KR20230147210A - 베어링리스 모터 - Google Patents

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KR20230147210A
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KR1020237034186A
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마사히토 미요시
유스케 사카모토
신이치 후루타니
Original Assignee
미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

베어링리스 모터(1)는, 회전자(2)와, 회전자(2)에 지지력과 토크를 주기 위한 고정자(3)와, 회전자(2)의 반경 방향의 위치를 검출하는 제 1 변위 센서(4) 및 제 2 변위 센서(5)와, 제 1 변위 센서(4) 및 제 2 변위 센서(5)에 의해 얻어진 검출 결과에 기초하여 회전자(2)의 기울기 방향의 변위를 연산하는 연산부(10)와, 연산부(10)에 의해 얻어진 기울기 방향의 변위를 받아, 회전자(2)의 기울기의 고유 각진동수를 포함하지 않는 대역의 적어도 일부를 제외하고, 전류 지령을 출력하는 기울기 방향 위치 제어기(11)를 갖는다. 고정자(3)는, 극수 p의 자속을 생성하여 토크를 발생시키는 전동기 권선(32)과, 극수 p±2 또는 2의 자속을 생성하여 지지력을 발생시키는 지지 권선(33)을 갖는다. 제 1 변위 센서(4)와 제 2 변위 센서(5)는, 축 방향의 상이한 위치에 배치된다.

Description

베어링리스 모터
본 개시는, 회전자를 자기 부상시키는 것에 의해 비접촉으로 회전자를 지지하면서, 회전자를 회전시키는 베어링리스 모터에 관한 것이다.
베어링리스 모터는, 토크를 발생시키는 전동기의 기능과, 회전자를 비접촉으로 부상시키기 위한 지지력을 발생시키는 자기 베어링의 기능을 하나의 자기 회로에 갖는다. 회전자를 부상시키기 위해서는, 회전축을 제외한 5 자유도를 모두 능동적으로 제어하거나, 당해 5 자유도 중 일부를 능동적으로 제어하지 않고 수동적이고 안정적인 구조로 할 필요가 있다.
2축 제어형의 베어링리스 모터는, 회전자의 반경 방향에 대해서만, 센서로 위치를 검출하고, 검출한 위치와 목표의 위치가 일치하도록 지지력을 조정한다. 다시 말해, 2축 제어형의 베어링리스 모터는, 반경 방향에 대해서만 능동적인 제어를 행한다. 반경 방향은, X축의 방향과 Y축의 방향의 두 방향이다.
2축 제어형의 베어링리스 모터는, 일반적으로, 회전자의 축 방향과 기울기 방향에 대해서는, 능동적인 제어를 행하지 않고, 수동적으로 안정적인 구조를 갖는다. 축 방향은 Z축의 방향이고, 기울기 방향은 θx 및 θy이다. 이하, 제어되는 방향을 제어 방향이라 부른다. 한편, 제어되는 일이 없이, 수동적으로 안정되는 방향을, 수동 안정 방향이라 부른다.
회전자를 수동적으로 안정하게 하기 위해, 회전자의 영구자석과 고정자의 철심의 흡인력이 이용된다. 예컨대 회전자가 기운 경우, 회전자의 기울기를 되돌리도록 회전자의 영구자석과 고정자의 철심의 사이에서 흡인력이 작용한다. 그 결과, 제어가 행하여지는 일 없이, 회전자가 기운 방향과 역방향으로 복원 토크가 발생한다. 마찬가지로, 회전자가 축 방향으로 움직인 경우, 회전자가 움직인 방향과 역방향으로 복원력이 작용한다. 영구자석과 철심의 사이에 작용하는 흡인력은, 거리에 비례하기 때문에, 스프링력으로 생각할 수 있다. 이하, 기울기 각도에 대한 복원 토크의 비를 복원 토크 계수 kθ라 부른다.
수동 안정 방향인 기울기 방향에 대해서는, 복원 토크만이 이용되어 안정성이 확보되므로, 제어 방향과 비교하여 안정성이 부족하다. 복원 토크는, 진동을 감쇠시키는 작용을 갖지 않는다. 속도에 비례하여 진동을 감쇠시키는 댐핑력은, 수동 안정 방향으로는 원리적으로 발생하지 않는다. 그 때문에, 수동 안정 방향의 진동이 지속되거나 또는 발산하여, 회전자가 불안정하게 되는 일이 있다.
또한, 2축 제어형의 베어링리스 모터의 반경 방향의 제어가 회전자의 기울기 방향의 안정성에 영향을 주는 일이 있는 것이 보고되어 있다(예컨대, 비특허문헌 1 참조). 회전자의 반경 방향의 지지력의 작용선이 회전자의 무게중심을 통과하지 않는 것에 의해, 반경 방향의 지지력이 회전자를 기울게 하는 모멘트로서도 작용한다. 기울기 운동에 의해, 반경 방향의 위치 검출용의 변위 센서의 출력이 변화하는 일이 있다. 이상적으로는 반경 방향의 운동 및 제어는 기울기 방향의 운동과는 관계가 없지만, 실제로는 반경 방향과 기울기 방향은 서로 간섭하여 연성되어 있다.
상술한 간섭에 의해 불안정하게 되는 문제를, 변위 센서의 위치를 변경하고, 구조적으로 고안함으로써 해결하는 수법이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조). 회전자의 기울기 방향의 위치를 검출하는 것을 목적으로 하여, 제 1 변위 센서의 신호 중 적어도 50% 이상이, 측정 구역 중 회전자의 자기 평면의 위 또는 아래의 컨트롤 구역을 차지한다. 기울기 운동이, 반경 방향 위치 제어기의 미분 항을 경유함으로써 기울기 운동의 댐핑력을 초래한다. 결과적으로, 반경 방향 위치 제어기가, 반경 방향을 안정하게 할 뿐만 아니라 동시에 기울기 운동의 진동을 억제한다.
