(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、前記固定子の内周面に沿って設けられ、回転軸を中心とした半径方向に延びたスロットに回転方向に沿って順次巻き回された電機子巻線を有する円筒状の電機子コアと、前記電機子コアの内周面との間で磁気的に結合された円筒帯状の磁性体の複数を回転方向に沿って磁気的に相互に分離して有する回転子と、前記電機子コアとは磁気的に分離し、前記回転子の円筒帯状の磁性体の一方の側面に対して磁気的に結合するように前記固定子に設けられ、回転磁極を発生するための界磁巻線を有する第１の界磁コアと、前記電機子コアとは磁気的に分離し、前記回転子の円筒帯状の磁性体の他方の側面に対して磁気的に結合するように前記固定子に設けられ、回転磁極を発生するための界磁巻線を有する第２の界磁コアと、前記第１及び第２の界磁コアに供給する界磁電流の大きさを制御することによって前記回転子に回転軸方向の推力を制御する電流制御手段とを備え、
さらに、前記回転子の円筒帯状の磁性体のそれぞれの外周面に円筒帯状の永久磁石を設けるとともに、前記回転子の円筒帯状の磁性体の少なくとも一方の側面をテーパ状の円錐斜面で構成し、この円筒斜面に対して前記第１、第２の界磁コアが磁気的に結合することを特徴とする推力制御可能な回転型同期機。
【請求項２】
推力制御可能な回転型同期機を同一回転軸の軸方向に沿って複数段接続したことを特徴とする請求項１記載の推力制御可能な回転型同期機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、界磁巻線及び電機子巻線を固定子（ステータ）側に有する回転型同期機に係り、特に回転軸に沿った方向の推力を任意に制御することのできる推力制御可能な回転型同期機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期電動機には、回転電機子形、回転界磁形、誘導子形などがある。回転電機子形同期電動機は固定子に設けられた界磁極と、回転子に巻回された電機子巻線とから構成される。回転界磁形同期電動機は、固定子に巻回された電機子巻線と、回転子に設けられた界磁極とから構成される。回転界磁形同期電動機における界磁極は回転子に永久磁石を取り付けたものや直流電流で励磁される界磁巻線で構成される。誘導子形同期電動機は、固定子に設けられた界磁極及び電機子巻線と、回転子に設けられた歯車状の凹凸の誘導子とから構成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
回転界磁形同期電動機は、電機子巻線が固定子に設けられているので、機械的損傷や破損がなく、絶縁も容易であり、工作機械の主軸などの回転駆動力源として広く利用されている。
ところが、界磁極として回転子に永久磁石を設けたものは、永久磁石自体が高価であること、永久磁石が分離しないように回転子に強固に取り付けなければならないこと、及び界磁が一定なので大容量化が困難であるなどの欠点を有する。また、界磁極として回転子に界磁巻線を巻回したものは、界磁電流を回転子側に供給するためのスリップリングや回転トランスなどが必要であり、構造が複雑であるという欠点を有する。
【０００４】
一方、回転駆動力源は回転方向の力（トルク）は発生するが、回転軸方向の推力（スラスト）を発生することはない。そこで、従来は回転力と回転軸方向の推力が必要な場合には、回転駆動力源とは別個に推力発生用の直線駆動力源を設け、回転力と推力の両方をべつべつの動力源で制御することによって、回転力と推力の両方を制御するということを行っていた。この場合、少なくとも２つの動力源が必要であることから比較的大きなスペースが必要であった。基本的には回転動力源全体を直線駆動力源で駆動するとう構成のものが大部分である。
【０００５】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、１つの同期機で回転力も推力も同時に制御することのできる推力制御可能な回転型同期機を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る推力制御可能な回転型同期機は、固定子と、前記固定子の内周面に沿って設けられ、回転軸を中心とした半径方向に延びたスロットに回転方向に沿って順次巻き回された電機子巻線を有する円筒状の電機子コアと、前記電機子コアの内周面との間で磁気的に結合された円筒帯状の磁性体の複数を回転方向に沿って磁気的に相互に分離して有する回転子と