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発明の名称 磁気浮上モータ
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平8−65951
公開日 平成8年(1996)3月8日
出願番号 特願平6−222483
出願日 平成6年(1994)8月24日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】渡邉 勇 (外1名)
発明者 森 敏 / 大沢 將 / 金光 陽一
要約 目的
回転体の磁気軸受作用と回転駆動作用を兼用した磁気浮上モータを、コンパクトな構造で且つ比較的簡単な制御系で提供する。

構成
4極以上の極数を有し、2相以上の交流電流によって発生する回転磁界に同期した浮上制御磁界を調節して回転体を磁気力により浮上させると同時に回転トルクを発生する磁気浮上モータにおいて、該回転磁界を発生する前記多相の任意のひとつの相のコイルNB1 ,NB2 ,NB3 ,NB4 を前記極数に応じて分割し、各コイルに流れる電流を独立に制御可能とした。
特許請求の範囲
【請求項1】 4極以上の極数を有し、2相以上の交流電流によって発生する回転磁界に同期した浮上制御磁界を調節して回転体を磁気力により浮上させると同時に回転トルクを発生する磁気浮上モータにおいて、該回転磁界を発生する前記多相の任意のひとつの相のコイルを前記極数に応じて分割し、各コイルに流れる電流を独立に制御可能としたことを特徴とする磁気浮上モータ。
【請求項2】 前記極数に応じて分割されたコイルに流れる電流は、回転駆動電流と浮上制御電流の和からなることを特徴とする請求項1記載の磁気浮上モータ。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、回転体の半径方向位置を浮上制御する磁気軸受作用と、回転体を回転駆動する作用を兼ねた軸受兼用誘導モータまたは同期モータに関する。
【0002】
【従来の技術】磁気浮上モータにはいくつかの提案がなされている。そのひとつとして、モータ駆動コイルと磁気軸受としての浮上位置制御用コイルを別にするものである。これには、従来の磁気軸受用コイルとモータコイルを共通のステータに取り付けたもの、あるいは、従来のモータコイルを取り付けたモータステータに、従来の磁気軸受とは異なる浮上位置制御用コイルを取り付けたものとがある。もうひとつの方法としては、磁気軸受のステータに取り付けたコイルに、制御電流と回転磁界発生用の電流を重畳させた方式がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前述したモータ駆動コイルと位置制御用コイルを別に設置するのでは、どちらのタイプにしても、コイルが2種類あり、製作上大形化するという問題点がある。また、磁気軸受のステータに取り付けたコイルに、制御電流と回転磁界発生用の電流を重畳させた方式では、2次コイルに流れる誘導電流の流れ方が複雑になり、制御が複雑になるという問題点がある。
【0004】本発明は上述の問題点に鑑みて為されたものであり、回転体の磁気軸受作用と回転駆動作用を兼用した磁気浮上モータを、コンパクトな構造で且つ比較的簡単な制御系で提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の磁気浮上モータは、4極以上の極数を有し、2相以上の交流電流によって発生する回転磁界に同期した浮上制御磁界を調節して回転体を磁気力により浮上させると同時に回転トルクを発生する磁気浮上モータにおいて、該回転磁界を発生する前記多相の任意のひとつの相のコイルを前記極数に応じて分割し、各コイルに流れる電流を独立に制御可能としたことを特徴とする。
【0006】又、前記極数に応じて分割されたコイルに流れる電流は、回転駆動電流と浮上制御電流の和からなることを特徴とする。
【0007】
【作用】本発明の磁気浮上モータは上記のように構成したので、通常の多相駆動モータのひとつの相のコイルを極数に応じて分割して、各コイルに流れる電流を極数に応じて制御することができる。従って、分割された各コイルに大きさの異なる制御電流を流すことにより、回転磁界を作ることができると共に浮上制御磁界を発生して、通常の多相駆動モータに回転体の磁気浮上機能を付加し、回転駆動と磁気浮上を同時に行うことができる。
【0008】
【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説明する。
【0009】図1(A)は、4極2相のモータに本発明を適用したステータとコイルを示す。ステータ1は8個の突極P1 ,P2 ,…P8 ,と同数のスロットS1 ,S2 …S8 で構成される。2相の内1相はスロットS2 ,S4 ,S6 ,S8 ,にコイルNA1,NA2,NA3,NA4を連続的に結線して構成する。一例として、図1(B)に示すようにコイルNA はスロットS2 とS8 で巻回したコイルと、スロットS4 とS6 で巻回したコイルを電気的に連結する。コイルNW は、わたりの結線である。このコイルNA の結線は、通常の4極2相のモータの1相の結線と同じである。
【0010】他の一相はスロットS1 に配置したコイルNB1、スロットS3 に配置したコイルNB2、スロットS5 に配置したコイルNB3、スロットS7 に配置したコイルNB4で分割され、それぞれ相互に結線されないで構成される。本実施例は4極のモータであり、この相は極数に応じてコイルNB1、コイルNB2、コイルNB3、コイルNB4の4個のコイルに分割されている。尚、コイルNB1、コイルNB2、コイルNB3、コイルNB4はそれぞれステータ1の外周面と各スロットS1 ,S3 ,S4,S5 間に巻回されている。図1(C)は、ステータを平たく展開してコイルの結線を平易に示した図である。
【0011】図2は、図1で示したステータ1とロータ6間の磁束の分布を示す。ロータ6がステータ中心に位置し、そのすきまをgoとすると、各コイル断面の周囲には同図に示すように各コイルに流れる電流に応じて磁束φa1,φa2,φa3,φa4,φb1,φb2,φb3,φb4,が生じる。これらの和から各突極P1 ,P2 …P8 とロータ6とのすきまgoには、φ1 ,φ2 ,…φ8 の磁束が発生する。これらの磁束によりステータ1とロータ6の間に磁気吸引力fi が発生し、fi =Km′(φi/go)2 (1)
=Kmφi2i=1,2,3,…8ここでKm′,Kmは比例定数である。また各突起の磁束φ1 ,φ2 ,…φ8 は同図からφ1 =φb1+φa1 (2)
φ2 =φb2−φa1φ3 =−φb2−φa2φ4 =−φb3+φa2φ5 =φb3+φa3φ6 =φb4−φa3φ7 =−φb4−φa4φ8 =−φb1+φa4である。
【0012】磁気力は各突極P1 ,P2 ,…P8 の中心でロータ6に作用するとすれば、ロータ6に作用する水平方向の力fX と鉛直方向の力fY は、X =Km(Sφ12+Cφ22+Cφ32+Cφ42 −Sφ52−Cφ62−Cφ72−Sφ82) (3)
Y =Km(Cφ12+Sφ22−Sφ32−Cφ42 −Cφ52−Sφ62+Sφ72+Cφ82) (4)
ここで C=cos(π/8)、 S=sin(π/8) である。コイルNA1,NA2,NA3,NA4は相互に結線されているので、一本のコイルNA とすると、NA ,NBi(i=1、2、3、4)のコイルに、IA ,IB を振幅として、NA =IA cosωt (5)
NBi =IB sinωt (i=1, 2, 3, 4) (6)
の電流を与えることで回転磁界が形成され2相モータとして機能する。
【0013】ロータ6を磁気浮上させるため、制御電流成分をΔI1 、ΔI2 として、コイルNBi(i=1,2,3,4)に与える電流を次式で示すようにする。INB1 =IB sin ωt+ΔI1 (7)
NB2 =IB sin ωt−ΔI1NB3 =IB sin ωt+ΔI2NB4 =IB sin ωt−ΔI2制御電流とそれにより発生する磁束の関係は比例定数をKC として、φA =KCNA (8)
φBi=KCNBi(i=1,2,3,4)
以上の関係からfX , fYX=Km2C2( 8SIAcosωtΔI1+8CIBsinωtΔI2) (9) fY=Km2C2(−8SIAcosωtΔI2+8CIBsinωtΔI1) (10)したがって、コイルNBi(i=1,2,3,4)に与える電流を浮上制御することで制御力をロータ6に作用させることができる。
【0014】例えばY方向(鉛直方向)に一定力Fo を作用させる場合には、fY =Fo , fX =0の条件から、【数1】

