JP6327887B2 - 電動機および電動機システム - 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およびこれを備える電動機システムに関する。

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は、回転子が磁気力を発生して浮上しながら回転する電動機であり、回転子に機械的な接触部分がないので、無摩擦、無摩耗、メンテナンスフリーという利点がある。

ベアリングレスモータにおいて回転子を磁気浮上させるには、回転子の回転方向θｚ以外の、径方向ｘおよびｙ、軸方向ｚ、傾き方向θｘおよびθｙを、能動的もしくは受動的な磁気支持力により、安定させる必要がある。

例えば、１軸制御ベアリングレスモータの場合、軸方向ｚのみを能動的に制御し、径方向ｘおよびｙならびに傾き方向θｘおよびθｙについては永久磁石などを用いて受動的に安定させている（例えば、非特許文献１参照。）。したがって、変位センサは軸方向ｚを計測する１台のみですみ、またインバータの数も削減できるので、２軸制御ベアリングレスモータや５軸制御ベアリングレスモータに比べて低コストである。

１軸制御ベアリングレスモータの応用分野としては、冷却ファンや人工心臓用の遠心ポンプなどが考えられているが、これらの分野では、軸長を短くしなければならないという制約がある。しかしながら、１軸制御ベアリングレスモータは、一般的に、傾き方向θｘおよびθｙの受動安定化のために、軸長を長く設計する場合が多く、軸長の短縮は容易でない。

１軸制御ベアリングレスモータとして、モータの両端に反発受動型磁気軸受（ＲＰＭＢ）を配置し、さらにその片端にスラスト磁気軸受を配置する磁気軸受モータがある（例えば、非特許文献２参照。）。

同じく、モータの両端に反発受動型磁気軸受（ＲＰＭＢ）を配置した１軸制御ベアリングレスモータがある（例えば、非特許文献３参照。）。

また例えば、回転子の軸長を長くし、ギャップ面に永久磁石を貼り付けることで、モータと受動型磁気軸受が一体化された構造を有するアキシャルギャップ型のシングルドライブベアリングレスモータが提案されている（例えば、非特許文献４参照。）。このモータでは、固定子には一種類の巻線のみが設けられおり、１台のインバータにより、巻線にｄ軸電流を流すことにより軸方向の能動的な支持力を発生させ、ｑ軸電流を流すことにより回転トルクを発生させることができる。

また例えば、１台のインバータにより駆動可能なシングルドライブベアリングレスモータとして、モータの両端に反発受動型磁気軸受（ＲＰＭＢ）を配置し、径方向および傾き方向の剛性を向上させたモータが提案されている（例えば、非特許文献５参照。）。これによれば、受動安定方向の剛性を高めるにつれて不安定な軸方向力も増加するという問題があるものの、モータ構造そのものを工夫することにより、不安定力に打ち勝つ能動的な磁気支持力を発生させることが可能となった。

例えば、内側に受動安定化のための反発磁石を設け、外側で軸方向の支持力およびトルクを発生させる二重ラジアルギャップ構造であるベアリングレスモータが提案されている（例えば、非特許文献６参照。）。

Ｔ．オウジ（Ｔ．Ｏｈｊｉ）、Ｔ．カツダ（Ｔ．Ｋａｔｓｕｄａ）、Ｋ．アメイ（Ｋ．Ａｍｅｉ）、Ｍ．サクイ（Ｍ．Ｓａｋｕｉ）著、「表面貼付型磁石１軸制御反発型磁気ベアリングシステムの構造、ならびにおよびその浮上および回転の試験（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｏｎｅ−Ａｘｉｓ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｒｅｐｕｌｓｉｖｅ Ｔｙｐｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｗｉｔｈ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔｓ Ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｔｅｓｔｓ）」、（米国）、米国電気電子学会トランザクション（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ）、磁気学（Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ）、Ｖｏｌ．４７、Ｎｏ．１２、ｐｐ４７３４〜４７３９、２０１１年１２月 Ｓ. ヤン（Ｓ. Ｙａｎｇ）、Ｍ. ファング（Ｍ. Ｈｕａｎｇ）著、「磁気浮上１軸制御された軸方向血液ポンプの設計および実現（Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｌｅｖｉｔａｔｅｄ Ｓｉｎｇｌｅ−Ａｘｉｓ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ａｘｉａｌ Ｂｌｏｏｄ Ｐｕｍｐ）」、米国電気電子学会トランザクション（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ）、産業電気（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、Ｖｏｌ．５６、Ｎｏ．６、ｐｐ２２１３〜２２１９、２００９年６月 湯本淳史、進士忠彦著、「軸方向制御型磁気軸受モータを搭載した小型遠心血流ポンプ」、日本機械学会論文集Ｃ編、第７８巻、第７９２号、ｐｐ．３０６４〜３０７２、２０１２年８月 Ｊ．アサマ（Ｊ．Ａｓａｍａ）、Ｙ．ハマサキ（Ｙ．Ｈａｍａｓａｋｉ）、Ｔ．オオイワ（Ｔ．Ｏｉｗａ）、Ａ．チバ（Ａ．Ｃｈｉｂａ）著、「シングルドライブベアリングレスモータの新しいコンセプト（Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ａ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｄｒｉｖｅ Ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ Ｍｏｔｏr）」、（米国）、米国電気電子学会トランザクション（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ）、産業電気（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、Ｖｏｌ．６０、Ｎｏ．１、ｐｐ１２９〜１３８、２０１３年１月 Ｈ.スギモト（Ｈ.Ｓｕｇｉｍｏｔｏ）、Ｓ.タナカ（Ｓ.Ｔａｎａｋａ）、Ａ.チバ（Ａ.Ｃｈｉｂａ）、Ｊ.アサマ（Ｊ.Ａｓａｍａ）、「新規な円筒状ラジアルギャップ型シングルドライブベアリングレスモータの設計および試験結果（Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｔｅｓｔ Ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ Ｎｏｖｅｌ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｄｒｉｖｅ Ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ Ｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ Ｒａｄｉａｌ Ｇａｐ）」、米国電気学会エネルギー変換器会議・博覧会（ＩＥＥＥ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓ. Ｃｏｎｇｒ. ａｎｄ Ｅｘｐｏ（ＥＣＣＥ）議事録、ｐｐ.２４６６-２４７３、２０１３ Ｗ．バウワー（Ｗ．Ｂａｕｅｒ）他著、「ベアリングレスアキシャルフォース／トルクモータの電気的設計および巻線選択（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｗｉｎｄｉｎｇ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ａ ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ Ａｘｉａｌ−Ｆｏｒｃｅ／Ｔｏｒｇｕｅ Ｍｏｔｏｒ）」、パワーエレクトロニクス, ドライブ, モーションコントロールに関する国際会議（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｄｒｉｖｅｓ， Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｏｔｉｏｎ：ＳＰＥＥＤＡＭ）議事録、ｐｐ１２２４〜１２２９、２０１２年