、前記電機子コアとは磁気的に分離し、前記回転子の円筒帯状の磁性体の一方の側面に対して磁気的に結合するように前記固定子に設けられ、回転磁極を発生するための界磁巻線を有する第１の界磁コアと、前記電機子コアとは磁気的に分離し、前記回転子の円筒帯状の磁性体の他方の側面に対して磁気的に結合するように前記固定子に設けられ、回転磁極を発生するための界磁巻線を有する第２の界磁コアと、前記第１及び第２の界磁コアに供給する界磁電流の大きさを制御することによって前記回転子に回転軸方向の推力を制御する電流制御手段とを備え、さらに、前記回転子の円筒帯状の磁性体のそれぞれの外周面に円筒帯状の永久磁石を設けるとともに、前記回転子の円筒帯状の磁性体の少なくとも一方の側面をテーパ状の円錐斜面で構成し、この円筒斜面に対して前記第１、第２の界磁コアが磁気的に結合することを特徴とする。
それゆえ、界磁コアを回転子の両側に設け、その界磁電流の大きさを適宜制御することによって、回転子の回転軸方向における移動位置を制御することが可能となる。また、両方の界磁コアに供給される電流を電流制御手段で制御することによって、回転子の回転軸方向における推力を制御できる。さらに、円筒帯状の永久磁石を設けたことにより、界磁電流を供給しなくても回転子は、電機子巻線に供給される電流に応じて回転するようになる。そして、界磁電流の大きさを制御することによって、回転力を制御すると共に回転軸方向の推力をも制御することができる。
また、磁性体の形状をテーパ状にしたことによって磁性体と界磁コアとの間のギャップよりも十分大きな軸方向の移動距離を確保することができ、励磁電流の低減と推力の特性改善を行うことができる。
【００１０】
請求項２に記載された本発明に係る推力制御可能な回転型同期機は、請求項１に記載の推力制御可能な回転型同期機を同一回転軸の軸方向に沿って複数段接続したものである。多段接続することによって、軸方向の推力を十分大きくすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って詳細に説明する。図１、図２及び図３は本発明に係る推力制御可能な回転型同期機の一実施の形態である推力制御可能な回転形同期電動機の構成を示す図である。図１はこの回転形同期電動機の回転軸を含む断面構造を示す図である。図２は図１の回転形同期電動機におけるＡ−Ａ面の断面構造であり、特に界磁コア６の詳細構成を示す図である。図３は図１の回転形同期電動機におけるＢ−Ｂ面の断面構造を示す図である。
【００１２】
この回転形同期電動機は、磁極数が４極の３相交流駆動型の電動機である。この回転形同期電動機は円筒状収納部分を有する固定子枠１と、この固定子枠１に軸受２及び軸受３を介して回転自在に設けられた回転軸４とから構成される。回転軸４はこの軸受２及び軸受３を介して軸方向の推力に従って、摺動自在に移動するように構成されている。固定子枠１の円筒状収納部の内周面には電機子コア５が設けられ、その側平面部には２つの界磁コア６及び７が設けられ、回転軸４には磁性体８１〜８４と非磁性体８５〜８８から構成された回転子８が設けられている。
【００１３】
電機子コア５は固定子枠１の円筒状収納部の内周面に沿って設けられた円筒状の成層鉄心で構成され、その内周面側に図２に示すような回転軸を中心として半径方向に延びた２４個のスロットを有する。電機子コア５の各スロットには３相電機子巻線が回転軸４の回転方向に沿って順次巻回されている。電機子コア５の成層鉄心は薄いけい素鋼板を軸方向に沿って複数枚積み重ねて構成されたものである。
【００１４】
界磁コア６及び７は、回転子８の両端の固定子枠１の側平面部に設けられた平板形の環状鉄心で構成されている。図４は界磁コア単体の形状を示す図であり、図４（Ａ）は回転子８側から見た図であり、図４（Ｂ）はそのＣ−Ｃ面の断面構造を示す図である。なお、図４において界磁巻線は省略してある。界磁コア６及び７は、共に回転子８の側面に対向した部分に図４のような放射状に延びた２４個のスロットを有する。界磁コア６及び７の各スロットには２組の３相界磁巻線が回転軸４の回転方向に沿って順次巻回されている。界磁コア６及び７は薄いけい素鋼板からなるリングを回転軸を中心とする半径方向に複数枚積み重ねて構成されたものである。
【００１５】
