JP2000184655A

JP2000184655A - 磁気浮上電動機

Info

Publication number: JP2000184655A
Application number: JP10355124A
Authority: JP
Inventors: Yoji Okada; 養二岡田; Hideki Kanebako; 秀樹金箱
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 1998-12-14
Filing date: 1998-12-14
Publication date: 2000-06-30
Anticipated expiration: 2018-12-14
Also published as: JP3668626B2

Abstract

(57)【要約】【課題】軸長が短くでき、かつ、安定した磁気浮上を
得られると共に、制御系を簡単にできるようにする。【解決手段】磁気浮上電動機は、磁性体で構成し一方
端側の周面に永久磁石７が固着されたロータ２ａ，２ｂ
と、ステータ３ａ，３ｂ側に設けられ、上記ロータ２
ａ，２ｂの内部から放射状に広がるバイアス磁束を分布
させる直流磁場発生手段４と、ステータ３ａ，３ｂを浮
上制御するための２極の浮上制御磁束を発生する第１の
ステータ捲線５ａ，５ｂと、ステータ３ａに対して回転
磁界を設定させる第２のステータ捲線６とを備えてい
る。この電動機１は、直流磁場発生手段４からの直流磁
場と浮上制御用の第１のステータ捲線５ａ，５ｂに浮上
制御用電流を流しロータ２ａ，２ｂを浮上制御させ、第
１のステータ捲線５ａに隣接して設けた第２のステータ
捲線６に通電しロータ２ａに回転力を付与している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は磁気浮上電動機に関
する。さらに詳しくは、本発明は、直流磁場と浮上制御
用ステータ捲線とによりロータを浮上制御させるととも
に、当該浮上制御用ステータ捲線とは別にロータに対し
て回転磁界を設定するステータ捲線を設けてロータを回
転させるようにした磁気浮上電動機に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、接触型の軸受けに代わる磁気軸受
が開発されている。この磁気軸受は、非接触でロータ
（軸）を支持するため、摩擦係数がほぼゼロになって高
速回転が可能になる。また、このような磁気軸受は、潤
滑油を必要としないため、高温、低温あるいは真空中等
のような特殊環境下での使用が可能になり、しかもメン
テナンスを要しないという利点がある。そこで、この磁
気軸受を電動機のロータの支持に用いることが考えられ
ている。

【０００３】例えば、従来のモータの軸受けに代わって
磁気軸受を採用し、磁気軸受、回転力発生機構（電動機
部分）、磁気軸受という順序で水平方向に配置すること
が提案されている。しかしながら、この場合、軸長が増
加し、危険速度が低下するという問題が伴う。

【０００４】そこで、磁気軸受のステータが交流電動機
のステータとほぼ同一構造であることに注目し、これら
を一体化した磁気浮上電動機が提案されている。この結
果、装置全体が小型化し、軸長も短くすることができ
る。

【０００５】このように磁気浮上と回転を同時に実現し
た磁気浮上電動機については、例えば特開平６−２６９
１４４号公報に記載されたものがある（第１の従来技
術）。この第１の従来技術は、各磁極に捲線を配置した
ステータと、永久磁石によってＭ個の磁極数を形成した
ロータとを備え、制御手段によりロータの永久磁極数Ｍ
±２極の回転磁界を発生させる電流と前記ロータを回転
させる電流とを前記捲線に流すことにより、磁気浮上と
回転力とを得るようにした磁気浮上電動機である。この
第１の従来技術によって、装置全体が小型化し、軸長も
短くできて危険速度を低下させることができた。

【０００６】また、上記第１の従来技術とは原理が異な
るが、突極を備える２個のロータと、これらロータを囲
繞するように配置され前記ロータにトルクを発生させる
捲線を備えたステータと、前記ステータの外側に配置さ
れ前記ロータの突極を励磁する直流磁場発生手段と、前
記ロータに半径方向力を発生する制御用コイルと、この
制御用コイルに通電する制御手段とを備えたホモポーラ
型リラクタンスモータが提案されている（特開平１０−
１３６６２２号公報（第２の従来技術））。この第２の
従来技術では、磁気浮上電動機を得ることができ、軸長
を短くして、危険速度を低下させたものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記第
１の従来技術によれば、負荷トルク及びモータ電流によ
って浮上制御が影響を受ける欠点がある。また、第１の
従来技術によれば、浮上制御を回転磁界によって行うた
め、座標変換が必要となり、制御系が複雑になるという
欠点もある。さらに、この第１の従来技術によれば、磁
気回路を線形として考えているので、磁気飽和が浮上力
に影響を及ぼすという欠点がある。

