ローレンツモータ
【課題】ロータとステータとの傾きと位置を制御する傾き・位置制御機構を小型化することが可能なローレンツモータを提供する。
【解決手段】ステータとロータとを対向配置し、ステータとロータとの間に作用するローレンツ力によってロータがステータに対して回転するよう構成されたローレンツモータにおいて、ロータは、ステータとの対向面に多極着磁したロータマグネットを有し、ステータは、交番電流を流されることによってロータを回転させるローレンツ力を生じさせる回転用巻線と、交番電流を流されることによってロータとステータとの傾きと位置を制御するローレンツ力を生じさせる傾き・位置制御用巻線とを有し、傾き・位置制御用巻線は、ロータに多極着磁した所定の磁極と、所定の磁極と隣接する異なる極の磁極との境界における多極着磁した面と平行な向きの磁束と作用して傾き・位置制御用のローレンツ力を生じる。
【解決手段】ステータとロータとを対向配置し、ステータとロータとの間に作用するローレンツ力によってロータがステータに対して回転するよう構成されたローレンツモータにおいて、ロータは、ステータとの対向面に多極着磁したロータマグネットを有し、ステータは、交番電流を流されることによってロータを回転させるローレンツ力を生じさせる回転用巻線と、交番電流を流されることによってロータとステータとの傾きと位置を制御するローレンツ力を生じさせる傾き・位置制御用巻線とを有し、傾き・位置制御用巻線は、ロータに多極着磁した所定の磁極と、所定の磁極と隣接する異なる極の磁極との境界における多極着磁した面と平行な向きの磁束と作用して傾き・位置制御用のローレンツ力を生じる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はローレンツモータに関し、詳しくは、傾き及び位置制御が可能なローレンツモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロータとステータとがボールベアリングなどの軸受けを介して接触して連結される一般的なモータとは別に、ロータとステータとが接することなく、磁気軸受構造または動圧軸受構造でロータとステータとの間のスペースを一定に保ちながら回転するローレンツモータが知られている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
このようなローレンツモータの磁気軸受構造においては、ロータを回転させる回転用の巻線のほかに、ロータとステータとの間のスペースを一定に保つために、ロータとステータとの傾きを制御する傾き及び位置制御用の巻線を設けるようにしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−７８３８９号公報
【特許文献２】特開２００２−３２５４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来のローレンツモータにおいては、ロータとステータとの傾き・位置を制御する機構を、ロータを回転させる機構のほかに設けており、その傾き・位置制御機構を小型化することが困難であったため、傾き・位置制御機構を収容するスペースがモータに必要であり、モータを小型化する際の障害となっていた。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ロータとステータとの傾きと位置を制御する傾き・位置制御機構を小型化することが可能なローレンツモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、ステータとロータとを有し、前記ステータと前記ロータとを対向配置し、前記ステータと前記ロータとの間に作用するローレンツ力によって前記ロータが前記ステータに対して回転するよう構成されたローレンツモータにおいて、前記ロータは、前記ステータとの対向面に多極着磁したロータマグネットを有し、前記ステータは、交番電流を流されることによって前記ロータを回転させるローレンツ力を生じさせる回転用巻線と、交番電流を流されることによって前記ロータと前記ステータとの傾きと位置を制御するローレンツ力を生じさせる傾き・位置制御用巻線とを有し、前記傾き制御用巻線は、前記ロータに多極着磁した所定の磁極と、該所定の磁極と隣接する異なる極の磁極との境界における、多極着磁した面と平行な向きの磁束と作用して傾き・位置制御用のローレンツ力を生じるものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ロータとステータとの傾きと位置を制御する傾き・位置制御機構を小型化することが可能なローレンツモータを提供することができる。
【０００９】
すなわち、本発明では、傾き・位置制御用巻線は、ロータに多極着磁した所定の磁極と、該所定の磁極と隣接する異なる極の磁極との境界における、多極着磁した面と平行な向きの磁束と作用して傾き・位置制御用のローレンツ力を生じるので、回転用巻線と干渉せずに空きスペースに収容可能であり、傾き・位置制御機構を小型化することが可能である。
【００１０】
また本発明は、薄いスペース（ロータとステータ巻線との間の空間）に傾き・位置制御機構を構成することができるので、能動的傾き・位置制御が可能なデバイスの薄型化に貢献することができる。
【００１１】
また本発明は、傾き・位置制御にローレンツ力を利用しているため、浮上ロータに対して巻線で発生する余分な力を加えることがなく、他のロータ姿勢に影響を与えることがない。
【００１２】
また本発明は、時分割で傾き・位置制御コイルを回転用制御コイルとして使用することで、傾き・位置制御用巻線も、ロータの回転に利用することができ、これにより従来の２倍のトルクを発生することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明によるローレンツモータの一実施の形態を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示したステータ３を構成する巻線を説明する図である。
【図３】モータ１の回転原理を説明する図であって、ロータマグネット４と巻線６とを組み合わせた状態を示す平面図である。
【図４】モータ１の回転原理を説明する図であって、電流を流した状態での、図３の破線Ｃで囲んだ箇所を拡大して示す図である。
【図５】モータ１の回転原理を説明する図であって、電流を流した状態での、ロータマグネット４と巻線６とを組み合わせた状態を示す側断面図である。
【図６】交番検知型ホールＩＣの動作原理の概略図でする。
【図７】モータ１の傾き制御原理を説明する図であって、ロータマグネット４と巻線５とを組み合わせた状態を示す平面図である。
【図８】モータ１の傾き制御原理を説明する図であって、（ａ）は電流を流した状態での平面図であり、（ｂ）は電流を流した状態での側面図である。
【図９】モータ１の傾き制御に用いるローレンツ力発生原理を説明する図であって、磁極の境界上の巻線５を模式的に拡大して示す斜視図である。
【図１０】モータ１の傾き制御に用いるローレンツ力発生原理を説明する図であって、電流を流した状態での、ロータマグネット４と巻線５とを組み合わせた状態を示す側断面図である。
【図１１】ロータ２とステータ３との傾きの検出について説明する図である。
【図１２】巻線５と巻線６との電気角のズレを示す平面図である。
【図１３】モータ１の制御法１を説明する図であり、（ａ）は巻線５と巻線６とを組み合わせた斜視図であり、（ｂ）は巻線５と巻線６とを組み合わせた平面図であり、（ｃ）は巻線５および巻線６それぞれのコイル番号を示す平面図である。
【図１４】制御法１の場合の巻線５および巻線６それぞれの接続を示す結線図である。
【図１５】１６極のロータが電気角で３６０ｄｅｇ（機械角４５ｄｅｇ）回転するときの様子を電気角９０ｄｅｇごとに示す図であって、モータを径方向に展開した図であり、（ａ）は電気角０ｄｅｇ（３６０ｄｅｇ）の図であり、（ｂ）は電気角９０ｄｅｇの図であり、（ｃ）は電気角１８０ｄｅｇの図であり、（ｄ）は電気角２７０ｄｅｇの図である。
