JP2021126001A - モータおよび物品 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転子をより簡単な構造によって非接触で回転させることができるモータ【解決手段】 第一部分は、ベース部分と前記ベース部分の外周部に設けられた複数の永久磁石を有し、第二部分は、ハウジングと前記ハウジングの内周部であって前記複数の永久磁石と対向する位置に複数のコイルを有し、前記複数の永久磁石は、回転方向に沿った第一の着磁方向に着磁された第一の永久磁石群と、前記第一の着磁方向と交差する第二の着磁方向に着磁された第二の永久磁石群とを有することを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、回転子と、固定子を備え、前記回転子が、前記回転子の軸線のまわりに非接触状態で回転するモータおよび物品に関する。

回転子を磁気の作用によって非接触状態で回転させる構成の回転機器として、例えば磁気浮上回転モータ、高速回転機、工作機械用の高速スピンドル、更にはその応用例としての真空ポンプへの適用がある。

磁気浮上の方式として、回転子の軸線方向に沿って回転子の軸方向の位置ならびに回転の制御を行なうものがある（特許文献１参照）。

特開２０１２−２５１４８６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法ではその上部にラジアル軸受けのためのコイル、回転力を発生させるモータ、下部にアキシャル軸受けと、複数のコイルが配置されているためモータ全体が大型化するという問題があった。

本発明によるモータは、相対的に回転する第一部分および第二部分を有するモータであって、前記第一部分は、ベース部分と前記ベース部分の外周部に設けられた複数の永久磁石を有し、前記第二部分は、ハウジングと前記ハウジングの内周部であって前記複数の永久磁石と対向する位置に複数のコイルを有し、前記複数の永久磁石は、回転方向に沿った第一の着磁方向に着磁された第一の永久磁石群と、前記第一の着磁方向と交差する第二の着磁方向に着磁された第二の永久磁石群とを有することを特徴とする。

または、本発明のモータは、相対的に回転する第一部分および第二部分を有するモータであって、前記第一部分は、ベース部分と前記ベース部分の外周部に設けられた複数のコイルを有し、前記第二部分は、ハウジングと前記ハウジングの内周部であって前記複数のコイルと対向する位置に複数の永久磁石を有し、前記複数の永久磁石は、回転方向に沿った第一の着磁方向に着磁された第一の永久磁石群と、前記第一の着磁方向と交差する第二の着磁方向に着磁された第二の永久磁石群とを有することを特徴とする。

また、本発明による物品は、上記モータを有することを特徴とする。

本発明によれば、回転子をより簡単な構造によって非接触で回転させることができる。

（Ａ）本発明の第１実施形態を示す概略図である。（Ｂ）本発明の第１実施形態を示す概略図である。 （Ａ）本発明の第１実施形態を示す概略図である。（Ｂ）本発明の第１実施形態を示す概略図である。（Ｃ）本発明の第１実施形態を示す概略図である。（Ｄ）本発明の第１実施形態を示す概略図である。 本発明の第１実施形態を示す概略図である。 本発明の第１実施形態を示す概略図である。 本発明の第１実施形態を示す概略図である。 本発明の第１実施形態を示す概略図である。 本発明の第１実施形態を示す概略図である。 本発明の第３実施形態を示す概略図である。 本発明の第３実施形態の変形例を示す概略図である。 本発明の第４実施形態を示す概略図である。 （Ａ）本発明の第５実施形態を示す概略図である。（Ｂ）本発明の第５実施形態を示す概略図である。 （Ａ）本発明の第６実施形態を示す概略図である。（Ｂ）本発明の第６実施形態を示す概略図である。 本発明の第７実施形態を示す概略図である。

［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明のモータの一例である第１実施形態について図１Ａ乃至図７を用いて説明する。

図１は、モータを示す概念図である。図１（Ａ）は縦断面概念図を示し、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ´に沿う断面概念図を示す。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）において、１０１は回転子であり、２０１は固定子である。回転子１０１は固定子２０１に対して浮上した状態で（非接触で）回転する。回転子１０１は、ベース部分１０５と複数の永久磁石１０２を有している。ベース部分１０５は、第一の面１０５ａと第二の面１０５ｂと第一の面１０５ａと第二の面１０５ｂとを接続する外周面を有する外周部１０５ｃを有している。そして、複数の永久磁石１０２は、ベース部分１０５の外周部１０５ｃに取り付けられている。ベース部分の外周部と永久磁石との間にヨーク等の別部材を介して永久磁石が取り付けられていてもよい。固定子２０１は、ハウジング２０６と、ハウジング２０６の内周面である内周部２０６ａであって回転子１０１の永久磁石１０２と対向する位置に取り付けられた複数のコイル２０４を有している。ハウジングの内周部とコイルとの間に別部材を介してコイルが取り付けられていてもよい。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）において、１０１を回転子、２０１を固定子としたが、１０１を固定子、２０１を回転子としてもよい。つまり、ハウジング２０６が架台などの固定部に接続可能であってもよいし、ベース部分１０５が架台などの固定部に接続可能であってもよい。

