JP4846230B2

JP4846230B2 - ベアリングレス電磁回転装置

Info

Publication number: JP4846230B2
Application number: JP2004319689A
Authority: JP
Inventors: 和由浅見; 陽祐伊藤; 明千葉; 健星野; 厚中島
Original assignee: MOTOR SOLUTION CO., LTD.; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: MOTOR SOLUTION CO., LTD.; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2024-11-02
Also published as: JP2006136062A

Description

本発明はベアリングレス電磁回転装置に係わり、特にトルクと半径方向力を１つの電磁機械にて発生するベアリングレス回転機におけるアキシャル・コニカル方向の支持力を強め安定したロータ支持の可能なベアリングレス電磁回転装置に関する。

ベアリングレスモータは磁気軸受機能とモータの機能を、１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）。即ち、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。そして、半径方向の制御を行うためには、ロータ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変位センサを用いてフィードバック制御している。

ベアリングレスモータ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５軸制御とする方法と、一つのユニットで２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。一方、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」電機学会誌解説, 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 II(D&D '94), D725, pp. 387-392, 7/14 1994 Ken-ichi MATSUDA etc. 「Radial-Type Self-Bearing Motor for Nonpulsatile-Type Artificial Heart」 JSME Series C, Vol. 43, No.4, pp. 941-948, 2000

かかるｘ、ｙのラジアル方向の２軸を制御するベアリングレスモータは、磁気吸引力を発生させ、ロータ支持を行っている。吸引力であるため、アキシャル・コニカル方向に変位した際にも復元力は発生する。しかしながら、従来のｘ、ｙの２軸方向の電磁力のみでは、アキシャル・コニカル方向の復元力は弱いといった問題があった。

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、トルクと半径方向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おけるアキシャル・コニカル方向の支持力を強め安定したロータ支持の可能なベアリングレス電磁回転装置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、ロータと、該ロータに対しギャップを隔てて配設され、ｘ軸方向とｙ軸方向について能動制御を行う巻線の捲回されたステータを有するベアリングレス電磁回転装置であって、アキシャル方向の変位及びコニカル方向の変位を受動的に収束させるアキシャル・コニカル変位受動収束手段を備え、該アキシャル・コニカル変位受動収束手段が、前記ロータ若しくは前記ステータ側のいずれか一方に配設され、永久磁石により磁束を発生し、かつ該永久磁石より前記ギャップに向けて往路及び復路となる磁路の形成された磁束発生手段と、前記ロータ若しくは前記ステータ側のいずれか他方に配設され、前記磁束発生手段で発生された磁束が前記往路を通り前記ギャップを越えて鉄心内を通過した後、再び該ギャップを越えて前記磁束発生手段の前記復路に戻る磁路通過手段とを有し、前記磁束発生手段又は前記磁路通過手段が、前記ステータの外周に突出された電動機巻線又は径方向位置制御巻線のコイルエンドの側部に隣接して配設されたことを特徴とする。
コイルエンドの側部に磁路通過手段を隣接して配設することでベアリングレス電磁回転装置を省スペースに構成できる。

磁束発生手段及び磁路通過手段を通る磁束は、ベアリングレスモータ部分の磁束には干渉しない。ロータがアキシャル・コニカル方向に変位した際は、ギャップを隔てた磁束発生手段と磁路通過手段間にフリンジング磁束が多く発生し、この磁束により大きな復元力を得る。したがって、ベアリングレスモータに、この磁束発生手段及び磁路通過手段をギャップを介して備え付けることにより、より大きな復元力が得られ、安定したロータ支持が可能である。

