静岡大学 工学部 機械工学科 光電・精密コース

下図に，円板回転子を有するシングルドライブベアリングレスモータの構造を示しています．提案構造は，中央に永久磁石対から構成される反発形受動磁気軸受，その外周に，軸方向着磁の永久磁石とコアレスコイルから構成されるアキシャルギャップモータを配置しています．この受動磁気軸受は，固定子側の永久磁石リングと，回転子側の永久磁石ロッドから構成され，両磁石共に着磁方向は同じ方向です．この受動磁気軸受により，回転子の4自由度(X，Y，θX，θY)は受動的に支持されます．具体的には，図に示すように，回転子が中心位置から半径方向に変位すると，受動磁気軸受部で斥力が働き，中心位置に戻そうとする力が作用します．また，回転子が傾いても同様に斥力が働き，元の位置に戻ろうとするトルクが作用します．しかし，回転子が軸方向に変位すると，受動磁気軸受部での斥力により，変位を拡大する方向に力が作用します．これに対して，モータ部で吸引力と反発力を発生させることで，回転子の軸方向の位置を能動的に制御します．

左側の回転子は，6極アキシャルギャップ表面磁石貼付形モータ構造です．磁石背面には鉄のヨークが取り付けられています．渦電流式変位センサで半径方向と傾き方向の振動を測定するために，アルミカバーを全体に取り付けました．中心には受動磁気軸受用の棒磁石を取り付けました．右側の固定子は，コアレスコイルアレイで，アサヒ電気研究所に製作を依頼しました．ホール素子が内蔵され，回転子角度を検出します．

2012年度，当時修士2年の山崎星君が設計・試作および磁気浮上させ，2013年度，当時修士2年の渡邉大祐君が改良，安定化，高速化を実現しました．この動画では，回転子が磁気浮上後，急加速している様子がわかります．2014年度に辻井健太君が理論式を導出し，これを基に，現在，高橋一将君がさらなる高性能化・高効率化を目指しています．

下図は，当研究室で提案しているシングルドライブベアリングレスモータの構造を示しています．アキシャルギャップ形の表面磁石貼付形（Surface-mounted permanent magnet, SPM）モータの構造がベースとなっています． 回転子の片側に着目すると，磁性円板表面にスラスト方向に着磁された永久磁石が張り付けられています．これらをシャフトで連結し，円筒形状とします．また，図では永久磁石の極数は2極です． 固定子は，アキシャルギャップ形鉄心構造とし，回転子の両側に配置します．一方には1組の三相巻線を施します．図では，三相で2極の磁界を発生させるように巻きます．

回転子の並進2自由度と，傾き2自由度の受動支持原理について説明します．回転子が固定子の磁気的な中心付近に位置決めされる場合を考えます．固定子と回転子間には，永久磁石のバイアス磁束により磁気カップリングが形成されています． この位置から並進方向に回転子が変位すると，磁気カップリングにより回転子に復元力が作用します．同様に，傾きに対しては復元トルクが作用します．したがって，能動的に制御しなくても，磁気カップリングのおかげで自動的に元の位置に戻ります（運動が拘束されます）．

下図は，シングルドライブベアリングレスモータの制御ブロックです．永久磁石の界磁を調整するd軸電流で，ギャップ部磁束密度を不平衡にすることでスラスト方向の磁気支持力を調整します． また，q軸電流を制御することでトルクを制御します．これにより三相インバータ1台と，三相巻線1組のみで磁気浮上・回転を同時に実現します．

2010年度に，当時修士1年の浜崎佑樹君が世界で初めて一台の三相インバータでベアリングレスモータの磁気浮上・回転を成功させました．この動画の回転子は第2次試作で，2000rpmで回転します．回転子の長さは75mm，磁性円板の直径は25mm，磁気ギャップは1mmです．