JP3739347B2

JP3739347B2 - ベアリングレスモータ

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Publication number: JP3739347B2
Application number: JP2002280264A
Authority: JP
Inventors: 真紹竹本; 明千葉; 正深尾
Original assignee: 財団法人理工学振興会
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2006-01-25
Anticipated expiration: 2022-09-26
Also published as: JP2004120886A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子を回転駆動する作用と、回転子の半径方向位置を制御する磁気軸受作用とを兼ね備えたベアリングレスモータに関する。より詳細には、回転子にその回転子の固定子対峙面から深く永久磁石を埋め込み、回転子を回転駆動する作用と、回転子の半径方向位置を制御する磁気軸受作用とを兼ね備えたベアリングレスモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
短時間に精密な加工を行うためには工作機械のスピンドルを高速回転させたり、また加速器や半導体製造装置で高真空を得るためには真空ポンプのタービンを毎分数万回転から数十万回転という超高速で回転させる必要がある。このような超高速回転モータを実現するには、モータ自体の構造や制御装置の改良はもとより、超高速回転に耐えられる軸受が不可欠である。
このような用途に適合するものとして、古くから磁気軸受がある。さらに、改良が加えられたものとして、モータと磁気軸受の磁気回路を一体化して、回転子を回転駆動する作用と、回転子の半径方向位置を制御する磁気軸受作用とを兼ね備えたベアリングレスモータがある。ベアリングレスモータでは、回転子を回転駆動する磁界を磁気軸受の励磁磁界として利用することで、モータの小型化を図ることができる。そして、このようなベアリングレスモータは、非接触、無潤滑、メンテナンスフリー、小型化という特徴があり、キャンドポンプや人工心臓への適用、ポンプやモータ一体型ポンプへの応用に開発研究が進んでいる。
【０００３】
一般的に、このようなベアリングレスモータは、互いに対峙する内側の回転子及び外側の固定子を備えている。回転子と固定子との間は、非接触を保つようにギャップが形成されている。
しかし、キャンドポンプや人工心臓のような小型のポンプに用いられるベアリングレスモータでは、回転子が回転しても、例えば、流体がギャップへ流れこめるように、２〜３ｍｍ以上のギャップが必要である。大容量のモータであれば、２〜３ｍｍのギャップ長があっても性能に影響が出ることは少ないが、１ｋｗ以下の小容量のモータでは、２〜３ｍｍのギャップ長は、非常に大きな値である。誘導機型やリラクタンス型のベアリングレスモータは、ギャップ長に反比例して磁束が減少することから、ギャップ長の二乗に反比例して半径方向力が減少する。このため、相対的に大きなギャップ長では、回転子主軸を磁気支持するのに必要な半径方向力を十分に発生させることは難しい。そのため、誘導機型やリラクタンス型ではなく、一般的には、永久磁石型のベアリングレスモータが採用されている（特許文献１及び特許文献２参照)。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−１５０７５５号公報
【特許文献２】
特開２００１−３３９９７９号公報
【０００５】
永久磁石型のベアリングレスモータは、例えば、特許文献２(特開２００１−３３９９７９号公報）に記載されている。図２５及び図２６を参照すると、ベアリングレスモータ４１０は、互いに対峙する内側の回転子４１２と外側の固定子４１４と、回転子４１２の軸方向に設けられたスラスト軸受４１６とを備えている。回転子４１２は、対峙面に沿って張り付けられた断面円弧状の分割された永久磁石４２２を備え、固定子４１４は、回転子４１２を回転駆動する電動機巻線と回転子４１２の半径方向位置を制御する位置制御巻線とを備えている。このようなベアリングレスモータ４１０はＳＰＭ型と称されている。
