JP6628388B2

JP6628388B2 - ベアリングレスモータ

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Publication number: JP6628388B2
Application number: JP2014100222A
Authority: JP
Inventors: 淳一朝間
Original assignee: Shizuoka University NUC
Current assignee: Shizuoka University NUC
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2020-01-08
Anticipated expiration: 2034-05-14
Also published as: JP2015220773A

Description

本発明は、回転子が磁気浮上することにより非接触で支持されたベアリングレスモータに関するものである。

従来から、回転子が磁気浮上することにより非接触で支持されるベアリングレスモータが知られている。多くのベアリングレスモータは、固定子に施された回転制御用のコイルに加え、磁気浮上用のコイルが設けられている。この磁気浮上用のコイルに電流が流されることにより、回転子と固定子との間のギャップにおける磁束密度を不均衡にすることで回転子の半径方向に磁気力が作用される。さらに、回転子の半径方向の変位がセンサで計測され、その計測結果を基に磁気力が調整されることで、回転子の半径方向の２自由度運動が能動的に制御される。このようなベアリングレスモータは、摩擦力が生じない、摩耗粉が発生しにくいなどの利点があり、半導体製造工程や医療分野において使用される各種ポンプ、人工衛星に内蔵されるリアクションホイール、及び冷却ファン等への応用が期待されている。

下記特許文献１には、ベアリングレスモータを用いた電磁機械の構成の一例が記載されている。この電磁機械は、２機の従来のベアリングレスモータとスラスト軸部材とが組み合わされており、回転子の主軸に沿ってｚ軸、主軸に垂直な方向に沿ってｘ、ｙ軸を設定したときに、ｘ、ｙ、ｚ、θｘ、θｙの方向の５自由度運動を制御可能な構成を有している。

特開２００９−１９２０４１号号公報

上述した従来の５自由度制御型の電磁機械では、５自由度制御及び回転制御用にインバータが４台、磁気力のフィードバック制御のために回転子の変位を検出する変位センサが最低５個必要である。その結果、装置の大型化を招きやすい。また、ベアリングレスモータ自体の大きさ、特に回転軸方向への大きさが障壁となり、設置スペースが比較的小さい場所に装置を適用することができない場合がある。

そこで、本発明はかかる課題に鑑みて為されたものであり、駆動回路を含めた装置の小型化を図ることを可能としながら、且つ、回転軸方向への小型化を実現することにより設置スペースが小さい場所にも適用することが可能なベアリングレスモータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のベアリングレスモータは、回転軸周りに回転可能な回転子と、回転子の回転軸方向における両端のうち、一端側のみを磁気力により支持する固定子と、を備え、回転子は、回転軸方向に磁化された第１の軸部材と、第１の軸部材の外周に沿って複数配列された永久磁石と、を有し、固定子は、回転軸方向に磁化された中空形状の軸部材であって、内部に第１の軸部材の少なくとも一部を収容する第２の軸部材と、永久磁石と回転軸方向において対向し、第２の軸部材の外周に沿って複数分割して設けられたコイルと、を有することを特徴とする。

このようなベアリングレスモータでは、固定子によって回転子の一端側のみが支持される。そのため、例えば回転子の両端を固定子が支持する構成と比較して、回転軸方向に小形とできる。また、回転軸方向をＺ軸方向、Ｚ軸に垂直な方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とした場合に、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｘ軸を中心にしたθｘ方向、及びＹ軸を中心にしたθｙ方向の回転子の４自由度運動は、第２の軸部材の内部に第１の軸部材が収容された（第１の軸部材が第２の軸部材に囲まれた）部分の第１の軸部材と第２の軸部材との磁気結合により、受動的に抑制される。例えば、回転子の一端側のみを固定子によって支持する構成において、回転軸方向で対向する回転子側の軸部材と固定子側の軸部材との磁気結合により回転子の運動を制御する場合には、回転子側及び固定子側の軸部材の外径不一致等を理由として、回転子の変位（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）及び傾き（θｘ方向及びθｙ方向）が相互に作用を及ぼし合い、変位量及び傾き量が大きくなることによって、回転子の４自由度運動の受動的な抑制が十分に図れないおそれがある。この点、第１の軸部材が第２の軸部材に収容された（囲まれた）構成では、上述した軸部材の外径不一致等を理由とした変位量及び傾き量の増大が問題となり難く、第１の軸部材と第２の軸部材との磁気結合により、回転子の４自由度運動を適切に抑制できる。併せて、回転子の回転軸方向の運動は、永久磁石と対向する複数のコイルに流す励磁電流を調整することにより能動的に制御されると同時に、複数のコイルの励磁電流を制御することにより回転子が回転駆動される。これにより、能動的に制御する対象の運動方向を最小の１自由度に低減することができ、ベアリングレスモータに接続するインバータや内蔵する変位センサの数を削減することができる。以上より、本発明によれば、駆動回路を含めた装置の小型化を図ることを可能としながら、且つ、回転軸方向への小型化を実現することにより設置スペースが小さい場所にも適用することができるベアリングレスモータを提供することができる。

