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発明の名称 軸受兼用モータ
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8−84491
公開日 平成8年(1996)3月26日
出願番号 特願平6−241880
出願日 平成6年(1994)9月9日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】渡邉 勇 (外1名)
発明者 大沢 將 / 佐藤 忠 / 森 敏 / 金光 陽一
要約 目的
構造が簡単な、使い易い軸受兼用モータを提供する。

構成
回転体の半径方向の浮上位置制御を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モータにおいて、モータステータ1に取付けられるコイルC1 ,C2 ,C3 ,…C12のそれぞれの1辺は、ステータスロット2内に巻付けられ、他辺はステータ1の外側部に巻付けられ、各コイルは独立であって、前記各コイルに回転駆動用回転磁界を発生する位相の異なる電流と、回転体の浮上位置制御をする電流とを、同時に流す制御駆動装置を備えた。
特許請求の範囲
【請求項1】 回転体の半径方向の浮上位置制御を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モータにおいて、モータステータに取付けられるコイルのそれぞれの1辺は、ステータスロット内に巻付けられ、他辺はステータの外側部に巻付けられ、各コイルは独立であって、前記各コイルに回転駆動用回転磁界を発生する位相の異なる電流と、回転体の浮上位置制御をする電流とを、同時に流す制御駆動装置を備えたことを特徴とする軸受兼用モータ。
【請求項2】 モータ駆動用として用いられる前記各コイルにその流れる電流の位相を調整することにより、4極の回転駆動用回転磁界を作り、浮上位置制御用として用いられる前記各コイルに、その流れる電流の位相を調整することにより、2極の回転磁界を作り、前記各コイルには位相の異なる4極の回転磁界電流と、2極の回転磁界電流とを合わせた電流を流すことを特徴とする請求項1記載の軸受兼用モータ。
【請求項3】 モータ駆動用として用いられる前記各コイルにその流れる電流の位相を調整することにより、2極の回転駆動用回転磁界を作り、浮上位置制御用として用いられる前記各コイルに、その流れる電流の位相を調整することにより、4極の回転磁界を作り、前記各コイルには位相の異なる2極の回転磁界電流と、4極の回転磁界電流とを合わせた電流を流すことを特徴とする請求項1記載の軸受兼用モータ。
【請求項4】 モータ駆動用として用いられる前記各コイルは独立であるが、その流れる電流の位相を調整することにより、多極の回転駆動用回転磁界を作り、浮上位置制御用として用いられる各コイルは、その流れる電流を調整することにより浮上位置制御用磁界を作り、前記制御駆動装置は前記各コイルに位相の異なる多極の回転磁界電流と、浮上位置制御用電流とを合わせた電流を供給することを特徴とする請求項1記載の軸受兼用モータ。
【請求項5】 前記制御駆動装置は、回転駆動用電流と、浮上位置制御用電流とを加算器を用いてアナログ的に加算して、インバータ回路から各コイルに電流を供給したことを特徴とする請求項1乃至3記載の軸受兼用モータ。
【請求項6】 前記制御駆動装置は、中性点クランプ型インバータを用いて回転駆動用スイッチと浮上位置制御用スイッチとを分離し、回転磁界電流と浮上位置制御用電流とを合わせた電流を供給することを特徴とする請求項1乃至3記載の軸受兼用モータ。
【請求項7】 前記制御駆動装置は、多重電圧型インバータを用いて、回転磁界電流と浮上位置制御用電流とを合わせた電流を供給することを特徴とする請求項1乃至3記載の軸受兼用モータ。
【請求項8】 前記制御駆動装置は、サイリスタ等を用いて可変電圧源を構成し、該電圧源から回転磁界電流と浮上位置制御用電流とを合わせた電流を供給することを特徴とする請求項1乃至3記載の軸受兼用モータ。
【請求項9】 前記制御駆動装置は、回転磁界電流供給用のインバータ装置と、浮上位置制御電流供給用のインバータ装置とを備え、両者から供給される電流を各コイル内で重畳したことを特徴とする請求項1乃至3記載の軸受兼用モータ。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は軸受兼用モータに係り、特に回転体の半径方向の浮上位置を制御する磁気軸受作用と、回転体を回転駆動するモータ作用とを兼ね備えた軸受兼用誘導モータ又は同期モータに関する。
【0002】
