(57)【要約】【課題】ベアリングレス回転機において、変位センサを用いずに変位を検出可能とする。また、回転磁界を検出し、位置制御部を電動機制御部と独立する。【解決手段】新たに追加コイルを施し、高周波電圧を印加することで回転子変位と回転磁界を同時に検出する。【選択図】　　図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベアリングレス回転機の固定子に２つ以上のコイルを施し、これらのコイルの電圧、電流から回転子の変位、回転磁界を検出することを特徴とするベアリングレス回転機。
【請求項２】
請求項１記載のベアリングレス回転機において、コイルの誘起電圧から回転子の変位、回転磁界を分離する電気回路を備え、回転子変位と回転磁界を検出し、これらの検出信号に基づいてフィードバック制御を行うことを特徴とするベアリングレス回転機システム。
【請求項３】
請求項１，２記載のベアリングレス回転機において、固定子に追加して施す２つ以上のコイルは、複数構成された固定子歯に巻回され、対向するコイルの電圧を検出し、検出した電圧の差から回転子の変位に比例する信号を得、また、検出した電圧の和、あるいは一つのコイルの電圧から回転磁界に比例する信号を得ることを特徴とするベアリングレス回転機システム。
【請求項４】
請求項１−３記載のベアリングレス回転機において、追加する２つ以上のコイルは対向するコイルと接続され、接続点は中点を形成し、両端の端子は高周波電圧源あるいは電流源に接続され、両端の端子と中点間の電圧が検出され、検出された電圧の差を演算し、演算した電圧の高周波電圧源と等しい周波数の成分が抽出され、抽出した電圧が回転子の変位に比例することを特徴とするベアリングレス回転機変位検出回路。
【請求項５】
請求項４記載の変位検出回路において、高周波電圧源には２つの抵抗器が直列に接続され、抵抗器の接続点の電圧は高周波電圧源の中点の電圧を示し、前記追加する２つのコイルとブリッジ回路を構成し、コイルの中点と抵抗器の中点の電圧を検出して回転子の変位を検出する変位検出回路。
【請求項６】
トルクと電磁力を発生する巻線を備えるベアリングレス回転機の固定子において、固定子鉄心は複数の歯を備え、この複数の歯の中で対向する歯２つにコイルを巻回することを特徴とするベアリングレス回転機。
【請求項７】
トルクと電磁力を発生する巻線を備えるベアリングレス回転機の固定子において、固定子鉄心は複数の歯を備え、この複数の歯に複数のコイルが短節巻きで施されて複数のコイル群を形成することを特徴とするベアリングレス回転機。
【請求項８】
トルクと電磁力を発生する巻線を備えるベアリングレス回転機の固定子において、固定子鉄心は複数の歯を備え、この複数の歯に複数のコイルが分布巻きで施されて複数のコイル群を形成することを特徴とするベアリングレス回転機。
【請求項９】
請求項１−８記載のベアリングレス回転機において、磁束検出手段としてコイルの代わりにホール素子、磁気抵抗素子、時歪素子を用いることを特徴とするベアリングレス回転機。
【請求項１０】
請求項１−９記載のベアリングレス回転機をマイクロガスタービン発電機、フライホイール、ポンプ、ブロワ、コンプレッサ、エアコン、家電製品、コンピュータ用機器に適用することを特徴とするベアリングレス回転機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トルクと半径方向力を１つの電磁機械にて発生するベアリングレス回転機の構成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ベアリングレス回転機は磁気軸受機能とモータの機能を、１つの電磁機械で実現しようとするものである。（深尾正、千葉明「ベアリングレスモータ」電機学会誌解説　ｖｏｌ．１１７、Ｎｏ．９、ＰＰ．６１２−６１５、１９９７）すなわち、半径方向ｘ、ｙの２軸方向の電磁力と、回転するためのトルクを発生するものである。