JP2014033543A - Axial type magnetic levitation motor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an axial type magnetic levitation motor which can maintain a rotation center axis of a rotor in the axial type magnetic levitation motor in a prescribed position.SOLUTION: The axial type magnetic levitation motor includes: a rotor rotating with a rotation center axis arranged in a Z-axis direction of an orthogonal coordinate system; one side and other side stators arranged separately on one side and the other side of the rotor along a Z-axis; and a control section for supplying control current to the one side stator. A plurality of permanent magnets forming a magnetic pole are arranged in the rotor. The control section supplies the one side and other side stators with control current for controlling rotation torque generated in the rotor and controlling a position of the rotation center axis of the rotor so as to be maintained in a prescribed position.

Description

本発明はアキシャル型磁気浮上モータに関する。   The present invention relates to an axial type magnetic levitation motor.

ロータを、磁気の作用によってその回転中心軸に沿って磁気浮上させながら非接触状態で回転させる磁気浮上モータが知られている。前記磁気浮上モータは、機械的な軸受けを使用しない構造から、例えば工作機械用の高速スピンドルなどの高速回転機構に用いられ、さらに小型化が可能なことから、例えば医療分野における人工心臓の遠心ポンプ用モータ等への応用が期待されている。   2. Description of the Related Art A magnetic levitation motor that rotates a rotor in a non-contact state while magnetically levitating along the rotation center axis by the action of magnetism is known. The magnetic levitation motor is used for a high-speed rotation mechanism such as a high-speed spindle for a machine tool because of a structure that does not use a mechanical bearing, and can be further reduced in size, for example, a centrifugal pump for an artificial heart in the medical field, for example. Application to motors is expected.

磁気浮上モータの構造としては、例えば、ステータに配置されたステータ巻線をロータに設けられた永久磁石に対向するように配置したアキシャル型磁気浮上モータが知られている。さらに前記ロータに遠心ポンプ機構を組み付けたアキシャル型磁気浮上モータを使用した遠心ポンプも知られている。   As a structure of a magnetic levitation motor, for example, an axial type magnetic levitation motor is known in which a stator winding arranged in a stator is arranged so as to face a permanent magnet provided in a rotor. Furthermore, a centrifugal pump using an axial type magnetic levitation motor in which a centrifugal pump mechanism is assembled to the rotor is also known.

アキシャル型磁気浮上モータおよびアキシャル型磁気浮上モータを使用した遠心ポンプの一例が、特許文献1(特開2010−279230号公報)や特許文献2(特開2001−268981号公報)に開示されている。   An example of an axial type magnetic levitation motor and a centrifugal pump using the axial type magnetic levitation motor are disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-279230) and Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-268881). .

特開2010−279230号公報JP 2010-279230 A 特開2001−268981号公報JP 2001-268881 A

特許文献1に記載されているアキシャル型磁気浮上モータおよびアキシャル型磁気浮上モータを使用した遠心ポンプでは、X軸とY軸とZ軸を備える直交座標系のZ軸に沿うようにロータの回転中心軸を置いた場合に、ロータ重心のずれや外力、磁気力変動によりロータの回転中心軸のX軸およびY軸における位置が目標位置からずれる恐れがある。特許文献1には、前記アキシャル型磁気浮上モータのロータの回転中心軸のX軸およびY軸における位置が目標位置からずれることについての課題の提示やこの課題の解決策について全く触れられていないし、示唆についての開示も全くない。また特許文献2に記載されているアキシャル型磁気浮上モータおよびアキシャル型磁気浮上モータを使用した遠心ポンプでは、ロータである回転子の回転中心軸の振動を抑制するために、回転子のエッジ効果を利用するものである。回転子のエッジ効果を利用する方式は静的に径方向に支持しようとする方式で、回転子の回転中心軸を所定位置に維持するための十分な制御が行えない。   In a centrifugal pump using the axial type magnetic levitation motor and the axial type magnetic levitation motor described in Patent Document 1, the rotation center of the rotor is along the Z axis of an orthogonal coordinate system having an X axis, a Y axis, and a Z axis. When the shaft is placed, the position of the rotation center axis of the rotor on the X axis and the Y axis may deviate from the target position due to the deviation of the rotor center of gravity, external force, or magnetic force fluctuation. Patent Document 1 does not mention at all the presentation of the problem about the position of the rotation center axis of the rotor of the axial type magnetic levitation motor in the X axis and the Y axis deviating from the target position and the solution to this problem, There is no disclosure of suggestions. Further, in the centrifugal pump using the axial type magnetic levitation motor and the axial type magnetic levitation motor described in Patent Document 2, in order to suppress the vibration of the rotation center axis of the rotor that is the rotor, the edge effect of the rotor is used. It is what you use. The method using the edge effect of the rotor is a method of statically supporting in the radial direction, and sufficient control for maintaining the rotation center axis of the rotor at a predetermined position cannot be performed.

アキシャル型磁気浮上モータでは、ロータが機械的に支持されている構造ではないので、ロータの回転中心軸の位置が前記したとおり、ロータ重心のずれや、外力、磁気力変動によりロータの回転角度の変化に従ってX軸とY軸とにおいてずれる恐れがあり、ロータの回転中心軸をX軸とY軸における所定の位置に維持することが必要となる。   Since the axial type magnetic levitation motor does not have a structure in which the rotor is mechanically supported, as described above, the position of the rotation center axis of the rotor causes the rotation angle of the rotor to change due to the deviation of the rotor center of gravity, external force, or magnetic force fluctuation. There is a risk that the X axis and the Y axis will shift according to the change, and it is necessary to maintain the rotation center axis of the rotor at a predetermined position on the X axis and the Y axis.

本発明の解決しようとする課題は、ロータの回転中心軸を所定の位置に維持することが可能なアキシャル型磁気浮上モータを提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide an axial magnetic levitation motor capable of maintaining the rotation center axis of a rotor at a predetermined position.

上記課題を解決するための第1の発明に係るアキシャル型磁気浮上モータは、X軸とY軸とZ軸を備える直交座標系の前記Z軸方向に設けられた回転中心軸で回転するロータと、前記Z軸に沿って前記ロータの一側に離間して配置され、複数のコイルで構成される巻線を少なくとも1つ備えた一側ステータと、前記Z軸に沿って前記ロータの他側に離間して配置され、複数のコイルで構成される巻線を少なくとも1つ備えた他側ステータと、前記一側ステータの巻線および前記他側ステータの巻線に制御電流を供給する制御部と、を有し、前記一側ステータおよび前記他側ステータはそれぞれ複数の突極を有するステータ鉄心を更に有し、前記各ステータ鉄心の前記各突極には前記巻線を構成する前記コイルが巻回されており、前記ロータの前記一側ステータに対向する面および前記他側ステータに対向する面にそれぞれ、前記ロータの磁極を形成する複数の永久磁石を配置し、前記一側ステータと前記他側ステータがそれぞれ備えている少なくとも1つの前記巻線に、前記制御部から前記ロータに発生する回転トルクを制御すると共に、前記ロータの前記回転中心軸の前記X軸および前記Y軸による座標の位置を所定位置に維持する制御を行う前記制御電流を供給する、ことを特徴とする。   An axial magnetic levitation motor according to a first aspect of the present invention for solving the above problems includes a rotor that rotates about a rotation center axis provided in the Z-axis direction of an orthogonal coordinate system including an X-axis, a Y-axis, and a Z-axis. A one-sided stator that is spaced apart from one side of the rotor along the Z-axis and includes at least one winding composed of a plurality of coils, and the other side of the rotor along the Z-axis And a control unit for supplying control current to the winding of the one-side stator and the winding of the other-side stator. Each of the one side stator and the other side stator further includes a stator core having a plurality of salient poles, and each of the salient poles of each stator core has the coil constituting the winding. Of the rotor A plurality of permanent magnets that form magnetic poles of the rotor are disposed on the surface facing the one-side stator and the surface facing the other-side stator, respectively, and the one-side stator and the other-side stator each include Control the rotational torque generated in the rotor from the control unit to one of the windings, and maintain the position of the coordinates of the rotation center axis of the rotor by the X axis and the Y axis at a predetermined position. The control current to be supplied is supplied.

上記課題を解決するための第2の発明に係るアキシャル型磁気浮上モータは、上記第1の発明に係るアキシャル型磁気浮上モータであって、前記制御部が、前記ロータに発生する回転トルクを制御する回転トルク制御値、および前記ロータの前記X軸および前記Y軸による座標の位置を制御する回転中心軸位置制御値を演算し、演算された前記回転トルク制御値および前記回転中心軸位置制御値に基づき前記制御電流を発生して前記一側ステータおよび前記他側ステータの少なくとも一つの前記巻線に前記制御電流をそれぞれ供給する、ことを特徴とする。   An axial magnetic levitation motor according to a second invention for solving the above-mentioned problem is the axial magnetic levitation motor according to the first invention, wherein the control unit controls a rotational torque generated in the rotor. And a rotation center axis position control value for controlling a position of coordinates of the rotor by the X axis and the Y axis, and the calculated rotation torque control value and the rotation center axis position control value. The control current is generated on the basis of the control signal, and the control current is supplied to at least one of the windings of the one-side stator and the other-side stator, respectively.

上記課題を解決するための第3の発明に係るアキシャル型磁気浮上モータは、上記第2の発明に係るアキシャル型磁気浮上モータであって、演算された前記回転トルク制御値に基づき前記一側ステータおよび前記他側ステータがそれぞれ有する回転磁界発生用の極数は、前記ロータの磁石が作る極数Pと同じ数であり、演算された前記回転中心軸位置制御値に基づき前記一側ステータおよび前記他側ステータがそれぞれ有する回転磁界発生用の極数Mは、前記ロータの磁石が作る極数Pに対してM=P±2の関係を有している、ことを特徴とする。   An axial type magnetic levitation motor according to a third aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems is the axial type magnetic levitation motor according to the second aspect of the present invention, wherein the one-side stator is based on the calculated rotational torque control value. And the number of poles for generating a rotating magnetic field that each of the other side stators has is the same as the number of poles P created by the magnets of the rotor, and the one side stator and the ones on the basis of the calculated rotation center axis position control value The number M of magnetic poles for generating a rotating magnetic field of each of the other side stators has a relationship of M = P ± 2 with respect to the number of poles P created by the magnet of the rotor.

上記課題を解決するための第4の発明に係るアキシャル型磁気浮上モータは、上記第1の発明に係るアキシャル型磁気浮上モータであって、前記一側ステータと前記他側ステータはそれぞれ少なくとも第1巻線と第2巻線を備え、前記制御部が、前記ロータに発生する回転トルクを制御する回転トルク制御値、および前記ロータの前記回転中心軸の前記X軸および前記Y軸による座標の位置を制御する回転中心軸位置制御値を演算し、前記制御部が、演算された前記回転トルク制御値に基づいて前記制御電流を前記一側ステータと前記他側ステータの前記第1巻線にそれぞれ供給し、さらに演算された前記回転中心軸位置制御値に基づいて前記制御電流を前記一側ステータと前記他側ステータの前記第2巻線にそれぞれ供給し、前記各第2巻線により作られる回転磁界の極数をMとし、前記ロータの磁石が作る極数をPとした場合に、M=P±2の関係が成立する、ことを特徴とする。   An axial type magnetic levitation motor according to a fourth aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems is the axial type magnetic levitation motor according to the first aspect of the invention, wherein the one-side stator and the other-side stator are each at least a first one. A rotation torque control value for controlling a rotation torque generated in the rotor, and a position of coordinates by the X axis and the Y axis of the rotation center axis of the rotor. A rotation center axis position control value for controlling the rotation torque, and the control unit sends the control current to the first winding of the one-side stator and the other-side stator based on the calculated rotation torque control value, respectively. And supplying the control current to the second windings of the one-side stator and the other-side stator based on the calculated rotation center axis position control value. The number of poles rotating magnetic field and M made by the number of poles of the magnets of the rotor make is P, the relationship of M = P ± 2 is satisfied, characterized in that.

上記課題を解決するための第5の発明に係るアキシャル型磁気浮上モータは、上記第2の発明に係るアキシャル型磁気浮上モータであって、前記制御部は演算処理部と出力部を有し、前記演算処理部は、前記ロータの回転中心軸の計測された位置および前記ロータの計測された傾きに基づいて、前記ロータの回転中心軸の前記X軸および前記Y軸による座標の位置および前記ロータの傾きを制御するための回転中心軸位置制御値および傾き制御値を演算し、前記出力部は、演算された前記回転中心軸位置制御値および傾き制御値に基づいて、前記一側ステータおよび前記他側ステータの前記巻線にそれぞれ前記制御電流を供給する、ことを特徴とする。   An axial type magnetic levitation motor according to a fifth aspect of the present invention for solving the above problem is the axial type magnetic levitation motor according to the second aspect of the present invention, wherein the control unit includes an arithmetic processing unit and an output unit, The arithmetic processing unit, based on the measured position of the rotation center axis of the rotor and the measured inclination of the rotor, the coordinate position of the rotation center axis of the rotor by the X axis and the Y axis, and the rotor A rotation center axis position control value and an inclination control value for controlling the inclination of the first side stator and the inclination control value based on the calculated rotation center axis position control value and the inclination control value. The control current is supplied to each of the windings of the other side stator.

上記課題を解決するための第6の発明に係るアキシャル型磁気浮上モータは、上記第4の発明に係るアキシャル型磁気浮上モータであって、前記制御部は演算処理部と出力部とを有し、前記演算処理部は、前記ロータの回転中心軸の計測された位置および前記ロータの計測された傾きに基づいて、前記ロータの回転中心軸の前記X軸および前記Y軸による座標の位置および前記ロータの傾きを制御するための回転中心軸位置制御値および傾き制御値を演算し、前記出力部は、演算された前記回転中心軸位置制御値および傾き制御値に基づいて、前記一側ステータおよび前記他側ステータの前記第2巻線にそれぞれ、前記ロータの回転中心軸の位置および前記ロータの傾きを制御するための前記制御電流を供給する、ことを特徴とする。   An axial magnetic levitation motor according to a sixth invention for solving the above-mentioned problems is the axial magnetic levitation motor according to the fourth invention, wherein the control unit has an arithmetic processing unit and an output unit. The arithmetic processing unit, based on the measured position of the rotation center axis of the rotor and the measured inclination of the rotor, the coordinate position of the rotation center axis of the rotor by the X axis and the Y axis and the A rotation center axis position control value and an inclination control value for controlling the inclination of the rotor are calculated, and the output unit, based on the calculated rotation center axis position control value and the inclination control value, The control current for controlling the position of the rotation center axis of the rotor and the inclination of the rotor is supplied to the second winding of the other side stator, respectively.

上記課題を解決するための第7の発明に係るアキシャル型磁気浮上モータは、上記第5の発明あるいは上記第6の発明に係るアキシャル型磁気浮上モータであって、前記演算処理部は、前記X軸周りの前記ロータの傾きの計測値と前記Y軸方向における前記回転中心軸の位置の計測値とに基づき、前記ロータの回転中心軸の位置および前記ロータの傾きを制御するための前記一側ステータおよび前記他側ステータの前記回転中心軸位置制御値および傾き制御値をそれぞれ演算する、ことを特徴とする。   An axial type magnetic levitation motor according to a seventh aspect of the present invention for solving the above problem is the axial type magnetic levitation motor according to the fifth aspect of the invention or the sixth aspect of the invention. The one side for controlling the position of the rotation center axis of the rotor and the inclination of the rotor based on the measured value of the inclination of the rotor around the axis and the measured value of the position of the rotation center axis in the Y-axis direction The rotation center axis position control value and the tilt control value of the stator and the other side stator are respectively calculated.

上記課題を解決するための第8の発明に係るアキシャル型磁気浮上モータは、上記第5の発明あるいは上記第6の発明に係るアキシャル型磁気浮上モータであって、前記演算処理部は、前記Y軸周りの前記ロータの傾きの計測値と前記X軸方向における前記回転中心軸の位置の計測値とに基づき、前記ロータの回転中心軸の位置および前記ロータの傾きを制御するための前記一側ステータおよび前記他側ステータの前記回転中心軸位置制御値および傾き制御値をそれぞれ演算する、ことを特徴とする。   An axial type magnetic levitation motor according to an eighth aspect of the present invention for solving the above problems is the axial type magnetic levitation motor according to the fifth aspect of the invention or the sixth aspect of the invention. The one side for controlling the position of the rotation center axis of the rotor and the inclination of the rotor based on the measured value of the inclination of the rotor around the axis and the measured value of the position of the rotation center axis in the X-axis direction. The rotation center axis position control value and the tilt control value of the stator and the other side stator are respectively calculated.

本発明によれば、アキシャル型磁気浮上モータのロータの回転中心軸を所定の位置に維持することが可能となる。   According to the present invention, the rotation center axis of the rotor of the axial type magnetic levitation motor can be maintained at a predetermined position.

