JP2013135590A

JP2013135590A - 永久磁石同期機、永久磁石同期機の駆動装置及び駆動方法

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Publication number: JP2013135590A
Application number: JP2011286419A
Authority: JP
Inventors: Masashi Sawada; 正志澤田; Tomoaki Tamiya; 智彰田宮; Yuji Shindo; 裕司進藤
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-07-08
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: JP5893394B2

Abstract

【課題】永久磁石同期機において、軸受を用いることなくロータを支持する。
【解決手段】モータ４は、ステータ２１と、ロータ２３と、所定の基準位置に対するロータ２３の回転軸の位置を検出する位置センサ５とを備える。コントローラ３は、ロータ２３を回転させるトルクを発生させるトルク電流の大きさを示すトルク電流指令値の供給を受け、基準位置とロータ２３の回転軸の位置との距離に基づいて、ロータ２３の回転軸を基準位置において支持する力を発生させる支持電流の大きさを示す支持電流指令値を生成し、トルク電流に支持電流を加算した電流を第１の巻線群に流すように電力変換装置１を制御し、トルク電流から支持電流を減算した電流を第２の巻線群に流すように電力変換装置２を制御し、第１及び第２の巻線群により生じる磁界によりロータ２３を回転させると同時に支持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸受を用いることなくロータを支持することができる永久磁石同期機、永久磁石同期機の駆動装置及び駆動方法に関する。

永久磁石同期機において、特に高速回転が必要とされる場合、メンテナンスフリーやオイルフリー等の観点から、機械的に接触する軸受（転がり軸受、すべり軸受、など）を採用することが合理的ではない場合があった。この課題を解決するために、磁気軸受や空気軸受などの非接触式の軸受が採用されてきた。しかし、これらの軸受を用いる場合、軸長が長くなって危険回転数が下がるなどの課題が生じた。

そのような課題を解決するために、近年、ベアリングレスモータが研究されている。これは、ロータを径方向に支持するための巻線をステータコアに設けることで、軸受を用いずにロータを支持しようとするものである。言い換えれば、モータのステータをそのまま軸受としても使用するものである。

特許文献１は、ロータのシャフト位置を制御可能なモータ装置を開示している。特許文献１の発明によれば、ステータ巻線は、星型結線されてそれぞれ独立した中性点を有する３組のステータ巻線群を構成している。この中性点の電圧あるいは電流を制御することによってステータ内の磁束分布を不均衡とし、ロータの半径方向に作用する力を発生させている。ステータ巻線が回転力発生と位置制御の機能を兼ねており、またステータは分割コアの集中巻線方式で形成されている。

特開２００２−３２５４７６号公報

一般に、従来のベアリングレスモータでは、ロータを支持するため巻線を追加で設ける必要があった。また、特許文献１の発明では巻線は１種類であるものの、その巻線に電流を流すためのインバータを追加で用意する必要があった。

また、通常のベアリングレスモータでは、回転しているロータに対して静止した方向に力を発生させる場合、ロータに大きな渦電流が発生する。その渦電流の大きさによっては、ロータを支持する力を低下させることもあった。

本発明の目的は、以上の課題を解決し、余分な巻線及び回路を必要としない簡単な構成でありながら、軸受を用いることなくロータを支持することができる永久磁石同期機を提供することにある。

本発明の目的は、さらに、上記永久磁石同期機において、渦電流による支持力への影響を除去することにある。

本発明の目的は、さらに、そのような永久磁石同期機の駆動装置及び駆動方法を提供することにある。

本発明の第１の態様に係る永久磁石同期機によれば、
異なる交流電源にそれぞれ接続された少なくとも２組の巻線群を備えた永久磁石同期機において、上記永久磁石同期機は、
ステータコアと、上記ステータコアに巻回された上記巻線群とを備えたステータと、
ロータコアと、上記ロータコアに設けられた永久磁石とを備えたロータと、
所定の基準位置に対する上記ロータの回転軸の位置を検出する位置センサと、
上記少なくとも２組の巻線群のうちの第１及び第２の巻線群にそれぞれ接続された第１及び第２の交流電源と、
上記第１及び第２の交流電源を制御するコントローラとを備え、
上記コントローラは、
上記ロータを回転させるトルクを発生させるトルク電流の大きさを示すトルク電流指令値の供給を受け、
上記基準位置と上記ロータの回転軸の位置との距離に基づいて、上記距離が０になるように上記ロータの回転軸を支持する力を発生させる支持電流の大きさを示す支持電流指令値を生成し、
上記トルク電流に上記支持電流を加算した電流を上記第１の巻線群に流すように上記第１の交流電源を制御し、
上記トルク電流から上記支持電流を減算した電流を上記第２の巻線群に流すように上記第２の交流電源を制御し、
上記第１及び第２の巻線群により生じる磁界により上記ロータを回転させると同時に支持することを特徴とする。

