JP5930367B2 - 電動機、この電動機の固定子、およびこの電動機を備える電動機システム - Google Patents

Description

本発明は、回転子が磁気力を発生しながら回転する電動機、この電動機の固定子、およびこの電動機を備える電動機システムに関する。

近年、人工心臓、製薬、あるいは半導体製造などの分野において、血液、高純度薬液、あるいは超純水などのような汚れや刺激を嫌う液体を取り扱う場面が増えている。現在、これらの薬液の搬送には、磁気カップリングを用いて動力を羽根車に非接触で伝えるノンシールポンプ等が使用されている。ノンシールポンプは、従来の遠心ポンプに存在するメカニカルシールが無いという点で有利であるものの、羽根車の支持にはすべり軸受が使用されており、粉塵の発生、摩擦熱やせん断力による液質の変化などの問題がある。そこで、磁気軸受を用いて回転子を非接触で支持可能な磁気浮上式ケミカルポンプの研究、開発が行なわれている（例えば、非特許文献１〜５参照。）。磁気浮上式ケミカルポンプには、電動機部と磁気軸受部を磁気的に一体化させたベアリングレスモータが採用されている（例えば、非特許文献５参照。）。

ベアリングレスモータは、回転子が磁気力を発生して回転子から浮上しながら回転するモータであり、小型・低コストなどの特長がある。図２１は、一般的なベアリングレスモータの構造を示す断面図である。この図において、１点鎖線で示す回転軸に対して半分のみの構造を示す。図示の例では、２つのベアリングレスモータ１００−１および１００−２がタンデムに接続されており、各ベアリングレスモータ１００−１および１００−２は、それぞれ固定子１１１、ホモポーラ型の回転子１１２および表面磁石貼り付け（ＳＰＭ）型の回転子１２３で構成されている。２つのベアリングレスモータ１００−１および１００−２の間にはスラスト方向に着磁された永久磁石１２５が挿入されており、図２１において点線で示すようなバイアス磁束を発生する。ＳＰＭ型の回転子１２３とでは８極の磁束により回転トルクが発生し、ホモポーラ回転子１１１では２極の磁束により支持力が発生する。

図２２は、一般的なベアリングレスモータにおける回転子の支持力発生原理を示す断面図である。図２２は、図２１に示すベアリングレスモータ１００−１もしくは１００−２内のホモポーラ型の回転子１１２と固定子１１１とを含んだ、回転軸に垂直な方向における断面を示している。回転子１１２には、バイアス磁束が図中実線の矢印で示すように回転軸から半径方向外方に放射状に発生する。回転子１１２に設けられた支持巻線１３１のＮ_yに支持電流を図２２に示す向きに流すと、図中一点鎖線の矢印で示すように２極の支持磁束が発生する。これにより、ｙ軸正方向ではバイアス磁束と支持磁束とが強め合い磁束が密になり、ｙ軸負方向ではバイアス磁束と支持磁束とが弱め合い磁束が疎になることで、ｙ軸正方向（図中太い矢印）に支持力が発生する。つまり、支持巻線１３１に流れる支持電流を適宜制御することで発生する支持力を調整すれば、固定子１１１からあるギャップを隔てて回転子１１２を浮上させることができる。一方、回転子１１２の回転制御については、固定子１１１に設けられた電動機巻線（図示せず）に流す電動機電流を制御することにより行う。

このような回転子が磁気力を発生しながら回転するベアリングレスモータとして、固定子に極数の異なる電動機巻線および支持巻線を別々に設けたものがある（例えば、特許文献１および非特許文献７〜１２参照。）。

図２３は、特許文献１（特許第４６１６４０５号公報）に記載されたベアリングレスモータの電動機巻線および支持巻線の配置を説明する図である。特許文献１（特許第４６１６４０５号公報）に記載された３相のベアリングレスモータでは、固定子１１１上に、電動機巻線Ｕ_mn、Ｖ_mnおよびＷ_mnと支持巻線Ｕ_sn、Ｖ_snおよびＷ_snとが別々に設けられている。３相の電動機巻線Ｕ_mn、Ｖ_mnおよびＷ_mnはそれぞれ、一端がベアリングレスモータの中性点Ｎに接続され、他端が各端子Ｕ_m、Ｖ_mおよびＷ_mを介して電動機電流生成部１１３に接続される。電動機電流生成部１１３は、例えば三相インバータで構成される。また、３相の支持巻線Ｕ_sn、Ｖ_snおよびＷ_snはそれぞれ、一端がベアリングレスモータの中性点Ｎに接続され、他端が各端子Ｕ_s、Ｖ_sおよびＷ_sを介して支持電流生成部１１４に接続される。支持電流生成部１１４は、例えば三相インバータで構成される。各電動機電流Ｕ_mn、Ｖ_mnおよびＷ_mnを流れる電動機電流Ｉ_um、Ｉ_vmおよびＩ_wmは電動機電流生成部１１３によって制御され、これとは独立に、支持巻線Ｕ_sn、Ｖ_snおよびＷ_snを流れる支持電流Ｉ_us、Ｉ_vsおよびＩ_wsは支持電流生成部１１４によって制御される。

図２４は、図２３に示すベアリングレスモータのＵ相の支持巻線の配置を説明する断面図であり、図２５は、図２４に示すベアリングレスモータのＵ相の支持巻線を有する固定子による支持力発生原理を示す断面図である。また、図２６は、図２４に示すベアリングレスモータのＵ相の支持巻線の等価回路を示す図であり、図２７は、図２４に示すベアリングレスモータのＵ相の支持巻線に流れる支持電流による起磁力分布を示す図である。また、図２８は、図２３に示すベアリングレスモータのＵ相の電動機巻線電流の配置を説明する断面図であり、図２９は、図２８に示すベアリングレスモータのＵ相の電動機巻線に流れる電動機電流による起磁力分布を示す図である。

図示の例では、回転子１１２に８極の永久磁石が設けられ、固定子１１１には１２個の歯Ｕ１〜Ｕ１２が設けられている。Ｕ相の支持巻線Ｕ_snは、１２個の歯Ｕ１〜Ｕ１２のうち、例えば歯Ｕ６、Ｕ７−８、およびＵ９と、歯Ｕ１２、Ｕ１−２、およびＵ３といったように、向かい合うように配置される。

図２４に示すように配置された支持巻線Ｕ_snに支持電流を図２５に示す向きに流すと、図２５に一点鎖線の矢印で示すように２極の支持磁束が発生する。回転子１１２ではバイアス磁束が図２５に実線の矢印で示すように回転軸から半径方向外方に放射状に発生するので、バイアス磁束と支持磁束とが強め合い磁束が密になる部分（図２５の右側）と、バイアス磁束と支持磁束とが弱め合い磁束が疎になる部分（図２５の左側）が発生する。これにより、回転子１１２には、図２５で太い矢印に示す方向（図２５では右方向）に支持力が発生する。ここでは、Ｕ相の支持巻線Ｕ_snについて示したが、Ｖ相およびＷ相の支持巻線Ｖ_snおよびＷ_snについても固定子１１１の歯Ｕ１〜Ｕ１２にバランスよく分散して配置することにより、回転子１１２に対して所望の方向に支持力を発生させることができる。

図２５に示すように支持巻線Ｕ_snに支持電流を流した場合、支持巻線Ｕ_snの等価回路は図２６のように表される。支持巻線Ｕ_snにはＳＰＭ型の回転子（図２１に示す）の磁束が鎖交するのでそれぞれ誘起電圧が発生するが、図２５および２６に示すように、向かい合う歯における巻線すなわち歯Ｕ６と歯Ｕ１２、歯Ｕ７−８と歯Ｕ１−２、および歯Ｕ９と歯Ｕ３における各巻線に発生する誘起電圧（ｖ₆とｖ₁₂、ｖ_7-8とｖ_1-2、およびｖ₉とｖ₃）の大きさは、それぞれ等しくなる。このようにＳＰＭ型の回転子の磁束に起因して発生する各歯における支持巻線Ｕ_snの誘起電圧はそれぞれ打ち消しあうので、支持電流生成部１１４には誘起電圧は印加されない。

また、図２７では、図２３に示す支持電流生成部１１４が生成するＵ相の支持巻線Ｕ_snに流す支持電流Ｉ_usをＩとし、Ｖ相の支持巻線Ｖ_snに流す支持電流Ｉ_vsを−０．５Ｉとし、Ｗ相の支持巻線Ｗ_snに流す支持電流Ｉ_wsを−０．５Ｉとし、電動機電流生成部１１３が生成する各電動機巻線Ｉ_um、Ｉ_vmおよびＩ_wmを全て０（ゼロ）としたときの起磁力分布を実線で示している。この起磁力分布をフーリエ級数展開すると、８極の永久磁石を有する回転子１１２に対し、支持力を発生する２極成分の起磁力は図中破線で示すようになり、回転トルクを発生する８極成分の起磁力は図中１点鎖線に示すようになる。すなわち、特許文献１（特許第４６１６４０５号公報）に記載されたベアリングレスモータによれば、支持電流に起因する８極成分の起磁力は発生しないので、支持電流に起因した回転トルクを発生することは無い。ここで、２極成分の起磁力の大きさｆ_sは式１で表される。

また、図２８に示すように、特許文献１（特許第４６１６４０５号公報）に記載されたベアリングレスモータでは、例えばＵ相について、固定子１１１に設けられた１２個の歯Ｕ１〜Ｕ１２のうち、同じ巻き数の電動機巻線Ｕ_mnが配置される歯が等間隔となるように、電動機巻線Ｕ_mnは配置される。図示の例では歯Ｕ１、Ｕ４、Ｕ７およびＵ１０に電動機巻線Ｕ_mnが配置され、この電動機巻線Ｕ_mnに電動機電流を流すことで８極磁束の起磁力が発生する。図２９では、図２３に示す電動機電流生成部１１３が生成するＵ相の電動機巻線Ｕ_mnに流す電動機電流Ｉ_umをＩとし、Ｖ相の電動機巻線Ｖ_mnに流す電動機電流Ｉ_vmを−０．５Ｉとし、Ｗ相の電動機巻線Ｗ_mnに流す電動機電流Ｉ_wmを−０．５Ｉとし、支持電流生成部１１４が生成する各支持巻線Ｉ_us、Ｉ_vsおよびＩ_wsを全て０（ゼロ）としたときの起磁力分布を実線で示している。この起磁力分布をフーリエ級数展開すると、８極の永久磁石を有する回転子１１２に対し、支持力を発生する２極成分の起磁力は図中破線で示すようになり、回転トルクを発生する８極成分の起磁力は図中１点鎖線に示すようになる。すなわち、特許文献１（特許第４６１６４０５号公報）に記載されたベアリングレスモータによれば、電動機電流に起因する２極成分の起磁力は発生しないので、電動機電流に起因した支持力を発生することは無い。

