JP4644832B2

JP4644832B2 - 回転電気機械

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Publication number: JP4644832B2
Application number: JP2008555054A
Authority: JP
Inventors: 明千葉; 真紹竹本; 正深尾
Original assignee: Tokyo University of Science
Current assignee: Tokyo University of Science
Priority date: 2007-01-22
Filing date: 2008-01-22
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2028-01-22
Also published as: US20100033046A1; WO2008090853A1; EP2107668A1; JPWO2008090853A1

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機（モータ）などの回転電気機械に関する。特に、磁気力で回転子（ロータ）を支持して、ベアリングなどの機械的な軸受を不要とする、いわゆるベアリングレス回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、工作機械、ターボ分子ポンプ、又はフライホイールなどで用いられる回転電気機械の一つである電動機（モータ）について高速化及び高出力化の要求が高まっており、このようなモータでは軸受における速度限界及び保守などの問題を解決するため、いわゆる磁気軸受が適用されることがある。
【０００３】
磁気軸受を用いた回転電気機械はベアリングレス回転機と呼ばれており、このようなベアリングレス回転機において、磁気軸受機能とモータ機能とを、一つの回転電気機械で実現しようとしたものがある。例えば、深尾正（２００３年電気学会会長、東工大名誉教授）、千葉明（東京理科大学教授）「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にその解説があり、又、単行本Ａ．Ｃｈｉｂａ，Ｔ．Ｆｕｋａｏ，Ｏ．Ｉｃｈｉｋａｗａ，Ｍ．Ｏｓｈｉｍａ，Ｍ．ＴａｋｅｍｏｔｏａｎｄＤ．Ｇ．Ｄｏｒｒｅｌｌ， “ＭａｇｎｅｔｉｃＢｅａｒｉｎｇｓａｎｄＢｅａｒｉｎｇｌｅｓｓＤｒｉｖｅｓ”，ＥｌｓｅｖｉｅｒＮｅｗｎｅｓＰｒｅｓｓ，ＩＳＢＮ０−７５０６−５７２７−８，２００５などにその記載がある。
【０００４】
上述の文献に記載のベアリングレス回転機では、径方向のｘ及びｙの２軸方向の電磁力と、回転するためのトルクとを発生するものであり、トルクを発生するため、電動機と同様に３相巻線が施され、更に、径方向の電磁力を発生するため別の巻線群を必要としている（この別の巻線群は支持巻線と呼ばれる）。そして、ベアリングレス回転機はベアリング機能を磁気的実現するものである（言い換えると、回転電気機械の主軸の制振機能を実現するものである）。
【０００５】
このようなベアリングレス回転機は半導体製造装置用ポンプにその利用が拡大しつつある。半導体製造装置用ポンプにベアリングレス回転機を利用した際には、通常の回転機と比較すると回転子と固定子のギャップ長が大きく設計され、トルク及び磁気的な支持力とも低下する傾向にある。
【０００６】
つまり、ケミカルプラントなどで用いるベアリングレス回転機においては、固定子と回転子の表面を隔壁で覆う必要があり、更に、化学的耐性を保持するため、隔壁をテフロン（登録商標）樹脂などで作成する必要がある。このため、不可避的に固定子鉄心と回転子鉄心との間の磁気的ギャップ長を大きくする必要がある。
【０００７】
更に、ベアリングレス回転機には永久磁石が用いられているため、電源オフの際の偏心時における吸引力が大きい。このため、永久磁石の吸引力より大きな能動的な（磁気的な）支持力を発生して始動する必要がある。このように、ベアリングレス回転機においては、ギャップ長が大きいため、磁気的な支持力を増加させる必要がある。
【０００８】
一方、発明者らは大きな磁気的支持力を有するベアリングレス回転機として、特許文献１に記載のものを提案した。図１５は、特許文献１に記載のベアリングレス回転機を示す図である。図１５において、ベアリングレス回転機は、回転軸（主軸）１１を有し、回転軸１１には同軸的に２基の回転子１２ａ・１２ｂが装着されている。
【０００９】
図１５において、回転子１２ａにおける突部１３ａと凹部１３ｂとの繰り返し周期は、回転子１２ｂにおける突部１４ａと凹部１４ｂとの繰り返し周期と半ピッチ相違している。２基の回転子１２ａ・１２ｂの外側には、それぞれ２基の回転子１２ａ・１２ｂを囲むようにして、２つの固定子１５ａ・１５ｂが配設されている。
【００１０】
２つの固定子１５ａ・１５ｂには、電流制御器１６により制御された電流が与えられる径方向力発生用巻線と、トルク用の電流制御器１７によって制御された電流が与えられるトルク発生用巻線とが設けられている。固定子１５ａと固定子１５ｂとの間には、起磁力発生手段として用いられる巻線１８が装着されている。そして、巻線１８には、直流が印加されて２基の回転子１２ａ・１２ｂを軸方向に励磁する。
