JPH1080113A - ディスク型無軸受モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数のディスク型回転子とこれを回転駆動す
ると共に磁気浮上保持するディスク型固定子とからなる
無軸受回転機械を、コンパクトな構造とするとともに、
その製作コストを低減することができる無軸受モータを
提供する。 【解決手段】 少なくとも１枚のディスク型固定子１０
と、ディスク型固定子１０の両面に対面する２枚のディ
スク型回転子１３を備え、回転子１３はｍ極からなる回
転駆動磁界とｍ±２極からなる回転制御磁界により、回
転駆動されると共に磁気浮上制御されるディスク型無軸
受モータであって、ディスク型固定子１０は、両面の回
転子１３にそれぞれ対面する円周方向に規則的に配列さ
れた磁性材の突極１１と、突極１１間を円周方向に連結
する磁性材の連結部１２とを備え、連結部１２に両面の
突極１１から両面に配置された回転子１３にｍ極からな
る回転駆動磁界を作用させる巻線１４を巻回した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ｍ極からなる回転
駆動磁界に同期したｍ±２極の回転制御磁界を重畳し、
回転体を回転駆動する作用と共に回転体の浮上位置を制
御する磁気軸受作用とを兼ね備えた無軸受回転機械に係
り、特に少なくとも１枚のディスク型固定子と、該ディ
スク型固定子の両面に対面する２枚のディスク型回転子
を備えたディスク型無軸受モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平２−１９３５４７号公報、特開平
６−１３３４９３号公報等には、円筒型固定子内に円柱
型回転子を組み込み、固定子に励磁回路を形成し、ここ
で回転子に回転駆動力を与えると同時に、半径方向所定
位置に非接触浮上保持する磁気軸受制御力を作用させる
無軸受回転機械が開示されている。

【０００３】これは、固定子に回転駆動用の巻線と制御
用の巻線とを備え、それぞれにｍ極からなる回転磁界
と、ｍ±２極からなる回転磁界を形成する交流電流を供
給することにより、回転子を回転駆動すると共に、円柱
型回転子の半径方向に磁気的な浮上制御作用を及ぼすも
のである。これにより、回転子に回転駆動力を付与する
と共に、回転子に磁気的な浮上力を作用させて、その位
置と姿勢を制御して、固定子に対して非接触浮上位置決
めの磁気軸受機能を付与することができる。

【０００４】このため、従来必要とされていた磁気軸受
に相当する電磁石及びターゲット部分が不要となり回転
軸の軸長を短縮して、回転機械を小型軽量化することが
できる。また、制御巻線の電流と駆動巻線の電流との相
乗効果的な機能により、磁気軸受に相当する動作を行え
るので、従来の磁気軸受と比較してはるかに小さな制御
電流で回転子の浮上位置及び姿勢の制御が可能で、大幅
な省エネルギー化が可能である。

【０００５】図８は、複数枚のディスク型固定子と、該
ディスク型固定子により回転駆動されると共に磁気浮上
される複数枚のディスク型回転子とからなる無軸受回転
機械の一例を示す。ディスク型回転子１３の両側にディ
スク型固定子１０が配置され、ディスク型固定子１０は
ｍ極からなる回転駆動磁界を形成する駆動巻線と、回転
駆動磁界に同期したｍ±２極からなる回転制御磁界を形
成する制御巻線とを備え、ディスク型回転子を回転駆動
すると共に磁気浮上保持してその浮上位置及び姿勢を制
御する。

【０００６】回転子１３には羽根１６を備え、回転子１
３が磁気浮上モータのロータとして回転駆動されること
により、羽根１６が流体をケーシング１９内で矢印（回
転軸）方向に駆動する軸流ポンプとしての機能を果たし
ている。ディスク型回転子１３のディスク型固定子１０
に対面する一方の面には、回転軸方向に着磁された永久
磁石が４個、円周方向に着磁面が交互になるように固定
されている。そして、回転子の他方の面には円周方向に
等間隔に多数の突極が存在する。

