JP2008048560A - ベアリングレス回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】半径方向位置センサの取付位置を固定子に近接若しくは埋設したことで軸方向長を短縮したベアリングレス回転機を提供する。
【解決手段】ベアリングレス回転機１０には回転子支持用の支持巻線１７と図示していない電動機巻線３が配置されているが位置センサ１１の取り付け部分のスロット歯２１Ａとスロット歯２１Ｂの一部を断面がコの字状に切削し、電動機巻線を施さずに位置センサ１１を配置させている。軸支持磁束が対称となるように、スロット歯２１Ａと１８０度隔てて対向しているスロット歯２１Ｃに対し、また、スロット歯２１Ｂと１８０度隔てて対向しているスロット歯２１Ｄに対しても同様に断面をコの字状に刻設している。
【選択図】図２

Description

本発明はトルクと軸支持力を一つの電磁機械にて発生するベアリングレス回転機に係わり、特に半径方向位置センサの取付位置を固定子に近接若しくは埋設したことで軸方向長を短縮したベアリングレス回転機に関する。

ベアリングレス回転機は磁気軸受機能とモータの機能を、一つの電磁機械で実現しようとするものである（非特許文献１参照）。すなわち、半径方向ｘ、ｙの２軸方向の電磁力と、回転するためのトルクを発生するものである。

ベアリングレス回転機を完全非接触で運転させる方法には、２つのユニットを用い４、５軸制御とする方法と、一つのユニットで２、３軸制御とする方法がある。５軸制御で行う方法は、非特許文献２において提案されている。ｘ、ｙのラジアル方向の２軸で制御する方法は非特許文献３において示されている。
深尾正、千葉明、「ベアリングレスモータ」、電気学会誌解説 Vol. 117、No. 9、pp. 612-615、1997 福田剛、深尾正、千葉明、「５軸制御非接触ベアリングレスモータの試作」、電磁力関連のダイナミックスシンポジウム講演論文集、No. 940-26・(D&D '94)、D725、pp. 387-392、7/14 1994 Kenichi MATSUDA etc., 「Radial-Type Self-Bearing Motor for Nonpulsatile-Type Artificial Heart」 JSME Series C, Vol. 43, No. 4, pp. 941-948, 2000

ところで、従来は位置センサを取り付けるためにコイルエンドの外側にセンサを配置し、その分回転子のシャフトをセンサターゲット取り付けのために長くする必要があった。この間の事情を図１１を元に説明する。図１１は従来の位置センサの配設例を示し、従来の固定子及び回転子回りの軸方向縦断面図である。以下、簡単のため、２軸制御の場合を取り上げて説明する。２軸制御では、ｘ、ｙのラジアル方向の２軸を制御する。すなわち、ベアリングレス回転機は、磁気吸引力を発生させ、回転子支持を行う。この回転子支持のために回転子のラジアル方向（半径方向）位置の検出が必要である。半径方向の制御を行うためには、回転子の半径方向の位置を把握するために渦電流型やインダクタンス変化型の位置センサを用いてフィードバック制御している。

図１１において、固定子１には電動機巻線３が捲回され、かつ電動機巻線３の外側には支持巻線１７が貫通されて、コイルエンドが構成されている。回転子５は円環状の構造をしている。回転子５の上部には環状部材７を介して断面がＬ字状のセンサターゲット９がボルト８により取り付けられている。そして、このセンサターゲット９に向け近接して位置センサ１１のセンサ部１１ａが配設されている。

位置センサ１１の胴部１１ｂは位置センサ保持部材１３により保持されている。この位置センサ保持部材１３の途中には内側に向けて突設部１３ａが突設されている。そして、位置センサ保持部材１３の下端には底板１４が配設され、固定子１を突設部１３ａと底板１４とで上下から挟持するようになっている。底板１４にはボルト通し穴が設けられており、このボルト通し穴を介してボルト１５で締め付けることで位置センサ保持部材１３が固定子１に対して止められるようになっている。