また、本発明のベアリングレスモータでは、固定子が、回転子の回転軸方向における下端を非接触で支持してもよい。固定子が下側から回転子を支持することにより、永久磁石とコイルとの間で発生するローレンツ力に基づく支持力によって、回転子の回転軸方向の支持を適切に行うことができる。

また、本発明のベアリングレスモータでは、第１の軸部材が、棒状の磁石から構成されており、第２の軸部材が、円筒状の磁石から構成されていてもよい。このような構成により、第１の軸部材を第２の軸部材に確実且つ容易に収容することができる。

また、本発明のベアリングレスモータでは、永久磁石の極数が６極であり、コイルのスロット数が９スロットであってもよい。６極９スロット構成とされることにより、回転子の回転軸方向の運動及び回転駆動をより確実に制御することができる。

また、本発明のベアリングレスモータでは、コイル内には、ホール素子が配置されていてもよい。このようなホール素子によって、永久磁石が発生する磁界を電圧として出力することが可能となり、回転子のＺ軸方向の運動及び回転駆動を確実且つ簡易に制御することができる。

本発明によれば、駆動回路を含めた装置の小型化を図ることを可能としながら、且つ、回転軸方向への小型化を実現することにより設置スペースが小さい場所にも適用することが可能なベアリングレスモータを提供することができる。

図１は、本発明の好適な一実施形態であるベアリングレスモータを示す斜視図である。図２は、図１のベアリングレスモータのＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示した分解図である。図３は、図１のベアリングレスモータのＩＩ−ＩＩ線に沿った断面の一部拡大図である。図４は、回転子に含まれたモータ磁石の平面図である。図５は、固定子に含まれたコイルの平面図である。図６は、Ｚ軸方向の支持原理を説明するための図である。図７は、回転原理を説明するための図である。図８は、受動支持原理を説明するための図である。図１のベアリングレスモータに使用される制御回路の概略構成を示すブロック図である。実施例に係る回転軸方向の振動振幅測定結果を示す図である。実施例に係る半径方向の振動振幅測定結果を示す図である。実施例に係る傾き方向の振動振幅測定結果を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るベアリングレスモータの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

まず、本発明にかかるベアリングレスモータの構成について、図面を参照しながら説明する。本発明のベアリングレスモータは、回転子が磁気浮上することにより、固定子に非接触で支持されるモータである。

（ベアリングレスモータの構成）
図１は、本発明の好適な一実施形態であるベアリングレスモータ１を示す斜視図、図２は、図１のベアリングレスモータ１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示した分解図、図３は、図１のベアリングレスモータ１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面の一部拡大図、図４は、回転子２に含まれたモータ磁石２５の平面図、図５は、固定子３に含まれたコイル３３の平面図である。これらの図に示すように、ベアリングレスモータ１は、図示しない固定部材によって固定された一つの固定子３によって、回転子２の一端側のみが支持されて構成されている。ベアリングレスモータ１は、１自由度制御型のベアリングレスモータであり、その中央に反発形受動磁気軸受（ＰＭＢ：Passive Magnetic Bearing）を配置するとともに、ＰＭＢの外周にアキシャルギャップ型コアレスモータを配置している（詳細は後述）。ベアリングレスモータ１は、振動の原因となる要素が極力除かれた構成とされることが好ましく、振動要因となるコギングトルクが発生しないコアレスモータ（例えばアキシャルギャップ型コアレスモータ）が採用されている。ベアリングレスモータ１は、例えばパソコン等のコンピュータ用冷却ファンに応用されるものである。