【図１６】制御法２の場合の２組の巻線それぞれの接続を示す結線図であり、（ａ）は各コイルの接続を示す図であり、（ｂ）は、一方の巻線を回転用とし他方の巻線を傾き制御用とした場合の結線を示す図であり、（ｃ）一方の巻線を傾き制御用とし他方の巻線を回転用とした場合の結線を示す図である。
【図１７】１６極のロータが電気角で３６０ｄｅｇ（機械角４５ｄｅｇ）回転するときの様子を電気角９０ｄｅｇごとに示す図であって、モータを径方向に展開した図であり、（ａ）は電気角０ｄｅｇ（３６０ｄｅｇ）の図であり、（ｂ）は電気角９０ｄｅｇの図であり、（ｃ）は電気角１８０ｄｅｇの図であり、（ｄ）は電気角２７０ｄｅｇの図である。
【図１８】モータ１の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図１９】モータ１の軸方向位置制御原理を説明する図であって、（ａ）は電流を流した状態での平面図であり、（ｂ）は電流を流した状態での側面図である。
【図２０】図１９の場合の巻線５および巻線６それぞれの接続を示す結線図である。
【図２１】図１９の場合の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図２２】本発明によるローレンツモータ１の回転トルクを測定した実験結果を示すグラフであり、（ａ）は制御法１の実験結果であり、（ｂ）は制御法２の実験結果である。
【図２３】本発明によるローレンツモータ１の傾き制御トルクを測定した実験結果を示すグラフである。
【図２４】本発明によるローレンツモータの形状の別の例を示す図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、本発明によるローレンツモータの一実施の形態を示す概略斜視図である。
【００１６】
本実施の形態のローレンツモータ１は、ロータ２とステータ３とを有して構成される。ロータ２とステータ３とは所定面同士が対向するように配置され、このときのロータ２とステータ３との傾き、ロータ２とステータ３との間隔（ロータ２の軸方向位置）は、後述の傾き・位置制御によって制御される。
【００１７】
ロータ２は、ステータ３との対向面に多極着磁したロータマグネット４を有する。本実施の形態では、ロータマグネット４は、１６極の表面着磁型永久磁石により構成されている。すなわち、ロータマグネット４は、Ｓ極部４ａとＮ極部４ｂとを交互に設け、１周の間にＳ極部４ａを８箇所、Ｎ極部４ｂを８箇所、設けている。
【００１８】
ステータ３は、それぞれ別の導線で構成される巻線５および巻線６を有する。
【００１９】
図２は、図１に示したステータ３を構成する巻線を説明する図である。
【００２０】
本実施の形態では、導線７としてポリエステル銅線を用いており、導線７を巻回して巻線５を形成し、また導線７を巻回して巻線６を形成する。巻線５および巻線６それぞれの結線状態は後述する。
【００２１】
巻線６は、ロータマグネット４との対向面と平行になるように導線７をリング状に巻回して成る。
【００２２】
一方、巻線５は、ロータマグネット４との対向面と平行な箇所と、ほぼ垂直な箇所とを導線７が有するように段差を設けて、導線７をリング状に巻回して成る。巻線５の段差には、巻線６を嵌め込むことができ、これにより、ロータマグネット４との対向面において、巻線５と巻線６とを平坦にすることができる。
【００２３】
巻線５および巻線６のそれぞれは、ステータ３の円周を１周する間に、等間隔で８箇所の巻回し箇所（以下、「コイル」という）を設けている。
【００２４】
巻線５および巻線６のそれぞれには、詳しくは後述するように交番電流が流され、電機子電流と界磁磁束を直交させることで発生するローレンツ力によって、ロータ２の回転と、ロータ２とステータ３との傾きの制御とを同時に行う。
【００２５】
以下、図面を参照してロータ２の回転について説明する。ここでは、巻線６が回転用巻線である場合について説明する。見やすさのため、以下の説明図では、巻線５の図示は省略するとともに、各構成を簡略化して図示している。
【００２６】
図３は、モータ１の回転原理を説明する図であって、ロータマグネット４と巻線６とを組み合わせた状態を示す平面図である。
【００２７】
図４は、モータ１の回転原理を説明する図であって、電流を流した状態での、図３の破線Ｃで囲んだ箇所を拡大して示す図である。
【００２８】
図５は、モータ１の回転原理を説明する図であって、電流を流した状態での、ロータマグネット４と巻線６とを組み合わせた状態を示す側断面図である。
【００２９】
図３に示すように、巻線６は８個のコイルを有し、この８個のコイルを直列に接続している。
【００３０】
図４および図５では、ロータ２を回転させているとき（回転制御時）の様子を示している。また、図４および図５では、説明の簡易化のためモータ９０ｄｅｇの分のみを示している。
【００３１】
ロータマグネット４のＳ極部４ａまたはＮ極部４ｂに巻線６があるとき、ロータマグネット４により発生する磁束は、ロータマグネット４の面と垂直な方向に巻線６を貫く。
【００３２】
このとき、巻線６に、図３の端子Ａから端子Ｂに向かう電流を流すと、Ｎ極上にある巻線６には径方向外側に向かう電流が流れ、Ｓ極上にある巻線６には径方向内側に向かう電流が流れる。これにより各巻線６には時計回り方向のローレンツ力が発生する。このとき巻線６すなわちステータ３が固定されていれば、その反作用としてロータ２には図中矢印で示す反時計回りの回転トルクが発生し、これによりロータ２が回転する。
【００３３】
次に、モータ１の回転数の検出方法について説明する。
【００３４】
モータ２の回転数や巻線６に電流を流すタイミングを検出するためには、交番検知型ホールＩＣを用いることができる。このタイミング検出には光学式ロータリーエンコーダを用いることもできるが、以下では、一例として、交番検知型ホールＩＣについて説明する。
【００３５】
図６は、交番検知型ホールＩＣの動作原理の概略図でする。
【００３６】
ホールＩＣ（不図示）とは磁束を検出する磁気センサであるホール素子とその信号をデジタル信号に変換するＩＣをパッケージ化したものである。
【００３７】
図６に示すように、このホールＩＣは、検出した磁極がＮからＳへ、ＳからＮへと切り替わる際の、各極のしきい値を超えたときに、ホールＩＣの信号すなわち出力信号を切り替えるものである。
【００３８】
モータ１では、このホールＩＣを例えばステータ３の所定箇所に設け、その出力信号の立上がりと立下りを検出し、この信号間の時間から回転数を算出し、また、この回転数からロータ２の回転角を求めて巻線６に電流を流すタイミングと時間を決定する。
【００３９】
続いて、図面を参照してロータ２とステータ３との傾きを制御する機構について説明する。ここでは、巻線５が傾き制御用巻線である場合について説明する。見やすさのため、以下の説明図では、巻線６の図示は省略するとともに、各構成を簡略化して図示している。
【００４０】
図７は、モータ１の傾き制御原理を説明する図であって、ロータマグネット４と巻線５とを組み合わせた状態を示す平面図である。
【００４１】
図８は、モータ１の傾き制御原理を説明する図であって、（ａ）は電流を流した状態での平面図であり、（ｂ）は電流を流した状態での側面図である。
【００４２】
図９は、モータ１の傾き制御に用いるローレンツ力発生原理を説明する図であって、磁極の境界上の巻線５を模式的に拡大して示す斜視図である。
【００４３】
図１０は、モータ１の傾き制御に用いるローレンツ力発生原理を説明する図であって、電流を流した状態での、ロータマグネット４と巻線５とを組み合わせた状態を示す側断面図である。
【００４４】
図７に示すように、ここでは、巻線５を形成する８個のコイルのそれぞれに図中に丸付き数字で示すコイル番号を付し、それぞれをコイル（丸１）からコイル（丸８）と呼ぶ。巻線５はこの８個のコイルを有し、コイル（丸１）、（丸２）およびその対角線上にあるコイル（丸５）、（丸６）の４つのコイルを直列に接続しＹ軸周りの傾き制御用巻線とし、コイル（丸３）、（丸４）およびその対角線上にあるコイル（丸７）、（丸８）の４つのコイルを直列に接続しＸ軸周りの傾き制御用巻線としている。この例によれば、コイル組（丸３）、（丸４）、（丸７）および（丸８）と、コイル組（丸１）、（丸２）、（丸５）および（丸６）とを用いて、Ｘ軸、Ｙ軸周りの回転（傾き）θｘ、θｙが制御可能である。
