JP4616405B2

JP4616405B2 - ベアリングレスモータ

Info

Publication number: JP4616405B2
Application number: JP2009550455A
Authority: JP
Inventors: 明千葉; 真紹竹本; 正深尾
Original assignee: Tokyo University of Science
Current assignee: Tokyo University of Science
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2009-01-19
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2029-01-19
Also published as: US20100231076A1; WO2009093428A1; JPWO2009093428A1; EP2234243A1

Description

本発明はベアリングレスモータに係わり、特にスラストディスクを無くしワイドギャップ長でも安定な磁気浮上回転が可能なベアリングレスモータに関する。

電動機の高速・高出力化、メンテナンスフリー化を実現するために、ベアリングレスモータが提案され、国内外で盛んに研究・開発されている（非特許文献１〜５参照）。ベアリングレスモータは１つの固定子に電動機巻線と軸支持巻線の２種類の巻線を施すことで、モータと磁気軸受を一体化し、モータ自体に磁気軸受機能を持たせた回転電気機械である。回転子は非接触で磁気支持できるため、無摩擦・無発塵・無潤滑であり、定期的な保守を必要としない。

この様なベアリングレスモータをキャンドモータポンプに適用すると、ロータと一体化したインペラを完全非接触で浮上回転させることができるため、シール（軸封）・軸受・潤滑油などが不要となり、メンテナンスフリーで発塵の無いクリーンな液送が可能なポンプを実現できる（非特許文献４、５参照）。

しかし、この様な用途では、液体が固定子と回転子の間に流れ込むため、固定子・回転子表面を隔壁で覆う必要がある。加えて、高い化学耐性を持たせるには、テフロン（登録商標）樹脂などを用いた厚い隔壁にする必要があるため、固定子鉄心と回転子鉄心の間の磁気的なギャップ長は、通常の１０倍近い４〜５ｍｍ以上のワイドギャップ長となる。ワイドギャップ長になると磁気抵抗が増すため、回転子を支持する軸支持力が発生しづらくなり、安定な磁気浮上回転を実現することは難しい。

そこで、発明者らは、ワイドギャップ長においても十分な軸支持力を発生でき、完全非接触で磁気浮上回転が可能な５軸能動制御型の構造を提案している。

図１８にこのキャンドモータポンプ用途向けの従来の５軸能動制御型ベアリングレスモータの全体構造図を示す。
図１８において、回転軸７の主軸方向ほぼ中央部周囲には環状の回転子９が固定されている。回転子９の中央外周部分には外方に向けて凹部１１が環状に形成されている。そして、この凹部１１の左側には左側環状凸部２１が、また、右側には右側環状凸部２３がそれぞれ突設されている。

左側センサターゲット２５、右側センサターゲット２７、ロータの一部である左側環状凸部２１、右側環状凸部２３は、円筒状に径方向の寸法を合わせるように配置されている。回転軸７の右端には、この円筒径よりも相当程度大きい磁性体からなる円板状のスラストディスク２９が取付られている。

ケース３７の内側には、左側環状凸部２１及び右側環状凸部２３に対しそれぞれ所定のギャップ長を隔てて対峙するように固定子４１、４３が配置されている。この固定子４１、４３には、電動機巻線４７、５１、ラジアル軸支持巻線４９、５３が捲回されている。回転子９、固定子４１、及び電動機巻線４７とラジアル軸支持巻線４９とでベアリングレスモータ（ユニット１という）を構成し、回転子９、固定子４３、及び電動機巻線５１とラジアル軸支持巻線５３とでベアリングレスモータ３（ユニット２という）が構成されている。

スラストディスク２９の左面にはスラスト固定子鉄心３０が配設されている。そして、このスラスト固定子鉄心３０にはスラストディスク２９に対し左方に電磁吸引力を発生する軸方向電磁石巻線５８が備えられ、一方スラストディスク２９を挟んだ反対側には右方に電磁吸引力を発生する軸方向電磁石巻線５９とその周りに固定子鉄心が備えられている。このスラストディスク２９及び軸方向電磁石巻線５８と軸方向電磁石巻線５９とそれらの周りに構成された鉄心でスラスト磁気軸受５が構成されている。

図１９にスラスト磁気軸受の機能概念図を示す。図１９に示すように、軸方向電磁石５８及び軸方向電磁石５９にはそれぞれ独立した単相インバータ４０Ａ、４０Ｂが接続されている。スラストギャップセンサ６０で検出された回転軸７の軸方向位置信号は図示しない補償器でＰＩＤ補償等されるようになっている。

そして、この補償された信号を基に単相インバータ４０Ａ、４０Ｂから軸方向電磁石５８と軸方向電磁石５９に対しそれぞれ電流が供給されるようになっている。その結果、スラストディスク２９は軸方向電磁石５８又は軸方向電磁石５９により吸引され、回転軸７の軸方向位置が調整される。

即ち、この５軸能動制御型ベアリングレスモータ１０はユニット１、２に配置されたベアリングレスモータ１、３と１台のスラスト磁気軸受５を備えている。

この結果、インペラ３１と一体化した回転軸７の５軸軸支持能動制御を行うことにより、完全非接触な磁気浮上回転が可能であり、軸封（シール）・軸受・潤滑油などの消耗品が不要となるため、（１）発塵の無いクリーンな送液、（２）長寿命・高信頼性・メンテナンスフリー、（３）優れた化学耐性、（４）高速回転が可能（高揚程）などの優れた特長を有するポンプが実現できる。

但し、この様な用途では、ポンプに流れる液体が固定子と回転子の間に流れ込むため、固定子・回転子表面を隔壁で覆う必要がある。加えて、高い化学耐性を持たせるにはテフロン樹脂などで厚い隔壁を製作する必要があるため、固定子鉄心と回転子鉄心の間の磁気的なギャップ長は、通常の１０倍近い４〜５ｍｍ以上のワイドギャップ長となる。

