JP2011166963A

JP2011166963A - 磁気カップリング制御装置

Info

Publication number: JP2011166963A
Application number: JP2010027834A
Authority: JP
Inventors: Hironori Kitajima; 寛規北嶋; Hiroshi Kawada; 博司川田; Teru Toyama; 暉遠山
Original assignee: DEJIANET KK; UINBERU KK; Hitachi Cable Ltd
Current assignee: DEJIANET KK; UINBERU KK; Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2011-08-25
Also published as: KR20110093586A; CN102148598A

Abstract

【課題】内側回転体の負荷状態や駆動状態に応じて制御態様を容易に調整可能とし、簡易コンパクトな構成でより好適な制御態様を実現する。
【解決手段】磁気カップリング制御装置１０は、内周部に回転可能なロータ部１２を有する外側機能体１０ＭＴと、ロータ部の内周側に間隔を有して配置される内側回転体１４と、外側機能体と内側回転体の間に配置される管壁を備えた管材Ｐと、ロータ部の内周部において軸線周りに配列された複数の外側磁極１２ｃ及び内側回転体の外周部において複数の外側磁極に対して回転方向に整合して回転方向に磁気カップリング可能に配列された複数の内側磁極１４ｂを有する磁気カップリング構造と、外側磁極と内側磁極の位相差を検出する位相差検出手段１５、１６、１２０と、位相差に応じて外側機能体を制御する外側機能体制御手段１０３、１０６、１０７とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は磁気カップリング制御装置に係り、特に、管材の内部に配置された内側回転体を非接触で制御する場合に好適な装置構成及び制御技術に関する。

従来から非接触で回転運動を伝達するための磁気カップリングを用いた駆動系が知られている。この磁気カップリングを用いた駆動系では、例えば、複数の磁極を回転方向に配列させた一対の磁気ディスクを対向する位置に配置することで、一方の磁気ディスクの回転と同期した態様で他方の磁気ディスクを回転駆動可能な構造が知られている。

一方、各種の配管内に配置した物体を駆動するために、磁気力を用いて配管の外部から当該物体を駆動する機構も知られている。配管としては、例えば水道管や下水管などのほかに、熱交換器の媒質通路を構成する管材なども挙げられる。上記物体としては、例えば配管の内面の加工処理具、清掃具などがある。

また、管材の外側にステータを配置し、管材の内側の物体にロータを固定することによりマグネットモータを構成して当該物体を回転駆動するように構成したものも提案されている。

しかしながら、上記従来の磁気カップリングを用いた駆動機構においては、外部より与えられる駆動トルクの変動や管材の内部の物体に加わる負荷トルクの変動により磁気カップリングに脱調が生ずる虞があり、これによって物体を安定的に駆動することができず、物体の動作態様を最適化することが難しいという問題点がある。

また、上記従来のマグネットモータを用いる駆動機構においては、管材が金属などの導電材である場合には、ステータにより形成される変動磁界によって管材に渦電流が発生するため、当該渦電流による損失によりロータに与えることのできる回転トルクが減少する。この場合、上記の渦電流損は回転速度が大きくなるほど大きくなる。したがって、この渦電流損による駆動効率の低下を補うためには、マグネットモータの体積を大きくする必要があるので、加工装置のコンパクト化が難しくなるという問題点がある。

そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、内周側に配置された内側回転体を外周側から磁気カップリングにより制御するようにした磁気カップリング制御装置において、内側回転体の負荷状態や駆動状態に応じて制御態様を容易に調整可能とし、簡易コンパクトな構成でより好適な制御態様を実現することのできる装置構成及び制御技術を提供することにある。

斯かる実情に鑑み、本発明の磁気カップリング制御装置は、内周部に回転可能なロータ部及び該ロータ部を制御可能なステータ部を有する外側機能体と、前記ロータ部の内周側に間隔を有して配置される内側回転体と、前記外側機能体と前記内側回転体の間に配置される管壁を備えた管材と、前記ロータ部の内周部において軸線周りに配列された複数の外側磁極、及び、前記内側回転体の外周部において前記複数の外側磁極に対して回転方向に整合し前記管壁を介して該回転方向に磁気カップリング可能に配列された複数の内側磁極を有する磁気カップリング構造と、前記外側磁極と前記内側磁極の回転方向の位相差を検出する位相差検出手段と、前記位相差に応じて前記外側機能体を制御する外側機能体制御手段と、を具備することを特徴とする。

この発明によれば、磁気カップリング構造の駆動側（外側）と被動側（内側）の位相差を位相差検出手段により検出することにより、検出された位相差により内側回転体が受ける回転負荷や回転駆動力の変動を容易に知ることができるとともに、この位相差に応じて内側回転体を制御することができる。また、外側機能体は磁気カップリング構造で管材を介して内側回転体と非接触で結合したロータ部と、このロータ部を制御可能なステータ部を有するので、外側機能体を管材の外側に簡易かつコンパクトに配置できる。特に、位相差検出手段によって検出された上記位相差に応じて制御手段が外側機能体を制御することにより、内側回転体に対する駆動や制動或いは負荷等の機能状態を調整することで、回転数精度を向上させたり、磁気カップリング構造の脱調を防止したりするなど、内側回転体に対する制御性を高めることができることから、内側回転体をより安定的かつ精密に制御することが可能になる。ここで、上記外側機能体制御手段は、例えば、位相差検出手段によって検出された上記位相差によって磁気カップリング構造の脱調を検知し、当該脱調が生じた場合に、外側機能体の駆動を停止したり、ロータ部の回転数を低下させたり、駆動トルクを低減したりする手段、或いは、外側機能体の制動を解除したり、ロータ部の回転数を増加させたり、制動（負荷）トルクを低減したりする手段であってもよく、また、上記位相差に応じて常時外側機能体の駆動や制動或いは負荷等の機能状態を制御する手段であってもよい。

