WO2009104376A1

WO2009104376A1 - スラスト力発生装置及び該スラスト力発生装置を適用した電磁機械

Info

Publication number: WO2009104376A1
Application number: PCT/JP2009/000615
Authority: WO
Inventors: 朝間淳一; 千葉明; 仁藤淳
Original assignee: モーターソリューション株式会社
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2009-08-27
Also published as: JP2009192041A

Abstract

【課題】回転数の制限、流体機械に応用した場合にキャビテーション等の問題点を解決して、生産性が高く、信頼性に勝れた、スラスト力発生装置及び該スラスト力発生装置を適用した電磁機械を提供する。【解決手段】主軸１に取り付けられて軸方向に励磁された第１の永久磁石１３と、該第１の永久磁石１３の周囲でかつ該第１の永久磁石１３の重心より軸方向に所定距離ずれた位置に捲回された鉄心を有さない一つ以上の空心コイル１５と、を有し、該空心コイル１５に電流を供給することにより、軸方向の電磁力を発生するスラスト力発生装置１６０を備えた電磁機械。

Description

スラスト力発生装置及び該スラスト力発生装置を適用した電磁機械

本発明はスラスト力発生装置及び該スラスト力発生装置を適用した電磁機械に係わり、特に組み立て作業が簡単であり、部品点数の低減及び主軸長の短縮化を図ったスラスト力発生装置及び該スラスト力発生装置を適用した電磁機械に関する。

ベアリングレスモータは、主軸が磁気浮上しながら、非接触で回転が可能なモータである（例えば、非特許文献１参照）。一般的なモータでは、固定子に回転用の巻線（電動機巻線）が施されているが、ベアリングレスモータでは、更に、磁気浮上用の巻線（軸支持巻線）が追加で施されている。この軸支持巻線に電流を流すと、主軸の半径方向には磁気力が作用する。主軸の半径方向の変位を計測し、この磁気力を調整することで、非接触磁気浮上支持が可能になる。

　従来、このベアリングレスモータ２機と、スラスト磁気軸受を用いて、主軸の回転方向（θｚ）以外の５自由度運動（ｘ、ｙ、ｚ、θｘ、θｙ）を磁気浮上制御するベアリングレス回転機が報告されている（例えば、非特許文献２参照）。このベアリングレス回転機１００は、図１８の断面図に示すように、可動子４と固定子５から構成されるベアリングレスモータユニット４０、可動子６と固定子７から構成されるベアリングレスモータユニット５０、及びスラスト磁気軸受６０の３ユニット構造である。

　図１９には、またベアリングレスモータユニット４０及びベアリングレスモータユニット５０回りの斜視構成図を示す。図１８において、径方向変位センサ３はｘ軸とｙ軸用にそれぞれ配設され、図示しないハウジングに固定されており、主軸１に固定された円柱状のセンサターゲット２との間の距離を測定するようになっている。また、径方向変位センサ１４も同様に、ｘ軸とｙ軸用にそれぞれ配設され、回転軸１に固定された円柱状のセンサターゲット８との間の距離を測定するようになっている。

　一方、スラスト磁気軸受６０は、円板状の磁性ディスク１０と、それを挟む２個の固定子電磁石９及び１１から構成される。主軸の軸方向運動（ｚ）は、このスラスト磁気軸受６０により制御されるようになっている。また、軸方向変位センサ１８は、磁性ディスク１０をセンサターゲットとして、スラスト方向の変位を測定するようになっている。

ベアリングレスモータ４０、５０の可動子４及び可動子６、センサターゲット２及びセンサターゲット８、磁性ディスク１０は主軸１により貫通固定されている。この主軸１は、径の大きな磁性ディスク１０が主軸１の下端部に固定されているため、回転体全体として凸型の形状を有する。また、変位センサは、１自由度を制御するために、少なくとも１個必要である。

　次に、図１８に基づき従来技術の磁気軸受の動作原理を説明する。図示しない制御装置は、径方向変位センサ３及び径方向変位センサ１４により、半径方向（ｘ、ｙ）、及び、コニカル方向（θｘ、θｙ）の変位・角度を計測し、電磁石４１、５１に適切な電流を流すことで、主軸１の４自由度運動を能動的に制御する。
　一方、軸方向については、主軸１に対し紙面上方向に外力が加わった場合、制御装置が電磁石１１に電流を流し、磁性ディスク１０を吸引することで、主軸１が移動しないように制御する。一方、主軸１に対し紙面下方向に外力が加わったら、制御装置が電磁石９に電流を流す。このときの電流とスラスト力の関係は非線形である。線形化するには、バイアス電流を流し、電磁石９と１１の電流を、一方では増やし、他方で減らすプシュプル方式とする必要がある。

