JP3550584B2 - 電磁回転機械 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電磁回転機械に係り、詳細には、固定子に位置制御巻線を設けて磁気軸受機能を付加した誘導機や同期機等の電磁回転機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械、ターボ分子ポンプ、フライホイール等では、電動機の高速、高出力化の要求が高まっており、これらの軸受としては、高速回転化や長期間無保守が可能な磁気軸受が適用されつつある。
磁気軸受では、充分な力を発生させるために大型化する傾向にあり、実際、電動機の軸長に等しい場合もある。従って、主軸の軸長が長くなり、高速回転時に生じる主軸の弾性的な振動が問題となってしまい、高速回転を実現することは容易ではない。また、高出力化しようとすると電動機の軸長を長くする必要があり、電磁機械が発生する吸引力が増加するため磁気軸受のサイズも大形とする必要がある。この結果、危険速度が低下してしまい、高速化がきわめて困難となる。このような課題に対して近年では、モータの固定子に磁気軸受の位置制御巻線を付加することで、軸短化と高速、高出力化を実現した位置制御巻線付き電磁回転機械が開発されている。
【０００３】
図７は、位置制御巻線付き電磁回転機械３０を表したものである。
位置制御巻線付き電磁回転機械３０では、３相インバータ２０に接続されたトルク発生用の巻線（図示せず）の他に、ロータ３１に対して半径方向の磁力を発生させる半径方向位置制御巻線（図示せず）が、モータの固定子３２、３４に設けられている。半径方向位置制御巻線は、それぞれ３相インバータ３６、３８によって電流が制御され、この制御でロータ３１の半径方向の位置制御が行われる。
位置制御巻線付き電磁回転機械３０では、１つ固定子でトルクと半径方向の力とを発生させることができるため一般の磁気軸受付きの超高速電動機に比べて軸長を短くでき、また、軸長が同一であれば高速、高出力化を図ることができる。
【０００４】
なお、位置制御巻線付き電磁回転機械としては、以下のようなものが既に提案されている。
例えば、励磁磁束を変化させて軸方向力を発生させることで、ディスク形電動機の軸方向位置を調整するようにしたものがある。これは、ディスク形の回転機には応用可能であるが、広く用いられているラジアル形の回転機には応用が難しい。
また、一般の誘導電動機の巻線電流を不平衡にすることにより、半径方向の力を発生して回転子の半径方向の位置を制御しようとするものがある。これには、回転子が中心に位置しているときには原理的に半径方向力が発生できないという問題点がある。
【０００５】
一方、特開昭６４−５５０３１号公報に記載されているように、磁気軸受の磁路とステッピングモータの磁路を単に共有したものがある。この方式は、低速のアクチュエータに適しているが、構造上、極数がきわめて大きくする必要があるため超高速回転には適していない。また、高出力の誘導機、永久磁石形電動機などに多く用いられる正弦波状の超磁力分布、磁束分布を持つ回転機に応用することは難しい。
【０００６】
また、特開平４−２３６１８８号公報に記載されている技術では、極数を減少させるとともに、従来の誘導機や永久磁石形回転機に近い構造を有するものが提案されている。これは、４相のスイッチドリラクタンス機の固定子鉄心のような、８個の歯を構成した固定子に４極の集中巻線を施し、これを各磁極で分割し、各磁極の磁束を独立に制御するようにしたものである。回転磁界を発生するとともに、各磁極の磁束の強弱により半径方向力を発生させることもできる。また、特開平４−１０７３１８号公報に記載されたものでも同様の鉄心構造を有しているが、巻線を分布巻きとして、より正弦波分布に近い超磁力分布とした点に特徴がある。しかし、これらの技術では、４分割した巻線を個々に駆動するため、直交２軸の半径方向力とトルクを発生する１つのユニットで、２相巻線であれば最小で８台の単相インバータと１６本の配線が必要となってしまう。更に、半径方向力制御とトルク制御が同一の巻線電流によって行われるため、きわめて高速かつ高精度で容量が大きい電流駆動器が必要となる。
【０００７】
そこで、特開平２−１９３５４７号公報等に記載されているように、４極の回転機に２極の巻線を施すことで半径方向の力を発生することができる電磁回転機械が既に提案されている。この電磁回転機械では、回転磁界形電動機において極数の異なる位置制御巻線を固定子に追加することにより、積極的に回転磁界を不平衡にして半径方向力をトルクとともに発生するようになっている。
【０００８】
図８は、このタイプの電磁回転機械における半径方向力の発生原理を表したものである。
回転子４０が固定子４２の中心に位置している場合、固定子４２に設けられたトルク発生用の４極巻線４４は、正方向の電流が通電されることで、４極の対称磁束Ｈ４を発生させる。そして、この４極の巻線４４と、これと直交する図示しない他の４極巻線とに二相交流電流を流すことにより４極の回転磁界を発生させる。あるいは特開平２−１９３５４７号公報で既に報告しているように３相巻線であってもよい。これにより、回転子４０にかご形巻線が施してあれば通常のかご形誘導機として回転子４０にトルクが発生する。
【０００９】
また、固定子４２には４極巻線４４に加えて、回転子４０に対して半径方向に磁力を作用させる２極の位置制御巻線４６ａ、４６ｂも施されており、位置制御巻線４６ａに正方向の電流を流すと図８に示すような２極の磁束Ｈ２が発生する。
この場合、回転子４０の、図８において下部のギャップでは、４極の巻線４４による磁束Ｈ４の方向が２極の巻線４６ａの磁束Ｈ２の方向と逆である。従って、このギャップでは磁束密度が低下する。一方、回転子４０の上部におけるギャップでは、４極の磁束Ｈ４の方向と２極の磁束Ｈ２の方向が一致しているため磁束密度は増加する。
【００１０】
このように磁束分布が不平衡になると、回転子４０に図８において上方向に作用する半径方向の力Ｆが生じる。この半径方向の力Ｆの大きさは２極巻線４６ａに流れる電流の大きさを制御することにより調整できる。また、半径方向の力Ｆの方向を逆にするためには、２極巻線４６ａの電流の方向を反転すればよい。
一方、図８において左右方向の力を発生させるためには、巻線４６ａと直交する２極巻線４６ｂに通電すればよい。このように直交した２極巻線４６ａ、４６ｂの電流の大きさ、方向を調整することにより所望の大きさ、方向の半径方向力を発生できる。
図８では４極巻線４４を電動機駆動用、２極巻線４６ａ、４６ｂを半径方向位置制御用に用いているが、４極巻線４４を半径方向力発生用に、２極巻線４６ａ、４６ｂを電動機駆動用に用いることも可能である。
【００１１】
以上のような原理で回転子の位置制御を行う電磁回転機械では、半径方向力とトルクを発生するために、３相巻線であれば６本の配線と２台の３相インバータだけで済み、また、半径方向力を発生する巻線とトルクを発生する巻線が分離しているため、半径方向力制御用インバータあるいはパワーアンプは小電力容量で済むという特徴を有する。更に、４極と２極の巻線を用いているため、回転子が中心に位置していれば相互結合が０となり、電動機の誘起電圧が半径方向力制御巻線に生じない。また、誘導機、永久磁石形同期機、シンクロナスリラクタンスモータなどの正弦波起磁力分布、正弦波磁束分布を仮定した高出力回転機に広く応用できる。
【００１２】
図９は、位置制御巻線付き電磁回転機械の制御系を表したものである。なお、この図では、構成を簡単にするため、２軸分の半径方向の位置制御を行うシステム構成のみが示されている。
図９に示す位置制御巻線付き電磁回転機械の制御系は、回転子５０に対してトルクを与えるための電動機駆動回路部Ａと、回転子５０の半径方向の位置を制御するための位置制御回路部Ｂとで主に構成されている。
電動機駆動回路部Ａでは、正弦波発振器５２や余弦波発振器５３が１次電流周波数指令２ωに基づいてそれぞれ正弦波や余弦波を発生させ、これに電流振幅指令値を乗じられる。そして、３相２相変換器５４で３相２相変換されて瞬時電流指令値ｉｕ４、ｉｖ４、ｉｗ４がそれぞれ得られ、これに追従するようにインバータ５６が４極電動機巻線Ｃ４の電流制御を行う。
【００１３】
一方、位置制御回路部Ｂでは、回転子５０とのギャップを検出する変位センサ５８ａ、５８ｂの出力α、βが、比較器６０ａ、６０ｂでそれぞれギャップ指令値α０、β０と比較される。そして、その誤差εα、εβが、ＰＩＤ（比列微分積分）コントローラ６２ａ、６２ｂに入力される。ＰＩＤコントローラ６２ａ、６２ｂは、ギャップ誤差εα、εβに応じて半径方向の力を指令する指令値Ｆα、Ｆβをそれぞれ発生させる。そして、変調器６４が、正弦波発振器５２や余弦波発振器５３からの信号を基に、回転磁界の角度に応じた変調をそれぞれ指令値Ｆα、Ｆβに施し、２極位置制御巻線Ｎα、Ｎβの電流指令値ｉα、ｉβを発生させる。かご形巻線等の場合は、図９に示すように位相補償を行う補償器６６が設けられ、この出力信号は３相２相変換器６８で２相軸上から３相軸上に変換される。インバータ７０は、３相２相変換器６８からの電流指令値ｉｕ２、ｉｖ２、ｉｗ２に追従するように巻線電流Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２を検出して２極位置制御巻線Ｎα、Ｎβの電流制御を行う。
【００１４】
なお、電動機駆動回路部Ａにおいて周波数指令値や電流振幅指令値をいかにして発生するかについては、ベクトル制御や滑り周波数制御、及びｖ／ｆ制御等の各種方法を用いる。また、図９では省略されているが、ベクトル制御等においては、１次周波数の正弦波や余弦波以外に、トルク電流ベクトルの大きさや角度、及び励磁電流指令値等も電動機駆動回路部Ａから位置制御回路部Ｂに供給される。
以上のように、図９に示した制御系は、回転磁界に同期した変調を施す点をのぞくと従来の磁気軸受の制御システムにきわめて類似している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の位置制御巻線付き電磁回転機械では、回転子の変位を検出する変位センサについて、いくつかの問題がある。
すなわち、変位センサが必ずしも半径方向力を発生する部分にとりつけられないため、弾性変形する回転子では、不安定が生じる場合がある。また、変位センサの種類によるものの、変位センサの対抗部の凸凹、偏心などが位置制御系に対して外乱となってしまう。また、変位センサ自体が高価であることも問題である。
【００１６】
ところで、磁気軸受では、以上のような変位センサの問題を解決するため、以下のような方法でセンサレス化することが考えられている。
すなわち、磁気軸受を駆動する電流制御器のスイッチング周波数が、磁気軸受端子から見込んだインダクタンスによって変化するため、主軸の半径方向変化をスイッチング周波数から推定する方法がある。この方法は雑音にも強く実用的な方法である。
しかし、この方法では、回転子が変位しても、磁気軸受のインダクタンスの変化はあまり大きくなく、特に、中心付近ではインダクタンスの変化が極小となってしまい、制御が難しいという問題がある。
【００１７】
また、磁気軸受の電圧、電流特性が主軸との距離と密接な関係があることに着目し、動作点近傍で線形化を行い、観測器、あるいはシミュレータを用いて半径方向の変位を推定したり、検出した電流から系全体が安定化するコントローラを構成して電圧指令値を発生するようにしたものがある。この方法は数学的にきわめて明快であり、新しい手法である。
しかし、動作点近傍で線形化を行う必要があり、安定化するコントローラを構成するためにはパラメータの調整がきわめて難しい点に問題がある。
【００１８】
そこで、本発明は、前述の磁気軸受で実施されている動作点近傍付近を線形化して位置を推定したり、磁気軸受用電磁石のインダクタンス変化量で位置を推定したりしなくとも、変位センサを設けることなく回転子の変位を推定でき、低価格で信頼性の高い、かつ安定な位置制御が実現できる電磁回転機械を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、固定子と回転子間の電磁作用によって駆動する電磁回転機械に、前記固定子に設けられた駆動用巻線と、前記固定子に設けられ、前記駆動用巻線と極数が異なる磁界を形成する位置制御巻線と、この位置制御巻線に通電して前記固定子側での磁界を不均衡にすることにより、前記回転子に磁力を作用させる磁力発生手段と、前記回転子の変位と前記駆動用巻線により形成される回転磁界によって前記位置制御巻線に生じる誘起電圧または電流を検出する誘起状態検出手段と、この誘起状態検出手段により検出された誘起電圧または電流と前記駆動用巻線により形成される回転磁界の大きさと速度から、前記回転子の変位を検出する変位検出手段と、この変位検出手段で検出された変位に応じて、前記磁力発生手段によって発生する磁力を変化させることで、前記回転子の位置を制御する位置制御手段とを具備させて前記目的を達成する。
【００２０】
請求項２記載の発明では、固定子と回転子間の電磁作用によって駆動する電磁回転機械に、前記固定子に設けられ、回転磁界を形成する駆動用巻線と、前記固定子に設けられ、前記駆動用巻線と極数が異なる磁界を形成する位置制御巻線と、前記回転子の変位と前記駆動用巻線により形成される回転磁界とによって前記駆動用巻線と前記位置制御巻線間の相互インダクタンスが変化し、前記位置制御巻線に生じる誘起電圧または電流を打ち消す電圧または電流を発生させる起電力発生手段と、この起電力発生手段によって発生した電圧または電流に応じて、前記位置制御巻線に通電して前記固定子側での磁界を不均衡にすることにより、前記回転子の位置を制御する位置制御手段とを具備させて前記目的を達成する。
【００２１】
【作用】
請求項１記載の電磁回転機械では、磁力発生手段が、位置制御巻線に通電して駆動用巻線と極数が異なる磁界によって固定子側での磁界を不均衡にすることで、回転子に磁力を作用させる。誘起状態検出手段は、回転子の変位と駆動用巻線により形成される回転磁界によって位置制御巻線に生じる誘起電圧または電流を検出する。そして、変位検出手段は、誘起状態検出手段により検出された誘起電圧あるいは電流と、駆動用巻線により形成される回転磁界の大きさと速度から、回転子の変位を検出する。位置制御手段は、変位検出手段で検出された変位に応じて、磁力発生手段によって発生する磁力を変化させることで、回転子の位置を制御する。
請求項２記載の電磁回転機械では、回転子が中心に位置している場合、位置制御巻線には駆動用巻線による誘起電圧が発生しない。しかし、回転子が半径方向に変位すると、起電力発生手段は、回転子の変位と前記駆動用巻線により形成される回転磁界とによって前記駆動用巻線と前記位置制御巻線間の相互インダクタンスが変化し、前記位置制御巻線に生じる誘起電圧または電流を打ち消す電圧または電流を発生させる。位置制御手段は、起電力発生手段によって発生した電圧あるいは電流に応じて、位置制御巻線に通電して固定子側での磁界を不均衡にすることにより、回転子の位置を制御する。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の電磁回転機械における各実施例について図にしたがって詳細に説明する。
図１は、電磁回転機械１０の制御系における主要部を概略的に表したものである。なお、図９に示した従来の電磁回転機械と同様の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は適宜省略することとする。
本実施例の電磁回転機械１０は、固定子側で回転磁界を発生させることにより回転子５０にトルクを与える誘導モータ、あるいは同期モータ等であり、固定子には、回転磁界を発生させる電動機巻線Ｃ４と、この電動機巻線Ｃ４による回転磁界を不均衡にすることで回転子５０に対して半径方向の磁力を作用させる位置制御巻線Ｃ２とがそれぞれ設けられている。位置制御巻線Ｃ２による半径方向力の発生原理は、図８に示したものと同様である。
【００２３】
電磁回転機械１０は、位置制御巻線Ｃ２の電流を制御する位置制御回路部Ｂ１を備えている。この位置制御回路部Ｂ１では、変位センサを設ける代わりに、位置制御巻線Ｃ２の電流Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２と１次電流周波数指令とインバータ５６の出力電流値（あるいは電圧値）がコントローラ８２に供給されるようになっている。コントローラ８２は、これら電流Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２等から回転子５０の半径方向における変位を推定し、ＰＩＤ、あるいはＰＩＤＤ等の増幅器で増幅して、変位を０とするように回転子５０に対して働く半径方向力の指令値Ｆα、Ｆβを発生させるようになっている。
【００２４】
また、コントローラ８２は変調器８４と接続され、発生した指令値Ｆα、Ｆβは、この変調器８４で、電動機駆動回路部Ａにおける正弦波発振器５２や余弦波発振器５３からの信号を基に、回転磁界の角度に応じた変調を施されるようになっている。そして、位置制御巻線Ｃ２の電圧を指令する２極巻線電圧指令値ｖα、ｖβとして３相２相変換器８６に供給され、ここで、２相軸上から３相軸上に変換される。３相２相変換器８６で変換された３相軸上の電圧指令値ｖｕ２、ｖｖ２、ｖｗ２は、電圧制御インバータ８８に供給されるようになっている。もし、２相巻線であれば、この３相２相変換器８６は省略でき、変調器８４の電圧指令値ｖα、ｖβが直接電圧制御インバータ８８に供給される。
電圧制御インバータ８８は、電圧指令値ｖｕ２、ｖｖ２、ｖｗ２に追従するように出力電圧Ｖｕ２、Ｖｖ２、Ｖｗ２を発生して位置制御巻線Ｃ２に印加するようになっている。
なお、電動機駆動回路部Ａは、図９に示したものと同様の構成である。
【００２５】
次に、このように構成された実施例の動作について説明する。
まず、コントローラ８２において位置制御巻線Ｃ２の電流Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２と１次電流周波数指令、及びインバータ５６の出力電流値（あるいは電圧値）から、回転子５０の変位を推定する原理について説明する。なお、以下では、説明を簡単にするため、固定子に設けられた電動機巻線と位置制御巻線を、それぞれ２相４極の電動機巻線Ｎａ、Ｎｂと、２相２極の位置制御巻線Ｎα、Ｎβとした場合を例に説明する。
【００２６】
図２は、電磁回転機械の断面を概略的に表したものであり、図３は、回転子１２の変位を座標軸上で表現したものである。なお、図において横軸及び縦軸を各々α軸、β軸とし、回転子１２が中心に位置している場合のギャップをｇ０ とする。また、これら巻線Ｎａ、Ｎｂ、及びＮα、Ｎβの起磁力分布を正弦波とし、磁気飽和やスロット等の空間高調波を無視し、更に回転子１２が中心に位置している場合の、固定子１４と回転子１２とのギャップパーミアンスを一定値と仮定する。
このように仮定した場合、単位電流に対する各巻線Ｎａ、Ｎｂ、及びＮα、Ｎβの起磁力は（１）〜（４）式で示すようになる。
【００２７】
【数１】
Ａａ＝−Ｎ４ ｃｏｓ（２φｓ） …（１）
Ａｂ＝−Ｎ４ ｓｉｎ（２φｓ） …（２）
Ａα＝ Ｎ２ ｃｏｓ（φｓ） …（３）
Ａβ＝−Ｎ２ ｓｉｎ（φｓ） …（４）
【００２８】
ここで、Ａａ、Ａｂは２相４極電動機巻線Ｎａ、Ｎｂの起磁力、Ａα、Ａβは２相２極位置制御巻線Ｎα、Ｎβの起磁力、Ｎ４ 、Ｎ２ は各４、２極巻線Ｎａ、Ｎｂ、及びＮα、Ｎβの単位電流に対する起磁力の基本波、φｓ は固定子内面に沿った角度である。
いま図３に示す通り、回転子１２が固定子１４内においてα軸方向にｘ、β軸方向にｙ変位しているとし、回転子１２の半径に比較し、ギャップは十分小さく、またギャップに対し回転子１２の変位は十分小さいと仮定したときの単位ラジアン当たりのパーミアンスＰ０ は、（５）式となる。
【００２９】
【数２】
【００３０】
ここで、Ｒは回転子１２の半径、ｌは鉄心の軸長、μ０ は空気中の透磁率である。また、各巻線Ｎａ、Ｎｂ、及びＮα、Ｎβを単位電流で励磁した場合の磁束Ψａ、Ψｂ、及びΨα、Ψβは、パーミアンスと磁気ポテンシャルから（６）〜（９）式となる。
【００３１】
【数３】
Ψａ＝Ｐ０（Ａａ／２） …（６）
Ψｂ＝Ｐ０（Ａｂ／２） … （７）
Ψα＝Ｐ０（Ａα／２−Ｎ２ ・ｘ／４ｇ０） …（８）
Ψβ＝Ｐ０（Ａβ／２−Ｎ２ ・ｙ／４ｇ０） …（９）
【００３２】
ここで、各巻線Ｎａ、Ｎｂ、及びＮα、Ｎβにおける磁束鎖交数をそれぞれλａ、λｂ、及びλα、λβ、各巻線Ｎａ、Ｎｂ、及びＮα、Ｎβの瞬時電流をそれぞれｉａ、ｉｂ、及びｉα、ｉβとすれば、インダクタンスの対称性を考慮して（１０）式を定義できる。
【００３３】
【数４】
【００３４】
これらのインダクタンスは、磁束分布を巻線分布に乗じて積分することにより導出できる。例えば、ａ相４極電動機巻線の自己インダクタンスＬａは（１１）式となる。
【００３５】
【数５】
Ｌａ＝（１／２）・∫Ψａ・Ａａｄφｓ ＝μ０ πｌＲＮ４ ２／４ｇ０ …（１１）
【００３６】
また、ａ相４極電動機巻線とα相２極位置制御巻線の相互インダクタンスＭａαは（１２）となる。
【００３７】
【数６】
Ｍａα＝（１／２） ・∫Ψα・Ａａｄφｓ ＝（μ０ πｌＲＮ２ Ｎ４ ／８ｇ０）・（−ｘ） …（１２）
【００３８】
なお、∫ｄφｓ の積分範囲は０〜２πである。次に、同様にして（１０）式の各インダクタンスについて解き、これを行列式で表すと（１３）〜（１５）式となる。
【００３９】
【数７】
【００４０】
従って、（１３）、（１４）式から各巻線の自己インダクタンスＬａ、Ｌｂ及びＬα、Ｌβは、回転子１２の変位に依存せず一定であり、４極電動機巻線Ｎａ、Ｎｂ同士の相互インダクタンスＭａｂ、及び２極位置制御巻線Ｎα、Ｎβ同士の相互インダクタンスＭαβは０であることがわかる。更に（１５）式では、４極電動機巻線Ｎａ、Ｎｂと位置制御巻線Ｎα、Ｎβの相互インダクタンスＭａα、Ｍｂα、及びＭａβ、Ｍｂβが、回転子１２の変位に比例することがわかる。
【００４１】
図４（ａ）、（ｂ）は、実際の装置でインダクタンスを測定した結果を表したものである。
図３（ａ）においてα方向に回転子１２を変位させた場合、相互インダクタンスＭｂβは、図４（ａ）に示すように変位に比例し、相互インダクタンスＭａαは変位に反比例する。また、図３（ａ）においてβ方向に回転子１２を変位させた場合、相互インダクタンスＭａβ、Ｍｂαは、図４（ｂ）に示すように変位に比例する。
一方、相互インダクタンスＭａｂ、Ｍαβ、Ｍｂα、Ｍａβは、回転子１２をいずれの方向に変位させた場合においても、他のインダクタンスに比較して極めて小さく０に近い。このため、図４（ａ）、（ｂ）には描かれていない。また、自己インダクタンスＬａ、Ｌｂ、及びＬα、Ｌβは、α方向とβ方向のいずれの方向に変位させた場合においても、ほぼ一定値となる。
従って、このような結果から（１３）〜（１５）式が裏付けられる。
【００４２】
以上のことから、変位センサを設けなくても相互インダクタンス行列Ｍ４２から回転子１２の変位を推定できることがわかる。
すなわち、回転子１２が中心に位置している場合、Ｍ４２は０であるため２極位置制御巻線Ｎα、Ｎβには、誘導起電圧が発生しない。しかし、回転子１２が半径方向に変位するとＭ４２は０とならないため、４極電動機巻線Ｎａ、Ｎｂの回転磁界に起因して、誘起電圧が発生する。このＭ４２は前述したように回転子１２の変位に比例するため、誘起電圧は回転子１２の変位と電動機巻線Ｎａ、Ｎｂによる回転磁界の大きさと速度に比例する。これは、位置制御巻線Ｎα、Ｎβの端子に回転子１２の半径方向の変位に比例した成分が含まれていることを示す。
【００４３】
従って、位置制御巻線Ｎα、Ｎβの誘起電圧または電流を検出し、その検出値と電動機巻線Ｎａ、Ｎｂによる回転磁界の大きさと速度から演算して回転子１２の変位を推定することができる。また、回転磁界の大きさを一定にすれば、位置制御巻線Ｎα、Ｎβの誘起電圧または電流と回転磁界の速度から演算して変位を推定することもできる。
以上は２相４極電動機巻線Ｎａ、Ｎｂと２相２極位置制御巻線Ｎα、Ｎβについて説明したが、２相２極電動機巻線と２相４極位置制御巻線の場合でも、また本実施例のように３相巻線の場合でも同様の原理から回転子の位置を検出することができる。
【００４４】
次に、電磁回転機械１０の動作について説明する。
本実施例では、電動機駆動回路部Ａのインバータ５６によって電動機巻線Ｃ４に３相対称電流を流すことで固定子側で回転磁界を発生させる。また、図８に示したように、位置制御巻線Ｃ２によって固定子の磁束密度を積極的に不均衡にすることで、回転子５０に半径方向力を作用させ磁気浮上させる。位置制御回路部Ｂ１による位置制御巻線Ｃ２の電圧制御によってその浮上位置が所定の位置（固定子の中心）となるように制御される。これにより、回転子５０は、非接触の状態で回転駆動される。
【００４５】
回転子５０の位置制御においては、回転子５０が中心に位置している場合、前述した原理により電動機巻線Ｃ４と位置制御巻線Ｃ２との間の相互インダクタンス行列Ｍ（相互インダクタンスＭ４２に相当）は０であるため、位置制御巻線Ｃ２には電動機巻線Ｃ４による誘導起電圧が発生しない。
しかし、回転子５０が半径方向に変位すると、相互インダクタンス行列Ｍは０とならないため、電動機巻線Ｃ４による回転磁界に起因して位置制御巻線Ｃ２に誘導起電圧が発生する。
この相互インダクタンス行列Ｍは前述した原理から、回転子５０の変位に比例するため、誘起電圧は回転子５０の変位と電動機巻線Ｃ４による回転磁界の速度と大きさに比例する。すなわち、位置制御巻線Ｃ２の端子には回転子５０の半径方向の変位に比例した成分が含まれている。
【００４６】
そこで、コントローラ８２は、位置制御巻線Ｃ２の電流Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２で得て、この電流と、回転磁界の速度である一次電流周波数指令２ωと、回転磁界の大きさを推定するためのインバータ５６の出力電流値（あるいは電圧値）から演算して回転子５０の変位を推定し、図示しないギャップ指令値と比較し、そのギャップ誤差を０にする方向の力を指令する指令値Ｆα、Ｆβを発生させる。そして変調器８４、３相２相変換器８６、電圧制御インバータ８８を通し、位置制御巻線Ｃ２に電圧を加え、回転子５０の変位に基づく電流が所定値になるように制御し、回転子５０の位置制御が行われる。
【００４７】
以上説明したように、本実施例の電磁回転機械１０では、変位センサを設けることなく、回転子５０の位置制御を行うようにしているので、配線数を少なくすることができ、信頼性を高くすることができる。また、変位センサがない分、低価格を実現できる。更に、弾性ロータで問題となるコロケーション問題も発生しない。
【００４８】
次に、第２の実施例について説明する。
図５は、第２の実施例による電磁回転機械の制御系における主要部を表したものである。なお、第１の実施例と同様の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は適宜省略することとする。
本実施例では、第１の実施例における制御系を簡略化したものであり、位置制御回路部Ｂ２のコントローラ９０は、半径方向の系を安定化させる伝達関数で構成されている。
すなわち、コントローラ９０は、位置制御巻線Ｃ２の電流Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２を得て、この電流や回転磁界の速度である一次電流周波数指令２ω、及び回転磁界の大きさを推定するためのインバータ５６の出力電流（あるいは電圧）から演算して変位を推定する機能と、第１の実施例で説明した、指令値Ｆα、Ｆβを発生させる回路、変調器８４、及び３相２相変換器８６の機能とを有することで、半径方向の系を安定化させる伝達関数を再構成している。
【００４９】
従って、入力として位置制御巻線Ｃ２の電流Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２を検出し、半径方向の系を安定化させるための電圧指令値を演算し、電圧制御インバータ９２にｖｕ２、ｖｖ２、ｖｗ２を出力する。これにより、電圧制御インバータ９２は、これらの信号に基づいて、出力電圧Ｖｕ２、Ｖｖ２、Ｖｗ２を位置制御巻線Ｃ２に発生させることにより、回転子５０の位置制御を行う。
なお、本実施例及び前述の第１の実施例では、位置制御巻線Ｃ２の電流から回転子５０の半径方向位置を推定しているが、位置制御巻線Ｃ２の誘起電圧から回転子５０の半径方向位置を推定し、半径方向の系を安定化させるための電流指令値を演算し、インバータから出力させることにより、回転子５０の位置制御を行ってもよい。
【００５０】
次に、第３の実施例について説明する。なお、第１の実施例と同様の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は適宜省略することとする。
図示しないが、本実施例では、固定子に４極の電動機巻線Ｃ４と２極の位置制御巻線Ｃ２とが設けられ、電動機巻線Ｃ４には、その駆動電流を制御する電動機駆動回路部Ａが接続されている。
また、本実施例では、位置制御巻線Ｃ２が、その端子を短絡されることで閉回路を構成している。そして、駆動時にこの閉回路に生じる誘起電圧によって回転子５０を常に中心に保つ半径方向力を発生させるようになっている。
すなわち、位置制御巻線Ｃ２には、前述したように、回転子５０の変位と電動機巻線Ｃ４による回転磁界の大きさと速度に比例した誘起電圧が発生する。従って、本実施例のように位置制御巻線Ｃ２の端子間を短絡し閉じた回路を構成することで、この閉回路には、回転子５０の変位を打ち消す方向に誘起電圧が発生する。そして、この誘起電圧により回転子５０を常に中心に保つ半径方向力を発生させる電流が流れ、回転子５０の位置制御が行われる。
【００５１】
但し、位置制御巻線Ｃ２の巻線抵抗がある場合、誘起電圧が小さいと半径方向力はあまり大きくない。しかし、回転速度が増加し、位置制御巻線Ｃ２の誘起電圧が増加すると電流が増加し、その結果、大きな半径方向力が発生し、回転子５０を常に中心に保つ制御が実現できる。
また、位置制御巻線Ｃ２を超電導体または低抵抗体で構成すれば、巻線抵抗はほぼ０であり、小さな誘起電圧でも大きな電流が流れ、回転子５０を常に中心に保つ制御が実現できる。
【００５２】
さらに、図６に示すようにＲＬＣ回路９４を位置制御巻線Ｃ２に設けることにより、コンデンサＣで低域でのダンピングの減少、インダクタンスＬで高域のダンピングの減少を実現できる。すなわち低速域で浮上しはじめる速度の決定と、高速域で誘起電圧が高くなり、位置制御電流が大きくなりすぎるのを抑制することができる。
この方式では、第１及び第２の実施例に比較し、位置制御用のコントローラやインバータ、電流検出器等を省略でき、簡単な構成となり低コスト化が可能である。
なお、以上の各実施例では、電動機巻線Ｃ４が４極、位置制御巻線Ｃ２が２極の巻線であったが、その逆に、電動機巻線Ｃ４が２極、位置制御巻線Ｃ２が４極の巻線であってもよい。
また、以上の各実施例では、電動機として駆動する電磁回転機械を例に説明したが、本発明は、発電機として駆動する電磁回転機械にも適用可能である。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、位置制御巻線の誘導電流（ あるいは誘起電圧）から回転子の変位を検出することがきるので、変位センサが不要となる。そのため、低コスト化と高信頼性が実現できる。
また、従来、位置を推定するために実施されている動作点近傍での線形化を行う必要がないため、パラメータの調整も容易であり、動作条件に対してもロバストである。
更に、半径方向位置検出点と半径方向力作用点が同一位置であるため、弾性体で問題となるコロケーション問題も発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による電磁回転機械の制御系の主要部を示したブロック図である。
【図２】電磁回転機械の断面を示した説明図である。
【図３】回転子の変位を座標軸上で示した説明図である。
【図４】実際の装置でインダクタンスを測定した結果を示した説明図である。
【図５】本発明の第２の実施例による電磁回転機械の制御系の主要部を示したブロック図である。
【図６】本発明の第３の実施例による電磁回転機械の制御系における一例を示したブロック図である。
【図７】位置制御巻線付き電磁回転機械を示した説明図である。
【図８】同電磁回転機械における半径方向力の発生原理を示した説明図である。
【図９】従来の電磁回転機械における制御系を示したブロック図である。
【符号の説明】
１０ 電磁回転機械
５０ 回転子
５２ 正弦波発振器
５３ 余弦波発振器
５４ ３相２相変換器
５６ インバータ
８２ コントローラ
８４ 変調器
８６ ３相２相変換器
８８ 電圧制御インバータ
Ｃ２ 位置制御巻線
Ｃ４ 電動機巻線
【産業上の利用分野】
本発明は、電磁回転機械に係り、詳細には、固定子に位置制御巻線を設けて磁気軸受機能を付加した誘導機や同期機等の電磁回転機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械、ターボ分子ポンプ、フライホイール等では、電動機の高速、高出力化の要求が高まっており、これらの軸受としては、高速回転化や長期間無保守が可能な磁気軸受が適用されつつある。
磁気軸受では、充分な力を発生させるために大型化する傾向にあり、実際、電動機の軸長に等しい場合もある。従って、主軸の軸長が長くなり、高速回転時に生じる主軸の弾性的な振動が問題となってしまい、高速回転を実現することは容易ではない。また、高出力化しようとすると電動機の軸長を長くする必要があり、電磁機械が発生する吸引力が増加するため磁気軸受のサイズも大形とする必要がある。この結果、危険速度が低下してしまい、高速化がきわめて困難となる。このような課題に対して近年では、モータの固定子に磁気軸受の位置制御巻線を付加することで、軸短化と高速、高出力化を実現した位置制御巻線付き電磁回転機械が開発されている。
【０００３】
図７は、位置制御巻線付き電磁回転機械３０を表したものである。
位置制御巻線付き電磁回転機械３０では、３相インバータ２０に接続されたトルク発生用の巻線（図示せず）の他に、ロータ３１に対して半径方向の磁力を発生させる半径方向位置制御巻線（図示せず）が、モータの固定子３２、３４に設けられている。半径方向位置制御巻線は、それぞれ３相インバータ３６、３８によって電流が制御され、この制御でロータ３１の半径方向の位置制御が行われる。
位置制御巻線付き電磁回転機械３０では、１つ固定子でトルクと半径方向の力とを発生させることができるため一般の磁気軸受付きの超高速電動機に比べて軸長を短くでき、また、軸長が同一であれば高速、高出力化を図ることができる。
【０００４】
なお、位置制御巻線付き電磁回転機械としては、以下のようなものが既に提案されている。
例えば、励磁磁束を変化させて軸方向力を発生させることで、ディスク形電動機の軸方向位置を調整するようにしたものがある。これは、ディスク形の回転機には応用可能であるが、広く用いられているラジアル形の回転機には応用が難しい。
また、一般の誘導電動機の巻線電流を不平衡にすることにより、半径方向の力を発生して回転子の半径方向の位置を制御しようとするものがある。これには、回転子が中心に位置しているときには原理的に半径方向力が発生できないという問題点がある。
【０００５】
一方、特開昭６４−５５０３１号公報に記載されているように、磁気軸受の磁路とステッピングモータの磁路を単に共有したものがある。この方式は、低速のアクチュエータに適しているが、構造上、極数がきわめて大きくする必要があるため超高速回転には適していない。また、高出力の誘導機、永久磁石形電動機などに多く用いられる正弦波状の超磁力分布、磁束分布を持つ回転機に応用することは難しい。
【０００６】
また、特開平４−２３６１８８号公報に記載されている技術では、極数を減少させるとともに、従来の誘導機や永久磁石形回転機に近い構造を有するものが提案されている。これは、４相のスイッチドリラクタンス機の固定子鉄心のような、８個の歯を構成した固定子に４極の集中巻線を施し、これを各磁極で分割し、各磁極の磁束を独立に制御するようにしたものである。回転磁界を発生するとともに、各磁極の磁束の強弱により半径方向力を発生させることもできる。また、特開平４−１０７３１８号公報に記載されたものでも同様の鉄心構造を有しているが、巻線を分布巻きとして、より正弦波分布に近い超磁力分布とした点に特徴がある。しかし、これらの技術では、４分割した巻線を個々に駆動するため、直交２軸の半径方向力とトルクを発生する１つのユニットで、２相巻線であれば最小で８台の単相インバータと１６本の配線が必要となってしまう。更に、半径方向力制御とトルク制御が同一の巻線電流によって行われるため、きわめて高速かつ高精度で容量が大きい電流駆動器が必要となる。
【０００７】
そこで、特開平２−１９３５４７号公報等に記載されているように、４極の回転機に２極の巻線を施すことで半径方向の力を発生することができる電磁回転機械が既に提案されている。この電磁回転機械では、回転磁界形電動機において極数の異なる位置制御巻線を固定子に追加することにより、積極的に回転磁界を不平衡にして半径方向力をトルクとともに発生するようになっている。
【０００８】
図８は、このタイプの電磁回転機械における半径方向力の発生原理を表したものである。
回転子４０が固定子４２の中心に位置している場合、固定子４２に設けられたトルク発生用の４極巻線４４は、正方向の電流が通電されることで、４極の対称磁束Ｈ４を発生させる。そして、この４極の巻線４４と、これと直交する図示しない他の４極巻線とに二相交流電流を流すことにより４極の回転磁界を発生させる。あるいは特開平２−１９３５４７号公報で既に報告しているように３相巻線であってもよい。これにより、回転子４０にかご形巻線が施してあれば通常のかご形誘導機として回転子４０にトルクが発生する。
【０００９】
また、固定子４２には４極巻線４４に加えて、回転子４０に対して半径方向に磁力を作用させる２極の位置制御巻線４６ａ、４６ｂも施されており、位置制御巻線４６ａに正方向の電流を流すと図８に示すような２極の磁束Ｈ２が発生する。
この場合、回転子４０の、図８において下部のギャップでは、４極の巻線４４による磁束Ｈ４の方向が２極の巻線４６ａの磁束Ｈ２の方向と逆である。従って、このギャップでは磁束密度が低下する。一方、回転子４０の上部におけるギャップでは、４極の磁束Ｈ４の方向と２極の磁束Ｈ２の方向が一致しているため磁束密度は増加する。
【００１０】
このように磁束分布が不平衡になると、回転子４０に図８において上方向に作用する半径方向の力Ｆが生じる。この半径方向の力Ｆの大きさは２極巻線４６ａに流れる電流の大きさを制御することにより調整できる。また、半径方向の力Ｆの方向を逆にするためには、２極巻線４６ａの電流の方向を反転すればよい。
一方、図８において左右方向の力を発生させるためには、巻線４６ａと直交する２極巻線４６ｂに通電すればよい。このように直交した２極巻線４６ａ、４６ｂの電流の大きさ、方向を調整することにより所望の大きさ、方向の半径方向力を発生できる。
図８では４極巻線４４を電動機駆動用、２極巻線４６ａ、４６ｂを半径方向位置制御用に用いているが、４極巻線４４を半径方向力発生用に、２極巻線４６ａ、４６ｂを電動機駆動用に用いることも可能である。
【００１１】
以上のような原理で回転子の位置制御を行う電磁回転機械では、半径方向力とトルクを発生するために、３相巻線であれば６本の配線と２台の３相インバータだけで済み、また、半径方向力を発生する巻線とトルクを発生する巻線が分離しているため、半径方向力制御用インバータあるいはパワーアンプは小電力容量で済むという特徴を有する。更に、４極と２極の巻線を用いているため、回転子が中心に位置していれば相互結合が０となり、電動機の誘起電圧が半径方向力制御巻線に生じない。また、誘導機、永久磁石形同期機、シンクロナスリラクタンスモータなどの正弦波起磁力分布、正弦波磁束分布を仮定した高出力回転機に広く応用できる。
【００１２】
図９は、位置制御巻線付き電磁回転機械の制御系を表したものである。なお、この図では、構成を簡単にするため、２軸分の半径方向の位置制御を行うシステム構成のみが示されている。
図９に示す位置制御巻線付き電磁回転機械の制御系は、回転子５０に対してトルクを与えるための電動機駆動回路部Ａと、回転子５０の半径方向の位置を制御するための位置制御回路部Ｂとで主に構成されている。
電動機駆動回路部Ａでは、正弦波発振器５２や余弦波発振器５３が１次電流周波数指令２ωに基づいてそれぞれ正弦波や余弦波を発生させ、これに電流振幅指令値を乗じられる。そして、３相２相変換器５４で３相２相変換されて瞬時電流指令値ｉｕ４、ｉｖ４、ｉｗ４がそれぞれ得られ、これに追従するようにインバータ５６が４極電動機巻線Ｃ４の電流制御を行う。
【００１３】
一方、位置制御回路部Ｂでは、回転子５０とのギャップを検出する変位センサ５８ａ、５８ｂの出力α、βが、比較器６０ａ、６０ｂでそれぞれギャップ指令値α０、β０と比較される。そして、その誤差εα、εβが、ＰＩＤ（比列微分積分）コントローラ６２ａ、６２ｂに入力される。ＰＩＤコントローラ６２ａ、６２ｂは、ギャップ誤差εα、εβに応じて半径方向の力を指令する指令値Ｆα、Ｆβをそれぞれ発生させる。そして、変調器６４が、正弦波発振器５２や余弦波発振器５３からの信号を基に、回転磁界の角度に応じた変調をそれぞれ指令値Ｆα、Ｆβに施し、２極位置制御巻線Ｎα、Ｎβの電流指令値ｉα、ｉβを発生させる。かご形巻線等の場合は、図９に示すように位相補償を行う補償器６６が設けられ、この出力信号は３相２相変換器６８で２相軸上から３相軸上に変換される。インバータ７０は、３相２相変換器６８からの電流指令値ｉｕ２、ｉｖ２、ｉｗ２に追従するように巻線電流Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２を検出して２極位置制御巻線Ｎα、Ｎβの電流制御を行う。
【００１４】
なお、電動機駆動回路部Ａにおいて周波数指令値や電流振幅指令値をいかにして発生するかについては、ベクトル制御や滑り周波数制御、及びｖ／ｆ制御等の各種方法を用いる。また、図９では省略されているが、ベクトル制御等においては、１次周波数の正弦波や余弦波以外に、トルク電流ベクトルの大きさや角度、及び励磁電流指令値等も電動機駆動回路部Ａから位置制御回路部Ｂに供給される。
以上のように、図９に示した制御系は、回転磁界に同期した変調を施す点をのぞくと従来の磁気軸受の制御システムにきわめて類似している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の位置制御巻線付き電磁回転機械では、回転子の変位を検出する変位センサについて、いくつかの問題がある。
すなわち、変位センサが必ずしも半径方向力を発生する部分にとりつけられないため、弾性変形する回転子では、不安定が生じる場合がある。また、変位センサの種類によるものの、変位センサの対抗部の凸凹、偏心などが位置制御系に対して外乱となってしまう。また、変位センサ自体が高価であることも問題である。
【００１６】
ところで、磁気軸受では、以上のような変位センサの問題を解決するため、以下のような方法でセンサレス化することが考えられている。
すなわち、磁気軸受を駆動する電流制御器のスイッチング周波数が、磁気軸受端子から見込んだインダクタンスによって変化するため、主軸の半径方向変化をスイッチング周波数から推定する方法がある。この方法は雑音にも強く実用的な方法である。
しかし、この方法では、回転子が変位しても、磁気軸受のインダクタンスの変化はあまり大きくなく、特に、中心付近ではインダクタンスの変化が極小となってしまい、制御が難しいという問題がある。
【００１７】
また、磁気軸受の電圧、電流特性が主軸との距離と密接な関係があることに着目し、動作点近傍で線形化を行い、観測器、あるいはシミュレータを用いて半径方向の変位を推定したり、検出した電流から系全体が安定化するコントローラを構成して電圧指令値を発生するようにしたものがある。この方法は数学的にきわめて明快であり、新しい手法である。
しかし、動作点近傍で線形化を行う必要があり、安定化するコントローラを構成するためにはパラメータの調整がきわめて難しい点に問題がある。
【００１８】
そこで、本発明は、前述の磁気軸受で実施されている動作点近傍付近を線形化して位置を推定したり、磁気軸受用電磁石のインダクタンス変化量で位置を推定したりしなくとも、変位センサを設けることなく回転子の変位を推定でき、低価格で信頼性の高い、かつ安定な位置制御が実現できる電磁回転機械を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、固定子と回転子間の電磁作用によって駆動する電磁回転機械に、前記固定子に設けられた駆動用巻線と、前記固定子に設けられ、前記駆動用巻線と極数が異なる磁界を形成する位置制御巻線と、この位置制御巻線に通電して前記固定子側での磁界を不均衡にすることにより、前記回転子に磁力を作用させる磁力発生手段と、前記回転子の変位と前記駆動用巻線により形成される回転磁界によって前記位置制御巻線に生じる誘起電圧または電流を検出する誘起状態検出手段と、この誘起状態検出手段により検出された誘起電圧または電流と前記駆動用巻線により形成される回転磁界の大きさと速度から、前記回転子の変位を検出する変位検出手段と、この変位検出手段で検出された変位に応じて、前記磁力発生手段によって発生する磁力を変化させることで、前記回転子の位置を制御する位置制御手段とを具備させて前記目的を達成する。
【００２０】
請求項２記載の発明では、固定子と回転子間の電磁作用によって駆動する電磁回転機械に、前記固定子に設けられ、回転磁界を形成する駆動用巻線と、前記固定子に設けられ、前記駆動用巻線と極数が異なる磁界を形成する位置制御巻線と、前記回転子の変位と前記駆動用巻線により形成される回転磁界とによって前記駆動用巻線と前記位置制御巻線間の相互インダクタンスが変化し、前記位置制御巻線に生じる誘起電圧または電流を打ち消す電圧または電流を発生させる起電力発生手段と、この起電力発生手段によって発生した電圧または電流に応じて、前記位置制御巻線に通電して前記固定子側での磁界を不均衡にすることにより、前記回転子の位置を制御する位置制御手段とを具備させて前記目的を達成する。
【００２１】
【作用】
請求項１記載の電磁回転機械では、磁力発生手段が、位置制御巻線に通電して駆動用巻線と極数が異なる磁界によって固定子側での磁界を不均衡にすることで、回転子に磁力を作用させる。誘起状態検出手段は、回転子の変位と駆動用巻線により形成される回転磁界によって位置制御巻線に生じる誘起電圧または電流を検出する。そして、変位検出手段は、誘起状態検出手段により検出された誘起電圧あるいは電流と、駆動用巻線により形成される回転磁界の大きさと速度から、回転子の変位を検出する。位置制御手段は、変位検出手段で検出された変位に応じて、磁力発生手段によって発生する磁力を変化させることで、回転子の位置を制御する。
請求項２記載の電磁回転機械では、回転子が中心に位置している場合、位置制御巻線には駆動用巻線による誘起電圧が発生しない。しかし、回転子が半径方向に変位すると、起電力発生手段は、回転子の変位と前記駆動用巻線により形成される回転磁界とによって前記駆動用巻線と前記位置制御巻線間の相互インダクタンスが変化し、前記位置制御巻線に生じる誘起電圧または電流を打ち消す電圧または電流を発生させる。位置制御手段は、起電力発生手段によって発生した電圧あるいは電流に応じて、位置制御巻線に通電して固定子側での磁界を不均衡にすることにより、回転子の位置を制御する。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の電磁回転機械における各実施例について図にしたがって詳細に説明する。
図１は、電磁回転機械１０の制御系における主要部を概略的に表したものである。なお、図９に示した従来の電磁回転機械と同様の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は適宜省略することとする。
本実施例の電磁回転機械１０は、固定子側で回転磁界を発生させることにより回転子５０にトルクを与える誘導モータ、あるいは同期モータ等であり、固定子には、回転磁界を発生させる電動機巻線Ｃ４と、この電動機巻線Ｃ４による回転磁界を不均衡にすることで回転子５０に対して半径方向の磁力を作用させる位置制御巻線Ｃ２とがそれぞれ設けられている。位置制御巻線Ｃ２による半径方向力の発生原理は、図８に示したものと同様である。
【００２３】
電磁回転機械１０は、位置制御巻線Ｃ２の電流を制御する位置制御回路部Ｂ１を備えている。この位置制御回路部Ｂ１では、変位センサを設ける代わりに、位置制御巻線Ｃ２の電流Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２と１次電流周波数指令とインバータ５６の出力電流値（あるいは電圧値）がコントローラ８２に供給されるようになっている。コントローラ８２は、これら電流Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２等から回転子５０の半径方向における変位を推定し、ＰＩＤ、あるいはＰＩＤＤ等の増幅器で増幅して、変位を０とするように回転子５０に対して働く半径方向力の指令値Ｆα、Ｆβを発生させるようになっている。
【００２４】
また、コントローラ８２は変調器８４と接続され、発生した指令値Ｆα、Ｆβは、この変調器８４で、電動機駆動回路部Ａにおける正弦波発振器５２や余弦波発振器５３からの信号を基に、回転磁界の角度に応じた変調を施されるようになっている。そして、位置制御巻線Ｃ２の電圧を指令する２極巻線電圧指令値ｖα、ｖβとして３相２相変換器８６に供給され、ここで、２相軸上から３相軸上に変換される。３相２相変換器８６で変換された３相軸上の電圧指令値ｖｕ２、ｖｖ２、ｖｗ２は、電圧制御インバータ８８に供給されるようになっている。もし、２相巻線であれば、この３相２相変換器８６は省略でき、変調器８４の電圧指令値ｖα、ｖβが直接電圧制御インバータ８８に供給される。
電圧制御インバータ８８は、電圧指令値ｖｕ２、ｖｖ２、ｖｗ２に追従するように出力電圧Ｖｕ２、Ｖｖ２、Ｖｗ２を発生して位置制御巻線Ｃ２に印加するようになっている。
なお、電動機駆動回路部Ａは、図９に示したものと同様の構成である。
【００２５】
次に、このように構成された実施例の動作について説明する。
まず、コントローラ８２において位置制御巻線Ｃ２の電流Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２と１次電流周波数指令、及びインバータ５６の出力電流値（あるいは電圧値）から、回転子５０の変位を推定する原理について説明する。なお、以下では、説明を簡単にするため、固定子に設けられた電動機巻線と位置制御巻線を、それぞれ２相４極の電動機巻線Ｎａ、Ｎｂと、２相２極の位置制御巻線Ｎα、Ｎβとした場合を例に説明する。
【００２６】
図２は、電磁回転機械の断面を概略的に表したものであり、図３は、回転子１２の変位を座標軸上で表現したものである。なお、図において横軸及び縦軸を各々α軸、β軸とし、回転子１２が中心に位置している場合のギャップをｇ０ とする。また、これら巻線Ｎａ、Ｎｂ、及びＮα、Ｎβの起磁力分布を正弦波とし、磁気飽和やスロット等の空間高調波を無視し、更に回転子１２が中心に位置している場合の、固定子１４と回転子１２とのギャップパーミアンスを一定値と仮定する。
このように仮定した場合、単位電流に対する各巻線Ｎａ、Ｎｂ、及びＮα、Ｎβの起磁力は（１）〜（４）式で示すようになる。
【００２７】
【数１】
Ａａ＝−Ｎ４ ｃｏｓ（２φｓ） …（１）
Ａｂ＝−Ｎ４ ｓｉｎ（２φｓ） …（２）
Ａα＝ Ｎ２ ｃｏｓ（φｓ） …（３）
Ａβ＝−Ｎ２ ｓｉｎ（φｓ） …（４）
【００２８】
ここで、Ａａ、Ａｂは２相４極電動機巻線Ｎａ、Ｎｂの起磁力、Ａα、Ａβは２相２極位置制御巻線Ｎα、Ｎβの起磁力、Ｎ４ 、Ｎ２ は各４、２極巻線Ｎａ、Ｎｂ、及びＮα、Ｎβの単位電流に対する起磁力の基本波、φｓ は固定子内面に沿った角度である。
いま図３に示す通り、回転子１２が固定子１４内においてα軸方向にｘ、β軸方向にｙ変位しているとし、回転子１２の半径に比較し、ギャップは十分小さく、またギャップに対し回転子１２の変位は十分小さいと仮定したときの単位ラジアン当たりのパーミアンスＰ０ は、（５）式となる。
【００２９】
【数２】
ここで、Ｒは回転子１２の半径、ｌは鉄心の軸長、μ０ は空気中の透磁率である。また、各巻線Ｎａ、Ｎｂ、及びＮα、Ｎβを単位電流で励磁した場合の磁束Ψａ、Ψｂ、及びΨα、Ψβは、パーミアンスと磁気ポテンシャルから（６）〜（９）式となる。
【００３１】
【数３】
Ψａ＝Ｐ０（Ａａ／２） …（６）
Ψｂ＝Ｐ０（Ａｂ／２） … （７）
Ψα＝Ｐ０（Ａα／２−Ｎ２ ・ｘ／４ｇ０） …（８）
Ψβ＝Ｐ０（Ａβ／２−Ｎ２ ・ｙ／４ｇ０） …（９）
【００３２】
ここで、各巻線Ｎａ、Ｎｂ、及びＮα、Ｎβにおける磁束鎖交数をそれぞれλａ、λｂ、及びλα、λβ、各巻線Ｎａ、Ｎｂ、及びＮα、Ｎβの瞬時電流をそれぞれｉａ、ｉｂ、及びｉα、ｉβとすれば、インダクタンスの対称性を考慮して（１０）式を定義できる。
【００３３】
【数４】
これらのインダクタンスは、磁束分布を巻線分布に乗じて積分することにより導出できる。例えば、ａ相４極電動機巻線の自己インダクタンスＬａは（１１）式となる。
【００３５】
【数５】
Ｌａ＝（１／２）・∫Ψａ・Ａａｄφｓ ＝μ０ πｌＲＮ４ ２／４ｇ０ …（１１）
【００３６】
また、ａ相４極電動機巻線とα相２極位置制御巻線の相互インダクタンスＭａαは（１２）となる。
【００３７】
【数６】
Ｍａα＝（１／２） ・∫Ψα・Ａａｄφｓ ＝（μ０ πｌＲＮ２ Ｎ４ ／８ｇ０）・（−ｘ） …（１２）
【００３８】
なお、∫ｄφｓ の積分範囲は０〜２πである。次に、同様にして（１０）式の各インダクタンスについて解き、これを行列式で表すと（１３）〜（１５）式となる。
【００３９】
【数７】
従って、（１３）、（１４）式から各巻線の自己インダクタンスＬａ、Ｌｂ及びＬα、Ｌβは、回転子１２の変位に依存せず一定であり、４極電動機巻線Ｎａ、Ｎｂ同士の相互インダクタンスＭａｂ、及び２極位置制御巻線Ｎα、Ｎβ同士の相互インダクタンスＭαβは０であることがわかる。更に（１５）式では、４極電動機巻線Ｎａ、Ｎｂと位置制御巻線Ｎα、Ｎβの相互インダクタンスＭａα、Ｍｂα、及びＭａβ、Ｍｂβが、回転子１２の変位に比例することがわかる。
【００４１】
図４（ａ）、（ｂ）は、実際の装置でインダクタンスを測定した結果を表したものである。
図３（ａ）においてα方向に回転子１２を変位させた場合、相互インダクタンスＭｂβは、図４（ａ）に示すように変位に比例し、相互インダクタンスＭａαは変位に反比例する。また、図３（ａ）においてβ方向に回転子１２を変位させた場合、相互インダクタンスＭａβ、Ｍｂαは、図４（ｂ）に示すように変位に比例する。
一方、相互インダクタンスＭａｂ、Ｍαβ、Ｍｂα、Ｍａβは、回転子１２をいずれの方向に変位させた場合においても、他のインダクタンスに比較して極めて小さく０に近い。このため、図４（ａ）、（ｂ）には描かれていない。また、自己インダクタンスＬａ、Ｌｂ、及びＬα、Ｌβは、α方向とβ方向のいずれの方向に変位させた場合においても、ほぼ一定値となる。
従って、このような結果から（１３）〜（１５）式が裏付けられる。
【００４２】
以上のことから、変位センサを設けなくても相互インダクタンス行列Ｍ４２から回転子１２の変位を推定できることがわかる。
すなわち、回転子１２が中心に位置している場合、Ｍ４２は０であるため２極位置制御巻線Ｎα、Ｎβには、誘導起電圧が発生しない。しかし、回転子１２が半径方向に変位するとＭ４２は０とならないため、４極電動機巻線Ｎａ、Ｎｂの回転磁界に起因して、誘起電圧が発生する。このＭ４２は前述したように回転子１２の変位に比例するため、誘起電圧は回転子１２の変位と電動機巻線Ｎａ、Ｎｂによる回転磁界の大きさと速度に比例する。これは、位置制御巻線Ｎα、Ｎβの端子に回転子１２の半径方向の変位に比例した成分が含まれていることを示す。
【００４３】
従って、位置制御巻線Ｎα、Ｎβの誘起電圧または電流を検出し、その検出値と電動機巻線Ｎａ、Ｎｂによる回転磁界の大きさと速度から演算して回転子１２の変位を推定することができる。また、回転磁界の大きさを一定にすれば、位置制御巻線Ｎα、Ｎβの誘起電圧または電流と回転磁界の速度から演算して変位を推定することもできる。
以上は２相４極電動機巻線Ｎａ、Ｎｂと２相２極位置制御巻線Ｎα、Ｎβについて説明したが、２相２極電動機巻線と２相４極位置制御巻線の場合でも、また本実施例のように３相巻線の場合でも同様の原理から回転子の位置を検出することができる。
【００４４】
次に、電磁回転機械１０の動作について説明する。
本実施例では、電動機駆動回路部Ａのインバータ５６によって電動機巻線Ｃ４に３相対称電流を流すことで固定子側で回転磁界を発生させる。また、図８に示したように、位置制御巻線Ｃ２によって固定子の磁束密度を積極的に不均衡にすることで、回転子５０に半径方向力を作用させ磁気浮上させる。位置制御回路部Ｂ１による位置制御巻線Ｃ２の電圧制御によってその浮上位置が所定の位置（固定子の中心）となるように制御される。これにより、回転子５０は、非接触の状態で回転駆動される。
【００４５】
回転子５０の位置制御においては、回転子５０が中心に位置している場合、前述した原理により電動機巻線Ｃ４と位置制御巻線Ｃ２との間の相互インダクタンス行列Ｍ（相互インダクタンスＭ４２に相当）は０であるため、位置制御巻線Ｃ２には電動機巻線Ｃ４による誘導起電圧が発生しない。
しかし、回転子５０が半径方向に変位すると、相互インダクタンス行列Ｍは０とならないため、電動機巻線Ｃ４による回転磁界に起因して位置制御巻線Ｃ２に誘導起電圧が発生する。
この相互インダクタンス行列Ｍは前述した原理から、回転子５０の変位に比例するため、誘起電圧は回転子５０の変位と電動機巻線Ｃ４による回転磁界の速度と大きさに比例する。すなわち、位置制御巻線Ｃ２の端子には回転子５０の半径方向の変位に比例した成分が含まれている。
【００４６】
そこで、コントローラ８２は、位置制御巻線Ｃ２の電流Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２で得て、この電流と、回転磁界の速度である一次電流周波数指令２ωと、回転磁界の大きさを推定するためのインバータ５６の出力電流値（あるいは電圧値）から演算して回転子５０の変位を推定し、図示しないギャップ指令値と比較し、そのギャップ誤差を０にする方向の力を指令する指令値Ｆα、Ｆβを発生させる。そして変調器８４、３相２相変換器８６、電圧制御インバータ８８を通し、位置制御巻線Ｃ２に電圧を加え、回転子５０の変位に基づく電流が所定値になるように制御し、回転子５０の位置制御が行われる。
