特表 2024-522920 電磁軸受を備えた電気機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-06-21

(54)【発明の名称】電磁軸受を備えた電気機械

(51)【国際特許分類】

   H02P 27/06 20060101AFI20240614BHJP

【ＦＩ】

H02P27/06

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023580646

(86)(22)【出願日】2022-06-28

(85)【翻訳文提出日】2024-02-21

(86)【国際出願番号】 EP2022067804

(87)【国際公開番号】W WO2023275096

(87)【国際公開日】2023-01-05

(31)【優先権主張番号】21182211.9

(32)【優先日】2021-06-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】508246076

【氏名又は名称】ウニヴェルシテ カトリック ド ルヴァン

【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＥ ＣＡＴＨＯＬＩＱＵＥ ＤＥ ＬＯＵＶＡＩＮ

【住所又は居所原語表記】Ｐｌａｃｅ ｄｅ ｌ’Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｅ １，Ｂ－１３４８ Ｌｏｕｖａｉｎ－ｌａ－Ｎｅｕｖｅ，Ｂｅｌｇｉｕｍ

(74)【代理人】

【識別番号】100121728

【弁理士】

【氏名又は名称】井関 勝守

(74)【代理人】

【識別番号】100165803

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 修平

(74)【代理人】

【識別番号】100179648

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 咲江

(74)【代理人】

【識別番号】100222885

【弁理士】

【氏名又は名称】早川 康

(74)【代理人】

【識別番号】100140338

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100227695

【弁理士】

【氏名又は名称】有川 智章

(74)【代理人】

【識別番号】100170896

【弁理士】

【氏名又は名称】寺薗 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100219313

【弁理士】

【氏名又は名称】米口 麻子

(74)【代理人】

【識別番号】100161610

【弁理士】

【氏名又は名称】藤野 香子

(72)【発明者】

【氏名】デーズ，ブルーノ

(72)【発明者】

【氏名】ファン フェルデグヘム，ヨアヒム

【テーマコード（参考）】

5H505

【Ｆターム（参考）】

5H505AA01

5H505AA04

5H505AA30

5H505BB06

5H505DD03

5H505DD08

5H505EE41

5H505GG02

5H505HB01

5H505HB05

5H505JJ03

5H505JJ24

5H505KK05

5H505LL01

5H505LL41

5H505LL55

(57)【要約】

電気機械は、磁界が発生するロータと、ロータから発生する磁界と相互作用する磁界を発生するステータとを含む。ステータは、ロータに対して対称に配置された一対の巻線を含む。ロータの変位は、一対の巻線のうちの一方においてロータによって誘導される磁束の増加と、他方においてロータによって誘導される磁束の減少とを引き起こす。電気機械は、アクティブ電磁軸受モードでは、一対の巻線の一方にサスペンション信号成分を印加することにより、ステータによって生成される磁界が、ロータから発生する磁界との相互作用を通じて、ロータにサスペンション力を及ぼす。パッシブ電磁軸受モードでは、ステータの一対の巻線を相互接続し、一対の巻線の一方における磁束の増加と他方における磁束の減少とにより、一対の巻線にサスペンション電流を発生させることにより、ステータによって生成される磁界が、ロータの変位を打ち消す復元力をロータに及ぼす。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電磁軸受を備えた電気機械（３００、８００）であって、
磁界が発生するロータ（３０３、８０３）と、
前記ロータから発生する磁界と相互作用する磁界を生成するように適合されたステータであって、該ステータは、前記ロータに対して対称に配置された一対の巻線（３０４、３０５；８０４、８０５）を含み、前記ロータの変位が、前記一対の巻線のうちの一方の巻線において前記ロータによって誘導される磁束の大きさの増加と、前記一対の巻線のうちの他方の巻線において前記ロータによって誘導される磁束の大きさの減少とを引き起こすステータと、
アクティブ電磁軸受モードで動作するように適合された駆動装置（３０１、８０１）であって、該駆動装置は、アクティブ電磁軸受モードにおいて、前記一対の巻線のうちの少なくとも１つの巻線にサスペンション信号成分を印加し、これにより、前記ステータによって生成される磁界が、前記ロータから発生する磁界との相互作用を通じて前記ロータにサスペンション力を及ぼす成分を有するようになる駆動装置と、を含み、
前記駆動装置は、さらに、パッシブ電磁軸受モードで動作するように適合されており、該駆動装置は、パッシブ電磁軸受モードにおいて、前記ステータの前記一対の巻線を互いに相互接続し、前記一対の巻線の前記一方の巻線における磁束の大きさの増加と前記他方の巻線における磁束の大きさの減少とにより、前記一対の巻線にサスペンション電流を発生させて、前記ステータによって生成される磁界は、前記変位を打ち消す復元力を前記ロータに及ぼす成分を有するようになる、電磁軸受を備えた電気機械。

【請求項2】

前記一対の巻線（３０４、３０５；８０４、８０５）は、パッシブ電磁軸受モードにおいて、前記復元力が前記ロータの軸方向変位を打ち消すように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。

【請求項3】

前記駆動装置（３０１、８０１）は、前記一対の巻線のうちの少なくとも１つの巻線に駆動信号成分を印加するように適合されており、これにより、前記ステータによって生成される磁界は、前記ロータから発生する磁界との相互作用を通じて前記ロータにトルクを及ぼす成分を有するようになる、請求項１または２に記載の電気機械。

【請求項4】

前記駆動装置（３０１、８０１）は、アクティブ電磁軸受モードにおいて、前記ステータの前記一対の巻線（３０４、３０５；８０４、８０５）のうちの単一の巻線（３０４、８０４）にサスペンション信号成分と駆動信号成分とを共同で印加するように適合されていることを特徴とする、請求項３に記載の電気機械。

【請求項5】

アクティブ電磁軸受モードにおいて、前記ステータの前記一対の巻線（３０４、３０５；８０４、８０５）の他方の巻線（３０５、８０５）を、前記ロータ（３０３、８０３）の変位を測定するセンサの一部として使用するように適合されている、請求項４に記載の電気機械。

【請求項6】

前記駆動装置（３０１、８０１）は、前記電気機械の少なくとも１つの動作状態に応じて、アクティブ電磁軸受モードまたはパッシブ電磁軸受モードで前記駆動装置を動作させるように適合されたコントローラ（３０６、８０６）を備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の電気機械。

【請求項7】

前記コントローラ（３０６、８０６）は、前記ロータ（３０３、８０３）が閾値速度未満の回転速度を有する場合には、前記駆動装置をアクティブ電磁軸受モードで動作させ、前記ロータが閾値速度を超える回転速度を有する場合には、パッシブ電磁軸受モードで動作させるように適合されている、請求項６に記載の電気機械。

【請求項8】

前記電気機械は、前記ロータの角度位置、前記ロータの回転速度、前記ロータの軸方向位置、および前記ステータの前記一対の巻線における信号の特性のうちの少なくとも１つの指示を、前記コントローラ（３０６、８０６）に提供するように適合された少なくとも１つのセンサを備えることを特徴とする、請求項６または７に記載の電気機械において電気機械。

【請求項9】

前記コントローラ（３０６、８０６）は、パッシブ電磁軸受モードからアクティブ電磁軸受モードへの切り替え時に、前記ロータ（３０３、８０３）に作用する軸方向力を考慮するように適合されている、請求項８に記載の電気機械。

