JPH06296345A - モータ一体型磁気軸受及び磁気軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 モータのロータの永久磁石とモータのステー
タコアとの間に発生する磁気吸引力を積極的に利用し
て、ロータをステータコアから非接触状態で支持するモ
ータ一体型磁気軸受を提供する。 【構成】 一対のアクチュエータ４、５がハウジング１
の内面に設けられている。ロータ９の外周には永久磁石
８が固着されている。ステータコア６（円筒形）は永久
磁石８とハウジング１との間にあって、アクチュエータ
４、５により支持されている。外力を受けてロータ９が
偏心すると、変位センサ３は中心軸１１の中立位置から
の偏心量を検出し、その検出結果に基づきコントローラ
が両アクチュエータ４、５をその偏心方向へ変位させ
る。これにより、ステータコア６と永久磁石８との間に
復原力が発生し、ロータ９は元の中立位置へ引き戻され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、永久磁石をロータに
有するモータと一体的に形成された磁気軸受及び永久磁
石と磁性体コアとの磁気力を利用した磁気軸受に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】磁気軸受とは、周知の様に、磁石の磁気
力を利用して軸を非接触状態で支持するものである。そ
の様な磁気軸受に関する従来技術としては、例えば特開
平４−２９６１３号公報に開示されたものがある。当該
技術による磁気軸受を、図６に示す。同図中、（ａ）は
その横断面図を、（ｂ）はその縦断面図を示している。

【０００３】先ず、回転軸３０は、積層電磁鋼板によっ
て形成されている。その回転軸３０の周囲には、Ｘ方向
及びＹ方向にそれぞれ、一対の永久磁石（１８、１
９）、（２５、２６）が非接触状態にて配置されてい
る。即ち、永久磁石１８は変位拡大機構２３を介して、
ハウジング２０内に設けられたアクチュエータ２１に取
付けられている。同じく、永久磁石１８と一対をなす他
方の永久磁石１９も又、変位拡大機構２４を介して、ハ
ウジング２０内に設けられたアクチュエータ２２に取付
けられている。Ｙ方向の一対の永久磁石２５、２６も又
同様に、変位拡大機構２７、２８を介して、アクチュエ
ータに取付けられている。又、Ｘ方向、Ｙ方向のそれぞ
れに変位センサ１７、２９がハウジング２０に取付けら
れており、各変位センサ１７、２９は、それぞれ回転軸
３０のＸ方向への偏心及びＹ方向への偏心を検出してい
る。

【０００４】以上の構成より、例えば回転軸３０がＸ方
向に偏心した場合、当該偏心量を変位センサ１７によっ
て検出し、その検出結果に基づいて、アクチュエータ２
１、２２を駆動して永久磁石１８，１９を変位させる。
その結果、永久磁石１８と回転軸３０との磁気力及び永
久磁石１９と回転軸３０との磁気力が変化し、この変化
により回転軸３０を偏心前の元の位置へ引き戻すもので
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術は複
数の永久磁石を相互に変位させる構造を取るため、以下
の様な問題点を有していた。

【０００６】 図６の磁気軸受の構成では、永久磁石
の内周側と外周側とでＮ・Ｓを構成しているものと想定
され、永久磁石の磁路が閉ループとならないので、永久
磁石の強力な磁気力を十分に生かしきれないという問題
が発生する。

【０００７】 磁気軸受の回転軸には、モータのロー
タから発生した回転力が伝えられる。従って、従来技術
の方式では、モータと磁気軸受とを別途に構成し、両者
を接続する必要がある。そのため、軸方向への装置の寸
法が大きくなると言う問題がある。しかも、その際に複
数個の永久磁石を用意する必要がある。

