(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒型回転子を円筒型固定子の内周に有する回転機械において、
固定子に巻回される巻線の起磁力によって生じる磁束が、該回転子円筒面を通ると共に該回転子の端面と同一の回転軸垂直断面を軸方向に通るように磁路を形成し、
前記固定子に巻回される三相の巻線を円周方向に沿って１２０°づつずらせて配置し、それぞれに振幅の異なる電流を供給することにより、該回転子の半径方向の直交する二軸の位置制御と該回転子の回転駆動力を制御することを特徴とする無軸受回転機械。
【請求項２】
２台の前記回転機械を回転軸方向に並べ、回転軸が同一になるように該２台の回転機械の回転子を磁性材からなる回転軸で結合し、該回転機械の固定子に巻回される巻線の起磁力によって生じる磁束が、該回転機械の一方の回転子円筒面と該磁性材からなる回転軸と該回転機械の他方の回転子円筒面を通ることにより、該双方の回転子一個につき半径方向の直交する二軸の位置制御と、該回転子の回転駆動力を制御することを特徴とする請求項１記載の無軸受回転機械。
【請求項３】
前記固定子に巻回される前記巻線は、該巻線が固定子・回転子間の空隙中になす起磁力が単極になるように、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の三相巻線が局部的に固定子に巻回されていることを特徴とする請求項１又は２記載の無軸受回転機械。
【請求項４】
前記２台の回転機械の固定子の合計６本の前記巻線に通電する電流を制御するために六相電力増幅器を用い、前記６本の巻線の端子の一方と前記電力増幅器を６本の電流路で結び、該巻線端子の他方の６本をすべて共通に結線させたことを特徴とする請求項２記載の無軸受回転機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電磁力による回転子の半径方向浮上方向位置を制御する機能を付加した、高速もしくは超高速運転に好適な電動機又は発電機等の無軸受回転機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術としては、円筒型固定子内に円柱型回転子を組み込み、固定子に励磁回路を形成し、ここでｍ極の回転駆動磁界とこれに同期したｍ±２極の回転制御磁界を重畳させることで、回転子に回転力を与えると同時に所定位置に浮上保持する位置制御力を作用させる無軸受回転機械が知られている。これは、固定子に回転駆動用の巻線と浮上位置制御用の巻線を備え、それぞれに三相交流を流すことにより、極数の異なる回転磁界を重畳して形成し、回転子の円筒状外周面に磁気的作用を及ぼすものである。これにより、固定子内周面は回転子を磁気的に吸引して、その浮上位置を制御して、固定子に対して非接触支持が可能な回転位置決めの機能を有すると共に、回転子に回転力を付与することができる。
【０００３】
この無軸受回転機械に用いる固定子巻線は、回転子に回転機出力を付与するための通常の回転駆動用の巻線に加え、位置制御用の巻線が必要になる。従って、この構成の無軸受回転機械では、固定子に巻回する巻線が位置制御用巻線の分だけ増加し、構成が繁雑になる。また巻線が増えたために巻線電流を制御するための電力増幅器を始めとして、複雑な制御回路が必要となる。
【０００４】
従来技術の装置では、複数の独立した単極巻線を用い、上記構成の無軸受回転機械と同様の磁束分布を回転子と固定子間の空隙中に生成し、同様の作用効果を得ている。
この種の無軸受回転機械では、単極巻線が、位置制御起磁力の極数と回転駆動制御起磁力の極数の多い方の２倍以上必要になる。たとえば位置制御起磁力の極数が４であり、回転駆動制御起磁力の極数が６の場合は、単極巻線は１２相以上が必要になる。
【０００５】