また、他の永久磁石型のベアリングレスモータとして、永久磁石の極間に突極を形成したＩｎｓｅｔ型、永久磁石を回転子表面に浅く埋め込んだ埋込永久磁石型（shallowly-Buried Permanent Magnet Type）がある。
また、いずれのタイプのベアリングレスモータにおいても、外側に回転子を備え、内側に固定子を備えたものもある。
【０００６】
図２６に示される従来のベアリングレスモータは、４極電動機・２極位置制御構造、すなわち、ｎ極電動機・ｎ−２極位置制御構造である。このように構成されているのは、電動機の効率を重視するためである。他に、６極電動機・４極位置制御構造のベアリングレスモータも一般的である。
図２６のベアリングレスモータにおいて無負荷時におけるｘ軸正方向に半径方向力を発生原理を説明すると、位置制御巻線Ｎｘに電流Ｉｘを流すと、２極の位置制御磁束Ψｘが発生する。この位置制御磁束Ψｘと４極の永久磁石が発生する界磁磁束Ψｍによりｘ軸正方向では互いに磁束は強め合い、ｘ軸負方向では互いに磁束は弱め合う。この磁束の強弱が生じることで、磁束が強め合うｘ軸正方向に半径方向力Ｆｘが発生する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のようなｎ極電動機・ｎ−２極位置制御構造のベアリングレスモータ４１０では、永久磁石４２２が回転子４１２の対峙面に沿って設けられているので、位置制御磁束は真空と同じ透磁率で磁気抵抗の大きな永久磁石４２２を貫通しなければならない。このため、位置制御巻線の起磁力に対して有効に位置制御磁束を発生させることができず、半径方向力を十分に発生させることができない。
１つの方法として、磁石の厚みを増加させることで界磁磁束を強くすることはできる。しかし、磁石厚の増加に伴い、永久磁石の磁気抵抗が大きくなるため、位置制御磁束が界磁磁束の増加以上に減少し、半径方向力は逆に小さくなるという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、回転子の位置制御磁束が永久磁石を通過しないように構成することで、半径方向力を大きく発生させることができるベアリングレスモータを提供することにある。
本発明の他の目的は、位置制御磁束が永久磁石の磁束を有効に利用して、一層大きな半径方向力を得ることができるベアリングレスモータを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、回転子と固定子とがギャップを介して対峙するベアリングレスモータにおいて、回転子が固定子との対峙面から離間して埋設されたｎ極の永久磁石と、固定子がｎ極の電動機巻線とｎ＋２極の位置制御巻線と、を備え、位置制御巻線による位置制御磁束が永久磁石より対峙面側の部分を通るように、回転子の永久磁石が固定子との対峙面より深く没入していることを特徴とする、ベアリングレスモータにより前記課題を解決した。
【００１０】
また、本発明は、回転子が、隣合う異極の永久磁石の間に極間磁石を備えているベアリングレスモータを提供する。極間磁石は、永久磁石より回転子側に突出していることが好ましい。
【００１１】
電動機巻線の極数より位置制御巻線の極数を多くすること、すなわち、ｎ極の電動機巻線とｎ＋２極の位置制御巻線を備えることにより、位置制御磁束がｎ極電動機の磁束より小さな範囲で閉じる。ここで、「ｎ」は、２の倍数の正数である。すなわち、位置制御磁束は電動機の磁束より小さな範囲で閉じる。
さらに、回転子の永久磁石が、固定子との対峙面より深く没入するように埋設されているので、位置制御磁束は、永久磁石より対峙面側の部分を通ることができるようになる。すなわち、回転子の対峙面側部分の磁性体を位置制御磁束の通り道（ヨーク）として利用することができる。これにより、位置制御磁束が磁気抵抗の大きな永久磁石を通らないように構成され、大きな半径方向力が発生する。