以上説明した特許文献１に記載されたベアリングレスモータは、固定子に極数の異なる電動機巻線および支持巻線を別々に設けたものがあるが、これとは別に、支持巻線をなくし電動機電流のみで回転トルクと支持力を発生させる中点電流注入型のベアリングレスモータも提案されている（例えば、特許文献２および非特許文献１３参照。）。

図３０は、特許文献２（特開２０１１−０４５１６３号公報）に記載されたベアリングレスモータの巻線の配置を説明する図である。特許文献２（特開２０１１−０４５１６３号公報）に記載されたベアリングレスモータでは、固定子１１１上に、巻線Ｕ_msおよび巻線Ｕ_sn、巻線Ｖ_msおよび巻線Ｖ_sn、ならびに巻線Ｗ_msおよび巻線Ｗ_snが設けられる。巻線Ｕ_msと巻線Ｕ_snとの間、巻線Ｖ_msと巻線Ｖ_snとの間、および巻線Ｗ_msと巻線Ｗ_snとの間には、中点Ｕ_s、Ｖ_sおよびＷ_sがそれぞれ設けられている。各巻線Ｕ_ms、Ｖ_msおよびＷ_msの一端は各端子Ｕ_m、Ｖ_mおよびＷ_mを介して電動機電流生成部１１３に接続される。電動機電流生成部１１３は、例えば三相インバータで構成される。各中点Ｕ_s、Ｖ_s、Ｗ_sはそれぞれ、支持電流生成部１１４に接続される。支持電流生成部１１４は、例えば三相インバータで構成される。このように、特許文献２（特開２０１１−０４５１６３号公報）に記載されたベアリングレスモータでは、Ｕ相の巻線は、端子Ｕ_mと中点Ｕ_sとの間の巻線Ｕ_msと、中点Ｕ_sと中性点Ｎとの間の巻線Ｕ_snとで構成され、Ｖ相の巻線は、端子Ｖ_mと中点Ｖ_sとの間の巻線Ｖ_msと、中点Ｖ_sと中性点Ｎとの間の巻線Ｖ_snとで構成され、Ｗ相の巻線は、端子Ｗ_mと中点Ｗ_sとの間の巻線Ｗ_msと、中点Ｗ_sと中性点Ｎとの間の巻線Ｗ_snとで構成されるが、各巻線Ｕ_msおよびＵ_sn、電動機巻線Ｖ_msおよびＶ_sn、電動機巻線Ｗ_msおよびＷ_snは電動機電流生成部１１３によって生成された電動機電流が流れるので電動機巻線として機能し、巻線Ｕ_sn、Ｖ_snおよびＷ_snは支持電流生成部１１４によって生成された支持電流が流れるので支持巻線として機能する。

図３１は、図３０に示すベアリングレスモータのＵ相の巻線の配置を説明する断面図であり、図３２は、図３１に示すベアリングレスモータのＵ相の巻線を有する固定子による支持力発生原理を示す断面図である。また、図３３は、図３１に示すベアリングレスモータのＵ相の巻線の等価回路を示す図であり、図３４は、図３１に示すベアリングレスモータのＵ相の巻線に流れる支持電流による起磁力分布を示す図である。また、図３５は、図３０に示すベアリングレスモータのＵ相の巻線に流れる電動機電流による起磁力分布を示す図である。

図示の例では、回転子１１２に８極の永久磁石が設けられ、固定子１１１には１２個の歯Ｕ１〜Ｕ１２が設けられている。特許文献２（特開２０１１−０４５１６３号公報）に記載された中点電流注入型のベアリングレスモータでは、１つの巻線で、支持力を発生する２極の磁束と回転トルクを発生する８極の磁束との両方を発生するため、特許文献１（特許第４６１６４０５号公報）に記載されたベアリングレスモータとは異なる電動機巻線配置となる。すなわち、Ｕ相の巻線のうち、支持巻線および電動機巻線の両機能を有する巻線Ｕ_snは、１２個の歯Ｕ１〜Ｕ１２のうち、例えば歯Ｕ８、Ｕ６およびＵ１に配置される。一方、Ｕ相の巻線のうち、電動機巻線としてのみ機能する巻線Ｕ_msは、１２個の歯Ｕ１〜Ｕ１２のうち、例えば歯Ｕ２、Ｕ１２およびＵ７に配置される。

図３１に示すように配置された巻線Ｕ_snに支持電流を図３２に示す向きに流すと、図３２に一点鎖線の矢印で示すように２極の支持磁束が発生する。回転子１１２ではバイアス磁束が図３２に実線の矢印で示すように回転軸から半径方向外方に放射状に発生するので、バイアス磁束と支持磁束とが強め合い磁束が密になる部分（図３２の右側）と、バイアス磁束と支持磁束とが弱め合い磁束が疎になる部分（図３２の左側）が発生する。これにより、回転子１１２には、図３２で太い矢印に示す方向（図３２では右方向）に支持力が発生する。ここでは、Ｕ相の巻線Ｕ_snについて示したが、Ｖ相およびＷ相の巻線Ｖ_snおよびＷ_snについても固定子１１１の歯Ｕ１〜Ｕ１２にバランスよく分散して配置することにより、回転子１１２に対して所望の方向に支持力を発生させることができる。

図３２に示すように巻線Ｕ_snに支持電流を流した場合、等価回路は図３３のように表される。図３３から、端子Ｕ_sに接続される支持電流生成部１１４には、端子Ｕ_mに接続される電動機電流生成部１１３に印加される誘起電圧（ｖ₂、ｖ₁₂、ｖ₇、ｖ₈、ｖ₆およびｖ₁）よりも小さい誘起電圧（ｖ₈、ｖ₆およびｖ₁）が印加されることが分かる。

また、図３４では、図３０に示す支持電流生成部１１４により生成されるＵ相の支持電流Ｉ_usをＩとし、Ｖ相の支持電流Ｉ_vsを−０．５Ｉとし、Ｗ相の支持電流Ｉ_wsを−０．５Ｉとし、電動機電流生成部１１３により生成される各電動機電流Ｉ_um、Ｉ_vmおよびＩ_wmを全て０（ゼロ）としたときの起磁力分布を実線で示している。この起磁力分布をフーリエ級数展開すると、８極の永久磁石を有する回転子１１２に対し、支持力を発生する２極成分の起磁力は図中破線で示すようになり、回転トルクを発生する８極成分の起磁力は図中１点鎖線に示すようになる。図３４に示すように、電動機電流を０（ゼロ）としたにもかかわらず支持電流を流すことにより８極成分の起磁力が発生しており、このことから、特許文献２（特開２０１１−０４５１６３号公報）に記載された中点電流注入型のベアリングレスモータでは、支持電流に起因して回転トルクを発生することがわかる。ここで、２極成分の起磁力の大きさｆ_sは式２で表される。

特許文献１（特許第４６１６４０５号公報）に記載されたベアリングレスモータに関する式１と特許文献２（特開２０１１−０４５１６３号公報）に記載された中点電流注入型のベアリングレスモータに関する式２とを比較すると、特許文献２（特開２０１１−０４５１６３号公報）に記載された中点電流注入型のベアリングレスモータの方が２極成分の起磁力が小さい。このことから、特許文献２（特開２０１１−０４５１６３号公報）に記載された中点電流注入型のベアリングレスモータの方が、特許文献１（特許第４６１６４０５号公報）に記載されたベアリングレスモータよりも支持力が発生しにくいことがわかる。

また、図３５では、図３０に示す電動機電流生成部１１３において、電動機電流生成部１１３により生成されるＵ相の電動機電流Ｉ_umをＩとし、Ｖ相の電動機電流Ｉ_vmを−０．５Ｉとし、Ｗ相の電流Ｉ_wmを−０．５Ｉとし、支持電流生成部１１４により生成される各支持巻線Ｉ_us、Ｉ_vsおよびＩ_wsを全て０（ゼロ）としたときの起磁力分布を実線で示している。この起磁力分布をフーリエ級数展開すると、８極の永久磁石を有する回転子１１２に対し、支持力を発生する２極成分の起磁力は図中破線で示すようになり、回転トルクを発生する８極成分の起磁力は図中１点鎖線に示すようになる。すなわち、特許文献２（特開２０１１−０４５１６３号公報）に記載された中点電流注入型のベアリングレスモータによれば、電動機電流に起因する２極成分の起磁力は発生しないので、電動機電流に起因した支持力を発生することは無い。

また、上述したベアリングレスモータ以外にも、例えば、５相、６相巻線として、各相の電流を独立に制御してトルクと支持力を発生するベアリングレスモータも提案されている（例えば、非特許文献１４〜１６参照。）。

