JP2017046474A - 磁気浮上姿勢制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な構成で浮上ロータの姿勢制御を行うこと。【解決手段】浮上ロータ３００の電磁誘導ステータと対峙する面上に２次コイル３１３を巻回した。また、２次コイル３１３を、導線部３１３ａ（第１の導線部）が浮上ロータ３００の回転中心軸側から外周側に向けて延び、導線部３１３ｂ（第２の導線部）が浮上ロータ３００の円周方向に延び、導線部３１３ｃ（第３の導線部）が浮上ロータ３００の外周側から回転中心軸側に向けて延びるように巻回した。また、電磁誘導ステータ２００側の電磁石（突極２１０及び１次コイル：第１の磁石）を、導線部３１３ａ、３１３ｃが通過する位置に配設し、永久磁石２２０（第２の磁石）を、導線部３１３ｂが通過する位置に配設した。【選択図】図５

Description

本発明は、浮上ロータの姿勢制御に適した磁気浮上姿勢制御装置に関する。
ステータに対し、ロータを磁気浮上させ非接触状態で回転させる磁気浮上装置が知られている。磁気浮上装置は、機械的な軸受けを使用しない構造であるため、医療分野における人工心臓の遠心ポンプ用モータなどへの応用が期待されている。
ここで、たとえば特許文献１では、静止側の電磁石の一次コイルと浮上体の電磁石の二次コイルとを磁界共有結合により結合し、一次側から二次側に電力を効率的に非接触給電させる磁気浮上装置を提案している。この磁気浮上装置では、静止側の電磁石の入力周波数を、磁界共振結合の共振周波数ｆ１（＜ｆ０）の近傍に設定する。また、浮上体の重力に釣り合う吸引力を、浮上体と静止側とのギャップの増減に合わせ、自己平衡性が保たれる範囲に設定する。これにより、浮上体の自己平衡性が保たれるので、浮上体を安定浮上させるための制御機構が不要となる。
ところが、この磁気浮上装置では、浮上体の支持を、一次コイルと二次コイルとの磁界共有結合による結合によって行っている。そのため、浮上体の浮上にエネルギーが費やされてしまい、エネルギー効率が低いものとなっている。
このような不具合を解消するものとして、特許文献２に示されている交流磁気浮上方法がある。これは、浮上体に永久磁石を設置し、１次コイルの脈流電流により２次コイルとの間に発生する浮上力である磁気結合力を、２次コイルのインピーダンス制御で調整するものである。
特開２０１４−１７５５９５号公報 特開２００３−３３８４１５号公報
特許文献２に記載されている交流磁気浮上方法では、浮上体に永久磁石を設置することで、低エネルギーであっても浮上体の自己平衡性を保つことができ、浮上体を安定浮上させることができる。
ところが、この磁気浮上方法では、浮上体の回転軸に沿った方向（軸方向）での姿勢制御は可能であるものの、２次コイルに流れる電流を制御することで２次コイルとの間に発生する磁気結合力を調整する必要があり、構成が複雑化してしまうという問題がある。
しかも、この磁気浮上方法では、２次コイルとの間に発生する磁気結合力を調整することで、浮上体の自己平衡性を保つ構成であるため、浮上体の回転軸に直行する方向（径方向）での姿勢制御を行うことができない。
この場合、静止側に、浮上体の回転軸に直行する方向（径方向）での姿勢制御を行う姿勢制御機構を設けることが考えられる。具体的には、静止側に、回転軸に直行する方向（径方向）に浮上体を吸引させる電磁石を、浮上体を囲むように複数配置する。
しかしながら、このようにすると、浮上体の回転軸に直行する方向（径方向）での姿勢制御を行うことができるものの、静止側の外径が大きくなってしまい、磁気浮上系の大型化が避けられないという問題を生じてしまう。
本発明は、かかる点に鑑みて、簡単な構成で浮上ロータの姿勢制御を行うことができる磁気浮上姿勢制御装置を提供することを目的とする。
本発明の磁気浮上姿勢制御装置は、前記電磁誘導ステータと対峙する浮上ロータとが備えられ、前記電磁誘導ステータには、誘導電流発生用の第１の磁石とローレンツ力発生用の第２の磁石とが設けられ、前記浮上ロータには、前記第１の磁石の磁界を横切る第１及び第３の導線部と、前記第２の磁石の磁界を横切る第２の導線部とを有する２次コイルが巻回され、前記浮上ロータの回転により、前記第１又は第３の導線部に流れる誘導電流と、前記第２の導線部が横切る前記第２の磁石の磁界とにより、前記浮上ロータに径方向又は軸方向に向けたローレンツ力が発生するように構成されていることを特徴とする。
この構成では、浮上ロータの回転により、電磁誘導ステータ側の第１の磁石の磁界によって浮上ロータ側の２次コイルに誘導電流が流れる。そして、電磁誘導ステータ側の第２の磁石による磁界と２次コイルを流れる誘導電流とにより、浮上ロータに径方向又は軸方向に向けたローレンツ力が発生する。これにより、ローレンツ力を発生する２次コイルにより、浮上ロータ側の径方向又は軸方向の姿勢制御が可能となる。
また、前記２次コイルは、前記電磁誘導ステータと対峙する面上に配置され、前記第１の導線部が前記浮上ロータの回転中心軸側から外周側に向けて延び、前記第２の導線部が前記浮上ロータの円周方向に延び、前記第３の導線部が前記浮上ロータの外周側から回転中心軸側に向けて延びるように巻回され、前記第１の磁石は、前記第１及び第３の導線部が通過する位置に配設され、前記第２の磁石は、前記第２の導線部が通過する位置に配設されていることを特徴とする。
この構成では、浮上ロータ側の第１及び第３の導線部が電磁誘導ステータ側の第１の磁石による磁界を通過することができる。また、浮上ロータ側の第２の導線部が電磁誘導ステータ側の第２の磁石の磁界を通過することができる。また、２次コイルは、電磁誘導ステータと対峙する面上に配置されている。このため、浮上ロータには径方向のローレンツ力を発生させることができる。
また、前記２次コイルは、外周面に配置され、前記第１の導線部が前記浮上ロータの一面側から他面側に向けて延び、前記第２の導線部が前記浮上ロータの外周方向に沿って延び、前記第３の導線部が前記浮上ロータの他面側から一面側に向けて延びるように巻回され、前記第１の磁石は、前記第１及び第３の導線部が通過する位置に配設され、前記第２の磁石は、前記第２の導線部が通過する位置に配設されていることを特徴とする。
この構成では、浮上ロータとの間に、電磁誘導ステータ側の第１の磁石の磁界が形成される。このため、たとえば第１の導線部のみが電磁誘導ステータと対峙する面に配置されている場合、第１の導線部のみが電磁誘導ステータ側の第１の磁石の磁界を通過することができ、２次コイルに一方向のみの誘導電流が流れるようにすることができる。
本発明の磁気浮上姿勢制御装置は、浮上ロータと、前記浮上ロータと対峙するエネルギー送電ステータとが備えられ、前記浮上ロータの外周面に２次コイルが巻回され、前記エネルギー送電ステータには、前記２次コイルと同心状となるように巻回された１次コイルと、前記２次コイルに対峙する磁石とが配設され、前記１次コイルの磁界の変化に伴う前記２次コイルに流れる誘導電流と、前記２次コイルが横切る前記磁石の磁界とにより、前記浮上ロータに径方向又は軸方向に向けたローレンツ力が発生するように構成されていることを特徴とする。
この構成では、エネルギー送電ステータ側の１次コイルの磁界の変化により、浮上ロータ側の２次コイルに誘導電流が流れる。また、エネルギー送電ステータ側の磁石による磁界と２次コイルを流れる誘導電流とにより、浮上ロータに径方向又は軸方向に向けたローレンツ力が発生する。そして、ローレンツ力を発生する２次コイルにより、浮上ロータ側の径方向又は軸方向の姿勢制御が可能となる。
また、前記エネルギー送電ステータには、前記浮上ロータを収容し、外周面に前記１次コイルが巻回される筒部が設けられ、さらに、前記磁石の磁極が前記浮上ロータの前記エネルギー送電ステータと対峙する面に向けられ、前記２次コイルが前記１次コイルの内側に位置するように構成されていることを特徴とする。
この構成では、エネルギー送電ステータ側の１次コイルの磁界の変化により、浮上ロータ側の２次コイルに誘導電流が流れる。また、磁極が浮上ロータのエネルギー送電ステータと対峙する面に向けられた磁石と２次コイルを流れる誘導電流とにより、浮上ロータには径方向のローレンツ力を発生させることができる。
また、前記エネルギー送電ステータには、外周面に前記１次コイルが巻回される筒部が設けられ、さらに、前記磁石の磁極が前記浮上ロータの前記エネルギー送電ステータと対峙する面に向けられ、前記浮上ロータには、前記筒部が嵌まり込む窪みが設けられ、前記２次コイルが前記１次コイルの外側に位置するように構成されていることを特徴とする。
この構成では、浮上ロータ側の２次コイルがエネルギー送電ステータ側の１次コイルの外側に位置するように構成されている。この場合でも、エネルギー送電ステータ側の１次コイルの磁界の変化により、浮上ロータ側の２次コイルに誘導電流が流れる。また、磁極が浮上ロータのエネルギー送電ステータと対峙する面に向けられた磁石と２次コイルを流れる誘導電流とにより、浮上ロータには径方向のローレンツ力を発生させることができる。
また、前記エネルギー送電ステータには、外周面に前記１次コイルが巻回される筒部と、前記筒部の外周を覆い内側に前記磁石が配置されたフランジ部とが設けられ、前記浮上ロータには、前記筒部が嵌まり込む窪みが設けられ、前記２次コイルが前記１次コイルの外側に位置し、さらに前記磁石の磁極が前記浮上ロータの外周面に向けられるように構成されていることを特徴とする。
この構成では、エネルギー送電ステータ側の１次コイルの磁界の変化により、浮上ロータ側の２次コイルに誘導電流が流れる。また、磁極が浮上ロータの外周面に向けらた磁石と２次コイルを流れる誘導電流とにより、浮上ロータには軸方向のローレンツ力を発生させることができる。
また、前記２次コイルには、整流回路によって整流された一方向のみの誘導電流が流れることを特徴とする。
この構成では、整流回路によって整流された一方向のみの誘導電流が浮上ロータ側の２次コイルに流れる。このため、たとえば径方向では、回転中心軸に向けたローレンツ力のみを発生させることができる。また、軸方向でも、いずれか一方に向けローレンツ力のみを発生させることができる。
本発明の磁気浮上姿勢制御装置によれば、ローレンツ力を発生する２次コイルにより、浮上ロータ側の径方向又は軸方向の姿勢制御が可能となることから、簡単な構成で浮上ロータの姿勢制御を行うことができる。
