KR20110093586A - 자기 커플링 제어 장치 - Google Patents

Abstract

내측 회전체의 부하 상태나 구동 상태에 따라서 제어 형태를 용이하게 조정 가능하게 하고, 간이 콤팩트한 구성에 의해 보다 적합한 제어 형태를 실현한다. 자기 커플링 제어 장치(10)는, 내주부에 회전 가능한 로터부(12)를 갖는 외측 기능체(10MT)와, 로터부의 내주측에 간격을 두고 배치되는 내측 회전체(14)와, 외측 기능체와 내측 회전체의 사이에 배치되는 관벽을 구비한 관재 P와, 로터부의 내주부에 있어서 축선 주위에 배열된 복수의 외측 자극(12c) 및 내측 회전체의 외주부에 있어서 복수의 외측 자극에 대하여 회전 방향으로 정합하여 회전 방향으로 자기 커플링 가능하게 배열된 복수의 내측 자극(14b)을 갖는 자기 커플링 구조와, 외측 자극과 내측 자극의 위상차를 검출하는 위상차 검출 수단(15, 16, 120)과, 위상차에 따라서 외측 기능체를 제어하는 외측 기능체 제어 수단(103, 106, 107)을 구비한다.

Description

자기 커플링 제어 장치{MAGNETIC COUPLING CONTROL DEVICE}

본 발명은 자기 커플링 제어 장치에 관한 것이며, 특히 관재의 내부에 배치된 내측 회전체를 비접촉으로 제어하는 경우에 적합한 장치 구성 및 제어 기술에 관한 것이다.

종래부터 비접촉으로 회전 운동을 전달하기 위한 자기 커플링을 사용한 구동계가 알려져 있다. 이 자기 커플링을 사용한 구동계에서는, 예를 들어 복수의 자극을 회전 방향으로 배열시킨 한쌍의 자기 디스크를 대향하는 위치에 배치함으로써, 한쪽의 자기 디스크의 회전과 동기한 형태로 다른쪽의 자기 디스크를 회전 구동 가능한 구조가 알려져 있다.

한편, 각종 배관 내에 배치한 물체를 구동하기 위해, 자기력을 이용하여 배관의 외부로부터 당해 물체를 구동하는 기구도 알려져 있다. 배관으로서는, 예를 들어 수도관이나 하수관 등 외에, 열교환기의 매질 통로를 구성하는 관재 등도 들 수 있다. 상기 물체로서는, 예를 들어 배관의 내면의 가공 처리 도구, 청소 도구 등이 있다.

또한, 관재의 외측에 스테이터를 배치하고, 관재의 내측의 물체에 로터를 고정함으로써 마그네트 모터를 구성하여 당해 물체를 회전 구동하도록 구성한 것도 제안되어 있다.

그러나, 상기 종래의 자기 커플링을 사용한 구동 기구에 있어서는, 외부로부터 제공되는 구동 토크의 변동이나 관재의 내부의 물체에 가해지는 부하 토크의 변동에 의해 자기 커플링에 탈조가 발생할 우려가 있고, 이에 의해 물체를 안정적으로 구동할 수 없어, 물체의 동작 형태를 최적화하는 것이 어렵다고 하는 문제점이 있다.

또한, 상기 종래의 마그네트 모터를 사용하는 구동 기구에 있어서는, 관재가 금속 등의 도전재인 경우에는, 스테이터에 의해 형성되는 변동 자계에 의해 관재에 와전류가 발생하기 때문에, 당해 와전류에 의한 손실에 의해 로터에 제공할 수 있는 회전 토크가 감소한다. 이 경우, 상기의 와전류손은 회전 속도가 커질수록 커진다. 따라서, 이 와전류손에 의한 구동 효율의 저하를 보충하기 위해서는, 마그네트 모터의 체적을 크게 할 필요가 있으므로, 가공 장치의 콤팩트화가 어려워진다고 하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하는 것이며, 그 과제는, 내주측에 배치된 내측 회전체를 외주측으로부터 자기 커플링에 의해 제어하도록 한 자기 커플링 제어 장치에 있어서, 내측 회전체의 부하 상태나 구동 상태에 따라서 제어 형태를 용이하게 조정 가능하게 하고, 간이 콤팩트한 구성에 의해 보다 적합한 제어 형태를 실현할 수 있는 장치 구성 및 제어 기술을 제공하는 데에 있다.

이러한 실정을 감안하여, 본 발명의 자기 커플링 제어 장치는, 내주부에 회전 가능한 로터부 및 상기 로터부를 제어 가능한 스테이터부를 갖는 외측 기능체와, 상기 로터부의 내주측에 간격을 갖고 배치되는 내측 회전체와, 상기 외측 기능체와 상기 내측 회전체의 사이에 배치되는 관벽을 구비한 관재와, 상기 로터부의 내주부에 있어서 축선 주위에 배열된 복수의 외측 자극, 및 상기 내측 회전체의 외주부에 있어서 상기 복수의 외측 자극에 대하여 회전 방향으로 정합하여 상기 관벽을 통하여 상기 회전 방향으로 자기 커플링 가능하게 배열된 복수의 내측 자극을 갖는 자기 커플링 구조와, 상기 외측 자극과 상기 내측 자극의 회전 방향의 위상차를 검출하는 위상차 검출 수단과, 상기 위상차에 따라서 상기 외측 기능체를 제어하는 외측 기능체 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 자기 커플링 구조의 구동측(외측)과 피동측(내측)의 위상차를 위상차 검출 수단에 의해 검출함으로써, 검출된 위상차에 의해 내측 회전체가 받는 회전 부하나 회전 구동력의 변동을 용이하게 알 수 있음과 함께, 이 위상차에 따라서 내측 회전체를 제어할 수 있다. 또한, 외측 기능체는 자기 커플링 구조에서 관재를 통하여 내측 회전체와 비접촉으로 결합한 로터부와, 이 로터부를 제어 가능한 스테이터부를 가지므로, 외측 기능체를 관재의 외측에 간이하면서 컴팩트하게 배치할 수 있다. 특히, 위상차 검출 수단에 의해 검출된 상기 위상차에 따라서 제어 수단이 외측 기능체를 제어함으로써, 내측 회전체에 대한 구동이나 제동 혹은 부하 등의 기능 상태를 조정함으로써, 회전수 정밀도를 향상시키거나, 자기 커플링 구조의 탈조를 방지하거나 하는 등, 내측 회전체에 대한 제어성을 높일 수 있기 때문에, 내측 회전체를 보다 안정적이면서 정밀하게 제어하는 것이 가능하게 된다. 여기서, 상기 외측 기능체 제어 수단은, 예를 들어 위상차 검출 수단에 의해 검출된 상기 위상차에 의해 자기 커플링 구조의 탈조를 검지하고, 당해 탈조가 발생한 경우에, 외측 기능체의 구동을 정지하거나, 로터부의 회전수를 저하시키거나, 구동 토크를 저감하거나 하는 수단, 혹은 외측 기능체의 제동을 해제하거나, 로터부의 회전수를 증가시키거나, 제동(부하) 토크를 저감하거나 하는 수단이어도 되고, 또한 상기 위상차에 따라서 항상 외측 기능체의 구동이나 제동 혹은 부하 등의 기능 상태를 제어하는 수단이어도 된다.