上記永久磁石同期機において、上記ロータコアの表面は、渦電流が流れることを防止するように分割されていることを特徴とする。

上記永久磁石同期機において、上記ロータコアの表面は、絶縁層により互いに絶縁された積層金属板により構成されていることを特徴とする。

上記永久磁石同期機において、上記ロータコアは、高抵抗率材料又は非磁性体材料にてなることを特徴とする。

上記永久磁石同期機において、上記コントローラは、
上記トルク電流に上記支持電流を加算した電流にさらに所定の正又は負のバイアス電流を加算した電流を上記第１の巻線群に流すように上記第１の交流電源を制御し、
上記トルク電流から上記支持電流を減算した電流にさらに上記バイアス電流を加算した電流を上記第２の巻線群に流すように上記第２の交流電源を制御することを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る永久磁石同期機の駆動装置によれば、
異なる交流電源にそれぞれ接続された少なくとも２組の巻線群を備えた永久磁石同期機の駆動装置において、
上記永久磁石同期機は、
ステータコアと、上記ステータコアに巻回された上記巻線群とを備えたステータと、
ロータコアと、上記ロータコアに設けられた永久磁石とを備えたロータと、
所定の基準位置に対する上記ロータの回転軸の位置を検出する位置センサとを備え、
上記駆動装置は、
上記少なくとも２組の巻線群のうちの第１及び第２の巻線群にそれぞれ接続された第１及び第２の交流電源と、
上記第１及び第２の交流電源を制御するコントローラとを備え、
上記コントローラは、
上記ロータを回転させるトルクを発生させるトルク電流の大きさを示すトルク電流指令値の供給を受け、
上記基準位置と上記ロータの回転軸の位置との距離に基づいて、上記距離が０になるように上記ロータの回転軸を支持する力を発生させる支持電流の大きさを示す支持電流指令値を生成し、
上記トルク電流に上記支持電流を加算した電流を上記第１の巻線群に流すように上記第１の交流電源を制御し、
上記トルク電流から上記支持電流を減算した電流を上記第２の巻線群に流すように上記第２の交流電源を制御し、
上記第１及び第２の巻線群により生じる磁界により上記ロータを回転させると同時に支持することを特徴とする。

上記永久磁石同期機の駆動装置において、上記コントローラは、
上記トルク電流に上記支持電流を加算した電流にさらに所定の正又は負のバイアス電流を加算した電流を上記第１の巻線群に流すように上記第１の交流電源を制御し、
上記トルク電流から上記支持電流を減算した電流にさらに上記バイアス電流を加算した電流を上記第２の巻線群に流すように上記第２の交流電源を制御することを特徴とする。

本発明の第３の態様に係る永久磁石同期機の駆動方法によれば、
異なる交流電源にそれぞれ接続された少なくとも２組の巻線群を備えた永久磁石同期機の駆動方法において、
上記永久磁石同期機は、
ステータコアと、上記ステータコアに巻回された上記巻線群とを備えたステータと、
ロータコアと、上記ロータコアに設けられた永久磁石とを備えたロータと、
所定の基準位置に対する上記ロータの回転軸の位置を検出する位置センサとを備え、
上記少なくとも２組の巻線群のうちの第１及び第２の巻線群は、第１及び第２の交流電源にそれぞれ接続され、
上記駆動方法は、
上記ロータを回転させるトルクを発生させるトルク電流の大きさを示すトルク電流指令値の供給を受け、
上記基準位置と上記ロータの回転軸の位置との距離に基づいて、上記距離が０になるように上記ロータの回転軸を支持する力を発生させる支持電流の大きさを示す支持電流指令値を生成し、
上記トルク電流に上記支持電流を加算した電流を上記第１の巻線群に流すように上記第１の交流電源を制御し、
上記トルク電流から上記支持電流を減算した電流を上記第２の巻線群に流すように上記第２の交流電源を制御し、
上記第１及び第２の巻線群により生じる磁界により上記ロータを回転させると同時に支持することを特徴とする。

上記永久磁石同期機の駆動方法は、
上記トルク電流に上記支持電流を加算した電流にさらに所定の正又は負のバイアス電流を加算した電流を上記第１の巻線群に流すように上記第１の交流電源を制御し、
上記トルク電流から上記支持電流を減算した電流にさらに上記バイアス電流を加算した電流を上記第２の巻線群に流すように上記第２の交流電源を制御することを特徴とする。

本発明によれば、上記構成を備えたことにより、余分な巻線及び回路を必要としない簡単な構成でありながら、軸受を用いることなくロータを支持することができる永久磁石同期機を提供することができる。

