特許 6445785 電動モータ及びこれを備えたポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6445785

(24)【登録日】2018年12月7日

(45)【発行日】2018年12月26日

(54)【発明の名称】電動モータ及びこれを備えたポンプ

(51)【国際特許分類】

   H02K 21/24 20060101AFI20181217BHJP

   H02K 21/14 20060101ALI20181217BHJP

   H02K 1/27 20060101ALI20181217BHJP

   H02K 7/14 20060101ALI20181217BHJP

【ＦＩ】

   H02K21/24 M

   H02K21/14 M

   H02K1/27 503

   H02K1/27 501C

   H02K7/14 B

【請求項の数】11

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-104154(P2014-104154)

(22)【出願日】2014年5月20日

(65)【公開番号】特開2015-220904(P2015-220904A)

(43)【公開日】2015年12月7日

【審査請求日】2017年3月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000239

【氏名又は名称】株式会社荏原製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100140109

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 新次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100114487

【弁理士】

【氏名又は名称】山崎 幸作

(74)【代理人】

【識別番号】100146710

【弁理士】

【氏名又は名称】鐘ヶ江 幸男

(74)【代理人】

【識別番号】100117411

【弁理士】

【氏名又は名称】串田 幸一

(72)【発明者】

【氏名】吉田 真也

(72)【発明者】

【氏名】小島 善徳

【審査官】 田村 惠里加

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−１１７８３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１３００８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２０８１９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２１０８０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０９５２０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２５０２１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１９９９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２６５７０２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 実開昭５４−１４６８１９（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ １／１７，１／２７，５／１２，７／００−７／２０，

１５／０３，２１／００−２１／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロータとステータとキャンとを備える電動モータであって、前記ロータの永久磁石の磁束によるステータコア内の鎖交磁束が変化するように、前記永久磁石とステータとが相対移動可能であり、
前記キャンは、前記ロータが設けられた空間の気密状態を維持しながら、前記キャンは前記ステータに対して相対移動する、電動モータ。

【請求項2】

前記ロータは固定されており、前記ステータが移動可能である、請求項１に記載の電動モータ。

【請求項3】

前記ロータとステータは、電動モータの回転軸の軸線方向に沿って相対移動可能である、請求項１又は２に記載の電動モータ。

【請求項4】

前記ロータとステータとは、相対移動機構によって相対移動する、請求項１から３の何れか一項に記載の電動モータ。

【請求項5】

前記相対移動機構は、ネジ機構又はリニアモータである、請求項４に記載の電動モータ。

【請求項6】

前記電動モータは、アキシャルギャップ型モータである、請求項１から５の何れか一項に記載の電動モータ。

【請求項7】

前記電動モータは、ラジアルギャップ型モータである、請求項１から５の何れか一項に記載の電動モータ。

【請求項8】

前記ロータは、前記永久磁石と、この永久磁石を支持する磁石支持部材と、前記永久磁石と磁石支持部材の間に配置される熱変形部材とを備えている、請求項６に記載の電動モ
ータ。

【請求項9】

前記熱変形部材は、熱膨張性樹脂、形状記憶合金、バイメタル機構を備える、請求項８に記載の電動モータ。

【請求項10】

請求項１から９の何れか一項に記載の電動モータと、この電動モータによって主軸が駆動されるポンプ本体と、を備えるポンプ。

【請求項11】

請求項８または９に記載の電動モータと、この電動モータによって主軸が駆動されるポンプ本体と、を備える真空ポンプであって、前記真空ポンプは二軸同期型の真空ポンプであり、前記磁石支持部材は、二本の主軸の回転を同期させるためのタイミングギヤを兼ねている、真空ポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電動モータに係り、特に、ポンプに用いられる電動モータに関する。

【背景技術】

【0002】

半導体製造プロセスにおいては、様々な形式のポンプおよびこれを駆動する電動モータが用いられている。例えば、様々な工程において真空技術が必要とされ、それに伴って真空ポンプが利用されている。いくつか例を挙げると、金属薄膜の形成のための真空蒸着法、レジスト除去やエッチング工程のためのプラズマエッチング法、不純物の拡散工程のためのイオン注入法、シリコン酸化膜や窒化膜形成工程のための減圧ＣＶＤやプラズマＣＶＤ法などである。これらの半導体製造プロセスは、いずれも真空（或いは減圧）環境で行われるものであり、半導体製造プロセスにおける真空が果たす役割は非常に大きい。

