JP2008289340A - セルフベアリングモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 ５軸を能動的に制御するためには、複数個の回転体を回転軸で連結する必要があり、小型化や高速回転が難しい。このような問題の解決するため単一の回転子を有するセルフベアリングモータの、回転を含む全ての自由度を能動的に制御できるセルフベアリングモータを提供する。
【解決手段】 磁気的に浮上回転するための第１巻線のほか、さらに第２巻線６−Ｌ−１ａ，６−Ｌ−１ｂ，６−Ｌ−１ｃ，６−Ｌ−１ｄ，６−Ｒ−１ａ，６−Ｒ−１ｂ，６−Ｒ−１ｃ，６−Ｒ−１ｄから６−Ｌ−１２ａ，６−Ｌ−１２ｂ，６−Ｌ−１２ｃ，６−Ｌ−１２ｄ，６−Ｒ−１２ａ，６−Ｒ−１２ｂ，６−Ｒ−１２ｃ，６−Ｒ−１２ｄを取り付け所定の電流を流して、固定子１の内面に回転子７と同極数の回転磁界および回転子７±２極数の浮上磁界を発生させると、回転子７の傾きトルクおよび軸方向力が生じ、回転子７単一で全ての自由度を制御可能となる。
【選択図】図１

Description

この発明は真空・宇宙・クリーン環境機器や超高速回転機器および医療用機器等に用いられるセルフベアリングモータに関する。

特殊環境下や高速回転機に磁気軸受や磁気軸受とモータの機能を合わせ持つセルフベアリングモータ（磁気浮上モータ）が使用されている。しかし、５軸を能動的に制御するためには、磁気軸受とセルフベアリングモータおよびアキシャル磁気軸受という複数個の磁気軸受ユニットが必要であり、回転体を回転軸で連結した構成となるため装置の小型化や高速回転が難しいという問題があった。

小型化を図るため、特許文献１のようなモータと磁気軸受とモータの機能を合わせ持つ磁気浮上モータの提案がなされた。また、特許文献２のような、ハイブリッド型磁気浮上モータのバイアス磁束を利用して軸方向の制御を可能とした複合型の磁気浮上モータの提案もなされた。

しかし、このような構造は小型化に限界があることから、さらに小型化を図るため半径方向の２自由度のみを能動的に制御し、残りの自由度を受動的な安定性に依存する方式のセルフベアリングモータが提案され使用されているが、受動安定性に依存しているため性能や信頼性に問題がある。

特開平０６−２６９１４４ 特開２００１−１９００４５

発明が解決しようとする課題

この発明は上述した問題の解決を図るためのもので、単一の回転子を有するセルフベアリングモータの、回転を含む全ての自由度（６自由度）を能動的に制御できるセルフベアリングモータを提供することにある。

課題を解決するための手段

この発明は、セルフベアリングモータの浮上および回転を実現させる磁界を形成するための第１巻線とは別に、軸方向の傾きトルクおよび浮上力を発生させる磁極を形成させるために、回転子外周部ばかりでなく回転子側面にも永久磁石を取り付け、この永久磁石と対向するように固定子をオーバーハング型の突極構造とし、Ｍ±２極数の傾きトルク磁界およびＭ極数の軸方向浮上磁界を同時に発生させる第２巻線と、前記第２巻線に必要な電流を通電する制御手段を有することを特徴とする。

発明の効果

この発明によれば、特許文献１にあるような浮上および回転磁界を発生させるセルフベアリングモータにおいて、Ｍ±２極数の傾きトルク磁界およびＭ極数の軸方向浮上磁界を同時に発生させて、回転子軸方向の傾きトルクや浮上力を得ることで、単一ロータでありながら回転子の全ての自由度を能動的に制御することができるようになる。

この発明の一実施例について、図１、図２、図３を用いて説明する。図１はこの発明の構成の平面図で、１は電磁鋼板など磁性材料を使った固定子である。この固定子には２−１，２−２，．．．．．．２−１２のスロットがあり、回転子半径方向の浮上および回転用磁界発生させるための巻線３−１ａ，３−１ｂ，３−２ａ，３−２ｂ，．．．．．．３−１２ａ，３−１２ｂが配置されている。

図２は図１のＡ−Ａ’断面を示したものである。図２に示されるように、固定子１は各スロット間に固定子外周の両側側面に飛び出すようにオーバーハング形状の突極を有している。固定子左側が４−Ｌ−１，４−Ｌ−２，．．．．．．４−Ｌ−１２であり、右側が４−Ｒ−１，４−Ｒ−２，．．．．．．４−Ｒ−１２である。この突極部には、左側に５−Ｌ−１，５−Ｌ−２，．．．．．．５−Ｌ−１２、右側に５−Ｒ−１，５−Ｒ−２，．．．．．．５−Ｒ−１２のスロットがあり、左側の５−Ｌ−１のスロットには６−Ｌ−１ａ，６−Ｌ−１ｂ，６−Ｌ−１ｃ，６−Ｌ−１ｄの巻線が、右側の５−Ｒ−１のスロットには６−Ｒ−１ａ，６−Ｒ−１ｂ，６−Ｒ−１ｃ，６−Ｒ−１ｄの巻線が収納され、右突極の巻線は左突極の巻線に対し逆相になるように結線される。残りの各スロットの巻線も同じように左側と右側で逆相になるように結線される。後述するように、４極の永久磁石によって構成される回転子の場合、図１に示されるｘ，ｙ軸回りのトルクを与える６極の回転磁界と、図２のｚ軸方向の力を与える４極の回転磁界を同時に発生させるように各巻線に電流を流す。