アキシャル型磁気浮上モータの構成を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the structure of an axial type magnetic levitation motor. ロータ30に設けられた永久磁石32が作る磁極を説明する説明図である。4 is an explanatory diagram for explaining magnetic poles created by a permanent magnet 32 provided on a rotor 30. FIG. 図2のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. ロータの磁極と一側ステータの第2巻線がつくる磁極の関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship of the magnetic pole which the magnetic pole of a rotor and the 2nd coil | winding of one side stator produce. Y軸を中心とする回転力の制御を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining control of the rotational force centering on a Y-axis. アキシャル型磁気浮上モータでロータの傾き制御を実現する具体的構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the specific structure which implement | achieves the inclination control of a rotor with an axial type magnetic levitation motor. ロータの極数とステータ巻線が作る極数との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the pole number of a rotor, and the pole number which a stator winding | coil makes. 6突極で2極の磁極を発生するためのコイルの結線状態を示す結線図である。It is a connection diagram which shows the connection state of the coil for producing | generating a 2 pole magnetic pole with 6 salient poles. 図8の結線により発生する磁極を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the magnetic pole generated by the connection of FIG. 6突極で4極の磁極を発生するためのコイルの結線状態を示す結線図である。It is a connection diagram which shows the connection state of the coil for producing | generating a 4 pole magnetic pole by 6 salient poles. 図10の結線により発生する磁極を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the magnetic pole generated by the connection of FIG. アキシャル型磁気浮上モータで径方向制御を実現する具体的構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the specific structure which implement | achieves radial direction control with an axial type magnetic levitation motor. ロータの極数とステータ巻線が作る極数と磁気力の向きを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the number of poles of a rotor, the number of poles which a stator coil | winding makes, and the direction of magnetic force. アキシャル型磁気浮上モータでロータの傾き制御の原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the principle of the inclination control of a rotor with an axial type magnetic levitation motor. アキシャル型磁気浮上モータでロータの径方向制御の原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the principle of the radial direction control of a rotor with an axial type magnetic levitation motor. ロータの軸方向位置と回転速度制御のための制御ブロック線図である。It is a control block diagram for axial direction position and rotation speed control of a rotor. 傾きおよび径方向位置制御のための制御ブロック図である。It is a control block diagram for inclination and radial position control.

この明細書で回転中心軸とは回転運動の中心となる直線のことであり、ロータの回転中心軸とはロータの回転運動の中心となる中心線であり、この中心線を中心としてロータが回転運動を行う。   In this specification, the rotation center axis is a straight line that becomes the center of the rotation motion, and the rotation center axis of the rotor is the center line that becomes the center of the rotation motion of the rotor, and the rotor rotates around this center line. Do exercise.

1.アキシャル型磁気浮上モータ100の機械的な構成について
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図1は、本発明の一実施例であるアキシャル型磁気浮上モータ100の構成を説明する説明図である。アキシャル型磁気浮上モータ100は、X軸とY軸、Z軸を備える直交座標系のZ軸に沿ってロータ30の回転中心軸を配置すると共に、Z軸に沿って一方側に配置した一側ステータ10とZ軸に沿って他方側に配置した他側ステータ20の2つのステータを備えており、ロータ30はZ軸方向において、前記一側ステータ10と他側ステータ20とに挟まれて配置されている。
1. A mechanical configuration of the axial type magnetic levitation motor 100 will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view illustrating the configuration of an axial magnetic levitation motor 100 according to an embodiment of the present invention. The axial type magnetic levitation motor 100 has a rotation center axis of the rotor 30 arranged along the Z axis of an orthogonal coordinate system including the X axis, the Y axis, and the Z axis, and is arranged on one side along the Z axis. The stator 10 and the other stator 20 disposed on the other side along the Z-axis are provided, and the rotor 30 is disposed between the one-side stator 10 and the other-side stator 20 in the Z-axis direction. Has been.

この実施例では、アキシャル型磁気浮上モータ100の外観を覆うハウジングを取り除いて、中の構造が見えるようにしている。一側ステータ10と他側ステータ20はそれぞれ図示していない前記ハウジングに機械的に固定されているが、ロータ30は機械的に支持されていない構造であり、磁気力によりロータ30はZ軸方向における所定の位置に維持されるように制御されている。さらに、ロータ30の傾きや回転中心軸のX軸とY軸における位置が、所定の位置に維持されるように、後述する方法により制御されている。   In this embodiment, the housing that covers the external appearance of the axial type magnetic levitation motor 100 is removed so that the inside structure can be seen. The one-side stator 10 and the other-side stator 20 are mechanically fixed to the housing (not shown), but the rotor 30 is not mechanically supported. The rotor 30 is moved in the Z-axis direction by magnetic force. It is controlled to be maintained at a predetermined position. Further, the inclination of the rotor 30 and the position of the rotation center axis on the X axis and the Y axis are controlled by a method described later so as to be maintained at a predetermined position.

図1に示すアキシャル型磁気浮上モータ100は人工心臓に用いられる遠心ポンプへの使用を想定したものであるが、アキシャル型磁気浮上モータ100の利用はこれに限られるものでは無く、色々なポンプの駆動用モータとして使用することができることは当然であり、もちろんポンプ以外の装置の駆動用モータとして使用可能である。例えばポンプ以外の他の用途として、本発明に係るアキシャル型磁気浮上モータ100は高速回転する機構に使用することができ、本発明を高速回転モータに適用することにより、機械的な軸受けを使用しないことにより大きな効果を奏する。   Although the axial type magnetic levitation motor 100 shown in FIG. 1 is assumed to be used for a centrifugal pump used in an artificial heart, the use of the axial type magnetic levitation motor 100 is not limited to this, and various pumps can be used. Of course, it can be used as a drive motor, and of course, it can be used as a drive motor for devices other than pumps. For example, as an application other than the pump, the axial type magnetic levitation motor 100 according to the present invention can be used for a mechanism that rotates at high speed, and the mechanical bearing is not used by applying the present invention to a high-speed rotation motor. There is a big effect.

上述した如く、ロータ30を回転可能に機械的に支持する軸受機構を用いないことにより、上述の人工心臓用のポンプに使用した場合には、ポンプ全体の体積を他の方式に比べ小さくできる効果がある。また機械的な軸受けは潤滑に関する課題や摩擦熱に関する課題など、長期間使用する場合に色々な問題を生じる。これら機械軸受けに起因して生じる課題には、単に機械的な問題に止まらず、例えば血液が凝固する恐れがある等の健康上の課題も考えられる。以下に説明する制御方法により、ロータ30を磁気力により安定に支持することができるので、本実施例では、上述した機械軸受けに起因して生じる色々な課題を解決できる。   As described above, by not using a bearing mechanism that mechanically supports the rotor 30 so as to be rotatable, when used in the above-described artificial heart pump, the volume of the entire pump can be reduced as compared with other systems. There is. Also, mechanical bearings cause various problems when used for a long period of time, such as lubrication problems and frictional heat problems. The problems caused by these mechanical bearings are not limited to mechanical problems, but may include health problems such as the risk of blood coagulation. Since the rotor 30 can be stably supported by the magnetic force by the control method described below, in this embodiment, various problems caused by the above-described mechanical bearing can be solved.

また、高速回転する装置では機械的な軸受け部分に関する色々な課題が存在する。本実施例に示すロータ30は機械的に支持されるのではなく磁気力により支持されるので、機械軸受けに関する色々な課題の発生を抑制できる大きな効果がある。このため、図1に示すアキシャル型磁気浮上モータ100は高速回転する機構に使用すると大きな効果を奏する。本実施例のモータは、ロータ30が高速回転しているにもかかわらず機械軸受けであれば発生するはずの発熱量を大幅に抑制できる。さらにロータ30が空中に浮く構造のため、ロータ30の表面に設けられた以下で説明する永久磁石をロータ外周の空気により、より冷却し易い効果がある。   In addition, there are various problems related to mechanical bearings in an apparatus that rotates at high speed. Since the rotor 30 shown in the present embodiment is not mechanically supported but supported by a magnetic force, there is a great effect of suppressing the occurrence of various problems related to the mechanical bearing. For this reason, the axial type magnetic levitation motor 100 shown in FIG. 1 has a great effect when used in a mechanism that rotates at high speed. The motor of the present embodiment can greatly suppress the amount of heat that should be generated if the rotor 30 is rotating at high speed if it is a mechanical bearing. Further, since the rotor 30 floats in the air, the permanent magnet described below provided on the surface of the rotor 30 is more easily cooled by the air around the rotor.

1.1 一側ステータ10あるいは他側ステータ20の構造について
図1に示すZ軸における正方向に位置する一側ステータ10とZ軸における負方向に位置する他側ステータ20は、Z軸方向に於いて互いに逆向きに配置されているが、機械的な構造は略同じである。一側ステータ10と他側ステータ20はそれぞれ磁路を形成するためのステータ鉄心15および25を有している。ステータ鉄心15あるいはステータ鉄心25には以下で説明する例えば6個の突極が設けられている。ステータ鉄心15に設けられた6個の突極にはそれぞれ第1コイル112および第2コイル122が巻回されている。なお、6個の突極に巻回された図示の全てのコイルに符号を付すと煩雑になるので、代表して112や122の符号を付している。前記ステータ鉄心15の突起に巻回された6個の第1コイル112は第1巻線11を構成し、第1巻線11は回転磁界を発生して永久磁石32を備えるロータ30に回転トルクを発生する作用をする。さらに第1巻線11はZ軸上において、ロータ30の位置を所定の位置に維持する制御に使用される。
1.1 About the structure of the one-side stator 10 or the other-side stator 20 The one-side stator 10 located in the positive direction on the Z-axis and the other-side stator 20 located in the negative direction on the Z-axis shown in FIG. However, the mechanical structures are substantially the same. The one-side stator 10 and the other-side stator 20 have stator cores 15 and 25 for forming magnetic paths, respectively. The stator core 15 or the stator core 25 is provided with, for example, six salient poles described below. A first coil 112 and a second coil 122 are wound around the six salient poles provided on the stator core 15. In addition, since it will become complicated if a code | symbol is attached | subjected to all the coils of illustration wound by the 6 salient poles, the code | symbol of 112 or 122 is attached as a representative. The six first coils 112 wound around the protrusions of the stator core 15 constitute the first winding 11, and the first winding 11 generates a rotating magnetic field and rotates the rotor 30 including the permanent magnet 32. It acts to generate. Further, the first winding 11 is used for control for maintaining the position of the rotor 30 at a predetermined position on the Z-axis.

また、前記ステータ鉄心15の突起には6個の第2コイル122が平設されていて、第2巻線12を構成し、その第2巻線12はロータ30の傾きを抑制する制御を行うと共に、さらにロータ30の回転中心軸のX軸およびY軸における位置を所定の位置に維持する制御を行うために使用される。   In addition, six second coils 122 are provided flat on the protrusions of the stator core 15 to form the second winding 12, and the second winding 12 performs control to suppress the inclination of the rotor 30. At the same time, it is used to perform control to maintain the positions of the rotation center axis of the rotor 30 on the X axis and the Y axis at predetermined positions.

同様にステータ鉄心25に設けられた6個の突極にはそれぞれ第1コイル221および第2コイル222が巻回されている。前記6個の第1コイル221は第1巻線21を構成し、第1巻線21は、回転磁界を発生して永久磁石33を備えるロータ30に回転トルクを発生するのに使用され、さらにZ軸上において、ロータ30の位置を所定の位置に維持する制御に使用される。   Similarly, a first coil 221 and a second coil 222 are wound around six salient poles provided on the stator core 25. The six first coils 221 constitute a first winding 21, and the first winding 21 is used to generate a rotating magnetic field and generate a rotating torque in the rotor 30 including the permanent magnet 33, and On the Z axis, it is used for control to maintain the position of the rotor 30 at a predetermined position.

1.2 ロータ30の構造について
ロータ30は、磁気空隙を持って対向するロータヨーク2枚のロータヨークを持ち、前記一側ステータ10および他側ステータ20に対向するロータヨークの面にはそれぞれ永久磁石32、33が複数個配置されている。永久磁石32や永久磁石33は磁性材で作られた各ロータヨークと共にロータ磁極を形成し、上述した第1巻線11や第1巻線21が作る回転磁界に基づき、回転トルクを発生する。ロータを遠心ポンプのインペラーとする場合は前記ロータヨーク間の空隙に複数枚のインペラー31を設け、インペラー31はその外周がポンプケースで覆われることにより、遠心ポンプとして動作する。図1ではロータ30の構造を説明するために、前記ポンプケースを図示していない。前記ポンプケースはロータ30を内部に収納し、例えば特許文献1である特開2010−279230号公報に符号51が付されて記載されているポンプケーシングと同様の形状を成している。
1.2 Structure of Rotor 30 The rotor 30 has two rotor yokes facing each other with a magnetic gap, and permanent magnets 32 are respectively provided on the surfaces of the rotor yoke facing the one side stator 10 and the other side stator 20. A plurality of 33 are arranged. The permanent magnet 32 and the permanent magnet 33 form a rotor magnetic pole together with each rotor yoke made of a magnetic material, and generate rotational torque based on the rotating magnetic field created by the first winding 11 and the first winding 21 described above. When the rotor is an impeller of a centrifugal pump, a plurality of impellers 31 are provided in the gap between the rotor yokes, and the impeller 31 operates as a centrifugal pump by covering the outer periphery with a pump case. In FIG. 1, the pump case is not shown in order to explain the structure of the rotor 30. The pump case houses the rotor 30 and has the same shape as the pump casing described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-279230, for example, with reference numeral 51.

2.制御部70の構成について
上述した制御を行うために、第1巻線11や第2巻線12、第1巻線21、第2巻線22に制御電流が制御部70から供給される。制御部70は制御対象の状態を計測する計測部40と計測部40の計測結果に基づき制御値を演算する演算処理部50と演算処理部50の演算結果に基づいて第1巻線11や第2巻線12、第1巻線21、第2巻線22にそれぞれ制御電流を供給する出力部60とを備えている。
2. In order to perform the control described above for the configuration of the control unit 70, a control current is supplied from the control unit 70 to the first winding 11, the second winding 12, the first winding 21, and the second winding 22. The control unit 70 measures the state of the controlled object, the calculation processing unit 50 that calculates the control value based on the measurement result of the measurement unit 40, and the first winding 11 and the first winding based on the calculation result of the calculation processing unit 50. And an output unit 60 for supplying control current to the two windings 12, the first winding 21, and the second winding 22, respectively.

計測部40は、回転しているロータ30の永久磁石32や永久磁石33が作る磁極位置を計測するためのロータ磁極の回転角センサや、ロータ30の回転速度を計測するためのロータ30の回転速度センサ、Z軸上のおけるロータ30の位置と傾きを計測するロータ位置センサ、ロータ30の回転中心軸がX−Y座標系のどこに位置しているかを計測する回転中心軸位置センサを備えている。   The measuring unit 40 is a rotation angle sensor of the rotor magnetic pole for measuring the position of the magnetic pole created by the permanent magnet 32 and the permanent magnet 33 of the rotating rotor 30, and the rotation of the rotor 30 for measuring the rotation speed of the rotor 30. A speed sensor, a rotor position sensor that measures the position and inclination of the rotor 30 on the Z axis, and a rotation center axis position sensor that measures where the rotation center axis of the rotor 30 is located in the XY coordinate system are provided. Yes.

ここでロータ30の永久磁石32や永久磁石33が作る磁極位置を計測する回転角センサは、制御に必要な精度に対応した細かい回転角毎に回転角を表す信号をセンサから出力しても良いが、ロータ30の磁極位置を粗い角度で計測し、ロータ30の回転速度あるいはその回転速度の加減速に基づき補間演算し、ロータ30の磁極位置を表す細かい角度を計測するようにしても良い。また、センサに依らずにステータコイルに発生する逆起電力から回転角度、回転角度を推定しても良い。   Here, the rotation angle sensor for measuring the magnetic pole position created by the permanent magnet 32 or the permanent magnet 33 of the rotor 30 may output a signal representing the rotation angle for each fine rotation angle corresponding to the accuracy required for the control. However, the magnetic pole position of the rotor 30 may be measured at a rough angle, and an interpolation operation may be performed based on the rotational speed of the rotor 30 or acceleration / deceleration of the rotational speed to measure a fine angle representing the magnetic pole position of the rotor 30. Further, the rotation angle and the rotation angle may be estimated from the counter electromotive force generated in the stator coil without depending on the sensor.

また、ロータの回転速度センサは、前記ロータ30の磁極を表すセンサ出力を利用して演算処理により回転速度を得るものであっても良い。ロータ30の磁極位置を計測するセンサは、ロータ30の回転に基づき計測値を出力するので、例えば一定時間内に前記回転角センサが出力する計測値であるパルスを計数する方法で回転速度を求めても良い。あるいはロータ30が所定の回転角を回転するのに要した時間を計測しその計測値から回転速度を演算により求めても良い。   Further, the rotational speed sensor of the rotor may be a sensor that obtains the rotational speed by arithmetic processing using a sensor output representing the magnetic pole of the rotor 30. Since the sensor that measures the magnetic pole position of the rotor 30 outputs a measurement value based on the rotation of the rotor 30, the rotation speed is obtained by, for example, counting pulses that are measurement values output by the rotation angle sensor within a certain time. May be. Alternatively, the time required for the rotor 30 to rotate at a predetermined rotation angle may be measured, and the rotation speed may be calculated from the measured value.

演算処理部50は、計測部40の計測結果に基づいて得られたロータ30に係る制御対象の計測値が制御目標値となるように、供給する電流値を演算する。出力部60は演算された電流値に基づき制御電流を供給する。演算処理部50の具体的な演算処理内容については後述する。   The arithmetic processing unit 50 calculates the current value to be supplied so that the measurement value of the control target related to the rotor 30 obtained based on the measurement result of the measurement unit 40 becomes the control target value. The output unit 60 supplies a control current based on the calculated current value. The specific calculation processing contents of the calculation processing unit 50 will be described later.

