WO2021246229A1 - モータ及びこれを用いた機器 - Google Patents

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WO2021246229A1
WO2021246229A1 PCT/JP2021/019677 JP2021019677W WO2021246229A1 WO 2021246229 A1 WO2021246229 A1 WO 2021246229A1 JP 2021019677 W JP2021019677 W JP 2021019677W WO 2021246229 A1 WO2021246229 A1 WO 2021246229A1
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coil
coils
axis
suction
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武 山本
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キヤノン株式会社
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    • F05D2270/80—Devices generating input signals, e.g. transducers, sensors, cameras or strain gauges

Definitions

  • the present invention relates to a motor and a device using the motor.
  • Patent Document 1 describes an axial magnetic levitation rotating device that rotates the rotor around the axis in a non-contact state while axially magnetically levitating the rotor along the axial direction thereof, and an axial magnetic levitation centrifugal pump using the same.
  • Patent Document 2 also describes an axial type magnetic levitation rotary motor and a rotary device using this motor.
  • Patent Documents 1 and 2 describe high-speed rotating machines, high-speed spindles for machine tools, artificial hearts, centrifugal pumps, and vacuum pumps as application examples of such rotating devices.
  • the stator arranged at the upper part is provided with a winding that is used for both rotation and levitation of the rotor, but only the position of the rotor in the axial direction is controlled. Other than this, the tilt component was not controlled. Therefore, in the motor described in Patent Document 2, there is a possibility that the rotation becomes unstable.
  • An object of the present invention is to provide a motor capable of rotating a mover more stably without contact by a simpler structure and a device using the motor.
  • the motor according to one aspect of the present invention has a first portion including a plurality of permanent magnets and a second portion including a plurality of coils, and the first portion or the second portion rotates.
  • the plurality of permanent magnets are configured to be rotatable about an axis, the plurality of permanent magnets are arranged in a circumferential shape around the axis of rotation, and the plurality of coils are arranged along the axis of rotation with respect to the plurality of permanent magnets.
  • the control unit is arranged so as to face each other in the direction, and controls the rotational speed and the posture of the first portion or the second portion to be rotated by controlling the current applied to the plurality of coils.
  • the mover can be rotated more stably without contact due to a simpler structure.
  • FIG. 1A is a vertical sectional view along a rotation axis showing a rotation device according to the present embodiment.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line BB'of FIG. 1A.
  • FIG. 1C is a cross-sectional view taken along the line CC'of FIG. 1A.
  • FIG. 1D is a cross-sectional view taken along the line DD'of FIG. 1A.
  • FIG. 1E is a schematic diagram showing coordinate axes and directions used in the following description of the rotating device.
  • the coordinate axes and directions used in the following description are defined.
  • the axis along the rotation axis on which the movable element 101, which will be described later, rotates is defined as the Z axis.
  • the XY plane is taken so as to be orthogonal to the Z axis
  • the X axis and the Y axis are taken so as to be orthogonal to each other in the XY plane.
  • the direction along the X axis is defined as the X direction
  • the direction along the Y axis is defined as the Y direction
  • the direction along the Z axis is defined as the Z direction.
  • the rotation direction around the X axis is the Wx direction
  • the rotation direction around the Y axis is the Wy direction
  • the rotation direction around the Z axis is the Wz direction.
  • the positive direction of each rotation in the Wx direction, the Wy direction, and the Wz direction is the direction of the right-handed screw with respect to the positive direction of each axis extending the X-axis, the Y-axis, and the X-axis, respectively.
  • FIG. 1E shows each axis and each direction.
  • the R axis is taken in the direction in which the radius increases with the Z axis as the central axis.
  • the pump 10 includes a motor 20 having a mover 101 as a first portion and a stator 201 as a second portion.
  • the motor 20 is an axial magnetic levitation motor.
  • a pump 10 in which fins 104 (see FIG. 1C) are attached to a mover 101 will be described.
  • the fin 104 is a rotating member that rotates together with the mover 101.
  • the stator 201 is configured as a housing having a suction port 202, a discharge port 203, and a pump chamber 204.
  • the pump chamber 204 is formed in an annular shape with the Z axis as the central axis.
  • An annular mover 101 is rotatably housed in the pump chamber 204.
  • the suction port 202 is arranged so as to be centrally located with respect to the pump chamber 204, and is connected to the inner peripheral portion of the pump chamber 204.
  • the discharge port 203 is connected to the outer peripheral portion of the pump chamber 204.
  • stator 201 has a plurality of coils 205 installed so as to face the mover 101 housed in the pump chamber 204.
  • the plurality of coils 205 are arranged in a circumferential shape so as to face the upper surface of the annular mover 101 in the Z direction.
  • the mover 101 is configured as an annular impeller housed in the pump chamber 204.
  • the mover 101 has a plurality of permanent magnets 102, a yoke plate 103, and a plurality of fins 104.
  • the plurality of permanent magnets 102 are mounted on the annular yoke plate 103 at the upper part of the mover 101 so as to face the upper surface of the mover 101.
  • the mover 101 rotates in the pump chamber 204 of the stator 201 with the Z axis as the rotation axis.
  • the mover 101 housed in the pump chamber 204 floats in the Z direction along the Z axis due to the force acting between the coil 205 to which the electric current is applied and the permanent magnet 102. It rotates in a predetermined direction with the axis as the axis of rotation.
  • the Z direction in which the mover 101 floats is, for example, a vertical direction, but it may be a direction other than the vertical direction.
  • the pump 10 operates so as to suck the fluid from the suction port 202 and discharge the sucked fluid from the discharge port 203 to transfer the fluid.
  • the pump 10 is configured to transfer a liquid as a fluid, for example, it can also be configured to transfer a gas as a fluid.
  • the pump 10 has an attitude sensor 210, a Wz rotation angle sensor 211, and an XY sensor 212.
  • the attitude sensor 210, the Wz rotation angle sensor 211, and the XY sensor 212 are attached to and installed on the stator 201, respectively.
  • the attitude sensor 210 is attached to three or more places of the stator 201 so as to face the mover 101 in the Z direction. Each posture sensor 210 can detect and output the distance in the Z direction to the mover 101.
  • the posture (Z, Wx and Wy) of the mover 101 can be calculated from the outputs of the plurality of posture sensors 210 installed at three or more places.
  • Z is the position of the mover 101 in the Z direction
  • Wx is the rotation angle of the mover 101 in the Wx direction
  • Wy is the rotation angle of the mover 101 in the Wy direction (FIG. 1E). reference).
  • the Wz rotation angle sensor 211 is attached to the stator 201 so as to face the outer peripheral surface, the upper surface or the lower surface of the mover 101.
  • the Wz rotation angle sensor 211 can detect and output the rotation angle of the mover 101 in the Wz direction.
  • a scale (not shown) is attached to the surface of the mover 101 facing the Wz rotation angle sensor 211.
  • the Wz rotation angle sensor 211 can detect the rotation angle of the mover 101 in the Wz direction by reading the pattern on the scale of the mover 101.
  • the XY sensor 212 is attached to two places of the stator 201 so as to face the mover 101 in the X direction and the Y direction.
  • the XY sensors 212 attached to the two locations can detect and output the distance between the mover 101 and the XY sensor 212 in the X direction and the Y direction, respectively.
  • the plurality of permanent magnets 102 are arranged in a circumferential shape around the rotation axis of the mover 101. Specifically, as shown in FIG. 1B, four permanent magnets 102a, 102b, 102c, 102d as a plurality of permanent magnets 102 are arranged in the Wz direction in the plane along the XY plane on the upper part of the mover 101. It is installed so that it is lined up in a circle.
  • the number of the plurality of permanent magnets 102 is not limited to four, and can be changed as appropriate.
  • the polarities of the magnetic poles facing upward on the coil 205 side of the stator 201 are alternately different in the plane along the XY plane, and the N pole and the S pole are in the Wz direction. It is magnetized and attached so that it is lined up alternately.
  • the permanent magnets 102a, 102b, 102c, and 102d are magnetized so that the side of the coil 205 is the N pole, the S pole, the N pole, and the S pole in this order.
  • twelve coils 205 are arranged in the Wz direction as a plurality of coils 205 facing the permanent magnet 102 of the mover 101 in the Z direction in a plane along the XY plane. It is installed and installed like this.