ここに、位置センサ１１はコイルエンドを避けるようにコイルエンドの外側に取り付けざるを得なかった。このため、位置センサ１１が検出するセンサターゲット９は回転子５の位置からコイルエンド長だけずれる。従って、ベアリングレス回転機が軸方向に長くなり、大型化するという問題があった。４軸制御の場合であっても、この２軸制御が二段タンデムに構成されるため、大型化が一層問題となっていた。本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、半径方向位置センサの取付位置を固定子に近接若しくは埋設したことで軸方向長を短縮したベアリングレス回転機を提供することを目的とする。

このため本発明（請求項１）は、回転子と、該回転子の位置を検出するため該回転子の側面をターゲットとして直接センシングするよう該側面に向けて対峙されたセンサ部を有する位置センサと、該位置センサを固定子に設置する固定子設置手段とを備えて構成した。

位置センサは回転子の側面をターゲットとして直接センシングする。このため、固定子の小型化、回転子の短縮が可能である。回転子に対し直接センシングすることで回転子の軸を傾けるといった３次元的変位が発生しても位置情報の検出誤差を最小にすることができる。

また、本発明（請求項２）は、前記固定子設置手段では、前記位置センサを固定子に対し貫通させたことを特徴とする。

貫通させることで位置センサの設置スペースを最小限にできる。

更に、本発明（請求項３）は、前記固定子には、貫通のための切削が施されたことを特徴とする。

切削により、センシングを最適に維持しつつ位置センサの設置スペースを確保できる。

更に、本発明（請求項４）は、前記切削が軸支持巻線及び／又は電動機巻線の各相に対し対称となるように施されたことを特徴とする。

固定子が軸支持巻線の各相に対し非対称な構造になると、磁束の分布も非対称になり、発生する電磁力の方向に誤差が生じてしまう。この誤差が十数度発生すると磁気支持系を安定に支持することは困難になる。さらに、発生する電磁力の大きさが、回転角度に対して脈動してしまい、回転角度検出を行わなければ磁気支持系の安定性を確保できなくなってしまう。そこで、固定子は位置センサを設置する部分だけではなく、電動機の軸に対して対称な位置にも同様の設計を施し、電磁的な非対称性を緩和する。この際にベアリングレス回転機の制御軸、すなわちｘ、ｙ軸方向の位置センサ分だけ空間を確保するか、電動機としての多相構造の対称性を考慮した空間を確保するかは、対象となる電動機の極数、スロット数などに依存する。

更に、本発明（請求項５）は、前記切削がスロット歯に対し施され、該切削の施されたスロット歯への軸支持巻線及び／又は電動機巻線の捲回が省略されたことを特徴とする。

切削をスロット歯に対し施すことで、スロット歯の位置に合わせて位置センサを配置することができるため、制御が簡単に精度よく行える。位置センサがスロット歯よりも太いような場合であっても、巻線の捲回を省略することで容易に位置センサを配設可能である。

更に、本発明（請求項６）は、前記固定子設置手段では、前記位置センサをスロット歯の間に配設させたことを特徴とする。

スロット歯の間の空間を利用することで、電磁的な対称性に余り影響を与えることなく位置センサを配置できる。固定子の電磁鋼板内部に位置センサを設置できない状況、例えば著しい電磁的非対称性の発生や周囲の磁性材料による位置センサへの干渉、においては固定子のスロット部に位置センサを設置する。スロット部の巻線占積率が低ければ問題なくセンサを設置できるが、一般に電動機の巻線占積率は高くセンサの設置が困難となることが考えられる。その場合電磁的対称性を考慮した上で軸支持力の発生に寄与しない電動機巻線を一部取り除きセンサを設置する空間を確保することが有効である。

更に、本発明（請求項７）は、回転子と、該回転子の位置を検出する少なくとも一つの位置センサと、該位置センサの配置に対応して近接する１又は複数のスロット歯に対しては巻線の一部又は全ての捲回が省略された固定子とを備え、前記位置センサが該巻線の省略されたスロット歯周囲の空間を利用して配設されたことを特徴とする。

固定子の巻線を省略することにより位置センサを配置する空間を確保できる。位置センサは回転子の側面付近をターゲットとしてセンシングする。このため、固定子の小型化、回転子の短縮が可能である。多極の構成においても容易にセンサを挿入する空間を確保できる。