位置制御磁束の通る領域が永久磁石の対峙面側に確保されているので、磁石厚を増加させても、位置制御磁束が減少することなく、したがって、大きな回転トルクを出力することができる。
【００１２】
隣合う異極の永久磁石の間に、永久磁石より対峙面に突出する極間磁石を設けることにより、半径方向力は一層大きくなる。すなわち、隣合う異極の永久磁石は、永久磁石同士で閉磁路を形成することがなくなり、永久磁石の磁束が回転子の対峙面側を通るので、その部分を通る位置制御磁束との間で大きな半径方向力が発生する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明による実施形態を説明する。図１は、コンプレッサ、ブロア、ファン、ポンプ、浄水用遠心ポンプとの組合せで用いられているベアリングレスモータ１０の一実施形態を概略的に示している。その他、ベアリングレスモータは、ディスクドライブユニット、粉化機、キャンドポンプ、人工心臓用ポンプ、ガス移送機、半導体製造装置、フライホイール、モニター装置用の回転ステージ、スピンドル、多段発電機、遠心分離機との組合せで用いられる。
【００１４】
また、図１のベアリングレスモータは、内側に回転子を配し、外側に固定子を配した構造であるが、内側に固定子を配し、外側に回転子を配した構造もあり、後者の構造については後述する。
【００１５】
図１に示されるように、ベアリングレスモータ１０は、ギャップを介して対峙する内側の回転子１２，１２及び外側の固定子１４，１４と、回転子１２及び固定子１４の軸方向に離間して設けられたスラスト軸受１６とを備えている。回転子１２，１２及びスラスト軸受１６は、１つの軸上に設けられており、その軸はポンプ１８のインペラー２０に接続されている。本実施形態の回転子及び固定子はユニット１及びユニット２を備えたタンデム構造であるが、ユニットが１つ又はユニットが３つ以上の組合せでもよい。
【００１６】
図２は、回転子１２と固定子１４の断面図を示している。本実施形態のベアリングレスモータ１０は、ｎ極電動機、ｎ＋２極位置制御構造の一形態として、２極電動機、４極位置制御構造である。ここで、「ｎ」は２の倍数の正数である。「ｎ」が他の偶数であるベアリングレスモータについては、後述する。
【００１７】
回転子１２は２極の永久磁石２２を備えており、固定子１４は２極の電動機巻線Ｎｄ，Ｎｑと４極の位置制御巻線Ｎｘ，Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｙを備えている。また、回転子１２は、永久磁石の極間部に極間磁石２４を備えている。
【００１８】
永久磁石２２は、回転子１２の対峙面から離間して回転子１２に深く埋設されている。永久磁石２２は、１８０°の位相で設けられ、図中左側の表面Ｓ極の円弧状永久磁石２２ａ，２２ａと、図中右側の表面Ｎ極の円弧状永久磁石２２ｂ，２２ｂよりなる。それぞれの永久磁石２２ａ，２２ａ，２２ｂ，２２ｂが同心円上に環状の永久磁石を形成する。回転子１２自体は磁性体からなり、極間磁石２４で区画された永久磁石２２の対峙面側は磁束が通るヨークとして機能する。極間磁石２４は、隣合う異極の永久磁石２２ａ，２２ｂの間で界磁磁束が閉磁路を形成することを防止する。これによって、界磁磁束は、回転子１２の永久磁石２２の対峙面側を通るようになる。
【００１９】
次に、図３乃至図６を参照して、上記ベアリングレスモータ１０の動作原理を説明する。
図３は、無負荷時におけるｘ軸方向の半径方向力の発生原理を示している。４極の位置制御巻線Ｎｘに図示の方向に位置制御電流を流すことによって位置制御磁束Ψｘが発生する。２極の永久磁石が発生する界磁磁束Ψｍによって、ｘ軸正方向では磁束は互い強め合い、ｘ軸負方向では磁束は互いに弱め合う。このように、磁束の強弱によってｘ軸正方向に半径方向力Ｆｘが発生する。ｘ軸負方向の半径方向力は、逆の方向に位置制御電流を流すことにより発生する。
【００２０】
