JP4606429B2 - ベアリングレスモータ及びベアリングレスモータシステム - Google Patents

Description

本発明はベアリングレスモータ及びベアリングレスモータシステムに係わり、特に磁気支持巻線が電動機巻線と対に捲回されることでブラシレスＤＣモータの永久磁石の磁界を精度良く調整しつつ半径方向位置調整を行い、かつ省スペースで安定した制御の行えるベアリングレスモータ及びベアリングレスモータシステムに関する。

現在、各産業や家電、情報機器のドライブ装置として、ブラシレスＤＣモータが広く用いられている。その軸受には機械的接触面を持つものや、オイルを介して回転軸支持するものが多く用いられていて、軸受のメンテナンスフリーや長寿命化が望まれている。

ベアリングレスモータはモータと磁気軸受の機能を一体化した電磁機械であり、現在、活発に研究開発が行われている。ブラシレスＤＣモータをベアリングレス化すれば上記軸受の問題を解決できるだけでなく、ドライブの高速化も可能になる。このようなブラシレスＤＣモータのベアリングレス化について、従来特許文献１、特許文献２が開示されている。

特開２００１−３５１８７４号公報 特開２００１−１６８８７号公報

しかしながら、前述した公知例では、電動機巻線による磁界を磁気支持巻線で発生させた磁界により不平衡とするため、電動機巻線又は磁気支持巻線のいずれかをスロットをまたぎ複数の固定子歯に渡り捲回している。このため、捲回範囲の広くなる分漏れ磁束が大きくなったり、導線抵抗が増加するこことなり制御精度を上げるのが困難となるおそれがあった。また、スペースとしてもその配線スペース分だけ広く必要となっていた。

本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、磁気支持巻線が電動機巻線と対に捲回されることでブラシレスＤＣモータの永久磁石の磁界を精度良く調整しつつ半径方向位置調整を行い、かつ省スペースで安定した制御の行えるベアリングレスモータ及びベアリングレスモータシステムを提供することを目的とする。

このため本発明（請求項１）は、複数の固定子歯へ磁気支持巻線と電動機巻線とが対を成して捲回されるとともに、回転子の回転軸を挟んで対峙する磁気支持巻線同士が直列接続されて成る固定子と、複数の磁極を備えた回転子と、モータ駆動時に電動機巻線電流がゼロとなる電動機巻線と対を成す磁気支持巻線へ流す磁気支持巻線電流を制御して、前記磁気支持巻線が発生する支持磁束と前記回転子に設けられた磁極の界磁磁束とにより回転子の半径方向位置制御を行う磁気支持制御手段を備えて構成した。

磁気支持巻線は、電動機巻線と対となるように捲回されているので、磁束の漏れが少なく、直接的に磁極の磁界に作用することができる。このため、極めて精度の高い制御が行える。なお、磁気支持巻線は、必ずしも電動機巻線の巻かれたすべての固定子歯に対し配設される必要はない。以上により、簡易な構成でベアリングレスモータを実現できる。
電動機巻線は励磁されていない状態にあるので、磁極と磁気支持巻線間の磁束に影響を及ぼすことはない。このため、極めて精度の高い制御が行える。

また、本発明（請求項２）は、前記磁気支持制御手段は、前記回転子の回転角を検出する回転角検出手段と、磁気支持巻線電流が供給される磁気支持巻線を切り換える切換手段を備え、前記直列接続された磁気支持巻線の接続体が発する磁気力が直交する２組の磁気支持巻線接続体による相が少なくとも一つ構成され、
前記回転子の回転とともに前記切換手段により相の切り換えが順次行われることを特徴とする。

以上により、簡易な構成で制御の容易なベアリングレスモータを実現できる。

更に、本発明（請求項３）は、 前記相の数が正の整数ｎのとき、前記固定子は４ｎのスロットを有すことを特徴とする。

以上により、広範囲なモータに対し本発明の適用が可能である。

更に、本発明（請求項４）は、前記複数の直列接続された磁気支持巻線の接続体は、直交２軸方向のそれぞれに力を発生する支持巻線の群として分離配置され、前記回転子の回転とともに前記切換手段によって群の切換並びに群内の磁気支持巻線の接続体の選択切り換えが順次行われることを特徴とする。

ｘ方向、ｙ方向の力は、１本の磁気支持巻線で半径方向力が発生されたり、あるいは、複数本の磁気支持巻線により発生する力の合成により半径方向力が発生されたりする。磁気支持巻線をｘ軸制御用とｙ軸制御用とに分離したことで、ｘ方向やｙ方向の力の制御が容易に行える。

更に、本発明（請求項５）は、前記支持巻線群に含まれる各支持巻線において、直交２軸方向に一致しない巻線の巻数は直交２軸方向に一致する巻線の巻数よりも支持力リプルが減少するように少なく調整されていることを特徴とする。

