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WO1996035257A1 - Machine rotative a reluctance commutee - Google Patents

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WO1996035257A1
WO1996035257A1 PCT/JP1996/000860 JP9600860W WO9635257A1 WO 1996035257 A1 WO1996035257 A1 WO 1996035257A1 JP 9600860 W JP9600860 W JP 9600860W WO 9635257 A1 WO9635257 A1 WO 9635257A1
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WO
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winding
current
stator
force
radial force
Prior art date
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PCT/JP1996/000860
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English (en)
French (fr)
Inventor
Akira Chiba
Tadashi Fukao
Chikara Michioka
Original Assignee
Nikkiso Company Limited
Ebara Corporation
Seiko Seiki Kabushiki Kaisha
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Publication date
Application filed by Nikkiso Company Limited, Ebara Corporation, Seiko Seiki Kabushiki Kaisha filed Critical Nikkiso Company Limited
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Priority to EP96907720A priority patent/EP0768750B1/en
Priority to JP53316796A priority patent/JP3664409B2/ja
Priority to US08/750,167 priority patent/US5880549A/en
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/08Reluctance motors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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    • F16C32/044Active magnetic bearings
    • F16C32/0444Details of devices to control the actuation of the electromagnets
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C32/0493Active magnetic bearings for rotary movement integrated in an electrodynamic machine, e.g. self-bearing motor
    • F16C32/0497Active magnetic bearings for rotary movement integrated in an electrodynamic machine, e.g. self-bearing motor generating torque and radial force
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K19/02Synchronous motors
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K7/00Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08Structural association with bearings
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    • HELECTRICITY
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    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00Details of windings
    • H02K3/04Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28Layout of windings or of connections between windings

Definitions

  • the present invention relates to a switch reluctance rotating machine, and more particularly, to a switch reluctance rotating machine capable of rotating a rotation at a high speed without causing an electric movement on a rotating shaft of the rotation.
  • Conventional technology a switch reluctance rotating machine capable of rotating a rotation at a high speed without causing an electric movement on a rotating shaft of the rotation.
  • Switch reluctance rotating machines include a switch reluctance motor and a switch reluctance generator.
  • a conventional switch reluctance machine is shown in Figure 32.
  • the switch relaxation motor 50 has six poles fixed around a four pole rotor 51 having salient poles formed in a cross shape when viewed from the rotation axis direction.
  • the stator 52 is arranged, and the winding 53 is concentratedly wound around the salient pole of each stator 52.
  • the current flowing through the winding 53 (referred to as a winding current) is unidirectional, and a distorted current including a straightened portion is applied.
  • reference numeral 54 denotes an inverter
  • reference numeral 55 denotes a DC power supply.
  • An object of the present invention is to solve the above problems. Another object of the present invention is to automatically displace the rotating shaft even when the rotating shaft is displaced during the rotation of the rotor, to prevent electric ai movement and to use magnetic force. An object of the present invention is to provide a switched reluctance rotating machine capable of realizing smooth rotation of a rotating shaft by floatingly supporting a rotor. Disclosure of the invention
  • the present invention is directed to a turn provided with a salient pole of ⁇ [, a stator disposed around the turn and provided with a salient pole, and provided on each of the salient poles of the stator. And a current control unit that controls m> to energize the winding so as to generate torque in the rotor and generate a radial force in the winding.
  • a current control unit that controls m> to energize the winding so as to generate torque in the rotor and generate a radial force in the winding.
  • the windings are turned independently by the salient poles of each stator so as to be able to conduct electricity independently, and the current control device is arranged in a radial direction. M> that is applied to each winding so that a force can be generated.
  • the winding is:
  • the current control device is formed so as to be able to independently control the current supplied to the winding group so as to provide a unidirectional force.
  • a turn provided with a plurality of salient poles, a stator disposed surrounding the turn, and having a salient pole, provided on each of the salient poles of the stator, and
  • a switch reluctance rotating machine having a torque 3 ⁇ 4
  • Each of the salient poles of the rotor is provided with a radial force generating winding that applies a radial force to the rotor so that the rotor can be levitated by 3 ⁇ 4 nm. It is a switch reluctance rotating machine,
  • the switch reluctance rotating machine is provided with a displacement detector for detecting a Li-position in the half-direction of the rotation and a detection signal output from the displacement detector, and receives the radial force ⁇ It is desirable to have a control unit that outputs a controlled current to the winding.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining the principle of generating torque in the circuit 1 in the switched reluctance rotating machine of the present invention.
  • FIGS. 2 to 4 are explanatory views for explaining a first method of generating a radial force in rotation in the switched reluctance rotating machine of the present invention.
  • FIGS. 5 to 7 are explanatory views for explaining a second method for generating a radial force in the rotation in the switched reluctance rotating machine of the present invention.
  • FIGS. 8 to 10 are explanatory views for explaining a third method of generating a semi-susceptible directional force in rotation in the switch machine of the present invention.
  • FIGS. 11 to 13 are explanatory views for explaining a fourth method of generating a radial force in rotation in the switch reluctance rotating machine of the present invention.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram showing the relationship between the inductance, the magnetic flux, and the rotation angle of the semi-directional force winding wound on the stator salient poles in the switch of the present invention. It is.
  • FIG. 15 is a graph showing the relationship between the current supplied to the radial force generating winding and the magnetic flux chain.
  • FIG. 16 is an explanatory diagram for explaining that the radial force is proportional to the difference between the squares of the magnetic flux densities B + and B ⁇ of the opposite poles.
  • Figure 17 is a block diagram illustrating three systems for determining the amount of current flowing through the radial force generating winding to generate a radial force.
  • FIG. 18 is an explanatory diagram showing an estimation circuit for estimating the number of flux linkages from the current i.
  • FIG. 19 is a graph showing the relationship between the value of the unidirectional force generation and the value of the magnetic flux chain.
  • FIG. 20 is a block diagram showing a method for determining the value of m> ⁇ ⁇ necessary to make a semi-incoming beam 3 ⁇ 4 ⁇ from data indicating the radial position of the rotation axis.
  • FIGS. 21 to 22 are explanatory views for explaining a fifth method of generating a radial force in rotation in the switch reluctance rotating machine of the present invention.
  • FIG. 15 is an explanatory diagram illustrating another example of the fifth method for generating a radial force.
  • FIG. 25 is an explanatory diagram illustrating a sixth method belonging to the second method for generating a radial force.
  • FIGS. 26 to 27 are explanatory views for explaining another example of the seventh system for generating a radial force in rotation in the switch reluctance rotating machine of the present invention.
  • FIG. 28 is a schematic explanatory view showing one embodiment of the present invention.
  • FIG. 29 is a schematic explanatory view showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 30 is a schematic explanatory diagram showing a circuit and a stator in the switch reluctance motor shown in FIG.
  • FIG. 31 is a schematic explanatory view showing still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 32 is a schematic explanatory view showing a conventional general switched reluctance motor. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • a switched reluctance rotating machine comprising: a stator provided with a rotor; a stator disposed around the rotor and having a plurality of salient poles formed toward the rotor; And a winding wound around the stator.
  • the number of salient poles in the rotor is different from the number in the stator. As long as the positions of the salient poles of the stator and the positions of the salient poles of the rotor are shifted from each other when the rotor F is stationary, the number of salient poles in the stator and the There is no limit on the number of poles. Generally speaking, the number of salient poles in the stator is even. In addition, the greater the number of salient poles in the stator and the rotor, the smoother the rotation of the rotor.
  • a stator 2 having 6 salient poles 1 and a turn 4 having 4 poles 3 are provided, and a winding 5 is wound around each 1 in the stator 2, and Take a case where the winding 5 wound around a pair of salient poles arranged so as to face each other is electrically connected to form six poles of phase A, phase B and phase C.
  • the B-phase salient pole 1 is excited and excited.
  • the salient pole 3 of the rotor is attracted to the B-phase pole.
  • the switched reluctance rotating machine by applying a half-directional force to the rotor based on the deviation data output from the detecting means for detecting the deviation from the rotation center of the rotation, The rotation of the rotor is prevented, and the rotor can be lifted.
  • the first method is to control the winding so that a current for torque generation is applied to the winding wound on each of the salient poles of the stator, and a radial force is applied to the rotor. Is the flow of current. Since the first method can generate a large radial force, there is an advantage that a particularly large inversion is not required to apply a torque to the rotating shaft of the switch reluctance rotating machine. Therefore, a switch reluctance rotating machine employing this technique is suitable for a case where a small torque is required for the rotating shaft but a large radial force is required.
  • the first approach has several more: ⁇ ;
  • the stator In the first method, as an example, 12 stators are provided on the stator, windings are wound on each of the brackets, while the rotor is provided with eight salient poles.
  • the currents that are controlled independently of each other to generate a radial force in each winding.
  • the current of the A Y + winding 5 wound on the stator 2 at ⁇ 11 1 is increased, and the ⁇ ⁇ + winding ⁇ ⁇ —The current of winding 5 reduced by salient pole 1 opposite to salient pole 1 facing 5 is decreased. same In this way, the force F AX in the X direction can also be increased.
  • the stator 2 is provided with 12 salient poles 1, and the winding 5 is wound around each of the salient poles 1 of the bracket.
  • the stator 5 has two windings 1 wound in two mutually perpendicular directions on the stator 2; Currents having different current values respectively flow through the windings 5 wound on the other salient poles 1 located opposite to these two salient poles 1.
  • a six-phase magnetic flux is formed by 12 windings wound around ⁇ : I, and a six-phase inverter is required.
  • the first method of applying a radial force to the circuit as ⁇ ⁇ is to apply a current controlled to generate a radial force in the torque-generating winding.
  • the winding for generating and the winding for generating radial force are shared.
  • the second method for making the semi-incoming power 3 ⁇ 4 ⁇ at a time is that the stator ⁇ I has a winding other than a torque generating winding (also referred to as a torque 3 ⁇ 4 ⁇ winding).
  • a torque generating winding also referred to as a torque 3 ⁇ 4 ⁇ winding
  • another winding with a half-direction force (this may be referred to as a differential winding or a half-turning ffl winding) is provided.
  • the switch reluctance rotating machine that adopts the second method, in which the differential winding is applied to unbalance the magnetic flux generated by the torque 3 ⁇ 4 ⁇ winding and the magnetic flux of the ⁇ winding to produce a semi-directional force, is mainly based on torque reduction.
  • Fi is a bearingless rotating machine intended for ⁇ .
  • This second approach can be further divided into several approaches.
  • the method is indicated by serial numbers below.
  • FIGS. 1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ . ⁇ .
  • the winding wound on one side of the stator 2 and the winding wound on the other side facing the other side of the stator 2 are connected to the iUU, and six sets of semi-directional forces are formed. Formed ⁇ ⁇ winding 7a.