【0003】

半導体製造装置等に使用される真空ポンプとしては、図８に示すような、二軸同期多段ルーツ型容積式の真空ポンプ１０１がある。この図に示すものは５段の真空ポンプ１０１である。すなわち、合計１０個のポンプロータ１１３を備えている（但し、図８では対応するポンプロータ同士が重なっているため、各段とも１つのポンプロータ１１３しか見えない）。この真空ポンプ１０１のポンプロータ回転軸１１５は、一対のタイミングギア１４２（タイミングギヤも重なっているため、図８では１つしか見えない）によって互いに反対方向に同じ速度で回転する。相互に対向するポンプロータ１１３同士及びポンプロータ１１３とケーシング１１７は接触することがなく、わずかな隙間を保ちながら回転して、気体を吸い込んで外部に排出するようになっている。

【0004】

この図８において、右端に設置されているのがモータ１３１である。このモータ１３１では、ポンプロータ回転軸１１５にモータロータ１４１が取り付けられ、このモータロータ１４１の半径方向の周囲に所定のギャップを隔ててモータステータ１５１が設置されている。この図に示すモータ１３１は、モータの耐腐食性を向上させたキャンドモータの例である。キャンドモータとは、モータロータ１４１を円筒状のキャン１６１で覆った構造のモータであり、軸シール構造を具備しなくても気密性が保たれる構造を有している。すなわち、モータロータ１４１とモータステータ１５１の間を隔離するように、円筒状のキャン１６１を介在させた構造である。キャン１６１の開口端には所定のフランジ部が形成されており、このフランジ部がポンプロータ側のポンプハウジングに固定されている。このため、モータロータ１４１とモータステータ１５１との間は完全に気密性が維持される。

【0005】

ところで、モータ１３１に加わる負荷は、真空ポンプ１０１の運転状態に応じて大きく変動する。例えば、ガス流し時、起動運転時、プロセスガス排出時などは、モータ１３１に加わる負荷が大きくなる場合である。一般的なモータの場合、モータの構成は最大負荷時のモータ効率が最も良くなるように設計されている。換言すると、最大負荷時に必要とされる電力に対応するように、モータロータ１４１及びモータステータ１５１が設計されている。一方、真空ポンプ１０１が所定時間運転され、圧力が一定以下になると、モータ１３１に加わる負荷は低下する。例えば、到達運転時などは軽負荷となる。軽負荷の場合に必要な電力は最大負荷時に必要な電力よりは当然に小さくなる。

【0006】

上述したように、モータ１３１は最大負荷時を想定して設計されているため、軽負荷時には必ずしもモータ効率が最高となる訳ではない。ここで、モータ効率を左右する要因の一つとして、鉄損がある。鉄損とは、コアに渦電流が生じることによって生じる損失であり、ヒステリシス損と渦損に分けられる。ところで、永久磁石の鉄損は高負荷時でも軽負
荷時でも基本的には変化しない。なぜなら、鉄損は永久磁石の磁束によるステータ１５１のコア内の鎖交磁束によって発生するものであり、永久磁石の磁束は負荷によって変動しないからである。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上述したように、従来のモータ１３１では、高負荷時のモータ効率を高めることを目標にしており、軽負荷時の鉄損を考慮していなかった。このため、軽負荷状態で運転されているモータの効率が鉄損によって制限されていた。この軽負荷時の鉄損を低減するためには鎖交磁束を変化させればよいが、従来のモータ１３１ではモータロータ１４１とモータステータ１５１の相対位置関係が固定されていたため、鎖交磁束も変化させることはできなかった。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、真空ポンプの運転状態に応じて、鎖交磁束を変化させることで、電動モータの鉄損を低減することが解決するべき課題である。当該課題を解決するために、第１手段は、ロータとステータとを備える電動モータであって、ロータの永久磁石の磁束によるステータコア内の鎖交磁束が変化するように、永久磁石とステータとが相対移動可能である、という構成を採っている。以上のような構成を採ることで、軽負荷時には永久磁石がステータから離間される。これにより、ステータコア内に生じる鎖交磁束が減り、鉄損が低減される。

【0009】

第２手段は、第１手段の構成に加え、ロータは固定されており、ステータが移動可能である、という構成を採っている。

【0010】

第３手段は、第１手段又は第２手段の構成に加え、ロータとステータは、電動モータの回転軸の軸線方向に沿って相対移動可能である、という構成を採っている。

【0011】

第４手段は、第１手段から第３手段の何れかの構成に加え、ロータとステータとは、相対移動機構によって相対移動する、という構成を採っている。

【0012】

第５手段は、第４手段の構成に加え、相対移動機構は、ネジ機構又はリニアモータである、という構成を採っている。

【0013】

第６手段は、第１手段から第５手段の何れかの構成に加え、電動モータは、アキシャルギャップ型モータである、という構成を採っている。

【0014】

第７手段は、第１手段から第５手段の何れかの構成に加え、電動モータは、ラジアルギャップ型モータである、という構成を採っている。

【0015】

第８手段は、第１手段から第７手段の何れかの構成に加え、ロータは、永久磁石と、この永久磁石を支持する磁石支持部材と、永久磁石と磁石支持部材の間に配置される熱変形部材とを備えている、という構成を採っている。

