JP2004023821A

JP2004023821A - 磁気軸受兼用発電電動機

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Publication number: JP2004023821A
Application number: JP2002171757A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Mori; 森　敏; Tadashi Sato; 佐藤　忠
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-12
Also published as: JP3938331B2

Abstract

【課題】磁気軸受機能を有する発電電動機を一定のエネルギーを蓄積したエネルギー源からそのエネルギーを使用しつつ発電機または電動機として動作させるに際して、蓄積したエネルギーが減少しても、所要の出力を得ることができる磁気軸受兼用発電電動機を提供する。
【解決手段】発電電動機１１の固定子に二組の極数が２ｎ（但しｎは整数）だけ異なる巻線１４，１５を備え、二組の巻線に電流が流れることで回転子１３を固定子１２に対して浮上支持する磁気軸受兼用発電電動機において、負荷側または電源側に接続する第１の巻線と、制御電源に接続する第２の巻線とを切換える手段１７を備えた。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定子に二組の極数が異なる巻線を備え、その二組の巻線に電流が流れることで回転子を浮上支持する磁気軸受機能を備えた発電電動機に係り、特に、一定のエネルギーを蓄積して、その蓄積したエネルギーを消費して発電機または電動機として前記発電電動機を動作させるのに好適なシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電電動機の固定子に極数が２ｎ（但しｎは整数）だけ異なる二組の巻線を備え、その二組の巻線に電流が流れることで、回転子と固定子との間に静止磁気力を発生させる発電電動機によれば、例えば固定子の主巻線を２極とし、制御巻線を４極とした二組の巻線を備えることで、それぞれの巻線に流れる交流電流による回転磁界の合成で半径方向の静止磁気力が発生することが知られている。この半径方向の静止磁気力は、主巻線の発電電動機の電流に対して、制御巻線の電流の大きさおよび位相を調整することで、任意の方向で且つ任意の大きさに調整することができる。したがって、回転子の周辺に変位センサを配置し、回転子の浮上位置を検出して、回転子が所定の位置に浮上支持されるように制御巻線の電流の大きさおよびその位相を調整することで、通常の磁気軸受と同様に回転子を所定の浮上位置に位置決めして支持することが可能である。
【０００３】
このような発電電動機の用途として、一定のエネルギーを蓄積したエネルギー源から、そのエネルギーを徐々に消費して発電機または電動機として動作させる場合がある。例えば、フライホイール式の発電機として動作させる場合には、高速で回転するフライホイールに機械的な運動エネルギーを蓄積し、そのフライホイールに発電機の回転子を直結することで、回転子を磁気軸受機能により浮上支持しつつ、発電機の固定子から発電電力を出力することができる。このような用途に磁気軸受兼用発電電動機を用いることで、軸受によるエネルギー損失が存在しないので、機械的な運動エネルギーを長時間にわたり保持することが可能である。
【０００４】
係る形式のフライホイール式の発電機においては、回転子が高速で回転して交流電力が出力されるので、その発電電力の周波数は一般に高いものとなる。このため、この交流発電電力を整流して直流電力に変換し、これをインバータ装置により商用交流電源等の電圧および周波数にあわせた交流電力を形成し、需要先に供給することになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる構成の磁気軸受兼用発電電動機においては、発電出力を取り出すことによりフライホイールの有する運動エネルギーが徐々に減少する。すなわち、フライホイールの回転数が徐々に減少し、これに伴い発電電動機の回転子の回転数が減少し、これにより発電出力電圧が徐々に低下していく。しかしながら、インバータ装置においては、所要の出力電圧の交流出力を得るために、直流部分の電圧がある程度以上であることが必要である。このため、所望の電圧および周波数の交流出力をインバータ装置の出力側から得る場合には、発電機出力を整流した直流電圧をＤＣ・ＤＣコンバータ等によってインバータ装置の所要の直流電圧に昇圧する必要がある。また、フライホイールの回転数の低下とともに、発電機の出力周波数が低下するため、これを整流して直流に変換した時の出力電圧のリップルが増加し、発電品質を損なうという問題もある。
