JPH07208470A - 磁気軸受を用いた同期回転電機とその制御装置及び方法 - Google Patents
磁気軸受を用いた同期回転電機とその制御装置及び方法Info
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- JPH07208470A JPH07208470A JP2194794A JP2194794A JPH07208470A JP H07208470 A JPH07208470 A JP H07208470A JP 2194794 A JP2194794 A JP 2194794A JP 2194794 A JP2194794 A JP 2194794A JP H07208470 A JPH07208470 A JP H07208470A
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- electric motor
- stator
- magnetic bearing
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
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- Electromagnetism (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
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- Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
- Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】回転子に永久磁石を備えた同期電動機を磁気軸
受により支持する回転電機の構成と制御装置を簡単化
し、実用性を向上する。 【構成】同期電動機３を、回転子３１の回転位置を検出
する回転センサ６を有するアキシャルギャップ・縦形と
し、磁気軸受４を、電動機の回転子３１と同心に設けた
円筒状の回転子４１と、固定子４２と、回転子４１と固
定子４２間のエアギャップ値を検出する変位センサ４３
を有するラジアル形とする。回転センサ６から、回転子
３１の回転速度信号を得るＦ／Ｖコンバータと、速度指
令とＦ／Ｖコンバータの比較出力を受けて固定子３２の
励磁位相を制御する速度制御器と、速度制御器の出力を
制限するリミッターと、リミッターの出力を入力するＡ
／Ｄコンバータと、回転子３１の回転位置を示す信号か
らこのＡ／Ｄコンバータの信号を減算する減算器と、減
算器の出力を受けて予め記憶された値を出力するＲＯＭ
の出力を受けてＤ／Ａ変換し、電動機の固定子３２の巻
線を励磁する電流増幅器で構成する。
受により支持する回転電機の構成と制御装置を簡単化
し、実用性を向上する。 【構成】同期電動機３を、回転子３１の回転位置を検出
する回転センサ６を有するアキシャルギャップ・縦形と
し、磁気軸受４を、電動機の回転子３１と同心に設けた
円筒状の回転子４１と、固定子４２と、回転子４１と固
定子４２間のエアギャップ値を検出する変位センサ４３
を有するラジアル形とする。回転センサ６から、回転子
３１の回転速度信号を得るＦ／Ｖコンバータと、速度指
令とＦ／Ｖコンバータの比較出力を受けて固定子３２の
励磁位相を制御する速度制御器と、速度制御器の出力を
制限するリミッターと、リミッターの出力を入力するＡ
／Ｄコンバータと、回転子３１の回転位置を示す信号か
らこのＡ／Ｄコンバータの信号を減算する減算器と、減
算器の出力を受けて予め記憶された値を出力するＲＯＭ
の出力を受けてＤ／Ａ変換し、電動機の固定子３２の巻
線を励磁する電流増幅器で構成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、回転子に永久磁石を備
えた同期電動機を磁気軸受により非接触支持する回転電
機と制御装置及び方法に関する。
えた同期電動機を磁気軸受により非接触支持する回転電
機と制御装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】回転電機は高速化し長寿命化するに加え
て信頼性を高めて高性能化される傾向にある。その傾向
に応えられる要素技術として、非接触支持する磁気軸受
が注目されている。従来、制御形の磁気軸受は、回転軸
を支持するため回転軸以外の５自由度を拘束する５軸制
御の軸受が用いられることが多いが、各制御軸毎に変位
センサと浮上制御器と電流増幅器を必要とするため、軸
受の制御装置は複雑で高価なものであった。そこで、永
久磁石の反発力を利用する反発形の軸受を併用したり、
制御形軸受の制御軸と直交方向に受動的な支持力がある
ことを利用して制御軸数を低減し１軸や３軸制御の軸受
としたり、ラジアル軸受と電動機を同じ鉄心上に形成し
て２つの機能を兼用する軸受などが開発されてきた。ま
た、永久磁石を等極ピッチで配置した回転子と、固定子
の励磁磁極数を永久磁石の極数より２つ多いか２つ少な
くし、回転子と固定子間に働く磁気反発力によって浮上
力と同時に回転力を得る磁気軸受がある（例えば、特開
平４ー１６０２２２号公報）。
て信頼性を高めて高性能化される傾向にある。その傾向
に応えられる要素技術として、非接触支持する磁気軸受
が注目されている。従来、制御形の磁気軸受は、回転軸
を支持するため回転軸以外の５自由度を拘束する５軸制
御の軸受が用いられることが多いが、各制御軸毎に変位
センサと浮上制御器と電流増幅器を必要とするため、軸
受の制御装置は複雑で高価なものであった。そこで、永
久磁石の反発力を利用する反発形の軸受を併用したり、
制御形軸受の制御軸と直交方向に受動的な支持力がある
ことを利用して制御軸数を低減し１軸や３軸制御の軸受
としたり、ラジアル軸受と電動機を同じ鉄心上に形成し
