JP2021090256A - 電動機システムおよびそれを備えたターボ圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機システムの制動ブレーキを低コストに強める。【解決手段】電動機システム（2）が備える複数の電磁機器（50,60,70,80,90）は、シャフト（30）を回転駆動する少なくとも１つの電動機（60,70,90）を含む。複数の電磁機器（50,60,70,80,90）は、共通のＤＣバス（120）に接続される。電動機システム（2）は、電動機（60,70,90）を力行状態から回生状態に切り替えた後で、同じ電動機（60,70,90）以外の電磁機器（50,60,70,80,90）の少なくとも１つにおいて、切替え前の所定時間にわたる平均消費電力よりも消費電力を増加させる制御器（130）を備える。【選択図】図３

Description

本開示は、電動機システムおよびそれを備えたターボ圧縮機に関するものである。

従来より、シャフトを回転駆動する電動機を備えた電動機システムが知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１では、電源異常時に電動機と直列接続される抵抗を含む強制ブレーキ回路を備える。この電動機システムは、シャフトの回転エネルギーを最終的に上記抵抗で熱に変換することにより、電源異常時に短時間でシャフトを減速させることができる。

特開平９−６８２２２号公報

しかしながら、特許文献１の電動機システムは、シャフトの回転エネルギーを消費するために、抵抗を含む強制ブレーキ回路を必要とする。このため、シャフトを短時間で減速させることができるものの、強制ブレーキ回路を設けるのに別途のコストを要するという問題がある。

本開示の目的は、電動機システムの制動ブレーキを低コストに強めることにある。

本開示の第１の態様は、シャフト（30）と、該シャフト（30）に対して能動的に電磁力を付与する複数の電磁機器（50,60,70,80,90）とを備え、複数の上記電磁機器（50,60,70,80,90）は、上記シャフト（30）を回転駆動する少なくとも１つの電動機（60,70,90）を含む電動機システム（2）を対象とする。複数の上記電磁機器（50,60,70,80,90）は、共通のＤＣバス（120）に接続されている。電動機システム（2）は、上記電動機（60,70,90）を力行状態から回生状態に切り替えた後で、同じ上記電動機（60,70,90）以外の上記電磁機器（50,60,70,80,90）の少なくとも１つにおいて、該切替え前の所定時間にわたる平均消費電力よりも消費電力を増加させる制御器（130）を備える。

第１の態様では、電動機（60,70,90）が力行状態から回生状態に切り替えられた後に、当該電動機（60,70,90）の回生電力が、消費電力が増加する電磁機器（50,60,70,80,90）で消費される。よって、ＤＣバス（120）の電圧が過度に上昇しにくく、電動機（60,70,90）の回生ブレーキを有効に活用できる。抵抗などの別部品を設けることなく、電動機システム（2）の制動ブレーキを強めることができる。

本開示の第２の態様は、上記第１の態様において、上記電磁機器（50,60,70,80,90）は、上記シャフト（30）を磁気浮上させる電磁機器（50,60,70,80）を含むことを特徴とする。

第２の態様では、磁気浮上機能を有する電磁機器（50,60,70,80）により、シャフト（30）が非接触で支持される。

本開示の第３の態様は、上記第２の態様において、上記制御器（130）は、停電時において、上記切替えを実行して、上記電動機（60,70,90）の回生電力が消費されるように、同じ該電動機（60,70,90）以外の上記電磁機器（50,60,70,80）の少なくとも１つにおいて、上記シャフト（30）を磁気浮上させるための消費電力を増加させることを特徴とする。

第３の態様では、停電時に、電動機（60,70,90）の回生電力を利用して、磁気浮上機能を有する電磁機器（50,60,70,80）によりシャフト（30）が非接触で支持される。その状態でシャフト（30）の回転速度を十分に低下させることが可能であり、電動機システム（2）の損傷を抑止することができる。

本開示の第４の態様は、上記第２または第３の態様において、上記制御器（130）は、上記シャフト（30）を磁気浮上させる上記電磁機器（50,60,70,80）のバイアス電流を増大させることで上記電磁機器（50,60,70,80）の消費電力を増加させることを特徴とする。

第４の態様では、バイアス電流が増大する電磁機器（50,60,70,80）において、消費電力が増加すると共に、当該電磁機器（50,60,70,80）でシャフト（30）の回転に対するブレーキ力が生じる。電動機システム（2）の制動ブレーキをより一層強めることができる。

本開示の第５の態様は、上記第１〜第４の態様のいずれか１つにおいて、上記制御器（130）は、上記電磁機器（50,60,70,80,90）の電流に高調波成分を重畳させることで上記電磁機器（50,60,70,80,90）の消費電力を増加させることを特徴とする。

第５の態様では、電流に高調波成分が重畳される電磁機器（50,60,70,80,90）において、消費電力が増加すると共に、当該電磁機器（50,60,70,80,90）でシャフト（30）の回転に対するブレーキ力が生じる。電動機システム（2）の制動ブレーキをより一層強めることができる。

本開示の第６の態様は、上記第１〜第５の態様のいずれか１つにおいて、上記電動機（60,70,90）は、回転駆動のための電磁力および磁気浮上のための電磁力を上記シャフト（30）に付与するベアリングレスモータ（60,70）であり、上記制御器（130）は、上記切替え後において、上記ベアリングレスモータ（60,70）の回生電力が消費されるように、同じ該ベアリングレスモータ（60,70）以外の上記電磁機器（50,60,70,80,90）の少なくとも１つにおいて消費電力を増加させることを特徴とする。

第６の態様では、少なくともベアリングレスモータ（60,70）によってシャフト（30）が回転駆動されると共に非接触で支持される。ベアリングレスモータ（60,70）の回生電力は、消費電力が増加する電磁機器（50,60,70,80,90）で主に消費される。

本開示の第７の態様は、上記第１〜第６の態様のいずれか１つにおいて、複数の上記電磁機器（50,60,70,80,90）は、複数の上記電動機（60,70,90）を含み、上記制御器（130）は、２つ以上の上記電動機（60,70,90）を回生状態にして、該２つ以上の電動機（60,70,90）の回生電力が消費されるように、該２つ以上の電動機（60,70,90）以外の上記電磁機器（50,60,70,80,90）の少なくとも１つの消費電力を増加させることを特徴とする。

