JP3668626B2 - 磁気浮上電動機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気浮上電動機に関する。さらに詳しくは、本発明は、直流磁場と浮上制御用ステータ捲線とによりロータを浮上制御させるとともに、当該浮上制御用ステータ捲線とは別にロータに対して回転磁界を設定するステータ捲線を設けてロータを回転させるようにした磁気浮上電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、接触型の軸受けに代わる磁気軸受が開発されている。この磁気軸受は、非接触でロータ（軸）を支持するため、摩擦係数がほぼゼロになって高速回転が可能になる。また、このような磁気軸受は、潤滑油を必要としないため、高温、低温あるいは真空中等のような特殊環境下での使用が可能になり、しかもメンテナンスを要しないという利点がある。そこで、この磁気軸受を電動機のロータの支持に用いることが考えられている。
【０００３】
例えば、従来のモータの軸受けに代わって磁気軸受を採用し、磁気軸受、回転力発生機構（電動機部分）、磁気軸受という順序で水平方向に配置することが提案されている。しかしながら、この場合、軸長が増加し、危険速度が低下するという問題が伴う。
【０００４】
そこで、磁気軸受のステータが交流電動機のステータとほぼ同一構造であることに注目し、これらを一体化した磁気浮上電動機が提案されている。この結果、装置全体が小型化し、軸長も短くすることができる。
【０００５】
このように磁気浮上と回転を同時に実現した磁気浮上電動機については、例えば特開平６−２６９１４４号公報に記載されたものがある（第１の従来技術）。この第１の従来技術は、各磁極に捲線を配置したステータと、永久磁石によってＭ個の磁極数を形成したロータとを備え、制御手段によりロータの永久磁極数Ｍ±２極の回転磁界を発生させる電流と前記ロータを回転させる電流とを前記捲線に流すことにより、磁気浮上と回転力とを得るようにした磁気浮上電動機である。この第１の従来技術によって、装置全体が小型化し、軸長も短くできて危険速度を低下させることができた。
【０００６】
また、上記第１の従来技術とは原理が異なるが、突極を備える２個のロータと、これらロータを囲繞するように配置され前記ロータにトルクを発生させる捲線を備えたステータと、前記ステータの外側に配置され前記ロータの突極を励磁する直流磁場発生手段と、前記ロータに半径方向力を発生する制御用コイルと、この制御用コイルに通電する制御手段とを備えたホモポーラ型リラクタンスモータが提案されている（特開平１０−１３６６２２号公報（第２の従来技術））。この第２の従来技術では、磁気浮上電動機を得ることができ、軸長を短くして、危険速度を低下させたものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第１の従来技術によれば、負荷トルク及びモータ電流によって浮上制御が影響を受ける欠点がある。また、第１の従来技術によれば、浮上制御を回転磁界によって行うため、座標変換が必要となり、制御系が複雑になるという欠点もある。さらに、この第１の従来技術によれば、磁気回路を線形として考えているので、磁気飽和が浮上力に影響を及ぼすという欠点がある。
【０００８】
また、第２の従来技術では、ロータが突極型で最低８極を必要とする欠点があった。
【０００９】
本発明は、軸長が短くでき、かつ、安定した磁気浮上を得られると共に、制御系を簡単にすることができる磁気浮上電動機を提供することを目的とする。
【００１０】
【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記載の発明にかかる磁気浮上電動機は、磁性体からなり少なくとも一方端側の周面に永久磁石が固着されたロータと、ステータ側に設けられ、上記ロータの内部から放射状に広がる磁束を発生する直流磁場発生手段と、上記ロータを浮上制御するための２極の浮上制御磁束を発生する第１のステータ巻線と、上記ロータに対して回転磁界を発生させる第２のステータ巻線とを備えるようにしている。
【００１１】
したがって、直流磁場と浮上制御用の第１のステータ捲線に浮上制御用電流を流すことによりロータを浮上制御させ、かつ、第２のステータ捲線に通電することによりロータに回転力を付与させる。即ち、ロータの永久磁石が固着された部分との間でモータを構成するステータは、ロータの極数に応じた回転磁界と２極の浮上磁界を作り出せる。モータ側および磁気軸受側のロータにはバイアス永久磁石により放射状の磁束が与えられるために、この磁束によって直流での浮上制御が可能となる。ステータ側に配置された直流磁場によりロータとステータの間隙に放射状に広がる一定の磁束を形成しておき、ステータの位置制御捲線により制御磁束を発生させて前記一定の磁束と合成することにより、このロータに上向きの浮上力を発生させてロータを浮上させている。即ち、ロータに働く力は、制御磁束と直流磁場によるバイアス磁束との相互作用によって生じさせている。そこで、浮上回転制御はステータからの回転磁界と浮上磁界、そして、このバイアス磁束をエアギャップに重畳させることにより行う。
また、請求項１記載の磁気浮上電動機は、ロータの周面に固着された永久磁石の磁極数が６極以上であるようにしている。この場合、第１のステータ捲線と第２のステータ捲線とを同一のステータに設け、磁気浮上と回転力発生とを個別に行わせることができるようにしているので、ロータ及びステータの数を少なくすることができる。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、請求項１磁気浮上電動機において、直流磁場発生手段が、永久磁石からなるようにしている。この場合、永久磁石でバイアスのための直流磁場を発生させているので、その磁束発生のための電力が不要になる。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、請求項１の磁気浮上電動機において、ロータ周面に永久磁石を貼着するようにしている。この場合、ロータの周面に永久磁石を貼着するだけの簡単な構造であるので、簡単に製造することが可能になる。
【００１５】
更に、請求項４記載の発明は、請求項１の磁気浮上電動機において、ロータの周面に永久磁石を埋設するようにしている。この場合、ロータの周面に永久磁石を埋設してなるので、堅固な構造となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す一実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１〜図２に本発明の実施の一形態に係る磁気浮上電動機の原理的構造を示す。この磁気浮上電動機１は、ロータ２ａ，２ｂと、ステータ３ａ，３ｂと、直流磁場発生手段４と、第１のステータ捲線５ａ，５ｂと、第２のステータ捲線６と、ロータ２ａに設ける永久磁石７，…，７とを具備し、永久磁石７，…，７を備えたロータ２ａとステータ３ａとの間でモータが構成されている。また、ロータ２ａ，２ｂとステータ３ａ，３ｂとのそれぞれの間では磁気軸受が構成される。
【００１８】