특허문헌 1: 미국 특허 제 8729758호 명세서
비특허문헌 1: H. Sugimoto and A. Chiba, "Stability Consideration of Magnetic Suspension in Two-Axis Actively Positioned Bearingless Motor With Collocation Problem", IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 50, no. 1, Jan.-Feb. 2014. pp. 338-345
종래, 상술한 바와 같이 회전자의 기울기 방향의 안정성은 기울기의 양에 비례한 복원 토크에만 의존한다. 회전자의 기울기 방향의 안정성은, 외란에 약하다. 회전자의 반경 방향의 부상과 기울기 운동이 서로 간섭하여 회전자가 불안정하게 되어, 최악의 경우에는 회전자의 진동이 발산한다.
특허문헌 1의 수법에서는, 변위 센서의 위치를 회전자의 자기 평면의 위 또는 아래로 어긋나게 함으로써, 회전자의 반경 방향의 위치 정보에 회전자의 기울기 방향의 위치 정보를 포함시킨 정보를 변위 센서로부터 피드백하고, 회전자가 안정하게 되도록 제어한다. 다시 말해, 특허문헌 1의 수법에서는, 기울기 방향의 위치 정보와 반경 방향의 위치 정보를 별개의 상태 변수로서 분리하여 검출하지 않는다. 특허문헌 1의 수법에서는, 반경 방향 위치 제어기가 기울기 방향의 댐핑력의 발생에 기여하는 일이 있지만, 반경 방향의 진동과 기울기 방향의 진동을 조기에 적절하게 억제할 수는 없다.
회전자의 기울기 방향의 고유 각진동수와 회전 각속도가 일치하는 위험 속도에서는, 회전에 의한 주기적인 외란이 회전자의 기울기 방향의 진동을 증폭시킨다. 그 결과, 진동량은 대폭 증가하기 쉽다. 기울기 방향의 고유 각진동수와 회전 각속도의 배수가 일치하는 경우도, 동일한 문제가 발생한다. 그 때문에, 진동을 적절하게 억제할 수 없는 경우, 기울기 방향의 고유 각진동수와 회전 각속도가 일치하는 회전 속도에서의 회전, 또는 기울기 방향의 고유 각진동수와 회전 각속도의 배수가 일치하는 회전 속도에서의 회전을 계속하는 것은 곤란하다.
본 개시는, 상기 내용을 감안하여 이루어진 것으로서, 회전자의 기울기 방향의 안정성을 향상시키는 베어링리스 모터를 얻는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 개시에 따른 베어링리스 모터는, 2축 제어형의 베어링리스 모터로서, 회전자와, 회전자에 지지력과 토크를 주기 위한 고정자와, 회전자의 반경 방향의 위치를 검출하는 제 1 변위 센서 및 제 2 변위 센서와, 제 1 변위 센서 및 제 2 변위 센서에 의해 얻어진 검출 결과에 기초하여 회전자의 기울기 방향의 변위를 연산하는 연산부와, 연산부에 의해 얻어진 기울기 방향의 변위를 받아, 회전자의 기울기의 고유 각진동수를 포함하지 않는 대역의 적어도 일부를 제외하고, 전류 지령을 출력하는 기울기 방향 위치 제어기를 갖는다. 고정자는, 극수(number of poles) p의 자속을 생성하여 토크를 발생시키는 전동기 권선과, 극수 p±2 또는 2의 자속을 생성하여 지지력을 발생시키는 지지 권선을 갖는다. 토크를 발생시키기 위한 극수 p의 자속의 자기 회로의 적어도 일부와, 지지력을 발생시키기 위한 극수 p±2 또는 2의 자속의 자기 회로의 적어도 일부가 공통이다. 지지력은, 극수 p의 자속에, 극수 p±2 또는 2의 자속이 중첩되는 것에 의해 발생한다. p는, 자연수이다. 제 1 변위 센서와 제 2 변위 센서는, 축 방향의 상이한 위치에 배치된다.
본 개시에 따른 베어링리스 모터는, 회전자의 기울기 방향의 안정성을 향상시킬 수 있다고 하는 효과를 나타낸다.
도 1은 실시의 형태 1에 따른 베어링리스 모터의 단면도이다.
도 2는 제 2 변위 센서의 위치를 제 1 변위 센서와 동일한 각도 위치에 배치한 경우의 실시의 형태 1에 따른 베어링리스 모터의 단면도이다.
도 3은 실시의 형태 1에 있어서, 검출된 반경 방향의 위치와 기울기 방향을 이용하여 회전자의 지지 제어를 행하기 위한 구성 요소를 포함하는 블록도이다.
도 4는 실시의 형태 2에 있어서, 기울기의 고유 각진동수를 포함하지 않는 대역의 적어도 일부를 제외하고, 전류 지령을 출력하는 기울기 방향 위치 제어기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 실시의 형태 2에 따른 베어링리스 모터의 회전자에 부속품이 추가된 상황을 나타내는 도면이다.
도 6은 지지력 및 토크의 발생에는 기여하지 않는 비자성체의 센서 타겟이 회전자의 하부에 부착된 상태의 베어링리스 모터의 단면도이다.
도 7은 지지력 및 토크의 발생에는 기여하지 않는 비자성체의 센서 타겟이 회전자의 하부에 부착된 상태의 베어링리스 모터의 단면도이다.
도 8은 지지력 및 토크의 발생에는 기여하지 않는 비자성체의 센서 타겟이 회전자의 상부에 부착된 상태의 베어링리스 모터의 단면도이다.
