JP3664409B2 - スイッチドリラクタンス回転機 - Google Patents

Description

産業上の利用分野
この発明はスイッチドリラクタンス回転機に関し、さらに詳しくは、回転子の回転軸に電磁振動を発生させることなく、高速で回転子を回転させることができるスイッチドリラクタンス回転機に関する。
従来の技術
スイッチドリラクタンス回転機として、スイッチドリラクタンス電動機およびスイッチドリラクタンス発電機がある。
従来のスイッチドリラクタンス電動機を図32に示す。
図32に示されるように、例えばスイッチドリラクタンス電動機50は、回転軸方向から見て十文字状に形成された突極を有する４極の回転子51の周囲に６極の固定子52が配置され、各固定子52の突極には巻き線53が集中巻きされてなる。巻き線53に通電される電流（巻線電流と称する。）は、一方向であり、直流成分を含んだ歪波電流が通電される。なお、図32において54で示すのはインバータであり、55で示すのは直流電源である。
このような構造を有するスイッチドリラクタンス電動機50は、外周面に突極を有する回転子51を固定子52の突極が吸引することによりトルクが発生して、回転子51が回転するようになっている。このような構造のスイッチドリラクタンス電動機50においては、回転子51が偏心していたり、回転子51の機械加工に誤差があると大きな半径方向力が発生し、これが原因となって電磁振動などを発生するという問題点がある。しかも、効率を高くするために回転子51と固定子52のギャップ長を極めて小さくすると、通常の電動機に比較すると電磁振動および騒音が発生するという問題点もある。
このような問題点は、スイッチドリラクタンス発電機においても同様に存在する。
この発明は前記事情に基づいて完成された。この発明の目的は、前記問題点を解決することにある。この発明の他の目的は、回転子の回転中に回転軸変位が発生しても自動的にその変位を是正して、電磁振動を防止すると共に磁気力により回転子を浮上支持して、円滑な回転軸の回転を実現することのできるスイッチドリラクタンス回転機を提供することにある。
発明の開示
この発明は、ｎ個（ただしｎは２以上の整数である。）の突極を備えた回転子と、該回転子を囲んで配置され、かつｎ±２個の突極を備えた固定子と、前記固定子のそれぞれの突極に設けられた巻線と、前記回転子の突極位 置に応じて順次前記巻線に通電し前記固定子突極を励磁 することにより前記回転子の突極と前記固定子突極の吸 引力により前記回転子にトルクを発生させ、かつ前記回転子に半径方向力を発生させるように巻線に通電する電流を制御する電流制御装置とを備え、
相対向する前記固定子突極の前記巻線の電流振幅が異な ることを特徴とするスイッチドリラクタンス回転機であり、
前記スイッチドリラクタンス回転機においては、前記巻線は、それぞれ独立に通電可能に各固定子の突極にそれぞれ独立に倦回されてなり、前記電流制御装置は、半径方向力を発生するように、各巻線に通電される電流を独立に制御可能に形成されてなり、
また、前記スイッチドリラクタンス回転機においては、前記巻線は、独立に通電可能な複数組の巻線群からなり、前記電流制御装置は、半径方向力を発生するように、前記巻線群に通電される電流を独立に制御可能に形成されてなり、
他の発明は、ｎ個（ただしｎは２以上の整数である。）の突極を備えた回転子と、該回転子を囲んで配置され、かつｎ±２個の突極を備えた固定子と、前記固定子のそれぞれの突極に設けられ前記回転子の突極位置に応じて 順次、通電し前記固定子突極を励磁することにより前記 回転子の突極と前記固定子突極の吸引力により前記回転子に回転トルクを発生させるトルク発生用巻線とを有するスイッチドリラクタンス回転機において、前記固定子の突極それぞれに、回転子を磁気浮上可能にこの回転子に対して半径方向力を付与する半径方向力発生用巻線を設けてなり、
前記半径方向力発生用巻線に電流を流すことで突極の磁 束密度をアンバランスにして、半径方向を発生するよう に構成したことを特徴とするスイッチドリラクタンス回転機であり、
このスイッチドリラクタンス回転機は、前記回転子の半径方向における偏位を検出する偏位検出器と、前記偏位検出器より出力される検出信号を入力して、前記半径方向力発生用巻線に制御信号を出力する制御部とを有することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
図１は、この発明のスイッチドリラクタンス回転機において回転子にトルクを発生させる原理を説明する説明図である。
図２〜４は、この発明のスイッチドリラクタンス回転機において回転子に半径方向力を発生させる第１の方式を説明する説明図である。
図５〜７は、この発明のスイッチドリラクタンス回転機において回転子に半径方向力を発生させる第２の方式を説明する説明図である。
図８〜10は、この発明のスイッチドリラクタンス回転機において回転子に半径方向力を発生させる第３の方式を説明する説明図である。
図11〜13は、この発明のスイッチドリラクタンス回転機において回転子に半径方向力を発生させる第４の方式を説明する説明図である。
図14は、この発明のスイッチドリラクタンス回転機において固定子の突極に倦回された半径方向力発生用巻線におけるインダクタンス、電流、磁束交差数と回転角との関係を示す説明図である。
図15は、半径方向力発生用巻線に通電される電流と磁束鎖交数との関係を示すグラフである。
図16は、半径方向力は対極する極の磁束密度B₊、B_-の二乗の差に比例することを説明するための説明図である。
図17は、半径方向力を発生させるために半径方向力発生用巻線に通電する電流量を決定する３種のシステムを示すブロック図である。
図18は、電流ｉから磁束鎖交数Ψを推定する推定回路を示す説明図である。
図19は、半径方向力発生用巻線に通電される電流値と磁束鎖交数との関係を示すグラフである。
図20は、半径方向力を発生させるために必要な電流指令値を、回転軸の半径方向位置を示すデータから、決定する手法を示すブロック図である。
図21〜22は、この発明のスイッチドリラクタンス回転機において回転子に半径方向力を発生させる第５の方式を説明する説明図である。
