JPH1084655A

JPH1084655A - 磁気浮上モータ

Info

Publication number: JPH1084655A
Application number: JP26131096A
Authority: JP
Inventors: Susumu Osawa; 将大沢; Satoshi Mori; 敏森; Kazuki Sato; 一樹佐藤; Tadashi Sato; 忠佐藤; Tadashi Kayashima; 直史茅島
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1996-09-10
Filing date: 1996-09-10
Publication date: 1998-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】円筒状ステータの内周側と外周側に同軸状に
２個のロータを備えた、コンパクトな構造の磁気浮上モ
ータを提供する。【解決手段】回転体の半径方向の位置を浮上制御す
る磁気軸受作用と、回転体を回転駆動するモータ作用と
を兼ねた磁気浮上モータにおいて、円筒状の円周方向に
沿って間隔を有して配置された内周面と外周面に開口し
たヨーク３８と、内周面と外周面に開口したヨークから
ステータの内周面及び外周面に磁界を生成するトロイダ
ル巻線３９とを備えたステータ３５と、ステータの内周
面側に配置された内側ロータ３３と、外周面側に配置さ
れた外側ロータ３４とからなり、両ロータ３３，３４は
巻線に供給される電流によりステータ３５の内周面及び
外周面から生成される磁界により、回転駆動されると共
に磁気浮上制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転体を回転駆動
するモータ作用と、回転体を浮上保持制御する磁気軸受
作用とを兼ね備えた磁気浮上モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平２−１９３５４７号公報等には、
円筒型ステータ内に円柱型ロータを組み込み、ステータ
に励磁回路を形成し、ここでロータに回転力を与えると
同時に所定位置に浮上保持する位置制御力を作用させる
磁気浮上回転機械が開示されている。これは、ステータ
に回転駆動用の巻線と制御用の巻線を備え、それぞれに
三相交流電流を流すことにより、所定の関係の極数の異
なる回転磁界を形成し、円柱型ロータの回転軸垂直面に
半径方向の磁気的作用を及ぼすものである。

【０００３】これにより、ロータを磁気的に吸引させ
て、その位置と姿勢を制御して、ステータに対して非接
触支持が可能な回転位置決めの磁気軸受機能を有すると
共に、ロータに回転力を付与するモータとして機能する
ことができる。このため、従来必要とされていた磁気軸
受に相当する電磁石ヨーク部分及び巻線が不要となり、
回転機械の軸長を短縮して、軸振動からの高速回転の制
限を少なくすることができる。また回転機械を小型軽量
化することができる。また、制御巻線の電流と主巻線の
電流とにより生じる磁界の相乗効果的な機能により、磁
気軸受に相当する動作を行えるので、従来の磁気軸受と
比較してはるかに小さな電流で制御力が生じ、大幅な省
エネルギー化が可能である。

【０００４】このように、磁気浮上モータについては、
いくつかの提案がなされている。それらは上述したよう
に駆動巻線と位置制御巻線が別巻線であるもの、あるい
は共通巻線であるものがあるが、基本としてはモータ回
転駆動用磁界の極数Ｎと浮上位置制御用磁界の極数Ｍ
が、Ｍ＝Ｎ±２となることを必要としている。

【０００５】ところで、上述した従来の磁気浮上モータ
では、その回転ロータはステータの内側、或いは外側の
どちらか一方のみである。特殊な用途として、２個のロ
ータを近接して回転したい場合には、磁気浮上ラジアル
モータを個別に２個以上用意して、これを例えば軸方向
に近接して配置しなければならない。この場合には、回
転機械は大きく、長くなり、軸振動状好ましくない状態
となる。さらに、通常のモータと機械的な軸受或いは磁
気軸受を独立に使用する場合には、さらに、回転機械は
大きくなる。

【０００６】ところで、２軸反転軸流ポンプ等では、同
一管路に配置された２個の動翼を反対方向に回転する必
要がある。このような場合に、上述した従来の磁気浮上
モータを用いる場合には、それぞれの動翼を支持するた
めに、通常２個の磁気浮上モータを必要とし、単純に２
倍の設置スペースが必要となってくる。

