KR100403857B1

KR100403857B1 - 자기부상모터

Info

Publication number: KR100403857B1
Application number: KR10-2000-0081458A
Authority: KR
Inventors: 카네바코히데키; 오카다요지
Original assignee: 가부시기가이샤 산교세이기 세이사꾸쇼
Priority date: 2000-01-05
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2003-11-01
Also published as: US20010013734A1; KR20010070351A; US6635976B2; EP1115193A2; EP1115193A3

Abstract

바이어스자속을 만들기 위한 영구자석을 특별히 배치할 필요가 없어 조립공정수의 저감, 소형화, 원가저감을 할 수 있는 자기부상모터를 얻는 것을 과제로 한다.

이를 해결하기 위한 수단으로 자성체로 이루어지고 둘레면에 세그먼트형 영구자석(33,34)이 고착된 로터(31,32)와, 로터를 부상제어하기 위한 2극의 부상제어자속을 발생하는 제1스테이터권선과, 로터에 대해 회전자계를 발생시키는 제2스테이터권선을 구비한 자기부상형 모터부를 2개 축방향에 배치하였다. 또한 세그먼트형 영구자석(33,34)을 2개의 자기부상형 모터부에 있어 서로 역극성의 관계로 고착하고 세그먼트형 영구자석(33,34)을 로터의 내부로부터 방사상으로 퍼지는 직류자장을 발생하는 바이어스자석으로서 이용한다.

Description

자기부상모터{MOTOR OF MAGNETIC LIFTING TYPE}

본 발명은 로터를 부상제어하기 위한 스테이터권선과 회전자계를 발생시키는 제2스테이터권선을 구비한 자기부상모터에 관한 것이다.

종래부터 널리 이용되고 있는 접촉형 베어링 외에 전자력을 이용하여 회전축 등의 회전체를 부상시키고, 이를 무접촉으로 지지하도록 한 자기베어링이 이용되고 있다. 자기베어링을 이용하면 베어링부의 마찰계수가 거의 0에 가깝기 때문에 고속회전이 가능하게 된다. 또 자기베어링은 윤활유를 필요로 하지 않기 때문에 고온, 저온 또는 진공중 등 특수환경 하에서의 사용이 가능하며, 또한 유지보수를 필요로 하지 않는 다는 이점이 있다. 그래서 자기베어링을 모터의 로터지지에 이용하는 것이 연구되고 있다.

자기베어링을 갖는 모터의 기본적 구성은 자기베어링, 회전력 발생기구 즉 모터부, 자기베어링의 순서로 이들을 회전축선방향으로 배치한 것이다. 그러나 이와같은 배치에서는 모터부의 양측에 자기베어링을 배치하기 때문에 축 길이가 증가하여 위험속도가 저하한다는 문제가 있었다.

그래서 자기베어링의 스테이터는 교류모터의 스테이터와 거의 같은 구조인 점에 착안하여 자기베어링과 모터를 일체화한 자기부상모터가 제안되고 있다. 자기부상모터의 한 형식으로서 하이브리드형 자기부상모터가 있다. 이는 영구자석을 이용하여 로터내부로부터 방사상으로 뻗는 일정자속을 만들어 로터의 부상제어를 일반적인 자기베어링과 마찬가지로 2극의 직류자장으로 행할 수 있도록 한 것이다. 하이브리드형 자기부상모터에 의하면 영구자석으로 일정자속을 만들어내기 때문에 전력을 소비하지 않고 바이어스 흡인력을 발생시킬 수 있어 전자석은 제어력만을 분담하면 된다는 이점이 있다.

그러나 상기 하이브리드형 자기부상모터에 의하면 구동용 영구자석외에 로터내부로부터 방사상으로 퍼지는 일정한 바이어스자속을 만들기 위해 비교적 큰 영구자석을 필요로 한다. 그 때문에 조립공정수가 증가하고 소형화를 할 수 없으며 원가가 상승한다. 또한 구조가 한정된다는 문제가 있다.

또 자기부상모터의 다른 예로서 일본국 특개평 7-184345호 공보에 기재된 것과 같은 축방향의 한쪽에 자기부상모터를, 다른쪽에 자기베어링을 배치한 것도 알려져 있다.

그러나 이 자기부상모터에 의하면 모터전체의 크기의 비율로는 모터의 출력을 크게할 수 없다는 문제가 있다.

또한 상기 종래의 하이브리드형 자기부상모터는 래디얼 자기베어링과 모터의 하이브리드로서, 쓰러스트 베어링에 대해서는 자기부상타입 쓰러스트베어링으로서만 기능하는 자기베어링을 모터에 부가한 구성으로 되어있다.

한편 자기베어링으로서는 자기회로를 연구함으로써 래디얼 자기베어링과 쓰러스트 자기베어링을 복합한 자기베어링이 제안되고 있다.

종래의 자기베어링과 모터를 일체화한 자기부상모터는 상기와 같이 래디얼 자기베어링과 모터의 복합이며, 쓰러스트 베어링은 쓰러스트 베어링으로서 단독으로 기능하는 쓰러스트 자기베어링을 부가했 뿐이다. 쓰러스트 자기베어링은 모터 전체안에서 큰 부분을 차지하고 있어 자기부상모터를 소형화하는 데 방해가 되었다.

또 래디얼 자기베어링과 쓰러스트 자기베어링을 복합한 자기베어링을 이용한 경우도 모터는 별도로 필요하기 때문에 역시 자기부상모터의 소형화를 방해하였다.

본 발명은 이상과 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위해 행해진 것으로 바이어스자속을 만들기 위한 영구자석을 연구하여 조립공정수의 저감, 소형화, 원가저감, 구성의 자유도의 향상을 가능하게 한 자기부상모터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또 본 발명은 하이브리드형 자기부상모터의 바이어스자속을 이용하고, 그 경로내에 쓰러스트 베어링을 배치하며 이에 따라 자기부상모터와 쓰러스트 자기베어링을 복합화하여 소형화를 가능하도록 한 자기부상모터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 관한 자기부상모터의 실시예를 도시하는 종단면도.

도 2는 상기 실시예 중의 (a)가 한쪽의 자기부상형 모터부를 도시하는 횡단면도, (b)는 다른쪽의 자기부상형 모터부를 도시하는 횡단면도.

도 3은 본 발명에 관한 자기부상모터의 다른 실시예를 도시하는 것으로서, (a)는 한쪽의 자기부상형 모터부를 도시하는 횡단면도, (b)는 다른쪽의 자기부상형 모터부를 도시하는 횡단면도.

도 4는 본 발명에 관한 자기부상모터의 또 다른 실시예를 도시하는 것으로서, (a)는 한쪽의 자기부상형 모터부를 도시하는 횡단면도, (b)는 다른쪽의 자기부상형 모터부를 도시하는 횡단면도.

도 5는 본 발명에 관한 자기부상모터의 또 다른 실시예를 도시하는 것으로서, (a)는 한쪽의 자기부상형 모터부를 도시하는 횡단면도, (b)는 다른쪽의 자기부상형 모터부를 도시하는 횡단면도.

도 6은 본 발명에 관한 자기부상모터의 또 다른 실시예를 도시하는 종단면도.

도 7은 본 발명에 관한 자기부상모터의 또 다른 실시예를 도시하는 종단면도.

도 8은 본 발명에 관한 자기부상모터의 또 다른 실시예를 도시하는 종단면도.

도 9는 본 발명에 관한 자기부상모터의 또 다른 실시예를 도시하는 종단면도.

도10은 본 발명에 관한 자기부상모터의 또 다른 실시예를 도시하는 것으로서, (a)는 그 횡단면도, (b)는 그 종단면도.

도11은 본 발명에 관한 자기부상모터의 또 다른 실시예를 도시하는 것으로서, (a)는 그 횡단면도, (b)는 그 종단면도.

도12는 본 발명에 관한 자기부상모터의 또 다른 실시예를 도시하는 것으로서, (a)는 그 횡단면도, (b)는 그 종단면도.

도13은 본 발명에 선행하여 제안한 자기부상형 모터의 부상원리를 설명하기 위한 자기부상형 모터부를 도시하는 횡단면도.

도14는 상기 동일한 자기부상형 모터의 종단면도.

도15는 상기 동일한 자기부상형 모터의 좌표계를 설정하기 위한 설명도.

