JP6391358B2

JP6391358B2 - 電動機システム

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Publication number: JP6391358B2
Application number: JP2014166231A
Authority: JP
Inventors: 紘也杉元; 千葉　明; 明千葉
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2014-08-18
Filing date: 2014-08-18
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2034-08-18
Also published as: JP2016042768A

Description

本発明は、回転子が磁気力を発生しながら回転する電動機を備える電動機システムに関する。

電動機部と磁気軸受部を磁気的に一体化させたベアリングレスモータは、回転子が磁気力を発生して浮上しながら回転する電動機であり、回転子に機械的な接触部分がないので、無摩擦、無摩耗、メンテナンスフリーという利点がある。したがって、半導体プロセスで用いられる超純水や薬液を送り出す遠心ポンプ、冷却ファン、人工心臓用の遠心ポンプ、パイオリアクター用撹持装置、電力貯蔵用フライホイール、あるいは揺動ステージなどへの応用が期待されている

ベアリングレスモータにおいて回転子を磁気浮上させるには、回転子の回転方向θｚ以外の、径方向ｘおよびｙ、軸方向ｚ、傾き方向θｘおよびθｙを、能動的もしくは受動的な磁気支持力により、安定させる必要がある。

一般に、１軸制御ベアリングレスモータの場合、軸方向ｚのみを能動的に制御し、径方向ｘおよびｙならびに傾き方向θｘおよびθｙについては永久磁石などを用いて受動的に安定させている（例えば、非特許文献１参照。）。したがって、変位センサは軸方向ｚを計測する１台のみですみ、またインバータの数も削減できるので、２軸制御ベアリングレスモータや５軸制御ベアリングレスモータに比べて低コストである。

また例えば、１軸制御ベアリングレスモータとして、モータの両端に受動型磁気軸受（ＰＭＢ）を配置し、さらにその片端にスラスト磁気軸受を配置する磁気軸受モータがある（例えば、非特許文献２参照。）。

同じく、モータの両端に反発受動型磁気軸受（ＲＰＭＢ）を配置した１軸制御ベアリングレスモータがある（例えば、非特許文献３参照。）。

また例えば、回転子の軸長を長くし、ギャップ面に永久磁石を貼り付けることで、モータと受動型磁気軸受が一体化された構造を有するアキシャルギャップ型の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（例えば、非特許文献４参照。）。このモータでは、固定子には一種類の巻線のみが設けられおり、１台のインバータにより、巻線にｄ軸電流を流すことにより軸方向の能動的な支持力を発生させ、ｑ軸電流を流すことにより回転トルクを発生させることができる。

また例えば、１台のインバータにより駆動可能なシングルドライブベアリングレスモータとして、モータの両端に反発受動型磁気軸受（ＲＰＭＢ）を配置し、半径方向および傾き方向の剛性を向上させたモータが提案されている（例えば、非特許文献５参照。）。これによれば、受動安定方向の剛性を高めるにつれて不安定な軸方向力も増加するという問題があるものの、モータ構造そのものを工夫することにより、不安定力に打ち勝つ能動的な磁気支持力を発生させることが可能である。

図２７は、モータの両端に反発受動型磁気軸受を有する１軸制御のシングルドライブベアリングレスモータを説明する断面図である。以下、回転子１０の回転軸の方向については「ｚ軸方向」もしくは単に「軸方向」と称する。図２７に例示するように、ベアリングレスモータ１は、ｚ軸方向を回転軸とする回転子１０と、回転子１０に対して半径方向にギャップを隔てて対向した固定子２０とを有する。回転子１０の回転軸（ｚ軸）となるシャフト１４の上下両端に受動型磁気軸受３０が設けられる。受動型磁気軸受３０は、回転子側永久磁石３１と、固定子側永久磁石３２とからなる。回転子側永久磁石３１と固定子側永久磁石３２とがギャップを挟んで径方向に並ぶラジアルギャップで構成する。回転子側永久磁石３１は回転子１０のシャフト１４の周面に設けられる。固定子側永久磁石３２は、例えば固定子２０が固定されたケース（図示せず）に固定される。変位センサ５１により回転子１０のｚ軸方向の変位を検出し、コントローラ５２は、変位センサ５１が検出する位置情報に基づいて回転子１０の軸方向の位置制御を行うための界磁電流指令ｉ_q ^*を生成し、回転子１０を回転駆動するための電機子電流指令ｉ_d ^*を生成する。三相インバータ５３は、界磁電流指令ｉ_q ^*および電機子電流指令ｉ_d ^*に基づいて直流電流を変換して巻線に供給するための交流電流を生成する。ベアリングレスモータ１は、電機子電流（ｑ軸電流）により回転子の回転トルクが発生し、界磁電流（ｄ軸電流）により回転子のｚ軸方向の支持力が発生する。このように、シングルドライブのベアリングレスモータ１では、１台の三相インバータ５３で回転子のｚ軸方向位置の能動制御と回転制御とが可能である。

上述のように１軸制御ベアリングレスモータの応用分野としては冷却ファンや人工心臓用の遠心ポンプなどが考えられているが、これらの分野では、軸長を短縮しなければならないという制約がある。しかしながら、１軸制御ベアリングレスモータは、一般的に、傾き方向θｘおよびθｙの受動安定化のために軸長を長く設計する場合が多く、軸長の短縮は容易でない。また、回転子の浮上回転中に半径方向の振動が大きくなり、最悪の場合はタッチダウンしてしまう恐れがあることがあり、回転子の半径方向と傾き方向の振動低減が課題となっている。

回転子の半径方向の振動を低減する方法として、回転子の半径方向の剛性を高めたり、回転子に対して磁気的なダンピング力を発生させる方法がある。回転子の半径方向の剛性を高めることで、半径方向の振動振幅を小さくすることはできるが、傾き方向は、軸長が短くなるにつれて慣性モーメントが小さくなるため剛性は小さくなり、振動や変位が大きくなる恐れがある。

このような振動を抑制するために、回転子のｚ軸方向位置の能動制御と回転制御するための三相インバータに加えて、振動抑制のための三相インバータを別個設ける方法がある。以下、三相インバータが多用されているため三相について説明するが、二相に等価的に変換できることは当業者にとって周知であり、また、四相以上にも拡張でき、これらを含めて多相と記述する。例として中性点注入型およびモータ巻線並列型と呼ばれる電動機システムについて説明する。

図２８は、振動抑制のための三相インバータを有する中性点注入型電動機システムを示す回路図であり、図２９は、図２８の電動機システムにおける電動機の巻線構造を説明する、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図である。ここでは、電動機１として、図２９に示すように、永久磁石１１が設けられた回転子１０の極数を４極とし、固定子２０のスロット数を６とし、巻線を集中巻で構成した場合について説明する。固定子２０は、回転子１０側に突出したティース２１−１が周方向に複数周設され、各ティース２１−１はヨーク２１−２を介して結合される。

なお、図３０は、本願図面において示される巻線電流の向き、力の向き、永久磁石により発生する磁束の向き、および巻線電流により発生する磁束の向きを示す図である。以降の図面においては、巻線に流れる電流の向きについて、一般的な表記方法に従い、紙面の裏側から表側に貫く向きを「正方向」とする場合については丸印に黒点を付したもので示し、紙面の表側から裏側に貫く向きを「正方向」とする場合については丸印に×印を付したもので示す。永久磁石により発生する磁束の向き（永久磁石の着磁方向としてのＮ極からＳ極に向かう磁束の向き）については、実線の矢印で示し、巻線に電流が流れることにより発生する磁束の向きについては、破線の矢印で示す。力の向きについては、白抜きの矢印で示す。また、Ｙ結線された三相巻線の各相の巻線に流れる電流の向きについては、三相Ｙ結線の中性点へ流入する方向を「正方向」と定義する。

回転子のｚ軸方向位置の能動制御と回転制御するための三相インバータ５３に加えて、振動抑制用の三相インバータ１５３が別個設けられる。図２８に示す中性点注入型電動機システムにおいては、Ｙ結線された三相巻線の各相巻線に中点がそれぞれ設けられ、これら各中点は振動抑制用の三相インバータ１５３にそれぞれ結線される。回転子のｚ軸方向位置の能動制御と回転制御するための三相インバータ５３による界磁電流および電機子電流は、巻線２２Ｕ₁、２２Ｖ₁、及び２２Ｗ₁を流れるようにコントローラ（図示せず）により制御されるので、振動抑制用の三相インバータ１５３による支持電流ｉ_su、ｉ_svおよびｉ_swは、巻線２２Ｕ₁、２２Ｖ₁、及び２２Ｗ₁には流れず、巻線２２Ｕ₂、２２Ｖ₂、及び２２Ｗ₂を流れることになる。ここで、図２８に示すように、振動抑制用の三相インバータ１５３から巻線２２Ｕ₂に支持電流ｉ_suを流して図２９のＸ軸方向に半径方向力を発生させる場合について考える。この場合、振動抑制用の三相インバータ１５３から流出したＵ相の支持電流ｉ_suはＵ相巻線の中点を介して巻線２２Ｕ₂を流れ、さらに中性点Ｎ₁で２分岐されて巻線２２Ｖ₂および巻線２２Ｗ₂に流れ込む。すなわち、Ｖ相の支持電流ｉ_svが中性点Ｎ₁から巻線２２Ｖ₂を介して振動抑制用の三相インバータ１５３へ流れ、Ｗ相の支持電流ｉ_swが中性点Ｎ₁から巻線２２Ｗ₂を介して振動抑制用の三相インバータ１５３へ流れる。このように図２８に示す向きに支持電流ｉ_su、ｉ_svおよびｉ_swが流れることを考慮して、各スロットには図２９に示すように巻線２２Ｕ₂、２２Ｖ₂および２２Ｗ₂、ならびに巻線２２Ｕ₁、２２Ｖ₁および２２Ｗ₁を配置する。このような巻線配置によれば、巻線２２Ｕ₂に支持電流ｉ_suが流れることにより巻線２２Ｕ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向内向き（＋ｘ方向）に発生し、巻線２２Ｖ₂に支持電流ｉ_svが流れることにより巻線２２Ｖ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向外向きに発生し、巻線２２Ｗ₂に支持電流ｉ_swが流れることにより巻線２２Ｗ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向外向きに発生する。図２９に示す位置に回転子１０の永久磁石１１があるとき、永久磁石１１により発生する磁束と各支持電流ｉ_su、ｉ_svおよびｉ_swにより発生する磁束とでギャップ中の磁束密度に粗密が発生する。この結果、＋ｘ方向に半径方向力が発生する。図２９に示す巻線配置によれば、振動抑制用の三相インバータ１５３による支持電流ｉ_su、ｉ_svおよびｉ_swの流れる方向および大きさを適宜制御すれば、ｘｙ平面上のあらゆる方向に半径方向力を発生させることができる。

