KR100352022B1

KR100352022B1 - 자기 부상형 전동기

Info

Publication number: KR100352022B1
Application number: KR1020000045180A
Authority: KR
Inventors: 카네바코히데키; 오카다요지
Original assignee: 가부시기가이샤 산교세이기 세이사꾸쇼
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 2000-08-04
Publication date: 2002-09-11
Also published as: US6320290B1; KR20010030054A; DE10040383A1; JP2001078389A

Abstract

고정자의 구조가 간단하고, 자기(磁氣) 부상력 제어와 회전토오크제어 중 한쪽의 제어가 다른 쪽의 제어에 영향을 주지 않으며, 축길이를 짧게 하여 위험속도를 높일 수 있는 자기베어링형 전동기를 얻는 것을 그 과제로 한다.

이를 해결하기 위한 수단으로 로터는 다극 착자된 로터마그네트를 갖고, 스테이터(20)는 로터마그네트에 대향하여 로터에 회전토오크를 발생시키는 회전용 권선(21)과 로터의 회전축선방향에 대해 직교하는 방향의 베어링력을 발생시키는 베어링용 권선(22)을 가지며, 로터마그네트의 극수는 8, 스테이터 베어링용 권선의 극수는 6개이고, 로터의 회전축선 방향에 대해 직교하는 평면에 관한 로터의 변위를 검출하는 변위센서를 가지며, 회전용 권선(21)에 의해 로터를 회전시키고 변위센서의 출력에 의해 베어링용 권선(22)을 통전제어하여 로터의 회전축을 소정위치에 고정한다.

Description

자기 부상형 전동기{MOTOR OF MAGNETIC LIFTING TYPE}

본 발명은 로터를 자기적이고, 비접촉으로 회전이 가능하도록 지지하는 자기 부상형 전동기에 관한 것이다.

회전체를 비접촉으로 지지하는 것을 목적으로 하여 자기베어링이 사용되고 있다. 또 자기베어링으로서의 기능과 모터로서의 기능을 일체화한 래디얼형 자기 부상형 모터가 제안되고 있다. 이 자기부상형 모터는 회전자의 토오크발생과 위치제어를 동시에 행할 수 있지만 고정자측의 구조나 제어회로가 복잡하게 된다는 난점이 있었다.

일본국 특개평 6-269144호 공보기재의 자기부상형 모터는 그 하나로서 내주면에 형성된 각 자극에 단극권선을 감은 고정자와 영구자석에 의해 구성되고, 고정자의 내주면과 간극을 두고 각각 대향하는 M개의 자극을 갖는 회전자와, 고정자의 내주면을 따라 M±2 극수의 회전자계를 발생시키는 전류와 회전자를 회전시키는 전류를 고정자의 권선에 통전하는 제어수단을 구비하여 이루어지며, 내주면을 따라 발생하는 M±2 극수의 회전자계와 회전자의 영구자석과의 상호의 자기작용에 의해 부상력을 얻을 수 있다. 이 부상력을 얻기 위한 전류에 중첩하여 회전자를 회전시키는 전류를 고정자의 권선으로 흘려보낸다. 이에 따라 회전자를 자기적으로 부상시키고 또한 회전시킬 수 있다.

일본국 특개평 6-269144호 공보기재의 자기부상형 모터는 스테이터에 복잡한 자속분포를 필요로 하여 구조가 복잡해짐과 동시에 복잡한 부상력 제어를 행해야 하기 때문에 회전수를 높일 수 없다는 문제점이 있다. 또 영구자석도 표면을 덮고 있기 때문에 부상력이 약하고 효율이 나쁘다는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 자기부상형 모터의 문제점을 해소하기 위해 행해진 것으로 고정자의 구조가 간단하고, 간단한 제어에 의해 자기부상력 제어와 회전토오크제어 중 한쪽의 제어가 다른 쪽의 제어에 영향을 주지 않도록 하며, 또 효율적인 자기부상형 전동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 청구항 1에 기재한 것과 같이 스테이터와 로터가 대향하고, 로터가 자기력에 의해 회전이 자유롭도록 지지되어 이루어지는 자기부상형 전동기에 있어서, 로터는 둘레방향으로 다극착좌된 로터마그네트를 갖고, 스테이터는 로터마그네트에 대향하여 상기 로터에 회전토오크를 발생시키는 회전용 권선을 갖고 있음과 동시에 로터의 회전축선방향에 대해 직교하는 방향의 베어링력을 발생시키는 베어링용 권선을 가지며, 로터마그네트의 극수는 8개, 스테이터의 베어링용 권선의 극수는 6개이고, 로터의 회전축선방향에 대해 직교하는 평면에 관한 로터의 변위를 검출하는 변위센서를 가지며, 회전용 권선에 의해 로터를 회전시킴과 동시에 변위센서의 출력에 의해 베어링용 권선을 통전제어하여 로터의 회전축을 소정위치에 고정하도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 로터마그네트의 극수를 8개, 스테이터 베어링용 권선의 극수를 6개로 했기 때문에 회전용 권선과 베어링용 권선을 각각 동일형상으로, 동일위치에겹치게 배치할 수 있게 된다.

