JP6078874B2 - ベアリングレスモータ、回転機および非接触磁気力支持ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、回転子が磁気力を発生しながら回転するベアリングレスモータに関し、特に、軸方向に回転子の能動的な支持力が発生するラジアルギャップ型のベアリングレスモータ、ベアリングレスモータ、回転機および非接触磁気力支持ポンプに関する。

半導体製造工程などにおいて、高純度薬液、超純水といった汚れや刺激に弱い液体を扱う遠心ポンプには、多くの場合メカニカルシールが存在する。また、磁気カップリングを用いて、動力を羽根車に非接触で伝えるポンプにおいても、羽根車の支持には滑り軸受が使用されている。作動流体接触面で機械同士がすれ合う部分が存在するポンプは、粉塵の発生、摩擦熱による液質の変化等が問題となる。

そこで、電動機と磁気軸受の両機能を備えるベアリングレスモータを用いて回転子を非接触で支持、回転可能な磁気浮上ケミカルポンプの研究、開発が行われている（例えば、非特許文献１参照。）。

磁気浮上ポンプは、流体が回転子と固定子との間に入り込むため、両者を厚い樹脂隔壁で覆う必要がある。隔壁の厚さを十分確保するために、磁気浮上ポンプは、回転子と固定子との間の磁気的なギャップが広いことが望ましい。非特許文献１では回転子半径をｒ、磁気的なギャップをｇとしたとき、ｇ／ｒが０．１以上となるものを「ワイドギャップ」と定義している。

ベアリングレスモータにおいて回転子を磁気浮上させるには、回転子の回転方向θｚ以外の、径方向（ｘ，ｙ）、軸方向（以下、「回転軸方向」とも称する。）ｚ、傾き方向（θｘ，θｙ）の５つの自由度を、能動的もしくは受動的な磁気支持力により、安定させる必要がある。例えば、５自由度能動制御型ベアリングレスモータは、安定性や信頼性に優れる一方、三相インバータ３台、単相インバータ１台、変位センサ５個を回転子のトルク制御および支持力制御に要し、コスト面で不利である。コスト低減のため、２自由度能動制御型ベアリングレスモータ、さらには１自由度能動制御型ベアリングレスモータも提案されている（例えば、非特許文献２参照。）。

また、発明者らは、ｑ軸電流によりトルクを制御し、ｄ軸電流により軸方向支持力を制御し、径方向（ｘ，ｙ）、傾き方向（θｘ，θｙ）を受動的に支持し、三相インバータ１台のみで、回転子の非接触支持とトルク発生が可能なアキシャルギャップ型シングルドライブベアリングレスモータを既に提案している（例えば、非特許文献３参照。）。

ラジアルギャップ型のベアリングレスモータとして、単相インバータ２台で駆動可能なベアリングレスアキシャルフォース／トルクモータが提案されている（例えば、非特許文献４参照。）。

ベアリングレスアキシャルフォース／トルクモータを多相モータへ進展させる研究もおこなわれている（例えば、非特許文献５参照。）。

また、発明者らは、既に径方向及び傾き方向の４自由度をワイドギャップ反発受動型磁気軸受により受動的に支持し、軸方向の１自由度のみを能動的に制御する構造を提案している（例えば、非特許文献６参照。）。

Ｊ．アサマ（Ｊ．Ａｓａｍａ）、Ｍ．アマダ（Ｍ．Ａｍａｄａ）、Ｎ．タナベ（Ｎ．Ｔａｎａｂｅ）、Ｎ．ミヤモト（Ｎ．Ｍｉｙａｍｏｔｏ）、Ａ．チバ（Ａ．Ｃｈｉｂａ）、Ｓ．イワサキ（Ａ．Ｉｗａｓａｋi）、Ｍ．タケモト（Ｍ．Ｔａｋｅｍｏｔｏ）、Ｔ．フカオ（Ｔ．Ｆｕｋａｏ）、Ｍ．Ａ．ラーマン（Ｍ．Ａ．Ｒａｈｍａｎ）著、「ワイド磁気ギャップを有するベアリングレスＰＭモータの評価（Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ ＰＭ Ｍｏｔｏｒ Ｗｉｔｈ Ｗｉｄｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｇａｐｓ）」、（米国）、米国電気電子学会トランザクション（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ）、エネルギー変換（Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）、）、Ｖｏｌ．２５、Ｎｏ．４、ｐｐ９５７〜９６４、２０１０年１２月 Ｔ．オウジ（Ｔ．Ｏｈｊｉ）、Ｔ．カツダ（Ｔ．Ｋａｔｓｕｄａ）、Ｋ．アメイ（Ｋ．Ａｍｅｉ）、Ｍ．サクイ（Ｍ．Ｓａｋｕｉ）著、「表面貼付型磁石１軸制御反発型磁気ベアリングシステムの構造、ならびにおよびその浮上および回転の試験（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｏｎｅ−Ａｘｉｓ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｒｅｐｕｌｓｉｖｅ Ｔｙｐｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｗｉｔｈ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔｓ Ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｔｅｓｔｓ）」、（米国）、米国電気電子学会トランザクション（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ）、磁気学（Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ）、Ｖｏｌ．４７、Ｎｏ．１２、ｐｐ４７３４〜４７３９、２０１１年１２月 Ｊ．アサマ（Ｊ．Ａｓａｍａ）、Ｙ．ハマサキ（Ｙ．Ｈａｍａｓａｋｉ）、Ｔ．オオイワ（Ｔ．Ｏｉｗａ）、Ａ．チバ（Ａ．Ｃｈｉｂａ）著、「新規なシングルドライブベアリングレスモータの提案と解析（Ｐｒｏｐｏｓａｌ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ Ｎｏｖｅｌ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｄｒｉｖｅ Ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ Ｍｏｔｏｒ）」、（米国）、米国電気電子学会トランザクション（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ）、産業電気（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、Ｖｏｌ．６０、Ｎｏ．１、ｐｐ１２９〜１３８、２０１１年１２月 Ｗ．バウワー（Ｗ．Ｂａｕｅｒ）、Ｗ．アムライン（Ｗ．Ａｍｒｈｅｉｎ）著、「新規なベアリングレスモータコンセプトの設計とサイジングの関係（Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｉｚｉｎｇ ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ａ ｎｏｖｅｌ ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｃｅｐｔ」、（中国）、２０１１電気機械およびシステムに関する国際会議（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ （ＩＣＥＭＳ））、ｐｐ１〜６およびｐｐ２０〜２３、２０１１年８月 Ｗ．バウワー（Ｗ．Ｂａｕｅｒ）、Ｗ．アムライン（Ｗ．Ａｍｒｈｅｉｎ）著、「ベアリングレスアキシャルフォース／トルクモータに対するエア−コア巻線トポロジーの設計研究（Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ａｉｒ−Ｃｏｒｅ Ｗｉｎｄｉｎｇ Ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ Ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ Ａｘｉａｌ−Ｆｏｒｃｅ／Ｔｏｒｑｕｅ Ｍｏｔｏｒｓ）」、（米国）、分子生物学に対するインテリジェントシステム（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｉｏｌｏｇｙ（ＩＳＭＢ））、第２０回年次国際会議（２０ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）、ｐｐ１〜１７、２０１２年７月 齊田陽、杉元紘也、千葉明著、「ワイドギャップ反発受動型磁気軸受の設計」、電気学会平成２３年産業応用部門大会講演論文集、Ｖｏｌ．３、ｐｐ３６７〜３７２、２０１１年９月

上述のように、５自由度制御型ベアリングレスモータは、安定性や信頼性に優れる一方、三相インバータ３台、単相インバータ１台、変位センサ５個を要し、コスト面で不利である。コスト低減のため、非特許文献２に記載されているような制御の自由度の低いベアリングレスモータも提案されているが、非特許文献２に記載された技術であっても、回転用の三相インバータに加え、磁気浮上用インバータを１台必要とする。

また、非特許文献３に記載されたもの代表されるアキシャル型のシングルドライブベアリングレスモータは、磁気的なギャップｇと回転子半径ｒとの比率であるｇ／ｒの値がおよそ０．０２〜０．０５程度であり、ワイドギャップではない。上述のように、ベアリングレスモータを磁気浮上ポンプに用いる場合、隔壁の厚さを十分確保するために、回転子と固定子との間の磁気的なギャップが広いほど望ましいが、この要望を満たすことは難しい。

また、非特許文献４に記載された技術によれば、トルクリプルが大きい、特殊な始動方法が必要、インバータ１台での駆動が困難、などの欠点がある。

また、非特許文献５に記載されている技術によれば、トルクリプルは低減されているが、三相インバータ１台、もしくは単相インバータ２台以内では実現されていない。

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、回転子のトルク制御および支持力制御に要するインバータの台数が少なく、回転子と固定子の間にワイドギャップを有する、低コストのラジアルギャップ型のベアリングレスモータ、ベアリングレスモータ、回転機および非接触磁気力支持ポンプを提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明によれば、回転機は、回転軸から径方向あるいはパラレルに向いた磁束を発生する回転子と、回転子の径方向にギャップを隔てて回転子と対峙した固定子であって、回転子の径方向に沿った電流成分が流れる巻線が設けられた固定子と、を備え、回転子の径方向に沿った電流成分の全てもしくは一部により回転軸方向の力が発生して、上記力の反作用力として回転子の回転軸方向に作用する力が発生する。

上記固定子は、回転子の径方向に沿った電流成分、および回転子の回転軸方向に沿った電流成分が流れる巻線が設けられ、回転子の径方向に沿った電流成分のすべてもしくは一部により回転子に回転軸方向に作用する力が発生し、回転子の回転軸方向に沿った電流成分により、回転子の回転トルクとなる力が発生する。

回転子の径方向に沿った電流成分が流れる第１の巻線部分と、回転子の回転軸方向に沿った電流成分が流れる第２の巻線部分と、回転子の径方向に沿った電流成分および回転軸方向に沿った電流成分が流れる第３の巻線部分とのうち少なくとも２つ以上を備えるようにしてもよい。

また、第１の巻線部分に電流が流れ、当該電流により磁束を発生する鉄心が軸方向に構成され、鉄心端部もしくは中間部分に歯が構成され、回転子の発生する磁束の粗密によりマクスウェル力が発生し、ローレンツ力の反作用力とマクスウェル力との合成力として、回転子を回転軸方向に非接触に支持する支持力が発生するようにしてもよい。

