JP6193377B2 - 電動機システムおよび磁気軸受システム - Google Patents

Description

本発明は、電動機システムおよび磁気軸受システムに関する。

近年、研削スピンドルなどの工作機械、フライホイール、ターボ分子ポンプ等の高速回転体を支持する軸受として、磁気軸受が実用化されている。磁気軸受は、磁気浮上による非接触支持を行うため、従来の接触支持を行う軸受（例えば、転がり軸受）と比較して、高速回転化、オイル・メンテナンスフリー、メカロス（機械損失）低減等を実現することができる。また、軸受に磁気軸受を用いた電動機より軽量な装置で回転子の磁気浮上を実現するため、電動機と磁気軸受との機能を併せ持つベアリングレスモータの検討も広く行われている。

従来の磁気軸受やベアリングレスモータは、磁気浮上する回転子（ロータ）の軸位置制御のために、回転子の回転軸の偏心量（固定子（ステータ）中心軸位置からの回転子回転軸位置の変位）を非接触型の変位センサ（例えば、渦電流式変位センサ）で検出している。このため、従来の磁気軸受やベアリングレスモータは、接触支持を行う軸受と比較して、装置が大型化すること、軸長が長くなること、変位センサのコストが高いこと、などが問題となる。よって、磁気軸受やベアリングレスモータは、変位センサレス化することが望ましい。

変位センサレス化の検討の１つとして、特許文献１（特開平１１−１４２１０４号公報）が開示されている。特許文献１には、変位（偏心量）と相互インダクタンスとの関係に着目したベアリングレスモータの半径方向ロータ位置推定装置が開示されている。特許文献１のベアリングレスモータの半径方向ロータ位置推定装置は、偏心によりギャップ内の起磁力分布が変化することを利用し、半径方向位置制御巻線から三相誘起電圧を検知し、この値からロータの半径方向位置（α軸上の変位αおよびβ軸上の変位β、即ち、偏心量と偏心方向）を推定する。

特開平１１−１４２１０４号公報

但し、特許文献１のように偏心量と相互インダクタンスとの比例関係を適用することができるのは、各相の固定子巻線が直列に接続されている場合である。一方、各相の固定子巻線が並列に接続され並列回路を構成している場合、回転子の回転軸の偏心による電位差を打ち消すように、並列回路に循環電流が発生することから、特許文献１に開示されたロータの半径方向位置（偏心量と偏心方向）の推定方法を適用することができないという課題がある。

また、特許文献１に開示されたロータの半径方向位置（偏心量と偏心方向）の推定方法では、三相誘起電圧を検知するため、低速回転領域では差分をとりにくく誤差が大きくなるおそれがあるという課題がある。

そこで、本発明は、好適に偏心量、偏心方向を検出可能な電動機システムおよび磁気軸受システムを提供することを課題とする。

このような課題を解決するために、本発明に係る電動機システムは、固定子および磁気浮上して非接触支持される回転子を有し、各相が少なくとも２並列以上のコイルで構成される電動機と、前記各相のうち少なくとも２つの相について、前記コイルに流れる循環電流を検出する循環電流検出手段と、前記循環電流検出手段で検出された前記循環電流に基づいて、前記回転子の偏心量および偏心方向を推定する偏心推定手段と、前記各相に電流又は電圧を入力する制御器と、を備え、該制御器は、前記循環電流が小さくなるように電流又は電圧を入力し、前記偏心推定手段は、前記循環電流が、偏心前の前記回転子と前記固定子のギャップと、偏心後の前記回転子と前記固定子のギャップに応じた値となることに基づいて、前記偏心量および前記偏心方向を推定し、前記循環電流検出手段で検出された循環電流値と、前記電動機のインピーダンスとの積に基づいて、前記偏心量および前記偏心方向を推定し、前記コイルとして第１コイルと第２コイルを備え、前記第１コイルと前記第２コイルで閉回路が形成され、前記閉回路のインピーダンスをＺ _{1_2} とし、前記閉回路の循環電流をＩ _cir とし、前記第１コイルの機械的角度をθ _t,1 とし、前記第２コイルの機械的角度をθ _t,2 とし、偏心していない状態のギャップ幅をδとし、係数ακとし、前記回転子の回転軸方向を法線とするＸ−Ｙ平面における偏心（ｘ，ｙ）として、前記偏心推定手段は、

に基づいて、前記循環電流Ｉ _cir から、前記偏心量および前記偏心方向である前記偏心（ｘ，ｙ）を推定することを特徴とする。

また、本発明に係る磁気軸受システムは、固定子および磁気浮上して非接触支持される回転子を有し、各相が少なくとも２並列以上のコイルで構成される磁気軸受と、前記各相のうち少なくとも２つの相について、前記コイルに流れる循環電流を検出する循環電流検出手段と、前記循環電流検出手段で検出された前記循環電流に基づいて、前記回転子の偏心量および偏心方向を推定する偏心推定手段と、前記各相に電流又は電圧を入力する制御器と、を備え、該制御器は、前記循環電流が小さくなるように電流又は電圧を入力し、前記偏心推定手段は、前記循環電流が、偏心前の前記回転子と前記固定子のギャップと、偏心後の前記回転子と前記固定子のギャップに応じた値となることに基づいて、前記偏心量および前記偏心方向を推定し、前記偏心推定手段は、 前記循環電流検出手段で検出された循環電流値と、前記電動機のインピーダンスとの積に基づいて、前記偏心量および前記偏心方向を推定し、前記コイルとして第１コイルと第２コイルを備え、前記第１コイルと前記第２コイルで閉回路が形成され、前記閉回路のインピーダンスをＺ _{1_2} とし、前記閉回路の循環電流をＩ _cir とし、前記第１コイルの機械的角度をθ _t,1 とし、前記第２コイルの機械的角度をθ _t,2 とし、偏心していない状態のギャップ幅をδとし、係数ακとし、前記回転子の回転軸方向を法線とするＸ−Ｙ平面における偏心（ｘ，ｙ）として、前記偏心推定手段は、

に基づいて、前記循環電流Ｉ _cir から、前記偏心量および前記偏心方向である前記偏心（ｘ，ｙ）を推定することを特徴とする。

本発明によれば、好適に偏心量、偏心方向を検出可能な電動機システムおよび磁気軸受システムを提供することができる。これにより、高価な変位センサ（例えば、渦電流式変位センサ）を用いなくとも、好適に偏心量、偏心方向を検出することができるので、回転子（ロータ）の軸位置制御を低コストで実現することができる。

第１実施形態に係る電動機システムの構成ブロック図である。 第１実施形態に係る電動機システムの回路構成図である。 電動機の軸方向断面図である。 偏心時における電動機の軸方向断面図である。 回転子の回転軸の偏心とギャップ幅との関係を示す図である。 第１実施形態に係る電動機システムの電動機（中性点結線）の各コイルに流れる電流を説明する回路図である。 第２実施形態に係る電動機システムの回路構成図である。 第２実施形態に係る電動機システムの電動機（中性点未結線）の各コイルに流れる電流を説明する回路図である。 第３実施形態に係る電動機システムの回路構成図である。 第３実施形態における電流センサの取り付け方を示す斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

≪第１実施形態≫
＜電動機システム＞
第１実施形態に係るに電動機システムＳについて、図１から図５を用いて説明する。図１は、第１実施形態に係る電動機システムＳの構成ブロック図である。

図１に示すように、電動機システムＳは、電動機（磁気浮上支持装置）１と、制御器１１と、電流センサ２１と、を備えている。

電動機（磁気浮上支持装置）１は、回転子６（後述する図３Ａ，３Ｂ参照）を磁気浮上させて非接触支持するベアリングレスモータを構成する。

なお、第１実施形態に係るに電動機システムＳは、電動機（磁気浮上支持装置）１として回転子６を磁気浮上させて非接触支持するベアリングレスモータを用い、回転子６の軸位置制御を行う電動機システムＳとして説明するが、磁気浮上支持装置はベアリングレスモータに限られるものではなく、磁気軸受を用いてもよい。即ち、回転子を磁気浮上させて非接触支持する磁気軸受（磁気浮上支持装置）１について、回転子６の軸位置制御を行う磁気軸受システムＳに適用してもよい。

制御器１１は電動機１と接続され、電動機１の回転子６の軸位置制御のため、制御器１１から電動機１に電流もしくは電圧を入力する。一方で、電動機１の巻線（後述する図２のコイルＵ１，Ｕ２，Ｗ１，Ｗ２、図３Ａ，３Ｂの固定子巻線５）に流れる電流を電流センサ２１（後述する図２の電流センサ２１_U1 ，２１_U2 ，２１_W1 ，２１_W2 ）により検出し、この値を制御器１１へフィードバックする。そして、制御器１１は、測定した電流値からコイル（巻線）に流れる循環電流を求めるとともに、回転子６の偏心量、偏心方向を求め、電動機１に前記の循環電流を低減するように電流もしくは電圧を入力することにより、電動機１の回転子６の軸位置制御を行うようになっている。

図２は、第１実施形態に係る電動機システムＳの回路構成図である。なお、電動機（磁気浮上支持装置）１がベアリングレスモータの場合、回転子６（後述する図３Ａ，３Ｂ参照）の軸位置制御用巻線の回路と、回転子６を回転させるための回転用巻線の回路と、を備えるが、図２には、回転子６の軸位置制御用巻線の回路を示す。

図２に示すように、電動機（磁気浮上支持装置）１は、Ｕ相（図２の符号Ｕ）、Ｖ相（図２の符号Ｖ）、Ｗ相（図２の符号Ｗ）の３相交流で駆動し、各相に２個あるコイル（Ｕ相のコイルＵ１，Ｕ２、Ｖ相のコイルＶ１，Ｖ２、Ｗ相のコイルＷ１，Ｗ２）が同相同士で並列接続され、並列回路を構成している。また、６個のコイルＵ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２は中性点１０で結線されている。

電流センサ２１（図１参照）は、図２に示すように、コイルＵ１の電流を検出する電流センサ２１_U1 と、コイルＵ２の電流を検出する電流センサ２１_U2 と、コイルＷ１の電流を検出する電流センサ２１_W1 と、コイルＷ２の電流を検出する電流センサ２１_W2 と、を有している。電流センサ２１_U1 ，２１_U2 ，２１_W1 ，２１_W2 は、検出した電流値を制御器１１にフィードバックする。

制御器１１は、循環電流検出部１２と、偏心量・偏心方向推定部１３と、軸位置制御部１４と、を備えている。

循環電流検出部（循環電流検出手段）１２は、電流センサ２１_U1 で検出した電流Ｉ_U1 と、電流センサ２１_U2 で検出した電流Ｉ_U2 と、に基づいて、Ｕ相の循環電流Ｉ_{CIR_U} を検出（演算）する。また、電流センサ２１_W1 で検出した電流Ｉ_W1 と、電流センサ２１_W2 で検出した電流Ｉ_W2 と、に基づいて、Ｗ相の循環電流Ｉ_{CIR_W} を検出（演算）する。なお、循環電流検出部１２の循環電流を求める方法については、後述する。

偏心量・偏心方向推定部（偏心推定手段）１３は、循環電流検出部１２で検出したＵ相の循環電流Ｉ_{CIR_U} およびＷ相の循環電流Ｉ_{CIR_W} に基づいて、回転子６（後述する図３Ａ，３Ｂ参照）の回転軸の偏心量・偏心方向を推定（演算）する。このように、電流センサ２１（２１_U1 ，２１_U2 ，２１_W1 ，２１_W2 ）、制御器１１の循環電流検出部１２、制御器１１の偏心量・偏心方向推定部１３は、回転子６の回転軸の偏心量・偏心方向を検出する回転子偏心検出装置を構成する。なお、偏心量・偏心方向推定部１３の偏心量・偏心方向を推定（演算）する方法については、後述する。

軸位置制御部１４は、偏心量・偏心方向推定部１３で推定した偏心量・偏心方向に基づいて、偏心量が小さくなるように、換言すれば、循環電流Ｉ_{CIR_U} および循環電流Ｉ_{CIR_W}が小さくなるように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に電流もしくは電圧を入力して、電動機１の回転子６の軸位置制御を行う。

なお、第１実施形態に係るに電動機システムＳは、回転子６の軸位置制御用巻線の電流を検出するように、電流センサ２１（２１_U1 ，２１_U2 ，２１_W1 ，２１_W2 ）を設けるものとして説明するが、これに限られるものではない。回転子６を回転させるための回転用巻線について、各相に２個あるコイルが同相同士で並列接続され、並列回路を構成している場合には、電流センサ２１（２１_U1 ，２１_U2 ，２１_W1 ，２１_W2 ）を回転子６の回転用巻線の電流を検出するように設けてもよい。このように構成しても、回転子偏心検出装置（電流センサ２１（２１_U1 ，２１_U2 ，２１_W1 ，２１_W2 ）、制御器１１の循環電流検出部１２、制御器１１の偏心量・偏心方向推定部１３）は、同様に、回転子６の回転軸の偏心量・偏心方向を検出することができる。なお、この場合、制御器１１の軸位置制御部１４は、偏心量・偏心方向推定部１３で推定した偏心量・偏心方向に基づいて、偏心量が小さくなるように、回転子６の軸位置制御用巻線のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に電流もしくは電圧を入力し、電動機１の回転子６の軸位置制御を行う。

さらに、電動機システムＳの電動機が、モータ（ベアリングレスモータでない）と、２つの磁気軸受で構成される場合、モータの回転子を回転させるための巻線（回転用巻線）が、各相に２個あるコイルが同相同士で並列接続され、並列回路を構成している場合には、電流センサ２１（２１_U1 ，２１_U2 ，２１_W1 ，２１_W2 ）をモータの巻線（回転用巻線）の電流を検出するように設けてもよい。このように構成しても、回転子偏心検出装置（電流センサ２１（２１_U1 ，２１_U2 ，２１_W1 ，２１_W2 ）、制御器１１の循環電流検出部１２、制御器１１の偏心量・偏心方向推定部１３）は、同様に、回転子６の回転軸の偏心量・偏心方向を検出することができる。なお、この場合、制御器１１の軸位置制御部１４は、偏心量・偏心方向推定部１３で推定した偏心量・偏心方向に基づいて、２つの磁気軸受を制御して、電動機の回転子の軸位置制御を行う。

＜電動機＞
次に、第１実施形態に係るに電動機システムＳの電動機（磁気浮上支持装置、ベアリングレスモータ）１について、図３Ａを用いて更に説明する。図３Ａは、電動機１の軸方向断面図である。

図３Ａに示すように、電動機１は、固定子鉄心３、ティース４および固定子巻線５を有する固定子２と、固定子２の内周側に配置され、回転子鉄心７および永久磁石８を有する回転子６と、を備えている。磁気浮上する回転子６は、固定子２と回転子６との間のギャップ９を介して、固定子２に非接触支持されている。

固定子２は、周方向６０°ごとにティース４が放射状に配置されており、ティース４に固定子巻線５が巻回されて、コイル（図２のコイルＵ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２）が形成されている。なお、固定子巻線５は、３相の巻線がＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順に周方向に配置されており、各相は２つのコイルがあるため、Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２の順で周方向に配置されている。