  • the number of the plurality of coils 205 is not limited to 12, and can be appropriately changed.
  • the coil 205 is a cored coil or an air-core coil configured by winding a conducting wire around an iron core or an air-core. All of the plurality of coils 205 may be cored coils or air-core coils, or some of the plurality of coils 205 may be cored coils and the rest may be air-core coils.
  • the plurality of coils 205 are arranged so that at least three coils 205 of the plurality of coils 205 face each of the plurality of permanent magnets 102 of the mover 101. .. By facing at least three coils 205 to each permanent magnet 102, it is possible to control the rotation speed and posture of the mover 101 with high accuracy by the force acting between the permanent magnet 102 and the coil 205. Become.
  • the symbol “j” (j is an integer satisfying 1 ⁇ j ⁇ 12) is used as an index for distinguishing the 12 coils 205, and the 12 coils 205 are appropriately referred to as the coils 205-j. Notate and distinguish.
  • the reference of the rotating coordinates in the Wz direction in the mover 101 is defined as the boundary between the permanent magnet 102a and the permanent magnet 102d. Further, the reference of the rotating coordinate in the Wz direction in the stator 201 is set as the boundary between the coil 205-1 and the coil 205-12. Further, the size of the rotation angle of the mover 101 in the Wz direction is defined as ⁇ .
  • the mover 101 is provided with a plurality of fins 104 on a surface along the XY plane.
  • the plurality of fins 104 are provided, for example, in a spiral shape that is curved while being inclined at a predetermined angle with respect to the radial direction of the annular mover 101.
  • the plurality of fins 104 rotate integrally with the mover 101 to push the fluid sucked into the pump chamber 204 from the suction port 202 toward the discharge port 203.
  • the shapes of the plurality of fins 104 can be appropriately changed according to the type of the pump 10.
  • the pump 10 is provided with a control unit 30 that controls the pump 10.
  • the control unit 30 controls, for example, the posture of the mover 101, the rotation speed of the mover 101, and the like.
  • the control unit 30 will be further described with reference to FIG.
  • FIG. 2 is a schematic view showing the control unit 30 of the pump 10.
  • the control unit 30 may form a part of the pump 10.
  • the control unit 30 has an integrated controller 300, an attitude controller 301, and a coil controller 302.
  • the integrated controller 300, the attitude controller 301, and the coil controller 302 execute each process by executing a control program corresponding to each process and executing various calculations. All or part of the control unit 30 may be installed separately from the mover 101 and the stator 201, or may be installed in the stator 201.
  • the attitude controller 301 is connected to the integrated controller 300 so as to be able to communicate.
  • a coil controller 302 is communicably connected to the attitude controller 301. Further, the attitude sensor 210, the Wz rotation angle sensor 211, and the XY sensor 212 are connected to the attitude controller 301. Twelve coils 205 installed in the stator 201 are connected to the coil controller 302 as described above. In the 12 coils 205, a coil unit including three coils 205 that function as a U-phase coil, a V-phase coil, and a W-phase coil is configured for every three coils sequentially arranged in the Wz direction.
  • a current sensor 312 that detects and outputs the current applied to the coil 205 is installed in each of the 12 coils 205. Each current sensor 312 is connected to the coil controller 302.
  • the integrated controller 300 commands the posture controller 301 to control the posture of the mover 101.
  • the attitude controller 301 calculates a torque vector indicating the torque to be applied to the mover 101 based on the attitude target value from the integrated controller 300 and the outputs of the attitude sensor 210, the Wz rotation angle sensor 211 and the XY sensor 212.
  • the attitude controller 301 can detect the rotation angle and the attitude of the mover 101 based on the outputs of the attitude sensor 210, the Wz rotation angle sensor 211, and the XY sensor 212.
  • the coil controller 302 calculates the current to be applied to each coil 205 based on the torque vector calculated by the attitude controller 301.
  • the coil controller 302 controls and applies a current to each coil 205 according to the calculated current.
  • the coil controller 302 can detect the current value of each coil 205 based on the output of each current sensor 312. Further, a current control device (not shown) is connected to each coil 205.
  • the coil controller 302 can independently control the current value of each coil 205 by controlling each current control device according to the detected current value of each coil 205.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a method of controlling the attitude of the mover 101 in the pump 10, and schematically shows a control loop for calculating the magnitude of the force applied to the mover 101.
  • ref is a target value of the posture of the mover 101 commanded from the integrated controller 300 to the posture controller 301
  • pos is the posture information of the mover 101 acquired from the sensor group.
  • the sensor group is an attitude sensor 210, a Wz rotation angle sensor 211, and an XY sensor 212.
  • the posture controller 301 calculates a torque vector T indicating the torque applied to the mover 101 from the difference err between the posture target value ref and the current posture information pos.
  • the attitude controller 301 may be, for example, a controller by PID control or a controller using an appropriate filter according to the characteristics of the mover 101. With such a controller, the posture of the mover 101 can be stabilized.
  • the coil controller 302 calculates the current vector I indicating the current applied to each coil 205 based on the torque vector T calculated by the attitude controller 301.
  • the coil controller 302 applies a current corresponding to the calculated current vector I to each coil 205.
  • each coil 205 When a current is applied to each coil 205 in this way, it acts as a force F on the mover 101 to rotate the mover 101.
  • the sensor group of the attitude sensor 210, the Wz rotation angle sensor 211, and the XY sensor 212 detects the attitude of the rotating mover 101 and acquire the attitude information pos.
  • the torque vector T indicating the torque applied to the mover 101 is expressed by the following equation (1).
  • Tx, Ty, and Tz are three-axis components of force, which are an X-direction component, a Y-direction component, and a Z-direction component of force, respectively.
  • Twx, Twy, and Twz are three-axis components of the moment, and are an X-axis component, a Y-axis component, and a Z-axis component of the moment, respectively.
  • T (Tx, Ty, Tz, Twx, Twy, Twz) ... Equation (1)
  • the control unit 30 controls the posture of the mover 101 on the 6 axes while rotating the mover 101. To control. As a result, in the pump 10 according to the present embodiment, the mover 101 can be levitated and stably rotated without contact with the stator 201.
  • FIG. 4 is a graph schematically showing the thrust constant of the coil 205.
  • 5A and 5B are schematic views illustrating a method of applying torque to the mover 101.
  • the permanent magnet 102a is located below the coils 205-1, 205-2, 205-3.
  • the q-axis and d-axis shown here correspond to the q-axis and d-axis in the motor control theory, respectively.
  • the q-axis direction corresponds to the Wz direction and the d-axis direction corresponds to the Z direction.
  • Eq is a thrust constant in the q-axis direction
  • Ed is a thrust constant in the d-axis direction.
  • Eq and Ed differ depending on the rotation angle ⁇ of the mover 101 and the index j of the coil 205, respectively.
  • the first argument represents the index j (1-12) of the coil 205
  • the second argument represents the rotation angle ⁇ of the mover 101.
  • Eq and Ed can be expressed as Eq (j, ⁇ ) and Ed (j, ⁇ ) using the index j and the angle of rotation ⁇ , respectively.
  • FIG. 4 is a graph schematically showing the thrust constants of each coil 205 plotted as described above. Further, FIG. 5B schematically shows the magnitude of the force applied to the permanent magnet 102 as a reaction of the coil 205-j and its thrust constant.
  • the magnitude of the force acting between the coil 205-j and the mover 101 is determined by the following equations (2-1) and (2-2), where the force acting in the Wz direction is Fwz and the force acting in the Z direction is Fz, respectively.
  • Ij is a current value applied to the coil 205-j and is an element of the current vector I.
  • * is a multiplication symbol.
  • Fwz Eq (j, ⁇ ) * Ij ... Equation (2-1)
  • Fz Ed (j, ⁇ ) * Ij ... Equation (2-2)
  • each component of the torque vector T is expressed by the following equation ( It is calculated by 3-1) to (3-6).
  • Tx - ⁇ Eq (j, ⁇ ) * Ij * sin ⁇ j ... Equation (3-1)
  • Ty ⁇ Eq (j, ⁇ ) * Ij * cos ⁇ j... Equation (3-2)
  • Tz ⁇ Ed (j, ⁇ ) * Ij ...