本発明の一の態様においては、前記外側機能体制御手段は、前記位相差が脱調限界を越えたときに、或いは、脱調限界以下に設定された既定値を越えたときに、前記外側機能体に対する制御態様を変更する手段である。これによれば、磁気カップリング構造に脱調が生じたこと、或いは、脱調が生ずる虞のあることを検知して外側機能体に対する制御態様を変更することにより、脱調による対処を的確に行うことができ、或いは、脱調を未然に防止することができる。

本発明の他の態様においては、前記外側機能体制御手段は、前記位相差に応じて前記外側機能体による前記ロータ部の回転トルク（駆動トルクや制動トルク或いは負荷トルク）を制御するトルク制御手段である。これによれば、上記位相差に応じてトルク制御手段が外側機能体の回転トルクを制御することにより、磁気カップリング構造の外周側と内周側の間に加わる回転トルクを直接かつ迅速に制御することができるため、回転数制御などの他の手段に比べて、磁気カップリング構造の脱調を防止するなど、カップリング状態を維持する際の制御性を高めることができる。

この場合にはさらに、前記トルク制御手段は、前記位相差が脱調限界未満に設定された既定値を越えないように前記回転トルクを制限するトルク制限手段であることが好ましい。これによれば、上記位相差が既定値を越えないように上記回転トルクを制限することによって、簡易な制御構成でありながら、内側回転体の負荷変動や回転駆動力の変動が生じた場合等においても磁気カップリング構造の脱調を確実に防止できる。

本発明の他の態様においては、前記外側機能体は、前記ステータ部が前記ロータ部を回転駆動する駆動磁界を形成する電動機である。これによれば、ロータ部の回転状態や駆動トルクを確実かつ正確に制御することができる。また、インナロータ型のモータ構造とすることでコンパクトに構成できるという利点もある。また、前記外側機能体は、前記ステータ部が前記ロータ部の回転により発生する回転磁界を受けて電力を生ずる発電機であってもよい。これによれば、ロータ部の回転状態や制動トルク或いは負荷トルクを確実かつ正確に制御することができる。

本発明のさらに他の態様においては、前記位相差検出手段は、前記管材の外周側において前記内側回転体に対して非接触で前記内側回転体の回転位相を検出する内側検出器を含む。このように位相差検出手段が管材の外周側において内側回転体とは非接触で位相差を検出可能に構成されることで、管材が長く配線が困難であったり管材内に流体が存在したりしても漏洩の心配がないなど、管材に妨げられずに支障なく位相差を検出できるから、配線構造や封止構造が不要となり、さらに簡易でコンパクトな構成とすることができる。

本発明の別の態様においては、それぞれ軸線方向に配置された複数段の前記複数の外側磁極及び前記複数の内側磁極を有し、該複数段の前記複数の外側磁極及び前記複数の内側磁極は軸線方向に整合してそれぞれの段において該軸線方向に磁気カップリング可能に構成される。これによれば、内側回転体を軸線方向に保持する保持トルクを上記複数段の段数分増大させることができるので、内側回転体を軸線方向に確実かつ正確に位置決めすることができる。

本発明においては、前記位相差検出手段は、前記内側回転体における前記外側磁極と半径方向に重ならない部位に設けられた検出用磁極群と、該検出用磁極群との前記管材を通した磁気的相互作用により前記内側回転体の回転位置を検出する磁気センサとを含むことが好ましい。

本発明によれば、内側回転体の負荷状態や駆動状態に応じて制御態様を調整することができ、簡易かつコンパクトな構成でより好適な制御態様を実現できるという優れた効果を奏し得る。

本発明に係る磁気カップリング制御装置の実施形態の概略縦断面図。同実施形態の磁気カップリング構造を示す縦断面図（ａ）、内側回転体の磁極構造を示す正面図（ｂ）、及び、ロータ部の磁極構造を示す縦断面図（ｃ）。同実施形態のより具体的な構成例を示す縦断面図。図３の一部を拡大して示す拡大部分断面図。同実施形態の制御系の全体構成の一例を示す概略構成ブロック図。位相差検出手段に係る検出器の検出信号及びこれから導出される各種信号の態様を示すタイミングチャート。位相検出回路の脱調検知信号を出力する構成例を示す概略回路図。位相検出回路の位相信号を出力する構成例を示す概略回路図。

次に、添付図面を参照して本発明に係る磁気カップリング制御装置の実施形態について詳細に説明する。図１は実施形態の基本構成を示す概略縦断面図、図２は実施形態の各部を示す部分図（ａ）〜（ｃ）である。

本実施形態において、磁気カップリング制御装置１０は、外周に配置されたステータ部１１と、このステータ部１１の内側に対向配置されたロータ部１２とを有する外側機能体１０ＭＴを備えている。外側機能体１０ＭＴは図示例ではＤＣブラシレスモータを構成している。ステータ部１１は、軸線１０ｘ及びその周囲において開口（貫通）した形状のフレーム１１ａと、このフレーム１１ａの内部に固定されるとともに、軸線１０ｘ周りに複数配列されたステータ磁極１１ｂ及びコイル１１ｃを備えている。

また、ロータ部１２は、フレーム１１ａに対して軸受１３を介して軸線１０ｘを中心に回転自在に軸支された円筒状の磁性筒体（ヨーク）１２ａと、この磁性筒体１２ａの外周面上に軸線１０ｘ周りに複数配列された複数のロータ磁極１２ｂとを有している。本実施形態においてロータ磁極１２ｂは図２に示すように軸線１０ｘ周りに交互にＮ極とＳ極が配置される態様で配列されている。図示例では軸線１０ｘ周りに交互に異なる極性となる態様で四つのロータ磁極１２ｂが配列されているが、もちろんこれに限定されるものではない。これらのロータ磁極１２ｂはステータ磁極１１ｂと僅かな間隔を隔てて対向配置される。フレーム１１ａにはロータ検出器１５が設置され、当該ロータ検出器１５はロータ部１２のロータ磁極１２ｂを検出して、ロータ部１２の回転位置を検出可能に構成されている。

本実施形態では、ロータ検出器１５とロータ磁極１２ｂは外側機能体１０ＭＴの駆動用の回転位置検出手段として用いられるだけでなく、磁気カップリング構造１０ＭＣの外側磁極１２ｃの回転位置を検出する手段をも構成している。なお、このように図示例ではロータ検出器１５が外側検出器を兼ねているが、後述するように別途外側検出器を設けてもよい。また、ロータ検出器１５は後述する外側磁極１２ｃを検出してもよく、別途設けた検出用磁極群を検出するようにしても構わない。いずれにしても、ロータ検出器１５で構成される外側検出器と後述する内側検出器１６の出力により外側磁極１２ｃと内側磁極１４ｂとの位相差を検出することができるように構成されていればよい。

なお、上記外側機能体１０ＭＴにおいては、ステータ部１１は電磁構造を有し、ロータ部１２は永久磁石で構成された電動機で構成されているが、本発明の外側機能体は特に当該構成の電動機に限定されるものではなく、結果としてロータ部１２の回転状態を制御することのできる構造であれば、他の構成を有する電動機、或いは、電動機以外の構成、例えば発電機であっても構わない。

ロータ部１２の内周面には、軸線１０ｘ周りに複数配列された外側磁極１２ｃが設けられる。複数の外側磁極１２ｃは、図示例では軸線１０ｘ周りに交互にＮ極とＳ極が配置される態様で配列されている。図示例では、強磁性体よりなる磁性筒体１２ａの内外両面にそれぞれ永久磁石からなる同数のロータ磁極１２ｂと外側磁極１２ｃが対応した角度位置に配置され、内外に重ねて配置されるロータ磁極１２ｂと外側磁極１２ｃの極性が相互に逆極性となるように構成されている。ただし、ロータ部１２の内外のロータ磁極１２ｂと外側磁極１２ｃは必ずしも対応している必要はなく、内外の磁極が無関係に配列されるように構成しても構わない。

上記のように軸線１０ｘ周りに複数配列された外側磁極１２ｃは、軸線１０ｘ方向に複数段設けられている。このとき、軸線１０ｘ方向に隣接する段の外側磁極１２ｃ同士が相互に逆極性を備えるように構成される。図示例では軸線方向に４段の構成を有するが、もちろん、段数は特に限定されない。複数段の構造が設けられることで、後述するように内側回転体１４の軸線方向の保持力が増大する。

ロータ部１２の内周面には、上記外側磁極１２ｃを覆う非磁性体からなる保護部材１２ｄが取り付けられている。この保護部材１２ｄは好ましくは合成樹脂等で一体に構成される。保護部材１２ｄは、ロータ部１２の上記複数の外側磁極１２ｃが配列された領域（以下、単に「駆動領域」という。）に配置された筒状部１２ｄ−１を有し、当該筒状部１２ｄ−１が複数の外側磁極１２ｃを被覆している。また、保護部材１２ｄの上記駆動領域から外れた位置（端部）には上記筒状部１２ｄ−１より厚肉に構成された端枠部１２ｄ−２が設けられ、当該端枠部１２ｄ−２が上記磁性筒材１２ａの端部に固定される。この保護部材１２は、ロータ部１２の内部に挿通される管材Ｐの外面が直接に外側磁極１２ｃに接触することを防止するための保護材である。

上記ロータ部１２のさらに内側には間隔を有して内側回転体１４が配置される。内側回転体１４は全体として軸状に構成されている。内側回転体１４は、ロッド軸１４ａの外周面上に軸線１０ｘ周りに複数配列された内側磁極１４ｂを備えている。これらの内側磁極１４ｂは、軸線１０ｘ周りに見て、外側に対向する逆極性の外側磁極１２ｃと対応する周期で（同じ角度範囲で同じ数だけ）配置されている。

上記外側磁極１２ｃと内側磁極１４ｂについては、基本的に相互に対応する逆極性の磁極同士が半径方向に対向配置されるように構成される。具体的には、図２に示すように、外側磁極１２ｃと内側磁極１４ｂは、それぞれ軸線１０ｘの周りにＮ極とＳ極を相手方に向けた少なくとも一対の磁石（好ましくは永久磁石）が隣接するように配置され、これらの一対の磁石の組同士がラジアル方向にギャップを介して対向するように構成される。このことで、駆動側（外側）構造と被動側（内側）構造との間に磁気力が発生し、両者間に回転力を非接触で伝達できる磁気カップリングが構成される。

本実施形態では、駆動側と被動側にはそれぞれ上記一対の磁石の組が軸線周りに複数組配置される。各磁極１２ｃ、１４ｂはそれぞれ軸線１０ｘ周りに等角度範囲かつ等角度間隔で配置され、磁極１２ｃと磁極１４ｂの角度範囲と角度間隔も相互に同じに設定される。ただし、複数の磁極１２ｃと複数の磁極１４ｂとが全体として半径方向に対応した構成を有して結果として磁気カップリングとしての機能が果たされるのであれば、各磁極の角度範囲と角度間隔は同じでなくてもよい。

上記のように軸線１０ｘ周りに複数配列された内側磁極１４ｂは、上記外側磁極１２ｃに対応して、軸線１０ｘ方向に複数段（図示例では４段）設けられている。このとき、軸線１０ｘ方向に隣接する段の内側磁極１４ｂ同士が相互に逆極性を備えるように構成される。また、各段においてはそれぞれに上述のように外側磁極１２ｃと、これに対向する対応する内側磁極１４ｂとが相互に逆極性となるように構成される。

内側回転体１４の上記内側磁極１４ｂが配列される領域（以下、単に「被動領域」という。）の軸線１０ｘ方向両側には、上記ロッド軸１４ａに対して回転自在に装着された内側磁極１４ｂよりも大径とされたガイドローラ１４ｃが装着されている。これらのガイドローラ１４ｃは、ロータ部１２の内側に挿通され、内側回転体１４を内包する管材Ｐの内径に適合する外径を有し、当該管材Ｐ内で内側回転体１４がスムーズに回転するように構成される。

