JP2018141708A - 温度予測装置、磁気軸受搭載圧縮機、温度予測方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1には、関連する技術として、温度センサを用いて回転軸の表面の温度に基づいて電磁石に通電する励磁電流を調整する技術が記載されている。
そのため、磁気軸受搭載圧縮機の電磁石コイルに過電流が流れたか否かを容易に判定することのできる技術が求められていた。
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
本発明の第1の実施形態による磁気軸受搭載圧縮機1の構成について説明する。
磁気軸受搭載圧縮機1は、図1に示すように、出力軸10と、モータ20と、圧縮機本体30と、膨張機40と、ラジアル磁気軸受50と、スラスト磁気軸受60と、ケーシング70と、温度予測装置80と、を備える。
モータ20は、図1に示すように、圧縮機本体30と膨張機40との間に設けられる。
具体的には、軸受制御演算部8022は、デジタル信号が示す距離検出部801から出力軸10までの距離が遠くなるにつれて磁気による吸引力を大きくし、デジタル信号が示す距離検出部801から出力軸10までの距離が近くなるにつれて磁気による吸引力を小さくするデジタル電流指令値を生成する。なお、デジタル電流指令値の具体的な値は、予め実験やシミュレーションを行い、距離検出部801から出力軸10までの距離とデジタル電流指令値(すなわち、吸引力の大きさと等価)との関係を特定して記憶部に記憶しておく。そして、軸受制御演算部8022は、デジタル信号が示す距離検出部801から出力軸10までの距離に対応するデジタル電流指令値を記憶部において特定し、特定したデジタル電流指令値を記憶部から読み出すことによってデジタル電流指令値を生成してもよい。また、距離検出部801から出力軸10までの距離とデジタル電流指令値との関係を示す関係式を記憶部に記憶しておき、軸受制御演算部8022は、デジタル信号が示す距離検出部801から出力軸10までの距離に対応するデジタル電流指令値を記憶部から読み出すことによってデジタル電流指令値を生成してもよい。
コイル電圧検出部806は、コイル電圧調整部804が生成する制御電圧Eaを検出する。
ここで、コイル電流Iaと制御電圧Eaと電磁石コイル501、601それぞれのコイル温度Tcとの関係を示す関係式は、次のように求められる。
コイル電流平均値Iaとコイル電圧平均値Eaとの間には、次に示す式(1)が成り立つ。
一般的に、コイル抵抗は、コイル温度Tcが高くなるほど抵抗値Rcが大きくなり、次に示す式(2)によって表される。
上記の式(1)と式(2)とに、コイル電流値Ia、コイル電圧値Ea、予め求めた抵抗値Rc0、コイル温度Tc0、係数αを用いることにより、コイル温度Tcを推定することのできる関係式である式(3)を求めることができる。なお、コイル電流値Ia、コイル電圧値Eaのそれぞれは、サンプリングしたタイミングにおける値が特異値となっている(何等かの原因により異常な値となっている)可能性があるため、例えば、そのサンプリングしたタイミングから数回遡ったサンプリング値などの平均値であってもよい。
具体的には、例えば、報知部808は、運転を停止するか否かの判定基準となる第1の温度しきい値を電磁石コイル501、601のうちのある電磁石コイルのコイル温度Tcが超えた場合、その電磁石コイルが第1のしきい値を超えたことを示す警告を出力する。
また、報知部808は、運転を停止するか否かの判定基準となる第1の温度しきい値を電磁石コイル501、601のうちのある電磁石コイルのコイル温度Tcが超えた場合、不具合が発生する前に磁気軸受搭載圧縮機1を停止するように例えばコイル電流コントローラ803に報知してもよい。
また、具体的には、例えば、報知部808は、警告するか否かの判定基準となる第2の温度しきい値を電磁石コイル501、601のうちのある電磁石コイルのコイル温度Tcが超えた場合、その電磁石コイルが第2のしきい値を超えたことを示す警告を出力する。
