JP2005020800A - Method for controlling axial deflection of rotor and flywheel device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸ぶれ制御方法、及びこの軸ぶれ制御方法を適応したフライホイール装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電力系統の分野では、電力需要の増加や電力需要の形態変化に伴い、昼夜間や特定の時間帯の電力格差が広がっていることから、電力系統の負荷平準化対策が重要な課題とされ、電力需要地に近接した配電変電所に分散配置して効果的な日負荷平準化を行う電力貯蔵装置の開発と導入が求められている。
【0003】
この電力貯蔵装置として様々なものが知られているが、その1つとして高温超伝導フライホイール装置がある。
【0004】
フライホイール装置は、深夜等の電力需要の少ない時間帯に電力をフライホイールの回転エネルギーとして貯蔵し、電力需要のピーク時に電気エネルギーとして取り出すものである。フライホイールは、負荷変動に迅速に対応でき、貯蔵エネルギー密度が高く、環境汚染が少ない等の特徴がある。
【0005】
従来の電力貯蔵用フライホイールは回転体、発電電動機、電力変換器などで構成され、フライホイールは物体が持つ慣性を利用し、電力を回転エネルギーに変換して貯蔵する。蓄積エネルギーを大きくするには、大きな慣性モーメントを持つ物体を高速で回転させる必要がある。フライホイールに蓄積される回転エネルギーは軸受けの回転損失により減少するため、軸受けの回転損失を少なくすることが求められている。
【0006】
このために、フライホイールの回転軸を超伝導軸受けで支持するものが提案されている。図14は、従来の超伝導軸受けを備えるフライホイール装置の構成を説明するための概略断面図である。
【0007】
図14において、フライホイール装置11は、回転軸12にフライホイール14が取り付けられ、発電電動機13によりこのフライホイール14に対してエネルギーの蓄積及び取り出しを行っている。回転軸12の下部には、超伝導軸受け15が設けられ、回転軸12側に取り付けた永久磁石15b,15cと静止側に設けた超伝導バルク体15aとの間の磁気反発力とピンニング力により回転体のスラスト荷重を非接触で軸支している。
【0008】
超伝導軸受けは非接触で大きな荷重を無制御で支持することができるが、ラジアル方向の剛性や減衰定数が小さく、この超伝導軸受けだけでは軸ぶれを制御することが困難であるという問題がある。この軸ぶれは、共振点を低下して危険回転数が低くなり、また、共振点において振動振幅が増大するという問題がある。また、発電電動機のロータの偏芯によりラジアル方向に発生する不平衡吸引力に対して十分な支持ができないという問題がある。
【0009】
このような問題を解決するために、スラスト荷重を支持する超伝導軸受けに加えて、ラジアル荷重を支持する非超伝導の能動型軸受けを回転軸の上部に設けたフライホイール装置の構成が提案されている。図16中の軸受け16は、この能動型軸受けの一例である。上記、課題及び構成は、例えば、特許文献1に示されている。
【0010】
【特許文献1】
特開平5−248437号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
軸ぶれを防止するために、スラスト荷重を支持する超伝導軸受けに加えて、回転軸の上部にラジアル荷重を支持する軸受けを設けた構成では、損失が増大するという問題がある。例えば、ラジアル荷重を支持する軸受けとして機械式軸受けを設けた場合には摩擦によるエネルギー損失の問題があり、また、非超伝導の能動型軸受けを設けた場合には、この能動型軸受けを駆動するために外部電力を要するため、電力系統から見た場合電力の貯蔵効率が低下するという問題がある。
【0012】
そのため、従来の軸ぶれを制御する方法では回転体のエネルギー損失が大きいという問題があり、また、フライホイール装置ではエネルギー損失が大きいため電力の貯蔵効率が低く、電力を長時間貯蔵することができないという問題がある。
【0013】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、軸ぶれ制御において回転体のエネルギー損失を小さくすることを目的とし、また、フライホイール装置において、軸ぶれ制御における回転体のエネルギー損失を小さくして、電力の貯蔵効率を高め、長時間の電力貯蔵を可能とすることを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明は、発電電動機を磁気制御型軸受けとして用いることにより、回転体を非接触で支持すると共に、回転体の軸ぶれ制御に伴う電力損失を減少させる。
【0015】
本発明は、回転体の軸ぶれ制御方法の態様、及びフライホイールを含む回転体にこの軸ぶれ制御方法を適用したフライホイール装置の態様とすることができる。
【0016】
本発明の回転体の軸ぶれ制御方法は、回転体の軸ぶれ制御において、回転体の電動制御及び発電制御を同一巻線の電流制御で行うと共に、この電流制御により各巻線に流す電流値を制御することにより回転軸のラジアル方向制御を行う。この軸受け制御によれば、電動制御及び発電制御において各巻線に流れる電流値を制御することにより、電動あるいは発電のために要する電流を用いて軸受け制御を行うことができ、軸受け制御のみに使用する電流を不要とすることができ、軸受け制御に伴う回転体のエネルギー損失を減少させることができる。また、この軸ぶれ制御は、回転体に対して非接触であるため、摩擦によるエネルギー損失も無くすことができる。
【0017】
この軸ぶれ制御方法を適用したフライホイール装置は、回転軸上にフライホイールと発電電動機とを備えたフライホイール装置において、発電電動機の電流を制御する電流制御手段を備えた構成とし、この電流制御手段は発電電動機の巻線に流す電流を制御して、発電電動機が形成する電磁力を調整することにより回転軸のラジアル方向制御を行う。
【0018】
電流制御は、回転体に対向配置される巻線対に流す同位相電流の電流値を制御することにより行う。これにより対向配置された2つの巻線からは各巻線に供給された電流の電流値に応じた大きさの電磁力が発生し、回転体に対して電流値の差に基づく大きさの吸引力あるいは反発力が作用し、これにより回転体の軸ぶれを制御する。フライホイール装置の電流制御手段は、発電電動機が備える対向配置された巻線対に流す同位相電流の電流値を制御することにより、フライホイールを含む回転軸の軸ぶれを制御する。
【0019】
電流値制御は、偏位を供給電流にフィードバックする状態フィードバックによる最適制御により、回転体の回転中心軸からの偏位から巻線対に流す電流値を求める。偏位は回転体の軸方向と直交する2方向軸の軸ぶれ角とすることができ、軸ぶれ角は回転体の回転中心軸からの変位により求めることができる。
【0020】
最適制御は、2方向軸において同軸間でフィードバックするPDフィードバックと、異なる軸間でフィードバックするクロスフィードバック(逆対称交差結合)とを含み、クロスフィードバックを含むことにより、回転体のジャイロ効果による各軸間の相互干渉を制御することができる。
【0021】
フライホイール装置が備える電流制御手段は、上記電流制御を行う機能を備えることにより、本発明の回転体の軸ぶれ制御方法を適用することができる。
【0022】
軸ぶれ制御において、受け軸部における摩擦による電力損失や、磁気軸受けを駆動するための外部電力による電力損失を低減することができるため、フライホイール装置の電力貯蔵効率を高めることができ、また、潤滑剤の補給や摩擦対策といった保守管理が不要となるため、長時間の電力貯蔵が可能となる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。図1〜図5を用いて本発明の回転体の軸ぶれ制御の構成及び電流制御について説明し、図6を用いて本発明の制御系について説明し、図7〜図9を用いて制御系のシミュレーション例を説明し、図10〜図13を用いて軸ぶれ制御のシミュレーション例を説明する。
【0024】
はじめに、本発明の回転体の軸ぶれ制御方法を適用するフライホイール装置の一構成例について、図1を用いて説明する。
【0025】
図1において、フライホイール装置1は、回転軸2にフライホイール4が取り付けられ、発電電動機3によりこのフライホイール4に対してエネルギーの蓄積及び取り出しを行う。
【0026】
回転軸2の下部には超伝導バルクベアリングを用いた超伝導軸受け5が設けられ、回転軸2側に取り付けた永久磁石5b,5cと、静止側に設けた超伝導バルク体(HTSバルク)5aとの間の磁気反発力とピンニング力により回転体のスラスト荷重を非接触で軸支している。
【0027】
永久磁石は5b,5cは一様な磁界を発生してるので、静止している超伝導バルク体(HTSバルク)5aが受ける磁界は、永久磁石5b,5cが回転している場合にも一定である。ここで、永久磁石5b,5cと超伝導バルク体5aとの間の距離が変化しようとすると、超伝導バルク体5aが受ける磁界が変化しようとし、この磁界変化を妨げる方向の力が永久磁石5b,5cに作用し、フライホイール4の上下方向の位置を一定に保とうとする。これにより、超伝導軸受け5は、スラスト荷重を非接触で支持することができる。
【0028】
発電電動機3は、回転軸2に取り付けられて回転自在に支持されるロータ3Aと、固定されたステータ3Bを備える。エネルギーの蓄積は発電電動機3を電動機として動作させることにより行い、電力変換器7を介して供給した電力で発電電動機3を駆動してフライホイール4を回転させ、電気エネルギーを回転エネルギーの形態で蓄積する。一方、エネルギーの蓄積は発電電動機3を発電機として動作することにより行い、フライホイール4の回転運動により発電電動機3を発電させ、フライホイール4に蓄積されている回転エネルギーを電気エネルギーの形態で電力変換器7を介して取り出す。
【0029】
ロータ3Aは、例えばアルミ等で形成された中心部分の回転体3aと、この回転体3aの外周に配置する磁石3bを備え、回転体3aは回転軸2に取り付けられている。磁石3bは、例えばNb−Fe−B磁石をN,S,N,Sというように交互に配置する。また、ステータ3Bは、推力及び吸引力を発生する常電導電磁石とし、フレーム3c及び巻線3dを備える。ロータ3Aの磁石3bの外周面とステータ3Bの巻線3dの内周面との間にはギャップ3eが形成され、ロータ3Aはステータ3B内で回転自在としている。
【0030】
4極の発電電動機を構成する場合には、ステータ3Bの巻線の数は6とし、各巻線毎に供給する電流を制御する。また、ロータ3Aの磁石3bは4つ磁石を90度毎に交互に配置する。
【0031】
回転軸2の上部位置には、回転軸2の偏位を検出する偏位センサ6が設けられる。偏位センサ6は、例えば、回転軸2の軸方向に直交する2軸方向の偏位を検出する2つのセンサ6x,6yとすることができる。偏位センサ6は、例えば、回転軸2との間隙を検出するギャップセンサを用いることができる。
【0032】
電力変換手段7は、発電電動機3の電動制御及び発電制御を行うと共に軸ぶれ制御を行う。
【0033】
発電電動機3の電動制御及び発電制御は、通常の発電電動機が行う制御と同様であり、電動制御においては外部電源から供給された電力によってロータ3Aを回転させ、フライホイール4に回転エネルギーを蓄積させる。一方、発電制御においてはロータ3Aの回転により発電を行い、フライホイール4に貯蔵された回転エネルギーを電気エネルギーの形態で外部に取り出す。電力変換手段7は、この電動制御と発電制御を切り替えて行う。
【0034】
電力変換手段7は、この電動制御及び発電制御と同時に軸ぶれ制御を行う。軸ぶれ制御は、回転軸の回転中心軸からのずれを補償する制御である。図2は、軸ぶれ及び軸ぶれ制御を説明するための図である。
【0035】
図2において、実線で示す回転軸2aは回転中心軸上にある場合を示し、破線で示す回転軸2bは回転中心軸から位置ずれした場合を示している。軸ぶれ制御は、この位置ずれした回転軸2bを回転中心軸上の回転軸2aに位置制御して偏位を補償する。回転軸2bの回転中心軸からの偏位は、例えば偏位センサ6x,6yにより求めることができる。偏位センサ6として例えばギャップセンサを用いた場合には、ギャップセンサは回転軸2bの外周面との距離Δx,Δyを検出する。なお、偏位センサ6は、このギャップセンサに限らず、他のセンサを用いることもできる。
【0036】
制御手段8は、偏位センサ6で検出した偏位量に基づいて電力変換手段7の制御量を求め制御信号を出力する。電力変換手段7は、制御手段8から入力した制御信号に基づいて、ステータ3Bの巻線3dに流す電流量を制御する。
【0037】
図3は電力変換手段の一構成例を説明するための図であり、図4は軸ぶれ制御における巻線への電流供給を説明するための図である。
【0038】
図3において、電力変換手段7は複数のインバータにより構成される。なお、ここでは、発電電動機は6つの巻線を備え、三相電流で駆動する例について説明する。
【0039】
電力変換手段7や、各相に対してそれぞれ2つずつのインバータ7を備え、外部側の交流(AC)と発電電動機側の直流(DC)との直交変換を行って、電動制御あるいは発電制御を行うと共に、各同一相における電流値を制御することにより軸ぶれ制御を行う。
【0040】
インバータ7は、同相のA相及びA′相を制御するインバータ7a,7a′、同相のB相及びB′相を制御するインバータ7b,7b′、同相のC相及びC′相を制御するインバータ7c,7c′の合計6つのインバータを備え、各同相を制御するインバータ同士(インバータ7aとインバータ7a′、インバータ7bと7b′、及びインバータ7cと7c′)は、同位相で電流値を異ならせた電流を、回転軸2を挟んで対向配置される巻線に流す。これにより、巻線により生じる磁気力は、回転軸2に対して吸引力あるいは反発力を作用させ、対向配置された巻線を結ぶ方向上において回転軸2を軸ぶれと反対側に力を加え、軸ぶれ制御を行う。
【0041】
図4において、6つの巻線は60度間隔で回転軸2の周囲に配置され、回転軸2を挟んで180度の位置に配置された巻線を1つの組として軸ぶれ制御を行う。図4では、巻線3d−Aと巻線3d−A′、巻線3d−Bと巻線3d−B′、巻線3d−Cと巻線3d−C′がそれぞれ回転軸2を挟んで180度の位置に配置され、各巻線には同位相の電流を流すインバータ7が接続される。例えば、巻線3d−Aと巻線3d−A′には、A相の電流を供給するインバータ7aと同位相のA′相の電流を供給するインバータ7a′がそれぞれ接続され、巻線3d−Bと巻線3d−B′には、B相の電流を供給するインバータ7bと同位相のB′相の電流を供給するインバータ7b′がそれぞれ接続され、また、巻線3d−Cと巻線3d−C′には、C相の電流を供給するインバータ7cと同位相のC′相の電流を供給するインバータ7c′がそれぞれ接続される。
【0042】
このうち、巻線3d−Aと巻線3d−A′には同位相で電流値の大きさが異なる電流が各インバータ7a及びインバータ7a′から供給され、この供給される電流値の大きさに応じて発生する吸引力あるいは反発力により、回転軸2を巻線3d−Aと巻線3d−A′を結ぶ線上で移動制御する。巻線3d−Bと巻線3d−B′及び巻線3d−Cと巻線3d−C′においても同様に制御することにより、軸ぶれ制御を行う。
【0043】
なお、上記例では、同位相の電流を流す巻線を、回転体を挟んで180度の位置に対向配置した例を示しているが、この巻線配置はこれに限らず他の角度配置とすることもできる。この場合には、各配置により生じる磁力の各方向の成分が軸ぶれを解消するように各相に流す電流の大きさを制御することにより対応することができる。
【0044】
この軸ぶれ制御は、発電動作中あるいは電動動作中において各巻線に流れる電流を制御することにより行うことができ、発電や電動に要する電流以外に軸ぶれ制御のための電流は要さない。
【0045】
なお、電力変換手段7は、電動制御や発電制御の制御時の他、フライホイールを自由に回転させてエネルギーを貯蔵する間においても、巻線に所定の電流を流すことにより同様に軸ぶれ制御を行うことができる。
【0046】
図5は、各相(A相,A′相,B相,B′相,C相,C′相)の位相関係と電流値の大きさとの関係を示している。図5(a)はA相の電流(実線で表示)とA′相(破線で表示)の電流の関係を示している。A相の電流とA′相の電流は位相が等しく、電流値が異なる。同様に、図5(b)はB相の電流(実線で表示)とB′相(破線で表示)の電流の関係を示し、図5(c)はC相の電流(実線で表示)とC′相(破線で表示)の電流の関係を示している。この電流値の大きさは、回転軸2の軸ぶれの方向及び軸ぶれの程度に依存する。したがって、図5に示す電流値の大きさの関係は一例であり、軸ぶれの方向や程度、及び巻線の配置等により異なる。
【0047】
次に、本発明の制御系について図6〜図8を用いて説明する。
【0048】
ロータの回転方向をx軸まわり(及びz軸まわり)に制限した1次元浮上制御では、PID制御により安定に浮上制御することができることが知られている。しかし、x,y,z軸まわりの回転を全て自由に行うことができる2次元浮上制御においては、x軸まわりの回転を制御するPID制御とy軸まわりの回転を制御するPID制御とを単に組み合わせることでは、安定した制御を行うことができない。これは、ジャイロ効果により、x,y軸まわりの回転運動に相互干渉が生じるためである。
【0049】
そこで、本発明では、状態フィードバックによる最適制御を用いることにより、ジャイロ効果によるx,y軸まわりの回転運動の相互干渉を考慮して制御を行う。
【0050】
ここで、ロータのまわりにリニア同期モータ(LMS)を4つ配した4極モデルについて、x,y軸まわりの運動方程式は数1に示される式(1),(2)で表される。
【数1】
【0051】
ただし、Ωzはロータのz軸まわりの回転角速度であり、iuy,ilyはy方向の巻線に流れる電流であり、iux,ilxはx方向の巻線に流れる電流であり、θx,θyはそれぞれx軸,y軸のまわりの回転角であり、k1,k2は定数である。
【0052】
この式において、左辺の第2項はジャイロ効果によるものであり、y軸まわりの運動にx軸まわりの運動が干渉し、x軸まわりの運動にy軸まわりの運動が干渉している。
【0053】
この式(1),(2)の運動方程式を状態方程式に直すと、
dx(t)/dx=Ax(t)+Bu(t) …(3)
となる。なお、上記式において、x(t),A,B,u(t)は、それぞれ以下の数2で示される行列式である。
【数2】
【0054】
また、u1,u2、aは、それぞれ以下の式(6),(7),(8)で表される。
u1=Δiy 1−Δiy 2 …(6)
u2=Δix 1−Δix 2 …(7)
a=2k2l2/Ixy,b=k1l/Ixy,c=Iz/Ixy …(8)
【0055】
また、k1,k2は半径方向(軸方向)の電磁石の特性から定まる定数であり、以下の式(9),(10)で表される。
k1=S・Br・N/x …(9)
k2=4F0/x・kf …(10)
ただし、Sは磁極の総有効面積、Brはモータ(例えば、PM(パルスモータ))の残留磁束密度、kfは吸引力の補正係数、F0は定常吸引力、xは定常ギャップである。
【0056】
この状態方程式を元に、状態フィードバックによる最適制御を用いて安定した制御系を求める。
【0057】
状態フィードバックにおいて、制御入力を
u(t)=−Fx(t) …(11)
とし、安定した系を評価関数を用いた最適制御法により求める。なお、u(t),F,x(t)はそれぞれ行列式で表される。
【0058】
ここで、
とすると、制御系の最適制御入力u1,u2は、以下の数3で示される式(15),(16)で表される。
【数3】
【0059】
図6は、この状態フィードバックを用いた制御系のブロック図である。なお、図6では、u1をx方向の電流uxとし、u2をy方向の電流uyとしている。
【0060】
この制御系により、x軸の出力からx軸の入力、y軸の出力からy軸の入力へフィードバックされる通常のPDフィードバックに加え、x軸の出力からy軸の入力、y軸の出力からx軸の入力へのフィードバック、すなわち逆対称交差結合(クロスフィードバック)が行われ、このクロスフィードバックにより、ジャイロ効果によるx,y軸の相互干渉に対する制御を行うことができる。
【0061】
上記の制御系のシミュレーション例について、図7〜図9を用いて説明する。ここでは、シミュレーション条件として、Kp=1×10−7とし、回転体が回転数Ωで定速回転を行っている定常状態において、t=0において、Δdθx/dt=1[rad/sec]にパルス状外乱を与えている。
【0062】
図7〜図9は、制御軸のx,y座標の応答を示している。
【0063】
図7(a)は、Ω=600[rad/sec]で回転させたときのx,y座標の応答を示している。この場合には、外乱によりx軸方向にずれが生じ、それに伴いジャイロ効果によりy軸方向にもずれが生じているが、制御により約0.03[sec]で収束し、振動数も少なく抑えられる。
【0064】
図7(b)は、図7(a)のシミュレーション結果をx,y面にプロットしたものであり、高速回転時においても歳差運動による回転が1回転半程度に抑えられる。
【0065】