図４は、無負荷時におけるｙ軸方向の半径方向力の発生原理を示している。４極の位置制御巻線Ｎｙに図示の方向に位置制御電流を流すことによって位置制御磁束Ψｙが発生する。２極の永久磁石が発生する界磁磁束Ψｍによって、ｙ軸正方向では磁束は互い強め合い、ｙ軸負方向では磁束は互いに弱め合う。このように、磁束の強弱によってｙ軸正方向に半径方向力Ｆｙが発生する。ｘ軸負方向の半径方向力は、逆の方向に位置制御電流を流すことにより発生する。
【００２１】
図５は、電動機巻線Ｎｑにトルク電流を流した際に、トルク磁束Ψｑと位置制御電流によるΨｘの干渉によって発生する半径方向力を示している。ｙ軸正方向ではそれぞれの磁束は弱め合い、ｙ軸負方向ではそれぞれの磁束は強め合う。その結果、ｙ軸負方向に半径方向力Ｆｙが発生する。
【００２２】
図６は、電動機巻線Ｎｑにトルク電流を流した際に、トルク磁束Ψｑと位置制御電流によるΨｙの干渉によって発生する半径方向力を示している。ｘ軸正方向ではそれぞれの磁束は強め合い、ｘ軸負方向ではそれぞれの磁束は弱め合う。その結果、ｘ軸正方向に半径方向力Ｆｘが発生する。
【００２３】
本発明のベアリングレスモータ１０では、電動機巻線の極数より位置制御構巻線の極数が多く、回転子１２の永久磁石２２が対峙面から没入するように深く埋設されている。回転子１２において、永久磁石２２より対峙面側の部分は、磁束が通るヨークとして機能する。図３乃至図６に示したように、それぞれの磁束が永久磁石より対峙面側を通る。これによって、少なくとも位置制御磁束Ψｘ，Ψｙは、磁気抵抗の大きい永久磁石を貫くことがなく、これらの磁束は大きな半径方向力を発生させる。
また、このようにして発生する半径方向力は、永久磁石の厚みに関係がないので、ベアリングレスモータに求められる半径方向力に応じて永久磁石を厚くすることにも本発明のベアリングレスモータは対応することができる。
【００２４】
また、本実施形態では、異極の永久磁石２２ａ，２２ｂの間に極間磁石２４が設けられている。この極間磁石２４は、永久磁石２２の表面よりも回転子１２と固定子１４の対峙面の近くまで法線方向に延びている。このように構成することにより、永久磁石の界磁磁束が隣合う異極の永久磁石と閉じることがなくなり、それに伴って、永久磁石２２の表面側を通る位置制御磁束Ψｘ，Ψｙやトルク磁束Ψｑと協働して半径方向力及び回転トルクも大きくなる。
特に、キャンドポンプや人工心臓用ポンプのように、ギャップ長が大きいベアリングレスモータの場合、異極の永久磁石の間に極間磁石を挿入することが好ましい。その理由は、上記のように、回転子から固定子へ流れる界磁磁束を増大させることができ、永久磁石の磁束を半径方向力や回転トルクの発生に有効に活用できるようになるからである。
【００２５】
図７は、２極電動機、４極位置制御構造のベアリングレスモータにおける回転子の他の形態を示している。同図に示された回転子３０は、２極の永久磁石３２を備えている。固定子(図示せず）は、図２に示された固定子と実質的に同じである。また、回転子３０は、永久磁石の極間部に極間磁石３４を備えている。
【００２６】
永久磁石３２は、回転子３０の固定子対峙面から離間して回転子３０に深く埋設されている。永久磁石３２は、１８０°の位相で設けられ、図中左側の表面Ｓ極の平板状永久磁石３２ａ，３２ａと、図中右側の表面Ｎ極の平板状永久磁石３２ｂ，３２ｂよりなる。
それぞれの永久磁石３２ａ，３２ａ，３２ｂ，３２ｂは、回転子３０を長手方向に貫通する溝に挿入されている。また、極間磁石３４も回転子３０を長手方向に貫通する溝に挿入されている。
それぞれの平板状永久磁石３２は、断面で見てシャフト又はシャフト挿入用の孔を取り囲むように多角形構造をなしており、その磁束は実質的に回転子３０の法線方向に生じる。極間磁石３４は、隣合う異極の永久磁石３２ａ，３２ｂの間で界磁磁束が閉磁路を形成することを防止する。これによって、界磁磁束は、回転子３０の永久磁石３２の対峙面側を通るようになる。
溝は、永久磁石３２より幅広であり、永久磁石と永久磁石の間、及び、永久磁石と極間磁石との間には、空隙が形成される。この空隙によって、回転子３０に残存する磁性体部分が狭くなり、それぞれの永久磁石自身で閉磁路を形成することを避けることができ、さらに、永久磁石３２を回転子３０に挿入することも容易となる。