第７の態様では、２つ以上の電動機（60,70,90）の回生電力が、消費電力が増加する電磁機器（50,60,70,80,90）で主に消費される。

本開示の第８の態様は、上記第１〜第７の態様のいずれか１つにおいて、複数の上記電磁機器（50,60,70,80,90）は、複数の上記電動機（60,70,90）を含み、上記制御器（130）は、１つの上記電動機（60,70,90）を回生状態にして、該１つの電動機（60,70,90）の回生電力が消費されるように、他の上記電動機（60,70,90）および上記電磁機器（50,60,70,80,90）の少なくとも１つの消費電力を増加させることを特徴とする。

第８の態様では、１つの電動機（60,70,90）の回生電力が、消費電力が増加する他の電動機（60,70,90）および電磁機器（50,60,70,80,90）で主に消費される。

本開示の第９の態様は、上記第１〜第８の態様のいずれか１つの電動機システム（2）と、上記シャフト（30）に固定されるインペラ（20）とを備えるターボ圧縮機（1）を対象とする。上記制御器（130）は、上記ターボ圧縮機（1）がサージング領域で運転されるときに上記切替えを実行して、上記電動機（60,70,90）の回生電力が消費されるように、同じ該電動機（60,70,90）以外の上記電磁機器（50,60,70,80,90）の少なくとも１つの消費電力を増加させる。

第９の態様では、ターボ圧縮機（1）がサージング領域で運転されるとき、電動機システム（2）の制動ブレーキを強めることにより、シャフト（30）の回転速度を安全な領域まで速やかに下げることができる。

図１は、実施形態１のターボ圧縮機の構成例を示す正面図である。 図２は、実施形態１の電動機システムを示す概略構成図であって、供給状態における運転動作の例を示す。 図３は、実施形態１の電動機システムを示す概略構成図であって、非供給状態における運転動作の例を示す。 図４は、実施形態１の電動機システムを示す概略構成図であって、非供給状態における運転動作の別の例を示す。 図５は、スラスト磁気軸受のバイアス電流について、高調波成分の重畳前と重畳後を示すグラフである。 図６は、ターボ圧縮機の運転領域について説明するための図である。 図７は、実施形態２の電動機システムを示す概略構成図であって、供給状態における運転動作の例を示す。 図８は、実施形態２の電動機システムを示す概略構成図であって、非供給状態における運転動作の例を示す。 図９は、ラジアル磁気軸受のバイアス電流について、増大前と増大後を示すグラフである。

《実施形態１》
実施形態１について説明する。本実施形態のターボ圧縮機（1）は、冷凍サイクルを行う冷媒回路（図示せず）に設けられて冷媒を圧縮する。図１に示すように、ターボ圧縮機（1）は、ケーシング（10）と、インペラ（20）と、タッチダウン軸受（40,41）と、電動機システム（2）とを備える。

なお、本明細書の説明において、「軸方向」とは、後述するシャフト（30）の軸心の方向のことであり、「径方向」とは、軸方向と直交する方向のことである。「外周側」とは、シャフト（30）の軸心からより遠い側のことであり、「内周側」とは、シャフト（30）の軸心により近い側のことである。

ケーシング（10）は、両端が閉塞された円筒状に形成され、円筒軸線が水平向きとなるように配置される。ケーシング（10）内の空間は、壁部（11）によって区画される。壁部（11）よりも右側の空間は、インペラ（20）を収容するインペラ室（12）を構成する。壁部（11）よりも左側の空間は、第１ベアリングレスモータ（60）および第２ベアリングレスモータ（70）を収容する電動機室（14）を構成する。ケーシング（10）内を軸方向（この例では、水平方向）に延びるシャフト（30）が、インペラ（20）と第１ベアリングレスモータ（60）および第２ベアリングレスモータ（70）とを連結している。

インペラ（20）は、複数の羽根によって外形が略円錐形状となるように形成される。インペラ（20）は、シャフト（30）の一端に固定された状態で、インペラ室（12）に収容される。インペラ室（12）には、吸入管（15）および吐出管（16）が接続される。インペラ室（12）の外周部には、圧縮空間（13）が形成される。吸入管（15）は、冷媒を外部からインペラ室（12）内に導くために設けられる。吐出管（16）は、インペラ室（12）内で圧縮された高圧の冷媒を外部へ戻すために設けられる。

タッチダウン軸受（40,41）は、ターボ圧縮機（1）に２つ設けられる。一方のタッチダウン軸受（40）は、シャフト（30）の一端部（図１の右側端部）近傍に設けられる。他方のタッチダウン軸受（41）は、シャフト（30）の他端部近傍に設けられる。これらのタッチダウン軸受（40,41）は、第１ベアリングレスモータ（60）および第２ベアリングレスモータ（70）が非通電であるとき（換言すると、シャフト（30）が浮上していないとき）にシャフト（30）を支持するように構成される。

電動機システム（2）は、図１〜図４に示すように、シャフト（30）と、スラスト磁気軸受（50）と、第１ベアリングレスモータ（60）と、第２ベアリングレスモータ（70）と、スラストインバータ（100）と、第１トルクインバータ（101）と、第１支持インバータ（102）と、第２トルクインバータ（103）と、第２支持インバータ（104）と、電源部（110）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ（107）と、制御器（130）とを備える。

スラスト磁気軸受（50）、第１ベアリングレスモータ（60）、および第２ベアリングレスモータ（70）は、共通のＤＣバス（120）に接続されている。スラスト磁気軸受（50）、第１ベアリングレスモータ（60）、および第２ベアリングレスモータ（70）は、シャフト（30）に対して能動的に電磁力を付与する電磁機器をそれぞれ構成する。

シャフト（30）は、水平方向に延びる細長い円柱状の部材である。シャフト（30）の一端部（図１の右端部、または図２の左端部）には、インペラ（20）が固定される。シャフト（30）には、第１ベアリングレスモータ（60）の回転子（61）および第２ベアリングレスモータの回転子（71）がそれぞれ固定される。