3.ロータ30の磁極について
図2はロータ30に設けられた永久磁石32が作る磁極を説明する説明図である。図2は、ロータ30のインペラー31が有する一側ヨークに設けられた永久磁石32により作られる磁極の状態を示している。図3は図2のA−A断面図である。なお、インペラー31が有する他側ヨークも同様の構造および形状であり、同様の磁極が作られる。これらロータ30に永久磁石により作られる磁極を代表し、一側ヨークに作られる磁極について説明する。一側ヨークの磁極も他側ヨークの磁極も、技術的には同じであるのでインペラー31が有する他側ヨークで作られる磁極の説明は省略する。
3. FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the magnetic poles produced by the permanent magnets 32 provided on the rotor 30. FIG. 2 shows a state of magnetic poles formed by a permanent magnet 32 provided on one side yoke of the impeller 31 of the rotor 30. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. Note that the other yoke of the impeller 31 has the same structure and shape, and the same magnetic pole is produced. The magnetic poles made on the one-side yoke will be described on behalf of the magnetic poles made on the rotor 30 by permanent magnets. Since the magnetic pole of the one side yoke and the magnetic pole of the other side yoke are technically the same, the description of the magnetic pole made of the other side yoke of the impeller 31 is omitted.

図2および図3において、一側ヨーク312は磁性材である例えば磁性軟鉄で作られ、中央に穴314が形成されている。この穴は遠心ポンプに流入する例えば血液などの流体の取り入れ口として利用されるものであり、モータの作用としては無くても動作する。一側ヨーク312のステータ鉄心15に対向する一側ヨーク312の面に、この実施例では、4個の永久磁石32a、32b、32c、32dが固定されている。これら永久磁石32はネオジウムあるいはフェライト材で作られている。ネオジウム材の方がフェライト材より残留磁束密度や保持力が大きく、大きな力を発生することができる。なお、永久磁石32の材料は上記に限定されるものではなく、如何なるものでもよい。   2 and 3, the one-side yoke 312 is made of, for example, magnetic soft iron, which is a magnetic material, and a hole 314 is formed at the center. This hole is used as an inlet for a fluid such as blood flowing into the centrifugal pump, and operates even if it does not function as a motor. In this embodiment, four permanent magnets 32a, 32b, 32c, and 32d are fixed to the surface of the one side yoke 312 that faces the stator core 15 of the one side yoke 312. These permanent magnets 32 are made of neodymium or a ferrite material. The neodymium material has a larger residual magnetic flux density and holding force than the ferrite material, and can generate a large force. The material of the permanent magnet 32 is not limited to the above, and any material may be used.

4個の永久磁石32a、32b、32c、32dを使用することで、この実施例では4極の磁極を発生することが可能となる。以下で説明する4極以外の磁極であっても、磁極の数を変えることにより達成することができる。なお、磁極を固定する面の大きさが同じ場合には、磁極数が増加するに従って1つの極を構成する永久磁石の大きさが小さくなる。   By using four permanent magnets 32a, 32b, 32c, and 32d, it is possible to generate four magnetic poles in this embodiment. Even a magnetic pole other than the four poles described below can be achieved by changing the number of magnetic poles. In addition, when the size of the surface which fixes a magnetic pole is the same, the size of the permanent magnet which comprises one pole becomes small as the number of magnetic poles increases.

図2では、4極の磁極を作り出す永久磁石32a、32b、32c、32dを隙間なく配置しているが、これに限るものではなく、磁極を構成する永久磁石間に隙間を設けても良い。   In FIG. 2, the permanent magnets 32a, 32b, 32c, and 32d that create the four-pole magnetic poles are arranged without gaps, but the present invention is not limited to this, and gaps may be provided between the permanent magnets constituting the magnetic poles.

図2は、ロータ30の永久磁石32のステータ鉄心15側の磁極の状態を表しており、永久磁石32を構成する永久磁石32aと永久磁石32cはステータ鉄心15側がS極、その裏面である一側ヨーク312の側がN極である。一方永久磁石32bと永久磁石32dはステータ鉄心15側の面がN極で、その裏面である一側ヨーク312側の面がS極である。本明細書では、ロータ30に設けられた永久磁石の磁極の表示を、ステータ鉄心側の永久磁石面の磁極で表示している。   FIG. 2 shows the state of the magnetic poles on the side of the stator core 15 of the permanent magnet 32 of the rotor 30. The permanent magnet 32a and the permanent magnet 32c constituting the permanent magnet 32 have the S pole on the stator core 15 side and the back surface thereof. The side of the side yoke 312 is the N pole. On the other hand, in the permanent magnet 32b and the permanent magnet 32d, the surface on the stator iron core 15 side is the N pole, and the surface on the one side yoke 312 side that is the back surface is the S pole. In this specification, the magnetic poles of the permanent magnets provided on the rotor 30 are indicated by the magnetic poles of the permanent magnet surface on the stator core side.

4.ロータ30の傾き制御について
図4と図5は、Y軸を中心として生じるロータ30の傾きを目標値に制御するための制御の概念を説明する説明図である。ロータ30の傾きはY軸を中心とした傾き成分とX軸を中心とした傾き成分とを有しているが、理解し易くするために先ずY軸を中心とした傾き成分の制御について説明する。全く同様の考え方でX軸を中心とした傾き成分の制御も可能であり、Y軸を中心とした傾き制御とX軸を中心とした傾き制御の両方を組み合わせることでロータ30の全ての傾きに対応する制御が可能となる。また、ロータ30の傾きに対する制御は、一側ステータ10の第2巻線12を用いた制御と他側ステータ20の第2巻線22を用いた制御の何れか一方でも可能であり、もちろんこれら両方を用いることも可能である。
4). FIG. 4 and FIG. 5 are explanatory diagrams for explaining the concept of control for controlling the inclination of the rotor 30 generated around the Y axis to a target value. The inclination of the rotor 30 has an inclination component centered on the Y axis and an inclination component centered on the X axis. First, for easy understanding, control of the inclination component centered on the Y axis will be described. . It is possible to control the tilt component with the X axis as the center with the same concept, and by combining both the tilt control with the Y axis as the center and the tilt control with the X axis as the center, all the tilts of the rotor 30 can be controlled. Corresponding control becomes possible. Further, the control with respect to the inclination of the rotor 30 can be performed by any one of the control using the second winding 12 of the one-side stator 10 and the control using the second winding 22 of the other-side stator 20. It is also possible to use both.

一側ステータ10の第2巻線12による制御も他側ステータ20の第2巻線22による制御も技術的には同じであり、説明の煩雑さを避けるために、一側ステータ10の第2巻線12による制御について説明する。即ち、ロータ30の一側の永久磁石32が作る磁極と一側ステータの第2巻線12が作る磁極との関係においてロータ30の傾き制御を説明するが、この考え方はロータ30の他側の永久磁石33が作る磁極と他側ステータの第2巻線22が作る磁極とに基づく傾き制御に関しても同様である。   The control by the second winding 12 of the one-side stator 10 and the control by the second winding 22 of the other-side stator 20 are technically the same, and in order to avoid complicated explanation, Control by the winding 12 will be described. That is, the inclination control of the rotor 30 will be described in relation to the magnetic pole created by the permanent magnet 32 on one side of the rotor 30 and the magnetic pole created by the second winding 12 of the one-side stator. The same applies to the tilt control based on the magnetic pole created by the permanent magnet 33 and the magnetic pole created by the second winding 22 of the other stator.

ロータ30は一側ステータ10の第1巻線11が作る回転磁界に基づいて、所定の位相関係で回転している。この実施例では、ロータ30の傾きを第2巻線12に供給する制御電流により制御するので、ある瞬間におけるロータ30の磁極の極性と一側ステータ10の第2巻線12がつくる磁極の極性との関係を図4に示す。図4では、ロータ30に設けられた永久磁石32の磁極が4極であり、第2巻線12が作る磁極が2極である場合を示している。以下で説明するが、ロータ30の磁極の極数をPとし、第2巻線12が作る磁極の極数をMとすると、M=P±2の関係が成り立つ。なお、この実施例では第1巻線11が作る磁極数がロータ30の永久磁石32が作る磁極数と同じにしている。   The rotor 30 rotates with a predetermined phase relationship based on the rotating magnetic field generated by the first winding 11 of the one-side stator 10. In this embodiment, since the inclination of the rotor 30 is controlled by the control current supplied to the second winding 12, the polarity of the magnetic pole of the rotor 30 and the polarity of the magnetic pole formed by the second winding 12 of the one-side stator 10 at a certain moment. FIG. 4 shows the relationship. FIG. 4 shows a case where the permanent magnet 32 provided on the rotor 30 has four magnetic poles and the second winding 12 has two magnetic poles. As will be described below, a relationship of M = P ± 2 is established, where P is the number of magnetic poles of the rotor 30 and M is the number of magnetic poles formed by the second winding 12. In this embodiment, the number of magnetic poles produced by the first winding 11 is the same as the number of magnetic poles produced by the permanent magnet 32 of the rotor 30.

第1巻線11が作る磁極数とロータ30の永久磁石32が作る磁極数とを同じにすることにより、大きなトルクを発生することができ、第1巻線11が作る磁極数とロータ30の永久磁石32が作る磁極数とを同じにすることが好ましいが、必ずしもこれに限るものではなく、第1巻線11が作る磁極数とロータ30の永久磁石32が作る磁極数とを異なるようにしても良い。このことは他側ステータ20においても同様である。   By making the number of magnetic poles produced by the first winding 11 the same as the number of magnetic poles produced by the permanent magnet 32 of the rotor 30, a large torque can be generated. The number of magnetic poles created by the permanent magnet 32 is preferably the same, but this is not necessarily limited to this. The number of magnetic poles created by the first winding 11 and the number of magnetic poles created by the permanent magnet 32 of the rotor 30 are made different. May be. The same applies to the other stator 20.

図4では、第2巻線12と永久磁石32は実際にはZ軸方向に対向する関係に配置されているが、模式的に内側にロータ30の一側永久磁石が作る磁極の状態を記載し、その外周に第2巻線12が作る磁極の状態を記載する。図5は、図4に示す磁極のZ軸方向の配置状態と、磁極により発生するY軸を中心とする回転力との関係を説明する説明図であり、Z軸上に配置された一側永久磁石32が作る磁極と第2巻線12が作る磁極との関係を示す。   In FIG. 4, the second winding 12 and the permanent magnet 32 are actually arranged so as to face each other in the Z-axis direction, but the state of the magnetic pole created by the one-side permanent magnet of the rotor 30 is schematically illustrated on the inner side. And the state of the magnetic pole which the 2nd coil | winding 12 produces on the outer periphery is described. FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the relationship between the arrangement state of the magnetic poles shown in FIG. 4 in the Z-axis direction and the rotational force about the Y-axis generated by the magnetic poles, and one side arranged on the Z-axis. The relationship between the magnetic pole created by the permanent magnet 32 and the magnetic pole created by the second winding 12 is shown.

図4および図5の右側(X軸の正側)では、永久磁石32dが作る磁極と第2巻線12が作る磁極が各々N極であり、第2巻線12の磁極により永久磁石32の右側では反発力41が発生する。一方左方向(X軸の負側)では吸引力42が発生する。上述したように第2巻線12は機械的に固定されているので、ロータ30には、第2巻線12が作る磁極によりY軸を中心とする時計方向の回転力が発生する。この回転力の大きさは第2巻線12に制御部70から供給する制御電流に基づいて定まるので、第2巻線12に供給する制御電流の値を適正に制御することにより前記回転力の大きさを制御できる。第2巻線12に供給する制御電流値を負の値にすると、すなわち位相をπずらすことにより、図5に記載した極性とは逆の極性の磁極を発生することが可能となり、反時計方向の回転力を発生することができる。   On the right side of FIG. 4 and FIG. 5 (the positive side of the X axis), the magnetic pole created by the permanent magnet 32d and the magnetic pole created by the second winding 12 are each N poles. On the right side, a repulsive force 41 is generated. On the other hand, a suction force 42 is generated in the left direction (the negative side of the X axis). Since the second winding 12 is mechanically fixed as described above, a clockwise rotational force about the Y axis is generated in the rotor 30 by the magnetic pole created by the second winding 12. Since the magnitude of this rotational force is determined based on the control current supplied from the control unit 70 to the second winding 12, the value of the rotational force is controlled by appropriately controlling the value of the control current supplied to the second winding 12. The size can be controlled. When the control current value supplied to the second winding 12 is a negative value, that is, by shifting the phase by π, it is possible to generate a magnetic pole having a polarity opposite to that shown in FIG. The rotational force can be generated.

第2巻線12に供給する電流とロータ30の永久磁石32との位相を例えばこの実施例ではπ/2シフトすることにより、X軸を中心とする回転力を発生することができる。このように永久磁石32が作る磁極に対して第2巻線12が作る回転磁界の大きさおよび位相を制御することにより、図4や図5に示すX軸およびY軸を中心としてロータ30に作用する回転力をそれぞれ組み合わせた回転力を自由に発生することが可能となる。ロータ30のX軸とY軸に対する傾きをセンサで計測し、傾きの目標値に対する計測値のずれに基づき、ロータ30の傾きを目標の状態に戻すための回転力を演算し、演算に基づいて制御電流を第2巻線12に供給することにより、ロータ30の傾きを制御目標値に維持する制御が可能となる。   In this embodiment, for example, by shifting the phase of the current supplied to the second winding 12 and the permanent magnet 32 of the rotor 30 by π / 2, a rotational force about the X axis can be generated. In this way, by controlling the magnitude and phase of the rotating magnetic field created by the second winding 12 with respect to the magnetic pole created by the permanent magnet 32, the rotor 30 is centered on the X axis and the Y axis shown in FIGS. It is possible to freely generate a rotational force that combines the acting rotational forces. The inclination of the rotor 30 with respect to the X axis and the Y axis is measured by a sensor, and based on the calculation, the rotational force for returning the inclination of the rotor 30 to the target state is calculated based on the deviation of the measured value from the inclination target value. By supplying the control current to the second winding 12, it is possible to perform control to maintain the inclination of the rotor 30 at the control target value.

図4や図5では、一側ステータ10と他側ステータ20およびロータ30に配置された永久磁石32と永久磁石33の内、一側についてのみ説明したが、他側ステータ20および他側の永久磁石33でも同様にX軸およびY軸を中心とする回転力を発生することができる。一側ステータ10により制御される傾き修正力と他側ステータ20により制御される傾き修正力が共にロータ30に作用するので、一側ステータ10による制御と他側ステータ20による制御との組み合わせを色々選択することにより、色々な制御方法が可能となる。状態に適した制御方法を選択することや用途に適した制御方法を選択することができる。   4 and 5, only one side of the permanent magnet 32 and the permanent magnet 33 disposed on the one-side stator 10, the other-side stator 20, and the rotor 30 has been described. Similarly, the magnet 33 can generate a rotational force about the X axis and the Y axis. Since both the inclination correction force controlled by the one-side stator 10 and the inclination correction force controlled by the other-side stator 20 act on the rotor 30, various combinations of the control by the one-side stator 10 and the control by the other-side stator 20 are various. By selecting, various control methods are possible. A control method suitable for the state can be selected, and a control method suitable for the application can be selected.

ロータ30の傾きを目標値に維持する制御方法として、一側ステータ10と他側ステータ20とで同様の回転力を発生してロータ30の傾き制御を行っても良い。また例えば、Y軸を中心とする傾きの制御を一側ステータ10で行い、X軸を中心とする傾きの制御を他側ステータ20により行うようにし、X軸を中心とする傾き制御とY軸を中心とする傾き制御とに分けて制御するようにしても良い。また、制御の信頼性を高めるために、傾き制御に加えて制御装置の診断を行い、不具合の恐れがある場合には、不具合の生じた方の制御を停止し、正しく動作している方のみでロータ30の傾き制御を行うことが可能である。   As a control method for maintaining the tilt of the rotor 30 at the target value, the tilt control of the rotor 30 may be performed by generating the same rotational force between the one-side stator 10 and the other-side stator 20. Further, for example, the tilt control about the Y axis is performed by the one side stator 10, and the tilt control about the X axis is performed by the other side stator 20, and the tilt control and the Y axis are centered on the X axis. It is also possible to control by dividing into tilt control centering on. In addition to tilt control, in order to improve control reliability, the control device is diagnosed, and if there is a risk of malfunction, the control of the malfunctioning person is stopped and only those who are operating correctly Thus, the tilt control of the rotor 30 can be performed.

図6は、図4や図5で説明した傾き制御の原理をアキシャル型磁気浮上モータ100で実現する場合の具体的構造を示す説明図である。なお、他側ステータ20およびロータ30の他側ヨークに設けられた永久磁石33の図示を省略する。ロータ30はインペラー31を有し、インペラー31には磁気回路を作るための磁性材から成る一側ヨーク312と他側ヨーク313が設けられている。一側ヨーク312にはその一側ステータ10に対向する面に4個の永久磁石32が設けられており、永久磁石32により4極の磁極が作られている。一方一側ステータ10は、6個の突極を有するステータ鉄心15を有し、各突極に巻回されたコイルにより、第1巻線11と第2巻線12を形成している。第1巻線11はロータ30と同じ4極の回転磁界を発生し、ロータ30の永久磁石32に対して回転トルクを発生する。   FIG. 6 is an explanatory diagram showing a specific structure when the principle of tilt control described in FIG. 4 and FIG. 5 is realized by the axial type magnetic levitation motor 100. In addition, illustration of the permanent magnet 33 provided in the other side stator 20 and the other side yoke of the rotor 30 is omitted. The rotor 30 has an impeller 31, and the impeller 31 is provided with one side yoke 312 and another side yoke 313 made of a magnetic material for forming a magnetic circuit. The one-side yoke 312 is provided with four permanent magnets 32 on the surface facing the one-side stator 10, and the four poles are formed by the permanent magnets 32. On the other hand, the one-side stator 10 has a stator core 15 having six salient poles, and a first winding 11 and a second winding 12 are formed by coils wound around each salient pole. The first winding 11 generates the same four-pole rotating magnetic field as the rotor 30, and generates a rotating torque with respect to the permanent magnet 32 of the rotor 30.