본 발명의 일 형태에 있어서는, 상기 외측 기능체 제어 수단은, 상기 위상차가 탈조 한계를 초과하였을 때에, 혹은 탈조 한계 이하로 설정된 기정값을 초과하였을 때에, 상기 외측 기능체에 대한 제어 형태를 변경하는 수단이다. 이에 따르면, 자기 커플링 구조에 탈조가 발생한 것, 혹은 탈조가 발생할 우려가 있는 것을 검지하여 외측 기능체에 대한 제어 형태를 변경함으로써, 탈조에 의한 대처를 적확하게 행할 수 있거나, 혹은 탈조를 미연에 방지할 수 있다.

본 발명의 다른 형태에 있어서는, 상기 외측 기능체 제어 수단은, 상기 위상차에 따라서 상기 외측 기능체에 의한 상기 로터부의 회전 토크(구동 토크나 제동 토크 혹은 부하 토크)를 제어하는 토크 제어 수단이다. 이에 따르면, 상기 위상차에 따라서 토크 제어 수단이 외측 기능체의 회전 토크를 제어함으로써, 자기 커플링 구조의 외주측과 내주측의 사이에 가해지는 회전 토크를 직접 신속하게 제어할 수 있기 때문에, 회전수 제어 등의 다른 수단에 비하여, 자기 커플링 구조의 탈조를 방지하는 등, 커플링 상태를 유지할 때의 제어성을 높일 수 있다.

이 경우에는 또한 상기 토크 제어 수단은, 상기 위상차가 탈조 한계 미만으로 설정된 기정값을 초과하지 않도록 상기 회전 토크를 제한하는 토크 제한 수단인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 상기 위상차가 기정값을 초과하지 않도록 상기 회전 토크를 제한함으로써, 간이한 제어 구성이면서, 내측 회전체의 부하 변동이나 회전 구동력의 변동이 발생한 경우 등에 있어서도 자기 커플링 구조의 탈조를 확실하게 방지할 수 있다.

본 발명의 다른 형태에 있어서는, 상기 외측 기능체는, 상기 스테이터부가 상기 로터부를 회전 구동하는 구동 자계를 형성하는 전동기이다. 이에 따르면, 로터부의 회전 상태나 구동 토크를 확실하면서 정확하게 제어할 수 있다. 또한, 이너 로터형의 모터 구조로 함으로써 컴팩트하게 구성할 수 있다고 하는 이점도 있다. 또한, 상기 외측 기능체는, 상기 스테이터부가 상기 로터부의 회전에 의해 발생하는 회전 자계를 받아서 전력을 발생하는 발전기이어도 된다. 이에 따르면, 로터부의 회전 상태나 제동 토크 혹은 부하 토크를 확실하면서 정확하게 제어할 수 있다.

본 발명의 또 다른 형태에 있어서는, 상기 위상차 검출 수단은, 상기 관재의 외주측에 있어서 상기 내측 회전체에 대하여 비접촉으로 상기 내측 회전체의 회전 위상을 검출하는 내측 검출기를 포함한다. 이와 같이 위상차 검출 수단이 관재의 외주측에 있어서 내측 회전체와는 비접촉으로 위상차를 검출 가능하게 구성됨으로써, 관재가 길어 배선이 곤란하거나 관재 내에 유체가 존재하거나 하여도 누설의 우려가 없는 등, 관재에 방해받지 않고 지장없이 위상차를 검출할 수 있기 때문에, 배선 구조나 밀봉 구조가 불필요해져, 더욱 간이하고 콤팩트한 구성으로 할 수 있다.

본 발명의 다른 형태에 있어서는, 각각 축선 방향으로 배치된 복수단의 상기 복수의 외측 자극 및 상기 복수의 내측 자극을 갖고, 상기 복수단의 상기 복수의 외측 자극 및 상기 복수의 내측 자극은 축선 방향으로 정합하여 각각의 단에 있어서 상기 축선 방향으로 자기 커플링 가능하게 구성된다. 이에 따르면, 내측 회전체를 축선 방향으로 유지하는 유지 토크를 상기 복수단의 단수만큼 증대시킬 수 있으므로, 내측 회전체를 축선 방향으로 확실하면서 정확하게 위치 결정할 수 있다.

본 발명에 있어서는, 상기 위상차 검출 수단은, 상기 내측 회전체에서의 상기 외측 자극과 반경 방향으로 겹치지 않는 부위에 설치된 검출용 자극군과, 상기 검출용 자극군과의 상기 관재를 통한 자기적 상호 작용에 의해 상기 내측 회전체의 회전 위치를 검출하는 자기 센서를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 내측 회전체의 부하 상태나 구동 상태에 따라서 제어 형태를 조정할 수 있고, 간이하면서 콤팩트한 구성에 의해 보다 적합한 제어 형태를 실현할 수 있다고 하는 우수한 효과를 발휘할 수 있다.

도 1은, 본 발명에 관한 자기 커플링 제어 장치의 실시 형태의 개략적인 종단면도.
도 2는, 상기 실시 형태의 자기 커플링 구조를 도시하는 종단면도 (a), 내측 회전체의 자극 구조를 도시하는 정면도 (b), 및 로터부의 자극 구조를 나타내는 종단면도 (c).
도 3은, 상기 실시 형태의 보다 구체적인 구성예를 도시하는 종단면도.
도 4는, 도 3의 일부를 확대하여 도시하는 확대 부분 단면도.
도 5는, 상기 실시 형태의 제어계의 전체 구성의 일례를 도시하는 개략적인 구성 블록도.
도 6은, 위상차 검출 수단에 관한 검출기의 검출 신호 및 이로부터 도출되는 각종 신호의 형태를 나타내는 타이밍 차트.
도 7은, 위상 검출 회로의 탈조 검지 신호를 출력하는 구성예를 도시하는 개략적인 회로도.
도 8은, 위상 검출 회로의 위상 신호를 출력하는 구성예를 도시하는 개략적인 회로도.

이어서, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 관한 자기 커플링 제어 장치의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 도 1은 실시 형태의 기본 구성을 도시하는 개략적인 종단면도, 도 2는 실시 형태의 각 부를 도시하는 부분도 (a) 내지 (c)이다.

본 실시 형태에 있어서, 자기 커플링 제어 장치(10)는, 외주에 배치된 스테이터부(11)와, 이 스테이터부(11)의 내측에 대향 배치된 로터부(12)를 갖는 외측 기능체(10MT)를 구비하고 있다. 외측 기능체(10MT)는 도시예에서는 DC 브러시리스 모터를 구성하고 있다. 스테이터부(11)는, 축선(10x) 및 그 주위에 있어서 개구(관통)된 형상의 프레임(11a)과, 이 프레임(11a)의 내부에 고정됨과 함께, 축선(10x) 주위에 복수 배열된 스테이터 자극(11b) 및 코일(11c)을 구비하고 있다.

또한, 로터부(12)는, 프레임(11a)에 대하여 베어링(13)을 통하여 축선(10x)을 중심으로 회전 가능하게 축지지된 원통 형상의 자성 통체(요크)(12a)와, 이 자성 통체(12a)의 외주면 상에 축선(10x) 주위에 복수 배열된 복수의 로터 자극(12b)을 갖고 있다. 본 실시 형태에 있어서 로터 자극(12b)은 도 2에 도시한 바와 같이 축선(10x) 주위에 교대로 N극과 S극이 배치되는 형태로 배열되어 있다. 도시예에서는 축선(10x) 주위에 교대로 상이한 극성이 되는 형태로 4개의 로터 자극(12b)이 배열되어 있지만, 물론 이것에 한정되는 것이 아니다. 이들 로터 자극(12b)은 스테이터 자극(11b)과 약간의 간격을 이격하여 대향 배치된다. 프레임(11a)에는 로터 검출기(15)가 설치되고, 당해 로터 검출기(15)는 로터부(12)의 로터 자극(12b)을 검출하여, 로터부(12)의 회전 위치를 검출 가능하게 구성되어 있다.

