JP2002325490A - 磁気浮上型電動機 - Google Patents
磁気浮上型電動機Info
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0474—Active magnetic bearings for rotary movement
- F16C32/0493—Active magnetic bearings for rotary movement integrated in an electrodynamic machine, e.g. self-bearing motor
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
- H02K7/08—Structural association with bearings
- H02K7/09—Structural association with bearings with magnetic bearings
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C2380/00—Electrical apparatus
- F16C2380/26—Dynamo-electric machines or combinations therewith, e.g. electro-motors and generators
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- Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
- Control Of Ac Motors In General (AREA)
- Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 従来無駄になっていた空間を有効に利用し、
巻線スペースを大きくし、トルク、浮上力を大きくす
る。 【解決手段】 ロータ１０は多極着磁されたロータマグ
ネット１２を有し、ステータ２０は、ロータマグネット
１２に対向してロータ１０に回転トルクを発生させる回
転用巻線２６を有するとともにロータ１０の回転軸線方
向に対して直交する方向の軸受力を発生させる軸受用巻
線２７を有し、回転用巻線２６と軸受用巻線２７とは周
方向にずらして重ならないように配置されてなり、ロー
タ１０の回転軸線方向に対して直交する平面に関するロ
ータ１０の変位を検出する変位センサを有し、回転用巻
線２６によりロータ１０を回転させるとともに、変位セ
ンサの出力により軸受用巻線２７を通電制御してロータ
１０の回転軸を所定の位置に保持する。
巻線スペースを大きくし、トルク、浮上力を大きくす
る。 【解決手段】 ロータ１０は多極着磁されたロータマグ
ネット１２を有し、ステータ２０は、ロータマグネット
１２に対向してロータ１０に回転トルクを発生させる回
転用巻線２６を有するとともにロータ１０の回転軸線方
向に対して直交する方向の軸受力を発生させる軸受用巻
線２７を有し、回転用巻線２６と軸受用巻線２７とは周
方向にずらして重ならないように配置されてなり、ロー
タ１０の回転軸線方向に対して直交する平面に関するロ
ータ１０の変位を検出する変位センサを有し、回転用巻
線２６によりロータ１０を回転させるとともに、変位セ
ンサの出力により軸受用巻線２７を通電制御してロータ
１０の回転軸を所定の位置に保持する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ロータを磁気的に
非接触で回転可能に支持する磁気浮上型電動機に関す
る。さらに詳述すると、本発明は、磁気浮上型電動機の
内部における巻線構造の改良に関する。
非接触で回転可能に支持する磁気浮上型電動機に関す
る。さらに詳述すると、本発明は、磁気浮上型電動機の
内部における巻線構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】回転体を非接触で支持することを目的と
して磁気軸受が使用されている。また、磁気軸受として
の機能とモータとしての機能とを一体化したラジアル型
磁気浮上型電動機１０１が提案されている。従来、この
ような磁気浮上型電動機１０１としては、８極ロータ１
０２に６個の集中巻線を持つステータ１０３を用いた構
成のローレンツ力型磁気浮上型電動機１０１が開発され
ている。この磁気浮上型電動機１０１では、図１１〜図
１３に示すように、回転トルクを与える回転用巻線１０
４と浮上力を与える軸受用巻線１０５とが同じ位置に設
置されているため、ロータ１０２とステータ１０３の空
間内を折半していた。
して磁気軸受が使用されている。また、磁気軸受として
の機能とモータとしての機能とを一体化したラジアル型
磁気浮上型電動機１０１が提案されている。従来、この
ような磁気浮上型電動機１０１としては、８極ロータ１
０２に６個の集中巻線を持つステータ１０３を用いた構
成のローレンツ力型磁気浮上型電動機１０１が開発され
ている。この磁気浮上型電動機１０１では、図１１〜図
１３に示すように、回転トルクを与える回転用巻線１０
４と浮上力を与える軸受用巻線１０５とが同じ位置に設
置されているため、ロータ１０２とステータ１０３の空
間内を折半していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ように回転用巻線１０４と軸受用巻線１０５とが径方向
に二段重ねで配置されていると、マグネット１０６とバ
ックヨーク１０７間のスペースが大きくなってしまい、
無駄なスペースが生じ、十分な巻線スペースを確保する
ことが難しくなる場合がある。そうすると、トルク、浮
上力とも小さくなってしまうという問題がある。
ように回転用巻線１０４と軸受用巻線１０５とが径方向
に二段重ねで配置されていると、マグネット１０６とバ
ックヨーク１０７間のスペースが大きくなってしまい、
