JPH02193547A - 半径方向回転体位置制御巻線付き電磁回転機械及び半径方向回転体位置制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は電磁力により回転子の半径方向位置を制御する
機能を付加した高速、超高速電動機、あるいは発電機に
間するものである。

近年、宇宙船搭載用高速フライホイール、真空ポンプや
高速工作機械などの用途に電動機の高速化の要求が高ま
っている。電動機を高速化するには高速回転に適した電
動機構造が必要であると同時に、高速回転体を支持する
ことが可能な軸受が必要である。

発明者らは既に超高速回転に適した電動機を提案すると
共に、試作電動機による実験結果を日本電気学会、米国
電気学会（ＩＥＥＥ）などに報告している　１−６１そ
こでは、従来技術の延長としての電動機の高速化には限
界があり、現状の速度、出力範囲を拡大するには超高速
回転に適した回転機構造や磁性材料が必要であるを指摘
している。

しかし、その試作電動機は従来の玉軸受を用いているた
め、回転速度の上限が制限されていたので高速回転の基
本的な特性を測定するにとどまフている。すなわち、超
高速電動機を実現する際には、機械的な軸受の性能が一
つの問題点となる。

機械的な要素により構成される軸受は潤滑が必要である
し、機械自体がきわめて精密であるため組立、保守管理
などが難しい、そこで、最近、電磁力を用いて回転体の
位置制御を行う磁気軸受が超高速電磁回転機械に採用さ
れつつある。

本発明は上記の用途などの高速電動機、超高速電動機及
び磁気軸受に間する。

［従来の技術、発明が解決しようとしている課題］磁気
軸受は電磁力を用いて回転体を非接触で浮上し、回転体
の位置を制御するものである。磁気軸受は位置制御系の
構成から受動形と能動形に分けることができる０本発明
を磁気軸受という観点からみると能動形に近い。

第１図は能動形磁気軸受の代表的な磁気回路の構成を示
している。この形式の磁気軸受は磁気回路は電動機とは
別に磁気回路を構成している。こりため、各種の電動機
の形式やあるいは電動機以外の回転体の保持が可能であ
るという特徴がある。

しかし、電動機に応用する際には、 （ａ）電動機とは別に軸受用の磁気回路を構成する必要
があり、軸受自体が大形化してしまう、また、回転体全
体の軸長が機械的な構造によって制限されるにもかかわ
らず、軸受部分の軸長が長くなるので電動機の回転子の
軸長を短くしなければならない、したがフて、電動機の
出力が制限されてしまう。

（ｂ）回転体の位置を制御するために必要な電磁力は回
転子位置制御用電磁石の発生する磁束のみによる。この
ため、回転体位置制御の速応性を向上するためには常に
励磁磁束を大きく保つ必要があり、電磁石が大形化して
しまうし、電磁石の電流を駆動する電流制御用の変換器
の容量が大きい。

などの欠点がある。さらに、電磁石により発生する磁束
は固定子に固定しており、回転子はこの磁束を切って回
転する。このため （ｃ）回転子鉄心に渦電流が生じるため回転子が著しく
発熱してしまう。

などの本質的な欠点がある。

これに対して特に（ａ）の欠点を補う方式として、電動
機巻線に回転体位置制御用の電流を重畳する方式が提案
されている。この方式は磁気回路が電動機と磁気軸受部
で共有できるため小形化できるという利点はあるものの
、従来の固定子に固定した電磁石を等価的に電動機に重
ね合わせたに過ぎない、すなわち、単に巻線と磁路を共
有しているだけであり、磁気回路としては、電動機とし
て回転するための回転磁界と回転体位置を制御するため
の静止磁界がそれぞれ独立に制御される。したがフて、
（ｂ）、（Ｃ）に述べた欠点を持つばか（ｄ）電動機が
形成する磁束が常に位置制御を行うための磁束に対して
外乱として働いてしまう、さらに、この外乱の周波数は
回転速度に依存して大きく変動する。また、逆に位置制
御を行うための磁束は電動機の回転磁界に対して外乱と
して働いてしまう。

（ｅ）回転磁界と静止磁界が独立であるために、磁・−
を共有しながらも位置制御に必要な駆動電流、この電流
を流すための変換器などを小形化することができない、
さらに、磁路に生じる磁束が増加するため磁気回路が大
形化してしまう。

（ｆ）電動機の駆動電流や位置制御用の電流などを同時
に１つの巻線に流すため、この巻線の電流を駆動する電
力変換装置はきわめて高い周波数応答が必要であるし、
同時に電動機の入力電力などを供給するために大きな容
量が必要である。したがって、電力変換器はきわめて高
性能で高出力のものが必要であり、高価なものとなって
しまう。

などの欠点がある。

同様に（ａ）で述べた欠点を補う方式の１つに機械的な
軸受の負担を軽減する方法として、固定子巻線と共に回
転子の重量を軽減する目的の巻線を施した手法が提案さ
れている。この手法は（ｂ）。

（ｆ）に挙げた欠点をも補うことができる利点があるも
のの、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）の欠点を持つ点に問題が
ある。さらに、元来、磁気力による回転子位置の制御を
目的とはしておらず、機械的軸受の負担軽減の役割しか
ない。

（ａ）〜（ｄ）に挙げた欠点を除去する方式として、回
転子位置制御用電磁機械に予備励磁として永久磁石を用
いると共に、通常の三相電動機の固定子を用いる方法が
提案されている。この方式は回転磁界を形成するため（
Ｃ）、（ｄ）の欠点を除去できると共に、軸方向の電磁
力を発生する磁束を半径方向位置制御を行うための励磁
磁束としているため、（ｂ）に挙げた欠点もない、さら
に、半径方向の支持軸をヒステリシス環あるいは誘導機
の回転子のような構造にすることによりトルクを発生す
ることも可能である。

しかし、 （ｇ）軸方向の位置を制御する磁束を予備励磁磁束とし
て用いるため、回転体半径方向回転体位置制御巻線の電
流、磁束は小さくて済むという利点があるものの、これ
は、すなわち、電動機として動作するのに必要な回転磁
界を形成する磁束が小さくなってしまうという欠点があ
る。

そこで、この回転磁界を形成する磁束を大きくしようと
すると、 （ｈ）半径方向回転体位置制御電流も大きくなり、既に
　（ｆ）に述べた問題点が生じる。加えて、既に（ｅ）
で述べたように電動機の電力変換器が半径方向回転体位
置制御用の電流制御を兼ねるため、電流制御装置、磁気
回路が大形化してしまう。

（ｉ）同様に、回転磁界の磁束を大きくするためには磁
界を形成する巻線の電流容量を大きくしなければならな
い。

（ｊ）シたがフて、回転磁界を形成するための巻線のコ
イルエンドが大きくなり、（ａ）に挙げた問題点が生じ
てしまう。

本発明は以上の欠点を除去するために、電磁回転機械の
励磁磁束を利用した新しい電磁機械を実現したものであ
る。

［課題を解決するための手段］ 特許請求項１〜３に関して添付図面、特に第２図を参照
して詳述すると次の通りである。

電動機あるいは発電機などの電磁回転機械が発生する回
転磁界を積極的に不平衡にし、回転体の半径方向に作用
する力を発生し、これらの力を制御することにより回転
体位置を制御する機能を付加したことを特徴とする電磁
回転機械に係わるものである。

第２図に示すようにコイルエンドを省略し、軸長を短く
することを特徴とする電磁回転機械に係わるものである
。

本発明は既に述べた（ａ）から（Ｊ）までの従来の磁気
軸受を内蔵した電動機、または磁気軸受の欠点を解決す
る方式である。第２図は本方式による電動機の構成を示
している。第２図の本体は図の上の部分の電磁機械とそ
れと等しい下の電磁機械の２つの部分からなる。１は回
転子、２は主軸、３は固定子、４は半径方向回転体位置
制御用巻線のコイルエンド、５は電動機の巻線のコイル
エンド、６は電動機の巻線である。

電動機の巻線には回転体位置制御用の電流は流さず、新
たに電動機巻＆１５．６と同じスロットに同時に回転体
位置制御用巻線４を施し、この新たな回転体位置制御用
巻線を用いて、電動機が発生する回転磁界を利用しなが
ら回転体の位置制御を行う、すなわち、この制御用巻線
４の電流を電動機の磁束に同期して調整することにより
、電動機の磁束を積極的に不平衡にし、この不平衡によ
り生じる電磁力を利用して回転体の半径方向の位置を制
御をするものである。

半径方向回転体位置制御巻線４には回転磁界を不平衡に
するだけの電流を流せば良いので、その導体数は電動機
の巻線５，６より少ない、したがって、半径方向回転体
位置制御巻線のコイルエンド４は従来の回転磁界を発生
して半径方向位置を制御する方式よりはるかに小さくで
きる。

一方、導体数が大きい電動機の巻線は装置の両端にのみ
コイルエンド５があるだけで６の部分は巻線がコイルエ
ンドとならずに、鉄心の外部を貫いている。したがフて
、電磁機械の軸長の多くを占めている電動機巻線のコイ
ルエンド５を半分に省略することができる。すなわち、
従来方式に比較して既に指摘した（ａ）、　　（ｊ）の
欠点がない。このように励磁磁束を不平衡にする手法に
は新しく制御巻線を施す方法の他にも、電機子巻線を分
割して磁束を独立に制御してもよい。

さらに、第２図は２つの部分からなるが、これを３つ以
上により構成する場合はコイルエンドが軸長にしめる割
合をさらに小さくすることができる。その際には端の部
分のみに半径方向回転体位置制御巻線４を施し、その間
の部分は電動機巻線のみとすることもできる。このよう
にすると電磁機械の構成、電流駆動源の構成は簡略化で
きる。

また、固定子鉄心３、回転子鉄心ｌを第２図のように２
つの部分に分けずに一つの鉄心により構成することがで
きる。このようにすれば電磁機械の構成はより簡単化で
きる。

以下では本発明の動作原理を第２図の１つの構成部分に
ついて電動機を中心として述べるが、本発明は原理的に
発電機にも応用できる。

［作用］ 特許請求項４〜１６について添付図面、特に第３〜９図
に示した図に基づいて説明する。

［１］特許請求項４〜１１について、添付図面、軸に第
３図に示した動作原理図に基づいて動作源理を説明する
。

第３図は４極の電動機モデルを示している。このモデル
は直流電動機と等しく、交流電動機の多くは座標変換を
施して等価的にこのモデルに変換することができるので
、交流機の一般化モデルである。電動機の磁束あるいは
界磁起磁力方向の等価巻線Ｎ６とそれに直交する等価巻
線Ｎ、が施しである。加えて２極の回転子位置制御用等
価巻線ＮＸＩＮ、が施しである。座標軸ｄ、ｑはそれぞ
れＮｄ、Ｎ。

巻線の起磁力方向の座標軸である。また、座標軸ｘ、ｙ
はそれぞれＮ、、Ｎ、の起磁力方向の座標軸である。

いま、電動機が無負荷で運転している場合を考えると、
６巻線電流ｉ、＝Ｏであり、Ｎｄ巻線の電流りだけが流
れる０回転子位１制御巻線Ｎ、、Ｎ、の図中に示す方向
の電流をそれぞれｉｘ、ｆｙとすれば、ｆｘ＝ｔ、”ｏ
であれば電動機に発生する起磁力Ｆ％。