  • Twx r * ⁇ Ed (j, ⁇ ) * Ij * sin ⁇ j... Equation (3-4)
  • Twy r * ⁇ Ed (j, ⁇ ) * Ij * cos ⁇ j... Equation (3-5)
  • Twz r * ⁇ Eq (j, ⁇ ) * Ij ... Equation (3-6)
  • the coil controller 302 can calculate a current vector having a current value Ij satisfying the desired torque vector T calculated by the attitude controller 301 and apply it to each coil 205-j.
  • the element Mij of the matrix M is defined by the row vectors M1 to M6 represented by the following equations (4-1) to (4-6).
  • Mi (Mi1, Mi2, ..., Mi12).
  • M1 ⁇ Eq (1, ⁇ ) * sin ⁇ 1, Eq (2, ⁇ ) * sin ⁇ 2,..., Eq (12, ⁇ ) * sin ⁇ 12 ⁇ ... Equation (4-1)
  • M2 ⁇ Eq (1, ⁇ ) * cos ⁇ 1, Eq (2, ⁇ ) * cos ⁇ 2,..., Eq (12, ⁇ ) * cos ⁇ 12 ⁇ ... Equation (4-2)
  • M3 ⁇ Ed (1, ⁇ ), Ed (2, ⁇ ), ..., Ed (12, ⁇ ) ⁇ ...
  • M4 ⁇ r * Ed (1, ⁇ ) * sin ⁇ 1, r * Ed (2, ⁇ ) * sin ⁇ 2,..., r * Ed (12, ⁇ ) * sin ⁇ 12 ⁇ ... Equation (4-4)
  • M5 ⁇ r * Ed (1, ⁇ ) * cos ⁇ 1, r * Ed (2, ⁇ ) * cos ⁇ 2,..., r * Ed (12, ⁇ ) * cos ⁇ 12 ⁇ ... Equation (4-5)
  • M6 ⁇ r * Eq (1, ⁇ ), r * Eq (2, ⁇ ), ..., r * Eq (12, ⁇ ) ⁇ ... Equation (4-6)
  • a basic current vector K which is a column vector having six elements Ki
  • the matrix Transpose (M) is a transposed matrix of the matrix M.
  • the current vector I can be expressed by the following equation (5-2) based on the amount of current applied to each coil 205 and the contribution ratio of the amount of current to the torque vector T.
  • I Transpose (M) * K ... Equation (5-2)
  • Equation (5-1) can be transformed into the following equation (5-3) by using the equation (5-2).
  • Equation (5-3) can be modified as the following equation (5-4).
  • Inv (M * Transpose (M)) * T K ... Equation (5-4)
  • Equation (5-5) since M * Transpose (M) is a square symmetric matrix, its inverse matrix Inv (M * Transpose (M)) can always be calculated. Therefore, the set of each element Ij of the current vector I can be uniquely determined by the equation (5-5).
  • the coil controller 302 can calculate the combination of the current values Ij of the current vector I as described above, and apply the current of the current value Ij to each coil 205j.
  • independent 6-axis torque can be applied to the mover 101. Therefore, in the present embodiment, the mover 101 can be levitated from the stator 201, and the rotation speed and posture of the mover 101 can be controlled more stably without contact.
  • the rotation of the mover 101 is rotated while the mover 101 is levitated by controlling the current applied to the coil 205 of the stator 201 in which a force acts between the mover 101 and the permanent magnet 102.
  • the speed and attitude can be controlled.
  • the structure of the pump 10 including the motor 20 can be simplified. can.
  • the movable element 101 can be rotated more stably without contact by a simpler structure.
  • a cored coil or an air-core coil is used as the coil 205 of the stator 201.
  • an attractive force always acts between the coil 205 and the permanent magnet 102 regardless of whether or not a current is applied to the coil 205.
  • the coil 205 is a cored coil, for example, when the Z direction in FIG. 1A is in the vertical direction, gravity always acts on the mover 101, but all or part of the gravity is canceled by the suction force. be able to. Therefore, in this case, the torque applied to the coil 205 in the Z direction can be reduced. Therefore, since the current value applied to the coil 205 can be reduced, the calorific value of the coil 205 can be reduced.
  • FIG. 6 is a schematic view showing the pump 10 according to the present embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified.
  • the basic configuration of the pump 10 according to the present embodiment is almost the same as the configuration according to the first embodiment.
  • the pump 10 according to the present embodiment further has a configuration for further stabilizing the posture of the mover 101 in addition to the configuration according to the first embodiment.
  • the pump 10 has a soft magnetic member 601 and a permanent magnet 602 as a configuration for stabilizing the posture of the mover 101 in the Z direction.
  • the soft magnetic member 601 is installed on the mover 101.
  • the permanent magnet 602 is installed in the stator 201.
  • the soft magnetic member 601 and the permanent magnet 602 function as a first attractive portion and a second attractive portion in which attractive forces act on each other, respectively.
  • the plurality of permanent magnets 102 and the plurality of coils 205 face each other on the upper end side, which is one end of the rotating mover 101, in the Z direction along the rotation axis of the mover 101.
  • the soft magnetic member 601 and the permanent magnet 602 face each other on the lower end side, which is the other end of the rotating mover 101, in the Z direction along the rotation axis of the mover 101.
  • the soft magnetic member 601 is attached and installed at the lower part of the mover 101 so as to be located on the side opposite to the surface of the permanent magnet 102 facing the coil 205 in the Z direction.
  • the soft magnetic member 601 is made of a soft magnetic material, and an attractive force acts between the soft magnetic member 602 and the permanent magnet 602 so that the soft magnetic member 601 can be attracted by the permanent magnet 602.
  • the soft magnetic member 601 is made of, for example, iron or the like, which is a substance having a large magnetic permeability.
  • the permanent magnet 602 is installed in the stator 201 at a position facing the soft magnetic member 601.
  • an attractive force acts in the Z direction between the soft magnetic member 601 installed as described above and the permanent magnet 602. Due to such a suction force, a force for sucking the mover 101 acts in the Z direction even when the Z direction is not the vertical direction. Therefore, according to the present embodiment, the posture of the movable element 101 can be further stabilized.
  • the soft magnetic member 601 is installed on the mover 101 and the permanent magnet 602 is installed on the stator 201 is described, but the present invention is not limited to this.
  • the soft magnetic member 601 and the permanent magnet 602 may be installed so as to be interchanged with each other. That is, the permanent magnet 602 may be installed in the mover 101 as the first suction portion, and the soft magnetic member 601 may be installed in the stator 201 as the second suction portion.
  • a coil may be installed as a first suction unit.
  • a current is applied to the coil so that an attractive force is applied between the movable element 101 and the permanent magnet 602 as the second attractive portion installed on either of the stator 201 and the stator 201.
  • FIG. 7 is a schematic view showing the configuration of the control unit 30 of the pump 10 according to the present embodiment.
  • the same components as those of the first and second embodiments are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified.
  • the basic configuration of the pump 10 according to the present embodiment is almost the same as the configuration according to the first embodiment.
  • the pump 10 according to the present embodiment is the one in which the connection of the plurality of coils 205 is changed in the configuration according to the first embodiment.
  • three coils 205 are connected by star connection. That is, in the 12 coils 205, each set of the coils 205-1 to 205-3, the coils 205-4 to 205-6, the coils 205-7 to 205-9, and the coils 205-10 to 205-12 are star-connected. It is connected by.
  • Each of the three coils 205 connected by the star connection constitutes a three-phase coil.
  • the plurality of coils 205 are composed of four three-phase coils.
  • a condition can be added to further divide the torque X-axis component Twx and Z-axis component Twz equally between the coils 205-1 to 205-6 and the coils 205-7 to 205-12, respectively.
  • 12 conditions can be obtained by combining the equations (6-1) to (6-6) thus obtained and the equations (3-1) to (3-6), 12 conditions of the current vector I can be obtained.
  • the current value Ij which is an element, can be determined.
  • the control unit 30 including the attitude controller 301 and the coil controller 302 can determine the current value Ij using these 12 conditions and apply it to each coil 205-j.
  • the wiring of the coils 205 can be simplified. Therefore, in the present embodiment, the configuration of the motor 20 and the pump 10 including the motor 20 can be further simplified.
