JPH1084653A - 磁気浮上誘導モータの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁気浮上誘導モータの不連続な導体棒の存在
にもかかわらず、該磁気浮上誘導モータを安定に運転す
ることができる磁気浮上誘導モータの制御装置をを提供
する。 【解決手段】 回転体の半径方向の位置を浮上制御する
磁気軸受作用と、回転体を回転駆動するモータ作用とを
兼ねた磁気浮上誘導モータ１０，１１の制御装置におい
て、その浮上位置制御装置の補償回路４１，４２内に、
前記誘導モータのスリップ周波数Ｆｓと回転ロータ１１
の２次導体１５の数ｄを掛けた周波数ｆ₀を中心周波数
とした局部フィルタを挿入した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転体を浮上制御
する磁気軸受作用と、回転体を回転駆動するモータ作用
とを兼ね備えた磁気浮上誘導モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平２−１９３５４７号公報等には、
円筒型ステータ内に円柱型ロータを組み込み、ステータ
に励磁回路を形成し、ここでロータに回転力を与えると
同時に所定位置に浮上保持する位置制御力を作用させる
磁気浮上回転機械が開示されている。これは、ステータ
に回転駆動用の巻線と制御巻線を備え、それぞれに三相
交流電流を流すことにより、所定の関係の極数の異なる
回転磁界を形成し、円柱型ロータの回転軸垂直面に半径
方向の磁気的作用を及ぼすものである。

【０００３】これにより、ロータを磁気的に吸引させ
て、その位置と姿勢を制御して、ステータに対して非接
触支持が可能な回転位置決めの磁気軸受機能を有すると
共に、ロータに回転力を付与するモータとして機能する
ことができる。このため、従来必要とされていた磁気軸
受に相当する電磁石ヨーク部分及び巻線が不要となり、
磁気浮上型のモータ等の回転機械を小型軽量化すること
ができる。また、制御巻線の電流と主巻線の電流とによ
り生じる磁界の相乗効果的な機能により、磁気軸受に相
当する動作を行えるので、従来の磁気軸受と比較しては
るかに小さな電流で制御力が生じ、大幅な省エネルギー
化が可能である。

【０００４】このように、磁気浮上モータについては、
いくつかの提案がなされている。それらは上述したよう
に駆動巻線と位置制御巻線が別巻線であるもの、あるい
は共通巻線であるものがあるが、基本としてはモータ回
転駆動用磁界の極数Ｎと位置制御用磁界の極数Ｍが、Ｍ
＝Ｎ±２となることを必要としている。

【０００５】ところで、磁気浮上誘導モータにおいて
は、負荷がある場合には、その特性上必然的にスリップ
が生じる。磁気浮上制御用の同期周波数として回転駆動
磁界の周波数を採用した場合には、回転駆動磁界に同期
した座標で見れば、ロータはスリップ周波数で絶対座標
系でのロータの回転方向とは逆に回転するように見え
る。この場合、ロータの銅バー（２次導体）の位置によ
って磁気回路が変化するため、浮上制御力が変化するこ
とになる。

【０００６】従って、銅バーの数にスリップ周波数を掛
けた周波数の外乱がロータに作用することになる。この
周波数は、制御対象（ロータ）の応答周波数領域内とな
るので、ロータは振動しやすくなる。従って、ロータに
何らかの外乱が作用した場合には、ロータにはその周波
数で振動が生じて不安定となり、ステータに接触する等
の問題が生じる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した事
情に鑑みて為されたもので、磁気浮上誘導モータのロー
タに不連続な２次導体の存在にもかかわらず、該磁気浮
上誘導モータを安定に運転することができる磁気浮上誘
導モータの制御装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の磁気浮上誘導モ
ータの制御装置は、回転体の半径方向の位置を浮上制御
する磁気軸受作用と、回転体を回転駆動するモータ作用
とを兼ねた磁気浮上誘導モータの制御装置において、そ
の浮上位置制御装置の補償回路内に、前記誘導モータの
スリップ周波数と回転ロータの２次導体の数を掛けた周
波数を中心周波数とした局部フィルタを挿入したことを
特徴とする。