Ｆｘ−＠ＦＳＩ”＋Ｆ１１−の大きさは等しい、そこで
、回転子が中心に位置していれば、発生する磁束は対称
であるので、Ｎ、、Ｎ、に鎖交する磁束の総和は０であ
る、したがって、回転子位置制御用巻線には速度起電力
が生じない、また、４つの等しい大きさの平衡した磁束
が発生するため回転子には電磁力が発生しない。

しかし、ｉ、、ｉ、が０でないときはｌｘ＠ｆｙによる
起磁力が重畳される。いま、図中の方向に１８を流すと
Ｆｘ＊は増加し、Ｆ、−は減少する。このため回転子を
通る磁束がＸ方向に不平衡となり、Ｘの正方向の電磁力
が回転子に作用する。また、同様に、図中の方向に１．
を流すとＸ方向の磁束が不平衡となり、回転子にはｙの
正方向の電磁力が発生する。この時発生する電磁力の大
きさは後に明らかにするように電動機の回転磁界を形成
する磁束と回転体位置制御巻線の電流ｔｘ、ｉ、に比例
する。したがフて、この発明による磁気軸受は、従来の
磁気軸受のように位置制御のために励磁磁束を形成する
必要がなく、励磁磁束として電動機の発生する磁束を利
用している。

このようにして回転子の磁束に固定した座標系で位置制
御用の等鎖巻線を構成し、この電流を制御することによ
り回転機の励磁磁束を積極的に不平衡して回転子の位置
を制御することができる。

このような等鎖巻線と電流は、後に実施例で明らかにす
るように、交流機の場合も、たとえば４極の回転機であ
れば、電機子に２極の巻線を施し、回転子磁束に同期し
た電流を流すことにより容易に実現できる。さらに、電
動機の極数に応じて、励磁磁束を効果的に不平衡にする
ような回転子位置制御用巻線の巻き方を工夫すればよく
、例えば、８極の電動機であれば４極あるいは２極の回
転子位置制御用巻線を施せばよい。

したがって、電動機は第２図のように等価変換ができる
電動機であればよい、そこで、例えば円筒形同期電動機
、突極形同期電動機、リラクタンス電動機、櫛形電動機
、永久磁石形回転機などの同期機や誘導電動機などに広
く適用することができる。

一方、このように励磁磁束が不平衡になると、電動機の
特性に悪い影響が生じるのではないか？また、回転体制
御を行うための励磁磁束が回転磁界であるため、逆起電
力が大きくなり回転体位置制御用電流の変換器はきわめ
て大きいものが必要となるのではないか、などの疑問が
生じる。

しかし、ｉｘによりＸ方向に不平衡磁束が生じても、Ｘ
方向の磁束により電動機巻線に鎖交する磁束の総和は変
化しない、したがって、位置制御のために発生する磁束
の不平衡は、電機子巻線の出力端子には全く影響を及ぼ
さない。

また、　Ｎ、、Ｎ、巻線が対称であればＮ、巻線を鎖交
する磁束はＮ、巻線により生じる磁束により増減しない
ので、制御巻線が互いに干渉することはない。

さらに、磁束が平衡している場合にはＮ、、Ｎ、巻線の
総磁束鎖交数はそれぞれＯとなるのでＮ、、Ｎ、巻線に
は励磁磁束による逆起電力が発生しない、したがって、
Ｎ、、Ｎ、巻線は磁束の不平衡分による逆起電力だけが
生じる。このため、電動機の励磁磁束を回転体位置制御
の励磁磁束として用いながらも回転磁界による位置制御
装置の電圧容量の増加を避けることができ、安価となる
。

この方法の特長をまとめると、 （ａ）回転子に対して主磁束が静止しているため、放熱
の難しい回転子での発熱がきわめて少ない。

（ｂ）電動機の主巻線と制御巻線が分離されているため
電動機駆動用電力変換器には速応性が要求されない、し
たがフて、たとえば、簡単で安価な方形波インバータな
どでもよい。

（ｃ）制御巻線は対称に施すことにより回転子励磁磁束
が発生する速度起電力を打ち消すことができ、制御用巻
線駆動電源の定格を大きく軽減でき、安価である。

（ｄ）軸受の速応性を確保するための励磁磁束は、電動
機の励磁磁束で代用しているので従来の磁気軸受で問題
となる励磁電流が不用である。

などの磁気回路構成上の特長がある。さらに、（ｅ）座
標変換により直流機に等価変換可能な全ての電動機に応
用できる。

（ｆ）１つの電磁回転機械を２つ以上を同一軸上で直結
することにより容易に高出力化することがで曹る。

（ｇ）電動機の軸長がそのまま軸受の軸長となるので、
磁気軸受の剛性を高めることができると共に負荷耐量を
大きく取れる。さらに、小形軽量化できる。

（ｈ）電動機のコイルエンドが小さくなり軸長を短くす
ることができる。

［２］特許請求項１２について、添付図面、特に第４〜
８図に示した図に基づいて三相巻線との等価性について
説明する。

磁気軸受を必要とする電磁回転機はきわめて回転速度が
高いものが多い、したがって、回転機の種類としては直
流機よりも交流機である場合が多い、そこで、本発明は
両者に適用できるものの、以下では交流機について、既
に示した第３図の巻線との等価性について明らかにする
。また、この際、理論を簡単化するために三相４極機に
ついて論するが、本発明は相数２以上、極数３以上であ
れば応用できる。すなわち、単相の電動機などにも応用
できる。

第４図は本発明を実現する交流機の巻線分布の一例を示
している。４極の三相の電動機巻線ＮＬＩｊＮＶｊ札と
２極の三相の回転体位置制御巻線ＮｕｂｙＮＶｂ　ＩＮ
ＩＩＩ＋を施しているｅ　　Ｎｕの起磁力の方向を起点
とする固定子に固定した角度をφ、とする。