また、第１の巻線部分は、少なくともギャップに面する側において、回転子の回転軸の方向に向けて略凸形状となるように巻かれるようにしてもよい。

また、第１の巻線部分は、少なくともギャップに面する側において、回転子の回転軸の方向の電流成分を有するよう角度をなして巻かれるようにしてもよい。

また、回転子の回転軸方向の中心は、第２の巻線部分の、回転子の回転軸方向の中心とはずれた位置にあるようにしてもよい。

また、回転子は永久磁石により励磁され、永久磁石とは極性が反対のさらなる永久磁石が設けられた回転子が回転軸方向に連結されるようにしてもよい。

また、上記回転機において、回転機の回転部分の段差がない円筒状であってもよい。

また、本発明によれば、ベアリングレスモータは、上記回転機に、主軸の回転軸方向の位置を検出するセンサを備え、センサの信号に基づいて、径方向電流成分を調整するコントローラを備え、径方向に受動的に支持する受動型磁気軸受を備え、非接触で磁気支持する。

また、上記ベアリングレスモータは、回転子は回転子に設置された永久磁石により励磁され、もしくは固定子に設置された永久磁石により励磁され、もしくは固定子に設置された巻線により励磁され、永久磁石型、誘導型、リラクタンス型、ホモポーラ型、もしくはコンシクエントポール型の回転子により励磁されるようにしてもよい。

また、上記ベアリングレスモータは、ｄ軸電流により軸方向力が制御され、ｑ軸電流によりトルクが制御され、１台のインバータで非接触磁気支持とトルク制御、もしくは回転速度制御もしくは回転位置制御が行われるようにしてもよい。

非接触磁気力支持ポンプは、上記ベアリングレスモータを備え、このベアリングレスモータに隔壁が設けられ、インペラーを構成してよい。

また、本発明によれば、回転子が回転軸方向に磁気浮上して非接触回転するベアリングレスモータは、回転軸から径方向に向いた磁束を発生するように配置された永久磁石が設けられた回転子と、回転子の径方向にギャップを隔てて回転子と対峙した固定子であって、回転子の径方向に沿った電流成分が流れる第１の巻線部分と、回転子の回転軸方向に沿った電流成分が流れる第２の巻線部分と、を有する巻線が設けられた固定子と、を備え、電流が流れる第１の巻線部分に、永久磁石により発生した磁束が鎖交することにより第１のローレンツ力が発生して、第１のローレンツ力の反作用力として回転子を回転軸方向に非接触に支持する支持力が発生し、電流が流れる第２の巻線部分に、永久磁石により発生した磁束が鎖交することにより、回転子の回転トルクとなる第２のローレンツ力が発生する。

上記ベアリングレスモータにおいて、第１の巻線部分に電流が流れることにより発生する磁束と永久磁石により発生した磁束とにより発生する磁束の粗密によりマクスウェル力が発生し、第１のローレンツ力の反作用力とマクスウェル力との合成力として、回転子を回転軸方向に非接触に支持する支持力が発生するようにしてもよい。

また、上記ベアリングレスモータにおいて、第１の巻線部分は、少なくとも回転子と固定子との間のギャップに面する側において、回転子の回転軸の方向に向けて略凸形状となるように設けられるようにしてもよい。

また、上記ベアリングレスモータにおいて、第１の巻線部分は、少なくとも回転子と固定子との間のギャップに面する側において、回転子の回転軸の方向に角度をなして設けられるようにしてもよい。

また、上記ベアリングレスモータにおいて、永久磁石の、回転子の回転軸方向の中心は、第２の巻線部分の、回転子の回転軸方向の中心とはずれた位置にあり、片側のコイルエンドには磁束が鎖交しないよう回転子を配置してもよい。

また、上記ベアリングレスモータにおいて、永久磁石が設けられた回転子に、永久磁石とは極性が反対のさらなる永久磁石が設けられた回転子が回転軸方向に連結される構成としてもよい。

本発明によれば、回転子のトルク制御および支持力制御に要するインバータの台数が少なく、回転子と固定子の間にワイドギャップを有する、低コストのラジアルギャップ型のベアリングレスモータを実現することができる。本発明によれば、回転子半径をｒ、磁気的なギャップをｇとしたとき、ｇ／ｒが０．１以上となるワイドギャップのラジアルギャップ型ベアリングレスモータを実現することができる。また、１台の三相インバータでベアリングレスモータの回転子の軸方向位置の能動制御と回転制御とを実現することができるので、低コストである。なお、本発明は、ワイドギャップではないベアリングレスモータにも適用することができる。

本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける１相分の巻線構造を説明する図であって、（ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみた断面図であり、（ｂ）は−ｙ方向からみた側面図であり、（ｃ）は−ｘ方向からみた側面図である。 本願図面において示される巻線電流の向き、力の向き、永久磁石による磁束の向き、および電磁石による磁束の向きを示す図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータ全体の巻線構造を示す図であって、（ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみた断面図であり、（ｂ）はＵ−Ｕ’相についての分解斜視図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける、回転子の軸方向の支持力の発生原理を説明する図であって、（ａ）はローレンツ力の発生原理を示す＋ｘ軸方向からみた断面図であり、（ｂ）はマクスウェル力の発生原理を示す＋ｘ軸方向からみた断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの制御ブロック図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける、回転子の位相θが０のときにおけるｄ軸電流による支持力発生原理を説明する図であって、（ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみた断面図であり、（ｂ）は＋ｘ軸方向からみたＵ−Ｕ’断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける、回転子の位相θが０度のときにおけるｑ軸電流による支持力の相殺原理を説明する図であって、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみた断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける、回転子の位相θが０度のときにおけるｑ軸電流による支持力の相殺原理を説明する図であって、（ａ）は図７のＶ−Ｖ’断面図であり、（ｂ）は図７のＷ−Ｗ’断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける、回転子の位相θが３０度のときにおけるｄ軸電流による支持力発生原理を説明する図であって、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみた断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける、回転子の位相θが３０度のときにおけるｄ軸電流による支持力発生原理を説明する図であって、（ａ）は図９のＵ−Ｕ’断面図であり、（ｂ）は図９のＷ−Ｗ’断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける、回転子の位相θが３０度のときにおけるｑ軸電流による支持力の相殺原理を説明する図であって、（ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみた断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＶ−Ｖ’断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおいて回転子の位相回転子の位相θが０度のときにおける、回転子のトルクの発生原理を説明する図であって、（ａ）はｄ軸電流によるローレンツ力の発生原理を示す＋ｚ軸方向からみた断面図であり、（ｂ）はｑ軸電流によるローレンツ力の発生原理を示す＋ｚ軸方向からみた断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおいて回転子の位相回転子の位相θが３０度のときにおける、回転子のトルクの発生原理を説明する図であって、（ａ）はｄ軸電流によるローレンツ力の発生原理を示す＋ｚ軸方向からみた断面図であり、（ｂ）はｑ軸電流によるローレンツ力の発生原理を示す＋ｚ軸方向からみた断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータ１の試作機の構造を示す断面図である。 図１４に示す試作機のｄ軸電流による回転子の軸方向の支持力の発生の検証結果を説明する図である。 図１４に示す試作機の回転子の変位ｚの実験結果を示す図である。 図１４に示す試作機の回転子が７００ｒｐｍで浮上回転しているときの回転子の変位ｚの実験結果を示す図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータをケミカルポンプに適用した例を示す断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータを冷却用ファンに適用した例を示す断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータをアクチュエータに適用した例を示す断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの周方向成分電流を発生させる巻線を分布巻にした第１の具体例を示す断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのｚ軸方向成分電流を発生させる巻線を集中巻にした第１の具体例を示す断面図であって、（ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ方向）からみた断面図であり、（ｂ）は＋ｘ方向からみた断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのｚ軸方向成分電流を発生させる巻線を分布巻にした第１の具体例を示す断面図であって、（ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ方向）からみた断面図であり、（ｂ）は＋ｘ方向からみた断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのｚ軸方向成分電流を発生させる巻線を集中巻にした第２の具体例を示す断面図であって、＋ｘ方向からみた断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのｚ軸方向成分電流を発生させる巻線を集中巻にした第２の具体例を示す断面図であって、（ａ）は図２４のａ−ａ’断面図であり、（ｂ）は図２４のｂ−ｂ’断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのｚ軸方向成分電流を発生させる巻線をトロイダル巻にした第１の具体例を示す断面図であって、＋ｘ方向からみた断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのｚ軸方向成分電流を発生させる巻線をトロイダル巻にした第１の具体例を示す断面図であって、（ａ）は図２６のａ−ａ’断面図であり、（ｂ）は図２６のｂ−ｂ’断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの巻線を集中巻にした第３の具体例を示す断面図であって、＋ｘ方向からみた断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのｚ軸方向成分電流を発生させる巻線を集中巻にした第３の具体例を示す断面図であって、（ａ）は図２８のａ−ａ’断面図であり、（ｂ）は図２８のｂ−ｂ’断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの、１歯当たりの鉄心を２つに分けて構成した場合を説明する図であって、（ａ）は＋ｚ方向からみた断面図であり、（ｂ）は−ｙ方向からみた鉄心および巻線の側面図であり、（ｃ）は図１を参照して説明した例のＵ相の鉄心および巻線の側面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの、巻線の巻き方のさらなる変形例を説明する図であって、（ａ）は−ｙ方向からみた鉄心および巻線の側面図であり、（ｂ）は−ｘ方向からみた鉄心および巻線の側面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの、巻線の巻き方のさらなる変形例を説明する図であって、（ａ）は＋ｚ方向からみた断面図であり、（ｂ）は−ｙ方向からみた鉄心および巻線の側面図であり、（ｃ）は−ｘ方向からみた鉄心および巻線の側面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの鉄心の形状を説明する図であって、（ａ）は＋ｚ方向からみた断面図であり、（ｂ）は−ｙ方向からみた鉄心および巻線の側面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの回転子の形状を説明する図であって、（ａ）は埋込磁石内蔵型の回転子を示し、（ｂ）は表面磁石型の回転子を示す図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの回転子の形状を説明する断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの固定子のスロット数を説明する断面図である。 本発明の第２の実施例における１相分の巻線構造を説明する図であって、（ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみた断面図であり、（ｂ）は分解斜視図である。 本発明の第３の実施例における１相分の巻線構造を説明する図であって、（ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみた断面図であり、（ｂ）は分解斜視図である。 本発明の第２および３の実施例におけるコイルエンドの巻き数の制限について説明する図であって、（ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみた断面図であり、（ｂ）は分解斜視図である。

本発明の第１〜第３の実施例における回転機は、回転軸から径方向あるいはパラレルに向いた磁束を発生する回転子と、回転子の径方向にギャップを隔てて回転子と対峙した固定子であって、回転子の径方向に沿った電流成分が流れる巻線が設けられた固定子と、を備え、回転子の径方向に沿った電流成分の全てもしくは一部により回転軸方向の力が発生して、上記力の反作用力として回転子の回転軸方向に作用する力が発生する。