ロータ２ａ，２ｂは磁性体から構成されており、磁性体からなる回転軸８に所定の間隔を隔てて設けられている。これらロータ２ａ，２ｂのうちのロータ２ａの周面には、永久磁石７，…，７が極性をＮ，Ｓ，Ｎ，…，Ｓというように反転して設けられている。これら永久磁石７，…，７は、ロータ２ａの周面に貼着されている。ここで、永久磁石７は、Ｎ極が表側に露出する永久磁石とＳ極が露出する永久磁石とが交互に配置されており、尚かついずれか一方の周方向の両側縁が図６に示すように台形状を成すように周方向に突出した形状とされ、他方の磁石が単純な長方形とされ、ロータ表面のロータの磁束密度分布が正弦波状に近づくように設けられることが好ましい。尚、ロータ２ａ，２ｂはケイ素鋼板を重ねて製作することが渦電流の発生を防ぐ上で好ましい。
【００１９】
これらロータ２ａ，２ｂの外側には、ステータ３ａ，３ｂがロータ２ａ，２ｂの周面をそれぞれ囲繞するように配置されている。ステータ３ａ，３ｂには、ロータ２ａ，２ｂを浮上制御するための２極の浮上制御磁束φF を発生する第１のステータ捲線５ａ，５ｂがそれぞれ捲回されている。また、ステータ３ａには、第１のステータ捲線５ａに隣接させてロータ２ａに対して回転磁界φK を設定させる第２のステータ捲線６が設けられている。
【００２０】
また、ステータ３ａ，３ｂの間には直流磁場発生手段４が設けられており、この直流磁場発生手段４によってロータ２ａ，２ｂからステータ３ａ，３ｂに向けて放射状に分布する磁束φD を発生させている。この直流磁場発生手段４は、具体的には永久磁石Ｐであって、ステータ３ａ，３ｂの間の中央に配置され、この永久磁石Ｐによってロータ２ａ，２ｂとステータ３ａ，３ｂとの間隙にバイアスのための直流磁場を発生させている。ここで、バスアス磁束を発生させる直流磁場発生手段４としての永久磁石Ｐの数は、特に限定されるものではないが、多いほど即ちエアギャップ内のバイアス磁束が大きいほど浮上電流をより少なくできることから、可能な限り多くすることが好ましい。尚、ステータ３ａ，３ｂもロータ２ａ，２ｂと同様に、ケイ素鋼板の積層材で構成することが好ましい。
【００２１】
また、ステータ３ａのスロット数は特に限定されるものではなく、ＰＭモータを構成できる数であれば足りるが、スロット数が９個以上であることが好ましく、本実施形態ではスロット数１２で構成されている。また、ロータ２ａの磁極数は６極以上であれば特に限定されるものではなく、ＰＭモータを構成できる数であれば足り、本実施形態では磁極数６極で構成されている。
【００２２】
尚、上記のＰＭモータにおいて、ステータはスロットレス構造であってもよい。
【００２３】
このような磁気浮上電動機の作用について図１及び図２を基に図３及び４を参照して説明する。
【００２４】
ここで、図３に、ロータにおける座標系を示す。図３において、ステータ３ａ，３ｂの回転中心を０とし横軸にｘ軸をとり、これに直角な縦軸にｙ軸をとる。また、ステータ３ａ，３ｂの上に固定した回転座標をθとし、ロータ２ａ，２ｂの角速度をωとし、時間をｔとおくと、各ステータ３ａ，３ｂはｙ軸から角度θとして配置されており、また、ｙ軸を時間ｔ＝０としてｔ秒後のロータ２ａ，２ｂの位置はωｔ／Ｍで求めることができる。
【００２５】
図４に、ステータ及びロータにおける磁束と時間との関係を示す。ここで、図４（ａ）はロータの永久磁石と直流磁場発生手段からのバイアス磁束による磁束密度Ｂｒを時間との関係で示し、図４（ｂ）は第２のステータ捲線によってステータとロータとの間隙に発生する磁束密度Ｂsmを時間との関係で示し、かつ、図４（ｃ）は第１のステータ捲線による磁束密度Ｂsbを時間との関係で示したものである。
【００２６】
この磁気浮上電動機１では、第１のステータ捲線５ａ，５ｂから図４（ｃ）に示す磁界が発生するように第１のステータ捲線５ａ，５ｂに電流を流し、また、第２のステータ捲線６から図４（ｂ）に示すような磁界が発生するように第２のステータ捲線６に電流を流すことにより、この磁気浮上電動機１は磁気浮上するとともに、電動機として回転を発生する。
【００２７】
このように第１のステータ捲線５ａ，５ｂから磁束密度Ｂsbが発生するように電流を流し、第２のステータ捲線６から磁束密度Ｂｒが発生するように電流を流すことにより、磁気浮上と回転力とが独立して発生することについて、理論解析をするために、次の(i) 〜(vi)のような仮定をする。
【００２８】
(i) ステータ３ａ，３ｂは電流が連続的に分布するものとする。
【００２９】
(ii)定常回転、定常スラスト負荷（重力等）状態とする。
【００３０】
(iii) ロータ２ａは、永久磁石によって矩形波状の磁束密度を作り、これによる偏心力はない。
【００３１】
(iv)ロータ２ａ，２ｂはステータ３ａ，３ｂの中心にあり、偏心していない。
【００３２】
(v)バイアス磁束は一定で放射状に分布している。
【００３３】
(vi) 第２のステータ捲線６に流す回転磁界用の電流による電機子反作用はない。
【００３４】
このような仮定の上において、ロータ２ａの永久磁石７と直流磁場発生手段４のバイアス磁束による磁束密度Ｂｒは、次の数式１のようになる。
【００３５】
【数１】
【００３６】
ここで、
Ｂ0： バイアス磁石によるギャップ磁束密度
Ｂ1： ロータの永久磁石による磁束密度の波高値
Ｂ2： 電動機巻線による磁束密度の波高値
Ｂ3： 位置制御巻線による磁束密度の波高値
θ ： ステータ上に固定した回転座標
ψ ： 電動機巻線による磁束とロータの位相差
φ ： 位置制御巻線による磁束の位相角
ω ： ロータの角速度
ｔ ： 時間
Ｍ ： 極対数（＝１，２，３，…）
ｉ ： 自然数
計算を簡単にするため、正弦波に近似させると、次の数式２に示すように表すことができる。
【００３７】
【数２】
【００３８】
第２のステータ捲線６によってロータ２ａとステータ３ａとの間に発生する磁束密度Ｂsmは、
【００３９】
【数３】
【００４０】
のように表すことができる。
【００４１】
また、第１のステータ捲線５ａ，５ｂによって発生する磁束密度Ｂsbは、
【００４２】
【数４】
【００４３】
のようになる。
【００４４】
したがって、ロータ２ａ，２ｂとステータ３ａ，３ｂとの間のエアギャップに作られる磁束密度Ｂｇは、
【００４５】
【数５】
【００４６】
となる。
【００４７】
次に、ロータ２ａ，２ｂの半径をｒとし、ロータ２ａ，２ｂとステータ３ａ，３ｂとのエアギャップをｇとし、ロータ２ａ，２ｂの軸方向に長さをｌ、微小角度をｄθとすると、エアギャップの微小体積ΔＶは、
【００４８】
【数６】
【００４９】
となり、この微小体積ΔＶに蓄えられる磁気エネルギーΔＷは、
【００５０】
【数７】
【００５１】
となる。
【００５２】
これにより、半径方向に沿った放射状の力ｄＦは微小ギャップ体積中に蓄えられる磁気エネルギの仮想変位により次の数式８のように計算される。
【００５３】
【数８】
【００５４】
ここで、ｘ軸及びｙ軸方向に発生する力Ｆｘ，Ｆｙは、数式９に示すｄＦのｘ方向成分及びｙ方向成分をθについてギャップ全周に渡って積分することにより、数式９、数式１０に示すように算出することができる。
【００５５】
【数９】
【００５６】
【数１０】
【００５７】