このことにより、磁気支持巻線の切り換え前後での磁気支持力変動を防止できる。

更に、本発明（請求項６）は、前記回転子は軸方向に複数段設けられ、段間において磁極が回転方向へスキューされていることを特徴とする。
更に、本発明（請求項７）は、前記固定子歯は、断面がＴ字状に形成され、歯頭部の全体が同一磁極面内に位置する間は磁気支持巻線に対する励磁が継続され、回転子の回転により歯頭部が異なる磁極に対峙する前に励磁される支持巻線が切り換えられることを特徴とする。

固定子歯の歯頭部の全体がずっと同一の磁極の面内に含まれた形で回転子が移動しており、磁極による歯頭部に向かう磁界の磁性は一様で、この回転角度範囲内で変化することはない。従って、安定した精度の高い制御が容易に行える。

更に、本発明（請求項８）は、前記磁気支持巻線に流す電流が所定の回転角度進行する毎に方形波形状と電流値ゼロと交互に形成されることを特徴とする。

更に、本発明（請求項９）は、複数の固定子歯へ磁気支持巻線と電動機巻線とが対を成して捲回されると共に、前記各磁気支持巻線が回転子の回転軸を挟んで対峙する巻線同士を直列接続されて成る固定子と、複数の磁極を有した回転子と、前記回転子の回転角度を検出する回転角度センサと、前記回転子の直交２軸方向の変位を検出する複数のギャップセンサと、前記回転角度センサによって検出された回転子の角度に対応する電動機巻線電流を調整する電動機電流調整手段と、前記回転角度センサの出力と前記ギャップセンサから出力された直交２軸方向の回転子の位置変位と変位指令値の偏差とから磁気支持巻線に流す電流を調整する磁気支持巻線電流調整手段とを備え、前記磁気支持巻線電流調整手段は、前記角度センサの出力に対応して前記電動機電流調整手段によって電流がゼロに制御される電動機巻線と対を成す前記磁気支持巻線を励磁制御し回転子の半径方向位置調整を行うことを特徴とする。

以上説明したように本発明によれば、磁気支持巻線は、電動機巻線と対となるように捲回されたので、磁束の漏れが少なく、直接的に磁極の磁界に作用することができる。このため、極めて精度の高い制御が行える。以上により、簡易な構成でベアリングレスモータを実現できる。

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の第１実施形態であるＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータの横断面図を図１に示す。図１のＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータ１０において、回転子１は８極アウターロータ型である。しかしながら、本発明はインナーロータ型に対しても適用可能である。鉄心３の内側には永久磁石５が配置されている。そしてそれぞれの永久磁石５は、回転角度方向に向けて45°毎に磁極が切り換わる。なお、鉄心がなく永久磁石だけの構造でも適用できる。

図１中のＮ、Ｓは鉄心３に面する側の永久磁石５の極性を表している。固定子鉄心７は１２スロット構造である。固定子歯９に巻かれた巻線の内、外側のＵ、Ｖ、Ｗで表記された巻線は三相電動機巻線１１であり、各相それぞれ４つの固定子歯９に集中して巻かれている。また、この三相電動機巻線１１の内側には磁気支持巻線１３が捲回されている。そして、例えば磁気支持巻線１３ａ１はシャフト１５を挟んで対峙する固定子歯９に対し直列接続となるように捲回されている。固定子歯９は断面Ｔ字状に形成され、固定子歯９の歯頭部９ａは、それぞれ回転角度方向に向けて−１５°〜＋１５°の範囲内に渡り突設されている。

また、磁気支持巻線１３ａ１と磁気支持巻線１３ａ２とは、それぞれの発生する起磁力が互いに直交する方向となるように配置されている。磁気支持巻線１３ａ２も磁気支持巻線１３ａ１と同様に、シャフト１５を挟んで対峙する固定子歯９に対し直列接続となるように捲回されている。ここに、磁気支持巻線１３ａ１と磁気支持巻線１３ａ２を一つの相とし、ａ相巻線と定義する。更に、磁気支持巻線１３ｂ１、１３ｂ２、１３ｃ１、１３ｃ２も同様に配置されている。ここに、磁気支持巻線１３ｂ１、１３ｂ２を一つの相とし、ｂ相巻線と定義し、磁気支持巻線１３ｃ１、１３ｃ２を一つの相とし、ｃ相巻線と定義する。なお、電動機巻線の配置、トルクの発生原理は従来のブラシレスＤＣモータと同様なので説明を省略する。

次に、本発明の第１実施形態の動作を説明する。
図２及び図３に基づき磁気支持力の発生原理を示す。１２スロット８極構造では、ベアリングレスＳＲモータの原理を応用して軸支持できる。図４に回転角度φと磁気支持電流との関係を、また図５に回転角度φと電動機電流との関係を示す。但し、図４は、ｘ軸正方向に力Ｆ_xを発生させる場合について例示したものである。ｙ軸方向についての動作は同様なので説明を省略する（以下、同旨）。なお、図２、図３は、それぞれ回転角度φ＝２２．５°、０°の場合を例に示す。図中、三相電動機巻線１１は省略している。