本発明の磁気浮上姿勢制御装置の原理を説明するものであって、同図（ａ）は電磁誘導方式により浮上ロータの径方向にローレンツ力が発生する場合の概要を説明する図であり、同図（ｂ）は電磁誘導方式により浮上ロータの軸方向にローレンツ力が発生する場合の概要を説明する図であり、同図（ｃ）はエネルギー送電方式により浮上ロータの径方向にローレンツ力が発生する場合の概要を説明する図であり、同図（ｄ）は電磁誘導方により浮上ロータの軸方向にローレンツ力が発生する場合の概要を説明する図である。 本発明の磁気浮上姿勢制御装置の第１実施形態の一例を示す斜視図である。 図１の磁気浮上姿勢制御装置を示す斜視図である。 図３の磁気浮上姿勢制御装置を示す側面図である。 図３の磁気浮上姿勢制御装置を示すものであって、同図（ａ）は浮上ロータを真下から見た状態を示す図であり、同図（ｂ）は浮上ロータを真上から見た状態を示す図である。 図３の磁気浮上姿勢制御装置における、浮上ロータの回転中心軸に向けて生じるローレンツ力による径方向での位置制御について説明するものであって、同図（ａ）は浮上ロータを真下から見た状態を示す図であり、同図（ｂ）は浮上ロータを真上から見た状態を示す図である。 図３の磁気浮上姿勢制御装置における、浮上ロータの２次コイルの巻き方を変えた場合の他の例を説明するためのものであって、同図（ａ）（ｂ）は共に浮上ロータを真下から見た状態を示す図である。 図３の磁気浮上姿勢制御装置における、浮上ロータの２次コイルの誘導電流の測定系について説明するための図である。 図８の測定系において使用した浮上ロータを説明するものであって、同図（ａ）は浮上ロータを真上から見た状態を示す図であり、同図（ｂ）は２次コイルを巻回していない浮上ロータを真上から見た状態を示す図である。 図８の測定系における測定結果を示す図であって、同図（ａ）は浮上ロータと電磁誘導ステータとの間隙を、１．５ｍｍとした場合での測定結果を示す図であり、同図（ｂ）は浮上ロータと電磁誘導ステータとの間隙を、２．０ｍｍとした場合での測定結果を示す図であり、同図（ｃ）は浮上ロータと電磁誘導ステータとの間隙を、２．５ｍｍとした場合での測定結果を示す図である。 図３の磁気浮上姿勢制御装置における、浮上ロータの２次コイルの巻き方を変えた場合の第２実施形態の一例を示すものであって、同図（ａ）（ｂ）は共に浮上ロータを真下から見た状態を示す図である。 図２の磁気浮上姿勢制御装置の構成を変えた場合の第３実施形態の一例を示す斜視図である。 図１２の磁気浮上姿勢制御装置を示す側面図である。 図１２の磁気浮上姿勢制御装置における、浮上ロータの回転中心軸に沿った方向に向けて生じるローレンツ力による軸方向での位置制御について説明するものであって、同図（ａ）（ｂ）は共に磁気浮上姿勢制御装置を示す側面図であり、同図（ｃ）（ｄ）は同図（ａ）（ｂ）の２次コイルの巻き方の変形例を示す概要図である。 図３の磁気浮上姿勢制御装置の構成を変えた場合の第４実施形態の一例を示す斜視図である。 図１５の磁気浮上姿勢制御装置を示すものであって、同図（ａ）は図１５の磁気浮上姿勢制御装置を示す斜視図であり、同図（ｂ）は図１５の磁気浮上姿勢制御装置を真下から見た状態を示す図である。 図１５の磁気浮上姿勢制御装置における、浮上ロータの２次コイルの誘導電流の測定系について説明するための図である。 図１７の測定系における測定結果を示す図であって、同図（ａ）は軸方向中心の距離を変化させた場合の測定結果を示す図であり、同図（ｂ）は径方向ギャップを変化させた場合の測定結果を示す図である。 図１５の磁気浮上姿勢制御装置の構成を変えた場合の第５実施形態の一例を示すものであって、同図（ａ）は磁気浮上姿勢制御装置を示す斜視図であり、同図（ｂ）は磁気浮上姿勢制御装置を示す側面図である。 図１５の磁気浮上姿勢制御装置の構成を変えた場合の第６実施形態の一例を示すも側面図である。
（本発明の磁気浮上姿勢制御装置の原理）
まず、図１を参照し、本発明の磁気浮上姿勢制御装置の原理の概要について説明する。同図（ａ）は電磁誘導方式により浮上ロータの径方向にローレンツ力が発生する場合を示すものであって、永久磁石２２０を浮上ロータ３００の面に対し対峙するように配置した状態を示している。また、符号３１３は浮上ロータ３００に巻回された２次コイルである。詳細は後述するが、導線部３１３ａ〜３１３ｄを有する２次コイル３１３に誘導電流Ｉが流れると、導線部３１３ｂと対峙する永久磁石２２０の磁界により、浮上ロータ３００の径方向にローレンツ力Ｆが発生する。なお、同図（ａ）は回転中心軸Ｏに向けてローレンツ力Ｆが発生している場合を示しているが、永久磁石２２０の磁極の向きを変えることで、回転中心軸Ｏとは反対方向に向けてローレンツ力Ｆが発生する。また、後述の同図（ｂ）のように、永久磁石２２０を浮上ロータ３００の側面に配置した場合は、浮上ロータ３００の軸方向にローレンツ力Ｆが発生する。
次に、同図（ｂ）は電磁誘導方式により浮上ロータの回転中心軸に沿ってローレンツ力Ｆが発生する場合を示すものであって、永久磁石２２０を浮上ロータ３００の側面に対し対峙するように配置した状態を示している。また、２次コイル３１３を浮上ロータ３００の側面に巻回した状態を示している。この場合、導線部３１３ａ〜３１３ｄを有する２次コイル３１３に誘導電流Ｉが流れると、導線部３１３ｂと対峙する永久磁石２２０の磁界により、浮上ロータ３００の回転中心軸に沿ってローレンツ力Ｆが発生する。なお、同図（ｂ）は浮上ロータ３００の回転中心軸に沿って上向きにローレンツ力Ｆが発生している場合を示しているが、永久磁石２２０の磁極の向きを変えることで、浮上ロータ３００の回転中心軸に沿って下向きにローレンツ力Ｆが発生する。また、永久磁石２２０を２次コイル３１３の上部側に配置すると、浮上ロータ３００の径方向にローレンツ力が発生する。
次に、同図（ｃ）はエネルギー送電方式により浮上ロータの径方向にローレンツ力が発生する場合を示すものであって、永久磁石２２０を浮上ロータ３００の面に対し対峙するように配置した状態を示している。また、２次コイル３１３を浮上ロータ３００の側面に巻回した状態を示している。この場合、２次コイル３１３に誘導電流Ｉが流れると、２次コイル３１３と対峙する永久磁石２２０の磁界により、浮上ロータ３００の径方向にローレンツ力Ｆが発生する。なお、同図（ｃ）は回転中心軸Ｏに向けてローレンツ力Ｆが発生している場合を示しているが、永久磁石２２０の磁極の向きを変えることで、回転中心軸Ｏとは反対方向に向けてローレンツ力Ｆが発生する。
次に、同図（ｄ）はエネルギー送電方式により浮上ロータの回転中心軸に沿ってローレンツ力Ｆが発生する場合を示すものであって、永久磁石２２０を浮上ロータ３００の側面に対し対峙するように配置した状態を示している。この場合、２次コイル３１３に誘導電流Ｉが流れると、２次コイル３１３と対峙する永久磁石２２０の磁界により、浮上ロータ３００の回転中心軸に沿ってローレンツ力Ｆが発生する。なお、同図（ｄ）は浮上ロータ３００の回転中心軸に沿って上向きにローレンツ力Ｆが発生している場合を示しているが、永久磁石２２０の磁極の向きを変えることで、浮上ロータ３００の回転中心軸に沿って下向きにローレンツ力Ｆが発生する。
また、同図（ａ）〜（ｄ）に示す永久磁石２２０を電磁石に代えることも可能である。この場合、電磁石の磁極の向きを変えることで、ローレンツ力Ｆの向きを、電磁石の磁極の向きに合わせて変えることができる。
（第１実施形態：電磁誘導方式）
以下、本発明の磁気浮上姿勢制御装置の第１実施形態を、図２〜図１０を参照しながら説明する。なお、以下に説明する回転中心軸とは回転運動の中心となる直線のことである。また、浮上ロータの回転中心軸とは浮上ロータの回転運動の中心となる中心線である。浮上ロータは、この中心線を中心として回転運動を行う。
まず、図２により、本発明の磁気浮上姿勢制御装置の第１実施形態の概要について説明する。なお、図２は、本発明の磁気浮上姿勢制御装置の適用の一例を示すものである。同図に示す磁気浮上姿勢制御装置１００は、磁気浮上系である磁気浮上装置７００の一部を構成することができる。ちなみに、磁気浮上装置７００は、たとえば医療分野における人工心臓の遠心ポンプ用モータへの適用を想定したものである。なお、磁気浮上装置７００は、図示しないケーシングに収容されているが、説明の都合上、ケーシングの図示を省略している。ただし、磁気浮上装置７００への適用の一例として示した磁気浮上姿勢制御装置１００は、これに限られるものではなく、様々なポンプの駆動用モータなどへの適用も可能であることは勿論である。
磁気浮上姿勢制御装置１００は、電磁誘導ステータ２００と、浮上ロータ３００とを有している。なお、符号４００はインペラーであり、符号５００はインペラーを回転させるロータであり、符号６００は回転制御ステータである。
ちなみに、電磁誘導ステータ２００、浮上ロータ３００、インペラー４００、ロータ５００及び回転制御ステータ６００は、浮上ロータ３００の回転中心軸に沿って配置されている。なお、電磁誘導ステータ２００及び回転制御ステータ６００は、磁性体又は非磁性体で構成することができる。また、浮上ロータ３００及びロータ５００は、磁性体又は非磁性体で構成することができる。
電磁誘導ステータ２００は、後述の電磁石を構成する突極２１０及び永久磁石２２０を有し、浮上ロータ３００の姿勢制御を行う。なお、ここでの電磁石は誘導電流発生用であり、永久磁石２２０はローレンツ力発生用として用いられるが、その詳細については後述する。回転制御ステータ６００は、図示しない電磁石を有し、電磁石の極性を変化させることでロータ５００を回転させる。なお、回転制御ステータ６００の構成は、周知の構成を用いることができるため、ここではその説明を省略する。
浮上ロータ３００及びロータ５００は、電磁誘導ステータ２００と回転制御ステータ６００との間で両者の磁気力を受け、支持される。すなわち、浮上ロータ３００及びロータ５００は、機械的な軸受機構を用いていない。そのため、たとえば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がある。本実施形態のように磁気軸受けとすることで、機械軸受けに起因して生じる色々な課題を解決できる。
また、浮上ロータ３００には、後述の２次コイル３１３などが配置されている。浮上ロータ３００は、回転中心軸に対し直交する方向に生じるローレンツ力Ｆにより径方向での位置が制御されるが、その詳細については後述する。また、浮上ロータ３００は、回転中心軸に沿って生じるローレンツ力Ｆにより回転中心軸方向での位置も制御されるが、その詳細については追って説明する。