非特許文献３に記載された技術によれば、径方向の端部に反発磁石を用いて傾き方向を安定化させることで軸長を短縮することができるが、回転子の回転駆動用とインバータとスラスト磁気軸受用の、少なくとも２台のインバータを設ける必要があり、高コストである。また、反発磁石は半径方向に対して負剛性であるため、半径方向の剛性が低下し、半径方向の振動が大きくなる問題がある。

また、非特許文献４に記載された技術によれば、上述のモータと受動型磁気軸受が一体化された構造を有するアキシャルギャップ型のシングルドライブベアリングレスモータによれば、１台のインバータで回転子の回転駆動および磁気支持に対応できるものの、傾き方向の安定化のためには、回転子の直径を小さく、軸長を長くする必要があるため、半径方向の剛性が低く、軸長の短縮が困難である。

また、非特許文献５に記載された技術によれば、上述のモータの両端に反発受動型磁気軸受を配置したシングルドライブベアリングレスモータによれば、不安定力に打ち勝つ能動的な磁気支持力を発生させることが可能であるが、支持力を向上させるためには軸長を長くする必要がある。

また、非特許文献６に記載された技術によれば、軸方向の支持力はコイルエンドに働くローレンツ力によって発生させているため、スタートアップのために非常に大きな電流が必要となり、消費電力が大きい。

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、１台のインバータで回転子のトルクおよび能動的な軸方向の力が発生可能であり、半径方向の剛性が高く、回転子の軸長が短くかつ半径が長い扁平構造を有する電動機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、電動機は、回転軸に対して径方向外向きの磁束が発生するよう着磁された第１の永久磁石と、径方向内向きの磁束が発生するよう着磁された第２の永久磁石と、を含み、第１の永久磁石と第２の永久磁石とが周方向に交互に周設される永久磁石層を少なくとも１つ有する回転子と、回転子に対して径方向にギャップを隔てて対向した固定子であって、回転子側に突出したティースが周方向に複数周設された固定子鉄心と、各ティースの間に配置された巻線とを有する固定子と、を備え、ティースの回転子側の面と、永久磁石層が有する固定子側の面と、のうちの少なくとも一方が、軸方向において対向しない面部分を有し、巻線に界磁電流を流すことにより発生する磁束と第１の永久磁石および第２の永久磁石により発生する磁束とにより、回転子に対して軸方向の力が発生する。

ここで、回転子は、永久磁石層が軸方向に複数設けられ、軸方向に隣接した各永久磁束層間に、非磁性体物質からなる非磁性体層が設けられるようにしてもよい。

また、固定子は、固定子鉄心の軸方向の外側両端に、回転子側に突出した補助ティースであって、周方向に複数周設された補助ティースと、ティースと補助ティースとを結合するヨークと、をさらに備えてもよい。

また、固定子は、補助ティースに巻回される補助巻線をさらに備えてもよい。

また、ティースの回転子側の、永久磁石層の軸方向側の面近傍に対向する位置に、凹部が設けられてもよい。

第１の永久磁石および第２の永久磁石は、円筒状の非磁性体物質の側面上に貼り付けられることで周方向に交互に周設されるようにしてもよい。

また、永久磁石層は、第１の永久磁石および第２の永久磁石が交互に周設される回転子鉄心をさらに含むようにしてもよい。

また、電動機は、固定子に対して回転子を径方向に受動的に磁気支持する受動型磁気軸受をさらに備えてもよい。

また、電動機システムは、上述の電動機と、回転子の軸方向の位置を検出する変位センサと、変位センサが検出する位置情報に基づいて回転子の軸方向の位置制御を行うための界磁電流指令を生成し、回転子を回転駆動するための電機子電流指令を生成する制御装置と、界磁電流指令および電機子電流指令に基づいて直流電流を変換して巻線に供給するための交流電流を生成するインバータと、を備える。