도16은 상기 동일한 자기부상형 모터에 발생하는 자속밀도를 설명하기 위한 특성도로서, (a)는 로터의 영구자석과 직류자장 발생수단으로부터의 바이어스 자속에 의한 자속밀도를 시간과의 관계로 나타낸 것, (b)는 제2스테이터권선에 의해 스테이터와 로터의 간극에 발생하는 자속밀도를 시간과의 관계로 나타낸 것,(c)는 제1스테이터권선에 의한 자속밀도를 시간과의 관계로 나타낸 것이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

11: 스테이터코어부 12: 스테이터코어

13: 스테이터 권선 18: 쓰러스트 제어용 코일

21: 스테이터코어부 22: 스테이터코어

23: 스테이터 권선 27: 바이어스자속

28: 바이어스자속 31: 로터

32: 로터 33: 세그먼트형 영구자석

34: 세그먼트형 영구자석 35: 모터케이스

43: 세그먼트형 영구자석 44: 세그먼트형 영구자석

50: 로터 53: 로터마그네트

54: 로터마그네트 55: 스테이터코어부

56: 스테이터코어부 59: 쓰러스트 제어용 코일

63: 스테이터권선 64: 스테이터권선

65: 바이어스자속 66: 바이어스자속

125: 바이어스 마그네트 126: 바이어스 마그네트

본 발명은 자성체로 이루어지고 둘레면에 세그먼트형 영구자석이 고착된 로터와, 이 로터를 부상제어하기 위한 2극의 부상제어자속을 발생하는 제1스테이터권선과, 로터에 대해 회전자계를 발생시키는 제2스테이터권선을 구비한 자기부상형 모터부가 2개 축방향으로 배치되고, 상기 세그먼트형 영구자석이 상기 2개의 자기부상형 모터부에 있어 서로 역극성의 관계로 고착되고 상기 세그먼트형 영구자석이 로터의 내부로부터 방사상으로 퍼지는 직류자장을 발생하는 바이어스자석으로서 이용되는 것을 특징으로 한다.

그 때문에 상기 세그먼트형 영구자석이 회전력 발생용의 영구자석과 부상력 발생용의 영구자석을 겸하게 되어 구성을 간단하게 하고, 소형화, 원가저감을 도모할 수 있다.

본 발명에 있어 2개의 자기부상형 모터부를 구성하는 2개의 로터는 공통의 회전체의 축방향에 있어 다른 위치에 배치됨과 동시에 상기 세그먼트형 영구자석을 고착함으로써 구성되고, 상기 2개의 자기부상형 모터부를 구성하는 제1,제2스테이터권선을 감는 2개의 스테이터코어부를 동일 구성의 스테이터코어로부터 특징지면 모터출력을 크게할 수 있음과 동시에 축방향에 있어 균형잡힌 부상력을 얻을 수 있다.

본 발명에 있어서 세그먼트형 영구자석을 한쪽의 세그먼트형 영구자석의 스테이터코어에 면한 측을 N극, 다른쪽의 세그먼트형 영구자석의 스테이터코어에 면한 측을 S극으로 하면, 세그먼트형 영구자석이 회전력 발생용 영구자석과 부상력 발생용 영구자석을 겸할 수 있게 되어 구성을 간단하게 할 수 있다.

또 본 발명에 있어서는 세그먼트형 영구자석에 있어서 스테이터코어와의 대향면은 갭자속밀도가 거의 정현파모양이 되도록 원호형상으로 하는 것이 바람직하다. 이와같이 해두면 부상력과 회전력과의 상호 간섭을 작게할 수 있어 부상력과 회전력을 효율적으로 얻을 수 있다.

또 본 발명에서는 2개의 자기부상형 모터부를 사이에 둔 양측에 회전체와 일체로 배치된 피검출체와 대향하여 2개의 간극센서를 배치한다. 이와같이 2개의 간극센서를 배치해두면 이들 간극센서로 검출되는 검출출력을 이용하여 상기 피검출체와의 간극이 일정하게 되도록 부상력 발생용의 제1스테이터권선으로의 통전을 제어할 수 있고 이에 따라 회전체, 로터를 포함하는 회전부분을 무접촉으로 지지할수 있다.

또한 본 발명은 자성체로 이루어지고 둘레면에 영구자석을 고착한 로터와, 이 로터를 부상제어하기 위한 2극의 부상제어자속을 발생하는 제1스테이터권선과 상기 로터에 대해 회전자계를 발생시키는 제2스테이터권선을 감은 스테이터코어부를 갖춘 자기부상모터로서, 로터에 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 형성함과 동시에 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 사이에 두고 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 배치하고, 부상제어자속을 형성하기 위한 바이어스자속이 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부와 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부 사이에 형성되는 쓰러스트방향 갭을 함께 통과하도록 구성하며, 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부 사이에 쓰러스트 제어용 코일을 배치하고, 쓰러스트 제어용 코일에 통전함으로써 쓰러스트 베어링하중을 지지하는 것을 특징으로 한다.

이와같이 구성하면 쓰러스트 자기베어링도 복합화할 수 있고 소형화하여 축 길이를 짧게할 수 있게 되고 고속화를 도모할 수 있다.

상기 발명에 있어서 스테이터코어부를 축방향으로 2개 나열하여 배치함과 동시에 이 2개의 스테이터코어부 사이에 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부와 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 형성한 것을 특징으로 한다.

실질적으로 2개의 모터부가 배치되고, 이 2개의 모터부의 쓰러스트하중을 하나의 쓰러스트 자기베어링으로 지지하는 구조가 되며, 쓰러스트 자기베어링까지도 갖고 있으면서 큰 출력을 얻을 수 있는 데 비해 콤팩트한 자기부상모터를 얻을 수 있다.

또 로터측에는 스테이터코어부와 대향하여 회전토오크를 발생시키는 세그먼트형 로터마그네트가 배치되고, 이 세그먼트형 로터마그네트를 바이어스 자속을 발생시키는 바이어스 마그네트를 겸하도록 하는 것이 바람직하다.

다음 도면을 참조하면서 본 발명에 관한 자기부상모터의 구체예에 대해 설명한다. 우선 본 발명자들이 제안하고 있는 자기부상모터를 설명한다.

도 13, 도 14에 있어 자기부상모터(1)는 로터(2a,2b)와, 스테이터(3a,3b)와, 직류자장 발생수단(4)과, 부상제어하기 위한 제1스테이터권선(5a,5b)과, 회전력 발생용의 제2스테이터권선(6)과, 로터에 배치하는 여러개의 영구자석(7)을 구비하고, 영구자석(7)을 구비한 로터(2a)와 스테이터(3a)사이에 모터가 구성된다. 또 로터(2a,2b)와 스테이터(3a,3b)의 각각의 사이에는 자기베어링이 구성된다.

로터(2a,2b)는 자성체로 구성되고, 자성체로 이루어지는 회전축(8)에 소정의 간격을 두고 배치된다. 이들 로터(2a,2b)중 로터(2a)의 둘레면에는 여러개의 영구자석(7)이 극성을 N,S,N,S…와 같이 번갈아 반전하여 둘레방향으로 배치되고 있다. 이들 영구자석(7)은 로터(2a)의 둘레면에 붙는다. 여기서 영구자석(7)은 N극이 표면으로 노출하는 영구자석과, S극이 표면으로 노출하는 영구자석이 번갈아 배치된다. 로터(2a,2b)는 과전류의 발생을 방지하기 위해 규소강판을 겹쳐서 작제하는 것이 바람직하다.

로터(2a,2b)의 외주측에는 스테이터(3a,3b)가 로터(2a,2b)의 둘레면을 각각 둘러싸도록 배치되고 있다. 스테이터(3a,3b)에는 로터(2a,2b)를 부상제어하기 위한 2극의 부상제어자속 φF를 발생하는 제1스테이터권선(5a,5b)이 각각 감겨져 있다. 또 스테이터(3a)에는 제1스테이터권선(5a)에 인접시켜 로터(2a)에 대해 회전자계 φK를 설정하는 제2스테이터권선(6)이 배치된다.

또 스테이터(3a,3b)사이에는 직류자장 발생수단(4)이 배치되고, 이 직류자장 발생수단(4)에 의해 로터(2a,2b)로부터 스테이터(3a,3b)를 향해 방사상으로 분포하는 자속 φD를 발생시키고 있다. 이 직류자장 발생수단(4)은 구체적으로는 영구자석(P)으로서 스테이터(3a,3b)사이의 중앙에 배치되고 이 영구자석(P)에 의해 로터(2a,2b)와 스테이터(3a,3b)의 간극에 바이어스를 위한 직류자장을 발생시키고 있다. 여기서 바이어스자속을 발생시키는 직류자장 발생수단(4)으로서의 영구자석(P)의 수는 특별히 한정되는 것은 아니다. 그러나 갭내의 바이어스자속이 많은 만큼 부상전류를 더욱 작게할 수 있기 때문에 영구자석(P)의 수는 가능한 한 많게 하는 것이 바람직하다. 스테이터(3a,3b)도 규소강판의 적층재로 구성하는 것이 바람직하다.