更に、本発明（請求項８）は、前記巻線の省略が軸支持巻線及び／又は電動機巻線の各相に対し対称となるように施されたことを特徴とする。

このことにより、電動機磁束又は軸支持磁束の分布が対称となり、発生する電磁力の方向に誤差が生じないため磁気支持系を安定に支持することができる。

更に、本発明（請求項９）は、前記位置センサが前記固定子の積層鋼板のはがれを防止補強しつつ固定する治具を介して止められたことを特徴とする。

巻線の一部又は全てを省略して位置センサを配置する空間をつくるとともに、いかにして位置センサを固定するかは問題である。回転子はアンバランス等による振動が常に生じており、この振動は電磁力によるばね、ダンパを経て固定子側に伝達する。このような振動により位置センサが振動してしまうと磁気支持系の安定性が損なわれる恐れがある。そこで、位置センサは固定子側に固定する必要がある。一般に固定子鉄心は積層ケイ素鋼板により構成され、ケイ素鋼板は積層され、かしめ、溶接などにより薄板から塊状の鉄心が構成される。そこで、鉄心の上下端のケイ素鋼板がはがれやすい状況を避け、かしめを複数箇所あるいは溶接を複数箇所行って固定する必要がある。固定したケイ素鋼板の上に位置センサ固定用の治具を接着、あるいはねじ止め、溶接、かしめなどを行い、治具の上に位置センサを固定する必要がある。

更に、本発明（請求項１０）は、前記位置センサのターゲットが前記回転子に備えられたことを特徴とする。

位置センサのターゲットを備えることで位置検出が確実に行える。

更に、本発明（請求項１１）は、前記軸支持巻線及び／又は電動機巻線の捲回が省略された分、該捲回の省略されたスロット歯に隣接するスロット歯に対して磁界が対称となるよう補正するため軸支持巻線及び／又は電動機巻線の捲回を増加させ、又は前記軸支持巻線及び／又は電動機巻線への磁界が対称となるよう補正するため前記軸支持巻線及び／又は電動機巻線に流す電流の調整がされることを特徴とする。

軸支持巻線や電動機巻線の捲回が省略されることで、軸支持巻線や電動機巻線の起磁力分布が非対称となり、基本波成分の方向がずれ、大きさも減少してしまう。そこで、ずれた方向分だけ補償するために支持巻線等によって発生する回転磁界の方向を補正する。また、大きさの減少を補うために電流値を増加する。

更に、本発明（請求項１２）は、前記固定子には９以上のスロット歯が形成され、該スロット歯には電動機巻線が短節集中巻で施されたことを特徴とする。

電動機巻線が短節集中巻線で捲回された場合にはコイルエンドが小さくなり小形化できる。スロット歯の数が小さい場合はコイルを取り除くことによる非対称が顕著に発生してしまう。例えば、ｘ、ｙの二箇所のコイルを取り除く場合に、スロット歯の数が６であると、２つのコイルを削除すると残りは４であり、支持力に生じる大きさ、方向の変動が大きくなってしまう。スロット歯の数が９程度であれば、変動は小さくなり、より多極であるほど影響は小さくなる

更に、本発明（請求項１３）は、前記回転子がコンシクエントポール構造、ホモポーラ構造、櫛形構造、ハイブリッド構造であることを特徴とする。

コンシクエントポール構造、ホモポーラ構造、櫛形構造、ハイブリッド構造は電磁力発生の原理が類似しており、２極の支持巻線を施せばよく、その支持巻線の電流が直流ですむ特徴がある。そのため支持巻線に対する固定子構造の対称性が大幅に簡単化される。そこで、位置センサを配置する空間を確保するために固定子をある程度非対称にしても軸支持力の脈動及び、軸支持力の発生角度誤差への影響を低減させることができる。

更に、本発明（請求項１４）は、前記位置センサのターゲットが非磁性体で形成されることを特徴とする。

位置センサのターゲットは非磁性体で形成する。ターゲットに磁性材料を配設した場合には、この磁性材料が回転子磁石からの著しい漏れ磁束を誘起し、結果としてギャップ部磁束密度が減少し、ベアリングレス回転機のトルクや軸支持力といった性能の劣化が引き起こされるためである。なお、回転子に対し直接センシングを行う際に回転子の外周面の素材は同一素材であることが望ましい。