【００４５】
図８は、Ｙ軸周りに傾き制御する場合の様子を示しており、図９、図１０は、ロータマグネット４による発生磁束の様子を示している。
【００４６】
ロータ２の傾き制御は、傾き制御用巻線５がロータマグネット４のＳ極部４ａとＮ極部４ｂとの境界に位置したときに行う。
【００４７】
この磁極の境界部では、図９、図１０に示すように、Ｎ極からＳ極へと向かう向きに、永久磁石表面すなわち多極着磁した面と平行な磁束が発生している。この平行な磁束と、巻線５に流す電流とにより巻線５には軸方向にローレンツ力が生じる。
【００４８】
図８において、巻線５の右側のコイル（コイル（丸１）、（丸２））では図８（ｂ）で上向きのローレンツ力が生じ、左側のコイル（コイル（丸５）、（丸６））では図８（ｂ）で下向きのローレンツ力が生じる。この両方の合力として巻線５には反時計回りの力が発生する。このとき巻線５すなわちステータ３が固定されていれば、その反作用としてロータマグネット４すなわちロータ２には図中矢印で示す時計回りの傾き制御トルクが発生し、これによりロータ２とステータ３との傾きを制御することができる。
【００４９】
次に、ロータ２とステータ３との傾きの検出方法について説明する。
【００５０】
図１１は、ロータ２とステータ３との傾きの検出について説明する図である。
【００５１】
この傾きは、ステータ３に固定して設けた渦電流式変位センサ１０ａ、１０ｂにより求めることができる。渦電流式変位センサ１０ａ、１０ｂは、ロータ２の円周上、互いに対角線上に設置し、この２つの渦電流センサ１０ａ、１０ｂの出力の変位に基づき、ロータ２のロータマグネット４から渦電流式変位センサ１０ａまでの距離ｄ１と、ロータ２のロータマグネット４から渦電流式変位センサ１０ｂまでの距離ｄ２とを求めることができ、これによりロータ２とステータ３との傾きを検出することができる。ロータ２の位置は（ｄ１＋ｄ２）／２で求められる。
【００５２】
次に、モータ１の動作制御について説明する。ここでは、制御法１および制御法２の２種類の制御方法について説明する。
【００５３】
制御法１では、ステータ３に設置した２組の巻線５、６のうち、一方を回転専用とし、もう一方を傾き制御専用として用いる。
【００５４】
制御法２では、ステータ３に設置した２組の巻線５、６それぞれで、回転と傾き制御の両方の制御を行う。
【００５５】
図１２は、巻線５と巻線６との電気角のズレを示す平面図である。
【００５６】
本実施の形態では、コイル２個を１ｃｈとして、巻線５と巻線６それぞれ４ｃｈ、合計８ｃｈとする。
【００５７】
各巻線は、それぞれのｃｈごとに例えば電流励磁用パワーアンプに接続され、制御プログラムによりロータ２の回転角に応じて結線の切り替えを行う。
【００５８】
巻線５と巻線６とは互いに嵌め込んだ構成のために機械角１２．２５ｄｅｇのずれがあるので、後述のように巻線５を傾き制御用として用いる場合、回転軸を反時計まわりに１１．２５ｄｅｇずらして、傾きを計算する。
【００５９】
＜制御法１＞
制御法１では２組の巻線のうち、一方を回転専用とし、もう一方を傾き制御専用として用いる。
【００６０】
図１３は、モータ１の制御法１を説明する図であり、（ａ）は巻線５と巻線６とを組み合わせた斜視図であり、（ｂ）は巻線５と巻線６とを組み合わせた平面図であり、（ｃ）は巻線５および巻線６それぞれのコイル番号を示す平面図である。
【００６１】
ここでは、巻線５および巻線６それぞれ８個のコイルに対し，図１３（ｃ）のように、コイル（丸１）〜コイル（丸１６）というコイル番号を付ける。
【００６２】
図１４は、制御法１の場合の巻線５および巻線６それぞれの接続を示す結線図である。この図１４は巻線を直線に展開し、上部から見たものである。
【００６３】
制御法１ではコイル（丸１）〜コイル（丸８）を直列に接続した巻線５を回転用とし、コイル（丸９）、（丸１０）、（丸１３）、（丸１４）をＹ軸周りの傾き制御用とし、コイル（丸１１）、（丸１２）、（丸１５）、（丸１６）をＸ軸周りの傾き制御用とする。
【００６４】
図１５は、１６極のロータが電気角で３６０ｄｅｇ（機械角４５ｄｅｇ）回転するときの様子を電気角９０ｄｅｇごとに示す図であって、モータを径方向に展開した図であり、（ａ）は電気角０ｄｅｇ（３６０ｄｅｇ）の図であり、（ｂ）は電気角９０ｄｅｇの図であり、（ｃ）は電気角１８０ｄｅｇの図であり、（ｄ）は電気角２７０ｄｅｇの図である。
【００６５】
傾き制御用電流の方向は、各軸回り右ねじ方向にロータ２を動かす場合のものであり、反対方向の傾き制御は逆向きの電流を流すことで実現することができる。
【００６６】
図１５（ａ）のように、回転用巻線５がロータマグネット４の極中央部に正対しているときを回転角０ｄｅｇ（電気角）とする。以下、図１５（ａ）〜（ｄ）を用いて制御法１について説明する。
【００６７】
図１５（ａ）：
ロータマグネット４の極中央部に回転用巻線５が位置している。このとき、同時にＮ極とＳ極との境界上に傾き制御用巻線６が位置することになり、各巻線５、６に所定の電流を流して、回転と同時に傾きの制御も行うことができる。
【００６８】
図１５（ｂ）：
その後、ロータ２が９０ｄｅｇ回転して回転角９０ｄｅｇとなると、回転用巻線５はＮ極とＳ極との境界上に位置し、傾き制御用巻線６は極中央部に位置しているため制御できない。このため、この位置では電流を流さない。
【００６９】
図１５（ｃ）：
ロータ２がさらに９０ｄｅｇ回転して回転角１８０ｄｅｇとなると、図１５（ａ）ではＮ極だった所がＳ極になり、Ｓ極だった所がＮ極に入れ替わる。このため、一定方向の回転と傾き制御をするために、図１５（ａ）とは逆向きの電流を各巻線５、６に流す。
【００７０】
図１５（ｄ）：
ロータ２がさらに９０ｄｅｇ回転して回転角２７０ｄｅｇとなると、図１５（ｂ）と同様に、回転用巻線５はＮ極とＳ極の境界上に位置し、傾き制御用巻線６は極中央部に位置しているため電流は流さない。
【００７１】
以上のようにして、本実施の形態では、制御法１によりロータ２の回転角１８０ｄｅｇごとに回転と傾きの同時制御を行うことができる。
【００７２】
＜制御法２＞
制御法２では、ステータ３に設置した２組の巻線それぞれで、回転と傾き制御の両方の制御を行う。この制御法２は、ロータ２の回転角に応じコイルの接続を変え、２組の巻線それぞれで回転と傾き制御の両方の制御を行う方法である。
【００７３】
図１６は、制御法２の場合の２組の巻線それぞれの接続を示す結線図であり、（ａ）は各コイルの接続を示す図であり、（ｂ）は、一方の巻線を回転用とし他方の巻線を傾き制御用とした場合の結線を示す図であり、（ｃ）一方の巻線を傾き制御用とし他方の巻線を回転用とした場合の結線を示す図である。この図１６は巻線を直線に展開し、上部から見たものである。
【００７４】
ここでは、一方の巻線を巻線５とし、他方の巻線を巻線６とする。巻線５および巻線６の結線は、制御法１とは異なり、コイルの組み合わせごとにｃｈとして電流励磁用パワーアンプに接続し、電流励磁用パワーアンプによって所望の結線状態を実現する。
【００７５】
図１７は、１６極のロータが電気角で３６０ｄｅｇ（機械角４５ｄｅｇ）回転するときの様子を電気角９０ｄｅｇごとに示す図であって、モータを径方向に展開した図であり、（ａ）は電気角０ｄｅｇ（３６０ｄｅｇ）の図であり、（ｂ）は電気角９０ｄｅｇの図であり、（ｃ）は電気角１８０ｄｅｇの図であり、（ｄ）は電気角２７０ｄｅｇの図である。
【００７６】
傾き制御用電流の方向は、各軸回り右ねじ方向にロータ２を動かす場合のものであり、反対方向の傾き制御は逆向きの電流を流すことで実現することができる。
【００７７】
図１７（ａ）のように、巻線５がロータマグネット４の極中央部に正対しているときを回転角０ｄｅｇ（電気角）とする。以下、図１７（ａ）〜（ｄ）を用いて制御法２について説明する。
【００７８】
図１７（ａ）：
ロータマグネット４の極中央部に巻線（丸１）〜（丸８）が位置している。このとき、同時にＮ極とＳ極との境界上に巻線（丸９）〜（丸１６）が位置している。このため、図１６（ｂ）のように巻線５を回転用として用い、巻線６を傾き制御用として用いる。各巻線５、６に所定の電流を流して、回転と同時に傾きの制御も行うことができる。
