JPH1084656A

JPH1084656A - 磁気浮上回転機械

Info

Publication number: JPH1084656A
Application number: JP8260259A
Authority: JP
Inventors: Susumu Osawa; 将大沢; Satoshi Mori; 敏森; Kazuki Sato; 一樹佐藤; Tadashi Sato; 忠佐藤; Tadashi Kayashima; 直史茅島
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1996-09-09
Filing date: 1996-09-09
Publication date: 1998-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】停電等により電源の供給が断たれても、高速
回転中のロータを緩やかに減速させ、安全に停止するこ
とができる磁気浮上回転機械を提供する。【解決手段】永久磁石型の円筒形ロータ１２を少なく
とも１個含む複数の円筒形ロータ１２，１３，１４が連
設された回転軸１１と、複数の円筒形ロータを回転駆動
すると共に半径方向に磁気浮上制御する複数のステータ
１６，１７，１８とからなる磁気浮上回転機械であっ
て、電源の供給の断を検出する停電検出器３７と、停電
検出器の信号により電源の供給が断たれた時に永久磁石
型の円筒形ロータ１２を支持するステータ１６に生じる
発電電力を他のロータ１３，１４を支持するステータ１
７，１８に供給する切換装置３６とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転体を回転駆動
するモータ作用と、回転体を浮上支持制御する磁気軸受
作用とを兼ね備えた磁気浮上回転機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平２−１９３５４７号公報、特開平
６−１３３４９３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
支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
制御用の巻線を備え、それぞれに三相交流電流等を流す
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、ロータに回転力を付与するモータとして機能すると
共に、その位置と姿勢を制御して、ステータに対して非
接触支持が可能な浮上位置決めの磁気軸受として機能す
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、回転機械の軸長を短縮して、軸振動からの高速回転
の制限を少なくすることができる。また回転機械を小型
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、磁気浮上回転機械について
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と浮上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、上述した従来の磁気浮上回転機
械では、モータの回転駆動磁界に制御磁界を重畳して磁
気浮上させるものであるため、停電等になりモータの回
転駆動電流の供給が断たれると、モータの回転駆動磁界
が発生せず、これに伴い磁気浮上保持する磁界が無くな
り、正常なロータの磁気浮上支持を実現できなくなる。
特に高速回転中のロータに停電が生じると、一瞬にロー
タを浮上支持する支持力が無くなるため、パニック状態
となり、正常な回転時には接触しない保護軸受にタッチ
ダウンしてしまい、ロータを損傷してしまう等の好まし
くない事態が発生する。

【０００６】

【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、停電等により電源の供給が
断たれても、高速回転中のロータを緩やかに減速させ、
安全に停止することがきる磁気浮上回転機械を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の磁気浮上回転機
械は、永久磁石型の円筒形ロータを少なくとも１個含む
複数の円筒形ロータが連設された回転軸と、該複数の円
筒形ロータを回転駆動すると共に半径方向に磁気浮上制
御する複数のステータとからなる磁気浮上回転機械であ
って、電源の供給の断を検出する停電検出器と、該停電
検出器の信号により電源の供給が断たれた時に前記永久
磁石型の円筒形ロータを支持するステータに生じる発電
電力を他のロータを支持するステータに供給する切換装
置とを備えたことを特徴とする。

【０００８】又、前記回転軸に連設された複数の円筒形
ロータは、少なくとも１個が永久磁石型であり、その他
はリラクタンス型であることを特徴とする。

【０００９】又、前記回転軸に連設された複数の円筒形
ロータは、少なくとも１個が永久磁石型であり、その他
は誘導型であることを特徴とする請求項２記載の磁気浮
上回転機械。

【００１０】又、本発明の他の様態の磁気浮上回転機械
は、永久磁石型のディスク型ロータを少なくとも１個含
む複数のディスク型ロータが連設された回転軸と、該複
数のディスク型ロータを回転駆動すると共に軸方向に磁
気浮上制御する複数のステータとからなる磁気浮上回転
機械であって、電源の供給の断を検出する停電検出器
と、該停電検出器の信号により電源の供給が断たれた時
に前記永久磁石型のディスク型ロータを支持するステー
タに生じる発電電力を他のロータを支持するステータに
供給する切換装置とを備えたことを特徴とする。