言い換えれば、１０１を第一部分、２０１を第二部分としたとき、第一部分１０１が第二部分２０１に対して相対的に回転してもよいし、第二部分２０１が第一部分１０１に対して相対的に回転してもよい。また、回転子（第一部分）１０１に複数の永久磁石、固定子（第二部分）２０１にはコイルを取り付ける例を示すが、回転子（第一部分）１０１にコイル、固定子（第二部分）２０１に永久磁石（強磁性体）を取り付けてもよい。

ここで、以下の説明において用いる座標軸、方向等を定義する。回転子１０１が回転する軸をＺ軸とし、Ｚ軸に沿う方向をＺ軸方向とする。つまりＺ軸方向は回転軸に平行な方向である。Ｚ軸方向と直交する方向にＸ軸をとり、Ｘ軸に沿う方向をＸ軸方向とする。Ｘ軸方向およびＺ軸方向に直交する方向に沿ってＹ軸をとり、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に直交する方向をＹ軸方向とする。Ｚ軸周りの回転をＷｚ、Ｘ軸周りの回転をＷｘ、Ｙ軸周りの回転をＷｙとする。回転の正方向は固定子２０１の原点Ｏｓからそれぞれの軸が＋の方向に伸びる方向に対して右ねじの方向とする。

また、半径方向（半径が大きくなる方向）にＲ軸をとる。

また後述するコイル群におけるコイルの指標として記号“ｊ（＝１〜６）”を用いる。

本実施形態においては、特に区別する必要がない限り、コイルを単に「コイル２０４」と表記する。各コイル２０４を個別に特定する必要がある場合、「コイル２０４−１」、「コイル２０４−２」、・・・「コイル２０４−６」と表記して各コイル２０４を個別に特定する。

同様に、永久磁石を単に「永久磁石１０２」と表記する。各永久磁石１０２を個別に特定する必要がある場合、例えば「永久磁石１０２−１」、「永久磁石１０２−２」、・・・「永久磁石１０２−９」と表記して各永久磁石１０２を個別に特定する。

回転子１０１のＷｚの回転角の大きさをθとする。

固定子２０１側のＺ軸回りの回転Ｗｚの基準Ｏｃはコイル２０４−１の中心とする。

回転子１０１側のＷｚの基準Ｏｒは永久磁石１０２−１と１０２−９の中間とする。

角度θは固定子２０１側の基準Ｏｃから回転子１０１側の基準Ｏｒへの角度とする。

後述の図２に示すように、回転子１０１のベース部１０５の外周部１０５ｃには、回転子１０１の回転方向（円周方向）に沿った第一の着磁方向に着磁された永久磁石群１０２−１〜１０２−９が取り付けられている。また、永久磁石群の中には、第一の着磁方向に沿って交互に着磁された第一の永久磁石群１０２−１、１０２−３、１０２−４、１０２−６、１０２−７、１０２−９が含まれている。また、永久磁石群の中には、前記第一の着磁方向と交差する第二の着磁方向に着磁された第二の永久磁石群１０２−２、１０２−５、１０２−８が含まれている。永久磁石１０２の背面側（固定子に対向する面とは反対側）には磁力を増すために図示しないヨーク板を取り付けてもよい。また、複数の永久磁石１０２を覆うようにカバー（不図示）が取り付けられていてもよい。

固定子２０１のカバー２０６の内周部２０６ａには、回転子１０１の永久磁石と対向する位置であって固定子２０１の円周方向に沿って、鉄芯あるいは空芯の周りに導線が巻かれた複数のコイル２０４が取り付けられている。そして、コイルに電流を流すことによりコイルと永久磁石との間に作用する電磁力によって、回転子１０１が固定子２０１に対してＺ軸の周りに回転する。

