JP5892628B2 - ベアリングレスモータ - Google Patents

Description

本発明はベアリングレスモータに係わり、特に一種類の巻線でトルク及び磁気支持力を得ることができるベアリングレスモータに関する。

ベアリングレスモータは、主軸が磁気浮上により非接触状態を保って回転が可能なモータである（例えば、非特許文献１参照）。図５８（ａ）に従来の機械的軸受を持つモータの断面図を示し、図５８（ｂ）に従来のベアリングレスモータの断面図を示す。図５８（ａ）、（ｂ）で分かるように、図５８（ａ）の従来の機械的軸受を持つ一般的なモータ１００では、固定子１のスロット７に回転用の巻線（電動機巻線３）が施されているが、図５８（ｂ）のベアリングレスモータ１１０では、電動機巻線３が施されたスロット９に対し、更に、磁気浮上用の巻線（磁気支持巻線５）が追加して施されている。

この磁気支持巻線５に電流を流すと、永久磁石の配設された回転子１１の半径方向には磁気力が作用する。回転子１１の半径方向の変位を計測し、回転子が所定の位置に保たれるように磁気力を発生させる磁気支持巻線電流を磁気支持巻線５へ流すことで、非接触磁気浮上支持を可能にする。
ベアリングレスモータは電磁力を用いて回転子１１を非接触で支持するため、軸受部のメンテナンスを必要とせず、長寿命で高速・高出力化が可能といった優れた特長がある。

Magnetic Bearings and Bearingless Drives, Akira Chiba, Tadashi Fukao, Osamu Ichikawa, Masahide Oshima, Masatsugu Takemoto, and David G Dorrell, Newnes Publishers, due for publication in March 2005.

ところで、従来のベアリングレスモータ１１０では、固定子鉄心１のスロット９に電動機巻線３だけでなく磁気支持巻線５をも巻くため、機械的軸受を備えた容量の等しいモータ１００に比べて外径が大きくなり、重量も重くなっていた。
また、このように同一のスロット９に対し電動機巻線３と磁気支持巻線５とをそれぞれ捲回する必要があるため巻線を巻く作業も煩雑であった。

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、一種類の巻線でトルク及び磁気支持力を得ることのできるベアリングレスモータを提供することを目的とする。

このため本発明のベアリングレスモータは、所定の磁極を有するように永久磁石が周方向に配設された回転子と、該回転子に対峙する複数の固定子歯と、該固定子歯に対し捲回された磁気支持力発生とトルク発生の両機能を有する１種類の巻線と、該巻線に電流を供給する電源と、前記回転子の回転角を計測する回転角計測手段と、前記回転角計測手段で計測された回転子の回転角に応じて予め決められた巻線により支持力とトルクを選択的に発生させるように前記巻線へ供給する電流値を切り換える切換制御手段とを備えて構成してもよい。

本発明のベアリングレスモータは、トルク発生と磁気支持力発生の両方の機能を有する１種類の巻線を備え、回転子の回転角に応じて予め決められた巻線により支持力とトルクを選択的に発生させるので、電動機巻線と磁気支持巻線とをそれぞれ捲回する従来品に比べて外径を小さく、また重量を軽くすることができる。また、１種類の巻線を捲回すだけでよいので、巻線構造が簡素であり、コイルを簡単に巻くことができる。また、制御の方法によっては使用するインバータの個数を減らすことができる。

また、本発明は、前記巻線は、前記回転子中心を挟んで対向する固定子歯に対し所定の回転角度ずつ隔てて捲回されたＵ１巻線、Ｖ１巻線、及び、Ｗ１巻線と、該Ｕ１巻線、Ｖ１巻線、及び、Ｗ１巻線に対しそれぞれ所定の回転角度ずつ隔てて捲回されたＵ２巻線、Ｖ２巻線、及び、Ｗ２巻線とから成り、前記切換制御手段は、Ｕ１巻線、Ｖ１巻線、及び、Ｗ１巻線に対し供給する電流が支持力発生用のときには、Ｕ２巻線、Ｖ２巻線、及び、Ｗ２巻線に対しトルク発生用電流を供給し、一方、Ｕ１巻線、Ｖ１巻線、及び、Ｗ１巻線に対し供給する電流がトルク発生用のときには、Ｕ２巻線、Ｖ２巻線、及び、Ｗ２巻線に対し支持力発生用電流を供給することを特徴としてもよい。

更に、本発明は、前記巻線は、前記回転子中心を挟んで対向する固定子歯に対し所定の回転角度ずつ隔てて捲回されたＵ１巻線、Ｖ１巻線、及び、Ｗ１巻線と、該Ｕ１巻線、Ｖ１巻線、及び、Ｗ１巻線に対しそれぞれ所定の回転角度ずつ隔てて捲回されたＵ２巻線、Ｖ２巻線、及び、Ｗ２巻線とから成り、前記Ｕ１巻線、Ｖ１巻線、Ｗ１巻線（又はＵ２巻線、Ｖ２巻線、Ｗ２巻線）は、前記回転子中心を挟んで対向する固定子歯にそれぞれ捲回されたＵ１＋巻線とＵ１−巻線、Ｖ１＋巻線とＶ１−巻線、Ｗ１＋巻線とＷ１−巻線（又は、Ｕ２＋巻線とＵ２−巻線、Ｖ２＋巻線とＶ２−巻線、Ｗ２＋巻線とＷ２−巻線）とを有し、トルク発生のときにはＵ１＋巻線とＵ１−巻線、Ｖ１＋巻線とＶ１−巻線、Ｗ１＋巻線とＷ１−巻線（又は、Ｕ２＋巻線とＵ２−巻線、Ｖ２＋巻線とＶ２−巻線、Ｗ２＋巻線とＷ２−巻線）とに電流を供給し、支持力発生のときにはＵ１＋巻線、Ｖ１＋巻線、Ｗ１＋巻線（又はＵ２＋巻線、Ｖ２＋巻線、Ｗ２＋巻線）に電流を供給、又はトルク発生のときにはＵ１＋巻線、Ｖ１＋巻線、Ｗ１＋巻線（又はＵ２＋巻線、Ｖ２＋巻線、Ｗ２＋巻線）に電流を供給し、支持力発生のときにはＵ１＋巻線とＵ１−巻線、Ｖ１＋巻線とＶ１−巻線、Ｗ１＋巻線とＷ１−巻線（又は、Ｕ２＋巻線とＵ２−巻線、Ｖ２＋巻線とＶ２−巻線、Ｗ２＋巻線とＷ２−巻線）とに電流を供給することを特徴としてもよい。