電機子コア５に巻回されている３相電機子巻線はそれぞれ電気角で１２０度ずれた位置に巻回されたＵ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線から構成される。以下、明細書及び図面中では電機子巻線を大文字英数字で示し、界磁巻線を小文字英数字で示す。すなわち、電機子巻線のＵ相巻線は８つのスロットを介して巻線Ｕ１−巻線Ｕ２−巻線Ｕ３−巻線Ｕ４−巻線Ｕ５−巻線Ｕ６−巻線Ｕ７−巻線Ｕ８の順番で電機子コア５に巻回されている。Ｖ相巻線は８つのスロットを介して巻線Ｖ１−巻線Ｖ２−巻線Ｖ３−巻線Ｖ４−巻線Ｖ５−巻線Ｖ６−巻線Ｖ７−巻線Ｖ８の順番で電機子コア５に巻回されている。Ｗ相巻線は８つのスロットを介して巻線Ｗ１−巻線Ｗ２−巻線Ｗ３−巻線Ｗ４−巻線Ｗ５−巻線Ｗ６−巻線Ｗ７−巻線Ｗ８の順番で電機子コア５に巻回されている。Ｕ相巻線とＶ相巻線との間、Ｖ相巻線とＷ相巻線との間は、それぞれ電気角で１２０度ずれている。すなわち、図では各Ｕ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線は互いにスロットで４個分だけ時計方向にずれた位置に巻回されていることになる。これによって、各巻線は電気角で１２０度ずれるようになる。
【００１６】
界磁コア６に巻回されている３相界磁巻線も３相電機子巻線と同様に、それぞれ電気角で１２０度ずれた位置に巻回されたｕ相巻線、ｖ相巻線及びｗ相巻線からなる。ｕ相巻線は、４つのスロットを介して巻線端ｕａから巻線端ｕｂに向かって界磁コア６に巻回されたものと、４つのスロットを介して巻線端ｕｃから巻線端ｕｄに向かって界磁コア６に巻回されたものとで構成される。ｖ相巻線は４つのスロットを介して巻線端ｖａから巻線端ｖｂに向かって界磁コア６に巻回されたものと、４つのスロットを介して巻線端ｖｃから巻線ｖｄに向かって界磁コア６に巻回されたものとで構成される。ｗ相巻線は４つのスロットを介して巻線端ｗａから巻線端ｗｂに向かって界磁コア６に巻回されたものと、４つのスロットを介して巻線端ｗｃから巻線端ｗｄに向かって界磁コア６に巻回されたものとで構成される。
【００１７】
界磁コア７に巻回されている３相界磁巻線は、界磁コア６に巻回されている３相界磁巻線が回転子８の軸に直交する面を対称面とするように巻回されている。そして、界磁コア６及び７にそれぞれ巻回されている３相界磁巻線は、電機子巻線に対して電気角で９０度ずつずれるように巻回されている。すなわち、界磁巻線のｕ相巻線は、電機子巻線のＵ相巻線に対してスロットで３個分（電気角で９０度）だけ時計方向にずれて巻回されている。同様に、ｖ相巻線及びｗ相巻線もＶ相巻線及びＷ相巻線に対してスロットで３個分（電気角で９０度）だけ時計方向にずれて巻回されている。なお、同期電動機の構造によっては正確に電気角９０度でなくても、これに近い角度であればよい。
【００１８】
回転子８は、回転軸４の外周面に沿って設けられており、全体的に円筒形状をしている。回転子８は、界磁コア６及び７に発生する磁極（Ｎ極及びＳ極）から出る磁束の方向（回転軸方向）に沿って設けられた４つの磁性体８１〜磁性体８４と、非磁性体８５〜非磁性体８８とから構成される。非磁性体８５〜非磁性体８８は磁性体８１〜磁性体８４が円周方向で磁気的に結合しないように分離している。磁性体８１〜磁性体８４は電機子コア５に対してはその外周面で磁気的に結合し、界磁コア６及び７に対してもその側平面で磁気的に結合している。具体的には、非磁性体８５〜非磁性体８８の間隔を約３〜１０ｍｍ程度とすると、磁性体８１〜磁性体８４と電機子コア５、界磁コア６及び７との間隔を約０．５〜３ｍｍ程度すればよい。また、磁性体８１〜磁性体８４が互いに非磁性体８５〜非磁性体８８によって磁気的に分離されていることによって、界磁コア６及び７のＮ極から出た磁束は磁性体８１〜磁性体８４を介して電機子コア５の方に容易に進入するようになる。
【００１９】
界磁コア６の３相界磁巻線には互いに位相角で１２０度ずつずれた次のような交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが流される。
ｉｕ＝ｉｍ・ｓｉｎωｔ
ｉｖ＝ｉｍ・ｓｉｎ（ωｔ−２π／３）
ｉｗ＝ｉｍ・ｓｉｎ（ωｔ−４π／３）
ここで、ｉｍは電流の最大値である。
界磁コア６の３相界磁巻線にこのような電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが流されることによって図３に示すような回転子８の磁性体８２及び磁性体８４に向かう方向に磁束を発生する磁極（Ｎ極）、及び回転子８の磁性体８１及び磁性体８３から界磁コア６に向かう磁束を吸収する磁極（Ｓ極）がそれぞれ界磁コア６の回転子８の側平面上現れ、それが時計方向に回転するようになる。界磁コア７の３相界磁巻線にも同様の電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが流され、界磁コア６と同じような磁極（Ｎ極及びＳ極）が界磁コア７の回転子８の側平面部分に現れ、同じ方向に回転するようになる。
【００２０】
この３相界磁巻線によって生じた磁極（Ｎ極及びＳ極）における磁界の磁束分布は回転方向に沿って正弦波状となり、最大磁束をΦｍ、磁極中心をθ＝０とすると磁束は次のように表される。
Φ＝Φｍ・ｃｏｓθ
また、この３相界磁巻線に流される電流によって発生する磁界の磁極中心が、回転子８の最も磁化容易な面に合致するように界磁巻線に流れる電流を制御すると、回転子８は所定の方向に磁化され、その磁束密度は近似的に次のようになる。
Ｂ＝Ｂｍ・ｃｏｓθ
すなわち、界磁コア６及び７に発生した磁極（Ｎ極及びＳ極）に対応して、回転子８の磁性体８１〜磁性体８４は所定の方向に磁化されるようになる。例えば、電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗによって、図示のように界磁コア６及び７の磁性体８２及び磁性体８４に対向する面にＮ極が発生し、磁性体８１及び磁性体８３に対向する面にＳ極が発生すると、これに応じて磁性体８２及び磁性体８４の界磁コア６及び７に対向する平面側がＳ極となり、磁性体８２及び磁性体８４の電機子コア５に対向する曲面側がＮ極となる。同様に、磁性体８１及び磁性体８３の界磁コア６及び７に対向する面はＮ極となり、磁性体８１及び磁性体８３の電機子コア５に対向する曲面側がＳ極となる。
【００２１】
すなわち、図１に示すように、界磁コア６の２つのＮ極から出た磁束Φ１は、磁性体８２及び８４のＳ極平面から磁性体８２及び８４内部に進入する。同様に界磁コア７の２つのＮ極から出た磁束Φ２は、磁性体８２及び８４のＳ極平面から磁性体８２及び８４内部に進入する。そして、磁性体８２及び磁性体８４内部に進入した磁束Φ１及びΦ２はそのＮ極外周曲面から電機子コア５に進入し、電機子コア５の外周部を通過して、磁性体８１及び８３のＳ極外周曲面から磁性体８１及び磁性体８３内部に進入する。そして、磁性体８１及び磁性体８３内部に進入した磁束Φ１及びΦ２はそのＮ極平面から界磁コア６及び７のＳ極平面に進入する。界磁コア６及び７に進入した磁束Φ１及びΦ２は、界磁コア６及び７内の円板内部を通過して、それぞれのＮ極に到達する。このように、この同期電動機では、界磁コア６及び７、回転子８及び電機子コア５によって所定の磁気閉回路が形成されている。
【００２２】
上述のような構成の同期電動機は、界磁コア６及び７の発生する磁束Φ１及びΦ２によって、磁性体８１〜８４と界磁コア６及び７との間の各対向面に吸引力を発生させる。この吸引力の大きさは磁束Φ１及びΦ２の大きさに依存する。従って、界磁コア６の発生する磁束Φ１の大きさと、界磁コア７の発生する磁束Φ２の大きさが共に等しい場合には、両対向面に発生する吸引力は互いに打ち消し合い、同期電動機には磁束Φ１及びΦ２に依存した回転トルクＴのみが発生することになる。
【００２３】
電機子コア５の３相電機子巻線には、次のような互いに位相角で１２０度ずつずれた３相の交流電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷが流される。
ＩＵ＝Ｉｍ×ｓｉｎωｔ
ＩＶ＝Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ−２π／３）
ＩＷ＝Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ−４π／３）
このとき、３相電機子巻線は界磁巻線に対して電気角で約９０度位相が進んでいるので、フレミングの法則により、トルクＴが発生し、回転子８（回転軸４）は回転する。なお、このトルクＴの大きさを制御するには、界磁巻線及び電機子巻線に流す電流の大きさを制御するだけでよくなる。なお、電機子電流によっても磁束を生じるが、その磁束方向の回転子の磁気抵抗は大きくしてあり、磁化されにくくなっているので、その影響は少ない。
【００２４】
一方、界磁コア６の発生する磁束Φ１の大きさと、界磁コア７の発生する磁束Φ２の大きさが互いに異なる場合には、その磁束Φ１とΦ２の大小関係に応じて、回転子８（回転軸４）に軸方向の推力が発生する。すなわち、界磁コア６の発生する磁束Φ１の大きさが、界磁コア７の発生する磁束Φ２の大きさよりも小さい場合、回転子８（回転軸４）には＋Ｚ方向の推力が発生する。逆に界磁コア６の発生する磁束Φ１の大きさが、界磁コア７の発生する磁束Φ２の大きさよりも大きい場合、回転子８（回転軸４）には−Ｚ方向の推力が発生する。
【００２５】
つまり、推力の大きさは、界磁コア６に供給される界磁電流ＩｆＬと界磁コア７に供給される界磁電流ＩｆＲの差分値、すなわち磁束Φ１及びΦ２との差分値に応じて決定されるようになる。従って、界磁電流ＩｆＬ及びＩｆＲの大きさを調節することによって軸方向の推力を制御することができる。また、この界磁電流ＩｆＬ及びＩｆＲを制御することによって、トルクＴを制御できることはいうまでもない。また、トルクＴを一定のまま、軸方向推力の大きさを制御することも可能である。この場合には、磁束Φ１及びΦ２の合計値を一定のまま、磁束Φ１と磁束Φ２の大きさを制御してやればよい。
【００２６】
なお、回転軸４の軸方向における位置決めは、固定子枠１と回転軸４との間の相対的な位置関係を検出可能な直線位置検出器をこの同期電動機に設け、その位置信号に基づいて界磁電流ＩｆＬ及びＩｆＲを調整するようにすれば、軸方向の位置決め制御も行うことが可能となる。このときに、トルクＴを一定に保持するように界磁電流ＩｆＬ及びＩｆＲを制御することが重要である。
【００２７】
このように、この実施の形態のような同期電動機を構成することによって、推力発生用の特別な構成要素を付加することなく、回転トルクを制御する界磁コイルに供給する界磁電流を制御することによって、回転力並びに推力を同時に制御することができるという優れた効果がある。
【００２８】
図５は電機子巻線と界磁巻線の結線方法を示す図である。図２のように、界磁巻線と電機子巻線とが電気角で９０度位相ずれとなるように機械的に巻回されている場合には、このように電機子巻線と界磁巻線を直巻にすることができ、１つのインバータで直巻特性のＡＣモータとして制御することができるようになる。なお、この場合には、界磁巻線に推力制御用の巻線を別途設け、両側の界磁巻線の界磁電流の大きさをそれぞれ制御することによって所望の推力を発生することができる。また、界磁巻線と電機子巻線とが電気角で９０度位相ずれることなく同位相となるように機械的に別々に巻回されている場合には、別々のインバータで界磁電流と電機子電流との位相が９０度ずれるように制御すればよい。この場合には両側の界磁巻線の界磁電流の大きさをそれぞれ制御することによって、所望の推力を発生することができる。
【００２９】
図６及び図７は、図２の４極形回転子８の他の実施の形態を示す図である。図６の回転子８ａは、界磁巻線の発生する磁束の通過方向（回転軸方向）に沿って設けられた磁性体８１〜磁性体８４が非磁性体８Ａ〜非磁性体８Ｆによって回転方向に沿ってさらに細かく磁気的に分離されている。なお、磁性体８２〜磁性体８４を分離している非磁性体については符号を省略してある。但し、この磁気的分離の程度は図２の非磁性体８５〜非磁性体８８のものよりも極めて小さい。すなわち、非磁性体８５〜非磁性体８８の円周方向における厚さ（ギャップ）が３〜１０ｍｍ程度であるとすれば、この非磁性体８Ａ〜非磁性体８Ｆの円周方向における厚さ（ギャップ）は０．３〜３ｍｍ程度に設定される。この回転子８ａによれば、電機子電流によって生じる磁束の影響、すなわち電機子反作用を取り除くことができる。
【００３０】
図７の回転子８ｂは、界磁巻線の発生する磁束の通過方向（回転軸方向）に沿って設けられた磁性体８１〜磁性体８４を、非磁性体８Ｇ〜８Ｌによって回転方向に沿ってさらに細かく磁気的に分離している点では図６のものと同じである。この回転子８ｂが回転子８ａと異なる点は、非磁性体８Ｇ〜非磁性体８Ｌによって分離された磁性体８１〜磁性体８４の回転方向における厚さが界磁コアによって発生する磁束の正弦波状の分布密度に対応している点である。なお、磁性体８２〜磁性体８４を分離している非磁性体については符号を省略してある。すなわち、回転子８ａの場合は非磁性体８Ａ〜非磁性体８Ｆによって分離された磁性体８２〜磁性体８４の回転方向における厚さは全て同じであるが、回転子８ｂの場合は、非磁性体８Ｇ〜非磁性体８Ｌによって分離された磁性体８１〜磁性体８４の回転方向における厚さが正弦波状の磁束分布密度に対応して、各非磁性体８５〜非磁性体８８間の中央付近では厚く、各非磁性体８５〜非磁性体８８近傍では薄くなっている。すなわち、非磁性体８Ｇ、非磁性体８Ｊ、非磁性体８Ｊの順番で徐々に薄くなり、非磁性体８Ｉ、非磁性体８Ｋ、非磁性体８Ｌの順番で徐々に厚くなるように構成されている。この回転子８ｂによれば、界磁電流によって生じた正弦波状の磁束分布に対応した磁極（Ｎ極及びＳ極）をその外周面上に形成することができるので、回転特性を飛躍的に向上させることができる。
