JP7109706B1

JP7109706B1 - ベアリングレスモータ

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Publication number: JP7109706B1
Application number: JP2022519811A
Authority: JP
Inventors: 将仁三好; 裕介坂本; 真一古谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-04-21
Filing date: 2021-04-21
Publication date: 2022-07-29
Anticipated expiration: 2041-04-21
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Abstract

ベアリングレスモータ（１）は、回転子（２）と、回転子（２）に支持力とトルクとを与えるための固定子（３）と、回転子（２）の半径方向の位置を検出する第一変位センサ（４）及び第二変位センサ（５）と、第一変位センサ（４）及び第二変位センサ（５）によって得られた検出結果をもとに回転子（２）の傾き方向の変位を演算する演算部（１０）と、演算部（１０）によって得られた傾き方向の変位を受け取り、回転子（２）の傾きの固有角振動数を含まない帯域の少なくとも一部を除き、電流指令を出力する傾き方向位置制御器（１１）とを有する。固定子（３）は、極数ｐの磁束を生成してトルクを発生する電動機巻線（３２）と、極数ｐ±２又は２の磁束を生成して支持力を発生する支持巻線（３３）とを有する。第一変位センサ（４）と第二変位センサ（５）とは、軸方向の異なる位置に配置される。

Description

本開示は、回転子を磁気浮上させることにより非接触で回転子を支持しつつ、回転子を回転させ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、トルクを発生する電動機の機能と、回転子を非接触で浮上させるための支持力を発生する磁気軸受の機能とを一つの磁気回路に有する。回転子を浮上させるためには、回転軸を除く５自由度をすべて能動的に制御するか、当該５自由度のうちの一部を能動的に制御せず受動的で安定な構造にする必要がある。

２軸制御型のベアリングレスモータは、回転子の半径方向のみについて、センサで位置を検出し、検出した位置と目標の位置とが一致するように支持力を調整する。つまり、２軸制御型のベアリングレスモータは、半径方向のみについて能動的な制御を行う。半径方向は、Ｘ軸の方向とＹ軸の方向との二つの方向である。

２軸制御型のベアリングレスモータは、一般的に、回転子の軸方向と傾き方向とについては、能動的な制御を行わず、受動的に安定な構造を有する。軸方向はＺ軸の方向であり、傾き方向はθ_ｘ及びθ_ｙである。以降、制御される方向を制御方向と呼ぶ。他方、制御されることがなく、受動的に安定となる方向を、受動安定方向と呼ぶ。

回転子を受動的に安定とするために、回転子の永久磁石と固定子の鉄心との吸引力が利用される。例えば回転子が傾いた場合、回転子の傾きを戻すように回転子の永久磁石と固定子の鉄心との間で吸引力が働く。その結果、制御が行われることなく、回転子が傾いた方向と逆向きに復元トルクが発生する。同様に、回転子が軸方向に動いた場合、回転子が動いた方向と逆向きに復元力が働く。永久磁石と鉄心との間に働く吸引力は、距離に比例するため、ばね力と考えることができる。以降、傾き角度に対する復元トルクの比を復元トルク係数ｋ_θと呼ぶ。

受動安定方向である傾き方向については、復元トルクのみが利用されて安定性が確保されるので、制御方向と比較して安定性が乏しい。復元トルクは、振動を減衰させる働きを持たない。速度に比例して振動を減衰させるダンピング力は、受動安定方向には原理上発生しない。そのため、受動安定方向の振動が持続又は発散し、回転子が不安定となることがある。

さらには、２軸制御型のベアリングレスモータの半径方向の制御が回転子の傾き方向の安定性に影響を与えることがあることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。回転子の半径方向の支持力の作用線が回転子の重心を通らないことにより、半径方向の支持力が回転子を傾かせるモーメントとしても働く。傾き運動によって、半径方向の位置検出用の変位センサの出力が変化することがある。理想的には半径方向の運動及び制御は傾き方向の運動とは無関係であるが、実際には半径方向と傾き方向とは互いに干渉し連成している。