スラスト磁気軸受（50）は、図１に示すように、２つの電磁石（51）を有する。スラスト磁気軸受（50）は、シャフト（30）の他端部（換言すると、インペラ（20）が固定された一端部とは反対側の端部）に設けられた円板状の部分（以下、円板部（31））を電磁力によって非接触で支持するように構成される。スラスト磁気軸受（50）は、２つの電磁石（51）に流れる電流を制御することにより、２つの電磁石（51）の対向方向（換言すると、軸方向）におけるシャフト（30）の被支持部（円板部（31））の位置を制御することができる。

第１ベアリングレスモータ（60）は、電動機室（14）のうちインペラ（20）に近い側に配置される。第１ベアリングレスモータ（60）は、電磁力によってシャフト（30）を回転駆動しかつシャフト（30）のラジアル荷重を非接触で支持する（換言すると、シャフト（30）に回転駆動のための電磁力および磁気浮上のための電磁力を付与する）ように構成される。第１ベアリングレスモータ（60）は、シャフト（30）に対して能動的にトルクを付与する電動機を構成する。

第１ベアリングレスモータ（60）は、回転子（61）と固定子（62）を備える。回転子（61）は、シャフト（30）に固定される。回転子（61）は、鋼板を積層することによって構成される。回転子（61）は、複数の永久磁石（図示せず）を有する。固定子（62）は、ケーシング（10）の内周壁に固定される。固定子（62）は、それぞれ不図示の固定子コアおよびコイル部を有する。固定子コアは、鋼板を積層することによって構成される。コイル部は、駆動用コイルおよび浮上用コイルを含む。駆動用コイルは、シャフト（30）を回転駆動するためのトルクを発生させるためのコイルである。浮上用コイルは、シャフト（30）を浮上させ、かつシャフト（30）に作用するラジアル荷重を支持するための電磁力を発生させるためのコイルである。

第２ベアリングレスモータ（70）は、電動機室（14）のうちインペラ（20）から遠い側に配置される。第２ベアリングレスモータ（70）は、電磁力によってシャフト（30）を回転駆動しかつシャフト（30）のラジアル荷重を非接触で支持する（換言すると、シャフト（30）に回転駆動のための電磁力および磁気浮上のための電磁力を付与する）ように構成される。第２ベアリングレスモータ（70）は、シャフト（30）に対して能動的にトルクを付与する電動機を構成する。

第２ベアリングレスモータ（70）は、回転子（71）と固定子（72）を備える。回転子（71）は、シャフト（30）に固定される。回転子（71）は、鋼板を積層することによって構成される。回転子（71）は、複数の永久磁石（図示せず）を有する。固定子（72）は、ケーシング（10）の内周壁に固定される。固定子（72）は、それぞれ不図示の固定子コアおよびコイル部を有する。固定子コアは、鋼板を積層することによって構成される。コイル部は、駆動用コイルおよび浮上用コイルを含む。駆動用コイルは、シャフト（30）を回転駆動するためのトルクを発生させるためのコイルである。浮上用コイルは、シャフト（30）を浮上させ、かつシャフト（30）に作用するラジアル荷重を支持するための電磁力を発生させるためのコイルである。

スラストインバータ（100）は、ＤＣバス（120）とスラスト磁気軸受（50）との間に設けられる。スラストインバータ（100）は、ＤＣバス（120）を介して供給される直流電力を、交流電力に変換してスラスト磁気軸受（50）に供給するように構成される。それにより、スラスト磁気軸受（50）は、シャフト（30）を非接触で支持するためのスラスト支持力を発生することができる。

第１トルクインバータ（101）は、ＤＣバス（120）と第１ベアリングレスモータ（60）との間に設けられる。第１トルクインバータ（101）は、第１ベアリングレスモータ（60）の電機子巻線（図示せず）に接続される。第１トルクインバータ（101）は、ＤＣバス（120）を介して供給される直流電力を、交流電力に変換して力行状態の第１ベアリングレスモータ（60）に供給するように構成される。それにより、第１ベアリングレスモータ（60）は、シャフト（30）を回転駆動するためのトルクを発生することができる。さらに、第１トルクインバータ（101）は、回生状態の第１ベアリングレスモータ（60）から供給される交流電力を、直流電力に変換してＤＣバス（120）へ導くように構成される。

第１支持インバータ（102）は、ＤＣバス（120）と第１ベアリングレスモータ（60）との間に設けられる。第１支持インバータ（102）は、第１ベアリングレスモータ（60）の支持巻線（図示せず）に接続される。第１支持インバータ（102）は、ＤＣバス（120）を介して供給される直流電力を、交流電力に変換して第１ベアリングレスモータ（60）に供給するように構成される。それにより、第１ベアリングレスモータ（60）は、シャフト（30）を非接触で支持するためのラジアル支持力を発生することができる。

第２トルクインバータ（103）は、ＤＣバス（120）と第２ベアリングレスモータ（70）との間に設けられる。第２トルクインバータ（103）は、第２ベアリングレスモータ（70）の電機子巻線（図示せず）に接続される。第２トルクインバータ（103）は、ＤＣバス（120）を介して供給される直流電力を、交流電力に変換して力行状態の第２ベアリングレスモータ（70）に供給するように構成される。それにより、第２ベアリングレスモータ（70）は、シャフト（30）を回転駆動するためのトルクを発生することができる。さらに、第２トルクインバータ（103）は、回生状態の第２ベアリングレスモータ（70）から供給される交流電力を、直流電力に変換してＤＣバス（120）へ導くように構成される。

第２支持インバータ（104）は、ＤＣバス（120）と第２ベアリングレスモータ（70）との間に設けられる。第２支持インバータ（104）は、第２ベアリングレスモータ（70）の支持巻線（図示せず）に接続される。第２支持インバータ（104）は、ＤＣバス（120）を介して供給される直流電力を、交流電力に変換して第２ベアリングレスモータ（70）に供給するように構成される。それにより、第２ベアリングレスモータ（70）は、シャフト（30）を非接触で支持するためのラジアル支持力を発生することができる。

