JPH11243672A - 推力制御可能な回転型同期機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 １つの同期機で回転力も推力も同時に制御で
きるようにする。 【構成】 回転型同期機は固定子と回転子とから構成さ
れる。固定子は磁気的に分離された界磁コア及び電機子
コアを有する。回転子は回転方向に沿って磁気的に分離
された複数の磁性体で構成されており、この磁性体は界
磁コア及び電機子コアの両方に対して磁気的に結合して
いる。回転子と界磁コアとは界磁巻線に流れる電流の大
きさに応じて回転子に回転軸方向における推力を生じさ
せるように構成されている。すなわち、回転子と界磁コ
アとの間の吸引力の方向（磁気的結合の方向）が回転軸
方向と同じであるか、又は、回転軸方向に対して所定の
角度（垂直を除く角度）をなすように構成されている。
これによって回転子と界磁コアとの間には吸引力に応じ
た推力が発生する。この推力は、界磁巻線に流す電流の
大きさに対応する。従って、界磁コアを回転子の両側に
設け、その界磁電流の大きさを適宜制御することによっ
て、回転子の回転軸方向における移動位置を制御するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、界磁巻線及び電機
子巻線を固定子（ステータ）側に有する回転型同期機に
係り、特に回転軸に沿った方向の推力を任意に制御する
ことのできる推力制御可能な回転型同期機に関する。

【０００２】

【従来の技術】同期電動機には、回転電機子形、回転界
磁形、誘導子形などがある。回転電機子形同期電動機は
固定子に設けられた界磁極と、回転子に巻回された電機
子巻線とから構成される。回転界磁形同期電動機は、固
定子に巻回された電機子巻線と、回転子に設けられた界
磁極とから構成される。回転界磁形同期電動機における
界磁極は回転子に永久磁石を取り付けたものや直流電流
で励磁される界磁巻線で構成される。誘導子形同期電動
機は、固定子に設けられた界磁極及び電機子巻線と、回
転子に設けられた歯車状の凹凸の誘導子とから構成され
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】回転界磁形同期電動機
は、電機子巻線が固定子に設けられているので、機械的
損傷や破損がなく、絶縁も容易であり、工作機械の主軸
などの回転駆動力源として広く利用されている。ところ
が、界磁極として回転子に永久磁石を設けたものは、永
久磁石自体が高価であること、永久磁石が分離しないよ
うに回転子に強固に取り付けなければならないこと、及
び界磁が一定なので大容量化が困難であるなどの欠点を
有する。また、界磁極として回転子に界磁巻線を巻回し
たものは、界磁電流を回転子側に供給するためのスリッ
プリングや回転トランスなどが必要であり、構造が複雑
であるという欠点を有する。

【０００４】一方、回転駆動力源は回転方向の力（トル
ク）は発生するが、回転軸方向の推力（スラスト）を発
生することはない。そこで、従来は回転力と回転軸方向
の推力が必要な場合には、回転駆動力源とは別個に推力
発生用の直線駆動力源を設け、回転力と推力の両方をべ
つべつの動力源で制御することによって、回転力と推力
の両方を制御するということを行っていた。この場合、
少なくとも２つの動力源が必要であることから比較的大
きなスペースが必要であった。基本的には回転動力源全
体を直線駆動力源で駆動するとう構成のものが大部分で
ある。

【０００５】本発明は、上述の点に鑑みてなされたもの
であり、１つの同期機で回転力も推力も同時に制御する
ことのできる推力制御可能な回転型同期機を提供するこ
とを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】出願時の請求項１に記載
された本発明に係る推力制御可能な回転型同期機は、固
定子と、前記固定子に設けられ、回転方向に沿って順次
巻き回された電機子巻線を有する電機子コアと、前記電
機子コアに対して磁気的に結合された磁性体の複数を回
転方向に沿って磁気的に相互に分離して有する回転子
と、前記固定子に前記電機子コアとは磁気的に分離され
て設けられ、前記回転子を介して前記電機子コアに磁気
的に結合され、回転磁極を発生するための界磁巻線を有
し、前記界磁巻線に流れる電流の大きさに応じて前記回
転子に回転軸方向における推力を生じさせる界磁コアと
を備えたものである。この発明に係る推力制御可能な回
転型同期機は固定子と回転子とから構成される。固定子
は磁気的に分離された界磁コア及び電機子コアを有す
る。回転子は回転方向に沿って磁気的に分離された複数
の磁性体で構成されており、この磁性体は界磁コア及び
電機子コアの両方に対して磁気的に結合している。従っ
て、界磁コアに発生したＮ極及びＳ極の回転磁極はそれ
ぞれ回転子及び電機子コアを介して結合し、磁気閉回路
を形成する。回転子と電機子コアとは回転軸に対して垂
直方向で結合しているので両者の間の吸引力は回転力に
のみ寄与することとなる。一方、回転子と界磁コアとは
界磁巻線に流れる電流の大きさに応じて回転子に回転軸
方向における推力を生じさせるように構成されている。
すなわち、回転子と界磁コアとの間の吸引力の方向（磁
気的結合の方向）が回転軸方向と同じであるか、又は、
回転軸方向に対して所定の角度（垂直を除く角度）をな
すように構成されており、回転子と界磁コアとの間に発
生した吸引力に応じた推力が発生するようになってい
る。この推力は、界磁巻線に流す電流の大きさに対応し
たものとなる。従って、請求項２に記載の回転型同期機
のように、界磁コアを回転子の両側に設け、その界磁電
流の大きさを適宜制御することによって、回転子の回転
軸方向における移動位置を制御することが可能となる。

