JP2013068309A - 磁気軸受及びそれを用いた圧縮機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の電磁石(24)を有し、負荷(Ld)が変動する駆動軸(13)に、該複数の電磁石(24)の合成電磁力(F)を付与するステータ(21)を設ける。負荷(Ld)とは逆方向の電磁力を発生する電磁石(24)のコイル(23)に流す第1コイル電流(IU)(上側コイル電流)と、負荷(Ld)と同方向の電磁力を発生する電磁石(24)のコイル(23)に流す第2コイル電流(IL)(下側コイル電流)との電流差を制御して駆動軸(13)の位置制御を行う制御部(30)を設ける。制御部(30)では、第2コイル電流(IL)の平均値が低下するように、第2コイル電流(IL)を逐次調整する。
【選択図】図4
Description
複数の電磁石(24)を有し、負荷(Ld)が変動する駆動軸(13)に、該複数の電磁石(24)の合成電磁力(F)を付与するステータ(21)と、
前記負荷(Ld)とは逆方向の電磁力を発生する電磁石(24)のコイル(23)に流す第1コイル電流(IU)と、前記負荷(Ld)と同方向の電磁力を発生する電磁石(24)のコイル(23)に流す第2コイル電流(IL)との電流差を制御して前記駆動軸(13)の位置制御を行うとともに、前記第2コイル電流(IL)の平均値が低下するように、前記第2コイル電流(IL)を調整する制御部(30)と
を備えたことを特徴とする磁気軸受である。
本発明の実施形態1では、本発明に係る磁気軸受を用いる例としてターボ圧縮機(1)を説明する。本実施形態のターボ圧縮機(1)は、冷媒が循環して冷凍サイクル運転動作を行う冷媒回路(図示省略)に接続され、冷媒を圧縮する。
図1は、実施形態1に係るターボ圧縮機(1)の構造を示す概略図である。ターボ圧縮機(1)は、図1に示すように、ケーシング(2)、羽根車(9)、及び電動機(10)を備えている。
タッチダウン軸受(14)は、玉軸受で構成されている。タッチダウン軸受(14)と駆動軸(13)のギャップは、磁気軸受(20)と駆動軸(13)のギャップよりも小さく形成されている。これにより、磁気軸受(20,20)が作動していない時に、タッチダウン軸受(14)によって、駆動軸(13)が磁気軸受(20)に接触しないように、該駆動軸(13)を支持することができる。つまり、電動機(10)の停止時や、何らかの理由により磁気軸受(20)が制御不能となって非通電となっている場合等に、タッチダウン軸受(14)によって、磁気軸受(20)の破損を防止できる。なお、タッチダウン軸受(14)は、玉軸受には限定されず、例えば単なる円筒状の部材で構成してもよい。
図2は、実施形態1に係る磁気軸受(20)の横断面図(駆動軸に垂直な方向の断面図)である。また、図3は、実施形態1に係る磁気軸受(20)の縦断面図(駆動軸方向の断面図)である。磁気軸受(20)は、図2に示すように、いわゆるヘテロポーラ型のラジアル軸受である。この例では、磁気軸受(20)は、ステータ(21)、ギャップセンサ(26)、制御部(30)、及び電源装置(40)を備えている。
電源装置(40)は、各コイル対に供給する電圧の大きさを別個に制御できるようになっている。本実施形態では、4つのコイル対があるので、電源装置(40)の出力は4つある。電源装置(40)が各コイル対に供給する電圧の大きさは、制御部(30)が制御する。この例では、電源装置(40)は、制御部(30)が出力した電圧指令値に応じて出力電圧を変化させる。これにより各コイル(23)に流れる電流が変化する。電源装置(40)には、一例として、いわゆるPWM(Pulse Width Modulation)アンプを採用することができる。
次に制御部(30)の構成を説明する。なお、以下の説明において、「上側コイル」とは、駆動軸(13)に加わっているラジアル方向の負荷(Ld)の方向とは反対方向の吸引力(電磁力(FU))を発生させる電磁石(24)のコイル(23)のことを意味し、「下側コイル」とは負荷(Ld)の方向と同じ方向の吸引力(電磁力(FL))を発生させる電磁石(24)のコイル(23)を意味している。つまり、ここで言うコイルの上下の呼び名は、電磁力の方向と負荷(Ld)の方向との関係から定めたものであり、磁気軸受(20,20)の設置状態における上下と一致する場合もあれば、一致しない場合もある。図2では、上側及び下側コイルを太線で囲んで例示してある。図2に示した負荷(Ld)に対しては、コイル(23-1,23-2)の2つが下側コイルであり、コイル(23-5,23-6)の2つが上側コイルである。
