JPH0785639B2 - 非接触支持モ−タ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ラジアル磁気軸受を有する非接触支持モー
タ装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第６図は非接触支持モータ装置としての磁気軸受モータ
の従来例を示す。

図において、60は磁気軸受モータで、中空円柱状の枠体
61と、この枠体61内に枠体61と同軸的に設けた回転体62
と、この回転体62を空中に支持するラジアル磁気軸受63
およびアキシアル磁気軸受64と、前記回転体62を回転駆
動する固定子65と、前記回転体62のラジアル方向および
アキシアル方向の変位を検出するラジアル方向変位検出
センサ66、67およびアキシアル方向変位検出センサ68と
により構成されている。

前記回転体62は軸62jの上端部に円盤62aの同軸的に取り
付け、軸62jの中間部に円盤62b、62c、62dをこの順にそ
れぞれ間隔を置いて同軸的に取り付けた構造となってい
る。前記ラジアル磁気軸受63は、上部ラジアル磁気軸受
63uと下部ラジアル磁気軸受63lとにより構成されてい
る。前記上部ラジアル磁気軸受63uは前記枠体61の内側
周方向に配設され前記円盤62bの周側面に対向する複数
のヨーク63yにそれぞれ励磁コイル63cを捲回して形成し
ている。前記下部ラジアル磁気軸受63lは前記枠体61の
内側周方向に配設され前記円盤62dの周側面に対向する
複数のヨーク63yにそれぞれ励磁コイル63cを捲回して形
成している。前記アキシアル磁気軸受64は前記円盤62a
の上面に対向する環状の電磁石を前記枠体61の内側に取
り付けて形成している。前記固定子65は前記枠体61の内
側周方向に配設され前記円盤62cの周側面に対向する複
数のヨーク65yにそれぞれ励磁コイル65cを捲回して形成
している。前記ラジアル方向変位検出センサ66、67はそ
れぞれ前記軸62jの両端部周側面に対向し前記枠体61の
内側部分に取り付けられ、ラジアル方向の変位を検知す
るようになっている。前記アキシアル方向変位検出セン
サは前記軸62jの下端面に対向し前記枠体61の内側に取
り付けられ、アキシアル方向の変位を検出するようにな
っている。

従来の磁気軸受モータは上記のように構成されているか
ら、回転体62は、ラジアル方向変位およびアキシアル方
向変位検出センサ66、67、68により検出された回転体62
の変位に基いて位置制御されるとともに、ラジアル磁気
軸受63およびアキシアル磁気軸受64により空中に支持さ
れ、空中に支持された状態で、固定子65により回転駆動
される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、従来の磁気軸受モータは回転体62を構成
する円盤62b、62dの周側面に対向してラジアル磁気軸受
63を設け、円盤62cに対向して固定子65を設ける構成に
したから、モータは軸方向に長くなり、近年の小型化の
要請に応えることができないという問題点があった。

第７図はこのような要請に応えるものとして提案されて
いる磁気軸受モータである。図において、70は磁気軸受
モータで、中空円柱状の枠体71と、この枠体71内に枠体
71と同軸的に設けた回転体72と、この回転体72を空中に
支持するラジアル磁気軸受73およびアキシアル磁気軸受
74と、前記回転体72を回転駆動する固定子75と、前記回
転体72のラジアル方向およびアキシアル方向の変位を検
出するラジアル方向変位検出センサ76、77およびアキシ
アル方向変位検出センサ78とにより構成されている。

前記回転体72は軸72jの上端部に円盤72aを同軸的に取り
付け、軸72jの中間部に円盤72b、72dをこの順にそれぞ
れ間隔を置いて同軸的に取り付けた構造となっている。
前記ラジアル磁気軸受73は、上部ラジアル磁気軸受73u
と下部ラジアル磁気軸受73lとにより構成されている。
前記上部ラジアル磁気軸受73uは前記枠体71の内側周方
向に配設され前記円盤72bの周側面に対向する複数のヨ
ーク73yにそれぞれ励磁コイル73cを捲回して形成してい
る。