なお、複数のコイル２０４にはこれらを覆うようにカバー（不図示）が取り付けられていてもよい。

固定子２０１にはＸセンサ２１３とＹセンサ２１４が取り付けられている。Ｘセンサ２１３は、回転子１０１とＸセンサ２１３の間のＸ軸方向の距離を検出することができる。また、Ｙセンサ２１４は回転子１０１とＹセンサ２１４と間のＹ軸方向の距離を検出することが出来る。

さらに、固定子２０１にはＷｚセンサ２１１が取り付けられている。またＷｚセンサ２１１に対向する回転子１０１の面にはスケール２１２が取り付けられている。Ｗｚセンサ２１１は、回転子１０１のスケール２１２上のパターンを読み取ることで回転子１０１の回転角を検出することが出来る。

固定子２０１にはＺセンサ２１０ａ〜２１０ｃが３か所取り付けられている。これらのＺセンサ２１０は回転子１０１までのＺ軸方向の隙間（空隙）の距離を検出することが出来る。

ここで、３個のＺセンサ２１０ａ〜２１０ｃから回転子１０１のＺ軸方向、ＷＸ軸方向およびＷＹ軸方向における変位を算出する方法を図３を用いて説明する。３個のＺセンサ（２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ）の各々の検出値を元に平面ＡＢＣを定義する。その平面ＡＢＣの法線ベクトルの傾きと原点Ｏｓと平面ＡＢＣまでの距離から平面ＡＢＣの即ち回転子１０１の固定子に対する変位（Ｚ，Ｗｘ，Ｗｙ）すなわち傾きを算出することが出来る。

図２（Ａ）は、回転子１０１の永久磁石１０２の配置を模式的に表わした図であり、ベース部１０５の外周部１０５ｃを展開して模式的に表した図を示している。

永久磁石１０２はコイルに対向する面方向に、例えば図示するように着磁されている。具体的には、例えば、永久磁石１０２−１、１０２−４、１０２−７はコイルに対向する面がＮ極に、永久磁石１０２−３、１０２−６、１０２−９はＳ極に着磁されている。そして、永久磁石１０２−２、１０２−５、１０２−８はＺ軸方向に２分割され各々がＮ極およびＳ極に着磁されている。そして永久磁石１０２−１〜１０２−９による円周方向の配列が永久磁石群を構成している。この永久磁石群には、Ｚ軸方向に２分割着磁された永久磁石１０２−２、１０２−５、１０２−８が第２の永久磁石群を含んでいる。

図２（Ｂ）は、コイル２０４の配置を模式的に表わした図であり、固定子２０１のカバーの内周部２０１ａを展開して模式的に表した図を示している。

コイル２０４は全部で６個のコイルから構成されている例を示す。

図２（Ｃ）、図２（Ｄ）は回転子１０１が角度θ１にある場合の、コイル２０４における単位電流当たり発生するｑ軸、ｄ軸およびＺ軸のトルクの大きさ、すなわち推力定数（Ｅｑ，Ｅｄ、Ｅｚ）を模式的に表わした図である。

ここで示すｑ軸、ｄ軸はモータベクトル制御理論におけるｑ軸、ｄ軸を示していて、図１（Ｂ）には代表してコイル２０４−３に対するｑ軸およびｄ軸の方向を記載してある。ｑ軸は周方向、ｄ軸は径方向である。

各推力定数（Ｅｑ，Ｅｄ，ＥＺ）の大きさは回転子１０１の回転角度θとコイルの指標ｊによって異なる。各推力定数（Ｅｑ，Ｅｄ，ＥＺ）の最初の引数がコイル２０４の指標（ｊ、１〜６）、２番目の引数が、回転子１０１の角度θを表している。

図２（Ａ）（θ＝θ１）において、コイル２０４−４は対向面がＳ極の永久磁石１０２−３とＮ極の永久磁石１０２−４のほぼ中間に位置している。

この場合に、例えばコイル２０４−４に永久磁石２０４と対向する側にＮ極が現れるように単位電流を印加すると、永久磁石１０２−３との間には吸引力が、永久磁石１０２−４の間には反発力がそれぞれ働く。よって、コイル２０４−４にはｑ軸方向に推力（Ｅｑ（４，θ１））が印加される。一方、ｄ軸の推力（Ｅｄ（４，θ１））、Ｚ軸方向の推力（ＥＺ（４，θ１））は比較的小さい。

同様に、コイル２０４−５に永久磁石２０４と対向する側にＮ極が現れるように単位電流を印加すると、永久磁石１０２−５がＮ極とＳ極にＺ軸方向に分かれていることから、コイル２０４−５にはＺ軸方向の推力（ＥＺ（５，θ１））が働く。