【００４７】
以上説明したように、本実施例の電磁回転機械１０では、変位センサを設けることなく、回転子５０の位置制御を行うようにしているので、配線数を少なくすることができ、信頼性を高くすることができる。また、変位センサがない分、低価格を実現できる。更に、弾性ロータで問題となるコロケーション問題も発生しない。
【００４８】
次に、第２の実施例について説明する。
図５は、第２の実施例による電磁回転機械の制御系における主要部を表したものである。なお、第１の実施例と同様の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は適宜省略することとする。
本実施例では、第１の実施例における制御系を簡略化したものであり、位置制御回路部Ｂ２のコントローラ９０は、半径方向の系を安定化させる伝達関数で構成されている。
すなわち、コントローラ９０は、位置制御巻線Ｃ２の電流Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２を得て、この電流や回転磁界の速度である一次電流周波数指令２ω、及び回転磁界の大きさを推定するためのインバータ５６の出力電流（あるいは電圧）から演算して変位を推定する機能と、第１の実施例で説明した、指令値Ｆα、Ｆβを発生させる回路、変調器８４、及び３相２相変換器８６の機能とを有することで、半径方向の系を安定化させる伝達関数を再構成している。
【００４９】
従って、入力として位置制御巻線Ｃ２の電流Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２を検出し、半径方向の系を安定化させるための電圧指令値を演算し、電圧制御インバータ９２にｖｕ２、ｖｖ２、ｖｗ２を出力する。これにより、電圧制御インバータ９２は、これらの信号に基づいて、出力電圧Ｖｕ２、Ｖｖ２、Ｖｗ２を位置制御巻線Ｃ２に発生させることにより、回転子５０の位置制御を行う。
なお、本実施例及び前述の第１の実施例では、位置制御巻線Ｃ２の電流から回転子５０の半径方向位置を推定しているが、位置制御巻線Ｃ２の誘起電圧から回転子５０の半径方向位置を推定し、半径方向の系を安定化させるための電流指令値を演算し、インバータから出力させることにより、回転子５０の位置制御を行ってもよい。
【００５０】
次に、第３の実施例について説明する。なお、第１の実施例と同様の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は適宜省略することとする。
図示しないが、本実施例では、固定子に４極の電動機巻線Ｃ４と２極の位置制御巻線Ｃ２とが設けられ、電動機巻線Ｃ４には、その駆動電流を制御する電動機駆動回路部Ａが接続されている。
また、本実施例では、位置制御巻線Ｃ２が、その端子を短絡されることで閉回路を構成している。そして、駆動時にこの閉回路に生じる誘起電圧によって回転子５０を常に中心に保つ半径方向力を発生させるようになっている。
すなわち、位置制御巻線Ｃ２には、前述したように、回転子５０の変位と電動機巻線Ｃ４による回転磁界の大きさと速度に比例した誘起電圧が発生する。従って、本実施例のように位置制御巻線Ｃ２の端子間を短絡し閉じた回路を構成することで、この閉回路には、回転子５０の変位を打ち消す方向に誘起電圧が発生する。そして、この誘起電圧により回転子５０を常に中心に保つ半径方向力を発生させる電流が流れ、回転子５０の位置制御が行われる。
【００５１】
但し、位置制御巻線Ｃ２の巻線抵抗がある場合、誘起電圧が小さいと半径方向力はあまり大きくない。しかし、回転速度が増加し、位置制御巻線Ｃ２の誘起電圧が増加すると電流が増加し、その結果、大きな半径方向力が発生し、回転子５０を常に中心に保つ制御が実現できる。
また、位置制御巻線Ｃ２を超電導体または低抵抗体で構成すれば、巻線抵抗はほぼ０であり、小さな誘起電圧でも大きな電流が流れ、回転子５０を常に中心に保つ制御が実現できる。
【００５２】
さらに、図６に示すようにＲＬＣ回路９４を位置制御巻線Ｃ２に設けることにより、コンデンサＣで低域でのダンピングの減少、インダクタンスＬで高域のダンピングの減少を実現できる。すなわち低速域で浮上しはじめる速度の決定と、高速域で誘起電圧が高くなり、位置制御電流が大きくなりすぎるのを抑制することができる。
この方式では、第１及び第２の実施例に比較し、位置制御用のコントローラやインバータ、電流検出器等を省略でき、簡単な構成となり低コスト化が可能である。
なお、以上の各実施例では、電動機巻線Ｃ４が４極、位置制御巻線Ｃ２が２極の巻線であったが、その逆に、電動機巻線Ｃ４が２極、位置制御巻線Ｃ２が４極の巻線であってもよい。
また、以上の各実施例では、電動機として駆動する電磁回転機械を例に説明したが、本発明は、発電機として駆動する電磁回転機械にも適用可能である。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、位置制御巻線の誘導電流（ あるいは誘起電圧）から回転子の変位を検出することがきるので、変位センサが不要となる。そのため、低コスト化と高信頼性が実現できる。
また、従来、位置を推定するために実施されている動作点近傍での線形化を行う必要がないため、パラメータの調整も容易であり、動作条件に対してもロバストである。
更に、半径方向位置検出点と半径方向力作用点が同一位置であるため、弾性体で問題となるコロケーション問題も発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による電磁回転機械の制御系の主要部を示したブロック図である。
【図２】電磁回転機械の断面を示した説明図である。
【図３】回転子の変位を座標軸上で示した説明図である。
【図４】実際の装置でインダクタンスを測定した結果を示した説明図である。
【図５】本発明の第２の実施例による電磁回転機械の制御系の主要部を示したブロック図である。
【図６】本発明の第３の実施例による電磁回転機械の制御系における一例を示したブロック図である。
【図７】位置制御巻線付き電磁回転機械を示した説明図である。
【図８】同電磁回転機械における半径方向力の発生原理を示した説明図である。
【図９】従来の電磁回転機械における制御系を示したブロック図である。
【符号の説明】
１０ 電磁回転機械
５０ 回転子
５２ 正弦波発振器
５３ 余弦波発振器
５４ ３相２相変換器
５６ インバータ
８２ コントローラ
８４ 変調器
８６ ３相２相変換器
８８ 電圧制御インバータ
Ｃ２ 位置制御巻線
Ｃ４ 電動機巻線
Claims (2)
- 固定子と回転子間の電磁作用によって駆動する電磁回転機械において、
前記固定子に設けられた駆動用巻線と、
前記固定子に設けられ、前記駆動用巻線と極数が異なる磁界を形成する位置制御巻線と、
この位置制御巻線に通電して前記固定子側での磁界を不均衡にすることにより、前記回転子に磁力を作用させる磁力発生手段と、
前記回転子の変位と前記駆動用巻線により形成される回転磁界によって前記位置制御巻線に生じる誘起電圧または電流を検出する誘起状態検出手段と、
この誘起状態検出手段により検出された誘起電圧または電流と前記駆動用巻線により形成される回転磁界の大きさと速度から、前記回転子の変位を検出する変位検出手段と、
この変位検出手段で検出された変位に応じて、前記磁力発生手段によって発生する磁力を変化させることで、前記回転子の位置を制御する位置制御手段とを具備することを特徴とする電磁回転機械。 - 固定子と回転子間の電磁作用によって駆動する電磁回転機械において、
前記固定子に設けられ、回転磁界を形成する駆動用巻線と、
前記固定子に設けられ、前記駆動用巻線と極数が異なる磁界を形成する位置制御巻線と、
前記回転子の変位と前記駆動用巻線により形成される回転磁界とによって前記駆動用巻線と前記位置制御巻線間の相互インダクタンスが変化し、前記位置制御巻線に生じる誘起電圧または電流を打ち消す電圧または電流を発生させる起電力発生手段と、
この起電力発生手段によって発生した電圧または電流に応じて、前記位置制御巻線に通電して前記固定子側での磁界を不均衡にすることにより、前記回転子の位置を制御する位置制御手段
とを具備することを特徴とする電磁回転機械。
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