【０００８】また、第２の従来技術では、ロータが突極
型で最低８極を必要とする欠点があった。

【０００９】本発明は、軸長が短くでき、かつ、安定し
た磁気浮上を得られると共に、制御系を簡単にすること
ができる磁気浮上電動機を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、請求項１記載の発明にかかる磁気浮上電動機は、磁
性体からなり少なくとも一方端側の周面に永久磁石が固
着されたロータと、ステータ側に設けられ、上記ロータ
の内部から放射状に広がる磁束を発生する直流磁場発生
手段と、上記ロータを浮上制御するための２極の浮上制
御磁束を発生する第１のステータ巻線と、上記ロータに
対して回転磁界を発生させる第２のステータ巻線とを備
えるようにしている。

【００１１】したがって、直流磁場と浮上制御用の第１
のステータ捲線に浮上制御用電流を流すことによりロー
タを浮上制御させ、かつ、第２のステータ捲線に通電す
ることによりロータに回転力を付与させる。即ち、ロー
タの永久磁石が固着された部分との間でモータを構成す
るステータは、ロータの極数に応じた回転磁界と２極の
浮上磁界を作り出せる。モータ側および磁気軸受側のロ
ータにはバイアス永久磁石により放射状の磁束が与えら
れるために、この磁束によって直流での浮上制御が可能
となる。ステータ側に配置された直流磁場によりロータ
とステータの間隙に放射状に広がる一定の磁束を形成し
ておき、ステータの位置制御捲線により制御磁束を発生
させて前記一定の磁束と合成することにより、このロー
タに上向きの浮上力を発生させてロータを浮上させてい
る。即ち、ロータに働く力は、制御磁束と直流磁場によ
るバイアス磁束との相互作用によって生じさせている。
そこで、浮上回転制御はステータからの回転磁界と浮上
磁界、そして、このバイアス磁束をエアギャップに重畳
させることにより行う。

【００１２】また、請求項２記載の発明は、請求項１磁
気浮上電動機において、直流磁場発生手段が、永久磁石
からなるようにしている。この場合、永久磁石でバイア
スのための直流磁場を発生させているので、その磁束発
生のための電力が不要になる。

【００１３】また、請求項３記載の発明は、請求項１の
磁気浮上電動機において、ロータの磁極数が６極以上で
あるようにしている。この場合、第１のステータ捲線と
第２のステータ捲線とを同一のステータに設け、磁気浮
上と回転力発生とを個別に行わせることができるように
しているので、ロータ及びステータの数を少なくするこ
とができる。

【００１４】また、請求項４記載の発明は、請求項１の
磁気浮上電動機において、ロータ周面に永久磁石を貼着
するようにしている。この場合、ロータの周面に永久磁
石を貼着するだけの簡単な構造であるので、簡単に製造
することが可能になる。

【００１５】更に、請求項５記載の発明は、請求項１の
磁気浮上電動機において、ロータの周面に永久磁石を埋
設するようにしている。この場合、ロータの周面に永久
磁石を埋設してなるので、堅固な構造となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
一実施の形態に基づいて詳細に説明する。

【００１７】図１〜図２に本発明の実施の一形態に係る
磁気浮上電動機の原理的構造を示す。この磁気浮上電動
機１は、ロータ２ａ，２ｂと、ステータ３ａ，３ｂと、
直流磁場発生手段４と、第１のステータ捲線５ａ，５ｂ
と、第２のステータ捲線６と、ロータ２ａに設ける永久
磁石７，…，７とを具備し、永久磁石７，…，７を備え
たロータ２ａとステータ３ａとの間でモータが構成され
ている。また、ロータ２ａ，２ｂとステータ３ａ，３ｂ
とのそれぞれの間では磁気軸受が構成される。