次に、固定子・回転子構造とラジアル軸支持力発生原理について説明する。
図２０及び図２１に、ユニット１のベアリングレスモータの固定子と回転子の断面図を示す。回転子９の各ユニットには４個の扇形ラジアル永久磁石５２を配置している。４個全ての着磁方向を半径方向へ同一にし、ラジアル永久磁石間鉄心部はラジアル永久磁石５２が発生する界磁磁束Ψ８ｍにより結果的に極を形成する、コンシクエントポール型の構造であり、８極の電動機として機能する。

図２０に示すように、８極電動機巻線Ｎｍ８α，Ｎｍ８βと２極ラジアル軸支持巻線Ｎｓ２α１，Ｎｓ２β１は、実際に巻かれている三相集中巻の８極電動機巻線と２極ラジアル軸支持巻線に、それぞれ三相／二相変換を施した固定子座標上の等価二相巻線である。ラジアル軸支持巻線は各ユニットで個別に巻くため、ユニット毎にラジアル軸支持制御が可能である。

また、図２１はユニット１でのラジアル軸支持力発生原理を示している。ワイドギャップ長によりギャップ部分の磁気抵抗が大きいため、通常のコンシクエントポール型の構造だけでは、十分なラジアル軸支持力を発生することは難しい。そこで、図１８に示すように、２つのユニット間の固定子に環状スラスト永久磁石４５を配置し、回転子を軸方向に貫くようにバイアス磁束Ψｓを発生させる。

各ユニットのラジアル永久磁石間鉄心部５４には、ラジアル永久磁石５２から発生する界磁磁束Ψ８ｍに加えて、環状スラスト永久磁石４５から発生するバイアス磁束Ψｓが同じ向きに流れるため、ラジアル永久磁石間鉄心部５４のギャップ磁束密度が高まる。ここで、ラジアル軸支持巻線Ｎｓ２β１に直流電流ｉｓ２β１を流すことでラジアル軸支持磁束Ψｓ２β１が発生し、回転子上側のギャップでは磁束が互いに強め合い、下側では弱め合う。

その結果、回転子には磁束の疎から密の方向であるβ軸正方向にラジアル軸支持力Ｆβが発生する。バイアス磁束Ψｓにより、ラジアル軸支持力発生のバイアスとなるラジアル永久磁石間鉄心部５４のギャップ磁束密度を高めることで、ワイドギャップ長においても大きなラジアル軸支持力を発生できる。また、通常のコンシクエントポール型と同様に、回転角度に関係なく直流電流でラジアル軸支持が可能である。

なお、従来、４軸能動制御型ベアリングレスモータで、かつスラスト磁気軸受部分を受動的に構成したベアリングレスモータの例が開示されている（特許文献１）。

この例は、図２２の概略断面構成図に示すように、モータ兼ラジアル磁気軸受で構成される駆動部２０１と、同様に構成された駆動部２０３の間に受動形スラスト磁気軸受２０５が配置されている。そして、回転軸には２つの閉ループ磁路が出来るように、駆動部２０１、２０３と受動形スラスト磁気軸受２０５の間に永久磁石２０７、２０９が設けられている。

図２３に、この受動形スラスト磁気軸受による回転軸方向磁気せん断力の発生機構を示す。受動形スラスト磁気軸受２０５はテーパ状の磁極を有し、この磁極の先端で磁束の回り込み（漏れ）が生ずることで回転軸を引き戻すせん断力が発生するようになっている。
T. Suzuki, A. Chiba, M. A. Rahman, and T. Fukao, "An air-gap-flux-oriented vector controller for stable operation of bearingless induction motors," IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 36, No. 4, pp. 1069-1076, July/Aug. 2000. 大島、宮澤、千葉、中村、深尾「突極型永久磁石ベアリングレスモータの半径方向力パラメータの同定法」電学論D、Vol. 124-D、No. 8、pp. 784-791、2004 M. Takemoto, M. Uyama, A. Chiba, H. Akagi, and T. Fukao, "A Deeply-Buried Permanent Magnet Bearingless Motor with 2-pole Motor Windings and 4-pole Suspension Windings," in Conf. Rec. of the 2003 IEEE-IAS Annual Meeting, Salt Lake City, USA, Oct. 2003, pp. 1413-1420 T. Satoh, S. Mori, and M. Ohsawa, "Study of induction type bearingless canned motor pump", in Proc. IPEC-Tokyo 2000, Tokyo, Japan, 2000, pp.389-394. C. Redemann, P. Meuter, A. Ramella, and T. Gempp, "Development and prototype of a 30kW bearingless canned motor pump", in Proc. IPEC-Tokyo 2000, Tokyo, Japan, 2000, pp.377-382. 特開平５−２７２５３７号

ところで、従来のスラストディスクを用いた５軸能動制御型ベアリングレスモータ１０では、γ軸方向の回転子位置を制御するため、スラスト磁気軸受５を別途設けている。回転子部分であるスラストディスク２９を挟み込む形状でその両側にスラスト固定子３０と巻線を配置し、直流電流を流すことにより、スラストディスク２９の左右のギャップで磁束密度の不平衡を起こし、γ軸方向にスラスト軸支持力を発生させる。

スラスト軸支持巻線に流す電流量を制御することにより、能動的にスラスト軸支持力を操作できる。しかし、スラストディスク２９の外径は他の回転子部に比べて大きく、スラストディスク２９外周部の周速は他の回転子部に比べて速くなる。

キャンドモータポンプ用途では、ギャップ部分に液体が流入するため、この様な径の大きなスラストディスク２９を用いた凹凸のあるロータ形状の場合、スラストディスク２９部分でキャビテーションが発生し、スラスト磁気軸受５が破損してしまう危険性があり、回転速度が制限されてしまうという問題がある。従って、キャビテーションの発生を抑制するため、スラストディスク２９を無くし、凹凸の無い円筒形状のロータ構造にする必要がある。