  • the semi-directional force ⁇ turned to 1 ⁇ ⁇ the windings 7 a oppose each other, and the current i is applied to the windings 7 a.
  • a half-directional force is generated in the left-to-right direction in FIG. 8, and a current i a , in the opposite direction, generates a half-directional force in the right-to-left direction.
  • I a 2 flows from bottom to top in FIG.
  • a current i a 2 flows in the opposite direction, the half-directional force is counted from top to bottom.
  • the four salient poles that make up the A-phase salient pole 1 A ⁇ The radial force generated by each of them ⁇
  • the winding 7 A is located at a position orthogonal to each other as shown in Fig. 11
  • the two radial force generating windings 7 A are wound so that current flows in the same direction as m> in the torque ⁇ ffl winding 6 A, which is wound at 1 A of ⁇ .
  • the two half-direction windings 7A opposed to the two half-direction force ⁇ ffl windings 7A are located in the Turku departure ⁇ ffl winding 6A, which is turned by the Wei 1A of ⁇ .
  • four half-directional forces 3 ⁇ 4 ⁇ windings 7 A are connected in series so that a current flows in the direction opposite to the above direction, and the direction of the above-mentioned m> is obtained.
  • the desired half-direction force is obtained as a combination of the three-direction or six-direction half-direction forces.
  • the semi-directed force in three or six directions appears to be straightforward, since the desired radial force can be generated if at least two radial forces can be generated.
  • the poles that are excited by the torque generating windings to generate torque are switched.
  • Figure 14 shows the increase and decrease of the inductance in the ⁇ phase, the current supplied to the torque generating ⁇ ffl winding (that is, the motor is active), and the relationship between the magnetic flux chain and the rotation angle of the rotor. ing.
  • Figure 14 shows the relationship between the flux chain ⁇ and the current. As shown in Fig. 14, near the point where the inductance rises, m> is supplied to the torque generating ffl winding to generate the torque.
  • Fig. 14 (1) the section where the current flows is limited, (2) the section where the flux linkage is high, and the section where the gear S flux is high are further limited (A shown in Fig. 14). Limited to the section from the midpoint between points B and B to point C.), (3) There is a section where the flux exchange from phase A to phase C is small and the deviation is small.
  • Fig. 15 shows the relationship between the current flowing through the unidirectional force generating winding and the magnetic flux chain 5S3 ⁇ 4.
  • the radial force is proportional to the difference between the squares of the magnetic flux densities ⁇ + and ⁇ -of the opposite poles. Therefore, if the number of flux linkages is large, a large half-directional force can be generated by passing a small amount of current through the winding for generating a radial force. In this case, the radial force can be efficiently increased by imbalance in the number of flux linkages and the unbalance of the magnetic m3 ⁇ 4 degrees of the poles included in the section.
  • equation (2) can be rewritten as equation (3).
  • m> can be determined by the system 1 shown in FIG.
  • i A * is a current command value for generating a torque on the rotor
  • F * is a current command value for generating a radial force.
  • the output of the controller may be set to i S and i ay— may be detected.
  • the output of the controller preferably set to i s.
  • i may be a detected value
  • i s * may be a detected value
  • a detector that detects the position of the rotating shaft in the X direction and the position of the rotating shaft in the ⁇ direction is used to determine the radial position. Is input to the semi-directional position controller 10, and the semi-directional force command values F a * and F jB * are determined by the radial position controller 10, and these semi-directional force command values F a * and F / 3 * are output to the radial force vector distributor 11, and the required radial force is vector-decomposed by the radial force vector distributor 11.
  • a command is issued to the rotating machine controller 12 to increase the magnetic flux level.
  • the rotating machine controller 12 having received the command generates and outputs a current ⁇ value ⁇ , ii c * which increases the magnetic flux level without changing the torque.
  • the current command values ⁇ , ii and the three radial forces F, F, F output from the unidirectional force vector distributor 11 incorporate one of the systems 1 to 3 shown in FIG. 17.
  • the current command value i »1+, iay" that flows from the radial controller 13 to the radial force generator 13 in, for example, the Y + direction and the Y— direction is generated. In this way, the necessary unidirectional force can be increased.
  • the speed controller 13 inputs the speed detection data output from the speed detector that detects the rotation speed of the rotor, and determines the torque for achieving the predetermined rotation speed. To output the torque command value.
  • the inverter O NZO FF commander 1 4 rotary machine controller 1 2 instar value output from the i A *, enter the i B ics *, Invar evening to 0 N, a signal for commanding the switching of the OFF Output You.
  • the method of iiLh can be simplified. In other words, it is sufficient to calculate the MMF or magnetic flux that can be applied to the winding for the half-turning force in advance, and to generate a command on the rotating machine side so that the am level is not smaller than this magnetic flux. .
  • This approach is a shelf if the half-turning force to be generated can be small. In this method, the requirement for increasing the magnetic flux level is unnecessary. This method is equivalent to controlling the rotating machine so that the magnetic flux level does not increase in advance.
  • the fifth method which belongs to the second method, is the whole stator ⁇ ! Is divided into four groups, and the salient poles belonging to one of the four groups and the salient poles belonging to the other group located opposite to these groups are concentratedly wound.
  • FIGS. 21 and Fig. 22 when 12 salient poles 1 are formed on the stator 2, three adjacent salient poles 1 are selected and four groups are formed. Then, the windings are concentratedly wound around the predetermined three 1s and the three 1s opposed to the predetermined ones. In FIGS. 21 and 22, windings are concentratedly wound around salient poles 1 facing each other. According to the concentrated winding shown in FIGS. 21 and 22, six radial force generating windings 1 to 6 are formed, and 12 wirings are required. As a result, the current controlled by the current flows into the ⁇ directional force ffl winding ⁇ ⁇ ®. The supplied current matches the winding direction in FIGS. 21 and 22.
  • the half-direction vector is calculated from the instantaneous variation of the current flowing through the windings for generating the half-directional force 1 to 6.
  • the semi-directional force can be efficiently increased to i ⁇ tf degrees.
  • concentrated winding is performed by connecting two windings wound by three adjacent salient poles in series with each other and forming two windings for radial force generation.
  • Form lines 1 and 2. By independently controlling the positions of the two semi-visiting windings 1 and 2, the semi-directional force as the vector sum of the semi-directional forces caused by each winding is reduced. I do. According to such concentrated winding, there is an advantage that only four are required.
  • a sixth method belonging to the second method for generating a radial force is, for example, as shown in FIG. 25, a slot 8 between stators 1 in a stator 2 and a position facing the slots 8.
  • the semi-directional force of the distributed winding ⁇ ffl winding 6 is applied to the slot 8, and the semi-directional force of the distributed winding 3 ⁇ 4 ⁇ winding 6 in the direction orthogonal to the radial force generating ⁇ winding 6 is applied to the slot 8. And the slot 8 at a position facing the slot 8.
  • a stator having a ⁇ in the inside, a slot between an arbitrary ⁇ and another slot at a position opposite to the ⁇ slot has the first radial direction of the distributed winding.
  • a pair of force generating windings are provided, and a pair of slots located in a direction of ⁇ 5 ⁇ with respect to a pair of slots used for forming the first radial force generating winding and opposed to each other.
  • the sixth method is to provide the slot with a second half-turned winding with distributed winding.
  • two half-directional force ⁇ ⁇ ⁇ windings 6 are provided, for example, as shown in FIG. A current of + i ⁇ flows through one radial force 3 ⁇ 4 ⁇ winding 6, and a current of i X — i ⁇ ⁇ flows through one semi-directional force 3 ⁇ 4 ⁇ winding 6.
  • the radial force F x toward the X axis is proportional to the current i X
  • the radial force F Y toward the Y axis is proportional to the current i Y.
  • two half-m ⁇ "heading windings are provided, and only four windings are required, and only four slots are provided for windings.
  • the reluctance rotating machine can be easily operated.
  • a stator having a plurality of ⁇ on the inner side selects an arbitrary and at a position opposed to this, and a pair on one side adjacent to the pair.
  • the first radial force generating winding of the distributed winding is provided in the slot
  • the second radial force of the distributed winding is provided in the pair of slots on one side adjacent to the pair of ⁇ .
  • a pair of salient poles located in a direction perpendicular to the salient poles used to form the first and second unidirectional force 3 ⁇ 4 ⁇ windings and facing each other are provided.
  • a third radial force generating ffl winding of distributed winding is provided in a pair of slots on one adjacent side, and a fourth winding of distributed winding is provided on a pair of slots on the other side adjacent to the pair of ⁇ ].
  • This is to provide a semi-directional winding.
  • the first to fourth radial force generating windings 1 to 4 are wound as follows. That is, for example, as shown in FIG. 26, the first radial force generating winding 1 is formed by, for example, one salient pole 1 in the Y direction among the 12 salient poles 1 in the stator 2.
  • a pair with the other 1 located at a position opposite to the salient pole 1 is selected, and is located adjacent to the pair 5 ⁇ 11, 1 and located on one and the same side as viewed from the rotation axis direction.
  • the second radial force generation ⁇ winding ⁇ is adjacent to the first half-direction power generation ⁇ ffl winding ⁇ . Get tired.
  • the second semi-directed force generating winding 2 is formed by sandwiching the pair of salient poles 1, 1 with respect to a pair of slots 8 used for forming the first radial force generating winding 1. It is wound around a pair of slots 8 on the opposite side to form a distributed winding. In the first unidirectional force winding 1 and the second unidirectional force 3 ⁇ 4 ⁇ winding, flows in the same direction.
  • the third radial force generating ffl winding 3 corresponds to the pair of 1 and 1 used to form the first and second radial force generating windings 1 and 2.
  • a pair of slots 8 adjacent to ⁇ EI 1, 1 and on one and the same side as viewed from the rotation axis direction are wound so as to form a distributed winding, and a fourth radial force is generated.
  • the winding 4 is wound so as to be adjacent to the third unidirectional force 3 ⁇ 4 ⁇ winding 3.
  • the fourth radial force generating winding (1) is opposite to the pair of slots (8) used for forming the third radial force generating winding (3) with the pair (1, 1) interposed therebetween. It is wound around a pair of slots 8 in a distributed winding. A current flows in the third radial force generating winding 3 and the fourth unidirectional coil 4 ⁇ winding 4 in the same direction. (Example 1 )
  • FIG. 28 is a schematic explanatory view showing a switched reluctance electric motor according to one embodiment of the present invention.
  • this switch reluctance motor 21 has a circuit 22 in which four salient poles are arranged in the direction of ⁇ 5 ⁇ to each other, and a center angle of 60 degrees between And a stator 23 arranged so as to form the same.