第４図に示すように電動機の巻線には半径方向回転体位
置制御用の電流は流さず、新たに電動機巻線と同じスロ
ットに同時に半径方向回転体位置制御用巻線を施してい
る。したがって１、この新たな半径方向回転体位置制御
用巻線を用いて、電動機が発生する回転磁界を利用しな
がら回転体の位置制御を行うことができる。

第５図は電動機巻線、位置制御巻線に単位電流を流した
ときの起磁力分布である。固定子からみた回転子の回転
方向を時計回りとすれば、各起磁力の基本波成分は回転
子の磁束方向を起点とし時計と逆方向の角度を６、固定
子のＵ相起磁力方向を起点とし、回転子の磁束方向まで
の時計回りの角度をφとして、 Ｎｕ　　＝　　Ｎ　ｃｏｓ（２ｉ−２φ　　　）（１）
Ｎｖ　　＝　　Ｎ　ｃｏｓ（２へ一２φ＋２π／３）　
　　　　（２）し　＝Ｎｃｏｓ（２へ一２φ÷４π／３
）　　　　　（３）Ｎｕｂ　＝　　Ｎｂｃｏｓ（ｔｋ−
φ　　　　）（４）Ｎｖｂ　　＝　　Ｎｂｃｏｓ（％−
φ＋２ｒｔ　／３）　　　　　（５）Ｎｉ＋ｂ　　＝　
　Ｎｂｃｏｓ（ｋ−φ＋４π／３）　　　　　（６）と
なる、いま、電動機巻線の各ｉｕ、１ｖｓＬ電流、回転
子位置制御層巻＆ｌ　１ｕｂｐｉｖｂｐｆ＋ａｂを＝　
　Ｉ　　ｃｏｓ（２φ十〇）（７）＝　　ｒ　　ｃｏｓ
（２φ＋θ−２π／３）　　　　（８）＝　　Ｉ　　ｃ
ｏｓ（２φ＋θ−４ｍ　／３）　　　　（９）ｕｂ　：
　　Ｉ　ｂ　ｃｏｓ（φ−θｂ）　　　　　　　（１０
）ｖｂ　＝Ｉ　ｂ　（：Ｏ８（φ−θｂ−２ｉ　／３）
　　　　（１１）ｗｂ　＝　　Ｉ　ｂ　（Ｈｏｓ（φ−
θｂ−Ｌｙｔ　／３）　　　　（１２）とする、第６１
！Ｉは（７）〜（１２）の関係を示している。

電動機巻線とその電流にょる三相合成起磁力Ｆ３は Ｆｓ　　”　　Ｎｕｉｕ＋Ｎｖｉｖ＋Ｎｖｉｗ＝（３／
２）Ｎ　Ｉ　ｃｏｓ（２ａ＋θ”）　　　　　　　　（
１３）制御巻線とその電流による三相合成起磁力Ｆｂは
Ｆｂ　：　　Ｎｕｂｉｕｂ＋Ｎｖｂｉｖｂ＋Ｎｗ＋ｉｗ
ｂ＝　（３／２）Ｎｂ　Ｉ　ｂｃｏｓ（ヘーθｂ”）　
　　　　　（１４）電動機巻線による起磁力と位置制御
巻線による起磁力のｆａＦは Ｆ　＝　　（３／２）（Ｎ　Ｉ　ｃｏｓ（２％十〇）＋
Ｎｂ　Ｉ　ｂｃｏｓ（ａ−θｂ））（１５）いま、 ｈ＝（３／２）Ｎ　Ｉ　ＣＯ８θ　　　　　Ｆｏ”（３
／２）Ｎ　Ｉ　ｓｉｎθＦ−（３）２）Ｎｂ　Ｉ　　ｂ
ｃｏｓθ　ｂ　　　　　Ｆｘ：（３／２）Ｎｂ　Ｉ　　
ｂｓｉｎθ　ｂとすれば Ｆ　＝Ｆｄｃｏｓ２＆−Ｆ、５ｉｎ２％　　＋Ｆ、ｃｏ
ｓ％＋Ｆｘｓｉｎ＆　　（１６）この式は、合成起磁力
は八と２６の正弦波の関数の和で表すことができること
、したがって、ＦはＦａ、　Ｆａ、Ｆ、ｌ、Ｆ、の４つ
の成分を用いて表すことができることを示している。こ
のうちＦａ、Ｆ、は電動機のｄ軸起磁力、ｑ軸起磁カで
ある。しかし、Ｆ、はＸ軸方向の起磁力であり、Ｆ８は
Ｘ軸方向の起磁力である。すなわち、第３図のＨａ巻線
による起磁力はＦ６による起磁力に等価であり、Ｎ、巻
線による起磁力はＦ、に等価である。さらに、第３図の
Ｎ８巻線による起磁力はＦ工と等価であり、　Ｎ、巻線
による起磁力はＦ、と等価である。したがって、第４図
に示した巻線により既に示した第３図の起磁力を発生ず
ることができる。

そこで、いま、 Ｉａ＝　　（３／２）　Ｉ　ｃｏｓθ　　　　　　　　
（１７）ｉ、＝　　（３／２）　Ｉ　ｓｉｎθ　　　　
　　　　（１８）ｉｖ＝（３／２）　Ｉ　ｂｃＯ８θｂ
　　　　　　　　　（１９）Ｌ”　　（３／２）　Ｉ　
ｂｓｉｎθｂ　　　　　　　　（２０）と置くことによ
り第３図の等価巻線の電流を定義できる。このようにす
ると Ｆ　＝　　Ｎ（ｉａｃｏｓ２ａ＋１ｑｓｉｎ２Ａ）＋Ｎ
ｂ（ｉｑｃｏｓ％＋１ｘｓｉｎ＆）　　　　　　　　（
２１）となる。