特許第４６１６４０５号公報 特開２０１１−０４５１６３号公報

チャン他（Ｚｈａｎｇ）著「ＣｅｎｔｒｉＭａｇ血液ポンプの流体力学および血液適合性のコンピュータおよび実験による評価（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ Ｈｅｍｏｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ＣｅｎｔｒｉＭａｇ Ｂｌｏｏｄ Ｐｕｍｐ）」、人工臓器（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｏｒｇａｎｓ）、Ｖｏｌ．３０、Ｎｏ．３、ｐｐ．１６８〜１７７、２００６年 Ｊ・アサマ（Ｊ．Ａｓａｍａ）他著、「磁気浮上インペラーを有する小型高効率の低溶血性の遠心分離機血液ポンプ（Ａ Ｃｏｍｐａｃｔ Ｈｉｇｈｌｙ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ Ｌｏｗ Ｈｅｍｏｌｙｔｉｃ Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｂｌｏｏｄ Ｐｕｍｐ ｗｉｔｈ ａ Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｌｅｖｉｔａｔｅｄ Ｉｍｐｅｌｌｅｒ）」、人工臓器（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｏｒｇａｎｓ）、Ｖｏｌ．３０、Ｎｏ．２、ｐｐ．１６０−１６７、２００６年 大塚靖考、柿原功一、栗原伸幸、近藤良、岡田養二、「ワイドギャップ磁気軸受の開発とキャンドポンプ応用を考えた実験」、日本機械学会論文集（C編）、Ｖｏｌ．７３、Ｎｏ．７２５、ｐｐ．１９９−２０５、２００７年 「溶血性ポンプ−メカトロニクスシステムの完全例（Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｐｕｍｐ − Ａ Ｐｅｒｆｅｃｔ Ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ａ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｙｓｔｅｍ）」、第１巻、メカトロニクスシステムに関するＩＦＡＣ会議（ＩＦＡＣ−Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ）、２０００年 ヤーゲン・ハーン（Ｊｕｒｇｅｎ Ｈａｈｎ）、レト・ショブ（Ｒｅｔｏ Ｓｃｈｏｂ）著、「位置信号およびモータ電流からベアリングレスポンプにおける流量および圧力を判定する方法（Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ Ｆｌｏｗ ａｎｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ａ Ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ Ｐｕｍｐ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｉｇｎａｌｓ ａｎｄ Ｍｏｔｏｒ Ｃｕｒｒｅｎｔｓ）」、国際パワーエレクトロニクス会議（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）、２０００年 Ａ・チバ（Ａ．Ｃｈｉｂａ）他著、「磁気軸受およびベアリングレス装置（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇｓ ａｎｄ Ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ Ｄｒｉｖｅｓ）」、ニューネス・エルスビァー（Ｎｅｗｎｅｓ Ｅｌｓｅｖｉｅｒ）、ｐｐ３８１、２００５年３月 Ｎ・ヤマモト（Ｎ．Ｙａｍａｍｏｔｏ）、Ｍ・タケモト（Ｍ．Ｔａｋｅｍｏｔｏ）、Ｓ・オガサワラ（Ｓ．Ｏｇａｓａｗａｒａ）、Ｍ・ヒラグシ（Ｍ．Ｈｉｒａｇｕｓｈｉ）著、「５軸アクティブ制御型ベアリングレスキャンドモータポンプの実験的推定（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ５−ａｘｉｓ ａｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｙｐｅ ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ ｃａｎｎｅｄ ｍｏｔｏｒ ｐｕｍｐ）」、（米国）、電気機械・装置会議（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ＆ Ｄｒｉｖｅｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （ＩＥＭＤＣ））、米国電気電子学会 Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｖｏｌ．、Ｎｏ．、ｐｐ．１４８〜１５３、２０１１年５月１５〜１８日 岸裕二、石井貴久、朝間淳一、千葉明、「薄型遠心式人工心臓用ベアリングレスモータの設計」、電気学会回転機研究会資料、Ｖｏｌ．ＲＭ−０８−４０、Ｎｏ．３３〜４８、ｐｐ．４３〜４８、２００８年 神谷幸佑、杉元紘也、中村亮、間淳一、千葉明、深尾正、「トロイダル巻線を用いた多極コンシクエントポール型ベアリングレスモータの軸支持力特性」、電気学会研究会資料、Ｖｏｌ．ＲＭ−０８、Ｎｏ．３３〜４８、ｐｐ．３７〜４２、２００８年 田村智康、川田亮、朝間淳一、大岩孝彰、千葉明、「ベアリングの支持力干渉の低減」, ２０１０年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集、ｐｐ．８９５〜８９６、２０１０年 Ｊ・アサマ（Ｊ．Ａｓａｍａ）、Ｍ・アマダ（Ｍ．Ａｍａｄａ）、Ｎ・タナベ（Ｎ．Ｔａｎａｂｅ）、Ｎ・ミヤモト（Ｎ．Ｍｉｙａｍｏｔｏ）、Ａ・チバ（Ａ．Ｃｈｉｂａ）、Ｓ・イワサキ（Ｓ．Ｉｗａｓａｋｉ）、Ｍ・タケモト（Ｍ．Ｔａｋｅｍｏｔｏ）、Ｔ・フカオ（Ｔ・Ｆｕｋａｏ）、Ｍ・Ａ・ラーマン（Ｍ．Ａ．Ｒａｈｍａｎ）著、「ワイド磁石ギャップを有するベアリングレスＰＭモータの評価（Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ ＰＭ Ｍｏｔｏｒ Ｗｉｔｈ Ｗｉｄｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｇａｐｓ）」、（米国）、米国電気電子学会トランザクション（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ）、エネルギー変換（Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）、Ｖｏｌ．２５、Ｎｏ．４、ｐｐ．９５７〜９６４、２０１０年１２月 榎本偉大、宮本直哉、朝間淳一、千葉明、「５軸制御型ベアリンレスポンプの軸支持特性」、電磁力関連のダイナミックスシンポジウム講演論文集、第２１巻、ｐｐ．１４３〜１４８、２００９年 Ｙ・イイヤマ（Ｙ．Ｉｉｙａｍａ）、Ｋ・ソウトメ（Ｋ．Ｓｏｕｔｏｍｅ）、Ａ・チバ（Ａ．Ｃｈｉｂａ）「振動抑制のための新しい中点電流注入型ベアリングレスモータ（Ａ ｎｏｖｅｌ ｍｉｄｄｌｅ−ｐｏｉｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｔｙｐｅ ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ ｍｏｔｏｒ ｆｏｒ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ）」（米国）、米国電気電子学会（ＩＥＥＥ）、エネルギー変換会議・展示会（Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ａｎｄ Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ （ＥＣＣＥ））、Ｖｏｌ．、Ｎｏ．、ｐｐ．１６９３〜１６９８、２０１０年９月１２〜１６日 Ｒ・Ｌ・Ａ・リベイロ（Ｒ．Ｌ．Ａ．Ｒｉｂｅｉｒｏ）、Ｆ・Ｅ・Ｆ・カストロ（Ｆ．Ｅ．Ｆ．Ｃａｓｔｒｏ）、Ａ・Ｏ・サラバザール（Ａ．Ｏ．Ｓａｌａｚａｒ）、Ａ・Ｌ・マイテリー（Ａ．Ｌ．Ｍａｉｔｅｌｌｉ）、「分相ベアリングレス３相誘導機構のための適切な電流制御方法（Ａ Ｓｕｉｔａｂｌｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ Ｓｐｌｉｔ−Ｐｈａｓｅ Ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ Ｔｈｒｅｅ−Ｐｈａｓｅ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅ）」、米国電気電子学会（ＩＥＥＥ）、パワーエレクトロニクス専門家会議（Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）、ＰＥＳＣ ‘０５、第３６巻、ｖｏｌ．、ｎｏ．，ｐｐ．７０１−７０６、２００５年６月１６日 Ｗ・グルーバー（Ｗ.Ｇｒｕｂｅｒ）、Ｗ・アムレイン（Ｗ．Ａｍｒｈｅｉｎ）、Ｍ・ハスルマイヤー（Ｍ．Ｈａｓｌｍａｙｒ）著、「５ステータ要素を有するベアリングレスセグメントモータ−設計および最適化（Ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ Ｓｅｇｍｅｎｔ Ｍｏｔｏｒ Ｗｉｔｈ Ｆｉｖｅ Ｓｔａｔｏｒ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ−Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）」、米国電気電子学会（ＩＥＥＥ）、産業応用（Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）、Ｖｏｌ．４５、Ｎｏ．４、ｐｐ．１３０１−１３０８、２００９年７〜８月 Ｗ・グルーバー（Ｗ.Ｇｒｕｂｅｒ）、Ｔ・ナスバウマー（Ｔ．Ｎｕｓｓｂａｕｍｅｒ）、Ｈ・グラブナー（Ｈ.Ｇｒａｂｎｅｒ）、「ワイドエアギャップおよびラージスケールの６固定子のベアリングレスセグメントモータ（Ｗｉｄｅ Ａｉｒ Ｇａｐ ａｎｄ Ｌａｒｇｅ−Ｓｃａｌｅ Ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ Ｓｅｇｍｅｎｔ Ｍｏｔｏｒ Ｗｉｔｈ Ｓｉｘ Ｓｔａｔｏｒ」 」、米国電気電子学会（ＩＥＥＥ）、磁気（Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ）、Ｖｏｌ．４６、Ｎｏ．６、ｐｐ．２４３８−２４４１、２０１０年６月

特許文献１（特許第４６１６４０５号公報）に記載された発明のように固定子に極数の異なる電動機巻線および支持巻線を別々に設けたベアリングレスモータによれば、固定子には支持巻線および電動機巻線の両方を収容する歯を設けなければならないので、歯が大きくなり、ベアリングレスモータが大型にならざるを得ないという問題がある。電動機巻線および支持巻線を別々に設ける特許文献１（特許第４６１６４０５号公報）に記載された発明は、支持巻線および電動機巻線の機能を共有する巻線を有する特許文献２（特開２０１１−０４５１６３号公報）に記載された発明に比べ、通常は固定子の直径を１０％程度大きくする必要があることが多いが、固定子と回転子との間を大きく取る必要がある用途に用いられるベアリングレスモータの場合には特に大きな起磁力が要求されるので、特許文献１（特許第４６１６４０５号公報）に記載された発明では必然的に歯の直径も大きくせざるを得ないという問題がある。

一方、特許文献２（特開２０１１−０４５１６３号公報）に記載された発明によれば、支持巻線をなくし電動機電流のみで回転トルクと支持力を発生させるので、特許文献１（特許第４６１６４０５号公報）に記載された発明に比べ小型化に適している。しかしながら、特許文献２（特開２０１１−０４５１６３号公報）に記載された発明は、特許文献１（特許第４６１６４０５号公報）に記載された発明に比べ、上記の理由により支持力が発生しにくいという問題がある。また、支持電流に起因して回転トルクが発生してしまうという問題がある。またさらには、上述したように支持電流生成部にも誘起電圧の一部が印加されるので、ベアリングレスモータの制御装置の耐圧についても考慮して設計しなければならないという問題がある。