【０００７】図９は、固定子の巻線構造を示す。固定子
は、回転子に対面する円周方向に規則的に配列された磁
性材の突極Ｔと突極Ｔ間に配列されたスロットＳからな
る。この磁性材の突極の周囲には図示するようにＵ相、
Ｖ相、Ｗ相の巻線が施されている。従って、それぞれの
巻線にＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相交流電流を供給す
ると、図示するように４極からなる回転駆動磁界が形成
される。

【０００８】又、固定子には図１０に示すように制御巻
線が各スロットＳに配置されている。このＵ相、Ｖ相、
Ｗ相の各巻線に３相交流電流を供給することにより、図
示するような２極の回転磁界が形成される。

【０００９】このような固定子１０を上述した回転子１
３の両側に、回転子１３を挟み込むように配置すること
により、駆動巻線により形成される回転駆動磁界の作用
で、回転子は回転駆動される。２極の制御磁界を４極の
回転磁界に重畳することにより、ディスク型回転子１３
は軸方向の制御力を受け、その浮上位置及び浮上姿勢が
制御される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示すように、ディスク型回転子１３は、その両面に配置
されたディスク型固定子１０から回転駆動力及び磁気浮
上制御力を付与されるため、その両面に２枚のディスク
型固定子１０を設置しなければならない。この為、回転
機械の軸方向の長さが長くなり、又、形状が大きくなり
製作コストがかさむという問題があった。

【００１１】本発明は上述した事情に鑑みてなされたも
ので、複数のディスク型回転子とこれを回転駆動すると
共に磁気浮上保持するディスク型固定子とからなる無軸
受回転機械を、コンパクトな構造とするとともに、その
製作コストを低減することができる無軸受モータを提供
することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の無軸受モータ
は、少なくとも１枚のディスク型固定子と、該ディスク
型固定子の両面に対面する２枚のディスク型回転子を備
え、該回転子はｍ極からなる回転駆動磁界とｍ±２極か
らなる回転制御磁界により、回転駆動されると共に磁気
浮上制御されるディスク型無軸受モータであって、前記
ディスク型固定子は、前記両面の回転子にそれぞれ対面
する円周方向に規則的に配列された磁性材の突極と、該
突極間を円周方向に連結する磁性材の連結部とを備え、
該連結部に前記両面の突極から両面に配置された前記回
転子にｍ極からなる回転駆動磁界を作用させる巻線を巻
回したことを特徴とする。

【００１３】又、本発明の無軸受モータは、少なくとも
１枚のディスク型固定子と、該ディスク型固定子の両面
に対面する２枚のディスク型回転子を備えたディスク型
無軸受モータであって、前記ディスク型固定子は、前記
両面の回転子にそれぞれ対面する円周方向に規則的に配
列された磁性材の突極と、該突極にｍ極からなる回転駆
動磁界を形成する駆動巻線と、該回転駆動磁界に同期し
たｍ±２極からなる回転制御磁界を形成する制御巻線と
を備え、前記駆動巻線は前記突極を円周方向に連結する
磁性材に、該円周方向に沿って磁束を形成するように巻
回されたものであることを特徴とする。

【００１４】上記構成によれば、駆動巻線は磁性材の突
極間を円周方向に連結する連結部に、円周方向に沿って
磁束を形成するように、いわゆるトロイダル巻きとして
巻回されたものであることから、固定子の両面に設けら
れた突極のそれぞれに回転駆動磁界を形成することがで
きる。従って、１枚のディスク型固定子がその両側に配
置されたディスク型回転子を共通に回転駆動することが
できるので、従来必要であった２枚のディスク型固定子
を１枚とすることができる。このため、１枚のディスク
型固定子のスペース分を節減することができ、回転機械
をコンパクトな構造とすることができ、又ディスク型固
定子の製作コストを低減し、更に制御装置等が節減でき
ることから回転機械全体としての製造コストを低減する
ことができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例について添付図面を
参照しながら説明する。

