JPS631340A - 非接触支持モ−タ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

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

〔従来の技術〕

第９図は非接触支持そ一夕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６
２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。

補記回転体６２は軸６２ｊの上端部に円ｆ８６２ａを同
軸的に取り付け、軸６２ｊの中間部に円盤６２ｂ、６２
ｃ、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。

前記ラジアル電気軸受６３は、上部ラジアル電気軸受６
３ｕと下部ラジアル磁気軸受６３Ｉｌ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６
１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６
３２は前記枠体６１の内側周方向に配設され補記円酊６
２ｄ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１１！Ｉ６２　ｃ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て
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の下端面に対向して前
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
り空中に支持さね、空中に支持された状態で、固定子６
５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、従来の磁気輪受モータは回転体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６２　ｃに対向して固定子６
５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１０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ｆｆ１７２ａを
同軸的に取り付け、軸７２ｊの中間部に円盤７２ｂ、７
２ｄ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７３
２とにより構成されている。前記上部ラジアル暖気軸受
７３ｕは前記枠体７１の内側周方向に配設され補記円盤
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７３１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ｎ１記
円盤７’２　ａ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７
５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ｉｆ記軸６
２ｊ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の軸方向の長さか短縮されるため、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。この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、振れ回り運動を防止した小型の高剛性、高
出力にして円滑な回転が得られるコンパクトな非接触支
持モータ装置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、強磁性体のロ
ータと、この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と、アキアシル方向に対向し
かつ前記ロータの両軸方向端面に夫々僅かな隙間を介し
て対向する対をなす電磁石の組を円周方向に少なくとも
３組打している電磁石群と、前記アキシアル方向変位検
出手段により検出されたアキシアル方向変位に応して前
記型！！ｆ　６　ｆｌＴ−を励磁して前記ロータのアキ
シアル方向の位置を中立位置に制御するアキシアル磁気
軸受制御手段と、前記各１組の電磁石を同時にｗＪ遇し
て前記ロータに対するアキシアル方向の吸引力を相殺さ
せた状態で回転磁界を形成する回転磁界制御手段とを設
けている。

〔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方向
に配設した電磁石によりアキシアル方向に対向する少な
くとも３組の電磁石よりなる電磁石群を形成し、かつ、
検出されたアキシアル方向変位に応じてアキシアル磁気
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順次、前記１組の対向する電−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
ータのアキシアル方向には回転磁界制御手段による吸引
力が相殺され、アキシ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、−方ロータの周方向（回
転方向）にはアキシ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、
ロータのアキシアル方向の変位を制御した状態で回転方
向に回転駆動できる。

（実施例） 第１図ないし第４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（４０ａ〜４０ｄ、４１ａ〜４１ｄ）と、アキシア
ル方向磁力発生手段５（５０ａ　〜５０ｄ、５１　ａ〜
５１　ｄ）と、ラジアル方向変位検出センサ６　（６０
ｘ、６０ｙ、６１ｘ、６１ｙ）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は中心部に貫通孔２１ａを存し一方の端部か
ら円筒部２１ｃを張り出させた第１の円筒体２１と、こ
の第１の円筒体２１の張り出させた円筒部２１の内面に
円筒部２２ｃを嵌合させ、前記第１の円筒体２１の張り
出させた円筒部２１Ｃの外端面に当接するフランジ２２
ｆを有し、かつ中心部に直配七ｒ通孔２１ａと同径の貫
通孔２２ａを設けた第２の円筒体２２とにより構成され
、両日筒体の内方端面は軸方向に離間して対向しており
中央部分に貫通孔２１ａ、２１ｂより大径の環状の凹所
２３が形成されている。前記ロータ３は軸部３１の中間
部に同軸的に設けた円板状のフランジ３２を有する軸で
、ロータ３はその軸部３１を前記貫通孔２１ａ、２２ａ
に遊嵌され、前記環状凹所２３にはフランジ３２が遊嵌
されている。

