DE10040383A1

DE10040383A1 - Magnetkissenmotor

Info

Publication number: DE10040383A1
Application number: DE10040383A
Authority: DE
Inventors: Hideki Kanebako; Yohji Okada
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2001-08-02
Also published as: JP2001078389A; KR20010030054A; KR100352022B1; US6320290B1

Abstract

Ein Rotor umfaßt einen Rotormagneten, welcher derart magnetisiert ist, daß dieser eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist. Ein Stator umfaßt, wobei dieser dem Rotor gegenübersteht, eine Rotorantriebsspulengruppe zum Erzeugen eines Drehmoments in dem Rotor und eine Lagerspulengruppe zum Erzeugen einer Lagerkraft mit einer Richtung, welche lotrecht zu der Drehachsenrichtung des Rotors verläuft. Die Anzahl der Magnetpole des Rotormagneten ist acht. Die Anzahl der Spulen der Lagerspulengruppe des Stators ist sechs. Ein Verschiebungssensor ist zum Erfassen einer Verschiebung des Rotors in einer Richtung, welche lotrecht zu der Drehachse des Rotors verläuft, vorgesehen. Der Rotor wird durch die Rotorantriebsspulengruppe gedreht. Ströme, welche in den Lagerspulen fließen, werden in Übereinstimmung mit einem Ausgangssignal des Verschiebungssensors gesteuert, um die Drehachse des Rotors bei einer vorbestimmten Position zu halten.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetkissenmo tor, bei welchem ein Rotor in einer berührungsfreien und dreh baren Weise magnetisch gelagert ist.

Ein Magnetlager wurde zum Lagern eines Drehelements in ei ner berührungsfreien Weise verwendet. Es wird ein Magnetkis senmotor des Radialtyps vorgeschlagen, welcher als Magnetlager und als Motor arbeitet. Der Magnetkissenmotor ist vorteilhaft im Hinblick darauf, daß dieser in der Lage ist, gleichzeitig die Rotordrehmomenterzeugung und die Positionssteuerung auszu führen, ist jedoch nachteilig im Hinblick darauf, daß die Sta torstruktur und die Steuerschaltung komplex sind.

Ein in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 6- 269144A offenbarter Magnetkissenmotor umfaßt einen Stator mit Magnetpolen, welche an der Innenfläche davon ausgebildet sind, wobei jeder der Magnetpole durch eine einpolige Spule gewic kelt ist, einen Rotor, welcher aus einem Permanentmagneten hergestellt ist, wobei der Rotor eine Anzahl von M Magnetpolen aufweist, welche der Innenwand des Stators mit einem Spalt da zwischen gegenüberstehen, und ein Steuerelement zum Einspeisen eines Stroms zum Erzeugen eines Drehmagnetfelds mit einer An zahl von (M ± 2) Polen längs der Innenfläche des Stators und ei nes Stroms zum Drehen des Rotors zu den Spulen des Stators, wobei eine magnetische Schwebekraft durch die magnetische Wechselwirkung zwischen dem Drehmagnetfeld mit einer Anzahl von (M ± 2) Polen längs der Innenfläche des Stators und dem Per manentmagneten des Rotors entwickelt wird. Der Strom zum Dre hen des Rotors wird dem Strom zum Entwickeln der magnetischen Schwebekraft überlagert, und der resultierende wird in den Stator eingespeist. Dies führt dazu, daß der Motor magnetisch schwebt und gedreht wird.

Der Magnetkissenmotor des Stands der Technik erfordert ei ne komplizierte Verteilung des magnetischen Flusses für den Stator. Daher ist dessen Struktur komplex, und es ist eine komplizierte Schwebekraftsteuerung erforderlich. Demgemäß gibt es eine Beschränkung beim Steigern der Motordrehzahl. Ferner ist dessen Stirnfläche mit dem Permanentmagneten bedeckt, so daß eine Schwebekraft schwach ist und die Wirksamkeit davon unbefriedigend ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Magnetkissenmotor zu schaffen, welcher von einfacher Struktur ist und durch eine einfache Steuerung frei von dem wechselseitigen Einfluß zwischen der Schwebekraftsteuerung und der Drehmomentsteuerung ist sowie eine verminderte Axiallänge und eine hohe Wirksamkeit aufweist.

Um die oben erwähnte Aufgabe zu lösen, wird erfindungsge mäß ein Magnetkissenmotor geschaffen, umfassend:
mindestens einen Rotor, welcher mit einem Rotormagneten versehen ist, welcher derart magnetisiert ist, daß dieser acht Magnetpole aufweist;
mindestens einen Stator, welcher dem Rotor gegenübersteht, während dieser den Rotor mit einer magnetischen Kraft lagert, wobei der Stator mit Rotorantriebsspulen, welche dem Rotorma gneten gegenüberstehen, um ein Drehmoment zum Drehen des Ro tors in dem Rotor erzeugen, und sechs Lagerspulen zum Erzeugen einer Lagerkraft in einer Richtung, welche lotrecht zu der Drehachse des Rotors ist, versehen ist; und
einen Verschiebungssensor zum Erfassen einer Verschiebung des Rotors bezüglich einer Ebene, welche lotrecht zu der Dreh achse des Rotors verläuft,
wobei Ströme, welche in den Lagerspulen fließen, in Über einstimmung mit einem Ausgangssignal des Verschiebungssensors gesteuert werden, um die Drehachse des Rotors bei einer vorbe stimmten Position zu halten.