更に、本発明は、前記切換制御手段の電流の切り換えは、前記固定子歯の歯頭部の全体が前記回転子の同一の磁極の面内に含まれている間中には支持力発生用に電流が継続され、前記回転子の回転により該歯頭部が異なる磁極に対峙する前に切り換えられ、前記固定子歯の歯頭部に前記回転子磁極の極間が対峙している間中にはトルク発生用に電流が継続されることを特徴としてもよい。
このことにより、効率のよい制御が行える。

更に、本発明は、サージ電圧を低減させるサージ電圧低減手段を備え、該サージ電圧低減手段が、前記歯頭部が前記回転子磁極の極間が対峙している途中でトルク発生用の電流供給を遮断し前記電源に対し所定期間（デッドタイム）エネルギーの回生をさせ、又は、スナバ回路によるエネルギーの吸収をさせることを特徴としてもよい。

更に、本発明（請求項１）は、所定の極数を有するように永久磁石が周方向に配設された回転子と、該回転子に対峙する複数の固定子歯及びスロットの形成された固定子と、該固定子歯に対し捲回された支持力発生とトルク発生の両機能を有する１種類の巻線と、該巻線に流す電流のｄｑ回転座標系におけるｑ軸成分でトルクを発生し、ｄ軸成分で磁気支持力を発生するｄ軸成分・ｑ軸成分制御手段とを備えたベアリングレスモータであって、前記ｄ軸成分・ｑ軸成分制御手段には、前記回転子の位置信号を検出する位置信号検出手段と、該位置信号と位置指令値との間の位置偏差を算出する位置比較手段と、該位置比較手段で算出された位置偏差に基づき２軸の力の指令値を算出する力指令値算出手段と、前記回転子に作用する２軸の磁気支持力を検出する支持力検出手段と、補償前の力の指令値が該支持力検出手段で検出された磁気支持力と一致するように前記力指令値算出手段で算出された力の指令値の大きさと位相を補償する補償手段と、該補償手段で補償された２軸の力の指令値を２軸３軸変換する２軸３軸変換手段と、該力指令値算出手段で算出された２軸の力の指令値を２軸３軸変換する２軸３軸変換手段と、該２軸３軸変換手段で変換された３軸の力の指令値に基づきｄ軸電流の指令値を生成するｄ軸電流指令値生成手段と、前記回転子の回転速度を検出する回転速度検出手段と、該回転速度検出手段で検出された回転速度と回転速度指令値との間の偏差を算出する回転速度比較手段と、該回転速度比較手段で算出された回転速度偏差に基づきｑ軸電流の指令値を生成するｑ軸電流指令値生成手段と、該ｑ軸電流の指令値及び前記ｄ軸電流の指令値を固定座標系における二相の電流指令値に座標変換する座標変換手段と、該二相の電流指令値を二相三相変換する二相三相変換手段と、該二相三相変換された電流指令値に追従するように電流を制御する電流制御手段とを備えて構成した。

請求項１に記載の如くベアリングレスモータを構成することでも、一種類の巻線により支持力とトルクの両方を発生することができる。また、一種類の巻線なので、巻線構造が簡素であり、コイルを簡単に巻くことができる。
スロット数、極数の小さい場合に磁気支持力の大きさ及び位相を補償することで、支持力振動及び干渉を小さく構成出来る。

更に、本発明（請求項２）は、前記スロット数が９の倍数、前記極数が６の倍数であることを特徴とする。
特に、１８スロット、１２極以上であれば、何らの補償もすることなく支持力振動及び干渉を小さく構成出来るので望ましい。

以上説明したように本発明（請求項１）によれば、固定子歯に対し支持力発生とトルク発生の両機能を有する１種類の巻線を備え、巻線に流す電流のｄｑ回転座標系におけるｑ軸成分でトルクを発生し、ｄ軸成分で磁気支持力を発生するように構成したので、電動機巻線と支持巻線とをそれぞれ捲回する従来品に比べて小型、軽量化を図ることができる。また、外径の大きさが従来品と同じであれば、支持力の発生は同じ状態でトルクの発生を増大させたり、あるいは、トルクの発生は同じ状態で支持力の発生を増大させたりすることができる。更には、１種類の巻線を備えれば良いので、巻線構造が簡素であり、コイルを簡単に巻くことができる。また、制御の方法によっては本発明のベアリングレスモータを駆動するために使用するインバータの個数を減らすことができる。

第１実施形態である巻線統合型ベアリングレスモータの巻線配置図 同上駆動回路 固定子付近の部分拡大図 支持力の発生原理（回転角度０度の位置にあるとき） 支持力の発生原理（回転角度３０度の位置にあるとき） Ｕ１巻線、Ｖ１巻線、Ｗ１巻線に対し回転角度に応じて流す電流波形 Ｕ２巻線、Ｖ２巻線、Ｗ２巻線に対し回転角度に応じて流す電流波形 支持力発生時の電流を示す図 従来のベアリングレスモータのトルク発生原理 巻線統合型ベアリングレスモータのトルク発生原理 トルク発生時の電流を示す図 励磁する対象となる巻線を示す図（０度におけるトルク発生、Ｕ１巻線、Ｖ１巻線、Ｗ１巻線） 励磁する対象となる巻線を示す図（０度における支持力発生、Ｕ２巻線、Ｖ２巻線、Ｗ２巻線） 励磁する対象となる巻線を示す図（３０度における支持力発生、Ｕ１巻線、Ｖ１巻線、Ｗ１巻線） 励磁する対象となる巻線を示す図（３０度におけるトルク発生、Ｕ２巻線、Ｖ２巻線、Ｗ２巻線） トルク発生時の駆動回路に流れる電流の様子を示す図 支持力発生時の駆動回路に流れる電流の様子を示す図 切り換え時のゲート電圧波形 サージ電圧の発生の様子を示す図 サージ電圧の低減対策（電流の回生） 電流波形及びゲート電圧波形 デッドタイムを設けた例 スナバ回路を配設した例 デッドタイム及びスナバ回路を配設したときの効果を示す図 従来のベアリングレスモータの解析モデル 第１実施形態の巻線統合型ベアリングレスモータの解析モデル 解析結果を示す図 従来の機械的軸受をもつモータと巻線統合型ベアリングレスモータの比較 第２実施形態である巻線統合型ベアリングレスモータの巻線配置図 回転角度０度、１５度のときのｑ軸巻線とｑ軸電流 回転角度０度、１５度のときのｄ軸巻線とｄ軸電流 回転角度０度における磁気支持力の発生原理を示す図 回転角度０度におけるｘ軸正方向への磁気支持力Ｆの発生原理を示す図 セクション１の回転角度１５度における磁気支持力の発生原理を示す図 回転角度１５度における磁気支持力の方向のずれを示す図 回転角度１５度における磁気支持力の発生原理を示す図 ｘ軸正方向磁気支持力指令時のＦｘ、Ｆｙ セクション１における磁気支持力（回転角度７５度） システム構成 座標変換 解析モデル寸法 １８スロット１２極解析モデル ３６スロット２４極解析モデル スロット数と極数の違う３つのモデルのトルクの解析結果 スロット数と極数の増加に伴うトルクリプルの変化 スロット数と極数の違う３つのモデルのＦｘの解析結果 スロット数と極数の違う３つのモデルのＦｙの解析結果 スロット数と極数の増加に伴う磁気支持力振動と干渉の変化 支持力の大きさと方向 支持力補償付き制御システム構成 支持力指令値Ｆ^*と実際に発生する支持力Ｆ 補償後の支持力指令値Ｆｃ^* 第２実施形態の実施例であるモータ装置の試作機の縦断面図 静止浮上試験 回転浮上試験 加速試験 インバータ入力電力 従来の機械的軸受を持つモータ及び従来のベアリングレスモータの断面図

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の第１実施形態である巻線統合型ベアリングレスモータの巻線配置図を図１に、また駆動回路を図２に示す。なお、図５３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１及び図２において、巻線統合型ベアリングレスモータ１０は、例えば１２スロット６極構造で構成される。図３の固定子付近の部分拡大図に示すように、固定子歯１３には従来のベアリングレスモータ１１０（図３（ａ））が電動機巻線３と磁気支持巻線５の２種類の巻線を巻いていたのに対し、本実施形態の巻線統合型ベアリングレスモータ１０（図３（ｂ））では１種類の巻線１５のみが巻かれている。

そして、１８０度隔てて対峙する固定子歯１３に捲回された巻線同士は図２に示すように直列に接続されている。例えば、１８０度隔てて対峙する固定子歯１３に捲回された巻線であるＵ１＋巻線とＵ１−巻線とはａ点を介して直列に接続されている。なお、図２中には巻線抵抗も記載されている。

また、このＵ１＋巻線とＵ１−巻線に対しそれぞれ１２０度隔てた位置に同様にＶ１＋巻線とＶ１−巻線が捲回され、更に、このＶ１＋巻線とＶ１−巻線に対しそれぞれ１２０度隔てた位置にＷ１＋巻線とＷ１−巻線が捲回されている。Ｖ１＋巻線とＶ１−巻線とはｂ点を介して直列に接続され、Ｗ１＋巻線とＷ１−巻線とはｃ点を介して直列に接続されている。

更に、Ｕ１−巻線の一端とＶ１−巻線の一端とＷ１−巻線の一端とはＯ点で接続され、三相に結線されている。

三相インバータ２０はＵ１＋巻線とＶ１＋巻線とＷ１＋巻線に接続され、これらの巻線に対し電源を供給するようになっている。また、スイッチング素子Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３のコレクタ端子がそれぞれａ点、ｂ点、ｃ点に接続され、一方、エミッタ端子は一つにまとめられた上でスイッチング素子Ｎ４のエミッタ端子に接続されている。

スイッチング素子Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４にはそれぞれ寄生ダイオードが図示の方向に形成されている。スイッチング素子Ｎ４のコレクタ端子は三相インバータ２０の接地線に接続されている。三相インバータ２０は、Ｕ_H、Ｖ_H、Ｗ_H、Ｕ_L、Ｖ_L、Ｗ_Lの６個の素子からなるスイッチング素子で構成されている。

固定子１には、更に、Ｕ１＋巻線、Ｖ１＋巻線、Ｗ１＋巻線、Ｕ１−巻線、Ｖ１−巻線、Ｗ１−巻線に対してそれぞれ回転方向に３０度隔てた位置にＵ２＋巻線、Ｖ２＋巻線、Ｗ２＋巻線、Ｕ２−巻線、Ｖ２−巻線、Ｗ２−巻線が配設されている。Ｕ２＋巻線、Ｖ２＋巻線、Ｗ２＋巻線、Ｕ２−巻線、Ｖ２−巻線、Ｗ２−巻線の接続構造、駆動回路は図２と同様である。
なお、回転子１１には、径方向に着磁された永久磁石１７が周方向において交互に極性を異ならせてリング状に６個配設されている。

次に、本発明の第１実施形態である巻線統合型ベアリングレスモータ１０の支持力の発生原理について説明する。以下、ｘ軸正方向に力を発生させるときの支持力の発生原理を説明するが、ｙ軸についても同様である。

まず、図４に基づき回転子１１が回転角度０度の位置にあるときについて説明する。図６にはＵ１巻線、Ｖ１巻線、Ｗ１巻線に対し回転角度に応じて流す電流波形の一例を示す。同様に、図７には、Ｕ２巻線、Ｖ２巻線、Ｗ２巻線に対し回転角度に応じて流す電流波形の一例を示す。

