(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スキュー角度を有する導体バーを備えた誘導型回転子を回転軸に固着した誘導電動機において、前記誘導型回転子は複数の回転子から構成され、前記複数の回転子の外周に空隙を隔ててそれぞれ固定子コアが配置され、最低一個の回転子のスキュー角度の回転方向が他の回転子と逆方向になっていて、前記導体バーに電流を供給することで前記スキュー角度により前記回転軸の軸方向に発生する推力により、軸方向力のバランスを取り、前記回転軸の軸方向位置を制御することを特徴とする回転軸の位置制御方法。
【請求項２】
前記推力のバランスは、前記回転軸の軸方向位置を検出し、前記複数の回転子のそれぞれの回転子電流を調整することで取ることを特徴とする請求項１記載の回転軸の位置制御方法。
【請求項３】
前記回転子にｍ極の駆動磁界分布とｎ＝ｍ±２極の位置制御磁界分布（但しｎ，ｍは２以上）を作用させることにより、該回転子に半径方向力を発生させ、前記回転軸の半径方向位置も合わせて制御することを特徴とする請求項１記載の回転軸の位置制御方法。
【請求項４】
前記回転子のスキュー角度を前記位置制御磁界分布の極数ｎに応じて４π／ｎとしたことを特徴とする請求項３記載の回転軸の位置制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転軸の位置制御方法に係り、特にスラスト磁気軸受を用いることなく、誘導型回転子を用いた回転軸を所定の目標位置に位置制御し、従って回転軸を非接触浮上制御することができる回転軸の位置制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁気軸受等の非接触型のラジアル軸受を用いた回転機械においては、そのスラスト方向の回転軸の位置決めにスラスト磁気軸受を用いることが広く行なわれている。このスラスト磁気軸受は回転軸に磁性材からなる円板状のスラストディスクを固設し、その円板の垂直面に磁気作用による吸引力を及ぼすように、スラストディスクを挟み込むように電磁石を配置している。そしてその電磁石の励磁電流を調節することにより、所望の制御力を発生させ、ポンプ等の回転体の軸方向推力に抗して軸方向目標位置に回転軸の位置を制御している。このようなスラスト磁気軸受を用いると、回転軸の軸方向位置を変位センサで検出し、フィードバック制御を行うことで精度良く目標の浮上位置に回転軸を保持することが可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、誘導電動機で回転駆動する回転軸にこのような形式のスラスト磁気軸受を利用する際には、誘導電動機とは別に磁気回路を構成する必要があり、スラストディスク及びこれを挟む電磁石を設備する必要がある。このため、装置全体の構成が大型化してしまい、その制御系は複雑なものにならざるを得ない。又、誘導電動機の回転子部分の他にスラストディスクを固設するため、回転軸全体の軸長が長くなる。このため、軸の固有周波数が低下し、高速回転に適さない構造となってしまう。又、電磁石の電流を制御するために、電力変換機等の設備が必要となり、装置全体としてのコストが高価なものとなってしまう等の問題がある。
【０００４】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、スラスト軸受を用いることなく、誘導電動機で駆動する回転軸の軸方向位置を制御することができる回転軸の位置制御方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の回転軸の位置制御方法は、スキュー角度を有する導体バーを備えた誘導型回転子を回転軸に固着した誘導電動機において、前記誘導型回転子は複数の回転子から構成され、前記複数の回転子の外周に空隙を隔ててそれぞれ固定子コアが配置され、最低一個の回転子のスキュー角度の回転方向が他の回転子と逆方向になっていて、前記導体バーに電流を供給することで前記スキュー角度により前記回転軸の軸方向に発生する推力により、軸方向力のバランスを取り、前記回転軸の軸方向位置を制御することを特徴とする。
【０００６】
