JP3678517B2

JP3678517B2 - Radial force generator, coiled rotating machine, and rotating device

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Publication number: JP3678517B2
Application number: JP30799496A
Authority: JP
Inventors: 明千葉; 正深尾; 力道岡
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 1996-11-19
Filing date: 1996-11-19
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2016-11-19
Also published as: JPH10150755A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は半径方向力発生装置、巻線付き回転機、および回転装置に関し、更に詳しくは、電磁力により回転子の半径方向力を発生する半径方向力発生装置、この半径方向力発生装置を利用し、しかも半径方向における位置を制御する機能、あるいは、半径方向の力を制御する機能、あるいは半径方向の速度を制御する機能、あるいは軸方向の力と半径方向の力を同時に制御する機能を付加した巻線付き回転機及びたとえば電動機、発電機等の回転装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械、ターボ分子ポンプ、フライホイールなどに用いられる電動機の高速、高出力化の要求が高まっている｛(1) 太田、安藤「200,000r.p.mの高周波内面研削スピンドル」マシニストvol.29, no.2, 1985, pp.32-36 、(2)W.K.Volkman and D.C.Jackson, "AC Spindle Drive for Machine Tools", IEEE Trans. on Indust-ry Application, vol.IA-21, No.5, 1985 pp.1263-1267 、(3)G.E.Ostersto-rm, "A New Type Turbomolecular Vacuum Pump Bearing", Journal of Vacuum Science Technology, A1(2), Apr.-June, 1983 、(4)Kume, T., Sawa, T., Yoshi−da, T. and Sawamura, M. "High Speed Vector Control Without Enco-der for a High Speed Spindle Motor", IEEE, IAS Conf.Record, 1990, pp. 390-394 ｝。これらの高速機では軸受での速度限界や保守などの問題を解決するために磁気軸受が適用されつつある。
【０００３】
図１４は磁気軸受を用いた高速電動機の構成を示している。１０１はラジアル磁気軸受、１０２は電動機あるいは発電機、１０３はスラスト磁気軸受、１０４は単相インバータ、１０５は３相インバータ、１０６はインバータと電動機、あるいは磁気軸受間の配線である。電動機の両端に磁気軸受が配置され、この２つの磁気軸受により主軸の半径方向の位置を制御するものである｛(5)Matumura, F., Fujita, M. and Ozaki, Y., "Characteristic of Friction on Magnetic Bearings", Proc. of International Conference on Electric Machine (ICEM) 1988 vol.3, pp.331-335、(6)Harbermann, H. and Liard, G.L., "An Active M-agnetic Bearing System", Tribology International Apr. 1980 pp.85-89 、(7) Harbermann, H. and Liard, G.L., "Practical Magnetic Bearings"IEEE, S-pectrum, Sept. 1979, pp.26-30 、(8)Maslen, E.H., etal, "Magnetic Bear-ing Design for a High Speed Rotor", Proc. of the 1st International Symp-osium on Magnetic Bearings, June 1988 pp.137-146｝。
【０００４】
この２つの磁気軸受のサイズは充分な力を発生させるために大きくなる傾向にあり、実際、電動機の軸長に等しい場合もある。したがって、主軸の軸長が長くなり、高速回転時に生じる主軸の弾性的な振動が問題となってしまい、高速回転を実現することは容易ではない。さらに、高出力化しようとすると電動機の軸長を長くする必要がある。すると、電磁機械が発生する吸引力が増加するため磁気軸受のサイズも大形にする必要がある。この結果、危険速度が低下してしまい、高速化がきわめて困難となる。
【０００５】
半径方向位置制御巻線付き電磁回転機械は電動機の磁気回路と、半径方向の力を発生する磁気回路とを一体化することにより軸長を短くして、高速高出力を実現するものである。さらに、回転子の位置制御に必要な半径方向の力を電動機の励磁磁束を利用して発生するものである。
【０００６】
図１５は、半径方向位置制御巻線付き電磁回転機械の概念的構成を示す。図１５において、１０７は半径方向位置制御巻線付き電磁回転機械の１つのユニット、１０８は半径方向位置制御巻線付き電磁回転機械の半径方向位置制御巻線電流制御用の３相インバータである。２つの半径方向位置制御巻線付き電磁回転機械のユニットは電動機としてトルクを発生させるために４極巻線と、回転子の半径方向の力を発生させるための２極の巻線が巻かれている。このように１台の機械でトルクと半径方向の力が発生できるため、図１４の構成に比べて軸長が短くでき、また、軸長が同一であれば図１４に比べて高出力化が期待できる。
【０００７】
既に、いくつかの半径方向位置制御巻線付き電磁回転機械が提案されている｛［(9)Bosch, R., "Development of a Bearingless Electric Motor", Proc. of ICEM'88 vol.3, pp.331-335、(10)Salazar, A.O., Dunford, W., Stephan, R. and Watanabe, E., "A Magnetic Bearing System using Capacitive Sensor-s for Position Measurement", IEEE Trans. on Magnetics vol.26, no.5, 1990 pp.2541-2543、(11)樋口「磁気浮上技術のFAへの応用」平成元年電気学会全国大会シンポジウムS.9-6 、(12)福山寛正（日本精工）「磁気軸受モータ」公開特許公報（Ａ）昭６４−５５０３１、(13)堺和人（東芝）「自己浮上モータシステム」公開特許公報（Ａ）平４−２３６１８８(14)井上正夫（三菱電機）「磁気軸受装置」公開特許公報（Ａ）平４−１０７３１８｝。
【０００８】
前記文献(9) では励磁磁束を変化することにより軸方向に作用する力を発生して、ディスク形電動機の軸方向位置を調整しようとしている。ディスク形の回転機には応用可能と思われるが、広く用いられているラジアル形の回転機には応用が難しい。
【０００９】
一方、文献(10)では、一般の誘導電動機の巻線電流を不平衡にすることにより、半径方向の力を発生して回転子の半径方向の位置を制御しようとするものである。しかし、回転子が中心に位置しているときには原理的に半径方向力が発生できないという問題点がある。
【００１０】
文献(11),(12) は従来の磁気軸受の磁路とステッピングモータの磁路を単に共有するものであり、低速のアクチュエータに適している。しかし、構造上、極数がきわめて大きい必要があるため超高速回転には適していない。さらに、高出力の誘導機、永久磁石形電動機などに多く用いられる正弦波状の起磁力分布、磁束分布を持つ回転機に応用することは難しい。
【００１１】
極数を減少するとともに、従来の誘導機や永久磁石形回転機に近い構造を提案したものとして、文献(13),(14) がある。文献(13)では、４相のスイッチドリラクタンス機の固定子鉄芯のような、８個の歯を構成した固定子に４極の集中巻線を施し、これを各磁極で分割し、各磁極の磁束を独立に制御するものである。回転磁界を発生するとともに、各磁極の磁束の強弱により半径方向力を発生することもできる。文献(14)も同様の鉄芯構造となっているが、巻線を分布巻きとして、より正弦波分布に近い起磁力分布とした点に特徴がある。しかし、文献(13),(14) では、４分割した巻線を個々に駆動するため、直交２軸の半径方向力とトルクを発生する１つのユニットで、２相巻線であれば最小で８台の単相インバータと１６本の配線が必要となってしまう。さらに、半径方向力制御とトルク制御が同一の巻線電流によって行われるため、きわめて高速かつ高精度で容量が大きい電流駆動器が必要となる。
【００１２】
この発明者は既に、電気学会、あるいは米国電気学会(IEEE)などで、４極の回転機に２極の巻線を施した電磁機械が半径方向の力を発生できることを報告している｛(15)Akira Chiba, Kouji Chida and Tadashi Fukao, "Principle and C-haracteristics of a Reluctance Motor with Windings of Magnetic Bearing", International Power Electronic Conference Record (IPEC) Tokyo, pp.919- 926, 1990 April 5 、(16)Akira Chiba, M.A.Rahman and Tadashi Fukao"Radi-al Force in a Bearingless Reluctance Motor", IEEE Transaction on Magnet-ics, vol.27, No.2, pp.786-790 1991 March、(17)Akira Chiba, Desmond T.P-ower and M.A.Rahman, "Characteristics of a Bearingless Induction Motor", IEEE Transaction on Magnetics Vol.27, No.6, September pp.5199-5201, 1991 、(18)Sigehiro Nomura, Akira Chiba, F.Nakamura, K.Ikeda, T.Fuk-ao and M.A.Rahman, "A Radial Position Control of Induction type Bearin-gless Motor Considering Phase Delay by the Rotor Squirrel Cage" IEEE, Power Conversion Conference (PCC-Yokohama) April 21, 1993 pp.438-443 IEEE 93TH0406-9 、(19)千葉明、池田紘一、中村福三、泥堂多積、深尾正、M.A.ラーマン「円筒形回転子を持つベアリングレスモータの無負荷時の半径方向の力発生原理」電気学会論文誌D, vol.113, no.4, pp.539-547, 1993、(20)Akira Chi-ba, Tazumi Deido, Tadashi Fukao and M.A.Rahman, "An Analysis of Bear-ingless ac Motors", IEEE Transaction on Energy Conversion, vol.9, no.1, March, 1994, pp.61-68、(19)千田孝司、茅野、笠原、千葉明、泥堂多積、深尾正「ラジアル方向位置制御巻線を施した電動機の基礎的な実験」平成元年３月電気学会全国大会、(20)河村英之、花澤昌彦、松井幹彦、深尾正、千葉明「ベアリングレスリラクタンスモータシステムの試作と回転時の特性」平成３年電気学会産業応用部門全国大会講演論文集 pp.182-187, 1991 8/27 札幌、(21)野村篤宏、千葉明、中村福三、深尾正「かご形誘導機タイプベアリングレスモータの半径方向力制御の位相補償」電気学会産業電力電気応用研究会資料IEA-93-37, pp.85-94, 1993, 12/14大崎会館、(22)大島政英、宮澤悟、泥堂多積、千葉明、中村福三、深尾正「永久磁石型ベアリングレスモータの基礎特性」電気学会リニアドライブ研究会LD-94-17, pp.57-66, 2/25,浅草橋研修センター｝。
【００１３】
これらの中では、４極の回転磁界形シンクロナスリラクタンス機に２極の巻線を固定子に追加することにより、積極的に回転磁界を不平衡として半径方向力をトルクとともに発生する新しい半径方向位置制御巻線付き電磁回転機械を提案している。さらに、永久磁石形回転子を用いた半径方向位置制御巻線付き電磁回転機械の解析手法、モデル化の方法、最適な回転子構造などを報告している。
【００１４】
【発明が解決しようとしている課題】
この発明の目的は、（１）直交２軸の半径方向力を発生するために、たとえば三相巻線であれば３本の配線と三相インバータとだけで構成が可能な、簡単な構造の半径方向力発生装置を提供することにある。この発明の他の目的は、（２）直交２軸の位置を制御するために、たとえば三相巻線であれば３本の配線と三相インバータだけで構成が可能な、簡単な構造の巻線付き回転機を提供することにある。この発明の他の目的は、（３）直交２軸の半径方向力の発生と、トルクの発生を、たとえば三相巻線であれば６本の配線と２台の三相インバータだけで構成が可能な、簡単な構造の回転装置を提供することにある。この発明の他の目的は、（４）直交２軸の回転子の磁気支持と、トルクの発生を行うことができる、簡単な構造の回転装置を提供することにある。この発明の他の目的は、（５）半径方向４軸の半径方向力の発生と、トルクの発生を、たとえば三相巻線であれば９本の配線と３台の三相インバータだけで構成が可能、かつ、誘導起電力や力率の調整が容易な回転装置を提供することにある。この発明の他の目的は、（６）半径方向４軸の回転子の磁気支持と、トルクの発生が可能、かつ、誘導起電力や力率の調整が容易な回転装置を提供することにある。この発明の他の目的は、前記目的（１）〜（６）の少なくとも一つを達成することのできる半径方向力発生装置、または軸受装置または回転装置を提供することにある。
【００１５】
この発明の目的は、半径方向力発生およびトルク発生のための励磁分磁束を、回転子に配置した永久磁石で発生させることにより、巻線の電流を低減し、効率や力率の良い巻線付き回転機あるいは回転装置を提供することにある。
【００１６】
この発明の目的は、回転子の回転角度の信号を用いずに半径方向力を発生できる半径方向力発生装置、または軸受装置、または回転装置を提供することにある。
【００１７】
この発明の目的は、回転装置が負荷状態にある時においても自動的に半径方向における変位を補正することのできる半径方向力発生装置付きの回転装置または浮上型の回転装置を提供することにある。
【００１８】
この発明の目的は、シンクロナスリラクタンスモータに比較して、体積当りのトルク・出力を向上できる回転装置を提供することにある。
【００１９】
この発明の目的は、誘導機に比較して、静止トルクを発生することのできる回転装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための手段は、
（１）実質的に円筒状に形成された回転子とこの回転子を囲繞するように存在する固定子とを有し、
前記回転子は、複数の突部と凹部とを有する磁性体と、前記凹部に配置され、かつ外側が同極となるように前記凹部に配置された永久磁石とを備え、
前記固定子は、前記回転子に対して半径方向に向かう力を発生させる２相以上の２極の半径方向力発生用巻線を備えてなることを特徴とする半径方向力発生装置であり、
（２）前記（１）に記載の回転子は、その磁性体の突部が３個以上であり、前記永久磁石が前記磁性体の全ての凹部に配置されてなる前記（１）に記載の半径方向力発生装置であり、
（３）前記（１）に記載の回転子は、その磁性体の突部が４極であり、隣り合わない凹部の２箇所に外側が同極である永久磁石を配置してなる前記（１）に記載の半径方向力発生装置であり、
（４）前記（１）〜（３）に記載の回転子は、永久磁石の外側が磁性体で被覆されてなる前記（１）〜（３）のいずれかに半径方向力発生装置であり、
（５）前記（１）〜（３）に記載の固定子は、前記回転子における永久磁石の外側の磁極とは反対の磁極を有する永久磁石を、前記回転子に向かって設けられてなる前記（１）〜（４）のいずれかに記載の半径方向力発生装置であり、
（６）前記（１）〜（３）に記載の固定子は、前記回転子における永久磁石の外側の磁極とは同極の磁極を有する永久磁石を、前記回転子に向かって設けられてなる前記（１）〜（４）のいずれかに記載の半径方向力発生装置であり、
（７）前記（１）〜( ６) のいずれかに記載の半径方向力発生装置と、
前記半径方向力発生装置における回転子の半径方向における変位を検出する半径方向位置検出手段と、
前記回転子の半径方向の変位を解消するように、前記半径方向力発生用巻線に通電される電流を制御する制御手段とを有することを特徴とする巻線付き回転機であり、
（８）前記（７）に記載の巻線付き回転機と、
前記巻線付き回転機における半径方向力発生装置の固定子に設けられ、かつ回転子にトルクを発生させるように、回転子における突部と永久磁石との数に等しい極数を有する複数相のトルク発生用巻線とを備えてなることを特徴とする回転装置であり、
（９）複数の突部と凹部とを有する磁性体、及び前記凹部に配置され、外側が同極となるように前記凹部に配置された永久磁石とを備え、実質的に円筒状に形成され、互いに半ピッチ相違するように回転軸に設けられた複数の回転子と、この回転子を囲繞するように回転子毎に配置され、前記回転子に対して半径方向に向かう力を発生させる２相以上の２極の半径方向力発生用巻線を備えてなる固定子とを有する半径方向力発生装置と、
前記隣接する固定子の間に配置され、隣接する固定子に対応して隣接する回転子における突部を励磁する起磁力発生手段と、
前記固定子に設けられ、かつ回転子にトルクを発生させるように、回転子における突部と永久磁石との数に等しい極数を有する複数相のトルク発生用巻線とを有することを特徴とする回転装置であり、
（１０）前記（９）に記載の隣接する回転子の半径方向における変位をそれぞれ検出する半径方向変位検出手段と、
前記半径方向変位検出手段により検出された変位を０にするように、前記（９）に記載の半径方向力発生用巻線に通電される電流を制御する制御手段とを有してなる前記（９）に記載の回転装置であり、
（１１）前記（９）に記載の起磁力発生手段が永久磁石又は巻線である前記（９）に記載の回転装置であり、
（１２）前記（９）に記載の起磁力発生手段が起磁力の大きさを調節可能な巻線である前記（９）に記載の回転装置である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
＜半径方向力力発生装置＞
この発明の巻線付き回転機及び回転装置は、いずれもこの発明に係る半径方向力発生装置を有する。
【００２２】
この発明に係る半径方向力発生装置は、実質的に円筒状に形成された回転子とこの回転子を囲繞するように存在する固定子とを有し、
前記回転子は、複数の突部と凹部とを有する磁性体と、前記凹部に配置され、かつ外側が同極となるように前記凹部に配置された永久磁石とを備え、
前記固定子は、前記回転子に対して半径方向に向かう力を発生させる２相以上の２極の半径方向力発生用巻線を備えてなる。
【００２３】
前記回転子の一例を図１に示す。なお、図１は、この発明に係る半径方向力発生装置、巻線付き回転機、及び回転装置における回転子に半径方向力が発生する原理をも示している。
【００２４】
図１中、回転子１は４個の突部２と凹部３とを周面に備えた円筒状の磁性体４と、前記凹部３に配置された永久磁石５とを有する。図１に示される回転子１においては、磁性体４は、たとえば積層電磁鋼板で形成される。凹部３には、配置される永久磁石５の外側磁極が同一となるように、永久磁石５が配置される。
【００２５】
このように配置された永久磁石５により磁性体４における突部２には、永久磁石５とは反対の磁極が形成される。たとえば永久磁石５の外側磁極がＳ極であると、磁性体４の突部２には、Ｎ極が形成される。したがって、図１に示される回転子１は、突部２に形成される４種の鉄心磁極と外周側の磁性がすべて同じである４極の永久磁石磁極を持つ、計８極の回転子である。
【００２６】
固定子６は、前記回転子１を囲繞するように配置され、かつ回転子１に半径方向力を与える半径方向力発生用巻線Ｎa 、Ｎb を有する。
【００２７】
いま、回転子１が固定子６の中心に位置しているとすると、永久磁石５は突部２の磁極を磁路とする、８極の対称磁束Ψｎを発生する。
【００２８】
図１及び図２では二相で表した２極の半径方向力発生用巻線のうち、半径方向力発生用巻線Ｎa に図示方向（×印は、紙面の表から紙背に突き抜ける方向を示す。また●印は紙面の紙背から表面に突き抜ける方向を表す。）に電流を流すと、突部２に挟まれた凹部３は、永久磁石５が配置されていても、等価的に空隙と見なせるので、図１に示すように２極の磁束Ψｍは磁性体４の突部２を通る。
【００２９】
したがって、永久磁石５の外側の磁極がたとえばＳ極であると突部２はＮ極に励磁される。この磁束をバイアス成分として、固定子における半径方向力発生用巻線により発生させるたとえば２極の磁束を重畳させると、ギャップ内の磁束分布が不平衡となって半径方向力が発生する。
【００３０】
さらに言うと、図１に示されるように、図１における紙面下方にある突部２においては磁束Ψｍと対称磁束Ψｎとの方向は逆である。したがって、紙面下方にある突部２を通る磁束密度は低下する。一方、図１における紙面上方にある突部２においては磁束Ψｍと対称磁束Ψｎとの方向は同じである。したがって、紙面上方にある突部２を通る磁束密度は増大する。
【００３１】
このように磁束分布が不平衡になると、回転子１には図１中の矢印上方向に向かう力すなわち半径方向力Ｆが生じる。この半径方向Ｆの大きさは、２極の半径方向力発生用巻線Ｎa に流す電流の大きさを制御することにより調整されることができる。また、半径方向力Ｆの方向を逆にするには、２極の半径方向力発用生巻線Ｎa に流す電流の方向を反転すればよい。一方、図１における紙面横方向の力すなわち、図１に示される半径方向力とは直交する方向に向かう半径方向力Ｆを発生させるためには、２極の半径方向力発生用巻線Ｎa と直交する方向の半径方向力発生用巻線Ｎb の電流の大きさと方向を調整すればよい。これらの直交した半径方向力発生用巻線Ｎa とＮb との電流の大きさと方向を調整することで、任意の半径方向の力を発生することができる。
【００３２】
上記説明は本願発明に係る半径方向力発生装置における半径方向力発生の原理を説明することに係り、上記説明内容に本願発明は限定されるものではない。したがって、この発明における回転子は、この図１に記載された回転子に限定されない。
【００３３】
この発明の半径方向力発生装置における回転子は、実質的に円筒状に形成され、複数の突部と凹部とを有する磁性体と、前記凹部に配置され、かつ外側が同極となるように前記凹部に配置された永久磁石とを備える限り種々の設計変更を行うことができる。
【００３４】
たとえば、図３に示すように、回転子として、複数の突部２と凹部３とを有する磁性体４と、前記凹部３に配置され、凹部３の幅よりも狭い幅を有し、かつ外側が同極となるように前記凹部３に配置された永久磁石５と、突部２と凹部３に配置された永久磁石５とで形成される間隙に挿入された非磁性体である非磁路形成体７とを備え、全体として円筒状に形成されてなる回転子１を挙げることができる。このように、この発明においては、回転子１においては、回転子１における突部２と凹部３内に配置された永久磁石５との間に間隙を設けることを必ずしも要さず、要するに、突部２と凹部３内に配置された永久磁石５との間に非磁路を形成する非磁路形成体が介装されていれば良い。図１及び図２においては突部２と永久磁石５との間に設けられた空間は、換言すると間隙は、空気という非磁路形成体が介装されていると言える。
【００３５】
図４及び図５にこの発明における種々の回転子を示す。
【００３６】
図４（１）に示される回転子１は、４極の突部２及び突部２と突部２との間に形成される凹部３を有する磁性体４と、前記凹部３の全てに、前記突部２の側壁に対して非磁路形成体７となる間隙を有するように、かつ外側が同極となるように配置された永久磁石５とを有して形成される。
【００３７】
図４（２）に示される回転子１は、３極の突部２及び突部２と突部２との間に形成される凹部とを有する磁性体４と、前記凹部３の全てに、前記突部２の側壁に対して非磁路形成体７となる間隙を有するように、かつ、外側が同極となるように配置された永久磁石５とを有して形成される。
【００３８】
図４（３）に示される回転子１は、２極の突部２及び突部２と突部２との間に形成される凹部とを有する磁性体４と、前記凹部３の全てに、前記突部２の側壁に対して非磁路形成体７となる間隙を有するように、かつ、外側が同極となるように配置された永久磁石５とを有して形成される。
【００３９】
図４（４）に示される回転子１は、４極の突部２及び突部２と突部２との間に形成される凹部とを有する磁性体４と、全ての凹部３の内一つおきの凹部３に、前記突部２の側壁に対して非磁路形成体７となる間隙を有するように、かつ外側が同極となるように配置された永久磁石５とを有して形成される。
【００４０】
このように、回転子における突部の数に特に制限がなく、半径方向力発生装置、これを利用する巻線付き回転機及び回転装置の規模等に応じて適宜に決定される。
【００４１】
また、磁性体に形成される凹部全てに永久磁石が設けられる必要はなく、複数の凹部に一つおきに永久磁石を配置しても良い。凹部の一つおきに永久磁石を配置すると、配置する永久磁石の個数によって突部２を通る磁束を調整することができるという利点がある。
【００４２】
図５（１）に示される回転子１は、複数の突部２及び突部２と突部２との間に設けられた凹部３を有する磁性体４と、全ての前記凹部３に、突部２の側壁に対して非磁路形成体７となる所定の間隙を有するように、かつ、外側が同極となる永久磁石５と、各永久磁石５の外表面を被覆する被覆磁性体７とを有して形成される。このような被覆磁性体８を設けると、この半径方向力発生装置を回転装置に利用したときに、トルク分の磁束を通りやすくして突部２の逆突極性を高めることができる。このように、回転子１の逆突極性を高めることで、弱め界磁運転領域でのトルク、出力の増大、力率の改善、効率の改善が可能である。
【００４３】
図５（２）に示される回転子１は、磁性体の内部に所定間隔毎に埋め込まれた、かつ外側が同極である複数の永久磁石５と、この永久磁石５の円周方向における両側に設けられた非磁路形成体たとえば空洞部９又は非磁性材とを有して形成される。このように形成された回転子は、永久磁石と突部との間に間隙が形成されずに円滑な外周面が形成されるので、圧損を少なくすることができる。この図５（２）に示される回転子においては永久磁石と永久磁石とに挟まれた磁性体が突部（突極）の作用をなす。このようなことから、この発明における突部は、突出していることを意味する部位ではなく、磁極を形成し得る部位と言い得る。
【００４４】
この発明の半径方向力発生装置における固定子は、前記図２を用いて説明した固定子であるに限らない。固定子は、回転子を囲繞するように配置された磁性体たとえば鉄心と、回転子に半径方向力を与える半径方向力発生用巻線とを有する限り、種々の設計変更が可能である。
【００４５】
固定子の他の例として、図６を示す。図６に示す固定子６は、一定の方向に荷重のかかる回転子１を囲繞するように配置された固定子用磁性体１０たとえば固定子鉄心と、この固定子磁性体１０の回転子１に向かう面であり、かつ、前記荷重方向とは反対方向にある面に配置されたところの、回転子１における永久磁石を吸引する固定子側永久磁石１１と、回転子１に半径方向力を発生させる半径方向力発生用巻線Ｎとを有してなる。
【００４６】
回転子１に一定の方向に荷重がかかる場合として、この回転子１を水平に配置した場合を挙げることができる。水平に配置された回転子１には鉛直方向下方に常に重力がかかる。したがって、回転子１を水平に配置した場合には、固定子側永久磁石１１は、重力のかかる鉛直方向に沿う方向であって、回転子１に向かう固定子磁性体１０の面に配置される。
【００４７】
固定子側永久磁石１１は、回転子１における凹部３に配置された永久磁石５の外側の磁極とは反対の磁極を、回転子に向かう面に形成する。したがって。回転子を落下させようとする重力と釣り合うような吸引力を有する固定子側永久磁石が配置されると、半径方向力発生用巻線に、回転子を重力に逆らって浮上させるに十分な鉛直方向の半径力を発生させるための電力を、供給する必要がなくなる。
