JPH04236188A - 自己浮上モ―タシステム - Google Patents

自己浮上モ―タシステム

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JPH04236188A
JPH04236188A JP3002540A JP254091A JPH04236188A JP H04236188 A JPH04236188 A JP H04236188A JP 3002540 A JP3002540 A JP 3002540A JP 254091 A JP254091 A JP 254091A JP H04236188 A JPH04236188 A JP H04236188A
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rotor
axis
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axis component
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Kazuto Sakai
和人 堺
Isamu Morino
森野 勇
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Toshiba Corp
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    • F16C32/0497Active magnetic bearings for rotary movement integrated in an electrodynamic machine, e.g. self-bearing motor generating torque and radial force
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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    • F16C2380/26Dynamo-electric machines or combinations therewith, e.g. electro-motors and generators

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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】
[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。
【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。
【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,15B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,15
B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。
【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。
【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12
A,12B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]
【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。
【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。
【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。
【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。
【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id *)が変化する。これによりd軸成分電流i
d 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)1
04 ,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 ,203 の信号が変位検出器105 ,20
5 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 ,g2 は、空隙制御手段10
6,206 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107 ,
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,i
2q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v1 * ,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
【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。
【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。
【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。
【0023】ステ―タ鉄心12の軸中心とロ―タ鉄心1
6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
【002
4】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。
【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。
【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)
【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。
【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 〜i4 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 * 
〜g4 * 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。
【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。
【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。
【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1
2に2相の巻線14が巻かれ、各巻線は(a1 ,b1
 )、(a2 ,b2 )、(a3 ,b3 )、(a
4 ,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(12A)に各々5個の小歯1
8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。
【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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【図6】従来の磁気軸受付モ―タ―の要部構成を示す図
である。
【符号の説明】
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        10
4 ,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

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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
  2. 【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。
  3. 【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。
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