JPH08294248A - 電磁回転機械 - Google Patents

電磁回転機械

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JPH08294248A
JPH08294248A JP7120497A JP12049795A JPH08294248A JP H08294248 A JPH08294248 A JP H08294248A JP 7120497 A JP7120497 A JP 7120497A JP 12049795 A JP12049795 A JP 12049795A JP H08294248 A JPH08294248 A JP H08294248A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 変位センサを設けることなく、回転子の変位
を検出することができる電磁回転機械を提供すること。 【構成】 コントローラ８２は、位置制御巻線Ｃ２の電
流Ｉu2、Ｉv2、Ｉw2や、一次電流周波数指令値２ω、及
びインバータ５６の出力電流（あるいは電圧）から演算
して回転子５０の変位を推定する。そして、このコント
ローラ８２で推定された回転子５０の変位に基づいて、
変調器８４や３相２相変換器８６、及び電圧制御インバ
ータ８８が位置制御巻線Ｃ２の電流を制御する。これに
より、電動機巻線Ｃ４によって形成される磁界が不均衡
となり、回転子５０に半径方向の磁力が働いて、その位
置制御が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】
【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３
０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３
６、３８によって電流が制御され、この制御でロータ３
１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４
０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４
６ａ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、ｉ
v4、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ε
α、εβが、ＰＩＤ（比列微分積分）コントローラ６２
ａ、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６
８で２相軸上から３相軸上に変換される。インバータ７
０は、３相２相変換器６８からの電流指令値ｉu2、ｉv
2、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あるいは電流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。請求項３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と電流との関係を決定するイン
ピーダンス回路と、このインピーダンス回路によって決
定された電圧と電流との関係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。
【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、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。起電力発生手段は、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
に生じる誘起電圧あるい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３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。インピーダンス回路
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と電流との
関係を決定する。位置制御手段は、インピーダンス回路
によって決定された電圧と電流との関係に応じて磁力発
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。
【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、Ｉ
w2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８
６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Ｎ
ａ、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Ｎ
ａ、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Ｎ
ａ、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】 Ｐ0 =(μ0 Ｒｌ／ｇ0) [１＋( ｘ／ｇ0)・cos(φs)−( ｙ／ｇ0)・sin(φs)] …（５）
【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Ｎ
ａ、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、Ｎ
βにおける磁束鎖交数をそれぞれλａ、λｂ、及びλ
α、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Ｍα
β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１
２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、Ｆ
βを発生させる。そして変調器８４、３相２相変換器８
６、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５
０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９
２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Ｃ
４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Ｃ
４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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000107996 セイコー精機株式会社 千葉県習志野市屋敷４丁目３番１号 (71)出願人 000000239 株式会社荏原製作所 東京都大田区羽田旭町11番１号 (71)出願人 000226242 日機装株式会社 東京都渋谷区恵比寿３丁目43番２号 (72)発明者 深尾 正 神奈川県横浜市青葉区松風台24−45 (72)発明者 千葉 明 東京都新宿区下落合１−８−14落合マンシ ョン707 (72)発明者 道岡 力 東京都品川区旗の台２−８−21ハイツ旗の 台

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 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。
  2. 【請求項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。
  3. 【請求項３】 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と電
    流との関係を決定するインピーダンス回路と、 このインピーダンス回路によって決定された電圧と電流
    との関係に応じて、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。
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