回転角度０度の位置にあるときには、支持力発生のため、図７に示す通り、Ｕ２＋巻線及びＵ２−巻線に対し、−１．３９Ａを流し、一方、Ｖ２＋巻線、Ｖ２−巻線に対し、＋１．３９Ａを流す。このときに発生する支持磁束は図４に示す通りに発生し、永久磁石１７の界磁磁束との間で図４中のイ点、ロ点では磁束は同方向になり、ハ点、ニ点では互いに磁束が逆方向になる。このため、イ点、ロ点での吸引と、ハ点、ニ点での反発によりＦ_XU、Ｆ_XV方向の力を生じる。そして、このＦ_XU、Ｆ_XV方向の吸引力の合成によりｘ軸正方向への力Ｆ_Xを生ずる。

次に、回転角度３０度の位置にあるときには、支持力発生のため、図６に示す通り、Ｕ１＋巻線及びＵ１−巻線に対し、１．６Ａを流し、一方、Ｖ１＋巻線、Ｖ１−巻線に対し、−０．８Ａ、Ｗ１＋巻線、Ｗ１−巻線に対しても同様に−０．８Ａを流す。駆動回路には図８に示すようにインバータ回路の丸で囲まれたＵ_H、Ｕ_L、Ｗ_LがＯＮされ、図示の通りに電流が流れる。

このときに発生する支持磁束は図５に示す通りに発生し、永久磁石１７の界磁磁束との間で図５中のホ点、へ点、ト点では磁束は同方向になり、チ点、リ点、ヌ点では互いに磁束が逆方向になる。このため、ホ点、へ点、ト点での吸引と、チ点、リ点、ヌ点での反発によりそれぞれＦ_XW、Ｆ_XU、Ｆ_XV方向の力を生じる。そして、このＦ_XW、Ｆ_XU、Ｆ_XV方向の吸引力の合成によりｘ軸正方向への力Ｆ_Xを生ずる。

次に、トルクの発生原理について説明する。図９に従来のベアリングレスモータのトルク発生原理を説明する。図９において、電動機巻線Ｕ１に電流を流すと電動機磁束が図示の通り生ずるが、永久磁石の磁極との間で吸引、反発の作用が働き、結果として回転方向に力を生ずる。１８０度隔てた巻線においても同様に回転方向に力を生ずる。同様に電動機巻線Ｖ１、Ｗ１においても回転方向に力を生ずる。

これに対し、本願の巻線統合型ベアリングレスモータ１０のトルク発生原理を図１０に基づき説明する。図１０において、電動機巻線Ｕ１に電流を流すと電動機磁束が図示の通り生ずるが、永久磁石の磁極との間で吸引、反発の作用が働き、結果として反時計回りに回転方向の力を生ずる。この点は図９と同様である。

一方、１８０度隔てた巻線においては一種類の巻線で構成されている構造上回転方向とは逆の時計回り方向に力を生ずる。従って、トルク発生の際には＋側のみを励磁し、−側の巻線は逆方向のトルクが発生するため電流を流さないこととする。

回転角度０度の位置にあるときには、図６に示すようにＵ１＋巻線、Ｖ１＋巻線、Ｗ１＋巻線に対し２．４Ａを流すことで回転方向のトルクを生ずる。このとき、駆動回路は図１１に示すように三相インバータ２０のＵ_H、Ｖ_H、Ｗ_HをＯＮすると共にスイッチング素子Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３もＯＮする。なお、ａ点、ｂ点、ｃ点を介してスイッチング素子Ｎ４には寄生ダイオードを通り電流が流される。

このように回転角度０度の位置にあるときのトルク発生にはＵ１＋巻線、Ｖ１＋巻線、Ｗ１＋巻線のみを励磁し、Ｕ１−巻線、Ｖ１−巻線、Ｗ１−巻線は励磁しない。同様に回転角度３０度の位置にあるときのトルク発生は図７に示すように、Ｕ２＋巻線、Ｖ２＋巻線、Ｗ２＋巻線のみを励磁し、Ｕ２−巻線、Ｖ２−巻線、Ｗ２−巻線は励磁しない。

また、図６、図７の電流波形を見て分かるように、Ｕ１巻線、Ｖ１巻線、Ｗ１巻線に対してトルクを発生させている期間（回転子の回転角度範囲）ではＵ２巻線、Ｖ２巻線、Ｗ２巻線に対しては支持力を発生させる。これとは逆にＵ１巻線、Ｖ１巻線、Ｗ１巻線に対して支持力を発生させている期間（回転子の回転角度範囲）ではＵ２巻線、Ｖ２巻線、Ｗ２巻線に対してはトルクを発生させる。このように回転子の回転角度に応じて、それぞれの巻線には支持力を発生させるための電流と、トルクを発生させるための電流とが選択的に供給される。なお、以上説明した実施形態では、各巻線には、回転子の回転角度に応じて一定の角度範囲毎にトルクと支持力を交互に発生させるように電流の供給が制御されている。

なお、このようにトルクと支持力を交互に発生させるときの励磁する対象となる巻線を図１２〜図１５に示す。図１２及び図１３は回転角度０度の位置にあるときを示し、このときにはＵ１巻線、Ｖ１巻線、Ｗ１巻線に対してトルクを発生させるため図１２に示す方向に電流を流す一方で、Ｕ２巻線、Ｖ２巻線、Ｗ２巻線に対しては支持力を発生させるため図１３に示す方向に電流を流す。

また、回転角度３０度の位置にあるときには図１４及び図１５に示す通り、Ｕ１巻線、Ｖ１巻線、Ｗ１巻線に対して、今度は支持力を発生させるため図１４に示す方向に電流を流す一方で、Ｕ２巻線、Ｖ２巻線、Ｗ２巻線に対しては、今度はトルクを発生させるため図１５に示す方向に電流を流す。

電流の切り換えは、固定子歯１３の歯頭部１３Ａの全体が回転子１１の永久磁石１７の同一の磁極の面内に含まれている間中には支持力発生用に電流が継続され、回転子１１の回転により歯頭部１３Ａが異なる磁極に対峙する前にトルク発生用に切り換えられる。本実施形態の１２スロット６極構造ではこの切り換えは３０度毎に行われる。

次に、トルク発生から支持力発生に切り換えるときにスイッチング素子に生ずるサージ電圧の低減方法について説明する。図１６にトルク発生時の駆動回路に流れる電流の様子を示す。また、図１７には支持力発生時の駆動回路に流れる電流の様子を示す。この切り換え時のゲート電圧波形は図１８のように各スイッチング素子を短時間で遮断することになるが、このトルク発生から支持力発生に切り換えるときに図１９に示すように電流遮断時の起電力によりスイッチング素子Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４にはサージ電圧がかかる。

次に、かかるサージ電圧の低減対策について説明する。
図２０に示すように、三相インバータ２０のスイッチング素子Ｕ_H、Ｖ_H、Ｗ_H側をスイッチング素子Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３より先にＯＦＦさせることで、電磁エネルギーを電源側に回生させる。このとき、スイッチング素子Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３をＯＮ状態を維持させるが、スイッチング素子Ｎ４には寄生ダイオードを通り電流が流れる。即ち、図２１の電流波形及びゲート電圧波形に対し、図２２に示すように、トルク発生から支持力発生に切り換える際にデッドタイムを設ける。

但し、図２３に示すようにスイッチング素子Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４にはサージ電圧を吸収するためそれぞれスナバ回路３１Ａ〜３１Ｄを配設するようにしてもよい。

このようにデッドタイム及びスナバ回路を配設したときの効果を調べたのが図２４である。図２４より、サージ対策前に比べ、デッドタイム及びスナバ回路による対策を施した後にはサージ電圧が消えていることが分かる。なお、デッドタイム及びスナバ回路は必ずしも両方を対策として施す必要は無く、一方だけでも実用上支障ない。

次に、第１実施形態について有限要素法で電磁界解析を行った結果について説明する。解析モデルを図２５及び図２６に示す。図２５の従来のベアリングレスモータ１１０と図２６の第１実施形態の巻線統合型ベアリングレスモータ１０とで巻線部分を除く構造は同じである。即ち、従来のベアリングレスモータ１１０と第１実施形態の巻線統合型ベアリングレスモータ１０とで大きさは同じである。

表１の諸元に示す通り、巻線については、従来のベアリングレスモータ１１０のスロット９には電動機巻線が２４２ターン、磁気支持巻線が２４３ターンの合計４８５ターン巻かれている。これに対し、第１実施形態の巻線統合型ベアリングレスモータ１０のスロット９には巻線が４８５ターン巻かれている。

解析結果を図２７に示す。トルクは従来のベアリングレスモータ１１０と同じ大きさであった一方で、支持力は約２倍になっていることが分かる。すなわち、従来のベアリングレスモータと外径サイズ、重量が同じ巻線統合型ベアリングレスモータは磁気支持力を２倍にすることが可能であり、磁気支持力を従来のベアリングレスモータと同じで良いとするならば、電動機巻線と磁気支持巻線を兼ねる巻線は従来モデルと同じ２４３ターンで良いから、２４２ターン分の巻線が不要となり、外径サイズ並びに重量の低減が可能であることは容易に理解されるであろう。

以上述べたように、図２８（ａ）に示す本実施形態の巻線統合型ベアリングレスモータ１０は、図２８（ｂ）に示す従来の機械的軸受をもつモータ１００と外径は同じに構成可能である。また、従来のベアリングレスモータ１１０と比べて巻線構造が簡単である。

なお、本実施形態では、図１１に示すように、トルク発生時にはａ点、ｂ点、ｃ点から電流をスイッチング素子Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３方向へ流す一方で、支持力発生の際には図８に示すようにＯ点を介して流すように構成したが、これとは逆に、支持力発生の際にａ点、ｂ点、ｃ点で分流させる一方で、トルク発生の際にはＯ点を介して流すように構成することも可能である。この場合には、外径及び支持力が従来と同じ大きさである一方で、トルクを約２倍にできる。

また、従来のベアリングレスモータ１１０では支持力発生用に三相インバータが２台、モータ駆動用に２相インバータが１台必要であったが、本実施形態では図２に示す駆動回路がＵ１巻線、Ｖ１巻線、Ｗ１巻線の駆動用に１台、Ｕ２巻線、Ｖ２巻線、Ｗ２巻線の駆動用にもう１台の合計２台であればよい。従って、安価かつ簡素に構成可能である。

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実施形態である巻線統合型ベアリングレスモータの巻線配置図を図２９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２９において、巻線統合型ベアリングレスモータ４０は９スロット６極構造であり、スロット９にはトルク発生用と支持力発生用の両機能を兼用した巻線２５が巻かれている。巻線統合型ベアリングレスモータ４０は、一種類の固定子巻線でトルクだけでなく、磁気支持力も発生することができるベアリングレスモータである。巻線統合型ベアリングレスモータ４０は、ｄｑ座標系を用い、電流のｑ軸成分でトルクを発生し、ｄ軸成分で磁気支持力を発生するようになっている。

図２９において、固定子１は３つのセクション１、２、３に区切られ、セクション１には三相の巻線Ｎ_U1、Ｎ_V1、Ｎ_W1、セクション２にはＮ_U2、Ｎ_V2、Ｎ_W2、セクション３にはＮ_U3、Ｎ_V3、Ｎ_W3がそれぞれ巻かれている。回転子１１は円筒型のコアで表面に６極の永久磁石（ＰＭ）１７が周方向において交互に極性を異ならせてリング状に貼り付けられている。

次に、トルクと磁気支持力の発生原理を回転座標系のｄｑ座標系を用いて説明する。
トルクの発生原理は従来のモータと同様であり、固定子巻線のｑ軸電流を制御する。図３０（ａ）（ｂ）にそれぞれ回転角度０度、１５度のときのｑ軸電流を示す。ωｔは回転角度であり、ω［ｒａｄ／ｓｅｃ］は回転角速度である。各セクションにｑ軸電流ｉ_qを流すことにより、反時計方向にトルクを発生する。

また、磁気支持力は各セクションのｄ軸電流を制御してギャップ磁束密度をアンバランスにし発生する。図３１（ａ）（ｂ）に回転角度０度、１５度のときのｄ軸電流を示す。ｄ軸電流はセクション１、２、３のｄ軸電流をそれぞれｉ_d1、ｉ_d2、ｉ_d3とし、それぞれ独立に制御する。

まず例としてセクション１に注目し、ｉ_d1を磁束強めの方向へ流した時の磁気支持力の発生原理を述べる。図３２に回転角度０度における磁気支持力の発生原理を示す。図３２においてｉ_d1を流すと磁気支持力Ｆ₁₁、Ｆ₁₂、Ｆ₁₃が発生し、Ｆ₁₁、Ｆ₁₂、Ｆ₁₃の合力として磁気支持力Ｆ₁が機械角度０度方向（正負方向）に発生する。セクション２、３におけるＦ₂、Ｆ₃も同様にＦ₂は１２０度方向（正負方向）、Ｆ₃は２４０度方向（正負方向）へ磁気支持力を発生する。

その結果、Ｆ₁、Ｆ₂、Ｆ₃の合力Ｆによって回転子を安定に支持する。磁気支持力Ｆ₁、Ｆ₂、Ｆ₃はそれぞれｄ軸電流ｉ_d1、ｉ_d2、ｉ_d3に比例し、それらの方向はｄ軸電流の向きによって決まる。例えば、ｘ軸正方向へ力を発生する場合を例に述べる。図３３に回転角度０度におけるｘ軸正方向への磁気支持力Ｆの発生原理を示す。Ｆ₁、Ｆ₂、Ｆ₃の合成によりＦが発生する。

次に回転角度１５度における磁気支持力を示す。まず、前述した回転角度０度の場合と同様にしてセクション１に注目する。図３４にセクション１の回転角度１５度における磁気支持力の発生原理を示す。なおｉ_d1の大きさは図３２と同じとする。セクション１にはｄ軸が２つ存在し、それぞれのｄ軸方向の磁気支持力Ｆ₁₁、Ｆ₁₂の合力によりＦ₁が発生する。

しかし、０度方向より機械角θ_fずれた方向に力が発生し、力の大きさも図３２に示した０度方向に発生する場合と異なっている。これは回転子１１の回転に合わせてｄ軸が回転するためである。Ｆ₂、Ｆ₃はＦ₁と同様であるため、図３５に示すように力の方向は同じ角度だけずれ、同じ割合で力の大きさが変化する。そのため、各セクションにおいて図３３と同じ方向にｄ軸電流を流した場合、図３６に示すようにＦ₁、Ｆ₂、Ｆ₃の合力Ｆが図３３とは変化してしまう。

次に、力の変動を確認するため有限要素法解析を行った。解析の詳細は後述するがｉ_d1、ｉ_d2、ｉ_d3をそれぞれ一定とし、ｘ軸正方向へ磁気支持力を指令する。図３７に解析によって得たｘ軸方向磁気支持力Ｆｘおよびｙ軸方向磁気支持力Ｆｙを示す。図３７より磁気支持力に周期性が認められ、周期は６０度である。図３８に回転角度７５度におけるＦ₁を示す。図３８は図３４より回転角度６０度進んでいるが、Ｆ₁は同じである。このことからセクション１に一定のｄ軸電流を流した時Ｆ₁は周期性をもつことが分かる。

次に、第２実施形態のシステム構成について説明する。図３９に制御システム構成図を示す。制御システム５０は、電動機制御系５１、位置制御系５３、電流制御系５５で構成されている。電動機制御系５１では回転速度を制御し、位置制御系５３では回転子１１の位置を制御する。電流制御系５５ではセクションの巻線電流を決定する。以下、電動機制御系５１、位置制御系５３、電流制御系５５それぞれについて分けて述べる。

まず、電動機制御系５１において、巻線統合型ベアリングレスモータ４０の回転速度ωを検出し、速度の指令値ω^*との誤差Δωを生成する。ΔωをＰＩ制御によって増幅し、ｑ軸電流指令値ｉ_q ^*を生成する。ｉ_q ^*を電流制御系へ出力する。

次に、位置制御系５３について説明する。
位置制御系５３は回転子１１の位置ｘ、ｙを検出し位置指令値ｘ^*、ｙ^*との誤差Δｘ^*、Δｙ^*を計算し、ＰＩＤ制御によって増幅することで２軸の力の指令値Ｆ_x ^*、Ｆ_y ^*を生成する。Ｆ_x ^*、Ｆ_y ^*を数１により２軸３軸変換することで３軸の力の指令値Ｆ₁ ^*、Ｆ₂ ^*、Ｆ₃ ^*に変換する。

そして、Ｆ₁ ^*、Ｆ₂ ^*、Ｆ₃ ^*に比例したｄ軸電流指令値ｉ_d1 ^*、ｉ_d2 ^*、ｉ_d3 ^*を生成し、電流制御系５５の各セクションのブロック毎へ出力する。

次に、電流制御系５５について説明する。
電流制御系５５はセクション毎に分かれており、それぞれの電流指令値を決定し、電流を制御する。電流制御系５５についてセクション１を例に述べる。まず電動機制御系５１、位置制御系５３により生成された回転座標系の電流指令値ｉ_d1 ^*、ｉ_q ^*を入力し、固定座標系における二相の電流指令値ｉ_a1 ^*、ｉ_b1 ^*に座標変換する。

図４０に回転座標ｄｑ軸、固定座標ａｂ軸の関係を示す。図中のｉは固定子巻線電流であり、６極モータなので電気角は３ωｔになる。図４０のａｂ軸上のベクトルｉ_a1 ^*、ｉ_b1 ^*をそれぞれｉ_d1 ^*、ｉ_q ^*の式で表すと数２、数３となり、行列式数４で表せる。