またさらに、非特許文献１４〜１６に記載されたベアリングレスモータにおいては、モータの誘起電圧が発生する問題がある。

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、回転子が磁気力を発生しながら回転する電動機において、あるギャップを隔てて回転子を浮上させる安定した支持力を発生させることができ、制御容易で小型で低コストの電動機、この電動機の固定子、およびこの電動機を備える電動機システムを提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明においては、回転子が磁気力を発生しながら回転する電動機の固定子は、回転子の回転トルクを発生させる電動機電流を生成する電動機電流生成部を接続するための第１の端子と、回転子の半径方向に磁気力を発生させる支持電流を生成する支持電流生成部を接続するための第２の端子と、一端が第１の端子に接続され、他端が第２の端子に接続された第１の巻線と、一端が第１の端子に接続され、他端が電動機の中性点に接続された第２の巻線と、を備える。

ここで、第１の巻線および第２の巻線は、対峙する回転子の回転方向に沿って固定子上に設けられた複数の歯のうち、第２の端子から流入する支持電流が第１の巻線を経由して第２の巻線を流れて第１の巻線および第２の巻線により支持力を発生する起磁力が発生し、かつ、第１の端子から流入する電動機電流が第１の巻線および第２の巻線に分岐して分かれて流れて第１の巻線および第２の巻線によりトルクを発生する起磁力が発生することになる歯に、それぞれ配置される。

また、第１の巻線および第２の巻線は、対峙する回転子の回転方向に沿って固定子上に設けられた複数の歯のうち、第２の端子から流入する支持電流が第１の巻線を経由して第２の巻線を流れたときにそれぞれ発生する第１の巻線における誘起電圧および第２の巻線における誘起電圧が、大きさが等しくなおかつ向きが逆となるような歯にそれぞれ配置される。

また、本発明による電動機は、上述の固定子と、半径方向にギャップを隔てて固定子と対峙した回転子であって、回転軸から半径方向外方に向いたバイアス磁束を発生するように着磁された永久磁石が設けられた回転子と、を備え、第２の端子から流入する支持電流が第１の巻線を経由して第２の巻線を流れて第１の巻線および第２の巻線により発生した支持磁束と回転子に設けられた永久磁石により発生したバイアス磁束とにより磁束の粗密が発生して、回転子を固定子に対して磁気浮上させる支持力が発生し、第１の端子から流入する電動機電流が第１の巻線および第２の巻線に分岐して分かれて流れて第１の巻線および第２の巻線により発生した電動機磁束と回転子に設けられた永久磁石により発生したバイアス磁束とにより、回転子を回転させるための回転トルクが発生する。

ここで、固定子における第１の巻線および第２の巻線により発生した支持磁束の極数は、回転子に設けられた永久磁石により発生したバイアス磁束の極数よりも２極多いかまたは２極少ない。

また、本発明による電動機システムは、上述の電動機と、電動機電流を生成する電動機電流生成部と、支持電流を生成する支持電流生成部と、を備える。

また、本発明による電動機システムは、上述の電動機と、電動機を強め界磁、または弱め界磁を行い、回転子および固定子に軸方向に磁束を発生する機構を備え、スラスト電磁力を発生する機能を備える。

本発明によれば、回転子が磁気力を発生しながら回転する電動機において、あるギャップを隔てて回転子を浮上させる安定した支持力を発生させることができ、制御容易で小型で低コストの電動機、この電動機の固定子、およびこの電動機を備える電動機システムを実現することができる。

本発明は、電動機生成部に対し、巻線が２並列に接続され、このうち一方の巻線の一端は支持電流生成部に接続され、もう一方の巻線は中性点に接続されるようにすることで、これら巻線全てに電動機電流および支持電流が流れるようにし、全巻線に回転トルクおよび支持力を発生させるものである。しがたって、本発明は、特許文献１（特許第４６１６４０５号公報）に記載された発明とは異なり電動機電流と支持巻線とを別々に設けないので、固定子を小型化することができ、したがって電動機および電動機システムを固定化することができる。

本発明によれば、支持電流がすべての巻線を流れることになるので、巻線に大きな磁束変化を発生させることができ、したがって巻線の一部に支持電流を流す特許文献２（特開２０１１−０４５１６３号公報）に記載された中点電流注入型のベアリングレスモータよりも大きな支持力を発生させることができる。また、本発明と特許文献１（特許第４６１６４０５号公報）に記載された発明とを比較しても、本発明は、特許文献１（特許第４６１６４０５号公報）に記載されたベアリングレスモータと同等の支持力を得ることができる。

また、本発明によれば、特許文献２（特開２０１１−０４５１６３号公報）に記載された中点電流注入型のベアリングレスモータとは異なり、支持電流に起因する起磁力は発生しないので、支持電流に起因した回転トルクを発生することは無い。すなわち、本発明によれば、回転子の回転制御のための電動機制御系と、回転子の支持制御のための支持制御系とが干渉することはなく、制御装置を容易に構築することができる。

また、支持電流生成部に印加される電動機の誘起電圧は０（ゼロ）となる。すなわち、支持電流生成部には電動機の誘起電圧は印加されないので、電動機の制御装置の耐圧の設計が容易になり、コストも低減される。

本発明の第１〜第８の実施例によるベアリングレスモータの固定子の巻線の配置を説明する回路図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線の配置を説明する断面図である。 図２に示す本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線を有する回転子の支持力発生原理を示す断面図である。 図２に示す本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線の等価回路を示す図である。 図２に示す本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線に流れる支持電流による起磁力分布を示す図である。 本発明の第１〜第８の実施例によるベアリングレスモータを駆動するための制御装置を示すブロック図である。 本発明の第２の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線の配置を説明する断面図である。 本発明の第３の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線の配置を説明する断面図である。 本発明の第４の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線の配置を説明する断面図である。 本発明の第５の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線の配置を説明する断面図である。 本発明の第６の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線の配置を説明する断面図である。 本発明の第７の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線の配置を説明する断面図である。 本発明の第８の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線の配置を説明する断面図である。 図１３に示す本発明の第８の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線を有する回転子の支持力発生原理を示す断面図である。 本発明の第９の実施例によるベアリングレスモータの固定子の巻線の配置を説明する回路図である。 本発明の第１０の実施例によるキャンドポンプを示す断面図である。 本発明の第１１の実施例によるキャンドポンプを示す断面図である。 本発明の第１２の実施例によるポンプを示す断面図である。 本発明の第１３の実施例によるポンプを示す断面図である。 本発明の第１４の実施例によるポンプを示す断面図である。 一般的なベアリングレスモータの構造を示す断面図である。 一般的なベアリングレスモータにおける回転子の支持力発生原理を示す断面図である。 特許文献１（特許第４６１６４０５号公報）に記載されたベアリングレスモータの電動機巻線および支持巻線の配置を説明する図である。 図２３に示すアリングレスモータのＵ相の支持巻線の配置を説明する断面図である。 図２４に示すベアリングレスモータのＵ相の支持巻線を有する固定子による支持力発生原理を示す断面図である。 図２４に示すベアリングレスモータのＵ相の支持巻線の等価回路を示す図である。 図２４に示すベアリングレスモータのＵ相の支持巻線に流れる支持電流による起磁力分布を示す図である。 図２３に示すベアリングレスモータのＵ相の電動機巻線電流の配置を説明する断面図である。 図２８に示すベアリングレスモータのＵ相の電動機巻線に流れる電動機電流による起磁力分布を示す図である。 特許文献２（特開２０１１−０４５１６３号公報）に記載されたベアリングレスモータの巻線の配置を説明する図である。 図３０に示すベアリングレスモータのＵ相の巻線の配置を説明する断面図である。 図３１に示すベアリングレスモータのＵ相の巻線を有する固定子による支持力発生原理を示す断面図である。 図３１に示すベアリングレスモータのＵ相の巻線の等価回路を示す図である。 図３１に示すベアリングレスモータのＵ相の巻線に流れる支持電流による起磁力分布を示す図である。 また、図３５は、図３０に示すベアリングレスモータのＵ相の巻線に流れる電動機電流による起磁力分布を示す図である。

以下図面を参照して、本発明の実施例による電動機、この電動機の固定子、およびこの電動機を備える電動機システムについて説明する。以下、電動機を「ベアリングレスモータ」と称する。

図１は、本発明の第１〜第８の実施例によるベアリングレスモータの固定子の巻線の配置を説明する回路図である。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。図１では、第１〜第８の実施例として３相のベアリングレスモータに関して説明するが、２相のベアリングレスモータに関しても同様に適用可能であり、これについては図１５を参照して説明する。

本発明の第１〜第８の実施例によれば、回転子が磁気力を発生して固定子から浮上しながら回転するベアリングレスモータの固定子１１は、回転子の回転トルクを発生させる電動機電流を生成する電動機電流生成部１３を接続するための第１の端子Ｕ_m、Ｖ_mおよびＷ_mと、回転子の半径方向に磁気力を発生させる支持電流を生成する支持電流生成部１４を接続するための第２の端子Ｕ_s、Ｖ_sおよびＷ_sと、一端が第１の端子Ｕ_m、Ｖ_mおよびＷ_mに接続され、他端が第２の端子Ｕ_s、Ｖ_sおよびＷ_sに接続された第１の巻線Ｕ_ms、Ｖ_msおよびＷ_msと、一端が第１の端子Ｕ_m、Ｖ_mおよびＷ_mに接続され、他端がベアリングレスモータの中性点Ｎに接続された第２の巻線Ｕ_mn、Ｖ_mnおよびＷ_mnと、を備える。つまり、本発明の実施例による固定子１１においては、電動機生成部１３に対し、巻線が２並列（すなわち、Ｕ相については巻線Ｕ_msと巻線Ｕ_mn、Ｖ相については巻線Ｖ_msと巻線Ｖ_mn、およびＷ相については巻線Ｗ_msと巻線Ｗ_mn）に接続されており、このうち一方の巻線（すなわち、巻線Ｕ_ms、巻線Ｖ_ms、および巻線Ｗ_ms）の一端は支持電流生成部１４に接続され、もう一方の巻線（すなわち、巻線Ｕ_mn、巻線Ｖ_mn、および巻線Ｗ_mn）の一端は中性点Ｎに接続される。