また、報知部808は、警告するか否かの判定基準となる第2の温度しきい値を電磁石コイル501、601のうちのある電磁石コイルのコイル温度Tcが超えた場合、警告にとどまらず、空力による負荷が過負荷であると判定し、出力(ガスの排出量)を低減するように例えばコイル電流コントローラ803に報知してもよい。
これにより、温度予測装置80は、電磁石コイル501、601のそれぞれを保護することができる。
なお、第1の温度しきい値、第2の温度しきい値は、予め記憶部に記憶され、報知部808は、記憶部から第1の温度しきい値、第2の温度しきい値を読み出して用いればよい。
ここでは、図3に示す本発明の第1の実施形態による温度予測装置80の処理フローについて説明する。
なお、ここでは、具体例としては、図1で示した電磁石コイル501を例に説明する。しかしながら、磁気軸受搭載圧縮機1は、実際には、具体例として説明する電磁石コイル501と同様の処理を、他の電磁石コイル501、601のそれぞれに対しても行っている。
A/D変換器8021は、受け取ったそれぞれの軸位置信号を並列処理によってデジタル信号に変換する(ステップS2)。
A/D変換器8021は、変換後のデジタル信号を軸受制御演算部8022に出力する。
軸受制御演算部8022は、受け取ったデジタル信号のうち同一のラジアル磁気軸受50に設けられた距離検出部801ごとのデジタル信号に対して、フィルタ演算、PID制御のための演算などを行うことにより、距離検出部801が設けられた電磁石コイル501のそれぞれについてデジタル電流指令値を生成する(ステップS3)。
軸受制御演算部8022は、生成したデジタル電流指令値をD/A変換器8023に出力する。
D/A変換器8023は、変換後のアナログ電流指令値を信号合成部8031に出力する。
信号合成部8031は、受け取ったアナログ電流指令値から、受け取ったコイル電流Iaの電流値を減算して、誤差電流値Ierrを特定する(ステップS4)。
信号合成部8031は、特定した誤差電流値Ieerを電流制御演算部8032に出力する。
電流制御演算部8032は、受け取った誤差電流値Ierrに対して、フィルタ演算、PID制御のための演算などを行うことにより、距離検出部801が設けられた電磁石コイル501のそれぞれについて誤差電流値Ierrを小さくするアナログ電圧指令値を生成する(ステップS5)。
電流制御演算部8032は、生成したアナログ電圧指令値をコイル電圧調整部804に出力する。
コイル電圧調整部804は、受け取ったアナログ電圧指令値をPWM制御に基づいてスイッチをスイッチングすること、すなわち、オンまたはオフすることにより、電磁石コイル501のそれぞれに流れるコイル電流Iaを制御するためのそれぞれの制御電圧Eaを生成する(ステップS6)。
コイル電圧調整部804は、生成した制御電圧Eaのそれぞれを対応する電磁石コイル501のそれぞれに出力する(ステップS7)。
コイル電流検出部805は、検出したコイル電流Iaのそれぞれの電流値をコイル温度推定部807に出力する。
コイル電圧検出部806は、検出したコイル電圧Eaのそれぞれの電圧値をコイル温度推定部807に出力する。
コイル温度推定部807は、記憶部から読み出した関係式である式(3)に、コイル電流Iaと制御電圧Eaとを代入して、コイル温度Tcを推定する(ステップS10)。
コイル温度推定部807は、コイル温度Tcの推定値を報知部808に出力する。
報知部808は、受け取ったコイル温度Tcの推定値に応じた情報を出力する。
具体的には、例えば、報知部808は、運転を停止するか否かの判定基準となる第1の温度しきい値を電磁石コイル501、601のうちのある電磁石コイルのコイル温度Tcが超えたか否かを判定する(ステップS11)。
報知部808は、運転を停止するか否かの判定基準となる第1の温度しきい値を電磁石コイル501、601のうちのある電磁石コイルのコイル温度Tcが超えたと判定した場合(ステップS11においてYES)、その電磁石コイルが第1のしきい値を超えたことを示す警告を出力する(ステップS12)。そして、報知部808は、処理を終了する。なお、報知部808は、運転を停止するか否かの判定基準となる第1の温度しきい値を電磁石コイル501、601のうちのある電磁石コイルのコイル温度Tcが超えたと判定した場合(ステップS11においてYES)、不具合が発生する前に磁気軸受搭載圧縮機1を停止するように例えばコイル電流コントローラ803に報知してもよい。
また、報知部808は、運転を停止するか否かの判定基準となる第1の温度しきい値を電磁石コイル501、601のうちのある電磁石コイルのコイル温度Tcが超えないと判定した場合(ステップS11においてNO)、警告するか否かの判定基準となる第2の温度しきい値を電磁石コイル501、601のうちのある電磁石コイルのコイル温度Tcが超えたか否かを判定する(ステップS13)。
報知部808は、警告するか否かの判定基準となる第2の温度しきい値を電磁石コイル501、601のうちのある電磁石コイルのコイル温度Tcが超えたと判定した場合(ステップS13においてYES)、その電磁石コイルが第1のしきい値を超えたことを示す警告を出力する。(ステップS14)。そして、報知部808は、処理を終了する。なお、報知部808は、警告するか否かの判定基準となる第1の温度しきい値を電磁石コイル501、601のうちのある電磁石コイルのコイル温度Tcが超えた場合、警告にとどまらず、空力による負荷が過負荷であると判定し、出力(ガスの排出量)を低減するように例えばコイル電流コントローラ803に報知してもよい。
また、報知部808は、警告するか否かの判定基準となる第2の温度しきい値を電磁石コイル501、601のうちのある電磁石コイルのコイル温度Tcが超えていないと判定した場合(ステップS13においてNO)、処理を終了する。
本発明の第1の実施形態による磁気軸受搭載圧縮機1において、温度予測装置80は、コイル温度推定部807を備える。コイル温度推定部807は、距離検出部801から出力軸10までの距離に応じた電磁石コイル501、601に係る電圧値、すなわち、コイル電圧調整部804が生成した制御電圧Eaと、その電圧値に基づいて電磁石コイル501、601に電圧を印加したときに流れる電流値と、その電圧値とその電流値と電磁石コイル501、601の温度との関係式と、に基づいて電磁石コイル501、601の温度を推定する。
このようにすれば、磁気軸受搭載圧縮機1の電磁石コイル501、601に過電流が流れたか否かを容易に判定することができる。その結果、磁気軸受搭載圧縮機1において不具合を未然に防止することができ、安全な制御が行われる。
本発明の第2の実施形態による磁気軸受搭載圧縮機1の構成について説明する。
なお、本発明の第2の実施形態による磁気軸受搭載圧縮機1は、電流制御演算部8032が生成する誤差電流値Ierrを小さくするアナログ電圧指令値と、コイル電圧調整部804が生成するコイル電流Iaを制御するためのそれぞれの制御電圧Eaとの差が小さく同一とみなせる、すなわち、電流制御演算部8032が生成する誤差電流値Ierrを小さくするアナログ電圧指令値をEaとみなせる磁気軸受搭載圧縮機であるものとする。
なお、本発明の第2の実施形態では、上述のように、電流制御演算部8032が生成する誤差電流値Ierrを小さくするアナログ電圧指令値をEaとみなせるため、本発明の第1の実施形態によるコイル温度推定部807と同様に、関係式として式(3)を用いてコイル温度Tcを推定することができる。
ここでは、図5に示す本発明の第1の実施形態による温度予測装置80の処理フローについて説明する。
なお、ここでは、本発明の第1の実施形態と同様に、具体例としては、図1で示した電磁石コイル501を例に説明する。しかしながら、磁気軸受搭載圧縮機1は、実際には、具体例として説明する電磁石コイル501と同様の処理を、他の電磁石コイル501、601のそれぞれに対しても行っている。
電流制御演算部8032は、信号合成部8031から誤差電流値Ierrを受け取る。
電流制御演算部8032は、受け取った誤差電流値Ierrに対して、フィルタ演算、PID制御のための演算などを行うことにより、距離検出部801が設けられた電磁石コイル501のそれぞれについて誤差電流値Ierrを小さくするアナログ電圧指令値Eaを生成する(ステップS5)。
電流制御演算部8032は、生成したアナログ電圧指令値Eaをコイル電圧調整部804とコイル温度推定部807とに出力する。
コイル電圧調整部804は、受け取ったアナログ電圧指令値EaをPWM制御に基づいてスイッチをスイッチングすること、すなわち、オンまたはオフすることにより、電磁石コイル501のそれぞれに流れるコイル電流Iaを制御するためのそれぞれの制御電圧Eaを生成する(ステップS6)。
コイル電圧調整部804は、生成した制御電圧Eaのそれぞれを対応する電磁石コイル501のそれぞれに出力する(ステップS7)。
コイル電流検出部805は、検出したコイル電流Iaのそれぞれの電流値をコイル温度推定部807に出力する。
コイル温度推定部807は、記憶部から読み出した関係式である式(3)に、コイル電流Iaとアナログ電圧指令値Eaとを代入して、コイル温度Tcを推定する(ステップS10)。
コイル温度推定部807は、コイル温度Tcの推定値を報知部808に出力する。
報知部808は、受け取ったコイル温度Tcの推定値に応じた情報を出力する。
具体的には、例えば、報知部808は、運転を停止するか否かの判定基準となる第1の温度しきい値を電磁石コイル501、601のうちのある電磁石コイルのコイル温度Tcが超えたか否かを判定する(ステップS11)。
報知部808は、運転を停止するか否かの判定基準となる第1の温度しきい値を電磁石コイル501、601のうちのある電磁石コイルのコイル温度Tcが超えたと判定した場合(ステップS11においてYES)、その電磁石コイルが第1のしきい値を超えたことを示す警告を出力する(ステップS12)。そして、報知部808は、処理を終了する。なお、報知部808は、運転を停止するか否かの判定基準となる第1の温度しきい値を電磁石コイル501、601のうちのある電磁石コイルのコイル温度Tcが超えたと判定した場合(ステップS11においてYES)、不具合が発生する前に磁気軸受搭載圧縮機1を停止するように例えばコイル電流コントローラ803に報知してもよい。
また、報知部808は、運転を停止するか否かの判定基準となる第1の温度しきい値を電磁石コイル501、601のうちのある電磁石コイルのコイル温度Tcが超えないと判定した場合(ステップS11においてNO)、警告するか否かの判定基準となる第2の温度しきい値を電磁石コイル501、601のうちのある電磁石コイルのコイル温度Tcが超えたか否かを判定する(ステップS13)。
報知部808は、警告するか否かの判定基準となる第2の温度しきい値を電磁石コイル501、601のうちのある電磁石コイルのコイル温度Tcが超えたと判定した場合(ステップS13においてYES)、その電磁石コイルが第1のしきい値を超えたことを示す警告を出力する。(ステップS14)。そして、報知部808は、処理を終了する。なお、報知部808は、警告するか否かの判定基準となる第1の温度しきい値を電磁石コイル501、601のうちのある電磁石コイルのコイル温度Tcが超えた場合、警告にとどまらず、空力による負荷が過負荷であると判定し、出力(ガスの排出量)を低減するように例えばコイル電流コントローラ803に報知してもよい。
また、報知部808は、警告するか否かの判定基準となる第2の温度しきい値を電磁石コイル501、601のうちのある電磁石コイルのコイル温度Tcが超えていないと判定した場合(ステップS13においてNO)、処理を終了する。
本発明の第2の実施形態による磁気軸受搭載圧縮機1において、温度予測装置80は、コイル温度推定部807を備える。コイル温度推定部807は、距離検出部801から出力軸10までの距離に応じた電磁石コイル501、601に係る電圧値、すなわち、電流制御演算部8032が生成したアナログ電圧指令値Eaと、その電圧値に基づいて電磁石コイル501、601に電圧を印加したときに流れる電流値と、その電圧値とその電流値と電磁石コイル501、601の温度との関係式と、に基づいて電磁石コイル501、601の温度を推定する。
このようにすれば、磁気軸受搭載圧縮機1の電磁石コイル501、601に過電流が流れたか否かを容易に判定することができる。その結果、磁気軸受搭載圧縮機1において不具合を未然に防止することができ、安全な制御が行われる。