Bei diesem Aufbau können, da die Anzahl der Magnetpole des Rotormagneten acht ist und die Anzahl der Spulen der Lagerspu lengruppe sechs ist, die Dreh- und die Lagerspulengruppe der art ausgebildet werden, daß diese den gleichen Aufbau aufwei sen, und an der gleichen Stelle angeordnet werden, wobei diese aufeinandergelegt werden. Daher wird die Bauweise des Stators vereinfacht. Die Wahrscheinlichkeit, daß die Steuerung der ma gnetischen Schwebekraft die Drehmomentsteuerung wechselseitig beeinflußt, kann vermindert werden.

Aufgrund der Tatsache, daß die Drehungs- und die Lagerspu lengruppe derart ausgebildet sein können, daß diese den glei chen Aufbau aufweisen, werden die Rotorantriebsspulengruppe und die Lagerspulengruppe in eine einzige gemeinsame Spulen gruppe aufgenommen, und ein Lagerkrafterzeugungsstrom und ein Drehmomenterzeugungsstrom werden, wobei diese miteinander überlagert werden, in die einzige gemeinsame Spule einge speist.

Der Stator und der Rotor können derart angeordnet werden, daß diese einen Motor des Planartyps bilden. Vorzugsweise sind zwei Statoren derart vorgesehen, daß zwei planare Rotormagne ten längs der Drehachse davon dazwischen angeordnet sind. Der derart aufgebaute Motor ist in der Lage, eine größere Schwebe kraft und ein größeres Drehmoment zu erzeugen und die räumliche Vier-Achsen-Steuerung außer der Positionssteuerung in der Drehachsenrichtung durchzuführen.

Alternativ können der Stator und der Rotor derart angeord net werden, daß diese einen Motor des zylindrischen Typs bil den. Vorzugsweise wird ein Paar zylindrischer Rotor-Stator- Gruppen längs einer gemeinsamen Drehachse der Rotoren angeord net. Der derart aufgebaute Motor ist ferner in der Lage, eine größere Schwebekraft und ein größeres Drehmoment zu erzeugen und die räumliche Vier-Achsen-Steuerung außer der Positions steuerung in der Drehachsenrichtung durchzuführen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Zur beigefügten Zeichnung:

Fig. 1 ist eine Draufsicht, welche einen Stator eines Ma gnetkissenmotors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 2A und 2B sind Draufsichten, welche jeweils eine Gruppe von Rotorantriebsspulen und eine Gruppe von Lagerspulen des Motors darstellen;

Fig. 3 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Prinzips zum Erzeugen eines Drehmoments bei dem Motor;

Fig. 4 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Prinzips der Erzeugung einer Schwebekraft bei dem Motor;

Fig. 5 ist ein Abwicklungsdiagramm zum Erläutern des Prin zips der Erzeugung eines Drehmoments bei dem Motor;

Fig. 6 ist ein Abwicklungsdiagramm zum Erläutern des Prin zips der Erzeugung einer Schwebekraft bei dem Motor;

Fig. 7 ist ein Blockschaltbild, welches ein Steuersystem, welches den Motor umfaßt, darstellt;

Fig. 8 ist ein Diagramm, welches eine Strom-Schwebekraft- Kennlinie des Magnetkissenmotors des Ausführungsbeispiels dar stellt;

Fig. 9 ist ein Diagramm, welches eine Kennlinie einer Drehzahl gegen eine Rotorverschiebung in der x-Richtung dar stellt;

Fig. 10 ist ein Diagramm, welches eine Kennlinie einer Drehzahl gegen eine Rotorverschiebung in der y-Richtung dar stellt;

Fig. 11 ist eine Vorderansicht, welche einen Magnetkissen motor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

Fig. 12 ist eine Vorderansicht, welche einen Magnetkissen motor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

Fig. 13 ist eine Längsschnittsansicht, welche einen Ma gnetkissenmotor gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

Fig. 14 ist eine Querschnittsansicht des in Fig. 13 darge stellten Motors;

Fig. 15 ist eine Vorderansicht, welche einen Magnetkissen motor gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt; und

