JP5192629B2 - 経済的な非摩耗電気駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
磁気ベアリング技術は、駆動装置システムの回転速度範囲、耐用期間、清浄度および密封性に対して極めて高度な要件を伴う機構および装置の適用分野、すなわち本質的には従来のベアリング技術を使用して実現することができないか、または実現するのが困難である適用分野を含む。例えばフライスおよび研削盤主軸、ターボ圧縮機、真空ポンプ、または高純度化学物質または医薬品用のポンプといった様々な実施形態に磁気ベアリングが既に装備されている。
【０００２】
以下の図に示される機構の断面は単に例示を目的としたもので、部分的には非常に簡略化されており、専ら動作原理のより詳細な説明に寄与するものである。
【０００３】
従来の磁気ジャーナル式機械（図１）には、機械ユニット１に加えて、２つのラジアル磁気ベアリング２および３、アキシアル磁気ベアリング４、２つの機械式タッチ・ダウン・ベアリング５および６、ならびにモータおよび磁気ベアリングのフェーズを制御するための合計１０の動力変換器ステージ７、８、９、１０が必要である。
【０００４】
文献には、各種機械およびラジアル磁気ベアリングを１つの磁気ステータに統合する提案（図２）がなされている。１つのステータには、複数層状態でスロットに挿入される、トルク巻線および浮上力巻線のための２つの個別の巻線システム１１および１２が存在する。ｐ₁＝ｐ₂±２の関係は、巻線極数間の高度に非干渉の浮上力形成およびトルク形成のためのベアリングレス・モータに適用されるものであり、ｐ₁またはｐ₂はまたロータの極数を表している。図２におけるモータの巻線システムはともに三相である。コイルが弦状に（すなわち短節巻に）巻かれていくつかのスロットに分散されることで、おおよそ正弦束結合が達成される。２つの巻線は以下のように構成される。
四極機械巻線１１（外側）：相１（１３）、相２（１４）、相３（１５）
二極浮揚巻線１２（内側）：相１（１６）、相２（１７）、相３（１８）
【０００５】
コスト的に受け入れられる総合的なシステムを達成するために、巻線システムの数を減らして、機械的配置に加えて制御電子部品を簡素化することができる可能性がある。
【０００６】
巻線数が少ないモータの例として、４つの集中コイルから構成される、共通トルク巻線システムおよび浮上力巻線システムを有するモータ（以降はベアリングレス単相モータと呼ぶ）を説明する必要がある。
【０００７】
図３には、外部ロータの実施形態における四極モータのロータおよびステータが示されている。この構成において、ロータ３５は、リング状またはベル状の設計で構成されるのが好ましい。ｘおよびｙ方向の浮上力ならびにトルクを互いに独立して発生させることができるように、４つの集中コイル３１、３２、３３および３４を利用して、二極および四極の循環分布の生成が可能となる。個別の相電流の測定は、ロータ位置、回転速度、ロータ角度、またはロータ位置（ｘ、ｙ）およびロータ回転角度（φ）の評価後のトルクに対する所望値設定に着目しながら行われる。
【０００８】
先行技術に関する先述のセクションにおいて、単相モータおよび多相回転磁界モータについて説明した。
【０００９】
どちらの実施形態にも大きな技術的かつ経済的欠点がある。
【００１０】
ベアリングレス単相モータ（図３）は、起動トルクに関する要件が低い応用分野にしか適さない。これらは、例えば、ポンプ、ブロア、送風機または換気機用の駆動装置を含む。最も単純な構造形態では、ベアリングレス単相モータは、４つの個別的なコイルしか必要としない。単相駆動装置の起動上の弱点は設計によって生じる。ラジアル浮揚力を形成するのに回転磁界巻線が使用されるのに対して、モータ側は１つの単相交番磁界巻線を有するにすぎない。したがって、選択された電流振幅とは無関係に起動トルクがゼロになるロータの臨界角度位置が存在する。したがって、ロータが臨界角度位置とは異なる位置に落ち着くための設計上の規定を設ける必要がある。したがって、駆動装置の慣性モーメントによって、特に起動相のみならず定常運転においても臨界点を克服できる。他の多くの駆動動作では、この種のモータのトルクが小さすぎる。
【００１１】
先行技術に当たるベアリングレス多相モータ（図２）には、低トルク角度位置の欠点がない。単相モータとは対照的に、ベアリング部のみならずモータ部にもそれ独自の回転磁界巻線を有する。しかし、ここでは、２つの回転磁界巻線に伴ってコイル数が多くなるという欠点がある。そのようなベアリングレス・モータの典型的なコイル数は、概して３６（分散された三相巻線）と１２（単純な二相巻線）の間である。