一方第2巻線12は、ロータ30に設けられた磁極数Pに対してP±2極の磁界を発生する。この実施例では、第2巻線12によりステータ鉄心15のロータ30側に作られるステータ磁極13は2極であり、図4や図5を用いて説明したごとく、ステータ磁極13と永久磁石32の磁極との間に、反発力41や吸引力42が発生する。前記反発力41や吸引力42によりY軸を中心とする回転力43が発生する。第2巻線12へ供給する電流値やロータの磁極位置に対する位相を制御することにより、回転力43の大きさや回転力の方向を自由に制御することができるので、ロータ30の実際の傾きをセンサで計測し、ロータ30の傾きを目標値に制御するための制御電流を演算して第2巻線12に供給することにより、ロータ30の傾きを目標値に維持する制御を行うことが可能となる。   On the other hand, the second winding 12 generates a magnetic field of P ± 2 with respect to the number P of magnetic poles provided in the rotor 30. In this embodiment, the stator magnetic pole 13 formed on the rotor 30 side of the stator iron core 15 by the second winding 12 is two poles. As described with reference to FIGS. 4 and 5, the stator magnetic pole 13 and the permanent magnet 32 A repulsive force 41 and an attractive force 42 are generated between the magnetic poles. The repulsive force 41 and the suction force 42 generate a rotational force 43 around the Y axis. By controlling the current value supplied to the second winding 12 and the phase with respect to the magnetic pole position of the rotor, the magnitude of the rotational force 43 and the direction of the rotational force can be freely controlled. It is possible to perform control to maintain the inclination of the rotor 30 at the target value by measuring with a sensor, calculating a control current for controlling the inclination of the rotor 30 to the target value, and supplying it to the second winding 12. It becomes.

図7は、ロータ30の永久磁石の極数をPとし、ステータ巻線が作る極数をMとした場合に、M=P±2を満足する場合の状態を示す説明図である。一側ステータ10の第2巻線12と永久磁石32とが作る磁極の関係は、他側ステータ20の第2巻線22とロータ30の他側ステータ20の対向面に設けられた永久磁石とが作る磁極の関係と同じであり、図7は代表して第2巻線12と永久磁石32との磁極関係のみ記載している。   FIG. 7 is an explanatory diagram showing a state where M = P ± 2 is satisfied, where P is the number of poles of the permanent magnet of the rotor 30 and M is the number of poles formed by the stator winding. The relationship between the magnetic poles formed by the second winding 12 of the one-side stator 10 and the permanent magnet 32 is as follows: the second winding 22 of the other-side stator 20 and the permanent magnet provided on the opposing surface of the other-side stator 20 of the rotor 30. FIG. 7 shows only the magnetic pole relationship between the second winding 12 and the permanent magnet 32 as a representative.

図4と同様に第2巻線12と永久磁石32とはZ軸に沿う方向に於いて、互いに対向しているが模式的に内側に、ロータ30に設けられた永久磁石32により作られる磁極を示し、その外周側に第2巻線12により作られる磁極を示す。図7(A)はロータ30側の永久磁石32が作る磁極が2極で第2巻線12が作る磁極が4極の状態を示す。図7(B)はロータ30側の永久磁石32が作る磁極が4極で第2巻線12が作る磁極が6極の状態、図7(C)はロータ30側の永久磁石32が作る磁極が6極で第2巻線12が作る磁極が8極の状態、図7(D)はロータ30側の永久磁石32が作る磁極が4極で第2巻線12が作る磁極が2極の状態、図7(E)はロータ30側の永久磁石32が作る磁極が6極で第2巻線12が作る磁極が4極の状態、図7(F)はロータ30側の永久磁石32が作る磁極が8極で第2巻線12が作る磁極が6極の状態を、それぞれ示している。   As in FIG. 4, the second winding 12 and the permanent magnet 32 are opposed to each other in the direction along the Z axis, but are magnetically formed by the permanent magnet 32 provided on the rotor 30 on the inner side. A magnetic pole formed by the second winding 12 is shown on the outer peripheral side. FIG. 7A shows a state in which the magnetic pole created by the permanent magnet 32 on the rotor 30 side is 2 poles and the magnetic pole created by the second winding 12 is 4 poles. 7B shows a state in which the magnetic pole created by the permanent magnet 32 on the rotor 30 side is 4 poles and the magnetic pole created by the second winding 12 is 6 poles, and FIG. 7C shows a magnetic pole created by the permanent magnet 32 on the rotor 30 side. FIG. 7 (D) shows that the permanent magnet 32 on the rotor 30 side has 4 poles and the second winding 12 has 2 poles. 7E shows a state in which the magnetic poles produced by the permanent magnets 32 on the rotor 30 side are 6 poles and the magnetic poles produced by the second winding 12 are 4 poles. FIG. A state in which the magnetic poles to be produced are 8 poles and the magnetic poles produced by the second winding 12 is 6 poles is shown.

先に図1〜図6を用いて説明した実施例は、図7(D)の状態に相当し、ロータ30の永久磁石が作る磁極が4極、第2巻線12あるいは第2巻線22が作る磁極が2極である。第1巻線11や第1巻線21が作る磁極数はロータ30の磁極数と同じであり、4極である。   The embodiment described above with reference to FIGS. 1 to 6 corresponds to the state of FIG. 7D, and the magnetic poles produced by the permanent magnet of the rotor 30 are four poles, the second winding 12 or the second winding 22. There are two magnetic poles. The number of magnetic poles created by the first winding 11 and the first winding 21 is the same as the number of magnetic poles of the rotor 30 and is four poles.

図7(A)〜(C)はM=P+2の状態を表し、図7(D)〜(F)は M=P−2 の状態を表している。図7(A)〜(F)は、何れも図の右側では反発力を発生し、図の左側では吸引力を発生する。従って図4および図5を用いて先に説明した如く、第2巻線12に供給する電流値や位相を制御することにより、ロータ30の傾きを修正する制御が可能である。図7(A)〜(F)以外の更に多くの極数に組み合わせにおいても、ロータ30の磁極数をPとし第2巻線12が発生する磁極数をMとした場合に、上述のM=P±2の関係を満足すれば、上述と同様、ロータ30の傾きを修正し、ロータ30の傾きを目標値に維持する制御を行うことが可能である。   7A to 7C show the state of M = P + 2, and FIGS. 7D to 7F show the state of M = P-2. 7A to 7F all generate a repulsive force on the right side of the figure and a suction force on the left side of the figure. Therefore, as described above with reference to FIGS. 4 and 5, it is possible to control the inclination of the rotor 30 by controlling the current value and phase supplied to the second winding 12. Even when the number of poles other than those shown in FIGS. 7A to 7F is combined, when the number of magnetic poles of the rotor 30 is P and the number of magnetic poles generated by the second winding 12 is M, M = If the relationship of P ± 2 is satisfied, it is possible to perform control to correct the inclination of the rotor 30 and maintain the inclination of the rotor 30 at the target value as described above.

5.6突極に巻回されたコイルによる2極あるいは4極の回転磁界の発生方法について
図8と図9は、ステータ鉄心15に形成された6突極に第1巻線11あるいは第2巻線12を巻回し、あるいはステータ鉄心25に形成された6突極に第1巻線21あるいは第2巻線22を巻回して、2極の回転磁極を作る場合のコイルの結線状態をおよびその時の磁極の状態を示す説明図である。ここで図8はコイルの結線状態を示し、図9は磁極の状態を示す。図8で矢印はステータ鉄心15あるいはステータ鉄心25にそれぞれ形成されている突極に巻回されるコイルの巻回方向を示している。またコイルC1からコイルC6は、ステータ鉄心15あるいはステータ鉄心25の突極に対して時計回りに順に配置されているものとする。
FIG. 8 and FIG. 9 show a method for generating a two-pole or four-pole rotating magnetic field by a coil wound around a 5.6 salient pole. When the winding 12 is wound, or when the first winding 21 or the second winding 22 is wound around the six salient poles formed on the stator core 25 to form a two-pole rotating magnetic pole, It is explanatory drawing which shows the state of the magnetic pole at that time. FIG. 8 shows the coil connection state, and FIG. 9 shows the magnetic pole state. In FIG. 8, the arrows indicate the winding directions of the coils wound around the salient poles formed on the stator iron core 15 or the stator iron core 25, respectively. Further, it is assumed that the coils C1 to C6 are sequentially arranged clockwise with respect to the salient poles of the stator iron core 15 or the stator iron core 25.

U相ではコイルC1と該コイルC1に対して逆方向に巻回されたコイルC4が直列接続されている。同様にV相ではコイルC2と該コイルC2に対して逆方向に巻回されたコイルC5が直列接続されている。W相ではコイルC3と該コイルC3に対して逆方向に巻回されたコイルC6が直列接続されている。このように接続して各突極にコイルが巻回されることにより、図9に示す如く磁極P1と磁極P2を有する回転磁界を発生することができる。この例では、磁極P1がN極となり磁極P2がS極となっている。磁極P1と磁極P2は、図8のU相、V相、W相を流れる交流電流の周波数に基づく回転速度で回転する回転磁界の磁極を表しており、図9は、回転している磁極のある瞬間の状態を、静止画として示している。   In the U phase, a coil C1 and a coil C4 wound in the opposite direction to the coil C1 are connected in series. Similarly, in the V phase, a coil C2 and a coil C5 wound in the opposite direction to the coil C2 are connected in series. In the W phase, a coil C3 and a coil C6 wound in the opposite direction to the coil C3 are connected in series. When the coils are wound around the respective salient poles in this way, a rotating magnetic field having magnetic poles P1 and P2 can be generated as shown in FIG. In this example, the magnetic pole P1 is an N pole and the magnetic pole P2 is an S pole. The magnetic pole P1 and the magnetic pole P2 represent the magnetic poles of a rotating magnetic field that rotates at a rotational speed based on the frequency of the alternating current flowing through the U phase, V phase, and W phase in FIG. 8, and FIG. The state at a certain moment is shown as a still image.

図10と図11はステータ鉄心15やステータ鉄心25に形成された6突極に第1巻線11あるいは第2巻線12、あるいは第1巻線21、あるいは第2巻線22を巻回して、4極の磁極を発生する場合のコイルの結線状態および発生する磁極を示す説明図であり、図10はコイルの結線状態を示し、図11は発生した磁極の状態を示している。   10 and 11 show that the first winding 11, the second winding 12, the first winding 21, or the second winding 22 is wound around six salient poles formed on the stator core 15 and the stator core 25. FIG. 10 is an explanatory diagram showing a coil connection state and a generated magnetic pole when four magnetic poles are generated, FIG. 10 shows a coil connection state, and FIG. 11 shows a generated magnetic pole state.

図10で矢印はステータ鉄心15やステータ鉄心25の突極に巻回されるコイルの巻回方向を示しており、コイルC1〜C6は突極に対して順に時計回りに配置されているものとする。この場合は、コイルC1〜C6は全て突極に対して同じ巻回方向である。U相ではコイルC1とコイルC4が直列接続されており、V相ではコイルC2とコイルC5が直列接続されており、W相ではコイルC3とコイルC3が直列接続されている。このように接続されることにより、図11に示す如く磁極P1がN極、磁極P2がS極、磁極P3がN極、磁極P4がS極となる回転磁界が生じる。図11は回転している磁極のある瞬間を示しており、これら磁極の回転速度は図10に示すU相、V相、W相を流れる交流電流の周波数に基づいている。   In FIG. 10, the arrows indicate the winding direction of the coils wound around the salient poles of the stator iron core 15 and the stator iron core 25, and the coils C1 to C6 are sequentially arranged clockwise with respect to the salient poles. To do. In this case, the coils C1 to C6 are all in the same winding direction with respect to the salient poles. In the U phase, the coil C1 and the coil C4 are connected in series, in the V phase, the coil C2 and the coil C5 are connected in series, and in the W phase, the coil C3 and the coil C3 are connected in series. By connecting in this way, a rotating magnetic field is generated in which the magnetic pole P1 is an N pole, the magnetic pole P2 is an S pole, the magnetic pole P3 is an N pole, and the magnetic pole P4 is an S pole as shown in FIG. FIG. 11 shows a certain moment of the rotating magnetic pole, and the rotation speed of these magnetic poles is based on the frequency of the alternating current flowing through the U phase, V phase, and W phase shown in FIG.

6.ロータ30の回転中心軸のX軸あるいはY軸上の位置制御について
6.1 ロータ30のX軸方向の磁気力の発生について
次に、ロータ30の永久磁石の極数をP、一側ステータ10の第2巻線12あるいは他側ステータ20の第2巻線22が作る磁極の極数をMとした場合に、M=P±2の関係を満足するときの磁極配置により発生するX−Y軸上における磁気力について説明する。先ず説明を簡単にするためにX軸上における磁気力について説明する。図12は、アキシャル型磁気浮上モータ100のロータ30にX軸方向の磁気力が発生する原理を示す説明図である。図6と同様に、他側ステータ20およびロータ30の他側ヨークに設けられた永久磁石33の図示を省略する。また、ロータ30と一側ステ−タ10の構造も図6で説明した構造と同様である。
6. Position control on the X-axis or Y-axis of the rotation center axis of the rotor 30 6.1 Generation of magnetic force in the X-axis direction of the rotor 30 Next, the number of poles of the permanent magnet of the rotor 30 is set to P, one side When the number of magnetic poles formed by the second winding 12 of the stator 10 or the second winding 22 of the other side stator 20 is M, X generated by the magnetic pole arrangement when the relationship of M = P ± 2 is satisfied. The magnetic force on the −Y axis will be described. First, in order to simplify the description, the magnetic force on the X axis will be described. FIG. 12 is an explanatory diagram showing the principle that a magnetic force in the X-axis direction is generated in the rotor 30 of the axial type magnetic levitation motor 100. As in FIG. 6, illustration of the permanent magnets 33 provided on the other side stator 20 and the other side yoke of the rotor 30 is omitted. Further, the structure of the rotor 30 and the one side stator 10 is the same as the structure described in FIG.

図6と同様に、本実施例では一側ステータ10の第2巻線12が発生する磁極13は2極であり、ロータ30の磁極数は4極である。ステータ磁極13とロータ30の永久磁石32の磁極との間に、反発力41と吸引力42が発生するため、Y軸を中心とする時計方向に回転力43が発生する。図12において、ロータ30の左半分(X軸負方向)の永久磁石が作る磁界のN極32とステ−タの磁極13のS極が吸引力44を発生し、ロータ30の右半分(X軸正方向)の永久磁石が作る磁界のN極32とステ−タの磁極13のN極が反発力45を発生する。吸引力44と反発力45によりX軸方向の力の成分が表れる。その結果、ロータ30の磁極数Pとステータ巻線により作られる回転磁界の磁極数Mとの間に、M=P±2の関係が成り立つ場合には、X軸の正方向に、吸引力44と反発力45に基づいて磁気力46が発生することを発明者が見つけた。   As in FIG. 6, in this embodiment, the magnetic pole 13 generated by the second winding 12 of the one-side stator 10 has two poles, and the rotor 30 has four magnetic poles. Since a repulsive force 41 and an attractive force 42 are generated between the stator magnetic pole 13 and the magnetic pole of the permanent magnet 32 of the rotor 30, a rotational force 43 is generated in the clockwise direction around the Y axis. In FIG. 12, the N pole 32 of the magnetic field formed by the permanent magnet in the left half of the rotor 30 (X-axis negative direction) and the S pole of the stator magnetic pole 13 generate an attractive force 44, and the right half of the rotor 30 (X The repulsive force 45 is generated by the N pole 32 of the magnetic field produced by the permanent magnet in the positive axis direction and the N pole of the stator magnetic pole 13. The force component in the X-axis direction appears by the suction force 44 and the repulsive force 45. As a result, if the relationship of M = P ± 2 is established between the number P of the magnetic poles of the rotor 30 and the number M of the rotating magnetic fields generated by the stator winding, the attractive force 44 is applied in the positive direction of the X axis. The inventor found that the magnetic force 46 is generated based on the repulsive force 45.

ロータ30は、安定した回転を行うために、一側ステータ10および他側ステータ20に基づいて定まる中心軸500にロータ30の回転中心軸が位置して回転することが望ましい。しかし機械的な支持機構が無いのでロータ30が回転している間にロータ30の中心軸である回転中心軸がロータ30の径方向すなわちX軸方向またはY軸方向にずれることがある。本実施例では、ロータ30の回転中心軸と中心軸500の位置のX軸及びY軸方向のずれをセンサで計測し、ロータ30の回転中心軸を中心軸500の位置に戻すための径方向磁気力、例えば磁気力46を発生する制御が可能である。   In order to perform stable rotation, the rotor 30 desirably rotates with the rotation center axis of the rotor 30 positioned on the center axis 500 determined based on the one-side stator 10 and the other-side stator 20. However, since there is no mechanical support mechanism, the rotation center axis that is the center axis of the rotor 30 may be displaced in the radial direction of the rotor 30, that is, the X axis direction or the Y axis direction while the rotor 30 is rotating. In the present embodiment, the radial direction for returning the rotation center axis of the rotor 30 to the position of the center axis 500 by measuring the difference between the rotation axis of the rotor 30 and the position of the center axis 500 in the X axis and Y axis directions with a sensor. Control of generating magnetic force, for example, magnetic force 46, is possible.