  • the rotation shaft 20 is inserted through the center of the rotor 22.
  • the direction of the current flowing through the winding 24 is the first ⁇ (12 3 a is clockwise when viewed from the outside of the stator 23 toward the center of rotation, and Similarly, the salient pole 23 b is counterclockwise viewed, the third salient pole 23 c is clockwise viewed similarly, and the fourth salient pole 23 d is similarly viewed. It is counterclockwise, the fifth 23 e is similarly clockwise wound, and the sixth salient pole 23 f is similarly counterclockwise wound.
  • the coil lfi3 ⁇ 4 of the torque generating winding 24 turned to the salient pole 23 d of the coil is connected to the power supply.
  • Torque generated by the second wei 23 b ⁇ ffl winding 24 and the second (the fifth 23 e disposed opposite to the 23 b torque generating ⁇ w winding 2 and 4 are connected to each other, and the 2nd salient pole 2 3b is turned into a torque ⁇ ffl winding 2 4 coil flfi3 ⁇ 4 and the 5th ⁇ 2 3e is turned into a torque ⁇ ffl winding
  • the coil contact of 24 is connected to the ..
  • the torque generated by 12 3 f is generated.
  • the coil fW of winding 24 is connected to the power supply.
  • the generated radial force generation winding 25 is connected in series.
  • the radial force generated by the third salient pole 2 3 c and the sixth salient pole 2 3 f arranged opposite to the winding 25 and the third salient pole 23 c Radial force generated ⁇ ffl winding 25 is connected in series.
  • the power supply 26 is formed so that a distorted current including a direct current can be supplied to the torque ffl winding 24.
  • the power supply 26 is formed by a DC power supply 26a and an inverter 26b.
  • the inverter 26 b outputs a three-phase pre-current having a different angle of 30 degrees.
  • the switch reluctance motor 21 having the above configuration operates as follows.
  • the inverter 26 b outputs a signal before the three phases, so that a rotating magnetic field is applied to the stator 23 and the F 22 rotates.
  • the rotation axis of ⁇ is displaced, for example, the salient pole of the rotor 22 approaches the first ⁇ 12 3 a of the stator 23, and ft ⁇ , times ⁇ 2 2 Is separated from the fourth ⁇ 23 d of the stator 23.
  • a radial force is generated at the first salient pole 23a, and a current flows through the winding 25 to weaken the magnetic field at the first salient pole 23a, while the fourth salient pole 23 In the radial force generating winding 25 at d, m> flows so as to strengthen the magnetic field ⁇ ⁇ to the fourth salient pole 23 d.
  • the rotation axis is displaced so as to approach a, the displacement of ⁇ is canceled and the rotation center of the rotation axis returns to the original position.
  • the main shaft can be supported in the radial direction by the ⁇ sam force.
  • the above relationship between the number of salient poles of the rotor and the number of salient poles of the stator is defined in the present invention including the following Examples 2 and 3.
  • the inverter connected to the winding for the half-directional force ⁇ ⁇ is omitted, and the short-circuit is simply shorted. Will be possible.
  • FIG. 29 shows a switched reluctance motor (hereinafter abbreviated as a motor) according to an embodiment of the present invention.
  • a motor switched reluctance motor
  • the members having the same functions as those shown in FIG. 28 have the same numbers as those shown in FIG.
  • this switch reluctance motor 21a has four salient poles!
  • the rotation is arranged in the direction of rotation ⁇ 2 2
  • the stator 2 3 is arranged so that six are at a central angle of 60 degrees to each other, and the two displacement detection sensors 27 a and 27 b are , Power supplies 28 a and 28 b and a control unit 29.
  • a rotation shaft is inserted through the center of the rotor 22.
  • each of the stators 23 has a torque 3 ⁇ 4 ⁇ winding 24 and a unidirectional force 3 ⁇ 4 ⁇ winding 25.
  • the current 3 ⁇ 45E of the torque generating winding 24 is in the same direction and connection state as in Example 1, but the terminal of the torque generating winding 24 is connected to the inverter 28 for the switch reluctance machine, which is a part of the power supply. Connected to a.
  • the winding state of the radial force generator 25 is the same as in Example 1, except that the terminal of the radial force generator 25 is connected to the controller 29.
  • the radial force generating winding 25 is connected to an inverter 28b which is a part of a power supply so that a three-phase alternating current is applied.
  • the power supply is an inverter 28 a for a switch reluctance machine that outputs a three-phase distorted current including DC to the torque generating winding 24, and a unidirectional force 3 ⁇ 4 ⁇ winding 25 Inverter 8b which outputs 3 phase 5 &.
  • One of the two displacement sensors 27 a and 27 b moves in the X direction, which is the direction of the rotation axis of the rotation 22.
  • the rotation axis which is disposed on the stationary stator 23 where the rotation is displaced in the X direction, is detected and measured, and a detection signal is output to the control unit 29.
  • Displacement sensor 27 b is abbreviated as) is disposed on the stator 23 located in the y direction, which is the radial direction of the rotating shaft of the rotor 22, and the rotation in which the rotation 22 is displaced in the y direction. It detects and measures the position of the axis and outputs a detection signal to the control unit.
  • the control unit 29 calculates the amount of displacement from the preset center position of the rotation axis of the rotor 22 and the displacement position of the rotation axis of the rotor 22, and calculates the displacement in order to reduce the change fiZM of 0 to zero.
  • a predetermined value and a predetermined current value to be output to the power generation winding 25 are calculated, and an instruction signal is output to the inverter 28b in order to output a current like ⁇ .
  • This embodiment has a reference signal output section (not shown), a ring processing section 29a, an amplification section 29b, and a gain adjustment / phase section 29c.
  • the reference signal output unit outputs ⁇ * as a ⁇ signal indicating the position in the X direction, which is a preset reference signal for the rotation axis of the rotor 22, and a signal indicating the position in the y direction. * Is output.
  • the processing unit 29a receives a detection signal ⁇ indicating the position of the rotation axis in the X direction, which is output from the first displacement sensor 27a, and subtracts the reference signal and the detection signal ⁇ ( ⁇ * - ⁇ ), and a detection signal indicating the y-direction position of the rotation axis, which is output from the second displacement sensor 27 b, is input to the signal * and the detection signal.
  • the amplifying unit 29 b is configured to amplify ⁇ , which is an erroneous i-sign ⁇ indicating a change in the rotation axis obtained in the previous ⁇ unit 293.
  • the signal ⁇ is amplified according to the frequency of ⁇ , and the command values F and F JB * indicating the radial force are output.
  • the gain adjustment phase 29 c calculates the instantaneous voltage value and instantaneous Z current value output to the radial force generating winding 25 by inputting the S command values F ot * and F ⁇ *. the invar evening 2 8 b to the instruction signal ( ⁇ u, i v 2 * , i w) you output.
  • the inverter outputs currents in both positive and negative directions having a predetermined voltage instantaneous value and a no-current instantaneous value to the radial force generating winding 25 based on an instruction signal from the control unit 29.
  • the displacement of the rotation shaft of the rotation 22 is corrected by the following operation.
  • the torque wave generated by the salient poles of the stator 23 and the distortion wave including the direct decrement from the inverter for switch reluctance machine 28 a in the ffl winding 24 Current is applied. Since the current is in one direction, the current flows through each torque generating winding 24 in the direction shown in FIG. 30 or is zero. Therefore, a +, b + and c + of the six magnetic poles are always excited to the S pole. On the other hand, a-, b- and c- are excited to N pole.
  • a current in the opposite direction is supplied to the radial force generating winding 25. Accordingly, the direction of the current flowing through the torque generating ffl winding 24 is one-way, but the current flowing through the semi-directive power generating winding 25 is bidirectional.
  • the torque for b and c in FIG. 30 is given by the interaction of the magnetic flux generated by the winding 24 and the radial force generating winding 25 in the Fb direction. Forces in the Fc direction and in the opposite direction can be applied.
  • the magnitude of these radial forces that is, the magnitude of the radial force vector
  • the current applied to the torque winding 24 is 0, no radial force is generated in the vector direction.
  • the current of at least two phases must be zero.
  • the half-direction force vector in two directions can always be increased, and as a result, the magnitude and direction of the half-direction force acting on the rotation 2 can be arbitrarily selected. it can.
  • the radial force source winding 25 is differential with respect to the torque source winding 24. From this point, the miij machine shown in this example does not have the following advantages! (1) Torque ⁇ Induced mm caused by the magnetic flux of the ffl winding 24 does not occur. For this reason, the terminal voltage required for the semi-directional force 3 ⁇ 4 ⁇ winding 25 can be extremely small, and large power can be avoided. (2) When it is not necessary to apply a radial force, the current flowing through the semi-directional force winding 25 is zero, and there is no need to apply a bias m>. Thus, the mm configuration can be simplified. (3) There is an advantage that ugly numbers can be reduced.
  • the torque 3 ⁇ 4 ⁇ winding 2 All you have to do is add six and three semi-directional forces to three windings. (4) There is an advantage that the required ⁇ ⁇ capacity is small. If voltage is applied in both directions to each of the three windings to control the current independently, a large target capacity is required for each winding, and a body power device is required, and it is necessary to levitate. Although a high-speed and high-precision power supply is required for control, in this embodiment, the power supply is + ⁇ in the conventional inverter, especially in the miSF mini-inverter.
  • the displacement sensor is not ffled, and the feed force control is used to cancel the half-m ⁇ r direction force generated by the stator 2 3 core error, winding phase difference, etc.
  • Switch reluctance3 ⁇ 41) machine (simply il) machine. ).
  • this switch reluctance motor 2 1 b does not have a displacement sensor 1 on the stator 23, and the mE value that is supplied to the torque ⁇ ffl winding 24.
  • the motor shown in FIG. 31 has the features and IJ points as shown in the above-mentioned Example 2 and (1) does not require a sensor, (2) has a simple configuration, and (3) costs. Low, (4) high reliability, (5) downsizing can be achieved !! Industrial applicability
  • a switch reluctance rotating machine capable of supporting a rotating shaft by electromagnetic force and correcting displacement of the rotating shaft without electromagnetic vibration and capable of rotating at a very high speed. be able to.