上記固定子は、回転子の径方向に沿った電流成分、および回転子の回転軸方向に沿った電流成分が流れる巻線が設けられ、回転子の径方向に沿った電流成分のすべてもしくは一部により回転子に回転軸方向に作用する力が発生し、回転子の回転軸方向に沿った電流成分により、回転子の回転トルクとなる力が発生する。

回転子の径方向に沿った電流成分が流れる第１の巻線部分と、回転子の回転軸方向に沿った電流成分が流れる第２の巻線部分と、回転子の径方向に沿った電流成分および回転軸方向に沿った電流成分が流れる第３の巻線部分とのうち少なくとも２つ以上を備えるようにしてもよい。

また、第１の巻線部分に電流が流れ、当該電流により磁束を発生する鉄心が軸方向に構成され、鉄心端部もしくは中間部分に歯が構成され、回転子の発生する磁束の粗密によりマクスウェル力が発生し、ローレンツ力の反作用力とマクスウェル力との合成力として、回転子を回転軸方向に非接触に支持する支持力が発生するようにしてもよい。

また、第１の巻線部分は、少なくともギャップに面する側において、回転子の回転軸の方向に向けて略凸形状となるように巻かれるようにしてもよい。

また、第１の巻線部分は、少なくともギャップに面する側において、回転子の回転軸の方向の電流成分を有するよう角度をなして巻かれるようにしてもよい。

また、回転子の回転軸方向の中心は、第２の巻線部分の、回転子の回転軸方向の中心とはずれた位置にあるようにしてもよい。

また、回転子は永久磁石により励磁され、永久磁石とは極性が反対のさらなる永久磁石が設けられた回転子が回転軸方向に連結されるようにしてもよい。

また、上記回転機において、回転機の回転部分の段差がない円筒状であってもよい。

また、後述するベアリングレスモータは、上記回転機に、主軸の回転軸方向の位置を検出するセンサを備え、センサの信号に基づいて、径方向電流成分を調整するコントローラを備え、径方向に受動的に支持する受動型磁気軸受を備え、非接触で磁気支持する。

このベアリングレスモータは、回転子は回転子に設置された永久磁石により励磁され、もしくは固定子に設置された永久磁石により励磁され、もしくは固定子に設置された巻線により励磁され、永久磁石型、誘導型、リラクタンス型、ホモポーラ型、もしくはコンシクエントポール型の回転子により励磁されるようにしてもよい。

このベアリングレスモータは、ｄ軸電流により軸方向力が制御され、ｑ軸電流によりトルクが制御され、１台のインバータで非接触磁気支持とトルク制御、もしくは回転速度制御もしくは回転位置制御が行われるようにしてもよい。

また、後述する非接触磁気力支持ポンプは、上記ベアリングレスモータを備え、このベアリングレスモータに隔壁が設けられ、インペラーを構成してよい。

以下、図面を参照して、本発明の第１〜第３の実施例によるベアリングレスモータについて説明する。

図１は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける１相分の巻線構造を説明する図であって、（ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみた断面図であり、（ｂ）は−ｙ方向からみた側面図であり、（ｃ）は−ｘ方向からみた側面図である。これ以降、ベアリングレスモータの回転子の回転軸１４の方向をｚ方向とする。また、図２は、本願図面において示される巻線電流の向き、力の向き、永久磁石による磁束の向き、および電磁石による磁束の向きを示す図である。本願図面において、巻線電流の向きについては、紙面の裏側から表側に貫く向きを丸印に黒点を付したもので示し、紙面の表側から裏側に貫く向きを丸印に×印を付したもので示す。また、力の向きについては、紙面の裏側から表側に貫く向きを四角印に黒点を付したもので示し、紙面の表側から裏側に貫く向きを四角印に×印を付したもので示す。また、永久磁石により発生する磁束の向きについては破線の矢印で示し、電磁石により発生する磁束の向きについては一点鎖線の矢印で示す。

第１の実施例によるベアリングレスモータは、インナーロータ型であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、アウターロータ型のものであってもよい。アウターロータ型の場合については後述する。また、第１の実施例によるベアリングレスモータは、回転子の表面に永久磁石を貼り付けた表面磁石（ＳＰＭ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｔ Ｍａｇｎｅｔ）型のモータとするが、本発明はこれに限定されるものではなく、回転子の内部に永久磁石を埋め込んだ埋込磁石内蔵型（ＩＰＭ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｔ Ｍａｇｎｅｔ）型、ホモポーラ型、ランデル型、櫛形、インセット型、リラクタンス型、スイッチトリラクタンス（ＳＲ）型、ハイブリッド型、誘導機型、界磁巻線型、コンシクエント型、などその他のモータであってもよい。

図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、固定子側の巻線１２は、鉄心１１の周りをバームクーヘン状に旋回するように巻かれ、特に永久磁石１３を有する回転子に対向する側（すなわち回転子と固定子との間のギャップに面する側）には、回転軸１４の方向（＋ｚ方向）に向けて凸となるように巻かれる。より具体的にいうと次の通りである。図１（ａ）は＋ｚ方向からみたｘｙ平面を示しているが、ギャップ付近において巻線１２が軸方向（＋ｚ方向）に向けて凸となるように巻かれると、図示のようにバームクーヘン状に巻かれた巻線１２を時計回りに電流が流れる場合には、鉄心１１のギャップに面する側（以下、単に「ギャップ側」とも称する。）に設けられる巻線部分では電流は紙面裏側から表側へ貫く向きに流れた後に紙面表側から裏側へ貫く向きに電流が流れる。図１（ｂ）は−ｙ方向からみた（すなわちギャップ側から鉄心１２の方向を見た）ｘｚ平面を示しているが、ギャップ側に設けられる巻線部分は＋ｚ方向に向けて凸になっている。図１（ｃ）は−ｘ方向から見た（すなわち図１（ａ）において紙面左側から右側をみた）ｙｚ平面を示しているが、ギャップ側に設けられる巻線部分は＋ｚ方向に向けて凸になっている。なお、本発明の第１実施例ならびに後述する第２および第３の実施例では、鉄心を設けたが、鉄心は必ずしも必要ではなく、コアレス構造としてもよい。

このような鉄心１１の周りをバームクーヘン状に旋回するように巻かれ、特にギャップ側においては軸方向（＋ｚ方向）に向けて凸となるように巻かれる巻線１２に、図１（ａ）に示す実線矢印の向きに電流が流れると、ギャップ側において軸方向（＋ｚ方向）に向けて凸になるように成形された巻線部分に流れる電流は、回転子の軸方向に沿って流れる電流成分（すなわちｚ方向に流れる電流成分）であるｉ_t（以下、「ｚ軸方向成分電流」と称する。）と、回転子の軸の周りを流れる電流成分（すなわちｘｙ平面上を流れる電流成分）であるｉ_z（以下、「周方向成分電流」と称する。）とに分解できる。後述するように、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおいては、回転子の軸方向の支持力は周方向成分電流ｉ_zを制御することにより発生し、回転子のトルクはｚ軸方向成分電流ｉ_t制御することにより発生する。すなわち、本発明の第１の実施例においては、鉄心１１に巻かれる巻線１２について、特にギャップ側においては軸方向（＋ｚ方向）に向けて凸となるように巻くことによって、回転子の軸方向の支持力に起因する周方向成分電流ｉ_zと、回転子のトルクに起因するｚ軸方向成分電流ｉ_tとを生み出している。

なお、本発明の第１の実施例では、上述した巻線１２が巻かれる鉄心１１は、その両端に、ギャップに面する側に凸となる突起部（以下、「鉄心突起部」と称する。）１１Ｔを有する。詳細については後述するが、鉄心１１の両端に鉄心突起部１１Ｔを設けることにより、回転子の軸方向の支持力が増す。

図３は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータ全体の巻線構造を示す図であって、（ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみた断面図であり、（ｂ）はＵ−Ｕ’相についての分解斜視図である。

図示の例では、図３（ａ）に示すように、ｘｙ平面において、＋ｙ方向をα軸の＋方向とし−ｘ方向をβ軸の＋方向とした静止座標系のαβ座標平面を定義する。α軸およびβ軸から反時計回りに進んだ位置をそれぞれｄ軸およびｑ軸とする。また、回転座標系であるｄｑ座標平面の位相（すなわちα軸に対するｄ軸の位相）をθで表す。

本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータは三相モータであるので、図３（ａ）に示すように、図１に示した巻線１２を巻回した鉄心１１が、円周状に６個配置され、したがって巻線群も６個設けられる。ここでは、Ｕ相の巻線１２を＋α軸方向に配置している。このとき、Ｕ相、Ｕ’相、Ｖ相、Ｖ’相、Ｗ相、Ｗ’相における各巻線１２は、ギャップ側において、＋ｚ方向に向けて凸となるようにそれぞれ成形される。図３（ａ）のｘｙ平面に示すように、z軸方向成分電流ｉ_tは、いわゆる６スロット集中巻の巻線構造と同等の電流成分が生じるため、ｑ軸電流を流すことによりトルクが発生する。図３（ａ）のｘｙ平面に示すＵ相およびＵ’相の、ギャップ側の巻線１２における周方向成分電流ｉ_zは、図２（ｂ）の斜視図では、紙面表側から裏側に流れる電流として表現できる。

次に、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける、回転子の軸方向の支持力の発生原理を説明する。図４は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける、回転子の軸方向の支持力の発生原理を説明する図であって、（ａ）はローレンツ力の発生原理を示す＋ｘ軸方向からみた断面図であり、（ｂ）はマクスウェル力の発生原理を示す＋ｘ軸方向からみた断面図である。
ここでは、Ｕ−Ｕ’相の巻線１２において、図示したような向きに電流が流れた場合を考える。

図４（ａ）に示すように、回転子の軸１４の表面に設けられた永久磁石１３により発生する磁束（図中、破線の矢印で示す。）と周方向成分電流ｉ_zとの相互作用により、−ｚ方向にローレンツ力Ｆｌが発生する。この結果、固定子側に発生したローレンツ力Ｆｌの反作用として回転子には＋ｚ方向に支持力Ｆｃが発生することになる。永久磁石１３による磁束は鉄心１１により遮断されることから、鉄心１１より径方向外側にある巻線部分には、永久磁石１３による磁束が鎖交せず、したがってローレンツ力は発生しない。