電動機電流生成部１１３および支持電流生成部１４は、例えば三相インバータで構成される。電動機電流生成部１１３により生成された電動機電流Ｉ_um、Ｉ_vmおよびＩ_wmは、上記２並列の巻線（すなわち、Ｕ相については巻線Ｕ_msと巻線Ｕ_mn、Ｖ相については巻線Ｖ_msと巻線Ｖ_mn、およびＷ相については巻線Ｗ_msと巻線Ｗ_mn）を並列に流れる。また、支持電流生成部１４により生成された支持電流Ｉ_us、Ｉ_vsおよびＩ_wsは、Ｕ相については巻線Ｕ_msと巻線Ｕ_mnを、Ｖ相については巻線Ｖ_msと巻線Ｖ_mnを、Ｗ相については巻線Ｗ_msと巻線Ｗ_mnを、それぞれ直列に流れる。つまり、本発明の第１〜第８の実施例による固定子１１においては、各巻線には電動機電流および支持電流の両方が流れる。例えば、図１に示す例において、上記２並列の巻線（すなわち、Ｕ相については巻線Ｕ_msと巻線Ｕ_mn、Ｖ相については巻線Ｖ_msと巻線Ｖ_mn、およびＷ相については巻線Ｗ_msと巻線Ｗ_mn）に電動機電流Ｉ_um、Ｉ_vmおよびＩ_wmが各々等量流れ込むと仮定すると、Ｕ相については、巻線Ｕ_msには電流「０．５Ｉ_um−Ｉ_us」が流れ、巻線Ｕ_mnには電流「０．５Ｉ_um＋Ｉ_us」が流れる。また、Ｖ相については、巻線Ｖ_msには電流「０．５Ｉ_vm−Ｉ_vs」が流れ、巻線Ｖ_mnには電流「０．５Ｉ_vm＋Ｉ_vs」が流れる。また、Ｗ相については、巻線Ｗ_msには電流「０．５Ｉ_wm−Ｉ_ws」が流れ、巻線Ｗ_mnには電流「０．５Ｉ_wm＋Ｉ_ws」が流れる。なお、ここでは、Ｉ_um、Ｉ_vm、およびＩ_wmの係数を一例として０．５としたが、他の係数であってもよく、例えば０．１〜０．９程度であってもよい。また、この図も含めて以降の図においては、電流が流れる向きについては図示の矢印を正負の基準とする。

図２は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線の配置を説明する断面図であり、図３は、図２に示す本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線を有する回転子の支持力発生原理を示す断面図である。また、図４は、図２に示す本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線の等価回路を示す図である。また、図５は、図２に示す本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線に流れる支持電流による起磁力分布を示す図である。図２〜５に示す例では、一例として、回転子１２に８極の永久磁石が設けられ、固定子１１には、対峙する回転子１２の回転方向に沿って１２個の歯Ｕ１〜Ｕ１２が設けられている場合を示している。ここで、Ｕ相について、便宜上、２つの巻線Ｕ_msおよびＵ_mnのうち、巻線Ｕ_msを第１の巻線と称し、巻線Ｕ_mnを第２の巻線と称する。また、端子Ｕ_mを第１の端子と称し、端子Ｕ_sを第２の端子と称する。なお、図２〜５においては、説明を簡明にするためにＵ相についてのみ説明するが、Ｖ相およびＷ相についても同様に適用可能である。

本発明の第１の実施例による固定子１１に配置される巻線の歯位置については、次の２つの条件を満たすものを選ぶ。まず第１の条件として、Ｕ相巻線について図２および図３に示すように、図１の第１の巻線Ｕ_msおよび第２の巻線Ｕ_mnは、第２の端子Ｕ_sから流入する支持電流が第１の巻線Ｕ_msを経由して第２の巻線Ｕ_mnを流れて第１の巻線Ｕ_msおよび第２の巻線Ｕ_mnにより支持力を発生する起磁力が発生し、かつ、第１の端子Ｕ_mから流入する電動機電流が第１の巻線Ｕ_msおよび第２の巻線Ｕ_mnに分岐して分かれて流れて第１の巻線Ｕ_msおよび第２の巻線Ｕ_mnによりトルクを発生する起磁力が発生することになる歯に、それぞれ配置されるものとする。また、第２の条件として、Ｕ相巻線について図２〜４に示すように、図１の第１の巻線Ｕ_msおよび第２の巻線Ｕ_mnは、第２の端子Ｕ_sから流入する支持電流が第１の巻線Ｕ_msを経由して第２の巻線Ｕ_mnを流れたときにそれぞれ発生する第１の巻線Ｕ_msにおける誘起電圧および第２の巻線Ｕ_msにおける誘起電圧が、大きさが等しくなおかつ向きが逆となるような歯に、それぞれ配置されるものとする。すなわち、本発明による固定子１１に配置される巻線の歯位置については、上述の第１の条件および第２の条件の両方を満たすものを選択する。

本発明の第１の実施例では、図２に例示するように、１２個の歯Ｕ１〜Ｕ１２のうち、第１の巻線Ｕ_msは、例えば歯Ｕ２、Ｕ１２およびＵ７に配置される。このとき、第２の巻線Ｕ_mnは、歯Ｕ８、Ｕ６およびＵ１に配置される。第１の巻線Ｕ_mnおよび第２の巻線Ｕ_msについて電流の流れる向きについては図１に示す矢印の向きを正とする。すなわち、第１の巻線Ｕ_msには「０．５Ｉ_um−Ｉ_us」の電流が図中の矢印の向きに流れ、第２の巻線Ｕ_mnには「０．５Ｉ_um＋Ｉ_us」の電流が図中の矢印の向きに流れるときをそれぞれ正とする。電動機電流生成部１３により電動機電流Ｉ_umが生成されて出力され、支持電流生成部１４により支持電流Ｉ_usが生成されて出力されると、第２の巻線Ｕ_mnには「０．５Ｉ_um＋Ｉ_us」の電流が流れるが、第１の巻線Ｕ_msには「０．５Ｉ_um−Ｉ_us」の電流が流れる。したがって、第２の巻線Ｕ_msについては電流が流れたときに第１の巻線Ｕ_mnが発生する磁束と略同一方向の磁束が発生すような向きに巻線コイルが巻かれる（図２および図３）。

図２に示すように配置された、第１の巻線Ｕ_msおよび第２の巻線Ｕ_mnに支持電流を流すと、図３に一点鎖線の矢印で示すように２極の支持磁束が発生する。回転子１２ではバイアス磁束が図３に実線の矢印で示すように回転軸から半径方向外方に放射状に発生するので、バイアス磁束と支持磁束とが強め合い磁束が密になる部分（図３の右側）と、バイアス磁束と支持磁束とが弱め合い磁束が疎になる部分（図３の左側）が発生する。これにより、回転子１２には、図３で太い矢印に示す方向（図３では右方向）に支持力が発生する。ここでは、Ｕ相の巻線について示したが、回転子１２に対して所望の方向に支持力を発生させるべく、Ｖ相およびＷ相の各巻線についても固定子１１の歯Ｕ１〜Ｕ１２のいずれかに分散配置することにより、ことができる。

図２に示すように第１の巻線Ｕ_msおよび第２の巻線Ｕ_mnに支持電流を流した場合、第１の巻線Ｕ_msおよび第２の巻線Ｕ_mnの等価回路は図４のように表される。歯Ｕ２、Ｕ１２およびＵ７に配置された第１の巻線Ｕ_msと歯Ｕ８、Ｕ６およびＵ１に配置された第２の巻線Ｕ_mnとが並列に施されている。第１の巻線Ｕ_msおよび第２の巻線Ｕ_mnには回転子の電動機磁束が鎖交するのでそれぞれ誘起電圧が発生するが、支持電流生成部１４の接続点Ｕ_sから中性点Ｎまでの支持電流の流れを考えると、負の誘起電圧を持つ歯Ｕ２、Ｕ１２およびＵ７に配置された第１の巻線Ｕ_msと正の誘起電圧を持つ歯Ｕ８、Ｕ６およびＵ１に配置された第２の巻線Ｕ_mnとがある。すなわち、支持電流生成部１４が接続された第２の端子Ｕ_s側から見込むと、第１の巻線Ｕ_msおよび第２の巻線Ｕ_mnは、第２の端子Ｕ_sから流入する支持電流が第１の巻線Ｕ_msを経由して第２の巻線Ｕ_mnを流れたときにそれぞれ発生する第１の巻線Ｕ_msにおける誘起電圧ｖ₇、ｖ₁₂およびｖ₂と第２の巻線Ｕ_mnにおける誘起電圧ｖ₈、ｖ₆およびｖ₁とは、大きさが等しくなおかつ向きが逆となるので、これら誘起電圧は互いに打ち消しあい、支持電流生成部１４に印加される電動機の誘起電圧は０（ゼロ）となる。すなわち、支持電流生成部１４には誘起電圧は印加されない。このように、歯Ｕ２、Ｕ１２およびＵ７に配置された第１の巻線Ｕ_msには負の支持電流が流れ、歯Ｕ８、Ｕ６およびＵ１に配置された第２の巻線Ｕ_mnには正の支持電流が流れるので、支持電流生成部１４からみた巻線配置は、上述した図３のようになる。図３に示した支持磁束が、回転子１２のバイアス磁束に重畳され磁束の疎密を生み出し、回転子１２に対する支持力が発生する。

また、図５では、図１に示す支持電流生成部１４が生成するＵ相の巻線Ｕ_msおよびＵ_mnに流す支持電流Ｉ_usをＩとし、Ｖ相の巻線Ｖ_msおよびＶ_mnに流す支持電流Ｉ_vsを−０．５Ｉとし、Ｗ相の巻線Ｗ_msおよびＷ_mnに流す支持電流Ｉ_wsを−０．５Ｉとし、電動機電流生成部１３が生成する各電動機電流Ｉ_um、Ｉ_vmおよびＩ_wmを全て０（ゼロ）としたときの起磁力分布を実線で示している。この起磁力分布をフーリエ級数展開すると、８極の永久磁石を有する回転子１２に対し、支持力を発生する２極成分の起磁力は図中破線で示すようになり、回転トルクを発生する８極成分の起磁力は図中１点鎖線に示すようになる。すなわち、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータによれば、特許文献２（特開２０１１−０４５１６３号公報）に記載された中点電流注入型のベアリングレスモータとは異なり、支持電流に起因する８極成分の起磁力は発生しないので、支持電流に起因した回転トルクを発生することは無い。ここで、２極成分の起磁力の大きさｆ_sは式３で表される。