また、本発明（請求項２）は、前記磁束発生手段及び前記磁路通過手段とが対となってアキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受が構成され、該アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受が前記ロータの重心を挟んだ軸方向上側と下側とにそれぞれ配設されたことを特徴とする。
ロータの重心を挟んだ離れた２箇所において復元力を得ることができる。
更に、本発明（請求項３）は、前記磁束発生手段は、軸方向に磁極を有する永久磁石と、該永久磁石の各磁極に連設され、径方向に磁路を形成する２つの鉄心とを備え、前記磁路通過手段は、該各鉄心に対し前記ギャップを隔てて対峙する歯部と、該歯部同士を連結するバックヨークとを備えたことを特徴とする。
磁束発生手段及び磁路通過手段を簡単な構造で提供できる。
更に、本発明（請求項４）は、前記磁束発生手段と前記磁路通過手段とを結ぶ往路と復路の各磁路となる突設部には前記ロータ側及び前記ステータ側に前記ギャップに面して周状に溝が形成されたことを特徴とする。
溝を形成することで、この溝を挟む凸部にはロータがアキシャル・コニカル方向に変位した際に、ギャップを隔ててフリンジング磁束が多く発生する。このため、より大きな復元力を得ることができる。

更に、本発明（請求項５）は、前記永久磁石が環状に連続若しくは分割して配設されたことを特徴とする。

分割とすれば、永久磁石をより作り易いものにできる。

更に、本発明（請求項６）は、前記永久磁石に代えて、若しくは該永久磁石と同一の磁極を有するように電動機又は径方向位置制御の励磁磁束が適用されたことを特徴とする。

電動機や径方向位置制御の励磁磁束は電磁石や永久磁石により発生される。この電動機や径方向位置制御の励磁磁束を本発明に適用することで、磁束発生手段の永久磁石を省略できたり、磁束発生手段の永久磁石による磁束を補うことが可能となる。

更に、本発明（請求項７）は、前記磁束発生手段には、軸方向又は径方向に磁極を有する永久磁石又は電動機の励磁磁束を備え、前記磁路通過手段による磁路は前記ロータ及び前記ステータを通ることを特徴とする。

ロータ及びステータに磁路を形成することで、ベアリングレス電磁回転装置の軸方向の寸法を抑えることができる。
更に、本発明（請求項８）は、前記ベアリングレス電磁回転装置が、ｘ軸方向とｙ軸方向についての二軸のみについて能動制御が行われる二軸制御のベアリングレス電磁回転装置であることを特徴とする。

更に、本発明は、ロータと、該ロータに対しギャップを隔てて配設されたステータを有するベアリングレス電磁回転装置であって、前記ロータ及び前記ステータの前記ギャップに面する部分には、溝が形成されたことを特徴とされてもよい。

ロータとステータのギャップに面する部分に溝を形成することで、溝を挟んだ突設部からは電動機や径方向位置制御の励磁磁束によるフリンジング磁束が発生する。このため、ロータがアキシャル・コニカル方向に変位した場合であってもより大きな復元力を得ることができる。

更に、本発明は、前記溝の占める面積が前記ロータ又は前記ステータの前記ギャップに面する面積の１０〜６０パーセントであることを特徴とされてもよい。

溝の占める面積が１０パーセントより小さいとフリンジング磁束の発生が少ない。一方、溝の占める面積が６０パーセントより大きいとトルクが減少する。このため、溝の占める面積を１０〜６０パーセントに設定する。

更に、本発明は、前記溝が環状に連続若しくは分割して配設されたことを特徴とされてもよい。

溝を環状に分割して配設すれば、例えばロータやステータに永久磁石が配設されているような場合でもこれを避けるように溝を形成できる。

以上説明したように本発明によれば、磁束発生手段及び磁路通過手段を備えて構成したので、ロータがアキシャル・コニカル方向に変位した際は、ギャップを隔てた磁束発生手段と磁路通過手段間にフリンジング磁束が多く発生し、この磁束により大きな復元力を得る。したがって、ベアリングレスモータに、この磁束発生手段及び磁路通過手段をギャップを介して備え付けることにより、より大きな復元力が得られ、安定したロータ支持が可能である。