て２つの機能を兼用する軸受などが開発されてきた。ま
た、永久磁石を等極ピッチで配置した回転子と、固定子
の励磁磁極数を永久磁石の極数より２つ多いか２つ少な
くし、回転子と固定子間に働く磁気反発力によって浮上
力と同時に回転力を得る磁気軸受がある（例えば、特開
平４ー１６０２２２号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、前者のよう
な方式では、軸受とは別に駆動用のモータを必要とする
ためそれぞれの固定子、回転子を備えており寸法を小さ
くすることができず全体構造がさほど簡単なものとなっ
ていなかった。また、後者のような方式では、電動機兼
用軸受が磁気吸引力を利用するものであったため、回転
駆動機能と浮上機能を兼ね備えた制御装置を必要とする
ため、回転子と固定子間の回転方向の位相ズレと浮上力
及び回転力の関係が特殊な関数となるため回転制御と浮
上制御の何れにも非線形な関数を制御ループに含み補償
が容易でないという欠点があり、制御装置が複雑とな
り、やはり簡単なものとはなっていなかった。そこで、
本発明はかかる課題に対し、回転電機の構成と制御装置
を簡単化し、実用性を向上することを目的とする。
な方式では、軸受とは別に駆動用のモータを必要とする
ためそれぞれの固定子、回転子を備えており寸法を小さ
くすることができず全体構造がさほど簡単なものとなっ
ていなかった。また、後者のような方式では、電動機兼
用軸受が磁気吸引力を利用するものであったため、回転
駆動機能と浮上機能を兼ね備えた制御装置を必要とする
ため、回転子と固定子間の回転方向の位相ズレと浮上力
及び回転力の関係が特殊な関数となるため回転制御と浮
上制御の何れにも非線形な関数を制御ループに含み補償
が容易でないという欠点があり、制御装置が複雑とな
り、やはり簡単なものとはなっていなかった。そこで、
本発明はかかる課題に対し、回転電機の構成と制御装置
を簡単化し、実用性を向上することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を実現するた
め、本発明の同期回転電機を、等極ピッチで相隣れる磁
石の極性を交互に入替え配置した複数の永久磁石よりな
る電動機の回転子と、この回転子とエアギャップを介し
て対向する、固定子鉄心に巻線を巻回した電動機の固定
子とよりなる永久磁石形同期電動機と、この永久磁石形
同期電動機の回転軸を非接触支持する磁気軸受よりなる
磁気軸受を用いた同期回転電機において、前記永久磁石
形同期電動機が、上部円板の下側・周方向に固着された
永久磁石よりなる電動機の回転子と、この回転子の下側
にエアギャップを介して対向する、固定子鉄心に巻線を
巻回した電動機の固定子と、前記電動機の回転子の回転
位置を検出する回転センサで構成されるアキシャルギャ
ップ・縦形・同期電動機であり、前記磁気軸受が、前記
回転軸に設けた磁性体の鉄心よりなる磁気軸受の回転子
と、この磁気軸受の回転子とエアギャップを介して対向
する、鉄心に巻線を巻回した磁気軸受の固定子と、前記
磁気軸受の回転子とこの磁気軸受の固定子間のエアギャ
ップを検出する変位センサで構成されるラジアル磁気軸
受で同期回転電機を構成する。また、その制御装置は、
永久磁石形同期電動機の回転子の回転位置を検出する回
転センサと、その出力信号から、前記電動機の回転子の
回転速度に比例する信号を得るＦ／Ｖコンバータと、外
部から与える速度指令とこのＦ／Ｖコンバータの出力信
号を比較する比較器と、この比較器の出力信号を受けて
電動機の固定子の励磁磁極位置の位相を制御する速度制
御器と、この速度制御器の信号を受け出力信号の大きさ
を制限するリミッターと、このリミッターの出力信号を
受けてＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータと、前記回転セ
ンサの信号からこのＡ／Ｄコンバータの信号を減算する
減算器と、この減算器の出力信号を受けてあらかじめ記
憶された信号を出力するＲＯＭと、このＲＯＭの出力信
号を受けてＤ／Ａ変換するＤ／Ａコンバータと、このＤ
／Ａコンバータの信号を受けて電流増幅する増幅器とで
構成する。さらに、その制御方法は、前記ラジアル磁気
軸受が、変位センサの信号を受けて磁気軸受の固定子に
電流を供給する軸受制御装置により、磁気軸受の回転子
を磁気軸受の固定子の径方向中央に浮上するよう制御す
ると同時に、前記の磁気軸受を用いた同期回転電機を前
記の磁気軸受を用いた同期回転電機の制御装置により、
前記電動機の回転子の磁極位置と前記電動機の固定子の
励磁磁極の位置をずらして、前記電動機の回転子のアキ
シャル方向の浮上と回転を制御する。
め、本発明の同期回転電機を、等極ピッチで相隣れる磁
石の極性を交互に入替え配置した複数の永久磁石よりな
る電動機の回転子と、この回転子とエアギャップを介し
て対向する、固定子鉄心に巻線を巻回した電動機の固定
子とよりなる永久磁石形同期電動機と、この永久磁石形
同期電動機の回転軸を非接触支持する磁気軸受よりなる
磁気軸受を用いた同期回転電機において、前記永久磁石
形同期電動機が、上部円板の下側・周方向に固着された
永久磁石よりなる電動機の回転子と、この回転子の下側
にエアギャップを介して対向する、固定子鉄心に巻線を
巻回した電動機の固定子と、前記電動機の回転子の回転
位置を検出する回転センサで構成されるアキシャルギャ
ップ・縦形・同期電動機であり、前記磁気軸受が、前記
回転軸に設けた磁性体の鉄心よりなる磁気軸受の回転子
と、この磁気軸受の回転子とエアギャップを介して対向
する、鉄心に巻線を巻回した磁気軸受の固定子と、前記
磁気軸受の回転子とこの磁気軸受の固定子間のエアギャ
ップを検出する変位センサで構成されるラジアル磁気軸
受で同期回転電機を構成する。また、その制御装置は、
永久磁石形同期電動機の回転子の回転位置を検出する回
転センサと、その出力信号から、前記電動機の回転子の
回転速度に比例する信号を得るＦ／Ｖコンバータと、外