前記下部ラジアル磁気軸受73lは前記枠体71の内側周方
向に配設され、前記円盤72dの周側面に対向する複数の
ヨーク73yにそれぞれ励磁コイル73cを捲回して形成して
いる。前記アキシアル磁気軸受74は前記円盤72aの上面
に対向する環状の電磁石を前記枠体71の内側に取り付け
て形成している。前記固定子75は前記ヨーク73yに捲回
された励磁コイル73cより外側の前記ヨーク73yの部分に
励磁コイル75cを捲回して形成している。前記ラジアル
方向変位検出センサ76、77はそれぞれ前記軸72jの両端
部周側面に対向して前記枠体71の内側部分に取り付けら
れている。前記アキシアル方向変位検出センサ78は前記
軸62jの下端面に対向して前記枠体71の内側部分に取り
付けられている。

このような構成にすれば、前記従来例の固定子65の分だ
け、モータ70の軸方向の長さが短縮されるため、上記問
題点を解決することは可能である。しかしながら、回転
体72の回転に寄与する励磁コイル75cのラジアル方向の
吸引力と、回転体72のラジアル方向位置制御に寄与する
励磁コイル73cのラジアル方向の吸引力とが回転体72の
外側に配された励磁コイルによりそれぞれ重畳される構
成であるから、励磁コイル73cにより位置制御された回
転体72の回転軸は、固定子75に設けた励磁コイル75cの
回転磁界の吸引力により幾何学的中心より変化させら
れ、この変位を修正する吸引力が励磁コイル73cに働く
ので回転体72を回転させる回転磁界が乱されるため、回
転磁界を強くすることができないし、また、円滑な回転
を得ることができないという問題点があった。

この発明は、高剛性、高負荷容量にして円滑な回転が得
られるコンパクトな非接触支持モータを提供することを
目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る非接触支持モータ装置は、強磁性を有す
る筒状のロータと、このロータのラジアル方向変位を検
出するラジアル方向変位検出手段と、前記ロータの周方
向に配され、該ロータの周側部内側および外側に夫々僅
かな隙間を介して対向する内外対をなす電磁石の組を少
なくとも３組有する電磁石群と、前記ラジアル方向変位
検出手段により検出されたラジアル方向変位に応じて前
記ロータの周側部内側および外側のうちの少なくとも一
方の前記電磁石を励磁して前記ロータの位置を中心位置
に制御するラジアル磁気軸受制御手段と、前記電磁石群
の対向する内外の電磁石を同時に励磁して前記ロータに
対する内外の吸引力を相殺させた状態で前記電磁石群に
回転磁界を形成する回転磁界制御手段とを備えたもので
ある。

〔作用〕 この発明に係る非接触支持モータ装置は、ロータの周側
部内側および外側の周方向にそれぞれ配設した内外対を
なす電磁石により少なくとも３組の電磁石よりなる電磁
石群を形成し、かつ、検出されたラジアル方向変位に応
じてラジアル磁気軸受制御手段により前記電磁石を励磁
すると共に、回転磁界制御手段により、前記１組の内外
の電磁石を同時に励磁して回転磁界を形成する構成にし
たから、ロータのラジアル方向には回転磁界制御手段に
よる内外の吸引力が相殺されてラジアル磁気軸受制御手
段による吸引力のみが加わった状態にでき、一方、ロー
タの周方向（回転方向）にはラジアル磁気軸受制御手段
による回転方向の磁石群の吸引力は相殺され回転磁界制
御手段による回転磁界のみの吸引力が加わった状態にで
きるので、ロータをラジアル方向に位置制御させた状態
で、回転方向に回転駆動できる。

〔実施例〕

第１図および第２図において、１は非接触支持モータ装
置で、枠体２と、ロータ３と、ラジアル方向磁力発生手
段４と、アキシアル方向磁力発生手段５と、ラジアル方
向変位検出センサ６と、アキシアル方向変位検出センサ
７とを備えている。