【００１１】
２基の回転子１２ａ・１２ｂと２つの固定子１５ａ・５ｂとを、回転子を軸方向に励磁する巻線１８を挟んで軸方向に縦列に配置した際には、２つの固定子１５ａ・１５ｂの磁性体（固定子鉄心）の外周部分同士を磁気的に結ぶ磁性体のケーシング１９などを配設することが望ましい。なお、巻線１８と２つの固定子鉄心の外周を結ぶケーシング１９の代わりに、永久磁石などを配置してもよい。
【００１２】
２基の回転子１２ａ・１２ｂには、それぞれ周方向に沿って所定の間隔で永久磁石２０ａ・２０ｂが装着されている。図１５では、回転子１２ａにおける永久磁石２０ａの外面の極性を全てＮ極とし、回転子１２ｂにおける永久磁石２０ｂの外面の極性を全てＳ極とする。そして、２基の回転子１２ａ・１２ｂにおいて、永久磁石２０ａ・２０ｂの各磁極は、互いに半ピッチずらして配置されている。例えば、２基の回転子１２ａ・１２ｂの磁極数をそれぞれ８極とすれば、永久磁石２０ａ・２０ｂが配置される円周方向の位置は、機械的な角度で４５度異なることになる。
【００１３】
図１５に示されたベアリングレス回転機では、２基の回転子１２ａ・１２ｂの径方向合計４軸の変位を径方向位置検出器２１ａ及び２１ｂによって用いて検出する。一組の径方向位置検出器２１ａ・２１ｂから出力される位置データは、位置制御器２３に入力される。位置制御器２３は、位置データが示す回転子の径方向の変位を位置指令値と比較して、２基の回転子１２ａ・１２ｂを位置指令値で示す位置に是正するため、径方向力発生用巻線２２の電流値を演算する。
【００１４】
なお、図１５においては、２基の回転子のうち、一方の径方向２軸分の位置制御装置のみが示されており、他方の回転子の径方向２軸分の位置制御装置は省略されている。
【００１５】
又、回転軸１１にロータリーエンコーダなど回転角度を検出する回転角度検出器２４、及び回転速度を検出する回転速度検出器２５を取り付け、電動機制御器２６にフィードバックして同期電動機として駆動する。上述のベアリングレス回転機を駆動する際には、２つの固定子の間に配置した２基の回転子１２ａ・１２ｂを軸方向に励磁する巻線１８を用いて、回転子の鉄心磁極部分の磁束を変化させる。これによって、トルク発生用巻線の誘導起電力及び力率などを調整し、回転子の径方向４軸方向を非接触で支持するとともに、トルクを発生する。
【特許文献１】
特開平１０−１５０７５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、特許文献１に記載のベアリングレス回転機においては、電流の割に大きな磁気的支持力が発生すること、及び制御の際回転角度の検出が不要なことなどの利点があるものの、前述したように、回転子のギャップ長が大きく、そして、このギャップ長が長くなると十分な磁気的支持力が得られなくなってしまう。加えて、磁気的支持力が十分でないと、この磁気的支持力が回転子の回転角度に依存するため、回転角度の検出が不要という点も損なわれてしまうという問題がある。
【００１７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、回転子のギャップ長が大きい場合においても、十分な軸支持力（磁気的支持力）を得ることのできる回転電気機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
（１）回転子と、固定子と、を備える回転電気機械であって、前記回転子は、トルク又はトルクと支持力を発生する第１回転子部と、支持力を発生する第２回転子部と、を有し、前記固定子は、前記回転子に対して径方向に向かう力とトルクを発生させる起磁力発生手段を備え、前記第１回転子部及び前記第２回転子部は、タンデムに配列されていることを特徴とする回転電気機械。
【００１９】
（２）前記第１回転子部は、第１回転子鉄心と、この第１回転子鉄心に装着された永久磁石又は誘導電流が流れる誘導導体と、を有し、前記第２回転子部は、第２回転子鉄心を有することを特徴とする（１）記載の回転電気機械。
【００２０】
（３）前記第１回転子部は、コンシクエントポール構造であることを特徴とする（２）記載の回転電気機械。
【００２１】
（４）前記第１回転子部における前記永久磁石を複数備え、前記第１回転子鉄心は、円筒形状であり、前記第１回転子鉄心の表面又は内側に前記永久磁石が装着され、互いに隣接する前記永久磁石の径方向の外側面は異なる磁極であることを特徴とする（２）記載の回転電気機械。
【００２２】
（５）前記固定子は、第１固定子鉄心及び第２固定子鉄心を備え、前記回転子は、前記第１固定子鉄心及び前記第２固定子鉄心にそれぞれ対応する第１回転子及び第２回転子を備え、前記第１回転子及び前記第２回転子は、前記第１回転子部及び前記第２回転子部をそれぞれ有し、前記第１固定子鉄心と前記第２固定子鉄心との間、及び前記第１回転子と前記第２回転子との間には、少なくとも一方に軸方向に磁束を発生する磁束発生部を配置していることを特徴とする（１）から（４）のいずれかに記載の回転電気機械。