로터(2a)의 자극수와 스테이터(3a)의 슬롯수도 특별히 한정되지 않는다. 이것들은 PM모터를 구성할 수 있는 수이면 충분하지만 자극수가 6극이상, 슬롯수가 9개이상인 것이 바람직하고 도시한 예에서는 자극수 6, 슬롯수 12로 구성된다.

또한 상기의 PM모터에 있어서 스테이터는 슬롯레스구조라도 좋다.

이와같은 자기부상모터의 작용에 대해 도 13, 도 14를 기초로 도 15 및 도 16을 참조하면서 설명한다.

도 15에 로터에 있어 좌표계를 나타낸다. 도 15에 있어 스테이터(3a,3b)의 회전중심을 0으로 하여 가로축을 x축, 이에 직각인 세로축을 y축으로 한다. 또 스테이터(3a,3b)위에 고정한 회전좌표를 θ로 하고, 로터(2a,2b)의 각 속도를 ω로 하며, 시간을 t로 하면 각 스테이터(3a,3b)는 y축에서 각 속도 θ로서 배치된다. 또 y축을 시각 t = 0으로 하면 t초 후의 로터(2a,2b)의 위치는 ωt/M으로 구할 수 있다.

도 16은 스테이터 및 로터에 있어 자속과 시간과의 관계를 도시한다. 도 16(a)는 로터의 영구자석과 직류자장 발생수단으로부터의 바이어스자속에 의한 자속밀도 Br을 시간과의 관계로 나타내고, 도 16(b)는 제2스테이터권선에 의해 스테이터와 로터와의 간극에 발생하는 자속밀도 Bsm을 시간과의 관계로 나타내며, 도 16(c)는 제1스테이터권선에 의한 자속밀도 Bsb를 시간과의 관계로 나타낸 것이다.

이 자기부상모터(1)에서는 제1스테이터권선(5a,5b)에서 도 16(c)에 도시하는 자계가 발생하도록 부상력 제어용의 제1스테이터권선(5a,5b)에 전류를 흐르게 하고 또 회전력 발생용의 제 2스테이터권선(6)에서 도 16(b)에 도시하는 자계가 발생하도록 제 2스테이터권선(6)에 전류를 흐르게 한다. 이에 따라 이 자기부상모터(1)는 자기부상함과 동시에 모터로서 회전한다.

이와같이 제1스테이터권선(5a,5b)에서 자속밀도 Bsb가 발생하도록 전류를 흐르게 하고, 제2스테이터권선(6)에서 자속밀도 Bam이 발생하도록 전류를 흐르게 함으로써 자기부상과 회전력이 독립적으로 발생하게 된다. 이에 대해 이론해석하므로 다음의 (1) ~ (6)과 같은 가정을 한다.

(1) 스테이터(3a,3b)는 전류가 연속적으로 분포하는 것으로 한다.

(2) 정상회전, 정상쓰러스트부하(중력 등)상태로 한다.

(3) 로터(2a)는 영구자석에 의해 직사각형 파형의 자속밀도를 만들고 이에 따른 편심력은 없다.

(4) 로터(2a,2b)와 스테이터(3a,3b)는 중심이 일치하고 편심하고 있지 않다.

(5) 바이어스자속은 일정하고 방사상으로 분포하고 있다.

(6) 제2스테이터권선(6)에 흐르는 회전자계용 전류에 의한 전기자 반작용은 없다.

이와같은 가정에 있어 로터(2a)의 영구자석(7)과 직류자장 발생수단(4)의 바이어스자속에 의한 자속밀도 Br은 다음 수 1식과 같이 된다.

(수1)

여기서,

B₀: 바이어스자석에 의한 갭자속밀도

B₁: 로터의 영구자석에 의한 자속밀도의 파고치

B₂: 모터권선에 의한 자속밀도의 파고치

B₃: 위치제어권선에 의한 자속밀도의 파고치

θ : 스테이터상에 고정한 회전좌표

ψ : 전동기권선에 의한 자속과 로터의 위상차

φ : 위치제어권선에 의한 자속의 위상각

ω : 로터의 각속도

t : 시간

M : 극대수 ( = 1, 2, 3, …)

i : 자연수

계산을 간단히 하기 위해 정현파에 근사시키면 다음 수 2식과 같이 나타낼 수 있다.

(수2)

Br = B₀+ B₁cos (Mθ - ωt)

제2스테이터권선(6)에 의해 로터(2a)와 스테이터(3a)사이에 발생하는 자속밀도 Bsm은

(수3)

Bsm = B₂cos (Mθ - ωt - ψ)

와 같이 나타낼 수 있다.

또 제1스테이터권선(5a,5b)에 의해 발생하는 자속밀도 Bsb는,

(수4)

Bsb = B₃cos (θ - φ)

와 같이 된다.

따라서 로터(2a,2b)와 스테이터(3a,3b)사이의 에어갭에 만들어지는 자속밀도 Bg는,

(수5)

Bg = Br + Bsm + Bsb

가 된다.

다음 로터(2a,2b)의 반지름을 r로 하고, 로터(2a,2b)와 스테이터(3a,3b)의 에어갭을 g로 하며, 로터(2a,2b)의 축방향의 길이를 1, 미소각도를 dθ로 하면 에어갭의 미소체적 △V는,

(수6)

△V = rlgdθ

가 되며 이 소체적 △V에 축적되는 자기에너지 △W는,

(수7)

이 된다.

이에 따라 반지름방향을 따른 방사상의 힘 dF는 미소갭 체적안에 축적되는 자기에너지의 가상변위에 의해 다음 수 8식과 같이 계산된다.

(수8)

여기서 x축 및 y축방향에 발생하는 힘 Fx, Fy는 수 8식에 도시하는 dF의 x방향성분 및 y방향성분을 θ에 대해 갭 전 둘레에 걸쳐 적분함으로써 수 9식, 수 10식과 같이 산출할 수 있다.

(수9)

(수10)

여기서 M ≥ 3으로 하면

(수11)

(수12)

가 되며 로터(2a,2b)의 회전각에 관계없이 일정한 부상력이 얻어진다. 수 11식의 x방향의 부상력도, 수 12식의 y방향의 부상력도, 로터(2a)의 영구자석의 자속밀도 및 회전자계 발생용의 제2스테이터권선(6)에 의한 자속밀도의 항이 나타나지 않는 것으로 자기부상력은 제2스테이터권선(6)에 의해 형성되는 회전자계의 영향을 받지 않는 다는 것을 알았다.

한편 회전토오크 T는

(수13)

과 같이 구해진다. 여기서 M ≥2로 하면 회전토오크 T는,

(수14)

가 되어 직류자장 발생수단(4)에서 발생하는 바이어스자계에 의한 에어갭 자속밀도 및 자기부상용의 제1스테이터권선(5a,5b)에 의한 자속밀도의 항이 나타나지 않기 때문에 회전토오크 T는 바이어스자계 및 부상자계의 영향을 받지 않는 것을 알았다.

지금까지 설명해 온 자기부상모터는 본 출원인이 먼저 출원한 일본국 특원평 10-355124호의 명세서 및 도면에 기재한 것으로서 아직 공개되지 않았다. 상기 자기부상모터에 의하면 다음과 같은 이점이 있다.

(1) 자기베어링과 모터의 자기회로가 일체화되므로 자기부상모터 전체가 콤팩트하게 되어, 축 길이를 짧게할 수 있기 때문에 위험속도를 높일 수 있고 고속회전이 가능하게 된다.

(2) 부하토오크 및 모터전류에 의해 자기부상제어가 영향을 받지 않고 더욱 안정된 부상을 실현할 수 있다.

(3) 자기부상제어는 회전자계에 의해 행하는 것이 아니기 때문에 좌표변환이 불필요하게 되어 제어계가 간단하게 된다.

(4) 호모폴라형 자기부상모터에서는 돌극형으로 최저 8극이 필요하지만 상기의 예에 관한 자기부상모터에서는 최저 6극으로 구성할 수 있어 구조가 간단하게 된다.

(5) 직류자장 발생수단에 영구자석을 사용할 수 있게 되어 자장발생을 위한 전력을 필요로 하지 않는다.

본원 발명은 상기 하이브리드형 자기부상모터를 더욱 개량하고, 로터에 배치하는 영구자석을 연구함으로써 바이어스자속을 만들기 위한 영구자석을 따로 배치할 필요가 없도록 함과 동시에 부상력과 회전력의 간섭을 더욱 작게 하여 모터의 출력을 크게할 수 있도록 한 것이다.

다음 본 발명의 특징구성에 대해 설명한다.