前記枠体２は、一端部にフランジ23を有する中空の内円
筒24と、この内円筒24にかぶさるようにフランジ23にボ
ルトb1により一方の端部を固定された外円筒22と、この
外円筒22の他方の端部にねじs1により固定された蓋体20
よりなり、蓋体20の中心部には孔21が形成されている。

前記ロータ３はカップ状の回転体（強磁性体）31とさ
れ、この回転体31の底部中央には内方に張り出したスリ
ーブが形成され、このスリーブにフランジを有する回転
軸30を嵌挿しボルトb2により回転軸30を回転体31に固定
したものである。このロータ３は前記内円筒24の内孔及
び前記蓋体20の孔21に挿通され回転体31の外円筒部は前
記内円筒24と外円筒22との間の空間部に挿通されてい
る。なお、回転体31は後述する電磁石40a〜40hに対向す
る部分をけい素鋼板の積層構造にすると、鉄損を減少さ
せることができる。

前記ラジアル方向磁力発生手段４は上下２段に配設さ
れ、それぞれけい素鋼板の積層構造の内側ステータISと
外側ステータOSを有している。

内側ステータISは円筒状の部材の外面側に８個の磁極Pi
を周方向等間隔に突出させたもので、各磁極Piには励磁
コイルCiが捲回されている。

外側ステータOSは円筒状の部材の内面側に８個の磁極Po
を周方向等間隔に突出させたもので、各磁極Poには励磁
コイルC0が捲回されている。

内側ステータISは間座sp1により軸方向に離間された状
態で枠体の内円筒24の外面に嵌合し、下側の内側ステー
タISは枠体の内円筒24に設けた段部に一方の端面を当接
され上側の内側ステータISは内円筒24の端部にねじs2に
より取付けられた止め板との間に配された間座sp2より
押圧されており、内側ステータISは枠体２に固定されて
いる。

外側ステータOSは間座sp3により軸方向に離間された状
態で枠体の外円筒22の内面に嵌合し、下側の外側ステー
タOSは、外円筒22に設けた段部に一方の端面を当接さ
れ、上側の外側ステータOSは蓋体20から伸びる円筒部に
より押圧されており、外側ステータOSは枠体２に固定さ
れている。

内側ステータISと外側ステータOSの各磁極は夫々対向さ
れており、いずれもロータ３のカップ状の外円筒部に僅
かな間隙を介して対向されている。

本実施例はステータの磁極が８極の例であるので、２つ
の磁極を一組として４組の電磁石がロータの内外に形成
される。

即ち、Ｘ方向に電磁石40a,40bおよび電磁石40c,40dが形
成され、Ｘ方向に対し直角方向のＹ方向に電磁石40e,40
fおよび電磁石40g,40hの内外対をなす４組の電磁石群が
形成されている。

前記アキシアル方向磁力発生手段５は前記蓋体22に形成
され前記ロータの回転体31の底部の端面に近接する環状
突部に設けられた環状の周溝に捲回された励磁コイル50
と、内円筒のフランジ23に形成され前記ロータの回転体
31の外円筒の外端面に近接する環状突部に設けられた環
状の周溝に捲回された励磁コイル51とを有している。

前記ラジアル方向変位検出センサ６は前記回転体31の両
端の周側部に僅かな間隙を介して対向された状態で枠体
２のＸ方向に固定された２つのＸ方向変位センサ60xお
よびＹ方向変位センサ60yとから成り、このラジアル方
向変位検出センサは、前記ロータ３のＸ方向およびＹ方
向変位に応じた電圧を取り出すためのものである。ラジ
アル方向変位検出センサ60x,60Yが上下に配されている
のはロータの傾きを制御するためである。

前記アキシアル方向変位センサ７は前記蓋体22に取り付
けられたロータの回転体31の底部に僅かな間隙を介して
対向されており、このアキシアル方向変位検出センサは
前記ロータ３のアキシアル方向変位に応じた電圧を取り
出すためのものである。アキシアル方向変位センサ７は
ロータの上下に設けても良い。