無駄なスペースが生じ、十分な巻線スペースを確保する
ことが難しくなる場合がある。そうすると、トルク、浮
上力とも小さくなってしまうという問題がある。
【０００４】そこで、本発明は、従来無駄になっていた
空間を有効に利用し、巻線スペースを大きくし、トル
ク、浮上力を大きくすることが可能な磁気浮上型電動機
を提供することを目的とする。
空間を有効に利用し、巻線スペースを大きくし、トル
ク、浮上力を大きくすることが可能な磁気浮上型電動機
を提供することを目的とする。
【０００５】
【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記載の発明は、ステータとロータとが対向
し、ロータが磁気力により回転自在に支持されてなる磁
気浮上型電動機において、ロータは多極着磁されたロー
タマグネットを有し、ステータは、ロータマグネットに
対向してロータに回転トルクを発生させる回転用巻線を
有するとともにロータの回転軸線方向に対して直交する
方向の軸受力を発生させる軸受用巻線を有し、回転用巻
線と軸受用巻線とは周方向にずらして重ならないように
配置されてなり、ロータの回転軸線方向に対して直交す
る平面に関するロータの変位を検出する変位センサを有
し、回転用巻線によりロータを回転させるとともに、変
位センサの出力により軸受用巻線を通電制御してロータ
の回転軸を所定の位置に保持するようにしたものであ
る。
め、請求項１記載の発明は、ステータとロータとが対向
し、ロータが磁気力により回転自在に支持されてなる磁
気浮上型電動機において、ロータは多極着磁されたロー
タマグネットを有し、ステータは、ロータマグネットに
対向してロータに回転トルクを発生させる回転用巻線を
有するとともにロータの回転軸線方向に対して直交する
方向の軸受力を発生させる軸受用巻線を有し、回転用巻
線と軸受用巻線とは周方向にずらして重ならないように
配置されてなり、ロータの回転軸線方向に対して直交す
る平面に関するロータの変位を検出する変位センサを有
し、回転用巻線によりロータを回転させるとともに、変
位センサの出力により軸受用巻線を通電制御してロータ
の回転軸を所定の位置に保持するようにしたものであ
る。
【０００６】この磁気浮上型電動機では、２つの巻線を
重ねずにずらして同一周に配置することにより、巻線の
占有率を例えば２倍に増やして回転トルクと浮上力を大
幅にアップすることを可能としている。この場合、２つ
の巻線を機械角（または電気角）で一定角度ずつずらし
て配置することにより、回転トルクと浮上力を独立に制
御することが可能である。また、巻線の占有率を増やす
代わりに、ロータとステータの空隙の長さを短くするこ
とにより空隙での磁束密度を大きくして回転トルクと浮
上力を増大させることも可能である。あるいは、巻線ス
ペースを大きくする代わり、ターン数はそのままに、ロ
ータ−ステータギャップを小さくし、ギャップ磁束密度
を大きくすることにより、ターン数を増やすのと同様に
トルク、浮上力を大きくすることが可能となる。
重ねずにずらして同一周に配置することにより、巻線の
占有率を例えば２倍に増やして回転トルクと浮上力を大
幅にアップすることを可能としている。この場合、２つ
の巻線を機械角（または電気角）で一定角度ずつずらし
て配置することにより、回転トルクと浮上力を独立に制
御することが可能である。また、巻線の占有率を増やす
代わりに、ロータとステータの空隙の長さを短くするこ
とにより空隙での磁束密度を大きくして回転トルクと浮
上力を増大させることも可能である。あるいは、巻線ス
ペースを大きくする代わり、ターン数はそのままに、ロ
ータ−ステータギャップを小さくし、ギャップ磁束密度
を大きくすることにより、ターン数を増やすのと同様に
トルク、浮上力を大きくすることが可能となる。
【０００７】請求項２記載の発明は、請求項１記載の磁
気浮上型電動機において、ステータとロータとを平面対
向型に構成してなるものである。
気浮上型電動機において、ステータとロータとを平面対
向型に構成してなるものである。
【０００８】請求項３記載の発明は、請求項１記載の磁
気浮上型電動機において、ステータとロータとを円筒型
に構成してなるものである。
気浮上型電動機において、ステータとロータとを円筒型
に構成してなるものである。
【０００９】請求項４記載の発明は、請求項１記載の磁
気浮上型電動機において、回転用巻線と軸受用巻線はそ
れぞれ同一形状である。
気浮上型電動機において、回転用巻線と軸受用巻線はそ
れぞれ同一形状である。
【００１０】請求項５記載の発明は、請求項４記載の磁
気浮上型電動機において、回転用巻線と軸受用巻線は共
通化された共通巻線となっていて、回転トルク発生用の
電流に軸受力発生用の電流が重畳されて共通巻線に通電
されるものである。
気浮上型電動機において、回転用巻線と軸受用巻線は共
通化された共通巻線となっていて、回転トルク発生用の
電流に軸受力発生用の電流が重畳されて共通巻線に通電
されるものである。
【００１１】請求項６記載の発明は、請求項１記載の磁
気浮上型電動機において、ステータとロータとを平面対
向型に構成するとともに、ロータの回転軸線方向に二つ
の平面型ロータマグネットが設けられ、この二つの平面
型ロータマグネットを間に挟んだ両側にステータが配置
され、両側のステータそれぞれに回転用巻線と軸受用巻
線とがそれぞれ設けられてなるものである。
気浮上型電動機において、ステータとロータとを平面対
向型に構成するとともに、ロータの回転軸線方向に二つ
の平面型ロータマグネットが設けられ、この二つの平面
型ロータマグネットを間に挟んだ両側にステータが配置
され、両側のステータそれぞれに回転用巻線と軸受用巻
線とがそれぞれ設けられてなるものである。
【００１２】請求項７記載の発明は、請求項３記載の磁
気浮上型電動機において、円筒型のステータとロータと
を回転軸線方向に２組配置してなるものである。
気浮上型電動機において、円筒型のステータとロータと
を回転軸線方向に２組配置してなるものである。
