(57)【要約】【課題】磁気軸受制御装置をコンバータにより、より合理的に構成し、特に必要なコンバータの費用を低減する。【解決手段】本発明は磁気軸受の制御のための磁気軸受制御装置ならびに３相コンバータの使用に関する。３相コンバータ（７０）を磁気軸受（１０，６６，６８）の制御のために使用することが提案されていて、コンバータ（７０）の３つの相電流出力（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の全てが磁気軸受（１０，６６，６８）の制御のために使用される。磁気軸受（１０，６６，６８）の磁石コイル対（１０）の第１の磁石コイルがコンバータ（７０）の第１の相電流出力（Ｕ）および第３の相電流出力（Ｗ）に接続されていて、磁石コイル対（１０）の第２の磁石コイルがコンバータの第１の相電流出力（Ｕ）および第２の相電流出力（Ｖ）に接続されていることによって、磁石コイル対（１０）の差動制御が１つのコンバータ（７０）によって実現されている。コンバータ（７０）は既存のバイアス磁化巻線を有する磁気軸受に接続されてもよい。これは、例えばこの種の既存の磁気軸受を改良する場合に有利である。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンバータ（７０）の３つの相電流（４０，４２，４４）の全てが、磁気軸受（１０，６６，６８）の制御のために使用される磁気軸受（１０，６６，６８）の制御のための３相コンバータ（７０）の使用。
【請求項２】
コンバータ（７０）が、磁気軸受（１０，６６，６８）の磁気軸受コイル対（１０）の差動制御を行ない、
一定電流および磁気軸受コイル対（１０）の差動制御のための差動電流が、１つの３相コンバータ（７０）によって３つの相電流（４０，４２，４４）から発生させられる請求項１記載の使用。
【請求項３】
磁気軸受（１０，６６，６８）が、基礎励磁巻線（１６）を含まず、磁気軸受コイル対（１０）によって構成される制御励磁巻線（１０）だけを含む請求項２記載の使用。
【請求項４】
磁気軸受（１０，６６，６８）が、基礎励磁巻線（１６）および制御励磁巻線（１０）を有し、
３つの相電流（４０，４２，４４）から、基礎励磁巻線（１６）および制御励磁巻線（１０）との相互接続によって、基礎励磁巻線（１６）または制御励磁巻線（１０）に供給するバイアス磁化電流および制御電流が発生させられる請求項１記載の使用。
【請求項５】
磁気軸受（１０，６６，６８）の上方のアーマチャ（６６）の制御励磁巻線（１０）が、３相コンバータ（７０）の第１の相電流出力（Ｕ）および第３の相電流出力（Ｗ）に接続されていて、
磁気軸受（１０，６６，６８）の下方のアーマチャ（６８）の制御励磁巻線（１０）が、３相コンバータ（７０）の第１の相電流出力（Ｕ）および第２の相電流出力（Ｖ）に接続されている請求項１乃至３の１つに記載の使用。
【請求項６】
磁気軸受（１０，６６，６８）の上方のアーマチャ（６６）の基礎励磁巻線（１６）および制御励磁巻線（１０）が、直列接続されて３相コンバータ（７０）の第１の相電流出力（Ｕ）および第３の相電流出力（Ｗ）に接続されていて、
磁気軸受（１０，６６，６８）の下方のアーマチャ（６８）の基礎励磁巻線（１６）および制御励磁巻線（１０）が、直列接続されて３相コンバータ（７０）の第１の相電流出力（Ｕ）および第２の相電流出力（Ｖ）に接続されている請求項４記載の使用。
【請求項７】
磁気軸受（１０，６６，６８）の上方のアーマチャ（６６）および下方のアーマチャ（６８）の基礎励磁巻線（１６）が直列接続されていて、
磁気軸受（１０，６６，６８）の上方のアーマチャ（６６）および下方のアーマチャ（６８）の制御励磁巻線（１０）が直列接続されていて、
制御励磁巻線（１０）がタップ点を有し、両アーマチャ（６６，６８）の基礎励磁巻線（１６）を通流する電流がこのタップ点を介して両アーマチャ（６６，６８）の制御励磁巻線（１０）に注入される請求項４記載の使用。
【請求項８】
３相コンバータ（７０）が、コンバータ（７０）のｄ軸電流およびｑ軸電流を調節するために比例調節器を含み、
ｄ軸電流の調節のための第１の比例ゲインが、ｑ軸電流の調節のための第２の比例ゲインよりも小さく設定されている請求項１乃至７の１つに記載の使用。
【請求項９】
第１の比例ゲインの比が、１：２から１：４までの範囲にある第１の請求項８記載の使用。
【請求項１０】
第１の比例ゲインと第２の比例ゲインとの比が、１：３である請求項９記載の使用。
【請求項１１】
３つの相電流出力（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を有する３相コンバータ（７０）が磁気軸受（１０，６６，６８）の制御のために設けられ、
磁気軸受（１０，６６，６８）の磁石コイル対（１０）の第１の磁石コイルがコンバータ（７０）の第１の相電流出力（Ｕ）および第３の相電流出力（Ｗ）に接続されていて、
