JP3949916B2 - 磁気浮上モータ、及び磁気軸受装置 - Google Patents
磁気浮上モータ、及び磁気軸受装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータを浮上制御するためのラジアル磁気軸受及びスラスト磁気軸受を備えた磁気浮上モータ及び磁気軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種機器において広く用いられている軸受装置には、一般的な接触型の軸受のほかに、磁力を利用して回転軸等の回転体を浮上させ、これを無接触で支持するようにした磁気軸受装置がある。磁気軸受装置を用いれば、軸受部の摩擦係数がほぼゼロに近いため高速回転が可能になる。また、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など、特殊環境下での使用が可能となり、さらに、メンテナンスを要しないという利点がある。
【０００３】
このような利点から、磁気軸受装置をモータのロータ支持に用いることが考えられている。磁気軸受装置を有するモータの基本的構成は、磁気軸受装置、回転力発生機構すなわちモータ部、磁気軸受装置、という順序で、それらを回転軸線方向に配置したものである。しかしながら、このような配置では、モータ部の両側に磁気軸受を配置するため軸長が増加し、固有振動数が低くなって危険速度が低下するという難点がある。
【０００４】
そこで、磁気軸受装置のステータが交流モータのステータとほぼ同じ構造であることに着目し、磁気軸受装置とモータとを一体化した磁気浮上モータの提案が従来からなされている。その磁気浮上モータの一形式として、ハイブリッド型磁気浮上モータがあるが、このものは、永久磁石を用いてロータ内部から放射状に広がる一定磁束を作り、ロータの浮上制御を一般的な磁気軸受装置と同様に２極の直流磁場で行うことができるようにしたものである。このハイブリッド型磁気浮上モータによれば、永久磁石で一定の磁束を作り出すので、電力を消費することなくバイアス吸引力を発生させることができ、電磁石は制御力のみを分担すればよいという利点がある。
【０００５】
このとき、従来のハイブリッド型磁気浮上モータは、ラジアル磁気軸受とモータとのハイブリッドであり、スラスト軸受については、磁気浮上式スラスト軸受としてのみ機能する磁気軸受をモータに付加した構成になっている。一方、磁気軸受としては、磁気回路を工夫することにより、ラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受とを複合した磁気軸受が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の磁気軸受とモータとを一体化した磁気浮上モータは、ラジアル磁気軸受とモータとの複合であって、スラスト軸受は、スラスト軸受として単独に機能するスラスト磁気軸受を付加しただけのものである。スラスト磁気軸受は、モータ全体の中で大きな部分を占めており、磁気浮上モータの小型化の妨げとなっている。また、ラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受とを複合した磁気軸受を用いた場合も、モータは別個に必要となるから、やはり、磁気浮上モータの小型化の妨げとなっている。
【０００７】
なお、本願発明者は、特願２０００−０００３８８号において、ハイブリッド型ラジアル磁気浮上モータとスラスト磁気軸受とを磁気回路的に一体化し、スラスト磁気磁気受のバイアス磁束をハイブリッド型ラジアル磁気浮上モータと兼用させるようにした構成を既に提案しているが、このものでは、バイアス磁束が大きくなるとスラスト方向の負の磁気バネ特性が大きくなる傾向があり、スラスト磁気軸受の制御が不安定になる問題がある。
【０００８】
本発明は、以上のような従来技術の問題点を解消するためになされたもので、ハイブリッド型磁気浮上モータ、又は磁気軸受装置のバイアス磁束を用いて、その磁路内にスラスト軸受を配置し、これによって、磁気浮上モータとスラスト磁気軸受とを複合化し小型化を可能にしつつ、スラスト方向において安定した軸支持制御を行わせることができるようにした磁気浮上モータ及び磁気軸受装置を提供することを目的とする。
本発明はまた、バイアス磁束を用いることにより、一つのコイルでスラスト軸受の制御が可能となるとともに、バイアス電流を必要としないため、消費電力を小さくすることができる磁気浮上モータ及び磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１にかかる磁気浮上モータでは、磁性体からなり周面に永久磁石が固着されたロータと、このロータをラジアル方向に浮上制御するための浮上制御磁束を発生する第１のステータ巻線及び上記ロータに対して回転磁界を発生させる第２のステータ巻線が巻回されたステータコア部と、を備えた磁気浮上モータにおいて、上記ロータにロータ側スラスト軸受用磁路部が形成されているとともに、前記ステータに上記ロータ側スラスト軸受用磁路部と半径方向に対向するステータ側スラスト軸受用磁路部が設けられ、上記ラジアル浮上制御磁束を形成するためのバイアス磁束が、上記ロータ側スラスト軸受用磁路部とステータ側スラスト軸受用磁路部との間に形成される半径方向ギャップを通過するように構成され、かつ、上記ラジアル浮上制御磁束を形成するためのバイアス磁束中に、スラスト軸受荷重の支持力を生成するスラスト制御用コイルが配置されたものであって、上記スラスト制御用コイルは、上記ロータ側スラスト軸受用磁路部又はステータ側スラスト軸受用磁路部の一方側に対して回転の軸を中心として巻回されている。
このような構成を有する磁気浮上モータによれば、ラジアル磁気軸受とモータとを複合化した磁気浮上モータに対して、軸を中心として巻回されたＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式による良好なスラスト軸受特性を備えたスラスト磁気軸受が複合化される。
【００１０】
また、請求項２にかかる磁気浮上モータでは、請求項１におけるロータ側スラスト軸受用磁路部及びステータ側スラスト軸受用磁路部が、回転の軸を中心とした略円筒状の部材から形成されているとともに、当該略円筒状の部材の外周面に、前記スラスト制御用コイルが巻回されていることから、小さいスペース内にスラスト制御用コイルが収容されるようになっている。
【００１１】
さらに、請求項３にかかる磁気浮上モータでは、請求項１におけるスラスト制御用コイルが短絡されていることから、スラスト方向の振動に対して、電力を消費することなくスラスト方向のダンパー作用が得られるようになっている。
【００１２】
さらにまた、請求項４にかかる磁気浮上モータでは、請求項１に加えて、ステータコア部が、軸方向に二つ並べて配置されているとともに、その二つのステータコア部の間に、前記ロータ側スラスト軸受用磁路部とステータ側スラスト軸受用磁路部との半径方向対向部分が配置されていることから、実質的に二つのモータ部が設けられ、この二つのモータ部のスラスト荷重を一つのスラスト磁気軸受で支持する構造になり、スラスト磁気軸受までも有していながら、大きな出力が得られる割にコンパクト化されるようになっている。
【００１３】
さらに、請求項５にかかる磁気浮上モータでは、請求項１に加えて、ステータコア部とステータ側スラスト軸受用磁路部とが、軸方向に並べて配置されていることから、スラスト方向の制御力が大きくされてスラスト方向の制御を迅速かつ安定的に行われるようになっている。
【００１４】
さらにまた、請求項６にかかる磁気浮上モータでは、請求項１におけるロータが、アウタロータ型またはインナーロータ型のいずれかであり、請求項７にかかる磁気浮上モータでは、請求項１におけるバイアス磁束を発生させるバイアスマグネットがロータ側に配置されているとともに、ロータ側にはステータコア部と対向して回転トルクを発生させるリング状ロータマグネットが配置され、請求項８にかかる磁気浮上モータでは、請求項１におけるバイアス磁束を発生させるバイアスマグネットがステータ側に配置され、ロータ側にはステータコア部と対向して回転トルクを発生させるリング状ロータマグネットが配置されている。
【００１５】