또 본 발명은 상기와 같이 회전용 권선과 베어링용 권선을 각각 동일형상으로 할 수 있기 때문에 회전용 권선과 베어링용 권선을 공통화된 공통권선으로 하고, 회전토오크 발생용 전류에 베어링력 발생용 전류를 중첩하여 상기 공통권선에 통전하도록 할 수 있다.

본 발명의 실시예로서는 스테이터와 로터를 평면대향형으로 구성함과 동시에 로터의 회전축선 방향으로 2개의 평면형 로터마그네트를 마련하고, 이 2개의 평면형 로터마그네트를 사이에 두고 양측에 상기 스테이터를 배치하며, 양측의 스테이터 각각에 회전용 권선과 베어링용 권선을 각각 마련할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예로서는 원통형 스테이터와 로터를 회전축선방향으로 2조 배치할 수도 있다.

도 1은 본 발명에 관한 자기부상형 전동기의 실시예에 있어 스테이터부분을 도시하는 평면도.

도 2는 상기 실시예의 (a)는 회전용 권선부분의 평면도, (b)는 베어링용 권선부분의 평면도.

도 3은 상기 실시예의 회전토오크 발생원리를 도시하는 평면도.

도 4는 상기 실시예의 부상력 발생원리를 도시하는 평면도.

도 5는 상기 실시예의 회전토오크 발생원리를 도시하는 전개도.

도 6은 상기 실시예의 부상력 발생원리를 도시하는 전개도.

도 7은 상기 실시예에 적용가능한 제어계통의 예를 도시하는 블록도.

도 8은 본 발명에 관한 자기부상형 전동기의 전류 대 부상력의 특성예를 도시하는 선도.

도 9는 상기 회전수 대 로터의 x방향 변위량의 특성예를 도시하는 선도.

도10은 상기 회전수 대 로터의 y방향 변위량의 특성예를 도시하는 선도.

도11은 본 발명에 관한 자기부상형 전동기의 또 다른 실시예를 개념적으로 도시하는 정면도.

도12는 본 발명에 관한 자기부상형 전동기의 또 다른 실시예를 개념적으로 도시하는 정면도.

도13은 본 발명에 관한 자기부상형 전동기의 또 다른 실시예를 도시하는 종단면도.

도14는 상기 실시예의 횡단면도.

도15는 본 발명에 관한 자기부상형 전동기의 또 다른 실시예를 도시하는 횡단면도.

도16은 본 발명에 관한 자기부상형 전동기의 또 다른 실시예를 개념적으로 도시하는 정면도.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

10: 로터 12: 로터마그네트

20: 스테이터 21: 회전용 권선

22: 베어링용 권선 26: 회전용 권선

27: 베어링용 권선 31: 변위센서

32: 변위센서 121: 로터마그네트

122: 로터마그네트 201: 스테이터

202: 스테이터 261: 베어링용 권선

262: 회전용 권선 263: 베어링용 권선

264: 회전용 권선

다음 도면을 참조하면서 본 발명에 관한 자기부상형 전동기의 실시예에 대해 설명한다.