【0016】

第９手段は、第８手段の構成に加え、熱変形部材は、熱膨張性樹脂、形状記憶合金、バイメタル機構を備える、という構成を採っている。

【0017】

第１０手段は、第１手段から第９手段の何れかの構成に加え、ロータが設けられた空間の気密状態を維持するためのキャンを備えている、という構成を採っている。

【0018】

第１１手段は、第１手段から第１０手段の何れかの電動モータと、この電動モータによって主軸が駆動されるポンプ本体とを備えるポンプ、という構成を採っている。

【0019】

第１２手段は、第１１手段の構成に加え、ポンプは二軸同期型の真空ポンプであり、磁石支持部材は、二本の主軸の回転を同期させるためのタイミングギヤを兼ねている、という構成を採っている。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の一実施形態に係る真空ポンプの主軸に沿った断面図である。

【図2】図１に開示したアキシャルギャップ型のキャンドモータを拡大した断面図であり、図２（Ａ）はロータとステータとが近接した状態を示し、図２（Ｂ）はロータとステータとが離間した状態を示す。

【図3】本発明の第２の実施形態に係る真空ポンプの主軸に沿った断面図である。

【図4】図３に開示したラジアルギャップ型のキャンドモータを拡大した断面図であり、図４（Ａ）はロータとステータとが相互に対応した位置にある状態を示し、図４（Ｂ)はロータに対してステータが軸線方向に移動した状態を示す。

【図5】本発明の第３の実施形態に係るキャンドモータを示す断面図であり、図５（Ａ）は高負荷時（高温時）に樹脂の膨張で永久磁石がステータに近接している状態を示し、図５（Ｂ）は軽負荷時（低温時）に樹脂が収縮して永久磁石がステータから離間している状態を示す。

【図6】本発明の一実施形態に係る真空ポンプの制御手法を説明する図であり、図６（Ａ)はポンプシステムのブロック図を示し、図６（Ｂ)は時間経過に対する負荷変動とギャップ調整の関係を示すグラフである。

【図7】他の制御手法を説明する図であり、図７（Ａ）はポンプシステムのブロック図を示し、図７（Ｂ）は時間経過に対する吸込気体流量とギャップの関係を示すグラフである。

【図8】従来のキャンドモータを備えた真空ポンプの主軸に沿った断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下において、添付図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る電動モータ及びポンプについて説明する。なお、以下では、ロータ室とステータ室とが隔離されたキャンドモータおよび真空ポンプを具体的な例として説明する。しかしながらロータ室とステータ室とが同一空間となっているモータや、圧縮ポンプなどにも本実施形態は適用可能である。なお、以下に説明する個別の構成要素を任意に組み合わせた発明についても、本発明が対象とする技術思想に含まれるものである。

【0022】

［全体概要］
図１は、本実施形態に係るキャンドモータ３１を備えた真空ポンプ１である。この真空ポンプ１は、真空ポンプ本体１１と、この真空ポンプ本体１１の一端部に取り付けられたキャンドモータ３１からなる。キャンドモータ３１はアキシャルギャップ型モータであり、ロータ４１と、ステータ５１と、ロータ４１とステータ５１の間に配置されてロータ４１が存在する空間の真空を維持するキャン６１とを備えている。ここで、アキシャルギャップ型モータは、ラジアルギャップ型モータと比較して、同じ定格出力を実現するのであれば、主軸方向のオーバーハング長さを低減することができる。

【0023】

［真空ポンプ本体］
真空ポンプ本体１１は、複数のポンプロータ１３が取り付けられた主軸１５と、ポンプロータ１３を収容する主ケーシング１７と、主ケーシング１７の一方側端面に取り付けられた第１端部ケーシング１９と、主ケーシング１７の他方側端面に取り付けられた第２端部ケーシング２１とを備えている。このような真空ポンプ１は、二軸同期多段ルーツ型容
積式ポンプと呼ばれている。

【0024】

［主軸］
主軸１５は、真空ポンプ本体１１の軸線方向に沿って延設されており、その両端部において第１及び第２端部ケーシング１９，２１の軸受１９ａ、２１ａによって回転自在に支持されている。本実施形態の主軸１５には、１本当たり５個のポンプロータ１３が取り付けられており、５段の真空ポンプ本体１１となっている。但し、段数はあくまでも一例であって、５段以外の段数の真空ポンプ本体であってもよい。なお、図１では５個のポンプロータ１３しか図示されていないが、本実施形態の真空ポンプ１は二軸同期型であり、実際には図における奥側にもう一組主軸とポンプロータが配置されている。このため、合計で１０個のポンプロータ１３を備えている。