部から与える速度指令とこのＦ／Ｖコンバータの出力信
号を比較する比較器と、この比較器の出力信号を受けて
電動機の固定子の励磁磁極位置の位相を制御する速度制
御器と、この速度制御器の信号を受け出力信号の大きさ
を制限するリミッターと、このリミッターの出力信号を
受けてＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータと、前記回転セ
ンサの信号からこのＡ／Ｄコンバータの信号を減算する
減算器と、この減算器の出力信号を受けてあらかじめ記
憶された信号を出力するＲＯＭと、このＲＯＭの出力信
号を受けてＤ／Ａ変換するＤ／Ａコンバータと、このＤ
／Ａコンバータの信号を受けて電流増幅する増幅器とで
構成する。さらに、その制御方法は、前記ラジアル磁気
軸受が、変位センサの信号を受けて磁気軸受の固定子に
電流を供給する軸受制御装置により、磁気軸受の回転子
を磁気軸受の固定子の径方向中央に浮上するよう制御す
ると同時に、前記の磁気軸受を用いた同期回転電機を前
記の磁気軸受を用いた同期回転電機の制御装置により、
前記電動機の回転子の磁極位置と前記電動機の固定子の
励磁磁極の位置をずらして、前記電動機の回転子のアキ
シャル方向の浮上と回転を制御する。
【０００５】
【作用】上記手段により、上部円板部の同期電動機兼用
軸受が反発力を利用しているため浮上のための制御をす
ることなく、回転のみの制御をすれば非接触浮上して回
転することができ、また、制御形のラジアル軸受により
高い支持剛性で径方向の支持ができるため、全体として
構成が簡素化された信頼性の高い回転電機を構成するこ
とができるのである。
軸受が反発力を利用しているため浮上のための制御をす
ることなく、回転のみの制御をすれば非接触浮上して回
転することができ、また、制御形のラジアル軸受により
高い支持剛性で径方向の支持ができるため、全体として
構成が簡素化された信頼性の高い回転電機を構成するこ
とができるのである。
【０００６】
【実施例】以下、本発明の実施例を図に基づいて説明す
る。図１は、実施例の磁気軸受を用いたアキシャルギャ
ップ・縦形・同期回転電機の断面図である。図１におい
て、１は垂直に設けられた回転軸であり上端に円板状の
上部円板２が固着されている。上部円板２の下側外周に
は外縁２２が形成されて段差が設けられている。外縁２
２の内径側には、周方向に着磁された永久磁石３３を極
性を交互に入替え、等極ピッチで配置した円板状の電動
機の回転子３１があり、電動機の回転子３１の外周と外
縁２２の内周、電動機の回転子３１の上面と上部円板２
の下側面が密着して接着等によって上部円板２に固着さ
れている。電動機の回転子３１の下側には、軸方向のエ
アギャップを介し、鉄心に電動機の巻線４４が巻回され
た円板状の電動機の固定子３２がフレーム５に固定され
ている。電動機の回転子３１と電動機の固定子３２でア
キシャルギャップ・縦形・同期電動機３を構成してい
る。電動機の回転子３１の中心部には、中空の強磁性体
よりなる鉄心からなる円筒状の磁気軸受の回転子４１が
固着してあり、その外周にはラジアル方向のエアギャッ
プを介して鉄心に磁気軸受の巻線４５を巻回した複数の
電磁石からなる円筒状の磁気軸受の固定子４２がフレー
ム５に固定してある。磁気軸受の固定子４２の近傍に
は、変位センサ４３を設け、フレーム５に対する回転軸
１の位置すなわち磁気軸受の回転子４１と磁気軸受の固
定子４２間のエアギャップを検出する。磁気軸受の回転
子４１と磁気軸受の固定子４２と変位センサ４３とでラ
ジアル磁気軸受４を構成し、回転軸１と直交し且つ互い
に直交する２方向の浮上制御を可能にしてある。６はフ
レーム５に固定され回転軸１の回転位置を検出する回転
センサである。この回転センサ６によって、電動機の回
転子３１の回転信号Ｎf が検出される。回転信号Ｎ
f は、電動機の固定子３２に対する電動機の回転子３１
の回転位置として、１回転に１パルスの回転基準信号Ｎ
s と１回転に多数パルスの回転位置信号Ｎp に対応する
２つの２進信号として得られる。
る。図１は、実施例の磁気軸受を用いたアキシャルギャ
ップ・縦形・同期回転電機の断面図である。図１におい
て、１は垂直に設けられた回転軸であり上端に円板状の
上部円板２が固着されている。上部円板２の下側外周に
は外縁２２が形成されて段差が設けられている。外縁２
２の内径側には、周方向に着磁された永久磁石３３を極
性を交互に入替え、等極ピッチで配置した円板状の電動
機の回転子３１があり、電動機の回転子３１の外周と外
縁２２の内周、電動機の回転子３１の上面と上部円板２
の下側面が密着して接着等によって上部円板２に固着さ
れている。電動機の回転子３１の下側には、軸方向のエ
アギャップを介し、鉄心に電動機の巻線４４が巻回され
た円板状の電動機の固定子３２がフレーム５に固定され
ている。電動機の回転子３１と電動機の固定子３２でア
キシャルギャップ・縦形・同期電動機３を構成してい
る。電動機の回転子３１の中心部には、中空の強磁性体
よりなる鉄心からなる円筒状の磁気軸受の回転子４１が
固着してあり、その外周にはラジアル方向のエアギャッ
プを介して鉄心に磁気軸受の巻線４５を巻回した複数の
電磁石からなる円筒状の磁気軸受の固定子４２がフレー
ム５に固定してある。磁気軸受の固定子４２の近傍に
は、変位センサ４３を設け、フレーム５に対する回転軸
１の位置すなわち磁気軸受の回転子４１と磁気軸受の固
定子４２間のエアギャップを検出する。磁気軸受の回転
子４１と磁気軸受の固定子４２と変位センサ４３とでラ
ジアル磁気軸受４を構成し、回転軸１と直交し且つ互い
に直交する２方向の浮上制御を可能にしてある。６はフ
レーム５に固定され回転軸１の回転位置を検出する回転
センサである。この回転センサ６によって、電動機の回
転子３１の回転信号Ｎf が検出される。回転信号Ｎ
f は、電動機の固定子３２に対する電動機の回転子３１
の回転位置として、１回転に１パルスの回転基準信号Ｎ