このため、巻線の固定子への巻回が複雑になるだけでなく、巻線の引き出し線本数が増加し、結線が容易ではない。さらに巻線が増えたために巻線電流を制御するための電力増幅器及びこれに関連した制御回路が増加する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した事情に鑑みて為されたもので、固定子巻線を簡素化しつつ、回転子を回転駆動制御すると共に、浮上位置制御を行うことができる、新しい原理に基づく無軸受回転機械を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の無軸受回転機械は、円筒型回転子を円筒型固定子の内周に有する回転機械において、固定子に巻回される巻線の起磁力によって生じる磁束が、該回転子円筒面を通ると共に該回転子の端面と同一の回転軸垂直断面を軸方向に通るように磁路を形成し、前記固定子に巻回される三相の巻線を円周方向に沿って１２０°づつずらせて配置し、それぞれに振幅の異なる電流を供給することにより、該回転子の半径方向の直交する二軸の位置制御と該回転子の回転駆動力を制御することを特徴としている。
【０００８】
また、２台の前記回転機械を回転軸方向に並べ、回転軸が同一になるように該２台の回転機械の回転子を磁性材からなる回転軸で結合し、該回転機械の固定子に巻回される巻線の起磁力によって生じる磁束が、該回転機械の一方の回転子円筒面と該磁性材からなる回転軸と該回転機械の他方の回転子円筒面を通ることにより、該双方の回転子一個につき半径方向の直交する二軸の位置制御と、該回転子の回転駆動力を制御することを特徴とする。
【０００９】
また、前記固定子に巻回される前記巻線は、該巻線が固定子・回転子間の空隙中になす起磁力が単極になるように、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の三相巻線が局部的に固定子に巻回されていることを特徴とする。
【００１１】
また、前記２台の回転機械の固定子の合計６本の前記巻線に通電する電流を制御するために六相電力増幅器を用い、前記６本の巻線の端子の一方と前記電力増幅器を６本の電流路で結び、該巻線端子の他方の６本をすべて共通に結線させたことを特徴とする。
【００１３】
上述した本発明によれば、固定子巻線の起磁力によって生じる磁束が回転子円周面と回転軸垂直断面を通ることにより、回転子の円周方向に沿った磁束の量を不平衡にすることができる。これにより、円周方向に沿って単極巻線を３相配置して、それぞれ独立に一定周波数の且つ位相が１２０゜異なる電流を供給することで、回転子に半径方向力を作用させると共に回転駆動できる。従って、回転子の回転駆動力と半径方向位置を制御するための固定子巻線の構成が簡素化された。即ち、固定子に巻回する巻線の相数を減少することにより、巻線の固定子巻回の作業を簡略し、同時に巻線電流増幅器の構成を最小限にとどめつつ、回転子を回転駆動すると共に、浮上位置制御を行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は、本発明の無軸受回転機械の動作原理を説明するためのものである。（ａ）は円筒型回転子１１を示し、その円筒状外周面を、以下、作用面と呼ぶ。（ｂ）に示すように円筒型回転子１１の作用面は同軸状に配置された円筒型固定子１０の内周面と僅かな空隙を介して対面している。この空隙の円周方向に沿った磁束分布を非対称にするために、磁束は作用面以外からも出入りするように積極的に磁路を設けて磁束を導く構成としている。固定子の円筒型内周面内に設けられた巻線に流れる電流（起磁力）により生じる磁束Ψは、磁性材１３Ａを回転軸垂直断面に連接して配置することにより、回転子の作用面と回転軸垂直断面を通ることになる。従って、起磁力を三相の巻線を円周方向に沿って１２０°づつずらせて配置し、それぞれに同一周波数で位相が１２０°ずれた振幅の異なる電流を供給することで、（ｃ）に示すように回転子に回転駆動力を付与すると共に、２軸の半径方向力を作用させることができる。
【００１６】
図２は、このような回転子１１，１２を回転軸方向に２個連接して、その間を磁性材１３Ａで接続したものである。この磁性材１３Ａは、２個の回転子１１，１２を結ぶ磁路となる。回転子１１，１２に出入りする磁束は、回転子作用面と磁性材１３Ａからによる。固定子から流入（出）した磁束の一部が磁性材１３Ａを通ることになり、回転子１１と１２を経由して閉じた磁路が形成される。固定子には、それぞれの回転子に対応した三相巻線が２組、合計六相巻線が設けられている。この巻線に上述した電流を供給することにより、（ｃ）に示すように回転駆動力と共に、４軸の半径方向浮上位置制御力を回転子に作用させることができる。
【００１７】
図３は、本発明の４軸半径方向位置制御機能を有する無軸受回転機械の回転軸に沿った断面図である。二つの回転子１１，１２は回転軸１３で連結されており、この接続部１３Ａを磁路として利用するために磁性材を用いている。回転軸１３の両端には、回転子の位置を検出するための変位センサ１４，１５が、回転機械のケーシング１７に固設されている。また、システムの故障、停電等の不慮の事態で回転子の位置制御ができなくなった時に、回転軸１３を支持する非常用軸受１８，１９がケーシング１７に固設されている。正常な回転体の浮上動作状態では、非常用軸受１８，１９と回転軸１３は接触しないだけの間隔を有している。また、回転軸１３の中央には回転子の回転角度を検出する検出器２０が配置されている。
【００１８】
回転子１１，１２は、本実施の形態では表面に永久磁石が貼り付けてある永久磁石同期型を用いているが、電機子反作用を積極的に利用する誘導型或いはリラクタンス型回転子にも同様に適用できる。固定子２１，２２は、磁性材で形成されており、１個の固定子にはそれぞれ三相の巻線が施されている。固定子２１，２２の端部からはコイルエンド２３が突出している。
【００１９】
固定子に巻回される巻線分布の概略を図４に示す。巻線が空隙中になす起磁力が単極になるように、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の三相巻線が局部的に固定子に巻回されている。図中の巻線は集中巻であるが、下記の動作原理説明では分布巻を想定して、正弦波の起磁力分布を仮定している。
【００２０】
以下では、一方の回転子１１と固定子２１とからなる回転機をＬ、他方の回転子１２と固定子２２とからなる回転機をＲと呼び、状態変数量を区別するために、添字Ｌ，Ｒをつける。
回転機Ｌの固定子巻線単位電流によって生じる起磁力分布を
ＡuＬ＝Ｎ｛cosθ＋１｝
ＡvＬ＝Ｎ｛cos(θ＋４π／３）＋１｝
ＡwＬ＝Ｎ｛cos(θ＋２π／３）＋１｝
同様に回転機Ｒについても
ＡuR＝Ｎ｛cosθ＋１｝
ＡvR＝Ｎ｛cos(θ＋４π／３）＋１｝
ＡwR＝Ｎ｛cos(θ＋２π／３）＋１｝
と定義する。
【００２１】
また、回転機Ｌの各相に流れる電流をＩuL，ＩvL, ＩwL、回転機Ｒの各相に流れる電流をＩuR，ＩvR，ＩwRとする。
回転子は永久磁石により着磁されており、その磁束密度分布を
Ｂr(θ，ωｔ）＝Ｂr cos(θ−ωｔ)
但し、 ωｔ：回転子回転角度
と置く。
【００２２】
回転子に永久磁石が敷設されていないときの、起磁力ＡuLが形成する磁束密度は、鉄芯磁気抵抗を無視して、（１）式となる。
【数１】
0003688420.tif 000002
ｇ  ：回転子・固定子間の空隙長
μ0 ：真空中の透磁率
【００２３】
任意の角度θにおける磁束密度は次式で表される。
Ｂ（θ,ωｔ）＝Ｂr（θ,ωｔ）＋ＢuL（θ）＋ＢvL（θ）＋ＢwL（θ）
微小回転角度δθに蓄えられる磁気的エネルギーδＷは（２）式となる。
【数２】
0003688420.tif 000003
ｌ：回転子の回転軸方向長
Ｒ：回転子半径
【００２４】
この空隙に蓄えられる全磁気エネルギーＷは、（３）式で計算される。
【数３】
0003688420.tif 000004
そして、固定子・回転子間に働くトルクτはモータ片側で、（４）式で表される。
【数４】
0003688420.tif 000005
モータＬ，Ｒ２台分では
【数５】
0003688420.tif 000006
で表される。
【００２５】