도 1, 도 2에 있어서 원통상 모터케이스(35)의 내주측에는 2개의 스테이터코어부(11,21)와, 2개의 로터(31,32)로 이루어지는 2개의 자기부상형 모터부가 배치된다. 상기 2개의 스테이터코어부(11,21)는 각각 스테이터코어(12,22)와, 스테이터권선(13,23)을 갖고 이루어진다. 각 스테이터코어(12,22)는 동일 구성의 적층코어로서 규소강판의 적층체로 구성하는 것이 바람직하다. 도 2에 도시하는 예에서는 각 스테이터코어(12,22)는 12개의 돌극을 갖고 있음과 동시에 12개의 분할코어를 모터케이스(35)의 내주면에 고정하여 이루어진다.

스테이터코어(12,22)의 각 돌극에는 스테이터권선(13) 또는 스테이터권선(23)이 감겨져 있다. 각 스테이터권선(13,23)은 각 로터(31,32)를 부상제어하기 위한 2극의 부상제어자속을 발생하는 제1스테이터권선과, 각 로터(31,32)에 대해 회전자계를 발생시키는 제2스테이터권선을 갖는 것이지만 도 2에는 명시하고 있지 않다.

상기 2개의 로터(31,32)는 축상으로 구성된 공통의 회전체(40)의 축방향에 있어 다른 위치에 배치되고 있고 이에 따라 2개의 자기부상형 모터부(11,21)가 축방향으로 배치된 모양이 된다. 각 로터(31,32)를 구성하는 상기 회전체(40)는 자성체로 이루어지고 각각의 로터(31,32)의 외주에는 세그먼트형 영구자석(33,34)이고착되고 있다. 도 2에 도시하는 예에서는 상기 세그먼트형 영구자석(33,34)은 원통을 분할한 모양의 4개의 영구자석으로 이루어지고, 이 세그먼트형 영구자석(33,34)이 회전체(40)의 둘레방향으로 일정간격으로 또한 스테이터코어(12,22)의 돌극의 내주단면과 적절한 간극을 두고 대향시켜 배치된다.

상기 세그먼트형 영구자석(33,34)의 극성은 상기 2개의 자기부상형 모터부(11,21)에 있어서 서로 역극성의 관계로 고착되고 있다. 도 1의 예에서는 한쪽 즉 왼쪽의 세그먼트형 영구자석(33)의 스테이터코어(12)에 면한 측을 S극, 회전체(40)측을 N극, 다른쪽 즉 오른쪽의 세그먼트형 영구자석(34)의 스테이터코어(22)에 면한 측을 N극, 회전체(40)측을 S극으로 하여 이루어진다. 따라서 한쪽의 세그먼트형 영구자석(33)의 내주측으로부터 나온 자속은 자성체로 이루어지는 회전체(40)를 거쳐 다른쪽의 세그먼트형 영구자석(34)으로 들어가고, 다른쪽의 세그먼트형 영구자석(34)의 외주로부터 나온 자속은 간극을 거쳐 다른쪽의 스테이터코어(22), 모터케이스(35), 한쪽의 스테이터코어(12), 간극을 거쳐 한쪽의 세그먼트형 영구자석(33)으로 되돌아간다.

상기 2개의 세그먼트형 영구자석(33,34)은 제2스테이터권선에 의해 발생하는 회전자계와 협동하여 로터(31,32)에 같은 방향의 회전력을 발생시키기 위한 자속을 발생시킨다. 또 상기 2개의 세그먼트형 영구자석(33,34)은 제1스테이터권선에 의해 발생하는 2극의 부상제어자속과 협동하여 로터(31,32)를 부상제어하기 위해 로터(31,32)의 내부로부터 방사상으로 퍼지는 직류자장을 발생하는 바이어스자석으로서도 기능한다.

또한 회전력 발생원리 및 부상력 발생원리는 도 6 내지 도 9에 대해 설명한 회전력 발생원리 및 부상력 발생원리와 같기 때문에 설명은 생략한다.

상기와 같이 2개의 로터(31,32)의 둘레면에 각각 세그먼트형 영구자석(33,34)을 서로 역극성의 관계로 고착하고, 이들의 세그먼트형 영구자석(33,34)을 회전력을 발생시키는 영구자석으로서 또 로터(31,32)를 부상시키기 위한 직류자장 발생수단으로서 기능하도록 했기 때문에 부상력 발생용 직류자장 발생수단으로서의 영구자석을 회전력 발생용 영구자석 외에 특별히 배치할 필요가 없어져 조립공정수의 저감, 소형화, 원가 저감을 가능하게 할 수 있다.

도 1에 있어 2개의 자기부상형 모터부(11,21)를 사이에 둔 양측에는 회전체(40)와 일체로 배치된 피검출체와 대향하여 간극센서(15,25)가 배치되고 있다. 이들의 간극센서(15,25)로 검출되는 상기 피검출체와의 간극이 일정하게 되도록 부상력 발생용의 제1스테이터권선으로의 통전을 제어한다. 이에 따라 회전체(40), 로터(31,32)를 포함하는 회전부분을 무접촉으로 지지할 수 있다. 또한 도 1에 있어서는 회전체(40)의 양단부가 모터케이스(35)에 배치된 베어링으로 지지되고 있는 것처럼 보이지만 실험용의 구성으로 로터의 회전 중에는 상기와 같이 부상력 발생용의 제1스테이터권선으로의 통전제어에 의해 자기적 부상력이 발생하고 또한 이 부상력이 제어되므로 회전체(40)는 베어링에 접촉하지 않고 회전한다.

2개의 로터(31,32)에 고착되고 있는 세그먼트형 영구자석(33,34)의 회전방향의 위치관계는 도 2(a)(b)에 도시하는 예에서는 서로 같은 위치관계가 되지만 도 3의 (a)(b)와 같이 정확히 중간위치가 되도록 서로 어긋나 있어도 좋다. 이 경우당연히 제1스테이터권선과 제2스테이터권선에 흐르는 위상관계도 도 2(a)(b)에 도시하는 예와는 2개의 로터(31,32) 상호간에서 어긋나게 된다.

종래기술의 문제점의 해결과제로서 예를 든것과 같이 부상력과 회전력의 상호간섭을 될 수 있으면 작게하기 위해서는 로터와 스테이터코어 사이의 갭자속밀도의 변화를 회전방향으로 거의 정현파상으로 하는 것이 바람직하다. 그렇게 하기 위해서는 도 2, 도 3과 같이 세그먼트형 영구자석(33,34)과 같이 회전축선으로 직교하는 방향의 단면형상이 직사각형인 것 보다도 도 4, 도 5에 도시하는 세그먼트형 영구자석(43,44)과 같이 회전축선으로 직교하는 방향의 단면에 있어 스테이터코어(12,22)와의 대향면 형상을 원호형상으로 하는 것이 바람직하다. 더욱 구체적으로는 상기 세그먼트형 영구자석(43,44)은 내면측은 회전체(40)의 둘레면에 밀착하고, 외면측 즉 스테이터코어(12,22)와의 대향면은 스테이터코어(12,22)의 내주면과의 간극이 연속적으로 변화하는 원호형상으로 되어있으며 전체적으로는 초생달 모양이 된다. 이와같은 형태로 해 두면 서로 인접하는 세그먼트형 영구자석 상호간의 자속밀도의 변화가 원활하게 되어 거의 정현파상이 된다.

단 세그먼트형 영구자석(43,44)을 도 4, 도 5와 같이 단면형상에 있어 초생달 모양으로 하면 스테이터코어(12,22)와의 간극의 평균치가 커져 효율이 저하되므로 부상력과 회전력과의 상호간섭의 대소와, 효율저하 정도를 감안하여 세그먼트형 영구자석(43,44)의 단면형상을 의도하는 특성에 더욱 가까운 특성을 얻을 수 있는 형상으로 하면 좋다.

또한 도 4(a)(b)는 도 2(a)(b)에 대응하는 것으로 2개의 세그먼트형 영구자석(43,44)이 둘레방향으로 서로 같은 위치에 배치되고 있는 예를 도시한다. 도 5(a)(b)는 도 3(a)(b)에 대응하는 것으로 2개의 세그먼트형 영구자석(43,44)이 둘레방향으로 서로 어긋난 위치에 배치되고 있는 예를 도시하고 있다.

이상 설명한 실시예에서는 회전력과 부상력을 발생하는 자기부상형 모터부가 축방향으로 2개 연결된 모양으로 배치되고 있기 때문에 모터출력을 크게할 수 있음과 동시에 축방향에 있어 균형잡힌 부상력을 얻을 수 있다.

본 발명은 도시한 예와 같은 인너로터형 모터에 한정되지 않고 아웃터로터형 모터에도 적용가능하다.

다음 본 발명에 관한 자기부상모터에 있어 다른 실시예에 대해 설명한다.