s と１回転に多数パルスの回転位置信号Ｎp に対応する
２つの２進信号として得られる。
【０００７】ラジアル軸受４の制御装置は、回転軸１と
直交し且つ互いに直交する２方向のそれぞれにおいて、
変位センサ４３の信号と浮上位置指令とを比較器で比較
し、その偏差にもとずいて浮上制御器が働き、回転子４
１の両側に対向して設けられた２つの電磁石に電流を供
給する公知のものである。図２は、アキシャルギャップ
・縦形・同期電動機３の制御装置を示す構成図である。
ωs はインバータ等、外部の制御装置から与えられる速
度指令である。７１は信号Ｎf をＦ／Ｖ変換して回転速
度に比例する直流信号ωf を出力するＦ／Ｖコンバー
タ、７２は速度指令ωs とＦ／Ｖコンバータ７１の信号
ωf を比較する比較器、７３は比較器７２の信号をＰＩ
Ｄ補償器などで位相補償する速度制御器である。７４は
出力リミッタであり、速度制御器７３の信号を受けて、
その値が一定値以上のときは、あらかじめ設定してある
上限値を出力する。なお、この上限値は、図３（ｂ）に
示した回転子の磁極が２極の場合は、回転子３１の回転
基準位置の方向ｘr と固定子３２の励磁磁極の方向ｘs
の角度φが４５゜位となる値がよい。回転子の磁極がｎ
極の場合はその角度φが９０°／ｎ位となる値がよい。
７５はリミッター７４の信号をデジタルに変換するＡ／
Ｄコンバータ、７０は回転軸１の回転位置を示すＮf の
２進信号からＡ／Ｄコンバータ７５の信号を減算する減
算器である。７６は、減算器７０の信号をアドレスと
し、該当するアドレスに励磁された固定子３２の磁極が
左側にスムーズに回転するよう、前もって計算された指
令値を記憶したデータを出力するＲＯＭである。７７
１、７７２はＲＯＭ７６の信号を受けアナログ信号に変
換するＤ／Ａコンバータ、７８１、７８２はＤ／Ａコン
バータ７７１、７７２の信号を受けて電力を増幅する増
幅器、７９１、７９２は電動機の固定子３２に巻回され
た電動機の巻線４４の内各磁極の固定子コイルである。
直交し且つ互いに直交する２方向のそれぞれにおいて、
変位センサ４３の信号と浮上位置指令とを比較器で比較
し、その偏差にもとずいて浮上制御器が働き、回転子４
１の両側に対向して設けられた２つの電磁石に電流を供
給する公知のものである。図２は、アキシャルギャップ
・縦形・同期電動機３の制御装置を示す構成図である。
ωs はインバータ等、外部の制御装置から与えられる速
度指令である。７１は信号Ｎf をＦ／Ｖ変換して回転速
度に比例する直流信号ωf を出力するＦ／Ｖコンバー
タ、７２は速度指令ωs とＦ／Ｖコンバータ７１の信号
ωf を比較する比較器、７３は比較器７２の信号をＰＩ
Ｄ補償器などで位相補償する速度制御器である。７４は
出力リミッタであり、速度制御器７３の信号を受けて、
その値が一定値以上のときは、あらかじめ設定してある
上限値を出力する。なお、この上限値は、図３（ｂ）に
示した回転子の磁極が２極の場合は、回転子３１の回転
基準位置の方向ｘr と固定子３２の励磁磁極の方向ｘs
の角度φが４５゜位となる値がよい。回転子の磁極がｎ
極の場合はその角度φが９０°／ｎ位となる値がよい。
７５はリミッター７４の信号をデジタルに変換するＡ／
Ｄコンバータ、７０は回転軸１の回転位置を示すＮf の
２進信号からＡ／Ｄコンバータ７５の信号を減算する減
算器である。７６は、減算器７０の信号をアドレスと
し、該当するアドレスに励磁された固定子３２の磁極が
左側にスムーズに回転するよう、前もって計算された指
令値を記憶したデータを出力するＲＯＭである。７７
１、７７２はＲＯＭ７６の信号を受けアナログ信号に変
換するＤ／Ａコンバータ、７８１、７８２はＤ／Ａコン
バータ７７１、７７２の信号を受けて電力を増幅する増
幅器、７９１、７９２は電動機の固定子３２に巻回され
た電動機の巻線４４の内各磁極の固定子コイルである。
【０００８】以下に動作を説明する。速度指令ωs がゼ
ロの時の動作を図３（ａ）を用いて説明する。図３
（ａ）は図１のアキシャルギャップ・縦形・同期電動機
３のみを軸方向から見た図であり、電動機の回転子３１
の永久磁石が持つ磁極をＮ，Ｓと表し、電動機の固定子
３２が作る磁極を（Ｎ），（Ｓ）と表している。ＸS は
固定側の基準の方向を示しており、ｘr は電動機の回転
子３１の回転基準位置の方向、ｘsは電動機の固定子３
２の励磁極の方向を示している。電動機の回転子３１の
回転基準位置方向ｘr は回転センサ６が検出する１回転
に１パルスの回転基準位置に対応する位置であり、ｘr
の方向に磁極Ｎ、その反対方向磁極Ｓが着磁されてい
る。電動機の固定子３２の励磁の方向ｘs は電動機の固
定子３２に巻回された固定子コイル７９１、７９２に電
流が供給されて生じる磁極の方向を示しており、ｘs の
方向に（Ｎ）、その反対方向に（Ｓ）が生じる。図３
（ａ）では、ｘr とｘs が同じ方向を向いているが、こ
の状態で、アキシャルギャップ・縦形・同期電動機３の
制御装置を示す構成図は次のようになる。回転信号Ｎf
のうち、回転基準信号ＮS はパルスがないのでＦ／Ｖコ
ンバータ７１の出力信号ωf はゼロであり、速度指令ω
s もゼロである。回転信号Ｎf のうち、回転位置信号Ｎ
p は２進データであって、固定側の基準方向ＸS に対す
る回転子の方向ｘr の角度θr に対応しており、例え
ば、１回転を１２８分割してあれば、θr が、Ｘs に対
して、ほぼ４０゜のときは、１２８×４０／３６０＝１
４という値にしてある。回転基準信号ＮS はパルスがな
いのでＦ／Ｖコンバータ７１の出力信号ωf はゼロであ
り、速度指令ωs もゼロであるので、Ａ／Ｄコンバータ
７５の出力がゼロとなり、減算器７０の出力はＮf の回
転位置信号Ｎp がそのまま出力され１４という２進デー
タがＲＯＭ７６に送られる。ＲＯＭ７６は、減算器７０
の信号を記憶素子のアドレスとして入力し、そのアドレ
スの記憶データを指令値として出力する。ＲＯＭ７６の