본 실시 형태에서는, 로터 검출기(15)와 로터 자극(12b)은 외측 기능체(10MT)의 구동용의 회전 위치 검출 수단으로서 사용될 뿐만 아니라, 자기 커플링 구조(10MC)의 외측 자극(12c)의 회전 위치를 검출하는 수단도 구성하고 있다. 또한, 이와 같이 도시예에서는 로터 검출기(15)가 외측 검출기를 겸하고 있지만, 후술하는 바와 같이 별도로 외측 검출기를 설치하여도 된다. 또한, 로터 검출기(15)는 후술하는 외측 자극(12c)을 검출하여도 되고, 별도 설치한 검출용 자극군을 검출하도록 하여도 상관없다. 어떻든, 로터 검출기(15)로 구성되는 외측 검출기와 후술하는 내측 검출기(16)의 출력에 의해 외측 자극(12c)과 내측 자극(14b)의 위상차를 검출할 수 있도록 구성되어 있으면 된다.

또한, 상기 외측 기능체(10MT)에 있어서는, 스테이터부(11)는 전자기 구조를 갖고, 로터부(12)는 영구 자석으로 구성된 전동기로 구성되어 있지만, 본 발명의 외측 기능체는 특히 당해 구성의 전동기에 한정되는 것이 아니라, 결과적으로 로터부(12)의 회전 상태를 제어할 수 있는 구조이면, 다른 구성을 갖는 전동기, 혹은 전동기 이외의 구성, 예를 들어 발전기라도 상관없다.

로터부(12)의 내주면에는, 축선(10x) 주위에 복수 배열된 외측 자극(12c)이 설치된다. 복수의 외측 자극(12c)은, 도시예에서는 축선(10x) 주위에 교대로 N극과 S극이 배치되는 형태로 배열되어 있다. 도시예에서는, 강자성체로 이루어지는 자성 통체(12a)의 내외 양면에 각각 영구 자석으로 이루어지는 동일 수의 로터 자극(12b)과 외측 자극(12c)이 대응한 각도 위치에 배치되고, 내외로 겹쳐 배치되는 로터 자극(12b)과 외측 자극(12c)의 극성이 서로 역극성이 되도록 구성되어 있다. 단, 로터부(12)의 내외의 로터 자극(12b)과 외측 자극(12c)은 반드시 대응하고 있을 필요는 없고, 내외의 자극이 무관하게 배열되도록 구성하여도 상관없다.

상기와 같이 축선(10x) 주위에 복수 배열된 외측 자극(12c)은, 축선(10x) 방향으로 복수단 설치되어 있다. 이 때, 축선(10x) 방향에 인접하는 단의 외측 자극(12c)끼리 서로 역극성을 구비하도록 구성된다. 도시예에서는 축선 방향으로 4단의 구성을 갖지만, 물론, 단수는 특별히 한정되지 않는다. 복수단의 구조가 설치됨으로써, 후술하는 바와 같이 내측 회전체(14)의 축선 방향의 유지력이 증대된다.

로터부(12)의 내주면에는, 상기 외측 자극(12c)을 덮는 비자성체로 이루어지는 보호 부재(12d)가 설치되어 있다. 이 보호 부재(12d)는 바람직하게는 합성 수지 등으로 일체로 구성된다. 보호 부재(12d)는, 로터부(12)의 상기 복수의 외측 자극(12c)이 배열된 영역(이하, 간단히 「구동 영역」이라고 함)에 배치된 통 형상부(12d-1)를 갖고, 당해 통 형상부(12d-1)가 복수의 외측 자극(12c)을 피복하고 있다. 또한, 보호 부재(12d)의 상기 구동 영역으로부터 벗어난 위치(단부)에는 상기 통 형상부(12d-1)보다 두껍게 구성된 단부 프레임부(12d-2)가 설치되고, 당해 단부 프레임부(12d-2)가 상기 자성 통체(12a)의 단부에 고정된다. 이 보호 부재(12)는, 로터부(12)의 내부에 삽입 관통되는 관재 P의 외면이 직접 외측 자극(12c)에 접촉하는 것을 방지하기 위한 보호재이다.

상기 로터부(12)의 더 내측에는 간격을 갖고 내측 회전체(14)가 배치된다. 내측 회전체(14)는 전체적으로 축 형상으로 구성되어 있다. 내측 회전체(14)는, 로드축(14a)의 외주면 상에 축선(10x) 주위에 복수 배열된 내측 자극(14b)을 구비하고 있다. 이들 내측 자극(14b)은, 축선(10x) 주위로부터 보아, 외측에 대향하는 역극성의 외측 자극(12c)과 대응하는 주기로(동일한 각도 범위에서 동일한 수만큼) 배치되어 있다.

상기 외측 자극(12c)과 내측 자극(14b)에 대해서는, 기본적으로 서로 대응하는 역극성의 자극끼리 반경 방향으로 대향 배치되도록 구성된다. 구체적으로는, 도 2에 도시한 바와 같이, 외측 자극(12c)과 내측 자극(14b)은, 각각 축선(10x)의 주위에 N극과 S극을 상대쪽으로 향한 적어도 한쌍의 자석(바람직하게는 영구 자석)이 인접하도록 배치되고, 이들 한쌍의 자석의 조끼리 래디얼 방향으로 갭을 두고 대향하도록 구성된다. 이것으로 구동측(외측) 구조와 피동측(내측) 구조 사이에 자기력이 발생하고, 양자간에 회전력을 비접촉으로 전달할 수 있는 자기 커플링이 구성된다.

본 실시 형태에서는, 구동측과 피동측에는 각각 상기 한쌍의 자석의 조가 축선 주위로 복수조 배치된다. 각 자극(12c, 14b)은 각각 축선(10x) 주위에 등각도 범위이면서 등각도 간격으로 배치되고, 자극(12c)과 자극(14b)의 각도 범위와 각도 간격도 서로 동일하게 설정된다. 단, 복수의 자극(12c)과 복수의 자극(14b)이 전체적으로 반경 방향에 대응한 구성을 갖고 결과적으로 자기 커플링으로서의 기능이 달성되는 것이라면, 각 자극의 각도 범위와 각도 간격은 동일하지 않아도 된다.

상기와 같이 축선(10x) 주위에 복수 배열된 내측 자극(14b)은, 상기 외측 자극(12c)에 대응하여, 축선(10x) 방향으로 복수단(도시예에서는 4단) 설치되어 있다. 이 때, 축선(10x) 방향에 인접하는 단의 내측 자극(14b)끼리 서로 역극성을 구비하도록 구성된다. 또한, 각 단에 있어서는 각각에 상술한 바와 같이 외측 자극(12c)과, 이것에 대향하는 대응 내측 자극(14b)이 서로 역극성이 되도록 구성된다.

내측 회전체(14)의 상기 내측 자극(14b)이 배열되는 영역(이하, 간단히 「피동 영역」이라고 함)의 축선(10x) 방향 양측에는, 상기 로드축(14a)에 대하여 회전 가능하게 장착된 내측 자극(14b)보다도 큰 직경이 된 가이드 롤러(14c)가 장착되어 있다. 이들 가이드 롤러(14c)는, 로터부(12)의 내측에 삽입 관통되고, 내측 회전체(14)를 내포하는 관재 P의 내경에 적합한 외경을 갖고, 당해 관재 P 내에서 내측 회전체(14)가 원활하게 회전하도록 구성된다.