ここで、Ｍ≧３とすると、
【００５８】
【数１１】
【００５９】
【数１２】
【００６０】
となり、ロータ２ａ，２ｂの回転角に関係なく一定の浮上力が得られる。数式１１のｘ方向の浮上力も、数式１２のｙ方向の浮上力も、ロータ２ａの永久磁石の磁束密度及び第２のステータ捲線６による磁束密度の項が表れていないことから、磁気浮上力は第２のステータ捲線６によって形成される回転磁界の影響を受けないことがわかる。
【００６１】
一方、回転トルクＴは、
【００６２】
【数１３】
【００６３】
に示すように求められる。ここで、Ｍ≧２とすると、回転トルクＴは、
【００６４】
【数１４】
【００６５】
となり、直流磁場発生手段４で発生するバイアス磁界によるエアギャップ磁束密度、及び第１のステータ捲線５ａ，５ｂによる磁束密度の項が表れないため、バイアス磁界及び浮上磁界の影響を受けないことがわかる。
【００６６】
このように本発明の実施の形態では、次のような利点がある。
【００６７】
（１）磁気軸受と電動機の磁気回路とを一体化したので、装置全体がコンパクトになり、軸長を小さくできて危険速度を高くでき、高速回転をさせることができる。
【００６８】
（２）負荷トルク及び電動機電流によって磁気浮上制御が影響を受けないので、より安定した浮上が実現できる。
【００６９】
（３）磁気浮上制御は回転磁界によって行わないため、座標変換が不要になり、制御系が簡単になる。
【００７０】
（４）ホモポーラ型磁気浮上電動機では突極型で最低８極が必要であるが、この実施の形態による磁気浮上電動機では最低６極で構成することができ、構造が簡単になる。
【００７１】
（５）直流磁場発生手段に永久磁石を使用することが可能であり、永久磁石を使用したときには磁場発生のための電力が必要としない。
【００７２】
なお、上述の実施の形態は本発明の好適な実施の形態の例であるが、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の変形実施が可能である。例えば、本実施形態では、ロータ２ａの周面に永久磁石７，…，７が貼着されている例について主に説明したがこれに特に限定されず、ロータ２ａに永久磁石７，…，７を埋設し、周面に露出させるように構成することも可能である。
【００７３】
【浮上及び回転実験】
本発明の磁気浮上電動機の浮上及び回転実験を図６に示すロータ構造を採用した図５の実験装置で実施した。
【００７４】
実験装置となった磁気浮上電動機１０１は、図５に示すように、ロータ１０２ａ，１０２ｂの外周面を、ステータ１０３ａ，１０３ｂとで覆った形に形成されている。また、ステータ１０３ａとステータ１０３ｂとの間には直流磁場発生手段である永久磁石１０４が配置されており、この永久磁石１０４により鉄プレート１０３ｃ，１０３ｄを介してステータ１０３ａ，１０３ｂにバイアス磁界を供給できるようになっている。さらに、これらステータ１０３ａ，１０３ｂには、第１のステータ捲線１０５ａ，１０５ｂがそれぞれ巻かれている。また、ステータ１０３ａには第１のステータ捲線１０５ａに隣接して第２のステータ捲線１０６が巻かれている。
【００７５】
また、ロータ１０２ａは、図６に示すように、ロータ鉄心１２０と、Ｎ極側が表側を向いた永久磁石１０７ｎと、Ｓ極が表側を向いた永久磁石１０７ｓとから構成されている。すなわち、ロータ鉄心１２０には、Ｎ極を表側に向けた永久磁石１０７ｎとＳ極を表側に向けた永久磁石１０７ｓとを交互に配置して６極の永久磁石が張り付けられている。尚、Ｎ極が露出する永久磁石１０７ｎは、周方向の両側縁が台形状を成すように周方向に突出した形状とされ（上底１４ｍｍ、下底２４ｍｍ、高さ５ｍｍ）、Ｓ極が露出する永久磁石１０７ｓは単純な長方形とされ、ロータ表面のロータ１０２ａの磁束密度分布が正弦波状に近づくように設けられている。また、ロータ１０２ａ，１０２ｂの各ロータ鉄心１２０は、回転軸となる鉄パイプ１０８に例えば４２ｍｍだけ離して固定してある。
【００７６】
この鉄パイプ１０８は、例えば長さ約１９０mm程度のものであり、このパイプ１０８の一端にはセンサーターゲット１０９が設けられている。このセンターターゲット１０９の部分には支持体１１０が設けられており、センサーターゲット１０９を検出するセンサー１１１ｘ，１１１ｙが設けられている。
【００７７】
尚、本実験装置では、始動時には磁気軸受の制御は行わず、磁気軸受けのロータが水平を保つように、最右端を玉軸受けにより支持するように設けられている。即ち、鉄パイプ１０８には軸１０８ａが挿入されていて、この軸１０８ａの図示右側において玉軸受１１２によって軸１０８ａが回転可能に固定されている。玉軸受１１２は支持体１１３により固定されている。
【００７８】
また、支持体１１０，１１３、及びステータ１０３ａ，１０３ｂは基台１１５に固定されている。
【００７９】
なお、ロータ１０２ａの図示左側と、ロータ１０２ｂの図示右側にはタッチダウンプレート１１６ａ，１１６ｂが設けられている。
【００８０】
そして、基台１１５の上面からタッチダウンプレート１１６ａ，１１６ｂの上端までの高さが例えば１３５mmであり、また、基台１１５の上面から回転軸１０８ａの回転中心までの高さが例えば７０mmとして構成されている。また、基台１１５に配置された各種の部材は、タッチダウンプレート１１６ａからセンサーターゲット１０９までの間隔が例えば２２mm、ロータ１０２ａ及びステータ１０３ａの厚みが例えば６３mm、直流磁場発生手段である永久磁石１０４の関連部分の間隔が４２mm、ロータ１０２ｂ及びステータ１０３ｂの部分の長さが例えば４８．５mm、また、タッチダウンプレート１１６ｂから支持体１１３までの間隔が例えば７３．５mmとなるように構成している。
【００８１】
図７に、当該磁気浮上電動機を駆動する制御系を示す。センサ１１１ｘ，１１１ｙは置換コンバータ２０１の入力に接続されている。置換コンバータ２０１は、センサ１１１ｘ，１１１ｙからの検出信号を所定の置換を行い出力できる。置換コンバータ２０１の出力端はＤＳＰ（Digital Signal Processor；デジタル信号処理装置）２０２の入力端に接続されている。ＤＳＰ２０２は、クロックボード２０２ａと、Ａ／Ｄボード２０２ｂと、Ｄ／Ａボード２０２ｃとから構成されている。このＤＳＰ２０２はコンピュータ２０３に接続されており、コンピュータ２０３の制御下にデジタル信号処理を実行する。このＤＳＰ２０２のＡ／Ｄボード２０２ｂには置換コンバータ２０１の出力が供給されている。また、ＤＳＰ２０２のＤ／Ａボード２０２ｃは、そのアナログ出力信号を増幅装置２０４に供給する。この増幅装置２０４は電源２０５から電力の供給を受けて、Ｄ／Ａボード２０２ｃからの出力信号に応じてステータ１０３ａの第１のステータ捲線１０５ａと第２のステータ捲線１０６に流す電流を制御するとともに、ステータ１０３ｂの第１のステータ捲線１０５ｂに流す電流を制御するようになっている。
【００８２】