【０００７】出願時の請求項２に記載された本発明に係
る推力制御可能な回転型同期機は、固定子と、前記固定
子の内周面に沿って設けられた円筒状の電機子コアであ
って、回転軸を中心とした半径方向に延びたスロットに
回転方向に沿って順次巻き回された電機子巻線を有する
電機子コアと、前記電機子コアの内周面との間で磁気的
に結合された円筒帯状の磁性体の複数を回転方向に沿っ
て磁気的に相互に分離して有する回転子と、前記電機子
コアとは磁気的に分離し、前記回転子の円筒帯状の磁性
体の一方の側面に対して磁気的に結合するように前記固
定子に設けられ、回転磁極を発生するための界磁巻線を
有する第１の界磁コアと、前記電機子コアとは磁気的に
分離し、前記回転子の円筒帯状の磁性体の他方の側面に
対して磁気的に結合するように前記固定子に設けられ、
回転磁極を発生するための界磁巻線を有する第２の界磁
コアと、前記第１及び第２の界磁コアに供給する電流の
大きさを制御することによって前記回転子に回転軸方向
の推力を制御する電流制御手段とを備えたものである。
請求項２に記載の回転型同期機は回転子の両側に界磁コ
アを設け、両方の界磁コアに供給される電流を電流制御
手段で制御することによって、回転子の回転軸方向にお
ける推力を制御するものである。

【０００８】出願時の請求項３に記載された本発明に係
る推力制御可能な回転型同期機は、前記請求項２に記載
の発明の一実施態様として、前記回転子の円筒帯状の磁
性体のそれぞれの外周面に円筒帯状の永久磁石を設けた
ものである。円筒帯状の永久磁石の回転子側をＳ極、電
機子コア側をＮ極とすると、磁性体の第１及び第２の界
磁コアに対向する部分はＳ極となる。一方、永久磁石の
回転子側をＮ極、電機子コア側をＳ極とすると、磁性体
の第１及び第２の界磁コアに対向する部分はＮ極とな
る。従って、界磁電流を供給しなくても回転子は電機子
巻線に供給される電流に応じて回転するようになる。そ
して、界磁電流の大きさを制御することによって、回転
力を制御することができると共に回転軸方向の推力をも
制御することができる。なお、このときに、第１及び第
２の界磁コアに供給する界磁電流を同位相とし、第１及
び第２の界磁コアと回転子との間に吸引力を発生させる
ことによって、回転軸方向の推力を微妙に制御すること
ができ、第１及び第２の界磁コアに供給する界磁電流を
逆位相とし、第１の界磁コアと回転子との間には吸引力
を、第２の界磁コアと回転子との間には反発力をそれぞ
れ発生させることによって、回転軸方向の推力を大幅に
制御することができる。

【０００９】出願時の請求項４に記載された本発明に係
る推力制御可能な回転型同期機は、前記請求項２又は３
に記載の発明の一実施態様として、前記回転子の円筒帯
状の磁性体の少なくとも一方の側面をテーパ状の円錐斜
面で構成し、この円錐斜面に対して前記第１及び第２の
界磁コアが磁気的に結合するように構成したものであ
る。磁性体の形状をテーパ状にしたことによって磁性体
と界磁コアとの間のギャップよりも十分大きな軸方向の
移動距離を確保することができ、励磁電流の低減と推力
の特性改善を行うことができる。

【００１０】出願時の請求項５に記載された本発明に係
る推力制御可能な回転型同期機は、前記請求項１から請
求項４までのいずれか１に記載の推力制御可能な回転型
同期機を同一回転軸の軸方向に沿って複数段接続したも
のである。多段接続することによって、軸方向の推力を
十分大きくすることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に従って詳細に説明する。図１、図２及び図３は本
発明に係る推力制御可能な回転型同期機の一実施の形態
である推力制御可能な回転形同期電動機の構成を示す図
である。図１はこの回転形同期電動機の回転軸を含む断
面構造を示す図である。図２は図１の回転形同期電動機
におけるＡ−Ａ面の断面構造であり、特に界磁コア６の
詳細構成を示す図である。図３は図１の回転形同期電動
機におけるＢ−Ｂ面の断面構造を示す図である。

【００１２】この回転形同期電動機は、磁極数が４極の
３相交流駆動型の電動機である。この回転形同期電動機
は円筒状収納部分を有する固定子枠１と、この固定子枠
１に軸受２及び軸受３を介して回転自在に設けられた回
転軸４とから構成される。回転軸４はこの軸受２及び軸
受３を介して軸方向の推力に従って、摺動自在に移動す
るように構成されている。固定子枠１の円筒状収納部の
内周面には電機子コア５が設けられ、その側平面部には
２つの界磁コア６及び７が設けられ、回転軸４には磁性
体８１〜８４と非磁性体８５〜８８から構成された回転
子８が設けられている。

【００１３】電機子コア５は固定子枠１の円筒状収納部
の内周面に沿って設けられた円筒状の成層鉄心で構成さ
れ、その内周面側に図２に示すような回転軸を中心とし
て半径方向に延びた２４個のスロットを有する。電機子
コア５の各スロットには３相電機子巻線が回転軸４の回
転方向に沿って順次巻回されている。電機子コア５の成
層鉄心は薄いけい素鋼板を軸方向に沿って複数枚積み重
ねて構成されたものである。