コイル数が少なく、かつ単相技術に起因する応用分野の制限のないベアリングレス・モータは、先述の観点から望ましく、さらに駆動装置市場にとって技術的かつ経済的に極めて興味深い。
【００１２】
この課題に対する本発明の解決法は、独立請求項から理解することができる。好ましい変形形態は従属請求項に記載されている。
【００１３】
既知の技術と比較した場合における、磁気ジャーナル式機械の実質的に簡素化された構造、および簡素化された電気制御機構は、課題に対する本発明の解決法において特別な利点である。
【００１４】
特許請求の範囲に記載されている発明は、上記の要件を高度に満足させるものである。非対称的な巻線構造の結果としてのさらに決定的な利点は、巻線の明確な弦状化（短節巻化）、ならびにそれに関連する磁界配置および循環配置における調波の高度な減衰にある。この特徴は、位置および回転速度制御装置の安定幅、設定精度、ならびに磁気ジャーナル式駆動システムの運転の静粛性を高める。
【００１５】
以下に、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。概略的に示したものである。
【００１６】
例示を目的として、本発明の可能な実施形態を以下に説明する。
【００１７】
図４は、５つの別個の集中コイル４１、４２、４３、４４および４５を有するモータを示す図である。このステータ構成では、重畳電流成分を有するコイルへの対応する電流の供給によって、二極および四極回転磁界、すなわち二極および四極ＭＭＦを同時に達成することができる。したがって、二極ＭＭＦと協働して二極ロータ上にトルクを形成し、四極ＭＭＦと協働してラジアル浮上力を達成することができる。
【００１８】
コイルまたはリムの数が、使用される２つの極数の４および２によって整数分割されない奇数の５であるため、ステータまたは空隙の周辺に、非対称ステータ・コアおよび非対称ＭＭＦまたは磁界分布が生じる。よって、ロータの角度位置、浮上力の必要性、およびトルク要件に応じて、所望の動作点が達成されるようなコイル電流を決定することになる。
【００１９】
図５は、この目的に応じて、正弦磁束密度分布を伴う二極永久磁気ロータのロータ角度φに無関係のｘ方向の一定浮上力について、関連する浮上力コイル電流成分を示す図で、Ｉ₁はコイル４１を流れる電流を表し、Ｉ₂はコイル４２を流れる電流を表し、Ｉ₃はコイル４３を流れる電流を表し、Ｉ₄はコイル４４を流れる電流を表し、Ｉ₅はコイル４５を流れる電流を表す。図６には、理想的な正弦四極磁束密度のプロット６２と概略的に比較した場合における、初期角度位置（φ＝０）に対する（ロータの永久磁界が衰弱した）空隙における巻線磁界の磁束密度のプロット６１が示されている。磁束密度の図から、四極非対称磁界の形状を認識することができる。リム数（５）と、相電流を介して実現される巻線極数（４）との比が整数にならない結果として非対称になる。
【００２０】
図７は、これに対応する方法で、同様にロータ角度φに依存する一定トルクについて、関連するトルク・コイル電流成分を示す図で、ここでもＩ₁はコイル４１を流れる電流を表し、Ｉ₂はコイル４２を流れる電流を表し、Ｉ₃はコイル４３を流れる電流を表し、Ｉ₄はコイル４４を流れる電流を表し、Ｉ₅はコイル４５を流れる電流を表す。所望のトルクと所望の搬力がともに達成されうるように、図５および図７に示される電流成分を５つのモータ・コイル内で重畳させる。
【００２１】
電流の電気的重畳、およびコイルの幾何学的分布によりステータ周辺上にモータの全ＭＭＦが生じる。図８には、また、理想的な正弦二極磁束密度のプロット８２と比較した場合における、ロータの初期角度位置（φ＝０）に対する（ロータの永久磁界が衰弱した）空隙における巻線磁界の磁束密度のプロット８１が示されている。磁束密度の図から、二極非対称磁界の形状を認識することができる。リム数（５）と、相電流を介して実現される巻線極数（２）との比が整数にならない結果として非対称になる。
同様にして、例えば別個の６または７つの集中コイルでベアリングレス回転磁界モータを設計することも可能である。３コイル技術によって、機械的コストが低く、複雑でないベアリングレス単相モータが得られる。
【００２２】