【００３１】
図８は、図１の同期電動機を軸方向にシリーズに接続した場合における実施の形態を示す図である。図から明らかなように同期電動機自体の構成は図１のものと同じである。このような図１の同期電動機を複数個シリーズに接続したものにおける推力制御も図１の場合と同様にして行われる。なお、２個の同期電動機をシリーズに接続する場合について説明したが、図１のような同期電動機を３個以上シリーズに接続してもよいことはいうまでもない。接続する個数に応じて制御可能な推力及び回転力を大きくすることができる。
【００３２】
図９は、本発明に係る推力制御可能な同期電動機の他の実施の形態を示す図である。この実施の形態に係る推力制御可能な同期電動機が図１のものと異なる点は、回転子８の各磁性体８１〜８４の外周面に沿って円筒帯状（円筒の一部を帯状に切り抜いたもの）の永久磁石９がそれぞれ設けられている点である。回転子８の磁性体８１及び８３に接して設けられる円筒帯状の永久磁石９は回転子８に接する内周面側がＮ極、電機子コア５に接する外周面側がＳ極に磁化されている。従って、回転子８の磁性体８１及び８３の界磁コア６及び７に接する部分はＮ極になる。同じく回転子８の磁性体８２及び８４に接して設けられる円筒帯状の永久磁石９は回転子８に接する内周面側がＳ極、電機子コア５に接する外周面側がＮ極に磁化されている。従って、回転子８の磁性体８２及び８４の界磁コア６及び７に接する部分はＳ極になる。
【００３３】
このように永久磁石９を磁性体８１〜磁性体８４の外周に沿って設けることによって、界磁巻線に界磁電流を流さなくても回転子８を回転することができるようになる。しかしながら、この場合の回転トルクは永久磁石９の磁極の強さ及び電機子電流の大きさに依存するため、広範囲に渡って最適なトルク制御を行うことはできない。そこで、本発明の同期電動機のように構成し、界磁巻線に流される電流の大きさを適宜制御することによって永久磁石による磁束に、さらに界磁巻線から発生した磁束の大きさを適宜制御することによって磁極の強さを制御することのできるハイブリッド形の回転子８を構成することができ、回転トルクを広範囲に制御することが可能となる。なお、図１０のように、図２の回転子８の磁性体８１〜磁性体８４と、回転軸４との間に、磁性体８１及び磁性体８３に対してＳ極が対向し、磁性体８２及び磁性体８４に対してＮ極が対向するような永久磁石８５Ａ〜８８Ａを非磁性体８５〜非磁性体８８の代わりに設けてもよいことはいうまでもない。
【００３４】
図９の場合には、界磁コア６及び７の界磁電流が位相角で９０度異なるように励磁されている。すなわち、図のように界磁コア６の回転子８に接する部分がＮ極の場合には、その反対側の界磁コア７の対向部分はＳ極となるように、界磁コア６の回転子８に接する部分がＳ極の場合には、その反対側の界磁コア７の対向部分はＮ極となるように、それぞれの界磁コア６及び７は励磁される。これによって、回転子８と界磁コア７との間には反発力が発生し、回転子８と界磁コア６との間には吸引力が発生する。このときに回転子８が界磁コア６又は７に接触又は近い状態にあれば、励磁電流なしで永久磁石９による吸引力による推力を維持することができる。また、軸のスラスト方向の位置決めは図１の構造と同様に、界磁電流ＩｆＬとＩｆＲを調整することによって行えば良く、推力自体の制御も同様に界磁電流ＩｆＬとＩｆＲを調整することによって行える。また、図９のような同期電動機を図８のように多段に組み合わせて大きなトルクや推力を得るようにしてもよい。
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図１１は、本発明の同期電動機のさらに他の実施の形態を示す図である。この実施の形態に係る推力制御可能な同期電動機が図１のものと異なる点は、界磁コア６Ｃ及び７Ｃと接して吸引力を発生する回転子８Ｃの側面形状が回転軸に対して所定の角度で傾斜、すなわちテーパー構造になっている点である。このように回転子８Ｃの側面がテーパー構造になっていることによって、回転子８Ｃと界磁コア６Ｃ及び７Ｃとの間の磁気回路上におけるギャップ長ｄと回転軸方向の移動距離ｚとの間に、移動距離ｚがギャップ長ｄよりも大きいという関係、すなわちｚ＞ｄがある。従って、短いギャップ長ｄでそれよりも長い移動距離ｚを確保することが可能であり、励磁電流の低減と推力の特性改善を共に行うことができるものである。