【００１４】界磁コア６及び７は、回転子８の両端の固
定子枠１の側平面部に設けられた平板形の環状鉄心で構
成されている。図４は界磁コア単体の形状を示す図であ
り、図４（Ａ）は回転子８側から見た図であり、図４
（Ｂ）はそのＣ−Ｃ面の断面構造を示す図である。な
お、図４において界磁巻線は省略してある。界磁コア６
及び７は、共に回転子８の側面に対向した部分に図４の
ような放射状に延びた２４個のスロットを有する。界磁
コア６及び７の各スロットには２組の３相界磁巻線が回
転軸４の回転方向に沿って順次巻回されている。界磁コ
ア６及び７は薄いけい素鋼板からなるリングを回転軸を
中心とする半径方向に複数枚積み重ねて構成されたもの
である。

【００１５】電機子コア５に巻回されている３相電機子
巻線はそれぞれ電気角で１２０度ずれた位置に巻回され
たＵ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線から構成される。以
下、明細書及び図面中では電機子巻線を大文字英数字で
示し、界磁巻線を小文字英数字で示す。すなわち、電機
子巻線のＵ相巻線は８つのスロットを介して巻線Ｕ１−
巻線Ｕ２−巻線Ｕ３−巻線Ｕ４−巻線Ｕ５−巻線Ｕ６−
巻線Ｕ７−巻線Ｕ８の順番で電機子コア５に巻回されて
いる。Ｖ相巻線は８つのスロットを介して巻線Ｖ１−巻
線Ｖ２−巻線Ｖ３−巻線Ｖ４−巻線Ｖ５−巻線Ｖ６−巻
線Ｖ７−巻線Ｖ８の順番で電機子コア５に巻回されてい
る。Ｗ相巻線は８つのスロットを介して巻線Ｗ１−巻線
Ｗ２−巻線Ｗ３−巻線Ｗ４−巻線Ｗ５−巻線Ｗ６−巻線
Ｗ７−巻線Ｗ８の順番で電機子コア５に巻回されてい
る。Ｕ相巻線とＶ相巻線との間、Ｖ相巻線とＷ相巻線と
の間は、それぞれ電気角で１２０度ずれている。すなわ
ち、図では各Ｕ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線は互いに
スロットで４個分だけ時計方向にずれた位置に巻回され
ていることになる。これによって、各巻線は電気角で１
２０度ずれるようになる。

【００１６】界磁コア６に巻回されている３相界磁巻線
も３相電機子巻線と同様に、それぞれ電気角で１２０度
ずれた位置に巻回されたｕ相巻線、ｖ相巻線及びｗ相巻
線からなる。ｕ相巻線は、４つのスロットを介して巻線
端ｕａから巻線端ｕｂに向かって界磁コア６に巻回され
たものと、４つのスロットを介して巻線端ｕｃから巻線
端ｕｄに向かって界磁コア６に巻回されたものとで構成
される。ｖ相巻線は４つのスロットを介して巻線端ｖａ
から巻線端ｖｂに向かって界磁コア６に巻回されたもの
と、４つのスロットを介して巻線端ｖｃから巻線ｖｄに
向かって界磁コア６に巻回されたものとで構成される。
ｗ相巻線は４つのスロットを介して巻線端ｗａから巻線
端ｗｂに向かって界磁コア６に巻回されたものと、４つ
のスロットを介して巻線端ｗｃから巻線端ｗｄに向かっ
て界磁コア６に巻回されたものとで構成される。

【００１７】界磁コア７に巻回されている３相界磁巻線
は、界磁コア６に巻回されている３相界磁巻線が回転子
８の軸に直交する面を対称面とするように巻回されてい
る。そして、界磁コア６及び７にそれぞれ巻回されてい
る３相界磁巻線は、電機子巻線に対して電気角で９０度
ずつずれるように巻回されている。すなわち、界磁巻線
のｕ相巻線は、電機子巻線のＵ相巻線に対してスロット
で３個分（電気角で９０度）だけ時計方向にずれて巻回
されている。同様に、ｖ相巻線及びｗ相巻線もＶ相巻線
及びＷ相巻線に対してスロットで３個分（電気角で９０
度）だけ時計方向にずれて巻回されている。なお、同期
電動機の構造によっては正確に電気角９０度でなくて
も、これに近い角度であればよい。

【００１８】回転子８は、回転軸４の外周面に沿って設
けられており、全体的に円筒形状をしている。回転子８
は、界磁コア６及び７に発生する磁極（Ｎ極及びＳ極）
から出る磁束の方向（回転軸方向）に沿って設けられた
４つの磁性体８１〜磁性体８４と、非磁性体８５〜非磁
性体８８とから構成される。非磁性体８５〜非磁性体８
８は磁性体８１〜磁性体８４が円周方向で磁気的に結合
しないように分離している。磁性体８１〜磁性体８４は
電機子コア５に対してはその外周面で磁気的に結合し、
界磁コア６及び７に対してもその側平面で磁気的に結合
している。具体的には、非磁性体８５〜非磁性体８８の
間隔を約３〜１０ｍｍ程度とすると、磁性体８１〜磁性
体８４と電機子コア５、界磁コア６及び７との間隔を約
０．５〜３ｍｍ程度すればよい。また、磁性体８１〜磁
性体８４が互いに非磁性体８５〜非磁性体８８によって
磁気的に分離されていることによって、界磁コア６及び
７のＮ極から出た磁束は磁性体８１〜磁性体８４を介し
て電機子コア５の方に容易に進入するようになる。