電源部（110）は、ＤＣバス（120）の一端（図２の左端）に接続される。電源部（110）は、ＤＣバス（120）に直流電力を供給する直流電源である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ（107）は、ＤＣバス（120）の他端（図２の右端）に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ（107）は、ＤＣバス（120）を介して供給される直流電力を、所望の直流電力に変換して制御器（130）に供給するように構成される。

制御器（130）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（107）に対して電気的に接続されると共に、各インバータ（100〜105）に対して通信可能に接続される。制御器（130）は、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵによって実行可能なプログラムを格納するメモリとで構成される。制御器（130）は、電動機システム（2）に設けられた各種センサ（図示せず）からの検出信号を受信し、当該検出信号に応じて各インバータ（100〜105）の動作を制御するように構成される。

−運転動作−
ターボ圧縮機（1）の運転動作（具体的には、電動機システム（2）の運転動作）について、図２〜図５を参照して説明する。なお、図２〜図４では、電力の流れを白抜き矢印で示してある（図７および図８でも同様）。

〈供給状態の運転動作〉
図２は、電動機システム（2）の供給状態の運転動作を示す。ここで、「供給状態」とは、電源部（110）からＤＣバス（120）へ直流電力が供給されている状態をいう。供給状態では、電源部（110）から供給される直流電力は、各インバータ（100〜105）によって交流電力に変換されて各電磁機器に供給されるか、またはＤＣ／ＤＣコンバータ（107）によって所望の直流電力に変換されて制御器（130）に供給される。

具体的に、電源部（110）から供給される直流電力の一部は、スラストインバータ（100）によって交流電力に変換されてスラスト磁気軸受（50）に供給される。電源部（110）から供給される直流電力の一部は、第１トルクインバータ（101）または第１支持インバータ（102）によって交流電力に変換されて第１ベアリングレスモータ（60）に供給される。電源部（110）から供給される直流電力の一部は、第２トルクインバータ（103）または第２支持インバータ（104）によって交流電力に変換されて第２ベアリングレスモータ（70）に供給される。電源部（110）から供給される直流電力の一部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（107）によって所望の直流電力に変換されて制御器（130）に供給される。

スラスト磁気軸受（50）は、供給された電力により、スラスト支持力を生じてシャフト（30）の被支持部（円板部（31））を非接触で支持する。第１ベアリングレスモータ（60）および第２ベアリングレスモータ（70）は、供給された電力により、トルクおよびラジアル支持力を生じてシャフト（30）を回転駆動すると共に非接触で支持する。制御器（130）は、供給された電力により、各インバータ（100〜105）の動作を制御する。

〈非供給状態の運転動作〉
図３および図４は、電動機システム（2）の非供給状態の運転動作を示す。ここで、「非供給状態」とは、電源部（110）からＤＣバス（120）へ直流電力が供給されない状態（例えば、停電時に生じる状態）をいう。非供給状態では、第１ベアリングレスモータ（60）および第２ベアリングレスモータ（70）の少なくとも一方が回生状態とされ、それにより生じる回生電力が、対応するトルクインバータ（101,103）により直流電力に変換されてＤＣバス（120）に導かれる。ＤＣバス（120）に導かれた直流電力は、所望形態の電力に変換されて他の電磁機器または制御器（130）に供給される。

具体的に、図３に示すように、第１ベアリングレスモータ（60）のみが回生状態とされる場合、それにより生じる回生電力は、第１トルクインバータ（101）で直流電力に変換されてＤＣバス（120）に導かれる。ＤＣバス（120）に導かれた直流電力の一部は、スラストインバータ（100）によって交流電力に変換されてスラスト磁気軸受（50）に供給される。ＤＣバス（120）に導かれた直流電力の一部は、第１支持インバータ（102）または第２支持インバータ（104）によって交流電力に変換されて第１ベアリングレスモータ（60）または第２ベアリングレスモータ（70）の支持巻線に供給される。ＤＣバス（120）に導かれた直流電力の一部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（107）によって所望の直流電力に変換されて制御器（130）に供給される。

一方、図４に示すように、第１ベアリングレスモータ（60）および第２ベアリングレスモータ（70）が回生状態とされる場合、それにより生じる回生電力は、第１トルクインバータ（101）および第２トルクインバータ（103）で直流電力に変換されてＤＣバス（120）に導かれる。ＤＣバス（120）に導かれた直流電力の一部は、スラストインバータ（100）によって交流電力に変換されてスラスト磁気軸受（50）に供給される。ＤＣバス（120）に導かれた直流電力の一部は、第１支持インバータ（102）または第２支持インバータ（104）によって交流電力に変換されて第１ベアリングレスモータ（60）または第２ベアリングレスモータ（70）の支持巻線に供給される。ＤＣバス（120）に導かれた直流電力の一部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（107）によって所望の直流電力に変換されて制御器（130）に供給される。

スラスト磁気軸受（50）は、供給された電力により、スラスト支持力を生じてシャフト（30）の被支持部（円板部（31））を非接触で支持する。第１ベアリングレスモータ（60）および第２ベアリングレスモータ（70）は、供給された電力により、ラジアル支持力を生じてシャフト（30）を非接触で支持する。制御器（130）は、供給された電力により、各インバータ（100〜105）の動作を制御する。

〈供給状態から非供給状態に移行する際の運転動作〉
次に、停電が生じる場合を例にとって、供給状態から非供給状態に移行する際の運転動作について説明する。

停電が生じると、電源部（110）から直流電力が供給されなくなる。この場合、制御器（130）は、第１ベアリングレスモータ（60）を力行状態から回生状態に切り替えるか（図３）、第１ベアリングレスモータ（60）および第２ベアリングレスモータ（70）を力行状態から回生状態に切り替える（以下、力行状態から回生状態への切替えを、単に「切替え」ともいう）。前者と後者の両方において、制御器（130）は、スラスト磁気軸受（50）において、当該切替え前の所定時間にわたる平均消費電力よりも消費電力を増加させる。前者において、制御器（130）は、さらに第２ベアリングレスモータ（70）において、当該切替え前の所定時間にわたる平均消費電力よりも消費電力を増加させてもよい。

ここで、「切替え前の所定時間」は、例えば、切替え前の第１ベアリングレスモータ（60）もしくは第２ベアリングレスモータ（70）の電気角１周期分に対応する時間、切替え前の第１ベアリングレスモータ（60）もしくは第２ベアリングレスモータ（70）の機械角１周期分に対応する時間、切替え前の１秒間、または切替え前の１分間であってもよい。なお、切替え前の所定時間は、ここで例示したものに限らない。

制御器（130）は、スラスト磁気軸受（50）の消費電力を増加させる場合、図５に示すように、スラスト磁気軸受（50）の２つの電磁石（51）を流れるバイアス電流（換言すると、制御電流とスラスト支持力との関係に線形性をもたせるための電流）に高調波成分を重畳させてもよい。高調波成分の基本周波数は、シャフト（30）を含む回転系の軸方向変位を実質的に生じさせない程度に高いことが好ましい。なお、図５では、高調波成分を重畳させない場合のバイアス電流を細い実線で、高調波成分を重畳させる場合のバイアス電流を太い実線で、それぞれ示してある。

制御器（130）は、第２ベアリングレスモータ（70）の消費電力を増加させる場合、スラスト磁気軸受（50）の場合と同様に、第２ベアリングレスモータ（70）の支持巻線を流れる電流に高調波成分を重畳させてもよい。高調波成分の基本周波数は、シャフト（30）を含む回転系の径方向変位を実質的に生じさせない程度に高いことが好ましい。

制御器（130）は、第２ベアリングレスモータ（70）の消費電力を増加させる場合、第２ベアリングレスモータ（70）の電機子巻線を流れる電流（以下、電機子電流ともいう）を増大させてもよい。この場合において、制御器（130）は、第２ベアリングレスモータ（70）でトルクを実質的に生じない制御、具体的にはｄ軸上で電機子電流を流す強め磁束制御または弱め磁束制御を行うことが好ましい。制御器（130）は、第２ベアリングレスモータ（70）における銅損や鉄損を高めてそれによるブレーキ力を得るために、第２ベアリングレスモータ（70）で弱め磁束制御よりも強め磁束制御を行うことが好ましい。なお、制御器（130）は、第２ベアリングレスモータ（70）において、シャフト（30）の回転を加速させない範囲のトルクを生じる力行制御を行ってもよい。

−ターボ圧縮機の運転領域−
図６は、ターボ圧縮機（1）の運転領域について説明するための図である。同図において、横軸は冷媒体積流量を、縦軸はヘッドをそれぞれ示す。ターボ圧縮機（1）は、第１ベアリングレスモータ（60）および第２ベアリングレスモータ（70）に電力が供給されることにより、所定の運転領域において運転され得る。

この所定の運転領域は、主に、図６に太線で示すサージラインの内側の定常運転領域（Ａ）、高負荷トルク領域（Ｂ）、およびタービュランス領域（Ｃ）と、当該サージラインの外側のサージング領域（Ｄ）とを含む。

定常運転領域（Ａ）は、図６に符号Ａで示す領域である。定常運転領域（Ａ）は、インペラ（20）およびシャフト（30）の負荷トルク（換言すると、インペラ（20）およびシャフト（30）を回転駆動するために必要なトルク）が比較的小さく、かつシャフト（30）のラジアル荷重も比較的小さい領域である。

高負荷トルク領域（Ｂ）は、図６に符号Ｂで示す領域である。高負荷トルク領域（Ｂ）は、インペラ（20）およびシャフト（30）の負荷トルクが比較的大きく、かつシャフト（30）のラジアル荷重も比較的大きい領域である。

タービュランス領域（Ｃ）は、図６に符号Ｃで示す領域である。タービュランス領域（Ｃ）は、インペラ（20）およびシャフト（30）の負荷トルクは比較的小さい一方、シャフト（30）のラジアル荷重は比較的大きい領域である。

サージング領域（Ｄ）は、図６に符号Ｄで示す領域である。ターボ圧縮機（1）は、停電時などの非常の事態においてこのサージング領域（Ｄ）で一時的に運転されることがある。サージング領域（Ｄ）は、インペラ（20）およびシャフト（30）の負荷トルクは比較的小さい一方、シャフト（30）のラジアル荷重は比較的大きい領域である。ターボ圧縮機（1）におけるシャフト（30）のラジアル荷重は、このサージング領域（Ｄ）中の所定の点において最大となる。

本実施形態の制御器（130）は、ターボ圧縮機（1）がサージング領域（Ｄ）で運転されるときに、第１ベアリングレスモータ（60）および第２ベアリングレスモータ（70）の少なくとも一方において力行状態から回生状態への切替えを実行して、その回生電力が消費されるように少なくともスラスト磁気軸受（50）の消費電力を増加させてもよい。例えば、第１ベアリングレスモータ（60）において切替えを実行して、第２ベアリングレスモータ（70）およびスラスト磁気軸受（50）の消費電力を増加させること、または第１ベアリングレスモータ（60）および第２ベアリングレスモータ（70）において切替えを実行して、スラスト磁気軸受（50）の消費電力を増加させることが考えられる。

−実施形態１の効果−
本実施形態の電動機システム（2）は、シャフト（30）と、該シャフト（30）に対して能動的に電磁力を付与する複数の電磁機器（50,60,70）とを備え、複数の上記電磁機器（50,60,70）は、上記シャフト（30）を回転駆動する少なくとも１つの電動機（60,70）を含み、複数の上記電磁機器（50,60,70）は、共通のＤＣバス（120）に接続されており、上記電動機システム（2）は、上記電動機（60,70）を力行状態から回生状態に切り替えた後で、同じ上記電動機（60,70）以外の上記電磁機器（50,60,70）の少なくとも１つにおいて、該切替え前の所定時間にわたる平均消費電力よりも消費電力を増加させる制御器（130）を備える。この構成によると、電動機（60,70）が力行状態から回生状態に切り替えられた後に、当該電動機（60,70）の回生電力が、消費電力が増加する電磁機器（50,60,70）で消費される。よって、ＤＣバス（120）の電圧が過度に上昇しにくく、電動機（60,70）の回生ブレーキを有効に活用できる。抵抗などの別部品を設けることなく、電動機システム（2）の制動ブレーキを強めることができる。

