JP2001258290A - Method for constructing independent control system for rotating machine having no magnetic flux detection bearing - Google Patents

Method for constructing independent control system for rotating machine having no magnetic flux detection bearing

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JP2001258290A
JP2001258290A JP2000150612A JP2000150612A JP2001258290A JP 2001258290 A JP2001258290 A JP 2001258290A JP 2000150612 A JP2000150612 A JP 2000150612A JP 2000150612 A JP2000150612 A JP 2000150612A JP 2001258290 A JP2001258290 A JP 2001258290A
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rotating machine
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Akira Chiba
明 千葉
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To drive a current to control the position in the radial direction of a bearingless motor by a controller independent of a motor driving inverter. SOLUTION: The magnetic flux of a gap is detected by detecting the terminal voltage and current of a motor winding, and performing a calculation using these detected signals. By obtaining the detected magnetic flux of the gap, a modulating circuit for the position in the radial direction of the bearingless motor is operated. As a result, operation is performed by the controller independent of that of the motor, and current is caused to flow in a control winding for position in the radial direction and the position in the radial direction of its main shaft is controlled.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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。ベアリングレス回転機については、
既に、多数の文献があり、例えば、電気学会の解説深尾
正、千葉明「ベアリングレスモータ」電気学会誌解説v
ol.117no.9pp.612−615 1997
8月が初学者にわかりやすくかかれている。さらに、
一般化理論については、Akira Chiba, T
azumi Deido, Tadashi Fuka
o and M.A.Rahman,”An Anal
ysis ofBearingless ac Mot
ors”,IEEE Transaction on
Energy Conversion,vol.9,n
o.1,March,1994,pp.61−68にて
多くの電動機、発電機に応用可能な基礎理論であること
が提案されている。さらに、解析手法の基本的なものと
しては、千葉明、池田紘一、中村福三、泥堂多積、深尾
正、M.A.ラーマン「円筒形回転子を持つベアリング
レスモータの無負荷時の半径方向の力発生原理」電気学
会論文誌D,vol.113,no.4,pp.539
−547,1993がわかりやすい。さらに、永久磁石
機では、大島正英、宮澤悟、泥堂多積、千葉明、中村福
三、深尾正「永久磁石形ベアリングレスモータの解析と
基礎特性」電気学会論文誌vol.115−D,no.
9,pp.1131−1139,1995、また、シン
クロナスリラクタンス機では、市川修、道岡力、千葉
明、深尾正「ベアリングレスリラクタンスモータの半径
方向力の解析と軸位置制御装置の構成」電気学会論文誌
vol.117−D pp.1123−1131199
7 9月(電気学会論文賞受賞)などが参考になる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for constructing a bearingless rotating machine that generates torque and radial force by one electromagnetic machine. For bearingless rotating machines,
There are already a large number of documents. For example, a commentary from the Institute of Electrical Engineers Tadashi Fukao, Akira Chiba "Bearingless motor"
ol. 117 no. 9 pp. 612-615 1997
August is easy to understand for beginners. further,
For generalized theory, see Akira Chiba, T
azumi Deido, Tadashi Fuka
o and M.S. A. Rahman, "An Anal
ysis ofBearingless ac Mot
ors ", IEEE Transaction on
Energy Conversion, vol. 9, n
o. 1 March, 1994, pp. 61-68 proposes a basic theory applicable to many motors and generators. Furthermore, basic analysis methods include Akira Chiba, Koichi Ikeda, Fukuzo Nakamura, Tazumi Muddo, Tadashi Fukao, M. A. Rahman, "Principle of Radial Force Generation in No Load of Bearingless Motor with Cylindrical Rotor," IEEJ Transactions on Electronics, Vol. 113, no. 4, pp. 539
−547, 1993 are easy to understand. For permanent magnet machines, see Masahide Oshima, Satoru Miyazawa, Tadashi Muddo, Akira Chiba, Fukuzo Nakamura, Tadashi Fukao, "Analysis and Basic Characteristics of Permanent Magnet Type Bearingless Motor," Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan, vol. 115-D, no.
9, pp. 1131-1139, 1995, and in synchronous reluctance machines, Osamu Ichikawa, Riki Michioka, Akira Chiba, Tadashi Fukao "Analysis of radial force of bearingless reluctance motor and configuration of shaft position control device" IEEJ Transactions on Engineering, vol. . 117-D pp. 1123-1131199
July (the IEEJ Best Paper Award) will be helpful.

