(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子と固定子とを有する電磁回転機であって、
前記回転子は回転軸に少なくとも２個装着され、一方の回転子と他方の回転子とはその磁極ピッチが互いに半ピッチ相違し、
前記固定子は、一方の回転子を囲繞する一方の固定子鉄芯と、他方の回転子を囲繞する他方の固定子鉄芯と、前記一方の固定子鉄芯と他方の回転子鉄芯との間に介装され、かつ界磁起磁力を発生させる界磁起磁力発生手段と、前記一方の固定子鉄芯および他方の固定子鉄芯それぞれに設けられたところの、回転子にトルクを発生させるトルク発生巻線および回転軸に半径方向力を発生させる半径方向力発生手段とを有してなることを特徴とする半径方向位置制御巻線付き回転機。
【請求項２】
前記界磁起磁力発生手段が、通電可能な界磁巻線であることを特徴とする前記請求項１に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機。
【請求項３】
前記界磁起磁力発生手段が、永久磁石であることを特徴とする前記請求項１に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機。
【請求項４】
前記永久磁石が回転軸の軸方向および／または径方向にその位置を変えることにより、磁力の大きさが調整可能に配置されてなる前記請求項３に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機。
【請求項５】
前記永久磁石が一方の固定子鉄芯と他方の固定子鉄芯との間で径方向に位置可変に配置されてなる前記請求項３に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機。
【請求項６】
前記一方の回転子および他方の回転子がホモポーラ型、クシ型およびランデル型のいずれかであることを特徴とする前記請求項１〜５のいずれか一項に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機。
【請求項７】
前記回転子が突極を有することを特徴とする前記請求項１〜６のいずれか一項に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機。
【請求項８】
前記突極がスキューされてなる前記請求項７に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機。
【請求項９】
前記半径方向力発生手段が、固定子鉄芯の内周面に設けられた歯部間に設けられた半径方向力発生用巻線である前記請求項１〜８のいずれか一項に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機。
【請求項１０】
前記半径方向力発生用巻線が、極数２の巻線数を有してなる前記請求項９に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機。
【請求項１１】
前記半径方向力発生手段が、固定子鉄芯の内側面に形成された歯部または歯部間に設けられた半径方向力発生用永久磁石と、前記歯部間に設けられた半径方向力発生用巻線と、を有してなる前記請求項１〜８のいずれか一項に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機。
【請求項１２】
前記請求項１〜１１のいずれか一項に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機と、回転軸の半径方向の位置を決定する回転軸位置決定手段と、前記回転軸位置決定手段で決定された回転軸の半径方向の位置から回転軸の偏位量を求め、回転軸の偏位を是正するように、半径方向力巻線に通電される電流を制御する制御手段とを有することを特徴とする回転装置。
【請求項１３】
前記請求項１〜１１のいずれか一項に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機と、回転軸の半径方向の位置を決定する回転軸位置決定手段と、前記回転軸位置決定手段で決定された回転軸の半径方向の位置から回転軸の偏位量を求め、回転軸の偏位を是正するように、半径方向力巻線に通電される電流を制御する制御手段と、前記回転機の負荷状態および界磁磁束の大きさによらず、半径方向力の方向および半径方向力発生手段の利得を同じ大きさに維持するように補償する利得補償手段とを有することを特徴とする回転装置。
【請求項１４】
前記回転軸位置決定手段が、回転軸および回転子のいずれかの回転部分の半径方向の位置を検出するセンサである前記請求項１２または１３に記載の回転装置。
【請求項１５】
前記回転軸位置決定手段が、回転軸の偏心によりトルク発生巻線中に発生する起電力に基づいて回転軸の偏位を決定可能に構成されてなる前記請求項１２または１３に記載の回転装置。
【請求項１６】
前記回転軸位置決定手段が、トルク発生巻線および／または半径方向力巻線中を通電される電流の電流値および電圧値に基づいて回転軸の半径方向の位置を検出する検出手段である前記請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の回転装置。
【請求項１７】
前記制御手段が、前記回転軸位置決定手段から出力される回転軸の半径方向位置に基づいて決定された回転軸の偏位を是正するための、半径方向力巻線に通電する瞬時電流値に追従する電流を出力する半導体電力変換装置を含んでなる前記請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の回転装置。
【請求項１８】
半導体電力変換装置がインバータである前記請求項１７に記載の回転装置。
【請求項１９】
前記請求項１〜１１のいずれか一項に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機と、回転軸が回転軸中心から偏位することにより半径方向力巻線中に発生する誘起電圧または誘起電流を検出する誘起量検出手段と、前記誘起量検出手段から出力される検出信号に基づいて、半径方向力巻線中に発生した誘起量を相殺または増幅する電流または電圧を決定し、それを半径方向力巻線に出力する制御手段とを有することを特徴とする回転装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は半径方向位置制御巻線付き回転機およびこれを利用した回転装置に関し、更に詳しくは、電磁力により回転子の半径方向力を発生して半径方向位置を制御する機能、あるいは、半径方向の力を制御する機能、あるいは半径方向の速度を制御する機能、あるいは軸方向の力と半径方向の力を同時に制御する機能を付加した回転機たとえば電動機、あるいは発電機、およびこのような回転機を利用した回転装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械、ターボ分子ポンプ、フライホイールなどに用いられる電動機の高速、高出力化の要求が高まっている｛(1) 太田、安藤「200,000r.p.mの高周波内面研削スピンドル」マシニストvol.29, no.2, 1985, pp.32-36 、(2)W.K.Volkman and D.C.Jackson, "AC Spindle Drive for Machine Tools", IEEE Trans. on Industry Application,  vol.IA-21,  No.5,  1985 pp.1263-1267、(3)G.E.Osterstorm, "A New Type Turbomolecular Vacuum Pump Bearing", Journal of Vacuum Science Technology,  A1(2),  Apr.-June,  1983 、(4)Kume, T.,  Sawa, T.,  Yoshida, T. and Sawamura, M. "High Speed Vector Control Without Encoder for a High Speed Spindle Motor", IEEE,  IAS Conf.Record, 1990,  pp.390-394 ｝。これらの高速機では軸受での速度限界や保守などの問題を解決するために磁気軸受が適用されつつある。
【０００３】