本発明は、上記構成を備えたことにより、さらに、上記永久磁石同期機において、渦電流による支持力への影響を除去することができる。

本発明は、上記構成を備えたことにより、さらに以下の効果を有する。
（１）径方向の軸受がなくなるため、ロータの軸長が短くなる。
（２）既存のベアリングレスモータと異なり、通常の４極機と同じ巻線方式が採用可能であり、汎用的である。
（３）通常のベアリングレスモータは、特に高速で回転させる必要がある場合、一般的にはロータが地面に対して垂直に設置されるが、本発明の方法を用いることにより、ロータを地面に対して水平に設置することができる。

本発明の第１の実施形態に係るモータシステムの構成を示すブロック図である。図１のコントローラ３の詳細構成を示すブロック図である。図１のモータ４の横断面図である。ロータ２３のずれの方向及び支持力の方向を説明するための概略図である。トルク電流Ｉｕｔ、Ｉｖｔ、Ｉｗｔの波形を示すグラフである。支持電流Ｉｕｓ、Ｉｖｓ、Ｉｗｓの波形を示すグラフである。トルク電流Ｉｕｔ、Ｉｖｔ、Ｉｗｔと支持電流Ｉｕｓ、Ｉｖｓ、Ｉｗｓとの和及び差から生成される目標電流の波形を示すグラフである。ロータ２３に渦電流が生じない条件下における、発生したロータ２３の支持力を示すグラフである。ロータ２３にかかるトルクを示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係るモータシステムのロータ２３を示す斜視図である。図１０のロータ２３の縦断面図である。図１０のロータ２３の第１の変形例の縦断面図である。図１０のロータ２３の第２の変形例の縦断面図である。図１０のロータ２３の第３の変形例の横断面図である。比較例のロータに係る、発生したロータの支持力を示すグラフである。実施例のロータ２３に係る、発生したロータ２３の支持力を示すグラフである。

第１の実施形態．
本発明の第１の実施形態では、軸受を用いることなくロータを支持するという課題を解決するために、モータにＰ重（Ｐ：極対数）の巻線を設けて、それぞれの巻線に独立に電力変換装置（インバータ）から電流を流す構造を採用した。本実施形態によれば、従来の多重巻線のモータと同様の巻線を用いながら、モータ巻線の断面積およびインバータの容量の増加を極力抑えたまま、ロータを支持する力を発生させることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るモータシステムの構成を示すブロック図である。本明細書では、二重三相の巻線を有する通常の４極機のモータの構成を参照して説明する。図１のモータシステムは、モータ４と、モータ４を駆動する駆動装置とを備える。詳しくは、図１のモータシステムは、直流から三相交流をそれぞれ発生する電力変換装置１，２と、電力変換装置１，２を制御するコントローラと、電力変換装置１，２にそれぞれ接続された２組の巻線群を備えたモータ４と、モータ４内における所定の基準位置に対するロータの回転軸の位置を検出する位置センサ５とを備える。モータ４は、中性点Ｎ１で互いに接続された巻線Ｌｕ１，Ｌｖ１，Ｌｗ１からなる第１の巻線群と、中性点Ｎ２で互いに接続された巻線Ｌｕ２，Ｌｖ２，Ｌｗ２からなる第２の巻線群とを備える。なお、２組の巻線群の中性点Ｎ１，Ｎ２は互いに接続されない。電力変換装置１は直流電源Ｅ１に接続され、Ｕ１相、Ｖ１相、及びＷ１相からなる三相交流の出力電圧を発生し、巻線Ｌｕ１，Ｌｖ１，Ｌｗ１にそれぞれ印加する。電力変換装置２もまた直流電源Ｅ１に接続され、Ｕ２相、Ｖ２相、及びＷ２相からなる三相交流の出力電圧を発生し、巻線Ｌｕ２，Ｌｖ２，Ｌｗ２にそれぞれ印加する。電力変換装置１とモータ４との間には、Ｕ１相の電流Ｉｕ１^＊、Ｖ１相の電流Ｉｖ１^＊、及びＷ１相の電流Ｉｗ１^＊をそれぞれ検出する変流器ＣＴ１，ＣＴ２，ＣＴ３が設けられる。同様に、電力変換装置２とモータ４との間には、Ｕ２相の電流Ｉｕ２^＊、Ｖ２相の電流Ｉｖ２^＊、及びＷ２相の電流Ｉｗ２^＊をそれぞれ検出する変流器ＣＴ４，ＣＴ５，ＣＴ６が設けられる。変流器ＣＴ１〜ＣＴ６によって検出された電流はコントローラ３に送られる。位置センサ５によって検出されたロータの回転軸の位置（位置情報）もまたコントローラ３に送られる。電力変換装置１，２とモータ４との間には、さらに、出力フィルタＬ１１〜Ｌ１３，Ｌ２１〜Ｌ２３が設けられる。