つまり、制御部70の出力部60から第2巻線12へ供給する制御電流の電流値やロータの磁極位置に対する位相を制御することにより、回転力43の大きさや回転力の方向を制御するときと同様に、磁気力46の大きさやその磁気力46の方向を制御することができる。例えば、ロータ30の回転中心軸がX軸の正方向にずれている場合には、ロータ30に対してX軸の負方向に作用する磁気力46を発生することが必要であり、第2巻線12に供給する電流値を負の値にして、すなわち第2巻線12に供給する電流値の位相をπずらして、反時計方向の回転力43を発生させ、X軸の負の方向に磁気力46を発生させればよい。   That is, when controlling the magnitude of the rotational force 43 and the direction of the rotational force by controlling the current value of the control current supplied from the output unit 60 of the control unit 70 to the second winding 12 and the phase with respect to the magnetic pole position of the rotor. Similarly, the magnitude of the magnetic force 46 and the direction of the magnetic force 46 can be controlled. For example, when the rotation center axis of the rotor 30 is displaced in the positive direction of the X axis, it is necessary to generate a magnetic force 46 that acts on the rotor 30 in the negative direction of the X axis. The current value supplied to the wire 12 is set to a negative value, that is, the phase of the current value supplied to the second winding 12 is shifted by π, and the counterclockwise rotational force 43 is generated, in the negative direction of the X axis. The magnetic force 46 may be generated.

また例えば、ロータ30の回転中心軸のずれを修正するために、ロータ30に対してY軸の正方向に作用する磁気力46を発生することが必要な場合には、図12のX軸の正方向の磁気力46を発生している第2巻線12に供給する制御電流に対して、ロータ30の磁極に対する位相をさらにπ/2ずらした制御電流を第2巻線12に供給すれば良い。このように、ロータ30の磁極に対する第2巻線12への制御電流の位相と該制御電流の大きさを変えることにより、ロータ30に作用する磁気力46のX−Y座標系での方向やその大きさを制御することができる。   Further, for example, when it is necessary to generate a magnetic force 46 that acts on the rotor 30 in the positive direction of the Y axis in order to correct the deviation of the rotation center axis of the rotor 30, the X axis of FIG. If the control current supplied to the second winding 12 generating the magnetic force 46 in the positive direction is supplied to the second winding 12 with a control current further shifted by π / 2 with respect to the magnetic pole of the rotor 30. good. Thus, by changing the phase of the control current to the second winding 12 with respect to the magnetic pole of the rotor 30 and the magnitude of the control current, the direction of the magnetic force 46 acting on the rotor 30 in the XY coordinate system Its size can be controlled.

図12でロータ30の磁極数Pが4極、第2巻線12が発生する回転磁界の磁極数Mが2極の例を説明した。しかし上記説明は図12の磁極の関係に限るものではない。図13は図7と同様に、ロータ30の永久磁石の極数がP、ステータ巻線が作る極数Mが、M=P±2の関係を満足する場合の磁極の状態と、発生する磁気力の向きを示す説明図である。図7と同様に、図13では説明の簡略化のため、第2巻線12と永久磁石32との磁極の関係のみ記載している。   The example in which the number of magnetic poles P of the rotor 30 is 4 and the number of magnetic poles M of the rotating magnetic field generated by the second winding 12 is 2 has been described with reference to FIG. However, the above description is not limited to the relationship of the magnetic poles in FIG. As in FIG. 7, FIG. 13 shows the state of the magnetic poles when the number of poles of the permanent magnet of the rotor 30 is P and the number of poles M formed by the stator winding satisfies the relationship of M = P ± 2 and the generated magnetism. It is explanatory drawing which shows direction of force. As in FIG. 7, only the relationship between the magnetic poles of the second winding 12 and the permanent magnet 32 is shown in FIG.

図13はロータ30の永久磁石の極数をPとし、ステータ巻線が作る極数をMとした場合に、M=P±2を満足する場合の状態を示す場合に生じるX軸方向力の説明図である。図13(A)〜(F)のロータ30側の永久磁石32が作る磁極と、第2巻線12が作る磁極の状態は、図7(A)〜(F)の磁極と同様であるため、説明を省略する。なお、図12を用いて説明した実施例は、図13(D)の状態に相当する。図13(A)〜(C)に記載のロータ30の磁極数Pと第2巻線12が発生する回転磁界の磁極数Mとの関係は、M=P+2の関係である。このときは、X軸の負方向に磁気力が発生する。一方、図13(D)〜(F)に記載のロータ30の磁極数Pと第2巻線12が発生する回転磁界の磁極数Mとの関係は、M=P−2の関係である。このとき、図12を用いて説明したようにX軸の正方向に磁気力が発生する。   FIG. 13 shows the X-axis direction force generated when the number of poles of the permanent magnet of the rotor 30 is P and the number of poles formed by the stator winding is M, indicating a state where M = P ± 2. It is explanatory drawing. Since the magnetic poles created by the permanent magnet 32 on the rotor 30 side in FIGS. 13A to 13F and the magnetic poles created by the second winding 12 are the same as the magnetic poles shown in FIGS. The description is omitted. The embodiment described with reference to FIG. 12 corresponds to the state of FIG. The relationship between the number of magnetic poles P of the rotor 30 shown in FIGS. 13A to 13C and the number of magnetic poles M of the rotating magnetic field generated by the second winding 12 is a relationship of M = P + 2. At this time, a magnetic force is generated in the negative direction of the X axis. On the other hand, the relationship between the number of magnetic poles P of the rotor 30 and the number of magnetic poles M of the rotating magnetic field generated by the second winding 12 shown in FIGS. 13D to 13F is a relationship of M = P−2. At this time, a magnetic force is generated in the positive direction of the X axis as described with reference to FIG.

6.2 ロータ30の傾きに対する制御とロータ30の回転中心軸位置の制御について
図6及び、図12においては、説明の簡単化のため一側ステ−タ10と、ロータ30に発生する回転力43と磁気力46について述べたが、次に図1で説明したように一側ステ−タ10とZ軸方向に対向するように、同一構造の他側ステ−タ20が配置されているため、この2つのステ−タによるロータ30の制御について説明する。本実施例では、ロータ30の傾きを制御するための回転力とロータ30の回転中心軸のずれを修正するための磁気力を発生させるため、ロータ30の永久磁石の極数がP、ステータ巻線が作る極数Mが、M=P±2の関係を満足するように、例としてロータ30の永久磁石の極数が4、ステータ巻線が作る磁界の極数が2の場合について説明する。
6.2 Control of Inclination of Rotor 30 and Control of Rotation Center Axis Position of Rotor 30 In FIGS. 6 and 12, the rotational force generated in the one-side stator 10 and the rotor 30 is shown for the sake of simplicity of explanation. 43 and the magnetic force 46 have been described. Since the other-side stator 20 having the same structure is disposed so as to face the one-side stator 10 in the Z-axis direction as described with reference to FIG. The control of the rotor 30 by these two stators will be described. In this embodiment, the rotational force for controlling the inclination of the rotor 30 and the magnetic force for correcting the deviation of the rotation center axis of the rotor 30 are generated. As an example, the case where the number of poles of the permanent magnet of the rotor 30 is 4 and the number of poles of the magnetic field created by the stator winding is 2 will be described so that the number of poles M created by the line satisfies the relationship of M = P ± 2. .

図14(a)と(b)は、一側ステ−タ10と他側ステ−タ20によりロータ30のY軸を中心とした傾きとX軸方向の回転中心軸の位置を制御する場合の制御原理を示す説明図である。ここでは、一側ステ−タ10の第2巻線12と他側ステ−タ20の第2巻線22へ供給する電流値は同じとし、前記両ステ−タにより発生する回転力43と回転力48および磁気力46と磁気力47の大きさは同じとする。一側ステ−タ10と他側ステ−タ20は同一のものである(巻き線の巻き方、方向が同じで上下をひっくり返したもの)とし、一側ステ−タ10の第2巻線12と他側ステ−タ20の第2巻線22に同一方向で等しい電流を流した時には図14(a)の13、23のように磁極が発生されるものとする。   14A and 14B show the case where the tilt around the Y axis of the rotor 30 and the position of the rotation center axis in the X axis direction are controlled by the one side stator 10 and the other side stator 20. It is explanatory drawing which shows a control principle. Here, it is assumed that the current value supplied to the second winding 12 of the one-side stator 10 and the second winding 22 of the other-side stator 20 is the same, and the rotational force 43 and the rotation generated by the two stators. The magnitudes of the force 48, the magnetic force 46, and the magnetic force 47 are the same. The one side stator 10 and the other side stator 20 are the same (the winding method and direction are the same and the top and bottom are turned over), and the second winding of the one side stator 10 is the same. 12 and the second winding 22 of the other side stator 20, when the same current is supplied in the same direction, magnetic poles are generated as indicated by 13 and 23 in FIG.

ロータ30の一側ステ−タ10に対向する面32と、他側ステ−タ20に対向する面33には極数4の永久磁石が設けられている。図14に記載の実施例では、ロータの両側面で同じ磁極配置となるように永久磁石が配置されている。図14(a)と(b)に示す様に、ロータの磁石の配置は面32と面33の両側面で同じ磁極配置、つまり面32のN極の他側面33がN極になる磁極の配置状態で以下説明するが、これに限るものではない。図12や図4〜図6で説明した如く、第2巻線12やステータ磁極13に供給する電流の位相をロータの磁極との関係において制御することにより、傾きを是正するために発生する回転力の方向や、ロータ30の回転中心軸の位置を是正するために発生する磁気力46の方向を、X-Y座標上で自由に制御できるので、ロータ30の一側ステータ10に対向する永久磁石32の磁極配置と、他側ステータ20に対向する永久磁石33の磁極配置とを、ずらしても良い。例えば永久磁石32のN極に対応する永久磁石33がS極となるように90度ずらして配置してもよい。以下の説明では、説明を分り易くするために、
ロータ30の両側面に配置された永久磁石32と永久磁石33とが同じ配置で、磁極配置が同じであるとする。
A permanent magnet having four poles is provided on the surface 32 facing the one side stator 10 of the rotor 30 and the surface 33 facing the other side stator 20. In the embodiment shown in FIG. 14, the permanent magnets are arranged so as to have the same magnetic pole arrangement on both side surfaces of the rotor. As shown in FIGS. 14A and 14B, the arrangement of the rotor magnets is the same magnetic pole arrangement on both sides of the surface 32 and the surface 33, that is, the magnetic pole of which the other side 33 of the N pole of the surface 32 is the N pole. The arrangement state will be described below, but is not limited thereto. As described with reference to FIGS. 12 and 4 to 6, the rotation generated to correct the inclination by controlling the phase of the current supplied to the second winding 12 and the stator magnetic pole 13 in relation to the magnetic pole of the rotor. Since the direction of the force and the direction of the magnetic force 46 generated to correct the position of the rotation center axis of the rotor 30 can be freely controlled on the XY coordinates, the permanent direction facing the one-side stator 10 of the rotor 30 is permanent. The magnetic pole arrangement of the magnet 32 and the magnetic pole arrangement of the permanent magnet 33 facing the other side stator 20 may be shifted. For example, the permanent magnet 33 corresponding to the north pole of the permanent magnet 32 may be shifted by 90 degrees so as to be the south pole. In the following description, for ease of understanding,
It is assumed that the permanent magnets 32 and the permanent magnets 33 arranged on both side surfaces of the rotor 30 are the same arrangement and the magnetic pole arrangement is the same.

図14(a)は、一側ステ−タ10の第2巻線12と他側ステ−タ20の第2巻線22にそれぞれ同一方向の制御電流を供給し、Y軸を中心とする回転力43と回転力48とが発生するようにした場合の回転力と磁気力との関係を示す図である。一側ステ−タ10の第2巻線12と他側ステ−タ20の第2巻線22が作る回転磁界はロータ30に対して常に同位相とする。図6と図12を用いて説明したように、一側ステ−タ10が作る磁界13と、ロータ30の永久磁石32が作る磁界により、Y軸周りに時計方向の回転力43が発生する。同時に、X軸の正方向に磁気力46が発生する。   FIG. 14A shows a case where a control current in the same direction is supplied to the second winding 12 of the one-side stator 10 and the second winding 22 of the other-side stator 20, respectively, and rotation about the Y axis is performed. It is a figure which shows the relationship between the rotational force and magnetic force at the time of making it generate | occur | produce the force 43 and the rotational force 48. FIG. The rotating magnetic field generated by the second winding 12 of the one-side stator 10 and the second winding 22 of the other-side stator 20 is always in phase with the rotor 30. As described with reference to FIGS. 6 and 12, the rotational force 43 in the clockwise direction around the Y axis is generated by the magnetic field 13 generated by the one-side stator 10 and the magnetic field generated by the permanent magnet 32 of the rotor 30. At the same time, a magnetic force 46 is generated in the positive direction of the X axis.

他側ステ−タ20にも一側ステ−タ10と同じ大きさで同じ位相の制御電流を供給している。他側ステ−タ20が作る磁界23とロータ30の永久磁石33が作る磁界により、Y軸周りに時計方向の回転力48が発生し、同時にX軸の負方向に磁気力47が発生する。このとき、ロータ30の両側面の回転力43と48は同じ時計方向に発生するため互いに強め合い、磁気力46と磁気力47は反対方向に発生するため、互いに打ち消しあう。   A control current having the same magnitude and the same phase as that of the one-side stator 10 is also supplied to the other-side stator 20. Due to the magnetic field 23 generated by the other side stator 20 and the magnetic field generated by the permanent magnet 33 of the rotor 30, a clockwise rotational force 48 is generated around the Y axis, and at the same time, a magnetic force 47 is generated in the negative direction of the X axis. At this time, the rotational forces 43 and 48 on both sides of the rotor 30 are generated in the same clockwise direction, so that they are strengthened to each other, and the magnetic force 46 and the magnetic force 47 are generated in opposite directions, so that they cancel each other.

従って、一側ステ−タ10と他側ステ−タ20にそれぞれ同一方向の制御電流を供給した場合には、ロータ30には回転力43、48のみを発生させることができる。この力によりロータ30を、Y軸を中心として時計周りに傾けることができる。ロータ30の回転中心軸のずれが少なく、傾きのみを是正する場合には、このようにして同一方向の制御電流を第2巻線12と第2巻線22とに供給することにより回転力のみを発生させて傾きのみを制御することができる。また、第2巻線12と第2巻線22が作る回転磁界のロータに対する位相を変化させることにより、同様に磁気力46と磁気力47とを互いに相殺しながら回転力43と回転力48の回転軸をX−Y座標上で任意の方向に回転させることが可能となる。例えば、回転磁場とロータの位相差をπとすることで、回転力43と回転力48はX軸周りに発生することになる。また、図14に示す状態で第2巻線12と第2巻線22に供給している制御電流の方向を負の方向に逆転することで、磁気力46と磁気力47の方向を逆転させ、回転力43や回転力48の回転方向を時計方向から反時計方向に変えることができる。   Therefore, when control currents in the same direction are supplied to the one-side stator 10 and the other-side stator 20, only the rotational forces 43 and 48 can be generated in the rotor 30. With this force, the rotor 30 can be tilted clockwise around the Y axis. When the deviation of the rotation center axis of the rotor 30 is small and only the inclination is corrected, the control current in the same direction is supplied to the second winding 12 and the second winding 22 in this way so that only the rotational force is supplied. Can be controlled to control only the inclination. Further, by changing the phase of the rotating magnetic field created by the second winding 12 and the second winding 22 with respect to the rotor, the rotational force 43 and the rotational force 48 are similarly canceled while canceling out the magnetic force 46 and the magnetic force 47. It is possible to rotate the rotation axis in an arbitrary direction on the XY coordinates. For example, when the phase difference between the rotating magnetic field and the rotor is π, the rotating force 43 and the rotating force 48 are generated around the X axis. In addition, the direction of the magnetic force 46 and the magnetic force 47 is reversed by reversing the direction of the control current supplied to the second winding 12 and the second winding 22 in the negative direction in the state shown in FIG. The rotational direction of the rotational force 43 and the rotational force 48 can be changed from the clockwise direction to the counterclockwise direction.

図14(b)は、一側ステ−タ10の第2巻線12に正方向の電流を供給し、他側ステ−タ20の第2巻線22には負方向の電流を供給した場合に、ロータ30に発生する回転力と磁気力の関係を示した図である。前述のように、一側ステ−タ10の第2巻線12が作る磁界13と、ロータ30の永久磁石32が作る磁界により、Y軸周りに時計方向の回転力43が発生し、同時にX軸の正方向に磁気力46が発生する。   FIG. 14B shows a case where a positive current is supplied to the second winding 12 of the one-side stator 10 and a negative current is supplied to the second winding 22 of the other-side stator 20. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the rotational force generated in the rotor 30 and the magnetic force. As described above, a clockwise rotational force 43 around the Y axis is generated by the magnetic field 13 generated by the second winding 12 of the one-side stator 10 and the magnetic field generated by the permanent magnet 32 of the rotor 30, and at the same time X A magnetic force 46 is generated in the positive direction of the shaft.