【００１８】ロータ２ａ，２ｂは磁性体から構成されて
おり、磁性体からなる回転軸８に所定の間隔を隔てて設
けられている。これらロータ２ａ，２ｂのうちのロータ
２ａの周面には、永久磁石７，…，７が極性をＮ，Ｓ，
Ｎ，…，Ｓというように反転して設けられている。これ
ら永久磁石７，…，７は、ロータ２ａの周面に貼着され
ている。ここで、永久磁石７は、Ｎ極が表側に露出する
永久磁石とＳ極が露出する永久磁石とが交互に配置され
ており、尚かついずれか一方の周方向の両側縁が図６に
示すように台形状を成すように周方向に突出した形状と
され、他方の磁石が単純な長方形とされ、ロータ表面の
ロータの磁束密度分布が正弦波状に近づくように設けら
れることが好ましい。尚、ロータ２ａ，２ｂはケイ素鋼
板を重ねて製作することが渦電流の発生を防ぐ上で好ま
しい。

【００１９】これらロータ２ａ，２ｂの外側には、ステ
ータ３ａ，３ｂがロータ２ａ，２ｂの周面をそれぞれ囲
繞するように配置されている。ステータ３ａ，３ｂに
は、ロータ２ａ，２ｂを浮上制御するための２極の浮上
制御磁束φ_Fを発生する第１のステータ捲線５ａ，５ｂ
がそれぞれ捲回されている。また、ステータ３ａには、
第１のステータ捲線５ａに隣接させてロータ２ａに対し
て回転磁界φ_Kを設定させる第２のステータ捲線６が設
けられている。

【００２０】また、ステータ３ａ，３ｂの間には直流磁
場発生手段４が設けられており、この直流磁場発生手段
４によってロータ２ａ，２ｂからステータ３ａ，３ｂに
向けて放射状に分布する磁束φ_Dを発生させている。こ
の直流磁場発生手段４は、具体的には永久磁石Ｐであっ
て、ステータ３ａ，３ｂの間の中央に配置され、この永
久磁石Ｐによってロータ２ａ，２ｂとステータ３ａ，３
ｂとの間隙にバイアスのための直流磁場を発生させてい
る。ここで、バスアス磁束を発生させる直流磁場発生手
段４としての永久磁石Ｐの数は、特に限定されるもので
はないが、多いほど即ちエアギャップ内のバイアス磁束
が大きいほど浮上電流をより少なくできることから、可
能な限り多くすることが好ましい。尚、ステータ３ａ，
３ｂもロータ２ａ，２ｂと同様に、ケイ素鋼板の積層材
で構成することが好ましい。

【００２１】また、ロータ２ａの磁極数とステータ３ａ
のスロット数は特に限定されるものではないがＰＭモー
タを構成できる数であれば足りるが、磁極数が６極以
上、スロット数が９個以上であることが好ましく、本実
施形態では磁極数６極、スロット数１２で構成されてい
る。

【００２２】尚、上記のＰＭモータにおいて、ステータ
はスロットレス構造であってもよい。

【００２３】このような磁気浮上電動機の作用について
図１及び図２を基に図３及び４を参照して説明する。

【００２４】ここで、図３に、ロータにおける座標系を
示す。図３において、ステータ３ａ，３ｂの回転中心を
０とし横軸にｘ軸をとり、これに直角な縦軸にｙ軸をと
る。また、ステータ３ａ，３ｂの上に固定した回転座標
をθとし、ロータ２ａ，２ｂの角速度をωとし、時間を
ｔとおくと、各ステータ３ａ，３ｂはｙ軸から角度θと
して配置されており、また、ｙ軸を時間ｔ＝０としてｔ
秒後のロータ２ａ，２ｂの位置はωｔ／Ｍで求めること
ができる。

【００２５】図４に、ステータ及びロータにおける磁束
と時間との関係を示す。ここで、図４（ａ）はロータの
永久磁石と直流磁場発生手段からのバイアス磁束による
磁束密度Ｂｒを時間との関係で示し、図４（ｂ）は第２
のステータ捲線によってステータとロータとの間隙に発
生する磁束密度Ｂsmを時間との関係で示し、かつ、図４
（ｃ）は第１のステータ捲線による磁束密度Ｂsbを時間
との関係で示したものである。

