四相巻線統合形ベアリングレスモータ

5自由度制御形ベアリングレスモータ
ベアリングレスモータとは軸受機能を磁気的に統合したモータであり,非接触で回転子を支持するため,無摩擦,低発熱,メンテナンスフリー,オイルフリーといった利点を持つ.回転子の位置決め制御には,並進3由度(x,y,z),および傾き2自由度(θx,θy)の合計5自由度を制御する必要がある.従来の5自由度位置決め制御形ベアリングレスモータでは,z方向を磁気軸受,x,y,θx,θyをベアリングレスモータにより磁気支持している.このとき,三相インバータは4台,変位センサは5台必要となる.全ての自由度において能動的に制御するためには,多数のインバータやセンサが必要となるため,装置の大形化,高コスト化,高消費電力化といった問題が発生する.

ベアリングレスモータの小形化・簡素化
装置の小形化,低コスト化,低消費電力を目的として,位置決め制御する自由度を減らしたベアリングレスモータが提案されている.例えば,一般的な1自由度位置決め制御形ベアリングレスモータは三相インバータ1台,単相インバータ1台で駆動する.三相インバータでdq軸モータ制御,単相インバータでスラスト方向支持を行い,残りの4自由度は反発型受動軸受を用いた受動支持を行う.これにより,従来の5自由度位置決め制御形ベアリングレスモータに比べ,装置の小形化,低コスト化,低消費電力化を実現している.更なる装置の小形化,低コスト化,低消費電力化を目的として,三相インバータ1台で駆動する,シングルドライブベアリングレスモータが提案されている.従来のモータが三相でdq軸モータ制御を行うのに対し,このベアリングレスモータはd軸電流によって磁気支持,q軸電流によってモータ駆動制御を行い,三相インバータ1台での駆動を可能にしている.しかし,d軸を磁気支持に用いているため,スラスト方向支持構造のベアリングレスモータに限定されること,弱め磁界を行えないため,速度範囲の縮小が欠点として挙げられる.

零相電流のベアリングレスモータへの応用
零相を用いた三相インバータ1台で駆動する1自由度位置決め制御形ベアリングレスモータが提案されている.零相とは三相インバータ三相Y結線中性点から電源の中間点の間に負荷を接続したものを指す.三相でdq軸モータ駆動,零相によってスラスト方向支持を可能としている.しかし,1自由度位置決め制御形ベアリングレスモータは,回転子スラスト方向を位置決め制御しており,位置決め制御をする自由度を減らしたことにより,モータ剛性の低下を招く.そこで,より剛性の高い2自由度位置決め制御形ベアリングレスモータの研究も盛んに行なわれている.

2自由度制御形ベアリングレスモータ
従来の2自由度制御形ベアリングレスモータは,三相磁気支持,三相dq軸モータ駆動を行い,三相インバータ2台で駆動する.また,モータ駆動用の巻線に回転子支持用の電流を重畳して流すことで,1種類の巻線で二相モータ駆動と二相回転子支持を可能にする統合巻線も提案されている.固定子に施せる巻線の巻数は固定子のスロット面積によって決まり,2種類の巻線を巻く場合,支持巻線の巻き数分,モータ巻線の巻き数が減少し,トルクが低下する.一方,統合巻線は,スロット内全てにモータ巻線を巻くことが可能であり,2種類の巻線に比べてトルクが向上するというメリットがある.本研究ではパワースイッチング素子数を8個に低減し,2自由度位置決め制御,およびdq軸モータ制御可能な,統合巻線構造を持つベアリングレスモータを提案している.このベアリングレスモータは,8スロット2極の表面磁石貼付形(Surface-Mounted Permanent Magnet,SPM)ベアリングレスモータで,図のように四相の統合巻線から構成され,磁気浮上回転に成功している.

提案する回路構成