回転基準信号ＮS と回転位置信号Ｎp に対応する２つの
出力は、Ｄ／Ａコンバータ７７１、７７２に入力されて
Ｄ／Ａ変換され、アナログ信号に変換される。そして、
Ｄ／Ａコンバータ７７１、７７２の信号が増幅器７８
１、７８２で電力増幅され電動機の固定子３２の固定子
コイル７９１、７９２に電流が供給される。こうして励
磁された電動機の固定子３２の磁極は、ＲＯＭ７６の入
力データが１４という値であったので固定側のＸS から
１４×３６０／１２８＝ほぼ４０゜の方向に（Ｎ）極
を、その反対方向に（Ｓ）極が生じる。このようにし
て、固定子磁極と回転子磁極の回転方向位置がほぼ同じ
となるので、電動機の回転子３１は回転力を受けず、磁
気反発力と回転軸１全体にかかる重力とによる釣合い位
置で非接触浮上するのである。
ロの時の動作を図３（ａ）を用いて説明する。図３
（ａ）は図１のアキシャルギャップ・縦形・同期電動機
３のみを軸方向から見た図であり、電動機の回転子３１
の永久磁石が持つ磁極をＮ，Ｓと表し、電動機の固定子
３２が作る磁極を（Ｎ），（Ｓ）と表している。ＸS は
固定側の基準の方向を示しており、ｘr は電動機の回転
子３１の回転基準位置の方向、ｘsは電動機の固定子３
２の励磁極の方向を示している。電動機の回転子３１の
回転基準位置方向ｘr は回転センサ６が検出する１回転
に１パルスの回転基準位置に対応する位置であり、ｘr
の方向に磁極Ｎ、その反対方向磁極Ｓが着磁されてい
る。電動機の固定子３２の励磁の方向ｘs は電動機の固
定子３２に巻回された固定子コイル７９１、７９２に電
流が供給されて生じる磁極の方向を示しており、ｘs の
方向に（Ｎ）、その反対方向に（Ｓ）が生じる。図３
（ａ）では、ｘr とｘs が同じ方向を向いているが、こ
の状態で、アキシャルギャップ・縦形・同期電動機３の
制御装置を示す構成図は次のようになる。回転信号Ｎf
のうち、回転基準信号ＮS はパルスがないのでＦ／Ｖコ
ンバータ７１の出力信号ωf はゼロであり、速度指令ω
s もゼロである。回転信号Ｎf のうち、回転位置信号Ｎ
p は２進データであって、固定側の基準方向ＸS に対す
る回転子の方向ｘr の角度θr に対応しており、例え
ば、１回転を１２８分割してあれば、θr が、Ｘs に対
して、ほぼ４０゜のときは、１２８×４０／３６０＝１
４という値にしてある。回転基準信号ＮS はパルスがな
いのでＦ／Ｖコンバータ７１の出力信号ωf はゼロであ
り、速度指令ωs もゼロであるので、Ａ／Ｄコンバータ
７５の出力がゼロとなり、減算器７０の出力はＮf の回
転位置信号Ｎp がそのまま出力され１４という２進デー
タがＲＯＭ７６に送られる。ＲＯＭ７６は、減算器７０
の信号を記憶素子のアドレスとして入力し、そのアドレ
スの記憶データを指令値として出力する。ＲＯＭ７６の
回転基準信号ＮS と回転位置信号Ｎp に対応する２つの
出力は、Ｄ／Ａコンバータ７７１、７７２に入力されて
Ｄ／Ａ変換され、アナログ信号に変換される。そして、
Ｄ／Ａコンバータ７７１、７７２の信号が増幅器７８
１、７８２で電力増幅され電動機の固定子３２の固定子
コイル７９１、７９２に電流が供給される。こうして励
磁された電動機の固定子３２の磁極は、ＲＯＭ７６の入
力データが１４という値であったので固定側のＸS から
１４×３６０／１２８＝ほぼ４０゜の方向に（Ｎ）極
を、その反対方向に（Ｓ）極が生じる。このようにし
て、固定子磁極と回転子磁極の回転方向位置がほぼ同じ
となるので、電動機の回転子３１は回転力を受けず、磁
気反発力と回転軸１全体にかかる重力とによる釣合い位
置で非接触浮上するのである。
【０００９】次に速度指令ωS がゼロでない場合につい
て説明する。電動機の回転子３１の回転速度がこの速度
指令より小さく、ある時点の電動機の回転子３１の回転
位置を示すθr がＸs にたいして、ほぼ４０゜の位置に
あるとすると、回転位置信号Ｎp は１４という値であ
る。Ｆ／Ｖコンバータ７１の入力信号Ｎp はパルス列と
なっているが、Ｆ／Ｖ変換された出力信号ωf は速度指
令ωS より小さいため、比較器７２の出力はプラスの信
号となる。この信号を受けた速度制御器７３は、位相制
御して指令信号ωを出力する。その信号ωが上限値を越
えると、リミッター７４が働いて、上限値を出力し、上
限値を越えてなければそのまま出力される。リミッター
７４の信号を受けたＡ／Ｄコンバータ７５は、信号をデ
ジタルに変換して出力する。この信号と、電動機の回転
子３１の回転信号Ｎf のうちのθrに対応する回転位置
信号Ｎp を受けた減算器７０は後者の信号から前者の信
号を減算して出力する。速度制御器７３の指令信号ωが
２０゜に相当する信号であるとすると、Ａ／Ｄコンバー
タ７５の出力は２０／３６０×１２８＝７という値の２
進数であり、減算器７０の出力信号は１４ー７＝７であ
る。この信号を受けたＲＯＭ７６は、これをアドレスと
して記憶してあるデータを出力し、Ｄ／Ａコンバータ７
７１、７７２と増幅器７８１、７８２を介して、固定子
コイル７９１、７９２に電流を供給する。これによって
生じる電動機の固定子３２の磁極の方向ｘs は、図３
（ｂ）に示すように、固定側のＸs から７×３６０／１
２８＝ほぼ２０゜の方向になり、その方向に磁極
（Ｎ）、その反対方向に磁極（Ｓ）が生じる。固定子磁
極と回転子磁極が、図３（ｂ）のように、ずれるため電
動機の回転子３１は磁気反発力と重力の働きによって上
向きの浮上力と同時に左向きの回転力を受け非接触浮上
したまま回転が加速される。電動機の回転子３１の回転
速度が速度指令ωs より大きいときは、減算器７０が受
ける２つの信号のうちＡ／Ｄコンバータ７５から受ける
信号のほうが負になるため、減算器７０の出力は回転子
３１の回転位置に対応する値より大きな値となる。従っ
て電動機の固定子磁極と電動機の回転子磁極が図３
（ｂ）と逆の関係になり、電動機の回転子３１は右向き
の回転力をうけ回転が減速される。以上のようにして、