도 1, 도 2는 본 발명에 관한 자기부상형 전동기의 실시예를 도시하는 것으로 도 1은 그 스테이터(20)의 평면도이며, 도 2(a)는 그 상단 부분에 배치되어 있는 회전용 권선(26)의 평면도, 도 2(b)는 하단부분에 배치되어 있는 베어링용 권선(27)의 평면도로서, 회전용 권선(26)과 베어링용 권선(27)은 평면적으로 보아 동일 형상으로 형성되고 있기 때문에 회전용 권선(26)과 베어링용 권선(27)을 겹쳐배치했을 때에는 외관상은 하나의 권선으로 구성된 것처럼 보인다.

도 3은 도 2(a)에 대응하고 회전용 권선(26)과 로터마그네트(12)와의 관계에서 회전토오크의 발생원리를 도시하는 도면이다. 즉 도 3의 위치에 있어서 회전용 권선(26) 중 대각상에 위치하는 2개의 권선에 같은 상(相)의 전류를 부여함으로써 2개의 회전용 권선(26)에 있어서 로렌츠힘(LF)이 역방향 즉 둘레방향에 발생하여 회전토오크가 발생한다.

도 4는 베어링용 권선(27)과 로터마그네트(12)의 관계에서 부상력(베어링력)이 발생하는 원리를 나타내고 있다. 즉 도 4의 위치에 있어 베어링용 권선(27)의 대각상에 위치하는 2개의 권선에 도면과 같이 역방향의 통전 즉 2개의 권선에 의해 반경방향의 구동력을 일으키도록 전류를 부여하는 것으로 동일방향 즉 도 4에 있어 아래쪽의 로렌츠힘(LF)이 발생하고, 래디얼방향의 힘 즉 래디얼방향의 부상력이 된다.

도 1 내지 도 4에 있어서 스테이터(20)는 회전토오크를 발생시키는 회전용 권선(26)과, 로터(10)의 래디얼방향의 베어링력을 발생시키는 베어링용 권선(27)을 갖게 된다. 회전용 권선(26)과 베어링용 권선(27)은 모두 6개의 대략 3각형상의 권선으로 이루어지고, 동일 형상, 동일 크기로 형성되며, 서로 상하로 겹쳐져 스테이터코어인 평원판상에 배치되고 있다. 도 1 내지 도 4에 있어서 부호 10은 로터를 나타내고 있다. 로터(10)는 원판상의 백요크(11)와, 이 백요크(11)의 한면측에 고착된 로터마그네트(12)를 갖고 있다. 로터마그네트(12)는 도 3에 도시하는 것과 같이 둘레방향으로 8극의 착자가 되고 있다. 로터(10)와 도 1에 도시하는 스테이터(20)는 서로 면 대향한 상태로 배치되고, 로터(10)는 적절한 쓰러스트베어링수단에 의해 지지되며, 평면대향형 전동기를 구성하고 있다.

도 5, 도 6은 도 1, 도 2에 도시하는 전동기의 권선과 마그네트와의 관계를 래디얼방향으로 전개하고, 2개의 권선(26)(27)과 로터마그네트(12)의 자극의 위치관계를 1회전에 걸쳐 나타낸 것이다. 이미 설명한 것과 같이 스테이터코어에는 U,W,V의 회전구동용 권선(26) 및 베어링용 권선(27)이 각각 배치되고 있고, 로터(10)에는 8극의 자극을 갖는 마그네트(12)가 부착되고 있다. 로터(10)와 스테이터(20) 사이의 에어갭에는 다음의 수 1에서 나타내는 정현파 형상의 자속 Bg가 발생한다.

(수 1)

Bg = - Bsin(ωt + 4θ)

상기 실시예에 있어 회전토오크 발생원리에 대해 설명한다. 회전토오크를 발생하는 회전용 권선(26)의 배치를 도 5에 나타낸다. 도 2(a), 도 5와 같이 U,W,V의 3상의 집중 권선이 스테이터상에 π/3씩의 간격으로 6개 배치되어있다. 각 상의 왕복권선 즉 마그네트와 교차하는 반경방향으로 뻗고 있는 부분은 최대토오크가 발생할 수 있도록 π/4의 간격으로 감겨져 있다. 각 권선의 각 상에는 수 2에서 도시하는 3상전류를 흐르게 한다.