対称設計モータに対する磁束密度形状の違いを示すために、理想的な正弦四極ＭＭＦと磁束密度のプロット９２と比較した場合における、８つの個別的な集中コイルを有するモータによる四極ＭＭＦと磁束密度のプロット９１を図９に示す。このモータ構成について、ここでも正弦循環と磁束密度のプロット１０２と比較した場合における、二極ＭＭＦと磁束密度のプロット１０１を同様の様式で図１０に示す。
【００２３】
別個の集中巻線の代わりに、分散され、かつ任意選択で弦状化された巻線をステータに実装することが可能である。ここで、上記の理由により、実現される２つの巻線極数の整数倍にならないようにステータの歯数またはスロット数を選択する。
原理構造を説明するための一例を図１１に示す。ここで、図４よりコイル幅の大きい５つのコイル１１１、１１２、１１３、１１４および１１５がスロットに配置されているのがわかる。それらのコイルは、それぞれ２つの歯を囲むため、集中コイルと呼ばれることはない。隣接するスロットに２つのコイルが配列されて、縦列または平行に接続されたコイル群を形成する追加的なコイル分布を伴うさらなる変形形態が図１２に示されている。
【００２４】
先に扱った巻線変形形態は、同時に浮上力およびトルクを構築することができる統合された変形形態を表すのに対して、図１３は、対応する機能に応じた別個の巻線集合体を有する実施形態を示す図である。三相二極巻線システム１３１ａ〜１３１ｂ、１３２ａ〜１３２ｂおよび１３３ａ〜１３３ｂは、二極永久磁気励起によって、トルクを生成するための役割を果たす。三相巻線システム１３４ａ〜１３４ｂ、１３５ａ〜１３５ｂおよび１３６ａ〜１３６ｂを利用して、浮上力を生成するために使用できる四極磁束密度分布を生成することが可能である。この変形形態においても本発明の特徴を認識することができる。
【００２５】
図１４に示されるような機械的構成によって非常に単純かつコスト的に受け入れられる構造を達成することができる。ここで、コイル１４１、１４２、１４３、１４４および１４５はステータ・リムではなくステータ・ヨーク１４６を囲む。ステータ・ヨークをセグメントから組み立てる場合には、単純形状のコイルを挿入することができる。個々のセグメントを装着し、例えば対応する締結手段を介してステータ輪郭にマッチさせるプラスチック部品の如きセグメント担体を介して配置させることができる。
図１４に示される変形形態は、空隙に近いステータ歯の領域に、ステータ表面から突出した部品（巻線）が配置されないという利点がある。よって、用途に応じて、ポンプ、ブロア、送風機、交番機等の部品をステータの両面に取りつけることが可能である。
図１５に、この種の構成が示されている。ここでは、ポンプ・ケースがステータ歯の表面に直接配置される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の磁気ジャーナル付きシステムを示す図である。
【図２】 従来技術に関連するベアリングレス多相モータを示す図である。
【図３】 従来技術に属するベアリングレス単相モータを示す図である。
【図４】 非対称ステータ部および集中巻線を有するベアリングレス多相モータを示す図である。
【図５】 ｘ方向の一定浮上力に対する相電流の角度依存変化を示す図である。
【図６】 ステータの周囲に沿う非対称起磁力（ＭＭＦ）を示す図である。
【図７】 一定トルクに対する相電流の角度依存変化を示す図である。
【図８】 永久磁界が衰弱する空隙周辺における非対称磁界形状を示す図である。
【図９】 対称ステータ・コア（ロータ：二極）を有する浮上力巻線（四極）の磁束密度変化を示す図である。
【図１０】 対称ステータ・コア（ロータ：二極）を有するモータのトルク巻線（二極）の磁束密度変化を示す図である。
【図１１】 分散巻線（個別コイル）を有するベアリングレス・モータを示す図である。
【図１２】 分散巻線（コイル群）を有するベアリングレス・モータを示す図である。
【図１３】 浮上力およびトルクの生成に向けた個別的な巻線集合体を有するベアリングレス・モータを示す図である。
【図１４】 ステータ・ヨークの周囲のベアリングレス・モータ巻線を示す図である。

Claims (32)

1. ステータまたはロータに挿入された巻線によってトルクおよび浮上力を形成する磁気ジャーナル式電気機械と、ロータ位置を決定するセンサ・システムと、磁気ジャーナル式機械の制御、調節、監視および給電を行うためのアナログまたはデジタル電子システムとを有する磁気ジャーナル式電気駆動装置であって、巻線を有する前記電気機械は、適切な電流によって２つの起磁力（ＭＭＦ）または２つの磁界を生成することができ、前記２つの起磁力（ＭＭＦ）または２つの磁界は極数ｐ₁およびｐ₂をそれぞれ有し、ｐ₁およびｐ₂はｐ₁＝ｐ₂±２の条件を満たしており、またｐ₁またはｐ₂はロータの極数を表している磁気ジャーナル式電気駆動装置において、
