JP2004336968A

JP2004336968A - ベアリングレスモータならびにその回転子位置制御回路および回転子位置制御方法

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Publication number: JP2004336968A
Application number: JP2003133270A
Authority: JP
Inventors: Shinshiyo Takemoto; 真紹竹本; Tadashi Fukao; 正深尾; Akira Chiba; 明千葉
Original assignee: Rikogaku Shinkokai
Current assignee: Rikogaku Shinkokai
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2023-05-12
Also published as: JP3854998B2

Abstract

【課題】回転子と固定子との間に所定のギャップ長を有するベアリングレスモータにおいて、磁気的な線形性を維持しつつも回転子を磁気支持する支持力を効率よく発生できるベアリングレスモータならびにその回転子位置制御回路および回転子位置制御方法を実現する。
【解決手段】回転子１と固定子２とがギャップを介して対面するベアリングレスモータは、周縁に突極３１、３２、３３および３４が周設される回転子１の突極間に、磁極の極性の向きがこの回転子の半径方向に向かって互いに逆向きになるように、かつ、回転方向に沿って隣接するように設置される永久磁石３の組を備える。また、ベアリングレスモータの回転子位置制御回路は、固定子２に設けられた界磁巻線に流すべき正の界磁電流を制御する電流制御回路を備えてなる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子を回転駆動する電動機機能と、回転子の半径方向の位置を制御する磁気軸受機能とを有するベアリングレスモータならびにその回転子位置制御回路および回転子位置制御方法に関し、特に永久磁石型ベアリングレスモータならびにその回転子位置制御回路および回転子位置制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動機の高速化、高出力化、メンテナンスフリー化といった要求に応えるために、１つの固定子に電動機巻線および支持巻線（すなわち位置制御巻線）の２種類の巻線を備えることで、回転子を回転駆動する電動機機能と、回転子の半径方向の位置を制御する磁気軸受機能とを磁気的に一体化したベアリングレスモータが研究開発されている。ベアリングレスモータでは、回転子を回転駆動する磁界を、磁気軸受の励磁磁界として利用するので、モータの小型化が容易である。
【０００３】
一般にベアリングレスモータは、内側に回転子が、外側には固定子が、対面して設けられており、回転子と固定子との間には、非接触を保つためのギャップが設けられている。
【０００４】
永久磁石型ベアリングレスモータでは、その回転子の構造から、回転子の円周に永久磁石を貼り付けた表面貼付型（ＳＰＭ型：ＳｕｒｆａｃｅＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＴｙｐｅ）、ＳＰＭ型の極間に突極を形成したＩｎｓｅｔ型、永久磁石を回転子表面に浅く埋め込んだ埋込永久磁石型（ＳＢＰＭ型：Ｓｈａｌｌｏｗｌｙ−ＢｕｒｉｅｄＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＴｙｐｅ）、永久磁石を回転子表面から深く埋め込んだ埋込永久磁石型（ＤＢＰＭ型：Ｄｅｅｐｌｙ−ＢｕｒｉｅｄＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＴｙｐｅ、あるいは単にＩＰＭ型：ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＴｙｐｅとも称する）などに分類される（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
ここで、従来例として、ｎ極電動機構造およびｎ−２極支持構造を有する埋込永久磁石型ベアリングレスモータ（以下、「ＩＰＭ型ベアリングレスモータ」と称する）のうち、４極電動機構造および２極支持構造を有するＩＰＭ型ベアリングレスモータの動作原理について説明する（例えば、非特許文献２参照）。
【０００６】
図１２は、従来例によるＩＰＭ型ベアリングレスモータの支持力の発生原理を説明する図であり、図１３は、従来例によるＩＰＭ型ベアリングレスモータのトルク磁束の発生原理を説明する図である。
【０００７】