次に、図３〜図１０を参照し、磁気浮上姿勢制御装置１００を構成する電磁誘導ステータ２００及び浮上ロータ３００の詳細について説明する。なお、以下の説明は、主に、浮上ロータ３００の回転中心軸に向けて生じるローレンツ力Ｆにより、径方向での浮上ロータ３００の位置が制御される場合としている。
また、図３は、図２の磁気浮上姿勢制御装置１００のみを示している。また、図４は、図３の磁気浮上姿勢制御装置１００を真横から見た状態を示している。また、図５（ａ）、図６、図７は、図３に示す磁気浮上姿勢制御装置１００を真下から見た状態を示している。また、図５（ｂ）は、図３に示す浮上ロータ３００を真上から見た状態を示している。
まず、図３、図４、図５（ａ）に示すように、電磁誘導ステータ２００には、たとえば４個の突極２１０が円周方向に沿って、所定の間隔で配置されている。なお、詳細は後述するが、後述の２次コイル３１３が歯車状に巻回されている場合、４個の突極２１０が円周方向に沿って、等間隔で配置されていることが好ましい。
これらの突極２１０には、１次コイル２１１が巻回されている。そして、突極２１０及び１次コイル２１１により、電磁石が構成される。ここでは、突極２１０及び１次コイル２１１による電磁石を用いた場合としているが、これに限らず、永久磁石であってもよい。また、電磁誘導ステータ２００には、４個の永久磁石２２０が円周方向に沿って、所定の間隔で配置されている。なお、上記同様に、２次コイル３１３が歯車状に巻回されている場合、４個の永久磁石２２０が円周方向に沿って、等間隔で配置されていることが好ましい。また、ここでは、２次コイル３１３の巻き方について、歯車状という用語を用いているが、図５などに示す回転翼状の巻き方についても、説明の都合上、歯車状という用語を用いるものとする。
永久磁石２２０は、突極２１０より外周に位置している。これは、後述の浮上ロータ３００側の２次コイル３１３の巻き方に対応させたものであり、その詳細については後述する。
なお、ここでは、電磁石を構成する突極２１０及び永久磁石２２０を４個としているが、４個に限定するものではない。後述の浮上ロータ３００側の２次コイル３１３の巻き方に応じて２個又は５個以上とすることも可能である。また、突極２１０及び永久磁石２２０を１個としてもよい。この場合、浮上ロータ３００の回転中心軸に向けて生じるローレンツ力Ｆは一方向のみとなるが、浮上ロータ３００の回転に合わせて後述の２次コイル３１３のそれぞれの歯部３１３Ａの導線部３１３ｂにて順々に回転中心軸に向けたローレンツ力Ｆが発生する。これにより、浮上ロータ３００の径方向での均衡が保たれるため、径方向での浮上ロータ３００の位置の制御が可能となる。このことは、浮上ロータ３００の回転速度が高い程、浮上ロータ３００の径方向での均衡がより良好に保たれる。
次に、図５（ｂ）に示すように、浮上ロータ３００の電磁誘導ステータ２００と対峙する面側には、歯車状の溝３１２が形成されている。この溝３１２には、２次コイル３１３が配置されている。なお、溝３１２を設けることで、２次コイル３１３の位置決めが容易となる。また、溝３１２を設けることで、浮上ロータ３００の電磁誘導ステータ２００と対峙する面からの２次コイル３１３の出っ張りが無くなる。また、溝３１２を設けることで、２次コイル３１３の出っ張りが無くなることから、２次コイル３１３を含めた浮上ロータ３００の厚みが増加しない。
なお、溝３１２を設けることについては、径方向での浮上ロータ３００の位置の制御に直接関係するものではない。そのため、溝３１２を省いてもよい。ただし、溝３１２を設けることで、上述した様々な作用効果が得られるため、溝３１２を設けることが好ましい。
ここで、２次コイル３１３は、歯車状の溝３１２に巻回されることで、４個の歯部３１３Ａを有する構成となる。また、それぞれの歯部３１３Ａは、浮上ロータ３００の回転中心軸Ｏから放射状に延びる導線部３１３ａと、浮上ロータ３００の円周方向に延びる導線部３１３ｂと、浮上ロータ３００の外周側から回転中心軸Ｏの方向に延びる導線部３１３ｃとを有する。なお、符号３１３ｄはそれぞれの歯部３１３Ａに連続する導線部である。
そして、２次コイル３１３の導線部３１３ａ、３１３ｃは、浮上ロータ３００が回転すると、電磁誘導ステータ２００側の突極２１０上を通過する。また、２次コイル３１３の導線部３１３ｂは、浮上ロータ３００が回転すると、電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０上を通過する。このように、電磁誘導ステータ２００側の突極２１０及び永久磁石２２０と、浮上ロータ３００側の導線部３１３ａ、３１３ｃ及び導線部３１３ｂとの位置関係が決められている。
また、２次コイル３１３の巻き方にあっては、図４、図５（ａ）（ｂ）に示すように、たとえば導線部３１３ｃ、３１３ｄを浮上ロータ３００の反対の面側に引き出している。ここで、浮上ロータ３００の反対の面側とは、電磁誘導ステータ２００と対峙しない面側である。これにより、２次コイル３１３の導線部３１３ｃが電磁誘導ステータ２００側の突極２１０上を通過しても、導線部３１３ｃに対する突極２１０からの磁界の影響が極めて小さくなる。つまり、突極２１０からの磁界は、周知の通り、距離の二乗に反比例するため、たとえば導線部３１３ｃのみを浮上ロータ３００の反対の面側に引き出すことで、導線部３１３ｃに対する突極２１０からの磁界の影響が極めて小さくすることができる。この場合、浮上ロータ３００は非磁性体であってもよい。ただし、浮上ロータ３００を磁性体とすれば、導線部３１３ｃに対する突極２１０からの磁界の影響をさらに小さくすることができる。
ここで、電磁誘導ステータ２００側の突極２１０からの磁界中を、２次コイル３１３の導線部３１３ａ、３１３ｃが通過すると、導線部３１３ａは磁界の影響を受けるが、導線部３１３ｃは磁界の影響が極めて小さくなる。このように、２次コイル３１３の導線部３１３ｃに対する突極２１０による磁界の影響が極めて小さくされることで、後述のように、回転中心軸Ｏに向けた方向とは逆向きのローレンツ力Ｆが発生しないことになる。つまり、一方向のみのローレンツ力Ｆが発生することになる。
なお、ここでは、導線部３１３ｃ、３１３ｄを浮上ロータ３００の反対の面側に引き出した場合としているが、導線部３１３ａ、３１３ｄを浮上ロータ３００の反対の面側に引き出しすようにすることもできる。この場合、電磁誘導ステータ２００側の突極２１０の先端側の磁極及び永久磁石２２０の磁極の向きを変更することで、回転中心軸Ｏに向けたローレンツ力Ｆを発生させることができる。
また、２次コイル３１３の巻き方については、図示のように、４個の歯部３１３Ａが形成される形状に限定されるものではない。本実施形態では、浮上ロータ３００の回転中心軸Ｏに向けて生じるローレンツ力Ｆにより径方向での位置が制御されればよい。そのため、２次コイル３１３にあっては、歯部３１３Ａが２個又は５個以上形成される巻き方であってもよい。この場合、電磁誘導ステータ２００側の突極２１０及び永久磁石２２０を２次コイル３１３の巻き方に合わせて設ければよい。
また、歯部３１３Ａを１個としてもよい。この場合、浮上ロータ３００の回転中心軸に向けて生じるローレンツ力Ｆは、一方向のみとなるが、上述したように、浮上ロータ３００の回転に合わせて２次コイル３１３の歯部３１３Ａの導線部３１３ｂに回転中心軸に向けたローレンツ力Ｆが発生する。これにより、浮上ロータ３００の径方向での均衡が保たれるため、径方向での浮上ロータ３００の位置の制御が可能となる。このことは、上述したように、浮上ロータ３００の回転速度が高い程、浮上ロータ３００の径方向での均衡がより良好に保たれる。
次に、図６を参照し、浮上ロータ３００の回転中心軸Ｏに向けて生じるローレンツ力Ｆによる径方向での位置制御について説明する。
まず、図６（ａ）に示すように、浮上ロータ３００が矢印ａ方向に回転したとする。このとき、２次コイル３１３の導線部３１３ａが電磁誘導ステータ２００側の突極２１０上を通過する。この通過の際は、２次コイル３１３の導線部３１３ａが突極２１０からの磁界の向きに対して直交する方向に移動する。ここで、電磁誘導ステータ２００側の突極２１０の先端側の磁極がＮ極となっているとする。この場合、２次コイル３１３には、矢印方向に誘導電流Ｉが流れる。
またこのとき、２次コイル３１３の導線部３１３ｂが電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０上を通過する。ここで、永久磁石２２０による磁界と２次コイル３１３の導線部３１３ｂを流れる誘導電流Ｉとにより、浮上ロータ３００には回転中心軸Ｏに向けたローレンツ力Ｆが発生する。
ここで、ローレンツ力Ｆは、２次コイル３１３の４箇所の導線部３１３ｂで発生するため、浮上ロータ３００には四方から回転中心軸Ｏに向けたローレンツ力Ｆが発生する。これにより、浮上ロータ３００の径方向の位置制御が可能となる。
ここで、電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０の磁界により、２次コイル３１３の導線部３１３ｂに発生するローレンツ力Ｆは、
Ｆ＝ＩｔｏｔａｌＬＢＰＭＮ・・・（式１）
で表される。
なお、Ｉは２次コイル３１３の導線部３１３ａに発生する誘導電流である。Ｌ［ｍ］は、電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０上を通過する導線部３１３ｂの長さ（＝永久磁石２２０の長さ）である。ＢＰＭ は、グレードをたとえば（Ｎ−４８Ｈ）とした場合の永久磁石２２０の磁束密度である。Ｎは２次コイル３１３の巻き数である。
また、図６（ｂ）に示すように、２次コイル３１３の導線部３１３ａが電磁誘導ステータ２００側の突極２１０上を通過すると、続いて２次コイル３１３の導線部３１３ｃが電磁誘導ステータ２００側の突極２１０上を通過する。このとき、２次コイル３１３の導線部３１３ｃは、上述したように、浮上ロータ３００の反対の面側に引き出されている。すなわち、電磁誘導ステータ２００と対峙しない面側に引き出されている。これにより、２次コイル３１３の導線部３１３ｃが電磁誘導ステータ２００側の突極２１０上を通過しても、導線部３１３ｃに対する突極２１０からの磁界の影響が極めて小さくなる。また、導線部３１３ｃが突極２１０からの磁界の影響を受けないことから、２次コイル３１３には点線で示す逆向きの誘導電流Ｉが流れない。これにより、回転中心軸Ｏに向けた方向とは逆向きのローレンツ力Ｆが発生しない。