図23〜24は、この発明のスイッチドリラクタンス回転機において回転子に半径方向力を発生させる第５の方式の他の例を説明する説明図である。
図25は、半径方向力を発生させるための第２の手法に属する第６の方式を説明する説明図である。
図26〜27は、この発明のスイッチドリラクタンス回転機において回転子に半径方向力を発生させる第７の方式の他の例を説明する説明図である。
図28は、この発明の一実施例を示す概略説明図である。
図29は、この発明の他の実施例を示す概略説明図である。
図30は、図29に示されるスイッチドリラクタンス電動機における回転子および固定子を示す概略説明図である。
図31は、この発明の更に他の実施例を示す概略説明図である。
図32は、従来の一般的なスイッチドリラクタンス電動機を示す概略説明図である。
発明を実施するための最良の形態
この発明のスイッチドリラクタンス回転機は、複数の突極を備えた回転子と、前記回転子を囲んで配置され、かつ回転子に向かって形成された複数の突極を備えた固定子と、前記固定子の突極に倦回された巻線とを有する。回転子における突極の数と固定子に設けられた突極の数とは相違する。回転子が静止している状態において、固定子の突極の位置と回転子の突極の位置とがずれるように形成される限り、固定子における突極の数と回転子における突極の数とに制限がない。一般的に言うと、固定子における突極の数は偶数個である。また、固定子および回転子における突極の数が多ければ多いほど回転子の回転が円滑になる。
このスイッチドリラクタンス回転機において回転子にトルクが発生する原理は次のようである。たとえば図１に示されるように、６極の突極１を有する固定子２と４極の突極３を有する回転子４を備え、固定子２における各突極１に巻線５が倦回され、かつ相対向するように配置された一対の突極に倦回された巻線５が電気的に接続されてＡ相、Ｂ相およびＣ相の６極が形成されている場合を例にすると、時計回りのトルクを発生させるためには、たとえばＢ＋から電流を流し込み、Ｂ−から電流が出るように通電すると、Ｂ相の突極１が励磁され、励磁されたＢ相の極に回転子の突極３が吸引される。したがって、回転子の突極３の位置に応じて電流を流す巻線を順次に切り替えることにより回転子にトルクが発生する。なお、図１を初めとするその他の図において、巻線を模式的に示す○の中に記された・および×は電流の流れる方向を示し、・は紙背から紙面に突き抜ける方向を示し、×は紙面から紙背に突き抜ける方向を示す。
低速で回転子を回転させるときには、電流ピーク値がほぼ一定値となるような方形波状の波形を有する電流を巻線に通電するのが良く、また、回転子にかかる負荷が小さいときには、前述した方形波電流を流す期間を短くし、または電流波高を小さくするのがよい。
この発明に係るスイッチドリラクタンス回転機においては、回転子の回転中心からの偏位を検出する検出手段から出力される偏位データに基づいて、回転子に半径方向力を付与することにより、回転子の偏位を防止し、また回転子の磁気浮上が可能になっている。
この発明においては、この回転子に半径方向力を発生させるには二種の手法が採用される。
第１の手法は、固定子の突極それぞれに倦回された巻線にトルク発生用の電流を通電し、かつ、回転子に半径方向力が発生するように、巻線に制御された電流を流すことである。この第１の手法では大きな半径方向力の発生が可能であるから、スイッチドリラクタンス回転機の回転軸にトルクを付与するために特に大きなインバータを必要としないという利点がある。したがって、この手法を採用するスイッチドリラクタンス回転機は、回転軸のトルクは小さくてもよいが大きな半径方向力を必要とする場合に好適である。
第１の手法にはさらにいくつかの方式がある。
第１の方式は、一例として、固定子に12個の突極が設けられ、かつその突極それぞれに巻線が倦回され、一方、回転子には８個の突極が設けられている場合に、各巻線に、半径方向力を発生するように、互いに独立に制御された電流を流すことである。図２に示されるように、Ｙ方向の力F_AYを発生させるには、固定子２の突極１に倦回されたA_Y ⁺巻線５の電流を増加させ、前記A_Y ⁺巻線５を倦回する突極１に相対向する突極１に倦回されたA_Y ^-巻線５の電流を減少させる。同様にしてＸ方向の力F_AXも発生させることができる。
同様に、図３および図４に示されるように、Ｙ方向の力F_BYを発生させるには、固定子２の突極１に倦回されたB_Y ⁺巻線５の電流を増加させ、前記B_Y ⁺巻線５を倦回する突極１に相対向する突極１に倦回されたB_Y ^-巻線５の電流を減少させ、Ｙ方向の力F_CYを発生させるには、固定子２の突極１に倦回されたC_Y ⁺巻線５の電流を増加させ、前記C⁺巻線５を倦回する突極１に相対向する突極１に倦回されたC_Y ^-巻線５の電流を減少させる。
結果として、固定子２における各突極１により生じる磁束数に応じて三種の半径方向力を合成して任意の半径方向力を発生させることができる。この第１の方式では、12個の突極に倦回する巻線のために24本の配線が必要であり、12個の巻線に独立に制御された電流を流すための制御装置たとえば12相インバータが必要になる。
要するに、この第１の方式では、固定子に設けられた任意の数の突極それぞれに倦回された巻線に、それぞれ独立に電流を流し、流す電流量を制御することにより任意の方向に向かう半径方向力を発生させる。
第２の方式は、一例として、図５に示されるように、固定子２に12個の突極１が設けられ、かつその突極１それぞれに巻線５が倦回され、一方、回転子４には８個の突極３が設けられている場合に、固定子２における互いに直交する方向に位置する２個の突極１に倦回された巻線５と、これら２個の突極１に相対向して位置する他の突極１に倦回された巻線５とに、それぞれ、異なる電流値の電流を流す。