【0002】[0002]

【従来の技術】申請者らは既に、ベアリングレス誘導機
の負荷時の安定化制御法として、ベクトル制御理論に基
づき負荷時の電流の大きさと位相遅れを演算し、フィー
ドフォワード的に一次電流の位相と振幅を補償し、磁束
の大きさと位置を調整する半径方向力の非干渉化方法を
提案している。この制御法では、電動機駆動用インバー
タのコントローラが発生する磁束の指令値を得て半径方
向力のコントローラが発生する電流を決定するため、電
動機制御と半径方向位置制御のコントローラが間に協調
が必要になる。すなわち、従来のベアリングレス回転機
システムでは回転磁界の回転角度位置を、電動機駆動の
制御コントローラから得ている。このため、電動機制御
コントローラと主軸を電磁力で支持するコントローラは
同一のハードウエアで構成されることが多い。別構成で
ある場合でも、電動機制御コントローラから回転磁界位
置信号を得ている。電動機制御と半径方向位置制御を分
離独立すれば、汎用インバータ、商用電源などを電動機
駆動に用いることが可能になり、開発期間の短縮やコス
トダウンが容易になる。半径方向位置制御を独立に行う
ためには磁束位置を得る必要がある。
2. Description of the Related Art Applicants have already calculated the magnitude and phase delay of a loaded current based on vector control theory as a stabilization control method for a loaded bearingless induction machine, and feed-forwarded the primary current. We propose a decoupling method for radial force that compensates for phase and amplitude and adjusts the magnitude and position of magnetic flux. In this control method, the command of the magnetic flux generated by the controller of the motor drive inverter is obtained, and the current generated by the radial force controller is determined. become. That is, in the conventional bearingless rotating machine system, the rotation angle position of the rotating magnetic field is obtained from the motor-driven control controller. For this reason, the motor control controller and the controller that supports the main shaft with electromagnetic force are often composed of the same hardware. Even in the case of another configuration, the rotating magnetic field position signal is obtained from the motor control controller. If the motor control and the radial position control are separated and independent, a general-purpose inverter, a commercial power supply, or the like can be used for driving the motor, and the development period and cost can be easily reduced. In order to control the radial position independently, it is necessary to obtain the magnetic flux position.

【0003】磁束フィードバックを用いたベアリングレ
スモータのシステムは、既に以下の論文で提案されてい
る。千葉明、深尾正「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」シンポジウム講演論文集
pp.499−504,1996年5月於北トピア R.Schob、J.Bichsel:”VECTOR
CONTROL OF THE BEARINGLR
SS MOTOR”,4th Internation
al Symposium on Magnetic
Bearings, Zurich 1994,p.3
27−332 しかし、これらの方式は独立な制御構成の概念は見あた
らない。そこで、発明者らは独立な制御構成として既
に、サーチコイルを用いた磁束フィードバック制御法を
提案し、半径方向力の非干渉化、方形波インバータへの
適用を以下の論文で提案している。 伊藤、塚越、千葉、深尾:「磁束検出形ベアリングレス
ドライブシステムの提案」平成11年電気学会全国大会
1152 千葉、安田、桑島、深尾:「誘導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磁
束検出への影響」平成11年電気学会産業応用部門全国
大会15 しかし、ステータ歯部にサーチコイルを施す作業は煩雑
であり、切断時には制御が不安定になる。さらに、空間
高調波、半径方向力磁束によるサーチコイル磁束への影
響を考慮する必要がある。また、別ケースに収納した
り、回転機内に軸支持機能を収納する概念は見あたらな
い。
A system of a bearingless motor using magnetic flux feedback has already been proposed in the following paper. Akira Chiba, Tadashi Fukao "Analysis of DC Machine Model of Bearingless Motor and Application to AC Machine" Proceedings of the 8th JSME "Electromagnetics-Related Dynamics" Symposium, pp. 499-504, May 1996, Northern Topia Schob, J .; Bichsel: "VECTOR
CONTROL OF THE BEARINGLR
SS MOTOR ", 4th International
al Symposium on Magnetic
Bearings, Zurich 1994, p. Three
27-332 However, these systems do not find the concept of an independent control configuration. Thus, the inventors have already proposed a magnetic flux feedback control method using a search coil as an independent control configuration, and have proposed in the following paper the decoupling of the radial force and the application to a square wave inverter. Ito, Tsukagoshi, Chiba, Fukao: "Proposal of magnetic flux detection type bearingless drive system", 1152 National Conference of the Institute of Electrical Engineers of Japan 1152 Influence on Search Coil Magnetic Flux Detection ", 1999 IEICE National Application Conference 15: However, the work of applying a search coil to the stator teeth is complicated, and the control becomes unstable during cutting. In addition, it is necessary to consider the influence of the spatial harmonic and the radial force magnetic flux on the search coil magnetic flux. Further, there is no concept of storing the shaft supporting function in a separate case or in a rotating machine.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ベアリングレス回転機
システムでは電動機制御と主軸支持制御システムは信号
のやりとりがあり、独立した構成にはなっていない。し
たがって、信号のやりとりが難しい汎用インバータ、商
用駆動電源、多数台駆動用の電源などを電動機駆動電源
に用いることが困難である。そこで、専用のインバータ
などの電源が必要であり、コスト高になる問題点があ
る。また、電源は物理的形状が大きく、サーチコイルか
らの配線を引き延ばす結果、故障が生じやすく、主軸支
持が困難になる問題点がある。
In the bearingless rotating machine system, the motor control and the spindle support control system exchange signals, and are not independent. Therefore, it is difficult to use a general-purpose inverter, a commercial drive power supply, a power supply for driving a large number of units, or the like, which is difficult to exchange signals, as a motor drive power supply. Therefore, a power source such as a dedicated inverter is required, and there is a problem that the cost is increased. Further, the power supply has a large physical shape, and as a result of extending the wiring from the search coil, a failure is likely to occur, and there is a problem that the support of the spindle is difficult.