【０００７】図４は、通常のモータと軸受で構成した２
軸反転軸流ポンプを示す。このポンプはケーシング１１
内に２個の羽根１２，１３を備え、羽根１２及び１３が
それぞれ逆方向に回転して、流体を軸方向（図中の矢印
方向）に圧送するポンプである。羽根１２，１３は、そ
れぞれ回転軸１４及び１５に固着されており、回転軸１
４，１５はそれぞれ軸受１６，１７で支持され、モータ
１８，１９によりそれぞれ回転駆動される。モータ１
８，１９は、それぞれ巻線２０，２１を有するステータ
と、このステータが生成する回転磁界により駆動される
回転軸１４，１５に固着されたヨーク２６，２７を備え
たロータとからなる。尚、ステータ部分はキャンにより
被覆されていて、取扱流体の浸入が防止される。この２
台のモータポンプ２２，２３はそれぞれステイ２５によ
りケーシング１１に固定されている。

【０００８】また、別の問題として高速回転する回転体
に取付けた供試体の高速回転下での挙動を観察したい場
合がある。例えば、高速で回転するロータに供試体を固
定し、その供試体に対して回転状態の挙動を検知するた
めにセンサを取り付ける必要がある。このセンサを固定
側のステータに取り付けた場合には、供試体が高速回転
するために、充分なデータが得られない。しかしなが
ら、このロータと同期回転する別個のロータにセンサを
取り付けて同期回転することにより、センサ側から見る
と静止した状態で回転状態の供試体の挙動を観察するこ
とが可能となる。しかしながら、この試験装置は２台の
磁気浮上モータを、それぞれのロータの供試体と、セン
サ部分とを近接して配置する必要があり、単純に２倍の
設置面積を必要とし、且つ構造も複雑なものとならざる
を得ない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した事
情に鑑みて為されたもので、円筒状ステータの内周側と
外周側に同軸状に２個のロータを備えた、コンパクトな
構造の磁気浮上モータを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の磁気浮上モータ
は、回転体の半径方向の位置を浮上制御する磁気軸受作
用と、回転体を回転駆動するモータ作用とを兼ねた磁気
浮上モータにおいて、円筒状の円周方向に沿って間隔を
有して配置された内周面と外周面に開口したヨークと、
該内周面と外周面に開口したヨークから前記ステータの
内周面及び外周面に磁界を生成するトロイダル巻線とを
備えたステータと、該ステータの内周面側に配置された
内側ロータと、外周面側に配置された外側ロータとから
なり、両ロータは前記巻線に供給される電流により前記
ステータの内周面及び外周面から生成される磁界によ
り、回転駆動されると共に磁気浮上制御されることを特
徴とする。

【００１１】又、前記内側ロータと前記外側ロータが同
一方向に回転するものであることを特徴とする。

【００１２】又、前記内側ロータと前記外側ロータが同
一方向に、且つ同期して回転するものであることを特徴
とする。

【００１３】又、前記内側ロータと前記外側ロータが同
一方向に、同期しないで回転するものであることを特徴
とする。

【００１４】円筒状ステータのトロイダル巻線に交流電
流を供給することにより、ステータの内周面と外周面に
配置した内側ロータと外側ロータとの両方を、同時に回
転駆動すると共に磁気浮上支持することができる。この
ため、それぞれのロータに例えば羽根を取付けることに
より、２台分に相当するポンプを１台分の設置スペース
に配置可能な、回転軸長の短い極めてコンパクトな構造
のポンプを提供することができる。

【００１５】ステータのトロイダル巻線の結線により、
内側ロータと外側ロータとを同一方向に回転させること
も、又、逆方向に回転させることも可能である。さらに
内側ロータと外側ロータとをリラクタンス型或いは永久
磁石型とすることにより、両ロータを同期して回転駆動
することも可能であり、例えば両ロータ又は片方のロー
タを２次導体を有する誘動モータ型とすることにより、
それぞれのロータの負荷に応じたすべり周波数で非同期
で回転駆動することもできる。