一方、請求項９にかかる磁気軸受装置では、磁性体からなり周面に永久磁石が固着されたロータと、このロータをラジアル方向に浮上制御するためのラジアル浮上制御磁束を発生するステータ巻線が巻回されたステータコアと、を備えた磁気軸受装置において、上記ロータにロータ側スラスト軸受用磁路部が形成されているとともに、前記ステータに上記ロータ側スラスト軸受用磁路部と半径方向に対向するステータ側スラスト軸受用磁路部が設けられ、上記ラジアル浮上制御磁束を形成するためのバイアス磁束が、上記ロータ側スラスト軸受用磁路部とステータ側スラスト軸受用磁路部との間に形成される半径方向ギャップを通過するように構成され、かつ、上記ラジアル浮上制御磁束を形成するためのバイアス磁束中に、スラスト軸受荷重の支持力を生成するスラスト制御用コイルが配置されたものであって、上記スラスト制御用コイルは、上記ロータ側スラスト軸受用磁路部又はステータ側スラスト軸受用磁路部の一方側に対して回転の軸を中心として巻回されている。
このような構成を有する磁気軸受装置によれば、ラジアル磁気軸受装置に対して、軸を中心として巻回されたＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式による良好なスラスト軸受特性を備えたスラスト磁気軸受が複合化される。
【００１６】
また、請求項１０にかかる磁気軸受装置では、請求項９におけるロータ側スラスト軸受用磁路部及びステータ側スラスト軸受用磁路部が、回転の軸を中心とした略円筒状の部材から形成されているとともに、当該略円筒状の部材の外周面に、前記スラスト制御用コイルが巻回されていることから、小さいスペース内にスラスト制御用コイルが収容されるようになっている。
【００１７】
さらに、請求項１１にかかる磁気軸受装置では、請求項９におけるスラスト制御用コイルが短絡されていることから、スラスト方向の振動に対して、電力を消費することなくスラスト方向のダンパー作用が得られるようになっている。
【００１８】
さらにまた、請求項１２にかかる磁気軸受装置では、請求項９に加えて、ステータコア部とステータ側スラスト軸受用磁路部とが、軸方向に並べて配置されていることから、スラスト方向の制御力が大きくされてスラスト方向の制御を迅速かつ安定的に行われるようになっている。
【００１９】
また、請求項１３にかかる磁気軸受装置では、請求項９におけるロータが、アウタロータ型またはインナーロータ型のいずれかであり、請求項１４にかかる磁気軸受装置では、請求項９におけるバイアス磁束を発生させるバイアスマグネットがロータ側に配置され、請求項１５にかかる磁気軸受装置では、請求項９におけるバイアス磁束を発生させるバイアスマグネットがステータ側に配置されている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明にかかる磁気浮上モータの実施の形態について説明する。
図１において、基台フレーム１から図示上方に向かって一体に延びた固定軸２には、軸方向に沿って、第１のステータコア３、ステータヨーク４、及び第２ステータコア５が、順に挿通するようにして装着されている。上記第１のステータコア３は、前記固定軸２の図示下部に設けられた段部２ａに軸方向に当接して位置決めされているとともに、上記固定軸２の図示上端部分にネジ止め固定されたクランプ部材６によって、上記第２ステータコア５が軸方向に押さえられ、それによって上記各部材３，４，５が固定軸２に固定されている。
【００２１】
上記ステータヨーク４は、略円筒状の部材から形成されたステータ側スラスト軸受用磁路部を構成するものであって、そのコイルボビン形状をなすステータヨーク４の外周部に、軸を中心として巻回された形でスラスト制御用コイル７が絶縁体を介して配置されている。また、上記各第１及び第２のステータコア３，５には、それぞれステータ巻線８，９が巻き回されている。これらの各ステータ巻線８，９は、後で詳細に説明するロータ１１をラジアル方向に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１１に対して回転磁界を発生させる第２のステータ巻線とからなる。
【００２２】
上記第１及び第２のステータコア３，５、及びステータヨーク４等を有してなるステータの外周側には、ロータ１１が回転可能に支持されている。このロータ１１は、円筒状の磁性材からなるロータスリーブ１２を主体としてなるものであって、そのロータスリーブ１２が、上記ステータを環状に囲むようにして配置されている。このロータスリーブ１２の内周壁面側には、軸方向の略中央部分に内方側に突出するフランジ状ヨーク１３が、ロータ側スラスト軸受用磁路部を構成するように一体的に形成されている。このフランジ状ヨーク１３の内周端面は、上述したステータヨーク４に巻回されたスラスト制御用コイル７に対して、半径方向外方側から近接対向するように配置されている。
【００２３】
また、上記ロータスリーブ１２の内周側壁面における軸方向の両端（図示上下端）部分には、リング状の永久磁石からなる第１のロータマグネット１４及び第２のロータマグネット１５が、第１のロータヨーク１３Ａ及び第２のロータヨーク１３Ｂを介在してそれぞれ固着されている。これら第１及び第２のロータマグネット１４，１５は、上述した第１及び第２のステータコア３，４の外周側端面に対して半径方向に近接するように配置されている。
【００２４】
さらに、上述したロータスリーブ１２における前記フランジ状ヨーク１３の軸方向両側部分には、第１のバイアスマグネット２１及び第２のバイアスマグネット２２が配置されている。これらの各バイアスマグネット２１，２２は、リング状に形成されて軸方向に着磁されている。したがって、上記第１のバイアスマグネット２１に関しては、当該第１のバイアスマグネット２１−フランジ状ヨーク１３−スラスト制御用コイル７−ステータヨーク４−第１のステータコア３−第１のロータヨーク１３Ａ−第１のバイアスマグネット２１の順に巡るバイアス磁束Ｂ１が形成される。また、第２のバイアスマグネット２２に関しては、当該第２のバイアスマグネット２２−フランジ状ヨーク１３−スラスト制御用コイル７−ステータヨーク４−第２のステータコア５−第２のロータヨーク１３Ｂ−第２のバイアスマグネット２２の順に巡るバイアス磁束Ｂ２が形成される。
【００２５】
上記両バイアス磁束Ｂ１，Ｂ２の磁路は、スラスト軸受用の磁路であって、それぞれステータ側スラスト軸受用磁路とロータ側スラスト軸受用磁路に分けることができる。そして、ロータスリーブ１２側のフランジ状ヨーク１３と、ステータ側のステータヨーク４に設けられたスラスト制御用コイル７との間に、半径方向のギャップがあり、この半径方向ギャップを、上記両バイアス磁束Ｂ１，Ｂ２がそれぞれ通過するように構成されている。
【００２６】
すなわち、上記スラスト制御用コイル７は、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式によるスラスト軸受装置を構成するものであって、当該スラスト制御用コイル７への通電を制御することにより、当該スラスト制御用コイル７を横切る上記両バイアス磁束Ｂ１，Ｂ２とあいまって、スラスト制御用コイル７にローレンツ力が発生し、その反力の大きさによって、上記ロータ１１の軸方向の位置が制御されるように構成されている。より具体的には、図示されないセンサがロータ１１の軸方向の位置を検知し、ロータ１１の軸方向の位置が一方に偏ろうとすると、上記センサの出力に基づいてスラスト制御用コイル７の正逆方向の通電およびその電流を制御し、ロータ１１の軸方向の位置（スラスト方向の位置）を所定位置に制御する。
【００２７】
一方、上述した第１のステータコア３及び第２のステータコア５と、ステータ巻線８，９と、前記第１のロータマグネット１４及び第２のロータマグネット１５とによって、ラジアル磁気軸受とモータとが複合化されている。すなわち、上記ステータ巻線８，９は、それぞれ第１のステータ巻線と第２のステータ巻線とから構成されており、図示しないセンサがロータ１１のラジアル方向の位置を検知し、ロータ１１のラジアル方向の位置が一方に偏ろうとすると、上記センサの出力に基づいて上記第１のステータ巻線の通電を制御し、上述したバイアス磁束Ｂ１，Ｂ２と、第１のステータ巻線から発生する２極のラジアル浮上制御磁束との相互作用によって上記ロータ１１をラジアル方向に浮上制御し、そのロータ１１のラジアル方向位置を所定位置に保って、ラジアル方向に非接触で支持する。また、上記第２のステータ巻線の通電を制御することにより、上記ロータ１１に対して回転磁界を発生させ、ロータマグネット１４，１５との相互作用によりロータ１１を回転駆動する。