(수 2)

여기서 각 변수의 정의를 다음에 나타낸다.

B : 마그네트의 자속밀도의 파고치(波高値)

ω: 각(角)주파수

t : 시간

θ: 스테이터상에 고정한 회전좌표

A : 전류의 파고치

φ: 전동기 권선에 의한 자속과 로터의 위상차

lm: 베어링용 권선의 전체 유효길이

원주상을 흐르는 전동기 전류의 반주기분은 디랙(Dirac)의 델타함수를 이용하여 수 3과 같이 나타낼 수 있다.

(수 3)

이 전류에 의해 발생하는 회전토오크는 플레밍법칙으로부터 수 4와 같이 된다. 남은 반주기에도 같은 전류가 흐르는 것으로서 반주기분의 2배로서 토오크를 계산했다.

(수 4)

이에 따라 상기 실시예에 관한 전동기에 의하면 로터의 위치 및 시간에 관계없이 일정한 회전토오크를 발생시킬 수 있다.

또한 통상의 동기전동기와 마찬가지로 3상전류의 위상 φ로 다음과 같은 전동기 제어를 행할 수 있다.

φ = 0° ·파고치 A에 의해 서보전동기 제어

φ = 90° ·동기전동기의 무부하시

0°< φ< 90° ·동기전동기의 부하시

상기 실시예에 관한 전동기에서는 로터마그네트(12)의 극수가 8극이 되고 있지만 스테이터의 권선은 4극상당이다. 그럼에도 불구하고 PM동기 전동기와 같은 제어가 가능하고, 코일엔드의 길이는 최단으로 동손(銅損)이 적다는 특징을 갖고 있다. 또 전기주파수 ω와 기계주파수 ωm과의 관계는 8극전동기와 같으며 다음 수 5의 관계가 된다.

(수 5)

ω= (P/2) ωm, P = 8

다음에 상기 실시예의 부상력 제어에 대해 설명한다. 래디얼방향의 부상력을 발생하는 베어링용 권선(27)의 배치를 도 6에 나타낸다. 베어링용 권선(27)은 회전용 권선(26)과 같은 위치에 겹치게 배치하고, 3상 2극의 권선구성으로 되어있다. 베어링용 권선(27)에 흐르는 전류를 수 6에 나타낸다.

(수 6)

Iu2 = Ccos(ωt + φ)

Iv2 = Ccos(ωt + (2/3)π + φ)

Iw2 = Ccos(ωt + (4/3)π + φ)

따라서 래디얼방향 부상력 발생용 전류분포는 다음의 수 7로 나타낼 수 있다.

(수 7)

여기서 각 변수의 정의를 다음에 나타낸다.

B : 마그네트의 자속밀도의 파고치(波高値)

ω: 각(角)주파수

t : 시간

θ: 스테이터상에 고정한 회전좌표

C : 로터의 래디얼방향 제어전류의 파고치

φ: 부상용 권선전류의 위상차

lm: 베어링용 권선의 전체 유효길이

전동기의 베이스에 대해 도면에서 수직상방향을 y, 수평횡방향을 x로 한다.

캡 자속 Bg는 수 1에 의해 나타내고, 상기 부상력 발생용 전류에 의해 발생하는 수직상방향의 힘 Fy는

(수 8)

이 된다.

또 횡방향의 힘 Fx는

(수 9)

로 나타낼 수 있다.

이상으로 부상력제어는 로터의 회전각에 관계없이 행할 수 있고 회전토오크와 간섭하지 않으며 또 위상차 φ에 의해 원주상 모든 방향으로 제어력을 발생시킬 수 있다.

또한 이상 설명한 실시예에서는 회전용 권선과 베어링용 권선을 따로 마련한 예를 나타냈지만 상기 실시예에서는 회전용 권선과 베어링용 권선은 동일형상으로 동일한 크기로 하고, 또한 같은 위치에 겹쳐 배치할 수 있기 때문에 이들 권선은 상기와 같이 회전용 권선, 베어링용 권선으로 구별하지 않고 회전용 권선과 베어링용 권선을 공통화한 공통권선으로 하며, 또는 통상의 회전용 권선을 이용하고, 회전토오크 발생용 전류에 베어링력 발생용 전류를 중첩하여 상기 공통된 권선에 통전하도록 해도 회전토오크와 부상력을 얻을 수 있어 각각의 제어를 할 수 있다. 이와같이 하면 권선의 공통화에 의해 구성을 간략화할 수 있다.