【０００６】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、磁気軸受機能を有する発電電動機を一定のエネルギーを蓄積したエネルギー源からそのエネルギーを使用しつつ発電機または電動機として動作させるに際して、蓄積したエネルギーが減少しても、所要の出力を得ることができるようにした磁気軸受兼用発電電動機を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気軸受兼用発電電動機は、発電電動機の固定子に二組の極数が２ｎ（但しｎは整数）だけ異なる巻線を備え、該二組の巻線に電流が流れることで回転子を固定子に対して浮上支持する磁気軸受兼用発電電動機において、負荷側または電源側に接続する第１の巻線と、制御電源に接続する第２の巻線とを切換える手段を備えたことを特徴とする。
【０００８】
ここで、前記二組の巻線は２極巻線と４極巻線とであることが好ましい。また、前記発電電動機を発電機として動作させ、前記発電機の出力電圧が所定電圧にまで低下した時に、前記第１の巻線と第２の巻線を切換える手段を備えることが好ましく、前記切換えに際して、前記発電機の出力電圧が所定の倍率に上昇することが好ましい。
【０００９】
上述した本発明によれば、磁気軸受機能を有する発電電動機を、例えばフライホイール式発電機として用いることで、フライホイールに蓄積した運動エネルギーが減少し、これにより発電機の出力電圧が低下しても、発電電動機の固定子に設けられた例えば２極巻線と４極巻線の二組の巻線を切換えて、当初の出力電圧を得ることができる。例えば、２極巻線を主巻線として採用し、フライホイールに蓄積したエネルギー消費の開始当初、発電機出力が所要の電圧を出力する場合に、フライホイールの運動エネルギーの消費が進むと、フライホイールの回転数が低下して発電機出力電圧も低下する。この時に、第２の巻線である４極巻線に発電機の主巻線を切換えることで、４極巻線は２極巻線と比較してその電気角が小さいため、高い出力電圧が得られる。これにより、フライホイールのエネルギー消費が進みその回転数が低下しても、発電機出力を４極巻線に切換えることで、もとの出力電圧を得ることができる。したがって、このフライホイールに直結した発電機の出力をインバータ装置を介して所要の交流電力を形成するに際して、インバータ装置におけるＤＣ・ＤＣコンバータ等の負担を軽減することができ、フライホイールに蓄積したエネルギーの有効利用が可能となると共に、リップルの減少等の発電品質の向上に寄与する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態の磁気軸受兼用発電電動機を用いた発電システムを示す。この実施形態においては、磁気軸受兼用発電電動機は、フライホイールを備え、フライホイール式発電機として動作するものである。即ち、発電電動機１１には固定子１２と回転子１３とを備え、固定子には２極巻線１４と、４極巻線１５とが配置されている。回転子１３は、誘導型の無極性回転子であり、フライホイール１６にその主軸が直結されている。
【００１２】
図示は省略するが、この発電電動機１１には回転子１３の浮上位置を検出する変位センサを備え、主巻線に流れる電流に対して制御巻線に流れる電流の大きさおよび位相を調整することで、半径方向の静止磁気力を生成し、これにより磁気軸受と同様に回転子１３を所定位置に非接触で浮上支持する。なお、図示の場合は磁気軸受機能を有する発電電動機１１を１台のみ示したが、実際には同様の形式の発電電動機を複数台備え、これによりフライホイール１６に直結した主軸を複数個所で支持する。
【００１３】
この発電電動機１１においては、例えば１００ｋｇ程度の質量を有するフライホイール１６を、毎分１００００回転等の高速で回転させ、これにより機械的な運動エネルギーを貯える。そして、２極巻線１４と４極巻線１５との一方を主巻線とし、他方を制御巻線とすることで、回転子１３を磁気軸受として浮上支持しつつ、主巻線から発電電力を取出す。上述したように、この発電電動機１１においては、２極巻線１４と４極巻線１５とを備えているので、いずれか片方の巻線を主巻線とし、他方の巻線を制御巻線とすることで、いずれの場合にも極数差が２となり、これにより半径方向の静止磁気力の発生が可能であり、回転子を磁気軸受機能により浮上支持することができる。
【００１４】
この発電システムにおいては、２極巻線１４と４極巻線１５とを切換える切換器１７を備えている。この切換器１７により、２極巻線１４を主巻線とし、４極巻線１５を制御巻線とする組合せと、４極巻線１５を主巻線とし、２極巻線１４を制御巻線とする組合せとに切換えが可能である。切換器１７の主巻線１８側には、発電電動機１１で形成される交流電力を一旦整流して直流電力に変換し、さらに商用電源周波数・電圧に合わせた交流電力に変換するインバータ装置１９が接続されている。
【００１５】
このインバータ装置１９は、発電電動機１１の発電出力を整流するコンバータ部１９ａと、整流された電圧を平滑化し、直流電力として保持するコンデンサからなる直流部１９ｂと、その直流電力を昇圧するＤＣ・ＤＣコンバータ等の昇圧部１９ｃと、昇圧された直流電力から所要の周波数・電圧の交流電力に逆変換するインバータ部１９ｄとから構成されている。このように商用交流電源等の周波数・電圧に変換された発電電力は、端子２０から負荷側に供給される。