  • the star connection is adopted for the coil 205 in the configuration according to the first embodiment, but the present invention is not limited to this. Also in the configuration according to the second embodiment, the star connection can be adopted for the coil 205 as in the present embodiment.
  • a case where a plurality of permanent magnets 102 are installed in the mover 101 and a plurality of coils 205 are installed in the stator 201 has been described as an example, but the present invention is not limited to this.
  • the plurality of permanent magnets 102 and the plurality of coils 205 may be installed so as to be interchanged with each other. That is, a plurality of coils 205 may be installed on the mover 101, and a plurality of permanent magnets 102 may be installed on the stator 201.
  • the pump 10 has been described as an example as a rotating device which is a device in which the motor 20 is used, but the present invention is not limited to this.
  • a rotating device in which the motor 20 is used in addition to the pump 10, for example, a high-speed rotating machine, a high-speed spindle for a machine tool, an artificial heart, or the like can be configured.
  • a rotating member that rotates together with the mover 101 can be configured.

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Abstract

より簡単な構造によって非接触で可動子をより安定的に回転させることができるモータ及びこれを用いた機器を提供する。モータは、複数の永久磁石を含む第１の部分と、複数のコイルを含む第２の部分と、を有し、第１の部分又は第２の部分は、回転軸を中心として回転可能に構成され、複数の永久磁石は、回転軸を中心として円周状に配置され、複数のコイルは、複数の永久磁石に対して回転軸に沿った方向に対向するように配置され、複数のコイルに印加する電流を制御することにより、回転する第１の部分又は第２の部分の回転速度及び姿勢を制御する制御部をさらに有する。

Description

モータ及びこれを用いた機器
　本発明は、モータ及びこれを用いた及び機器に関する。
　特許文献１には、ロータをその軸線方向に沿ってアキシャル磁気浮上させながら、軸線のまわりに非接触状態で回転させるアキシャル型磁気浮上回転機器及びそれを用いたアキシャル型磁気浮上遠心ポンプが記載されている。特許文献２にも、アキシャル型の磁気浮上回転モータ及びこのモータを用いた回転機器が記載されている。特許文献１、２には、かかる回転機器の適用例として、高速回転機、工作機械用の高速スピンドル、人工心臓、遠心ポンプ、真空ポンプが記載されている。
特開２００５－０１６６７７号公報 特開平０８－３２２１９４号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の回転機器では、ロータの下方に配置された下部ステータにより回転制御を行う一方、ロータの上方に配置された上部ステータによりロータの姿勢を維持しているため、機器全体の大型化、複雑化を回避することが困難であった。
　また、特許文献２に記載のモータでは、上部に配置された固定子に回転子の回転及び浮上に兼用される巻線が設けられているが、回転子のアキシャル方向の位置のみが制御され、これ以外の傾き成分の制御が行われていなかった。このため、特許文献２に記載のモータでは、回転が不安定となるおそれがあった。
　本発明の目的は、より簡単な構造によって非接触で可動子をより安定的に回転させることができるモータ及びこれを用いた機器を提供することを目的としている。
　本発明の一観点によるモータは、複数の永久磁石を含む第１の部分と、複数のコイルを含む第２の部分と、を有し、前記第１の部分又は前記第２の部分は、回転軸を中心として回転可能に構成され、前記複数の永久磁石は、前記回転軸を中心として円周状に配置され、前記複数のコイルは、前記複数の永久磁石に対して前記回転軸に沿った方向に対向するように配置され、前記複数のコイルに印加する電流を制御することにより、回転する前記第１の部分又は前記第２の部分の回転速度及び姿勢を制御する制御部をさらに有する。
　本発明によれば、より簡単な構造によって非接触で可動子をより安定的に回転させることができる。
本発明の第１実施形態による回転機器を示す概略図である。 本発明の第１実施形態による回転機器を示す概略図である。 本発明の第１実施形態による回転機器を示す概略図である。 本発明の第１実施形態による回転機器を示す概略図である。 本発明の第１実施形態による回転機器の説明に用いる座標軸及び方向を示す概略図である。 本発明の第１実施形態による回転機器の制御部を示す概略図である。 本発明の第１実施形態による回転機器において可動子の姿勢を制御する方法を説明する概略図である。 本発明の第１実施形態による回転機器におけるコイルの推力定数を模式的に示すグラフである。 本発明の第１実施形態による回転機器において可動子にトルクを印加する方法を説明する概略図である。 本発明の第１実施形態による回転機器において可動子にトルクを印加する方法を説明する概略図である。 本発明の第２実施形態による回転機器を示す概略図である。 本発明の第３実施形態による回転機器の制御部を示す概略図である。
　［第１実施形態］
　以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について図１Ａ乃至図５Ｂを用いて説明する。
　まず、本実施形態によるモータを含む回転機器の全体構成について図１Ａ乃至図１Ｅを用いて説明する。図１Ａは、本実施形態による回転機器を示す回転軸に沿った縦断面図である。図１Ｂは、図１ＡのＢ－Ｂ′線に沿った断面図である。図１Ｃは、図１ＡのＣ－Ｃ′線に沿った断面図である。図１Ｄは、図１ＡのＤ－Ｄ′線に沿った断面図である。図１Ｅは、以下において回転機器の説明に用いる座標軸及び方向を示す概略図である。
　ここで、以下の説明において用いる座標軸及び方向を定義する。まず、後述の可動子１０１が回転する回転軸に沿った軸をＺ軸とする。また、Ｚ軸と直交するようにＸＹ平面をとり、ＸＹ平面において互いに直交するようにＸ軸及びＹ軸をとる。また、Ｘ軸に沿った方向をＸ方向、Ｙ軸に沿った方向をＹ方向、Ｚ軸に沿った方向をＺ方向とする。また、Ｘ軸周りの回転方向をＷｘ方向、Ｙ軸周りの回転方向をＷｙ方向、Ｚ軸周りの回転方向をＷｚ方向とする。Ｗｘ方向、Ｗｙ方向及びＷｚ方向の各回転の正方向は、それぞれＸ軸、Ｙ軸及びＸ軸が伸びる各軸の正方向に対して右ねじの方向とする。図１Ｅに各軸及び各方向を示す。また、Ｚ軸を中心軸として半径が大きくなる方向にＲ軸をとる。