半径方向の制御を行うためには、回転子位置を把握するために渦電流型やインダクタンス変化型の変位センサを用いてフィードバック制御している。変位センサを用いると、ターゲットとなるセンサ対抗部が必要となるため、軸長の延長による装置の大型化や危険速度の低下、コストの上昇といった問題がある。また、所望の方向に半径方向力を発生させるためには、回転磁界の位置と大きさに応じて、位置制御磁束を発生させる必要があるため、回転磁界を間接的に、あるいは直接的に得る必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ベアリングレスモータをセンサレス化しようとする手法としては、室野井和文他「ベアリングレスモータのセンサレス化制御」電気学会リニアドライブ研究会ＬＤ−９９−３７、ＰＰ．７１−７６、１９９９にモータ、サスペンション巻線を利用した手法が提案されている、しかしサスペンション巻線に急峻な変化が生じると、推定変位に外乱が生じて支持に影響が生じる。同様にＴｏｓｈｉｙｕｋｉ　Ｋｕｒｏｓｕ　ｅｔｃ．「ＳＥＬＦ−ＳＥＮＳＩＮＧ　ＣＯＮＴＲＯＬ　ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ　ＯＦ　ＳＥＬＦ−ＢＥＡＲＩＮＧ　ＭＯＴＯＲ」８ｔｈＩＳＭＢ　ＰＰ２９３−２９８、２００２などがあるが、巻線を共用するために相互干渉が生じるのはやむを得ない状況にある。
一方、回転磁界の検出手法としては、間接形（ｉｎｄｉｒｅｃｔ、フィードフォワード形）と直接形（ｄｉｒｅｃｔ、フィードバック形）などがあり、千葉　他「ベアリングレスモータの直流機モデルの解析とＡＣマシンへの適用」日本機械学会第８回電磁力関連のダイナミクスシンポジウムＣ３８、ＰＰ．４９５−４９８、１９９５にて説明されている。間接形では、電動機制御部と、位置制御部の同期が必要なため、位置制御を独立に行うことができない。すなわち、電動機側にローコストな汎用インバータや商用電源を用いることができない。直接形はホール素子、サーチコイルなどを配置して回転磁界を検出する。サーチコイルを用いる手法は、千葉　他「誘導機形ベアリングレスモータの空間高調波、半径方向力磁束によるサーチコイル検出磁束への影響」電気学会産業応用部門　全国大会ｖｏｌ．１、ｎｏ．１５、ＰＰ．３７−４０、１９９９に提案されている。しかし回転磁界検出用のサーチコイルを用いて同時に半径方向の主軸変位を推定してセンサレス化する提案は、発明者らの知る限りではない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
電動機巻線と支持巻線を備えるベアリングレス回転機の固定子に、さらに、２つ以上のコイルを追加して施し、このコイルの電圧、電流に含まれる回転子変位の成分、回転磁界の成分を分離する電気回路を備え、回転子変位と回転磁界を検出し、これらの検出信号に基づいてフィードバック制御を行うベアリングレス回転機システム。
固定子に追加して施すコイルは、複数構成された固定子歯に巻回され、対向する歯が一つの組み合わせになる。巻回方向は回転磁界の極数に依存して決定される。例えば、４極回転磁界がトルクを発生するベアリングレス回転機であれば、対向する歯には誘起電圧が発生するように和動動作をするように巻線巻回方向が決定される。
追加して施すコイルは、固定子の歯に短節巻きで施すことができる。また、正弦波回転磁界を発生する巻線配置のように、分布巻きとしても良い。あるいは、いくつかの歯に巻回し、その巻数を工夫し、直列に接続しても良い。
２極の回転磁界を発生し、トルクを発生するベアリングレス回転機においては、対向する歯に巻回されたコイルは差動接続され、回転磁界により誘起電圧が発生するように接続される。
いずれのコイルの形式であっても、電動機の回転磁界を検出するようにコイルを施せばよい。
