JP2011024385A - 二重回転子構造磁気支持モータ及び該二重回転子構造磁気支持モータを搭載したターンテーブル - Google Patents

Abstract

【課題】支持力の低振動化を図った二重回転子構造磁気支持モータ及び該二重回転子構造磁気支持モータを搭載したターンテーブルを提供する。
【解決手段】二重回転子構造とは固定子２１を挟み内側に内側回転子２３、外側に外側回転子２５の２つの回転子を持つ構造である。外側回転子２５は鉄心のみで構成され、固定子２１の外側は１２スロット構造であり、歯３５には磁気支持巻線３７が捲回されており、例えば巻線Ａ１，Ａ２，Ａ３は直列接続されている。各磁気支持巻線３７には直流電流を流し、発生する磁気支持磁束によって外側回転子２５を吸引し、磁気支持力を発生させる役割を担っている。巻線Ａ１，Ａ２，Ａ３はｘ軸負方向に電磁力を、また巻線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３はｘ軸正方向の力をそれぞれ発生する。
【選択図】図１

Description

本発明は二重回転子構造磁気支持モータ及び該二重回転子構造磁気支持モータを搭載したターンテーブルに係わり、特に支持力の低振動化を図った二重回転子構造磁気支持モータ及び該二重回転子構造磁気支持モータを搭載したターンテーブルに関する。

ブラシレスＤＣモータは産業、情報機器類の数多くのドライブ装置として用いられている。ブラシレスＤＣモータとは、ＤＣモータにおけるブラシと整流子を、永久磁石を用いた電気的な機構に置き換え、接触を無くしたものである。しかし、軸受部分が存在するため完全な非接触ではない。そのため、軸受のメンテナンスフリー、長寿命、高剛性が要求されている。

そこで、かかる要求を満たすためベアリングレスドライブ技術を導入したベアリングレスブラシレスＤＣモータが開発されている。
ベアリングレスドライブとは、従来の機械的接触面をもつベアリングの代わりに磁気の力で回転軸を支持する磁気軸受を用い、さらに電動機の機構と一体化したドライブ装置である。

ベアリングレスブラシレスＤＣモータは、例えば特許文献１に開示されている。図１５に一般的なベアリングレスブラシレスＤＣモータの構成図を示す。
ベアリングレスブラシレスＤＣモータ１００の回転子１０は、鉄心３に対しその内側に永久磁石５が貼り付けて構成されている。

図１５中のＮ、Ｓは鉄心３に面する側の永久磁石５の極性を表している。固定子鉄心７の固定子歯９に巻かれた巻線の内、外側のＵ、Ｖ、Ｗで表記された巻線は三相電動機巻線１１である。また、この三相電動機巻線１１の内側には磁気支持巻線１３が捲回されている。そして、このように構成されたベアリングレスブラシレスＤＣモータは機械的軸受がなく上記ブラシレスＤＣモータの要求を満たす可能性がある。

特開２００７−３０６７８５号公報

しかしながら、アプリケーションにより低トルクリプル・低支持力振動という要求がある場合、１つの回転子で電動機動作と磁気支持動作を行うベアリングレスブラシレスＤＣモータはある程度以下の低リプルを望めなかった。

例えば小さいベアリングレスブラシレスＤＣモータを用いて大きなトルクを得ようとする場合、ギャップを狭くする必要があるが、ギャップを小さくすると逆にリプルが増大してしまうおそれがあった。一方、リプルを抑えるためにギャップを大きくとると所望のトルクが得られなくなるおそれがあった。

本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、支持力の低振動化を図った二重回転子構造磁気支持モータ及び該二重回転子構造磁気支持モータを搭載したターンテーブルを提供することを目的とする。

このため本発明（請求項１）の二重回転子構造磁気支持モータは、固定子の外周側（若しくは内周側）に配設された複数の支持巻線を有する磁気支持力発生手段と、該磁気支持力発生手段により磁気支持される第１の回転子と、前記支持巻線と同じ平面内で、かつ該支持巻線の前記固定子を隔てた内周側（若しくは外周側）に配設された電動機巻線を有する電動機トルク発生手段と、該電動機トルク発生手段により回転駆動される第２の回転子とを備えて構成した。

