JP3694794B2 - 磁気軸受を用いた同期回転電機とその制御装置及び方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、回転子に永久磁石を備えた同期電動機を磁気軸受により非接触支持する回転電機と制御装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転電機は高速化し長寿命化するに加えて信頼性を高めて高性能化される傾向にある。その傾向に応えられる要素技術として、非接触支持する磁気軸受が注目されている。
従来、制御形の磁気軸受は、回転軸を支持するため回転軸以外の５自由度を拘束する５軸制御の軸受が用いられることが多いが、各制御軸毎に変位センサと浮上制御器と電流増幅器を必要とするため、軸受の制御装置は複雑で高価なものであった。
そこで、永久磁石の反発力を利用する反発形の軸受を併用したり、制御形軸受の制御軸と直交方向に受動的な支持力があることを利用して制御軸数を低減し１軸や３軸制御の軸受としたり、ラジアル軸受と電動機を同じ鉄心上に形成して２つの機能を兼用する軸受などが開発されてきた。
また、永久磁石を等極ピッチで配置した回転子と、固定子の励磁磁極数を永久磁石の極数より２つ多いか２つ少なくし、回転子と固定子間に働く磁気反発力によって浮上力と同時に回転力を得る磁気軸受がある（例えば、特開平４ー１６０２２２号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前者のような方式では、軸受とは別に駆動用のモータを必要とするためそれぞれの固定子、回転子を備えており寸法を小さくすることができず全体構造がさほど簡単なものとなっていなかった。
また、後者のような方式では、電動機兼用軸受が磁気吸引力を利用するものであったため、回転駆動機能と浮上機能を兼ね備えた制御装置を必要とするため、回転子と固定子間の回転方向の位相ズレと浮上力及び回転力の関係が特殊な関数となるため回転制御と浮上制御の何れにも非線形な関数を制御ループに含み補償が容易でないという欠点があり、制御装置が複雑となり、やはり簡単なものとはなっていなかった。
そこで、本発明はかかる課題に対し、回転電機の構成と制御装置を簡単化し、実用性を向上することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を実現するため、本発明の同期回転電機を、等極ピッチで相隣れる磁石の極性を交互に入替え配置した複数の永久磁石よりなる電動機の回転子と、この回転子とエアギャップを介して対向する、固定子鉄心に巻線を巻回した電動機の固定子とよりなる永久磁石形同期電動機と、この永久磁石形同期電動機の回転軸を非接触支持する磁気軸受よりなる磁気軸受を用いた同期回転電機において、
前記永久磁石形同期電動機が、上部円板の下側・周方向に固着された永久磁石よりなる電動機の回転子と、この回転子の下側にエアギャップを介して対向する、固定子鉄心に巻線を巻回した電動機の固定子と、前記電動機の回転子の回転位置を検出する回転センサで構成されて前記回転子と前記固定子の反発力で前記回転子が浮上しつつ回転するアキシャルギャップ・縦形・同期電動機であり、前記磁気軸受が、前記回転軸に設けた磁性体の鉄心よりなる磁気軸受の回転子と、この磁気軸受の回転子とエアギャップを介して対向する、鉄心に巻線を巻回した磁気軸受の固定子と、前記磁気軸受の回転子とこの磁気軸受の固定子間のエアギャップを検出する変位センサで構成されるラジアル磁気軸受で同期回転電機を構成する。
また、その制御装置は、永久磁石形同期電動機の回転子の回転位置を検出する回転センサと、その出力信号から、前記電動機の回転子の回転速度に比例する信号を得るＦ／Ｖコンバータと、外部から与える速度指令とこのＦ／Ｖコンバータの出力信号を比較する比較器と、この比較器の出力信号を受けて電動機の固定子の励磁磁極位置の位相を制御する速度制御器と、この速度制御器の信号を受け出力信号の大きさを制限するリミッターと、このリミッターの出力信号を受けてＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータと、前記回転センサの信号からこのＡ／Ｄコンバータの信号を減算する減算器と、この減算器の出力信号を受けてあらかじめ記憶された信号を出力するＲＯＭと、このＲＯＭの出力信号を受けてＤ／Ａ変換するＤ／Ａコンバータと、このＤ／Ａコンバータの信号を受けて電流増幅する増幅器とで構成する。
さらに、その制御方法は、前記ラジアル磁気軸受が、変位センサの信号を受けて磁気軸受の固定子に電流を供給する軸受制御装置により、磁気軸受の回転子を磁気軸受の固定子の径方向中央に浮上するよう制御すると同時に、前記の磁気軸受を用いた同期回転電機を前記の磁気軸受を用いた同期回転電機の制御装置により、前記電動機の回転子の磁極位置と前記電動機の固定子の励磁磁極の位置をずらして、前記電動機の回転子のアキシャル方向の浮上と回転を制御する。
【０００５】
【作用】