IU=Ib+Id
IL=Ib−Id
制御部(30)は、下側コイル電流(IL)の平均値(例えば積分平均)が低減するように、下側コイル電流(IL)を逐次調整する。具体的には、本実施形態の制御部(30)では、電源装置(40)の制御において、バイアス電流(Ib)の値が制御電流(Id)の値に近づくように、所定の周期で、バイアス電流(Ib)の値を増加又は減少させて該バイアス電流(Ib)の値を更新する。図4は、制御部(30)の構成を説明するブロック図である。同図に示すように、制御部(30)は、位置制御器(31)、電流制御器(32)、ゲイン制御部(33)、及びバイアス電流調整部(34)を備えている。また、制御部(30)は、バイアス電流(Ib)の値を周期的に更新するためにタイマー(図示は省略)も備え、このタイマーは前記更新の周期で、割り込み信号を電流制御器(32)に出力する。
位置制御器(31)は、駆動軸(13)のラジアル方向における位置を指示する位置指令と、ギャップセンサ(26)が検出した駆動軸(13)のラジアル方向の位置との偏差に応じ、制御電流(Id)の大きさを指示する電流指令値を出力する。より具体的には、位置制御器(31)は、駆動軸(13)が所望の位置となるように、上側コイル電流(IU)と下側コイル電流(IL)との電流差を所定の幅で変動させ、制御電流(Id)を決定する。磁気軸受(20)では、8つの電磁石(24)で4組の電磁石対を構成しているので、位置制御器(31)は、各電磁石対用に4つの電流指令値を生成する。
電流制御器(32)は、電源装置(40)が出力すべき電圧を求め、その電圧を指示する電圧指令値を電源装置(40)に出力する。磁気軸受(20)には上側コイル電流(IU)の検出値と下側コイル電流(IL)を検出する電流検出器(25)が設けられている。電流制御器(32)は、バイアス電流(Ib)と、電流指令値から定まる制御電流(Id)との加算電流が上側及び下側のコイルにそれぞれ流れるように、電流検出器(25)の検出値をフィードバックして前記電圧指令値を定める。
バイアス電流調整部(34)は、バイアス電流(Ib)の値を周期的に更新するようになっている。具体的には、バイアス電流調整部(34)は、ある初期状態における上側及び下側コイル電流(IU0,IL0)の値(検出値)から、次の関係式(A1)に基づいて初期状態の制御電流(Id0)、及び初期状態のバイアス電流(Ib0)を算出し、これらの相乗平均値(関係式(A2)参照)によって新たなバイアス電流(Ib)を導出する。
Ib0=(IU0+IL0)/2
Id0=(IU0-IL0)/2
関係式(A2)
Ib=(√(Ib0×Id0)
このような相乗平均値を採用するのは、以下の考えに基づくものである。
F=k×Ib×Id ・・・(1)
となる。ここでkは比例定数である。例えば、初期状態において合成電磁力がF0で、バイアス電流がIb0、制御電流がId0であったとすると、
F0=k×Ib0×Id0 ・・・(2)
となる。合成電磁力はF0のまま制御電流をバイアス電流に一致させるとき、式(1)は、
F0=k×Ib×Id=k×Ib^2 ・・・(3)
となる。
Ib=√(Ib0×Id0)
となる。このとき、関係式(C)より、上側コイル電流(IU)は、初期状態でIU0=Ib0+Id0であったのが調整後にIU=2√(Ib0×Id0)となり、下側コイル電流(IL)は、初期状態でIL0=Ib0−Id0であったのが調整後にIL=0となる。すなわち上側コイル電流(IU)も下側コイル電流(IL)もその絶対値が低減する。すなわち、事前のバイアス電流値と制御電流値の相乗平均値が新しいバイアス電流(Ib)となるように調整すれば、電磁石(24)のコイル(23)で消費する電力を低減できるのである。