도 9는 지지력 및 토크의 발생에는 기여하지 않는 비자성체의 센서 타겟이 회전자의 상부에 부착된 상태의 베어링리스 모터의 단면도이다.
도 10은 실시의 형태 1에 따른 베어링리스 모터가 갖는 기울기 방향 위치 제어기가 프로세서에 의해 실현되는 경우의 프로세서를 나타내는 도면이다.
도 11은 실시의 형태 1에 따른 베어링리스 모터가 갖는 기울기 방향 위치 제어기가 처리 회로에 의해 실현되는 경우의 처리 회로를 나타내는 도면이다.
이하에, 실시의 형태에 따른 베어링리스 모터를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.
실시의 형태 1.
도 1은 실시의 형태 1에 따른 베어링리스 모터(1)의 단면도이다. 도 1에는, X축, Y축 및 Z축도 도시되어 있다. X축은 Y축 및 Z축과 직교하고 있고, Y축은 Z축과 직교하고 있다. 도 1은 X축 및 Z축을 포함하는 평면과 평행한 평면에 있어서의 베어링리스 모터(1)의 단면을 나타내고 있다.
베어링리스 모터(1)는, 2축 제어형의 베어링리스 모터로서, 회전자(2)와, 회전자(2)에 지지력과 토크를 주기 위한 고정자(3)를 갖는다. 고정자(3)는, 슬롯이 형성되어 있는 고정자 철심(31)을 갖는다. 고정자(3)는, 고정자 철심(31)에 형성되어 있는 슬롯에 마련되어 있는 전동기 권선(32) 및 지지 권선(33)을 더 갖는다. 전동기 권선(32)은, 극수 p의 자속을 생성하여 토크를 발생시킨다. p는, 자연수이다. 전동기 권선(32)에 전류가 흐르게 함으로써 극수 p의 자속이 생성되어 토크가 발생한다.
지지 권선(33)은, 극수 p±2 또는 2의 자속을 생성하여 지지력을 발생시킨다. 지지 권선(33)에 전류가 흐르게 함으로써 극수 p±2 또는 2의 자속이 생성되어 회전자(2)의 반경 방향의 지지력이 발생한다. 예컨대 표면 자석형 모터를 포함하는 일반적인 모터에서는, 지지 권선에 의한 극수 p±2의 자계에 의해 지지력이 생성되고, 컨시퀀트폴형 모터 또는 호모폴라형 모터이면, 지지 권선에 의한 극수 2의 자계에 의해 지지력이 생성된다.
토크를 발생시키기 위한 극수 p의 자속의 자기 회로의 적어도 일부와, 지지력을 발생시키기 위한 극수 p±2 또는 2의 자속의 자기 회로의 적어도 일부가 공통이다. 지지력은, 극수 p의 자속에, 극수 p±2 또는 2의 자속이 중첩되는 것에 의해 발생한다. 상술한 바와 같이 2개의 자기 회로의 적어도 일부가 공통이고, 극수 p의 자속에, 극수 p±2 또는 2의 자속이 중첩되는 것에 의해, 자속 밀도에 조밀이 발생한다. 그 때문에, 지지 전류의 크기와 위상을 조정함으로써, 회전자(2)의 반경 방향의 지지력의 크기와 방향을 제어할 수 있다.
회전자(2)에 대해서는, 자중 A가 아래 방향으로 작용하고 있지만, 고정자(3)로부터 축 방향의 위 방향의 복원력이 작용하고 있기 때문에, 자중 A와 복원력이 균형을 이루는 위치에서, 회전자(2)는 부상한다. 회전자(2)의 X축의 방향의 위치 x를 검출하기 위해, 변위 센서가 이용된다. 변위 센서는, 와전류 방식의 센서이더라도 좋고, 광학 방식의 센서이더라도 좋다.
X축의 방향의 회전자(2)의 위치를 검출하기 위해서는 적어도 1개의 변위 센서가 필요하지만, 베어링리스 모터(1)는, 제 1 변위 센서(4) 및 제 2 변위 센서(5)의 2개의 변위 센서를 갖는다. 제 1 변위 센서(4) 및 제 2 변위 센서(5)는, 회전자(2)의 반경 방향의 위치를 검출한다. 제 1 변위 센서(4)와 제 2 변위 센서(5)는, 회전자(2)의 축 방향의 상이한 위치에 배치된다. 실시의 형태 1에서는, 제 2 변위 센서(5)는, 제 1 변위 센서(4)에 대하여 둘레 방향으로 기계각 0° 어긋난 위치에 배치되어 있다. 제 2 변위 센서(5)는, 제 1 변위 센서(4)에 대하여 둘레 방향으로 기계각 180° 어긋난 위치에 배치되더라도 좋다.
도 2는 제 2 변위 센서(5)의 위치를 제 1 변위 센서(4)와 동일한 각도 위치에 배치한 경우의 실시의 형태 1에 따른 베어링리스 모터(1)의 단면도이다. 도 2는 X축 및 Z축을 포함하는 평면과 평행한 평면에 있어서의 베어링리스 모터(1)의 단면을 나타내고 있다. 도 2에서는, 제 2 변위 센서(5)는, 제 1 변위 센서(4)에 대하여 둘레 방향으로 기계각 180° 어긋난 위치에 배치되어 있다. 이하에서는, 제 2 변위 센서(5)가 제 1 변위 센서(4)에 대하여 둘레 방향으로 기계각 180° 어긋난 위치에 배치된 경우의 변위 센서의 신호에 대하여 설명한다. 도 1의 경우, 도 2의 경우의 수식의 제 2 변위 센서(5)의 신호의 부호를 반전하면 된다.