上述の干渉によって不安定となる問題を、変位センサの位置を変更し、構造的に工夫することで解決する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。回転子の傾き方向の位置を検出することを目的として、第一変位センサの信号のうち少なくとも５０％以上が、測定ゾーンのうちの回転子の磁気平面の上又は下のコントロールゾーンを占める。傾き運動が、半径方向位置制御器の微分項を経由することで傾き運動のダンピング力をもたらす。結果的に、半径方向位置制御器が、半径方向を安定にするだけでなく同時に傾き運動の振動を抑制する。

米国特許第８７２９７５８号明細書

Ｈ．ＳｕｇｉｍｏｔｏａｎｄＡ．Ｃｈｉｂａ，"ＳｔａｂｉｌｉｔｙＣｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｏｆＭａｇｎｅｔｉｃＳｕｓｐｅｎｓｉｏｎｉｎＴｗｏ－ＡｘｉｓＡｃｔｉｖｅｌｙＰｏｓｉｔｉｏｎｅｄＢｅａｒｉｎｇｌｅｓｓＭｏｔｏｒＷｉｔｈＣｏｌｌｏｃａｔｉｏｎＰｒｏｂｌｅｍ，" ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｖｏｌ．５０，ｎｏ．１，Ｊａｎ．－Ｆｅｂ．２０１４．ｐｐ．３３８－３４５

従来、上述の通り回転子の傾き方向の安定性は傾き量に比例した復元トルクのみに依存する。回転子の傾き方向の安定性は、外乱に弱い。回転子の半径方向の浮上と傾き運動とが相互に干渉して回転子が不安定となって、最悪の場合には回転子の振動が発散する。

特許文献１の手法では、変位センサの位置を回転子の磁気平面の上又は下にずらすことで、回転子の半径方向の位置情報に回転子の傾き方向の位置情報を含めた情報を変位センサからフィードバックし、回転子が安定となるよう制御する。つまり、特許文献１の手法では、傾き方向の位置情報と半径方向の位置情報とを別々の状態変数として分離して検出しない。特許文献１の手法では、半径方向位置制御器が傾き方向のダンピング力の発生に寄与することがあるが、半径方向の振動と傾き方向の振動とを早期かつ適切に抑制することはできない。

回転子の傾き方向の固有角振動数と回転角速度とが一致する危険速度では、回転による周期的な外乱が回転子の傾き方向の振動を増幅させる。その結果、振動量は大幅に増加しやすい。傾き方向の固有角振動数と回転角速度の倍数とが一致する場合も、同様の問題が発生する。そのため、振動を適切に抑制することができない場合、傾き方向の固有角振動数と回転角速度とが一致する回転速度での回転、又は傾き方向の固有角振動数と回転角速度の倍数とが一致する回転速度での回転を続けることは困難である。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、回転子の傾き方向の安定性を向上させるベアリングレスモータを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係るベアリングレスモータは、２軸制御型のベアリングレスモータであって、回転子と、回転子に支持力とトルクとを与えるための固定子と、回転子の半径方向の位置を検出する第一変位センサ及び第二変位センサとを有する。固定子は、極数ｐの磁束を生成してトルクを発生する電動機巻線と、極数ｐ±２又は２の磁束を生成して支持力を発生する支持巻線とを有する。トルクを発生するための極数ｐの磁束の磁気回路の少なくとも一部と、支持力を発生するための極数ｐ±２又は２の磁束の磁気回路の少なくとも一部とが共通している。支持力は、極数ｐの磁束に、極数ｐ±２又は２の磁束が重畳することによって発生する。ｐは、自然数である。第一変位センサと第二変位センサとは、軸方向の異なる位置に配置される。