【従来の技術】軸受兼用モータについては、いくつかの提案が既になされている。その一つとしては、モータ駆動用コイルと磁気軸受としての浮上位置制御用コイルとを別にするものであり、例えば特開平2−193547号公報等に開示されている。又、この種の軸受兼用モータには、磁気軸受用コイルとモータコイルと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付けたものとがある。もう一つの方式としては、磁気軸受のステータに取付けたコイルに、磁気軸受の制御電流と回転磁界発生用の電流を重ね合わせた方式がある。
【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浮上位置制御用コイルを別にするものでは、どちらのタイプにしてもコイルが2種類必要であり、製作上コイルの管理が難しくなる。そして、結線を誤れば正常な動作はもちろん望めない。
【0004】又、磁気軸受のステータに取付けたコイルに、磁気軸受としての浮上位置制御用電流とモータとしての回転磁界発生用の電流を重ね合わせた方式では、例えば、誘導モータにおいてその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。
【0005】本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、構造が簡単な、したがって誤動作という問題の生じない、使い易い軸受兼用モータを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の軸受兼用モータは、回転体の半径方向の浮上位置制御を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モータにおいて、モータステータに取付けられるコイルのそれぞれの1辺は、ステータスロット内に巻付けられ、他辺はステータの外側部に巻付けられ、各コイルは独立であって、前記各コイルに回転駆動用回転磁界を発生する位相の異なる電流と、回転体の浮上位置制御をする電流とを、同時に流す制御駆動装置を備えたことを特徴とする。
【0007】又、モータ駆動用として用いられる前記各コイルにその流れる電流の位相を調整することにより、4極の回転駆動用回転磁界を作り、浮上位置制御用として用いられる前記各コイルに、その流れる電流の位相を調整することにより、2極の回転磁界を作り、前記各コイルには位相の異なる4極の回転磁界電流と、2極の回転磁界電流とを合わせた電流を流すことを特徴とする。又、回転駆動用回転磁界を2極とし、浮上位置制御用として4極の回転磁界としてもよい。
【0008】又、モータ駆動用として用いられる前記各コイルは独立であるが、その流れる電流の位相を調整することにより、多極の回転駆動用回転磁界を作り、位置制御用として用いられる各コイルは、その流れる電流を調整することにより浮上位置制御用磁界を作り、前記制御駆動装置は前記各コイルに位相の異なる多極の回転磁界電流と、浮上位置制御用電流とを合わせた電流を供給することを特徴とする。
【0009】
【作用】本発明の軸受兼用モータは、上記のように構成されるので、ステータに巻付けられるコイルの構造は簡単であり、全てのステータスロット内に同じ構成となっている。そして、各ステータスロットの各コイルは独立であり、相互に結線されていないので回転駆動用の回転磁界を発生する電流と、磁気軸受用の浮上位置制御用電流とを重ね合わせて各コイルに流すことができる。
【0010】従って、回転磁界を発生する電流の各コイルに流れる電流の位相と振幅を調整すれば、従来のモータと同じ回転駆動用の回転磁界を容易に発生でき、誘導モータにおける2次電流も従来と同様に流すことができる。又、各コイルに流れる電流の位相と振幅を調整することにより、磁気軸受としての浮上位置制御用の磁界も容易に発生できる。
【0011】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【0012】図1は、本発明の1実施例の軸受兼用モータのコイルの配置を示す説明図である。モータステータ1には、多数の独立した(相互に結線されていない)コイルC1 ,C2 ,C3 ,…C12が配置されている。コイルC1 ,C2 ,C3 ,…C12は、それぞれの一辺がステータスロット2内に巻付けられ、他辺はステータ1の外側部に巻付けられている。ステータ1内の中央部の空間3には、図示しない外周部に磁性体を備えたロータが配置される。
【0013】従って、各コイルC1 ,C2 ,C3 ,…C12に振幅の等しい位相の異なる電流を流すことにより、図示しないロータを回転駆動する回転磁界をステータ1の磁極面4から発生することができる。又、各コイルC1 ,C2 ,C3 ,…C12に適切な振幅及び位相の電流を流すことにより、ステータ1の磁極面4から図示しないロータに磁気吸引力を作用させ、図示しないロータを非接触浮上保持し、磁気軸受としての動作をさせることができる。