上記手段により、上部円板部の同期電動機兼用軸受が反発力を利用しているため浮上のための制御をすることなく、回転のみの制御をすれば非接触浮上して回転することができ、また、制御形のラジアル軸受により高い支持剛性で径方向の支持ができるため、全体として構成が簡素化された信頼性の高い回転電機を構成することができるのである。
【０００６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。図１は、実施例の磁気軸受を用いたアキシャルギャップ・縦形・同期回転電機の断面図である。
図１において、１は垂直に設けられた回転軸であり上端に円板状の上部円板２が固着されている。上部円板２の下側外周には外縁２２が形成されて段差が設けられている。外縁２２の内径側には、周方向に着磁された永久磁石３３を極性を交互に入替え、等極ピッチで配置した円板状の電動機の回転子３１があり、電動機の回転子３１の外周と外縁２２の内周、電動機の回転子３１の上面と上部円板２の下側面が密着して接着等によって上部円板２に固着されている。
電動機の回転子３１の下側には、軸方向のエアギャップを介し、鉄心に電動機の巻線４４が巻回された円板状の電動機の固定子３２がフレーム５に固定されている。電動機の回転子３１と電動機の固定子３２でアキシャルギャップ・縦形・同期電動機３を構成している。
電動機の回転子３１の中心部には、中空の強磁性体よりなる鉄心からなる円筒状の磁気軸受の回転子４１が固着してあり、その外周にはラジアル方向のエアギャップを介して鉄心に磁気軸受の巻線４５を巻回した複数の電磁石からなる円筒状の磁気軸受の固定子４２がフレーム５に固定してある。
磁気軸受の固定子４２の近傍には、変位センサ４３を設け、フレーム５に対する回転軸１の位置すなわち磁気軸受の回転子４１と磁気軸受の固定子４２間のエアギャップを検出する。
磁気軸受の回転子４１と磁気軸受の固定子４２と変位センサ４３とでラジアル磁気軸受４を構成し、回転軸１と直交し且つ互いに直交する２方向の浮上制御を可能にしてある。
６はフレーム５に固定され回転軸１の回転位置を検出する回転センサである。この回転センサ６によって、電動機の回転子３１の回転信号Ｎf が検出される。回転信号Ｎf は、電動機の固定子３２に対する電動機の回転子３１の回転位置として、１回転に１パルスの回転基準信号Ｎs と１回転に多数パルスの回転位置信号Ｎp に対応する２つの２進信号として得られる。
【０００７】
ラジアル軸受４の制御装置は、回転軸１と直交し且つ互いに直交する２方向のそれぞれにおいて、変位センサ４３の信号と浮上位置指令とを比較器で比較し、その偏差にもとずいて浮上制御器が働き、回転子４１の両側に対向して設けられた２つの電磁石に電流を供給する公知のものである。
図２は、アキシャルギャップ・縦形・同期電動機３の制御装置を示す構成図である。ωs はインバータ等、外部の制御装置から与えられる速度指令である。
７１は信号Ｎf をＦ／Ｖ変換して回転速度に比例する直流信号ωf を出力するＦ／Ｖコンバータ、７２は速度指令ωs とＦ／Ｖコンバータ７１の信号ωf を比較する比較器、７３は比較器７２の信号をＰＩＤ補償器などで位相補償する速度制御器である。
７４は出力リミッタであり、速度制御器７３の信号を受けて、その値が一定値以上のときは、あらかじめ設定してある上限値を出力する。なお、この上限値は、図３（ｂ）に示した回転子の磁極が２極の場合は、回転子３１の回転基準位置の方向ｘr と固定子３２の励磁磁極の方向ｘs の角度φが４５゜位となる値がよい。回転子の磁極がｎ極の場合はその角度φが９０°／ｎ位となる値がよい。
７５はリミッター７４の信号をデジタルに変換するＡ／Ｄコンバータ、７０は回転軸１の回転位置を示すＮf の２進信号からＡ／Ｄコンバータ７５の信号を減算する減算器である。
７６は、減算器７０の信号をアドレスとし、該当するアドレスに励磁された固定子３２の磁極が左側にスムーズに回転するよう、前もって計算された指令値を記憶したデータを出力するＲＯＭである。７７１、７７２はＲＯＭ７６の信号を受けアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータ、７８１、７８２はＤ／Ａコンバータ７７１、７７２の信号を受けて電力を増幅する増幅器、７９１、７９２は電動機の固定子３２に巻回された電動機の巻線４４の内各磁極の固定子コイルである。
【０００８】
以下に動作を説明する。
速度指令ωs がゼロの時の動作を図３（ａ）を用いて説明する。
図３（ａ）は図１のアキシャルギャップ・縦形・同期電動機３のみを軸方向から見た図であり、電動機の回転子３１の永久磁石が持つ磁極をＮ，Ｓと表し、電動機の固定子３２が作る磁極を（Ｎ），（Ｓ）と表している。ＸS は固定側の基準の方向を示しており、ｘr は電動機の回転子３１の回転基準位置の方向、ｘs は電動機の固定子３２の励磁極の方向を示している。電動機の回転子３１の回転基準位置方向ｘr は回転センサ６が検出する１回転に１パルスの回転基準位置に対応する位置であり、ｘr の方向に磁極Ｎ、その反対方向磁極Ｓが着磁されている。電動機の固定子３２の励磁の方向ｘs は電動機の固定子３２に巻回された固定子コイル７９１、７９２に電流が供給されて生じる磁極の方向を示しており、ｘs の方向に（Ｎ）、その反対方向に（Ｓ）が生じる。