他側ステ−タ20には負方向の制御電流を供給している。他側ステ−タ20の第2巻線22が作る磁界23とロータ30の永久磁石33が作る磁界により、Y軸周りに反時計方向の回転力48が発生し、同時にX軸の正方向に磁気力47が発生する。このとき、ロータ30の両側面に生じる回転力43と回転力48は反対方向に発生するため互いに打ち消し合い、磁気力46と47は同一方向に発生するため互いに強め合う。   The other side stator 20 is supplied with a control current in the negative direction. The magnetic field 23 generated by the second winding 22 of the other side stator 20 and the magnetic field generated by the permanent magnet 33 of the rotor 30 generate a counterclockwise rotational force 48 around the Y axis, and simultaneously in the positive direction of the X axis. A magnetic force 47 is generated. At this time, the rotational force 43 and the rotational force 48 generated on both side surfaces of the rotor 30 are generated in opposite directions and cancel each other, and the magnetic forces 46 and 47 are generated in the same direction and strengthen each other.

従って、一側ステ−タ10の第2巻線12に供給する制御電流と、他側ステ−タ20の第2巻線22に供給する制御電流の方向を逆にすることにより、ロータ30に磁気力46、47のみ発生させることができる。ロータ30の回転中心軸が図12に示した中心軸よりもX軸の負方向にずれていて、Y軸周りの傾きのずれがない場合には、回転力43と回転力48とを互いに相殺させ、ロータ30の回転中心軸のみをX軸の正方向に移動させるための磁気力46と磁気力47を発生させて、径方向制御であるロータ30の回転中心軸の位置制御のみを行うことが可能である。図14(b)は、一側ステ−タ10の第2巻線12に正方向の制御電流、他側ステ−タ20の第2巻線22に負方向の制御電流を供給した場合である。この状態で、第2巻線12と第2巻線22にそれぞれ逆方向の制御電流を与えると、回転力43と回転力48を互いに相殺させた状態を維持して(回転力43と回転力48の方向は逆転する)、磁気力46や磁気力47の力の方向を逆方向に変えることができる。   Therefore, by reversing the direction of the control current supplied to the second winding 12 of the one-side stator 10 and the control current supplied to the second winding 22 of the other-side stator 20, the rotor 30 Only the magnetic forces 46 and 47 can be generated. When the rotation center axis of the rotor 30 is deviated in the negative direction of the X axis from the center axis shown in FIG. 12 and there is no deviation of the inclination around the Y axis, the rotation force 43 and the rotation force 48 cancel each other. The magnetic force 46 and the magnetic force 47 for moving only the rotation center axis of the rotor 30 in the positive direction of the X axis are generated, and only the position control of the rotation center axis of the rotor 30 that is radial control is performed. Is possible. FIG. 14B shows a case where a control current in the positive direction is supplied to the second winding 12 of the one-side stator 10 and a control current in the negative direction is supplied to the second winding 22 of the other-side stator 20. . In this state, when control currents in opposite directions are applied to the second winding 12 and the second winding 22, respectively, the rotational force 43 and the rotational force 48 are maintained in a mutually cancelled state (the rotational force 43 and the rotational force). The direction of the magnetic force 46 and the magnetic force 47 can be changed to the opposite direction.

このように図14(b)の構成において、第2巻線12と第2巻線22に供給する制御電流の方向を変化させることにより、回転力43と回転力48とを互いに相殺して、磁気力46と磁気力47を相加することができ、ロータ30の傾きを変えないで、ロータ30の回転中心軸の位置をX軸上で移動することができる。さらに第2巻線12と第2巻線22に供給する制御電流の電流方向を維持したまま、第2巻線12と第2巻線22が生じる回転磁場の位相をロータ30の磁極に対して変えることにより、ロータ30の傾きを変えないで、ロータ30の回転中心軸の位置をX−Y座標上で移動することができる。このように、ロータ30の回転中心軸の位置をX−Y座標上の所定の位置に維持する制御が可能である。   In this way, in the configuration of FIG. 14B, by changing the direction of the control current supplied to the second winding 12 and the second winding 22, the rotational force 43 and the rotational force 48 cancel each other, The magnetic force 46 and the magnetic force 47 can be added, and the position of the rotation center axis of the rotor 30 can be moved on the X axis without changing the inclination of the rotor 30. Further, the phase of the rotating magnetic field generated by the second winding 12 and the second winding 22 with respect to the magnetic poles of the rotor 30 is maintained while maintaining the current direction of the control current supplied to the second winding 12 and the second winding 22. By changing, the position of the rotation center axis of the rotor 30 can be moved on the XY coordinates without changing the inclination of the rotor 30. In this way, it is possible to control to maintain the position of the rotation center axis of the rotor 30 at a predetermined position on the XY coordinates.

また、前述したロータの両側面の永久磁石32と永久磁石33の配置を回転方向にずらすことにより、例えば一側の永久磁石32のN極に対応する他側の永久磁石33がS極となるように、永久磁石32と永久磁石33の磁極を互いに回転方向に90度ずらして配置した場合には、図14(a)(b)に記載したロータ30の上下面で発生する回転力の方向や磁気力の方向が逆となり、一側ステ−タ10と他側ステ−タ20に同じ方向、すなわち同一方向の制御電流を供給しても図14(b)で説明した効果が得られる。逆に、この場合には一側ステ−タ10と他側ステ−タ20に逆向きの電流を供給すると、図14(a)で説明した効果が得られる。
以上の様に、一側ステ−タ10の第2巻線12と他側ステ−タ20の第2巻線22に供給する制御電流の方向や、ロータ30の磁極に対する第2巻線12や第2巻線22が作る回転磁場のロータに対する位相差を調整することで、回転力または磁気力の両方を発生させたりあるいは一方のみを発生させたり、またこれらの力の方向をX−Y座標上で自由に制御することが可能となる。力の大きさを第2巻線12と第2巻線22に供給する制御電流の大きさを変えることによって制御することができる。
Further, by shifting the arrangement of the permanent magnets 32 and 33 on both sides of the rotor described above in the rotational direction, for example, the permanent magnet 33 on the other side corresponding to the N pole of the permanent magnet 32 on the one side becomes the S pole. Thus, when the magnetic poles of the permanent magnet 32 and the permanent magnet 33 are arranged 90 degrees apart from each other in the rotational direction, the direction of the rotational force generated on the upper and lower surfaces of the rotor 30 shown in FIGS. Even if the direction of the magnetic force is reversed and the control current in the same direction, that is, the same direction, is supplied to the one side stator 10 and the other side stator 20, the effect described in FIG. 14B can be obtained. On the other hand, in this case, if currents in opposite directions are supplied to the one side stator 10 and the other side stator 20, the effect described with reference to FIG.
As described above, the direction of the control current supplied to the second winding 12 of the one-side stator 10 and the second winding 22 of the other-side stator 20, the second winding 12 with respect to the magnetic poles of the rotor 30, By adjusting the phase difference of the rotating magnetic field generated by the second winding 22 with respect to the rotor, both rotational force and magnetic force are generated, or only one of them is generated, and the direction of these forces is expressed in the XY coordinates. It is possible to control freely above. The magnitude of the force can be controlled by changing the magnitude of the control current supplied to the second winding 12 and the second winding 22.

7.制御部70の演算処理について
7.1 ロータ30のZ軸方向における位置およびロータ30の回転速度制御について
次に、Z軸方向におけるロータ30の位置を所定の位置に維持する制御と、ロータ30の回転速度の制御について説明する。前述のように、一側ステ−タ10の第1巻線11と他側ステ−タ20の第1巻線21は、回転磁界を発生して永久磁石32を備えるロータ30に回転力(トルク)を発生するのに使用され、さらにZ軸上において、ロータ30を所定の位置に維持する制御に使用される。
7. Calculation processing of control unit 70 7.1 Position of rotor 30 in Z-axis direction and rotation speed control of rotor 30 Next, control for maintaining the position of rotor 30 in the Z-axis direction at a predetermined position, and rotor The control of the rotation speed of 30 will be described. As described above, the first winding 11 of the one-side stator 10 and the first winding 21 of the other-side stator 20 generate a rotating magnetic field and apply a rotational force (torque) to the rotor 30 including the permanent magnet 32. ) And is used for control to maintain the rotor 30 in a predetermined position on the Z axis.

三相交流の制御電流は、q軸(トルク)成分の電流Iとd軸(界磁)成分の電流Iからなる二相の直流電流I、Iとして制御量を演算し、演算された制御量を後述する二相三相変換部109で、三相交流に変換して、三相の制御電流値を求めることができる。 The control current of the three-phase AC is calculated by calculating the control amount as a two-phase DC current I d , I q consisting of a q-axis (torque) component current I q and a d-axis (field) component current I d. The control amount thus obtained can be converted into a three-phase alternating current by a two-phase three-phase conversion unit 109 described later, and a three-phase control current value can be obtained.

ロータ30をZ軸の所定位置に維持する制御は、Z軸上に対向して配置される第1巻線11による磁界とロータ30に設けられた永久磁石32との間の磁束密度を増減して吸引力を調整することにより、さらにまたZ軸上に対向して配置される第1巻線21による磁界とロータ30に設けられた永久磁石33との間の磁束密度を増減して吸引力を調整することによりおこなう。永久磁石32や永久磁石33に対して吸引力を増減する磁界は第1巻線11や第1巻線21に供給される制御電流のd軸(界磁)成分で制御することができる。   The control for maintaining the rotor 30 at a predetermined position on the Z-axis increases or decreases the magnetic flux density between the magnetic field generated by the first winding 11 disposed opposite to the Z-axis and the permanent magnet 32 provided on the rotor 30. By adjusting the attractive force, the magnetic force density between the permanent magnet 33 provided on the rotor 30 and the magnetic field generated by the first winding 21 disposed opposite to the Z-axis is increased or decreased. This is done by adjusting. The magnetic field that increases or decreases the attractive force with respect to the permanent magnet 32 or the permanent magnet 33 can be controlled by the d-axis (field) component of the control current supplied to the first winding 11 or the first winding 21.

一方ロータ30の回転速度の制御は、目標回転速度との相違に基づき、第1巻線11や第1巻線21による磁界とロータ30に設けられた永久磁石32や永久磁石33により発生する回転トルクの大きさを制御することにより、おこなわれる。回転トルクの大きさは第1巻線11や第1巻線21に供給される制御電流のq軸(トルク)成分の電流Iにより制御することができる。 On the other hand, the control of the rotational speed of the rotor 30 is based on the difference from the target rotational speed, and the magnetic field generated by the first winding 11 and the first winding 21 and the rotation generated by the permanent magnet 32 and the permanent magnet 33 provided on the rotor 30. This is done by controlling the magnitude of the torque. The magnitude of the rotational torque can be controlled by the current I q of the q-axis (torque) component of the control current supplied to the first winding 11 and the first winding 21.

ロータ30をZ軸の所定位置に維持するためのZ軸方向の増減分の吸引力やロータ30の回転速度を目標速度に維持するための回転トルクの制御は、ベクトル制御の理論を用いることにより、電流の指令値が演算され、演算されたd軸(界磁)成分やq軸(トルク)成分の値に基づき、三相交流電流が指令電流値が求められ、第1巻線11や第1巻線21に供給する制御電流が作られる。前記Z軸方向の増減分の吸引力Fおよび回転トルク(回転力)Tは、d軸(界磁)成分の電流Iとq軸(トルク)成分の電流Iを用いて以下の式で計算することができる。 The control of the attraction force in the Z-axis direction for maintaining the rotor 30 at a predetermined position on the Z-axis and the rotational torque for maintaining the rotational speed of the rotor 30 at the target speed are based on the theory of vector control. The command value of the current is calculated, and based on the calculated d-axis (field) component and q-axis (torque) component values, the command current value of the three-phase alternating current is obtained, A control current to be supplied to one winding 21 is created. The attraction force F and the rotational torque (rotational force) T in the Z-axis direction are expressed by the following equations using the current I q of the d-axis (field) component and the current I q of the q-axis (torque) component. Can be calculated.

Figure 2014033543
ここで、kとkは比例定数である。数式(数1)を用いることにより、ロータ30のZ軸方向の位置制御のためのZ軸方向の増減分吸引力を発生する制御電流Iを演算することができる。さらにロータ30の回転速度の制御に必要な回転トルクを発生するための制御電流Iを演算により決定することができる。決定した電流値IおよびIを後述する二相三相変換部109で座標変換することにより、三相交流電流値に変換し、変換された三相交流電流値に基づいて、出力部60により三相交流電流を発生して、第1巻線11を構成するコイルへ交流電流値I、I、Iに基づく制御電流を供給する。
Figure 2014033543
Here, k F and k T is a proportionality constant. By using the equation (Equation 1), it is possible to calculate the control current I d for generating the increment or decrement the suction force of the Z-axis direction for the position control of the Z-axis direction of the rotor 30. Furthermore, the control current Iq for generating the rotational torque necessary for controlling the rotational speed of the rotor 30 can be determined by calculation. The determined current values I d and I q are converted into coordinates by a two-phase / three-phase conversion unit 109 to be described later, thereby converting to a three-phase AC current value. Based on the converted three-phase AC current value, the output unit 60 To generate a three-phase alternating current, and supply a control current based on the alternating current values I U , I V , and I W to the coils constituting the first winding 11.

図15は、ロータ30のZ軸方向における位置を制御し、さらにロータ30の回転速度を制御するための制御ブロック図である。ロータ30の制御部は、計測部40と高速に演算を行う演算処理部50と演算結果に基づいて制御電流を発生する出力部60を備えている。   FIG. 15 is a control block diagram for controlling the position of the rotor 30 in the Z-axis direction and further controlling the rotational speed of the rotor 30. The control unit of the rotor 30 includes a measurement unit 40, a calculation processing unit 50 that performs calculation at high speed, and an output unit 60 that generates a control current based on the calculation result.

Z軸方向におけるロータ30の位置の制御およびロータ30の回転速度制御には、3つの渦電流変位センサなどの変位センサ101、102、103と、一側ステ−タ10と他側ステ−タ30に配置されたホールICなどの回転角度センサ104と、それぞれの変位センサの出力をディジタル値に変換するA/D変換器、回転角度、速度を計算する計算部が使用される。3つの変位センサ101、102、103によってZ軸方向におけるロータ30の位置がそれぞれ計測され、A/D変換器によりそれぞれディジタル値に変換される。またロータ30の回転速度はホールICなどを用いたセンサ104により計測される。センサ104により計測されたロータ30の回転速度は後述するロータ30の回転速度の制御に使用される。   For the control of the position of the rotor 30 in the Z-axis direction and the rotational speed control of the rotor 30, displacement sensors 101, 102, 103 such as three eddy current displacement sensors, one side stator 10, and the other side stator 30 are used. , A rotation angle sensor 104 such as a Hall IC, an A / D converter that converts the output of each displacement sensor into a digital value, and a calculation unit that calculates the rotation angle and speed are used. The position of the rotor 30 in the Z-axis direction is measured by the three displacement sensors 101, 102, and 103, and converted into digital values by the A / D converter. The rotational speed of the rotor 30 is measured by a sensor 104 using a Hall IC or the like. The rotational speed of the rotor 30 measured by the sensor 104 is used for controlling the rotational speed of the rotor 30 described later.

演算処理部50は、以下に説明する演算を行う。この明細書では、代数計算だけでなく予め算出されたあるいは予め設定されていた結果を入力データに基づいて検索して結果を得る方式なども含めて、演算と定義する。なお、計測部40に記載したA/D変換器は前記マイクロプロセッサが内蔵するA/D変換機能を演算処理の中で適切なタイミングで行っても良い。計測部40、演算処理部50、出力部50はワンチップマイクロコンピュータ、DSPなどのコンピュータシステムを使用して実現しても良い。本実施例ではこれらを構成する各機能ブロックは上記ワンチップマイクロコンピュータと処理プログラムで実現される。   The arithmetic processing unit 50 performs arithmetic operations described below. In this specification, not only algebraic calculation but also a calculation including a method of retrieving a result calculated in advance or preset based on input data and obtaining the result is defined. The A / D converter described in the measurement unit 40 may perform the A / D conversion function built in the microprocessor at an appropriate timing in the arithmetic processing. The measurement unit 40, the arithmetic processing unit 50, and the output unit 50 may be realized using a computer system such as a one-chip microcomputer or a DSP. In this embodiment, each functional block constituting these is realized by the one-chip microcomputer and the processing program.

演算処理部50は、ディジタル値に変換された各センサ101〜103により計測されたZ軸方向における計測値Z1とZ2、Z3を取り込み、計測値Z1とZ2、Z3の平均値を演算して、Z軸方向におけるロータ30の位置Zを演算する。Z軸方向におけるロータ30の目標位置との偏差を演算し該偏差に基づき必要なZ軸方向の吸引力FをPID制御部105により演算する。演算されたZ軸方向吸引力Fから(数1)を用いて演算部106により、電流値Iを演算により求める。 The arithmetic processing unit 50 takes in the measured values Z1, Z2, and Z3 in the Z-axis direction measured by the sensors 101 to 103 converted into digital values, calculates the average value of the measured values Z1, Z2, and Z3, The position Z of the rotor 30 in the Z-axis direction is calculated. A deviation from the target position of the rotor 30 in the Z-axis direction is calculated, and a necessary suction force F in the Z-axis direction is calculated by the PID control unit 105 based on the deviation. From the calculated Z-axis direction attractive force F, the current value Id is calculated by the calculation unit 106 using (Equation 1).

演算部106で演算された電流値Iと後述する演算により算出された電流値Iを二相三相変換部109で変換して三相交流電流値I、I、Iを求める。これら三相交流電流値I、I、Iに基づく三相交流電流を、出力部60が有するD/A変換器201〜203で発生し、リニアアンプ等を通して一側ステータ10の第1巻線11に供給する。 Three-phase alternating current I U by converting the current value I q calculated by the calculation described below with the calculated current value I d by the arithmetic unit 106 in a two-phase three-phase conversion unit 109, I V, obtaining the I W . The three-phase AC currents based on these three-phase AC current values I U , I V , and I W are generated by the D / A converters 201 to 203 included in the output unit 60, and the first stator 10 of the one-side stator 10 is passed through a linear amplifier or the like. Supply to winding 11.