【００２６】この磁気浮上電動機１では、第１のステー
タ捲線５ａ，５ｂから図４（ｃ）に示す磁界が発生する
ように第１のステータ捲線５ａ，５ｂに電流を流し、ま
た、第２のステータ捲線６から図４（ｂ）に示すような
磁界が発生するように第２のステータ捲線６に電流を流
すことにより、この磁気浮上電動機１は磁気浮上すると
ともに、電動機として回転を発生する。

【００２７】このように第１のステータ捲線５ａ，５ｂ
から磁束密度Ｂsbが発生するように電流を流し、第２の
ステータ捲線６から磁束密度Ｂｒが発生するように電流
を流すことにより、磁気浮上と回転力とが独立して発生
することについて、理論解析をするために、次の(i) 〜
(vi)のような仮定をする。

【００２８】(i) ステータ３ａ，３ｂは電流が連続的に
分布するものとする。

【００２９】(ii)定常回転、定常スラスト負荷（重力
等）状態とする。

【００３０】(iii) ロータ２ａは、永久磁石によって矩
形波状の磁束密度を作り、これによる偏心力はない。

【００３１】(iv)ロータ２ａ，２ｂはステータ３ａ，３
ｂの中心にあり、偏心していない。

【００３２】(v)バイアス磁束は一定で放射状に分布し
ている。

【００３３】(vi) 第２のステータ捲線６に流す回転磁
界用の電流による電機子反作用はない。

【００３４】このような仮定の上において、ロータ２ａ
の永久磁石７と直流磁場発生手段４のバイアス磁束によ
る磁束密度Ｂｒは、次の数式１のようになる。

【００３５】

【数１】

【００３６】ここで、Ｂ₀：バイアス磁石によるギャップ磁束密度Ｂ₁：ロータの永久磁石による磁束密度の波高値Ｂ₂：電動機巻線による磁束密度の波高値Ｂ₃：位置制御巻線による磁束密度の波高値 θ ：ステータ上に固定した回転座標 ψ ：電動機巻線による磁束とロータの位相差 φ ：位置制御巻線による磁束の位相角 ω ：ロータの角速度ｔ：時間Ｍ：極対数（＝１，２，３，…）ｉ：自然数計算を簡単にするため、正弦波に近似させると、次の数
式２に示すように表すことができる。

【００３７】

【数２】

【００３８】第２のステータ捲線６によってロータ２ａ
とステータ３ａとの間に発生する磁束密度Ｂsmは、

【００３９】

【数３】

【００４０】のように表すことができる。

【００４１】また、第１のステータ捲線５ａ，５ｂによ
って発生する磁束密度Ｂsbは、

【００４２】

【数４】

【００４３】のようになる。

【００４４】したがって、ロータ２ａ，２ｂとステータ
３ａ，３ｂとの間のエアギャップに作られる磁束密度Ｂ
ｇは、

【００４５】

【数５】

【００４６】となる。

【００４７】次に、ロータ２ａ，２ｂの半径をｒとし、
ロータ２ａ，２ｂとステータ３ａ，３ｂとのエアギャッ
プをｇとし、ロータ２ａ，２ｂの軸方向に長さをｌ、微
小角度をｄθとすると、エアギャップの微小体積ΔＶ
は、

【００４８】

【数６】

【００４９】となり、この微小体積ΔＶに蓄えられる磁
気エネルギーΔＷは、

【００５０】

【数７】

【００５１】となる。

【００５２】これにより、半径方向に沿った放射状の力
ｄＦは微小ギャップ体積中に蓄えられる磁気エネルギの
仮想変位により次の数式８のように計算される。

【００５３】

【数８】

【００５４】ここで、ｘ軸及びｙ軸方向に発生する力Ｆ
ｘ，Ｆｙは、数式９に示すｄＦのｘ方向成分及びｙ方向
成分をθについてギャップ全周に渡って積分することに
より、数式９、数式１０に示すように算出することがで
きる。