上述した本発明によれば、スキュー角度を有する導体バーを備えた誘導型回転子に出力電流が流れることにより、回転軸の円周方向の回転力（トルク）と共に回転軸方向の推力が発生する。この回転軸方向の推力を誘導電動機の負荷である回転機械の軸方向負荷と対抗させることで、所定の目標位置に回転軸を保持することが可能となる。これにより、スラスト軸受を用いることなく、回転軸の軸方向位置を所定の目標位置に保持することができるので、誘導電動機の構造を簡素化し、その軸長を短縮して、高速運転に適した構造とすることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示す。回転軸１１は、２組の誘導電動機１２，１３を備え、それぞれの誘導型回転子１８，１９が回転軸１１に固着されている。誘導型回転子１８，１９はそれぞれの外周面に空隙を隔てて固定子コア１６に囲繞されており、固定子コア１６には回転駆動用の巻線が備えられている。そして固定子コア１６からは、固定子巻線コイルエンド１７がそれぞれ突出している。
【０００８】
本実施形態においては回転軸１１は機械式の軸受１５でラジアル方向に支持されており、軸方向には移動が自由になっている。そして、回転軸方向の変位は変位センサ１４により計測される。誘導型回転子１８，１９は、かご型回転子の一種であり、それぞれエンドリング２０を備え、回転子の両端のエンドリング間には出力電流が流れる多数の導体バー１８ａ，１９ａが配設されている。導体バー１８ａ，１９ａは、本実施形態では互いに反対方向の等しいスキュー角度を有する。
【０００９】
従って、回転子１８の導体バー１８ａに電流が流れると、回転軸に対して円周方向の回転トルクＦθが生じると共に、図で右方向の推力ＦＺが生じる。同様に回転子１９の導体バー１９ａに同一方向の電流が流れると、回転軸の円周方向の回転トルクＦθが生じると共に、図で左方向の推力ＦＺが生じる。従って、変位センサ１４により回転軸１１のｚ方向の変位を検出し、誘導電動機１２，１３のそれぞれの回転子電流を調整することで、回転軸１１に対して、任意の方向の又任意の大きさの軸方向推力を生じさせることができる。これにより誘導機が駆動するポンプ等の負荷設備の推力とのバランスを取ることで、スラスト軸受を用いることなく回転軸を目標位置に保持することができる。
【００１０】
図２は、その制御系の概要を示す。変位センサ１４で検出された軸方向変位ｚは、目標値ｚ＊と比較器２１で比較される。そして補償演算器２２によりこの変位をゼロにするための制御力ＦＺ＊が演算により求められる。一方で回転軸１１の出力トルク指令値Ｔ＊が与えられる。従って、演算器２３により誘導電動機１２，１３でそれぞれ分担するトルクＴ１＊とＴ２＊との分担を演算し、且つスキュー角度による導体バー１８ａ，１９ａに基づいて発生するｚ方向推力Ｆ１＊とＦ２＊との差
ＦＺ＊＝Ｆ１＊−Ｆ２＊
を演算により求める。そして、この誘導機の負荷の軸方向推力とスキュー角度に基づく推力ＦＺ＊とのバランスを取ることで、所要の推力ＦＺ＊が求められる。そして求められた結果のそれぞれのトルクＴ１＊とＴ２＊とがそれぞれ電流変換機２４，２５に入力され、誘導電動機１２，１３のそれぞれの導体バー１８ａ，１９ａに所望の出力電流が供給されるように、固定子巻線の励磁が調整される。これにより回転軸１１は所定の軸方向目標位置に保持される。
【００１１】
従って、図１に示すように２個の回転子がそれぞれ同じ角度で且つ反対方向のスキュー角度を有する導体バーを備えている場合には、それぞれの導体バーには等しい電流を供給することによりそれぞれ右方向及び左方向の等しい推力が作用する。従って、誘導電動機の負荷となる機械が特に軸方向の推力を生じない場合には、両側の回転子の導体バーにそれぞれ等しい電流を流すようにすればよい。しかしながら、誘導電動機に接続したポンプ等の負荷機械が動作することにより、仮に右方向の推力が作用するものとすれば、左方向の同じ大きさの推力が作用するように電動機１３の導体バー１９ａに所要の電流を供給するようにすればよい。このように複数個の回転子を備え、その内の１個の回転子のスキュー角度を他の回転子と逆方向にすることで、回転軸の左右両側に任意の方向のスキュー角度に基づく推力を生じさせることができる。
【００１２】