【００２８】
以上説明したとおり、図１に示す実施の形態は、ラジアル磁気軸受とモータとを複合化した磁気浮上モータに、ロータ側スラスト軸受用磁路部と、このロータ側スラスト軸受用磁路部に半径方向に対向するステータ側スラスト軸受用磁路部を設け、ラジアル浮上制御磁束を形成するためのバイアス磁束Ｂ１，Ｂ２が、ロータ側スラスト軸受用磁路部とステータ側スラスト軸受用磁路部との間に配置されたＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式によるスラスト制御用コイル７を通過するように構成され、スラスト制御用コイル７に通電することによりスラスト軸受荷重を支持するように構成されている。そのため、ラジアル磁気軸受とモータとを複合化した磁気浮上モータに対して、スラスト磁気軸受も複合化することができ、小型化して軸長を短くすることが可能になり、高速化を図ることができることに加えて、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式による良好なスラスト軸受特性が得られるようになっている。
【００２９】
また、上記実施の形態によれば、第１のステータコア３及び第２のステータコア５を軸方向に二つ並べて配置するとともに、この二つの第１のステータコア３及び第２のステータコア５の間に、ロータ側スラスト軸受用磁路部とロータ側スラスト軸受用磁路部との半径方向ギャップを形成しているため、実質的に二つのモータ部が設けられ、この二つのモータ部のスラスト荷重を一つのスラスト磁気軸受で支持する構造になり、スラスト磁気軸受までも有していながら、大きな出力が得られる割にコンパクトな磁気浮上モータを得ることができる。
【００３０】
さらに、第１のステータコア３及び第２のステータコア５とステータ側スラスト軸受用磁路部とを軸方向に並べて配置したため、スラスト方向の制御力が大きく、スラスト方向の制御を迅速かつ安定に行うことができる。
【００３１】
一方、図２に示された実施の形態では、バイアス磁束Ｂ１，Ｂ２を形成するバイアスマグネット３１を、ステータ側のステータヨーク４内に配置したものであって、このような実施形態においても、上述した実施形態と同様な作用・効果が得られる。
【００３２】
また、本発明は、図３に示されているようなハイブリッド型の磁気軸受装置に対しても同様に適用することができる。
すなわち、図３に示されているように、略中空円筒状のステータコア４１の内部側には、ロータ４２が回転可能に支持されており、そのロータ４２の回転軸４３には、軸方向に沿って、第１のロータヨーク４４、中央ロータヨーク４５、及び第２のロータヨーク４６が、順に配置されている。上記中央ロータヨーク４５は、ロータ側スラスト軸受用磁路部を構成する略円筒状のコイルボビン状部材から形成されており、当該中央ロータヨーク４５の外周部に、軸を中心として巻回された形でスラスト制御用コイル４７が配置されている。
【００３３】
上記第１及び第２のロータヨーク４４，４６、及び中央ロータヨーク４５等を有してなるロータ４２の外周側に配置されたステータコア４１は、略中空円筒状の磁性材からなるステータ側スラスト軸受用磁路部を構成するコアリブ４８を主体としてなるものであって、そのコアリブ４８が、上記ロータ４２を囲むようにして配置されている。このコアリブ４８の軸方向両端部分における内周側には、中心側に向かって突出する第１のコア突極５１、及び第２のコア突極５２が一体に形成されている。これら第１及び第２のコア突極５１，５２の内周側端面は、上述した第１及び第２のロータヨーク４４，４６に対して、半径方向外方側からそれぞれ近接対向するように配置されている。
【００３４】
上記各第１及び第２のコア突極５１，５２には、それぞれステータ巻線５３，５４が巻き回されている。これらの各ステータ巻線５３，５４は、前記ロータ４２をラジアル方向に浮上制御するための２極の浮上制御磁束を発生するよう巻回された巻線からなる。
【００３５】
また、上述したコアリブ４８には、第１のバイアスマグネット５５及び第２のバイアスマグネット５６が、軸方向に適宜の間隔離して配置されている。これらの各バイアスマグネット５５，５６は、リング状に形成されて軸方向に着磁されている。したがって、第１のバイアスマグネット５５−コアリブ４８−スラスト制御用コイル４７−中央ロータヨーク４５−第１のロータヨーク４４−第１のコア突極５１−コアリブ４８−第１のバイアスマグネット５５の順に巡るバイアス磁束Ｂ１が形成される。また、第２のバイアスマグネット５６−コアリブ４８−スラスト制御用コイル４７−中央ロータヨーク４５−中央ロータヨーク４５−第２のコア突極５２−コアリブ４８−第２のバイアスマグネット５６の順に巡るバイアス磁束Ｂ２が形成される。
【００３６】
上記両バイアス磁束Ｂ１，Ｂ２の磁路は、スラスト軸受用の磁路であって、それぞれステータ側スラスト軸受用磁路とロータ側スラスト軸受用磁路に分けることができる。そして、コアリブ４８側のコア突極５１，５２と、ステータ側の中央ロータヨーク４５に設けられたスラスト制御用コイル４７との間に、半径方向のギャップがあり、この各ギャップを上記両バイアス磁束Ｂ１，Ｂ２がそれぞれ通過するように構成されている。
【００３７】
すなわち、上記スラスト制御用コイル４７は、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式によるスラスト軸受装置を構成するものであって、当該スラスト制御用コイル４７への通電を制御することにより、当該スラスト制御用コイル４７を横切る上記両バイアス磁束Ｂ１，Ｂ２とあいまって、スラスト制御用コイル４７にローレンツ力が発生し、その反力の大きさによって、上記ロータ４２の軸方向の位置が制御されるように構成されている。より具体的には、図示されないセンサがロータ４２の軸方向の位置を検知し、ロータ４２の軸方向の位置が一方に偏ろうとすると、上記センサの出力に基づいてスラスト制御用コイル４７の正逆方向の通電およびその電流を制御し、ロータ４２の軸方向の位置（スラスト方向の位置）を所定位置に制御する。
【００３８】
一方、上述した第１及び第２のコア突極５１，５２と、第１及び第２のステータ巻線５３，５４とによって、ラジアル磁気軸受が構成されている。すなわち、図示しないセンサがロータ４２のラジアル方向の位置を検知し、ロータ４２のラジアル方向の位置が一方に偏ろうとすると、上記センサの出力に基づいて上記両ステータ巻線５３，５４の通電を制御し、上述したバイアス磁束Ｂ１，Ｂ２と、第１のステータ巻線から発生する２極のラジアル浮上制御磁束との相互作用により、ロータ４２をラジアル方向に浮上制御し、ロータ４２のラジアル方向の位置を所定位置に保つことによってラジアル方向に非接触で支持する。
【００３９】
以上説明したとおり、図３に示す実施の形態は、磁気浮上型のラジアル磁気軸受に、ロータ側スラスト軸受用磁路部と、このロータ側スラスト軸受用磁路部に半径方向に対向するステータ側スラスト軸受用磁路部を設け、ラジアル浮上制御磁束を形成するためのバイアス磁束Ｂ１，Ｂ２が、ロータ側スラスト軸受用磁路部とステータ側スラスト軸受用磁路部との間に配置されたＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式によるスラスト制御用コイル４７を通過するように構成され、スラスト制御用コイル４７に通電することによりスラスト軸受荷重を支持するようにした。そのため、ラジアル磁気軸受に対して、スラスト磁気軸受も複合化することができ、小型化して軸長を短くすることが可能になることに加えて、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式による良好なスラスト軸受特性が得られるようになっている。
【００４０】
以上、本発明者によってなされた発明の実施形態を具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能であることはいうまでもない。
【００４１】