図５において、突極1aに倦回された巻線５とこれに直交する方向に配置される突極1bに倦回された巻線５とに電流i_a1を流し、他の突極1cに倦回された巻線５とこれに直交する方向に配置される突極1dに倦回された巻線５とに電流i_a2（ただし、i_a1＞i_a2）を流すと、突極1a,1bの磁束密度が高くなり、半径方向力F_aが発生する。一方、i_a1＜i_a2であると、前記F_aとは反対側方向に向く半径方向力F_aが発生する。同様にして、図６に示されるように電流i_b1および電流i_b2（ただし、i_b1＞i_b2）を流すことにより、半径方向力F_bが発生し、図７に示されるように、電流i_c1および電流i_c2（ただし、i_c1＞i_c2）を流すことにより、半径方向力F_cが発生する。この三方向の力を合成することにより所望方向および大きさの半径方向力が発生する。
この第２の方式においては、たとえば12個の突極に倦回された巻線により６相の磁束が形成されるのであり、６相インバータが必要になる。
上述したように回転子に半径方向力を発生させる第１の手法はトルクを発生させる巻線中に半径方向力を発生させるように制御された電流を流す方式であり、したがって、トルク発生用の巻線と半径方向力発生用の巻線とが共用されている。
一方、この発明において、回転子に半径方向力を発生させる第２の手法は、固定子の突極にトルク発生用の巻線（トルク発生用巻線とも称される。）の外に、半径方向力発生用の別の巻線（これを差動巻線あるいは半径方向力発生用巻線と称することがある。）を設けることである。差動巻線を施してトルク発生用巻線による磁束を差動巻線の磁束により不平衡にして半径方向力を発生させるこの第２の手法を採用するスイッチドリラクタンス回転機は、主としてトルク発生を目的とするベアリングレス回転機に好適である。
この第２の手法には、さらにいくつかの方式に分けることができる。
第３方式（第１の手法において第１方式および第２方式としたので以下連番によって方式を表示する。）では、図８〜図10に示されるように、たとえば、固定子２に12個の突極１が設けられ、かつその突極１それぞれにトルク発生用巻線６が倦回され、一方、回転子４には８個の突極３が設けられてなるスイチドリラクタンス回転機において、固定子２における一方の突極１に倦回された巻線と前記一方の突極に相対向する他方の突極に倦回された巻線とを直列に結線し、６組の半径方向力発生用巻線7aを形成する。
図８に示すように、互いに対向する突極１に倦回された半径方向力発生用巻線7aに電流i_a1を流すと、図８において、左から右への方向に半径方向力が発生し、反対方向に電流i_a1を流すと右から左への方向に半径方向力が発生する。同様に、前記半径方向力発生用巻線7aとは直交する方向にある半径方向力発生用巻線7aに電流i_a2を流すと、図８において、下から上への方向に半径方向力が発生し、反対方向に電流i_a2を流すと、上から下への方向に半径方向力が発生する。同様に、図９および図10に示されるように、ｂ相の半径方向力発生用巻線7bおよびｃ相の半径方向力発生用巻線7cにそれぞれ電流を流すと、F_b1、F_b2、F_c1、F_c2の半径方向力が発生する。したがって、これら６組の半径方向力発生用巻線7a、7b、7cに通電することにより６個の半径方向力が発生するから、各半径方向力発生用巻線7a、7b、7cに通電する電流値を制御することにより任意の方向の半径方向力を形成することができる。
第４方式は、図11〜13に示されるように、たとえば、固定子２に12個の突極１が設けられ、その12個の突極１は互いに直交する位置にある突極１同士でＡ相、Ｂ相およびＣ相の三群に分け、12個の突極１それぞれにトルクを発生させるためのトルク発生用巻線６および半径方向力発生用巻線７が倦回され、Ａ相の突極1Aに倦回されるトルク発生用巻線6Aは互いに直列に結線され、同様にＢ相の突極1Bに倦回されるトルク発生用巻線6BおよびＣ相の突極1Cに倦回されるトルク発生用巻線6Cもそれぞれ直列に結線される。Ａ相の突極1Aを構成する４個の突極それぞれに倦回される半径方向力発生用巻線7Aに関し、図11に示されるように、互いに直交する位置にある２個の半径方向力発生用巻線7Aは、その突極1Aに倦回されているトルク発生用巻線6Aにおける電流の方向と同じ方向に電流が流れるように倦回され、前記２個の半径方向力発生用巻線7Aに相対向する２個の半径方向力発生用巻線7Aは、その突極1Aに倦回されているトルク発生用巻線6Aにおける電流の方向と反対方向に電流が流れるように倦回され、しかも前記した電流の向きとなるように４個の半径方向力発生用巻線7Aが直列に結線されている。
ここで、図11に示されるように、半径方向力発生用巻線7Aに電流i_aを流し込むと、突極1Aでは磁束密度が増加し、他の突極1Aでは磁束密度が低下する。その結果として、Fa方向の半径方向力が発生する。
図12に示されるように、同様にして半径方向力発生用巻線7Bに電流i_bを流し込むことによりFb方向の半径方向力が発生し、図13に示されるように、同様にして半径方向力発生用巻線7Cに電流i_cを流し込むことによりFc方向の半径方向力が発生する。したがって、電流i_a、i_b、i_cを制御することにより３方向の半径方向力の合成として任意の方向の半径方向力を発生させることができる。
上述したように第１の方式から第４の方式までにおいては、３方向または６方向の半径方向力の合成として所定方向の半径方向力が発生する。少なくとも２方向の半径方向力が発生可能であれば所望の半径方向力を発生させることができるので、３方向または６方向の半径方向力の発生は簡単であるように見える。
現実には、トルクを発生させるためにトルク発生用巻線により励磁される極が切り替わっている。
たとえば、図14にＡ相におけるインダクタンスの増減、トルク発生用巻線に供給する電流（すなわち、モータ駆動電流である。）、および磁束鎖交数と回転子の回転角度との関係が描かれている。図14には磁束鎖交数と電流との関係が示される。図14に示されるように、インダクタンスが立ち上がる付近でトルク発生用巻線に電流を流し、回転子のトルクを発生させる。
図14から、（１）電流の流れる区間は限られている、（２）磁束鎖交数が高くなり、ギャップ磁束が高くなる区間は、さらに限られる（図14に示されるＡ点とＢ点との中間点からＣ点までの区間に限られる。）、（３）Ａ相からＣ相までの磁束交差数がいずれも小さい区間が存在する。図15には、半径方向力発生用巻線に通電される電流と磁束鎖交数との関係が示される。