【0005】本発明は電動機駆動電源システムが独立し
て運転し、一方、主軸支持電源システムは電動機駆動電
源システムと独立に運転するベアリングレス回転機械シ
ステムを実現することを目的としている。電動機駆動電
源システムは独立運転可能であるため、汎用インバータ
や商用電源などの汎用電源を供給することが可能であ
る。しかし、主軸支持機構は回転磁界の位置、大きさな
どを検出する検出機能を備える必要がある。この検出を
電動機の端子電圧、電流から演算により得るものであ
る。
It is an object of the present invention to realize a bearingless rotary machine system in which a motor drive power supply system operates independently, while a spindle supporting power supply system operates independently of the motor drive power supply system. Since the motor drive power supply system can be operated independently, it is possible to supply a general-purpose power supply such as a general-purpose inverter or a commercial power supply. However, the spindle support mechanism needs to have a detection function for detecting the position, magnitude, and the like of the rotating magnetic field. This detection is obtained by calculation from the terminal voltage and current of the motor.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】図1に示すように、固定
子にトルクを発生する巻線6と半径方向力を発生する巻
線7を備え、トルクを発生する巻線は電力を供給するモ
ータ駆動電源2に接続され、このモータ駆動電源は主軸
支持コントローラとは独立に運転する機能を備え、一
方、半径方向力を発生する巻線は巻線に所望の電圧、電
流を供給する制御電源5に接続され、制御電源はコント
ローラ3により発生する電圧、電流を供給する機能を備
え、主軸の半径方向の変位を検出する機能を備え、コン
トローラは主軸の半径方向の変位センサ8,9に基づい
て安定に電磁力により主軸を支持するための電流を決定
する機能を備え、電流を決定するために回転磁界の位置
を検出する機能4を備え、回転磁界位置の検出はトルク
を発生する巻線の端子電圧、電流に基づいて算出する機
能により行われ、モータ駆動電源から回転角度位置情報
信号を得る必要がなく、独立に構成されていることを特
徴とするベアリングレス回転機1のシステム。
As shown in FIG. 1, a stator includes a winding 6 for generating torque and a winding 7 for generating a radial force, and the winding for generating torque supplies power. The motor drive power supply 2 is connected to the motor drive power supply 2 and has a function of operating independently of the spindle support controller. On the other hand, a winding for generating a radial force is a control power supply for supplying a desired voltage and current to the windings. 5, the control power supply has a function of supplying a voltage and a current generated by the controller 3, and has a function of detecting a radial displacement of the main shaft. The controller is based on the radial displacement sensors 8 and 9 of the main shaft. A function for determining a current for stably supporting the main shaft with an electromagnetic force, and a function 4 for detecting a position of a rotating magnetic field for determining the current. End of Voltage, performed by the function of calculating on the basis of the current, it is not necessary to obtain the rotational angular position information signal from the motor drive power, the bearingless rotary machine 1, characterized in that it is configured to independently system.

【0007】ベアリングレス回転機システムにて、コン
トローラが電流の代わりに電圧を決定する機能を備える
ベアリングレス回転機システム。独立した巻線ではない
場合にも、電圧の和を取ることにより重ね合わせの理を
用いてあたかも別巻線が施されているように仮定するこ
とが可能になる。
In a bearingless rotating machine system, a controller has a function of determining a voltage instead of a current in a bearingless rotating machine system. Even when the windings are not independent, by taking the sum of the voltages, it is possible to assume that another winding is provided by using the principle of superposition.

【0008】ベアリングレス回転機システムにて、回転
磁界の位置をトルク発生巻線の電流のみから推定する機
能を備えたベアリングレス回転機システム。予め電動機
定数を測定すること、あるいは、リアルタイムで電動機
定数を測定することが可能である。この電動機定数測定
結果と電流値から端子電圧を演算により算出することが
できる。この結果、端子電圧の検出が不要になる。同様
に、電圧を検出し、電流検出を省略することも可能であ
る。
In a bearingless rotating machine system, a bearingless rotating machine system having a function of estimating a position of a rotating magnetic field only from a current of a torque generating winding. It is possible to measure the motor constant in advance, or to measure the motor constant in real time. The terminal voltage can be calculated by calculation from the motor constant measurement result and the current value. As a result, it becomes unnecessary to detect the terminal voltage. Similarly, it is also possible to detect the voltage and omit the current detection.

