TWI593890B - Motor system and magnetic bearing system - Google Patents

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TWI593890B
TWI593890B TW103121539A TW103121539A TWI593890B TW I593890 B TWI593890 B TW I593890B TW 103121539 A TW103121539 A TW 103121539A TW 103121539 A TW103121539 A TW 103121539A TW I593890 B TWI593890 B TW I593890B
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Eri Maruyama
Takahiro Suzuki
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Hitachi Ltd
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Description

電動機系統及磁軸承系統
本發明有關電動機系統及磁軸承系統。
近年來，作為支撐研削心軸等的工作機械、飛輪、渦輪分子泵等的高速旋轉體之軸承，磁軸承正廣泛實用化中。磁軸承，係藉由磁浮進行非接觸支撐的緣故，與進行以往的接觸支撐之軸承(例如，滾動軸承)相比較，可以實現高速旋轉化、不須油、不須維修、減低mechanical loss(機械損失)等。而且，為了以比使用磁軸承在軸承的電動機更輕量的裝置實現磁浮旋轉件，同時具有電動機與磁軸承的功能之無軸承馬達的檢討也廣為進行中。
以往的磁軸承或無軸承馬達，係為了進行磁浮的旋轉件(轉子)的軸位置控制，以非接觸型的變位感測器(例如，渦電流式變位感測器)檢測旋轉件的旋轉軸的偏心量(偏離固定件(定子)中心軸位置之旋轉件旋轉軸位置的變位)。為此，以往的磁軸承或無軸承馬達，係與進行接觸支撐之軸承相比較，裝置大型化的話，會有軸 長會變長、變位感測器的成本變高等問題。因此，就磁軸承或無軸承馬達，係期望能無變位感測器化。
作為1個無變位感測器化的檢討，揭示有專利文獻1(特開平11-142104號專利公報)。於專利文獻1，揭示有著眼於變位(偏心量)與互電感之關係的無軸承馬達之半徑方向轉子位置推定裝置。專利文獻1的無軸承馬達之半徑方向轉子位置推定裝置，係利用因偏心導致間隙內的磁動勢分布發生變化的方式，從半徑方向位置控制繞線檢知三相感應電壓，從該值推定轉子的半徑方向位置(α軸上的變位α及β軸上的變位β，亦即，偏心量與偏心方向)。
〔先前技術文獻〕
〔專利文獻〕
〔專利文獻1〕日本特開平11-142104號專利公報
但是，可以適用如專利文獻1般之偏心量與互電感的比例關係的是，在各相的固定件繞線串聯連接的場合。另一方面，在各相的固定件繞線並聯連接來構成並聯電路的場合，因為於並聯電路發生循環電流，使得抵銷了因旋轉件的旋轉軸的偏心所致的電位差，是有無法適用 於專利文獻1所揭示之轉子的半徑方向位置(偏心量與偏心方向)的推定方法之課題。
而且，在於專利文獻1所揭示之轉子的半徑方向位置(偏心量與偏心方向)的推定方法中，是有為了檢知三相感應電壓，在低速旋轉範圍難以取得差分而誤差變大之疑慮之課題。
在此，作為課題，本發明提供有適合於可以檢測偏心量、偏心方向之電動機系統及磁軸承系統。
為了解決這樣的課題，有關本發明之電動機系統，具備：電動機，係具有固定件及被磁浮支撐之旋轉件，且各相是以並聯至少2個以上的線圈所構成；循環電流檢測手段，係在前述各相中至少2個相，檢測於前述線圈所流動的循環電流；以及偏心推定手段，係根據用前述循環電流檢測手段所檢測出的前述循環電流，推定前述旋轉件的偏心量及偏心方向。