回転子２は、略円盤状のフレーム部２１と、フレーム部２１の中央に設けられたセンサターゲット２３と、軸部材２４（第１の軸部材）と、軸部材２４の外周に沿って複数配列されたモータ磁石２５（永久磁石）と、モータ磁石２５に重なるようにモータ磁石２５及びフレーム部２１の間に配置されたヨーク２６とを有している。回転子２は、例えば直径４９ｍｍ程度、高さ（センサターゲット２３の長さを加味した高さ）２６ｍｍ程度とすることができるがこれに限定されるものではない。フレーム部２１及びセンサターゲット２３は、モータ等の磁気回路に影響を与えないように、非磁性体が用いられてもよい。フレーム部２１には、外側に羽根部分が取り付けられてもよく、この場合には、ベアリングレスモータ１を冷却ファンに容易に応用することができる。センサターゲット２３は、図示しない変位センサが、回転軸方向への回転子２の変位を検出するために設けられている。なお、本実施形態では、非磁性体のセンサターゲット２３を変位センサのターゲットとして説明するが、これに限定されるものではなく、例えば変位センサとして渦電流式変位センサを用いて、金属である軸部材２４をターゲットにしてもよい。また、軸部材２４等の磁石の下側にホール素子を配置し、当該ホール素子を変位センサとしてもよい。この場合、当該ホール素子が、回転子２の上下運動によって変化する磁束密度を検知し、回転軸方向への回転子２の変位を検出する。なお、後述する固定子３のコイル３３にはホール素子４１が配置されているため、当該ホール素子を用いて、磁束密度の変化に応じて回転軸方向への回転子２の変位を検出してもよい。以下では、軸部材２４の中心軸に沿った回転軸方向をＺ軸に設定するとともに、Ｚ軸に垂直にＸ軸及びＹ軸を設定して説明する。

軸部材２４は、Ｚ軸方向に磁化された、回転子２の中心軸上をＺ軸方向に延びる軸部材である。軸部材２４は、後述する固定子３の軸部材３２とともにＰＭＢを構成する。軸部材２４は、例えばネオジム磁石等の永久磁石で構成された棒状の磁石である。軸部材２４はフレーム部２１に接着されることによりフレーム部２１に固定されている。

モータ磁石２５は、軸部材２４の外周を覆うように設けられた、リング状の磁石であり、例えばネオジム磁石等の永久磁石で構成されている。本実施形態のベアリングレスモータ１は、６極９スロット構成とされている。すなわち、モータ磁石２５の極数が６極であり（６個のセグメントに分かれており）、後述する固定子３のコイル３３のスロット数が９スロットとされている。図４に示されるように、モータ磁石２５は、Ｚ軸方向に磁化された６極（Ｎ／Ｓが３組）の磁石が軸部材２４の外周に沿って分割して配列されている。モータ磁石２５は、フレーム部２１に圧入されたヨーク２６に接着されている。ヨーク２６は、モータ磁石２５が持つ吸着力を増幅するために設けられたリング状の軟鉄板であり、モータ磁石２５と形状が略一致している。モータ磁石２５及びヨーク２６は、後述する固定子３のコイル３３とともにアキシャルギャップ型コアレスモータを構成する。

固定子３は、回転子２のＺ軸方向両端のうち、一端側、より詳細には下端側のみを磁気力により支持している。固定子３は、Ｚ軸方向に延びる、Ｚ軸方向に磁化された軸部材３２（第２の軸部材）と、軸部材３２の外周を覆うように複数設けられ、モータ磁石２５とＺ軸方向において対向するコイル３３とを有している。固定子３は、直径及び高さ共に回転子２よりも略小さい形状とされ、例えば直径４３．８ｍｍ程度、高さ（Ｚ軸方向に延びる軸部材３２の長さを加味した高さ）２１．５ｍｍ程度とすることができるがこれに限定されるものではない。固定子３に支持された状態の回転子２では、Ｘ軸方向及びＹ軸方向への可動域ＭＳ（Ｘ，Ｙ）（図３）が例えば０．３ｍｍ程度とされる。また、Ｘ軸又はＹ軸を回転軸とした回転子２のθｘ，θｙ方向の回転運動の可動域ＭＳ（θｘ，θｙ）（図３）が例えば１７ｍｒａｄとされる。また、固定子３に回転子２が支持された状態においては、モータ磁石２５とコイル３３との間隔Ｇが例えば０．２ｍｍ程度とされる。