【００４８】
固定子のその他の例として、図７を示す。図７に示す固定子６は、一定の方向に荷重のかかる回転子１を囲繞するように配置された固定子用磁性体１０たとえば固定子鉄心と、この固定子磁性体１０の回転子１に向かう全周面に、回転子１における永久磁石と反発する固定子側永久磁石１１と、回転子１に半径方向力を発生させる半径方向力発生用巻線Ｎとを有してなる。
【００４９】
固定子側永久磁石１１は、回転子１における凹部３に配置された永久磁石５の外側の磁極とは同じ磁極を、回転子に向かう面に形成する。したがって。回転が重力に従って落下しようとすると回転子１における永久磁石５と固定子側永久磁石１１とが反発する。そこで、固定子側永久磁石１１の磁力の大きさを選択することにより、固定子１０における鉛直線上の真上にある固定子側永久磁石と回転子側の永久磁石とが反発しあうので、鉛直線上の真下にある固定子側の永久磁石に反発した回転子が、鉛直線上の真上にある固定子側の永久磁石に反発されるので、回転子の中心軸が固定子の中心軸に位置することになる。この場合においても、半径方向力発生用巻線に、回転子を重力に逆らって浮上させるに十分な鉛直方向の半径力を発生させるための電力を、供給する必要がなくなる。
【００５０】
他の固定子の例として、図８に示すように、回転子１の磁極数すなわち突部２と永久磁石５との数に同じ極数の半径方向力発生用巻線Ｎを、回転子１の円周方向に位相差を設けて二相分以上固定子に配置しても良い。このような半径方向力発生用巻線Ｎを有する固定子を設けると、通常の永久磁石型電動機としてトルクを発生する回転装置が形成される。
【００５１】
この発明に係る半径方向力発生装置においては、半径方向力発生用巻線に通電することにより、回転子を、任意の半径方向に、変位させる半径方向力を発生させることができる。したがって、次に説明するように、回転子の変位を是正するように半径方向力を発生させることができると、回転子の回転中に回転軸を常に回転中心に調整することができ、あるいは回転軸を磁気浮上させることもできる。
【００５２】
＜巻線付き回転機＞
この発明に係る巻線付き回転機は、前記半径方向力発生装置と、前記半径方向力発生装置における回転子の半径方向における変位を検出する半径方向位置検出手段と、前記回転子の半径方向の変位を解消するように、前記半径方向力発生用巻線に通電される電流を制御する制御手段とを有する。
【００５３】
半径方向位置検出手段は、回転子の半径方向における位置を検出することができる各種の検出手段を採用することができ、たとえば、渦電流式センサ、インダクタンス式センサ、光学式センサ等の手段を挙げることができる。また、半径方向力発生装置における半径方向力発生用巻線に発生する電圧値と電流値とから、回転子に生じる半径方向での変位を演算してこれを決定する演算装置を用いてもよい。
【００５４】
前記制御手段としては、前記半径方向位置検出手段から出力される信号に基づいて、回転子の変位を０にするような半径方向力を発生させるように半径方向力発生用巻線に通電する電流量を調整する装置を挙げることができる。
【００５５】
この発明の巻線付き回転機においては、半径方向力発生用巻線に電流を通じることにより半径方向力を発生させて回転子を浮上させることができるので、たとえばこの回転子を装着する回転軸にベアリング等の軸受装置を不要とすることができ、前記軸受装置を不要とするので、騒音などの発生がなく、また回転部分の機械的接触がないから回転子の高速回転を実現することができる。
【００５６】
＜回転装置＞
この発明に係る回転装置は、前記半径方向力発生装置と、前記半径方向力発生装置における回転子の半径方向における変位を検出する半径方向位置検出手段と、前記回転子の半径方向の変位を解消するように、前記半径方向力発生用巻線に通電される電流を制御する制御手段と、前記半径方向力発生装置の固定子に設けられ、かつ回転子にトルクを発生させるように、回転子における突部と永久磁石との数に等しい極数を有する複数相のトルク発生用巻線とを備える。
【００５７】
この発明に係る回転装置の一例は、既に図８に示されている。
【００５８】
図９にこの発明に係る他の例である回転装置を示す。図９に示す回転装置は、回転子の数が複数個である例である。
【００５９】
図９に示される回転装置においては、回転軸１２に同軸に、かつ突部２が半ピッチ相違するように、装着された回転子１ａ及び固定子１ｂと、前記回転子１ａを囲繞するように配置され、かつ前記半径方向力発生用巻線（図示せず。）及びトルク発生用巻線（図示せず。）を有する固定子６ａ、及び他の回転子１ｂを囲繞するように配置され、かつ前記半径方向力発生用巻線（図示せず。）及びトルク発生用巻線（図示せず。）を有する他の固定子６ｂと、前記隣接する固定子６ａ、６ｂ間に配置された起磁力発生手段１３とを有してなる。この回転装置１４においては、図示していないが、固定子６a 及び６ｂには、半径方向力発生用巻線及びトルク発生用巻線が設けられている。
【００６０】
ここで、前記起磁力発生手段１３としては、永久磁石及び巻線を挙げることができる。なお、図９においては、突部２と突部２との間に形成される凹部３に配置される永久磁石を図示していないが、回転子１ａ、１ｂの凹部３には当然に永久磁石が配置される。
【００６１】
このようにな回転装置においては、回転子における突部の磁束を調整することが可能であり、固定子におけるトルク発生用巻線の誘導起電力の大きさや力率の調整が可能である。
【００６２】
図１０にこの発明に係る回転装置の他の例を示す。
【００６３】
図１０に示される回転装置においては、固定子に設けられる半径方向力発生用巻線の極数とトルク発生用巻線の極数とが相違する。図１０に示される半径方向力発生用巻線Ｎは三相で２極であり、トルク発生用巻線Ｔは三相で８極である。
このような、固定子における磁性体たとえば鉄心に半径方向力発生用巻線とトルク発生用巻線を施した半径方向力発生装置付きの回転装置は、発明者の知る限りでは、千葉明、深尾正（電動機の回転磁界を利用した半径方向回転体位置制御装置つき電磁回転機械」公開特許公報（Ａ）平２−１９３５４７号公報に記載されている。その後、カナダ国ニューファウンドランドメモリアル大学、スイス工科大学（ＥＴＨ）、茨城大学などでも研究、開発が行われている（J. Bichsel "The Bearingless Electrical Machine", NASA-CP-3152-PT-2, pp561-573, 1992,出島、岡田、大石「磁気浮上モータの研究」電気学会第４回シンポジウム電磁極関連のダイナミックス講演論文集ｐｐ．２５１−２６０）。
【００６４】
これらの文献によれば、トルク発生用巻線の極数をｎ極とすれば、半径方向力発生用巻線の極数は（ｎ±２）極としなければならないことが報告されている。例えば４極のトルク発生用巻線であれば半径方向力発生用巻線は２極あるいは６極、８極のトルク発生用巻線であれば半径方向力発生用巻線は６極あるいは１０極にする必要がある。また、極数の制約の他に、回転を伴う回転子磁極の極性の交替に応じて半径方向力発生用巻線の電流の極性を交番させる変調回路が必要である。
【００６５】
この発明は、これらの文献では不可能とされていた複数の組み合わせの巻線を用いる点に一つの特長がある。すなわち、この発明に係る半径方向力発生装置を備えた回転装置においては、例えばトルク発生用巻線が８極ある場合に、半径方向力発生用巻線が２極であっても半径方向力が発生可能である。
【００６６】
この発明の半径方向力発生装置においては、半径方向力発生用巻線で発生させる磁束の通る回転子の突部は、ずべて同じ極性にとなるので、一定の方向に半径方向力を発生させる場合には、半径方向力発生用巻線の電流には回転子の回転角度に応じた変調を行う必要がない。
【００６７】
すなわち、例えば回転子を備え、かつ横置きにされた回転軸の自重を支える必要のある場合などでは、一定の方向の定常的な半径方向荷重を支えるための半径方向力発生用巻線に通じる電流は直流であり、また回転子が固定子の中心に位置しているならば半径方向力発生用巻線には誘導起電力が現れないので、電流を発生させるための電流制御器の電圧容量を低減することができる。さらに、一定の方向の定常的な半径方向荷重を支えるための磁界は固定子の磁性体たとえば鉄心で直流であるので、半径方向力発生時の鉄損も低減できる。
【００６８】
さらに、半径方向力発生およびトルク発生のための必要な励磁分の磁束は、永久磁石で発生させるので、半径方向力発生用巻線およびトルク発生用巻線の電流を低減することができ、効率を向上させることができる。
【００６９】
回転子における永久磁石の磁極が外側に向かってすべて同極であるので、回転子におけ磁極数が３以上である場合には、この半径方向力発生装置を応用した回転装置にあっては、負荷時に発生するトルク分磁束の回転子断面上でのベクトル和は零となるので、トルク分磁束は半径方向力の方向に影響を与えないので、トルク分磁束発生時の半径方向力の方向の補正が不要である。
【００７０】
さらに、図５（２）に既に示すように、永久磁石を回転子の磁性体たとえば鉄心中に埋め込むと、この半径方力発生装置を利用して回転装置を形成すると、回転装置たとえば電動機のインダクタンスの逆突極性を高くできるので、弱め界磁運転時にトルクや力率・効率を向上できる。
【００７１】
本発明の回転装置たとえば半径方向力発生装置付き回転機あるいは浮上回転機械の固定子と回転方向に複数配置し、回転子の鉄心磁極の円周方向の位置を互いに半ピッチずつ相違えて配置し、それら複数の固定子鉄心の間に永久磁石あるいは巻線等の起磁力発生手段を設けることによって、回転子の鉄心磁極の磁束を調整することが可能である。この装置構成によれば、トルク発生用巻線の誘導起電力の大きさや力率の調整が可能である。これにより、回転機の効率も向上できる。
【００７２】
〈実施例１〉
図１１は、本発明の巻線付き回転機の一例を示す説明図である。この巻線付き回転機２０は、回転軸２１に装着され、かつ突部２２と凹部２３とを交互に外周に設けた磁性体２４、及びこの凹部２３に配置され、かつ外側が全て同じ磁極となっている永久磁石２５を有する回転子２６と、この回転子２６を囲繞するように配置された、歯部を有する固定子側磁性体２７、及びこの固定子側磁性体２７に設けられた三相二極の半径方向力発生用巻線２８を有する固定子２９と、前記回転軸２１の変位を検出することができるようにＹ方向及びこの方向に直交するＸ方向に配置された半径方向位置検出手段３０a 、３０b と、この半径方向位置検出手段３０a 、３０b により検出された回転軸２１のＹ方向の変位を示すＹ方向変位検知信号αと回転軸のＸ方向の変位を示すＸ方向変位検知信号βとを入力して、あらかじめ設定されたＹ方向位置信号α* とＸ方向位置信号β* とのそれぞれと比較して三相の指令信号を出力する、制御手段としての位置制御器３１と、この位置制御器３１から出力される指令信号 iUp＊、 iVp＊、 iWp＊を入力して、半径方向力発生用巻線２８に所定の三相の制御電流iUp 、iVp 、iWp をを供給する電流制御器３２とを有する。
【００７３】
さらに説明すると、前記半径方向位置検出手段３０a 、３０b としては、渦電流式センサ、インダクタンス式センサ、光学式センサ等の手段を採用することができる。
【００７４】
前記位置制御器３１としては、検出した回転子の半径方向の変位を指令値と比較して、ＰＩＤ制御器（比例、積分、微分演算器）、ＰＤ制御器（比例、微分演算器）、最適レギュレータ制御器、あるいはＨ∞制御器などの制御器と、固定子の巻線が発生するべき起磁力の方向に応じた巻線電流値を演算するための座標変位器とを用いて構成することができる。
【００７５】
このような位置制御器３１により、回転子を半径方向の位置指令値どおりの位置に是正するための半径方向力発生用巻線の電流値を演算することができる。
【００７６】
前記電流制御器３２としてはインバータなどを採用することができる。
【００７７】
上記構成の巻線付き回転機によると、回転子の位置を制御することにより、回転軸が軸受に対して非接触となる。
【００７８】
さらに、回転子及び回転軸を横置きした場合など、回転子の軸の半径方向に定常的に荷重を支持する場合には、図６に示すように固定子の内周面の一部に永久磁石を配置して回転子の突部に形成される鉄心磁極を吸引させることで、半径方向力発生用巻線に通電する電流量を低減することもできる。
【００７９】
このとき、固定子において形成される磁性体の鉄心歯部の内周面（固定子に向かう面）に薄型の永久磁石を、極性がＮ極、Ｓ極ともに回転子に対向するように配置する。あるいは、スロット開口部に永久磁石を配置してもよい。あるいは、スロット開口部に円周方向にＮ極とＳ極とが並ぶように配置し、隣り合う固定子の鉄心歯部が別々の極性に励磁されて、回転子の鉄心磁極部分を吸引するように構成することも可能である。
【００８０】
さらに、図７に示すように固定子の内周面の相対向する部位または固定子の内周面の全周にわたって固定子側永久磁石を配置して回転子の永久磁石の磁極と固定子側永久磁石の磁極とを反発させることにより、半径方向力発生用巻線に通電される電流量を軽減することもできる。このとき、固定子の内周面に配置する固定子側永久磁石の、回転子に対向する面の極性が、回転子における永久磁石の外周面の極性と同じになるようにする。例えば、回転子に設けられた永久磁石の外周面の極性がＳ極であれば、固定子内周面に配置される固定子側永久磁石はそのＳ極が回転子に面するように配置する。このとき、回転子における永久磁石の円周方面の磁極幅は、回転子の突部の幅（鉄心磁極幅）よりも長くするのが良い。
この装置構成によれば、回転子は固定子の中心に向かって反発力を受けることにより、固定子の中心位置からの変位が発生しても自己安定性を有することができる。ただし、この系のダンピング特性はきわめて低くなるので、制振性を高めるために半径方向力発生用巻線を用いて制振制御もしくは位置制御を行うのが良い。
【００８１】
〈実施例２〉
図１２は、本発明の一例である浮上型の回転装置である。
【００８２】
この浮上型の回転装置４０は、回転軸４１に装着され、かつ突部４２と凹部４３とを交互に外周に設けた磁性体４４、及びこの凹部４３に配置され、かつ外側が全て同じ磁極となっている永久磁石４５を有する回転子４６と、この回転子４６を囲繞するように配置された、歯部を有する固定子側磁性体４７、この固定子側磁性体４７に設けられた三相二極の半径方向力発生用巻線４８、及び前記回転子４６にトルクを発生させるところの、三相８極のトルク発生用巻線（図示せず。）を有する固定子４９と、前記回転軸４１の変位を検出することができるようにＹ方向及びこの方向に直交するＸ方向に配置された半径方向位置検出手段５０a 、５０b と、この半径方向位置検出手段５０a 、５０b により検出された回転軸のＹ方向の変位を示すＹ方向変位検知信号αと回転軸のＸ方向の変位を示すＸ方向変位検知信号βとを入力して、あらかじめ設定されたＹ方向位置信号α* とＸ方向位置信号β* とのそれぞれと比較して三相の指令信号を出力する、制御手段としての位置制御器５１と、この位置制御器５１から出力される制御信号 iUp、 iVp＊、 iWp＊を入力して、半径方向力発生用巻線に所定の三相の制御電流iUp 、iVp 、iWp を供給する半径方向力用電流制御器５２と、回転軸の回転角Φを検出する回転角度検出器５３及び回転角度検出器５３から出力される回転角Φから回転速度ωを検出する回転速度検出器５４と、回転角検出器５３及び回転速度検出器５４から出力されるデータを入力する電動機制御器５５と、電動機制御器５５から出力される制御信号 iUm＊、 iVm＊、 iWm＊に基づいてトルクを制御する信号iUm 、iVm 、iWm を出力するトルク用電流制御器５６とを有する。
【００８３】
前記半径方向位置検出手段５０a 、５０b としては、回転子４６を装着する回転軸４１における半径方向２軸の変位を検出することのできる渦電流式センサ、インダクタンス式センサ、光学式センサ等の手段を採用することができる。また、半径方向力発生用巻線４８の電圧値と電流値とから位置を検出する演算装置を用いてもよい。
【００８４】
前記位置制御器５１は、検出した回転子４６の半径方向の変位を指令値α＊、β＊と比較して、ＰＩＤ制御器（比例、積分、微分演算器）、ＰＤ制御器（比例、微分演算器）、最適レギュレータ制御器、あるいはＨ∞制御器などの制御手段と、固定子４９における半径方向力発生用巻線４８が発生するべき起磁力の方向に応じた巻線電流値を演算するための座標変換器を用いて構成することができる。このような装置構成によって、回転子４６を半径方向の位置指令値どおりの位置に是正するための半径方向力発生用巻線４８の電流値を演算する。
【００８５】
前記電流制御器５２はインバータなどを採用することができる。インバータなどの電流制御器を用いて、半径方向力発生用巻線４８に電流を通電する。
【００８６】
前記回転角検出器５３として、ロータリーエンコーダなどの回転角度を検出することのできる検出器を採用することができる。このロータリエンコーダ等の回転角検出器により検出された回転角を電動機制御器５５にフィードバックするなどの方法で同期電動機として回転子４６を駆動する。回転角検出器５３及び回転速度検出器５４のかわりに、固定子内周部分などに配置したホール素子などの磁束検出器の信号とトルク発生用巻線の電流値に基づいて回転子４６の回転角度と回転速度を検出する装置でもよい。また、回転角度検出器５３及び回転速度検出器５４のかわりに、トルク発生用巻線の電圧値と電流値に基づいて回転子４６の回転角度と回転速度とを検出する回転角検出器であっても良い。
【００８７】
電動機制御器５５としては、ＰＩ（比例−積分）制御器などのほか、ベクトル制御、最適負荷角一定制御、サーボモータ制御などの方式の制御器を用いることも可能である。
【００８８】
電動機制御器５５を用いて、トルク発生用巻線に流すべき電流を演算し、インバータなどのトルク用電流制御器５６を用いて、トルク発生用巻線に電流を通電して、回転子を駆動する。
【００８９】
上記装置構成により、回転子の半径方向２軸方向を非接触で支持するとともに、トルクを発生することのできる浮上型の回転装置が構成される。
【００９０】
〈実施例３〉
図１３はこの発明の一例である浮上型の回転装置を示す。図１３に示されるように、この浮上型の回転装置６０は、図１２に示される浮上型の回転装置４０とは、以下の点で相違する。
【００９１】
すなわち、図１３に示される浮上型の回転装置６０は、回転軸４１に同軸に装着された２基の回転子４６a 、４６b を有する。この２基の回転子４６a 、４６b それぞれは、一方の回転子４６a の突部４２a と凹部４３a との繰り返し周期が他方の回転子４６b の突部４２b と凹部４３b との繰り返し周期と半ピッチ相違するように、回転軸４１に同軸に装着されている。２基の回転子４６a 、４６b の外側には、それぞれ回転子４６a 、４６b を囲繞するように、固定子４９a ４９b が設けられている。各固定子４９a 、４９b には、電流制御器５２により制御された電流が通電される半径方向力発生用巻線４８と、トルク用電流制御器５６により制御された電流が通電されるトルク発生用巻線とが設けられる。一方の固定子４９a と他方の固定子４９b との間には、起磁力発生手段として巻線６１が装着されている。この巻線６１は、直流が印加されて回転子４６a 、４６b 軸方向に励磁するようになっている。
【００９２】
さらに詳述すると、２組の回転子４６a 、４６b と固定子とを、回転子４６a ４６b を軸方向に励磁する巻線６１を挟んで軸方向に縦列に配置するとき、２組の固定子４９a 、４９b における磁性体（固定子鉄心）の外周部分どうしを磁気的に結ぶ磁性体のケーシング６３などを配置するのが良い。回転子４６a 、４６b を軸方向に励磁する巻線６１と２組の固定子鉄心の外周を結ぶケーシング６３などのかわりに、永久磁石などを配置しても良い。
【００９３】
２組の回転子４６a 、４６b に配置する永久磁石４５a 、４５b の回転子外周側の極性は、片側の回転子４６a ではすべてＮ極とし、もう片側の回転子４６b はすべてＳ極とする。これら２組の回転子４６a 、４６b の磁極は、互いに半ピッチ相違する配置とする。すなわち、例えば回転子４６a 、４６b の磁極数を片側で８極とすれば、２組の回転子４６a 、４６b の永久磁石４５a 、４５b が配置される円周方向の位置は、機械的な角度で４５度異なる。
【００９４】
２組の回転子４６a 、４６b の半径方向合計４軸の変位を渦電流式センサ、インダクタンス式センサ、光学式センサ等の半径方向位置検出手段５０a 、５０b 用いて検出する。半径方向力発生用巻線４８の電圧値と電流値から変位を検出する演算装置をもって半径方向位置検出手段としても良い。
【００９５】
回転子４６a 、４６b の変位を検出する半径方向位置検出手段５０a 、５０b ら出力されるデータを入力する位置制御器５１は、検出した半径方向位置に関するデータを回転子の半径方向の変位を指令値と比較して、ＰＩＤ制御器（比例、積分、微分演算器）、ＰＤ制御器（比例、微分演算器）、最適レギュレータ制御器、あるいはＨ∞制御器などの制御器と、固定子の巻線が発生するべき起磁力の方向に応じた巻線電流値を演算するための座標変換器を用いて構成することができる。これらの装置を用いて、回転子４６a 、４６b を半径方向の位置指令値どおりの位置に是正するための半径方向力発生用巻線４８の電流値を演算する。さらに、インバータなどの電流制御器を用いて、半径方向力発生用巻線４８に電流を通電する。なお、図１３では、２組の回転子のうち、片側の半径方向２軸分の位置制御装置を図示し、もう一方の回転子の半径方向２軸分の位置制御装置については省略している。
【００９６】
また、回転軸４１にロータリーエンコーダなどの回転角度を検出する回転角度検出器５３および回転速度を検出する回転速度検出器５４を取り付け、電動機制御器５５にフィードバックするなどの方法で同期電動機として駆動する。ロータリーエンコーダのかわりに、固定子内周部分などに配置したホール素子などの磁束検出器の信号とトルク発生用巻線の電流値に基づいて回転子の回転角度と回転速度を検出する装置でもよい。また、ロータリーエンコーダのかわりに、トルク発生用巻線の電圧値と電流値に基づいて回転子の回転角度と回転速度を検出する装置でもよい。
【００９７】
電動機制御器５５は、ＰＩ（比例−積分）制御器などのほか、ベクトル制御、最適負荷角一定制御、サーボモータ制御などの方式の制御器を用いることも可能である。
【００９８】
電動機制御器５５を用いて、トルク発生用巻線に流すべき電流を演算し、インバータなどのトルク用電流制御器５６を用いて、トルク発生用巻線に電流を通電して、浮上型の回転装置を駆動する。このとき、２組の固定子のトルク発生用巻線は、共通の電動機制御器５５およびトルク用電流制御器５６を用いて駆動することも可能である。また、２組の固定子を通してトルク発生用巻線を施すことによって、２組の固定子を配置したときに内側となる部分のコイルエンドを省略することができるので、軸方向の長さを短縮することも可能である。
【００９９】
この浮上型の回転装置の駆動を行う際に、２組の固定子の間に配置した回転子４６a 、４６b を軸方向に励磁する巻線６１を用いて、回転子の鉄心磁極部分の磁束を変化させることで、トルク発生用巻線の誘導起電力、力率などを調整することができる。回転子４６a 、４６b を軸方向に励磁する巻線のかわりに永久磁石を配置した場合には、配置する永久磁石の個数や厚さを替えることで、同様に調整が可能である。
【０１００】
上記装置構成により、回転子の半径方向４軸方向を非接触で支持するとともに、トルクを発生できる浮上回転機械を構成する。
【０１０１】
【発明の効果】
この発明に係る半径方向力発生装置、巻線付き回転機および回転装置は、簡単な装着構成で回転軸に半径方向力を作用させることができる。そのため、半径方向力発生装置または半径方向力発生装置を利用した回転装置として用いる場合には、軸受に係る荷重を軽減することができる。また、巻線付き回転機あるいは回転装置として用いる場合には、軸の半径方向の機械的、電磁的な振動の抑制が可能であるほか、機械的な接触を無くすことができることにより、摩擦損失の低減や回転の高速化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明に係る半径方向力発生装置において半径方向力が発生する原理を説明する原理説明図である。
【図２】図２はこの発明に係る半径方向力発生装置の一例を示す概略説明図である。
【図３】図３はこの発明に係る半径方向力発生装置の一例における回転子を示す概略説明図である。
【図４】図４はこの発明に係る半径方向力発生装置の一例における回転子を示す概略説明図である。
【図５】図５はこの発明に係る半径方向力発生装置の一例における回転子を示す概略説明図である。
【図６】図６はこの発明に係る半径方向力発生装置の一例における回転子及び固定子を示す概略説明図である。
【図７】図７はこの発明に係る半径方向力発生装置の一例における回転子及び固定子を示す概略説明図である。
【図８】図８はこの発明に係る半径方向力発生装置の一例における回転子及び半径方向力発生用巻線を示す概略説明図である。
【図９】図９はこの発明に係る半径方向力発生装置の一例であって、回転軸に同軸に２基の回転子を装着してなる装置を示す概略断面説明図である。
【図１０】図１０はこの発明に係る半径方向力発生装置の一例であって、回転子と、半径方向力発生用巻線及びトルク発生用巻線を有する固定子とを示す装置の概略断面説明図である。
【図１１】図１１はこの発明の一実施例である回転装置を示す概略説明図である。
【図１２】図１２はこの発明の一実施例である他の回転装置を示す概略説明図である。
【図１３】図１３はこの発明の一実施例であるその他の回転装置を示す概略説明図である。
【図１４】図１４は従来の磁気軸受を用いた高速電動機を示す概略説明図である。
【図１５】図１５は半径方向位置制御巻線付き電磁回転機械の概念的構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１、１a 、１b ・・・回転子、２・・・突部、３・・・凹部、４・・・磁性体、５・・・永久磁石、Ｎa 、Ｎb ・・・半径方向力発生用巻線、６、６a 、６b ・・・固定子、Ψｎ・・・対称磁束、Ψｍ・・・磁束、７・・・非磁路形成体、８・・・被覆磁性体、９・・・空洞部、１０・・・固定子用磁性体、１１・・・固定子側永久磁石、Ｎ・・・半径方向力発生用巻線、１２・・・回転軸、１３・・・起磁力発生手段、１４・・・回転装置、Ｔ・・・トルク発生用巻線、２０・・・巻線付き回転機、２１・・・回転軸、２２・・・突部、２３・・・凹部、２４・・・磁性体、２５・・・永久磁石、２６・・・回転子、２７・・・固定子側磁性体、２８・・・半径方向力発生用巻線、２９・・・固定子、３０a 、３０b ・・・半径方向位置検出手段、３１・・・位置制御器、３２・・・電流制御器、４０・・・浮上型の回転装置、４１・・・回転軸、４２、４２a 、４２b ・・・突部、４３、４３a 、４３b ・・・凹部、４４・・・磁性体、４５・・・永久磁石、４６、４６a 、４６b ・・・回転子、４７・・・固定子側磁性体、４８・・・半径方向力発生用巻線、４９、４９a 、４９b ・・・固定子、５０a 、５０b ・・・半径方向位置検出手段、５１・・・位置制御器、５２・・・半径方向力用電流制御器、５３・・・回転角度検出器、５４・・・回転速度検出器、５５・・・電動機制御器、５６・・・トルク用電流制御器、６０・・・浮上型の回転装置、６１・・・巻線。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
More particularly, the present invention relates to a radial force generator that generates a radial force of a rotor by electromagnetic force, and uses the radial force generator. In addition, a function for controlling the position in the radial direction, a function for controlling the radial force, a function for controlling the radial speed, or a function for simultaneously controlling the axial force and the radial force are added. The present invention relates to a rotating machine with a winding and a rotating device such as an electric motor or a generator.
[0002]
[Prior art]