二重回転子構造磁気支持モータは電動機機構と磁気支持機構が物理的に分かれているため、電動機側に対して低トルクリプル化を、磁気支持側に対して低支持力振動化をそれぞれ講じることができる。
また、本発明（請求項２）の二重回転子構造磁気支持モータは、前記第１の回転子には永久磁石が配設されず、前記磁気支持力発生手段により生じた磁力により吸引されることを特徴とする。

第１の回転子に永久磁石が配設されていると、永久磁石の起磁力分布にむらがあるため、均一にできず、また、ギャップに空間高調波が発生して、支持力の脈動を生じてしまう。そこで、本発明の二重回転子構造磁気支持モータでは、磁気支持側の第１の回転子に永久磁石を使用しないことで支持力の脈動を軽減する。

更に、本発明（請求項３）の二重回転子構造磁気支持モータは、前記磁気支持力発生手段は、一方向を構成する複数の支持巻線の内、中央に位置する巻線のターン数が外側に位置する巻線のターン数より大きくされたことを特徴とする。

一方向を構成する複数の支持巻線は３本、４本、５本等であってもよい。３本の場合には真ん中の支持巻線のターン数を大きくする。４本の場合には、内側２本の支持巻線のターン数を大きくする。５本の場合には、真ん中の１本についてターン数を大きくしてもよいし、その両隣の支持巻線についてもターン数を大きくするようにしてもよい。

ターン数を大きくした支持巻線は起磁力が大きいために、隣接の他方向を構成する支持巻線から生ずる漏れ磁束を減少させる構造にできる。このため、半径方向の非干渉化を実現できる。
一方向を構成する複数の支持巻線の内、外側の支持巻線のターン数は、真ん中若しくは内側の支持巻線のターン数に対し、１．５倍〜２倍程度の比を有すれば十分である。

更に、本発明（請求項４）のターンテーブルは、請求項１〜３に記載の二重回転子構造磁気支持モータを搭載したことを特徴とする。

以上説明したように本発明によれば、固定子の内周側と外周側とに電動機機構と磁気支持機構が物理的に分かれているため、電動機側に対して低トルクリプル化を、磁気支持側に対して低支持力振動化をそれぞれ講じることができる。

本発明である二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータの実施形態の構成図 磁気支持力の発生原理図 電動機電流の波形の一例 本実施形態の二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータの制御システムのブロック構成図 干渉原因を示す図（巻線パターン１） 干渉原因を示す図（巻線パターン２） 干渉補償後の磁気支持力の発生を示す図（巻線パターン１） 干渉補償後の磁気支持力の発生を示す図（巻線パターン２） 解析モデルの寸法を示す図 歯１本構造の磁束密度分布 歯２本構造の磁束密度分布 歯３本構造の磁束密度分布 ベアリングレスブラシレスＤＣモータの寸法を示す図 二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータをターンテーブルに適用した例 ベアリングレスブラシレスＤＣモータの構成図

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明である二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータの実施形態の構成図を図１に示す。二重回転子構造とは図１のように固定子２１を挟み内側に内側回転子２３、外側に外側回転子２５の２つの回転子を持つ構造である。

二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータ２００を構成する２つの回転子のうち内側回転子２３は鉄心２７の表面に永久磁石２９が周状に貼り付けられ、８極構造である。固定子２１の回転軸側は２４スロット構造で、歯３１に巻かれた巻線Ｕ，Ｖ，Ｗは電動機巻線３３であり三相対称正弦波電流を流す。

永久磁石界磁磁束と電動機巻線Ｕ，Ｖ，Ｗを励磁して発生する電動機磁束によってトルクを発生させる役割を担っている。また巻線は電流を正方向に流したときに４５°毎に磁束が逆方向に発生するように巻かれている。