回転速度より速度指令のほうが大きいときは電動機の回
転子３１が非接触浮上したまま加速され、回転速度より
速度指令のほうが小きいときは電動機の回転子３１が非
接触浮上したまま減速され、この動作を繰り返すので、
電動機の回転子３１は非接触浮上したまま速度指令ωs
に対応する回転速度で回転できるのである。アキシャル
ギャップ・縦形・同期電動機３により上向きの反発力で
上下方向を支持して回転力を生ぜしめているため、アキ
シャル軸受を特別に必要としていない。そこに生じる径
方向の不安定力はラジアル磁気軸受４が働いて所定位置
に浮上支持するため、磁気軸受の制御軸を２軸とするこ
とができる。
て説明する。電動機の回転子３１の回転速度がこの速度
指令より小さく、ある時点の電動機の回転子３１の回転
位置を示すθr がＸs にたいして、ほぼ４０゜の位置に
あるとすると、回転位置信号Ｎp は１４という値であ
る。Ｆ／Ｖコンバータ７１の入力信号Ｎp はパルス列と
なっているが、Ｆ／Ｖ変換された出力信号ωf は速度指
令ωS より小さいため、比較器７２の出力はプラスの信
号となる。この信号を受けた速度制御器７３は、位相制
御して指令信号ωを出力する。その信号ωが上限値を越
えると、リミッター７４が働いて、上限値を出力し、上
限値を越えてなければそのまま出力される。リミッター
７４の信号を受けたＡ／Ｄコンバータ７５は、信号をデ
ジタルに変換して出力する。この信号と、電動機の回転
子３１の回転信号Ｎf のうちのθrに対応する回転位置
信号Ｎp を受けた減算器７０は後者の信号から前者の信
号を減算して出力する。速度制御器７３の指令信号ωが
２０゜に相当する信号であるとすると、Ａ／Ｄコンバー
タ７５の出力は２０／３６０×１２８＝７という値の２
進数であり、減算器７０の出力信号は１４ー７＝７であ
る。この信号を受けたＲＯＭ７６は、これをアドレスと
して記憶してあるデータを出力し、Ｄ／Ａコンバータ７
７１、７７２と増幅器７８１、７８２を介して、固定子
コイル７９１、７９２に電流を供給する。これによって
生じる電動機の固定子３２の磁極の方向ｘs は、図３
（ｂ）に示すように、固定側のＸs から７×３６０／１
２８＝ほぼ２０゜の方向になり、その方向に磁極
（Ｎ）、その反対方向に磁極（Ｓ）が生じる。固定子磁
極と回転子磁極が、図３（ｂ）のように、ずれるため電
動機の回転子３１は磁気反発力と重力の働きによって上
向きの浮上力と同時に左向きの回転力を受け非接触浮上
したまま回転が加速される。電動機の回転子３１の回転
速度が速度指令ωs より大きいときは、減算器７０が受
ける２つの信号のうちＡ／Ｄコンバータ７５から受ける
信号のほうが負になるため、減算器７０の出力は回転子
３１の回転位置に対応する値より大きな値となる。従っ
て電動機の固定子磁極と電動機の回転子磁極が図３
（ｂ）と逆の関係になり、電動機の回転子３１は右向き
の回転力をうけ回転が減速される。以上のようにして、
回転速度より速度指令のほうが大きいときは電動機の回
転子３１が非接触浮上したまま加速され、回転速度より
速度指令のほうが小きいときは電動機の回転子３１が非
接触浮上したまま減速され、この動作を繰り返すので、
電動機の回転子３１は非接触浮上したまま速度指令ωs
に対応する回転速度で回転できるのである。アキシャル
ギャップ・縦形・同期電動機３により上向きの反発力で
上下方向を支持して回転力を生ぜしめているため、アキ
シャル軸受を特別に必要としていない。そこに生じる径
方向の不安定力はラジアル磁気軸受４が働いて所定位置
に浮上支持するため、磁気軸受の制御軸を２軸とするこ
とができる。
【００１０】なお、以上述べた実施例では、回転センサ
は、基準パルスと回転位置を示すデータが得られるもの
を用いたが、極検出用のホール・センサ等の付属装置を
伴うものであってもよく、図２で説明した機能が得られ
るものであれば、形式を問わない。また、回転センサ６
の信号のうち、回転基準信号Ｎs は、説明上１回転に１
パルスとしたが、回転速度信号を得るに必要であるた
め、回転位置信号Ｎp の最下位ビットの信号を用いれば
省略することができる。さらに、回転位置信号Ｎp の分
割数は、１回転を１２８分割したものを用いたが、分割
数は用途に応じて決めることができ、分割数を大きくし
たほうがリップルの少ないスムーズな速度制御ができ
る。また、電動機の固定子３２の巻線を２個とし、電動
機の回転子３１の永久磁石の極数に合わせて周方向に２
個の磁極が生じるようにしているが、電動機の回転子３
１の磁極に合わせてあれば２個に限るものではない。
は、基準パルスと回転位置を示すデータが得られるもの
を用いたが、極検出用のホール・センサ等の付属装置を
伴うものであってもよく、図２で説明した機能が得られ
るものであれば、形式を問わない。また、回転センサ６
の信号のうち、回転基準信号Ｎs は、説明上１回転に１
パルスとしたが、回転速度信号を得るに必要であるた
め、回転位置信号Ｎp の最下位ビットの信号を用いれば
省略することができる。さらに、回転位置信号Ｎp の分
割数は、１回転を１２８分割したものを用いたが、分割
数は用途に応じて決めることができ、分割数を大きくし
たほうがリップルの少ないスムーズな速度制御ができ
る。また、電動機の固定子３２の巻線を２個とし、電動
機の回転子３１の永久磁石の極数に合わせて周方向に２
個の磁極が生じるようにしているが、電動機の回転子３
１の磁極に合わせてあれば２個に限るものではない。
【００１１】図１に示したものは、上部にアキシャルギ
ャップ形同期電動機を配置し、その内側下部にラジアル
磁気軸受を配置したものであったが、アキシャルギャッ
プ・縦形・同期電動機が固定子の上側の内側に回転子を
配置されたものであれば図１の配置に限るものではな
い。その一例を図４に断面図として示す。この例は、ラ
ジアル磁気軸受をアキシャルギャップ・縦形・同期電動
機より上側に配置したものである。固定台５２の中心に