例えば、上述した各実施形態のように、本発明は、アウタロータ型、インナーロータ型にかからわず適用することができ、本発明にかかる磁気軸受装置は、モータ以外の多種多様な装置に用いられる各種軸受装置に対しても同様に用いることができる。
【００４２】
また、上述した各実施形態におけるＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式によるスラスト制御用コイルは、短絡させた状態で配置することも可能であり、そのように構成することによって、スラスト方向の振動に対して電力を消費することなくダンパー作用を持たせることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１にかかる磁気浮上モータは、ラジアル磁気軸受とモータとを複合化した磁気浮上モータに対して、軸を中心として巻回されたＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式による良好な軸受特性を備えたスラスト磁気軸受を複合化させたものであるから、小型化して軸長を短くすることが可能になり、高速化を図ることができることに加えて、スラスト方向の軸受制御を安定的に行わせることができ、極めて実用性の高い磁気浮上モータを得ることができる。
【００４４】
また、請求項２にかかる磁気浮上モータは、請求項１におけるロータ側スラスト軸受用磁路部及びステータ側スラスト軸受用磁路部を、回転の軸を中心とした略円筒状の部材から形成し、当該略円筒状の部材の外周面にスラスト制御用コイルを巻回して、小さいスペース内にスラスト制御用コイルを収容したものであるから、装置の小型化を一層図ることができる。
【００４５】
さらに、請求項３にかかる磁気浮上モータは、請求項１におけるスラスト制御用コイルを短絡し、スラスト方向の振動に対して電力を消費することなくダンパー作用を得るようにしたものであるから、上述した請求項１にかかる発明の効果に加えて、消費電力の低減化を図ることができる。
【００４６】
さらにまた、請求項４にかかる磁気浮上モータは、請求項１に加えて、ステータコアを軸方向に二つ並べて配置するとともに、この二つのステータコア部の間に、ロータ側スラスト軸受用磁路部と、二つのステータ側スラスト軸受用磁路部とを形成して、実質的に二つのモータ部を設け、その二つのモータ部のスラスト荷重を一つのスラスト磁気軸受で支持する構造とし、スラスト磁気軸受までも有していながら、大きな出力が得られる割にコンパクト化されるように構成したものであるから、上述した請求項１にかかる発明の効果をさらに向上させることができる。
【００４７】
また、請求項５にかかる磁気浮上モータは、請求項１に加えて、ステータコア部とステータ側スラスト軸受用磁路部とを軸方向に並べて配置して、スラスト方向の制御力を大きくし、スラスト方向の制御を迅速かつ安定的に行われるようにしてものであるから、上述した請求項１にかかる発明の効果を一層高めることができる。
【００４８】
一方、請求項９にかかる磁気軸受装置は、ラジアル磁気軸受に対して、軸を中心として巻回されたＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式による良好な軸受特性を備えたスラスト磁気軸受を複合化させたものであるから、小型化して軸長を短くすることが可能とすることができることに加えて、スラスト方向の軸受制御を安定的に行わせることができ、極めて実用性の高い磁気軸受装置を得ることができる。
【００４９】
また、請求項１０にかかる磁気軸受装置は、請求項９におけるロータ側スラスト軸受用磁路部及びステータ側スラスト軸受用磁路部を、回転の軸を中心とした略円筒状の部材から形成し、当該略円筒状の部材の外周面にスラスト制御用コイルを巻回して、小さいスペース内にスラスト制御用コイルを収容したものであるから、装置の小型化を一層図ることができる。
【００５０】
さらに、請求項１１にかかる磁気軸受装置は、請求項９におけるスラスト制御用コイルを短絡し、スラスト方向の振動に対して電力を消費することなくダンパー作用を得るようにしたものであるから、上述した請求項９にかかる発明の効果に加えて、消費電力の低減化を図ることができる。
【００５１】
さらにまた、請求項１２にかかる磁気軸受装置は、請求項９に加えて、ステータコア部とステータ側スラスト軸受用磁路部とを軸方向に並べて配置して、スラスト方向の制御力を大きくし、スラスト方向の制御を迅速かつ安定的に行われるようにしてものであるから、上述した請求項９にかかる発明の効果を一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる磁気浮上モータの一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】本発明にかかる磁気浮上モータの別の実施形態を示す縦断面図である。
【図３】本発明にかかる磁気軸受装置の一実施形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
３ 第１のステータコア
４ ステータヨーク
５ 第２ステータコア
７ スラスト制御用コイル
８，９ ステータ巻線
１１ ロータ
１２ ロータスリーブ
１３ フランジ状ヨーク
１３Ａ 第１のロータヨーク
１３Ｂ 第２のロータヨーク
１４ 第１のロータマグネット
１５ 第２のロータマグネット
２１ 第１のバイアスマグネット
２２ 第２のバイアスマグネット
Ｂ１ バイアス磁束
Ｂ２ バイアス磁束
３１ バイアスマグネット
４１ ステータコア
４２ ロータ
４４ 第１のロータヨーク
４５ 中央ロータヨーク
４６ 第２のロータヨーク
４７ スラスト制御用コイル
４８ コアリブ
５１ 第１のコア突極
５２ 第２のコア突極
５３，５４ ステータ巻線
５５ 第１のバイアスマグネット
５６ 第２のバイアスマグネット
Ｂ１ バイアス磁束
Ｂ２ バイアス磁束
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータを浮上制御するためのラジアル磁気軸受及びスラスト磁気軸受を備えた磁気浮上モータ及び磁気軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種機器において広く用いられている軸受装置には、一般的な接触型の軸受のほかに、磁力を利用して回転軸等の回転体を浮上させ、これを無接触で支持するようにした磁気軸受装置がある。磁気軸受装置を用いれば、軸受部の摩擦係数がほぼゼロに近いため高速回転が可能になる。また、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など、特殊環境下での使用が可能となり、さらに、メンテナンスを要しないという利点がある。
【０００３】
このような利点から、磁気軸受装置をモータのロータ支持に用いることが考えられている。磁気軸受装置を有するモータの基本的構成は、磁気軸受装置、回転力発生機構すなわちモータ部、磁気軸受装置、という順序で、それらを回転軸線方向に配置したものである。しかしながら、このような配置では、モータ部の両側に磁気軸受を配置するため軸長が増加し、固有振動数が低くなって危険速度が低下するという難点がある。
【０００４】
そこで、磁気軸受装置のステータが交流モータのステータとほぼ同じ構造であることに着目し、磁気軸受装置とモータとを一体化した磁気浮上モータの提案が従来からなされている。その磁気浮上モータの一形式として、ハイブリッド型磁気浮上モータがあるが、このものは、永久磁石を用いてロータ内部から放射状に広がる一定磁束を作り、ロータの浮上制御を一般的な磁気軸受装置と同様に２極の直流磁場で行うことができるようにしたものである。このハイブリッド型磁気浮上モータによれば、永久磁石で一定の磁束を作り出すので、電力を消費することなくバイアス吸引力を発生させることができ、電磁石は制御力のみを分担すればよいという利点がある。
【０００５】