이상 설명한 자기부상형 전동기는 일 예를 도 7에 도시하는 제어시스템에 의해 회전제어 및 부상력의 제어를 행할 수 있다. 도 7에 있어서 본 자기부상형 전동기는 통상의 로터제어에 덧붙여 로터(10)의 회전축선방향에 대해 직교하는 평면에 관한 상기 로터의 변위를 검출하는 2개의 변위센서(31)(32)를 갖고 있다. 변위센서(31)는 x방향의 변위를 검출하고, 변위센서(32)는 이에 직교하는 방향인 y방향의 변위를 검출한다. 각 변위센서(31)(32)의 검출출력은 적절한 변위변환기(34)를 거쳐 아날로그·디지털 변환기(36)에 입력되어 디지털신호로 변환되며, 제어유닛(이하 「CPU」라고 함)(40)에 입력된다. CPU(40)는 각 변위센서(31)(32)의 검출출력을 기초로 상기 베어링용 권선(27)에 대한 통전을 제어하기 위해 디지털·아날로그변환기(38)를 통해 제어신호를 출력한다. 이 제어신호는 파워앰프(42)에 입력되고, 파워앰프(42)는 베어링용 권선(27)에 상기 제어신호에 따른 전류를 흐르게 한다. 이 베어링용 권선(27)으로의 통전제어가 행해짐으로써 로터(10)의 회전축을 소정위치에 고정할 수 있다.

또한 회전용 권선(26)에 대해 행하는 회전제어는 종래 공지한 제어방법을 채용할 수 있고, 통상의 모터제어와 마찬가지로 자극위치센서 등이 마련되어 모터의 회전제어가 행해진다.

본 발명에 관한 자기부상형 전동기의 부상회전 특성의 확인을 위해 부상력 및 회전토오크를 측정했다. 도 8은 전류에 대한 부상력의 측정결과를 나타낸다. 부상력의 측정은 스테이터의 권선에 회전을 하지 않도록 모터링전류를 흐르게 하여 회전이 0〔rpm〕의 상태가 되도록 하고, 이 상태에서 로터각도를 고정하여 부상전류를 1〔A〕씩 1〔A〕부터 5〔A〕흐르게 한 경우에 대해 행했다. 도 8 에서 알 수 있는 것과 같이 발생하는 부상력은 전류에 대해 대략 선모양으로 변화하며, 또 로터 회전각의 영향을 받지 않고 발생하는 것을 알았다. 즉 로터의 회전각과는 관계없이 대략 일정하게 발생하는 것을 알았다.

도 9, 도 10은 부상제어를 행했을 때 래디얼방향변이를 측정한 결과를 나타내는 것으로, 도 9는 회전수에 대한 x방향의 응답특성을 도 10은 회전수에 대한 y방향의 응답특성을 각각 나타내고 있다. 각각 회전수가 변화해도 x방향 및 y방향의 제어가 가능하다는 것을 알았다.

이상 설명한 각 실시예는 하나의 스테이터와 로터를 평면대향시킨 형태가 되고 있지만 도 11과 같이 스테이터와 로터를 평면대향형으로 구성함과 동시에 로터(10)를 구성하는 백요크(11)의 회전축선방향 양측에 2개의 평면형 로터마그네트(121)(122)를 마련하고, 이 2개의 평면형 로터마그네트(121)(122)를 사이에 두고 양측에 각각 스테이터(201)(202)를 배치하며, 양측의 스테이터(201)(202) 각각에 베어링용 권선(261)(263)과 회전용 권선(262)(264)을 각각 마련하도록 해도 좋다. 이와같이 하면 2개의 모터를 조합하게 되어 푸시·풀 방식에 의해 회전토오크를 증대시킬 수 있으며, 이간한 2개의 위치에서 래디얼방향의 제어를 하는 것에 의해 래디얼방향의 4자유도를 능동적으로 제어할 수 있게 된다.