図8(a)は、実際の回転数に近いΩ=100[rad/sec]における軸の応答を示している。図7(a)に示したΩ=600[rad/sec]の場合と比較して、振動数が増え、収束時間も約2.5[sec]と長くなっている。図8(b)は、図8(a)のシミュレーション結果をx,y面にプロットしたものであり、歳差運動の抑制が不十分となっている。
【0066】
ここで、低速回転時における応答を向上させるために、前記式(15),(16)のクロスフィードバック要素の比例項に微分項を加えることにより、制御系の最適制御入力u1,u2は、以下の数4で示される式(17),(18)で表される。
【数4】
【0067】
図9は、クロスフィードバック要素に微分項を加えた最適制御入力u1,u2を用いて、Ω=100[rad/sec]、Kp=1×10−7、Kcd=7.0×10−5としたときの軸の応答を示している。
【0068】
この制御系によれば、収束時間は0.03[sec]となり、歳差運動による回転が1回転程度となり、微分項を追加することにより応答を大幅に改善することができる。
【0069】
次に、図10〜図13を用いて軸ぶれ制御のシミュレーション例を説明する。ここで、ステータを、巻線が3相4極、コイル数を6つで毎相毎極のスロット数を4とし、1スロットの直列巻線回数を60回とし、ポールピッチを56.834[mm]とする。また、ステータの外径を111.0[mm]、巻線部分の外径を99.5[mm]、内径を72.4[mm]とする。なお、ステータのその他の定数、及びロータの定数、その他仕様は表1に示している。
【表1】
【0070】
前記式(15)〜(18)で表された最適制御入力u1,u2は、それぞれ所定方向(例えば、x方向及びy方向)の電流であるため、これを各コイルの電流に変換すると以下の式(19)〜(24)で表される。
iu1=u1/cos(π/12)−u2/cos(5π/12) …(19)
iv1=u1/cos(π/4)+u2/cos(5π/4) …(20)
iw1=−u1/cos(5π/12)−u2/cos(5π/12)…(21)
iu 2=−u1/cos(5π/12)+u2/cos(5π/12)…(22)
iv2=−u1/cos(π/4)−u2/cos(5π/4) …(23)
iw2=u1/cos(5π/12)+u2/cos(π/12) …(24)
【0071】
上記のフィードバック制御によるシミュレーション例について、図10〜図13を用いて説明する。
【0072】
図10は、シミュレーション条件として、定常状態で回転体が定速回転している状態において、外乱をt=0.4[sec]でx=[mm]を与え、制御定数はKp=500、Kcd=5としたときの軸の応答を示している。図11(a)、(b)は、このときの上記式で求められる各コイルの電流を示している。
【0073】
また、図12(a)は電磁石の吸引力の応答を示し、図12(b)は推力の応答を示している。図12(a)はx軸方向とy軸方向におけるそれぞれの吸引力の差であり、図12(b)はこれらのコイルにより発生する推力の和である。
【0074】
また、図13はギャップ中の磁束密度を示し、図13(a)はt=0.40002[sec]のときであって制御開始時の状態を示し、図13(b)はt=0.5[sec]のときであって回転体の姿勢が安定した時の状態を示している。
【0075】
なお、横軸x′は動的座標であり、刻み幅は2e−5[sec]である。
【0076】
このフィードバック制御によるシミュレーション例によれば、外乱が生じてから0.08[sec]ほどで姿勢を制御することができる。
【0077】
なお、制御定数はKp=500、Kcd=5としているが、Kpは50〜2000ほどの範囲で、またKcdは1〜10の範囲で制御することができる。
【0078】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、軸ぶれ制御において回転体のエネルギー損失を小さくすることができる。また、フライホイール装置において、軸ぶれ制御における回転体のエネルギー損失を小さくして、電力の貯蔵効率を高め、長時間の電力貯蔵を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の回転体の軸ぶれ制御方法を適用するフライホイール装置の一構成例を説明するための図である。
【図2】軸ぶれ及び軸ぶれ制御を説明するための図である。
【図3】電力変換手段の一構成例を説明するための図である。
【図4】軸ぶれ制御における巻線への電流供給を説明するための図である。
【図5】本発明の電力変換手段が供給する電流の各相の位相関係と電流値の大きさとの関係を示す図である。
【図6】状態フィードバックを用いた制御系のブロック図である。
【図7】制御軸のx,y座標の高速時の応答のシミュレーション例を示す図である。
【図8】制御軸のx,y座標の低速時の応答のシミュレーション例を示す図である。
【図9】制御軸のx,y座標の低速時において微分項を加えた応答のシミュレーション例を示す図である。
【図10】軸ぶれ制御のシミュレーション例の軸応答を示す図である。
【図11】軸ぶれ制御のシミュレーション例の電流応答を示す図である。
【図12】軸ぶれ制御のシミュレーション例の吸引力、推力の応答を示す図である。
【図13】軸ぶれ制御のシミュレーション例のギャップ中の磁束密度を示す図である。
【図14】従来の超伝導軸受けを備えるフライホイール装置の構成を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
1…フライホイール装置
2…回転軸
3…発電電動機
3A…ロータ
3B…ステータ
3a…回転体
3b…磁石
3c…フレーム
3d…巻線
3e…ギャップ
4…フライホイール
5…超伝導軸受け
5a…HTSバルク
5b,5c…磁石
6,6x,6y…偏位センサ
7…電力変換手段
7a〜7c,7a′〜7c′…インバータ
8…制御手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a shaft shake control method and a flywheel device to which the shaft shake control method is applied.
[0002]
[Prior art]
In the field of power systems, the power disparity between day and night and specific time zones is widening due to the increase in power demand and changes in the form of power demand. There is a need to develop and introduce a power storage device that distributes and distributes power distribution substations close to power demand areas for effective daily load leveling.