このとき、従来のハイブリッド型磁気浮上モータは、ラジアル磁気軸受とモータとのハイブリッドであり、スラスト軸受については、磁気浮上式スラスト軸受としてのみ機能する磁気軸受をモータに付加した構成になっている。一方、磁気軸受としては、磁気回路を工夫することにより、ラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受とを複合した磁気軸受が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の磁気軸受とモータとを一体化した磁気浮上モータは、ラジアル磁気軸受とモータとの複合であって、スラスト軸受は、スラスト軸受として単独に機能するスラスト磁気軸受を付加しただけのものである。スラスト磁気軸受は、モータ全体の中で大きな部分を占めており、磁気浮上モータの小型化の妨げとなっている。また、ラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受とを複合した磁気軸受を用いた場合も、モータは別個に必要となるから、やはり、磁気浮上モータの小型化の妨げとなっている。
【０００７】
なお、本願発明者は、特願２０００−０００３８８号において、ハイブリッド型ラジアル磁気浮上モータとスラスト磁気軸受とを磁気回路的に一体化し、スラスト磁気磁気受のバイアス磁束をハイブリッド型ラジアル磁気浮上モータと兼用させるようにした構成を既に提案しているが、このものでは、バイアス磁束が大きくなるとスラスト方向の負の磁気バネ特性が大きくなる傾向があり、スラスト磁気軸受の制御が不安定になる問題がある。
【０００８】
本発明は、以上のような従来技術の問題点を解消するためになされたもので、ハイブリッド型磁気浮上モータ、又は磁気軸受装置のバイアス磁束を用いて、その磁路内にスラスト軸受を配置し、これによって、磁気浮上モータとスラスト磁気軸受とを複合化し小型化を可能にしつつ、スラスト方向において安定した軸支持制御を行わせることができるようにした磁気浮上モータ及び磁気軸受装置を提供することを目的とする。
本発明はまた、バイアス磁束を用いることにより、一つのコイルでスラスト軸受の制御が可能となるとともに、バイアス電流を必要としないため、消費電力を小さくすることができる磁気浮上モータ及び磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１にかかる磁気浮上モータでは、磁性体からなり周面に永久磁石が固着されたロータと、このロータをラジアル方向に浮上制御するための浮上制御磁束を発生する第１のステータ巻線及び上記ロータに対して回転磁界を発生させる第２のステータ巻線が巻回されたステータコア部と、を備えた磁気浮上モータにおいて、上記ロータにロータ側スラスト軸受用磁路部が形成されているとともに、前記ステータに上記ロータ側スラスト軸受用磁路部と半径方向に対向するステータ側スラスト軸受用磁路部が設けられ、上記ラジアル浮上制御磁束を形成するためのバイアス磁束が、上記ロータ側スラスト軸受用磁路部とステータ側スラスト軸受用磁路部との間に形成される半径方向ギャップを通過するように構成され、かつ、上記ラジアル浮上制御磁束を形成するためのバイアス磁束中に、スラスト軸受荷重の支持力を生成するスラスト制御用コイルが配置されたものであって、上記スラスト制御用コイルは、上記ロータ側スラスト軸受用磁路部又はステータ側スラスト軸受用磁路部の一方側に対して回転の軸を中心として巻回されている。
このような構成を有する磁気浮上モータによれば、ラジアル磁気軸受とモータとを複合化した磁気浮上モータに対して、軸を中心として巻回されたＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式による良好なスラスト軸受特性を備えたスラスト磁気軸受が複合化される。
【００１０】
また、請求項２にかかる磁気浮上モータでは、請求項１におけるロータ側スラスト軸受用磁路部及びステータ側スラスト軸受用磁路部が、回転の軸を中心とした略円筒状の部材から形成されているとともに、当該略円筒状の部材の外周面に、前記スラスト制御用コイルが巻回されていることから、小さいスペース内にスラスト制御用コイルが収容されるようになっている。
【００１１】
さらに、請求項３にかかる磁気浮上モータでは、請求項１におけるスラスト制御用コイルが短絡されていることから、スラスト方向の振動に対して、電力を消費することなくスラスト方向のダンパー作用が得られるようになっている。
【００１２】
さらにまた、請求項４にかかる磁気浮上モータでは、請求項１に加えて、ステータコア部が、軸方向に二つ並べて配置されているとともに、その二つのステータコア部の間に、前記ロータ側スラスト軸受用磁路部とステータ側スラスト軸受用磁路部との半径方向対向部分が配置されていることから、実質的に二つのモータ部が設けられ、この二つのモータ部のスラスト荷重を一つのスラスト磁気軸受で支持する構造になり、スラスト磁気軸受までも有していながら、大きな出力が得られる割にコンパクト化されるようになっている。
【００１３】
さらに、請求項５にかかる磁気浮上モータでは、請求項１に加えて、ステータコア部とステータ側スラスト軸受用磁路部とが、軸方向に並べて配置されていることから、スラスト方向の制御力が大きくされてスラスト方向の制御を迅速かつ安定的に行われるようになっている。
【００１４】
さらにまた、請求項６にかかる磁気浮上モータでは、請求項１におけるロータが、アウタロータ型またはインナーロータ型のいずれかであり、請求項７にかかる磁気浮上モータでは、請求項１におけるバイアス磁束を発生させるバイアスマグネットがロータ側に配置されているとともに、ロータ側にはステータコア部と対向して回転トルクを発生させるリング状ロータマグネットが配置され、請求項８にかかる磁気浮上モータでは、請求項１におけるバイアス磁束を発生させるバイアスマグネットがステータ側に配置され、ロータ側にはステータコア部と対向して回転トルクを発生させるリング状ロータマグネットが配置されている。
【００１５】
一方、請求項９にかかる磁気軸受装置では、磁性体からなり周面に永久磁石が固着されたロータと、このロータをラジアル方向に浮上制御するためのラジアル浮上制御磁束を発生するステータ巻線が巻回されたステータコアと、を備えた磁気軸受装置において、上記ロータにロータ側スラスト軸受用磁路部が形成されているとともに、前記ステータに上記ロータ側スラスト軸受用磁路部と半径方向に対向するステータ側スラスト軸受用磁路部が設けられ、上記ラジアル浮上制御磁束を形成するためのバイアス磁束が、上記ロータ側スラスト軸受用磁路部とステータ側スラスト軸受用磁路部との間に形成される半径方向ギャップを通過するように構成され、かつ、上記ラジアル浮上制御磁束を形成するためのバイアス磁束中に、スラスト軸受荷重の支持力を生成するスラスト制御用コイルが配置されたものであって、上記スラスト制御用コイルは、上記ロータ側スラスト軸受用磁路部又はステータ側スラスト軸受用磁路部の一方側に対して回転の軸を中心として巻回されている。
このような構成を有する磁気軸受装置によれば、ラジアル磁気軸受装置に対して、軸を中心として巻回されたＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式による良好なスラスト軸受特性を備えたスラスト磁気軸受が複合化される。
【００１６】
また、請求項１０にかかる磁気軸受装置では、請求項９におけるロータ側スラスト軸受用磁路部及びステータ側スラスト軸受用磁路部が、回転の軸を中心とした略円筒状の部材から形成されているとともに、当該略円筒状の部材の外周面に、前記スラスト制御用コイルが巻回されていることから、小さいスペース内にスラスト制御用コイルが収容されるようになっている。
【００１７】
さらに、請求項１１にかかる磁気軸受装置では、請求項９におけるスラスト制御用コイルが短絡されていることから、スラスト方向の振動に対して、電力を消費することなくスラスト方向のダンパー作用が得られるようになっている。
【００１８】
さらにまた、請求項１２にかかる磁気軸受装置では、請求項９に加えて、ステータコア部とステータ側スラスト軸受用磁路部とが、軸方向に並べて配置されていることから、スラスト方向の制御力が大きくされてスラスト方向の制御を迅速かつ安定的に行われるようになっている。
【００１９】
また、請求項１３にかかる磁気軸受装置では、請求項９におけるロータが、アウタロータ型またはインナーロータ型のいずれかであり、請求項１４にかかる磁気軸受装置では、請求項９におけるバイアス磁束を発生させるバイアスマグネットがロータ側に配置され、請求項１５にかかる磁気軸受装置では、請求項９におけるバイアス磁束を発生させるバイアスマグネットがステータ側に配置されている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明にかかる磁気浮上モータの実施の形態について説明する。