本開示に係るベアリングレスモータは、回転子の傾き方向の安定性を向上させることができるという効果を奏する。

実施の形態１に係るベアリングレスモータの断面図第二変位センサの位置を第一変位センサと同じ角度位置に配置した場合の実施の形態１に係るベアリングレスモータの断面図実施の形態１において、検出された半径方向の位置と傾き方向とを用いて回転子の支持制御を行うための構成要素を含むブロック線図実施の形態２において、傾きの固有角振動数を含まない帯域の少なくとも一部を除き、電流指令を出力する傾き方向位置制御器の構成を示す図実施の形態２に係るベアリングレスモータの回転子に付属品が追加された状況を示す図支持力及びトルクの発生には寄与しない非磁性体のセンサターゲットが回転子の下部に取り付けられた状態のベアリングレスモータの断面図支持力及びトルクの発生には寄与しない非磁性体のセンサターゲットが回転子の下部に取り付けられた状態のベアリングレスモータの断面図支持力及びトルクの発生には寄与しない非磁性体のセンサターゲットが回転子の上部に取り付けられた状態のベアリングレスモータの断面図支持力及びトルクの発生には寄与しない非磁性体のセンサターゲットが回転子の上部に取り付けられた状態のベアリングレスモータの断面図実施の形態１に係るベアリングレスモータが有する傾き方向位置制御器がプロセッサによって実現される場合のプロセッサを示す図実施の形態１に係るベアリングレスモータが有する傾き方向位置制御器が処理回路によって実現される場合の処理回路を示す図

以下に、実施の形態に係るベアリングレスモータを図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るベアリングレスモータ１の断面図である。図１には、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸も示されている。Ｘ軸はＹ軸及びＺ軸と直交しており、Ｙ軸はＺ軸と直交している。図１は、Ｘ軸及びＺ軸を含む平面と平行な平面におけるベアリングレスモータ１の断面を示している。

ベアリングレスモータ１は、２軸制御型のベアリングレスモータであって、回転子２と、回転子２に支持力とトルクとを与えるための固定子３とを有する。固定子３は、スロットが形成されている固定子鉄心３１を有する。固定子３は、固定子鉄心３１に形成されているスロットに設けられている電動機巻線３２及び支持巻線３３を更に有する。電動機巻線３２は、極数ｐの磁束を生成してトルクを発生する。ｐは、自然数である。電動機巻線３２に電流を流すことで極数ｐの磁束が生成されてトルクが発生する。

支持巻線３３は、極数ｐ±２又は２の磁束を生成して支持力を発生する。支持巻線３３に電流を流すことで極数ｐ±２又は２の磁束が生成されて回転子２の半径方向の支持力が発生する。例えば表面磁石型モータを含む一般的なモータでは、支持巻線による極数ｐ±２の磁界によって支持力が生成され、コンシクエントポール型モータ又はホモポーラ型モータであれば、支持巻線による極数２の磁界によって支持力が生成される。

トルクを発生するための極数ｐの磁束の磁気回路の少なくとも一部と、支持力を発生するための極数ｐ±２又は２の磁束の磁気回路の少なくとも一部とが共通している。支持力は、極数ｐの磁束に、極数ｐ±２又は２の磁束が重畳することによって発生する。上述のように二つの磁気回路の少なくとも一部が共通しており、極数ｐの磁束に、極数ｐ±２又は２の磁束が重畳することによって、磁束密度に粗密が発生する。そのため、支持電流の大きさと位相とを調整することで、回転子２の半径方向の支持力の大きさと向きとを制御することができる。

回転子２については、自重Ａが下向きに働いているが、固定子３から軸方向の上向きの復元力が働いているため、自重Ａと復元力とが釣り合う位置で、回転子２は浮上する。回転子２のＸ軸の方向の位置ｘを検出するために、変位センサが用いられる。変位センサは、渦電流方式のセンサでもよいし、光学方式のセンサでもよい。

Ｘ軸の方向の回転子２の位置を検出するためには少なくとも１個の変位センサが必要であるが、ベアリングレスモータ１は、第一変位センサ４及び第二変位センサ５の２個の変位センサを有する。第一変位センサ４及び第二変位センサ５は、回転子２の半径方向の位置を検出する。第一変位センサ４と第二変位センサ５とは、回転子２の軸方向の異なる位置に配置される。実施の形態１では、第二変位センサ５は、第一変位センサ４に対して周方向に機械角０°ずれた位置に配置されている。第二変位センサ５は、第一変位センサ４に対して周方向に機械角１８０°ずれた位置に配置されてもよい。

図２は、第二変位センサ５の位置を第一変位センサ４と同じ角度位置に配置した場合の実施の形態１に係るベアリングレスモータ１の断面図である。図２は、Ｘ軸及びＺ軸を含む平面と平行な平面におけるベアリングレスモータ１の断面を示している。図２では、第二変位センサ５は、第一変位センサ４に対して周方向に機械角１８０°ずれた位置に配置されている。以降では、第二変位センサ５が第一変位センサ４に対して周方向に機械角１８０°ずれた位置に配置された場合の変位センサの信号について説明する。図１の場合、図２の場合の数式の第二変位センサ５の信号の符号を反転すればよい。