【００２３】
（６）前記第１回転子及び前記第２回転子の軸方向の厚さは、それぞれ前記第１固定子鉄心及び前記第２固定子鉄心の軸方向の厚さよりも厚いことを特徴とする（５）記載の回転電気機械。
【００２４】
（７）前記固定子は、第１固定子鉄心及び第２固定子鉄心を備え、前記回転子は、前記第１固定子鉄心及び前記第２固定子鉄心にそれぞれ対応する第１回転子及び第２回転子を備え、前記第１回転子は、前記第１回転子部及び前記第２回転子部を有し、前記第２回転子は、前記第２回転子部を有し、前記第１固定子鉄心と前記第２固定子鉄心との間、及び前記第１回転子と前記第２回転子との間には、少なくとも一方に軸方向に磁束を発生する磁束発生部を配置していることを特徴とする（１）から（４）のいずれかに記載の回転電気機械。
【００２５】
（８）前記第２固定子鉄心の軸方向の厚さは、前記第２回転子の軸方向の厚さよりも厚いことを特徴とする（７）記載の回転電気機械。
【００２６】
（９）前記第１回転子の軸方向の厚さは、前記第２回転子の軸方向の厚さよりも厚いことを特徴とする（８）記載の回転電気機械。
【００２７】
（１０）前記第１回転子の前記第１回転子部には、第１鉄心突極部と永久磁石が装着される第１鉄心凹部とが交互に均等に分割配置され、前記第２回転子の前記第１回転子部には、第２鉄心突極部と永久磁石が装着される第２鉄心凹部とが交互に均等に分割配置され、前記第１鉄心突極部と前記第１鉄心凹部とは、繰り返す第１周期を有し、前記第２鉄心突極部と前記第２鉄心凹部とは、前記第１周期と同じに繰り返す第２周期を有し、前記第１回転子と前記第２回転子とは、前記第１周期の位相と前記第２周期の位相と重なるように、又は相互の位相が僅かにずれるように配置されていることを特徴とする（５）記載の回転電気機械。
【００２８】
（１１）前記回転子が前記固定子の外部に構成されるアウターロータ構造を含み、前記回転子が前記固定子の内部に構成されるインナーロータ構造を含み、前記固定子と前記回転子とが対面するディスク型構造を含むことを特徴とする（１）から（９）のいずれかに記載の回転電気機械。
【発明の効果】
【００２９】
（１）の発明による回転電気機械は、回転子が軸支持力を効果的に発生する第２回転子部を有しているので、駆動電流に対して軸支持力を大きくでき、更に、軸支持力の角度脈動を小さくできる。この結果、回転子のギャップ長が大きい場合においても、十分な軸支持力（磁気的支持力）を得ることができるという効果がある。
【００３０】
（２）の発明による回転電気機械は、第１回転子部が第１回転子鉄心と第１回転子鉄心に装着された永久磁石又は誘導電流が流れる誘導導体とを有し、第２回転子部は第２回転子鉄心を有しているので、第１回転子部によって効果的にトルクを発生させ、第２回転子部によって軸支持力を効果的に発生できるという効果がある。
【００３１】
（３）の発明による回転電気機械は、第１回転子部がコンシクエントポール構造であるので、トルク及び軸支持力も効果的に発生できるという効果がある。
【００３２】
（４）の発明による回転電気機械は、第１回転子部には永久磁石が複数備えられ、第１回転子鉄心を円筒形状として、第１回転子鉄心の又は内側に永久磁石を装着して、互いに隣接する永久磁石の径方向外側面を異なる磁極とするようにしたので、第１回転子部はトルクのみを発生し、第２回転子部によって軸支持力を得ることができるという効果がある。
【００３３】
（５）の発明による回転電気機械は、固定子が第１及び第２固定子鉄心を備え、前記回転子は、第１及び第２固定子鉄心に対応する第１及び第２回転子を備え、第１及び第２回転子の各々が第１及び第２回転子部を有し、第１固定子鉄心と第２固定子鉄心との間、及び第１回転子と第２回転子との間には、少なくとも一方に軸方向に磁束を発生する磁束発生部を配置しているので、第１及び第２回転子部によってそれぞれ径方向（ラジアル方向）２軸を能動的に制御できるという効果がある。
【００３４】
（６）の発明による回転電気機械は、第１及び第２回転子の軸方向の厚さを、それぞれ第１及び第２固定子鉄心の軸方向の厚さよりも厚くしたので、ギャップ長が大きい場合に軸方向にフリンジング磁束が多く発生しても、第１及び第２回転子部の厚さ（軸長）が長いからフリンジング磁束を有効に利用してトルク及び軸支持力を発生できるという効果がある。
【００３５】
（７）の発明による回転電気機械は、固定子が第１及び第２固定子鉄心を備え、前記回転子は、第１及び第２固定子鉄心に対応する第１回転子及び第２回転子を備え、第１回転子は第１及び第２回転子部を有し、第２回転子は第２回転子部を有し、第１固定子鉄心と第２固定子鉄心との間、及び第１回転子と第２回転子との間には、少なくとも一方に軸方向に磁束を発生する磁束発生部を配置しているので、径方向ばかりでなく、スラスト方向へ制御できるという効果がある。
【００３６】
（８）の発明による回転電気機械は、第２固定子鉄心の軸方向の厚さを第２回転子の軸方向の厚さよりも厚くしたので、スラスト方向への変位を制動できるという効果がある。
【００３７】