前記ラジアル方向磁力発生手段４はけい素鋼板のｊ！Ｊ
層構造の上部ステータ４ｕと下部ステータ４１とにより
構成され、ステータ４ｕ、４Ｉｌは円筒状の部材の外面
側に８個の磁極Ｐを周方向に等間隔に突出させたもので
、各磁極Ｐには励磁コイルが捲回されている。上部ステ
ータ４ｕは第１の円筒体２１の内面に設けられた段部に
一方の端面を当接され、該内面に外方より嵌合された固
定環Ｒ＋により固定されている。下部ステータ４ＩＬは
第２の円筒体２２の内面に設けられた段部に一方の端面
を当接され、該内面に外方より嵌合された固定環Ｒ２に
より固定されている。上側ステータ４ｕ及び下側ステー
タ４１の磁極に対向するロータの軸部３１には夫々けい
素鋼板を積層した円環体３１ｒが僅かな隙間を介してｍ
Ｖｉｐに対向するように取付けられている。

本実施例ではステータの電極が８極の例であるので、こ
の２つの磁極を一組とする４組の電磁石がロータの上下
形成される。即ち、Ｘ方向に電磁石４０ａ、４０ｂおよ
び電磁石４１ａ、４１ｂが形成され、Ｘ方向に対し直角
方向のＹ方向には電磁石４０ｃ、４０ｄおよび電磁石４
１ｃ、４１ｄが形成されている。

前記アキシアル方向磁力発生手段５は前記第１の円筒体
２１および第２の円筒体２２の対向面に形成した環状の
凹所にそれぞれ周方向に配設した４つの電磁石５０ａ、
５０ｂ、５０ｃ、５０ｄと、電磁石５１ａ、５１ｂ、５
１ｃ、５１ｄとが周方向に等間隔とされて固定され各電
磁石５０ａ〜５０ｄ、５１ａ　〜５１ｄはロータのフラ
ンジ３２の軸方向端面に夫々僅かな隙間を介して対向す
るようにされている。

前記ラジアル方向変位検出センサ６は上部ラジアル方向
変位検出センサ６ｕと下部ラジアル方向変位検出センサ
６１とからなり、上部ラジアル方向変位検出センサ６ｕ
は、上部Ｘ方向変位検出センサ６０ｘおよび上部Ｙ方向
変位検出センサ６０ｙとにより構成され、下部ラジアル
変位検出センサ６２は、下部Ｘ方向変位検出センサ６）
ｘと下部Ｙ方向変位検出センサ６１ｙとにより構成され
ている。

前記上部ラジアル方向変位検出センサ６ｕは第１の円筒
体２１の内側に配設され、ロータ３の外面に僅かな隙間
を介して対向し、下部ラジアル方向変位検出センサ６Ｌ
は第２の円筒体２２の内側に配設され、ロータ３の外面
に僅かな隙間を介して対向されている。前記ラジアル方
向変位検出センサ６は前記ロータ３のラジアル方向変位
に応じた電圧を取り出すためのものである。

前記アキシアル方向変位検出センサ７は前記第１の円筒
体２１の内側対向面に配設され、前記ロータのフランジ
３２の端面に僅かな隙間を介して対向されている。この
アキシアル方向変位検出センサ６はｍｌ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検出センサ７はフランジ３２
の上下に設けるようにしても良い。

第５図において、８ｕ、８ｕは夫々上部および下部Ｘ方
向変位検出装置で、それぞれ直配上部、下部Ｘ方向変位
センサ６０ｘ、６１ｘからの信号に基づきＸ方向の変位
信号を出力する。９ｕ、９２はそれぞれ上部および下部
Ｘ方向磁気軸受の印加電圧制御装置で、１１η記上部お
よびＦ部Ｘ方向変位検出装置８ｕ、８見により検出され
たＸ方向変位による出力信号に応じて、それぞれパワー
アンプｌｌｕ、１２ｕおよびパワーアンプ１ｌｆｉ、１
２１を介して上部および下部Ｘ方向磁気軸受４０ｘ、４
１ｘの電磁石４０ａ、４０ｂと電磁石４１ａ、４１ｂに
印加する電圧を制御する。１３Ｕ、１３込はそれぞれ上
部および下部Ｙ方向変位検出装置で、それぞれ前記上部
および下部Ｙ方向変位センサ６０ｙ、６１ｙからの信号
に基づきＹ方向の変位信号を出力する。前記ラジアル方
向変位センサ６と、上部、下部Ｘ方向変位検出装置８Ｕ
、８ｆｌと、上部、下部Ｙ方向変位検出装置１３Ｕ、１
３ｆｌとによりラジアル方向変位検出手段を構成してい
る。１４ｕ、１４見はそれぞれ上部および下部Ｙ方向磁
気軸受の印加電圧制御装置で、１１１１記上部および下
部Ｙ方向変位検出装置１３ｕ、１３２により検出された
Ｙ方向変位による出力信号に応じて、それぞれパワーア
ンプ１５ｕ、１６Ｕおよびパワーアンプ１５１．１６Ｊ
Ｚ介して上部および下部Ｙ方向電気軸受４０．ｙ、４１
ｙの電磁石４０ｃ、４０ｄとＴＬ遇万石４１ｃ４１ｄに
印加する電圧制御している。Ｘ方向磁気軸受Ｙ方向１任
気軸受によりラジアル磁気軸受が構成される。