図２は、図１のコントローラ３の詳細構成を示すブロック図である。コントローラ３には、上位の速度コントローラ（図示せず）から、ロータを回転させるトルクを発生させるトルク電流Ｉｕｔ，Ｉｖｔ，Ｉｗｔの大きさを示すトルク電流指令値が供給される。上位の速度コントローラによるトルク電流Ｉｕｔ，Ｉｖｔ，Ｉｗｔの計算（速度ループ）は、従来のモータシステムと同様であり、説明を省略する。コントローラ３は、従来の上位の速度コントローラと一体化されていてもよい。コントローラ３は支持電流生成器１７を備え、支持電流生成器１７は、位置センサ５からの位置情報に基づいて、モータ４内における所定の基準位置とロータの回転軸の位置との距離を計算し、この距離が０になるようにロータの回転軸を支持する力を発生させる支持電流Ｉｕｓ，Ｉｖｓ，Ｉｗｓの大きさを示す支持電流指令値を生成する。

コントローラ３は、トルク電流Ｉｕｔ，Ｉｖｔ，Ｉｗｔに支持電流Ｉｕｓ，Ｉｖｓ，Ｉｗｓをそれぞれ加算することで、Ｕ１相の目標電流Ｉｕ１、Ｖ１相の目標電流Ｉｖ１、及びＷ１相の目標電流Ｉｗ１を生成する。

［数１］
Ｉｕ１＝Ｉｕｔ＋Ｉｕｓ
Ｉｖ１＝Ｉｖｔ＋Ｉｖｓ
Ｉｗ１＝Ｉｗｔ＋Ｉｗｓ

コントローラ３はまた、トルク電流Ｉｕｔ，Ｉｖｔ，Ｉｗｔから支持電流Ｉｕｓ，Ｉｖｓ，Ｉｗｓをそれぞれ減算することで、Ｕ２相の目標電流Ｉｕ２、Ｖ２相の目標電流Ｉｖ２、及びＷ２相の目標電流Ｉｗ２を生成する。

［数２］
Ｉｕ２＝Ｉｕｔ−Ｉｕｓ
Ｉｖ２＝Ｉｖｔ−Ｉｖｓ
Ｉｗ２＝Ｉｗｔ−Ｉｗｓ

コントローラ３はさらに、変流器ＣＴ１〜ＣＴ６によって検出される実際の電流が目標電流に一致するように電力変換装置１，２の制御電圧をそれぞれ生成する補償器１１〜１６を備える。詳しくは、補償器１１〜１３は、変流器ＣＴ１〜ＣＴ３によって検出される実際の電流Ｉｕ１^＊，Ｉｖ１^＊，Ｉｗ１^＊が目標電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１に一致するように、所定の制御電圧Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１をそれぞれ生成して電力変換装置１に送る。同様に、補償器１４〜１６は、変流器ＣＴ４〜ＣＴ６によって検出される実際の電流Ｉｕ２^＊，Ｉｖ２^＊，Ｉｗ２^＊が目標電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２に一致するように、所定の制御電圧Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２をそれぞれ生成して電力変換装置２に送る。

電力変換装置１は、制御電圧Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１に基づいて従来のインバータと同様にパルス幅変調等を行うことにより、Ｕ１相、Ｖ１相、及びＷ１相の出力電圧を発生し、この出力電圧が巻線Ｌｕ１，Ｌｖ１，Ｌｗ１にそれぞれ印加されることで、巻線Ｌｕ１，Ｌｖ１，Ｌｗ１には、目標電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１に等しい電流Ｉｕ１^＊，Ｉｖ１^＊，Ｉｗ１^＊がそれぞれ流れる。電力変換装置２も同様に、制御電圧Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２に基づいてパルス幅変調等を行うことにより、Ｕ２相、Ｖ２相、及びＷ２相の出力電圧を発生し、この出力電圧が巻線Ｌｕ２，Ｌｖ２，Ｌｗ２にそれぞれ印加されることで、巻線Ｌｕ２，Ｌｖ２，Ｌｗ２には、目標電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２に等しい電流Ｉｕ２^＊，Ｉｖ２^＊，Ｉｗ２^＊がそれぞれ流れる。

本実施形態では、トルク電流に支持電流を重畳した結果、モータ４の巻線を流れる電流により発生する磁界は、ロータを回転させるトルクを発生すると同時に、ロータを支持する力を発生することができる。