회전자(2)의 무게중심 B를 기준으로 하여, 제 1 변위 센서(4)의 축 방향의 위치를 L1로 하고, 제 2 변위 센서(5)의 축 방향의 위치를 L2로 한다. 또, 도 1의 "L"은, 회전자(2)의 적층 두께 길이를 나타내고 있다. 회전자(2)의 표면이, 센서 타겟의 역할을 한다. 회전자(2)가 X축의 방향으로 움직이면, 회전자(2)의 표면과 변위 센서의 거리는 변화한다. 회전자(2)의 Y축을 중심으로 한 기울기 θy에 의해서도, 회전자(2)의 표면과 변위 센서의 거리는 변화한다. 제 1 변위 센서(4)의 신호 x1은 하기의 식 (1)로 표현되고, 제 2 변위 센서(5)의 신호 x2는 하기의 식 (2)로 표현된다.
[수학식 1]
[수학식 2]
도 2는 회전자(2)의 무게중심 B가 제 1 변위 센서(4)와 제 2 변위 센서(5)의 사이에 있는 경우를 나타내고 있지만, 무게중심 B가 제 2 변위 센서(5)보다 아래에 있는 경우, 제 2 변위 센서(5)의 축 방향의 위치 L2의 부호를 반전하면 된다. L2는, 무게중심 B와 제 2 변위 센서(5)의 축 방향의 위치의 거리이다.
베어링리스 모터(1)는, 제 1 변위 센서(4)의 신호 x1과 제 2 변위 센서(5)의 신호 x2의 양쪽을 활용함으로써, 회전자(2)의 X축의 방향의 위치 x의 정보와 Y축을 중심으로 한 기울기 θy의 정보를 얻을 수 있다. 회전자(2)의 X축의 방향의 위치 x는 하기의 식 (3)으로 표현되고, Y축을 중심으로 한 기울기 θy는 하기의 식 (4)로 표현된다.
[수학식 3]
[수학식 4]
회전자(2)의 적층 두께 길이 L은, 회전자(2)의 반경 이하이다. 다시 말해, 회전자(2)의 구조는 편평한 구조이다.
회전자(2)가 축 방향 또는 기울기 방향으로 변위한 경우, 변위를 되돌리도록 복원력 및 복원 토크가 발생한다. 다시 말해, 양의 스프링력이 발생하고, 회전자(2)의 축 방향과 기울기 방향이 수동적으로 안정하게 되도록 힘이 작용한다. 그러나, 다시 말해서 회전자(2)의 적층 두께 길이 L을 회전자(2)의 반경보다 길게 할 수는 없다고 하는 제한이 있다.
회전자(2)의 Y축을 중심으로 한 기울기 θy는, 제 1 변위 센서(4)의 신호 x1과 제 2 변위 센서(5)의 신호 x2의 차 x1-x2를, 제 1 변위 센서(4)와 제 2 변위 센서(5)의 축 방향의 거리 L1+L2로 나눔으로써 산출된다. 상기의 차 x1-x2는, 상기의 거리 L1+L2의 크기에 비례한다. 그러나, 거리 L1+L2는 편평한 회전자(2)의 적층 두께 길이 L보다 길게 취할 수는 없다.
변위 센서의 타겟이 되는 회전자(2)가 축 방향 또는 기울기 방향으로 움직여 변위 센서의 검출 범위에 회전자(2)가 존재하지 않는 부위가 포함되면, 변위 센서의 검출치에 오차가 포함될 우려가 있다. 회전자(2)의 축 방향 또는 기울기 방향의 진동, 또는 자중 A에 의한 회전자(2)의 꾸준한 가라앉음에 의해서도, 회전자(2)의 상단 및 하단의 위치는 변화한다. 본 현상의 영향을 피하기 위해서는, 상기의 거리 L1+L2는, 회전자(2)의 적층 두께 길이 L보다 짧게 할 필요가 있다.
회전자(2)의 진동 또는 가라앉음에 의한 회전자(2)의 상단 및 하단의 축 방향의 변동량의 진폭을 Δz, 변위 센서의 외경을 D로 한다. 와전류 방식이면, 변위 센서의 측정 대상인 회전자(2)의 상단과 하단의 사이에 변위 센서가 배치될 필요가 있다. 센서가 대상으로 하는 검출 범위는, 센서 외경 D의 3배를 외경으로 하는 원, 다시 말해 D의 3/2배를 반경으로 하는 원으로 한다. 따라서, 회전자의 상단과 변위 센서 중심의 거리, 및 회전자의 하단과 변위 센서 중심의 거리의 양쪽이, D의 3/2배 이상인 것이 바람직하고, 또한 측정 대상이 진동하는 것을 고려하면, 제 1 변위 센서(4)와 제 2 변위 센서(5)의 축 방향의 거리 L1+L2는 하기의 식 (5)를 만족시키는 것이 필요하게 된다.
[수학식 5]
그 결과, 제 1 변위 센서(4)의 신호 x1과 제 2 변위 센서(5)의 신호 x2의 차 x1-x2의 신호는 작아지고, 회전자(2)의 Y축을 중심으로 한 기울기 θy를 연산할 때에 포함되는 외란 또는 노이즈의 크기가 상대적으로 커지는 문제가 발생한다.