ここで、特許文献１（特許第４６１６４０５号公報）に記載されたベアリングレスモータに関する式１と本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータに関する式３とを比較すると、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータは、特許文献１（特許第４６１６４０５号公報）に記載されたベアリングレスモータと同等の支持力が得られていることがわかる。

このように、本発明の第１の実施例によれば、支持電流生成部１４からの支持電流は各相について上記２つの巻線を直列に流れるため、大きな磁束変化を発生させることができるので、巻線の一部に支持電流を流す特許文献２（特開２０１１−０４５１６３号公報）に記載された中点電流注入型のベアリングレスモータよりも大きな支持力を発生させることができる。また、支持電流生成部１４側からから見込むと、２つの巻線の誘起電圧が打ち消し合い支持電流生成部１４に加わるモータの誘起電圧は０（ゼロ）となるので、支持電流生成部には電動機の誘起電圧は印加されない。

図６は、本発明の第１〜第８の実施例によるベアリングレスモータを駆動するための制御装置を示すブロック図である。ここでは、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータに関して説明するが、第１の実施例によるベアリングレスモータと同じく３相のベアリングレスモータである第２〜第８の実施例に関しても図６の制御装置は同様に適用可能である。

本発明による三相のベアリングレスモータ１は、本発明の第１の実施例として図１〜５を参照して説明した固定子１１と、固定子１１に対し半径方向にギャップを隔てて対峙した回転子１２であって、回転軸から半径方向外方に向いたバイアス磁束を発生するように着磁された永久磁石が設けられた回転子１２と、を備える、ベアリングレスモータ１では、第２の端子から流入する支持電流が第１の巻線を経由して第２の巻線を流れて第１の巻線および第２の巻線により発生した支持磁束と回転子１２に設けられた永久磁石により発生したバイアス磁束とにより磁束の粗密が発生して、回転子１２を固定子１１に対して磁気浮上させる支持力すなわち固定子１１が回転子１２を磁気支持するための支持力が発生し、第１の端子から流入する電動機電流が第１の巻線および第２の巻線に分岐して分かれて流れて第１の巻線および第２の巻線により発生した電動機磁束と回転子１２に設けられた永久磁石により発生したバイアス磁束とにより、回転子１２を回転させるための回転トルクが発生する。ベアリングレスモータ１には、浮上する回転子の位置をｘ方向およびｙ方向に関するパラメータとして計測するための位置センサ１５ｘおよび１５ｙが装着される。

本発明の実施例によるベアリングレスモータ１を駆動制御する制御装置２は、電動機制御部２−１と支持制御部２−２とを備える。

電動機制御部２−１内には電動機電流生成部１３である電動機インバータが設けられる。電動機制御部２−１には回転速度指令値ω^*および電流指令値ｉ^*が与えられ、電動機インバータ１３はこれら指令値ω^*およびｉ^*に応じて各相についての電動機電流ｉ_um、ｉ_vmおよびｉ_wmを出力する。出力された電動機電流ｉ_um、ｉ_vmおよびｉ_wは図１〜５を参照して説明したベアリングレスモータ１の固定子１１の第１の端子Ｕ_m、Ｖ_mおよびＷ_mにそれぞれ入力される。電動機インバータ１３は汎用インバータでもよい。

支持制御部２−２内には、支持制御演算部２−２−１と、ＰＩＤ制御部２−２−２と、支持電流生成部１４である支持インバータと、が設けられる。ベアリングレスモータ１に装着された位置センサ１５ｘおよび１５ｙにより検出された、浮上する回転子１２のｘｙ方向の各位置ｘ_gおよびｙ_gは支持制御部２−２へ入力される。支持制御部２−２において、回転子１２の位置指令値ｘ^*およびｙ^*と、位置センサ１５ｘおよび１５ｙにより検出された、ベアリングレスモータ１の回転子１２の位置ｘ_gおよびｙ_gとの差がＰＩＤなどの制御部２−２−２に入力される。ＰＩＤ制御部２−２−２では入力された値に応じて支持電流指令値ｉ_sa ^*およびｉ_sb ^*を作成する。電動機インバータ１３が出力した電動機電流ｉ_um、ｉ_vmおよびｉ_wmの検出値は支持制御演算部２−２−１に入力される。

支持制御演算部２−２−１は、式４に基づき、支持電流指令値ｉ_sa ^*およびｉ_sb ^*を２相３相変換し、入力された電動機電流ｉ_um、ｉ_vmおよびｉ_wmの半分を減算することで、支持電流指令値ｉ_us ^*、ｉ_vs ^*およびｉ_ws ^*を作成する。支持インバータ１４は支持電流指令値ｉ_us ^*、ｉ_vs ^*およびｉ_ws ^*に応じて各相についての支持電流ｉ_us、ｉ_vsおよびｉ_wsを出力する。出力された支持電流ｉ_us、ｉ_vsおよびｉ_wsは図１〜５を参照して説明したベアリングレスモータ１の固定子１１の第２の端子Ｕ_s、Ｖ_sおよびＷ_sにそれぞれ入力される。ベアリングレスモータが２相である場合も同様に構成することができる。上述したように、本発明によれば、支持電流に起因する起磁力は発生しないので、支持電流に起因した回転トルクを発生することはないので、図６に示すように本発明によるベアリングレスモータの制御装置は、回転子の回転制御のための電動機制御部２−１と、回転子の支持制御のための支持制御部２−２とで処理が干渉することはなく、制御装置を容易に構築することができる。

上述の本発明の第１の実施例では、各巻線を図２に示す歯位置に配置したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の固定子１１に配置される巻線の歯位置は、上述の第１の条件および第２の条件を両方満たすものであればよい。すなわち、本発明は、説明を簡明にするためにＵ相についてのみ説明すると、第１の条件として、図１を参照して説明した第１の巻線Ｕ_msおよび第２の巻線Ｕ_mnは、第２の端子Ｕ_sから流入する支持電流が第１の巻線Ｕ_msを経由して第２の巻線Ｕ_mnを流れて第１の巻線Ｕ_msおよび第２の巻線Ｕ_mnにより支持力を発生する起磁力が発生し、かつ、第１の端子Ｕ_mから流入する電動機電流が第１の巻線Ｕ_msおよび第２の巻線Ｕ_mnに分岐して分かれて流れて第１の巻線Ｕ_msおよび第２の巻線Ｕ_mnによりトルクを発生する起磁力が発生することになる歯に、それぞれ配置されるものとする。また、第２の条件として、図１の第１の巻線Ｕ_msおよび第２の巻線Ｕ_mnは、第２の端子Ｕ_sから流入する支持電流が第１の巻線Ｕ_msを経由して第２の巻線Ｕ_mnを流れたときにそれぞれ発生する第１の巻線Ｕ_msにおける誘起電圧および第２の巻線Ｕ_msにおける誘起電圧が、大きさがなるべく等しくなおかつ向きがなるべく逆となるような歯にそれぞれ配置されるものとする。Ｖ相およびＷ相についても同様である。

また、回転子に設けられる永久磁石の極数を変更しても、本発明は、上記第１の条件および第２の条件の両方を満たせば適用可能である。以下、巻線の歯位置および永久磁石の極数を変更した他の実施例について説明する。

図７は、本発明の第２の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の支持巻線の配置を説明する断面図である。本発明の第２の実施例は、第１の実施例の場合と同様、回転子１２に８極の永久磁石が設けられ、固定子１１には、対峙する回転子１２の回転方向に沿って１２個の歯Ｕ１〜Ｕ１２が設けられている場合を示しているが、巻線の歯位置が第１の実施例とは異なる。すなわち、図７に示すように、１２個の歯Ｕ１〜Ｕ１２のうち、第１の巻線Ｕ_msは、歯Ｕ３、Ｕ１１およびＵ７に配置される。このとき、第２の巻線Ｕ_mnは、歯Ｕ５、Ｕ９およびＵ１に配置される。

図８は、本発明の第３の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線の配置を説明する断面図である。本発明の第３の実施例は、回転子１２に８極の永久磁石が設けられ、固定子１１には、対峙する回転子１２の回転方向に沿って２４個の歯Ｕ１〜Ｕ２４が設けられたものである。図８に示すように、２４個の歯Ｕ１〜Ｕ２４のうち、第１の巻線Ｕ_msは、歯Ｕ４、Ｕ３、Ｕ２３、Ｕ２２、Ｕ１４、Ｕ１３およびＵ１２に配置される。このとき、第２の巻線Ｕ_mnは、歯Ｕ１０、Ｕ１１、Ｕ１５、Ｕ１６、Ｕ２４、Ｕ１およびＵ２に配置される。

図９は、本発明の第４の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線の配置を説明する断面図である。本発明の第４の実施例は、回転子１２に８極の永久磁石が設けられ、固定子１１には、対峙する回転子１２の回転方向に沿って１８個の歯Ｕ１〜Ｕ１８が設けられたものである。図９に示すように、１８個の歯Ｕ１〜Ｕ１８のうち、第１の巻線Ｕ_msは、歯Ｕ３、Ｕ１７、Ｕ１１、Ｕ１０およびＵ９に配置される。このとき、第２の巻線Ｕ_mnは、歯Ｕ８、Ｕ１２、Ｕ１８、Ｕ１およびＵ２に配置される。

図１０は、本発明の第５の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線の配置を説明する断面図である。本発明の第５の実施例は、回転子１２に１０極の永久磁石が設けられ、固定子１１には、対峙する回転子１２の回転方向に沿って１２個の歯Ｕ１〜Ｕ１２が設けられたものである。図１０に示すように、１２個の歯Ｕ１〜Ｕ１２のうち、第１の巻線Ｕ_msは、歯Ｕ６、Ｕ８、Ｕ１２およびＵ２に配置される。このとき、第２の巻線Ｕ_mnは、例えば歯Ｕ１およびＵ７に配置される。このように、巻線を配置する歯の数を第１の巻線Ｕ_msと第２の巻線Ｕ_mnとで異なるようにしても本発明は実現可能である。