図３１は、振動抑制のための三相インバータを有するモータ巻線並列型電動機システムを示す回路図であり、図３２は、図３１の電動機システムにおける電動機の巻線構造を説明する、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図である。ここでは、電動機１として、上述の中点注入型と同様、図３２に示すように、永久磁石１１が設けられた回転子１０の極数を４極とし、固定子２０のスロット数を６スロットとし、巻線を集中巻で構成した場合について説明する。固定子２０は、回転子１０側に突出したティース２１−１が周方向に複数周設され、各ティース２１−１はヨーク２１−２を介して結合される。

図３１に示すモータ巻線並列型電動機システムにおいては、回転子のｚ軸方向位置の能動制御と回転制御するための三相インバータ５３と振動抑制用の三相インバータ１５３との間で、各相の巻線には次のように結線される。すなわち、Ｕ相については巻線２２Ｕ₁と巻線２２Ｕ₂とが並列接続され、Ｖ相については巻線２２Ｖ₁と巻線２２Ｖ₂とが並列接続され、Ｗ相については巻線２２Ｗ₁と巻線２２Ｗ₂とが並列接続される。三相インバータ５３に結線された巻線２２Ｕ₁と巻線２２Ｖ₁と巻線２２Ｗ₁とは、中性点Ｎ₁を介してＹ結線される。一方、巻線２２Ｕ₂、巻線２２Ｖ₂および巻線２２Ｗ₂は、三相インバータ５３と三相インバータ１５３との間に接続される。このため、三相インバータ５３側から見ると巻線が並列接続され、かつ三相インバータ１５３側から見ると巻線が直列接続された結線状態となる。このような巻線の結線状態の下では、振動抑制用の三相インバータ１５３による支持電流ｉ_su、ｉ_svおよびｉ_swは、巻線２２Ｕ₁、巻線２２Ｕ₂、巻線２２Ｖ₁、巻線２２Ｖ₂、巻線２２Ｗ₁および巻線２２Ｗ₂すべてを流れることになる。ここで、図３１に示すように、振動抑制用の三相インバータ１５３から巻線２２Ｕ₂に支持電流ｉ_suを流して図３２のＸ軸方向に半径方向力を発生させる場合について考える。この場合、振動抑制用の三相インバータ１５３から流出したＵ相の支持電流ｉ_suは巻線２２Ｕ₂および巻線２２Ｕ₁を流れ、さらに中性点Ｎ₁で２分岐されて巻線２２Ｖ₁および巻線２２Ｗ₁に流れ込む。Ｖ相の支持電流ｉ_svは中性点Ｎ₁から巻巻線２２Ｖ₁および線２２Ｖ₂を介して振動抑制用の三相インバータ１５３へ流れ、Ｗ相の支持電流ｉ_swは中性点Ｎ₁から巻線２２Ｗ₂を介して振動抑制用の三相インバータ１５３へ流れる。このように図３１に示す向きに支持電流ｉ_su、ｉ_svおよびｉ_swが流れることを考慮して、各スロットには図３２に示すように巻線２２Ｕ₂、２２Ｖ₂および２２Ｗ₂、ならびに巻線２２Ｕ₁、２２Ｖ₁および２２Ｗ₁を配置する。このような巻線配置によれば、巻線２２Ｕ₂に支持電流ｉ_suが流れることにより巻線２２Ｕ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向外向き（＋ｘ方向）に発生し、巻線２２Ｕ₁に支持電流ｉ_suが流れることにより巻線２２Ｕ₁が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向内向き（＋ｘ方向）に発生する。また、巻線２２Ｖ₂に支持電流ｉ_svが流れることにより巻線２２Ｖ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向内向きに発生し、巻線２２Ｖ₁に支持電流ｉ_svが流れることにより巻線２２Ｖ₁が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向外向きに発生する。また、巻線２２Ｗ₂に支持電流ｉ_swが流れることにより巻線２２Ｗ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向内向きに発生し、巻線２２Ｗ₁に支持電流ｉ_swが流れることにより巻線２２Ｗ₁が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向外向きに発生する。図３２に示す位置に回転子１０の永久磁石１１があるとき、永久磁石１１により発生する磁束と各支持電流ｉ_su、ｉ_svおよびｉ_swにより発生する磁束とでギャップ中の磁束密度に粗密が発生する。この結果、＋ｘ方向に半径方向力が発生する。図３２に示す巻線配置によれば、振動抑制用の三相インバータ１５３による支持電流ｉ_su、ｉ_svおよびｉ_swの流れる方向および大きさを適宜制御すれば、ｘｙ平面上のあらゆる方向に半径方向力を発生させることができる。また、支持電流ｉ_su、ｉ_svおよびｉ_swは、巻線２２Ｕ₁、巻線２２Ｕ₂、巻線２２Ｖ₁、巻線２２Ｖ₂、巻線２２Ｗ₁および巻線２２Ｗ₂すべてを流れるので、これら各巻線すべてについて磁束が発生し、このため、モータ巻線並列型電動機システムは、中点注入型電動機システムよりも大きな半径方向力を発生させることができる。

Ｔ．オウジ（Ｔ．Ｏｈｊｉ）、Ｔ．カツダ（Ｔ．Ｋａｔｓｕｄａ）、Ｋ．アメイ（Ｋ．Ａｍｅｉ）、Ｍ．サクイ（Ｍ．Ｓａｋｕｉ）著、「表面貼付型磁石１軸制御反発型磁気ベアリングシステムの構造、ならびにおよびその浮上および回転の試験（ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＯｎｅ−ＡｘｉｓＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＲｅｐｕｌｓｉｖｅＴｙｐｅＭａｇｎｅｔｉｃＢｅａｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍＷｉｔｈＳｕｒｆａｃｅＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔｓＩｎｓｔａｌｌｅｄａｎｄＩｔｓＬｅｖｉｔａｔｉｏｎａｎｄＲｏｔａｔｉｏｎＴｅｓｔｓ）」、（米国）、米国電気電子学会トランザクション（ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ）、磁気学（Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ）、Ｖｏｌ．４７、Ｎｏ．１２、ｐｐ４７３４〜４７３９、２０１１年１２月Ｓ. ヤン（Ｓ. Ｙａｎｇ）、Ｍ. ファング（Ｍ. Ｈｕａｎｇ）著、「磁気浮上１軸制御された軸方向血液ポンプの設計および実現（ＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａＭａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙＬｅｖｉｔａｔｅｄＳｉｎｇｌｅ−ＡｘｉｓＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＡｘｉａｌＢｌｏｏｄＰｕｍｐ）」、米国電気電子学会トランザクション（ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ）、産業電気（ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、Ｖｏｌ．５６、Ｎｏ．６、ｐｐ２２１３〜２２１９、２００９年６月湯本淳史、進士忠彦著、「軸方向制御型磁気軸受モータを搭載した小型遠心血流ポンプ」、日本機械学会論文集Ｃ編、第７８巻、第７９２号、ｐｐ．３０６４〜３０７２、２０１２年８月Ｊ．アサマ（Ｊ．Ａｓａｍａ）、Ｙ．ハマサキ（Ｙ．Ｈａｍａｓａｋｉ）、Ｔ．オオイワ（Ｔ．Ｏｉｗａ）、Ａ．チバ（Ａ．Ｃｈｉｂａ）著、「シングルドライブベアリングレスモータの新しいコンセプト（ＡＮｏｖｅｌＣｏｎｃｅｐｔｏｆａＳｉｎｇｌｅ−ＤｒｉｖｅＢｅａｒｉｎｇｌｅｓｓＭｏｔｏr）」、（米国）、米国電気電子学会トランザクション（ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ）、産業電気（ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、Ｖｏｌ．６０、Ｎｏ．１、ｐｐ１２９〜１３８、２０１３年１月Ｈ.スギモト（Ｈ.Ｓｕｇｉｍｏｔｏ）、Ｓ.タナカ（Ｓ.Ｔａｎａｋａ）、Ａ.チバ（Ａ.Ｃｈｉｂａ）、Ｊ.アサマ（Ｊ.Ａｓａｍａ）、「新規な円筒状ラジアルギャップ型シングルドライブベアリングレスモータの設計および試験結果（ＤｅｓｉｇｎａｎｄＴｅｓｔＲｅｓｕｌｔｏｆＮｏｖｅｌＳｉｎｇｌｅ−ＤｒｉｖｅＢｅａｒｉｎｇｌｅｓｓＭｏｔｏｒｗｉｔｈＣｙｌｉｎｄｒｉｃａｌＲａｄｉａｌＧａｐ）」、米国電気学会エネルギー変換器会議・博覧会（ＩＥＥＥＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓ. Ｃｏｎｇｒ. ａｎｄＥｘｐｏ（ＥＣＣＥ）議事録、ｐｐ.２４６６-２４７３、２０１３

