JP2009536009A - 電源電圧の喪失時に磁気軸受の中断のない給電を確保する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、電源電圧（Ｕ）の喪失時に磁気軸受（５）の中断のない給電を確保する装置に関し、この装置は、電源電圧（Ｕ）によって電気エネルギーを供給されて電動機（３）を制御する第１のコンバータ（２）と、整流器（８）および電動機（３）に接続されている変圧器（７）とを含み、整流器（８）は電源電圧（Ｕ）の喪失時に磁気軸受（５）の制御に用いられる第２のコンバータ（１４）の電気的な中間回路（１１）に電気エネルギーを供給する。本発明は、磁気軸受を使用する場合に、電源電圧の喪失時の磁気軸受の給電中断時における軸受損傷を回避することを可能にする。

Description

本発明は、電源電圧の喪失時に磁気軸受の中断のない給電を確保する装置に関する。

高速回転電動機の軸は、ますます高頻度に、従来のすべり軸受またはころがり軸受の代わりに無接触磁気軸受によって支持される。この磁気軸受は常に動作状態に調節されなければならない。

電動機、特に工作機械、生産機械および／またはロボットの電動機においては、次第に程度を増して、電動機軸または電動機によって駆動される任意の他の軸を支持するために磁気軸受が使用される。特に、スピンドルを支持するためにますます頻繁に磁気軸受が使用される。

しかし、磁気軸受は、従来のころがり軸受と違って、規則どおりの支持を保証するために連続的に電気エネルギーを供給されなければならない。例えば電源系統の電気的な故障によって磁気軸受の電源電圧が喪失すると、電動機が停止するだけでなく、もはや磁気軸受の動作能力も失われる。電動機回転中における磁気軸受の電源電圧の喪失時にも、磁気軸受、回転軸および／または他の構成部品の損傷を回避するために、通例の磁気軸受においては、機械的なやり方で、磁気軸受の電源電圧の喪失の限られた回数について、磁気軸受、回転軸またはその他の部品が損害をこうむることなく、なおも緊急軸受を保証するいわゆる緊急走行特性が実現される。しかしながら、安定性の不十分な電源系統を有する分野への磁気軸受の適用は問題が多いままである。この場合には磁気軸受の緊急走行特性の最大許容回数が急速に到達されるので、上述の部品は短時間後に交換されなければならない。この交換は一般に時間を要し、高コストにつながる。

通常の工作機械において、工作機械のその他の駆動ユニットも接続されている同じコンバータ中間回路から電気エネルギーを供給される磁気軸受システムは公知である。停電時に、回転しているスピンドルのエネルギーにより、中間回路のエネルギーを維持することができる。それによって、スピンドル（回転している回転子）が制動されると同時に、例えばバッテリによる予備給電の形でのいわゆる無停電電源装置を必要とすることなく磁気軸受の動作能力が維持される。

独国特許出願公開第４３０６３０７号明細書から、停電時に数値的障害のある機械の損傷を防止する方法が公知である。この場合には、停電時に主スピンドル駆動装置の運動エネルギーが調節されて中間回路に回生され、工具スピンドルのプログラム制御された緊急復帰が実行される。

磁気軸受のための制御ユニットは、一般に１５０Ｖ〜７５０Ｖの中間回路電圧で動作する。この電圧範囲は電気工学的に「低電圧」と呼ばれる。特に大出力の電動機は、しばしば著しく高い電圧を供給される（例えば、３ｋＶ）。このような電動機は磁気軸受を有するので、もはや直接的に制動エネルギーを、電動機制御のために設けられているコンバータの中間回路から磁気軸受用の制御ユニットのコンバータの中間回路に伝送することはできない。

したがって、特にこのような場合にしばしば電源電圧の喪失時に磁気軸受の中断のない給電を確保するために、既に冒頭に述べた無停電電源装置が使用される。無停電電源装置は、例えば回転軸の磁気軸受の動作能力を、回転中の軸が十分に大いに制動されるまでの間維持し、緊急軸受への移行時に損傷や磨耗がもはや生じない。

しかしながら、無停電電源装置は次のような幾つかの欠点を有する。
無停電電源装置は、磁気軸受において著しい高コスト要因である。
無停電電源装置は、著しい構造空間を要求する。
無停電電源装置のバッテリの動作能力を保証するために、例えば温度、空気湿度等のような特定の環境条件が維持されなければならない。
バッテリが定期的に検査されて手入れをされなければならない。