【００１６】
一方で、切換器１７の制御巻線２１側は制御電流供給用のインバータ装置２２に接続され、このインバータ装置２２は、商用交流電源等の交流電力を一旦整流した後に、発電電動機１１の制御巻線２１に所要の制御電流を供給する。このインバータ装置２２により、固定子１２の制御巻線に主巻線に流れる電流に対して極数が２だけ異なる交流電流が供給され、その位相および大きさを調整することで、任意の方向の静止磁気力を形成することは上述したとおりである。
【００１７】
切換器１７の切換え動作は、制御装置２３の指令により行われる。制御装置２３は、インバータ装置１９および２２にそれぞれ接続され、これらの動作状態を監視すると共に、これらに対して制御指令を出力する。即ち、一方の巻線を主巻線として動作させている時に、この出力電圧が低下して、所定値に到達すると、切換え信号を切換器１７に出力し、主巻線を他方の巻線に切換える。この時、主巻線電流と制御巻線電流とが、それぞれ切換え前の状態を維持するように、インバータ装置１９および２２を調整する。
【００１８】
図２は、固定子内部の各巻線における電流分布を示す。図２（ａ）に示す場合は、主巻線１８として２極巻線１４を採用し、制御巻線２１として４極巻線１５を採用した場合である。２極巻線１４を主巻線として用いることで、図示する２極の磁束が形成され、これにより２極の主回転磁界が形成される。一方で、４極巻線１５により４極の制御磁界が形成される。
【００１９】
図２（ｂ）に示す場合は、主巻線１８として４極巻線１５を採用し、制御巻線として２極巻線１４を採用した場合である。４極巻線１５を主巻線として用いることで、図示する４極の磁束が形成され、４極の回転磁界が形成される。この場合には、制御巻線２１として２極巻線１４が採用され、同様に２極の制御磁界が形成される。そして、この発電システムにおいては切換器１７を備えることで、図２（ａ）に示すように２極巻線を主巻線として、４極巻線を制御巻線として採用する場合と、図２（ｂ）に示すように４極巻線を主巻線として、２極巻線を制御巻線として採用する場合とに切換えが可能である。
【００２０】
次に、この発電システムの動作について、図１及び図３を参照して説明する。この発電システムは、上述したようにフライホイール１６に発電電動機１１を直結し、フライホイールに運動エネルギーを蓄積し、そこから発電電力として発電電動機を発電機として動作させて、電力エネルギーを取り出すものである。ここで、発電電動機１１は、２極巻線と４極巻線とを備え、そのいずれもが主巻線としてもまた制御巻線としても動作し得るものである。
【００２１】
まず、図示の前段階として、回転子１３に直結したフライホイール１６を所定の回転数Ｓ_０に到達するまで発電電動機１１を電動機として駆動する。この時に、主巻線として２極巻線１４を採用し、同時に制御巻線として４極巻線１５を採用し、これに制御電流を供給することで、回転子１３を浮上した状態とする。即ち、発電電動機１１が磁気軸受として機能し、これにより回転子１３が固定子１２に対して非接触で浮上支持される。これにより、発電機として機能する状態に移行する。ここで、フライホイール１６として質量の大きな回転体が高速で回転することで、多量の運動エネルギーが蓄積されている。この時の発電電圧がＶ_０である。
【００２２】
時刻ｔ_１において負荷が発生すると、発電電動機１１がフライホイール１６により駆動され、発電機として出力動作する。切換器１７は主巻線１８として２極巻線１４を採用するように当初接続され、主巻線１８に発生した発電電力は、インバータ装置１９により商用交流電源の電圧・周波数に対応した電力に変換され、端子２０から負荷側に供給される。一方で、生成した交流電力の一部はインバータ装置２２に導入され、発電電動機１１を磁気軸受として機能させるために必要な制御巻線に供給される電流に逆変換して制御巻線に供給される。
【００２３】
フライホイール式発電機のように、発電時において外部からエネルギーの供給がない発電装置では、負荷Ｌの供給に応じてその保有する運動エネルギーが減少し、回転数Ｓが低下する。制御装置においては、回転子の回転数または発電電圧を検知して、例えば予め設定した切換電圧値Ｖ_１に低下したときに、今まで主巻線として採用していた２極巻線を制御巻線として用いるように切換え、制御巻線として採用していた４極巻線を主巻線として採用するように切換える（時刻ｔ_２）。即ち、図１において切換器１７は図中実線で示す状態から点線で示す状態に切換えられる。
【００２４】
この切換えによって、発電機として発電電圧が形成される主巻線は２極から４極に交代し、４極巻線においては２極巻線に対して電気角が１／２と小さいので、発電電圧がこの場合は倍化する（Ｖ_１からＶ_０になる）。従って、回転数Ｓが当初の約１／２に低下したときに４極巻線と２極巻線との切換えを行うことで、発電電圧Ｖを当初の電圧Ｖ_０に戻すことができる。
【００２５】