【００１９】界磁コア６の３相界磁巻線には互いに位相
角で１２０度ずつずれた次のような交流電流ｉｕ，ｉ
ｖ，ｉｗが流される。 ｉｕ＝ｉｍ・ｓｉｎωｔ ｉｖ＝ｉｍ・ｓｉｎ（ωｔ−２π／３） ｉｗ＝ｉｍ・ｓｉｎ（ωｔ−４π／３） ここで、ｉｍは電流の最大値である。界磁コア６の３相
界磁巻線にこのような電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが流される
ことによって図３に示すような回転子８の磁性体８２及
び磁性体８４に向かう方向に磁束を発生する磁極（Ｎ
極）、及び回転子８の磁性体８１及び磁性体８３から界
磁コア６に向かう磁束を吸収する磁極（Ｓ極）がそれぞ
れ界磁コア６の回転子８の側平面上現れ、それが時計方
向に回転するようになる。界磁コア７の３相界磁巻線に
も同様の電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが流され、界磁コア６と
同じような磁極（Ｎ極及びＳ極）が界磁コア７の回転子
８の側平面部分に現れ、同じ方向に回転するようにな
る。

【００２０】この３相界磁巻線によって生じた磁極（Ｎ
極及びＳ極）における磁界の磁束分布は回転方向に沿っ
て正弦波状となり、最大磁束をΦｍ、磁極中心をθ＝０
とすると磁束は次のように表される。 Φ＝Φｍ・ｃｏｓθ また、この３相界磁巻線に流される電流によって発生す
る磁界の磁極中心が、回転子８の最も磁化容易な面に合
致するように界磁巻線に流れる電流を制御すると、回転
子８は所定の方向に磁化され、その磁束密度は近似的に
次のようになる。 Ｂ＝Ｂｍ・ｃｏｓθ すなわち、界磁コア６及び７に発生した磁極（Ｎ極及び
Ｓ極）に対応して、回転子８の磁性体８１〜磁性体８４
は所定の方向に磁化されるようになる。例えば、電流ｉ
ｕ，ｉｖ，ｉｗによって、図示のように界磁コア６及び
７の磁性体８２及び磁性体８４に対向する面にＮ極が発
生し、磁性体８１及び磁性体８３に対向する面にＳ極が
発生すると、これに応じて磁性体８２及び磁性体８４の
界磁コア６及び７に対向する平面側がＳ極となり、磁性
体８２及び磁性体８４の電機子コア５に対向する曲面側
がＮ極となる。同様に、磁性体８１及び磁性体８３の界
磁コア６及び７に対向する面はＮ極となり、磁性体８１
及び磁性体８３の電機子コア５に対向する曲面側がＳ極
となる。

【００２１】すなわち、図１に示すように、界磁コア６
の２つのＮ極から出た磁束Φ１は、磁性体８２及び８４
のＳ極平面から磁性体８２及び８４内部に進入する。同
様に界磁コア７の２つのＮ極から出た磁束Φ２は、磁性
体８２及び８４のＳ極平面から磁性体８２及び８４内部
に進入する。そして、磁性体８２及び磁性体８４内部に
進入した磁束Φ１及びΦ２はそのＮ極外周曲面から電機
子コア５に進入し、電機子コア５の外周部を通過して、
磁性体８１及び８３のＳ極外周曲面から磁性体８１及び
磁性体８３内部に進入する。そして、磁性体８１及び磁
性体８３内部に進入した磁束Φ１及びΦ２はそのＮ極平
面から界磁コア６及び７のＳ極平面に進入する。界磁コ
ア６及び７に進入した磁束Φ１及びΦ２は、界磁コア６
及び７内の円板内部を通過して、それぞれのＮ極に到達
する。このように、この同期電動機では、界磁コア６及
び７、回転子８及び電機子コア５によって所定の磁気閉
回路が形成されている。

【００２２】上述のような構成の同期電動機は、界磁コ
ア６及び７の発生する磁束Φ１及びΦ２によって、磁性
体８１〜８４と界磁コア６及び７との間の各対向面に吸
引力を発生させる。この吸引力の大きさは磁束Φ１及び
Φ２の大きさに依存する。従って、界磁コア６の発生す
る磁束Φ１の大きさと、界磁コア７の発生する磁束Φ２
の大きさが共に等しい場合には、両対向面に発生する吸
引力は互いに打ち消し合い、同期電動機には磁束Φ１及
びΦ２に依存した回転トルクＴのみが発生することにな
る。

【００２３】電機子コア５の３相電機子巻線には、次の
ような互いに位相角で１２０度ずつずれた３相の交流電
流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷが流される。 ＩＵ＝Ｉｍ×ｓｉｎωｔ ＩＶ＝Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ−２π／３） ＩＷ＝Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ−４π／３） このとき、３相電機子巻線は界磁巻線に対して電気角で
約９０度位相が進んでいるので、フレミングの法則によ
り、トルクＴが発生し、回転子８（回転軸４）は回転す
る。なお、このトルクＴの大きさを制御するには、界磁
巻線及び電機子巻線に流す電流の大きさを制御するだけ
でよくなる。なお、電機子電流によっても磁束を生じる
が、その磁束方向の回転子の磁気抵抗は大きくしてあ
り、磁化されにくくなっているので、その影響は少な
い。

【００２４】一方、界磁コア６の発生する磁束Φ１の大
きさと、界磁コア７の発生する磁束Φ２の大きさが互い
に異なる場合には、その磁束Φ１とΦ２の大小関係に応
じて、回転子８（回転軸４）に軸方向の推力が発生す
る。すなわち、界磁コア６の発生する磁束Φ１の大きさ
が、界磁コア７の発生する磁束Φ２の大きさよりも小さ
い場合、回転子８（回転軸４）には＋Ｚ方向の推力が発
生する。逆に界磁コア６の発生する磁束Φ１の大きさ
が、界磁コア７の発生する磁束Φ２の大きさよりも大き
い場合、回転子８（回転軸４）には−Ｚ方向の推力が発
生する。

【００２５】つまり、推力の大きさは、界磁コア６に供
給される界磁電流ＩｆＬと界磁コア７に供給される界磁
電流ＩｆＲの差分値、すなわち磁束Φ１及びΦ２との差
分値に応じて決定されるようになる。従って、界磁電流
ＩｆＬ及びＩｆＲの大きさを調節することによって軸方
向の推力を制御することができる。また、この界磁電流
ＩｆＬ及びＩｆＲを制御することによって、トルクＴを
制御できることはいうまでもない。また、トルクＴを一
定のまま、軸方向推力の大きさを制御することも可能で
ある。この場合には、磁束Φ１及びΦ２の合計値を一定
のまま、磁束Φ１と磁束Φ２の大きさを制御してやれば
よい。

【００２６】なお、回転軸４の軸方向における位置決め
は、固定子枠１と回転軸４との間の相対的な位置関係を
検出可能な直線位置検出器をこの同期電動機に設け、そ
の位置信号に基づいて界磁電流ＩｆＬ及びＩｆＲを調整
するようにすれば、軸方向の位置決め制御も行うことが
可能となる。このときに、トルクＴを一定に保持するよ
うに界磁電流ＩｆＬ及びＩｆＲを制御することが重要で
ある。

【００２７】このように、この実施の形態のような同期
電動機を構成することによって、推力発生用の特別な構
成要素を付加することなく、回転トルクを制御する界磁
コイルに供給する界磁電流を制御することによって、回
転力並びに推力を同時に制御することができるという優
れた効果がある。

【００２８】図５は電機子巻線と界磁巻線の結線方法を
示す図である。図２のように、界磁巻線と電機子巻線と
が電気角で９０度位相ずれとなるように機械的に巻回さ
れている場合には、このように電機子巻線と界磁巻線を
直巻にすることができ、１つのインバータで直巻特性の
ＡＣモータとして制御することができるようになる。な
お、この場合には、界磁巻線に推力制御用の巻線を別途
設け、両側の界磁巻線の界磁電流の大きさをそれぞれ制
御することによって所望の推力を発生することができ
る。また、界磁巻線と電機子巻線とが電気角で９０度位
相ずれることなく同位相となるように機械的に別々に巻
回されている場合には、別々のインバータで界磁電流と
電機子電流との位相が９０度ずれるように制御すればよ
い。この場合には両側の界磁巻線の界磁電流の大きさを
それぞれ制御することによって、所望の推力を発生する
ことができる。

【００２９】図６及び図７は、図２の４極形回転子８の
他の実施の形態を示す図である。図６の回転子８ａは、
界磁巻線の発生する磁束の通過方向（回転軸方向）に沿
って設けられた磁性体８１〜磁性体８４が非磁性体８Ａ
〜非磁性体８Ｆによって回転方向に沿ってさらに細かく
磁気的に分離されている。なお、磁性体８２〜磁性体８
４を分離している非磁性体については符号を省略してあ
る。但し、この磁気的分離の程度は図２の非磁性体８５
〜非磁性体８８のものよりも極めて小さい。すなわち、
非磁性体８５〜非磁性体８８の円周方向における厚さ
（ギャップ）が３〜１０ｍｍ程度であるとすれば、この
非磁性体８Ａ〜非磁性体８Ｆの円周方向における厚さ
（ギャップ）は０．３〜３ｍｍ程度に設定される。この
回転子８ａによれば、電機子電流によって生じる磁束の
影響、すなわち電機子反作用を取り除くことができる。

【００３０】図７の回転子８ｂは、界磁巻線の発生する
磁束の通過方向（回転軸方向）に沿って設けられた磁性
体８１〜磁性体８４を、非磁性体８Ｇ〜８Ｌによって回
転方向に沿ってさらに細かく磁気的に分離している点で
は図６のものと同じである。この回転子８ｂが回転子８
ａと異なる点は、非磁性体８Ｇ〜非磁性体８Ｌによって
分離された磁性体８１〜磁性体８４の回転方向における
厚さが界磁コアによって発生する磁束の正弦波状の分布
密度に対応している点である。なお、磁性体８２〜磁性
体８４を分離している非磁性体については符号を省略し
てある。すなわち、回転子８ａの場合は非磁性体８Ａ〜
非磁性体８Ｆによって分離された磁性体８２〜磁性体８
４の回転方向における厚さは全て同じであるが、回転子
８ｂの場合は、非磁性体８Ｇ〜非磁性体８Ｌによって分
離された磁性体８１〜磁性体８４の回転方向における厚
さが正弦波状の磁束分布密度に対応して、各非磁性体８
５〜非磁性体８８間の中央付近では厚く、各非磁性体８
５〜非磁性体８８近傍では薄くなっている。すなわち、
非磁性体８Ｇ、非磁性体８Ｊ、非磁性体８Ｊの順番で徐
々に薄くなり、非磁性体８Ｉ、非磁性体８Ｋ、非磁性体
８Ｌの順番で徐々に厚くなるように構成されている。こ
の回転子８ｂによれば、界磁電流によって生じた正弦波
状の磁束分布に対応した磁極（Ｎ極及びＳ極）をその外
周面上に形成することができるので、回転特性を飛躍的
に向上させることができる。