まず、回転子１の回転角度φが２２．５°の場合について説明する。回転角度φ＝２２．５°のとき、図５よりＵ相の三相電動機巻線１１を流れる電流はゼロであり、Ｕ相の三相電動機巻線１１は励磁されていない状態にある。このとき、図２に示したようにＵ相の三相電動機巻線１１と同一の固定子歯９に捲回された磁気支持巻線１３ａ１に対し正方向に電流ｉａ１を流し励磁すると、永久磁石５の界磁磁束（太い矢印）に加えて支持磁束（細い矢印）が発生する。すると磁束密度がギャップ２１では減少し、ギャップ２３では増加してアンバランスになりｘ軸正方向に力Ｆ_xが発生する。なお、この場合に、Ｕ相の三相電動機巻線１１は励磁されていない状態にあるので、永久磁石５と磁気支持巻線１３ａ１間の磁束に影響を及ぼすことはない。このように、回転角度φ＝２２．５°を含む回転角度１５°から３０°までの範囲においては、固定子歯９の歯頭部９ａ１、９ａ７の全体がずっと同一の永久磁石５Ａ、５Ｅと対峙し、かつこの永久磁石５Ａ、５Ｅの面内に含まれた形で回転子１が移動しており、永久磁石５Ａ、５Ｅによる歯頭部９ａ１、９ａ７に向かう磁界の磁性は一様で、この回転角度範囲内で変化することはない。従って、安定した精度の高い制御が容易に行える。

次に、回転子１の回転角度φが０°の場合について説明する。回転角度φ＝０°のとき、図５よりＶ相の三相電動機巻線１１を流れる電流はゼロであり、Ｖ相の三相電動機巻線１１は励磁されていない状態にある。このとき、図３に示したようにＶ相の三相電動機巻線１１と同一の固定子歯９に捲回された磁気支持巻線１３ｂ１、ｂ２に対しそれぞれ負方向へ電流を流し励磁する。すると力Ｆ_b1、Ｆ_b2が発生し、その合力によりｘ軸正方向に力Ｆ_xと大きさが等しくなるように支持電流の大きさを決定する。このように、回転角度φ＝０°を含む回転角度０°から１５°までの範囲においては、固定子歯９の歯頭部９ａ２、９ａ５、９ａ８、９ａ１１の全体がずっと同一の永久磁石５Ｂ、５Ｄ、５Ｆ、５Ｈと対峙し、かつこの永久磁石５Ｂ、５Ｄ、５Ｆ、５Ｈの面内に含まれており、永久磁石５Ｂ、５Ｄ、５Ｆ、５Ｈによる磁界の磁性は一様で、この回転角度範囲内で変化することはない。従って、安定した制御が容易に行える。

このように、１２スロット、８極構造のブラシレスＤＣモータでは、回転角度φが、１５°≦φ＜３０°、６０°≦φ＜７５°の区間において、ａ相巻線を励磁して半径方向に磁気支持力を発生する。同様に０°≦φ＜１５°、４５°≦φ＜６０°の区間においてｂ相（ｂ１、ｂ２）巻線、３０°≦φ＜４５°、７５°≦φ＜９０°の区間においてｃ相（ｃ１、ｃ２）巻線を励磁し、力を発生する。

なお、本発明は、４ｎスロット（支持巻線ｎ相）に適用可能である。なお、回転子極数は従来のブラシレスＤＣモータの原理でトルクを発生できる極数であれば良く、何種類か考えられる。例えば、上記以外にも４スロット（支持巻線一相）に対し、回転子極数が例えば４極、あるいは、８スロット（支持巻線二相）に対し回転子極数が例えば６極などに適用可能である。

上記した通り、回転角度により励磁する相を決定するが、多相構造であっても、高速回転時など慣性の力が大きい場合には少なくとも一相分で力を発生できる。例えば、本実施形態では、ａ相、ｂ相、ｃ相の３相構造であるが、この内、ａ相だけの制御であっても制御可能である。但し、リップル等の点からは３相制御された方が望ましい。

次に、図６を基にＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータの制御方法について説明する。
図６において、ＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータ１０の回転子１の回転角度を回転角度センサ３１で抽出する。そして、この回転角度センサ３１で抽出した回転角度に基づき電動機電流制御回路３３にて電動機電流ｉＵ、ｉＶ、ｉＷが演算された後、電動機電流駆動回路３４で増幅された形で三相電動機巻線１１に流される。
一方、回転角度センサ３１で抽出した回転角度は、磁気支持巻線電流制御回路３５にも入力されるようになっている。