【０００９】又、前記局部フィルタが前記中心周波数の
近傍で位相を進めたフィルタであることを特徴とする。

【００１０】又、前記誘導モータは、円筒型磁気浮上誘
導モータであることを特徴とする。

【００１１】又、前記誘導モータは、ディスク型磁気浮
上誘導モータであることを特徴とする。

【００１２】本発明の磁気浮上誘導モータの制御装置は
上記のように構成されたので、スリップ周波数と回転ロ
ータの２次導体の数を掛けた周波数での外乱に対して、
局部的に位相を進めた補償回路の効果により、ロータ系
に減衰力を付与できる。従って、ロータに発生する、ス
リップ周波数と回転ロータの２次導体の数を掛けた周波
数での外乱振動を低減でき、安定な運転を達成できる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
しながら説明する。

【００１４】図１は、本発明の一実施例の円筒型磁気浮
上誘導モータを示す。この誘導モータは、円筒型のステ
ータ１０と、円柱形ロータ１１とからなる。ステータ１
０には４極の回転駆動磁界を形成する駆動巻線１２と２
極の回転制御磁界を形成する制御巻線１３とが巻回され
ている。これらの巻線に三相交流電流を供給することに
より、４極の回転駆動磁界がステータ１０の内周面に沿
って円周方向に形成されると共に、２極の回転制御磁界
が同様にステータ１０の内周面に沿って円周方向に形成
される。

【００１５】ロータ１１は、回転軸方向に延伸する２次
導体である多数の銅バー１５を備え、その両端がエンド
リング１６で終端されている。図示はしないが、ロータ
１１には負荷に接続する回転軸を備え、その回転軸が機
械的な軸受で支持されていないという点を除いて、通常
の誘導モータのロータと同じ構造を備えている。

【００１６】ロータ１１は、ステータ１０の巻線１２に
よる４極回転駆動磁界の磁束が銅バー１５を切ることに
より、銅バー１５に逆起電力が発生し、同期周波数の回
転磁界からある滑りＳを生じた状態で回転する。この滑
りＳは、ロータ１１の負荷が大きくなるほど大きくな
る。

【００１７】制御巻線１３に、駆動巻線１２に供給する
電流と同じ周波数の三相交流電流を供給することによ
り、２極の回転制御磁界が形成される。この４極の回転
駆動磁界と２極の回転制御磁界とが干渉することによ
り、円周方向に沿って磁束が相互に強め合う、或いは弱
め合う部分が生じ、ロータ１１は半径方向の浮上位置制
御力を受ける。この制御力を調整することにより、ロー
タ１１の浮上位置及び浮上姿勢を制御することができ
る。即ちロータ１１はラジアル磁気軸受で支持されたよ
うに目標浮上位置に支持されて回転駆動される。

【００１８】図２はディスク型磁気浮上誘導モータの一
実施例を示す。ステータ２０は扁平円板状のディスク型
ステータであり、２枚のステータ２０間に同様に扁平な
ディスク型ロータ２１が挟まれて、磁気浮上した状態で
回転駆動される。ロータ２１は半径方向に延伸する多数
の２次導体である銅バー２２を備え、その銅バー２２の
外周端及び内周端はそれぞれエンドリング２３により終
端されている。

【００１９】ステータ２０は、磁性材の磁極面２４とス
ロット２５とが円周方向に沿って交互に配列されてお
り、スロット２５には駆動巻線及び制御巻線が収納され
る。駆動巻線は、三相交流電流を供給することにより、
図示するように円周方向に沿って、Ｎ、Ｓ、Ｎ、Ｓの４
極が交互に現れる回転駆動磁界を形成する。又制御巻線
は、同様に円周方向に沿って、Ｎ、Ｓの２極が交互に現
れる回転制御磁界を形成するように結線されている。

【００２０】ロータ２１を挟む上下に配置されたステー
タ２０に上述した４極回転駆動磁界が形成されることに
より、ロータ２１の銅バー２２は、その磁束を切ること
により誘起電圧が生じ、ロータの負荷に応じて負荷電流
が流れる。そして、これに対応したトルクが生じる。ロ
ータ２１はこのトルクにより回転駆動され、４極回転駆
動磁界の同期周波数から僅かに低い周波数で回転する。
この４極回転駆動磁界の同期周波数と実際のロータの回
転周波数との差が滑り周波数Ｆｓであり、この滑り周波
数Ｆｓはロータの負荷が大きくなるに従い大きくなる。