There is a growing demand for high-speed and high-power motors used in machine tools, turbo molecular pumps, flywheels, etc. {(1) Ota, Ando "200,000rpm high-frequency internal grinding spindle" machineist vol.29, no.2 , 1985, pp.32-36, (2) WKVolkman and DCJackson, "AC Spindle Drive for Machine Tools", IEEE Trans. On Indust-ry Application, vol.IA-21, No.5, 1985 pp.1263-1267 , (3) GEOstersto-rm, "A New Type Turbomolecular Vacuum Pump Bearing", Journal of Vacuum Science Technology, A1 (2), Apr.-June, 1983, (4) Kume, T., Sawa, T., Yoshi −da, T. and Sawamura, M. “High Speed Vector Control Without Enco-der for a High Speed Spindle Motor”, IEEE, IAS Conf. Record, 1990, pp. 390-394}. In these high-speed machines, magnetic bearings are being applied to solve problems such as speed limitations and maintenance in the bearings.
[0003]
FIG. 14 shows the configuration of a high-speed motor using magnetic bearings. 101 is a radial magnetic bearing, 102 is an electric motor or generator, 103 is a thrust magnetic bearing, 104 is a single-phase inverter, 105 is a three-phase inverter, and 106 is a wiring between the inverter and the electric motor or magnetic bearing. Magnetic bearings are arranged at both ends of the motor, and these two magnetic bearings control the radial position of the main shaft {(5) Matumura, F., Fujita, M. and Ozaki, Y., "Characteristic of Friction on Magnetic Bearings ", Proc. Of International Conference on Electric Machine (ICEM) 1988 vol.3, pp.331-335, (6) Harbermann, H. and Liard, GL," An Active M-agnetic Bearing System ", Tribology International Apr. 1980 pp.85-89, (7) Harbermann, H. and Liard, GL, "Practical Magnetic Bearings" IEEE, S-pectrum, Sept. 1979, pp.26-30, (8) Maslen, EH , etal, "Magnetic Bear-ing Design for a High Speed Rotor", Proc. of the 1st International Symp-osium on Magnetic Bearings, June 1988 pp.137-146}.
[0004]
The sizes of the two magnetic bearings tend to be large to generate a sufficient force, and may actually be equal to the shaft length of the motor. Therefore, the shaft length of the main shaft becomes long, and elastic vibration of the main shaft that occurs during high-speed rotation becomes a problem, and it is not easy to realize high-speed rotation. Furthermore, in order to increase the output, it is necessary to increase the shaft length of the electric motor. Then, since the attractive force generated by the electromagnetic machine increases, it is necessary to increase the size of the magnetic bearing. As a result, the critical speed is lowered and it is extremely difficult to increase the speed.
[0005]
An electromagnetic rotating machine with a radial position control winding integrates a magnetic circuit of an electric motor and a magnetic circuit that generates a radial force to shorten the shaft length and realize high speed and high output. Furthermore, a radial force necessary for rotor position control is generated by utilizing the excitation magnetic flux of the electric motor.
[0006]
FIG. 15 shows a conceptual configuration of an electromagnetic rotating machine with a radial position control winding. In FIG. 15, 107 is a unit of an electromagnetic rotating machine with radial position control winding, and 108 is a three-phase inverter for controlling the radial position control winding current of the electromagnetic rotating machine with radial position control winding. The unit of the electromagnetic rotating machine with two radial position control windings is wound with a 4-pole winding to generate torque as an electric motor and a 2-pole winding to generate the radial force of the rotor Yes. Since torque and radial force can be generated by one machine in this way, the shaft length can be shortened compared to the configuration of FIG. 14, and if the shaft length is the same, higher output can be achieved compared to FIG. I can expect.
[0007]
Several electromagnetic rotating machines with radial position control winding have already been proposed {[(9) Bosch, R., "Development of a Bearingless Electric Motor", Proc. Of ICEM'88 vol.3, pp 331-335, (10) Salazar, AO, Dunford, W., Stephan, R. and Watanabe, E., "A Magnetic Bearing System using Capacitive Sensor-s for Position Measurement", IEEE Trans. On Magnetics vol.26 , no.5, 1990, pp.2541-2543, (11) Higuchi “Application of Magnetic Levitation Technology to FA”, Symposium S.9-6, IEEJ National Congress, (12) Hiromasa Fukuyama (NSK) "Magnetic bearing motor" published patent publication (A) Sho 64-55031, (13) Kazuhito Tsuji (Toshiba) "Self-levitation motor system" published patent publication (A) Hei 4-236188 (14) Masao Inoue (Mitsubishi Electric) " Magnetic bearing device "published patent publication (A) Hei 4-107318}.
[0008]
In the above document (9), an axial force is generated by changing the excitation magnetic flux, and the axial position of the disk-type motor is adjusted. It seems to be applicable to disk-type rotating machines, but it is difficult to apply to widely used radial-type rotating machines.
[0009]
On the other hand, Document (10) attempts to control the radial position of the rotor by generating a radial force by making the winding current of a general induction motor unbalanced. However, there is a problem that a radial force cannot be generated in principle when the rotor is located at the center.
[0010]
References (11) and (12) simply share the magnetic path of the conventional magnetic bearing and the magnetic path of the stepping motor, and are suitable for low-speed actuators. However, the structure requires an extremely large number of poles and is not suitable for ultra-high speed rotation. Furthermore, it is difficult to apply to a rotating machine having sinusoidal magnetomotive force distribution and magnetic flux distribution, which is often used for high output induction machines, permanent magnet motors, and the like.
[0011]
Documents (13) and (14) propose structures that reduce the number of poles and are similar to conventional induction machines and permanent magnet type rotating machines. In reference (13), a 4-pole concentrated winding is applied to a stator having 8 teeth, such as a stator core of a 4-phase switched reluctance machine, and this is divided by each magnetic pole. The magnetic flux of the magnetic pole is controlled independently. In addition to generating a rotating magnetic field, a radial force can also be generated by the strength of the magnetic flux of each magnetic pole. Reference (14) has a similar iron core structure, but is characterized in that the winding is distributed and the magnetomotive force distribution is closer to a sine wave distribution. However, in Refs. (13) and (14), since the four divided windings are individually driven, one unit that generates the radial force and torque of two orthogonal axes is the minimum if it is a two-phase winding. Eight single-phase inverters and 16 wires are required. Furthermore, since radial force control and torque control are performed by the same winding current, a current driver having a very high speed, high accuracy, and large capacity is required.
[0012]
This inventor has already reported in the Institute of Electrical Engineers of Japan, the Institute of Electrical Engineers of Japan (IEEE), etc. that an electromagnetic machine having a two-pole winding on a four-pole rotating machine can generate a radial force {( 15) Akira Chiba, Kouji Chida and Tadashi Fukao, "Principle and C-haracteristics of a Reluctance Motor with Windings of Magnetic Bearing", International Power Electronic Conference Record (IPEC) Tokyo, pp.919-926, 1990 April 5,, (16 ) Akira Chiba, MARahman and Tadashi Fukao "Radi-al Force in a Bearingless Reluctance Motor", IEEE Transaction on Magnet-ics, vol.27, No.2, pp.786-790 1991 March, (17) Akira Chiba, Desmond TP-ower and MARahman, "Characteristics of a Bearingless Induction Motor", IEEE Transaction on Magnetics Vol.27, No.6, September pp.5199-5201, 1991, (18) Sigehiro Nomura, Akira Chiba, F. Nakamura, K .Ikeda, T.Fuk-ao and MARahman, "A Radial Position Control of Induction type Bearin-gless Motor Considering Phase Delay by the Rotor Squirrel Cage" IEEE, Power Conver sion Conference (PCC-Yokohama) April 21, 1993 pp.438-443 IEEE 93TH0406-9, (19) Akira Chiba, Junichi Ikeda, Fukuzo Nakamura, Tazumi Mudou, Tadashi Fukao, MA Rahman Principle of radial force generation when bearingless motor has no load '' IEEJ Transactions D, vol.113, no.4, pp.539-547, 1993, (20) Akira Chi-ba, Tazumi Deido, Tadashi Fukao and MARahman, "An Analysis of Bear-ingless ac Motors", IEEE Transaction on Energy Conversion, vol.9, no.1, March, 1994, pp.61-68, (19) Takashi Chida, Kanno, Kasahara, Chiba Akira, Mudado Tazumi, Fukao Tadashi “Basic Experiments of Electric Motors with Radial Position Controlled Windings” March 1989 National Conference of the Institute of Electrical Engineers of Japan, (20) Kawamura Hideyuki, Hanazawa Masahiko, Matsui Mikihiko, Fukao Tadashi , Akira Chiba "Prototype of bearingless reluctance motor system and characteristics during rotation" Proceedings of National Conference of Industrial Application Division, 1991 pp.182-187, 1991 8/27 Sapporo, (21) Atsuhiro Nomura, Chi Hamei, Fukuzo Nakamura, Tadashi Fukao “Phase Compensation for Radial Force Control of Cage-Type Induction Machine Type Bearingless Motor” IEEJ Industrial Power and Electrical Application Study Group Material IEA-93-37, pp.85-94, 1993, 12/14 Osaki Kaikan, (22) Oshima Masahide, Miyazawa Satoshi, Mudado Tazumi, Chiba Akira, Nakamura Fukuzo, Fukao Tadashi "Basic Characteristics of Permanent Magnet Type Bearingless Motor" The Institute of Electrical Engineers of Japan Linear Drive Study Group LD-94- 17, pp.57-66, 2/25, Asakusabashi Training Center}.
[0013]
Among these, by adding a 2-pole winding to the stator in a 4-pole rotating magnetic field type synchronous reluctance machine, a new radial direction that actively generates unbalanced rotating magnetic field and generates a radial force along with torque. An electromagnetic rotating machine with position control winding is proposed. In addition, analysis methods, modeling methods, optimum rotor structures, etc. of electromagnetic rotating machines with radial position control windings using permanent magnet rotors are reported.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
The objects of the present invention are as follows: (1) In order to generate a radial force of two orthogonal axes, for example, if it is a three-phase winding, it can be configured with only three wires and a three-phase inverter. It is to provide a radial force generator. Another object of the present invention is (2) winding of a simple structure that can be configured with only three wires and a three-phase inverter in order to control the position of two orthogonal axes, for example, in the case of a three-phase winding. It is to provide a rotating machine with a wire. Another object of the present invention is to provide (3) generation of radial force of two orthogonal axes and generation of torque, for example, in the case of a three-phase winding, with only six wires and two three-phase inverters. An object of the present invention is to provide a rotating device having a simple structure. Another object of the present invention is to provide a rotating device having a simple structure capable of (4) magnetic support of an orthogonal two-axis rotor and generation of torque. Another object of the present invention is (5) generation of radial force in four radial directions and generation of torque, for example, in the case of a three-phase winding, it is composed of only nine wires and three three-phase inverters. An object of the present invention is to provide a rotating device that can easily adjust the induced electromotive force and the power factor. Another object of the present invention is to provide (6) a rotating device capable of magnetically supporting a 4-axis rotor in the radial direction, generating torque, and easily adjusting induced electromotive force and power factor. . Another object of the present invention is to provide a radial force generator, a bearing device, or a rotating device that can achieve at least one of the objects (1) to (6).
[0015]
An object of the present invention is to generate a magnetic flux for excitation in the radial direction and generate torque by a permanent magnet disposed in a rotor, thereby reducing the current of the winding, and winding with good efficiency and power factor. An object of the present invention is to provide an attached rotating machine or rotating device.
[0016]
An object of the present invention is to provide a radial force generation device, a bearing device, or a rotation device that can generate a radial force without using a rotation angle signal of a rotor.
[0017]
An object of the present invention is to provide a rotating device with a radial force generator or a floating rotating device capable of automatically correcting a radial displacement even when the rotating device is in a loaded state. .