このような磁気浮上電動機１０１の動作について説明する。図８に、６極のロータ１０２ａの磁束分布を示す。この図において、点線ＩＦが望ましい磁束分布を示し、実線ＡＦが実測値を示したものである。この磁束密度の分布は、ロータ１０２ａを開放状態で計測したものである。エッジ効果により波形が歪んでいるが、磁極の最大値は０．１３Ｔとなる。実際に使用するときには、ステータ１０３ａに挿入することにより、さらに大きな値となり、より理想状態に近い波形に変化すると考えられている。なお、ロータ１０２ａをステータ１０３ａに、ロータ１０２ｂをステータ１０３ｂにそれぞれ挿入したときには、エアギャップは、永久磁石の厚みを含めて片側が２．０mmとなるようにした。
【００８３】
この磁気浮上電動機１０１の静的な特性を調べるために、浮上力の測定を行った。電動機の磁界を静止磁界とし、ロータ１０２ａ，１０２ｂの浮上制御を行った状態で、鉛直上方向に力を加えていったときの、浮上電流値を測定した。
【００８４】
図９に、バイアス磁束を発生させる永久磁石１０４を３個としたときの浮上力と、永久磁石１０４を６個としたときの浮上力を示す。この図９において、バイアス磁束を発生させる永久磁石１０４が３個のときの特性ｑと、永久磁石１０４が６個のときの特性ｒとを比較すると、永久磁石１０４が６個のときの方が浮上電流をより少なくすることができることがわかる。すなわち、永久磁石１０４は多ければ多いほど浮上電流を少なくするとこができる。
【００８５】
このことは、ｘ，ｙ方向の浮上力の式である数式１１、数式１２からも容易にわかる。ロータ１０２ａ，１０２ｂの浮上力は、ロータ１０２ａに加わる力が８．０Ｎあり、また、この装置ではバイアス磁束を与える永久磁石１０４として６個用いたため、浮上に必要な電流は約０．９Ａを必要となることが、図９からもわかる。
【００８６】
つぎに、浮上及び回転動作について説明する。ロータ１０２ａ，１０２ｂとステータ１０３ａ，１０３ｂとの間のエアギャップを２mmとし、前述したように磁気軸受の制御は行わず、電動機としての電流を０．３Ａ、０．５Ａ、０．７Ａとしてそれぞれ動作させた。また、増幅装置２０４にはリニアアンプを使用し、最大±２４Ｖで駆動した。
【００８７】
制御系のゲインは実験的に求め、以下の値を使用した。
【００８８】
Ｋｐ＝２５Ａ／mm
Ｋｄ＝ ５Ａ・Sec ／mm
Ｋｉ＝０．２Ａ・Sec
τ＝１×１０-4Sec
Ｔｄ＝３×１０-2Sec
また、電動機の電流を０．５Ａとして、ロータ１０２ａが静止（回転数が０ｒｐｍ）のときにインパクトハンマを用いてロータ１０２ａを加振させたときの応答を図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示す。これらの図からも分かるように、ロータ１０２ａが安定して浮上制御が行えていることがわかる。
【００８９】
次に、アンバランス応答（回転数毎の振動振幅）を図１１〜図１３に示す。ここで、図１１は電動機電流を０．３Ａとしたときのアンバランス応答であり、図１２は電動機電流を０．５Ａとしたときのアンバランス応答であり、図１３は電動機電流を０．７Ａとしたときのアンバランス応答である。
【００９０】
これらのアンバランス応答特性は、回転数を１００ｒｐｍ刻みで上昇させてゆき、各回転数で安定状態の最大と最小のセンサ変位を記録し、その差をとったものである。
【００９１】
これらの図をみたときに、低回転において振動振幅が大きくなっている理由は、ロータ１０２ａに張り付けた永久磁石１０７ｎ、１０７ｓにより、ステータ１０３ａの突部に吸引される力の影響が大きく、また、低回転ではロータ１０２ａの角速度を一定にすることが困難であり、そのため、ロータ１０２ａが大きく振動してしまうことが考えられる。
【００９２】
なお、電動機電流が０．３Ａのときは４３００ｒｐｍまで、電動機電流が０．５Ａのときは４４００ｒｐｍまで、電動機電流が０．７Ａのときは４３００ｒｐｍまで浮上制御を行いながら、回転制御が可能になることが確かめられた。
【００９３】
このように本磁気浮上電動機１０１によれば、直流磁場発生手段である永久磁石１０４により直流磁場をステータ１０３ａ，１０３ｂを介してロータ１０２ａ，１０２ｂに供給することにより位置制御が可能になり、また、ロータ１０２ａの対極数が６極以上であれば、浮上制御と回転制御を完全独立に行わせることができる。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、次のような効果がある。
【００９５】
（１）磁気磁気受と電動機の磁気回路とを一体化したので、装置全体がコンパクトになり、軸長を小さくできて危険速度を高くでき、高速回転をさせることができる。
【００９６】
（２）負荷トルク及び電動機電流によって磁気浮上制御が影響を受けないので、より安定した浮上が実現できる。
【００９７】
（３）磁気浮上制御は回転磁界によって行わないため、座標変換が不要になり、制御系が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る磁気浮上電動機を示す正面図である。
【図２】同磁気浮上電動機を示す断面図である。
【図３】同磁気浮上電動機の座標系を設定するための説明図である。
【図４】同磁気浮上電動機に発生する磁束密度を説明するための特性図であり、同図（ａ）はロータの永久磁石と直流磁場発生手段からのバイアス磁束による磁束密度Ｂｒを時間との関係で示し、同図（ｂ）は第２のステータ捲線によってステータとロータとの間隙に発生する磁束密度Ｂsmを時間との関係で示し、同図（ｃ）は第１のステータ捲線による磁束密度Ｂsbを時間との関係で示したものである。
【図５】本発明の磁気浮上電動機の浮上及び回転実験を行うための実験装置として構成された磁気浮上電動機の一実施例を示す構成図である。
【図６】同実施例の一方のロータの構造を拡大して示す斜視図である。
【図７】同実施例の制御系を示すブロック図である。
【図８】同実施例のロータの磁界分布を示す特性図てある。
【図９】同実施例の直流磁場発生手段を構成する永久磁石の個数に応じて必要な電流値を示す特性図である。
【図１０】同実施例においてロータが静止しているときにインパクトハンマを用いてロータを加振させたときの応答を示す特性図であり、（ａ）はＸ軸、（ｂ）はＹ軸を示す。
【図１１】同実施例において電動機電流を０．３Ａとしたときのアンバランス応答を示す特性図である。
【図１２】同実施例において電動機電流を０．５Ａとしたときのアンバランス応答を示す特性図である。
【図１３】同実施例において電動機電流を０．７Ａとしたときのアンバランス応答を示す特性図である。
【符号の説明】
１，１０１ 磁気浮上電動機
２ａ，２ｂ、１０２ａ，１０２ｂ ロータ
３ａ，３ｂ、１０３ａ，１０３ｂ ステータ
４、１０４ 直流磁場発生手段
５ａ，５ｂ、１０５ａ，１０５ｂ 第１のステータ捲線
６、１０６ 第２のステータ捲線
７、１０７ｎ，１０７ｓ 永久磁石
８、１０８ａ 回転軸
１０８ 鉄パイプ
１１１ｘ，１１１ｙ センサ
２０１ 置換コンバータ
２０２ ＤＳＰ
２０３ コンピュータ
２０４ 増幅装置
２０５ 電源