図１１は磁気軸受を用いた高速電動機の構成を示している。１０１はラジアル磁気軸受、１０２は電動機あるいは発電機、１０３はスラスト磁気軸受、１０４は単相インバータ、１０５は３相インバータ、１０６はインバータと電動機、あるいは磁気軸受間の配線である。電動機の両端に磁気軸受が配置され、この２つの磁気軸受により主軸の半径方向の位置を制御するものである｛(5)Matumura, F.,  Fujita, M. and Ozaki, Y., "Characteristic of Friction on Magnetic Bearings", Proc. of International Conference on Electric Machine (ICEM) 1988 vol.3, pp.331-335、(6)Harbermann, H. and Liard, G.L., "An Active Magnetic Bearing System", Tribology International Apr. 1980 pp.85-89、(7)Harbermann, H. and Liard, G.L., "Practical Magnetic Bearings"IEEE,  Spectrum,  Sept. 1979,  pp.26-30 、(8)Maslen, E.H., etal, "Magnetic Bearing Design for a High Speed Rotor", Proc. of the 1st International Symposium on Magnetic Bearings, June 1988 pp.137-146｝。
【０００４】
この２つの磁気軸受のサイズは充分な力を発生させるために大きくなる傾向にあり、実際、電動機の軸長に等しい場合もある。したがって、主軸の軸長が長くなり、高速回転時に生じる主軸の弾性的な振動が問題となってしまい、高速回転を実現することは容易ではない。さらに、高出力化しようとすると電動機の軸長を長くする必要がある。すると、電磁機械が発生する吸引力が増加するため磁気軸受のサイズも大形とする必要がある。この結果、危険速度が低下してしまい、高速化がきわめて困難となる。
【０００５】
半径方向位置制御巻線付き電磁回転機械は電動機の磁気回路と、半径方向の力を発生する磁気回路とを一体化することにより軸長を短くして、高速高出力を実現するものである。さらに、回転子の位置制御に必要な半径方向の力を電動機の励磁磁束を利用して発生するものである。
【０００６】
図１２は、半径方向位置制御巻線付き電磁回転機械の概念的構成を示す。図１２において、１０７は半径方向位置制御巻線付き電磁回転機械の１つのユニット、１０８は半径方向位置制御巻線付き電磁回転機械の半径方向位置制御巻線電流制御用の３相インバータである。２つの半径方向位置制御巻線付き電磁回転機械のユニットは電動機としてトルクを発生させるために４極巻線と、回転子の半径方向の力を発生させるための２極の巻線が巻かれている。このように１台の機械でトルクと半径方向の力が発生できるため、図１１の構成に比べて軸長が短くでき、また、軸長が同一であれば図１１に比べて高出力化が期待できる。
【０００７】
既に、いくつかの半径方向位置制御巻線付き電磁回転機械が提案されている｛［(9)Bosch, R., "Development of a Bearingless Electric Motor", Proc. of ICEM'88 vol.3,  pp.331-335、(10)Salazar, A.O.,  Dunford, W.,  Stephan, R. and  Watanabe, E., "A Magnetic Bearing System using Capacitive Sensors for Position Measurement",  IEEE Trans. on Magnetics vol.26,  no.5,  1990  pp.2541-2543、(11)樋口「磁気浮上技術のFAへの応用」平成元年電気学会全国大会シンポジウムS.9-6 、(12)福山寛正（日本精工）「磁気軸受モータ」公開特許公報（Ａ）昭６４−５５０３１、(13)堺和人（東芝）「自己浮上モータシステム」公開特許公報（Ａ）平４−２３６１８８(14)井上正夫（三菱電機）「磁気軸受装置」公開特許公報（Ａ）平４−１０７３１８｝。
【０００８】
前記文献(9) では励磁磁束を変化することにより軸方向に作用する力を発生して、ディスク形電動機の軸方向位置を調整しようとしている。ディスク形の回転機には応用可能と思われるが、広く用いられているラジアル形の回転機には応用が難しい。
【０００９】
一方、文献(10)では、一般の誘導電動機の巻線電流を不平衡にすることにより、半径方向の力を発生して回転子の半径方向の位置を制御しようとするものである。しかし、回転子が中心に位置しているときには原理的に半径方向力が発生できないという問題点がある。
【００１０】
文献(11),(12) は従来の磁気軸受の磁路とステッピングモータの磁路を単に共有するものであり、低速のアクチュエータに適している。しかし、構造上、極数がきわめて大きい必要があるため超高速回転には適していない。さらに、高出力の誘導機、永久磁石形電動機などに多く用いられる正弦波状の起磁力分布、磁束分布を持つ回転機に応用することは難しい。
【００１１】
極数を減少するとともに、従来の誘導機や永久磁石形回転機に近い構造を提案したものとして、文献(13),(14) がある。文献(13)では、４相のスイッチドリラクタンス機の固定子鉄芯のような、８個の歯を構成した固定子に４極の集中巻線を施し、これを各磁極で分割し、各磁極の磁束を独立に制御するものである。回転磁界を発生するとともに、各磁極の磁束の強弱により半径方向力を発生することもできる。文献(14)も同様の鉄芯構造となっているが、巻線を分布巻きとして、より正弦波分布に近い起磁力分布とした点に特徴がある。しかし、文献(13),(14) では、４分割した巻線を個々に駆動するため、直交２軸の半径方向力とトルクを発生する１つのユニットで、２相巻線であれば最小で８台の単相インバータと１６本の配線が必要となってしまう。さらに、半径方向力制御とトルク制御が同一の巻線電流によって行われるため、きわめて高速かつ高精度で容量が大きい電流駆動器が必要となる。
この発明者は既に、電気学会、あるいは米国電気学会(IEEE)などで、４極の回転機に２極の巻線を施した電磁機械が半径方向の力を発生できることを報告している｛(15)Akira Chiba, Kouji Chida and Tadashi Fukao,  "Principle and Characteristics of a Reluctance Motor with Windings of Magnetic Bearing", International Power Electronic Conference Record (IPEC) Tokyo, pp.919-926, 1990 April 5 、(16)Akira Chiba,  M.A.Rahman and Tadashi Fukao"Radial Force in a Bearingless Reluctance Motor", IEEE Transaction on Magnetics, vol.27, No.2, pp.786-790 1991 March、(17)Akira Chiba,  Desmond T.Power and M.A.Rahman, "Characteristics of a Bearingless Induction Motor",  IEEE Transaction on Magnetics Vol.27,  No.6,  September pp.5199-5201,  1991、(18)Sigehiro Nomura,  Akira Chiba,  F.Nakamura, K.Ikeda,  T.Fukao and M.A.Rahman,  "A Radial Position Control of Induction type Bearingless Motor Considering Phase Delay by the Rotor Squirrel Cage" IEEE,  Power Conversion Conference (PCC-Yokohama) April 21,  1993 pp.438-443 IEEE 93TH0406-9、(19)千葉明、池田紘一、中村福三、泥堂多積、深尾正、M.A.