【００１６】この磁気浮上モータを用いることにより、
例えば２軸反転軸流ポンプをその軸長を短縮し、全体と
して極めてコンパクトな構造とすることができる。又、
高速回転する一方のロータに供試体を取付け、これに同
期回転する他方のロータにセンサを取り付けることによ
り、高速回転中の供試体の挙動をセンサから見て静止状
態で観察することが可能となる試験装置が提供される。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
しながら説明する。

【００１８】図１は、本発明の磁気浮上モータを用いた
２軸反転軸流ポンプを示す。このポンプはケーシング３
０内に互いに反対方向に回転する羽根３１，３２を備
え、図中矢印方向に流体を反転圧送する軸流ポンプであ
る。羽根３１は、内側ロータ３３に固着され、羽根３２
は外側ロータ３４に固着されている。内側ロータ３３と
外側ロータ３４とは同軸状に配置され、これらのロータ
間に両ロータを回転駆動するとともに、磁気浮上支持す
る円筒状のステータ３５が配置されている。円筒状のス
テータ３５は、ステイ４０によりケーシング３０に固定
されている。

【００１９】内側ロータのシャフト３３には、円周方向
に沿って磁性材の凹凸である回転ヨーク３６を備え、外
側ロータ３４には、同様な回転ヨーク３７を備える。円
筒状のステータ３５は、円周方向に沿って間隔を有して
配置された内周面と外周面に開口した凸部を有する断面
がリング状のヨーク３８を備える。そして、ヨークの凸
部（開口部）からステータの内周面及び外周面に配置さ
れたロータに磁界を作用させて、これを回転駆動すると
共に浮上制御する磁界を生成するトロイダル巻線３９を
備える。

【００２０】図２は、図１に示す磁気浮上モータのトロ
イダル巻線の結線例を示す。図１におけるヨーク３８
は、外側ヨーク３８Ｏと内側ヨーク３８Ｉとに分割され
ており、その間が非磁性材４２を介して磁気的に絶縁さ
れている。外側ヨーク３８Ｏには、トロイダル巻線１，
２，・・１２がヨーク３８Ｏ内に円周方向に磁束を形成
するように巻回されている。同様に内側ヨーク３８Ｉに
は、トロイダル巻線１′，２′，・・１２′が同様にヨ
ーク３８Ｉ内に円周方向に磁束を形成するように巻回さ
れている。

【００２１】図示しないがヨーク３８Ｏ，３８Ｉは、そ
れぞれステータ外周面及び内周面に開口する凸部を備
え、その凸部より４極回転磁界及び２極制御磁界が、ロ
ータのヨーク３６，３７に磁気力を作用させる。従っ
て、巻線１−１′，２−２′，・・１２−１２′と接続
することにより、これらの巻線に三相交流電流を供給す
る電流供給源を同一としたまま、外側ヨーク３８Ｏと内
側ヨーク３８Ｉから、外周側及び内周側のロータに作用
する、それぞれ逆方向に回転する回転駆動磁界を形成す
ることができる。尚、内側と外側のロータを同方向に回
転する場合には、これらのトロイダル巻線を巻回したヨ
ークは単一のものとすることができる。即ち、ヨーク３
８Ｏとヨーク３８Ｉとを共通にすることができる。

【００２２】そこで、外側ヨーク３８Ｏのトロイダル巻
線１，２，・・１２に４極回転駆動磁界を形成する励磁
電流と、２極回転制御磁界を形成する励磁電流とを重畳
して供給することにより、ステータのヨーク３８の外周
面に４極回転駆動磁界と２極回転制御磁界とを形成する
ことができる。同様に内側ヨーク３８Ｉのトロイダル巻
線１′，２′，・・１２′に４極回転駆動磁界を形成す
る励磁電流と、２極回転制御磁界を形成する励磁電流を
重畳して供給することにより、ヨーク３８の内周面に４
極回転駆動磁界と２極回転制御磁界とを形成することが
できる。

