JP2001124077A - 磁気軸受モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、従来と比べて軸長を短くできるとと
もに、マイナストルクの発生を阻止することを課題とす
る。 【解決手段】導電性磁性材からなるロータ２１と、この
ロータ２１の鍔部２２の上下に配置されたスラスト制御
固定子２３と、前記鍔部２２の縁部の外側に配置され、
前記スラスト制御固定子２３とともに個々の電流値を独
立して制御するラジアル制御固定子２４と、前記ロータ
２１の回転角を検出するエンコーダと、前記ロータの位
置を検出するギャップセンサと、前記エンコーダ及びギ
ャップセンサに夫々電気的に接続され、両者からの信号
に基づいて個々のコイルの電流値を算出し、通電制御す
る制御部とを具備することを特徴とする磁気軸受モー
タ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロータにトルクを
発生させるコイル電流と、ロータの位置制御（ラジアル
スラスト）の吸引力を発生させるコイル電流を一体化さ
せた磁気軸受モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、磁気軸受モータとしては、図１２
（Ａ），（Ｂ）に示すものが知られている。ここで、図
１２（Ａ）は同モータの概略的な全体図、図１２（Ｂ）
は図１２（Ａ）のモータのラジアル固定子の平面図を示
す。

【０００３】図中の付番１は、下部に鍔部２を有するロ
ータを示す。前記鍔部２の上下には、コア３ａとコイル
３ｂからなるスラスト固定子３が配置されている。ここ
で、スラスト固定子３は、スラスト方向の浮上制御を行
なう機能を有する。前記鍔部２の下部には、スラストギ
ャップセンサ４が配置されている。前記コイル３ｂ及び
スラストギャップセンサ４には、スラスト制御部５が接
続されている。

【０００４】前記鍔部２の上方に位置するロータ１の周
囲には、コア６ａとコイル６ｂからなるラジアル固定子
６が配置されている。なお、図示しないが、前記ラジア
ル固定子６にはラジアル制御部１２が接続されている。
前記ラジアル固定子６の上方の前記ロー１の外周部には
マグネット７が取り付けられ、さらにその外側にはコア
８ａとコイル８ｂからなる固定子８が配置されている。
前記コイル８ｂには、モータ制御部９が接続されてい
る。ここで、前記マグネット７、固定子８、モータ制御
部９及びエンコーダ（図示せず）によりモータが構成さ
れている。

【０００５】前記ロータ１の最上部には、コア１０ａと
コイル１０ｂからなるラジアル固定子１０が配置されて
いる。ここで、ラジアル固定子１０は、ラジアル方向の
浮上制御を行なう機能を有する。このラジアル固定子１
０の近くには、ラジアルギャップセンサ１１が配置され
ている。前記コイル１０ｂ及びラジアルギャップセンサ
１１には、ラジアル制御部１２が接続されている。

【０００６】前記ラジアル固定子１０（１０_１、１
０_２、１０_３、１０_４）は、図１２（Ｂ）に示すよう
に、ロータ回転方向に対して分割された構成になってい
る。なお、スラスト固定子３もラジアル固定子と同様に
ロータ回転方向に対して分割された構成になっている。

【０００７】こうした構成の磁気軸受モータにおいて、
ロータ１はラジアル制御とスラスト制御の両者により軸
方向に制御されている。例えば、ラジアル制御では、ラ
ジアル固定子１０_１とロータ１とのギャップが大きい
と、反対側のラジアル固定子１０_３のコイルに通電し、
その吸引力で制御する方式を採用する。逆に、前記ギャ
ップが小さいときは、その逆にする。なお、スラスト制
御も同様に行なう。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
磁気軸受モータにおいては、軸方向にスラスト固定子
３、モータ、ラジアル固定子６、１０が並ぶために、軸
長が長くなるという課題があった。なお、図１２の場合
は、ラジアル固定子を２組用いてモータを挟んでいる
が、１組にしてもロータと並ぶことに変わりはない。

【０００９】また、従来の磁気軸受モータによれば、上
述したように、ラジアル固定子、スラスト固定子ともに
ロータ回転方向に対して分割された構成になっている。
従って、ロータ変位を制御するため、固定子の磁束密度
は回転方向において不連続となる。そして、ここでロー
タ１が回転していると、ロータ１に誘起した二次電流に
よりロータ回転方向と逆向きのトルク（マイナストル
ク）が発生する。このマイナストルクが発生する原因
は、ギャップ制御の磁束は回転しないため、ロータから
見たらマイナス方向に移転するためである。