回転子２の重心Ｂを基準として、第一変位センサ４の軸方向の位置をＬ_１とし、第二変位センサ５の軸方向の位置をＬ_２とする。なお、図１の「Ｌ」は、回転子２の積厚長さを示している。回転子２の表面が、センサターゲットの役割を果たす。回転子２がＸ軸の方向に動くと、回転子２の表面と変位センサとの距離は変化する。回転子２のＹ軸回りの傾きθ_ｙによっても、回転子２の表面と変位センサとの距離は変化する。第一変位センサ４の信号ｘ_１は下記の式（１）で表され、第二変位センサ５の信号ｘ_２は下記の式（２）で表される。

図２は、回転子２の重心Ｂが第一変位センサ４と第二変位センサ５との間にある場合を示しているが、重心Ｂが第二変位センサ５よりも下にある場合、第二変位センサ５の軸方向の位置Ｌ_２の符号を反転すればよい。Ｌ_２は、重心Ｂと第二変位センサ５の軸方向の位置との距離である。

ベアリングレスモータ１は、第一変位センサ４の信号ｘ_１と第二変位センサ５の信号ｘ_２との両方を活用することで、回転子２のＸ軸の方向の位置ｘの情報とＹ軸回りの傾きθ_ｙの情報とを得ることができる。回転子２のＸ軸の方向の位置ｘは下記の式（３）で表され、Ｙ軸回りの傾きθ_ｙは下記の式（４）で表される。

回転子２の積厚長さＬは、回転子２の半径以下である。つまり、回転子２の構造は扁平な構造である。

回転子２が軸方向又は傾き方向に変位した場合、変位を戻すように復元力及び復元トルクが発生する。つまり、正のばね力が発生し、回転子２の軸方向と傾き方向とが受動的に安定となるように力が働く。しかし、言い換えると回転子２の積厚長さＬを回転子２の半径より長くすることはできないという制限がある。

回転子２のＹ軸回りの傾きθ_ｙは、第一変位センサ４の信号ｘ_１と第二変位センサ５の信号ｘ_２との差ｘ_１－ｘ_２を、第一変位センサ４と第二変位センサ５との軸方向の距離Ｌ_１＋Ｌ_２で割ることで算出される。上記の差ｘ_１－ｘ_２は、上記の距離Ｌ_１＋Ｌ_２の大きさに比例する。しかし、距離Ｌ_１＋Ｌ_２は扁平な回転子２の積厚長さＬよりも長くとることはできない。

変位センサのターゲットとなる回転子２が軸方向又は傾き方向に動いて変位センサの検出範囲に回転子２が存在しない部位が含まれると、変位センサの検出値に誤差が含まれる恐れがある。回転子２の軸方向若しくは傾き方向の振動、又は自重Ａによる回転子２の定常的な沈み込みによっても、回転子２の上端及び下端の位置は変化する。本現象の影響を避けるためには、上記の距離Ｌ_１＋Ｌ_２は、回転子２の積厚長さＬよりも短くする必要がある。

回転子２の振動又は沈み込みによる回転子２の上端及び下端の軸方向の変動量の振幅をΔｚ、変位センサの外径をＤとする。渦電流方式であれば、変位センサの測定対象である回転子２の上端と下端との間に変位センサが配置される必要がある。センサが対象とする検出範囲は、センサ外径Ｄの３倍を外径とする円、つまりＤの３／２倍を半径とする円とする。したがって、回転子の上端と変位センサ中心の距離、および回転子の下端と変位センサ中心の距離の両方が、Ｄの３／２倍以上であることが望ましく、かつ測定対象が振動することを考慮すると、第一変位センサ４と第二変位センサ５との軸方向の距離Ｌ_１＋Ｌ_２は下記の式（５）を満たすことが必要となる。

その結果、第一変位センサ４の信号ｘ_１と第二変位センサ５の信号ｘ_２との差ｘ_１－ｘ_２の信号は小さくなり、回転子２のＹ軸回りの傾きθ_ｙを演算する際に含まれる外乱又はノイズの大きさが相対的に大きくなる問題が発生する。