＜循環電流と偏心との関係＞
第１実施形態に係るに電動機システムＳの回転子偏心検出装置（電流センサ２１（２１_U1 ，２１_U2 ，２１_W1 ，２１_W2 ）、制御器１１の循環電流検出部１２、制御器１１の偏心量・偏心方向推定部１３）は、検出した循環電流から偏心量および偏心方向を推定する。この循環電流から偏心量、偏心方向を推定する基本原理について、図２から図５を用いて説明する。図３Ｂは、偏心時における電動機１の軸方向断面図である。図４は、回転子６の回転軸の偏心とギャップ幅との関係を示す図である。図５は、第１実施形態に係る電動機システムＳの電動機１（中性点結線）の各コイルに流れる電流を説明する回路図である。なお、以下の説明において、各コイル（固定子巻線５）のインピーダンスの差は製作時の誤差によって多少は発生するものの僅少であることから、インピーダンスの差は０と仮定して説明する。ちなみに、回転子６が偏心していない状態であれば同相のコイル（固定子巻線５）に誘起される電圧は同等となることから循環電流は発生しない。

［循環電流の検出］
まず、図５に示すように、制御器１１（図２参照）から電動機１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に電流Ｉ_U 、Ｉ_V 、Ｉ_W が入力される。各コイル（固定子巻線５）のインピーダンスに大きな差がない限り、これらの電流はほぼ２等分され各コイル（固定子巻線５）に電流が流れる。コイルＵ１を流れる電流をＩ_U1 、コイルＵ２を流れる電流をＩ_U2 、コイルＶ１を流れる電流をＩ_V1 、コイルＶ２を流れる電流をＩ_V2 、コイルＷ１を流れる電流をＩ_W1 、コイルＷ２を流れる電流をＩ_W2 として、インピーダンスの差を０としていることから、偏心していない場合、Ｉ_U1 ＝Ｉ_U2 ，Ｉ_V1 ＝Ｉ_V2 ，Ｉ_W1 ＝Ｉ_W2 の関係となる。

一方、偏心が発生した場合、並列回路を構成する同相コイル間に電位差ΔＥが発生し、これを打ち消すため並列回路の閉ループ内に循環電流が発生して、Ｉ_U1 ≠Ｉ_U2 ，Ｉ_V1 ≠Ｉ_V2 ，Ｉ_W1 ≠Ｉ_W2 の関係となる。ここで、Ｕ相の並列回路（コイルＵ１、コイルＵ２で構成される回路）の循環電流をＩ_CIR,U とすれば、Ｉ_U1 ＝Ｉ_U ／２＋Ｉ_CIR,U ，Ｉ_U2 ＝Ｉ_U ／２−Ｉ_CIR,U の関係となるから、コイルＵ１を流れる電流Ｉ_U1 およびコイルＵ２を流れる電流Ｉ_U2 からＵ相の循環電流をＩ_CIR,U を求めることができる。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。即ち、Ｕ相の循環電流をＩ_CIR,U 、Ｖ相の循環電流Ｉ_CIR,V 、Ｗ相の循環電流Ｉ_CIR,W は、
Ｉ_CIR,U ＝（Ｉ_U1 −Ｉ_U2 ）／２ ・・・（１ａ）
Ｉ_CIR,V ＝（Ｉ_V1 −Ｉ_V2 ）／２ ・・・（１ｂ）
Ｉ_CIR,W ＝（Ｉ_W1 −Ｉ_W2 ）／２ ・・・（１ｃ）
の関係が成立する。

このように、制御器１１の循環電流検出部１２は、電流センサ２１_U1 ，２１_U2 で検出した電流と式（１ａ）からＵ相の循環電流をＩ_CIR,U を求めることができる。また、制御器１１の循環電流検出部１２は、電流センサ２１_W1 ，２１_W2 で検出した電流と式（１ｃ）からＷ相の循環電流をＩ_CIR,W を求めることができる。

［偏心と循環電流との関係］
次に、偏心発生時の各コイルの電位差ΔＥについて説明する。
鉄の透磁率を∞と仮定した場合、磁石の残留磁束密度をＢｒ、リコイル透磁率をμ_m 、磁石厚をｈｍ、ギャップ幅δとすると、ギャップ９の磁束密度Ｂ_δ は、
Ｂ_δ ＝Ｂｒ＊ｈｍ／（δ＊μ_m ＋ｈｍ） ・・・（２ａ）
となる。

ここで、δ＜ｈｍである場合、定数κとして、
Ｂ_δ ＝κ／δ ・・・（２ｂ）
とみなすことができる。なお、以下の説明において、δ＜ｈｍが成り立つ場合について説明するが、δ≧ｈｍが成り立つ場合にも、式（２ａ）から同様に関係式を求めることができ、本実施形態と同様の効果が得られる。

ここで、ギャップ９の磁束密度Ｂ_δ はピーク値であり、ギャップ９の磁束密度Ｂ_δ の基本波成分をティース４の幅で周方向積分した値がティース４に鎖交する磁束φとなる。そして、磁束φの時間微分が各コイルに発生する誘導起電力Ｅとなる。即ち、
Ｅ＝αＢ_δ ＝κα／δ ・・・（３）
となる。また、誘導起電力Ｅは、ギャップ９の磁束密度Ｂ_δ と周波数ｆに比例する。

図４に示すように、偏心していない状態のギャップ幅をδとし、偏心（ｘ，ｙ）が発生した場合（破線で示す）における、ある角度θ_ｔに位置するティース４に対抗するギャップ幅δ_ｎｅｗは、
δ_new ＝δ−（ｘ×ｃｏｓ(θ_t )＋ｙ×ｓｉｎ(θ_t )） ・・・（４）
となる。なお、ｘ、ｙは偏心座標、θ_t はティース４の中心の機械的な角度となる。この時θ_ｔはティース４の中心角度とすることが望ましいが、多少誤差があってもよいものとする。

偏心が発生した場合の角度θ_t に位置するティース４のコイル（固定子巻線５）に誘起される電圧Ｅは、偏心前のギャップ幅δと偏心後のギャップ幅δ_new の値に応じて変化し、
δ／δ_new ・・・（５）
の比で変化する。即ち、偏心前と比べると、δ_new ＞δでは誘導起電力Ｅが小さくなり、δ_new ＜δでは誘導起電力Ｅが大きくなる。

ある同相のコイル１とコイル２が並列回路（閉ループ）を構成し、コイル１とコイル２の機械的角度をθ_t,1 ，θ_t,2 とした時、偏心発生時の電位差ΔＥは、式（３）および式（４）より、式（６）となる。

また、前述したように、偏心が発生して、コイル１とコイル２の間に電位差ΔＥが発生し、これを打ち消すため並列回路（閉ループ）内に循環電流Ｉ_cir が発生した場合、閉ループのインピーダンスをＺ_{1_2} とすると、
ΔＥ＝Ｉ_cir Ｚ_{1_2} ・・・（７）
となる。

式（６）および式（７）より、偏心（ｘ，ｙ）と、循環電流Ｉ_cir との関係は、式（８）となる。

次に、図３Ｂに示す、回転子６がコイルＵ１の方向（Ｘ軸正方向）に偏心量δｅで偏心が発生している場合を例に、偏心と循環電流との関係を更に説明する。図３Ｂにおいて、Ｘ−Ｙ座標系では偏心（δｅ，０）となる。

コイルＵ１方向に回転子６が偏心した場合、コイルＵ１，Ｖ１，Ｗ２方向のギャップは偏心前（図３Ａ参照）よりも狭くなり、コイルＵ２，Ｖ２，Ｗ１方向のギャップは偏心前（図３Ａ参照）よりも広くなる。具体的には、ティース４は、周方向に６０°間隔に配置されていることから機械的角度θ_t が定まり、式（４）より、偏心（δｅ，０）が発生した状態のギャップ幅δ_new を求めることができる。
コイルＵ１（θ_t ＝ ０°）方向のギャップ幅：（δ−δｅ）
コイルＵ２（θ_t ＝１８０°）方向のギャップ幅：（δ＋δｅ）
コイルＶ１（θ_t ＝ ６０°）方向のギャップ幅：（δ−δｅ／２）
コイルＶ２（θ_t ＝２４０°）方向のギャップ幅：（δ＋δｅ／２）
コイルＷ１（θ_t ＝１２０°）方向のギャップ幅：（δ＋δｅ／２）
コイルＷ２（θ_t ＝３００°）方向のギャップ幅：（δ−δｅ／２）

コイルＵ１，コイルＵ２間の電位差ΔＥ_U 、コイルＶ１，コイルＶ２間の電位差ΔＥ_V 、および、コイルＷ１，コイルＷ２間の電位差ΔＥ_W は、式（５）より求めることができる。
ΔＥ_U ＝Ｅ_U1 −Ｅ_U2 ＝ακ（１／（δ−δｅ）−１／（δ＋δｅ））
ΔＥ_V ＝Ｅ_V1 −Ｅ_V2 ＝ακ（１／（δ−δｅ／２）−１／（δ＋δｅ／２））
ΔＥ_W ＝Ｅ_W1 −Ｅ_W2 ＝ακ（１／（δ＋δｅ／２）−１／（δ−δｅ／２））

ここで、各同相のコイルが並列回路を構成している場合、この電位差ΔＥ_U ，ΔＥ_V ，ΔＥ_W を打ち消すように循環電流をＩ_CIR,U ，Ｉ_CIR,V ，Ｉ_CIR,W が発生する。基本波角周波数をω、1コイルの抵抗をＲ、1コイルのインダクタンスをＬとすると、オームの法則より、循環電流Ｉ_CIR は式（９）で表わされる。

実際の各コイルの位相を反映させると、循環電流は、
Ｉ_CIR,U ×ｃｏｓ（ωｔ ）＝ΔＥ_U ／（２Ｒ＋２ｊωＬ）
Ｉ_CIR,V ×ｃｏｓ（ωｔ−３／２×π）＝ΔＥ_V ／（２Ｒ＋２ｊωＬ）
Ｉ_CIR,W ×ｃｏｓ（ωｔ−４／２×π）＝ΔＥ_W ／（２Ｒ＋２ｊωＬ）
となり、ｃｏｓ（ωｔ）、即ち、回転子６の周方向位置と電位差の関数になる。そして、前述の電位差ΔＥ_U ，ΔＥ_V ，ΔＥ_W を代入すると、以下の式（１０ａ）〜式（１０ｃ）が得られる。

ここで、式（１ａ）〜式（１ｃ）に示すように、循環電流をＩ_CIR,U ，Ｉ_CIR,V ，Ｉ_CIR,W は、電流センサで検出した電流値から求められる値であり、既知の値である。また、電動機１がベアリングレスモータ等の場合、回転子６の周方向位置、即ち、電動機１の電気角は既知の値である。また、偏心していない状態のギャップ幅δ、抵抗Ｒ、インダクタンスＬも既知の値である。このように、式（１０ａ）〜式（１０ｃ）の未知数は偏心量δｅ、即ち、偏心（δｅ、０）のみである。

したがって、少なくとも２つの循環電流を検出することにより、偏心（ｘ、ｙ）、即ち、偏心量と偏心方向を求めることができる。なお、ｃｏｓ（ωｔ）が未知である場合、３か所の循環電流を検出することで偏心量と偏心方向を求めることができる。

また、インピーダンスはほぼ周波数に比例し、各コイルに誘起される電圧も周波数に比例する。そのため、式（８）からもわかるとおり、循環電流は周波数依存性がほとんどないといえる。そのため、低速回転領域でも高精度に偏心量と偏心方向を推定することが可能となる。

このように、制御器１１の偏心量・偏心方向推定部１３は、循環電流検出部１２で求めたＵ相の循環電流をＩ_CIR,U と、Ｗ相の循環電流をＩ_CIR,W と、式（８）の関係から、偏心（ｘ，ｙ）即ち、偏心量と偏心方向を求めることができる。そして、制御器１１の軸位置制御部１４は、偏心量・偏心方向推定部１３で求めた偏心量と偏心方向に基づいて、電動機１の回転子６の軸位置制御を行うので、低速回転領域でも高精度に軸位置制御を行うことができる。

以上のように、第１実施形態に係るに電動機システム（磁気軸受システム）Ｓは、電流センサを用いて偏心量と偏心方向を求め、軸位置制御を行うことができる。変位センサ（例えば、渦電流式変位センサ）に比べ、電流センサは安価で、センサを取り付けるためのスペースも小さいことから、従来の変位センサを用いた軸位置制御を行う電動機システム（磁気軸受システム）と比較して、低コスト・省スペースの電動機システム（磁気軸受システム）Ｓとすることができる。また、従来の半径方向ロータ位置推定装置（特許文献１）と比較して、第１実施形態に係るに電動機システム（磁気軸受システム）Ｓは、低速回転領域でも高精度に偏心量と偏心方向を求め、軸位置制御を行うことができる。

≪第２実施形態≫
次に第２実施形態に係る電動機システム（磁気軸受システム）ＳＡについて、図６および図７を用いて説明する。図６は、第２実施形態に係る電動機システムＳＡの回路構成図である。図７は、第２実施形態に係る電動機システムＳＡの電動機１Ａ（中性点未結線）の各コイルに流れる電流を説明する回路図である。

第１実施形態に係る電動機システムＳの電動機１は、図２および図５に示すように、中性点１０で結線される電動機１であるのに対し、第２実施形態に係る電動機システムＳＡの電動機１Ａは、図６および図７に示すように、中性点で結線されない電動機である点で異なっている。即ち、第１実施形態に係る電動機システムＳの電動機１は、６個のコイルＵ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２が中性点１０で結線されているのに対し、第２実施形態に係る電動機システムＳの電動機１Ａは、コイルＵ１，Ｖ１，Ｗ１が結線点１０ａで結線され、コイルＵ２，Ｖ２，Ｗ２が結線点１０ｂで結線されている点で異なっている。その他の構成は、同様であり、説明を省略する。

このような中性点未結線の電動機１Ａの場合、図７に示すように、循環電流は、他相にまたがって発生する。即ち、Ｕ相とＶ相にまたがる循環電流Ｉ_CIR,UV と、Ｖ相とＷ相にまたがる循環電流Ｉ_CIR,VW と、Ｗ相とＵ相にまたがる循環電流Ｉ_CIR,WU と、が発生する。

このように、循環電流の経路は複雑になるものの、コイルＵ１に発生する循環電流Ｉ_cir,U1 と、コイルＵ２に発生する循環電流Ｉ_cir,U2 とは、Ｉ_cir,U1 ＝Ｉ_CIR,UV −Ｉ_CIR,WU ＝−Ｉ_cir,U2 となる。同様に、コイルＶ１に発生する循環電流Ｉ_cir,V1 と、コイルＶ２に発生する循環電流Ｉ_cir,V2 とは、Ｉ_cir,V1 ＝−Ｉ_cir,V2 となり、コイルＷ１に発生する循環電流Ｉ_cir,W1 と、コイルＷ２に発生する循環電流Ｉ_cir,W2 とは、Ｉ_cir,W1 ＝−Ｉ_cir,W2 となる。