而且，有關本發明之磁軸承系統，具備：磁軸承，係具有固定件及被磁浮支撐之旋轉件，且各相是以並聯至少2個以上的線圈所構成；循環電流檢測手段，係在前述各相中至少2個相，檢測於前述線圈所流動的循環電流；以及偏心推定手段，係根據用前述循環電流檢測手段所檢測出的前述循環電流，推定前述旋轉件的偏心量及偏心方向。
根據本發明，可以提供有適合於可以檢測偏心量、偏心方向之電動機系統及磁軸承系統。經此，即便不使用高價的變位感測器(例如，渦電流式變位感測器)，也可以適合檢測偏心量、偏心方向的緣故，以低成本可以實現旋轉件(轉子)的軸位置控制。
S、SA、SB‧‧‧電動機系統(磁軸承系統)
1‧‧‧電動機(磁浮支撐裝置、無軸承馬達、磁軸承)
2‧‧‧固定件
3‧‧‧固定件鐵心
4‧‧‧齒
5‧‧‧固定件繞線
6‧‧‧旋轉件
7‧‧‧旋轉件鐵心
8‧‧‧永久磁鐵
9‧‧‧間隙
10‧‧‧中性點
10a、10b‧‧‧連接點
11‧‧‧控制器
12‧‧‧循環電流檢測部(循環電流檢測手段)
13‧‧‧偏心量與偏心方向推定部(偏心推定手段)
14‧‧‧軸位置控制部
21、21U1、21U2、21W1、21W2‧‧‧電流感測器(循環電流檢測手段)
22U、22W‧‧‧比流器(循環電流檢測手段、差分電流檢測手段)
U‧‧‧U相
V‧‧‧V相
W‧‧‧W相
U1、U2、V1、V2、W1、W2‧‧‧線圈
〔圖1〕為有關第1實施方式之電動機系統的構成方塊圖。
〔圖2〕為有關第1實施方式之電動機系統的電路構成圖。
〔圖3A〕為電動機之軸方向剖視圖。
〔圖3B〕為偏心時之電動機之軸方向剖視圖。
〔圖4〕為表示旋轉件的旋轉軸的偏心與間隙寬度之關係的圖。
〔圖5〕為說明在有關第1實施方式之電動機系統的電動機(中性點接線)的各線圈流動的電流之電路圖。
〔圖6〕為有關第2實施方式之電動機系統的電路構成圖。
〔圖7〕為說明在有關第2實施方式之電動機系統的電動機(中性點未接線)的各線圈流動的電流之電路圖。
〔圖8〕為有關第3實施方式之電動機系統的電路構 成圖。
〔圖9〕為表示第3實施方式之電流感測器的安裝方法之立體圖。
以下，有關用以實施本發明之型態(以下稱為「實施型態」)，一邊參閱適宜圖面一邊詳細說明之。尚且，在各圖中，在共通的部分賦予同一之元件符號並省略重複說明。
≪第1實施方式≫
<電動機系統>
就有關第1實施方式之電動機系統S，使用圖1至圖5說明之。圖1為有關第1實施方式之電動機系統S的構成方塊圖。
如圖1所示般，電動機系統S具備：電動機(磁浮支撐裝置)1、控制器11、及電流感測器21。
電動機(磁浮支撐裝置)1，係構成使旋轉件6(參閱後述之圖3A、3B)磁浮以進行非接觸支撐之無軸承馬達。
尚且，有關第1實施方式之電動機系統S，係說明作為使用使旋轉件6磁浮以進行非接觸支撐之無軸承馬達作為電動機(磁浮支撐裝置)1，以進行旋轉件6的軸位置控制之電動機系統S；但磁浮支撐裝置不限於無軸 承馬達，亦可使用磁軸承。亦即，有關使旋轉件磁浮以進行非接觸支撐之磁軸承(磁浮支撐裝置)1，亦可適用到進行旋轉件6的軸位置控制之磁軸承系統S。
控制器11，係與電動機1連接，用以做電動機1的旋轉件6的軸位置控制，從控制器11輸入電流或者是電壓到電動機1。在另一方面，藉由電流感測器21(後述圖2之電流感測器21U1、21U2、21W1、21W2)檢測在電動機1之繞線(後述圖2之線圈U1、U2、W1、W2，圖3A、3B之固定件繞線5)流動的電流，把該值回饋到控制器11。接著，控制器11從已測定之電流值求取在線圈(繞線)流動的循環電流，同時求取旋轉件6的偏心量、偏心方向，經由輸入電流或者是電壓的方式使得於電動機1減低前述的循環電流，得以進行電動機1的旋轉件6的軸位置控制。
圖2為有關第1實施方式之電動機系統S的電路構成圖。尚且，在電動機(磁浮支撐裝置)1為無軸承馬達之場合，具備：旋轉件6(參閱後述圖3A，3B)的軸位置控制用繞線的電路、及用以使旋轉件6旋轉之旋轉用繞線的電路；但於圖2，揭示旋轉件6之軸位置控制用繞線的電路。