図３は、実施の形態１において、検出された半径方向の位置と傾き方向とを用いて回転子２の支持制御を行うための構成要素を含むブロック線図である。半径方向の指令値ｘ^＊と検出値ｘとの差から、偏差が計算される。検出値ｘは、回転子２のＸ軸の方向の位置ｘである。ベアリングレスモータ１は、偏差をもとに、半径方向の回転子２を支持するための支持電流の指令値ｉ_ｘ０ ^＊を出力する半径方向位置制御器６を有する。半径方向位置制御器６は、電流制御器７に指令値ｉ_ｘ０ ^＊を入力する。電流制御器７は電圧指令値を出力し、その信号に基づいてインバータ８がモータ部９に電圧を印加することで、モータ部９に電流が流れる。モータ部９は、回転子２及び固定子３を有する。ベアリングレスモータ１は、半径方向の支持制御を行うと同時に、傾き方向の変位を活用する。

ベアリングレスモータ１は、第一変位センサ４及び第二変位センサ５によって得られた検出結果をもとに回転子２のＹ軸回りの傾きθ_ｙを演算する演算部１０と、演算部１０によって得られた回転子２のＹ軸回りの傾きθ_ｙを受け取り、傾きθ_ｙをもとに、回転子２の傾きの固有角振動数を含まない帯域の少なくとも一部を除き、電流指令ｉ_θｙ ^＊を出力する傾き方向位置制御器１１とを更に有する。回転子２のＹ軸回りの傾きθ_ｙは、回転子２の傾き方向の変位である。

これにより、ベアリングレスモータ１は、回転子２の傾き方向の位置情報を、不要な信号又はノイズを除いた上で検出することができる。ベアリングレスモータ１は、傾きの固有角振動数を含まない帯域の少なくとも一部を除くことで、外乱及びノイズの成分を消して、必要な回転子２のＹ軸回りの傾きθ_ｙを抽出することができる。傾きは、傾き方向の固有角振動数での振動が主要な成分であり、この固有角振動数による振動を減衰することが必要となる。傾き方向の固有角振動数ω_ｎは、下記の式（６）で表される。

Ｉは、回転子２の傾き方向の慣性モーメントである。当該傾き方向は、Ｘ軸及びＹ軸の回りの傾き方向である。Ｉ_ｚは、回転子２のＺ軸の回りの慣性モーメントである。ωは、回転子２の回転角速度であり、k_θは復元トルク係数である。

図２に示される通り、支持巻線３３によって発生する力は、主にＸ軸の方向に回転子２を移動させるための支持力として働くが、この力の作用線は重心Ｂを通らないため、回転子２をＹ軸の回りに傾かせるトルクとしても働く。そのため、ベアリングレスモータ１は、傾き方向位置制御器１１によって生成された電流指令ｉ_θｙ ^＊を、半径方向を支持するための支持電流の指令値ｉ_ｘ０ ^＊に重畳し、支持電流の指令値ｉ_ｘ ^＊をｉ_ｘ０ ^＊とｉ_θｙ ^＊との和とすることで、半径方向及び傾き方向の振動を早期かつ適切に抑制することができる。

回転子２のＸ軸の方向とＹ軸の回りの傾き方向とが上述の通り相互に干渉するのと同様に、回転子２のＹ軸の方向とＸ軸の回りの傾き方向とも相互に干渉する。ベアリングレスモータ１は、Ｙ軸の方向とＸ軸の回りの傾き方向との位置を検出するためにも、第一変位センサ４と第二変位センサ５との二つの変位センサと、図３に示されている構成要素とを用いてＹ軸の方向とＸ軸の回りの傾き方向との制振制御を行う。