도 6에 있어 모터의 프레임이 되는 베이스(53)로부터 위를 향해 일체로 뻗은 축(54)에는 스테이터코어부(56), 바이어스 마그네트(62), 2개의 요크(58,57), 바이어스 마그네트(61), 스테이터코어부(55)가 이 순서로 부착되고 있다. 상기 스테이터코어부(56)는 축(54)의 단부에 해당하고, 축(54)의 상단에 고정된 적절한 클램프부재에 의해 스테이터코어부(55)가 눌리게 됨으로써 상기 각 부재가 축(54)에 고정된다. 상기 2개의 요크(58,57)는 내주측에 축방향으로 뻗는 원통부를 갖고, 이 원통부끼리가 접촉함으로써 2개의 요크(58,57)사이에는 축방향으로 이간한 공간이 형성된다. 이 공간에 있어 2개의 요크(58,,57)의 상기 원통부에 감긴 모양으로 쓰러스트 제어용 코일(59)이 배치되고 있다.

각 스테이터코어부(55,56)에는 각각 스테이터권선(63,64)이 감겨져있다. 도시하지 않지만 각 스테이터권선(63,64)은 로터(50)를 부상제어하기 위한 2극의 부상제어자속을 발생하는 제1스테이터권선과, 상기 로터(50)에 대해 회전자계를 발생시키는 제2스테이터권선으로 이루어진다. 스테이터코어부(55,56), 요크(58,57) 등을 갖고 이루어지는 스테이터의 외주측에는 로터(50)가 배치되고 있다. 로터(50)는 원통상의 자성재로 이루어지는 로터케이스(51)를 주체로서 이루어진다. 로터케이스(51)는 상기 스테이터를 감싸도록 하여 배치된다. 로터케이스(51)는 축방향의 중앙부에 안쪽 방향 플랜지상의 요크(52)를 일체로 갖고 있음과 동시에 내주상단부에 링모양의 영구자석으로 이루어지는 로터마그네트(53)가 내주 하단부에 링모양의 영구자석으로 이루어지는 로터마그네트(54)가 고착되고 있다. 또 로터케이스(51)의 내주에는 상기 요크(52)의 상측에 있어 터치다운 베어링(67)이 부착되고 있다.

로터케이스(51)의 상기 요크(52)는 상기 2개의 요크(58,57)사이에 형성된 공간에 위치하고 있다. 이 공간의 축방향의 이간거리는 상기 요크(52)의 축방향 치수보다도 커서 요크(52)는 요크(58,57)에 접촉하지 않고 회전할 수 있게 된다. 상기 터치다운 베어링(67)은 로터(50)가 회전하지 않을 때 따라서 자기부상제어가 행해지지 않을 때 또는 회전을 개시, 또는 정지할 때 스테이터측의 상기 요크(57)에 접촉하여 로터(50)를 지지하는 것이다. 로터마그네트(53,54)의 내주면은 각각 스테이터코어부(55,56)의 외주면에 적절한 간극을 두고 대향하고 있다.

상술과 같이 구성됨으로써 스테이터코어부(55)와 요크(57)사이, 요크(58)와 스테이터코어부(56)사이에 있어서 또한 이들 부재의 내주측에 각각 상기 바이어스 마그네트(61,62)가 배치되고 있다. 각 바이어스 마그네트(61,62)는 링모양으로 형성되고, 축방향으로 착자되고 있다. 따라서 바이어스 마그네트(61,…), 스테이터코어부(55,…), 로터마그네트(53,…), 로터케이스(51,…), 요크(52,…), 요크(57,…),바이어스 마그네트(61)의 순으로 도는 바이어스 자속(65)이 형성된다. 또 바이어스 마그네트(62,…), 스테이터코어부(56,…), 로터마그네트(54,…), 로터케이스(51,…), 요크(52,…), 요크(58,…), 바이어스 마그네트(62)의 순으로 도는 바이어스자속(66)이 형성된다.

상기 바이어스자속(65,66)의 자로는 쓰러스트 베어링용의 자로로서, 각각 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부와 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부로 나눌 수 있다. 도 6에 도시하는 실시예에서는 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 사이에 두고 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부가 배치된다. 로터케이스(51)의 요크(52)와 스테이터측의 요크(57)사이 및 상기 요크(52)와 스테이터측의 요크(58)와의 사이에는 쓰러스트방향의 갭이 있어 이 각 갭을 상기 바이어스자속(65,66)이 통과하도록 구성되고 있다.

쓰러스트 제어용 코일(59)에 통전되면 이 코일(59)로의 통전방향에 의해 코일(59)에 의해 발생한 자속이 요크(57,…), 요크(52,…), 요크(58,…)의 순으로 돌고, 상기 쓰러스트방향의 2개의 갭을 통과하도록 되어있다. 여기서는 코일(59)에 의해 발생한 자속을 쓰러스트 자기베어링 제어자속(60)이라고 한다. 로터측의 요크(52)에 대해서는 상측의 요크(57)와 하측의 요크(58)사이에 각각 바이어스자속(65) 및 바이어스자속(66)에 의해 자기흡인력이 발생하기 때문에 이 쌍방의 자기흡인력을 쓰러스트 제어용 코일(59)에 통전제어함으로써 제어하고, 로터(50)의 축방향의 위치를 제어한다.

더욱 구체적으로는 도시하지 않은 센서가 로터(50)의 축방향의 위치를 검지하여 로터(50)의 축방향의 위치가 한쪽으로 기울어지면 상기 센서의 출력을 기초로 쓰러스트 제어용 코일(59)의 정역방향의 통전 및 그 전류를 제어하여 상기 각 갭의 바이어스자속(65,66)의 한쪽을 강하게 하고 다른쪽을 약하게 한다. 그 결과 요크(52)에 대한 상하의 흡인력의 한쪽을 강하게 하고 다른쪽을 약하게 하여 로터(50)의 축방향의 위치(쓰러스트방향의 위치)를 소정위치로 제어한다.

상기 스테이터코어부(55,56)와, 스테이터 권선(63,64)과, 로터마그네트(53,54)에 의해 래디얼 자기베어링과 모터가 복합화된다. 스테이터권선(63,64)은 이미 설명한 것과 같이 제1스테이터권선과 제2스테이터권선으로 구성된다. 제1스테이터권선의 통전을 제어함으로써 상기 바이어스자속(65,66)과 제1스테이터권선에서 발생하는 2극의 부상제어자속과의 상호작용에 의해 로터(50)를 부상제어하여 래디얼방향으로 비접촉으로 지지한다. 또 상기 제2스테이터권선의 통전을 제어함으로써 로터(50)에 대해 회전자계를 발생시키고 로터마그네트(53,54)와의 상호작용에 의해 로터(50)를 회전구동한다.

이상 설명한 바와 같이 도 6에 도시하는 실시예는 래디얼 자기베어링과 모터를 복합화한 자기부상모터에 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부와, 이 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 사이에 둔 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 배치하고, 부상제어자속을 형성하기 위한 바이어스자속(65,66)이 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부와 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부 사이에 형성되는 쓰러스트방향 갭을 모두 통과하도록 구성하며, 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부 사이에 쓰러스트 제어용 코일(59)을 배치하고, 쓰러스트 제어용 코일(59)에 통전함으로써 쓰러스트 베어링 하중을 지지하도록 했다. 그 때문에 쓰러스트 자기베어링도 복합화할 수 있고, 소형화되어 축 길이를 짧게할 수 있게 되며, 고속화를 도모할 수 있다.

또 상기 실시예에 의하면 스테이터코어부(55,56)를 축방향으로 2개 나열하여 배치함과 동시에 이 2개의 스테이터코어부(55,56) 사이에 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부와 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 형성하고 있기 때문에 실질적으로 2개의 모터부가 배치되고, 이 2개의 모터부의 쓰러스트 하중을 하나의 쓰러스트 자기베어링으로 지지하는 구조가 되어, 쓰러스트 자기베어링 까지도 갖고 있으면서 큰 출력이 얻어지는 데 비해 콤팩트한 자기부상모터를 얻을 수 있다.

또한 스테이터코어부(55,56)와 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 축방향으로 나열하여 배치했기 때문에 쓰러스트방향의 제어력이 크고 쓰러스트방향의 제어를 신속하고 안정되게 행할 수 있다.

도 6에 도시하는 실시예는 스테이터코어부(55,56)를 축방향으로 2개 나열하여 배치하고, 스테이터코어부(55,56)에서는 각각 로터(50)를 X-Y방향으로 위치제어하며, 쓰러스트 자기베어링부에서는 로터(50)를 Z방향을 위치제어하도록 한 5축 제어형식으로 되어있지만 도 7에 도시하는 실시예와 같이 3축 제어형식으로 해도 좋다.