【請求項10】

前記コントローラ（３０６、８０６）は、パッシブ電磁軸受モードにおいて前記ロータ（３０３、８０３）が安定する軸方向位置を推定し、該軸方向位置をアクティブ電磁軸受モードにおける設定点として適用するように適合されている、請求項８または９に記載の電気機械。

【請求項11】

前記コントローラ（３０６、８０６）は、アクティブ電磁軸受モードにおける前記駆動装置の故障の検出時に、前記駆動装置をパッシブ電磁軸受モードで動作させるように適合されている、請求項６から１０のいずれか一項に記載の電気機械。

【請求項12】

前記駆動装置（３０１）は、２つのＮ相インバータ（３０９、３１０）を含み、これにより、
アクティブ電磁軸受モードにおいて、前記２つのＮ相インバータの一方（３０９）は、前記一対の巻線のうちの一方の巻線（３０４）に結合され、他方のＮ相インバータ（３１０）は、前記一対の巻線のうちの他方の巻線（３０５）に結合され、
パッシブ電磁軸受モードにおいて、前記ステータの前記一対の巻線は相互接続され、前記２つのＮ相インバータの少なくとも１つは、相互接続された前記一対の巻線に結合されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の電気機械。

【請求項13】

前記電気機械は、前記２つのＮ相インバータ（３０９、３１０）のうちのＮ相インバータの故障を検出し、アクティブ電磁軸受モードにおいて、前記Ｎ相インバータが故障していなければ結合されている前記ステータの前記巻線から前記Ｎ相インバータを切り離すように適合されていることを特徴とする、請求項１２に記載の電気機械。

【請求項14】

請求項１から１３のいずれか一項に記載の電気機械（３００）を含む、電気機械システム。

【請求項15】

電磁軸受を備えた電気機械（３００、８００）を動作させる方法であって、該電気機械は、
磁界が発生するロータ（３０３、８０３）と、
前記ロータから発生する磁界と相互作用する磁界を生成するように適合されたステータであって、該ステータは、前記ロータに対して対称に配置された一対の巻線（３０４、３０５；８０４、８０５）を含み、前記ロータの変位が、前記一対の巻線のうちの一方の巻線において前記ロータによって誘導される磁束の大きさの増加と、前記一対の巻線のうちの他方の巻線において前記ロータによって誘導される磁束の大きさの減少とを引き起こすステータと、を含み、
前記方法は、駆動装置（３０１、８０１）について、
前記駆動装置が、前記一対の巻線のうちの少なくとも１つの巻線にサスペンション信号成分を印加し、これにより、前記ステータによって生成される磁界が、前記ロータから発生する磁界との相互作用を通じて前記ロータにサスペンション力を及ぼす成分を有するようになる、アクティブ電磁軸受モードと、
前記駆動装置が、前記ステータの前記一対の巻線を互いに相互接続し、前記一対の巻線の前記一方の巻線における磁束の大きさの増加と前記他方の巻線における磁束の大きさの減少とにより、前記一対の巻線にサスペンション電流を発生させて、前記ステータによって生成される磁界は、前記変位を打ち消す復元力を前記ロータに及ぼす成分を有するようになる、パッシブ電磁軸受モードと、の２つのモードのいずれかで選択的に動作させることを含む、電気機械を動作させる方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の一態様は、電磁軸受を備えた電気機械に関する。この電気機械は、例えば、心室補助装置、送風機およびファン、リアクションホイール、フライホイール、ポンプ、およびいわゆる高純度装置、ならびに他の電気機械システムに用途を見出すことができる。本発明の他の態様は、電気機械システム、および電磁軸受を備えた電気機械を動作させる方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電気機械は、モータや発電機を共同して形成するロータとステータとを含む。ロータからは磁界が発生する。この磁界は、例えば１つ以上の磁極対によって生成される。永久磁石がこのような磁極対を提供してもよい。ステータはまた、例えばステータ内の１つ以上の巻線に印加される駆動信号に応答して、磁界を生成し得る。従って、ステータによって生成される磁界は、ロータから発生する磁界と相互作用し得る。モータでは、この相互作用がロータにトルクを与え、ロータをスピン回転させる。駆動信号は、ロータがスピン回転する回転速度と、ロータに作用するトルクを決定し得る。発電機では、トルクは回転速度に対して符号が逆である。

【0003】

前述した電気機械は、電磁軸受を備えていてもよい。そのために、ステータに印加される駆動信号は、サスペンション成分を含んでいてもよく、これにより、ステータによって生成される磁界もサスペンション成分を有することになる。磁界のサスペンション成分は、ロータから発生する磁界との相互作用を通じてロータにサスペンション力を及ぼす。サスペンション力を与える駆動信号のサスペンション成分は、ロータの実際の位置と所望の位置との測定偏差を補正するように制御される。また、電磁軸受を提供するサスペンション成分を制御するために、１つ以上の他の測定された動作パラメータを使用することもできる。さらに、サスペンション部品を適切な方法で制御することにより、電磁軸受の所望の剛性および制動を得ることができる。

【0004】

電磁軸受を備えた電気機械は、機械式軸受を備えた電気機械に比べてさまざまな利点がある。電磁軸受は機械的な摩擦がないため、機械的な摩耗がない。さらに、エネルギー損失があるとしても、機械式軸受に比べてかなり低くなる。その結果、動作効率が向上する。さらに、電磁軸受を備えた電気機械は、機械式軸受を備えた電気機械よりもコンパクトにすることができる。電磁軸受は潤滑を必要としないため、使用やメンテナンスが容易である。さらに、潤滑剤が電気機械の動作環境を汚染することもない。これらの利点から、電磁軸受を備えた電気機械は、高トルク密度、高スピン回転速度、高純度、コンパクト性、またはこれらの組み合わせが要求される用途に特に適している。

【0005】

ベアリングレスモータと称される電磁軸受を備えたモータの背景技術の一例として、特許第６６２８３８８号公報（特許文献１）がある。この公報に記載されたベアリングレスモータは、ロータと、このロータの回転シャフト方向の一端部のみを磁力によって支持するステータとを備えている。ロータは、回転シャフト方向に着磁されたシャフト部材を有する。シャフト部材の外周面に沿って複数のモータマグネットが配置されている。ステータは、回転シャフト方向に着磁された中空形状のシャフト部材を有する。ステータの中空形状のシャフト部材は、その内部にロータのシャフト部材の少なくとも一部を収容するとともに、回転軸方向においてモータマグネットと対向する複数のコイルを収容している。これらのコイルは、ステータの中空形状のシャフト部材の外周面に沿って分割されて設けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第６６２８３８８号公報

【発明の概要】

【0007】

信頼性、コンパクト性、スピン回転速度範囲、設計の容易性、製造の容易性の少なくとも１つを改善することができる電磁軸受を備えた電気機械が必要とされている。

【0008】

本発明は、以下の点を考慮している。本明細書に記載したような電磁軸受を備えた電気機械では、サスペンション電流の制御が比較的複雑で故障に脆弱な可能性がある。特に、例えばロータの角度位置の測定が不正確であるために、ロータが比較的高速でスピン回転する場合にはこのようなことが起こり得る。さらに、故障があると、ロータが所望の位置から外れて、ステータや電気機械の他の構造部品に衝突する可能性がある。このような損傷を防ぐために、機械式安全軸受が設けられることがある。しかし、この解決策では、ロータおよびこれらの軸受にとって比較的「ストレスのかかる」過渡事象を防ぐことはできない。というのも、ロータと一般的に静止している非常用安全軸受が接触する際には、ロータと非常用安全軸受の間に大きな速度差が生じるからである。この“ストレス”により、ロータが数回ハードランディングした後、機械式安全軸受の交換が必要になり得る。