さらに、対向するコイルに発生する電圧の値は、原理的には等しい電圧が発生すると考えられるが、回転子が半径方向に変位し中心からずれると誘起電圧の値は不平衡になる。アキシャルタイプのベアリングレスモータにおいては傾きが生じることにより誘起電圧の値は不平衡になる。この電圧の不平衡を検出すれば、回転子の変位にほぼ比例する電圧信号を得ることができる。
不平衡電圧を回転磁界と分離したい場合は、対向するコイルを回転磁界よりも高い周波数、例えば２ｋＨｚ−２０ｋＨｚなどの周波数の電圧源で励磁する。この周波数は回転磁界より十分高く設定する。しかし、高周波でのケイ素鋼板の磁気特性が低下するので、あまり高くすべきではない。電圧源、電流源などで励磁する場合は、誘起電圧の差を検出するのではなく、印加周波数での電圧の不平衡を検出する。すなわち、回転子の変位によって追加したコイルの自己インダクタンスが不平衡になる。そこで、不平衡になった自己インダクタンスを検出すればよい。自己インダクタンスの値の差分を得るためには、二つの追加コイルを接続し、中点の電圧を得ればよい。さらに、等しい値の二つの抵抗器をコイルに並列に接続してブリッジ回路を構成し、ブリッジ電圧を検出すればよい。
半径方向を支持するベアリングレス回転機であれば、ｘ、ｙ２軸の変位の検出が必要である。このような場合は、対向するコイルが２組必要になる。
発明手法は磁束を検出するセンサが固定子、あるいはギャップ中にあればよい。そこで、ホール素子を追加コイルの代わりに用いることができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は追加コイルの構成を示している。図示していない回転子の周りを固定子歯が配置され、固定子歯は固定子鉄心ヨークにより磁気的接続されている。固定子の歯は、４，５，６，７，８、９などの自然数であり、図では発明に必要な部分だけが描かれている。対向する固定子歯にはコイルが巻回されている。コイルはそれぞれの歯に施されている。これらのコイルは図示していない接続点により接続される。
図２は追加コイルの分布巻きの導体配置を示している。複数のスロットに導体が配置されている。図には１つの導体が１つのスロットに描かれているが、複数の導体が複数巻回されて、その巻回回数を最適化している。コイルエンドは図示されていないが、このような導体配置になるように各導体を接続している。図１の追加コイルに近い動作をするために、中心より左側の導体が左側のコイルを構成し、右側の導体が右側のコイルを構成するようにコイルエンドが接続される。各スロットに導体が描かれているが、かならずしも一つのスロットに導体を一つ配置する必要はない。従来の電動機の巻線配置とすればよい。例えば、竹内寿太郎「電気設計学」などに記載されている。唯一の違いは、右側と左側を分離し、中点を取り出すことである。
図３は短節巻きコイル構成で、２つの固定子歯に追加コイルを施す方法を示している。隣接する二つの歯にコイルを施し、直列に接続している。左側のコイルと右側のコイルを構成している。
図４は短節巻きコイル構成で３つの固定子歯に追加コイルを施す方法を示している。巻数がＮ１である歯とＮ２である歯があり、いずれも自然数である。左側のコイル群と右側のコイル群に分けられ、二つのコイルは図示していない接続点で接続される。あるいは接続点を省略して絶縁しても良い。図１−３でも絶縁して電圧を検出しても良い。
電動機の回転磁界は４極である場合に適用されるが、８，１２，１６などの場合にも適用できる。
図５は２極の回転磁界によりトルクを発生する場合の追加コイルの配置方法を示している。ベアリングレス回転機であるので、電動機として動作するための巻線、電磁力支持を行う巻線が配置されるが、これらは図示されていない。あるいは、電動機巻線と支持巻線が一つの巻線で兼用されていても良い。いずれにせよ、回転磁界が２極である場合は、図１に比較してコイルの巻回方向が逆転し、差動接続になる。もちろん、和動接続として、コイル端の端子を入れ替えてもよい。この接続方法は、２、６、１０，１４極なども場合に用いられる。