なお、本実施形態では、電動機側での低トルクリプル化を図るため、永久磁石２９と電動機巻線Ｕ，Ｖ，Ｗ間には図９で後述するように相応のギャップを設定している。

一方、外側回転子２５は鉄心のみで構成され、固定子２１の外側は１２スロット構造であり、歯３５に巻かれた巻線Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は磁気支持巻線３７であり、巻線Ａ１，Ａ２，Ａ３は直列接続されている。同様に巻線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３と巻線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３と巻線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３はそれぞれ直列接続されている。

各磁気支持巻線３７には直流電流を流し、発生する磁気支持磁束によって外側回転子２５を吸引し、磁気支持力を発生させる役割を担っている。巻線は電流を正方向に流したときに３０°毎に磁束が逆方向に発生するように巻かれている。巻線Ａ１，Ａ２，Ａ３はｘ軸負方向に電磁力を、また巻線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３はｘ軸正方向の力を、巻線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３はｙ軸負方向の力を、巻線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３はｙ軸正方向の力をそれぞれ発生する。

なお、本実施形態では磁気支持巻線３７を固定子２１の外側に配設し、電動機巻線Ｕ，Ｖ，Ｗを固定子２１の内側に配設するとして説明したが、これとは逆に固定子２１の外側に電動機巻線Ｕ，Ｖ，Ｗを配設し、固定子２１の内側に磁気支持巻線３７を配設するようにしてもよい。

次に、磁気支持力の発生原理について説明する。
図２に磁気支持力の発生原理図を示す。磁気支持力は磁気支持巻線Ａ１，Ａ２，Ａ３と巻線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３と巻線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３と巻線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の起磁力により外側回転子２５を吸引することによって発生させる。ここでは例としてｘ軸正方向へ磁気支持力を発生させる場合について説明する。

ｘ軸正方向へ磁気支持力を発生させる場合、磁気支持巻線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を励磁する。巻線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に正方向の励磁電流を流すことにより磁束ψ_C1，ψ_C2，ψ_C3が図示の方向にそれぞれ発生し、外側回転子２５を吸引する電磁力Ｆ_C1，Ｆ_C2，Ｆ_C3が発生する。発生した電磁力Ｆ_C1，Ｆ_C2，Ｆ_C3は磁束ψ_C1，ψ_C2，ψ_C3の向きに関係なく全て外側回転子２５が固定子２１に吸引する方向へ発生する。

よって電磁力Ｆ_C1は−３０°方向へ、Ｆ_C2は０°方向へ、Ｆ_C3は＋３０°方向へそれぞれ発生し、これらの合力によってｘ軸正方向への磁気支持力Ｆｘを発生する。

ここでｘ軸負方向へ磁気支持力を発生させる場合、磁気支持巻線Ａ１，Ａ２，Ａ３を励磁することにより上述した原理と同様に磁気支持力を発生する。また、ｙ軸正方向へ磁気支持力を発生させるとき磁気支持巻線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を励磁し、ｙ軸負方向へ磁気支持力を発生させるとき磁気支持巻線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３を励磁することにより磁気支持力を発生する。ｘ軸、ｙ軸方向への磁気支持力をベクトル的に合成し任意の方向への磁気支持力を発生させる。

図１５に示すベアリングレスブラシレスＤＣモータ１００は回転子１０の永久磁石５の界磁磁束と磁気支持磁束の強めあい弱めあいによって磁気支持力を発生させている。その磁気支持力を発生する際、固定子７の巻線起磁力分布やスロット開口部、回転子１０の永久磁石起磁力分布によってギャップに空間高調波が発生して、支持力の脈動を生じてしまう。

そこで、本実施形態の二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータ２００では、磁気支持側の外側回転子２５に永久磁石を使用しないことで上述した原因で発生する支持力の脈動を軽減している。

次に、本実施形態である二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータ２００の制御方法について説明する。

本実施形態の二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータ２００のトルク発生の原理は従来の永久磁石同期モータと同様であり、電動機巻線３３を励磁して発生する電動機磁束と、内側回転子２３に貼り付けられた永久磁石２９の界磁磁束の相互作用によってトルクを発生する。

