JP3678517B2 - 半径方向力発生装置、巻線付き回転機、および回転装置 - Google Patents
半径方向力発生装置、巻線付き回転機、および回転装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3678517B2 JP3678517B2 JP30799496A JP30799496A JP3678517B2 JP 3678517 B2 JP3678517 B2 JP 3678517B2 JP 30799496 A JP30799496 A JP 30799496A JP 30799496 A JP30799496 A JP 30799496A JP 3678517 B2 JP3678517 B2 JP 3678517B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- rotor
- radial force
- radial
- winding
- stator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0474—Active magnetic bearings for rotary movement
- F16C32/0493—Active magnetic bearings for rotary movement integrated in an electrodynamic machine, e.g. self-bearing motor
- F16C32/0497—Active magnetic bearings for rotary movement integrated in an electrodynamic machine, e.g. self-bearing motor generating torque and radial force
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C2360/00—Engines or pumps
- F16C2360/44—Centrifugal pumps
- F16C2360/45—Turbo-molecular pumps
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
- Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
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。
【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。
Claims (12)
- 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。 - 前記請求項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請求項１に記載の半径方向力発生装置。
- 前記請求項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請求項１に記載の半径方向力発生装置。
- 前記請求項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請求項１〜３のいずれかに半径方向力発生装置。
- 前記固定子は、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請求項１〜４のいずれかに記載の半径方向力発生装置。
- 前記固定子は、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請求項１〜４のいずれかに記載の半径方向力発生装置。
- 前記請求項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。 - 前記請求項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。 - 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。 - 前記請求項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、前記請求項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請求項９に記載の回転装置。 - 前記請求項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請求項９に記載の回転装置。
- 前記請求項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請求項９に記載の回転装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30799496A JP3678517B2 (ja) | 1996-11-19 | 1996-11-19 | 半径方向力発生装置、巻線付き回転機、および回転装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30799496A JP3678517B2 (ja) | 1996-11-19 | 1996-11-19 | 半径方向力発生装置、巻線付き回転機、および回転装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10150755A JPH10150755A (ja) | 1998-06-02 |
| JP3678517B2 true JP3678517B2 (ja) | 2005-08-03 |
Family
ID=17975633
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30799496A Expired - Fee Related JP3678517B2 (ja) | 1996-11-19 | 1996-11-19 | 半径方向力発生装置、巻線付き回転機、および回転装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3678517B2 (ja) |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3719121B2 (ja) * | 1999-09-28 | 2005-11-24 | 日産自動車株式会社 | 回転電機 |
| JP4218412B2 (ja) | 2003-05-16 | 2009-02-04 | パナソニック電工株式会社 | ローリング駆動リニアアクチュエータ及びそれを用いた電動歯ブラシ |
| JP4468047B2 (ja) * | 2004-04-02 | 2010-05-26 | コベルコ建機株式会社 | 作業機械の非常時旋回制動装置 |
| EP2107668A1 (en) | 2007-01-22 | 2009-10-07 | Tokyo University Of Science Educational Foundation Administrative Organization | Rotating electric machine |
| JP2009273214A (ja) * | 2008-05-03 | 2009-11-19 | Tokyo Univ Of Science | ベアリングレスモータ及び該ベアリングレスモータを搭載した人工心臓、血液ポンプ、人工心肺、ポンプ、ファン、ブロワ、コンプレッサ、アクチュエータ、リアクションホイール、フライホイール、揺動ステージ |
| US8179011B2 (en) | 2008-12-17 | 2012-05-15 | Asmo Co., Ltd. | Brushless motor |
| US20100301695A1 (en) | 2009-04-03 | 2010-12-02 | Asmo Co., Ltd. | Rotor and Motor |
| JP2010252554A (ja) * | 2009-04-16 | 2010-11-04 | Asmo Co Ltd | ロータ及びモータ |
| CN101895180B (zh) * | 2010-07-06 | 2012-11-07 | 峰岹科技（深圳）有限公司 | 三相交流永磁电动机 |
| JP5594303B2 (ja) * | 2012-02-13 | 2014-09-24 | 株式会社安川電機 | 回転電機 |
| JP5594304B2 (ja) * | 2012-02-13 | 2014-09-24 | 株式会社安川電機 | 回転電機 |
| FR2993699B1 (fr) * | 2012-07-17 | 2015-05-22 | Whylot | Actionneur comprenant deux moteur paliers magnetiques |
| JP6103883B2 (ja) * | 2012-10-26 | 2017-03-29 | アスモ株式会社 | 電動ポンプ |
| KR101920549B1 (ko) * | 2017-01-02 | 2018-11-20 | 두산중공업 주식회사 | Pm 형 스테핑 모터 시스템을 이용한 자동 평형 장치 |
| CN108736656A (zh) * | 2017-04-13 | 2018-11-02 | 舍弗勒技术股份两合公司 | 电机、用于电机的校正装置和校正方法 |
| CN109781325B (zh) * | 2018-10-10 | 2021-11-16 | 南通大学 | 一种离心泵径向力测量装置及测量方法 |
-
1996
- 1996-11-19 JP JP30799496A patent/JP3678517B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10150755A (ja) | 1998-06-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3678517B2 (ja) | 半径方向力発生装置、巻線付き回転機、および回転装置 | |
| JP4644832B2 (ja) | 回転電気機械 | |
| US6707200B2 (en) | Integrated magnetic bearing | |
| Asama et al. | Proposal and analysis of a novel single-drive bearingless motor | |
| KR100403857B1 (ko) | 자기부상모터 | |
| Sugimoto et al. | Principle of a novel single-drive bearingless motor with cylindrical radial gap | |
| US5703423A (en) | Energy storage flywheel system | |
| WO1996035257A1 (fr) | Machine rotative a reluctance commutee | |
| JP2001078389A (ja) | 磁気浮上型電動機 | |
| JP2002354767A (ja) | 磁気浮上電動機 | |
| Sugimoto et al. | Principle and test results of energy-saving effect of a single-drive bearingless motor in cooling fan applications | |
| JP3981901B2 (ja) | 推力制御可能な回転型同期機 | |
| JP2930254B2 (ja) | 自己浮上モ―タシステム | |
| JP2000184655A (ja) | 磁気浮上電動機 | |
| US20020153790A1 (en) | Magnetically levitated motor | |
| Nakagawa et al. | Optimization of stator design in a consequent-pole type bearingless motor considering magnetic suspension characteristics | |
| JP3716028B2 (ja) | 半径方向位置制御巻線付き回転機および回転装置 | |
| US6753631B2 (en) | Magnetically levitated motor | |
| JP2860398B2 (ja) | アキシャル磁気浮上回転モータ及びこれを用いた回転機器 | |
| Han et al. | Design and control of a disk-type integrated motor-bearing system | |
| JPH10136622A (ja) | ホモポーラ型リラクタンスモータ | |
| Sugimoto et al. | Design and basic characteristics of multi-consequent-pole bearingless motor with bi-tooth main poles | |
| JPH06141512A (ja) | 磁気浮上モータ | |
| JP3524303B2 (ja) | 半径方向回転体位置制御装置 | |
| JPH06133493A (ja) | 磁気浮上誘導モータ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050128 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20050422 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20050510 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090520 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100520 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110520 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110520 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120520 Year of fee payment: 7 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |