JP2930254B2 - 自己浮上モ―タシステム - Google Patents
自己浮上モ―タシステムInfo
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- JP2930254B2 JP2930254B2 JP3002540A JP254091A JP2930254B2 JP 2930254 B2 JP2930254 B2 JP 2930254B2 JP 3002540 A JP3002540 A JP 3002540A JP 254091 A JP254091 A JP 254091A JP 2930254 B2 JP2930254 B2 JP 2930254B2
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0474—Active magnetic bearings for rotary movement
- F16C32/0493—Active magnetic bearings for rotary movement integrated in an electrodynamic machine, e.g. self-bearing motor
- F16C32/0497—Active magnetic bearings for rotary movement integrated in an electrodynamic machine, e.g. self-bearing motor generating torque and radial force
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C2380/00—Electrical apparatus
- F16C2380/26—Dynamo-electric machines or combinations therewith, e.g. electro-motors and generators
Description
［発明の目的］
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、回転子と固定子間のギ
ャップを電磁力により制御して回転軸を磁気浮上させる
と共に回転トルクを制御して駆動する自己浮上モ―タシ
ステムに関するものである。
ャップを電磁力により制御して回転軸を磁気浮上させる
と共に回転トルクを制御して駆動する自己浮上モ―タシ
ステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】電磁力を利用した磁気軸受によりロ―タ
を浮上するモ―タは、主にタ―ボ分子ポンプの駆動源と
して使用され、他には半導体製造用のクリ―ンロボット
やシリコンウェハ等の搬送装置の駆動源として使用され
ている。また、超高真空・放射線環境下となる宇宙用の
装置の駆動源としても使用される。
を浮上するモ―タは、主にタ―ボ分子ポンプの駆動源と
して使用され、他には半導体製造用のクリ―ンロボット
やシリコンウェハ等の搬送装置の駆動源として使用され
ている。また、超高真空・放射線環境下となる宇宙用の
装置の駆動源としても使用される。
【０００３】図６にこの種の従来の磁気軸受付モ―タを
示す。中央部にモ―タ（ステ―タ11とロ―タ11Ａ）が位
置し、モ―タの両端にラジアル磁気軸受部12Ａ，12Ｂが
設けられている。各ラジアル磁気受部のロ―タ15Ａ，15
Ｂはモ―タのロ―タ11Ａと結合され、ロ―タ11Ａを各ラ
ジアル磁気軸受部で発生する電磁力で浮上させるように
している。
示す。中央部にモ―タ（ステ―タ11とロ―タ11Ａ）が位
置し、モ―タの両端にラジアル磁気軸受部12Ａ，12Ｂが
設けられている。各ラジアル磁気受部のロ―タ15Ａ，15
Ｂはモ―タのロ―タ11Ａと結合され、ロ―タ11Ａを各ラ
ジアル磁気軸受部で発生する電磁力で浮上させるように
している。
【０００４】ラジアル磁気軸受部は、モ―タと同様な構
造をしており、積層鉄心で成るステ―タ16Ａ，16Ｂに巻
線14Ａ，14Ｂが巻回され、ロ―タ15Ａ，15Ｂは積層鉄心
のみの円筒で構成されている。
造をしており、積層鉄心で成るステ―タ16Ａ，16Ｂに巻
線14Ａ，14Ｂが巻回され、ロ―タ15Ａ，15Ｂは積層鉄心
のみの円筒で構成されている。
【０００５】また、各ラジアル磁気軸受部には、空隙長
変化を偏心量として検出する変位センサ９Ａ，９Ｂが設
けられ、偏心量に応じて巻線14Ａ，14Ｂの電流値（スカ
ラ―量のみ）を制御し、空隙長を一定に保つことにより
ロ―タ11Ａを磁気浮上させている。なお、ラジアル磁気
軸受部12Ａはアキシャル磁気軸受としての機能も兼ねて
おり、通常の軸受10Ａ，10Ｂは保護用軸受として設けら
れている。
変化を偏心量として検出する変位センサ９Ａ，９Ｂが設
けられ、偏心量に応じて巻線14Ａ，14Ｂの電流値（スカ
ラ―量のみ）を制御し、空隙長を一定に保つことにより
ロ―タ11Ａを磁気浮上させている。なお、ラジアル磁気
軸受部12Ａはアキシャル磁気軸受としての機能も兼ねて
おり、通常の軸受10Ａ，10Ｂは保護用軸受として設けら
れている。
【０００６】巻線14Ａ，14Ｂは、それぞれに軸対称に独
立して設けられた、複数個の巻線から成り、軸対称の巻
線の電流比を偏心量に応じて調節することによりラジア
ル磁気軸受のステ―タとロ―タ間の磁気吸引力のバラン
スが調節される。これにより、ロ―タがステ―タの中心
に保たれ、全体の回転軸が磁気浮上する。この場合、軸
対称の巻線に流れる電流は大きさ（スカラ―量）のみが
制御される。
立して設けられた、複数個の巻線から成り、軸対称の巻
線の電流比を偏心量に応じて調節することによりラジア
ル磁気軸受のステ―タとロ―タ間の磁気吸引力のバラン
スが調節される。これにより、ロ―タがステ―タの中心
に保たれ、全体の回転軸が磁気浮上する。この場合、軸
対称の巻線に流れる電流は大きさ（スカラ―量）のみが
制御される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上述、従来の磁気軸受
付きモ―タは、モ―タ部(11)の両側に磁気軸受12Ａ，12
Ｂを設けるため、軸長はモ―タ部の倍以上長くなる。従
って、磁気軸受付モ―タは、大形化し、さらには一体で
製作できないため、加工制度も落ち、製造組立も複雑と
なる。さらに部品数が多くなるので加工・製作にかなり
の技術を要する。また、モ―タ制御と磁気軸受の制御の
両方を必要とするため、制御装置が全体として大きくな
る。
付きモ―タは、モ―タ部(11)の両側に磁気軸受12Ａ，12
Ｂを設けるため、軸長はモ―タ部の倍以上長くなる。従
って、磁気軸受付モ―タは、大形化し、さらには一体で
製作できないため、加工制度も落ち、製造組立も複雑と
なる。さらに部品数が多くなるので加工・製作にかなり
の技術を要する。また、モ―タ制御と磁気軸受の制御の
両方を必要とするため、制御装置が全体として大きくな
る。
【０００８】本発明は、モ―タ自身に磁気浮上の能力を
持たせ、かつ駆動トルクを発生させることにより、別個
に磁気軸受システムを必要としない自己で磁気浮上する
小形化された磁気浮上モ―タシステムを提供することを
目的とする。［発明の構成］
持たせ、かつ駆動トルクを発生させることにより、別個
に磁気軸受システムを必要としない自己で磁気浮上する
小形化された磁気浮上モ―タシステムを提供することを
目的とする。［発明の構成］
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するたるめに、モ―タ―としては、一定磁界による磁
極を有するロ―タ―、回転磁界を発生する２相以上の多
相巻線をｎ組有するステ―タ、該ロ―タ―とステ―タ―
間の空隙の変位量ｇをｎ組に対応してそれぞれ検出する
変位センサ、該ロ―タの回転角度θを検出する位置セン
サを備え、コントロ―ラとしては、指令に応じて該多相
巻線に多相の交流電流ｉを供給するインバ―タ、該多相
の交流電流ｉと該回転角度θから該ロ―タの所定の角度
に対して同相磁界を発生するｄ軸成分電流ｉd 及び直交
磁界を発生するｑ軸成分電流ｉqを得る第１の演算手
段、該変位量ｇと基準変位ｇ＊との偏差値及び該ｄ軸成
分電流ｉd からｄ軸の基準（ｖd * あるいはｉd * ）を
得ると共に、トルク指令Ｔ* と該ｑ軸成分電流ｉq との
偏差値からｑ軸の基準（ｖq * あるいはｉq * ）を得る
第２の演算手段、該ｄ軸の基準及びｑ軸の基準からベク
トル和を得ると共に該回転角度θから該インバ―タの指
令（ｖ* あるいはｉ* ）を得る第３の演算手段をそれぞ
れｎ組備え、ｄ軸成分電流により該ロ―タを磁気的に浮
上させると共にｑ軸成分電流により所望トルクを発生し
て回転するようにした自己浮上モ―タシステムである。
成するたるめに、モ―タ―としては、一定磁界による磁
極を有するロ―タ―、回転磁界を発生する２相以上の多
相巻線をｎ組有するステ―タ、該ロ―タ―とステ―タ―
間の空隙の変位量ｇをｎ組に対応してそれぞれ検出する
変位センサ、該ロ―タの回転角度θを検出する位置セン
サを備え、コントロ―ラとしては、指令に応じて該多相
巻線に多相の交流電流ｉを供給するインバ―タ、該多相
の交流電流ｉと該回転角度θから該ロ―タの所定の角度
に対して同相磁界を発生するｄ軸成分電流ｉd 及び直交
磁界を発生するｑ軸成分電流ｉqを得る第１の演算手
段、該変位量ｇと基準変位ｇ＊との偏差値及び該ｄ軸成
分電流ｉd からｄ軸の基準（ｖd * あるいはｉd * ）を
得ると共に、トルク指令Ｔ* と該ｑ軸成分電流ｉq との
偏差値からｑ軸の基準（ｖq * あるいはｉq * ）を得る
第２の演算手段、該ｄ軸の基準及びｑ軸の基準からベク
トル和を得ると共に該回転角度θから該インバ―タの指
令（ｖ* あるいはｉ* ）を得る第３の演算手段をそれぞ
れｎ組備え、ｄ軸成分電流により該ロ―タを磁気的に浮
上させると共にｑ軸成分電流により所望トルクを発生し
て回転するようにした自己浮上モ―タシステムである。
【００１０】
【作用】トルク指令Ｔ* はｎ組の第２の演算手段に共通
に設定され、基準変位ｇ* は個別に設定される。
に設定され、基準変位ｇ* は個別に設定される。
【００１１】基準変位ｑ* 及びトルク指令Ｔ* が与えら
れると、第２の演算手段は、ｑ* 及びＴ* を第１の演算
手段により得られるｄ軸電流ｉd 及びｑ軸電流ｉq とそ
れぞれ比較してｄ軸及びｑ軸の基準（ｖd * 及びｖq *
あるいはｉd * 及びｉg * ）を出力する。
れると、第２の演算手段は、ｑ* 及びＴ* を第１の演算
手段により得られるｄ軸電流ｉd 及びｑ軸電流ｉq とそ
れぞれ比較してｄ軸及びｑ軸の基準（ｖd * 及びｖq *
あるいはｉd * 及びｉg * ）を出力する。
【００１２】これらのｄ軸及びｑ軸の基準から第３の演
算手段はベクトル和を得ると共にモ―タ―の回転角度θ
からインバ―タの指令（ｖ* あるいはｉ* ）を出力す
る。インバ―タはこのインバ―タの指令に基づいてモ―
タ―の多相巻線にベクトル制御された交流の電流を供給
する。
算手段はベクトル和を得ると共にモ―タ―の回転角度θ
からインバ―タの指令（ｖ* あるいはｉ* ）を出力す
る。インバ―タはこのインバ―タの指令に基づいてモ―
タ―の多相巻線にベクトル制御された交流の電流を供給
する。
【００１３】この場合、ロ―タ―とステ―タ間の空隙が
所定空隙から変化して変位量ｇが検出されると基準変位
ｇ* との偏差値が変化しｄ軸の基準（ｖd * あるいはｉ
d * ）が変化する。これによりｄ軸成分電流ｉd が変化
して磁気吸引力のバランスが制御され、所定空隙に戻る
ように作用する。
所定空隙から変化して変位量ｇが検出されると基準変位
ｇ* との偏差値が変化しｄ軸の基準（ｖd * あるいはｉ
d * ）が変化する。これによりｄ軸成分電流ｉd が変化
して磁気吸引力のバランスが制御され、所定空隙に戻る
ように作用する。
【００１４】
【実施例】本発明による第１実施例を図１に示す。
【００１５】図１において、モ―タ―１は回転軸が磁気
浮上して運転されるモ―タ―であり、インバ―タ101 ，
201 から電流が供給されて駆動される。モ―タ―１のロ
―タ―の回転角度θは位置センサ２によって検出され、
関数器３により、θの関数ｆ（θ）に変換される。各イ
ンバ―タ101 ，201 から供給される電流ｉ1 ，ｉ2 は、
電流検出器102 ，202 によって検出される。検出された
電流ｉ1 ，ｉ2 は、関数ｆ（θ）と共に座標変換手段
（第１の演算手段）104 ，204 に入力され、、ｄ軸成分
電流ｉ1d，ｉ2d及びｑ軸成分電流ｉ1q，ｉ2q変換され
る。
浮上して運転されるモ―タ―であり、インバ―タ101 ，
201 から電流が供給されて駆動される。モ―タ―１のロ
―タ―の回転角度θは位置センサ２によって検出され、
関数器３により、θの関数ｆ（θ）に変換される。各イ
ンバ―タ101 ，201 から供給される電流ｉ1 ，ｉ2 は、
電流検出器102 ，202 によって検出される。検出された
電流ｉ1 ，ｉ2 は、関数ｆ（θ）と共に座標変換手段
（第１の演算手段）104 ，204 に入力され、、ｄ軸成分
電流ｉ1d，ｉ2d及びｑ軸成分電流ｉ1q，ｉ2q変換され
る。
【００１６】一方、インバ―タ101 ，102 によって励起
されるモ―タ―１の図示しない巻線に対応して、ロ―タ
―とステ―タ間の空隙長を検出する変位センサ103 ，20
3 の信号が変位検出器105 ，205 に入力され変位量
ｇ1 ，ｇ2 として検出される。これらの変位量ｇ1 ，ｇ
2 は、空隙制御手段106，206 によって基準変位ｇ1 *
ｇ2 * と比較され、その偏差値が制御増幅され乗算器10
7 ，207 でｄ軸成分電流ｉ1d，ｉ2dと乗算されｄ軸の電
圧基準ｖ1d * ，ｖ2d * となる。
されるモ―タ―１の図示しない巻線に対応して、ロ―タ
―とステ―タ間の空隙長を検出する変位センサ103 ，20
3 の信号が変位検出器105 ，205 に入力され変位量
ｇ1 ，ｇ2 として検出される。これらの変位量ｇ1 ，ｇ
2 は、空隙制御手段106，206 によって基準変位ｇ1 *
ｇ2 * と比較され、その偏差値が制御増幅され乗算器10
7 ，207 でｄ軸成分電流ｉ1d，ｉ2dと乗算されｄ軸の電
圧基準ｖ1d * ，ｖ2d * となる。
【００１７】また、トルク指令Ｔ* は、トルク制御手段
108 ，208 によってｑ軸成分電流ｉ1q，ｉ2qと比較さ
れ、その偏差値が制御増幅されてｑ軸の電圧基準
ｖ1q * ，ｖ2q * となる。
108 ，208 によってｑ軸成分電流ｉ1q，ｉ2qと比較さ
れ、その偏差値が制御増幅されてｑ軸の電圧基準
ｖ1q * ，ｖ2q * となる。
【００１８】ｄ軸、ｑ軸の電圧基準は、関数ｆ（θ）と
共に座標変換手段（第３の演算手段）109 ，209 に入力
され、ｄ軸、ｑ軸の電圧基準のベクトル和を得ると共に
回転角θに応じたインバ―タの電圧指令ｖ1 * ，ｖ2 *
に変換される。インバ―タ101 ，201 はこの電圧指令ｖ
1 * ，ｖ2 * に応じてモ―タ―１に前述の電流を供給す
る。これにより、モ―タ―１のロ―タ―とステ―タ間の
空隙はｄ軸成分電流ｉ1d，ｉ2dによって基準変位ｇ1 *
ｇ2 * で設定した値に制御されると共に、ロ―タ―の発
生トルクはｑ軸成分電流ｉ1q，ｉ2qによってトルク指令
Ｔ* で設定された値に制御される。
共に座標変換手段（第３の演算手段）109 ，209 に入力
され、ｄ軸、ｑ軸の電圧基準のベクトル和を得ると共に
回転角θに応じたインバ―タの電圧指令ｖ1 * ，ｖ2 *
に変換される。インバ―タ101 ，201 はこの電圧指令ｖ
1 * ，ｖ2 * に応じてモ―タ―１に前述の電流を供給す
る。これにより、モ―タ―１のロ―タ―とステ―タ間の
空隙はｄ軸成分電流ｉ1d，ｉ2dによって基準変位ｇ1 *
ｇ2 * で設定した値に制御されると共に、ロ―タ―の発
生トルクはｑ軸成分電流ｉ1q，ｉ2qによってトルク指令
Ｔ* で設定された値に制御される。
【００１９】図２は４組のインバ―タを用いて速度制御
を行う場合の第２実施例である。この場合、モ―タ―１
は４組のインバ―タ101 〜401 によって駆動され、４組
の変位センサ103 〜403 によって空隙長が検出される。
モ―タ―１のロ―タ―の回転角度θは位置センサ２で検
出され、微分器４を介して速度ωが検出される。速度制
御手段５は速度基準ω* と検出速度ωを比較し、その偏
差値を制御増幅してトルク指令Ｔ* を出力する。空隙ト
ルク制御手段６は、トルク指令Ｔ* と、関数器３によっ
て得られた回転角度θの関数sin θ，cos θと、電流検
出器102 〜402で検出されたインバ―タの出力電流ｉ1
〜ｉ4 及び基準変位ｇ1 * 〜ｇ4 * を基に、前述と同様
にして４つの電圧指令ｖ1 * 〜ｖ4 * を演算出力する。
インバ―タ101 〜401 は、この電圧指令ｖ1 * 〜ｖ4 *
に応じてモータ１に電流を供給する。これによりモ―タ
―１のロ―タ―は磁気浮上し速度基準ω* に等しい速度
で回転する。図３は、図２の第２実施例で用いられるモ
―タ―の構成例を示す図で、（Ａ）は横断面図、（Ｂ）
は同図（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。
を行う場合の第２実施例である。この場合、モ―タ―１
は４組のインバ―タ101 〜401 によって駆動され、４組
の変位センサ103 〜403 によって空隙長が検出される。
モ―タ―１のロ―タ―の回転角度θは位置センサ２で検
出され、微分器４を介して速度ωが検出される。速度制
御手段５は速度基準ω* と検出速度ωを比較し、その偏
差値を制御増幅してトルク指令Ｔ* を出力する。空隙ト
ルク制御手段６は、トルク指令Ｔ* と、関数器３によっ
て得られた回転角度θの関数sin θ，cos θと、電流検
出器102 〜402で検出されたインバ―タの出力電流ｉ1
〜ｉ4 及び基準変位ｇ1 * 〜ｇ4 * を基に、前述と同様
にして４つの電圧指令ｖ1 * 〜ｖ4 * を演算出力する。
インバ―タ101 〜401 は、この電圧指令ｖ1 * 〜ｖ4 *
に応じてモータ１に電流を供給する。これによりモ―タ
―１のロ―タ―は磁気浮上し速度基準ω* に等しい速度
で回転する。図３は、図２の第２実施例で用いられるモ
―タ―の構成例を示す図で、（Ａ）は横断面図、（Ｂ）
は同図（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００２０】このモ―タ―のステ―タは、８個のスロッ
ト13で分割された磁極を有するステ―タ鉄心12と、隣接
磁極にそれぞれ巻回された４組の２相巻線からなり、各
２相巻線（ａ1 ，ｂ1 ）〜（ａ4 ，ｂ4 ）は２相出力を
持つインバ―タ101 〜401にそれぞれ接続されている。
ト13で分割された磁極を有するステ―タ鉄心12と、隣接
磁極にそれぞれ巻回された４組の２相巻線からなり、各
２相巻線（ａ1 ，ｂ1 ）〜（ａ4 ，ｂ4 ）は２相出力を
持つインバ―タ101 〜401にそれぞれ接続されている。
【００２１】また、ロ―タ―は、回転軸15と一体で形成
されたロ―タ鉄心16と、そのロ―タ鉄心16の円周上分割
して設けられた４個の永久磁石17から成り、４極の一定
磁界の界磁として機能し、保護用軸受（タッチベアリン
グ）10Ａ，10Ｂにより回転自在に設けられている。
されたロ―タ鉄心16と、そのロ―タ鉄心16の円周上分割
して設けられた４個の永久磁石17から成り、４極の一定
磁界の界磁として機能し、保護用軸受（タッチベアリン
グ）10Ａ，10Ｂにより回転自在に設けられている。
【００２２】回転軸15の反負荷側軸端にロ―タ―の回転
角度θを検出する位置センサ２が取り付けられている。
位置センサ２はロ―タ―の１回転中における回転角度が
検出できるものであればどのようなものでも用いること
ができる。
角度θを検出する位置センサ２が取り付けられている。
位置センサ２はロ―タ―の１回転中における回転角度が
検出できるものであればどのようなものでも用いること
ができる。
【００２３】ステ―タ鉄心12の軸中心とロ―タ鉄心16の
回転軸中心との変位量を空隙長の変位量として検出する
変位センサ９がステ―タ―側の保持金具に取り付けられ
ている。この変位センサ９として渦電流方式変位センサ
を用いることができる。図３（Ａ）ではロ―タ鉄心16の
両端に近接して設けた例を示しているが片側だけに設け
ることもできる。両側に設けたときは、それぞれの検出
変位量の平均値を用いることになる。この変位センサ９
はロ―タ鉄心16の円周上に等角度間隔で４個配設され、
図２中に示す変位センサ103〜403 として用いられる。
以下、本実施例の作用について説明するが、先ず、図５
（Ａ）に２相同期モ―タのモデル図を示し、座標変換に
ついて説明する。この場合の電圧、電流方程式は（１）
式で表わされる。 但し、Ｖa ，Ｖb はａ相、ｂ相の電圧ｉa ，ｉb はａ
相、ｂ相の電流ψa ，ψb はａ相、ｂ相の巻線鎖交磁束
Ｒ，Ｌはａ相、ｂ相の電機子の抵抗とインダクタンスＭ
は界磁巻線と電機子巻線の相互インダクタンスｉf は界
磁電流θはａ相巻線軸と界磁磁極軸のなす角（１）式は
（２）式のように表現することができる。 但し、Ｐ＝ｄ／ｄｔ（微分演算子）ωは角速度
回転軸中心との変位量を空隙長の変位量として検出する
変位センサ９がステ―タ―側の保持金具に取り付けられ
ている。この変位センサ９として渦電流方式変位センサ
を用いることができる。図３（Ａ）ではロ―タ鉄心16の
両端に近接して設けた例を示しているが片側だけに設け
ることもできる。両側に設けたときは、それぞれの検出
変位量の平均値を用いることになる。この変位センサ９
はロ―タ鉄心16の円周上に等角度間隔で４個配設され、
図２中に示す変位センサ103〜403 として用いられる。
以下、本実施例の作用について説明するが、先ず、図５
（Ａ）に２相同期モ―タのモデル図を示し、座標変換に
ついて説明する。この場合の電圧、電流方程式は（１）
式で表わされる。 但し、Ｖa ，Ｖb はａ相、ｂ相の電圧ｉa ，ｉb はａ
相、ｂ相の電流ψa ，ψb はａ相、ｂ相の巻線鎖交磁束
Ｒ，Ｌはａ相、ｂ相の電機子の抵抗とインダクタンスＭ
は界磁巻線と電機子巻線の相互インダクタンスｉf は界
磁電流θはａ相巻線軸と界磁磁極軸のなす角（１）式は
（２）式のように表現することができる。 但し、Ｐ＝ｄ／ｄｔ（微分演算子）ωは角速度
【００２４】ここで、座標軸を界磁磁極に平行なｄ軸及
びｄ軸に直交するｑ軸に等価変換した図５（Ｂ）に示す
等価モデルを考えることにより図５（ｃ）に示す直流モ
―タに等価変換することができる。
びｄ軸に直交するｑ軸に等価変換した図５（Ｂ）に示す
等価モデルを考えることにより図５（ｃ）に示す直流モ
―タに等価変換することができる。
【００２５】直流モータは、界磁磁極軸に直角な起磁力
を発生する電機子電流成分によりトルクを発生するが、
これと同様に、ｄ−ｑ軸座標等価変換モデル上で考える
と、界磁磁極軸に直角な起磁力を発生するｑ軸電機子電
流ｉq がトルク発生に寄与することが理解される。
を発生する電機子電流成分によりトルクを発生するが、
これと同様に、ｄ−ｑ軸座標等価変換モデル上で考える
と、界磁磁極軸に直角な起磁力を発生するｑ軸電機子電
流ｉq がトルク発生に寄与することが理解される。
【００２６】一方、界磁磁極軸に平行な起磁力を発生す
るｄ軸電機子電流ｉd はトルクを発生しないが、電磁力
の面から考えると法線方向の磁気旧引力が発生してい
る。従って、このｄ軸電機子電流ｉd は磁気浮上のため
の磁気吸引力となり、この磁気吸引力を制御すれば、ロ
―タを磁気浮上させることが可能となる。これらの関係
を式で表わすと下記のようになる。 トルク： Ｔ＝ｋ・φ（ｉf ）・ｉq …（３） 磁気吸引力：ｆ＝ｋｎ・φ（ｉf ）・ｉd …
（４）
るｄ軸電機子電流ｉd はトルクを発生しないが、電磁力
の面から考えると法線方向の磁気旧引力が発生してい
る。従って、このｄ軸電機子電流ｉd は磁気浮上のため
の磁気吸引力となり、この磁気吸引力を制御すれば、ロ
―タを磁気浮上させることが可能となる。これらの関係
を式で表わすと下記のようになる。 トルク： Ｔ＝ｋ・φ（ｉf ）・ｉq …（３） 磁気吸引力：ｆ＝ｋｎ・φ（ｉf ）・ｉd …
（４）
【００２７】上式より、ｑ軸電機子電流ｉｑによりトル
クを制御し、同時にｄ軸電機子電流ｉd により磁気吸引
力を制御し磁気浮上するようにすれば、自己浮上し、駆
動可能なモ―タが得られる。
クを制御し、同時にｄ軸電機子電流ｉd により磁気吸引
力を制御し磁気浮上するようにすれば、自己浮上し、駆
動可能なモ―タが得られる。
【００２８】図２、図３に示す実施例において、各イン
バ―タ101 〜401 からモ―タ―１の各２相巻線（ａ1 、
ｂ1 ）〜（ａ4 ，ｂ4 ）に供給される電流ｉ1 〜ｉ
4 は、関数器３から出力されるロ―タ―の回転角度θの
関数（sin θ，cos θ）により、図１の実施例と同様に
それぞれｄ軸成分電流とｑ軸成分電流に座標変換され
る。
バ―タ101 〜401 からモ―タ―１の各２相巻線（ａ1 、
ｂ1 ）〜（ａ4 ，ｂ4 ）に供給される電流ｉ1 〜ｉ
4 は、関数器３から出力されるロ―タ―の回転角度θの
関数（sin θ，cos θ）により、図１の実施例と同様に
それぞれｄ軸成分電流とｑ軸成分電流に座標変換され
る。
【００２９】各ｄ軸成分電流は、各基準変位ｇ1 * 〜ｇ
4 * と各変位センサ103 〜403 で検出された変位量との
偏差値に乗算され、それぞれｄ軸基準を成生する。ま
た、各ｑ軸成分電流は、速度偏差に応じて出力されるト
ルク指令Ｔ* と比較されその偏差値に応じてそれぞれｑ
軸基準が成生される。それぞれのｄ軸基準とｑ軸基準か
らベクトル和がそれぞれ演算され、θの関数（sin θ、
cos θ）からａ相、ｂ相のインバ―タの電圧指令ｖ1 *
〜ｖ4 * にそれぞれ座標変換される。これにより、各イ
ンバ―タ101 〜401 は前述したようにモ―タ―１の各２
相巻線に電流（ｉa ，ｉb ）を供給する。この場合、電
圧形インバ―タを用いたとき、ｄ軸基準、ｑ軸基準は、
（５）式の演算によりインピ―ダンス降下の補償を行
う。 その後、θの関数により（６）式の座標変換を行う。 （６）式で得られた電圧指令によりモ―タ―の２相巻線
に（７）式の電流が供給される。
4 * と各変位センサ103 〜403 で検出された変位量との
偏差値に乗算され、それぞれｄ軸基準を成生する。ま
た、各ｑ軸成分電流は、速度偏差に応じて出力されるト
ルク指令Ｔ* と比較されその偏差値に応じてそれぞれｑ
軸基準が成生される。それぞれのｄ軸基準とｑ軸基準か
らベクトル和がそれぞれ演算され、θの関数（sin θ、
cos θ）からａ相、ｂ相のインバ―タの電圧指令ｖ1 *
〜ｖ4 * にそれぞれ座標変換される。これにより、各イ
ンバ―タ101 〜401 は前述したようにモ―タ―１の各２
相巻線に電流（ｉa ，ｉb ）を供給する。この場合、電
圧形インバ―タを用いたとき、ｄ軸基準、ｑ軸基準は、
（５）式の演算によりインピ―ダンス降下の補償を行
う。 その後、θの関数により（６）式の座標変換を行う。 （６）式で得られた電圧指令によりモ―タ―の２相巻線
に（７）式の電流が供給される。
【００３０】これにより２相巻線（ａ相，ｂ相）の電流
はｄ軸成分とｑ軸成分のベクトル和として制御され、ｉ
d ，ｉq はそれぞれ独立して制御することができる。ま
た、電流形インバ―タを用いたときは、（５）式の演算
を省略することにより、２相巻線に同様の電流を供給す
ることができる。
はｄ軸成分とｑ軸成分のベクトル和として制御され、ｉ
d ，ｉq はそれぞれ独立して制御することができる。ま
た、電流形インバ―タを用いたときは、（５）式の演算
を省略することにより、２相巻線に同様の電流を供給す
ることができる。
【００３１】このように制御することにより、モ―タ―
のロ―タ―の回転軸中心がステ―タ―鉄心の軸中心に制
御されてロ―タ―の回転軸が磁気浮上すると共に回転ト
ルクが制御され、ロ―タ―は速度基準に応じた速度で回
転する。例えば、図３（Ｂ）において、回転軸中心が右
上方向に偏ると、変位センサがこれを検出して巻線（ａ
1 ，ｂ1 ）に流れるｄ軸成分電流を減少させると共に、
巻線（ａ3 ，ｂ3 ）に流れるｄ軸成分電流を増加させる
ように作用する。これにより左下方向の電磁吸引力が増
加しロ―タ―の回転軸中心は左下方向に引き戻され、常
に中心位置に保たれる。
のロ―タ―の回転軸中心がステ―タ―鉄心の軸中心に制
御されてロ―タ―の回転軸が磁気浮上すると共に回転ト
ルクが制御され、ロ―タ―は速度基準に応じた速度で回
転する。例えば、図３（Ｂ）において、回転軸中心が右
上方向に偏ると、変位センサがこれを検出して巻線（ａ
1 ，ｂ1 ）に流れるｄ軸成分電流を減少させると共に、
巻線（ａ3 ，ｂ3 ）に流れるｄ軸成分電流を増加させる
ように作用する。これにより左下方向の電磁吸引力が増
加しロ―タ―の回転軸中心は左下方向に引き戻され、常
に中心位置に保たれる。
【００３２】本実施例ではモ―タのロ―タに永久磁石を
使用しているためロ―タは、能動的に軸方向磁極中心に
復元力が作用するため、アキシャル方向の磁気軸受は省
略してあるが、外部より大きなスラスト力がいる場合
は、もちろんアキシャル方向にも磁気軸受を用いても良
い。本実施例によれば、別個に磁気軸受浮上システムを
必要とせずモ―タ自身で磁気浮上し、トルクを発生する
ため、小形・簡素化できる。
使用しているためロ―タは、能動的に軸方向磁極中心に
復元力が作用するため、アキシャル方向の磁気軸受は省
略してあるが、外部より大きなスラスト力がいる場合
は、もちろんアキシャル方向にも磁気軸受を用いても良
い。本実施例によれば、別個に磁気軸受浮上システムを
必要とせずモ―タ自身で磁気浮上し、トルクを発生する
ため、小形・簡素化できる。
【００３３】ステッピングモ―タは特種同期モ―タであ
り、図２の実施例に用いるモ―タ―としてハイブリット
形ステッピングモ―タを図４に示す。このステッピング
モ―タは、８個のスロット13を有するステ―タ鉄心12に
２相の巻線14が巻かれ、各巻線は（ａ1 ，ｂ1 ）、（ａ
2 ，ｂ2 ）、（ａ3 ，ｂ3 ）、（ａ4 ，ｂ4 ）の４組
で、インバ―タ101 〜401と一対一対応で接続されてい
る。ステ―タ鉄心12の内周空隙面には８個の極歯（12
Ａ）に各々５個の小歯18が形成されている。
り、図２の実施例に用いるモ―タ―としてハイブリット
形ステッピングモ―タを図４に示す。このステッピング
モ―タは、８個のスロット13を有するステ―タ鉄心12に
２相の巻線14が巻かれ、各巻線は（ａ1 ，ｂ1 ）、（ａ
2 ，ｂ2 ）、（ａ3 ，ｂ3 ）、（ａ4 ，ｂ4 ）の４組
で、インバ―タ101 〜401と一対一対応で接続されてい
る。ステ―タ鉄心12の内周空隙面には８個の極歯（12
Ａ）に各々５個の小歯18が形成されている。
【００３４】ロ―タ―は、軸方向に磁化されたド―ナツ
状の永久磁石17と、これを両側から挟持する２つのロ―
タ鉄心16を主要部として成り、ロ―タ鉄心16の外周空隙
面には50個の歯19が形成されている。ステッピングモ―
タはパルス波電源駆動でなく、正弦波・矩形波の交流駆
動すれば、一般の低速・高トルクの多極同期モ―タとし
て動作する。
状の永久磁石17と、これを両側から挟持する２つのロ―
タ鉄心16を主要部として成り、ロ―タ鉄心16の外周空隙
面には50個の歯19が形成されている。ステッピングモ―
タはパルス波電源駆動でなく、正弦波・矩形波の交流駆
動すれば、一般の低速・高トルクの多極同期モ―タとし
て動作する。
【００３５】これはロ―タ歯19とステ―タ歯18がモ―タ
の空隙面に形成されており、歯と溝では磁気抵抗が異な
るため、ロ―タが回転した時の歯18，19の位置関係によ
り磁気抵抗が変化する。この磁気抵抗変化によりロ―タ
回転角に対する空隙磁束の変化は近似的な正弦波変化と
なることから、歯の磁気抵抗変化により等価的に界磁の
極対数が歯数の数だけあるロ―タが形成されたことに成
る。従って、本実施例では100 極数の２相同期モ―タと
等価に作用し、ステッピングモ―タ―を用いて低速で大
きなトルクを発生させることができると同時に前述と同
様にｄ軸成分電流ｉd により磁気浮上させると共にｑ軸
成分電流ｉq によりトルクを制御し、前述と同様の効果
を得ることができる。
の空隙面に形成されており、歯と溝では磁気抵抗が異な
るため、ロ―タが回転した時の歯18，19の位置関係によ
り磁気抵抗が変化する。この磁気抵抗変化によりロ―タ
回転角に対する空隙磁束の変化は近似的な正弦波変化と
なることから、歯の磁気抵抗変化により等価的に界磁の
極対数が歯数の数だけあるロ―タが形成されたことに成
る。従って、本実施例では100 極数の２相同期モ―タと
等価に作用し、ステッピングモ―タ―を用いて低速で大
きなトルクを発生させることができると同時に前述と同
様にｄ軸成分電流ｉd により磁気浮上させると共にｑ軸
成分電流ｉq によりトルクを制御し、前述と同様の効果
を得ることができる。
【００３６】以上の実施例では、いずれも二相モ―タを
用いた例で説明したが、三相モ―タでも同様の作用・効
果が得られ、一般の同期モ―タはもちろんのこと、誘導
機モ―タにも適用可能である。さらには、リニアモ―タ
でも同様に実施できるのは当然である。また、空隙変位
センサと角度位置センサは、ステ―タにホ―ル素子を利
用して、両方の働きをさせることも可能である。
用いた例で説明したが、三相モ―タでも同様の作用・効
果が得られ、一般の同期モ―タはもちろんのこと、誘導
機モ―タにも適用可能である。さらには、リニアモ―タ
でも同様に実施できるのは当然である。また、空隙変位
センサと角度位置センサは、ステ―タにホ―ル素子を利
用して、両方の働きをさせることも可能である。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、別
個に磁気軸受け浮上システムを必要とせず、モ―タ磁心
で磁気浮上して、トルクを発生するため、モ―タ及び制
御電源（装置）を共用することができ、小形軽量化する
ことができる。さらには、磁気軸受は径方向に関して
は、モ―タ部の両端に２個の磁気軸受を必要とし、４軸
制御となるが、本発明によれば、モ―タの空隙面全体を
使用するためモ―タ軸方向の倒れを考慮する必要がない
ため、２軸の制御のみでよく、簡素化した自己浮上モ―
タシステムを提供することができる。
個に磁気軸受け浮上システムを必要とせず、モ―タ磁心
で磁気浮上して、トルクを発生するため、モ―タ及び制
御電源（装置）を共用することができ、小形軽量化する
ことができる。さらには、磁気軸受は径方向に関して
は、モ―タ部の両端に２個の磁気軸受を必要とし、４軸
制御となるが、本発明によれば、モ―タの空隙面全体を
使用するためモ―タ軸方向の倒れを考慮する必要がない
ため、２軸の制御のみでよく、簡素化した自己浮上モ―
タシステムを提供することができる。
【図１】本発明の基本構成を示す第１実施例のブロック
図である。
図である。
【図２】本発明による第２実施例で、４組のインバ―タ
を用いて速度制御を行う場合のブロック図である。
を用いて速度制御を行う場合のブロック図である。
【図３】図２に示す第２実施例で用いるモ―タ―の要部
構成を示す図である。
構成を示す図である。
【図４】第２実施例で用いるモ―タ―としてステッピン
グモ―タ―を用いる場合の要部構成を示す図である。
グモ―タ―を用いる場合の要部構成を示す図である。
【図５】本発明で用いられる座標変換のプロセスを説明
するための２相同期モ―タのモデル図である。
するための２相同期モ―タのモデル図である。
【図６】従来の磁気軸受付モ―タ―の要部構成を示す図
である。
である。
１…モ―タ― ２…位置センサ ３…関数器 ４…微分器 ５…速度制御手段 ６…空隙トルク制御手
段 12…ステ―タ 14…巻線16…ロ―タ鉄
心 17…永久磁石 18…ステ―タ小歯 19…ロ―タ歯 101 〜401 …インバ―タ 102 〜402 …電流検出
器 103 〜403 …変位センサ 104 ，204 …座標変換
手段 105 ，205 …変位検出手段 106 ，206 …空隙制御
手段 107 ，207 …乗算器 108 ，208 …トルク制
御手段 109 ，209 …座標変換手段
段 12…ステ―タ 14…巻線16…ロ―タ鉄
心 17…永久磁石 18…ステ―タ小歯 19…ロ―タ歯 101 〜401 …インバ―タ 102 〜402 …電流検出
器 103 〜403 …変位センサ 104 ，204 …座標変換
手段 105 ，205 …変位検出手段 106 ，206 …空隙制御
手段 107 ，207 …乗算器 108 ，208 …トルク制
御手段 109 ，209 …座標変換手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H02P 5/408 - 5/412 H02P 7/628 - 7/632 H02P 21/00
Claims (3)
- 【請求項１】 モ―タ―としては、一定磁界による磁極
を有するロ―タ―、回転磁界を発生する２相以上の多相
巻線をｎ組有するステ―タ、該ロ―タ―とステ―タ―間
の空隙の変位量ｇをｎ組に対応してそれぞれ検出する変
位センサ、該ロ―タの回転角度θを検出する位置センサ
を備え、コントロ―ラとしては、指令に応じて該多相巻
線に多相の交流電流ｉを供給するインバ―タ、該多相の
交流電流ｉと該回転角度θから該ロ―タの所定の角度に
対して同相磁界を発生するｄ軸成分電流ｉd 及び直交磁
界を発生するｑ軸成分電流ｉq を得る第１の演算手段、
該変位量ｇと基準変位ｇ* との偏差値及び該ｄ軸成分電
流ｉd からｄ軸の基準を得ると共に、トルク指令Ｔ* と
該ｑ軸成分電流ｉq との偏差値からｑ軸の基準を得る第
２の演算手段、該ｄ軸の基準及びｑ軸の基準からベクト
ル和を得ると共に該回転角度θから該インバ―タの指令
を得る第３の演算手段をそれぞれｎ組備え、ｄ軸成分電
流により該ロ―タを磁気的に浮上させると共にｑ軸成分
電流により所望トルクを発生して回転するようにしたこ
とを特徴とする自己浮上モ―タシステム。 - 【請求項２】 前記第１項記載のものにおいて、前記モ
―タは、永久磁石を用いて前記一定磁界による磁極とし
たことを特徴とする自己浮上モ―タシステム。 - 【請求項３】 前記第１項記載のものにおいて、前記モ
―タ―は、軸方向に着磁された円板状の永久磁石と、こ
の永久磁石を挟持する周面に多数の歯が形成された２つ
の円板状鉄心により前記一定磁界による磁極を形成する
ことを特徴とする自己浮上モ―タシステム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3002540A JP2930254B2 (ja) | 1991-01-14 | 1991-01-14 | 自己浮上モ―タシステム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3002540A JP2930254B2 (ja) | 1991-01-14 | 1991-01-14 | 自己浮上モ―タシステム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04236188A JPH04236188A (ja) | 1992-08-25 |
| JP2930254B2 true JP2930254B2 (ja) | 1999-08-03 |
Family
ID=11532214
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3002540A Expired - Fee Related JP2930254B2 (ja) | 1991-01-14 | 1991-01-14 | 自己浮上モ―タシステム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2930254B2 (ja) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5880549A (en) * | 1995-03-30 | 1999-03-09 | Akira Chiba | Switched reluctance rotator |
| EP0989656B1 (de) | 1998-09-24 | 2009-03-11 | Levitronix LLC | Permanentmagnetisch erregter elektrischer Drehantrieb |
| EP1063753B1 (de) | 1999-06-22 | 2009-07-22 | Levitronix LLC | Elektrischer Drehantrieb mit einem magnetisch gelagerten Rotor |
| KR100434200B1 (ko) * | 2001-02-19 | 2004-06-04 | 김대곤 | 셀프베어링 스텝모터 시스템 및 그 제어방법 |
| JP2005020800A (ja) * | 2003-06-23 | 2005-01-20 | Yokohama Tlo Co Ltd | 回転体の軸ぶれ制御方法、及びフライホイール装置 |
| JP4400835B2 (ja) | 2007-07-24 | 2010-01-20 | 本田技研工業株式会社 | 電動機の制御装置 |
| WO2011114912A1 (ja) * | 2010-03-15 | 2011-09-22 | 学校法人東京理科大学 | ベアリングレスモータ |
| JP5653898B2 (ja) * | 2011-12-27 | 2015-01-14 | 三菱重工業株式会社 | 永久磁石モータ制御装置 |
| JP5893394B2 (ja) * | 2011-12-27 | 2016-03-23 | 川崎重工業株式会社 | 永久磁石同期機、永久磁石同期機の駆動装置及び駆動方法 |
| JP6138075B2 (ja) * | 2014-03-13 | 2017-05-31 | 三菱電機株式会社 | ２相同期電動機 |
| JP2016163495A (ja) * | 2015-03-04 | 2016-09-05 | 国立大学法人東京工業大学 | 電動機および電動機システム |
| CN110336435B (zh) * | 2019-06-23 | 2024-04-19 | 大国重器自动化设备(山东)股份有限公司 | 一种智能伺服电机及机器人 |
-
1991
- 1991-01-14 JP JP3002540A patent/JP2930254B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04236188A (ja) | 1992-08-25 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |