(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子巻線にｍ極巻線電流を供給すると共にｎ極（但し、ｎ＝ｍ±２）巻線電流を供給し、前記ｍ極巻線電流により駆動磁界分布を形成すると共に、ｎ極巻線電流により位置制御磁界分布を形成し、回転子に回転力を与えると同時に、該回転子の変位検出手段によって検出した該回転子の変位から前記ｎ極の位置制御磁界分布を調整して該回転子を浮上位置指令値に従って磁気浮上する無軸受回転機械において、
各固定子歯部に設けられた磁束密度分布の検出手段と、該検出手段により検出された磁束密度分布からｍ極磁束分布ベクトルおよびｎ極磁束分布ベクトルの検出値を演算する演算器と、発生制御力の指令値に基づいて位置制御磁束分布指令値を演算する演算器と、前記ｎ極磁束分布ベクトルの検出値と前記位置制御磁束分布指令値との偏差を出力する減算器とを備え、
前記偏差に対応して前記ｎ極巻線電流を前記偏差がゼロとなるように調整し、検出したｎ極磁束分布ベクトルが、前記位置制御磁束分布指令値に一致するように制御することを特徴とした無軸受回転機械。
【請求項２】
前記無軸受回転機械は前記回転子・前記固定子間の空隙に配置されたｋ個（１，２，．．．，ｊ，．．．，ｋ）の磁束密度検出器を円周方向に等間隔に有しており、各々の該磁束密度検出器は回転角度（２π／ｋ）×ｊに位置し、該磁束密度検出器の該検出磁束密度をＢｊで表すとき、前記ｎ極磁束分布を固定座標平面上ベクトルとして
【数１】
0003669827.tif 000004
で演算することを特徴とした請求項１記載の無軸受回転機械。
【請求項３】
前記各固定子歯部に設けられた磁束密度分布の検出手段として、サーチコイルと、該サーチコイルの電圧出力を積分する積分器を用いたことを特徴とした請求項１記載の無軸受回転機械。
【請求項４】
前記位置制御磁束分布指令値と前記ｎ極磁束分布ベクトルの検出値の差分の符号により、前記固定子巻線端子に印加する電圧符号を決定することで前記ｎ極巻線電流を生成することを特徴とした請求項１記載の無軸受回転機械。
【請求項５】
前記ｎ極の検出磁束密度の低周波数成分として、前記ｎ極巻線電流の観測値の低周波数成分を代用することを特徴とした請求項３記載の無軸受回転機械。
【請求項６】
前記ｍ極の駆動磁界の回転周期の整数倍の期間で、前記ｎ極巻線電流の加算平均を演算することにより、該電流値の低周波数成分を算定することを特徴とした請求項５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、回転体を回転駆動する電動機作用と、回転体を磁気浮上制御する磁気軸受作用とを兼ね備えた無軸受回転機械に係わり、特に回転子に電流路である二次導体を備えた誘導型回転子を用いた場合等の、無軸受回転機械の安定な浮上制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、円筒型固定子内に円筒型の回転子を組み込み、固定子に励磁巻線回路を配置して極数の異なる二種類の回転磁界を形成し、ここで回転子に回転力を与えると同時に、所定の半径方向位置に浮上保持する位置制御力を作用させる各種の無軸受回転機械が知られている。
【０００３】
これは、固定子に回転駆動用の巻線と位置制御用の巻線を備え、それぞれに三相交流電流又は二相交流電流を流すことにより、所定の関係の極数の異なる回転磁界を固定子と回転子の空隙に形成し、円筒型回転子に半径方向の磁気的吸引力を偏配するものである。
【０００４】
係る無軸受回転機械において、固定子の巻線に電流を流すことによりｍ極の回転磁界とｎ極の回転磁界が生成される。以後、ｍ極の回転磁界を駆動磁界、ｎ極の回転磁界を位置制御磁界と呼ぶ。駆動磁界は通常の電動機のように回転子に回転駆動力を与えるために使用する。位置制御磁界は駆動磁界に重畳することにより、回転子に半径方向力を偏配することが可能となるため、回転子の半径方向浮上位置を磁気軸受と同様に自在に調整できる。ｍ極とｎ極とは、