また、ギャップセンサ３７で回転子１のｘ軸方向の変位を検出し、ｘ方向変位指令値３９との間での偏差Δｘが減算器４１にて算出される。そして、この偏差Δｘは補償回路４３にてＰＩＤ補償されることで力の指令値Ｆ_x ^*が演算される。

一方、ギャップセンサ４７でｙ軸方向の変位を検出し、ｙ方向変位指令値４９との間での偏差Δｙが減算器５１にて算出される。この偏差Δｙは補償回路５３にてＰＩＤ補償されることで力の指令値Ｆ_y ^*が演算される。

そして、回転角度センサ３１で抽出した回転角度φが、１５°≦φ＜３０°、６０°≦φ＜７５°の区間において、ａ相巻線（ａ１、ａ２）を励磁して半径方向に磁気支持力を発生する。このとき、数１に基づき磁気支持巻線電流制御回路３５において支持巻線電流ｉａ１、ｉａ２が調整される。調整された電流は、磁気支持巻線電流駆動回路３６で増幅された後、磁気支持巻線１３に流される。但し、Ｋは比例定数とする。

同様に、０°≦φ＜１５°、４５°≦φ＜６０°の区間においてｂ相（ｂ１、ｂ２）巻線を励磁して半径方向に磁気支持力を発生する。このとき、数２に基づき磁気支持巻線電流制御回路３５において支持巻線電流ｉｂ１、ｉｂ２が制御される。この際、力の指令値Ｆ_x ^*、Ｆ_y ^*をｂ相（ｂ１、ｂ２）巻線の起磁力方向になるように座標変換された上で電流値が演算される。演算された電流は、磁気支持巻線電流駆動回路３６で増幅された後、磁気支持巻線１３に流される。

更に、３０°≦φ＜４５°、７５°≦φ＜９０°の区間においてｃ相（ｃ１、ｃ２）巻線を励磁して半径方向に磁気支持力を発生する。このとき、数３に基づき磁気支持巻線電流制御回路３５において支持巻線電流ｉｃ１、ｉｃ２が制御される。この際、力の指令値Ｆ_x ^*、Ｆ_y ^*をｃ相（ｃ１、ｃ２）巻線の起磁力方向になるように座標変換された上で電流値が演算される。演算された電流は、磁気支持巻線電流駆動回路３６で増幅された後、磁気支持巻線１３に流される。

なお、減算器４１、５１、補償回路４３、５３、磁気支持巻線電流制御回路３５、電動機電流制御回路３３は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor)やＣＰＵにてディジタル演算処理が可能である。
以上により、簡易な構成でベアリングレスモータを実現できる。磁気支持巻線１３は、三相電動機巻線１１と同一の固定子歯９に捲回されているので、磁束の漏れが少なく、直接的に永久磁石５の磁界に作用することができる。また、磁気支持巻線１３の励磁は、三相電動機巻線１１の励磁がされていない固定子歯について行われる。このため、極めて精度の高い制御が行える。

次に、図７に示す解析モデルの諸元を用いて有限要素法により磁気支持力を求めた。解析には電磁界解析ソフトＪＭＡＧ−Ｓｔｕｄｉｏ（（株）日本総研、ｖｅｒ．８．２）を用いた。発生方向は支持力がｘ軸正方向に定める。

図８に解析結果である回転角度と支持力の関係を示す。磁気支持巻線１３に流す電流は方形波である。このとき、支持力はスイッチング周波数（周期１５°）に同期したリプルが生じている。また、ｘ軸方向についての制御を行っているにも関わらずこのＦｘ成分に対し最大で３１パーセント程度のＦｙ成分が発生している。

しかしながら、この点については、磁気支持巻線１３に流す電流を正弦波とすることで図９に示すように抑制することが可能である。なお、永久磁石５の着磁自体が均等着磁ではなく、正弦波状に形成されても良い。

図７の諸元に基づき本実施形態の実験を行った。図１０に実験したＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータの横断面図を示し、図１１に全体の制御システム実験モデル構成図を示す。なお、図１、図６と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。

図１０において、回転角度センサ６１ＨＵ、６１ＨＶ、６１ＨＷはそれぞれ電気角で120°毎に配置され、この信号を基準に磁気支持巻線１３や三相電動機巻線１１の通電の切り換えが行われる。回転角度センサ６１ＨＵ、６１ＨＶ、６１ＨＷには、ホールセンサを用いている。但し、後述の第２実施形態のように二相電動機巻線を用いた場合には、回転角度センサは２個配設されれば良い。

市販のブラシレスＤＣモータでは、回転角を抽出するためホールセンサが標準的に装備されて販売されることが多い。このブラシレスＤＣモータに対して磁気支持巻線１３を追加捲回するだけで、本願のベアリングレスモータを製作可能である。このため、容易に量産可能であり、安価にできる。