図３（ａ）では、ｘr とｘs が同じ方向を向いているが、この状態で、アキシャルギャップ・縦形・同期電動機３の制御装置を示す構成図は次のようになる。回転信号Ｎf のうち、回転基準信号ＮS はパルスがないのでＦ／Ｖコンバータ７１の出力信号ωf はゼロであり、速度指令ωs もゼロである。
回転信号Ｎf のうち、回転位置信号Ｎp は２進データであって、固定側の基準方向ＸS に対する回転子の方向ｘr の角度θr に対応しており、例えば、１回転を１２８分割してあれば、θr が、Ｘs に対して、ほぼ４０゜のときは、１２８×４０／３６０＝１４という値にしてある。
回転基準信号ＮS はパルスがないのでＦ／Ｖコンバータ７１の出力信号ωf はゼロであり、速度指令ωs もゼロであるので、Ａ／Ｄコンバータ７５の出力がゼロとなり、減算器７０の出力はＮf の回転位置信号Ｎp がそのまま出力され１４という２進データがＲＯＭ７６に送られる。ＲＯＭ７６は、減算器７０の信号を記憶素子のアドレスとして入力し、そのアドレスの記憶データを指令値として出力する。ＲＯＭ７６の回転基準信号ＮS と回転位置信号Ｎp に対応する２つの出力は、Ｄ／Ａコンバータ７７１、７７２に入力されてＤ／Ａ変換され、アナログ信号に変換される。そして、Ｄ／Ａコンバータ７７１、７７２の信号が増幅器７８１、７８２で電力増幅され電動機の固定子３２の固定子コイル７９１、７９２に電流が供給される。
こうして励磁された電動機の固定子３２の磁極は、ＲＯＭ７６の入力データが１４という値であったので固定側のＸS から１４×３６０／１２８＝ほぼ４０゜の方向に（Ｎ）極を、その反対方向に（Ｓ）極が生じる。このようにして、固定子磁極と回転子磁極の回転方向位置がほぼ同じとなるので、電動機の回転子３１は回転力を受けず、磁気反発力と回転軸１全体にかかる重力とによる釣合い位置で非接触浮上するのである。
【０００９】
次に速度指令ωS がゼロでない場合について説明する。
電動機の回転子３１の回転速度がこの速度指令より小さく、ある時点の電動機の回転子３１の回転位置を示すθr がＸs にたいして、ほぼ４０゜の位置にあるとすると、回転位置信号Ｎp は１４という値である。
Ｆ／Ｖコンバータ７１の入力信号Ｎp はパルス列となっているが、Ｆ／Ｖ変換された出力信号ωf は速度指令ωS より小さいため、比較器７２の出力はプラスの信号となる。この信号を受けた速度制御器７３は、位相制御して指令信号ωを出力する。その信号ωが上限値を越えると、リミッター７４が働いて、上限値を出力し、上限値を越えてなければそのまま出力される。
リミッター７４の信号を受けたＡ／Ｄコンバータ７５は、信号をデジタルに変換して出力する。この信号と、電動機の回転子３１の回転信号Ｎf のうちのθr に対応する回転位置信号Ｎp を受けた減算器７０は後者の信号から前者の信号を減算して出力する。速度制御器７３の指令信号ωが２０゜に相当する信号であるとすると、Ａ／Ｄコンバータ７５の出力は２０／３６０×１２８＝７という値の２進数であり、減算器７０の出力信号は１４ー７＝７である。この信号を受けたＲＯＭ７６は、これをアドレスとして記憶してあるデータを出力し、Ｄ／Ａコンバータ７７１、７７２と増幅器７８１、７８２を介して、固定子コイル７９１、７９２に電流を供給する。
これによって生じる電動機の固定子３２の磁極の方向ｘs は、図３（ｂ）に示すように、固定側のＸs から７×３６０／１２８＝ほぼ２０゜の方向になり、その方向に磁極（Ｎ）、その反対方向に磁極（Ｓ）が生じる。
固定子磁極と回転子磁極が、図３（ｂ）のように、ずれるため電動機の回転子３１は磁気反発力と重力の働きによって上向きの浮上力と同時に左向きの回転力を受け非接触浮上したまま回転が加速される。
電動機の回転子３１の回転速度が速度指令ωs より大きいときは、減算器７０が受ける２つの信号のうちＡ／Ｄコンバータ７５から受ける信号のほうが負になるため、減算器７０の出力は回転子３１の回転位置に対応する値より大きな値となる。従って電動機の固定子磁極と電動機の回転子磁極が図３（ｂ）と逆の関係になり、電動機の回転子３１は右向きの回転力をうけ回転が減速される。
以上のようにして、回転速度より速度指令のほうが大きいときは電動機の回転子３１が非接触浮上したまま加速され、回転速度より速度指令のほうが小きいときは電動機の回転子３１が非接触浮上したまま減速され、この動作を繰り返すので、電動機の回転子３１は非接触浮上したまま速度指令ωs に対応する回転速度で回転できるのである。
アキシャルギャップ・縦形・同期電動機３により上向きの反発力で上下方向を支持して回転力を生ぜしめているため、アキシャル軸受を特別に必要としていない。そこに生じる径方向の不安定力はラジアル磁気軸受４が働いて所定位置に浮上支持するため、磁気軸受の制御軸を２軸とすることができる。
【００１０】
なお、以上述べた実施例では、回転センサは、基準パルスと回転位置を示すデータが得られるものを用いたが、極検出用のホール・センサ等の付属装置を伴うものであってもよく、図２で説明した機能が得られるものであれば、形式を問わない。また、回転センサ６の信号のうち、回転基準信号Ｎs は、説明上１回転に１パルスとしたが、回転速度信号を得るに必要であるため、回転位置信号Ｎp の最下位ビットの信号を用いれば省略することができる。さらに、回転位置信号Ｎp の分割数は、１回転を１２８分割したものを用いたが、分割数は用途に応じて決めることができ、分割数を大きくしたほうがリップルの少ないスムーズな速度制御ができる。