なお、２次コイル３１３の巻き方にあっては、たとえば図７に示すように、全ての導線部３１３ａ〜３１３ｃを浮上ロータ３００の電磁誘導ステータ２００と対峙する面側に配置してもよい。この場合、図７（ａ）に示すように、浮上ロータ３００が矢印ａ方向に回転したとする。このとき、２次コイル３１３の導線部３１３ａが電磁誘導ステータ２００側の突極２１０上を通過することで、上記同様に、２次コイル３１３には矢印方向に誘導電流Ｉが流れる。
またこのとき、上記同様に、永久磁石２２０による磁界と２次コイル３１３の導線部３１３ｂを流れる誘導電流Ｉとにより、浮上ロータ３００には回転中心軸Ｏに向けたローレンツ力Ｆが発生する。
また、２次コイル３１３の導線部３１３ａが電磁誘導ステータ２００側の突極２１０上を通過した後、図７（ｂ）に示すように、２次コイル３１３の導線部３１３ｃが電磁誘導ステータ２００側の突極２１０上を通過する。このとき、２次コイル３１３の導線部３１３ｃが突極２１０からの磁界の向きに対して直交する方向に移動することで、２次コイル３１３に点線で示す逆向きの誘導電流Ｉが流れる。
この場合、２次コイル３１３の導線部３１３ｂは、電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０上から外れた位置にある。つまり、２次コイル３１３の導線部３１３ｂは、電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０と対峙しない位置にあるため、浮上ロータ３００には回転中心軸Ｏから外側に向けたローレンツ力Ｆが発生しない。言い換えれば、回転中心軸Ｏに向けた方向とは逆向きのローレンツ力Ｆが発生しないことになる。これにより、浮上ロータ３００の回転中においては、浮上ロータ３００に四方から回転中心軸Ｏに向かうローレンツ力Ｆのみが発生することになる。
なお、図７（ｂ）に示すように、全ての導線部３１３ａ〜３１３ｃを浮上ロータ３００の電磁誘導ステータ２００と対峙する面側に配置した場合は、浮上ロータ３００に整流回路を設けてもよい。この場合、導線部３１３ａのみに発生する誘導電流Ｉが２次コイル３１３に流れるようにすることができる。
また、図３〜図７で説明した電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０の磁極の向きについては、上述した向きとは逆向きとしてもよい。この場合、浮上ロータ３００に四方から回転中心軸Ｏに向けた方向とは逆向きのローレンツ力Ｆを発生させることができる。また、永久磁石２２０にあっては、電磁石としてもよい。この場合、電磁石の極性を変えることで、浮上ロータ３００に発生するローレンツ力Ｆの向きを変えることができる。
また、電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０にあっては、浮上ロータ３００の側面側に配置してもよい。この場合、図１（ｂ）で説明した原理のように、浮上ロータ３００の回転中心軸に沿って上向き又は下向きのローレンツ力Ｆを生じさせることができる。この場合、上記同様に、浮上ロータ３００の側面側に配置した永久磁石２２０を電磁石としてもよい。
次に、図８〜図１０を参照し、２次コイル３１３に発生する誘導電流Ｉの実験による測定結果について説明する。なお、以下の測定においては、上述した浮上ロータ３００に代えて、図９に示すような浮上ロータ３００Ａを用いた。浮上ロータ３００Ａの構成については、後述する。
まず、図８を参照し、誘導電流Ｉの測定系について説明する。電磁誘導ステータ２００は、図示しない台座に固定している。浮上ロータ３００Ａは、図示しないモータの回転力が伝達される回転軸に接続している。また、浮上ロータ３００Ａに巻いてある後述の２次コイル３１３で発生した誘導電流Ｉを、図示しない回転軸に設けたブラシ及び整流機構で取り出し、電流計８００で測定した。
実験に使用した浮上ロータ３００Ａには、図９（ａ）（ｂ）に示すように、中心部に係合穴３１４ａを有する非磁性体３１４が設けられている。非磁性体３１４の周囲には、磁性体３１５が配置されている。
２次コイル３１３は、中心部の非磁性体３１４の係合穴３１４ａから磁性体３１５の外周縁にかけて巻回されている。つまり、２次コイル３１３は、浮上ロータ３００Ａの回転中心軸Ｏから放射状に延びるように巻回されている。言い換えれば、上述した浮上ロータ３００の回転中心軸Ｏから放射状に延びる２次コイル３１３の導線部３１３ａに相当する巻き方を具現化している。また、２次コイル３１３の巻回箇所は、たとえば４箇所としている。また、それぞれの２次コイル３１３の巻数は５巻としている。また、２次コイル３１３と、磁性体３１５との間は、絶縁テープ３１８で絶縁している。これにより、２次コイル３１３と磁性体３１５との通電を回避している。
なお、誘導電流Ｉについては、図示しないモータの回転数を１０００ｒｐｍから２５００ｒｐｍまでとし、５００ｒｐｍ刻みで変化させた。また、浮上ロータ３００Ａと電磁誘導ステータ２００との間隙は、１．５ｍｍから２．５ｍｍまでとし、０．５ｍｍ刻みで変化させた。また、図示しないモータに与える励磁電流は、０Ａから２．５Ａまでとし、０．５Ａ刻みで変化させた。
次に、図１０を参照し、誘導電流Ｉの測定結果について説明する。まず、図１０（ａ）は、浮上ロータ３００Ａと電磁誘導ステータ２００との間隙を、１．５ｍｍとした場合の測定結果を示している。図１０（ａ）から分かる通り、励磁電流と図示しないモータの回転数とを高くする程、誘導電流Ｉの値が高くなっている。また、図１０（ｂ）のように、浮上ロータ３００Ａと電磁誘導ステータ２００との間隙を、２．０ｍｍとした場合でも、励磁電流と図示しないモータの回転数とを高くする程、誘導電流Ｉの値が高くなっていることが分かる。
また、図１０（ｃ）のように、浮上ロータ３００Ａと電磁誘導ステータ２００との間隙を、２．５ｍｍとした場合でも、励磁電流と図示しないモータの回転数とを高くする程、誘導電流Ｉの値が高くなっていることが分かる。ただし、図１０（ａ）〜図１０（ｃ）を比較して分かる通り、浮上ロータ３００Ａと電磁誘導ステータ２００との間隙を小さくした方が、誘導電流Ｉの値が高くなっていることが分かる。
また、想定使用条件である、間隙２．０ｍｍ、回転数２０００ｒｐｍ、励磁電流０Ａのときの誘導電流Ｉについては、２９．９ｍＡを得ることができた。また、磁束密度が最も大きくなる間隙１．５ｍｍ、回転数２５００ｒｐｍ、励磁電流２．０Ａのときに、最大値１１９．７ｍＡの誘導電流Ｉを得ることができた。
以上の測定結果から、浮上ロータ３００Ａの回転中心軸Ｏから放射状に延びるように２次コイル３１３を巻回した場合、たとえば最大値が１１９．７ｍＡとした誘導電流Ｉを得ることができる。よって、上述した式１により、回転中心軸Ｏに向けて生じるローレンツ力Ｆを得ることができ、上述した浮上ロータ３００の径方向での位置の制御が可能となる。
このように、第１実施形態では、浮上ロータ３００の電磁誘導ステータ２００と対峙する面上に２次コイル３１３を巻回した。また、２次コイル３１３を、導線部３１３ａ（第１の導線部）が浮上ロータ３００の回転中心軸側から外周側に向けて延び、導線部３１３ｂ（第２の導線部）が浮上ロータ３００の円周方向に延び、導線部３１３ｃ（第３の導線部）が浮上ロータ３００の外周側から回転中心軸側に向けて延びるように巻回した。また、電磁誘導ステータ２００側の電磁石（突極２１０及び１次コイル２１１：第１の磁石）を、導線部３１３ａ、３１３ｃが通過する位置に配設し、永久磁石２２０（第２の磁石）を、導線部３１３ｂが通過する位置に配設した。
この構成では、浮上ロータ３００の回転により、電磁誘導ステータ２００側の電磁石（突極２１０及び１次コイル２１１：第１の磁石）の磁界によって浮上ロータ３００側の２次コイル３１３に誘導電流Ｉが流れる。また、電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０による磁界と２次コイル３１３を流れる誘導電流Ｉとにより、浮上ロータ３００に径方向に向けたローレンツ力Ｆが発生する。そして、ローレンツ力Ｆを発生する２次コイル３１３により、浮上ロータ３００側の径方向の姿勢制御が可能となることから、簡単な構成で浮上ロータ３００の姿勢制御を行うことができる。
また、第１実施形態では、２次コイル３１３を、歯車状に巻回した。この構成では、２次コイル３１３が歯車状に巻回されることで、浮上ロータ３００に２次コイル３１３の導線部３１３ａ〜３１３ｃをバランス良く配置することができる。また、２次コイル３１３を歯車状に巻回することで、それぞれの歯部３１３Ａの数を任意に決定することができ、ローレンツ力Ｆの発生箇所を任意に設定することができる。
（第２実施形態：電磁誘導方式）
次に、上述した磁気浮上姿勢制御装置１００の浮上ロータ３００の２次コイル３１３の巻き方を変えた場合の第２実施形態を、図１１を参照して説明する。なお、以下に説明する図において、図２〜図７と共通する部分には同一符号を付し、重複する説明は適宜行うものとする。なお、図１１（ａ）（ｂ）は、図３に示した磁気浮上姿勢制御装置１００を真下から見た状態を示している。
まず、図１１（ａ）に示すように、浮上ロータ３００には、２次コイル３１３が矩形状の複数の歯部３１３Ｂを有するように巻回されている。言い換えれば、図１１（ａ）に示す２次コイル３１３の巻き方は、図５で説明した２次コイル３１３の変形例である。なお、図１１（ａ）では、図５（ｂ）で説明した２次コイル３１３を巻回する溝３１２を示していないが、同様に設けてもよいことは勿論である。また、２次コイル３１３の歯部３１３Ｂの数や、電磁誘導ステータ２００側の突極２１０及び永久磁石２２０の数については、上記同様の理由から、１個以上であればよい。
また、それぞれの歯部３１３Ｂは、上記同様に、浮上ロータ３００の回転中心軸Ｏから放射状に延びる導線部３１３ａと、浮上ロータ３００の円周方向に延びる導線部３１３ｂと、浮上ロータ３００の外周側から回転中心軸Ｏの方向に延びる導線部３１３ｃとを有する。なお、符号３１３ｄはそれぞれの歯部３１３Ｂに連続する導線部である。また、導線部３１３ｃ、３１３ｄは、上記同様に、電磁誘導ステータ２００と対峙しない面側に引き出されている。
なお、ここでは、２次コイル３１３の歯部３１３Ｂを矩形状とした場合としているが、矩形状に限るものではない。たとえば、台形状であってもよいし、逆三角形状であってもよい。要するに、電磁誘導ステータ２００側の突極２１０からの磁界を横切る導線部３１３ａと、永久磁石２２０の磁界を横切る導線部３１３ｂに相当するものが形成されるように巻回されていればよい。