固定軸５１を直立して設け、固定台５２の上面に電動機
の固定子３２を設けてある。電動機の固定子３２の側部
には回転センサ６を設けてある。固定軸５１の外周には
磁気軸受の固定子４２を固定してある。磁気軸受の固定
子４２の側部には変位センサ４３を設けてある。電動機
の固定子３２と、軸方向のエアギャップを介し対向し
て、電動機の回転子３１を配置してある。磁気軸受の固
定子４２と、ラジアル方向のエアギャップを介し対向し
て、磁気軸受の回転子４１を配置してある。電動機の回
転子３１と磁気軸受の回転子４１は磁性体よりなる回転
円環２１に固定してある。このようなに構成することに
より全体を偏平なものとすることができる。このほか、
ラジアル磁気軸受をアキシャルギャップ・縦形・同期電
動機のすぐ上側に配置したり、外周側に配置したりする
ことができることも、言うまでもないことである。ま
た、回転軸１は、中空のものであっても、中実であって
も構わない。同様に固定側も、中空であっても、中実で
あっても構わない。
ャップ形同期電動機を配置し、その内側下部にラジアル
磁気軸受を配置したものであったが、アキシャルギャッ
プ・縦形・同期電動機が固定子の上側の内側に回転子を
配置されたものであれば図１の配置に限るものではな
い。その一例を図４に断面図として示す。この例は、ラ
ジアル磁気軸受をアキシャルギャップ・縦形・同期電動
機より上側に配置したものである。固定台５２の中心に
固定軸５１を直立して設け、固定台５２の上面に電動機
の固定子３２を設けてある。電動機の固定子３２の側部
には回転センサ６を設けてある。固定軸５１の外周には
磁気軸受の固定子４２を固定してある。磁気軸受の固定
子４２の側部には変位センサ４３を設けてある。電動機
の固定子３２と、軸方向のエアギャップを介し対向し
て、電動機の回転子３１を配置してある。磁気軸受の固
定子４２と、ラジアル方向のエアギャップを介し対向し
て、磁気軸受の回転子４１を配置してある。電動機の回
転子３１と磁気軸受の回転子４１は磁性体よりなる回転
円環２１に固定してある。このようなに構成することに
より全体を偏平なものとすることができる。このほか、
ラジアル磁気軸受をアキシャルギャップ・縦形・同期電
動機のすぐ上側に配置したり、外周側に配置したりする
ことができることも、言うまでもないことである。ま
た、回転軸１は、中空のものであっても、中実であって
も構わない。同様に固定側も、中空であっても、中実で
あっても構わない。
【００１２】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、回
転軸に設けたアキシャルギャップ形同期電動機が電動機
として機能するとともに上下方向に非接触支持する軸受
の機能も備えているため、回転軸に設けたラジアル軸受
によって回転軸が回転可能に非接触支持される。こうし
て、全体として、１つのラジアル軸受（軸受の制御軸は
２軸）と１つの電動機で回転電機を構成することができ
るのである。したがって、回転電機の全長を短くするこ
とができて危険速度を高め回転上限を大幅に高める効果
があり、制御装置を含めた全体装置が簡易化されて信頼
性が向上する効果がある。
転軸に設けたアキシャルギャップ形同期電動機が電動機
として機能するとともに上下方向に非接触支持する軸受
の機能も備えているため、回転軸に設けたラジアル軸受
によって回転軸が回転可能に非接触支持される。こうし
て、全体として、１つのラジアル軸受（軸受の制御軸は
２軸）と１つの電動機で回転電機を構成することができ
るのである。したがって、回転電機の全長を短くするこ
とができて危険速度を高め回転上限を大幅に高める効果
があり、制御装置を含めた全体装置が簡易化されて信頼
性が向上する効果がある。
【図１】本発明の実施例を示す回転電機の断面図
【図２】本発明の実施例を示す制御装置の構成図
【図３】回転電機の動作を説明する図
【図４】本発明の他の実施例を示す回転電機の断面図
１ 回転軸 ２ 上部円板 ２１ 回転円環 ２２ 外縁 ３ アキシャルギャップ・縦形・同期電動機 ３１ 電動機の回転子 ３２ 電動機の固定子 ３３ 永久磁石 ４ ラジアル磁気軸受 ４１ 磁気軸受の回転子 ４２ 磁気軸受の固定子 ４３ 変位センサ ４４ 電動機の巻線 ４５ 磁気軸受の巻線 ５ フレーム ５１ 固定軸 ５２ 固定台 ６ 回転センサ ７０ 減算器 ７１ Ｆ／Ｖコンバータ ７２ 比較器 ７３ 速度制御器 ７４ リミッター ７５ Ａ／Ｄコンバータ ７６ ＲＯＭ ７７１、７７２ Ｄ／Ａコンバータ ７８１、７８２ 増幅器 ７９１、７９２ 固定子コイル
Claims (5)
- 【請求項１】 等極ピッチで相隣れる磁石の極性を交互
に入替え配置した複数の永久磁石よりなる電動機の回転
子と、この回転子とエアギャップを介して対向する、固
定子鉄心に巻線を巻回した電動機の固定子とよりなる永
久磁石形同期電動機と、この永久磁石形同期電動機の回
転軸を非接触支持する磁気軸受よりなる磁気軸受を用い
た同期回転電機において、 前記永久磁石形同期電動機が、上部円板の下側・周方向
に固着された永久磁石よりなる電動機の回転子と、この
回転子の下側にエアギャップを介して対向する、固定子
鉄心に巻線を巻回した電動機の固定子と、前記電動機の
回転子の回転位置を検出する回転センサで構成されるア
キシャルギャップ・縦形・同期電動機であり、 前記磁気軸受が、前記回転軸に設けた磁性体の鉄心より
なる磁気軸受の回転子と、この磁気軸受の回転子とエア
ギャップを介して対向する、鉄心に巻線を巻回した磁気
軸受の固定子と、前記磁気軸受の回転子とこの磁気軸受
の固定子間のエアギャップを検出する変位センサで構成
されるラジアル磁気軸受であることを特徴とする磁気軸
受を用いた同期回転電機。 - 【請求項２】 永久磁石形同期電動機の回転子の回転位
置を検出する回転センサと、その出力信号から、前記電
動機の回転子の回転速度に比例する信号を得るＦ／Ｖコ
ンバータと、外部から与える速度指令とこのＦ／Ｖコン