また、従来のスラストディスクを用いた５軸能動制御型ベアリングレスモータ１０では、ラジアル軸支持力の脈動と偏角について次のような問題がある。

図２４にラジアル軸支持力の発生方向の定義を示し、図２５にラジアル軸支持力特性の解析結果を示す。なお、解析は以下に示す電流条件で行った。
・ユニット１，２共にβ軸正方向にラジアル軸支持力発生の指令
・ラジアル軸支持電流ｉｓ２β１，ｉｓ２β２＝５．５４Ａ（定格値一定、直流）
・ラジアル軸支持電流ｉｓ２α１，ｉｓ２α２＝０Ａ
・電動機トルク分電流ｉｍ８ｑ＝１３．９Ａ（定格値一定、交流）
・回転子の回転角度θ＝０〜９０ｄｅｇ（７．５ｄｅｇ刻み）

β軸正方向にラジアル軸支持力が発生するようにラジアル軸支持電流を流して解析を行ったが、実際は、磁束の流れがβ軸に対して対称にならない回転角度に回転子がある場合や電動機電流により発生する電動機磁束とラジアル軸支持磁束との干渉により、α軸方向にも力が生じてしまう。

ここで、図２４に示すように、本来発生させたいβ軸正方向からの角度のずれを偏角φとする。図２５より、β軸方向のラジアル軸支持力Ｆβの平均値は３．２３ｐ．ｕ．である。

しかし、回転角度が変化するとラジアル軸支持力の大きさが脈動しており、その脈動比は２２．７％と大きい。また、偏角φは最大で１０．１ｄｅｇとなっている。回転角度によってラジアル軸支持力に脈動や偏角が発生すると、ラジアル軸支持制御系の安定度を損なうため、ラジアル軸支持力の脈動や偏角を抑制する工夫をモータに施す必要がある。

また、特許文献１に記載されたベアリングレスモータでは、軸方向の位置調整力を永久磁石２０７、２０９の漏れ磁束を利用することで受動的に得ている。このように、受動的構成だと外乱への収束も固定であり、収束時間も相当程度時間を要するものになる恐れがある。従って、簡易的な設備に適用は可能であっても、大きな力で軸方向を制御したり、精度の高い制御を行わせる場合に適用は困難であると推測される。

更に、特許文献１ではスラスト力を発生させるのに永久磁石２０７、２０９の磁束の内の一部漏れ磁束（図２３において○印２１０を付した部分）を利用しているが、インペラのように大きな力が外乱として作用したような場合を考えると、特許文献１では、受動的な力の発生で、かつ永久磁石による磁束の漏れのみを利用し調整力としているため、軸方向の外乱等に伴う変位を収束させるには相当程度大きな永久磁石を適用する必要がある。

しかも、特許文献１では永久磁石２０７、２０９により生じた磁束のすべてをスラスト力発生のために利用しているものではなく、一部の漏れ磁束をスラスト力発生のために利用しているに過ぎないので発生力としては小さいものになると推定される。

本発明はこの様な従来の課題に鑑みてなされたもので、スラストディスクを無くしワイドギャップ長でも安定な磁気浮上回転が可能なベアリングレスモータを提供することを目的とする。

このため本発明（請求項１）は、第１の電動機巻線と第１の支持巻線とを同一の鉄心に捲回した第１の固定子と、この第１の固定子に対し径方向へ第１のギャップを隔てて対峙した第１の回転子とを有する第１のベアリングレスモータユニットと、第２の電動機巻線と第２の支持巻線とを同一の鉄心に捲回した第２の固定子と、この第２の固定子に対し径方向へ第２のギャップを隔てて対峙した第２の回転子とを有する第２のベアリングレスモータユニットと、前記第１の固定子と前記第２の固定子の間に配置され、回転軸周りに捲回されたスラスト軸支持巻線を鉄心の軸方向に形成された２つの突極により挟まれた空間へ収納して成る第３の固定子と、この第３の固定子よりも軸方向厚みが薄く形成され、前記第３の固定子に対し径方向へ第３のギャップを隔てて対峙した第３の回転子とを有するスラスト磁気軸受ユニットと、前記第１の固定子、第３の固定子の突極の一方、第３のギャップ、第３の回転子、第１の回転子、及び第１のギャップを順次通る第１のバイアス磁束を生成する第１バイアス磁束生成手段と、前記第２の固定子、第３の固定子の突極の他方、第３のギャップ、第３の回転子、第２の回転子及び第２のギャップを順次通り、軸方向において前記第１のバイアス磁束と逆向きの第２のバイアス磁束を生成する第２バイアス磁束生成手段とを備えて構成した。
また、本発明（請求項２）は、前記第１の回転子と前記第２の回転子と前記第３の回転子を含むロータ全体が略円柱状に、前記第１の固定子と第２の固定子と第３の固定子を含むステータ全体が略円筒状に形成されていることを特徴とする。
更に、本発明（請求項３）は、前記スラスト軸支持巻線に直流電流を流してスラスト軸支持磁束を発生させ、発生したスラスト軸支持磁束を前記第１のバイアス磁束および第２のバイアス磁束へ重畳又は相殺させることによりスラスト磁気軸受力を発生させることを特徴とする。
更に、本発明（請求項４）は、前記第１バイアス磁束生成手段は、前記第１の固定子と第３の固定子との間に配設され、軸方向へ着磁された第１のスラスト永久磁石を有し、前記第２バイアス磁束生成手段は、前記第２の固定子と第３の固定子との間に配設され、前記第１のスラスト永久磁石と逆方向へ着磁された第２のスラスト永久磁石を有することを特徴とする。
更に、本発明（請求項５）は、前記第１バイアス磁束生成手段は、前記第１の回転子と第３の回転子との間に配設され、前記第１のスラスト永久磁石とは逆方向へ着磁された第３スラスト永久磁石を、前記第２バイアス磁束生成手段は、前記第２の回転子と第３の回転子との間に配設され、前記第２のスラスト永久磁石とは逆方向へ着磁された第４スラスト永久磁石を、更に有することを特徴とする。
更に、本発明（請求項６）は、前記第１の回転子並びに第２の回転子はそれぞれが、半径方向に着磁された永久磁石が複数個鉄心内に埋め込まれた第１の鉄心部と、永久磁石が埋め込まれていない第２の鉄心部とが一体に形成された物から成ることを特徴とする。
更に、本発明（請求項７）は、前記第１の回転子並びに第２の回転子はそれぞれが、半径方向に着磁された複数の永久磁石が鉄心の周上に交互に着磁方向を変えてリング状に配置されている第１の鉄心部と、永久磁石が配置されていない第２の鉄心部とが一体に形成された物から成ることを特徴とする。
更に、本発明（請求項８）は、前記ベアリングレスモータは、インナーロータ型又はアウタロータ型のいずれかであることを特徴とする。