また、Ｘ方向センサ（ギャップセンサ）６３Ｘは磁気支持巻線１３ａ１が起磁力を発生する方向の回転子１の半径方向位置を抽出するように配置され、Ｙ方向センサ６３Ｙは磁気支持巻線１３ａ２が起磁力を発生させる方向の回転子１の半径方向位置を抽出するように配置されている。なお、Ｘ方向センサ６３Ｘ、Ｙ方向センサ６３Ｙは、図示しないマイクロメータによりセンサの位置（ｘ、ｙ軸方向）と高さが調整できるようになっている。

実験の手順としては、まず電動機側の電源、コントローラをONする。すると、回転子１が回転する（低速数百r/min）。次に磁気支持側の電源、コントローラをONする。すると、浮上（半径方向に対して非接触支持）する。その後、1,125r/minまで加速した。回転速度1,125r/min、無負荷運転時、電動機電流(矩形波)のピーク値0.1Aで観測し、まず半径方向に対して浮上（非接触磁気支持）を確認した。

次に、図１１において、図中（１）の測定点では、回転角度センサ６１ＨＵ、６１ＨＶ、６１ＨＷの出力を観測し、（２）の測定点では、各相毎の支持電流の指令値を観測した。この回転角度センサ出力と各相毎の支持電流の指令値との関係を測定し、結果を図１２に示す（図４に対応）。その結果、回転角に応じて相切り換えが理論通りON、OFFされていることを確認した。

そして、図中（３）の測定点では、Ｘ方向センサ６３Ｘ、Ｙ方向センサ６３Ｙから出力される電圧を測定し、電圧値を距離に変換した。測定結果を図１３の上段に示す。図１３において、Ｘ方向センサ６３Ｘ、Ｙ方向センサ６３Ｙの波形の振れはおよそ±５μｍであり、図示しないタッチダウン軸受のギャップ範囲（±１００μｍ）以内であり、十分制御でき、安定して浮上の行われていることが分かる。

また、図中（４）の測定点では、支持力の指令値Ｆ_x ^*、Ｆ_y ^*の電圧値を測定した。測定結果を図１３の下段に示す。図１３において、支持力の指令値Ｆ_x ^*、Ｆ_y ^*は相毎の切り換えにおいて不連続とならずに連続した制御の行われていることが分かる。

更に、ｘ方向変位指令値３９（測定点（５））に与えたステップ状の信号に対する応答を、Ｘ方向センサの出力（測定点（３））から確認した。測定結果を図１４に示す。ステップ状の信号を与えた時にＸ方向センサの出力は０．５μｓ以内に目標値に達しており、Ｙ方向センサの出力はほとんど変動がない。このことより、制御部の応答性は良好であることが確認された。なお、Ｘ方向センサ６３Ｘ、Ｙ方向センサ６３Ｙから出力される電圧はアンプ６５Ｘ、６５Ｙで０．５倍に増幅し、Ａ／Ｄ変換された後に、距離に換算されている。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態であるＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータの横断面図を図１５に示す。なお、図１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。

図１５のＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータ１００において、回転子１１１は６極アウターロータ型である。しかしながら、本発明はインナーロータ型に対しても適用可能である。鉄心３の内側には永久磁石１０５が貼り付けられている。図１５中のＮ、Ｓは鉄心３に面する側の永久磁石１０５の極性を表している。

固定子鉄心７は１２スロット構造である。固定子歯９に巻かれた巻線の内、外側のＡ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ６で表記された巻線は二相電動機巻線１０１であり、固定子歯９に集中して巻かれている。また、この二相電動機巻線１０１の内側には磁気支持巻線１０３が捲回されている。そして、例えば磁気支持巻線１０３ｘａはシャフト１５を挟んで対峙する固定子歯９に対し直列接続となるように捲回されている。

また、磁気支持巻線１０３ｘａと磁気支持巻線１０３ｙａとは、それぞれの発生する超磁力が互いに直交する方向となるように配置されている。磁気支持巻線１０３ｙａも磁気支持巻線１０３ｘａと同様に、シャフト１５を挟んで対峙する固定子歯９に対し直列接続となるように捲回されている。更に、磁気支持巻線１０３ｘｂ、１０３ｙｂ、１０３ｘｃ、１０３ｙｃも同様に配置されている。ここに、磁気支持巻線１０３ｘａ、１０３ｘｂ、１０３ｘｃがｘ軸方向に力を発生させる支持巻線であり、一方、磁気支持巻線１０３ｙａ、１０３ｙｂ、１０３ｙｃがｙ軸方向に力を発生させる支持巻線である。なお、電動機巻線の配置、トルクの発生原理は従来のブラシレスＤＣモータと同様なので説明を省略する。