電動機電流の周波数は８極モータなので機械角周波数の４倍になり、電動機電流はＵ，Ｖ，Ｗの三相対称正弦波電流で制御される。図３に電動機電流の波形の一例を示す。ここで、電流の定格値は巻線の直径をφ０．６ｍｍとし、電流密度を８．５Ａ／ｍｍ²として２．４Ａとする。

磁気支持力の発生原理は上述したように、外側回転子２５を固定子２１の外側１２スロットの歯３５に巻かれた巻線Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の起磁力によって吸引することで発生する。

磁気支持力は外側回転子２５が偏心したとき中心に戻そうとする方向に発生させたいので、外側回転子２５のｘ軸、ｙ軸方向の変位に対し逆方向の磁気支持力を発生する巻線を選択し、磁気支持電流を指令する。また１巻線で１方向に力の発生を担っているので磁気支持電流は直流で制御する。

図４に本実施形態の二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータの制御システムのブロック構成図を示す。制御システムは電動機制御系と磁気支持制御系から成る。以下、それぞれの制御系における制御信号について説明する。
電動機制御系において電流制御器５１では、エンコーダ５３により検出してきた回転角度θと電流の指令値ｉ_m ^*から、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の正弦波電流ｉ_U，ｉ_V，ｉ_Wを生成し、電動機制御を行う。

磁気支持制御系おける制御信号の流れは以下の通りである。はじめにギャップセンサ５５、５６により外側回転子２５のｘ軸，ｙ軸上の位置（ｘ，ｙ）を検出し，誤差器５７、５８で位置の指令値（ｘ^*，ｙ^*）との誤差（Δｘ，Δｙ）を求め、ＰＩＤ制御５９、６０により位置の誤差（Δｘ，Δｙ）を増幅して電流指令値ｉ_x ^*，ｉ_y ^*を決定する。

磁気支持力は変位、すなわち位置の誤差に対して逆方向へ発生させるため、誤差の値が負ならば電流指令値ｉ_x ^*，ｉ_y ^*は正、また、誤差の値が正ならばｉ_x ^*，ｉ_y ^*は負となるようにする。

ここで決定した電流指令値ｉ_x ^*，ｉ_y ^*から巻線選択部６１、６２では、次のように磁気支持巻線ごとの電流指令値を生成する。すなわちΔｘが正ならば磁気支持巻線Ａ１，Ａ２，Ａ３の電流指令値ｉ_A ^*をｉ_A ^*＝｜ｉ_x ^*｜として、巻線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の電流指令値ｉ_C ^*は０とする。一方、Δｘが負ならば磁気支持巻線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の電流指令値ｉ_C ^*をｉ_C ^*＝｜ｉ_x ^*｜として、巻線Ａ１，Ａ２，Ａ３の電流指令値ｉ_A ^*は０とする。

同様にΔｙが正ならば磁気支持巻線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の電流指令値ｉ_B ^*をｉ_B ^*＝｜ｉ_y ^*｜として、巻線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の電流指令値ｉ_D ^*は０とする。一方、Δｙが負ならば磁気支持巻線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の電流指令値ｉ_D ^*をｉ_D ^*＝｜ｉ_y ^*｜として、巻線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の電流指令値ｉ_B ^*は０とする。

このように決定した磁気支持電流の指令値ｉ_A ^*，ｉ_B ^*，ｉ_C ^*，ｉ_D ^*と磁気支持電流の検出値ｉ_A，ｉ_B，ｉ_C，ｉ_Dを比較し電流制御器６３、６４、６５、６６において電流追従制御を行う。

次に、磁気支持力の干渉現象について説明する。外側回転子２５を軸支持するために磁気支持力はあらゆる半径方向へ発生させる必要がある。しかし、ｘ軸方向のみ、またはｙ軸方向のみに磁気支持力を発生する場合に比べて、ｘ軸方向とｙ軸方向に同時に磁気支持力を発生、すなわち磁気支持力にｘ，ｙ成分を含む場合は磁気支持力が増減してしまうことがある。この現象を磁気支持力の干渉と呼ぶ。