【００１６】図１は、本発明の一実施例の無軸受モータ
ポンプの全体的な構成を示す。２枚のディスク型回転子
１３が羽根１６を備え、これを挟むディスク型固定子１
０及び１０Ａにより回転駆動されると共に磁気浮上制御
される構成は、図８に示す従来のモータポンプと同じで
ある。本実施例においては、２枚の回転子１３，１３間
には、１枚のディスク型固定子１０Ａが配置されてお
り、この固定子１０Ａがその両側の回転子１３，１３を
回転駆動すると共に磁気浮上制御する。このため、従来
の図８に示す構造と比較して、ディスク型固定子１枚分
が不要となり、回転機械の軸方向長さを短縮することが
できる。

【００１７】尚、回転子１３と固定子１０，１０Ａが接
触する異常動作時に、接触による破損を最小限に留める
ため、回転子、固定子共互いに対向する面の外周部に高
強度の材料１７Ａ，１７Ｂが容易に交換可能なように配
置されている。又回転子１３の内周部には、異常時に回
転子１３が固定子１０，１０Ａから逸脱しないために、
固定子に固定されたアンギュラー軸受１８が正常動作時
には回転子１３に接触しないように配置されている。固
定子１０，１０Ａ、回転子１３とも高透磁率材料で作ら
れ、又渦電流による発熱を抑えるため積層構造で作られ
ている。

【００１８】図２は、２枚の回転子に挟まれた固定子の
構造を示す。固定子１０Ａは、両面に近接して配置され
る回転子にそれぞれ対面する円周方向に規則的に配列さ
れた磁性材の突極１１を備える。そして突極間を円周方
向に連結する磁性材の連結部１２に、円周方向に沿って
磁束を形成するように、いわゆるトロイダル巻きに巻回
された駆動巻線１４を備える。そして、突極１１には軸
方向に磁束を形成する制御巻線１５を備える。この制御
巻線１５は、固定子１０Ａの両側に近接して位置する回
転子１３，１３の浮上位置及び姿勢制御を行うため、固
定子１０Ａの両側にそれぞれ独立した巻線として巻回さ
れている。

【００１９】突極１１はディスク型固定子１０の両面に
設けられているので、突極から生成される磁束は、ディ
スク型固定子の両側に近接して保持されたディスク型回
転子に磁気力を及ぼすことができる。これにより、ディ
スク型固定子の両面のディスク型回転子はそれぞれが同
じ方向に同じ回転速度の回転駆動力を受ける。

【００２０】図３（Ａ）（Ｂ）は、駆動巻線の結線側を
示す。この実施例ではＡ相、Ｂ相からなる二相巻線が採
用され、（Ａ）はＡ相、（Ｂ）はＢ相の結線例を示す。
それぞれＡ＋，Ｂ＋からＡ−，Ｂ−は正の電流が流れる
と、各突極１１は、図示するＮ極又はＳ極の磁極とな
る。従って、Ａ相とＢ相に位相が９０゜異なる２相の交
流電流を供給することで、４極の回転磁界が固定子１０
Ａの両面の各突極１１に沿って円周方向に形成される。

【００２１】一方、制御巻線１５は従来と同様に図１０
に示すように、固定子の両方の面のそれぞれの突極を囲
み、独立に２極の回転磁界を形成するように巻回する。
制御巻線は、両側に配置される回転子に対応してディス
ク型固定子１０Ａの両面にそれぞれ独立に巻回すること
で、両方のディスク型回転子１３，１３の浮上位置、及
び浮上姿勢をそれぞれ制御することができる。