[0003]
Various types of power storage devices are known, and one of them is a high-temperature superconducting flywheel device.
[0004]
The flywheel device stores electric power as rotational energy of the flywheel during a time period with a low electric power demand such as midnight, and takes it out as electric energy at the peak of electric power demand. The flywheel has features such as being able to quickly respond to load fluctuations, high storage energy density, and low environmental pollution.
[0005]
A conventional flywheel for power storage includes a rotating body, a generator motor, a power converter, and the like. The flywheel uses the inertia of an object to convert electric power into rotational energy and store it. In order to increase the stored energy, it is necessary to rotate an object having a large moment of inertia at high speed. Since the rotational energy accumulated in the flywheel is reduced by the rotational loss of the bearing, it is required to reduce the rotational loss of the bearing.
[0006]
For this purpose, there has been proposed one that supports the rotating shaft of a flywheel with a superconducting bearing. FIG. 14 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of a flywheel device having a conventional superconducting bearing.
[0007]
In FIG. 14, a
[0008]
Superconducting bearings can support a large load without contact without contact, but there is a problem that the radial stiffness and damping constant are small and it is difficult to control the shaft runout only with this superconducting bearing. . This axial vibration has a problem that the resonance point is lowered and the dangerous rotational speed is lowered, and the vibration amplitude is increased at the resonance point. In addition, there is a problem that sufficient support cannot be provided for the unbalanced suction force generated in the radial direction due to the eccentricity of the rotor of the generator motor.
[0009]
In order to solve such problems, a configuration of a flywheel device in which a non-superconducting active bearing supporting a radial load in addition to a superconducting bearing supporting a thrust load is provided on the upper portion of the rotating shaft has been proposed. ing. A bearing 16 in FIG. 16 is an example of this active bearing. The above problem and configuration are disclosed in, for example, Patent Document 1.
[0010]
[Patent Document 1]
JP-A-5-248437
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In order to prevent shaft runout, in addition to the superconducting bearing that supports the thrust load, the configuration in which the bearing that supports the radial load is provided above the rotating shaft has a problem that the loss increases. For example, when a mechanical bearing is provided as a bearing for supporting a radial load, there is a problem of energy loss due to friction, and when a non-superconducting active bearing is provided, the active bearing is driven. Therefore, since external power is required, there is a problem that the storage efficiency of power decreases when viewed from the power system.