ラーマン「円筒形回転子を持つベアリングレスモータの無負荷時の半径方向の力発生原理」電気学会論文誌D, vol.113, no.4, pp.539-547, 1993、(20)Akira Chiba,  Tazumi Deido,  Tadashi Fukao and M.A.Rahman, "An  Analysis of Bearingless ac Motors",  IEEE Transaction on Energy  Conversion,  vol.9,  no.1,  March,  1994,  pp.61-68、(19)千田孝司、茅野、笠原、千葉明、泥堂多積、深尾正「ラジアル方向位置制御巻線を施した電動機の基礎的な実験」平成元年３月電気学会全国大会、(20)河村英之、花澤昌彦、松井幹彦、深尾正、千葉明「ベアリングレスリラクタンスモータシステムの試作と回転時の特性」平成３年電気学会産業応用部門全国大会講演論文集 pp.182-187, 1991 8/27  札幌、(21)野村篤宏、千葉明、中村福三、深尾正「かご形誘導機タイプベアリングレスモータの半径方向力制御の位相補償」電気学会産業電力電気応用研究会資料IEA-93-37, pp.85-94, 1993, 12/14大崎会館、(22)大島政英、宮澤悟、泥堂多積、千葉明、中村福三、深尾正「永久磁石型ベアリングレスモータの基礎特性」電気学会リニアドライブ研究会LD-94-17,  pp.57-66, 2/25,浅草橋研修センター｝。
【００１２】
これらの中では、４極の回転磁界形シンクロナスリラクタンス機に２極の巻線を固定子に追加することにより、積極的に回転磁界を不平衡として半径方向力をトルクとともに発生する新しい半径方向位置制御巻線付き電磁回転機械を提案している。さらに、永久磁石形回転子を用いた半径方向位置制御巻線付き電磁回転機械の解析手法、モデル化の方法、最適な回転子構造などを報告している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、(1) 直交２軸の半径方向力と、トルクを発生するために、３相巻線であれば６本の配線と２台の３相インバータだけで済むという、簡単な構造の半径方向位置制御巻線付き回転機を提供することにある。この発明の他の目的は、(2) 半径方向力を発生する巻線とトルクを発生する巻線が分離しているため、半径方向力制御用インバータあるいはパワーアンプは小電力容量で済むという、小エネルギー型の半径方向位置制御巻線付き回転機を提供することにある。この発明の他の目的は、(3) ４極と２極の巻線を用いているため、回転子が中心に位置していれば相互結合が０となり、電動機の誘起電圧が半径方向力制御巻線に生じない半径方向位置制御巻線付き回転機を提供することにある。この発明の他の目的は、(4) 誘導機、永久磁石形同期機、シンクロナスリラクタンスモータなどの正弦波起磁力分布、正弦波磁束分布を仮定した高出力回転機に広く応用できる半径方向位置制御巻線付き回転機を提供することにある。この発明の他の目的は、前記目的(1) 〜(4) の少なくとも一つを達成することのできる半径方向位置制御巻線付き回転機を提供することにある。
【００１４】
この発明の目的は、固定子に永久磁石を備えることにより、回転子に永久磁石が不要になり、遠心力により回転子を形成する永久磁石がはがれたり、割れたりしないで機械的に堅牢な回転機を提供することにある。
【００１５】
この発明の目的は、界磁巻線を施すことが可能であり、永久磁石を薄形とすれば起磁力も小さくて済み、永久磁石の位置、短絡により界磁を調整することができる小型の回転機を提供することにある。
【００１６】
この発明の目的は、シンクロナスリラクタンスモータと同様の回転子を用いるときには、機械的に丈夫でイナーシャが小さく高速化が容易であり、軸方向から見込んだギャップも大きい回転機を提供することにある。
【００１７】
この発明の目的は、固定子、回転子をスキューすることにより、回転子部分でポンプの役目を負わせることが可能である回転機を提供することにある。
【００１８】
この発明の目的は、製作の際に回転子を固定子に挿入するのが簡単であり、また、永久磁石のバラツキの影響は少なく、さらに、シンクロナスリラクタンス機に比較してギャップ長を大きくとれる利点がある、などの特長のある回転機を提供することにある。
【００１９】
この発明の目的は、誘導機に比較して、永久磁石を用いるため力率が良く、効率が高い回転機を提供することにある。
【００２０】
この発明の目的は誘導機に比較して、静止トルクを発生することのできる回転機を提供することにある。
【００２１】
この発明の目的は、シンクロナスリラクタンスモータに比較して、ロータ突極を半ピッチひねることにより振動、騒音を低減させることのできる小型の回転機を提供することにある。
【００２２】
この発明の目的は、シンクロナスリラクタンスモータに比較して、力率がよく、銅損が減少し、効率の向上した小型の回転機を提供することにある。
【００２３】
この発明の目的は、回転機の負荷状態および界磁磁束の大きさによらず、半径方向力の方向および半径方向力の利得を同じ大きさに保つように利得を補償する機能を有する回転機を提供することにある。
【００２４】
この発明の目的は上記回転機を有する回転装置を提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、回転子と固定子とを有する電磁回転機であって、
前記回転子は回転軸に少なくとも２個装着され、一方の回転子と他方の回転子とはその磁極ピッチが互いに半ピッチ相違し、
前記固定子は、一方の回転子を囲繞する一方の固定子鉄芯と、他方の回転子を囲繞する他方の固定子鉄芯と、前記一方の固定子鉄芯と他方の回転子鉄芯との間に介装され、かつ界磁起磁力を発生させる界磁起磁力発生手段と、前記一方の固定子鉄芯および他方の固定子鉄芯それぞれに設けられたところの、回転子にトルクを発生させるトルク発生巻線および回転軸に半径方向力を発生させる半径方向力発生手段とを有してなることを特徴とする半径方向位置制御巻線付き回転機であり、
請求項２に記載の発明は、前記界磁起磁力発生手段が、通電可能な界磁巻線であることを特徴とする前記請求項１に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機であり、
請求項３に記載の発明は、前記界磁起磁力発生手段が、永久磁石であることを特徴とする前記請求項１に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機であり、
請求項４に記載の発明は、前記永久磁石が回転軸の軸方向および／または径方向にその位置を変えることにより、磁力の大きさが調整可能に配置されてなる前記請求項３に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機であり、
請求項５に記載の発明は、前記永久磁石が一方の固定子鉄芯と他方の固定子鉄芯との間で径方向に位置可変に配置されてなる前記請求項３に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機であり、
請求項６に記載の発明は、前記一方の回転子および他方の回転子がホモポーラ型、クシ型およびランデル型のいずれかであることを特徴とする前記請求項１〜５のいずれか一項に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機であり、
請求項７に記載の発明は、前記回転子が突極を有することを特徴とする前記請求項１〜６のいずれか一項に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機であり、
請求項８に記載の発明は、前記突極がスキューされてなる前記請求項７に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機であり、
請求項９に記載の発明は、前記半径方向力発生手段が、固定子鉄芯の内周面に設けられた歯部間に設けられた半径方向力発生用巻線である前記請求項１〜８のいずれか一項に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機であり、
請求項１０に記載の発明は、前記半径方向力発生用巻線が、極数２の巻線数を有してなる前記請求項９に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機であり、
請求項１１に記載の発明は、前記半径方向力発生手段が、固定子鉄芯の内側面に形成された歯部または歯部間に設けられた半径方向力発生用永久磁石と、前記歯部間に設けられた半径方向力発生用巻線と、を有してなる前記請求項１〜８のいずれか一項に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機であり、