第６図において、１７はアキシアル方向変位検出装置で
、ローパスフィルタ１７１と、位相補償回路１７２と、
変位信号発生回路１７３とより構成し、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Δｄｚ信号を出力する。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
１７によりアキシアル方向変位検出手段を構成している
。

１８はＹ方向磁気軸受の印加電圧制御装置で、積分回路
１８１ｉ、比例回路１８１ｐおよび微分回路１８１ｄよ
りなるＰＩＤ（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　ｉｎｔｅｇ
ｒａｌ　ａｎｄ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）調節回路
１８１と、前記比例回路１８１ｐおよび微分回路１８１
ｄの出力電圧を加算する加算回路１８２と、この加算回
路１８２の出力電圧ｖｉｚとロータ３のアキシアル方向
の基準位置に対応する基準電圧ｖｓｚとの和を算出する
処理回路１８３と、前記加算回路１８２の出力電圧ｖｉ
ｚと基準電圧ｖｓｚの差を算出する処理回路１８４とか
ら構成し、前記アキシアル方向変位検出装置１７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１９ａ　〜１９ｄに（ｖｓｚ＋ｖｉｚ）
の制御信号を、パワーアンプ１９ｅ〜１９ｈに（Ｖｓｚ
−ｖｉｚ）の制御信号を出力しており、Ｙ方向磁気軸受
の上側の電磁石５０ａ〜５０ｄにはパワーアンプ１９ａ
〜１９ｄにより増幅されたアキシアル磁気軸受制御電圧
α（ｖｓｚ＋ｖｉｚ）が供給され、下側の電磁石５１ａ
〜５１ｄにはパワーアンプ１９ｅ〜１９ｈにより増幅さ
れたアキシアル磁気軸受制御電圧α（ｖｓｚ−ｖｉｚ）
が供給される。

２０は非接触支持モータの駆動制御装置で、発信回路２
０１と、タイミング回路２０２と、モータ駆動制御回路
２０３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１９ａ、１９ｅ１パワーアンプ１９ｂ、
１９ｆ、パワーアンプ１９ｃ、１９ｇ、パワーアンプ１
９ｄ、１９ｈに位相の異った回転電界制御信号（Ｖ＋〜
Ｖ４）を出力し、７ｆｔＭ１石５０ａ、５１ａ、電磁石
５０ｂ、５１ｂ、電磁石５０　ｃ、５１　Ｃ、？ｉＥ磁
石５０ｄ、５１ｄに夫々ａｖｌ　、ａｖ２　、ａｖ３　
。

α■４の回転磁界間ｖ４電圧が前記磁気軸受制御電圧と
重畳された形で印加されている。パワーアンプ１９ａ　
〜１９ｄにより電磁石５０ａ〜５０ｄに印加される電圧
はａ　（ｖｓｚ＋ｖｉｚ＋Ｖｉ）であり、パワーアンプ
１９ｅ〜１９ｈにより電磁石５１ａ〜５１ｄに印加され
る電圧は、α（ｖｓｚ−ｖ　ｉ　ｚ＋Ｖ　ｉ　）である
。ただし、αはパワーアンプ１９ａ〜１９ｈの増幅率、
Ｖｉは電気軸受モータの駆動装置２０の出力電圧（■＋
　、Ｖ２　。

Ｖ：＋　、Ｖ４　）である。

この実施例の非接触支持モータ１は、アキシアル方向電
力発生手段５、ラジアル方向磁力発生手段４およびロー
タ３を上記のように構成したから、ロータ３はアキシア
ル磁気軸受によりアキシアル方向の位置制御が行なわわ
、ラジアル磁気軸受によりＸ方向およびＹ方向の位置制
御が行なわれ、ロータは中立位置とされ空中に支持され
る。