【００２１】この４極回転駆動磁界の同期周波数に同期
した回転座標で見れば、ロータはスリップ周波数Ｆｓで
絶対座標系でのロータの回転方向とは逆に回転するよう
に見えることは前述した通りである。この場合、上述し
た磁気浮上誘導モータでは、２次導体である銅バーが離
散的に配置されているため、浮上制御系から見た磁気回
路が銅バーの通過と共に変化する。このため浮上制御力
が作用する部分を、ロータの銅バーが通過する時間間隔
毎に浮上制御力が影響を受けることになる。

【００２２】図３は、上述した磁気浮上誘導モータの制
御系の説明図である。ロータ１０の外周にはロータの半
径方向変位を検出する変位検出器２６をステータに固定
して取り付けてあり、ここで得られた情報は実際のロー
タ変位を表す情報として目標浮上位置信号と比較され
る。又、回転センサ２７を備え、ロータの回転角度θを
検出する回転角度検出器と、ロータの回転速度ωを検出
する回転速度検出器２８とを有している。

【００２３】回転速度信号ωを、目標速度信号ω^*とそ
れぞれ比較し、その偏差を補償回路であるＰＩ制御装置
３０を通してロータの回転駆動力の指令値Ｔ^* を発生す
る。そしてロータに同期したｄ−ｑ座標系の電流指令値
Ｉｄ^*、Ｉｑ^*を速度制御器３０にて演算する。Ｉｄ^*、
Ｉｑ^*をロータ回転角度信号θに基づき固定座標に変換
し、二相三相変換器３１により４極巻線のＵ，Ｖ，Ｗ相
に流す電流量を電圧信号で出力する。この電圧信号Ｉｍ
ｕ^*、Ｉｍｖ^*、Ｉｍｗ^* を３φインバータ（電流制御
器）３２に入力して巻線に所望の電流を流すことによ
り、ロータの出力トルクを制御する。

【００２４】変位センサ２６，２６で検出されたロータ
の半径方向変位ｘ信号とｙ信号はステータの２極巻線の
電流量を決定するパラメータに用いられる。変位ｘ、変
位ｙを目標指令値ｘ^* 、目標指令値ｙ^*と比較し、その
偏差を補償回路であるＰＩＤ制御装置４１，４２を通し
て、偏差をゼロとするような制御力の指令値Ｆｘ^*、Ｆ
ｙ^*を得る。この補償回路内には、後述するロータの２
次導体の影響を無くすための局部フィルタが挿入されて
いる。

【００２５】ロータ１１がトルクを発生している場合、
４極巻線にはｄ軸電流だけでなくｑ軸電流が流れる。ス
テータの２極巻線電流が生成する磁界と４極巻線電流が
生成する磁界の干渉により、円周方向の磁束分布を不均
一にして姿勢制御を行うため、トルク変動によって生じ
る４極巻線のｑ軸電流の変動を考慮して浮上位置制御に
おける力の指令値を決定する必要がある。ｑ軸電流によ
って生成されるｑ軸磁束と２極巻線が生成する磁束の干
渉を考慮した位置制御器３３により、トルク変動に影響
されない力の指令値Ｆｘ^*’、指令値Ｆｙ^*’を得る。こ
の信号と回転角度信号を用いて変換器３４で二相三相変
換を行い、２極巻線のＵ，Ｖ，Ｗ相に流す電流量を電圧
信号で出力する。この電圧信号Ｉｐｕ^*、Ｉｐｖ^*、Ｉｐ
ｗ^* を３φインバータ（電流制御器）３５に入力して２
極制御巻線に所要の電流を流すことによりロータの浮上
位置の制御を行う。

【００２６】補償回路４１，４２にはスリップ周波数ｆ
ｓにロータの２次導体数ｄを掛けた周波数（ｆｓ×ｄ）
を中心周波数とした局部フィルタを備える。即ち、ｘ方
向目標浮上位置ｘ^*と実際の浮上位置ｘとの偏差を小さ
くするように動作するＰＩＤ制御装置である補償回路４
１、及びｙ方向目標浮上位置ｙ^*と実際のｙ方向浮上位
置ｙとの偏差を小さくするように動作するＰＩＤ制御装
置である補償回路４２内に、それぞれ上述した局部フィ
ルタを挿入してある。スリップ周波数ｆｓは、速度検出
器２８の出力側に接続されたスリップ周波数検出回路４
３により検出される。そして検出されたスリップ周波数
はフィルタ周波数設定回路４４に入力され、予め与えら
れたロータの２次導体の数ｄと掛け算が行われ、 ｆ₀＝ｆｓ×ｄ この周波数ｆ₀が上述した局部フィルタの中心周波数と
なる。