次に、本発明の第２実施形態の動作を説明する。

図１６及び図１７に基づき本発明の第２実施形態であるＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータの磁気支持力の発生原理を示す。そして、図１８に回転角度φと磁気支持電流との関係を、また図１９に回転角度φと電動機電流との関係を示す。但し、図１８は、ｘ軸正方向に力Ｆ_xを発生させる場合について例示したものである。なお、図１６、図１７は、それぞれ回転角度φ＝０°、３０°の場合を例に示す。図中、二相電動機巻線１０１は省略している。

まず、回転子１の回転角度φが０°の場合について説明する。回転角度φ＝０°のとき、図１９よりＡ相の二相電動機巻線１０１を流れる電流はゼロであり、Ａ相の二相電動機巻線１０１は励磁されていない状態にある。このとき、図１６に示したようにＡ相の二相電動機巻線１０１と同一の固定子歯９に捲回された磁気支持巻線１０３ｘａ１、１０３ｘａ２に対し図１８に示すように正方向に電流ｉｘａを流し励磁すると、永久磁石１０５の界磁磁束（太い矢印）に加えて支持磁束（細い矢印）が発生する。すると磁束密度がギャップ１２１では減少し、ギャップ１２３では増加してアンバランスになりｘ軸正方向に力Ｆ_xが発生する。なお、この場合に、Ａ相の二相電動機巻線１０１は励磁されていない状態にあるので、永久磁石１０５と磁気支持巻線１０３ｘａ１、１０３ｘａ２間の磁束に影響を及ぼすことはない。

このように、回転角度φ＝０°を含む回転角度−１５°から１５°までの範囲においては、固定子歯９の歯頭部９ａ１、９ａ７の全体がずっと同一の永久磁石１０５Ａ、１０５Ｄと対峙し、かつこの永久磁石１０５Ａ、１０５Ｄの面内に含まれた形で回転子１が移動しており、このときの永久磁石１０５Ａ、１０５Ｄによる歯頭部９ａ１、９ａ７に向かう磁界の磁性は一様で、この回転角度範囲内で変化することはない。従って、安定した精度の高い制御が容易に行える。

次に、回転子１の回転角度φが３０°の場合について説明する。回転角度φ＝３０°のとき、図１９よりＢ相の二相電動機巻線１０１を流れる電流はゼロであり、Ｂ相の二相電動機巻線１０１は励磁されていない状態にある。このとき、図１７に示したようにＢ相の二相電動機巻線１０１と同一の固定子歯９に捲回された磁気支持巻線１０３ｘｂ１、ｘｂ２に対し正方向へ電流を流し、かつ磁気支持巻線１０３ｘｃ１、ｘｃ２に対し負方向へ電流を流し励磁する。すると力Ｆ_xb、Ｆ_xcが発生し、その合力によりｘ軸正方向に力Ｆ_xと大きさが等しくなるように磁気支持巻線１０３ｘｂ１、ｘｂ２及び１０３ｘｃ１、ｘｃ２の巻数を決定する。

このように、回転角度φ＝３０°を含む回転角度１５°から４５°までの範囲においては、固定子歯９の歯頭部９ａ２、９ａ６、９ａ８、９ａ１２の全体がずっと同一の永久磁石１０５Ａ、１０５Ｃ、１０５Ｄ、１０５Ｆと対峙し、かつこの永久磁石１０５Ａ、１０５Ｃ、１０５Ｄ、１０５Ｆの面内に含まれており、永久磁石１０５Ａ、１０５Ｃ、１０５Ｄ、１０５Ｆによる磁界の磁性は一様で、この回転角度範囲内で変化することはない。従って、安定した制御が容易に行える。

即ち、本発明では、直交二軸のｘ、ｙ軸方向にそれぞれ力を発生する巻線が決められており、図１５中の磁気支持巻線１０３ｘａ、１０３ｘｂ、１０３ｘｃがｘ軸方向への力を担い、一方、磁気支持巻線１０３ｙａ、１０３ｙｂ、１０３ｙｃがｙ軸方向への力を担っている。そして、回転角度により励磁する支持巻線が決まっており、１本の支持巻線で半径方向力を発生したり、又は複数本の支持巻線により発生する力を合成することで回転軸支持を行っている。

本発明は、一般に２ｐスロット、ｐ極の二相モータに適用可能である。

なお、磁気支持巻線１０３ｘａ、１０３ｘｂ、１０３ｘｃを同一の巻数で捲回したと仮定すると、磁気支持巻線１０３ｘａに流していた電流をそのまま磁気支持巻線１０３ｘｂ、１０３ｘｃに流すことは、支持巻線切り換え前後での磁気支持力変動を生ずる。このため、支持力リプルが減少するように支持巻線の巻数を例えば、磁気支持巻線１０３ｘａが３０ターンに対し磁気支持巻線１０３ｘｂ、１０３ｘｃが１８ターン等と調整されることが望ましい。このように巻数を調整することにより、磁気支持巻線１０３ｘａと１０３ｘｂ、１０３ｘｃには大きさが等しい電流を流すことで安定に回転軸を支持できる。