また、永久磁石１０２−４と１０２−６との力を受けてｑ軸にも比較的小さい推力（Ｅｑ（５，θ１））が働く。同様にｄ軸の推力（Ｅｄ（５，θ１））は小さい。

コイル２０４に働く力は回転子１０１に働く反力と等価的に扱うことが出来るので、例えばコイルがｑ軸の正方向に推力が発生する場合は回転子１０１にはｑ軸の負方向の推力が発生する。

図４を用いて、電流制御システムについて説明する。

コイル２０４は各々個別に電流制御器３１３に接続されている。

電流制御器３１３には電流センサ３１２が接続されていてコイル２０４の各々の電流値を検出することが出来る。

電流制御器３１３はモータコントローラ３０１に接続されていてモータコントローラ３０１からの電流指令値に従って、電流センサ３１２で電流量を検出しながら、所定の電流を各々のコイル２０４に対して独立に印加することが出来る。

モータコントローラ３０１にはＺセンサ２１０、Ｗｚセンサ２１１、Ｘセンサ２１３、Ｙセンサ２１４が接続されていて、回転子１０１の変位（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｗｘ，Ｗｙ、Ｗｚ）を検出することが出来る。

またモータコントローラ３０１はその内部に制御プログラムおよびクロック発振器が内蔵されており、モータの変位に応じた電流値を計算して各コイル２０４に電流を印加することが出来る。

図５を用いてモータコントローラ３０１による回転子１０１の姿勢制御方法について説明する。図５は回転子１０１に印加する力の大きさを算出するための制御ループを模式的に表したものである。

ｒｅｆは回転子１０１の変位の目標値、ｐｏｓはセンサ群（Ｚセンサ２１０、Ｗｚセンサ２１１、Ｘセンサ２１３、Ｙセンサ２１４）から得られる回転子１０１の変位である。姿勢コントローラ５０１は目標値ｒｅｆと変位ｐｏｓとの差分ｅｒｒから、回転子を目標姿勢位置へと駆動するために回転子１０１に印加するトルクＴを算出する。

電流算出器５０２はトルクＴと変位ｐｏｓからコイル２０４に印加する電流Ｉを決定する。

これによって、コイル２０４と回転子１０１の間に電磁力Ｆが発生して回転子１０１に作用し、回転子の姿勢（傾き）が制御され、再び変位ｐｏｓが検出されることを繰り返す。

姿勢コントローラ５０１は例えばＰＩＤ制御コントローラでもよいし、回転子１０１の特性に応じて適宜フィルタを入れるなどして回転子１０１の姿勢を安定させることが出来る。

また、回転子１０１に対して印加されるトルクベクトルＴｑを次式（１）により表記する。なお、Ｔｘ、Ｔｙ、Ｔｚは、それぞれＸ軸方向の力、Ｙ軸方向の力、Ｚ軸方向の力の大きさである。また、Ｔｗｘ，Ｔｗｙ、ＴｗｚはそれぞれＸ軸周り、Ｙ軸周り、Ｚ軸周りのモーメント力の大きさである。

本実施形態による制御システム１は、これらトルクベクトルＴｑ（Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ，Ｔｗｘ，Ｔｗｙ，Ｔｗｚ）を制御することにより、回転子１０１の姿勢（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｗｘ，Ｗｙ）を制御しつつ、回転子１０１を回転させる。
Ｔｑ＝（Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ，Ｔｗｘ，Ｔｗｙ，Ｔｗｚ） …式（１）

電流ベクトルＩｓは、コイル２０４に印加する電流として定義される。
Ｉｓ＝（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４，Ｉ５，Ｉ６） …式（２）

図６（Ａ）、図６（Ｂ）は図２のθ＝θ１の状態における回転子１０１に対して各コイルに単位電流を印加した場合に働く推力（Ｅ）を模式的に表わしたものである。

コイル２０４−１、２０４−３，２０４−５には、回転子側の永久磁石との相互作用により主にＺ軸方向の力が働き、同様にコイル２０４−２，２０４−６，２０４−８には主にｑ軸方向の力が働く。図６（Ａ）は斜視図、図６（Ｂ）はＺ軸上から回転子の回転状態を見た図である。

この図から、Ｅ２、Ｅ４，Ｅ６の力はＸＹ平面内で働く力である。Ｅ２、Ｅ４，Ｅ６のそれぞれに対応したコイルの電流値を設定することでＸＹ平面内の力およびモーメント力（Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｗｚ）を発生させることが出来る。

