JP2008295206A - ベアリングレスモータ及びベアリングレスモータ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシレスＤＣモータの永久磁石の磁界を精度良く調整しつつ半径方向位置調整を行い、かつ省スペースで安定した制御が行え、支持力を増加したベアリングレスモータ及びベアリングレスモータ制御システムを提供する。
【解決手段】１本の固定子歯に電動機巻線と支持巻線をともに巻くと支持巻線の巻数に限界がある。そこで、支持力を増加するため、固定子の寸法は維持したまま、支持巻線の巻数を増加した電動機／支持巻線交互の巻線配置を提案する。三相電動機巻線３１１は、固定子歯２０９の１本おきに、すなわち９０°毎４箇所の固定子歯２０９に巻かれている。ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、ｃ１、ｃ２は支持巻線である。三相電動機巻線３１１と交互になるように三相電動機巻線３１１が巻かれていない固定子歯２０９に対し巻かれている。
【選択図】図１５

Description

本発明はベアリングレスモータ及びベアリングレスモータ制御システムに係わり、特にブラシレスＤＣモータの永久磁石の磁界を精度良く調整しつつ半径方向位置調整を行い、かつ省スペースで安定した制御が行え、支持力を増加したベアリングレスモータ及びベアリングレスモータ制御システムに関する。

ポンプや家電、情報機器などのドライブ装置として、ブラシレスＤＣモータが多く用いられている。その軸受にはセラミック製のものやオイル軸受が用いられているが、更に低振動、長寿命の要求がある。
そこで発明者はすでに、ブラシレスＤＣモータをベアリングレス化（非特許文献１、２を参照）し、構造や磁気支持力の発生原理、磁気支持制御法を提案した（非特許文献３、４、５を参照）。ここに、ベアリングレスモータはモータと磁気軸受の機能を一体化した電磁機械である。

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. 「ベアリングレスドライブ」，平成14年電気学会産業応用部門大会講演論文集Vol.1，シンポジウムＳ１，pp.3-28，2002＠鹿児島大学. 大島政英・福澤剛志：「ＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータの磁気支持力の発生原理と解析」，平成18年電気学会全国大会講演論文集[5], 5-075, pp.93-94, 2006. Masahide Ooshima, "A Magnetic Suspension Control Strategy of Bearingless Motors with 2-phase Brushless DC Structure," Proceedings of the Tenth International Symposium on Magnetic Bearings, CDROM, 2006. Masahide Ooshima, "Analyses of Suspension Force in a Bearingless Motors with Brushless DC Structure," Proceedings of the 2006 International Conference on Electrical Machines and Systems, CDROM, 2006.

ところで、ブラシレスＤＣ構造のベアリングレスモータでは、磁束密度をアンバランスにするギャップの領域が限られているために、全節巻のベアリングレスモータに比べ支持力が小さい。支持力を増加するためにスロット面積を広げ、巻線の巻数を増やすとモータの外径が増し大型になる。

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、ブラシレスＤＣモータの永久磁石の磁界を精度良く調整しつつ半径方向位置調整を行い、かつ省スペースで安定した制御が行え、支持力を増加したベアリングレスモータ及びベアリングレスモータ制御システムを提供することを目的とする。

このため本発明（請求項１）はベアリングレスモータの発明であって、複数の固定子歯に捲回された電動機巻線と、該電動機巻線の励磁によりトルクを発生する所定の極数の磁極と、該磁極を有する回転子と、前記固定子歯の内の複数に対し前記電動機巻線と対となって捲回された磁気支持巻線と、前記回転子の回転角を抽出する回転角抽出手段と、該回転角抽出手段で抽出した回転角に応じて励磁する磁気支持巻線を切り換える切換手段と、該切換手段で切り換えられた磁気支持巻線の励磁により前記磁極との間に半径方向の力を生じさせるベアリングレスモータであって、電動機巻線と磁気支持巻線が対となって捲回された固定子歯と電動機巻線のみが捲回された固定子歯とが周状に交互に均等配置されたことを特徴とする。

本発明はインナーロータ型とアウターロータ型のいずれに対しても適用可能である。磁気支持巻線は、電動機巻線と対となるように捲回されているので、磁束の漏れが少なく、直接的に磁極の磁界に作用することができる。このため、極めて精度の高い制御が行える。支持巻線の配設数に比べ三相電動機巻線の極数を増やしたので、トルクを増大させることができる。以上により、簡易な構成でトルクの大きなベアリングレスモータを実現できる。

また、本発明（請求項２）はベアリングレスモータの発明であって、複数の固定子歯に捲回された電動機巻線と、該電動機巻線の励磁によりトルクを発生する所定の極数の磁極と、該磁極を有する回転子と、前記固定子歯の内の複数に対し捲回された電動機巻線と、前記固定子歯の内の複数に対し捲回された磁気支持巻線と、前記回転子の回転角を抽出する回転角抽出手段と、該回転角抽出手段で抽出した回転角に応じて励磁する磁気支持巻線を切り換える切換手段と、該切換手段で切り換えられた磁気支持巻線の励磁により前記磁極との間に半径方向の力を生じさせるベアリングレスモータであって、前記各固定子歯に対し電動機巻線と磁気支持巻線とが短節集中巻きで周状に交互に配設されたことを特徴とする。

１本の固定子歯に電動機巻線と支持巻線がともに巻かれる場合には、支持巻線の巻数に限界が生ずる。そこで、各固定子歯に対し電動機巻線と磁気支持巻線とを周状に交互に配設する。このことにより、磁気支持巻線をスロットに対し一杯になるまで捲回することができる。以上により、固定子の寸法は維持したまま、支持力を増加できる。