【００２３】そして、外周面の４極回転駆動磁界と内周
面の４極回転駆動磁界とは回転方向が逆であるから、外
側ロータ３４と内側ロータ３３とはそれぞれ逆方向に回
転する。そして、２極回転制御磁界が４極回転駆動磁界
と干渉することにより、円周方向に沿ってロータに及ぼ
す磁界が強めあう、或いは弱めあう偏配を生じ、両ロー
タ３３，３４をそれぞれステータから非接触で浮上した
状態で浮上位置制御及び浮上姿勢の制御を行うことがで
きる。

【００２４】このように図１に示す２軸反転軸流ポンプ
は、円筒状ステータ３５の内側ロータ３３と外側ロータ
３４とが逆方向に回転するので、羽根３１，３２がそれ
ぞれ逆方向に回転して、流体を矢印方向に反転圧送す
る。この実施例の磁気浮上モータは、このように１台で
２個の羽根を備えたロータをそれぞれ独立に磁気浮上保
持しつつ、逆方向に回転駆動することができる。

【００２５】尚、図１に示すようにロータの被駆動部分
を磁性材ヨークの凹凸面とする、いわゆるリラクタンス
型としたので、ロータは回転駆動磁界に同期して回転す
る。このロータの被駆動部分を例えば２次導体を軸方向
に配列し、その終端を導体のエンドリングで結合した誘
導機型のロータとしてもよい。この場合には、ロータは
回転駆動磁界から負荷に応じたすべりを持って、回転駆
動磁界とは非同期で回転する。

【００２６】図３は、本発明の第２実施例の磁気浮上モ
ータで構成した回転系の試験装置を示す。ケーシング５
０には円筒状のステータ５１が架台５２を介して固定さ
れている。ステータ５１には、円筒状の円周方向に沿っ
て内周面と外周面に開口した凸部を有するヨーク５３
と、ヨークの凸部からステータの内周面及び外周面に磁
界を生成するトロイダル巻線５４とを備えている。この
ヨーク５３とこれに巻回したトロイダル巻線５４は、ス
テータの回転軸方向に沿って２ヶ所に設けられており、
この２ヶ所で内側ロータ５５と外側ロータ５６とを回転
駆動すると共に磁気浮上保持する。

【００２７】内側ロータ５５にはロータの被駆動部であ
る内側回転ヨーク５７と、例えばポンプのインペラであ
る供試体５８とを固着している。内側回転ヨーク５７
が、ステータ５１が形成する４極回転駆動磁界の作用に
より回転駆動され、２極回転制御磁界により浮上位置及
び浮上姿勢が制御される。内側ロータ５５の回転と共
に、これに固着された供試体５８が回転し、例えばポン
プのインペラとしての各種の試験を行う。そして、回転
体５８の高速回転時の挙動を調べるためのセンサ６０が
外周側ロータ５６の供試体５８に対向する位置に固定さ
れている。外側ロータ５６は、被駆動部として内側ロー
タ５５と同様に磁性材の凹凸面である回転ヨーク６１を
備え、これがステータ５１の４極回転駆動磁界と２極回
転制御磁界の磁気力を受け、回転駆動されると共に磁気
浮上保持制御される。

【００２８】この実施例では、４極回転駆動磁界を形成
する巻線は単一の巻線であり、円筒状ステータ５１の外
周面及び内周面に同一方向に回転する回転駆動磁界を形
成する。このため、内側ロータ５５及び外側ロータ５６
は、それぞれ同一の回転方向に同期して回転する。内側
ロータと外側ロータの回転角速度が等しいため、外側ロ
ータに固定されたセンサ６０は内側ロータ５５に固着さ
れた供試体５８の挙動を相対的に静止状態で観察するこ
とができる。