図３に回転子の平面図を示す。回転子７は円筒状の磁性材料で構成され、外周部に８−１，８−２，８−３，８−４という４枚の永久磁石が貼り付けられている。さらに、軸方向のトルクと力を発生させるために、回転子左側面に９−Ｌ−１，９−Ｌ−２，９−Ｌ−３，９−Ｌ−４、右側面に９−Ｒ−１，９−Ｒ−２，９−Ｒ−３，９−Ｒ−４という合計８枚の永久磁石が外周面と全て同極になるように貼り付けられ、Ｎ，Ｓ，Ｎ，Ｓの４極回転子を形成し、前記固定子内に空隙を介して配置される。

このような構成において、特許文献１のように固定子巻線３−１ａ，３−１ｂ，３−２ａ，３−２ｂ，．．．．．．３−１２ａ，３−１２ｂに電流を流し半径方向の浮上力と回転トルクを与えると同時に、６−Ｌ−１ａ，６−Ｌ−１ｂ，６−Ｌ−１ｃ，６−Ｌ−１ｄ，６−Ｒ−１ａ，６−Ｒ−１ｂ，６−Ｒ−１ｃ，６−Ｒ−１ｄから６−Ｌ−１２ａ，６−Ｌ−１２ｂ，６−Ｌ−１２ｃ，６−Ｌ−１２ｄ，６−Ｒ−１２ａ，６−Ｒ−１２ｂ，６−Ｒ−１２ｃ，６−Ｒ−１２ｄの各突極巻線に６極の回転磁界と４極の回転磁界を同時に発生するように電流を流すことで、回転子７の傾きトルクと軸方向力を与えることができるため、単一回転子で全軸制御可能なセルフベアリングモータが実現する。

ここでより具体的に、ｘ，ｙ軸回りのトルクとｚ軸方向力の発生原理について説明する。図４はｘ軸回りのトルク発生原理を示すもので、回転子７の磁極配置を左側と右側から見た図であり、ここでは側面永久磁石のみを示す。回転子が左側から見て半時計方向に電気角でπ／２ずつ回転するとき、固定子突極部が回転子外周部に図示されるような６極回転磁界を作ることで、どの回転子角位置においても回転子左側上部で反発力が左側下部では吸引力が作用しており、回転子右側上部で吸引力が右側下部で反発力が作用しｘ軸回りのトルクが発生していることがわかる。

この傾きトルクを数式を用いて表すために、回転子左側面の永久磁石と固定子突極との空隙に作る磁束密度を次式のように仮定する。

また、回転子に傾きトルクを与えるために固定子突極部が作る６極回転磁界を

と仮定すると、固定子突極部と回転子の空隙の磁束密度は

と表すことができる。したがって、左側のｘ軸回りの傾きトルクはＢ_Ｔｙ＝０として次のように求められる。

ここで、ｒ_１は側面永久磁石中心までの半径、Ｌは側面永久磁石の有効幅である。右側面のｘ軸回りのトルクはＴ_ｘ（Ｒ）＝−Ｔ_ｘ（Ｌ）なので全体としてのｘ軸回りのトルクは

となり、回転角とは無関係に一定のトルクが得られる。なおｙ軸回りの傾きトルクＴ_ｙはＢ_Ｔｘ＝０とすることでＴ_ｘしと同じように求めることができる。つまり、６極回転磁界のｘ成分とｙ成分の波高値Ｂ_Ｔｘ、Ｂ_Ｔｙを制御入力として与えることで、任意の大きさで任意の方向に回転子の傾きを制御することができる。

一方、軸方向力発生の原理を図５に示す。図４と同様に、回転子７の磁極配置を左側と右側から見た図であり、回転子が左側から見て半時計方向に電気角でπ／２ずつ回転するとき、固定子突極部が回転子外周部に図示されるような４極回転磁界を作ることで、どの回転子角位置においても回転子左側で反発力が右側では吸引力が作用しており、回転子にｚ軸右方向力が発生していることがわかる。

この傾きトルクを数式を用いて表すと以下のようになる。まず回転子左側面の永久磁石と固定子突極との空隙に作る磁束密度は（１）である。このとき左側面固定子突極部が作る４極回転磁界を

と仮定すると、左側面固定子突極部と回転子の空隙の磁束密度は

と表すことができる。したがって、左側のｚ軸方向力は次のように求められる。

また右側面固定子突極部が作る４極回転磁界を

とすると、全体としてのｚ軸方向力は

となり、回転角とは無関係に一定の軸方向力が得られる。なおこの軸方向力は、４極回転磁界の波高値Ｂ_Ｆを制御入力として与えることで、任意の大きさでｚ軸の正負いずれかの方向に回転子の軸方向位置を制御することができる。