図５は、非突極の回転子が滑らかな内面の固定子内で偏心して位置している状態を示す。回転子が固定子の中心に位置しているときの空隙長をｇ0 とする。回転子の偏心距離をα軸方向にα、β軸方向にβとする。（ｂ）図は中心付近での拡大図である。回転子半径に比較して空隙長が十分小さいと仮定すると、回転子の偏心により空隙長ｇは
ｇ＝ｇ0−α cosφ−β sinφ
と表すことができる。
【００２６】
さらに、回転子の偏心がｇ0 に比較して十分小さい、即ち、
｜α｜≪ｇ0 、｜β｜≪ｇ0
の仮定を用いると、単位面積当たりのパーミアンスＰは
Ｐ（φ）＝(μ0／ｇ0)(１−α cosφ／ｇ0−β sinφ／ｇ0）
となる。起磁力Ａが空隙中になす磁束密度分布Ｂは、
Ｂ＝Ａ／Ｐ
で表されるので、空隙中の磁束密度総和は、
ΣＢ＝Ｂｒ＋Ｂｕ＋Ｂｖ＋Ｂｗ
となる。
【００２７】
この空隙中の全磁気エネルギーＷの式は、
【数６】
0003688420.tif 000007
を用いて、α方向の力Ｆα、β方向の力Ｆβは、
【数７】
0003688420.tif 000008
【数８】
0003688420.tif 000009
である。
【００２８】
以上より回転機Ｌ，Ｒそれぞれに作用する制御力ＦαL ，ＦβL ，ＦαR ，ＦβR は、次式のようになる。
【数９】
0003688420.tif 000010
【００２９】
また、回転子・固定子間の対向面以外から磁束が出入りしない条件として、
【数１０】
0003688420.tif 000011
であり、これを簡単にして
ＩuL＋ＩvL＋ＩwL＋ＩuR＋ＩvR＋ＩwR＝０                   （５）
となる。
【００３０】
三相電流Ｉ3L＝（ＩUL，ＩVL，ＩWL）を、二相電流Ｉ2L＝（ＩαL ，ＩβL ，ＩOL）に変換する行列をＣ32とすると
Ｉ2 ＝Ｃ32 Ｉ3
【数１１】
0003688420.tif 000012
【００３１】
また、二相電流を三相電流に変換する行列をＣ23とすると
Ｉ3 ＝Ｃ23Ｉ2                    （６）
【数１２】
0003688420.tif 000013
Ｉ3R＝（ＩUR，ＩVR，ＩWR）、Ｉ2L（ＩαR ，ＩβR ，ＩOR）についても同様である。
【００３２】
トルクτ、制御力ＦαL，ＦβL，ＦαR，ＦβR等を２相電流で表すと
【数１３】
0003688420.tif 000014
【００３３】
上式を、回転機の状態変数のみで構成される変数ｋ1 〜ｋ6で表すと、
【数１４】
0003688420.tif 000015
0003688420.tif 000016
で表される。
【００３４】
上式より回転機の二相電流は以下のようになる。
【数１５】
0003688420.tif 000017
0003688420.tif 000018
【００３５】
制御ブロック図を図４に示す。
二つの回転子１１，１２は磁性材１３Ａを介して同一回転軸１３に固設されているため、同じ速度で回転する。この図の構成では４軸浮上位置制御と回転出力制御が可能である。その制御のために、回転子の半径方向位置を検出する回転子変位検出器を４軸分１４，１５と回転子回転角度を検出する回転角度検出器２０が図３に示す無軸受回転機械に備えられている。変位検出器１４．１５は回転軸１３の両端に２個ずつ直交方向に取付けられ、半径方向変位信号αL，βL、αR，βRを出力する。α，βは回転軸垂直断面上にあり、回転軸に対して直交する位置関係にある。
【００３６】
尚、変位検出器は図示するような別置型ではなく、固定子に巻回された巻線を利用してもよい。すなわち、巻線のインダクタンスの変化から、回転子の位置、姿勢を検出するインダクタンス型変位検出器として利用することにより、別置型変位検出器を不要とすることができる。これにより変位検出器のスペースを削減することができる。
【００３７】
回転子半径方向位置信号αL，βL、αR，βRと目標指令値αL* ，βL*、αR* ，βR* と比較し、その偏差を位置制御器３０で演算して回転子半径方向位置に対する制御力の指令値ＦαL * ，ＦβL * ，ＦαR * ，ＦβR * を得る。