図４（ｂ）に示すように、巻線１２に図示の向きに電流が流れると、鉄心１１は、その右端がＮ極、左端がＳ極の電磁石となる。この電磁石により発生する磁束（図中、一点鎖線の矢印で示す。）は鉄心１１中を＋ｚ方向から−ｚ方向に貫き、鉄心１１の右端（−ｚ方向側にある端部）から出て径方向外側と径方向内側をループを描きながら＋ｚ方向に向かい、鉄心１１の左端（＋ｚ方向側にある端部）に流入する。ここで、鉄心１１は、その両端に設けられる鉄心突起部１１Ｔにより鉄心１１中の字路がギャップ側に拡張され、径方向外側を通る磁束に比べ、径方向内側を通る磁束が増加する。回転子の軸の表面に設けられた永久磁石１１の左右両端部分では、永久磁石１１のＮ極からＳ極に流入する磁束により軸方向の磁束成分が生じており、左端の鉄心突起部１１Ｔの近傍の領域では巻線１２に電流が流れることにより鉄心１１が電磁石になることにより発生する磁束と永久磁石１３による磁束のベクトルが略同一方向になり、磁束が密（図中、Ａｄ）となる一方で、右端の鉄心突起部１１Ｔの近傍の領域ではそれぞれの磁束のベクトルが略反対方向になり磁束が疎（図中、Ａｓ）になる。このように磁束の疎密差から、回転子には＋ｚ方向にマクスウェル力Ｆｍが生じる。このように、回転子の永久磁石１３上のｄ軸が対向する位置に存在する巻線１２に流れる電流（ｄ軸電流）により、ローレンツ力Ｆｌおよびマクスウェル力Ｆｍともに同じ向き＋ｚ方向に発生することで、＋ｚ方向に回転子の軸方向の支持力Ｆｃが発生する。

図５は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの制御ブロック図である。本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータ１においては、回転子の軸方向の支持力は周方向成分電流ｉ_zを制御することにより発生し、回転子のトルクはｚ軸方向成分電流ｉ_tを制御することにより発生する。ベアリングレスモータ１は、ｑ軸電流により回転子の回転トルクのみが発生し、ｄ軸電流により回転子の軸方向の支持力のみが発生する構造であるが、１台の三相インバータＢ９でベアリングレスモータ１の回転子の軸方向位置の能動制御と回転制御とを低コストで実現する。

制御装置１００において、回転子の軸方向の支持力発生制御として、軸方向位置の指令値ｚ^*と、ベアリングレスモータ１の回転子の軸方向の検出変位ｚとから比較器Ｂ１で偏差を計算し、ＰＩＤ制御部Ｂ２でＰＩＤ制御を行い、ｄ軸電流指令値ｉ_d ^*を作成する。また、ベアリングレスモータ１の回転子の回転駆動制御として、ｑ軸電流指令値ｉ_q ^*を指令する。

ｄｑ座標系と三相座標系との変換式は式１で表される。

比較器Ｂ３においてｄ軸電流指令値ｉ_d ^*とｄ軸電流検出値ｉ_dとの偏差が計算され、ＰＩ制御部Ｂ４でＰＩ制御が行われ、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*が作成される。また、比較器Ｂ５においてｑ軸電流指令値ｉ_q ^*とｑ軸電流検出値ｉ_qとの偏差が計算され、ＰＩ制御部Ｂ６でＰＩ制御が行われ、ｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*が作成される。

ｄｑ−αβ変換部Ｂ７は、ベアリングレスモータ１の回転子の位相角θを用いてｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*およびｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*をｄｑ−αβ変換してα軸電圧指令値Ｖ_α ^*およびβ軸電圧指令値Ｖ_β ^*を出力する。

ｄｑ−αβ変換部Ｂ７は、ベアリングレスモータ１の回転子の位相角θを用いてｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*およびｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*をｄｑ−αβ変換してα軸電圧指令値Ｖ_α ^*およびβ軸電圧指令値Ｖ_β ^*を出力する。

αβ−三相変換部Ｂ８は、α軸電圧指令値Ｖ_α ^*およびβ軸電圧指令値Ｖ_β ^*をαβ−三相変換してｕｖｗ各相の電圧指令値Ｖ_u ^*、Ｖ_v ^*およびＶ_w ^*を出力する。

ｕｖｗ各相の電圧指令値Ｖ_u ^*、Ｖ_v ^*およびＶ_w ^*は三相インバータＢ９に入力され、三相インバータＢ９はこれに従って、ベアリングレスモータ１に駆動電圧を印加し、これにより、ベアリングレスモータ１の巻線１２に三相電流ｉ_u、ｉ_vおよびｉ_wが流れる。

三相インバータＢ９からベアリングレスモータ１の巻線１２に流れる三相電流ｉ_u、ｉ_vおよびｉ_wは検出されてフィードバックされる。三相−αβ変換部Ｂ１０は、検出された三相電流ｉ_u、ｉ_vおよびｉ_wを三相−αβ変換して回転子の軸方向の支持力に起因する周方向成分電流ｉ_zと、回転子のトルクに起因するｚ軸方向成分電流ｉ_tとを出力する。

αβ−ｄｑ変換部Ｂ１１は、ベアリングレスモータ１の回転子の位相角θを用いて周方向成分電流ｉ_zおよびｚ軸方向成分電流ｉ_tをαβ−ｄｑ変換してｄ軸電流検出値ｉ_dとｑ軸電流検出値ｉ_qとを出力する。

本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおいては、回転子の軸方向の支持力は、ｑ軸電流ではなくｄ軸電流により発生する。これについて、回転子の位相θが０度の場合は図６〜図８を、回転子の位相θが３０度の場合は図９〜図１１を、それぞれ用いて説明する。図６は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける、回転子の位相θが０のときにおけるｄ軸電流による支持力発生原理を説明する図であって、（ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみた断面図であり、（ｂ）は＋ｘ軸方向からみたＵ−Ｕ’断面図である。回転子の軸１４の表面に設けられた永久磁石１３のＮ極は＋ｙ軸方向（Ｕ相の方向）にあり、Ｓ極は−ｙ軸方向（Ｕ’相の方向）にある場合、回転子の位相θは「０度」であるとする。このとき、ｄ軸電流を流すとＵ−Ｕ‘相の巻線１２の電流は最大になる。

図６（ａ）に示すように、回転子の軸１４の表面に設けられた永久磁石１３により発生する磁束（図中、破線の矢印で示す。）と周方向成分電流ｉ_zとの相互作用により、Ｕ−Ｕ’相の巻線１２において−ｚ方向にローレンツ力Ｆｌが発生する。永久磁石１３による磁束は鉄心１１により遮断されることから、鉄心１１より径方向外側にある巻線部分には、永久磁石１３による磁束が鎖交せず、したがってローレンツ力は発生しない。

また、図６（ｂ）に示すように、巻線１２に図示の向きに電流が流れると、鉄心１１は、その右端がＮ極、左端がＳ極の電磁石となる。この電磁石により発生する磁束（図中、一点鎖線の矢印で示す。）は鉄心１１中を＋ｚ方向から−ｚ方向に貫き、鉄心１１の右端（−ｚ方向側にある端部）から出て径方向外側と径方向内側をループを描きながら＋ｚ方向に向かい、鉄心１１の左端（＋ｚ方向側にある端部）に流入する。ここで、鉄心１１は、その両端に設けられる鉄心突起部１１Ｔにより鉄心１１中の字路がギャップ側に拡張され、径方向外側を通る磁束に比べ、径方向内側を通る磁束が増加する。回転子の軸の表面に設けられた永久磁石１１の左右両端部分では、永久磁石１１のＮ極からＳ極に流入する磁束により軸方向の磁束成分が生じており、左端の鉄心突起部１１Ｔの近傍の領域では巻線１２に電流が流れることにより鉄心１１が電磁石になることにより発生する磁束と永久磁石１３による磁束のベクトルが略同一方向になりで磁束が密（図中、Ａｄ）となる一方で、右端の鉄心突起部１１Ｔの近傍の領域ではそれぞれの磁束のベクトルが略反対方向になり磁束が疎（図中、Ａｓ）になる。このように磁束の疎密差から、回転子には＋ｚ方向にマクスウェル力Ｆｍが生じる。

このように、回転子の永久磁石１３上のｄ軸が対向する位置に存在するＵ−Ｕ’相の巻線１２に正の電流がｄ軸電流として流れることにより、ローレンツ力Ｆｌの反作用力Ｆｃとマクスウェル力Ｆｍとがともに同じ向きに発生することで、＋ｚ軸方向にこれらの力を併せた回転子の軸方向の支持力が発生する。

図７は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける、回転子の位相θが０度のときにおけるｑ軸電流による支持力の相殺原理を説明する図であって、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみた断面図である。また、図８は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける、回転子の位相θが０度のときにおけるｑ軸電流による支持力の相殺原理を説明する図であって、（ａ）は図７のＶ−Ｖ’断面図であり、（ｂ）は図７のＷ−Ｗ’断面図である。図７および図８に示すように、Ｖ−Ｖ’相の巻線１２に負の電流、Ｗ−Ｗ’相の巻線１２に正の電流がそれぞれ流れるとする。回転子の位相θが０度の場合、ｑ軸電流ｉ_qは式２で表わされる。

図７に示すように、Ｖ−Ｖ’相の巻線１２に負の電流、Ｗ−Ｗ’相の巻線１２に正の電流がそれぞれ流れることにより、Ｖ−Ｖ’相の巻線１２には＋ｚ方向に、Ｗ−Ｗ’相の巻線１２には−ｚ方向に、それぞれ回転子の軸方向のローレンツ力Ｆｌが働く。これら全てのローレンツ力Ｆｌを足し合わせると力は相殺し、回転子の軸の方向に働く力は無くなる。

図８（ａ）に示すようにＶ−Ｖ’相の巻線１２には負の電流が、図８（ｂ）に示すようにＷ−Ｗ’相の巻線１２には正の電流がそれぞれ流れることにより、鉄心１１の両端の鉄心突起部１１Ｔの各領域に磁束の疎密（図中、Ａｓ、Ａｄ）が発生し、Ｖ−Ｖ’相の回転子の軸１４には−ｚ方向に、Ｗ−Ｗ’相 の回転子の軸１４には＋ｚ方向に、それぞれマクスウェル力Ｆｍが働く。これら全てのマクスウェル力Ｆｍを足し合わせると力は相殺し、回転子の軸の方向に働く力は無くなる。

図９は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける、回転子の位相θが３０度のときにおけるｄ軸電流による支持力発生原理を説明する図であって、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみた断面図である。図１０は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける、回転子の位相θが３０度のときにおけるｄ軸電流による支持力発生原理を説明する図であって、（ａ）は図９のＵ−Ｕ’断面図であり、（ｂ）は図９のＷ−Ｗ’断面図である。回転子の軸１４の表面に設けられた永久磁石１３のＮ極は＋ｙ軸方向（Ｕ相の方向）から３０度反時計回りの位置にあり、Ｓ極は−ｙ軸方向（Ｕ’相の方向）から３０度反時計回りの位置にある場合、すなわち回転子の位相θが「３０度」である場合、ｄ軸電流ｉ_dは式３で表わされる。

図９に示すように、回転子の軸１４の表面に設けられた永久磁石１３により発生する磁束（図中、破線の矢印で示す。）と周方向成分電流ｉ_zとの相互作用により、Ｕ−Ｕ’相およびＷ−Ｗ’相の各巻線１２において−ｚ方向にローレンツ力Ｆｌが発生する。永久磁石１３による磁束は鉄心１１により遮断されることから、鉄心１１より径方向外側にある巻線部分には、永久磁石１３による磁束が鎖交せず、したがってローレンツ力は発生しない。

また、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、Ｕ−Ｕ’相およびＷ−Ｗ’相の各巻線１２に図示の向きに電流が流れると、鉄心１１は、その右端がＮ極、左端がＳ極の電磁石となる。この結果、各鉄心１１の両端の鉄心突起部１１Ｔの各領域に磁束の疎密（図中、Ａｓ、Ａｄ）が発生し、回転子には図９の＋ｚ方向にマクスウェル力Ｆｍが生じる。

このように、回転子が位相３０度の位置にある場合はＵ−Ｕ’相およびＷ−Ｗ’相の各巻線１２にｄ軸電流ｉ_dが流れることにより、ローレンツ力Ｆｌの反作用力Ｆｃとマクスウェル力Ｆｍとがともに同じ向きに発生することで、＋ｚ軸方向にこれらの力を併せた回転子の軸方向の支持力が発生する。

図１１は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける、回転子の位相θが３０度のときにおけるｑ軸電流による支持力の相殺原理を説明する図であって、（ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみた断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＶ−Ｖ’断面図である。図１０に示すように、Ｖ−Ｖ’相の巻線１２に正の電流が流れるとする。回転子の位相θが３０度の場合、ｑ軸電流ｉ_qは式４で表わされる。

図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、Ｖ−Ｖ’相の巻線１２にｉ_q軸電流が流れてもローレンツ力マクスウェル力ともに発生しない。

以上、図６〜図１１を用いて説明したように、回転子の軸方向の支持力は、ｑ軸電流ではなくｄ軸電流により発生する。

次に、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける回転子のトルクの発生原理を説明する。これについて、回転子の位相θが０度の場合は図１２を、回転子の位相θが３０度の場合は図１３を、それぞれ用いて説明する。

図１２は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおいて回転子の位相回転子の位相θが０度のときにおける、回転子のトルクの発生原理を説明する図であって、（ａ）はｄ軸電流によるローレンツ力の発生原理を示す＋ｚ軸方向からみた断面図であり、（ｂ）はｑ軸電流によるローレンツ力の発生原理を示す＋ｚ軸方向からみた断面図である。ここでは、Ｕ−Ｕ’相の巻線１２において、図示したような向きに電流が流れた場合を考える。回転子の位相θが０度の場合、ｄ軸電流ｉ_dは式５で表わされ、ｑ軸電流ｉ_qは式６で表わされるとする。

図１２（ａ）に示すように、ｄ軸電流ｉ_dを流すことによってＵ−Ｕ’相の巻線１２に電流が流れるが、巻線１２はギャップ側においては軸方向（＋ｚ方向）に向けて凸となるように成形されているので、＋ｚ軸方向に流れるz軸方向成分電流ｉ_tと−ｚ軸方向に流れるz軸方向成分電流ｉ_tとが発生する。発生したz軸方向成分電流ｉ_tは永久磁石１３により発生する磁束と鎖交し、回転子の回転方向のローレンツ力Ｆｌが生じる。例えばＵ相の巻線１２において、＋ｚ軸方向に流れるz軸方向成分電流ｉ_tにより発生するローレンツ力Ｆｌは反時計回りの向きであり、−ｚ軸方向に流れるz軸方向成分電流ｉ_tにより発生するローレンツ力Ｆｌは時計回りの向きである。Ｕ’相の巻線１２についても同様のことがいえる。したがって、全てのローレンツ力Ｆｌを足し合わせると、回転方向の力はゼロになるため、回転子に働く反作用力は発生しない。

図１２（ｂ）に示すように、ｑ軸電流ｉ_qを流すことによってＶ−Ｖ’相およびＷ−Ｗ’相の各巻線１２に電流が流れるが、巻線１２はギャップ側においては軸方向（＋ｚ方向）に向けて凸となるように成形されているので、＋ｚ軸方向に流れるz軸方向成分電流ｉ_tと−ｚ軸方向に流れるz軸方向成分電流ｉ_tとが発生する。式６よりＶ−Ｖ’相の巻線１２には負の電流が、Ｗ−Ｗ’相には正の電流がそれぞれ流れる。Ｖ−Ｖ’相およびＷ−Ｗ’相の各巻線１２には、永久磁石による磁束がz軸方向成分電流ｉ_zに鎖交することにより、それぞれの電流と磁束の向きから、図１２（ｂ）に示すような径方向成分と回転方向成分とを有するローレンツ力Ｆｌが生じる。全てのローレンツ力Ｆｌを足し合わせると、径方向成分の力はゼロになり、回転方向成分は時計回りのローレンツ力が生じる。回転子には反作用力が働き、反時計回りのトルクＴが発生する。

図１３は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおいて回転子の位相回転子の位相θが３０度のときにおける、回転子のトルクの発生原理を説明する図であって、（ａ）はｄ軸電流によるローレンツ力の発生原理を示す＋ｚ軸方向からみた断面図であり、（ｂ）はｑ軸電流によるローレンツ力の発生原理を示す＋ｚ軸方向からみた断面図である。ここでは、Ｕ−Ｕ’相およびＷ−Ｗ’相の巻線１２において、図示したような向きに電流が流れた場合を考える。回転子の位相θが３０度の場合、ｄ軸電流ｉ_dは式７で表わされ、ｑ軸電流ｉ_qは式８で表わされるとする。

図１３（ａ）に示すように、ｄ軸電流ｉ_dを流すことによってＵ−Ｕ’相およびＷ−Ｗ’相の各巻線１２に電流が流れるが、巻線１２はギャップ側においては軸方向（＋ｚ方向）に向けて凸となるように成形されているので、＋ｚ軸方向に流れるz軸方向成分電流ｉ_tと−ｚ軸方向に流れるz軸方向成分電流ｉ_tとが発生する。巻線１２はギャップ側においては軸方向（＋ｚ方向）に向けて凸となるように成形されているので、Ｕ−Ｕ’相およびＷ−Ｗ’相の各巻線１２に電流が流れることにより、＋ｚ軸方向に流れるz軸方向成分電流ｉ_tと−ｚ軸方向に流れるz軸方向成分電流ｉ_tとが発生する。発生したz軸方向成分電流ｉ_tは永久磁石１３により発生する磁束と鎖交し、回転子の回転方向のローレンツ力Ｆｌが生じる。例えばＵ相の巻線１２において、＋ｚ軸方向に流れるz軸方向成分電流ｉ_tにより発生するローレンツ力Ｆｌは反時計回りの向きであり、−ｚ軸方向に流れるz軸方向成分電流ｉ_tにより発生するローレンツ力Ｆｌは時計回りの向きである。Ｕ’相の巻線１２についても同様のことがいえる。またＷ−Ｗ’相の各巻線１２も同様である。したがって、全てのローレンツ力Ｆｌを足し合わせると、回転方向の力はゼロになるため、回転子に働く反作用力は発生しない。

図１３（ｂ）に示すように、ｑ軸電流ｉ_qを流すことによってＶ−Ｖ’相の巻線１２に電流が流れるが、巻線１２はギャップ側においては軸方向（＋ｚ方向）に向けて凸となるように成形されているので、＋ｚ軸方向に流れるz軸方向成分電流ｉ_tと−ｚ軸方向に流れるz軸方向成分電流ｉ_tとが発生する。Ｖ−Ｖ’相の巻線１２には、永久磁石による磁束がz軸方向成分電流ｉ_zに鎖交することにより、電流と磁束の向きから、図１３（ｂ）に示すような回転方向成分を有するローレンツ力Ｆｌが生じる。全てのローレンツ力Ｆｌを足し合わせると、回転方向成分は反時計回りのローレンツ力が生じる。回転子には反作用力が働き、時計回りのトルクＴが発生する。

以上、図１２および図１３を用いて説明したように、回転子のトルクは、ｄ軸電流ではなくｑ軸電流により発生する。

続いて、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータ１の試作機の動作について実験およびシミュレーションによる検証結果について説明する。図１４は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータ１の試作機の構造を示す断面図である。１台の三相インバータ２で電動機制御と軸方向の１自由度の制御が行われるラジアルギャップ型のベアリングレスモータ１において、回転子２３の半径ｒを５ｍｍ、磁気的なギャップｇを１ｍとし、ワイドギャップ（ｇ／ｒ＝０．２）を構成した。このベアリングレスモータ１を中央に配置し、その左右には４自由度を受動的に支持する受動型磁気軸受３を配置した。また、回転子２３の軸１４の図中左端には２極の角度検出出用永久磁石２１を設け、固定子側のｘ軸上、ｙ軸上にはそれぞれホール素子２２を配置して、回転子２３の回転角度検出を行った。また、回転子２３のｚ方向の変位を検知する変位センサ２４も設けた。シミュレーション解析には電磁界解析ソフトＪＭＡＧ（ＪＳＯＬ社）を用いた。

図１５は、図１４に示す試作機のｄ軸電流による回転子の軸方向の支持力の発生の検証結果を説明する図である。図１５では、ｄ軸電流に対する支持力Ｆｚの、３Ｄ−ＦＥＭ解析値、実験値についてそれぞれ示す。この実験では、回転子２３をフォースゲージに押し当てた状態で、フォースゲージにかかる力と、ｄ軸電流を流したときにフォースゲージにかかる力との差を、支持力Ｆｚとした。図１５に示すように、実験値は３Ｄ−ＦＥＭ解析値に比べて６％ほど小さいが概ね一致していることがわかる。

図１６は、図１４に示す試作機の回転子の変位ｚの実験結果を示す図である。ベアリングレスモータをポンプなどのアプリケーションとして用いる際に、回転子２３と固定子に隔壁を施すことを考慮し、磁気的ギャップ１ｍｍに対し、機械的ギャップを０．１ｍｍ程度とした。図１６より、変位０．１３ｍｍでタッチダウンした状態から、０．１秒のところでベアリングレスモータの制御装置においてＰＩＤ制御を開始したことで、回転子２３がｚ方向の中心付近（変位０ｍｍ付近）で安定的に浮上できていることが確認できる。