【0025】

［主ケーシング］
主ケーシング１７は、各ポンプロータ１３に対応したポンプ室を有し、さらに所定の隔壁を隔てて半径方向外側に気体排出路２３を備えている。また、主ケーシング１７には、最も上流側のポンプ室２３ａに気体を取り入れる気体取入口２５と、最も下流側のポンプ室２３ｂから気体を排出する気体排出口２７が設けられている。気体取入口２５は、真空状態が求められる半導体製造装置等に接続されている。一方、気体排出口２７は、所定の排気ガス処理装置（図示略）に接続されている。気体排出口２７を排気ガス処理装置に接続するのは、真空ポンプ１によって排出される気体には、腐食性のガスが含まれている場合があり、適切に無害化処理を施す必要があるからである。但し、排出される気体が無害なものであれば、気体排出口２７に排気ガス処理装置を接続する必要は無い。

【0026】

［第１端部ケーシング］
第１端部ケーシング１９は、主ケーシング１７の一端部に取り付けられている。この主ケーシング１７の一端部は開放部となっているが、第１端部ケーシング１９によって封止され、最も下流側のポンプ室２３ｂを形成している。第１端部ケーシング１９の中心部には段付貫通口が形成されている。このうち、直径の小さな貫通口には主軸１５が貫通しており、大きな直径の貫通口には２個の軸受１９ａが設けられている。そして、この軸受１９ａによって主軸１５の一端部側を回転自在に支持している。但し、軸受の数は一例であって、１個であっても良いし、３個以上設けるようにしてもよい。なお、本実施形態では、主ケーシング１７と第１端部ケーシング１９を別個に形成しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、主ケーシング１７と第１端部ケーシング１９とを一体的に形成してもよい。

【0027】

［第２端部ケーシング］
第２端部ケーシング２１は、主ケーシング１７の他端部に取り付けられている。この第２端部ケーシング２１の中心部にも段付貫通口が形成されている。このうち、直径の小さな貫通口には主軸１５が貫通しており、大きな直径の貫通口には１個の軸受２１ａが設けられている。この軸受２１ａによって主軸１５を他端部側で回転自在に支持している。なお、本実施形態では、主ケーシング１７と第２端部ケーシング２１を別個に形成しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、主ケーシング１７と第２端部ケーシング２１とを一体的に形成してもよい。

【0028】

第２端部ケーシング２１の外側（図１における左側）には、ケーシングカバー２９が取り付けられている。このケーシングカバー２９は、第２端部ケーシング２１との間に所定の空間を形成して軸受を覆っている。このケーシングカバー２９によって形成された空間の下部には潤滑油が貯留されており、軸受２１ａを潤滑できるようになっている。なお、当該ケーシングカバー２９は本発明に必須な構成要素では無い。

【0029】

［キャンドモータ］
次に、本実施形態の特徴部分の一つである、キャンドモータ３１について図２に基づいて説明する。キャンドモータ３１はアキシャルギャップ型モータであり、ロータ４１と、ステータ５１と、ロータ４１とステータ５１の間に配置されてロータ４１が存在する空間（ロータ室４３）の真空を維持するキャン６１とを備えている。このように、キャン６１を備えているため、ロータ室４３の気密性が維持される。このとき、ロータ室４３は真空ポンプ本体１１のポンプ室（図１の符号２３ｂ）に連通しているため、ロータ４１は腐食性ガスに曝される。しかしながら、ステータ５１はキャン６１の機能によって腐食性ガスから隔離されている。

【0030】

［ロータ］
ロータ４１は、主軸１５の一端部（図では右端部）に取り付けられている。ロータ４１は略円盤状の磁石支持部材４１ａと、この磁石支持部材４１ａに装着された永久磁石４１ｂとからなる。永久磁石４１ｂは、磁石支持部材４１ａの一方の表面において、等角度間隔に配置されている。本実施形態の永久磁石４１ｂは、磁石支持部材４１ａに埋め込まれるような形態となっている。このような構成を採ることで、永久磁石４１ｂが磁石支持部材４１ａから脱落するのを確実に防止できるからである。但し、本発明はこれに限定されるものでは無く、単純に磁石支持部材４１ａの表面に強力な接着剤で貼り付けてもよいし、ネジなどを用いて固定してもよい。

【0031】

本実施形態の磁石支持部材４１ａは、タイミングギヤを兼ねている。すなわち、本実施形態の真空ポンプは、上述したように二軸同期型の真空ポンプであり、２本の主軸１５の回転を同期させるためのタイミングギヤが設けられている。タイミングギヤは、主軸１５の一端部に設けられており、アキシャルギャップ型のキャンドモータを構成する場合に、ロータ４１を構成する部材として好都合である。磁石支持部材４１ａは外周面に歯が形成されており、２つの磁石支持部材４１ａ同士がその歯で噛み合っている。一方、磁石支持部材４１ａの表面及び裏面は特別な役割を有していないので、本実施形態のように、磁石支持部材４１ａの表面に永久磁石４１ｂを装着するのは容易である。