バータの出力信号を比較する比較器と、この比較器の出
力信号を受けて電動機の固定子の励磁磁極位置の位相を
制御する速度制御器と、この速度制御器の信号を受け出
力信号の大きさを制限するリミッターと、このリミッタ
ーの出力信号を受けてＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータ
と、前記回転センサの信号からこのＡ／Ｄコンバータの
信号を減算する減算器と、この減算器の出力信号を受け
てあらかじめ記憶された信号を出力するＲＯＭと、この
ＲＯＭの出力信号を受けてＤ／Ａ変換するＤ／Ａコンバ
ータと、このＤ／Ａコンバータの信号を受けて電流増幅
する増幅器とで構成したことを特徴とする磁気軸受を用
いた同期回転電機の制御装置。 - 【請求項３】 前記ラジアル磁気軸受が、変位センサの
信号を受けて磁気軸受の固定子に電流を供給する軸受制
御装置により、磁気軸受の回転子を磁気軸受の固定子の
径方向中央に浮上するよう制御すると同時に、請求項１
記載の磁気軸受を用いた同期回転電機を請求項２記載の
磁気軸受を用いた同期回転電機の制御装置により、前記
電動機の回転子の磁極位置と前記電動機の固定子の励磁
磁極の位置をずらして、前記電動機の回転子のアキシャ
ル方向の浮上と回転を制御することを特徴とする磁気軸
受を用いた同期回転電機の制御方法。 - 【請求項４】 前記電動機の固定子の励磁磁極を、外部
から与える速度指令に応じて、前記電動機の回転子の磁
極位置と周方向にずれた位置に励磁し、前記電動機の回
転子を回転する請求項３記載の磁気軸受を用いた同期回
転電機の制御方法。 - 【請求項５】 前記電動機の回転子の回転位置に対応す
る位置にある電動機の固定子の磁極を励磁し、前記電動
機の回転子と前記電動機の固定子間に働く磁気反発力で
前記電動機の回転子を浮上する請求項３または４記載の
磁気軸受を用いた同期回転電機の制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02194794A JP3694794B2 (ja) | 1994-01-21 | 1994-01-21 | 磁気軸受を用いた同期回転電機とその制御装置及び方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02194794A JP3694794B2 (ja) | 1994-01-21 | 1994-01-21 | 磁気軸受を用いた同期回転電機とその制御装置及び方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07208470A true JPH07208470A (ja) | 1995-08-11 |
| JP3694794B2 JP3694794B2 (ja) | 2005-09-14 |
Family
ID=12069260
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02194794A Expired - Fee Related JP3694794B2 (ja) | 1994-01-21 | 1994-01-21 | 磁気軸受を用いた同期回転電機とその制御装置及び方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3694794B2 (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN115217848A (zh) * | 2022-07-21 | 2022-10-21 | 珠海格力电器股份有限公司 | 一种磁悬浮轴承系统及其控制方法 |
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-
1994
- 1994-01-21 JP JP02194794A patent/JP3694794B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2010122450A3 (en) * | 2009-04-23 | 2010-12-16 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | A magnetic bearing, a rotary stage, and a reflective electron beam lithography apparatus |
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| CN102414463A (zh) * | 2009-04-23 | 2012-04-11 | 皇家飞利浦电子股份有限公司 | 磁性轴承、旋转台以及反射电子束光刻设备 |
| JP2012524879A (ja) * | 2009-04-23 | 2012-10-18 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | 磁気ベアリング、回転段及び反射型電子ビームリソグラフィ装置 |
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| CN107013410A (zh) * | 2017-06-07 | 2017-08-04 | 曲阜师范大学 | 一种垂直轴永磁直驱风力发电机及其控制方法 |
| CN107013410B (zh) * | 2017-06-07 | 2023-08-11 | 曲阜师范大学 | 一种垂直轴永磁直驱风力发电机及其控制方法 |
| WO2023226404A1 (zh) * | 2022-05-26 | 2023-11-30 | 珠海格力电器股份有限公司 | 一种磁悬浮轴承、压缩机 |
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