図１７は、図１４に示す試作機の回転子が７００ｒｐｍで浮上回転しているときの回転子の変位ｚの実験結果を示す図である。図１７より、回転子２３の変位ｚは、ｚ方向の中心付近の±０．０９ｍｍ以内に収まっていることから、回転子２３が固定子に対して非接触で浮上回転していることが確認できる。

次に、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの適用例について説明する。

図１８は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータをケミカルポンプに適用した例を示す断面図である。本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータ１は、特に円筒状の回転子を有する構造を持つポンプ用途に適している。回転子２３の軸１４の両端近傍には４自由度を受動的に支持する磁気軸受４が配置され、図中左端には２極の角度検出出用永久磁石２１が設けられ、固定子２５側のｘ軸上、ｙ軸上には回転子２３の角度検出のためのホール素子２２がそれぞれ配置される。回転子２３のｚ方向の変位を検知する変位センサ２４が軸１４の図中右端に設けられる。軸１４の図中左端には羽車３１が設けられ、回転子２３と共にハウジング３２内に収容される。ハウジング３２は内部に流体を収容するので、流体中に羽車３１および回転子２３が存在することになる。腐食性の溶液を流体として用いる場合があるため、回転子２３と固定子２５との間には、隔壁を設ける必要がある。

回転子２３の表面には円筒の茶筒状の隔壁が施される。また、固定子２５の内周にも円筒の茶筒状の隔壁が施される。従来は、スラスト力を発生するためには、円盤状の直径が大きいスラスト磁気軸受を構成した。この場合、回転子を覆う隔壁は段差がついた円筒状になってしまう。段差がついた円筒ではつなぎ目が必要となり、つなぎ目から溶液が漏れる恐れがあり、信頼性が低下する。このため、応用上、円筒形の隔壁で覆うことが可能なベアリングレスモータが要求されている。既に５軸能動制御型などでは東京理科大学、北海道大学などで試作例がある。また、円筒形に適した２軸能動制御型ではレビトロニクス、ETH、静岡大学など試作例が多い。しかし、１軸能動制御では円筒形の隔壁を持つ物は少なく、ラジアル剛性を得るため段差がついたものが多い。既に提案されているシングルドライブのベアリングレスモータも主軸両端部に円盤状の直径が大きいベアリングレスモータが構成されている。本発明は、ラジアル磁束型であるため、段差がない円筒形であることが大きな特長である。このため、細長い円筒状の構造を持つことが可能である特長がある。この特長は図１８以外の多くの図の構成で特長を生かす設計が可能である。なお、インペラー部分は容器に強い隔壁と類似の構成物質により構成されるため、段差があっても問題とならない。図１８は回転型のポンプについて描いているが、容積型へ適用することも可能である。すなわち、主軸を回転軸方向に一定位置に能動支持するだけでなく、主軸を回転軸方向に能動的に振動させ、この振動により容積を変化し、容積型ポンプとして動作することができる。ポンプだけでなく、非接触磁気浮上振動モータとして各種応用に適用できる。

図１９は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータを冷却用ファンに適用した例を示す断面図である。本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータは、インナーロータ型であるが、後述するようにアウターロータ型として構成することもできる。回転子２３の直径は大きくし、磁気軸受分の直径を小さく構成することで、扁平なモータが用いられる冷却用ファンなどのような用途に適した構造を実現する。回転子２３にはプロペラ３３が設けられる。固定子２５には、支持力巻線１２−１がバームクーヘン状に巻かれるとともに、集中巻のトルク成分巻線１２−２が巻かれる。巻線１２−１により支持力成分電流ｉ_zを発生させ、トルク成分巻線１２−２によりｉ_tを発生させる。固定子２５には外周方向に支持力巻線１２−１が配置されており、この巻線により軸方向力を発生する。支持力巻線は軸方向に凸に構成してトルク成分電流を発生させるようにしてよい。また、その内側には径方向の起磁力を発生するトルク成分巻線１２−２が巻がれている。トルク成分巻線１２−２には回転子２３の回転に伴い交流磁束が鎖交し、トルクを発生する巻線として機能する。このトルク成分巻線は周方向にいくつか分割されており、短節集中巻でもよく、あるいは分布巻線でもよい。図示の鉄心１１について省略してもよく、省略すると不平衡吸引力が減少して受動型磁気軸受の負担が軽減できる。一方、鉄心を構成し、歯を多数も受けることによって、スラスト方向力を増加することもできる。図１９では磁気軸受として小径のものが描かれているが、径を大きくして回転子を円筒構造としてもよい。

図２０は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータをアクチュエータに適用した例を示す断面図である。本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータ１を、軸方向の位置と回転方向の位置を同時に位置決めするアクチュエータとして用いてもよい。この場合，径方向・傾き方向は磁気軸受で磁気浮上させてもよい。また、磁気浮上させずに中小の軸受で支持しても良い。回転角度検出は回転角度センサレス化により省略しても良い。これは他の図面でも同様である。

次に、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの巻線の変形例について説明する。本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの巻線を分布巻やトロイダル巻で実現してもよい。

図２１は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの周方向成分電流を発生させる巻線を分布巻にした第１の具体例を示す断面図である。上述のように第１の実施例では巻線１２を短節集中巻で構成したが、図２１に示すように、分布巻で構成してもよい。図２１ではＵ−Ｕ’相の巻線について示すが、Ｕ相およびＵ’相それぞれについて３個の鉄心１１の周囲を囲むように同一の巻線１２が巻かれている。鉄心のギャップ側に巻かれる巻線についてはｚ軸方向に向けて凸となるように巻く。なお、図２１には示していないが、Ｖ−Ｖ’相についてはＵ−Ｕ’相に対して１２０度ずれた位置に巻かれ、Ｗ−Ｗ’相についてはＵ−Ｕ’相に対して２４０度ずれた位置に巻かれる。

図２２は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのｚ軸方向成分電流を発生させる巻線を集中巻にした第１の具体例を示す断面図であって、（ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ方向）からみた断面図であり、（ｂ）は＋ｘ方向からみた断面図である。支持力成分巻線１２−１がバームクーヘン状に巻かれ、さらに軸方向に積み重ねられる。また、支持力成分巻線１２―１と同一の巻線で、支持力成分巻線１２−１の周りにトルク成分巻線１２−２を集中巻で構成する。あるいは、支持力成分巻線１２−１の周りにトルク成分巻線１２−２を集中巻で構成し、支持力成分巻線１２−１とトルク成分巻線１２−２とを並列に接続する。つまり、１相分における支持力成分巻線１２−１とトルク成分巻線１２−２とは直列もしくは並列に接続され、同一巻線として構成される。支持力成分巻線１２−１により周方向成分電流ｉ_zを発生させ、トルク巻線１２−２によりｚ軸方向成分電流ｉ_tを発生させる。本具体例は、軸方向の電磁力とトルクの調整が巻線巻回数で分離できるため、製作しやすい利点がある。

図２３は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのｚ軸方向成分電流を発生させる巻線を分布巻にした第１の具体例を示す断面図であって、（ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ方向）からみた断面図であり、（ｂ）は＋ｘ方向からみた断面図である。第１の具体例は、図２２を参照して説明した集中巻にした第１の具体例における集中巻のｚ軸方向成分電流ｉ_tを発生させる巻線を、図２３に示すように分布巻のトルク成分巻線１２−２に置き換えたものである。なお、図２２には示していないが、Ｖ−Ｖ’相についてはＵ−Ｕ’相に対して１２０度ずれた位置に巻かれ、Ｗ−Ｗ’相についてはＵ−Ｕ’相に対して２４０度ずれた位置に巻かれる。

図２４は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのｚ軸方向成分電流を発生させる巻線を集中巻にした第２の具体例を示す断面図であって、＋ｘ方向からみた断面図である。図２５は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのｚ軸方向成分電流を発生させる巻線を集中巻にした第２の具体例を示す断面図であって、（ａ）は図２４のａ−ａ’断面図であり、（ｂ）は図２４のｂ−ｂ’断面図である。第２の具体例では、周方向成分電流ｉ_zを発生させる巻線１２−１（以下、「支持力成分巻線１２−１」と称する。）とは別に、ｚ軸方向成分電流ｉ_tを発生させる巻線１２−２（以下、「トルク成分巻線１２−２」と称する。）を集中巻で構成する。２組の支持力成分巻線１２−１がバームクーヘン状に巻かれ、これら２組の支持力成分巻線１２−１の間に、集中巻の巻線１２−２が巻かれる。１相分における２組の支持力成分巻線１２−１と巻線１２−２とは直列に接続され、すなわちこれらは同一巻線として構成される。支持力成分巻線１２−１により支持力成分電流である周方向成分電流ｉ_zを発生させ、トルク成分巻線１２−２によりトルク成分電流であるｚ軸方向成分電流ｉ_tを発生させる。図２４および図２５に示す第２の具体例では、回転子を１つのコンポーネントとして構成したが、この変形例として、回転子自体を、支持力成分巻線１２−１が巻かれた支持力発生部分とトルク成分巻線１２−２が巻かれたトルク発生部分とで分けて２組で構成してもよく、これら各部分の極対数は互いに異なってもよい。また、２組に限らず複数の組を軸方向に構成してもよい。個の場合、軸方向にタンデムに多段化することにより回転子の軸方向の支持力、および回転子の径方向のトルクを増加することができる。また、適切にギャップ部に固定子歯を設けることによって回転子の軸方向の支持力、および回転子のトルクを増加することができる。歯の先端は図示のようにまっすぐであってもよいが、広げるようにして構成してもよく、この場合、脈動を低減し、磁束密度を向上することができる。また、鉄心材質もパウダーコアのような材料を適用してもよいし、無垢の鉄、炭素鋼、薄板、ケイ素鋼板等を適用してもよい。

図２６は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのｚ軸方向成分電流を発生させる巻線をトロイダル巻にした第１の具体例を示す断面図であって、＋ｘ方向からみた断面図である。図２７は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのｚ軸方向成分電流を発生させる巻線をトロイダル巻にした第１の具体例を示す断面図であって、（ａ）は図２６のａ−ａ’断面図であり、（ｂ）は図２６のｂ−ｂ’断面図である。この第１の具体例では、周方向成分電流ｉ_zを発生させる支持力成分巻線１２−１とは別に、ｚ軸方向成分電流ｉ_tを発生させるトルク成分巻線１２−２をトロイダル巻で構成する。なお、図２６および図２７に示す第１の具体例では、回転子を１つのコンポーネントとして構成したが、この変形例として、回転子を、支持力成分巻線１２−１が巻かれた支持力発生部分とトルク成分巻線１２−２が巻かれたトルク発生部分とで分けて構成してもよく。これら各部分の極対数は互いに異なってもよい。

図２８は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの巻線を集中巻にした第３の具体例を示す断面図であって、＋ｘ方向からみた断面図である。図２９は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのｚ軸方向成分電流を発生させる巻線を集中巻にした第３の具体例を示す断面図であって、（ａ）は図２８のａ−ａ’断面図であり、（ｂ）は図２８のｂ−ｂ’断面図である。鉄心１１がトルク発生部分と支持力発生部分に分かれていてもよい。各相の巻線は全て同一の巻線で構成する。図中左側の支持力発生部分と、図中右側の支持力発生部分の巻線は、流れる電流の正方向の向きを逆にする。すなわち、正の電流を流した時に、図中左側の鉄心は、永久磁石に近い側がＳ極になり、図中右側の鉄心は、Ｎ極になり、磁束の疎密差が発生する。また左右の支持力巻線ともに、永久磁石と鎖交する片側コイルエンドからローレンツ力が発生する。

図３０は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの、１歯当たりの鉄心を２つに分けて構成した場合を説明する図であって、（ａ）は＋ｚ方向からみた断面図であり、（ｂ）は−ｙ方向からみた鉄心および巻線の側面図であり、（ｃ）は図１を参照して説明した例のＵ相の鉄心および巻線の側面図である。Ｕ相を例に説明すると、図３０（ｃ）に示したように鉄心１１のギャップ側の巻線１２については＋ｚ軸方向に向けて凸となるように鉄心１１に巻くことによって、回転子の軸方向の支持力に起因する周方向成分電流ｉ_zと、回転子のトルクに起因するｚ軸方向成分電流ｉ_tとを生み出したが、この変形例として、図３０（ａ）および図３０（ｂ）に示すように、Ｕ相をＵ１相およびＵ２相の２つに分け、各鉄心１１−１および１１−２に分け、Ｕ１相の鉄心１１−１のギャップ側に巻かれる巻線１２−３については図中右上方向に向かうように、Ｕ２相の鉄心１１−２のギャップ側に巻かれる巻線１２−４については図中右下方向に向かうように、それぞれ巻くことによって、各巻線１２−３および１２−４を電流が流れることによりそれぞれ生じるｚ軸方向成分電流ｉ_tおよび周方向成分電流ｉ_zについての各合成ベクトルが、図３０（ｃ）に示したＵ相単独で生じるｚ軸方向成分電流ｉ_tおよび周方向成分電流ｉ_zと同じになるようにする。すなわち、図３０（ａ）および図３０（ｂ）の変形例では、図３０（ｃ）に示した巻き方の巻線１２により生じるｚ軸方向成分電流ｉ_tおよび周方向成分電流ｉ_zを２つの鉄心１１−１および１１−２それぞれに巻いた巻線１２−３および１２−４により発生させるものである。したがって、図３０（ｃ）の場合は鉄心が６個必要であったが、図３０（ａ）および図３０（ｂ）の変形例では鉄心は１２個必要である。この変形例では巻線を斜めに傾けるだけですむので生産が容易であり、大量生産に適している。このほかにも、鉄心よりやや大きいサイズで円形、楕円形、もしくは多角形状にコイルを構成し、そのコイルを鉄心に挿入後傾けるように構成することが可能である。また、２つに分割するだけでなく、３つ以上に分割してコギングトルクを減少することができる。例えば３つに分割する場合などは両端は斜めに構成し、中心は斜めにしないことも可能であり、あるいは、従来型の凹型を構成してもよい。

図３１は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの、巻線の巻き方のさらなる変形例を説明する図であって、（ａ）は−ｙ方向からみた鉄心および巻線の側面図であり、（ｂ）は−ｘ方向からみた鉄心および巻線の側面図である。図１などに示したように鉄心１１のギャップ側の巻線１２については＋ｚ軸方向に向けて凸となるように鉄心１１に巻いたが、この変形例として、鉄心１１のギャップ側の巻線１２については斜めになるように（図３１（ｂ）に示す例では、右上方向に向かうように）巻くようにしてもよく、このような巻き方によってもｚ軸方向成分電流ｉ_tおよび周方向成分電流ｉ_zを発生させることができる。すなわち、鉄心のギャップ側の巻線については、回転子の回転軸の方向にベクトル成分を有するよう角度をなして巻かれる。本変形例によれば製作が容易である利点があるが、トルク成分電流である周方向成分電流ｉ_zは図１を参照して説明した例よりも小さくなる。

図３２は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの、巻線の巻き方のさらなる変形例を説明する図であって、（ａ）は＋ｚ方向からみた断面図であり、（ｂ）は−ｙ方向からみた鉄心および巻線の側面図であり、（ｃ）は−ｘ方向からみた鉄心および巻線の側面図である。本変形例は、鉄心１１のギャップ側の巻線１２については＋ｚ軸方向に向けて凸となるように鉄心１１に巻くだけではなく、鉄心１１の径方向外側の巻線についても＋ｚ軸方向に向けて凸となるように巻いたものである。このような巻き方によってもｚ軸方向成分電流ｉ_tおよび周方向成分電流ｉ_zを発生させることができる。鉄心１１に巻線１２を巻いた後、巻いた巻線１２を図示のように折り曲げるだけで容易に製作することができる利点がある。

図３３は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの鉄心の形状を説明する図であって、（ａ）は＋ｚ方向からみた断面図であり、（ｂ）は−ｙ方向からみた鉄心および巻線の側面図である。鉄心１１の＋ｚ方向からみた断面の形状は上述した台形に限定されるものではなく、軸方向に磁束を通す形状であれば例えば円、楕円、多角形などの形状であってもよい。また、上述の第１の実施例では、図３３（ｂ）に示すような鉄心突起部１１Ｔを設けたが、これを備えなくてもよい。また、上述の第１の実施例ならびに後述の第２および第３の実施例では鉄心を設けたが、鉄心を設けずにベアリングレスモータを実現してもよい。ただし、鉄心を設けない場合は、マクスウェル力は発生せず、ローレンツ力にのみ起因して回転子の回転軸方向の支持力が発生する。上述の鉄心の形状のバリエーションについては、図２８および図２９を除く例に適用可能である。

図３４は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの回転子の形状を説明する図であって、（ａ）は埋込磁石内蔵型の回転子を示し、（ｂ）は表面磁石型の回転子を示す図である。本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの回転子は、図３４（ａ）に示すような軸１４の周りの鉄心１１の内部に永久磁石１３を埋め込んだ埋込磁石内蔵型（ＩＰＭ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｔ Ｍａｇｎｅｔ）型であってもよく、図３４（ｂ）に示すような軸１４の表面に永久磁石１３を貼り付けた表面磁石（ＳＰＭ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｔ Ｍａｇｎｅｔ）型であってもよい。後述の第２および第３の実施例についても同様である。また、いずれの場合であっても極対数の数は本発明を限定するものではない。回転子は、回転子に設置された永久磁石により励磁され、もしくは固定子に設置された永久磁石により励磁され、もしくは固定子に設置された巻線により励磁され、永久磁石型、誘導型、リラクタンス型、ホモポーラ型、コンシクエントポール型などの回転子でよい。

図３５は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの回転子の形状を説明する断面図である。上述の本発明の第１の実施例では回転子を内側に、固定子を外側に配置するインナーロータ型としたが、回転子２３を外側に配置し、固定子２５を内側に配置するアウターロータ型でも本発明を実現することができる。この場合、外側の固定子２５に永久磁石１３が設けられ、内側の回転子２３に巻線１２が設けられる。固定子２５の外側にギャップが存在するので、巻線１２が＋ｚ軸方向に向けて凸となるように設けられる側は、固定子２５の外側（すなわちギャップ側）表面になる。アウターロータ型で構成すれば、図１９を参照して説明した冷却用ファンを実現することができる。なお、図３５に示す例は、表面磁石（ＳＰＭ）型のロータを示したが、埋込磁石内蔵型（ＩＰＭ）型のロータであってもよい。また、回転子の外周にヨークを構成してもよく、永久磁石はハルバッハ構造であってもよく、また、パラレルに着磁されていてもよい。

図３６は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの固定子のスロット数を説明する断面図である。上述した第１の実施例およびその各具体例および各変形例ならびに後述する第２および第３の実施例の全ての構造について、スロット数は、それぞれの回転子の極対数に対して、トルクが発生する極対数の起磁力を発生させるものであればよい。スロット数やインバータの相数を変えても本発明は適用可能である。

続いて、本発明の第２の実施例について説明する。図３７は、本発明の第２の実施例における１相分の巻線構造を説明する図であって、（ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみた断面図であり、（ｂ）は分解斜視図である。巻線は支持力発生部４１とトルク発生部４２とで構成される。本発明の第２の実施例によれば、巻線のコイルエンドを支持力発生部４１とし、回転子の周りに設けられた永久磁石１３により発生する磁束が支持力発生部４１に鎖交することで、支持力発生部４１にローレンツ力が発生する。一般に回転子の軸１４の周りに設けられる永久磁石１３の、軸方向の中心（すなわち永久磁石の軸方向の長さの中間点）が、トルク発生部４２の軸方向の中心と一致するように設置すると、トルク発生部４２の両端に設けられた各支持力発生部４１により発生する各ローレンツ力は同じ大きさで方向が逆向きとなるので互いに打ち消しあい、その結果、回転子の軸方向の支持力は発生しない。そこで、本発明の第２の実施例では、回転子の軸１４の周りに設けられる永久磁石１３を、その軸方向の中心が、トルク発生部４２の軸方向の中心から敢えてずらして、一方のコイルエンドには永久磁石の磁束が鎖交しないようにするとともにもう一方のコイルエンドのみに永久磁石のコイルエンドが鎖交するようにすることによって、一方の支持力発生部４１により発生するローレンツ力が、もう一方の支持力発生部４１により発生するローレンツ力より大きになるようにする。これにより、回転子の軸方向の支持力Ｆｃを発生させる。トルクは２つの支持力発生部４１の間にはさまれたトルク発生部４２で発生させる。なお、本発明の第２の実施例における巻線の巻き方は、集中巻、分布巻、あるいはトロイダル巻のいずれであってもよい。また、図３７に示す例は、表面磁石（ＳＰＭ）型のロータを示したが、埋込磁石内蔵型（ＩＰＭ）型、その他のロータであってもよい。また、図中の導体（巻線）は軸方向、径方向のいずれかに構成されているが、傾いて斜め方向に構成されていてもよい。あるいは、通常のモータでよく適用されるようにコイルがスキューされ、径方向の電流成分と軸方向の電流成分の両方を混在して持つ構成としてもよい。回転子の極対数は本発明を限定するものではない。スロット数は、それぞれの回転子の極対数に対して、トルクが発生する極対数の起磁力を発生させるものであればよい。スロット数やインバータの相数を変えても本発明は適用可能である。