軸部材３２は、例えばネオジム磁石等の永久磁石で構成された中空円筒状の磁石であり、当該中空形状の内部に回転子２の軸部材２４の軸部材３２側の端部の少なくとも一部を収容している。言い換えると、軸部材３２は、軸部材２４の周囲を囲むように（図２の断面においては軸部材２４の両側を挟むように）配置される。

コイル３３は、回転子２を回転駆動するとともに安定して支持するために設けられており、モータ磁石２５との間で磁界を発生させる。コイル３３は、軸部材３２の外周に沿って複数分割して設けられており、モータ磁石２５とＺ軸方向において対向している。コイル３３とモータ磁石２５とは、幅方向（半径方向）の長さが略一致している。上述したようにベアリングレスモータ１は６極９スロット構成であり、コイル３３のスロット数は９スロットである。図５に示されるように、コイル３３は巻線方向ＴＤに三相巻線（Ｕ／Ｖ／Ｗ相）が施されたコアレスコイルであり、その中央にはホール素子４１が配置されている。ホール素子４１のうち３個のホール素子４１の出力電圧を用いることによって、回転角度が検出される（詳細は後述）。また、ホール素子４１により回転子２のＺ軸方向の変位が検出される。なお、コイル３３の数に応じた９個のホール素子４１のうち、３個は回転角度の検出等に利用されるホール素子であり、残りの６個は予備のホール素子である。

（Ｚ軸方向支持原理）
ベアリングレスモータ１では、Ｚ軸方向は磁気的に不安定であり、回転子２を能動支持する必要がある。以下に、図６を参照しながらＺ軸方向の支持原理について説明する。図６は、Ｚ軸方向の支持原理を説明するための図である。

図６に示されるように、Ｕ相コイルであるコイルＣｕ１（図６（ｂ））に注目し、コイルＣｕ１の空心が磁石Ｍ１（図６（ａ））とＺ軸方向において対向している場合を考える。この場合、図６（ｃ）に示されるように、コイルＣｕ１のＹ軸方向を通過する磁束ｍｆ１、及び、コイルＣｕ１の円周方向成分の電流Ｉ１の相互作用によって、コイルＣｕ１のＺ軸方向にローレンツ力Ｆｌ１が発生する。コイルＣｕ１（コイル３３）は固定子３の構成であり固定されているため、回転子２にはローレンツ力Ｆｌ１の反作用としてＺ軸方向に支持力Ｆｂ１が作用する。なお、図６（ｄ）に示されるように、コイルＣｕ１のＹＺ断面に注目すると、コイルＣｕ１のＺ軸方向を通過する磁束ｍｆ２、及び、コイルＣｕ１の半径方向成分の電流Ｉ２の相互作用によって、コイルＣｕ１の円周方向にローレンツ力Ｆｌ２が二方向に発生するが、これらは互いに相殺するためトルクは発生しない。以上より、ローレンツ力Ｆｌ１の反作用であるＺ軸方向の支持力Ｆｂ１によって、ベアリングレスモータ１では回転子２を能動支持することができる。Ｚ軸方向の能動支持は、後述するｄ軸電流を指定することで実現される。つまり、ｄ軸電流により磁気浮上を制御する。

（回転原理）
図７は、回転原理を説明するための図である。図７に示されるように、Ｕ相コイルであるコイルＣｕ２（図７（ｂ））に注目し、コイルＣｕ２の空心が磁石の磁界境界Ｍｂと対向している場合を考える。この場合、図７（ｃ）に示されるように、コイルＣｕ２のＺ軸方向を通過する磁束ｍｆ３、及び、コイルＣｕ２の半径方向成分の電流Ｉ３の相互作用によって、コイルＣｕ２の円周方向にローレンツ力Ｆｌ３が発生する。コイルＣｕ２（コイル３３）は固定子３の構成であって固定されているため、回転子２にはローレンツ力Ｆｌ３の反作用としてコイルＣｕ２の円周方向（すなわち回転子２の円周方向）にトルクＴｒ１が作用する。なお、図７（ｄ）に示されるように、コイルＣｕ２のＹＺ断面に注目すると、コイルＣｕ２のＹ軸方向を通過する磁束ｍｆ４、及びコイルＣｕ２の円周方向成分の電流Ｉ４の相互作用により、コイルＣｕ２の右側（断面ｄＢ参照）ではＺ軸正方向のローレンツ力Ｆｌ５が、左側（断面ｄＡ参照）ではＺ軸負方向のローレンツ力Ｆｌ４がそれぞれ発生するが、これらは相殺するので、支持力は発生しない。以上より、ローレンツ力Ｆｌ３の反作用である円周方向のトルクＴｒ１によって、ベアリングレスモータ１では回転子２を回転させることができる。回転子２のＺ軸周りの回転は、後述するｑ軸電流を指定することで実現される。

（自由度受動支持原理）
ベアリングレスモータ１では、回転子２の４自由度運動（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｘ軸を中心にしたθｘ方向、及びＹ軸を中心にしたθｙ方向の４自由度運動）を受動的に安定化（抑制）させることが可能である。以下に、図８を参照しながら自由度受動支持原理について説明する。図８は、受動支持原理を説明するための図である。

上述したように、固定子３に回転子２が支持された状態においては、Ｚ軸方向に磁化された軸部材３２は、同じくＺ軸方向に磁化された軸部材２４の周囲を囲むように配置されている。そのため、軸部材２４及び軸部材３２間では、回転子２の半径方向（Ｘ，Ｙ）に反発力が生じる。例えば、図８（ａ）に示されるように、回転子２（より詳細には軸部材２４）が、半径方向（図ではＸ軸方向）に変位した場合には、軸部材２４には変位と反対方向に復元力ＦＲが作用し、軸部材２４の変位は自動的に補正される。半径方向の変位量に対する復元力ＦＲの比をラジアル剛性Ｋｒ（Ｎ／ｍ）と定義し、ラジアル剛性Ｋ_ｒが正ならば受動支持が可能であると考えることができる。

また、図８（ｂ）に示されるように、回転子２（より詳細には軸部材２４）が、傾き方向（θｘ，θｙ）に傾いた場合には、軸部材２４には傾きと反対方向に復元トルクＴＲが作用し、傾きは受動的に補正される。軸部材２４の傾き量に対する復元トルクＴＲの比を傾き剛性Ｋ_θ（Ｎｍ／ｒａｄ）と定義し、傾き剛性Ｋ_θが正ならば受動支持が可能であると考えることができる。以上により、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｘ軸を中心にしたθｘ方向、及びＹ軸を中心にしたθｙ方向の４自由度運動は、受動的に安定化（抑制）することが可能である。

（回転角度検出処理）
図５に示されるように、Ｕ／Ｖ／Ｗ相のコイル３３内にはそれぞれホール素子４１が配置されており、当該ホール素子４１が、モータ磁石２５が発生させる磁界を電圧として出力する。Ｕ／Ｖ／Ｗ相のホール素子４１が出力する電圧をそれぞれＶ_ｕ，Ｖ_ｖ，Ｖ_ｗとすると、ホール素子４１は４０°（電気角で１２０°）間隔で配置されているので、出力電圧の振幅をＶ、回転子２の回転角度をωｔとすると、各々の出力波形は下記のように表される。

上記（１）式及び（２）式について加法定理を用いて展開すると以下の（４）式及び（５）式が導出される。

さらに、上記（４）式及び（５）式の差を求めると、以下の式（６）が導出される。

以上より、回転角度ωｔは次のように表せる。

このようにして検出・導出された回転角度ωｔは、後述するｄ軸電流及びｑ軸電流の調整に用いられる。

（ベアリングレスモータの制御回路の構成）
次に、ベアリングレスモータ１に用いられるインバータを含む制御回路５０の構成について図９を参照して説明する。図９は、制御回路５０の概略構成を示すブロック図である。

ベアリングレスモータ１の電流は、モータ磁石２５の界磁調整成分であるｄ軸電流と、トルク成分であるｑ軸電流とに分類され、これらの電流を指定することで、回転子２のＺ軸方向支持及びＺ軸周りの回転を実現する。