かつ磁石コイル対（１０）の第２の磁石コイルがコンバータ（７０）の第１の相電流出力（Ｕ）および第２の相電流出力（Ｖ）に接続されていることによってコンバータの３つの相電流の全てが磁気軸受（１０，６６，６８）の制御のために使用され、それによって磁石コイル対（１０）の差動制御が１つのコンバータ（７０）により実現されている磁気軸受制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気軸受制御装置、ならびに磁気軸受制御のための３相コンバータの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
能動的に調節される磁気軸受のために電磁石が使用される。これには、バイアス磁化および位置安定化のための力発生電流の迅速な調節が要求される。
【０００３】
この磁気軸受に関して基本的には２つの事例が知られている。
【０００４】
１つには基礎磁界の発生を可能にするバイアス磁化巻線を有する磁気軸受である。この場合には更に、調節技術により支持対象に所望の力を及ぼす制御励磁巻線が存在する。
【０００５】
更に、基礎励磁巻線のない、したがってバイアス磁化を設定できる巻線のない磁気軸受が存在する。この場合に使用される調節技術は主としていわゆる差動制御に基づく。
【０００６】
分離された基礎励磁巻線および制御励磁巻線を有する公知の磁気軸受の場合には、バイアス磁化が一定電流によって発生させられ、この一定電流は一般に第１の電力増幅器によって発生させられる。バイアス磁界の磁界強めもしくは磁界弱めは、制御励磁巻線中の電流によって実現され、この電流は一般に第２の電流増幅器によって発生させられる。
【０００７】
例えば磁気軸受スピンドルにＮ個の磁気軸受を使用する場合に、Ｎ個の磁気軸受の全てのためのバイアス磁化電流を第１の電力増幅器によって供給することができるので、結局、この場合には全部でＮ＋１の電力増幅器が必要である。
【０００８】
初めに述べたように、基礎励磁巻線のない通常の磁気軸受の場合には、差動制御が行なわれ、磁気軸受ごとに２つの電力増幅器が、したがって全部で２×Ｎの電力増幅器が必要である。
【０００９】
図１には磁気軸受の差動制御回路が示され、そして図２には基礎励磁巻線も制御励磁巻線も有する磁気軸受が示されている。
【００１０】
図１は２つの電力増幅器１２，１４を示し、電力増幅器１２，１４により制御励磁巻線１０の差動制御が実現される。このために、バイアス磁化電流ｉ0が両電力増幅器１２，１４に与えられ、第１の電力増幅器１２においては制御電流ｉxがバイアス磁化電流ｉ0に加算され、第２の電力増幅器１４においては制御電流ｉxがバイアス磁化電流ｉ0から減算される。
【００１１】
それによって、図１による差動制御回路においては、一定電流ｉ0がバイアス磁化電流として制御励磁巻線１０の両コイルに印加される。この電流を、例えば１０アンペアであるとする。これは両コイルにおいて同様に流れるので、第１のコイルの起磁力は第２のコイルの起磁力に等しい。物理的には、両コイルはたいてい互いに垂直に配置されている。ここでコイル間に存在する例えばロボットの如き対象に力を作用させようとする場合には、コイルの一方において起磁力が高められ、他方において起磁力が低下させられる。これは制御電流によって行なわれ、制御電流はバイアス磁化電流への加算によって一方のコイルにおける起磁力を高め、バイアス磁化電流からの減算によって他方のコイルにおける起磁力を低下させる。制御電流が例えば２アンペアである場合に、第１のコイルは１２アンペアの電流を導くのに対して、第２のコイルは８アンペアだけの電流を導く。それによって、第１のコイルにおける磁界が第２のコイルにおける磁界に比べて明白に強められ、例えば上に向かう力作用が増大させられる。それによって、コイル間において支持対象への所望の力が制御電流によって調整される。したがって、図１の磁気軸受１は、調節技術的には、制御励磁巻線１０の一方のコイルの磁界の適切な増大もしくはそれにともなう他方のコイルの磁界の適切な低減を基礎とする。
【００１２】
図２は他の公知の磁気軸受３を概略的に示し、これは基礎励磁巻線１６も制御励磁巻線１０も備えた磁気軸受として構成されている。
【００１３】
図１による実施形態と違って、この場合には基礎励磁巻線１６のためのバイアス磁化電流を発生させるために付加的な電力増幅器が必要である。しかし、必要な電力増幅器の費用は、図１による実施形態に比べて、１つの適用例に磁気軸受が多く設けられているほど低下する。なぜならば、使用される磁気軸受の全てのバイアス磁化電流は一般に唯一の電力増幅器によって発生可能であるからである。
【００１４】
したがって、公知の磁気軸受を運転するために、これまでは特別な、したがって高価な電力増幅器および付属の調節器が要求される。
【００１５】
この種の電力増幅器に対する代替として、工作機械コンバータ関連団体の標準コンバータにより磁気軸受が操作可能であることが公知である（例えば、特許文献１参照）。