上述のように、実施の形態１に係るベアリングレスモータ１は、回転子２のＹ軸回りの傾きθ_ｙと半径方向の位置とを別々の状態変数として取得し、半径方向位置制御器６及び傾き方向位置制御器１１により、傾き方向及び半径方向の回転子２の振動を早期にかつ適切に抑制することができる。その結果、ベアリングレスモータ１は、外乱が回転子２に加わった場合又は回転子２が危険速度で回転している場合でも、回転子２の振動を抑え、回転子２をより安定して浮上させて回転させることができる。すなわち、ベアリングレスモータ１は、回転子２の傾き方向の安定性を向上させることができる。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２において、傾きの固有角振動数を含まない帯域の少なくとも一部を除き、電流指令ｉ_θｙ ^＊を出力する傾き方向位置制御器４０の構成を示す図である。具体的には、実施の形態１の傾き方向位置制御器１１が傾き方向位置制御器４０に置き換えられるという構成にしてもよい。傾き方向位置制御器４０は、回転角速度及び慣性モーメントを用いて、固有角振動数を演算する固有角振動数演算部４１を有する。実施の形態２では、実施の形態１の演算部１０が固有角振動数演算部４１に置き換えられる。固有角振動数演算部４１は、回転子２の回転数と慣性モーメントとの少なくとも一方を入力として回転子２の傾き方向の固有角振動数を演算する機能を有する。

傾き方向位置制御器４０は、傾き方向位置制御器４０の内部の信号のゲインの大きさと位相とを変更させる変更部４２を更に有する。傾き方向位置制御器４０は、固有角振動数以外の周波数成分を除く逆ノッチフィルタ４３を更に有する。つまり、傾き方向位置制御器４０は、回転子２の傾き方向の固有角振動数の帯域の成分を通過させ、傾き方向の固有角振動数以外の帯域の成分の少なくとも一部を除くフィルタ処理を行う。逆ノッチフィルタ４３の伝達関数Ｇ_Ｓ（Ｓ）は、下記の式（７）で表される。

式（７）において、ａは逆ノッチフィルタ４３のゲインを決定する係数であり、Ｑは逆ノッチの帯域を決定する係数である。

実施の形態２では、慣性モーメント又は回転数が変化した場合でも、傾き方向位置制御器４０は、内部のパラメータを変更して固有角振動数を随時更新することができる。そのため、変位センサの配置場所を変更する必要はない。なお、一般的なバンドパスフィルタ、又は、特定の三角関数と信号とを積算した上でその平均をとるＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）が用いられてもよい。

図４に示されるように、傾き方向位置制御器４０は、逆ノッチフィルタ４３の出力を入力として、当該入力のゲインと位相とを調節するゲイン位相調節器４４を更に有する。

実施の形態２に係るベアリングレスモータは、回転子２の構成及び回転子２の周囲の環境が変化して、浮上位置、重心、慣性モーメント、回転数、及び装置全体を配置する角度の一部又は全部が変化した場合でも、回転子２の傾き方向の振動を抑制するための電流指令ｉ_θｙ ^＊を調整することができる。

従来、変位センサの位置を回転子の磁気平面の上又は下にずらして安定を図る場合、回転子の構成が変化したとき、回転子が安定となるよう図った変位センサの位置が、かえって回転子を不安定とする要因となることがある。その場合、変位センサの位置を変更せざるをえない。実施の形態２では、変更部４２によって、傾き方向位置制御器４０の内部の信号であるゲイン位相調節器４４によって得られる信号のゲインの大きさと位相とが変更されるので、変位センサの位置を変更する必要はない。実施の形態２の傾き方向位置制御器４０は、逆ノッチフィルタ４３による位相のずれを補正する機能も有する。

逆ノッチフィルタ４３は、中心周波数から周波数が離れるにしたがって位相をずらす。この影響を抑えるために、ゲイン位相調節器４４の中に例えば遅れ位相補償器を直列につなげることで位相を補正することができる。また、メモリを用いて入力を一時的に保存し、入力に対して出力を遅らせて位相を調節してもよい。

図５は、実施の形態２に係るベアリングレスモータ１Ａの回転子２に付属品５１が追加された状況を示す図である。例えば、付属品５１は、ファン又は支持物である。付属品５１が追加されたことで、回転子２と付属品５１との全体の重心は重心Ｂから重心Ｃに変化する。付属品５１がファンである場合、ファンの反作用によってスラスト力が変化し、回転子２の浮上位置が変化する。付属品５１の質量及び反作用によって、回転子２と付属品５１との全体の重心の位置が重心Ｃの位置に変化した場合、変位センサが一つだけであれば、半径方向と傾き方向との干渉の影響が変化し、回転子２が不安定になることがある。