【００３１】図８は、図１の同期電動機を軸方向にシリ
ーズに接続した場合における実施の形態を示す図であ
る。図から明らかなように同期電動機自体の構成は図１
のものと同じである。このような図１の同期電動機を複
数個シリーズに接続したものにおける推力制御も図１の
場合と同様にして行われる。なお、２個の同期電動機を
シリーズに接続する場合について説明したが、図１のよ
うな同期電動機を３個以上シリーズに接続してもよいこ
とはいうまでもない。接続する個数に応じて制御可能な
推力及び回転力を大きくすることができる。

【００３２】図９は、本発明に係る推力制御可能な同期
電動機の他の実施の形態を示す図である。この実施の形
態に係る推力制御可能な同期電動機が図１のものと異な
る点は、回転子８の各磁性体８１〜８４の外周面に沿っ
て円筒帯状（円筒の一部を帯状に切り抜いたもの）の永
久磁石９がそれぞれ設けられている点である。回転子８
の磁性体８１及び８３に接して設けられる円筒帯状の永
久磁石９は回転子８に接する内周面側がＮ極、電機子コ
ア５に接する外周面側がＳ極に磁化されている。従っ
て、回転子８の磁性体８１及び８３の界磁コア６及び７
に接する部分はＮ極になる。同じく回転子８の磁性体８
２及び８４に接して設けられる円筒帯状の永久磁石９は
回転子８に接する内周面側がＳ極、電機子コア５に接す
る外周面側がＮ極に磁化されている。従って、回転子８
の磁性体８２及び８４の界磁コア６及び７に接する部分
はＳ極になる。

【００３３】このように永久磁石９を磁性体８１〜磁性
体８４の外周に沿って設けることによって、界磁巻線に
界磁電流を流さなくても回転子８を回転することができ
るようになる。しかしながら、この場合の回転トルクは
永久磁石９の磁極の強さ及び電機子電流の大きさに依存
するため、広範囲に渡って最適なトルク制御を行うこと
はできない。そこで、本発明の同期電動機のように構成
し、界磁巻線に流される電流の大きさを適宜制御するこ
とによって永久磁石による磁束に、さらに界磁巻線から
発生した磁束の大きさを適宜制御することによって磁極
の強さを制御することのできるハイブリッド形の回転子
８を構成することができ、回転トルクを広範囲に制御す
ることが可能となる。なお、図１０のように、図２の回
転子８の磁性体８１〜磁性体８４と、回転軸４との間
に、磁性体８１及び磁性体８３に対してＳ極が対向し、
磁性体８２及び磁性体８４に対してＮ極が対向するよう
な永久磁石８５Ａ〜８８Ａを非磁性体８５〜非磁性体８
８の代わりに設けてもよいことはいうまでもない。

【００３４】図９の場合には、界磁コア６及び７の界磁
電流が位相角で９０度異なるように励磁されている。す
なわち、図のように界磁コア６の回転子８に接する部分
がＮ極の場合には、その反対側の界磁コア７の対向部分
はＳ極となるように、界磁コア６の回転子８に接する部
分がＳ極の場合には、その反対側の界磁コア７の対向部
分はＮ極となるように、それぞれの界磁コア６及び７は
励磁される。これによって、回転子８と界磁コア７との
間には反発力が発生し、回転子８と界磁コア６との間に
は吸引力が発生する。このときに回転子８が界磁コア６
又は７に接触又は近い状態にあれば、励磁電流なしで永
久磁石９による吸引力による推力を維持することができ
る。また、軸のスラスト方向の位置決めは図１の構造と
同様に、界磁電流ＩｆＬとＩｆＲを調整することによっ
て行えば良く、推力自体の制御も同様に界磁電流ＩｆＬ
とＩｆＲを調整することによって行える。また、図９の
ような同期電動機を図８のように多段に組み合わせて大
きなトルクや推力を得るようにしてもよい。 ＄＄ 図１１は、本発明の同期電動機のさらに他の実施の形態
を示す図である。この実施の形態に係る推力制御可能な
同期電動機が図１のものと異なる点は、界磁コア６Ｃ及
び７Ｃと接して吸引力を発生する回転子８Ｃの側面形状
が回転軸に対して所定の角度で傾斜、すなわちテーパー
構造になっている点である。このように回転子８Ｃの側
面がテーパー構造になっていることによって、回転子８
Ｃと界磁コア６Ｃ及び７Ｃとの間の磁気回路上における
ギャップ長ｄと回転軸方向の移動距離ｚとの間に、移動
距離ｚがギャップ長ｄよりも大きいという関係、すなわ
ちｚ＞ｄがある。従って、短いギャップ長ｄでそれより
も長い移動距離ｚを確保することが可能であり、励磁電
流の低減と推力の特性改善を共に行うことができるもの
である。図１２は、図１の同期電動機のように回転子８
Ｃの側面が回転軸に垂直な場合と図９の同期電動機のよ
うに回転子８Ｃの側面がテーパー構造になっている場合
とにおける移動距離ｚと推力Ｆｚとの関係を示す図であ
る。図１２から明らかなように、回転子８Ｃの側面が回
転軸に垂直な構造（図１の同期電動機）の場合には、移
動距離ｚが大きくなるに従って推力Ｆｚは激減する。こ
れに対してテーパー構造の場合には、移動距離ｚが大き
くなった場合でも垂直構造のものに比べて推力Ｆｚの減
少は少なく、推力Ｆｚは移動距離に対して緩やかに減少
するという特性を示す。これは、前述のように、ギャッ
プ距離ｄが同じ場合に、垂直構造のものに比べてテーパ
ー構造の方が移動距離ｚが大きいからである。