また、電動機の固定子３２の巻線を２個とし、電動機の回転子３１の永久磁石の極数に合わせて周方向に２個の磁極が生じるようにしているが、電動機の回転子３１の磁極に合わせてあれば２個に限るものではない。
【００１１】
図１に示したものは、上部にアキシャルギャップ形同期電動機を配置し、その内側下部にラジアル磁気軸受を配置したものであったが、アキシャルギャップ・縦形・同期電動機が固定子の上側の内側に回転子を配置されたものであれば図１の配置に限るものではない。
その一例を図４に断面図として示す。この例は、ラジアル磁気軸受をアキシャルギャップ・縦形・同期電動機より上側に配置したものである。
固定台５２の中心に固定軸５１を直立して設け、固定台５２の上面に電動機の固定子３２を設けてある。電動機の固定子３２の側部には回転センサ６を設けてある。
固定軸５１の外周には磁気軸受の固定子４２を固定してある。磁気軸受の固定子４２の側部には変位センサ４３を設けてある。
電動機の固定子３２と、軸方向のエアギャップを介し対向して、電動機の回転子３１を配置してある。
磁気軸受の固定子４２と、ラジアル方向のエアギャップを介し対向して、磁気軸受の回転子４１を配置してある。
電動機の回転子３１と磁気軸受の回転子４１は磁性体よりなる回転円環２１に固定してある。
このようなに構成することにより全体を偏平なものとすることができる。
このほか、ラジアル磁気軸受をアキシャルギャップ・縦形・同期電動機のすぐ上側に配置したり、外周側に配置したりすることができることも、言うまでもないことである。
また、回転軸１は、中空のものであっても、中実であっても構わない。同様に固定側も、中空であっても、中実であっても構わない。
【００１２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、回転軸に設けたアキシャルギャップ形同期電動機が電動機として機能するとともに上下方向に非接触支持する軸受の機能も備えているため、回転軸に設けたラジアル軸受によって回転軸が回転可能に非接触支持される。こうして、全体として、１つのラジアル軸受（軸受の制御軸は２軸）と１つの電動機で回転電機を構成することができるのである。したがって、回転電機の全長を短くすることができて危険速度を高め回転上限を大幅に高める効果があり、制御装置を含めた全体装置が簡易化されて信頼性が向上する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す回転電機の断面図
【図２】本発明の実施例を示す制御装置の構成図
【図３】回転電機の動作を説明する図
【図４】本発明の他の実施例を示す回転電機の断面図
【符号の説明】
１ 回転軸
２ 上部円板
２１ 回転円環
２２ 外縁
３ アキシャルギャップ・縦形・同期電動機
３１ 電動機の回転子
３２ 電動機の固定子
３３ 永久磁石
４ ラジアル磁気軸受
４１ 磁気軸受の回転子
４２ 磁気軸受の固定子
４３ 変位センサ
４４ 電動機の巻線
４５ 磁気軸受の巻線
５ フレーム
５１ 固定軸
５２ 固定台
６ 回転センサ
７０ 減算器
７１ Ｆ／Ｖコンバータ
７２ 比較器
７３ 速度制御器
７４ リミッター
７５ Ａ／Ｄコンバータ
７６ ＲＯＭ
７７１、７７２ Ｄ／Ａコンバータ
７８１、７８２ 増幅器
７９１、７９２ 固定子コイル
【産業上の利用分野】
本発明は、回転子に永久磁石を備えた同期電動機を磁気軸受により非接触支持する回転電機と制御装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転電機は高速化し長寿命化するに加えて信頼性を高めて高性能化される傾向にある。その傾向に応えられる要素技術として、非接触支持する磁気軸受が注目されている。
従来、制御形の磁気軸受は、回転軸を支持するため回転軸以外の５自由度を拘束する５軸制御の軸受が用いられることが多いが、各制御軸毎に変位センサと浮上制御器と電流増幅器を必要とするため、軸受の制御装置は複雑で高価なものであった。
そこで、永久磁石の反発力を利用する反発形の軸受を併用したり、制御形軸受の制御軸と直交方向に受動的な支持力があることを利用して制御軸数を低減し１軸や３軸制御の軸受としたり、ラジアル軸受と電動機を同じ鉄心上に形成して２つの機能を兼用する軸受などが開発されてきた。
また、永久磁石を等極ピッチで配置した回転子と、固定子の励磁磁極数を永久磁石の極数より２つ多いか２つ少なくし、回転子と固定子間に働く磁気反発力によって浮上力と同時に回転力を得る磁気軸受がある（例えば、特開平４ー１６０２２２号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前者のような方式では、軸受とは別に駆動用のモータを必要とするためそれぞれの固定子、回転子を備えており寸法を小さくすることができず全体構造がさほど簡単なものとなっていなかった。