これにより、インバータ装置１９においては、ＤＣ・ＤＣコンバータ１９ｃによりインバータ部に供給する電圧を昇圧するが、コンバータ部１９ａに供給される電圧自体が高くなるので、このＤＣ・ＤＣコンバータ１９ｃの負担を軽減することができる。換言すれば、フライホイールに蓄積された運動エネルギーが消費され、回転数が半分程度に低減しても、なおかつ当初の発電電圧に戻すことができ、これによりフライホイールに蓄積されたエネルギーを有効利用することができる。
【００２６】
なお、上記実施形態においては、フライホイールに蓄積された運動エネルギーを消費して発電電力に変換する例について述べたが、それ以外に各種の応用が可能である。例えば、蓄電池に貯えられた電力エネルギーを２極巻線および４極巻線を有する発電電動機に供給して電動機として運転する。当初は４極巻線を主巻線として駆動電流を与え、２極巻線は制御巻線として制御電流を与えて、回転子を静止磁気力により磁気軸受として浮上支持した状態で、電動機運転を行う。この２極巻線と４極巻線はそれぞれ単独で電動機としての定格運転可能であるように製作し、２極巻線は４極巻線より低い定格電圧で動作するように製作する。電動機運転が継続することで蓄電池に蓄えられた電力エネルギーが低下し、その電圧が低下したときに駆動電流を与えている４極巻線を２極巻線に切換え、制御電流を与えている２極巻線を４極巻線に切換える。この操作によって電動機に供給する電圧を昇圧することなく、２極巻線を主巻線とした十分な定格運転状態を維持できる。切換え後は４極巻線は制御巻線として使用するが、磁気浮上を行うために必要な制御巻線電流は主巻線の駆動電流よりも十分に小さいため、必要電圧は小さく、そのため供給電圧が低下しても磁気浮上した電動機運転に支承をきたすことがない。また、切換え後の２極巻線は低い定格電圧で動作するため、２極巻線に与える電流を調整するインバータへの供給電圧は十分低い電圧で運転できる。このように主巻線および制御巻線として採用される巻線を切換えることで発電出力または電動機出力を運転当初の状態に戻すことが可能となる。
【００２７】
また、上記実施形態においては、４極巻線と２極巻線とを設けた例について説明したが、この組合せ以外にも極数が±２ｎ（但しｎは整数）という関係であれば、半径方向の静止磁気力が得られる。従って、上記極数の関係を満足する限り、上述と同様な磁気軸受機能を備えた発電電動機として動作させることが可能である。
【００２８】
また、上記実施形態では、発電電圧が当初の１／２に落ちた状態で巻線を切換える例について説明したが、巻線比を予め調整しておき、例えば回転数が２／３に低下したときに切換を行うようにしてもよい。このように本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、磁気軸受機能を有する発電電動機を用いて、機械的エネルギーを電力エネルギーに変換するに際して、或いは電力エネルギーを機械的エネルギーに変換するに際して、極数が異なる２組の配線の役割を切換えることで、供給するエネルギーが低下した状態においても元の発電電圧或いは回転数等に戻すことが可能となる。これにより、蓄積したエネルギーの有効利用が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の発電システムを示す図である。
【図２】図１における磁気軸受兼用発電機の電流分布を示し、（ａ）は主巻線として２極巻線を用い、制御巻線として４極巻線を用いた例を示し、（ｂ）は主巻線として４極巻線を用い、制御巻線として２極巻線を用いた例を示す。
【図３】図１に示す発電システムの動作例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１１　　　　磁気軸受兼用発電電動機
１２　　　　固定子
１３　　　　回転子
１４　　　　２極巻線
１５　　　　４極巻線
１６　　　　フライホイール
１７　　　　切換器
１８　　　　主巻線
１９　　　　主インバータ装置
２０　　　　端子
２１　　　　制御巻線
２２　　　　制御用インバータ装置

Claims

発電電動機の固定子に二組の極数が２ｎ（但しｎは整数）だけ異なる巻線を備え、該二組の巻線に電流が流れることで回転子を固定子に対して浮上支持する磁気軸受兼用発電電動機において、
負荷側または電源側に接続する第１の巻線と、制御電源に接続する第２の巻線とを切換える手段を備えたことを特徴とする磁気軸受兼用発電電動機。
前記二組の巻線が２極巻線と４極巻線とであることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受兼用発電電動機。
前記発電電動機を発電機として動作させ、前記発電機の出力電圧が所定電圧にまで低下した時に、前記第１の巻線と第２の巻線を切換える手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受兼用発電電動機。
前記切換えに際して、前記発電機の出力電圧が所定の倍率に上昇することを特徴とする請求項３記載の磁気軸受兼用発電電動機。
前記第１の巻線と第２の巻線を切換える手段は、切換え時に主巻線電流と制御巻線電流とを、それぞれ切換え前の状態を維持するように調整する制御装置を備えたことを特徴とする請求項３または請求項４記載の磁気軸受兼用発電電動機。