ｎ＝ｍ±２
の関係を有することにより、上記浮上位置制御が可能となる。
【０００５】
これにより、回転子を磁気的に吸引して、回転子に回転力を付与する電動機として機能すると共に、その半径方向浮上位置を制御して、固定子に対して非接触浮上支持が可能な磁気軸受として機能させることができる。このため、電動機の回転軸保持に従来必要とされていた磁気軸受を構成する電磁石ヨーク部分及び巻線が不要となり、回転機械の軸長を短縮して、軸振動からの高速回転の制限を少なくすることができる。また、回転機械を小型軽量化することができる。また、位置制御巻線の電流と駆動巻線の電流とにより生じる磁界分布の相乗効果的な作用により、磁気軸受に相当する動作を行えるので、従来の磁気軸受と比較してはるかに小さな電流で大きな制御力が生じ、大幅な省エネルギー化が可能である。
【０００６】
固定子で生成される回転磁界により、回転子の二次導体に誘導電流を生成して回転駆動力を付与する方式のひとつが誘導型回転子である。誘導型回転子にも種々の構造があるが、その代表的なものがかご型回転子であり、これは回転子に低抵抗の金属導体棒（二次導体）を電流路として回転軸に平行に同心状に多数配置し、その両端において各金属導体棒を低抵抗の金属導体環（エンドリング）で接続することにより、回転子に電流路を設ける構造である。係る回転子においては、固定子巻線が形成する回転磁束を切ることにより、回転子の二次導体に誘導電圧が生じて誘導電流が流れる。固定子巻線により発生して二次導体に鎖交する磁束と、回転子中の誘導電流の相互作用によりローレンツ力が発生して、誘導型回転子には回転駆動力が発生する。
【０００７】
別の回転駆動力発生原理を利用したものとして、回転子にヒステリシスループの大きい磁性材を装着し、その磁性材のヒステリシス特性を利用したヒステリシス型電動機がある。係る電動機においては、固定子起磁力と回転子磁化方向が一致しないために発生するヒステリシストルクを積極的に利用して、回転駆動力を取り出している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、無軸受回転機械においては、駆動磁界と位置制御磁界を固定子巻線電流（一次電流）により混在させて発生させるために、通常の誘導型回転子（かご型回転子）を用いた場合には、回転子電流路（二次導体）には双方の磁界によって誘導された電流が流れる。ｍ極分布の回転磁界は回転子に回転駆動力を付与するために、原理上、誘導電流が流れなくては誘導型電動機として機能しない。一方、位置制御磁界による誘導電流が回転子電流路に流れた場合、固定子巻線が生成する磁界の他に、外乱として回転子電流が生成する磁界が発生するため、位置制御磁界は固定子の巻線電流が形成する磁界だけでは決まらず、安定な回転子の浮上制御ができなくなる。
【０００９】
また、ヒステリシス型回転子を用いた場合には、その特性上、回転子は固定子の発生する起磁力とは異方向に磁化され、空隙中の起磁力は固定子の起磁力分布と一致しない。このため、回転子の浮上状態が不安定になる。また、同期型電動機で使用される回転子においても、その構成材料の性質上、程度の差はあれ、誘導型、ヒステリシス型がもつ位置制御磁界の変動の問題を有している。
【００１０】
本発明は上述の事情に鑑みてなされたもので、構造が簡単で製作が容易なかご型回転子を用いた誘導機等においても、安定した浮上位置制御が行える無軸受回転機械を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の無軸受回転機械は、固定子巻線にｍ極巻線電流を供給すると共にｎ極（但し、ｎ＝ｍ±２）巻線電流を供給し、前記ｍ極巻線電流により駆動磁界分布を形成すると共に、ｎ極巻線電流により位置制御磁界分布を形成し、回転子に回転力を与えると同時に、該回転子の変位検出手段によって検出した該回転子の変位から前記ｎ極の位置制御磁界分布を調整して該回転子を浮上位置指令値に従って磁気浮上する無軸受回転機械において、各固定子歯部に設けられた磁束密度分布の検出手段と、該検出手段により検出された磁束密度分布からｍ極磁束分布ベクトルおよびｎ極磁束分布ベクトルの検出値を演算する演算器と、発生制御力の指令値に基づいて位置制御磁束分布指令値を演算する演算器と、前記ｎ極磁束分布ベクトルの検出値と前記位置制御磁束分布指令値との偏差を出力する減算器とを備え、前記偏差に対応して前記ｎ極巻線電流を前記偏差がゼロとなるように調整し、検出したｎ極磁束分布ベクトルが、前記位置制御磁束分布指令値に一致するように制御することを特徴とする。