【００３８】
システムには、回転子の回転角度を検出する回転角度検出器２０と、そこで得られた信号より回転角度ωｔを演算する回転角度演算器３１、回転子の回転速度ωを演算する回転速度演算器３２を有している。回転角度信号ωｔを演算器１〜６にて、（７）式に基づく演算を行い、係数ｋ1 ，ｋ2 ，ｋ3 ，ｋ4 ，ｋ5 ，ｋ6 を得る。求めた回転速度信号ωと回転速度目標信号ω* と比較し、その偏差を速度制御器３５で演算して回転子回転駆動力τ* を発生する。ここまでで得られた状態量ＦαL * ，ＦβL * ，ＦαR * ，ＦβR * ，ｋ1 ，ｋ2 ，ｋ3 ，ｋ4 ，ｋ5 ，ｋ6 ，τ* を用いて演算器７，演算器８で二相電流ＩαL * ，ＩβL * ，ＩOL* ，ＩαR * ，ＩβR * ，ＩOR* に上述した（８）式に基づき変換する。
【００３９】
このようにして得られた二相電流を、二相三相変換器３６で実際の巻線電流に対応した三相電流指令値ＩUL* ，ＩVL* ，ＩWL* ，ＩUR* ，ＩVR，ＩWR* に変換する。
【００４０】
本実施の形態では、（５）式で示されるように、電流指令値の総和が零になるので、回転機巻線電流増幅器３７は六相インバータを用いることが可能である。六相インバータの構成と巻線との結線を図７に示す。回転機Ｌ，Ｒにおいては、
ＩuL＋ＩvL＋ＩwL≠０
ＩuR＋ＩvR＋ＩwR≠０
であるので、回転機ＬのＹ結線巻線の中点ＣLと回転機ＲのＹ結線巻線の中点ＣRとを導線Ｋで接続する必要がある。６本の巻線の端子の一方が、それぞれ６相インバータ（電力増幅器）の出力端子に６本の電流路で接続され、６本の巻線の他方の端子が共通に接続されている。
【００４１】
尚、上記実施例は回転子を軸方向に２個連接して、その間を磁性材で連結して、回転子作用面に流入（出）する磁束の一部を回転軸垂直断面に流出（入）するようにしたものであるが、３個以上の回転子を連接するようにしてもよい。又、回転子作用面に流入（出）する磁束の一部を回転軸垂直断面に流出（入）させる構造としては、回転軸に磁性材を用いる他に種々の態様が考えられる。このように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。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、固定子の駆動巻線に独立した制御巻線を巻回することなく、もしくは多くの単相巻線を用いることなく、回転子の半径方向位置制御と回転子駆動力の制御を同時に達成できる。これに伴い、固定子巻線電流を制御するための電力増幅器の台数を低減することができ、その構成を簡素化できる。このため回転子を非接触で支持する磁気軸受の制御用電磁石に相当する部分を大幅に省略でき、機器の小型化と部品数の減少、それに伴う大幅なコストダウンが実現可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の無軸受回転機械の動作原理を示す説明図。
【図２】回転子を２個接続した場合の図１相当図。
【図３】本発明の一実施形態の無軸受回転機械の縦断面図。
【図４】図３における固定子磁極の構造を示す断面図。
【図５】回転子の座標系を示す説明図。
【図６】前記無軸受回転機械の制御系のブロック図。
【図７】前記無軸受回転機械の固定子巻線の結線図。
【符号の説明】
１０，２１，２２    固定子
１１，１２    回転子
１３          回転軸
１３Ａ        磁性材
１４，１５    変位センサ
２０          回転角検出器
Ｌ，Ｒ        回転機
【図１】
0003688420.tif 000019
【図２】
0003688420.tif 000020
【図３】
0003688420.tif 000021
【図４】
0003688420.tif 000022
【図５】
0003688420.tif 000023
【図６】
0003688420.tif 000024
【図７】
0003688420.tif 000025