更に、本発明（請求項３）ベアリングレスモータの発明であっては、複数の固定子歯に捲回された電動機巻線と、該電動機巻線の励磁によりトルクを発生する所定の極数の磁極と、該磁極を有する回転子と、前記固定子歯の内の複数に対し前記電動機巻線と対となって捲回された磁気支持巻線と、前記回転子の回転角を抽出する回転角抽出手段と、該回転角抽出手段で抽出した回転角に応じて励磁する磁気支持巻線を切り換える切換手段と、該切換手段で切り換えられた磁気支持巻線の励磁により前記磁極との間に半径方向の力を生じさせるベアリングレスモータであって、電動機巻線と磁気支持巻線が対となって捲回された固定子歯と磁気支持巻線のみが捲回された固定子歯とが周状に交互に均等配置されたことを特徴とする。

請求項２のように各固定子歯に対し電動機巻線と磁気支持巻線とを周状に交互に配設することで、固定子の寸法は維持したまま、支持力を増加できる。しかしながら、この状態においても電動機巻線のみが捲回されたスロットには空きスペースが存在する。このため、この空きスペースを利用して磁気支持巻線を追加する。以上により、一層支持力を増加できる。

更に、本発明（請求項４）はベアリングレスモータの発明であって、複数の固定子歯に捲回された電動機巻線と、該電動機巻線の励磁によりトルクを発生する所定の極数の磁極と、該磁極を有する回転子と、前記固定子歯の内の複数に対し前記電動機巻線と対となって捲回された磁気支持巻線と、前記回転子の回転角を抽出する回転角抽出手段と、該回転角抽出手段で抽出した回転角に応じて励磁する磁気支持巻線を切り換える切換手段と、該切換手段で切り換えられた磁気支持巻線の励磁により前記磁極との間に半径方向の力を生じさせるベアリングレスモータであって、前記磁気支持巻線は周状に対となって均等配置され、前記磁極の回転に伴い生ずる磁気支持巻線の誘起電圧が、前記対となった磁気支持巻線において互いにキャンセルされるように前記磁極の極性及び前記磁気支持巻線の捲回方向が設定されることで該誘起電圧の総和が零となることを特徴とする。

このことにより、磁気支持巻線に流れる電流は磁極による磁界に影響されず、安定に軸支持できる。

更に、本発明（請求項５）はベアリングレスモータの発明であって、前記磁気支持巻線は互いに直交されて一つの相が形成され、かつ該相は回転方向に向けて少なくとも一つ備えられており、前記切換手段による切り換えが、該相単位に行われることを特徴とする。

以上により、簡易な構成で制御の容易なベアリングレスモータを実現できる。

更に、本発明（請求項６）はベアリングレスモータの発明であって、前記磁気支持巻線各相の起磁力の方向に座標軸を形成し、該座標軸がｘ軸及びｙ軸に一致しないとき、ｘ軸及びｙ軸方向の力の指令値を該相に作用する力となるように座標変換されることを特徴とする。

以上により、ｘ方向やｙ方向の力の制御が安定し、かつリップルが少ない制御が行える。

更に、本発明（請求項７）はベアリングレスモータの発明であって、前記切換手段による磁気支持巻線の励磁の切り換えは、前記固定子歯の歯頭部の全体が前記同一の磁極の面内に含まれている間中には該磁気支持巻線に対する励磁が継続され、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ることを特徴とする。

固定子歯の歯頭部の全体がずっと同一の磁極の面内に含まれた形で回転子が移動しており、磁極による歯頭部に向かう磁界の磁性は一様で、この回転角度範囲内で変化することはない。従って、安定した精度の高い制御が容易に行える。

更に、本発明（請求項８）はベアリングレスモータの発明であって、前記磁気支持巻線の励磁が、励磁の行われていない電動機巻線に対とされている磁気支持巻線に対し行われることを特徴とする。

電動機巻線は励磁されていない状態にあるので、磁極と磁気支持巻線間の磁束に影響を及ぼすことはない。このため、極めて精度の高い制御が行える。

更に、本発明（請求項９）はベアリングレスモータの発明であって、前記固定子、電動機巻線、磁極、回転子がブラシレスＤＣモータを形成することを特徴とする。

更に、本発明（請求項１０）はベアリングレスモータ制御システムの発明であって、請求項１〜９に記載のベアリングレスモータを制御するベアリングレスモータ制御システムであって、前記回転子の半径方向の位置を検出する半径方向位置検出手段と、該半径方向位置検出手段で検出した位置と位置指令値との間の偏差を算出する偏差算出手段と、該偏差算出手段で算出された偏差を補償する補償手段と、該補償手段の出力信号を座標変換して各磁気支持巻線方向の力の指令値を求める座標変換手段と、該座標変換手段で求めた力の指令値に基づき前記選択された相を構成する磁気支持巻線の電流を調整する電流調整手段とを備えて構成した。

以上説明したように本発明によれば、ベアリングレスモータにおいて、各固定子歯に対し電動機巻線と磁気支持巻線とを短節集中巻きで周状に交互に配設したので、磁気支持巻線をスロットに対し一杯になるまで捲回することができる。以上により、固定子の寸法は維持したまま、支持力を増加できる。

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ＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータの横断面図を図１に示す。図１のＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータ１０において、回転子１は８極アウターロータ型である。しかしながら、本発明はインナーロータ型に対しても適用可能である。鉄心３の内側には永久磁石５が配置されている。そしてそれぞれの永久磁石５は、回転角度方向に向けて45°毎に磁極が切り換わる。なお、鉄心がなく永久磁石だけの構造でも適用できる。