【００５５】

【数９】

【００５６】

【数１０】

【００５７】ここで、Ｍ≧３とすると、

【００５８】

【数１１】

【００５９】

【数１２】

【００６０】となり、ロータ２ａ，２ｂの回転角に関係
なく一定の浮上力が得られる。数式１１のｘ方向の浮上
力も、数式１２のｙ方向の浮上力も、ロータ２ａの永久
磁石の磁束密度及び第２のステータ捲線６による磁束密
度の項が表れていないことから、磁気浮上力は第２のス
テータ捲線６によって形成される回転磁界の影響を受け
ないことがわかる。

【００６１】一方、回転トルクＴは、

【００６２】

【数１３】

【００６３】に示すように求められる。ここで、Ｍ≧２
とすると、回転トルクＴは、

【００６４】

【数１４】

【００６５】となり、直流磁場発生手段４で発生するバ
イアス磁界によるエアギャップ磁束密度、及び第１のス
テータ捲線５ａ，５ｂによる磁束密度の項が表れないた
め、バイアス磁界及び浮上磁界の影響を受けないことが
わかる。

【００６６】このように本発明の実施の形態では、次の
ような利点がある。

【００６７】（１）磁気軸受と電動機の磁気回路とを一
体化したので、装置全体がコンパクトになり、軸長を小
さくできて危険速度を高くでき、高速回転をさせること
ができる。

【００６８】（２）負荷トルク及び電動機電流によって
磁気浮上制御が影響を受けないので、より安定した浮上
が実現できる。

【００６９】（３）磁気浮上制御は回転磁界によって行
わないため、座標変換が不要になり、制御系が簡単にな
る。

【００７０】（４）ホモポーラ型磁気浮上電動機では突
極型で最低８極が必要であるが、この実施の形態による
磁気浮上電動機では最低６極で構成することができ、構
造が簡単になる。

【００７１】（５）直流磁場発生手段に永久磁石を使用
することが可能であり、永久磁石を使用したときには磁
場発生のための電力が必要としない。

【００７２】なお、上述の実施の形態は本発明の好適な
実施の形態の例であるが、これに限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形
実施が可能である。例えば、本実施形態では、ロータ２
ａの周面に永久磁石７，…，７が貼着されている例につ
いて主に説明したがこれに特に限定されず、ロータ２ａ
に永久磁石７，…，７を埋設し、周面に露出させるよう
に構成することも可能である。

【００７３】

【浮上及び回転実験】本発明の磁気浮上電動機の浮上及
び回転実験を図６に示すロータ構造を採用した図５の実
験装置で実施した。

【００７４】実験装置となった磁気浮上電動機１０１
は、図５に示すように、ロータ１０２ａ，１０２ｂの外
周面を、ステータ１０３ａ，１０３ｂとで覆った形に形
成されている。また、ステータ１０３ａとステータ１０
３ｂとの間には直流磁場発生手段である永久磁石１０４
が配置されており、この永久磁石１０４により鉄プレー
ト１０３ｃ，１０３ｄを介してステータ１０３ａ，１０
３ｂにバイアス磁界を供給できるようになっている。さ
らに、これらステータ１０３ａ，１０３ｂには、第１の
ステータ捲線１０５ａ，１０５ｂがそれぞれ巻かれてい
る。また、ステータ１０３ａには第１のステータ捲線１
０５ａに隣接して第２のステータ捲線１０６が巻かれて
いる。

【００７５】また、ロータ１０２ａは、図６に示すよう
に、ロータ鉄心１２０と、Ｎ極側が表側を向いた永久磁
石１０７ｎと、Ｓ極が表側を向いた永久磁石１０７ｓと
から構成されている。すなわち、ロータ鉄心１２０に
は、Ｎ極を表側に向けた永久磁石１０７ｎとＳ極を表側
に向けた永久磁石１０７ｓとを交互に配置して６極の永
久磁石が張り付けられている。尚、Ｎ極が露出する永久
磁石１０７ｎは、周方向の両側縁が台形状を成すように
周方向に突出した形状とされ（上底１４ｍｍ、下底２４
ｍｍ、高さ５ｍｍ）、Ｓ極が露出する永久磁石１０７ｓ
は単純な長方形とされ、ロータ表面のロータ１０２ａの
磁束密度分布が正弦波状に近づくように設けられてい
る。また、ロータ１０２ａ，１０２ｂの各ロータ鉄心１
２０は、回転軸となる鉄パイプ１０８に例えば４２ｍｍ
だけ離して固定してある。