【0009】ベアリングレス回転機システムにて、モー
タ駆動電源が商用電源により構成されるベアリングレス
回転機システム。ベアリングレス回転機システムにて、
モータ駆動電源が汎用インバータにより構成されるベア
リングレス回転機システム。ベアリングレス回転機シス
テムにて、モータ駆動電源が多数台の電動機を駆動する
電源により構成されるベアリングレス回転機システム。
電動機の電源に対する制約がなくなり、各種電源を接続
することが可能になる。電動機を回生モードで用いて発
電機とすることも可能である。多数台が接続された発電
機システムなど実現することができる。
A bearingless rotating machine system in which a motor drive power supply is a commercial power supply in the bearingless rotating machine system. With a bearingless rotating machine system,
A bearingless rotating machine system in which the motor drive power supply consists of a general-purpose inverter. A bearingless rotating machine system in which a motor drive power supply is composed of a power supply that drives a number of electric motors.
There is no restriction on the power source of the motor, and various power sources can be connected. It is also possible to use the electric motor in the regenerative mode as a generator. It is possible to realize a generator system in which many units are connected.

【0010】ベアリングレス回転機システムにて、回転
機の構成がディスク型の回転機であり、電磁力を発生し
て主軸を支持する方向が軸方向であるベアリングレス回
転機システム。半径方向の力だけでなく、軸方向、傾き
方向の電磁力を制御するベアリングディスク回転機が提
案されている。このディスク型ベアリングレスモータで
も本発明の概念は適用することができ、傾き制御、軸方
向の位置制御などを別電源で構成する。
In the bearingless rotating machine system, the rotating machine is a disk-type rotating machine, and a direction in which an electromagnetic force is generated to support a main shaft is an axial direction. A bearing disk rotating machine has been proposed which controls not only a radial force but also an electromagnetic force in an axial direction and a tilt direction. The concept of the present invention can be applied to this disc-type bearingless motor, and tilt control, axial position control, and the like are configured by a separate power supply.

【0011】ベアリングレス回転機システムにて、制御
電源、コントローラ、半径方向変位を検出する機能、回
転磁界位置を検出する機能などの主軸支持機能がモータ
駆動電源とは別のケースに収納されているベアリングレ
ス回転機システム。モータ駆動電源、あるいは発電機出
力端子接続負荷などと独立に構成できるため、物理的に
離して主軸支持機構を構成する。そこで、この主軸支持
機能を司る部分を電動機の電源などとは別のケースに収
納する。
In a bearingless rotating machine system, a main shaft supporting function such as a control power supply, a controller, a function of detecting a radial displacement, and a function of detecting a position of a rotating magnetic field is housed in a case separate from a motor drive power supply. Bearingless rotating machine system. Since it can be configured independently of the motor drive power supply or the generator output terminal connection load, the main shaft support mechanism is physically separated. Therefore, the part supporting the spindle support function is housed in a case separate from the power supply of the electric motor.

【0012】さらに、ベアリングレス回転機システムに
て、主軸支持機能がベアリングレス回転機に内蔵されて
いるベアリングレス回転機システム。このシステムは主
軸支持機能を別ケース内に収納するだけでなく、そのケ
ースをベアリングレス回転機に機械的に固定する。ある
いは、そのケース自体をベアリングレス回転機のフレー
ム内に収納する構成をもつ。すると、三相機であれば、
3本の配線、単相機であれば、2本の配線だけがベアリ
ングレス回転機から外部に接続される。
Further, in the bearingless rotating machine system, a spindle support function is incorporated in the bearingless rotating machine. This system not only houses the spindle support function in a separate case, but also mechanically fixes the case to a bearingless rotating machine. Alternatively, the case itself is configured to be housed in the frame of the bearingless rotating machine. Then, if it is a three-phase machine,
In the case of three wires and a single-phase machine, only two wires are connected to the outside from the bearingless rotating machine.

【0013】ベアリングレス回転機システムにて、端子
電圧を積分する機能を持ち、さらに、電流を検出する機
能を持ち、検出電流を積分する機能を持ち、電流積分値
と巻線抵抗の積を端子電圧積分値より減じて1次鎖交磁
束を算出し、さらに、漏れインダクタンスの磁束分を減
じてギャップ磁束を算出する回転磁界検出機能をもつベ
アリングレス回転機。
The bearingless rotating machine system has a function of integrating a terminal voltage, a function of detecting a current, a function of integrating a detected current, and a product of a current integrated value and a winding resistance. A bearingless rotating machine having a rotating magnetic field detection function of calculating a primary interlinkage magnetic flux by subtracting from a voltage integral value and calculating a gap magnetic flux by further reducing a magnetic flux of a leakage inductance.

