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� �て、ロータ全体を円筒形状にし、かつ5軸能� ��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� �制御型ベアリングレスモータ100において、� �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� ��スモータのユニット101が構成され、一方、� ��定子43と鉄心63とで第2のベアリングレスモ� �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� ��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� �方向に着磁され回転軸7回りに形成された固� ��子側環状スラスト永久磁石73が装着されて� �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� ��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� ��スト永久磁石73と固定子側環状スラスト永� �磁石75の向かい合った面は共にN極であって� �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� �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� ��方向に着磁されたロータ側環状スラスト永� ��磁石83が装着されている。ロータ側環状ス� �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、1 03間の固定子・回転子部にそれぞれ配置した� ��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� ��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� �を流すことで、スラスト軸支持磁束ψthを発� ��させ、バイアス磁束ψsとスラスト軸支持磁� ��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� ��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� �スト軸支持力には殆ど有効に寄与せず、回� �込んだ漏れ磁束部分のみが回転軸の引き戻� �のために作用する。従って、本実施形態で� �、バイアス磁束のすべてを有効に利用でき� �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� ��を用いずにワイドギャップ長で大きなスラ� ��ト軸支持力を発生させるには、スラスト磁� ��軸受ユニット102部分のギャップ磁束密度を� ��める必要があるため、回転子にもロータ側� ��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� �に配置したことで、スラスト軸支持磁束ψth� ��ベアリングレスモータユニット部101、103に� ��れづらくなるため、ラジアル軸支持磁束と� ��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� ��ていた径の大きなスラストディスク29を無� �して、ロータ全体を円筒状にした構造であ� �、キャンドモータポンプとして動作した際� �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� ��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� �バーは従来単相インバータが2台必要であっ� ��が、本実施形態ではスラスト軸支持巻線71� �に1台で済む。従って、低コスト化を実現で� ��る。

 図2に本発明の第1実施形態である5軸能動� ��御型ベアリングレスモータ100の回転子・固� ��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� �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� �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� ��アル永久磁石91が埋設され、8極のコンシク� ��ントポール型の構造になっている。一方、� ��心63の軸方向左半部63bは円筒状に形成され� �いるが、永久磁石は配置されていない。固� �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� �御型ベアリングレスモータのスラスト・ラ� �アル軸支持力特性の解析結果について説明� �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� �持力発生の指令
 ・ラジアル軸支持電流is2β1,is2β2=5.54A(定格� �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� �時に定格電流を流して行った。ロータ全自� �を磁気支持するのに必要な力を基準値1.0p.u.� ��して、図3にγ軸方向のスラスト軸支持力特� ��、図4にβ軸方向のラジアル軸支持力特性を� ��す。

 図3より、γ軸方向のスラスト軸支持力Fγ� ��、目標値である従来のスラストディスク29� �用いた場合である3.27p.u.の2倍以上という十� �大きな力が得られている。また、ラジアル� �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� �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� ��力Fβは平均4.48p.u.であり、軸支持を行うた� �に必要な力の4倍以上の十分大きな力が得ら� ��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� �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� ��型と同様の構造であるため、ラジアル軸支� ��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� �アル軸支持力の脈動発生原理を示す。ラジ� �ル軸支持磁束ψs2β1は主に磁気抵抗の小さい� ��ジアル永久磁石91間鉄心部に流れるため、� �5に示すように、回転角度0degの場合はβ軸上� ��のギャップで磁束の強弱が発生し、β軸正� �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� �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� ��り大きなラジアル軸支持力が発生し、脈動� ��生じる。

 そして、磁束の流れがβ軸に対して対称� �ならない回転角度に回転子がある場合や、� �動機電流により発生する磁束とラジアル軸� �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� �浮上回転を実現するため、従来構造におけ� �二つ目の問題点であるラジアル軸支持力の� �動や偏角を抑制できる5軸能動制御型ベアリ� ��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� �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� �び図2と同一要素のものについては同一符号� ��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� �101の軸方向左半部61a、及びユニット103の軸� �向右半部63aに半径方向に着磁した6個のラジ� ��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。� �1実施形態と同様にユニット101、103間の固定� ��・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� �5軸能動制御型ベアリングレスモータのラジ� ��ル軸支持力発生原理を示す。図10に示すよ� �に、ラジアル永久磁石部分(ユニット101の軸� ��向左半部61a、及びユニット103の軸方向右半� ��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� �分(ユニット101の軸方向右半部61b及びユニッ� ��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� �御型ベアリングレスモータのラジアル・ス� �スト軸支持力とトルク特性の解析結果につ� �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� �レスモータの構造がラジアル軸支持力の脈� �と偏角を抑制できるか検証するため、3D-FEM� �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� �気軸受ユニット102部分を第1実施形態のモデ� ��から小さくし、その分ベアリングレスモー� ��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� ��み)まで行った。図12にラジアル軸支持力特� ��を示す。β軸方向ラジアル軸支持力Fβは平� �3.74p.u.、脈動比は3.1%であり、従来構造の脈� �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、� �2実施形態の構造がラジアル軸支持力の脈動� ��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� �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� ��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� �も約1.9%の減少に留まっている。そして、そ� ��変化の度合いは非常に緩やかであり、電動� ��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� �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� �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� ��、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� �、外力が与えられると、回転軸はスラスト� �向には受動的に支持されているので、ロー� �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� �、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、� �ータは、スラスト磁気支持電流によって、� �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<t 1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� ��が定常偏差の少ないことが分かる。また、t 1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� �領域に比べ、t=t3以降におけるスラスト軸の� ��動支持領域の方がダンピングがよく、かつ� ��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� �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� ��御を行わなかった場合(受動型に相当)とに� �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� �と同様に定常偏差、ダンピング、応答速度� �に能動型の方が優れていることが分かる。