以下、コントローラ３における支持電流Ｉｕｓ，Ｉｖｓ，Ｉｗｓの生成について説明する。

図３は、図１のモータ４の横断面図である。ステータ２１は、ステータコア２２と、その歯部の周囲に巻回された巻線Ｌｕ１，Ｌｖ１，Ｌｗ１，Ｌｕ２，Ｌｖ２，Ｌｗ２とを備え、ロータ２３は、ロータコア２４と、その表面に設けられた永久磁石２５Ｎ１〜２５Ｎ４，２５Ｓ１〜２５Ｓ４（以下、集合的に符号「２５」で示す）とを備える。巻線Ｌｕ１，Ｌｖ１，Ｌｗ１，Ｌｕ２，Ｌｖ２，Ｌｗ２は、通常の４極機の巻線と同様に設けられる。例えば、巻線Ｌｕ１は、図３において符号「Ｌｕ１＋」で示す領域から符号「Ｌｕ１−」で示す領域にわたって設けられ、符号「Ｌｕ１＋」で示す領域の巻線の一端が電力変換装置１に接続され、符号「Ｌｕ１−」で示す領域の巻線の一端が中性点Ｎ１（図３には図示せず）に接続される。他の巻線Ｌｖ１，Ｌｗ１，Ｌｕ２，Ｌｖ２，Ｌｗ２も同様に設けられる。前述のように、２組の巻線群の中性点Ｎ１，Ｎ２は互いに接続されない。永久磁石２５Ｎ１〜２５Ｎ４は、ロータ２３の表面にＮ極が位置するように設けられ、同様に、永久磁石２５Ｓ１〜２５Ｓ４は、ロータ２３の表面にＳ極が位置するように設けられる。

図４は、ロータ２３のずれの方向及び支持力の方向を説明するための概略図である。モータ４内における基準位置を、図４のＸＹ座標の原点Ｏにより示す。この基準位置は、図３のＸＹ平面内におけるモータ４の幾何的中心などである。位置センサ５は、基準位置に対するロータ２３の回転軸（中心）の位置（ｘ，ｙ）を検出する。検出された位置（ｘ，ｙ）が基準位置からずれている場合には、コントローラ３の支持電流生成器１７は、ずれの方向とは逆の方向に支持力を発生させるように支持電流Ｉｕｓ，Ｉｖｓ，Ｉｗｓを計算する。そのため、支持電流生成器１７は、まず、例えば次式を用いて、基準位置とロータ２３の回転軸の位置との距離に基づく支持電流のピーク値Ｉｓを計算する。

［数３］
Ｉｓ＝ｋ√（ｘ^２＋ｙ^２）＋Ｇ

ここで、ｋは所定の係数であり、Ｇは重力補正項である。数３は一例であり、他の式を用いて支持電流のピーク値Ｉｓを取得してもよい。

次いで、支持電流生成器１７は、次式により支持電流Ｉｕｓ，Ｉｖｓ，Ｉｗｓを計算する。

［数４］
Ｉｕｓ＝Ｉｓ×ｓｉｎ（θｅ−θｆ）
Ｉｖｓ＝Ｉｓ×ｓｉｎ（θｅ−θｆ＋１２０°）
Ｉｗｓ＝Ｉｓ×ｓｉｎ（θｅ−θｆ−１２０°）

ここで、θｅは、電気角（電流位相）で表されたロータ２３の回転角度であり、θｆは、機械角で表された支持力の方向である。なお、実際には、ステータ２１の構造により若干のオフセットが生じることがあるが、上式では省略している。

次に、図５〜図７を参照して、実際に流れる電流の波形を例示する。ここでは、図３のほぼ＋Ｙ方向に支持力を発生するように支持電流を生成する場合について示す。図５は、トルク電流Ｉｕｔ、Ｉｖｔ、Ｉｗｔの波形を示すグラフであり、図６は、支持電流Ｉｕｓ、Ｉｖｓ、Ｉｗｓの波形を示すグラフである。電気角の基点は、Ｕ相のトルク電流Ｉｕｔが０になる点である。電流は、トルクが最大になるように流される。ロータ２３の回転角が０°であるとき、永久磁石２５は、図３に示す角度に位置する。図６の波形は、数４の支持電流Ｉｕｓ，Ｉｖｓ，Ｉｗｓを、回転角度θｅに関する関数として示した場合に相当する。図７は、トルク電流Ｉｕｔ、Ｉｖｔ、Ｉｗｔと支持電流Ｉｕｓ、Ｉｖｓ、Ｉｗｓとの和及び差から生成される目標電流の波形を示すグラフである。前述のように、目標電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１は、トルク電流Ｉｕｔ，Ｉｖｔ，Ｉｗｔに支持電流Ｉｕｓ，Ｉｖｓ，Ｉｗｓをそれぞれ加算することで生成され、目標電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２は、トルク電流Ｉｕｔ，Ｉｖｔ，Ｉｗｔから支持電流Ｉｕｓ，Ｉｖｓ，Ｉｗｓをそれぞれ減算することで生成される。変流器ＣＴ１〜ＣＴ６によって検出される実際の電流が目標電流に一致するとき、モータ４の各巻線に流れる電流は図７の波形になる。図５〜図７では、比較のために、図５のトルク電流Ｉｕｔ、Ｉｖｔ、Ｉｗｔのピーク値の位置に点線を示すが、電流の大きさは、図示したものに限定されない。