回転軸回りにスラスト軸支持巻線を捲回した。このスラスト軸支持巻線に直流電流を流すと、その流す方向により第１のベアリングレスモータユニットのギャップを通るバイアス磁束を強める一方で、第２のベアリングレスモータユニットのギャップを通るバイアス磁束を弱めたり、これとは逆に第２のベアリングレスモータユニットのギャップを通るバイアス磁束を強める一方で、第１のベアリングレスモータユニットのギャップを通るバイアス磁束を弱めたりできる。このことにより、回転子を軸方向に制御できるようになる。このため、スラストディスクを無くし、回転子を円筒型とすることができる。

スラストディスクを軸方向に制御する場合、従来は、主軸の正方向と負方向の両方向の制御を行うため、正方向用と負方向用の２つの軸方向電磁石を必要とし、かつ制御回路もこの各軸方向電磁石のそれぞれに対するものが必要であった。しかしながら、本発明では回転軸回りにスラスト軸支持巻線を１つだけ捲回し、制御回路はこの巻線に対し流す電流の方向を変化させることで主軸の正方向と負方向の両方向の制御が可能である。

また、ベアリングレスモータユニットが発生する固定バイアス磁束に対し、スラスト軸支持巻線で発生した磁束が重畳する形になるので、スラスト巻線の電流により磁束量を調整してスラスト力を発生することができる。更に、スラスト磁気軸受で必要なバイアス電流を省略することができ、スラスト軸支持巻線に流す電流は小さくてもスラスト軸支持力は十分な大きさにできる。

なお、本発明はインナーロータ型、アウターロータ型のいずれにも適用可能である。また、第１の回転子部及び第２の回転子部のラジアル永久磁石の配設された端部は、コンシクエント型とされてもよいし、あるいは、表面張り付け型とし回転子の全周に渡りラジアル永久磁石が配設されるようにしてもよい。

磁束を共有すると、スラスト巻線による磁束がベアリングレスモータユニットのラジアル方向電磁力を発生する回転子部分に流れ、スラスト力とラジアル力の干渉が起きる恐れがある。そこで、主軸部分にスラスト方向に着磁した第３のスラスト永久磁石及び第４のスラスト永久磁石を配置する。この結果、磁気抵抗が高くなり、スラスト磁束が漏れないようになる。

従って、スラスト電磁力とラジアル電磁力を非干渉化することができ、スラスト磁気軸受ユニットにおけるギャップを通る磁束を独立に効率よく強めたり弱めたりできる。このことにより、軸方向位置制御を精度よく行うことができる。ここで、非干渉化とは、干渉度合いを極力小さくして実用的に問題が無い程度に低減することである。

更に、本発明は、第１の電動機巻線と第１の支持巻線とを同一の鉄心に捲回した第１の固定子、及び、該第１の固定子の内側若しくは外側に配設され、該第１の固定子に対し所定のギャップを隔てて対峙し半径方向に着磁する第１のラジアル永久磁石が周状に配設された第１の回転子を有する第１のベアリングレスモータユニットと、第２の電動機巻線と第２の支持巻線とを同一の鉄心に捲回した第２の固定子、及び、該第２の固定子の内側若しくは外側に配設され、該第２の固定子に対し所定のギャップを隔てて対峙し半径方向に着磁する第２のラジアル永久磁石が周状に配設された第２の回転子を有する第２のベアリングレスモータユニットとを備え、前記第１の回転子及び前記第２の回転子はラジアル永久磁石の配設された第１の回転子部とラジアル永久磁石の配設されない鉄心のみの第２の回転子部とが軸方向に連接又は一体に形成され、前記第１のラジアル永久磁石及び第２のラジアル永久磁石は、磁極の数が２＋４ｎ極となるように前記第１の回転子及び前記第２の回転子に対し全周に渡り配設され、かつ前記第１の電動機巻線及び第２の電動機巻線が該極数にて捲回されるようにしてもよい。

磁極の数を２＋４ｎ極とすることで、ラジアル永久磁石の配設された第１の回転子部における周方向に１８０度隔てた箇所でのラジアル永久磁石により発生した磁束の方向が一致する。

このため、ラジアル永久磁石の配設された第１の回転子部を通るバイアス磁束との間でも磁束の方向が一致し、周方向に１８０度隔てたギャップにおけるラジアル永久磁石による磁束とバイアス磁束との合成磁束は互いに同じ大きさとなる。従って、回転子の回転に伴って生じる恐れがあったラジアル軸支持力の脈動は小さくなり、原理的には生じない。

一方、第１の回転子及び第２の回転子のラジアル永久磁石の配設されていない鉄心のみの第２の回転子部に対してはバイアス磁束が放射状に通っている。従って、周方向に１８０度隔てたギャップにおけるラジアル永久磁石による磁束とバイアス磁束との合成磁束は互いに同じ大きさとはならず増加若しくは減少する。このため、ラジアル軸支持力を効率よく発生できるとともに良好に制御できる。なお、本発明は、スラスト磁気軸受機能の有無に関わらず適用可能である。