도 12에 도시하는 예는 도 11에 있어 로터를 구성하는 양측의 자석(121)(122)을 그 자극이 서로 역 극을 갖도록 배치하여, 도 11에 도시하는 실시예에 있어 로터(10)의 백요크(11)를 생략하고, 2개의 평면형 로터마그네트(121)(122)를 직접 겹친 것이다. 이것에 의해서도 도 11에 도시하는 실시예와 같은 작용효과를 얻을 수 있음과 동시에 백요크가 필요없게 되어 로터를경량화할 수 있다는 이점이 있다.

도 11, 도 12에 도시하는 실시예에 있어서도 베어링용 권선 및 회전용 권선에 대한 통전을 제어함으로써 각 종의 제어를 행할 수 있다. 예를들면 로터의 x방향의 변위제어, 로터의 y방향의 변위제어, 로터 X평면 및 Y평면 각각의 기울기 제어의 4축제어와, 회전토오크제어를 행할 수 있다.

상기 로터는 적절한 쓰러스트베어링에 의해 쓰러스트하중을 지지할 수 있다. 예를들면 도 12에 도시하는 로터(10)의 상하 중심에서 축을 돌출시키고, 이 축을 피벗(44)(46)으로 회전자유롭게 지지하도록 해도 좋다. 또는 로터(10)를 쓰러스트 자기베어링에 의해 비접촉으로 회전자유롭게 지지하도록 해도 좋다.

도 13, 도 14는 본 발명에 있어 회전토오크발생, 부상력발생의 제어원리를 원통형 즉 주면대향형의 로터마그네트와 스테이터 코일에 적용한 실시예를 나타낸다.

이 원통형의 경우는 형상이 평면대향형이 아닌 원통형으로 되고 있을 뿐으로, 로터마그네트(12)의 자극과 스테이터 코일의 위치관계는 상기 평면대향형과 같아지도록 배치되고 있다. 즉 8극의 자극을 갖는 마그네트(12)에 대해 스테이터코일(26)(27)은 둘레방향으로 π/3씩의 간격으로 6개 배치되고 또한 각 상의 왕복권선 즉 축방향으로 뻗어있는 마그네트와 공차하는 부분은 최대토오크를 발생시킬 수 있도록 π/4간격으로 감겨져 있다.

이와같이 평면대향형과 같은 위치관계에 로터마그네트의 자극과 스테이터코어가 위치하도록 배치하면 회전토오크와 부상력제어를 독립적으로 제어할 수 있다.도 13, 도 14에 있어서, 부호 52는 지지판을 나타내고 있고, 이 지지판(52)을 통해 보조통(53)이 고정되며, 이 보조통(53)의 내주측에 스테이터(20)가 고정되고 있다. 상기 지지판(52)에는 중심공이 형성되고, 이 중심공에서 로터(10)의 회전축(50)이 돌출하고 있다. 회전축(50)에는 로터(10)의 회전중심위치를 검출하기 위한 피검출체(51)가 고착되고 있다. 이 피검출체(51)의 위치를 이미 설명한 실시예와 같이 로터의 변위를 검출하는 2개의 변위센서(31)(32)에 의해 검출하여 제어하면 로터(10) 및 회전축(50), 피검출체(51)는 다른 부재에 비접촉상태로 회전할 수 있다.

도 15는 도 13, 도 14에 도시하는 실시예에 스테이터 코일에 의한 자속을 더욱 유효하게 이용하기 위해 스테이터(20)에 돌극(55)(56)을 받은 실시예를 도시한다. 돌극(55)은 주 극으로 이 주 극(55)에 코일(26)(27)이 함께 또는 따로 감겨져있다. 돌극(56)은 보조 극으로 주 극(55)사이에 위치하고 있다. 주 극(55)과 보조 극(56)의 폭은 원주상에 도 5, 도 6에서 설명한 권선간격, 즉 주 극의 폭이 대략 π/4, 보조 극의 폭이 대략 π/12로 배치되어있다. 따라서 도 5, 도 6에 도시하는 자기적 관계를 유지하면서 로터와 스테이터 사이의 갭을 작게할 수 있고, 더욱 강고한 회전력과 부상력을 얻을 수 있다.