本発明によれば、１台のインバータ（例えば三相インバータ）で回転子のトルクおよび能動的な軸方向の力が発生可能であり、回転子の半径方向の剛性が高く、回転子の軸長が短くかつ半径が長い扁平構造を有する電動機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。

本発明によれば、１台のインバータでベアリングレスモータの回転子の軸方向位置の能動制御と回転制御とを実現することができるので、低コストである利点がある。

また、本発明によれば、固定子に対して回転子を径方向に受動的に磁気支持する受動型磁気軸受をさらに備えることにより、回転子の半径方向および傾き方向をより安定的に支持できることができるので、従来構造と比較して剛性が向上し、振動をよりいっそう低減させることができる利点がある。

また、本発明によれば、上述の受動型磁気軸受をさらに備えることによる剛性の向上により増加した不安定な軸方向力に打ち勝つ能動的な磁気支持力を発生可能であるという利点がある。

本発明によれば、上記３つの利点を得ながら、従来構造と比較して、軸長が短く、直径が大きい偏平構造が実現可能である。

また、非特許文献５に記載された技術によれば、軸方向の軸長を短くした時、軸方向の支持力は十分発生可能であったが、トルクはコアレスモータの原理でローレンツ力により発生し、軸方向に施された巻線の巻数に比例するので、トルクが減少するため、薄型化が困難であった。これに対し、本発明によれば、一般的な永久磁石モータのように、ギャップ面に固定子鉄心の歯が対面する部分があるので、マクスウェル力によるトルクを活用することができ、薄型構造で大きなトルクを発生させることができる。

本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータを説明する図であって、（Ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図であり、（Ｂ）は−ｙ方向からみたＡ−Ａ断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータを説明する分解斜視図であって、図１（Ａ）に示したＡ−Ａ断面で切断した場合を示す図である。 本願図面において示される巻線電流の向き、力の向き、永久磁石により発生する磁束の向き、および巻線電流により発生する磁束の向きを示す図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおけるトルク発生原理を説明するｘｙ断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの制御装置を説明する制御ブロック図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける回転子の変形例を示すｘｙ断面図である。 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの極対数の変形例を説明するＡ−Ａ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を説明するＡ−Ａ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を説明するＡ−Ａ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を説明するＡ−Ａ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極対数の変形例を説明するＡ−Ａ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回転子の軸方向の位置を説明するＡ−Ａ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永久磁石層のＺ軸方向の幅の変形例を説明するＡ−Ａ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を説明するＡ−Ａ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を説明するＡ−Ａ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を説明するＡ−Ａ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を説明するＡ−Ａ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軸方向の力の発生原理を説明するＡ−Ａ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を説明するＡ−Ａ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を説明する分解斜視図であって、図１９に示したＡ−Ａ断面で切断した場合を示す図である。 本発明の第９の実施例によるベアリングレスモータをベアリングレスファンに適用した場合を説明するＡ−Ａ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をベアリングレスポンプに適用した場合（その１）を説明するＡ−Ａ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をベアリングレスポンプに適用した場合（その２）を説明するＡ−Ａ断面図である。 本発明の第１０の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。 本発明の第１１の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。

以下図面を参照して、本発明によるベアリングレスモータについて説明する。しかしながら、本発明は、図面又は以下に説明される実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。以下、インナーロータ型を例にとり説明するが、アウターロータ型であってもよい。

図１は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータを説明する図であって、（Ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図であり、（Ｂ）はその−ｙ方向からみたＡ−Ａ断面図である。また、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を説明する分解斜視図であって、図１（Ａ）に示したＡ−Ａ断面で切断した場合を示す図である。以下、回転子の回転軸の方向については「軸方向」もしくは「Ｚ軸方向」と称する。また、断面図として示された図７〜図１９および図２１〜図２５は、−ｙ方向からみたＡ−Ａ断面を示す。

また、図３は、本願図面において示される巻線電流の向き、力の向き、永久磁石により発生する磁束の向き、および巻線電流により発生する磁束の向きを示す図である。本願図面において、巻線に流れる電流の向きについては、一般的な表記方法に従い、紙面の裏側から表側に貫く向きを丸印に黒点を付したもので示し、紙面の表側から裏側に貫く向きを丸印に×印を付したもので示す。永久磁石により発生する磁束の向き（永久磁石の着磁方向としてのＮ極からＳ極に向かう磁束の向き）については、実線の矢印で示し、巻線に電流が流れることにより発生する磁束の向きについては、破線の矢印で示す。力の向きについては、白抜きの矢印で示す。

なお、図示された極対数およびスロット数は一例であって、本発明を特に限定するものではなく、その他の極対数およびスロット数であってもよい。

本発明の第１の実施例によれば、ベアリングレスモータ１における回転子１０は、永久磁石１１が、円筒状の非磁性体物質１２の側面上に貼り付けられることで周方向に交互に周設される表面貼付永久磁石型回転子（ＳＰＭ）である。図面を見やすくするために、図２において非磁性体物質１２については図示していない。なお、第１の実施例では、回転子１０を表面貼付永久磁石型回転子（ＳＰＭ）としたが、この変形例として、後述するように埋込永久磁石型回転子（ＩＰＭ）であってもよい。