二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータ２００における磁気支持力の干渉の原因は、磁気支持巻線３７の巻く方向によって次の２つが考えられる。まず、図５のような方向に巻線を巻いた場合（巻線パターン１）である。４５°方向へ磁気支持するとき、ｘ軸正方向とｙ軸正方向に磁気支持力をそれぞれ発生するため、磁気支持巻線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３と巻線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を同時に励磁する。

磁気支持巻線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を励磁することによってｘ軸正方向への磁気支持力Ｆｘを発生し、巻線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を励磁することによってｙ軸正方向への磁気支持力Ｆｙを発生する。さらにｘ軸方向とｙ軸方向への磁気支持力をベクトル的に合成し、４５°方向へ支持力を発生している。ここで、４５°方向へ発生する磁気支持力のうち、図５には磁束ψ_C1，ψ_C2，ψ_C3によって発生する力Ｆ_C1，Ｆ_C2，Ｆ_C3のみを記した。

図５のような方向に巻線を巻いた場合、磁気支持巻線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３と巻線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を同時に励磁すると、図のように巻線Ｃ３が巻かれた歯と巻線Ｄ１が巻かれた歯を通る漏れ磁束が発生する。

この漏れ磁束により磁束ψ_C3が増加し、巻線Ｃ３が巻かれた歯の磁束密度が高くなり、電磁力Ｆ_C3が増加する。その結果、磁束ψ_C1，ψ_C2，ψ_C3によって発生する電磁力Ｆ_C1，Ｆ_C2，Ｆ_C3の合力Ｆｘはｘ軸正方向へ磁気支持力を発生するように指令しているのにも関わらず、僅かにｙ軸方向成分が発生してしまう。

次に図６のような方向に巻線を巻いた場合（巻線パターン２）である。先程と同様に４５°方向へ磁気支持するとき、磁気支持巻線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３と巻線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を同時に励磁する。ここで、４５°方向へ発生する磁気支持力のうち、図５と同様に図６には磁束ψ_C1，ψ_C2，ψ_C3によって発生する力Ｆ_C1，Ｆ_C2，Ｆ_C3のみを記した。

このとき巻線Ｃ３による磁束ψ_C3と巻線Ｄ１による磁束ψ_D1が同じ方向に発生するため互いに反発し図５のような漏れ磁束は発生しないが、図６のように巻線Ｃ２が巻かれた歯と巻線Ｃ３が巻かれた歯を通る磁路と、巻線Ｄ１が巻かれた歯と巻線Ｄ２が巻かれた歯を通る磁路がそれぞれ形成される。

これらの磁路により磁束ψ_C2，ψ_C3が増加し、巻線Ｃ２が巻かれた歯と巻線Ｃ３が巻かれた歯の磁束密度が高くなり、電磁力Ｆ_C2，Ｆ_C3が増加する。その結果、磁束ψ_C1，ψ_C2，ψ_C3によって発生する電磁力Ｆ_C1，Ｆ_C2，Ｆ_C3の合力Ｆｘはｘ軸正方向へ磁気支持力を発生するように指令しているのにも関わらず、僅かにｙ軸方向成分が発生してしまう。

ここに、どの程度干渉しているかを評価するため、干渉の割合を数１で定義した。

ここに、Ｆｘはｘ軸方向磁気支持力であり、Ｉｙはｙ軸方向磁気支持電流である。数１において、分母のＦｘ（Ｉｙ＝０）はｙ軸方向へ力を発生する巻線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３と巻線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の電流が０の場合のｘ軸方向の磁気支持力であり、分子のＦｘ（Ｉｙ＝定格）はｙ軸方向へ力を発生する巻線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３と巻線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３に定格電流が流れている場合のｘ軸方向の磁気支持力である。