このような構成では、浮上ロータ３００がたとえば矢印ａ方向に回転すると、２次コイル３１３の導線部３１３ａが電磁誘導ステータ２００側の突極２１０上を通過する。この通過の際は、２次コイル３１３の導線部３１３ａが突極２１０からの磁界の向きに対して直交する方向に移動する。これにより、２次コイル３１３には、矢印方向に誘導電流Ｉが流れる。
またこのとき、２次コイル３１３の導線部３１３ｂが電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０上を通過する。ここで、永久磁石２２０による磁界と２次コイル３１３の導線部３１３ｂを流れる誘導電流Ｉとにより、浮上ロータ３００には回転中心軸Ｏに向けたローレンツ力Ｆが発生する。ローレンツ力Ｆは、上記同様に、２次コイル３１３の４箇所の導線部３１３ｂで発生するため、浮上ロータ３００には四方から回転中心軸Ｏに向けたローレンツ力Ｆが発生する。これにより、浮上ロータ３００の径方向での位置制御が可能となる。
ここで、電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０の磁界により、２次コイル３１３の歯部３１３Ｂの導線部３１３ｂに発生するローレンツ力Ｆは、上記式１と同様に、
Ｆ＝ＩｔｏｔａｌＬＢＰＭＮ
で表される。
浮上ロータ３００側の２次コイル３１３の巻き方にあっては、図１１（ｂ）に示すように、全ての導線部３１３ａ〜３１３ｄを浮上ロータ３００の電磁誘導ステータ２００と対峙する面側のみに配置してもよい。
なお、図１１（ｂ）に示すように、全ての導線部３１３ａ〜３１３ｄを浮上ロータ３００の電磁誘導ステータ２００と対峙する面側に配置した場合は、浮上ロータ３００に整流回路を設けてもよい。この場合、導線部３１３ａのみに発生する誘導電流Ｉが２次コイル３１３に流れるようにすることができる。
そして、浮上ロータ３００がたとえば矢印ａ方向に回転すると、上記同様に、２次コイル３１３の導線部３１３ａが電磁誘導ステータ２００側の突極２１０上を通過する。このとき、図１１（ａ）と同様に、２次コイル３１３には矢印方向に誘導電流Ｉが流れる。またこのとき、上記同様に、永久磁石２２０による磁界と２次コイル３１３の導線部３１３ｂを流れる誘導電流Ｉとにより、浮上ロータ３００には回転中心軸Ｏに向けたローレンツ力Ｆが発生する。
また、２次コイル３１３の導線部３１３ａが電磁誘導ステータ２００側の突極２１０上を通過した後、２次コイル３１３の導線部３１３ｃが電磁誘導ステータ２００側の突極２１０上を通過する。このとき、２次コイル３１３の導線部３１３ｃが突極２１０からの磁界の向きに対して直交する方向に移動する。これにより、２次コイル３１３に点線矢印で示す逆向きの誘導電流Ｉが流れる。
この場合、２次コイル３１３の導線部３１３ｂは、電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０上から外れた位置にある。つまり、上記同様に、２次コイル３１３の導線部３１３ｂは、電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０と対峙しない位置にあるため、浮上ロータ３００には回転中心軸Ｏから外側に向けたローレンツ力Ｆが発生しない。これにより、浮上ロータ３００の回転中においては、浮上ロータ３００に四方から回転中心軸Ｏに向かうローレンツ力Ｆのみが発生することになる。
なお、図１１で説明した電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０の磁極の向きについては、上述した向きとは逆向きとしてもよい。この場合、浮上ロータ３００に四方から回転中心軸Ｏに向けた方向とは逆向きのローレンツ力Ｆを発生させることができる。また、永久磁石２２０にあっては、電磁石としてもよい。この場合、電磁石の極性を変えることで、浮上ロータ３００に発生するローレンツ力Ｆの向きを変えることができる。
また、電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０にあっては、浮上ロータ３００の側面側に配置してもよい。この場合、図１（ｂ）で説明した原理のように、浮上ロータ３００の回転中心軸に沿って上向き又は下向きのローレンツ力Ｆを生じさせることができる。
この場合、上記同様に、浮上ロータ３００の側面側に配置した永久磁石２２０を電磁石としてもよい。
このように、第２実施形態では、第１実施形態での２次コイル３１３の巻き方とは多少ことなるものの、第１実施形態と同様に、浮上ロータ３００の電磁誘導ステータ２００と対峙する面上に２次コイル３１３を巻回した。また、２次コイル３１３を、導線部３１３ａ（第１の導線部）が浮上ロータ３００の回転中心軸側から外周側に向けて延び、導線部３１３ｂ（第２の導線部）が浮上ロータ３００の円周方向に延び、導線部３１３ｃ（第３の導線部）が浮上ロータ３００の外周側から回転中心軸側に向けて延びるように巻回した。また、電磁誘導ステータ２００側の電磁石（突極２１０及び１次コイル２１１：第１の磁石）を、導線部３１３ａ、３１３ｃが通過する位置に配設し、永久磁石２２０（第２の磁石）を、導線部３１３ｂが通過する位置に配設した。
この構成では、第１実施形態と同様に、浮上ロータ３００の回転により、電磁誘導ステータ２００側の電磁石（突極２１０及び１次コイル２１１：第１の磁石）の磁界によって浮上ロータ３００側の２次コイル３１３に誘導電流Ｉが流れる。また、電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０による磁界と２次コイル３１３を流れる誘導電流Ｉとにより、浮上ロータ３００に径方向に向けたローレンツ力Ｆが発生する。そして、ローレンツ力Ｆを発生する２次コイル３１３により、浮上ロータ３００側の径方向の姿勢制御が可能となることから、簡単な構成で浮上ロータ３００の姿勢制御を行うことができる。
また、第２実施形態では、第１実施形態と同様に、２次コイル３１３を歯車状に巻回することで、浮上ロータ３００に２次コイル３１３の導線部３１３ａ〜３１３ｃをバランス良く配置することができる。また、２次コイル３１３を歯車状に巻回することで、上記同様に、それぞれの歯部３１３Ｂの数を任意に決定することができ、ローレンツ力Ｆの発生箇所を任意に設定することができる。
（第３実施形態：電磁誘導方式）
次に、上述した磁気浮上姿勢制御装置１００の浮上ロータ３００の２次コイル３１３の巻き方を変えた場合の第３実施形態を、図１２〜図１４を参照して説明する。なお、以下に説明する図において、図２〜図７、図１１と共通する部分には同一符号を付し、重複する説明は適宜行うものとする。
まず、図１２に示すように、電磁誘導ステータ２００には、底部２３３を有する筒部２３２が設けられている。筒部２３２の内径は、浮上ロータ３００の外径に合わせられている。筒部２３２の内面２３２ａには、永久磁石２１０ａ、２２０が配置されている。永久磁石２１０ａ、２２０の配置箇所などの詳細は後述するが、たとえば４箇所である。なお、永久磁石２１０ａ、２２０の配置箇所は、４箇所に限定するものではない。後述の浮上ロータ３００側の２次コイル３１３の巻き方に応じて２箇所又は５箇所以上とすることも可能である。また、上記同様に、永久磁石２１０ａ、２２０を１箇所のみに配置してもよい。
一方、浮上ロータ３００には、外周面の外周方向に沿って２次コイル３１３が複数の歯部３１３Ｂを有するように巻回されている。言い換えれば、図１２に示す２次コイル３１３の巻き方は、図５などで説明した２次コイル３１３の変形例である。なお、図１２では、図５（ｂ）で説明した２次コイル３１３を巻回する溝３１２を示していないが、同様に設けてもよいことは勿論である。また、２次コイル３１３の歯部３１３Ｂの数や、電磁誘導ステータ２００側の突極２１０及び永久磁石２２０の数については、上記同様の理由から、１個以上であればよい。
そして、浮上ロータ３００は、電磁誘導ステータ２００の筒部２３２内に収容された状態で回転する。なお、ここでは、２次コイル３１３の歯部３１３Ｂを矩形状とした場合としているが、矩形状に限るものではない。たとえば、台形状であってもよいし、逆三角形状であってもよい。要するに、電磁誘導ステータ２００側の突極２１０からの磁界を横切る導線部３１３ａと、永久磁石２２０の磁界を横切る導線部３１３ｂに相当するものが形成されるように巻回されていればよい。
次に、図１３（ａ）に示すように、２次コイル３１３の歯部３１３Ｂは、回転中心軸に沿って浮上ロータ３００の一面側から他面側に向けて延びる導線部３１３ａと、他面側から一面側に向けて延びる導線部３１３ｂと、浮上ロータ３００の外周方向に沿って延びる導線部３１３ｃとを有する。なお、符号３１３ｄは、それぞれの歯部３１３Ｂに連続する導線部である。
ここで、浮上ロータ３００の一面側とは、電磁誘導ステータ２００の筒部２３２の底部２３３と対峙しない面側である。また、浮上ロータ３００の他面側とは、電磁誘導ステータ２００の筒部２３２の底部２３３と対峙する面側である。なお、２次コイル３１３の歯部３１３Ｂの個数については、特に限定されるものではなく、上記同様に、１個以上設ければよい。
また、たとえば導線部３１３ｃは、浮上ロータ３００の内部に埋設されている。これに対し、導線部３１３ａ、導線部３１３ｂ及び導線部３１３ｄは、浮上ロータ３００の外周面側に引き出されて巻回されている。
一方、上述した電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２１０ａ、２２０は、２次コイル３１３の巻回位置と対応している。すなわち、永久磁石２１０ａは、浮上ロータ３００の回転に伴い、２次コイル３１３の導線部３１３ａ、３１３ｃが通過する位置に設けられている。永久磁石２２０は、浮上ロータ３００の回転に伴い、２次コイル３１３の導線部３１３ｂが通過する位置に設けられている。
また、永久磁石２１０ａが２次コイル３１３の導線部３１３ａと対峙したとき、永久磁石２２０が２次コイル３１３の導線部３１３ｂと対峙するように、永久磁石２１０ａ、２２０の位置関係が決められている。なお、図１３（ａ）では、永久磁石２２０が２次コイル３１３の導線部３１３ｂと対峙する位置に配置されている。これに限らず、永久磁石２２０は、２次コイル３１３の導線部３１３ｄと対峙する位置に配置されていてもよい。
このような永久磁石２１０ａ、２２０の位置関係により、図１３（ｂ）に示すように、永久磁石２１０ａが２次コイル３１３の導線部３１３ｃと対峙したとき、永久磁石２２０が２次コイル３１３の導線部３１３ｂと対峙しない。なお、永久磁石２１０ａにあっては、上記同様に、電磁石としてもよい。