本発明の課題は、磁気軸受を使用する場合に、電源電圧の喪失時に磁気軸受の給電中断の際の軸受損傷を回避することにある。

この課題は、電源電圧によって電気エネルギーを供給されて電動機を制御する第１のコンバータと、整流器および電動機に接続されている変圧器とを含み、整流器が、電源電圧の喪失時に、磁気軸受の制御に用いられる第２のコンバータの電気的な中間回路に電気エネルギーを供給する、電源電圧の喪失時に磁気軸受の中断のない給電を確保する装置によって解決される。

特に、本発明によって、電動機を制御するためのコンバータと磁気軸受を制御するためのコンバータとの中間回路電圧が異なる際に、一般にバッテリを必要とする無停電電源装置なしで済ませることが可能になる。

本発明の有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

変圧器の前に電気抵抗が直列に接続されていると有利であることが分かった。これによって、特に非同期電動機を使用する場合に予定より早い飽和を回避するために変圧器の負担を軽くすることができる。

更に、整流器と電気的な中間回路との間にリアクトルが直列に接続されていると有利であることが分かった。リアクトルにより、整流器から発生される出力電圧の良好な平滑を達成することができる。

更に、整流器が非制御整流器として構成されていると有利であることが分かった。なぜならば非制御整流器は特に簡単に実現することができるからである。

更に、変圧器が、第１のコンバータの最大の交流出力電圧において変圧器の飽和が発生しないように設計されていると有利であることが分かった。この措置によって、高い交流出力電圧の場合に変圧器の飽和を確実に回避することができる。

更に、変圧器が、電源電圧の存在時に変圧器の整流器側電圧が第２のコンバータの中間回路電圧を下回るように、特に僅差で下回るように設計されていると有利であることが分かった。これによって、電源電圧の喪失時に初めて第２のコンバータの中間回路が整流器を介して電気エネルギーを供給されることを保証することができる。

更に、整流器と中間回路との間に電力変換器が接続され、電力変換器が、電源電圧の喪失時に中間回路電圧ができるだけ長く一定であるように制御されると有利であることが分かった。この措置によって、中間回路電圧を磁気軸受の給電のために特に長く維持することができる。

更に、整流器と電力変換器との間に１つのコンデンサが並列に挿入接続されていると有利であることが分かった。コンデンサの挿入接続によって出力電圧が付加的にのみ平滑される。

更に、整流器が可制御整流器として構成されていると有利であることが分かった。整流器が可制御整流器として構成されている場合には、電源電圧の喪失時に中間回路電圧が非常に長く維持される。

更に、変圧器と整流器との間に複数のコンデンサが並列に挿入接続されていると有利であることが分かった。これによって、可制御整流器によって発生された障害となる高周波の電気振動が除去される。

本発明による装置を備えた工作機械、生産機械および／またはロボットを構成すると有利である。なぜならば、この種の機械はますます頻繁に磁気軸受が使用されるからである。しかしながら、本発明はもちろんその他の機械においても使用可能である。

本発明の３つの実施例を図面に示し、以下において更に詳細に説明する
図１は本発明による装置の概略図を示し、
図２は１つの相における交流出力電圧の経過を示す。

図１は本発明による装置の電気的な概略ブロック図を示す。分かり易さのために図１においては本発明の理解のために重要な構成要素のみが示され、特に１つの運動方向（例えば、Ｘ方向）のための磁気軸受を制御するための制御ユニット１８のみが示されている。電源系統１が３相線路により第１のコンバータ２に接続されている。第１のコンバータ２は同じく３相線路により電動機３に接続されている。電動機３は磁気軸受５により支持されている回転軸４を有する。電源系統１から供給される３相電源電圧Ｕは、第１のコンバータ２によって先ず第１の電力変換器２０により整流され、続いて第２の電力変換器２１により再び交流に変換されて、３相交流出力電圧Ｕ_Aが発生される。電動機３はこのようにして第１のコンバータ２によって制御される。