更に、本発明は、第１の電動機巻線と第１の支持巻線とを同一の鉄心に捲回した第１の固定子、及び、該第１の固定子の内側若しくは外側に配設され、該第１の固定子に対し所定のギャップを隔てて対峙し半径方向に着磁する第１のラジアル永久磁石が周状に配設された第１の回転子を有する第１のベアリングレスモータユニットと、第２の電動機巻線と第２の支持巻線とを同一の鉄心に捲回した第２の固定子、及び、該第２の固定子の内側若しくは外側に配設され、該第２の固定子に対し所定のギャップを隔てて対峙し半径方向に着磁する第２のラジアル永久磁石が周状に配設された第２の回転子を有する第２のベアリングレスモータユニットとを備え、前記第１の回転子及び前記第２の回転子はラジアル永久磁石の配設された第１の回転子部とラジアル永久磁石の配設されない鉄心のみの第２の回転子部とが軸方向に連接又は一体に形成され、前記第１のラジアル永久磁石及び第２のラジアル永久磁石は、磁極の数が２ｎ極となるように前記第１の回転子及び前記第２の回転子に対しコンシクエントポール型に配設され、かつ前記第１の電動機巻線及び第２の電動機巻線が該極数にて捲回されてもよい。

コンシクエントポール型に構成されても前記と同様の効果を得ることができる。従って、ラジアル軸支持力の脈動は生じない。

以上説明したように本発明によれば、第１のベアリングレスモータユニットと第２のベアリングレスモータユニットとの間に回転軸回りにスラスト軸支持巻線が捲回された固定子とこの固定子に対し所定のギャップを隔てて対峙した回転子部を有するスラスト磁気軸受ユニットを備えたので、ベアリングレスモータユニットのギャップを通るバイアス磁束を強めたり、弱めたりでき、回転子を軸方向に制御できるようになる。このため、スラストディスクを無くし、回転子を円筒型とすることができる。

本発明の第１実施形態である５軸能動制御型ベアリングレスモータの構成図本発明の第１実施形態の回転子・固定子部分の拡大斜視構造図 γ軸方向のスラスト軸支持力特性 β軸方向のラジアル軸支持力特性 β軸方向のラジアル軸支持力の脈動発生原理（回転角度θ＝０ｄｅｇ） β軸方向のラジアル軸支持力の脈動発生原理（回転角度θ＝４５ｄｅｇ）本発明の第２実施形態である５軸能動制御型ベアリングレスモータの回転子正面図同上回転子全体斜視図モータユニット部全体の拡大斜視構造図本発明の第２実施形態である５軸能動制御型ベアリングレスモータのラジアル軸支持力発生原理（ラジアル永久磁石部分）本発明の第２実施形態である５軸能動制御型ベアリングレスモータのラジアル軸支持力発生原理（円筒部分）ラジアル軸支持力脈動を抑制する構造の軸支持力特性ラジアル軸支持力脈動を抑制する構造のγ軸方向支持力特性トルク特性電動機トルク分電流ｉｍ６ｑとβ軸方向のラジアル軸支持力の平均値ＦβＡＶＧの関係５軸能動制御型ベアリングレスモータについてのスラスト軸支持の始動特性５軸能動制御型ベアリングレスモータのスラスト軸支持の始動特性（能動型と受動型の比較実験）従来の５軸能動制御型ベアリングレスモータの全体構造図従来の能動制御型スラスト磁気軸受ベアリングレスモータの固定子と回転子の断面図ラジアル軸支持力発生原理従来の５軸能動制御型ベアリングレスモータの全体構造図（特許文献１記載）回転軸方向磁気せん断力の発生機構を示す図（特許文献１記載）ラジアル軸支持力の発生方向ラジアル軸支持力特性の解析結果

符号の説明

７回転軸
２５左側センサターゲット
２７右側センサターゲット
３１インペラ
３３ポンプ吸入口
３５ポンプ吐出口
３７ケース
４１、４２、４３固定子
４７電動機巻線
４９、５３ラジアル軸支持巻線
５１電動機巻線
５２、９１、１９１ラジアル永久磁石
５４ラジアル永久磁石間鉄心部
５５ラジアルギャップセンサ
５７ラジアルギャップセンサ
６０スラストギャップセンサ
６１、６２、６３鉄心
６１ａ軸方向左半部
６１ｂ軸方向右半部
６３ａ軸方向右半部
６３ｂ軸方向左半部
７１スラスト軸支持巻線
７３、７５固定子側環状スラスト永久磁石
８１、８３ロータ側環状スラスト永久磁石
１００５軸能動制御型ベアリングレスモータ
１０１、１０３ベアリングレスモータユニット
１０２スラスト磁気軸受ユニット

以下、本発明の実施形態について説明する。まず、本発明の第１実施形態は、従来構造の問題点の１つであるスラストディスクを無くして、ロータ全体を円筒形状にし、かつ５軸能動制御が可能な新たな構造を提案する。
本発明の第１実施形態の構成図を図１に示す。なお、図１８と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。

図１のスラストディスクを省略した５軸能動制御型ベアリングレスモータ１００において、回転子鉄心は３つのブロックに分けられている。即ち、固定子４１に対峙して鉄心６１が配設され、この固定子４１と鉄心６１とで第１のベアリングレスモータのユニット１０１が構成され、一方、固定子４３と鉄心６３とで第２のベアリングレスモータのユニット１０３が構成されている。

そして、このユニット１０１とユニット１０３の間に鉄心６２と固定子４２からなるスラスト磁気軸受機能を持たせたスラスト磁気軸受ユニット１０２を新たに配置した構造である。ここに、鉄心６２は鉄心６１と鉄心６３の間に配設され、固定子４２は固定子４１と固定子４３の間に配設されている。

固定子４２の内側にはスラスト軸支持巻線７１が回転軸７回りに捲回されている。固定子４１と固定子４２の間で、かつケース３７の内周面には軸方向に着磁され回転軸７回りに形成された固定子側環状スラスト永久磁石７３が装着されている。

同様に、固定子４２と固定子４３の間で、かつケース３７の内周面には軸方向に着磁され回転軸７回りに形成された固定子側環状スラスト永久磁石７５が装着されている。固定子側環状スラスト永久磁石７３と固定子側環状スラスト永久磁石７５の向かい合った面は共にＮ極であって軸方向に着磁されている。