[0018]
An object of the present invention is to provide a rotating device capable of improving torque / output per volume as compared with a synchronous reluctance motor.
[0019]
An object of the present invention is to provide a rotating device capable of generating a static torque as compared with an induction machine.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
Means for solving the problems are as follows:
(1) having a rotor formed in a substantially cylindrical shape and a stator present so as to surround the rotor;
The rotor includes a magnetic body having a plurality of protrusions and recesses, and a permanent magnet that is disposed in the recesses and arranged in the recesses so that the outside has the same polarity,
The stator is a radial force generator characterized by comprising two or more two-pole radial force generating windings that generate a radial force on the rotor.
(2) The rotor according to (1), wherein the rotor according to (1) has three or more protrusions of the magnetic body, and the permanent magnet is disposed in all the concave portions of the magnetic body. A radial force generator,
(3) In the rotor according to (1), the projecting portion of the magnetic body has four poles, and permanent magnets having the same polarity on the outer side are arranged at two locations of concave portions that are not adjacent to each other (1 ) In the radial force generator,
(4) The rotor according to (1) to (3) is a radial force generator according to any one of (1) to (3), wherein the outer side of the permanent magnet is covered with a magnetic material.
(5) In the stator according to (1) to (3), the permanent magnet having a magnetic pole opposite to the magnetic pole outside the permanent magnet in the rotor is provided toward the rotor. (1) It is a radial direction force generator in any one of (4),
(6) In the stator according to (1) to (3), a permanent magnet having a magnetic pole having the same polarity as the magnetic pole outside the permanent magnet in the rotor is provided toward the rotor. The radial force generator according to any one of (1) to (4),
(7) The radial force generator according to any one of (1) to (6),
Radial position detection means for detecting displacement in the radial direction of the rotor in the radial force generator;
A rotating machine with a winding, characterized by having a control means for controlling a current supplied to the winding for radial force generation so as to eliminate the radial displacement of the rotor,
(8) The rotating machine with winding according to (7),
A plurality of phases having a number of poles equal to the number of protrusions and permanent magnets in the rotor so as to be provided on the stator of the radial force generator in the winding rotary machine and to generate torque in the rotor; A rotating device comprising a winding for generating torque,
(9) A magnetic body having a plurality of protrusions and recesses, and a permanent magnet that is disposed in the recesses and disposed in the recesses so that the outer side has the same polarity, is formed in a substantially cylindrical shape. A plurality of rotors provided on the rotating shaft so as to be different from each other by a half pitch, and arranged for each rotor so as to surround the rotor, and generating a force in the radial direction with respect to the rotor 2 A radial force generator having a stator comprising two or more phases of radial force generating windings; and
Magnetomotive force generating means that is disposed between the adjacent stators and excites the protrusions in the adjacent rotor corresponding to the adjacent stators;
A plurality of phases of torque generating windings having a number of poles equal to the number of protrusions and permanent magnets in the rotor so as to be provided in the stator and generate torque in the rotor; Rotating device
(10) Radial displacement detection means for detecting displacement in the radial direction of adjacent rotors according to (9),
Control means for controlling the current supplied to the radial force generation winding according to (9) so that the displacement detected by the radial direction displacement detection means is zero. 9).
(11) The rotating device according to (9), wherein the magnetomotive force generating means according to (9) is a permanent magnet or a winding.
(12) The rotating device according to (9), wherein the magnetomotive force generating means according to (9) is a winding capable of adjusting the magnitude of the magnetomotive force.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<Radial force generator>
Both the rotating machine with a winding and the rotating device of the present invention have the radial force generator according to the present invention.
[0022]
A radial force generator according to the present invention includes a rotor formed in a substantially cylindrical shape and a stator that exists so as to surround the rotor,
The rotor includes a magnetic body having a plurality of protrusions and recesses, and a permanent magnet that is disposed in the recesses and arranged in the recesses so that the outside has the same polarity,
The stator includes two or more phases of two-pole radial force generating windings that generate a radial force on the rotor.
[0023]
An example of the rotor is shown in FIG. FIG. 1 also shows the principle of generating a radial force in the rotor in the radial force generator, the rotating machine with windings, and the rotating device according to the present invention.
[0024]
In FIG. 1, the rotor 1 includes a cylindrical magnetic body 4 having four protrusions 2 and a recess 3 on the circumferential surface, and a permanent magnet 5 disposed in the recess 3. In the rotor 1 shown in FIG. 1, the magnetic body 4 is formed of, for example, a laminated electrical steel sheet. The permanent magnet 5 is arranged in the recess 3 so that the outer magnetic poles of the arranged permanent magnet 5 are the same.
[0025]
A magnetic pole opposite to the permanent magnet 5 is formed on the protrusion 2 of the magnetic body 4 by the permanent magnet 5 arranged in this manner. For example, if the outer magnetic pole of the permanent magnet 5 is the S pole, the N pole is formed on the protrusion 2 of the magnetic body 4. Therefore, the rotor 1 shown in FIG. 1 is a total of eight pole rotors having four types of iron core magnetic poles formed on the protrusion 2 and four permanent magnet magnetic poles having the same outer peripheral side magnetism. is there.
[0026]
The stator 6 is disposed so as to surround the rotor 1 and has radial force generating windings Na and Nb for applying a radial force to the rotor 1.
[0027]
Assuming that the rotor 1 is positioned at the center of the stator 6, the permanent magnet 5 generates an eight-pole symmetric magnetic flux Ψn using the magnetic pole of the protrusion 2 as a magnetic path.
[0028]
1 and 2, of the two-pole radial force generating windings represented by two phases, the radial force generating winding Na is indicated in the illustrated direction (the x mark indicates the direction penetrating from the front of the paper to the paper back. In addition, when the current flows in the direction of ●, the ● mark indicates the direction from the back of the paper to the surface.) Even if the permanent magnet 5 is disposed, the recess 3 sandwiched between the protrusions 2 can be equivalently regarded as a gap. Therefore, as shown in FIG. 1, the dipole magnetic flux Ψm passes through the protrusion 2 of the magnetic body 4.
[0029]
Therefore, when the magnetic pole outside the permanent magnet 5 is, for example, the S pole, the protrusion 2 is excited to the N pole. When this magnetic flux is used as a bias component and, for example, a two-pole magnetic flux generated by a radial force generating winding in the stator is superposed, the magnetic flux distribution in the gap becomes unbalanced and a radial force is generated.
[0030]
Furthermore, as shown in FIG. 1, the direction of the magnetic flux Ψm and the symmetric magnetic flux Ψn is opposite in the protrusion 2 below the paper surface in FIG. 1. Therefore, the magnetic flux density passing through the protrusion 2 below the paper surface decreases. On the other hand, the direction of the magnetic flux Ψm and the symmetric magnetic flux Ψn is the same in the protrusion 2 above the paper surface in FIG. Therefore, the magnetic flux density passing through the protrusion 2 above the paper surface increases.
[0031]
When the magnetic flux distribution becomes unbalanced in this way, the rotor 1 generates a force in the upward direction of the arrow in FIG. The magnitude of the radial direction F can be adjusted by controlling the magnitude of the current flowing through the two-pole radial force generating winding Na. In order to reverse the direction of the radial force F, the direction of the current flowing through the two-pole radial force generating winding Na may be reversed. On the other hand, in order to generate a lateral force in FIG. 1, that is, a radial force F in a direction perpendicular to the radial force shown in FIG. The magnitude and direction of the current of the radial force generating winding Nb in the orthogonal direction may be adjusted. An arbitrary radial force can be generated by adjusting the current magnitude and direction of the orthogonal radial force generating windings Na and Nb.
[0032]
The above description relates to explaining the principle of radial force generation in the radial force generator according to the present invention, and the present invention is not limited to the above description. Therefore, the rotor in the present invention is not limited to the rotor described in FIG.
[0033]
The rotor in the radial force generator according to the present invention is formed substantially in a cylindrical shape, has a magnetic body having a plurality of protrusions and recesses, and is disposed in the recesses, and the outer side has the same polarity. Various design changes can be made as long as the permanent magnet is provided in the recess.
[0034]
For example, as shown in FIG. 3, as a rotor, a magnetic body 4 having a plurality of protrusions 2 and recesses 3, and disposed in the recess 3, having a width narrower than the width of the recesses 3, and outside Is a non-magnetic path that is a non-magnetic material inserted in a gap formed by the permanent magnet 5 disposed in the recess 3 and the permanent magnet 5 disposed in the recess 3 so as to have the same polarity. An example of the rotor 1 includes the formed body 7 and is formed in a cylindrical shape as a whole. Thus, according to the present invention, in the rotor 1, it is not always necessary to provide a gap between the protrusion 2 of the rotor 1 and the permanent magnet 5 disposed in the recess 3. A non-magnetic path forming body that forms a non-magnetic path may be interposed between the portion 2 and the permanent magnet 5 disposed in the recess 3. In FIG. 1 and FIG. 2, it can be said that the space provided between the protrusion 2 and the permanent magnet 5 is, in other words, the gap is interposed with a non-magnetic path forming body called air.
[0035]
4 and 5 show various rotors in the present invention.
[0036]
The rotor 1 shown in FIG. 4 (1) has a magnetic pole 4 having a four-pole protrusion 2 and a recess 3 formed between the protrusion 2 and the protrusion 2, and all of the recess 3. The permanent magnet 5 is formed so as to have a gap to be a non-magnetic path forming body 7 with respect to the side wall of the protrusion 2 and to have the same polarity on the outer side.
[0037]
The rotor 1 shown in FIG. 4 (2) includes a magnetic body 4 having a three-pole protrusion 2 and a recess formed between the protrusion 2 and the protrusion 2, and all of the recess 3. The permanent magnet 5 is formed so as to have a gap to be a non-magnetic path forming body 7 with respect to the side wall of the protrusion 2 and to have the same polarity on the outer side.
[0038]
The rotor 1 shown in FIG. 4 (3) has a magnetic body 4 having a two-pole protrusion 2 and a recess formed between the protrusion 2 and the protrusion 2, and all of the recess 3. The permanent magnet 5 is formed so as to have a gap to be a non-magnetic path forming body 7 with respect to the side wall of the protrusion 2 and to have the same polarity on the outer side.
[0039]
The rotor 1 shown in FIG. 4 (4) includes a magnetic body 4 having a four-pole protrusion 2 and a recess formed between the protrusion 2 and the protrusion 2, and one of all the recesses 3. In every third recess 3, there is a permanent magnet 5 disposed so as to have a gap to be a non-magnetic path forming body 7 with respect to the side wall of the protrusion 2 and so that the outside has the same polarity. It is formed.