第７図、第８図はθ＝００場合、すなわち電動機出力ト
ルクが００場合について 第７図は　ｉ、＞ＯｉＸ：ｏ　　（θｂ＝０）第８図は
　１ｙ＝ｏ　　ｉｘ〉０　　（θｂ＝９０）の場合の合
成起磁力を示している。ｉ、によりｙ軸方向、ｉｘによ
りＸ軸方向の起磁力の振幅が増加している。したがって
、ｉ、が正であれば回転子にはｙ軸方向の力が生じ、ｉ
、、が負であればＸ軸方向の力が生じる。

〔３］添付図面、特に第９図に示した図に基づいて偏心
時のギャップ長の変化について説明する。

以下では偏心によりパーミアンス分布がどの様に変化す
るのかを明らかにするためギャップ長と偏心量の関係を
明らかにする。さらに、回転座標軸上のギャップ長と固
定子に固定した座標系のギャップ長の関係を明らかにす
る。

固定子の中心に直交したａ、ｂの座標軸を第９図に示す
ようにとる。ａ軸はφ、＝０、すなわちＮｕの起磁力方
向である。固定子の内径の軌跡を表すベクトルＲｓのす
、ａ軸成分による表示は、固定子内径をＲ３とすれば Ｒｓ　　Ｊｓ（ｃｏｓφｓ　ｐ　Ｓｔｎφｍ）　　　　
　　（２２）一方、円筒状の回転子の外周上のベクトル
軌跡Ｒ「は、偏心がないときのギャップ長ｇ０と円状の
回転子外径Ｒ７を用いて、回転子のａ軸方向へのずれを
８゜Δａ、　　ｂ軸方向へのずれをｇ０Δｂとすれば、
Ｒｒ　　＝（Ｒｒｃｏｓφ３＋ｇ０Δａ、ＲｒＳｆｎφ
３−ｇ０Δｂ）　（２３）ギャップ長ベクトルＲ，−Ｒ
，は、 Ｒｓ−Ｒｒ＝ｇｏ（ｃｏｓφ３−Δ”ｙｓｆｎφ３＋Δ
ｂ）　　　（２４）したがって、ギャップ長ｇは ｇ：ｇｏ　　ＣＯ８ｓ−ａ　　＋ｓｌｎ　　、＋　　　
２（２５）Δａ、Δｂが１より充分小さいという条件下
について考えると ｇ　　＝ｇｏ（１−Δａ　ｃｏｓφ、＋Δｂ　ｓｉｎφ
、）（２６）と近似できる。このように近似しても、（
２６）式でのφ、　＝０　、９０でのギーヤップ長の変
化分はΔａ、Δｂである。したがって、Δａ、Δｂを検
出すれば、（２６）式から任意のφＳに対するギャップ
長を算出することができる。

（２６）式にφ３と６、φとの関係式 φ＄　＝　６−φ を代入すると ８＝８゜（１−Δａ　ｃｏｓ（ａ−φ）＋Δｂ　５ｉｎ
（４−φ）　）　（２７）この式からΔａ、Δｂを検出
し、φを検出すれば任意の６でのギャップ長を求めるこ
とができる。また、その際のギャップ長の６に対する変
化はへの正弦間数である。そこで、いま、Ｘ軸、ｙ軸方
向のギャップ長をｇｘ＋ｇｙとすれば、 ［４］特許請求項１３〜１６に間して、以下では回転子
に作用する力について説明する。すなわち、円筒形同期
電動機について回転体位置制御巻線電流と回転子に作用
する電磁力の関係を明らかにする。さらに、突極形同期
電動機、誘導電動機などの電動機を取り上げ、これらの
電動機でも円筒形同期電動機で導出した電磁力の関係式
が成り立つことを示す。

［４，１１円筒同期電動機 円筒同期電動機では界磁磁束は回転子に固定するととも
に固定子が発生する既に（２１）式に示した起磁力に対
して同期している。そこで、第３図のｄ軸は円筒同期機
の界磁起磁力方向とする。

回転子の発生する起磁力は回転子の界磁巻線あるいは永
久磁石による起磁力である。この起磁力は（２１）式の
ｉｄと同一の方向であるから、（２１）式の１ｄが界磁
起磁力をｄ軸巻線に換算した電流成分をも含んだ電流で
あると考えることができる。

一方、パーミアンス分布は、円筒機であるから既に［３
コで述べたギャップ長により決定する。

μ。を空気の透磁率、Ｓを有効面積とし、Δａ、Δｂは
１より充分小さいという条件を用いて（２６）式から単
位ラジアン当りのパーミアンスＰは Ｐ＝Ｐ、　（１÷Δａ　ｃｏｓ（φ、−φ）−Δｂ　５
ｉｎ（φ、−φ））（２９）ただし、 Ｐ０＝（μ。Ｓ）／（２πｇｏ） 磁界の蓄積エネルギーリ、は いま、既に示した第３図の回転子のＶｐＸ軸方向に作用
する力をそれぞれｆ、　、ｆ、とすれば、第２図、第８
図から ＝（π／２）ＰｏＮ２（Ｉｄ２＋ｉａ２＋（Ｎｂ／Ｎ）
２ｉｙ２＋（Ｎｂ／Ｎ）２ｉｘ２）＋Δａ（π／２）Ｐ
ｏＮＮｂ（（Ｌｉｙ−ｉａｉｘ）ｃｏｓφ＋（−ｉ、ｉ
、−１ｄｉｘ）ｓｉｎφ）＋Δｂ（π／２）Ｐ、ＮＮｂ
（（Ｌｉ、−１ａｉｘ）ｓｉｎφ”（ｉｑｉ、＋＋１４
Ｌ）ｃｏｓφ）　　　　（３０）いま、回転子に作用す
るａ軸方向す軸方向の力をｆｌ、ｆ伽とすれば この式から以下のことがわかる。