図６は４極回転磁界の場合に、ｘ、ｙの２つの半径方向の主軸の変位を検出するための追加コイルの配置を示している。既に示した図１の追加コイルｘ１，ｘ２に加え、その直交方向の変位を検出するためｙ１，ｙ２のコイルが施されている。
図２−５の示したコイルにおいても、ｙ方向の変位を検出するためには直交方向にコイルを配置する。
さらに、サーチコイルは磁束を検出するための手段であり、磁束、あるいはそれに比例する物理量を検出するセンサであれば、追加コイル以外のセンサを用いることができる。例えば、ホール素子を図７のように配置し、磁束を検出すれば図６と同等の機能を実現することができる。ホール素子の他にも磁歪素子、磁気抵抗素子などであっても良い。図８は本発明を適用した、システム構成例である。電動機側４極、位置制御側２極の誘導機形ベアリングレスモータである。
【０００６】
【実施例】
モータ回転時には、追加コイルに図９に示すような周波数分布を含む電圧が誘起される。そこで、誘起電圧の影響を受けない、例えば１０ｋＨｚ程度の電圧を追加コイルに印加する。もちろん誘起電圧の差分の電圧を誘起電圧で除することにより半径方向の変位に比例する電圧を得ることができる。しかし、変位が小さいと誘起電圧が極めて小さくなる点が問題になる。そこで、外部に電圧源、あるいは電流源を配置し、追加コイルに印加する。この際、追加コイルは直列に接続され、接続点は中点として外部に取り出される。中点の電位は、回転子が中心に位置していれば、印加電圧の半分の電圧が発生する。しかし、回転子が中心からずれると印加電圧の半分の電圧からずれて不平衡になる。そこで、不平衡になった中点電圧は回転子の変位にほぼ比例する。
図１０は直列接続された追加コイルとその両端に電圧を印加する電圧源、さらに、基準となる半分の電圧を得るための２つの直列に接続された抵抗器を描いている。ブリッジの電圧ｖｂは回転子が中心に位置していればｘ１とｘ２の自己インダクタンスが等しいために０である。しかし、回転子が変位するとその変位にほぼ比例した電圧が発生する。この電圧は電圧源の周波数と等しい周波数である。この時の中点電圧から、図１１に示すように１０ｋＨｚ成分のみフィルタリングし、復調することで、図１２に示す変位推定値が得られる。同時に示したのは、変位センサの出力である。一方で、中点電圧を積分することで、低域に含まれる回転磁界を検出できる。なお、適用例では、電動機側４極としているので、対向する歯部に施された追加コイルを和動接続としている。これは、８、１２…極駆動でも、同様である。しかし、２、６、１０…極駆動では、差動接続とすることで回転磁界を検出できる
【０００７】
【発明の効果】
本方式を用いることで、追加コイルから回転子変位と、回転磁界を同時に検出でき、低コスト化、小型化、危険速度の向上とともに、電動機側に、汎用インバータや、商用電源を用いることができる。
【０００８】
【図面の簡単な説明】
【図１】追加コイルの構成を示した図である。
【図２】追加コイルを分布巻とする際の導体配置を示している。
【図３】追加コイルを短説巻とする際の方法を示している。
【図４】追加コイルを３つの固定子歯に短説巻とする際の方法を示している。
【図５】２極の回転磁界によりトルクを発生する際の追加コイルの配置を示している
【図６】ｘ、ｙ２つの半径方向の変位を検出するための追加コイルの配置を示している。
【図７】ホール素子を用いた際の配置を示している。
【図８】本発明を適用したベアリングレス回転機のシステム構成例を示している。
【図９】モータ回転時に追加コイルに誘起される電圧の周波数分布を示している。
【図１０】中点電圧の変化を、ブリッジ回路を用いて取り出す際の回路図を示している。
【図１１】中点電圧から、回転子変位と回転磁界を得る回路のブロック図を示している。
【図１２】図１１により得られた、変位推定値と変位センサの波形を示している。
【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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