Fig. 16 ist eine Vorderansicht, welche einen Magnetkissen motor gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Magnetkissenmotoren gemäß den bevorzugten Ausführungsbei spielen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 und 2 stellen einen Magnetkissenmotor gemäß ei nem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Fig. 1 ist eine Draufsicht, welche einen Stator 20 des Magnet kissenmotors darstellt. Fig. 2A ist eine Draufsicht, welche eine Gruppe von Rotorantriebsspulen 26, welche in dem oberen Abschnitt des Stators angeordnet sind, darstellt, und Fig. 2B ist eine Draufsicht, welche eine Gruppe von Lagerspulen 27, welche in dem unteren Abschnitt davon angeordnet sind, dar stellt. Die Rotorantriebsspulengruppe 26 weist den gleichen Aufbau auf wie die Lagerspulengruppe 27, wenn diese in Drauf sicht betrachtet wird. Wenn die Rotorantriebsspulengruppe 26 auf der Lagerspulengruppe 27 angeordnet wird, sehen diese Spu len wie Gruppen einer einzigen Spule aus.

Fig. 3 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Prinzips zum Erzeugen eines Drehmoments durch einen Wechselwirkungsvorgang zwischen der Rotorantriebsspulengruppe 26 und einem Rotorma gneten 12 in Verbindung mit Fig. 2A. Ströme, welche in Phase sind, werden in die zwei Spulen eingespeist, welche bei der Spulenanordnung der Rotorantriebsspulengruppe 26 gegenüberlie gend angeordnet sind, wie in Fig. 3 dargestellt. In den zwei Spulen 26 werden Lorentzkräfte erzeugt. Diese Kräfte sind ein ander in einer Umfangsrichtung eines Rotors entgegengesetzt. Dies führt dazu, daß ein Drehmoment erzeugt wird.

Fig. 4 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Prinzips der Erzeugung einer Schwebekraft (Lagerkraft) durch eine Wechsel wirkung zwischen der Lagerspulengruppe 27 und dem Rotormagne ten 12. Ströme werden in die zwei Spulen, welche bei der Spu lenanordnung der Lagerspulengruppe 27 gegenüberliegend ange ordnet sind, eingespeist, wie in Fig. 4 dargestellt, so daß die zwei Spulen gemeinsam eine Antriebskraft in einer Radial richtung erzeugen. Lorentzkräfte LF werden in der gleichen Richtung (Abwärtsrichtung in Fig. 4) erzeugt, so daß eine Schwebekraft BF in der Radialrichtung erzeugt wird.

In den Fig. 1 bis 4 umfaßt der Stator 20 die Rotoran triebsspulengruppe 26 zum Erzeugen eines Drehmoments und die Lagerspulengruppe 27 zum Erzeugen einer Lagerkraft in der Ra dialrichtung des Rotors 10. Die Rotorantriebsspulengruppe 26 besteht aus sechs Spulen, wobei jede von dreieckiger Gestalt ist. Das gleiche gilt für die Lagerspulengruppe 27. Diese Ro torantriebsspulengruppen sind in Spulenanordnung und Größe gleich und sind auf einer Scheibe als Statorkern angeordnet, wobei diese aufeinandergeschichtet sind. Der Rotor 10 umfaßt einen hinteren Rahmen 11, welcher wie eine Scheibe geformt ist, und einen Rotormagneten 12, welcher an der oberen Stirn fläche des hinteren Rahmens 11 befestigt ist. Der Rotormagnet 12 ist derart magnetisiert, daß dieser acht Pole aufweist, welche in der Umfangsrichtung angeordnet sind, wie in Fig. 3 dargestellt. Der Rotor 10 und der Stator 20, welche in Fig. 1 dargestellt sind, sind in einem Zustand angeordnet, bei wel chem deren Stirnflächen einander gegenüberstehen, und der Ro tor 10 ist durch ein Drucklagerelement gelagert, wodurch ein Motor des Flächentyps gebildet wird.

Fig. 5 und 6 stellen Positionsbeziehungen zwischen den zwei Spulengruppen 26 und 27 und den Magnetpolen des Rotorma gneten 12 für eine Umdrehung durch Abwickeln des in Fig. 1 und 2 dargestellten Magnetkissenmotors in der Radialrichtung dar.

Wie bereits festgestellt, sind die Drehungs- und die Lagerspu lengruppe 26 und 27 der Phasen U, V und W an dem Statorkern angeordnet. Der Rotormagnet 12 mit acht Magnetpolen ist an dem Rotor 10 angebracht. Ein magnetischer Fluß B_g, welcher sich si nusförmig ändert und mathematisch durch den folgenden Ausdruck (1) gegeben ist, wird in einem Luftspalt zwischen dem Rotor 10 und dem Stator 20 erzeugt.