図１中のＮ、Ｓは鉄心３に面する側の永久磁石５の極性を表している。固定子鉄心７は１２スロット構造である。固定子歯９に巻かれた巻線のうち、外側のＵ、Ｖ、Ｗで表記された巻線は三相電動機巻線１１であり、各相それぞれ４つの固定子歯９に集中して巻かれている。また、この三相電動機巻線１１の内側には磁気支持巻線１３が捲回されている。そして、例えば磁気支持巻線１３ａ１はシャフト１５を挟んで対峙する固定子歯９に対し直列接続となるように捲回されている。固定子歯９は断面Ｔ字状に形成され、固定子歯９の歯頭部９ａは、それぞれ回転角度方向に向けて−１５°〜＋１５°の範囲内に渡り突設されている。

また、磁気支持巻線１３ａ１と磁気支持巻線１３ａ２とは、それぞれの発生する起磁力が互いに直交する方向となるように配置されている。磁気支持巻線１３ａ２も磁気支持巻線１３ａ１と同様に、シャフト１５を挟んで対峙する固定子歯９に対し直列接続となるように捲回されている。ここに、磁気支持巻線１３ａ１と磁気支持巻線１３ａ２を一つの相とし、ａ相巻線と定義する。更に、磁気支持巻線１３ｂ１、１３ｂ２、１３ｃ１、１３ｃ２も同様に配置されている。ここに、磁気支持巻線１３ｂ１、１３ｂ２を一つの相とし、ｂ相巻線と定義し、磁気支持巻線１３ｃ１、１３ｃ２を一つの相とし、ｃ相巻線と定義する。なお、電動機巻線の配置、トルクの発生原理は従来のブラシレスＤＣモータと同様なので説明を省略する。

次に、本発明の第１実施形態の動作を説明する。
図２及び図３に基づき磁気支持力の発生原理を示す。１２スロット８極構造では、ベアリングレスＳＲモータの原理を応用して軸支持できる。図４に回転角度φと磁気支持電流との関係を、また図５に回転角度φと電動機電流との関係を示す。但し、図４は、ｘ軸正方向に力Ｆ_xを発生させる場合について例示したものである。ｙ軸方向についての動作は同様なので説明を省略する（以下、同旨）。なお、図２、図３は、それぞれ回転角度φ＝２２．５°、０°の場合を例に示す。図中、三相電動機巻線１１は省略している。
シャフト１５を挟んで左右の磁気支持巻線（例えば磁気支持巻線１３ａ１等）には、それぞれ回転子磁極により電圧が誘起されるが、その誘起電圧は磁極の極性や巻線を巻く方向から、互いにキャンセルされ、磁気支持巻線１３の誘起電圧の総和は零になる。すなわち、磁気支持巻線電流は磁極による磁界に影響されず、安定に軸支持できる。

まず、回転子１の回転角度φが２２．５°の場合について説明する。回転角度φ＝２２．５°のとき、図５よりＵ相の三相電動機巻線１１を流れる電流はゼロであり、Ｕ相の三相電動機巻線１１は励磁されていない状態にある。このとき、図２に示したようにＵ相の三相電動機巻線１１と同一の固定子歯９に捲回された磁気支持巻線１３ａ１に対し正方向に電流ｉａ１を流し励磁すると、永久磁石５の界磁磁束（太い矢印）に加えて支持磁束（細い矢印）が発生する。すると磁束密度がギャップ２１では減少し、ギャップ２３では増加してアンバランスになりｘ軸正方向に力Ｆ_xが発生する。

なお、この場合に、Ｕ相の三相電動機巻線１１は励磁されていない状態にあるので、永久磁石５と磁気支持巻線１３ａ１間の磁束に影響を及ぼすことはない。このように、回転角度φ＝２２．５°を含む回転角度１５°から３０°までの範囲においては、固定子歯９の歯頭部９ａ１、９ａ７の全体がずっと同一の永久磁石５Ａ、５Ｅと対峙し、かつこの永久磁石５Ａ、５Ｅの面内に含まれた形で回転子１が移動しており、永久磁石５Ａ、５Ｅによる歯頭部９ａ１、９ａ７に向かう磁界の磁性は一様で、この回転角度範囲内で変化することはない。従って、安定した精度の高い制御が容易に行える。

次に、回転子１の回転角度φが０°の場合について説明する。回転角度φ＝０°のとき、図５よりＶ相の三相電動機巻線１１を流れる電流はゼロであり、Ｖ相の三相電動機巻線１１は励磁されていない状態にある。このとき、図３に示したようにＶ相の三相電動機巻線１１と同一の固定子歯９に捲回された磁気支持巻線１３ｂ１、ｂ２に対しそれぞれ負方向へ電流を流し励磁する。すると力Ｆ_b1、Ｆ_b2が発生し、その合力によりｘ軸正方向に力Ｆ_xと大きさが等しくなるように支持電流の大きさを決定する。このように、回転角度φ＝０°を含む回転角度０°から１５°までの範囲においては、固定子歯９の歯頭部９ａ２、９ａ５、９ａ８、９ａ１１の全体がずっと同一の永久磁石５Ｂ、５Ｄ、５Ｆ、５Ｈと対峙し、かつこの永久磁石５Ｂ、５Ｄ、５Ｆ、５Ｈの面内に含まれており、永久磁石５Ｂ、５Ｄ、５Ｆ、５Ｈによる磁界の磁性は一様で、この回転角度範囲内で変化することはない。従って、安定した制御が容易に行える。

このように、１２スロット、８極構造のブラシレスＤＣモータでは、回転角度φが、１５°≦φ＜３０°、６０°≦φ＜７５°の区間において、ａ相巻線を励磁して半径方向に磁気支持力を発生する。同様に０°≦φ＜１５°、４５°≦φ＜６０°の区間においてｂ相（ｂ１、ｂ２）巻線、３０°≦φ＜４５°、７５°≦φ＜９０°の区間においてｃ相（ｃ１、ｃ２）巻線を励磁し、力を発生する。

なお、本発明は、４ｎスロット（支持巻線ｎ相）に適用可能である。なお、回転子極数は従来のブラシレスＤＣモータの原理でトルクを発生できる極数であれば良く、何種類か考えられる。例えば、上記以外にも４スロット（支持巻線一相）に対し、回転子極数が例えば４極、あるいは、８スロット（支持巻線二相）に対し回転子極数が例えば６極などに適用可能である。

上記した通り、回転角度により励磁する相を決定するが、多相構造であっても、高速回転時など慣性の力が大きい場合には少なくとも一相分で力を発生できる。例えば、本実施形態では、ａ相、ｂ相、ｃ相の３相構造であるが、このうち、ａ相だけの制御であっても制御可能である。但し、リップル等の点からは３相制御された方が望ましい。

次に、図６を基にＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータの制御方法について説明する。
図６において、ＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータ１０の回転子１の回転角度を回転角度センサ３１で抽出する。そして、この回転角度センサ３１で抽出した回転角度に基づき電動機電流制御回路３３にて電動機電流ｉＵ、ｉＶ、ｉＷが演算された後、電動機電流駆動回路３４で増幅された形で三相電動機巻線１１に流される。
一方、回転角度センサ３１で抽出した回転角度は、磁気支持巻線電流制御回路３５にも入力されるようになっている。

また、ギャップセンサ３７で回転子１のｘ軸方向の変位を検出し、ｘ方向変位指令値３９との間での偏差Δｘが減算器４１にて算出される。そして、この偏差Δｘは補償回路４３にてＰＩＤ補償されることで力の指令値Ｆ_x ^*が演算される。

一方、ギャップセンサ４７でｙ軸方向の変位を検出し、ｙ方向変位指令値４９との間での偏差Δｙが減算器５１にて算出される。この偏差Δｙは補償回路５３にてＰＩＤ補償されることで力の指令値Ｆ_y ^*が演算される。

そして、回転角度センサ３１で抽出した回転角度φが、１５°≦φ＜３０°、６０°≦φ＜７５°の区間において、ａ相巻線（ａ１、ａ２）を励磁して半径方向に磁気支持力を発生する。このとき、数１に基づき磁気支持巻線電流制御回路３５において支持巻線電流ｉａ１、ｉａ２が調整される。調整された電流は、磁気支持巻線電流駆動回路３６で増幅された後、磁気支持巻線１３に流される。但し、Ｋは比例定数とする。

同様に、０°≦φ＜１５°、４５°≦φ＜６０°の区間においてｂ相（ｂ１、ｂ２）巻線を励磁して半径方向に磁気支持力を発生する。このとき、数２に基づき磁気支持巻線電流制御回路３５において支持巻線電流ｉｂ１、ｉｂ２が制御される。この際、力の指令値Ｆ_x ^*、Ｆ_y ^*をｂ相（ｂ１、ｂ２）巻線の起磁力方向になるように座標変換された上で電流値が演算される。演算された電流は、磁気支持巻線電流駆動回路３６で増幅された後、磁気支持巻線１３に流される。

更に、３０°≦φ＜４５°、７５°≦φ＜９０°の区間においてｃ相（ｃ１、ｃ２）巻線を励磁して半径方向に磁気支持力を発生する。このとき、数３に基づき磁気支持巻線電流制御回路３５において支持巻線電流ｉｃ１、ｉｃ２が制御される。この際、力の指令値Ｆ_x ^*、Ｆ_y ^*をｃ相（ｃ１、ｃ２）巻線の起磁力方向になるように座標変換された上で電流値が演算される。演算された電流は、磁気支持巻線電流駆動回路３６で増幅された後、磁気支持巻線１３に流される。

なお、減算器４１、５１、補償回路４３、５３、磁気支持巻線電流制御回路３５、電動機電流制御回路３３は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor) やＣＰＵにてディジタル演算処理が可能である。
以上により、簡易な構成でベアリングレスモータを実現できる。磁気支持巻線１３は、三相電動機巻線１１と同一の固定子歯９に捲回されているので、磁束の漏れが少なく、直接的に永久磁石５の磁界に作用することができる。また、磁気支持巻線１３の励磁は、三相電動機巻線１１の励磁がされていない固定子歯について行われる。このため、極めて精度の高い制御が行える。

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ＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータ２００の横断面図を図７に示す。本発明の第２実施形態は、第１実施形態に対し支持巻線の数は同じで三相電動機巻線の極数を増やしたものである。

図７のＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータ２００において、回転子２０１は１６極インナーロータ型であり、鉄心２０３の外側に永久磁石２０５が貼り付けてある。しかしながら、本発明はアウターロータ型に対しても適用可能である。

図７中のＮ、Ｓ は鉄心２０３に面する側の永久磁石２０５の極性を表している。固定子鉄心２０７は２４スロット構造である。固定子歯２０９に巻かれた巻線のうち、内側のＵ、Ｖ、Ｗ で表記された巻線２１１は三相電動機巻線であり、各相それぞれ８つの歯に短節巻で巻かれている。また、この三相電動機巻線２１１の外側には磁気支持巻線２１３である巻線ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、ｃ１、ｃ２が捲回されている。そして、巻線ａ１が発生する起磁力と直交する方向に起磁力が発生するように巻線ａ２が配置されている。ｂ１とｂ２、また、ｃ１とｃ２も同様に配置されている。