【0009】

請求項１に画定される発明の一態様は、電磁軸受を備える電気機械を提供し、電気機械は、以下の構成を含む。すなわち、
－磁界が発生するロータと、
－ロータから発生する磁界と相互作用する磁界を生成するように適合されたステータと、
－アクティブ電磁軸受モードで動作するように適合された駆動装置であって、該駆動装置は、アクティブ電磁軸受モードにおいて、前記ステータにサスペンション信号成分を印加し、これにより、前記ステータによって生成される磁界が、前記ロータから発生する磁界との相互作用を通じて前記ロータにサスペンション力を及ぼす成分を有するようになる駆動装置と、を含み、
前記ステータは、前記ロータに対して対称に配置された一対の巻線を含み、前記ロータの変位が、前記一対の巻線のうちの一方の巻線において前記ロータによって誘導される磁束の大きさの増加と、前記一対の巻線のうちの他方の巻線において前記ロータによって誘導される磁束の大きさの減少とを引き起こし、
前記駆動装置は、さらに、パッシブ電磁軸受モードで動作するように適合されており、該駆動装置は、パッシブ電磁軸受モードにおいて、前記ステータの前記一対の巻線を互いに相互接続し、前記一対の巻線の前記一方の巻線における磁束の大きさの増加と前記他方の巻線における磁束の大きさの減少とにより、前記一対の巻線にサスペンション電流を発生させて、前記ステータによって生成される磁界は、前記変位を打ち消す復元力を前記ロータに及ぼす成分を有するようになる。

【0010】

請求項１４に画定される本発明のさらなる態様は、本明細書で画定される電気機械を含む電気機械システムを提供する。

【0011】

請求項１５に画定される本発明のさらに別の態様は、電磁軸受を備える電気機械を動作させる方法を提供し、以下を含む。すなわち、
前記電気機械は、
－磁界が発生するロータと、
－前記ロータから発生する磁界と相互作用する磁界を生成するように適合されたステータであって、該ステータは、前記ロータに対して対称に配置された一対の巻線を含み、前記ロータの変位が、前記一対の巻線のうちの一方の巻線において前記ロータによって誘導される磁束の大きさの増加と、前記一対の巻線のうちの他方の巻線において前記ロータによって誘導される磁束の大きさの減少とを引き起こすステータと、を含み、
前記方法は、駆動装置について、
前記駆動装置が、前記ステータにサスペンション信号成分を印加し、これにより、前記ステータによって生成される磁界が、前記ロータから発生する磁界との相互作用を通じて前記ロータにサスペンション力を及ぼす成分を有するようになる、アクティブ電磁軸受モードと、
前記駆動装置が、前記ステータの前記一対の巻線を互いに相互接続し、前記一対の巻線の前記一方の巻線における磁束の大きさの増加と前記他方の巻線における磁束の大きさの減少とにより、前記一対の巻線にサスペンション電流を発生させて、前記ステータによって生成される磁界は、前記変位を打ち消す復元力を前記ロータに及ぼす成分を有するようになる、パッシブ電磁軸受モードと、の２つのモードのいずれかで選択的に動作させることを含む。

【0012】

これらの各態様において、パッシブ電磁軸受モードにおいてロータに及ぼされる復元力は、アクティブ電磁軸受モードにおいてロータに及ぼされるサスペンション力の置換であり、これらの力は両方ともロータの同じ自由度に関するものである。パッシブ電磁軸受モードで与えられる復元力により、故障が発生した場合でもロータの比較的安全なソフトランディングが可能になる。これは、パッシブ電磁軸受モードが、ロータをステータや電気機械の他の構造部品との接触しない浮遊状態に保つために、故障に対して本質的に脆弱な能動制御に頼る必要がないからである。

【0013】

ロータを浮遊状態に保つために、パッシブ電磁軸受モードでは、ロータが閾値を超える速度でスピン回転することが必要となる場合がある。従って、ロータは、ステータ、安全軸受、または他の構造部品に着地するが、閾値を下回る速度でスピン回転し得る。この速度は、比較的安全な着地を保証するために十分に低い可能性がある。さらに、ロータが減速し、徐々に低速でスピン回転する間、復元力は徐々に弱くなり、ロータは、最終的にロータが着地する構造部品に向かって徐々に移動する。対照的に、アクティブ電磁軸受モードでは、サスペンション力が突然消失し、ロータが不時着する可能性がある。パッシブ電磁軸受モードが提供できる安全なソフトランディングは、このように機械的ストレス、摩耗、あるいは損傷を少なくすることができる。従って、本発明は信頼性の向上を可能にする。

【0014】

さらに、パッシブ電磁軸受モードは、比較的高いスピン回転速度、すなわち前述の閾値速度を超える速度でロータを浮遊状態に保つために使用することができる。従って、アクティブ電磁軸受モードは、このような比較的高いスピン回転速度に対応する必要はない。これにより、アクティブ電磁軸受モードに関与する、典型的にはセンサおよびコントローラを含む、回路の設計および製造を簡素化することができる。従って、本発明は、設計および製造の容易性を向上させ、従って、低コスト化を可能にする。これにより、さらにコンパクト性の向上を図ることができる。コンパクト性と同様に、設計および製造の容易性にさらに寄与する可能性があるのは、機械式安全軸受が不要になるか、または少なくとも、アクティブ電磁軸受のみを備えた従来の電気機械で必要とされる機械的安全軸受よりも単純、小型、もしくは安価、またはこれらの任意の組み合わせとなる可能性があることである。

【0015】

本明細書で画定した電気機械は、比較的広いスピン回転速度範囲で満足に動作することができる。前述したように、パッシブ電磁軸受モードは、高スピン回転速度範囲で使用されることがあり、これは、このモードの前述した閾値速度で開始されるか、またはこの閾値速度より幾分高い速度で開始される場合がある。高スピン回転速度範囲は、比較的高い最大スピン回転速度で終了してもよく、これは原則として、能動制御に関連する制約が課されるものではない。アクティブ電磁軸受モードは、比較的低いスピン回転速度範囲で使用することができ、これは、例えば、起動段階または終了段階で横断する可能性がある。さらに、パッシブ電磁軸受モードとアクティブ電磁軸受モードとの間の切り替えは、許容できない過渡的な影響を生じさせる必要がないことが判明している。さらに、これらの過渡的な影響は、複雑な要素を必要とすることなく緩和することができる。

【0016】

説明のために、本発明のいくつかの実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。この説明において、追加の特徴が提示され、その一部は従属請求項において画定され、利点が明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、軸方向磁束構成を有するモータの単純化した概略透視図である。