B_g = -B sin(ωt + 4t) (1)

Es folgt eine Beschreibung eines Prinzips der Erzeugung eines Drehmoments bei dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel. Eine Spulenanordnung der Rotorantriebsspulengruppe 26 zum Er zeugen eines Drehmoments ist in Fig. 5 dargestellt. Wie in den Fig. 2A und 5 dargestellt, sind sechs zusammengefaßte Spu len der Phasen U, W, V an dem Stator angeordnet, wobei sich diese jeweils in einem Abstand von π/3 befinden. Die ausgehen den und zurücklaufenden Drähte jeder Phasenspule, das heißt, der Spulenabschnitte, welche radial verlaufen und sich mit dem Magneten überschneiden, befinden sich in einem Abstand von π/4, um ein maximales Drehmoment zu erzeugen. 3-Phasen-Ströme, wel che durch den folgenden Ausdruck (2) gegeben sind, werden in die Spulen dieser Phasen eingespeist.

Die Variablen in den obigen Gleichungen sind:
B: Amplitude der magnetischen Flußdichte des Magneten
ω: Winkelgeschwindigkeit
t: Zeit
θ: Drehkoordinaten, welche an dem Stator fest sind
A: Stromamplitude
ϕ: Phasendifferenz zwischen dem magnetischen Fluß und dem Rotor
I_m: gesamte wirksame Länge einer Lagerspule
r: Rotorradius

Der Motorstrom, welcher längs des Umfangs fließt, kann durch einen Ausdruck (3) unter Verwendung der dirac'schen Del tafunktion gegeben sein.

Ein Drehmoment, welches durch diesen Strom erzeugt wird, wird nach der Fingerregel entwickelt und ist durch einen Aus druck (4) gegeben. Das Drehmoment wurde unter der Annahme, daß der gleiche Strom in der verbleibenden halben Periode fließt, berechnet, und es ist zweimal so groß wie das für die halbe Periode.

Wie aus dem obigen Ausdruck zu ersehen, ist der Motor des Ausführungsbeispiels in der Lage, ein festes Drehmoment unab hängig von einer Position des Rotors und von der Zeit zu er zeugen.

Ferner kann der Motor die folgenden Motorsteuerungen durch die Verwendung der Phase ϕ des 3-Phasen-Stroms wie der gewöhn liche Synchronmotor durchführen.
ϕ = 0°: Servomotorsteuerung durch die Amplitude A
ϕ = 90%: Synchronmotor ohne Last
0° < ϕ < 90°: Synchronmotor mit Last

Bei dem Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Magnetpole des Rotormagneten 12 acht, doch die Anzahl der Spulen des Sta tors entspricht dem Fall der vier Magnetpole. Dennoch kann der Magnetkissenmotor des Ausführungsbeispiels die Steuerungen durchführen, wie dies bei dem PM-Synchronmotor der Fall ist. Die Länge des Spulenendes ist sehr kurz und erleidet einen ge ringeren ohm'schen Verlust. Eine Beziehung zwischen der elek trischen Winkelgeschwindigkeit ω und der mechanischen Frequenz ω_m ist wie in dem Fall des 8-Pol-Motors durch den folgenden Ausdruck (5) gegeben.

Als nächstes wird eine Schwebekraftsteuerung bei dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel beschrieben. Eine Spulenanord nung der Lagerspulengruppe 27 zum Erzeugen einer Schwebekraft in der Radialrichtung ist in Fig. 6 dargestellt. Die Lagerspu lengruppe 27 und die Rotorantriebsspulengruppe 26 sind an der gleichen Stelle angeordnet, wobei diese aufeinandergelegt sind, wodurch eine 3-Phasen-/2-Pol-Spulenanordnung gebildet wird. Ein in die Lagerspulengruppe 27 einzuspeisender Strom ist durch einen Ausdruck (6) gegeben.

Demgemäß ist eine Stromverteilung zum Erzeugen einer Schwebekraft in der Radialrichtung durch den folgenden Aus druck (7) gegeben.

Variablen in dem obigen Ausdruck sind wie folgt definiert:
B: Amplitude der magnetischen Flußdichte des Magneten
ω: Winkelgeschwindigkeit
t: Zeit
θ: Drehkoordinaten, welche an dem Stator fest sind
C: Amplitude des Radialrichtungs-Steuerungsstroms für den Rotor
Φ: Phasendifferenz des Schwebespulenstroms
l_b: gesamte wirksame Länge einer Lagerspule

In der Figur stellt "y" eine vertikale Aufwärtsrichtung bezüglich der Basis des Motors dar, und "x" stellt eine hori zontale Querrichtung dar.

Der Spaltfluß B_g ist durch den Ausdruck (1) gegeben, und eine in der vertikalen Aufwärtsrichtung wirkende vertikale Kraft F_y, welche durch den Strom zum Erzeugen der Schwebekraft verursacht wird, ist durch einen Ausdruck (8) gegeben.

Eine horizontale Kraft F_x, welche in der Querrichtung wirkt, ist durch einen Ausdruck (9) gegeben.

Wie aus der vorangehenden Beschreibung zu ersehen, kann die Schwebekraft unabhängig von einem Drehwinkel des Rotors gesteuert werden. Ferner stört dies die Drehmomentsteuerung nicht, und es ist möglich, eine Steuerkraft in jeder Richtung an dem Umfang zu erzeugen.