図１（Ａ）に示すように、永久磁石１１は、回転軸に対して径方向外向きの磁束が発生するよう着磁されたもの（第１の永久磁石）と、径方向内向きの磁束が発生するよう着磁されたもの（第２の永久磁石）とが、周方向に交互に周設される。このように同一のｘｙ平面上において径方向に並ぶ永久磁石が周設された層を、以下「永久磁石層」と称する。第１の実施例についていえば、図１（Ｂ）に示すように、ベアリングレスモータ１は１層の永久磁石層を有する。この変形例として、ベアリングレスモータ１を、後述するよう軸方向に積層された複数の永久磁石層を有する多層構造で構成してもよい。

本発明の第１の実施例によれば、ベアリングレスモータ１における固定子２０は、回転子１０に対して径方向にギャップを隔てて対向する。第１の実施例では、回転子１０をインナーロータ型としたので、固定子２０は、図１および図２に示すように、回転子１０に対して径方向外側にギャップを隔てて対向する。この変形例として、回転子１０をアウターロータ型とする場合は、固定子２０は、回転子１０に対して径方向内側にギャップを隔てて対向する。

固定子２０は、回転子１０側に突出したティース２１−１が周方向に複数周設された固定子鉄心２１と、各ティース２１−１の間のスロットに配置された巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗとを有する。図示の例では、一例として、スロット数を１２としており、極数を８としている。また、各ティース２１の周りに巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗが巻回された集中巻で構成している。この変形例として、分布巻で構成してもよい。

第１の実施例によれば、図１（Ｂ）および図２に示すように、固定子１０におけるティース２１−１の回転子１０側の面と、回転子１０における永久磁石層が有する固定子２０側の面と、のうちの少なくとも一方が、軸方向において対向しない面部分を有する。換言すれば、第１の実施例は、回転子と固定子とが径方向において対向する一般的な永久磁石同期電動機について、図１（Ｂ）および図２に示すように、回転子１０と固定子２０とが軸方向にずれるようにシフトさせて（ずらして）、互いに非対向となる面を有する構造としたものである。これによる軸方向の力の発生原理については後述する。

また、電動機システム１００は、上述のベアリングレスモータ１と、回転子１０の軸方向の位置を検出する変位センサ５１と、変位センサ５１が検出する位置情報に基づいて回転子１０の軸方向の位置制御を行うための界磁電流指令を生成し、回転子１０を回転駆動するための電機子電流指令を生成する制御装置５２と、界磁電流指令および電機子電流指令に基づいて直流電流を変換して巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗに供給するための交流電流を生成するインバータ５３とを備える。

次に、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける、回転子１０の軸方向の力の発生原理を説明する。

ここでは、巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗにおいて、図示したような向きに電流が流れた場合を考える。

上述のように、永久磁石１１は、回転軸に対して径方向外向きの磁束が発生するよう着磁されたもの（第１の永久磁石）と、径方向内向きの磁束が発生するよう着磁されたもの（第２の永久磁石）とが、周方向に交互に周設されるので、永久磁石１１により発生する磁束の向きは、図１に示すように、細字の実線の矢印のようになる。特に図示したＡ−Ａ断面においては、径方向外向きの磁束が発生する。

一方、巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗにおいて、図示した向きに電流が流れると、細字の破線の矢印の向きに磁束が発生する。特にＡ−Ａ断面においては、径方向外向きの磁束が発生する。

図１（Ｂ）に示すように、回転子１０と固定子２０とが軸方向にずれるようにシフトした位置関係となっているので、永久磁石１１により発生する磁束および巻線２２Ｕにより発生する磁束は、ギャップ中を、軸方向斜め上方（すなわち＋Ｚ方向）に向かってに通過し、固定子１０のティース２１に入る。巻線２２Ｕを例にとり、より詳しく説明すると次の通りである。

回転子１０と固定子２０とが軸方向にずれるようにシフトした位置関係にある場合に、巻線２２Ｕについて図１に示す向きに電流を流すと、巻線２２Ｕによる磁束が、永久磁石による磁束と同じ向きに発生し、結果としてギャップ中における永久磁石による磁束が仮想的に強まったような状態になる。逆に、巻線２２Ｕについて図１に示す向きとは逆向きに電流を流すと、巻線２２Ｕによる磁束が、図１に示す向きとは反対向き（永久磁石による磁束と同じ向きとは反対向き）に発生し、永久磁石による磁束が仮想的に弱まったような状態になる。したがって、固定子１０に対してＺ軸方向に同じ力を働かせるためには、巻線２２Ｕについて図１に示す向きに電流を流すことにより巻線２２Ｕによる磁束と永久磁石による磁束とが同じ向きになる場合は、回転子１０のＺ軸方向の変位は小さくて済むが、逆に、巻線２２Ｕについて図１に示す向きとは逆向きに電流を流すことにより巻線２２Ｕによる磁束と永久磁石による磁束とが反対向きになる場合は、回転子１０のＺ軸方向の変位は大きくなる。

本発明では、上述した巻線２２Ｕに界磁電流を流すことにより発生する磁束と永久磁石１１により発生する磁束とにより、回転子１０に対して軸方向の力を発生させ、回転子１０の軸方向の位置制御を行う。また、本発明によれば、一般的な永久磁石モータのように、ギャップ面に固定子鉄心の歯が対面する部分があるので、マクスウェル力によるトルクを活用することができ、薄型構造で大きなトルクを発生させることができる。

後述するように、変位センサ５１により回転子１０の軸方向の位置を検出し、制御装置５２で検出された位置情報に基づいて、回転子１０の軸方向の位置制御を行うための界磁電流指令（ｄ軸電流指令）を生成し、インバータ５３は、界磁電流指令（ｄ軸電流指令）に基づいて直流電流を変換して巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗに供給するための交流電流を生成し、この交流電流を巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗに流せば、回転子１０の軸方向の位置を制御することができる。

次に、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける、回転子１０の回転トルクの発生原理を説明する。図４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おけるトルク発生原理を説明するｘｙ断面図である。ベアリングレスモータ１のトルク発生原理は、一般的な永久磁石同期電動機と同様であり、例えば巻線２２Ｖおよび２２Ｗに図示したような向きに電流を流し、巻線２２Ｕには電流を流さない場合を考えると、図示した位置に回転子１０があるときは図中反時計回りに回転トルク（図中白抜きの矢印に示す）が発生する。つまり、電機子電流（ｑ軸電流）により回転子の回転トルクが発生する。

図５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制御装置を説明する制御ブロック図である。図５に示すように、電動機システム１００は、上述のベアリングレスモータ１と、回転子の軸方向の位置を検出する変位センサ５１と、変位センサ５１が検出する位置情報に基づいて回転子の軸方向の位置制御を行うための界磁電流指令を生成し、回転子１０を回転駆動するための電機子電流指令を生成する制御装置と、界磁電流指令および電機子電流指令に基づいて直流電流を変換して巻線に供給するための交流電流を生成する三相インバータ５３とを備える。本発明では、上述のように、第１の実施例によるベアリングレスモータ１は、電機子電流（ｑ軸電流）により回転子の回転トルクが発生し、界磁電流（ｄ軸電流）により回転子のＺ軸方向の支持力が発生する。１台の三相インバータ５３でベアリングレスモータ１の回転子のＺ軸方向位置の能動制御と回転制御とを行う。

制御装置５２において、回転子のＺ軸方向の支持力発生制御として、Ｚ軸方向位置の指令値ｚ^*と、ベアリングレスモータ１の回転子の軸方向の検出変位ｚとから比較器Ｂ１で偏差を計算し、ＰＩＤ制御部Ｂ２でＰＩＤ制御を行い、界磁電流指令であるｄ軸電流指令値ｉ_d ^*を作成する。また、ベアリングレスモータ１の回転子の回転駆動制御として、回転速度指令ω^*を指令する。

比較器Ｂ３においてｄ軸電流指令値ｉ_d ^*とｄ軸電流検出値ｉ_dとの偏差が計算され、ＰＩ制御部Ｂ４でＰＩ制御が行われ、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*が作成される。

微分器Ｂ５では、角度センサ（図示せず）によって検出されたベアリングレスモータ１の回転子の位相角θを微分して回転速度検出値ωを作成する。比較器Ｂ６において回転速度指令ω^*と回転速度検出値ωとの偏差が計算され、ＰＩ制御部Ｂ７でＰＩ制御が行われ、電機子電流指令であるｑ軸電流指令値ｉ_q ^*が作成される。そして、比較器Ｂ８においてｑ軸電流指令値ｉ_q ^*とｑ軸電流検出値ｉ_qとの偏差が計算され、ＰＩ制御部Ｂ９でＰＩ制御が行われ、ｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*が作成される。

三相二相変換部回路Ｂ１０は、ベアリングレスモータ１の回転子の位相角θを用いてｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*およびｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を三相二相変換してｕｖｗ各相の電圧指令値Ｖ_u ^*、Ｖ_v ^*およびＶ_w ^*を出力する。ｄｑ座標系から三相座標系への変換式は式１で表される。

ｕｖｗ各相の電圧指令値Ｖ_u ^*、Ｖ_v ^*およびＶ_w ^*は三相インバータ５３に入力され、三相インバータ５３はこれに従って、直流電圧をベアリングレスモータ１の駆動電圧である交流電圧に変換して出力する。出力された交流電圧はベアリングレスモータの三相の各巻線に印加され、ベアリングレスモータ１の各巻線に三相電流ｉ_u、ｉ_vおよびｉ_wが流れる。

三相インバータ５３からベアリングレスモータ１の巻線１２に流れるｕ相電流ｉ_uおよびｗ相電流ｉ_wは電流センサ５４によって検出されてフィードバックされる。三相二相変換回路Ｂ１１は、検出されたｕ相電流ｉ_uおよびｗ相電流ｉ_wと、ｕ相電流ｉ_uおよびｗ相電流ｉ_wから算出されたｖ相電流ｉ_vと、を三相二相変換して、回転子のＺ軸方向の支持力に起因するｄ軸電流検出値ｉ_dと、回転子のトルクに起因するｑ軸電流検出値ｉ_qとを出力する。なお、三相座標系からｄｑ座標系への変換式は式１の逆変換で表され、ここでは記載を省略する。