ゲイン制御部(33)は、バイアス電流(Ib)の更新に同期して、フィードバックゲイン(Kc)の調整を行うための指令値を位置制御器(31)に出力するようになっている。この例では、ゲイン制御部(33)は、次の関係式(B)に基づいてフィードバックゲイン(Kc)調整用の指令値を位置制御器(31)に出力する。
Kc=Kc0×Ib0/Ib
ただし、関係式(B)において、Ib0は、ある初期状態でのバイアス電流値である。また、Kc0は、バイアス電流値がIb0のもとで調整された位置制御のフィードバックゲイン(Kc)である。
図5は、実施形態1に係るバイアス電流調整を説明するフローチャートである。制御部(30)は、図5に示したステップ(S01)〜ステップ(S05)の処理を行う。
以上のように本実施形態では、バイアス電流(Ib)の値が制御電流(Id)の値に近づくようにバイアス電流(Ib)の値を逐次更新することで、上側及び下側コイル電流(IU,IL)を低減できる。そのため、本実施形態では、磁気軸受(20,20)における消費電力を低減することが可能になる。
バイアス電流(Ib)の値の更新は、実施形態1の方法には限定されない。図8は、実施形態1の変形例に係るバイアス電流の調整を説明するフローチャートである。この例では、バイアス電流調整部(34)は、所定のステップ幅(Istep)でバイアス電流(Ib)の値を更新するようになっている。具体的には、バイアス電流調整部(34)は、図8に示したステップ(S11)〜ステップ(S18)の動作を行う。ステップ(S11)からステップ(S13)までの処理は、実施形態1で説明したステップ(S01)からステップ(S03)までの処理と同じである。
本実施形態でもバイアス電流調整部(34)の前記動作により、バイアス電流(Ib)の値が制御電流(Id)の値に近づくことになる。したがって、本実施形態においてもやはり、上側及び下側コイル電流(IU,IL)を低減でき、磁気軸受(20,20)における消費電力を低減することが可能になる。
図9は、実施形態2に係る磁気軸受(20)の横断面図である。また、図10は、実施形態2に係る磁気軸受(20)の縦断面図である。本実施形態の磁気軸受(20)は、図9に示すように、いわゆるホモポーラ型のラジアル軸受である。
図11は、実施形態3に係る磁気軸受(20)の横断面図である。また、図12は、実施形態3に係る磁気軸受(20)の縦断面図である。本実施形態の磁気軸受(20)は、いわゆるスラスト軸受である。図12に示すように、電動機(10)の駆動軸(13)には、円盤状のスラストディスク(13a)が固定され、磁気軸受(20)は、スラストディスク(13a)の軸方向の位置、すなわち駆動軸(13)の軸方向位置を制御する。
磁気軸受(20)は、ステータ(21)、電源装置(40)、ギャップセンサ(26)、及び制御部(30)を備えている。ギャップセンサ(26)は、スラストディスク(13a)の近傍に取り付けられ、スラストディスク(13a)の軸方向の位置を検出するようになっている。
〈1〉磁気軸受(20)では、何らの原因で実際の負荷(Ld)の方向が、想定した方向を向かない可能性がある。例えば想定した負荷(Ld)の方向と直交する方向へ実際の負荷(Ld)が掛かる可能性がある。その場合、上側コイル(第1コイル)と想定していたコイル(23)に係る電磁石(24)と、下側コイル(第2コイル)と想定していたコイル(23)に係る電磁石(24)のそれぞれにおける平均的な負荷はゼロとなる。そうすると、上側及び下側コイルと想定していた両コイルに流れる電流(IU,IL)は、正負が逆で大きさが同じ電流となる。その結果、上側及び下側コイルと想定していたコイルに係る電磁石(24)同士は同じ力で引っ張りあい、位置制御が不安定となる可能性がある。さらに、制御ゲイン(Kc)の調整も同時に行う場合は、上側コイル電流(IU)が小さくなりすぎると、制御ゲイン(Kc)が大きくなりすぎて、制御器の内部変数や指令電圧が飽和して位置制御が不安定になる可能性がある。
13 駆動軸
20 磁気軸受
21 ステータ
24 電磁石
30 制御部
31 位置制御器(制御器)
32 電流制御器(制御器)
34 バイアス電流調整部
Claims (12)