回転子に対して半径方向力を発生させようとする場合、上述の中性点注入型電動機システムおよびモータ巻線並列型電動機システムによれば、回転子のｚ軸方向位置の能動制御と回転制御するための三相インバータと振動抑制のための三相インバータの、少なくとも２台のインバータを設ける必要があり、高コストであり、設置スペースも大きなものとならざるを得ない。

また、上述の中性点注入型電動機システムおよびモータ巻線並列型電動機システムによれば、回転子の半径方向の振動を抑制することは可能であるが、上述のように、少なくとも２台のインバータを設ける必要があり、高コストであり、設置スペースも大きなものとならざるを得ない。

また、非特許文献４に記載されたようなモータと受動型磁気軸受が一体化された構造を有するアキシャルギャップ型のシングルドライブベアリングレスモータによれば、１台のインバータで回転子の回転駆動および磁気支持に対応できるものの、傾き方向の安定化のためには、回転子の直径を小さく、軸長を長くする必要があるため、半径方向の剛性が低く、軸長の短縮が困難である。

したがって本発明の第１の目的は、上記問題に鑑み、１台のインバータで回転子に対して半径方向力が発生可能でありかつ回転子のトルクおよび能動的な軸方向の力が発生可能である、低コストで省スペースの電動機システムを提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、上記問題に鑑み、１台のインバータで回転子の半径方向の振動を抑制可能でありかつ回転子のトルクおよび能動的な軸方向の力が発生可能である、低コストで省スペースの電動機システムを提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明においては、電動機システムは、回転軸に対して半径方向外向きの磁束および半径方向内向きの磁束が周方向にわたって交互に発生するよう永久磁石が配置された回転子と、回転子に対して径方向にギャップを隔てて対向した固定子であって、回転子側に突出したティースが周方向に複数周設され、中性点結線された多相巻線の各相の固定子巻線が各ティースの間にそれぞれ配置された固定子と、を有する電動機と、入力された直流電流を変換して固定子巻線に供給するための交流電流を生成するインバータと、インバータの直流側の電圧の中点と、多相巻線が有する中性点のうちの１つとを接続する接続手段と、接続手段に零相電流が流れるようインバータを制御するコントローラと、を備え、接続手段に零相電流を流すことにより発生する磁束と永久磁石により発生する磁束とにより、回転子に対して半径方向力を発生させる。

また、電動機システムは、回転子の中心軸からの半径方向の振動を検出するセンサを備え、コントローラは、センサが検出した振動に関する情報に基づいて、回転子の振動を抑制する方向に半径方向力を発生させる零相電流が制御手段に流れるよう、インバータを制御するための零相電流指令を生成する。

ここで、多相巻線の各相において、固定子巻線は、互いに並列接続された巻線の組からなるようにしてもよく、この場合、各相の上記互いに並列接続された巻線組のうちの１組をＹ結線したときの中性点が、接続手段により、インバータの直流側の電圧の中点と接続され、また、各巻線組は、中性点を介して流れる零相電流により発生する磁束と永久磁石により発生する磁束とにより回転子に対して一方向の半径方向力が発生するよう、各ティースの間にそれぞれ配置される。

また、電動機は、回転子の極数をｐ_r、固定子巻線に零相電流を流したときに発生する磁界の極数をｐ_sとしたとき、「ｐ_s＝ｐ_r±２」で表される関係式を満たす回転子および固定子、巻線を有する。

本発明によれば、１台のインバータで回転子に対して半径方向力が発生可能でありかつ回転子のトルクおよび能動的な軸方向の力が発生可能である、低コストで省スペースの電動機システムを実現することができる。すなわち、本発明によれば、三相インバータの直流側の電圧の中点と、固定子巻線に設けられたＹ結線された三相巻線が有する中性点のうちの１つとを接続手段により接続し、この接続手段に零相電流を流すことにより固定子巻線に磁束を発生させ、この磁束と永久磁石により発生する磁束とにより、回転子に対して半径方向力を発生させることができる。零相電流は交流であるため、中性点において電圧の不平衡が生じにくい有利があるが、分割された電圧を制御してもよい。

また、本発明によれば、１台のインバータで回転子の半径方向力の振動を抑制可能でありかつ回転子のトルクおよび能動的な軸方向の力が発生可能である、低コストで省スペースの電動機システムを実現することができる。すなわち、本発明によれば、回転子の中心軸からの半径方向の振動に応じて、接続手段に流す零相電流を調整するので、回転子の半径方向の振動を抑制する半径方向力を発生させることができる。本発明は、能動的な軸方向の力を発生させる必要のない一般的なモータの半径方向の振動抑制にも適用できる。

本発明の第１の実施例による電動機システムを示す回路図である。図１の電動機システムにおける電動機の巻線構造を例示する、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図である。本発明の第１の実施例による電動機システムの電動機の巻線構造の変形例を説明する、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図である。図１の電動機システムにおける電動機の回転子の極数を４極とし、固定子巻線に零相電流を流したときに発生する磁界の極数を２極とした場合における巻線構造を例示する、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図である。本発明の第２の実施例による電動機システムを示す回路図である。図５の電動機システムにおける電動機の巻線構造を例示する、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図である。本発明の第３の実施例による電動機システムを示す回路図である。図７の電動機システムにおける電動機の巻線構造を例示する、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図である。本発明の第４の実施例による電動機システムを示す回路図である。図９の電動機システムにおける電動機の巻線構造を例示する、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図である。本発明の第５の実施例による電動機システムを示す回路図である。図１１の電動機システムにおける電動機の巻線構造を例示する、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図である。本発明の第６の実施例による電動機システムにおける電動機を説明する分解斜視図である。図１３の電動機システムにおける電動機のｘｚ断面図である。図１３および図１４の電動機を有する電動機システムを説明する制御ブロック図である。図１３の電動機システムにおける電動機の軸方向の力の発生原理を説明するｘｚ断面図である。本発明の第６の実施例における半径方向力の発生原理について説明するｘｚ断面図である。図１３〜図１７の電動機システムにおける電動機の巻線構造を例示する、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図であり、（Ａ）は３層のうちの上段、（Ｂ）は３層のうちの中段、（Ｃ）は３層のうちの下段を示している。本発明の第１の実施例における電動機システムにおけるベアリングレスモータの回転子の半径方向の振動の抑制を説明する図である。本発明の第１の実施例における電動機システムにおけるベアリングレスモータの回転子の半径方向の１次振動を抑制する指令値の生成を示す図である。本発明の第１の実施例における電動機システムにおけるベアリングレスモータの回転子の半径方向の４次振動を抑制する指令値の生成を示す図である。本発明の第３の実施例における電動機システムにおけるベアリングレスモータの回転子の半径方向の１次振動を抑制する指令値の生成を示す図である。本発明の第３の実施例における電動機システムにおけるベアリングレスモータの回転子の半径方向の２次振動を抑制する指令値の生成を示す図である。本発明の第４の実施例における電動機システムにおけるベアリングレスモータの回転子の半径方向の１次振動を抑制する指令値の生成を示す図である。本発明の第４の実施例における電動機システムにおけるベアリングレスモータの回転子の半径方向の２次振動を抑制する指令値の生成を示す図である。本発明の第４の実施例における電動機システムにおけるベアリングレスモータの回転子の半径方向の６次振動を抑制する指令値の生成を示す図である。モータの両端に反発受動型磁気軸受を有する１軸制御のシングルドライブベアリングレスモータを説明する断面図である。振動抑制のための三相インバータを有する中性点注入型電動機システムを示す回路図である。図２８の電動機システムにおける電動機の巻線構造を説明する、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図である。本願図面において示される巻線電流の向き、力の向き、永久磁石により発生する磁束の向き、および巻線電流により発生する磁束の向きを示す図である。振動抑制のための三相インバータを有するモータ巻線並列型電動機システムを示す回路図である。図３１の電動機システムにおける電動機の巻線構造を説明する、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図である。

以下図面を参照して、本発明によるベアリングレスモータについて説明する。しかしながら、本発明は、図面又は以下に説明される実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。以下、インナーロータ型を例にとり説明するが、アウターロータ型であってもよい。以下、インバータとして三相のものが多用されているため三相について記述するが、二相や四相以上など多相インバータを用いてもよい。また、ベアリングレスモータでなく機械的なベアリングを有する一般的なモータであってもよい。

図１は、本発明の第１の実施例による電動機システムを示す回路図であり、図２は、図１の電動機システムにおける電動機の巻線構造を例示する、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図である。

本発明の第１の実施例によれば、電動機システム１００は、電動機（以下、「ベアリングレスモータ」と称する）１と、三相インバータ２と、接続手段３と、コントローラ（図示せず）とを備える。

ベアリングレスモータ１は、回転子１０と、回転子１０に対して径方向にギャップを隔てて対向した固定子２０とを有する。ベアリングレスモータ１は、回転子１０の極数をｐ_r、固定子２０に設けられる固定子巻線に零相電流を流したときに発生する磁界の極数をｐ_sとしたとき、式１を満たすものとする。一例として、本発明の第１の実施例では、回転子２０の極数ｐ_rを４極とし、固定子巻線に零相電流を流したときに発生する磁界の極数ｐ_sを６極としている。なお、固定子２０のスロット数は、一般的なモータとして機能する数であればよく、特に制限はない。本発明の第１の実施例では、固定子２０のスロット数を例えば６とする。