図９に示されるように、制御回路５０には、ベアリングレスモータ１に取り付けられたホール素子４１及び変位センサ５２によって回転子２の回転角度ωｔ及びＺ軸方向の位置Ｚ１が入力される。入力された位置Ｚ１を基に予め設定された目標値Ｚ０との差分が取得されて、ＰＩＤ制御器５３に入力される。ＰＩＤ制御器５３は、この差分値を基に、固定子３に発生させる磁界ベクトルのｄ軸成分に対応するｄ軸電流指令値ｉｄをＰＩＤ制御により算出し、変換器５４に出力する。また、入力された回転角度ωｔから微分器５５によって回転数ωが取得されて、この回転数ωと予め設定された目標値ω０との差分が取得されて、ＰＩ制御器５６に入力される。ＰＩ制御器５６は、この差分値を基に、磁界ベクトルのｑ軸成分に対応するｑ軸電流指令値ｉｑをＰＩ制御により算出し、変換器５４に出力する。

変換器５４は、ｄ軸電流指令値ｉｄ及びｑ軸電流指令値ｉｑを、回転角度ωｔを参照した座標変換により磁界ベクトルのＸ軸成分に対応するＸ軸電流目標値ｉｘ及び磁界ベクトルのＹ軸成分に対応するＹ軸電流目標値ｉｙに変換する（下記式（８）参照））。

同時に、変換器５７は、現在ベアリングレスモータ１に供給されている三相交流電流Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗをモニタし、それらの値をＸ軸成分値及びＹ軸成分値に変換する（下記式（９）参照）。

変換器５４から出力されたＸ軸電流目標値ｉｘ及びＹ軸電流目標値ｉｙをもとにして、変換器５７から出力されたＸ軸成分値及びＹ軸成分値との差分が算出されて、それらの差分値はＰＩ制御器５８，５９にそれぞれ入力される。

ＰＩ制御器５８，５９は、入力された差分を基に、ＰＩ制御によりＸ軸電流の増減値ｖｘ及びＹ軸電流の増減値ｖｙをそれぞれ決定し、それらの値を変換器６０に出力する。変換器６０は、入力されたＸ軸電流の増減値ｖｘ及びＹ軸電流の増減値ｖｙを基に、三相交流電流Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗの位相関係及び電流振幅を決定する（下記式（１０）参照）。

そして、インバータ６１（一台の三相インバータ）が、変換器６０から入力された設定値に応じて、三相交流電流Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗを生成して、ベアリングレスモータ１のコイル３３に供給する。

次に、本実施形態に係るベアリングレスモータ１の作用・効果について説明する。

上述したベアリングレスモータ１では、固定子３によって回転子２の一端側（より詳細には下端側）のみが支持される。そのため、例えば回転子２の両端を固定子３が支持する構成と比較して、回転軸方向に小形とできる。また、回転軸方向をＺ軸方向、Ｚ軸に垂直な方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とした場合に、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｘ軸を中心にしたθｘ方向、及びＹ軸を中心にしたθｙ方向の回転子の４自由度運動は、固定子３の軸部材３２の内部に、回転子２の軸部材２４が収容された（軸部材２４が軸部材３２に囲まれた）部分の軸部材２４と軸部材３２との磁気結合により、受動的に抑制される。

例えば、回転子の一端側のみを固定子によって支持する構成において、回転軸方向で対向する回転子側の軸部と固定子側の軸部との磁気結合により回転子の運動を制御する場合には、回転子側及び固定子側の軸部の外径不一致等を理由として、回転子の変位（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）及び傾き（θｘ方向及びθｙ方向）が相互に作用を及ぼし合い（連成運動が行われ）、変位量及び傾き量が大きくなることによって、回転子の４自由度運動の受動的な抑制が十分に図れないおそれがある。

この点、軸部材２４が軸部材３２に収容された（囲まれた）構成では、上述した回転子及び固定子の軸部の外径不一致等を理由とした変位量及び傾き量の増大が問題となり難い。このため、軸部材２４と軸部材３２との磁気結合により、回転子２の４自由度運動を適切に抑制できる。併せて、回転子２のＺ軸方向の運動は、モータ磁石２５と対向する複数のコイル３３に流す励磁電流を調整することにより能動的に制御されると同時に、複数のコイル３３の励磁電流を制御することにより回転子２が回転駆動される。これにより、能動的に制御する対象の運動方向を最小の１自由度に低減することができ、ベアリングレスモータ１に接続するインバータや内蔵する変位センサの数を削減することができる。以上より、本発明によれば、駆動回路を含めた装置の小型化を図ることを可能としながら、且つ、回転軸方向への小型化を実現することにより設置スペースが小さい場所にも適用することができるベアリングレスモータを提供することができる。なお、一般的なファンモータではトランジスタ６個の構成とされるが、本実施形態に係るベアリングレスモータ１をファンに応用させる場合にも同様にトランジスタ６個の構成とすることが可能である。