도 3은 실시의 형태 1에 있어서, 검출된 반경 방향의 위치와 기울기 방향을 이용하여 회전자(2)의 지지 제어를 행하기 위한 구성 요소를 포함하는 블록도이다. 반경 방향의 지령치 x*와 검출치 x의 차로부터, 편차가 계산된다. 검출치 x는, 회전자(2)의 X축의 방향의 위치 x이다. 베어링리스 모터(1)는, 편차에 기초하여, 반경 방향의 회전자(2)를 지지하기 위한 지지 전류의 지령치 ix0*를 출력하는 반경 방향 위치 제어기(6)를 갖는다. 반경 방향 위치 제어기(6)는, 전류 제어기(7)에 지령치 ix0*를 입력한다. 전류 제어기(7)는 전압 지령치를 출력하고, 그 신호에 기초하여 인버터(8)가 모터부(9)에 전압을 인가함으로써, 모터부(9)로 전류가 흐른다. 모터부(9)는, 회전자(2) 및 고정자(3)를 갖는다. 베어링리스 모터(1)는, 반경 방향의 지지 제어를 행함과 동시에, 기울기 방향의 변위를 활용한다.
베어링리스 모터(1)는, 제 1 변위 센서(4) 및 제 2 변위 센서(5)에 의해 얻어진 검출 결과에 기초하여 회전자(2)의 Y축을 중심으로 한 기울기 θy를 연산하는 연산부(10)와, 연산부(10)에 의해 얻어진 회전자(2)의 Y축을 중심으로 한 기울기 θy를 받아, 기울기 θy에 기초하여, 회전자(2)의 기울기의 고유 각진동수를 포함하지 않는 대역의 적어도 일부를 제외하고, 전류 지령 iθy*를 출력하는 기울기 방향 위치 제어기(11)를 더 갖는다. 회전자(2)의 Y축을 중심으로 한 기울기 θy는, 회전자(2)의 기울기 방향의 변위이다.
이것에 의해, 베어링리스 모터(1)는, 회전자(2)의 기울기 방향의 위치 정보를, 불필요한 신호 또는 노이즈를 제외한 후에 검출할 수 있다. 베어링리스 모터(1)는, 기울기의 고유 각진동수를 포함하지 않는 대역의 적어도 일부를 제외함으로써, 외란 및 노이즈의 성분을 없애고, 필요한 회전자(2)의 Y축을 중심으로 한 기울기 θy를 추출할 수 있다. 기울기는, 기울기 방향의 고유 각진동수에서의 진동이 주요한 성분이고, 이 고유 각진동수에 의한 진동을 감쇠하는 것이 필요하게 된다. 기울기 방향의 고유 각진동수 ωn은, 하기의 식 (6)으로 표현된다.
[수학식 6]
I는, 회전자(2)의 기울기 방향의 관성 모멘트이다. 당해 기울기 방향은, X축 및 Y축을 중심으로 한 기울기 방향이다. Iz는, 회전자(2)의 Z축을 중심으로 한 관성 모멘트이다. ω는, 회전자(2)의 회전 각속도이고, kθ는 복원 토크 계수이다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 지지 권선(33)에 의해 발생하는 힘은, 주로 X축의 방향으로 회전자(2)를 이동시키기 위한 지지력으로서 작용하지만, 이 힘의 작용선은 무게중심 B를 통과하지 않기 때문에, 회전자(2)를 Y축을 중심으로 기울게 하는 토크로서도 작용한다. 그 때문에, 베어링리스 모터(1)는, 기울기 방향 위치 제어기(11)에 의해 생성된 전류 지령 iθy*를, 반경 방향을 지지하기 위한 지지 전류의 지령치 ix0*에 중첩하여, 지지 전류의 지령치 ix*를 ix0*와 iθy*의 합으로 함으로써, 반경 방향 및 기울기 방향의 진동을 조기에 적절하게 억제할 수 있다.
회전자(2)의 X축의 방향과 Y축을 중심으로 한 기울기 방향이 상술한 바와 같이 서로 간섭하는 것과 마찬가지로, 회전자(2)의 Y축의 방향과 X축을 중심으로 한 기울기 방향도 서로 간섭한다. 베어링리스 모터(1)는, Y축의 방향과 X축을 중심으로 한 기울기 방향의 위치를 검출하기 위해서도, 제 1 변위 센서(4)와 제 2 변위 센서(5)의 2개의 변위 센서와, 도 3에 도시되어 있는 구성 요소를 이용하여 Y축의 방향과 X축을 중심으로 한 기울기 방향의 제진 제어를 행한다.
상술한 바와 같이, 실시의 형태 1에 따른 베어링리스 모터(1)는, 회전자(2)의 Y축을 중심으로 한 기울기 θy와 반경 방향의 위치를 별개의 상태 변수로서 취득하고, 반경 방향 위치 제어기(6) 및 기울기 방향 위치 제어기(11)에 의해, 기울기 방향 및 반경 방향의 회전자(2)의 진동을 조기에 적절하게 억제할 수 있다. 그 결과, 베어링리스 모터(1)는, 외란이 회전자(2)에 가하여진 경우 또는 회전자(2)가 위험 속도로 회전하고 있는 경우에도, 회전자(2)의 진동을 억제하여, 회전자(2)를 보다 안정적으로 부상시켜 회전시킬 수 있다. 즉, 베어링리스 모터(1)는, 회전자(2)의 기울기 방향의 안정성을 향상시킬 수 있다.
실시의 형태 2.
도 4는 실시의 형태 2에 있어서, 기울기의 고유 각진동수를 포함하지 않는 대역의 적어도 일부를 제외하고, 전류 지령 iθy*를 출력하는 기울기 방향 위치 제어기(40)의 구성을 나타내는 도면이다. 구체적으로는, 실시의 형태 1의 기울기 방향 위치 제어기(11)가 기울기 방향 위치 제어기(40)로 대체된다고 하는 구성으로 하더라도 좋다. 기울기 방향 위치 제어기(40)는, 회전 각속도 및 관성 모멘트를 이용하여, 고유 각진동수를 연산하는 고유 각진동수 연산부(41)를 갖는다. 실시의 형태 2에서는, 실시의 형태 1의 연산부(10)가 고유 각진동수 연산부(41)로 대체된다. 고유 각진동수 연산부(41)는, 회전자(2)의 회전수와 관성 모멘트 중 적어도 한쪽을 입력으로 하여 회전자(2)의 기울기 방향의 고유 각진동수를 연산하는 기능을 갖는다.