また、後者のような方式では、電動機兼用軸受が磁気吸引力を利用するものであったため、回転駆動機能と浮上機能を兼ね備えた制御装置を必要とするため、回転子と固定子間の回転方向の位相ズレと浮上力及び回転力の関係が特殊な関数となるため回転制御と浮上制御の何れにも非線形な関数を制御ループに含み補償が容易でないという欠点があり、制御装置が複雑となり、やはり簡単なものとはなっていなかった。
そこで、本発明はかかる課題に対し、回転電機の構成と制御装置を簡単化し、実用性を向上することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を実現するため、本発明の同期回転電機を、等極ピッチで相隣れる磁石の極性を交互に入替え配置した複数の永久磁石よりなる電動機の回転子と、この回転子とエアギャップを介して対向する、固定子鉄心に巻線を巻回した電動機の固定子とよりなる永久磁石形同期電動機と、この永久磁石形同期電動機の回転軸を非接触支持する磁気軸受よりなる磁気軸受を用いた同期回転電機において、
前記永久磁石形同期電動機が、上部円板の下側・周方向に固着された永久磁石よりなる電動機の回転子と、この回転子の下側にエアギャップを介して対向する、固定子鉄心に巻線を巻回した電動機の固定子と、前記電動機の回転子の回転位置を検出する回転センサで構成されて前記回転子と前記固定子の反発力で前記回転子が浮上しつつ回転するアキシャルギャップ・縦形・同期電動機であり、前記磁気軸受が、前記回転軸に設けた磁性体の鉄心よりなる磁気軸受の回転子と、この磁気軸受の回転子とエアギャップを介して対向する、鉄心に巻線を巻回した磁気軸受の固定子と、前記磁気軸受の回転子とこの磁気軸受の固定子間のエアギャップを検出する変位センサで構成されるラジアル磁気軸受で同期回転電機を構成する。
また、その制御装置は、永久磁石形同期電動機の回転子の回転位置を検出する回転センサと、その出力信号から、前記電動機の回転子の回転速度に比例する信号を得るＦ／Ｖコンバータと、外部から与える速度指令とこのＦ／Ｖコンバータの出力信号を比較する比較器と、この比較器の出力信号を受けて電動機の固定子の励磁磁極位置の位相を制御する速度制御器と、この速度制御器の信号を受け出力信号の大きさを制限するリミッターと、このリミッターの出力信号を受けてＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータと、前記回転センサの信号からこのＡ／Ｄコンバータの信号を減算する減算器と、この減算器の出力信号を受けてあらかじめ記憶された信号を出力するＲＯＭと、このＲＯＭの出力信号を受けてＤ／Ａ変換するＤ／Ａコンバータと、このＤ／Ａコンバータの信号を受けて電流増幅する増幅器とで構成する。
さらに、その制御方法は、前記ラジアル磁気軸受が、変位センサの信号を受けて磁気軸受の固定子に電流を供給する軸受制御装置により、磁気軸受の回転子を磁気軸受の固定子の径方向中央に浮上するよう制御すると同時に、前記の磁気軸受を用いた同期回転電機を前記の磁気軸受を用いた同期回転電機の制御装置により、前記電動機の回転子の磁極位置と前記電動機の固定子の励磁磁極の位置をずらして、前記電動機の回転子のアキシャル方向の浮上と回転を制御する。
【０００５】
【作用】
上記手段により、上部円板部の同期電動機兼用軸受が反発力を利用しているため浮上のための制御をすることなく、回転のみの制御をすれば非接触浮上して回転することができ、また、制御形のラジアル軸受により高い支持剛性で径方向の支持ができるため、全体として構成が簡素化された信頼性の高い回転電機を構成することができるのである。
【０００６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。図１は、実施例の磁気軸受を用いたアキシャルギャップ・縦形・同期回転電機の断面図である。
図１において、１は垂直に設けられた回転軸であり上端に円板状の上部円板２が固着されている。上部円板２の下側外周には外縁２２が形成されて段差が設けられている。外縁２２の内径側には、周方向に着磁された永久磁石３３を極性を交互に入替え、等極ピッチで配置した円板状の電動機の回転子３１があり、電動機の回転子３１の外周と外縁２２の内周、電動機の回転子３１の上面と上部円板２の下側面が密着して接着等によって上部円板２に固着されている。
電動機の回転子３１の下側には、軸方向のエアギャップを介し、鉄心に電動機の巻線４４が巻回された円板状の電動機の固定子３２がフレーム５に固定されている。電動機の回転子３１と電動機の固定子３２でアキシャルギャップ・縦形・同期電動機３を構成している。
電動機の回転子３１の中心部には、中空の強磁性体よりなる鉄心からなる円筒状の磁気軸受の回転子４１が固着してあり、その外周にはラジアル方向のエアギャップを介して鉄心に磁気軸受の巻線４５を巻回した複数の電磁石からなる円筒状の磁気軸受の固定子４２がフレーム５に固定してある。
磁気軸受の固定子４２の近傍には、変位センサ４３を設け、フレーム５に対する回転軸１の位置すなわち磁気軸受の回転子４１と磁気軸受の固定子４２間のエアギャップを検出する。