図６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おける回転子の変形例を示すｘｙ断面図である。上述のように第１の実施例では、回転子１０を、円筒状の非磁性体物質１２の側面上に貼り付けられることで周方向に交互に周設される表面貼付永久磁石型回転子（ＳＰＭ）として構成したが、この変形例として、図６に示すように、埋込永久磁石型回転子（ＩＰＭ）として構成してもよい。埋込永久磁石型の回転子構造では、円筒状の非磁性体物質１２の側面上に回転子鉄心１３が設けられ、永久磁石１１が回転子鉄心１３に埋め込まれる形で、回転軸に対して径方向外向きの磁束が発生するよう着磁されたもの（第１の永久磁石）と、径方向内向きの磁束が発生するよう着磁されたもの（第２の永久磁石）とが、周方向に交互に周設されることになる。すなわちこの場合、同一のｘｙ平面上において永久磁石１１が周設された永久磁石層は、その構成要素として回転子鉄心１３をさらに含んだものとなる。

図７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極対数の変形例を説明するＡ−Ａ図である。極対数は本発明を特に限定するものではなく、上述の第１の実施例では一例として極数を８とした。極対数が偶数である場合、回転子１０において径方向に対角の位置にある２つの永久磁石の着磁方向は、上述のように互いに逆向きになる。一方、極対数が奇数である場合は、図７に示すように、回転子１０において径方向に対角の位置にある２つの永久磁石の着磁方向は同一方向に向く。

続いて、本発明の第２の実施例について説明する。図８は、本発明の第２の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。第２の実施例は、第１の実施例におけるベアリングレスモータ１において、固定子１０に対して回転子を径方向に受動的に磁気支持する受動型磁気軸受（ＰＭＢ：Ｐａｓｓｉｖｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇ）３０をさらに備えたものである。回転子１０の回転軸となるシャフト１４の上下両端に受動型磁気軸受３０が設けられる。受動型磁気軸受３０は、回転子側永久磁石３１と、固定子側永久磁石３２とからなる。回転子側永久磁石３１は回転子１０のシャフト１４の周面に設けられる。固定子側永久磁石３２は、例えば固定子２０が固定されたケース（図示せず）に固定される。回転子側永久磁石３１および固定子側永久磁石３２は、互いに吸引するものでも反発するものでもどちらでもよい。図示の例では反発型の受動型磁気軸受３０を示しており、この場合、回転子側永久磁石３１と固定子側永久磁石３２とがギャップを挟んで径方向に並ぶラジアルギャップで構成する。なお、図示はしないが吸引型の受動型磁気軸受とする場合には、回転子側永久磁石３１と固定子側永久磁石３２とがギャップを挟んで軸方向に並ぶアキシャルギャップで構成する。

図９は、本発明の第３の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。第３の実施例は、第１の実施例におけるベアリングレスモータ１において、固定子２０のティース２１−１の回転子１０側の、永久磁石層の軸方向側の面近傍に対向する位置に、スリット（凹部）３３が設けられる。図示の例では永久磁石層は１層であるので、永久磁石１０の軸方向側の表面に対向するように、ティース２１−１にスリット３３が設けられる。これにより、回転子１０が傾いたとき、傾き方向の負剛性を低減することができる。

図１０は、本発明の第４の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。上述の第１〜第３の実施例では、ベアリングレスモータ１は１層の永久磁石層を有するものとしたが、第４の実施例のように、軸方向に積層された複数の永久磁石層を有する多層構造で構成してもよい。図１０では、一例として永久磁石層をＺ軸方向に２層に積層した場合を示している。軸方向に隣接した各永久磁束層に含まれる永久磁石１１の間には、非磁性体物質からなる非磁性体１２の層が設けられる。第４の実施例は、換言すれば、第１の実施例における１層の永久磁石層を径方向（すなわちｘｙ平面方向）に２段に分割してその間に非磁性体１２を設けたものであるとも言え、つまり、第２の実施例によれば、第１の実施例に比べて永久磁石１１の量を削減することができ、コスト的にさらに有利になる。

図１１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極対数の変形例を説明するＡ−Ａ図である。永久磁石層が複数となっても極対数は本発明を特に限定するものではない。上述の第４の実施例では一例として偶数が、極対数が奇数であるとすれば、図１１に示すように、回転子１０において径方向に対角の位置（Ａ−Ａ断面）にある２つの永久磁石の着磁方向は同一方向に向く。図１１の例は、換言すれば、図７に示した１層の永久磁石層でなおかつ極対数が奇数であるものを、径方向（すなわちｘｙ平面方向）に２段に分割してその間に非磁性体１２を設けたものであるとも言える。

図１２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回転子の軸方向の位置を説明するＡ−Ａ図である。上述のように、本発明では、固定子１０におけるティース２１−１の回転子１０側の面と、回転子１０における永久磁石層が有する固定子２０側の面と、のうちの少なくとも一方が、軸方向において対向しない面部分を有するように、回転子１０を固定子２０に対してＺ軸方向にシフトするようにしている。上述の各実施例では回転子１０をＺ軸負方向にシフトさせていたが、図１２に示すように回転子１０をＺ軸正方向にシフトさせてもよい。

図１３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永久磁石層のＺ軸方向の幅の変形例を説明するＡ−Ａ図である。図１３に示すように複数の永久磁石層のうちいずれかの永久磁石層のＺ軸方向の幅を大きくしてもよい。なお、図１３に示す例は、換言すれば、図７を参照して説明した第２の実施例によるベアリングレスモータ１において、着磁方向が逆向きの永久磁石層を追加した場合に相当する。