내측 회전체(14)의 피동 영역의 외측에 있어서는, 상기 내측 자극(14b)과는 별도로, 상기 외측 자극(12c)과 반경 방향으로 겹치지 않는 위치에 있어서 축선(10x) 주위에 복수의 검출용 자극군(14d)이 고정되어 있다. 이들 검출용 자극군(14d)은 회전 방향으로 복수의 상이한 극성의 자극을 배열시켜 이루어지고, 내측 회전체(14)의 회전 위치를 검출하는 내측 검출기(16)에 의해 검출되는 대상이 되고 있다. 즉, 내측 검출기(16) 및 검출용 자극군(14d)은 피동측의 회전 위치 검출 수단을 구성하고 있다. 복수의 검출용 자극군(14d)의 각도 위치, 각도 범위 및 수는 내측 자극(14b)의 각도 위치, 각도 범위 및 수에 대응하고 있는 것이 바람직하지만, 특별히 한정되는 것이 아니며, 또한 검출용 자극군(14d)이 아니라, 예를 들어 내측 자극(14b) 그 자체를 내측 검출기(16)가 검출하는 구성이어도 된다. 어떻든, 로터 검출기(15)로 구성되는 외측 검출기와 내측 검출기(16)의 출력에 의해 외측 자극(12c)과 내측 자극(14b)의 위상차를 검출할 수 있는 구성이면 된다.

또한, 로터 검출기(15)와 내측 검출기(16)는 모두 로터부(12)와 내측 회전체(14)의 각도 위치를 각각 상대적으로 검지할 수 있는 것이면 되며, 상술한 바와 같이 자기적인 검출 기능을 갖는 것에 한하지 않고, 광학식 센서 등의 다른 원리나 구성으로 검지하는 것이어도 상관없다. 단, 내측 검출기(16)는, 관재 P의 내측에 배치된 내측 회전체(14)를 검출하는 것이기 때문에, 관재 P를 개재시켜도 검출 가능한 검출기, 즉 관재 P의 외주측에 있어서 비접촉으로 내측 회전체(14)의 회전 위상을 검출 가능한 것인 것이 바람직하다. 따라서, 관재 P가 비자성 금속인 경우에는, 자기 센서를 사용하는 것이 가장 바람직하다.

본 실시 형태에서는, 외측 기능체(10MT)의 복수의 코일(11c)에 각각 후술하는 모터 구동 회로로부터 적당한 전력을 공급함으로써, 스테이터부(11)에 의해 구동 자계가 발생하고, 로터부(12)가 회전 구동된다. 로터부(12)가 회전하면, 그 외측 자극(12c)과 내측 회전체(14)의 내측 자극(14b)과의 자기 커플링 구조에 의해, 내측 회전체(14)가 로터부(12)와 동기하여 회전한다. 또한, 로터부(12)의 내부에 비자성체(강자성체가 아닌 재료)로 이루어지는 관재 P를 삽입 관통하고, 이 관재 P의 내부에 내측 회전체(14)를 배치하면, 내측 회전체(14)를 관재 P의 내부에서 회전 구동할 수 있다. 이 때, 비자성체의 관재 P가 금속 등의 도전체로 구성되는 경우에도, 외측 자극(12c)과 내측 자극(14b)의 사이에 형성되는 자계는, 로터부(12) 및 내측 회전체(14)의 회전과 함께 거의 변화하지 않고 회전하는 것뿐이므로, 기본적으로 와전류에 의한 손실은 거의 발생하지 않는다.

본 실시 형태에서는, 로터부(12)에 있어서 축선(10x) 방향으로 복수단의 외측 자극(12c)이 설치되고, 이에 대응하여 내측 회전체(14)에도 축선(10x) 방향으로 복수단의 내측 자극(14b)이 설치되어 있음으로써, 축선(10x) 방향으로 높은 유지력이 발생한다. 외측 자극(12c)과 내측 자극(14b)을 1단씩 설치하는 경우에 비하여 거의 단수배(도시예에서는 4단이므로 4배)의 유지력이 얻어진다. 이와 같이 하면, 관재 P의 내부에 배치된 내측 회전체(14)에 다소의 외력이 가해져도 축선(10x) 방향의 위치를 유지할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 외측 기능체(10MT)를 DC 브러시리스 모터로서 구성하고 있으므로, 로터부(12)의 회전 위치를 검출하기 위한 센서가 필요하게 된다. 일반적으로는 도시하지 않은 홀 센서(홀 IC 등)와 같은 각종 회전 위치 센서를 별도로 설치하여 스테이터부(11)를 제어하지만, 본 실시 형태에서는, 당해 회전 위치 센서로서 로터부(12)의 회전 자세를 검출하기 위한 상기 로터 검출기(15)를 설치하고 있다. 단, 모터 형식의 차이(예를 들어 정류자를 갖는 DC 모터)에 의해 로터 검출기(15)를 생략할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 본 실시 형태에서는 로터 검출기(15)를 외측 검출기로서도 사용하고 있지만, 전술한 바와 같이 로터 검출기와 외측 검출기를 별개로 설치하여도 되므로, 이하에 있어서는, 이와 같이 구성한 설계예에 대하여 설명함과 함께, 그 후에 이루어지는 본 실시 형태의 제어계의 설명에 있어서는, 외측 기능체(10MT)의 제어용의 센서(로터 검출기)와, 상기 외측 검출기를 설명의 편의상 별개로 설치한 것으로서 기술한다.

도 3 및 도 4는, 상기 실시 형태의 자기 커플링 제어 장치(10)를 보다 구체적으로 구성한 경우의 설계예를 도시하는 종단면도 및 확대 부분 단면도이다. 이 설계예에서는, 기본 구성은 상기 도 1 및 도 2에 도시한 것과 마찬가지로 구성되지만, 세부에 있어서 보다 구체적인 구성이 제공되어 있다. 또한, 이 설계예에서는 복수의 개소에 있어서 상기 도 1 및 도 2에 도시하는 실시 형태와는 상이한 구조를 갖지만, 이들 복수의 차이점은 상기 실시 형태와 본 설계예 사이에서 적절하게 치환하여 구성하는 것이 가능하다.

베이스(1)에는, 축선 방향(10x)으로 간격을 두고 세워 설치된 측판(2, 3)이 설치 고정된다. 측판(2 및 3)에는 각각 스테이터부(11)의 축선 방향 양단부가 고정된다. 이 스테이터부(11)에는, 상기와 마찬가지로 프레임(11a), 스테이터 자극(11b) 및 코일(11c)이 설치된다. 또한, 로터부(12)에는, 상기와 마찬가지의 자성 통체(12a)와, 로터 자극(12b)과, 외측 자극(12c)이 설치된다. 단, 자성 통체(12a)는, 로터 자극(12b)이 설치 고정된 외측의 로터 요크(12a-1)와, 외측 자극(12c)이 설치 고정된 내측의 구동측 요크(12a-2)가 회전 방향으로 결합한 상태로 구성되어 있다. 로터 요크(12a-1)와 구동측 요크(12a-2)는, 축선 방향 양측에 고정되는 단부판(12e, 12f)에 의해 서로 고정되어 있다. 또한, 자성 통체(12a)는 3 이상의 요크부를 서로 고정함으로써 구성되어도 된다.