- 複数の電磁石(24)を有し、負荷(Ld)が変動する駆動軸(13)に、該複数の電磁石(24)の合成電磁力(F)を付与するステータ(21)と、
前記負荷(Ld)とは逆方向の電磁力を発生する電磁石(24)のコイル(23)に流す第1コイル電流(IU)と、前記負荷(Ld)と同方向の電磁力を発生する電磁石(24)のコイル(23)に流す第2コイル電流(IL)との電流差を制御して前記駆動軸(13)の位置制御を行うとともに、前記第2コイル電流(IL)の平均値が低下するように、前記第2コイル電流(IL)を調整する制御部(30)と
を備えたことを特徴とする磁気軸受。 - 請求項1の磁気軸受において、
前記制御部(30)は、前記負荷(Ld)に応じて前記第1コイル電流(IU)が減少したときは前記電流差の変動幅を増大させ、前記第1コイル電流(IU)が増大したときは前記電流差の変動幅を減少させることを特徴とする磁気軸受。 - 請求項1又は請求項2の磁気軸受において、
前記制御部(30)は、
各電磁石(24)に電磁力を発生させる制御電流(Id)と、前記制御電流(Id)の値及び前記合成電磁力(F)の関係を線形にするために前記制御電流(Id)に加算するバイアス電流(Ib)とを制御する制御器(31,32)と、
前記バイアス電流(Ib)の値が前記制御電流(Id)の値に近づくように、前記バイアス電流(Ib)の値を調整するバイアス電流調整部(34)とを備えたことを特徴とする磁気軸受。 - 請求項3の磁気軸受において、
前記バイアス電流調整部(34)は、前記バイアス電流(Ib)の値と前記制御電流(Id)の値との相乗平均値に、前記バイアス電流(Ib)の値を調整することを特徴とする磁気軸受。 - 請求項3の磁気軸受において、
前記バイアス電流調整部(34)は、所定のステップ幅(Istep)で前記バイアス電流(Ib)の値を調整することを特徴とする磁気軸受。 - 請求項1又は請求項2の磁気軸受において、
前記制御部(30)は、前記第1コイル電流(IU)の平均値と前記第2コイル電流(IL)の平均値の和の絶対値の大きさが、所定の制限値以下とならないように、前記第2コイル電流(IL)を調整することを特徴とする磁気軸受。 - 請求項3から請求項5の何れかの磁気軸受において、
前記バイアス電流調整部(34)は、前記バイアス電流(Ib)の絶対値の大きさが、該磁気軸受で支持する機器の運転条件に応じて定めた閾値以下とならないように、前記バイアス電流(Ib)を調整することを特徴とする磁気軸受。 - 請求項1又は請求項2の磁気軸受において、
前記制御部(30)は、前記第1コイル電流(IU)の平均値、及び前記第2コイル電流(IL)の平均値の少なくとも一方を求めるとともに、求めた平均値の変動幅が該磁気軸受で支持する機器の運転条件に応じて定めた閾値以下となった場合に、前記第2コイル電流(IL)の調整を行うことを特徴とする磁気軸受。 - 請求項3から請求項5の何れかの磁気軸受において、
前記バイアス電流調整部(34)は、前記制御電流(Id)の平均値の変動幅が、該磁気軸受で支持する機器の運転条件に応じて定めた閾値以下となった場合に、前記バイアス電流(Ib)を調整することを特徴とする磁気軸受。 - 請求項1又は請求項2の磁気軸受において、
前記制御部(30)は、前記第1コイル電流(IU)の平均値、及び前記第2コイル電流(IL)の平均値の少なくとも一方を求めるとともに、求めた平均値の所定周波数以上の変動幅が、該磁気軸受で支持する機器の運転条件に応じて定めた閾値よりも小さくなった場合に前記第2コイル電流(IL)を調整することを特徴とする磁気軸受。 - 請求項3から請求項5の何れかの磁気軸受において、
前記バイアス電流調整部(34)は、前記制御電流(Id)の平均値の所定周波数以上の変動幅が、該磁気軸受で支持する機器の運転条件に応じて定めた閾値よりも小さくなった場合に前記バイアス電流(Ib)の調整を行うことを特徴とする磁気軸受。 - 請求項1から請求項11の何れかの磁気軸受(20)と、
前記磁気軸受(20)に駆動軸(13)が非接触支持される電動機(10)と、
前記電動機(10)で駆動される圧縮機構とを備えたことを特徴とする圧縮機。
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