以下、本発明の第１実施形態について説明する。本発明の第１実施形態であるベアリングレス電磁回転装置１０の側面図を図１に、図１中の重心Ｇ点を通るＡ−Ａ矢視線断面図を図２に示す。図１及び図２において、円柱状のシャフト１が図示しないケース等を介してベース３に固定されている。このシャフト１の外周には外周部にスロット７の形成されたステータ５が固定されている。そして、このスロット７には、電動機トルクを発生させる３相電動機巻線９が外側にＮ_16u、Ｎ_16v、Ｎ１_6wの１６極で配設されている。但し、１６以外の整数であればよく、分数ピッチ巻線が施されてもよい。２，４相などの多相巻線とされてもよい。また、スロット７の内側には、Ｎ_2u、Ｎ_2v、Ｎ_2wの２極のラジアル方向力を発生するための３相支持巻線１１が配設されている。但し、支持巻線１１は３相でなくても、２，４，５，６相であってもよい。

３相電動機巻線９及び３相支持巻線１１はベアリングレスモータを構成し、共にステータ５の軸方向厚みよりコイルエンド部分が上下に突設されている。このコイルエンド部分の更に外周には、ステータ５より軸方向上下に周壁２３が突設されている。ステータ５の外周部には、ギャップ１３を隔ててロータ１５の内周面１５ａが対峙している。そして、この内周面１５ａには電動機・ラジアル支持用磁石１７が周方向の８箇所に埋設されている。電動機・ラジアル支持用磁石１７はセグメント型若しくは直方体型磁石であり、全て内側がＮ極に着磁されている。これらセグメント型磁石の個数、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。電動機・ラジアル支持用磁石１７の配設は２，４，６などの偶数であればよい。

ロータ１５は図１に示すように、内側に突設され、頭頂部に内周面１５ａが形成されたロータ中央環状突設部１５ｂを中心として「山」の字状の断面にて形成されている。そして、この中央環状突設部１５ｂの外周は、軸方向上下に延びるロータ側壁１５ｃを有し、更に、このロータ側壁１５ｃの上部と下部には、ロータ上側環状突設部１５ｄ及びロータ下側環状突設部１５ｅが内側に向けて中央環状突設部１５ｂと平行に形成されている。即ち、ロータ上側環状突設部１５ｄ、ロータ側壁１５ｃ及び中央環状突設部１５ｂの間には、溝１９が周状に形成され、一方、ロータ下側環状突設部１５ｅ、ロータ側壁１５ｃ及び中央環状突設部１５ｂの間には、溝２１が周状に形成されている。

そして、このロータ上側環状突設部１５ｄ及びロータ下側環状突設部１５ｅのギャップ１３に面する部分にはそれぞれ図３にその縦断面図を示すアキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受３０の磁束発生部３１が配設され、一方、周壁２３の上下端部には、それぞれアキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受３０の磁束発生部３１にギャップ１３を隔てて対峙するように磁路通過部３３が配設されている。

磁束発生部３１は、環状の永久磁石３５と、その上端及び下端にそれぞれ固着され、永久磁石３５の径方向幅より大きく磁性体からなる環状鉄心部３７Ａ、３７Ｂとで構成されている。一方、磁路通過部３３は、環状鉄心部３７Ａ、３７Ｂと対峙する環状鉄心突部３３Ａ、３３Ｂが軸方向に配設されたバックヨーク３３Ｃの両端部より径方向外方に向けて突設されている。

次に、本発明の第１実施形態の作用について説明する。
３相電動機巻線９及び３相支持巻線１１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。一方、アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受３０の磁束発生部３１の永久磁石３５による磁束は、対向する磁路通過部３３へと流れてから元の永久磁石３５に戻る。これにより、アキシャル・コニカル方向の支持はパッシブ安定である。

次に、ロータ１５がアキシャル方向（＋ｚ方向）に変位した場合やコニカル方向（＋θ方向）に変位した場合について、アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受３０の作用を図４、図５、図６を用いて説明する。

まず、図４にはロータ１５がステータ５に対して定常位置にあり、アキシャル方向及びコニカル方向に変位していない状態のｘ−ｚ断面図を示す。そして、図５にはロータ１５がステータ５に対してアキシャル方向（＋ｚ方向）に変位したときのｘ−ｚ断面図を示している。図４において、磁束発生部３１による磁束は点線で示すような磁路でギャップ１３を通り、磁路通過部３３を経由して流れる。