次に、図２０を基にＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータの制御方法について説明する。
図２０において、ＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータ１００の回転子１１１の回転角度を回転角度センサ３１で抽出する。そして、この回転角度センサ３１で抽出した回転角度に基づき電動機電流制御回路１３３にて電動機電流ｉＡ、ｉＢが演算された後、電動機電流駆動回路１３４で増幅された形で二相電動機巻線１０１に流される。一方、回転角度センサ３１で抽出した回転角度は、磁気支持巻線電流制御回路１３５、１３７にも入力されるようになっている。

また、ギャップセンサ３７で回転子１のｘ軸方向の変位を検出し、ｘ方向変位指令値３９との間での偏差Δｘが減算器４１にて算出される。そして、この偏差Δｘは補償回路４３にてＰＩＤ補償されることで電流指令値Ｉ_x ^*が演算される。

この電流指令値Ｉ_x ^*は磁気支持巻線電流制御回路１３５に入力され、図１８のタイミングチャートに従い、回転角度毎に決められた磁気支持巻線１０３ｘａ、１０３ｘｂ、１０３ｘｃに対しそれぞれ電流ｉｘａ、ｉｘｂ、ｉｘｃが演算されるようになっている。その後、磁気支持巻線電流駆動回路１３６で増幅された形でこの磁気支持巻線１０３ｘａ、１０３ｘｂ、１０３ｘｃに向けて駆動電流が流される。

このことにより、１本の支持巻線でｘ方向の半径方向力を発生したり、又は複数本の支持巻線により発生する力を合成することでｘ方向の半径方向力を発生し回転軸の支持が行われる。
一方、ギャップセンサ４７でｙ軸方向の変位を検出し、ｙ方向変位指令値４９との間での偏差Δｙが減算器５１にて算出される。そして、この偏差Δｙは補償回路５３にてＰＩＤ補償されることで電流指令値Ｉ_y ^*が演算される。

この電流指令値Ｉ_y ^*は支持巻線電流制御回路１３７に入力され、図１８のタイミングチャートに従い、回転角度毎に決められた磁気支持巻線１０３ｙａ、１０３ｙｂ、１０３ｙｃに対しそれぞれ電流ｉｙａ、ｉｙｂ、ｉｙｃが演算されるようになっている。その後、磁気支持巻線電流駆動回路１３８で増幅された形でこの磁気支持巻線１０３ｙａ、１０３ｙｂ、１０３ｙｃに向けて駆動電流が流される。

このことにより、１本の支持巻線でｙ方向の半径方向力を発生したり、又は複数本の支持巻線により発生する力を合成することでｙ方向の半径方向力を発生し回転軸の支持が行われる。
なお、減算器４１、５１、補償回路４３、５３、磁気支持巻線電流制御回路１３５、１３７、電動機電流制御回路１３３は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor)やＣＰＵにてディジタル演算処理が可能である。

次に、本発明の第１実施形態と同様に有限要素法により磁気支持力を求めた。
図２１に解析結果である回転角度と支持力の関係を示す。磁気支持巻線１０３に流す電流は方形波である。このとき、支持力はスイッチング周波数（周期１５°）に同期したリプルが生じている。また、ｘ軸方向について力を指令しているにも関わらずこのＦｘ成分に対し最大で３１パーセント程度のＦｙ成分が発生している。

しかしながら、この点については、回転子１をモータ軸方向に複数段積層させ、かつ隣接する各段の回転子を回転方向にそれぞれ角度をオフセット（スキュー）させるようにしても良い。このスキューを施した場合についての解析結果を図２２に示す。図２２を見て分かるように、回転子１にスキューを施すことにより、図２１では最大で３１パーセント程度のＦｙ成分が発生していたものが、Ｆｘ成分に対し１１パーセント程度のＦｙ成分に抑えることができたことが分かる。

本発明の第１実施形態であるＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータの横断面図 磁気支持力の発生原理（回転角度が２２．５°の場合） 磁気支持力の発生原理（回転角度が０°の場合） 回転角度と磁気支持電流との関係を示すタイミングチャート 回転角度と電動機電流との関係を示すタイミングチャート ＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータの制御方法 解析モデルの諸元 有限要素法により解析した回転角度と支持力の関係を示す図 支持巻線に流す電流を正弦波としたときの回転角度と支持力の関係を示す図 実験したＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータの横断面図 全体の制御システム実験モデル構成図 相選択の図 磁気浮上の図 ステップ応答の図 本発明の第２実施形態であるＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータの横断面図 磁気支持力の発生原理（回転角度が０°の場合） 磁気支持力の発生原理（回転角度が３０°の場合） 回転角度と磁気支持電流との関係を示すタイミングチャート 回転角度と電動機電流との関係を示すタイミングチャート ＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータの制御方法 有限要素法により解析した回転角度と支持力の関係を示す図 回転子にスキューを施したときの回転角度と支持力の関係を示す図