回転子１０では、回転軸ｚに対して半径方向外向きの磁束および半径方向内向きの磁束が周方向にわたって交互に発生するよう永久磁石１１が配置される。固定子２０では、回転子１０側に突出したティース２１−１が周方向に複数周設され、中性点結線された三相巻線の各相の固定子巻線２２Ｕ₁、２２Ｕ₂、２２Ｖ₁、２２Ｖ₂、２２Ｗ₁および２２Ｗ₂が各ティース２１−１の間にそれぞれ配置される。

各相において、固定子巻線は互いに並列接続の関係となるように分割される。三相巻線の場合、その並列数は、固定子２０のスロット数を３で割った数の約数とする。ただし、スロット数が３より大きい場合は、並列数１を含まない。例えば、本実施例ではスロット数は６であるので、各相において、固定子巻線の並列数を例えば２とする。なお、本実施例以外の並列数の具体例についてはいくつか後述する。図１に示すように、固定子２０における各相の固定子巻線は、互いに並列接続の関係となるように２分割され、一方の固定子巻線は、一般的な三相モータ同様Ｙ結線されたときの中性点Ｎ₁に接続され、もう一方の固定子巻線は、三相インバータ２の直流側の電圧の中点に結線される中性点Ｎ₂に接続される。すなわち、電動機１の三相巻線の各相において、固定子巻線は、互いに並列接続された巻線の組、固定子巻線２２Ｕ₁および２２Ｕ₂、２２Ｖ₁および２２Ｖ₂、２２Ｗ₁および２２Ｗ₂、からなる。互いに並列接続された巻線の組のうちの１組をＹ結線したときの中性点Ｎ₂が、接続手段３により、三相インバータ２の直流側の電圧の中点と接続される。各巻線の組は、本発明の第１の実施例では図２に示すように、中性点Ｎ₂を介して流れる零相電流により発生する磁束と永久磁石１１により発生する磁束とにより回転子１０に対して一方向の半径方向力が発生するよう、各ティース２１−１の間にそれぞれ配置される。

三相インバータ２は、入力された直流電流を変換して固定子巻線２２Ｕ₁、２２Ｕ₂、２２Ｖ₁、２２Ｖ₂、２２Ｗ₁および２２Ｗ₂に供給するための三相交流電流を生成する。

接続手段３は、三相インバータ２の直流側の電圧の中点すなわち直流コンデンサの中点と、ベアリングレスモータ１の三相巻線が有する中性点Ｎ₁およびＮ₂のうちの１つであるＮ₂とを接続する。

コントローラは、接続手段３に零相電流が流れるよう三相インバータを制御する。本発明では、接続手段３に零相電流を流すことにより発生する磁束と永久磁石１１により発生する磁束とにより、回転子１０に対して半径方向力を発生させる。以下、その動作原理について説明する。

一般的な３相モータでは、式２に示すように、モータに流入する３相電流ｉ_u、ｉ_vおよびｉ_wの和は零（０）となる。

これに対し、図１に示す本発明の第１の実施例によれば、３相電流ｉ_u、ｉ_vおよびｉ_wと零相電流ｉ₀との関係は式３で表される。

通常、回転子１０のトルクとｚ軸方向の磁気支持力を発生される場合は、式３における零相電流ｉ₀は０Ａとなる。例えば、Ｕ相についていえば、互いに並列接続された固定子巻線２２Ｕ₁および２２Ｕ₂の両方にモータ電流が流れるが、零相電流ｉ₀は流れない。接続手段３に零相電流ｉ₀が流れた場合、固定子巻線２２Ｕ₂、２２Ｖ₂および２２Ｗ₂に流れる零相電流ｉ_u0、ｉ_v0およびｉ_w0は式４の関係式を満たす。

図１において正の零相電流ｉ₀を流す場合は、コントローラの制御により三相インバータ２の上側アームのスイッチＳ₁、Ｓ₃およびＳ₅をオンすることで、接続手段３を介して中性点Ｎ₂に接続されている固定子巻線２２Ｕ₂、２２Ｖ₂および２２Ｗ₂のみにそれぞれ零相電流ｉ_u0、ｉ_v0およびｉ_w0が流れる。この結果、図２に示すように、固定子巻線２２Ｕ₂に零相電流ｉ_u0が流れることにより固定子巻線２２Ｕ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向内向き（＋ｘ方向）に発生し、固定子巻線２２Ｖ₂に零相電流ｉ_v0が流れることにより固定子巻線２２Ｖ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向内向きに発生し、固定子巻線２２Ｗ₂に零相電流ｉ_w0が流れることにより固定子巻線２２Ｗ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向内向きに発生する。よって図２に示す位置に回転子１０の永久磁石１１があるとき、永久磁石１１により発生する磁束と各零相電流ｉ_s0、ｉ_s0およびｉ_s0により発生する磁束とでギャップの磁束密度に粗密が発生する。この結果、＋ｘ方向に半径方向力Ｆ_rが発生する。

反対に、図１において負の零相電流ｉ₀を流す場合は、コントローラの制御により三相インバータ２の下側アームのスイッチＳ₂、Ｓ₄およびＳ₆をオンすることで、接続手段３を介して中性点Ｎ₂に接続されている固定子巻線２２Ｕ₂、２２Ｖ₂および２２Ｗ₂のみにそれぞれ零相電流ｉ_u0、ｉ_v0およびｉ_w0が流れる。この結果、図２に示す向きとは逆向きの磁束が各ティース２１−１に発生し、この永久磁石１１により発生する磁束と各零相電流ｉ_s0、ｉ_s0およびｉ_s0により発生する磁束とでギャップの磁束密度に粗密が発生する。この結果、図２に示す向きとは逆向きである−ｘ方向に半径方向力が発生する。

なお、ここでは図２に示す位置に回転子１０の永久磁石１１があるときを例にとり説明したが、回転子１０は回転軸ｚの周りを回転するので、半径方向力Ｆ_rはベアリングレスモータ１の電気角に同期して回転する。

このように、本発明の第１の実施例によれば、接続手段３に零相電流を流すことにより発生する磁束と永久磁石１１により発生する磁束とにより、回転子１０に対して半径方向力Ｆ_rを発生させることができる。コントローラにより接続手段３に流す交流の零相電流を適宜制御することにより、半径方向力Ｆ_rの方向および大きさを制御することができる。なお、零細電流ｉ₀は交流であるため、中性点Ｎ₂において電圧の不平衡が生じにくい有利がある。必要があれば分割された電圧を制御してもよい。

図３は、本発明の第１の実施例による電動機システムの電動機の巻線構造の変形例を説明する、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図である。図３においては、回転子１０については永久磁石１１、固定子２０については各巻線およびティース２１−１のみについて示し、これ以外の部品については省略している。図１に示す電動機システムについて、図３に示すような位置に固定子巻線２２Ｕ₁、２２Ｕ₂、２２Ｖ₁、２２Ｖ₂、２２Ｗ₁および２２Ｗ₂を配置すると、図２で示した巻線構造の場合とは同じ向きに半径方向力を発生させることができる。

図４は、図１の電動機システムにおける電動機の回転子の極数を４極とし、固定子巻線に零相電流を流したときに発生する磁界の極数を２極とした場合における巻線構造を例示する、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図である。図４においては、回転子１０については永久磁石１１、固定子２０については各巻線およびティース２１−１のみについて示し、これ以外の部品については省略している。上述のように、本発明が適用できるベアリングレスモータ１は式１を満たすものであるが、ここでは式１を満たすベアリングレスモータ１として、回転子の極数ｐ_rを４極とし、固定子巻線に零相電流を流したときに発生する磁界の極数ｐ_sを２極とした例について説明する。例えば図４に示すような位置に固定子巻線２２Ｕ₁、２２Ｕ₂、２２Ｖ₁、２２Ｖ₂、２２Ｗ₁および２２Ｗ₂を配置した場合において、固定子巻線２２Ｕ₂、２２Ｖ₂、および２２Ｗ₂に正の零相電流が流れると、固定子巻線２２Ｕ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向外向き（＋ｘ方向）に発生し、固定子巻線２２Ｖ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向外向きに発生し、固定子巻線２２Ｗ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向外向きに発生する。よって図４に示す位置に回転子１０の永久磁石１１があるとき、永久磁石１１により発生する磁束と各零相電流により発生する磁束とでギャップの磁束密度に粗密が発生する。この結果、＋ｘ方向に半径方向力Ｆ_rが発生する。このように、本変形例は、図１に示した第１の実施例同様、４極回転子であるが、固定子巻線に零相電流を流したときに発生する磁界の極数ｐ_sを変えたものであり、固定子巻線に零相電流を流したときに発生する磁界の極数が異なると、本変形例で示したように巻線配置が変わる。