【００１１】又、前記回転軸に連設された複数のディス
ク型ロータは、少なくとも１個が永久磁石型であり、そ
の他はリラクタンス型であることを特徴とする。

【００１２】又、前記回転軸に連設された複数のディス
ク型ロータは、少なくとも１個が永久磁石型であり、そ
の他は誘導型であることを特徴とする。

【００１３】上述した本発明によれば、高速回転してい
る永久磁石型のロータは、ステータへの電源の供給が断
たれた時には、ステータの巻線がロータの永久磁石が生
成する磁束を切るため、起電力を発生させる。即ち、高
速回転中の永久磁石型ロータを有する磁気浮上電動機
は、その電源の供給が断たれたときには、発電機として
動作する。本発明の回転機械では、停電等による電源の
供給の断を検出して、永久磁石型ロータを有するステー
タに生じる発電電力を他のステータに切り換えて供給す
る。

【００１４】これにより、他のステータは回転駆動磁界
を形成し続けることができる。この回転駆動磁界は、ロ
ータを磁気浮上支持する保持力を有するので、高速回転
中の回転機械に電源の供給が断たれた時にも、ロータは
浮上支持された状態が継続する。従って、回転軸全体と
しては発電制動されることになり、徐々にその速度を下
げて停止することになる。このようにして、従来の磁気
浮上回転機械のように、電源の供給の断により、突然磁
気浮上支持力が失われてパニック状態となり、機械が損
傷することを防止できる。

【００１５】

【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。

【００１６】図１は、本発明の第１実施例の磁気浮上回
転機械を示す。回転軸１１の中央には永久磁石型の円筒
形ロータ１２が固着されており、その永久磁石型ロータ
１２の両側にはリラクタンス型又は誘導型円筒形ロータ
１３，１４が固着されている。これらのロータの外周に
は空隙を介して、それぞれステータ１６，１７，１８が
ケーシング１０に固定されている。又、ケーシング１０
には、回転軸１１の半径方向変位を検出する変位センサ
１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃが、図示するように各ロータ１
２，１３，１４に対応して固設されている。又、回転軸
１１の回転速度を検出する回転センサ１５Ｎ及び回転角
を検出する回転角センサ１５θが同様に取り付けられて
いる。

【００１７】ステータ１６，１７，１８には、図示はし
ないがそれぞれ４極の回転駆動磁界を形成する主巻線
と、２極の回転制御磁界を制御する制御巻線とを備えて
いる。そして、主巻線に例えば三相交流電源が供給され
ることで形成される４極回転駆動磁界により、永久磁石
型ロータ１２及びリラクタンス型又は誘導型円筒形ロー
タ１３，１４がこれらの回転駆動磁界に同期して又は或
る滑りをもって回転することによりモータとしての回転
駆動力が回転軸１１に与えられる。又、この４極回転駆
動磁界は各ロータをステータから非接触で浮上支持する
磁気浮上力を各ロータに与える。そして、２極回転制御
磁界と４極回転駆動磁界とが干渉することにより、円周
方向に沿って磁束が偏配され、半径方向に磁気浮上位置
及び浮上姿勢の制御力が与えられる。従って、２極回転
制御磁界の大きさ及びその位相を調整することにより、
磁気軸受と同様に回転軸の浮上位置を任意に制御するこ
とができる。

【００１８】図２は、この磁気浮上回転機械の制御系の
概略的なブロック図を示す。回転速度センサ１５Ｎの検
出した実際の回転速度Ｎと目標速度Ｎ^*が比較され、Ｐ
Ｉ（Ｄ）コントローラ３２によりその偏差がゼロとなる
ようにフィードバック制御される。即ち、コントローラ
３２では、ロータの回転駆動力Ｔ^*を発生する。そし
て、ロータの回転に同期したｄ−ｑ座標系の電流指令値
Ｉｄ^*，Ｉｑ^*を制御器３３にて演算する。指令値Ｉ
ｄ^*，Ｉｑ^*をロータ回転角度信号θに基づき二相三相
変換器３４により変換して、４極回転駆動磁界を形成す
る巻線のｕ，ｖ，ｗ相に流す電流量を電圧信号で出力す
る。この電圧信号を３相インバータ等の電流制御器３５
に入力して、巻線に所望の電流を供給する。

【００１９】一方、変位センサ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ
で検出された変位センサの信号は各センサアンプ３１で
増幅され、それぞれの目標位置ｘ^*，ｙ^*と比較される。
そしてその偏差がゼロとなるようにＰＩ（Ｄ）コントロ
ーラ３２によりフィードバック制御される。即ち、コン
トローラ３２では偏差をゼロとするような制御力の指令
値Ｆｘ^*，Ｆｙ^*を発生する。制御器３３ではこの制御力
を発生するｘ−ｙ座標系における電流指令値Ｉｘ^*．Ｉ
ｙ^*を演算する。指令値Ｉｘ^*，Ｉｙ^*を二相三相変換器
３４で２極回転制御磁界を形成する制御巻線に供給する
電流の指令値Ｉｕ^*，Ｉｖ^*，Ｉｗ^*に変換する。そし
て、３相インバータ等の電流制御器３５により指令値に
従った電流を巻線に供給して、所望の大きさ及び位相の
２極回転磁界を形成する。これにより回転軸は所定の目
標浮上位置に保持されるように制御される。