となる。ΔI1 ,ΔI2 の1サイクルの波形は図3のようになる。又、式(11),(12)から、直流(ω=0)である場合には、ΔI1 =0となるが、ΔI2 は一定の有限値となることが判る。従って、このような波形の電流を形成して、コイルNBi(i=1,2,3,4)に(7)式に従って、電流を供給することにより、鉛直方向に一定力Fo を作用させながら、ロータ6を中心位置に支持できる。
【0015】図4は本発明を適用して構成した磁気浮上モータの制御系の例を示す。回転数指令信号に応じてsinωtとcosωtの2相信号を発生する2相信号発生器12の信号出力の一方の相(sinωtの相)は電流増幅器10Aによって電流増幅され、コイルNA (NA1,NA2,NA3,NA4)の共通結線に一定振幅の電流を与える。また、2相信号発生器12の信号は浮上制御装置11に導かれる。ステータ1に配設され、ロータ6のX方向位置を検出するセンサ8とそれと直角の方向位置を検出するセンサ7の検出信号は同様に浮上制御装置11に導かれる。浮上制御装置11は図示していない浮上基準信号と該センサ信号を比較し、その偏差を0とするように、上述の演算を行って電流増幅器10B1 〜10B4 に信号を送出し増幅して、該電流増幅器に連結したコイルNB1 ,NB2 ,NB3 ,NB4の電流を制御する。以上の手順によってロータ6は回転数指令信号に応じた回転数で、磁気浮上をして回転する。
【0016】尚、上記の例は横置き型の2相4極の磁気浮上モータに関する適用例であるが、縦置き型にも同様に適用できるのは勿論のことである。更に2相4極に限られず、4極以上のモータであれば3相の場合でも同様に適用可能である。このように本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能である。また、各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
【0017】
【発明の効果】本発明の磁気浮上モータによれば、簡単なステータ構造と制御回路を用いて、回転体の磁気軸受作用と、回転駆動作用を兼用できる。従って、小型軽量化した磁気浮上モータを、比較的簡単な制御系で実現できる。




 

 


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