この際、環状鉄心部３７Ａ、３７Ｂのギャップ１３に面した突設部と環状鉄心突部３３Ａ、３３Ｂのギャップ１３に面した突設部同士の間にはいわゆるフリンジング磁束が発生している。

そして、このフリンジング磁束が、ロータ１５のアキシャル・コニカル方向に変位した際に復元力として機能する。例えば、図４の正常状態から図５のように、ロータ１５がステータ５に対してアキシャル方向上方に向けて変位したような場合には、磁束発生部３１の端部と磁路通過部３３の端部間に、図中小さな矢印で示した斜め下方向に磁気吸引力が働く。この結果、ロータ１５には大きな矢印で示した下方向（−ｚ方向）に復元力が働く。

また、図６のようにロータ１５がコニカル方向に変位した場合でも、同様に磁束発生部３１の端部と磁路通過部３３の端部間に、図中小さな矢印で示した斜め下方向に磁気吸引力が働く。この結果、ロータ１５には大きな矢印で示した斜め下方向に復元力が働く。このようにアキシャル・コニカル方向の変位に対してはパッシブな復元が可能となる。
また、ロータ側、ステータ側とに磁束発生部３１と磁路通過部３３を分離しているため、独立に設計できるメリットがある

なお、本発明の第１実施形態では、ロータ上側環状突設部１５ｄ及びロータ下側環状突設部１５ｅのギャップ１３に面する部分にアキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受３０の磁束発生部３１をそれぞれ配設し、周壁２３の上下端部に磁路通過部３３をそれぞれ配設するとして説明したが、上側若しくは下側のそれぞれ一方だけに配設されるようにしてもよい。例えば、上方向だけに構成してもアキシャル、コニカル方向に正の剛性を発生することができる。

また、本発明の第１実施形態では、図３に示すように環状鉄心部３７Ａ、３７Ｂ及び環状鉄心突部３３Ａ、３３Ｂのギャップ１３に面する部分には溝が形成されていない構造について説明したが、図７のアキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受４０に示すように、環状鉄心部３７Ａ、３７Ｂに溝３９Ａ、３９Ｂを形成し、対峙する環状鉄心突部３３Ａ、３３Ｂにも溝４１Ａ、４１Ｂを形成するようにしてもよい。このように溝を形成することで、より一層ギャップ１３を介してフリンジング磁束が発生し易くなる。

また、磁束発生部３１を周壁２３の上下端部に配設し、磁路通過部３３をロータ上側環状突設部１５ｄ及びロータ下側環状突設部１５ｅのギャップ１３に面する部分に配設するようにしてもよい。

更に、本発明の第１実施形態では、アウターロータ形を例示したが、インナーロータの形式においても本発明を適用することができる。この場合、内側のロータに永久磁石と鉄心とからなる磁束発生部３１を配置し、外周のステータに磁路通過部を配置する。

磁束発生部３１及び磁路通過部３３は環状に形成されている。そして、このように環状に形成したことで、渦電流などの発生を抑制することができる。しかしながら、必ずしも環状に連続されてなくてもよく、例えば、周回りに４つに分割された構成とされてもよい。但し、分割数は４でなくてもよく、２，３，５，６などの整数であればよい。実際、細い円筒状の永久磁石リングを製作するのは強度の面、製作の容易さの面からかなり困難であり、価格も高い。したがって、弧状の永久磁石を数カ所に配置することにより製作を容易にし、コストダウンできる。あるいは、直方体状の永久磁石を多数配置することも可能であり、よりコストダウンできる。この際、鉄心は環状に連続して構成することが望ましく、分割された永久磁石による磁束密度の変化を低減する役割を果たす。しかしながら、構成によっては、鉄心を環状としなくても、鉄心を２分割、３分割、４分割などしてもよい。

なお、図３に示すように、アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受３０の磁路通過部３３の歯幅（例えば１．２ｍｍ）を磁束発生部３１の磁石幅（例えば４ｍｍ）より狭くすることによりフリンジング磁束の磁束密度を向上し、一方、径方向に通過する磁束数を低減することができる。フリンジング磁束の磁束密度が向上するとコニカル、アキシャル方向の正の剛性を向上することができる。一方、径方向に通過する磁束数を低減することにより、径方向に追加される負の剛性を軽減することができる。負の剛性は不平衡吸引力により発生し、ベアリングレスモータの能動的なフィードバック力によりキャンセルする必要がある。このため、ベアリングレスモータの電磁力軽減のために効果的である。