図１２および１３に示した固定子の各巻線は、それぞれの実際の巻線に３相２相変換を行い、そして固定子座標上から回転子座標上にｄｑ座標変換を施したものである。４極の電動機巻線のｄ軸（界磁）巻線をＮ_４ｄ、ｑ軸（トルク）巻線をＮ_４ｑ、それぞれに対応する軸を４ｄ軸および４ｑ軸とする。また、２極の支持巻線のｄ軸巻線をＮ_２ｄ、ｑ軸巻線をＮ_２ｑ、それぞれに対応する軸を２ｄ軸および２ｑ軸とする。ここで、支持巻線の２ｄ軸および２ｑ軸の配置については、２ｄ軸が電動機巻線の４ｄ軸に重なるように規定する。また、座標軸ｉ、ｊは回転子上の直交座標であり、ｉ軸は支持巻線の２ｄ軸に、ｊ軸は２ｑ軸に重なるように配置される。また、回転子を参照符号１、固定子を参照符号２で示す。永久磁石３付近には空隙２１が設けられる。
【０００８】
まず、図１２を参照して、トルク無負荷時におけるｉ軸正の方向の支持力の発生原理について説明する。
【０００９】
支持巻線Ｎ_２ｄに電流ｉ_２ｄを図に示す向きに流すと、破線で示される２極の支持磁束Ψ_２ｄが発生する。この支持磁束Ψ_２ｄと４極の永久磁石が発生する界磁磁束Ψ_４ｍによりｉ軸正側では互いに磁束は強め合い、ｉ軸負側では弱め合う。このように磁束の強弱（磁束の不平衡）が生じることで、磁束が強め合うｉ軸正の方向に、回転子１のシャフト（図示せず）を磁気支持するのに必要な支持力Ｆ_ｉが発生する。このように、支持巻線Ｎ_２ｄに流す電流ｉ_２ｄを適切に制御することで回転子１の半径方向の位置を制御する。
【００１０】
次に、図１３を参照して、トルク磁束の発生原理について説明する。
【００１１】
トルク巻線Ｎ_４ｑにトルク電流ｉ_４ｑを図に示す向きに流すと、実線で示される４極のトルク磁束Ψ_４ｑが発生する。このように、トルク巻線Ｎ_４ｑに流すトルク電流ｉ_４ｑを適切に制御することで、回転子１を回転駆動するためのトルクを制御する。
【００１２】
【非特許文献１】
武田、外３名、「埋込磁石同期モータの設計と制御」、第１版、株式
会社オーム社、２００１年１０月、ｐ．４−５
【非特許文献２】
応用面から見たリラクタンストルク応用電動機の開発動向調査専門委員会、「応用面から見たリラクタンストルク応用電動機の開発動向」、電気学会技術報告、社団法人電気学会、２００１年５月、第８３３
号、ｐ．３
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の４極電動機構造および２極支持構造を有するＩＰＭ型ベアリングレスモータを含むｎ極電動機構造およびｎ−２極支持構造を有するＩＰＭ型ベアリングレスモータでは、図１２に示すように、支持磁束は、真空と同じ透磁率を有する磁気抵抗の大きな永久磁石３を貫く。このため、支持巻線の起磁力に対して有効に支持磁束を発生することができず、支持力も有効に出力することができない。すなわち、支持磁束の磁路上に永久磁石が存在することが原因で、支持磁束を有効に発生することができないという問題がある。
【００１４】
永久磁石の厚みを増加させることで界磁磁束を強くすることは可能である。しかし、永久磁石の厚みの増加に伴い磁石の磁気抵抗が大きくなるので、支持磁束が界磁磁束の増加以上に減少し、結果として支持力は逆に小さくなる。この結果、従来のｎ極電動機構造およびｎ−２極支持構造を有するＩＰＭ型ベアリングレスモータでは、厚さの薄い永久磁石しか使用できないため、永久磁石の不可逆減磁が生じやすい。そして、支持力だけでなく出力できるトルクも小さくなってしまう。
【００１５】
特に、ベアリングレスモータの非接触、無潤滑、メンテナンスフリー、小型化といった特長を最大限に利用するキャンドポンプや人工心臓といった用途では、ベアリングレスモータは、回転中に流体がギャップへ流れ込むことができるように幅広いギャップ長を有するので、もともと支持磁束が発生しづらく、支持力も出力しづらい。したがって、このような用途では、上記問題を解決することが特に重要である。
【００１６】
一方、トルク磁束に関しては、図１３に示すように、電動機トルク巻線Ｎ_４ｑにトルク電流ｉ_４ｑが流れることによって発生するトルク磁束Ψ_４ｑも永久磁石３を貫かないので、支持磁束だけでなくトルク磁束も非常に発生しやすい。すなわち、幅広いギャップ長を有するＩＰＭ型ベアリングレスモータでは特に問題はないが、研削スピンドルやターボ分子ポンプでの用途のように一般的なギャップ長を有するようなＩＰＭ型ベアリングレスモータでは大きなトルク磁束が発生することになり、この大きなトルク磁束によってもたらされる磁気飽和の影響によって支持磁束が減少してしまう。このような支持磁束の減少は支持力の減少につながる。このように、ベアリングレスモータにおける磁気飽和の発生は、回転子の位置制御を困難なものにするという問題をもたらす。このように、トルク磁束に起因する磁気飽和は、支持磁束の線形性の維持を困難にするという問題がある。
【００１７】