【００１３】請求項８記載の発明は、請求項１記載の磁
気浮上型電動機において、回転用巻線及び軸受用巻線の
巻線間隔の間に突極が設けられているものである。
気浮上型電動機において、回転用巻線及び軸受用巻線の
巻線間隔の間に突極が設けられているものである。
【００１４】請求項９記載の発明は、請求項１記載の磁
気浮上型電動機において、ロータマグネットの極数は
８、ステータの軸受用巻線の極数は６としたものであ
る。
気浮上型電動機において、ロータマグネットの極数は
８、ステータの軸受用巻線の極数は６としたものであ
る。
【００１５】請求項１０記載の発明は、請求項１記載の
磁気浮上型電動機において、ロータマグネットの極数は
４、ステータの軸受用巻線の極数は６としたものであ
る。
磁気浮上型電動機において、ロータマグネットの極数は
４、ステータの軸受用巻線の極数は６としたものであ
る。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１７】図１等に本発明を適用した磁気浮上型電動
機の一実施形態を示す。この磁気浮上型電動機１は、ス
テータ２０とロータ１０とが対向し、ロータ１０が磁気
力により回転自在に支持されてなる電動機である。ロー
タ１０は多極着磁されたロータマグネット１２を有し、
ステータ２０は、ロータマグネット１２に対向してロー
タ１０に回転トルクを発生させる回転用巻線２６を有す
るとともにロータ１０の回転軸線方向に対して直交する
方向の軸受力を発生させる軸受用巻線２７を有し、回転
用巻線２６と軸受用巻線２７とは周方向にずらして重な
らないように配置されてなり、ロータ１０の回転軸線方
向に対して直交する平面に関するロータ１０の変位を検
出する変位センサを有し、回転用巻線２６によりロータ
１０を回転させるとともに、変位センサの出力により軸
受用巻線２７を通電制御してロータ１０の回転軸を所定
の位置に保持するようにしている。
機の一実施形態を示す。この磁気浮上型電動機１は、ス
テータ２０とロータ１０とが対向し、ロータ１０が磁気
力により回転自在に支持されてなる電動機である。ロー
タ１０は多極着磁されたロータマグネット１２を有し、
ステータ２０は、ロータマグネット１２に対向してロー
タ１０に回転トルクを発生させる回転用巻線２６を有す
るとともにロータ１０の回転軸線方向に対して直交する
方向の軸受力を発生させる軸受用巻線２７を有し、回転
用巻線２６と軸受用巻線２７とは周方向にずらして重な
らないように配置されてなり、ロータ１０の回転軸線方
向に対して直交する平面に関するロータ１０の変位を検
出する変位センサを有し、回転用巻線２６によりロータ
１０を回転させるとともに、変位センサの出力により軸
受用巻線２７を通電制御してロータ１０の回転軸を所定
の位置に保持するようにしている。
【００１８】本実施形態の磁気浮上型電動機１において
は、回転用巻線２６とロータマグネット１２との関係で
回転トルクを発生させるようにしている。すなわち、回
転用巻線２６の対角上の巻線に同相の電流を与えること
により、ローレンツ力ＬＦが逆方向に生じ、回転トルク
が発生する。また、軸受用巻線２７とロータマグネット
２１との関係で浮上力（軸受力）を発生させるようにし
ている。すなわち、軸受用巻線２７の対角上の巻線に逆
相の電流を与えることにより、同一方向のローレンツ力
ＬＦが発生し、ラジアル方向の力つまり浮上力となる。
は、回転用巻線２６とロータマグネット１２との関係で
回転トルクを発生させるようにしている。すなわち、回
転用巻線２６の対角上の巻線に同相の電流を与えること
により、ローレンツ力ＬＦが逆方向に生じ、回転トルク
が発生する。また、軸受用巻線２７とロータマグネット
２１との関係で浮上力（軸受力）を発生させるようにし
ている。すなわち、軸受用巻線２７の対角上の巻線に逆
相の電流を与えることにより、同一方向のローレンツ力
ＬＦが発生し、ラジアル方向の力つまり浮上力となる。
【００１９】ステータ２０は、回転トルクを発生させる
回転用巻線２６と、ロータ１０の回転軸線方向の軸受力
を発生させる軸受用巻線２７とを有してなる。本実施形
態の磁気浮上型電動機１は、図１に示すようにロータマ
グネット１２の極数が８、ステータ２０の軸受用巻線２
７の極数が６の電動機である。回転用巻線２６と軸受用
巻線２７はともに６個の矩形状の巻線からなり、互いに
重なり合うようにステータコア上に配置されている。
回転用巻線２６と、ロータ１０の回転軸線方向の軸受力
を発生させる軸受用巻線２７とを有してなる。本実施形
態の磁気浮上型電動機１は、図１に示すようにロータマ
グネット１２の極数が８、ステータ２０の軸受用巻線２
７の極数が６の電動機である。回転用巻線２６と軸受用
巻線２７はともに６個の矩形状の巻線からなり、互いに
重なり合うようにステータコア上に配置されている。
【００２０】ロータ１０は、バックヨーク１１と、この
バックヨーク１１の一面側に固着されたロータマグネッ
ト１２とを有してなる。ロータマグネット１２は、周方
向に８極の着磁がされている。ロータ１０と図１に示す
ステータ２０は、互いに面対向した状態で配置され、ロ
ータ１０は適宜のスラスト軸受手段によって支持され、
円筒型の電動機を構成している。
バックヨーク１１の一面側に固着されたロータマグネッ
ト１２とを有してなる。ロータマグネット１２は、周方
向に８極の着磁がされている。ロータ１０と図１に示す
ステータ２０は、互いに面対向した状態で配置され、ロ
ータ１０は適宜のスラスト軸受手段によって支持され、
円筒型の電動機を構成している。
【００２１】この場合、ステータ２０において、回転用
巻線２６、軸受用巻線２７のどちらか一方をずらして配
置することにより巻線占有率を増やし、回転トルク、浮
上力共に増加させることが可能となる。例えば軸受用巻
線２７の極数を６とした本実施形態では、図１および図
２に示すように、軸受用巻線２７を構成する浮上用巻線
Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂを、回転用巻線２６の位置から時計回
りに３０度ずつ移動して配置している。
巻線２６、軸受用巻線２７のどちらか一方をずらして配
置することにより巻線占有率を増やし、回転トルク、浮
上力共に増加させることが可能となる。例えば軸受用巻
線２７の極数を６とした本実施形態では、図１および図
２に示すように、軸受用巻線２７を構成する浮上用巻線
Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂを、回転用巻線２６の位置から時計回
りに３０度ずつ移動して配置している。
【００２２】ここで、図３および図４に示すように、回
転用巻線２６は回転軸線からの距離が一定の略矩形の巻
線であるのに対し、軸受用巻線２７は回転軸線からの距
離が途中で異なるように折り曲げられた２段高さの矩形
巻線である。この場合、軸受用巻線２７は、バックヨー
ク１１と接する部分においては矩形回転用巻線２６の枠
の内側を通過するのに対し、バックヨーク１１が接しな
い部分においては、径方向外側に退避して回転用巻線２
６よりも外側を通過するように形成されている。このた
め、本実施形態の磁気浮上型電動機１では、回転用巻線
２６および軸受用巻線２７を同方向にずらして重ならな
いように配置して、ロータ１０とステータ２０との間の
巻線設置スペースは巻線１段分の厚さがあれば足りるよ
うにしている。したがって、ロータ１０とステータ２０
との間の間隔を狭めることが可能となり、ギャップ磁束
密度を大きくしてトルク、浮上力を増加させることがで
きる。また、ギャップ間隔を狭めない場合には、巻線数
を多くしてトルク、浮上力を増加させることができる。
転用巻線２６は回転軸線からの距離が一定の略矩形の巻
線であるのに対し、軸受用巻線２７は回転軸線からの距
離が途中で異なるように折り曲げられた２段高さの矩形
巻線である。この場合、軸受用巻線２７は、バックヨー
ク１１と接する部分においては矩形回転用巻線２６の枠
の内側を通過するのに対し、バックヨーク１１が接しな
い部分においては、径方向外側に退避して回転用巻線２
６よりも外側を通過するように形成されている。このた
め、本実施形態の磁気浮上型電動機１では、回転用巻線
２６および軸受用巻線２７を同方向にずらして重ならな
いように配置して、ロータ１０とステータ２０との間の
巻線設置スペースは巻線１段分の厚さがあれば足りるよ
うにしている。したがって、ロータ１０とステータ２０
との間の間隔を狭めることが可能となり、ギャップ磁束
密度を大きくしてトルク、浮上力を増加させることがで
きる。また、ギャップ間隔を狭めない場合には、巻線数
を多くしてトルク、浮上力を増加させることができる。
【００２３】また、図２では、磁気浮上型電動機１をラ
ジアル方向に展開し、巻線とロータマグネット１２の磁
極の位置関係を１回転にわたって示している。ステータ
コアにはＵ，Ｖ，Ｗの回転用巻線２６および軸受用巻線
２７がそれぞれ配置されている。ロータ１０にはロータ
マグネット１２により８極の磁極が作られ、ロータ１０
とステータ２０との間のエアギャップには、次の数式１
で示す正弦波状の磁束Ｂｇが生じる。
ジアル方向に展開し、巻線とロータマグネット１２の磁
極の位置関係を１回転にわたって示している。ステータ
コアにはＵ，Ｖ，Ｗの回転用巻線２６および軸受用巻線
２７がそれぞれ配置されている。ロータ１０にはロータ
マグネット１２により８極の磁極が作られ、ロータ１０
とステータ２０との間のエアギャップには、次の数式１
で示す正弦波状の磁束Ｂｇが生じる。
【数１】Ｂｇ＝−Ｂｓｉｎ（ωｔ＋４θ） 本実施形態の回転トルク発生原理について説明する。Ｕ
ｍ，Ｖｍ，Ｗｍの３相の集中巻線がステータ２０上にπ
／３ずつの間隔で６個配置される。各相の行きと帰りの
巻線は、最大トルクを発生させるためにπ／４の間隔で
巻かれる。巻線の各相には数式２で示す３相電流を流
す。
ｍ，Ｖｍ，Ｗｍの３相の集中巻線がステータ２０上にπ
／３ずつの間隔で６個配置される。各相の行きと帰りの
巻線は、最大トルクを発生させるためにπ／４の間隔で
巻かれる。巻線の各相には数式２で示す３相電流を流
す。
【数２】
【００２４】ここで、各変数の定義を以下に示す。 Ｂ ：マグネットの磁束密度の波高値 ω ：角周波数 ｔ ：時間 θ ：ステータ上に固定した回転座標 Ａ ：電流の波高値 φ ：電動機巻線による磁束とロータの位相差 ｌｍ ：軸受用巻線の全有効長さ
【００２５】円周上を流れる電動機電流の半周期分は、
ディラック（Ｄｉｒａｃ）のデルタ関数を用いて数式３
のように表すことができる。
ディラック（Ｄｉｒａｃ）のデルタ関数を用いて数式３
のように表すことができる。
【数３】 この電流によって生じる回転トルクは、フレミングの法
則から数式４のようになる。残りの半周期にも同じ電流
が流れるものとして、半周期分の２倍としてトルクを計
算した。
則から数式４のようになる。残りの半周期にも同じ電流
が流れるものとして、半周期分の２倍としてトルクを計
算した。
【数４】 これにより、本実施形態にかかる磁気浮上型電動機１に
よれば、ロータの位置、および時間に関係なく一定のト
ルクを発生させることができる。
よれば、ロータの位置、および時間に関係なく一定のト
ルクを発生させることができる。
【００２６】さらに、通常の同期電動機と同様に、３相
電流の位相φで次のような電動機制御を行うことができ
る。 φ＝０゜ ・波高値Ａによりサーボ電動機制御 φ＝９０゜ ・同期電動機の無負荷時 ０゜＜φ＜９０゜ ・同期電動機の負荷時
電流の位相φで次のような電動機制御を行うことができ
る。 φ＝０゜ ・波高値Ａによりサーボ電動機制御 φ＝９０゜ ・同期電動機の無負荷時 ０゜＜φ＜９０゜ ・同期電動機の負荷時
【００２７】上述の実施形態にかかる磁気浮上型電動機
１では、ロータマグネット１２の極数が８極になってい
るが、ステータの巻線は４極相当である。それにもかか
わらず、ＰＭ同期電動機と同じ制御が可能であり、コイ