また、この実施例の非接触支持モータ１は、駆動装置２
０によりパルス列を成形、分配して、前記パワーアンプ
１９ａ、１９ｅ、パワーアンプ１９ｂ、１９ｆ、パワー
アンプ１９ｃ、１９ｇ、パワーアンプ１９ｄ、１９ｈを
介して、航記アキシアル方向に対向する電磁石５０ａ、
５１ａ、％ｊ磁石５０ｂ、５１ｂ、電磁石５０ｃ、５１
ｃ、電磁石５０ｄ、５１ｄを対にして、順次、同時に電
圧を印加する構成にしたから、回転磁界が形成されると
共に、ロータ３のアキシアル方向にかかる回転磁界成分
による吸引力は相殺され、周方向には各電磁石の組の回
転磁界成分による吸引力が働くのでロータは周方向に変
位し安定した状態で回転駆動される。従って、この実施
例の非接触支持モータは幾何学的中心に支持された状態
で、振れ回りとか振動することなく高回転粒度で回転す
る。

また、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２０３からパル
ス状の電圧Ｖ、−Ｖ、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、本実施例ではロータか中心軸を存しているが、
この中心軸は必ずしも必要でないし、ラジアル軸受とし
て本実施例では制御形ラジアル磁気軸受を用いたが、ラ
ジアル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７図はこの発明の第２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である。これは
筒状のロータ３３の両端面にそれぞれ対向してアキシア
ル方向磁力発生手段５を配設した例で、作用、効果は前
記第１の実施例と木質的に異なるところはない。

第８図はこの発明の第３の実施例を示す図である。第１
図と同一または相当部分には同一符号を付しである。こ
れは円筒状のロータの両端部に大径の円板状の回転体３
４ａ、３４ｂをそれぞれ一体的に取り付け、回転体３４
ａ、３４ｂのそれぞれの内側端面に対向してアキシアル
方向磁力発生手段５を配設した例で、作用、効果は前記
′ｆＳ１の実施例と太質的に異なるところはない。

〔発明の効果〕

この発明は、ロータの両軸方向端面に夫々僅かな隙間を
介して対向し、かつ、互いにアキシアル方向に対向する
少なくとも３組の電磁石よりなる電磁石群を円周方向に
形成し、アキシアル方向変位検出手段により検出された
アキシアル方向変位に応じてロータのアキシアル方向の
位置を中立位置に制御すると共に、順次、前記各１組の
電磁石を同時に励磁して回転電界を形成する構成にした
ので、軸受部が回転駆動部を兼用する形となり、軸方向
の長さが短縮されてコンパクト化され、回転磁界により
磁気軸受の制御が乱されることがないから回転磁界を強
くすることができ高出力が得られさらに、ロータは非接
触状態で幾何学的中心に高剛性で安定して支持されると
共に、ロータの円滑な回転を得ることができるという効
果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図はこの発明の第１の実施例を示す図
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１−正線断面図、第３図は第２図の二−工断
面図、第４図は第３図に示す電磁石の磁力線を示す図、
第５図は第１図に示す非接触支持モータのラジアル磁気
軸受制御装置を示す図、第６図はアキシアル磁気軸受制
御装置およびモータ駆動制御装置を示す図、第７図はこ
の発明の第２の実施例の非接触支持モータ装置の縦断面
図、第８図はこの発明の第３の実施例の非接触支持モー
タ装置の縦断面、第９図および第１０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、８ｕ・・・上部Ｘ方向変位検出
装置、８旦・・・下部Ｘ方向変位検出装置、１３ｕ・・
・上部Ｙ方向変位検出装置、１３２・・・下部Ｙ方向変
位検出装置、１７・・・アキシアル変位検出装置である
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 強磁性体のロータと、この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と、アキアシル
   方向に対向しかつ前記ロータの両軸方向端面に夫々僅か
   な隙間を介して対向する対をなす電磁石の組を円周方向
   に少なくとも３組有している電磁石群と、前記アキシア
   ル方向変位検出手段により検出されたアキシアル方向変
   位に応じて前記電磁石群を励磁して前記ロータのアキシ
   アル方向の位置を中立位置に制御するアキシアル磁気軸
   受制御手段と、前記各１組の電磁石を同時に励磁して前
   記ロータに対するアキシアル方向の吸引力を相殺させた
   状態で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。