[0012]
Therefore, there is a problem that the energy loss of the rotating body is large in the conventional method of controlling shaft runout, and the energy storage efficiency is low because the energy loss is large in the flywheel device, and the power cannot be stored for a long time. There is a problem.
[0013]
Accordingly, the present invention aims to solve the above-described conventional problems and reduce the energy loss of the rotating body in the shaft shake control. Further, in the flywheel device, the energy loss of the rotating body in the shaft shake control is reduced. Thus, it is an object to increase power storage efficiency and enable long-time power storage.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The present invention uses a generator motor as a magnetically controlled bearing, thereby supporting the rotating body in a non-contact manner and reducing power loss associated with shaft shake control of the rotating body.
[0015]
The aspect of the present invention can be an aspect of a method of controlling the axial shake of a rotating body and an aspect of a flywheel device in which the method of controlling the axial shake is applied to a rotating body including a flywheel.
[0016]
According to the rotating body shake control method of the present invention, in the rotating shake control of the rotating body, electric control and power generation control of the rotating body are performed by current control of the same winding. By controlling, the radial direction of the rotating shaft is controlled. According to this bearing control, by controlling the current value flowing through each winding in electric control and power generation control, bearing control can be performed using the current required for electric or power generation, and it is used only for bearing control. An electric current can be made unnecessary, and the energy loss of the rotary body accompanying bearing control can be reduced. Further, since this shaft shake control is non-contact with the rotating body, energy loss due to friction can be eliminated.
[0017]
A flywheel device to which this shaft shake control method is applied is a flywheel device having a flywheel and a generator motor on a rotating shaft, and includes a current control means for controlling the current of the generator motor. The means controls the radial direction of the rotating shaft by controlling the current flowing through the windings of the generator motor and adjusting the electromagnetic force generated by the generator motor.
[0018]
The current control is performed by controlling the current value of the in-phase current that flows through the pair of windings arranged to face the rotating body. As a result, an electromagnetic force having a magnitude corresponding to the current value of the current supplied to each winding is generated from the two windings arranged opposite to each other, and a suction force having a magnitude based on the difference in the current value with respect to the rotating body. Alternatively, a repulsive force acts, thereby controlling the shaft shake of the rotating body. The current control means of the flywheel device controls the shake of the rotating shaft including the flywheel by controlling the current value of the in-phase current that flows through the pair of windings arranged opposite to each other provided in the generator motor.
[0019]
In the current value control, the current value that flows through the winding pair is obtained from the deviation from the rotation center axis of the rotating body by the optimum control by the state feedback that feeds back the deviation to the supply current. The deviation can be an axial deflection angle of a bi-directional axis orthogonal to the axial direction of the rotating body, and the axial deflection angle can be obtained by a displacement from the rotation center axis of the rotating body.
[0020]
Optimal control includes PD feedback that feeds back between the coaxial axes in two-way axes, and cross feedback that feeds back between different axes (inverse symmetric cross coupling). By including cross feedback, each axis due to the gyro effect of the rotating body Mutual interference between the two can be controlled.
[0021]
The current control means included in the flywheel device has the function of performing the current control, so that the method of controlling the shaft shake of the rotating body of the present invention can be applied.
[0022]
In shaft runout control, it is possible to reduce power loss due to friction in the bearing shaft and power loss due to external power for driving the magnetic bearing, so the power storage efficiency of the flywheel device can be increased, Maintenance management such as replenishment of lubricant and countermeasures against friction is not required, and power can be stored for a long time.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The configuration of the shaft shake control and current control of the rotating body of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5, the control system of the present invention will be described with reference to FIG. 6, and the control system will be described with reference to FIGS. A simulation example of shaft shake control will be described with reference to FIGS.
[0024]
First, an example of the configuration of a flywheel device to which the shaft shake control method of a rotating body of the present invention is applied will be described with reference to FIG.
[0025]
In FIG. 1, a flywheel device 1 has a
[0026]
A
[0027]
Since the
[0028]
The
[0029]
The rotor 3A includes a central rotating body 3a formed of, for example, aluminum, and a magnet 3b disposed on the outer periphery of the rotating body 3a. The rotating body 3a is attached to the
[0030]
When a 4-pole generator motor is configured, the number of windings of the stator 3B is set to 6, and the current supplied to each winding is controlled. Moreover, the magnet 3b of the rotor 3A arranges four magnets alternately every 90 degrees.
[0031]
A
[0032]
The power conversion means 7 performs electric control and power generation control of the
[0033]
Electric control and power generation control of the
[0034]
The power conversion means 7 performs shaft shake control simultaneously with the electric control and power generation control. The axial shake control is control for compensating for the deviation of the rotation axis from the rotation center axis. FIG. 2 is a diagram for explaining shaft shake and shaft shake control.
[0035]
In FIG. 2, the rotation axis 2a indicated by a solid line indicates a case where the rotation axis is on the rotation center axis, and the
[0036]
The control means 8 obtains the control amount of the power conversion means 7 based on the displacement amount detected by the
[0037]
FIG. 3 is a diagram for explaining a configuration example of the power conversion means, and FIG. 4 is a diagram for explaining current supply to the windings in the shaft shake control.
[0038]
In FIG. 3, the power conversion means 7 is composed of a plurality of inverters. Here, an example in which the generator motor includes six windings and is driven by a three-phase current will be described.
[0039]
Power conversion means 7 and two
[0040]
The
[0041]
In FIG. 4, six windings are arranged around the
[0042]
Among them, the
[0043]
In the above example, the windings for passing the current of the same phase are arranged opposite to each other at 180 degrees with the rotating body interposed therebetween. However, this winding arrangement is not limited to this, and other angular arrangements may be used. You can also This case can be dealt with by controlling the magnitude of the current flowing in each phase so that the components in each direction of the magnetic force generated by each arrangement are eliminated.