また、磁路通過部３３の歯幅は磁束発生部３１の磁石幅の５０％以下にすることが望ましい。また、磁路通過部３３のバックヨーク３３Ｃの幅は歯幅と同一あるいはプラスマイナス５０％程度に設計することにより効果的に磁束を発生することができる。磁束発生部３１の磁石の高さは歯幅の１．２倍以上に設計することが望ましい。

更に、磁路通過部３３の全体幅は磁束発生部３１の幅に比べて薄い。このため、図１のように、磁路通過部３３をステータ５側に配置した場合には、コイルエンドと軸方向に並列に磁路通過部３３を配置することができ、省スペースに構成できる。径方向の長さは全体として短くて済む。省スペースの必要がなければ、磁路通過部３３をロータ５５側に配置してもよい。

更に、図１においてアキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受３０の配設位置は、重心Ｇを通る水平線から軸方向の上方、下方に離れるに連れてコニカルの剛性が低下する。このため、省スペース化してコイルエンド付近にアキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受３０を配置することはメリットがある。

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実施形態は、アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受３０、４０の構造の一部をもって、本発明の第１実施形態のアキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受３０、４０と同様の機能をもたせたものである。

本発明の第２実施形態の構成図を図８に示す。図８において、ステータ５０の外周上端部５１Ａ及び下端部５１Ｂには周状に溝５３Ａ、５３Ｂが形成されている。そして、この溝５３Ａの上部には外側に向けて環状突設部５７Ａが配設され、一方、溝５３Ｂの下部には環状突設部５７Ｂが配設されている。同様に、溝５３Ａ、５３Ｂと対峙するロータ５５側には溝５９Ａ、５９Ｂがそれぞれ形成されている。そして、この溝５９Ａの上部には環状突設部６１Ａが内側に向けて配設され、一方、溝５９Ｂの下部には環状突設部６１Ｂが配設されている。

ここに、図８中のＡ、Ｂ、Ｃで示したいずれかの箇所には、電動機の磁束と同じ方向となるように永久磁石６３が配設されている。Ａの箇所においては、電動機の磁束が軸方向に向いているので、同じ軸方向となるように磁極を揃える。一方、Ｂ、Ｃの箇所においては、電動機の磁束が径方向に向いているので、同じ径方向となるように磁極を揃える。

即ち、この図８の構成は、丁度本発明の第１実施形態の構成における上側が磁束発生部３１の環状鉄心部３７Ｂ及び磁路通過部３３の環状鉄心突部３３Ｂを残し、永久磁石３５と環状鉄心部３７Ａ、バックヨーク３３Ｃと環状鉄心突部３３Ａとを省略した形になっている。また、下側に関しても、同様に磁束発生部３１の環状鉄心部３７Ａ及び磁路通過部３３の環状鉄心突部３３Ａを残し、永久磁石３５と環状鉄心部３７Ｂ、バックヨーク３３Ｃと環状鉄心突部３３Ｂとを省略した形になっている。

次に、本発明の第２実施形態の作用について説明する。
永久磁石６３で生じた磁束は、図８中の上側に点線Ｄで示したようにギャップ１３を隔てて環状突設部５７Ａを通り、溝５３Ａと溝５９Ａとを囲む磁路を通る。永久磁石６３は、図８中の下側にも別途配設されており、この下側の永久磁石６３により点線Ｅで囲む磁路を通る。即ち、本発明の第１実施形態のアキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受３０、４０が溝１９より上方に磁路が形成されていたのに対し、本発明の第２実施形態では、溝５３及び溝５９を囲む磁路を通り、本発明の第１実施形態より重心Ｇ側のステータ及びロータ部分に磁路が形成されている点で異なる。