【0014】ベアリングレス回転機システムにて、1次
鎖交磁束を演算した後、磁束ベクトルとして、2次鎖交
磁束、ギャップ磁束などの特定の磁束、あるいはそれら
の磁束間に位置する磁束ベクトルの中で、半径方向力の
直交2軸上にて干渉が生じない磁束ベクトルを検出する
磁束検出器を用いるベアリングレス回転機。従来、誘導
機では1次漏れインダクタンスと2次漏れインダクタン
スは等しいと仮定されていた。この仮定を設定しても端
子から見込んだ電圧、電流、軸トルクの関係はほとんど
変化しなかった。しかし、ベアリングレス回転機では空
隙磁束の半径方向の位置に対する微分値が半径方向力発
生に関わるため、1次漏れと2次漏れの値を等しいと仮
定すると発生する半径方向力の方向がずれてしまう恐れ
がある。そこで、フィードフォワード的に発生する半径
方向力指令値と実際の半径方向力が一致するようにオリ
エンテーションを取る磁束を慎重に選ぶ必要がある。こ
の磁束は、従来の1次漏れと2次漏れを等しいと仮定し
たギャップ磁束とは必ずしも一致せず、このギャップ磁
束より1次磁束方向に傾いていたり、あるいは、逆に2
次磁束方向に傾いている。
After the primary interlinkage magnetic flux is calculated in the bearingless rotating machine system, a specific magnetic flux such as a secondary interlinkage magnetic flux, a gap magnetic flux, or a magnetic flux vector located between the magnetic fluxes is calculated as a magnetic flux vector. Among them, a bearingless rotating machine that uses a magnetic flux detector that detects a magnetic flux vector that does not cause interference on two orthogonal axes of a radial force. Conventionally, it has been assumed that the primary leakage inductance and the secondary leakage inductance are equal in an induction machine. Even if this assumption was set, the relationship between the voltage, current, and shaft torque expected from the terminal hardly changed. However, in a bearingless rotating machine, the differential value of the air gap magnetic flux with respect to the radial position is related to the generation of the radial force. Therefore, assuming that the values of the primary leakage and the secondary leakage are equal, the direction of the generated radial force is shifted. There is a risk that it will. Therefore, it is necessary to carefully select a magnetic flux to be oriented so that the radial force command value generated in a feedforward manner and the actual radial force match. This magnetic flux does not always coincide with the conventional gap magnetic flux in which the primary leakage is assumed to be equal to the secondary leakage, and the magnetic flux is inclined in the primary magnetic flux direction from the gap magnetic flux, or conversely.
It is inclined in the next magnetic flux direction.

【0015】同様にリラクタンス機、永久磁石同期機、
一般の界磁巻線型同期機などでは1次鎖交磁束から漏れ
インダクタンスをベクトル的に減算することによりギャ
ップ磁束を得る。
Similarly, a reluctance machine, a permanent magnet synchronous machine,
In a general field winding type synchronous machine or the like, a gap magnetic flux is obtained by vectorwise subtracting a leakage inductance from a primary interlinkage magnetic flux.

【0016】ベアリングレス回転機システムにて、回転
磁界位置の検出を固定子内に施した検出器、例えば、サ
ーチコイルあるいはホール素子などを用いて行うベアリ
ングレス回転機システム。
In a bearingless rotating machine system, a bearingless rotating machine system in which the position of a rotating magnetic field is detected in a stator, for example, using a search coil or a Hall element.

【0017】なお、周知の通り、半径方向の変位センサ
は、自己インダクタンスや相互インダクタンスなどから
変位を推定する機能で代用することが可能である。ま
た、トルクを発生する巻線と半径方向力を発生する巻線
は物理的に別々に構成されている必要はなく、同一巻線
であることが可能であり、重ね合わせの理を用いること
が可能である。さらに、主軸支持のための巻線は電源が
必ずしも必要ではなく、巻線自体を回生電力を得るよう
に運転してエネルギーを得ても良い。回転機のタイプは
誘導機、永久磁石機、同期機、リラクタンス機などいず
れのタイプであっても良い。また、発電機として動作し
ても、電動機として動作しても良い。
As is well known, the radial displacement sensor can be replaced with a function for estimating displacement from self-inductance or mutual inductance. In addition, the windings that generate torque and the windings that generate radial force do not need to be physically separate, and can be the same winding. It is possible. Further, a power supply is not necessarily required for the winding for supporting the main shaft, and the winding itself may be operated to obtain regenerative power to obtain energy. The type of the rotating machine may be any type such as an induction machine, a permanent magnet machine, a synchronous machine, and a reluctance machine. Further, it may operate as a generator or an electric motor.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】本発明では、一次電圧及び電流か
らギャップ磁束を推定する方法を提案し、半径方向力の
非干渉化、方形波インバータ適用時の安定な磁気力支持
を確認する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention proposes a method for estimating a gap magnetic flux from a primary voltage and a current, and confirms decoupling of a radial force and stable magnetic force support when a square wave inverter is applied.

【0019】ギャップ磁束の推定は一次電圧、電流を静
止座標系に3相2相変換し、α,β軸上の誘導機の等価
回路から得られる。まず、一次鎖交磁束ベクトルλαβ
The estimation of the gap magnetic flux is obtained by converting the primary voltage and current into a stationary coordinate system by three-phase to two-phase conversion and obtaining an equivalent circuit of the induction machine on the α and β axes. First, the primary linkage flux vector λ αβ
Is

【数1】 であり、二次鎖交磁束ベクトルλαβ (Equation 1) And the secondary flux linkage vector λ αβ

【数2】 である。そこで、ギャップ磁束ベクトルλαβgは、(Equation 2) It is. Therefore, the gap magnetic flux vector λ αβg is

【数3】 になる。ただし、 vαβg;一次電圧ベクトル iαβs;一次電流ベクトル r;一次抵抗 L;一次側自己インダクタンス L;二次側自己インダクタンス L;励磁インダクタンス L1s;一次側漏れインダクタンス L1r;二次側漏れインダクタンス σ ;漏れ係数 である。以上の計算過程をブロック線図で表すと図2に
なる。
(Equation 3) become. However, v αβg; primary voltage vector i αβs; primary current vector r s; primary resistance L s; primary self-inductance L r; secondary side self inductance L m; exciting inductance L 1s; primary leakage inductance L 1r; two Secondary side leakage inductance σ; leakage coefficient FIG. 2 is a block diagram showing the above calculation process.