【００２７】
図８は、２極電動機、４極位置制御構造のベアリングレスモータにおける回転子のさらに他の形態を示している。同図に示された回転子４０は、２極の永久磁石４２を備えている。固定子(図示せず）は、図２に示された固定子と実質的に同じである。また、回転子４０は、永久磁石の極間部に極間磁石４４を備えている。
【００２８】
図８に示された回転子４０は、図中左側における３つの表面Ｓ極の平板状永久磁石４２ａ，４２ａと、図中右側における３つの表面Ｎ極の平板状永久磁石４２ｂ，４２ｂを備えている。
それぞれの永久磁石４２は、回転子４０を長手方向に貫通する溝に挿入されている。極間磁石４４も回転子４０を長手方向に貫通する溝に挿入されている。それぞれの平板状永久磁石４２は、断面で見てシャフト又はシャフト挿入用の孔を取り囲むように多角形構造をなし、永久磁石と永久磁石の間、及び、永久磁石と極間磁石との間には、空隙が形成される。
図８に示される回転子４０も、図７に示される回転子３０と同様に、ヨークとして機能する回転子の残存部分を狭くすることで、界磁磁束が回転子４０から固定子に向って形成される。
【００２９】
図９及び図１０は、本発明によるベアリングレスモータの他の実施形態を示している。このベアリングレスモータ１１０は、例えば、ディスクドライブユニットに用いられ、内側に固定子１１４を配し、外側に回転子１１２を配した構造をしている。
【００３０】
図１０に詳細に示されるように、ベアリングレスモータ１１０は、ギャップを介して対峙する外側の回転子１１２，１１２と内側の固定子１１４，１１４とを備えている。図１０では、固定子１１４の巻線を省略しているが、本実施形態のベアリングレスモータ１１０も、２極電動機、４極位置制御構造である。
【００３１】
回転子１１２は、固定子１１４との対峙面から没入して埋設された２極の永久磁石１２２を備えている。また。回転子１１２は、永久磁石１２２の極間部に極間磁石１２４を備えている。回転子１１２自体は磁性体からなり、極間磁石１２４で区画された永久磁石１２２の対峙面側は磁束が通るヨークとして機能する。
極間磁石１２４は、隣合う異極の永久磁石の間で界磁磁束が閉磁路を形成することを防止する。そのため、極間磁石１２４は、永久磁石１２２よりも対峙面近くまで延びている。これによって、界磁磁束は、回転子１１２の永久磁石１２２の対峙面側を通るようになる。
【００３２】
図１１は、ｎ極電動機、ｎ＋２極位置制御構造において、ｎ＝４の場合の実施形態を示している。
本実施形態のベアリングレスモータ２１０は、ギャップを介して対峙する内側の回転子２１２と外側の固定子２１４とを備えている。回転子２１２は４極の永久磁石２２２を備えており、固定子２１４は４極の電動機巻線Ｎｄ，Ｎｑと６極の位置制御巻線Ｎｘ，Ｎｘ，Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｙ，Ｎｙを備えている。また、回転子２１２は、永久磁石の極間部に極間磁石２２４を備えている。
【００３３】
永久磁石２２２は、回転子２１２の対峙面から離間して回転子２１２に深く埋設されている。永久磁石２２２は、９０°の位相で設けられ、それぞれの永久磁石が環状に配されている。回転子２１２自体は磁性体からなり、極間磁石２２４で区画された永久磁石２２２の対峙面側は磁束が通るヨークとして機能する。極間磁石２２４は、隣合う異極の永久磁石２２２の間で界磁磁束が閉磁路を形成することを防止する。これによって、界磁磁束は、回転子２１２の永久磁石２２２の対峙面側を通るようになる。
【００３４】
図１２乃至図２０は、本発明によるベアリングレスモータの適用例、すなわち、用途を示す。
図１２は、ポンプ、埋込形人工心臓、ファン、コンプレッサ、危険ガス移送機等の用途へのベアリングレスモータ３０１の適用例を示している。ポンプ３００は、隔壁３０２内に羽根車３０３を備え、吸入口３０４から吐出口３０５に流体を圧送する。ベアリングレスモータ３００の回転子３０６は、羽根車３０２に取り付けられ、固定子３０７は隔壁３０２の外側に取り付けられている。隔壁３０２は、回転子３０６と固定子３０７の間のギャップを延びており、このようなベアリングレスモータ３０１は気密に保たれた環境で流体を圧送するのに好適である。