内側回転体１４の被動領域の外側においては、上記内側磁極１４ｂとは別に、上記外側磁極１２ｃと半径方向に重ならない位置において軸線１０ｘ周りに複数の検出用磁極群１４ｄが固定されている。これらの検出用磁極群１４ｄは回転方向に複数の異なる極性の磁極を配列させてなり、内側回転体１４の回転位置を検出する内側検出器１６によって検出される対象となっている。すなわち、内側検出器１６及び検出用磁極群１４ｄは被動側の回転位置検出手段を構成している。複数の検出用磁極群１４ｄの角度位置、角度範囲及び数は内側磁極１４ｂの角度位置、角度範囲及び数に対応していることが望ましいが、特に限定されるものではなく、また、検出用磁極群１４ｄではなく、例えば内側磁極１４ｂそのものを内側検出器１６が検出する構成であってもよい。いずれにしても、ロータ検出器１５で構成される外側検出器と内側検出器１６の出力によって外側磁極１２ｃと内側磁極１４ｂの位相差を検出することができる構成であればよい。

なお、ロータ検出器１５と内側検出器１６はいずれもロータ部１２と内側回転体１４の角度位置をそれぞれ相対的に検知できるものであればよく、上述のように磁気的な検出機能を有するものに限らず、光学式センサなどの他の原理や構成で検知するものであっても構わない。ただし、内側検出器１６は、管材Ｐの内側に配置された内側回転体１４を検出するものであるため、管材Ｐを介在させても検出可能な検出器、すなわち、管材Ｐの外周側において非接触で内側回転体１４の回転位相を検出可能なものであることが好ましい。したがって、管材Ｐが非磁性金属である場合には、磁気センサを用いることが最も好ましい。

本実施形態では、外側機能体１０ＭＴの複数のコイル１１ｃにそれぞれ後述するモータ駆動回路より適宜の電力を供給することにより、ステータ部１１によって駆動磁界が発生し、ロータ部１２が回転駆動される。ロータ部１２が回転すると、その外側磁極１２ｃと内側回転体１４の内側磁極１４ｂとの磁気カップリング構造により、内側回転体１４がロータ部１２と同期して回転する。また、ロータ部１２の内部に非磁性体（強磁性体でない材料）よりなる管材Ｐを挿通し、この管材Ｐの内部に内側回転体１４を配置すると、内側回転体１４を管材Ｐの内部で回転駆動することができる。このとき、非磁性体の管材Ｐが金属等の導電体で構成される場合でも、外側磁極１２ｃと内側磁極１４ｂとの間に形成される磁界は、ロータ部１２及び内側回転体１４の回転とともにほとんど変化せずに回転するだけであるので、基本的に渦電流による損失はほとんど発生しない。

本実施形態では、ロータ部１２において軸線１０ｘ方向に複数段の外側磁極１２ｃが設けられ、これに対応して内側回転体１４にも軸線１０ｘ方向に複数段の内側磁極１４ｂが設けられていることにより、軸線１０ｘ方向に高い保持力が発生する。外側磁極１２ｃと内側磁極１４ｂを一段ずつ設けた場合に比べてほぼ段数倍（図示例では４段なので４倍）の保持力が得られる。このようにすると、管材Ｐの内部に配置された内側回転体１４に多少の外力が加わっても軸線１０ｘ方向の位置を維持することができる。

なお、本実施形態においては、外側機能体１０ＭＴをＤＣブラシレスモータとして構成しているため、ロータ部１２の回転位置を検出するためのセンサが必要となる。一般的には図示しないホールセンサ（ホールＩＣ等）といった各種の回転位置センサを別途設けてステータ部１１を制御するが、本実施形態では、当該回転位置センサとしてロータ部１２の回転姿勢を検出するための上記ロータ検出器１５を設けている。ただし、モータ形式の相違（例えば整流子付きＤＣモータ）によりロータ検出器１５を省くことができる。なお、上述のように本実施形態ではロータ検出器１５を外側検出器としても用いているが、前述のようにロータ検出器と外側検出器を別々に設けてもよいので、以下においては、このように構成した設計例について説明するとともに、その後になされる本実施形態の制御系の説明においては、外側機能体１０ＭＴの制御用のセンサ（ロータ検出器）と、上記外側検出器とを説明の都合上別々に設置したものとして記述する。

図３及び図４は、上記実施形態の磁気カップリング制御装置１０をより具体的に構成した場合の設計例を示す縦断面図及び拡大部分断面図である。この設計例では、基本構成は上記図１及び図２に示すものと同様に構成されるが、細部においてより具体的な構成が与えられている。なお、この設計例では複数の箇所において上記図１及び図２に示す実施形態とは異なる構造を有するが、これらの複数の相違点は上記実施形態と本設計例との間で適宜に置換して構成することが可能である。

基台１には、軸線方向１０ｘに間隔を有して立設された側板２、３が取付固定される。側板２及び３にはそれぞれステータ部１１の軸線方向両端部が固定される。このステータ部１１には、上記と同様にフレーム１１ａ、ステータ磁極１１ｂ及びコイル１１ｃが設けられる。また、ロータ部１２には、上記と同様の磁性筒体１２ａと、ロータ磁極１２ｂと、外側磁極１２ｃとが設けられる。ただし、磁性筒体１２ａは、ロータ磁極１２ｂが取付固定された外側のロータヨーク１２ａ−１と、外側磁極１２ｃが取付固定された内側の駆動側ヨーク１２ａ−２とが回転方向に係合した状態に構成されている。ロータヨーク１２ａ−１と駆動側ヨーク１２ａ−２は、軸線方向両側に固定される端板１２ｅ、１２ｆによって相互に固定されている。なお、磁性筒体１２ａは３以上のヨーク部を相互に固定することによって構成されていてもよい。