Bei dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel sind die Rotor antriebsspulengruppe und die Lagerspulengruppe getrennt vorge sehen. Wie bereits erwähnt, sind bei dem Ausführungsbeispiel die Rotorantriebsspulengruppe und die Lagerspulengruppe in Aufbau und Größe gleich sowie an der gleichen Stelle angeord net, wobei diese aufeinandergelegt sind. Daher können diese getrennten Spulengruppen, das heißt, die Rotorantriebsspulen gruppe und die Lagerspulengruppe, in eine einzige gemeinsame Spulengruppe aufgenommen werden. Oder es kann die normale Ro torantriebsspulengruppe verwendet werden. In diesem Fall wird der Lagerkrafterzeugungsstrom dem Drehmomenterzeugungsstrom überlagert, und der zusammengesetzte Strom wird in die zuletzt erwähnte einzige Spule eingespeist. Die Alternative ist in der Lage, das Drehmoment und die Schwebekraft zu erzeugen. Daher ist der Magnetkissenmotor durch das Aufnehmen der Spulengrup pen im Aufbau vereinfacht.

Bei dem oben beschriebenen Magnetkissenmotor können dessen Dreh- und Schwebekraft durch Verwendung eines Steuersystems, wie in Fig. 7 dargestellt, gesteuert werden. In der Figur um faßt der Magnetkissenmotor Verschiebungssensoren 31 und 32 zum Erfassen einer Verschiebung der Stirnfläche des Rotors 10, welche lotrecht zu der Drehachsenrichtung des Rotors ist, zu sätzlich zu den Sensoren für gewöhnliche Rotorsteuerungen. Der Verschiebungssensor 31 erfaßt eine Verschiebung des Rotors in der x-Richtung, und der Verschiebungssensor 32 erfaßt eine Verschiebung des Rotors in der y-Richtung, welche rechtwinklig zu der x-Richtung ist. Signale, welche von den Verschiebungs sensoren 31 und 32 ausgegeben werden, werden in einen Ver schiebungswandler 34 eingegeben; dessen Ausgangssignale werden in einen Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) 36 eingegeben, wo diese Signale digitalisiert werden; und die resultierenden Digitalsignale werden in eine (als CPU bezeichnete) Steuerein heit 40 eingegeben. Bei einem Empfang des Sensorsignals von den Verschiebungssensoren 31 und 32 gibt die CPU 40 ein Steu ersignal zum Steuern eines Stroms, welcher in die Lagerspulen gruppe 27 eingespeist wird, durch einen Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) 38 aus. Das Steuersignal wird einem Leistungs verstärker 42 zugeführt, und daraufhin gibt der Leistungsver stärker 42 Ströme, welche von dem Steuersignal abhängen, zu der Lagerspulengruppe 27 aus. Der Strom, welcher an die Lager spulengruppe 27 angelegt wird, wird derart gesteuert, daß die Drehwelle des Rotors 10 bei einer vorbestimmten Winkelposition gehalten wird.

Ein herkömmliches Steuerverfahren kann für die Drehungs steuerung, welche bei der Rotorantriebsspulengruppe 26 ange wandt wird, verwendet werden. Bei dem Verfahren sind Polposi tionssensoren und ähnliches vorgesehen, wie bei der normalen Motorsteuerung, wodurch die Motordrehungssteuerung durchge führt wird.

Um die Schwebe-/Drehungskennlinie des Magnetkissenmotors der Erfindung zu überprüfen, wurden die Schwebekraft und das Drehmoment gemessen. Das Ergebnis des Messens der Schwebekraft gegen den Strom ist in Fig. 8 dargestellt. Die Schwebekraft messung wurde bei den folgenden Bedingungen durchgeführt. Ein Motorstrom, welcher den Motor nicht dreht, wurde in die Sta torspulen eingespeist, und die Motordrehzahl wurde bei 0 U/min eingestellt. In diesem Zustand war der Rotorwinkel fest und der Schwebestrom wurde von 1 A auf 5 A in Schritten von 1 A er höht. Wie aus Fig. 8 zu ersehen, ändert sich die Schwebekraft im wesentlichen linear bezüglich des Stroms. Ferner zeigte sich, daß die Schwebekraft frei von dem Einfluß des Drehwin kels des Rotors erzeugt wird. Anders ausgedrückt zeigte sich, daß die Schwebekraft unabhängig von dem Drehwinkel des Rotors erzeugt wird, wobei diese eine lineare Änderung aufweist.

Fig. 9 und 10 stellen die Ergebnisse eines Messens von Verschiebungen des Rotors in der Radialrichtung bei der Schwe besteuerung graphisch dar. Fig. 9 stellt eine X-Richtungs- Reaktionskennlinie bezüglich der Drehzahl dar, und Fig. 10 stellt eine Y-Richtungs-Reaktionskennlinie bezüglich derselben dar. Diese Diagramme zeigen, daß die x- und die y- Richtungssteuerung wirksam ausgeführt werden können, selbst wenn sich die Drehzahl ändert.