（９）の発明による回転電気機械は、第１回転子の軸方向の厚さを第２回転子の軸方向の厚さよりも厚くしたので、トルクを効果的に発生し、かつスラスト方向への変位を制動できるという効果がある。
【００３８】
（１０）の発明による回転電気機械は、第１回転子の位相と第２回転子の位相とが重なるように配置しているので、第１及び第２回転子部によってそれぞれ径方向（ラジアル方向）２軸を能動的に制御できるという効果に加え、相互の位相を僅かにずらして配置することにより、脈動を低減する効果がある。
【００３９】
（１）の発明による回転電気機械は、回転子が固定子の外部に構成されるアウターロータ構造を含み、回転子が固定子の内部に構成されるインナーロータ構造を含み、固定子と回転子とが対面するディスク型構造を含んでいるので、適用範囲が広いという効果がある。
【００４０】
本発明による回転電気機械は、ギャップ長が大きくても十分な軸支持力を発生することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施の形態によるベアリングレスモータで用いられる回転子の一例を示す斜視図である。
【図２】前記実施の形態による回転子の縦断面図である。
【図３】本発明によるベアリングレスモータの軸支持力の発生原理を説明する構成図である。
【図４】本発明によるベアリングレスモータの軸支持力の発生原理を説明する構成図である。
【図５】本発明の実施の形態による回転電気機械の一例であるベアリングレスモータに用いられる回転子の構造の他の例を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態による回転電気機械の一例であるベアリングレスモータにおける４軸能動制御を示す図である。
【図７】図６の変形例を示す縦断面図である。
【図８】図７において回転軸の変位制動を説明するための縦断面図である。
【図９】本発明の実施の形態による回転電気機械の一例であるベアリングレスモータにおける固定子鉄心歯と永久磁石との配置の第１の例を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態による回転電気機械の一例であるベアリングレスモータにおける固定子鉄心歯と永久磁石との配置の第２の例を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態による回転電気機械の一例であるベアリングレスモータにおける固定子鉄心歯と永久磁石との配置の第３の例を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態による回転電気機械の一例であるベアリングレスモータにおける固定子鉄心歯と永久磁石との配置の第４の例を示す図である。
【図１３】図６で示された２基の回転子を備える回転子とは異なる構成を有する２基の回転子を備える回転子の他の例を示す斜視図である。
【図１４】図１３に示された回転子を用いた本発明の実施の形態による回転電気機械の一例であるベアリングレス回転機の斜視図であり、鉄心突極部を断面で示している。
【図１５】従来のベアリングレスモータを説明するための斜視図である。
【符号の説明】
【００４２】
１１回転軸（主軸）
３１・４１・８１回転子
３２・４２・５５第１回転子部
３３・５６・６１第２回転子部
３２ａ・４２ａ回転子鉄心
３２ｂ・４２ｂ・７２永久磁石
３２ｃ鉄心突極部
３２ｄ回転子ヨーク
３２ｅ鉄心凹部
５１第１回転子
５２第２回転子
５３第１固定子鉄心
５３ａ・５４ａ固定子巻線
５４・６２第２固定子鉄心
７３固定子
５７回転子間の永久磁石
５８・８２固定子間の永久磁石
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態による回転電気機械の一例であるベアリングレスモータについて説明する。ここでは、回転子の構成が図１５で説明した２基の回転子１２ａ・１２ｂと異なるため、回転子を参照番号３１で表す。なお、ブラシレスモータ全体の構成は、図１５と同様であるので説明を省略する。
【００４４】
図１は、本発明の一実施の形態によるベアリングレスモータで用いられる回転子３１の一例を示す斜視図であり、図２は、図１で示された回転子３１の縦断面図である。図１及び図２において、回転子３１は、第１及び第２回転子部３２・３３を有しており、第１及び第２回転子部３２・３３が同軸的に配置され、その中心に回転軸（主軸）１１が挿通されている。第１及び第２回転子部３２・３３は、回転軸１１にタンデムに配列されている（なお、図１においては、回転軸１１は省略されている）。
【００４５】
図１において、第１回転子部３２は、回転子鉄心３２ａの周方向に沿って所定の間隔で装着された永久磁石３２ｂを有している。図１の実施形態では、４つの永久磁石３２ｂが装着されている。図１の実施形態では、永久磁石３２ｂの外面の極性を全てＮ極としている。回転子鉄心３２ａは、例えば、突極状に打ち抜いたケイ素鋼板を積層しており、回転子鉄心３２ａに形成された凹部に永久磁石３２ｂが固定されている。前述したように、永久磁石３２ｂの着磁方向は全て外側（外面）が同極（図１の例ではＮ極）である。
【００４６】