【００１２】
上述した本発明の構成によれば、回転子・固定子間の空隙に生成される実際の磁束分布を検出して、固定子起磁力分布を補正することにより、回転子の浮上位置制御に適正な磁束分布が発生可能となる。これにより、いかなる特性を有する回転子を使用しても、適正な回転子の浮上保持のための磁束分布を形成できるので、回転駆動と共に安定な浮上位置制御が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態の説明の前提となる、従来用いられている一般的な無軸受回転機械の制御系の構成を示す図である。
回転子Ｒは固定子Ｓに設けられた２極駆動巻線が形成する２極回転磁界により回転駆動され、４極位置制御巻線が形成する４極回転磁界により、浮上位置制御される。回転子Ｒの周囲には、回転子Ｒの回転速度を検出する回転速度検出器１０と、回転子Ｒのｘ方向浮上位置及びｙ方向浮上位置を検出するギャップセンサ１１x，１１yがそれぞれ配置されている。
【００１５】
速度制御系（２極回転磁界）は、速度指令値ω* が予め与えられ、これが回転速度検出器１０で検出された実際の回転速度ωｍと比較される。そして、この偏差がＰＩ（Ｄ）コントローラ２１に入力され、その偏差がゼロとなるようにトルク分電流Ｉt*が出力される。一方で、励磁電流に相当する励磁分電流Ｉo*が予め与えられる。そして、回転座標−固定座標変換演算器２２により、入力された回転座標系の電流Ｉt*，Ｉo*から、固定座標系の二相電流Ｉa*，Ｉb*が、回転角ωｔについて図中に示す行列演算で求められる。
【００１６】
そして、この固定座標系の二相電流Ｉa*，Ｉb*を二相三相変換回路２３で三相電流Ｉu2*，Ｉv2*，Ｉw2*に変換し、電力増幅器２４で所定の電流値に電力増幅して、固定子Ｓの２極巻線に供給する。これにより回転子Ｒを速度指令値ω* で回転駆動する２極の回転磁界が形成される。
【００１７】
一方で、位置制御系（４極回転磁界）の制御は、概略、次の通りである。
まず、ギャップセンサ１１x，１１yにより回転子Ｒの浮上位置を検出して、予め設定された浮上位置指令値ｘ＊，ｙ＊と、減算器２５で比較する。そして、それぞれの偏差Δｘ，ΔｙがそれぞれＰＩ（Ｄ）コントローラ２６に入力され、偏差をゼロとするための位置制御力指令値Ｆx＊，Ｆy＊が算出される。そして制御器２７において、位置制御力指令値Ｆx＊，Ｆy＊から、回転角ωｔについて図中に示す行列演算で回転座標系から固定座標系に変換した二相の制御電流指令値Ｉα＊，Ｉβ＊を演算する。そして、二相三相変換回路２８で、三相の電流指令値Ｉu４＊，Ｉv４＊，Ｉw４＊に変換して、電力増幅器により４極の固定子巻線に所定の電流を供給する。固定子・回転子間の空隙中には４極浮上位置制御磁界が形成され、２極回転駆動磁界と重畳され、これにより回転子Ｒの浮上位置が制御される。
【００１８】
しかしながら、制御器２７で演算して得られる二相電流指令値Ｉα*，Ｉβ*は、回転子の電流路に流れる誘導電流（二次電流）、或いは回転子の磁気特性であるヒステリシスループを考慮せずに決定されるので、ギャップセンサが検出した浮上位置に基づく二相電流指令値Ｉα*，Ｉβ*による磁界分布と、実際の固定子・回転子間の空隙中の磁界分布に差異が生じてしまう。この回転子電流路に生じる誘導電流により、浮上位置制御磁界分布が変形して、正常の浮上位置制御力を作用させられなくなることは上述した通りである。
【００１９】