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Description

スィッチドリラクタンス回転機
産業上の利用分野
この発明はスィッチドリラクタンス回転機に関し、 さらに詳しくは、 回^の 回転軸に電 服動を ¾ ^させることなく、 高速で回 を回転させることができ るスィッチドリラクタンス回転機に関する。 従来の技術
スィッチドリラクタンス回転機として、 スィッチドリラクタンス電動機および スイチッドリラクタンス発電機がある。
従来のスィツチドリラクタンス^)機を図 3 2に示す。
図 3 2に示されるように、 例えばスィッチドリラク夕ンス電動機 5 0は、 回転 軸方向から見て十文字状に形成された突極を有する 4極の回転子 5 1の周囲に 6 極の固定子 5 2が配置され、 各固定子 5 2の突極には巻き線 5 3が集中巻きされ てなる。 巻き線 5 3に通電される電流 (巻線電流と称する。 ) は、 一方向であ リ、 直滅分を含んだ歪波電流が通電される。 なお、 図 3 2において 5 4で示す のはインバータであり、 5 5で示すのは直流電源である。
このような構造を有するスイチッドリラクタンス mi)機 5 0は、 外周面に を有する回転子 5 1を固定子 5 2の突極が吸引することによりトルクが発生し て、 回転子 5 1が回転するようになっている。 このような構造のスィッチドリラ クタンス電動機 5 0においては、 回^ 5 1が偏心していたり、 回転子 5 1の機 械加工に誤差があると大きな半径方向力が発生し、 これが原因となつて電磁振動 などを^するという問題点がある。 しかも、 効率を高くするために回^ 5 1 と固定子 52のギヤップ長を極めて小さくすると、 通常の mis機に比較すると電 磁振動および騒音が ¾ ^するという問題点もある。
このような問題点は、 スィッチドリラクタンス発電機においても同様に存在す る。
この発明は前記事情に基づいて された。 この発明の目的は、 前記問題点を 解決することにある。 この発明の他の目的は、 回転子の回転中に回転軸変位が発 生しても自動的に の変位を して、 電 «ai動を防止すると共に磁気力により 回転子を浮上支持して、 円滑な回転軸の回転を実現することのできるスィツチド リラクタンス回転機を提供することにある。 発明の開示
この発明は、 ^[の突極を備えた回^と、 該回^?を囲んで配置され、 かつ 突極を備えた固定子と、 前記固定子の^れぞれの突極に設けられた巻線と、 前記 回転子にトルクを発生させ、 かつ前記回^ ίに半径方向力を発生させるように巻 線に通電する m> を制御する電流制御部とを備えてなることを特徴とするスイツ チドリラクタンス回転機であり、
前記スィッチドリラクタンス回転機においては、 前記巻線は、 ^れぞれ独立に 通電可能に各固定子の突極に ^れぞれ独立に倦回されてなり、 前記電流制御装置 は、 半径方向力を発生するように、 各巻線に通電される m> を独立に制御可能に 形成されてなリ、
また、 前記スィッチドリラクタンス回転機においては、 前記巻線は、
Figure imgf000004_0001
電可能な複数組の巻線群からなり、 前記電流制御装置は、 半 向力を ¾ ^する ように、 前記巻線群に通電される電流を独立に制御可能に形成されてなリ、 他の発明は、 複数の突極を備えた回^と、 該回 を囲んで配置され、 かつ 突極を備えた固定子と、 前記固定子の れぞれの突極に設けられ、 かつ前記回転 子に回転トルクを発生させるトルク ¾ ^巻線とを有するスィッチドリラクタン ス回転機において、
前記回転子の突極^れぞれに、 回転子を ¾nm浮上可能にこの回転子に対して半 径方向力を付与する半径方向力発^ ¾巻線を設けてなることを ί数とするスィッ チドリラクタンス回転機であり、
このスィッチドリラクタンス回転機は、 前記回^?の半^向における儷位を 検出する偏位検出器と、 前記偏位検出器より出力される検出信号を入力して、 前 記半径方向力^ «巻線に制御された電流を出力する^制御部とを有すること が望ましい。 図面の簡単な説明
図 1は、 この発明のスイチッドリラクタンス回転機において回^1にトルクを 発生させる原理を説明する説明図である。
図 2〜4は、 この発明のスィツチドリラクタンス回転機において回^に半径 方向力を発生させる第 1の方式を説明する説明図である。
図 5〜 7は、 この発明のスィツチドリラクタンス回転機において回^に半径 方向力を発生させる第 2の方式を説明する説明図である。
図 8〜1 0は、 この発明のスィッチドリラク夕ンス回転機において回^に半 怪方向力を発生させる第 3の方式を説明する説明図である。
図 1 1〜1 3は、 この発明のスィッチドリラクタンス回転機において回^に 半径方向力を発生させる第 4の方式を説明する説明図である。
図 1 4は、 この発明のスィッチドリラク夕ンス回転機において固定子の突極に 倦回された半^向力発 巻線におけるインダクタンス、 、 磁束 ^改と 回転角との関係を示す説明図である。
図 1 5は、 半径方向力発^巻線に通電される電流と磁束鎖^との関係を示 すグラフである。
図 1 6は、 半径方向力は対極する極の磁束密度 B +、 B -の二乗の差に比例す ることを説明するための説明図である。
図 1 7は、 半径方向力を発生させるために半径方向力発^巻線に通電する電 流量を決定する 3種のシステムを示すプロック図である。
図 1 8は、 電流 iから磁束鎖交数 Ψを推定する推定回路を示す説明図であ る。
図 1 9は、 半 向力発 ^巻線に通電される^値と磁束鎖^との関係を 示すグラフである。
図 2 0は、 半訪向カを ¾ ^させるために必要な m>¾^値を、 回転軸の半径 方向位置を示すデータから、 決定する手法を示すプロック図である。
図 2 1〜2 2は、 この発明のスィッチドリラクタンス回転機において回^に 半径方向力を発生させる第 5の方式を説明する説明図である。
図 2 3〜 2 4は、 この発明のスイッチドリラクタンス回転機において回転子に 半径方向力を発生させる第 5の方式の他の例を説明する説明図である。
図 2 5は、 半径方向力を発生させるための第 2の手法に属する第 6の方式を説 明する説明図である。
図 2 6〜2 7は、 この発明のスィッチドリラクタンス回転機において回^に 半径方向力を発生させる第 7の方式の他の例を説明する説明図である。
図 2 8は、 この発明の一実施例を示す概略説明図である。
図 2 9は、 この発明の他の実施例を示す概略説明図である。
図 3 0は、 図 2 9に示されるスィッチドリラクタンス電動機における回^お よび固定子を示す概略説明図である。
図 3 1は、 この発明の更に他の実施例を示す概略説明図である。
図 3 2は、 従来の一般的なスィツチドリラクタンス電動機を示す概略説明図で ある。 発明を実施するための最良の形態
この発明のスィツチドリラクタンス回転機は、 1®¾ [の を備えた回 と、 前記回転子を囲んで配置され、 かつ回転子に向かって形成された複数の突極を備 えた固定子と、 前記固定子の に倦回された巻線とを有する。 回転子における 突極の数と固定子に設けられた の数とは相違する。 回^ Fが静止している状 態において、 固定子の突極の位置と回^?の突極の位置とがずれるように形成さ れる限り、 固定子における突極の数と回転子における突極の数とに制限がない。 一般的に言うと、 固定子における突極の数は偶数個である。 また、 固定子および 回転子における突極の数が多ければ多いほど回転子の回転が円滑になる。
このスィツチドリラクタンス回転機において回^に
Figure imgf000006_0001
次のようである。 たとえば図 1に示されるように、 6極の突極 1を有する固定子 2と 4極の 3を有する回^? 4を備え、 固定子 2における各 1に巻線 5 が倦回され、 かつ相対向するように配置された一対の突極に倦回された巻線 5が 電気的に接続されて A相、 B相および C相の 6極が形成されている場合を例にす ると、 時計回りのトルクを ¾ ^させるためには、 たとえば B +から電流を流し込 み、 B—から電流が出るように通電すると、 B相の突極 1が励磁され、 励磁され た B相の極に回転子の突極 3が吸引される。 したがって、 回転子の突極 3の位置 に応じて電流を流す巻線を順次に切リ替えることにより回 にトルクが ¾ ^す る。 なお、 図 1を初めとする^の他の図において、 巻線を模式的に示す〇の中に 記された ·および Xは電流の流れる方向を示し、 ·は から紙面に突き抜ける 方向を示し、 Xは紙面から ¾t に突き抜ける方向を示す。
低速で回 を回転させるときには、 電流ピーク値がほぼ一定値となるような 方形波状の波形を有する電流を巻線に通電するのが良く、 また、 回転子にかかる 負荷が小さいときには、 前述した方形波!^を流す期間を短くし、 または電¾¾¾ 高を小さくするのがよい。
この発明に係るスィツチドリラクタンス回転機においては、 回^の回転中心 からの偏位を検出する検出手段から出力される偏位データに基づいて、 回転子に 半^向力を付与することにより、 回^?の偏位を防止し、 また回転子の am浮 上が可能になっている。
この発明においては、 この回^に半訪向カを ¾ ^させるには二種の手法が 採用される。
第 1の手法は、 固定子の突極 れぞれに倦回された巻線にトルク発生用の電流 を通電し、 かつ、 回転子に半径方向力が^するように、 巻線に制御された電流 を流すことである。 この第 1の手法では大きな半径方向力の発生が可能であるか ら、 スィッチドリラクタンス回転機の回転軸にトルクを付与するために特に大き なインバー夕を必要としないという利点がある。 したがって、 この手法を採用す るスィッチドリラクタンス回転機は、 回転軸のトルクは小さくてもょレ、が大きな 半径方向力を必要とする場合にぉ である。
第 1の手法にはさらにいくつかの:^;がある。
第 1の方式は、 一例として、 固定子に 1 2個の が設けられ、 かっ^の^ れぞれに巻線が倦回され、 一方、 回転子には 8個の突極が設けられている if^ に、 各巻線に、 半径方向力を発生するように、 互いに独立に制御された電流を流 すことである。 図 2に示されるように、 Y方向の力 F AYを発生させるには、 固定 子 2の^ 1 1に倦回された AY+巻線 5の電流を増加させ、 前記 ΑΥ+巻線 5を倦回 する突極 1に相対向する突極 1に倦回された Αγ—巻線 5の電流を減少させる。 同 様にして X方向の力 FAXも^させることができる。