次に、本発明の第２実施形態の動作を説明する。
第２実施形態において、磁気支持巻線２１３に対し電流が流される際には、同じ固定子歯２０９に巻かれた三相電動機巻線２１１の巻線には電流は流されない。この点は、第１実施形態と同じなので説明を省略する。

２４スロット１６極ブラシレスＤＣ構造ベアリングレスモータでは、図８のようにａ１２、ｂ１２及びｃ１２相を定義し、回転角度によって１つの相を選択し、支持力を発生する。以下に相の定義と支持力の発生原理について詳細を述べる。

図７に示した磁気支持巻線２１３の巻線ａ１、ａ２の起磁力の方向をそれぞれａ１、ａ２軸とすると、ａ１、ａ２軸は互いに直交する。図８に示したようにａ１、ａ２軸方向に起磁力を発生する相をａ１２相と定義する。同様に図９に示す巻線ｂ１、ｂ２の起磁力方向の直交二軸からなる相をｂ１２相、図１０に示す巻線ｃ１、ｃ２の直交二軸からなる相をｃ１２相とそれぞれ定義する。ａ１、ａ２軸は図７に示したｘ、ｙ軸と一致している。また、ｂ１、ｂ２軸はｘ、ｙ軸を回転子の回転方向へ６０°回転した位置にあり、ｃ１、ｃ２軸はｘ、ｙ軸を回転子の回転方向へ１２０°回転した位置にある。

図１１及び図１２に磁気支持力の発生原理を示す。図１１及び図１２はそれぞれ回転角度φ＝７．５°のときと、φ＝０°のときを示していて、ともにｘ軸正方向に力を発生している。図１１に示すように回転角度φが７．５°のときはａ１２相を選択し、磁気支持巻線２１３の巻線ａ１に正方向に電流を流す。すると、永久磁石２０５の界磁磁束（太い矢印）に加えて、支持磁束（細い矢印）が発生する。その結果、左右のギャップで磁束密度が不平衡になりｘ軸正方向に力Ｆ_x12が発生する。

回転角度φが０°のときは、ｂ１２相を選択し、図１２に示すように磁気支持巻線２１３の巻線ｂ１、ｂ２にそれぞれ正方向、負方向へ電流を流す。すると図のようにギャップ磁束密度が不平衡になり、ｂ１、ｂ２軸方向へそれぞれ力Ｆ_b1、Ｆ_b2が発生する。支持巻線電流を調整してＦ_b1とＦ_b2の合力により、上で記したφ＝７．５°のときに巻線ａ１を励磁した際に発生する力Ｆ_x12に等しい力をｘ軸正方向に発生することができる。

同様にｃ１２相を選択し支持巻線ｃ１、ｃ２を励磁して支持力を発生することができる。以上のように回転角度によりａ１２、ｂ１２、ｃ１２相から相を１つ選択し、励磁する支持巻線を決定して磁気支持力を発生する。

次に、図１３を基にＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータ２００の制御方法について説明する。なお、図６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。
電動機制御系では、従来のブラシレスＤＣモータと同様に回転角度センサ３１により回転角度φを検出し、φと電流ピーク指令値Ｉ_M ^*から電動機電流制御回路３３において電流指令値ｉ_u ^*、ｉ_v ^*、ｉ_w ^*を決定する。電動機電流駆動回路３４では、指令値に追従するように電流を制御する。

磁気支持制御系では、ギャップセンサ３７、４７によりｘ、ｙ軸方向の回転子位置を検出し、指令値３９、４９との誤差を補償回路４３、５３により増幅して、力の指令値Ｆ_x ^*、Ｆ_y ^*を決定する。力の指令値Ｆ_x ^*、Ｆ_y ^*と回転角度センサ３１で検出した回転角度φから、電流指令値生成器２５１において、次のように支持電流指令値ｉ_a1 ^*、ｉ_a2 ^*、ｉ_b1 ^*、ｉ_b2 ^*、ｉ_c1 ^*、ｉ_c2 ^*を決定する（Masahide Ooshima, "Analyses of Suspension Force in a Bearingless Motors with Brushless DC Structure," Proceedings of the 2006 International Conference on Electrical Machines and Systems, CDROM, 2006.、及び、M. Takemoto, A. Chiba and T. Fukao, “A Method of Determining the Advanced Angle of Square-Wave Currents in a Bearingless Switched Reluctance Motor,” IEEE Trans. on IA., Vol. 37, No. 6, pp.1702-1709, November/December, , 2001.参照）。

回転角度が０°≦φ＜７．５°と２２．５°≦φ＜３０°のとき、ｂ１２相を選択し、図９よりｂ１、ｂ２軸はｘ、ｙ軸から６０°回転しているので、巻線ｂ１、ｂ２の電流指令値ｉ_b1 ^*、ｉ_b2 ^*は数４より決定される。

決定された電流は、磁気支持巻線電流駆動回路２５３で増幅された後、磁気支持巻線２１３に流される。ここでＫは比例定数である。

次に回転角度が７．５°≦φ＜１５°と３０°≦φ＜３７．５°のときはａ１２相を選択する。ａ１、ａ２軸はそれぞれｘ、ｙ軸に一致しているので、巻線ａ１、ａ２の電流指令値ｉ_a1 ^*、ｉ_a2 ^*は数５より決定される。

最後に回転角度が１５°≦φ＜２２．５°と３７．５°≦φ＜４５°のときはｃ１２相を選択する。ｃ１、ｃ２軸はｘ、ｙ軸から１２０°回転しているので、巻線ｃ１、ｃ２の電流指令値ｉ_c1 ^*、ｉ_c2 ^*は数６より決定される。