기울기 방향 위치 제어기(40)는, 기울기 방향 위치 제어기(40)의 내부의 신호의 게인의 크기와 위상을 변경시키는 변경부(42)를 더 갖는다. 기울기 방향 위치 제어기(40)는, 고유 각진동수 이외의 주파수 성분을 제외하는 역 노치 필터(43)를 더 갖는다. 다시 말해, 기울기 방향 위치 제어기(40)는, 회전자(2)의 기울기 방향의 고유 각진동수의 대역의 성분을 통과시키고, 기울기 방향의 고유 각진동수 이외의 대역의 성분의 적어도 일부를 제외하는 필터 처리를 행한다. 역 노치 필터(43)의 전달 함수 GS(S)는, 하기의 식 (7)로 표현된다.
[수학식 7]
식 (7)에 있어서, a는 역 노치 필터(43)의 게인을 결정하는 계수이고, Q는 역 노치의 대역을 결정하는 계수이다.
실시의 형태 2에서는, 관성 모멘트 또는 회전수가 변화한 경우에도, 기울기 방향 위치 제어기(40)는, 내부의 파라미터를 변경하여 고유 각진동수를 수시로 갱신할 수 있다. 그 때문에, 변위 센서의 배치 장소를 변경할 필요는 없다. 또, 일반적인 밴드 패스 필터, 또는, 특정한 삼각함수와 신호를 적산한 후에 그 평균을 취하는 DFT(Discrete Fourier Transform)가 이용되더라도 좋다.
도 4에 도시되는 바와 같이, 기울기 방향 위치 제어기(40)는, 역 노치 필터(43)의 출력을 입력으로 하여, 당해 입력의 게인과 위상을 조절하는 게인 위상 조절기(44)를 더 갖는다.
실시의 형태 2에 따른 베어링리스 모터는, 회전자(2)의 구성 및 회전자(2)의 주위의 환경이 변화하여, 부상 위치, 무게중심, 관성 모멘트, 회전수, 및 장치 전체를 배치하는 각도의 일부 또는 전부가 변화한 경우에도, 회전자(2)의 기울기 방향의 진동을 억제하기 위한 전류 지령 iθy*를 조정할 수 있다.
종래, 변위 센서의 위치를 회전자의 자기 평면의 위 또는 아래로 어긋나게 하여 안정을 도모하는 경우, 회전자의 구성이 변화하였을 때, 회전자가 안정하게 되도록 의도한 변위 센서의 위치가, 오히려 회전자를 불안정하게 하는 요인이 되는 일이 있다. 그 경우, 변위 센서의 위치를 변경하지 않을 수 없다. 실시의 형태 2에서는, 변경부(42)에 의해, 기울기 방향 위치 제어기(40)의 내부의 신호인 게인 위상 조절기(44)에 의해 얻어지는 신호의 게인의 크기와 위상이 변경되므로, 변위 센서의 위치를 변경할 필요는 없다. 실시의 형태 2의 기울기 방향 위치 제어기(40)는, 역 노치 필터(43)에 의한 위상의 어긋남을 보정하는 기능도 갖는다.
역 노치 필터(43)는, 중심 주파수로부터 주파수가 멀어짐에 따라 위상을 어긋나게 한다. 이 영향을 억제하기 위해, 게인 위상 조절기(44) 내에 예컨대 지연 위상 보상기를 직렬로 연결함으로써 위상을 보정할 수 있다. 또한, 메모리를 이용하여 입력을 일시적으로 보존하고, 입력에 대하여 출력을 지연시켜 위상을 조절하더라도 좋다.
도 5는 실시의 형태 2에 따른 베어링리스 모터(1A)의 회전자(2)에 부속품(51)이 추가된 상황을 나타내는 도면이다. 예컨대, 부속품(51)은, 팬 또는 지지물이다. 부속품(51)이 추가됨으로써, 회전자(2)와 부속품(51)의 전체의 무게중심은 무게중심 B로부터 무게중심 C로 변화한다. 부속품(51)이 팬인 경우, 팬의 반작용에 의해 추진력이 변화하고, 회전자(2)의 부상 위치가 변화한다. 부속품(51)의 질량 및 반작용에 의해, 회전자(2)와 부속품(51)의 전체의 무게중심의 위치가 무게중심 C의 위치로 변화한 경우, 변위 센서가 1개뿐이면, 반경 방향과 기울기 방향의 간섭의 영향이 변화하여, 회전자(2)가 불안정하게 되는 일이 있다.
그러나, 실시의 형태 2에 따른 베어링리스 모터(1A)는, 부속품(51)의 영향이 있는 경우에도, 게인 위상 조절기(44)를 조정함으로써, 변위 센서의 위치를 변경하는 일 없이 회전자(2)의 안정성을 유지할 수 있다.
실시의 형태 3.