上記端板１２ｅ、１２ｆの内側には上記と同様の保護部材１２ｄが取付固定される。ただし、図示例の保護部材１２ｄは端板１２ｅと１２ｆの双方に対してそれぞれ軸線方向の両側において固定されている。一方の端板１２ｆには外側磁極１２ｃと対応する磁極構成を有する検出用磁極群１２ｇが取り付けられる。検出用磁極群１２ｇは端板１２ｆの軸線方向前後に突出した先端部に固定される。一方、フレーム１１ａに取り付けられたセンサ板１７には、内側回転体１４の端部に取り付けられた検出用磁極群１４ｄを検出する内側検出器１６と、上記検出用磁極群１２ｇを検出する外側検出器１８とが取り付けられている。なお、上記のように構成すると検出構造が簡易に構成できるが、多少構造的に複雑化しても構わなければ、外側検出器１８が外側磁極１２ｃを直接検出するように構成してもよい。

本実施形態では、ロータ磁極１２ｂの回転位置を検出するロータ検出器１５とは別に、検出用磁極群１２ｇを検出することで外側磁極１２ｃの回転位置を検出する外側検出器１８が設けられるため、ロータ磁極１２ｂと外側磁極１２ｃとの位相関係について何らの制約を受けることがなくなり、ロータ磁極１２ｂの軸線１０ｘ周りの構成（磁極配列の周期及び数）と、外側磁極１２ｃの軸線１０ｘ周りの構成（磁極配列の周期及び数）とを相互に無関係に設定することが可能になる。図示例の場合、外側機能体１０ＭＴは、例えば８極９スロットの構成で、ロータ磁極１２ｂを８極としている。一方、外側磁極１２ｃ及び後述する内側磁極１４ｂは４極としている。

また、本実施形態では、内側回転体１４の端部にさらに軸線方向の位置を検出するための検出用磁極群１４ｅが設けられる。この検出用磁極群１４ｅは、軸線１０ｘの方向に異なる極性の磁極を配列させたものである。図示例ではＮ極とＳ極の一対の磁極が軸線方向に隣接配置されている。上記センサ板１７には検出用磁極群１４ｅを検出する軸線位置検出器１９も取り付けられている。この場合、軸線位置検出器１９は外側磁極１２ｃに対して軸線１０ｘ方向に固定されているので、検出用磁極群１４ｄと軸線位置検出器１９は駆動側（外側）と被動側（内側）の相対的な軸線位置の検出手段を構成する。なお、センサ板１７の外側に取り付けられているのは端部カバー２０である。なお、この軸線位置検出器１９もまた、上記内側検出器１６と同様に、管材Ｐの外周側において非接触で内側回転体１４の軸線方向の位置を検出可能とされている。また、軸線位置検出器１９は、内側回転体１４において外側磁極１２ｃと半径方向に重ならない位置に設けられた検出用磁極群１４ｅを検出する。

次に、本実施形態の制御系１００の構成について図５乃至図７を参照して説明する。図５は制御系１００の全体構成を示す概略構成ブロック図である。本実施形態では、交流電源（商用電源）１０１に接続された整流回路１０２により直流電圧がモータ駆動回路１０３に供給される。モータ駆動回路１０３は外側機能体１０ＭＴを駆動する。この外側機能体１０ＭＴのロータ部１２とともに磁気カップリング構造１０ＭＣの駆動側構造１０Ｄ（外側磁極１２ｃ）が回転するので、この駆動側構造１０Ｄにより磁気カップリングによって被動側構造１０Ｅ（内側磁極１４ｂ）が回転力を受けることで、内側回転体１４が回転駆動される。

なお、本実施形態の磁気カップリング制御装置１０では、外側機能体１０ＭＴが内側回転体１４を回転駆動する態様に限らず、内側回転体１４の回転を外側機能体１０ＭＴが制動する態様でも同様に使用することができる。この場合には、以下の説明における駆動トルクの概念に制動トルクを含めることで、同様に理解することが可能である。

上記モータ駆動回路１０３への電力供給経路には電流検出部１０４が設けられ、電流検出部１０４によって検出されたモータ駆動回路１０３の負荷電流値が既定の電流値を越えたか否かが過電流検出部１０５において判定され、その結果が主制御部１０６に送出される。過電流が検出されると、主制御部１０６はモータ駆動回路１０３に制御信号を送出して駆動を停止したり、後述する回転数制御回路１０７により駆動回転数を低下させたりすることができる。また、外部機器Ａに停止出力信号ＳＴを送出するようにしてもよい。

回転数制御回路１０７は、外部入力部１０８ａ、操作入力部１０８ｂ及び内部設定部（デフォルト値保持部）１０８ｃから与えられた、回転数に対応する入力値を選択して入力する設定選択部１０８の設定出力に応じて適宜の回転数となるようにモータ駆動回路１０３を制御する。この設定選択部１０８は主制御部１０６から送出される選択信号ＳＬに応じて上記のいずれか一つの入力値が用いられるように動作する。また、運転・停止操作部１１０、非常停止操作部１１１、正逆転指示部１１２の操作や指示に対応する設定信号が主制御部１０６に入力され、主制御部１０６はこれらの操作や指示に応じて運転開始動作、運転停止動作、非常停止動作、外側機能体１０ＭＴの駆動態様の回転切り替え動作を実行する。さらに、主制御部１０６は、外部の制御装置からの外部停止信号を受ける外部停止入力部１１３を有し、この外部停止信号が入力されることで外側機能体１０ＭＴの駆動動作を停止するように構成されている。また、主制御部１０６は、外部の制御装置からの外部制御信号を受ける外部制御入力部１１４を有し、この外部制御信号に応じて外側機能体１０ＭＴの駆動態様を制御する。