干渉が生じたとき、前述した原因でｘ軸方向の磁気支持力Ｆｘに差が発生するため、数１において分母と分子に差が発生し、干渉の割合は１００％から離れた値となる。よって干渉の割合は１００％に近いほど干渉が少ないと言える。
このようにｘ，ｙ方向の磁気支持力に干渉が生じると回転子の振れ回りは大きく不安定になる。したがって、数１で定義した干渉の割合が１００％に近いモータ設計が必要である。

次に、磁気支持巻線と支持力の非干渉化について説明する。
即ち、磁気支持巻線の巻数の変更による磁気支持力の干渉補償を提案し、電磁界解析によって非干渉化に最適な巻数を明らかにする。

磁気支持力の干渉の発生原因は上述したように、磁気支持巻線を巻く方向によって図５の巻線パターン１と、図６の巻線パターン２のように２つの場合が考えられる。いずれの場合も、巻線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３と巻線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を同時に励磁したとき、となり合う巻線Ｃ３とＤ１によって発生するそれぞれの磁束が強めあう、もしくは弱めあうことによって干渉が発生すると考えられる。

よって干渉が生じないためには、ｘ軸正方向へ磁気支持力を発生する巻線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３がそれぞれ巻かれた歯を通る磁路と、ｙ軸正方向へ磁気支持力を発生する巻線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３がそれぞれ巻かれた歯を通る磁路が、独立して形成されるような設計が必要である。

そこで巻数の変更による磁気支持力の干渉補償を提案する。図７に干渉補償後の磁気支持力の発生をそれぞれ示す。巻数の変更は以下のように行う。

ｘ軸正方向へ磁気支持力を発生する３つ巻線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３のうち、ｘ軸方向に起磁力を発生する巻線Ｃ２の巻数に対して、その両端の巻線Ｃ１，Ｃ３の巻数を少なくする。また、ｙ軸正方向に起磁力を発生する巻線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３についても同様に巻線Ｄ２に対して両端の巻線Ｄ１，Ｄ３の巻数を少なくする。

図５の巻数が全て等しい場合は巻線Ｃ３により発生した磁束ψ_C3が巻線Ｄ１が巻かれた歯にも通り、漏れ磁束が発生していた。しかし、図７のように巻数を変更し、減少するとψ_C3は巻線Ｃ２の起磁力が巻線Ｄ１の起磁力より大きいため、巻線Ｃ２の起磁力の磁極に引かれ、巻線Ｄ１の歯の方にはいかず、巻線Ｃ２の歯を通る。

ここで支持力のｘ軸方向成分に着目すると、図５では漏れ磁束よりＦ_C3＞Ｆ_C1となり、合成した力Ｆｘにはｙ軸方向成分を含んでしまう。しかし、図７ではＦ_C3＝Ｆ_C1になり、合成した力Ｆｘは正しくｘ軸正方向に発生する。すなわち、図５に示した磁路の漏れ磁束が発生しないためｘ，ｙ軸方向の支持力の非干渉化が実現できると思われる。

一方、図６の巻数が全て等しい場合は巻線Ｃ３により発生した磁束ψ_C3と巻線Ｄ１により発生した磁束ψ_D1が反発して１半径方向へ磁気支持力を発生する磁束密度分布がアンバランスになっていた。

しかし、図８のように巻数を変更し、減少すると巻線Ｃ３の起磁力と巻線Ｄ１の起磁力が減少するためψ_C3とψ_D1は反発しにくくなる。ここで支持力のｘ軸方向成分に着目すると、図６では磁束の反発によりＦ_C3＞Ｆ_C1となり、合成した力Ｆｘにはｙ軸方向成分を含んでしまう。

しかし、図８ではＦ_C3＝Ｆ_C1になり、合成した力Ｆｘは正しくｘ軸正方向に発生する。すなわち、磁束密度分布が均一になることによりｘ，ｙ軸方向の支持力の非干渉化が実現できると思われる。

以上のように巻線パターン１，２両者において、巻線を変更し、減少すると磁気支持力の非干渉化が見込まれる。同様の干渉補償をその他の巻線Ａ１，Ａ２，Ａ３、巻線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３についても同様に巻線を変更して、直交二軸の半径方向の非干渉化が実現できると思われる。