10・・・出力軸
20・・・モータ
30・・・圧縮機本体
40・・・膨張機
50・・・ラジアル磁気軸受
60・・・スラスト磁気軸受
70・・・ケーシング
80・・・温度予測装置
101・・・アキシャルロータディスク
501、601・・・電磁石コイル
801・・・距離検出部
802・・・磁気軸受コントローラ
803・・・コイル電流コントローラ
804・・・コイル電圧調整部
805・・・コイル電流検出部
806・・・コイル電圧検出部
807・・・コイル温度推定部
808・・・報知部
Claims (7)
- 電磁石コイルに設けられた距離検出部から出力軸までの距離に応じた前記電磁石コイルに印加する電圧値を特定する印加電圧特定部と、
前記印加電圧特定部が特定した電圧値に基づいて前記電磁石コイルに電圧を印加したときに流れる電流値を検出するコイル電流検出部と、
前記印加電圧特定部が特定した電圧値と、前記コイル電流検出部が検出した電流値と、前記電磁石コイルに印加される電圧値、前記電磁石コイルに印加される電圧値に応じて前記電磁石コイルに流れる電流値、及び、前記電磁石コイルの温度の間の関係式とに基づいて、前記電磁石コイルの温度を推定するコイル温度推定部と、
を備える温度予測装置。 - 前記印加電圧特定部は、
前記電磁石コイルに設けられた距離検出部から出力軸までの距離に基づいて前記電磁石コイルに印加する電圧の実測値を特定し、
前記コイル電流検出部は、
前記印加電圧特定部が特定した電圧の実測値に基づいて前記電磁石コイルに電圧を印加したときに流れる電流値を検出し、
前記コイル温度推定部は、
前記印加電圧特定部が特定した電圧の実測値と、前記コイル電流検出部が検出した電流値と、前記電磁石コイルに印加される電圧値、前記電磁石コイルに印加される電圧値に応じて前記電磁石コイルに流れる電流値、及び、前記電磁石コイルの温度の間の関係式とに基づいて、前記電磁石コイルの温度を推定する、
請求項1に記載の温度予測装置。 - 前記印加電圧特定部は、
前記電磁石コイルに設けられた距離検出部から出力軸までの距離に基づいて前記電磁石コイルに印加する電圧の指令値を特定し、
前記コイル電流検出部は、
前記印加電圧特定部が特定した電圧の指令値に基づいて前記電磁石コイルに電圧を印加したときに流れる電流値を検出し、
前記コイル温度推定部は、
前記印加電圧特定部が特定した電圧の指令値と、前記コイル電流検出部が検出した電流値と、前記電磁石コイルに印加される電圧値、前記電磁石コイルに印加される電圧値に応じて前記電磁石コイルに流れる電流値、及び、前記電磁石コイルの温度の間の関係式とに基づいて、前記電磁石コイルの温度を推定する、
請求項1に記載の温度予測装置。 - 請求項1から請求項4の何れか一項に記載の温度予測装置と、
前記温度予測装置の温度予測対象となる電磁石コイルを備えるモータと、
を備える磁気軸受搭載圧縮機。 - 電磁石コイルに設けられた距離検出部から出力軸までの距離に応じた前記電磁石コイルに印加する電圧値を特定することと、
特定した電圧値に基づいて前記電磁石コイルに電圧を印加したときに流れる電流値を検出することと、
特定した電圧値と、検出した電流値と、前記電磁石コイルに印加される電圧値、前記電磁石コイルに印加される電圧値に応じて前記電磁石コイルに流れる電流値、及び、前記電磁石コイルの温度の間の関係式とに基づいて、前記電磁石コイルの温度を推定することと、
を含む温度予測方法。 - コンピュータに、
電磁石コイルに設けられた距離検出部から出力軸までの距離に応じた前記電磁石コイルに印加する電圧値を特定することと、
特定した電圧値に基づいて前記電磁石コイルに電圧を印加したときに流れる電流値を検出することと、
特定した電圧値と、検出した電流値と、前記電磁石コイルに印加される電圧値、前記電磁石コイルに印加される電圧値に応じて前記電磁石コイルに流れる電流値、及び、前記電磁石コイルの温度の間の関係式とに基づいて、前記電磁石コイルの温度を推定することと、
を実行させるプログラム。
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