【図2】図２は、径方向磁束構成を有するモータの単純化した概略透視図である。

【図3】図３は、非動作状態にあるデュアルインバータ電気機械の概略ブロック図である。

【図4】図４は、アクティブ電磁軸受モードによるデュアル駆動で動作するデュアルインバータ電気機械の概略ブロック図である。

【図5】図５は、アクティブ電磁軸受モードによる単一駆動で動作するデュアルインバータ電気機械の概略ブロック図である。

【図6】図６は、パッシブ電磁軸受モードによる単一駆動で動作するデュアルインバータ電気機械の概略ブロック図である。

【図7】図７は、駆動なしのパッシブ電磁軸受モードで動作するデュアルインバータ電気機械の概略ブロック図である。

【図8】図８は、アクティブ電磁軸受モードによる駆動で動作する単一インバータ電気機械の概略ブロック図である。

【図9】図９は、パッシブ電磁軸受モードによる駆動で動作する単一インバータ電気機械の概略ブロック図である。

【図10】図１０は、駆動なしのパッシブ電磁軸受モードで動作する単一インバータ電気機械の概略ブロック図である。

【図11】図１１は、アクティブ電磁軸受モードおよびパッシブ電磁軸受モードでモータを制御するための制御方式の概略ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

図１は、軸方向磁束構成を有するモータ１００の一例を概略的に示している。図１は、この構成のモータ１００の単純化した概略透視図を提供する。モータ１００は、軸方向に向いた磁界が発生するロータ１０１を含む。モータ１００はさらに、軸方向に向いた磁界を発生させることができるステータ１０２を含む。これらの軸方向に向いた磁界は、互いに相互作用することができる。モータ１００は、ロータ１０１とステータ１０２とが挟まれた一対の永久磁石心出し軸受をさらに含んでいてもよい。これらの永久磁石心出し軸受は、簡単のため図１には示されていない。

【0019】

この実施形態では、ロータ１０１は、３つの磁極対を含む円盤状の永久磁石構造体の形態をしている。円盤状の永久磁石構造体は、軸方向に向いた２つの主面１０３、１０４を有する。２つの主面１０３、１０４は、便宜上、個々に上側主面１０３および下側主面１０４と称する。

【0020】

ステータ１０２は、図１に示されるように、ロータ１０１と軸方向に並んだ一対の軸方向巻線１０５、１０６を含む。巻線１０５、１０６は、便宜上、個々に上部巻線１０５および下部巻線１０６と称する。上部巻線１０５は、ロータの上側主面１０３に軸方向に面している。下部巻線１０６は、下側主面１０４に軸方向に面している。上部巻線１０５は一対の端子１０７、１０８を有し、この端子１０７、１０８を介して上部巻線１０５は電気信号を受信し、電気信号を供給することができる。端子１０７、１０８は、便宜上、個々に左端子１０７および右端子１０８と称する。下部巻線１０６もまた、このような一対の端子１０９、１１０を有する。これらの端子も、便宜上、個々に左端子１０９および右端子１１０と称する。

【0021】

図２は、径方向磁束構成を有するモータ２００の一例を概略的に示している。図２は、この構成のモータ２００の単純化した概略透視図を提供する。モータ２００は、径方向に向いた磁界が発生するロータ２０１を含む。モータ２００はさらに、径方向に向いた磁界を生じさせることができるステータ２０２を含む。これらの径方向に向いた磁界は、互いに相互作用することができる。ここでも、モータ２００は、ロータ２０１とステータ２０２とが挟まれた一対の永久磁石心出し軸受をさらに含んでいてもよい。これらの永久磁石心出し軸受は、簡単のため図２には示されていない。

【0022】

この実施形態では、ロータ２０１は、３つの磁極対からなる円柱状の永久磁石構造体の形態をしている。円柱状の永久磁石構造体は、径方向に向いた２つの主面２０３、２０４を有する。２つの主面２０３、２０４は、便宜上、個々に内側主面２０３および外側主面２０４と称する。

【0023】

ステータ２０２は、図２に示されるように、ロータ２０１と軸方向に並んだ一対の巻線２０５、２０６を含む。巻線２０５、２０６は、便宜上、個々に上部巻線２０５および下部巻線２０６と称する。上部巻線２０５は、ロータの外側主面２０４の上部に径方向に面している。下部巻線２０６は、外側主面２０４の下部に径方向に面している。上部巻線２０５は一対の端子２０７、２０８を有し、この端子２０７、２０８を介して上部巻線２０５は電気信号を受信し、電気信号を供給することができる。下部巻線２０６もまた、このような一対の端子２０９、２１０を有する。

【0024】

図１に示される軸方向磁束構成を有するモータ１００と、図２に示される径方向磁束の構成を有するモータ２００とは、以下の点で共通している。ロータ１０１、２０１から磁界が発生し、上部巻線１０５、２０５に磁束が誘導され、また下部巻線１０６、２０６に磁束が誘導される。ロータ１０１、２０１が軸方向に上方へ変位すると、ステータ１０２、２０２の上部巻線１０５、２０５の磁束の大きさを増加させ、下部巻線１０６、２０６の磁束の大きさを減少させる。逆に、ロータ１０１、２０１が軸方向に下方へ変位すると、ステータ１０２、２０２の上部巻線１０５、２０５の磁束の大きさを減少させ、下部巻線１０６、２０６の磁束の大きさを増加させる。

【0025】

説明の便宜上、図１および図２は、それぞれ軸方向磁束構成および径方向磁束構成を有するモータを極めて単純化して表したものであることに留意されたい。単純化の一要素は、これらのモータを単相として図示したことにある。実際には、モータは複数対の巻線からなる多相であってもよく、巻線の一対は１相に対応する。例えば、図１および図２に示すモータの３相バージョンは、３組の巻線を含み、これらの巻線は相互に角度をずらして配置することができる。

【0026】

巻線１０５、１０６、２０５、２０６がそれぞれ１ターンであるように表されていることも、単純化のもう一つの要素である。実際には、巻線は複数のターンを含んでもよい。さらに、ラップ巻や波巻など、巻線が実施され得る様々な巻線方式が存在する。また、巻線は、例えば、ヨーク、スロットなどの強磁性回路を含んでもよく、これらは、単純化のために図１および図２には表されていない。

【0027】

単純化、図示についてさらにもう一つの要素は、ロータ１０１、２０１が３つの磁極対を含むことにある。ロータ１０１、２０１は、より多数の磁極対を含んでもよい。さらに、ロータ１０１、２０１は、図１および図２に図示されたものとは異なる構造を有していてもよい。例えば、磁極対を提供する永久磁石は、これらの図に示されているものとは異なる配置であってもよい。逆に、ロータ１０１、２０１は、２つの磁極対のみ、あるいは単一の磁極対を有していてもよい。

【0028】

図３は、非動作状態のデュアルインバータ電気機械３００を概略的に示している。図３は、非動作状態にあるこの電気機械３００の概略ブロック図である。デュアルインバータ電気機械３００は、基本的に、駆動装置３０１とモータ３０２とを含み、このモータ３０２は、図１に示された軸方向磁束構成を有するモータ１００であってもよいし、図２に示された径方向磁束を有するモータ２００であってもよい。従って、デュアルインバータ電気機械３００のモータ３０２は、図１に示されたロータ１０１、または図２に示されたロータ２０１に対応し得るロータ３０３を含む。さらに、デュアルインバータ電気機械３００のモータ３０２は、一対の巻線３０４、３０５を有するステータを含み、これらの巻線は、図１に示された一対の巻線１０５、１０６、または図２に示された一対の巻線２０５、２０６に対応し得る。同様に、デュアルインバータ電気機械３００のモータの一対の巻線３０４、３０５は、便宜上、個々に上部巻線３０４および下部巻線３０５と称される。しかし、前述の巻線３０４、３０５が機能的に同等であることを考慮すると、これらの呼称は交換可能であることを理解されたい。

【0029】

駆動装置３０１は、コントローラ３０６、パワーエレクトロニクス部３０７、スイッチ回路３０８を含む。本実施形態では、パワーエレクトロニクス部３０７は、２つのＮ相インバータ３０９、３１０を含む。スイッチ回路３０８は、図３に示すように、５つのスイッチを含む。図３は非動作状態を模式的に示しているので、これらのスイッチはそれぞれ開状態である。コントローラ３０６は、スピン回転位置および速度制御モジュール３１１、軸方向位置制御モジュール３１２、動作モード決定モジュール３１３、並びに２つのＮ相インバータ３０９、３１０の各々に対して１つずつ設けられた２つの力およびトルク制御モジュール３１４、３１５といった様々なモジュールを含むことができる。コントローラ３０６は、好適にプログラムされたプロセッサ、またはプロセッサのセットによって実施することができる。そして、その場合、コントローラ３０６のモジュールは、コントローラ３０６のプログラムメモリに格納されるソフトウェアプログラム、またはソフトウェアプログラムの一部に対応し得る。

【0030】

デュアルインバータ電気機械３００は、単純化のために図３には表されていない１つ以上のセンサをさらに含んでもよい。センサは、ロータの角度位置、またはロータの回転速度、またはロータの軸方向位置、またはステータの一対の巻線３０４、３０５における信号の特性、またはこれらの任意の組み合わせに関する指示を提供することができる。この実施形態では、コントローラ３０６は、前述の指示を受信し、２つのＮ相インバータ３０９、３１０およびスイッチ回路３０８の制御にこれらを使用する。

【0031】

図４は、アクティブ電磁軸受モードによるデュアル駆動で動作するデュアルインバータ電気機械３００を概略的に示している。図４は、スイッチ回路３０８の５つのスイッチのそれぞれの状態を除いて、図３とほぼ同じ概略ブロック図を提供する。コントローラ３０６は、これらのスイッチを図４に示すそれぞれの状態に設定し、デュアルインバータ電気機械３００をアクティブ電磁軸受モードによるデュアル駆動で動作させている。このモードでは、２つのＮ相インバータ３０９、３１０の一方が上部巻線３０４に結合され、他方のＮ相インバータが下部巻線３０５に結合されている。図４では、Ｎ相インバータ３０９は上部巻線３０４に結合され、他方のＮ相インバータ３１０は下部巻線３０５に結合されている。明らかに、その逆であってもよい。すなわち、Ｎ相インバータ３１０が上部巻線３０４に結合され、他方のＮ相インバータが下部巻線３０５に結合されてもよい。

【0032】

アクティブ電磁軸受モードによるデュアル駆動では、モータ３０２は、２つのＮ相インバータ３０９、３１０から２つの駆動信号を受信する。各駆動信号は、駆動成分とサスペンション成分とを有することができる。駆動成分は、一対の巻線３０４、３０５によって生成される磁界が、ロータ３０３から発生する磁界との相互作用を通じてロータ３０３にトルクを及ぼす駆動成分を有するようにさせる。サスペンション成分は、一対の巻線３０４、３０５によって生成される磁界が、ロータ３０３から発生する磁界との相互作用を通じてロータ３０３にサスペンション力を及ぼすサスペンション成分を有するようにさせる。

【0033】

コントローラ３０６は、ロータ３０３が所望の速度でスピン回転し、所望のトルクを発生するように駆動部品を制御することができる。この駆動制御には、スピン回転位置および速度制御モジュール３１１が関与し得る。駆動制御は、ロータ３０３の角度位置に関する指示と、ロータ３０３のスピン回転速度に関する指示とに基づくことができる。スピン回転位置および速度制御モジュール３１１は、図４に示されるように、これらの指示を受け取ることができる。

【0034】

コントローラ３０６は、ロータ３０３が浮遊していることに対応する所望の軸方向位置をロータ３０３が維持するように、サスペンション部品を制御することができる。アクティブ電磁軸受を提供するこのサスペンション制御は、軸方向位置制御モジュール３１２に関与し得る。サスペンション制御は、ロータ３０３の軸方向位置の指示に基づくことができる。軸方向位置制御モジュール３１２は、図４に示されるように、この指示を受け取ることができる。

【0035】

図５は、アクティブ電磁軸受モードによる単一駆動で動作するデュアルインバータ電気機械３００を概略的に示している。図５は、スイッチ回路３０８の５つのスイッチのそれぞれの状態を除いて、図３および図４とほぼ同じ概略ブロック図を提供する。コントローラ３０６は、デュアルインバータ電気機械３００をアクティブ電磁軸受モードによる単一駆動で動作させるために、これらのスイッチを図５に示すようなそれぞれの状態に設定している。このモードでは、２つのＮ相インバータ３０９、３１０のうちの一方のみが、一対の巻線３０４、３０５のうちの単一の巻線に結合されている。図５は、上部巻線３０４がＮ相インバータ３０９に結合されている例を示している。下部巻線３０５は、２つのＮ相インバータ３０９、３１０のそれぞれから切り離されており、したがって上部巻線３０４からも切り離されている。しかし、下部巻線３０５は、ロータ３０３の軸方向変位を測定するセンサとして使用することができる。

【0036】

明らかに、図５に示されたもの以外の接続方式も、アクティブ電磁軸受モードによる単一駆動で適用することができる。例えば、上部巻線３０４をＮ相インバータ３１０に結合してもよい。別の例として、下部巻線３０５をＮ相インバータ３０９に結合し、上部巻線３０４を２つのＮ相インバータ３０９、３１０のそれぞれから切り離すこともできる。その場合、上部巻線３０４はセンサとして使用することができる。さらに別の例として、下部巻線３０５をＮ相インバータ３１０に結合してもよい。

【0037】

アクティブ電磁軸受モードによる単一駆動では、モータ３０２は、このように、単一の巻線において単一のＮ相インバータから単一の駆動信号を受信する。単一駆動信号は、本明細書で前述したように、駆動成分とサスペンション成分とを有することができる。コントローラ３０６は、本明細書で前述したように、駆動成分およびサスペンション成分を制御することができる。従って、このモードにおいても、ロータ３０３は所望の速度でスピン回転し、所望のトルクを発生することができる。しかしながら、単一の巻線のみが単一のＮ相インバータから単一の駆動信号を受信するという事実のために、所望のトルクの最大値は低くなり、典型的には半分に減少する。さらに、同様のことが、図４に示されたアクティブ電磁軸受モードによるデュアル駆動に関して本明細書で前述したサスペンション力にも適用され得る。

【0038】

コントローラ３０６は、デュアルインバータ電気機械３００を、図４に示されるアクティブ電磁軸受モードによるデュアル駆動から、図５に示されるアクティブ電磁軸受モードによる単一駆動に切り替えさせることができる。コントローラ３０６は、例えば、２つのＮ相インバータ３０９、３１０のうちの１つが故障した場合、または一対の巻線３０４、３０５のうちの１つの巻線が故障した場合（ステータの部分的な故障である）、そのようにすることができる。コントローラ３０６は、例えば、一対の巻線３０４、３０５の巻線における信号の特性の表示に基づいて、このような故障を検出することができる。信号の大きさが小さすぎるかまたは、別の異常を示す場合もある。アクティブ電磁軸受モードによる単一駆動に切り替えることにより、デュアルインバータ電気機械３００の全体が故障するのを防止できる。通常、このような故障はアクティブ電磁軸受の故障に起因し、ロータ３０３の衝突を引き起こす可能性がある。さらに、その結果、モータ３０２が故障する。