【００７６】この鉄パイプ１０８は、例えば長さ約１９
０mm程度のものであり、このパイプ１０８の一端にはセ
ンサーターゲット１０９が設けられている。このセンタ
ーターゲット１０９の部分には支持体１１０が設けられ
ており、センサーターゲット１０９を検出するセンサー
１１１ｘ，１１１ｙが設けられている。

【００７７】尚、本実験装置では、始動時には磁気軸受
の制御は行わず、磁気軸受けのロータが水平を保つよう
に、最右端を玉軸受けにより支持するように設けられて
いる。即ち、鉄パイプ１０８には軸１０８ａが挿入され
ていて、この軸１０８ａの図示右側において玉軸受１１
２によって軸１０８ａが回転可能に固定されている。玉
軸受１１２は支持体１１３により固定されている。

【００７８】また、支持体１１０，１１３、及びステー
タ１０３ａ，１０３ｂは基台１１５に固定されている。

【００７９】なお、ロータ１０２ａの図示左側と、ロー
タ１０２ｂの図示右側にはタッチダウンプレート１１６
ａ，１１６ｂが設けられている。

【００８０】そして、基台１１５の上面からタッチダウ
ンプレート１１６ａ，１１６ｂの上端までの高さが例え
ば１３５mmであり、また、基台１１５の上面から回転軸
１０８ａの回転中心までの高さが例えば７０mmとして構
成されている。また、基台１１５に配置された各種の部
材は、タッチダウンプレート１１６ａからセンサーター
ゲット１０９までの間隔が例えば２２mm、ロータ１０２
ａ及びステータ１０３ａの厚みが例えば６３mm、直流磁
場発生手段である永久磁石１０４の関連部分の間隔が４
２mm、ロータ１０２ｂ及びステータ１０３ｂの部分の長
さが例えば４８．５mm、また、タッチダウンプレート１
１６ｂから支持体１１３までの間隔が例えば７３．５mm
となるように構成している。

【００８１】図７に、当該磁気浮上電動機を駆動する制
御系を示す。センサ１１１ｘ，１１１ｙは置換コンバー
タ２０１の入力に接続されている。置換コンバータ２０
１は、センサ１１１ｘ，１１１ｙからの検出信号を所定
の置換を行い出力できる。置換コンバータ２０１の出力
端はＤＳＰ（Digital Signal Processor；デジタル信号
処理装置）２０２の入力端に接続されている。ＤＳＰ２
０２は、クロックボード２０２ａと、Ａ／Ｄボード２０
２ｂと、Ｄ／Ａボード２０２ｃとから構成されている。
このＤＳＰ２０２はコンピュータ２０３に接続されてお
り、コンピュータ２０３の制御下にデジタル信号処理を
実行する。このＤＳＰ２０２のＡ／Ｄボード２０２ｂに
は置換コンバータ２０１の出力が供給されている。ま
た、ＤＳＰ２０２のＤ／Ａボード２０２ｃは、そのアナ
ログ出力信号を増幅装置２０４に供給する。この増幅装
置２０４は電源２０５から電力の供給を受けて、Ｄ／Ａ
ボード２０２ｃからの出力信号に応じてステータ１０３
ａの第１のステータ捲線１０５ａと第２のステータ捲線
１０６に流す電流を制御するとともに、ステータ１０３
ｂの第１のステータ捲線１０５ｂに流す電流を制御する
ようになっている。

【００８２】このような磁気浮上電動機１０１の動作に
ついて説明する。図８に、６極のロータ１０２ａの磁束
分布を示す。この図において、点線ＩＦが望ましい磁束
分布を示し、実線ＡＦが実測値を示したものである。こ
の磁束密度の分布は、ロータ１０２ａを開放状態で計測
したものである。エッジ効果により波形が歪んでいる
が、磁極の最大値は０．１３Ｔとなる。実際に使用する
ときには、ステータ１０３ａに挿入することにより、さ
らに大きな値となり、より理想状態に近い波形に変化す
ると考えられている。なお、ロータ１０２ａをステータ
１０３ａに、ロータ１０２ｂをステータ１０３ｂにそれ
ぞれ挿入したときには、エアギャップは、永久磁石の厚
みを含めて片側が２．０mmとなるようにした。