【0032】

ロータ４１は、ロータ用ケーシング（第１のケーシング）４５によって周囲が囲まれている。そして、このロータ用ケーシング４５は真空ポンプ１の第１端部ケーシング１９に気密状態で固定される。更に、ロータ用ケーシング４５のステータ側の端面にはキャン６１が気密状態で取り付けられ、内部空間が上述したようにロータ室４３となっている。真空ポンプが運転された場合、ロータ室４３は真空ポンプ１の基本的な構造上の理由から真空状態となる。しかし、上述したようにキャン６１によって真空状態が維持される。また、ロータ室４３の底面付近には潤滑油が貯留されており、ロータ室４３に露出している軸受１９ａや、磁石支持部材４１ａを兼ねるタイミングギヤを潤滑できるようになっている。なお、タイミングギヤには潤滑が必須であるので、当該ロータ室４３の潤滑油は必須である。

【0033】

［ステータ］
次に、ステータ５１について説明する。ステータ５１は、ステータコア５１ａとコイル５１ｂからなる。ステータコア５１ａは、円盤状のコア本体５１ａ１と、コア本体５１ａ１からロータ４１に向かって突出する磁芯５１ａ２からなる。但し、本実施形態のステータコア５１ａは、コア本体５１ａ１と磁芯５１ａ２が一体となった構造を有している。磁芯５１ａ２は上述したロータ４１の各永久磁石４１ｂと対向するように、コア本体５１ａ１の表面において円周方向に沿って配列されている。また、ステータコア５１ａの各磁芯５１ａ２の周囲にはコイル５１ｂが装着されており、このコイル５１ｂに電流が供給されることで、磁界を発生させるようになっている。なお、キャンドモータが二軸一体型モータである場合には、コア本体の形状は円盤状ではなく、長方形状となる。

【0034】

ステータ５１の周囲は、ステータ用ケーシング（第２のケーシング）５５によって囲まれている。また、ステータ用ケーシング５５の一端側（図における右側）は閉塞端となっている。このため、ステータ用ケーシング５５は皿状の形状を有し、このステータ用ケーシング５５の内部がステータ室５３となっている。ステータ用ケーシング５５の他端側（図における左側）は開放端となっているが、円盤状のキャン６１と接触している。なお、キャンドモータが二軸一体型モータである場合には、キャンの形状は円盤状ではなく、長方形状となる。

【0035】

［キャン］
キャン６１は、概ね円盤状（又は長方形状）の形状を有しており、上述のロータ用ケーシング４５とステータ用ケーシング５５との間に固定されている。このキャン６１により、上述したようにロータ室４３の真空状態が維持されている。本実施形態ではキャン６１を超えて主軸１５を延ばすことができないので、ステータ５１の側に軸受を設けることはできない。また、キャン６１は、薄い金属材料や樹脂材料、セラミック材料等の非導電体から構成されており、できる限りロータ４１とステータ５１の間に生成される磁束に影響を与えないようになっている。また、モータの効率を考慮した場合に、できる限りロータ４１とステータ５１を接近させたい。このため、所望の強度が確保できる場合には、できるだけ薄く構成することが望ましい。

【0036】

［相対移動機構］
また、本実施形態の真空ポンプ１には、ロータ４１の永久磁石４１ｂとステータ５１とを相対移動させる機構が設けられている。図２の例では、ロータ４１はポンプ本体の主軸１５に固定されており、一方ステータ５１はロータ４１に対して移動できるようになっている。ステータ５１を移動させるのはネジ機構４６である。このネジ機構４６は、図示しない制御部によって制御される小型モータ４７と、この小型モータ４７によって回転する雄ネジ部材４８と、この雄ネジ部材４８に螺合する雌ネジ部材４９とからなる。小型モータ４７と雄ネジ部材４８はロータ用ケーシング４５に固定されており、雌ネジ部材４９はステータ用ケーシング５５に固定されている。

【0037】

キャンドモータ３１が高負荷で運転されている場合、キャンドモータ３１は図２（Ａ）に示す状態となっている。すなわち、ステータ５１は可能な限りロータ４１に接近するような位置に配置されている。一方、キャンドモータ３１が軽負荷で運転されている場合には、キャンドモータ３１は図２（Ｂ）に示す状態となっている。これは、小型モータ４７が雄ネジ部材４８を回転させ、雌ネジ部材４９を介してステータ５１をロータ４１から離間させた状態である。このように、ステータ５１をロータ４１から離間させることで、ロータ４１の永久磁石４１ｂの磁束によるステータ５１内での鎖交磁束が低減される。これは、磁束密度が距離に反比例するからである。その結果、鉄損が大きく低減されることになる。なお、軽負荷時の鉄損を低減することで、全体のモータ効率が１０％程度向上する。