図１において、基台フレーム１から図示上方に向かって一体に延びた固定軸２には、軸方向に沿って、第１のステータコア３、ステータヨーク４、及び第２ステータコア５が、順に挿通するようにして装着されている。上記第１のステータコア３は、前記固定軸２の図示下部に設けられた段部２ａに軸方向に当接して位置決めされているとともに、上記固定軸２の図示上端部分にネジ止め固定されたクランプ部材６によって、上記第２ステータコア５が軸方向に押さえられ、それによって上記各部材３，４，５が固定軸２に固定されている。
【００２１】
上記ステータヨーク４は、略円筒状の部材から形成されたステータ側スラスト軸受用磁路部を構成するものであって、そのコイルボビン形状をなすステータヨーク４の外周部に、軸を中心として巻回された形でスラスト制御用コイル７が絶縁体を介して配置されている。また、上記各第１及び第２のステータコア３，５には、それぞれステータ巻線８，９が巻き回されている。これらの各ステータ巻線８，９は、後で詳細に説明するロータ１１をラジアル方向に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１１に対して回転磁界を発生させる第２のステータ巻線とからなる。
【００２２】
上記第１及び第２のステータコア３，５、及びステータヨーク４等を有してなるステータの外周側には、ロータ１１が回転可能に支持されている。このロータ１１は、円筒状の磁性材からなるロータスリーブ１２を主体としてなるものであって、そのロータスリーブ１２が、上記ステータを環状に囲むようにして配置されている。このロータスリーブ１２の内周壁面側には、軸方向の略中央部分に内方側に突出するフランジ状ヨーク１３が、ロータ側スラスト軸受用磁路部を構成するように一体的に形成されている。このフランジ状ヨーク１３の内周端面は、上述したステータヨーク４に巻回されたスラスト制御用コイル７に対して、半径方向外方側から近接対向するように配置されている。
【００２３】
また、上記ロータスリーブ１２の内周側壁面における軸方向の両端（図示上下端）部分には、リング状の永久磁石からなる第１のロータマグネット１４及び第２のロータマグネット１５が、第１のロータヨーク１３Ａ及び第２のロータヨーク１３Ｂを介在してそれぞれ固着されている。これら第１及び第２のロータマグネット１４，１５は、上述した第１及び第２のステータコア３，４の外周側端面に対して半径方向に近接するように配置されている。
【００２４】
さらに、上述したロータスリーブ１２における前記フランジ状ヨーク１３の軸方向両側部分には、第１のバイアスマグネット２１及び第２のバイアスマグネット２２が配置されている。これらの各バイアスマグネット２１，２２は、リング状に形成されて軸方向に着磁されている。したがって、上記第１のバイアスマグネット２１に関しては、当該第１のバイアスマグネット２１−フランジ状ヨーク１３−スラスト制御用コイル７−ステータヨーク４−第１のステータコア３−第１のロータヨーク１３Ａ−第１のバイアスマグネット２１の順に巡るバイアス磁束Ｂ１が形成される。また、第２のバイアスマグネット２２に関しては、当該第２のバイアスマグネット２２−フランジ状ヨーク１３−スラスト制御用コイル７−ステータヨーク４−第２のステータコア５−第２のロータヨーク１３Ｂ−第２のバイアスマグネット２２の順に巡るバイアス磁束Ｂ２が形成される。
【００２５】
上記両バイアス磁束Ｂ１，Ｂ２の磁路は、スラスト軸受用の磁路であって、それぞれステータ側スラスト軸受用磁路とロータ側スラスト軸受用磁路に分けることができる。そして、ロータスリーブ１２側のフランジ状ヨーク１３と、ステータ側のステータヨーク４に設けられたスラスト制御用コイル７との間に、半径方向のギャップがあり、この半径方向ギャップを、上記両バイアス磁束Ｂ１，Ｂ２がそれぞれ通過するように構成されている。
【００２６】
すなわち、上記スラスト制御用コイル７は、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式によるスラスト軸受装置を構成するものであって、当該スラスト制御用コイル７への通電を制御することにより、当該スラスト制御用コイル７を横切る上記両バイアス磁束Ｂ１，Ｂ２とあいまって、スラスト制御用コイル７にローレンツ力が発生し、その反力の大きさによって、上記ロータ１１の軸方向の位置が制御されるように構成されている。より具体的には、図示されないセンサがロータ１１の軸方向の位置を検知し、ロータ１１の軸方向の位置が一方に偏ろうとすると、上記センサの出力に基づいてスラスト制御用コイル７の正逆方向の通電およびその電流を制御し、ロータ１１の軸方向の位置（スラスト方向の位置）を所定位置に制御する。
【００２７】
一方、上述した第１のステータコア３及び第２のステータコア５と、ステータ巻線８，９と、前記第１のロータマグネット１４及び第２のロータマグネット１５とによって、ラジアル磁気軸受とモータとが複合化されている。すなわち、上記ステータ巻線８，９は、それぞれ第１のステータ巻線と第２のステータ巻線とから構成されており、図示しないセンサがロータ１１のラジアル方向の位置を検知し、ロータ１１のラジアル方向の位置が一方に偏ろうとすると、上記センサの出力に基づいて上記第１のステータ巻線の通電を制御し、上述したバイアス磁束Ｂ１，Ｂ２と、第１のステータ巻線から発生する２極のラジアル浮上制御磁束との相互作用によって上記ロータ１１をラジアル方向に浮上制御し、そのロータ１１のラジアル方向位置を所定位置に保って、ラジアル方向に非接触で支持する。また、上記第２のステータ巻線の通電を制御することにより、上記ロータ１１に対して回転磁界を発生させ、ロータマグネット１４，１５との相互作用によりロータ１１を回転駆動する。
【００２８】
以上説明したとおり、図１に示す実施の形態は、ラジアル磁気軸受とモータとを複合化した磁気浮上モータに、ロータ側スラスト軸受用磁路部と、このロータ側スラスト軸受用磁路部に半径方向に対向するステータ側スラスト軸受用磁路部を設け、ラジアル浮上制御磁束を形成するためのバイアス磁束Ｂ１，Ｂ２が、ロータ側スラスト軸受用磁路部とステータ側スラスト軸受用磁路部との間に配置されたＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式によるスラスト制御用コイル７を通過するように構成され、スラスト制御用コイル７に通電することによりスラスト軸受荷重を支持するように構成されている。そのため、ラジアル磁気軸受とモータとを複合化した磁気浮上モータに対して、スラスト磁気軸受も複合化することができ、小型化して軸長を短くすることが可能になり、高速化を図ることができることに加えて、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式による良好なスラスト軸受特性が得られるようになっている。
【００２９】
また、上記実施の形態によれば、第１のステータコア３及び第２のステータコア５を軸方向に二つ並べて配置するとともに、この二つの第１のステータコア３及び第２のステータコア５の間に、ロータ側スラスト軸受用磁路部とロータ側スラスト軸受用磁路部との半径方向ギャップを形成しているため、実質的に二つのモータ部が設けられ、この二つのモータ部のスラスト荷重を一つのスラスト磁気軸受で支持する構造になり、スラスト磁気軸受までも有していながら、大きな出力が得られる割にコンパクトな磁気浮上モータを得ることができる。
【００３０】
さらに、第１のステータコア３及び第２のステータコア５とステータ側スラスト軸受用磁路部とを軸方向に並べて配置したため、スラスト方向の制御力が大きく、スラスト方向の制御を迅速かつ安定に行うことができる。
【００３１】
一方、図２に示された実施の形態では、バイアス磁束Ｂ１，Ｂ２を形成するバイアスマグネット３１を、ステータ側のステータヨーク４内に配置したものであって、このような実施形態においても、上述した実施形態と同様な作用・効果が得られる。
【００３２】
また、本発明は、図３に示されているようなハイブリッド型の磁気軸受装置に対しても同様に適用することができる。