[0040]
As described above, the number of protrusions in the rotor is not particularly limited, and is appropriately determined according to the radial force generator, the rotating machine with winding using the same, the scale of the rotating device, and the like.
[0041]
Moreover, it is not necessary to provide a permanent magnet in all the recessed parts formed in a magnetic body, and you may arrange | position a permanent magnet to every other several recessed part. When a permanent magnet is arranged every other recess, there is an advantage that the magnetic flux passing through the protrusion 2 can be adjusted by the number of permanent magnets to be arranged.
[0042]
The rotor 1 shown in FIG. 5 (1) has a plurality of protrusions 2, a magnetic body 4 having a recess 3 provided between the protrusions 2 and the protrusions 2, and all of the recesses 3. The permanent magnet 5 having a predetermined gap to be the non-magnetic path forming body 7 with respect to the side wall of the portion 2 and having the same polarity on the outside, and the coated magnetic body 7 that covers the outer surface of each permanent magnet 5 And formed. When such a covering magnetic body 8 is provided, when this radial force generating device is used for a rotating device, it is easy to pass a magnetic flux for torque, and the reverse saliency of the protrusion 2 can be increased. Thus, by increasing the reverse saliency of the rotor 1, it is possible to increase torque, increase output, improve power factor, and improve efficiency in the field-weakening operation region.
[0043]
The rotor 1 shown in FIG. 5 (2) includes a plurality of permanent magnets 5 embedded in a magnetic body at predetermined intervals and having the same polarity on the outside, and both sides of the permanent magnets 5 in the circumferential direction. And a non-magnetic path forming body provided in, for example, a hollow portion 9 or a non-magnetic material. Since the rotor formed in this way forms a smooth outer peripheral surface without forming a gap between the permanent magnet and the protrusion, pressure loss can be reduced. In the rotor shown in FIG. 5 (2), the magnetic material sandwiched between the permanent magnet and the permanent magnet serves as a protrusion (saliency pole). For this reason, the protrusion in the present invention can be said to be a part where a magnetic pole can be formed, not a part meaning that it protrudes.
[0044]
The stator in the radial force generator of the present invention is not limited to the stator described with reference to FIG. As long as the stator has a magnetic body, for example, an iron core, arranged so as to surround the rotor, and a radial force generating winding that applies a radial force to the rotor, various changes in design can be made.
[0045]
FIG. 6 shows another example of the stator. A stator 6 shown in FIG. 6 includes a stator magnetic body 10 arranged so as to surround a rotor 1 that is loaded in a certain direction, for example, a stator core, and the rotor 1 of the stator magnetic body 10. The stator side permanent magnet 11 that attracts the permanent magnet in the rotor 1 and the radial force generated on the rotor 1 are arranged on the surface that faces the direction opposite to the load direction. And a radial force generating winding N.
[0046]
As a case where a load is applied to the rotor 1 in a certain direction, a case where the rotor 1 is disposed horizontally can be exemplified. Gravity is always applied to the horizontally disposed rotor 1 downward in the vertical direction. Therefore, when the rotor 1 is disposed horizontally, the stator side permanent magnet 11 is disposed on the surface of the stator magnetic body 10 facing the rotor 1 in a direction along the vertical direction where gravity is applied. .
[0047]
The stator-side permanent magnet 11 forms a magnetic pole opposite to the magnetic pole outside the permanent magnet 5 disposed in the recess 3 in the rotor 1 on the surface facing the rotor. Therefore. When a stator-side permanent magnet with an attractive force that balances the gravity that is going to drop the rotor is placed, the vertical force generation winding is sufficiently vertical to lift the rotor against gravity. There is no need to supply power to generate a radial force in the direction.
[0048]
FIG. 7 shows another example of the stator. The stator 6 shown in FIG. 7 includes a stator magnetic body 10 arranged so as to surround the rotor 1 that is loaded in a fixed direction, for example, a stator core, and the rotor 1 of the stator magnetic body 10. A stator-side permanent magnet 11 that repels the permanent magnet in the rotor 1 and a radial force generating winding N that generates a radial force in the rotor 1 are provided on the entire circumferential surface.
[0049]
The stator-side permanent magnet 11 forms the same magnetic pole as the magnetic pole outside the permanent magnet 5 disposed in the recess 3 in the rotor 1 on the surface facing the rotor. Therefore. When the rotation is about to fall according to gravity, the permanent magnet 5 and the stator side permanent magnet 11 in the rotor 1 repel each other. Therefore, by selecting the magnitude of the magnetic force of the stator side permanent magnet 11, the stator side permanent magnet directly above the vertical line in the stator 10 and the rotor side permanent magnet repel each other. Since the rotor repelled by the stator-side permanent magnet just below the line is repelled by the stator-side permanent magnet just above the vertical line, the rotor center axis is positioned at the stator center axis. Will do. Even in this case, it is not necessary to supply the radial force generating windings with electric power for generating a vertical radial force sufficient to lift the rotor against gravity.
[0050]
As another example of the stator, as shown in FIG. 8, a radial force generating winding N having the same number of poles as the number of magnetic poles of the rotor 1, that is, the number of protrusions 2 and permanent magnets 5, is used. Two or more phases may be arranged on the stator by providing a phase difference in the circumferential direction. When a stator having such a radial force generating winding N is provided, a rotating device that generates torque is formed as an ordinary permanent magnet type electric motor.
[0051]
In the radial force generating apparatus according to the present invention, the radial force for displacing the rotor in an arbitrary radial direction can be generated by energizing the radial force generating winding. Therefore, as described below, if the radial force can be generated to correct the displacement of the rotor, the rotation axis can always be adjusted to the center of rotation during the rotation of the rotor, or the rotation The shaft can also be magnetically levitated.
[0052]
<Rotating machine with winding>
The rotating machine with a winding according to the present invention includes the radial force generator, a radial position detector for detecting a radial displacement of the rotor in the radial force generator, and a radial direction of the rotor. Control means for controlling a current supplied to the radial force generating winding so as to eliminate the displacement.
[0053]
As the radial position detection means, various detection means that can detect the position of the rotor in the radial direction can be adopted, and examples thereof include an eddy current sensor, an inductance sensor, and an optical sensor. be able to. Further, an arithmetic device that calculates the displacement in the radial direction generated in the rotor from the voltage value and the current value generated in the radial force generating winding in the radial force generator may be used. .
[0054]
As the control means, on the basis of a signal output from the radial position detection means, a current that is passed through the radial force generating winding so as to generate a radial force that makes the rotor displacement zero. Mention may be made of a device for adjusting the amount.
[0055]
In the rotating machine with winding according to the present invention, the rotor can be floated by generating a radial force by passing a current through the radial force generating winding. For example, the rotating shaft on which the rotor is mounted It is possible to eliminate the need for a bearing device such as a bearing and to eliminate the generation of noise and the like, and to achieve high-speed rotation of the rotor because there is no mechanical contact of the rotating part. it can.
[0056]
<Rotating device>
The rotating device according to the present invention includes the radial force generating device, radial position detecting means for detecting a radial displacement of the rotor in the radial force generating device, and eliminating the radial displacement of the rotor. And a control means for controlling a current supplied to the radial force generating winding, and a rotor provided in a stator of the radial force generating device and generating torque in the rotor. And a plurality of phases of torque generating windings having the same number of poles as the number of protrusions and permanent magnets.
[0057]
An example of a rotating device according to the present invention is already shown in FIG.
[0058]
FIG. 9 shows a rotating device which is another example of the present invention. The rotating device shown in FIG. 9 is an example in which the number of rotors is plural.
[0059]
In the rotating device shown in FIG. 9, the rotor 1 a and the stator 1 b mounted so as to be coaxial with the rotating shaft 12 and have a half-pitch difference between the projecting portions 2 and the rotor 1 a. And disposed so as to surround the stator 6a having the radial force generating winding (not shown) and the torque generating winding (not shown), and the other rotor 1b. In addition, another stator 6b having the radial force generating winding (not shown) and the torque generating winding (not shown), and the stator disposed between the adjacent stators 6a and 6b. Magnetic force generating means 13. In the rotating device 14, although not shown, the stators 6a and 6b are provided with a radial force generating winding and a torque generating winding.
[0060]
Here, examples of the magnetomotive force generating means 13 include a permanent magnet and a winding. In addition, in FIG. 9, although the permanent magnet arrange | positioned in the recessed part 3 formed between the protrusion 2 and the protrusion 2 is not shown in figure, naturally the permanent magnet is in the recessed part 3 of rotor 1a, 1b. Is placed.
[0061]
In such a rotating device, it is possible to adjust the magnetic flux of the protrusion in the rotor, and it is possible to adjust the magnitude of the induced electromotive force and the power factor of the torque generating winding in the stator.
[0062]
FIG. 10 shows another example of the rotating device according to the present invention.
[0063]
In the rotating device shown in FIG. 10, the number of poles of the radial force generating winding provided in the stator is different from the number of poles of the torque generating winding. The radial force generating winding N shown in FIG. 10 has three phases and two poles, and the torque generating winding T has three phases and eight poles.
Such a rotating device with a radial force generator in which a magnetic body in a stator, for example, an iron core is provided with a radial force generating winding and a torque generating winding, is known to Akira Chiba and Fukao as far as the inventors know. Positive (Electromagnetic rotating machine with radial rotating body position control device using rotating magnetic field of electric motor) is described in Published Patent Publication (A) Hei 2-193547. Thereafter, Newfoundland Memorial University of Canada, Switzerland Research and development are also conducted at the Technical University (ETH) and Ibaraki University (J. Bichsel "The Bearingless Electrical Machine", NASA-CP-3152-PT-2, pp561-573, 1992, Dejima, Okada, Oishi “Study on magnetic levitation motor” The 4th symposium of the Institute of Electrical Engineers of Japan.
[0064]
According to these documents, it is reported that if the number of poles of the torque generating winding is n, the number of poles of the radial force generating winding must be (n ± 2). For example, in the case of a 4-pole torque generating winding, the radial force generating winding is 2 or 6 poles, and in the case of an 8-pole torque generating winding, the radial force generating winding is 6 or 10 poles. It is necessary to. In addition to the restriction on the number of poles, a modulation circuit that alternates the polarity of the current of the radial force generating winding in accordance with the change in polarity of the rotor magnetic pole accompanying rotation is required.