ルエンドの長さは最短で、銅損が少ないという特徴を持
っている。また、電気周波数ωと機械周波数ωｍとの関
係は、８極電動機と同じく、次の数式５の関係となる。
１では、ロータマグネット１２の極数が８極になってい
るが、ステータの巻線は４極相当である。それにもかか
わらず、ＰＭ同期電動機と同じ制御が可能であり、コイ
ルエンドの長さは最短で、銅損が少ないという特徴を持
っている。また、電気周波数ωと機械周波数ωｍとの関
係は、８極電動機と同じく、次の数式５の関係となる。
【数５】ω＝（Ｐ／２）ωｍ ， Ｐ＝８
【００２８】次に、本実施形態の浮上力制御について説
明する。ラジアル方向の浮上力を発生する軸受用巻線２
７の配置を図２に示す。軸受用巻線２７は回転用巻線２
６から３０゜（π／６）ずれた位置に配置され、３相２
極の巻線構成である。軸受用巻線２７には次の３相交流
を流す。
明する。ラジアル方向の浮上力を発生する軸受用巻線２
７の配置を図２に示す。軸受用巻線２７は回転用巻線２
６から３０゜（π／６）ずれた位置に配置され、３相２
極の巻線構成である。軸受用巻線２７には次の３相交流
を流す。
【数６】
【００２９】ここで、各変数の定義を以下に示す。 Ｂ ：マグネットの磁束密度の波高値 ω ：角周波数 ｔ ：時間 θ ：ステータ上に固定した回転座標 Ｃ ：ロータのラジアル方向制御電流の波高値 φ ：浮上用巻線電流の位相差 ｌｂ ：軸受用巻線の全有効長さ 電動機のベースに対して垂直上方向をｙ，水平横方向を
ｘとする。
ｘとする。
【００３０】円周上に配置された電流は、巻線位置に集
中していると近似できるので以下の関数で表すことがで
きる。ここで、比較のため従来における電流および浮上
力から示すと、
中していると近似できるので以下の関数で表すことがで
きる。ここで、比較のため従来における電流および浮上
力から示すと、
【数７】 これをフレミングの左手の法則（ＢＩＬ則）に代入して
浮上力を計算すると、
浮上力を計算すると、
【数８】
【数９】 数式８、数式９で表される浮上力は、３相交流の電圧Ｃ
と位相φで自由に制御できる。
と位相φで自由に制御できる。
【００３１】これに対し、本実施形態における巻線分布
の電流は数式１０に示す関数で表すことができる。
の電流は数式１０に示す関数で表すことができる。
【数１０】 これをフレミングの左手の法則（ＢＩＬ則）に代入して
浮上力を計算すると、
浮上力を計算すると、
【数１１】
【数１２】 この場合も、浮上３相交流の電圧Ｃと位相φで自由に制
御することが可能である。
御することが可能である。
【００３２】以上のことから、浮上力制御は、ロータ１
０の回転角に関係なく行うことができ、トルク制御と干
渉せず、また、位相差φにより、円周上全ての方向に制
御力を発生させることが可能であることがわかる。
０の回転角に関係なく行うことができ、トルク制御と干
渉せず、また、位相差φにより、円周上全ての方向に制
御力を発生させることが可能であることがわかる。
【００３３】以上説明した磁気浮上型電動機１は、一例
を図５に示すような制御システムによって回転制御およ
び浮上力の制御が行われる。図５において、ロータ１０
の回転軸線方向と垂直な方向へのロータ１０の変位を検
出する二つの変位センサ３１、３２を有している。変位
センサ３１はｘ方向の変位を検出し、変位センサ３２は
これに直交する方向であるｙ方向の変位を検出する。各
変位センサ３１、３２の検出出力は適宜の変換器３４を
経てアナログ・デジタル変換器３６に入力されてデジタ
ル信号に変換され、中央制御ユニット（以下「ＣＰＵ」
という）４０に入力される。ＣＰＵ４０は各変位センサ
３１、３２の検出出力に基づいて各巻線２６、２７への
通電を制御すべくデジタル・アナログ変換器３８を通じ
て制御信号を出力する。この制御信号はパワーアンプ４
２に入力され、パワーアンプ４２は、回転用巻線２６と
軸受用巻線２７に制御信号に応じた電流を流す。この制
御システムで軸受用巻線２７への通電制御が行われるこ
とにより、ロータ１０の回転軸を所定の位置に保持する
ことができる。
を図５に示すような制御システムによって回転制御およ
び浮上力の制御が行われる。図５において、ロータ１０
の回転軸線方向と垂直な方向へのロータ１０の変位を検
出する二つの変位センサ３１、３２を有している。変位
センサ３１はｘ方向の変位を検出し、変位センサ３２は
これに直交する方向であるｙ方向の変位を検出する。各
変位センサ３１、３２の検出出力は適宜の変換器３４を
経てアナログ・デジタル変換器３６に入力されてデジタ
ル信号に変換され、中央制御ユニット（以下「ＣＰＵ」
という）４０に入力される。ＣＰＵ４０は各変位センサ
３１、３２の検出出力に基づいて各巻線２６、２７への
通電を制御すべくデジタル・アナログ変換器３８を通じ
て制御信号を出力する。この制御信号はパワーアンプ４
２に入力され、パワーアンプ４２は、回転用巻線２６と
軸受用巻線２７に制御信号に応じた電流を流す。この制
御システムで軸受用巻線２７への通電制御が行われるこ
とにより、ロータ１０の回転軸を所定の位置に保持する
ことができる。
【００３４】なお、上述の実施形態は本発明の好適な実
施の一例では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変形実施可能
である。例えば、本実施形態では磁気浮上型電動機１を
周対向する円筒型モータとしたが、ステータ２０とロー
タ１０とを回転軸線方向に２組配置して磁気浮上型電動
機１を構成することができる。
施の一例では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変形実施可能
である。例えば、本実施形態では磁気浮上型電動機１を
周対向する円筒型モータとしたが、ステータ２０とロー
タ１０とを回転軸線方向に２組配置して磁気浮上型電動
機１を構成することができる。
【００３５】また、上述の実施形態では周対向する円筒
型モータに適用したが、面対向型モータにもそのまま適