【００１６】
しかし、この場合には磁気軸受の制御のためにコンバータの２つの相だけが使用される。したがって、バイアス磁化巻線を有するＮ個の磁気軸受の場合には、磁気軸受システムの制御のためにＮ＋１個のコンバータが必要である。これらの磁気軸受がバイアス磁化巻線を持っていない場合には、２×Ｎ個のコンバータが必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００４０２４８８３号明細書
【特許文献２】国際特許出願公開第９７／０７３４１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の基礎をなす課題は、本出願人のこの従来技術から出発して、磁気軸受制御装置をコンバータにより、より効率的に構成することにあり、特に必要なコンバータの費用を低減しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本出願人の従来技術のほかに能動型ラジアル磁気軸受装置が公知であり、これにおいては３つに分けられた電磁石が設けられていて、バイアス磁化が必要である（例えば、特許文献２参照）。しかし、本発明は、とりわけ磁気軸受の１つの自由度ごとに２つの磁石コイルの差動制御を目指す。したがって、本発明は、所望の２つの自由度を有する磁気軸受の場合には、例えば、それぞれが１つの磁石コイル対を制御する２つの３相コンバータの使用に至る。この場合にバイアス磁化は省略可能である。更に、本発明は、好ましくはスラスト軸受に関係があり、ラジアル軸受には関係がない。
【００２０】
本発明によれば、コンバータの３つの相電流の全てが磁気軸受の制御のために使用されるという磁気軸受のための３相コンバータの使用によって課題が解決される。
【００２１】
同様に本発明は、磁気軸受の制御のために設けられている３つの相電流出力を含む３相コンバータを備え、磁気軸受の磁石コイル対の第１の磁石コイルがコンバータの第１および第３の相電流出力に接続されていてかつ磁石コイル対の第２の磁石コイルがコンバータの第１および第２の相電流出力に接続されていることによって、コンバータの３つの相電流の全てが磁気軸受の制御のために使用され、それによって磁石コイル対の差動制御が１つのコンバータにより実現されている磁気軸受制御装置に到達する。
【００２２】
本発明は、公知の３相コンバータが３相交流電動機の回転磁界の発生のためだけでなく、コンバータの発生可能な３つの相電流が別の方法で使用可能であるという考えに基づいている。
【００２３】
本発明の基本的な考え方は、コンバータの３つの相電流出力を互いに独立に発生可能な２つの電流として１つの磁気軸受における差動制御の形で使用することにある。
【００２４】
以下において、どのようにしてこれを実現することができるかを説明する。
【００２５】
従来技術による公知のコンバータは、３相交流電動機の運転のために設計されている。この場合に回転電流ベクトルが発生させられ、回転電流ベクトルはコンバータ内に計算量として存在し、かつコンバータの３つの相Ｕ，Ｖ，Ｗに分配される。図３には、この種の回転電流ベクトル２０が示されている。この回転電流ベクトル２０なる計算量は、コンバータの座標系において、電流ベクトル成分２２，２４，２６の長さおよび角度によって表わされ、電流ベクトル成分のそれぞれの角度はコンバータ固定の相系Ｕ，Ｖ，Ｗを基準とする。この場合に電流ベクトル成分２２，２４，２６はＵ，Ｖ，Ｗの方向への電流ベクトル２０の投影である。したがって、これらの個々の相電流は、それぞれの相の方向ベクトルへの電流ベクトル２０の上記投影からもたらされるスカラー量である。３相系Ｕ，Ｖ，Ｗの３つの方向ベクトルはそれぞれ互いに等しい角度を含むように互いに１２０°だけずれている。それぞれの方向ベクトルの方向を指す投影は正として評価される。投影が方向ベクトルと反対の方向を指す場合には、その投影は負として評価される。理想化された３相系の場合には、相電流の幾何学的構成から、相電流の総和が常に消滅すること、すなわち零に等しいことがもたらされる。相電流総和の消滅はあらゆる３相系の本質的な特徴である。
【００２６】
図４には、コンバータによって駆動される永久磁石励磁の同期電動機が概略的に示されている。この電動機が簡単化のために１つの磁極対を有するものとする。電動機には回転子３０が付設されている。前記磁極対はＮ磁極３２ならびにＳ磁極３４を含む。この磁極対は回転子にしっかり固定されている。磁極対は、剛体で、回転子角にともなって回転する。磁極対には磁気軸３６を割り当てることができ、磁気軸３６は図４においてはＳ磁極３４からＮ磁極３２に向く方向を指す。回転方向３８は、磁極対に作用する外側から印加される回転磁界によってひき起こされる回転子の回転を表わす。
【００２７】