도 7에 도시하는 실시예는 도 6에 도시하는 실시예에 있어 바이어스 마그네트(61)에서 위를 뺀 모양이 된다. 즉 스테이터는 하나의 스테이터코어부(56), 하나의 바이어스 마그네트(62), 2개의 요크(57)(58), 쓰러스트 제어용 코일(59), 스테이터권선(64)을 갖고 이루어진다. 로터(50)의 주체를 이루는 로터케이스(51)는 상단에 일체로 형성된 안쪽을 향하는 플랜지상의 요크(52), 로터마그네트(54)를 갖고 이루어진다. 이들 각 부재의 구성은 도 6에 도시하는 실시예에 있어 대응하는 각 부재의 구성과 동일하다.

도 7에 도시하는 실시예에 의하면 바이어스 마그네트(62,…), 스테이터코어부(56,…), 로터마그네트(54,…), 로터케이스(51,…), 요크(52,…), 요크(58,…) 및 요크(57,…), 바이어스 마그네트(62)의 순으로 도는 바이어스자속(66)이 형성된다. 이 바이어스자속(66)의 자로는 쓰러스트 베어링용의 자로로서, 각각 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부와 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부로 나눌 수 있다. 로터케이스(51)의 요크(52)와 스테이터측의 요크(57)사이 및 상기 요크(52)와 스테이터측의 요크(58)사이에는 쓰러스트방향의 갭이 있고, 이 각 갭을 상기 바이어스자속(66)이 분기하여 통과하도록 구성되고 있다.

상술한 실시예와 마찬가지로 쓰러스트 제어용 코일(59)에 통전됨으로써 이 코일(59)로부터 발생한 자속이 상기 쓰러스트 방향의 2개의 갭을 통과한다. 쓰러스트 제어용 코일(59)로의 통전을 상술과 같이 제어함으로써 쓰러스트 자기베어링 제어자속(60)이 제어되어 상기 각 갭의 바이어스자속(66)의 한쪽을 강하게 하고, 다른쪽을 약하게 함으로써 요크(52)에 대한 상하의 흡인력의 한쪽을 강하게 하고, 다른쪽을 약하게 하여 로터(50)의 축방향의 위치를 소정위치로 제어한다. 또 스테이터코어부(56)와, 스테이터권선(64)과, 로터마그네트(54)에 의해 래디얼 자기베어링이 구성되고, 또 로터(50)를 회전시키는 토오크가 발생하는 점은 상술한 실시예와 동일하다.

도 7에 도시하는 실시예는 스테이터코어부(56)와, 스테이터권선(64)과, 로터마그네트(54)에 의해 로터(50)를 래디얼방향인 X-Y방향으로 위치제어하고, 쓰러스트 자기베어링부에서는 로터(50)를 쓰러스트방향인 Z방향으로 위치제어하도록 한 3축 제어형식이 된다.

이 실시예에 있어서도 도 6에 도시하는 실시예와 같은 효과를 얻을 수 있다.

도 6, 도 7에 도시하는 실시예는 자기부상력을 얻기 위한 바이어스 마그네트를 이용하였지만 로터마그네트의 모양을 연구함으로써 바이어스 마그네트를 생략할 수 있다. 도 8, 도 9에 도시하는 실시예가 그것으로 도 8에 도시하는 실시예는 도 6에 도시하는 실시예에 대응하고, 도 9에 도시하는 실시예는 도 7에 도시하는 실시예에 대응한다. 도 8, 도 9에 도시하는 실시예는 로터케이스(51)에 고착된 로터마그네트(73,74)가 링모양이 아닌 세그먼트모양 즉 원통형을 분단한 부분 원통모양이 된다. 이 세그먼트모양 로터마그네트(73,74)는 여러개, 둘레방향으로 소정의 간격을 두고 로터케이스에 고착된다.

그리고 각 세그먼트모양 로터마그네트(73,74)는 두께방향(반지름방향)으로 착자되고, 또한 쌍방의 세그먼트모양 로터마그네트(73,74)의 두께방향의 착자극성이 동일하게 된다. 그 때문에 로터마그네트(73,74)로부터 나온 자속의 통로는 도 6에 도시하는 실시예에 있어 자속의 통로와 마찬가지로 마그네트(73,…), 로터케이스(51,…), 요크(52, …), 요크(57,…), 스테이터코어부(55,…), 마그네트(73) 순으로 도는 바이어스자속(65)이 형성된다. 또 마그네트(74,…), 로터케이스(51,…), 요크(52,…), 요크(58,…), 스테이터코어부(56,…), 마그네트(74)순으로 도는 바이어스자속(66)이 형성된다. 그 때문에 도 6에 도시하는 실시예에서 이용되고 있던 바이어스 마그네트(61,62)는 도 8에 도시하는 실시예에서는 불필요하다. 상기 바이어스 마그네트(61,62)가 배치되고 있는 장소에는 자기통로를 형성하기 위한 자성재를 배치하면 된다. 이와같이 하여 바이어스자속(65,66)이 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부와 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 거쳐 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 사이에 둔 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부가 배치되고 있다.

쓰러스트제어용 코일(59)을 통전제어하면 쓰러스트 자기베어링 제어자속(60)이 발생하여 로터측의 요크(52)에 대해 바이어스자속(65) 및 바이어스자속(66)에 의해 발생하는 쌍방의 자기흡인력의 한쪽을 강하게 하고 다른쪽을 약하게 하여 로터(50)의 축방향의 위치를 소정위치로 제어한다. 도 6에 도시하는 실시예와 마찬가지로 스테이터권선(63,64)은 각각 제1스테이터권선과 제2스테이터권선으로 이루어지고, 제1스테이터권선의 통전을 제어함으로써 바이어스자속(65,66)과의 상호작용으로 로터(50)를 래디얼방향으로 부상제어한다. 또 로터(50)의 회전위치에 따라 제2스테이터권선의 통전을 제어함으로써 로터(50)를 회전구동한다.

도 8에 도시하는 실시예에 의하면 도 6에 도시하는 실시예와 같은 효과를 얻을 수 있음과 동시에 바이어스 마그네트를 별도로 배치할 필요가 없다는 이점이 있다. 도 8에 도시하는 실시예는 도 6에 도시하는 실시예와 마찬가지로 5축제어를행하는 것이다.

도 9에 도시하는 실시예는 도 8에 도시하는 실시예의 요크(57)에서 아래를 남기고 그 위를 제거한 모양의 것이다. 이 실시예에 있어서도 세그먼트형의 마그네트(74,…), 로터케이스(51,…), 요크(52,…), 요크(58,…) 및 요크(57…), 스테이터코어부(56,…), 마그네트(74)의 순으로 도는 바이어스자속(66)이 형성된다. 이 바이어스자속(66)과 쓰러스트 제어용 코일(59)의 통전제어에 의해 발생하는 쓰러스트 자기베어링 제어자속(60)에 의해 로터(50)를 쓰러스트방향으로 위치제어한다. 또 제1,제2스테이터권선의 통전을 제어함으로써 로터(50)를 래디얼방향으로 부상제어하고, 또 로터(50)를 회전구동한다.

도 9에 도시하는 실시예에 의하면 도 7에 도시하는 실시예와 같은 효과를 얻을 수 있음과 동시에 바이어스 마그네트를 따로 배치할 필요가 없다는 이점이 있다. 도 9에 도시하는 실시예는 도 7에 도시하는 실시예와 같이 3축제어를 행하는 것이다.

지금까지 설명해 온 실시예는 아우터로터형이었지만 본 발명의 기술사상은 인너로터형에도 적용할 수 있으며 도 10 내지 도 12에 그 예를 나타낸다. 인너로터형의 경우는 로터가 스테이터의 안쪽에 배치된다는 것 뿐 원리적으로는 아우터로터형과 다르지 않다.

도 10에 도시하는 실시예는 스테이터코어부와 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 축방향으로 나열하여 배치한 것으로 도 6에 도시하는 실시예에 대응하는 것이다. 도 10에 있어서 원통상 모터케이스(35)의 내주측에는 2개의 스테이터코어부(11,21)와, 2개의 로터(31,32)로 이루어지는 2개의 자기부상형 모터가 배치되고 있다. 상기 2개의 스테이터코어부(11,21)는 각각 스테이터코어부(12,22)와, 스테이터권선(13,23)을 갖고 이루어진다. 각 스테이터코어부(12,22)는 동일 구성의 적층코어로서 규소강판의 적층체로 구성하는 것이 바람직하다.