請求項１２に記載の発明は、前記請求項１〜１１のいずれか一項に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機と、回転軸の半径方向の位置を決定する回転軸位置決定手段と、前記回転軸位置決定手段で決定された回転軸の半径方向の位置から回転軸の偏位量を求め、回転軸の偏位を是正するように、半径方向力巻線に通電される電流を制御する制御手段とを有することを特徴とする回転装置であり、
請求項１３に記載の発明は、前記請求項１〜１１のいずれか一項に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機と、回転軸の半径方向の位置を決定する回転軸位置決定手段と、前記回転軸位置決定手段で決定された回転軸の半径方向の位置から回転軸の偏位量を求め、回転軸の偏位を是正するように、半径方向力巻線に通電される電流を制御する制御手段と、前記回転機の負荷状態および界磁磁束の大きさによらず、半径方向力の方向および半径方向力発生手段の利得を同じ大きさに維持するように補償する利得補償手段とを有することを特徴とする回転装置であり、
請求項１４に記載の発明は、前記回転軸位置決定手段が、回転軸および回転子のいずれかの回転部分の半径方向の位置を検出するセンサである前記請求項１２または１３に記載の回転装置であり、
請求項１５に記載の発明は、前記回転軸位置決定手段が、回転軸の偏心によりトルク発生巻線中に発生する起電力に基づいて回転軸の偏位を決定可能に構成されてなる前記請求項１２または１３に記載の回転装置であり、
請求項１６に記載の発明は、前記回転軸位置決定手段が、トルク発生巻線および／または半径方向力巻線中を通電される電流の電流値および電圧値に基づいて回転軸の半径方向の位置を検出する検出手段である前記請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の回転装置であり、
請求項１７に記載の発明は、前記制御手段が、前記回転軸位置決定手段から出力される回転軸の半径方向位置に基づいて決定された回転軸の偏位を是正するための、半径方向力巻線に通電する瞬時電流値に追従する電流を出力する半導体電力変換装置を含んでなる前記請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の回転装置であり、
請求項１８に記載の発明は、半導体電力変換装置がインバータである前記請求項１７に記載の回転装置であり、
請求項１９に記載の発明は、前記請求項１〜１１のいずれか一項に記載の半径方向位置制御巻線付き回転機と、回転軸が回転軸中心から偏位することにより半径方向力巻線中に発生する誘起電圧または誘起電流を検出する誘起量検出手段と、前記誘起量検出手段から出力される検出信号に基づいて、半径方向力巻線中に発生した誘起量を相殺または増幅する電流または電圧を決定し、それを半径方向力巻線に出力する制御手段とを有することを特徴とする回転装置である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係る半径方向位置制御巻線付き回転機における回転子の半径方向に作用する力の発生原理を示している。
【００２７】
図１中、１は固定子鉄芯、２は回転子鉄芯、Ｎ４は４極巻線、Ｎ２は２極巻線、Ψ4 は４極磁束、Ψ2 は２極磁束、Ｆは半径方向力、ｎ２は２極巻線Ｎ２に直交する２極巻線である。固定子鉄芯１にはトルクを発生するための４極巻線Ｎ４が施されている。
【００２８】
いま、回転子鉄芯２が固定子鉄芯１の中心に位置している場合、この４極巻線Ｎ４に正方向すなわち図１において定義されるＮ４の方向（×印は、紙面の表から紙背に突き抜ける方向を示す。また●印は、紙面の紙背から表面に突き出る方向を示す。）の電流が流れると４極の対称磁束Ψ4 が発生する。
【００２９】
４極巻線Ｎ４と直交する巻線（図示せず。）とに二相交流電流を流すことにより４極の回転磁界が発生する。あるいは、前記二相４極巻線Ｎ４の代わりに三相４極巻線を用い、三相交流電流を流しても良い。
【００３０】
回転子にかご形巻線が施してあれば通常のかご形誘導機として回転子にトルクが発生する。また、４極の永久磁石回転子であれば通常の永久磁石形電動機としてトルクを発生する。
【００３１】
固定子鉄芯１には通常の電動機巻線あるいは発電機巻線としての役割を果たす４極巻線Ｎ４に加えて、回転子の半径方向に作用する力すなわち半径方向力を発生するための２極巻線Ｎ２も施されている。以下では、この電動機巻線および発電機巻線を回転機巻線と総称することにする。
【００３２】
いま、２極巻線Ｎ２の方向（×印は、紙面の表から紙背に突き抜ける方向を示す。また●印は、紙面の紙背から表面に突き出る方向を示す。）に電流を流すと、図１に示すような２極の磁束Ψ2 が発生する。回転子鉄芯２の紙面下部のギャップでは、４極巻線Ｎ４の電流による磁束の方向が２極巻線Ｎ２の磁束の方向と逆である。したがって、このギャップでは磁束密度が低下する。一方、回転子の紙面上部のギャップでは、４極巻線Ｎ４の磁束の方向と２極巻線Ｎ２の磁束の方向が一致しているため磁束密度は増加する。
【００３３】
このように磁束分布が不平衡になると、回転子鉄芯２に紙面上方向へ作用する半径方向の力Ｆが生じる。この半径方向の力Ｆの大きさは２極巻線Ｎ２を流れる電流の大きさを制御することにより調整できる。また、半径方向の力Ｆの方向を逆にするためには、２極巻線Ｎ２の電流の方向を反転すればよい。
【００３４】
一方、紙面横方向の力を発生するためには、２極巻線Ｎ２と直交する２極巻線ｎ２を施し、その電流を調整すればよい。このように直交した２極巻線ｎ２の電流の大きさ、方向を調整することにより所望の大きさを有する所望の半径方向の力を発生できる。
【００３５】
図１では４極巻線Ｎ４を電動機駆動、２極巻線Ｎ２，ｎ２を半径方向位置制御に用いているが、４極巻線Ｎ４を半径方向力発生に、２極巻線Ｎ２，ｎ２を電動機駆動に用いることも可能である。
【００３６】
このような固定子鉄芯に４極巻線、２極巻線Ｎ２，ｎ２を施す形式の半径方向位置制御巻線付き電磁回転機は、発明者の知る限りでは、(23)千葉明、深尾正「電動機の回転磁界を利用した半径方向回転体位置制御装置つき電磁回転機械」公開特許公報（Ａ）平2-193547号公報に記載されてある。その後、カナダ国ニューファンドランドメモリアル大学、スイス工科大学（ＥＴＨ）、茨城大学などでも研究、開発が行われている｛(24)J.Bichsel,"The Bearingless Electrical Machine", NASA-CP-3152-PT-2, pp.561-573, 1992 、(25)出島、岡田、大石「磁気浮上回転モータの研究」電気学会第４回シンポジウム電磁力関連のダイナミックス講演論文集pp.251-260｝。
【００３７】
特に、文献(24,25) では、電動機の巻線の極数をＮとすれば、新たに施す巻線の極数は（Ｎ±２）極とすればよいことが報告されている。例えば、２極の電動機であれば、４極巻線、４極の電動機であれば、２極巻線あるいは６極巻線である。もし、８極の電動機であれば、６極あるいは１０極となる。
【００３８】
この発明はこれらの文献で不可能とされていた極数の組み合わせの巻線を用いる点に一つの特長がある。すなわち、この発明に係る半径方向位置制御巻線付き回転機においては、回転子巻線が８極であれば、２極巻線Ｎ２，ｎ２を施すことにより半径方向力を発生する。
【００３９】
さらに、この発明に係る半径方向位置制御巻線付き回転機は、永久磁石形機、リラクタンス機、誘導機のいづれの場合でも、回転子鉄芯が軸方向に２つ構成された形式をしている。これは、両端の２つの鉄芯により軸端においてそれぞれ２軸の半径方向力を発生し、合計して半径方向４軸の半径方向力の発生を行うために必要である。
【００４０】
そこで、もし、このように２つの回転子鉄芯が必要なのであれば、この２つの回転子鉄芯を個々に独立して設けるのではなく、この両者をうまく組み合わせることが望ましい。
【００４１】
うまく組みあわせた例として、ホモポーラ形電磁回転機は、図２に示すように、回転軸３に２個の回転子鉄芯２Ａ，２Ｂが同軸に挿通配置された形式をしている。さらに、図３に示すように、この回転子鉄芯２Ａ，２Ｂを軸方向に短縮するために斜めに切った形式をしているのがくし形、ランデル形電磁回転機である。
【００４２】
一般に、誘導機などの磁束方向が交番する電動機に比較して、これら電動機の磁束方向が一方向であるので、鉄芯の利用率が悪く、出力の割に体積、重量が大きいと言われていた。すなわち、磁束方向が一方向であるホモポーラ形電動機などは、出力の割に電動機重量、および体積が大きくなる傾向にあった。このため、インバータを伴った駆動装置、高速回転の発電機などの特殊用途を以外では、これらの回転機はあまり用いられていなかった。
【００４３】
これらの電動機は、回転子が突極構造をした鉄芯で構成されているだけであるために、回転子の構造が簡単であり、回転子が堅牢で、丈夫である。回転子の構造はこのようにシンクロナスリラクタンス機とほぼ等しい構成であるものの、２つの電機子間すなわち固定子間に永久磁石あるいは界磁巻線などによる界磁発生機構を合わせ持っている。そこで、力率１で運転することが可能であり、効率の向上を達成することができる。このように永久磁石あるいは界磁巻線があるものの、これらが固定子側に構成されているため、永久磁石形回転子を伴った半径方向位置制御巻線電磁回転機に対して半径方向位置制御巻線付き回転機には以下の特長がある。
【００４４】
１．超高速回転する回転子には永久磁石などが必要なく、単に突極状に打ち抜いた鋼板たとえばケイ素鋼を積層したもの、あるいは突極状の塊状鉄芯で済み、回転子が簡単で、堅牢かつ丈夫であるので、高速回転に適している。
【００４５】
２．界磁磁束を発生する永久磁石を設けた場合にはその永久磁石のために、永久磁石の放熱が容易であり、減磁などの問題が起きにくく、回転子の高温での動作が可能である。さらに、永久磁石による起磁力を、永久磁石の数、永久磁石の位置、電機子鉄芯間に設ける永久磁石起磁力短絡経路の磁気抵抗の調整などにより界磁弱め運転が可能である。しかも、このようにしても永久磁石に減磁起磁力が加わらないため、永久磁石の減磁が起きにくい。
【００４６】
３．大容量の永久磁石形電動機あるいは発電機を製作する際、永久磁石を施した回転子を採用する場合に、その回転子を挿入する作業が難しいという問題点がある。この発明の半径方向位置制御巻線付き回転機であれば、回転子を挿入後に永久磁石を挿入することができ、製作が容易であるという特長がある。
【００４７】
この発明の半径方向位置制御巻線付き回転機は、以上のような永久磁石機を原理とした半径方向位置制御巻線付き電磁回転機械に対する特長を備えている。さらに、誘導機の原理を用いた方式に比較すると、力率がよく、力率の調整が可能で、効率がよいという特長がある。
【００４８】
以上の特長で、半径方向力の発生をのぞいた部分は、従来の文献｛(26)千葉明、林口治「超高速ＡＣドライブ技術とその応用例」平成６年電気学会全国大会シンポジウムS.9-8,pp.S.9-27-30,1994.3/30｝にも報告されている。
【００４９】
ホモポーラあるいはくし形電動機は、超高速回転を実現する電動機、発電機として期待されている。
【００５０】
くし形同期機は電機子巻線、界磁巻線とも固定子側にあり、界磁電流を調整することにより界磁磁束を調整することができる。したがって、力率はよく、界磁弱め運転も容易である。既に30kW、86,000rpm の電動機が製作されている。
【００５１】
さらに、界磁巻線、電機子巻線が櫛形電動機と同様に固定子側にあり、突極形をした回転子を90゜位相をつけて２つ主軸に直列に構成している。1.5 万rpm,30kWの試作例などが報告されている。櫛形電動機と同様にホモポーラ形電動機の界磁巻線は永久磁石により置き換えることが可能である。この場合、固定子に永久磁石が配置されるため、永久磁石の機械的な問題を避けることができる。
【００５２】
２つの鉄芯を工夫して使用する方法としては、磁気軸受だけの機能を実現するものとして、米国などにおいて、二基のラジアル磁気軸受を、図１２のように配置し、さらに、図４に示されるように、２つの鉄芯間に永久磁石を配置したものが提案されている。そこでは、従来の磁気軸受で必要となるバイアス電流が永久磁石により代用できるため、所要電流値が少なく、また、巻線量を減少することが可能であるため、小形化が実現できたとの報告がある。しかし、回転部分を駆動するトルクを発生することができなかった。この発明に係る半径方向位置制御巻線付き回転機は、回転部分を駆動するトルクと半径方向力との両者を発生する点に特徴がある。半径方向力を発生して従来の磁気軸受などのように、回転部分の磁気力による支持、あるいは電磁振動の除去、機械的アンバランスによる振動の除去、低減、危険速度の通過などの機能を持たせる点に一つの特長がある。
【００５３】
この発明につき更に詳細に説明する。
【００５４】
この発明の半径方向位置制御巻線付き回転機は、ホモポーラ形あるいはくし形、あるいはランデル形などの電動機あるいは発電機において、界磁巻線あるいは永久磁石などの界磁起磁力発生機構を挟み込むように構成された電機子鉄芯の巻線スロット（鉄芯の内周面に形成された歯部と歯部との間隙）に、電動機あるいは発電機として動作するためのトルク発生用の巻線を備え、この巻線に加えて半径方向力を積極的に発生する半径方向力発生用の巻線を施し、さらに要すれば半径方向力を発生する巻線と半径方向力を発生する永久磁石（半径方向力発生用永久磁石）とを施し、この巻線に電流を流すことにより半径方向力を発生する機能をさらに付加している。
【００５５】
この発明の回転装置は、この発明の半径方向位置制御巻線付き回転機、回転部分の半径方向の位置を検出するセンサ、あるいはこの半径方向位置を各巻線の電圧、電流などから推定する制御装置、更に要すれば半径方向力および半径方向力発生系の利得を同じ大きさに保つように補償する利得補償手段などを備え、この半径方向位置を半径方向位置指令値と比較し、誤差を比例、微分、積分制御器などで増幅して半径方向力の指令値を発生し、半径方向力の指令値と一致する半径方向力を発生するための瞬時電流値を演算する機能を備え、この瞬時電流値に追従する電流を供給するインバータなどの半導体電力変換装置を備え、あるいは、上記センサなどから制御装置までの装置の代わりに半径方向力を発生するための巻線の誘起電圧あるいは電流を打ち消す手法、あるいは半径方向力を発生する巻線にＲＬＣなどの受動回路網を備え、半径方向力を発生する巻線の電流を調整し、その結果、磁気力により非接触で回転部分を支持するようにしてなる。
【００５６】
この発明に係る回転機は、半径方向に磁気力を発生しながら、回転するためのトルクを発生することが可能である。そこで、機械的、電磁的な半径方向の振動の抑制や、磁気力による回転部分の非接触支持が可能である。このため、超高速回転を実現することができ、さらに、小形、高出力化、低価格化が可能である。さらに、固定子の一部を形成する固定子鉄芯間に永久磁石を設けるので一般の回転子に永久磁石を持つ永久磁石形モータに較べ機械的に丈夫であり、また、磁石を取り除いたり、磁石短絡路を設けることにより、永久磁石形モータの問題とされている高速運転時における逆起電力を減少して簡単に界磁弱め運転が実現できる。さらに、永久磁石形モータの製作上問題となる回転子をモータに挿入する工程においても回転子に永久磁石がないために誘導機などと同様に簡単に行え、コストに関しても有利になる。一方、誘導機に比較すると、回転子に巻線が必要なく単純構造であるため高速回転にも耐え得り、運転時の温度上昇に対して強い。
【００５７】
すなわち、まず、永久磁石形回転機に比較すると、
１. 固定子に永久磁石があり、はがれたり、割れたりしない。
【００５８】
２. 界磁巻線を施すことが可能であり、永久磁石を薄形とすれば起磁力も小さくて済む。また、永久磁石の位置、短絡により界磁を調整することができる。
【００５９】
３. シンクロナスリラクタンスモータのロータを用いるため機械的に丈夫でイナーシャが小さく、高速化が容易である。また、軸方向から見込んだギャップも大きい。
【００６０】
４．さらに、固定子、回転子をスキューすることにより、回転子部分でポンプの役目を負わせることが可能である。つまり、スキューされた回転子が、ポンプ、ファン、ブロワー、コンプレッサー等における羽根車と同等の作用効果を奏する。
【００６１】
５. 製作の際に回転子を固定子に挿入するのが簡単である。また、永久磁石のバラツキの影響は少ない。さらに、シンクロナスリラクタンス機に比較してギャップ長を大きくとれる利点がある。などの特長がある。
【００６２】
一方、誘導機に比較すると、３, ４に加えて、
６. 固定子鉄芯間に永久磁石を用いるために、力率が良く、効率が高い。
【００６３】
７. 静止トルクを発生できる。
【００６４】
などの特長がある。さらに、シンクロナスリラクタンスモータに比較して、
８. ロータ突極を半ピッチひねることにより振動、騒音が低減できる。
【００６５】
９. 力率がよく、銅損が減少し効率が向上する、などの特長がある。
【００６６】
【実施例】
図５は、この発明の半径方向位置制御巻線付き回転機の一例を示す説明図である。
【００６７】
図５に示される回転機は電動機（モータ）である。図５に示されるように、この実施例における回転機は、回転軸３の軸方向に沿って、回転子２Ａ，２Ｂを囲繞するように配置された第１の固定子１Ａと第２の固定子１Ｂとの間に、着磁された永久磁石４を有していることが、構造上の一つの特徴である。
【００６８】
この着磁された永久磁石４は、界磁巻線で置き換えることもできる。永久磁石は突極状の固定子鉄心に対応した形状あるいは分割された永久磁石から形成されることができる。
【００６９】
この永久磁石の両側に、固定子薄板が積層されてなる第１の固定子１Ａと第２の固定子１Ｂとが配置されている。なお、この固定子１Ａ，１Ｂは、金属薄板の積層体ではなく、塊状の金属で形成されていても良い。図５に示される固定子１Ａ，１Ｂは、４極のシンクロナスリラクタンスモータの固定子を軸方向に直交する方向で２分割し、永久磁石を挟み込んだ構造を有する。
【００７０】
要約すると、この実施例に係る回転機は、前記第１の固定子１Ａに囲繞され、かつ回転軸３を挿通する第１の回転子２Ａと、前記第２の固定子１Ｂに囲繞され、かつ前記回転軸３に同軸に挿通された第２の回転子２Ｂとを有する。
【００７１】
第１および第２の回転子２Ａ，２Ｂは、固定子と同様に突極状の積層薄板、あるいは塊状の鉄などの金属により形成されているが、通常のシンクロナスリラクタンスモータと異り、永久磁石によって作られる磁極のＮ極側とＳ極側、すなわちＮ極側領域とＳ極側領域では、回転子の突極が半ピッチひねって積層されている。換言すると、第１の回転子２Ａに形成される磁極と第２の回転子２Ｂに形成される磁極とは、半ピッチの相違がある。
【００７２】
なお、図５における回転機では回転子は４極であるが、この発明においては、回転子鉄心は必ずしも４極である必要はなく、たとえば２極、あるいは６極、８極などの整数であればよい。この回転子における突極は回転軸に沿う長手辺ないし長手面を有して形成されていてもよく、また回転子における突極が回転軸に対して螺旋を描くように形成され、つまりスキューしていてもよい。この回転子をスキューすることにより、ポンプ、ファン、ブロワー、コンプレッサ等における羽根車の役目を行うことができる。この際、突極比が低減しないように固定子もスキューすることもできる。
【００７３】
図６および図４は、この発明に係る回転機における界磁の形成例を示している。図６では、円筒状に巻いたコイル５Ａが、界磁起磁力発生手段である界磁巻線として、円筒形状に形成された固定子鉄心の中央部に埋め込まれており、このコイル５Ａに電流を流すことにより図６に示すような磁路を持つ界磁磁束が発生する。図６に示される回転機においては、コイル５Ａの両側に位置する固定子がそれぞれ第１の固定子１Ａおよび第２の固定子１Ｂである。
【００７４】
一方、永久磁石を用いる場合は、図４に示すように固定子の鉄心を二つに分割して、一方を第１の固定子１Ａの鉄芯、他方を第２の固定子１Ｂの鉄芯とする。そして、第１の固定子１Ａの鉄芯と第２の固定子１Ｂの鉄芯との間に、軸方向に着磁した永久磁石５Ｂが、挿入配置されてなる。この永久磁石５Ｂの形状はトロイダルコア状であっても、いくつかの永久磁石を並べた形式であってもよい。この永久磁石により図４に示すような磁路の界磁磁束が発生する。
【００７５】
このような永久磁石あるいは界磁巻線よりなる界磁起磁力手段により、その両側に配置される第１の固定子１Ａの中央空間に位置する第１の回転子２Ａと第２の固定子１Ｂの中央空間に位置する第２の回転子２Ｂとは、それぞれＮ、Ｓに着磁される。
【００７６】
第１の回転子および第２の回転子よりなる回転子の磁束量は、界磁起磁力手段が界磁巻線である場合は、界磁巻線電流を調整することにより、決定される。一方、界磁起磁力手段が永久磁石である場合には、回転子の磁束量は、いくつかの方法により決定される。
【００７７】
すなわち、挿入した永久磁石の位置をアクチュエータ、螺子、レバーなどの機械的位置調整手段により軸方向および／または径方向に移動すること、あるいは、２つの固定子間を磁気的に結ぶ経路を構成することにより、磁束量が調整される。
【００７８】
前者の場合に、この永久磁石がいくつかの小さな永久磁石を並べて形成されているときに、換言すると永久磁石が分割されたいくつかの小型永久磁石の組み合わせからなるときに、これらの小型永久磁石のいくつかまたは全部が、アクチュエーター、螺子、あるいはレバー等の機械的位置調整手段により、回転軸の軸方向および／または径方向に位置を変えることができるように（位置可変可能に）、配置されていると、磁力の大きさが可変調整されることができるようになって、好ましい。
【００７９】
後者の場合、２つの固定子鉄心間に螺旋状に磁性体を埋め込んだ短絡路を構成するカバーで被い、この短絡路により生じる磁気抵抗をカバーを回転することにより調整すること、あるいは、棒状の磁性体を２つの鉄心間に多数構成し、その数を調整すること、あるいは、その数ではなく、その鉄心とのギャップ長を調整することなどの方法が挙げられる。
【００８０】
図７は、既に示した図５の紙面に向かって左側から見通した場合、すなわち、図５に示される回転機の軸線方向から見た場合の回転子と巻線とを示す概念図である。
【００８１】
図７に示すように、巻線は、８極のホモポーラ回転機として動作するために必要な巻線６（以下、場合に応じてトルク発生巻線６と称することがある。）と、半径方向力を発生するための２極の巻線（以下、場合に応じて半径方向力巻線と称されることがある。）から構成されている。
【００８２】
Ｎ極側領域とＳ極側領域では、８極の巻線６は等しい方向に巻かれている。したがって、８極巻線６は２つの鉄心間を貫いて巻くことが可能である。このようにすることにより、２つの鉄心間のコイルエンドを省略することができ、小形化が達成される。また、コイルエンドを省略しない場合には、回転子をひねるのではなく、固定子を半ピッチひねることも可能である。もちろん、回転子を半ピッチひねって、固定子はひねらずに構成してもよい。
一方、半径方向力発生手段である２極の巻線すなわち半径方向力巻線は２つの固定子それぞれに施される。この２極の巻線は３相巻線あるいはそれ以上であっても、２相巻線であってもよい。この２極の巻線に電流を流すことにより半径方向力を発生する。いま、簡単のため、２相巻線であるとすると、第１および第２の固定子鉄心に２相巻線があるので、合計４つの電流量が存在する。この４つの電流量が調整されることにより、回転体の４軸の半径方向力が調整される。
【００８３】
図７に示されるように、第１および第２の回転子２Ａ，２Ｂは８極の永久磁石形回転子に等価な状態に着磁されている。したがって、８極の２相、あるいは３相あるいはそれ以上の相数のトルク発生巻線に平衡正弦波電流を流すことによって、８極の永久磁石形電動機あるいは発電機と等しい原理でトルクを発生する。
【００８４】
図８は、半径方向力の発生原理を示す説明図である。いま、回転子がＮ極に着磁している鉄心では、図８に示すα巻線７ａに図示する方向の電流を流すと図に示す磁路の磁束が発生し、４つの各極での磁束量が増減し、図８に示す方向の吸引力が回転子に作用する。もし、α巻線７ａに図８におけるのとは反対方向の電流を流せば、図８に示した磁束の方向が反転し、図８に示した方向と反対方向の吸引力が発生する。
【００８５】
同様に、β巻線７ｂに正方向の電流を流すと紙面に向かって上方向の力が発生し、負方向の電流により紙面に向かって下方向の力が発生する。これらの半径方向の力の大きさは、α，β巻線７ａ，７ｂに流す電流の大きさを調整することにより増減することが可能である。また、ベクトル的に加算すれば、任意の方向の半径方向力を発生することができる。
【００８６】
半径方向力を発生させる半径方向力発生手段は、固定子鉄芯の内周面に設けられた歯部と派部との間に、半径方向力を発生させるための巻線（半径方向力発生巻線）を設けることにより、上述した原理によって半径方向力を発生させることができるのであるが、場合によっては、前記歯部と歯部との間に設けられた半径方向力発生巻線と永久磁石との組み合わせによっても、半径方向力を発生させることができ、また歯部と歯部との間隙に設けられた半径方向力発生巻線と歯部に設けられた永久磁石との組み合わせによっても、半径方向力を発生させることができる。
【００８７】
図９は、この発明の回転機を組み込んだ回転装置を示す説明図である。