【0020】同期機、永久磁石機などでは、固定子巻線
鎖交磁束は(1)式で得られ、さらに、漏れインダクタ
ンスによる磁束をベクトル的に減じることによりギャッ
プ磁束を得ることができる。
In a synchronous machine, a permanent magnet machine, etc., the flux linkage of the stator winding is obtained by the equation (1), and the gap magnetic flux can be obtained by reducing the magnetic flux due to the leakage inductance in a vector manner.

【0021】ベアリングレスモータの変調式は以下の通
りである。
The modulation formula of the bearingless motor is as follows.

【数4】 ここで、M’(2)は定数、Iは励磁電流である。
M’(2)はWb/mの単位であり、半径方向力発
生巻線に鎖交する磁束の半径方向位置に対する微分値で
ある。ギャップ磁束推定のシステムでは、|λαβg
がM’(2)に比例すると仮定する。
(Equation 4) Here, M ′ (2) is a constant, and Im is an exciting current.
M '(2) I m is the unit of Wb / m, a differential value in the radial force generating windings with respect to the radial direction position of the magnetic flux linked. In the system for estimating the gap magnetic flux, | λ αβg |
There is assumed to be proportional to M '(2) I m.

【0022】図3にギャップ磁束推定のシステム構成を
示す。図2のブロック図から演算さ めに、以下のような演算を行う。
FIG. 3 shows a system configuration for estimating the gap magnetic flux. Calculated from the block diagram of FIG. For this purpose, the following calculation is performed.

【数5】 (Equation 5)

【数6】 式(5)、式(6)を式(4)に代入することにより、
位置制御系は回転磁界の位相と振幅を正確に把握でき、
α*、Fβ*にそれぞれ対応する半径方向力Fα、F
βが発生する。
(Equation 6) By substituting equations (5) and (6) into equation (4),
The position control system can accurately grasp the phase and amplitude of the rotating magnetic field,
Radial forces F α , F corresponding to F α *, F β *, respectively
β occurs.

【0023】[0023]

【発明の効果】提案したシステムにより、負荷時におい
ても、半径方向力が非干渉化できるかを確認する。図4
は、β負方向に半径方向力を発生させたときの、すべり
に対する半径方向力の指令値Fα*、Fβ*の関係を表
している。縦軸はPU法を用いており、無負荷時のFβ
*を基準としている。本来、β負方向に半径方向力が発
生している場合、制御系はFβ*のみ発生するはずだ
が、位置制御コントローラが回転磁界位置と振幅が正確
に把握できない場合、Fα*も発生してしまい相互干渉
を生じてしまう。従来の無負荷時のシステムでは、すべ
りが増加するにつれて、Fα*が大きくなり相互干渉し
ていた。今回提案するシステムでも、負荷時においても
α*は発生しておらず、非干渉化が実現できているの
がわかる。
The proposed system confirms whether the radial force can be made non-interfering even under load. FIG.
Represents the relationship between the command values * and * of the radial force with respect to the slip when the radial force is generated in the β negative direction. The vertical axis uses the PU method, and F β at no load
* Based on the standard. Originally, when a radial force is generated in the β negative direction, the control system should generate only *. However, if the position controller cannot accurately grasp the position and amplitude of the rotating magnetic field, * also occurs. And cause mutual interference. In a conventional no-load of the system, as slip increases, it was mutual interference becomes large F alpha *. Even in the system proposed this time, * does not occur even under load, and it can be seen that decoupling can be realized.

【0024】本発明で提案するシステムと従来のシステ
ムの大きな違いは、制御系において電動機制御と位置制
御が完全に独立していることである。よって、電動機部
の電源がベクトル制御インバータに限定されず選択肢が
広がるものと思われる。図5は電動機部の電源として、
方形波インバータを用いたときの、12000r/mi
n、無負荷時における4極u相電流iu4、u相起磁力
方向成分のギャップ磁束推定λαg、サーチコイルによ
る磁束Ψcos、β方向の変位波形を示している。この
図より、Ψcos、λαgの位相の一致が確認でき、さ
らに無負荷であることからiu4とλαgの位相の一致
も確認できる。また、本試作機のタッチダウンベアリン
グと回転子とのギャップは100μmであり、変位波形
βの振れ回りは3μmであることから、安定な磁気力支
持をしていることがわかる。
A major difference between the system proposed in the present invention and the conventional system is that the motor control and the position control are completely independent in the control system. Therefore, it is considered that the power supply of the motor unit is not limited to the vector control inverter, and the options are expanded. FIG. 5 shows the power source of the motor unit.
12000r / mi when using a square wave inverter
n, unloaded 4-pole during the u-phase current i u4, u Aioko force direction component in the gap magnetic flux estimation lambda .alpha.g, shows a magnetic flux [psi cos, beta direction of displacement waveforms by the search coil. From this figure, [psi cos, lambda phase matching of .alpha.g is confirmed, also be confirmed phase matching of i u4 and lambda .alpha.g since still more unloaded. In addition, the gap between the touchdown bearing and the rotor of the prototype is 100 μm, and the whirling of the displacement waveform β is 3 μm, which indicates that stable magnetic force is supported.