스테이터코어부(12,22)의 각 돌극에는 스테이터권선(13,23)이 감겨져 있다. 각 스테이터권선(13,23)은 각 로터(31,32)를 부상제어하기 위한 2극의 부상제어자속을 발생하는 제1스테이터권선과, 각 로터(31,32)에 대해 회전자계를 발생시키는 제2스테이터권선을 갖지만 도시하지 않는다.

상기 2개의 로터(31,32)는 자성재로 이루어짐과 동시에 축상으로 구성된 공통의 회전체(40)에 있어 축방향의 다른 위치에 배치된다. 이에 따라 2개의 자기부상형 모터부(11,21)가 축방향으로 배치된 모양이 된다. 각 로터(31,32)를 구성하는 상기 회전체(40)는 자성체로 이루어지고, 각각의 로터(31,32)의 외주에는 링모양 영구자석으로 이루어지는 로터마그네트(115,116)가 고착된다. 이 로터마그네트(115,116)는 스테이터코어(12,22)의 돌극의 내주단면과 적절한 간극을 두고 대향시켜 배치된다.

회전체(40)에는 축방향의 중간부에 있어서 반경방향 외측으로 돌출한 플랜지상의 요크(17)가 일체로 형성된다. 이 요크(17)를 축방향 양측으로부터 사이에 두고 2개의 요크(19,20)가 스테이터측에 고정된다. 요크(19,20)는 성형에 의해 일체로 형성되고, 단면이 U자모양을 하고 있으며 전체적으로 링모양이 된다. 요크(19,20)는 그 외주부가 모터케이스(35)에 고정된다. 요크(19,20)사이에는 상기 회전체(40)의 요크(17)의 외주측에 있어 쓰러스트 제어용 코일(18)이 배치된다. 회전체(40)의 요크(17)와, 요크(19) 및 요크(20) 사이 또한 쓰러스트 제어용 코일(18)사이에는 적절한 간극이 있다. 상기 요크(19)와 스테이터코어(12) 사이 및 상기 요크(20)와 스테이터코어(22) 사이에는 각각 바이어스 마그네트(125,126)가 배치된다. 바이어스 마그네트(125,126)는 링모양 내지는 원통모양으로 되어있고, 모터케이스(35)의 내주면에 고착된다.

상기 2개의 바이어스 마그네트(125)(126)는 도면과 같이 폭방향 즉 축선방향으로부터 착자된 것으로 마그네트(125)(126)의 착자의 방향은 서로 역방향이며, 따라서 요크(19)(20)에 접하는 면의 극성은 동 극이 된다. 그 때문에 바이어스 마그네트(125,…), 스테이터코어부(12,…), 로터마그네트(115,…), 회전체(40,…), 요크(17…), 요크(19…), 바이어스 마그네트(125)의 순으로 도는 바이어스자속(27)이 형성된다. 또 바이어스 마그네트(126,…), 스테이터코어부(22,…), 로터마그네트(116,…), 회전체(40, …), 요크(17, …), 요크(20,…), 바이어스 마그네트(126)의 순으로 도는 바이어스자속(28)이 형성된다.

상기 바이어스자속(27,28)의 자로는 쓰러스트 베어링용의 자로로서, 각각 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부와 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부로 나눌 수 있다. 도 10에 도시하는 실시예에서는 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 사이에 두고 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부가 배치된다. 회전체(40)의 요크(17)와 스테이터측의 요크(19) 사이 및 상기 요크(17)와 스테이터측의 요크(20)사이에는 쓰러스트방향의 갭이 있고, 이 각 갭을 상기바이어스자속(27)(28)이 각각 통과하도록 구성된다.

상기 쓰러스트 제어용 코일(18)에 통전되면 이 코일(18)에 의해 발생한 자속이 요크(19,…), 요크(17,…), 요크(20,…)의 순으로 돌고 그 동안 상기 쓰러스트방향의 2개의 갭을 통과하게 된다. 회전체(40)측의 요크(17)에 대해 한쪽의 요크(19)와 다른쪽의 요크(20) 사이에 각각 바이어스자속(27) 및 바이어스자속(28)에 의해 자기흡인력이 발생한다. 이 쌍방의 자기흡인력을 쓰러스트 제어용 코일(18)에 통전하는 방향을 제어함으로써 제어하면 회전체(40), 따라서 로터의 쓰러스트방향의 위치를 제어할 수 있다.

이상 설명한 쓰러스트방향의 위치제어원리는 도 6에 도시하는 실시예와 같다. 또 도 10에 도시하는 실시예에 의하면 도 6에 도시하는 실시예와 같은 원리에 의해 래디얼방향의 위치제어가 행해지고 또한 회전토오크가 발생하며 도 6에 도시하는 실시예와 같은 효과를 얻을 수 있다.

도 11에 도시하는 실시예는 도 8에 도시하는 실시예를 인너로터형으로 한 것과 실질적으로 같다. 즉 2개의 로터부(31,32)에 배치된 로터마그네트(33,34)는 세그먼트모양으로 되어있고, 이 세그먼트모양 로터마그네트(33,34)가 여러개 둘레방향으로 소정의 간격을 두고 각각 로터부(31,32)에 고착된다. 각 세그먼트모양 로터마그네트(33,34)는 도면과 같이 두께방향 즉 반경방향으로 착자되고 또한 쌍방의 세그먼트모양 로터마그네트(33,34)는 두께방향의 착자극성이 같아지게 된다. 그 때문에 로터마그네트(33,34)로부터 나온 자속의 통로는 도 10에 도시하는 실시예에 있어 자속의 통로와 거의 같게 되고 바이어스자속(27)과 바이어스자속(28)이 형성된다. 따라서 이 실시의 형태에서는 바이어스 마그네트는 불필요하고, 상기 바이어스자속(27,28)은 바이어스 마그네트 대신에 모터케이스(35)를 지나간다.

쓰러스트 제어용 코일(59)을 통전제어함으로써 로터의 쓰러스트방향의 위치를 소정위치로 제어할 수 있다. 또 제1스테이터권선과 제2스테이터권선으로 이루어지는 스테이터권선(13,23)에 있어서 부상제어용인 상기 제1스테이터권선의 통전을 제어하는 것에 의해 바이어스자속(27,28)과의 상호작용으로 로터를 래디얼방향으로 부상제어할 수 있고, 회전구동용인 상기 제2스테이터권선의 통전을 제어함으로써 로터를 회전구동할 수 있다.

도 12에 도시하는 실시예는 바이어스 마그네트를 갖는 타입의 변형예이다. 이 실시예는 도 10에 도시하는 실시의 예에 가까운 것이지만 원통형상의 바이어스 마그네트(29,30)가 스테이터측이 아닌 로터측 즉 회전체(40)의 외주에 요크(17)를 사이에 두고 그 양측에 고착된다. 회전체(40)는 비자성체로 이루어진다. 회전체(40)를 포함하는 2개의 로터부는 각각 회전체(40)의 외주에 끼워져 고착된 비자성체로 이루어지는 링(36,37)과, 이 링(36,37)의 외주에 고착된 원통상의 로터마그네트(38,39)를 갖고 이루어진다.

도 12에 도시하는 실시예에서는 바이어스 마그네트(29,…), 링(36,…), 로터마그네트(38,…), 스테이터코어부(12,…), 모터케이스(35,…), 요크(19,…), 회전체(40)의 요크(17,…), 바이어스 마그네트(29)의 순으로 도는 바이어스자속이 형성된다. 또 바이어스 마그네트(30,…), 링(37,…), 로터마그네트(39,…), 스테이터코어부(22,…), 모터케이스(35,…), 요크(20,…), 회전체(40)의 요크(17,…), 바이어스 마그네트(30)의 순으로 도는 바이어스자속이 형성된다. 이들 바이어스자속의 자로는 쓰러스트 베어링용의 자로로서, 각각 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부와 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부로 나눌 수 있다. 따라서 쓰러스트 제어용 코일(18)의 방향 등을 제어함으로써 로터가 쓰러스트방향의 소정의 위치를 유지하도록 제어할 수 있다.

또 스테이터권선 중 제1스테이터권선을 통전제어함으로써 로터를 부상시킨 상태에서 래디얼방향으로 지지할 수 있고 또한 제2스테이터권선을 통전제어함으로써 로터를 회전구동할 수 있다.

본 발명은 자성체로 이루어지고 둘레면에 세그먼트형 영구자석이 고착된 로터와, 이 로터를 부상제어하기 위한 2극의 부상제어자속을 발생하는 제1스테이터권선과, 로터에 대해 회전자계를 발생시키는 제2스테이터권선을 구비한 자기부상형 모터부가 2개 축방향으로 배치되고, 세그먼트형 영구자석이 2개의 자기부상형 모터부에 있어 서로 역극성의 관계로 고착되며, 세그먼트형 영구자석이 로터의 내부로부터 방사상으로 퍼지는 직류자장을 발생하는 바이어스자석으로서 이용되는 것을 특징으로 한다.