【００７９】
図１７（ｂ）：
その後、ロータ２が９０ｄｅｇ回転して回転角９０ｄｅｇとなると、巻線５はＮ極とＳ極との境界上に位置し、巻線６は極中央部に位置する。このため、図１６（ｃ）のように巻線６を回転用として用い、巻線５を傾き制御用として用いる。各巻線５、６に所定の電流を流して、回転と同時に傾きの制御も行うことができる。
【００８０】
図１７（ｃ）：
ロータ２がさらに９０ｄｅｇ回転して回転角１８０ｄｅｇとなると、図１７（ａ）ではＮ極だった所がＳ極になり、Ｓ極だった所がＮ極に入れ替わる。このため、図１６（ｂ）のように巻線５を回転用として用い、巻線６を傾き制御用として用いて、一定方向の回転と傾き制御をするために、図１７（ａ）とは逆向きの電流を各巻線５、６に流す。
【００８１】
図１７（ｄ）：
ロータ２がさらに９０ｄｅｇ回転して回転角２７０ｄｅｇとなると、図１７（ｂ）ではＮ極だった所がＳ極になり、Ｓ極だった所がＮ極に入れ替わる。このため、図１６（ｃ）のように巻線６を回転用として用い、巻線５を傾き制御用として用いて、一定方向の回転と傾き制御をするために、図１７（ｂ）とは逆向きの電流を各巻線５、６に流す。
【００８２】
このように、制御法２はロータ２の回転に応じ電気角で９０ｄｅｇごとに回転用巻線と傾き制御用巻線との入れ替え制御をする方法である。２相で制御できるため発生する回転トルクを増加することができる。
【００８３】
＜制御システム＞
次に、図１に示したモータ１を駆動制御する制御システムの構成について説明する。
【００８４】
図１８は、モータ１の制御システムの構成を示すブロック図である。
【００８５】
本制御システム１００は、モータ１と、渦電流式変位センサ１０５と、ホールＩＣ１０６と、デジタルＰＩＤコントローラ１０１と、パワーアンプ１０７とを有して構成される。デジタルＰＩＤコントローラ１０１は、アナログ信号をデジタル変換するＡ／Ｄコンバータ１０２や、演算を行うＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）１０３や、デジタル信号をアナログ変換するＤ／Ａコンバータ１０４を有して、モータ１に対するＰＩＤ制御を行う。
【００８６】
渦電流式変位センサ１０５は、ステータ３の円周上、等間隔に４つ設け、この４つの渦電流式変位センサ１０５によりロータ２の傾きを検出する。また、ホールＩＣ１０６は、ロータ２の回転数と回転角を検出する。
【００８７】
ロータ２の制御は、デジタルＰＩＤコントローラ１０１によるデジタルＰＩＤ制御で行う。
【００８８】
渦電流式変位センサ１０５やホールＩＣ１０６で検出した信号は、Ａ／Ｄコンバータ１０２を介してＤＳＰ１０３に取り込む。ＤＳＰ１０３では、これら取り込んだ信号より求めた、ロータ２の傾き、回転数を基に必要な電流を算出し、Ｄ／Ａコンバータ１０４を介してパワーアンプ１０７の各チャンネルから各巻線５、６に電流を流す。
【００８９】
ところで、本発明は、傾き制御とともにロータの軸方向位置の制御（ステータとロータとの間隔の制御）を行うこともできる。このロータの軸方向位置の制御によれば、ロータをステータから浮上させる浮上制御を行うこともできる。この制御について、図１９、図２０および図２１を参照して以下に説明する。
【００９０】
図１９は、モータ１の軸方向位置制御原理を説明する図であって、（ａ）は電流を流した状態での平面図であり、（ｂ）は電流を流した状態での側面図である。
【００９１】
図２０は、図１９の場合の巻線５および巻線６それぞれの接続を示す結線図である。
【００９２】
図２１は、図１９の場合の制御システムの構成を示すブロック図である。
【００９３】
図１９のように位置・傾き制御用コイルを４つのコイル（図７の番号で言えば、（丸１）と（丸２）、（丸３）と（丸４）、（丸５）と（丸６）、（丸７）と（丸８））に分割し、図２０のように結線し、それぞれのコイルに個別に電流を流すようにすれば、浮上ロータの軸方向（Ｚ軸方向）位置および径方向軸（Ｘ軸、Ｙ軸）周りの傾きを同時に制御可能となる。例えば位置制御を行う場合は図１９のように位置・傾き制御用コイルに電流を流せば、軸方向と同一方向にローレンツ力を発生でき、その半力でロータの軸方向位置を制御できる。傾き制御に関しては、図８のような電流を流せばよいので、図１９と図８の電流をそれぞれのコイルごと（ここでは、（丸１）と（丸２）が１セットのコイル、（丸５）と（丸６）がもう１セットのコイル）に位置制御と傾き制御に必要な電流方向、電流量を計算して、それを足し合わせてコイルセットごとに流せば位置と傾きの同時制御が可能となる。
【００９４】
軸方向位置制御を行う場合には、図２１に示すように、４つの位置センサ（渦電流センサ）の信号１５０から、浮上ロータの軸方向（Ｚ軸方向）位置および径方向軸（Ｘ軸、Ｙ軸）周りの傾きを計算し（Ａ／Ｄコンバータ１５１、演算手段１５２）、目標値との偏差を取り、デジタルＰＩＤ制御器１５３で制御電流地を計算し、位置制御および傾き制御に必要な電流をそれぞれの電磁石ごとに足し算して流す（Ｄ／Ａコンバータ１５４）。
【００９５】
＜測定結果＞
続いて、上述した本発明によるローレンツモータ１の特性について、実際に実験を行った結果に基づいて説明する。
【００９６】
図２２は、本発明によるローレンツモータ１の回転トルクを測定した実験結果を示すグラフであり、（ａ）は制御法１の実験結果であり、（ｂ）は制御法２の実験結果である。図２２において、横軸は消費電力、縦軸は回転トルクであり、回転数ごとの測定結果をグラフにしている。
【００９７】
この実験によれば、例えば２６００ｒｐｍ時の制御法１での回転トルクは最大で４．５ｍＮｍであり、このときの消費電力は９．６Ｗであった。
【００９８】
また、制御法２を用いた場合、最大で１２．５ｍＮｍの回転トルクを発生可能であり、そのときの消費電力は２１Ｗであった。
【００９９】
図２３は、本発明によるローレンツモータ１の傾き制御トルクを測定した実験結果を示すグラフである。図２３において、横軸は励起電流、縦軸は傾き制御トルクであり、ロータ２とステータ３とのスペースすなわちエアギャップごとの測定結果をグラフにしている。
【０１００】
実験によれば、モータ１では、エアギャップ１ｍｍ、２．５Ａ励磁時に６．２ｍＮｍの傾き制御トルクの発生を確認できた。これにより、ロータ２とステータ３との傾きを制御する傾き制御が可能となる。
【０１０１】
＜他の構成＞
なお、上述の説明では、モータ１が扁平型モータの場合を例に説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば円筒型のモータにも適用可能である。この例を図２４に示す。
【０１０２】
本発明は、図２４に示す構成にも適用可能である。例えば、シリンダ状のロータの周りに縦長にステータ巻線を配置した構成において、本発明を適用することにより、ロータの回転と、ロータとステータとの傾き（ただし、本例の場合、ロータの径方向位置といった方がより適切）を制御可能とすることができる。
【０１０３】
以上、本発明を説明したが、本発明は、この説明に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で数々の変形および組み合わせが出来ることは勿論である。
【符号の説明】
【０１０４】
１ モータ
２ ロータ
３ ステータ
４ ロータマグネット
４ａ Ｓ極部
４ｂ Ｎ極部
５ 巻線
６ 巻線
７ 導線
【技術分野】
【０００１】
本発明はローレンツモータに関し、詳しくは、傾き及び位置制御が可能なローレンツモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロータとステータとがボールベアリングなどの軸受けを介して接触して連結される一般的なモータとは別に、ロータとステータとが接することなく、磁気軸受構造または動圧軸受構造でロータとステータとの間のスペースを一定に保ちながら回転するローレンツモータが知られている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