（１）回転体位置制御巻線電流ｉ、、ｉ、と回転子に作
用する回転座標軸上の力ｆ、　、ｆ、は線形関係がある
ため制御性がきわめて良い。

（２）　ｉ＠がＯである場合にはｆ、ｃｃｉ、、ｆＸｃ
ｃｉＸである。

したがって、回転子にＸ方向の電磁力を作用するために
はｉ、を正とすればよい、逆に回転子に−ｙＸ方向電磁
力を作用するためには電流位相角θｂを１８０°移動す
ることにより１ｖを負にすればよい。

同様のことがＸ方向に作用する電磁力とｌ　Ｘについて
言える。

また、回転体に半径方向方向の電磁力を作用する必要が
ないときは　ｉｘ”１ｙ＝ｏであり、位置制御巻線には
全く電流が流れない、従来の磁気軸受が発生する力が回
転体を吸引する方向の１方向のみであったために、回転
体に作用する電磁力が０である場合にも励磁電流を発生
する電流が必要であった。これに対し本発明では、回転
子に作用する電磁力がＯである場合には、回転体位置制
御電流が０で済み、回転体位置制御巻線、位置制御巻線
が発生する磁束の磁路、位置制御巻線の電流を駆動する
変換器などが小さくて済む。

（３）回転機が負荷状態にあるばあいには　ｉ、≠０で
あり、１１．と１８は干渉する。しかし、電動機の電流
が０、すなわち、ｉ４：ｉ＠：０である場合以外では、
（３２）式の２行２列の行列の行列式は正であるので必
ず逆行列が存在する。したがフて、予め制御回路で容易
に非干渉制御系を構成することができる。

（４）　ｆ、、ｆ、は１ｄあるいは１．と１．あるいは
１工との積であられされている。ここで、ｉｄは固定子
電流に換算した電動機用界磁磁束と電動機用の固定子ｄ
軸電流成分の和である。これはこの発明が電動機の回転
磁界による磁束を利用して回転体に作用する力を発生し
ていることを明らかにしている。従来の磁気軸受では＋
、２あるいはｉｘ２に比例した力が発生していた。しか
し、本発明では、電動機の励磁電流分りを利用すること
ができるので１ｌｌｔ　　ｉ、は小さくて済む。

（５）同様に回転子に作用する力は電動機巻線の巻数Ｎ
に比例する。したがりて、この分、回転体位置制御巻線
の巻数を減少することができるので従来の磁気軸受に比
較してＮｂが小さくて済む。

さらに、Ｐｏが（３２）式の係数であるので、電動機の
励磁磁束を半径方向回転体位置制御に用いることにより
、電動機の有効、軸長をそのまま軸受の有効軸長とし、
軸長の割に磁気軸受の負荷耐量を高くすることができ、
さらに、小形軽量化できることがわかる。

［４，２］誘導機 誘導機の場合は、既に第３図で定義したｄ軸は回転子上
をすべり周波数で回転する２次鎖交磁束の方向である。

したがって、同期機の場合に回転子と固定子の回転角を
表していたφは固定子と２次鎖交磁束の回転角を表すこ
とになる。したがって、前節の（２１）式のＬは励磁電
流成分である。−方ｉ、はいわゆるベクトル制御された
誘導電動機のトルク電流成分に等しい、したがフで、起
磁力分布は（２１）式で表される。

誘導機のパーミアンス分布はスロットによる脈動分を無
視すれば円筒形同期電動機のパーミアンス分布と等しい
、そこで、パーミアンス分布は（２９）式で表される。

このように起磁力分布、パーミアンス分布は円筒同期電
動機と等しいので前節と全く同じ結果が得られる。

［４，３］突極同期機 突極同期電動機の場合は、ＣＬ　　ｑ軸の取り方や電流
成分の定義は円筒同期機の場合と同様であるが、ギャッ
プ長が磁気的に突極となるように変化しているため、パ
ーミアンス分布は突極による変化分を含む。

偏心がない場合のギャップ長を正弦波で近似して ｇ　＝ｇｏ　　（１−ｐ　　ｃｏｓ４ａ　　）　　　　
　　　　　　　　　（３３）とする、ここで、ρは突極
機の形状によって決まる定数である。偏心によるギャッ
プの増分を加えると（２７）式から ｇ　＝　ｇｏ　（１−ｐ　ｃｏｓ４ａ　−Δａ　ｃｏｓ
（ａ−φ）＋Δｂ　５ｉｎ（ａ−φ）　）　　　　　　
　（３４）単位ラジアン当りのパーミアンスは いま、ｐ＜ｌである場合には Ｐ　　＝　　Ｐｏ（１＋　ｐ　ｃｏｓ４ａ＋Δａ　ｃｏ
ｓ（＆−φ）−Δｂｓｉｎ（＆−φ））　　　（３６）
と近似できる。磁界の蓄積エネルギーＶ、は２π 讐、＝　Ｉ　　　（１／２）　　ＰＦ２　　ｄ％である
から（２１）式と（３６）式を代入し、（３１）、（３
２）式と同様にしてｆ、、ｆ、を導出すると、輻して制
御器に入力し、回転座環軸上の回〜転子に作用する力ｆ
、、ｆ、の指令値それぞれｆ、’、ｆ、”を発生する。