なお、外部制御信号が入力されない場合には、主制御部１０６はデフォルトの制御態様で自動的に動作するように構成される。主制御部１０６は、所定の動作プログラムに従って動作するマイクロコンピュータユニット、制御コントローラなどで構成できる。また、本実施形態では、主制御部１０６による外側機能体１０ＭＴの制御は回転数制御回路１０７を介して行われる。ただし、主制御部１０６から直接モータ駆動回路１０３を制御するようにしてもよい。

外側機能体１０ＭＴにはホール素子等よりなる上述のロータ検出器１５が設けられ、このロータ検出器１５によりロータ磁極の位相を検出することができるようになっている。ロータ検出器１５の出力は上記回転数制御回路１０７に送られてモータ駆動回路１０３を介して該出力と整合する周波数でステータ部１１が駆動される。また、ロータ検出器１５の出力は、回転数検出回路１１５により、回転数に対応する表示信号ＤＯ、アナログ電圧ＡＶに変換される。また、回転数検出回路１１５は回転数に対応する回転数補償信号ＲＣも出力する。この回転数補償信号ＲＣはトルク指定部１１６に入力される。トルク指定部１１６においては、操作入力と回転数補償信号ＲＣに応じてトルク指定信号ＴＩをトルク制御回路１１７に出力する。トルク指定部１１６では、トルク指定信号ＴＩをその操作入力値に応じて生成するが、回転数補償信号ＲＣによる寄与を操作入力値に対して適宜の重み付けで加味できるように構成されている。すなわち、外側機能体１０ＭＴの回転数が上昇するに従って増大する機械的負荷等に対応して駆動トルクを増加させることができるようになっている。なお、トルク指定部１１６において回転数補償信号ＲＣによる寄与の有無を選択することができるように構成されることが好ましい。

トルク制御回路１１７では、電流検出部１０４により検出された負荷電流値をトルク換算回路１０９で変換して生成した電流トルク信号ＴＣと上記トルク指定信号ＴＩとに基づいてトルク制御信号ＴＳを回転数制御回路１０７に出力する。トルク制御信号ＴＳは回転数制御回路１０７から出力される回転数制御信号ＲＳがモータ駆動回路１０３に出力されることで外側機能体１０ＭＴの駆動トルクを間接的に制御する。具体的には、上記駆動トルクが所定値を越えないように回転数制御信号ＲＳを調整する役割を果たす。たとえば、外側機能体１０ＭＴの起動時において駆動トルクが過大となることを防止する。このトルク制御回路１１７は、後述する位相差に基づいてトルク制御信号ＴＳを生成する場合には、検出器１６、１８や後述する位相検出回路１２０により構成される位相差検出手段により検出された位相差に応じて外側機能体１０ＭＴを制御する本発明の外側機能体制御手段（トルク制御手段、トルク制限手段）を構成する。

本実施形態においては、制御系１００により、磁気カップリング１０ＭＣの駆動側構造１０Ｄと被動側構造１０Ｅの間の位相差を検出する位相差検出手段と、当該位相差検出手段によって検出された位相差に応じて外側機能体１０ＭＴを制御する外側機能体制御手段とを備えている。この位相差検出手段は、上記駆動側検出器１８（ロータ検出器１５で兼用する場合を含む）を有する駆動側の回転位置検出手段と、上記内側検出器１６を有する被動側の回転位置検出手段を備え、これらの回転位置検出手段により駆動側と被動側の回転方向の位相差を位相検出回路１２０において求めるようになっている。

なお、図示例の場合には、上記軸線位置検出器１９を有する軸線位置検出手段をも有し、この軸線位置検出手段により、駆動側と被動側の軸線１０ｘ方向の位置ずれの有無若しくは位置ずれ量が検出される。この軸線方向位置検出手段では、軸線位置検出器１９の出力が主制御部１０６に送出され、主制御部１０６により、制御態様が切り替えられる構成となっている。なお、軸線位置検出器１９の出力により内側回転体１４に軸線方向の位置ずれ（軸ずれ）が生ずると、内側磁極１４ｂと外側磁極１２ｃの間の磁気カップリングによる回転方向の保持力が低下し、内側回転体１４の回転抵抗が増大するので、制御系１００における外側機能体制御手段による位相差に基づく制御に対する内側回転体１４の応答特性が変化すると考えられるため、当該応答特性の変化による影響を低減するためにトルク制御における上記位相差の所定値（脱調限界に対応するもの、特に脱調限界未満の所定値）を軸ずれ量に応じて補正してもよい。

位相検出回路１２０は、駆動側構造１０Ｄと被動側構造１０Ｅの回転位置の位相差を算出して位相信号ＰＳを出力する。また、位相検出回路１２０は、上記磁気カップリング構造１０ＭＣが脱調を生じたか否かを判定して脱調検知信号ＬＳを主制御部１０６に出力する。位相検出回路１２０において、磁気カップリング構造１０ＭＣの脱調は上記位相差が既定値を越えたか否かによって判断される。上記脱調検知信号ＬＳは主制御部１０６のリセット信号ＲＨによって解除される。

磁気カップリング構造１０ＭＴにおいて、駆動側と被動側の位相差、すなわち、上記磁極の軸線１０ｘ周りの形成周期（相互に隣接するＮ極とＳ極の一対の磁極が配置される角度領域）を基準とする位相差は、相互に逆極性の外側磁極１２ｃと内側磁極１４ｂとが対応位置にあるとき（駆動側と被動側の間に生ずる保持トルク＝０のとき）を位相差０とした場合、本実施形態のように各磁極が等角度範囲及び等角度間隔で配列されているときには位相差が１／４（９０度）のときに最大の保持トルクが生じ、位相差が２／４（１８０度）を越えると脱調となる。したがって、上記既定値は本実施形態の場合には位相差２／４（１８０度）とされるが、上記位相差の値は磁気カップリング構造の磁極範囲と磁極間隔が等角度でない場合にはそれに応じて変化するので、一般的には磁気カップリング構造に応じて脱調が生ずる位相差（脱調限界）に設定される。