現在、この５自由度制御型ベアリングレス回転機の図２０に示すような産業用遠心ポンプへの応用が検討されている。図２０にこの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回転機の全体構造図を示す。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２０において、主軸１の左端には羽根車２１が配設されており、ポンプ吸入口２２より所定の流体が吸引され、ポンプ吐出口２５よりこの流体が吐出されるようになっている。
　前述したベアリングレスモータ４０、５０をポンプに適用した場合、主軸１の５自由度運動を能動的に制御しているため、ポンプ駆動中、主軸１に流体力が作用しても、安定して動作可能である。

そして、また、主軸１と一体化した羽根車２１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ないクリーンな液送が可能なポンプを実現できる。
　しかし、この様な用途では、液体が固定子と可動子の間に流れ込むため、固定子・可動子表面を樹脂カバー等の隔壁２３で覆う必要がある。

なお、半径方向２自由度制御のベアリングレス回転機のみでポンプを構成した場合（例えば特許文献１や非特許文献３参照）、ポンプ駆動中のスラスト方向推進力により、羽根車２１に力が作用し、羽根車２１とハウジング２６が衝突する恐れがあった。

Ａ. Ｃｈｉｂａら著、「ＭａｇｎｅｔｉｃＢｅａｒｉｎｇｓａｎｄＢｅａｒｉｎｇｌｅｓｓＤｒｉｖｅｓ」、ＥｌｓｅｖｉｅｒＮｅｗｎｅｓＰｒｅｓｓ出版、２００５年、ｐ．１２－３４朝間ら著、「ワイドギャップベアリングレスモータの磁気支持特性」、平成１９年電気学会産業応用部門大会、ＩＩＩ－１５７－１６２Ｍ. Ｎｅｆｆら著、「Ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐｆｏｒｈｉｇｈｌｙｐｕｒｅｃｈｅｍｉｃａｌｓ」、ＩＳＭＢ－８、ｐｐ.２８３－２８７、２００２特開２００１－０１６８８７「電気式回転駆動装置」

　ところで、上記した従来のポンプでは、回転体が全体として凸型の形状を有することから、隔壁２３の加工が複雑となり、回転体をハウジング内部に挿入するのに、ハウジングを分離する等の必要があり、部品件数が増加する。また、ポンプなどに使用した場合は液体が漏れないようにするために分離した部分をシールする必要があり、組み立て作業が煩雑である。このため、生産性が悪く、コスト高であった。また、この様な可動子や固定子を覆う隔壁２３には角部が多く形成されているため、クラックが入りやすく、信頼性に不安があるいう問題があった。

　更に、磁性ディスク１０の外周を大きくしなければスラスト力が得られない。ベアリングレスモータは通常のモータより高速で運転できることに特徴があるが、高速に運転すると周速の増大により機械的な強度の問題と、流体機械に応用した場合にキャビテーションが発生する等の問題があった。更に、図１８の断面図に示すように、径方向変位センサ１４と、磁性体コアを有する電磁石９との距離が近い。この様な変位センサと電磁石９の距離が近いと、渦電流型やインダクタンス型等の径方向変位センサ１４を用いた場合、測定感度が低下するという問題があった。

本発明は、以上のような回転数の制限、流体機械に応用した場合にキャビテーション等の問題点を解決して、生産性が高く、信頼性に勝れた、スラスト力発生装置及び該スラスト力発生装置を適用した電磁機械を提供することを目的とする。

このため本発明（１）のスラスト力発生装置を備えた電磁機械は、主軸に取り付けられた第１の永久磁石と、該第１の永久磁石の周囲でかつ該第１の永久磁石の中心より軸方向に所定距離ずれた位置に捲回された鉄心を有さない空心コイルとを備え、該空心コイルに電流を供給することにより、軸方向の電磁力を発生することを特徴とする電磁機械である。　

空心コイルに対し電流を流すと、ローレンツ力が空心コイルに作用する。空心コイルは固定されているため、その反作用を受け、第１の永久磁石にはローレンツ力とは逆方向に力が作用する。このことにより、空心コイルに適切な電流を流すことで、主軸のスラスト方向運動を能動的に制御することができる。空心コイルには鉄心が無いため、径方向変位センサ等と距離を近く配設されても従来のように渦電流やインダクタンスの値が変化する等によりセンサの測定感度が低下することはなくなる。

　また、本発明（２）のスラスト力発生装置を備えた電磁機械は、前記空心コイルが、主軸正方向にずれた位置に配設された第１のコイルと、主軸負方向にずれた位置に該第１のコイルに対して対称的に配設された第２のコイルとを備え、該第２のコイル及び前記第１のコイルとがそれぞれ電流制御されることを特徴とする電磁機械である。