また、ベアリングレスモータ１では、固定子３が、回転子２のＺ軸方向における下端を非接触で支持している。固定子３が下側から回転子２を支持することにより、モータ磁石２５とコイル３３との間で発生するローレンツ力に基づく支持力によって、回転子２のＺ軸方向の支持を適切に行うことができる。

また、ベアリングレスモータ１では、軸部材２４は、棒状の磁石から構成されており、軸部材３２は、円筒状の磁石から構成されている。このような構成により、軸部材２４を軸部材３２に確実且つ容易に収容することができる。

また、ベアリングレスモータ１のモータ磁石２５の極数は６極であり、コイル３３のスロット数は９スロットである。これにより、回転子のＺ軸方向の運動及び回転駆動をより確実に制御することができる。

また、ベアリングレスモータ１では、コイル３３内にホール素子４１が配置されているところ、当該ホール素子４１によって、モータ磁石２５が発生する磁界を電圧として出力することが可能となり、回転子２のＺ軸方向の運動及び回転駆動を確実且つ簡易に制御することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、回転子２の軸部材２４は棒状の磁石から構成され、固定子３の軸部材３２は円筒状の磁石から構成されているとして説明したが、磁石の形状はこれに限定されるものではなく、回転子２の軸部材２４が固定子３の軸部材３２に収容される（囲まれる）構成とすることができれば、それぞれの形状はその他の形状であってもよい。また、軸部材２４，３２は、それぞれ、複数の磁石が組み合わされて構成されるものであってもよい。例えば、軸部材２４が、棒状の磁石とリング状の磁石とが組み合わされて構成されるものであってもよい。

また、モータ磁石２５の極数が６極であり、コイル３３のスロット数が９スロットであるとして説明したがこれに限定されるものではなく、例えばモータ磁石の極数がＮＳに応じた２の倍数のいずれかであり、コイルのスロット数が三相インバータに応じた３の倍数のいずれかであってもよい。

[実施例]
以下、実施例に基づいて、本発明の一形態に係るベアリングレスモータの振動性能について説明するが、ベアリングレスモータは下記の実施例に限定されるものではない。

振動性能が低い場合には、回転子の半径方向・傾き方向の振動が大きくなり、回転子と固定子とが接触する可能性がある。よって、本発明のように小型化が図られたベアリングレスモータを動作させる上で、振動性能は重要である。回転子の半径方向及び傾き方向は、ＰＭＢによって受動支持されるものであり、振動低減のためには、ラジアル剛性（Ｎ／ｍ）及び傾き剛性（Ｎｍ／ｒａｄ）を増加させる必要がある。ラジアル剛性及び傾き剛性を向上させるためには、強力な磁界を発生させる磁石を回転子の軸部材に用いるか、又は、回転子の軸部材の外径を大きくすることにより、磁石間（回転子の軸部材及び固定子の軸部材間）に作用させる反発力を増加させることが考えられる。

磁石種別及び外径の条件が異なる回転子の軸部材を２つ準備し、それぞれ、回転子（軸部材を除く回転子の構成）及び固定子の構成を同様にして、振動性能の評価を行った。実施例１に係る回転子の軸部材は、ネオジム磁石種別がＮ３５、外径が６．０ｍｍである。実施例２に係る回転子の軸部材は、ネオ軸磁石種別がＮ４８、外径が６．５ｍｍである。また、実施例１に係る回転子の軸部材は、ラジアル剛性が１．７３×１０^３Ｎ／ｍ、傾き剛性が０．１１Ｎｍ／ｒａｄであり、実施例２に係る回転子の軸部材は、ラジアル剛性が２．７６×１０^３Ｎ／ｍ、傾き剛性が０．１８Ｎｍ／ｒａｄである。振動性能は、回転子の回転速度を変化させた場合の半径方向及び傾き方向の振動振幅を測定することにより評価した。回転速度の測定範囲は０〜４０００ｒｐｍであり、測定間隔は２５０ｒｐｍとした。また、振動振幅は標準偏差の３倍（３σ）で評価した。図１０に回転軸（Ｚ軸）方向の振動振幅測定結果を、図１１に半径方向の振動振幅測定結果を、図１２に傾き方向の振動振幅測定結果を、それぞれ示す。