【００８３】この磁気浮上電動機１０１の静的な特性を
調べるために、浮上力の測定を行った。電動機の磁界を
静止磁界とし、ロータ１０２ａ，１０２ｂの浮上制御を
行った状態で、鉛直上方向に力を加えていったときの、
浮上電流値を測定した。

【００８４】図９に、バイアス磁束を発生させる永久磁
石１０４を３個としたときの浮上力と、永久磁石１０４
を６個としたときの浮上力を示す。この図９において、
バイアス磁束を発生させる永久磁石１０４が３個のとき
の特性ｑと、永久磁石１０４が６個のときの特性ｒとを
比較すると、永久磁石１０４が６個のときの方が浮上電
流をより少なくすることができることがわかる。すなわ
ち、永久磁石１０４は多ければ多いほど浮上電流を少な
くするとこができる。

【００８５】このことは、ｘ，ｙ方向の浮上力の式であ
る数式１１、数式１２からも容易にわかる。ロータ１０
２ａ，１０２ｂの浮上力は、ロータ１０２ａに加わる力
が８．０Ｎあり、また、この装置ではバイアス磁束を与
える永久磁石１０４として６個用いたため、浮上に必要
な電流は約０．９Ａを必要となることが、図９からもわ
かる。

【００８６】つぎに、浮上及び回転動作について説明す
る。ロータ１０２ａ，１０２ｂとステータ１０３ａ，１
０３ｂとの間のエアギャップを２mmとし、前述したよう
に磁気軸受の制御は行わず、電動機としての電流を０．
３Ａ、０．５Ａ、０．７Ａとしてそれぞれ動作させた。
また、増幅装置２０４にはリニアアンプを使用し、最大
±２４Ｖで駆動した。

【００８７】制御系のゲインは実験的に求め、以下の値
を使用した。

【００８８】Ｋｐ＝２５Ａ／mm Ｋｄ＝５Ａ・Sec ／mm Ｋｉ＝０．２Ａ・Sec τ＝１×１０^-4Sec Ｔｄ＝３×１０^-2Sec また、電動機の電流を０．５Ａとして、ロータ１０２ａ
が静止（回転数が０ｒｐｍ）のときにインパクトハンマ
を用いてロータ１０２ａを加振させたときの応答を図１
０（ａ）、図１０（ｂ）に示す。これらの図からも分か
るように、ロータ１０２ａが安定して浮上制御が行えて
いることがわかる。

【００８９】次に、アンバランス応答（回転数毎の振動
振幅）を図１１〜図１３に示す。ここで、図１１は電動
機電流を０．３Ａとしたときのアンバランス応答であ
り、図１２は電動機電流を０．５Ａとしたときのアンバ
ランス応答であり、図１３は電動機電流を０．７Ａとし
たときのアンバランス応答である。

【００９０】これらのアンバランス応答特性は、回転数
を１００ｒｐｍ刻みで上昇させてゆき、各回転数で安定
状態の最大と最小のセンサ変位を記録し、その差をとっ
たものである。

【００９１】これらの図をみたときに、低回転において
振動振幅が大きくなっている理由は、ロータ１０２ａに
張り付けた永久磁石１０７ｎ、１０７ｓにより、ステー
タ１０３ａの突部に吸引される力の影響が大きく、ま
た、低回転ではロータ１０２ａの角速度を一定にするこ
とが困難であり、そのため、ロータ１０２ａが大きく振
動してしまうことが考えられる。

【００９２】なお、電動機電流が０．３Ａのときは４３
００ｒｐｍまで、電動機電流が０．５Ａのときは４４０
０ｒｐｍまで、電動機電流が０．７Ａのときは４３００
ｒｐｍまで浮上制御を行いながら、回転制御が可能にな
ることが確かめられた。

【００９３】このように本磁気浮上電動機１０１によれ
ば、直流磁場発生手段である永久磁石１０４により直流
磁場をステータ１０３ａ，１０３ｂを介してロータ１０
２ａ，１０２ｂに供給することにより位置制御が可能に
なり、また、ロータ１０２ａの対極数が６極以上であれ
ば、浮上制御と回転制御を完全独立に行わせることがで
きる。