図８は、ロータ２３に渦電流が生じない条件下における、発生したロータ２３の支持力を示すグラフである。図８のグラフは、図５〜図７の電流を生成する場合において、Ｘ方向の支持力Ｆｘと、Ｙ方向の支持力Ｆｙとを示す。図８によれば、図５〜図７の電流を生成する場合、ほぼ＋Ｙ方向に支持力が発生することがわかる。

図９は、ロータ２３にかかるトルクを示すグラフである。図９のグラフは、渦電流がある場合の３次元解析の結果を概略的に示す。図９において、点線は、支持力を発生させず、かつ、三相交流電流（トルク電流のみを含む）が平衡している場合を示す。図９において、実線は、一定方向に支持力を発生させ、かつ、三相交流電流（トルク電流に支持電流が重畳している）が平衡している場合を示す。図９において、一点鎖線（実線にほぼ重なっている）は、回転方向に同期した支持力を発生させている場合（例えばモータ４が地面に対して垂直に設置される場合）を示す。図９によれば、一定方向の支持力を発生させる場合（実線）も、回転方向に同期した支持力を発生させる場合（一点鎖線）も、支持力を発生させない場合（点線）と同様にトルクを発生できることがわかる。

本実施形態において、数１及び数２の目標電流に等しい電流を生成してモータ４の巻線に流すには、少なくとも２つの電力変換装置（インバータ）が必要である。モータの技術分野において、インバータによって供給される電力を増大させるために１つのモータに対して複数のインバータを設けることは、従来から実施されている。本実施形態において、電力変換装置１，２は、トルク電流に支持電流を重畳した電流を発生するために、このような複数のインバータとしての通常の電力供給能力の範囲内で電流を増減させるだけでよい。また、２つの電力変換装置１，２が必要であるが、これらの電力変換装置１，２は、１つのコントローラ３のみによって制御可能である。

また、本実施形態では、説明したように、二重三相の巻線を有する通常の４極機のモータなどが利用可能であり、特別な巻線方式を採用する必要がない。

本実施形態によれば、従来と同様の電力変換装置１，２と、従来の二重三相の巻線を有するモータと同様の巻線を用いながら、余分な巻線及び回路を必要とすることなく、ロータを支持する力を発生させることができる。従って、本実施形態によれば、モータから軸受を除去することにより、高速回転のモータを実現することができる。

以下、軸受を用いることなくロータを支持することの効果を箇条書きにて示す。
（１）径方向の軸受がなくなるので、ロータの軸長が短くなる。
（２）既存のベアリングレスモータと異なり、通常の４極機と同じ巻線方式が採用可能であり、汎用的である。
（３）通常のベアリングレスモータは、特に高速で回転させる必要がある場合、一般的にはロータが地面に対して垂直に設置されるが、本発明の方法を用いることにより、ロータを地面に対して水平に設置することができる。

本発明は、モータ４及びその駆動装置が一体化されたモータシステムとしてだけではなく、モータ４を駆動するための、モータ４とは独立した駆動装置として実施されてもよい。駆動装置は、例えば、図１の電力変換装置１，２、コントローラ３、及び変流器ＣＴ１〜ＣＴ６を備え、図１のモータ４（ステータ２１、ロータ２３、及び位置センサ５を含む）を駆動する。

本実施形態では、数１においてトルク電流に加算する支持電流の大きさを、数２においてトルク電流から減算する支持電流の大きさと同じ値とした。しかし、支持力に所定方向へのバイアス力を加えるために、例えば、数１の右辺及び数２の右辺が同じ大きさにわたって増加又は減少させてもよい。コントローラ３は、トルク電流に支持電流を加算した電流にさらに所定の正又は負のバイアス電流を加算した電流を巻線群Ｌｕ１，Ｌｖ１，Ｌｗ１に流すように電力変換装置１を制御し、トルク電流から支持電流を減算した電流にさらに同じバイアス電流を加算した電流を巻線群Ｌｕ２，Ｌｖ２，Ｌｗ２に流すように電力変換装置２を制御する。これにより、結果的に、数１の支持電流と数２の支持電流とに不釣合いをもたらし、支持力に所定方向へのバイアス力を加えることができる。

図１のブロック図では、出力フィルタＬ１１〜Ｌ１３，Ｌ２１〜Ｌ２３を設けているが、これらは不要であれば省略してもよい。

本実施形態の原理は、４極以上の極数のモータに同様に適用可能であり、また、巻線方法（集中巻、分布巻）にもよらない。また、モータの巻線は二重又は三重であればよく、例えば６極対のモータでは、二重、三重、及び六重のいずれであっても、本実施形態の原理を適用可能である。また、モータの巻線は、Ｙ結線であってもΔ結線であってもよい。