従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、回転子と固定子との間に所定のギャップ長を有するベアリングレスモータにおいて、磁気的な線形性を維持するとともに回転子を磁気支持する支持力を効率よく発生できるベアリングレスモータならびにその回転子位置制御回路および回転子位置制御方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を実現するために、本発明においては、各磁束の磁路に関して次の３つの条件に従うように永久磁石を回転子上に配置する。
【００１９】
まず第１の条件として、支持磁束を有効に発生させるために、支持磁束の磁路上には永久磁石を配置しない。
【００２０】
次に第２の条件として、トルク磁束に起因する磁気飽和を発生させないために、トルク磁束の磁路上に厚い永久磁石を配置し、トルク磁束を遮断する。
【００２１】
そして第３の条件として、支持磁束の磁路上の線形性を常に確保するために、トルク磁束および支持磁束の各磁路を分離する。
【００２２】
一般に永久磁石型モータでは、永久磁石がトルクの発生に一番貢献するので、例えば図１２および１３に示した従来のＩＰＭ型ベアリングレスモータの場合もそうであったように、回転子の周縁のほぼ全体にわたって永久磁石を配置していた。しかし、本発明によるベアリングレスモータでは、永久磁石を、磁極を特定の向きにして特定の位置に配置することで、上記３つの条件を満足するベアリングレスモータを実現する。
【００２３】
すなわち、本発明においては、回転子と固定子とがギャップを介して対面するベアリングレスモータは、周縁に突極が周設される回転子の突極間に、磁極の極性の向きがこの回転子の半径方向に向かって互いに逆向きになるように、かつ、回転方向に沿って隣接するように設置される永久磁石の組を備える。
【００２４】
また、本発明によるベアリングレスモータの回転子位置制御回路は、固定子に設けられた界磁巻線に流すべき正の界磁電流を制御する電流制御回路を備えてなる。これにより、界磁巻線に正の界磁電流を流すことによって生じるバイアス磁束を、固定子に設けられた支持巻線に電流が流れることによって生じる平衡の支持磁束に重畳させることで磁束の不平衡を発生させ、回転子を磁気支持するための支持力を生成する。
【００２５】
本発明によれば、回転子と固定子との間に所定のギャップ長を有するベアリングレスモータにおいて、磁気的な線形性を維持するとともに回転子を磁気支持する支持力を効率よく発生することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例として、４極電動機構造および２極支持構造を有するベアリングレスモータについて説明する。なお、本発明によるベアリングレスモータは、ｎ極電動機構造およびｎ±２極支持構造を有するものとして実現することができる。
【００２７】
図１は、本発明の実施例によるベアリングレスモータの回転子構造を示す、回転子の回転軸に直交する断面図である。
【００２８】
図１に示すように、本実施例による４極電動機構造および２極支持構造を有するベアリングレスモータにおける回転子１は、周縁に４個の突極３１、３２、３３および３４が周設される。参照符号１１は回転子１のシャフトを示す。
【００２９】
各突極間には、それぞれ２個ずつ永久磁石３が配置される。各突極間におけるこれら２個の永久磁石３は、磁極の極性の向きがこの回転子１の半径方向に向かって互いに逆向きになるように、かつ、回転方向に沿って隣接するように設置される。本実施例では、回転子１の回転軸に直交する永久磁石断面は、回転子の外周に沿う弧を有する扇形状である。
【００３０】
本実施例では、回転子１の円周方向に永久磁石３がずれてしまうことを防ぐため、隣接する永久磁石間はケイ素鋼板などの磁性体で構成され、各永久磁石が固定される。また、回転子１が回転することにより生じる遠心力により各永久磁石３が半径方向外向きに飛散することを防ぐため、回転子１の各突極間に永久磁石３を固定するための磁性体からなる固定部材５を、回転子１の外周に設ける。なお、代替例として、回転子１に穴構造を設けて、その穴構造に永久磁石を挿嵌して固定する構造にすれば、上述の隣接する永久磁石３間の円周方向の固定、および、半径方向の固定を同時に実現することも可能である。
【００３１】
図２は、本発明の実施例によるベアリングレスモータの回転子構造および巻線配置を説明する、回転子の回転軸に直交する断面図である。
【００３２】