도 6은 지지력 및 토크의 발생에는 기여하지 않는 비자성체의 센서 타겟(60)이 회전자(2)의 하부에 부착된 상태의 베어링리스 모터(1B)의 단면도이다. 도 7은 지지력 및 토크의 발생에는 기여하지 않는 비자성체의 센서 타겟(60)이 회전자(2)의 하부에 부착된 상태의 베어링리스 모터(1C)의 단면도이다. 도 8은 지지력 및 토크의 발생에는 기여하지 않는 비자성체의 센서 타겟(60)이 회전자(2)의 상부에 부착된 상태의 베어링리스 모터(1D)의 단면도이다. 도 9는 지지력 및 토크의 발생에는 기여하지 않는 비자성체의 센서 타겟(60)이 회전자(2)의 상부에 부착된 상태의 베어링리스 모터(1E)의 단면도이다. 도 6 내지 도 9의 각각에는, X축, Y축 및 Z축이 도시되어 있다. 도 6 내지 도 9의 각각은, X축 및 Z축을 포함하는 평면과 평행한 평면에 있어서의 베어링리스 모터(1B, 1C, 1D, 1E)의 단면을 나타내고 있다.
변위 센서가 와전류 방식의 센서이면, 센서 타겟(60)은 금속일 필요가 있다. 변위 센서가 광학 방식의 센서이면, 센서 타겟(60)은 광을 반사하는 소재일 필요가 있다. 도 6 및 도 8의 경우에서는, 제 1 변위 센서(4)와 제 2 변위 센서(5)는 모두, 고정자(3)의 상단과 하단의 사이와는 상이한 위치에 배치되어 있다. 제 1 변위 센서(4) 및 제 2 변위 센서(5)의 한쪽 또는 양쪽은, 센서 타겟(60)으로부터 회전자(2)의 위치를 검출한다.
도 7 및 도 9의 경우에서는, 제 1 변위 센서(4)와 제 2 변위 센서(5) 중 한쪽은, 고정자(3)의 상단과 하단의 사이와는 상이한 위치에 배치되어 있고, 제 1 변위 센서(4)와 제 2 변위 센서(5) 중 다른 쪽은, 고정자(3)의 상단과 하단의 사이에 배치되어 있다. 제 1 변위 센서(4)와 제 2 변위 센서(5) 중 상기의 한쪽은, 센서 타겟(60)으로부터 회전자(2)의 위치를 검출한다. 제 1 변위 센서(4)와 제 2 변위 센서(5) 중 상기의 다른 쪽은, 회전자(2)로부터 회전자(2)의 위치를 검출한다.
도 6 및 도 8의 베어링리스 모터(1B, 1D)는, 변위 센서를 고정자(3)와 동일한 축 방향 위치의 예컨대 슬롯의 내부에 배치하는 것이 곤란한 경우에도, 센서 타겟(60)으로부터 회전자(2)의 위치를 검출할 수 있다. 도 7 및 도 9의 베어링리스 모터(1C, 1E)에서는, 제 1 변위 센서(4)와 제 2 변위 센서(5)의 거리 L1+L2를 회전자(2)의 적층 두께 길이 L보다 크게 취할 수 있다. 그 결과, 베어링리스 모터(1C, 1E)는, 제 1 변위 센서(4)의 신호 x1과 제 2 변위 센서(5)의 신호 x2의 차 x1-x2를, 외란 또는 노이즈와 비교하여 크게 할 수 있다.
도 10은 실시의 형태 1에 따른 베어링리스 모터(1)가 갖는 기울기 방향 위치 제어기(11)가 프로세서(91)에 의해 실현되는 경우의 프로세서(91)를 나타내는 도면이다. 다시 말해, 기울기 방향 위치 제어기(11)의 기능은, 메모리(92)에 저장되는 프로그램을 실행하는 프로세서(91)에 의해 실현되더라도 좋다. 프로세서(91)는, CPU(Central Processing Unit), 처리 장치, 연산 장치, 마이크로프로세서, 또는 DSP(Digital Signal Processor)이다. 도 10에는, 메모리(92)도 도시되어 있다.
기울기 방향 위치 제어기(11)의 기능이 프로세서(91)에 의해 실현되는 경우, 당해 기능은, 프로세서(91)와, 소프트웨어, 펌웨어, 또는, 소프트웨어와 펌웨어의 조합에 의해 실현된다. 소프트웨어 또는 펌웨어는, 프로그램으로서 기술되고, 메모리(92)에 저장된다. 프로세서(91)는, 메모리(92)에 기억된 프로그램을 읽어내어 실행하는 것에 의해, 기울기 방향 위치 제어기(11)의 기능을 실현한다.
기울기 방향 위치 제어기(11)의 기능이 프로세서(91)에 의해 실현되는 경우, 베어링리스 모터(1)는, 기울기 방향 위치 제어기(11)에 의해 실행되는 스텝이 결과적으로 실행되게 되는 프로그램을 저장하기 위한 메모리(92)를 갖는다. 메모리(92)에 저장되는 프로그램은, 기울기 방향 위치 제어기(11)를 컴퓨터에게 실행하게 하는 것이라고도 말할 수 있다.
메모리(92)는, 예컨대, RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), 플래시 메모리, EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory), EEPROM(등록상표)(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) 등의 비휘발성 또는 휘발성의 반도체 메모리, 자기 디스크, 플렉서블 디스크, 광 디스크, 콤팩트 디스크, 미니 디스크 또는 DVD(Digital Versatile Disk) 등이다.
도 11은 실시의 형태 1에 따른 베어링리스 모터(1)가 갖는 기울기 방향 위치 제어기(11)가 처리 회로(93)에 의해 실현되는 경우의 처리 회로(93)를 나타내는 도면이다. 다시 말해, 기울기 방향 위치 제어기(11)는, 처리 회로(93)에 의해 실현되더라도 좋다. 처리 회로(93)는, 전용 하드웨어이다. 처리 회로(93)는, 예컨대, 단일 회로, 복합 회로, 프로그램화된 프로세서, 병렬 프로그램화된 프로세서, ASIC(Application Specific Integrated Circuit), FPGA(Field-Programmable Gate Array), 또는 이들을 조합한 것이다. 기울기 방향 위치 제어기(11)의 일부는, 잔부와 별개의 전용 하드웨어에 의해 실현되더라도 좋다.