図５は、本発明の第２の実施例による電動機システムを示す回路図であり、図６は、図５の電動機システムにおける電動機の巻線構造を例示する、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図である。図６においては、回転子１０については永久磁石１１、固定子２０については各巻線およびティース２１−１のみについて示し、これ以外の部品については省略している。本実施例は、回転子の極数が２極、固定子巻線に零相電流を流したときに発生する磁界の極数が０極である式１を満たすベアリングレスモータ１に本発明を適用したものである。ベアリングレスモータ１については、図６に示すようにスロット数（すなわちティース２１−１の数）は３となるので、各ティース２１−１に固定子巻線２２Ｕ₁、固定子巻線２２Ｖ₁および固定子巻線２２Ｗ₁が巻かれる。また、図５に示すように、Ｙ結線された固定子巻線２２Ｕ₁、固定子巻線２２Ｖ₁および固定子巻線２２Ｗ₁の中性点Ｎ₁が、接続手段３により、三相インバータ２の直流側の電圧の中点と接続される。図５において正の零相電流ｉ₀を流すと、図６に示すように、固定子巻線２２Ｕ₁に零相電流ｉ_u0が流れることにより固定子巻線２２Ｕ₁が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向外向き（＋ｘ方向）に発生し、固定子巻線２２Ｖ₁に零相電流ｉ_v0が流れることにより固定子巻線２２Ｖ₁が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向外向きに発生し、固定子巻線２２Ｗ₁に零相電流ｉ_w0が流れることにより固定子巻線２２Ｗ₁が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向外向きに発生する。よって図６に示す位置に回転子１０の永久磁石１１があるとき、永久磁石１１により発生する磁束と各零相電流ｉ_s0、ｉ_s0およびｉ_s0により発生する磁束とでギャップの磁束密度に粗密が発生する。この結果、＋ｘ方向に半径方向力Ｆ_rが発生する。

図７は、本発明の第３の実施例による電動機システムを示す回路図であり、図８は、図７の電動機システムにおける電動機の巻線構造を例示する、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図である。図８においては、回転子１０については永久磁石１１、固定子２０については各巻線およびティース２１−１のみについて示し、これ以外の部品については省略している。本実施例は、回転子の極数が６極、固定子巻線に零相電流を流したときに発生する磁界の極数が４極である式１を満たすベアリングレスモータ１に本発明を適用したものである。このようなベアリングレスモータ１としては固定子２０のスロット数（すなわちティース２１−１の数）は、例えば９および１８などがあるが、ここでは、図８に示すようにスロット数を９としている。上述のように、三相巻線の場合、各相における固定子巻線２０の並列数は固定子２０のスロット数を３で割った数の約数であるが、本実施例ではスロット数は９であるので、各相において、固定子巻線の並列数を例えば３とする。すなわち、９個のティース２１−１に固定子巻線を巻くために、固定子２０における各相において、固定子巻線は互いに並列接続の関係となるように３分割される。そして、各相において、巻線の組のうちの２つの固定子巻線は、一般的な三相モータ同様Ｙ結線されたときの中性点Ｎ₁に接続され、もう１つの固定子巻線は、三相インバータ２の直流側の電源の中点に結線される中性点Ｎ₂に接続される。すなわち、図７に示すように、固定子巻線２２Ｕ₂、固定子巻線２２Ｖ₂および固定子巻線２２Ｗ₂の中性点Ｎ₂は、接続手段３により、三相インバータ２の直流側の電圧の中点と接続され、また、２並列の固定子巻線２２Ｕ₁、２並列の固定子巻線２２Ｖ₁および２並列の固定子巻線２２Ｗ₁は中性点Ｎ₁に接続される。このような結線関係を有する固定子巻線２２Ｕ₁、２２Ｕ₂、２２Ｖ₁、２２Ｖ₂、２２Ｗ₁および２２Ｗ₂を、例えば図８に示すような位置関係にてティース２１−１に巻く。図７において正の零相電流ｉ₀を流すと、図８に示すように、固定子巻線２２Ｕ₂に零相電流ｉ_u0が流れることにより固定子巻線２２Ｕ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向外向き（＋ｘ方向）に発生し、固定子巻線２２Ｖ₂に零相電流ｉ_v0が流れることにより固定子巻線２２Ｖ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向外向きに発生し、固定子巻線２２Ｗ₂に零相電流ｉ_w0が流れることにより固定子巻線２２Ｗ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向外向きに発生する。よって図８に示す位置に回転子１０の永久磁石１１があるとき、永久磁石１１により発生する磁束と各零相電流ｉ_s0、ｉ_s0およびｉ_s0により発生する磁束とでギャップの磁束密度に粗密が発生する。この結果、＋ｘ方向に半径方向力Ｆ_rが発生する。

図９は、本発明の第４の実施例による電動機システムを示す回路図であり、図１０は、図９の電動機システムにおける電動機の巻線構造を例示する、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図である。図１０においては、回転子１０については永久磁石１１、固定子２０については各巻線およびティース２１−１のみについて示し、これ以外の部品については省略している。本実施例は、回転子の極数が８極であり、固定子巻線に零相電流を流したときに発生する磁界の極数が６極である式１を満たすベアリングレスモータ１に本発明を適用したものである。このようなベアリングレスモータ１としては固定子２０のスロット数（すなわちティース２１−１の数）は、例えば６、１２および１８などがあるが、ここでは、図１０に示すようにスロット数を１２としている。上述のように、三相巻線の場合、各相における固定子巻線２０の並列数は固定子２０のスロット数を３で割った数の約数であるが、本実施例ではスロット数は１２であるので、各相において、固定子巻線の並列数を例えば４とする。すなわち、１２個のティース２１−１に固定子巻線を巻くために、固定子２０における各相において、固定子巻線は互いに並列接続の関係となるように４分割される。そして、各相において、巻線の組のうちの３つの固定子巻線は、一般的な三相モータ同様Ｙ結線されたときの中性点Ｎ₁に接続され、もう１つの固定子巻線は、三相インバータ２の直流側の電圧の中点に結線される中性点Ｎ₂に接続される。すなわち、図９に示すように、固定子巻線２２Ｕ₂、固定子巻線２２Ｖ₂および固定子巻線２２Ｗ₂の中性点Ｎ₂は、接続手段３により、三相インバータ２の直流側の電圧の中点と接続され、また、３並列の固定子巻線２２Ｕ₁、３並列の固定子巻線２２Ｖ₁および３並列の固定子巻線２２Ｗ₁は中性点Ｎ₁に接続される。このような結線関係を有する固定子巻線２２Ｕ₁、２２Ｕ₂、２２Ｖ₁、２２Ｖ₂、２２Ｗ₁および２２Ｗ₂を、例えば図１０に示すような位置関係にてティース２１−１に巻く。図９において正の零相電流ｉ₀を流すと、図１０に示すように、固定子巻線２２Ｕ₂に零相電流ｉ_u0が流れることにより固定子巻線２２Ｕ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向外向き（＋ｘ方向）に発生し、固定子巻線２２Ｖ₂に零相電流ｉ_v0が流れることにより固定子巻線２２Ｖ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向外向きに発生し、固定子巻線２２Ｗ₂に零相電流ｉ_w0が流れることにより固定子巻線２２Ｗ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向外向きに発生する。よって図１０に示す位置に回転子１０の永久磁石１１があるとき、永久磁石１１により発生する磁束と各零相電流ｉ_s0、ｉ_s0およびｉ_s0により発生する磁束とでギャップの磁束密度に粗密が発生する。この結果、＋ｘ方向に半径方向力Ｆ_rが発生する。

図１１は、本発明の第５の実施例による電動機システムを示す回路図であり、図１２は、図１１の電動機システムにおける電動機の巻線構造を例示する、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図である。図１２においては、回転子１０については永久磁石１１、固定子２０については各巻線およびティース２１−１のみについて示し、これ以外の部品については省略している。本実施例は、回転子の極数が１０極であり、固定子巻線に零相電流を流したときに発生する磁界の極数が１２極である式１を満たすベアリングレスモータ１に本発明を適用したものである。図１２に示すように、ベアリングレスモータ１については、スロット数（すなわちティース２１−１の数）を１２としている。上述のように、三相巻線の場合、各相における固定子巻線２０の並列数は固定子２０のスロット数を３で割った数の約数であるが、本実施例ではスロット数は１２であるので、各相において、固定子巻線の並列数を例えば４とする。すなわち、１２個のティース２１−１に固定子巻線を巻くために、固定子２０における各相において、固定子巻線は互いに並列接続の関係となるように４分割される。そして、各相において、巻線の組のうちの３つの固定子巻線は、三相インバータ２の直流側の電圧の中点に結線される中性点Ｎ₂に接続され、もう１つの固定子巻線は、一般的な三相モータ同様Ｙ結線されたときの中性点Ｎ₁に接続される。すなわち、図１１に示すように、３並列の固定子巻線２２Ｕ₂、３並列の固定子巻線２２Ｖ₂および３並列の固定子巻線２２Ｗ₂の中性点Ｎ₂は、接続手段３により、三相インバータ２の直流側の電圧の中点と接続され、また、固定子巻線２２Ｕ₁、固定子巻線２２Ｖ₁および固定子巻線２２Ｗ₁は中性点Ｎ₁に接続される。このような結線関係を有する固定子巻線２２Ｕ₁、２２Ｕ₂、２２Ｖ₁、２２Ｖ₂、２２Ｗ₁および２２Ｗ₂を、例えば図１２に示すような位置関係にてティース２１−１に巻く。図１１において正の零相電流ｉ₀を流すと、図１２に示すように、固定子巻線２２Ｕ₂に零相電流ｉ_u0が流れることにより固定子巻線２２Ｕ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向外向き（＋ｘ方向）に発生し、固定子巻線２２Ｖ₂に零相電流ｉ_v0が流れることにより固定子巻線２２Ｖ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向外向きに発生し、固定子巻線２２Ｗ₂に零相電流ｉ_w0が流れることにより固定子巻線２２Ｗ₂が巻かれるティース２１−１には磁束が半径方向外向きに発生する。よって図１２に示す位置に回転子１０の永久磁石１１があるとき、永久磁石１１により発生する磁束と各零相電流ｉ_s0、ｉ_s0およびｉ_s0により発生する磁束とでギャップの磁束密度に粗密が発生する。この結果、＋ｘ方向に半径方向力Ｆ_rが発生する。