図１４は、本発明の第５の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。複数の永久磁石層を有する多層構造で構成した実施例として、上述の第４の実施例で２層に積層した場合について説明したが、図１４は第５の実施例として３層に積層した例を示している。軸方向に隣接した各永久磁束層に含まれる永久磁石１１の間には、非磁性体物質からなる非磁性体１２の層が設けられる。第５の実施例は、見方を変えれば、第１の実施例における１層の永久磁石層を径方向（すなわちｘｙ平面方向）に３段に分割してそのそれぞれの間に非磁性体１２を設けたものであるとも言え、つまり、第５の実施例によれば、第１および第２の実施例に比べて永久磁石１１の量を削減することができ、コスト的にさらに有利になる。

図１５は、本発明の第６の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。上述の第３の実施例では、１層の永久磁石層を有するベアリングレスモータ１にスリットを設けた場合を説明したが、このスリットは多層の１層の永久磁石層を有するベアリングレスモータにも設けてもよい。例えば、３層の永久磁石層を有するベアリングレスモータ１について言えば、図１５に示すように固定子２０のティース２１−１の回転子１０側の、３層の永久磁石層うちの真ん中の永久磁石層の軸方向側の面近傍に対向する位置に、スリット（凹部）３３が設けられる。これにより、回転子１０が傾いたとき、傾き方向の負剛性をさらに低減することができる。

図１６は、本発明の第７の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。第７の実施例は、固定子２０の固定子鉄心２１のＺ軸方向の外側両端に、さらなる固定子鉄心の層を設けたものである。すなわち、図１６に示すように、固定子鉄心２１の軸方向の外側両端に、回転子側に突出した補助ティース２３−１が、周方向に複数周設される。ティース２１−１と補助ティース２３−１とはヨーク２３−２によって結合される。補助ティース２３−１およびヨーク２３−２を設けることによりＺ軸方向の磁気回路が増設された形となるので、巻線２２Ｕに電流が流れることによりＺ軸方向に発生する力をさらに大きくすることができる。

図１７は、本発明の第８の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。第８の実施例は、上述の第７の実施例における補助ティース２３−１に巻線（以下、「補助巻線」と称する）２４Ｕを巻回したものである。これにより、巻線２２Ｕに加え巻線２４Ｕにも電流が流れることによりＺ軸方向に発生する力をさらに大きくすることができる。

図１８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軸方向の力の発生原理を説明するＡ−Ａ断面図である。

ここでは、巻線２２Ｕおよび補助巻線２４Ｕにおいて図示したような向きに電流が流れ、永久磁石１１において図示したような向きに着磁された場合を考える。

ギャップＧ１中では、補助ティース２３−１から出た永久磁石１１に起因する磁束は、斜め下方に通過して永久磁石１１に入る。ギャップＧ３および中では、永久磁石１１から出た磁束は、斜め上方に通過してティース２１−１もしくは補助ティース２３−１に入る。また、巻線２２Ｕおよび補助巻線２４Ｕにおいて、図示した向きに電流が流れると、Ｚ方向の向き（図中、細字の破線の矢印の向き）に磁束が発生する。この結果、ギャップＧ１およびＧ３では永久磁石１１により発生する磁束ならびに巻線２２Ｕおよび補助巻線２４Ｕにより発生する磁束は強め合い、ギャップＧ２およびＧ４では磁束は弱め合う。これにより、回転子１０に対し、Ｚ軸正方向に力は発生する。また逆に、巻線２２Ｕおよび補助巻線２４Ｕにおいて、図示した向きとは逆向きに電流が流れると、ギャップＧ１およびＧ３では磁束は弱め合い、ギャップＧ２およびＧ４では磁束は強め合い、これにより、回転子１０に対し、Ｚ軸負方向に力は発生する。

図１９は、本発明の第９の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。また、図２０は、本発明の第９の実施例によるベアリングレスモータを説明する分解斜視図であって、図１９に示したＡ−Ａ断面で切断した場合を示す図である。第９の実施例は、上述の第８の実施例によるベアリングレスモータ１において、固定子１０に対して回転子を径方向に受動的に磁気支持する受動型磁気軸受３０をさらに備えたものである。上述の第２の実施例について説明したのと同様、回転子１０の回転軸となるシャフト１４の上下両端に、反発受動型磁気軸受（ＲＰＭＢ）３０が設けられる。受動型磁気軸受３０は、回転子側永久磁石３１と、固定子側永久磁石３２とからなる。回転子側永久磁石３１は回転子１０のシャフト１４の周面に設けられる。固定子側永久磁石３２は、例えば固定子２０が固定されたケース（図示せず）に固定される。回転子側永久磁石３１および固定子側永久磁石３２の軸方向の個数および着磁方向は図示の例に限定されるものではない。回転子側永久磁石３１および固定子側永久磁石３２は、互いに吸引するものでも反発するものでもどちらでもよい。図示の例では反発型の受動型磁気軸受３０を示しており、この場合、回転子側永久磁石３１および固定子側永久磁石３２が図示のように着磁され、回転子側永久磁石３１と固定子側永久磁石３２とがギャップを挟んで径方向に並ぶラジアルギャップで構成する。なお、図示はしないが吸引型の受動型磁気軸受とする場合には、回転子側永久磁石３１と固定子側永久磁石３２とがギャップを挟んで軸方向に並ぶアキシャルギャップで構成する。