すなわち、図３に示されているように、略中空円筒状のステータコア４１の内部側には、ロータ４２が回転可能に支持されており、そのロータ４２の回転軸４３には、軸方向に沿って、第１のロータヨーク４４、中央ロータヨーク４５、及び第２のロータヨーク４６が、順に配置されている。上記中央ロータヨーク４５は、ロータ側スラスト軸受用磁路部を構成する略円筒状のコイルボビン状部材から形成されており、当該中央ロータヨーク４５の外周部に、軸を中心として巻回された形でスラスト制御用コイル４７が配置されている。
【００３３】
上記第１及び第２のロータヨーク４４，４６、及び中央ロータヨーク４５等を有してなるロータ４２の外周側に配置されたステータコア４１は、略中空円筒状の磁性材からなるステータ側スラスト軸受用磁路部を構成するコアリブ４８を主体としてなるものであって、そのコアリブ４８が、上記ロータ４２を囲むようにして配置されている。このコアリブ４８の軸方向両端部分における内周側には、中心側に向かって突出する第１のコア突極５１、及び第２のコア突極５２が一体に形成されている。これら第１及び第２のコア突極５１，５２の内周側端面は、上述した第１及び第２のロータヨーク４４，４６に対して、半径方向外方側からそれぞれ近接対向するように配置されている。
【００３４】
上記各第１及び第２のコア突極５１，５２には、それぞれステータ巻線５３，５４が巻き回されている。これらの各ステータ巻線５３，５４は、前記ロータ４２をラジアル方向に浮上制御するための２極の浮上制御磁束を発生するよう巻回された巻線からなる。
【００３５】
また、上述したコアリブ４８には、第１のバイアスマグネット５５及び第２のバイアスマグネット５６が、軸方向に適宜の間隔離して配置されている。これらの各バイアスマグネット５５，５６は、リング状に形成されて軸方向に着磁されている。したがって、第１のバイアスマグネット５５−コアリブ４８−スラスト制御用コイル４７−中央ロータヨーク４５−第１のロータヨーク４４−第１のコア突極５１−コアリブ４８−第１のバイアスマグネット５５の順に巡るバイアス磁束Ｂ１が形成される。また、第２のバイアスマグネット５６−コアリブ４８−スラスト制御用コイル４７−中央ロータヨーク４５−中央ロータヨーク４５−第２のコア突極５２−コアリブ４８−第２のバイアスマグネット５６の順に巡るバイアス磁束Ｂ２が形成される。
【００３６】
上記両バイアス磁束Ｂ１，Ｂ２の磁路は、スラスト軸受用の磁路であって、それぞれステータ側スラスト軸受用磁路とロータ側スラスト軸受用磁路に分けることができる。そして、コアリブ４８側のコア突極５１，５２と、ステータ側の中央ロータヨーク４５に設けられたスラスト制御用コイル４７との間に、半径方向のギャップがあり、この各ギャップを上記両バイアス磁束Ｂ１，Ｂ２がそれぞれ通過するように構成されている。
【００３７】
すなわち、上記スラスト制御用コイル４７は、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式によるスラスト軸受装置を構成するものであって、当該スラスト制御用コイル４７への通電を制御することにより、当該スラスト制御用コイル４７を横切る上記両バイアス磁束Ｂ１，Ｂ２とあいまって、スラスト制御用コイル４７にローレンツ力が発生し、その反力の大きさによって、上記ロータ４２の軸方向の位置が制御されるように構成されている。より具体的には、図示されないセンサがロータ４２の軸方向の位置を検知し、ロータ４２の軸方向の位置が一方に偏ろうとすると、上記センサの出力に基づいてスラスト制御用コイル４７の正逆方向の通電およびその電流を制御し、ロータ４２の軸方向の位置（スラスト方向の位置）を所定位置に制御する。
【００３８】
一方、上述した第１及び第２のコア突極５１，５２と、第１及び第２のステータ巻線５３，５４とによって、ラジアル磁気軸受が構成されている。すなわち、図示しないセンサがロータ４２のラジアル方向の位置を検知し、ロータ４２のラジアル方向の位置が一方に偏ろうとすると、上記センサの出力に基づいて上記両ステータ巻線５３，５４の通電を制御し、上述したバイアス磁束Ｂ１，Ｂ２と、第１のステータ巻線から発生する２極のラジアル浮上制御磁束との相互作用により、ロータ４２をラジアル方向に浮上制御し、ロータ４２のラジアル方向の位置を所定位置に保つことによってラジアル方向に非接触で支持する。
【００３９】
以上説明したとおり、図３に示す実施の形態は、磁気浮上型のラジアル磁気軸受に、ロータ側スラスト軸受用磁路部と、このロータ側スラスト軸受用磁路部に半径方向に対向するステータ側スラスト軸受用磁路部を設け、ラジアル浮上制御磁束を形成するためのバイアス磁束Ｂ１，Ｂ２が、ロータ側スラスト軸受用磁路部とステータ側スラスト軸受用磁路部との間に配置されたＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式によるスラスト制御用コイル４７を通過するように構成され、スラスト制御用コイル４７に通電することによりスラスト軸受荷重を支持するようにした。そのため、ラジアル磁気軸受に対して、スラスト磁気軸受も複合化することができ、小型化して軸長を短くすることが可能になることに加えて、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式による良好なスラスト軸受特性が得られるようになっている。
【００４０】
以上、本発明者によってなされた発明の実施形態を具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能であることはいうまでもない。
【００４１】
例えば、上述した各実施形態のように、本発明は、アウタロータ型、インナーロータ型にかからわず適用することができ、本発明にかかる磁気軸受装置は、モータ以外の多種多様な装置に用いられる各種軸受装置に対しても同様に用いることができる。
【００４２】
また、上述した各実施形態におけるＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式によるスラスト制御用コイルは、短絡させた状態で配置することも可能であり、そのように構成することによって、スラスト方向の振動に対して電力を消費することなくダンパー作用を持たせることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１にかかる磁気浮上モータは、ラジアル磁気軸受とモータとを複合化した磁気浮上モータに対して、軸を中心として巻回されたＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式による良好な軸受特性を備えたスラスト磁気軸受を複合化させたものであるから、小型化して軸長を短くすることが可能になり、高速化を図ることができることに加えて、スラスト方向の軸受制御を安定的に行わせることができ、極めて実用性の高い磁気浮上モータを得ることができる。
【００４４】
また、請求項２にかかる磁気浮上モータは、請求項１におけるロータ側スラスト軸受用磁路部及びステータ側スラスト軸受用磁路部を、回転の軸を中心とした略円筒状の部材から形成し、当該略円筒状の部材の外周面にスラスト制御用コイルを巻回して、小さいスペース内にスラスト制御用コイルを収容したものであるから、装置の小型化を一層図ることができる。
【００４５】
さらに、請求項３にかかる磁気浮上モータは、請求項１におけるスラスト制御用コイルを短絡し、スラスト方向の振動に対して電力を消費することなくダンパー作用を得るようにしたものであるから、上述した請求項１にかかる発明の効果に加えて、消費電力の低減化を図ることができる。
【００４６】
さらにまた、請求項４にかかる磁気浮上モータは、請求項１に加えて、ステータコアを軸方向に二つ並べて配置するとともに、この二つのステータコア部の間に、ロータ側スラスト軸受用磁路部と、二つのステータ側スラスト軸受用磁路部とを形成して、実質的に二つのモータ部を設け、その二つのモータ部のスラスト荷重を一つのスラスト磁気軸受で支持する構造とし、スラスト磁気軸受までも有していながら、大きな出力が得られる割にコンパクト化されるように構成したものであるから、上述した請求項１にかかる発明の効果をさらに向上させることができる。
【００４７】