したがって、第１実施形態に係る電動機システムＳの電流センサ２１と同様に、コイルＵ１，Ｕ２に電流センサ２１_U1 ，２１_U2を設け、循環電流検出部１２で循環電流Ｉ_cir,U1 ＝（Ｉ_U1 −Ｉ_U2 ）／２を求めることができる。また、コイルＷ１，Ｗ２に電流センサ２１_W1 ，２１_W2を設け、循環電流検出部１２で循環電流Ｉ_cir,W1 ＝（Ｉ_W1 −Ｉ_W2 ）／２を求めることができる。そして、制御器１１の偏心量・偏心方向推定部１３は、第１実施形態と同様な原理で、循環電流Ｉ_cir,U1 ，Ｉ_cir,W1 から偏心量と偏心方向を求めることができる。

≪第３実施形態≫
次に、第３実施形態に係る電動機システム（磁気軸受システム）ＳＢについて、図８および図９を用いて説明する。図８は、第３実施形態に係る電動機システムＳＢの回路構成図である。図９は、第３実施形態における電流センサ２２_U の取り付け方を示す斜視図である。

図８に示すように、第３実施形態に係る電動機システムＳＢは、第１実施形態に係る電動機システムＳの電流センサ２１（２１_U1 ，２１_U2 ，２１_W1 ，２１_W2 ）にかえて、電流トランス２２_U，２２_Wを備える点で異なっている。その他の構成は、同様であり、説明を省略する。

図９に示すように、コイルＵ１の巻線５ａと、コイルＵ２の巻線５ｂとが、電流方向が互いに逆向きとなるように電流トランス２２_Uの測定部に挿入されている。これにより、電流トランス２２_U は、コイルＵ１の電流Ｉ_U1 と、コイルＵ２の電流Ｉ_U2 の差分電流（Ｉ_U1 −Ｉ_U2 ）を検出する。そして、循環電流検出部１２は、式（１ａ）より、Ｕ相の循環電流をＩ_CIR,U を求める。Ｗ相についても同様である。

このように、第３実施形態に係る電動機システム（磁気軸受システム）ＳＢによれば、センサ数を４つから２つに減らすことができる。また、第１実施形態に係る電動機システムＳの場合、回転子６の重量が増加するほどコイルを流れる電流値も大きくなるので、電流センサ２１も測定レンジが大きく、高額・大型な電流センサを用いる必要がある。これに対し、第３実施形態に係る電動機システムＳＢの場合、差分電流（Ｉ_U1 −Ｉ_U2 ）を検出するため、電流トランス２２_U ，２２_W も測定レンジが小さく、安価・小型なものを用いることができる。なお、カレントトランスファー方式の電流トランス２２_U ，２２_W を用いるものとして説明したが、電流センサの挿入孔内の電流から磁界強度を求め、電流値を求める方式の電流センサであれば、他の方式の電流センサを用いてもよい。

≪変形例≫
なお、本実施形態に係る電動機システム（磁気軸受システム）Ｓ，ＳＡ，ＳＢは、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

本実施形態に係る電動機システム（磁気軸受システム）Ｓ，ＳＡ，ＳＢは、変位センサレスの電動機システム（磁気軸受システム）であるものとして説明したが、これに限られるものではない。本実施形態に係る電動機システム（磁気軸受システム）Ｓ，ＳＡ，ＳＢが備える回転子偏心検出装置と、従来の変位センサやサーチコイルなどを用いた測定方法と併用してもよい。これにより、更に高精度な計測が可能となる。また、異なる方式により偏心量を計測することから、安全性も向上する。

図２等に示すように、電動機１の各相のコイルは、２つのコイルが並列に配置されるものとして説明したが、これに限られるものではなく、３つ以上のコイルが並列に配置されていてもよい。この場合でも、各閉ループ内において、式（７）の関係を求めることで、循環電流から偏心量と偏心方向を推定することができる。また、３相の電動機１として説明したが、これに限られるものではなく、２相でも６相でもそれ以外の相でもよい。

図３Ａでは、内転型の回転子６を備える電動機１として説明したが、これに限られるものではなく、同様の構成を有する外転型の回転子を備える電動機にも適用可能である。また、回転子６の極数は、４極として図示しているが、これに限られるものではなく、２極でもよいし、６極以上としてもよい。また、電動機１は、ギャップ磁束が径方向に透過するラジアルギャップ型として説明したが、これに限られるものではなく、ギャップ磁束が軸方向に透過するアキシャルギャップ型にも適用可能である。また、電動機１は永久磁石同期機としたが、固定子２側の固定子巻線５の結線を２並列以上とし、循環電流が発生する構成であれば、誘導機、巻線同期機、ＳＲモータ等にも適用可能である。また、固定子２は、２：３の集中巻形状としたが、これに限られるものではなく、分布巻や、２：３以外の集中巻にも適用できる。また、固定子鉄心３及び回転子鉄心７は軸方向に積み重ねた積層鋼板で構成してもよいし、圧粉磁心などで構成してもよいし、アモルファス金属などで構成してもよい。