次に、一方向を構成する磁気支持巻線が巻かれた歯の本数とトルク、磁気支持力の関係について考察した。

磁気支持巻線が巻かれた歯の本数を変更した３モデル、このうち歯２本と歯３本モデルではそれぞれ巻線の巻き方を変えて２パターンずつ、合計５モデルについて電磁界解析を行った。

図９には、本実施形態である一方向を構成する磁気支持巻線が歯の３本に対し巻かれた歯３本モデル（巻線Ａ１，Ａ２，Ａ３、巻線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３、巻線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３、巻線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３のように一方向を構成する磁気支持巻線がそれぞれ３本）の寸法を示す。また表１、表２にこの歯３本モデルの材料と巻線の巻数をそれぞれ示す。

表２に示すように、一方向を構成する巻線巻線（例えばＡ１，Ａ２，Ａ３）の中央に位置する巻線（Ａ２）についてはそのターン数を外側に配置される巻線（Ａ１，Ａ３）のほぼ倍に設定をしている。しかしながら、本設定は一例を示すもので、外側の巻線のターン数に比べ、１．５倍〜２倍であればよい。

表３に５モデルのトルク、トルクリプル、磁気支持力、支持力振動の解析結果と干渉の割合をまとめて記した。

表３よりまずトルクは５モデル全てでほぼ同じ値であり、磁気支持力は歯１本モデルが最も大きく、歯３本モデルが最も小さい。なお１半径方向当たりの支持巻線起磁力は５モデル全て同じである。

しかし、歯１本モデルはｘ軸正方向に磁気支持力を発生するとき、ｘ軸方向へのみ力を発生するのに対し、歯２本モデルは２方向への力を合成し、歯３本モデルは図７、図８に示したように、３方向への力を合成してｘ軸方向への力を発生するため、支持力が小さくなったと考えられる。

また、トルクリプルと支持力振動ともに歯３本モデルが最も小さい。これは図１０、図１１にそれぞれ示した歯１本モデルおよび歯２本モデルの磁束密度分布より、漏れ磁束が発生しているのに対し、図１２に示した歯３本モデルの磁束密度分布より、歯３本モデルは固定子鉄心や固定子ヨークに磁気飽和が生じにくいため、トルクリプルと支持力振動が小さいと考えられる。また、歯３本モデルは漏れ磁束が発生しないので干渉の割合も最も小さい。

最後に最大磁束密度は歯１本モデルが最も大きく、歯３本モデルが最も小さい。１半径方向当たりの起磁力は５モデル全て同じであるが、１本の歯に巻かれた巻線の巻数は歯１本モデルが最も多く、歯３本モデルが最も少ないため、最大磁束密度に違いが表れたと考えられる。

以上の電磁界解析の結果から歯３本モデル、すなわち本実施形態の非干渉化を実現したモデルが歯１本、歯２本モデルに比べてトルクリプル・支持力振動が小さく、かつ干渉が少ないと言える。

次に、電磁界解析によってアウターロータ構造ベアリングレスブラシレスＤＣモータ１００のトルク、トルクリプル、磁気支持力、支持力振動、最大磁束密度を求め、本実施形態の二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータ２００との比較を行う。
図１３にアウターロータ構造ベアリングレスブラシレスＤＣモータ１００の巻線配置と寸法を、表４に巻線の巻数をそれぞれ示す。

寸法や巻数はトルクリプルや支持力振動を比較するため、二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータ２００と同じトルク、磁気支持力が発生するように決定した。また、各部の材料は表１と同様である。電動機巻線１１には二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータ２００と同様に三相対称正弦波電流を流し、磁気支持巻線１３には正弦波の磁気支持電流を流す。磁気支持力はｘ軸正方向へ指令して解析を行う。

以降に電磁界解析の結果を示す。表５にアウターロータ構造ベアリングレスブラシレスＤＣモータと二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータの解析結果を示す。