상기 단부판(12e, 12f)의 내측에는 상기와 마찬가지의 보호 부재(12d)가 설치 고정된다. 단, 도시예의 보호 부재(12d)는 단부판(12e와 12f)의 양쪽에 대하여 각각 축선 방향의 양측에 있어서 고정되어 있다. 한쪽의 단부판(12f)에는 외측 자극(12c)과 대응하는 자극 구성을 갖는 검출용 자극군(12g)이 설치된다. 검출용 자극군(12g)은 단부판(12f)의 축선 방향 전후에 돌출된 선단부에 고정된다. 한편, 프레임(11a)에 설치된 센서판(17)에는, 내측 회전체(14)의 단부에 설치된 검출용 자극군(14d)을 검출하는 내측 검출기(16)와, 상기 검출용 자극군(12g)을 검출하는 외측 검출기(18)가 설치되어 있다. 또한, 상기와 같이 구성하면 검출 구조를 간이하게 구성할 수 있지만, 다소 구조적으로 복잡화하여도 상관없으면, 외측 검출기(18)가 외측 자극(12c)을 직접 검출하도록 구성하여도 된다.

본 실시 형태에서는, 로터 자극(12b)의 회전 위치를 검출하는 로터 검출기(15)와는 별도로, 검출용 자극군(12g)을 검출함으로써 외측 자극(12c)의 회전 위치를 검출하는 외측 검출기(18)가 설치되기 때문에, 로터 자극(12b)과 외측 자극(12c)의 위상 관계에 대하여 아무런 제약을 받지 않게 되고, 로터 자극(12b)의 축선(10x) 주위의 구성(자극 배열의 주기 및 수)과, 외측 자극(12c)의 축선(10x) 주위의 구성(자극 배열의 주기 및 수)을 서로 무관하게 설정하는 것이 가능하게 된다. 도시예의 경우, 외측 기능체(10MT)는, 예를 들어 8극 9슬롯의 구성이며, 로터 자극(12b)을 8극으로 하고 있다. 한편, 외측 자극(12c) 및 후술하는 내측 자극(14b)은 4극으로 하고 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 내측 회전체(14)의 단부에 또한 축선 방향의 위치를 검출하기 위한 검출용 자극군(14e)이 설치된다. 이 검출용 자극군(14e)은, 축선(10x)의 방향으로 상이한 극성의 자극을 배열시킨 것이다. 도시예에서는 N극과 S극의 한쌍의 자극이 축선 방향에 인접 배치되어 있다. 상기 센서판(17)에는 검출용 자극군(14e)을 검출하는 축선 위치 검출기(19)도 설치되어 있다. 이 경우, 축선 위치 검출기(19)는 외측 자극(12c)에 대하여 축선(10x) 방향으로 고정되어 있으므로, 검출용 자극군(14d)과 축선 위치 검출기(19)는 구동측(외측)과 피동측(내측)의 상대적인 축선 위치의 검출 수단을 구성한다. 또한, 센서판(17)의 외측에 설치되어 있은 것은 단부 커버(20)이다. 또한, 이 축선 위치 검출기(19)도 또한, 상기 내측 검출기(16)와 마찬가지로, 관재 P의 외주측에 있어서 비접촉으로 내측 회전체(14)의 축선 방향의 위치를 검출 가능하도록 되어 있다. 또한, 축선 위치 검출기(19)는, 내측 회전체(14)에 있어서 외측 자극(12c)과 반경 방향으로 겹치지 않는 위치에 설치된 검출용 자극군(14e)을 검출한다.

이어서, 본 실시 형태의 제어계(100)의 구성에 대하여 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명한다. 도 5는 제어계(100)의 전체 구성을 도시하는 개략적인 구성 블록도이다. 본 실시 형태에서는, 교류 전원(상용 전원)(101)에 접속된 정류 회로(102)에 의해 직류 전압이 모터 구동 회로(103)에 공급된다. 모터 구동 회로(103)는 외측 기능체(10MT)를 구동한다. 이 외측 기능체(10MT)의 로터부(12)와 함께 자기 커플링 구조(10MC)의 구동측 구조(10D)(외측 자극(12c))가 회전하므로, 이 구동측 구조(10D)에 의해 자기 커플링에 의해 피동측 구조(10E)(내측 자극(14b))가 회전력을 받음으로써, 내측 회전체(14)가 회전 구동된다.

또한, 본 실시 형태의 자기 커플링 제어 장치(10)에서는, 외측 기능체(10MT)가 내측 회전체(14)를 회전 구동하는 형태에 한하지 않고, 내측 회전체(14)의 회전을 외측 기능체(10MT)가 제동하는 형태로도 마찬가지로 사용할 수 있다. 이 경우에는, 이하의 설명에서의 구동 토크의 개념에 제동 토크를 포함시킴으로써, 마찬가지로 이해하는 것이 가능하다.

상기 모터 구동 회로(103)에의 전력 공급 경로에는 전류 검출부(104)가 설치되고, 전류 검출부(104)에 의해 검출된 모터 구동 회로(103)의 부하 전류값이 미리 정해진 전류값을 초과하였는지의 여부를 과전류 검출부(105)에서 판정받고, 그 결과가 주 제어부(106)에 송출된다. 과전류가 검출되면, 주 제어부(106)는 모터 구동 회로(103)에 제어 신호를 송출하여 구동을 정지하거나, 후술하는 회전수 제어 회로(107)에 의해 구동 회전수를 저하시키거나 할 수 있다. 또한, 외부 기기 A에 정지 출력 신호 ST를 송출하도록 하여도 된다.

회전수 제어 회로(107)는, 외부 입력부(108a), 조작 입력부(108b) 및 내부 설정부(디폴트값 유지부)(108c)로부터 제공된, 회전수에 대응하는 입력값을 선택하여 입력하는 설정 선택부(108)의 설정 출력에 따라서 적당한 회전수가 되도록 모터 구동 회로(103)를 제어한다. 이 설정 선택부(108)는 주 제어부(106)로부터 송출되는 선택 신호 SL에 따라서 상기 중 어느 하나의 입력값이 사용되도록 동작한다. 또한, 운전ㆍ정지 조작부(110), 비상 정지 조작부(111), 정역회전 지시부(112)의 조작이나 지시에 대응하는 설정 신호가 주 제어부(106)에 입력되고, 주 제어부(106)는 이들 조작이나 지시에 따라서 운전 개시 동작, 운전 정지 동작, 비상 정지 동작, 외측 기능체(10MT)의 구동 형태의 회전 전환 동작을 실행한다. 또한, 주 제어부(106)는, 외부의 제어 장치로부터의 외부 정지 신호를 받는 외부 정지 입력부(113)를 갖고, 이 외부 정지 신호가 입력됨으로써 외측 기능체(10MT)의 구동 동작을 정지하도록 구성되어 있다. 또한, 주 제어부(106)는, 외부의 제어 장치로부터의 외부 제어 신호를 받는 외부 제어 입력부(114)를 갖고, 이 외부 제어 신호에 따라서 외측 기능체(10MT)의 구동 형태를 제어한다.

또한, 외부 제어 신호가 입력되지 않는 경우에는, 주 제어부(106)는 디폴트의 제어 형태로 자동적으로 동작하도록 구성된다. 주 제어부(106)는, 소정의 동작 프로그램에 따라서 동작하는 마이크로컴퓨터 유닛, 제어 컨트롤러 등으로 구성할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 주 제어부(106)에 의한 외측 기능체(10MT)의 제어는 회전수 제어 회로(107)를 통하여 행하여진다. 단, 주 제어부(106)로부터 직접 모터 구동 회로(103)를 제어하도록 하여도 된다.