図16に示すように、半径方向力は対極する極の磁束密度B₊、B_-の二乗の差に比例する。したがって、磁束鎖交数が多ければ、半径方向力発生用巻線に少ない電流を流すことにより大きな半径方向力を発生させることができる。そうすると、磁束鎖交数の多い区間に入っている極の磁束密度をアンバランスにすることにより、効率良く半径方向力を発生させることができる。
そこで、可能な限りＡ相〜Ｃ相の磁束鎖交数が多い区間が必要である。
この３相の中で、少なくとも前記第１の方式および第３の方式では１相、前記第２の方式および第４の方式では２相において常に磁束鎖交数が多く保持されていることが望ましい。
一方、図16に示すモデルでは、半径方向力Ｆは以下の式（１）で示される。
Ｆ＝（S/2μ_０）・（B₊ ²−B_- ²） ・・・（１）
ただし、上記式（１）において、Ｓは回転子の突極と固定子の突極とのギャップにおける面積を示し、μ_０は４π×10^-7H/mであり、B₊およびB_-は磁束密度を示す。図16中、Ｎは巻線の巻き数である。
今、図16において、上側巻線の磁束鎖交数をΨ_＋、下側巻線の磁束鎖交数をΨ₋とし、巻線の巻き数をＮとすると、磁束密度B₊およびB_-はそれぞれ、B₊＝Ψ₊/（NS）、およびB_-＝Ψ_-/（NS）である。したがって、前記式（１）は、代入により、式（２）に書き換えられる。
Ｆ＝（２μ_０・N²・Ｓ）^-1・（Ψ₊ ²−Ψ_- ²） ・・・・（２）
簡単のために、磁気的に線形であると仮定し、インダクタンスをＬとして巻線に流れる電流をi₊、i_-賭すると、Ψ_＋＝Ｌ・i₊、Ψ₋＝Ｌ・i_-であるので、前記式（２）は式（３）に書き換えられる。
Ｆ＝L²・（２μ_０・N²・Ｓ）^-1・（i₊ ²−i_- ²）・・・・（３）
さらに、動作点近傍で線形化し、i₊＝i₀＋ｉ、i_-＝i₀−ｉ（ただし、ｉ＜＜i₀であるとする。）とすれば、
i₊ ²−i_- ²＝（i₀＋ｉ）^２−（i₀−ｉ）^２＝4i₀・ｉである。
これを式（３）に代入すると、式（４）が得られる。
Ｆ＝L²・（２μ_０・N²・Ｓ）^-1・4i₀・ｉ
＝（2L²・i₀・ｉ）（μ_０・N²・Ｓ）^-1 ・・・（４）
この式（４）により半径方向力Ｆは微小電流ｉに比例することが明かである。
そこで、たとえば第１の方式において、Ａ相のＹ方向については、図17に示されるシステム１により電流を決定することができる。
図17において、i_A ^＊は回転子にトルクを発生させるための電流指令値であり、Ｆ^＊は半径方向力を発生させるための電流指令値である。Ｆ^＊から、前記式（４）を用いて、ｉについて時、演算結果をi_S ^＊とし、これとi_A ^＊とを加算してi_aY ⁺を得、前記i_s ^＊とi_A ^＊との減算処理をしてi_aY ^-を得る。そして、図２に示されるA_Y ⁺巻線に電流i_aY ⁺を流し、A_Y ^-巻線に電流i_aY ^-を流す。
Ｆ^＊が変わらないときに、Ａ相の磁束鎖交数が小さい場合には、i_A ^＊が小さく、i_s ^＊が大きくなる。
半径方向力のダイナミックレンジが広い場合には、前記式（４）を用いることができないので、式（３）を用いる。この場合は、図17におけるシステム２が採用されることにより、i₊ ²−i_- ²を制御することができる。
鉄芯の非線形性を考慮する必要がある場合は、図17に示されるシステム３が採用される。Ｆ^＊より、式（２）を逆に解いて（Ψ₊ ²−Ψ_- ²）^＊を算出する。これを図17におけるシステム３に示されるように推定したΨ_＋、Ψ₋より（Ψ₊ ²−Ψ_- ²）を算出し、（Ψ₊ ²−Ψ_- ²）^＊と比較し、電流の不平衡を発生させる。この際、（Ψ₊ ²−Ψ_- ²）は検出値であってもよい。図17および図18に示されるところの、電流から磁束鎖交数Ψを推定する推定回路は、図19に示すように、回転角および電流と磁束鎖交数Ψとの非線形関数を組み込んでなり、検出された回転角に応じて、電流値ｉから磁束鎖交数Ψを算出することができるようになっている。
差動巻線（すなわち半径方向力発生用巻線）を設ける第３の方式では、図17に示されるシステム１〜３は以下のように対応する。
図17におけるシステム１では、i_A ^＊が差動巻線電流となる。図17におけるシステム２では、差動巻線電流をi_Sとすると、
i₊ ²−i_- ²＝（i_A ²＋i_S ²）−（i_A ²−i_S ²）
＝2i_A ²＋4i_A・i_S＋2i_S ²となり、
この関係から、
2i_A ²＋4i_A・i_S＋2i_S ²−（i₊ ²−i_- ²）＝０となる。
この式を解いて（i₊ ²−i_- ²）よりi_Sを算出すればよい。このため、i_ay ⁺²−i_ay ^-2の演算は省略してもよい。
一方、システム２におけるコントローラの形式を変えずに、コントローラの出力をi_Sとして、i_ay ⁺、i_ay ^-を検出してもよい。
図17におけるシステム３では、コントローラの出力をi_Sとするのがよい。Ψ_＋およびΨ₋の演算では、i_A ^＊は検出値でも良く、i_S ^＊も検出値を用いてもよい。
前記第２の方式では、図17におけるシステム１〜３において、i_ay ⁺、i_ay ^-がi_a1、i_a2に対応する。
前記第４の方式は、第３の方式と同様である。
ところで、システム１〜３では、i_A ^＊が０あるいは小さいときには、それぞれｉ、i_S ^＊、i_A ^＊が大きくなる。i_A ^＊＞（i_S ^＊またはｉ）付近にi_S ^＊、ｉを抑制する。すなわち、i_S ^＊あるいはｉがi_A ^＊に近いということは、その極あるいは相で発生可能な半径方向力よりもＦ^＊が大きい際に発生する。このようなときには、回転機のコントローラに信号を送り、磁束レベルを上げる必要がある。
このような状況を避けるために、図20に示されるように、回転軸のＸ方向の位置および回転軸のＹ方向の位置を検出する検出器（偏位検出器）から、半径方向位置についてのデータが半径方向位置コントローラ10に入力され、この半径方向位置コントローラ10により半径方向力指令値Ｆα^＊、Ｆβ^＊を決定し、これらの半径方向力指令値Ｆα^＊、Ｆβ^＊を半径方向力ベクトル分配器11に出力し、この半径方向力ベクトル分配器11で必要な半径方向力をベクトル分解する。
このとき、各相の磁束レベルを照会し、発生可能なベクトルに分解する必要がある。