電動機の（ここには図示されていない）固定子は、１２０°の角度で配置されている３つの位置固定のコイルを含む。図４におけるこの図式ではコイルが星形結線されているが、中性点は詳しくは示されていない。各コイルはコンバータの１つの相に割り当てられている。３つのコイルを通してコンバータによって発生させられた相電流４０，４２，４４が流れる。各コイルは、その際にそれぞれの相電流の大きさによって与えられている強さを有する磁界を発生する。磁界の方向はそれぞれの相電流の極性によって決定される。したがって３つのコイル磁界が重なり合い、固定子内部において合成磁界が生じ、合成磁界は強さおよび方向において最初に述べた回転電流ベクトルなる計算量に対応する。
【００２８】
同期電動機の動作時に電流ベクトルの方向は、計算量である電流ベクトルと回転子３０の磁気軸３６とが互いに定義された角度をなすように回転子の磁気軸３６の角度に正確に追従する。電流ベクトルが磁気軸に対して取り得る理論的に可能な角度のうち次の２つの角度が特別扱いされる。
【００２９】
１．磁気軸方向を指す電流ベクトル：
電流ベクトルのこの向きはトルクを発生せず、ｄ軸電流と呼ばれる。よく知られているように、回転可能な磁気軸（例えば磁針）は外部磁界の磁力線の方向に向く。しかし、このケースでは図４に示された回転可能な磁気軸が既に完全に外部磁界に向けられているので、磁気軸はこれ以上回転しない。
【００３０】
２．磁気軸２６に対して直角（９０°）の方向に向く電流ベクトル：
この向きは最大のトルクを発生し、ｑ軸電流と呼ばれる。外部磁界と回転可能な磁気軸との間において囲まれる角度が大きいほど、作用するトルクが大きくなる。数学的にはトルクは囲まれる角度の余弦値を介して表わされる。したがって、最大トルクは、囲まれる角度が９０°である場合に発生する。
【００３１】
特別扱いされる上述の両電流ベクトル方向ｄおよびｑは互いに垂直に交わる。一方の方向、すなわちｄ軸電流はトルクを発生しないのに対して、他方の方向、すなわちｑ軸電流はトルクを発生する。ｄ軸電流はトルクを発生しないが、これはそれにもかかわらず同期電動機の動作のために重要である。磁気軸と反対の方向を指す負のｄ軸電流は電動機の端子電圧を減らす。負のｄ軸電流は専門書においてしばしば磁界弱め電流または弱め界磁電流と呼ばれる。
【００３２】
任意の電流ベクトルをｄ軸電流とｑ軸電流とからなる線形合成として理解することが有利であることが分かった。これらのｄ軸電流およびｑ軸電流は、個別に先の図４の図式にしたがって３つの相Ｕ，Ｖ，Ｗに分配される計算量として理解することができる。
【００３３】
従来技術によれば、電動機はトルク発生のために使用される。それゆえ同期電動機は、基底回転数範囲では電流ベクトルのｄ軸成分が零になるように運転される。ｑ軸成分により所望のトルクが調整される。高回転数においては付加的に（負の）ｄ軸電流が制御され、これにより電動機の端子電圧が所望の大きさに低減される。従来技術による同期電動機の運転時にはｄ軸電流およびｑ軸電流が異なった互いに分離された機能を引き受け、したがって互いに独立に制御される。
【００３４】
本発明においては、上述の電流を互いに独立に発生させるためのこの可能性が、磁気軸受の差動制御に必要な２つの独立した電流を発生させるために利用される。
【００３５】
これに対してコンバータによる電動機の制御の場合には、ｄ軸電流およびｑ軸電流が常に回転子角に同期して調整され、すなわち磁気軸に同期して追従させられる。このために、回転子位置角とも呼ばれる磁気軸の現在の向きに関する情報がコンバータに供給される。
【００３６】
以下において磁気軸受の制御のためのコンバータの使用を説明するために、電動機の回転子が静止しているものと仮定する。磁気軸は、図４に示されているように、相Ｕの方向に向いているものとする。ｑ軸電流、つまりトルクを発生する電流ベクトルは、磁気軸に対して垂直方向にあり、したがって相Ｕの方向の固定子軸と直角をなす。
【００３７】
したがって、図５に示されている状態が生じる。
【００３８】
電動機の固定子の相コイルＵの方向に相当する相方向Ｕにおける磁気軸３６のこのような凍結位置（停止位置）では、ｑ軸電流が他の両相ＶおよびＷにだけ分配される。ｑ軸電流はＵ軸に対して垂直であることから、Ｕ軸へのｑ軸電流の投影は消える。これに対して相電流Ｗは常に、相電流Ｖに対して反対の極性を持つ。したがって印加されたｑ軸電流に関しては、
（１）      −ｉW＝ｉV＝ｃｏｓ（３０°）・ｉq
ただし、
ｉU＝０、ｉU＋ｉV＋ｉW＝０
が得られる。
【００３９】