このようなローレンツモータの磁気軸受構造においては、ロータを回転させる回転用の巻線のほかに、ロータとステータとの間のスペースを一定に保つために、ロータとステータとの傾きを制御する傾き及び位置制御用の巻線を設けるようにしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−７８３８９号公報
【特許文献２】特開２００２−３２５４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来のローレンツモータにおいては、ロータとステータとの傾き・位置を制御する機構を、ロータを回転させる機構のほかに設けており、その傾き・位置制御機構を小型化することが困難であったため、傾き・位置制御機構を収容するスペースがモータに必要であり、モータを小型化する際の障害となっていた。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ロータとステータとの傾きと位置を制御する傾き・位置制御機構を小型化することが可能なローレンツモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、ステータとロータとを有し、前記ステータと前記ロータとを対向配置し、前記ステータと前記ロータとの間に作用するローレンツ力によって前記ロータが前記ステータに対して回転するよう構成されたローレンツモータにおいて、前記ロータは、前記ステータとの対向面に多極着磁したロータマグネットを有し、前記ステータは、交番電流を流されることによって前記ロータを回転させるローレンツ力を生じさせる回転用巻線と、交番電流を流されることによって前記ロータと前記ステータとの傾きと位置を制御するローレンツ力を生じさせる傾き・位置制御用巻線とを有し、前記傾き制御用巻線は、前記ロータに多極着磁した所定の磁極と、該所定の磁極と隣接する異なる極の磁極との境界における、多極着磁した面と平行な向きの磁束と作用して傾き・位置制御用のローレンツ力を生じるものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ロータとステータとの傾きと位置を制御する傾き・位置制御機構を小型化することが可能なローレンツモータを提供することができる。
【０００９】
すなわち、本発明では、傾き・位置制御用巻線は、ロータに多極着磁した所定の磁極と、該所定の磁極と隣接する異なる極の磁極との境界における、多極着磁した面と平行な向きの磁束と作用して傾き・位置制御用のローレンツ力を生じるので、回転用巻線と干渉せずに空きスペースに収容可能であり、傾き・位置制御機構を小型化することが可能である。
【００１０】
また本発明は、薄いスペース（ロータとステータ巻線との間の空間）に傾き・位置制御機構を構成することができるので、能動的傾き・位置制御が可能なデバイスの薄型化に貢献することができる。
【００１１】
また本発明は、傾き・位置制御にローレンツ力を利用しているため、浮上ロータに対して巻線で発生する余分な力を加えることがなく、他のロータ姿勢に影響を与えることがない。
【００１２】
また本発明は、時分割で傾き・位置制御コイルを回転用制御コイルとして使用することで、傾き・位置制御用巻線も、ロータの回転に利用することができ、これにより従来の２倍のトルクを発生することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明によるローレンツモータの一実施の形態を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示したステータ３を構成する巻線を説明する図である。
【図３】モータ１の回転原理を説明する図であって、ロータマグネット４と巻線６とを組み合わせた状態を示す平面図である。
【図４】モータ１の回転原理を説明する図であって、電流を流した状態での、図３の破線Ｃで囲んだ箇所を拡大して示す図である。
【図５】モータ１の回転原理を説明する図であって、電流を流した状態での、ロータマグネット４と巻線６とを組み合わせた状態を示す側断面図である。
【図６】交番検知型ホールＩＣの動作原理の概略図でする。
【図７】モータ１の傾き制御原理を説明する図であって、ロータマグネット４と巻線５とを組み合わせた状態を示す平面図である。
【図８】モータ１の傾き制御原理を説明する図であって、（ａ）は電流を流した状態での平面図であり、（ｂ）は電流を流した状態での側面図である。
【図９】モータ１の傾き制御に用いるローレンツ力発生原理を説明する図であって、磁極の境界上の巻線５を模式的に拡大して示す斜視図である。
【図１０】モータ１の傾き制御に用いるローレンツ力発生原理を説明する図であって、電流を流した状態での、ロータマグネット４と巻線５とを組み合わせた状態を示す側断面図である。
【図１１】ロータ２とステータ３との傾きの検出について説明する図である。
【図１２】巻線５と巻線６との電気角のズレを示す平面図である。
【図１３】モータ１の制御法１を説明する図であり、（ａ）は巻線５と巻線６とを組み合わせた斜視図であり、（ｂ）は巻線５と巻線６とを組み合わせた平面図であり、（ｃ）は巻線５および巻線６それぞれのコイル番号を示す平面図である。
【図１４】制御法１の場合の巻線５および巻線６それぞれの接続を示す結線図である。
【図１５】１６極のロータが電気角で３６０ｄｅｇ（機械角４５ｄｅｇ）回転するときの様子を電気角９０ｄｅｇごとに示す図であって、モータを径方向に展開した図であり、（ａ）は電気角０ｄｅｇ（３６０ｄｅｇ）の図であり、（ｂ）は電気角９０ｄｅｇの図であり、（ｃ）は電気角１８０ｄｅｇの図であり、（ｄ）は電気角２７０ｄｅｇの図である。
【図１６】制御法２の場合の２組の巻線それぞれの接続を示す結線図であり、（ａ）は各コイルの接続を示す図であり、（ｂ）は、一方の巻線を回転用とし他方の巻線を傾き制御用とした場合の結線を示す図であり、（ｃ）一方の巻線を傾き制御用とし他方の巻線を回転用とした場合の結線を示す図である。
【図１７】１６極のロータが電気角で３６０ｄｅｇ（機械角４５ｄｅｇ）回転するときの様子を電気角９０ｄｅｇごとに示す図であって、モータを径方向に展開した図であり、（ａ）は電気角０ｄｅｇ（３６０ｄｅｇ）の図であり、（ｂ）は電気角９０ｄｅｇの図であり、（ｃ）は電気角１８０ｄｅｇの図であり、（ｄ）は電気角２７０ｄｅｇの図である。
【図１８】モータ１の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図１９】モータ１の軸方向位置制御原理を説明する図であって、（ａ）は電流を流した状態での平面図であり、（ｂ）は電流を流した状態での側面図である。
【図２０】図１９の場合の巻線５および巻線６それぞれの接続を示す結線図である。
【図２１】図１９の場合の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図２２】本発明によるローレンツモータ１の回転トルクを測定した実験結果を示すグラフであり、（ａ）は制御法１の実験結果であり、（ｂ）は制御法２の実験結果である。
【図２３】本発明によるローレンツモータ１の傾き制御トルクを測定した実験結果を示すグラフである。
【図２４】本発明によるローレンツモータの形状の別の例を示す図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、本発明によるローレンツモータの一実施の形態を示す概略斜視図である。
【００１６】
本実施の形態のローレンツモータ１は、ロータ２とステータ３とを有して構成される。ロータ２とステータ３とは所定面同士が対向するように配置され、このときのロータ２とステータ３との傾き、ロータ２とステータ３との間隔（ロータ２の軸方向位置）は、後述の傾き・位置制御によって制御される。
【００１７】
ロータ２は、ステータ３との対向面に多極着磁したロータマグネット４を有する。本実施の形態では、ロータマグネット４は、１６極の表面着磁型永久磁石により構成されている。すなわち、ロータマグネット４は、Ｓ極部４ａとＮ極部４ｂとを交互に設け、１周の間にＳ極部４ａを８箇所、Ｎ極部４ｂを８箇所、設けている。
【００１８】
ステータ３は、それぞれ別の導線で構成される巻線５および巻線６を有する。
【００１９】