符号の説明

１、１１１ 回転子
３ 鉄心
５、１０５ 永久磁石
７ 固定子鉄心
９ 固定子歯
９ａ 歯頭部
１０、１００ ＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータ
１１ 三相電動機巻線
１３、１０３ 磁気支持巻線
１５ シャフト
２１、２３、１２１、１２３ ギャップ
３１ 回転角度センサ
３３、１３３ 電動機電流制御回路
３４、１３４ 電動機電流駆動回路
３５、１３５、１３７ 磁気支持巻線電流制御回路
３６、１３６、１３８ 磁気支持巻線電流駆動回路
３７、４７ ギャップセンサ
３９ ｘ方向変位指令値
４１、５１ 減算器
４３、５３ 補償回路
４９ ｙ方向変位指令値
６１ 回転角度センサ
６３ Ｘ方向センサ、Ｙ方向センサ
１０１ 二相電動機巻線

Claims (9)

1. 複数の固定子歯へ磁気支持巻線と電動機巻線とが対を成して捲回されるとともに、回転子の回転軸を挟んで対峙する磁気支持巻線同士が直列接続されて成る固定子と、複数の磁極を備えた回転子と、モータ駆動時に電動機巻線電流がゼロとなる電動機巻線と対を成す磁気支持巻線へ流す磁気支持巻線電流を制御して、前記磁気支持巻線が発生する支持磁束と前記回転子に設けられた磁極の界磁磁束とにより回転子の半径方向位置制御を行う磁気支持制御手段を備えたことを特徴とするベアリングレスモータ。
2. 前記磁気支持制御手段は、前記回転子の回転角を検出する回転角検出手段と、磁気支持巻線電流が供給される磁気支持巻線を切り換える切換手段を備え、
   前記直列接続された磁気支持巻線の接続体が発する磁気力が直交する２組の磁気支持巻線接続体による相が少なくとも一つ構成され、
   前記回転子の回転とともに前記切換手段により相の切り換えが順次行われることを特徴とする請求項１に記載のベアリングレスモータ。
3. 前記相の数が正の整数ｎのとき、前記固定子は４ｎのスロットを有すことを特徴とする請求項２に記載のベアリングレスモータ
4. 前記複数の直列接続された磁気支持巻線の接続体は、直交２軸方向のそれぞれに力を発生する支持巻線の群として分離配置され、
   前記回転子の回転とともに前記切換手段によって群の切換並びに群内の磁気支持巻線の接続体の選択切り換えが順次行われることを特徴とする請求項２に記載のベアリングレスモータ。
5. 前記支持巻線群に含まれる各支持巻線において、直交２軸方向に一致しない巻線の巻数は直交２軸方向に一致する巻線の巻数よりも支持力リプルが減少するように少なく調整されていることを特徴とする請求項４に記載のベアリングレスモータ。
6. 前記回転子は軸方向に複数段設けられ、段間において磁極が回転方向へスキューされていることを特徴とする請求項１乃至５に記載のベアリングレスモータ。
7. 前記固定子歯は、断面がＴ字状に形成され、歯頭部の全体が同一磁極面内に位置する間は磁気支持巻線に対する励磁が継続され、回転子の回転により歯頭部が異なる磁極に対峙する前に励磁される支持巻線が切り換えられることを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載のベアリングレスモータ。
8. 前記磁気支持巻線に流す電流が所定の回転角度進行する毎に方形波形状と電流値ゼロと交互に形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載のベアリングレスモータ。
9. 複数の固定子歯へ磁気支持巻線と電動機巻線とが対を成して捲回されると共に、前記各磁気支持巻線が回転子の回転軸を挟んで対峙する巻線同士を直列接続されて成る固定子と、
   複数の磁極を有した回転子と、前記回転子の回転角度を検出する回転角度センサと、
   前記回転子の直交２軸方向の変位を検出する複数のギャップセンサと、
   前記回転角度センサによって検出された回転子の角度に対応する電動機巻線電流を調整する電動機電流調整手段と、
   前記回転角度センサの出力と前記ギャップセンサから出力された直交２軸方向の回転子の位置変位と変位指令値の偏差とから磁気支持巻線に流す電流を調整する磁気支持巻線電流調整手段とを備え、
   前記磁気支持巻線電流調整手段は、前記角度センサの出力に対応して前記電動機電流調整手段によって電流がゼロに制御される電動機巻線と対を成す前記磁気支持巻線を励磁制御し回転子の半径方向位置調整を行うことを特徴とするベアリングレスモータシステム。

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