用することができる。一例を挙げれば、上述の実施形態
では一つのステータ２０と一つのロータ１０を対向させ
た形態になっていたが、図６に示すように、ステータ２
０とロータ１０とを平面対向型に構成するとともに、ロ
ータ１０を構成するバックヨーク１１の回転軸線方向両
側に二つの平面型ロータマグネット１２１、１２２を設
け、この二つの平面型ロータマグネット１２１、１２２
を間に挟んだ両側にそれぞれステータ２０１、２０２を
配置し、両側のステータ２０１、２０２それぞれに軸受
用巻線２６１、２６３と回転用巻線２６２、２６４とを
それぞれ設けてもよい。こうすれば、プッシュ・プル方
式によって回転トルクを増大させることができるし、ラ
ジアル方向４自由度を能動的に制御することが可能であ
る。
型モータに適用したが、面対向型モータにもそのまま適
用することができる。一例を挙げれば、上述の実施形態
では一つのステータ２０と一つのロータ１０を対向させ
た形態になっていたが、図６に示すように、ステータ２
０とロータ１０とを平面対向型に構成するとともに、ロ
ータ１０を構成するバックヨーク１１の回転軸線方向両
側に二つの平面型ロータマグネット１２１、１２２を設
け、この二つの平面型ロータマグネット１２１、１２２
を間に挟んだ両側にそれぞれステータ２０１、２０２を
配置し、両側のステータ２０１、２０２それぞれに軸受
用巻線２６１、２６３と回転用巻線２６２、２６４とを
それぞれ設けてもよい。こうすれば、プッシュ・プル方
式によって回転トルクを増大させることができるし、ラ
ジアル方向４自由度を能動的に制御することが可能であ
る。
【００３６】前述の実施の形態および図６、図７に示す
実施の形態においては、軸受用巻線２７および回転用巻
線２６への通電を制御することにより、各種の制御行う
ことができる。例えば、少なくとも、ロータ１０のｘ方
向の変位制御、ロータ１０のｙ方向の変位制御、ロータ
１０Ｘ平面およびＹ平面それぞれの傾き制御の４軸制御
と、回転トルク制御を行うことができる。
実施の形態においては、軸受用巻線２７および回転用巻
線２６への通電を制御することにより、各種の制御行う
ことができる。例えば、少なくとも、ロータ１０のｘ方
向の変位制御、ロータ１０のｙ方向の変位制御、ロータ
１０Ｘ平面およびＹ平面それぞれの傾き制御の４軸制御
と、回転トルク制御を行うことができる。
【００３７】ロータ１０は適宜のスラスト軸受によって
スラスト荷重が支持される。例えば、図７に示す例のよ
うに、ロータ１０の上下中心から軸を突出させ、この軸
をピボット４４、４６で回転自在に支持してもよい。あ
るいは、ロータ１０をスラスト磁気軸受で非接触で回転
自在に支持してもよい。
スラスト荷重が支持される。例えば、図７に示す例のよ
うに、ロータ１０の上下中心から軸を突出させ、この軸
をピボット４４、４６で回転自在に支持してもよい。あ
るいは、ロータ１０をスラスト磁気軸受で非接触で回転
自在に支持してもよい。
【００３８】また、本発明は、ロータマグネット１２の
極数を４極とした場合にも適用可能である。例えば、図
８に示すように回転方向において略９０度の等間隔をな
して４極の磁極を備えるように着磁が施されている磁気
浮上型電動機１においては、ロータマグネットを８極、
巻線を６極としたものに比較して、駆動周波数が半分に
低減されることとなる。その結果、駆動アンプの高速化
が不要となるとともに、鉄損の増加に基づく発熱や効率
の低下が効果的に防止されるようになっている。
極数を４極とした場合にも適用可能である。例えば、図
８に示すように回転方向において略９０度の等間隔をな
して４極の磁極を備えるように着磁が施されている磁気
浮上型電動機１においては、ロータマグネットを８極、
巻線を６極としたものに比較して、駆動周波数が半分に
低減されることとなる。その結果、駆動アンプの高速化
が不要となるとともに、鉄損の増加に基づく発熱や効率
の低下が効果的に防止されるようになっている。
【００３９】また、本実施形態では軸受用巻線２７を途
中で折り曲げる形状とし、回転用巻線２６の径方向外側
に退避して径方向厚みを薄くしたが、これとは逆に回転
用巻線２６を折り曲げる構造としても構わない。あるい
は、回転用巻線２６と軸受用巻線２７を同一形状となる
ように折り曲げ、一部重なるように配置して径方向厚み
を薄くすることも可能である。この場合、回転用巻線２
６と軸受用巻線２７とを共通化した共通巻線とし、回転
トルク発生用の電流に軸受力発生用の電流を重畳して共
通巻線に通電することができる。
中で折り曲げる形状とし、回転用巻線２６の径方向外側
に退避して径方向厚みを薄くしたが、これとは逆に回転
用巻線２６を折り曲げる構造としても構わない。あるい
は、回転用巻線２６と軸受用巻線２７を同一形状となる
ように折り曲げ、一部重なるように配置して径方向厚み
を薄くすることも可能である。この場合、回転用巻線２
６と軸受用巻線２７とを共通化した共通巻線とし、回転
トルク発生用の電流に軸受力発生用の電流を重畳して共
通巻線に通電することができる。
【００４０】さらに、図９は、ステータコイルによる磁
束をより有効に利用するために、ステータ２０に突極５
５、５６を設けた実施の形態を示す。突極５５は主極
で、この主極５５にコイル２６、２７が巻回されてい
る。突極５６は補極で、主極５５間に位置している。主
極５５と補極５６の幅が円周上に図２で説明した巻線間
隔、すなわち主極の幅がほぼπ／４、補極の幅がほぼπ
／２で配置されている。従って、図２に示す磁気的関係
を保ちながら、ロータとステータとの間のギャップを小
さくすることができ、より強固な回転力と浮上力を得る
ことができる。
束をより有効に利用するために、ステータ２０に突極５
５、５６を設けた実施の形態を示す。突極５５は主極
で、この主極５５にコイル２６、２７が巻回されてい
る。突極５６は補極で、主極５５間に位置している。主
極５５と補極５６の幅が円周上に図２で説明した巻線間
隔、すなわち主極の幅がほぼπ／４、補極の幅がほぼπ