ｆ、、ｆ、は（３２）式に（１７）〜（２０）式を代入
して突極性に起因する回転子に作用する力の変化はｐに
よる項で表されるから以下の点が明らかである。

（１）突極性により無負荷時の（力／電流）の比は向上
する。

（２）さらに、負荷時にトルク分電流ｉ、による干渉環
が減少し、制御性が向上する。

［実施例コ 特許請求項１７について、ここでは具体的なシステムの
構成方法、制御方法について説明する。

既に回転座標軸上のギャップ長ｇｖｓｇ＊を求めること
ができた。そこで、これらの検出値をギャップ長の指令
値ｇｙ”ｙｇｘｏとそれぞれ比較し、誤差増（３日） この式をｆｙ、ｆｘについて解いてそれぞれｆ、”、ｆ
、”を代入すればｉ、、１ｘの指令値それぞれｉ　、　
＠　、　＋　ｘＩＩを求めることができる。すなわち、 ここでθ、■は電動機の負荷状態、制御方法により決定
する量である。そこで、この式に基づいて回転体の位置
制御電流１８°、１．°を決定することは電動機の状態
を常に把握する必要がある。しかし、位置制御電流をこ
の式に基づいて決定すると既に考察した（３２）式ある
いは（３７）式のの干渉環を予め消去することができる
。すなわち、ｆ、、ｆ、はそれぞれ制御回路の発生する
ｆ、”、ｆ、”に比例する。

従来の磁気軸受では回転子に作用する力は吸引力のみで
あるため、２つの磁気軸受用巻線の電流の大きさの差を
調整してして力の方向を制御していたが、本発明によれ
ば単に位置制御巻線の電流の位相を反転するだけで力の
方向を反転することができる。

第１０図は制御回路の構成法の一例を示している０位置
制御巻線を施した電動機とその軸に直結した回転体半径
方向位置検出器と回転角度検出器がある。検出された固
定子座標系上の回転体の半径方向の位置Δａ、Δｂは回
転角度φで回転する回転座標系に変換される。変換され
た回転体半径方向位置ｇ＋＋ｇｘは指令値ｇ、”ｔｇＸ
”と比較され、この誤差信号に基づいて回転子に作用す
るｙ、ｘ軸方向の力の指令値ｆ、”、ｆ、°を発生する
。この指令値は電動機の運転状態に対して非干渉化する
ため電動機の電流に応じて回転体位置制御用のＸｒＶ軸
電流振幅指令値＋、’、ｉｘ　　を発生する。これらの
回転座標軸上の指令値から回転体位置制御巻線の電流振
幅指令値Ｉｂ”とその位相角の指令値θｂ°を発生する
。さらに、これらを三相二相変換して、固定子の回転体
位置制御巻線電流の指令値ｆｕｌ＋　ｐｉｖｂ　ｐＬｂ
”指令値を発生する。これらの指令値に基づいて電流増
幅器により回転体半径方向回転体位置制御巻線に電流が
供給される。

［発明の効果］ 本発明は以上に説明したように構成されているので以下
に記載されるような効果を奏する。

回転体半径方向回転体位置制御用巻線を電動機に新たに
施し、この巻線の電流を電磁回転機械の回転磁束に同期
して調整することにより、電動機の磁束を積極的に不平
衡にし、この不平衡により生じる電磁力を利用して回転
体の半径方向の位置を制御をする電動機である。

そこで、従来問題となっていた超高速電動機の機械的な
軸受の問題や、磁気軸受自体の問題点が解決される。し
たがって、従来制限されていたの超高速電動機の速度、
出力範囲を大きく拡大することが期待できる。

第１図は従来の代表的な能動形磁気軸受の磁気回路の構
成を示した図。

第２図は本発明の機械的な構成の一例を示す断面図。

第３図は本発明の原理を示す原理図。

第４図は本発明を実現する固定子巻線方法の一例を示し
た図。

第５図は第４図の巻線の起磁力分布を示した図。

第６図は電動機の巻線の電流波形と回転角の関係を示し
た図。

第７図、第８図は回転体位置制御巻線による起磁力分布
を示した図。

第９図は偏心によるギャップ長の変化と座標軸の取り方
を示した図。

第１０図は制御回路の構成の一例を示した図。

第１図 平成元年１月１８日 出願人　　　　千　葉　明（ばか１名）第４図 第５図 第７図 第８図 第９図 手続補正書 ！、事件の表示 平成元年５月９日１−９３７５号 ２、発明の名称 電動機の回転磁界を利用した半径方向 回転体位置制御装置つき電磁回転機械 ３、補正をする者 事件との関係