【００２０】上述した各種の制御装置及びステータの巻
線に電流を供給する電流制御器等には、外部から商用交
流電源が切換器３６を介して供給されている。この外部
電源には、停電検出器３７が接続されており、停電等に
より外部電源の供給が断たれた時にはこれを検出する。
また、永久磁石型ロータを支持するステータ１６にも電
流切換器３６を備え、停電が検出されると永久磁石型ロ
ータを支持するステータ１６から発電電力を電流取出器
３８で取り出すようになっている。そして、取りだされ
た発電電力は切換器３６を介して各ステータの制御装置
及び電流制御器等に供給される。

【００２１】従って、負荷に接続した回転軸が高速回転
中に停電等により外部電源からの電力の供給が断たれた
場合には、停電検出器３７が直ちにこれを検出し、電流
切換器３６を切り換える。これにより、永久磁石型ロー
タを支持するステータ１６には、発電電力が発生するの
で、これを電流取出器３８で取り出し、切換器３６を介
してその他のステータの各種の制御装置及び電流制御器
に電力を供給する。これにより、各ステータには４極回
転駆動磁界が形成され続け、従って、ロータを磁気浮上
支持する制御保持力が働いた状態で回転し続けることが
できる。

【００２２】永久磁石型回転子１２により発生する電力
は、高速回転しているロータの慣性力によるものである
ので、発電制動により回転軸の回転速度は緩やかに低下
し、これに伴い発電電力も減少し、十分に回転軸の回転
速度が低下した状態でロータはタッチダウン軸受に接触
して停止することになる。このように永久磁石型ロータ
１２を有するステータ１６の発電電力で、緩やかに回転
軸１１の回転速度を減少し、安全な速度まで低下した後
にタッチダウン軸受に接触して停止させることができ
る。

【００２３】図３は、本発明の第２実施例の磁気浮上回
転機械を示す。この実施例は、回転軸２１に少なくとも
１個の永久磁石型のディスク型ロータ２２を備えたもの
である。この実施例では回転軸２１の中央部分に永久磁
石型のディスク型ロータ２２を備え、その上下にリラク
タンス型又は誘導型のディスク型ロータ２３，２４を備
えている。それぞれのディスク型ロータ２２，２３，２
４は、上下にこれを挟むようにディスク型ステータ２
６，２６，２７，２７，２８，２８を配置し、このステ
ータの生成する４極回転駆動磁界と２極回転制御磁界と
により、モータとしてロータを回転駆動すると共にアキ
シャル磁気軸受けとして軸方向に浮上支持する。この回
転機械には回転軸２１の軸方向変位を検出する変位セン
サ２５ｚ、回転軸の傾きを検出するセンサ２５ψ、回転
速度センサ２５ｎ、回転角センサ２５θ等が取り付けら
れている。

【００２４】図４は、この磁気浮上回転機械の制御系の
概略のブロック図を示す。目標回転速度ｎ^*及び目標浮
上位置ｚ^*、目標傾き角ψ^*に対して、実際の回転速度
ｎ、浮上位置ｚ、浮上傾き角ψ等が検出され、これらが
ＰＩ（Ｄ）コントローラ３２により、フィードバック制
御される構成は、基本的に前述の第１実施例と同様であ
る。また、本実施例においても停電検出器３７、切換器
３６、電流取り出し器３８等を備える構成も第１実施例
と同様である。

【００２５】また、本実施例の永久磁石型のディスク型
ロータ２２も、外部電源の供給が断たれた時には、発電
機として動作する。従って、高速回転中に停電等により
外部電源の供給が断たれた場合には、停電検出器３７が
これを検出し、切換器３６を非常時側に切り換える。こ
れにより、永久磁石型のディスク型ロータ２２を支持す
るステータ２６，２６には発電電力が発生し、この発生
した電力を他のステータ２７，２７，２８，２８に供給
する。

【００２６】永久磁石型のロータを支持するステータ２
６，２６は、発電電力の供給と共に、その電流により回
転軸の回転速度と同期した電流が流れる。この電流は４
極回転磁界を形成し、この磁界によりロータ２２には磁
気浮上支持磁力が作用する。それと共に他のステータに
おいても供給された発電電力から４極回転駆動磁界が形
成され続け、この磁界の磁気力によりロータが浮上支持
される。そして、回転軸２１には発電電力の発生と共
に、制動力が作用し、徐々にその速度を低減し、十分に
速度が低下したところで、ロータがタッチダウン軸受に
接触して停止する。従って、回転軸の回転速度を高速回
転から緩やかに低減した後に、安全に停止させることが
できる。