【００３５】
図１３は、粉化機の用途へのベアリングレスモータ３１１の適用例を示している。粉化機３１０は、ハウジング３１２内を回転自在な移送管３１３を備えている。移送管３１３の先端は、ハウジング３１２内で放射状に延びる複数の放出管に分岐している。タンデム型ベアリングレスモータ３１１のそれぞれの回転子３１６は移送管３１３に取り付けられ、それぞれの固定子３１７はハウジング３１２の内壁に取り付けられている。ベアリングレスモータ３１１を起動すると、回転子３１６とともに移送管３１３が回転し、放出管の開口から液体が噴出して粉化し、ハウジング３１２の下方開口から粉が放下する。
【００３６】
図１４は、半導体製造装置の用途へのベアリングレスモータ３２１の適用例を示している。半導体製造装置３２０は、ケース３２２内に半導体ウエハーを載置可能な又は取り付け可能なプレート３２３を備えている。ベアリングレスモータ３２１の回転子３２６は、プレート３２３に取り付けられ、固定子３２７はケース３２２の外側に取り付けられている。ケース３２２は、回転子３２６と固定子３２７の間のギャップを延びており、このようなベアリングレスモータ３２１は極めて高いクリーン度が要求される環境で被加工物を取り扱うのに好適である。
【００３７】
図１５は、フライホイール３３０の用途へのベアリングレスモータ３３１の適用例を示している。タンデム型ベアリングレスモータ３３１のそれぞれの固定子３３７に対峙して回転子３３６がフライホイール３１０のリム３３２の中空状円筒状内壁に取り付けられている。ベース３３３とリム３３２の間にはスラストベアリング３３４が配置され、フライホール３３０は浮動状態で支持されている。ベアリングレスモータ３３１を起動すると、回転子３３６とともにリム３３２が回転する。
【００３８】
図１６は、ギャップの対峙構成に他の形態を採用したフライホールへの適用例を示している。回転子３４６はフライホイール３４０に取り付けられ、固定子３３７はベース３４３に取り付けられている。タンデム型のベアリングレスモータ３４１は、それぞれの回転子３４６が軸方向外側に向って拡開するテーパ状であり、一対の固定子３４７が回転子３４６の形状に倣ったＶ字状をしている。
回転子及び固定子は逆の関係で構成されていてもよく、それぞれの回転子及び固定子は鏡像対称な階段状に構成されていてもよい。図１６に示された例では、スラストベアリングがなくても、フライホイールは浮動状態で回転する。
【００３９】
図１７は、モニター装置３５０の用途へのベアリングレスモータ３５１の適用例を示している。タンデム型ベアリングレスモータ３５１のそれぞれの固定子３５７に対峙して回転子３５６がモニター装置３５０を支持するキャップ状ハウジング３５２の円筒状内壁に取り付けられている。ベース３５３から突出する軸３５５の先端とハウジング３５２の間にはスラストベアリング３５４が配置され、ハウジング３５２は浮動状態で支持されている。ベアリングレスモータ３５１を起動すると、回転子３５６とともにハウジング３５２が回転し、モニター装置３５０の視野を制御する。
【００４０】
図１８は、スピンドルユニット３６０の用途へのベアリングレスモータ３６１の適用例を示している。タンデム型ベアリングレスモータ３６１のそれぞれの回転子３６６はスピンドル３６３に取り付けられ、それぞれの固定子３６７はハウジング３６２の内壁に取り付けられている。スピンドル３６３の一端にはチャック３６５が取り付けられ、リーマー等の切削具や研削具が着脱自在となっている。スピンドル３６２の他端にはスラストベアリング３６４が備えられている。なお、ユニット１又はユニット２の一方にのみ、本発明のベアリングレスモータを採用してもよい。
【００４１】