図１１は、本発明の第６の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線の配置を説明する断面図である。本発明の第６の実施例は、回転子１２に１０極の永久磁石が設けられ、固定子１１には、対峙する回転子１２の回転方向に沿って１５個の歯Ｕ１〜Ｕ１５が設けられたものである。図１１に示すように、１５個の歯Ｕ１〜Ｕ１５のうち、第１の巻線Ｕ_msは、歯Ｕ７、Ｕ１０、Ｕ１４、Ｕ１５、Ｕ２およびＵ３に配置される。このとき、例えば第２の巻線Ｕ_mnは、歯Ｕ１、Ｕ９およびＵ８に配置される。

図１２は、本発明の第７の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線の配置を説明する断面図である。本発明の第７の実施例は、回転子１２に６極の永久磁石が設けられ、固定子１１には、対峙する回転子１２の回転方向に沿って９個の歯Ｕ１〜Ｕ９が設けられたものである。図１２に示すように、９個の歯Ｕ１〜Ｕ９のうち、第１の巻線Ｕ_msは、歯Ｕ２およびＵ９に配置される。このとき、例えば第２の巻線Ｕ_mnは、歯Ｕ５、Ｕ６およびＵ１に配置される。

上述の第１〜第７の実施例によるベアリングレスモータとは異なる構成のベアリングレスモータにも本発明は適用可能である。例えば、本発明の第８の実施例として、回転子をＳＰＭ型のみで構成し、回転子の極数に対し、２極差の磁束により支持力を発生するベアリングレスモータについて図１３および図１４を参照して説明する。図１３は、本発明の第８の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線の配置を説明する断面図である。また、図１４は、図１３に示す本発明の第８の実施例によるベアリングレスモータのＵ相の巻線を有する回転子の支持力発生原理を示す断面図である。本発明の第８の実施例は、ＳＰＭ型の回転子１２に２極の永久磁石が設けられ、固定子１１には、対峙する回転子１２の回転方向に沿って６個の歯Ｕ１〜Ｕ６が設けられたものである。図１３に示すように、６個の歯Ｕ１〜Ｕ６のうち、第１の巻線Ｕ_msは、歯Ｕ４に配置され、第２の巻線Ｕ_mnは、歯Ｕ１に配置される。

図１３に示すように配置された、第１の巻線Ｕ_msおよび第２の巻線Ｕ_mnに支持電流を図１３に示す向きに流すと、図１４に一点鎖線の矢印で示すように４極の支持磁束が発生する。回転子１２では２極のバイアス磁束が図１４に実線の矢印で示すように一方向に発生するので、バイアス磁束と支持磁束とが強め合い磁束が密になる部分（図１４の右側）と、バイアス磁束と支持磁束とが弱め合い磁束が疎になる部分（図１４の左側）が発生する。したがって、回転子１２には、図１４の右方向に支持力が発生する。ここでは、Ｕ相の巻線について示したが、回転子１２に対して所望の方向に支持力を発生させるべく、Ｖ相およびＷ相の各巻線についても固定子１１の歯Ｕ１〜Ｕ６に分散配置する。このように、本発明によれば、回転子１２において発生するバイアス磁束の極数よりも２極多いかまたは２極少ない極数を有する支持磁束を固定子１１側で発生させれば、回転子１２に対して支持力を発生させることができる。

上述した本発明の第１〜第８の実施例は、３相のベアリングレスモータに関して説明したが、本発明は、２相のベアリングレスモータに関しても同様に適用可能である。第９の実施例として図１５を参照して説明する。図１５は、本発明の第９の実施例によるベアリングレスモータの固定子の巻線の配置を説明する回路図である。

本発明の第９の実施例によれば、回転子が磁気力を発生しながら回転するベアリングレスモータの固定子１１は、回転子の回転トルクを発生させるベアリングレスモータ電流を生成する電動機電流生成部１３を接続するための第１の端子Ａ_mおよびＢ_mと、回転子の半径方向に磁気力を発生させる支持電流を生成する支持電流生成部１４を接続するための第２の端子Ａ_sおよびＢ_sと、一端が第１の端子Ａ_mおよびＢ_mに接続され、他端が第２の端子Ａ_sおよびＢ_sに接続された第１の巻線Ａ_msおよびＢ_msと、一端が第１の端子Ａ_mおよびＢ_mに接続され、他端がベアリングレスモータの中性点Ｎに接続された第２の巻線Ａ_mnおよびＢ_mnと、を備える。つまり、本発明の実施例による固定子１１においては、電動機生成部１３に対し、巻線が２並列（すなわち、Ａ相については巻線Ａ_msと巻線Ａ_mn、およびＢ相については巻線Ｂ_msと巻線Ｂ_mn）に接続されており、このうち一方の巻線（すなわち、巻線Ａ_msおよび巻線Ｂ_ms）の一端は支持電流生成部１４に接続され、もう一方の巻線（すなわち、巻線Ａ_mnおよび巻線Ｂ_mn）は中性点Ｎに接続される。

電動機電流生成部１３および支持電流生成部１４は、例えばニ相インバータで構成される。電動機電流生成部１３により生成された電動機電流Ｉ_amおよびＩ_bmは、上記２並列の巻線（すなわち、Ａ相については巻線Ａ_msと巻線Ａ_mn、およびＢ相については巻線Ｂ_msと巻線Ｂ_mn）を並列に流れる。また、支持電流生成部１４により生成された支持電流Ｉ_asおよびＩ_bsは、Ａ相については巻線Ａ_msと巻線Ａ_mnを、Ｂ相については巻線Ｂ_msと巻線Ｂ_mnを、それぞれ直列に流れる。つまり、本発明の第９の実施例による固定子１１においても、上述の第１〜第８の実施例の場合同様、各巻線には電動機電流および支持電流の両方が流れる。例えば、図１５に示す例において、上記２並列の巻線（すなわち、Ａ相については巻線Ａ_msと巻線Ａ_mn、およびＢ相については巻線Ｂ_msと巻線Ｂ_mn）に電動機電流Ｉ_amおよびＩ_bmが各々同量流れ込むと仮定すると、Ａ相については、巻線Ａ_msには電流「０．５Ｉ_am−Ｉ_as」が流れ、巻線Ａ_mnには電流「０．５Ｉ_am＋Ｉ_as」が流れる。また、Ｂ相については、巻線Ｂ_msには電流「０．５Ｉ_bm−Ｉ_bs」が流れ、巻線Ｂ_mnには電流「０．５Ｉ_bm＋Ｉ_bs」が流れる。なお、ここでは、Ｉ_amおよびＩ_bmの係数を一例として０．５としたが、他の係数であってもよく、例えば０．１〜０．９程度であってもよい。

次に、本発明によるベアリングレスモータの具体的な適用例について、図１６〜図２０を参照しながら説明する。なお、説明を簡明にするために、図１６〜図２０に示す図では、１点鎖線で示す回転軸に対して半分のみの構造を示す。

図１６は、本発明の第１０の実施例によるキャンドポンプを示す断面図である。図１６に示すように、１点鎖線で示す回転軸を中心として主軸２１が構成され、主軸２１の外周には回転子１２とインペラー２２が構成される。インペラー２２は、流入する液体を吐出口２７に移相するポンプの役割をする。ＳＰＭ型、あるいはインセット型、コンシクエントポール型などの回転子２３と、ホモポーラ回転子１２とがリング２４を介して間隔を空けて軸方向に並んで配置される。リング２４はホモポーラ回転子１２と等しい直径を有してもよく、中空形状としてもよい。さらにこれに並んで、リング状の回転子永久磁石２５および回転子２６が軸方向に配置される。なお、回転子の永久磁石、隙間などは省略しても良い。回転子１２には樹脂あるいはステンレスなどで構成されたキャン（図示せず）がかぶせられる。この結果、段差が無い円筒形状になる。固定子１１の内面にもキャンが形成される。固定子１１には中心に軸方向に着磁した永久磁石２８が配置される。永久磁石２８はリング状であるが、いくつかに分割されていてもよく、例えば直方体状の永久磁石を複数の配置した構成であってもよい。永久磁石２８は固定子２９および３０の鉄心に挟まれるように配置される。固定子１１には本発明によるベアリングレスモータの巻線方式が適用され、トルクと半径方向力を発生する。すなわちホモポーラ回転子１２との相互作用により半径方向力が発生し、ＳＰＭ型の回転子２３との相互作用によってトルクを発生する。なお、回転子２６はトルクを発生する構成になっていればよく、例えばインセット、ＩＰＭ、コンシクエントポール型、誘導機など各種の方式が適用可能である。固定子２９は、固定子１１と同じ構造で構成してもよいし、従来型のベアリングレスモータでもよく、あるいは単なるホモポーラ磁気軸受であってもよい。

図１７は、本発明の第１１の実施例によるキャンドポンプを示す断面図である。本発明の第１１の実施例は、上述の第１０の実施例において、軸方向に力を発生する機構を設けたものである。図１７に示すように、軸方向の中心に位置する永久磁石２８から図中の左側の構造は、上述の第１０の実施例と同様である。一方、図中の右側には回転子３１上に軸方向に沿って突極３２が構成される。固定子３４には軸方向に沿ってスロット３３−１および突部３５が並んで構成される。スロット３３−１にはスラストコイル３３−２が配置される。なお、図示の例では、２つの突極３５と２つのスロット３３−１が構成されているが、必要に応じて１つずつあるいは、３以上の複数個ずつ構成してもよい。回転子２１の突極３２と固定子３４の突部３５とは相対せず、固定子３４のスロット３３−１と回転子２１の突極３２とが相対するよう構成される。中心の永久磁石２８により発生する磁束は、回転子２１の突極３２および固定子３４の突部３５を流れる。固定子３４のスロット３３−１に配置されたスラストコイル３３−２に図１７に示す方向に電流を流すと、図中点線で示すようにスラストコイル３３−２を中心とした磁束が発生し、この結果、回転子３１の突極３２の図中の右側の磁束密度が高くなり、固定子３４の突部３５の図中の右側の磁束密度も高くなる。この結果、主軸２１に右側方向に向く電磁力が発生する。なお、固定子３４のスロット３３−１に設けられるスラスト力発生用のスラストコイル３３−２はリング状であるため、主軸２１の下部では電流方向が反転し、上部と同一方向のスラスト力を発生する。逆に、電流の流れる方向を反転させれば、左側方向に電磁力を発生させることができる。なお、右側の固定子３４にはさらに、上述の第１０の実施例と同様に巻線が施されるが、この代替例として、本発明によるベアリングレスモータの巻線、従来のベアリングレスモータの巻線、あるいはホモポーラ磁気軸受の巻線などにしてもよい。さらに、巻線を設けないのであれば、左側の２軸能動制御とスラスト制御とからなる３軸能動制御方式を構成してもよい。