【００８８】
図１および図８を参照することにより明らかにしたように、同様な原理により、Ｓ極に着磁した鉄心の領域でも、Ｓ極に着磁した回転子を囲繞する固定子に施した半径方向力巻線たとえば２極巻線に通電される電流の大きさ、および電流の方向を調整することにより、任意の方向の任意の大きさの半径方向力を発生することが可能である。
【００８９】
図９ではＮ極についてシステムの構成が示されている。電流を流す方向と発生する半径方向力の方向および大きさとは、回転子の回転位置、負荷、あるいは発生トルクの大きさに依存する。
【００９０】
そこで、既に文献(15-23) で提案しているように、半径方向力の指令値に実際に発生する半径方向力が一致するよう、予め半径方向力と２極巻線電流の関係を表す行列式を求め、この逆行列を半径方向力指令値に演算し、２極巻線の瞬時電流指令値を算出する制御系を構成する。この部分は図９でゲイン補償、電流指令値発生ブロックにより実現される。この際、電動機、あるいは発電機制御装置から、回転子の回転角度、回転磁界の方向などの量を得ることもある。
【００９１】
一方、回転子の回転による半径方向力と電流の比の変動をあらかじめ回転角度の情報よりフィードフォワード制御によりゲイン調整する機能でも代用できる。さらに、極数が多い場合にはこのような半径方向力と２極電流の比の変動は小さくなるので、省略することも可能である。この場合、文献(15-23) と異なり、静置状態の半径方向力を発生するために、回転速度の２倍に近い周波数の電流を流す必要はなく、直流電流ですむため簡単であり、また、回転子の回転速度情報が不要である点に特長がある。
【００９２】
この２極巻線電流の指令値に追従するような電流を供給する増幅器、あるいはインバータなどが必要である。この制御系をこのようにすれば、半径方向力の指令値と電磁回転機械内部で発生する半径方向力が常に一致する。
【００９３】
そこで、２つの鉄心の両端付近などで半径方向の変位を渦電流センサあるいはインダクタンスセンサなどで電気的に検出し、あるいは、２極の巻線の電流あるいは電圧などを検出して半径方向の変位を電気的に推定する機構を備えて半径方向位置を推定し、これを半径方向位置指令値と比較し、従来において磁気軸受などで用いられている比例、積分微分制御器などで増幅し、半径方向力の指令値を発生する。このような構成により、磁気力により軸を非接触で磁気支持すること、換言すると磁気力により回転軸を非接触状態で浮上させて支持することが可能である。
【００９４】
また、この半径方向力の指令値を、主軸の軸ふれを検出して、危険速度でダンピングを増加するようにして、危険速度での軸振動を減衰することが可能である。あるいは、固定子側に設けられた加速度検出器などにより半径方向の加速度を検出して、これを打ち消すような半径方向力指令値を発生し、半径方向の振動を減衰することも可能である。このように、従来の磁気軸受と同様の作用を行うことが可能である。
【００９５】
さらに、このような制御系を省略することも可能である。もし、回転子が常に中心に位置していれば、８極の対称磁界が発生しているため、２極の巻線との相互結合はつねに０となる。しかし、回転子が偏心すると２極の巻線に磁束が鎖交し、誘起電圧が発生する。そこで、この２極の巻線を超伝導材料などの低抵抗の巻線で構成し、両端を短絡すれば、誘起電圧を打ち消す方向の電流が流れ、半径方向力を発生し、主軸を元の位置へ戻す作用が働く。
【００９６】
この際、どの回転速度で浮上して安定に運転できるかは２極の巻線の抵抗値に依存する。
【００９７】
一方、単なる短絡巻線とはせずに、抵抗、インダクタンス、コンデンサなどの素子を接続すれば、インダクタンスなどにより高速回転域でのダンピング量や、コンデンサにより低速回転域でのダンピング量を調整できる。
【００９８】
すでに示した図５では、８極のホモポーラ電動機であったが、他の極数の組み合わせでもベアリングレスモータ（磁気浮上型電動機）を構成することが可能である。図２は４極のホモポーラ回転機のシャフト（回転軸）と回転子との構成を示している。図５では４極の回転子突極が２基設けられているが、図２では２極の回転子突極が２基設けられている。
【００９９】
図１０は、図２に示されるＮ極側の回転子における磁束分布を示している。Ｎ極に着磁されている回転子からは磁気抵抗が小さい突極部分を通って界磁磁束が流れている。図１０にａで示す巻線は２極の巻線であり、この巻線に電流を流すことにより半径方向力を発生することができる。すなわち、ａの巻線に正方向の電流を流すとψa で示す２極の磁界が発生する。この磁束により、突極上端では磁束が強められ、下の突極では磁束が弱められる。そこで、紙面に沿って上方向（図１０中の矢印方向）に向かう半径方向力を発生することができる。一方、負方向の電流を流すことにより下方向に向かう、すなわち図１０中の矢印とは反対方向に向かう半径方向力を発生することが可能である。
【０１００】
また、ｂの巻線に正方向の電流を流すとψb で示す磁束が発生する。この磁束はいわゆるｑ軸方向の磁路を通るため、等しい電流値を流したとしたときはψa よりも小さい。しかし、このψb により、上部突極の右端では磁束が強められ、左端では磁束密度が減少する。さらに、下部突極でも、右端では磁束が強められ、左端では磁束が減少する。したがって、紙面に向かって右方向に作用する半径方向力が発生する。一方、ｂ巻線に負方向の電流を流すと紙面に向かって左方向に作用する半径方向力が発生する。
【０１０１】
以上のように、４極のホモポーラ機であれば、２極の巻線を施せば半径方向力を発生できる。この原理は、ｑ軸磁路を通る点をのぞけば、８極の場合とほぼ等しい。そこで、６極、あるいは１０極以上などの２ｎ（ただしｎは整数を示す。）の極数を有するホモポーラ機では、２極の巻線を施すことにより半径方向力を発生することが可能である。この結論は、従来の極数プラスマイナス２極の巻線を施せばよいとする原理とは異なる新しい原理である。
【０１０２】
以上ではホモポーラ機を取り上げてトルク発生原理と半径方向力発生原理とを説明した。前述のように、これらの原理はくし形同期機にも応用できる。図３は４極のくし形同期機におけるところの、第１の回転子および第２の回転子よりなる回転子とこれらを挿通して設けられた回転軸との構成を示している。
【０１０３】
この図３に示される構成は、ちょうどホモポーラ機の突極部分をもう一方の回転子の方向に軸方向にのばして突極構成となっている。この磁気回路では高速回転に対して機械的な問題が生じることがあるので、第１の回転子の突極と第２の回転子の突極との間隙を非磁性体で埋めることにより、円筒型回転子に構成することが望ましい。固定子には４極のトルク発生巻線たとえば電動機巻線あるいは発電機巻線と、２極の半径方向力発生巻線とが必要となる。また、６、８、１０極などの２ｎの極数を有する回転子でも、各極数に対応した固定子巻線が発電機、あるいは電動機として必要であり、半径方向力を制御するためには２極の巻線が必要である。２極巻線は固定子を軸方向に分割して施す。
【０１０４】
図９に示されるシステムを総括して更に詳述すると、図９に示されるように、この発明の一実施例である回転装置１０は、この発明の一実施例である回転機１１と、半径方向位置コントローラ１２と、ゲイン補償電流指令値発生器１３と、半径方向力巻線用インバータ１４と、モータコントローラ１５と、トルク発生巻線制御用インバータ１６とを有する。
【０１０５】
回転機１１は、この実施例では、ホモポーラ型電動機である。回転機１１は、回転軸に、第１の回転子および第２の回転子よりなる一対の回転子を直列状態で装着している。第１の回転子２Ａおよび第２の回転子２Ｂそれぞれは、円筒状の第１の固定子（図示せず。）および第２の固定子（図示せず。）に囲繞されている。第１の固定子には、固定子鉄芯（図示せず。）に、トルク発生巻線（図示せず。）が倦回され、かつ、半径方向力巻線が倦回されている。この第１の固定子における半径方向力巻線は、α巻線７ａとβ巻線（図示せず。）とからなり、α巻線７ａとβ巻線とは互いに直交する方向に配設されている。図９においてはα巻線７ａが模式的に示されている。第２の固定子においても、第１の固定子と同様に、トルク発生巻線および半径方向力巻線が倦回され、半径方向力巻線は、α巻線７ａとこれに直交する方向に倦回されたβ巻線とからなる。回転軸３の一端近傍には、回転軸３に直交する面内においてＸ軸方向における回転軸３の偏位を検出するＸ軸偏位検出センサ１７ａと、回転軸３に直交する面内においてＹ軸方向における回転軸３の偏位を検出するＹ軸偏位検出センサ１７ｂとが、設けられる。さらに、この回転軸３の一端には、回転角度検出手段１８が設けられる。この回転角度検出手段１８は、ロータリエンコーダを含んで構成される。もっとも、回転角度検出手段１８は、ロータリエンコーダの代わりに、トルク発生巻線に通電される電流の電流値または電圧値から回転軸３の回転角度を決定する他の手段で置き換えることもできる。たとえば、同期電動機であることからトルク発生巻線に印加される回転磁界と回転子の回転は周波数が同一にして位相のみ異なる。このことより、センサーレスベクトル制御に見られるように、印加電圧波形と回転子の回転磁界による電流波形を比較し、回転磁界と回転子の回転との間の位相を求めることで、回転軸の回転角度をロータリーエンコーダ等の検出手段を用いずに決定することができる。