なお、上述の第１〜第５の実施例における回転子の極数、固定子のスロット数は一例であり、本発明を特に限定するものではない。式１を満たすベアリングレスモータであれば本発明を適用することができる。

上述の第１〜第５の実施例では、ベアリングレスモータの巻線構造について、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図を用いて説明した。これら各実施例は、ｘｚ断面から見れば、回転子は、回転軸に対して半径方向外向きの磁束が発生する第１の永久磁石と半径方向内向きの磁束が発生する第２の永久磁石とが周方向に交互に周設される永久磁石層を、ｘｙ同一平面上に１層有するものと考えられる。しかしながら、本発明は、固定子の永久磁石層の層数に限定されずに実現することができる。すなわち、図１４〜図１８を用いて説明する第６の実施例のように、軸方向に積層された複数の永久磁石層を有する多層構造で構成することもできる。ここでは、一例として、永久磁石層を３層に積層した場合について説明する。

図１３は、本発明の第６の実施例による電動機システムにおける電動機を説明する分解斜視図であり、図１４は、図１３の電動機システムにおける電動機のｘｚ断面図である。なお、図１４ならびに後述する図１５および図１７では、一例としてＵ相巻線が存在する部分で切断したｘｚ断面を示している。一例として１２スロット固定子に８極の集中巻が施された表面貼付型回転子を有するベアリングレスモータ１について説明する。

回転子１０は、回転軸ｚに対して半径方向外向きの磁束および半径方向内向きの磁束が周方向にわたって交互に発生する永久磁石１１を含む永久磁石層が３層積層された構造を有する。軸方向に隣接した各永久磁束層に含まれる永久磁石１１の間には、非磁性体物質からなる非磁性体１２の層が設けられる。回転子１０の回転軸の近傍には、回転子１０の軸方向の位置を検出する変位センサ５１が設けられる。固定子２０に対して回転子１０を半径方向に受動的に磁気支持する受動型磁気軸受（ＰＭＢ：ＰａｓｓｉｖｅＭａｇｎｅｔｉｃＢｅａｒｉｎｇ）３０が、回転子１０の回転軸ｚとなるシャフト１４の上下両端に設けられる。受動型磁気軸受３０は、回転子側永久磁石３１と、固定子側永久磁石３２とからなる。回転子側永久磁石３１は回転子１０のシャフト１４の周面に設けられる。固定子側永久磁石３２は、例えば固定子２０が固定されたケース（図示せず）に固定される。回転子側永久磁石３１および固定子側永久磁石３２は、互いに吸引するものでも反発するものでもどちらでもよい。図示の例では反発型の受動型磁気軸受３０を示しており、この場合、回転子側永久磁石３１と固定子側永久磁石３２とがギャップを挟んで径方向に並ぶラジアルギャップで構成する。なお、図示はしないが吸引型の受動型磁気軸受とする場合には、回転子側永久磁石３１と固定子側永久磁石３２とがギャップを挟んで軸方向に並ぶアキシャルギャップで構成する。

固定子２０において、固定子鉄心２１のＺ軸方向の外方両端に、回転子１０側に突出した補助ティース２３−１が、周方向に複数周設される。ティース２１−１と補助ティース２３−１とはヨーク２３−２によって結合される。補助ティース２３−１には巻線（以下、「補助巻線」と称する）２４Ｕが巻かれる。これにより、巻線２２Ｕに加え補助巻線２４Ｕにも電流が流すことによりＺ軸方向に発生する力をさらに大きくすることができる。

図１３および図１４に示した構造を有するベアリングレスモータ１について、回転子１０の半径方向力の発生原理を説明する前に、回転子１０の回転トルクおよびｚ軸方向の支持力の発生原理について説明すると次の通りである。

図１５は、図１３および図１４の電動機を有する電動機システムを説明する制御ブロック図である。図１５に示すように、電動機システム１００は、図１３および図１４に示したベアリングレスモータ１と、回転子の軸方向の位置を検出する変位センサ５１と、変位センサ５１が検出する位置情報に基づいて回転子の軸方向の位置制御を行うための界磁電流指令を生成し、回転子１０を回転駆動するための電機子電流指令を生成するコントローラ５２と、界磁電流指令および電機子電流指令に基づいて直流電流を変換して巻線に供給するための交流電流を生成する三相インバータ２とを備える。ベアリングレスモータ１では、電機子電流（ｑ軸電流）により回転子１０の回転トルクが発生し、界磁電流（ｄ軸電流）により回転子１０のｚ軸方向の支持力が発生する。このように、１台の三相インバータ２でベアリングレスモータ１の回転子のｚ軸方向位置の能動制御と回転制御とを行う。

コントローラ５２において、回転子１０のｚ軸方向の支持力発生制御として、ｚ軸方向位置の指令値ｚ^*と、ベアリングレスモータ１の回転子１０の軸方向の検出変位ｚとから比較器Ｂ１で偏差を計算し、ＰＩＤ制御部Ｂ２でＰＩＤ制御を行い、界磁電流指令であるｄ軸電流指令値ｉ_d ^*を作成する。また、ベアリングレスモータ１の回転子１０の回転駆動制御として、回転速度指令ω^*を指令する。

比較器Ｂ３においてｄ軸電流指令値ｉ_d ^*とｄ軸電流検出値ｉ_dとの偏差が計算され、ＰＩ制御部Ｂ４でＰＩ制御が行われ、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*が作成される。

微分器Ｂ５では、角度センサ（図示せず）によって検出されたベアリングレスモータ１の回転子１０の位相角θを微分して回転速度検出値ωを作成する。比較器Ｂ６において回転速度指令ω^*と回転速度検出値ωとの偏差が計算され、ＰＩ制御部Ｂ７でＰＩ制御が行われ、電機子電流指令であるｑ軸電流指令値ｉ_q ^*が作成される。そして、比較器Ｂ８においてｑ軸電流指令値ｉ_q ^*とｑ軸電流検出値ｉ_qとの偏差が計算され、ＰＩ制御部Ｂ９でＰＩ制御が行われ、ｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*が作成される。

三相二相変換部回路Ｂ１０は、ベアリングレスモータ１の回転子１０の位相角θを用いてｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*およびｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を三相二相変換してｕｖｗ各相の電圧指令値Ｖ_u ^*、Ｖ_v ^*およびＶ_w ^*を出力する。ｄｑ座標系から三相座標系への変換式は式５で表される。

ｕｖｗ各相の電圧指令値Ｖ_u ^*、Ｖ_v ^*およびＶ_w ^*は三相インバータ２に入力され、三相インバータ２はこれに従って、直流電圧をベアリングレスモータ１の駆動電圧である交流電圧に変換して出力する。出力された交流電圧はベアリングレスモータの三相の各巻線に印加され、ベアリングレスモータ１の各巻線に三相電流ｉ_u、ｉ_vおよびｉ_wが流れる。

三相インバータ２からベアリングレスモータ１の巻線１２に流れるｕ相電流ｉ_uおよびｗ相電流ｉ_wは電流センサ５４によって検出されてフィードバックされる。三相二相変換回路Ｂ１１は、検出されたｕ相電流ｉ_uおよびｗ相電流ｉ_wと、ｕ相電流ｉ_uおよびｗ相電流ｉ_wから算出されたｖ相電流ｉ_vと、を三相二相変換して、回転子のＺ軸方向の支持力に起因するｄ軸電流検出値ｉ_dと、回転子のトルクに起因するｑ軸電流検出値ｉ_qとを出力する。なお、三相座標系からｄｑ座標系への変換式は式５の逆変換で表され、ここでは記載を省略する。

続いて、本発明による電動機システムにおけるベアリングレスモータの回転子の軸方向の力の発生について説明する。図１６は、図１３の電動機システムにおける電動機の軸方向の力の発生原理を説明するｘｚ断面図である。ここでは、巻線２２Ｕおよび補助巻線２４Ｕにおいて図示したような向きに電流が流れ、永久磁石１１において図示したような向きに着磁された場合を考える。

ギャップＧ１中では、補助ティース２３−１から出た永久磁石１１に起因する磁束は、斜め下方に通過して永久磁石１１に入る。ギャップＧ３および中では、永久磁石１１から出た磁束は、斜め上方に通過してティース２１−１もしくは補助ティース２３−１に入る。また、巻線２２Ｕおよび補助巻線２４Ｕにおいて、図示した向きに電流が流れると、Ｚ方向の向き（図中、細字の破線の矢印の向き）に磁束が発生する。この結果、ギャップＧ１およびＧ３では永久磁石１１により発生する磁束ならびに巻線２２Ｕおよび補助巻線２４Ｕにより発生する磁束は強め合い、ギャップＧ２およびＧ４では磁束は弱め合う。これにより、回転子１０に対し、Ｚ軸正方向に力は発生する。また逆に、巻線２２Ｕおよび補助巻線２４Ｕにおいて、図示した向きとは逆向きに電流が流れると、ギャップＧ１およびＧ３では磁束は弱め合い、ギャップＧ２およびＧ４では磁束は強め合い、これにより、回転子１０に対し、Ｚ軸負方向に力は発生する。

続いて、本発明による電動機システムにおけるベアリングレスモータの回転子の半径方向力の発生原理について、図１３および図１４に示した構造を有するベアリングレスモータ１を例にとり説明する。図１７は、本発明の第６の実施例における半径方向力の発生原理について説明するｘｚ断面図である。図１７に示すように、回転子１の回転軸が傾いた場合、この傾きを修正する復元トルクを発生させるためには、上段の永久磁石層と下段の永久磁石層とで逆向きの半径方向カを発生させればよい。すなわち、図１７の例では、上段の永久磁石層では＋ｘ軸方向に、下段の永久磁石層では−ｘ軸方向に半径方向力を発生させれば、回転子１０の回転軸の傾きを修正する復元トルクＴ_θを発生させることができる。