本出願人の従来技術（既述の特許文献１参照）から、磁気軸受コイルの両接続端子をコンバータの相出力ＶおよびＷに接続することは既に公知である。コンバータの回転子位置情報が、コンバータにとってあたかも磁気軸が相方向Ｕなる固定子方向を指したまま固定して変化しない状態が生じるように、ハードウェアまたはソフトウェアによって凍結される。通例はトルク、つまりｑ軸電流の大きさを調節するコンバータの調節回路が、今や、磁気軸受コイルの電流の強さを直接に制御し、接続されていない相Ｕについては、凍結された回転子角位置のゆえに、電流目標値が設定されない。それによって、コンバータにおいてこの相のために相応の電流目標値が与えられているにもかかわらず電流が流れない場合には、セットされるであろう故障警報が抑制される。３相コンバータのこの使用は従来技術に基づいて公知であり、それも基礎励磁巻線を有する磁気軸受の制御のための使用も、基礎励磁巻線を持たない差動制御装置を有する磁気軸受のための使用も公知である。
【００４０】
本発明は、この従来技術を更に進化するものである。
【００４１】
電動機を制御するためのコンバータが所望の電流を制御するために、コンバータの相出力Ｕ，Ｖ，Ｗにおけるパルス幅変調された電圧を投入する。基礎励磁巻線を有する磁気軸受をコンバータによって制御しようとする場合には、磁気軸受の全コイルが基礎励磁巻線を介して互いに変圧器結合されなければならないという欠点が生じる。これは願わしくないことである。なぜならば、個々の磁気軸受コンバータの電流調節器がこの結合を介して相互に望ましくない影響を及ぼし合うためである。しかし、差動制御装置を有する磁気軸受が存在する場合には、この願わしくない結合が省略可能であり、それによって個々のコンバータの電流調節器が妨げられない。しかし、非常に多数のコンバータ、つまり２×Ｎ個のコンバータが必要であることが特別な欠点である。この場合にＮは磁気軸受の個数である。
【００４２】
本発明は、特に、基礎励磁巻線を持たない差動制御の磁気軸受としての磁気軸受を開発するものである。本発明は、コンバータ個数が増えるという欠点を次によって回避する。すなわち、従来技術によれば２つの個別コンバータによって引き受けられなければならなかった差動制御を唯一のコンバータで処理することによって回避する。これは、従来技術によれば零に調節されていたｄ軸電流に機能を割り当てることによって可能にされ、今やｄ軸電流が零でなくて、あるいは定義された値に制御される。
【００４３】
これを図６に基づいて更に詳細に説明する。
【００４４】
このためにまず、磁気軸３６が相Ｕの方向を指す予め与えられた回転子位置において、ｄ軸電流が相Ｕ，Ｖ，Ｗに分配される。ｄ軸電流は磁界弱め方向に印加されるので、ｄ軸電流は磁気軸３６と反対の方向、したがって相方向Ｕと反対の方向を指す。
【００４５】
磁界弱め方向に印加されたｄ軸電流５２は相方向Ｕに平行であるので、ｄ軸電流５２は相電流Ｕの方向において完全にしかし逆方向に投影される。相方向ＶおよびＷにおけるｄ軸電流の投影は、発生するｄ軸電流のちょうど半分の大きさとなる。印加されるｄ軸電流に関して、
（２）      ｉV＝ｉW＝−（１／２）・ｉU＝−（１／２）・ｉd
ただし、
ｉU＋ｉV＋ｉW＝０
が成り立つ。
【００４６】
磁気軸受コイル対の差動制御の場合には、一定電流および差動電流が両コイルに印加される。一定電流は両コイルにおいて同じ極性を持つのに対して、差動電流は両コイルにおいて異なる極性を持つ。従来技術によれば、これらの電流は予め計算上で加算されてから、目標値としてそれぞれ１つの増幅器に供給されるので、両コイルのそれぞれについて別個の増幅器が設けられている。
【００４７】
これに対して、本発明によれば、磁気軸受コイル対の差動制御のために唯一の３相コンバータが使用され、一定電流がそのコンバータのｄ軸電流によって制御され、差動電流が同一のコンバータのｑ軸電流によって制御される。
【００４８】
この場合に、磁気軸受の両コイルの一方の接続線はコンバータの相ＶもしくはＷに接続される。両コイルの他方の接続線は互いに接続されて、共通にコンバータの相Ｕに接続される。したがって、次のような接続図が図７および図８に示されているようにもたらされる。
【００４９】
より良い理解のために、ここではそれぞれｄ軸電流６０の表示（図７）とｑ軸電流６４の表示（図８）が選ばれている。
【００５０】
それぞれ示された磁気軸受コイル対が唯一の３相コンバータに接続されていることに注目すべきである。両図への分離は、より良い見易さのために行なわれているにすぎない。
【００５１】
図７には、磁気軸受コイル対の両コイルへのｄ軸電流６０の分配が示されている。ｄ軸電流６０は、両コイルにおいてそれぞれ半分ずつの（正とみなされる）電流として現われる。
【００５２】
図８は磁気軸受コイル対の上記コイルにおけるｑ軸電流の分配を示す。ｑ軸電流は、同じ強さにて、上に図示されたコイルにおいて正で、下に図示されたコイルにおいては負で現われる。図７および図８では、正とみなす方向を、それぞれ相Ｕ，Ｖ，Ｗにおけるコンバータ内へ向かう方向に取る。
【００５３】
ここでｄ軸電流が一定の電流として印加され、ｑ軸電流が力作用制御のために使用される場合には、磁気軸受の差動制御に必要とされる全ての要求が満たされている。図７および図８によれば、ｄ軸電流には一定電流ｉ0の機能が割り当てられ、ｑ軸電流の役目は、磁気軸受コイル対の両コイルにおいて異なった起磁力を生じさせようとする初めに示した電流ｉXの制御機能である。
