円筒磁路を用いた5軸能動位置制御型磁気浮上ディスクモータの高性能化についての研究

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K06199
• Research Institution: Ritsumeikan University
• Principal Investigator: 上野 哲 立命館大学, 理工学部, 教授 (40322929)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 磁気軸受 / 磁気浮上 / 永久磁石モータ / 磁界解析 / セルフベアリングモータ

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，ディスク型セルフベアリングモータに円筒型の磁気回路を加え，エアギャップにオフセット磁界を発生させることで，ラジアル方向の力とラジアル軸回りの傾きトルクを発生させ，５軸の能動位置制御を行うモータを開発する。本方式では，1組のロータとステータで一方向のラジアル力と傾きトルクを制御することができるため，ステータの配置に制約がなくなり，従来の方式では不可能であったロータの片面のみにステータを配置した構造とすることができる。
平成28年度は，片側のみステータを配置した構造を実現するため，新たにモータのロータとステータを設計した。設計には磁界解析ソフトJMAGを用い，三次元磁界解析を行い，ロータとステータの形状を決定した。ラジアル力および傾きトルクの回転角位置による変動を小さくするため，ステータスロットの数を検討し，変動が小さくなる8スロットのステータを採用した。そしてモータの製作に取り組んだ。
またロータの両側にステータを配置した構造の試作機の制御システムの改善を行った。従来はロータの回転角度の検出を行っていなかったが，新たに永久磁石とホール素子を用いた角度検出器を取り付け，ロータの回転角度のフィードバック制御を行なった。そしてコイル電流の計算方法を見直し，外部回路を用いずにDSP内部でコイル電流を計算するように改善した。その結果，従来よりも安定した浮上回転制御を実現することができた。しかしロータの弾性モードの影響のため回転速度を上げることができなかったため，ロータの形状を見直す必要があることが分かった。
さらにロータとステータ巻線をカレントシートに近似したモデルを用いて，モータの発生するラジアル方向力と傾きトルクの理論解析を行った。その結果，ステータ電流とラジアル方向力，傾きトルクの理論式を導き，その特性を明らかにした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

平成28年度はロータの片側のみステータを配置した装置の設計を行う計画であり，目標を満足するようなモータの設計ができたため順調であったと言える。そして試作機を製作を始めるとともに，必要な部品の手配を行なった。
また従来の装置の制御システムの改善を行い，より安定した浮上制御に成功した。目標としていた高速回転を実現することができなかったが，問題となる箇所が明らかにすることができたため，制御システムの改善についても順調に進展していると言える。
さらに理論解析を行うことにより，ラジアル力と回転トルクの特性を明らかにした。簡単なモデルを用いての解析ではあるが，今まで全く手のついていない問題を大きく進めることができたため，この部分については大いに進展したと言える。

Strategy for Future Research Activity

ロータの片側のみステータを配置した新型装置を製作し，浮上回転制御が実現可能かどうか検証する。
またロータの両側にステータを配置した従来の装置では，ロータの弾性モードが浮上制御に悪影響を与えているため，ロータの形状を変更し，高回転での浮上回転制御を目指す。

Causes of Carryover

次年度使用額が生じているが，額が小さいため，次年度予算と合わせて使用した方が有効に使用できると判断したため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

実験装置の製作費用や部品の購入に使用する予定である。