磁気軸受の回転子４１と磁気軸受の固定子４２と変位センサ４３とでラジアル磁気軸受４を構成し、回転軸１と直交し且つ互いに直交する２方向の浮上制御を可能にしてある。
６はフレーム５に固定され回転軸１の回転位置を検出する回転センサである。この回転センサ６によって、電動機の回転子３１の回転信号Ｎf が検出される。回転信号Ｎf は、電動機の固定子３２に対する電動機の回転子３１の回転位置として、１回転に１パルスの回転基準信号Ｎs と１回転に多数パルスの回転位置信号Ｎp に対応する２つの２進信号として得られる。
【０００７】
ラジアル軸受４の制御装置は、回転軸１と直交し且つ互いに直交する２方向のそれぞれにおいて、変位センサ４３の信号と浮上位置指令とを比較器で比較し、その偏差にもとずいて浮上制御器が働き、回転子４１の両側に対向して設けられた２つの電磁石に電流を供給する公知のものである。
図２は、アキシャルギャップ・縦形・同期電動機３の制御装置を示す構成図である。ωs はインバータ等、外部の制御装置から与えられる速度指令である。
７１は信号Ｎf をＦ／Ｖ変換して回転速度に比例する直流信号ωf を出力するＦ／Ｖコンバータ、７２は速度指令ωs とＦ／Ｖコンバータ７１の信号ωf を比較する比較器、７３は比較器７２の信号をＰＩＤ補償器などで位相補償する速度制御器である。
７４は出力リミッタであり、速度制御器７３の信号を受けて、その値が一定値以上のときは、あらかじめ設定してある上限値を出力する。なお、この上限値は、図３（ｂ）に示した回転子の磁極が２極の場合は、回転子３１の回転基準位置の方向ｘr と固定子３２の励磁磁極の方向ｘs の角度φが４５゜位となる値がよい。回転子の磁極がｎ極の場合はその角度φが９０°／ｎ位となる値がよい。
７５はリミッター７４の信号をデジタルに変換するＡ／Ｄコンバータ、７０は回転軸１の回転位置を示すＮf の２進信号からＡ／Ｄコンバータ７５の信号を減算する減算器である。
７６は、減算器７０の信号をアドレスとし、該当するアドレスに励磁された固定子３２の磁極が左側にスムーズに回転するよう、前もって計算された指令値を記憶したデータを出力するＲＯＭである。７７１、７７２はＲＯＭ７６の信号を受けアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータ、７８１、７８２はＤ／Ａコンバータ７７１、７７２の信号を受けて電力を増幅する増幅器、７９１、７９２は電動機の固定子３２に巻回された電動機の巻線４４の内各磁極の固定子コイルである。
【０００８】
以下に動作を説明する。
速度指令ωs がゼロの時の動作を図３（ａ）を用いて説明する。
図３（ａ）は図１のアキシャルギャップ・縦形・同期電動機３のみを軸方向から見た図であり、電動機の回転子３１の永久磁石が持つ磁極をＮ，Ｓと表し、電動機の固定子３２が作る磁極を（Ｎ），（Ｓ）と表している。ＸS は固定側の基準の方向を示しており、ｘr は電動機の回転子３１の回転基準位置の方向、ｘs は電動機の固定子３２の励磁極の方向を示している。電動機の回転子３１の回転基準位置方向ｘr は回転センサ６が検出する１回転に１パルスの回転基準位置に対応する位置であり、ｘr の方向に磁極Ｎ、その反対方向磁極Ｓが着磁されている。電動機の固定子３２の励磁の方向ｘs は電動機の固定子３２に巻回された固定子コイル７９１、７９２に電流が供給されて生じる磁極の方向を示しており、ｘs の方向に（Ｎ）、その反対方向に（Ｓ）が生じる。
図３（ａ）では、ｘr とｘs が同じ方向を向いているが、この状態で、アキシャルギャップ・縦形・同期電動機３の制御装置を示す構成図は次のようになる。回転信号Ｎf のうち、回転基準信号ＮS はパルスがないのでＦ／Ｖコンバータ７１の出力信号ωf はゼロであり、速度指令ωs もゼロである。
回転信号Ｎf のうち、回転位置信号Ｎp は２進データであって、固定側の基準方向ＸS に対する回転子の方向ｘr の角度θr に対応しており、例えば、１回転を１２８分割してあれば、θr が、Ｘs に対して、ほぼ４０゜のときは、１２８×４０／３６０＝１４という値にしてある。
回転基準信号ＮS はパルスがないのでＦ／Ｖコンバータ７１の出力信号ωf はゼロであり、速度指令ωs もゼロであるので、Ａ／Ｄコンバータ７５の出力がゼロとなり、減算器７０の出力はＮf の回転位置信号Ｎp がそのまま出力され１４という２進データがＲＯＭ７６に送られる。ＲＯＭ７６は、減算器７０の信号を記憶素子のアドレスとして入力し、そのアドレスの記憶データを指令値として出力する。ＲＯＭ７６の回転基準信号ＮS と回転位置信号Ｎp に対応する２つの出力は、Ｄ／Ａコンバータ７７１、７７２に入力されてＤ／Ａ変換され、アナログ信号に変換される。そして、Ｄ／Ａコンバータ７７１、７７２の信号が増幅器７８１、７８２で電力増幅され電動機の固定子３２の固定子コイル７９１、７９２に電流が供給される。
こうして励磁された電動機の固定子３２の磁極は、ＲＯＭ７６の入力データが１４という値であったので固定側のＸS から１４×３６０／１２８＝ほぼ４０゜の方向に（Ｎ）極を、その反対方向に（Ｓ）極が生じる。このようにして、固定子磁極と回転子磁極の回転方向位置がほぼ同じとなるので、電動機の回転子３１は回転力を受けず、磁気反発力と回転軸１全体にかかる重力とによる釣合い位置で非接触浮上するのである。