また、上記のように脱調が生じたことを検知するのではなく、脱調が生ずる前に脱調検知信号ＬＳにより脱調が生ずる危険があることを知らせるようにして、脱調を生じさせないように制御してもよい。例えば、上記既定値を位相差２／４未満の値に設定し、特に、最大の保持トルクを生ずる位相差１／４以下の値に設定することが好ましい。一般的には、上記既定値は脱調が生ずる位相差（脱調限界）未満の値とし、特に最大の保持トルクが得られる位相差以下の値とすることが望ましい。

上記脱調検知信号ＬＳにより磁気カップリング構造１０ＭＣが脱調したこと、或いは、脱調が生ずる虞のあることが検知されると、主制御部１０６では、設定選択部１０８に対する選択信号ＳＬを切り替えることなどにより、回転数制御回路１０７を制御して、外側機能体１０ＭＴの回転数を低下させたり、外側機能体１０ＭＴの駆動を停止したり、駆動トルクを低減させたりする。この制御態様は、主制御部１０６による通常の駆動制御態様ではなく、磁気カップリング構造１０ＭＣの脱調に起因する異常状態に起因する駆動停止制御、若しくは、当該異常状態を解消するための状態復帰制御、或いは、脱調状態を未然に回避しつつ通常の制御態様に戻すための脱調回避制御である。また、このような外側機能体１０ＭＴに対する制御とともに、外部機器Ａに停止出力信号ＳＴを送出するようにしてもよい。

いずれにしても、上記の駆動停止制御、状態復帰制御、脱調回避制御が完了すると、主制御部１０６はリセット信号ＲＨを位相検出回路１２０に送出し、これによって脱調検知信号ＬＳはリセットされるので、再び通常の検出状態に戻る。

位相検出回路１２０の出力する位相信号ＰＳは、信号切替回路１２１を介して上記電流トルク信号ＴＣと選択的にトルク制御回路１１７に入力される。もちろん、電流トルク信号ＴＣと並行して（電流トルク信号ＴＣとは別に）位相信号ＰＳがトルク制御回路１１７に入力されるように構成することも可能である。トルク制御回路１１７は、位相信号ＰＳに基づいて、磁気カップリング構造１０ＭＣの磁気カップリング状態を維持するように、すなわち、脱調が生じないように、外側機能体１０ＭＴの駆動トルクを制御する。この制御態様の一例としては、例えば、磁気カップリング構造１０ＭＣの位相差が既定値を越えない範囲に維持されるようにトルク制御信号ＴＳを調整することが挙げられる。

図６は位相差検出手段に関わる各種信号の例のタイミングチャート、図７及び図８は位相検出回路１２０の構成例を示す概略回路図である。外側検出器１８から出力される駆動側信号Ｓ１８と、内側検出器１６から出力される被動側信号Ｓ１６が入力される解除信号回路１２０ａのクリア信号Ｃ１６とが入力される第１の順序論理回路（例えば、Ｒ端子付きＤフリップフロップ）１２０ｂの出力として位相差信号ＰＤが得られる。ここで、図示例では、解除信号回路１２０ａは排他的論理和回路、コンデンサ、抵抗等により構成され、上記被動側信号Ｓ１６とともに正逆転信号ＤＳ（Ｌ；低電位又はＨ；高電位）を入力してクリア信号Ｃ１６を生成する。ここで、正逆転信号ＤＳは被動側信号Ｓ１６に基づくクリア信号Ｃ１６の極性を反転させる。図示例では、第１の順序論理回路１２０ｂのＱ出力である位相差信号ＰＤは、第１の順序論理回路１２０ｂのＴ端子に入力される駆動側信号Ｓ１８の立ち上がり時に対応して立ち上がり（ＬからＨになり）、第１の順序論理回路１２０ｂのＲ端子に入力されるクリア信号Ｃ１６の元になる被動側信号Ｓ１６の立ち上がり時に対応して元に戻る（ＨからＬになる）。

図７に示すように、位相差信号ＰＤは上記駆動側信号Ｓ１８とともに第２の順序論理回路（例えば、Ｓ端子及びＲ端子付きＤフリップフロップ）１２０ｃに入力される。図示例では、位相差信号ＰＤはＤ端子に、駆動側信号Ｓ１８はＴ端子に入力される。これによって、駆動側信号Ｓ１８の立ち上がり時に位相差信号ＰＤがＨであればＱ出力はＨとなり、それ以外ではＬのままとなる。当該第２の順序論理回路１２０ｃのＱ出力は脱調検知信号ＬＳである。第２の順序論理回路１２０ｃでは反転Ｑ出力（Ｑバー）とＳ端子が接続されているため、一度脱調検知信号ＬＳがＨになるとこのＨ状態が維持される。脱調検知信号ＬＳは主制御部１０６に送られる。脱調検知信号ＬＳのＨ状態は、主制御部１０６から入力されるリセット信号ＲＨによりリセットされる。

脱調検知信号ＬＳは、位相差信号ＰＤを入力とする第２の順序論理回路１２０ｃにより、位相差信号ＰＤのデューティー比が駆動側信号Ｓ１８の周期を基準として２／４を越えた場合に、反転するＨ信号として出力される。なお、上記回路例では、駆動側信号Ｓ１８の前後の立ち上がりタイミングの間に被動側信号Ｓ１６の立ち上がりタイミングが存在しない場合に脱調と判断するようにしているが、これに限らず、結果として磁気カップリング構造に脱調が生じた場合に脱調検知信号ＬＳが反転するように構成すればよい。また、前述のように、脱調限界未満の任意の位相差の値を上記既定値として設定することができるように構成すればなおさら好適である。