以上説明したように本発明によれば、位置センサは回転子の側面をターゲットとして直接センシングするように構成したので、固定子の小型化、回転子の短縮が可能である。回転子に対し直接センシングすることで回転子の軸を傾けるといった３次元的変位が発生しても位置情報の検出誤差を最小にすることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の第１実施形態の構成図を図１及び図２に示す。図１は、ベアリングレス回転機の水平断面図であり、図２は、図１中のＡ−Ａ矢視線断面図である。なお、図１１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。また、簡単のため、図１中からは電動機巻線と支持巻線の記載を省略しているが各スロット歯には電動機巻線と支持巻線とがそれぞれ捲回されているものとする。

図１及び図２において、ベアリングレス回転機１０の固定子１の内側には４８個のスロット歯２１が回転子５に向けて突設されている。回転子５を形成する鉄心の外周には、セグメント型磁石２３が２０個均等に配設されている。このセグメント型磁石２３は、全て外側がＮ極に着磁されている。スロット歯２１の内、図１の中で直角に交差するスロット歯２１Ａとスロット歯２１Ｂの２箇所の位置には、ｘ軸方向の位置を検出する位置センサ１１Ａとｙ軸方向の位置を検出する位置センサ１１Ｂとが固定子１に対し貫通固定されている。

スロット歯２１Ａとスロット歯２１Ｂとは、図２に示すように、断面がコの字状に刻設されている。そして、このコの字状断面の内側には空洞２４が形成されている。また、このスロット歯２１Ａとスロット歯２１Ｂとには、電動機巻線３は捲回されておらず、支持巻線１７のみが配設されている。

本実施形態ではスロット歯２１の幅が位置センサ１１の幅よりも狭い場合を示しているが、スロット歯２１の幅が位置センサ１１の幅よりも広い場合には図３に示すように位置センサ１１が固定されてもよい。すなわち、図３において、固定子１及びスロット歯２１に対し貫通穴２５が設けられている。位置センサ１１の胴部１１ｂ外周には雄ねじが刻設されており、治具２７に貫通されたボルト穴２９に通され止められるようになっている。治具２７は固定子１に対して固着されている。位置センサ１１にはケーブル１２が接続されている。

次に、本発明の第１実施形態の動作を説明する。
かかる構成によれば、ベアリングレス回転機１０には回転子支持用の支持巻線１７と図示していない電動機巻線３が配置されているが、位置センサ１１の取り付け部分のスロット歯２１Ａとスロット歯２１Ｂの一部を断面がコの字状に切削し、電動機巻線を施さずに位置センサ１１を配置させている。これにより固定子１の小型化、回転子５の短縮が可能である。

しかしながら、ベアリングレス回転機１０の固定子１の一部を切削する、あるいは、固定子１を予め位置センサ１１を埋め込む空間を配慮した設計を行い、回転子５に位置センサ１１が対向するように配置した場合、固定子１が支持巻線１７の各相に対し非対称な構造になってしまう。このため、磁束の分布も非対称になり、発生する電磁力の方向に誤差が生じてしまう。この誤差が十数度発生すると磁気支持系を安定に支持することは困難になる。（"Magnetic Bearings and Bearingless Drives" by Akira Chiba, Tadashi Fukao, Osamu Ichikawa, Masahide Oshima, Masatsugu Takemoto and David G. Dorrell Newnes Elsevier, March 2005, 381pages, ISBN 0750657278）さらに、発生する電磁力の大きさが、回転角度に対して脈動してしまい、回転角度検出を行わなければ磁気支持系の安定性を確保できなくなってしまう。

かかる弊害を防止するため、本実施形態のベアリングレス回転機１０は軸支持磁束が対称となるように、スロット歯２１Ａと１８０度隔てて対向しているスロット歯２１Ｃに対し、また、スロット歯２１Ｂと１８０度隔てて対向しているスロット歯２１Ｄに対しても同様に断面をコの字状に刻設している。但し、位置センサ配置部のスロット歯自体が取り除かれるようにされてもよい。

また、電動機巻線３が三相巻線の場合であり、かつ例えばスロット歯２１Ａに対してＶ相巻線が捲回されている場合には、このスロット歯２１Ａに隣り合ったＵ相巻線及びＶ相巻線の捲回されたスロット歯２１に対しても同様に断面がコの字状に刻設されることが望ましい。

なお、極数が小さければ小さい程、かかる対峙した位置のスロット歯や隣接したスロット歯に対する同様の刻設をすることが望まれるが、極数の大きい場合で多少の磁束の非対称は無視できる場合には、これらの刻設が省略されてもよい。 また、回転子５をセンサターゲットとする方法に対しては位置センサ１１による位置検出情報が回転子５の電磁材料によって影響を受けないことが必須である。回転子５の外周が同一素材、鉄心や磁石によって構成されている場合は問題がないが、それら複数の材質で構成される場合は回転子５の外周を同一素材でコーティングするなどの構成を選択する必要がある。

更に、位置センサ１１のターゲットは非磁性体で形成されることが望ましい。ターゲットに磁性材料を配設した場合には、この磁性材料が回転子磁石からの著しい漏れ磁束を誘起し、結果としてギャップ部磁束密度が減少し、ベアリングレス回転機１０のトルクや軸支持力といった性能の劣化が引き起こされるためである。また、回転子５に対し直接センシングを行う際に回転子５の外周面の素材は同一素材であることが望ましい。

回転子５は例えば、コンシクエントポール構造、ホモポーラ構造、櫛形構造、ハイブリッド構造である。コンシクエントポール構造、ホモポーラ構造、櫛形構造、ハイブリッド構造は電磁力発生の原理が類似しており、２極の支持巻線１７を施せばよく、その支持巻線１７の電流が直流ですむ特徴がある。そのため支持巻線１７に対する固定子構造の対称性が大幅に簡単化される。そこで、位置センサ１１を配置する空間を確保するために固定子１をある程度非対称にしても軸支持力の脈動及び、軸支持力の発生角度誤差への影響を低減させることができる。

なお、本実施形態のベアリングレス回転機１０はインナーロータ型について説明したが、固定子が内側に構成され、回転子が外側に構成されるアウターロータ型構造であっても同様に適用可能である。この場合、位置センサ１１は内側の固定子に配設される。従って、固定子側にセンサを配置するだけの空間の存在することが望ましい。

また、位置センサ１１が、固定子鉄心、およびフレームと電気的に絶縁される必要がある。ベアリングレス回転機１０の電動機巻線３、支持巻線１７はＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）インバータにより駆動される。すると、電圧波形に含まれる高調波が浮遊容量を介して漏れ電流を生じてしまう。このため固定子鉄心は巻線と高い周波数領域では絶縁されていない状況になる。もし、位置センサ１１と固定子鉄心が絶縁されていないと、位置センサ１１にＰＷＭインバータの高調波成分が干渉してしまい、センサ出力にノイズが生じてしまう。このような状況を避けるため位置センサ１１を固定子鉄心と絶縁する必要がある。

更に、位置センサ１１のケーブル１２は同軸ケーブル若しくはツイストペアケーブルとシールドで構成され、これらのケーブルには電動機駆動インバータ若しくは磁気支持巻線電流制御インバータからの同相ノイズを除去するための磁性体が捲回されていることが望ましい。ＰＷＭインバータによって生じる高周波漏れ電流の問題は浮遊容量を介しているため、位置センサ１１がコイルエンドに近いほど顕著な問題になる。絶縁を施すのは第一歩であるが、次の段階として同相ノイズを除去するため、センサケーブル１２、モータの配線ケーブル、指示巻線配線ケーブル等の外周にコア５９を施すことが有効である。また、ケーブル１２の外周をシールドすることにより浮遊容量による電流を低減できる。

なお、本実施形態では、治具２７を固定子１の外側に配設したが、図４に示すように、コの字状に刻設したスロット歯２１Ａには、治具３１を固定子１の内側から挿入する。そして、この治具３１の中心には、雌ねじが刻設されたボルト穴２９が配設され、このボルト穴２９には、位置センサ１１の胴部１１ｂが螺入されてもよい。