   前記電気機械が、ステータ内のｐ₁およびｐ₂極磁界またはＭＭＦの生成のために、（集中巻線を有する）ｎ個のステータ・リム、（分布巻線を有する）ｎ個のステータ歯またはｎ個のステータ・スロットを備えており、数ｎが、極数ｐ₁および極数ｐ₂の整数倍を表していないことを特徴とする磁気ジャーナル式電気駆動装置。
2. ステータの中点を通る２つの軸線の間のステータ・セグメントが形状において区別されており、それにより前記２つの軸線が互いに直交することを特徴とする請求項１に記載の電気駆動装置。
3. ステータ・コアは、互いに直交するステータ平面内の２つの軸線のうちの多くても１つに対して軸線方向に対称であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電気駆動装置。
4. ステータの中点を通る２つの軸線の間の巻線セグメントが形状において区別されており、それにより前記２つの軸線が互いに直交することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
5. 巻線機構は、互いに直交するステータ平面内の２つの軸線のうちの多くても１つに対して軸線方向に対称であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
6. ２つのｐ₁およびｐ₂極ＭＭＦまたは巻線磁界分布のうちの少なくとも１つが、１つまたは複数の極ピッチの間隔内においてステータまたは空隙周辺にわたって非対称性を有しているか、あるいは非周期的セクションから構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
7. 非対称ＭＭＦ分布は、２つの重畳ｐ₁およびｐ₂極ＭＭＦ関数の経過に従って、段差に似た形態を有しており、これら２つの関数の少なくとも１つが、１つまたは２つの極ピッチの整数倍にならない階段段差の角段差幅を有することを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
8. ステータ巻線は、全体的または部分的に、互いに接続された相互置換コイルから構成されるコイル群を有する分散巻線として設計されていることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
9. ステータ巻線は、全体的または部分的に、いわゆるモータ内に存在する極幅の１つと異なるコイル幅を有する短節巻線として設計されていることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
10. ステータ巻線は、各々が１つのステータ・リムを取り囲む集中コイルから組み立てられることを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
11. 巻かれていない少なくとも１つのリムまたは歯が、集中コイルが巻かれた２つのステータ・リムの間に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
12. 磁気ジャーナリングのための浮上力生成、およびモータ駆動のためのトルク生成に個別的な巻線集合体が使用され、一方の巻線には浮上力形成のための電流のみが供給され、他方の巻線にはトルク形成のための電流のみが供給されることを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
13. 磁気ジャーナリングのための浮上力生成、およびモータ動作のためのトルク生成に１つの共通の巻線集合体のみが使用され、巻線集合体のコイルは、支持力の生成のための成分とトルクの生成のための成分の両方を含む電流によって動作することを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
14. 巻線集合体は、重畳電流成分を有する巻線相を流れる適切な電流によって、浮上力生成のための回転磁界、およびトルク生成のための回転磁界または交番磁界を同時に生成できるように設計されていることを特徴とする請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
15. 浮上力生成のための巻線集合体は、回転磁界巻線として設計されていることを特徴とする請求項１から請求項１４までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
