磁耦合控制装置的制作方法

专利名称：磁耦合控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁耦合控制装置，特别涉及适于以非接触方式控制配置在管材内部的 内侧旋转体的装置结构以及控制技术。
背景技术：
目前已知有使用用于以非接触方式传递旋转运动的磁耦合的驱动系统。在该使用 磁耦合的驱动系统中，例如，已知有通过在相向的位置上配置在旋转方向上排列了多个磁 极的一对磁盘，在与一方的磁盘的旋转相同步的方式下，能够旋转驱动另一方磁盘的构造。另一方面，为了驱动配置在各种配管内的物体，还已知有使用磁力从配管外部驱 动该物体的机构。作为配管，例如除了自来水管或下水管等之外，还可列举出构成热交换器 的媒质通路的管材等。作为上述物体，例如具有配管内面的加工处理器具、清扫器具等。此外，还提出了在管材的外侧配置定子，在管材的内侧的物体上固定转子，由此来 构成磁电动机来旋转驱动该物体。但是，在上述现有的使用磁耦合的驱动机构中，由于从外部赋予的驱动转矩或对 管材内部的物体施加的负荷转矩的变动，有可能在磁耦合中产生失步，由此无法稳定地驱 动物体，存在难以使物体的动作方式最佳化的问题。此外，在上述现有的使用磁电动机的驱动机构中，在管材为金属等导电材料时，由 于定子形成的变动磁场，在管材中产生涡流，因此由于该涡流导致的损失，能够对转子赋予 的旋转转矩减小。此时，旋转速度越大，上述的涡流损耗越大。因此，为了补偿该涡流导致 的驱动效率的降低，需要增大磁电动机的体积，存在难以使加工装置紧凑的问题。

发明内容
因此，本发明用于解决上述的问题，其目的在于提供这样一种装置结构以及控制 技术，亦即，在从外周侧通过磁耦合控制配置在内周侧的内侧旋转体的磁耦合控制装置中， 能够对应内侧旋转体的负荷状态或驱动状态容易地调整控制方式，且通过简单紧凑的结构 实现更合适的控制方式。鉴于该事实，本发明的磁耦合控制装置具备外侧功能体，其具有在内周部能够旋 转的转子部和能够控制该转子部的定子部；内侧旋转体，其具有间隔地配置在所述转子部 的内周侧；管材，其具有配置在所述外侧功能体和所述内侧旋转体之间的管壁；磁耦合结 构，其具有在所述转子部的内周部绕轴线排列的多个外侧磁极、以及在所述内侧旋转体的 外周部对于所述多个外侧磁极在旋转方向上匹配，经由所述管壁在该旋转方向上能够磁耦 合地排列的多个内侧磁极；相位差检测单元，其检测所述外侧磁极和所述内侧磁极的旋转 方向的相位差；以及外侧功能体控制单元，其对应所述相位差控制所述外侧功能体。根据本发明，通过使用相位差检测单元检测磁耦合结构的驱动侧(外侧)和被动 侧(内侧)的相位差，可以容易地得知由于检测到的相位差，内侧旋转体受到的旋转负荷或 转动驱动力的变动，并且可以对应该相位差控制内侧旋转体。此外，因为外侧功能体具有通过磁耦合结构经由管材以非接触方式与内侧旋转体耦合的转子部、和能够控制该转子部的 定子部，所以能够容易并且紧凑地在管材的外侧配置外侧功能体。特别是通过控制单元对 应由相位差检测单元检测到的上述相位差控制外侧功能体，调整对内侧旋转体的驱动、制 动或负荷等功能状态，由此可以提高转速精度，防止磁耦合结构的失步等，提高针对内侧旋 转体的控制性，因此，能够更加稳定并且精密地控制内侧旋转体。在此，上述外侧功能体控 制单元，例如，可以是根据由相位差检测单元检测到的上述相位差检测磁耦合结构的失步， 而在产生该失步时，停止外侧功能体的驱动，或者降低转子部的转速，或者降低驱动转矩的 单元，或者可以是解除外侧功能体的制动，或者增加转子部的转速，或者降低制动(负荷) 的单元，此外，还可以是对应上述相位差始终控制外侧功能体的驱动或制动或负荷等功能 状态的单元。在本发明的一实施方式中，所述外侧功能体控制单元，是在所述相位差超过了失 步界限时，或者在超过了设定为失步界限以下的既定值时，变更针对所述外侧功能体的控 制方式的单元。由此，通过检测在磁耦合结构中产生了失步的状况或有可能产生失步的状 况，来变更针对外侧功能体的控制方式，可以切实地应对失步，或者可以提前防止失步的发生。在本发明的另一方式中，所述外侧功能体控制单元，是对应所述相位差、对所述外 侧功能体的所述转子部的旋转转矩(驱动转矩或制动转矩或负荷转矩)进行控制的转矩控 制单元。由此，通过对应上述相位差，转矩控制单元控制外侧功能体的旋转转矩，可以直接 并且迅速地控制在磁耦合结构的外周侧和内周侧之间施加的旋转转矩，所以与转速控制等 其他手段相比，可以防止磁耦合结构的失步等，提高维持耦合状态时的控制性。此时，所述转矩控制单元，优选是限制所述旋转转矩以便使所述相位差不会超过 设定为不满失步界限的既定值的转矩限制单元。