【００２２】図４（Ａ）（Ｂ）は、回転子の上面及び下
面の平面的な構造を示す。ディスク型回転子１３のディ
スク型固定子１０Ａに対面する面（Ａ）には、回転軸方
向に着磁された永久磁石が４個、円周方向に着磁面が交
互になるように固定されている。そして、回転子１３の
ディスク型固定子１０に対面する面（Ｂ）には円周方向
に等間隔に８個の突極Ｔが形成されている。この突極Ｔ
は、固定子１０Ａの突極１１に合わせて配置されてい
る。尚、回転子は固定子と同様な磁性材の凹凸面を有す
るリラクタンス型、又は回転駆動磁極に対応したＮ極及
びＳ極を有する永久磁石型、或いは導体棒を半径方向に
配列した誘導型等のいずれでも良い。

【００２３】上側及び下側の固定子１０には回転子駆動
用の４極駆動巻線のみが図９に示すように巻回され、イ
ンバータ等の電力変換装置で各相に通電することによ
り、回転子１３の円周方向に４極の回転磁界を作用せし
める。同時にＺ軸方向への磁気吸引力を作用せしめる。
回転子１３には前述したように固定子１０に対面する面
に永久磁石が固設されているので、固定子１０より回転
子Ａ面に作用させる磁束はトルク分磁束だけでよい。こ
の固定子１０に巻回された巻線に電力変換器により電流
を通電することにより、回転子１３に回転駆動力を付与
する。また、回転子Ａ面に装着された永久磁石と固定子
１０の高透磁率材料の磁気的作用により、回転子を上側
に引き上げる一定の磁気吸引力が働く。固定子１０Ａ
も、同様に回転子１３のＢ面に対して４極回転磁界を作
用させ、これを回転駆動すると共に、回転子１３を固定
子１０Ａ側へ吸引する磁気吸引力が働く。

【００２４】尚、２つの前記ディスク型固定子１０Ａ，
１０を対向して配置し、その中間に前記ディスク型回転
子１３を備えた回転機械において、該固定子１０Ａの一
方の巻線の励磁分電流だけによって生じる回転磁界の磁
極と、もう一方の該固定子１０の巻線のトルク分電流だ
けによって生じる回転磁界の磁極を回転軸方向に対向せ
しめることによって、回転子に付与される回転力の変動
を少なくすることができる。

【００２５】図５は、上述した回転機械の制御系の説明
図である。回転子１３の外周には回転子の軸方向断面に
対向した位置に変位検出器２５を固定子に固定して取り
付けてあり、ここで得られた情報は回転子位置と回転子
姿勢信号に制御装置２６，２７α，２７βで演算され
る。回転子位置は回転子中心部分の軸方向の位置と同等
であり、回転子姿勢は回転子回転軸の傾きとして２つの
信号で表現される。以下、この３つの信号を回転子位置
ｚ、回転子姿勢信号α、回転子姿勢信号βと表わす。

【００２６】回転子と固定子のギャップを検出する変位
検出器を回転子円周方向に等間隔に４個配置し、ここで
得られた信号をアキシャル位置制御検出器２６、α方向
傾き検出器２７α、β方向傾き検出器２７βに入力する
ことにより、それぞれアキシャル位置ｚ、傾きα、傾き
βを出力する。傾きαの回転軸と傾きβの回転軸は直交
しており、かつ回転子回転軸に対しても直交している。

【００２７】尚、前述の上側固定子と回転子上面永久磁
石の吸引力は無制御であり、上側固定子の巻線は回転子
の位置制御、姿勢制御を積極的に行っていないので、説
明図から省略している。システムには回転子の回転角度
θを検出する回転角度検出器２８と、回転子の回転速度
ωを検出する回転速度検出器２９を有している。既に求
めたアキシャル位置信号ｚと回転速度信号ωを、目標位
置を設定した指令値ｚ^*、ω^*とそれぞれ比較し、その偏
差を増幅して回転子の回転軸方向に作用する制御力の指
令値Ｆｚ^* と回転子回転駆動力の指令値Ｔ^* を発生す
る。この２つの信号を回転子に同期したｄ−ｑ座標系の
電流指令値Ｉｄ^*、Ｉｑ^*をアキシャル力トルク分離演算
器３０にて生成する。回転座標変換器３１によりＩ
ｄ^*、Ｉｑ^*を回転子回転角度信号θに基づき固定座標に
変換し、４極巻線の各相に流す電流量Ｉｍａ^*，Ｉｍｂ^*
を電圧信号で出力する。この電圧信号Ｉｍａ^*、Ｉｍｂ^*
をインバータ（電力変換器）３２に入力して巻線に所望
の電流を流すことにより、回転子の出力トルクとアキシ
ャル方向位置を同時に制御する。