また、本実施形態の電動機システム（2）は、上記電磁機器（50,60,70）が、上記シャフト（30）を磁気浮上させる電磁機器であるスラスト磁気軸受（50）、第１ベアリングレスモータ（60）、および第２ベアリングレスモータ（70）を含む。したがって、磁気浮上機能を有する電磁機器（50,60,70）により、シャフト（30）が非接触で支持される。

また、本実施形態の電動機システム（2）は、上記制御器（130）が、停電時において、上記切替えを実行して、上記電動機（60,70）の回生電力が消費されるように、同じ該電動機（60,70）以外の上記電磁機器（50,60,70）の少なくとも１つにおいて、上記シャフト（30）を磁気浮上させるための消費電力を増加させる。したがって、停電時に、電動機（60,70）の回生電力を利用して、磁気浮上機能を有する電磁機器（50,60,70）によりシャフト（30）が非接触で支持される。その状態でシャフト（30）の回転速度を十分に低下させることが可能であり、電動機システム（2）の損傷を抑止することができる。

また、本実施形態の電動機システム（2）は、上記制御器（130）が、上記スラスト磁気軸受（50）のバイアス電流に高調波成分を重畳させることで上記スラスト磁気軸受（50）の消費電力を増加させる。バイアス電流に高調波成分が重畳されるスラスト磁気軸受（50）において、消費電力が増加すると共に、当該スラスト磁気軸受（50）でシャフト（30）の回転に対するブレーキ力が生じる。電動機システム（2）の制動ブレーキをより一層強めることができる。

また、本実施形態の電動機システム（2）は、上記電動機（60,70）が、回転駆動のための電磁力および磁気浮上のための電磁力を上記シャフト（30）に付与するベアリングレスモータ（60,70）であり、上記制御器（130）が、上記切替え後において、上記ベアリングレスモータ（60,70）の回生電力が消費されるように、同じ該ベアリングレスモータ（60,70）以外の上記電磁機器（50,60,70）の少なくとも１つにおいて消費電力を増加させる。したがって、少なくともベアリングレスモータ（60,70）によってシャフト（30）が回転駆動されると共に非接触で支持される。ベアリングレスモータ（60,70）の回生電力は、消費電力が増加する電磁機器（50,60,70）で主に消費される。

また、本実施形態の電動機システム（2）は、複数の上記電磁機器（50,60,70）が、複数の上記ベアリングレスモータ（60,70）を含み、上記制御器（130）が、２つの上記ベアリングレスモータ（60,70）を回生状態にして、該２つのベアリングレスモータ（60,70）の回生電力が消費されるように、上記スラスト磁気軸受（50）の消費電力を増加させる。したがって、２つのベアリングレスモータ（60,70）の回生電力が、消費電力が増加するスラスト磁気軸受（50）で主に消費される。

また、本実施形態の電動機システム（2）は、複数の上記電磁機器（50,60,70）が、複数の上記ベアリングレスモータ（60,70）を含み、上記制御器（130）が、１つの上記ベアリングレスモータ（60,70）を回生状態にして、該１つのベアリングレスモータ（60,70）の回生電力が消費されるように、他の上記ベアリングレスモータ（60,70）およびスラスト磁気軸受（50）の少なくとも一方の消費電力を増加させる。したがって、１つのベアリングレスモータ（60,70）の回生電力が、消費電力が増加する他のベアリングレスモータ（60,70）およびスラスト磁気軸受（50）で主に消費される。

また、本実施形態のターボ圧縮機（1）は、上記電動機システム（2）と、上記シャフト（30）に固定されるインペラ（20）とを備え、上記制御器（130）が、上記ターボ圧縮機（1）がサージング領域で運転されるときに上記切替えを実行して、上記電動機（60,70）の回生電力が消費されるように、同じ該電動機（60,70）以外の上記電磁機器（50,60,70）の少なくとも１つの消費電力を増加させる。この構成によると、ターボ圧縮機（1）がサージング領域で運転されるとき、電動機システム（2）の制動ブレーキを強めることにより、シャフト（30）の回転速度を安全な領域まで速やかに下げることができる。

《実施形態２》
実施形態２について説明する。本実施形態のターボ圧縮機（1）は、電動機システム（2）の構成が上記実施形態１と異なる。以下、上記実施形態１と異なる点について主に説明する。

図７および図８に示すように、電動機システム（2）は、シャフト（30）と、スラスト磁気軸受（50）と、２つのラジアル磁気軸受（80）と、駆動モータ（90）と、スラストインバータ（100）と、２つのラジアルインバータ（105）と、駆動インバータ（106）と、電源部（110）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ（107）と、制御器（130）とを備える。

スラスト磁気軸受（50）、２つのラジアル磁気軸受（80）、および駆動モータ（90）は、共通のＤＣバス（120）に接続されている。スラスト磁気軸受（50）、２つのラジアル磁気軸受（80）、および駆動モータ（90）は、シャフト（30）に対して能動的に電磁力を付与する電磁機器をそれぞれ構成する。

２つのラジアル磁気軸受（80）は、複数の電磁石（図示せず）を有する。２つのラジアル磁気軸受（80）は、駆動モータ（90）の両側に１つずつ配置される。２つのラジアル磁気軸受（80）は、複数の電磁石に流れる電流を制御することにより、シャフト（30）を非接触で支持する。

駆動モータ（90）は、電磁力によってシャフト（30）を回転駆動する（換言すると、シャフト（30）に回転駆動のための電磁力を付与する）ように構成される。駆動モータ（90）は、シャフト（30）に対して能動的にトルクを付与する電動機を構成する。

駆動モータ（90）は、回転子と固定子（共に図示せず）を備える。回転子は、シャフト（30）に固定される。回転子は、鋼板を積層することによって構成される。回転子は、複数の永久磁石を有する。固定子は、ケーシング（10）の内周壁に固定される。固定子は、固定子コアおよびコイルを有する。固定子コアは、鋼板を積層することによって構成される。コイルは、シャフト（30）を回転駆動するためのトルクを発生させるためのものである。

２つのラジアルインバータ（105）は、ＤＣバス（120）と２つのラジアル磁気軸受（80）との間に設けられる。ラジアルインバータ（105）は、ＤＣバス（120）を介して供給される直流電力を、交流電力に変換してラジアル磁気軸受（80）に供給するように構成される。それにより、ラジアル磁気軸受（80）は、シャフト（30）を非接触で支持するためのラジアル支持力を発生することができる。