[0044]
This shaft shake control can be performed by controlling the current flowing through each winding during the power generation operation or the electric operation, and no current for shaft shake control is required other than the current required for power generation or electric drive.
[0045]
The power conversion means 7 also controls shaft shake by causing a predetermined current to flow in the windings while storing energy by freely rotating the flywheel in addition to control of electric control and power generation control. It can be performed.
[0046]
FIG. 5 shows the relationship between the phase relationship of each phase (A phase, A ′ phase, B phase, B ′ phase, C phase, C ′ phase) and the magnitude of the current value. FIG. 5A shows the relationship between the A-phase current (indicated by a solid line) and the A′-phase (indicated by a broken line). The A-phase current and the A′-phase current have the same phase and different current values. Similarly, FIG. 5B shows the relationship between the B-phase current (shown by a solid line) and the B′-phase (shown by a broken line), and FIG. 5C shows the C-phase current (shown by a solid line). The relationship of the electric current of C 'phase (it shows with a broken line) is shown. The magnitude of this current value depends on the direction of the shaft shake of the
[0047]
Next, the control system of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0048]
In one-dimensional levitation control in which the rotation direction of the rotor is limited to around the x axis (and around the z axis), it is known that levitation control can be stably performed by PID control. However, in the two-dimensional levitation control that can freely rotate all around the x, y, and z axes, PID control that controls rotation around the x axis and PID control that controls rotation around the y axis are simply performed. In combination, stable control cannot be performed. This is because mutual interference occurs in the rotational movement around the x and y axes due to the gyro effect.
[0049]
Therefore, in the present invention, control is performed in consideration of mutual interference between rotational motions about the x and y axes due to the gyro effect by using optimal control based on state feedback.
[0050]
Here, for a four-pole model in which four linear synchronous motors (LMS) are arranged around the rotor, the equations of motion about the x and y axes are expressed by equations (1) and (2) shown in equation (1).
[Expression 1]
[0051]
Where Ωz is the rotational angular velocity around the z-axis of the rotor, iuy, ily are currents flowing in the y-direction winding, iux, ilx are currents flowing in the x-direction winding, and θx, θy are respectively the rotation angle around the x and y axes, k1, K2Is a constant.
[0052]
In this equation, the second term on the left side is due to the gyro effect, and the movement around the x axis interferes with the movement around the y axis, and the movement around the y axis interferes with the movement around the x axis.
[0053]
When the equations of motion of these equations (1) and (2) are converted into the state equations,
dx (t) / dx = Ax (t) + Bu (t) (3)
It becomes. In the above formula, x (t), A, B, and u (t) are determinants represented by the following
[Expression 2]
[0054]
U1, U2, A are represented by the following equations (6), (7), (8), respectively.
u1= Δiy 1-Δiy 2 (6)
u2= Δix 1-Δix 2 ... (7)
a = 2k2l2/ Ixy, b = k1l / Ixy, c = Iz / Ixy (8)
[0055]
And k1, K2Is a constant determined from the characteristics of the electromagnet in the radial direction (axial direction) and is expressed by the following equations (9) and (10).
k1= SBr・ N / x (9)
k2= 4F0/ X ・ kf (10)
Where S is the total effective area of the magnetic poles and BrIs the residual magnetic flux density of the motor (for example, PM (pulse motor)), kfIs the correction coefficient for suction force, F0Is a steady suction force and x is a steady gap.
[0056]
Based on this state equation, a stable control system is obtained using optimal control based on state feedback.
[0057]
In state feedback, control input
u (t) = − Fx (t) (11)
A stable system is obtained by an optimal control method using an evaluation function. U (t), F, and x (t) are each represented by a determinant.
[0058]
here,
Then, the optimal control input u of the control system1, U2Is expressed by the following equations (15) and (16).
[Equation 3]
[0059]
FIG. 6 is a block diagram of a control system using this state feedback. In FIG. 6, u1X current uxAnd u2TheyDirectional current uyIt is said.
[0060]
With this control system, in addition to the normal PD feedback fed back from the x-axis output to the x-axis input and from the y-axis output to the y-axis input, from the x-axis output to the y-axis input and from the y-axis output Feedback to the input of the x axis, that is, reverse symmetric cross coupling (cross feedback) is performed, and the cross feedback can control the mutual interference of the x and y axes due to the gyro effect.
[0061]
A simulation example of the above control system will be described with reference to FIGS. Here, as simulation conditions, Kp= 1 x 10-7In a steady state where the rotating body is rotating at a constant speed Ω, Δdθ at t = 0xA pulsed disturbance is applied to / dt = 1 [rad / sec].
[0062]
7 to 9 show the responses of the x and y coordinates of the control axis.
[0063]
FIG. 7A shows the response of the x and y coordinates when rotating at Ω = 600 [rad / sec]. In this case, a shift occurs in the x-axis direction due to disturbance, and a shift also occurs in the y-axis direction due to the gyro effect. However, the control converges in about 0.03 [sec], and the frequency is suppressed to a low level. It is done.
[0064]
FIG. 7B is a plot of the simulation results of FIG. 7A on the x and y planes, and rotation due to precession is suppressed to about one and a half rotations even at high speed rotation.
[0065]
FIG. 8A shows the shaft response at Ω = 100 [rad / sec] close to the actual rotational speed. Compared to the case of Ω = 600 [rad / sec] shown in FIG. 7A, the frequency is increased and the convergence time is also increased to about 2.5 [sec]. FIG. 8B is a plot of the simulation results of FIG. 8A on the x and y planes, and the suppression of precession is insufficient.
[0066]
Here, in order to improve the response at the time of low-speed rotation, an optimum control input u of the control system is obtained by adding a derivative term to the proportional term of the cross feedback element of the above equations (15) and (16).1, U2Is expressed by equations (17) and (18) expressed by the following equation (4).