図２は、本発明の一実施形態の無軸受回転機械の制御系の構成図である。尚、２極駆動巻線電流を制御する速度制御系は図１と全く同じなので省略している。位置制御系のみに着目した場合、図１の構成では、４極電流指令値Ｉu４＊，Ｉv４＊，Ｉw４＊を計算し、その指令値どおりに巻線に電流を通電することを目的としている。一方、本発明の一実施形態の図２では、４極磁束分布指令値Ｂα＊，Ｂβ＊を演算し、その指令値どおりに磁束密度を形成するように回路構成されている。
【００２０】
即ち、図３に示すように、電動機の回転子・固定子間空隙の磁束分布を測定するために、固定子歯部にサーチコイル（Ｓ1〜Ｓ2）が設けられている。また、その端子電圧を磁束密度に変換する積分器３１、演算した磁束密度より、２極磁束分布ベクトル、４極磁束分布ベクトルを得るための２極磁束分布演算器３２，４極磁束分布演算器３３を有している。さらに位置制御磁束分布の指令値Ｂα*，Ｂβ*を、２極磁束分布演算器３２の検出値Ｂa，Ｂbと、発生制御力の指令値Ｆx*，Ｆy*より磁束分布指令値Ｂα*，Ｂβ*を得るための位置制御磁束分布指令値演算器３４を有している。更に、算出した４極磁束分布検出値Ｂα，Ｂβと４極巻線電流の低周波成分とを加算する演算器３５を備えている。
【００２１】
図３は、固定子の回転軸垂直断面を示す図である。固定子側には、２４個のスロット（ＳL1〜ＳL24）を有し、その外側には図中、大きな丸印で示す４極巻線が、その内側には図中、小さな丸印で示す２極巻線が配置されている。固定子のスロット間の歯部には円周方向等間隔に１２個のサーチコイルが巻回されている。
【００２２】
サーチコイル（ＳL1〜ＳL24）の各々の端子電圧を積分器３１によって積分処理することにより、サーチコイル（ＳL1〜ＳL24）が巻回された固定子歯部の磁束密度を得ることができる。便宜上、各サーチコイルの各部で得られる磁束密度をＢ1，Ｂ2，・・・，Ｂ12で表す。
【００２３】
２極磁束密度分布ベクトル検出値（Ｂa，Ｂb）は検出された磁束密度Ｂ1〜Ｂ12を用いて、式（１）、式（２）を用いて２極磁束分布演算器３２により演算で求められる。
【数２】
0003669827.tif 000002
【００２４】
また、４極磁束密度分布ベクトル検出値（Ｂα，Ｂβ）は、同様に検出された磁束密度Ｂ1〜Ｂ12を用いて、４極磁束分布演算器３３により式（３）、式（４）を用いて演算で求められる。
【数３】
0003669827.tif 000003
【００２５】
得られた２極磁束密度分布ベクトル検出値（Ｂa，Ｂb）は、図２で示されるように力の指令値Ｆx*，Ｆy*と共に演算器３４にて４極磁束分布の指令値（Ｂα*，Ｂβ*）の演算に用いられる。
４極磁束密度分布ベクトル検出値（Ｂα，Ｂβ）は、演算した指令値（Ｂα*，Ｂβ*）から減算器３５により減算され、偏差（ΔＢα，ΔＢβ）を得る。
【００２６】
サーチコイルを用いた磁束検出方法は、その積分回路を使用する動作原理上、低周波で変動する磁束量を検出できない。このため本実施形態においては、それに代わる量として４極巻線電流Ｉu4，Ｉv4，Ｉｗ4の低周波成分を帰還させる。ここで、４極巻線電流の低周波成分を得るために位相特性の明確なローパスフィルタ（ＬＰＦ）を用いると、そのフィルタの位相変化量が１８０度になる周波数で正帰還発振を起こし、その結果、４極位置制御巻線には過大な電流が流れ、装置を損傷する恐れがある。この現象を回避するために、単なるローパスフィルタを用いないで、等価的なローパスフィルタを用いる。即ち、４極の検出磁束密度の低周波成分として、４極磁界分布を生成する電流値の観測信号の低周波数成分を代用する。具体的には、２極の駆動磁界の回転周期の整数倍の期間で、４極磁界分布を生成する電流値の加算平均を演算する。これにより、高周波成分が除去されるので、結局低周波数成分に比例した量が出力される。
【００２７】