磁束レベルが不足する場合には、回転機コントローラ12に磁束レベル増加要求を指令する。指令を受けた回転機コントローラ12は、トルク分は変化させずに磁束レベルを増加させる電流指令値i_A ^＊、i_B ^＊、i_C ^＊を発生させ、出力する。この電流指令値i_A ^＊、i_B ^＊、i_C ^＊と、半径方向力ベクトル分配器11から出力される三方向の半径方向力F_a ^＊、F_b ^＊、F_c ^＊とが、図17に示されるシステム１〜３のいずれかを内蔵する半径方向力コントローラ13に出力され、半径方向力コントローラ13からたとえばY⁺方向およびY^-方向の半径方向力発生用巻線に流し込む電流指令値i_aY ⁺、i_aY ^-を出力する。このようにして必要な半径方向力を発生させることができる。
なお、図20において、速度コントローラ13は回転子の回転速度を検出する速度検出器から出力される速度検出データを入力して、所定の回転速度にするためのトルクを決定してトルク指令値を出力する。また、インバータON/OFF指令器14は、回転機コントローラ12から出力される電流指令値i_A ^＊、i_B ^＊、i_C ^＊を入力して、インバータにON、OFFの切替を指令する信号を出力する。
なお、以上の方式を簡単化することもできる。すなわち、予め半径方向力発生用巻線に流し込む電流の発生可能なMMFあるいは磁束を計算し、この磁束より小さい磁束レベルにならないように、回転機側で電流指令を発生させればよい。発生すべき半径方向力が小さくても良い場合には、この手法は有効である。この手法では、磁束レベル増加要求は不用になる。この手法は、磁束レベル増加が予め発生しないように回転機をコントロールすることに等しい。
第２の手法に属する第５の方式は、固定子の全突極を４つの群に分け、４つの群の内一の群に属する突極とこれら突極に相対向する位置にある他の群に属する突極とを集中巻きしてなる。
たとえば、図21および図22に示されるように、固定子２に12個の突極１が形成されている場合に、隣接する３個ずつの突極１を選択して４つの群に分け、所定の３個の突極１とこれに相対向する位置にある３個の突極１とに巻線を集中巻きする。この図21および図22においては、相対向する突極１同士に巻線が集中巻きされてなる。この図21および図22に示される集中巻きによると、６個の半径方向力発生用巻線▲１▼〜▲６▼が形成され、12本の配線が必要になる。そして、独立に制御された電流が各半径方向力発生用巻線▲１▼〜▲６▼に流し込まれる。通電される電流は図21および図22における巻線方向と一致する。各半径方向力発生用巻線▲１▼〜▲６▼に流される電流値を制御することにより、各半径方向力発生用巻線▲１▼〜▲６▼により発生する半径方向力のベクトル和として、所定の方向に向かう半径方向力が発生する。このような集中巻きによると、各半径方向力発生用巻線▲１▼〜▲６▼に流される電流の瞬時値から半径方向ベクトルを演算することにより、高精度に効率良く半径方向力を発生させることができる。
集中巻きの方法としては、図23および図24に示されるように隣接する３個の突極に倦回される巻線を相互に直列に結合して２個の半径方向力発生用巻線▲１▼、▲２▼を形成する。この２個の半径方向力発生用巻線▲１▼、▲２▼に流される電流を独立に制御することにより、各巻線により発生する半径方向力のベクトル和としての半径方向力が発生する。このような集中巻きによると、配線が４本で済むという利点がある。
半径方向力を発生させるための第２の手法に属する第６の方式は、たとえば図25に示すように、固定子２における突極１間のスロット８とこのスロット８に対向する位置にあるスロット８とに分布巻きの半径方向力発生用巻線６を施し、この半径方向力発生用巻線６と直交する方向に分布巻きの半径方向力発生用巻線６を、スロット８とこのスロット８に対向する位置にあるスロット８とに施すことである。
一般的に言うと、内側に複数の突極を有する固定子に、任意の突極間のスロットとそのスロットに対向する位置にある他のスロットとに分布巻きの第１の半径方向力発生用巻線を設け、この第１の半径方向力発生用巻線を形成するために利用された一対のスロットに対し直交する方向に位置し、互いに対向した位置にある一対のスロットに分布巻きの第２の半径方向力発生用巻線を設けるのが、第６の方式である。
この第６の方式においては、２個の半径方向力発生用巻線６が設けられ、たとえば図25に示されるように、２個の半径方向力発生用巻線６に対し、一方の半径方向力発生用巻線６にi_X＋i_Yの電流を流し、他方の半径方向力発生用巻線６にはi_X−i_Yの電流を流す。Ｘ軸方向に向かう半径方向力F_Xは電流i_Xに比例し、Ｙ軸方向に向かう半径方向力F_Yは電流i_Yに比例する。
この第６の方式によると、２個の半径方向力発生用巻線を設けるので、配線が４本で済み、また巻線を設けるスロットが４か所だけであるから、この方式によるスイッチドリラクタンス回転機の製造が容易になる。
第２の手法に属する第７の方式は、内側に複数の突極を有する固定子に、任意の突極とこの突極に対向する位置にある突極とを選択し、これら一対の突極に隣接する一方の側の一対のスロットに分布巻きの第１の半径方向力発生用巻線を設け、前記一対の突極に隣接する一方の側の一対のスロットに分布巻きの第２の半径方向力発生用巻線を設け、これら第１および第２の半径方向力発生用巻線を形成するのに利用される突極に直交する方向に位置し、互いに対向する位置にある一対の突極に隣接する一方の側の一対のスロットに分布巻きの第３の半径方向力発生用巻線を設け、前記一対の突極に隣接する他方の側の一対のスロットに分布巻きの第４の半径方向力発生用巻線を設けることである。