この結果、永久磁石３２ｂの外側から磁束が発生し、空隙を介して固定子（図示せず）を通り、再び空隙を通って、回転子鉄心３２ａの一部である鉄心突極部３２ｃに戻り、更に回転子鉄心３２ａの一部である回転子ヨーク３２ｄを通って永久磁石３２ｂの内側に戻る。
［００４７］
このため、鉄心突極部３２ｃは、永久磁石３２ｂと反対極（この場合Ｓ極）に着磁され、８極の回転子を構成することになる（このような回転子はコンシクエントポール型と呼ばれる。つまり、図示の例では、第１回転子部３２はコンシクエントポール型回転子である）。そして、固定子に設けられた８極の電動機巻線（トルク発生用巻線）との相互作用によりトルクを発生する。更に、固定子に設けられた２極の軸支持巻線（径方向力発生用巻線）との相互作用により径方向力（軸支持力）を発生する。つまり、固定子は、回転子３１に対して径方向に向かう力とトルクを発生させる起磁力発生手段となる電動機巻線及び軸支持巻線を備えている。
［００４８］
次に、図３及び図４を参照して、第１回転子部３２における軸支持力の発生原理について説明すると、回転角度θ＝０ｄｅｇでトルクを発生せず無負荷で運転した状態を示す図３において、永久磁石３２ｂによる極界磁磁束Ψ_８ｍと２極軸支持巻線Ｎ_ｓ２β１に電流ｉ_ｓ２β１を流すことによって、軸支持磁束Ψ_ｓ２β１が発生する。Ψ_ｓ２β１は磁気抵抗の小さな磁石間鉄心部を通って、回転子下側から上側へ抜ける。
［００４９］
その結果，回転子上側の空隙ではΨ_８ｍとΨ_ｓ２β１が互いに強め合い、下側の空隙では互いに弱め合うことになり、回転子（第１回転子部３２）には磁束の疎から密の方向であるβ軸正方向に軸支持力Ｆ_βが発生する。
【００５０】
又，回転角度θ＝４５ｄｅｇである図４においても同様に，Ｎ_ｓ２β１に等しい大きさの電流ｉ_ｓ２β１を流すと、β軸正方向に等しい大きさの軸支持力Ｆ_βが発生する。したがって、軸支持力は回転角度θによらず一定となり、直流電流で制御することができる。なお後述するように厳密には軸支持力Ｆ _β は回転子の回転に伴って僅かながら脈動する。
［００５１］
ところで、第１回転子部３２、つまり、コンシクエントポール型回転子では、永久磁石３２ｂによる磁極と、鉄心極とが存在するため、実際には、回転子の回転に伴って発生する軸支持力（磁気的支持力）の大きさ及び方向が脈動し、更に、鉄心極だけが軸支持力（磁気的支持力）を発生するため、軸支持力が低下してしまう。
［００５２］
このため、図示の例では、軸支持力を良好にするため、第１回転子部３２に続けて第２回転子部３３が回転軸１１に挿通されている。第２回転子部３３は、支持力発生用回転子であり、第１回転子部３２の軸長（軸方向厚さ）をＬ１、第２回転子部３３の軸長をＬ２とすると、Ｌ１＞Ｌ２である。ここでは、第１回転子部３２をトルク発生用回転子と呼ぶこともあるが、前述のように、第１回転子部３２はコンシクエントポール型回転子であるのでトルクを発生するだけでなく、支持力も発生する。
【００５３】
第２回転子部３３は、固定子に巻回された径方向力発生用巻線（軸支持巻線）又は支持力・トルク発生兼用巻線などに流れる電流との相互作用により電磁力を発生する。第１回転子部３２がコンシクエントポール型又はホモポーラ型である際、例えば、第２回転子部３３として、円盤状のケイ素鋼板を軸方向に積層して円筒形状とした回転子が用いられる。そして、第２回転子部３３は永久磁石３２ｂ又は界磁巻線などによって、第１回転子部３２の鉄心極と同極に励磁される。図示の例では、第２回転子部３３はＳ極に励磁される。
【００５４】
この結果、前述した第１回転子部３２で説明した支持力発生原理と同様にして第２回転子部３３は軸支持力を発生する。この軸支持力は第２回転子部３３が円筒形状である結果、電磁力の大きさ及び方向が脈動しない。更に、第２回転子部３３には永久磁石が存在しない結果、円筒形状の全てが軸支持力発生に貢献し、軸支持力を良好にできる。つまり、ギャップ長が大きくても十分な軸支持力を得ることができる。
【００５５】
言い換えると、第２回転子部３３においては、永久磁石が存在しないため、トルクは発生しないけれども、軸支持力をより大きくすることができ、第２回転子部３３は円筒形状であるため、第２回転子部３３の回転角度が変化しても、軸支持力が発生する方向及び大きさに脈動が生じることがない。この結果、第１回転子部３２おける軸支持力の低下及び軸支持力の脈動を軽減できる。
【００５６】
なお、図示の例では、Ｌ１＞Ｌ２としたが、Ｌ１及びＬ２はベアリングレスモータの使用目的に応じて適宜変更される。
【００５７】
図５は、回転子の他の実施形態を示す斜視図である。図５に示された回転子は、図１に関連して説明した回転子３１とはその構造が異なるため、参照番号４１を付す。なお、図１に示す回転子３１と同一の構成要素について同一の参照番号を付す。図５において、第１回転子部はその構造が図１で説明した第１回転子部３２と異なるので、ここでは参照番号４２を付す。図５において、第１回転子部４２は、円筒形状の回転子鉄心４２ａを有している。回転子鉄心４２ａは、例えば、ケイ素鋼板を積層している。
【００５８】