図２に示す固定子の各巻線は、３相ベアリングレスモータにおいて、それぞれの実際の巻線に３相２相変換を行い、そして固定子座標上から回転子座標上にｄｑ座標変換を施したものである。なお、実際の固定子巻線構造では、例えば２４スロットなど３６スロットなどを有する固定子の各スロットに各巻線が格納されたものであるが、本明細書では、理解を容易にするために、図２のようなｄｑ座標平面上で説明する。４極の電動機巻線のｄ軸（界磁）巻線をＮ_４ｄ、ｑ軸（トルク）巻線をＮ_４ｑ、それぞれに対応する軸を４ｄ軸および４ｑ軸とする。また、２極の支持巻線のｄ軸巻線をＮ_２ｄ、ｑ軸巻線をＮ_２ｑ、それぞれに対応する軸を２ｄ軸および２ｑ軸とする。ここで、支持巻線の２ｄ軸および２ｑ軸を、２ｄ軸が電動機巻線の４ｄ軸に重なるように設定する。また、座標軸ｉ、ｊは回転子上の直交座標であり、ｉ軸は支持巻線の２ｄ軸に、ｊ軸は２ｑ軸に重なるように配置される。また、回転子を参照符号１、固定子を参照符号２、４極の突極を参照符号３１、３２、３３および３４で示す。これらは、図４についても同様である。
【００３３】
図２に示すように、突極間に存在する４つの凹部には、それぞれ２つずつ永久磁石３が配置される。突極間に存在する各凹部におけるこれら２個の永久磁石３は、磁極の極性の向きがこの回転子１の半径方向に向かって互いに逆向きになるように、かつ、回転方向に沿って隣接するように設置される。このように永久磁石３を配置することで、永久磁石３が発生する磁束Ψ_４ｍは、図２の点線のように、隣接する２つの永久磁石３を通るように磁路を形成する。ベアリングレスモータ全体としては４極の磁場を形成する。本発明によるベアリングレスモータでは、ｎ極電動機構造およびｎ±２極支持構造を有する場合、ｎ極の磁場が形成される。
【００３４】
図３は、本発明の実施例によるベアリングレスモータにおいて永久磁石が発生する磁界の二次元有限要素磁場解析によるシミュレーション結果を例示する図である。
【００３５】
この図３では、回転子１の回転軸に直交する断面図に、永久磁石３による磁束Ψ_４ｍの磁束分布が示されており、固定子巻線電流をゼロとしたときの永久磁石３による磁路が点線で示されている。なお、図中、スロットは参照符号Ｓで示されており、このスロットに各巻線が格納される。
【００３６】
図３から、永久磁石から回転子の突極３１および３２を通って漏れる漏れ磁束は非常に少なく、また磁束Ψ_４ｍは、図２を参照して説明したように、隣接する２つの永久磁石３だけを通るように閉磁路を形成することが確認できる。
【００３７】
このように、本実施例のベアリングレスモータは、一般的な永久磁石モータとは異なり、界磁巻線のｄ軸インダクタンスＬ_４ｄ＞トルク巻線のｑ軸インダクタンスＬ_４ｑという正の突極性を有し、永久磁石モータとして考えた場合の４ｄ軸および４ｑ軸と、シンクロナスリラクタンスモータとして考えた場合の４ｄ軸および４ｑ軸とが一致する。
【００３８】
そして、４ｑ軸（トルク）巻線Ｎ_４ｑに流れる電流ｉ_４ｑによって発生するトルク磁束Ψ_４ｑ（図２中、点線部分参照）による磁気飽和を生じさせないために、トルク磁束の磁路上に厚い永久磁石３を配置し、トルク磁束を遮断もしくは低減する構造となっていることも確認できる。
【００３９】
次に、本発明の実施例によるベアリングレスモータの支持力の発生原理について説明する。
【００４０】
図４は、本発明の実施例によるベアリングレスモータの支持力の発生原理を説明する、回転子の回転軸に直交する断面図である。
【００４１】
図１２および１３を参照して既に説明したように、一般の永久磁石型ベアリングレスモータでは、永久磁石３によって発生する磁束Ψ_４ｍをバイアス磁束とし、支持磁束Ψ_２ｄに重ね合わせることで、能動的に磁束の不均衡を生じさせて支持力Ｆ_ｉを発生させていた。
【００４２】
しかし本実施例では、図２および３を参照して既に説明したように、永久磁石３によって発生する磁束Ψ_４ｍは、回転子１の突極３１、３２、３３および３４を通らないので、従来のようにバイアス磁束として磁束Ψ_４ｍを利用することはできない。
【００４３】
そこで本実施例では、界磁巻線Ｎ_４ｄに正の界磁電流ｉ_４ｄを流すことによって発生する磁束Ψ_４ｄを、従来例における永久磁石によって発生する磁束Ψ_４ｍに代えて、バイアス磁束として利用する。
【００４４】
図４に示すように、支持巻線Ｎ_２ｄに電流ｉ_２ｄを流すと、支持磁束Ψ_２ｄが回転子１の突極３１および３３を通る２極の磁路形状で発生する。図４からわかるように、本実施例によるベアリングレスモータでは、支持磁束Ψ_２ｄの磁路上に永久磁石３が存在しないため、支持巻線Ｎ_２ｄの起磁力に対して支持磁束Ψ_２ｄを有効に発生することができる。
【００４５】
例えば、図４に示す向き（これを「正の向き」とする）に支持巻線Ｎ_２ｄに電流ｉ_２ｄを流す場合、界磁巻線Ｎ_４ｄに正の界磁電流ｉ_４ｄを流すと、突極３１のギャップ付近では磁束Ψ_４ｄと磁束Ψ_２ｄとが同じ向きで強め合うのに対し、突極３３のギャップ付近では磁束Ψ_４ｄと磁束Ψ_２ｄとが逆向きなので弱め合う。したがって、回転子１にはｉ軸正方向に支持力Ｆ_ｉが作用することになる。
【００４６】
一方、支持巻線Ｎ_２ｄに負の向きに電流ｉ_２ｄを流す場合、界磁巻線Ｎ_４ｄに正の界磁電流ｉ_４ｄを流すと、突極３１のギャップ付近では磁束Ψ_４ｄと磁束Ψ_２ｄとが逆向きで弱め合うのに対し、突極３３のギャップ付近では磁束Ψ_４ｄと磁束Ψ_２ｄとが同じ向きなので強め合う。したがって、回転子１にはｉ軸負方向に支持力Ｆ_ｉが作用することになる。