第１のコイルと第２のコイルに対しそれぞれローレンツ力が発生するので、スラスト力を増大させることができる。

　更に、本発明（３）のスラスト力発生装置を備えた電磁機械は、前記第１の永久磁石の主軸方向端には支持板を備えて構成した。

　この支持板を磁性体で構成した場合、この支持板により、第１のコイル及び第２のコイルに対し磁束を集中させることができるようになる。このため、軸方向への発生力が増大可能となる。また、この支持板は、第１の永久磁石を主軸に対し取り付ける場合の、がたつきを抑える効果がある。なお、支持板は非金属で構成することも可能である。この場合であっても第１の永久磁石を主軸に対し取り付ける場合の、がたつきを抑える効果は同様に得ることができる。なお、支持板は、非磁性体であってもよい。　

更に、本発明（４）の電磁機械は、前記主軸に径方向の電磁力を発生する径方向力発生装置とを備え、前記第１の永久磁石の直径が、前記径方向力発生装置の固定子内側の直径以下に形成されたことを特徴とする。　

　電磁機械は例えばベアリングレスモータや磁気軸受装置を備えたものである。径方向力発生装置は、主軸に対し径方向制御のみを行うものであってもよいし、回転駆動を伴うものであってもよい。
　第１の永久磁石の直径が、径方向力発生装置の固定子内側の直径以下に形成されたことで、回転体全体として円筒形状になりハウジング内に回転体を挿入しやすくできる。このため、電磁機械を適用したポンプの組み立て作業が楽に行える。第１の永久磁石の直径は従来の磁性ディスクの寸法より小さいため、キャビテーションも生じ難い。

　更に、本発明（５）の電磁機械は、前記第１の永久磁石の外周面、もしくは該外周面の表面に形成されたメッキ、もしくは該外周面を被覆するリングのいずれかとの間の径方向位置を検出する径方向変位センサを備えて構成した。

第１の永久磁石の外周をセンサターゲットとすることで、余分なセンサターゲットを排除し、軸長の短縮化が実現可能となる。

更に、本発明（６）の電磁機械は、前記径方向力発生装置は、前記主軸を磁気浮上させつつ非接触で回転させるベアリングレスモータであることを特徴とする。

更に、本発明（７）の電磁機械は、前記第１の永久磁石の主軸方向端に対峙するように固定子側に別途第２の永久磁石が配設され、該第２の永久磁石が前記第１の永久磁石に対しスラスト方向に反発力、もしくは吸引力を発生することを特徴とする。　

　第２の永久磁石が第１の永久磁石に対しスラスト方向に反発力、もしくは吸引力を発生することで例えばポンプ駆動中に羽根車に作用するスラスト力と平衡、もしくは一部をキャンセルして、空心コイルの電流を節約することができる。

　以上説明したように本発明によれば、主軸に取り付けられた第１の永久磁石と、鉄心を有さない空心コイルとを備えて構成したので、空心コイルに電流を供給することにより、軸方向の電磁力を発生することができる。空心コイルに適切な電流を流すことで、主軸のスラスト方向運動を能動的に制御することができる。

　また、第１の永久磁石の直径を径方向力発生装置の固定子内側の直径以下に形成したので、回転体全体として円筒形状になりハウジング内に回転体を挿入しやすくできる。このため、電磁機械を適用したポンプの組み立て作業性に優れ生産性が高い。第１の永久磁石の直径は従来の磁性ディスクの寸法の半分程度であるので、同一回転で運転した場合のキャビテーションの発生確率が大幅に減ずる。よって、生産性にすぐれ、信頼性の高い電磁機械が実現できる。

本発明の第１実施形態である５自由度制御型のベアリングレス回転機の断面構成図である。本発明と従来例のスラスト方向発生力を説明する図である。本発明のスラスト力発生装置の原理を説明する図である。一つの空心コイルの場合の解析モデル図である。一つの空心コイルの場合で磁石厚を変更した場合の解析結果である。二つの空心コイルの場合の解析モデル図である。二つの空心コイルの場合で磁石厚を変更した場合の解析結果である。円筒状の永久磁石の磁気円板の有無による周辺磁束の解析結果である。円筒状の永久磁石の磁気円板の有無による周辺磁場の解析結果である。磁気円板の厚さに対するスラスト力の解析結果である。本発明のスラスト力発生装置の試作品の主要部品を示す図である。本発明のスラスト力発生装置の制御の有無による過渡応答の差を示すデータである。スラスト力の解析値と実測の差異を示す図である。半径方向の磁束の解析値と実測の差異を示す図である。回転数５１０ｒ／ｍｉｎにおける、回転子のスラスト変位と径方向変位センサの出力とベアリング回転機の軸支持巻線Ｕ相電流を示す図である。本発明の第２実施形態である５自由度制御型のベアリングレス回転機の断面構成図である。本発明の第３実施形態である５自由度制御型のベアリングレス回転機の断面構成図である。従来のベアリングレス回転機の断面図である。ベアリングレスモータユニット回りの斜視構成図である。従来のベアリングレス回転機をポンプに適用した構造例である。

符号の説明

１　　　　　　　　　主軸
　　２、８　　　　　　　センサターゲット
　　３　　　　　　　　　径方向変位センサ
　　４、６　　　　　　　可動子
　　５、７　　　　　　　固定子
　１２、１５　　　　　　空心コイル
　１３、１９　　　　　　永久磁石
　１４　　　　　　　　　径方向変位センサ
　１６、１７　　　　　　磁性体円板
　１８　　　　　　　　　軸方向変位センサ
　４０、５０　　　　　　ベアリングレスモータユニット
　６０、１６０　　　　　スラスト力発生装置
２００、３００、４００　ベアリングレス回転機

　以下、本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しながら説明する。なお、これはあくまでも一例であって、本発明の技術的範囲はこれに限られるものではない。

　図１は、本発明の第１実施例である５自由度制御型のベアリングレス回転機２００の断面構成図である。なお、背景技術で説明した図１６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が従来の図１６に示すベアリングレス回転機１００の構成と異なるのは、従来のスラスト磁気軸受６０部分が径の大きな磁性ディスク１０を適用していたため回転体が全体として凸型の形状を有していたのに対し、スラスト力発生装置１６０の回転体部分が全体として円筒状に形成された点である。

　図１において、主軸１の下端部分には磁性体円板１６、１７により上下から挟まれた可動子となる円柱状の永久磁石１３が取り付けられている。永久磁石１３は、上面がＮ極、下面がＳ極に着磁されている。この永久磁石１３の径方向寸法は、ベアリングレスモータ４０、５０の可動子４、６、及びセンサターゲット２、８と同じである。

そして、この永久磁石１３、磁性体円板１６、１７の外周であって、かつこの永久磁石の重心より所定距離高い位置には固定子となる空心コイル１２が配設されている。空心コイル１２は主軸１回りに捲回されているが、この空心コイル１２には従来のように鉄心は配設されていない。そして、この空心コイル１２はハウジング２６を形成する樹脂により固定されている。

　一方、この空心コイル１２と永久磁石の重心を隔てた重心より所定距離低い対称となる位置に空心コイル１５が同様に配設されている。空心コイル１２、１５には、永久磁石１３で発生した磁束が通過するようになっている。

次に、本発明の第１の実施例であるベアリングレス回転機２００の構成を説明する。永久磁石１３の径方向寸法をベアリングレスモータ４０、５０の可動子４、６、及びセンサターゲット２、８と同じにしたことで、回転体全体として円筒形状になりハウジング２６内に回転体を挿入しやすくできる。このため、ポンプの組み立て作業が楽に行える。樹脂カバーとしての隔壁２３も円筒状に形成できるため機械強度が増す。永久磁石１３の径方向寸法は従来の磁性ディスク１０の寸法より小さいため、キャビテーションも生じ難い。但し、この永久磁石１３の径方向寸法は可動子４、６、及びセンサターゲット２、８の径方向寸法より小さくてもよい。

図１のスラスト力発生装置１６０の動作原理を説明する。永久磁石１３の上面のＮ極から発した磁束は空心コイル１２に交差した後、空心コイル１２及び空心コイル１５の外側を通る。そして、空心コイル１５を交差した後下面のＳ極に戻る。従って、空心コイル１２には、永久磁石１３のＮ極から出て半径方向外側に向かう磁束が通り、空心コイル１５では、内側に向かってＳ極に流れ込む磁束が通る。

空心コイル１２に対し図中紙面手前側から奥方向に向けた電流を流し、一方、空心コイル１５に対し図中紙面奥方向から手前側に向けた電流を流すと、ローレンツ力が空心コイル１２、１５の下方向に作用する。空心コイル１２、１５は固定されているため、その反作用を受け、永久磁石１３には上方向の力が作用する。

また、空心コイル１２、１５に対し上記とは逆方向に電流を流せば永久磁石１３には下方向の力を作用することができる。従って、主軸１の軸方向変位を軸方向変位センサ１８で計測し、空心コイル１２、１５に適切な電流を流すことで、主軸１のスラスト方向運動を能動的に制御することができる。空心コイル１２には鉄心が無いため、径方向変位センサ１４と距離を近く配設されても従来のように渦電流やインダクタンスの値が変化する等によりセンサの測定感度が低下することはなくなる。

このスラスト力発生装置１６０は、可動子に永久磁石１３を使用し、周辺の固定子に磁性体を使用しない。このため、主軸１が半径方向に変位しても、スラスト力発生装置１６０による磁気吸引力が発生しない。従って、スラスト力発生装置１６０がベアリングレスモータ４０、５０へ及ぼす影響を極小にできる。

　図２は、従来のベアリングレス回転機と本発明のスラスト力発生装置のスラスト発生力を説明する図である。横軸はコイルを流れる電流、縦軸はスラスト方向の発生力である。図２に示すように、図１８の構成による従来のスラスト磁気軸受６０では、電流とスラスト力の関係は非線形である。線形化するためには、バイアス電流を流し、電磁石９と１１の電流を、一方では増やし、他方で減らすプシュプル方式としなければならない。

　このため、制御システムの複雑化、定常電流による消費電力の増加が問題となる。空心コイル１２、１５を使用した本実施形態のスラスト力発生装置１６０の場合、図２中、「本実施形態のスラスト力」として示したように、バイアス電流を流さなくても電流とスラスト力が線形であるという特徴を有する。スラスト力も従来と同程度の力を得ることができる。

　更に、永久磁石１３からの磁束は空心コイル１２、１５に対し固定バイアス磁束として作用することになるため、スラスト力を得るのに必要な空心コイル１２、１５に流す電流は小さくてすむ。なお、空心コイル１２、１５は必ずしも両方を配設する必要はなく、いずれか一方のみでも回転体の軸方向制御をすることは可能である。

　また、本実施例では磁性体円板１６、１７を配設するとして説明したが、磁性体円板１６、１７は省略しても動作可能である。磁性体円板１６、１７を付加することにより、軸方向への発生力が増大可能となる。また、この磁性体円板１６、１７は、永久磁石１３を主軸１に通して取り付ける場合に構造的に確実性がある。

　通常、永久磁石１３はもろいため、圧入が困難であり、永久磁石１３の内径は、主軸１の外径よりも大きく設計し、中間ばめ、もしくはすきまばめにする必要がある。磁性体円板１６、１７を、永久磁石１３を間に挟んで圧入することで、永久磁石１３が磁性体円板１６、１７を吸引し、固定できるため、構造的に確実性がある。なお、円板は、非磁性体であってもよい。この場合、永久磁石１３は上下からの圧縮力で固定される。

　更に、回転中、可動子が発熱した場合の、永久磁石１３と主軸１の熱膨張係数の違いから生じる問題も回避できる。主軸１の熱膨張係数が、永久磁石１３よりも大きい場合、主軸１に中間ばめで永久磁石１３を取り付けると、破壊する恐れがある。また、主軸１の熱膨張係数が低い場合、永久磁石１３の内径が、主軸１の外径よりも大きくなり、がたつきの問題が生じる。いずれの問題も、永久磁石１３の上下から磁性体円板１６、１７を挿入することで解決可能である。また、磁性体円板１７をセンサターゲットとすることで、スラスト方向の変位も計測である。

　以下、本発明のスラスト力発生装置について有限要素法による磁場解析を行い、試作して、５自由度制御型のベアリングレス回転機に組み込み試験を行ったので、その詳細について説明をする（朝間、千葉、深尾「円筒磁石可動形コアレススラストアクチュエータ」電気学会２００８年８月回転機研究会ＲＭ－０８－４１参照）。

　図３に、本発明のスラスト力発生装置のスラスト力の発生原理を示す。可動子にはスラスト方向に着磁された円筒形永久磁石、固定子には回転方向に巻回したコアレスコイル（空心コイル）を用いる。永久磁石から発生する磁束の径方向成分と、コアレスコイル（空心コイル）の電流により、コイルにはローレンツ力が作用する。コイルは固定されているため、その反作用により、永久磁石のスラスト方向に力が発生する。

可動子が円筒形のため、回転主軸全体が円筒形状に設計可能である。これにより、加工・組立の簡略化、周速の低下が期待できる。コアレスコイル（空心コイル）を採用することで、可動子である永久磁石が径方向に変位しても、可動子には不平衡吸引力が発生せず、ベアリングレス回転機への外乱を小さくできる。図1８に示すスラスト磁気軸受６０の制御と駆動には、一般的に電磁石のバイアス電流と３相インバータを必要とする。一方、本発明のスラスト力発生装置は、バイアス電流を必要とせず、さらに単相インバータのみで駆動可能である。

<シングルコイルモデル>　　
３Ｄ-ＦＥＭを用いた磁場解析ソフトウェア（ＪＭＡＧ-Ｓｔｕｄｉｏ、日本総研ソリューションズ社）により、本発明のスラスト力発生装置の設計を行う。本研究では、定格スラスト力の目標値は１００Ｎとする。図４に、解析モデル（シングルコイルモデル）を示す。厚さ数ｍｍの固定子・回転子隔壁が取り付け可能なように磁気的なギャップを５ｍｍに設計した。設置スペースの制限から、提案するアクチュエータ部の長さは４５ｍｍ以内とした。ｔｐ、ｔｃ、ｗｃは、それぞれ磁石厚、コイル厚、およびコイル幅である。

コイル幅を検討するため、図４の永久磁石の底面端部から径方向に５ｍｍ離れた位置をX＝０とした時の、コイル上部の磁束密度の径方向成分を解析した。図５に、磁石厚を変更した場合の解析結果を示す。コアレスコイル（空心コイル）の電流は０Ａ、永久磁石はネオジム永久磁石に設定した。いずれの場合も、X＝０ｍｍにて磁束密度は最大であり、永久磁石から遠ざかる程減少し、ｘ＝３０ｍｍにおいて、磁束密度は最大値の１０%程度に減少している。このため、３０ｍｍ以降の磁束は発生力への影響が少ないと考えられる。したがって、コイル幅は３０ｍｍに決定した。

図５に、コイル幅３０ｍｍで磁石厚を変更した場合の、コイル厚に対するスラスト力の解析結果を示す。占積率５０%、電流密度８Ａ/ｍｍ^２として解析を行った。コイル厚の増加に伴い、発生するスラスト力の増加が確認できる。しかしながら、発生力は最大でも５５Ｎ程度であり、コアレスコイル（空心コイル）1個のみでは、磁場解析上、目標を満足する十分なスラスト力が得られないことが明らかとなった。

〈ダブルコイル・電磁鋼板モデル〉　　
発生力を増大させるため、図６に示すように、コアレスコイル（空心コイル）を追加し、２個のコイルで永久磁石を挟み込む構造を新たに検討した（ダブルコイルモデル）。永久磁石の磁束を有効に利用し、追加したコアレスコイル（空心コイル）においてもローレンツ力が発生するため、スラスト力の増大が期待できる。また、コアレスコイル（空心コイル）を追加しても、両コイルを直列に接続してスラスト力が発生可能なため、単相インバータによる駆動も可能である。図７に、ダブルコイルモデルでの、磁石厚に対するスラスト力の解析結果を示す。コイル厚は１８ｍｍ、電流条件は上記の条件と同様とした。磁石厚の増加と共に、スラスト力が増加することが確認できる。また、シングルコイルモデルと比較して、スラスト力は約２倍に増加した。

コアレスコイル（空心コイル）を２個用いることで、解析上、スラスト力は目標値である１００Ｎには達成しているが、実測値と解析値の誤差を考慮して、ある程度の余裕が必要である。そこで、永久磁石の上面と底面に、磁石と同径の電磁鋼板を取り付けることで、コイル部における磁束の半径方向成分を増加させ、スラスト力の増大を図る。電磁鋼板の効果を確認するため、鋼板の有無による円筒磁石可動子の周辺磁場を３Ｄ－ＦＥＭにより解析した。図８に磁束を、図９に磁石底面の端部から径方向に５ｍｍ離れた位置をｘ＝０とした時の磁束密度の径方向成分を示す。ｔｓは鋼板厚である。電磁鋼板を取り付けた場合の磁束密度が最大で約３０%増加していることから、ローレンツ力の増大が期待できる。図１０に、鋼板厚に対するスラスト力の解析結果を示す。コイル厚、磁石厚はそれぞれ１８ｍｍ、２５ｍｍとした。電磁鋼板を使用することにより、スラスト力は２５%程度増加した。上記解析結果より、電磁鋼板が有効であることが明らかとなった。

本発明のスラスト力発生装置を試作し、既存のベアリングレドライブシステムに組み込む。図1１に、円筒磁石可動子と、モータフレームの外側に取り付けたコアレスコイル（空心コイル）を示す。ネオジム永久磁石はもろいため、シャフトへの圧入による固定は困難であり、がたつきが生じる。一方、電磁鋼板はシャフトに圧入して固定できる。したがって、２枚の電磁鋼板で永久磁石を挟み込む構造は、永久磁石のがたつきを抑えることができる。回転子・固定子には厚さ2mmのポリカーボネート隔壁を取り付け、回転子の可動範囲を±１ｍｍに制限した。変位センサには、渦電流式変位センサ（ＰＵ－１４、電子応用社）を使用した。２個のコアレスコイル（空心コイル）を直列に接続した時のインダクタンスと抵抗は、それぞれ２２５ｍＨ、１０．５オームであった。

本発明のスラスト力発生装置を用いることなく、ベアリングレス回転機による並進・傾きの４自由度制御のみで、回転子は磁気浮上可能である。この場合、スラスト方向の運動は、ベアリングレス回転機の磁気カップリングにより受動的に支持される。この時のスラスト方向ばね定数は、衝撃加振時の回転子の固有振動数８．５Ｈｚ、および質量３．６ｋｇより求められ、１．０×１０４Ｎ／mであった。

スラスト方向の位置決め制御は、マイクロプロセッサ（ＳＨ７０４７、ルネサステクノロジ社）によるディジタルＰＩＤ制御を適用した。また、コアレスコイル（空心コイル）の電流制御系にも同様にＰＩ制御を適用し、周波数帯域は、位置決め制御より十分広く設計した。図１２に、スラストスラスト力発生装置の位置決め制御の有無による、衝撃加振時の回転子のスラスト方向変位ｚ、およびコアレスコイル（空心コイル）の電流ｉｚを示す。衝撃加振による自由振動時に位置決め制御を開始し、さらに衝撃加振を与えた。制御開始時、および再加振時において、顕著な振動等は観察されなかったことから、スラスト方向の位置決め制御系は安定であることが明らかとなった。

次いで、試作した本発明のスラスト力発生装置の発生力を測定する。フォースゲージ（ＤＳ２－２００Ｎ、ＩＭＡＤＡ社）を用いて、回転子のスラスト方向に静的荷重を印加した時の、コアレスコイル（空心コイル）の電流を測定した。図１３に、測定結果を解析結果と比較して示す。測定結果を最小自乗近似して求めた本発明のスラスト力発生装置の力係数は２３．０Ｎ／Ａであった。したがって、試作した本発明のスラスト力発生装置は、定格４．５Ａで目標値１００Ｎのスラスト力が発生可能であることが明らかとなった。荷重印加時、コアレスコイル（空心コイル）には電流が流れ磁束が発生するが、ベアリングレス回転機のタッチダウンや顕著な振動等は観察されなかった。したがって、本発明のスラスト力発生装置の定常的な電流に対しては、ベアリングレス回転機には影響が無いと考えられる。

図１３より、力係数の解析値との誤差は約１０％であった。この原因は、円筒磁石の残留磁束密度、電磁鋼板の飽和磁束密度の差異等だと考えられる。そこで、図８に示すように、可動子側面から２ｍｍ離れた位置ｚでの半径方向磁束密度を、テスラメータ（ＧＶ－３００、日本電磁測器社）を用いてスラスト方向に沿って測定した。図１６に、測定値を解析値と比較して示す。磁束密度は電磁鋼板側面近傍において最も大きく、測定値と解析値の差は約１０％であった。この差が、力係数の測定値と解析値との差異の原因だと考えられる。

〈ベアリングレス回転機への影響〉
試作した本発明のスラスト力発生装置のベアリングレス回転機への影響を検証する。スラスト方向の固有振動数８．５Ｈｚであるため、ベアリングレス回転機が５１０ｒ/ｍｉｎで回転した場合に、大きな加振力がスラスト方向に作用し、コアレスコイル（空心コイル）の制御電流が増加する。この制御電流がベアリングレス回転機の変位センサや電流信号に影響を及ぼす恐れがある。そこで、汎用インバータ（Ｖ１０００、安川電機社）によりベアリングレス回転機を駆動し、本発明のスラスト力発生装置の位置決め制御の有無による、磁気浮上制御の変位センサ出力信号、および電流波形の比較を行う。センサ出力と電流は、本発明のスラスト力発生装置に近い側のベアリングレス回転機ユニットから測定する。

図１５に、回転数５１０ｒ／ｍｉｎにおける、回転子のスラスト変位と径方向変位センサ出力、およびベアリングレス回転機の軸支持巻線Ｕ相電流を示す。本発明のスラスト力発生装置の位置決め制御をしない場合、回転子はスラスト方向に大きく振動している。一方、位置決め制御を行った場合、振動が抑制されている。本発明のスラスト力発生装置の位置決め制御の有無により、ベアリングレス回転機の変位・電流波形に顕著な差異は観察されなかった。

したがって、試作した本発明のスラスト力発生装置がベアリングレス回転機に及ぼす影響は小さいということが明らかとなった。以上のようにして本発明のスラスト力発生装置を備えた電磁機械が実用に供し得ることが判明した。

　第２実施例は、主軸長を短縮化する方法についてである。本発明の第２実施例である５自由度制御型のベアリングレス回転機３００の断面構成図を図１６に示す。なお、図１と同一要素のものについては同一符号を付してあるので説明は省略する。ベアリングレス回転機３００において、上下に２個配置された空心コイル１２、１５の間に径方向変位センサ１４が挿入されている。そして、永久磁石１３の周囲には金属メッキが施されており、この永久磁石１３が径方向変位センサ１４のターゲットとなっている。

　かかる構成において、永久磁石１３の外周をセンサターゲットとすることで、余分なセンサターゲットを排除し、軸長の短縮化が実現可能となる。センサ感度向上のため、めっきは磁性体であるニッケル等が望ましい。一方、めっきではなく、永久磁石１３の外周に薄いリングを設けてもよい。一般的に、永久磁石１３の外周は真円度が低い。リングを設けることで、真円度を向上させることができる。

　リングの材質が金属の場合、リングが半径方向の変位センサのターゲットとなる。一方、リングの材質が、非金属の場合、永久磁石１３のメッキ表面がターゲットとなる。

　第３実施例は、第１の永久磁石の主軸方向端に対峙するように固定子側に別途第２の永久磁石が配設され、該第２の永久磁石が前記第１の永久磁石に対しスラスト方向に反発力、もしくは吸引力を発生するスラスト力発生装置を備えた電磁機械に関するものである。本発明の第３実施形態である５自由度制御型のベアリングレス回転機４００の断面構成図を図１７に示す。なお、図１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１７において、永久磁石１３下方には永久磁石１３と対峙するように中空リング形状の永久磁石１９がハウジング２６に固定されている。
　かかる構成において、永久磁石１９を図３中上側がＮ極、下側がＳ極とすると、永久磁石１３との間に定常的に磁気吸引力が発生する。この磁気吸引力を加えることにより、ポンプ動作時には羽根車２１に作用するスラスト力と平衡、もしくは一部をキャンセルして、空心コイル１２、１５の電流を節約する効果がある。

　一方、永久磁石１９の磁極を上記と反対にすれば、主軸１に対し反対方向のスラスト力、すなわち、反発力を発生することができる。反発力が必要なときに有効である。更に、永久磁石１９をスラスト方向に可動とし、永久磁石１３との距離を調整すれば、発生スラスト力が調整できる。また、本実施形態では、永久磁石１３と永久磁石１９に磁気吸引力を発生させるとして説明したが、永久磁石１９を必ずしも配設する必要はなく、永久磁石１９に代えて鉄板、鉄リングなどの強磁性体を配設するようにしてもよい。この場合、コストを削減できるメリットがある。　

　以上、本発明について具体的な実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。例えば、ベアリングレス回転機を代表して説明したが、他の電磁機械に同様に適用しうる。上記実施形態は、多様な変更又は改良を加えることができる。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

Claims

　主軸に取り付けられて軸方向に励磁された第１の永久磁石と、
該第１の永久磁石の周囲でかつ該第１の永久磁石の中心より軸方向に所定距離ずれた位置に捲回された鉄心を有さない一つ以上の空心コイルと、を有し、
該空心コイルに電流を供給することにより、軸方向の電磁力を発生するスラスト力発生装置を備えた電磁機械。
　前記空心コイルが、主軸正方向にずれた位置に配設された第１のコイルと、
主軸負方向にずれた位置に該第１のコイルに対して前記第１の永久磁石と対称的に配設された第２のコイルと、を有し、
該第２のコイル及び前記第１のコイルとがそれぞれ電流制御されるスラスト力発生装置を備えた請求項１に記載の電磁機械。
前記第１の永久磁石の主軸方向端には支持板を備えた請求項１又は請求項２のいずれかに記載の電磁機械。
前記主軸に径方向の電磁力を発生する径方向力発生装置とを備え、
前記第１の永久磁石の直径が、前記径方向力発生装置の固定子内側の直径以下に形成されたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電磁機械。
前記第１の永久磁石の外周面、もしくは該外周面の表面に形成されたメッキ、もしくは該外周面を被覆するリングのいずれかとの間の径方向位置を検出する径方向変位センサを備えたことを特徴とする請求項４記載の電磁機械。
前記径方向力発生装置は、前記主軸を磁気浮上させつつ非接触で回転させるベアリングレスモータであることを特徴とする請求項４又は５に記載の電磁機械。
　主軸に取り付けられて軸方向に励磁された第１の永久磁石と、
該第１の永久磁石の周囲でかつ該第１の永久磁石の中心より軸方向に所定距離ずれた位置に捲回された鉄心を有さない一つ以上の空心コイルと、を有し、
該空心コイルに電流を供給することにより、軸方向の電磁力を発生するスラスト力発生装置を備え
前記第１の永久磁石の主軸方向端に対峙するように固定子側に別途第２の永久磁石が配設され、該第２の永久磁石が前記第１の永久磁石に対しスラスト方向に反発力、もしくは吸引力を発生することを特徴とする電磁機械。