次に、浮上ロータ３００に２次コイル３１３を歯車状に巻回した場合でのローレンツ力Ｆの発生について説明する。まず、図１３（ａ）に示すように、浮上ロータ３００が矢印ａ方向に回転したとする。このとき、２次コイル３１３の導線部３１３ａが電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２１０ａの傍を通過する。またこのとき、２次コイル３１３の導線部３１３ａが永久磁石２１０ａからの磁界の向きに対して直交する方向に移動する。ここで、永久磁石２１０ａの先端側の磁極がＮ極となっているとする。この場合、２次コイル３１３には、矢印方向に誘導電流Ｉが流れる。
またこのとき、２次コイル３１３の導線部３１３ｂが電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０の傍を通過する。ここで、永久磁石２２０による磁界と２次コイル３１３の導線部３１３ｂを流れる誘導電流Ｉとにより、浮上ロータ３００には回転中心軸に沿った上向きのローレンツ力Ｆが発生する。
ここで、ローレンツ力Ｆは、４箇所に設けられている永久磁石２２０と対峙する２次コイル３１３の歯部３１３Ｂの導線部３１３ｂで発生する。このため、浮上ロータ３００には、４箇所の歯部３１３Ｂから回転中心軸に沿った上向きのローレンツ力Ｆが発生する。これにより、浮上ロータ３００の回転中心軸に沿って軸方向の位置制御が可能となる。
また、電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０の磁界により、２次コイル３１３の歯部３１３Ｂの導線部３１３ｂに発生するローレンツ力Ｆは、上記式１と同様に、
Ｆ＝ＩｔｏｔａｌＬＢＰＭＮ
で表される。
また、図１３（ｂ）に示すように、２次コイル３１３の導線部３１３ｃが電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２１０ａの傍を通過すると、導線部３１３ｃが永久磁石２１０ａからの磁界を横切ることで、２次コイル３１３に点線矢印で示す逆向きの誘導電流Ｉが流れる。この場合、２次コイル３１３の導線部３１３ｂは、電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０から外れた位置にある。つまり、２次コイル３１３の導線部３１３ｂは、電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０と対峙しない位置にあるため、浮上ロータ３００には回転中心軸に沿ったローレンツ力Ｆが発生しない。
なお、浮上ロータ３００側の２次コイル３１３にあっては、たとえば図１４に示すように、全ての導線部３１３ａ〜３１３ｄを浮上ロータ３００の外周面側に巻回してもよい。この場合、上記同様に、浮上ロータ３００に整流回路を設けてもよい。これにより、２次コイル３１３の導線部３１３ａが電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２１０ａの傍を通過することで、上記同様に、２次コイル３１３には矢印方向のみに誘導電流Ｉが流れる。
またこのとき、上記同様に、永久磁石２２０による磁界と２次コイル３１３の導線部３１３ｂを流れる誘導電流Ｉとにより、浮上ロータ３００には回転中心軸に沿った上向きのローレンツ力Ｆが発生する。
また、図１４（ｂ）に示すように、２次コイル３１３の導線部３１３ｃが電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２１０ａの傍を通過すると、導線部３１３ｃが永久磁石２１０ａからの磁界を横切ることで、２次コイル３１３に点線矢印で示す逆向きの誘導電流Ｉが流れる。この場合、２次コイル３１３の導線部３１３ｂは、電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０から外れた位置にある。つまり、２次コイル３１３の導線部３１３ｂは、電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０と対峙しない位置にあるため、浮上ロータ３００には回転中心軸に沿ったローレンツ力Ｆが発生しない。
なお、説明が重複するが、図１２〜図１４に示した電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２１０ａ、２２０については、１箇所のみに設けても、浮上ロータ３００の軸方向位置の制御が可能となる。すなわち、浮上ロータ３００は、矢印ａ方向に回転する。このため、２次コイル３１３のそれぞれの歯部３１３Ｂの導線部３１３ａが電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２１０ａの傍を通過するタイミングに合わせて、２次コイル３１３に誘導電流Ｉが流れる。また、２次コイル３１３に誘導電流Ｉが流れるタイミングに合わせて２次コイル３１３のそれぞれの歯部３１３Ｂの導線部３１３ｂが電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０の傍を通過する。
つまり、浮上ロータ３００の回転に合わせ、２次コイル３１３のそれぞれの歯部３１３Ｂの導線部３１３ａにて順々に回転中心軸に沿った上向きのローレンツ力Ｆが発生することになる。これにより、浮上ロータ３００の軸方向での均衡が保たれるため、軸方向位置の制御が可能となる。このことは、浮上ロータ３００の回転速度が高い程、浮上ロータ３００の軸方向位置での均衡がより良好に保たれる。
また、図１２〜図１４で説明した電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０の磁極の向きについては、上述した向きとは逆向きとしてもよい。この場合、浮上ロータ３００には回転中心軸に沿った下向きのローレンツ力Ｆを発生させることができる。また、永久磁石２２０にあっては、電磁石としてもよい。この場合、電磁石の極性を変えることで、浮上ロータ３００に発生するローレンツ力Ｆの向きを変えることができる。
また、電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０にあっては、筒部２３２の底部２３３側に配置し、導線部３１３ｂに対して上側から対峙するようにしてもよい。この場合、図１（ｃ）で説明した原理のように、浮上ロータ３００の回転中心軸に対し直交する方向（径方向）にローレンツ力Ｆを発生させることができる。この場合、筒部２３２の底部２３３側に配置した永久磁石２２０を、上記同様に、電磁石としてもよい。
このように、第３実施形態では、浮上ロータ３００の外周面に２次コイル３１３を配置した。また、導線部３１３ａ（第１の導線部）が浮上ロータ３００の一面側から他面側に向けて延び、導線部３１３ｂ（第２の導線部）が浮上ロータ３００の外周方向に沿って延び、導線部３１３ｃ（第３の導線部）が浮上ロータ３００の他面側から一面側に向けて延びるように巻回した。また、永久磁石２１０ａ（第１の磁石）を、導線部３１３ａ、３１３ｃが通過する位置に配設し、永久磁石２２０（第２の磁石）を、導線部３１３ｂ（第２の導線部）が通過する位置に配設した。
この構成では、浮上ロータ３００側の導線部３１３ａ、３１３ｃが電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２１０ａ（第１の磁石）による磁界を通過する。また、浮上ロータ３００側の導線部３１３ｂ（第２の導線部）が電磁誘導ステータ２００側の永久磁石２２０（第２の磁石）の磁界を通過する。これにより、上記同様に、浮上ロータ３００にローレンツ力Ｆが発生し、簡単な構成で浮上ロータ３００の姿勢制御を行うことができる。
特に、第３実施形態では、２次コイル３１３を浮上ロータ３００の外周面に配置しているため、浮上ロータ３００には軸方向のローレンツ力を発生させることができ、浮上ロータ３００側の軸方向の姿勢制御が可能となる。
また、第３実施形態では、２次コイル３１３を矩形状に巻回していることで、上記同様に、浮上ロータ３００に２次コイル３１３の導線部３１３ａ〜３１３ｃをバランス良く配置することができる。また、２次コイル３１３を矩形状に巻回することで、たとえばそれぞれの歯部３１３Ｂの数を任意に決定することができ、上記同様に、ローレンツ力Ｆの発生箇所を任意に設定することができる。
なお、第３実施形態においては、２次コイル３１３を３次元配置としてもよい。すなわち、たとえば図１４（ｃ）に示すように、点線で示す導線部３１３ｂを浮上ロータ３００の回転中心軸に向けて埋設し、点線で示す導線部３１３ａを浮上ロータ３００の内部に垂直及び水平に埋設し、実線で示す導線部３１３ｄを浮上ロータ３００の側部に水平に配設し、実線で示す導線部３１３ｃを浮上ロータ３００の側部に垂直に配設する。この場合、永久磁石２２０をたとえば実線で示す導線部３１３ｄに対峙させることで、上記同様に、浮上ロータ３００には軸方向のローレンツ力Ｆを発生させることができる。なお、この場合の導線部３１３ｄは、図１３（ａ）（ｂ）に示す導線部３１３ｂ（第２の導線部）と同様に、浮上ロータ３００の外周面に配置されているため、軸方向のローレンツ力Ｆを発生させることができる。
また、２次コイル３１３を３次元配置とすると、図１４（ｄ）に示すように、導線部３１３ａ〜３１３ｄを密に配置できるため、ローレンツ力Ｆをさらに増やすことができる。
なお、このような２次コイル３１３を３次元配置とする構成については、上述した第１実施形態及び第２実施形態でも同様に適用することができる。
（第４実施形態：エネルギー送電方式）
次に、上述した浮上ロータ３００の２次コイル３１３の巻き方を変えた場合の第４実施形態を、図１５〜図１８を参照して説明する。なお、以下に説明する図において、図２〜図７、図１１〜図１４と共通する部分には同一符号を付し、重複する説明は適宜行うものとする。
まず、図１５に示すように、エネルギー送電ステータ２００Ａには、底部２３３を有する筒部２３２が設けられている。筒部２３２の内径は、浮上ロータ３００の外径に合わせられている。筒部２３２の底部２３３には、４個の永久磁石２２０が円周方向に沿って埋設されている。筒部２３２の外周には、１次コイル２１１が巻回されている。なお、永久磁石２２０については、上記同様に、４個に限られるものではない。１個〜３個であってもよいし、５個以上であってもよい。