図２は、図１に示したステータ３を構成する巻線を説明する図である。
【００２０】
本実施の形態では、導線７としてポリエステル銅線を用いており、導線７を巻回して巻線５を形成し、また導線７を巻回して巻線６を形成する。巻線５および巻線６それぞれの結線状態は後述する。
【００２１】
巻線６は、ロータマグネット４との対向面と平行になるように導線７をリング状に巻回して成る。
【００２２】
一方、巻線５は、ロータマグネット４との対向面と平行な箇所と、ほぼ垂直な箇所とを導線７が有するように段差を設けて、導線７をリング状に巻回して成る。巻線５の段差には、巻線６を嵌め込むことができ、これにより、ロータマグネット４との対向面において、巻線５と巻線６とを平坦にすることができる。
【００２３】
巻線５および巻線６のそれぞれは、ステータ３の円周を１周する間に、等間隔で８箇所の巻回し箇所（以下、「コイル」という）を設けている。
【００２４】
巻線５および巻線６のそれぞれには、詳しくは後述するように交番電流が流され、電機子電流と界磁磁束を直交させることで発生するローレンツ力によって、ロータ２の回転と、ロータ２とステータ３との傾きの制御とを同時に行う。
【００２５】
以下、図面を参照してロータ２の回転について説明する。ここでは、巻線６が回転用巻線である場合について説明する。見やすさのため、以下の説明図では、巻線５の図示は省略するとともに、各構成を簡略化して図示している。
【００２６】
図３は、モータ１の回転原理を説明する図であって、ロータマグネット４と巻線６とを組み合わせた状態を示す平面図である。
【００２７】
図４は、モータ１の回転原理を説明する図であって、電流を流した状態での、図３の破線Ｃで囲んだ箇所を拡大して示す図である。
【００２８】
図５は、モータ１の回転原理を説明する図であって、電流を流した状態での、ロータマグネット４と巻線６とを組み合わせた状態を示す側断面図である。
【００２９】
図３に示すように、巻線６は８個のコイルを有し、この８個のコイルを直列に接続している。
【００３０】
図４および図５では、ロータ２を回転させているとき（回転制御時）の様子を示している。また、図４および図５では、説明の簡易化のためモータ９０ｄｅｇの分のみを示している。
【００３１】
ロータマグネット４のＳ極部４ａまたはＮ極部４ｂに巻線６があるとき、ロータマグネット４により発生する磁束は、ロータマグネット４の面と垂直な方向に巻線６を貫く。
【００３２】
このとき、巻線６に、図３の端子Ａから端子Ｂに向かう電流を流すと、Ｎ極上にある巻線６には径方向外側に向かう電流が流れ、Ｓ極上にある巻線６には径方向内側に向かう電流が流れる。これにより各巻線６には時計回り方向のローレンツ力が発生する。このとき巻線６すなわちステータ３が固定されていれば、その反作用としてロータ２には図中矢印で示す反時計回りの回転トルクが発生し、これによりロータ２が回転する。
【００３３】
次に、モータ１の回転数の検出方法について説明する。
【００３４】
モータ２の回転数や巻線６に電流を流すタイミングを検出するためには、交番検知型ホールＩＣを用いることができる。このタイミング検出には光学式ロータリーエンコーダを用いることもできるが、以下では、一例として、交番検知型ホールＩＣについて説明する。
【００３５】
図６は、交番検知型ホールＩＣの動作原理の概略図でする。
【００３６】
ホールＩＣ（不図示）とは磁束を検出する磁気センサであるホール素子とその信号をデジタル信号に変換するＩＣをパッケージ化したものである。
【００３７】
図６に示すように、このホールＩＣは、検出した磁極がＮからＳへ、ＳからＮへと切り替わる際の、各極のしきい値を超えたときに、ホールＩＣの信号すなわち出力信号を切り替えるものである。
【００３８】
モータ１では、このホールＩＣを例えばステータ３の所定箇所に設け、その出力信号の立上がりと立下りを検出し、この信号間の時間から回転数を算出し、また、この回転数からロータ２の回転角を求めて巻線６に電流を流すタイミングと時間を決定する。
【００３９】
続いて、図面を参照してロータ２とステータ３との傾きを制御する機構について説明する。ここでは、巻線５が傾き制御用巻線である場合について説明する。見やすさのため、以下の説明図では、巻線６の図示は省略するとともに、各構成を簡略化して図示している。
【００４０】
図７は、モータ１の傾き制御原理を説明する図であって、ロータマグネット４と巻線５とを組み合わせた状態を示す平面図である。
【００４１】
図８は、モータ１の傾き制御原理を説明する図であって、（ａ）は電流を流した状態での平面図であり、（ｂ）は電流を流した状態での側面図である。
【００４２】
図９は、モータ１の傾き制御に用いるローレンツ力発生原理を説明する図であって、磁極の境界上の巻線５を模式的に拡大して示す斜視図である。
【００４３】
図１０は、モータ１の傾き制御に用いるローレンツ力発生原理を説明する図であって、電流を流した状態での、ロータマグネット４と巻線５とを組み合わせた状態を示す側断面図である。
【００４４】
図７に示すように、ここでは、巻線５を形成する８個のコイルのそれぞれに図中に丸付き数字で示すコイル番号を付し、それぞれをコイル（丸１）からコイル（丸８）と呼ぶ。巻線５はこの８個のコイルを有し、コイル（丸１）、（丸２）およびその対角線上にあるコイル（丸５）、（丸６）の４つのコイルを直列に接続しＹ軸周りの傾き制御用巻線とし、コイル（丸３）、（丸４）およびその対角線上にあるコイル（丸７）、（丸８）の４つのコイルを直列に接続しＸ軸周りの傾き制御用巻線としている。この例によれば、コイル組（丸３）、（丸４）、（丸７）および（丸８）と、コイル組（丸１）、（丸２）、（丸５）および（丸６）とを用いて、Ｘ軸、Ｙ軸周りの回転（傾き）θｘ、θｙが制御可能である。
【００４５】
図８は、Ｙ軸周りに傾き制御する場合の様子を示しており、図９、図１０は、ロータマグネット４による発生磁束の様子を示している。
【００４６】
ロータ２の傾き制御は、傾き制御用巻線５がロータマグネット４のＳ極部４ａとＮ極部４ｂとの境界に位置したときに行う。
【００４７】
この磁極の境界部では、図９、図１０に示すように、Ｎ極からＳ極へと向かう向きに、永久磁石表面すなわち多極着磁した面と平行な磁束が発生している。この平行な磁束と、巻線５に流す電流とにより巻線５には軸方向にローレンツ力が生じる。
【００４８】
図８において、巻線５の右側のコイル（コイル（丸１）、（丸２））では図８（ｂ）で上向きのローレンツ力が生じ、左側のコイル（コイル（丸５）、（丸６））では図８（ｂ）で下向きのローレンツ力が生じる。この両方の合力として巻線５には反時計回りの力が発生する。このとき巻線５すなわちステータ３が固定されていれば、その反作用としてロータマグネット４すなわちロータ２には図中矢印で示す時計回りの傾き制御トルクが発生し、これによりロータ２とステータ３との傾きを制御することができる。
【００４９】
次に、ロータ２とステータ３との傾きの検出方法について説明する。
【００５０】
図１１は、ロータ２とステータ３との傾きの検出について説明する図である。
【００５１】
この傾きは、ステータ３に固定して設けた渦電流式変位センサ１０ａ、１０ｂにより求めることができる。渦電流式変位センサ１０ａ、１０ｂは、ロータ２の円周上、互いに対角線上に設置し、この２つの渦電流センサ１０ａ、１０ｂの出力の変位に基づき、ロータ２のロータマグネット４から渦電流式変位センサ１０ａまでの距離ｄ１と、ロータ２のロータマグネット４から渦電流式変位センサ１０ｂまでの距離ｄ２とを求めることができ、これによりロータ２とステータ３との傾きを検出することができる。ロータ２の位置は（ｄ１＋ｄ２）／２で求められる。
【００５２】
次に、モータ１の動作制御について説明する。ここでは、制御法１および制御法２の２種類の制御方法について説明する。
【００５３】
制御法１では、ステータ３に設置した２組の巻線５、６のうち、一方を回転専用とし、もう一方を傾き制御専用として用いる。
【００５４】
制御法２では、ステータ３に設置した２組の巻線５、６それぞれで、回転と傾き制御の両方の制御を行う。
【００５５】
図１２は、巻線５と巻線６との電気角のズレを示す平面図である。