【0039】

図６は、パッシブ電磁軸受モードによる単一駆動で動作するデュアルインバータ電気機械３００を概略的に示している。図６は、スイッチ回路３０８の５つのスイッチのそれぞれの状態を除いて、図３、図４および図５とほぼ同じ概略ブロック図を提供する。コントローラ３０６は、デュアルインバータ電気機械３００をパッシブ電磁軸受モードによる単一駆動で動作させるために、これらのスイッチを図６に示すようなそれぞれの状態に設定している。このモードでは、上部巻線３０４と下部巻線３０５とは相互接続され、２つのＮ相インバータ３０９、３１０のうちの１つに共同で結合されている。図６では、上部巻線３０４と下部巻線３０５とがＮ相インバータ３０９に共同で結合されている。明らかに、別の接続方式でもよく、上部巻線３０４と下部巻線３０５とは、Ｎ相インバータ３１０に共同で結合されてもよい。

【0040】

パッシブ電磁軸受モードによる単一駆動では、ロータ３０３は、本明細書で前述したような制御を必要とすることなく、ロータ３０３が浮遊している状態に相当する平衡軸方向位置を維持することができる。これは、以下の電磁現象によるものである。先に説明したように、ロータ３０３の軸方向変位は、上部巻線３０４の磁束変化と下部巻線３０５の磁束変化とを引き起こす。前述の２つの磁束変化の一方は大きさが増加し、他方は大きさが減少する。上部巻線３０４と下部巻線３０５とは互いに相互接続されているので、上部巻線３０４の磁束変化と下部巻線３０５の磁束変化とにより、これらの巻線３０４、３０５にサスペンション電流が発生する。このサスペンション電流は、ロータ３０３が回転するときに発生する。このサスペンション電流により、ステータによって生成される磁界は、軸方向変位を打ち消す復元力をロータ３０３に及ぼす成分を有するようになる。以上の電磁現象により、受動的な電磁軸受（パッシブ電磁軸受）が提供されるのである。

【0041】

上部巻線３０４と下部巻線３０５とを互いに相互接続する仕方は、これらの巻線３０４、３０５のどのように配置され、ロータ３０３がどのように配置されているかに依存する。これにより、上部巻線３０４の磁束と下部巻線３０５の磁束とが同様の向きになるか、反対向きになるかが決まる。図１に示されたモータ１００を参照すると、向きは反対である。その場合、上部巻線１０５の左端子１０７は、下部巻線１０６の左端子１０９に接続される。上部巻線１０５の右端子１０８は、下部巻線１０６の右端子１１０に接続される。図２に示されたモータ２００を参照すると、向きは同様である。その場合、上部巻線２０５の左端子２０７は下部巻線２０６の右端子２１０に接続され、上部巻線２０５の右端子２０８は下部巻線２０６の左端子２０９に接続される。

【0042】

本明細書で前述した電磁現象がパッシブ電磁軸受を提供するためには、ロータ３０３は閾値スピン回転速度を超える速度で十分に速くスピン回転する必要がある。この閾値速度は、ロータ３０３およびステータの電磁的および機械的特性を含む様々な要因に依存する。達成される平衡軸方向位置もまた、上部巻線３０４および下部巻線３０５の電磁特性、ならびにロータ３０３の電磁特性および動的特性を含む様々な要因に依存する。さらに、平衡軸方向位置は、例えば、ロータに作用する力、重力、またはこれらの組み合わせなどの外的要因にも依存し得る。

【0043】

コントローラ３０６は、デュアルインバータ電気機械３００を、図５に示されるアクティブ電磁軸受モードによる単一駆動から、図６に図示されるパッシブ電磁軸受モードによる単一駆動に切り替えさせることができる。コントローラ３０６は、例えば、ロータ３０３が閾値スピン回転速度を超える速度で十分に速くスピン回転する場合に、そうすることができる。パッシブ電磁軸受モードによる単一駆動に切り替えることにより、能動的なサスペンション制御が不要となり、より高いスピン回転速度を可能にすることができる。また、コントローラ３０６は、デュアルインバータ電気機械３００を、図４に示されるアクティブ電磁軸受モードによるデュアル駆動から、図６に示されるパッシブ電磁軸受モードによる単一駆動に切り替えさせることもできる。しかし、後者のモードでは、単一のＮ相インバータのみがモータ３０２を駆動するため、モータ３０２が発生できる最大トルクが低くなる可能性がある。

【0044】

図７は、駆動なしのパッシブ電磁軸受モードで動作するデュアルインバータ電気機械３００を概略的に示している。図７は、スイッチ回路３０８の５つのスイッチのそれぞれの状態を除いて、図３、図４、図５および図６とほぼ同じ概略ブロック図を提供する。コントローラ３０６は、デュアルインバータ電気機械３００を駆動なしのパッシブ電磁軸受モードで動作させるために、これらのスイッチを図７に示すようなそれぞれの状態に設定している。このモードでは、上部巻線３０４と下部巻線３０５とは互いに相互接続されているが、両方とも２つのＮ相インバータ３０９、３１０から切り離されている。従って、ステータは駆動信号を受信しない。ロータ３０３は、ロータ３０３が十分に速くスピン回転する限り、ロータ３０３が浮遊している状態に相当する平衡軸方向位置を維持することができる。これは、前述したパッシブ電磁軸受のおかげであり、閾値スピン回転速度を超えると十分な復元力を提供する。

【0045】

コントローラ３０６は、デュアルインバータ電気機械３００を、図５に示されるアクティブ電磁軸受モードによる単一駆動から、図７に示される駆動なしのパッシブ電磁軸受モードに切り替えさせることができる。コントローラ３０６は、例えば、アクティブ電磁軸受モードによる単一駆動で動作しているＮ相インバータが故障してＮ相インバータの両方が故障した場合に、そのようにすることができる。駆動なしのパッシブ電磁軸受モードに切り替えることにより、ロータ３０３は、ロータ３０３が十分に速くスピン回転する限り、ロータ３０３が浮遊している状態に相当する平衡軸方向位置を維持することができる。パッシブ電磁軸受は、例えば、ロータ３０３が依然として比較的高速でスピン回転している間に、ロータ３０３がステータまたは他の部品に対して、いわば衝突するような損傷的な事故を防止することができる。

【0046】

駆動なしのパッシブ電磁軸受モードは、ロータ３０３の安全なソフトランディングを可能にする。このモードに切り替えると、ロータ３０３は減速し、徐々に低速でスピン回転する。前述の復元力は徐々に弱くなり、ロータ３０３は、ロータ３０３が最終的に着地する構造部品に向かって徐々に移動する。ロータ３０３は十分に減速し、着地点に十分に近づいたので、着地は安全でソフトなものとなり得る。これとは対照的に、アクティブ電磁軸受モードでは、サスペンション力が突然なくなり、ロータ３０３が不時着する可能性がある。

【0047】

コントローラ３０６はまた、デュアルインバータ電気機械３００を、図６に示されるパッシブ電磁軸受モードによる単一駆動から、図７に示される駆動なしのパッシブ電磁軸受モードに切り替えさせることもできる。コントローラ３０６は、前述したような理由で、そのようにすることができる。