永久磁石６３の端部周囲及び環状突設部５７Ａの端部周囲には、ギャップ１３を介してフリンジング磁束が存在するため、アキシャル、コニカル方向の変位に対して本発明の第１実施形態と同様に復元力として機能する。このため、磁気軸受制御が安定する。
なお、点線Ｄの磁路、点線Ｅの磁路は、いずれか一方だけが形成されるようにしてもよい。

また、コンシクエントボールベアリングレスモータでは、ロータ５５に取り付けた電動機・ラジアル支持用磁石１７が軸方向の磁束を自動的に発生することができ、別途永久磁石を配置する必要がない場合があり簡単化できる。もちろん、ホモポーラ，ハイブリッド型ベアリングレスモータにおいて、別途永久磁石を配置しなくても，界磁磁束発生機構を有効に利用した形で環状突設部５７Ａ等の部分にフリンジング磁束を生じさせ、アキシャル、コニカル方向の変位に対して本発明の第１実施形態と同様に復元力として機能させることができる。この際には、ステータ５０あるいはロータ５５のいずれかにホモポーラ磁束を発生する永久磁石あるいは電磁石を配置すればよい。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。
本発明の第３実施形態は、アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受３０、４０に代えて電動機あるいは径方向位置制御の磁束を利用したものである。

本発明の第３実施形態の構成図を図９に示す。本発明の第３実施形態は、表面張り付け型永久磁石モータを使用した例である。図９において、アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受３０、４０に相当するものは備えられていない。円筒状のロータ６５の内周面には、環状で内側がＮ極に着磁された永久磁石７１が固着されている。そして、この永久磁石７１は軸方向に複数段、段積みされて構成されている。永久磁石７１は段毎に径方向長が異なり、図９の上から順に永久磁石７１Ａは径方向長が長く、次の永久磁石７１Ｂは径方向長が短い。その後、同様に永久磁石７１Ｃは径方向長が長く、次の永久磁石７１Ｄは径方向長が短く形成されている。その結果、永久磁石７１Ａ、永久磁石７１Ｂ及び永久磁石７１Ｃで囲まれた空間には溝６９が形成される。そして、同様に軸方向に複数個の溝が形成される。永久磁石７１Ａ、永久磁石７１Ｃ・・の突設された部分は歯部８１が形成されている。

そして、この溝６９に対峙するように、ステータ６０の外周には溝７２が複数個形成され、一方永久磁石７１Ａ及び永久磁石７１Ｃ・・に対峙したステータ６０の外周には歯部７４が突設されている。歯部７４の高さは、例えばステータ６０に用いられた積層鋼板の一枚分の高さと一致されている。

次に、本発明の第３実施形態の作用について説明する。
元来、ロータやステータの外周に溝の配設されていない従来型のベアリングレス回転機においても、軸方向両端（最上端部、最下端部）ではフリンジング磁束が発生している。したがって、溝を付けなくても原理的にはコニカル、スラスト方向に弱いながらも安定傾向にある。しかし、軸長が長い場合、より大きなコニカル、スラスト剛性が必要な場合には本発明の手法が有効である。即ち、本発明の第３実施形態では、ステータ６０の外周に溝７２を形成し、ロータ６５の内周には溝６９を形成したことで、歯部７４と歯部８１間には軸方向にフリンジング磁束を多く発生させることができる。このため、アキシャル、コニカル方向の変位に対して本発明の第１実施形態と同様に復元力として機能させることができる。

しかしながら、全周にわたって溝を構成するとモータ自体のトルクが減少してしまう恐れがある。そこで、溝を周方向に４カ所あるいは複数箇所に限定して配設するようにしてもよい。このことにより、溝を構成したことによるトルクの低下を軽減することができる。

また、例えば、コンシクエントポール型ではコストダウンのため、鉄心部分だけに溝を構成してもよい。すると永久磁石は溝を構成する前と等しいものを利用することができる。元来、ロータ、ステータの鉄心は積層鋼板が多く用いられるので、溝を構成するためには２つの形状のシートを準備し、重ねる厚みを調整すればよいので簡単に構成することができる。