如2所示般，電動機(磁浮支撐裝置)1，係以U相(圖2之符號U)、V相(圖2之符號V)、W相(圖2之符號W)之3相交流進行驅動，於各相2個線圈(U相之線圈U1、U2，V相之線圈V1、V2，W相之線圈 W1、W2)為彼此同相下做並聯連接，構成並聯電路。而且，6個線圈U1、U2、V1、V2、W1、W2係被接線在中性點10。
電流感測器21(參閱圖1)，係如圖2所示般，具有：檢測線圈U1的電流之電流感測器21U1、檢測線圈U2的電流之電流感測器21U2、檢測線圈W1的電流之電流感測器21W1、及檢測線圈W2的電流之電流感測器21W2。電流感測器21U1、21U2、21W1、21W2係把檢測到的電流值回饋到控制器11。
控制器11，係具備：循環電流檢測部12、偏心量與偏心方向推定部13、及軸位置控制部14。
循環電流檢測部(循環電流檢測手段)12，係根據用電流感測器21U1所檢測出的電流IU1、及用電流感測器21U2所檢測出的電流IU2，檢測(演算)U相的循環電流ICIR_U。而且，根據用電流感測器21W1所檢測出的電流IW1、及用電流感測器21W2所檢測出的電流IW2，檢測(演算)W相的循環電流ICIR_W。尚且，有關求取循環電流檢測部12的循環電流之方法，後述之。
偏心量與偏心方向推定部(偏心推定手段)13，係根據用循環電流檢測部12所檢測出的U相之循環電流ICIR_U及W相之循環電流ICIR_W，推定(演算)旋轉件6(參閱後述之圖3A、3B)的旋轉軸的偏心量、偏心方向。如此，電流感測器21(21U1、21U2、21W1、21W2)、控制器11的循環電流檢測部12、控制器11的偏 心量與偏心方向推定部13，係構成檢測旋轉件6的旋轉軸的偏心量、偏心方向之旋轉件偏心檢測裝置。尚且，有關推定(演算)偏心量與偏心方向推定部13的偏心量、偏心方向之方法，後述之。
軸位置控制部14，係根據以偏心量與偏心方向推定部13所推定出的偏心量、偏心方向，使得偏心量縮小，換言之，輸入電流或者是電壓到U相、V相、W相，進行電動機1的旋轉件6之軸位置控制，使得循環電流ICIR_U及循環電流ICIR_W縮小。
尚且，有關第1實施方式之電動機系統S，係說明作為設有電流感測器21(21U1、21U2、21W1、21W2)，得以檢測旋轉件6的軸位置控制用繞線的電流者，但並不限於此。有關用以使旋轉件6旋轉之旋轉用繞線，在於各相2個線圈為彼此同相下做並聯連接，構成並聯電路之場合，亦可設有電流感測器21(21U1、21U2、21W1、21W2)來檢測旋轉件6的旋轉用繞線的電流。也就如此構成，旋轉件偏心檢測裝置(電流感測器21(21U1、21U2、21W1、21W2)、控制器11的循環電流檢測部12、控制器11的偏心量與偏心方向推定部13，係同樣地，可以檢測旋轉件6的旋轉軸的偏心量、偏心方向。尚且，在該場合，控制器11的軸位置控制部14，係根據以偏心量與偏心方向推定部13所推定出的偏心量、偏心方向，輸入電流或者是電壓到旋轉件6的軸位置控制用繞線的U相、V相、W相，進行電動機1的旋轉件6的軸位置控 制，使得偏心量縮小。
更進一步，在電動機系統S的電動機是以馬達(不是無軸承馬達)、及2個磁軸承所構成之場合下，在用以使馬達的旋轉件旋轉之繞線(旋轉用繞線)係於各相2個線圈為彼此同相下做並聯連接且構成並聯電路之場合，亦可設有電流感測器21(21U1、21U2、21W1、21W2)來檢測馬達的繞線(旋轉用繞線)的電流。也就如此構成，旋轉件偏心檢測裝置(電流感測器21(21U1、21U2、21W1、21W2)、控制器11的循環電流檢測部12、控制器11的偏心量與偏心方向推定部13，係同樣地，可以檢測旋轉件6的旋轉軸的偏心量、偏心方向。尚且，在該場合，控制器11的軸位置控制部14，係根據以偏心量與偏心方向推定部13所推定出的偏心量、偏心方向，控制2個磁軸承，進行電動機的旋轉件的軸位置控制。
<電動機>