第２の実施形態．
本発明の第２の実施形態では、渦電流による支持力への影響を除去するという課題を解決するためのロータ２３（図３）の構成について説明する。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係るモータシステムのロータ２３を示す斜視図である。図１１は、図１０のロータ２３の縦断面図である。図１０及び図１１のロータ２３の横断面は、図３のロータ２３と同様に構成される。円筒形のロータコア２４の表面に磁石２５を設ける。ロータコア２４の表面は、さらに、渦電流が流れることを防止するように分割されている。詳しくは、ロータコア２４の表面をロータ２３の軸方向（Ｚ方向）に関して分割するように、ロータコア２４の表面に溝が形成されている。この分割は、ロータコア２４の表面が分離されていればよく、ロータ２３を輪切りにする必要はない。ロータコア２４の表面が分割されていない場合には、ロータ２３の軸方向に大きな渦電流が流れ、この渦電流のためにロータ２３の支持力が小さくなる。このため、本実施形態のようにロータコア２４の表面を分割することにより渦電流を低減させることができ、ロータ２３の支持力の低下も抑えることができる。

図１２は、図１０のロータ２３の第１の変形例の縦断面図である。図１１のようにロータコア２４の表面に溝を形成することに代えて、図１２に示すように、ロータコアの表面を、絶縁層２７により互いに絶縁された積層金属板２５により構成してもよい。図１２のロータ２３では、円筒形のロータコア２４Ａの周りにリング状の金属板２５及び絶縁層２７が積層されている。性能の観点では、金属板２５として、絶縁処理された表面をそれぞれ有する積層鋼板を用いることが好ましい。

図１３は、図１０のロータ２３の第２の変形例の縦断面図である。ロータコア２４の表面を分割することに代えて、ロータコア２４Ｂを高抵抗率材料又は非磁性体材料にて構成してもよい。高抵抗率材料又は非磁性体材料を用いることによっても、渦電流を低減することができる。

図１４は、図１０のロータ２３の第３の変形例の横断面図である。永久磁石２５をロータ２３に確実に固定するために、ロータコア２４Ｃの表面に少なくとも１つの突起を設け、この突起に対して（又は突起間に）永久磁石２５を固定してもよい。

図１５は、比較例のロータに係る、発生したロータの支持力を示すグラフである。この比較例のロータは、図１３と同様の構成を有し、ロータコアとして金属を用いたものとする。ロータ２３に渦電流が生じない場合と比較すると、Ｙ方向の支持力Ｆｙが低下し、さらに、余分なＸ方向の支持力Ｆｘが生じている。図１６は、実施例のロータ２３に係る、発生したロータ２３の支持力を示すグラフである。本実施形態のようにロータ２３に生じる渦電流を低減することにより、ロータ２３に渦電流が生じない場合の支持力に近づけることができる。

本発明によれば、中性点に流れ込む電流は常に０である。このことが、特許文献１の発明との根本的な違いである。

特許文献１の発明では、本発明と同様に巻線は１種類である。しかし、巻線の分割方法が異なること、シャフト位置制御用インバータを設けて中性点に積極的に電圧または電流を加えることが、本発明とは異なる点である。また、本発明は、コア素体が一つでも可能であることも、特許文献１の発明と異なる点である。

本発明は、永久磁石同期機を特に高速回転させる場合であって、機械的に接触する軸受の利用が困難な場合に実施することが有益である。

１，２…電力変換装置、
３…コントローラ、
４…モータ、
５…位置センサ、
１１〜１６…補償器、
１７…支持電流生成器、
２１…ステータ、
２２…ステータコア、
２３…ロータ、
２４，２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ…ロータコア、
２５，２５Ｎ１〜２５Ｎ４，２５Ｓ１〜２５Ｓ４…永久磁石、
２６…金属板、
２７…絶縁層、
Ｅ１…直流電源、
ＣＴ１〜ＣＴ６…変流器、
Ｌ１１〜Ｌ１３，Ｌ２１〜Ｌ２３…出力フィルタ、
Ｌｕ１，Ｌｖ１，Ｌｗ１，Ｌｕ２，Ｌｖ２，Ｌｗ２…巻線、
Ｎ１，Ｎ２…中性点。