【００４７】
同様に、ｊ軸正方向もしくは負方向に支持力Ｆ_ｉを発生させるためには、支持巻線Ｎ_２ｑ（図４では図示せず）に、電流ｉ_２ｑを正負いずれかの方向に流せばよい。
【００４８】
本実施例によるベアリングレスモータの回転子位置制御回路では、界磁巻線Ｎ_４ｄに正の界磁電流ｉ_４ｄを流すとともに、支持巻線Ｎ_２ｄおよびＮ_２ｑに流す電流ｉ_２ｄおよびｉ_２ｑの大きさおよび向きを適切に制御することで、回転子１を磁気支持する支持力Ｆ_ｉを所望の向きに発生させ、回転子１の半径方向の位置を制御する。
【００４９】
ここで、本発明の実施例によるベアリングレスモータの特性について説明する。
【００５０】
図５は、本発明の実施例によるベアリングレスモータにおける界磁電流とトルクおよび支持力との関係を示す図であり、（ａ）は、界磁電流とトルクとの関係を示し、（ｂ）は、界磁電流と支持力との関係を示す。
【００５１】
この図は、本発明の実施例によるベアリングレスモータと、図１２の従来の一般的な逆突極性を有する永久磁石モータと、のトルク特性および支持力特性に関する二次元有限要素磁場解析のシミュレーション結果を示している。シミュレーションでは、電動機電流を一定とし、界磁電流ｉ_４ｄを変化させたときのトルクＴおよび支持力Ｆ_ｉの変化を計算した。ここで、電動機電流の大きさは、界磁電流ｉ_４ｄとトルク電流ｉ_４ｑとをベクトル合成することによって得られる。すなわち、電動機電流は、界磁電流ｉ_４ｄの２乗とトルク電流ｉ_４ｑの２乗との和の平方根となる。また、支持力特性の解析では、支持電流ｉ_２ｑおよびトルク電流ｉ_４ｑをともに０アンペアとし、支持電流ｉ_２ｄを一定の定格値とした。
【００５２】
従来の逆突極性を有するＩＰＭ型ベアリングレスモータは、負の界磁電流ｉ_４ｄを流す弱め界磁制御を行うと、図５（ａ）に示すように正のリラクタンストルクを発生し、トルク特性は向上する。しかし、負の界磁電流ｉ_４ｄは負の界磁磁束を発生するため、図５（ｂ）に示すように支持力Ｆ_ｉは減少し、支持力特性は悪化する。すなわち、逆突極性を有するＩＰＭ型ベアリングレスモータには、界磁電流ｉ_４ｄに対してトルクと支持力との間にトレードオフの関係がある。
【００５３】
これに対し、本発明の実施例によるベアリングレスモータは、図４を参照して既に説明したように、支持力Ｆｉを発生するためには正の界磁電流ｉ_４ｄを必要とする。回転子が、界磁巻線のｄ軸インダクタンスＬ_４ｄ＞トルク巻線のｑ軸インダクタンスＬ_４ｑという正の突極性を有することから、図５（ａ）に示すように正のリラクタンストルクを発生し、トルク特性が向上する。また同時に図５（ｂ）に示すように支持力Ｆ_ｉは増加する。すなわち、本発明の実施例によるベアリングレスモータには、界磁電流ｉ_４ｄに対してトルクと支持力との間にトレードオフの関係にないことがわかる。
【００５４】
このように、本発明の実施例によるベアリングレスモータは、従来のＩＰＭ型ベアリングレスモータと異なり、正の電動機界磁電流を、トルク特性の向上および支持力特性の向上に有効に利用できる構造であるといえる。この構造により、従来のＩＰＭ型ベアリングレスモータでは困難であった積極的な界磁電流制御を行うことが可能となり、電動機効率が向上する。
【００５５】
図６は、本発明の実施例によるベアリングレスモータにおける界磁電流と磁束密度との関係を示す図である。
【００５６】
図６では、図３に示した点ａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅの５点における磁束密度Ｂ_ａ、Ｂ_ｂ、Ｂ_ｃ、Ｂ_ｄおよびＢ_ｅのトルク電流ｉ_４ｑに対する変化を、二次元有限要素磁場解析のシミュレーション結果を示している。なお、磁束密度Ｂ_ｂとＢ_ｃとの平均値をＢ_ｂｃとする。シミュレーションでは、界磁電流ｉ_４ｄを一定とし、電流ｉ_２ｄ、ｉ_２ｑを０アンペア一定とした。
【００５７】
図３のトルク磁束Ψ_４ｑの磁路上にある点ｄの磁束密度Ｂ_ｄは、トルク電流ｉ_４ｑの増加と共に増加しているが、永久磁石３の磁束Ψ_４ｍによってもともと磁気飽和が発生している上に、永久磁石３によってトルク磁束Ψ_４ｑは遮断されているため、その増加は緩やかである。
【００５８】