図１２は、図１の同期電動機のように回転子８Ｃの側面が回転軸に垂直な場合と図９の同期電動機のように回転子８Ｃの側面がテーパー構造になっている場合とにおける移動距離ｚと推力Ｆｚとの関係を示す図である。図１２から明らかなように、回転子８Ｃの側面が回転軸に垂直な構造（図１の同期電動機）の場合には、移動距離ｚが大きくなるに従って推力Ｆｚは激減する。これに対してテーパー構造の場合には、移動距離ｚが大きくなった場合でも垂直構造のものに比べて推力Ｆｚの減少は少なく、推力Ｆｚは移動距離に対して緩やかに減少するという特性を示す。これは、前述のように、ギャップ距離ｄが同じ場合に、垂直構造のものに比べてテーパー構造の方が移動距離ｚが大きいからである。
【００３５】
図１１に示すように回転子８Ｃと界磁コア６Ｃ及び７Ｃとの間に働く力、すなわち吸引力Ｆは、回転子８Ｃの側面、すなわちテーパー部分の表面に垂直な方向に発生する。この吸引力Ｆはスラスト方向の力Ｆｚ（推力）とラジアル方向の力Ｆｘに分力される。ラジアル方向の力Ｆｚは互いに打ち消し合うが、スラスト方向の力Ｆｚ（推力）は一方向にまとまり、その大きさは回転子８Ｃの側面が回転軸に垂直な構造の場合とほとんど変わらない。従って、界磁コア６Ｃ及び７Ｃによって生成される磁束Φ１及びΦ２の大きさを制御することによって、図１１の同期電動機は磁気軸受けとしてスラスト方向、ラジアル方向の両方向に効果のある軸受けとして機能することができるという効果を有する。なお、図１１では、回転子の両側をテーパ構造にする場合を示したが、いずれか一方だけをテーパ構造にしてもよい。
【００３６】
図１３は、本発明の同期電動機を利用したＡＣサーボモータシステムのブロック構成を示す図である。ここでは、同期電動機の電機子巻線及び界磁巻線が、電気角で９０度位相ずれることなく同位相となるように機械的に別々に巻回されており、界磁巻線及び電機子巻線に互いに９０度位相となるような界磁電流と電機子電流とが供給される場合について説明する。
【００３７】
同期電動機の回転軸には、回転速度と磁極位置を検出するための検出器２６（例えばロータリエンコーダやロータリレゾルバなど）が結合されている。従って、検出器２６からは、同期電動機の回転速度を示す信号Ｓ２が速度アンプ２１に、同期電動機の界磁の回転位置すなわち磁極位置を示す信号Ｓ６が電機子ＰＷＭアンプ２３ａ及び界磁ＰＷＭアンプ２３ｆにフィードバックされる。速度アンプ２１は回転速度指令Ｓ１と検出器２６からの同期電動機の回転速度信号Ｓ２とを入力し、両者の速度偏差を求め、この速度偏差に応じた電機子電流指令信号（トルク信号）Ｓ３を電機子電流アンプ２２ａに出力する。電機子電流アンプ２２ａは、電流検出アイソレータ２５ａで検出された電流フィードバック信号（Ｕ相検出電流とＶ相検出電流）Ｓ４と、速度アンプ２１ａからの電機子電流指令信号Ｓ３との差を増幅し、それを電機子ＰＷＭアンプ２３ａの入力信号Ｓ５として出力する。電機子ＰＷＭアンプ２３ａは、電機子電流アンプ２２ａからの入力信号Ｓ５と、検出器２６からの界磁の磁極位置信号Ｓ６とに基づいて３相のＰＷＭ信号すなわちインバータ制御信号Ｓ７を電機子インバータ２４ａに出力する。電機子インバータ２４ａはインバータ制御信号Ｓ７に応じて駆動され、同期電動機の電機子巻線の各相に電機子電流を供給する。
【００３８】
一方、界磁電流の制御系は、電機子電流制御系の速度アンプ２１を省略した形であり、界磁電流アンプ２２ｆ、界磁ＰＷＭアンプ２３ｆ、界磁インバータ２４ｆ及び界磁電流検出アイソレータ２５ｆから構成される。従って、界磁電流アンプ２２ｆには界磁電流指令信号ＦＳが直接入力されるようになっている。なお、図１３では１つの界磁電流の制御系のみが示されているが、両側の界磁巻線に対して同様の制御系を２系列分設けら必要があることは言うまでもない。また、回転同期電動機の推力は界磁電流指令信号ＦＳの大きさに応じて適宜制御されることになる。
【００３９】
図１３に示すようなＡＣサーボモータシステムを構成することによって、本発明の同期電動機はＡＣサーボモータとして動作し、所望の回転速度で回転するようになると共に所定の推力で直線移動するようになる。また、回転軸がどの位置にあっても回転軸の磁極中心と回転磁界の磁界中心とが一致するように回転軸の回転位置を検出し３相界磁電流の位相を制御しているので、常に最大トルクで効率的に回転させることができる。
【００４０】