도 16은 도 13 내지 도 15에 도시하는 원통형의 실시예를 변형한 실시예를 개념적으로 도시한 것으로 상기 원통형 자기 부상형 전동기를 실질적으로 2개, 축 방향으로 배치한 것이다. 이 실시예에 의하면 로터(10)의 회전축에 수직인 X방향의 변위제어, 로터(10)의 회전축에 수직으로 상기 X방향으로 직교하는 Y방향의 변위제어, 상기 X평면 및 Y평면 각각의 기울기 제어의 4축제어와, 회전토오크제어를 행할 수 있다. 로터(10)는 적절한 쓰러스트베어링에 의해 쓰러스트하중이 지지된다. 예를들면 피벗으로 회전자유롭게 지지해도 좋다. 또는 로터(10)를 쓰러스트 자기베어링으로 비접촉으로 회전자유롭게 지지해도 좋다.

본 발명에 의하면 스테이터와 로터가 대향하고, 로터가 자기력에 의해 회전자유롭게 지지되어 이루어지는 자기부상형 전동기에 있어서, 로터는 다극착자된 로터마그네트를 갖고, 스테이터는 로터마그네트에 대향하여 로터에 회전토오크를 발생시키는 회전용 권선을 갖고 있음과 동시에 로터의 회전축선방향에 대해 직교하는 방향의 베어링력을 발생시키는 베어링용 권선을 가지며, 로터마그네트의 극수는 8, 스테이터의 베어링용 권선의 수는 6개로서, 로터의 회전축선방향에 대해 직교하는 평면에 관한 로터의 변위를 검출하는 변위센서를 갖고, 회전용 권선에 의해 로터를 회전시킴과 동시에 변위센서의 출력에 의해 베어링용 권선을 통전제어하여 로터의 회전축을 소정위치에 고정하도록 했기 때문에 회전용 권선과 베어링용 권선을 각각 동일형상으로 하여 동일 위치에 겹쳐 배치할 수 있도록 되어있어 고정자의 구조가 간단하게 되고, 자기부상력 제어와 회전토오크제어에 대해 한쪽 제어가 다른 쪽 제어에 영향을 주지 않는 제어를 행할 수 있게 된다.

또 스테이터와 로터를 평면대향형으로 구성함과 동시에 로터의 회전축선방향으로 2개의 평면형 로터마그네트를 마련하고, 이 2개의 평면형 로터마그네트를 사이에 두고 양측에 상기 스테이터를 배치하며, 양측의 스테이터 각각에 회전용 권선과 베어링용 권선을 각각 마련하도록 하면 더욱 큰 부상력과 회전토오크를 얻을 수 있음과 동시에 회전축방향의 위치제어를 제외한 간극 4축의 제어가 가능하게 된다.

또한 원통형 자기부상형 전동기에 있어서, 원통형 스테이터와 로터를 회전축선방향으로 2조 배치하도록 하면 더욱 큰 부상력과 회전토오크를 얻을 수 있음과 동시에 회전축방향의 위치제어를 제외한 간극 4축의 제어가 가능하게 된다.

Claims

스테이터와 로터가 대향하고, 로터가 자기력에 의해 회전이 자유롭도록 지지되는 자기 부상형 전동기에 있어서,

상기 로터는 8극에 착자된 로터마그네트를 갖고,

상기 스테이터는 상기 로터마그네트에 대향하여 상기 로터에 회전토오크를 발생시키는 회전용 권선과, 상기 로터의 회전축선방향에 대해 직교하는 방향의 베어링력을 발생시키는 베어링용 권선을 가지며,

상기 베어링용 권선의 수는 6개이고,

상기 로터의 회전축선방향에 대해 직교하는 평면에 관한 상기 로터의 변위를 검출하는 변위센서를 가지며,

상기 회전용 권선에 의해 상기 로터를 회전시킴과 동시에 상기 변위센서의 출력에 의해 상기 베어링용 권선을 통전제어하여 상기 로터의 회전축을 소정위치에 고정하도록 한 것을 특징으로 하는 자기 부상형 전동기.
제 1항에 있어서,