次にロータ30の回転トルクの制御に係る演算について説明する。ホールICで作られるセンサ104を用いて、ロータ30の永久磁石32、33を検知することにより、ロータの磁極位置を表す回転角およびロータ30の回転速度が計測される。そして、センサ104の出力信号が回転速度計算部を介して演算処理部50に取り込まれる。上述したZ軸方向吸引力Fの計算と同様に、演算処理部50のPID制御部107においてフィードバック制御のための、予め設定した目標値の回転速度値と測定された回転速度値の差が演算され、目標値の回転速度値になるために必要な回転力Tが算出される。そして、演算部108において回転力Tから(数1)を用いて電流値Iが演算される。 Next, calculation related to control of the rotational torque of the rotor 30 will be described. By detecting the permanent magnets 32 and 33 of the rotor 30 using the sensor 104 made of a Hall IC, the rotation angle indicating the magnetic pole position of the rotor and the rotation speed of the rotor 30 are measured. Then, the output signal of the sensor 104 is taken into the arithmetic processing unit 50 via the rotation speed calculation unit. Similar to the calculation of the Z-axis direction suction force F described above, the difference between the rotational speed value of the target value set in advance and the measured rotational speed value for feedback control in the PID control unit 107 of the arithmetic processing unit 50 is calculated. Then, the rotational force T necessary to reach the target rotational speed value is calculated. Then, the current value I q is calculated from the rotational force T in the calculation unit 108 using (Equation 1).

後述する電流値マイナスIとIを座標変換部110により三相交流電流値I、I、Iに変換する。そして、出力部60のD/A変換器により、演算された三相交流電流値I、I、Iのディジタル信号をアナログ信号に変換して、リニアアンプ等を通して他側ステータ20の第1巻線21に供給する。 Current values minus I d and I q described later are converted into three-phase alternating current values I U , I V , and I W by the coordinate conversion unit 110. Then, the D / A converter of the output unit 60 converts the calculated digital signals of the three-phase alternating current values I U , I V , and I W into analog signals, and passes through the linear amplifier and the like on the other side stator 20. One winding 21 is supplied.

第1巻線11と第1巻線21でロータ30のZ軸上の位置を制御する。この場合にロータ30に作用する力の作用する方向が第1巻線11と第1巻線21とでは逆となる。このため制御量を互いに逆にすることが必要である。即ちロータ30を一側ステータ10の方向に移動する場合には、第1巻線11とロータ30との間の吸引力を増加し、第1巻線21とロータ30との間の吸引力を減少するようにしなければならない。このため第1巻線21へ供給する三相交流電流値を、演算部106で演算された第1巻線11のための演算値Idの逆方向の力を表すマイナスIdとして二相三相変換部110に入力する。二相三相変換部109で変換された三相交流電流値に基づいて、出力部60により三相交流電流を発生して、一側ステータ10の第1巻線11を構成するコイルへ制御電流としてリニアアンプ等を通して供給する。また、二相三相変換部110で変換された三相交流電流値に基づいて、出力部60により三相交流電流を発生して、他側ステータ20の第1巻線21を構成するコイルへ制御電流としてリニアアンプ等を通して供給する。このようにすることにより、第1巻線11や第1巻線21に基づいて発生した回転磁界により、ロータ30のZ軸上の位置の制御や、ロータ30に作用する回転トルクの制御に基づくロータ30の回転速度の制御を行うことができる。   The first winding 11 and the first winding 21 control the position of the rotor 30 on the Z axis. In this case, the direction in which the force acting on the rotor 30 acts is opposite between the first winding 11 and the first winding 21. For this reason, it is necessary to reverse the control amounts. That is, when the rotor 30 is moved in the direction of the one-side stator 10, the suction force between the first winding 11 and the rotor 30 is increased, and the suction force between the first winding 21 and the rotor 30 is increased. It must be reduced. Therefore, the two-phase three-phase conversion is performed by setting the three-phase alternating current value supplied to the first winding 21 as minus Id representing the force in the reverse direction of the calculated value Id for the first winding 11 calculated by the calculation unit 106. To the unit 110. Based on the three-phase AC current value converted by the two-phase / three-phase converter 109, a three-phase AC current is generated by the output unit 60, and a control current is supplied to the coil constituting the first winding 11 of the one-side stator 10. As a linear amplifier. Further, based on the three-phase AC current value converted by the two-phase / three-phase converter 110, a three-phase AC current is generated by the output unit 60, and the coil constituting the first winding 21 of the other side stator 20 is generated. A control current is supplied through a linear amplifier or the like. By doing so, based on the control of the position of the rotor 30 on the Z axis and the control of the rotational torque acting on the rotor 30 by the rotating magnetic field generated based on the first winding 11 and the first winding 21. The rotational speed of the rotor 30 can be controlled.

図15に記載の演算ブロック図では、ロータを回転させるために三相交流の制御電流を一側ステ−タ10の第1巻線11と他側ステ−タ20の第1巻線21に供給している。三相交流を使用することにより回転磁界を効率よく発生することができるが、回転磁界を発生させるのに必ずしも三相交流に限る必要はない。後述するように発生させる回転磁界の極数はロータの磁極数の関係できめられ、ステ−タの突極数との関係で三相以外の交流を使用する場合も考えられる。例えば、ロータを回転させるための回転磁界をニ相の交流で発生させることができるし、あるいは六相の交流を使用して回転磁界を発生することもできる。従って第1巻線11や第1巻線21に供給する制御電流に三相交流電流を使用する場合には効率よく回転磁界を発生することができるが、発生する回転磁界の極数や第1巻線11や第1巻線21を構成するコイルの数により、他の相の交流を制御電流として供給することも可能である。   In the calculation block diagram shown in FIG. 15, a three-phase AC control current is supplied to the first winding 11 of the one-side stator 10 and the first winding 21 of the other-side stator 20 in order to rotate the rotor. doing. Although a rotating magnetic field can be generated efficiently by using a three-phase alternating current, it is not necessarily limited to a three-phase alternating current to generate a rotating magnetic field. As will be described later, the number of poles of the rotating magnetic field to be generated is determined by the relationship with the number of magnetic poles of the rotor. For example, a rotating magnetic field for rotating the rotor can be generated with a two-phase alternating current, or a rotating magnetic field can be generated using a six-phase alternating current. Accordingly, when a three-phase alternating current is used as the control current supplied to the first winding 11 and the first winding 21, a rotating magnetic field can be generated efficiently. However, the number of poles of the generated rotating magnetic field and the first Depending on the number of coils constituting the winding 11 and the first winding 21, it is also possible to supply alternating current of other phases as a control current.

7.2ロータの傾き制御およびロータ30の回転中心軸のX−Y座標上の位置について
前述のように、ロータ30の傾き制御と径方向位置の制御は、一側ステ−タ10の第2巻線12と他側ステ−タ20の第2巻線22に供給される制御電流の方向、回転磁場の位相と波高値を調節することにより、行われる。一側ステ−タ10と他側ステ−タ20により発生する傾きを制御する回転力tと径方向磁気力fは、一側ステ−タ10の第2巻線12に供給される電流をItopとし、他側ステ−タ20の第2巻線22に供給される電流をIbottomとすると、以下の式(数2)で表される。
7.2 Rotor Inclination Control and Position of Rotation Center Axis of Rotor 30 on XY Coordinate As described above, the inclination control of rotor 30 and the control of the radial position are performed by the second side stator 10. This is done by adjusting the direction of the control current supplied to the winding 12 and the second winding 22 of the other side stator 20, the phase of the rotating magnetic field, and the peak value. The rotational force t and the radial magnetic force f that control the tilt generated by the one-side stator 10 and the other-side stator 20 are the current supplied to the second winding 12 of the one-side stator 10 I. Assuming that the top is I and the current supplied to the second winding 22 of the other side stator 20 is I bottom , it is expressed by the following equation (Equation 2).

Figure 2014033543
ここで、kとkは比例定数である。数式(数2)を用いることにより、ロータの傾き制御および径方向位置制御に必要な径方向磁気力すなわちXあるいはY座標方向の成分を有する磁気力、およびX軸あるいはY軸を中心とする回転成分を有する回転力に従ってItopおよびIbottomを演算により決定する。決定した電流値ItopおよびIbottomを座標変換することにより、例えば三相交流へと変換しコイルへ交流の電流値I、I、Iを算出し、これに基づく交流電流を第2巻線12と22に供給することにより磁界を発生させる。
Figure 2014033543
Here, k R and k T is a proportionality constant. By using the mathematical formula (Equation 2), radial magnetic force necessary for rotor tilt control and radial position control, that is, magnetic force having a component in the X or Y coordinate direction, and rotation around the X or Y axis. I top and I bottom are determined by calculation according to the rotational force having components. By converting the coordinates of the determined current values I top and I bottom , for example, the current values I U , I V , and I W are calculated by converting the current values I top and I bottom into a three-phase alternating current. A magnetic field is generated by supplying the windings 12 and 22.

図16はロータ30の傾きと径方向位置の制御を行うための制御ブロック図である。図16の演算部209を含む方は、X軸回りの傾きおよびY軸方向位置制御を行うための制御ブロック図であり、図16の演算部307を含む方は、Y軸回りの傾きおよびX軸方向位置制御を行うための制御ブロック図である。ロータ30の制御部は、図15を用いてロータのZ軸方向位置および回転速度制御で説明でしたものと同様であり、計測部40、高速に演算を行う演算処理部50、出力部60から構成される。   FIG. 16 is a control block diagram for controlling the inclination and radial position of the rotor 30. 16 includes a control block diagram for performing the tilt around the X axis and the Y-axis direction position control, and the one including the calculator 209 in FIG. 16 includes the tilt around the Y axis and the X axis. It is a control block diagram for performing axial position control. The control unit of the rotor 30 is the same as that described in the Z-axis direction position and rotation speed control of the rotor with reference to FIG. 15. From the measurement unit 40, the calculation processing unit 50 that performs high-speed calculation, and the output unit 60, Composed.

計測部40の構成は、図15で説明した構成と同じであるが、ロータ30の傾きと径方向位置制御には、ロータ30上面の3つの変位センサ101、102、103と、ロータ30の外周のX軸とY軸上にそれぞれ1つ配置された変位センサ204、205と、それぞれのA/D変換器が使用される。   The configuration of the measurement unit 40 is the same as that described with reference to FIG. Displacement sensors 204 and 205 arranged on the X-axis and Y-axis, respectively, and the respective A / D converters are used.

演算処理部50は、必要な径方向磁気力fと傾き復元回転力tを算出するPID制御部207、208、305、306と、(数2)を用いて電流値ItopおよびIbottomが計算される演算部209、307と、電流値ItopおよびIbottomを座標変換することにより三相交流電流I、I、Iに変換する演算部300、308とからなる。 The arithmetic processing unit 50 calculates the current values I top and I bottom using the PID control units 207, 208, 305, and 306 that calculate the required radial magnetic force f and the tilt restoring rotational force t and (Equation 2). Arithmetic units 209 and 307, and arithmetic units 300 and 308 that convert the current values I top and I bottom into three-phase alternating currents I U , I V , and I W by converting the coordinates.

そして、出力部60は、計算された三相交流電流I、I、Iのディジタル信号をアナログ信号に変換するD/A変換器301〜303、309〜311と、一側ステ−タ10の第2巻線12と他側ステ−タ20の第2巻線22に電流を供給するためのリニアアンプから構成される。 The output unit 60 includes D / A converters 301 to 303 and 309 to 311 that convert the calculated digital signals of the three-phase alternating currents I U , I V , and I W into analog signals, and a one-side statuser. It comprises a linear amplifier for supplying current to the 10 second windings 12 and the second winding 22 of the other side stator 20.

次に、図16に示すロータ30のY軸方向位置と傾き回転制御について具体的に説明する。ロータ30のX軸周りの傾きθは、変位センサ101、102、103で検知される。検知されたアナログ信号は、A/D変換器を介してディジタル信号に変換され、Z軸方向の値Z1、Z2、Z3が出力され、それらの値からX軸周りの傾きθがθ計算部206で計算される。 Next, the Y-axis direction position and tilt rotation control of the rotor 30 shown in FIG. 16 will be specifically described. The inclination θ x around the X axis of the rotor 30 is detected by the displacement sensors 101, 102, and 103. The detected analog signal is converted into a digital signal through an A / D converter, and values Z1, Z2, and Z3 in the Z-axis direction are output. From these values, the inclination θ x around the X-axis is calculated by θ x. Calculated by the unit 206.

そして、演算処理部50のPID制御部207においてフィードバック制御により、予め設定した目標値のX軸周りの傾きθと、算出された傾きθの差が計算され、目標値のθになるために必要な回転力tθxが計算される。 Then, by the feedback control in the PID control unit 207 of the arithmetic processing unit 50, the difference between the inclination θ x around the X axis of the preset target value and the calculated inclination θ x is calculated and becomes the target value θ x . The rotational force tθx required for this is calculated.

また、ロータ30の外周のY軸上に配置された変位センサ205を用いて、ロータ30のY軸方向の位置Yが計測される。そして、位置YがA/D変換器を介して演算処理部50に取り込まれる。演算処理部50のPID制御部208においてフィードバック制御により、予め設定した目標値のYと測定されたYの差が計算され、目標値のYになるために必要な径方向の磁気力fが計算される。 Further, the position Y of the rotor 30 in the Y-axis direction is measured using the displacement sensor 205 disposed on the Y-axis on the outer periphery of the rotor 30. Then, the position Y is taken into the arithmetic processing unit 50 via the A / D converter. The difference between the preset target value Y and the measured Y is calculated by feedback control in the PID control unit 208 of the arithmetic processing unit 50, and the radial magnetic force f y required to become the target value Y is obtained. Calculated.

ロータ30のY軸周りの傾きθは、変位センサ101、102、103で検知される。検知されたアナログ信号は、A/D変換器を介してディジタル信号に変換され、Z軸方向の値Z1、Z2、Z3が出力され、それらの値からY軸周りの傾きθがθ計算部304で計算される。 The inclination θ y around the Y axis of the rotor 30 is detected by the displacement sensors 101, 102, and 103. The detected analog signal is converted into a digital signal through an A / D converter, and values Z1, Z2, and Z3 in the Z-axis direction are output. From these values, the inclination θ y around the Y-axis is calculated by θ y. Calculated by the unit 304.

そして、演算処理部50のPID制御部305においてフィードバック制御により、予め設定した目標値のX軸周りの傾きθと、算出された傾きθの差が計算され、目標値のθになるために必要な回転力tθyが計算される。 Then, by the feedback control in the PID control unit 305 of the arithmetic processing unit 50, the difference between the inclination θ y around the X axis of the preset target value and the calculated inclination θ y is calculated and becomes the target value θ y . Therefore, the rotational force tθy necessary for this is calculated.

また、ロータ30の外周のX軸上に配置された変位センサ204を用いて、ロータ30のX軸方向の位置Xが計測される。そして、位置XがA/D変換器を介して演算処理部50に取り込まれる。演算処理部50のPID制御部306においてフィードバック制御により、予め設定した目標値のXと測定されたXの差が計算され、目標値のXになるために必要な径方向の磁気力fが計算される。 Further, the position X in the X-axis direction of the rotor 30 is measured using the displacement sensor 204 disposed on the X-axis on the outer periphery of the rotor 30. Then, the position X is taken into the arithmetic processing unit 50 via the A / D converter. By the feedback control in the PID controller 306 of the arithmetic processing unit 50, it calculates the difference between the X that has been determined X of preset target value, the magnetic force f x in the radial direction needed to become X target value Calculated.

そして、演算部209において、回転力tθxと径方向磁気力fから(数2)を用いて電流値ItopθXおよびIbottomθXが計算される。次に、演算部307で、回転力tθyと径方向磁気力fから(数2)を用いて電流値ItopθYおよびIbottomθYが計算される。次に演算部300と308で、一側ステ−タ10と他側ステ−タ20にそれぞれ流す電流値ItopおよびIbottomを求め、座標変換により三相交流電流I、I、Iに変換し、出力部60のD/A変換器301〜303、309〜311により、計算された三相交流電流I、I、Iのディジタル信号をアナログ信号に変換して、一側ステ−タ10の第2巻線12と他側ステ−タ20の第2巻線22にリニアアンプを介して電流を供給する。 Then, the computing unit 209 calculates current values I top θX and I bottom θX from the rotational force t θx and the radial magnetic force f y using ( Equation 2). Next, the computing unit 307 calculates current values I topθY and I bottomθY from the rotational force t θy and the radial magnetic force f x using ( Equation 2). Next, the arithmetic units 300 and 308 obtain current values I top and I bottom to be passed through the one-side stator 10 and the other-side stator 20, respectively, and three-phase AC currents I U , I V , I W are obtained by coordinate conversion. The D / A converters 301 to 303 and 309 to 311 of the output unit 60 convert the calculated digital signals of the three-phase alternating currents I U , I V , and I W into analog signals, and Current is supplied to the second winding 12 of the stator 10 and the second winding 22 of the other side stator 20 through a linear amplifier.

以上のようにして、ロータ30のX、Y軸方向の位置とX軸周り、Y軸周りの傾き回転制御を行う。   As described above, the rotation of the rotor 30 in the X and Y axis directions and the tilt rotation control around the X axis and the Y axis are performed.