具体的には、たとえば図26および図27に示されるように、第１〜第４の半径方向力発生用巻線▲１▼〜▲４▼は次のようにして倦回される。すなわち、たとえば図26に示されるように、第１の半径方向力発生用巻線▲１▼は、固定子２における12個の突極１のうちたとえばＹ方向にある１個の突極１とこの突極１に対向する位置にある他の突極１との一対の突極1,1を選択し、この一対の突極1,1に隣接し、かつ回転軸方向から見て一方の同じ側に位置する一対のスロット８に分布巻きとなるように倦回されてなり、第２の半径方向力発生用巻線▲２▼は、前記第１の半径方向力発生用巻線▲１▼と隣合うように倦回される。この第２の半径方向力発生用巻線▲２▼は、前記第１の半径方向力発生用巻線▲１▼の形成に使用される一対のスロット８に対し前記一対の突極1,1を挟んで反対側に位置する一対のスロット８に分布巻きとなるように倦回されてなる。この第１の半径方向力発生用巻線▲１▼と第２の半径方向力発生用巻線▲２▼とには、同じ方向に電流が流される。
一方、第３の半径方向力発生用巻線▲３▼は、前記第１および第２の半径方向力発生用巻線▲１▼，▲２▼を形成するのに利用された一対の突極1,1に対して直交する方向、たとえば図27に示すようにＸ方向に位置する１個の突極１とこの突極１に対向する位置にある他の突極１との一対の突極1,1を選択し、この一対の突極1,1に隣接し、かつ回転軸方向から見て一方の同じ側に位置する一対のスロット８に分布巻きとなるように倦回されてなり、第４の半径方向力発生用巻線▲４▼は、前記第３の半径方向力発生用巻線▲３▼と隣合うように倦回される。この第４の半径方向力発生用巻線▲４▼は、前記第３の半径方向力発生用巻線▲３▼の形成に使用される一対のスロット８に対し前記一対の突極1,1を挟んで反対側に位置する一対のスロット８に分布巻きとなるように倦回されてなる。この第３の半径方向力発生用巻線▲３▼と第４の半径方向力発生用巻線▲４▼とには、同じ方向に電流が流される。
（例１）
図28は、この発明の一実施例であるスイッチドリラクタンス電動機を示す概略説明図である。
図28に示されるように、このスイッチドリラクタンス電動機21は、４個の突極を互いに直交する方向に配置した回転子22と、６個の突極を互いに60度の中心角をなすように配置した固定子23とを有する。
回転子22の中心には回転軸20が挿通されている。
トルク発生用巻線24に通電される電流の流通方向として、第１の突極23aについては固定子23の外側から回転中心方向に見て時計方向であり、第２の突極23bについては同様に見て反時計方向であり、第３の突極23cについては同様に見て時計方向であり、第４の突極23dについては同様に見て反時計方向であり、第５の突極23eについては同様に見て時計方向巻きであり、第６の突極23fについては同様に見て反時計方向巻きである。
トルク発生用巻線24の結線状態として、第１の突極23aに倦回されたトルク発生用巻線24と第１の突極23aに相対向して配置された第４の突極23dに倦回されたトルク発生用巻線24とが結線され、第１の突極23aに倦回されたトルク発生用巻線24のコイル他端と第４の突極23dに倦回されたトルク発生用巻線24のコイル他端とが電源に接続される。第２の突極23bに倦回されたトルク発生用巻線24と第２の突極23bに相対向して配置された第５の突極23eに倦回されたトルク発生用巻線24とが結線され、第２の突極23bに倦回されたトルク発生用巻線24のコイル他端と第５の突極23eに倦回されたトルク発生用巻線24のコイル他端とが電源に接続される。第３の突極23cに倦回されたトルク発生用巻線24と第３の突極23cに相対向して配置された第６の突極23fに倦回されたトルク発生用巻線24とが結線され、第３の突極23cに倦回されたトルク発生用巻線24のコイル他端と第６の突極23fに倦回されたトルク発生用巻線24のコイル他端とが電源に接続される。
半径方向力発生用巻線25の巻線状態として、第１〜６の全ての突極23a〜23fについては固定子23の外側から回転中心方向に見て反時計方向巻きであり、この方向に電流が流れる。
半径方向力発生用巻線25の結線状態として、第１の突極23aに倦回された半径方向力発生用巻線25と第１の突極23aに相対向して配置された第４の突極23dに倦回された半径方向力発生用巻線25とが直列接続される。第２の突極23bに倦回された半径方向力発生用巻線25と第２の突極23bに相対向して配置された第５の突極23eに倦回された半径方向力発生用巻線25とが直列に結線される。第３の突極23cに倦回された半径方向力発生用巻線25と第３の突極23cに相対向して配置された第６の突極23fに倦回された半径方向力発生用巻線25とが直列に結線される。
電源26は、直流を含んだ歪波電流を前記トルク発生用巻線24に供給することができるように形成される。この実施例においては、電源26は直流電源26aとインバータ26bとで形成される。このインバータ26bからは電気角が30度異なる３相の前記歪波電流で出力される。
上記構成のスイッチドリラクタンス電動機21は以下のように作用する。
インバータ26bから３相の前記歪波電流が出力されることにより固定子23に回転磁界が発生して回転子22が回転する。
回転子22の回転中にその回転軸が変位して、たとえば回転子22の突極が固定子23の第１の突極23aに近接し、他方、回転子22の突極が固定子23の第４の突極23dから離反したとする。そうすると、第１の突極23aにおける半径方向力発生用巻線25中に電流が流れて第１の突極23aにおける磁界が弱まり、他方第４の突極23dにおける半径方向力発生用巻線25中では第４の突極23dに発生する磁界を強めるように電流が流れるので、回転子22の突極が第１の突極23aに接近するように回転軸が変位しても、その変位が解消されて、回転軸の回転中心が元の位置に戻る。
回転子22の回転軸がどの方向に変化しても上述した作用が行われ、結局のところ、回転軸の変位が是正される。
この実施例に示される電動機であると、（１）磁気力により主軸をラジアル方向に支持することが可能である、（２）半径方向力発生用巻線25に通電する電圧、電流が少なくて済む等の特長ないし利点がある。
前記実施例においては回転子22の突極の数は４個であり、固定子23の突極は６個であったが、この発明においては、固定子23の突極の数Ｎと回転子22の突極の数ｎ（ただしｎは２以上の整数である。）との関係がＮ＝ｎ±２を満たす限り、回転子22の突極の数および固定子23の突極の数に制限はない。なお、このような回転子の突極の数および固定子の突極の数についての前記関係は、以下の例２および例３を含むこの発明全般において成立する。