溝の数は多いほどスラスト・コニカルの安定性を向上することができる。したがって、溝を複数、あるいは多数構成することは効果的である。フリンジング磁束を発生するためにはギャップ１３の長さと同一、あるいはギャップ１３の長さの半分以上の溝を構成することが望ましい。また、ギャップ面における溝面積が増加するとモータトルクが大きく減少して問題になる。そこで、ギャップ面に対する溝面積を１０％から６０％とすることが望ましい。

次に、本実施形態の別態様を図１０に示す。
図１０において、第３実施形態では溝の断面は長方形状であったが、本別態様では、この溝の断面に段差を設けたものである。一般によ使用される積層鋼板の板厚は０．３〜０．５ｍｍであるが、図１０におけるロータ８５に形成された溝８９は３枚の積層鋼板が段積みされることで形成されている。即ち、１段目と３段目の積層鋼板は同一の径方向長を有する一方で、２段目の積層鋼板は１段目と３段目より短い径方向長を有する。これにより、２段の段差を有する溝８９が形成される一方で歯部９１が内側に向けて突設されている。また、溝８９に対峙するステータ８０側には同様に２段の段差を有する溝８３が形成される一方で歯部８２が外側に向けて突設されている。

かかる構成において、溝８３及び溝８９が２段の段差を有したことで、歯部８２と歯部９１間のフリンジング磁束が第３実施形態の長方形状の溝の場合に比べて多く発生する。このため、アキシャル、コニカル方向の変位に対して本発明の第３実施形態の場合より大きな復元力として機能させることができる。

なお、溝８３及び溝８９の断面形状は、２段に限定されるものではなく、３段等の段差を有し、より３角形状に近い形状としてもよい。このように、連続した３角形状の溝が形成されれば、２段、３段等の段差が存在する場合に比べて、より一層歯部８２と歯部９１間のフリンジング磁束が多く発生する。更に、歯部８２と歯部９１とは、断面が矩形状より半円状に突設された方が、一層歯部８２と歯部９１間のフリンジング磁束が多く発生し、アキシャル、コニカル方向の変位を安定させるためにはより望ましい。

次に、本発明の第３実施形態の更なる別態様について説明する。
本態様は、第３実施形態で説明した溝をディスク型ベアリングレスモータに適用した場合である。

図１１に示すように、ディスク型ベアリングレスモータ１００は、円盤状のロータ１１０がステータ１２０Ａ及びステータ１２０Ｂ間に、所定のギャップ１１１Ａ及びギャップ１１１Ｂを隔てて浮上されているものである。このディスク型ベアリングレスモータ１００は、コニカル・アキシャル方向には能動的に安定であるが、径方向に対しては受動的に安定である。径方向の剛性を向上すれば、より高い速度に危険速度があがり安定化する。ロータ１１０を傾けて危険速度を通過することができるが、危険速度が運転速度より高い方が望ましい。

そこで、第３実施形態と同様にステータ１２０Ａのギャップ１１１Ａに面する部分に環状の溝１２１を形成する一方、この溝１２１に対峙するロータ１１０のギャップ１１１Ａに面する部分に溝１２３を形成する。ギャップ１１１Ｂに面したロータ１１０とステータ１２０Ｂ側についても同様に溝を形成する。このことにより、ラジアル方向の剛性を向上することができる。

なお、環状の溝１２１は２重、３重に配設されてもよいし、周方向に分割される等されてもよい。溝の断面形状が三角形状等とされてもよい。ギャップ１１１Ａ又はギャップ１１１Ｂを挟んだ一方の側のみに溝が掲載されるようにしてもよい。

ベアリングレスモータの極数・スロット数は第１実施形態で説明したような１６極２４スロットで、かつ８個の電動機・ラジアル支持用磁石１７が全て内側をＮ極として着磁されている。図３にアキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受４０の寸法を記載する。磁石幅は４ｍｍ、磁石高さは５ｍｍ、歯幅を１．２ｍｍ、バックヨークの幅を１．２ｍｍとする。図１２にこのときのアキシャル方向変位に対する復元力を、図１３に剛性を示す。