一方、支持磁束Ψ_２ｄの磁路上にある点ｂの磁束密度Ｂ_ｂはトルク電流ｉ_４ｑの増加と共に増加しているが、点ｃの磁束密度Ｂ_ｃは逆に減少しているので、２点ｂおよびｃの磁束密度の平均値であるＢ_ｂｃは、トルク電流ｉ_４ｑの増加に対して線形領域内で一定値を維持している。このことから、支持磁束の磁路上で最も磁気飽和が発生しやすい回転子突極や固定子歯部の線形性が、トルク電流ｉ_４ｑに対して確保できていることがわかる。磁束密度が一定値ということは、トルク磁束Ψ_４ｑを変化させても界磁電流ｉ_４ｄによる界磁磁束Ψ_４ｄが一定値であることを意味するので、界磁磁束Ψ_４ｄとトルク磁束Ψ_４ｑとが重なり合う固定子ヨーク部など界磁磁束Ψ_４ｄの磁路全体で線形性が確保できていることがわかる。したがって、図４に示すように、支持磁束Ψ_２ｄと界磁磁束Ψ_４ｄは同じ磁路を共有することから、支持磁束の磁路全体でもトルク電流ｉ_４ｑに対して線形性が確保できている。すなわち、トルク磁束Ψ_４ｑおよび支持磁束Ψ_２ｄの各磁路が分離できている。
【００５９】
以上説明したように、本発明の実施例によれば、回転子と固定子とがギャップを介して対面するベアリングレスモータにおいて、支持磁束を有効に発生し、トルク磁束に起因する磁気飽和は発生せず、さらには支持磁束の磁路上の線形性が常に確保される。したがって、回転子を磁気支持する支持力を効率よく発生することができる。
【００６０】
また、本発明の実施例によるベアリングレスモータは、従来のＩＰＭ型ベアリングレスモータと異なり、正の電動機界磁電流を、トルク特性の向上および支持力特性の向上に有効に利用できる構造であるので、従来のＩＰＭ型ベアリングレスモータでは困難であった積極的な界磁電流制御を行うことが可能となり、電動機効率が向上する。
【００６１】
なお、上述の本発明の実施例では、回転子の回転軸に直交する永久磁石断面が、回転子の外周に沿う弧を有する扇形状であったが、その他の形状であってもよく、例えば方形状、多角形状、円形状、楕円形状などでもよい。ここではその一例を示す。
【００６２】
図７は、本発明の実施例によるベアリングレスモータの、回転子の回転軸に直交する永久磁石断面の形状の変形例を例示する断面図である。
【００６３】
本変形例では、回転子１の回転軸に直交する永久磁石断面を長方形とする。市販されている永久磁石の断面の形状は、長方形などの方形状のものが多い。方形状は、既に説明した扇形状の永久磁石に比べれば漏れ磁束の点で若干特性が劣るものの実用上それほど影響はないので、ベアリングレスモータの用途などを考慮して断面が方形状の永久磁石３を適宜利用すれば、製造コストをさらに抑えることも可能である。方形状の例としては、図７に示した長方形の他に、例えば正方形、台形などがある。
【００６４】
上述の本発明の実施例では、隣接する永久磁石間は、ケイ素鋼板などの磁性体で構成されるが、これ以外の構造を有してもよい。ここではその一例を示す。
【００６５】
図８は、本発明の実施例によるベアリングレスモータにおける、隣接する永久磁石間における構造の変形例を示す、回転子の回転軸に直交する断面図である。
【００６６】
本変形例では、隣接して設置された永久磁石３の間に、空隙２１を備える。図７では、永久磁石断面の形状を長方形としているが、図８（ａ）もしくは（ｂ）に示すように、これら隣接する永久磁石３の間に空隙２１を設ける。永久磁石断面がどのような形状であっても、空隙を設けることは可能である。空隙２１を設けることで、トルク磁束の遮断効果および漏れ磁束の低減効果が向上する。なお、図８（ａ）および（ｂ）に示した空隙の形状は一例であって、その他の形状であってもよい。
【００６７】
また、上述の本発明の実施例では、隣接する永久磁石間はケイ素鋼板などの磁性体で構成されるとともに、回転子１の各突極間に永久磁石３を固定するための固定部材を、回転子の外周に設けた構造を有しているが、これ以外の構造を有してもよい。ここではその一例を示す。
【００６８】
図９は、本発明の実施例によるベアリングレスモータにおける、永久磁石を回転子に固定する構造の変形例を示す、回転子の回転軸に直交する断面図である。
【００６９】
図９（ａ）では、隣接する永久磁石間を非磁性体２２で構成するとともに、固定子の各突極間に永久磁石３を固定するために回転子１の外周に設けられる固定部材についても非磁性体２２で構成する。
【００７０】
図９（ｂ）では、隣接する永久磁石間は空隙を設けるとともに、回転子１の各突極間に永久磁石３を固定するために回転子１の外周に設けられる固定部材については非磁性体２２で構成する。ここでは、非磁性体からなる固定部材は、永久磁石の弧に接する部分のみ設けられる。
【００７１】
図９（ｃ）では、上述の図９（ｂ）の場合と同様に、隣接する永久磁石間は空隙を設けるとともに、回転子１の各突極間に永久磁石を固定するために回転子１の外周に設けられる固定部材については非磁性体２２で構成する。ただし、非磁性体からなる固定部材は、回転子１の外周全周にわたって設けられる。
【００７２】
図１０は、本発明の実施例によるベアリングレスモータの回転子に配置される永久磁石の変形例を示す、回転子の回転軸に直交する断面図である。
【００７３】
永久磁石の形状のさらなる変形として、永久磁石３それぞれが、磁極の極性の向きが半径方向に向かって同じ向きになるように外周に沿って隣接して設置された永久磁石片４の集合からなる。すなわち、上述の図１に示された永久磁石を半径方向に沿って分割したような構造である。