接著，就有關第1實施方式之電動機系統S的電動機(磁浮支撐裝置、無軸承馬達)1，使用圖3A更進一步說明之。圖3A為電動機1之軸方向剖視圖。
如圖3A所示般，電動機1具備：固定件鐵心3、具有齒4及固定件繞線5之固定件2、以及配置在固定件2的內周側且具有旋轉件鐵心7及永久磁鐵8之旋轉件6。進行磁浮的旋轉件6，係介隔著固定件2與旋轉件6之間的間隙9，被非接觸支撐在固定件2。
固定件2，係每隔圓周方向60°配置齒4成放射狀，於齒4捲繞固定件繞線5，形成線圈(圖2的線圈U1、U2、V1、V2、W1、W2)。尚且，固定件繞線5，係3相的繞線依U相、V相、W相的順序配置在圓周方向，各相有2個線圈的緣故，以U1、V1、W1、U2、V2、W2的順序配置在圓周方向。
<循環電流與偏心之關係>
有關第1實施方式之電動機系統S的旋轉件偏心檢測裝置(電流感測器21(21U1、21U2、21W1、21W2)、控制器11的循環電流檢測部12、控制器11的偏心量與偏心方向推定部13)，係由檢測出的循環電流推定偏心量及偏心方向。有關由該循環電流推定偏心量、偏心方向之基本原理，使用圖2至圖5說明之。圖3B為偏心時之電動機1之軸方向剖視圖。圖4為表示旋轉件6的旋轉軸的偏心與間隙寬度之關係的圖。圖5為說明在有關第1實施方式之電動機系統S的電動機1(中性點接線)的各線圈流動的電流之電路圖。尚且，在以下的說明中，各線圈(固定件繞線5)的阻抗的差係因製作時的誤差多少會發生但為甚少的緣故，阻抗的差係假定成0說明之。順便一說，若旋轉件6為不偏心的狀態的話，於同相的線圈(固定件繞線5)所感應的電壓為同等的緣故，不會產生循環電流。
〔循環電流的檢測〕
首先，如圖5所示般，從控制器11(參閱圖2)輸入電流IU、IV、IW到電動機1之U相、V相、W相。於各線圈(固定件繞線5)的阻抗沒有很大的差之情況下，這些電流大致被分成2等分，於各線圈(固定件繞線5)流動有電流。令在線圈U1流動的電流為IU1、在線圈U2流動的電流為IU2、在線圈V1流動的電流為IV1、在線圈V2流動的電流為IV2、在線圈W1流動的電流為IW1、在線圈W2流動的電流為IW2，在因為阻抗的差為0，所以沒有偏心的場合，成為IU1=IU2、IV1=IV2、IW1=IW2之關係。
另一方面，在發生偏心的場合，於構成並聯電路之同相線圈間產生電位差△E，為了將其抵銷，於並聯電路的閉迴路內產生循環電流，成為IU1≠IU2、IV1≠IV2、IW1≠IW2之關係。在此，U相的並聯電路(以線圈U1、線圈U2所構成之電路)的循環電流為ICIR,U的話，因為成為IU1=IU/2+ICIR,U、IU2=IU/2-ICIR,U之關係的緣故，由在線圈U1流動的電流IU1及在線圈U2流動的電流IU2可以求取在U相的循環電流ICIR,U。有關V相、W相也是同樣。亦即，U相的循環電流ICIR,U、V相的循環電流ICIR,V、W相的循環電流ICIR,W係成立如下之關係。
ICIR,U=(IU1-IU2)/2．．．(1a)
ICIR,V=(IV1-IV2)/2．．．(1b)
ICIR,W=(IW1-IW2)/2．．．(1c)
如此，控制器11的循環電流檢測部12可以由用電流感測器21U1、21U2檢測到的電流與公式(1a)，求取U相的循環電流ICIR,U。而且，控制器11的循環電流 檢測部12可以由用電流感測器21W1，21W2檢測到的電流與公式(1c)，求取W相的循環電流ICIR,W。
〔偏心與循環電流之關係〕
接著，說明有關偏心發生時之各線圈的電位差△E。
假定鐵的透磁率為∞之場合，令磁石的殘留磁通密度為Br、回復磁導率為μm、磁石厚度為hm、間隙寬度為δ的話，間隙9的磁通密度Bδ係成為如下。
B δ =Br＊hm/(δ＊μ m+hm)．．．(2a)
在此，δ<hm之場合，作為常數κ，可以視為如下。
B δ =κ/δ．．．(2b)
尚且，在以下的說明中，就δ<hm為成立的場合進行說明，但也在δ≧hm為成立的場合，同樣可以由公式(2a)求取關係式，得到與本實施方式同樣的效果。