一方、鉄心６１と鉄心６２の間で、かつ回転軸７の周囲には軸方向に着磁されたロータ側環状スラスト永久磁石８１が装着され、同様に、鉄心６２と鉄心６３の間で、かつ回転軸７の周囲には軸方向に着磁されたロータ側環状スラスト永久磁石８３が装着されている。ロータ側環状スラスト永久磁石８１とロータ側環状スラスト永久磁石８３の向かい合った面は共にＳ極であって軸方向に着磁されている。

かかる構成において、ユニット１０１、１０２、１０３間の固定子・回転子部にそれぞれ配置した固定子側環状スラスト永久磁石７３、７５及びロータ側環状スラスト永久磁石８１、８３により、図１に示すようにバイアス磁束Ψｓを発生させる。

ここで、スラスト軸支持巻線７１に直流電流を流すことで、スラスト軸支持磁束Ψｔｈを発生させ、バイアス磁束Ψｓとスラスト軸支持磁束Ψｔｈの重ね合せにより、スラスト磁気軸受ユニット１０２の左側のギャップでは磁束が互いに強め合い、右側では弱め合う。その結果、磁束密度の疎から密の方向であるγ軸正方向にスラスト軸支持力Ｆγが発生する。

ここに、スラスト軸支持磁束Ψｔｈは、そのすべての磁束がバイアス磁束Ψｓとの間で重ね合せされたり、相殺されたりされるというように有効利用される。これに対し、特許文献１の場合には、磁極を流れる主磁束部分はスラスト軸支持力には殆ど有効に寄与せず、回り込んだ漏れ磁束部分のみが回転軸の引き戻しのために作用する。従って、本実施形態では、バイアス磁束のすべてを有効に利用できる分効率のよい制御が行え、小型にもできる。

なお、本実施形態では、スラストディスクを用いずにワイドギャップ長で大きなスラスト軸支持力を発生させるには、スラスト磁気軸受ユニット１０２部分のギャップ磁束密度を高める必要があるため、回転子にもロータ側環状スラスト永久磁石８１、８３を配置している。また、本実施形態は、磁気抵抗の大きいロータ側環状スラスト永久磁石８１、８３をユニット間に配置したことで、スラスト軸支持磁束Ψｔｈはベアリングレスモータユニット部１０１、１０３に流れづらくなるため、ラジアル軸支持磁束と干渉しにくい構造である。

そして、本実施形態は、従来の構造で用いていた径の大きなスラストディスク２９を無くして、ロータ全体を円筒状にした構造であり、キャンドモータポンプとして動作した際に問題となるスラストディスク２９によるキャビテーションの発生を抑制できるため、回転速度がスラストディスク２９によって制限されてしまう問題を解決できる。

なお、図１９で説明したように、電流ドライバーは従来単相インバータが２台必要であったが、本実施形態ではスラスト軸支持巻線７１用に１台で済む。従って、低コスト化を実現できる。

図２に本発明の第１実施形態である５軸能動制御型ベアリングレスモータ１００の回転子・固定子部分の拡大斜視構造図を示す。

図２において、回転子・固定子コアの形状・寸法は従来の５軸能動制御型ベアリングレスモータ１０の構造と同様である。図２中、鉄心６１の軸方向左半部６１ａは４個のラジアル永久磁石９１が埋設され、８極のコンシクエントポール型の構造になっている。一方、鉄心６１の軸方向右半部６１ｂは円筒状に形成されているが、永久磁石は配置されていない。

同様に、鉄心６３の軸方向右半部６３ａは４個のラジアル永久磁石９１が埋設され、８極のコンシクエントポール型の構造になっている。一方、鉄心６３の軸方向左半部６３ｂは円筒状に形成されているが、永久磁石は配置されていない。固定子には８極電動機巻線と２極ラジアル軸支持巻線を配置している。
次に、本発明の第１実施形態である５軸能動制御型ベアリングレスモータのスラスト・ラジアル軸支持力特性の解析結果について説明する。

５軸能動制御型ベアリングレスモータ１００の構造が軸方向・半径方向共に十分な軸支持力を発生できるか検証するため３Ｄ−ＦＥＭ解析を行った。以下に電流条件を示す。
・ユニット１，２共にβ軸正方向にラジアル軸支持力発生の指令
・ラジアル軸支持電流ｉｓ２β１，ｉｓ２β２＝５．５４Ａ（定格値一定、直流）
・ラジアル軸支持電流ｉｓ２α１，ｉｓ２α２＝０Ａ
・スラスト電流ｉｔｈ＝３．３９Ａ（定格値一定、直流）
・電動機トルク分電流ｉｍ８ｑ＝１３．９Ａ（定格値一定、交流）
・回転子の回転角度θ＝０〜９０ｄｅｇ（７．５ｄｅｇ刻み）

解析は、ラジアル軸支持巻線４９、５３、スラスト軸支持巻線７１、電動機巻線４７、５１の３つに同時に定格電流を流して行った。ロータ全自重を磁気支持するのに必要な力を基準値１．０ｐ．ｕ．として、図３にγ軸方向のスラスト軸支持力特性、図４にβ軸方向のラジアル軸支持力特性を示す。

図３より、γ軸方向のスラスト軸支持力Ｆγは、目標値である従来のスラストディスク２９を用いた場合である３．２７ｐ．ｕ．の２倍以上という十分大きな力が得られている。また、ラジアル軸支持巻線４９、５３、電動機巻線４７、５１に同時に定格電流を流した状態で回転子を回転させても、Ｆγの脈動比は０．４％と非常に小さいため、安定したスラスト軸支持制御を行える。