図５において、回転子鉄心４２ａの表面には、複数の永久磁石４２ｂが回転子鉄心４２ａの表面全体を覆うようにして貼り付けられている。図５では、合計８つの永久磁石４２ｂが回転子鉄心４２ａの表面に貼り付けられ、隣接する永久磁石４２ｂの表面は互いに異なる磁極となっている。
【００５９】
図１で説明した第１回転子部３２はコンシクエントポール型回転子であったが、図５に示す第１回転子部４２は、永久磁石４２ｂを回転子鉄心４２ａの表面に貼り付けた構造であるため（つまり、鉄心突極が形成されていないため（ＳＰＭ構造の回転子であるため））、第１回転子部４２においては磁気支持力が発生しない。すなわち、図５に示す第１回転子部４２ではトルクの発生のみが行われる結果、コンシクエントポール型回転子に比較して、より大きなトルクを発生することができる。
【００６０】
なお、図５においては、第１回転子部４２の極数は８極であるが、極数は、１、２、３、４、５、６、などの整数であればよく、コンシクエントポール型回転子では、回転に伴う軸支持力の発生の脈動を低減するため、極数は６極以上であることが必要であるが、軸支持力は第２回転子部３３（支持力発生回転子）で発生するため、図５に示す回転子４１においては、第１回転子部４２の極数は自由である。
【００６１】
又、軸支持巻線と第１回転子部４２（トルク発生回転子）との相互作用によって電磁力が発生する恐れがあるが、厚い永久磁石４２ｂを用いればこの点を軽減することができる。そして、第２回転子部３３（支持力発生回転子）の割合を大きくすれば（つまり、Ｌ２＞Ｌ１）、相対的に電磁力を低減するので問題ない。
【００６２】
図６を参照すると、ここでは、図１５で説明したように、回転軸１１に２基の第１及び第２回転子５１・５２を装着した例が示されており、第１及び第２回転子５１・５２の外側にはそれぞれ第１及び第２回転子５１・５２を囲むようにして、空隙をおいて第１及び第２固定子鉄心５３・５４が配設されている。そして、第１及び第２固定子鉄心５３・５４には、それぞれ固定子巻線（トルク発生用巻線、軸支持力発生用巻線、ＣＥはコイルエンドを示す）５３ａ及び５４ａが装着され、第１及び第２固定子鉄心５３・５４の間には、固定子間の永久磁石５８が配設されている。固定子間の永久磁石５８によって軸方向の磁束を発生する。
【００６３】
一方、２基の第１及び第２回転子５１・５２は、図１で説明した回転子又は図５で説明した回転子を用いており、２基の第１及び第２回転子５１・５２は、ともに第１及び第２回転子部５５・５６を有している。そして、２基の第１及び第２回転子５１・５２の間には、回転子間の永久磁石５７が配設され、回転子間の永久磁石５７によって、２基の第１及び第２回転子５１・５２を軸方向に磁化している。
【００６４】
なお、この回転子間の永久磁石５７を省略して、固定子間の永久磁石５８のみとしてもよく、固定子間の永久磁石５８を省略して回転子間の永久磁石５７だけとしてもよい。ここで、固定子間の永久磁石５８、及び回転子間の永久磁石５７の各々は、磁束発生部である。
【００６５】
図示の例では、第１固定子鉄心５３（又は第２固定子鉄心５４）の軸方向長さＬｓ＜第１回転子５１（又は第２回転子５２）の軸方向長さＬｒであるが、回転子の軸方向長さＬｒと固定子の軸方向長さＬｓは等しくても等しくなくてもよい。なお、２基の第１及び第２固定子鉄心５３・５４間のコイルエンド（ＣＥ）については、２基の第１及び第２固定子鉄心５３・５４を跨ってコイルを巻回するようにすれば省略可能である。
【００６６】
図６に示す例では、２基の第１及び第２回転子５１・５２を用いているから、第１回転子５１によって図中左端のラジアル方向（径方向）２軸、第２回転子５２によって図中右端のラジアル方向２軸を能動的に制御することができる。
【００６７】
図示していないが、通常の４軸能動制御ベアリングレスモータと同様に、回転軸の変位を検出するか又は回転軸の変位を推定する電子回路によって回転軸の変位を得て、この変位に応じてコントローラによってダンピング力を与える電流を算出し、軸支持巻線又は兼用巻線に電流を供給する。このように、回転軸の変位をフィードバック制御するようにすれば、４軸能動制御型ベアリングレスモータを構成することができる。
【００６８】
なお、図６では、２基の第１及び第２固定子鉄心５３・５４などは簡略化のため上半分（一部分）だけが示されているが、前述のように、２基の第１及び第２固定子鉄心５３・５４は、２基の第１及び第２回転子５１・５２を囲むように配設されている。又、図６では、２基の第１及び第２回転子５１・５２が回転軸１１に挿通された例が示されているが、コンシクエントポール型ベアリングレスモータとして回転子が一つだけであってもよく、２軸能動制御型とするようにしてもよい。又、このベアリングレスモータは、回転子が固定子の外部に構成されるアウターロータ構造のモータを含んでよく、固定子と回転子とが対面するディスク型構造のモータを含んでよい。
【００６９】
図７は、図６で説明した例の変形例を示す断面図であり、図７において図６に示す例と同一の構成要素については同一の参照番号を付す。図７に示す例では、第２回転子部６１は、その軸方向長さＬｒ２が第１回転子５１の軸方向長さＬｒ１に比べて十分短く、第２回転子部６１は、軸支持力発生の単機能だけを有している。例えば、第２回転子部６１を、磁性体の円盤として、受動型磁気軸受とする。なお、図７に示す例では、回転子間に永久磁石５７を配置してもよい（図６参照）。