【００２７】尚、上記実施例は、回転軸の中央部に１個
の永久磁石型ロータを設け、その両側にリラクタンス型
又は誘導型のロータを設けた例について説明したが、中
央部にリラクタンス型又は誘導型のロータを設け、その
両側に永久磁石型のロータを配置するようにしても良
い。これにより、より強力な発電電力による磁気浮上保
持力がえられる。また、上記の実施例は回転軸に３個の
ロータを設けた例について説明したが、回転軸に固着す
るロータの数は３個に限定するものではないことも勿論
のことである。

【００２８】又、この実施例では４極回転駆動磁界と２
極回転制御磁界を用いた例について説明したが、Ｎ（駆
動磁界極数）＝Ｍ（制御磁界極数）±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のも勿論のことである。更に、制御
巻線と駆動巻線を別々の巻線にした例について説明した
が、これを共通の巻線としても、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。

【００２９】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
永久磁石型のロータが外部電源の供給が断たれた時にそ
のステータに発電電力を発生する。そして、この発電電
力を他のロータを支持するステータに供給することによ
り、他のロータに対して回転磁界を形成することで磁気
浮上保持することができる。これにより、高速回転中の
磁気浮上回転機械の外部電力の供給が断たれた時に、ロ
ータを磁気浮上支持しつつ、回転を緩やかに減速し、安
全に停止させることができる。これにより、磁気浮上回
転機械の停電時等の安全性を格段に改善することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の磁気浮上回転機械の説明
図。

【図２】図１に示す磁気浮上回転機械の制御系のブロッ
ク図。

【図３】本発明の第２実施例の磁気浮上回転機械の説明
図。

【図４】図３に示す磁気浮上回転機械の制御系のブロッ
ク図。

【符号の説明】

１２，２２永久磁石型ロータ１３，１４，２３，２４リラクタンス型又は誘導型ロ
ータ１６，１７，１８，２６，２７，２８ステータ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５，１５Ｎ，１５θ，１５
φ，１５ｚセンサ３１センサアンプ３２ＰＩ（Ｄ）コントローラ３３制御器３４二相三相変換器３５電流制御器３６切換器３７停電検出器３８電流取出器

───────────────────────────────────────────────────── 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

【特許請求の範囲】

【請求項１】永久磁石型の円筒形ロータを少なくとも
１個含む複数の円筒形ロータが連設された回転軸と、該
複数の円筒形ロータを回転駆動すると共に半径方向に磁
気浮上制御する複数のステータとからなる磁気浮上回転
機械であって、電源の供給の断を検出する停電検出器
と、該停電検出器の信号により電源の供給が断たれた時
に前記永久磁石型の円筒形ロータを支持するステータに
生じる発電電力を他のロータを支持するステータに供給
する切換装置とを備えたことを特徴とする磁気浮上回転
機械。
【請求項２】前記回転軸に連設された複数の円筒形ロ
ータは、少なくとも１個が永久磁石型であり、その他は
リラクタンス型であることを特徴とする請求項１記載の
磁気浮上回転機械。
【請求項３】前記回転軸に連設された複数の円筒形ロ
ータは、少なくとも１個が永久磁石型であり、その他は
誘導型であることを特徴とする請求項２記載の磁気浮上
回転機械。
【請求項４】永久磁石型のディスク型ロータを少なく
とも１個含む複数のディスク型ロータが連設された回転
軸と、該複数のディスク型ロータを回転駆動すると共に
軸方向に磁気浮上制御する複数のステータとからなる磁
気浮上回転機械であって、電源の供給の断を検出する停
電検出器と、該停電検出器の信号により電源の供給が断
たれた時に前記永久磁石型のディスク型ロータを支持す
るステータに生じる発電電力を他のロータを支持するス
テータに供給する切換装置とを備えたことを特徴とする
磁気浮上回転機械。
【請求項５】前記回転軸に連設された複数のディスク
型ロータは、少なくとも１個が永久磁石型であり、その
他はリラクタンス型であることを特徴とする請求項４記
載の磁気浮上回転機械。
【請求項６】前記回転軸に連設された複数のディスク
型ロータは、少なくとも１個が永久磁石型であり、その
他は誘導型であることを特徴とする請求項１記載の磁気
浮上回転機械。