図１８は、本発明の第１２の実施例によるポンプを示す断面図である。本発明の第１２の実施例においては、軸方向の中心に位置する永久磁石２５および２８の軸方向両側に位置する２つの電磁機械に本発明によるベアリングレスモータが適用される。また、スラスト力を発生するために、固定子１１および４４にはスロット４３−１と突極４２が構成され、回転子４１には突極４２が構成される。スロット４３−１にはスラストコイル４３−２が配置される。永久磁石２８は固定子１１および４４側にあり、永久磁石２５は回転子１１および４１側にある。回転子１２側の永久磁石２５は軸方向に着磁され、左右の鉄心１２および４１の内側に構成されている。これら永久磁石２５および２８により軸方向にホモポーラ磁束を発生している。なお、固定子１１および４４、回転子１２および４１のどちらか一方に永久磁石を配置してもよく、この場合は永久磁石が配置された固定子１１および４４または回転子１２および４１がある側の永久磁石２８または２５については鉄心に置き換える。図１８に示す４箇所のコイルエンド３０のうち、固定子１１と固定子４４とが向かい合う側のコイルエンドについては省略してもよい。

図１９は、本発明の第１３の実施例によるポンプを示す断面図である。本発明の第１３の実施例は、ラジアル方向２軸能動制御型のベアリングレスモータを利用したポンプに適用したものである。図１９に示すように、回転子１２の左側にインペラー５３が構成され流入口５１から入ってきた液体を吐出口５２から排出する。回転子１２の半径方向にはリング状の固定子１１が構成される。固定子１１には本発明によるベアリングレスモータの巻線方式が適用され、この巻線に電流が流れることによって半径方向の電磁力およびトルクを発生する。図示の例では、固定子１１の巻線はコイルエンド３０が示されており、通常の巻線方式である。なお、固定子のコイルエンド３０が出っ張らないようにするためにトロイダル巻線にしてもよい。トロイダル巻線の場合には固定子１１の外周にもコイルエンド３０が配置される。

図２０は、本発明の第１４の実施例によるポンプを示す断面図である。本発明の第１４の実施例は、スラスト方向の永久磁石を２つに分割した５軸もしくは３軸能動制御方式である。軸方向に配置した永久磁石２５および２８を２つに分割してスラスト方向の電磁力を発生する機構６４および６７を２つに分割した永久磁石２５および２８の間に配置している。スラスト方向の電磁力を発生する機構６４および６７は、上述の第１１および第１２の実施例で説明したものと同様である。回転子１２にはスラスト力発生のための突極６５が２つ構成されているが、１つ、あるいは３つ以上の複数であってもよい。回転子１２の突極６５に相対する位置に、固定子１１のスロット６６−１が設けられる。スロット６６−１にはスラストコイル６６−２が配置される。固定子１１および６８の両方あるいはいずれか一方に本発明の巻線方式を適用する。図示したホモポーラ磁束はスラスト力発生とともに、固定子１１および６８でラジアル力を発生するために利用される。

なお、上述の第１０〜１４の実施例では本発明によるベアリングレスモータがポンプに適用される場合について示したが、本発明による電動機ファン、ブロワ、コンプレッサなどの気体機械などにも適用可能である。

本発明は、回転子が磁気力を発生しながら回転する電動機、この電動機の固定子、およびこの電動機を備える電動機システムに適用することができる。より具体的には、本発明による電動機をポンプ、電動機ファン、ブロワ、コンプレッサなどに適用することができる。

１ 電動機
２ 制御装置
２−１ 電動機制御部
２−２ 支持制御部
２−２−１ 支持制御演算部
２−２−２ ＰＩＤ制御部
１１ 固定子
１２ 回転子
１３ 電動機電流生成部
１４ 支持電流生成部
１５ｘ、１５ｙ 位置センサ
２０ ケース
２１ 主軸
２２、５３、６３ インペラー
２３ ＳＰＭ型回転子
２４ リング
２５ 永久磁石
２６、３１、４１、６４ 回転子
２７、５２、６２ 吐出口
２８ スラスト磁石
２９、３４、４４、６７、６８ 固定子
３０ コイルエンド
３２、４２、６５ 突極
３３−１、４３−１、６６−１ スロット
３３−２、４３−２、６６−２ スラストコイル
５１、６１ 流入口
Ｎ 中性点
Ｕ₁、Ｕ₂、Ｕ₃、Ｕ₄、Ｕ₅、Ｕ₆、Ｕ₇、Ｕ₈、Ｕ₉、Ｕ₁₀、Ｕ₁₁、Ｕ₁₂ 歯
Ｕ_m、Ｖ_m、Ｗ_m、Ａ_m、Ｂ_m 第１の端子
Ｕ_ms、Ｖ_ms、Ｗ_ms、Ａ_ms、Ｂ_ms 第１の巻線
Ｕ_s、Ｖ_s、Ｗ_s、Ａ_s、Ｂ_s 第２の端子
Ｕ_mn、Ｖ_mn、Ｗ_mn、Ａ_mn、Ｂ_mn 第２の巻線

Claims (7)

1. 回転子が磁気力を発生しながら回転する電動機の固定子であって、
   回転子の回転トルクを発生させる電動機電流を生成する電動機電流生成部を接続するための第１の端子と、
   回転子の半径方向に磁気力を発生させる支持電流を生成する支持電流生成部を接続するための第２の端子と、
   一端が前記第１の端子に接続され、他端が前記第２の端子に接続された第１の巻線と、
   一端が前記第１の端子に接続され、他端が電動機の中性点に接続された第２の巻線と、
   を備え、
   前記第１の巻線および前記第２の巻線は、対峙する回転子の回転方向に沿って前記固定子上に設けられた複数の歯のうち、前記第２の端子から流入する支持電流が前記第１の巻線を経由して前記第２の巻線を流れて前記第１の巻線および前記第２の巻線により支持力を発生する起磁力が発生し、かつ、前記第１の端子から流入する電動機電流が前記第１の巻線および前記第２の巻線に分岐して分かれて流れて前記第１の巻線および前記第２の巻線によりトルクを発生する起磁力が発生することになる歯に、それぞれ配置されることを特徴とする固定子。
2. 前記第１の巻線および前記第２の巻線は、対峙する回転子の回転方向に沿って前記固定子上に設けられた複数の歯のうち、前記第２の端子から流入する支持電流が前記第１の巻線を経由して前記第２の巻線を流れたときにそれぞれ発生する前記第１の巻線における誘起電圧および前記第２の巻線における誘起電圧が、大きさが等しくなおかつ向きが逆となるような歯にそれぞれ配置される請求項１に記載の固定子。
3. 請求項１または２に記載の固定子と、
   半径方向にギャップを隔てて前記固定子と対峙した回転子であって、回転軸から半径方向外方に向いたバイアス磁束を発生するように着磁された永久磁石が設けられた回転子と、
   を備え、
   前記第２の端子から流入する支持電流が前記第１の巻線を経由して前記第２の巻線を流れて前記第１の巻線および前記第２の巻線により発生した支持磁束と前記回転子に設けられた前記永久磁石により発生したバイアス磁束とにより磁束の粗密が発生して、前記回転子を前記固定子に対して磁気浮上させる支持力が発生し、
   前記第１の端子から流入する電動機電流が前記第１の巻線および前記第２の巻線に分岐して分かれて流れて前記第１の巻線および前記第２の巻線により発生した電動機磁束と前記回転子に設けられた前記永久磁石により発生したバイアス磁束とにより、前記回転子を回転させるための回転トルクが発生することを特徴とする電動機。
4. 前記固定子における前記第１の巻線および前記第２の巻線により発生した支持磁束の極数は、前記回転子に設けられた前記永久磁石により発生したバイアス磁束の極数よりも２極多いかもしくは２極少ない請求項３に記載の電動機。
5. 請求項３または４に記載の電動機と、
   前記電動機電流を生成する電動機電流生成部と、
   前記支持電流を生成する支持電流生成部と、
   を備えることを特徴とする電動機システム。
6. 請求項３または４に記載の電動機と、
   前記電動機の前記回転子および前記固定子にスラスト方向に磁束を発生する手段と、
   を備え、
   前記スラスト方向の磁束に基づきスラスト電磁力を発生することを特徴とする電動機システム。
7. 回転子が磁気力を発生しながら回転する電動機の固定子であって、回転子の回転トルクを発生させる電動機電流を生成する電動機電流生成部を接続するための第１の端子と、回転子の半径方向に磁気力を発生させる支持電流を生成する支持電流生成部を接続するための第２の端子と、一端が前記第１の端子に接続され、他端が前記第２の端子に接続された第１の巻線と、一端が前記第１の端子に接続され、他端が電動機の中性点に接続された第２の巻線と、を備える固定子と、
   半径方向にギャップを隔てて前記固定子と対峙した回転子であって、回転軸から半径方向外方に向いたバイアス磁束を発生するように着磁された永久磁石が設けられた回転子と、
   を備え、
   前記第２の端子から流入する支持電流が前記第１の巻線を経由して前記第２の巻線を流れて前記第１の巻線および前記第２の巻線により発生した支持磁束と前記回転子に設けられた前記永久磁石により発生したバイアス磁束とにより磁束の粗密が発生して、前記回転子を前記固定子に対して磁気浮上させる支持力が発生し、
   前記第１の端子から流入する電動機電流が前記第１の巻線および前記第２の巻線に分岐して分かれて流れて前記第１の巻線および前記第２の巻線により発生した電動機磁束と前記回転子に設けられた前記永久磁石により発生したバイアス磁束とにより、前記回転子を回転させるための回転トルクが発生することを特徴とする電動機。

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