続いて巻線は三相三線式であるため、二相電流指令値ｉ_a1 ^*、ｉ_b1 ^*を三相電流指令値ｉ_u1 ^*、ｉ_v1 ^*、ｉ_w1 ^*に変換する。ｉ_a1 ^*、ｉ_b1 ^*をｉ_u1 ^*、ｉ_v1 ^*、ｉ_w1 ^*に二相三相変換する式は数５の通りであり、各相の電流指令値を生成する。

電流指令値は電流制御器へ出力され、電流制御器では各相の巻線に流れる電流を検出して、電流指令値に追従するように電流を制御する。セクション２、セクション３についても上記セクション１と同様の処理が行われ、電流が制御される。

次に、第２実施形態である巻線統合型ベアリングレスモータ４０において磁気支持力が出ることを確認するために解析モデルを用いて、ＦＥＭ解析を行い、解析の結果からモデルのトルク、磁気支持力を評価した。
表２に解析モデルの諸元を示す。

回転子１１及び固定子１の材料１５ＨＴＨ１０００は新日本製鉄株式会社製の０．１５ｍｍ厚の薄手電磁鋼板で、炭素鋼Ｓ４５Ｃに相当する材料である。図４１に解析モデルの寸法を示す。解析ソフトは株式会社ＪＳＯＬの電磁界解析ソフトウェアＪＭＡＧ（Ｖｅｒ．９．１）を用いた。
また、スロット数、極数の増加によりトルクと磁気支持力がどの様に変化するかを確認するため、１８スロット１２極、３６スロット２４極のモデルを作成し解析を行った。

図４２及び図４３にそれぞれのモデルの寸法を、また表３に両モデルの解析条件を示す。寸法は９スロット６極のモデルとほぼ同じで、変更箇所のみ記している。

また図４３（ｂ）の巻線の方向は一部のみ示しているが、図示したパターンで一周配置されている。
まずトルクについて表４と図４４に各モデルの解析結果を示す。

図４５に各モデルのトルクリプルを示す。平均トルクはスロット数の増加によって巻線が減るためであると考えられる。またトルクリプルはスロット数、極数の増加により減少している。

次に磁気支持力の解析結果を示す。表５と図４６に各モデルの磁気支持力Ｆｘ、図４７に磁気支持力Ｆｙを示す。

平均トルクと同様に巻線が減ることにより平均磁気支持力が減少している。また、図４８に支持力振動、干渉についての評価を示す。スロット数、極数の増加により振動、干渉が減っていることが分かる。
このように、巻線統合型ベアリングレスモータ４０は、一種類の固定子巻線でトルクだけでなく、磁気支持力も発生することができるように構成したので、巻線構造が簡単である。

なお、スロット数、極数が少ない場合（例えば９スロット６極のモデル）は、トルクリプルや支持力振動、干渉の割合が大きいので、力の大きさと方向を補償する必要がある。

次に、この補償について説明する。図３９のシステム構成では、モータのスロット数や極数が少ないと支持力振動や干渉の割合が大きい。図４９は回転角度ωｔに対する支持力の大きさ｜Ｆ｜と方向θを示している（有限要素法解析の結果）。その結果、支持力の大きさや方向の変動が大きく、安定な軸支持は困難であると思われる。

そこで、支持力の補償方法を提案する。図５０に支持力補償付き制御システムの構成図を示す。ここに、支持力補償付き制御システム６０は、図３９の制御システム５０とは位置制御系６３の部分において一部異なる。検出した(発生した)支持力Ｆと支持力指令値Ｆ^*はベクトルを用いて図５１のように描くことができる。発生した支持力Ｆは指令値Ｆ^*と一致せず、その結果、回転軸は不安定になる（このとき制御システムも不安定になる）。

今、図５１において実際に発生する力Ｆは指令値Ｆ^*に対して大きさがｋｆ倍で、方向がθｆだけ進んでいるとする。安定に軸支持するには、図５２に示すように、Ｆ＝Ｆ^*になるように支持力を補償する。すなわち、検出した力のＦとその指令値Ｆ^*から支持力係数ｋｆと方向の差θｆを計算し、数６により力の指令値の補償を行う。

図５２中に補償後の指令値Ｆｃ^*と実際に発生する力Ｆ、補償前の指令値Ｆ^*の関係を示した。
図５０の補償器付き制御システム構成は、図３９の制御システム構成に対し支持力の大きさ｜Ｆ｜と方向θを補償する補償手段を追加したものである。図３９の制御システム構成と同様の機能については説明を省略する。

図５０において、回転子軸心へ直交して配置された位置検出器により回転子１１の変位ｘ、ｙを検出し、このデータを元に加速度検出器において加速度を検出し、更に、この加速度を元に磁気支持力Ｆｘ、磁気支持力Ｆｙ算出器においてＦｘ、Ｆｙを算出する。この磁気支持力Ｆｘ、磁気支持力Ｆｙの算出については、スイッチ５１を開いた状態（即ち、支持力の大きさ｜Ｆ｜と方向θを補償していない状態）で１回のみ検出すればよい。

この補償前のデータを検出した後、スイッチ５１を閉じ、ここで検出した力のＦとその指令値Ｆ^*から支持力係数ｋｆと方向の差θｆを計算する。そして、この支持力係数ｋｆと方向の差θｆを基に指令値Ｆ^*に対し数６により力の指令値の補償を行い、指令値Ｆｃ^*を算出する。その後、この指令値Ｆｃ^*を２軸３軸変換する。

以上の補償により、支持力の大きさや方向の変動の少ない安定した軸支持が可能になる。

次に、本発明の第２実施形態の実施例について説明する。図５３に本実施例であるモータ装置の試作機の縦断面図を示す。図５３において、巻線統合型ベアリングレスモータ４０は９スロット６極構造であり、スロット９にはトルク発生用と支持力発生用の両機能を兼用した巻線２５が巻かれている。巻線統合型ベアリングレスモータ４０は、ｄｑ座標系を用い、電流のｑ軸成分でトルクを発生し、ｄ軸成分で磁気支持力を発生するようになっている。