【００３５】図１１に示すように回転子８Ｃと界磁コア
６Ｃ及び７Ｃとの間に働く力、すなわち吸引力Ｆは、回
転子８Ｃの側面、すなわちテーパー部分の表面に垂直な
方向に発生する。この吸引力Ｆはスラスト方向の力Ｆｚ
（推力）とラジアル方向の力Ｆｘに分力される。ラジア
ル方向の力Ｆｚは互いに打ち消し合うが、スラスト方向
の力Ｆｚ（推力）は一方向にまとまり、その大きさは回
転子８Ｃの側面が回転軸に垂直な構造の場合とほとんど
変わらない。従って、界磁コア６Ｃ及び７Ｃによって生
成される磁束Φ１及びΦ２の大きさを制御することによ
って、図１１の同期電動機は磁気軸受けとしてスラスト
方向、ラジアル方向の両方向に効果のある軸受けとして
機能することができるという効果を有する。なお、図１
１では、回転子の両側をテーパ構造にする場合を示した
が、いずれか一方だけをテーパ構造にしてもよい。

【００３６】図１３は、本発明の同期電動機を利用した
ＡＣサーボモータシステムのブロック構成を示す図であ
る。ここでは、同期電動機の電機子巻線及び界磁巻線
が、電気角で９０度位相ずれることなく同位相となるよ
うに機械的に別々に巻回されており、界磁巻線及び電機
子巻線に互いに９０度位相となるような界磁電流と電機
子電流とが供給される場合について説明する。

【００３７】同期電動機の回転軸には、回転速度と磁極
位置を検出するための検出器２６（例えばロータリエン
コーダやロータリレゾルバなど）が結合されている。従
って、検出器２６からは、同期電動機の回転速度を示す
信号Ｓ２が速度アンプ２１に、同期電動機の界磁の回転
位置すなわち磁極位置を示す信号Ｓ６が電機子ＰＷＭア
ンプ２３ａ及び界磁ＰＷＭアンプ２３ｆにフィードバッ
クされる。速度アンプ２１は回転速度指令Ｓ１と検出器
２６からの同期電動機の回転速度信号Ｓ２とを入力し、
両者の速度偏差を求め、この速度偏差に応じた電機子電
流指令信号（トルク信号）Ｓ３を電機子電流アンプ２２
ａに出力する。電機子電流アンプ２２ａは、電流検出ア
イソレータ２５ａで検出された電流フィードバック信号
（Ｕ相検出電流とＶ相検出電流）Ｓ４と、速度アンプ２
１ａからの電機子電流指令信号Ｓ３との差を増幅し、そ
れを電機子ＰＷＭアンプ２３ａの入力信号Ｓ５として出
力する。電機子ＰＷＭアンプ２３ａは、電機子電流アン
プ２２ａからの入力信号Ｓ５と、検出器２６からの界磁
の磁極位置信号Ｓ６とに基づいて３相のＰＷＭ信号すな
わちインバータ制御信号Ｓ７を電機子インバータ２４ａ
に出力する。電機子インバータ２４ａはインバータ制御
信号Ｓ７に応じて駆動され、同期電動機の電機子巻線の
各相に電機子電流を供給する。

【００３８】一方、界磁電流の制御系は、電機子電流制
御系の速度アンプ２１を省略した形であり、界磁電流ア
ンプ２２ｆ、界磁ＰＷＭアンプ２３ｆ、界磁インバータ
２４ｆ及び界磁電流検出アイソレータ２５ｆから構成さ
れる。従って、界磁電流アンプ２２ｆには界磁電流指令
信号ＦＳが直接入力されるようになっている。なお、図
１３では１つの界磁電流の制御系のみが示されている
が、両側の界磁巻線に対して同様の制御系を２系列分設
けら必要があることは言うまでもない。また、回転同期
電動機の推力は界磁電流指令信号ＦＳの大きさに応じて
適宜制御されることになる。

【００３９】図１３に示すようなＡＣサーボモータシス
テムを構成することによって、本発明の同期電動機はＡ
Ｃサーボモータとして動作し、所望の回転速度で回転す
るようになると共に所定の推力で直線移動するようにな
る。また、回転軸がどの位置にあっても回転軸の磁極中
心と回転磁界の磁界中心とが一致するように回転軸の回
転位置を検出し３相界磁電流の位相を制御しているの
で、常に最大トルクで効率的に回転させることができ
る。

【００４０】磁性体は、鉄系材料（純鉄・軟鉄・炭素
鋼、鋳鋼、磁性鋼帯、無方向性けい素鋼帯、方向性けい
素鋼帯など）、鉄−ニッケル合金（パーマロイ、イソパ
ーム、パーミンバーなど）、圧粉磁心（カーボニル圧粉
磁心、パーマロイ圧粉磁心、センダスト圧粉磁心な
ど）、フェライト（スピネル系フェライト、複合フェラ
イト（Ｍｎ−Ｚｎフェライト、Ｃｕ−Ｚｎフェライト、
Ｎｉ−Ｚｎフェライト、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｍｇフェライト）
など）で構成される。

【００４１】図１及び図１１の実施の形態では、界磁コ
アを回転子の両側に設ける場合について説明したが、い
ずれか一方に設けてもよい。図８のように多段接続した
場合もいずれか一方向だけに界磁コアを設けてもよい。
なお、界磁コアを一方側に設けた場合には、回転軸方向
における位置決めはできないが、一方向のみの推力を発
生することは可能である。また、図１又は図１１の回転
子を軸受２だけで支持してもよい。特に、図１１の場合
には、ラジアル方向に吸引力が作用しているので、軸受
として有効である。