図１４に各支持巻線の電流指令値の一周期分（０°〜４５°）のタイミングチャートを示す。例として定格電流２．３Ａとし、ｘ軸正方向に支持力を発生している場合を示した。以下４５°周期で同様のパターンで相を選択し、支持電流を流して安定に軸支持できる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態であるＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータ３００の横断面図を図１５に示す。なお、図７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。本発明の第３実施形態は、第２実施形態の巻線配置では１本の固定子歯に電動機巻線と支持巻線がともに巻かれている固定子歯があり、支持巻線の巻数に限界がある。そこで、支持力を増加するため、固定子の寸法は維持したまま、支持巻線の巻数を増加した電動機／支持巻線交互の巻線配置を提案するものである。

図１５のＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータ３００において、Ｕ、Ｖ、Ｗ で表記された巻線は三相電動機巻線である。図７では三相電動機巻線２１１が２４本すべての固定子歯２０９に巻いてあり、各相４５°毎８箇所の固定子歯２０９に巻いてあった。図１５では、三相電動機巻線３１１は、固定子歯２０９の１本おきに、すなわち９０°毎４箇所の固定子歯２０９に巻かれている。

ここで、トルクを不変にするためには、図７の配置に比べ、固定子歯２０９の１本あたりの巻数を倍にする必要がある。また、図１５中のａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、ｃ１、ｃ２は支持巻線である。その配置は図７と同じであり、三相電動機巻線３１１と交互になるように三相電動機巻線３１１が巻かれていない固定子歯２０９に対し巻かれている。

かかる構成において、図７のように三相電動機巻線２１１を全固定子歯２０９に巻いた配置に比べ、三相電動機巻線３１１と磁気支持巻線２１３を交互に配置することにより磁気支持巻線２１３の巻数を増加でき、支持力を増加できる。すなわち、すべてのスロットで占積率を等しくすることによりスロットを効率よく利用することができる。また、同じ固定子歯２０９に２種類の巻線を巻くことがないため、配線ミスも減る。

電動機電流制御は第２実施形態の場合と同様である。磁気支持制御も第２実施形態と同様であり、図８〜図１０に示した３平面を利用して、図１３の制御システムにより磁気支持することができる。

次に、有限要素法により磁気支持力を求め、図１５に示した電動機／支持交互の巻線配置が図７に示した電動機巻線を全固定子歯に巻いた配置に比べ、支持力がいかに増加するかを確認する。図１６はモデルの諸元である。図１６のように電動機／支持巻線を交互に巻いた場合の固定子歯１本あたりの電動機巻線は図７の配置の倍にして４８巻である。図１５の交互配置では図７の電動機巻線領域に磁気支持巻線２１３を巻くことができ、合計１２０（＝９６＋２４）巻になる。解析には電磁界解析ソフトＪＭＡＧ−Ｓｔｕｄｉｏ（Ｖｅｒ．８．４、（株）日本総研ソリューションズ、）を用い、支持力の発生方向はｘ軸正方向とした。図１７に解析結果を示す。図１５のように電動機／支持巻線を交互に巻くことにより図７の配置に比べ支持力が２３％増加していることが分かる。

次に、本発明の第４実施形態について説明する。本発明の第４実施形態であるＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータ４００の横断面図を図１８に示す。なお、図１５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。本発明の第４実施形態は、図１５に示した巻線配置の三相電動機巻線３１１の巻かれた固定子歯２０９に、新たに磁気支持巻線２１３を加え巻いた構造である。

巻線ａ３、ａ４、ｂ３、ｂ４、ｃ３、ｃ４は追加された磁気支持巻線２１３であり、１本の固定子歯２０９に集中して巻かれている。巻線ａ３、ａ４は巻線ａ１、ａ２と同じ回転角度区間で励磁し、合力により支持力の増加を図るようになっている。また、同様にして巻線ｂ３、ｂ４は巻線ｂ１、ｂ２と、巻線ｃ３、ｃ４は巻線ｃ１、ｃ２とそれぞれ同じ回転角度区間で励磁し支持力を増加するようになっている。

かかる構成において、図１９、図２０、図２１に新たに定義する相を示す。図１９に示すように巻線ａ３、ａ４の起磁力の方向をａ３、ａ４軸とすると、ａ３、ａ４軸は互いに直交する。ａ３、ａ４軸方向に起磁力を発生する相をａ３４相と定義する。ａ３、ａ４軸は図８に示したａ１、ａ２軸（ｘ、ｙ軸）から回転子の回転方向へ４５°に回転した位置にある。同様に図２０に示す巻線ｂ３、ｂ４の起磁力の方向をｂ３、ｂ４軸とし、ｂ３、ｂ４軸からなる相をｂ３４相、また、図２１に示す巻線ｃ３、ｃ４の起磁力の方向をｃ３、ｃ４軸とし、ｃ３、ｃ４軸からなる相をｃ３４相と定義する。

ｂ３、ｂ４軸はｘ、ｙ軸から回転子の回転方向へ１０５°回転した位置に、またｃ３、ｃ４軸は１６５°回転した位置になる。ａ１２相に加えａ３４相も利用、すなわち巻線ａ１、ａ２に加え、巻線ａ３、ａ４も同時に励磁して支持力の増加を図る。同様にｂ１２相に加えｂ３４相（巻線ｂ１〜４励磁）を、またｃ１２相に加えｃ３４相（巻線ｃ１〜４励磁）を使って支持力を増加する。