　図１Ａに示すように、本実施形態によるポンプ１０は、第１の部分である可動子１０１と、第２の部分である固定子２０１とを有するモータ２０を含んでいる。モータ２０は、アキシャル磁気浮上モータである。本実施形態では、モータ２０が用いられた機器である回転機器の一例として、可動子１０１にフィン１０４（図１Ｃ参照）が取り付けられたポンプ１０について説明する。フィン１０４は、可動子１０１とともに回転する回転部材である。
　固定子２０１は、吸入口２０２と、排出口２０３と、ポンプ室２０４とを有する筐体として構成されている。ポンプ室２０４は、Ｚ軸を中心軸とする円環状に形成されている。ポンプ室２０４内には、円環状の可動子１０１が回転可能に収容されている。吸入口２０２は、ポンプ室２０４に対して中心に位置するように配置されて、ポンプ室２０４の内周部に接続されている。排出口２０３は、ポンプ室２０４の外周部に接続されている。
　また、固定子２０１は、ポンプ室２０４内に収容された可動子１０１に対向するように設置された複数のコイル２０５を有している。複数のコイル２０５は、円環状の可動子１０１の上面にＺ方向に対向するように円周状に配置されている。
　一方、可動子１０１は、ポンプ室２０４内に収容された円環状のインペラとして構成されている。可動子１０１は、複数の永久磁石１０２と、ヨーク板１０３と、複数のフィン１０４とを有している。複数の永久磁石１０２は、可動子１０１の上部において、可動子１０１の上面を向くように円環状のヨーク板１０３の上に取り付けられている。可動子１０１は、固定子２０１のポンプ室２０４内をＺ軸を回転軸として回転する。
　ポンプ１０では、後述するように、電流が印加されたコイル２０５と永久磁石１０２との間に働く力により、ポンプ室２０４に収容された可動子１０１がＺ方向に浮上しつつＺ軸に沿った軸を回転軸として所定の方向に回転する。なお、可動子１０１が浮上するＺ方向は、例えば鉛直方向であるが、鉛直方向以外の方向であってもよい。可動子１０１が回転することにより、吸入口２０２からポンプ室２０４に流体が流れ込み、流れ込んだ流体が排出口２０３から排出される。こうして、ポンプ１０は、吸入口２０２から流体を吸入し、吸入した流体を排出口２０３から排出して移送するように動作する。なお、ポンプ１０は、例えば、流体として液体を移送するように構成されているが、流体として気体を移送するように構成することもできる。
　ポンプ１０は、姿勢センサ２１０と、Ｗｚ回転角センサ２１１と、ＸＹセンサ２１２とを有している。姿勢センサ２１０、Ｗｚ回転角センサ２１１及びＸＹセンサ２１２は、それぞれ固定子２０１に取り付けられて設置されている。
　姿勢センサ２１０は、Ｚ方向において可動子１０１に対向するように固定子２０１の３か所以上に取り付けられている。各姿勢センサ２１０は、可動子１０１までのＺ方向の距離を検出して出力することができる。３か所以上に設置された複数の姿勢センサ２１０の出力から、可動子１０１の姿勢（Ｚ、Ｗｘ及びＷｙ）を算出することができる。ここで、可動子１０１の姿勢のうち、Ｚは可動子１０１のＺ方向の位置、Ｗｘは可動子１０１のＷｘ方向の回転角、Ｗｙは可動子１０１のＷｙ方向の回転角である（図１Ｅ参照）。
　Ｗｚ回転角センサ２１１は、可動子１０１の外周面、上面又は下面に対向するように固定子２０１に取り付けられている。Ｗｚ回転角センサ２１１は、Ｗｚ方向における可動子１０１の回転角を検出して出力することができる。Ｗｚ回転角センサ２１１に対向する可動子１０１の面には、図示しないスケールが取り付けられている。Ｗｚ回転角センサ２１１は、可動子１０１のスケール上のパターンを読み取ることにより、Ｗｚ方向における可動子１０１の回転角を検出することができる。
　ＸＹセンサ２１２は、Ｘ方向及びＹ方向において可動子１０１に対向するように固定子２０１の２か所に取り付けられていている。２か所に取り付けられたＸＹセンサ２１２は、それぞれ、Ｘ方向及びＹ方向における可動子１０１とＸＹセンサ２１２との距離を検出して出力することができる。
　可動子１０１において、複数の永久磁石１０２は、可動子１０１の回転軸を中心として円周状に配置されている。具体的には、図１Ｂに示すように、可動子１０１の上部には、ＸＹ平面に沿った面内において、複数の永久磁石１０２として４個の永久磁石１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄがＷｚ方向に並ぶように円周状に取り付けられて設置されている。ただし、複数の永久磁石１０２の数は、４個に限定されるものではなく、適宜変更することができる。４個の永久磁石１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄは、ＸＹ平面に沿った面内において固定子２０１のコイル２０５側の上方を向く磁極の極性が交互に異なってＮ極及びＳ極がＷｚ方向に交互に並ぶように着磁されて取り付けられている。永久磁石１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄは、順にコイル２０５の側がＮ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極になるように着磁されている。
　なお、以下の説明では、４個の永久磁石１０２を区別するための指標として“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”を用い、４個の永久磁石１０２を、永久磁石１０２ａ、永久磁石１０２ｂ、永久磁石１０２ｃ又は永久磁石１０２ｄと適宜表記して区別する。
　図１Ｃに示すように、固定子２０１には、ＸＹ平面に沿った面内において、Ｚ方向に可動子１０１の永久磁石１０２に対向する複数のコイル２０５として１２個のコイル２０５がＷｚ方向に並ぶように取り付けられて設置されている。ただし、複数のコイル２０５の数は、１２個に限定されるものではなく、適宜変更することができる。コイル２０５は、鉄芯又は空芯の周りに導線が巻かれて構成された有芯コイル又は空芯コイルである。なお、複数のコイル２０５の全部が有芯コイル又は空芯コイルであってもよいし、複数のコイル２０５のうち、一部が有芯コイル、残部が空芯コイルであってもよい。
　固定子２０１において、複数のコイル２０５は、可動子１０１の複数の永久磁石１０２のそれぞれに対して少なくとも複数のコイル２０５のうちの３個のコイル２０５が対向するように配置されていることが好ましい。各永久磁石１０２に対して少なくとも３個のコイル２０５が対向することにより、永久磁石１０２とコイル２０５との間に働く力により可動子１０１の回転速度及び姿勢を高い精度で制御することが可能になる。
　なお、以下の説明では、１２個のコイル２０５を区別するための指標として記号“ｊ”（ｊは１≦ｊ≦１２を満たす整数）を用い、１２個のコイル２０５をコイル２０５－ｊと適宜表記して区別する。
　また、以下の説明では、可動子１０１におけるＷｚ方向の回転座標の基準を永久磁石１０２ａと永久磁石１０２ｄとの境界とする。また、固定子２０１におけるＷｚ方向の回転座標の基準をコイル２０５－１とコイル２０５－１２との境界とする。また、Ｗｚ方向における可動子１０１の回転角の大きさをθとする。
　図１Ｄに示すように、可動子１０１には、ＸＹ平面に沿った面に複数のフィン１０４が設けられている。複数のフィン１０４は、例えば、それぞれ円環状の可動子１０１の径方向に対して所定の角度で傾斜しつつ湾曲した渦巻き状に設けられている。複数のフィン１０４は、可動子１０１と一体となって回転して、吸入口２０２からポンプ室２０４内に吸入された流体を排出口２０３に向かって押し出す。なお、複数のフィン１０４の形状は、ポンプ１０の種別に応じて適宜変更することができる。
　ポンプ１０に対しては、ポンプ１０を制御する制御部３０が設けられている。制御部３０は、例えば、可動子１０１の姿勢、可動子１０１の回転速度等を制御する。制御部３０についてさらに図２を用いて説明する。図２は、ポンプ１０の制御部３０を示す概略図である。なお、制御部３０は、ポンプ１０の一部を構成しうる。
　図２に示すように、制御部３０は、統合コントローラ３００と、姿勢コントローラ３０１と、コイルコントローラ３０２とを有している。統合コントローラ３００、姿勢コントローラ３０１及びコイルコントローラ３０２は、それぞれの処理に応じた制御プログラムを実行して各種の計算を実行することによりそれぞれの処理を実行する。なお、制御部３０の全部又は一部は、可動子１０１及び固定子２０１とは別個に設置されていてもよいし、固定子２０１に設置されていてもよい。