即ち、４極巻線電流Ｉu4，Ｉv4，Ｉw4をＣＴにより検出して、これを３相２相変換器３６で相変換してから、演算器３７を用いてこれを加算平均で処理して、その結果の低周波成分を演算器３５に帰還させる。これにより、サ−チコイルで検出感度の低い低周波成分を補うことができ、所要の磁束分布を固定子、回転子間の空隙に形成できる。
【００２８】
このようにして得た４極磁束分布の指令値と検出値の偏差信号（ΔＢα，ΔＢβ）を固定子の三相巻線に適合するように二相三相変換器３９により相変換して、磁束密度分布の指令値ΔＢu４＊，ΔＢv４＊，ΔＢw４＊を得る。この信号をヒステリシスコンパレータ４０で符号判別し、三相インバータ４２の各電力素子のオン−オフ制御信号とする。即ち、ΔＢα，ΔＢβがその符号が＋であれば、インバータの供給は符号が−となる、つまり電流を減らす方向に作用させ、偏差がゼロとなるように調整する。これにより、固定子・回転子間空隙の磁束密度分布はその指令に遅滞なく追従し、結果として期待したとおりの位置制御磁束分布が生成可能となる。
【００２９】
本発明者等の実験によれば、図２に示す方式の実際の磁束密度を検出して、本来の位置制御磁束分布となるようにフィードバック制御を行うことで、良好なかご型回転子の浮上特性が得られるという結果が得られている。
【００３０】
尚、上記実施の形態においては回転子に二次電流が流れる誘導電動機の例について説明したが、誘導電動機に限らず、ヒステリシス電動機等の回転子の構造により本来の位置制御磁束分布が変形される各種の回転子に適用可能である。
【００３１】
また、上記実施の形態においては、実際の磁束密度分布の検出手段としてサーチコイルを用いる例について説明したが、例えばホール素子を用いてもよく、これによりサーチコイルのような低周波の検出感度が低下するという問題がなく、ローパスフィルタ回路部分を省略できる等の利点を生じる。
【００３２】
以上の説明から明らかなように、本発明は実際の磁束密度分布を検出して、これを本来の磁束密度分布となうようにフィードバック制御をするものである。従って、無軸受回転機械において、固定子・回転子間空隙の磁束密度分布を検出することにより、回転子の形態によらず、安定な磁気浮上制御が可能となる。以上の説明は便宜上、駆動磁界分布を形成する駆動巻線と、位置制御磁界分布を形成する位置制御巻線とに分割されたものを用いたが、所望の磁界分布を形成できる巻線であれば、いかなる形態でも構わない。また、固定子に巻回されている巻線は三相中点結線の巻線を前提としているが、上述の磁界分布を生成できれば、その巻線分布は問題とならない。またｍ極の回転駆動磁界とｎ極の位置制御磁界が
ｍ＝ｎ±２
の関係を有していればいかなる極数でも適用できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、無軸受回転機械の目的である磁気浮上と回転駆動の両目的を、通常の誘導電動機等の本来の位置制御磁束分布を変形させる回転子を用いて達成可能にした。これにより、複雑な電流路構造を有する回転子を用いる必要がなくなり、安価で堅牢な例えば一般的に用いられているかご型回転子を無軸受回転機械の回転子として使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】無軸受回転機械の制御系の一般的な構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態の無軸受回転機械の制御系の構成を示すブロック図である。
【図３】無軸受回転機械の断面構造を示す説明図である。
【符号の説明】
３２      ２極磁束分布演算器
３３      ４極磁束分布演算器
３４      位置制御磁束分布指令値演算器
３５      加算（減算）器
３９      二相三相変換器
４０      符号判定器
４２      インバータ
Ｒ        回転子
Ｓ        固定子
Ｓｃ      サーチコイル
【図１】
0003669827.tif 000005
【図２】
0003669827.tif 000006
【図３】
0003669827.tif 000007