また、図４より、β軸方向のラジアル軸支持力Ｆβは平均４．４８ｐ．ｕ．であり、軸支持を行うために必要な力の４倍以上の十分大きな力が得られている。ベアリングレスモータユニット１０１、１０３間にもスラスト永久磁石７３、７５、８１、８３を配置したことにより、ラジアル永久磁石９１間鉄心部に多くのバイアス磁束Ψｓが流れるため、従来型よりラジアル軸支持力の値は大きくなっている。

しかし、回転子の各ユニット１０１、１０３は従来型と同様の構造であるため、ラジアル軸支持力の脈動比は１７．０％、偏角φは７．０ｄｅｇとなり、回転角度によりラジアル軸支持力に脈動や偏角が生じてしまう。図５及び図６にβ軸方向のラジアル軸支持力の脈動発生原理を示す。ラジアル軸支持磁束Ψｓ２β１は主に磁気抵抗の小さいラジアル永久磁石９１間鉄心部に流れるため、図５に示すように、回転角度０ｄｅｇの場合はβ軸上下のギャップで磁束の強弱が発生し、β軸正方向にラジアル軸支持力Ｆβが発生する。

一方、回転子が４５ｄｅｇ回転すると、ラジアル軸支持磁束Ψｓ２β１は図６に示すように流れるため、β軸から４５ｄｅｇずれた２方向にそれぞれ力Ｆ’が発生し、β軸方向のラジアル軸支持力Ｆβは２つのＦ’の合力となる。よって、θ＝０ｄｅｇの場合より大きなラジアル軸支持力が発生し、脈動が生じる。

そして、磁束の流れがβ軸に対して対称にならない回転角度に回転子がある場合や、電動機電流により発生する磁束とラジアル軸支持磁束との干渉により、α軸方向にも力が生じ、ラジアル軸支持力に脈動が生じてしまう。よって、この構造ではラジアル軸支持力の脈動や偏角を抑制することは難しいため、新たな構造を検討する必要がある。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、安定した磁気浮上回転を実現するため、従来構造における二つ目の問題点であるラジアル軸支持力の脈動や偏角を抑制できる５軸能動制御型ベアリングレスモータの構造を提案するものである。本発明の第２実施形態である５軸能動制御型ベアリングレスモータの回転子正面図を図７に、回転子全体斜視図を図８に示す。なお、図１及び図２と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。

図７及び図８において、回転子にはユニット１０１の軸方向左半部６１ａ、及びユニット１０３の軸方向右半部６３ａに半径方向に着磁した６個のラジアル永久磁石１９１を配置し、６極電動機構造とする。

そして、図８に示すように、回転子ユニット部分を軸方向に分割し、ユニット１０１の軸方向右半部６１ｂ及びユニット１０３の軸方向左半部６３ｂの部分をラジアル永久磁石の無い円筒形状にする。図９にモータユニット部全体を示す。第１実施形態と同様にユニット１０１、１０３間の固定子・回転子に配置したスラスト永久磁石７３、７５、８１、８３によりバイアス磁束Ψｓを発生させる。固定子には６極電動機巻線と２極のラジアル軸支持巻線を施す。

図１０及び図１１に本発明の第２実施形態である５軸能動制御型ベアリングレスモータのラジアル軸支持力発生原理を示す。図１０に示すように、ラジアル永久磁石部分（ユニット１０１の軸方向左半部６１ａ、及びユニット１０３の軸方向右半部６３ａの部分）のギャップでは、磁束の向きが上下の位置で常に同じ向きになっており、ラジアル軸支持磁束Ψｓ２βを発生させても上下のギャップで磁束密度の強弱は生じないため、ラジアル軸支持力は発生しない。

一方、図１１に示すように、回転子の円筒部分（ユニット１０１の軸方向右半部６１ｂ及びユニット１０３の軸方向左半部６３ｂの部分）においては、バイアス磁束が回転子中心から放射状に流れているため、ラジアル軸支持磁束を発生させることで、上下のギャップで磁束密度の強弱を生じ、ラジアル軸支持力Ｆβを発生させる。つまり、ラジアル永久磁石１９１はラジアル軸支持力の発生に寄与せず、軸方向右半部６１ｂ及び軸方向左半部６３ｂの円筒部分のギャップでのみラジアル軸支持力を発生させるため、回転角度が変化してもラジアル軸支持力が脈動しない構造である。

次に、本発明の第２実施形態である５軸能動制御型ベアリングレスモータのラジアル・スラスト軸支持力とトルク特性の解析結果について説明する。
第２実施形態である５軸能動制御型ベアリングレスモータの構造がラジアル軸支持力の脈動と偏角を抑制できるか検証するため、３Ｄ−ＦＥＭ解析を行った。

スラスト軸支持力は第１実施形態におけるスラスト・ラジアル軸支持力特性の解析で示したように、目標値を大きく超える十分な大きさであるため、第２実施形態ではスラスト磁気軸受ユニット１０２部分を第１実施形態のモデルから小さくし、その分ベアリングレスモータユニット１０１、１０３部分の軸長を長くした。

解析は第１実施形態で示した条件と同様の電流条件で、回転子の回転角度θ＝０〜１２０ｄｅｇ（１０ｄｅｇ刻み）まで行った。図１２にラジアル軸支持力特性を示す。β軸方向ラジアル軸支持力Ｆβは平均３．７４ｐ．ｕ．、脈動比は３．１％であり、従来構造の脈動比２２．７％から大幅に脈動を抑制できた。

また、偏角φも２．３ｄｅｇに抑えられており、第２実施形態の構造がラジアル軸支持力の脈動と偏角の抑制に有効であることが確認できた。また、図１３にスラスト軸支持力特性を示す。スラスト軸支持力Ｆγは平均３．８６ｐ．ｕ．であり、目標値を超える十分な力が得られている。脈動比は０．８％であり、回転子を回転させても力の変動は非常に少ない。また、図１４にトルク特性を示す。トルク平均値ＴＡＶＧは２．３２Ｎｍである。

次に、電動機トルク分電流とラジアル軸支持力の関係について説明する。
電動機トルク分電流ｉｍ６ｑを変化させた際の、電動機トルク分電流ｉｍ６ｑとβ軸方向のラジアル軸支持力の平均値ＦβＡＶＧの関係を図１５に示す。