図３は、本発明の第２の実施形態の回転軸の構成を示す。図示するように回転軸２１は、４個の誘導型回転子２２，２３，２４，２５を備えている。そしてこれらの回転子の導体バー２２ａ，２３ａ，２４ａ，２５ａはそれぞれ異なった大きさ及び方向のスキュー角度を有している。従ってこれらの回転子の導体バーに等しい電流を流すことで、それぞれ異なった大きさ及び方向のスキュー角度に基づく軸方向推力を得ることができる。従ってこの回転軸に接続された負荷機械の動作に伴って生じる推力に合わせて、回転子及び負荷機械の推力に見合った出力電流を供給することで、特にスラスト軸受を設けることなく、所定位置に回転軸２１を保持することができる。
【００１３】
図４は、本発明の第３実施形態の誘導電動機の構成を示す。この誘導電動機は磁気浮上型であり、回転軸方向のみならず半径方向にも非接触で浮上支持される。固定子コア３６に回転駆動用の巻線３７ａと浮上位置制御用の巻線３８ａとを備え、ｍ極の駆動磁界分布とｎ＝ｍ±２極の位置制御磁界分布（但しｎ，ｍは２以上）とを回転子に作用させることにより、回転子を回転駆動すると共に、回転子に半径方向力を発生させ、回転子の浮上位置を制御できることが知られている。従って、半径方向変位センサ３４で回転軸３１の半径方向浮上位置を検出し、これに図示しない制御回路によりｎ極の位置制御磁界の大きさ及び位相を調整することで、所定の目標浮上位置に回転軸を浮上位置制御することができる。
【００１４】
回転軸３１の回転軸方向の位置制御は、変位センサ３４により浮上位置を検出して、上述したのと同様にそれぞれの回転子３８，３９の導体バー３８ａ，３９ａのスキュー角度に基づいて発生する推力を調整することにより行われる。従って、図４に示す磁気浮上誘導電動機の構成によれば、回転軸方向のみならず半径方向にも特段の軸受を必要としない誘導電動機を実現することができる。
【００１５】
しかしながら、固定子コアと回転子との間の空隙に生じる磁束を、回転駆動磁界に回転制御磁界を重畳することで、磁束密度分布を偏配することで半径方向力を発生させる場合には、かご型回転子のような誘導型回転子においては問題がある。これは回転制御磁界が導体バーに鎖交すると、電磁誘導現象が生じ、導体バーに回転制御磁界に基づく誘導電圧が生じて、これにより誘導電流が流れる。ところがこの回転制御磁界による誘導電流は、回転駆動磁界に基づく導体バーに回転トルクを発生させるための誘導電流とは異なった極数に基づく電流である。このためこの誘導電流は回転子に外乱として作用し、回転子の本来の回転駆動力及び位置制御に対して不要な動作を行わせることになる。このため、図４に示す実施形態の誘導電動機においては、回転子のスキュー角度を位置制御磁界分布の極数ｎに応じて４π／ｎとしている。このように設定することで、１本の導体バーに生じるｎ極の位置制御磁界分布に基づく誘導電圧を打ち消して、回転制御磁界が導体バーに鎖交することの影響をなくすことができる。
【００１６】
尚、上記の実施形態は本発明の一例としての実施態様について述べたのであるが、本発明の趣旨を逸脱することなく、種々の変形実施例が可能であることは勿論である。
【００１７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によればスキュー角度を有する導体バーを備えた誘導型回転子を回転軸に固着することで、スラスト軸受を用いることなく、回転軸の軸方向位置の保持が可能となる。また、回転子と固定子間の空隙の磁束密度分布を回転駆動磁界に対して回転制御磁界を重畳して磁束密度分布を偏配することで、ラジアル軸受もさらに不要とすることができる。これにより非接触浮上も可能なコンパクトな構造で、高速運転に適した誘導電動機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の誘導電動機の構成を示す説明図。
【図２】図１の誘導電動機の制御系の構成を示す説明図。
【図３】本発明の第２実施形態の誘導電動機の回転軸を示す説明図。
【図４】本発明の第３実施形態の誘導電動機の構成を示す説明図。
【符号の説明】
１１，２１，３１    回転軸
１８，１９，２２，２３，２４，２５，３８，３９    回転子
１４，３４ａ，３４ｂ    変位センサ
１８ａ，１９ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ，２５ａ，３８ａ，３９ａ導体バー
【図１】
0003628156.tif 000002
【図２】
0003628156.tif 000003
【図３】
0003628156.tif 000004
【図４】
0003628156.tif 000005