二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータ２００の解析結果は、前述した非干渉化を実現したモデルの解析結果である。表５より、トルクおよび磁気支持力は両者でほぼ同じ値であることが分かる。次にトルクリプルは二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータ２００が０．４６％であるのに対し、アウターロータ構造ベアリングレスブラシレスＤＣモータ１００は１７．２７％と大きな値であることが分かる。

これは二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータ２００の内側のギャップが８．５ｍｍであるのに対し、アウターロータ構造ベアリングレスブラシレスＤＣモータ１００のギャップが２ｍｍと狭くなっているため、トルクリプルに違いが表れたと考えられる。

また、支持力振動は二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータ２００が０．１２％であるのに対し、アウターロータ構造ベアリングレスブラシレスＤＣモータ１００は３．１４％と大きくなっている。

ベアリングレスブラシレスＤＣモータ１００は磁束の強めあい弱めあいによって磁気支持力を発生させている。その磁気支持力を発生する際、固定子９の巻線起磁力分布やスロット開口部、回転子１０の永久磁石起磁力分布によってギャップに空間高調波が発生して、支持力の脈動を生じてしまう。

以上の結果から二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータ２００はアウターロータ構造ベアリングレスブラシレスＤＣモータ１００と比べて低トルクリプル・低支持力振動という点で優れていることが分かる。

次に、本実施形態である二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータ２００をターンテーブルに適用した例を示す。図１４に全体の構成図を示す。図１４において、ターンテーブル３００は、直結方式のターンテーブルなのでモータ回転軸１０１とプラッター１０３を直結している。

プラッターとはレコード盤１０５を乗せて回転する部分である。固定子２１の外側の歯３５に巻かれた磁気支持巻線３７は外側回転子２５を吸引することで磁気支持力を発生する。

磁気支持力の発生はギャップセンサ５５、５６により回転子２５の位置を検出し、中心からのずれに比例した力を発生して中心に軸支持する。なお、ギャップセンサ５５、５６はｘ，ｙ軸のそれぞれの方向に取り付けられ、磁気支持力は２軸で制御される。

このとき磁気支持力はｘ，ｙ軸方向、すなわちラジアル方向のみに発生するため、ｚ軸方向、すなわちアキシャル方向の軸支持は軸受により機械的に行う。軸受にはピポット軸受１０７を用いているが、アキシャル方向の磁気軸受が配設されるようにされてもよい。

２１ 固定子
２３ 内側回転子
２５ 外側回転子
２７ 鉄心
２９ 永久磁石
３１、３５ 歯
３３ 電動機巻線
３７ 磁気支持巻線
５１ 電流制御器
５３ エンコーダ
５５、５６ ギャップセンサ
５７、５８ 誤差器
５９、６０ ＰＩＤ制御
６１、６２ 巻線選択部
６３、６４、６５、６６ 電流制御器
１０１ モータ回転軸
１０３ プラッター
１０５ レコード盤
１０７ ピポット軸受
２００ 二重回転子構造磁気支持ブラシレスＤＣモータ
３００ ターンテーブル
Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ 磁気支持巻線

Claims (4)

1. 固定子の外周側（若しくは内周側）に配設された複数の支持巻線を有する磁気支持力発生手段と、
   該磁気支持力発生手段により磁気支持される第１の回転子と、
   前記支持巻線と同じ平面内で、かつ該支持巻線の前記固定子を隔てた内周側（若しくは外周側）に配設された電動機巻線を有する電動機トルク発生手段と、
   該電動機トルク発生手段により回転駆動される第２の回転子とを備えたことを特徴とする二重回転子構造磁気支持モータ。
2. 前記第１の回転子には永久磁石が配設されず、前記磁気支持力発生手段により生じた磁力により吸引されることを特徴とする請求項１記載の二重回転子構造磁気支持モータ。
3. 前記磁気支持力発生手段は、一方向を構成する複数の支持巻線の内、中央に位置する巻線のターン数が外側に位置する巻線のターン数より大きくされたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の二重回転子構造磁気支持モータ。
4. 請求項１〜３に記載の二重回転子構造磁気支持モータを搭載したターンテーブル。

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