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　回転体の半径方向に磁気的な力を発生する機構をと
   もなった電動機あるいは発電機において、電動機あるい
   は発電機などの電磁回転機械が発生する回転磁界を積極
   的に不平衡にし、回転体の半径方向に作用する力を発生
   し、これらの力を制御することにより回転体位置を制御
   する機能を付加したことを特徴とする電磁回転機械。 ２　第２図に示すようにコイルエンドを省略し、軸長を
   短くすることを特徴とする電磁回転機械。 ３　添付図面、第２図に示すように、導体数が大きい電
   動機の巻線のコイルエンドを装置の両端にのみ配置する
   ことにより、コイルエンド（５）があるだけで（６）の
   部分は巻線を鉄心の外部を貫き、２つ以上の電磁機械要
   素を同一軸上に直結し、電磁回転機械の軸長の多くを占
   めている電動機巻線のコイルエンド（５）を半分以下に
   省略し、軸長を短くした電磁回転機械。 ４　添付図面、第３図に示すように、半径方向位置制御
   巻線の電流により磁束が生じても、電動機巻線に鎖交す
   る磁束の総和は変化せず、半径方向回転体位置制御巻線
   の電流により、電機子巻線の出力端に影響がほとんど生
   じないことを特徴とした電磁回転機械。 ５　回転体に半径方向の電磁力を作用する必要がないと
   きは半径方向回転体位置制御巻線の電流（ｉ＿ｘ）＝（
   ｉ＿ｙ）＝０であり、位置制御巻線には全く電流が流す
   必要がなく、半径方向回転体位置制御巻線、位置制御巻
   線が発生する磁束の磁路、位置制御巻線の電流を駆動す
   る変換器などが小さくて済むことを特徴とした電磁回転
   機械。 ６　回転体半径方向の位置制御のために必要な励磁磁束
   として電動機の発生する磁束を利用することにより、半
   径方向回転体位置制御巻線に励磁電流を供給する必要が
   ない電磁回転機械 ７　４極以上の交流機の電機子に、電動機の極数の整数
   分の１の極数の巻線を施し、この巻線に回転子磁束に同
   期した電流を流すことにより積極的に磁束を不平衡にし
   て半径方向の位置制御を行う電磁回転機械。 ８　添付図面、第３図に示すように、回転体位置制御等
   価巻線（Ｎ＿ｘ，Ｎ＿ｙ）を対称にすることにより、（
   Ｎ＿ｘ）巻線を鎖交する磁束は（Ｎ＿ｙ）巻線により生
   じる磁束により増減せず、また、（Ｎ＿ｙ）巻線を鎖交
   する磁束は（Ｎ＿ｘ）巻線により生じる磁束により増減
   しないようにすることにより、制御巻線起磁力、磁束、
   電流が互いに干渉することがないことを特徴とした電磁
   回転機械。 ９　添付図面、第３図に示すように４極の直流機のモデ
   ルを用いて半径方向回転体位置制御の原理を明らかにす
   ることにより、座標変換により直流機に等価変換可能な
   ４極以上の全ての電動機に応用できることを特徴とした
   半径方向回転子位置制御巻線つき電磁回転機械。 １０　電動機の主巻線と半径方向回転体位置制御巻線を
   分離して施すことにより、電動機の回転磁界を半径方向
   回転体位置制御に用いながらも、電動機駆動用電力変換
   器として半径方向回転体位置制御に必要な速応性を要求
   せず、簡単で安価な方形波インバータなどでも駆動でき
   ることを特徴とした電磁回転機械。 １１　添付図面第３図に示すように、回転子位置制御巻
   線（Ｎ＿ｘ，Ｎ＿ｙ）巻線には磁束の不平衡分による逆
   起電力だけが生じように施し、電動機の励磁磁束を半径
   方向回転体位置制御の励磁磁束として用いながらも、半
   径方向回転体位置制御巻線に励磁磁束がほとんど鎖交し
   ないようにすることにより、回転磁界によって生じる速
   度起電力をきわめて低く抑え、半径方向回転体位置制御
   巻線の駆動電源の電圧定格を大きく軽減することを特徴
   とした電磁回転機械。 １２　添付図面、第４図に示すように、電動機の巻線に
   は半径方向回転体位置制御用の電流 は流さず、新たに電動機巻線と同じスロットに同時に半
   径方向回転体位置制御用巻線を施し、この新たな半径方
   向回転体位置制御用巻線を用いて、電動機が発生する回
   転磁界を利用しながら回転体の位置制御を行う電磁回転
   機械 １３　電磁回転機械の回転子の磁束に固定した座標系で
   位置制御用の等価巻線を構成し、この電流を制御するこ
   とにより回転機の励磁磁束を積極的に不平衡して回転子
   の位置を制御することにより、回転子に対して磁束を静
   止させ、放熱の難しい回転子での発熱を少なくすること
   を特徴とした電磁回転機械。 １４　電動機の励磁磁束を半径方向回転体位置制御に用
   いることにより、電動機の有効軸長をそのまま軸受の有
   効軸長とし、軸長の割に磁気軸受の負荷耐量を高くする
   ことができ、さらに、小形軽量化できることを特徴とし
   た電磁回転機械。 １５　第３２式に示すように、（ｆ＿ｙ，ｆ＿ｘ）がそ
   れぞれ（ｉ＿ｄ）あるいは（ｉ＿ｑ）と、（ｉ＿ｙ）あ
   るいは（ｉ＿ｘ）との積であらわされ、電動機の電流を
   利用して回転体に作用する力を発生していることを原理
   とし、このため半径方向回転体位置制御巻線の巻数、電
   流容量、電流が小さくて済むことを特徴とした電磁回転
   機械。 １６　第３７式に示すように突極形の回転子に対して、
   半径方向に発生する力と電流の比が大きく、さらに、負
   荷時に生じる干渉項の影響が小さいことを特徴とした電
   磁回転機械。 １７　添付図面、第１０図に示すように、位置制御巻線
   を施した電動機とその軸に直結した回転体半径方向位置
   検出器と回転角度検出器があり、検出された固定子座標
   系上の回転体の半径方向の位置（Δａ，Δｂ）は回転角
   度（φ）で回転する回転座標系に変換され、変換された
   回転体半径方向位置（ｇ＿ｙ，ｇ＿ｘ）は指令値（ｇ＿
   ｙ°，ｇ＿ｘ°）と比較され、この誤差信号に基づいて
   回転子に作用する（ｙ，ｘ）軸方向の力の指令値（ｆ＿
   ｙ°，ｆ＿ｘ°）を発生し、この指令値は電動機の運転
   状態に対して非干渉化するため電動機の電流に応じて半
   径方向回転体位置制御用の（ｘ，ｙ）軸電流振幅指令値
   （ｉ＿ｙ°，ｉ＿ｘ°）を発生し、これらの回転座標軸
   上の指令値から半径方向回転体位置制御巻線の電流振幅
   指令値（ｉ＿ｂ°）とその位相角の指令値（θ＿ｂ°）
   を発生し、さらに、これらを三相二相変換して、固定子
   の半径方向回転体位置制御巻線電流の指令値（ｉ＿ｕ＿
   ｂ°，ｉ＿ｖ＿ｂ°，ｉ＿ｗ＿ｂ°）指令値を発生し、
   これらの指令値に基づいて電流増幅器により回転体半径
   方向回転体位置制御巻線に電流が供給される半径方向回
   転体位置制御装置付電磁回転機械とそのシステム。