【0025】以上、本発明はギャップ磁束を推定するシ
ステムを構築し、回転磁界を推定していることを確認し
た。このシステムは、サーチコイルを施すことなく非干
渉化できることや、電動機部の電源の選択肢が広がるこ
とから、電源部のシステムを簡単化するのに有効な手法
である。
As described above, according to the present invention, it has been confirmed that a system for estimating the gap magnetic flux is constructed and the rotating magnetic field is estimated. This system is an effective method for simplifying the system of the power supply unit because it can be made non-interfering without applying a search coil and the options of the power supply of the motor unit are widened.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】発明の基本的な構成を示した図である。FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of the present invention.

【図2】端子電圧、電流からギャップ磁束を検出するブ
ロック図である。
FIG. 2 is a block diagram for detecting a gap magnetic flux from a terminal voltage and a current.

【図3】ギャップ磁束推定値を用いたベアリングレスモ
ータの構成例。
FIG. 3 is a configuration example of a bearingless motor using an estimated value of a gap magnetic flux.

【図4】図3に示したシステムにおける実験結果であ
り、半径方向力が以前の方法に比較して非干渉化されて
いることがわかる。
FIG. 4 is an experimental result of the system shown in FIG. 3, which shows that the radial force is decoupling compared to the previous method.

【図5】独立して半径方向力制御が行えることを示した
例であり、方形波インバータにより駆動しているときの
電動機電流、サーチコイルの検出磁束、提案する方式に
よる磁束検出波形、、軸ふれを示した例の図。
FIG. 5 is an example showing that radial force control can be performed independently, and shows a motor current when driven by a square wave inverter, a detected magnetic flux of a search coil, a magnetic flux detected waveform by a proposed method, and an axis. The figure of the example which showed shake.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ベアリングレス回転機 2 モータコントロール電源 3 コントローラ 4 回転磁界検出器 5 制御電源 6 トルク発生巻線 7 半径方向力発生巻線 8 変位センサ 9 変位センサ REFERENCE SIGNS LIST 1 bearingless rotating machine 2 motor control power supply 3 controller 4 rotating magnetic field detector 5 control power supply 6 torque generating winding 7 radial force generating winding 8 displacement sensor 9 displacement sensor

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成12年7月7日(2000.7.7)[Submission date] July 7, 2000 (200.7.7)

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】特許請求の範囲[Correction target item name] Claims

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【特許請求の範囲】[Claims]

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 3J102 AA01 BA03 BA17 CA16 CA19 DA03 DA09 DB05 DB10 DB37 GA13 5H571 BB07 CC05 GG01 GG04 GG05 HD01 JJ04 JJ22 LL22 LL23 LL27 5H576 DD02 DD04 DD05 DD07 DD09 EE01 EE04 GG01 GG04 GG05 HB01 JJ04 JJ06 JJ22 LL22 LL24 LL34 LL35 LL39 5H607 AA12 BB01 BB05 BB21 BB25 DD06 DD15 GG21  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 3J102 AA01 BA03 BA17 CA16 CA19 DA03 DA09 DB05 DB10 DB37 GA13 5H571 BB07 CC05 GG01 GG04 GG05 HD01 JJ04 JJ22 LL22 LL23 LL27 5H576 DD02 DD04 DD05 DD07 DD09 EE01 0404 GG01GG 01GG 04GG JJ22 LL22 LL24 LL34 LL35 LL39 5H607 AA12 BB01 BB05 BB21 BB25 DD06 DD15 GG21

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項1】固定子にトルクを発生する巻線セットと半
径方向力を発生する巻線セットを備え、トルクを発生す
る巻線は電力を供給するモータ駆動電源に接続され、こ
のモータ駆動電源は主軸支持コントローラとは独立に運
転する機能を備え、 一方、半径方向力を発生する巻線は巻線に所望の電圧、
電流を供給する制御電源に接続され、制御電源はコント
ローラにより発生する電圧、電流を供給する機能を備
え、主軸の半径方向の変位を検出する機能に基づきコン
トローラは主軸の半径方向の変位に基づいて安定に電磁
力により主軸を支持するための電流を決定する機能を備
え、電流を決定するために回転磁界の位置を検出する機
能を備え、回転磁界位置の検出はトルクを発生する巻線
の端子電圧、電流に基づいて算出する機能により行わ
れ、モータ駆動電源から回転角度位置情報信号を得る必
要がなく、独立に構成されてい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2】請求項1にてコントローラが電流の代わり
に電圧を決定する機能を備えたベアリングレス回転機シ
ステム。 【請求項3】請求項1−2にて回転磁界の位置をトルク
発生巻線の電流のみから推定する機能を備えたベアリン
グレス回転機システム。 【請求項4】請求項1−3にてモータ駆動電源が商用電
源、あるいは多数台駆動電源により構成されるベアリン
グレス回転機システム。 【請求項5】請求項1−3にてモータ駆動電源が汎用イ
ンバータにより構成されるベアリングレス回転機システ
ム。 【請求項6】請求項1−5において、回転機の構成がデ
ィスク型の回転機であり、電磁力を発生して主軸を支持
する方向が軸方向であるベアリングレス回転機システム 【請求項7】請求項1−6において、制御電源、コント
ローラ、半径方向変位を検出する機能、回転磁界位置を
検出する機能などの主軸支持機構がモータ駆動電源とは
別のケースに収納されているベアリングレス回転機シス
テム。 【請求項8】請求項1−7において、主軸支持機能がベ
アリングレス回転機に内蔵されているベアリングレス回
転機システム。 【請求項9】請求項1−8において、端子電圧を積分す
る機能を持ち、さらに、電流を検出する機能を持ち、検
出電流を積分する機能を持ち、電流積分値と巻線抵抗の
積を端子電圧積分値より減じて1次鎖交磁束を算出し、
さらに、漏れインダクタンスの磁束分を減じてギャップ
磁束を算出する回転磁界検出機能をもつベアリングレス
回転機。 【請求項11】請求項9において、1次鎖交磁束を演算
した後、磁束ベクトルとして、2次鎖交磁束、ギャップ
磁束などの特定の磁束、あるいはそれらの磁束間に位置
する磁束ベクトルの中で、半径方向力の直交2軸上にて
干渉が生じない磁束ベクトルを検出する磁束検出器を用
いるベアリングレス回転機。 【請求項12】請求項7−8にて回転磁界位置の検出を
固定子内に施した検出器、例えば、サーチコイルあるい
はホール素子などを用いて行うベアリングレス回転機シ
ステム。
1. A stator comprising a winding set for generating torque and a winding set for generating a radial force on a stator, wherein the winding for generating torque is connected to a motor drive power supply for supplying electric power. This motor drive power supply has the function of operating independently of the spindle support controller, while the winding that generates a radial force has a desired voltage on the winding,
Connected to a control power supply that supplies current, the control power supply has a function of supplying voltage and current generated by the controller, and based on the function of detecting the radial displacement of the main shaft, the controller is based on the radial displacement of the main shaft. It has a function to stably determine the current for supporting the main shaft by electromagnetic force, and has a function to detect the position of the rotating magnetic field to determine the current. A bearingless rotating machine system, which is performed by a function of calculating based on voltage and current, and does not need to obtain a rotation angle position information signal from a motor drive power supply, and is configured independently. 2. The bearingless rotating machine system according to claim 1, wherein the controller has a function of determining a voltage instead of a current. 3. The bearingless rotating machine system according to claim 1, further comprising a function of estimating the position of the rotating magnetic field only from the current of the torque generating winding. 4. A bearingless rotating machine system according to claim 1, wherein the motor driving power source is a commercial power source or a multi-unit driving power source. 5. A bearingless rotating machine system according to claim 1, wherein the motor drive power supply is constituted by a general-purpose inverter. 6. A bearingless rotating machine system according to claim 1, wherein the rotating machine is a disk-type rotating machine, and a direction in which an electromagnetic force is generated to support the main shaft is an axial direction. 11. A bearingless rotating device according to claim 1, wherein the main shaft supporting mechanism, such as a control power supply, a controller, a function of detecting a radial displacement, and a function of detecting a rotating magnetic field position, is housed in a case separate from the motor drive power supply. Machine system. 8. The bearingless rotating machine system according to claim 1, wherein the spindle support function is built in the bearingless rotating machine. 9. The method according to claim 1, further comprising a function of integrating a terminal voltage, a function of detecting a current, a function of integrating a detected current, and a product of a current integrated value and a winding resistance. Calculate the primary flux linkage by subtracting from the terminal voltage integral,
In addition, a bearingless rotating machine with a rotating magnetic field detection function that calculates the gap magnetic flux by reducing the magnetic flux of the leakage inductance. 11. A magnetic flux vector according to claim 9, wherein after calculating the primary interlinkage magnetic flux, a specific interlinkage magnetic flux such as a secondary interlinkage magnetic flux, a gap magnetic flux, or a magnetic flux vector located between these magnetic fluxes is used as a magnetic flux vector. A bearingless rotating machine that uses a magnetic flux detector that detects a magnetic flux vector that does not cause interference on two orthogonal axes of radial force. 12. A bearingless rotating machine system for detecting a rotating magnetic field position in a stator using a detector, for example, a search coil or a Hall element according to claim 7-8.
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