Development of AC magnetic suspension motor

• Project/Area Number: 20H02096
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: Mizuno Takeshi 埼玉大学, 理工学研究科, 名誉教授 (20134645)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高崎 正也 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (10333486)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2021: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2020: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: 磁気浮上 / 磁気軸受 / 磁気浮上モータ / ベアリングレスモータ / メカトロニクス / 交流磁気浮上 / 自己平衡性 / 浮上回転モータ / 浮上モータ

Outline of Research at the Start

自己平衡性を持つ交流磁気浮上を利用して完全無制御でロータの支持と回転とを同時に実現する交流磁気浮上モータを開発する．磁気浮上モータは，産業用ポンプなどへの応用が進展し，活発に研究・開発が行われている．しかし，従来は，ロータの支持に直流制御式磁気浮上の原理を用いているので，変位センサ及びコントローラが不可欠であった．これに対し，開発する磁気浮上モータは，これらの要素を必要としない．これは，「磁気浮上モータには制御が不可欠」というこれまでの常識を覆し，研究開発の方向を大きく転換させるものである．また，矩形波出力の電源や圧粉磁心磁極の利用を試みる．さらに，遠心血流ポンプへの応用を図る．

Outline of Final Research Achievements

Self-bearing motors using AC magnetic suspension have been designed and manufactured. The developed self-bearing motors are classified into radial and axial types. Both have used the principle of variable reluctance synchronous motor to achieve rotation. The axial self-bearing motor has achieved approximately 600rpm rotation in levitation without any mechanical contact by using sophisticated waveforms for motor drive.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

自己平衡性を持つ交流磁気浮上を利用して「完全無制御」でロータの支持と回転とを同時に実現する交流磁気浮上モータを開発した．磁気浮上モータ（ベアリングレスモータ）は，産業用ポンプや人工心臓への応用が進展し，活発に研究・開発が行われている．しかしながら，従来は，ロータの支持に直流制御式磁気浮上の原理を用いているので，ロータの位置を検出する変位センサ及びコントローラが不可欠であった．これに対し，開発した磁気浮上モータは，高コスト化の要因となるこれらの要素を必要としない．本研究の成果は，「磁気浮上モータには制御が不可欠」という常識を覆し，今後の研究開発の方向を大きく転換させる可能性がある．

Research Products

• [Journal Article] Reduction of Interference and Realization of Contactless Levitation in Multiple-Degree-of-Freedom AC Magnetic Suspension System (2023)
  • Author(s): 古林 拓真，彦根 克哉，水野 毅，髙﨑 正也，石野 裕二
  • Journal Title: Journal of the Japan Society of Applied Electromagnetics and Mechanics Volume: 31 Issue: 2 Pages: 225-231
  • DOI: 10.14243/jsaem.31.225
  • ISSN: 0919-4452, 2187-9257
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An Equivalent Circuit Analysis and Suspension Characteristics of AC Magnetic Suspension Using Magnetic Resonant Coupling (2020)
  • Author(s): Rahman Arifur、Mizuno Takeshi、Takasaki Masaya、Ishino Yuji
  • Journal Title: Actuators Volume: 9 Issue: 3 Pages: 52-67
  • DOI: 10.3390/act9030052
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Suspension Characteristics of Differentially Operated AC Magnetic Suspension System Using Magnetic Resonant Coupling (2020)
  • Author(s): RAHMAN Arifur、MIZUNO Takeshi、ISHINO Yuji、TAKASAKI Masaya、YAMAGUCHI Daisuke
  • Journal Title: Journal of the Japan Society of Applied Electromagnetics and Mechanics Volume: 28 Issue: 2 Pages: 94-100
  • DOI: 10.14243/jsaem.28.94
  • NAID: 130007925634
  • ISSN: 0919-4452, 2187-9257
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 交流磁気浮上モータの開発（第2報：アキシャル型セルフベアリングモータの試作） (2023)
  • Author(s): 水野 毅，彦根 克哉，石野 裕二，髙﨑 正也
  • Organizer: 第66回自動制御連合講演会
• [Presentation] 多自由度交流磁気浮上システムにおける干渉の低減と浮上の実現 (2022)
  • Author(s): 古林 拓真，彦根 克哉，水野 毅，髙﨑 正也，石野 裕二
  • Organizer: 第31回MAGDAコンファレンスin鹿児島
• [Presentation] 負性抵抗を用いた交流磁気浮上系における特性改善の試み (2022)
  • Author(s): 彦根 克哉，水野 毅，石野 裕二，高崎 正也
  • Organizer: 第65回 自動制御連合講演会
• [Presentation] 交流磁気浮上を用いた遠心血液ポンプの開発（第三報：磁石間干渉の実験的検討） (2022)
  • Author(s): 古林 拓真，彦根 克哉，水野 毅，髙﨑 正也，石野 裕二
  • Organizer: 日本機械学会関東支部第28期総会・講演会
• [Presentation] 交流磁気浮上を用いた遠心血液ポンプの開発（第二報：磁心材料の検討） (2021)
  • Author(s): 彦根 克哉，古林 拓真，水野 毅，髙﨑 正也，石野 裕二
  • Organizer: 第30回MAGDA コンファレンス in 広島 (MAGDA2021)