特に、永久磁石２２０を１個とした場合は、回転中心軸Ｏに向けたローレンツ力Ｆの発生箇所は１箇所となり、ローレンツ力Ｆは一方向のみとなる。ただし、浮上ロータ３００の回転に応じて連続的にローレンツ力Ｆが発生する。このため、浮上ロータ３００の径方向での均衡が保たれるため、径方向位置の制御が可能となる。このことは、上記同様に、浮上ロータ３００の回転速度が高い程、浮上ロータ３００の軸方向位置での均衡がより良好に保たれる。
一方、浮上ロータ３００の外周面には、２次コイル３１３が巻回されている。なお、図１５では、図５（ｂ）で説明した２次コイル３１３を巻回する溝３１２を示していないが、同様に設けてもよいことは勿論である。また、浮上ロータ３００には、図示しない整流回路が設けられている。そして、２次コイル３１３には、１次コイル２１１の磁界変化による相互誘導によっての誘導電流Ｉが流れる。ただし、２次コイル３１３に流れる誘導電流Ｉは、整流回路によって整流されたものとなるため、一方向のみに流れる。
浮上ロータ３００は、図１６（ａ）に示すように、エネルギー送電ステータ２００Ａの筒部２３２内に収容される。浮上ロータ３００がエネルギー送電ステータ２００Ａの筒部２３２内に収容された状態では、浮上ロータ３００側の２次コイル３１３がエネルギー送電ステータ２００Ａ側の１次コイル２１１の内側に位置する。この状態で、エネルギー送電ステータ２００Ａ側の１次コイル２１１と浮上ロータ３００側の２次コイル３１３とが対峙する。なお、１次コイル２１１と２次コイル３１３との対峙関係にあっては、高さ位置が異なる同心状であってもよいし、高さ位置が同じとなる同心円状であってもよい。つまり、何れの対峙関係にあっても、１次コイル２１１からの磁界の変化が２次コイル３１３に作用する。
また、図１６（ｂ）に示すように、浮上ロータ３００がエネルギー送電ステータ２００Ａの筒部２３２内に収容された状態では、エネルギー送電ステータ２００Ａ側の永久磁石２２０が浮上ロータ３００側の２次コイル３１３と対峙する。
次に、浮上ロータ３００の回転中心軸Ｏに向けて生じるローレンツ力Ｆによる径方向での位置制御について説明する。なお、浮上ロータ３００は、上記同様に、エネルギー送電ステータ２００Ａの筒部２３２内に収容された状態で回転する。ただし、第４実施形態では、浮上ロータ３００の回転により、２次コイル３１３に誘導電流Ｉを発生させるものではない。
まず、エネルギー送電ステータ２００Ａ側の１次コイル２１１に交流を流す。これにより、１次コイル２１１の内側の磁界が変化する。このとき、１次コイル２１１による磁界の変化により、浮上ロータ３００の２次コイル３１３に相互誘導によっての誘導電流Ｉが流れる。この誘導電流Ｉの向きは、図示しない整流回路によって整流されたものとなるため、一方向のみとなる。図１６（ｂ）では、たとえば時計回りに流れるものとして示している。
このとき、浮上ロータ３００側の２次コイル３１３とエネルギー送電ステータ２００Ａ側の永久磁石２２０とが対峙している。このため、永久磁石２２０による磁界と２次コイル３１３を流れる誘導電流Ｉとにより、浮上ロータ３００には回転中心軸Ｏに向けたローレンツ力Ｆが発生する。ここで、ローレンツ力Ｆは、２次コイル３１３の４箇所で発生する。そのため、浮上ロータ３００には、四方から回転中心軸Ｏに向けたローレンツ力Ｆが発生することになる。これにより、浮上ロータ３００の径方向位置の制御が可能となる。
また、エネルギー送電ステータ２００Ａ側の永久磁石２２０の磁界により、２次コイル３１３に発生するローレンツ力Ｆは、上記式１と同様に、
Ｆ＝ＩｔｏｔａｌＬＢＰＭＮ
で表される。
なお、エネルギー送電ステータ２００Ａ側の永久磁石２２０にあっては、上記同様に、電磁石としてもよい。これにより、電磁石の極性を変えることで、２次コイル３１３に発生するローレンツ力Ｆの向きを変えることができる。
次に、図１７〜図１８を参照し、２次コイル３１３に発生する誘導電流Ｉの実験による測定結果について説明する。なお、以下の測定においては、エネルギー送電ステータ２００Ａ及び浮上ロータ３００を、非磁性体で形成した。
まず、図１７を参照し、誘導電流Ｉの測定系について説明する。エネルギー送電ステータ２００Ａ側の１次コイル２１１と、浮上ロータ３００側の２次コイル３１３とを、それぞれリッツ線（ＵＥＷ線、０．０５×１２０）とした。エネルギー送電ステータ２００Ａ側の１次コイル２１１と、浮上ロータ３００側の２次コイル３１３とは、同心になるよう設計した。また、図示しないスペーサで両コイルの軸方向中心の距離を変化させた。また、１次コイル２１１の直径を変化させ、コイル同士の径方向ギャップを変化させた。
なお、１次コイル２１１には、安定化電源装置８１０ａから発生する直流をプッシュプル型インバータ８１１によって交流に変換したものを流した。このとき、プッシュプル型インバータ８１１の制御のために、別の安定化電源装置８１２をプッシュプル型インバータ８１１のＩＣに接続した。また、プッシュプル型インバータ８１１のＩＣから発生する制御信号をオシロスコープ８１３で測定し、プッシュプル型インバータ８１１で発生する交流周波数の調整を行った。また、２次コイル３１３には、図示しない負荷抵抗を接続した。また、２次コイル３１３で発生する誘導電流Ｉを電流計８００で測定した。
また、１次コイル２１１及び２次コイル３１３の巻数は、どちらも５巻とした。また、１次コイル２１１への印加電圧を９Ｖで固定し、２次コイル３１３の図示しない負荷抵抗を３Ωで固定した。また、プッシュプル型インバータ８１１で発生する交流周波数を５０ｋＨｚから４００ｋＨｚまでとし、５０ｋＨｚ刻みで変化させた。また、軸方向中心の距離を−１．０ｍｍから１．０ｍｍまでとし、０．５ｍｍ刻みで変化させた。また、径方向の１次コイル２１１と２次コイル３１３とのギャップは、片側４ｍｍ、１ｍｍ、０．１ｍｍと変化させた。
次に、図１８を参照し、誘導電流Ｉの測定結果について説明する。まず、図１８（ａ）は、軸方向中心の距離を−１．０ｍｍから１．０ｍｍまでとし、０．５ｍｍ刻みで変化させた場合の測定結果を示している。なお、ｋは、比較のための結合係数を示している。
図１８（ａ）から分かる通り、軸方向中心の距離が変化しても、全てにおいて周波数５０ｋＨｚで最大値約０．２７Ａの誘導電流Ｉが得られた。
また、図１８（ｂ）は、径方向の１次コイル２１１と２次コイル３１３とのギャップを、片側４ｍｍ、１ｍｍ、０．１ｍｍと変化させた場合の測定結果を示している。図１８（ｂ） から分かる通り、径方向ギャップが小さくなるほど誘導電流値が上昇している。ちなみに、径方向ギャップ０．１ｍｍ、５０ｋＨｚで最大値約０．３６Ａの誘導電流Ｉが得られた。
以上の測定結果から、エネルギー送電ステータ２００Ａ側の１次コイル２１１と、浮上ロータ３００側の２次コイル３１３とを同心状に配置した場合、最大で０．３Ａ前後の誘導電流Ｉを得ることができる。よって、上述した式１により、回転中心軸Ｏに向けて生じるローレンツ力Ｆを得ることができ、上述した浮上ロータ３００の径方向での位置の制御が可能となる。
このように、第４実施形態では、エネルギー送電ステータ２００Ａに、浮上ロータ３００を収容する筒部２３２を設けた。また、エネルギー送電ステータ２００Ａの筒部２３２の外周面に１次コイル２１１を巻回した。また、永久磁石２２０の磁極を浮上ロータ３００のエネルギー送電ステータ２００Ａと対峙する面に向けた。そして、浮上ロータ３００側の２次コイル３１３を１次コイル２１１の内側に位置するようにした。
この構成では、エネルギー送電ステータ２００Ａ側の１次コイル２１１の磁界の変化により、浮上ロータ３００側の２次コイル３１３に誘導電流Ｉが流れる。また、磁極を浮上ロータ３００のエネルギー送電ステータ２００Ａと対峙する面に向けた永久磁石２２０と２次コイル３１３を流れる誘導電流Ｉとにより、浮上ロータ３００には径方向のローレンツ力を発生させることができる。これにより、上記同様に、簡単な構成で浮上ロータ３００の径方向での姿勢制御を行うことができる。
（第５実施形態：エネルギー送電方式）
次に、図１９を参照し、第４実施形態でのエネルギー送電ステータ２００Ａ側の１次コイル２１１と浮上ロータ３００側の２次コイル３１３との位置を逆にした場合の第５実施形態について説明する。
第４実施形態では、浮上ロータ３００がエネルギー送電ステータ２００Ａの筒部２３２内に収容された状態のとき、エネルギー送電ステータ２００Ａ側の１次コイル２１１の内側に浮上ロータ３００側の２次コイル３１３が位置する場合としている。これに対し、第５実施形態では、エネルギー送電ステータ２００Ａ側の１次コイル２１１と、浮上ロータ３００側の２次コイル３１３との位置関係を逆にしている。
すなわち、図１９（ａ）（ｂ）に示すように、エネルギー送電ステータ２００Ａには、底部２３３を有する筒部２３２が設けられている。また、筒部２３２の外周にはフランジ部２３１が設けられている。そして、このフランジ部２３１に永久磁石２２０が配置されている。また、エネルギー送電ステータ２００Ａの筒部２３２の外周に上記同様に、１次コイル２１１が巻回されている。
一方、浮上ロータ３００側は、内部に窪み３１０が形成されている。この窪み３１０の大きさは、エネルギー送電ステータ２００Ａの筒部２３２が嵌合される程度である。また、浮上ロータ３００の外周に上記同様に、２次コイル３１３が巻回されている。なお、図１９では、図５（ｂ）で説明した２次コイル３１３を巻回する溝３１２を示していないが、同様に設けてもよいことは勿論である。
このような構成では、エネルギー送電ステータ２００Ａの筒部２３２が浮上ロータ３００側の窪み３１０に嵌まり込むと、エネルギー送電ステータ２００Ａ側の１次コイル２１１の外側に浮上ロータ３００側の２次コイル３１３が位置する。また、浮上ロータ３００側の２次コイル３１３と、エネルギー送電ステータ２００Ａ側のフランジ部２３１に配置されている永久磁石２２０とが対峙する。
そして、エネルギー送電ステータ２００Ａ側の１次コイル２１１に交流を流すと、１次コイル２１１の内側の磁界が変化する。このとき、１次コイル２１１による磁界の変化により、上記同様に、浮上ロータ３００の２次コイル３１３に相互誘導によっての誘導電流Ｉが流れる。
このとき、浮上ロータ３００側の２次コイル３１３とエネルギー送電ステータ２００Ａ側のフランジ部２３１に配置されている永久磁石２２０とが対峙している。このため、上記同様に、永久磁石２２０による磁界と２次コイル３１３を流れる誘導電流Ｉとにより、浮上ロータ３００には回転中心軸Ｏに向けたローレンツ力Ｆが発生する。これにより、浮上ロータ３００の径方向位置の制御が可能となる。
なお、永久磁石２２０にあっては、上記同様に、電磁石としてもよい。この場合、電磁石の極性を変えることで、ローレンツ力Ｆの向きを変えることができる。