／２で配置されている。従って、図２に示す磁気的関係
を保ちながら、ロータとステータとの間のギャップを小
さくすることができ、より強固な回転力と浮上力を得る
ことができる。
【００４１】図１０は、円筒型の電動機をさらに変形し
た実施の形態を概念的に示したもので、円筒形磁気浮上
型電動機を実質的に２個、軸方向に配置したものであ
る。この実施の形態によれば、ロータ１０の回転軸に垂
直なＸ方向の変位制御、ロータ１０の回転軸に垂直で上
述のＸ方向に直交するＹ方向の変位制御、上述のＸ平面
およびＹ平面それぞれの傾き制御の４軸制御と、回転ト
ルク制御を行うことができる。ロータ１０は、適宜のス
ラスト軸受によってスラスト荷重が支持される。例えば
ピボットで回転自在に支持してもよい。あるいは、ロー
タ１０をスラスト磁気軸受で非接触で回転自在に支持し
てもよい。
た実施の形態を概念的に示したもので、円筒形磁気浮上
型電動機を実質的に２個、軸方向に配置したものであ
る。この実施の形態によれば、ロータ１０の回転軸に垂
直なＸ方向の変位制御、ロータ１０の回転軸に垂直で上
述のＸ方向に直交するＹ方向の変位制御、上述のＸ平面
およびＹ平面それぞれの傾き制御の４軸制御と、回転ト
ルク制御を行うことができる。ロータ１０は、適宜のス
ラスト軸受によってスラスト荷重が支持される。例えば
ピボットで回転自在に支持してもよい。あるいは、ロー
タ１０をスラスト磁気軸受で非接触で回転自在に支持し
てもよい。
【００４２】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
にかかる磁気浮上型電動機によると、従来は２段に重ね
て配置していた回転用巻線、軸受用巻線それぞれの巻線
をずらして同一周に配置することにより、無駄になって
いた空間を有効に利用し、巻線スペースを大きくし、浮
上力を大きくすることが可能となる。しかも、巻線をず
らして配置しても、回転トルクと浮上力は独立に制御す
ることが可能であり、浮上用三相交流の電流値とその位
相により、浮上力ベクトルを自由な方向に発生させるこ
とができる。また、巻線スペースをそのままにした場合
には、ロータ−ステータ間隔を小さくすることが出来、
ギャップ磁束密度を大きくすることが出来るため、同様
にトルク、浮上力を大きくすることが出来る。
にかかる磁気浮上型電動機によると、従来は２段に重ね
て配置していた回転用巻線、軸受用巻線それぞれの巻線
をずらして同一周に配置することにより、無駄になって
いた空間を有効に利用し、巻線スペースを大きくし、浮
上力を大きくすることが可能となる。しかも、巻線をず
らして配置しても、回転トルクと浮上力は独立に制御す
ることが可能であり、浮上用三相交流の電流値とその位
相により、浮上力ベクトルを自由な方向に発生させるこ
とができる。また、巻線スペースをそのままにした場合
には、ロータ−ステータ間隔を小さくすることが出来、
ギャップ磁束密度を大きくすることが出来るため、同様
にトルク、浮上力を大きくすることが出来る。
【００４３】また、固定子の構造が簡単であり、磁気浮
上力制御と回転トルク制御のうちの一方の制御が他方の
制御に影響を及ぼすことがなく、また、軸長を短くする
ことができ、その分危険速度を高くすることができる。
上力制御と回転トルク制御のうちの一方の制御が他方の
制御に影響を及ぼすことがなく、また、軸長を短くする
ことができ、その分危険速度を高くすることができる。
【００４４】また、本発明では、ステータとロータとを
平面対向型に構成するとともに、ロータの回転軸線方向
に二つの平面型ロータマグネットを設け、この二つの平
面型ロータマグネットを間に挟んだ両側にステータを配
置し、両側のステータそれぞれに回転用巻線と軸受用巻
線とをそれぞれ設けたことから、より大きな浮上力と回
転トルクを得ることができるとともに、回転軸方向の位
置制御を除く空間４軸の制御が可能となる。
平面対向型に構成するとともに、ロータの回転軸線方向
に二つの平面型ロータマグネットを設け、この二つの平
面型ロータマグネットを間に挟んだ両側にステータを配
置し、両側のステータそれぞれに回転用巻線と軸受用巻
線とをそれぞれ設けたことから、より大きな浮上力と回
転トルクを得ることができるとともに、回転軸方向の位
置制御を除く空間４軸の制御が可能となる。
【００４５】さらに、本発明によれば、円筒型の磁気浮
上型電動機において、円筒型のステータとロータとを回
転軸線方向に２組配置したものにおいても、より大きな
浮上力と回転トルクを得ることができるとともに、回転
軸方向の位置制御を除く空間４軸の制御が可能となる。
上型電動機において、円筒型のステータとロータとを回
転軸線方向に２組配置したものにおいても、より大きな
浮上力と回転トルクを得ることができるとともに、回転
軸方向の位置制御を除く空間４軸の制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる磁気浮上型電動機の構造例を示
す概略平面図である。
す概略平面図である。
【図２】本実施形態の回転トルク発生原理および浮上力
発生原理を示す展開図である。
発生原理を示す展開図である。
【図３】回転用巻線および軸受用巻線の一形状例を示す
斜視図である。
斜視図である。
【図４】回転用巻線および軸受用巻線の形状例を示す磁
気浮上型電動機の概略縦断面図である。
気浮上型電動機の概略縦断面図である。
【図５】本実施形態に適用可能な制御系統の例を示すブ
ロック図である。
ロック図である。
【図６】本発明にかかる磁気浮上型電動機のさらに別の
実施の形態を概念的に示す正面図である。
実施の形態を概念的に示す正面図である。
【図７】本発明にかかる磁気浮上型電動機のさらに別の
実施の形態を概念的に示す正面図である。
実施の形態を概念的に示す正面図である。
【図８】回転用巻線に対する電流設定の一例を表した平
面模式図である。
面模式図である。
【図９】本発明にかかる磁気浮上型電動機のさらに別の
実施の形態を示す横断面図である。