　統合コントローラ３００には、姿勢コントローラ３０１が通信可能に接続されている。姿勢コントローラ３０１には、コイルコントローラ３０２が通信可能に接続されている。また、姿勢コントローラ３０１には、姿勢センサ２１０、Ｗｚ回転角センサ２１１及びＸＹセンサ２１２が接続されている。コイルコントローラ３０２には、上述のように固定子２０１に設置された１２個のコイル２０５が接続されている。１２個のコイル２０５では、Ｗｚ方向に順次並んだ３個ごとにＵ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルとして機能する３個のコイル２０５を含むコイルユニットが構成されている。１２個のコイル２０５には、それぞれに対応してコイル２０５に印加された電流を検出して出力する電流センサ３１２が設置されている。コイルコントローラ３０２には、各電流センサ３１２が接続されている。
　統合コントローラ３００は、可動子１０１の姿勢の目標値を姿勢コントローラ３０１に指令して可動子１０１を制御する。
　姿勢コントローラ３０１は、統合コントローラ３００からの姿勢の目標値、並びに姿勢センサ２１０、Ｗｚ回転角センサ２１１及びＸＹセンサ２１２の出力に基づき、可動子１０１に印加すべきトルクを示すトルクベクトルを算出する。姿勢コントローラ３０１は、姿勢センサ２１０、Ｗｚ回転角センサ２１１及びＸＹセンサ２１２の出力に基づき、可動子１０１の回転角及び姿勢を検出することができる。
　コイルコントローラ３０２は、姿勢コントローラ３０１により算出されたトルクベクトルに基づき各コイル２０５に印加すべき電流を算出する。コイルコントローラ３０２は、算出した電流に応じて各コイル２０５に電流を制御して印加する。コイルコントローラ３０２は、各電流センサ３１２の出力に基づき各コイル２０５の電流値を検出することができる。また、各コイル２０５には、図示しない電流制御装置が接続されている。コイルコントローラ３０２は、検出した各コイル２０５の電流値に応じて各電流制御装置を制御することにより、各コイル２０５の電流値を各々独立に制御することができる。
　次に、制御部３０による可動子１０１の姿勢制御方法について図３を用いて説明する。図３は、ポンプ１０における可動子１０１の姿勢制御方法を説明する概略図であり、可動子１０１に印加する力の大きさを算出するための制御ループを模式的に示している。図３中、ｒｅｆは統合コントローラ３００から姿勢コントローラ３０１に対して指令される可動子１０１の姿勢の目標値、ｐｏｓはセンサ群から取得される可動子１０１の姿勢情報である。センサ群は、姿勢センサ２１０、Ｗｚ回転角センサ２１１及びＸＹセンサ２１２である。
　図３に示すように、姿勢コントローラ３０１は、姿勢の目標値ｒｅｆと現在の姿勢情報ｐｏｓとの差分ｅｒｒから可動子１０１に印加するトルクを示すトルクベクトルＴを算出する。姿勢コントローラ３０１は、例えば、ＰＩＤ制御によるコントローラでもよいし、可動子１０１の特性に応じて適宜フィルタを用いたコントローラでもよい。このようなコントローラにより、可動子１０１の姿勢を安定させることができる。
　コイルコントローラ３０２は、姿勢コントローラ３０１により算出されたトルクベクトルＴに基づき、各コイル２０５に印加する電流を示す電流ベクトルＩを算出する。コイルコントローラ３０２は、算出した電流ベクトルＩに応じた電流を各コイル２０５に印加する。
　こうして各コイル２０５に電流が印加されると、それが可動子１０１に力Ｆとなって作用して可動子１０１が回転する。姿勢センサ２１０、Ｗｚ回転角センサ２１１及びＸＹセンサ２１２のセンサ群は、回転する可動子１０１の姿勢を検出して姿勢情報ｐｏｓを取得する。
　ここで、可動子１０１に対して印加されるトルクを示すトルクベクトルＴを次式（１）により表記する。なお、Ｔｘ、Ｔｙ、Ｔｚは、力の３軸成分であり、それぞれ力のＸ方向成分、Ｙ方向成分及びＺ方向成分である。また、Ｔｗｘ，Ｔｗｙ、Ｔｗｚは、モーメントの３軸成分であり、それぞれモーメントのＸ軸周り成分、Ｙ軸周り成分及びＺ軸周り成分である。
　Ｔ＝（Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ，Ｔｗｘ，Ｔｗｙ，Ｔｗｚ）　…式（１）
　制御部３０は、これらトルクベクトルＴの６軸成分（Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ，Ｔｗｘ，Ｔｗｙ，Ｔｗｚ）を制御することにより、可動子１０１の姿勢を６軸で制御しつつ、可動子１０１の回転を制御する。これより、本実施形態によるポンプ１０では、可動子１０１を浮上させて固定子２０１と非接触で安定的に回転させることができる。
　以下、制御部３０による制御の下、コイル２０５により可動子１０１にトルクベクトルＴを印加する方法についてさらに図４乃至図５Ｂを用いて説明する。図４は、コイル２０５の推力定数を模式的に示すグラフである。図５Ａ及び図５Ｂは、可動子１０１にトルクを印加する方法を説明する概略図である。
　図５Ａは、回転角θ＝０の場合の可動子１０１の様子を示している。この場合、永久磁石１０２aは、コイル２０５－１、２０５－２、２０５－３の下に位置している。
　図４は、可動子１０１が回転角θ＝０の状態にある場合の、コイル２０５の単位電流当たりのｑ軸方向及びｄ軸方向のトルクの大きさ、すなわち推力定数を示している。ここで示すｑ軸及びｄ軸は、それぞれモータ制御理論におけるｑ軸及びｄ軸に相当する。図５Ａにおいては、ｑ軸方向がＷｚ方向、ｄ軸方向がＺ方向に相当する。
　また、図４において、Ｅｑはq軸方向の推力定数であり、Ｅｄはｄ軸方向の推力定数である。Ｅｑ及びＥｄは、それぞれ可動子１０１の回転角θとコイル２０５の指標ｊによって異なる。Ｅｑ及びＥｄにおいて、最初の引数がコイル２０５の指標ｊ（１～１２）を表し、２番目の引数が可動子１０１の回転角θを表している。Ｅｑ及びＥｄは、それぞれ指標ｊ及び回転角θを用いてＥｑ（ｊ，θ）、Ｅｄ（ｊ，θ）と表すことができる。
　例えば、回転角θ＝０の場合、コイル２０５－１に対しては、Ｚ方向において対向する位置に、コイル２０５－１側にＳ極を向けた永久磁石１０２ａが存在し、－Ｗｚ方向に、コイル２０５－１側にＮ極を向けた永久磁石１０２ｄが存在している。このため、コイル２０５－１の可動子１０１側の表面にＳ極が現れるようにコイル２０５－１に単位電流を印加すれば、可動子１０１を＋Ｗｚ方向に回転させる力及び可動子１０１を－Ｚ方向に押し下げる力が発生する。したがって、このように単位電流を印加した場合、Ｅｑ（１，０）は正の値、Ｅｄ（１，０）は負の値となる。
　図４は、以上のようにしてプロットした各コイル２０５の推力定数を模式的に示したグラフである。また、図５Ｂは、コイル２０５－ｊ及びその推力定数の反作用として永久磁石１０２に印加される力の大きさを模式的に示している。
　コイル２０５－jと可動子１０１との間に働く力の大きさは、Ｗｚ方向に働く力をＦｗｚ、Ｚ方向に働く力をＦｚとしてそれぞれ次式（２－１）及び（２－２）により与えられる。ただし、Ｉｊは、コイル２０５－jに印加される電流値であり、電流ベクトルＩの要素である。また、＊は、乗算記号である。
　Ｆｗｚ＝Ｅｑ（ｊ，θ）＊Ｉｊ　…式（２－１）
　Ｆｚ＝Ｅｄ（ｊ，θ）＊Ｉｊ　…式（２－２）
　したがって、１２個のコイル２０５全体では、コイル２０５－jの角度をφｊ、可動子１０１の回転軸とコイル２０５－ｊとの距離をｒとすれば、トルクベクトルＴの各成分は、次式（３－１）～（３－６）により算出される。なお、記号Σをｊ＝１～１２の合計と定義する。
　Ｔｘ＝－ΣＥｑ（ｊ，θ）＊Ｉｊ＊ｓｉｎφｊ　…式（３－１）
　Ｔｙ＝ΣＥｑ（ｊ，θ）＊Ｉｊ＊ｃｏｓφｊ　…式（３－２）
　Ｔｚ＝ΣＥｄ（ｊ，θ）＊Ｉｊ　…式（３－３）
　Ｔｗｘ＝ｒ＊ΣＥｄ（ｊ，θ）＊Ｉｊ＊ｓｉｎφｊ　…式（３－４）
　Ｔｗｙ＝ｒ＊ΣＥｄ（ｊ，θ）＊Ｉｊ＊ｃｏｓφｊ　…式（３－５）
　Ｔｗｚ＝ｒ＊ΣＥｑ（ｊ，θ）＊Ｉｊ　…式（３－６）
　制御部３０において、コイルコントローラ３０２は、姿勢コントローラ３０１により算出された所望のトルクベクトルＴを満足する電流値Ｉｊを要素とする電流ベクトルを算出して各コイル２０５－ｊに印加することができる。