【００５６】
本実施の形態では、コイル２個を１ｃｈとして、巻線５と巻線６それぞれ４ｃｈ、合計８ｃｈとする。
【００５７】
各巻線は、それぞれのｃｈごとに例えば電流励磁用パワーアンプに接続され、制御プログラムによりロータ２の回転角に応じて結線の切り替えを行う。
【００５８】
巻線５と巻線６とは互いに嵌め込んだ構成のために機械角１２．２５ｄｅｇのずれがあるので、後述のように巻線５を傾き制御用として用いる場合、回転軸を反時計まわりに１１．２５ｄｅｇずらして、傾きを計算する。
【００５９】
＜制御法１＞
制御法１では２組の巻線のうち、一方を回転専用とし、もう一方を傾き制御専用として用いる。
【００６０】
図１３は、モータ１の制御法１を説明する図であり、（ａ）は巻線５と巻線６とを組み合わせた斜視図であり、（ｂ）は巻線５と巻線６とを組み合わせた平面図であり、（ｃ）は巻線５および巻線６それぞれのコイル番号を示す平面図である。
【００６１】
ここでは、巻線５および巻線６それぞれ８個のコイルに対し，図１３（ｃ）のように、コイル（丸１）〜コイル（丸１６）というコイル番号を付ける。
【００６２】
図１４は、制御法１の場合の巻線５および巻線６それぞれの接続を示す結線図である。この図１４は巻線を直線に展開し、上部から見たものである。
【００６３】
制御法１ではコイル（丸１）〜コイル（丸８）を直列に接続した巻線５を回転用とし、コイル（丸９）、（丸１０）、（丸１３）、（丸１４）をＹ軸周りの傾き制御用とし、コイル（丸１１）、（丸１２）、（丸１５）、（丸１６）をＸ軸周りの傾き制御用とする。
【００６４】
図１５は、１６極のロータが電気角で３６０ｄｅｇ（機械角４５ｄｅｇ）回転するときの様子を電気角９０ｄｅｇごとに示す図であって、モータを径方向に展開した図であり、（ａ）は電気角０ｄｅｇ（３６０ｄｅｇ）の図であり、（ｂ）は電気角９０ｄｅｇの図であり、（ｃ）は電気角１８０ｄｅｇの図であり、（ｄ）は電気角２７０ｄｅｇの図である。
【００６５】
傾き制御用電流の方向は、各軸回り右ねじ方向にロータ２を動かす場合のものであり、反対方向の傾き制御は逆向きの電流を流すことで実現することができる。
【００６６】
図１５（ａ）のように、回転用巻線５がロータマグネット４の極中央部に正対しているときを回転角０ｄｅｇ（電気角）とする。以下、図１５（ａ）〜（ｄ）を用いて制御法１について説明する。
【００６７】
図１５（ａ）：
ロータマグネット４の極中央部に回転用巻線５が位置している。このとき、同時にＮ極とＳ極との境界上に傾き制御用巻線６が位置することになり、各巻線５、６に所定の電流を流して、回転と同時に傾きの制御も行うことができる。
【００６８】
図１５（ｂ）：
その後、ロータ２が９０ｄｅｇ回転して回転角９０ｄｅｇとなると、回転用巻線５はＮ極とＳ極との境界上に位置し、傾き制御用巻線６は極中央部に位置しているため制御できない。このため、この位置では電流を流さない。
【００６９】
図１５（ｃ）：
ロータ２がさらに９０ｄｅｇ回転して回転角１８０ｄｅｇとなると、図１５（ａ）ではＮ極だった所がＳ極になり、Ｓ極だった所がＮ極に入れ替わる。このため、一定方向の回転と傾き制御をするために、図１５（ａ）とは逆向きの電流を各巻線５、６に流す。
【００７０】
図１５（ｄ）：
ロータ２がさらに９０ｄｅｇ回転して回転角２７０ｄｅｇとなると、図１５（ｂ）と同様に、回転用巻線５はＮ極とＳ極の境界上に位置し、傾き制御用巻線６は極中央部に位置しているため電流は流さない。
【００７１】
以上のようにして、本実施の形態では、制御法１によりロータ２の回転角１８０ｄｅｇごとに回転と傾きの同時制御を行うことができる。
【００７２】
＜制御法２＞
制御法２では、ステータ３に設置した２組の巻線それぞれで、回転と傾き制御の両方の制御を行う。この制御法２は、ロータ２の回転角に応じコイルの接続を変え、２組の巻線それぞれで回転と傾き制御の両方の制御を行う方法である。
【００７３】
図１６は、制御法２の場合の２組の巻線それぞれの接続を示す結線図であり、（ａ）は各コイルの接続を示す図であり、（ｂ）は、一方の巻線を回転用とし他方の巻線を傾き制御用とした場合の結線を示す図であり、（ｃ）一方の巻線を傾き制御用とし他方の巻線を回転用とした場合の結線を示す図である。この図１６は巻線を直線に展開し、上部から見たものである。
【００７４】
ここでは、一方の巻線を巻線５とし、他方の巻線を巻線６とする。巻線５および巻線６の結線は、制御法１とは異なり、コイルの組み合わせごとにｃｈとして電流励磁用パワーアンプに接続し、電流励磁用パワーアンプによって所望の結線状態を実現する。
【００７５】
図１７は、１６極のロータが電気角で３６０ｄｅｇ（機械角４５ｄｅｇ）回転するときの様子を電気角９０ｄｅｇごとに示す図であって、モータを径方向に展開した図であり、（ａ）は電気角０ｄｅｇ（３６０ｄｅｇ）の図であり、（ｂ）は電気角９０ｄｅｇの図であり、（ｃ）は電気角１８０ｄｅｇの図であり、（ｄ）は電気角２７０ｄｅｇの図である。
【００７６】
傾き制御用電流の方向は、各軸回り右ねじ方向にロータ２を動かす場合のものであり、反対方向の傾き制御は逆向きの電流を流すことで実現することができる。
【００７７】
図１７（ａ）のように、巻線５がロータマグネット４の極中央部に正対しているときを回転角０ｄｅｇ（電気角）とする。以下、図１７（ａ）〜（ｄ）を用いて制御法２について説明する。
【００７８】
図１７（ａ）：
ロータマグネット４の極中央部に巻線（丸１）〜（丸８）が位置している。このとき、同時にＮ極とＳ極との境界上に巻線（丸９）〜（丸１６）が位置している。このため、図１６（ｂ）のように巻線５を回転用として用い、巻線６を傾き制御用として用いる。各巻線５、６に所定の電流を流して、回転と同時に傾きの制御も行うことができる。
【００７９】
図１７（ｂ）：
その後、ロータ２が９０ｄｅｇ回転して回転角９０ｄｅｇとなると、巻線５はＮ極とＳ極との境界上に位置し、巻線６は極中央部に位置する。このため、図１６（ｃ）のように巻線６を回転用として用い、巻線５を傾き制御用として用いる。各巻線５、６に所定の電流を流して、回転と同時に傾きの制御も行うことができる。
【００８０】
図１７（ｃ）：
ロータ２がさらに９０ｄｅｇ回転して回転角１８０ｄｅｇとなると、図１７（ａ）ではＮ極だった所がＳ極になり、Ｓ極だった所がＮ極に入れ替わる。このため、図１６（ｂ）のように巻線５を回転用として用い、巻線６を傾き制御用として用いて、一定方向の回転と傾き制御をするために、図１７（ａ）とは逆向きの電流を各巻線５、６に流す。
【００８１】
図１７（ｄ）：
ロータ２がさらに９０ｄｅｇ回転して回転角２７０ｄｅｇとなると、図１７（ｂ）ではＮ極だった所がＳ極になり、Ｓ極だった所がＮ極に入れ替わる。このため、図１６（ｃ）のように巻線６を回転用として用い、巻線５を傾き制御用として用いて、一定方向の回転と傾き制御をするために、図１７（ｂ）とは逆向きの電流を各巻線５、６に流す。
【００８２】
このように、制御法２はロータ２の回転に応じ電気角で９０ｄｅｇごとに回転用巻線と傾き制御用巻線との入れ替え制御をする方法である。２相で制御できるため発生する回転トルクを増加することができる。
【００８３】
＜制御システム＞
次に、図１に示したモータ１を駆動制御する制御システムの構成について説明する。
【００８４】
図１８は、モータ１の制御システムの構成を示すブロック図である。
【００８５】
本制御システム１００は、モータ１と、渦電流式変位センサ１０５と、ホールＩＣ１０６と、デジタルＰＩＤコントローラ１０１と、パワーアンプ１０７とを有して構成される。デジタルＰＩＤコントローラ１０１は、アナログ信号をデジタル変換するＡ／Ｄコンバータ１０２や、演算を行うＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）１０３や、デジタル信号をアナログ変換するＤ／Ａコンバータ１０４を有して、モータ１に対するＰＩＤ制御を行う。
【００８６】
渦電流式変位センサ１０５は、ステータ３の円周上、等間隔に４つ設け、この４つの渦電流式変位センサ１０５によりロータ２の傾きを検出する。また、ホールＩＣ１０６は、ロータ２の回転数と回転角を検出する。
【００８７】