実施の形態を示す横断面図である。
【図１０】本発明にかかる磁気浮上型電動機のさらに別
の実施の形態を概念的に示した正面説明図である。
の実施の形態を概念的に示した正面説明図である。
【図１１】従来の磁気浮上型電動機の構造例を示す概略
平面図である。
平面図である。
【図１２】従来の磁気浮上型電動機の回転トルク発生原
理および浮上力発生原理を示す展開図である。
理および浮上力発生原理を示す展開図である。
【図１３】従来の磁気浮上型電動機の回転用巻線および
軸受用巻線の形状例を示すステータの概略縦断面図であ
る。
軸受用巻線の形状例を示すステータの概略縦断面図であ
る。
１ 磁気浮上型電動機 １０ ロータ １２ ロータマグネット ２０ ステータ ２１ 回転用巻線 ２２ 軸受用巻線 ２６ 回転用巻線 ２７ 軸受用巻線 ３１ 変位センサ ３２ 変位センサ １２１ ロータマグネット １２２ ロータマグネット ２０１ ステータ ２０２ ステータ ２６１ 軸受用巻線 ２６２ 回転用巻線 ２６３ 軸受用巻線 ２６４ 回転用巻線
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｋ 21/24 Ｈ０２Ｋ 21/24 Ｍ Ｆターム(参考） 3J102 AA01 BA03 BA19 CA09 DA03 DA09 DB05 GA13 5H575 BB02 DD03 DD06 DD09 DD10 EE20 GG01 LL50 5H607 AA00 BB01 BB07 BB13 BB14 BB20 CC01 CC07 GG20 GG21 HH01 KK10 5H621 BB01 BB02 BB07 BB10 GB00 HH01 JK14 JK19
Claims (10)
- 【請求項１】 ステータとロータとが対向し、ロータが
磁気力により回転自在に支持されてなる磁気浮上型電動
機において、上記ロータは多極着磁されたロータマグネ
ットを有し、上記ステータは、上記ロータマグネットに
対向して上記ロータに回転トルクを発生させる回転用巻
線を有するとともに上記ロータの回転軸線方向に対して
直交する方向の軸受力を発生させる軸受用巻線を有し、
上記回転用巻線と軸受用巻線とは周方向にずらして重な
らないように配置されてなり、上記ロータの回転軸線方
向に対して直交する平面に関する上記ロータの変位を検
出する変位センサを有し、上記回転用巻線により上記ロ
ータを回転させるとともに、上記変位センサの出力によ
り上記軸受用巻線を通電制御して上記ロータの回転軸を
所定の位置に保持するようにしたことを特徴とする磁気
浮上型電動機。 - 【請求項２】 上記ステータとロータとを平面対向型に
構成してなることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上
型電動機。 - 【請求項３】 上記ステータとロータとを円筒型に構成
してなることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上型電
動機。 - 【請求項４】 回転用巻線と軸受用巻線はそれぞれ同一
形状であることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上型
電動機。 - 【請求項５】 回転用巻線と軸受用巻線は共通化された
共通巻線となっていて、回転トルク発生用の電流に軸受
力発生用の電流が重畳されて上記共通巻線に通電される
ことを特徴とする請求項４記載の磁気浮上型電動機。 - 【請求項６】 ステータとロータとを平面対向型に構成
するとともに、ロータの回転軸線方向に二つの平面型ロ
ータマグネットが設けられ、この二つの平面型ロータマ
グネットを間に挟んだ両側に上記ステータが配置され、
両側のステータそれぞれに回転用巻線と軸受用巻線とが
それぞれ設けられてなることを特徴とする請求項１記載
の磁気浮上型電動機。 - 【請求項７】 上記円筒型のステータとロータとを回転
軸線方向に２組配置してなることを特徴とする請求項３
記載の磁気浮上型電動機。 - 【請求項８】 回転用巻線及び軸受用巻線の巻線間隔の
間に突極が設けられていることを特徴とする請求項１記
載の磁気浮上型電動機。 - 【請求項９】 ロータマグネットの極数は８、ステータ
の上記軸受用巻線の極数は６であることを特徴とする請
求項１記載の磁気浮上型電動機。 - 【請求項１０】 ロータマグネットの極数は４、ステー
タの上記軸受用巻線の極数は６であることを特徴とする
請求項１記載の磁気浮上型電動機。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001128316A JP4750965B2 (ja) | 2001-04-25 | 2001-04-25 | 磁気浮上型電動機 |
| US10/127,337 US6753631B2 (en) | 2001-04-25 | 2002-04-19 | Magnetically levitated motor |
| EP02252893A EP1257042A3 (en) | 2001-04-25 | 2002-04-24 | Magnetically levitated motor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001128316A JP4750965B2 (ja) | 2001-04-25 | 2001-04-25 | 磁気浮上型電動機 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002325490A true JP2002325490A (ja) | 2002-11-08 |
| JP4750965B2 JP4750965B2 (ja) | 2011-08-17 |
Family
ID=18977033
Family Applications (1)
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