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気浮上電動機に関する。さらに詳しくは、本発明は、直流磁場と浮上制御用ステータ捲線とによりロータを浮上制御させるとともに、当該浮上制御用ステータ捲線とは別にロータに対して回転磁界を設定するステータ捲線を設けてロータを回転させるようにした磁気浮上電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、接触型の軸受けに代わる磁気軸受が開発されている。この磁気軸受は、非接触でロータ（軸）を支持するため、摩擦係数がほぼゼロになって高速回転が可能になる。また、このような磁気軸受は、潤滑油を必要としないため、高温、低温あるいは真空中等のような特殊環境下での使用が可能になり、しかもメンテナンスを要しないという利点がある。そこで、この磁気軸受を電動機のロータの支持に用いることが考えられている。
【０００３】
例えば、従来のモータの軸受けに代わって磁気軸受を採用し、磁気軸受、回転力発生機構（電動機部分）、磁気軸受という順序で水平方向に配置することが提案されている。しかしながら、この場合、軸長が増加し、危険速度が低下するという問題が伴う。
【０００４】
そこで、磁気軸受のステータが交流電動機のステータとほぼ同一構造であることに注目し、これらを一体化した磁気浮上電動機が提案されている。この結果、装置全体が小型化し、軸長も短くすることができる。
【０００５】
このように磁気浮上と回転を同時に実現した磁気浮上電動機については、例えば特開平６−２６９１４４号公報に記載されたものがある（第１の従来技術）。この第１の従来技術は、各磁極に捲線を配置したステータと、永久磁石によってＭ個の磁極数を形成したロータとを備え、制御手段によりロータの永久磁極数Ｍ±２極の回転磁界を発生させる電流と前記ロータを回転させる電流とを前記捲線に流すことにより、磁気浮上と回転力とを得るようにした磁気浮上電動機である。この第１の従来技術によって、装置全体が小型化し、軸長も短くできて危険速度を低下させることができた。
【０００６】
また、上記第１の従来技術とは原理が異なるが、突極を備える２個のロータと、これらロータを囲繞するように配置され前記ロータにトルクを発生させる捲線を備えたステータと、前記ステータの外側に配置され前記ロータの突極を励磁する直流磁場発生手段と、前記ロータに半径方向力を発生する制御用コイルと、この制御用コイルに通電する制御手段とを備えたホモポーラ型リラクタンスモータが提案されている（特開平１０−１３６６２２号公報（第２の従来技術））。この第２の従来技術では、磁気浮上電動機を得ることができ、軸長を短くして、危険速度を低下させたものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第１の従来技術によれば、負荷トルク及びモータ電流によって浮上制御が影響を受ける欠点がある。また、第１の従来技術によれば、浮上制御を回転磁界によって行うため、座標変換が必要となり、制御系が複雑になるという欠点もある。さらに、この第１の従来技術によれば、磁気回路を線形として考えているので、磁気飽和が浮上力に影響を及ぼすという欠点がある。
【０００８】
また、第２の従来技術では、ロータが突極型で最低８極を必要とする欠点があった。
【０００９】
本発明は、軸長が短くでき、かつ、安定した磁気浮上を得られると共に、制御系を簡単にすることができる磁気浮上電動機を提供することを目的とする。
【００１０】
【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記載の発明にかかる磁気浮上電動機は、磁性体からなり少なくとも一方端側の周面に永久磁石が固着されたロータと、ステータ側に設けられ、上記ロータの内部から放射状に広がる磁束を発生する直流磁場発生手段と、上記ロータを浮上制御するための２極の浮上制御磁束を発生する第１のステータ巻線と、上記ロータに対して回転磁界を発生させる第２のステータ巻線とを備えるようにしている。
【００１１】
したがって、直流磁場と浮上制御用の第１のステータ捲線に浮上制御用電流を流すことによりロータを浮上制御させ、かつ、第２のステータ捲線に通電することによりロータに回転力を付与させる。即ち、ロータの永久磁石が固着された部分との間でモータを構成するステータは、ロータの極数に応じた回転磁界と２極の浮上磁界を作り出せる。モータ側および磁気軸受側のロータにはバイアス永久磁石により放射状の磁束が与えられるために、この磁束によって直流での浮上制御が可能となる。ステータ側に配置された直流磁場によりロータとステータの間隙に放射状に広がる一定の磁束を形成しておき、ステータの位置制御捲線により制御磁束を発生させて前記一定の磁束と合成することにより、このロータに上向きの浮上力を発生させてロータを浮上させている。即ち、ロータに働く力は、制御磁束と直流磁場によるバイアス磁束との相互作用によって生じさせている。そこで、浮上回転制御はステータからの回転磁界と浮上磁界、そして、このバイアス磁束をエアギャップに重畳させることにより行う。
また、請求項１記載の磁気浮上電動機は、ロータの周面に固着された永久磁石の磁極数が６極以上であるようにしている。この場合、第１のステータ捲線と第２のステータ捲線とを同一のステータに設け、磁気浮上と回転力発生とを個別に行わせることができるようにしているので、ロータ及びステータの数を少なくすることができる。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、請求項１磁気浮上電動機において、直流磁場発生手段が、永久磁石からなるようにしている。この場合、永久磁石でバイアスのための直流磁場を発生させているので、その磁束発生のための電力が不要になる。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、請求項１の磁気浮上電動機において、ロータ周面に永久磁石を貼着するようにしている。この場合、ロータの周面に永久磁石を貼着するだけの簡単な構造であるので、簡単に製造することが可能になる。
【００１５】
更に、請求項４記載の発明は、請求項１の磁気浮上電動機において、ロータの周面に永久磁石を埋設するようにしている。この場合、ロータの周面に永久磁石を埋設してなるので、堅固な構造となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す一実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１〜図２に本発明の実施の一形態に係る磁気浮上電動機の原理的構造を示す。この磁気浮上電動機１は、ロータ２ａ，２ｂと、ステータ３ａ，３ｂと、直流磁場発生手段４と、第１のステータ捲線５ａ，５ｂと、第２のステータ捲線６と、ロータ２ａに設ける永久磁石７，…，７とを具備し、永久磁石７，…，７を備えたロータ２ａとステータ３ａとの間でモータが構成されている。また、ロータ２ａ，２ｂとステータ３ａ，３ｂとのそれぞれの間では磁気軸受が構成される。
【００１８】
ロータ２ａ，２ｂは磁性体から構成されており、磁性体からなる回転軸８に所定の間隔を隔てて設けられている。これらロータ２ａ，２ｂのうちのロータ２ａの周面には、永久磁石７，…，７が極性をＮ，Ｓ，Ｎ，…，Ｓというように反転して設けられている。これら永久磁石７，…，７は、ロータ２ａの周面に貼着されている。ここで、永久磁石７は、Ｎ極が表側に露出する永久磁石とＳ極が露出する永久磁石とが交互に配置されており、尚かついずれか一方の周方向の両側縁が図６に示すように台形状を成すように周方向に突出した形状とされ、他方の磁石が単純な長方形とされ、ロータ表面のロータの磁束密度分布が正弦波状に近づくように設けられることが好ましい。尚、ロータ２ａ，２ｂはケイ素鋼板を重ねて製作することが渦電流の発生を防ぐ上で好ましい。