Bei dem Magnetkissenmotor des oben erwähnten Ausführungs beispiels weist ein Stator an seiner Stirnfläche zu einem Ro tor. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf den oben erwähnten Aufbau beschränkt. Beispielsweise ist ein Magnetkissenmo tor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in Fig. 11 darge stellt. Die Statoren und die Rotoren sind derart angeordnet, daß diese an deren Stirnflächen zueinander weisen. Insbesonde re sind zwei planare Rotormagneten 121 und 122 auf beiden Sei ten eines hinteren Rahmens 11 angeordnet, wobei dies einen Ro tor 10 bildet, in Richtung der Drehachse des Rahmens betrach tet. Statoren 201 und 202 sind in einem Zustand angeordnet, bei welchem das Paar der planaren Rotormagneten 121 und 122 zwischen diesen Statoren angeordnet ist. Ferner sind eine La gerspulengruppe 261 und eine Drehungsspulengruppe 262 an dem Stator 201 angebracht, und eine Lagerspulengruppe 263 und eine Drehungsspulengruppe 264 sind an dem Stator 202 angebracht. Der derart aufgebaute Magnetkissenmotor ist äquivalent zu der Verbindung von zwei Motoren. Bei dieser Struktur kann das Drehmoment des Motors durch Verwenden des Gegentaktverfahrens erhöht werden. Die 4 Freiheitsgrade in der Radialrichtung kön nen aktiv durch eine Radialrichtungssteuerung gesteuert wer den, welche bei zwei getrennten Positionen durchgeführt wird.

Ein Magnetkissenmotor gemäß einem dritten Ausführungsbei spiel ist in Fig. 12 dargestellt. Bei dem dargestellten Motor sind die planaren Rotormagneten 121 und 122, welche auf beiden Seiten dessen, was den Rotor in Fig. 11 bildet, angeordnet sind, derart angeordnet, daß diese magnetische Polaritäten aufweisen, welche einander entgegengesetzt sind. Der hintere Rahmen 11 des Rotors 10 ist bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 11 weggelassen. Die zwei planaren Rotormagneten 121 und 122 sind aufeinandergelegt. Der derart aufgebaute Magnetkis senmotor erzeugt nützliche Wirkungen, welche mit denen des zweiten Ausführungsbeispiels vergleichbar sind. Ferner wird kein hinterer Rahmen benötigt, so daß das Gewicht des Rotors vorteilhaft vermindert wird.

Die Magnetkissenmotoren des zweiten und dritten Ausfüh rungsbeispiels können verschiedene Typen von Steuerungen durch Steuern der Ströme, welche in die Rotorantriebsspulengruppe und die Lagerspulengruppe eingespeist werden, durchführen. Beispiele der Steuerungen sind Verschiebungssteuerungen des Rotors in der x- und der y-Richtung, eine Vier-Achsen- Steuerung von Steuerneigungen der x- und der y-Ebene des Ro tors und eine Drehmomentsteuerung.

Der Rotor kann eine Schublast durch Verwendung eines ge eigneten Drucklagerelements tragen. Ein Beispiel davon ist in Fig. 12 dargestellt. Bei dem Beispiel steht eine Welle von der Mitte der Oberseite und der Unterseite des Rotors 10 hervor. Die Welle des Rotors ist an der Oberseite und der Unterseite davon durch Drehzapfen 44 und 46 drehbar gelagert. Alternativ ist der Rotor 10 in einer berührungsfreien Weise durch das Ma gnet-Drucklagerelement gelagert.

Fig. 13 und 14 stellen einen Magnetkissenmotor gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Bei dem Ausführungsbeispiel wird das Prinzip der Drehmo ment- und Schwebekrafterzeugungssteuerung der Erfindung auf den Rotormagneten und die Statorspule angewandt, welche als Zylindertyp (Umfangstyp) aufgebaut sind.

Ein Unterschied dieses Zylindertyp-Rotormagneten zu dem Rotormagneten des Flächentyps besteht darin, daß der erstere lediglich einen zylinderartigen Aufbau annimmt. Die Magnetpole des Rotormagneten 12 und die Statorspulen des Zylindertyp- Rotormagneten sind derart angeordnet, daß die Positionsbezie hungen dazwischen im wesentlichen die gleichen wie die des Ro tormagneten des Flächentyps sind. Sechs Statorspulen 26 und 27 sind am Umfang bei räumlichen Abständen von π/3 in Verbindung mit dem Rotormagneten 12 mit acht Magnetpolen angeordnet. Die ausgehenden und zurücklaufenden Drähte jeder Phasenspule, das heißt, der Spulenabschnitte, welche axial verlaufen und sich mit dem Magneten überschneiden, befinden sich in einem Abstand von π/4, um ein maximales Drehmoment zu erzeugen.