由此，通过限制上述旋转转矩使上述相位 差不会超过既定值，即使是简单的控制结构，并且产生了内侧旋转体的负荷变动或旋转驱 动力的变动时等，也可以切实地防止磁耦合结构的失步。在本发明的另一方式中，所述外侧功能体是形成所述定子部旋转驱动所述转子部 的驱动磁场的电动机。由此，可以切实并且正确地控制转子部的旋转状态或驱动转矩。此 外，通过做成内转子型的电动机构造，还具有容易实现紧凑结构的优点。此外，所述外侧功 能体，可以是所述定子部受到由于所述转子部的旋转而产生的旋转磁场而产生电力的发电 机。由此，可以切实并且正确地控制转子部的旋转状态或制动转矩或负荷转矩。在本发明的另一实施方式中，所述相位差检测单元，包含在所述管材的外周侧对 于所述内侧旋转体以非接触方式检测所述内侧旋转体的旋转相位的内侧检测器。如此，相 位差检测单元能够在管材的外周侧以不和内侧旋转体接触的方式检测相位差，由此即使管 材长难以配线或者即使在管材内存在流体也不用担心泄漏，可以不受管材局限地没有障碍 地检测相位差，所以不需要配线构造或密封构造，可以成为更加简单而紧凑的结构。在本发明的别的方式中，具有分别在轴线方向上配置的多段的所述多个外侧磁极 以及所述多个内侧磁极，该多段的所述多个外侧磁极以及所述多个内侧磁极在轴线方向上 匹配，且在各个段中能够在该轴线方向上进行磁耦合。由此，因为能够把在轴线方向上保持 内侧旋转体的保持转矩增大与上述多个段的段数相当的量，所以能够切实并且正确地将内 侧旋转体定位在轴线方向上。
在本发明中，所述相位检测单元包含检测用磁极组和磁传感器，所述检测用磁极 组配置在所述内侧旋转体的在半径方向上不与所述外侧磁极重叠的部位上；所述磁传感器 根据穿过所述管材的与该检测用磁极组的磁相互作用，检测所述内侧旋转体的旋转位置。


图1是本发明的磁耦合控制装置的实施方式的概要纵截面图。图2是表示该实施方式的磁耦合结构的纵截面图(a)，表示内侧旋转体的磁极构 造的正面图(b)，以及表示转子部的磁极构造的纵截面图(C)。图3是表示该实施方式的更具体的结构例的纵截面图。图4是放大表示图3的一部分的放大部分截面图。图5是表示该实施方式的控制系统的整体结构的一例的概要结构方框图。图6是表示相位差检测单元的检测器的检测信号以及根据该检测信号导出的各 种信号的方式的时序图。图7是表示相位检测电路的输出失步检测信号的结构例的概要电路图。图8是表示相位检测电路的输出相位信号的结构例的概要电路图。符号说明10磁耦合控制装置；IOMT外侧功能体；11定子部；12转子部；12b转子磁极；12c 外侧磁极；13轴承；14内侧旋转体；Ha杆轴；14b内侧磁极；14c导辊；14d检测用磁极组； 15转子检测器；16内侧检测器；18外侧检测器；100控制系统；103电动机驱动电路；106主 控制部；107转速控制电路；117转矩控制电路；120相位检测电路
具体实施例方式然后，参照附图详细说明本发明的磁耦合控制装置的实施方式。图1是表示实施 方式的基本结构的概要纵截面图，图2是表示实施方式各部分的部分图(a) (C)。在本实施方式中，磁耦合控制装置10具备外侧功能体10MT，该外侧功能体IOMT具 有配置在外周的定子部11 ；在该定子部11的内侧相向配置的转子部12。外侧功能体IOMT 在图示例子中构成DC无刷电动机。定子部11具有在轴线IOx及其周围开口(贯通)的形 状的框架Ila ；以及固定在该框架Ila的内部，并且围绕轴线IOx排列的多个定子磁极lib 以及线圈11c。此外，转子部12具有对于框架Ila经由轴承13以轴线IOx为轴心以能够自由旋 转的方式被支撑的圆筒状的磁性筒体(轭)12a ；以及在该磁性筒体12a的外周面上围绕轴 线IOx排列的多个转子磁极12b。在本实施方式中，如图2所示，围绕轴线10x，以交互地排 列N极和S极的方式排列了转子磁极12b。在图示的例子中，围绕轴线10x，以交互地成为 不同极性的方式排列了四个转子磁极12b，当然，并不限于此。间隔少许的间隔与定子磁极 lib相向配置这些转子磁极12b。在框架Ila上配置转子检测器15，该转子检测器15检测 转子部12的转子磁极12b，能够检测转子部12的旋转位置。在本实施方式中，转子检测器15和转子磁极12b不仅用作用于驱动外侧功能体 IOMT的旋转位置检测单元，还构成检测磁耦合结构IOMC的外侧磁极12c的旋转位置的单 元。另外，如此，在图示的例子中，转子检测器15还兼做外侧检测器，如后所述，也可以另外设置外侧检测器。此外，转子检测器15可以检测后述的外侧磁极12c，还可以检测另外设置 的检测用磁极组。