しかし、実施の形態２に係るベアリングレスモータ１Ａは、付属品５１の影響がある場合でも、ゲイン位相調節器４４を調整することで、変位センサの位置を変更することなく回転子２の安定性を保つことができる。

実施の形態３．
図６は、支持力及びトルクの発生には寄与しない非磁性体のセンサターゲット６０が回転子２の下部に取り付けられた状態のベアリングレスモータ１Ｂの断面図である。図７は、支持力及びトルクの発生には寄与しない非磁性体のセンサターゲット６０が回転子２の下部に取り付けられた状態のベアリングレスモータ１Ｃの断面図である。図８は、支持力及びトルクの発生には寄与しない非磁性体のセンサターゲット６０が回転子２の上部に取り付けられた状態のベアリングレスモータ１Ｄの断面図である。図９は、支持力及びトルクの発生には寄与しない非磁性体のセンサターゲット６０が回転子２の上部に取り付けられた状態のベアリングレスモータ１Ｅの断面図である。図６から図９の各々には、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸が示されている。図６から図９の各々は、Ｘ軸及びＺ軸を含む平面と平行な平面におけるベアリングレスモータ１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅの断面を示している。

変位センサが渦電流方式のセンサであれば、センサターゲット６０は金属である必要がある。変位センサが光学方式のセンサであれば、センサターゲット６０は光を反射する素材である必要がある。図６及び図８の場合では、第一変位センサ４と第二変位センサ５とはどちらも、固定子３の上端と下端との間とは異なる位置に配置されている。第一変位センサ４及び第二変位センサ５の一方又は双方は、センサターゲット６０から回転子２の位置を検出する。

図７及び図９の場合では、第一変位センサ４と第二変位センサ５とのうちの一方は、固定子３の上端と下端との間とは異なる位置に配置されており、第一変位センサ４と第二変位センサ５とのうちの他方は、固定子３の上端と下端との間に配置されている。第一変位センサ４と第二変位センサ５とのうちの上記の一方は、センサターゲット６０から回転子２の位置を検出する。第一変位センサ４と第二変位センサ５とのうちの上記の他方は、回転子２から回転子２の位置を検出する。

図６及び図８のベアリングレスモータ１Ｂ，１Ｄは、変位センサを固定子３と同じ軸方向位置の例えばスロットの内部に配置することが困難な場合でも、センサターゲット６０から回転子２の位置を検出することができる。図７及び図９のベアリングレスモータ１Ｃ，１Ｅでは、第一変位センサ４と第二変位センサ５との距離Ｌ_１＋Ｌ_２を回転子２の積厚長さＬよりも大きくとることができる。その結果、ベアリングレスモータ１Ｃ，１Ｅは、第一変位センサ４の信号ｘ_１と第二変位センサ５の信号ｘ_２との差ｘ_１－ｘ_２を、外乱又はノイズと比較して大きくすることができる。

図１０は、実施の形態１に係るベアリングレスモータ１が有する傾き方向位置制御器１１がプロセッサ９１によって実現される場合のプロセッサ９１を示す図である。つまり、傾き方向位置制御器１１の機能は、メモリ９２に格納されるプログラムを実行するプロセッサ９１によって実現されてもよい。プロセッサ９１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、又はＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。図１０には、メモリ９２も示されている。

傾き方向位置制御器１１の機能がプロセッサ９１によって実現される場合、当該機能は、プロセッサ９１と、ソフトウェア、ファームウェア、又は、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせとによって実現される。ソフトウェア又はファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ９２に格納される。プロセッサ９１は、メモリ９２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、傾き方向位置制御器１１の機能を実現する。

傾き方向位置制御器１１の機能がプロセッサ９１によって実現される場合、ベアリングレスモータ１は、傾き方向位置制御器１１によって実行されるステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ９２を有する。メモリ９２に格納されるプログラムは、傾き方向位置制御器１１をコンピュータに実行させるものであるともいえる。

メモリ９２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等の不揮発性若しくは揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク又はＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等である。

図１１は、実施の形態１に係るベアリングレスモータ１が有する傾き方向位置制御器１１が処理回路９３によって実現される場合の処理回路９３を示す図である。つまり、傾き方向位置制御器１１は、処理回路９３によって実現されてもよい。処理回路９３は、専用のハードウェアである。処理回路９３は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化されたプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、又はこれらを組み合わせたものである。傾き方向位置制御器１１の一部は、残部と別個の専用のハードウェアによって実現されてもよい。