【００２９】尚、上述した実施例において、ロータの被
駆動部は磁性材の凹凸面を有するいわゆるリラクタンス
型の例について説明したが、ＮＳ極を有する永久磁石を
固着したいわゆる永久磁石型でも、本発明の趣旨を同様
に適用できるのは勿論のことである。又、上述したよう
に、ロータに２次導体を用いたいわゆる誘導機型ロータ
としても、回転駆動磁界に同期することはできないが、
僅かなすべりで運転することができる。

【００３０】又、上述した実施例の磁気浮上モータは円
筒型のステータの内側と外側に内側ロータ及び外側ロー
タを配置したものであるが、扁平な円板状のステータを
設け、その上側及び下側に円板状のロータを配置する、
いわゆるディスク型の磁気浮上モータについても本発明
の趣旨を同様に適用できる。

【００３１】又、この実施例では４極回転駆動磁界と２
極回転制御磁界を用いる例について説明したが、Ｎ（駆
動磁界極数）＝Ｍ（制御磁界極数）±２に従った組合せ
であれば、本実施例と同様のロータの回転駆動と磁気浮
上制御が可能である。更に、制御巻線と駆動巻線を同一
の巻線にした例について説明したが、別個の巻線として
も、上述した関係の極数の回転磁界を形成する電流を供
給することにより、同様の効果が得られることも勿論で
ある。

【００３２】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
円筒状ステータのヨークにトロイダル巻線を施すことに
より、ステータの外側及び内側に配置したロータをそれ
ぞれ回転駆動すると共に磁気浮上保持することができ
る。これにより、２個のロータを独立に回転駆動する磁
気浮上モータの構造を極めてコンパクトにすることがで
きる。そして、回転軸の長さを短くすることができるの
で、軸振動からの高速回転の制限がなくなる。

【００３３】又、外側ロータと内側ロータとを同期して
回転させることも可能であり、これにより例えば外側ロ
ータに取り付けた高速回転のセンサにより、高速回転す
る内側に取り付けられた供試体の挙動を、センサから見
て静止状態で観察することができるコンパクトな試験装
置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の磁気浮上モータを用いた
２軸反転軸流ポンプの説明図。

【図２】図１におけるヨーク及びトロイダル巻線の結線
状態を示す説明図。

【図３】本発明の第２実施例の磁気浮上モータを用いた
回転系の試験装置の説明図。

【図４】従来の２軸反転軸流ポンプの説明図。

【符号の説明】

３１，３２羽根３３内側ロータ（回転軸）３４外側ロータ（回転軸）３５円筒状ステータ３６，３７回転ヨーク３８ステータヨーク３９トロイダル巻線

フロントページの続き (72)発明者佐藤忠神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号株式会社荏原総合研究所内 (72)発明者茅島直史神奈川県藤沢市本藤沢４丁目１番１号株式会社荏原電産内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転体の半径方向の位置を浮上制御する
磁気軸受作用と、回転体を回転駆動するモータ作用とを
兼ねた磁気浮上モータにおいて、円筒状の円周方向に沿って間隔を有して配置された内周
面と外周面に開口したヨークと、該内周面と外周面に開
口したヨークから前記ステータの内周面及び外周面に磁
界を生成するトロイダル巻線とを備えたステータと、該
ステータの内周面側に配置された内側ロータと、外周面
側に配置された外側ロータとからなり、両ロータは前記
巻線に供給される電流により前記ステータの内周面及び
外周面から生成される磁界により、回転駆動されると共
に磁気浮上制御されることを特徴とする磁気浮上モー
タ。
【請求項２】前記内側ロータと前記外側ロータが同一
方向に回転するものであることを特徴とする請求項１記
載の磁気浮上モータ。
【請求項３】前記内側ロータと前記外側ロータが同一
方向に、且つ同期して回転するものであることを特徴と
する請求項２記載の磁気浮上モータ。
【請求項４】前記内側ロータと前記外側ロータが同一
方向に、同期しないで回転するものであることを特徴と
する請求項２記載の磁気浮上モータ。
【請求項５】前記内側ロータと前記外側ロータが反対
方向に回転するものであることを特徴とする請求項１記
載の磁気浮上モータ。