【００９４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
次のような効果がある。

【００９５】（１）磁気磁気受と電動機の磁気回路とを
一体化したので、装置全体がコンパクトになり、軸長を
小さくできて危険速度を高くでき、高速回転をさせるこ
とができる。

【００９６】（２）負荷トルク及び電動機電流によって
磁気浮上制御が影響を受けないので、より安定した浮上
が実現できる。

【００９７】（３）磁気浮上制御は回転磁界によって行
わないため、座標変換が不要になり、制御系が簡単にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る磁気浮上電動機を示
す正面図である。

【図２】同磁気浮上電動機を示す断面図である。

【図３】同磁気浮上電動機の座標系を設定するための説
明図である。

【図４】同磁気浮上電動機に発生する磁束密度を説明す
るための特性図であり、同図（ａ）はロータの永久磁石
と直流磁場発生手段からのバイアス磁束による磁束密度
Ｂｒを時間との関係で示し、同図（ｂ）は第２のステー
タ捲線によってステータとロータとの間隙に発生する磁
束密度Ｂsmを時間との関係で示し、同図（ｃ）は第１の
ステータ捲線による磁束密度Ｂsbを時間との関係で示し
たものである。

【図５】本発明の磁気浮上電動機の浮上及び回転実験を
行うための実験装置として構成された磁気浮上電動機の
一実施例を示す構成図である。

【図６】同実施例の一方のロータの構造を拡大して示す
斜視図である。

【図７】同実施例の制御系を示すブロック図である。

【図８】同実施例のロータの磁界分布を示す特性図てあ
る。

【図９】同実施例の直流磁場発生手段を構成する永久磁
石の個数に応じて必要な電流値を示す特性図である。

【図１０】同実施例においてロータが静止しているとき
にインパクトハンマを用いてロータを加振させたときの
応答を示す特性図であり、（ａ）はＸ軸、（ｂ）はＹ軸
を示す。

【図１１】同実施例において電動機電流を０．３Ａとし
たときのアンバランス応答を示す特性図である。

【図１２】同実施例において電動機電流を０．５Ａとし
たときのアンバランス応答を示す特性図である。

【図１３】同実施例において電動機電流を０．７Ａとし
たときのアンバランス応答を示す特性図である。

【符号の説明】

１，１０１磁気浮上電動機２ａ，２ｂ、１０２ａ，１０２ｂロータ３ａ，３ｂ、１０３ａ，１０３ｂステータ４、１０４直流磁場発生手段５ａ，５ｂ、１０５ａ，１０５ｂ第１のステータ捲線６、１０６第２のステータ捲線７、１０７ｎ，１０７ｓ永久磁石８、１０８ａ回転軸１０８鉄パイプ１１１ｘ，１１１ｙセンサ２０１置換コンバータ２０２ＤＳＰ２０３コンピュータ２０４増幅装置２０５電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3J102 AA01 CA10 CA19 CA27 DA02 DA07 DA13 5H607 AA04 BB01 BB07 BB09 BB14 CC01 CC09 DD03 DD19 GG19 GG21 HH01 HH05 5H621 AA04 BB01 BB02 BB10 GA01 GA04 GB10 HH01 JK19 PP02 PP10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁性体からなり少なくとも一方端側の周
面に永久磁石が固着されたロータと、ステータ側に設け
られ、上記ロータの内部から放射状に広がる磁束を発生
する直流磁場発生手段と、上記ロータを浮上制御するた
めの２極の浮上制御磁束を発生する第１のステータ巻線
と、上記ロータに対して回転磁界を発生させる第２のス
テータ巻線とを備えたことを特徴とする磁気浮上電動
機。
【請求項２】上記直流磁場発生手段は、永久磁石から
なることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上電動機。
【請求項３】ロータの磁極数が６極以上であることを
特徴とする請求項１記載の磁気浮上電動機。
【請求項４】ロータ周面に永久磁石を貼着したことを
特徴とする請求項１記載の磁気浮上電動機。
【請求項５】ロータの周面に永久磁石を埋設したこと
を特徴とする請求項１記載の磁気浮上電動機。