[0065]
The present invention has one feature in that a plurality of combinations of windings, which are impossible in these documents, are used. That is, in the rotating device provided with the radial force generating device according to the present invention, for example, when there are eight torque generating windings, the radial force is generated even if the radial force generating winding is two. Can occur.
[0066]
In the radial force generator of the present invention, since the protrusions of the rotor through which the magnetic flux generated by the radial force generating winding passes have the same polarity, the radial force is generated in a constant direction. In this case, it is not necessary to modulate the current in the radial force generating winding according to the rotation angle of the rotor.
[0067]
That is, for example, in the case where a rotor is provided and it is necessary to support the weight of the rotating shaft placed horizontally, it leads to a radial force generating winding for supporting a steady radial load in a certain direction. The current is a direct current, and if the rotor is positioned at the center of the stator, no induced electromotive force appears in the radial force generating winding, so the voltage capacity of the current controller for generating the current Can be reduced. Further, since the magnetic field for supporting a steady radial load in a certain direction is a direct current in a magnetic body of the stator, for example, an iron core, iron loss when a radial force is generated can be reduced.
[0068]
Furthermore, since the magnetic flux necessary for generating the radial force and torque is generated by a permanent magnet, the current in the radial force generating coil and the torque generating coil can be reduced, and the efficiency can be reduced. Can be improved.
[0069]
Since the magnetic poles of the permanent magnets in the rotor are all the same in the outward direction, when the number of magnetic poles in the rotor is 3 or more, in the rotating device to which this radial force generator is applied, Since the vector sum on the rotor cross section of the torque component magnetic flux generated at the time of loading is zero, the torque magnetic flux does not affect the direction of the radial force, so the direction of the radial force when the torque component magnetic flux is generated No correction is necessary.
[0070]
Further, as already shown in FIG. 5 (2), when the permanent magnet is embedded in the magnetic body of the rotor, for example, the iron core, when the rotating device is formed by using this radial direction force generator, the inductance of the rotating device, for example, the electric motor. The reverse saliency can be increased, so the torque, power factor and efficiency can be improved during field-weakening operation.
[0071]
The rotating device of the present invention, for example, a rotating machine with a radial force generator or a stator of a floating rotating machine and a plurality of rotors arranged in the rotating direction, and the circumferential positions of the iron core magnetic poles of the rotor are arranged different from each other by a half pitch, By providing magnetomotive force generating means such as permanent magnets or windings between the plurality of stator cores, it is possible to adjust the magnetic flux of the rotor core magnetic poles. According to this device configuration, the magnitude of the induced electromotive force and the power factor of the torque generating winding can be adjusted. Thereby, the efficiency of a rotating machine can also be improved.
[0072]
<Example 1>
FIG. 11 is an explanatory diagram showing an example of a winding rotary machine according to the present invention. This rotating machine 20 with a winding is mounted on a rotating shaft 21 and has a magnetic body 24 in which protrusions 22 and recesses 23 are alternately provided on the outer periphery, and is disposed in the recesses 23 and all the outsides have the same magnetic poles. A rotor 26 having a permanent magnet 25, a stator-side magnetic body 27 having teeth and disposed so as to surround the rotor 26, and three provided on the stator-side magnetic body 27. A stator 29 having two-phase radial force generating windings 28 and radial positions arranged in the Y direction and the X direction perpendicular to this direction so that the displacement of the rotary shaft 21 can be detected. The detection means 30a, 30b and the Y-direction displacement detection signal α indicating the Y-direction displacement of the rotation shaft 21 detected by the radial position detection means 30a, 30b and the X-direction displacement detection indicating the X-direction displacement of the rotation shaft. Input signal β and A position controller 31 as control means for outputting a three-phase command signal in comparison with each of the Y-direction position signal α * and the X-direction position signal β * set in advance, and the position controller 31 And a current controller 32 that inputs command signals iUp *, iVp *, iWp * to be output and supplies predetermined three-phase control currents iUp, iVp, iWp to the radial force generating winding 28. .
[0073]
More specifically, means such as an eddy current sensor, an inductance sensor, and an optical sensor can be employed as the radial position detection means 30a and 30b.
[0074]
As the position controller 31, the detected displacement in the radial direction of the rotor is compared with a command value, and a PID controller (proportional, integral, differential calculator), PD controller (proportional, differential calculator), optimal Consists of a controller such as a regulator controller or H∞ controller, and a coordinate displacement device for calculating a winding current value corresponding to the direction of the magnetomotive force to be generated by the stator winding. Can do.
[0075]
With such a position controller 31, the current value of the radial force generating winding for correcting the rotor to a position in accordance with the radial position command value can be calculated.
[0076]
As the current controller 32, an inverter or the like can be employed.
[0077]
According to the rotating machine with a winding having the above-described configuration, the rotation shaft is not in contact with the bearing by controlling the position of the rotor.
[0078]
Further, when the load is steadily supported in the radial direction of the rotor shaft, such as when the rotor and the rotation shaft are placed horizontally, a part of the inner peripheral surface of the stator is permanently attached as shown in FIG. By disposing the magnet and attracting the iron core magnetic pole formed on the protrusion of the rotor, the amount of current applied to the radial force generating winding can be reduced.
[0079]
At this time, a thin permanent magnet is arranged on the inner peripheral surface (surface facing the stator) of the iron core tooth portion of the magnetic body formed in the stator so that the polarity is opposite to the rotor for both the N pole and the S pole. . Alternatively, a permanent magnet may be disposed in the slot opening. Or it arrange | positions so that a north pole and a south pole may be located in a line with the circumferential direction in a slot opening part, and the iron core tooth part of an adjacent stator is excited to a different polarity, and the core magnetic pole part of a rotor is attracted | sucked. It is also possible to configure.
[0080]
Further, as shown in FIG. 7, stator-side permanent magnets are arranged on opposite sides of the inner peripheral surface of the stator or over the entire inner peripheral surface of the stator, so that the magnetic poles of the rotor and the stator side By repelling the magnetic poles of the permanent magnets, the amount of current applied to the radial force generating winding can be reduced. At this time, the polarity of the surface facing the rotor of the stator-side permanent magnet disposed on the inner peripheral surface of the stator is set to be the same as the polarity of the outer peripheral surface of the permanent magnet in the rotor. For example, if the polarity of the outer peripheral surface of the permanent magnet provided in the rotor is the S pole, the stator side permanent magnet disposed on the inner peripheral surface of the stator is disposed so that the S pole faces the rotor. . At this time, the magnetic pole width of the circumferential direction of the permanent magnet in the rotor is preferably longer than the width of the protrusion of the rotor (iron core magnetic pole width).
According to this device configuration, the rotor receives a repulsive force toward the center of the stator, so that it can have self-stability even when displacement from the center position of the stator occurs. However, since the damping characteristics of this system are extremely low, it is preferable to perform vibration damping control or position control using a radial force generating winding in order to improve vibration damping performance.
[0081]
<Example 2>
FIG. 12 shows a floating type rotating device which is an example of the present invention.
[0082]
This levitation type rotating device 40 is mounted on a rotating shaft 41 and has a magnetic body 44 in which protrusions 42 and recesses 43 are alternately provided on the outer periphery, and is disposed in the recesses 43 and all outsides have the same magnetic poles. A rotor 46 having a permanent magnet 45, a stator-side magnetic body 47 having teeth and arranged so as to surround the rotor 46, and a three-phase provided in the stator-side magnetic body 47 A stator 49 having a two-pole radial force generating winding 48 and a three-phase eight-pole torque generating winding (not shown) for generating torque in the rotor 46; The radial position detection means 50a, 50b arranged in the Y direction and the X direction orthogonal to this direction so that the displacement of the shaft 41 can be detected, and the rotation detected by the radial position detection means 50a, 50b. Indicates the displacement of the axis in the Y direction Input the direction displacement detection signal α and the X direction displacement detection signal β indicating the displacement of the rotary shaft in the X direction, and compare with the preset Y direction position signal α * and X direction position signal β * respectively. The position controller 51 as a control means for outputting a three-phase command signal and the control signals iUp, iVp *, iWp * output from the position controller 51 are input, and the radial force generating winding Are output from a radial force current controller 52 for supplying predetermined three-phase control currents iUp, iVp, iWp to the rotation angle detector 53 and the rotation angle detector 53 for detecting the rotation angle Φ of the rotating shaft. A rotation speed detector 54 that detects the rotation speed ω from the rotation angle Φ, a motor controller 55 that receives data output from the rotation angle detector 53 and the rotation speed detector 54, and an output from the motor controller 55. Based on control signals iUm *, iVm *, iWm * A torque current controller 56 for outputting signals iUm, iVm and iWm for controlling the torque.
[0083]
As the radial position detecting means 50a, 50b, there are means such as an eddy current sensor, an inductance sensor, an optical sensor and the like that can detect a displacement in two radial axes of the rotary shaft 41 on which the rotor 46 is mounted. Can be adopted. An arithmetic device that detects the position from the voltage value and current value of the radial force generating winding 48 may be used.
[0084]
The position controller 51 compares the detected displacement in the radial direction of the rotor 46 with the command values α *, β *, and calculates a PID controller (proportional, integral, differential calculator), PD controller (proportional, differential). A winding current value corresponding to the direction of the magnetomotive force to be generated by the radial force generating winding 48 in the stator 49 and the control means such as a computing unit), the optimum regulator controller, or the H∞ controller. Can be configured using a coordinate converter. With such a device configuration, the current value of the radial force generating winding 48 for correcting the rotor 46 to a position corresponding to the radial position command value is calculated.
[0085]
The current controller 52 can employ an inverter or the like. Using a current controller such as an inverter, a current is passed through the radial force generating winding 48.
[0086]