同様に、 図 3および図 4に示されるように、 Y方向の力 FB丫を発生させるに は、 固定子 2の 1に倦回された BY+巻線 5の を増加させ、 前記 BY+巻線 5を倦回する突極 1に相対向する 1に倦回された BY—巻線 5の電流を減少さ せ、 丫方向の力 FCYを発生させるには、 固定子 2の突極 1に倦回された CY+巻線 5の電流を増加させ、 前記 C+巻線 5を倦回する突極 1に相対向する突極 1に倦 回された CY—巻線 5の電流を浪 、させる。
結果として、 固定子 2における各^ 1により生じる磁束数に応じて三種の半 径方向力を合成して任意の半^向力を ¾ ^させることができる。 この第 1の方 式では、 1 2個の突極に倦回する巻線のために 24本の配線が必要であり、 1 2 個の巻線に独立に制御さ た電流を流すための制御装置たとえば 1 2相インバー タが必要になる。
要するに、 この第 1の方式では、 固定子に設けられた任意の数の突極 れぞれ に倦回された巻線に、 ^れぞれ独立に電流を流し、 流す電流量を制御することに より任意の方向に向かう半径方向力を ¾ ^させる。
第 2の方式は、 一例として、 図 5に示されるように、 固定子 2に 1 2個の突極 1が設けられ、 かっ^の突極 1 ^れぞれに巻線 5が倦回され、 一方、 回転子 4に は 8個の突極 3が設けられている場合に、 固定子 2における互レ こ直交する方向 に位置する 2個の 亟 1に倦回された巻線 5と、 これら 2個の突極 1に相対向し て位置する他の突極 1に倦回された巻線 5とに、 ^れぞれ、 異なる電流値の電流 を流す。
図 5において、 突極 1 aに倦回された巻線 5とこれに瘡交する方向に配置され る 1 bに倦回された巻線 5とに m> i a,を流し、 他の魏1 cに倦回された 巻線 5とこれに直交する方向に配置される 1 dに倦回された巻線 5とに ¾) i Β2 (ただし、 ,〉 i を流すと、 魏1 a, 1 bの磁 度が高くなリ、 半径方向力 Fe が発生する。 一方、 i β,< i β2であると、 前記 Fe とは反対側 方向に向く半径方向力 FE が発生する。 同様にして、 図 6に示されるように電 流 i b,および電流 i b2 (ただし、 i b,> i b2) を流すことにより、 半径方向力 Fb が発生し、 図 7に示されるように、 電流し,および電流 i c2 (ただし、 i c > i c 2) を流すことにより、 半径方向力 F c が^する。 この三方向の力を 合成することにより所望方向および大きさの半 向力が ¾ ^する。
この第 2の方式においては、 たとえば 1 2個の势: Iに倦回された巻線により 6 相の磁束が形成されるのであり、 6相インバータが必要になる。
±ίΕしたように回^に半径方向力を ¾ ^させる第 1の手法はトルクを発生さ せる巻線中に半径方向力を発生させるように制御された電流を流す方式であり、 したがって、 トルク発生用の巻線と半径方向力発生用の巻線とが共用されてい る。
—方、 この発明において、 回 に半訪向カを ¾ ^させる第 2の手法は、 固 定子の^ Iにトルク発生用の巻線 (トルク ¾ ^用巻線とも称される。 ) の外に、 半 向力 の別の巻線 (これを差動巻線あるいは半訪向カ発^ ffl巻線と 称することがある。 ) を設けることである。 差動巻線を施してトルク ¾ ^巻線 による磁束と Ιίΐ巻線の磁束とを不平衡にして半^向カを させるこの第 2 の手法を採用するスィッチドリラクタンス回転機は、 主として卜ルク^を目的 とするベアリングレス回転機に fi である。
この第 2の手法には、 さらにいくつかの方式に分けることができる。
第 3 (第 1の手法において第 1方式および第 2 としたので以下連番に よって方式を表示する。 ) では、 図 8〜図 1 0に示されるように、 たとえば、 固 定子 2に 1 2個の 1が設けられ、 かっ^の 1 れぞれにトルク ¾ ^巻 線 6が倦回され、 一方、 回転子 4には 8個の突極 3が設けられてなるスィチドリ ラク夕ンス回転機において、 固定子 2における一方の 1に倦回された巻線と 前記一方の^ ®こ相対向する他方の^ に倦回された巻線とを iUUに結線し、 6 組の半^向力発^ ^巻線 7 aを形成する。
図 8に示すように、 互いに対向する 1に倦回された半^向力 ¾ ^巻線 7 aに電流 i。,を流すと、 図 8において、 左から右への方向に半^向力が し、 反対方向に電流 i a ,を流すと右から左への方向に半^向力が発生する。 同 様に、 前記半^向力発^ ffl巻線 7 aとは ϋ5する方向にある半^向力 巻線 7 aに1!) i a 2を流すと、 図 8において、 下から上への方向に半^向力が 発生し、 反対方向に電流 i a 2を流すと、 上から下への方向に半^^向力が数す る。 同様に、 図 9および図 10に示されるように、 b相の半径方向力発 ^巻線 7 bおよび c相の半径方向力発生用巻線 7 cに れぞれ電流を流すと、 Fb,、 Fb2、 Fc,、 Fc2の半径方向力が ¾ΐする。 したがって、 これら 6組の半 向 力発^巻線 7a、 7 b、 7 cに通電することにより 6個の半径方向力が発生す るから、 各半訪向力発 巻線 7 a、 7b、 7 cに通電する ¾ ^値を制御する ことにより任意の方向の半径方向力を形成することができる。
第 4方式は、 図 11〜13に示されるように、 たとえば、 固定子 2に 1 2個の 突極 1が設けられ、 ^の 12個の 1は互いに ϋ5ϊする位置にある^ H1同士 で Α相、 B相および C相の三群に分け、 1 2個の突極 1 ^れぞれにトルクを発生 させるためのトルク発生用巻線 6および半 向力 巻線 7が倦回され、 A 相の势】1 Aに倦回される卜ルク^ ffl巻線 6 Aは互いに彭リに結線され、 同様 に B相の 1 Bに倦回される卜ルク^ ffl巻線 6 Bおよび C相の突極 1 Cに倦 回されるトルク発^巻線 6 Cも れぞれ直列に結線される。 A相の突極 1 Aを 構成する 4個の突極^れぞれに倦回される半径方向力発 ^巻線 7 Aに関し、 図 1 1に示されるように、 互いに直交する位置にある 2個の半径方向力発^巻線 7 Aは、 ^の 1 Aに倦回されている卜ルク^ ffl巻線 6 Aにおける m>の方 向と同じ方向に電流が流れるように倦回され、 前記 2個の半 向力 ^ ffl巻線 7Aに相対向する 2個の半訪向カ 巻線 7Aは、 ^の魏 1 Aに倦回され ている卜ルク発^ ffl巻線 6 Aにおける の方向と反対方向に電流が流れるよう に倦回され、 しかも前記した m>の向きとなるように 4個の半^向力 ¾ ^巻 線 7 Aが直列に結線されている。
ここで、 図 1 1に示されるように、 半訪向力^ ffl巻線 7 Aに電流 i a を流 し込むと、 1 Aでは磁束密度が増加し、 他の 1 Aでは磁^度が低下す る。 ^の結果として、 Fa方向の半^向力が する。
図 1 2に示されるように、 同様にして半 向力 ¾ ^巻線 7Bに電流 ί b を 流し込むことにより Fb方向の半^向力が発生し、 図 1 3に示されるように、 同様にして半^向力発^ ffl巻線 7Cに m¾i c を流し込むことにより Fc方向 の半径方向力が発生する。 したがって、 電流 i β 、 i b 、 i c を制御することに よリ 3方向の半径方向力の合成として任意の方向の半 ^向力を発生させること ができる。
上述したように第 1の方式から第 4の方式までにおいては、 3方向または 6方 向の半^向力の合成として所^向の半 ίΐ^向力が ¾ ^する。 少なくとも 2方 向の半径方向力が発生可能であれば所望の半径方向力を発生させることができる ので、 3方向または 6方向の半訪向力の は簡単であるように見える。 現実には、 トルクを発生させるためにトルク発^巻線により励磁される極が 切り替わっている。
たとえば、 図 1 4に Α相におけるインダクタンスの増減、 トルク発^ ffl巻線に 供給する電流 (すなわち、 モータ醒職である。 ) 、 および磁束鎖^と回転 子の回転角度との関係が描かれている。 図 1 4には磁束鎖^と電流との関係が 示される。 図 1 4に示されるように、 インダクタンスが立ち上がる付近でトルク 発^ ffl巻線に m> を流し、 回^のトルクを発生させる。
図 1 4から、 (1 ) 電流の流れる区間は限られている、 (2) 磁束鎖交数が高くな リ、 ギヤッフ S束が高くなる区間は、 さらに限られる (図 1 4に示される A点と B点との中間点から C点までの区間に限られる。 )、 (3) A相から C相までの磁 束交 がレ、ずれも小さい区間が存在する。 図 1 5には、 半 向力発 巻線 に通電される電流と磁束鎖 5S¾との関係が示される。
• 図 1 6に示すように、 半径方向力は対極する極の磁束密度 Β +、 Β -の二乗の 差に比例する。 したがって、 磁束鎖交数が多ければ、 半径方向力発生用巻線に少 ない電流を流すことにより大きな半^向力を^させることができる。 うす ると、 磁束鎖交数の多レ、区間に入つている極の磁 m¾度をアンバランスにするこ とにより、 効率良く半径方向力を ¾ ^させることができる。
こで、 可能な限り A相〜 c相の磁束鎖交数が多い区間が必要である。
この 3相の中で、 少なくとも前記第 1の:^;および第 3の:^;では 1相、 前記 第 2の方式および第 4の方式では 2相におしゝて常に磁束鎖交数が多く保持されて いることが望ましい。
一方、 図 1 6に示すモデルでは、 半径方向力 Fは以下の式 ( 1 ) で示され る。
F = ( S/2 c ) · ( B +2— B—つ · · · ( 1 ) ただし、 ±IK (1 ) において、 Sは回^の類と固定子の繩とのギヤッ プにおける ®¾を示し、 μ0 は 4 X 1 0— 7HZmであり、 B+および B—は磁 束密度を示す。 図 1 6中、 Nは巻線の巻き数である。
今、 図 Ί 6において、 上側巻線の磁束鎖^を Ψ+、 下側巻線の磁束鎖^ [を Ψ- とし、 巻線の巻き数を Nとすると、 磁束密度 B+ および B— は れぞれ、 B+ =Ψ+ / (NS) 、 および Β— =Ψ_ / (NS) である。 したがって、 前記 式 (1 ) は、 代入により、 式 (2) に書き換えられる。
F = (2/io · N2 · S) — ' · (Τ + 2-Ψ_ζ) · . · · (2)
簡単のために、 sum的に線形であると (^し、 インダク夕ンスを Lとして巻線 に流れる電流を i +、 し賭すると、 Ψ+ = L · i +、 Ψ— = L · し であるの で、 前記式 (2) は式(3) に書き換えられる。
F = L2 · (2 · N2 · S) - ' · ( i 一し2) · · · · (3)
さらに、 動作点 Jifi傍で線形化し、 i+ = i。 + i、 i - = i 0 - ί (ただし、 i << i。 であるとする。 ) とすれば、
i +2— ί -ζ- ( i ο + i ) 2 - ( i ο - i ) 2 =4 i ο · iである。
これを式 (3) に Ι^ すると、 式 (4) が得られる。
F = L2 · (2 · N2 · S) · 4 i o · i
= (2 L2 · i o · i ) {fio · N2 · S) · · · (4)
この式 (4) により半径方向力 Fは微小電流 ίに比例することが明かであ る。
こで、 たとえば第 1の方式において、 Α相の Υ方向については、 図 1 7に示 されるシステム 1により m> を決定することができる。
図 1 7において、 i A*は回転子にトルクを発生させるための電流指令値であ り、 F* は半径方向力を発生させるための電流指令値である。 F* から、 前記式 (4) を用いて、 iについて時、 演算結果を ί とし、 これと i A*とを加算して i aY+ を得、 前記 i ヒ i A*との 処理をして ί を得る。 ^して、 図 2に 示される ΑΥ+巻線に電流 ί aY+ を流し、 AY—巻線に電流 γ- を流す。
F* が変わらないときに、 Α相の磁束鎖交数が小さい場合には、 i A*が小さ く、 *が大きくなる。 半^向力のダイナミックレンジが広い には、 前言 ¾ (4) を用いること ができないので、 式 (3) を用いる。 この場合は、 図 1 7におけるシステム 2が 採用されることにより、 iノー i - 2を制御することができる。
鉄芯の非線形性を考慮する必要のある は、 図 1 7に示されるシステム 3が 採用される。 F* より、 式 (2) を逆に解いて (Ψ+2— Ψ_2) * を算出する。 これを図 1 7におけるシステム 3に示されるように推定した Ψ+ 、 Ψ— より (Ψ+2— Ψ— 2) を算出し、 (Ψ+2— Ψ— 2) * と 1± し、 電流の不平衡を^させ る。 この際、 (Ψ+2— Ψ—2) は検出値であってもよい。 図 1 7および図 1 8に示 されるところの、 電流から磁束鎖^ Ψを推定する 回路は、 図 1 9に示すよ うに、 回転角および電流と磁束鎖 Ψとの非線形関数を組み込んでなり、 検出 された回転角に応じて、 電流値 ίから磁束鎖 数 Ψを算出することができるよう になっている。
差動巻線 (すなわち半 向カ 巻線) を設ける第 3の方式では、 図 1 7 に示されるシステム 1〜 3は以下のように対応する。
図 1 7におけるシステム 1では、 ί が ®J巻線 m> となる。 図 1 7における システム 2では、 差動巻線電流を i s とすると、
1ノー i -2= ( i A2+ i s2) - ( i A2- i s2)
=2 i A2 + 4 i A · i s +2 i s 2となり、
この関係から、
2 i A2 + 4 i A · i s +2 i s2- ( i + 2- i -e) =0となる。
この式を解いて ( i + 2- i - z) より i s を算出すればよい。 このため、
+ 2
一 i ey2の演算は省略してもよい
一方、 システム 2におけるコントローラの形式を変えずに、 コントローラの出 力を i S として、 、 i ay— を検出してもよい。
図 1 7におけるシステム 3では、 コントローラの出力を i s とするのがよい。
Ψ+ および Ψ—の演算では、 i は検出値でも良く、 i s*も検出値を用いてもよ い。
前記第 2の方式では、 図 1 7におけるシステム 1〜3において、 i aY+ 、 i Βγ"力 i β,、 i β2に対 する。 前記第 4の ^は、 第 3の方式と同様である。
ところで、 システム 1〜3では、 ί が 0あるいは小さいときには、 れぞれ し i s\ i が大きくなる。 i Α· > ( ί s*または ί ) 付近に i s*、 iを抑制す る。 すなわち、 i あるいは iが i Α こ近いということは、 ^の極あるいは相で 発生可能な半径方向力よりも F * が大きい際に発生する。 このようなときには、 回転機のコントローラに信号を送り、 磁束レベルを上げる必要がある。
このような状況を避けるために、 図 2 0に示されるように、 回転軸の X方向の 位置および回転軸の丫方向の位置を検出する検出器 (偏位検出器) から、 半径方 向位置についてのデータが半^向位置コントローラ 1 0に入力され、 この半径 方向位置コントローラ 1 0により半 ^向力指令値 F a * 、 F jB * を決定し、 こ れらの半 向力指令値 F a * 、 F /3 * を半径方向力ベクトル分配器 1 1に出力 し、 この半径方向力ベクトル分配器 1 1で必要な半径方向力をベクトル分解す る。
このとき、 各相の磁束レベルを照会し、 ¾ ^可能なベクトルに分解する必要が ある。
レベルが不足する場合には、 回転機コントローラ 1 2に磁束レベル増加要 求を指令する。指令を受けた回転機コントローラ 1 2は、 トルク分は変化させず に磁束レベルを増加させる電流^値 ί 、 i i c*を発生させ、 出力する。 この電流指令値 ί 、 i i と、 半 向力ベクトル分配器 1 1から出力さ れる三方向の半径方向力 F 、 F 、 F とが、 図 1 7に示されるシステム 1〜 3のいずれかを内蔵する半径方向力コントローラ 1 3に出力され、 半径方向カコ ン卜ローラ 1 3からたとえば Y +方向および Y—方向の半径方向力発^ ^巻線に 流し込む電流指令値 i » Υ+、 i a y " を出力する。 このようにして必要な半 向 力を^させることができる。
なお、 図 2 0において、 速度コントローラ 1 3は回転子の回転速度を検出する 速度検出器から出力される速度検出データを入力して、 所定の回^!度にするた めのトルクを決定してトルク指令値を出力する。 また、 インバータ O NZO F F 指令器 1 4は、 回転機コントローラ 1 2から出力される 齢値 i A*、 i B i c *を入力して、 インバー夕に 0 N、 O F Fの切替を指令する信号を出力す る。
なお、 iiLhの方式を簡単化することもできる。 すなわち、 予め半訪向力 用巻線に流し込む の¾ ^可能な MM Fあるいは磁束を計算し、 この磁束よリ 小さい amレベルにならないように、 回転機側で電¾ 令を発生させればよい。 発生すべき半訪向力が小さくても良い には、 この手法は棚である。 この 手法では、 磁束レベル増加要求は不用になる。 この手法は、 磁束レベル増加が予 め ¾ ^しないように回転機をコン卜ロールすることに等しい。
第 2の手法に属する第 5の方式は、 固定子の全^!を 4つの群に分け、 4つの 群の内一の群に属する突極とこれら に相対向する位置にある他の群に属する 突極とを集中巻きしてなる。
たとえば、 図 2 1および図 2 2に示されるように、 固定子 2に 1 2個の突極 1 が形成されている場合に、 隣接する 3個ずつの突極 1を選択して 4つの群に分 け、 所定の 3個の 1とこれに相対向する位置にある 3個の 1とに巻線を 集中巻きする。 この図 2 1および図 2 2においては、 相対向する突極 1同士に巻 線が集中巻きされてなる。 この図 2 1および図 2 2に示される集中巻きによる と、 6個の半径方向力発生用巻線①〜⑥が形成され、 1 2本の配線が必要にな る。 して、 に制御された電流が^ 向力^ ffl巻線 Φ~®に流し込ま れる。通電される電流は図 2 1および図 2 2における巻線方向と一致する。 怪方向力 ¾ ^巻線 ( ~(Dに流される m ^値を制御することにより、 ^^向 力 巻線0)~(|)によリ¾ ^する半^向力のべクトル和として、 所定の方向 に向かう半径方向力が発生する。 このような集中巻きによると、 名半^向力発 生用巻線①〜⑥に流される電流の瞬 随から半 向べク卜ルを演算することに より、 i^tf度に効率良く半^向力を 主させることができる。
集中巻きの方法としては、 図 2 3および図 2 4に示されるように隣接する 3個 の突極に倦回される巻線を相互に直列に結合して 2個の半径方向力発生用巻線 ①、 ②を形成する。 この 2個の半訪向カ姓用巻線①、 ②に流される職を独 立に制御することにより、 各巻線によリ^する半^向力のべクトル和として の半^向力が する。 このような集中巻きによると、 が 4本で済むとい う利点がある。 半径方向力を発生させるための第 2の手法に属する第 6の方式は、 たとえば図 2 5に示すように、 固定子 2における 亟 1間のスロッ卜 8とこのスロット 8に 対向する位置にあるスロッ卜 8とに分布巻きの半 向力^ ffl巻線 6を施し、 この半径方向力発^巻線 6と直交する方向に分布巻きの半^向力 ¾ ^巻線 6を、 スロッ卜 8とこのスロッ卜 8に対向する位置にあるスロッ卜 8とに施すこ とである。
一般的に言うと、 内側に碰の势】を有する固定子に、 任意の^ ϋ間のスロッ 卜と^のスロッ卜に対向する位置にある他のスロットとに分布巻きの第 1の半径 方向力発^巻線を設け、 この第 1の半径方向力発^巻線を形成するために利 用された一対のスロッ卜に対し Ε5ΐする方向に位置し、 互いに対向した位置にあ る一対のスロッ卜に分布巻きの第 2の半訪向カ ¾ ^巻線を設けるのが、 第 6 の方式である。
この第 6の方式においては、 2個の半^向力 ¾ ^巻線 6が設けられ、 たと えば図 2 5に示されるように、 2個の半^^向力^ ffl巻線 6に対し、 一方の半 径方向力 ¾ ^巻線 6に + i γの^を流し、 の半^向力 ¾ ^巻線 6には i X — i Υの電流を流す。 X軸方向に向かう半径方向力 F xは電流 i X に 比例し、 Y軸方向に向かう半径方向力 F Yは電流 i Y に比例する。
この第 6の:^:によると、 2個の半 m^"向力 巻線を設けるので、 が 4本で済み、 また巻線を設けるスロットが 4か所だけであるから、 この方式によ るスィツチドリラクタンス回転機の i«iが容易になる。