なお、半径方向力発生用巻線に接続されるインバータなどを省略して単に短絡あるいは受動素子回路を接続することにより特定の回転速度で磁気力により軸支持が可能になる。
（例２）
図29はこの発明の一実施例であるスイッチドリラクタンス電動機（以下において電動機と略称する。）を示す。なお、図29において、図28に示されたのと同じ機能を有する部材については図28において使用した番号を使用した。
図29に示すように、このスイッチドリラクタンス電動機21aは、４個の突極を互いに直交する方向に配置した回転子22と、６個の突極を互いに60度の中心角をなすように配置した固定子23と、２個の変位検出センサー27a,27bと、電源28a,28bと、制御部29とを有する。
回転子22の中心には回転軸が挿通されている。
固定子23の６個の突極においてはそれらの内の２個が互いに相対向するように配置される。固定子23の各突極には、トルク発生用巻線24が倦回され、かつ半径方向力発生用巻線25が倦回される。
トルク発生用巻線24の電流流通方向および結線状態は前記例１におけるのと同様であるが、トルク発生用巻線24の端末は、電源の一部であるスイッチドリラクタンス機用インバーター28aに接続される。
半径方向力発生用巻線25の巻線状態は前記例１におけるのと同様であるが、半径方向力発生用巻線25の端末は制御部29に接続される。この場合、半径方向力発生用巻線25は、３相の交流が印加されるように、電源の一部であるインバータ28bに接続されている。
電源は、トルク発生用巻線24に直流を含んだ３相の歪波電流を出力するスイッチドリラクタンス機用インバーター28aと、半径方向力発生用巻線25に３相の交流を出力するインバータ8bとを有する。
２個の変位センサー27a,27bの内１個の変位センサー（第１変位センサー27aと略称する。）は回転子22の回転軸の径方向であるｘ方向に位置する固定子23に配置され、回転子22がｘ方向に変位する回転軸の位置を検出して測定して検出信号を制御部29に出力し、他の変位センサー（第２変位センサー27bと略称する。）は回転子22の回転軸の径方向であるｙ方向に位置する固定子23に配置され、回転子22がｙ方向に変位する回転軸の位置を検出、測定して検出信号を制御部に出力する。
制御部29は予め設定された回転子22の回転軸の中心位置と回転子22の回転軸の変位位置とから変位量を算出し、その変位量を０にするために半径方向力発生用巻線25に出力する所定電圧値および所定電流値を算出し、そのような電流を出力するべく指示信号をインバータ28bに出力するように構成される。この実施例では、基準信号出力部（図示せず。）と、減算処理部29aと、増幅部29bと、ゲイン調整・相変換部29cとを有する。
前記基準信号出力部は、回転子22の回転軸についての予め設定された基準信号であるところの、ｘ方向の位置を示す基準信号としてα^＊を、ｙ方向の位置を示す基準信号としてβ^＊をそれぞれ出力する。減算処理部29aは、第１変位センサー27aから出力されるところの、回転軸のｘ方向位置を示す検出信号αを入力して前記基準信号α^＊と検出信号αとの減算処理（α^＊−α）を行い、また、第２変位センサー27bから出力されるところの、回転軸のｙ方向位置を示す検出信号βを入力して前記基準信号β^＊と検出信号βとの減算処理（β^＊−β）を行うように設計される。増幅部29bは、前記減算処理部29aで得られたところの回転軸の変位量を示す誤差信号εα、εβを増幅するように構成され、この実施例では比例積分微分コントローラで構成されて誤差信号εをその周波数に応じて増幅し、半径方向の力を示す指令値Ｆα^＊,Fβ^＊を出力するようになっている。ゲイン調整・相変換部29cは、前記指令値Ｆα^＊,Fβ^＊を入力して半径方向力発生用巻線25に出力する電圧瞬時値および／電流瞬時値を算出して前記インバータ28bに指示信号（i_u2 ^＊、i_v2 ^＊、i_w2 ^＊）を出力する。
前記インバーターは制御部29からの指示信号に基づいて半径方向力発生用巻線25に所定の電圧瞬時値および／電流瞬時値を有する正負両方向の電流（i_u2、i_v2、i_w2）を供給する。
上記構成の電動機においては、次のように作用して回転子22の回転軸の変位が是正される。
図30に示すように、固定子23の突極に倦回されているトルク発生用巻線24にスイッチドリラクタンス機用インバーター28aから、直流成分を含んだ歪波電流が通電される。電流は一方向であるから各トルク発生用巻線24には図30に示された方向に電流が流れているか、あるいは０である。したがって、６個の磁極の内a⁺、b⁺およびc⁺は常にＳ極に励磁される。一方、a^-、b^-およびc^-はＮ極に励磁される。今、半径方向力発生用巻線25にインバータから正方向の電流を流すとトルク発生用巻線24と等しい方向に電流が流れるので磁束が強め合い磁束密度が高くなる。一方、a^-の磁極ではトルク発生用巻線24と半径方向力発生用巻線25の起磁力方向が反対であるので磁束が弱められ磁束密度が低下する。その結果、回転子22には、a⁺の磁極に吸引される力が発生する。すなわち、図30において、Faで示す方向の半径方向力が発生する。
また、Faとは反対方向に向く半径方向の力（半径方向力とも言う。）を発生させるには、半径方向力発生用巻線25に逆方向の電流を通電する。したがって、トルク発生用巻線24に通電される電流の方向は一方向であるが、半径方向力発生用巻線25に通電される電流は両方向である。
上記したのと同様の原理にて、図30中のｂ、ｃについてのトルク発生用巻線24と半径方向力発生用巻線25により発生する磁束の相互作用によりFb方向、Fc方向およびこれらとは反対方向の力を発生させることができる。これらの半径方向に向く力すなわち半径方向力のベクトルの大きさを制御することによりベクトル合成の結果として回転子22に発生する半径方向力の大きさと方向とを制御することができる。
もし、トルク発生用巻線24に通電される電流が０であると、半径方向力はベクトルの方向には発生しない。そこで、少なくとも２つの相の電流を０とならないようにすることにより、常に２方向の半径方向力ベクトルを発生させることができ、その結果、回転子22に作用する半径方向力の大きさと方向とを任意に選択することができる。