【００１０】本発明はこうした事情を考慮してなされた
ので、磁気浮上しているロータの変位を制御するラジア
ル制御システムとスラスト制御システムを採用すること
により、ロータのトルクを正逆方向自在に制御でき、も
ってモータを不要にし、従来と比べて軸長を短くできる
とともに、マイナストルクの発生を阻止しえる磁気軸受
モータを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、導電性磁性材
からなるロータと、このロータの鍔部の上下に配置され
たスラスト制御固定子と、前記鍔部の縁部の外側に配置
され、前記スラスト制御固定子とともに個々の電流値を
独立して制御するラジアル制御固定子と、前記ロータの
回転角を検出するエンコーダと、前記ロータの位置を検
出するギャップセンサと、前記エンコーダ及びギャップ
センサに夫々電気的に接続され、両者からの信号に基づ
いて個々のコイルの電流値を算出し、通電制御する制御
部とを具備することを特徴とする磁気軸受モータであ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明について更に詳しく
説明する。本発明において、前記ギャップセンサとして
は、前記ラジアル制御固定子の内側寄りに配置されたＸ
軸ギャップセンサ及びＹ軸ギャップセンサが挙げられ
る。これにより、ロータの鍔部とラジアル制御固定子間
のＸ軸、Ｙ軸方向のギャップの制御が可能である。

【００１３】本発明において、前記スラスト制御固定子
は、円周方向に沿って等間隔に少なくとも３つ以上のＺ
軸センサを有することが好ましく、より好ましくは３つ
である。これにより、ロータの軸方向の制御が可能であ
る。

【００１４】次に、例えば図６に示すようなラジアル制
御固定子の３つのコイルに３相交流を印加する場合につ
いて考察する。ここで、各コイルの電流特性は、図７、
図８に示す通りである。図６に示すように、３つのコイ
ル４１、４２、４３に３相交流を印加すると、交番磁界
が発生し、その値は緩和する。そして、この移動速度を
ロータ回転数より速くすれば、２次電流によるトルクは
回転方向Ａに一致する。このように、ラジアル制御固定
子の発生する磁束は、ロータ回転に対してプラス方向に
移動速度を持たせる。なお、スラスト制御固定子につい
ても同様である。

【００１５】また、ラジアル制御固定子における吸引力
は、固定子とロータ間の磁束の絶対値の総和で制御され
る。つまり、磁束の総和が同じならば、前記吸引力は極
性には影響されない。また、前記吸引力は移動速度にも
影響されない。図９は、３つのコイル４１〜４３による
時間と吸引力（Ｆ）との関係を示す。なお、吸引力は、
図１０に示すように周波数が高くなった場合、あるいは
図１１のように停止しても同様である。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例に係る磁気軸受モー
タについて図１、図２、図３、図４及び図５を参照して
説明する。ここで、図１は本発明の一実施例に係る磁気
軸受モータの正面図、図２は図１のＹ−Ｙ線に沿う断面
図、図３は図１のＺ−Ｚ矢視図、図４は図３のＸ−Ｘ線
に沿う断面図、図５は前記磁気軸受モータの動作説明の
ためのブロック図を示す。

【００１７】本実施例に係る磁気軸受モータは、導電性
磁性材（例えば鉄）からなるロータ２１と、このロータ
２１の鍔部２２の上下に配置されたスラスト制御固定子
２３と、前記鍔部２２の縁部を囲むように配置されたラ
ジアル制御固定子２４と、前記ロータ２１の回転角を検
出するエンコーダ２５と、前記ロータ２１の位置を検出
するＸ軸ギャップセンサ２６及びＹ軸ギャップセンサ２
７と、前記エンコーダ２５及びギャップセンサ２６、２
７に夫々電気的に接続され、両者からの信号に基づいて
個々のコイルの電流値を算出し、通電制御する制御部２
８と、スラスト制御を行うスラストセンサ２９_１、２９
_２、２９_３、２９_４とを備えている。

【００１８】前記ラジアル制御固定子２４は、コア３０
と、このコア３０に巻かれたコイル３１、３２とから構
成されている。具体的には、ラジアル制御固定子２４
は、図２に示すように、コア３０に設けた複数の空洞部
３０ａにコイル３１_１、３１_２、３１_３、３１_４、３１
_５、３１_６、３２_１、３２_２、３２_３、３２_４、３
２_５、３２_６を夫々配置し、コア３０の内側寄りに前記
エンコーダ２５、Ｘ軸ギャップセンサ２６及びＹ軸ギャ
ップセンサ２７を設けている。ここで、前記コイル３１
_１、３１_２、３１_３、３２_１、３２_２、３２_３によりＸ
軸の制御を、コイル３１_４、３１_５、３１_６、３２_４、
３２_５、３２_６によりＹ軸の制御を行う。

【００１９】前記スラスト制御固定子２３は、図３及び
図４に示すように、コア３３、３４と、これらのコア３
３、３４に夫々巻かれたコイル３５、３６とから構成さ
れている。具体的には、スラスト制御固定子２３は、鍔
部２２の上方側にコイル３５ _１〜３５_１２を有し、鍔部
２２の下方側にコイル３６_１〜３６_１２を有している。