【００５４】
磁気軸受の本発明による差動制御は、ｄ軸電流もｑ軸電流も互いに独立に発生可能であることを前提とする。これは現代の３相コンバータにより可能となった。しかし従来技術と違ってここでは、電動機制御のための回転磁界が発生させられるのではなくて、磁気軸受を差動制御様式で動作させるために２つの電流が互いに独立に発生させられる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は従来技術による磁気軸受の差動制御装置を示す概略図である。
【図２】図２は従来技術による基礎励磁巻線も制御励磁巻線も備えた磁気軸受を示す概略図である。
【図３】図３は従来技術による３相交流電動機運転用コンバータにおける回転電流ベクトルの説明図である。
【図４】図４は従来技術による永久磁石励磁同期電動機を示す概略図である。
【図５】図５は磁気軸を相Ｕの方向に取った場合のｑ軸電流の相ＶおよびＷへの分配を示すベクトル図である。
【図６】図６は磁気軸を相Ｕの方向に取った場合のｄ軸電流の相ＶおよびＷへの分配を示すベクトル図である。
【図７】図７は磁気軸受コイル対の両コイルへのｄ軸電流の分配を示す説明図である。
【図８】図８は磁気軸受コイル対の両コイルへのｑ軸電流の分配を示す説明図である。
【図９】図９は３相コンバータを備えた本発明による磁気軸受制御装置を示す接続図である。
【図１０】図１０は本発明による接続のために使用される公知の星形結線を示す接続図である。
【図１１】図１１は本発明による接続のために使用される公知の三角結線を示す接続図である。
【図１２】図１２は３相コンバータが基礎励磁巻線の制御のためにも制御励磁巻線の制御のためにも使用される本発明による磁気軸受制御装置を示す接続図である。
【図１３】図１３はバイアス磁化巻線が制御巻線よりも小さい電流に対して設計されている場合に特に有利に使用可能である図１２に対する代替実施形態を示す接続図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
以下において本発明の３つの実施例を示す。
【００５７】
図９は、相電流４０，４２，４４が流れる相出力Ｕ，Ｖ，Ｗを有する３相コンバータを備えた本発明による磁気軸受制御装置を示す。磁気軸受は上方のアーマチャ６６および下方のアーマチャ６８を含む。電流７２が磁気軸受コイル対の第１のコイルに流れ、第１のコイルは上方のアーマチャ６６に付設されている。第１のコイルはコンバータ７０の第１および第３の相電流出力Ｕ，Ｗに接続されている。
【００５８】
電流７４は磁気軸受コイル対の第２のコイルに流れ、第２のコイルは下方のアーマチャ６８に付設されている。第２のコイルはコンバータ７０の第１の相電流出力Ｕおよび第２の相電流出力Ｖに接続されている。想定された固定の回転子角＝０°により、磁気軸３６は相Ｕの方向を指し、この場合に次の相出力電流４０，４２，４４が得られる。
（３）      ｉU＝ｉd
ｉV＝−（１／２）・ｉd＋ｃｏｓ（３０°）・ｉq
ｉW＝−（１／２）・ｉd−ｃｏｓ（３０°）・ｉq
（４）      ｉa＝−ｉW＝（１／２）・ｉd＋ｃｏｓ（３０°）・ｉq
ｉb＝−ｉV＝（１／２）・ｉd−ｃｏｓ（３０°）・ｉq
【００５９】
相電流４０（ｉU）は印加されるｄ軸電流をなす。他の両相電流４２および４４は方程式系（３）の残りの方程式に示されているように算定される。
【００６０】
したがって、図９に示されている本発明による結線に対して全体方程式系（４）が得られる。
【００６１】
電流ｉaは上方のアーマチャ６６に付設されている第１のコイルに流れる電流７２に対応する。電流ｉbは磁気軸受コイル対の第２のコイルに流れる他の電流７４を表わす。
【００６２】
方程式系（３）および（４）から次のことが分かる。すなわち、電流ｉdを介していわゆるバイアス磁化が調整可能であり、電流ｉqが一方のコイルにおける電流を高めて他方のコイルにおける電流を減らし、したがってこれによって、支持対象、とりわけ回転子に対して、発生力を調整するこことが可能である。
【００６３】
従来技術によるコンバータは対称的な３相交流電動機の運転のために設計されている。この場合に対称的とはコンバータの３つの全端子の間におけるインピーダンスが等しい大きさであることを意味する。
【００６４】
もちろん、これは本発明による磁気軸受へのコンバータ接続の場合にはそうではない。既に図７および８に関連して示したように、本発明による接続は、例えば不完全な星形結線として理解することができる。Ｕ相にはインダクタンスが存在せず、磁気軸受コイル対の両コイルは他の両相ＶおよびＷにおけるインダクタンスをなす。ちょうど同じように、図７および図８を、相ＶおよびＷの間に第３のインダクタンスが接続されていない不完全な三角結線としても理解することができる。
【００６５】