【０１０６】
前記Ｘ軸偏位検出センサ１７ａから出力されるＸ軸偏位検出信号はＸ偏位比較器１９ａに出力され、前記Ｙ軸偏位検出センサ１７ｂから出力されるＹ軸偏位検出信号はＹ軸偏位比較器１９ｂに出力される。
【０１０７】
Ｘ偏位比較器１９ａは、回転軸３の、予め設定されたＸ軸方向の位置を示す基準信号α* と、入力するＸ軸偏位検出信号とを比較して、差信号εαを求める比較器である。Ｙ軸偏位比較器１９ｂは、回転軸３の、予め設定されたＹ軸方向の位置を示す基準信号β* と、入力するＹ軸偏位検出信号とを比較して、差信号εβを求める比較器である。このようなＸ偏位比較器１９ａおよびＹ軸偏位比較器１９ｂは、基準信号と測定された、あるいは検出された信号とを比較するところの、従来から公知の比較器を採用することができ、しかもそのような比較器は当業者において自明であるから、それらの詳細な説明はしない。
【０１０８】
半径方向位置コントローラ１２は、前記Ｘ偏位比較器１９ａおよびＹ軸偏位比較器１９ｂから出力される差信号εα、εβを入力して回転軸３の半径方向の力を示す指令値Ｆ* α、Ｆ* βを出力する機能を有する。この機能を実現するために、たとえば比例積分微分コントローラが採用されることができる。
【０１０９】
ゲイン補償電流指令値発生器１３は、半径方向位置コントローラ１２から出力される指令値Ｆ* α、Ｆ* βを入力して、半径方向力発生用巻線に出力する電圧瞬時値および／または電流瞬時値を算出して半径方向力巻線用インバータ１４に支持信号ｉ* α、ｉ* βを出力する機能を有し、回転子の回転角度に対するゲイン補償、界磁起磁力の受動に対するゲイン補償を行う。
【０１１０】
前記半径方向力巻線用インバータ１４は、前記支持信号ｉ* α、ｉ* βを入力して、第１の回転子２Ａに対応する第１の固定子に倦回された半径方向力発生用巻線αと半径方向力発生用巻線βとに、所定の電圧瞬時値および／または電流瞬時値を有する正負両方向の電流を供給する機能を有する。
【０１１１】
ここで、制御巻線Ｎ２に電流を流すと、半径方向力は制御巻線と直交する方向に発生するので、制御巻線と直交する方向の変位を検出するセンサの信号に合わせて制御巻線に電流を流すことで半径方向の制御をすることができる。当然、二組の制御巻線を用いて２軸制御も行うことができるが、直交する二つの変位検出センサと一つの制御巻線により、２軸制御することもできる。すなわち、制御巻線はそれと直交する方向にのみ力を発生するので同方向の制御は、センサによる検出値を９０度位相を遅らせた力を発生することで予測制御することができる。
【０１１２】
一方、回転角度検出手段１８から出力される回転角度検出信号は、モータコントローラ１５および必要に応じてゲイン補償電流指令値発生器１３に出力される。
【０１１３】
モータコントローラ１５は、予め回転機１１の回転速度およびトルクの値が設定されていて、入力する回転角度検出信号により演算される回転速度および回転磁界に対する回転子の遅れ位相とそこから求められるトルクとを比較することで偏差を求め、これに対してトルク発生インバータに瞬時電流値と周波数とを指示することにより制御を行う。
【０１１４】
回転角度検出手段１８から出力される回転角度検出信号は、ゲイン補償電流指令値発生器１３にも出力され、このゲイン補償電流指令値発生器１３においては、制御巻線により発生する磁極と回転子突起部である磁極の相対位相として入力することで、回転軸の半径方向位置制御の補正を必要に応じて行うことができる。特に一対の制御巻線にて二対の直交する変位センサによる変位信号に基づき２軸制御を行う場合に必要である。
【０１１５】
上記構成の回転器においては、既に詳述した作用により回転軸３の偏位が是正される。
【０１１６】
図１３はこの発明の回転装置の他の例を示す説明図である。図１３に示されるようにこの回転装置は、非干渉化補償器を備える。
【０１１７】
この非干渉化補償器は、図１４に示されるように、指令値Ｆ* α、Ｆ* βそれぞれを入力し、また、モータコンドローラ（電動機制御装置）から出力される角速度、トルクおよび回転速度を示すデータ（Ｉd*、Ｉf*、Ｉq*）を入力し、（Ｍ0'＋Ｍ1'）Ｉd ＋Ｍf'Ｉd 、および（Ｍ0'−Ｍ1'）Ｉq の演算を行い、次いで、Ｋdq＝［｛（Ｍ0'＋Ｍ1'）Ｉd ＋Ｍf'Ｉd ｝2 ＋（Ｍ0'−Ｍ1'）2 Ｉq2］-1の演算を行って補償された指令値Ｆ*'α、Ｆ*'βを出力するようになっている。このＫdqは、半径方向位置制御ゲインを一定に保持するための値である。ここで、この（Ｍ0'＋Ｍ1'）は、回転子突極中心方向でのトルク発生用巻線と半径方向力発生用巻線との相互インダクタンスを、偏位させた距離で微分した値であり、単位は［Ｈ／ｍ］である。また、（Ｍ0'−Ｍ1'）は、回転子の突極を電気角で９０度ずらしたときの相互インダクタンスの距離での微分値である。
【０１１８】
【発明の効果】
この発明は、以上に説明したように構成されているので、この発明の目的を達成し、以下に記載されるような効果を奏する。
【０１１９】
この発明に係る回転機および回転装置は、半径方向に磁気力を発生しながら、回転するためのトルクを発生することが可能である。そこで、機械的、電磁的な半径方向の振動の抑制や、磁気力による回転部分の非接触支持が可能である。このため、超高速回転を実現することができ、さらに、小形、高出力化、低価格化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の回転機において半径方向力を発生させる原理を示す概念説明図である。
【図２】図２は、この発明の回転機の一例における回転子を示す斜視図である。
【図３】図３はこの発明の回転機の一例における回転子を示す斜視図である。
【図４】図４は、この発明の回転機の一例における界磁起磁力発生手段を組み込んだ固定子および回転子を示す説明図である。
【図５】図５は、この発明の回転機の一例を示す一部断面斜視説明図である。
【図６】図６は、この発明の回転機の一例における界磁起磁力発生手段を組み込んだ固定子および回転子を示す説明図である。
【図７】図７は、この発明の回転機の一例における回転子と半径方向力巻線およびトルク発生用巻線との関係を示す説明図である。
【図８】図８は、この発明の回転機の一例における回転子と半径方向力巻線との関係を示す説明図である。
【図９】図９は、この発明の一例である回転機を組み込んだ回転装置を示す概念説明図である。
【図１０】図１０は、この発明の回転機の一例における磁束と回転子との関係を示す説明図である。
【図１１】図１１は、従来の磁気支持型回転機を示す一部断面斜視図である。
【図１２】図１２は、従来の磁気支持型回転機を示す一部断面斜視図である。
【図１３】図１３はこの発明の他の実施例である回転装置を示す説明図である。
【図１４】図１４は図１３に示される回転装置における非干渉化補償器を示す説明図である。
【符号の説明】
１・・・固定子、１Ａ・・・第１の固定子、１Ｂ・・・第２の固定子、２・・・回転子、２Ａ・・・第１の回転子、２Ｂ・・・第２の回転子、３・・・回転軸３、４・・・コイル、５Ａ・・・コイル、５Ｂ・・・永久磁石、６・・・巻線、７ａ・・・α巻線、７ｂ・・・β巻線、１０・・・回転装置、１１・・・回転機、１２・・・半径方向位置コントローラ、１３・・・ゲイン補償電流指令値発生器、１４・・・半径方向力巻線用インバータ、１５・・・モータコントローラ、１６・・・トルク発生巻線制御用インバータ、１７ａ・・・Ｘ軸偏位検出センサ、１７ｂ・・・Ｙ軸偏位検出センサ、１８・・・回転角度検出器、１９ａ・・・Ｘ偏位比較器、１９ｂ・・・Ｙ軸偏位比較器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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