【００７０】
受動型磁気軸受の効果については、例えば、浅見和由、千葉明、星野健、中島厚「２軸制御フライホイール用ベアリングレスモータ」日本航空宇宙学会第４８回宇宙科学技術連合講演会講演集１Ｆ０７ｐｐ．４１１−４１６２００４．１１．４−６フェニックスプラザ福井、に記載されている。
【００７１】
又、図７に示すように、図６で説明した第２固定子鉄心５４に対応する第２固定子鉄心６２は、第１固定子鉄心５３の軸方向長さに比べて十分短くされており、第２固定子鉄心６２と第２回転子部６１とは対向している。そして、第２固定子鉄心６２の軸方向長さは第２回転子部６１の軸方向長さよりも長い。
【００７２】
図８も参照すると、図７に示す例では、固定子間の永久磁石５８は第２固定子鉄心６２側がＮ極に着磁されているから、第２固定子鉄心６２の先端にはＮ極が現れ、第２回転子部６１の表面にはＳ極が現れることになる。前述したように、第２固定子鉄心６２の軸方向長さは第２回転子部６１の軸方向長さよりも長いから、第２固定子鉄心６２からの磁力線は第２回転子部６１に集中することになり、あたかも第２回転子部６１付近では磁束密度が大きくなる。
【００７３】
この結果、回転軸１１が図８において破線矢印で示す方向に動くと、図中左側において磁力線が曲がる（歪む）ことになって、図中実線矢印Ｆで示す方向に力が作用し、回転軸１１は元の位置に戻されることになる。
【００７４】
更に、図７に二重丸で示すように、第１固定子鉄心５３及び第２固定子鉄心６２間に巻線６３を配設して、軸方向の磁束量を電流によって制御するようにすれば、スラスト方向の力を発生することができ、能動的にスラスト方向の変位を制御することができる。又、別途、スラスト軸受を配置してもよい。図８においては、第２回転子部６１である円盤が一つだけ示されているが、複数の円盤を多段に構成するようにしてもよい。この際、第２回転子部６１と第２固定子鉄心６２とは対向するように配置される。
【００７５】
図９は、固定子鉄心７１に永久磁石７２（この永久磁石７２は、図７に示す固定子間の永久磁石５８に対応するものである）を配設する例を示す図であり、図９は軸方向から固定子７３を見た図である。固定子鉄心７１は固定子突部（固定子鉄心歯）７１ａとヨーク７１ｂとを有し、固定子鉄心歯７１ａは所定の角度間隔をおいて形成されている。固定子鉄心歯７１ａの根元において、ヨーク７１ｂには永久磁石７２が配設されている（つまり、固定子鉄心歯７１ａに対応してヨーク７１ｂには凹部が形成され、この凹部に永久磁石７２が配設されている）。
【００７６】
通常、固定子においては、ヨーク全体を覆うように、円筒形状の永久磁石をヨークに配設するが、円筒形状の永久磁石を成形するよりも直方体形状の永久磁石を成形するほうが容易である。このため、図９に示すように、固定子鉄心歯７１ａの根においてヨーク７１ｂに永久磁石７２を配設するようにすれば、直方体状の永久磁石７２を配設して、しかも使用する永久磁石の量を最適に調整することができる。
【００７７】
図１０は固定子鉄心歯７１ａの根元において、ヨーク７１ｂに形成された凹部底面側にテーパーが施されている。このようにテーパー７４を施せば、凹部の容積が実質的に大きくなり、より大きな永久磁石７２を使用することができる。
【００７８】
図１１は固定子鉄心歯７１ａの根元において、ヨーク７１ｂに形成される凹部を四角状（例えば、直方体状）としたものであり、容易に四角状（直方体形状）の永久磁石７２をヨーク７１ｂに配設することができる。
【００７９】
図１２は隣接する２の固定子鉄心歯７１ａの根元に亘って、ヨーク７１ｂに凹部を形成し、この凹部に永久磁石７２を配設した例であり、この例では、固定子鉄心歯７１ａにおける磁気的飽和を軽減できるばかりでなく（つまり、磁気抵抗を低減して有効に磁束を発生できるばかりでなく）、より大きな永久磁石７２を配設することができる。
【００８０】
図１３は、図６で示された２基の第１及び第２回転子５１・５２を備える回転子とは異なる構成を有する２基の第１及び第２回転子３１ａ・３１ｂを備える回転子８１の斜視図である。図１３を参照すると、回転子８１は、２基の第１及び第２回転子３１ａ・３１ｂを同軸的に配置している。第１回転子３１ａ及び第２回転子３１ｂは、コンシクエントポール型回転子である第１回転子部３２と、第１回転子部３２に連設して軸支持力を発生する第２回転子部３３とで構成されている（図１参照）。ここで、第１及び第２回転子３１ａ・３１ｂは、図１に示された回転子３１と構造的には同じであるが、説明の便宜を図るため符号を変えて区別した。
【００８１】
図１３に示されるように、回転子８１は、第１回転子３１ａの第１回転子部３２と第２回転子３１ｂの第１回転子部３２とを相反する向きに配置している。第１回転子３１ａの第１回転子部３２に装着された永久磁石３２ｂは、固定子に対向する径方向がＳ極に着磁されている。一方、第２回転子３１ｂの第１回転子部３２に装着された永久磁石３２ｂは、固定子に対向する径方向がＮ極に着磁されている。図１３に示された実施の形態では、第１回転子３１ａ及び第２回転子３１ｂには、永久磁石３２ｂを各々４つ配置しているが、永久磁石３２ｂは一つ以上の整数で配置すればよい。