これらの結線の非対称性は電流調節に影響を与える。不完全な星形結線もしくは不完全な三角結線の非対称性は、例えば完全な星形結線もしくは三角結線に比べて見かけ上のインピーダンスが欠けている相アームにおいて、磁石コイル対の１つのコイルのインダクタンスに相当するインダクタンスを有する受動的なリアクトルが接続されることによって除去される。更に、複数の磁気軸受コイルをそれぞれ分割し、そのうちの１つの分割部分を上記の受動的なリアクトルとして使用することも考えられ得る。したがって、上記の受動的なリアクトルは、３相コンバータへの磁気軸受コイル対の接続様式の１つの代替案である。
【００６６】
しかしながら、構成要素としての上記の受動的なリアクトルは、コストを生じさせ、損失熱を発生し、構造スペースを要求する。そこで、非対称性による電流調節器への好ましくない影響を除去する好ましい解決策を以下において提案する。
【００６７】
図７および図８に基づき、まず電流調節器への影響を説明する。再び、磁気軸３６が相Ｕの方向に凍結状態にあると仮定する。
【００６８】
ｄ軸電流６０が相導体Ｕから相導体ＶもしくはＷへ等しい成分６２に分かれて流れる。この場合に相Ｖから相Ｗへの電流およびその逆の電流は流れない。したがって、ｄ軸電流の場合にはＶおよびＷの間の分枝に１つの構成要素が配置されているか否かは重要でない。そのことは前述の受動的なリアクトルを挿入してみても何ら変わらない。したがって、ｄ軸電流については、不完全な三角結線が完全な三角結線に移行する。コンバータは、ｄ軸電流の場合には、欠けている分枝を利用しない。なぜならば、この分枝にはどうせ電流が流れないからである。したがって、ｄ軸電流の電流調節に関しては、個別の分枝インダクタンスＬを有する三角結線の全インダクタンスとして（２／３）×Ｌが生じる。
【００６９】
ｑ軸電流は、相導体Ｖから相導体Ｗに流れ、そしてその逆にも流れる。したがって、ｑ軸電流の場合には、分枝Ｕが大きさＬのインダクタンスを配置されているかそれとも短絡されているかは重要でない。したがって、ｑ軸電流については不完全な星形結線が完全な星形結線に移行する。コンバータは、ｑ軸電流の場合には短絡されている分枝Ｕを利用しない。なぜならば、この分岐には電流が流れないからである。したがって、ｑ軸電流の電流調節のためには、個別の分枝インダクタンスＬを有する星形結線の全インダクタンスとして、２×Ｌが生じる。
【００７０】
したがって、コンバータによって利用されるインダクタンスは、ｄ軸電流が印加されるか、それともｑ軸電流が印加されるかに依存する。計算上、１：３という両インダクタンスの相違が生じる。同様に、それぞれの電流成分ｄまたはｑを変化させるために必要である電圧が相違する。ｑ軸電流の変化のためにはｄ軸電流の変化のための電圧の３倍の電圧が必要とされる。電流調節器が電流変化のために電圧を印加することから、ｄ軸電流とｑ軸電流との間において電圧の高さを区別することを提案する。比例電流調節器を有するコンバータについては、ｄ軸電流のための比例ゲインがｑ軸電流のための比例ゲインよりも小さく選ばれるとよい。電流調節回路においてインダクタンス差が考慮される場合には、不完全な星形結線もしくは不完全な三角結線の補足に関して受動的なリアクトルを不要とすることができる。
【００７１】
図１２および図１３は、既存のバイアス磁化巻線を有する磁気軸受を３相コンバータに接続するための他の接続可能性を示す。
【００７２】
バイアス磁化巻線が制御巻線よりも小さい電流用に設計されている場合には、図１３の構成が好ましい。
【００７３】
磁気軸受の磁石コイル対のコイルへのコンバータの本発明による接続は、図１２もしくは図１３ならびに対応する請求項からもたらされる。
【００７４】
以上をまとめるならば、本発明は次のとおり要約される。
磁気軸受の制御のために電力増幅器が要求される。本発明によればこの電力増幅器の機能が１つの３相コンバータによって引き受けられ、このコンバータの３つの相電流出力の全部が磁気軸受の磁石コイル対のコイルの制御のために使用される。本発明は、コンバータが相電流の独立な調整により電動機の回転磁界を発生できるだけでなく、相電流のこの独立な調整可能性が磁気軸受コイル対の制御のためにも利用できるという認識を使用する。
【符号の説明】
【００７５】
１          磁気軸受
３          磁気軸受
１０        制御励磁巻線
１２        電力増幅器
１４        電力増幅器
１６        基礎励磁巻線
２０        回転電流ベクトル
２２        電流ベクトル成分
２４        電流ベクトル成分
２６        電流ベクトル成分
３０        回転子
３２        Ｎ磁極
３４        Ｓ磁極
３６        磁気軸
３８        回転方向
４０        相電流
４２        相電流
４４        相電流
５２        ｄ軸電流
６０        ｄ軸電流
６４        ｑ軸電流
６６        アーマチャ
６８        アーマチャ
７０        ３相コンバータ
７２        電流
７４        電流
Ｕ，Ｖ，Ｗ  相
【図１】
2010530508.tif 000003
【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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【手続補正書】
【提出日】平成22年5月26日(2010.5.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相コンバータ（７０）の３つの相電流（４０，４２，４４）の全てが、磁気軸受（１０，６６，６８）の制御のために使用される磁気軸受（１０，６６，６８）制御装置。
【請求項２】
コンバータ（７０）が、磁気軸受（１０，６６，６８）の磁気軸受コイル対（１０）の差動制御を行ない、
一定電流および磁気軸受コイル対（１０）の差動制御のための差動電流が、１つの３相コンバータ（７０）によって３つの相電流（４０，４２，４４）から発生させられる請求項１記載の制御装置。
【請求項３】
磁気軸受（１０，６６，６８）が、基礎励磁巻線（１６）を含まず、磁気軸受コイル対（１０）によって構成される制御励磁巻線（１０）だけを含む請求項２記載の制御装置。
【請求項４】
磁気軸受（１０，６６，６８）が、基礎励磁巻線（１６）および制御励磁巻線（１０）を有し、
３つの相電流（４０，４２，４４）から、基礎励磁巻線（１６）および制御励磁巻線（１０）との相互接続によって、基礎励磁巻線（１６）または制御励磁巻線（１０）に供給するバイアス磁化電流および制御電流が発生させられる請求項１記載の制御装置。
【請求項５】
磁気軸受（１０，６６，６８）の上方のアーマチャ（６６）の制御励磁巻線（１０）が、３相コンバータ（７０）の第１の相電流出力（Ｕ）および第３の相電流出力（Ｗ）に接続されていて、
磁気軸受（１０，６６，６８）の下方のアーマチャ（６８）の制御励磁巻線（１０）が、３相コンバータ（７０）の第１の相電流出力（Ｕ）および第２の相電流出力（Ｖ）に接続されている請求項１乃至３の１つに記載の制御装置。
【請求項６】
磁気軸受（１０，６６，６８）の上方のアーマチャ（６６）の基礎励磁巻線（１６）および制御励磁巻線（１０）が、直列接続されて３相コンバータ（７０）の第１の相電流出力（Ｕ）および第３の相電流出力（Ｗ）に接続されていて、
磁気軸受（１０，６６，６８）の下方のアーマチャ（６８）の基礎励磁巻線（１６）および制御励磁巻線（１０）が、直列接続されて３相コンバータ（７０）の第１の相電流出力（Ｕ）および第２の相電流出力（Ｖ）に接続されている請求項４記載の制御装置。
【請求項７】
磁気軸受（１０，６６，６８）の上方のアーマチャ（６６）および下方のアーマチャ（６８）の基礎励磁巻線（１６）が直列接続されていて、
磁気軸受（１０，６６，６８）の上方のアーマチャ（６６）および下方のアーマチャ（６８）の制御励磁巻線（１０）が直列接続されていて、
制御励磁巻線（１０）がタップ点を有し、両アーマチャ（６６，６８）の基礎励磁巻線（１６）を通流する電流がこのタップ点を介して両アーマチャ（６６，６８）の制御励磁巻線（１０）に注入される請求項４記載の制御装置。
【請求項８】
３相コンバータ（７０）が、コンバータ（７０）のｄ軸電流およびｑ軸電流を調節するために比例調節器を含み、
ｄ軸電流の調節のための第１の比例ゲインが、ｑ軸電流の調節のための第２の比例ゲインよりも小さく設定されている請求項１乃至７の１つに記載の制御装置。
【請求項９】
第１の比例ゲインの比が、１：２から１：４までの範囲にある第１の請求項８記載の制御装置。
【請求項１０】
第１の比例ゲインと第２の比例ゲインとの比が、１：３である請求項９記載の制御装置。
【請求項１１】
３つの相電流出力（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を有する３相コンバータ（７０）が磁気軸受（１０，６６，６８）の制御のために設けられ、
磁気軸受（１０，６６，６８）の磁石コイル対（１０）の第１の磁石コイルがコンバータ（７０）の第１の相電流出力（Ｕ）および第３の相電流出力（Ｗ）に接続されていて、
かつ磁石コイル対（１０）の第２の磁石コイルがコンバータ（７０）の第１の相電流出力（Ｕ）および第２の相電流出力（Ｖ）に接続されていることによってコンバータの３つの相電流の全てが磁気軸受（１０，６６，６８）の制御のために使用され、それによって磁石コイル対（１０）の差動制御が１つのコンバータ（７０）により実現されている磁気軸受制御装置。
【国際調査報告】
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