외측 기능체(10MT)에는 홀 소자 등으로 이루어지는 상술한 로터 검출기(15)가 설치되고, 이 로터 검출기(15)에 의해 로터 자극의 위상을 검출할 수 있도록 되어 있다. 로터 검출기(15)의 출력은 상기 회전수 제어 회로(107)에 보내져 모터 구동 회로(103)를 통하여 상기 출력과 정합하는 주파수에서 스테이터부(11)가 구동된다. 또한, 로터 검출기(15)의 출력은, 회전수 검출 회로(115)에 의해, 회전수에 대응하는 표시 신호 DO, 아날로그 전압 AV로 변환된다. 또한, 회전수 검출 회로(115)는 회전수에 대응하는 회전수 보상 신호 RC도 출력한다. 이 회전수 보상 신호 RC는 토크 지정부(116)에 입력된다. 토크 지정부(116)에 있어서는, 조작 입력과 회전수 보상 신호 RC에 따라서 토크 지정 신호 TI를 토크 제어 회로(117)에 출력한다. 토크 지정부(116)에서는, 토크 지정 신호 TI를 그 조작 입력값에 따라서 생성하지만, 회전수 보상 신호 RC에 의한 기여를 조작 입력값에 대하여 적당한 가중치 부여로 가미할 수 있도록 구성되어 있다. 즉, 외측 기능체(10MT)의 회전수가 상승함에 따라서 증대하는 기계적 부하 등에 대응하여 구동 토크를 증가시킬 수 있도록 되어 있다. 또한, 토크 지정부(116)에 있어서 회전수 보상 신호 RC에 의한 기여의 유무를 선택할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

토크 제어 회로(117)에서는, 전류 검출부(104)에 의해 검출된 부하 전류값을 토크 환산 회로(109)에서 변환하여 생성된 전류 토크 신호 TC와 상기 토크 지정 신호 TI에 기초하여 토크 제어 신호 TS를 회전수 제어 회로(107)에 출력한다. 토크 제어 신호 TS는 회전수 제어 회로(107)로부터 출력되는 회전수 제어 신호 RS가 모터 구동 회로(103)에 출력됨으로써 외측 기능체(10MT)의 구동 토크를 간접적으로 제어한다. 구체적으로는, 상기 구동 토크가 소정값을 초과하지 않도록 회전수 제어 신호 RS를 조정하는 역할을 한다. 예를 들어, 외측 기능체(10MT)의 기동시에 있어서 구동 토크가 과대해지는 것을 방지한다. 이 토크 제어 회로(117)는, 후술하는 위상차에 기초하여 토크 제어 신호 TS를 생성하는 경우에는, 검출기(16, 18)나 후술하는 위상 검출 회로(120)에 의해 구성되는 위상차 검출 수단에 의해 검출된 위상차에 따라서 외측 기능체(10MT)를 제어하는 본 발명의 외측 기능체 제어 수단(토크 제어 수단, 토크 제한 수단)을 구성한다.

본 실시 형태에 있어서는, 제어계(100)에 의해, 자기 커플링(10MC)의 구동측 구조(10D)와 피동측 구조(10E)의 사이의 위상차를 검출하는 위상차 검출 수단과, 당해 위상차 검출 수단에 의해 검출된 위상차에 따라서 외측 기능체(10MT)를 제어하는 외측 기능체 제어 수단을 구비하고 있다. 이 위상차 검출 수단은, 상기 구동측 검출기(18)(로터 검출기(15)에서 겸용하는 경우를 포함함)를 갖는 구동측의 회전 위치 검출 수단과, 상기 내측 검출기(16)를 갖는 피동측의 회전 위치 검출 수단을 구비하고, 이들 회전 위치 검출 수단에 의해 구동측과 피동측의 회전 방향의 위상차를 위상 검출 회로(120)에 있어서 구하도록 되어 있다.

또한, 도시예의 경우에는, 상기 축선 위치 검출기(19)를 갖는 축선 위치 검출 수단도 갖고, 이 축선 위치 검출 수단에 의해, 구동측과 피동측의 축선(10x) 방향의 위치 어긋남의 유무 혹은 위치 어긋남량이 검출된다. 이 축선 방향 위치 검출 수단에서는, 축선 위치 검출기(19)의 출력이 주 제어부(106)에 송출되고, 주 제어부(106)에 의해, 제어 형태가 전환되는 구성으로 되어 있다. 또한, 축선 위치 검출기(19)의 출력에 의해 내측 회전체(14)에 축선 방향의 위치 어긋남(축 어긋남)이 발생하면, 내측 자극(14b)과 외측 자극(12c)의 사이의 자기 커플링에 의한 회전 방향의 유지력이 저하하고, 내측 회전체(14)의 회전 저항이 증대하므로, 제어계(100)에서의 외측 기능체 제어 수단에 의한 위상차에 기초하는 제어에 대한 내측 회전체(14)의 응답 특성이 변화한다고 생각되므로, 당해 응답 특성의 변화에 의한 영향을 저감하기 위해 토크 제어에서의 상기 위상차의 소정값(탈조 한계에 대응하는 것, 특히 탈조 한계 미만의 소정값)을 축 어긋남량에 따라서 보정하여도 된다.

위상 검출 회로(120)는, 구동측 구조(10D)와 피동측 구조(10E)의 회전 위치의 위상차를 산출하여 위상 신호 PS를 출력한다. 또한, 위상 검출 회로(120)는, 상기 자기 커플링 구조(10MC)가 탈조를 일으켰는지의 여부를 판정하여 탈조 검지 신호 LS를 주 제어부(106)에 출력한다. 위상 검출 회로(120)에 있어서, 자기 커플링 구조(10MC)의 탈조는 상기 위상차가 기정값을 초과하였는지의 여부에 의해 판단된다. 상기 탈조 검지 신호 LS는 주 제어부(106)의 리셋 신호 RH에 의해 해제된다.

자기 커플링 구조(10MT)에 있어서, 구동측과 피동측의 위상차, 즉 상기 자극의 축선(10x) 주위의 형성 주기(서로 인접하는 N극과 S극의 한쌍의 자극이 배치되는 각도 영역)를 기준으로 하는 위상차는, 서로 역극성의 외측 자극(12c)과 내측 자극(14b)이 대응 위치에 있을 때(구동측과 피동측의 사이에 발생하는 유지 토크=0일 때)를 위상차 0으로 한 경우, 본 실시 형태와 같이 각 자극이 등각도 범위 및 등각도 간격으로 배열되어 있을 때에는 위상차가 1/4(90도)일 때에 최대의 유지 토크가 발생하고, 위상차가 2/4(180도)를 초과하면 탈조가 된다. 따라서, 상기 기정값은 본 실시 형태의 경우에는 위상차 2/4(180도)로 되지만, 상기 위상차의 값은 자기 커플링 구조의 자극 범위와 자극 간격이 등각도가 아닌 경우에는 그에 따라서 변화하므로, 일반적으로는 자기 커플링 구조에 따라서 탈조가 발생하는 위상차(탈조 한계)로 설정된다.

또한, 상기와 같이 탈조가 발생한 것을 검지하는 것이 아니라, 탈조가 발생하기 전에 탈조 검지 신호 LS에 의해 탈조가 발생할 위험이 있는 것을 알리도록 하여, 탈조를 발생시키지 않도록 제어하여도 된다. 예를 들어, 상기 기정값을 위상차 2/4 미만의 값으로 설정하고, 특히 최대의 유지 토크를 발생하는 위상차 1/4 이하의 값으로 설정하는 것이 바람직하다. 일반적으로는, 상기 기정값은 탈조가 발생하는 위상차(탈조 한계) 미만의 값으로 하고, 특히 최대의 유지 토크가 얻어지는 위상차 이하의 값으로 하는 것이 바람직하다.