【０００９】
次に速度指令ωS がゼロでない場合について説明する。
電動機の回転子３１の回転速度がこの速度指令より小さく、ある時点の電動機の回転子３１の回転位置を示すθr がＸs にたいして、ほぼ４０゜の位置にあるとすると、回転位置信号Ｎp は１４という値である。
Ｆ／Ｖコンバータ７１の入力信号Ｎp はパルス列となっているが、Ｆ／Ｖ変換された出力信号ωf は速度指令ωS より小さいため、比較器７２の出力はプラスの信号となる。この信号を受けた速度制御器７３は、位相制御して指令信号ωを出力する。その信号ωが上限値を越えると、リミッター７４が働いて、上限値を出力し、上限値を越えてなければそのまま出力される。
リミッター７４の信号を受けたＡ／Ｄコンバータ７５は、信号をデジタルに変換して出力する。この信号と、電動機の回転子３１の回転信号Ｎf のうちのθr に対応する回転位置信号Ｎp を受けた減算器７０は後者の信号から前者の信号を減算して出力する。速度制御器７３の指令信号ωが２０゜に相当する信号であるとすると、Ａ／Ｄコンバータ７５の出力は２０／３６０×１２８＝７という値の２進数であり、減算器７０の出力信号は１４ー７＝７である。この信号を受けたＲＯＭ７６は、これをアドレスとして記憶してあるデータを出力し、Ｄ／Ａコンバータ７７１、７７２と増幅器７８１、７８２を介して、固定子コイル７９１、７９２に電流を供給する。
これによって生じる電動機の固定子３２の磁極の方向ｘs は、図３（ｂ）に示すように、固定側のＸs から７×３６０／１２８＝ほぼ２０゜の方向になり、その方向に磁極（Ｎ）、その反対方向に磁極（Ｓ）が生じる。
固定子磁極と回転子磁極が、図３（ｂ）のように、ずれるため電動機の回転子３１は磁気反発力と重力の働きによって上向きの浮上力と同時に左向きの回転力を受け非接触浮上したまま回転が加速される。
電動機の回転子３１の回転速度が速度指令ωs より大きいときは、減算器７０が受ける２つの信号のうちＡ／Ｄコンバータ７５から受ける信号のほうが負になるため、減算器７０の出力は回転子３１の回転位置に対応する値より大きな値となる。従って電動機の固定子磁極と電動機の回転子磁極が図３（ｂ）と逆の関係になり、電動機の回転子３１は右向きの回転力をうけ回転が減速される。
以上のようにして、回転速度より速度指令のほうが大きいときは電動機の回転子３１が非接触浮上したまま加速され、回転速度より速度指令のほうが小きいときは電動機の回転子３１が非接触浮上したまま減速され、この動作を繰り返すので、電動機の回転子３１は非接触浮上したまま速度指令ωs に対応する回転速度で回転できるのである。
アキシャルギャップ・縦形・同期電動機３により上向きの反発力で上下方向を支持して回転力を生ぜしめているため、アキシャル軸受を特別に必要としていない。そこに生じる径方向の不安定力はラジアル磁気軸受４が働いて所定位置に浮上支持するため、磁気軸受の制御軸を２軸とすることができる。
【００１０】
なお、以上述べた実施例では、回転センサは、基準パルスと回転位置を示すデータが得られるものを用いたが、極検出用のホール・センサ等の付属装置を伴うものであってもよく、図２で説明した機能が得られるものであれば、形式を問わない。また、回転センサ６の信号のうち、回転基準信号Ｎs は、説明上１回転に１パルスとしたが、回転速度信号を得るに必要であるため、回転位置信号Ｎp の最下位ビットの信号を用いれば省略することができる。さらに、回転位置信号Ｎp の分割数は、１回転を１２８分割したものを用いたが、分割数は用途に応じて決めることができ、分割数を大きくしたほうがリップルの少ないスムーズな速度制御ができる。
また、電動機の固定子３２の巻線を２個とし、電動機の回転子３１の永久磁石の極数に合わせて周方向に２個の磁極が生じるようにしているが、電動機の回転子３１の磁極に合わせてあれば２個に限るものではない。
【００１１】
図１に示したものは、上部にアキシャルギャップ形同期電動機を配置し、その内側下部にラジアル磁気軸受を配置したものであったが、アキシャルギャップ・縦形・同期電動機が固定子の上側の内側に回転子を配置されたものであれば図１の配置に限るものではない。
その一例を図４に断面図として示す。この例は、ラジアル磁気軸受をアキシャルギャップ・縦形・同期電動機より上側に配置したものである。
固定台５２の中心に固定軸５１を直立して設け、固定台５２の上面に電動機の固定子３２を設けてある。電動機の固定子３２の側部には回転センサ６を設けてある。
固定軸５１の外周には磁気軸受の固定子４２を固定してある。磁気軸受の固定子４２の側部には変位センサ４３を設けてある。
電動機の固定子３２と、軸方向のエアギャップを介し対向して、電動機の回転子３１を配置してある。
磁気軸受の固定子４２と、ラジアル方向のエアギャップを介し対向して、磁気軸受の回転子４１を配置してある。
電動機の回転子３１と磁気軸受の回転子４１は磁性体よりなる回転円環２１に固定してある。
このようなに構成することにより全体を偏平なものとすることができる。
このほか、ラジアル磁気軸受をアキシャルギャップ・縦形・同期電動機のすぐ上側に配置したり、外周側に配置したりすることができることも、言うまでもないことである。