傾き方向位置制御器１１の複数の機能について、当該複数の機能の一部がソフトウェア又はファームウェアで実現され、当該複数の機能の残部が専用のハードウェアで実現されてもよい。このように、傾き方向位置制御器１１の複数の機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって実現することができる。

実施の形態１に係るベアリングレスモータ１が有する半径方向位置制御器６の一部又は全部は、プロセッサによって実現されてもよいし、処理回路によって実現されてもよい。実施の形態１に係るベアリングレスモータ１が有する演算部１０の一部又は全部は、プロセッサによって実現されてもよいし、処理回路によって実現されてもよい。当該プロセッサは、上記のプロセッサ９１と同様のプロセッサである。当該処理回路は、上記の処理回路９３と同様の処理回路である。

実施の形態２に係るベアリングレスモータが有する傾き方向位置制御器４０の一部又は全部は、プロセッサによって実現されてもよいし、処理回路によって実現されてもよい。当該プロセッサは、上記のプロセッサ９１と同様のプロセッサである。当該処理回路は、上記の処理回路９３と同様の処理回路である。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略又は変更することも可能である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅベアリングレスモータ、２回転子、３固定子、４第一変位センサ、５第二変位センサ、６半径方向位置制御器、７電流制御器、８インバータ、９モータ部、１０演算部、１１，４０傾き方向位置制御器、３１固定子鉄心、３２電動機巻線、３３支持巻線、４１固有角振動数演算部、４２変更部、４３逆ノッチフィルタ、４４ゲイン位相調節器、５１付属品、６０センサターゲット、９１プロセッサ、９２メモリ、９３処理回路。

Claims

２軸制御型のベアリングレスモータであって、
回転子と、
前記回転子に支持力とトルクとを与えるための固定子と、
前記回転子の半径方向の位置を検出する第一変位センサ及び第二変位センサとを備え、
前記固定子は、
極数ｐの磁束を生成して前記トルクを発生する電動機巻線と、
極数ｐ±２又は２の磁束を生成して前記支持力を発生する支持巻線とを有し、
前記トルクを発生するための前記極数ｐの磁束の磁気回路の少なくとも一部と、前記支持力を発生するための前記極数ｐ±２又は２の磁束の磁気回路の少なくとも一部とが共通しており、
前記支持力は、前記極数ｐの磁束に、前記極数ｐ±２又は２の磁束が重畳することによって発生し、
前記ｐは、自然数であり、
前記第一変位センサと前記第二変位センサとは、軸方向の異なる位置に配置される
ことを特徴とするベアリングレスモータ。
前記第一変位センサ及び前記第二変位センサによって得られた検出結果をもとに前記回転子の傾き方向の変位を演算する演算部と、
前記演算部によって得られた前記傾き方向の変位を受け取り、前記回転子の傾きの固有角振動数を含まない帯域の少なくとも一部を除き、電流指令を出力する傾き方向位置制御器と
を更に備え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。
前記傾き方向位置制御器は、前記傾き方向位置制御器の内部の信号のゲインの大きさと位相とを変更させる変更部を有する
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。
前記演算部は、前記回転子の回転数と慣性モーメントとの少なくとも一方を入力として前記回転子の傾き方向の固有角振動数を演算する
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。
前記回転子の積厚長さは、前記回転子の半径以下である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のベアリングレスモータ。
前記第二変位センサは、前記第一変位センサに対して周方向に機械角０°又は機械角１８０°ずれた位置に配置される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のベアリングレスモータ。
前記トルク及び前記支持力の発生には寄与しない非磁性体のセンサターゲットが前記回転子の上部又は下部に取り付けられた場合、
前記第一変位センサ及び前記第二変位センサの両方又は片方は、前記センサターゲットから前記回転子の位置を検出するように配置される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のベアリングレスモータ。
前記傾き方向位置制御器は、前記回転子の傾き方向の固有角振動数の帯域の成分を通過させ、前記傾き方向の固有角振動数以外の帯域の成分の少なくとも一部を除くフィルタ処理を行う
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。