상기 탈조 검지 신호 LS에 의해 자기 커플링 구조(10MC)가 탈조한 것, 혹은 탈조가 발생할 우려가 있는 것이 검지되면, 주 제어부(106)에서는, 설정 선택부(108)에 대한 선택 신호 SL을 전환하는 것 등에 의해, 회전수 제어 회로(107)를 제어하여, 외측 기능체(10MT)의 회전수를 저하시키거나, 외측 기능체(10MT)의 구동을 정지하거나, 구동 토크를 저감시키거나 한다. 이 제어 형태는, 주 제어부(106)에 의한 통상의 구동 제어 형태가 아니라, 자기 커플링 구조(10MC)의 탈조에 기인하는 이상 상태에 기인하는 구동 정지 제어, 혹은 당해 이상 상태를 해소하기 위한 상태 복귀 제어, 혹은 탈조 상태를 미연에 피하면서 통상의 제어 형태로 복귀시키기 위한 탈조 회피 제어이다. 또한, 이러한 외측 기능체(10MT)에 대한 제어와 함께, 외부 기기 A에 정지 출력 신호 ST를 송출하도록 하여도 된다.

어떻든, 상기의 구동 정지 제어, 상태 복귀 제어, 탈조 회피 제어가 완료되면, 주 제어부(106)는 리셋 신호 RH를 위상 검출 회로(120)에 송출하고, 이에 의해 탈조 검지 신호 LS는 리셋되므로, 다시 통상의 검출 상태로 복귀된다.

위상 검출 회로(120)가 출력하는 위상 신호 PS는, 신호 전환 회로(121)를 통하여 상기 전류 토크 신호 TC와 선택적으로 토크 제어 회로(117)에 입력된다. 물론, 전류 토크 신호 TC와 병행하여(전류 토크 신호 TC와는 별도로) 위상 신호 PS가 토크 제어 회로(117)에 입력되도록 구성하는 것도 가능하다. 토크 제어 회로(117)는, 위상 신호 PS에 기초하여, 자기 커플링 구조(10MC)의 자기 커플링 상태를 유지하도록, 즉 탈조가 발생하지 않도록, 외측 기능체(10MT)의 구동 토크를 제어한다. 이 제어 형태의 일례로서는, 예를 들어 자기 커플링 구조(10MC)의 위상차가 기정값을 초과하지 않는 범위로 유지되도록 토크 제어 신호 TS를 조정하는 것을 들 수 있다.

도 6은 위상차 검출 수단에 관한 각종 신호예의 타이밍 차트, 도 7 및 도 8은 위상 검출 회로(120)의 구성예를 도시하는 개략적인 회로도이다. 외측 검출기(18)로부터 출력되는 구동측 신호 S18과, 내측 검출기(16)로부터 출력되는 피동측 신호 S16이 입력되는 해제 신호 회로(120a)의 클리어 신호 C16이 입력되는 제1 순서 논리 회로(예를 들어, R 단자를 갖는 D 플립플롭)(120b)의 출력으로서 위상차 신호 PD가 얻어진다. 여기서, 도시예에서는, 해제 신호 회로(120a)는 배타적 논리합 회로, 콘덴서, 저항 등으로 구성되고, 상기 피동측 신호 S16과 함께 정역회전 신호 DS(L; 저전위 또는 H; 고전위)를 입력하여 클리어 신호 C16을 생성한다. 여기서, 정역회전 신호 DS는 피동측 신호 S16에 기초하는 클리어 신호 C16의 극성을 반전시킨다. 도시예에서는, 제1 순서 논리 회로(120b)의 Q 출력인 위상차 신호 PD는, 제1 순서 논리 회로(120b)의 T 단자에 입력되는 구동측 신호 S18의 상승시에 대응하여 상승하여(L로부터 H가 되어), 제1 순서 논리 회로(120b)의 R 단자에 입력되는 클리어 신호 C16의 기초가 되는 피동측 신호 S16의 상승시에 대응하여 원래대로 복귀된다(H로부터 L이 됨).

도 7에 도시한 바와 같이, 위상차 신호 PD는 상기 구동측 신호 S18과 함께 제2 순서 논리 회로(예를 들어, S 단자 및 R 단자를 갖는 D 플립플롭)(120c)에 입력된다. 도시예에서는, 위상차 신호 PD는 D 단자에, 구동측 신호 S18은 T 단자에 입력된다. 이에 의해, 구동측 신호 S18의 상승시에 위상차 신호 PD가 H이면 Q 출력은 H가 되고, 그 이외에서는 L의 상태가 된다. 당해 제2 순서 논리 회로(120c)의 Q 출력은 탈조 검지 신호 LS이다. 제2 순서 논리 회로(120c)에서는 반전 Q 출력(Q 바)과 S 단자가 접속되어 있기 때문에, 한번 탈조 검지 신호 LS가 H가 되면 이 H 상태가 유지된다. 탈조 검지 신호 LS는 주 제어부(106)에 보내진다. 탈조 검지 신호 LS의 H 상태는, 주 제어부(106)로부터 입력되는 리셋 신호 RH에 의해 리셋된다.

탈조 검지 신호 LS는, 위상차 신호 PD를 입력으로 하는 제2 순서 논리 회로(120c)에 의해, 위상차 신호 PD의 듀티비가 구동측 신호 S18의 주기를 기준으로 하여 2/4를 초과한 경우에, 반전하는 H 신호로서 출력된다. 또한, 상기 회로예에서는, 구동측 신호 S18의 전후의 상승 타이밍의 사이에 파동측 신호 S16의 상승 타이밍이 존재하지 않는 경우에 탈조로 판단하도록 하고 있지만, 이에 한정하지 않고, 결과적으로 자기 커플링 구조에 탈조가 발생한 경우에 탈조 검지 신호 LS가 반전하도록 구성하면 된다. 또한, 전술한 바와 같이, 탈조 한계 미만의 임의의 위상차의 값을 상기 기정값으로서 설정할 수 있도록 구성하면 더욱 적합하다.

도 8에 도시한 바와 같이, 상기 위상차 신호 PD는 적분 회로(120d)에 의해 적분되어 위상 신호 PS가 된다. 상기 위상차는 위상차 신호 PD의 듀티비에 비례하므로, 위상차 신호 PD를 적분한 상기 위상 신호 PS는 당해 위상차를 나타내는 아날로그값이 된다. 여기서, 상기 적분 회로(120d)의 출력을 오프셋 조정 회로(120e)의 출력에 기초하여 오프셋함으로써, 위상 신호 PS에 의해 정확한 위상차가 얻어지도록 하고 있다. 또한, 오프셋 조정 회로(120e)에서는, 자기 커플링 구조(10MC)의 정회전시와 역회전시에 있어서 각각의 오프셋값 Voff를 설정할 수 있도록 구성되어 있다. 이들 정회전시와 역회전시의 오프셋값은 상기 정역회전 신호 DS에 의해 대응하는 것이 선택된다.

위상 신호 PS가 상기 토크 제어 회로(117)에 공급되면, 토크 제어 회로(117)는 구동측 구조(10D)와 피동측 구조(10E)의 위상차가 기정값 이하가 되도록 토크 제어 신호 TS에 의해 회전수 제어 회로(107)를 제어한다. 이에 의해, 예를 들어 회전수 상승시 등에 있어서 외측 기능체(10MT)의 구동 토크가 과대(자성 커플링 구조(10MC)의 최대의 유지 토크 이상)해져 탈조를 초래하거나, 혹은 내측 회전체(14)에 가해지는 부하가 증대하여 탈조를 발생시키는 것 등이 방지된다. 또한, 토크 제어 회로(117)에 공급되는 신호는 상기 위상 신호 PS에 한정되지 않고, 상기 위상차 신호 PD 등이어도 되며, 결과적으로 토크 제어가 가능한 형태의 신호이면 된다.