また、図５に示す小型の位置センサ４１を、図６のように固定子１の隣接するスロット歯２１の間に配設するようにしてもよい。

次に、本実施形態による効果について図７及び図８を基に考察する。図７は従来のように回転子５の上部にセンサターゲット９を設け間接的に位置検出を行った場合である。但し、理解を容易にするため、回転子５の上部には環状部材７を省略している。一方、図８は回転子５自体をセンサターゲットとし直接的に位置検出を行った場合で、それぞれ回転子５が同じ角度だけ傾いた状態になっている。この状態は制御軸以外の剛性に問題があるようなときに発生する。

図７と図８を見ると分かるように、従来の構造では回転子５の傾きによって回転子位置情報に大きな検出誤差が発生するが、図８ではある程度の傾きに対しても検出誤差が生じないように改善できている。このことから回転子５に対しての直接的な位置検出の有効性が確認できる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。
本発明の第２実施形態であるベアリングレス回転機の構成図を図９及び図１０に示す。図９は、ベアリングレス回転機の水平断面図であり、図１０は、図９中のＢ−Ｂ矢視線断面図である。なお、図１１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。

図９及び図１０において、ベアリングレス回転機５０の固定子１の内側には４８個のスロット歯２１が回転子５に向けて突設されている。ベアリングレス回転機５０には回転子支持用の支持巻線５１と電動機用の電動機巻線５３が配置されているが、位置センサ１１Ａ、１１Ｂの取り付け部分のスロット歯２１Ａ、２１Ｂには電動機巻線５３が施されていない。

また、このベアリングレス回転機５０では電動機磁束が対称となるように、スロット歯２１Ａ、２１Ｂとそれぞれ１８０度隔てたスロット歯２１Ｃ、２１Ｄに対しても同様に電動機巻線５３が施されていない。

回転子５の上部には断面がＬ字状の環状のセンサターゲット９がボルト５５により取り付けられている。そして、このセンサターゲット９に向け近接して位置センサ１１のセンサ部１１ａが配設されている。

位置センサ１１の胴部１１ｂは位置センサ保持部材５７により保持されている。この位置センサ保持部材５７の内側下部には断面が長方形状の切欠き５７ａが形成されている。そして、位置センサ保持部材５７の下端には底板１４が配設され、固定子１を切欠き５７ａと底板１４とで上下から挟持するようになっている。底板１４にはボルト通し穴が設けられており、このボルト通し穴を介してボルト１５で締め付けることで位置センサ保持部材５７が固定子１に対して止められるようになっている。

位置センサ１１の外周は絶縁体で構成され位置センサ保持部材５７に固着されている。図示しない位置センサ１１のケーブルにはフェライトコア５９が装着されている。

回転子５を形成する鉄心の外周には、セグメント型磁石２３が２０個均等に配設されている。このセグメント型磁石２３は、全て外側がＮ極に着磁されている。固定子１内のコイルに電流を流すことで電動機トルクとラジアル方向の支持の制御力を安定させ、アクティブに制御を行うようになっている。

電動機巻線５３は、外側にＮｍｕ、Ｎｍｖ、Ｎｍｗの３相巻線である。但し、２、４相などの多相巻線であってもよい。内側にはＮ２ｕ、Ｎ２ｖ、Ｎ２ｗの２極のラジアル方向力を発生させるための３相支持巻線５１が配置されている。但し、３相でなくても、２、４、５、６相であってもよい。これら方形型磁石の個数、電動機巻線の巻き方は、極数・スロット数の変更に伴い、それぞれ変更できる。ロータは２、３、６などの偶数であればよい。

次に、本発明の第２実施形態の動作を説明する。
かかる構成によれば、スロット歯２１Ａ、２１Ｂに電動機巻線５３が施されていない分、位置センサ１１Ａ、１１Ｂの取り付けの高さは固定子１よりに低く配置できる。このため、本発明の第１実施形態と同様に固定子１の小型化、回転子５の短縮が可能である。なお、電動機巻線５３は、Ｎｍｕ、Ｎｍｖ、Ｎｍｗの３相巻線なので、スロット歯２１Ａ、２１Ｂのそれぞれの両隣のスロット歯に対しても巻線の捲回は３相分を省略している。また、スロット歯２１Ｃ、２１Ｄに対しても同様に電動機巻線５３は３相分が省略されている。

このことにより、電動機磁束の分布が対称となり、発生する電磁力の方向に誤差が生じないため磁気支持系を安定に支持することができる。但し、巻線を省略する際に、電動機巻線５３と支持巻線５１のいずれを省略するかは問題である。電動機巻線５３を省略しても、発生する電磁力の方向、大きさの変動は少ない。これは、電磁力が主として回転子５の永久磁石２３による磁束と、支持巻線電流が発生する磁束の相互作用によって生じるからである。しかし、電動機巻線５３が非対称になると、電機子反作用磁束の分布が非対称になる。このため、電磁力の方向も大きな影響を受ける恐れがあり、電機子反作用の影響が少ない構成とする必要がある。

なお、本発明の第２実施形態では、電動機巻線５３を省略するとして説明したが、捲回数を少なくすることで位置センサ１１の配設空間を設けるようにしてもよい。

また、ベアリングレス回転機５０が小型の低出力の場合には、電動機と軸支持で別々の巻線を施さない場合がある。この際には、一つの巻線に流す電流の成分を調整して電磁力とトルクを制御する。この場合は電動機巻線だけを省略することはできない。センサの空間を開けるためにコイルを取り除くと支持巻線の起磁力分布も非対称になってしまう。この非対称を対称化させるため、例えば、この空間に隣接した箇所に巻線を余分に捲回する等されることが望ましい。

あるいは、電動機巻線と支持巻線を別々に捲回している場合に、センサの空間を確保するために支持巻線を一部省略したい場合がある。この場合、支持巻線の起磁力分布が非対称となり、基本波成分の方向がずれ、大きさも減少してしまう。そこで、ずれた方向分だけ補償するために支持巻線によって発生する回転磁界の方向を補正するようにしてもよい。また、大きさの減少を補うために電流値を増加するようにしてもよい。

なお、電動機巻線５３は短節集中巻線で捲回されるのが望ましく、短節集中巻線で捲回した場合にはコイルエンドが小さくなり小形化できる。スロット歯の数が小さい場合はコイルを取り除くことによる非対称が顕著に発生してしまう。例えば、ｘ、ｙの二箇所のコイルを取り除く場合に、スロット歯２１の数が６であると、２つのコイルを削除すると残りは４であり、支持力に生じる大きさ、方向の変動が大きくなってしまう。スロット歯２１の数が９程度であれば、変動は小さくなり、より多極であるほど影響は小さくなる。

また、一般に固定子鉄心は積層ケイ素鋼板により構成され、ケイ素鋼板は積層され、かしめ、溶接などにより薄板から塊状の鉄心が構成される。そこで、鉄心の上下端のケイ素鋼板がはがれやすい状況を避け、かしめを複数箇所あるいは溶接を複数箇所行って固定する必要がある。また、回転子５はアンバランス等による振動が常に生じており、この振動は電磁力によるばね、ダンパを経て固定子１側に伝達する。このような振動により位置センサ１１が振動してしまうと磁気支持系の安定性が損なわれる恐れがある。そこで、位置センサ１１は固定子１側に固定する必要がある。

固定したケイ素鋼板に巻線設置を阻害しないように設計されたセンサ固定用の治具として、位置センサ保持部材５７及び底板１４を用い、位置センサ１１を固定子１の直上に固定するようにした。但し、センサ固定用の治具を接着、あるいは溶接、かしめなどを行い、治具の上にセンサを固定するようにしてもよい。本実施形態では、位置センサ１１の取り付け位置が固定子１の直上になることから、第１実施形態に比べて多少振動が生じやすい問題があるが、治具の剛性が高くなるように工夫することで安定した変位の検出が可能にできる。

本発明の活用例としてベアリングレス回転機は、マイクロガスタービンなどの発電機、フライホイール電動発電機、ポンプ、ブロワ、コンプレッサの駆動、エアコン、家電製品、コンピュータ用機器の駆動、自動車のターボ発電電動機、バイオリアクタ、半導体製造機器、真空容器内の電動機、特殊ガス中、液体中の電動機等に適用可能である。