図１０に示されるように、０〜４０００ｒｐｍの回転速度それぞれにおいて、実施例１及び実施例２の軸部材を用いた場合には、回転軸方向の振動振幅を４０μｍ以下に抑えることができた。特に、１５００ｒｐｍの回転速度において、実施例１及び実施例２の軸部材を用いた場合には、回転軸方向の振動振幅を１５μｍ以下に抑えることができた。例えばコンピュータ用冷却ファンに応用されるベアリングレスモータの回転速度は１５００ｒｐｍ程度であるところ、実施例の軸部材を用いたベアリングレスモータは、コンピュータ用冷却ファンに応用された場合に優れた振動特性を示すことが示された。

図１１に示されるように、０〜４０００ｒｐｍの回転速度それぞれにおいて、実施例１及び実施例２の軸部材を用いた場合には、半径方向の振動振幅を０．７ｍｍ以下に抑えることができた。特に、実施例２の軸部材では、回転速度が１５００ｒｐｍの場合に振動振幅を０．１ｍｍに抑えることができた。例えばコンピュータ用冷却ファンに応用されるベアリングレスモータの回転速度は１５００ｒｐｍ程度であるところ、実施例２の軸部材を用いたベアリングレスモータは、コンピュータ用冷却ファンに応用された場合に優れた振動特性を示すことが示された。

図１２に示されるように、０〜４０００ｒｐｍの回転速度それぞれにおいて、実施例１及び実施例２の軸部材を用いた場合には、傾き方向の振動振幅を３０ｒａｄ以下に抑えることができた。特に、実施例２の軸部材では、回転速度が１５００ｒｐｍの場合に振動振幅を４．３ｒａｄに抑えることができた。例えばコンピュータ用冷却ファンに応用されるベアリングレスモータの回転速度は１５００ｒｐｍ程度であるところ、実施例２の軸部材を用いたベアリングレスモータは、コンピュータ用冷却ファンに応用された場合に優れた振動特性を示すことが示された。

１…ベアリングレスモータ、２…回転子、３…固定子、２４，３２…軸部材、２５…モータ磁石、３３…コイル、４１…ホール素子。

Claims

回転軸周りに回転可能な回転子と、
前記回転子の前記回転軸方向における両端のうち、一端側のみを磁気力により支持する固定子と、を備え、
前記回転子は、
前記回転軸方向に磁化された第１の軸部材と、
前記第１の軸部材の外周に沿って複数配列された永久磁石と、を有し、
前記固定子は、
前記回転軸方向に磁化された中空形状の部材であって、内部に前記第１の軸部材の少なくとも一部を収容する第２の軸部材と、
前記永久磁石と前記回転軸方向において対向し、前記第２の軸部材の外周に沿って複数分割して設けられ、前記回転子の前記回転軸方向の測定された位置と目標位置との差分に応じた、前記回転軸方向における前記回転子の能動支持に係るｄ軸電流指令値と、前記回転子の測定された回転角度に基づく回転数と目標回転角度との差分に応じた、前記回転軸周りの前記回転子の回転に係るｑ軸電流指令値と、が前記回転角度を考慮して座標変換されることにより導出される、前記回転軸方向に垂直な方向であるＸ軸成分のＸ軸電流目標値及びＹ軸成分のＹ軸電流目標値と、供給される三相交流電流夫々のモニタ結果から導出されるＸ軸成分値及びＹ軸成分値と、が比較されることにより導出される三相交流電流の位相関係及び電流振幅値に応じて生成された三相交流電流を、一台の三相インバータから供給されるコイルと、を有し、
前記固定子は、前記回転子よりも直径が小さい、
ことを特徴とするベアリングレスモータ。
前記固定子は、前記回転子の前記回転軸方向における下端を非接触で支持する、請求項１記載のベアリングレスモータ。
前記第１の軸部材は、棒状の磁石から構成されており、
前記第２の軸部材は、円筒状の磁石から構成されている、請求項１又は２記載のベアリングレスモータ。
前記永久磁石の極数は６極であり、
前記コイルのスロット数は９スロットである、請求項１〜３のいずれか一項記載のベアリングレスモータ。
前記コイル内には、ホール素子が配置されている、請求項１〜４のいずれか一項記載のベアリングレスモータ。