半径方向力の向きと復元トルクに係る回転軸は、直交関係にある。図１７に示すように、上段の永久磁石層で発生する半径方向力をＦ_u、下段の永久磁石層で発生する半径方向力をＦ_l、回転子１０の重心から上段もしくは下段の永久磁石層までのｚ軸方向の長さをｌ_sとすると、復元トルクＴ_θは式６で表される。

半径方向力Ｆ_uおよびＦ_lは、磁気飽和が発生しない領域では、巻線電流（零相電流ｉ₀）に比例する。その比例係数をｋ_i0とすると、式７で表される。

式７を式６に代入すると、式８で示されるような零相電流ｉ₀に比例する復元トルクＴ_θが得られる。

図１８は、図１３〜図１７の電動機システムにおける電動機の巻線構造を例示する、回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図であり、（Ａ）は３層のうちの上段、（Ｂ）は３層のうちの中段、（Ｃ）は３層のうちの下段を示している。図１８は、上段の永久磁石層と下段の永久磁石層とで逆向きの半径方向カを発生させるベアリングレスモータ１の構成の一例を示しており、回転子１０の中段と下段の永久磁石１１の着磁方向は同じであり、上段の永久磁石１１のみこれとは逆の着磁方向としている。また、８極の固定子巻線２２Ｕ₁、２２Ｕ₂、２２Ｖ₁、２２Ｖ₂、２２Ｗ₁および２２Ｗ₂は、上段と下段については巻線方向が同一であり、中段のみこれらとは逆方向の巻線が施されている。回転子２０の極数は８極であるので、式１に従うと、６極もしくは１０極の固定子磁束を発生させる必要がある。図１８（Ａ）に示すように、固定子巻線２２Ｕ₂、２２Ｖ₂および２２Ｗ₂に正の零相電流ｉ₀を流すと、励磁された固定子巻線２２Ｕ₂、２２Ｖ₂および２２Ｗ₂が巻かれているティース２１−１とこれと対向する回転子１０との間のギャップでは、半径方向内向きの磁束が発生する。正の零相電流ｉ₀にて励磁されていないティース２１−１には、半径方向外向きの磁東が流れ込む。結果的として、ギャップ中には６極の磁界が形成される。図１８では一例として回転子１０の回転角度が０度の場合を示しているが、この場合、α軸正方向の半径方向カＦ_rが発生する。図１８（Ｂ）は中段について示しているが、図１８（Ａ）に示した上段と同様に、固定子巻線２２Ｕ₂、２２Ｖ₂および２２Ｗ₂に正の零相電流ｉ₀を流すことでα軸正方向の半径方向カＦ_rが発生する。図１８（Ｃ）は下段について示しているが、下段の永久磁石１１の着磁方向は上段の永久磁石１１の着磁方向と逆方向であるので、α軸負方向の半径方向カＦ_rが発生する。これら各段で発生する半径方向カＦ_rを足し合わせると、回転子１０の回転軸の傾きを修正する復元トルクＴ_θが得られる。

続いて、本発明による電動機システムにおけるベアリングレスモータの回転子の半径方向の振動の抑制について説明する。第１〜第６の実施例に基づいて説明したように、本発明によれば、インバータの直流側の電圧の中点と、固定子巻線に設けられたＹ結線された三相巻線が有する中性点のうちの１つとを接続手段により接続し、この接続手段に零相電流を流すことにより固定子巻線に磁束を発生させ、この磁束と永久磁石により発生する磁束とにより、回転子に対して半径方向力を発生させる。ベアリングレスモータの回転子の半径方向の振動を抑制するために、零相電流を流すことにより発生する半径方向力を用いる。

すなわち、本発明による電動機システムでは、回転子の中心軸からの半径方向の振動に応じて、接続手段に流す零相電流を適宜調整することで、回転子の半径方向の振動を抑制する半径方向力を発生させる。このため、本発明による電動機システムは、回転子の中心軸からの半径方向の振動を検出するセンサを備え、コントローラは、センサが検出した振動に関する情報に基づいて、回転子の振動を抑制する方向に半径方向力を発生させる零相電流が接続手段に流れるよう、三相インバータを制御するための零相電流指令を生成する。センサは、回転子の回転軸の近傍や固定子表面、固定子スロットまたは固定子ヨークなど回転子の振動を検出できる部分に設けられる。第６の実施例を一例として取り上げると、図１３および図１４に示すように、回転子のｚ方向の変位を検出する変位センサ５１は、回転子１０の回転軸ｚとなるシャフト１４の下端近傍に設けられる。

ここでは一例として、図１および図２を参照して説明した第１の実施例による電動機システムにおける４極回転子の半径方向の振動の抑制を行う場合について説明するが、第２〜第６の実施例についても同様に回転子の半径方向の振動抑制が可能であり、またさらに、式１を満たすベアリングレスモータであれば回転子の極数、固定子のスロット数、永久磁石層の積層数に限定されずに、同様に回転子の半径方向の振動抑制が可能である。

図１９は、本発明の第１の実施例における電動機システムにおけるベアリングレスモータの回転子の半径方向の振動の抑制を説明する図である。図１９において横軸は回転子１０の回転角度を示す。本発明の第１の実施例については、図２に示す位置に回転子１０の永久磁石１１があるときを例に挙げて説明したが、実際は、回転子１０は回転軸ｚの周りを回転するので、図１９（Ａ）に示すように、半径方向力Ｆrはベアリングレスモータ１の電気角に同期して回転する。図１９（Ｂ）において、Ｆ_x ⁺は、正の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｘ軸方向の半径方向力を示し、Ｆ_x ^-は、負の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｘ軸方向の半径方向力を示す。また、図１９（Ｃ）において、Ｆ_y ⁺は、正の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｙ軸方向の半径方向力を示し、Ｆ_y ^-は、負の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｙ軸方向の半径方向力を示す。

ここで、図１９（Ｄ）および図１９（Ｅ）に示すように例えば一点鎖線で示した波形の振動Ｆ_xおよびＦ_yが発生した場合を考える。このとき、回転子１０対して振動Ｆ_xおよびＦ_yと逆位相となる半径方向力が発生させる指令値Ｆ_x ^*およびＦ_y ^*を発生させることができれば、振動Ｆ_xおよびＦ_yを抑制することが可能である。しかしながら、接続手段３に正負いずれの零相電流を流したとしても回転子１０に対して発生する半径方向力Ｆ_x ⁺、Ｆ_x ^-、Ｆ_y ⁺およびＦ_y ^-は図１９（Ａ）および図１９（Ｂ）に示したものしか発生させることができない。例えば図１９（Ｂ）に示すように、回転角度が９０度の時に正負いずれの零相電流を接続手段３に流したとしても回転子１０に対して発生する半径方向力Ｆ_y ⁺およびＦ_y ^-は０である。つまり、半径方向力の指令値Ｆ_x ^*およびＦ_y ^*と一致するような半径方向力を直接的に発生させることはできない。そこで、本発明では、半径方向力の指令値Ｆ_x ^*およびＦ_y ^*を、半径方向力の基本波成分と高調波成分との組み合わせで発生させるようにする。

例えば、回転子１０の半径方向の振動が回転角度に対して正弦波状に変化したと仮定する。零相電流の振幅をＩ₀、零相電流の周波数をθ、零相電流の位相をφ、としたとき零相電流ｉ₀は式９で表せる。

零相電流に対する力の係数をｋ_i0、回転子１０の極数をｐ_rとすると、回転子１０に対するｘ軸方向の半径方向力Ｆ_xは式１０で表され、回転子１０に対するｙ軸方向の半径方向力Ｆ_yは式１１で表される。

式１０および式１１から分かるように、回転子１０に対する半径方向力Ｆ_xおよびＦ_yは零相電流の周波数θに依存する。つまり、零相電流の基本波成分および高調波成分を制御すれば、半径方向力の基本波成分および高調波成分を制御することができ、その結果として回転子の振動を抑制する方向に半径方向力を発生させることができることがわかる。そこで、本発明では、例えば回転子１０の回転軸の近傍に設けられたセンサにより、回転子１０の中心軸からの半径方向への振動を検出し、この振動に関する情報に基づいて、回転子の振動を抑制する方向に半径方向力を発生させる零相電流の指令値（基本波成分および高調波成分）を作成する。

図２０は、本発明の第１の実施例における電動機システムにおけるベアリングレスモータの回転子の半径方向の１次振動を抑制する指令値の生成を示す図である。図２０において横軸は回転子１０の回転角度を示す。図２０（Ａ）において、Ｆ_x ⁺は、正の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｘ軸方向の半径方向力を示し、Ｆ_x ^-は、負の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｘ軸方向の半径方向力を示す。また、図２０（Ｂ）において、Ｆ_y ⁺は、正の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｙ軸方向の半径方向力を示し、Ｆ_y ^-は、負の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｙ軸方向の半径方向力を示す。図２０（Ｃ）は接続手段３に流す１次成分（基本波成分）の零相電流ｉ₀を示す。このとき、図２０（Ｄ）および図２０（Ｅ）に示すように、実線で示した波形の半径方向力の指令値をＦ_x ^*およびＦ_y ^*とし、図２０（Ｃ）の零相電流を流すことで、図２０（Ｄ）および図２０（Ｅ）に破線で示した半径方向力Ｆ_xおよびＦ_yを回転子１０に対して発生させることができる。