図８に示すように、上記位相差信号ＰＤは積分回路１２０ｄにより積分されて位相信号ＰＳとなる。上記位相差は位相差信号ＰＤのデューティー比に比例するので、位相差信号ＰＤを積分した上記位相信号ＰＳは当該位相差を示すアナログ値となる。ここで、上記積分回路１２０ｄの出力をオフセット調整回路１２０ｅの出力に基づいてオフセットすることで、位相信号ＰＳにより正確な位相差が得られるようにしている。なお、オフセット調整回路１２０ｅでは、磁気カップリング構造１０ＭＣの正転時と逆転時においてそれぞれのオフセット値Ｖｏｆｆを設定できるように構成されている。これらの正転時と逆転時のオフセット値は上記正逆転信号ＤＳによって対応するものが選択される。

位相信号ＰＳが上記トルク制御回路１１７に供給されると、トルク制御回路１１７は駆動側構造１０Ｄと被動側構造１０Ｅの位相差が既定値以下になるようにトルク制御信号ＴＳにより回転数制御回路１０７を制御する。これによって、例えば、回転数上昇時等において外側機能体１０ＭＴの駆動トルクが過大（磁性カップリング構造１０ＭＣの最大の保持トルク以上）となって脱調を招いたり、或いは、内側回転体１４に加わる負荷が増大して脱調を生じたりするといったことが防止される。なお、トルク制御回路１１７に供給される信号は上記位相信号ＰＳに限らず、上記位相差信号ＰＤなどであってもよく、結果としてトルク制御が可能な態様の信号であればよい。

尚、本発明の磁気カップリング制御装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記外側機能体１０ＭＴはＤＣブラシレスモータで構成されているが、本発明はこれに限らず、磁気カップリング構造１０ＭＣの駆動側構造１０Ｄと被動側構造１０Ｅの位相差を制御できる構成であれば、他の種類の電動機を用いることができる。

また、本発明の磁気カップリング制御装置は、上述の駆動装置に限らず、管材Ｐ中の内側回転体を回転制御する各種の用途に適用することができる。たとえば、前述のように内側回転体の制動装置として用いてもよく、この場合には、上記の被動側が駆動側となり、駆動側が制動側となる。このようなエネルギーの内側から外側への流れを生ずる態様では、内側回転体にフィンを取り付けるなどして管材Ｐ内を流れる流体によって内側回転体が回転駆動されるようにしたタービン装置や発電機などに適用することもできる。

本実施形態を発電機として用いる場合には、上述の制御系１００において、交流電源１０１及び整流回路１０２の代わりに一般負荷（電力安定回路、変圧回路、充電回路など）を接続し、モータ駆動回路１０３の代わりに可変負荷回路（逆起電力に起因するロータ部の回転負荷を電気的に変更可能とした回路）を設け、回転数制御回路１０７の代わりに可変負荷回路の与える電気的負荷を制御する負荷制御信号を出力する負荷制御回路を設け、トルク制御回路１１７を外側機能体によるロータ部の負荷トルク（制動トルク）を間接的に制御するものとすることができる。例えば、当該負荷トルクが所定値（磁気カップリングの脱調限界未満の値）を越えないように負荷制御信号を調整するために上記位相差に応じて負荷トルクを制御することで、磁気カップリングの脱調を防止することができる。或いはまた、内側回転体の回転駆動力が弱いとき（例えば、起動時）において負荷を軽減して内側回転体１４の回転を維持したり起動を容易にしたりすることもできる。いずれにしても、上記の可変負荷回路、負荷制御回路及びトルク制御回路によって、発電機能を備えた外側機能体を制御する外側機能体制御手段が構成される。

１０…磁気カップリング制御装置、１０ＭＴ…外側機能体、１１…ステータ部、１２…ロータ部、１２ｂ…ロータ磁極、１２ｃ…外側磁極、１３…軸受、１４…内側回転体、１４ａ…ロッド軸、１４ｂ…内側磁極、１４ｃ…ガイドローラ、１４ｄ…検出用磁極群、１５…ロータ検出器、１６…内側検出器、１８…外側検出器、１００…制御系、１０３…モータ駆動回路、１０６…主制御部、１０７…回転数制御回路、１１７…トルク制御回路、１２０…位相検出回路

Claims

内周部に回転可能なロータ部及び該ロータ部を制御可能なステータ部を有する外側機能体と、
前記ロータ部の内周側に間隔を有して配置される内側回転体と、
前記外側機能体と前記内側回転体の間に配置される管壁を備えた管材と、
前記ロータ部の内周部において軸線周りに配列された複数の外側磁極、及び、前記内側回転体の外周部において前記複数の外側磁極に対して回転方向に整合し前記管壁を介して該回転方向に磁気カップリング可能に配列された複数の内側磁極を有する磁気カップリング構造と、
前記外側磁極と前記内側磁極の回転方向の位相差を検出する位相差検出手段と、
前記位相差に応じて前記外側機能体を制御する外側機能体制御手段と、
を具備することを特徴とする磁気カップリング制御装置。
前記外側機能体制御手段は、前記位相差が脱調限界を越えたときに、或いは、脱調限界以下に設定された既定値を越えたときに、前記外側機能体に対する制御態様を変更する手段であることを特徴とする請求項１に記載の磁気カップリング制御装置。
前記外側機能体制御手段は、前記位相差に応じて前記外側機能体による前記ロータ部の回転トルクを制御するトルク制御手段であることを特徴とする請求項１に記載の磁気カップリング制御装置。
前記トルク制御手段は、前記位相差が脱調限界未満に設定された既定値を越えないように前記回転トルクを制限するトルク制限手段であることを特徴とする請求項３に記載の磁気カップリング制御装置。
前記外側機能体は、前記ステータ部が前記ロータ部を回転駆動する駆動磁界を形成する電動機であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気カップリング制御装置。
前記位相差検出手段は、前記管材の外周側において前記内側回転体に対して非接触で前記内側回転体の回転位相を検出する内側検出器を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気カップリング制御装置。
それぞれ軸線方向に配置された複数段の前記複数の外側磁極及び前記複数の内側磁極を有し、該複数段の前記複数の外側磁極及び前記複数の内側磁極は軸線方向に整合してそれぞれの段において該軸線方向に磁気カップリング可能に構成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁気カップリング制御装置。