図２１は、本発明の第９の実施例によるベアリングレスモータをベアリングレスファンに適用した場合を説明するＡ−Ａ断面図である。固定子側永久磁石３２は、固定子２０が固定されたケース３４に固定される。シャフト１４にはファン１５が接続される。

図２２および図２３は、本発明の第９の実施例によるベアリングレスモータをベアリングレスポンプに適用した場合を説明するＡ−Ａ断面図である。固定子側永久磁石３２は、固定子２０が固定されたケース３４に固定される。シャフト１４には羽根車１５が接続される。ギャップは流体が流れる流路５５となり、流体の入口５６はケース３４のＺ軸方向に設けられ、出口５７はケース３４の径方向に設けられる。また、本発明によれば、軸長の短縮が可能であるので図２３に示すように薄型のベアリングレスポンプも実現可能である。

図２４は、本発明の第１０の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。図２４に示すように、固定子１０の永久磁石層を多層構造で構成し、回転子２０についてもティース２１−１をＺ軸方向に複数積層してもよい。

図２５は、本発明の第１１の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。第１１の実施例は、ベアリングレスモータをリニアアクチュエータに適用した場合である。回転子１０のシャフト１４をＺ軸周りに回転可能にかつ軸方向に並進可能に支持する径方向ベアリング３５を、ケース等（図示せず）を介して固定子２０に設ける。回転子１０のＺ軸方向の位置を変位センサ５１によって検知し、巻線２２Ｕおよび２４Ｕにｄ軸電流を適宜流すことによって、回転子１０のＺ軸方向の移動を制御する。また、巻線２２Ｕに流すｑ軸電流を制御することにより回転子１０の回転を制御する。従来のリニアアクチュエータは、Ｚ軸方向の推進用とＺ軸回りの回転用の２種類の巻線を有するが、第１１の実施例によれば、回転子１０のＺ軸方向の推進およびＺ軸回りの回転を１種類の巻線で実現でき、１台のインバータで回転子の軸方向位置の能動制御と回転制御とを実現することができるので、低コストである。

１ ベアリングレスモータ
１０ 回転子
１１ 永久磁石
１２ 非磁性体物質
１３ 回転子鉄心
１４ シャフト
１５ ファン
２０ 固定子
２１ 固定子鉄心
２１−１ ティース
２１−２、２３−２ ヨーク
２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ 巻線
２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗ 補助巻線
２３−１ 補助ティース
３０ 受動型磁気軸受
３１ 回転子側永久磁石
３２ 固定子側永久磁石
３３ スリット
３４ ケース
３５ 径方向ベアリング
５１ 変位センサ
５２ 制御装置
５３ インバータ
５４ 電流センサ
５５ 流路
５６ 入口
５７ 出口
１００ 電動機システム

Claims (8)

1. 回転軸に対して径方向外向きの磁束が発生するよう着磁された第１の永久磁石と、径方向内向きの磁束が発生するよう着磁された第２の永久磁石と、を含み、前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石とが周方向に交互に周設される永久磁石層を少なくとも１つ有する回転子と、
   前記回転子に対して径方向にギャップを隔てて対向した固定子であって、前記回転子側に突出したティースが周方向に複数周設された固定子鉄心と、各前記ティースの間に配置された巻線と、を有する固定子と、
   を備え、
   前記固定子は、
   前記固定子鉄心の軸方向の外側両端に、前記回転子側に突出した補助ティースであって、周方向に複数周設された補助ティースと、
   前記ティースと前記補助ティースとを結合するヨークと、
   をさらに備え、
   前記ティースの前記回転子側の面と、前記永久磁石層が有する前記固定子側の面と、のうちの少なくとも一方が、軸方向において対向しない面部分を有し、
   前記巻線に界磁電流を流すことにより発生する磁束と前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石により発生する磁束とにより、前記回転子に対して軸方向の力が発生することを特徴とする電動機。
2. 前記回転子は、
   前記永久磁石層が軸方向に複数設けられ、
   軸方向に隣接した各前記永久磁束層間に、非磁性体物質からなる非磁性体層が設けられる請求項１に記載の電動機。
3. 前記固定子は、前記補助ティースに巻回される補助巻線をさらに備える請求項１または２に記載の電動機。
4. 前記ティースの前記回転子側の、前記永久磁石層の軸方向側の面近傍に対向する位置に、凹部が設けられる請求項１〜３のいずれか一項に記載の電動機。
5. 前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石は、円筒状の非磁性体物質の側面上に貼り付けられることで周方向に交互に周設される請求項１〜４のいずれか一項に記載の電動機。
6. 前記永久磁石層は、前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石が交互に周設される回転子鉄心をさらに含む請求項１〜４のいずれか一項に記載の電動機。
7. 前記固定子に対して前記回転子を径方向に受動的に磁気支持する受動型磁気軸受をさらに備える請求項１〜６のいずれか一項に記載の電動機。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の電動機と、
   前記回転子の軸方向の位置を検出する変位センサと、
   前記変位センサが検出する位置情報に基づいて前記回転子の軸方向の位置制御を行うための界磁電流指令を生成し、前記回転子を回転駆動するための電機子電流指令を生成する制御装置と、
   前記界磁電流指令および前記電機子電流指令に基づいて直流電流を変換して前記巻線に供給するための交流電流を生成するインバータと、
   を備えることを特徴とする電動機システム。

Images