【００４２】上述の実施の形態では、同期電動機を例に
説明したが、回転子の回転位置に対応した電流を界磁巻
線に流すことによって、電機子巻線に誘導起電力が発生
するので、それを取り出すことによって同期発電機とし
て利用することができる。このとき回転子の回転位置を
検出するための回転位置検出装置を回転子と同じ回転軸
に設け、その回転位置に応じて界磁電流を制御すればよ
い。

【００４３】上述の実施の形態では、４極２４スロット
又は２極１２スロットの同期機について説明したが、極
数とスロット数との関係はこれに限定されるものではな
く、任意の組み合わせを適宜採用することができること
はいうまでもない。また、図３では、界磁巻線を単層重
巻を例に説明したが、これに限らず、２層重巻にしても
よい。

【００４４】また、上述の実施の形態では、回転子が電
機子コアの内側に存在する場合について説明したが、こ
れに限らず、回転子が電機子コアの外側に存在する、い
わゆるアウターロータの場合にも同様に適用できること
は言うまでもない。

【００４５】

【発明の効果】本発明の回転同期機によれば、１つの同
期機で回転力も推力も同時に制御することができるとい
う優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明に係る推力制御可能な回転型同期機
の一実施の形態である推力制御可能な回転形同期電動機
の回転軸を含む断面構造を示す図である。

【図２】 図１の回転形同期電動機におけるＡ−Ａ面の
断面構造を示す図である。

【図３】 図１の回転形同期電動機におけるＢ−Ｂ面の
断面構造を示す図である。

【図４】 図１の界磁コア単体の形状を示す図である。

【図５】 図１の回転形同期電動機を構成する電機子巻
線と界磁巻線の結線方法を示す図である。

【図６】 図２の４極形回転子の他の実施の形態を示す
図である。

【図７】 図２の４極形回転子のさらに他の実施の形態
を示す図である。

【図８】 図１の同期電動機を軸方向にシリーズに接続
した場合における実施の形態を示す図である。

【図９】 本発明に係る推力制御可能な同期電動機の他
の実施の形態を示す図である。

【図１０】 図２の４極形回転子の他の例を示す図であ
る。

【図１１】 図１の実施の形態に係る推力制御可能な回
転型同期機の他の実施の形態を示す図である。

【図１２】 図１の同期電動機のように回転子の側面
が回転軸に垂直な場合と図９の同期電動機のように回転
子の側面がテーパー構造になっている場合とにおける移
動距離と推力との関係を示す図である。

【図１３】 本発明の同期電動機を利用したＡＣサーボ
モータシステムのブロック構成を示す図である。

【符号の説明】 １，７１…固定子枠、２，３…軸受、４…回転軸、５，
５Ａ，５Ｂ…電機子コア、６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，７，
７Ａ，７Ｂ，７Ｃ…界磁コア、８，８ａ，８Ｃ…回転
子、８１〜８４…磁性体、８５〜８８，８Ａ〜８Ｆ，８
Ｇ〜８Ｌ…非磁性体、９，８５Ａ〜８８Ａ…永久磁石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 澁谷 浩 東京都目黒区碑文谷５丁目14番17号 日創 電機株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定子と、 前記固定子に設けられ、回転方向に沿って順次巻き回さ
   れた電機子巻線を有する電機子コアと、 前記電機子コアに対して磁気的に結合された磁性体の複
   数を回転方向に沿って磁気的に相互に分離して有する回
   転子と、 前記固定子に前記電機子コアとは磁気的に分離されて設
   けられ、前記回転子を介して前記電機子コアに磁気的に
   結合され、回転磁極を発生するための界磁巻線を有し、
   前記界磁巻線に流れる電流の大きさに応じて前記回転子
   に回転軸方向における推力を生じさせる界磁コアとを備
   えたことを特徴とする推力制御可能な回転型同期機。
2. 【請求項２】 固定子と、 前記固定子の内周面に沿って設けられた円筒状の電機子
   コアであって、回転軸を中心とした半径方向に延びたス
   ロットに回転方向に沿って順次巻き回された電機子巻線
   を有する電機子コアと、 前記電機子コアの内周面との間で磁気的に結合された円
   筒帯状の磁性体の複数を回転方向に沿って磁気的に相互
   に分離して有する回転子と、 前記電機子コアとは磁気的に分離し、前記回転子の円筒
   帯状の磁性体の一方の側面に対して磁気的に結合するよ
   うに前記固定子に設けられ、回転磁極を発生するための
   界磁巻線を有する第１の界磁コアと、 前記電機子コアとは磁気的に分離し、前記回転子の円筒
   帯状の磁性体の他方の側面に対して磁気的に結合するよ
   うに前記固定子に設けられ、回転磁極を発生するための
   界磁巻線を有する第２の界磁コアと、 前記第１及び第２の界磁コアに供給する電流の大きさを
   制御することによって前記回転子に回転軸方向の推力を
   制御する電流制御手段とを備えたことを特徴とする推力
   制御可能な回転型同期機。
3. 【請求項３】 前記回転子の円筒帯状の磁性体のそれぞ
   れの外周面に円筒帯状の永久磁石が設けられていること
   を特徴とする請求項２に記載の推力制御可能な回転型同
   期機。
4. 【請求項４】 前記回転子の円筒帯状の磁性体の少なく
   とも一方の側面がテーパ状の円錐斜面で構成されてお
   り、この円錐斜面に対して前記第１及び第２の界磁コア
   が磁気的に結合するように構成されていることを特徴と
   する請求項２又は３に記載の推力制御可能な回転型同期
   機。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４までのいずれか１
   に記載の推力制御可能な回転型同期機を同一回転軸の軸
   方向に沿って複数段接続したことを特徴とする推力制御
   可能な回転型同期機。