8.他の実施例について
上述の実施例では、一側ステータ10あるいは他側ステータ20は第1巻線11と第2巻線12あるいは第1巻線21と第2巻線22とを有し、ステータ鉄心15には第1巻線11と第2巻線12とが発生した磁界が加算された状態の磁界が表れ、ロータ30の永久磁石に作用する。一方第1巻線21と第2巻線22とがそれぞれ発生した磁界がステータ鉄心25で加算され、加算された磁界としてロータ30の永久磁石に作用する。一側ステータ10あるいは他側ステータ20の第1巻線11と第2巻線12あるいは第1巻線21と第2巻線22との代わりに第1巻線11と第2巻線12の機能を持たせるために、あるいは第1巻線21と第2巻線22の機能を持たせるために、少なくとも1つの巻線を一側ステータ10と他側ステータ20にそれぞれ持たせることができる。この場合は、第1巻線11と第2巻線12に供給する制御電流を加算し、この加算した状態の電流を、一側ステータ10に持たせた少なくとも一つの巻線に制御電流として供給する。また第1巻線21と第2巻線22供給する制御電流を加算し、加算した状態の電流を、他側ステータ20に持たせた少なくとも一つの巻線に、制御電流として供給する。
8). Regarding Other Embodiments In the above-described embodiments, the one-side stator 10 or the other-side stator 20 includes the first winding 11 and the second winding 12 or the first winding 21 and the second winding 22, and the stator A magnetic field in which the magnetic fields generated by the first winding 11 and the second winding 12 are added appears on the iron core 15 and acts on the permanent magnet of the rotor 30. On the other hand, the magnetic fields generated by the first winding 21 and the second winding 22 are added by the stator core 25 and act on the permanent magnet of the rotor 30 as the added magnetic field. Functions of the first winding 11 and the second winding 12 instead of the first winding 11 and the second winding 12 or the first winding 21 and the second winding 22 of the one-side stator 10 or the other-side stator 20. In order to provide the functions of the first winding 21 and the second winding 22, at least one winding can be provided to the one-side stator 10 and the other-side stator 20, respectively. In this case, the control currents supplied to the first winding 11 and the second winding 12 are added, and the added current is supplied as control current to at least one winding provided to the one-side stator 10. To do. Further, the control currents supplied from the first winding 21 and the second winding 22 are added, and the added current is supplied as control current to at least one winding provided to the other stator 20.

10…一側ステ−タ、11…一側ステ−タ第1巻線、12…一側ステ−タ第2巻線、13…一側ステ−タ第2巻線が作る磁界、15…ステータ鉄心、20…他側ステ−タ、21…他側ステ−タ第1巻線、22…他側ステ−タ第2巻線、23…他側ステ−タ第2巻線が作る磁界、25…ステータ鉄心、30…ロータ、31…インペラー、32,33…永久磁石、40…計測部、41,45…反発力、42,44…吸引力、43,48…Y軸周りの回転力、46,47…X軸方向磁気力、50…演算処理部、60…出力部、70…制御部、100…アキシャル型磁気浮上モータ、101,102,103,104,204,205…センサ、105,107,206,208…PID制御部、106,108,207…演算部、109,110,209…ニ相三相変換部、112…第1コイル、122…第2コイル、201〜206,301〜303…出力端子、221…第1コイル、222…第2コイル、312,313…ヨーク、314…穴、500…中心線。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... One side stator, 11 ... One side stator 1st winding, 12 ... One side stator second winding, 13 ... Magnetic field which 1 side stator 2nd winding produces, 15 ... Stator Iron core, 20 ... other side stator, 21 ... other side stator first winding, 22 ... other side stator second winding, 23 ... magnetic field generated by the other side stator second winding, 25 ... stator iron core, 30 ... rotor, 31 ... impeller, 32, 33 ... permanent magnet, 40 ... measuring part, 41, 45 ... repulsive force, 42, 44 ... attractive force, 43, 48 ... rotational force around Y axis, 46 , 47 ... Magnetic force in the X-axis direction, 50 ... Arithmetic processing unit, 60 ... Output unit, 70 ... Control unit, 100 ... Axial magnetic levitation motor, 101, 102, 103, 104, 204, 205 ... Sensor, 105, 107 , 206, 208 ... PID control unit, 106, 108, 207 ... calculation unit, 109, 110, 209 ... two-phase / three-phase conversion unit 112 ... first coil, 122 ... second coil, 201~206,301~303 ... output terminal, 221 ... first coil, 222 ... second coil, 312 and 313 ... York, 314 ... hole 500 ... center line.

Claims (8)

X軸とY軸とZ軸を備える直交座標系の前記Z軸方向に設けられた回転中心軸で回転するロータと、
前記Z軸に沿って前記ロータの一側に離間して配置され、複数のコイルで構成される巻線を少なくとも1つ備えた一側ステータと、
前記Z軸に沿って前記ロータの他側に離間して配置され、複数のコイルで構成される巻線を少なくとも1つ備えた他側ステータと、
前記一側ステータの巻線および前記他側ステータの巻線に制御電流を供給する制御部と、を有し、
前記一側ステータおよび前記他側ステータはそれぞれ複数の突極を有するステータ鉄心を更に有し、前記各ステータ鉄心の前記各突極には前記巻線を構成する前記コイルが巻回されており、
前記ロータの前記一側ステータに対向する面および前記他側ステータに対向する面にそれぞれ、前記ロータの磁極を形成する複数の永久磁石を配置し、
前記一側ステータと前記他側ステータがそれぞれ備えている少なくとも1つの前記巻線に、前記制御部から前記ロータに発生する回転トルクを制御すると共に、前記ロータの前記回転中心軸の前記X軸および前記Y軸による座標の位置を所定位置に維持する制御を行う前記制御電流を供給する、
ことを特徴とするアキシャル型磁気浮上モータ。
A rotor that rotates about a rotation center axis provided in the Z-axis direction of an orthogonal coordinate system including an X-axis, a Y-axis, and a Z-axis;
A one-side stator that is disposed at one side of the rotor along the Z-axis and includes at least one winding composed of a plurality of coils;
An other side stator provided with at least one winding composed of a plurality of coils, spaced apart from the other side of the rotor along the Z axis;
A control unit for supplying a control current to the winding of the one-side stator and the winding of the other-side stator,
Each of the one-side stator and the other-side stator further includes a stator core having a plurality of salient poles, and the coils constituting the winding are wound around the salient poles of the stator cores,
A plurality of permanent magnets for forming magnetic poles of the rotor are disposed on a surface facing the one-side stator of the rotor and a surface facing the other-side stator,
The at least one winding provided in each of the one-side stator and the other-side stator controls rotational torque generated from the control unit to the rotor, and the X-axis of the rotation center axis of the rotor and Supplying the control current for performing control to maintain the position of the coordinate by the Y axis at a predetermined position;
Axial type magnetic levitation motor.
請求項1に記載のアキシャル型磁気浮上モータであって、
前記制御部が、前記ロータに発生する回転トルクを制御する回転トルク制御値、および前記ロータの前記X軸および前記Y軸による座標の位置を制御する回転中心軸位置制御値を演算し、演算された前記回転トルク制御値および前記回転中心軸位置制御値に基づき前記制御電流を発生して前記一側ステータおよび前記他側ステータの少なくとも一つの前記巻線に前記制御電流をそれぞれ供給する、ことを特徴とするアキシャル型磁気浮上モータ。
The axial type magnetic levitation motor according to claim 1,
The control unit calculates a rotation torque control value for controlling the rotation torque generated in the rotor, and a rotation center axis position control value for controlling the coordinate position of the rotor by the X axis and the Y axis. Generating the control current based on the rotation torque control value and the rotation center axis position control value and supplying the control current to at least one of the windings of the one-side stator and the other-side stator, respectively. A feature of the axial type magnetic levitation motor.
請求項2に記載のアキシャル型磁気浮上モータであって、
演算された前記回転トルク制御値に基づき前記一側ステータおよび前記他側ステータがそれぞれ有する回転磁界発生用の極数Mは、前記ロータの磁石が作る極数Pと同じ数であり、
演算された前記回転中心軸位置制御値に基づき前記一側ステータおよび前記他側ステータがそれぞれ有する回転磁界発生用の極数Mは、前記ロータの磁石が作る極数Pに対してM=P±2の関係を有している、ことを特徴とするアキシャル型磁気浮上モータ。
The axial type magnetic levitation motor according to claim 2,
Based on the calculated rotational torque control value, the number of poles M for generating a rotating magnetic field that each of the one-side stator and the other-side stator has is the same as the number of poles P created by the magnet of the rotor,
Based on the calculated rotation center axis position control value, the number of poles M for generating the rotating magnetic field of each of the one-side stator and the other-side stator is M = P ± with respect to the pole number P created by the magnet of the rotor. An axial magnetic levitation motor characterized by having a relationship of two.
請求項1に記載のアキシャル型磁気浮上モータであって、
前記一側ステータと前記他側ステータはそれぞれ少なくとも第1巻線と第2巻線を備え、
前記制御部が、前記ロータに発生する回転トルクを制御する回転トルク制御値、および前記ロータの前記回転中心軸の前記X軸および前記Y軸による座標の位置を制御する回転中心軸位置制御値を演算し、
前記制御部が、演算された前記回転トルク制御値に基づいて前記制御電流を前記一側ステータと前記他側ステータの前記第1巻線にそれぞれ供給し、さらに演算された前記回転中心軸位置制御値に基づいて前記制御電流を前記一側ステータと前記他側ステータの前記第2巻線にそれぞれ供給し、
前記各第2巻線により作られる回転磁界の極数をMとし、前記ロータの磁石が作る極数をPとした場合に、M=P±2の関係が成立する、
ことを特徴とするアキシャル型磁気浮上モータ。
The axial type magnetic levitation motor according to claim 1,
The one-side stator and the other-side stator each include at least a first winding and a second winding,
A rotation torque control value for controlling a rotation torque generated in the rotor, and a rotation center axis position control value for controlling a position of a coordinate of the rotation center axis of the rotor by the X axis and the Y axis; Operate,
The control unit supplies the control current to the first windings of the one-side stator and the other-side stator based on the calculated rotation torque control value, and further calculates the rotation center axis position control. Supplying the control current to the second windings of the one-side stator and the other-side stator based on values,
When the number of poles of the rotating magnetic field created by each of the second windings is M and the number of poles created by the magnet of the rotor is P, the relationship M = P ± 2 is established.
Axial type magnetic levitation motor.
請求項2に記載のアキシャル型磁気浮上モータであって、
前記制御部は演算処理部と出力部を有し、
前記演算処理部は、前記ロータの回転中心軸の計測された位置および前記ロータの計測された傾きに基づいて、前記ロータの回転中心軸の前記X軸および前記Y軸による座標の位置および前記ロータの傾きを制御するための回転中心軸位置制御値および傾き制御値を演算し、
前記出力部は、演算された前記回転中心軸位置制御値および傾き制御値に基づいて、前記一側ステータおよび前記他側ステータの前記巻線にそれぞれ前記制御電流を供給する、ことを特徴とするアキシャル型磁気浮上モータ。
The axial type magnetic levitation motor according to claim 2,
The control unit has an arithmetic processing unit and an output unit,
The arithmetic processing unit, based on the measured position of the rotation center axis of the rotor and the measured inclination of the rotor, the coordinate position of the rotation center axis of the rotor by the X axis and the Y axis, and the rotor Rotation center axis position control value and tilt control value for controlling the tilt of
The output unit supplies the control current to the windings of the one-side stator and the other-side stator, respectively, based on the calculated rotation center axis position control value and tilt control value. Axial maglev motor.
請求項4に記載のアキシャル型磁気浮上モータであって、
前記制御部は演算処理部と出力部とを有し、
前記演算処理部は、前記ロータの回転中心軸の計測された位置および前記ロータの計測された傾きに基づいて、前記ロータの回転中心軸の前記X軸および前記Y軸による座標の位置および前記ロータの傾きを制御するための回転中心軸位置制御値および傾き制御値を演算し、
前記出力部は、演算された前記回転中心軸位置制御値および傾き制御値に基づいて、前記一側ステータおよび前記他側ステータの前記第2巻線にそれぞれ、前記ロータの回転中心軸の位置および前記ロータの傾きを制御するための前記制御電流を供給する、ことを特徴とするアキシャル型磁気浮上モータ。
The axial type magnetic levitation motor according to claim 4,
The control unit has an arithmetic processing unit and an output unit,
The arithmetic processing unit, based on the measured position of the rotation center axis of the rotor and the measured inclination of the rotor, the coordinate position of the rotation center axis of the rotor by the X axis and the Y axis, and the rotor Rotation center axis position control value and tilt control value for controlling the tilt of
Based on the calculated rotation center axis position control value and inclination control value, the output unit includes a position of the rotation center axis of the rotor and the second winding of the one side stator and the other side stator, respectively. An axial type magnetic levitation motor, characterized in that the control current for controlling the inclination of the rotor is supplied.
請求項5あるいは請求項6に記載のアキシャル型磁気浮上モータであって、
前記演算処理部は、前記X軸周りの前記ロータの傾きの計測値と前記Y軸方向における前記回転中心軸の位置の計測値とに基づき、前記ロータの回転中心軸の位置および前記ロータの傾きを制御するための前記一側ステータおよび前記他側ステータの前記回転中心軸位置制御値および傾き制御値をそれぞれ演算する、ことを特徴とするアキシャル型磁気浮上モータ。
An axial type magnetic levitation motor according to claim 5 or 6,
The arithmetic processing unit, based on the measured value of the inclination of the rotor about the X axis and the measured value of the position of the rotation center axis in the Y-axis direction, the position of the rotation center axis of the rotor and the inclination of the rotor An axial type magnetic levitation motor characterized by calculating the rotation center axis position control value and the tilt control value of the one-side stator and the other-side stator for controlling the rotation, respectively.
請求項5あるいは請求項6に記載のアキシャル型磁気浮上モータであって、
前記演算処理部は、前記Y軸周りの前記ロータの傾きの計測値と前記X軸方向における前記回転中心軸の位置の計測値とに基づき、前記ロータの回転中心軸の位置および前記ロータの傾きを制御するための前記一側ステータおよび前記他側ステータの前記回転中心軸位置制御値および傾き制御値をそれぞれ演算する、ことを特徴とするアキシャル型磁気浮上モータ。
An axial type magnetic levitation motor according to claim 5 or 6,
The arithmetic processing unit determines the position of the rotation center axis of the rotor and the inclination of the rotor based on the measurement value of the inclination of the rotor around the Y axis and the measurement value of the position of the rotation center axis in the X axis direction. An axial type magnetic levitation motor characterized by calculating the rotation center axis position control value and the tilt control value of the one-side stator and the other-side stator for controlling the rotation, respectively.
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016042768A (en) * 2014-08-18 2016-03-31 国立大学法人東京工業大学 Motor system
JP2016163495A (en) * 2015-03-04 2016-09-05 国立大学法人東京工業大学 Dynamo-electric motor and dynamo-electric motor system
CN106369052A (en) * 2016-10-24 2017-02-01 珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 Magnetic bearing
KR101846617B1 (en) 2014-07-18 2018-04-06 신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 Polymer compound for a conductive polymer and method for producing same
CN109147510A (en) * 2018-08-01 2019-01-04 浙江大学 Two axis dynamic magnetics float experiment instrument and measurement method
WO2020138583A1 (en) * 2018-12-28 2020-07-02 한양대학교 산학협력단 Axial motor including magnetic levitation rotation body
CN114135581A (en) * 2021-11-15 2022-03-04 西安航天精密机电研究所 Magnetic suspension bearing system and control method thereof

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06133493A (en) * 1992-10-16 1994-05-13 Shinko Electric Co Ltd Magnetic levitation induction motor
JP2001268981A (en) * 2000-03-17 2001-09-28 Ebara Corp Disc type bearingless rotating machine
JP2010279230A (en) * 2009-06-01 2010-12-09 Ibaraki Univ Axial magnetic levitation motor, and axial magnetic levitation centrifugal pump with the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06133493A (en) * 1992-10-16 1994-05-13 Shinko Electric Co Ltd Magnetic levitation induction motor
JP2001268981A (en) * 2000-03-17 2001-09-28 Ebara Corp Disc type bearingless rotating machine
JP2010279230A (en) * 2009-06-01 2010-12-09 Ibaraki Univ Axial magnetic levitation motor, and axial magnetic levitation centrifugal pump with the same

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101846617B1 (en) 2014-07-18 2018-04-06 신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 Polymer compound for a conductive polymer and method for producing same
JP2016042768A (en) * 2014-08-18 2016-03-31 国立大学法人東京工業大学 Motor system
JP2016163495A (en) * 2015-03-04 2016-09-05 国立大学法人東京工業大学 Dynamo-electric motor and dynamo-electric motor system
CN106369052A (en) * 2016-10-24 2017-02-01 珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 Magnetic bearing
CN109147510A (en) * 2018-08-01 2019-01-04 浙江大学 Two axis dynamic magnetics float experiment instrument and measurement method
CN109147510B (en) * 2018-08-01 2023-09-05 浙江大学 Two-axis dynamic magnetic levitation experiment instrument and measuring method
WO2020138583A1 (en) * 2018-12-28 2020-07-02 한양대학교 산학협력단 Axial motor including magnetic levitation rotation body
CN114135581A (en) * 2021-11-15 2022-03-04 西安航天精密机电研究所 Magnetic suspension bearing system and control method thereof
CN114135581B (en) * 2021-11-15 2023-10-20 西安航天精密机电研究所 Magnetic suspension bearing system and control method thereof

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