As the rotation angle detector 53, a detector capable of detecting a rotation angle such as a rotary encoder can be adopted. The rotor 46 is driven as a synchronous motor by a method such as feeding back the rotation angle detected by the rotation angle detector such as the rotary encoder to the motor controller 55. Instead of the rotation angle detector 53 and the rotation speed detector 54, the rotation of the rotor 46 is performed based on the signal of a magnetic flux detector such as a Hall element arranged on the inner peripheral portion of the stator and the current value of the torque generating winding. A device that detects an angle and a rotational speed may be used. Further, instead of the rotation angle detector 53 and the rotation speed detector 54, the rotation angle detector detects the rotation angle and rotation speed of the rotor 46 based on the voltage value and current value of the torque generating winding. May be.
[0087]
As the electric motor controller 55, a controller of a system such as vector control, constant optimum load angle control, servo motor control, etc. can be used in addition to a PI (proportional-integral) controller.
[0088]
The motor controller 55 is used to calculate the current to be passed through the torque generating winding, and the torque generating controller 56 such as an inverter is used to pass current through the torque generating winding to drive the rotor. To do.
[0089]
With the above apparatus configuration, a floating type rotating apparatus that supports the two axial directions of the rotor in the radial direction in a non-contact manner and can generate torque is configured.
[0090]
<Example 3>
FIG. 13 shows a floating type rotating device as an example of the present invention. As shown in FIG. 13, the floating-type rotating device 60 is different from the floating-type rotating device 40 shown in FIG. 12 in the following points.
[0091]
That is, the levitating type rotating device 60 shown in FIG. 13 has two rotors 46 a and 46 b that are coaxially mounted on the rotating shaft 41. In each of the two rotors 46a and 46b, the repetition period of the protrusion 42a and the recess 43a of one rotor 46a is different from the repetition period of the protrusion 42b and the recess 43b of the other rotor 46b by a half pitch. As shown in FIG. Outside the two rotors 46a and 46b, stators 49a and 49b are provided so as to surround the rotors 46a and 46b, respectively. Each of the stators 49a and 49b has a radial force generating winding 48 through which a current controlled by a current controller 52 is supplied, and a torque generating unit through which a current controlled by a torque current controller 56 is supplied. Windings are provided. Between one stator 49a and the other stator 49b, a winding 61 is mounted as a magnetomotive force generating means. The winding 61 is excited in the axial direction of the rotors 46a and 46b when a direct current is applied.
[0092]
More specifically, when the two sets of rotors 46a, 46b and the stator are arranged in tandem in the axial direction with the winding 61 energizing the rotor 46a 46b in the axial direction, the two sets of stators 49a are arranged. 49b, a magnetic casing 63 or the like that magnetically connects the outer peripheral portions of the magnetic bodies (stator cores) may be disposed. A permanent magnet or the like may be arranged in place of the winding 61 for exciting the rotors 46a and 46b in the axial direction and the casing 63 connecting the outer periphery of the two sets of stator cores.
[0093]
The permanent magnets 45a and 45b arranged on the two sets of rotors 46a and 46b are arranged so that the polarities on the outer periphery of the rotor are all N poles on one rotor 46a and all S rotors on the other rotor 46b. The magnetic poles of these two sets of rotors 46a and 46b are arranged so as to be different from each other by a half pitch. That is, for example, if the number of magnetic poles of the rotors 46a and 46b is 8 on one side, the circumferential position where the permanent magnets 45a and 45b of the two sets of rotors 46a and 46b are arranged is a mechanical angle. 45 degrees different.
[0094]
A total of four axial displacements of the two rotors 46a and 46b in the radial direction are detected by using radial position detecting means 50a and 50b such as an eddy current sensor, an inductance sensor, and an optical sensor. An arithmetic unit for detecting displacement from the voltage value and current value of the radial force generating winding 48 may be used as the radial position detecting means.
[0095]
A position controller 51 that receives data output from the radial position detection means 50a and 50b for detecting the displacement of the rotors 46a and 46b receives data relating to the detected radial position as a command value for the radial displacement of the rotor. Compared with, controllers such as PID controller (proportional, integral, differential calculator), PD controller (proportional, differential calculator), optimal regulator controller, or H∞ controller, and stator winding Can be configured using a coordinate converter for calculating a winding current value corresponding to the direction of the magnetomotive force that should be generated. Using these devices, the current value of the radial force generating winding 48 for correcting the rotors 46a and 46b to the position in accordance with the radial position command value is calculated. Further, a current controller such as an inverter is used to energize the radial force generating winding 48. In FIG. 13, the position control device for two radial directions on one side of the two sets of rotors is illustrated, and the position control device for two radial directions on the other rotor is omitted. .
[0096]
Further, a rotation angle detector 53 for detecting a rotation angle such as a rotary encoder and a rotation speed detector 54 for detecting a rotation speed are attached to the rotation shaft 41, and the synchronous motor is driven by a method such as feeding back to the motor controller 55. . Instead of the rotary encoder, a device that detects the rotation angle and rotation speed of the rotor based on the signal of a magnetic flux detector such as a Hall element arranged on the inner peripheral portion of the stator and the current value of the torque generating winding may be used. . Further, instead of the rotary encoder, a device that detects the rotation angle and rotation speed of the rotor based on the voltage value and current value of the torque generating winding may be used.
[0097]
The motor controller 55 may be a controller such as a vector control, a constant optimum load angle control, and a servo motor control in addition to a PI (proportional-integral) controller.
[0098]
A motor controller 55 is used to calculate a current to be passed through the torque generating winding, and a torque current controller 56 such as an inverter is used to supply current to the torque generating winding to thereby rotate the floating type Drive the device. At this time, the torque generating windings of the two sets of stators can be driven by using the common motor controller 55 and the torque current controller 56. In addition, by applying the torque generating winding through the two sets of stators, the coil end of the inner portion when the two sets of stators are arranged can be omitted, so the axial length is shortened. It is also possible to do.
[0099]
When driving the levitation type rotating device, the magnetic flux in the iron core magnetic pole portion of the rotor is generated by using the winding 61 that axially excites the rotors 46a and 46b disposed between the two sets of stators. By changing it, it is possible to adjust the induced electromotive force, the power factor, etc. of the winding for torque generation. When permanent magnets are arranged instead of the windings for exciting the rotors 46a and 46b in the axial direction, the adjustment can be similarly made by changing the number and thickness of the permanent magnets arranged.
[0100]
With the above apparatus configuration, a floating rotating machine that supports the four axial directions of the rotor in the radial direction in a non-contact manner and can generate torque is configured.
[0101]
【The invention's effect】
The radial force generator, the rotating machine with a winding, and the rotating device according to the present invention can apply the radial force to the rotating shaft with a simple mounting configuration. Therefore, when used as a radial force generator or a rotating device using the radial force generator, the load on the bearing can be reduced. In addition, when used as a rotating machine with a winding or a rotating device, it is possible to suppress mechanical and electromagnetic vibrations in the radial direction of the shaft and to eliminate frictional friction by eliminating mechanical contact. Reduction and high-speed rotation can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a principle explanatory diagram for explaining the principle of generation of a radial force in a radial force generator according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic explanatory view showing an example of a radial force generator according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic explanatory view showing a rotor in an example of a radial force generator according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic explanatory view showing a rotor in an example of a radial force generator according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic explanatory view showing a rotor in an example of a radial force generator according to the present invention.
FIG. 6 is a schematic explanatory view showing a rotor and a stator in an example of a radial force generator according to the present invention.
FIG. 7 is a schematic explanatory view showing a rotor and a stator in an example of a radial force generator according to the present invention.
FIG. 8 is a schematic explanatory view showing a rotor and a radial force generating winding in an example of a radial force generator according to the present invention.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional explanatory view showing an example of a radial force generator according to the present invention and showing an apparatus in which two rotors are coaxially mounted on a rotation shaft.
FIG. 10 is an example of a radial force generator according to the present invention, and is a schematic cross-sectional view of an apparatus showing a rotor and a stator having a radial force generating winding and a torque generating winding. It is explanatory drawing.
FIG. 11 is a schematic explanatory view showing a rotating device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic explanatory view showing another rotating apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic explanatory view showing another rotating device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a schematic explanatory view showing a high-speed motor using a conventional magnetic bearing.
FIG. 15 is an explanatory diagram showing a conceptual configuration of an electromagnetic rotating machine with radial position control windings;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a, 1b ... Rotor, 2 ... Projection, 3 ... Recess, 4 ... Magnetic body, 5 ... Permanent magnet, Na, Nb ... Winding for radial force generation Line 6, 6, 6a, 6b ... Stator, Ψn ... Symmetrical magnetic flux, Ψm ... Magnetic flux, 7 ... Non-magnetic path forming body, 8 ... Covered magnetic body, 9 ... Cavity DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Magnetic material for stators, 11 ... Permanent magnet on the stator side, N ... Winding for radial force generation, 12 ... Rotating shaft, 13 ... Magnetomotive force generating means, 14・・・ Rotating device, T ・・・ Torque generating winding, 20 ... Rotating machine with winding, 21 ... Rotating shaft, 22 ... Protrusion, 23 ... Recess, 24 ... Magnetic body 25... Permanent magnet 26. Rotor 27. Stator side magnetic body 28. Winding for generating radial force 29 29 Stator 30 a, 30 b. ..Radial direction position detection means 31 ... Position controller, 32 ... Current controller, 40 ... Levitation type rotating device, 41 ... Rotating shaft, 42, 42a, 42b ... Projection, 43, 43a, 43b ..Recess, 44 ... magnetic material, 45 ... permanent magnet, 46, 46a, 46b ... rotor, 47 ... magnetic material on stator side, 48 ... winding for generating radial force 49, 49a, 49b ... Stator, 50a, 50b ... Radial position detection means, 51 ... Position controller, 52 ... Radial force current controller, 53 ... Rotation angle Detector: 54 ... Rotational speed detector, 55 ... Electric motor controller, 56 ... Current controller for torque, 60 ... Levitation type rotating device, 61 ... Winding.