无论采用哪种方式，只要构成为根据由转子检测器15构成的外侧检测器 以及后述的内侧检测器16的输出可以检测外侧磁极12c和内侧磁极14b的相位差即可。另外，在上述外侧功能体IOMT中，采用定子部11具有电磁构造，转子部12由永磁 铁构成的电动机的结构，但本发明的外侧功能体并非限于该结构的电动机，只要是作为结 果能够控制转子部12的旋转状态的构造，可以是具有其他结构的电动机或电动机以外的 结构，例如也可以是发电机。在转子部12的内周面，设置围绕轴线IOx排列的多个外侧磁极12c。在图示例子 中，以围绕轴线IOx交互地配置N极和S极的方式排列了多个外侧磁极12c。在图示的例子 中，在对应的角度位置上分别配置在由强磁体构成的磁性筒体12a的内外两面上由永磁体 构成的相同数量的转子磁极12b和外侧磁极12c，并使在内外重叠配置的转子磁极12b与外 侧磁极12c的极性为相互相反的极性。但是，转子部12的内外的转子磁极12b和外侧磁极 12c不一定需要对应，也可以没有关系地配置内外的磁极。在轴线IOx上，配置多段如上所述围绕轴线IOx排列的多个外侧磁极12c。此时， 使在轴线IOx方向上邻接的段的外侧磁极12c彼此具备相互相反的极性。在图示的例子中， 在轴线方向上具有4段的结构，但对于段数没有特别的限定。通过设置多个段的构造，如后 所述，内侧旋转体14的轴线方向的保持力增大。在转子部12的内周面上安装有由覆盖上述外侧磁极12c的非磁性体构成的保护 部件12d。该保护部件12d优选由合成树脂等一体地构成。保护部件12d具有在转子部12 的排列了上述多个外侧磁极12c的区域(以下简单地称为“驱动区域”)中配置的筒状部 12d-l，该筒状部12d-l覆盖多个外侧磁极12c。此外，在保护部件12d的离开上述驱动区域 的位置(端部)上设置比上述筒状部12d-l厚的端框部12d-2(end frame)，该端框部12d_2 被固定在上述磁性筒体12a的端部。该保护部件12是用于防止在转子部12的内部穿插的 管材P的外表面直接与外侧磁极12c接触的保护部件。还在上述转子部12的内侧具有间隔地配置内侧旋转体14。整体上轴状地构成内 侧旋转体14。内侧旋转体14具备在杆轴1 的外周面上，围绕轴线IOx排列的多个内侧磁 极14b。围绕轴线IOx地观察，按照与外侧相向的极性相反的外侧磁极12c相对应的周期 (在相同角度范围内为相同数量)，配置这些内侧磁极14b。关于上述外侧磁极12c和内侧磁极14b，在半径方向上相向地配置基本上相互对 应的极性相反的磁极。具体地说，如图2所示，外侧磁极12c和内侧磁极14b以分别围绕轴 线10x，使N极和S极相互朝向对方的至少一对磁体(最好是永磁体)相邻的方式来进行配 置，在径向上间隔间隙相向地构成这些的一对的磁体组。由此，在驱动侧(外侧)构造和被 动侧(内侧)构造之间产生磁力，构成在两者之间以非接触的方式传递旋转力的磁耦合。在本实施方式中，在驱动侧和被动侧，围绕轴线分别配置多组上述一对的磁体组。 围绕轴线10x，相等角度范围并且相等角度间隔地分别配置各磁极12c、14b，还相互相同地 设定磁极12c和磁极14b的角度范围和角度间隔。但是，只要具有在整体上多个磁极12c 和多个磁极14b在半径方向上对应的结构，并且作为结果实现了磁耦合的功能，各磁极的 角度范围和角度间隔可以不相同。对应上述外侧磁极12c，在轴线IOx方向上设置了多段(在图示的例子中为4段)
6如上所述围绕轴线IOx排列的多个内侧磁极14b。此时，构成在轴线IOx的方向上相邻的段 的内侧磁极14b彼此具有相互相反的极性。此外，构成为在各段中，分别如上所述，外侧磁 极12c和与其相向的内侧磁极14b为相互相反的极性。在内侧旋转体14的配置上述内侧磁极14b的区域(以下简单地称为“被动区域”) 的轴线IOx方向两侧，装配有相对于上述杆轴1 可自由旋转地安装的直径比内侧磁极14b 大的导辊14c。把这些导辊Hc穿插到转子部12的内侧，具有适合于内包有内侧旋转体14 的管材P的内径的外径，在该管材P内内侧旋转体14顺滑地旋转。在内侧旋转体14的被动区域的外侧，与上述内侧磁极14b不同地，在半径方向上 与上述外侧磁极12c不重叠的位置上，围绕轴线IOx固定了多个检测用磁极组14d。这些检 测用磁极组14d在旋转方向上排列多个不同极性的磁极，成为检测内侧旋转体14的旋转位 置的内侧检测器16检测的对象。即，内侧检测器16以及检测用磁极组14d构成被动侧的旋 转位置检测单元。希望多个检测用磁极组14d的角度位置、角度范围以及数量与内侧磁极 14b的角度位置、角度范围以及数量相对应，但是没有特别的限定，此外，可以不使用检测用 磁极组14d，例如可以是内侧检测器16检测内侧磁极14b自身的结构。