在此，間隙9的磁通密度Bδ為峰值，把間隙9的磁通密度Bδ的基本波成分以齒4的寬度做圓周方向積分所得的值，作為交鏈到齒4之磁通φ。接著，磁通φ的時間微分作為產生在各線圈之感應電動勢E。亦即，成為如下。
E=αB δ =κα/δ．．．(3)
而且，感應電動勢E，係間隙9的磁通密度Bδ與頻率f成比例。
如圖4所示般，把尚未偏心的狀態之間隙寬 度作為δ，發生偏心(x，y)的場合(以虛線表示)中抵抗位置在某角度θt的齒4之間隙寬度δnew，係成為如下。
δ new=δ-(x×cos(θ t)+y×sin(θ t))．．．(4)
尚且，x、y為偏心座標；θt為齒4的中心之機械性的角度。此時，θt係期望成為齒4的中心角度，但多少會有誤差。
位置在發生了偏心的場合之角度θt之齒4的線圈(固定件繞線5)所感應到的電壓E，係因應偏心前的間隙寬度δ與偏心後的間隙寬度δnew之值而變化，以以下的比例做變化。
δ/δ new．．．(5)
亦即，與偏心前相比的話，在δnew>δ的話感應電動勢E變小，在δnew<δ的話感應電動勢E變大。
某同相的線圈1與線圈2構成並聯電路(閉迴路)，當線圈1與線圈2之機械的角度為θt,1、θt,2時，偏心發生時的電位差△E係由公式(3)及公式(4)，成為公式(6)。
而且，如前述般，發生偏心後，在線圈1與線圈2之間產生電位差△E，為了抵銷該電位差而在並聯電路(閉迴路)內產生了循環電流Icir之場合，令閉迴路 的阻抗為Z1_2的話，則成為如下。
△E=Icir Z1_2．．．(7)
由公式(6)及公式(7)，偏心(x，y)、與循環電流Icir之關係成為公式(8)。
接著，把於圖3B所示之旋轉件6在線圈U1的方向(X軸正方向)產生偏心量δe而發生偏心的場合作為例子，更進一步說明偏心與循環電流之關係。圖3B中，在X-Y座標系下為偏心(δe，0)。
於線圈U1方向旋轉件6偏心的場合，線圈U1、V1、W2方向的間隙比偏心前(參閱圖3A)還狹窄；線圈U2、V2、W1方向的間隙比偏心前(參閱圖3A)還寬廣。具體方面，齒4係以在圓周方向間隔60°做配置的方式決定機械的角度θt，由公式(4)，可以求取發生了偏心(δe，0)的狀態之間隙寬度δnew。
線圈U1(θ t=0°)方向的間隙寬度：(δ-δe)
線圈U2(θ t=180°)方向的間隙寬度：(δ+δe)
線圈V1(θ t=60°)方向的間隙寬度：(δ-δe/2)
線圈V2(θ t=240°)方向的間隙寬度：(δ+δe/2)
線圈W1(θ t=120°)方向的間隙寬度：(δ+δe/2)
線圈W2(θ t=300°)方向的間隙寬度：(δ-δe/2)
線圈U1、線圈U2間的電位差△EU、線圈 V1、線圈V2間的電位差△EV、及線圈W1、線圈W2間的電位差△EW，係可以由公式(5)來求取。
△EU=EU1-EU2=ακ(1/(δ-δe)-1/(δ+δe))
△EV=EV1-EV2=ακ(1/(δ-δe/2)-1/(δ+δe/2))
△EW=EW1-EW2=ακ(1/(δ+δe/2)-1/(δ-δe/2))
在此，在各同相的線圈構成並聯電路的場合，使得以抵銷該電位差△EU、△EV、△EW般地，產生循環電流ICIR,U，ICIR,V，ICIR,W。令基本波角頻率為ω、1線圈的阻抗為R、1線圈的電感為L的話，由歐姆定律，循環電流ICIR以公式(9)來表示。
反映實際之各線圈的位相的話，循環電流成為如下：ICIR,U×cos(ωt)=△EU/(2R+2jωL)
ICIR,V×cos(ωt-3/2×π)=△EV/(2R+2jωL)
ICIR,W×cos(ωt-4/2×π)=△EW/(2R+2jωL) ；cos(ωt)，亦即，成為旋轉件6的圓周方向位置與電位差之函數。接著，代入前述的電位差△EU、△EV、△EW的話，得到以下的公式(10a)~公式(10c)。