同様に、Ｅ１，Ｅ３，Ｅ５のそれぞれに対応したコイルの電流値を設定することで、Ｚ軸、Ｗｘ軸、Ｗｙ軸方向の力およびモーメント力（Ｔｚ，Ｔｗｘ，Ｔｗｙ）を発生させることが出来る。

図６（Ａ）および図６（Ｂ）は図２のθ＝θ１に対応している。回転子１０１の回転に応じてコイル２０４に発生する磁界を移動させることで回転子１０１の任意の回転角（Ｗｚ）で回転子１０１にトルクベクトルＴｑを印加することが出来ることを、図７を用いて説明する。

まず、記号を整理する。
ｊ：コイル指標（ｊ＝１〜６）
Ｉｊ：ｊ番目のコイルに印加される電流値
Ｉｓ＝（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４，Ｉ５，Ｉ６）の列ベクトル
Φｊ：ｊ番目のコイルのＷＺ軸方向の角度
ｒ：永久磁石２０４までの半径
Ｅｑ（ｊ，θ）：ｊ番目のコイルと回転子１０１（角度θ）との間に働くｑ軸方向の単位電流当たりの力
Ｅｄ（ｊ，θ）：ｊ番目のコイルと回転子１０１（角度θ）との間に働くｄ軸方向の単位電流当たりの力
Σ：指標ｊを１〜６に変化させた場合の合計
とする。
トルクベクトルＴｑ＝（Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ，Ｔｗｘ，Ｔｗｙ，Ｔｗｚ）の要素は、各々
Ｔｘ＝Σ｛（−Ｅｑ（ｊ，θ）＊Ｓｉｎφｊ＋Ｅｄ（ｊ，θ）＊Ｃｏｓφｊ）＊Ｉｊ｝…式（３−１）
Ｔｙ＝Σ｛（Ｅｑ（ｊ，θ）＊Ｃｏｓφｊ＋Ｅｄ（ｊ，θ）＊Ｓｉｎφｊ）＊Ｉｊ｝…式（３−２）
Ｔｚ＝Σ（ＥＺ（ｊ，θ）＊Ｉｊ）…式（３−３）
Ｔｗｘ＝Σ（Ｅｄ（ｊ，θ）＊ｒ＊Ｓｉｎφｊ＊Ｉｊ）…式（３−４）
Ｔｗｙ＝Σ（−Ｅｑ（ｊ，θ）＊ｒ＊Ｃｏｓφｊ＊Ｉｊ）…式（３−５）
Ｔｗｚ＝Σ（Ｅｑ（ｊ，θ）＊ｒ＊Ｉｊ）…式（３−６）
で与えられる。

所望のトルクベクトルＴｑを印加するには上の式（３−１）〜式（３−６）を満足する電流Ｉｊを、それぞれ対応するコイルに印加すればよい。

式（３−１）〜式（３−６）を満足する電流Ｉｊの算出方法を説明する。

ここでさらに幾つかの表記法を使用する。
ｉ：トルク指標（１〜６、１：Ｘ軸、２：Ｙ軸、３：Ｚ軸、４：Ｗｘ軸、５：Ｗｙ軸、６：Ｗｚ軸）
Ｋｉ：６個の要素を持つベクトルＫの要素
Ｍ：６行、ｊ列の要素を持つ行列
Ｍ（ｉ、ｊ）：行列Ｍのｉ行ｊ列の要素
Ｉｎｖ：逆行列
Ｔｒ：転置行列
＊：行およびスカラー要素の乗算
とし、各単位ベクトルを用いて、以下の行列要素
Ｍ（１，ｊ）＝−Ｅｑ（ｊ，θ）＊Ｓｉｎφｊ＋Ｅｄ（ｊ，θ）＊Ｃｏｓφｊ…式（４−１）
Ｍ（２，ｊ）＝（Ｅｑ（ｊ，θ）＊Ｃｏｓφｊ＋Ｅｄ（ｊ，θ）＊Ｓｉｎφｊ）…式（４−２）
Ｍ（３，ｊ）＝ＥＺ（ｊ，θ）…式（４−３）
Ｍ（４，ｊ）＝Ｅｄ（ｊ，θ）＊ｒ＊Ｓｉｎφｊ…式（４−４）
Ｍ（５，ｊ）＝Ｅｑ（ｊ，θ）＊ｒ＊Ｃｏｓφｊ…式（４−５）
Ｍ（６，ｊ）＝Ｅｑ（ｊ，θ）…式（４−６）
を持つ行列Ｍを定義すれば、
式（３−１）〜式（３−６）は式（４−１）〜式（４−６）を使って
Ｔｑ＝Ｍ＊Ｉｓ…式（５−１）
と表現することが出来る。