【0048】

図８は、アクティブ電磁軸受モードによる駆動で動作する単一インバータ電気機械８００を概略的に示している。図８は、このモードで動作する単一インバータ電気機械８００の概略ブロック図である。デュアルインバータ電気機械３００と同様に、単一インバータ電気機械８００も基本的に駆動装置８０１とモータ８０２とを含む。モータ８０２は、ロータ８０３と、一対の巻線８０４、８０５を有するステータとを含む。デュアルインバータ電気機械３００のモータ３０２に関して本明細書で前述したことは、単一インバータ電気機械８００のモータ８０２にも同様に当てはまる。

【0049】

単一インバータ電気機械８００の駆動装置８０１は、デュアルインバータ電気機械３００の駆動装置３０１を単純化したものである。駆動装置８０１は、コントローラ８０６、パワーエレクトロニクス部８０７、およびスイッチ回路８０８という同様の機能部品を含む。ただし、本実施形態では、パワーエレクトロニクス部８０７は、単一のＮ相インバータ８０９を含む。スイッチ回路８０８は、図８に示すように、２つのスイッチから構成されている。コントローラ８０６は、単一の力およびトルク制御モジュール８１０を含む。その他については、コントローラ８０６は、デュアルインバータ電気機械３００のコントローラ３０６と同様に、スピン回転位置および速度制御モジュール８１１、軸方向位置制御モジュール８１２、および動作モード決定モジュール８１３を含む。

【0050】

この実施形態においても、コントローラ８０６は、好適にプログラムされたプロセッサ、またはプロセッサのセットによって実施することができる。そして、その場合、コントローラ８０６のモジュールは、コントローラ８０６のプログラムメモリに格納されるソフトウェアプログラム、またはソフトウェアプログラムの一部に対応し得る。その他については、デュアルインバータ電気機械３００に関して本明細書で前述したように、単一インバータ電気機械８００は、１つ以上のセンサをさらに含んでいてもよい。これらのセンサは、単純化のために図８には表されていない。

【0051】

前述したように、図８は、アクティブ電磁軸受モードによる駆動で動作する単一インバータ電気機械８００を概略的に示している。コントローラ８０６は、電気機械をアクティブ電磁軸受モードによる駆動で動作させるために、図８に示すように、２つのそれぞれのスイッチをそれぞれの状態に設定している。このモードでは、単一のＮ相インバータが単一の巻線に結合されている。図８は、Ｎ相インバータ８０９が上部巻線８０４に結合されている例を示している。下部巻線８０５はＮ相インバータ８０９から切り離され、したがって上部巻線８０４からも切り離される。下部巻線８０５は、ロータ８０３の軸方向変位を測定するセンサとして使用することができる。明らかに、逆接続方式は、アクティブ電磁軸受モードによる駆動にも適用可能である。下部巻線８０５がＮ相インバータ８０９に結合され、上部巻線８０４がＮ相インバータ８０９から切り離されてもよい。

【0052】

アクティブ電磁軸受モードによる駆動は、デュアルインバータ電気機械３００に関する図５を参照して前述したアクティブ電磁軸受モードによる単一駆動と同様である。モータ８０２は、その上部巻線８０４において、単一のＮ相インバータ８０９から駆動信号を受信する。単一の駆動信号は、本明細書で前述したように、駆動成分とサスペンション成分とを有することができる。コントローラ８０６は、本明細書で前述したように、駆動成分およびサスペンション成分を制御することができる。従って、ロータ８０３は、所望の速度でスピン回転し、所望のトルクを発生することができる。ロータ８０３は、サスペンション部品の能動的制御によって、ロータ８０３が浮遊していることに対応する所望の軸方向位置を維持する。この能動的制御は、ロータ８０３の軸方向位置の指示に基づくことができる。本明細書で前述したように、下部巻線８０５はそのような指示を提供することができる。

【0053】

図９は、パッシブ電磁軸受モードによる駆動で動作する単一インバータ電気機械８００を概略的に示している。図９は、スイッチ回路８０８の２つのスイッチのそれぞれの状態を除いて、図８とほぼ同じ概略ブロック図を提供する。コントローラ８０６は、電気機械をパッシブ電磁軸受モードによる駆動で動作させるために、これらのスイッチを図９に示すようなそれぞれの状態に設定している。このモードでは、上部巻線８０４と下部巻線８０５とは互いに相互接続され、単一のＮ相インバータ８０９に共同で結合されている。

【0054】

パッシブ電磁軸受モードによる駆動は、デュアルインバータ電気機械３００に関する図６を参照して前述したパッシブ電磁軸受モードによる単一駆動と同様である。ロータ８０３は、能動制御を必要とすることなく、ロータ８０３が浮遊していることに対応する平衡軸方向位置を維持することができる。これは、図６に示されたパッシブ電磁軸受モードによる単一駆動に関して本明細書で前述した電磁現象によるものである。

【0055】

コントローラ８０６は、電気機械を、図８に示されるアクティブ電磁軸受モードによる駆動から、図９に示されるパッシブ電磁軸受モードによる駆動に切り替えさせることができる。コントローラ８０６は、例えば、ロータ８０３が閾値スピン回転速度を超える速度で十分に速くスピン回転する場合に、そうすることができる。パッシブ電磁軸受モードによる単一駆動に切り替えることにより、能動的なサスペンション制御が不要となり、より高いスピン回転速度を可能にすることができる。

【0056】

図１０は、駆動なしのパッシブ電磁軸受モードで動作する単一インバータ電気機械８００を概略的に示している。図１０は、スイッチ回路８０８の２つのスイッチのそれぞれの状態を除いて、図８および図９とほぼ同じ概略ブロック図を提供する。コントローラ８０６は、電気機械を駆動なしのパッシブ電磁軸受モードで動作させるために、これらのスイッチを図１０に示すようなそれぞれの状態に設定している。このモードでは、上部巻線８０４と下部巻線８０５とは互いに相互接続され、両方とも単一のＮ相インバータ８０９から切り離されている。従って、ステータは駆動信号を受信しない。ロータ８０３は、ロータ８０３が十分に速くスピン回転する限り、ロータ８０３が浮遊している状態に相当する平衡軸方向位置を維持することができる。これは、前述したパッシブ電磁軸受のおかげであり、閾値スピン回転速度を超えると十分な復元力を提供する。

【0057】

コントローラ８０６は、電気機械を、図８に示されるアクティブ電磁軸受モードによる駆動から、図１０に示される駆動なしのパッシブ電磁軸受モードに切り替えさせることができる。コントローラ８０６は、例えば、単一のＮ相インバータ８０９が故障した場合に、そのようにすることができる。駆動なしのパッシブ電磁軸受モードに切り替えることによって、ロータ８０３は、ロータ８０３が十分に速くスピン回転する限り、ロータ８０３が浮遊していることに対応する平衡軸方向位置を維持することができる。本明細書で説明したように、パッシブ電磁軸受は、例えば、ロータ８０３が依然として比較的高速でスピン回転している間に、ロータ８０３がステータまたは他の部品に対して、いわば衝突するような損傷的な事故を防止することができる。コントローラ８０６はまた、電気機械を、図９に図示されるパッシブ電磁軸受モードによる駆動から、図１０に図示される駆動なしのパッシブ電磁軸受モードに切り替えさせることもできる。コントローラ８０６は、前述したような理由で、そのようにすることができる。