无论采用哪种方式， 只要是能够根据由转子检测器15构成的外侧检测器和内侧检测器16的输出，检测外侧磁 极12c和内侧磁极14b的相位差的结构即可。只要转子检测器15和内侧检测器16都可以相对地分别检测转子部12和内侧旋 转体14的角度位置即可，并不限于上述那样具有磁的检测功能，可以通过光学传感器等其 他原理或结构来进行检测。但是，因为内侧检测器16用于检测在管材P的内侧配置的内侧 旋转体14，所以优选为能够经由管材P进行检测的检测器，S卩，在管材P的外侧，以非接触的 方式能够检测内侧旋转体14的旋转相位的检测器。因此，在管材P为非磁性金属时，最好 使用磁性传感器。在本实施方式中，分别从后述的电动机驱动电路向外侧功能体IOMT的多个线圈 Ilc供给适当的功率，由此通过定子部11产生驱动磁场，旋转驱动定子部12。当转子部12 旋转时，通过该外侧磁极12c和内侧旋转体14的内侧磁极14b的磁耦合，内侧旋转体14与 转子部12同步旋转。此外，在转子部12的内部穿插由非磁性体(不是强磁性体的材料) 形成的管材P，当在该管材P的内部配置内侧旋转体14时，可以在管材P的内部旋转驱动内 侧旋转体14。此时，在非磁性体的管材P由金属等导电体构成时，在外侧磁极12c和内侧磁 极14b之间形成的磁场只是与转子部12以及内侧旋转体14的旋转一起几乎没有变化地旋 转，所以基本上不会产生由于涡流引起的损失。在本实施方式中，在转子部12中，在轴线IOx的方向上设置多段的外侧磁极12c， 与此对应还在内侧旋转体14上，在轴线IOx方向上配置了多段的内侧磁极14b，由此，在轴 线IOx方向上产生高的保持力。与设置一段的外侧磁极12c和内侧磁极14b的情况相比， 可以得到大体段数倍的(在图示的例子中因为是4段，所以是4倍)的保持力。于是，即使 对于在管材P的内部配置的内侧旋转体14施加了一些外力，仍然可以保持轴线IOx方向的 位置。在本实施方式中，把外侧功能体IOMT构成为DC无刷电动机，所以需要用于检测转 子部12的旋转位置的传感器。一般另外设置未图示的称为霍尔传感器(霍尔IC等)的各 种旋转位置传感器来控制定子部11，但是在本实施方式中，作为该旋转位置传感器，设置有用于检测转子部12的旋转姿势的上述转子检测器15。但是，由于电动机形式的不同(例如 带有换向器的DC电动机)，可以省略转子检测器15。如上所述，在本实施方式中把转子检 测器15用作外侧检测器，但也可以如上所述，分别设置转子检测器和外侧检测器，所以以 下说明这样构成的设计例子，并且在后面的本实施方式的控制系统的说明中，为了说明上 的方便，作为分别设置有外侧功能体IOMT的控制用传感器(转子传感器)和上述外侧传感 器的情况来叙述。图3以及图4是表示更加具体地构成上述实施方式的磁耦合控制装置10时的设 计例子的纵截面图以及放大部分截面图。在该设计例子中，基本结构与上述图1以及图2 的基本结构相同，但是在细节给出了更加具体的结构。在该设计例子中，在多个部位具有与 上述图1以及图2所示的实施方式不同的结构，可以在上述实施方式与本设计例子之间适 当地置换这些多个不同点来进行构成。在底盘1上，在轴线方向IOx上具有间隔地安装竖立的侧板2、3。在侧板2、3上， 分别固定定子部11的轴线方向两端部。在该定子上，与上述相同地设置框架11a、定子磁极 lib以及线圈11c。此外，在转子部12上，设置与上述相同的磁性筒体12a、转子磁极12b、 以及外侧磁极12c。但是，以安装固定了转子磁极12b的外侧的转子轭1加-1与安装固定了 外侧磁极12c的内侧的驱动侧轭1加_2在旋转方向上卡合的状态构成磁性筒体12a。转子 轭1加-1和驱动侧轭1加_2通过固定在轴线方向两侧的端板l&、12f相互固定。另外，可 以通过相互固定3个以上的轭部来构成磁性筒体12a。在上述端板12e、12f的内侧，安装固定与上述相同的保护部件12d。但是，对于端 板1 和12f的双方，分别在轴线方向的两侧固定了图示例子的保护部件12d。在另一端 板12f上，安装具有与外侧磁极12c相对应的磁极结构的检测用磁极组12g。检测用磁极组 12g被固定在端板12f的在轴线方向前后突出的前端部上。另一方面，在安装在框架Ila上 的传感器板17上，安装了用于检测安装在内侧旋转体14的端部的检测用磁极组14d的内 侧检测器16、和检测上述检测用磁极组12g的外侧检测器18。当如此构成时，就能够简单 地构成检测结构，如果结构稍复杂一些也没有关系的话，也可以构成为外侧检测部18直接 检测外侧磁极12c。