【００２７】そしてこの局部フィルタは、この周波数ｆ
₀近傍で位相を進めた、即ち、進相特性を有するフィル
タである。このため、補償回路でその周波数ｆ₀近傍に
おいて進相の閉ループ位相制御が行われ、良好な減衰特
性が得られる。従って、ロータの回転に伴って発生する
スリップ周波数ｆｓと回転ロータの２次導体数ｄを掛け
た周波数ｆ₀（＝ｆｓ×ｄ）での外乱振動を抑制するこ
とができる。これにより、磁気浮上制御系から見た場合
に、制御対象がロータの２次導体の通過毎にその磁気回
路が変化するが、この変化に伴う不安定性を抑制するこ
とができ、磁気浮上誘導モータを安定に運転することが
できる。

【００２８】尚、上述した実施例は円筒型磁気浮上誘導
モータの制御回路についてのものであるが、ディスク型
磁気浮上モータの制御回路についても同様に適用でき
る。即ち、周波数ｆ₀を有するフィルタを補償回路内に
設けることができ、これにより、同様にロータの２次導
体の影響を抑制することができる。

【００２９】尚、この実施例では制御巻線と駆動巻線に
２極巻線と４極巻線の組合せを用いたが、Ｎ（駆動巻線
極数）＝Ｍ（姿勢制御巻線極数）±２に従った組合せで
あれば、本実施例と同様のロータの回転駆動と磁気浮上
制御が可能である。更に、制御巻線と駆動巻線を別にし
た例について説明したが、同じ巻線としても、上述した
関係の極数の回転磁界を形成する電流を供給することに
より、同様の効果が得られることも勿論である。

【００３０】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
磁気浮上誘導モータに発生するスリップ周波数ｆｓと回
転ロータの２次導体の数ｄを掛けた周波数ｆ₀の外乱に
対して、局部的に位相を進めた補償回路の効果により、
ロータに減衰力を付与できる。従って、磁気浮上誘導モ
ータに特有のロータの２次導体による不安定性の問題を
解決することができ、安定な誘導モータの磁気浮上制御
及び回転駆動を達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】円筒型磁気浮上誘導モータの（Ａ）回転軸に垂
直な面の断面図、（Ｂ）上記断面図のＢＢ線に沿った断
面図。

【図２】ディスク型磁気浮上誘導モータの（Ａ）回転軸
に沿った断面図、（Ｂ）そのロータ部分のＢＢ線の断面
図、（Ｃ）そのステータ部分のＣＣ線の断面図。

【図３】本発明の一実施例の磁気浮上誘導モータの制御
系の説明図。

【符号の説明】

１０，２０ ステータ １１，２１ ロータ １５，２２ 銅バー（２次導体） １６，２３ エンドリング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 忠 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 (72)発明者 茅島 直史 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目１番１号 株 式会社荏原電産内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転体の半径方向の位置を浮上制御する
   磁気軸受作用と、回転体を回転駆動するモータ作用とを
   兼ねた磁気浮上誘導モータの制御装置において、 その浮上位置制御装置の補償回路内に、前記誘導モータ
   のスリップ周波数と回転ロータの２次導体の数を掛けた
   周波数を中心周波数とした局部フィルタを挿入したこと
   を特徴とする磁気浮上誘導モータの制御装置。
2. 【請求項２】 前記局部フィルタが前記中心周波数の近
   傍で位相を進めたフィルタであることを特徴とする請求
   項１記載の磁気浮上誘導モータの制御装置。
3. 【請求項３】 前記誘導モータは、円筒型磁気浮上誘導
   モータであることを特徴とする請求項１又は２記載の磁
   気浮上誘導モータの制御装置。
4. 【請求項４】 前記誘導モータは、ディスク型磁気浮上
   誘導モータであることを特徴とする請求項１又は２記載
   の磁気浮上誘導モータの制御装置。