【０００８】

【発明の目的】この発明は、前記問題点に基づきなされ
たものであり、その第一の目的は、永久磁石をロータに
有するモータを磁気軸受と一体化してコンパクトな装置
を実現することである。更にその第二の目的は、永久磁
石を軸に設けたコンパクトな磁気軸受を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、モータのロ
ータ又は軸の永久磁石とモータのステータコア又は磁性
体コアとの間に発生する磁気吸引力を積極的に利用し
て、前記ロータ又は軸を前記ステータコア又は磁性体コ
アから非接触状態で支持する構造を備えている。その
際、前記ロータ又は軸の偏心量に応じて前記ステータコ
ア又は磁性体コア自体を移動させて前記ロータ又は軸を
中立位置へ引き戻すための、一対のアクチュエータを制
御する手段を設けている。具体的には、次の構成要件を
具備する。

【００１０】 この発明のモータ一体型磁気軸受は、
ハウジングと、ハウジングの内面により囲まれたモータ
のロータと、ロータの外面上に且つ当該外面の外周に沿
って固着された永久磁石と、ハウジングの内面にそれぞ
れの一端が固設された一対のアクチュエータと、永久磁
石と非接触で対面配置され且つ一対のアクチュエータの
各他端によって支持されたモータのステータコアと、ハ
ウジングの内面に固設され、ロータの偏心量を検出する
変位センサと、偏心側のステータコアと永久磁石との間
隔を広げ且つ偏心と反対側のステータコアと永久磁石と
の間隔を狭める様に、変位センサの出力信号から得られ
る情報に応じて一対のアクチュエータを制御しつつ、ロ
ータの偏心量を極小にする制御手段とを備える。

【００１１】 この発明の磁気軸受は、ハウジング
と、ハウジングの内面により囲まれた軸と、軸の外面上
に且つ当該外面の外周に沿って固着された永久磁石と、
ハウジングの内面にそれぞれの一端が固設された一対の
アクチュエータと、永久磁石と非接触で対面配置され且
つ一対のアクチュエータの各他端によって支持された磁
性体コアと、ハウジングの内面に固設され、軸の偏心量
を検出する変位センサと、偏心側の磁性体コアと永久磁
石との間隔を広げ且つ偏心と反対側の磁性体コアと永久
磁石との間隔を狭める様に、変位センサの出力信号から
得られる情報に応じて一対のアクチュエータを制御しつ
つ、軸の偏心量を極小にする制御手段とを備える。

【００１２】

【作用】 この発明のモータ一体型磁気軸受では、モータのロ
ータが偏心した場合、変位センサが当該偏心量を検出し
て、その検出結果を制御手段へ出力する。制御手段は、
当該ロータの偏心を打ち消すように、一対のアクチュエ
ータの動作を制御する。即ち、制御手段は、偏心に応じ
て、偏心側のアクチュエータを永久磁石から遠ざける様
に変位させる一方、他方のアクチュエータを永久磁石に
近づける様に変位させる。その結果、偏心側のステータ
コアと永久磁石との磁気力は弱められる一方、他方のス
テータコアと永久磁石との磁気力は強められ、ロータは
元の中立位置へと引き戻される。

【００１３】 この発明の磁気軸受では、軸が偏心し
た場合、変位センサが当該偏心量を検出して、その検出
結果を制御手段へ出力する。制御手段は、当該軸の偏心
を打ち消すように、一対のアクチュエータの動作を制御
する。即ち、制御手段は、偏心に応じて、偏心側のアク
チュエータを永久磁石から遠ざける様に変位させる一
方、他方のアクチュエータを永久磁石に近づける様に変
位させる。その結果、偏心側の磁性体コアと永久磁石と
の磁気力が弱められる一方、他方の磁性体コアと永久磁
石との磁気力が強められ、軸は元の中立位置へと引き戻
される。

【００１４】

【実施例】

（１） モータ一体型磁気軸受の構成

【００１５】本装置は、大別して、ロータ９とステータ
部とハウジング１とから成り立っている。

【００１６】ハウジング１は円筒形であり、図１に示す
様に、Ｘ方向及びＹ方向の一方の側に突出部２を有して
いる。そして、ハウジング１の内部にモータのロータ９
が設けられている。このロータ９の外周には永久磁石８
が固着されている。永久磁石８としては、例えばサマリ
ウム−コバルト磁石等を用いることができる。

【００１７】ハウジング１と永久磁石８乃至はロータ９
との間には、同じく円筒形の前記モータのステータコア
６が、Ｘ及びＹ方向にそれぞれ設けられたアクチュエー
タ４、５、１２、１３によって、永久磁石８に対面し且
つ非接触状態で支持されている。即ち、ハウジング１に
は、Ｘ方向について一対のアクチュエータ４、５の一端
が固着されており、当該アクチュエータ４、５の各他端
がステータコア６に固着されている。Ｙ方向についても
同様である。本実施例では、アクチュエータ４、５、１
２、１３として、圧電素子を用いたリニアアクチュエー
タ（ストローク；０．２ｍｍ以上）を使用している。こ
れは、リニアアクチュエータが有する高速応答特性を積
極的に利用するためである。又、ステータコア６の周り
には巻線７が設けられており、当該巻線７とステータコ
ア６と４個のアクチュエータ４、５、１２、１３とは、
前記ステータ部を構成している。

【００１８】Ｘ及びＹ方向の各突出部２の先端には、変
位センサ３、１４が固設されている。これらの変位セン
サ３、１４は、それぞれロータ９の中心軸１１のＸ方向
及びＹ方向の偏心量Δｘ、Δｙを検出するセンサであ
る。ここで、偏心量とは、ロータ９に外乱が加わってい
ない理想的な状態である中立位置（後述する１１Ｃに該
当）からの中心軸１１の変位量をいう。従って、（ロー
タ９が偏心していない）中立位置では、偏心量Δｘ及び
Δｙは共に０である。上記の変位センサ３、１４として
は、例えば、渦電流式非接触変位計を用いることができ
る。

【００１９】一方、図３に示す通り、各変位センサ３、
１４の出力信号Ｖ１（偏心量Δｘを表す信号）、Ｖ２
（偏心量Δｙを表す信号）は、それぞれアンプＡ１、Ａ
２を介して増幅された後、コントローラ１６へ入力され
る。コントローラ１６の出力側には、Ｘ方向に関する一
対のアクチュエータ４、５用のドライバーＤＲ１、ＤＲ
２と、Ｙ方向に関する一対のアクチュエータ１２、１３
用のドライバーＤＲ３、ＤＲ４とが接続されている。

【００２０】（２） ステータ位置制御の動作原理

【００２１】以下、本装置の動作を図４に基づき説明す
る。ここで図４は、便宜上、Ｘ方向に関する動作を示し
たものであるが、Ｙ方向に関する動作についても同様に
考えることが可能である。

【００２２】先ず、同図（ａ）に示す様に、ロータ９に
外乱Ｔが作用していない場合には、ロータ９は中立位置
１１Ｃに位置している。即ち、偏心量Δｘ＝０である。

【００２３】今、ロータ９に外乱Ｔが作用し、その中心
軸１１が中立位置１１Ｃよりアクチュエータ５の側へ偏
心したものとする（図３（ｂ））。その結果、図４にお
ける左側（以後、単に左側と称す）部分のステータコア
６と永久磁石８との間の磁気吸引力Ｆ１がより大きくな
るため、増々偏心量Δｘが大きくなる。

【００２４】そこで、ステータコア６の位置を制御し
て、ステータコア６と永久磁石８との間に復原力を発生
させる（図３（ｃ））。この制御は、次の様にして行わ
れる。即ち、変位センサ３は、当該ロータ９の偏心に応
じた偏心量Δｘを検出して、その出力信号Ｖ１をコント
ローラ１６へ出力する。この出力信号Ｖ１を受けて、コ
ントローラ１６は、右側のアクチュエータ４及び左側の
アクチュエータ５をより左側へ変位させるために必要な
駆動信号Ｖ_x1、Ｖ_x2（出力信号Ｖ１から得られる速度情
報や加速度情報をも含む）を、それぞれドライバーＤＲ
１、ＤＲ２を介して各アクチュエータ４、５へ出力す
る。偏心量Δｘから最適なアクチュエータ４、５の変位
量を求めるコントローラ１６内における変換処理は、予
め決定されたテーブル値に基づいて行われる。この結
果、アクチュエータ４、５は共に最適な量だけ左側へ変
位し、左側部分のステータコア６と左側の永久磁石８と
の間の磁気吸引力が弱まる一方、逆に右側部分のステー
タコア６と永久磁石８との間の磁気吸引力が強まること
となり、中心軸１１を中立位置１１Ｃへ戻す復原力Ｆ２
がロータ９へ作用することとなる。

【００２５】図４（ｄ）は、上記復原力Ｆ２を受けて中
心軸１１が中立位置１１Ｃへ復原しつつある状態を示し
たものである。この復原動作に応じてステータコア６と
永久磁石８との間の吸引力Ｆ３も又連続的に変化するた
め、当該吸引力Ｆ３の変化に応じて、両アクチュエータ
４、５の変位量をも適切にコントロールする必要があ
る。即ち、変位センサ３が検出する偏心量Δｘに応じ
て、コントローラ１６は、直ちに最適な駆動信号Ｖ_x1、
Ｖ_x2を決定し、それらの信号Ｖ_x1、Ｖ_x2を各アクチュエ
ータ４、５へ出力する。その結果、吸引力Ｆ３の変化に
追随して、両アクチュエータ４、５が適切な量だけ右側
へ変位する。

【００２６】以上の様な接触回避・復原力発生動作を通
じて中心軸１１が元の中立位置１１Ｃへ復帰した状態を
示したのが、図４（ｅ）である。

【００２７】本実施例では、変位センサ３が検出する結
果に応じて、ステータコア６の位置をロータ９に対して
その半径方向に適切に移動・制御することにより、ステ
ータコア６自身によってロータ９を吸引し、外乱作用に
よるロータ９の偏心を打ち消すものである。この様に本
実施例では、モータのステータコア６とモータのロータ
９の永久磁石８との間に発生する磁気吸引力を積極的に
利用している。そのため、永久磁石が有する高い磁気力
を有効利用しつつ、モータと磁気軸受とを一体化するこ
とができる。その際、軸方向の寸法を短くすることがで
きるので、装置全体を小型化することができる。

【００２８】ここで図５は、本モータ一体型磁気軸受を
用いた装置の模式図である。同図中、Ａ、Ｃは上記モー
タ一体型磁気軸受であり、Ｂはスラスト方向に関する軸
受部を示している。本装置は、従来モータ部と軸受部と
をそれぞれ別個に構成して両者を接続していたのに対し
て、前記従来のモータ部の１／２に相当するモータ部と
ラジアル軸受部とを一体型として構成し、スラスト軸受
部Ｂに対してその左右それぞれに配置したものに該当し
ている。従って、低出力のモータを用いることができる
と共に、ラジアル軸受部の小型化をも達成することがで
きる。

【００２９】（３） 変形例

【００３０】 前記実施例では、モータとラジアル軸
受部とを一体化させたものであったが、本発明の基本的
な技術的思想は軸受部のみに対しても適用可能である。
即ち、図１、図２においてロータ９を磁気軸受の回転軸
そのものに置き換えることによって、本発明を磁気軸受
に適用することができる。この場合、回転軸の外周に
は、永久磁石８が固着されており、同じく磁性体コアを
永久磁石８に対して非接触状態でアクチュエータにより
支持することとなる。そのため、本変形例では、磁気軸
受の小型化を達成することができる。

【００３１】 また、アクチュエータとして圧電素子
を用いたものを利用していたが、これに限定されるもの
ではなく、例えば電磁型のアクチュエータを用いること
もできる。又、変位センサとしては、例えばレーザ測長
器のような光学的方法を用いたセンサを用いることもで
きる。

【００３２】 またモータは、ブラシレスＤＣモータ
のほか、同期型モータ（ＰＭ型モータ）の様な永久磁石
をロータに有するモータ全てについて適用可能である。

【００３３】 また、ステータコアやハウジングとし
ては円筒形のものを用いていたが、本発明はこれに限定
されるものではなく、例えば直方体形の筒型構造のもの
であってもよい。