図２１は、本発明の第１の実施例における電動機システムにおけるベアリングレスモータの回転子の半径方向の４次振動を抑制する指令値の生成を示す図である。図２１において横軸は回転子１０の回転角度を示す。図２１（Ａ）において、Ｆ_x ⁺は、正の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｘ軸方向の半径方向力を示し、Ｆ_x ^-は、負の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｘ軸方向の半径方向力を示す。また、図２１（Ｂ）において、Ｆ_y ⁺は、正の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｙ軸方向の半径方向力を示し、Ｆ_y ^-は、負の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｙ軸方向の半径方向力を示す。図２１（Ｃ）は接続手段３に流す２次成分の零相電流ｉ₀を示す。このとき、図２１（Ｄ）および図２１（Ｅ）に示すように、実線で示した波形の半径方向力の指令値をＦ_x ^*およびＦ_y ^*とし、図２１（Ｃ）の零相電流を流すことで、図２１（Ｄ）および図２１（Ｅ）に破線で示した半径方向力Ｆ_xおよびＦ_yを回転子１０に対して発生させることができる。

図２２は、本発明の第３の実施例における電動機システムにおけるベアリングレスモータの回転子の半径方向の１次振動を抑制する指令値の生成を示す図である。図２２において横軸は回転子１０の回転角度を示す。図２２（Ａ）において、Ｆ_x ⁺は、正の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｘ軸方向の半径方向力を示し、Ｆ_x ^-は、負の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｘ軸方向の半径方向力を示す。また、図２２（Ｂ）において、Ｆ_y ⁺は、正の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｙ軸方向の半径方向力を示し、Ｆ_y ^-は、負の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｙ軸方向の半径方向力を示す。図２２（Ｃ）は接続手段３に流す２次成分の零相電流ｉ₀を示す。このとき、図２２（Ｄ）および図２２（Ｅ）に示すように、実線で示した波形の半径方向力の指令値をＦ_x ^*およびＦ_y ^*とし、図２２（Ｃ）の零相電流を流すことで、図２２（Ｄ）および図２２（Ｅ）に破線で示した半径方向力Ｆ_xおよびＦ_yを回転子１０に対して発生させることができる。

図２３は、本発明の第３の実施例における電動機システムにおけるベアリングレスモータの回転子の半径方向の２次振動を抑制する指令値の生成を示す図である。図２３において横軸は回転子１０の回転角度を示す。図２３（Ａ）において、Ｆ_x ⁺は、正の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｘ軸方向の半径方向力を示し、Ｆ_x ^-は、負の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｘ軸方向の半径方向力を示す。また、図２３（Ｂ）において、Ｆ_y ⁺は、正の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｙ軸方向の半径方向力を示し、Ｆ_y ^-は、負の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｙ軸方向の半径方向力を示す。図２３（Ｃ）は接続手段３に流す１次成分の零相電流ｉ₀を示す。このとき、図２３（Ｄ）および図２３（Ｅ）に示すように、実線で示した波形の半径方向力の指令値をＦ_x ^*およびＦ_y ^*とし、図２３（Ｃ）の零相電流を流すことで、図２３（Ｄ）および図２３（Ｅ）に破線で示した半径方向力Ｆ_xおよびＦ_yを回転子１０に対して発生させることができる。

図２４は、本発明の第４の実施例における電動機システムにおけるベアリングレスモータの回転子の半径方向の１次振動を抑制する指令値の生成を示す図である。図２４において横軸は回転子１０の回転角度を示す。図２４（Ａ）において、Ｆ_x ⁺は、正の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｘ軸方向の半径方向力を示し、Ｆ_x ^-は、負の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｘ軸方向の半径方向力を示す。また、図２４（Ｂ）において、Ｆ_y ⁺は、正の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｙ軸方向の半径方向力を示し、Ｆ_y ^-は、負の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｙ軸方向の半径方向力を示す。図２４（Ｃ）は接続手段３に流す３次成分の零相電流ｉ₀を示す。このとき、図２４（Ｄ）および図２４（Ｅ）に示すように、実線で示した波形の半径方向力の指令値をＦ_x ^*およびＦ_y ^*とし、図２４（Ｃ）の零相電流を流すことで、図２４（Ｄ）および図２４（Ｅ）に破線で示した半径方向力Ｆ_xおよびＦ_yを回転子１０に対して発生させることができる。

図２５は、本発明の第４の実施例における電動機システムにおけるベアリングレスモータの回転子の半径方向の２次振動を抑制する指令値の生成を示す図である。図２５において横軸は回転子１０の回転角度を示す。図２５（Ａ）において、Ｆ_x ⁺は、正の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｘ軸方向の半径方向力を示し、Ｆ_x ^-は、負の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｘ軸方向の半径方向力を示す。また、図２５（Ｂ）において、Ｆ_y ⁺は、正の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｙ軸方向の半径方向力を示し、Ｆ_y ^-は、負の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｙ軸方向の半径方向力を示す。図２５（Ｃ）は接続手段３に流す２次成分の零相電流ｉ₀を示す。このとき、図２５（Ｄ）および図２５（Ｅ）に示すように、実線で示した波形の半径方向力の指令値をＦ_x ^*およびＦ_y ^*とし、図２５（Ｃ）の零相電流を流すことで、図２５（Ｄ）および図２５（Ｅ）に破線で示した半径方向力Ｆ_xおよびＦ_yを回転子１０に対して発生させることができる。

図２６は、本発明の第４の実施例における電動機システムにおけるベアリングレスモータの回転子の半径方向の６次振動を抑制する指令値の生成を示す図である。図２６において横軸は回転子１０の回転角度を示す。図２６（Ａ）において、Ｆ_x ⁺は、正の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｘ軸方向の半径方向力を示し、Ｆ_x ^-は、負の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｘ軸方向の半径方向力を示す。また、図２６（Ｂ）において、Ｆ_y ⁺は、正の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｙ軸方向の半径方向力を示し、Ｆ_y ^-は、負の一定の零相電流を接続手段３に流した時に回転子１０に対して発生するｙ軸方向の半径方向力を示す。図２６（Ｃ）は接続手段３に流す２次成分の零相電流ｉ₀を示す。このとき、図２６（Ｄ）および図２６（Ｅ）に示すように、実線で示した波形の半径方向力の指令値をＦ_x ^*およびＦ_y ^*とし、図２６（Ｃ）の零相電流を流すことで、図２６（Ｄ）および図２６（Ｅ）に破線で示した半径方向力Ｆ_xおよびＦ_yを回転子１０に対して発生させることができる。

なお、上述した例では、センサで検知した回転子１０の振動と逆位相となる半径方向力が発生するよう零相電流を発生させる方法を示したが、この代替例として、センサで検知した回転子１０の振動に対して位相をシフトさせた半径方向力が発生するよう零相電流を発生させてもよい。

１ベアリングレスモータ
２三相インバータ
３接続手段
１０回転子
１１永久磁石
１２非磁性体物質
２０固定子
２１固定子鉄心
２１−１ティース
２１−２、２３−２ヨーク
２３−１補助ティース
２２Ｕ₁、２２Ｕ₂ 巻線
２２Ｖ₁、２２Ｖ₂ 巻線
２２Ｗ₁、２２Ｗ₂ 巻線
２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗ補助巻線
３０受動型磁気軸受
３１回転子側永久磁石
３２固定子側永久磁石
５１変位センサ
５２コントローラ
５４電流センサ
１００電動機システム

Claims

回転軸に対して半径方向外向きの磁束および半径方向内向きの磁束が周方向にわたって交互に発生するよう永久磁石が配置された回転子と、前記回転子に対して径方向にギャップを隔てて対向した固定子であって、前記回転子側に突出したティースが周方向に複数周設され、中性点結線された多相巻線の各相の固定子巻線が各前記ティースの間にそれぞれ配置された固定子と、を有する電動機と、
入力された直流電流を変換して前記固定子巻線に供給するための交流電流を生成するインバータと、
前記インバータの直流側の電圧の中点と、前記多相巻線が有する中性点のうちの１つとを接続する接続手段と、
前記接続手段に零相電流が流れるよう前記インバータを制御するコントローラと、
を備え、
前記接続手段に零相電流を流すことにより発生する磁束と前記永久磁石により発生する磁束とにより、前記回転子に対して半径方向力を発生させることを特徴とする電動機システム。
前記回転子の、中心軸からの半径方向への振動を検出するセンサを備え、
前記コントローラは、前記センサが検出した振動に関する情報に基づいて、前記回転子の振動を抑制する方向に半径方向力を発生させる零相電流が前記接続手段に流れるよう、前記インバータを制御するための零相電流指令を生成する請求項１に記載の電動機システム。
前記多相巻線の各相において、前記固定子巻線は、互いに並列接続された巻線の組からなり、
各相の前記互いに並列接続された巻線の組のうちの１組をＹ結線したときの中性点が、前記接続手段により、前記インバータの直流側の電圧の中点と接続され、
各前記巻線の組は、前記中性点を介して流れる零相電流により発生する磁束と前記永久磁石により発生する磁束とにより前記回転子に対して一方向の半径方向力が発生するよう、各前記ティースの間にそれぞれ配置される請求項１または２に記載の電動機システム。
前記電動機は、前記回転子の極数をｐ_r、前記固定子巻線に零相電流を流したときに発生する磁界の極数をｐ_sとしたとき、
ｐ_s＝ｐ_r±２
で表される関係式を満たす前記回転子および前記固定子を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の電動機システム。