第３図において、８はＸ方向変位検出装置で、ローパス
フィルタ81と、位相補償回路82と、変位信号発生回路83
を有し、前記Ｘ方向変位センサ60xからの信号と基準電
圧vsxに基づきロータ３のＸ方向変位Δdx信号を出力す
る。

９はＸ方向磁気軸受の印加電圧制御装置で、PID（propo
rtional integral and differential）調節回路91と、
加算回路92と、処理回路93、94とを備え、前記PID調節
回路91は積分回路91i、比例回路91pおよび微分回路91d
を有し、前記Ｘ方向変位検出装置８からの変位信号とそ
の積分およびその微分の和に比例する制御信号を加算回
路92を介して前記処理回路93、94に出力し、前記処理回
路93は加算回路92の出力電圧vixとロータ３のラジアル
方向の基準位置に対応する基準電圧vsxとの和を算出
し、前記処理回路94は前記加算回路92の出力電圧vixと
基準電圧vsxとの差を算出する。前記Ｘ方向磁気軸受の
印加電圧制御装置９はＸ方向変位検出装置８により検出
されたＸ方向変位（Δdx）に応じて、それぞれパワーア
ンプ10b、10cに（vsx＋vix）の制御信号をパワーアンプ
10a、10dに（vsx−vix）の制御信号を出力しており、Ｘ
方向磁気軸受40x、すなわち電磁石40b、40cと電磁石40
a、40dにはパワーアンプ10a〜10dにより増幅された磁気
軸受制御電圧（それぞれα（vsx＋vix）、α（vsx−vi
x））が供給される。この場合磁界は外側ステータの極
からロータ３を貫通して内側ステータISの極に入り、内
側ステータISを円周方向に通って隣りの内側ステータIS
の極からロータ３を貫通して外側ステータOSの極に入り
外側ステータOSの外側を通って始めの極に戻る環状の磁
界となっている。αはパワーアンプ10a〜10dの増幅率で
ある。

11はＹ方向変位検出装置で、ローパスフィルタ111と、
位相補償回路112と、変位信号発生回路113とを備え、前
記Ｙ方向変位センサ60yからの信号と基準電圧Vsyに基づ
きＹ方向の変位をΔdyを出力する。前記ラジアル方向変
位センサ６およびＸ方向、Ｙ方向変位検出装置８、11に
よりラジアル方向変位検出手段を構成している。

12はＹ方向磁気軸受の印加電圧制御装置で、積分回路12
1i、比例回路121pおよび微分回路121dを有するPID調節
回路121と、前記比例回路121pおよび微分回路121dの出
力電圧を加算する加算回路122と、この加算回路122の出
力電圧viyとロータ３のラジアル方向の基準位置に対応
する基準電圧vsyとの和を算出する処理回路123と、前記
加算回路122の出力電圧viyと基準電圧vsyとの差を算出
する処理回路124とを有し、前記Ｙ方向変位検出装置11
により検出されたＹ方向変位（Δdy）に応じて、それぞ
れパワーアンプ13f、13gに（vsy＋viy）の制御信号を、
パワーアンプ13e、13hに（vsy−vig）の制御信号を出力
しており、上部Ｙ方向磁気軸受40y、すなわち電磁石40
f、40gと電磁石40e、40hに印加する磁気軸受制御電圧
（それぞれα（vsy＋viy）、α（vsy−viy））を供給し
ている。αはパワーアンプ13a〜13dの増幅率である。こ
のＸ方向変位検出装置８とＸ方向磁気軸受の印加電圧制
御装置９とパワーアンプ10a〜10d及びＹ方向変位検出装
置11とＹ方向磁気軸受の印加電圧制御装置12とパワーア
ンプ13e〜13hによりラジアル磁気軸受手段が形成されて
いる。