在此，如公式(1a)~公式(1c)所示般，循環電流ICIR,U、ICIR,V、ICIR,W，乃是由用電流感測器檢測出的電流值所求得的值，為已知的值。而且，在電動機1為無軸承馬達等之場合，旋轉件6之圓周方向位置，亦即，電動機1的電角度為已知的值。而且，尚未偏心的狀態之間隙寬度δ、阻抗R、電感L也為已知的值。如此，公式(10a)~公式(10c)的未知數為偏心量δe，亦即，僅為偏心(δe、0)。
因此，經由檢測至少2個循環電流的方式，可以求取偏心(x、y)，亦即，偏心量與偏心方向。尚且，在cos(ωt)為未知的場合，可以用檢測3處的循環電流的方式，求取偏心量與偏心方向。
而且，阻抗大致與頻率成比例，各線圈所感應到的電壓也與頻率成比例。為此，從公式(8)也可以了解，循環電流可以說是幾乎沒有頻率相依性。為此，即便在低速旋轉範圍也可以高精度地推定偏心量與偏心方向。
如此，控制器11的偏心量與偏心方向推定部13，係由用循環電流檢測部12所求得的U相之循環電流 ICIR,U、W相的循環電流ICIR,W、及公式(8)的關係，可以求取偏心(x，y)，亦即，偏心量與偏心方向。接著，控制器11的軸位置控制部14，係根據用偏心量與偏心方向推定部13所求出的偏心量與偏心方向，進行電動機1的旋轉件6的軸位置控制的緣故，即便在低速旋轉範圍也可以高精度地進行軸位置控制。
如以上般，有關第1實施方式之電動機系統(磁軸承系統)S，係可以使用電流感測器求取偏心量與偏心方向，進行軸位置控制。與變位感測器(例如，渦電流式變位感測器)相比，電流感測器為便宜，且用以安裝感測器的空間也小的緣故，與使用以往的變位感測器進行軸位置控制之電動機系統(磁軸承系統)相比較，是可以作為低成本、省空間的電動機系統(磁軸承系統)S。而且，與以往的半徑方向轉子位置推定裝置(專利文獻1)相比較，有關第1實施方式之電動機系統(磁軸承系統)S，係即便在低速旋轉範圍也可以高精度地求取偏心量與偏心方向，進行軸位置控制。
≪第2實施方式≫
接著就有關第2實施方式之電動機系統(磁軸承系統)SA，使用圖6及圖7說明之。圖6為有關第2實施方式之電動機系統SA的電路構成圖。圖7為說明在有關第2實施方式之電動機系統SA的電動機1A(中性點未接線)的各線圈流動的電流之電路圖。
有關第1實施方式之電動機系統S的電動機1，係如圖2及圖5所示般，為在中性點10接線之電動機1者，相對於此，有關第2實施方式之電動機系統SA的電動機1A，係如圖6及圖7所示般，為在中性點未接線之電動機者這一點是相異的。亦即，有關第1實施方式之電動機系統S的電動機1，係6個線圈U1、U2、V1、V2、W1、W2在中性點10接線，相對於此，有關第2實施方式之電動機系統S的電動機1A，係線圈U1、V1、W1在接線點10a接線，線圈U2、V2、W2在接線點10b接線這一點是相異的。其他的構成為相同，省略說明。
在這樣的中性點未接線的電動機1A之場合，如圖7所示般，循環電流係跨到其他相而產生。亦即，產生：跨到U相與V相之循環電流ICIR,UV、跨到V相與W相之循環電流ICIR,VW、及跨到W相與U相之循環電流ICIR,WU。
如此，循環電流的路徑變複雜，產生在線圈U1之循環電流Icir,U1、及產生在線圈U2之循環電流Icir,U2成為Icir,U1=ICIR,UV-ICIR,WU=-Icir,U2。同樣，產生在線圈V1之循環電流Icir,V1、及產生在線圈V2之循環電流Icir,V2成為Icir,V1=-Icir,V2，產生在線圈W1之循環電流Icir,W1、及產生在線圈W2之循環電流Icir,W2成為Icir,W1=-Icir,W2。
因此，與有關第1實施方式之電動機系統S的電流感測器21同樣，於線圈U1、U2設有電流感測器21U1、21U2，可以用循環電流檢測部12求取循環電流 Icir,U1=(IU1-IU2)/2。而且，於線圈W1、W2設有電流感測器21W1、21W2，可以用循環電流檢測部12求取循環電流Icir,W1=(IW1-IW2)/2。接著，控制器11的偏心量與偏心方向推定部13，係以與第1實施方式同樣的原理，可以由循環電流Icir,U1、Icir,W1求取偏心量與偏心方向。