第 2の手法に属する第 7の方式は、 内側に複数の^^を有する固定子に、 任意 の とこの に対向する位置にある とを選択し、 これら一対の に隣 接する一方の側の一対のスロッ卜に分布巻きの第 1の半径方向力発生用巻線を設 け、 前記一対の势】に隣接する一方の側の一対のスロツ卜に分布巻きの第 2の半 径方向力 ¾ ^巻線を設け、 これら第 1および第 2の半 向力 ¾ ^用巻線を形 成するのに利用された突極に直交する方向に位置し、 互いに対向する位置にある 一対の突極に隣接する一方の側の一対のスロットに分布巻きの第 3の半径方向力 発^ ffl巻線を設け、 前記一対の势】に隣接する他方の側の一対のスロッ卜に分布 巻きの第 4の半^向力発 巻線を設けることである。 具体的には、 たとえば図 2 6および図 2 7に示されるように、 第 1〜第 4の半 径方向力発^巻線①〜④は次のようにして倦回される。 すなわち、 たとえば図 2 6に示されるように、 第 1の半径方向力発生用巻線①は、 固定子 2における 1 2個の突極 1のうちたとえば Y方向にある 1個の突極 1とこの突極 1に対向す る位置にある他の 1 との一対の 1, 1を選択し、 この一対の 5^11, 1 に隣接し、 かつ回転軸方向から見て一方の同じ側に位置する一対のスロット 8に 分布巻きとなるように倦回されてなり、 第 2の半径方向力発^巻線②は、 前記 第 1の半訪向カ発^ ffl巻線①と隣合うように倦回される。 この第 2の半訪向 力発^巻線②は、 前記第 1の半径方向力発生用巻線①の形成に使用される一対 のスロット 8に対し前記一対の突極 1, 1を挟んで反対側に位置する一対のス ロット 8に分布巻きとなるように倦回されてなる。 この第 1の半 向力 巻線①と第 2の半 向カ ¾ ^巻線②とには、 同じ方向に が流される。 一方、 第 3の半径方向力発^ ffl巻線③は、 前記第 1および第 2の半径方向力発 生用巻線①, ②を形成するのに利用された一対の 1, 1に対して ϋ ^する方 向、 たとえば図 2 7に示すように X方向に位置する 1個の^ gl 1とこの 1に 対向する位置にある他の 1との一対の 1 ' 1を選択し、 この一対の^ EI 1, 1に隣接し、 かつ回転軸方向から見て一方の同じ側に位置する一対のスロッ 卜 8に分布巻きとなるように倦回されてなリ、 第 4の半径方向力発生用巻線④ は、 前記第 3の半 向力 ¾ ^巻線③と隣合うように倦回される。 この第 4の 半径方向力発生用巻線④は、 前記第 3の半径方向力発^巻線③の形成に使用さ れる一対のスロット 8に対し前記一対の 1, 1を挟んで反対側に位置する一 対のスロット 8に分布巻きとなるように倦回されてなる。 この第 3の半径方向力 発 巻線③と第 4の半 向カ ¾ ^巻線④とには、 同じ方向に電流が流され る。 (例 1 )
図 2 8は、 この発明の一実施例であるスィツチドリラクタンス電動機を示す概 略説明図である。
図 2 8に示されるように、 このスィッチドリラクタンス電動機 2 1は、 4個の 突極を互いに ϋ5ΐする方向に配置した回^ ΐ 2 2と、 6個の を互いに 6 0度 の中心角をなすように配置した固定子 2 3とを有する。
回転子 2 2の中心には回転軸 2 0が挿通されている。
卜ルク^ ffl巻線 2 4に通電される の流 ¾^向として、 第 1の^ (12 3 a については固定子 2 3の外側から回転中心方向に見て時計方向であり、 第 2の突 極 2 3 bについては同様に見て反時計方向であり、 第 3の突極 2 3 cについては 同様に見て時計方向であり、 第 4の突極 2 3 dについては同様に見て反時計方向 であり、 第 5の 2 3 eについては同様に見て時計方向巻きであり、 第 6の突 極 2 3 f については同様に見て反時計方向巻きである。
トルク^ ffl巻線 2 4の結線状態として、 第 1の^ 112 3 aに倦回された卜ル ク発^ ffl巻線 2 4と第 1の 2 3 aに相対向して配置された第 4の 2 3 d に倦回された卜ルク^用巻線 2 4とが結線され、 第 1の突極 2 3 aに倦回され たトルク発生用巻線 2 4のコイル他端と第 4の突極 2 3 dに倦回されたトルク発 生用巻線 2 4のコイルlfi¾とが電源に接続される。 第 2の魏 2 3 bに倦回され たトルク^ ffl巻線 2 4と第 2 ( 2 3 bに相対向して配置された第 5の 2 3 eに倦回されたトルク発^巻線 2 4とが結線され、 第 2の突極 2 3 bに倦 回された卜ルク^ ffl巻線 2 4のコイル flfi¾と第 5の^ ϋ2 3 eに倦回された卜 ルク^ ffl巻線 2 4のコイル觸とが に接続される。 第 3の^ 2 3 cに倦 回されたトルク発^ ffl巻線 2 4と第 3の菊 ¾12 3 cに相対向して配置された第 6 の突極 2 3 f に倦回されたトルク発生用巻線 2 4とが結線され、 第 3の突極 2 3 cに倦回された卜ルク^ ffl巻線 2 4のコイル と第 6の^ 12 3 f に倦 回されたトルク発 ^巻線 2 4のコイル fWとが電源に接続される。
半 ^向力 ¾ ^巻線 2 5の巻線状態として、 第 1〜6の全ての突極 2 3 a〜 2 3 f については固定子 2 3の外側から回転中心方向に見て反時計方向巻きであ リ、 この方向に電流が流れる。 半^向力 巻線 2 5の結線状態として、 第 1の^ 2 3 aに倦回された 半^向力 巻線 2 5と第 1の 2 3 aに相対向して配置された第 4の突 極 2 3 dに倦回された半^向力 ¾ ^巻線 2 5とが,接続される。 第 2の突 極 2 3 bに倦回された半径方向力発^巻線 2 5と第 2の突極 2 3 bに相対向し て配置された第 5の突極 2 3 eに倦回された半径方向力発^巻線 2 5とが直列 に結線される。第 3の突極 2 3 cに倦回された半径方向力発^巻線 2 5と第 3 の突極 2 3 cに相対向して配置された第 6の突極 2 3 f に倦回された半径方向力 発^ ffl巻線 2 5とが直列に結線される。
電源 2 6は、 直流を含んだ歪波電流を前記卜ルク^ ffl巻線 2 4に供給するこ とができるように形成される。 この実施例においては、 電源 2 6は直流電源 2 6 aとインバー夕 2 6 bとで形成される。 このインバータ 2 6 bからは ^角 が 3 0度異なる 3相の前 波電流が出力される。
上記構成のスィッチドリラクタンス電動機 2 1は以下のように作用する。 インバータ 2 6 bから 3相の前 が出力されることにより固定子 2 3 に回転磁界が ¾ ^して回^ F2 2が回転する。
回転子 2 2の回転中に^の回転軸が変位して、 たとえば回転子 2 2の突極が固 定子 2 3の第 1の^ 12 3 aに近接し、 ft^、 回^ ί 2 2の^ ϋが固定子 2 3の 第 4の^ 2 3 dから離反したとする。 ^うすると、 第 1の突極 2 3 aにおける 半径方向力発^巻線 2 5中に電流が流れて第 1の突極 2 3 aにおける磁界が弱 まり、 他方第 4の突極 2 3 dにおける半径方向力発^巻線 2 5中では第 4の突 極 2 3 dに ¾ ^する磁界を強めるように m> が流れるので、 回^ ^ 2の^ が 第 1の突極 2 3 aに接近するように回転軸が変位しても、 ^の変位が解消され て、 回転軸の回転中心が元の位置に戻る。
回 2 2の回転軸がどの方向に変位しても ±ίΕした作用が行われ、 結局のと ころ、 回転軸の変位が是正される。
この実施例に示される電動機であると、 ω sam力により主軸をラジアル方向 に支持することが可能である、 (2) 半径方向力 ¾ ^巻線 2 5に通電する Ε、 電流が少なくて済む等の^ないし利点がある。
前言 施例においては回転子 2 2の の数は 4個であり、 固定子 2 3 (D は 6個であつたが、 この発明においては、 固定子 2 3の突極の数 Nと回転子 2 2 の の数 n (ただし nは 2 J^±の ^[である。 ) との関係が N = n ± 2を満た す限り、 回転子 2 2の突極の数および固定子 2 3の突極の数に制限はない。 な お、 このような回転子の突極の数および固定子の突極の数についての前記関係 は、 以下の例 2および例 3を含むこの発明 において する。
なお、 半^向力 ¾ ^用巻線に接続されるィンバータなどを省略して単に短絡 あるレゝは受動素子回路を接続することにより特定の回^!^で 力によリ軸支 持が可能になる。
(例 2 )
図 2 9はこの発明の一実施例であるスィツチドリラクタンス電動機 (以下にお いて電動機と略称する。 ) を示す。 なお、 図 2 9において、 図 2 8に示されたの と同じ機能を有する部材については図 2 8においてlffiした番号を使用した。 図 2 9に示すように、 このスィッチドリラクタンス電動機 2 1 aは、 4個の突 極を互いに! ^する方向に配置した回^? 2 2と、 6個の を互いに 6 0度の 中心角をなすように配置した固定子 2 3と、 2個の変位検出センサー 2 7 a , 2 7 bと、 電源 2 8 a, 2 8 bと、 制御部 2 9とを有する。
回転子 2 2の中心には回転軸が挿通されている。
固定子 2 3の 6個の突極においては れらの内の 2個が互いに相対向するよう に配置される。 固定子 2 3の各魏には、 トルク ¾ ^巻線 2 4が倦回され、 か つ半 向力 ¾ ^巻線 2 5が倦回される。
トルク発 ^巻線 2 4の電流 ¾5E ^向および結線状態は前記例 1におけるのと 同様であるが、 トルク発 巻線 2 4の端末は、 電源の一部であるスィッチドリ ラクタンス機用インバーター 2 8 aに接続される。
半径方向力発 ^巻線 2 5の巻線状態は前記例 1におけるのと同様であるが、 半径方向力発^ ffl巻線 2 5の端末は制御部 2 9に接続される。 この場合、 半径方 向力発生用巻線 2 5は、 3相の交流が印加されるように、 電源の一部であるイン バータ 2 8 bに接続されている。
電源は、 トルク発生用巻線 2 4に直流を含んだ 3相の歪波電流を出力するス イッチドリラクタンス機用ィンバーター 2 8 aと、 半 向力 ¾ ^巻線 2 5に 3相の 5 & を出力するインバー夕 8 bとを有する。
2個の変位センサー 2 7 a , 2 7 bの内 1個の変位センサー (第 1変位セン サー 2 7 aと略称する。 ) は回^? 2 2の回転軸の^向である X方向に位置す る固定子 2 3に配置され、 回^? 2 2が X方向に変位する回転軸の位置を検出し て測定して検出信号を制御部 2 9に出力し、 他の変位センサー (第 2変位セン サー 2 7 bと略称する。 ) は回転子 2 2の回転軸の径方向である y方向に位置す る固定子 2 3に配置され、 回^ 2 2が y方向に変位する回転軸の位置を検出、 測定して検出信号を制御部に出力する。
制御部 2 9は予め設定された回転子 2 2の回転軸の中心位置と回転子 2 2の回 転軸の変位位置とから変位量を算出し、 の変 fiZMを 0にするために半 向力 発^巻線 2 5に出力する所定 値および所定電流値を算出し、 ^のような電 流を出力するべく指示信号をインバー夕 2 8 bに出力するように構成される。 こ の実施例では、 基準信号出力部(図示せず。 ) と、 麟処理部 2 9 aと、 増幅部 2 9 bと、 ゲイン調整 ·相^部 2 9 cとを有する。
前記基準信号出力部は、 回転子 2 2の回転軸についての予め設定された基準信 号であるところの、 X方向の位羞を示す^信号として α * を、 y方向の位置を 示す 信号として * を^れぞれ出力する。 処理部 2 9 aは、 第 1変位セ ンサー 2 7 aから出力されるところの、 回転軸の X方向位置を示す検出信号 αを 入力して前記基準信号 と検出信号 αとの減算処理 ( α * - α ) を行い、 ま た、 第 2変位センサー 2 7 bから出力されるところの、 回転軸の y方向位置を示 す検出信号 を入力して前記 信号 * と検出信号) 9との m^S ( β *一 β ) を行うように I ^される。増幅部 2 9 bは、 前^^ 部2 9 3で得られた ところの回転軸の変 を示す誤 i言号 εな、 ε を増幅するように構成され、 この実施例では比例積分微分コントローラで構成されて 信号 εを ^の周波数 に応じて増幅し、 半径方向の力を示す指令値 F , F JB * を出力するように なっている。 ゲイン調整'相^部 2 9 cは、 前言 S指令値 F ot * , F ^ * を入力 して半径方向力発生用巻線 2 5に出力する電圧瞬時値および Z電流瞬時値を算 出して前記インバー夕 2 8 bに指示信号 ( ί u 、 i v 2 * 、 i w ) を出力す る。 前記ィンバーターは制御部 2 9からの指示信号に基づいて半径方向力発生用 巻線 2 5に所定の電圧瞬時値およびノ電流瞬時値を有する正負両方向の電流 (
1 u 2、 i v 2、 i WE) を供給する。
上記構成の電動機においては、 次のように作用して回 2 2の回転軸の変位 が是正される。
図 3 0に示すように、 固定子 2 3の突極に倦回されているトルク発^ ffl巻線 2 4にスィッチドリラクタンス機用ィンバーター 2 8 aから、 直 ¾ί減分を含んだ歪 波電流が通電される。 電流は一方向であるから各トルク発生用巻線 2 4には図 3 0に示された方向に電流が流れているか、 あるいは 0である。 したがって、 6 個の磁極の内 a + 、 b + および c +は常に S極に励磁される。一方、 a―、 b— および c—は N極に励磁される。 今、 半訪向カ 巻線 2 5にインバータか ら JE^向の電流を流すとトルク発^ ffl巻線 2 4と等しい方向に m ^が流れるので 磁束が強め合い磁束密度が高くなる。 一方、 a " の磁極ではトルク発生用巻線
2 4と半径方向力発^巻線 2 5の起磁力方向が反対であるので磁束が弱められ 磁束密度が低下する。 ^の結果、 回転子 2 2には、 a +の磁極に吸引される力が 発生する。 すなわち、 図 3 0において、 F aで示す方向の半径方向力が発生す る。
また、 F aとは反対方向に向く半 向の力 (半 向力とも言う。 ) を ¾^ させるには、 半径方向力発生用巻線 2 5に逆方向の電流を通電する。 したがつ て、 トルク発^ ffl巻線 2 4に通電される電流の方向は一方向であるが、 半訪向 力発^巻線 2 5に通電される電流は両方向である。
上記したのと同様の原理にて、 図 3 0中の b、 cについてのトルク ¾ ^巻線 2 4と半径方向力発生用巻線 2 5により発生する磁束の相互作用により F b方 向、 F c方向およびこれらとは反対方向の力を ¾ ^させることができる。 これら の半径方向に向ぐ力すなわち半径方向力のべクトルの大きさを制御することによ リベクトル合成の結果として回^ ^2 2に発生する半径方向力の大きさと方向と を制御することができる。
もし、 卜ルク^ ffl巻線 2 4に通電される電流が 0であると、 半径方向力はべ クトルの方向には発生しない。 こで、 少なくとも 2つの相の電流を 0とならな いようにすることにより、 常に 2方向の半^向力べクトルを^させることが でき、 ^の結果、 回 2に作用する半 ^向力の大きさと方向とを任意に選 択することができる。
この実施例では、 回転子 2 2が高速で回転しているときに^の回転軸が変位し た場合に上記 USによって の変位が解消される。
この例においては、 半径方向力発 ^巻線 2 5がトルク発^巻線 2 4に対し て差動形になっているという を有する。 この点から、 この例に示される miij 機は以下のような利点ないし! ^がある。 (1 ) トルク^ ffl巻線 2 4の磁束によ る誘起起 mmが ¾ ^しない。 このために半^向力 ¾ ^巻線 2 5に必要な端子 電圧が極めて小さくて済み、 大電力を使用せずに済む。 (2) 半径方向力を^さ せる必要のないときには、 半^向力発^ ^巻線 2 5に通電する電流はゼロで済 み、 バイアス m> を印加する必要が全くない。 れだけ mm的構成を簡素化する ことができる。 (3) 醜数が少なくて済むという利点がある。各跡】の巻線に正 負両方向の mmを印加して電流を itrnこ制御しょうとすると、 ィンバータとの配 線は 1 2本必要になるが、 この実施例では、 トルク ¾ ^巻線 2 4に 6本の と半^向力 ¾ ^巻線 3本を追加するだけで良い。 (4) 所要^ ϋ容量が小さ くて済むという利点がある。 各 «3趣の巻線に ΙΕΜ両方向の電圧を印加して電流を 独立に制御しょうとすると、 各巻線毎に を するための 的容量の大き レ、 体電力 装置が必要であリ、 しかも浮上制御しょうとすると高速かつ高 精度の電¾5答が必要であるところ、 この実施例では電源として従来のインバ一 タ特に miSFミインバータで+ ^である。 (5) 回^? 2 2の回転中心の変 が小 さなときには、 半径方向力はほぼトルク ¾ ^巻線 2 4の電流と半径方向力 用巻線 2 5の ^ ^とこれらの相互ィンダクタンスの半^向に対する位置の偏微 分の積になる。 このため、 従来方式に hhSiして、 回転中心付近の広い範囲で線形 性が良い。 (6) 図 3 0に示されるように c相のトルク発^巻線 2 4の巻き方向 にすると、 回^? 2 2を通る磁束の方向の交番が少なくなリ鉄損が小さいという 特長がある。 もっとも、 図 2 8に示されるように、 c相の卜ルク^用巻線 2 4 を逆向きに接続されている場合には、 鉄損が多少あるものの三相対称で簡単であ るという^がある。 (例 3 )
この例は変位センサーを fflせず、 フィードフ才ヮ一ド制御によリ固定子 2 3 鉄心製作上の誤差、 巻線の相間の などに起因して生じる半 m^r向力をキャン セルしょうとするスィッチドリラクタンス¾1)機 (単に il)機と略称する。 ) に 関する。
図 3 1に示されるように、 このスィッチドリラクタンス電動機 2 1 bには、 固 定子 2 3に変位センサ一が設けられず、 卜ルク^ ffl巻線 2 4に通電される mE 値おょひノまたは電流値を観測し、 かつ半径方向力発^ ffl巻線 2 5に通電される 電圧値および Zまたは電流値を節則することにより、 回^? 2 2に生じる変 fi!M を検出する変位観測器 1 0を有することのほかは前記例 2と同様の構成を有す る。
この図 3 1に示される電動機においては前記例 2で示されるような特長ないし 禾 IJ点を有する外に(1 ) センサーが不要である、 (2) 構成が単純である、 (3) コス 卜が低い、 (4) 信頼性が高い、 (5) 小型化を図ることができるという!!^ないし 利点がある。 産業上の利用可能性
(1 ) この発明によると回 の回転軸を電磁力により支持することができ、 し かも回転軸の変位を是正するので、 電磁振動がなく、 超高速回転可能なスィッチ ドリラクタンス回転機を提供することができる。
(2) この発明によると、 上記 (1 ) の技術的効果の外に、 半^向力^ ffl巻線 に通電する電圧、 電流が少なくて済むから、 小型のスィッチドリラク夕ンス回転 機とすることができる。
(3) この発明によると、 上記 (1 ) の技術的効果の外に、 精密でアクティブな磁 気支持が可能である。
(3) この発明によると、 上記 (1 ) の技術的効果の外に、 固定子に変位センサー を設ける必要がないので、 この点において装置構成の簡単化を図ることができ、 低コスト化、 高信頼性を達成することができる。

Claims

請求の範囲
1 . 複数の を備えた回^と、 該回^?を囲んで配置され、 かっ^ 備 えた固定子と、 前記固定子の^れぞれの に設けられた巻線と、 前記回 に トルクを させ、 かつ前記回 に半 向カを ¾ ^させるように巻線に通電 する電流を制御する電流制御装置とを備えてなることを特徴とするスィッチドリ ラク夕ンス回転機。
2. 前記巻線は、 ^れ れ独立に通電可能に各固定子の突極に^れぞれ独立に 倦回されてなり、 前記電流制御装置は、 半径方向力を発生するように、 各巻線に 通電される電流を に制御可能に形成されてなる前記請求項 1に i己載のスィッ チドリラク夕ンス回転機。
3 . 前言己巻線は、 itelに通電可能な複数組の巻線群からなり、 前記電流制御装 置は、 半径方向力を発生するように、 前記巻線群に通電される電流を独立に制御 可能に形成されてなる前記請求項 1に ΞΙ¾のスイッチドリラクタンス回転機。
4 . 複数の を備えた回^ Fと、 該回^を囲んで配置され、 かつ麵を備 えた固定子と、 前言己固定子の^れ れの突極に設けられ、 かつ前記回転子に回転 トルクを^させる卜ルク^ ffl巻線とを有するスィッチドリラクタンス回転機 において、
前記固定子の突極^れぞれに、 回転子を ism浮上可能にこの回転子に対して半 怪方向力を付与する半径方向力 ¾ ^巻線を設けてなることを特徴とするスイツ チドリラクタンス回転機。
5. 前記回^?の半径方向における偏位を検出する偏位検出器と、 前記偏 fa 出器よリ出力される検出信号を入力して、 前記半 向力 巻線に制御信号 を出力する制御部とを有することを とする前記請求項 4に言^のスィッチド リラクタンス回転機。
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