磁性体は、鉄系材料（純鉄・軟鉄・炭素鋼、鋳鋼、磁性鋼帯、無方向性けい素鋼帯、方向性けい素鋼帯など）、鉄−ニッケル合金（パーマロイ、イソパーム、パーミンバーなど）、圧粉磁心（カーボニル圧粉磁心、パーマロイ圧粉磁心、センダスト圧粉磁心など）、フェライト（スピネル系フェライト、複合フェライト（Ｍｎ−Ｚｎフェライト、Ｃｕ−Ｚｎフェライト、Ｎｉ−Ｚｎフェライト、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｍｇフェライト）など）で構成される。
【００４１】
図１及び図１１の実施の形態では、界磁コアを回転子の両側に設ける場合について説明したが、いずれか一方に設けてもよい。図８のように多段接続した場合もいずれか一方向だけに界磁コアを設けてもよい。なお、界磁コアを一方側に設けた場合には、回転軸方向における位置決めはできないが、一方向のみの推力を発生することは可能である。また、図１又は図１１の回転子を軸受２だけで支持してもよい。特に、図１１の場合には、ラジアル方向に吸引力が作用しているので、軸受として有効である。
【００４２】
上述の実施の形態では、同期電動機を例に説明したが、回転子の回転位置に対応した電流を界磁巻線に流すことによって、電機子巻線に誘導起電力が発生するので、それを取り出すことによって同期発電機として利用することができる。このとき回転子の回転位置を検出するための回転位置検出装置を回転子と同じ回転軸に設け、その回転位置に応じて界磁電流を制御すればよい。
【００４３】
上述の実施の形態では、４極２４スロット又は２極１２スロットの同期機について説明したが、極数とスロット数との関係はこれに限定されるものではなく、任意の組み合わせを適宜採用することができることはいうまでもない。また、図３では、界磁巻線を単層重巻を例に説明したが、これに限らず、２層重巻にしてもよい。
【００４４】
また、上述の実施の形態では、回転子が電機子コアの内側に存在する場合について説明したが、これに限らず、回転子が電機子コアの外側に存在する、いわゆるアウターロータの場合にも同様に適用できることは言うまでもない。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の回転同期機によれば、１つの同期機で回転力も推力も同時に制御することができるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明に係る推力制御可能な回転型同期機の一実施の形態である推力制御可能な回転形同期電動機の回転軸を含む断面構造を示す図である。
【図２】  図１の回転形同期電動機におけるＡ−Ａ面の断面構造を示す図である。
【図３】  図１の回転形同期電動機におけるＢ−Ｂ面の断面構造を示す図である。
【図４】  図１の界磁コア単体の形状を示す図である。
【図５】  図１の回転形同期電動機を構成する電機子巻線と界磁巻線の結線方法を示す図である。
【図６】  図２の４極形回転子の他の実施の形態を示す図である。
【図７】  図２の４極形回転子のさらに他の実施の形態を示す図である。
【図８】  図１の同期電動機を軸方向にシリーズに接続した場合における実施の形態を示す図である。
【図９】  本発明に係る推力制御可能な同期電動機の他の実施の形態を示す図である。
【図１０】  図２の４極形回転子の他の例を示す図である。
【図１１】  図１の実施の形態に係る推力制御可能な回転型同期機の他の実施の形態を示す図である。
【図１２】    図１の同期電動機のように回転子の側面が回転軸に垂直な場合と図９の同期電動機のように回転子の側面がテーパー構造になっている場合とにおける移動距離と推力との関係を示す図である。
【図１３】  本発明の同期電動機を利用したＡＣサーボモータシステムのブロック構成を示す図である。
【符号の説明】
１，７１…固定子枠、２，３…軸受、４…回転軸、５，５Ａ，５Ｂ…電機子コア、６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ…界磁コア、８，８ａ，８Ｃ…回転子、８１〜８４…磁性体、８５〜８８，８Ａ〜８Ｆ，８Ｇ〜８Ｌ…非磁性体、９，８５Ａ〜８８Ａ…永久磁石
【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１２】
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【図１１】
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【図１３】
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