回転子１１の中心には回転軸１２が貫通されており、この回転軸１２の上部と下部とにはそれぞれタッチダウンベアリング４１、４３が配設されている。このタッチダウンベアリング４１、４３は、それぞれ外筒４８の上端面４９に設けられた開口６０と外筒４８の下端に取り付けられたベース６１に設けられた開口６３とに取り付けられている。

そして、回転軸１２の径方向位置を検出するためにＸ軸用ギャップセンサ４５が図示しないＹ軸用ギャップセンサに対して直交するように配設されている。
また、回転軸１２の下部には回転角及び回転速度を検出するためのエンコーダ６５がそれぞれ配設されている。
なお、本実施例については９スロット６極構造のため支持力の補償制御を付加している。

次に本実施例の試験結果について説明する。

１．静止浮上試験
静止時からｄ軸電流を流し、磁気支持実験を行った。ここに静止時とは電流が０で、タッチダウンベアリング４１、４３に対し回転軸１２がタッチダウンの状態である。

図５４で分かるように、ｄ軸電流が０の磁気支持制御ＯＦＦのときは、中心位置（ｘ＝０、ｙ＝０）から偏心しているが、磁気支持制御ＯＮにすると、回転子１１は中心位置で安定に支持されている。なお、電流追従制御を行っているため、磁気支持制御ＯＦＦ、すなわちｄ軸電流指令値が０でも微小な電流が流れ、図のように半径方向に振れが生じている。

２．回転浮上試験
磁気支持制御ＯＦＦのタッチダウン状態において、１０００ｒ／ｍｉｎで運転しているとき、ｄ軸電流を流し、磁気支持実験を行った。図５５で分かるように、磁気支持制御ＯＦＦのときは、回転子１１の変位は±１００μｍ程度と大きいが、磁気支持制御をＯＮにすると、回転子１１の変位は中心位置より±３０μｍ程度となり、中心位置付近で安定に支持されている。

３．加速試験
磁気支持制御ＯＮの状態で回転子１１を０ｒ／ｍｉｎから１０００ｒ／ｍｉｎにステップ状に加速した。図５６で分かるように、加速時、加速後において、回転子１１の変位は±３０μｍ以内であり、安定に磁気支持されていることがわかる。

４．インバータ入力電力
モータを無負荷で運転し、回転子１１がタッチダウン時（磁気支持制御ＯＦＦ）と磁気浮上時、それぞれのインバータの入力電力を測定した。図５７より、５００ｒ／ｍｉｎ以上で磁気浮上時のインバータ入力はタッチダウン時より小さく、回転速度が速くなるほど、その差は増加する。１５００ｒ／ｍｉｎでは、磁気浮上により入力は１０％削減できる。従って、省エネである。

入力の減少は、磁気浮上によりベアリングの摩擦が無くなるため、回転に必要な電力が減少するためであると考えられる。さらに高速運転すると磁気浮上の効果は大きくなると思われる。この他、磁気浮上により振動、騒音が減少することが確認できた。従って、環境に優しい。

５．ｄｑ軸電流制御ベアリングレスモータの発生トルクの比較

本モータは機械的軸受を使用する従来モータと同じ電力で、ほぼ同じトルクを発生させながら回転子１１の自重の２倍の支持力を発生できることが確認された。

１ 固定子
３ 電動機巻線
５ 磁気支持巻線
９ スロット
１０、４０ 巻線統合型ベアリングレスモータ
１１ 回転子
１３ 固定子歯
１３Ａ 歯頭部
１５、２５ 巻線
１７ 永久磁石
２０ 三相インバータ
３１ スナバ回路
Ｎ１〜Ｎ４ スイッチング素子

Claims (2)

1. 所定の極数を有するように永久磁石が周方向に配設された回転子と、
   該回転子に対峙する複数の固定子歯及びスロットの形成された固定子と、
   該固定子歯に対し捲回された支持力発生とトルク発生の両機能を有する１種類の巻線と、
   該巻線に流す電流のｄｑ回転座標系におけるｑ軸成分でトルクを発生し、ｄ軸成分で磁気支持力を発生するｄ軸成分・ｑ軸成分制御手段とを備えたベアリングレスモータであって、
   前記ｄ軸成分・ｑ軸成分制御手段には、
   前記回転子の位置信号を検出する位置信号検出手段と、
   該位置信号と位置指令値との間の位置偏差を算出する位置比較手段と、
   該位置比較手段で算出された位置偏差に基づき２軸の力の指令値を算出する力指令値算出手段と、
   前記回転子に作用する２軸の磁気支持力を検出する支持力検出手段と、
   補償前の力の指令値が該支持力検出手段で検出された磁気支持力と一致するように前記力指令値算出手段で算出された力の指令値の大きさと位相を補償する補償手段と、
   該補償手段で補償された２軸の力の指令値を２軸３軸変換する２軸３軸変換手段と、
   該力指令値算出手段で算出された２軸の力の指令値を２軸３軸変換する２軸３軸変換手段と、
   該２軸３軸変換手段で変換された３軸の力の指令値に基づきｄ軸電流の指令値を生成するｄ軸電流指令値生成手段と、
   前記回転子の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   該回転速度検出手段で検出された回転速度と回転速度指令値との間の偏差を算出する回転速度比較手段と、
   該回転速度比較手段で算出された回転速度偏差に基づきｑ軸電流の指令値を生成するｑ軸電流指令値生成手段と、
   該ｑ軸電流の指令値及び前記ｄ軸電流の指令値を固定座標系における二相の電流指令値に座標変換する座標変換手段と、
   該二相の電流指令値を二相三相変換する二相三相変換手段と、
   該二相三相変換された電流指令値に追従するように電流を制御する電流制御手段とを備えたことを特徴とするベアリングレスモータ。
2. 前記スロット数が９の倍数、前記極数が６の倍数であることを特徴とする請求項１記載のベアリングレスモータ。

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