Derart können durch Anordnen der magnetischen Pole des Ro tormagneten und der Statorspulen wie bei dem Rotormagneten des Flächentyps das Drehmoment und die Schwebekraft unabhängig ge steuert werden. In den Fig. 13 und 14 bezeichnet eine Be zugsziffer 52 eine Unterstützungsplatte. Ein Hilfszylinder 53 wird mit der Unterstützungsplatte 52 gehalten. Ein Stator 20 ist fest an der Innenseite des Hilfszylinders 53 befestigt. Ein Mittelloch ist in der Unterstützungsplatte 52 ausgebildet. Eine Drehwelle 50 des Rotors 10 steht durch das Mittelloch der Unterstützungsplatte nach außen hervor. Ein Erfassungselement 51 zum Erfassen der Drehzentrumsposition des Rotors 10 ist an der Drehwelle 50 befestigt. Der Rotor 10, die Drehwelle 50 und das Erfassungselement 51 können sich, wobei diese kein anderes Element bzw. keine anderen Elemente berühren, in einer Weise drehen, daß die Position des Erfassungselements 51 durch Ver wendung der zwei Verschiebungssensoren 31 und 32 zum Erfassen einer Verschiebung des Rotors wie bei dem bereits dargelegten Ausführungsbeispiel erfaßt wird.

Ein Magnetkissenmotor gemäß einem fünften Ausführungsbei spiel der Erfindung ist in Fig. 15 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt der Stator 20 bei der Bauweise des vierten Ausführungsbeispiels ferner hervorstehende Pole 55 und 56, um den von den Statorspulen entwickelten magnetischen Fluß wirksam zu verwenden. Die hervorstehenden Pole 55 sind als Hauptpole vorgesehen. Die Spulen 26 und 27 sind zusammen oder getrennt um die Hauptpole gewickelt. Die hervorstehenden Pole 56 sind als Hilfspole vorgesehen und einzeln zwischen den an grenzenden Hauptpolen angeordnet. Die Haupt- und die Hilfspole 55 und 56 sind am Umfang bei den Spulenabständen, welche in Verbindung mit den Fig. 5 und 6 erwähnt wurden, angeordnet; die Breite jedes Hauptpols 55 beträgt etwa π/4, und die Breite jedes Hilfspols 56 beträgt etwa π/12. Daher kann ein Spalt zwi schen dem Rotor und dem Stator derart verkleinert werden, daß dieser klein ist, wobei die in den Fig. 5 und 6 dargestell te magnetische Beziehung erhalten wird. Demgemäß wird eine stärkere Drehkraft gewährleistet.

Fig. 16 stellt einen Magnetkissenmotor gemäß einem sech sten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Dieses Ausfüh rungsbeispiel entspricht der Verbindung zweier Zylindertyp- Motoren, welche in der Axialrichtung angeordnet sind. Dieses Ausführungsbeispiel ist in der Lage, eine Verschiebungssteue rung in der x-Richtung, welche lotrecht zu der Drehwelle des Rotors 10 verläuft, eine Verschiebungssteuerung in der y- Richtung, welche lotrecht zu der Drehwelle des Rotors 10 und rechtwinklig zu der x-Richtung verläuft, eine Vier-Achsen- Steuerung für die Neigung der x- und der y-Ebene und eine Drehmomentsteuerung durchzuführen. Der Rotor 10 kann eine Schublast durch Verwendung eines geeigneten Drucklagerelements tragen. Beispielsweise kann dieses durch Verwendung von Dreh zapfen drehbar gelagert sein. Alternativ wird der Rotor 10 in einer berührungsfreien Weise durch Verwendung des Magnet- Drucklagerelements drehbar gelagert.

Obgleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben wurde, sind verschiedene Änderungen und Abwandlun gen bei Fachkenntnis aus den vorliegenden Darlegungen ersicht lich. Derartige Änderungen und Abwandlungen, welche offen sichtlich sind, werden als innerhalb des Wesens, Umfangs und der Idee der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen de finiert, betrachtet.

Claims

1. Magnetkissenmotor, umfassend:
mindestens einen Rotor, welcher mit einem Rotormagneten versehen ist, welcher derart magnetisiert ist, daß dieser acht Magnetpole aufweist;
mindestens einen Stator, welcher dem Rotor gegenübersteht, während der Rotor mit einer magnetischen Kraft gelagert wird, wobei der Stator mit Rotorantriebsspulen, welche dem Rotorma gneten gegenüberstehen, um ein Drehmoment in dem Rotor zum Drehen des Rotors zu erzeugen, und sechs Lagerspulen zum Er zeugen einer Lagerkraft in einer Richtung, welche lotrecht zu der Drehachse des Rotors verläuft, versehen ist; und
einen Verschiebungssensor zum Erfassen einer Verschiebung des Rotors bezüglich einer Ebene, welche lotrecht zu der Dreh achse des Rotors verläuft,
wobei Ströme, welche in den Lagerspulen fließen, in Über einstimmung mit einem Ausgangssignal des Verschiebungssensors gesteuert werden, um die Drehachse des Rotors bei einer vorbe stimmten Position zu halten.