Claims

異なる交流電源にそれぞれ接続された少なくとも２組の巻線群を備えた永久磁石同期機において、上記永久磁石同期機は、
ステータコアと、上記ステータコアに巻回された上記巻線群とを備えたステータと、
ロータコアと、上記ロータコアに設けられた永久磁石とを備えたロータと、
所定の基準位置に対する上記ロータの回転軸の位置を検出する位置センサと、
上記少なくとも２組の巻線群のうちの第１及び第２の巻線群にそれぞれ接続された第１及び第２の交流電源と、
上記第１及び第２の交流電源を制御するコントローラとを備え、
上記コントローラは、
上記ロータを回転させるトルクを発生させるトルク電流の大きさを示すトルク電流指令値の供給を受け、
上記基準位置と上記ロータの回転軸の位置との距離に基づいて、上記距離が０になるように上記ロータの回転軸を支持する力を発生させる支持電流の大きさを示す支持電流指令値を生成し、
上記トルク電流に上記支持電流を加算した電流を上記第１の巻線群に流すように上記第１の交流電源を制御し、
上記トルク電流から上記支持電流を減算した電流を上記第２の巻線群に流すように上記第２の交流電源を制御し、
上記第１及び第２の巻線群により生じる磁界により上記ロータを回転させると同時に支持することを特徴とする永久磁石同期機。
上記ロータコアの表面は、渦電流が流れることを防止するように分割されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石同期機。
上記ロータコアの表面は、絶縁層により互いに絶縁された積層金属板により構成されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石同期機。
上記ロータコアは、高抵抗率材料又は非磁性体材料にてなることを特徴とする請求項１記載の永久磁石同期機。
上記コントローラは、
上記トルク電流に上記支持電流を加算した電流にさらに所定の正又は負のバイアス電流を加算した電流を上記第１の巻線群に流すように上記第１の交流電源を制御し、
上記トルク電流から上記支持電流を減算した電流にさらに上記バイアス電流を加算した電流を上記第２の巻線群に流すように上記第２の交流電源を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の永久磁石同期機。
異なる交流電源にそれぞれ接続された少なくとも２組の巻線群を備えた永久磁石同期機の駆動装置において、
上記永久磁石同期機は、
ステータコアと、上記ステータコアに巻回された上記巻線群とを備えたステータと、
ロータコアと、上記ロータコアに設けられた永久磁石とを備えたロータと、
所定の基準位置に対する上記ロータの回転軸の位置を検出する位置センサとを備え、
上記駆動装置は、
上記少なくとも２組の巻線群のうちの第１及び第２の巻線群にそれぞれ接続された第１及び第２の交流電源と、
上記第１及び第２の交流電源を制御するコントローラとを備え、
上記コントローラは、
上記ロータを回転させるトルクを発生させるトルク電流の大きさを示すトルク電流指令値の供給を受け、
上記基準位置と上記ロータの回転軸の位置との距離に基づいて、上記距離が０になるように上記ロータの回転軸を支持する力を発生させる支持電流の大きさを示す支持電流指令値を生成し、
上記トルク電流に上記支持電流を加算した電流を上記第１の巻線群に流すように上記第１の交流電源を制御し、
上記トルク電流から上記支持電流を減算した電流を上記第２の巻線群に流すように上記第２の交流電源を制御し、
上記第１及び第２の巻線群により生じる磁界により上記ロータを回転させると同時に支持することを特徴とする永久磁石同期機の駆動装置。
上記コントローラは、
上記トルク電流に上記支持電流を加算した電流にさらに所定の正又は負のバイアス電流を加算した電流を上記第１の巻線群に流すように上記第１の交流電源を制御し、
上記トルク電流から上記支持電流を減算した電流にさらに上記バイアス電流を加算した電流を上記第２の巻線群に流すように上記第２の交流電源を制御することを特徴とする請求項６記載の永久磁石同期機の駆動装置。
異なる交流電源にそれぞれ接続された少なくとも２組の巻線群を備えた永久磁石同期機の駆動方法において、
上記永久磁石同期機は、
ステータコアと、上記ステータコアに巻回された上記巻線群とを備えたステータと、
ロータコアと、上記ロータコアに設けられた永久磁石とを備えたロータと、
所定の基準位置に対する上記ロータの回転軸の位置を検出する位置センサとを備え、
上記少なくとも２組の巻線群のうちの第１及び第２の巻線群は、第１及び第２の交流電源にそれぞれ接続され、
上記駆動方法は、
上記ロータを回転させるトルクを発生させるトルク電流の大きさを示すトルク電流指令値の供給を受け、
上記基準位置と上記ロータの回転軸の位置との距離に基づいて、上記距離が０になるように上記ロータの回転軸を支持する力を発生させる支持電流の大きさを示す支持電流指令値を生成し、
上記トルク電流に上記支持電流を加算した電流を上記第１の巻線群に流すように上記第１の交流電源を制御し、
上記トルク電流から上記支持電流を減算した電流を上記第２の巻線群に流すように上記第２の交流電源を制御し、
上記第１及び第２の巻線群により生じる磁界により上記ロータを回転させると同時に支持することを特徴とする永久磁石同期機の駆動方法。
上記駆動方法は、
上記トルク電流に上記支持電流を加算した電流にさらに所定の正又は負のバイアス電流を加算した電流を上記第１の巻線群に流すように上記第１の交流電源を制御し、
上記トルク電流から上記支持電流を減算した電流にさらに上記バイアス電流を加算した電流を上記第２の巻線群に流すように上記第２の交流電源を制御することを特徴とする請求項８記載の永久磁石同期機の駆動方法。