この実施例では、回転子22が高速で回転しているときにその回転軸が変位した場合に上記原理によってその変位が解消される。
この例においては、半径方向力発生用巻線25がトルク発生用巻線24に対して差動形になっているという特長を有する。この点から、この例に示される電動機は以下のような利点ないし特長がある。（１）トルク発生用巻線24の磁束による誘起起電圧が発生しない。このために半径方向力発生用巻線25に必要な端子電圧が極めて小さくて済み、大電力を使用せずに済む。（２）半径方向力を発生させる必要のないときには、半径方向力発生用巻線25に通電する電流はゼロで済み、バイアス電流を印加する必要が全くない。それだけ電気的構成を簡素化することができる。（３）配線数が少なくて済むという利点がある。各磁極の巻線に正負両方向の電圧を印加して電流を独立に制御しようとすると、インバータとの配線は12本必要になるが、この実施例では、トルク発生用巻線24に６本の配線と半径方向力発生用巻線３本を追加するだけで良い。（４）所要変換器容量が小さくて済むという利点がある。各磁極の巻線に正負両方向の電圧を印加して電流を独立に制御しようとすると、各巻線毎に電力を変換するための比較的容量の大きい半導体電力変換装置が必要であり、しかも浮上制御しようとすると高速かつ高精度の電流応答が必要であるところ、この実施例では電源として従来のインバータ特に電圧形インバータで十分である。（５）回転子22の回転中心の変位量が小さなときには、半径方向力はほぼトルク発生用巻線24の電流と半径方向力発生用巻線25の電流とこれらの相互インダクタンスの半径方向に対する位置の偏微分の積になる。このため、従来方式に比較して、回転中心付近の広い範囲で線形性が良い。（６）図30に示されるようにｃ相のトルク発生用巻線24の巻き方向にすると、回転子22を通る磁束の方向の交番が少なくなり鉄損が小さいという特長がある。もっとも、図28に示されるように、ｃ相のトルク発生用巻線24を逆向きに接続されている場合に、鉄損が多少あるものの三相対称で簡単であるという特長がある。
（例３）
この例は変位センサーを使用せず、フィードフォワード制御により固定子23鉄心製作上の誤差、巻線の相関の誤差などに起因して生じる半径方向力をキャンセルしようとするスイッチドリラクタンス電動機（単に電動機と略称する。）に関する。
図31に示されるように、このスイッチドリラクタンス電動機21bには、固定子23に変位センサーが設けられず、トルク発生用巻線24に通電される電圧値および／または電流値を観測し、かつ半径方向力発生用巻線25に通電される電圧値および／または電流値を観測することにより、回転子22に生じる変位量を検出する変位観測器10を有することのほかは前記例２と同様の構成を有する。
この図31に示される電動機においては前記例２で示されるような特長ないし利点を有する外に（１）センサーが不要である、（２）構成が単純である、（３）コストが低い、（４）信頼性が高い、（５）小型化を図ることができるという特長ないし利点がある。
産業上の利用可能性
（１） この発明によると回転子の回転軸を電磁力により支持することができ、しかも回転軸の変位を是正するので、電磁振動がなく、超高速回転可能なスイッチドリラクタンス回転機を提供することができる。
（２） この発明によると、上記（１）の技術的効果の外に、半径方向力発生用巻線に通電する電圧、電流が少なくて済むから、小型のスイッチドリラクタンス回転機とすることができる。
（３） この発明によると、上記（１）の技術的効果の外に、精密でアクティブな磁気支持が可能である。
（３） この発明によると、上記（１）の技術的効果の外に、固定子に変位センサーを設ける必要がないので、この点において装置構成の簡単化を図ることができ、低コスト化、高信頼性を達成することができる。

Claims (5)

1. ｎ個（ただしｎは２以上の整数である。）の突極を備えた回転子と、該回転子を囲んで配置され、かつｎ±２個の突極を備えた固定子と、前記固定子のそれぞれの突極に設けられた巻線と、前記回転子の突極位 置に応じて順次前記巻線に通電し前記固定子突極を励磁 することにより前記回転子の突極と前記固定子突極の吸 引力により前記回転子にトルクを発生させ、かつ前記回転子に半径方向力を発生させるように巻線に通電する電流を制御する電流制御装置とを備え、
   相対向する前記固定子突極の前記巻線の電流振幅が異な ることを特徴とするスイッチドリラクタンス回転機。
2. 前記巻線は、それぞれ独立に通電可能に各固定子の突極にそれぞれ独立に倦回されてなり、前記電流制御装置は、半径方向力を発生するように、各巻線に通電される電流を独立に制御可能に形成されてなる前記請求項１に記載のスイッチドリラクタンス回転機。
3. 前記巻線は、独立に通電可能な複数組の巻線群からなり、前記電流制御装置は、半径方向力を発生するように、前記巻線群に通電される電流を独立に制御可能に形成されてなる前記請求項１に記載のスイッチドリラクタンス回転機。
4. ｎ個（ただしｎは２以上の整数である。）の突極を備えた回転子と、該回転子を囲んで配置され、かつｎ±２個の突極を備えた固定子と、前記固定子のそれぞれの突極に設けられ前記回転子の突極位置に応じて 順次、通電し前記固定子突極を励磁することにより前記 回転子の突極と前記固定子突極の吸引力により前記回転子に回転トルクを発生させるトルク発生用巻線とを有するスイッチドリラクタンス回転機において、前記固定子の突極それぞれに、回転子を磁気浮上可能にこの回転子に対して半径方向力を付与する半径方向力発生用巻線を設けてなり、
   前記半径方向力発生用巻線に電流を流すことで突極の磁 束密度をアンバランスにして、半径方向力を発生するよ うに構成したことを特徴とするスイッチドリラクタンス回転機。
5. 前記回転子の半径方向における偏位を検出する偏位検出器と、前記偏位検出器より出力される検出信号を入力して、前記半径方向力発生用巻線に制御信号を出力する制御部とを有することを特徴とする前記請求項４に記載のスイッチドリラクタンス回転機。

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