【００２８】回転子の傾きα信号と傾きβ信号は、対面
する固定子の２極巻線の電流量を決定するパラメータに
用いられる。回転子の検出された傾きα、傾きβを目標
指令値α^* 、目標指令値β^*と比較し、その偏差を増幅
して傾きに対する制御力の指令値Ｆα^*、Ｆβ^*を得る。
回転子１３がトルクを発生している場合、４極巻線には
ｄ軸電流だけでなくｑ軸電流が流れる。対面する固定子
の２極巻線電流が生成する磁界と４極巻線電流が生成す
る磁界の干渉により、円周方向の磁束分布を不均一にし
て姿勢制御を行うため、トルク変動によって生じる４極
巻線のｑ軸電流の変動を考慮して傾き制御における力の
指令値を決定する必要がある。ｑ軸電流によって生成さ
れるｑ軸磁束と２極巻線が生成する磁束の干渉を考慮し
た傾き制御非干渉化補償器３３により、トルク変動に影
響されない力の指令値Ｆα^*’、指令値Ｆβ^*’を得る。
この信号と回転角度信号を用いて回転座標変換器３４で
回転角度変調、二相変換を行い、２極巻線のα，β相に
流す電流量を電圧信号で出力する。この電圧信号Ｉｐα
^*、Ｉｐβ^* をインバータ（電力変換器）３５に入力し
て２極巻線に所望の電流を流すことにより回転子の姿勢
の制御を行う。

【００２９】図６及び図７は、上記姿勢制御についての
原理図である。図６（Ａ）は回転体１３の傾きα方向の
変位を示し、図６（Ｂ）は回転体１３の傾きβ方向の変
位を示し、図６（Ｃ）は回転子１３のアキシャル（軸）
方向ｚの変位を示す。α方向とβ方向とｚ方向は、それ
ぞれ直交している。図７（Ａ）は４極回転磁界による磁
束の状態、図７（Ｂ）は２極回転磁界による磁束の状
態、図７（Ｃ）はこの２つの磁束を重ね合わせた状態で
ある。回転子には磁束密度が大きい部分ほど吸引力が大
きいので、結果的に回転子の姿勢は変化する。即ち、２
極巻線が作る磁界の大きさ、位相を制御することによ
り、回転子１３の傾きを、任意のα方向及びβ方向に、
任意の大きさで制御することができる。これにより、外
乱によりディスク型の回転子１３の姿勢が変化しても、
元の姿勢に復元することができる。

【００３０】尚、上述した実施例は、ディスク型回転子
２枚とこれを挟むように配置したディスク型固定子３枚
とからなる無軸受回転機械の例について説明したが、デ
ィスク型回転子３枚とディスク型固定子４枚とからなる
組合せ等についても、本発明の趣旨を同様に適用できる
ことは勿論である。

【００３１】又、本実施例では２枚のディスク型回転子
に挟み込まれた固定子に制御巻線を設けているが、この
制御巻線は最外側の固定子に設けるようにしてもよい。

【００３２】又、この実施例では２極巻線と４極巻線の
組合せを用いたが、駆動巻線極数Ｍと制御巻線極数Ｍ±
２に従った組合せであれば、本実施例と同様の回転子の
回転駆動と磁気浮上制御が可能である。さらに回転子は
同期リラクタンス型に限らず、永久磁石型、誘導機等に
も本発明の趣旨が同様に適用可能である。