在本实施方式中，与检测转子磁极12b的旋转位置的转子检测器15不同地另外设 置通过检测检测用磁极组12g来检测外侧磁极12c的旋转位置的外侧检测器18，所以对于 转子磁极12b和外侧磁极12c的相位关系，就不会受到任何的制约，可以相互无关系地设定 转子磁极12b的围绕轴线IOx的结构(磁极排列的周期及数量)和外侧磁极12c的围绕轴 线IOx的结构(磁极排列的周期以及数量)。在为图示的例子时，外侧功能体IOMT例如是 8极9槽的结构，使转子磁极12b为8极。另一方面，使外侧磁极12c以及后述的内侧磁极 14b为4极。此外，在本实施方式中，在内侧旋转体14的端部还设置用于检测轴线方向的位置 的检测用磁极组14e。该检测用磁极组He在轴线IOx的方向上，排列不同极性的磁极。在 图示的例子中，在轴线方向上相邻配置了 N极和S极的一对磁极。在上述传感器板17上还 安装有检测检测用磁极组14e的轴线位置检测器19。此时，轴线位置检测器19相对于外侧 磁极12c被固定在轴线IOx方向上，所以检测用磁极组14d和轴线位置检测器19构成驱动 侧(外侧)和被动侧(内侧)的相对的轴线位置的检测单元。安装在传感器板17的外侧的是端部盖20。该轴线位置检测器19此外还和上述内侧检测器16相同，能够在管材P的 外周侧，以非接触的方式检测内侧旋转体14的轴线方向的位置。此外，轴线位置检测器19 检测在内侧旋转体14中、在半径方向上不与外侧磁极12c重叠的位置上设置的检测用磁极 组 14e。然后，参照图5至图7说明本实施方式的控制系统100的结构。图5是表示控制系 统100的全体结构的概要结构方框图。在本实施方式中，通过与交流电源(商业电源)101 连接的整流电路102向电动机驱动电路103供给直流电压。电动机驱动电路103驱动外侧 功能体10MT。磁耦合结构IOMC的驱动侧构造IOD(外侧磁极12c)与该外侧功能体IOMT 的转子部12 —同旋转，所以通过该驱动侧构造10D，通过磁耦合被动侧构造10E(内侧磁极 14b)接受旋转力，由此旋转驱动内侧旋转体14。另外，在本实施方式的磁耦合控制装置10中，外侧功能体IOMT不限于旋转驱动内 侧旋转体14的方式，在外侧功能体IOMT对内侧旋转体14的旋转进行制动的方式中也能够 同样地使用。此时，在以下说明的驱动转矩的概念中包含制动转矩，所以可以同样地进行理解。在对上述电动机驱动电路103的电力供给线路中，设置电流检测部104，在过电流 检测部105中判断由电流检测部104检测到的电动机驱动电路103的负荷电流值是否超过 了既定的电流值，把结果发送给主控制部106。当检测到过电流时，主控制部106可以对电 动机驱动电路103送出控制信号来停止驱动，或者可以通过后述的转速控制电路107降低 驱动转速。此外，也可以对外部设备A送出停止输出信号ST。转速控制电路107对应选择并输入从外部输入部108a、操作输入部108b以及内部 设定部(缺省值保存部)108c给出的、与转速对应的输入值的设定选择部108的设定输出， 控制电动机驱动电路103，以便成为适当的转速。该设定选择部108按照对应从主控制部 106送出的选择信号SL，使用上述的某一个输入值的方式进行动作。此外，向主控制部106 输入与运转/停止操作部110、紧急停止操作部111、正反转指示部112的操作或指示对应 的设定信号，主控制部106对应这些操作或指示执行运转开始动作、运转停止动作、紧急停 止动作、外侧功能体IOMT的驱动方式的旋转切换动作。并且，主控制部106具有接收来自 外部的控制装置的外部停止信号的外部停止输入部113，通过输入该外部停止信号，停止外 侧功能体IOMT的驱动动作。此外，主控制部106具有接收来自外部的控制装置的外部控制 信号的外部控制输入部114，对应该外部控制信号控制外部功能体IOMT的驱动方式。另外，在不输入外部控制信号时，主控制部106按照缺省的控制方式自动地动作。 主控制部106可以由按照规定的动作程序进行动作的微型计算机单元、控制器等构成。此 外，在本实施方式中，经由转速控制电路107进行基于主控制部106的外侧功能体IOMT的 控制。但是，也可以从主控制部106直接控制电动机驱动电路103。在外侧功能体IOMT上设置有霍尔元件等构成的上述转子检测器15，通过该转子 检测部15可以检测转子磁极的相位。把转子检测器15的输出发送给上述转速控制电路 107，经由电动机驱动电路103通过与该输出相匹配的频率驱动定子部11。此外，通过转速 检测电路115，把转子检测器15的输出变换为与转速对应的显示信号DO、模拟电压AV。此 外，转速检测电路115还输出与转速对应的转速补偿信号RC。把该转速补偿信号RC输入 给转矩指定部116。在转矩指定部116中，对应操作输入和转速补偿信号RC，向转矩控制电