今、コイル数（ｊ）が６個なので行列Ｍは６行６列の正方行列であるから、式（５−１）を変形して
Ｉｎｖ（Ｍ）＊Ｔ＝Ｉｎｖ（Ｍ）＊Ｍ＊Ｉｓ＝Ｉｓ…式（５−２）
とすれば電流ベクトルＩｓを一意に決定することが出来る。

この様に、回転子１０１が任意の角度θの場合でも６軸のトルクベクトルをＴｑ印加することが出来るので回転子１０１の回転速度および三次元方向における姿勢を制御することが出来る。

上述の制御を行うことにより、固定子に対して、回転子を浮上させた状態で静止を含む任意の速度で回転させながら、姿勢をリアルタイムでダイナミックに制御することが可能となる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態を説明する。

第１実施形態では、コイル２０４のコイルの数が６個である例を示した。しかし、よりトルクを滑らかに出力したい場合やコイルの形状等の制約からコイルの数を７個以上にしてもよい。

もし、コイル数（ｊ）を７個以上とするなら、第１実施形態で説明した式（５−１）を満足するコイル電流ベクトルＩｓは無数に存在することになる。その場合、常にコイル電流Ｉｓを導出する方法が必要である。

ここで、行列Ｍのｊ番目の列要素（Ｍ（１，ｊ）、Ｍ（２，ｊ）、Ｍ（３，ｊ）、Ｍ（４，ｊ）、Ｍ（５，ｊ）、Ｍ（６，ｊ）、）はｊ番目のコイル２０４−ｊに単位電流を印加した際、各軸のトルクへの寄与の大きさを示している。各軸のトルクとは、（Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ，Ｔｗｘ，Ｔｗｙ，Ｔｗｚ）である。

そこで、６個の列要素を持つベクトルＫを使って、
Ｔｒ（Ｍ）＊Ｋ＝Ｉｓ…式（５−３）
とすれば、第１実施形態で説明した式（５−１）は
Ｔｑ＝Ｍ＊Ｉｓ＝Ｍ＊Ｔｒ（Ｍ）＊Ｋ…式（５−４）
と変形できる。

対称行列同士の積の性質から、Ｍ＊Ｔｒ（Ｍ）は６行６列の正方行であり、行列のｒａｎｋは常に６となるから常に逆行列を持つ。
したがって、式（５−４）は
Ｉｎｖ（Ｍ＊Ｔｒａ（Ｍ））＊Ｔｑ＝Ｋ…式（５−５）
と解くことが出来るので、Ｋは一意に計算できる。

結局、
Ｔｒａ（Ｍ）＊Ｉｎｖ（Ｍ＊Ｔｒ（Ｍ））＊Ｔ＝Ｉｓ…式（５−６）
と計算することが出来るので電流ベクトルＩｓを一意に決定することが出来る。

この様に、回転子１０１に対して６軸のトルクＴｑを印加することが出来るので回転子１０１の回転速度および三次元方向における姿勢を制御することが出来る。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態を説明する。本実施形態においては、第１実施形態の永久磁石と形状が異なる例を示す。また第１実施形態と同様の作用を有する構成については同じ符号を付し説明を省略する。

図８は、第３実施形態における永久磁石８０２の配置を模式的に表わした図であり、ベース部の外周部１０５ｃを展開して模式的に表した図を示している。

第３実施形態の永久磁石８０２は第１実施形態の永久磁石１０２と比較して、台形状で永久磁石の個数を減らすことができるため製作工程がより簡単に出来る。

このような配置を取った場合でも第１実施形態または第２実施形態で説明したように、回転子１０１の回転角θに応じた各コイルの推力定数（Ｅｑ，Ｅｄ，ＥＺ）を予め取得しておけば同様の制御方法で回転子１０１の姿勢を安定させつつ回転させることが出来る。

図８において、永久磁石８０２の各々の永久磁石８０２の重心を通過する線８０１が回転方向に対して一定以上の角度（η）を有することが特徴である。

同様に、第３実施形態の変形例として図９にあるような配置の永久磁石９０２とすることでも、Ｚ軸方向の力を印加することが出来る。実施形態１よりもより簡単な構成を取りたい場合に有用である。