【0038】

上述のネジ機構４６は、ロータ４１とステータ５１を相対移動させるための機構の一例である。ネジ機構の他、リニアモータを用いた機構や、モータとリンク部材を用いたリンク機構、バイメタル機構であってもよい。すなわち、ロータ４１の永久磁石４１ｂとステータ５１とを相対移動させることができるものであれば、どのような機構を採用してもよい。なお、以上で説明したキャンドモータ３１及び真空ポンプ１は、あくまでも一実施形態に過ぎない。このため、一部の構成要素を変更した場合であっても、本発明の技術思想の範囲となる。

【0039】

図３は、第２の実施形態に係る、ラジアルギャップ型のキャンドモータ３１Ｂを備えた
真空ポンプ１Ｂである。真空ポンプ本体１１Ｂは図１に開示した真空ポンプ本体１１と同一であるので、説明を省略する。一方、キャンドモータ３１Ｂは図１に開示したものがアキシャルギャップ型であるのに対し、図３のキャンドモータ３１Ｂはラジアルギャップ型である点で異なっている。

【0040】

ロータ４１Ｂは主軸１５の一端部の周りに取り付けられている。また、ステータ５１Ｂは、ロータ４１Ｂの半径方向外方において、ロータ４１Ｂを取り囲むように配置されている。すなわち、ロータ４１Ｂとステータ５１Ｂは半径方向（ラジアル方向）に配置されており、これらロータ４１Ｂとステータ５１Ｂの間にギャップが形成されている。また、ロータ４１Ｂとステータ５１Ｂの間には、円筒状のキャン６１Ｂが設けられている。キャン６１Ｂの一方の端面（右端面）は閉塞端となっており、他方の端面は開放端となっている。開放端の周囲には所定のフランジが形成されており、このフランジを介してロータ用ケーシング４５に固定されている。

【0041】

また、キャンドモータ３１Ｂには、ステータ５１Ｂをステータ用ケーシング５５Ｂと共に移動させるネジ機構４６が設けられている。このネジ機構４６は、図１及び図２に開示したものと同一である。すなわち、小型モータ４７がロータ用ケーシング４５に固定されており、雌ネジ部材４９がステータ用ケーシング５５Ｂに固定されている。そして、小型モータ４７が雄ネジ部材４８を回転させることで、ロータ用ケーシング４５に対してステータ用ケーシング５５Ｂを相対移動させることができる。

【0042】

図４は、図３に開示したキャンドモータ３１Ｂの動作を説明する図である。図４（Ａ）は、ロータ４１Ｂとステータ５１Ｂとが、主軸１５の軸線方向において概ね対応する位置にある状態を示している。この図から明らかなように、主軸１５に取り付けられているロータ４１Ｂは移動しない。このため、ロータ４１Ｂの永久磁石の位置も変化しない。一方、図４（Ｂ）は、ステータケーシング５５Ｂが軸線方向に沿って右に移動した状態を示している。ここで、ステータ５１Ｂはステータ用ケーシング５５Ｂに取り付けられている。このため、ステータ用ケーシング５５Ｂの移動に伴って、ステータ５１Ｂが主軸１５の軸線方向に沿って移動する。

【0043】

ステータ５１Ｂがロータ４１Ｂから軸線方向にずれることによって、ロータ４１とステータ５１のオーバーラップ量が減少する。このため、ロータ４１の永久磁石の磁束によるステータ５１Ｂ内での鎖交磁束が減少する。この鎖交磁束の減少によって鉄損が低減され、軽負荷時のモータ全体としての効率が向上する。

【0044】

図５は、第３の実施形態に係るキャンドモータ３１Ｃを示す図である。ここで、図５（Ａ）は高負荷時の状態を示し、図５（Ｂ）は軽負荷時の状態を示している。このキャンド３１Ｃは、図２に開示したキャンドモータ３１と類似するアキシャルギャップ型モータである。一方、図２のキャンドモータ３１と異なるのは、ロータ４１Ｃの構造である。すなわち、本実施形態のロータ４１Ｃは、磁石支持部材４１ａと永久磁石４１ｂの間に、熱変形部材４１ｃが配置されている点である。

【0045】

ここで言う熱変形部材４１ｃとは、温度の変化に応じて形状や体積が変化する部材である。本実施形態の熱変形部材４１ｃは、熱膨張性樹脂である。この熱膨張性樹脂は、高温になることで、体積が膨張する性質を有している。熱膨張性樹脂としては、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂が考えられる。ここで、真空ポンプの仕事量が大きい状態で運転されている場合、ロータ室４３の温度が高温となる。このため、熱膨張性樹脂も加熱されて膨張する。この膨張によって、永久磁石４１ｂがステータ５１に向かって押されることとなる。永久磁石４１ｂがステータ５１に近接すると、永久磁石４１ｂの磁束によってステータ５１のコア５１ａの交鎖磁束が増大する。