　式（３－１）～（３－６）を満足する電流ベクトルＩの要素である電流値Ｉｊの組み合わせは、無数に存在するため、種々の算出方法により算出することができる。以下では、コイルコントローラ３０２において用いられうる電流ベクトルＩの電流値Ｉｊの組み合わせの算出方法の一例を説明する。
　ここで、上記で用いた記号を含めて再度記号を定義、整理する。
　ｊ：コイル２０５を区別するための指標（１～１２）
　φｊ：ｊ番目のコイル２０５－ｊの角度
　θ：回転角
　Ｅｑ（ｊ，θ）：j番目のコイル２０５－ｊと回転角θの可動子１０１との間に働くｑ軸方向の単位電流当たりの力
　Ｅｄ（ｊ，θ）：j番目のコイル２０５－ｊと回転角θの可動子１０１との間に働くd軸方向の単位電流当たりの力
　ｉ：トルクベクトルＴの成分を示す指標（１～６、１：Ｘ方向、２：Ｙ方向、３：Ｚ方向、４：Ｗｘ方向、５：Ｗｙ方向、６：Ｗｚ方向）
　Ｉ：１２個の要素を持つ列ベクトルである電流ベクトル
　Ｉｊ：電流ベクトルＩの要素
　Ｋ：６個の要素を持つ列ベクトルである基本電流ベクトル
　Ｋｉ：基本電流ベクトルＫの要素
　Ｍ：ｉ行、ｊ列の要素を持つ行列
　Ｉｎｖ：逆行列の記号
　Ｔｒａｎｓｐｏｓｅ：転置行列の記号
　＊：行列及びスカラー要素の乗算記号
　さらに、行列Ｍの要素Ｍｉｊを次式（４－１）～（４－６）で表される行ベクトルＭ１～Ｍ６で定義する。ただし、Ｍｉ＝（Ｍｉ１，Ｍｉ２，…，Ｍｉ１２）である。
　Ｍ１＝｛Ｅｑ（１，θ）＊ｓｉｎφ１，Ｅｑ（２，θ）＊ｓｉｎφ２，…，Ｅｑ（１２，θ）＊ｓｉｎφ１２｝　…式（４－１）
　Ｍ２＝｛Ｅｑ（１，θ）＊ｃｏｓφ１，Ｅｑ（２，θ）＊ｃｏｓφ２，…，Ｅｑ（１２，θ）＊ｃｏｓφ１２｝　…式（４－２）
　Ｍ３＝｛Ｅｄ（１，θ），Ｅｄ（２，θ），…，Ｅｄ（１２，θ）｝　…式（４－３）
　Ｍ４＝｛ｒ＊Ｅｄ（１，θ）＊ｓｉｎφ１，ｒ＊Ｅｄ（２，θ）＊ｓｉｎφ２，…，ｒ＊Ｅｄ（１２，θ）＊ｓｉｎφ１２｝　…式（４－４）
　Ｍ５＝｛ｒ＊Ｅｄ（１，θ）＊ｃｏｓφ１，ｒ＊Ｅｄ（２，θ）＊ｃｏｓφ２，…，ｒ＊Ｅｄ（１２，θ）＊ｃｏｓφ１２｝　…式（４－５）
　Ｍ６＝｛ｒ＊Ｅｑ（１，θ），ｒ＊Ｅｑ（２，θ），…，ｒ＊Ｅｑ（１２，θ）｝　…式（４－６）
　式（３－１）～（３－６）により各成分が表されるトルクベクトルＴは、式（４－１）～（４－６）により各行列要素が表される行列Ｍを用いて次式（５－１）により表現することができる。
　Ｔ＝Ｍ＊Ｉ　…式（５－１）
　さらに、６個の要素Ｋｉを持つ列ベクトルである基本電流ベクトルＫを定義し、行列Ｔｒａｎｓｐｏｓｅ（Ｍ）を行列Ｍの転置行列とする。すると、各コイル２０５に印加する電流量及びその電流量のトルクベクトルＴに対する寄与率に基づき、電流ベクトルＩは、次式（５－２）により表すことができる。
　Ｉ＝Ｔｒａｎｓｐｏｓｅ（Ｍ）＊Ｋ　…式（５－２）
　すると、式（５－１）は、式（５－２）を用いて次式（５－３）のように変形することができる。
　Ｔ＝Ｍ＊Ｉ
　　＝Ｍ＊Ｔｒａｎｓｐｏｓｅ（Ｍ）＊Ｋ　…式（５－３）
　さらに、式（５－３）は、次式（５－４）のように変形することができる。
　Ｉｎｖ（Ｍ＊Ｔｒａｎｓｐｏｓｅ（Ｍ））＊Ｔ＝Ｋ　…式（５－４）
　したがって、最終的に電流ベクトルＩは、次式（５－５）により決定することができる。
　Ｉ＝Ｔｒａｎｓｐｏｓｅ（Ｍ）＊Ｋ
　　＝Ｔｒａｎｓｐｏｓｅ（Ｍ）＊Ｉｎｖ（Ｍ＊Ｔｒａｎｓｐｏｓｅ（Ｍ））＊Ｔ　…式（５－５）
　式（５－５）において、Ｍ＊Ｔｒａｎｓｐｏｓｅ（Ｍ）は、正方な対称行列であるため、その逆行列Ｉｎｖ（Ｍ＊Ｔｒａｎｓｐｏｓｅ（Ｍ））が必ず計算することができる。したがって、式（５－５）により最終的に電流ベクトルＩの各要素Ｉｊの組を一意に決定することができる。コイルコントローラ３０２は、上述のようにして電流ベクトルＩの電流値Ｉｊの組み合わせを算出して、各コイル２０５ｊに電流値Ｉｊの電流を印加することができる。
　このように、本実施形態では、可動子１０１に対して独立した６軸のトルクを印加することができる。このため、本実施形態では、固定子２０１から可動子１０１を浮上させて、可動子１０１の回転速度及び姿勢を非接触でより安定的に制御することができる。
　さらに、本実施形態では、可動子１０１の永久磁石１０２との間に力が働く固定子２０１のコイル２０５に印加する電流を制御することにより、可動子１０１を浮上させつつ、可動子１０１の回転速度及び姿勢を制御することができる。このように、本実施形態では、可動子１０１の回転の制御にも姿勢の制御にも永久磁石１０２及びコイル２０５を用いるため、モータ２０を含むポンプ１０の構造をより簡単なものにすることができる。
　以上より、本実施形態によれば、より簡単な構造によって非接触で可動子１０１をより安定的に回転させることができる。
　なお、上述のように、固定子２０１のコイル２０５としては、有芯コイル又は空芯コイルが用いられている。コイル２０５が有芯コイルである場合、コイル２０５と永久磁石１０２との間には、コイル２０５への電流の印加の有無にかかわらず常に吸引力が働く。
　したがって、コイル２０５が有芯コイルである場合、例えば図１ＡにおけるＺ方向が鉛直方向にあるとき、可動子１０１には常に重力が働くが、その重力の全部又は一部を上記吸引力でキャンセルすることができる。したがって、この場合、コイル２０５に印加するＺ方向のトルクを小さくすることができる。そのため、コイル２０５に印加する電流値を小さくすることができるので、コイル２０５の発熱量を低減することができる。
　［第２実施形態］
　本発明の第２実施形態について図６を用いて説明する。図６は、本実施形態によるポンプ１０を示す概略図である。なお、上記第１実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し又は簡略にする。
　本実施形態によるポンプ１０の基本的構成は、第１実施形態による構成とほぼ同様である。本実施形態によるポンプ１０は、第１実施形態による構成に加えて、可動子１０１の姿勢をさらに安定化するための構成をさらに有している。
　図６に示すように、本実施形態によるポンプ１０は、Ｚ方向における可動子１０１の姿勢を安定化するための構成として、軟磁性部材６０１と、永久磁石６０２とを有している。軟磁性部材６０１は、可動子１０１に設置されている。永久磁石６０２は、固定子２０１に設置されている。軟磁性部材６０１及び永久磁石６０２は、それぞれ互いに吸引力が働く第１の吸引部及び第２の吸引部として機能する。
　複数の永久磁石１０２と複数のコイル２０５とは、可動子１０１の回転軸に沿ったＺ方向において、回転する可動子１０１の一端である上端部の側で対向している。これに対して、軟磁性部材６０１と永久磁石６０２とは、可動子１０１の回転軸に沿ったＺ方向において、回転する可動子１０１の他端である下端部の側で対向している。
　軟磁性部材６０１は、可動子１０１の下部において、Ｚ方向に永久磁石１０２のコイル２０５に対向する面と反対の側に位置するように取り付けられて設置されている。軟磁性部材６０１は、軟磁性材料からなり、永久磁石６０２との間に吸引力が働いて永久磁石６０２により吸引されうる部材である。軟磁性部材６０１は、例えば、透磁率の大きな物質である鉄等により構成されている。
　一方、永久磁石６０２は、固定子２０１において、軟磁性部材６０１と対向する位置に設置されている。
　本実施形態では、上述のように設置された軟磁性部材６０１と永久磁石６０２との間にＺ方向に吸引力が働く。このような吸引力により、Ｚ方向が鉛直方向でない場合にも可動子１０１を吸引する力がＺ方向に働く。このため、本実施形態によれば、可動子１０１の姿勢をさらに安定化することができる。
　なお、上記では、可動子１０１に軟磁性部材６０１が、固定子２０１に永久磁石６０２が設置されていた場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、可動子１０１及び固定子２０１において軟磁性部材６０１と永久磁石６０２とが互いに入れ替えられて設置されていてもよい。すなわち、可動子１０１に第１の吸引部として永久磁石６０２が設置され、固定子２０１に第２の吸引部として軟磁性部材６０１が設置されていてもよい。