Claims

Having a rotor formed in a substantially cylindrical shape and a stator present so as to surround the rotor;
The rotor includes a magnetic body having a plurality of protrusions and recesses, and a permanent magnet that is disposed in the recesses and arranged in the recesses so that the outside has the same polarity,
2. The radial force generator according to claim 1, wherein the stator includes two or more two-phase radial force generating windings that generate a radial force on the rotor.

The rotor according to claim 1 has three or more protrusions of the magnetic material, and the radial force according to claim 1 is configured such that the permanent magnet is disposed in all the concave portions of the magnetic material. Generator.

The rotor according to claim 1, wherein the protrusion of the magnetic body has four poles, and permanent magnets having the same polarity on the outer side are arranged at two locations of recesses that are not adjacent to each other. Radial force generator.

The rotor according to any one of claims 1 to 3 is the radial force generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the outer side of the permanent magnet is covered with a magnetic material.

The radial direction according to any one of claims 1 to 4, wherein the stator is provided with a permanent magnet having a magnetic pole opposite to a magnetic pole outside the permanent magnet in the rotor toward the rotor. Force generator.

The radius according to any one of claims 1 to 4, wherein the stator is provided with a permanent magnet having a magnetic pole having the same polarity as a magnetic pole outside the permanent magnet in the rotor, toward the rotor. Directional force generator.

The radial force generator according to any one of claims 1 to 6,
Radial position detection means for detecting displacement in the radial direction of the rotor in the radial force generator;
A rotating machine with a winding, comprising: a control unit that controls a current supplied to the radial force generating winding so as to eliminate a radial displacement of the rotor.

A rotating machine with a winding according to claim 7;
A plurality of phases having a number of poles equal to the number of protrusions and permanent magnets in the rotor so as to be provided on the stator of the radial force generator in the winding rotary machine and to generate torque in the rotor; A rotating device comprising a torque generating winding.

A magnetic body having a plurality of protrusions and recesses, and a permanent magnet that is disposed in the recesses and disposed in the recesses so that the outside has the same polarity. A plurality of rotors provided on the rotation shaft so as to have different pitches, and arranged for each rotor so as to surround the rotor, and two or more phases that generate a force in the radial direction with respect to the rotor A radial force generator having a stator with two pole radial force generating windings;
Magnetomotive force generating means that is disposed between the adjacent stators and excites the protrusions in the adjacent rotor corresponding to the adjacent stators;
A plurality of phases of torque generating windings having a number of poles equal to the number of protrusions and permanent magnets in the rotor so as to be provided in the stator and generate torque in the rotor; Rotating device.

Radial displacement detection means for detecting displacement in the radial direction of adjacent rotors according to claim 9,
Control means for controlling a current supplied to the radial force generating winding according to claim 9 so that the displacement detected by the radial displacement detection means is zero. Item 10. The rotating device according to Item 9.

The rotating device according to claim 9, wherein the magnetomotive force generating means according to claim 9 is a permanent magnet or a winding.

The rotating device according to claim 9, wherein the magnetomotive force generating means according to claim 9 is a winding capable of adjusting the magnitude of the magnetomotive force.