【0014】図1(A)、図1(B)、図1(C)は、各コイルC1 ,C2 ,C3 ,…C12の相状態を示し、(A)はU相、(B)はV相、(C)はW相を示す。すなわち、コイルC2 ,C5 ,C8 ,C11は回転磁界発生用のU相を構成し、コイルC1,C4 ,C7 ,C10は、回転磁界発生用のV相を構成し、コイルC3 ,C6 ,C9 ,C12は回転磁界発生用のW相を構成する。又、コイルC1 ,C6 ,C7 ,C12は磁気軸受としてのx方向浮上位置制御用磁界のU相を構成し、コイルC2 ,C3 ,C8 ,C9 は、V相を構成し、コイルC4 ,C5 ,C10,C11はW相をそれぞれ構成する。
【0015】そして、回転磁界発生用のU相,V相,W相に振幅の等しい位相がそれぞれ120℃ずれた電流を各コイルの図示する向きに供給することにより、図1(A)に示すような4極の回転駆動用回転磁界を形成することができる。同様に、浮上位置制御用コイルのU相、V相、W相の各コイルに図示する向きの電流を流すことにより図1(A)に示すような2極の浮上位置制御用回転磁界を作ることができる。
【0016】この状態で、例えば図示しないロータがx方向に変位すれば、2極の磁界を図1(A)に示すように形成すれば、x方向の+側において2極の磁界と4極の磁界が打ち消し合い磁気吸引力が弱まり、x方向の−側において2極の磁界と4極の磁界とが強め合い磁気吸引力が増大し、図示しないロータは反対側に引き戻される。この関係は図1(B)に示すV相、図1(C)に示すW相でも同様であり、図示しないロータのあらゆる方向の変動に対して元の位置に引き戻すように制御することができる。
【0017】各コイルC1 ,C2 ,C3 ,…C12には、U,V,W相の位相の異なる4極の回転磁界電流と、2極の浮上位置制御用電流とを合わせた電流を流すことにより、上述のようなロータを回転駆動するモータ作用と、ロータを目標浮上位置に非接触支持する磁気軸受作用とを同時に行なうことができる。
【0018】尚、図5は、回転駆動用として2極の回転磁界を作り、浮上位置制御用に4極の回転磁界を作る場合である。図5(A)及び(B)はU相のみを示してあるが、V,W相についても図1と同様に位相をずらして示すことができる。図5(A)はx方向の位置制御を行う場合であり、図5(B)はy方向の位置制御を行う場合である。
【0019】図2は、上述の軸受兼用モータの制御系のブロック図である。軸受兼用モータ10には、駆動制御装置11から各コイルC1 ,C2 ,C3 ,…C12に電流が供給される。駆動制御装置内の加算器12には、回転駆動信号と浮上位置制御信号とが与えられる。これらの信号を加算器12で加算して電流制御器13に供給する。回転駆動信号は、モータの目標速度が外部から与えられ、一方速度検出器15で軸受兼用モータ10の回転速度を検出し、目標速度と比較する。目標速度と検出器で検出された速度との差分が速度制御器16に入力され、この差分を小さくするように回転駆動信号の周波数が増減される。速度制御器16で演算された信号は2相3相変換器17、3相多相変換器18を経て回転駆動信号として加算器12に入力される。
【0020】一方、磁気軸受としての浮上位置制御信号は、軸受兼用モータ10に備えた変位センサ20からx方向及びy方向変位が検出され、目標浮上位置とそれぞれ比較される。目標位置と実際に検出された位置との差分信号は位置制御器19に入力され、その差分を小さくするような浮上位置制御信号が演算され、2相3相変換器17、3相多相変換器18を介して加算器12に入力される。
【0021】図3は、本発明の第2実施例の軸受兼用モータのコイルの配置を示す説明図である。図3(A)、図3(B)、図3(C)は、各コイルC1 ,C2 ,C3 ,…C12の相状態を示し、(A)はU相、(B)はV相、(C)はW相をそれぞれ示す。すなわち、コイルC5 ,C11は回転磁界発生用のU相を構成し、コイルC3,C9 は、回転磁界発生用のV相を構成し、コイルC1 ,C7 は回転磁界発生用のW相を構成する。又、コイルC12,C1 ,C6 ,C7 は磁気軸受としてのy方向浮上位置制御用磁界を形成し、コイルC3 ,C4 ,C9 ,C10は、x方向浮上位置制御用磁界を形成する。
【0022】このようにモータ駆動用として用いられる各コイルは独立であるので、その流れる電流の位相を調整することにより多極の回転駆動用回転磁界を作ることができる。浮上位置制御用として用いられるコイルは、C1 ,C3 ,C4 ,C6 ,C7 ,C9 ,C10,C12であり、コイルC1 とC12、C3 とC4 、C6 とC7 、C9 とC10とがそれぞれ対を成して図示する浮上位置制御磁極を形成し、x方向、y方向に合計4極の静止磁界を形成する。
【0023】この場合には、図3に示すように2極の回転磁界での回転駆動も可能であり、電流制御器のインバータの制御周波数を低くすることもできる。勿論、回転磁界として第1実施例に示すように4極としてもよく、さらに極数を増やしてもよい。
【0024】図4は、本発明の第2実施例の軸受兼用モータの制御ブロック図を示す。この制御系の構成は、図2に示す本発明の第1実施例とほぼ同様であるが、浮上位置の制御回路において、2相から多相に直接変換している部分等が相違する。すなわち、本実施例においては、浮上位置制御対象のロータの変位をx方向、y方向の変位センサ20で検出し、それぞれ目標値と比較し、位置制御器19でx方向、y方向の浮上位置制御信号が生成される。そして2相多相変換器14により前述の4極の磁界を形成するように相当する各コイルに流れる電流値の制御信号が加算器12に入力される。
【0025】次に回転駆動用電流と、浮上位置制御用電流とを、重ね合わせて流す制御駆動装置周辺の回路例について説明する。
【0026】図6は、加算器により電流信号値を加算し、インバータ回路からコイルに電流を供給する例を示す。符号23は演算増幅器を用いた加算器であり、回転駆動電流信号21及び浮上位置制御電流信号22を加算してインバータ24から本実施例の軸受兼用モータ10のコイルに電流を供給する。なお、図示はコイル1相分のみを示している。
【0027】図7は、中性点クランプ型インバータを用いて駆動用スイッチと浮上位置制御用スイッチを分離した回路例を示す。駆動用スイッチ信号端子26に回転駆動信号を入力し、浮上位置制御用スイッチ信号端子27に浮上位置制御用信号を入力する。スイッチ26,27の開閉により回転駆動電流信号と浮上位置制御信号とを重畳し、中性点クランプ型インバータを用いて本実施例の軸受兼用モータ10の各コイルに電流を供給する。なお、本回路例においてもコイル1相分のみを示している。
【0028】図8は、複数の電源電圧を使用した多重電圧型インバータ回路を用いた例を示す。本実施例においては、V1+、V2+、V3+、…、V1-、V2-、V3-…の多重電圧と中性点間には図示するように多数のスイッチ28が挿入されている。回転駆動電流信号値と浮上位置制御電流信号値とは図示しない前段のデジタル回路で加算され、その加算結果に基づいてスイッチ28のいずれかが閉じられ、電圧V1+、V2+、…等から選択された電圧が軸受兼用モータ10に印加され、加算された所定の制御電流がコイルに供給される。なお本実施例においてもコイル1相分のみを示している。
【0029】図9は、サイリスタ等を用いて可変電圧源を構成し、従来型のインバータに適用した回路例を示す。符号29はサイリスタ等を用いた可変電圧源を示し、この可変電圧源は前述の回路例と同様に、図示しない前段の回路で回転駆動電流信号と浮上位置制御電流信号とが加算される。そしてこの加算結果に基づいてサイリスタ等の開閉時間が制御され、各コイルに供給する電流に対応する可変電圧源を構成している。そしてこの可変電圧源29を用いて従来型のインバータ30を通して本実施例の軸受兼用モータ10の各コイルに電流を供給する。
【0030】図10は、二つのインバータを駆動電流供給用、浮上位置制御電流供給用に独立して使う回路例を示す。回転駆動電流はインバータ31から供給され、浮上位置制御電流はインバータ32から各コイルに供給される。そして本実施例の軸受兼用モータの各コイルにおいて、回転駆動用電流と浮上位置制御用電流とが重畳される。なお、インバータ31の端子33には回転駆動電流信号が与えられ、この電流信号に基づいてインバータ31が所定の周波数、電流振幅及び位相の電流を各コイルに供給する。浮上位置制御用電流の供給も同様にインバータ32の端子34に浮上位置制御電流信号が与えられることによって行なわる。
【0031】なお、以上の実施例の説明は、12個の独立したコイルに回転駆動電流と浮上位置制御電流とを重畳する例について説明したが、独立したコイルの数、回転駆動磁界の極数、浮上位置制御磁界の極数等は、本実施例に限定されるものではなく、軸受兼用モータの用途等に応じて適宜選択されるべきものである。又、各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
【0032】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の軸受兼用モータによれば、簡単なコイルの配列構造により、簡単な制御回路を用いて、回転体の半径方向の浮上位置を制御する磁気軸受作用と、回転体を回転駆動するモータ作用とを兼ねさせることができる。従って、本発明の軸受兼用モータにおいては、結線ミス等の問題が解消され、使い易くなり、且つ簡単な構造からその製造コストを低減することができる。




 

 


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