그 때문에 상기 세그먼트형 영구자석이 회전력 발생용 영구자석과 부상력 발생용 영구자석을 겸하게 되어 구성을 간단하게 할 수 있다.

본 발명에 있어서 2개의 자기부상형 모터부를 구성하는 2개의 로터는 공통의회전체의 축방향에 있어 다른 위치에 배치됨과 동시에 세그먼트형 영구자석을 고착함으로써 구성되고, 2개의 자기부상형 모터부를 구성하는 제1,제2스테이터권선을 감은 2개의 스테이터코어부를 동일 구성의 스테이터코어로 하면 모터출력을 크게할 수 있음과 동시에 축방향에 있어 균형잡힌 부상력을 얻을 수 있다.

또 본 발명에 있어 세그먼트형 영구자석은 한쪽의 세그먼트형 영구자석의 스테이터코어에 면한 측을 N극, 다른쪽의 세그먼트형 영구자석의 스테이터코어에 면한 측을 S극으로 해 두면 세그먼트형 영구자석이 회전력 발생용 영구자석과 부상력 발생용 영구자석을 겸하게 할 수 있게 되고, 구성을 간단한 것으로 할 수 있다.

또 본 발명에 있어서 세그먼트형 영구자석의 스테이터코어와의 대향면은 갭자속밀도가 대략 정현파상이 되도록 원호형상으로 해두면 부상력과 회전력의 상호 간섭을 작게할 수 있어 부상력과 회전력을 효율적으로 얻을 수 있다.

또 본 발명에서는 2개의 자기부상형 모터부를 사이에 둔 양측에 회전체와 일체로 배치된 피검출체와 대향하여 2개의 간극센서를 배치하고 있다. 이와같이 2개의 간극센서를 배치해 두면 이들의 간극센서로 검출되는 검출출력을 이용하여 상기 피검출체와의 간극이 일정하게 되도록 부상력 발생용의 제1스테이터권선으로의 통전을 제어할 수 있고 이에 따라 회전체, 로터를 포함하는 회전부분을 무접촉으로 지지할 수 있다.

또 본 발명은 래디얼 자기베어링과 모터를 복합화한 자기부상모터에 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부와, 이 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 사이에 둔 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 배치하고, 부상제어자속을 형성하기위한 바이어스가 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부와 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부 사이에 형성되는 쓰러스트방향 갭을 모두 통과하도록 구성하며, 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부 사이에 쓰러스트 제어용 코일을 배치하고, 쓰러스트 제어용 코일에 통전함으로써 쓰러스트 베어링하중을 지지하도록 한 것이다.

이와같이 구성해 두면 쓰러스트 자기베어링도 복합화할 수 있고, 소형화되어 축 길이를 짧게 할 수 있게 되며 고속화를 도모할 수 있다.

또 상기 본 발명에 있어서 스테이터코어부를 축방향으로 2개 나열하여 배치함과 동시에 이 2개의 스테이터코어부 사이에 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부와 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 형성하면 실질적으로 2개의 모터부가 배치되고, 이 2개의 모터부의 쓰러스트하중을 하나의 쓰러스트 자기베어링으로 지지하는 구조가 되어, 쓰러스트 자기베어링까지도 가지고 있으면서 큰 출력이 얻어지는 데 비해 콤팩트한 자기부상모터를 얻을 수 있다.

또 상기 본 발명에 있어 스테이터코어부와 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 축방향으로 나열하여 배치해 두면 쓰러스트방향의 제어력이 크고 쓰러스트방향의 제어를 신속하고 안정되게 행할 수 있다.

또 상기 본 발명에 있어 로터측에는 스테이터코어부와 대향하여 회전토오크를 발생시키는 세그먼트형 로터마그네트가 배치되고, 이 세그먼트형 로터마그네트는 바이어스자속을 발생시키는 바이어스 마그네트를 겸하도록 해 두면 회전토오크를 발생시키기 위한 마그네트와, 자기부상력을 발생시키기 위한 마그네트를 따로배치할 필요가 없어 구성의 간력화를 도모할 수 있다.

Claims

자성체로 이루어지고 둘레면에 세그먼트형 영구자석이 고착된 로터와, 상기 로터를 부상제어하기 위한 부상제어자속을 발생하는 제1스테이터권선과, 상기 로터에 대해 회전자계를 발생시키는 제2스테이터권선을 구비한 자기부상형 모터부가 2개 축방향으로 배치되고,

상기 세그먼트형 영구자석은 상기 2개의 자기부상형 모터부에 있어 서로 역극성의 관계로 상기 자성체에 고착되고,

상기 세그먼트형 영구자석을 상기 로터의 내부로부터 방사상으로 퍼지는 직류자장을 발생하는 바이어스자석으로 이용하며, 상기 세그먼트형 영구자석은 모터의 로터마그네트를 겸용하는 것을 특징으로 하는 자기부상모터.
제1항에 있어서,

상기 2개의 자기부상형 모터부를 구성하는 2개의 로터는 자성체로 이루어지는 공통의 회전체에 있어서 축방향의 다른 위치에 배치된 상기 세그먼트형 영구자석으로 구성되고,

상기 2개의 자기부상형 모터부를 구성하는 제1,제2스테이터권선을 감는 2개의 스테이터코어부는 동일 구성의 스테이터코어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기부상모터.
제2항에 있어서,

상기 세그먼트형 영구자석은 한쪽의 세그먼트형 영구자석의 스테이터코어에 면한 측을 N극, 다른쪽의 세그먼트형 영구자석의 스테이터코어에 면한 측을 S극으로 한 것을 특징으로 하는 자기부상모터.
제3항에 있어서,

상기 세그먼트형 영구자석의 스테이터코어와의 대향면은 갭자속밀도가 거의 정현파상이 되도록 원호형상으로 된 것을 특징으로 하는 자기부상모터.
제4항에 있어서,

상기 세그먼트형 영구자석의 각각은, 내면측은 상기 회전체의 둘레면에 밀착하고있고 외면측은 상기 스테이터코어의 내주면과의 간극이 연속적으로 변화하는 원호형상이 되는 초생달 모양인 것을 특징으로 하는 자기부상모터.
제1항에 있어서,

상기 2개의 자기부상형 모터부를 사이에 둔 양측에는 상기 회전체와 일체로 배치된 피검출체와 대향하여 간극센서가 배치되고,

상기 간극센서로 검출되는 상기 피검출체와의 간극이 일정하게 되도록 부상력 발생용의 상기 제1스테이터권선으로의 통전을 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 자기부상모터.
자성체로 이루어지고 둘레면에 영구자석을 고착한 로터와,

이 로터를 부상제어하기 위한 부상제어자속을 발생하는 제1스테이터권선과, 상기 로터에 대해 회전자계를 발생시키는 제2스테이터권선을 감은 스테이터코어부를 갖는 스테이터를 구비하고,

상기 로터에 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 형성함과 동시에 상기 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 사이에 둔 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 배치하며,

상기 부상제어자속을 형성하기 위한 바이어스자속이 상기 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부와 상기 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부 사이에 형성되는 쓰러스트방향 갭을 모두 통과하도록 구성하고,

상기 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부 사이에 쓰러스트 제어용 코일을 배치하고, 상기 쓰러스트 제어용 코일에 통전함으로써 쓰러스트 베어링 하중을 지지하는 것을 특징으로 하는 자기부상모터.
제7항에 있어서,

상기 스테이터코어부를 축방향으로 2개 나열하여 배치함과 동시에 이 2개의 스테이터코어부 사이에 로터측 쓰러스트 베어링용 자로부와 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 형성하는 것을 특징으로 하는 자기부상모터.
제8항에 있어서,

스테이터코어부와 2개의 스테이터측 쓰러스트 베어링용 자로부를 축방향으로 나열하여 배치하는 것을 특징으로 하는 자기부상모터.
제7항에 있어서,

상기 로터는 아우터로터형 또는 인너로터형 중 어느 하나 인것을 특징으로 하는 자기부상모터.
제7항에 있어서,

바이어스자속을 발생시키는 바이어스 마그네트가 상기 스테이터에 배치되고, 상기 로터에는 스테이터 코어부와 대향하여 회전토오크를 발생시키는 링모양 로터마그네트가 배치되는 것을 특징으로 하는 자기부상모터.
제7항에 있어서,

상기 로터에는 상기 스테이터코어부와 대향하여 회전토오크를 발생시키는 세그먼트형 로터마그네트가 배치되고, 이 세그먼트형 로터마그네트는 바이어스자속을 발생시키는 바이어스 마그네트를 겸하는 것을 특징으로 하는 자기부상모터.