ＦβＡＶＧはｉｍ８ｑを０Ａ〜１３．９Ａ（定格値）まで増加させても約１．９％の減少に留まっている。そして、その変化の度合いは非常に緩やかであり、電動機トルク分電流ｉｍ６ｑ変化時のラジアル軸支持力の変動は非常に小さく、ラジアル軸支持制御の安定性が良い構造であるといえる。

次に、第１実施形態及び第２実施形態は共にスラスト軸支持を能動的に制御しているが、受動的に制御した場合との相違について実験データを基に比較説明する。

図１６に第２実施形態で述べた５軸能動制御型ベアリングレスモータについてのスラスト軸支持の始動特性を示す。図１６において、制御前、ｔ＝０のとき、ロータは４軸の径方向および傾斜方向に能動的に支持されている。ｔ＝ｔ１のとき、外力が与えられると、回転軸はスラスト方向には受動的に支持されているので、ローターにスラスト振動が生じる。

ｔ＝ｔ２のとき、スラスト能動制御のスイッチが入れられる。そして、振動は、電流によって生じる能動スラスト磁力によって抑制される。ｕ−位相およびｗ−位相のバイアス電流の違いは、支持力定数の違いに因る。
ｔ＝ｔ３のとき、外力を再び与える。このとき、ロータは、スラスト磁気支持電流によって、ほぼ一定の位置に保持される。

図１６のスラスト変位を比較すると０＜ｔ＜ｔ１におけるスラスト軸の受動支持領域に比べ、ｔ＞ｔ２におけるスラスト軸の能動支持領域の方が定常偏差の少ないことが分かる。また、ｔ１とｔ３で加振したときのスラスト変位を比較するとｔ１＜ｔ＜ｔ２におけるスラスト軸の受動支持領域に比べ、ｔ＝ｔ３以降におけるスラスト軸の能動支持領域の方がダンピングがよく、かつ応答が速いことが分かる。

上記相違を明確化するため、第２実施形態で述べた別の５軸能動制御型ベアリングレスモータを用いて上記と同様の比較実験を行った。図１７に、制御を行った場合（能動型に相当）と制御を行わなかった場合（受動型に相当）とについて比較実験した結果を示す。
図１７を見て分かるように、上述した図１６の結果と同様に定常偏差、ダンピング、応答速度共に能動型の方が優れていることが分かる。

Claims

第１の電動機巻線と第１の支持巻線とを同一の鉄心に捲回した第１の固定子と、この第１の固定子に対し径方向へ第１のギャップを隔てて対峙した第１の回転子とを有する第１のベアリングレスモータユニットと、
第２の電動機巻線と第２の支持巻線とを同一の鉄心に捲回した第２の固定子と、この第２の固定子に対し径方向へ第２のギャップを隔てて対峙した第２の回転子とを有する第２のベアリングレスモータユニットと、
前記第１の固定子と前記第２の固定子の間に配置され、回転軸周りに捲回されたスラスト軸支持巻線を鉄心の軸方向に形成された２つの突極により挟まれた空間へ収納して成る第３の固定子と、この第３の固定子よりも軸方向厚みが薄く形成され、前記第３の固定子に対し径方向へ第３のギャップを隔てて対峙した第３の回転子とを有するスラスト磁気軸受ユニットと、
前記第１の固定子、第３の固定子の突極の一方、第３のギャップ、第３の回転子、第１の回転子、及び第１のギャップを順次通る第１のバイアス磁束を生成する第１バイアス磁束生成手段と、
前記第２の固定子、第３の固定子の突極の他方、第３のギャップ、第３の回転子、第２の回転子及び第２のギャップを順次通り、軸方向において前記第１のバイアス磁束と逆向きの第２のバイアス磁束を生成する第２バイアス磁束生成手段とを備えたことを特徴とするベアリングレスモータ。
前記第１の回転子と前記第２の回転子と前記第３の回転子を含むロータ全体が略円柱状に、前記第１の固定子と第２の固定子と第３の固定子を含むステータ全体が略円筒状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のベアリングレスモータ。
前記スラスト軸支持巻線に直流電流を流してスラスト軸支持磁束を発生させ、発生したスラスト軸支持磁束を前記第１のバイアス磁束および第２のバイアス磁束へ重畳又は相殺させることによりスラスト磁気軸受力を発生させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のベアリングレスモータ。
前記第１バイアス磁束生成手段は、前記第１の固定子と第３の固定子との間に配設され、軸方向へ着磁された第１のスラスト永久磁石を有し、
前記第２バイアス磁束生成手段は、前記第２の固定子と第３の固定子との間に配設され、前記第１のスラスト永久磁石と逆方向へ着磁された第２のスラスト永久磁石を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のベアリングレスモータ。
前記第１バイアス磁束生成手段は、前記第１の回転子と第３の回転子との間に配設され、前記第１のスラスト永久磁石とは逆方向へ着磁された第３スラスト永久磁石を、
前記第２バイアス磁束生成手段は、前記第２の回転子と第３の回転子との間に配設され、前記第２のスラスト永久磁石とは逆方向へ着磁された第４スラスト永久磁石を、更に有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のベアリングレスモータ。
前記第１の回転子並びに第２の回転子はそれぞれが、半径方向に着磁された永久磁石が複数個鉄心内に埋め込まれた第１の鉄心部と、永久磁石が埋め込まれていない第２の鉄心部とが一体に形成された物から成ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のベアリングレスモータ。
前記第１の回転子並びに第２の回転子はそれぞれが、半径方向に着磁された複数の永久磁石が鉄心の周上に交互に着磁方向を変えてリング状に配置されている第１の鉄心部と、永久磁石が配置されていない第２の鉄心部とが一体に形成された物から成ることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のベアリングレスモータ。
前記ベアリングレスモータは、インナーロータ型又はアウタロータ型のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のベアリングレスモータ。