[Expression 4]
[0067]
FIG. 9 shows an optimal control input u with a differential term added to the cross feedback element.1, U2, Ω = 100 [rad / sec], Kp= 1 x 10-7, Kcd= 7.0 × 10-5The response of the axis is shown.
[0068]
According to this control system, the convergence time is 0.03 [sec], the rotation due to precession is about one rotation, and the response can be greatly improved by adding a differential term.
[0069]
Next, a simulation example of shaft shake control will be described with reference to FIGS. Here, the stator has three phases and four poles, the number of coils is six, the number of slots per pole is four, the number of series windings of one slot is 60, and the pole pitch is 56.834 [ mm]. Further, the outer diameter of the stator is 111.0 [mm], the outer diameter of the winding portion is 99.5 [mm], and the inner diameter is 72.4 [mm]. Table 1 shows other stator constants, rotor constants, and other specifications.
[Table 1]
[0070]
Optimal control input u expressed by the equations (15) to (18)1, U2Are currents in predetermined directions (for example, the x direction and the y direction), and are converted into currents of the respective coils, and are expressed by the following equations (19) to (24).
iu1= U1/ Cos (π / 12) -u2/ Cos (5π / 12) (19)
iv1= U1/ Cos (π / 4) + u2/ Cos (5π / 4) (20)
iw1= -U1/ Cos (5π / 12) -u2/ Cos (5π / 12) (21)
iu 2= -U1/ Cos (5π / 12) + u2/ Cos (5π / 12) (22)
iv2= -U1/ Cos (π / 4) -u2/ Cos (5π / 4) (23)
iw2= U1/ Cos (5π / 12) + u2/ Cos (π / 12) (24)
[0071]
A simulation example based on the feedback control will be described with reference to FIGS.
[0072]
FIG. 10 shows a simulation condition in which the disturbance is given by t = 0.4 [sec] and x = [mm] in a steady state where the rotating body is rotating at a constant speed, and the control constant is Kp= 500, KcdThe axis response is shown when = 5. FIGS. 11A and 11B show the current of each coil obtained by the above formula at this time.
[0073]
FIG. 12A shows the response of the attractive force of the electromagnet, and FIG. 12B shows the response of the thrust. FIG. 12A shows the difference between the suction forces in the x-axis direction and the y-axis direction, and FIG. 12B shows the sum of the thrusts generated by these coils.
[0074]
FIG. 13 shows the magnetic flux density in the gap, FIG. 13 (a) shows the state at the start of control when t = 0.0002 [sec], and FIG. 13 (b) shows t = 0. It shows a state when the posture of the rotating body is stable at 5 [sec].
[0075]
The horizontal axis x ′ is dynamic coordinates, and the step size is 2e−5 [sec].
[0076]
According to the simulation example by the feedback control, the posture can be controlled about 0.08 [sec] after the disturbance occurs.
[0077]
The control constant is Kp= 500, Kcd= 5, but KpIs in the range of 50-2000, and KcdCan be controlled in the range of 1-10.
[0078]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the energy loss of the rotating body in the shaft shake control. Further, in the flywheel device, it is possible to reduce the energy loss of the rotating body in the shaft shake control, increase the power storage efficiency, and enable long-term power storage.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration example of a flywheel apparatus to which a rotating body shake control method of a rotating body according to the present invention is applied.
FIG. 2 is a diagram for explaining shaft shake and shaft shake control;
FIG. 3 is a diagram for explaining a configuration example of power conversion means.
FIG. 4 is a diagram for explaining current supply to a winding in shaft shake control.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the phase relationship of each phase of the current supplied by the power conversion means of the present invention and the magnitude of the current value.
FIG. 6 is a block diagram of a control system using state feedback.
FIG. 7 is a diagram showing a simulation example of a response at high speed of x and y coordinates of a control axis.
FIG. 8 is a diagram showing a simulation example of a response at a low speed of the x and y coordinates of the control axis.
FIG. 9 is a diagram showing a simulation example of a response with a differential term added when the x and y coordinates of the control axis are low.
FIG. 10 is a diagram illustrating an axial response of a simulation example of shaft shake control.
FIG. 11 is a diagram illustrating a current response of a simulation example of shaft shake control.
FIG. 12 is a diagram showing a response of suction force and thrust in a simulation example of shaft shake control.
FIG. 13 is a diagram illustrating magnetic flux density in a gap in a simulation example of shaft shake control.
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of a flywheel device having a conventional superconducting bearing.
[Explanation of symbols]
1 ... Flywheel device
2 ... Rotation axis
3 ... Generator motor
3A ... Rotor
3B ... Stator
3a ... Rotating body
3b ... Magnet
3c ... Frame
3d ... Winding
3e ... Gap
4 ... Flywheel
5. Superconducting bearing
5a ... HTS bulk
5b, 5c ... Magnet
6, 6x, 6y ... Deviation sensor
7. Power conversion means
7a-7c, 7a'-7c '... inverter
8. Control means
Claims (12)
前記回転体の電動制御及び発電制御を同一巻線の電流制御で行うと共に、当該電流制御により各巻線に流す電流値を制御することにより回転軸のラジアル方向制御を行うことを特徴とする、回転体の軸ぶれ制御方法。In the shaft runout control of a rotating body,
The electric control and power generation control of the rotating body is performed by current control of the same winding, and the radial direction control of the rotating shaft is performed by controlling the current value flowing through each winding by the current control. Body shake control method.
前記発電電動機の電流を制御する電流制御手段を備え、
当該電流制御手段は前記発電電動機に流す電流を制御して、当該発電電動機が形成する電磁力を調整することにより回転軸のラジアル方向制御を行うことを特徴とする、フライホイール装置。In a flywheel device provided with a flywheel and a generator motor on a rotating shaft,
Comprising current control means for controlling the current of the generator motor;
The flywheel device characterized in that the current control means controls the current flowing through the generator motor and controls the radial direction of the rotating shaft by adjusting the electromagnetic force generated by the generator motor.
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