9路117输出转矩指定信号Tl。在转矩指定部116中，对应该操作输入值生成转矩指定信号 Tl，但可以对操作输入值用适当的加权来调整转速补偿信号RC的贡献。即，可以对应随着 外侧功能体IOMT的转速上升而增大的机械负荷等，增加驱动转矩。优选在转矩指定部116 中，可以选择有无转速补偿信号RC的贡献。在转矩控制电路117中，根据转矩换算电路109对电流检测部104检测到的负荷 电流值进行变换而产生的电流转矩信号TC和上述转矩指定信号Tl，向转速控制电路107输 出转矩控制信号TS。转矩控制信号TS，通过从转速控制电路107输出的转速控制信号RS被 输出给电动机驱动电路103来间接地控制外侧功能体IOMT的驱动转矩。具体地说，起到调 整转速控制信号RS以使上述驱动转矩不超过规定值的作用。例如，防止在外侧功能体IOMT 启动时驱动转矩过大。该转矩控制电路117构成在根据后述的相位差生成转矩控制信号TS 时，对应检测器16、18或后述的相位检测电路120构成的相位差检测单元检测到的相位差， 控制外侧功能体IOMT的本发明的外侧功能体控制单元(转矩控制单元、转矩限制单元)。在本实施方式中，根据控制系统100具有检测磁耦合IOMC的驱动侧构造IOD和 被动侧构造IOE之间的相位差的相位差检测单元；以及对应该相位检测单元检测到的相位 差控制外侧功能体IOMT的外侧功能体控制单元。该相位差检测单元具备具有上述驱动侧 检测器18(包含由转子检测器15兼用的情况)的驱动侧的旋转位置检测单元；和具有上述 内侧检测器16的被动侧的旋转位置检测单元，通这些旋转位置检测单元，在相位检测电路 120中求出驱动侧和被动侧的旋转方向的相位差。在图示例子时，还具备具有上述轴线位置检测器19的轴线位置检测单元，通过该 轴线位置检测单元，检测驱动侧和被动侧的轴线IOx方向的位置偏移的有无或位置偏移 量。在该轴线方向位置检测单元中，把轴线位置检测器19的输出发送给主控制部16，通过 主控制部106切换控制方式。另外，当根据轴线位置检测器19的输出在内侧旋转体14中产 生了轴线方向的位置偏移(轴偏移)时，基于内侧磁极14b和外侧磁极12c之间的磁耦合 的旋转方向的保持力降低，内侧旋转体14的旋转阻力增大，所以考虑到内侧旋转体14相对 于控制系统100中的外侧功能体控制单元进行的基于相位差的控制的响应特性发生变化， 为了降低由于该响应特性的变化导致的影响，可以对应轴偏移量修正转矩控制中的上述相 位差的规定值(与失步界限对应的规定值，特别是不足失步界限的规定值)。相位计算电路120计算驱动侧构造IOD和被动侧构造IOE的旋转位置的相位差， 输出相位信号PS。此外，相位检测电路120判定上述磁耦合结构IOMC是否产生了失步，向 主控制部106输出失步检测信号LS。在相位检测电路120中，根据上述相位差是否超过既 定值来判断磁耦合结构IOMC的失步。根据主控制部106的复位信号RH，解除上述失步检测 信号LS。在磁耦合结构IOMT中，在以驱动侧和被动侧的相位差，即以上述磁极的围绕轴线 IOx的形成周期(配置相互相邻的N极和S极的一对磁极的角度区域)为基准的相位差， 在把极性相互相反的外侧磁极12c和内侧磁极14b位于对应位置时(在驱动侧和被动侧 之间生成的保持转矩=0时)作为相位差0时，在如本实施方式那样以等角度范围以及等 角度间隔排列了各磁极时，在相位差为1/4(90度)时产生最大的保持转矩，在相位差超过 2/4 (180度)时成为失步。因此，在本实施方式时，把上述既定值设为相位差2/4(180度)， 但上述相位差的值在磁耦合结构的磁极范围和磁极间隔不是等角度时，与此对应地进行变化，所以一般设定对应磁耦合结构产生失步的相位差(失步界限)。此外，可以不像上述那样检测发生了失步，而是在产生失步之前，根据失步检测信 号LS通知具有产生失步的危险，进行控制以使不使其发生失步。例如，把上述既定值设为 不足相位差2/4的值，特别是优选设定为产生最大的保持转矩的相位差1/4以下的值。一 般地，把上述既定值设为没有达到产生失步的相位差(失步界限)的值，特别希望设为得到 最大的保持转矩的相位差以外的值。当根据上述失步检测信号LS检测到磁耦合结构IOMC产生了失步，或者有可能产 生失步时，在主控制部106中，通过切换针对设定选择部108的选择信号SL等，控制转速控 制电路107，降低外侧功能体IOMT的转速，或者停止外侧功能体IOMT的驱动，或者降低驱动 转矩。