また、請求項５にかかる磁気浮上モータは、請求項１に加えて、ステータコア部とステータ側スラスト軸受用磁路部とを軸方向に並べて配置して、スラスト方向の制御力を大きくし、スラスト方向の制御を迅速かつ安定的に行われるようにしてものであるから、上述した請求項１にかかる発明の効果を一層高めることができる。
【００４８】
一方、請求項９にかかる磁気軸受装置は、ラジアル磁気軸受に対して、軸を中心として巻回されたＶＣＭ（ボイスコイルモータ）方式による良好な軸受特性を備えたスラスト磁気軸受を複合化させたものであるから、小型化して軸長を短くすることが可能とすることができることに加えて、スラスト方向の軸受制御を安定的に行わせることができ、極めて実用性の高い磁気軸受装置を得ることができる。
【００４９】
また、請求項１０にかかる磁気軸受装置は、請求項９におけるロータ側スラスト軸受用磁路部及びステータ側スラスト軸受用磁路部を、回転の軸を中心とした略円筒状の部材から形成し、当該略円筒状の部材の外周面にスラスト制御用コイルを巻回して、小さいスペース内にスラスト制御用コイルを収容したものであるから、装置の小型化を一層図ることができる。
【００５０】
さらに、請求項１１にかかる磁気軸受装置は、請求項９におけるスラスト制御用コイルを短絡し、スラスト方向の振動に対して電力を消費することなくダンパー作用を得るようにしたものであるから、上述した請求項９にかかる発明の効果に加えて、消費電力の低減化を図ることができる。
【００５１】
さらにまた、請求項１２にかかる磁気軸受装置は、請求項９に加えて、ステータコア部とステータ側スラスト軸受用磁路部とを軸方向に並べて配置して、スラスト方向の制御力を大きくし、スラスト方向の制御を迅速かつ安定的に行われるようにしてものであるから、上述した請求項９にかかる発明の効果を一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる磁気浮上モータの一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】本発明にかかる磁気浮上モータの別の実施形態を示す縦断面図である。
【図３】本発明にかかる磁気軸受装置の一実施形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
３ 第１のステータコア
４ ステータヨーク
５ 第２ステータコア
７ スラスト制御用コイル
８，９ ステータ巻線
１１ ロータ
１２ ロータスリーブ
１３ フランジ状ヨーク
１３Ａ 第１のロータヨーク
１３Ｂ 第２のロータヨーク
１４ 第１のロータマグネット
１５ 第２のロータマグネット
２１ 第１のバイアスマグネット
２２ 第２のバイアスマグネット
Ｂ１ バイアス磁束
Ｂ２ バイアス磁束
３１ バイアスマグネット
４１ ステータコア
４２ ロータ
４４ 第１のロータヨーク
４５ 中央ロータヨーク
４６ 第２のロータヨーク
４７ スラスト制御用コイル
４８ コアリブ
５１ 第１のコア突極
５２ 第２のコア突極
５３，５４ ステータ巻線
５５ 第１のバイアスマグネット
５６ 第２のバイアスマグネット
Ｂ１ バイアス磁束
Ｂ２ バイアス磁束
Claims (15)
- 磁性体からなり周面に永久磁石が固着されたロータと、このロータをラジアル方向に浮上制御するための浮上制御磁束を発生する第１のステータ巻線及び上記ロータに対して回転磁界を発生させる第２のステータ巻線が巻回されたステータコア部と、を備えた磁気浮上モータにおいて、
上記ロータにロータ側スラスト軸受用磁路部が形成されているとともに、前記ステータに上記ロータ側スラスト軸受用磁路部と半径方向に対向するステータ側スラスト軸受用磁路部が設けられ、
上記ラジアル浮上制御磁束を形成するためのバイアス磁束が、上記ロータ側スラスト軸受用磁路部とステータ側スラスト軸受用磁路部との間に形成される半径方向ギャップを通過するように構成され、かつ、
上記ラジアル浮上制御磁束を形成するためのバイアス磁束中に、スラスト軸受荷重の支持力を生成するスラスト制御用コイルが配置されたものであって、
上記スラスト制御用コイルは、前記ロータ側スラスト軸受用磁路部又はステータ側スラスト軸受用磁路部の一方側に対して回転の軸を中心として巻回されていることを特徴とする磁気浮上モータ。 - 前記ロータ側スラスト軸受用磁路部及びステータ側スラスト軸受用磁路部が、回転の軸を中心とした略円筒状の部材から形成されているとともに、
当該略円筒状の部材の外周面に、前記スラスト制御用コイルが巻回されていることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上モータ。 - 前記スラスト制御用コイルが短絡されていることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上モータ。
- 前記ステータコア部が、軸方向に二つ並べて配置されているとともに、
その二つのステータコア部の間に、前記ロータ側スラスト軸受用磁路部とステータ側スラスト軸受用磁路部との半径方向対向部分が配置されていることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上モータ。 - 前記ステータコア部とステータ側スラスト軸受用磁路部とが、軸方向に並べて配置されていることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上モータ。
- 前記ロータは、アウタロータ型またはインナーロータ型のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上モータ。
- 前記バイアス磁束を発生させるバイアスマグネットが、ロータ側に配置されているとともに、
前記ロータ側にはステータコア部と対向して回転トルクを発生させるリング状ロータマグネットが配置されていることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上モータ。 - 前記バイアス磁束を発生させるバイアスマグネットが、ステータ側に配置され、
前記ロータ側にはステータコア部と対向して回転トルクを発生させるリング状ロータマグネットが配置されている請求項１記載の磁気浮上モータ。 - 磁性体からなり周面に永久磁石が固着されたロータと、このロータをラジアル方向に浮上制御するためのラジアル浮上制御磁束を発生するステータ巻線が巻回されたステータコアと、を備えた磁気軸受装置において、
上記ロータにロータ側スラスト軸受用磁路部が形成されているとともに、前記ステータに上記ロータ側スラスト軸受用磁路部と半径方向に対向するステータ側スラスト軸受用磁路部が設けられ、
上記ラジアル浮上制御磁束を形成するためのバイアス磁束が、上記ロータ側スラスト軸受用磁路部とステータ側スラスト軸受用磁路部との間に形成される半径方向ギャップを通過するように構成され、かつ、
上記ラジアル浮上制御磁束を形成するためのバイアス磁束中に、スラスト軸受荷重の支持力を生成するスラスト制御用コイルが配置されたものであって、
上記スラスト制御用コイルは、前記ロータ側スラスト軸受用磁路部又はステータ側スラスト軸受用磁路部の一方側に対して回転の軸を中心として巻回されていることを特徴とする磁気軸受装置。 - 前記ロータ側スラスト軸受用磁路部及びステータ側スラスト軸受用磁路部が、回転の軸を中心とした略円筒状の部材から形成されているとともに、
当該略円筒状の部材の外周面に、前記スラスト制御用コイルが巻回されていることを特徴とする請求項９記載の磁気軸受装置。 - 前記スラスト制御用コイルが短絡されていることを特徴とする請求項９記載の磁気軸受装置。
- 前記ステータコア部とステータ側スラスト軸受用磁路部とが、軸方向に並べて配置されていることを特徴とする請求項９記載の磁気軸受装置。
- 前記ロータは、アウタロータ型またはインナーロータ型のいずれかであることを特徴とする請求項９記載の磁気軸受装置。
- 前記バイアス磁束を発生させるバイアスマグネットが、ロータ側に配置されていることを特徴とする請求項９記載の磁気軸受装置。
- 前記バイアス磁束を発生させるバイアスマグネットが、ステータ側に配置されている請求項９記載の磁気軸受装置。
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