図９は、第３実施形態の変形例における回転子１０１の永久磁石９０２の配置を模式的に表わした図であり、ベース部の外周部１０５ｃを展開して模式的に表した図を示している。

永久磁石９０２はコイルに対向する面方向に、図示するように着磁されている。具体的には、第１実施形態と同様に、永久磁石９０２−１、９０２−４、９０２−７はコイルに対向する面がＮ極に、永久磁石９０２−３、９０２−６、９０２−９はＳ極に着磁されている。しかし、第１実施形態では、永久磁石１０２−２、１０２−５、１０２−８はＺ軸方向に２分割され各々がＮ極およびＳ極に着磁されている例を示した。しかし、本変形例の永久磁石９０２−２、９０２−５、９０２−８は、Ｎ極だけ、重心位置を下側に偏らせて配置されている。本変形例では、Ｎ極としたが、もちろんＳ極でもよい。

これにより、第１実施形態よりも簡単な構成で、Ｚ軸方向の力を印加することが出来る。

［第４実施形態］
次に、第４実施形態を説明する。第１実施形態と同様の作用を有する構成については同じ符号を付し説明を省略する。

第１〜第３実施形態はいずれも図１に示すように、回転子１０１に永久磁石１０２があり、コイル２０４は固定子２０１側にある例を示した。本実施形態では、図１０に示すように、回転子１０１側にコイル２０４´、固定子２０１側に永久磁石１０２´が配置されている例を示す。この配置であっても第１〜第３実施形態と同様に、磁気浮上型のモータを提供することができる。

図１０において、永久磁石１０２´は固定子２０１に固定されている。コイル２０４´は回転子１０１側に固定されている。Ｗｚセンサ２１１´は回転子１０１側にあり、スケール２１２´は固定子２０１側にある。Ｚセンサ２１０´、Ｘセンサ２１３´およびＹセンサ２１４´（図示しない）も回転子１０１側に固定されている。

モータコントローラ３０１は回転子１０１側にあり無線ユニット１００２と通信可能に構成されている。モータコントローラ３０１は図示しない電池を搭載しており一定時間回転することが出来る。無線ユニット１００２に電力伝送機能を持たせれば充電の必要なく回転子１０１を回転させることが出来る。

［第５実施形態］
図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）を用いて第５実施形態について説明する。第１実施形態と同様の作用を有する構成については同じ符号を付し説明を省略する。

第１〜第４実施形態ではモータについて説明したが、本実施形態では、第１〜第４実施形態で説明したモータを有する物品について説明する。本実施形態では、第１〜第４実施形態で説明したモータを有する物品として、ポンプに適用した例を示す。

図１１は、ポンプを示す概念図である。図１１（Ａ）は縦断面概念図を示し、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ´に沿う断面概念図を示す。

回転子１０１のベース部１０５には、フィン１０３が形成されている。

そして、固定子２０１は、可動子１０１を覆うようにハウジング２０６１が設けられている。ハウジング２０６１は、その内周部にコイルが取り付けられている側壁部２０６１ｃと、その側壁部２０１６１ｃと接続される第一壁部２０６１ａ、第二壁部２０６１ｂを有している。第一壁部２０６１ａの一部には、吸入口２０２として穴があけられ、第二壁部２０６１ｂには排出口２０３として穴があけられている。これにより、流体中で回転子１０１が所定の方向に回転すると吸入口２０２から流体が流れ込み、排出口２０３から排出されるためポンプとして動作する。

また物品の変形例として、回転子１０１（あるいは前述したように２０１が回転子であってもよい）に、例えばタイヤ等を取り付けることも可能である。その場合、本発明のモータは、自動車等の車両、あるいはドローン等の飛行体の構成部品として機能させることができる。

［第６実施形態］
図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）を用いて第５実施形態を説明する。第１実施形態と同様の作用を有する構成については同じ符号を付し説明を省略する。

第１実施形態では回転子１０１が固定子２０１の内側にある例を示したが、本実施形態では固定子２０１が回転子１０１の内側にある例を示す。

図１２は、第６実施形態を示す概念図である。図１１（Ａ）は縦断面概念図を示し、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ´に沿う断面概念図を示す。