駆動インバータ（106）は、ＤＣバス（120）と駆動モータ（90）との間に設けられる。駆動インバータ（106）は、ＤＣバス（120）を介して供給される直流電力を、交流電力に変換して力行状態の駆動モータ（90）に供給するように構成される。それにより、駆動モータ（90）は、シャフト（30）を回転駆動するためのトルクを発生することができる。さらに、駆動インバータ（106）は、回生状態の駆動モータ（90）から供給される交流電力を、直流電力に変換してＤＣバス（120）へ導くように構成される。

−運転動作−
ターボ圧縮機（1）の運転動作（具体的には、電動機システム（2）の運転動作）について、図７〜図９を参照して説明する。

〈供給状態の運転動作〉
図７は、電動機システム（2）の供給状態の運転動作を示す。供給状態では、電源部（110）から供給される直流電力は、各インバータ（100,105,106）によって交流電力に変換されて各電磁機器に供給されるか、またはＤＣ／ＤＣコンバータ（107）によって所望の直流電力に変換されて制御器（130）に供給される。

具体的に、電源部（110）から供給される直流電力の一部は、スラストインバータ（100）によって交流電力に変換されてスラスト磁気軸受（50）に供給される。電源部（110）から供給される直流電力の一部は、ラジアルインバータ（105）によって交流電力に変換されてラジアル磁気軸受（80）に供給される。電源部（110）から供給される直流電力の一部は、駆動インバータ（106）によって交流電力に変換されて駆動モータ（90）に供給される。電源部（110）から供給される直流電力の一部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（107）によって所望の直流電力に変換されて制御器（130）に供給される。

スラスト磁気軸受（50）は、供給された電力により、スラスト支持力を生じてシャフト（30）の被支持部（円板部（31））を非接触で支持する。ラジアル磁気軸受（80）は、供給された電力により、ラジアル支持力を生じてシャフト（30）を非接触で支持する。駆動モータ（90）は、供給された電力により、トルクを生じてシャフト（30）を回転駆動する。制御器（130）は、供給された電力により、各インバータ（100,105,106）の動作を制御する。

〈非供給状態の運転動作〉
図８は、電動機システム（2）の非供給状態の運転動作を示す。非供給状態では、駆動モータ（90）が回生状態とされ、それにより生じる回生電力が、駆動インバータ（106）により直流電力に変換されてＤＣバス（120）に導かれる。ＤＣバス（120）に導かれた直流電力は、所望形態の電力に変換されて他の電磁機器または制御器（130）に供給される。

具体的に、図８に示すように、駆動モータ（90）が回生状態とされることで生じる回生電力は、駆動インバータ（106）で直流電力に変換されてＤＣバス（120）に導かれる。ＤＣバス（120）に導かれた直流電力の一部は、スラストインバータ（100）によって交流電力に変換されてスラスト磁気軸受（50）に供給される。ＤＣバス（120）に導かれた直流電力の一部は、ラジアルインバータ（105）によって交流電力に変換されてラジアル磁気軸受（80）に供給される。ＤＣバス（120）に導かれた直流電力の一部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（107）によって所望の直流電力に変換されて制御器（130）に供給される。

スラスト磁気軸受（50）は、供給された電力により、スラスト支持力を生じてシャフト（30）の被支持部（円板部（31））を非接触で支持する。ラジアル磁気軸受（80）は、供給された電力により、ラジアル支持力を生じてシャフト（30）を非接触で支持する。制御器（130）は、供給された電力により、各インバータ（100,105,106）の動作を制御する。

〈供給状態から非供給状態に移行する際の運転動作〉
次に、シャフト（30）の回転を停止する場合を例にとって、供給状態から非供給状態に移行する際の運転動作について説明する。

シャフト（30）の回転を速やかに停止したい場合、制御器（130）は、電源部（110）から各電磁機器への電力供給が停止されるように電源部（110）を制御する。さらに、制御器（130）は、駆動モータ（90）を力行状態から回生状態に切り替える。この場合において、制御器（130）は、スラスト磁気軸受（50）および各ラジアル磁気軸受（80）の少なくとも１つにおいて、当該切替え前の所定時間にわたる平均消費電力よりも消費電力を増加させる。なお、制御器（130）は、スラスト磁気軸受（50）および各ラジアル磁気軸受（80）において消費電力を増加させることが好ましい。

ここで、「切替え前の所定時間」は、例えば、切替え前の駆動モータ（90）の電気角１周期分に対応する時間、切替え前の駆動モータ（90）の機械角１周期分に対応する時間、切替え前の１秒間、または切替え前の１分間であってもよい。なお、切替え前の所定時間は、ここで例示したものに限らない。

制御器（130）は、ラジアル磁気軸受（80）の消費電力を増加させる場合、図９に示すようにラジアル磁気軸受（80）の電磁石（51）を流れるバイアス電流（換言すると、制御電流とラジアル支持力との関係に線形性をもたせるための電流）を増大させてもよい。なお、図９では、増大前のバイアス電流を細線で、増大後のバイアス電流を太線で、それぞれ示してある。また、図９では、シャフト（30）を上方に吸引する電磁力を生じるためのバイアス電流を実線で、シャフト（30）を下方に吸引する電磁力を生じるためのバイアス電流を破線で、それぞれ示してある。

制御器（130）は、ターボ圧縮機（1）がサージング領域（Ｄ）で運転されるときに、駆動モータ（90）において力行状態から回生状態への切替えを実行して、その回生電力が消費されるようにスラスト磁気軸受（50）および各ラジアル磁気軸受（80）の少なくとも１つの消費電力を増加させてもよい。例えば、駆動モータ（90）において切替えを実行して、スラスト磁気軸受（50）および各ラジアル磁気軸受（80）の消費電力を増加させること、または各ラジアル磁気軸受（80）の消費電力を増加させることが考えられる。