상기 스테이터와 로터를 평면대향형으로 구성한 것을 특징으로 하는 자기 부상형 전동기.
제 1항에 있어서,

상기 스테이터와 로터를 원통형으로 구성한 것을 특징으로 하는 자기 부상형 전동기.
제 1항에 있어서,

상기 회전용 권선의 수는 6개이고, 상기 회전용 권선과 베어링용 권선은 동일형상으로 형성하여 동일위치에 배치한 것을 특징으로 하는 자기 부상형 전동기.
제 4항에 있어서,

상기 회전용 권선과 베어링용 권선은 상기 스테이터에 π/3씩의 간격으로 6개 배치되고, 각각의 권선은 π/4의 위치간격의 부분을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 부상형 전동기.
제 4항에 있어서,

상기 회전용 권선과 베어링용 권선은 공통화된 공통권선으로 구성되고, 상기 공통권선에 회전토오크 발생용 전류와 베어링력 발생용의 전류가 중첩되어 통전되는 것을 특징으로 하는 자기 부상형 전동기.
제 1항에 있어서,

상기 스테이터와 로터를 평면대향형으로 구성함과 동시에 상기 로터의 회전축선 방향으로 2개의 평면형 로터마그네트가 마련되고, 이 2개의 평면형 로터마그네트를 사이에 두고 양측에 상기 스테이터가 배치되며, 양측의 스테이터 각각에 상기 회전용 권선과 베어링용 권선이 각각 마련되는 것을 특징으로 하는 자기 부상형 전동기.
제 7항에 있어서,

상기 회전용 권선의 수는 6개이고, 상기 회전용 권선과 베어링용 권선은 동일 형상으로 형성되며, 동일 위치에 배치한 것을 특징으로 하는 자기 부상형 전동기.
제 3항에 있어서,

상기 원통형 스테이터와 로터를 회전축선방향으로 2조 배치한 것을 특징으로 하는 자기 부상형 전동기.
제 3항에 있어서,

회전용 권선 및 베어링용 권선의 권선간격 사이에 돌극이 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 부상형 전동기.
스테이터와 로터가 대향하고, 로터가 자기력에 의해 회전이 자유롭도록 지지되는 자기 부상형 전동기에 있어서,

상기 로터는 8극으로 착자된 로터마그네트를 갖고,

상기 스테이터는 상기 로터마그네트에 대향하여 상기 로터에 회전토오크를 발생시키는 6개의 회전용 권선을 가지며,

상기 로터의 회전축선방향에 대해 직교하는 평면에 관한 상기 로터의 변위를 검출하는 변위센서를 가지고,

상기 회전용 권선에 의해 상기 로터를 회전시킴과 동시에,

상기 변위센서의 출력에 의해 상기 회전용 권선에 회전토오크 발생용 전류에, 상기 로터의 회전축선방향에 대해 직교하는 평면방향의 베어링력 발생용 전류를 중첩하여 통전제어하도록 하며,

이상의 결과, 상기 로터를 회전시키면서 상기 로터를 상기 로터의 회전축선방향에 대해 직교하는 평면방향의 소정위치에 고정하도록 한 것을 특징으로 하는 자기 부상형 전동기.
제 11항에 있어서,

상기 6개의 회전용 권선 중 대각상의 권선에 대해 반경방향의 구동력을 발생하는 베어링력 발생용 전류를 동시에 부여하도록 하고, 반경방향에 있어 상기 로터의 변위를 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 자기 부상형 전동기.
제 12항에 있어서,

상기 6개의 회전용 권선 중 대각상의 권선에 대해 동 상(相)의 전류를 부여하도록 하고, 회전토오크를 발생시키도록 한 것을 특징으로 하는 자기 부상형 전동기.
제 13항에 있어서,

상기 스테이터와 로터를 평면대향형으로 구성함과 동시에 로터의 회전축선방향으로 2개의 평면형 로터마그네트가 마련되고, 이 2개의 평면형 로터마그네트를 사이에 두고 양측에 상기 스테이터가 배치되며, 양측 스테이터 각각에 상기 회전용 권선이 마련되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 부상형 전동기.
제 13항에 있어서,

상기 스테이터와 로터를 원통형으로 구성함과 동시에 상기 원통형의 스테이터와 로터를 회전축선방향으로 2조 배치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 부상형 전동기.