【００３３】又、上記実施例はディスク型回転子を磁性
材料で構成し、更に永久磁石を固着したものであるが、
更に高導電率材料（例えば銅線）の電流路を設けるよう
にしてもよい。電流路をディスク状の回転体の面に放射
状に設け、その内周と外周をリング状に結線することに
より、高負荷時にはその電流路に電流が流れ、トルクを
大きくすることができる。このように本発明の趣旨を逸
脱することなく、種々の変形実施例が可能である。

【００３４】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
２枚のディスク型回転子の間に１枚のディスク型固定子
を挟み込み、該固定子には円周方向に磁束を形成する巻
線と、両側のディスク型回転子に対面する突極を設ける
ことにより、１枚のディスク型固定子でその両側の２枚
のディスク型回転子を回転駆動することができる。従っ
て、回転機械の軸長を短縮することができると共に、そ
の製作コストを低減することができる。又、回転駆動の
制御装置或いは電力増幅器等が１組分不要となり、ディ
スク型回転体の非接触支持のメリットを生かしつつ、デ
ィスク型回転機械の装置全体としての小型軽量化と製作
コストの低減を達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のディスク型回転機械の全体
的な構成を示す断面図。

【図２】本発明の一実施例のディスク型無軸受モータの
固定子の説明図。

【図３】前記固定子の４極巻線の巻線経路の説明図であ
り、（Ａ）Ａ相、（Ｂ）Ｂ相を示す。

【図４】ディスク型回転子の上下面を示す平面図。

【図５】前記ディスク型回転機械の制御系の説明図。

【図６】ディスク型回転子の（Ａ）α方向の変位、
（Ｂ）β方向の変位、（Ｃ）Ｚ方向の変位を示す説明
図。

【図７】回転子の姿勢制御の原理の説明図。

【図８】従来のディスク型回転機械の全体的な構成を示
す断面図。

【図９】従来の固定子の４極巻線の巻線経路の説明図。

【図１０】従来の固定子の２極巻線の巻線経路の説明
図。

【符号の説明】

１０ 固定子 １１ 突極 １２ 連結部 １３ 回転子 １４ 駆動巻線 １５ 制御巻線 １６ 羽根 １７Ａ,１７Ｂ 高強度材料 １８ アンギュラ軸受 １９ ケーシング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 忠 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 (72)発明者 茅島 直史 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目１番１号 株 式会社荏原電産内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１枚のディスク型固定子と、
   該ディスク型固定子の両面に対面する２枚のディスク型
   回転子を備え、該回転子はｍ極からなる回転駆動磁界と
   ｍ±２極からなる回転制御磁界により、回転駆動される
   と共に磁気浮上制御されるディスク型無軸受モータであ
   って、 前記ディスク型固定子は、前記両面の回転子にそれぞれ
   対面する円周方向に規則的に配列された磁性材の突極
   と、該突極間を円周方向に連結する磁性材の連結部とを
   備え、該連結部に前記両面の突極から両面に配置された
   前記回転子にｍ極からなる回転駆動磁界を作用させる巻
   線を巻回したことを特徴とするディスク型無軸受モー
   タ。
2. 【請求項２】 少なくとも１枚のディスク型固定子と、
   該ディスク型固定子の両面に対面する２枚のディスク型
   回転子を備えたディスク型無軸受モータであって、 前記ディスク型固定子は、前記両面の回転子にそれぞれ
   対面する円周方向に規則的に配列された磁性材の突極
   と、該突極にｍ極からなる回転駆動磁界を形成する駆動
   巻線と、該回転駆動磁界に同期したｍ±２極からなる回
   転制御磁界を形成する制御巻線とを備え、 前記駆動巻線は前記突極を円周方向に連結する磁性材
   に、該円周方向に沿って磁束を形成するように巻回され
   たものであることを特徴とするディスク型無軸受モー
   タ。