≪第3實施方式≫
接著，就有關第3實施方式之電動機系統(磁軸承系統)SB，使用圖8及圖9說明之。圖8為有關第3實施方式之電動機系統SB的電路構成圖。圖9為表示第3實施方式之電流感測器22U的安裝方法之立體圖。
如圖8所示般，有關第3實施方式之電動機系統SB，係取代有關第1實施方式之電動機系統S的電流感測器21(21U1、21U2、21W1、21W2)，而具備比流器(current transformer)22U、22W這一點是相異的。其他的構成為相同，省略說明。
如圖9所示般，線圈U1的繞線5a、及線圈U2的繞線5b，係插入到比流器22U的測定部，使得電流方向互為逆向。經此，比流器22U，係檢測線圈U1的電流IU1、及線圈U2的電流IU2的差分電流(IU1-IU2)。接著，循環電流檢測部12，係由公式(1a)，求取U相的循環電流ICIR,U。關於W相也是同樣。
如此，根據有關第3實施方式之電動機系統(磁軸承系統)SB，可以把感測器數目從4個減少到2 個。而且，在有關第1實施方式之電動機系統S的場合，旋轉件6的重量增加的話在線圈流動的電流值也變大的緣故，電流感測器21其測定範圍也變大，有必要使用高價格、大型的電流感測器。相對於此，在有關第3實施方式之電動機系統SB的場合，因為檢測差分電流(IU1-IU2)的緣故，比流器22U、22W其測定範圍也變小，可以使用便宜、小型的產品。尚且，說明了作為使用比流器方式的比流器22U、22W者，為由電流感測器的插入孔內的電流求取磁場強度，求取電流值方式之電流感測器的話，亦可使用其他的方式之電流感測器。
≪變形例≫
尚且，有關本實施方式之電動機系統(磁軸承系統)S、SA、SB，是不限定於上述實施方式之構成，在不逸脫發明的主旨之範圍內可以做種種的變更。
有關本實施方式之電動機系統(磁軸承系統)S、SA、SB，係說明了作為無變位感測器之電動機系統(磁軸承系統)者，但並不限於此。亦可併用有關本實施方式之電動機系統(磁軸承系統)S、SA、SB所具備的旋轉件偏心檢測裝置、及使用以往的變位感測器或探查線圈等之測定方法。經此，可以做更高精度的計測。而且，利用不同的方式計測偏心量的緣故，也提升安全性。
如圖2等所示般，說明了電動機1之各相的線圈為2個線圈做並聯配置者，但不限於此，亦可3個以 上的線圈做並聯配置。也在該場合，於各閉迴路內，以求取公式(7)的關係之方式，可以由循環電流推定偏心量與偏心方向。而且，說明了作為3相的電動機1者，但不限於此，2相也好6相也好，亦可以是其他以外的相。
在圖3A，說明了作為具備內轉型的旋轉件6之電動機1者，但不限於此，具備具有同樣的構成之外轉型的旋轉件之電動機也可以適用。而且，旋轉件6的極數，係圖示有作為4極者，但不限於此，也可以為2極，亦可以為6極以上。而且，說明了電動機1作為間隙磁通透過在徑方向之徑向氣隙型者，但不限於此，也可以適用間隙磁通透過在軸方向之軸流間隙型者。而且，電動機1是作為永久磁鐵同步機，但把固定件2側的固定件繞線5之接線做2並聯以上，來產生循環電流之構成的話，也可以適用感應電機、繞線同步機、SR馬達等。而且，固定件2是作為2：3之集中繞組形狀者，但不限於此，也可以適用分布繞組、或2：3以外之集中繞組。而且，固定件鐵心3及旋轉件鐵心7係以堆疊在軸方向之層壓鋼板構成者為佳，也可以用粉末磁芯等構成，亦可用非晶質金屬等構成。
而且，說明了偏心(x、y)與△E之關係為公式(6)者，但在偏心量小的場合，偏心量與△E亦可成比例關係。
S‧‧‧電動機系統(磁軸承系統)
1‧‧‧電動機(磁浮支撐裝置、無軸承馬達、磁軸承)
11‧‧‧控制器
21‧‧‧電流感測器(循環電流檢測手段)

Claims (13)