【００３４】

【発明の効果】 この発明のモータ一体型磁気軸受は、以下の諸効果
を奏する。

【００３５】１） 永久磁石をロータに有するモータと
磁気軸受とを簡易な構成で一体化できる。これにより、
軸受用としての大型で無駄な別機構を不要とすることが
できる。

【００３６】２） ロータが外力を受けて偏心しても、
素早く元の中立位置へと引き戻すことができる。それ
は、同時に軸の偏心引き戻しにも相当している。

【００３７】３） 永久磁石が有する高い磁気力を有効
に利用できる。その際、モータの永久磁石とステータコ
ア間の本来の磁気力を積極的に利用することが可能とな
る。

【００３８】４） モータ一体型のためロータの軸方向
に対する寸法を小さくでき、装置の小型化を図ることが
できる。

【００３９】５） 別途に磁気軸受を設ける場合に不可
欠であった、（永久磁石を有する）ロータと磁気軸受の
磁性体コア間の引力のキャンセルを不要とすることがで
きる。このため、ロータの偏心を引き戻すためのアクチ
ュエータの制御を簡易且つ高精度化することができる。

【００４０】 この発明の磁気軸受は、以下の諸効果
を奏する。

【００４１】１） 磁気軸受の構成を簡単化でき、装置
の小型化を実現できる。

【００４２】２） 永久磁石が有する高い磁気力を有効
に利用できる。その際、永久磁石と磁性体コア間の本来
の磁気力を積極的に利用することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例であるモータ一体型磁気軸
受の構成を示す横断面図である。

【図２】この発明の一実施例であるモータ一体型磁気軸
受の縦断面図である。

【図３】この発明のモータ一体型磁気軸受の電気的構成
を示したブロック図である。

【図４】ステータ位置制御の動作を示す説明図である。

【図５】モータ一体型磁気軸受の適用例を示した模式図
である。

【図６】従来の磁気軸受の構成図である。

【符号の説明】

１ ハウジング ３、１４ 変位センサ ４、５、１２、１３ アクチュエータ ６ ステータコア ８ 永久磁石 ９ ロータ １１ 中心軸 １１Ｃ 中立位置 Δｘ、Δｙ 偏心量

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）ハウジングと、 （ｂ）前記ハウジングの内面により囲まれたモータのロ
   ータと、 （ｃ）前記ハウジングの内面に固設され、前記ロータの
   偏心量を検出する変位センサと、 （ｄ）前記ロータの外面上に且つ当該外面の外周に沿っ
   て固着された永久磁石と、 （ｅ）前記ハウジングの内面にそれぞれの一端が固設さ
   れた一対のアクチュエータと、 （ｆ）前記永久磁石と非接触で対面配置され、前記一対
   のアクチュエータの各他端によって支持されたモータの
   ステータコアと、 （ｇ）前記偏心側のステータコアと前記永久磁石との間
   隔を広げ且つ前記偏心と反対側のステータコアと前記永
   久磁石との間隔を狭める様に、前記変位センサの出力信
   号から得られる情報に応じて前記一対のアクチュエータ
   を制御しつつ、前記ロータの偏心量を極小にする制御手
   段とを、備えたモータ一体型磁気軸受。
2. 【請求項２】 （ａ）ハウジングと、 （ｂ）前記ハウジングの内面により囲まれた軸と、 （ｃ）前記ハウジングの内面に固設され、前記軸の偏心
   量を検出する変位センサと、 （ｄ）前記軸の外面上に且つ当該外面の外周に沿って固
   着された永久磁石と、 （ｅ）前記ハウジングの内面にそれぞれの一端が固設さ
   れた一対のアクチュエータと、 （ｆ）前記永久磁石と非接触で対面配置され、前記一対
   のアクチュエータの各他端によって支持された磁性体コ
   アと、 （ｇ）前記偏心側の磁性体コアと前記永久磁石との間隔
   を広げ且つ前記偏心と反対側の磁性体コアと前記永久磁
   石との間隔を狭める様に、前記変位センサの出力信号か
   ら得られる情報に応じて前記一対のアクチュエータを制
   御しつつ、前記軸の偏心量を極小にする制御手段とを、
   備えた磁気軸受。