次に、磁気支持力の発生原理を示す。ここでは例として図２２、図２３に回転角度φ＝７．５°と０°のときをそれぞれ示す。

まず回転角度７．５°のとき、図１１で述べたように巻線ａ１を励磁するとｘ軸正方向に力Ｆ_x12が発生する。加えて支持巻線ａ３、ａ４にそれぞれ正、負方向へ電流を流し励磁する。すると同様の原理より力Ｆ_a3、Ｆ_a4が発生する、その合力によりｘ軸正方向に力Ｆ_x34が発生する。このＦ_x34とＦ_x12の合力により軸支持する。

次に回転角度φ＝０°のとき、図１２で述べたように、巻線ｂ１、ｂ２を励磁するとｘ軸正方向に力Ｆ_x12が発生する。加えて支持巻線ｂ３、ｂ４にも同じく負方向へ電流を流し励磁する。すると同様の原理よりＦ_b3、Ｆ_b4が発生する。その合力によりｘ軸正方向に力Ｆ_x34が発生する。このＦ_x34とＦ_x12の合力により軸支持する。

巻線ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４も同様に励磁するとそれぞれの巻線起磁力の方向に力を発生し、合力によりｘ軸正方向へ力を発生することができる。すなわち、回転角度に応じて相を選択し、励磁する支持巻線の相と電流の方向を制御することにより任意の支持力を発生できる。

次に、第４実施形態であるＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータ４００の制御方法について説明する。図２４に支持巻線全歯巻配置の制御システム構成を示す。磁気支持制御系の電流指令値生成器２６１以外は図１３と同様である。電流指令値生成器２６１のｉ_a1 ^*、ｉ_a2 ^*、ｉ_b1 ^*、ｉ_b2 ^*、ｉ_c1 ^*、ｉ_c2 ^*は図１３で説明したように、回転角度により数４〜数６により決定される。新たに追加したｉ_a3 ^*、ｉ_a4 ^*、ｉ_b3 ^*、ｉ_b4 ^*、ｉ_c3 ^*、ｉ_c4 ^*は次のように決定される。

回転角度が０°≦φ＜７．５°、２２．５°≦φ＜３０°のとき、ｂ３４相を選択し、図２０よりｂ３、ｂ４軸はｘ、ｙ軸から１０５°回転しているので、数７のようになる。

また、回転角度が７．５°≦φ＜１５°、３０°≦φ＜３７．５°のとき、ａ３４相を選択し、ａ３、ａ４軸はｘ、ｙ軸から４５°回転しているので、数８のようになる。

最後に回転角度が１５°≦φ＜２２．５°、３７．５°≦φ＜４５°のとき、ｃ３４相を選択し、ｃ３、ｃ４軸はｘ、ｙ軸から１６５°回転しているので、数９のようになる。

図２５に支持巻線の電流のタイミングチャートの一例を示す。定格電流２．３Ａとし、ｘ軸正方向に支持力を発生した場合であり、一周期分（０°〜４５°）を示した。

次に、有限要素法により磁気支持力を求め、支持力の増加を確認する。図２６に支持巻線を全固定子歯に巻いた巻線配置モデルの諸元を示す。
電動機巻線、支持巻線の巻数以外は図１６のモデルに等しい。磁気支持巻線２１３の巻線ａ３、ａ４、ｂ３、ｂ４、ｃ３、ｃ４は三相電動機巻線３１１が巻かれた固定子歯２０９に巻くため、それらの巻数は固定子歯１本あたりの最大巻数１２０から三相電動機巻線３１１の巻数４８を引いて７２巻とした。解析結果を図２７に示す。

第４実施形態の支持巻線全歯巻は、図１５に示した第３実施形態である電動機／支持巻線交互に配置した場合より６３％程度の支持力の増加が確認できた。また、第２実施形態である図７の巻線配置に比べ約２倍に増加した。第４実施形態の支持巻線全歯配置では、三相電動機巻線３１１と磁気支持巻線２１３の巻線ａ３、ａ４、ｂ３、ｂ４、ｃ３、ｃ４の割合を変えることにより、更に支持力を増加することも可能である。

本発明の第１実施形態であるＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータの横断面図 磁気支持力の発生原理（回転角度が２２．５°の場合） 磁気支持力の発生原理（回転角度が０°の場合） 回転角度と磁気支持電流との関係を示すタイミングチャート 回転角度と電動機電流との関係を示すタイミングチャート ＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータの制御方法 本発明の第２実施形態であるＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータの横断面図 ａ１２相の定義 ｂ１２相の定義 ｃ１２相の定義 磁気支持力の発生原理（回転角度が７．５°の場合） 磁気支持力の発生原理（回転角度が０°の場合） ＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータの制御方法 回転角度と磁気支持電流との関係を示すタイミングチャート 本発明の第３実施形態であるＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータ（電動機／支持巻線交互巻配置）の横断面図 解析モデルの諸元 有限要素法により解析した回転角度と支持力の関係を示す図 本発明の第４実施形態であるＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータ（支持巻線全歯巻配置）の横断面図 ａ３４相の定義 ｂ３４相の定義 ｃ３４相の定義 磁気支持力の発生原理（回転角度が７．５°の場合） 磁気支持力の発生原理（回転角度が０°の場合） ＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータ（支持巻線全歯巻配置）の制御方法 回転角度と磁気支持電流との関係を示すタイミングチャート 解析モデルの諸元 有限要素法により解析した回転角度と支持力の関係を示す図