该控制方式不是由主控制部106进行的通常的驱动控制方式，而是磁耦合结构IOMC 的失步引起的异常状态导致的驱动停止，或者用于消除该异常状态的状态恢复控制，或者 提前避免失步状态同时返回通常的控制方式的失步回避控制。此外，还可以在进行这样的 针对外侧功能体IOMT的控制的同时，对外部设备A发送停止输出信号ST。无论是那种方式，当上述的驱动停止控制、状态恢复控制、失步回避控制完成时， 主控制部106向相位检测电路120发送复位信号RH，由此，失步检测信号LS被复位，所以再 次返回通常的检测状态。经由信号切换电路121，选择性地把相位检测电路输出的相位信号PS和上述电流 转矩信号TC输入给转矩控制电路117。当然，还可以与电流转矩信号TC并行地(与电流转 矩信号TC独立地)把相位信号PS输入给转矩控制电路117。转矩控制电路117根据相位 信号PS，控制外侧功能体IOMT的驱动转矩，以便维持磁耦合结构IOMC的磁耦合状态，即不 产生失步。作为该控制方式的一例，例如可以举出调整转矩控制信号TS，以便将磁耦合结 构IOMC的相位差维持在不超过既定值的范围内。图6是与相位差检测单元有关的各种信号的例子的时序图，图7以及图8是表示 相位检测电路120的构成例的概要电路图。作为输入驱动侧信号S18和清除信号C16的第 一顺序逻辑电路(例如，带有R端子的D触发器)120b的输出，得到相位差信号PD，驱动侧 信号S18从外侧检测器18输出，清除信号C16是输入从内侧检测器16输出的被动侧信号 S16的解除信号电路120a的清除信号。在此，在图示的例子中，解除信号电路120a由异或 逻辑电路、电容、电阻等构成，把正、反转信号DS(L 低电位或H 高电位)与上述被动侧信 号S16 —同输入，生成清除信号C16。在此，正反转信号DS使基于被动侧信号S16的清除信 号C16的极性翻转。在图示的例子中，第一顺序逻辑电路120b的Q输出，即相位差信号PD 对应于在第一顺序逻辑电路120b的T端子输入的驱动侧信号S18的上升时刻而上升(从 L成为H)，对应于在第一顺序逻辑电路120b的R端子输入的清除信号C16复原的被动侧信 号S16的上升时刻而复原(从H成为L)。如图7所示，把相位差信号PD与上述驱动侧信号S18 —同输入给第二顺逻辑电路 (例如，带有S端子以及R端子的D触发器)120c。在图示例子中，在驱动侧信号S18的上 升时刻，如果相位差信号PD为H，则Q输出成为H，除此以外保持L不变。该第二顺序逻辑 电路120c的Q输出是失步检测信号LS。在第二顺序逻辑电路120c中，因为将反相Q输出 ⑴杠)与S端子连接，所以当失步检测信号LS暂时成为H时，维持该H状态。把失步检测 信号LS发送给主控制部106。根据从主控制部106输入的复位信号RH，对失步检测信号LS的H状态进行复位。在相位差信号PD的占空比以驱动侧信号S18的周期为基准超过了 2/4时，把相位 差信号PD作为输入的第二顺序逻辑电路120c把失步检测信号LS作为反相的H信号进行 输出。在上述电路例子中，设为在驱动侧信号S18前后的上升定时的期间，在不存在被动侧 信号S16的上升定时的情况下，判断为失步，但不限于此，可以在作为结果在磁耦合中产生 了失步的情况下，使失步检测信号LS反相。此外，如上所述，如果把不足失步界限的任意的 相位差的值设定为上述既定值，则更加恰当。如图8所示，通过积分电路120d对上述相位差信号PD进行积分，成为相位信号 PS。上述相位差与相位差信号PD的占空比成比例，所以对相位差信号PD进行积分得到的 上述相位信号PS成为表示该相位差的模拟值。在此，通过根据偏移调整电路120e的输出 使上述积分电路120d的输出偏移，根据相位信号PS得到更加正确的相位差。在偏移调整 电路120e中，可以在磁耦合结构IOMC的正转时和反转时，设定各自的偏移值Voff。这些正 转时和反转时的偏移值根据上述正反转信号DS，选择对应的偏移值。当把相位信号PS提供给上述转矩控制电路117时，转矩控制电路117根据转矩控 制信号TS，控制转速控制电路107，以使驱动侧构造IOD和被动侧构造IOE的相位差成为既 定值以下。由此，例如可以防止在转速上升时等，外侧功能体IOMT的驱动转矩过大(磁耦 合结构IOMC的最大的保持转矩以上)而导致失步，或者对内侧旋转体14施加的负荷增大 而产生失步的情况。提供给转矩控制电路117的信号不限于上述相位信号PS，可以是上述 相位差信号PD等，作为结果只要可以进行转矩控制的方式的信号即可。此外，本发明的磁耦合控制装置不限于上述的图示例子，在不超出本发明的主旨 的范围内可以进行各种变更。