  1. 一種電動機系統，具備：電動機，係具有固定件及被磁浮非接觸支撐之旋轉件，且各相是以並聯至少2個以上的線圈所構成；循環電流檢測手段，係在前述各相中至少2個相，檢測於前述線圈所流動的循環電流；偏心推定手段，係根據用前述循環電流檢測手段所檢測出的前述循環電流，推定前述旋轉件的偏心量及偏心方向；以及控制器，係輸入電流或電壓到前述各相；該控制器係把前述循環電流減少那般，來輸入電流或電壓。
  2. 如請求項1之電動機系統，其中，前述偏心推定手段，係根據前述循環電流成為與偏心前之前述旋轉件與前述固定件的間隙、及偏心後之前述旋轉件與前述固定件的間隙相對應的值，推定前述偏心量及前述偏心方向。
  3. 如請求項2之電動機系統，其中，前述偏心推定手段，係根據用前述循環電流檢測手段所檢測出的循環電流值、及前述電動機的阻抗之積，推定前述偏心量及前述偏心方向。
  4. 如請求項3之電動機系統，其中，作為前述線圈，具備第1線圈與第2線圈； 以前述第1線圈與前述第2線圈形成閉迴路；令前述閉迴路的阻抗為Z1_2，令前述閉迴路的循環電流為Icir，令前述第1線圈的機械的角度為θt,1，令前述第2線圈的機械的角度為θt,2，令尚未偏心的狀態之間隙寬度為δ，令係數ακ，令位在把前述旋轉件的旋轉軸方向作為法線的X-Y平面之偏心(x，y)，則前述偏心推定手段係根據以下數學式， 由前述循環電流Icir，推定前述偏心量及前述偏心方向之前述偏心(x，y)。
  5. 如請求項1之電動機系統，其中，作為前述線圈，具備：第1線圈、及與該第1線圈並聯配置之第2線圈；前述循環電流檢測手段，係具有差分電流檢測手段，其對乃是在前述第1線圈流動的電流、及在前述第2線圈流動的電流的差之差分電流進行檢測，根據前述差分電流，檢測前述循環電流。
  6. 如請求項1之電動機系統，其中， 更具備：檢測前述旋轉件之前述偏心量及前述偏心方向之額外的感測器。
  7. 如請求項1之電動機系統，其中，前述電動機為無軸承馬達。
  8. 一種磁軸承系統，具備：磁軸承，係具有固定件及被磁浮非接觸支撐之旋轉件，且各相是以並聯至少2個以上的線圈所構成；循環電流檢測手段，係在前述各相中至少2個相，檢測於前述線圈所流動的循環電流；偏心推定手段，係根據用前述循環電流檢測手段所檢測出的前述循環電流，推定前述旋轉件的偏心量及偏心方向；以及控制器，係輸入電流或電壓到前述各相；該控制器係把前述循環電流減少那般，來輸入電流或電壓。
  9. 如請求項8之磁軸承系統，其中，前述偏心推定手段，係根據前述循環電流成為與偏心前之前述旋轉件與前述固定件的間隙、及偏心後之前述旋轉件與前述固定件的間隙相對應的值，推定前述偏心量及前述偏心方向。
  10. 如請求項9之磁軸承系統，其中，前述偏心推定手段，係根據用前述循環電流檢測手段所檢測出的循環電流值、及前述電動機的阻抗之積，推定前述偏心量及前述偏 心方向。
  11. 如請求項10之磁軸承系統，其中，作為前述線圈，具備第1線圈與第2線圈；以前述第1線圈與前述第2線圈形成閉迴路；令前述閉迴路的阻抗為Z1_2，令前述閉迴路的循環電流為Icir，令前述第1線圈的機械的角度為θt,1，令前述第2線圈的機械的角度為θt,2，令尚未偏心的狀態之間隙寬度為δ，令係數ακ，令位在把前述旋轉件的旋轉軸方向作為法線的X-Y平面之偏心(x，y)，則前述偏心推定手段係根據以下數學式， 由前述循環電流Icir，推定前述偏心量及前述偏心方向之前述偏心(x，y)。
  12. 如請求項8之磁軸承系統，其中，作為前述線圈，具備：第1線圈、及與該第1線圈並聯配置之第2線圈；前述循環電流檢測手段，係具有差分電流檢測手段，其對乃是在前述第1線圈流動的電流、及在前述第2線圈流動的電流的差之差分電 流進行檢測，根據前述差分電流，檢測前述循環電流。
  13. 如請求項8之磁軸承系統，其中，更具備：檢測前述旋轉件之前述偏心量及前述偏心方向之額外的感測器。
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