図１９は、遠心分離機３７０の用途へのベアリングレスモータ３７１の適用例を示している。タンデム型ベアリングレスモータ３７１のそれぞれの回転子３７６はスピンドル軸３７３に取り付けられ、それぞれの固定子３７７が回転子３７６を取り囲んでいる。スピンドル軸３７３の一端には遠心分離する対象物を収容するための受け具３７４が備えられている。必要に応じて、スラストベアリングが備えられる。
【００４２】
次に、本発明によるベアリングレスモータの有効性を確認するために、有限要素法による静止磁場解析を行い、従来のベアリングレスモータと比較試験を行った。また、比較例を製作し、その比較例を比較試験の対象とした。
解析モデルとして、（１）図２６に示された従来品、（２）比較品、（３）図２に示された発明品を用いた。比較品は、図示されていないが、２極電動機・４極位置制御構造を持ち、永久磁石を対峙面から浅く埋設したベアリングレスモータである。条件を等しくするため、従来品についても、異極の永久磁石の間に極間磁石を挿入した。
【００４３】
図２０及び図２１は、従来品、比較品及び発明品のそれぞれの諸元を示している。図２０の下テーブルは、回転子のパラメータを示している。従来品、比較品及び発明品において、永久磁石の埋め込み深さｄと磁石厚ｔは無制限に大きくすることができないので、ｄ＋ｔ≦１１として試験を行った。
【００４４】
比較試験では、位置制御巻線Ｎｘ，Ｎｙにそれぞれ定格電流８Ａの半分、すなわち、位置制御巻線Ｎｘに４Ａの位置制御電流を流し、位置制御巻線Ｎｙに４Ａの位置制御電流を流した。
図２２は、そのときの磁石厚ｔと半径方向力の変化を示している。また、図２３は、トルク電流に定格値８Ａを流したときの磁石厚ｔとトルクの変化を示している。図２２及び図２３において、Ａ，Ａ’，Ａ”は、ｄ＋ｔ＝１１となる回転子構造上の限界である。
【００４５】
図２２に示すように、従来品の半径方向力はＢ点において最大となり、比較品の半径方向力はＣ点において最大となった。比較品では、磁石厚を増加させることによる半径方向力の減少が従来品に比べ小さい。その理由として、比較品では、一部の位置制御磁束が厚さｄ＝１ｍｍの回転子ヨークを通ることができるのに対し、従来品では、総ての位置制御磁束が極間部分の磁気飽和のため回転子ヨークを通ることができず、永久磁石を直接通らなければならないためと考えられる。したがって、従来品では、磁石厚ｔを増加させると位置制御磁束が減少し、急激に半径方向力が減少することになり、実用に耐えない。
【００４６】
発明品は、永久磁石が対峙面から深く埋設されているので、比較品と比較しても十分な回転子ヨーク幅が確保されている。これによって、ほぼ総ての位置制御磁束は回転子ヨークを通り、磁石厚ｔが増加すれば、それにともなって半径方向力が増加する。そして、永久磁石の厚みを埋め込み深さとほぼ同じ５ｍｍとした構造の限界であるＡ点で半径方向力は最大になる。
【００４７】
しかし、図２３では、半径方向力とは逆に同じ磁石厚の場合、従来品、比較品、発明品の順に徐々に回転トルクが減少することが認められる。図２３からは、いずれのベアリングレスモータがより有効に半径方向力を発生できるかを判断することはできない。
そこで、図２０の上テーブルに示すように磁場解析を行う際、電動機巻線と位置制御巻線は同じ断面積を持ち、それぞれの巻数をＮｍ＝２０ターン、Ｎｓ＝１０ターンとし、合せて１スロット当りＮｍ＋Ｎｓ＝３０ターンとし、その上で、従来品、比較品及び発明品のそれぞれのトルク解析結果がともに１ニュートンメータとなるように、電動機巻線の巻数Ｎｍを換算した。そして、位置制御巻線の巻数をＮｓ＝３０−Ｎｍとし、１スロット当りの合計が常に３０ターンとなるように変化させた。
【００４８】
図２４は、巻数を変化させ、トルクの大きさを１ニュートンメータで等しくしたときに発生する半径方向力を示している。磁石厚ｔ＝１．３ｍｍ以下ではＮｍ＝３０ターンとしても１ニュートンメータのトルクを発生させることができないので、半径方向力の換算を行うことはできない。
従来品、比較品及び発明品を比較すると、発明品は、Ａ点で半径方向力は５２．５Ｎと最大になる。従来品はＤ点で最大となり、比較品はＥ点で最大となる。発明品の半径方向力は、従来品に対して８７．６％増加し、比較品に対して２５．４％増加している。