【００８２】
図１３において、第１回転子３１ａの第１回転子部３２は、第１の鉄心突極部３２ｃと永久磁石３２ｂが装着される第１の鉄心凹部３２ｅとが交互に均等に分割配置されている。同様に、第２回転子３１ｂの第１回転子部３２は、第２の鉄心突極部３２ｃと永久磁石３２ｂが装着される第２の鉄心凹部３２ｅとが交互に均等に分割配置されている。
【００８３】
図１３において、第１の鉄心突極部３２ｃと第１の鉄心凹部３２ｅとは、繰り返す第１周期を有している。又、第２の鉄心突極部３２ｃと第２の鉄心凹部３２ｅとは、前記第１周期と同じに繰り返す第２周期を有している。そして、第１回転子３１ａと第２回転子３１ｂとは、前記第１周期の位相と前記第２周期の位相と重なるように、又は相互の位相が僅かにずれるように配置されている。
【００８４】
図１４は、図１３に示された回転子８１を用いたベアリングレス回転機の斜視図であり、鉄心突極部３２ｃを断面で示している。図１４において、図６と同様に、第１及び第２回転子３１ａ・３１ｂの外側にはそれぞれ第１及び第２回転子３１ａ・３１ｂを囲むようにして、空隙をおいて第１及び第２固定子鉄心８１ａ・８１ｂが配設されている。又、第１及び第２固定子鉄心８１ａ・８１ｂの間には、固定子間の永久磁石８２が配設されている。固定子間の永久磁石８２によって軸方向のスラスト磁束Ψ_ｓを発生できる。なお、第１及び第２回転子３１ａ・３１ｂ間の永久磁石は、図示を省略している。
【００８５】
図１３及び図１４を参照すると、図１５に示された従来のベアリングレス回転機のように、一方の回転子における鉄心突極部と鉄心凹部との繰り返し周期は、他方の回転子における鉄心突極部と鉄心凹部との繰り返し周期と半ピッチ相違する必要がないことがわかる。
【００８６】
図１４に示された回転電気機械は、第１回転子３１ａの位相と第２回転子３１ｂの位相とが重なるように配置しているので、第１及び第２回転子部３２・３３によってそれぞれ径方向（ラジアル方向）２軸を能動的に制御できるという効果に加え、相互の位相を僅かにずらして配置することにより、脈動を低減する効果がある。
【００８７】
なお、上述の実施の形態では、第１回転子部がコンシクエントポール型又はＳＰＭ構造である例について説明したが、第１回転子部の構造は、円筒永久磁石構造、ハルバッハ構造、表面貼り付け型永久磁石構造、インセット型永久磁石構造、ホモポーラ型、ＩＰＭ型（永久磁石内蔵型）、誘導機型（回転磁界により回転子に構成された銅、アルミニウムなどの導体に誘導電流が流れ、トルクを発生するもの）、又はリラクタンス型などを採用することができる。
【００８８】
言い換えると、回転子の一部を軸支持力のみを発生する第２回転子部とすると、トルクを発生する回転子部分（第１回転子部）における軸支持力の発生を少なくしてもよい。むしろ、軸支持力が少なくなってもトルクが効果的に発生するようしたほうがよい。このため、第１回転子部には上述の各種回転機構造を適用することができる。
【００８９】
更に、実施の形態で説明したベアリングレス回転機は、例えば、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、血液ポンプ、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、又は液体中の電動機に用いられ、コントローラによって制御されることになる。

Claims

回転子と、この回転子に対向して配置され前記回転子へ回転力を発生する巻線と軸支持力を発生する巻線とが配置されている固定子とを備える回転電気機械であって、
鉄心とこの鉄心の外周部に設けられた複数の永久磁石を有する第１回転子部と、鉄心のみから成る第２回転子部とから成り、前記第１回転子部と第２回転子部とが同一外径でかつ一体に形成されている回転子が所定間隔を空けて２個配置され、
前記２個の回転子にはそれぞれに対応して固定子が設けられるとともに、
前記２個の回転子に対応して設けられた固定子の間、及び前記２個の回転子の間に軸支持力を強めるリング状の永久磁石が設けられていることを特徴とする回転電気機械。
前記２個の回転子に対応して設けられた固定子の間、及び前記２個の回転子の間に設けられたリング状の永久磁石は、回転軸方向において互いに逆極性に磁化されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電気機械。
前記鉄心の外周部に設けられた複数の永久磁石は、前記第１回転子部の外周側が同一極性であって、一定の間隔を空けて前記鉄心に埋め込まれて配置されていることを特徴とする請求項１乃至２に記載の回転電気機械。
前記鉄心の外周部に設けられた複数の永久磁石は、前記第２回転子部の外周側の極性を交互に異ならせるとともに隣接してリングを形成するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至２に記載の回転電気機械。