図３８は、本発明の第３の実施例における１相分の巻線構造を説明する図であって、（ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみた断面図であり、（ｂ）は分解斜視図である。本発明の第３の実施例は、図３７を参照して説明した本発明の第２の実施例における永久磁石に、極性が反対の永久磁石をさらに連結したものである。すなわち、図３８（ｂ）に示すように、永久磁石１３−１が設けられた回転子に、永久磁石１３−１とは極性が反対の永久磁石１３−２が設けられた回転子を回転軸方向にさらに連結する。本発明の第３の実施例によれば、トルク発生部４２の両端に設けられた各支持力発生部４１により発生する各ローレンツ力の向きは同じとなり、その結果、回転子の軸方向には、本発明の第２の実施例の場合における支持力よりも大きな支持力Ｆｃが発生する。なお、図３８に示す例は、表面磁石（ＳＰＭ）型のロータを示したが、埋込磁石内蔵型（ＩＰＭ）型のロータであってもよい。また、図中の導体（巻線）は軸方向、径方向のいずれかに構成されているが、傾いて斜め方向に構成されていてもよい。あるいは、通常のモータでよく適用されるようにコイルがスキューされ、径方向の電流成分と軸方向の電流成分の両方を混在して持つ構成としてもよい。回転子の極対数は本発明を限定するものではない。スロット数は、それぞれの回転子の極対数に対して、トルクが発生する極対数の起磁力を発生させるものであればよい。スロット数やインバータの相数を変えても本発明は適用可能である。

図３９は、本発明の第２および３の実施例におけるコイルエンドの巻き数の制限について説明する図であって、（ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみた断面図であり、（ｂ）は分解斜視図である。トルク発生部４２の両端（コイルエンド）における支持力発生部４１は、その大きさに限界があり、したがって支持力発生部４１のスロットには巻き数の制限がある。したがって、本発明の第２および第３の実施例は、鉄心のギャップ側の巻線の巻き方に特徴がある本発明の第１の実施例よりも、発生できる回転子の回転軸方向の支持力の大きさに制限を受ける。

上述の第１の実施例およびその各具体例および各変形例、ならびに第２および第３の実施例の全ての構造に対して、巻線は丸線や角線のいずれも問わず適用可能である。

なお、ベアリングレスモータは一般には非接触磁気浮上するモータであり、磁気軸受機能とモータ機能を磁気的一体化したものと定義されている。本発明はベアリングレスモータにかぎらない。すなわち、磁気浮上をすることなく、一部を機械的、あるいは流体的な物質により接触してもよい。あるいは軸方向の力は軸方向に発生する振動を抑制する機能として適用してもよい。またあるいは、軸方向に振動を発生する振動モータであってもよい。

本発明は、回転子が磁気力を発生しながら回転するベアリングレスモータに適用することができる。より具体的には、本発明によるベアリングレスモータをポンプ、冷却用ファン、アクチュエータなどに適用することができる。

１ モータ
２ 三相インバータ
３ 受動型磁気軸受
４ 磁気軸受
１１、１１−１、１１−２ 鉄心
１１Ｔ、１１Ｔ−１、１１Ｔ−２ 鉄心突起部
１２、１２−３、１２−４ 巻線
１２−１ 支持力成分巻線
１２−２ トルク成分巻線
１２−５ 支持力発生部（コイルエンド）
１２−６ トルク発生部
１３ 永久磁石
１４ 回転軸
２１ 角度検出用永久磁石
２２ ホール素子
２３ 回転子
２４ 変位センサ
２５ 固定子
３１ 羽車
３２ ハウジング
３３ プロペラ
３４ 回転子用永久磁石
１００ 制御装置
Ａｄ 密
Ａｓ 疎
Ｂ１、Ｂ３、Ｂ５ 比較器
Ｂ２ ＰＩＤ制御部
Ｂ４、Ｂ６ ＰＩ制御部
Ｂ７ ｄｑ−αβ変換部
Ｂ８ αβ−三相変換部
Ｂ９ 三相インバータ
Ｂ１０ 三相−αβ変換部
Ｆｃ 回転子に働く反作用力
Ｆｌ ローレンツ力
Ｆｍ マクスウェル力
Ｔ トルク

Claims (19)

1. 回転軸とパラレルな方向に出発してから１８０度湾曲して回転軸とパラレルな逆方向に向かって進行し、再び１８０度湾曲して当初の出発方向に戻る磁束を発生する回転子と、
   前記回転子の径方向にギャップを隔てて前記回転子と対峙した固定子であって、前記回転子の径方向に沿った電流成分が流れる巻線が設けられた固定子と、
   を備え、
   前記回転子の前記径方向に沿った電流成分により、前記電流成分が流れる前記巻線部分に、回転軸から径方向に向いた磁束が鎖交することによりローレンツ力が発生するとともに、前記電流成分が流れる前記巻線部分に当該電流成分が流れることにより発生する磁束と回転軸から径方向に向いた磁束とにより発生する磁束の粗密によりマクスウェル力が発生し、前記ローレンツ力及び前記マクスウェル力の合成力の反作用力として前記回転子の回転軸方向に作用する力が回転子に発生することを特徴とする回転機。
2. 前記固定子は、前記回転子の前記径方向に沿った電流成分、および前記回転子の回転軸方向に沿った電流成分が流れる巻線が設けられ、
   前記回転子の前記径方向に沿った電流成分のすべてもしくは一部により前記回転子に回転軸方向に作用する力が発生し、
   前記回転子の前記回転軸方向に沿った電流成分により、前記回転子の回転トルクとなる力が発生する請求項１に記載の回転機。
3. 前記回転子の前記径方向に沿った電流成分が流れる第１の巻線部分と、前記回転子の前記回転軸方向に沿った電流成分が流れる第２の巻線部分と、前記回転子の前記径方向に沿った電流成分および前記回転軸方向に沿った電流成分が流れる第３の巻線部分とのうち少なくとも２つ以上を備える請求項１または２に記載の回転機。
4. 前記第１の巻線部分に電流が流れ、当該電流により磁束を発生する鉄心が軸方向に構成され、鉄心端部もしくは中間部分に歯が構成され、回転子の発生する磁束の粗密によりマクスウェル力が発生し、ローレンツ力の反作用力と前記マクスウェル力との合成力として、前記回転子を回転軸方向に非接触に支持する支持力が発生する請求項３に記載の回転機。
5. 前記第１の巻線部分は、前記少なくともギャップに面する側において、前記回転子の回転軸の方向に向けて略凸形状となるように巻かれる請求項３に記載の回転機。
6. 前記第１の巻線部分は、前記少なくともギャップに面する側において、前記回転子の回転軸の方向の電流成分を有するよう角度をなして巻かれる請求項３に記載の回転機。
7. 前記回転子の回転軸方向の中心は、前記第２の巻線部分の、前記回転子の回転軸方向の中心とはずれた位置にある請求項３に記載の回転機。
8. 前記回転子は永久磁石により励磁され、前記永久磁石とは極性が反対のさらなる永久磁石が設けられた回転子が回転軸方向に連結される請求項７に記載の回転機。
9. 回転機の回転部分の段差がない円筒状である請求項１〜８のいずれか一項に記載の回転機。
10. 前記請求項１〜９のいずれか一項に記載の回転機に、主軸の回転軸方向の位置を検出するセンサを備え、センサの信号に基づいて、前記径方向に沿った電流成分を調整するコントローラを備え、径方向に受動的に支持する受動型磁気軸受を備え、非接触で磁気支持することを特徴とするベアリングレスモータ。
11. 前記回転子は回転子に設置された永久磁石により励磁され、もしくは固定子に設置された永久磁石により励磁され、もしくは固定子に設置された巻線により励磁され、
    永久磁石型、誘導型、リラクタンス型、ホモポーラ型、もしくはコンシクエントポール型の回転子により励磁される請求項１０に記載のベアリングレスモータ。
12. ｄ軸電流により軸方向力が制御され、ｑ軸電流によりトルクが制御され、１台のインバータで非接触磁気支持とトルク制御、もしくは回転速度制御もしくは回転位置制御が行われる請求項１１に記載のベアリングレスモータ。
13. 請求項１２に記載のベアリングレスモータを備え、
    前記ベアリングレスモータに隔壁が設けられ、インペラーを構成した非接触磁気力支持ポンプ。
14. 回転子が回転軸方向に磁気浮上して非接触回転するベアリングレスモータであって、
    回転軸から径方向に向いた磁束を発生するように配置された永久磁石が設けられた回転子と、
    前記回転子の径方向にギャップを隔てて前記回転子と対峙した固定子であって、前記回転子の径方向に沿った電流成分が流れる第１の巻線部分と、前記回転子の回転軸方向に沿った電流成分が流れる第２の巻線部分と、を有する巻線が設けられた固定子と、
    を備え、
    電流が流れる前記第１の巻線部分に、前記永久磁石により発生した磁束が鎖交することにより第１のローレンツ力が発生して、前記第１のローレンツ力の反作用力として前記回転子を回転軸方向に非接触に支持する支持力が発生し、
    電流が流れる前記第２の巻線部分に、前記永久磁石により発生した磁束が鎖交することにより、前記回転子の回転トルクとなる第２のローレンツ力が発生することを特徴とするベアリングレスモータ。
15. 前記第１の巻線部分に電流が流れることにより発生する磁束と前記永久磁石により発生した磁束とにより発生する磁束の粗密によりマクスウェル力が発生し、前記第１のローレンツ力の反作用力と前記マクスウェル力との合成力として、前記回転子を回転軸方向に非接触に支持する支持力が発生する請求項１４に記載のベアリングレスモータ。
16. 前記第１の巻線部分は、少なくとも前記回転子と前記固定子との間のギャップに面する側において、前記回転子の回転軸の方向に向けて略凸形状となるように巻かれる請求項１４または１５に記載のベアリングレスモータ。
17. 前記第１の巻線部分は、少なくとも前記回転子と前記固定子との間のギャップに面する側において、前記回転子の回転軸の方向に角度をなして巻かれる請求項１４または１５に記載のベアリングレスモータ。
18. 前記永久磁石の、前記回転子の回転軸方向の中心は、前記第２の巻線部分の、前記回転子の回転軸方向の中心とはずれた位置にあり、片側のコイルエンドには磁束が鎖交しないよう回転子を配置した請求項１４に記載のベアリングレスモータ。
19. 前記永久磁石が設けられた回転子に、前記永久磁石とは極性が反対のさらなる永久磁石が設けられた回転子が回転軸方向に連結される請求項１８に記載のベアリングレスモータ。

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