　また、可動子１０１及び固定子２０１のいずれか一方に設置された軟磁性部材６０１に代えて、第１の吸引部としてコイルが設置されていてもよい。この場合、コイルには、可動子１０１及び固定子２０１のいずれか他方に設置された第２の吸引部としての永久磁石６０２との間に吸引力が印加されるように電流が印加される。
　［第３実施形態］
　本発明の第３実施形態について図７を用いて説明する。図７は、本実施形態によるポンプ１０の制御部３０の構成を示す概略図である。なお、上記第１及び第２実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し又は簡略にする。
　本実施形態によるポンプ１０の基本的構成は、第１実施形態による構成とほぼ同様である。本実施形態によるポンプ１０は、第１実施形態による構成において複数のコイル２０５の結線を変更したものである。
　図７に示すように、本実施形態では、コイル２０５が３個ずつスター結線により結線されている。すなわち、１２個のコイル２０５において、コイル２０５－１～２０５－３、コイル２０５－４～２０５－６、コイル２０５－７～２０５－９及びコイル２０５－１０～２０５－１２の各組がスター結線により結線されている。スター結線により結線された各３個のコイル２０５は、三相コイルを構成する。こうして、本実施形態では、複数のコイル２０５が、４個の三相コイルにより構成されている。
　本実施形態のようにスター結線により結線された場合、各コイル２０５－ｊの電流値Ｉｊについて、次式（６－１）～（６－４）により表される４個の条件が追加される。
　Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＝０　…式（６－１）
　Ｉ４＋Ｉ５＋Ｉ６＝０　…式（６－２）
　Ｉ７＋Ｉ８＋Ｉ９＝０　…式（６－３）
　Ｉ１０＋Ｉ１１＋Ｉ１２＝０　…式（６－４）
　このとき、さらにトルクのＸ軸周り成分Ｔｗｘ及びＺ軸周り成分Ｔｗｚをそれぞれコイル２０５－１～２０５－６とコイル２０５－７～２０５－１２とで等分する条件を追加することができる。
　Ｘ軸周り成分Ｔｗｘをコイル２０５－１～２０５－６とコイル２０５－７～２０５－１２とで等分する条件は、次式（６－５）により表される。
　Σ（ｊ＝１，２，３，４，５，６）Ｅｄ（ｊ，θ）＊Ｉｊ＊Ｓｉｎφｊ＝Σ（ｊ＝７，８，９，１０，１１，１２）Ｅｄ（ｊ，θ）＊Ｉｊ＊Ｓｉｎφｊ　…式（６－５）
　また、Ｚ軸周り成分Ｔｗｚをコイル２０５－１～２０５－６とコイル２０５－７～２０５－１２とで等分する条件は、次式（６－６）により表される。
　Σ（ｊ＝１，２，３，４，５，６）Ｅｑ（ｊ，θ）＊Ｉｊ＝Σ（ｊ＝７，８，９，１０，１１，１２）Ｅｑ（ｊ，θ）＊Ｉｊ　…式（６－６）
　なお、式（６－５）及び（６－６）において、記号Σは、ｊ＝１～１２のすべてについての合計ではなく、記号Σの右側の括弧内に記載されたｊについての合計を意味する。
　こうして得られた式（６－１）～（６－６）と、式（３－１）～（３－６）とを合わせて１２個の条件が得られるので、電流ベクトルＩの１２個の要素である電流値Ｉｊを決定することができる。姿勢コントローラ３０１とコイルコントローラ３０２とを含む制御部３０は、これら１２個の条件を用いて電流値Ｉｊを決定して各コイル２０５－ｊに印加することができる。
　本実施形態のように、複数のコイル２０５を４個の三相コイルにより構成して動作させることにより、コイル２０５の配線を簡略化することができる。したがって、本実施形態では、モータ２０及びこれを含むポンプ１０の構成をさらに簡単なものにすることができる。
　なお、上記では、第１実施形態による構成においてコイル２０５についてスター結線を採用する場合について説明したが、これに限定されるものではない。第２実施形態による構成においても、本実施形態と同様にコイル２０５についてスター結線を採用することができる。
　［変形実施形態］
　本発明は、上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。
　例えば、上記実施形態では、可動子１０１に複数の永久磁石１０２が、固定子２０１に複数のコイル２０５が設置されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。第１の部分である可動子１０１及び第２の部分である固定子２０１において複数の永久磁石１０２と複数のコイル２０５とが互いに入れ替えられて設置されていてもよい。すなわち、可動子１０１に複数のコイル２０５が、固定子２０１に複数の永久磁石１０２が設置されていてもよい。
　また、上記実施形態では、モータ２０が用いられた機器である回転機器としてポンプ１０を例に説明したが、これに限定されるものではない。モータ２０が用いられた回転機器として、ポンプ１０のほか、例えば、高速回転機、工作機械用の高速スピンドル、人工心臓等を構成することができる。また、回転機器に応じて、可動子１０１とともに回転する回転部材を構成することができる。
　本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために以下の請求項を添付する。
　本願は、２０２０年６月１日提出の日本国特許出願特願２０２０－０９５７７７を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てをここに援用する。

Claims (10)

  1. 　複数の永久磁石を含む第１の部分と、
    　複数のコイルを含む第２の部分と、を有し、
    　前記第１の部分又は前記第２の部分は、回転軸を中心として回転可能に構成され、
    　前記複数の永久磁石は、前記回転軸を中心として円周状に配置され、
    　前記複数のコイルは、前記複数の永久磁石に対して前記回転軸に沿った方向に対向するように配置され、
    　前記複数のコイルに印加する電流を制御することにより、回転する前記第１の部分又は　前記第２の部分の回転速度及び姿勢を制御する制御部をさらに有する
    　ことを特徴とするモータ。
  2. 　前記複数のコイルは、前記複数の永久磁石のそれぞれに対して少なくとも前記複数のコイルのうちの３個のコイルが対向するように配置されている
    　ことを特徴とする請求項１記載のモータ。
  3. 　前記コイルは、有芯コイルである
    　ことを特徴とする請求項１記載のモータ。
  4. 　前記第１の部分に設置された第１の吸引部と、
    　前記第２の部分に設置され、前記第１の吸引部との間に吸引力が働く第２の吸引部とを有し、
    　前記複数の永久磁石と前記複数のコイルとは、前記回転軸に沿った前記方向において、回転する前記第１の部分又は前記第２の部分の一端の側で対向し、
    　前記第１の吸引部と前記第２の吸引部とは、前記回転軸に沿った前記方向において、回転する前記第１の部分又は前記第２の部分の他端の側で対向する
    　ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモータ。
  5. 　前記第１の吸引部は、軟磁性部材又はコイルであり、
    　前記第２の吸引部は、永久磁石である
    　ことを特徴とする請求項４記載のモータ。
  6. 　前記第１の吸引部は、永久磁石であり、
    　前記第２の吸引部は、軟磁性部材又はコイルである
    　ことを特徴とする請求項４記載のモータ。
  7. 　前記複数のコイルは、三相コイルにより構成されている
    　ことを特徴とする請求項1乃至６のいずれか１項に記載のモータ。
  8. 　前記第１の部分は、前記回転軸を中心として回転する可動子である
    　ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のモータ。
  9. 　請求項１乃至６のいずれか１項に記載のモータと、
    　回転する前記第１の部分又は前記第２の部分とともに回転する回転部材と
    　を有することを特徴とする機器。
  10. 　回転する前記第１の部分又は第２の部分は、ポンプ室に収容されており、
    　前記回転部材は、フィンである
    　ことを特徴とする請求項９記載の機器。
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