ロータ２の制御は、デジタルＰＩＤコントローラ１０１によるデジタルＰＩＤ制御で行う。
【００８８】
渦電流式変位センサ１０５やホールＩＣ１０６で検出した信号は、Ａ／Ｄコンバータ１０２を介してＤＳＰ１０３に取り込む。ＤＳＰ１０３では、これら取り込んだ信号より求めた、ロータ２の傾き、回転数を基に必要な電流を算出し、Ｄ／Ａコンバータ１０４を介してパワーアンプ１０７の各チャンネルから各巻線５、６に電流を流す。
【００８９】
ところで、本発明は、傾き制御とともにロータの軸方向位置の制御（ステータとロータとの間隔の制御）を行うこともできる。このロータの軸方向位置の制御によれば、ロータをステータから浮上させる浮上制御を行うこともできる。この制御について、図１９、図２０および図２１を参照して以下に説明する。
【００９０】
図１９は、モータ１の軸方向位置制御原理を説明する図であって、（ａ）は電流を流した状態での平面図であり、（ｂ）は電流を流した状態での側面図である。
【００９１】
図２０は、図１９の場合の巻線５および巻線６それぞれの接続を示す結線図である。
【００９２】
図２１は、図１９の場合の制御システムの構成を示すブロック図である。
【００９３】
図１９のように位置・傾き制御用コイルを４つのコイル（図７の番号で言えば、（丸１）と（丸２）、（丸３）と（丸４）、（丸５）と（丸６）、（丸７）と（丸８））に分割し、図２０のように結線し、それぞれのコイルに個別に電流を流すようにすれば、浮上ロータの軸方向（Ｚ軸方向）位置および径方向軸（Ｘ軸、Ｙ軸）周りの傾きを同時に制御可能となる。例えば位置制御を行う場合は図１９のように位置・傾き制御用コイルに電流を流せば、軸方向と同一方向にローレンツ力を発生でき、その半力でロータの軸方向位置を制御できる。傾き制御に関しては、図８のような電流を流せばよいので、図１９と図８の電流をそれぞれのコイルごと（ここでは、（丸１）と（丸２）が１セットのコイル、（丸５）と（丸６）がもう１セットのコイル）に位置制御と傾き制御に必要な電流方向、電流量を計算して、それを足し合わせてコイルセットごとに流せば位置と傾きの同時制御が可能となる。
【００９４】
軸方向位置制御を行う場合には、図２１に示すように、４つの位置センサ（渦電流センサ）の信号１５０から、浮上ロータの軸方向（Ｚ軸方向）位置および径方向軸（Ｘ軸、Ｙ軸）周りの傾きを計算し（Ａ／Ｄコンバータ１５１、演算手段１５２）、目標値との偏差を取り、デジタルＰＩＤ制御器１５３で制御電流地を計算し、位置制御および傾き制御に必要な電流をそれぞれの電磁石ごとに足し算して流す（Ｄ／Ａコンバータ１５４）。
【００９５】
＜測定結果＞
続いて、上述した本発明によるローレンツモータ１の特性について、実際に実験を行った結果に基づいて説明する。
【００９６】
図２２は、本発明によるローレンツモータ１の回転トルクを測定した実験結果を示すグラフであり、（ａ）は制御法１の実験結果であり、（ｂ）は制御法２の実験結果である。図２２において、横軸は消費電力、縦軸は回転トルクであり、回転数ごとの測定結果をグラフにしている。
【００９７】
この実験によれば、例えば２６００ｒｐｍ時の制御法１での回転トルクは最大で４．５ｍＮｍであり、このときの消費電力は９．６Ｗであった。
【００９８】
また、制御法２を用いた場合、最大で１２．５ｍＮｍの回転トルクを発生可能であり、そのときの消費電力は２１Ｗであった。
【００９９】
図２３は、本発明によるローレンツモータ１の傾き制御トルクを測定した実験結果を示すグラフである。図２３において、横軸は励起電流、縦軸は傾き制御トルクであり、ロータ２とステータ３とのスペースすなわちエアギャップごとの測定結果をグラフにしている。
【０１００】
実験によれば、モータ１では、エアギャップ１ｍｍ、２．５Ａ励磁時に６．２ｍＮｍの傾き制御トルクの発生を確認できた。これにより、ロータ２とステータ３との傾きを制御する傾き制御が可能となる。
【０１０１】
＜他の構成＞
なお、上述の説明では、モータ１が扁平型モータの場合を例に説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば円筒型のモータにも適用可能である。この例を図２４に示す。
【０１０２】
本発明は、図２４に示す構成にも適用可能である。例えば、シリンダ状のロータの周りに縦長にステータ巻線を配置した構成において、本発明を適用することにより、ロータの回転と、ロータとステータとの傾き（ただし、本例の場合、ロータの径方向位置といった方がより適切）を制御可能とすることができる。
【０１０３】
以上、本発明を説明したが、本発明は、この説明に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で数々の変形および組み合わせが出来ることは勿論である。
【符号の説明】
【０１０４】
１ モータ
２ ロータ
３ ステータ
４ ロータマグネット
４ａ Ｓ極部
４ｂ Ｎ極部
５ 巻線
６ 巻線
７ 導線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータとロータとを有し、前記ステータと前記ロータとを対向配置し、前記ステータと前記ロータとの間に作用するローレンツ力によって前記ロータが前記ステータに対して回転するよう構成されたローレンツモータにおいて、
前記ロータは、前記ステータとの対向面に多極着磁したロータマグネットを有し、
前記ステータは、交番電流を流されることによって前記ロータを回転させるローレンツ力を生じさせる回転用巻線と、交番電流を流されることによって前記ロータと前記ステータとの傾きと位置を制御するローレンツ力を生じさせる傾き・位置制御用巻線とを有し、
前記傾き・位置制御用巻線は、前記ロータに多極着磁した所定の磁極と、該所定の磁極と隣接する異なる極の磁極との境界における、多極着磁した面と平行な向きの磁束と作用して傾き・位置制御用のローレンツ力を生じるものである
ことを特徴とするローレンツモータ。
【請求項２】
前記ステータと前記ロータとを平面対向型に構成して成ることを特徴とする請求項１に記載のローレンツモータ。
【請求項３】
前記ステータと前記ロータとを円筒型に構成して成ることを特徴とする請求項１に記載のローレンツモータ。
【請求項１】
ステータとロータとを有し、前記ステータと前記ロータとを対向配置し、前記ステータと前記ロータとの間に作用するローレンツ力によって前記ロータが前記ステータに対して回転するよう構成されたローレンツモータにおいて、
前記ロータは、前記ステータとの対向面に多極着磁したロータマグネットを有し、
前記ステータは、交番電流を流されることによって前記ロータを回転させるローレンツ力を生じさせる回転用巻線と、交番電流を流されることによって前記ロータと前記ステータとの傾きと位置を制御するローレンツ力を生じさせる傾き・位置制御用巻線とを有し、
前記傾き・位置制御用巻線は、前記ロータに多極着磁した所定の磁極と、該所定の磁極と隣接する異なる極の磁極との境界における、多極着磁した面と平行な向きの磁束と作用して傾き・位置制御用のローレンツ力を生じるものである
ことを特徴とするローレンツモータ。
【請求項２】
前記ステータと前記ロータとを平面対向型に構成して成ることを特徴とする請求項１に記載のローレンツモータ。
【請求項３】
前記ステータと前記ロータとを円筒型に構成して成ることを特徴とする請求項１に記載のローレンツモータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２０１３−１０２６５９（Ｐ２０１３−１０２６５９Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４６１１１（Ｐ２０１１−２４６１１１）
【出願日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【出願人】（５０３２３４２２９）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【出願人】（５０３２３４２２９）
【Ｆターム（参考）】
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