例如，在上述外侧功能体IOMT由DC无刷电动机构成，但本发 明并不限于此，只要是能够控制磁耦合结构IOMC的驱动侧构造IOD和被动侧构造IOE的相 位差的结构，可以使用其他种类的电动机。 此外，本发明的磁耦合控制装置不限于上述的驱动装置，可以用于旋转控制管材P 中的内侧旋转体的各种用途。例如，如上所述，可以用作内侧旋转体的制动装置，此时，上述 的被动侧成为驱动侧，驱动侧则成为制动侧。在这样的产生能量从内侧向外侧的流动的方 式中，还可以适用于例如在内侧旋转体中安装风扇，通过在管材P内流动的流体，对内侧旋 转体进行旋转驱动的涡轮装置或发电机等。 在把本实施方式用作发电机时，在上述控制系统100中，可以代替交流电源101以 及整流电路102而连接一般负荷(电力稳定电路、变压电路、充电电路等)，代替电动机驱动 电路103设置可变负荷电路(能够电气地变更由于反电动势引起的转子部的旋转负荷的电 路)，代替转速控制电路107设置输出对可变负荷电路给出的电气负荷进行控制的负荷控 制信号的负荷控制电路，使转矩控制电路117间接地控制基于外侧功能体的转子部的负荷 转矩(制动转矩)。例如，为了使该负荷转矩不超过规定值(磁耦合的不足失步界限的值) 调整负荷控制信号，并且为了调整负荷控制信号对应上述相位差控制负荷转矩，由此，可以 防止磁耦合的失步。或者，还可以在内侧旋转体的旋转驱动力弱时(例如，启动时)减轻负 荷，来维持内侧旋转体14的旋转或使启动变得容易。无论是哪种方式，都通过上述的可变 负荷电路、负荷控制电路以及转矩控制电路，构成对具有发电功能的外侧功能体进行控制 的外侧功能体控制单元。
权利要求
1.一种磁耦合控制装置，其特征在于， 具备外侧功能体，其具有在内周部能够旋转的转子部和能够控制该转子部的定子部； 内侧旋转体，其具有间隔地配置在所述转子部的内周侧； 管材，其具有配置在所述外侧功能体和所述内侧旋转体之间的管壁； 磁耦合结构，其具有在所述转子部的内周部绕轴线排列的多个外侧磁极、以及在所述 内侧旋转体的外周部对于所述多个外侧磁极在旋转方向上匹配，并且经由所述管壁在该旋 转方向上能够磁耦合地排列的多个内侧磁极；相位差检测单元，其检测所述外侧磁极和所述内侧磁极的旋转方向的相位差；以及 外侧功能体控制单元，其根据所述相位差控制所述外侧功能体。
2.根据权利要求1所述的磁耦合控制装置，其特征在于，所述外侧功能体控制单元是在所述相位差超过了失步界限时，或者超过了设定为失步 界限以下的既定值时，变更针对所述外侧功能体的控制方式的单元。
3.根据权利要求1所述的磁耦合控制装置，其特征在于，所述外侧功能体控制单元，是根据所述相位差、对所述外侧功能体的所述转子部的旋 转转矩进行控制的转矩控制单元。
4.根据权利要求3所述的磁耦合控制装置，其特征在于，所述转矩控制单元，是限制所述旋转转矩、以使所述相位差不会超过设定为不足失步 界限的既定值的转矩限制单元。
5.根据权利要求1至4的任意一项所述的磁耦合控制装置，其特征在于，所述外侧功能体是形成所述定子部驱动所述转子部旋转的驱动磁场的电动机。
6.根据权利要求1至5的任意一项所述的磁耦合控制装置，其特征在于，所述相位差检测单元，包含在所述管材的外周侧、对于所述内侧旋转体以非接触方式 检测所述内侧旋转体的旋转相位的内侧检测器。
7.根据权利要求1至6的任意一项所述的磁耦合控制装置，其特征在于，具有分别在轴线方向上配置的多段的所述多个外侧磁极以及所述多个内侧磁极， 该多段的所述多个外侧磁极以及所述多个内侧磁极在轴线方向上匹配，并且在各个段 中在该轴线方向上能够磁耦合。
全文摘要
对应内侧旋转体的负荷状态或驱动状态将控制方式做成可容易地调整，并通过简易而紧凑的结构实现更好的控制方式。磁耦合控制装置(10)具备具有能够在内周部进行旋转的转子部(12)的外侧功能体(10MT)；在转子部的内周侧具有间隔地配置的内侧旋转体(14)；具有在外侧功能体和内侧旋转体之间配置的管壁的管材(P)；具有在转子部的内周部绕轴线排列的多个外侧磁极(12c)以及在内侧旋转体的外周部对于多个外侧磁极在旋转方向上匹配，在旋转方向上能够磁耦合地排列的多个内侧磁极(14b)的磁耦合结构；检测外侧磁极和内侧磁极的相位差的相位差检测单元(15、16、120)；以及根据相位差控制外侧功能体的外侧功能体控制单元(103、106、107)。
文档编号H02P6/08GK102148598SQ201010526650
公开日2011年8月10日 申请日期2010年10月28日 优先权日2010年2月10日
发明者北岛宽规, 川田博司, 远山晖 申请人:日立电线株式会社