【0058】

図１１は、モータアセンブリ１１０１を制御するための制御方式１１００を概略的に示す。図１１は、ブロックがモータアセンブリ１１０１を概略的に表す、制御方式１１００の概略ブロック図を提供する。図８～図１０に示される単一インバータ電気機械８００内のコントローラ８０６は、図１１に示される制御方式１１００に従って動作することができる。したがって、ロータおよびステータからなるモータアセンブリ１１０１は、単一インバータ電気機械８００内のモータ８０２を含んでもよい。モータアセンブリ１１０１は、信号変換回路および増幅回路をさらに含んでもよい。

【0059】

概略ブロック図は、制御方式１１００の駆動制御部１１０２を表す上部を含む。下部は、制御方式１１００のサスペンション制御部１１０３を表す。駆動制御部１１０２は、モータアセンブリ１１０１に印加される信号成分ｕ_ｑを制御する。サスペンション制御部１１０３は、モータアセンブリ１１０１に印加される更なる信号成分ｕ_ｄを制御する。前述の信号成分ｕ_ｑ、ｕ_ｄは、トルクおよびサスペンション力をそれぞれ提供する前述の駆動成分および前述のサスペンション成分を決定する。ω_ｒｅｆ、ω_ｍｅｓという表記は、それぞれ設定点スピン回転速度、測定スピン回転速度を表す。ｚ_ｒｅｆ、ｚ_ｍｅｓという表記は、それぞれ設定点軸方向位置、測定軸方向位置を表している。

【0060】

Ｉ_{Ｍ，ｄ，ｒｅｆ}およびＩ_{Ｍ，ｄ，ｍｅｓ}は、それぞれ駆動電流の設定点ｄ軸成分および駆動電流の測定ｄ軸成分を表す。Ｉ_{Ｍ，ｑ，ｒｅｆ}およびＩ_{Ｍ，ｑ，ｍｅｓ}は、それぞれ駆動電流の設定点ｑ軸成分および駆動電流の測定ｑ軸成分を表す。Ｎおよびｐは、それぞれ相数およびロータ極対数を表す。Ｋ_αおよびＫ_ｚという表記は、それぞれ巻線が中心位置で遮断する磁束の振幅およびこの磁束の振幅と軸方向位置との間の比例係数を表す。Ｌ_Ｍｃは、インバータから見た巻線の同期インダクタンスを表す。

【0061】

サスペンション制御部１１０３は、破線で図示されたロータ位置決め制御部１１０４を含む。この制御部１１０４は、アクティブ電磁軸受モードにおいてのみ活性化される。これは、スイッチ１１０５によって概略的に示されており、スイッチ１１０５が上側の位置にある場合には、制御方式１１００内のロータ位置決め制御部１１０４が含まれ、一方、スイッチ１１０５が下側の位置にある場合には、ゼロ値（０）が印加される。したがって、上側の位置がアクティブ電磁軸受モードに対応し、下側の位置がパッシブ電磁軸受モードに対応する。

【0062】

制御方式１１００では、パッシブ電磁軸受モードからアクティブ電磁軸受モードへの切り替え時に、ロータに作用する軸方向力が考慮される。この軸方向力は、ロータの測定されたスピン回転速度ω_ｍｅｓとロータの測定された軸方向の位置ｚ_ｍｅｓとに基づいて推定することができる。ロータに作用する軸方向力は、図１１には明示的に表されていない位置調整器の積分項にフィードフォワードされてもよい。このようにして、モータアセンブリ１１０１に影響を及ぼす軸方向の外乱は、軸方向の中心位置（ｚ＝０）に向かう１設定点ステップに制限される。これにより、パッシブ電磁軸受モードからアクティブ電磁軸受モードへの切り替え時に発生し得る過渡的な影響が緩和される。このような過渡的な影響は、制御方式１１００のコントローラゲインを調整することによってさらに緩和することができる。

【0063】

過渡現象の影響は、設定点軸方向位置ｚ_ｒｅｆを、ロータがパッシブモードで安定する軸方向位置に設定することで、さらに緩和することができる。アクティブ電磁軸受モードからパッシブ電磁軸受モードへの切り替えの場合、この軸方向位置は、準静的条件における復元力の式にアキシャル荷重の推定値を代入することによって評価することができる。アキシャル荷重の推定は、測定されたｄ軸モータ電流Ｉ_{Ｍ，ｄ，ｍｅｓ}、電流剛性、および測定されたスピン回転速度ω_ｍｅｓに基づいて得ることができる。パッシブ電磁軸受モードからアクティブ電磁軸受モードへの切り替えの場合、設定点軸方向位置ｚ_ｒｅｆは、パッシブ電磁軸受モードにおける測定された軸方向位置の移動平均として計算することができる。

【0064】

（注意事項）
図面を参照して前述した実施形態は、例示のために提示されたものである。本発明は、多数の異なる方法で実施することができる。これを説明するために、いくつかの選択肢を簡単に示す。

【0065】

本発明は、電磁軸受を備えた電気機械に関連する数多くの種類の製品または方法に適用することができる。提示された実施形態では、電気機械はモータを含む。他の実施形態では、電気機械は、発電機を含んでもよい。

【0066】

本発明による電気機械を実施する多数の異なる方法がある。本明細書に示した実施形態は、図３～図７および図８～図１０にそれぞれ示すように、スイッチ回路３０８、８０８を含む。他の実施形態では、異なるスイッチ回路を含んでもよい。例えば、図８～図１０に図示したスイッチ回路８０８を参照すると、図８に示したアクティブ電磁軸受モードによる駆動において、上部巻線８０４または下部巻線８０５を選択できるスイッチを追加してもよい。また、本発明による電気機械は、図３～７および図８～１０にそれぞれ示したスイッチ回路３０８、８０８のような別個のスイッチ回路を含む必要はない。前述の図に示されたパワーエレクトロニクス部３０７、８０７の代替として、アクティブ電磁軸受モードとパッシブ電磁軸受モードとの間の切り替えを可能にするスイッチ機能を組み込んだ１つまたは複数のＮ相インバータを含んでもよい。

【0067】

本発明による電気機械にステータを実施する多数の異なる方法がある。本明細書で提示した実施形態では、１相の巻線１０５、１０６、２０５、２０６は、単一のコイル構造によって形成されるものとして表されている。他の実施形態では、１相の巻線は複数のコイル構造によって形成されてもよい。

【0068】

本明細書で述べたことは、図面を参照して説明した実施形態が、本発明を限定するのではなく、本発明を説明するものであることを示している。本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内にある多数の代替的な方法で実施することができる。特許請求の範囲の意味および同等性の範囲内に入るすべての変更は、その範囲内に包含される。特許請求の範囲におけるいかなる参照符号も、特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。特許請求の範囲における動詞「含む」は、特許請求の範囲に記載された要素以外の他の要素や他のステップの存在を排除するものではない。類似の動詞についても同様である。製品に係る請求項において要素を単数形で記載することは、製品が複数の当該要素を含む可能性を排除するものではない。同様に、方法に係る請求項においてステップを単数形で記載することは、方法が複数の当該ステップを含む可能性を排除するものではない。それぞれの従属請求項がそれぞれの追加的特徴を画定しているという単なる事実は、請求項に反映されている以外の追加的特徴の組み合わせを排除するものではない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【国際調査報告】