本発明の活用例として、本ベアリングレス電磁回転装置を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。

本発明の第１実施形態であるベアリングレス電磁回転装置の側面図図１中の重心Ｇ点を通るＡ−Ａ矢視線断面図アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受の縦断面図アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受の作用を説明する図（定常位置）ロータがステータに対してアキシャル方向（＋ｚ方向）に変位したときのｘ−ｚ断面図ロータがステータに対してコニカル方向（＋θ方向）に変位したときのｘ−ｚ断面図アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受の別例本発明の第２実施形態の構成図本発明の第３実施形態の構成図同別態様同別態様アキシャル方向変位に対する復元力を示す図アキシャル方向変位に対する剛性を示す図

符号の説明

１シャフト
５、５０、６０、８０、１２０ステータ
９３相電動機巻線
１０ベアリングレス電磁回転装置
１１３相支持巻線
１３、１１１ギャップ
１５、５５、６５、８５、１１０ロータ
２３周壁
１７電動機・ラジアル支持用磁石
１９、２１、３９、４１、５３、５９、６９、７２、８３、８９、１２１、１２３溝
３０、４０アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受
３１磁束発生部
３３磁路通過部
３３Ｃバックヨーク
３５、６３、７１永久磁石
７４、８１、８２、９１歯部
１００ディスク型ベアリングレスモータ

Claims

ロータと、
該ロータに対しギャップを隔てて配設され、ｘ軸方向とｙ軸方向について能動制御を行う巻線の捲回されたステータを有するベアリングレス電磁回転装置であって、
アキシャル方向の変位及びコニカル方向の変位を受動的に収束させるアキシャル・コニカル変位受動収束手段を備え、
該アキシャル・コニカル変位受動収束手段が、
前記ロータ若しくは前記ステータ側のいずれか一方に配設され、永久磁石により磁束を発生し、かつ該永久磁石より前記ギャップに向けて往路及び復路となる磁路の形成された磁束発生手段と、
前記ロータ若しくは前記ステータ側のいずれか他方に配設され、前記磁束発生手段で発生された磁束が前記往路を通り前記ギャップを越えて鉄心内を通過した後、再び該ギャップを越えて前記磁束発生手段の前記復路に戻る磁路通過手段とを有し、
前記磁束発生手段又は前記磁路通過手段が、前記ステータの外周に突出された電動機巻線又は径方向位置制御巻線のコイルエンドの側部に隣接して配設されたことを特徴とするベアリングレス電磁回転装置。
前記磁束発生手段及び前記磁路通過手段とが対となってアキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受が構成され、
該アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受が前記ロータの重心を挟んだ軸方向上側と下側とにそれぞれ配設されたことを特徴とする請求項１記載のベアリングレス電磁回転装置。
前記磁束発生手段は、軸方向に磁極を有する永久磁石と、
該永久磁石の各磁極に連設され、径方向に磁路を形成する２つの鉄心とを備え、前記磁路通過手段は、該各鉄心に対し前記ギャップを隔てて対峙する歯部と、
該歯部同士を連結するバックヨークとを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のベアリングレス電磁回転装置。
前記磁束発生手段と前記磁路通過手段とを結ぶ往路と復路の各磁路となる突設部には前記ロータ側及び前記ステータ側に前記ギャップに面して周状に溝が形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のベアリングレス電磁回転装置。
前記永久磁石が環状に連続若しくは分割して配設されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のベアリングレス電磁回転装置。
前記永久磁石に代えて、若しくは該永久磁石と同一の磁極を有するように電動機又は径方向位置制御の励磁磁束が適用されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のベアリングレス電磁回転装置。
前記磁束発生手段には、軸方向又は径方向に磁極を有する永久磁石又は電動機の励磁磁束を備え、
前記磁路通過手段による磁路は前記ロータ及び前記ステータを通ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のベアリングレス電磁回転装置。
前記ベアリングレス電磁回転装置が、ｘ軸方向とｙ軸方向についての二軸のみについて能動制御が行われる二軸制御のベアリングレス電磁回転装置であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のベアリングレス電磁回転装置。