【００１９】
これらロータ２ａ，２ｂの外側には、ステータ３ａ，３ｂがロータ２ａ，２ｂの周面をそれぞれ囲繞するように配置されている。ステータ３ａ，３ｂには、ロータ２ａ，２ｂを浮上制御するための２極の浮上制御磁束φF を発生する第１のステータ捲線５ａ，５ｂがそれぞれ捲回されている。また、ステータ３ａには、第１のステータ捲線５ａに隣接させてロータ２ａに対して回転磁界φK を設定させる第２のステータ捲線６が設けられている。
【００２０】
また、ステータ３ａ，３ｂの間には直流磁場発生手段４が設けられており、この直流磁場発生手段４によってロータ２ａ，２ｂからステータ３ａ，３ｂに向けて放射状に分布する磁束φD を発生させている。この直流磁場発生手段４は、具体的には永久磁石Ｐであって、ステータ３ａ，３ｂの間の中央に配置され、この永久磁石Ｐによってロータ２ａ，２ｂとステータ３ａ，３ｂとの間隙にバイアスのための直流磁場を発生させている。ここで、バスアス磁束を発生させる直流磁場発生手段４としての永久磁石Ｐの数は、特に限定されるものではないが、多いほど即ちエアギャップ内のバイアス磁束が大きいほど浮上電流をより少なくできることから、可能な限り多くすることが好ましい。尚、ステータ３ａ，３ｂもロータ２ａ，２ｂと同様に、ケイ素鋼板の積層材で構成することが好ましい。
【００２１】
また、ステータ３ａのスロット数は特に限定されるものではなく、ＰＭモータを構成できる数であれば足りるが、スロット数が９個以上であることが好ましく、本実施形態ではスロット数１２で構成されている。また、ロータ２ａの磁極数は６極以上であれば特に限定されるものではなく、ＰＭモータを構成できる数であれば足り、本実施形態では磁極数６極で構成されている。
【００２２】
尚、上記のＰＭモータにおいて、ステータはスロットレス構造であってもよい。
【００２３】
このような磁気浮上電動機の作用について図１及び図２を基に図３及び４を参照して説明する。
【００２４】
ここで、図３に、ロータにおける座標系を示す。図３において、ステータ３ａ，３ｂの回転中心を０とし横軸にｘ軸をとり、これに直角な縦軸にｙ軸をとる。また、ステータ３ａ，３ｂの上に固定した回転座標をθとし、ロータ２ａ，２ｂの角速度をωとし、時間をｔとおくと、各ステータ３ａ，３ｂはｙ軸から角度θとして配置されており、また、ｙ軸を時間ｔ＝０としてｔ秒後のロータ２ａ，２ｂの位置はωｔ／Ｍで求めることができる。
【００２５】
図４に、ステータ及びロータにおける磁束と時間との関係を示す。ここで、図４（ａ）はロータの永久磁石と直流磁場発生手段からのバイアス磁束による磁束密度Ｂｒを時間との関係で示し、図４（ｂ）は第２のステータ捲線によってステータとロータとの間隙に発生する磁束密度Ｂsmを時間との関係で示し、かつ、図４（ｃ）は第１のステータ捲線による磁束密度Ｂsbを時間との関係で示したものである。
【００２６】
この磁気浮上電動機１では、第１のステータ捲線５ａ，５ｂから図４（ｃ）に示す磁界が発生するように第１のステータ捲線５ａ，５ｂに電流を流し、また、第２のステータ捲線６から図４（ｂ）に示すような磁界が発生するように第２のステータ捲線６に電流を流すことにより、この磁気浮上電動機１は磁気浮上するとともに、電動機として回転を発生する。
【００２７】
このように第１のステータ捲線５ａ，５ｂから磁束密度Ｂsbが発生するように電流を流し、第２のステータ捲線６から磁束密度Ｂｒが発生するように電流を流すことにより、磁気浮上と回転力とが独立して発生することについて、理論解析をするために、次の(i) 〜(vi)のような仮定をする。
【００２８】
(i) ステータ３ａ，３ｂは電流が連続的に分布するものとする。
【００２９】
(ii)定常回転、定常スラスト負荷（重力等）状態とする。
【００３０】
(iii) ロータ２ａは、永久磁石によって矩形波状の磁束密度を作り、これによる偏心力はない。
【００３１】
(iv)ロータ２ａ，２ｂはステータ３ａ，３ｂの中心にあり、偏心していない。
【００３２】
(v)バイアス磁束は一定で放射状に分布している。
【００３３】
(vi) 第２のステータ捲線６に流す回転磁界用の電流による電機子反作用はない。
【００３４】
このような仮定の上において、ロータ２ａの永久磁石７と直流磁場発生手段４のバイアス磁束による磁束密度Ｂｒは、次の数式１のようになる。
【００３５】
【数１】
ここで、
Ｂ0： バイアス磁石によるギャップ磁束密度
Ｂ1： ロータの永久磁石による磁束密度の波高値
Ｂ2： 電動機巻線による磁束密度の波高値
Ｂ3： 位置制御巻線による磁束密度の波高値
θ ： ステータ上に固定した回転座標
ψ ： 電動機巻線による磁束とロータの位相差
φ ： 位置制御巻線による磁束の位相角
ω ： ロータの角速度
ｔ ： 時間
Ｍ ： 極対数（＝１，２，３，…）
ｉ ： 自然数
計算を簡単にするため、正弦波に近似させると、次の数式２に示すように表すことができる。
【００３７】
【数２】
第２のステータ捲線６によってロータ２ａとステータ３ａとの間に発生する磁束密度Ｂsmは、
【００３９】
【数３】
のように表すことができる。
【００４１】
また、第１のステータ捲線５ａ，５ｂによって発生する磁束密度Ｂsbは、
【００４２】
【数４】
のようになる。
【００４４】
したがって、ロータ２ａ，２ｂとステータ３ａ，３ｂとの間のエアギャップに作られる磁束密度Ｂｇは、
【００４５】
【数５】
となる。
【００４７】
次に、ロータ２ａ，２ｂの半径をｒとし、ロータ２ａ，２ｂとステータ３ａ，３ｂとのエアギャップをｇとし、ロータ２ａ，２ｂの軸方向に長さをｌ、微小角度をｄθとすると、エアギャップの微小体積ΔＶは、
【００４８】
【数６】
となり、この微小体積ΔＶに蓄えられる磁気エネルギーΔＷは、
【００５０】
【数７】
となる。
【００５２】
これにより、半径方向に沿った放射状の力ｄＦは微小ギャップ体積中に蓄えられる磁気エネルギの仮想変位により次の数式８のように計算される。
【００５３】
【数８】
ここで、ｘ軸及びｙ軸方向に発生する力Ｆｘ，Ｆｙは、数式９に示すｄＦのｘ方向成分及びｙ方向成分をθについてギャップ全周に渡って積分することにより、数式９、数式１０に示すように算出することができる。
【００５５】
【数９】
【数１０】
ここで、Ｍ≧３とすると、
【００５８】
【数１１】
【数１２】
となり、ロータ２ａ，２ｂの回転角に関係なく一定の浮上力が得られる。数式１１のｘ方向の浮上力も、数式１２のｙ方向の浮上力も、ロータ２ａの永久磁石の磁束密度及び第２のステータ捲線６による磁束密度の項が表れていないことから、磁気浮上力は第２のステータ捲線６によって形成される回転磁界の影響を受けないことがわかる。
【００６１】
一方、回転トルクＴは、
【００６２】
【数１３】
に示すように求められる。ここで、Ｍ≧２とすると、回転トルクＴは、