2. Motor nach Anspruch 1, wobei der Stator und der Rotor der art angeordnet sind, daß ein Motor des Planartyps gebildet wird.

3. Motor nach Anspruch 1, wobei der Stator und der Rotor der art angeordnet sind, daß ein Motor des zylindrischen Typs ge bildet wird.

4. Motor nach Anspruch 1, wobei sechs Rotorantriebsspulen, welche jeweils eine Gestalt aufweisen, welche mit der der La gerspulen identisch ist, bei den gleichen Stellen, bei welchen die sechs Lagerspulen angeordnet sind, angeordnet sind.

5. Motor nach Anspruch 4, wobei die Rotorantriebsspulen und die Lagerspulen kreisförmig mit einem Raumabstand von π/3 an dem Stator angeordnet sind, wobei diese jeweils einen Bereich des Kreises von π/4 einnehmen.

6. Motor nach Anspruch 4, wobei die Rotorantriebsspulen und die Lagerspulen durch einen gemeinsamen Draht ausgebildet sind, in welchem ein Strom zum Erzeugen des Drehmoments und ein Strom zum Erzeugen der Lagerkraft in einer überlagerten Weise fließen.

7. Motor nach Anspruch 2, wobei zwei Statoren derart vorgese hen sind, daß zwei planare Rotormagneten längs der Drehachse davon dazwischen angeordnet sind.

8. Motor nach Anspruch 7, wobei sechs Rotorantriebsspulen, welche jeweils eine Gestalt aufweisen, welche mit der der La gerspulen identisch ist, bei den gleichen Stellen, bei welchen die sechs Lagerspulen angeordnet sind, angeordnet sind.

9. Motor nach Anspruch 3, wobei ein Paar zylindrischer Rotor- Stator-Gruppen längs einer gemeinsamen Drehachse der Rotoren angeordnet ist.

10. Motor nach Anspruch 3, wobei der Stator derart mit hervor stehenden Polen versehen ist, daß diese sich zwischen den je weiligen angrenzenden Rotorantriebsspulen und Lagerspulen be finden.

11. Magnetkissenmotor, umfassend:
mindestens einen Rotor, welcher mit einem Rotormagneten versehen ist, welcher derart magnetisiert ist, daß dieser acht Magnetpole aufweist;
mindestens einen Stator, welcher dem Rotor gegenübersteht, während der Rotor mit einer magnetischen Kraft gelagert wird,
wobei der Stator mit sechs Rotorantriebsspulen, welche dem Ro tormagneten gegenüberstehen, um ein Drehmoment in dem Rotor zum Drehen des Rotors zu erzeugen, und sechs Lagerspulen zum Erzeugen einer Lagerkraft in einer Richtung, welche lotrecht zu der Drehachse des Rotors verläuft, versehen ist; und
einen Verschiebungssensor zum Erfassen einer Verschiebung des Rotors bezüglich einer Ebene, welche lotrecht zu der Dreh achse des Rotors verläuft,
wobei Ströme zum Erzeugen einer Lagerkraft, welche in ei ner Richtung, welche parallel zu der Ebene verläuft, in den Rotorantriebsspulen in einer überlagerten Weise fließen, in Übereinstimmung mit einem Ausgangssignal des Verschiebungssen sors gesteuert werden, um den Rotor bei einer vorbestimmten Position in der Ebene zu halten.

12. Motor nach Anspruch 11, wobei die sechs Rotorantriebsspu len kreisförmig an dem Stator mit einem festen Abstand ange ordnet sind; und wobei Ströme zum Erzeugen der Lagerkraft, welche in der Radialrichtung des Kreises wirkt, an mindestens ein Paar der Drehungsspulen, welche sich an einem Durchmesser des Kreises befinden, angelegt werden, um die Verschiebung des Rotors in der Radialrichtung zu steuern.

13. Motor nach Anspruch 12, wobei Ströme, welche die gleiche Phase aufweisen, an mindestens ein Paar der Drehungsspulen, welche sich an dem Durchmesser des Kreises befinden, angelegt werden, um ein Drehmoment in dem Rotor zu erzeugen.

14. Motor nach Anspruch 13, wobei der Stator und der Rotor derart angeordnet sind, daß ein Motor des Planartyps gebildet wird; und wobei zwei Statoren derart vorgesehen sind, daß zwei plan are Rotormagneten längs der Drehachse davon dazwischen ange ordnet sind.

15. Motor nach Anspruch 13, wobei der Stator und der Rotor derart angeordnet sind, daß ein Motor des zylindrischen Typs gebildet wird; und wobei ein Paar zylindrischer Rotor-Stator-Gruppen längs einer gemeinsamen Drehachse der Rotoren angeordnet ist.