또한, 본 발명의 자기 커플링 제어 장치는, 상술한 도시예에만 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 다양한 변경을 가할 수 있는 것은 물론이다. 예를 들어, 상기 외측 기능체(10MT)는 DC 브러시리스 모터로 구성되어 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않고, 자기 커플링 구조(10MC)의 구동측 구조(10D)와 피동측 구조(10E)의 위상차를 제어할 수 있는 구성이면, 다른 종류의 전동기를 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 자기 커플링 제어 장치는, 상술한 구동 장치에 한하지 않고, 관재 P 중의 내측 회전체를 회전 제어하는 각종 용도에 적용할 수 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이 내측 회전체의 제동 장치로서 사용하여도 되며, 이 경우에는, 상기의 피동측이 구동측이 되고, 구동측이 제동측이 된다. 이러한 에너지의 내측으로부터 외측으로의 흐름을 발생하는 형태에서는, 내측 회전체에 핀을 설치하는 등으로 하여 관재 P 내를 흐르는 유체에 의해 내측 회전체가 회전 구동되도록 한 터빈 장치나 발전기 등에 적용할 수도 있다.

본 실시 형태를 발전기로서 사용하는 경우에는, 상술한 제어계(100)에 있어서, 교류 전원(101) 및 정류 회로(102) 대신에 일반 부하(전력 안정 회로, 변압 회로, 충전 회로 등)를 접속하고, 모터 구동 회로(103) 대신에 가변 부하 회로(역기전력에 기인하는 로터부의 회전 부하를 전기적으로 변경 가능하게 한 회로)를 설치하고, 회전수 제어 회로(107) 대신에 가변 부하 회로가 제공하는 전기적 부하를 제어하는 부하 제어 신호를 출력하는 부하 제어 회로를 설치하고, 토크 제어 회로(117)를 외측 기능체에 의한 로터부의 부하 토크(제동 토크)를 간접적으로 제어하는 것으로 할 수 있다. 예를 들어, 당해 부하 토크가 소정값(자기 커플링의 탈조 한계 미만의 값)을 초과하지 않도록 부하 제어 신호를 조정하기 위해 상기 위상차에 따라서 부하 토크를 제어함으로써, 자기 커플링의 탈조를 방지할 수 있다. 혹은 또한 내측 회전체의 회전 구동력이 약할 때(예를 들어, 기동시)에 있어서 부하를 경감하여 내측 회전체(14)의 회전을 유지하거나 기동을 쉽게 할 수도 있다. 어떻든, 상기의 가변 부하 회로, 부하 제어 회로 및 토크 제어 회로에 의해, 발전 기능을 구비한 외측 기능체를 제어하는 외측 기능체 제어 수단이 구성된다.

10: 자기 커플링 제어 장치
10MT: 외측 기능체
11: 스테이터부
12: 로터부
12b: 로터 자극
12c: 외측 자극
13: 베어링
14: 내측 회전체
14a: 로드축
14b: 내측 자극
14c: 가이드 롤러
14d: 검출용 자극군
15: 로터 검출기
16: 내측 검출기
18: 외측 검출기
100: 제어계
103: 모터 구동 회로
106: 주 제어부
107: 회전수 제어 회로
117: 토크 제어 회로
120: 위상 검출 회로

Claims (11)

1. 자기 커플링 제어 장치로서,
   내주부에 회전 가능한 로터부 및 상기 로터부를 제어 가능한 스테이터부를 갖는 외측 기능체와,
   상기 로터부의 내주측에 간격을 두고 배치되는 내측 회전체와,
   상기 외측 기능체와 상기 내측 회전체의 사이에 배치되는 관벽을 구비한 관재와,
   상기 로터부의 내주부에서 축선 주위에 배열된 복수의 외측 자극, 및 상기 내측 회전체의 외주부에서 상기 복수의 외측 자극에 대하여 회전 방향으로 정합하여 상기 관벽을 통하여 상기 회전 방향으로 자기 커플링 가능하게 배열된 복수의 내측 자극을 갖는 자기 커플링 구조와,
   상기 외측 자극과 상기 내측 자극의 회전 방향의 위상차를 검출하는 위상차 검출 수단과,
   상기 위상차에 따라서 상기 외측 기능체를 제어하는 외측 기능체 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 자기 커플링 제어 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 외측 기능체 제어 수단은, 상기 위상차가 탈조 한계를 초과하였을 때에, 혹은 탈조 한계 이하로 설정된 기정값을 초과하였을 때에, 상기 외측 기능체에 대한 제어 형태를 변경하는 수단인 것을 특징으로 하는 자기 커플링 제어 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 외측 기능체 제어 수단은, 상기 위상차에 따라서 상기 외측 기능체에 의한 상기 로터부의 회전 토크를 제어하는 토크 제어 수단인 것을 특징으로 하는 자기 커플링 제어 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 토크 제어 수단은, 상기 위상차가 탈조 한계 미만으로 설정된 기정값을 초과하지 않도록 상기 회전 토크를 제한하는 토크 제한 수단인 것을 특징으로 하는 자기 커플링 제어 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외측 기능체는, 상기 스테이터부가 상기 로터부를 회전 구동하는 구동 자계를 형성하는 전동기인 것을 특징으로 하는 자기 커플링 제어 장치.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 위상차 검출 수단은, 상기 관재의 외주측에서 상기 내측 회전체에 대하여 비접촉으로 상기 내측 회전체의 회전 위상을 검출하는 내측 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 커플링 제어 장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 위상차 검출 수단은, 상기 관재의 외주측에서 상기 내측 회전체에 대하여 비접촉으로 상기 내측 회전체의 회전 위상을 검출하는 내측 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 커플링 제어 장치.
8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각각 축선 방향으로 배치된 복수단의 상기 복수의 외측 자극 및 상기 복수의 내측 자극을 갖고, 상기 복수단의 상기 복수의 외측 자극 및 상기 복수의 내측 자극은 축선 방향으로 정합하여 각각의 단에서 상기 축선 방향으로 자기 커플링 가능하게 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 커플링 제어 장치.
9. 제5항에 있어서, 각각 축선 방향으로 배치된 복수단의 상기 복수의 외측 자극 및 상기 복수의 내측 자극을 갖고, 상기 복수단의 상기 복수의 외측 자극 및 상기 복수의 내측 자극은 축선 방향으로 정합하여 각각의 단에서 상기 축선 방향으로 자기 커플링 가능하게 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 커플링 제어 장치.
10. 제6항에 있어서, 각각 축선 방향으로 배치된 복수단의 상기 복수의 외측 자극 및 상기 복수의 내측 자극을 갖고, 상기 복수단의 상기 복수의 외측 자극 및 상기 복수의 내측 자극은 축선 방향으로 정합하여 각각의 단에서 상기 축선 방향으로 자기 커플링 가능하게 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 커플링 제어 장치.
11. 제7항에 있어서, 각각 축선 방향으로 배치된 복수단의 상기 복수의 외측 자극 및 상기 복수의 내측 자극을 갖고, 상기 복수단의 상기 복수의 외측 자극 및 상기 복수의 내측 자극은 축선 방향으로 정합하여 각각의 단에서 상기 축선 방향으로 자기 커플링 가능하게 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 커플링 제어 장치.

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