【0046】

一方、キャンドモータ３１Ｃが軽負荷状態で運転されている場合、真空ポンプの仕事量も減少するため、発熱が抑制される。このため、ロータ室４３の温度は高負荷時と比較して低下する。ロータ室４３の温度が低下すると、熱膨張性樹脂の温度も低下し、樹脂の膨張が抑えられる。これにより、永久磁石４１ｂはステータ５１から離れるように移動する。永久磁石４１ｂがステータ５１から離れることで、永久磁石４１ｂの磁束によってステータ５１のコア５１ａ内の交鎖磁束が減少する。その結果、低負荷時の鉄損が抑制されることとなる。このように、永久磁石４１ｂとステータ５１との相対移動に熱変形部材を用いることで、電子的な制御が不要となる。

【0047】

なお、熱変形部材の例として、熱膨張性樹脂を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、温度の変化によって所定の物理的変形が生じるものであればどのようなものを用いてもよい。例えば、形状記憶合金やバイメタル機構などを用いるようにしてもよい。

【0048】

図６は、上記実施形態に係る真空ポンプ本体とキャンドモータを含む、ポンプシステムを示すブロック図と、制御グラフである。この図６（Ａ）に示すように、このポンプシステムには、上述の真空ポンプ本体１１と、この真空ポンプ本体１１に連結されたキャンドモータ３１と、ロータに対してステータを相対移動させる相対移動機構４６と、キャンドモータ３１及び相対移動機構４６の動作を制御する制御部６２とを備えている。また、制御部６２とキャンドモータ３１の間には、交流電源に接続されたドライバ６３が設けられている。また、キャンドモータ３１の負荷は、ドライバ６３を介して制御部６２に送信されるようになっている。

【0049】

図６（Ｂ）は、キャンドモータ３１に加わる負荷とキャンドモータのギャップの時間経過を示すグラフである。縦軸は負荷及びギャップであり、横軸は時間である。このうち、細い線がキャンドモータ３１に加わる負荷を示し、太い線がキャンドモータ３１のギャップを示している。この図に示すように、ギャップを変更する場合の閾値が設けられている。下側の閾値は、キャンドモータ３１が高負荷状態から軽負荷状態に移行する場合の、ギャップ変更トリガである。一方、上側の閾値は、キャンドモータ３１が軽負荷状態から高負荷状態に移行する場合の、ギャップ変更トリガである。

【0050】

図６（Ｂ）において、時刻０から時刻Ｔ１までは、キャンドモータ３１は高負荷状態で運転されている。この場合、キャンドモータ３１のギャップは最小となっている。時刻Ｔ１から時刻Ｔ３まではリニアに負荷が減少している。そして、時刻Ｔ３よりも前の時刻Ｔ２において、負荷が下側の閾値より小さくなる。このことを制御部６２が検知して、相対移動機構４６の小型モータを制御して、キャンドモータ３１のギャップを大きくする。そして、負荷がＴ３において一定になると、ギャップの制御も停止されて、大きなギャップが維持される。

【0051】

次に、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までは負荷が一定である。このため、キャンドモータ３１のギャップも一定である。そして、時刻Ｔ４から時刻Ｔ６までは負荷が上昇している。この時、時刻Ｔ６よりも前の時刻Ｔ５において、負荷が上側の閾値を超える。このため、制御部６２は高負荷運転に移行したと判断し、時刻Ｔ６までギャップを低減させる。そして、時刻Ｔ６において負荷が一定となり、これに対応してギャップも小さな一定値に維持される。

【0052】

図７は、他のポンプシステムを示すブロック図と制御グラフである。この図に示すポンプシステムでは、真空ポンプ本体１１に気体の吸込流量を測定する流量計６５が設けられている点が異なる。図６の例では、キャンドモータ３１に加わる負荷を直接検出して制御
部６２に送信していたが、図７の例では、真空ポンプ本体１１が吸い込む気体の流量でキャンドモータ３１に加わる負荷を推定している。気体流量とキャンドモータ３１の負荷の間に相関関係があるからである。なお、流量計６５以外は図６に示すポンプシステムと同様である。

【0053】

図７（Ｂ）は、真空ポンプ本体１１における気体の流量とキャンドモータ３１のギャップの時間経過を示すグラフである。縦軸は流量及びギャップであり、横軸は時間である。このうち、細い線が気体流量を示し、太い線がキャンドモータ３１のギャップを示している。ギャップを変更する場合の閾値を設ける点は、図６（Ｂ）の場合と同様である。下側の閾値は、気体流量が大流量から小流量に移行する場合の、ギャップ変更トリガである。一方、上側の閾値は、気体流量が小流量から大流量に移行する場合の、ギャップ変更トリガである。