電動機３は実施例の枠内において大出力を有するので、電源電圧Ｕおよび交流出力電圧Ｕ_Aは実施例の枠内においてｋＶ範囲にある。

磁気軸受５は線路１５により第２のコンバータ１４によって制御され、このようにして電気エネルギーを供給される。第２のコンバータ１４は、実施例の枠内において、制御ユニット１８の構成部分である。制御ユニット１８はコンバータ１４の調節のために調節装置１９を有する。第２のコンバータ１４は整流器１２を有し、整流器１２は中間回路１１に中間回路電圧Ｕ_Zを発生し、中間回路電圧Ｕ_Zは再び電力用インバータ１３によって相応に逆変換されて、磁気軸受５の制御に用いられる。磁気軸受５はこのようにして電気エネルギーを供給される。エネルギー蓄積のために中間回路１１はコンデンサ１６を有する。第２のコンバータ１４は低電圧範囲において動作するので、中間回路電圧Ｕ_Zは数Ｖから数百Ｖの範囲において変動し、したがって電源電圧Ｕよりも遥かに低い。したがって、電源電圧Ｕは、第２のコンバータ１４の電圧レベルに合わせるために、整合変圧器１０により降圧変換される。

それゆえ、通常運転時には磁気軸受の給電が整合変圧器１０および電源系統１を介して保証されている。電源系統１内における停電または故障時には、これが、磁気軸受５の制御用の第２のコンバータ１４に対しても、電動機３の制御用の第１のコンバータ２に対しても、電源電圧Ｕの喪失をもたらす。この場合において今や、電動機３がなおも特に高い回転数にて回転している間、第２のコンバータ１４がエネルギーを供給されることが保証されなければならない。電源電圧Ｕの喪失時に電動機３は速度を落としてゆき、したがって発電機運転状態に移行し、第１のコンバータ２の通常時におけると同様に、数ｋＶ（例えば３ｋＶ）の範囲内にある交流出力電圧Ｕ_Aを発生する。本発明によれば、交流出力電圧Ｕ_Aが、変圧器７により、第２のコンバータ１４の中間回路１１の電圧レベルの範囲にある電圧レベルに降圧変換される。変圧器７の出力側は整流器８に接続されており、整流器８は出力側に直流電圧を発生し、この直流電圧が第２のコンバータ１４の電気的な中間回路１１のエネルギー供給に用いられる。このために整流器８の出力側は中間回路１１に接続されている。場合によっては必要ならば整流器８の出力電圧もしくは出力電流が、なおも付加的に、図１に破線で示されている直列挿入されたリアクトル９によって平滑されるとよい。

第１の実施例の枠内において、整流器８は非制御整流器として構成されている。すなわち整流器８は例えばダイオードのような制御可能でない変換器弁により構成されている。変圧器７は、電源電圧Ｕの存在時に変圧器の整流器側電圧が第２のコンバータ１４の中間回路電圧を下回る範囲、特に僅差で下回る範囲にあるように設計されるとよい。この措置によって、電源電圧Ｕの喪失時にのみ、変圧器７から整流器８を介して中間回路１１にエネルギーが供給されることが保証される。

しかし、第２の実施例の枠内において、整流器８と中間回路１１との間にも電力変換器２２が接続されもよく、このことが図１に破線で示されている。電力変換器２２は、電源電圧Ｕの喪失時に中間回路電圧Ｕ_Zができるだけ長く一定にとどまるように制御される。場合によっては、整流器８の出力電圧の付加的な平滑のために、整流器８と電力変換器２２との間に１つのコンデンサ１７を並列に挿入接続することがなおも必要である。

しかし、更に別の実施例の枠内においては、整流器８を、例えばＩＧＢＴまたはサイリスタのような可制御電気弁を電気弁として有する可制御整流器として構成することもできる。

整流器８の出力電圧は、同様に、電源電圧Ｕの喪失後に中間回路電圧Ｕ_Zをできるだけ長く一定に維持するように相応に制御されるとよい。場合によっては、この実施例の枠内において、整流器８の可制御動作時に発生する電圧および／または電流において場合によっては生じ得る障害となる振動を回避するために、変圧器７と整流器８との間に複数のコンデンサ２３をフィルタとして個々の相間に並列に接続することがなおも必要である。

第１のコンバータ２の出力電圧Ｕ_Aが直流成分を有する場合、電気抵抗６を変圧器２の電動機側において変圧器７の前に直列に挿入接続することが必要である。抵抗６はこの場合に生じる直流電流成分を制限するので、変圧器７が予定よりも早く飽和に至らない。これは、例えば事情によって、磁化電流が印加され回転子が無負荷で定まった回転角にある非同期機として電動機３が構成されている場合に必要である。この場合にコンバータの出力電圧が符号を変化しないパルス幅変調されたパルス列であるので、電圧に直流成分が生じる。