기울기 방향 위치 제어기(11)의 복수의 기능에 대하여, 당해 복수의 기능의 일부가 소프트웨어 또는 펌웨어로 실현되고, 당해 복수의 기능의 잔부가 전용 하드웨어로 실현되더라도 좋다. 이와 같이, 기울기 방향 위치 제어기(11)의 복수의 기능은, 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 이들의 조합에 의해 실현할 수 있다.
실시의 형태 1에 따른 베어링리스 모터(1)가 갖는 반경 방향 위치 제어기(6)의 일부 또는 전부는, 프로세서에 의해 실현되더라도 좋고, 처리 회로에 의해 실현되더라도 좋다. 실시의 형태 1에 따른 베어링리스 모터(1)가 갖는 연산부(10)의 일부 또는 전부는, 프로세서에 의해 실현되더라도 좋고, 처리 회로에 의해 실현되더라도 좋다. 당해 프로세서는, 상기의 프로세서(91)와 동일한 프로세서이다. 당해 처리 회로는, 상기의 처리 회로(93)와 동일한 처리 회로이다.
실시의 형태 2에 따른 베어링리스 모터가 갖는 기울기 방향 위치 제어기(40)의 일부 또는 전부는, 프로세서에 의해 실현되더라도 좋고, 처리 회로에 의해 실현되더라도 좋다. 당해 프로세서는, 상기의 프로세서(91)와 동일한 프로세서이다. 당해 처리 회로는, 상기의 처리 회로(93)와 동일한 처리 회로이다.
이상의 실시의 형태에 나타낸 구성은, 일례를 나타내는 것이고, 다른 공지의 기술과 조합하는 것도 가능하고, 실시의 형태끼리 조합하는 것도 가능하고, 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 구성의 일부를 생략 또는 변경하는 것도 가능하다.
1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E: 베어링리스 모터, 2: 회전자, 3: 고정자, 4: 제 1 변위 센서, 5: 제 2 변위 센서, 6: 반경 방향 위치 제어기, 7: 전류 제어기, 8: 인버터, 9: 모터부, 10: 연산부, 11, 40: 기울기 방향 위치 제어기, 31: 고정자 철심, 32: 전동기 권선, 33: 지지 권선, 41: 고유 각진동수 연산부, 42: 변경부, 43: 역 노치 필터, 44: 게인 위상 조절기, 51: 부속품, 60: 센서 타겟, 91: 프로세서, 92: 메모리, 93: 처리 회로

Claims (7)

  1. 2축 제어형의 베어링리스 모터로서,
    회전자와,
    상기 회전자에 지지력과 토크를 주기 위한 고정자와,
    상기 회전자의 반경 방향의 위치를 검출하는 제 1 변위 센서 및 제 2 변위 센서와,
    상기 제 1 변위 센서 및 상기 제 2 변위 센서에 의해 얻어진 검출 결과에 기초하여 상기 회전자의 기울기 방향의 변위를 연산하는 연산부와,
    상기 연산부에 의해 얻어진 상기 기울기 방향의 변위를 받아, 상기 회전자의 기울기의 고유 각진동수를 포함하지 않는 대역의 적어도 일부를 제외하고, 전류 지령을 출력하는 기울기 방향 위치 제어기
    를 구비하고,
    상기 고정자는,
    극수(number of poles) p의 자속을 생성하여 상기 토크를 발생시키는 전동기 권선과,
    극수 p±2 또는 2의 자속을 생성하여 상기 지지력을 발생시키는 지지 권선
    을 갖고,
    상기 토크를 발생시키기 위한 상기 극수 p의 자속의 자기 회로의 적어도 일부와, 상기 지지력을 발생시키기 위한 상기 극수 p±2 또는 2의 자속의 자기 회로의 적어도 일부가 공통이고,
    상기 지지력은, 상기 극수 p의 자속에, 상기 극수 p±2 또는 2의 자속이 중첩되는 것에 의해 발생하고,
    상기 p는, 자연수이고,
    상기 제 1 변위 센서와 상기 제 2 변위 센서는, 축 방향의 상이한 위치에 배치되는
    것을 특징으로 하는 베어링리스 모터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기울기 방향 위치 제어기는, 상기 기울기 방향 위치 제어기의 내부의 신호의 게인의 크기와 위상을 변경시키는 변경부를 갖는 것을 특징으로 하는 베어링리스 모터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 회전자의 회전수와 관성 모멘트 중 적어도 한쪽을 입력으로 하여 상기 회전자의 기울기 방향의 고유 각진동수를 연산하는 것을 특징으로 하는 베어링리스 모터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자의 적층 두께 길이는, 상기 회전자의 반경 이하인 것을 특징으로 하는 베어링리스 모터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 변위 센서는, 상기 제 1 변위 센서에 대하여 둘레 방향으로 기계각 0° 또는 기계각 180° 어긋난 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 베어링리스 모터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 토크 및 상기 지지력의 발생에는 기여하지 않는 비자성체의 센서 타겟이 상기 회전자의 상부 또는 하부에 부착된 경우, 상기 제 1 변위 센서 및 상기 제 2 변위 센서의 양쪽 또는 한쪽은, 상기 센서 타겟으로부터 상기 회전자의 위치를 검출하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 베어링리스 모터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기울기 방향 위치 제어기는, 상기 회전자의 기울기 방향의 고유 각진동수의 대역의 성분을 통과시키고, 상기 기울기 방향의 고유 각진동수 이외의 대역의 성분의 적어도 일부를 제외하는 필터 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 베어링리스 모터.
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