【００６４】
【数１４】
となり、直流磁場発生手段４で発生するバイアス磁界によるエアギャップ磁束密度、及び第１のステータ捲線５ａ，５ｂによる磁束密度の項が表れないため、バイアス磁界及び浮上磁界の影響を受けないことがわかる。
【００６６】
このように本発明の実施の形態では、次のような利点がある。
【００６７】
（１）磁気軸受と電動機の磁気回路とを一体化したので、装置全体がコンパクトになり、軸長を小さくできて危険速度を高くでき、高速回転をさせることができる。
【００６８】
（２）負荷トルク及び電動機電流によって磁気浮上制御が影響を受けないので、より安定した浮上が実現できる。
【００６９】
（３）磁気浮上制御は回転磁界によって行わないため、座標変換が不要になり、制御系が簡単になる。
【００７０】
（４）ホモポーラ型磁気浮上電動機では突極型で最低８極が必要であるが、この実施の形態による磁気浮上電動機では最低６極で構成することができ、構造が簡単になる。
【００７１】
（５）直流磁場発生手段に永久磁石を使用することが可能であり、永久磁石を使用したときには磁場発生のための電力が必要としない。
【００７２】
なお、上述の実施の形態は本発明の好適な実施の形態の例であるが、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の変形実施が可能である。例えば、本実施形態では、ロータ２ａの周面に永久磁石７，…，７が貼着されている例について主に説明したがこれに特に限定されず、ロータ２ａに永久磁石７，…，７を埋設し、周面に露出させるように構成することも可能である。
【００７３】
【浮上及び回転実験】
本発明の磁気浮上電動機の浮上及び回転実験を図６に示すロータ構造を採用した図５の実験装置で実施した。
【００７４】
実験装置となった磁気浮上電動機１０１は、図５に示すように、ロータ１０２ａ，１０２ｂの外周面を、ステータ１０３ａ，１０３ｂとで覆った形に形成されている。また、ステータ１０３ａとステータ１０３ｂとの間には直流磁場発生手段である永久磁石１０４が配置されており、この永久磁石１０４により鉄プレート１０３ｃ，１０３ｄを介してステータ１０３ａ，１０３ｂにバイアス磁界を供給できるようになっている。さらに、これらステータ１０３ａ，１０３ｂには、第１のステータ捲線１０５ａ，１０５ｂがそれぞれ巻かれている。また、ステータ１０３ａには第１のステータ捲線１０５ａに隣接して第２のステータ捲線１０６が巻かれている。
【００７５】
また、ロータ１０２ａは、図６に示すように、ロータ鉄心１２０と、Ｎ極側が表側を向いた永久磁石１０７ｎと、Ｓ極が表側を向いた永久磁石１０７ｓとから構成されている。すなわち、ロータ鉄心１２０には、Ｎ極を表側に向けた永久磁石１０７ｎとＳ極を表側に向けた永久磁石１０７ｓとを交互に配置して６極の永久磁石が張り付けられている。尚、Ｎ極が露出する永久磁石１０７ｎは、周方向の両側縁が台形状を成すように周方向に突出した形状とされ（上底１４ｍｍ、下底２４ｍｍ、高さ５ｍｍ）、Ｓ極が露出する永久磁石１０７ｓは単純な長方形とされ、ロータ表面のロータ１０２ａの磁束密度分布が正弦波状に近づくように設けられている。また、ロータ１０２ａ，１０２ｂの各ロータ鉄心１２０は、回転軸となる鉄パイプ１０８に例えば４２ｍｍだけ離して固定してある。
【００７６】
この鉄パイプ１０８は、例えば長さ約１９０mm程度のものであり、このパイプ１０８の一端にはセンサーターゲット１０９が設けられている。このセンターターゲット１０９の部分には支持体１１０が設けられており、センサーターゲット１０９を検出するセンサー１１１ｘ，１１１ｙが設けられている。
【００７７】
尚、本実験装置では、始動時には磁気軸受の制御は行わず、磁気軸受けのロータが水平を保つように、最右端を玉軸受けにより支持するように設けられている。即ち、鉄パイプ１０８には軸１０８ａが挿入されていて、この軸１０８ａの図示右側において玉軸受１１２によって軸１０８ａが回転可能に固定されている。玉軸受１１２は支持体１１３により固定されている。
【００７８】
また、支持体１１０，１１３、及びステータ１０３ａ，１０３ｂは基台１１５に固定されている。
【００７９】
なお、ロータ１０２ａの図示左側と、ロータ１０２ｂの図示右側にはタッチダウンプレート１１６ａ，１１６ｂが設けられている。
【００８０】
そして、基台１１５の上面からタッチダウンプレート１１６ａ，１１６ｂの上端までの高さが例えば１３５mmであり、また、基台１１５の上面から回転軸１０８ａの回転中心までの高さが例えば７０mmとして構成されている。また、基台１１５に配置された各種の部材は、タッチダウンプレート１１６ａからセンサーターゲット１０９までの間隔が例えば２２mm、ロータ１０２ａ及びステータ１０３ａの厚みが例えば６３mm、直流磁場発生手段である永久磁石１０４の関連部分の間隔が４２mm、ロータ１０２ｂ及びステータ１０３ｂの部分の長さが例えば４８．５mm、また、タッチダウンプレート１１６ｂから支持体１１３までの間隔が例えば７３．５mmとなるように構成している。
【００８１】
図７に、当該磁気浮上電動機を駆動する制御系を示す。センサ１１１ｘ，１１１ｙは置換コンバータ２０１の入力に接続されている。置換コンバータ２０１は、センサ１１１ｘ，１１１ｙからの検出信号を所定の置換を行い出力できる。置換コンバータ２０１の出力端はＤＳＰ（Digital Signal Processor；デジタル信号処理装置）２０２の入力端に接続されている。ＤＳＰ２０２は、クロックボード２０２ａと、Ａ／Ｄボード２０２ｂと、Ｄ／Ａボード２０２ｃとから構成されている。このＤＳＰ２０２はコンピュータ２０３に接続されており、コンピュータ２０３の制御下にデジタル信号処理を実行する。このＤＳＰ２０２のＡ／Ｄボード２０２ｂには置換コンバータ２０１の出力が供給されている。また、ＤＳＰ２０２のＤ／Ａボード２０２ｃは、そのアナログ出力信号を増幅装置２０４に供給する。この増幅装置２０４は電源２０５から電力の供給を受けて、Ｄ／Ａボード２０２ｃからの出力信号に応じてステータ１０３ａの第１のステータ捲線１０５ａと第２のステータ捲線１０６に流す電流を制御するとともに、ステータ１０３ｂの第１のステータ捲線１０５ｂに流す電流を制御するようになっている。
【００８２】
このような磁気浮上電動機１０１の動作について説明する。図８に、６極のロータ１０２ａの磁束分布を示す。この図において、点線ＩＦが望ましい磁束分布を示し、実線ＡＦが実測値を示したものである。この磁束密度の分布は、ロータ１０２ａを開放状態で計測したものである。エッジ効果により波形が歪んでいるが、磁極の最大値は０．１３Ｔとなる。実際に使用するときには、ステータ１０３ａに挿入することにより、さらに大きな値となり、より理想状態に近い波形に変化すると考えられている。なお、ロータ１０２ａをステータ１０３ａに、ロータ１０２ｂをステータ１０３ｂにそれぞれ挿入したときには、エアギャップは、永久磁石の厚みを含めて片側が２．０mmとなるようにした。
【００８３】
この磁気浮上電動機１０１の静的な特性を調べるために、浮上力の測定を行った。電動機の磁界を静止磁界とし、ロータ１０２ａ，１０２ｂの浮上制御を行った状態で、鉛直上方向に力を加えていったときの、浮上電流値を測定した。