更に、変圧器は、第１のコンバータの最大に可能な出力電圧Ｕ_Aにおいて変圧器７の飽和が生じないように設計されていなければならない。したがって、変圧器７は、第１のコンバータ２が最大に発生し得る（磁束に相当する）電圧時間積を飽和なしに伝達することができるように設計されていなければならない。電圧時間積は同じ極性にて相前後して続く電圧パルスの個数および時間幅から得られる。模範的に図２に示されているパルス幅変調された第１のコンバータ２の出力電圧Ｕ_Aから得られる平滑された磁束形成電圧Ｕ_Sが図２に相応に示されている。電動機３は定められた最大磁束に対して設計されていることから、第１のコンバータの交流出力電圧Ｕ_Aの最大電圧時間積も決まっている。この値が変圧器７の電圧時間積のための設計基礎として使用されるとよい。

ここで述べておくに、第１のコンバータ２および／または第２のコンバータ１４は、当然に、いわゆる電流中間回路（中間回路におけるエネルギー蓄積要素として、並列接続されたコンデンサの代わりに、直列接続されたリアクトルが設けられている。）を有するコンバータとして構成されていてもよい。

図１には、図の見易さのために、本発明の理解のために重要な構成要素のみが示され、特に１つの運動方向（例えば、Ｘ方向）に対する磁気軸受を制御するための制御ユニット１８のみ示されている。他の運動方向（Ｙ方向、Ｚ方向）用の制御ユニットが、制御ユニット１８と同様の形で、整合変圧器１０、磁気軸受５および整流器８に接続されている。代替として、制御ユニット１８は、個別の電力用インバータ１３を有するのみならず、磁気軸受５の他の運動方向の制御のためにそれぞれ付設された別の電力用インバータを有し、これらの電力用インバータの全てが共通な中間回路１１から電気エネルギーを供給されるように構成されていてもよい。

本発明による装置の実施例を示すブロック図 １つの相における交流出力電圧の経過を示す波形図

符号の説明

１ 電源系統
２ 第１のコンバータ
３ 電動機
４ 回転軸
５ 磁気軸受
６ 抵抗
７ 変圧器
８ 整流器
９ リアクトル
１０ 整合変圧器
１１ 中間回路
１２ 電力用整流器
１３ 電力用インバータ
１４ 第２のコンバータ
１５ 線路
１６ コンデンサ
１７ コンデンサ
１８ 制御ユニット
１９ 調節装置
２０ 第１の電力変換器
２１ 第２の電力変換器
２２ 電力変換器
２３ コンデンサ

Claims (11)

1. 電源電圧（Ｕ）によって電気エネルギーを供給されて電動機（３）を制御する第１のコンバータ（２）と、整流器（８）および電動機（３）に接続されている変圧器（７）とを含み、整流器（８）が、電源電圧（Ｕ）の喪失時に、磁気軸受（５）の制御に用いられる第２のコンバータ（１４）の電気的な中間回路（１１）に電気エネルギーを供給することを特徴とする電源電圧の喪失時に磁気軸受の中断のない給電を確保する装置。
2. 変圧器（７）の前に電気抵抗（６）が直列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 整流器（８）と電気的な中間回路（１１）との間にリアクトル（９）が直列に接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
4. 整流器（８）が非制御整流器として構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の装置。
5. 変圧器（７）は、第１のコンバータ（２）の最大の交流出力電圧（Ｕ_A）において変圧器の飽和が発生しないように設計されていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の装置。
6. 変圧器は、電源電圧（Ｕ）の存在時に変圧器（７）の整流器側電圧が第２のコンバータの中間回路電圧を下回るように設計されていることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の装置。
7. 整流器（８）と中間回路（１１）との間に電力変換器（２２）が接続され、電力変換器（２２）は、電源電圧（Ｕ）の喪失時に中間回路電圧（Ｕ_Z）ができるだけ長く一定であるように制御されることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の装置。
8. 整流器（８）と電力変換器（２２）との間に１つのコンデンサ（１７）が並列に挿入接続されていることを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 整流器（８）が可制御整流器として構成されていることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の装置。
10. 変圧器（７）と整流器（８）との間に複数のコンデンサ（２３）が並列に挿入接続されていることを特徴とする請求項９記載の装置。
11. 請求項１乃至１０の１つに記載による工作機械、生産機械および／またはロボット。

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