【0054】

図７（Ｂ）において、時刻０から時刻Ｔ１までは、大流量状態で運転されている。この場合、キャンドモータ３１のギャップは最小となっている。時刻Ｔ１から時刻Ｔ３まではリニアに流量が減少している。そして、時刻Ｔ３よりも前の時刻Ｔ２において、流量が下側の閾値より小さくなる。このことを制御部６２が検知して、相対移動機構４６の小型モータを制御して、キャンドモータ３１のギャップを大きくする。そして、流量がＴ３において一定になると、ギャップの制御も停止されて、大きなギャップのまま維持される。

【0055】

次に、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までは流量が０で一定である。このため、キャンドモータ３１のギャップも一定である。そして、時刻Ｔ４から時刻Ｔ６までは流量が増大している。この時、時刻Ｔ６よりも前の時刻Ｔ５において、流量が上側の閾値を超えている。このため、制御部６２は高負荷運転に移行したと判断し、時刻Ｔ６までギャップを低減させる。そして、時刻Ｔ６において流量が一定となり、これに対応してギャップも一定値に維持される。上記と同様に、時刻Ｔ７において流量が下側の閾値以下になるため、これに伴って時刻Ｔ８までギャップを増大させる。そして、時刻Ｔ８からＴ９は流量が一定であり、ギャップも一定値に維持される。さらに、時刻Ｔ９から流量が増大し、時刻Ｔ１０において流量が上側の閾値を超えるため、ギャップが低減され、時刻Ｔ１１で流量が一定となるので、ギャップも一定値に維持される。また、図７（Ｂ）から明らかなように、流量が中間値となっている場合には、ギャップも中間値となる。これは、気体流量に応じて精密にキャンドモータ３１のギャップを制御できることを意味している。
以上説明したように、本発明は以下の形態を有する。
［形態１］
ロータとステータとを備える電動モータであって、前記ロータの永久磁石の磁束によるステータコア内の鎖交磁束が変化するように、前記永久磁石とステータとが相対移動可能である、電動モータ。
［形態２］
前記ロータは固定されており、前記ステータが移動可能である、請求項１に記載の電動モータ。
［形態３］
前記ロータとステータは、電動モータの回転軸の軸線方向に沿って相対移動可能である、形態１又は２に記載の電動モータ。
［形態４］
前記ロータとステータとは、相対移動機構によって相対移動する、形態１から３の何れか一項に記載の電動モータ。
［形態５］
前記相対移動機構は、ネジ機構又はリニアモータである、形態４に記載の電動モータ。［形態６］
前記電動モータは、アキシャルギャップ型モータである、形態１から５の何れか一項に記載の電動モータ。
［形態７］
前記電動モータは、ラジアルギャップ型モータである、形態１から５の何れか一項に記載の電動モータ。
［形態８］
前記ロータは、前記永久磁石と、この永久磁石を支持する磁石支持部材と、前記永久磁石と磁石支持部材の間に配置される熱変形部材とを備えている、形態１から７の何れか一項に記載の電動モータ。
［形態９］
前記熱変形部材は、熱膨張性樹脂、形状記憶合金、バイメタル機構を備える、形態８に記載の電動モータ。
［形態１０］
前記ロータが設けられた空間の気密状態を維持するためのキャンを備えている、形態１から９の何れか一項に記載の電動モータ。
［形態１１］
形態１から１０の何れか一項に記載の電動モータと、この電動モータによって主軸が駆動されるポンプ本体と、を備えるポンプ。
［形態１２］
前記ポンプは二軸同期型の真空ポンプであり、前記磁石支持部材は、二本の主軸の回転を同期させるためのタイミングギヤを兼ねている、形態１１に記載の真空ポンプ。

【産業上の利用可能性】

【0056】

本発明は、ポンプに用いられる電動モータに利用することが可能である。

【符号の説明】

【0057】

１ 真空ポンプ
１１ 真空ポンプ本体
１３ ポンプロータ
１５ 主軸
１７ 主ケーシング
１９ 第１端部ケーシング
１９ａ 軸受
２１ 第２端部ケーシング
２１ａ 軸受
２３ ポンプ室
２５ 気体取込口
２７ 気体排出口
２９ ケーシングカバー
３１，３１Ｂ，３１Ｃ キャンドモータ
４１，４１Ｂ，４１Ｃ ロータ
４１ａ 磁石支持部材
４１ｂ 永久磁石
４２，４２Ｂ タイミングギヤ
４３ ロータ室
４５ ロータ用ケーシング
４６ 相対移動機構（ネジ機構）
４７ 小型モータ
４８ 雄ネジ部材
４９ 雌ネジ部材
５１，５１Ｂ ステータ
５１ａ ステータコア
５１ｂ コイル
５１ａ１ コア本体
５１ａ２ 磁芯
５３ ステータ室
５５，５５Ｂ ステータ用ケーシング
６１，６１Ｂ キャン
６２ 制御部
６３ ドライバ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】