また、偏心（ｘ、ｙ）とΔＥの関係は式（６）として説明したが、偏心量が小さい場合には偏心量とΔＥが比例関係であるとしてもよい。

Ｓ，ＳＡ，ＳＢ 電動機システム（磁気軸受システム）
１ 電動機（磁気浮上支持装置、ベアリングレスモータ、磁気軸受）
２ 固定子
３ 固定子鉄心
４ ティース
５ 固定子巻線
６ 回転子
７ 回転子鉄心
８ 永久磁石
９ ギャップ
１０ 中性点
１０ａ，１０ｂ 接続点
１１ 制御器
１２ 循環電流検出部（循環電流検出手段）
１３ 偏心量・偏心方向推定部（偏心推定手段）
１４ 軸位置制御部
２１，２１_U1 ，２１_U2 ，２１_W1 ，２１_W2 電流センサ（循環電流検出手段）
２２_U ，２２_W 電流トランス（循環電流検出手段、差分電流検出手段）
Ｕ Ｕ相
Ｖ Ｖ相
Ｗ Ｗ相
Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２ コイル

Claims (7)

1. 固定子および磁気浮上して非接触支持される回転子を有し、各相が少なくとも２並列以上のコイルで構成される電動機と、
   前記各相のうち少なくとも２つの相について、前記コイルに流れる循環電流を検出する循環電流検出手段と、
   前記循環電流検出手段で検出された前記循環電流に基づいて、前記回転子の偏心量および偏心方向を推定する偏心推定手段と、
   前記各相に電流又は電圧を入力する制御器と、を備え、
   該制御器は、前記循環電流が小さくなるように電流又は電圧を入力し、
   前記偏心推定手段は、
   前記循環電流が、偏心前の前記回転子と前記固定子のギャップと、偏心後の前記回転子と前記固定子のギャップに応じた値となることに基づいて、前記偏心量および前記偏心方向を推定し、
   前記循環電流検出手段で検出された循環電流値と、前記電動機のインピーダンスとの積に基づいて、前記偏心量および前記偏心方向を推定し、
   前記コイルとして第１コイルと第２コイルを備え、
   前記第１コイルと前記第２コイルで閉回路が形成され、
   前記閉回路のインピーダンスをＺ _{1_2} とし、
   前記閉回路の循環電流をＩ _cir とし、
   前記第１コイルの機械的角度をθ _t,1 とし、
   前記第２コイルの機械的角度をθ _t,2 とし、
   偏心していない状態のギャップ幅をδとし、
   係数ακとし、
   前記回転子の回転軸方向を法線とするＸ−Ｙ平面における偏心（ｘ，ｙ）として、
   前記偏心推定手段は、
   

   

   に基づいて、前記循環電流Ｉ _cir から、前記偏心量および前記偏心方向である前記偏心（ｘ，ｙ）を推定する
   ことを特徴とする電動機システム。
2. 前記相の少なくとも１つについて、並列接続を構成するのは２つのコイルであることを特徴とする請求項１に記載の電動機システム。
3. 並列接続を構成するのが２つのコイルである相について、該２つのコイルは、機械的角度で略１８０°離れている
   ことを特徴とする請求項２に記載の電動機システム。
4. 前記コイルとして第１コイルと該第１コイルと並列に配置される第２コイルを備え、
   前記循環電流検出手段は、
   前記第１コイルを流れる電流と、前記第２コイルを流れる電流との差である差分電流を検出する差分電流検出手段を有し、
   前記差分電流に基づいて、前記循環電流を検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動機システム。
5. 前記回転子の前記偏心量および前記偏心方向を検出する他のセンサを更に備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動機システム。
6. 前記電動機は、ベアリングレスモータである
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動機システム。
7. 固定子および磁気浮上して非接触支持される回転子を有し、各相が少なくとも２並列以上のコイルで構成される磁気軸受と、
   前記各相のうち少なくとも２つの相について、前記コイルに流れる循環電流を検出する循環電流検出手段と、
   前記循環電流検出手段で検出された前記循環電流に基づいて、前記回転子の偏心量および偏心方向を推定する偏心推定手段と、
   前記各相に電流又は電圧を入力する制御器と、を備え、
   該制御器は、前記循環電流が小さくなるように電流又は電圧を入力し、
   前記偏心推定手段は、
   前記循環電流が、偏心前の前記回転子と前記固定子のギャップと、偏心後の前記回転子と前記固定子のギャップに応じた値となることに基づいて、前記偏心量および前記偏心方向を推定し、
   前記偏心推定手段は、
   前記循環電流検出手段で検出された循環電流値と、前記電動機のインピーダンスとの積に基づいて、前記偏心量および前記偏心方向を推定し、
   前記コイルとして第１コイルと第２コイルを備え、
   前記第１コイルと前記第２コイルで閉回路が形成され、
   前記閉回路のインピーダンスをＺ _{1_2} とし、
   前記閉回路の循環電流をＩ _cir とし、
   前記第１コイルの機械的角度をθ _t,1 とし、
   前記第２コイルの機械的角度をθ _t,2 とし、
   偏心していない状態のギャップ幅をδとし、
   係数ακとし、
   前記回転子の回転軸方向を法線とするＸ−Ｙ平面における偏心（ｘ，ｙ）として、
   前記偏心推定手段は、
   

   

   に基づいて、前記循環電流Ｉ _cir から、前記偏心量および前記偏心方向である前記偏心（ｘ，ｙ）を推定する
   ことを特徴とする磁気軸受システム。

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