Abstract
A self-bearing is an electric machine that achieves both rotational actuation and magnetic levitation using a single magnetic structure. To be able to stably levitate the rotor in a self-bearing, one needs to have an inverse of the force-current model. However, the force-current model in a self-bearing motor is typically not square. Furthermore, the elements of the matrix vary with respect to the rotational angle, resulting in singularities of the pseudo-inverse at various angles. In this paper, we propose a new force-current model that eliminates the singularities by adding a constraint in coil currents. This constraint eliminates the flux density in the stator core so that the saturation problem in the previous study is avoided. By implementing this force-current model, we are able to implement a levitation controller for a toroidally-wound self-bearing BLDC motor. The model inversion and levitation are validated experimentally.
셀프베어링 모터는 하나의 자기 구동기(magnetic actuator)로 회전 구동과 자기부상을 동시에 구현한 전동기로 베어링리스모터 혹은 베어링 내장 모터로 불리기도 한다. 셀프베어링 모터에서 자기부상제어를 구현하기 위해 부상력과 제어전류 간의 모델을 역변환하여야 하는데, 힘-전류 간의 모델을 결정하는 변환행렬이 정방행렬이 아니며, 의사역행렬(pseudo-inverse) 또한 회전자의 각도에 따라 특이점을 가지게 된다. 본 논문에서는 힘-전류 모델에 제한조건을 추가하여 연속적 역변환이 가능한 새로운 방법을 제시하고, 역변환 행렬을 해석적으로 구하였다. 연속적 역변환을 이용한 부상제어기를 구현하여 안정적 부상제어가 이루어짐을 확인하였다. 힘-전류 모델에 추가한 제한조건으로 상전류의 총합이 0 을 유지하여 전류에 의한 고정자 자속밀도를 제거함으로써, 이전 연구에서의 자기포화 문제를 근본적으로 해결하였다.