符号の説明

１、２０１ 回転子
３、２０３ 鉄心
５、２０５ 永久磁石
７、２０７ 固定子鉄心
９、２０９ 固定子歯
９ａ 歯頭部
１０、２００、３００、４００ ＤＣブラシレス構造ベアリングレスモータ
１１、２１１、３１１ 三相電動機巻線
１３、２１３ 磁気支持巻線
１５ シャフト
２１、２３、１２１、１２３ ギャップ
３１ 回転角度センサ
３３ 電動機電流制御回路
３４ 電動機電流駆動回路
３５ 磁気支持巻線電流制御回路
３６、２５３ 磁気支持巻線電流駆動回路
３７、４７ ギャップセンサ
３９ ｘ方向変位指令値
４１、５１ 減算器
４３、５３ 補償回路
４９ ｙ方向変位指令値
２５１、２６１ 電流指令値生成器

Claims (10)

1. 複数の固定子歯に捲回された電動機巻線と、
   該電動機巻線の励磁によりトルクを発生する所定の極数の磁極と、
   該磁極を有する回転子と、
   前記固定子歯の内の複数に対し前記電動機巻線と対となって捲回された磁気支持巻線と、
   前記回転子の回転角を抽出する回転角抽出手段と、
   該回転角抽出手段で抽出した回転角に応じて励磁する磁気支持巻線を切り換える切換手段と、
   該切換手段で切り換えられた磁気支持巻線の励磁により前記磁極との間に半径方向の力を生じさせるベアリングレスモータであって、
   電動機巻線と磁気支持巻線が対となって捲回された固定子歯と電動機巻線のみが捲回された固定子歯とが周状に交互に均等配置されたことを特徴とするベアリングレスモータ。
2. 複数の固定子歯に捲回された電動機巻線と、
   該電動機巻線の励磁によりトルクを発生する所定の極数の磁極と、
   該磁極を有する回転子と、
   前記固定子歯の内の複数に対し捲回された電動機巻線と、
   前記固定子歯の内の複数に対し捲回された磁気支持巻線と、
   前記回転子の回転角を抽出する回転角抽出手段と、
   該回転角抽出手段で抽出した回転角に応じて励磁する磁気支持巻線を切り換える切換手段と、
   該切換手段で切り換えられた磁気支持巻線の励磁により前記磁極との間に半径方向の力を生じさせるベアリングレスモータであって、
   前記各固定子歯に対し電動機巻線と磁気支持巻線とが短節集中巻きで周状に交互に配設されたことを特徴とするベアリングレスモータ。
3. 複数の固定子歯に捲回された電動機巻線と、
   該電動機巻線の励磁によりトルクを発生する所定の極数の磁極と、
   該磁極を有する回転子と、
   前記固定子歯の内の複数に対し前記電動機巻線と対となって捲回された磁気支持巻線と、
   前記回転子の回転角を抽出する回転角抽出手段と、
   該回転角抽出手段で抽出した回転角に応じて励磁する磁気支持巻線を切り換える切換手段と、
   該切換手段で切り換えられた磁気支持巻線の励磁により前記磁極との間に半径方向の力を生じさせるベアリングレスモータであって、
   電動機巻線と磁気支持巻線が対となって捲回された固定子歯と磁気支持巻線のみが捲回された固定子歯とが周状に交互に均等配置されたことを特徴とするベアリングレスモータ。
4. 複数の固定子歯に捲回された電動機巻線と、
   該電動機巻線の励磁によりトルクを発生する所定の極数の磁極と、
   該磁極を有する回転子と、
   前記固定子歯の内の複数に対し前記電動機巻線と対となって捲回された磁気支持巻線と、
   前記回転子の回転角を抽出する回転角抽出手段と、
   該回転角抽出手段で抽出した回転角に応じて励磁する磁気支持巻線を切り換える切換手段と、
   該切換手段で切り換えられた磁気支持巻線の励磁により前記磁極との間に半径方向の力を生じさせるベアリングレスモータであって、
   前記磁気支持巻線は周状に対となって均等配置され、前記磁極の回転に伴い生ずる磁気支持巻線の誘起電圧が、前記対となった磁気支持巻線において互いにキャンセルされるように前記磁極の極性及び前記磁気支持巻線の捲回方向が設定されることで該誘起電圧の総和が零となることを特徴とするベアリングレスモータ。
5. 前記磁気支持巻線は互いに直交されて一つの相が形成され、かつ該相は回転方向に向けて少なくとも一つ備えられており、
   前記切換手段による切り換えが、該相単位に行われることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載のベアリングレスモータ。
6. 前記磁気支持巻線各相の起磁力の方向に座標軸を形成し、該座標軸がｘ軸及びｙ軸に一致しないとき、ｘ軸及びｙ軸方向の力の指令値を該相に作用する力となるように座標変換されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のベアリングレスモータ。
7. 前記切換手段による磁気支持巻線の励磁の切り換えは、前記固定子歯の歯頭部の全体が前記同一の磁極の面内に含まれている間中には該磁気支持巻線に対する励磁が継続され、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ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のベアリングレスモータ。
8. 前記磁気支持巻線の励磁が、励磁の行われていない電動機巻線に対とされている磁気支持巻線に対し行われることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のベアリングレスモータ。
9. 前記固定子、電動機巻線、磁極、回転子がブラシレスＤＣモータを形成することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のベアリングレスモータ。
10. 請求項１〜９に記載のベアリングレスモータを制御するベアリングレスモータ制御システムであって、
    前記回転子の半径方向の位置を検出する半径方向位置検出手段と、
    該半径方向位置検出手段で検出した位置と位置指令値との間の偏差を算出する偏差算出手段と、
    該偏差算出手段で算出された偏差を補償する補償手段と、
    該補償手段の出力信号を座標変換して各磁気支持巻線方向の力の指令値を求める座標変換手段と、
    該座標変換手段で求めた力の指令値に基づき前記選択された相を構成する磁気支持巻線の電流を調整する電流調整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制御システム。

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