【００８４】
図９に、バイアス磁束を発生させる永久磁石１０４を３個としたときの浮上力と、永久磁石１０４を６個としたときの浮上力を示す。この図９において、バイアス磁束を発生させる永久磁石１０４が３個のときの特性ｑと、永久磁石１０４が６個のときの特性ｒとを比較すると、永久磁石１０４が６個のときの方が浮上電流をより少なくすることができることがわかる。すなわち、永久磁石１０４は多ければ多いほど浮上電流を少なくするとこができる。
【００８５】
このことは、ｘ，ｙ方向の浮上力の式である数式１１、数式１２からも容易にわかる。ロータ１０２ａ，１０２ｂの浮上力は、ロータ１０２ａに加わる力が８．０Ｎあり、また、この装置ではバイアス磁束を与える永久磁石１０４として６個用いたため、浮上に必要な電流は約０．９Ａを必要となることが、図９からもわかる。
【００８６】
つぎに、浮上及び回転動作について説明する。ロータ１０２ａ，１０２ｂとステータ１０３ａ，１０３ｂとの間のエアギャップを２mmとし、前述したように磁気軸受の制御は行わず、電動機としての電流を０．３Ａ、０．５Ａ、０．７Ａとしてそれぞれ動作させた。また、増幅装置２０４にはリニアアンプを使用し、最大±２４Ｖで駆動した。
【００８７】
制御系のゲインは実験的に求め、以下の値を使用した。
【００８８】
Ｋｐ＝２５Ａ／mm
Ｋｄ＝ ５Ａ・Sec ／mm
Ｋｉ＝０．２Ａ・Sec
τ＝１×１０-4Sec
Ｔｄ＝３×１０-2Sec
また、電動機の電流を０．５Ａとして、ロータ１０２ａが静止（回転数が０ｒｐｍ）のときにインパクトハンマを用いてロータ１０２ａを加振させたときの応答を図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示す。これらの図からも分かるように、ロータ１０２ａが安定して浮上制御が行えていることがわかる。
【００８９】
次に、アンバランス応答（回転数毎の振動振幅）を図１１〜図１３に示す。ここで、図１１は電動機電流を０．３Ａとしたときのアンバランス応答であり、図１２は電動機電流を０．５Ａとしたときのアンバランス応答であり、図１３は電動機電流を０．７Ａとしたときのアンバランス応答である。
【００９０】
これらのアンバランス応答特性は、回転数を１００ｒｐｍ刻みで上昇させてゆき、各回転数で安定状態の最大と最小のセンサ変位を記録し、その差をとったものである。
【００９１】
これらの図をみたときに、低回転において振動振幅が大きくなっている理由は、ロータ１０２ａに張り付けた永久磁石１０７ｎ、１０７ｓにより、ステータ１０３ａの突部に吸引される力の影響が大きく、また、低回転ではロータ１０２ａの角速度を一定にすることが困難であり、そのため、ロータ１０２ａが大きく振動してしまうことが考えられる。
【００９２】
なお、電動機電流が０．３Ａのときは４３００ｒｐｍまで、電動機電流が０．５Ａのときは４４００ｒｐｍまで、電動機電流が０．７Ａのときは４３００ｒｐｍまで浮上制御を行いながら、回転制御が可能になることが確かめられた。
【００９３】
このように本磁気浮上電動機１０１によれば、直流磁場発生手段である永久磁石１０４により直流磁場をステータ１０３ａ，１０３ｂを介してロータ１０２ａ，１０２ｂに供給することにより位置制御が可能になり、また、ロータ１０２ａの対極数が６極以上であれば、浮上制御と回転制御を完全独立に行わせることができる。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、次のような効果がある。
【００９５】
（１）磁気磁気受と電動機の磁気回路とを一体化したので、装置全体がコンパクトになり、軸長を小さくできて危険速度を高くでき、高速回転をさせることができる。
【００９６】
（２）負荷トルク及び電動機電流によって磁気浮上制御が影響を受けないので、より安定した浮上が実現できる。
【００９７】
（３）磁気浮上制御は回転磁界によって行わないため、座標変換が不要になり、制御系が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る磁気浮上電動機を示す正面図である。
【図２】同磁気浮上電動機を示す断面図である。
【図３】同磁気浮上電動機の座標系を設定するための説明図である。
【図４】同磁気浮上電動機に発生する磁束密度を説明するための特性図であり、同図（ａ）はロータの永久磁石と直流磁場発生手段からのバイアス磁束による磁束密度Ｂｒを時間との関係で示し、同図（ｂ）は第２のステータ捲線によってステータとロータとの間隙に発生する磁束密度Ｂsmを時間との関係で示し、同図（ｃ）は第１のステータ捲線による磁束密度Ｂsbを時間との関係で示したものである。
【図５】本発明の磁気浮上電動機の浮上及び回転実験を行うための実験装置として構成された磁気浮上電動機の一実施例を示す構成図である。
【図６】同実施例の一方のロータの構造を拡大して示す斜視図である。
【図７】同実施例の制御系を示すブロック図である。
【図８】同実施例のロータの磁界分布を示す特性図てある。
【図９】同実施例の直流磁場発生手段を構成する永久磁石の個数に応じて必要な電流値を示す特性図である。
【図１０】同実施例においてロータが静止しているときにインパクトハンマを用いてロータを加振させたときの応答を示す特性図であり、（ａ）はＸ軸、（ｂ）はＹ軸を示す。
【図１１】同実施例において電動機電流を０．３Ａとしたときのアンバランス応答を示す特性図である。
【図１２】同実施例において電動機電流を０．５Ａとしたときのアンバランス応答を示す特性図である。
【図１３】同実施例において電動機電流を０．７Ａとしたときのアンバランス応答を示す特性図である。
【符号の説明】
１，１０１ 磁気浮上電動機
２ａ，２ｂ、１０２ａ，１０２ｂ ロータ
３ａ，３ｂ、１０３ａ，１０３ｂ ステータ
４、１０４ 直流磁場発生手段
５ａ，５ｂ、１０５ａ，１０５ｂ 第１のステータ捲線
６、１０６ 第２のステータ捲線
７、１０７ｎ，１０７ｓ 永久磁石
８、１０８ａ 回転軸
１０８ 鉄パイプ
１１１ｘ，１１１ｙ センサ
２０１ 置換コンバータ
２０２ ＤＳＰ
２０３ コンピュータ
２０４ 増幅装置
２０５ 電源
Claims (4)
- 磁性体からなり少なくとも一方端側の周面に永久磁石が固着されたロータと、ステータ側に設けられ、上記ロータの内部から放射状に広がる磁束を発生する直流磁場発生手段と、上記ロータを浮上制御するための２極の浮上制御磁束を発生する第１のステータ巻線と、上記ロータに対して回転磁界を発生させる第２のステータ巻線とを備え、上記ロータの周面に固着された永久磁石の磁極数は６極以上であることを特徴とする磁気浮上電動機。
- 上記直流磁場発生手段は、永久磁石からなることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上電動機。
- ロータ周面に永久磁石を貼着したことを特徴とする請求項１記載の磁気浮上電動機。
- ロータの周面に永久磁石を埋設したことを特徴とする請求項１記載の磁気浮上電動機。
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