以上の比較試験からもわかるように、ｎ極電動機・ｎ＋２位置制御構造を備え、永久磁石を深く埋設した構造のベアリングレスモータでは、位置制御磁束が永久磁石の対峙面を通ることによって、極めて有効に半径方向力を発生し、大きな回転トルクを得ることができるのである。
【００４９】
【発明の効果】
本発明のベアリングレスモータは、回転子の永久磁石が、固定子との対峙面より深く没入するように埋設されているので、位置制御磁束は、永久磁石より対峙面側の部分を通る。回転子の対峙面側部分の磁性体が位置制御磁束の通り道になるので、位置制御磁束が磁気抵抗の大きな永久磁石を通ることがなく、大きな半径方向力が発生する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるベアリングレスモータの利用例を示す概略図。
【図２】本発明によるベアリングレスモータの一実施形態の断面図。
【図３】本発明によるベアリングレスモータにおいて無負荷時にｘ方向の半径方向力が作用する原理を説明する断面図。
【図４】本発明によるベアリングレスモータにおいて無負荷時にｙ方向の半径方向力が作用する原理を説明する断面図。
【図５】本発明によるベアリングレスモータにおいてトルク電流と位置制御電流により半径方向力が作用する原理を説明する断面図。
【図６】本発明によるベアリングレスモータにおいてトルク電流と位置制御電流により半径方向力が作用する原理を説明する断面図。
【図７】図２のベアリングレスモータにおける回転子の他の形態の断面図。
【図８】図２のベアリングレスモータにおける回転子のさらに他の形態の断面図。
【図９】本発明によるベアリングレスモータの他の利用例を示す概略図。
【図１０】本発明によるベアリングレスモータの他の実施形態の断面図。
【図１１】本発明によるベアリングレスモータのさらに他の実施形態の断面図。
【図１２】本発明によるベアリングレスモータのポンプへの適用例を示す概略図。
【図１３】本発明によるベアリングレスモータの粉化機への適用例を示す概略図。
【図１４】本発明によるベアリングレスモータの半導体製造装置への適用例を示す概略図。
【図１５】本発明によるベアリングレスモータのフライホイ−ルへの適用例を示す概略図。
【図１６】本発明によるベアリングレスモータのフライホイールへの他の適用例を示す概略図。
【図１７】本発明によるベアリングレスモータのモニター装置への適用例を示す概略図。
【図１８】本発明によるベアリングレスモータのスピンドルユニットへの適用例を示す概略図。
【図１９】本発明によるベアリングレスモータの遠心分離機への適用例を示す概略図。
【図２０】比較試験の諸元テーブルを示す。
【図２１】比較試験の条件を示す断面図。
【図２２】比較試験の半径方向力を示すグラフ。
【図２３】比較試験のトルクを示すグラフ。
【図２４】トルクを１ニュートンメータに換算した際の半径方向力を示すグラフ。
【図２５】一般的なベアリングレスモータの全体を示す斜視図。
【図２６】従来のベアリングレスモータの永久磁石、電動機巻線及び位置制御巻線の配置及び作用を示す断面図。
【符号の説明】
１０，１１０，２１０ベアリングレスモータ
１２，１１２，２１２回転子
１４，１１４，２１４固定子
１６スラスト軸受１８ポンプ
２０インペラー
２２，２１２，２２２永久磁石
２４，１２４，２２４極間磁石

Claims

回転子と固定子とがギャップを介して対峙するベアリングレスモータにおいて、
回転子が固定子との対峙面から離間して埋設されたｎ極の永久磁石と、
固定子がｎ極の電動機巻線とｎ＋２極の位置制御巻線と、を備え、
位置制御巻線による位置制御磁束が永久磁石より対峙面側の部分を通るように、回転子の永久磁石が固定子との対峙面より深く没入していることを特徴とする、ベアリングレスモータ。
請求項１に記載のベアリングレスモータにおいて、
前記回転子は、隣り合う異極の永久磁石の間に極間磁石を備えていることを特徴とする、ベアリングレスモータ。
請求項２に記載のベアリングレスモータにおいて、
前記極間磁石は、永久磁石より固定子に向って突出していることを特徴とする、ベアリングレスモータ。