【００２０】こうした構成の磁気軸受モータのラジアル
制御とスラスト制御は、図５に示す通りである。図５に
示すように、制御部２８には、Ｘ軸ギャップセンサ２
６、Ｙ軸ギャップセンサ２７及びＺ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ
４軸用のスラストセンサ２９_１、２９_２、２９_３、２９
_４が夫々電気的に接続されている。そして、 Ｘ軸ギャ
ップセンサ２６、Ｙ軸ギャップセンサ２７からの信号や
スラストセンサ２９_１、２９_２、２９_３、２９_４からの
信号に基づいて変位制御がなされ、電流の絶対値が求め
られる。一方、前記エンコーダ２５によりロータの回転
角が検出され、速度制御がなされる。また、この速度制
御の信号に基づいて各センサの電流制御がなされ、ラジ
アル制御、スラスト制御がなされる。

【００２１】このように、上記実施例に係る磁気軸受モ
ータによれば、ロータ２１の鍔部２２の上下にスラスト
制御固定子２３を設けるとともに鍔部２２の縁部近くに
ラジアル制御固定子２４を設けた構成となっている。つ
まり、磁気浮上しているロータ２１の変位を制御するラ
ジアル制御システムとスラスト制御システムを採用する
ことにより、ロータ２１の正逆方向を自在に制御できる
ので、トルク発生用のモータを不要にできる。従って、
軸方向には、ラジアル制御固定子２４、スラスト制御固
定子２３のみとなり、従来と比べて軸長を短くできる。

【００２２】また、上記と同様な理由により、ラジアル
制御固定子２４の発生する磁束を、ロータ回転に対して
プラス方向に移動速度を持たせる（つまり、回転させ
る）ことができる。従って、従来のようにマイナストル
クが発生することもない。

【００２３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、磁
気浮上しているロータの変位を制御するラジアル制御シ
ステムとスラスト制御システムを採用することにより、
ロータのトルクを正逆方向自在に制御でき、もってモー
タを不要にし、従来と比べて軸長を短くできるととも
に、マイナストルクの発生を阻止しえる磁気軸受モータ
を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る磁気軸受モータの正面
図。

【図２】図１のＹ−Ｙ線に沿う断面図。

【図３】図１のＺ−Ｚ矢視図。

【図４】図３のＸ−Ｘ線に沿う断面図

【図５】本発明に係る磁気軸受モータの動作説明のため
のブロック図

【図６】本発明に係る磁気軸受モータにおけるラジアル
制御固定子に発生する磁束とロータ回転との関係を示す
説明図。

【図７】図６における３つのコイルの電流と時間との関
係を示す特性図。

【図８】図６における３つのコイルの電流の絶対値と時
間との関係を示す特性図。

【図９】図６における３つのコイルによる吸引力と時間
との関係を示す特性図。

【図１０】周波数が高くなった場合の図６の３つのコイ
ルの電流と時間との関係を示す特性図。

【図１１】停止した場合の図６の３つのコイルの電流と
時間との関係を示す特性図。

【図１２】従来の磁気軸受モータの説明図。

【符号の説明】

２１…ロータ、 ２２…鍔部、 ２３…スラスト制御固定子、 ２４…ラジアル制御固定子、 ２５…エンコーダ（回転角センサ）、 ２６…Ｘ軸ギャップセンサ、 ２７…Ｙ軸ギャップセンサ、 ２８…制御部、 ２９、２９_１〜２９_４…スラストセンサ、 ３０、３３、３４…コア、 ３０ａ…空洞部、 ３１_１〜３１_６、３２_１〜３２_６、３５、３５_１〜３５
_１２、３６、３６_１〜３６_１２…コイル。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3J102 AA01 BA03 BA19 CA19 DA02 DA03 DA09 DA12 DB05 DB10 DB11 DB37 GA13 5H607 AA04 BB01 BB09 BB14 CC01 GG01 GG02 GG21 5H611 AA01 BB01 BB08 PP01 QQ03 UA01

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性磁性材からなるロータと、このロ
   ータの鍔部の上下に配置されたスラスト制御固定子と、
   前記鍔部の縁部の外側に配置され、前記スラスト制御固
   定子とともに個々の電流値を独立して制御するラジアル
   制御固定子と、前記ロータの回転角を検出するエンコー
   ダと、前記ロータの位置を検出するギャップセンサと、
   前記エンコーダ及びギャップセンサに夫々電気的に接続
   され、両者からの信号に基づいて個々のコイルの電流値
   を算出し、通電制御する制御部とを具備することを特徴
   とする磁気軸受モータ。
2. 【請求項２】 前記ギャップセンサは、前記ラジアル制
   御固定子の内側寄りに配置されたＸ軸ギャップセンサ及
   びＹ軸ギャップセンサであることを特徴とする請求項１
   記載の磁気軸受モータ。
3. 【請求項３】 前記スラスト制御固定子は、円周方向に
   沿って等間隔に配置された少なくとも３つ以上のＺ軸セ
   ンサを有することを特徴とする請求項１記載の磁気軸受
   モータ。