また、回転軸１は、中空のものであっても、中実であっても構わない。同様に固定側も、中空であっても、中実であっても構わない。
【００１２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、回転軸に設けたアキシャルギャップ形同期電動機が電動機として機能するとともに上下方向に非接触支持する軸受の機能も備えているため、回転軸に設けたラジアル軸受によって回転軸が回転可能に非接触支持される。こうして、全体として、１つのラジアル軸受（軸受の制御軸は２軸）と１つの電動機で回転電機を構成することができるのである。したがって、回転電機の全長を短くすることができて危険速度を高め回転上限を大幅に高める効果があり、制御装置を含めた全体装置が簡易化されて信頼性が向上する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す回転電機の断面図
【図２】本発明の実施例を示す制御装置の構成図
【図３】回転電機の動作を説明する図
【図４】本発明の他の実施例を示す回転電機の断面図
【符号の説明】
１ 回転軸
２ 上部円板
２１ 回転円環
２２ 外縁
３ アキシャルギャップ・縦形・同期電動機
３１ 電動機の回転子
３２ 電動機の固定子
３３ 永久磁石
４ ラジアル磁気軸受
４１ 磁気軸受の回転子
４２ 磁気軸受の固定子
４３ 変位センサ
４４ 電動機の巻線
４５ 磁気軸受の巻線
５ フレーム
５１ 固定軸
５２ 固定台
６ 回転センサ
７０ 減算器
７１ Ｆ／Ｖコンバータ
７２ 比較器
７３ 速度制御器
７４ リミッター
７５ Ａ／Ｄコンバータ
７６ ＲＯＭ
７７１、７７２ Ｄ／Ａコンバータ
７８１、７８２ 増幅器
７９１、７９２ 固定子コイル
Claims (5)
- 等極ピッチで相隣れる磁石の極性を交互に入替え配置した複数の永久磁石よりなる電動機の回転子と、この回転子とエアギャップを介して対向する、固定子鉄心に巻線を巻回した電動機の固定子とよりなる永久磁石形同期電動機と、この永久磁石形同期電動機の回転軸を非接触支持する磁気軸受よりなる磁気軸受を用いた同期回転電機において、
前記永久磁石形同期電動機が、上部円板の下側・周方向に固着された永久磁石よりなる電動機の回転子と、この回転子の下側にエアギャップを介して対向する、固定子鉄心に巻線を巻回した電動機の固定子と、前記電動機の回転子の回転位置を検出する回転センサで構成されて前記回転子と前記固定子の反発力で前記回転子が浮上しつつ回転するアキシャルギャップ・縦形・同期電動機であり、前記磁気軸受が、前記回転軸に設けた磁性体の鉄心よりなる磁気軸受の回転子と、この磁気軸受の回転子とエアギャップを介して対向する、鉄心に巻線を巻回した磁気軸受の固定子と、前記磁気軸受の回転子とこの磁気軸受の固定子間のエアギャップを検出する変位センサで構成されるラジアル磁気軸受であることを特徴とする磁気軸受を用いた同期回転電機。 - 永久磁石形同期電動機の回転子の回転位置を検出する回転センサと、その出力信号から、前記電動機の回転子の回転速度に比例する信号を得るＦ／Ｖコンバータと、外部から与える速度指令とこのＦ／Ｖコンバータの出力信号を比較する比較器と、この比較器の出力信号を受けて電動機の固定子の励磁磁極位置の位相を制御する速度制御器と、この速度制御器の信号を受け出力信号の大きさを制限するリミッターと、このリミッターの出力信号を受けてＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータと、前記回転センサの信号からこのＡ／Ｄコンバータの信号を減算する減算器と、この減算器の出力信号を受けてあらかじめ記憶された信号を出力するＲＯＭと、このＲＯＭの出力信号を受けてＤ／Ａ変換するＤ／Ａコンバータと、このＤ／Ａコンバータの信号を受けて電流増幅する増幅器とで構成したことを特徴とする磁気軸受を用いた同期回転電機の制御装置。
- 前記ラジアル磁気軸受が、変位センサの信号を受けて磁気軸受の固定子に電流を供給する軸受制御装置により、磁気軸受の回転子を磁気軸受の固定子の径方向中央に浮上するよう制御すると同時に、請求項１記載の磁気軸受を用いた同期回転電機を請求項２記載の磁気軸受を用いた同期回転電機の制御装置により、前記電動機の回転子の磁極位置と前記電動機の固定子の励磁磁極の位置をずらして、前記電動機の回転子のアキシャル方向の浮上と回転を制御することを特徴とする磁気軸受を用いた同期回転電機の制御方法。
- 前記電動機の固定子の励磁磁極を、外部から与える速度指令に応じて、前記電動機の回転子の磁極位置と周方向にずれた位置に励磁し、前記電動機の回転子を回転する請求項３記載の磁気軸受を用いた同期回転電機の制御方法。
- 前記電動機の回転子の回転位置に対応する位置にある電動機の固定子の磁極を励磁し、前記電動機の回転子と前記電動機の固定子間に働く磁気反発力で前記電動機の回転子を浮上する請求項３または４記載の磁気軸受を用いた同期回転電機の制御方法。
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