14は非接触支持モータの駆動制御装置で、発信回路141
と、タイミング回路142と、駆動制御回路143とを備え、
パルス列を成形、分配して、順次、前記パワーアンプ10
a、10b、パワーアンプ13g、13h、パワーアンプ10c、10
d、パワーアンプ13e、13fに位相の異った回転磁界制御
信号（V1〜V4）を出力し電磁石40a、40b、電磁石40g、4
0h、電磁石40c、40d、電磁石40e、40fには夫々αV1,αV
2,αV3,αV4の回転磁界制御電圧が前記磁気軸受制御電
圧と重畳された形で印加している。

第４図において、25はアキシアル方向変位検出装置で、
ローパスフィルタ251と、位相補償回路252と、変位信号
発生回路253とを有し、前記アキシアル方向変位センサ
７からの信号と基準電圧vszに基づきアキシアル方向の
変位をΔdz信号を出力する。26はアキシアル方向磁気軸
受の印加電圧制御装置で、積分回路261i、比例回路261
p、および微分回路266dよりなるPID調節回路261と、前
記比例回路231pおよび微分回路261dの出力電圧を加算す
る加算回路262と、この加算回路262の出力電圧vizと基
準電圧vszとの和を算出する処理回路263と、前記加算回
路262の出力電圧vizと基準電圧vszとの差を算出する処
理回路264とを備え、前記アキシアル方向変位検出装置2
5により検出されたアキシアル方向変位（Δdz）に応じ
て、それぞれパワーアンプ27aに（vsx＋viz）の制御信
号を、パワーアンプ27bに（vsz−viz）の制御信号を出
力しておりアキシアル方向磁気軸受５、すなわち電磁石
50と電磁石51にはパワーアンプ27a,27bにより増幅され
たアキシアル磁気軸受制御電圧（それぞれα（vsz＋vi
z）、α（vsz−viz））が供給される。αは前記パワー
アンプ27a、27bの増幅率である。前記アキシアル方向変
位センサ７とアキシアル方向変位検出装置25とにより、
前記ロータのアキシアル方向変位を検出するアキシアル
方向変位検出手段を構成している。

この実施例の非接触支持モータ装置は、電磁石40a〜40d
をロータ３の周側部に僅かな隙間を介してｘ方向に対向
させて内円筒24および外円筒22に、また、電磁石40e〜4
0hをロータ３の周側部に僅かな隙間を介してｙ方向に対
向させて内円筒24および外円筒22に配設し、これら電磁
石40a〜40hに印加する電圧を、Ｘ方向変位センサ60xお
よびＸ方向変位検出装置８と、Ｙ方向変位センサ60yお
よびＹ方向変位検出装置11とによりそれぞれ検出された
Ｘ方向変位およびＹ方向変位に応じて、Ｘ方向磁気軸受
の印加電圧制御装置９およびＹ方向磁気軸受の印加電圧
制御装置12により制御する構成にしたから、ロータ３の
ラジアル方向の位置制御が行なわれ、ロータ３は幾何学
的中立位置に支持される。

また、この実施例の非接触支持モータ装置は、モータ駆
動制御装置14によりパルス列を成形、分配して、順次、
前記パワーアンプ10a、10b、パワーアンプ13g、13h、パ
ワーアンプ10c、10d、パワーアンプ13e、13fを介して、
前記電磁石40a、40b、電磁石40g、40h、電磁石40c、40
d、電磁石40e、40fに回転磁界を形成させる電圧V1〜V4
を重畳させて印加する構成にしたから、回転磁界が形成
されるとともに、Ｘ、Ｙ方向のそれぞれの吸引力成分、
例えば、電磁石40a、40bに同時に電圧が印加される場合
は電磁石40aにはα（vsx−vix＋vi）の電圧が加わり、
電磁石40bにはα（vsx＋vix＋v1）の電圧が加わるので
回転磁界成分のＸ方向の吸引力成分は相殺され、ロータ
３のラジアル磁気軸受制御の吸引力を乱すことがないの
でロータは安定した状態で回転できる。

なお、アキシアル方向の位置制御は、ラジアル方向の位
置制御と同様であるから説明を省略する。

この実施例では、４極の磁気軸受モータを説明したが、
極数は少なくとも３つあれば良い、また極数を増加させ
るほどロータを円滑に回転させることができることは勿
論である。

また、本実施例ではモータ駆動制御回路143からパルス
状の電圧V1〜V4を発生させているが、この波形はサイン
カーブ状の電圧とすればモータの回転は滑らかになる。

さらに、ラジアル磁気軸受制御手段が内側及び外側の電
磁石の磁力を制御しているが、内外いずれか一方の電磁
石のみにより磁気軸受制御を行なわせるようにしても良
い。

さらにまた、本実施例ではロータが中心軸を有している
が、この中心軸は必らずしも必要でないし、スラスト軸
受として本実施例では制御形スラスト磁気軸受を用いた
が、スラスト軸受としては空気軸受等の静圧軸受を使用
しても良いことはもちろんである。

第５図はこの発明の他の実施例を示す図で、第１図と同
一または相当部分には同一符号を付してある。これは回
転体31の外円筒部が軸方向の両側に張り出したものでそ
の中間部において、回転軸30に取り付けた例で、ロータ
の外円筒部が長い片持構造でないので剛性が高い利点が
あるが前記実施例と作用、効果において、差異はないの
で説明は省略する。

〔発明の効果〕

この発明は、ロータの周側部内側および外側の周方向に
それぞれ配設した内外対をなす少なくとも３組の電磁石
よりなる電磁石群を形成し、ラジアル方向変位検出手段
により、検出されたラジアル方向変位に応じて前記内側
および外側のうち少なくとも一方の電磁石を励磁して前
記ロータの位置を中立位置に制御するとともに、順次、
前記各１組の内外の電磁石を同時に励磁して回転磁界を
形成する構成にしたから、軸方向の長さが短縮されて小
型化され、さらに、ロータは非接触幾状態で幾何学的中
心に高精度で支持されながら円滑な回転をし、かつ、ロ
ータの周側部分内側および外側の両側面を軸受面として
使用するから通常の約２倍のラジアル軸受剛性および負
荷容量を有するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図はこの発明の一実施例を示す図で、
第１図は非接触支持モータ装置の縦断面図、第２図は第
１図のII−II線断面図、第３図は第１図に示す非接触支
持モータ装置のラジアル磁気軸受制御装置およびモータ
駆動制御装置を示す図、第４図はアキシアル磁気軸受制
御装置を示す図である。第５図はこの発明の他の実施例
を示す図、第６図及び第７図はそれぞれ磁気軸受モータ
の従来例を示す図である。 図において、３……ロータ、４……ラジアル方向磁力発
生手段、５……アキシアル方向磁力発生手段、６……ラ
ジアル方向変位検出センサ、７……アキシアル方向変位
検出センサ、８……Ｘ方向変位検出装置、９……Ｘ方向
磁気軸受の印加電圧制御装置、10a〜10d、13e〜13h……
パワーアンプ、11……Ｙ方向変位検出装置、12……Ｙ方
向磁気軸受の印加電圧制御装置、14……モータ制御駆動
装置、25……アキシアル方向変位検出装置、40a〜40h…
…電磁石である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】強磁性を有する筒状のロータと、このロー
   タのラジアル方向変位を検出するラジアル方向変位検出
   手段と、前記ロータの周方向に配され、該ロータの周側
   部内側および外側に夫々僅かな隙間を介して対向する内
   外対をなす電磁石の組を少なくとも３組有する電磁石群
   と、前記ラジアル方向変位検出手段により検出されたラ
   ジアル方向変位に応じて前記ロータの周側部内側および
   外側のうちの少なくとも一方の前記電磁石を励磁して前
   記ロータの位置を中心位置に制御するラジアル磁気軸受
   制御手段と、前記電磁石群の対向する内外の電磁石を同
   時に励磁して前記ロータに対する内外の吸引力を相殺さ
   せた状態で前記電磁石群に回転磁界を形成する回転磁界
   制御手段とを備えたことを特徴とする非接触支持モータ
   装置。