図１２は図１と比較して、固定子２０１が回転子１０１の内側にある点が異なる。

また、第１実施形態で用いたＺセンサ２１０は、回転子と固定子のＺ軸方向の隙間の距離を測定するセンサを用いたが、本実施形態のＺセンサ２２２は、固定子の外周部と回転子の内周部との間の隙間の距離を測定するセンサを用いた点が異なる。Ｚセンサ２２２に対向する回転子１０１側の側面（内周部）にはＺスケール２２３が取り付けてある。Ｚセンサ２２２はＺスケール２２３のパターンを読み取って、Ｚセンサ２２２に対する回転子１０１のＺ軸方向の変位を検出することが出来る。

Ｚセンサ２２２は固定子１０１の側面（外周部）から回転子１０１の変位（Ｚ，Ｗｘ，Ｗｙ）を検出することが出来る。つまり、Ｚ軸方向に干渉する部材が無いので、回転子１０１をＺ軸方向に動かして抜くことも可能である。

この構成では固定子２０１を小型にすることが出来、また、様々な仕様のフィン１０３を形成することが出来る。

また、本実施形態ではフィン１３を可動子の外周部に形成したポンプの例を示すが、フィン１０３に変えてタイヤ等を取り付けることで自動車などの車両にも適用可能である。

第５実施形態では固定子２０１のいずれかの壁部２０５を図示しない架台等に取り付けて固定して使用することが出来る。

［第７実施形態］
図１３を用いて第７実施形態を説明する。第１実施形態と同様の作用を有する構成については同じ符号を付し説明を省略する。

図１３は図１２と比較して回転子１０１と固定子２０１との間隔が広く取られている点が異なる。

この構成では、回転子１０１を意図的に大きく傾けた状態でも回転子１０１を回転させることが出来るので固定子２０１の角度を変えることなく回転子１０１の回転軸をＺ軸から傾けることが出来る。このような構成をとれば例えばドローンや垂直離発着が可能な航空機などの飛行体に適用することで空気が排出される方向を自由に変更することが出来るのでより自由度の高い運航が可能になる。

１０１ 回転子
１０２ 永久磁石
２０１ 固定子
２０４ コイル

Claims (11)

1. 相対的に回転する第一部分および第二部分を有するモータであって、
   前記第一部分は、ベース部分と前記ベース部分の外周部に設けられた複数の永久磁石を有し、
   前記第二部分は、ハウジングと前記ハウジングの内周部であって前記複数の永久磁石と対向する位置に複数のコイルを有し、
   前記複数の永久磁石は、回転方向に沿った第一の着磁方向に着磁された第一の永久磁石群と、前記第一の着磁方向と交差する第二の着磁方向に着磁された第二の永久磁石群とを有することを特徴とするモータ。
2. 相対的に回転する第一部分および第二部分を有するモータであって、
   前記第一部分は、ベース部分と前記ベース部分の外周部に設けられた複数のコイルを有し、
   前記第二部分は、ハウジングと前記ハウジングの内周部であって前記複数のコイルと対向する位置に複数の永久磁石を有し、
   前記複数の永久磁石は、回転方向に沿った第一の着磁方向に着磁された第一の永久磁石群と、前記第一の着磁方向と交差する第二の着磁方向に着磁された第二の永久磁石群とを有することを特徴とするモータ。
3. 前記第一部分は回転子で、第二部分は固定子であることを特徴とする請求項１または２記載のモータ。
4. 前記第一部分は、前記第二部分に対して浮上した状態で回転することを特徴とする請求項３記載のモータ。
5. 前記第一の永久磁石群及び前記第二の永久磁石群と、前記コイルとの間に作用する電磁力により、前記固定部に対する前記可動子の回転速度および三次元方向における姿勢を制御することを特徴とする請求項１乃至４いずれか一項記載のモータ。
6. 前記三次元方向における姿勢は、前記回転子の回転軸に平行なＺ軸方向、当該Ｚ軸方向に直交するＸ軸方向、前記Ｘ軸方向及び前記Ｚ軸方向に直交するＹ軸方向における位置と、回転角度を含むことを特徴とする請求項５記載のモータ。
7. 前記ハウジングは、固定部に接続可能であることを特徴とする請求項１乃至６いずれか一項記載のモータ。
8. 前記ベース部分は、固定部に接続可能であることを特徴とする請求項１乃至６いずれか一項記載のモータ。
9. 請求項乃至８いずれか一項記載のモータを有することを特徴とする物品。
10. 前記モータにフィンが形成されていることを特徴とする請求項９記載の物品。
11. 前記モータにタイヤが取り付けられていることを特徴とする請求項９記載の物品。

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