このように、第５実施形態では、エネルギー送電ステータ２００Ａに、外周面に１次コイル２１１が巻回される筒部２３２を設け、さらに、永久磁石２２０の磁極を浮上ロータ３００のエネルギー送電ステータ２００Ａと対峙する面に向けた。また、浮上ロータ３００に、筒部２３２が嵌まり込む窪み３１０を設けた。そして、２次コイル３１３が１次コイル２１１の外側に位置するようにした。
この構成では、浮上ロータ３００側の２次コイル３１３がエネルギー送電ステータ２００Ａ側の１次コイル２１１の外側に位置するように構成されていても、エネルギー送電ステータ２００Ａ側の１次コイル２１１の磁界の変化により、浮上ロータ３００側の２次コイル３１３に誘導電流Ｉが流れる。また、磁極が浮上ロータ３００のエネルギー送電ステータ２００Ａと対峙する面に向けられた永久磁石２２０と２次コイル３１３を流れる誘導電流Ｉとにより、浮上ロータ３００には径方向のローレンツ力Ｆを発生させることができる。これにより、上記同様に、簡単な構成で浮上ロータ３００の径方向での姿勢制御を行うことができる。
（第６実施形態）
次に、図２０を参照し、図１５の磁気浮上姿勢制御装置の構成を変えた場合の第６実施形態について説明する。
まず、エネルギー送電ステータ２００Ａには、底部２３３を有する筒部２３２が設けられている。また、筒部２３２の外周には、筒部２３２と同心状となるフランジ部２３６が設けられている。また、筒部２３２の外周には、上記同様に、１次コイル２１１が巻回されている。フランジ部２３６の内側には、磁極を筒部２３２側に向けた永久磁石２２０が配置されている。なお、永久磁石２２０については、上記同様に、１個以上であればよい。また、永久磁石２２０については、上記同様に、電磁石であってもよい。
一方、浮上ロータ３００側は、内部に窪み３１０が形成されている。この窪み３１０の大きさは、エネルギー送電ステータ２００Ａの筒部２３２が嵌合される程度である。また、浮上ロータ３００の外周に上記同様に、２次コイル３１３が巻回されている。なお、図２０では、図５（ｂ）で説明した２次コイル３１３を巻回する溝３１２を示していないが、同様に設けてもよいことは勿論である。また、１次コイル２１１と２次コイル３１３とは、上記同様に、高さ位置が異なる同心状であってもよいし、高さ位置が同じとなる同心円状であってもよい。
このような構成では、エネルギー送電ステータ２００Ａの筒部２３２が浮上ロータ３００側の窪み３１０に嵌まり込むと、エネルギー送電ステータ２００Ａ側の１次コイル２１１の外側に浮上ロータ３００側の２次コイル３１３が位置する。また、浮上ロータ３００側の２次コイル３１３と、エネルギー送電ステータ２００Ａ側のフランジ部２３６に配置されている永久磁石２２０とが対峙する。
そして、エネルギー送電ステータ２００Ａ側の１次コイル２１１に交流を流すと、１次コイル２１１の内側の磁界が変化する。このとき、１次コイル２１１による磁界の変化により、上記同様に、浮上ロータ３００の２次コイル３１３に相互誘導によっての誘導電流Ｉが流れる。なお、２次コイル３１３には、上記同様に、浮上ロータ３００に設けた図示しない整流回路により、一方向のみの誘導電流Ｉが流れる。
このとき、浮上ロータ３００側の２次コイル３１３とエネルギー送電ステータ２００Ａ側のフランジ部２３１に配置されている永久磁石２２０とが対峙している。このため、上記同様に、永久磁石２２０による磁界と２次コイル３１３を流れる誘導電流Ｉとにより、浮上ロータ３００には浮上ロータ３００の回転中心軸に沿った矢印で示すローレンツ力Ｆが発生する。これにより、浮上ロータ３００の軸方向の位置制御が可能となる。
このように、第６実施形態では、エネルギー送電ステータ２００Ａに、外周面に１次コイル２１１が巻回される筒部２３２と、筒部２３２の外周を覆い内側に永久磁石２２０が配置されたフランジ部２３６とを設けた。また、浮上ロータ３００には、筒部２３２が嵌まり込む窪み３１０を設けた。また、２次コイル３１３を１次コイル２１１の外側に位置させ、さらに永久磁石２２０の磁極を浮上ロータ３００の外周面に向けた。
この構成では、エネルギー送電ステータ２００Ａ側の１次コイル２１１の磁界の変化により、浮上ロータ３００側の２次コイル３１３に誘導電流Ｉが流れる。また、磁極が浮上ロータ３００の外周面に向けらた永久磁石２２０と２次コイル３１３を流れる誘導電流Ｉとにより、浮上ロータ３００には軸方向のローレンツ力Ｆ発生させることができる。
なお、永久磁石２２０にあっては、筒部２３２とフランジ部２３６との間に配置してもよい。この場合、永久磁石２２０は、２次コイル３１３の上方に配置されるため、浮上ロータ３００には径方向のローレンツ力Ｆを発生させることができる。
また、第１実施形態〜第６実施形態では、２次コイル３１３に流れる誘導電流Ｉと永久磁石２２０による磁界とにより、浮上ロータ３００にローレンツ力Ｆを発生させ、径方向又は軸方向の姿勢制御を行わせる構成をとっている。ただし、この構成に限らず、浮上ロータ３００側に２次コイル３１３の誘導電流Ｉを貯蓄する貯蓄機構と、自己の姿勢を検出するセンサと、電流出力制御回路とをさらに設け、センサの検知結果に基づき電流出力制御回路が貯蓄機構のエネルギーを送出する構成をとってもよい。なお、貯蓄機構としては、コンデンサや、２次電池などを用いることができる。また、センサとしては、磁気センサなどを用いることができる。このような構成にすると、貯蓄機構に貯蓄したエネルギーを瞬時に使用することができる。これにより、ローレンツ力Ｆに加え、電磁石によるリラクタンス力を使用した姿勢制御も可能となる。
１００ 磁気浮上姿勢制御装置
２００ 電磁誘導ステータ
２００Ａ エネルギー送電ステータ
２１０ 突極
２１０ａ 永久磁石
２１１ １次コイル
２２０ 永久磁石
２３１、２３６ フランジ部
２３２ 筒部
２３２ａ 内面
２３３ 底部
３００、３００Ａ 浮上ロータ
３１０ 窪み
３１２ 溝
３１３ ２次コイル
３１３Ａ、３１３Ｂ 歯部
３１３ａ〜３１３ｄ 導線部
３１４ 非磁性体
３１４ａ 係合穴
３１５ 磁性体
３１８ 絶縁テープ
４００ インペラー
５００ ロータ
６００ 回転制御ステータ
７００ 磁気浮上装置
８００ 電流計
８１０ａ 安定化電源装置
８１１ プッシュプル型インバータ
８１２ 安定化電源装置
８１３ オシロスコープ

Claims (8)

  1. 電磁誘導ステータと、
    前記電磁誘導ステータと対峙する浮上ロータとが備えられ、
    前記電磁誘導ステータには、誘導電流発生用の第１の磁石とローレンツ力発生用の第２の磁石とが設けられ、
    前記浮上ロータには、前記第１の磁石の磁界を横切る第１及び第３の導線部と、前記第２の磁石の磁界を横切る第２の導線部とを有する２次コイルが巻回され、
    前記浮上ロータの回転により、前記第１又は第３の導線部に流れる誘導電流と、前記第２の導線部が横切る前記第２の磁石の磁界とにより、前記浮上ロータに径方向又は軸方向に向けたローレンツ力が発生するように構成されている
    ことを特徴とする磁気浮上姿勢制御装置。
  2. 前記２次コイルは、前記電磁誘導ステータと対峙する面上に配置され、前記第１の導線部が前記浮上ロータの回転中心軸側から外周側に向けて延び、前記第２の導線部が前記浮上ロータの円周方向に延び、前記第３の導線部が前記浮上ロータの外周側から回転中心軸側に向けて延びるように巻回され、
    前記第１の磁石は、前記第１及び第３の導線部が通過する位置に配設され、
    前記第２の磁石は、前記第２の導線部が通過する位置に配設されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気浮上姿勢制御装置。
  3. 前記２次コイルは、外周面に配置され、前記第１の導線部が前記浮上ロータの一面側から他面側に向けて延び、前記第２の導線部が前記浮上ロータの外周方向に沿って延び、前記第３の導線部が前記浮上ロータの他面側から一面側に向けて延びるように巻回され、
    前記第１の磁石は、前記第１及び第３の導線部が通過する位置に配設され、
    前記第２の磁石は、前記第２の導線部が通過する位置に配設されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気浮上姿勢制御装置。
  4. 浮上ロータと、
    前記浮上ロータと対峙するエネルギー送電ステータとが備えられ、
    前記浮上ロータの外周面に２次コイルが巻回され、
    前記エネルギー送電ステータには、前記２次コイルと同心状となるように巻回された１次コイルと、前記２次コイルに対峙する磁石とが配設され、
    前記１次コイルの磁界の変化に伴う前記２次コイルに流れる誘導電流と、前記２次コイルが横切る前記磁石の磁界とにより、前記浮上ロータに径方向又は軸方向に向けたローレンツ力が発生するように構成されている
    ことを特徴とする磁気浮上姿勢制御装置。
  5. 前記エネルギー送電ステータには、前記浮上ロータを収容し、外周面に前記１次コイルが巻回される筒部が設けられ、さらに、前記磁石の磁極が前記浮上ロータの前記エネルギー送電ステータと対峙する面に向けられ、
    前記２次コイルが前記１次コイルの内側に位置するように構成されている
    ことを特徴とする請求項４に記載の磁気浮上姿勢制御装置。
  6. 前記エネルギー送電ステータには、外周面に前記１次コイルが巻回される筒部が設けられ、さらに、前記磁石の磁極が前記浮上ロータの前記エネルギー送電ステータと対峙する面に向けられ、
    前記浮上ロータには、前記筒部が嵌まり込む窪みが設けられ、
    前記２次コイルが前記１次コイルの外側に位置するように構成されている
    ことを特徴とする請求項４に記載の磁気浮上姿勢制御装置。
  7. 前記エネルギー送電ステータには、外周面に前記１次コイルが巻回される筒部と、前記筒部の外周を覆い内側に前記磁石が配置されたフランジ部とが設けられ、
    前記浮上ロータには、前記筒部が嵌まり込む窪みが設けられ、
    前記２次コイルが前記１次コイルの外側に位置し、さらに前記磁石の磁極が前記浮上ロータの外周面に向けられるように構成されている
    ことを特徴とする請求項４に記載の磁気浮上姿勢制御装置。
  8. 前記２次コイルには、整流回路によって整流された一方向のみの誘導電流が流れることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の磁気浮上姿勢制御装置。
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