16. トルク形成のための巻線集合体は、回転磁界巻線として設計されていることを特徴とする請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
17. トルク形成のための巻線集合体は、交番磁界巻線として設計されていることを特徴とする請求項１から請求項１６までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
18. 機械的または電気的組立部品のための空間を空隙に近接したステータ・リムおよびステータ歯の領域内に確保するために、前記コイルは、コイル軸線が本質的に円周方向に従うようにして、あるいはステータの中点を通る線に直角になるようにしてステータ・ヨークを包含していることを特徴とする請求項１から請求項１７までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
19. コイルの簡単な組み立てを可能にするために、ステータ・ヨークがそれぞれの個別的な部分に機械的に分割されていることを特徴とする請求項１から請求項１８までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
20. ステータ・ヨークの部品が取付架台に取りつけられ、実際にステータ・ヨーク部品間にできるだけ大きな空隙が生じないようになっていることを特徴とする請求項１から請求項１９までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
21. モータは二または四極永久磁気ロータと、３、５、６または７つの集中ステータ・コイルとを有し、浮上力の生成のための成分とトルクの生成のための成分との両方を含む電流がコイルに供給されることを特徴とする請求項１から請求項２０までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
22. モータは、別個のコイル、または電気的に接続されたコイルから構成される複数の相を有することを特徴とする請求項１から請求項２１までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
23. モータの相が星形接続されていることを特徴とする請求項１から請求項２２までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
24. 星形接続されたモータ相では、星形点が電気的に接続されないことを特徴とする請求項１から請求項２３までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
25. モータの相がリング上に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項２４までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
26. 接続相結線が電力半ブリッジを介して駆動されることを特徴とする請求項１から請求項２５までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
27. 接続相結線が電力全ブリッジを介して駆動されることを特徴とする請求項１から請求項２６までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
28. ステータ周辺に分布するモータ相の電流分布によって、周辺にわたって観察すると、ｐ₁極基本波とｐ₂極基本波とを含む種類のステータＭＭＦを生じることを特徴とする請求項１から請求項２７までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
29. 永久磁気を有するｐ₁またはｐ₂極ロータを有することを特徴とする請求項１から請求項２８までのいずれか１項に記載の電気駆動装置。
30. 前記極数ｐ ₁ またはｐ ₂ が永久磁気ロータの極数を表している請求項１に記載の電気駆動装置。
31. 前記機械的または電気的組立部品が、ポンプ、圧縮機、送風機または換気機部品である請求項１８に記載の電気駆動装置。
32. 前記複数の相が、全節巻コイル、短節巻コイルまたは分布巻コイルから構成されたものである請求項２２に記載の電気駆動装置。

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