第１実施形態であるベアリングレス回転機の水平断面図 図１中のＡ−Ａ矢視線断面図 位置センサの固定子への固定例 治具を固定子の内側に配設した例 小型の位置センサの例 位置センサを固定子の隣接するスロット歯の間に配設した例 本実施形態による効果（その１） 本実施形態による効果（その２） 第２実施形態であるベアリングレス回転機の水平断面図 図９中のＢ−Ｂ矢視線断面図 従来の固定子及び回転子回りの軸方向縦断面図

符号の説明

１ 固定子
３ 、５３ 電動機巻線
５ 回転子
８ ボルト
９ センサターゲット
１０、５０ ベアリングレス回転機
１１、１１Ａ、１１Ｂ、４１ 位置センサ
１２ ケーブル
１４ 底板
１５、５５ ボルト
１７、５１支持巻線
２１、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ スロット歯
２３ セグメント型磁石
２４ 空洞
２５ 貫通穴
２７、３１ 治具
２９ ボルト穴
５７ 位置センサ保持部材
５９ フェライトコア

Claims (14)

1. 回転子と、
   該回転子の位置を検出するため該回転子の側面をターゲットとして直接センシングするよう該側面に向けて対峙されたセンサ部を有する位置センサと、
   該位置センサを固定子に設置する固定子設置手段とを備えたことを特徴とするベアリングレス回転機。
2. 前記固定子設置手段では、前記位置センサを固定子に対し貫通させたことを特徴とする請求項１記載のベアリングレス回転機。
3. 前記固定子には、貫通のための切削が施されたことを特徴とする請求項２記載のベアリングレス回転機。
4. 前記切削が軸支持巻線及び／又は電動機巻線の各相に対し対称となるように施されたことを特徴とする請求項３記載のベアリングレス回転機。
5. 前記切削がスロット歯に対し施され、該切削の施されたスロット歯への軸支持巻線及び／又は電動機巻線の捲回が省略されたことを特徴とする請求項３又は請求項４記載のベアリングレス回転機。
6. 前記固定子設置手段では、前記位置センサをスロット歯の間に配設させたことを特徴とする請求項１記載のベアリングレス回転機。
7. 回転子と、
   該回転子の位置を検出する少なくとも一つの位置センサと、
   該位置センサの配置に対応して近接する１又は複数のスロット歯に対しては巻線の一部又は全ての捲回が省略された固定子とを備え、
   前記位置センサが該巻線の省略されたスロット歯周囲の空間を利用して配設されたことを特徴とするベアリングレス回転機。
8. 前記巻線の省略が軸支持巻線及び／又は電動機巻線の各相に対し対称となるように施されたことを特徴とする請求項７記載のベアリングレス回転機。
9. 前記位置センサが前記固定子の積層鋼板のはがれを防止補強しつつ固定する治具を介して止められたことを特徴とする請求項７又は請求項８記載のベアリングレス回転機。
10. 前記位置センサのターゲットが前記回転子に備えられたことを特徴とする請求項７、８又は９記載のベアリングレス回転機。
11. 前記軸支持巻線及び／又は電動機巻線の捲回が省略された分、該捲回の省略されたスロット歯に隣接するスロット歯に対して磁界が対称となるよう補正するため軸支持巻線及び／又は電動機巻線の捲回を増加させ、又は前記軸支持巻線及び／又は電動機巻線への磁界が対称となるよう補正するため前記軸支持巻線及び／又は電動機巻線に流す電流の調整がされることを特徴とする請求項５、７、８、９又は１０記載のベアリングレス回転機。
12. 前記固定子には９以上のスロット歯が形成され、該スロット歯には電動機巻線が短節集中巻で施されたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のベアリングレス回転機。
13. 前記回転子がコンシクエントポール構造、ホモポーラ構造、櫛形構造、ハイブリッド構造であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のベアリングレス回転機。
14. 前記位置センサのターゲットが非磁性体で形成されることを特徴とする請求項１〜６、１０〜１３のいずれか１項に記載のベアリングレス回転機。

Images