−実施形態２の効果−
本実施形態の電動機システム（2）によっても、上記実施形態１と同様の効果が得られる。

また、本実施形態の電動機システム（2）は、上記制御器（130）が、上記ラジアル磁気軸受（80）のバイアス電流を増大させることで上記ラジアル磁気軸受（80）の消費電力を増加させる。したがって、ラジアル磁気軸受（80）において、消費電力が増加すると共に、当該ラジアル磁気軸受（80）でシャフト（30）の回転に対するブレーキ力が生じる。電動機システム（2）の制動ブレーキをより一層強めることができる。

《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

例えば、電動機システム（2）が備える電磁機器（50,60,70,80,90）は、２つ以上のベアリングレスモータ（60,70）のみであってもよい。この場合、２つ以上のベアリングレスモータ（60,70）の少なくとも１つで力行状態から回生状態への切替えが実行され、それにより生じる回生電力が消費されるように、他のベアリングレスモータ（60,70）の消費電力が増大される。

また、例えば、消費電力を増大させるためのバイアス電流の増大は、任意のタイプの磁気軸受に対して行ってもよい。その一例として、スラスト磁気軸受（50）のバイアス電流を増大させることが考えられる。

また、例えば、消費電力を増大させるための高調波成分の重畳は、任意のタイプの電磁機器（50,60,70,80,90）に対して行ってもよい。その例として、各種電動機（60,70,90）の巻線を流れる電流に高調波成分を重畳させること、または各種磁気軸受（50,80）の巻線を流れる電流に高調波成分を重畳させることが考えられる。

また、例えば、電動機システム（2）は、３つ以上の任意のタイプの電動機（60,70,90）を備えてもよい。

また、例えば、ターボ圧縮機（1）は、２つ以上のインペラ（20）を備えてもよい。その一例として、シャフト（30）の両端にインペラ（20）が１つずつ取り付けられることが考えられる。

以上、実施形態および変形例を説運転状態明したが、特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態および変形例は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。

以上説明したように、本開示は、電動機システムおよびそれを備えたターボ圧縮機について有用である。

1 ターボ圧縮機
2 電動機システム
20 インペラ
30 シャフト
50 スラスト磁気軸受（電磁機器）
60 第１ベアリングレスモータ（電磁機器、電動機）
70 第２ベアリングレスモータ（電磁機器、電動機）
80 ラジアル磁気軸受（電磁機器）
90 駆動モータ（電磁機器、電動機）
120 ＤＣバス
130 制御器

Claims (9)

1. シャフト（30）と、該シャフト（30）に対して能動的に電磁力を付与する複数の電磁機器（50,60,70,80,90）とを備え、
   複数の上記電磁機器（50,60,70,80,90）は、上記シャフト（30）を回転駆動する少なくとも１つの電動機（60,70,90）を含む電動機システム（2）であって、
   複数の上記電磁機器（50,60,70,80,90）は、共通のＤＣバス（120）に接続されており、
   上記電動機（60,70,90）を力行状態から回生状態に切り替えた後で、同じ上記電動機（60,70,90）以外の上記電磁機器（50,60,70,80,90）の少なくとも１つにおいて、該切替え前の所定時間にわたる平均消費電力よりも消費電力を増加させる制御器（130）を備える
   ことを特徴とする電動機システム。
2. 請求項１において、
   上記電磁機器（50,60,70,80,90）は、上記シャフト（30）を磁気浮上させる電磁機器（50,60,70,80）を含む
   ことを特徴とする電動機システム。
3. 請求項２において、
   上記制御器（130）は、停電時において、上記切替えを実行して、上記電動機（60,70,90）の回生電力が消費されるように、同じ該電動機（60,70,90）以外の上記電磁機器（50,60,70,80）の少なくとも１つにおいて、上記シャフト（30）を磁気浮上させるための消費電力を増加させる
   ことを特徴とする電動機システム。
4. 請求項２または３において、
   上記制御器（130）は、上記シャフト（30）を磁気浮上させる上記電磁機器（50,60,70,80）のバイアス電流を増大させることで上記電磁機器（50,60,70,80）の消費電力を増加させる
   ことを特徴とする電動機システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において、
   上記制御器（130）は、上記電磁機器（50,60,70,80,90）の電流に高調波成分を重畳させることで上記電磁機器（50,60,70,80,90）の消費電力を増加させる
   ことを特徴とする電動機システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項において、
   上記電動機（60,70,90）は、回転駆動のための電磁力および磁気浮上のための電磁力を上記シャフト（30）に付与するベアリングレスモータ（60,70）であり、
   上記制御器（130）は、上記切替え後において、上記ベアリングレスモータ（60,70）の回生電力が消費されるように、同じ該ベアリングレスモータ（60,70）以外の上記電磁機器（50,60,70,80,90）の少なくとも１つにおいて消費電力を増加させる
   ことを特徴とする電動機システム。
7. 請求項１〜６のいずれか１項において、
   複数の上記電磁機器（50,60,70,80,90）は、複数の上記電動機（60,70,90）を含み、
   上記制御器（130）は、２つ以上の上記電動機（60,70,90）を回生状態にして、該２つ以上の電動機（60,70,90）の回生電力が消費されるように、該２つ以上の電動機（60,70,90）以外の上記電磁機器（50,60,70,80,90）の少なくとも１つの消費電力を増加させる
   ことを特徴とする電動機システム。
8. 請求項１〜７のいずれか１項において、
   複数の上記電磁機器（50,60,70,80,90）は、複数の上記電動機（60,70,90）を含み、
   上記制御器（130）は、１つの上記電動機（60,70,90）を回生状態にして、該１つの電動機（60,70,90）の回生電力が消費されるように、他の上記電動機（60,70,90）および上記電磁機器（50,60,70,80,90）の少なくとも１つの消費電力を増加させる
   ことを特徴とする電動機システム。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の電動機システム（2）と、
   上記シャフト（30）に固定されるインペラ（20）とを備えるターボ圧縮機（1）であって、
   上記制御器（130）は、上記ターボ圧縮機（1）がサージング領域で運転されるときに上記切替えを実行して、上記電動機（60,70,90）の回生電力が消費されるように、同じ該電動機（60,70,90）以外の上記電磁機器（50,60,70,80,90）の少なくとも１つの消費電力を増加させる
   ことを特徴とするターボ圧縮機。

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