【００７４】
例えば、市販の永久磁石を利用して本発明によるベアリングレスモータを実現しようとするときに、実現すべきベアリングレスモータが市販の永久磁石よりも大き過ぎるような場合は、これら永久磁石を永久磁石片４として、磁極の極性の向きが半径方向に向かって同じ向きになるように外周に沿って隣接して設置することで、上述の図１に示された単体の永久磁石の場合と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
なお、上述の図７〜９を参照して説明した各変形例を図１０の変形例に適宜組み合わせて実現してもよい。
【００７６】
以上、本発明の実施例として、４極電動機構造および２極支持構造を有するベアリングレスモータについて説明したが、本発明によるベアリングレスモータは、ｎ極電動機構造およびｎ±２極支持構造を有するものとして実現することができる。ここでは一例として、６極電動機構造および４極支持構造を有するベアリングレスモータの回転子および固定子の構造について簡単に説明する。
【００７７】
図１１は、本発明を６極電動機構造および４極支持構造を有するベアリングレスモータに適用した場合の回転子構造および巻線配置を説明する、回転子の回転軸に直交する断面図である。
【００７８】
図１１に示す固定子の各巻線は、上述の実施例と同様に、３相ベアリングレスモータにおいて、それぞれの巻線に３相２相変換を行い、そして固定子座標上から回転子座標上にｄｑ座標変換を施したものである。
【００７９】
本発明を６極電動機構造および４極支持構造を有するベアリングレスモータに適用した場合、回転子１は、周縁に６個の突極３１、３２、３３、３４、３５および３６を有する。
【００８０】
各突極間には、それぞれ２つずつ永久磁石３が配置される。各突極間におけるこれら２個の永久磁石３は、磁極の極性の向きがこの回転子１の半径方向に向かって互いに逆向きになるように、かつ、回転方向に沿って隣接するように設置される。本実施例では、回転子の回転軸に直交する永久磁石断面は、回転子１の外周に沿う弧を有する扇形状である。ベアリングレスモータ全体としては６極の磁場が形成される。
【００８１】
６極の電動機巻線のｄ軸（界磁）巻線をＮ_６ｄ、ｑ軸（トルク）巻線をＮ_６ｑ、それぞれに対応する軸を６ｄ軸および６ｑ軸とする。また、４極の支持巻線のｄ軸巻線をＮ_４ｄ、ｑ軸巻線をＮ_４ｑ、それぞれに対応する軸を４ｄ軸および４ｑ軸とする。ここで、支持巻線の４ｄ軸および４ｑ軸を、４ｄ軸が電動機巻線の６ｄ軸に重なるように設定する。また、座標軸ｉ、ｊは回転子上の直交座標であり、ｉ軸は支持巻線の４ｄ軸に重なるように配置される。
【００８２】
なお、上述の図７〜１０を参照して説明した各変形例を、図１１に示した６極電動機構造および４極支持構造を有するベアリングレスモータに適宜組み合わせて実現してもよい。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、回転子と固定子とがギャップを介して対面するベアリングレスモータにおいて、支持磁束を有効に発生し、トルク磁束に起因する磁気飽和は発生せず、さらには支持磁束の磁路上の線形性が常に確保される。したがって、回転子を磁気支持する支持力を効率よく発生することができる。
【００８４】
また、本発明によるベアリングレスモータは、従来のＩＰＭ型ベアリングレスモータと異なり、正の突極性を有する。したがって、正の電動機界磁電流を、トルク特性の向上および支持力特性の向上に有効に利用できる構造であるので、従来のＩＰＭ型ベアリングレスモータでは困難であった積極的な界磁電流制御を行うことが可能となり、電動機効率が向上する。
【００８５】
本発明によるベアリングレスモータの具体的な適用例としては、遠心分離機、スピンドルドライブ、光ディスク、磁気ディスク、ハードディスクドライブ、フライホイール、ターボ分子ポンプ、コンプレッサ、ブロワ、ファン、ポンプ、キャンドポンプ、浄水用遠心ポンプ、埋込形人工心臓、危険ガス移送機、粉化機、半導体製造装置、回転ステージ、揺動ステージ、多段発電機、および、人工衛星などの真空中で使用するモータドライブなどがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるベアリングレスモータの回転子構造を示す、回転子の回転軸に直交する断面図である。
【図２】本発明の実施例によるベアリングレスモータの回転子構造および巻線配置を説明する、回転子の回転軸に直交する断面図である。
【図３】本発明の実施例によるベアリングレスモータにおいて永久磁石が発生する磁界の二次元有限要素磁場解析によるシミュレーション結果を例示する図である。
【図４】本発明の実施例によるベアリングレスモータの支持力の発生原理を説明する、回転子の回転軸に直交する断面図である。