この発明の異なるもう一つの実施例について、図６、図７を用いて説明する。図６は平面図で、この固定子に回転子半径方向の浮上および回転用磁界発生させるための巻線３−１ａ，３−１ｂ，３−２ａ，３−２ｂ，．．．．．．３−１２ａ，３−１２ｂが配置されているのは実施例１と同じである。

図７は図６のＢ−Ｂ’断面を示したものである。図７に示されるように、固定子１１と固定子１２とは各スロット間ごとに磁性体ブリッジコア１５−１，１５−２，．．．．．．１５−１２によって接続され、固定子外周の両側側面に飛び出すようにオーバーハング形状の突極を有している。固定子左側が１４−Ｌ−１，１４−Ｌ−２，．．．．．．１４−Ｌ−１２であり、右側が１４−Ｒ−１，１４−Ｒ−２，．．．．．．１４−Ｒ−１２である。磁性体ブリッジコア１５−１には、１６−１ａ，１６−１ｂ，１６−１ｃ，１６−１ｄの巻線が巻かれており、１５−２から１５−１２についても同様に対応する巻線が巻かれている。

このような構成において、特許文献１のように固定子巻線３−１ａ，３−１ｂ，３−２ａ，３−２ｂ，．．．．．．３−１２ａ，３−１２ｂに電流を流し半径方向の浮上力と回転トルクを与えると同時に、１６−１ａ，１６−１ｂ，１６−１ｃ，１６−１ｄから１６−１２ａ，１６−１２ｂ，１６−１２ｃ，１６−１２ｄの磁性体ブリッジコア巻線に６極の回転磁界と４極の回転磁界を同時に発生するように電流を流すことで、回転子７の傾きトルクと軸方向力を与えることができるため、単一回転子で全軸制御可能なセルフベアリングモータが実現する。

ｘ，ｙ軸回りのトルクとｚ軸方向の力の発生原理については、実施例１と同様であり、６極回転磁界を作ることで傾きトルクを、４極回転磁界を作ることで軸方向力を任意に発生させることが可能である。

本発明にかかるセルフベアリングモータは真空・宇宙・クリーン環境機器や超高速回転機器および医療用機器等において特に有用である。

半発明の一実施例を示す正面図である。 図１のＡ−Ａ’断面図である。 本発明の回転子の一実施例を示す正面図である。 傾きトルク発生の原理である。 軸方向力発生の原理である。 もう一つの実施例を示す正面図である。 図６のＢ−Ｂ’断面図である。

符号の説明

１…固定子、２−１〜２−１２…浮上および回転制御用巻線スロット、３−１ａ〜３−１２ｂ…浮上および回転制御用巻線、４−Ｌ−１〜４−Ｒ−１２…固定子オーバーハング突極、５−Ｌ−１〜５−Ｒ−１２…傾きおよび軸方向制御用巻線スロット、６−Ｌ−１ａ〜６−Ｒ−１ｄ…傾きおよび軸方向制御用巻線、７…回転子、８−１〜８−４…回転子外周部永久磁石、９−Ｌ−１〜９−Ｒ−４…回転子側面永久磁石、１０，１１…固定子、１２−Ｌ−１〜１２−Ｒ−１２…固定子オーバーハング突極、１３−１〜１３−１２…磁性体ブリッジコア、１４−１ａ〜１４−１２ｄ…傾きおよび軸方向制御用巻線。

Claims (4)

1. 永久磁石によって構成されＭ個の磁極数を有する回転子と、回転子の外周と空隙を隔てて対向する固定子にＭ±２極数の浮上磁界およびＭ極数の回転トルク磁界を同時に発生させるための浮上・回転用の第１巻線に必要な電流を通電する制御手段を有するセルフベアリングモータにおいて、前記固定子に軸方向の傾きトルクおよび浮上力を発生させる磁極を形成させるために、Ｍ±２極数の傾きトルク磁界およびＭ極数の軸方向浮上磁界を発生させるための第２巻線と、前記第２巻線に必要な電流を通電する制御手段を有することを特徴とするセルフベアリングモータ。
2. 請求項１において、前記回転子側面に外周部と同一磁極で同一極数の永久磁石を配置する構造を有することを特徴とするセルフベアリングモータ。
3. 請求項１において、前記固定子の幅を軸方向に分割し、前記回転子を包み込むように半径方向に突極部を設けた分割固定子の間を磁性材コアで連結するブリッジ構造とし、該ブリッジ構造を有する部分に前記第２巻線を巻き回す構造を有することを特徴とするセルフベアリングモータ。
4. 請求項１において、前記固定子の幅を軸方向に延長してスロット部を設け、前記固定子を包み込むように前記スロット部の外側突極部を半径方向にも延長するオーバーハング構造とし、この外側突極部に第２巻線を巻き回す構造を有することを特徴とするセルフベアリングモータ。

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