【図５】本発明の実施例によるベアリングレスモータにおける界磁電流とトルクおよび支持力との関係を示す図であり、（ａ）は、界磁電流とトルクとの関係を示し、（ｂ）は、界磁電流と支持力との関係を示す。
【図６】本発明の実施例によるベアリングレスモータにおける界磁電流と磁束密度との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施例によるベアリングレスモータの、回転子の回転軸に直交する永久磁石断面の形状の変形例を例示する断面図である。
【図８】本発明の実施例によるベアリングレスモータにおける、隣接する永久磁石間における構造の変形例を示す、回転子の回転軸に直交する断面図である。
【図９】本発明の実施例によるベアリングレスモータにおける、永久磁石を回転子に固定する構造の変形例を示す、回転子の回転軸に直交する断面図である。
【図１０】本発明の実施例によるベアリングレスモータの固定子に配置される永久磁石の変形例を示す、回転子の回転軸に直交する断面図である。
【図１１】本発明を６極電動機構造および４極支持構造を有するベアリングレスモータに適用した場合の回転子構造および巻線配置を説明する、回転子の回転軸に直交する断面図である。
【図１２】従来例によるＩＰＭ型ベアリングレスモータの支持力の発生原理を説明する図である。
【図１３】従来例によるＩＰＭ型ベアリングレスモータのトルク磁束の発生原理を説明する図である。
【符号の説明】
１…回転子
２…固定子
３…永久磁石
４…永久磁石片
１１…回転子シャフト
２１…空隙
２２…非磁性体
３１、３２、３３、３４、３５、３６…突極

Claims

回転子と固定子とがギャップを介して対面するベアリングレスモータであって、
周縁に突極が周設される前記回転子の前記突極間に、磁極の極性の向きが該回転子の半径方向に向かって互いに逆向きになるように、かつ、回転方向に沿って隣接するように設置される永久磁石の組を備えることを特徴とするベアリングレスモータ。
前記隣接して設置された前記永久磁石の間に、少なくとも空隙を備える請求項１に記載のベアリングレスモータ。
前記隣接して設置された前記永久磁石の間に、少なくとも非磁性体部材を備える請求項１に記載のベアリングレスモータ。
前記回転子の外周縁に、前記隣接して設置された永久磁石を前記突極間に固定する固定部材を備える請求項１に記載のベアリングレスモータ。
前記固定部材は、非磁性体からなる請求項４に記載のベアリングレスモータ。
前記永久磁石は、前記回転子の回転軸に直交する永久磁石断面が、方形状である請求項１に記載のベアリングレスモータ。
前記永久磁石は、前記回転子の回転軸に直交する永久磁石断面が、前記回転子の外周に沿う弧を有する扇形状である請求項１に記載のベアリングレスモータ。
各前記永久磁石は、磁極の極性の向きが前記半径方向に向かって同じ向きになるように外周に沿って隣接して設置された永久磁石片の集合からなる請求項１に記載のベアリングレスモータ。
隣接して設置された前記永久磁石片の間に、少なくとも空隙を備える請求項８に記載のベアリングレスモータ。
隣接して設置された前記永久磁石片の間に、少なくとも非磁性体部材を備える請求項８に記載のベアリングレスモータ。
前記永久磁石片は、前記回転子の回転軸に直交する永久磁石断面が、方形状である請求項８に記載のベアリングレスモータ。
前記永久磁石片は、前記回転子の回転軸に直交する永久磁石断面が、前記回転子の外周に沿う弧を有する扇形状である請求項８に記載のベアリングレスモータ。
請求項１に記載のベアリングレスモータの回転子位置制御回路であって、前記固定子に設けられた界磁巻線に流すべき正の界磁電流を制御する電流制御回路を備えてなることを特徴とするベアリングレスモータの回転子位置制御回路。
前記界磁巻線に前記正の界磁電流を流すことによって生じるバイアス磁束を、前記固定子に設けられた支持巻線に電流が流れることによって生じる平衡の支持磁束に重畳させることで磁束の不平衡を発生させ、前記回転子を磁気支持するための支持力を生成する請求項１３に記載のベアリングレスモータの回転子位置制御回路。
回転子と固定子とがギャップを介して対面するベアリングレスモータの回転子位置制御方法であって、
前記ベアリングレスモータは、周縁に突極が周設される前記回転子の前記突極間に、磁極の極性の向きが該回転子の半径方向に向かって互いに逆向きになるように、かつ、回転方向に沿って隣接するように設置される永久磁石の組を備え、前記固定子に設けられた界磁巻線に流すべき正の界磁電流を制御することを特徴とするベアリングレスモータの回転子位置制御方法。
前記界磁巻線に前記正の界磁電流を流すことによって生じるバイアス磁束を、前記固定子に設けられた支持巻線に電流が流れることによって生じる平衡の支持磁束に重畳させることで磁束の不平衡を発生させ、前記回転子を磁気支持するための支持力を生成する請求項１５に記載のベアリングレスモータの回転子位置制御方法。