JP3585950B2 - 磁気軸受式回転装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、磁気軸受式回転装置に係り、例えば、回転中の磁気軸受式ターボ分子ポンプ等が停電時にタッチダウンする際に、保護ベアリングが破壊しないようにした磁気軸受式回転装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁気軸受式回転装置では、回転体の高速回転中に停電した場合のバックアップ用電源として、バッテリを装備するのが一般的であった。そして、停電時には、このバッテリの電力によって回転体の磁気浮上を継続させると共に、インバータでブレーキ動作を行い、回転体の回転を停止させるようにしていた。
【０００３】
しかし、近年、例えば磁気軸受式ターボ分子ポンプなどでは、バックアップ用電源としてのバッテリを使用せず、停電時には回転体の回転エネルギをモータ駆動装置側に回生して磁気軸受の電源とすることにより、回転体の磁気浮上を継続する方式（以下、バッテリレス方式と呼ぶ）が主流となりつつある。
【０００４】
バッテリレス方式では、回転体の回転エネルギが回生されると共に回転体の回転数は低下し、回転数の低下と共に回生される電力が減少する。そして、回生電力が磁気浮上に必要な電力を下回った時点で、磁気軸受の磁気浮上動作の継続が不可能となり、回転体は保護ベアリング上に降下する（以下、タッチダウンと呼ぶ）。
【０００５】
一方、バッテリレス方式において、停電時に磁気軸受が動作不可能となる回転数は、定格回転数の１／３〜１／５程度である。そして、回転体が保護ベアリング上にタッチダウンしたときの回転エネルギは、殆ど保護ベアリングの機械的摩擦による熱エネルギとして消費され、数分〜数１０分で回転は停止する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の如く数分〜数１０分にわたって保護ベアリング上で回転体が回転すると、回転体の重量により保護ベアリングが激しく磨耗する。この激しい磨耗のために、場合によっては数１０回の停電時における回転体のタッチダウンにより保護ベアリングが破壊したり、或いは、保護ベアリングを構成するボールの磨耗によって生じたベアリングのがたつきによって、例えばターボ分子ポンプの回転翼と固定翼とが接触し、破壊するおそれがあった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、回転体の高速回転中に停電になり回転体がタッチダウンした場合に、短時間で回転を停止させる磁気軸受式回転装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、直流供給手段と、この直流供給手段からの供給電流によりモータの回転体を磁気浮上させる電磁石と、この電磁石の発生磁界を制御して前記回転体の位置制御を行う磁気軸受制御手段と、前記モータの巻線への電流供給を制御するスイッチング素子を用いて、前記直流供給手段からの供給電流を、モータの回転体を回転させる回転磁界形成用の交流に変換する電力変換手段と、前記直流供給手段による給電の停止を検出し、前記電力変換手段から交流が供給されるモータの巻線を前記スイッチング素子の導通を制御して短絡させる短絡手段とを備えて、前記目的を達成する。
【０００９】
請求項２記載の発明では、前記短絡手段は、前記直流供給手段の出力側に並列接続された継電器およびコンデンサと、前記継電器とコンデンサとの接続点に一端が接続され、他端が前記スイッチング素子の導通を制御する導通制御部に接続された前記継電器のブレーク接点とを備えて、前記目的を達成する。
【００１０】
請求項３記載の発明では、前記直流供給手段と継電器との間に配置され、前記磁気軸受制御手段が給電されている場合には前記直流供給手段と継電器とを接続させ、前記磁気軸受制御手段が給電停止されている場合には前記直流供給手段と継電器とを非接続とさせる開閉手段を備えて、前記目的を達成する。
【００１１】
【作用】
請求項１記載の磁気軸受式回転装置では、電磁石は、直流供給手段から直流を供給されてモータの回転体を磁気浮上させる。磁気軸受制御手段は、磁気浮上された回転体の位置制御を行う。電力変換手段をなすスイッチング素子にはモータの巻線が接続されている。電力変換手段は、モータの巻線への電流供給を制御するスイッチング素子を用いて、直流供給手段から供給された直流をモータの回転体を回転させる回転磁界形成用の交流に変換する。短絡手段は、直流供給手段による給電の停止を検出し、モータの巻線をスイッチング素子の導通を制御して短絡する。
【００１２】
そして、給電停止時にモータの巻線が短絡状態のまま回転体が回転を継続すると、モータは発電機として作用し、モータの回転体は電気的制動作用を受ける。従って、給電停止時には、回転体は電気的制動作用により短時間の内に回転を停止するので、保護ベアリングの寿命を延ばすことができる。
【００１３】
請求項２記載の磁気軸受式回転装置では、継電器は直流供給手段の出力側に接続されているので、直流供給手段の給電の有無を検出する。継電器の接点は、ブレーク接点なので、給電時にはその接点が開放され、コンデンサはスイッチング素子とは非接続状態になる。従って、コンデンサには、直流供給手段からの給電時に電荷が蓄えられる。
【００１４】
一方、給電停止時には継電器に給電されないので、ブレーク接点は接続状態になり、コンデンサに蓄えられた電荷がスイッチング素子の導通制御部に供給される。従って、モータの巻線は、スイッチング素子を介して短絡される。
請求項３記載の磁気軸受式回転装置では、開閉手段が直流供給手段と継電器との間に配置されている。開閉手段は、磁気軸受制御手段が給電されている場合には直流供給手段と継電器とを接続させ、磁気軸受制御手段が給電停止されている場合には直流供給手段と継電器とを非接続とさせる。
【００１５】
従って、磁気軸受制御手段への給電が停止されると、直ちにブレーク接点が接続状態になり、コンデンサに蓄えられた電荷によりスイッチング素子が導通し、モータの巻線が短絡される。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の磁気軸受式回転装置における実施例を図１ないし図６を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施例を適用するバッテリレス方式の磁気軸受システムの全体構成を示すブロック図である。
【００１７】
図１に示すように、交流電源１は、「直流供給手段」としての整流回路２の入力側に接続され、整流回路２の出力側には２本の電源線Ｌａ１、Ｌｂ１が接続されている。２本の電源線Ｌａ１、Ｌｂ１は、平滑用コンデンサ３を介して単相電力を３相電力に変換する「電力変換手段」としてのモータ駆動主回路４の入力側に接続されている。モータ駆動主回路４の出力側からは３相電力が出力され、その出力は、磁気軸受式回転装置ＭＢを構成するＤＣブラシレスモータのモータ巻線ＭＣに接続されている。
【００１８】
また、整流回路２の出力側の２本の電源線Ｌａ１、Ｌｂ１は、直流安定化電源回路５の入力側に接続されている。直流安定化電源回路５の出力側には、２本の電源線Ｌａ２、Ｌｂ２が接続されている。２本の電源線Ｌａ２、Ｌｂ２は、モータ駆動制御回路６に接続されると共に、磁気軸受式回転装置ＭＢの磁気軸受巻線ＢＣに電力を供給して回転体の位置制御を行う「磁気軸受制御手段」としての磁気軸受制御回路７に接続されている。モータ駆動制御回路６の出力側は、モータ駆動主回路４の制御用の入力端子に接続されている。
【００１９】
次に、第１実施例と第２実施例を説明する。なお、これらの実施例は、図１に示したモータ駆動主回路４とモータ駆動制御回路６との回路構成が相違するのみであり、その他の部分は同一である。
（１）第１実施例
本実施例は、通電中にコンデンサに蓄えた電荷を、停電時にＮ・ＭＯＳトランジスタのゲートに加えてこのＮ・ＭＯＳトランジスタをオンさせ、モータ巻線ＭＣを短絡して電気的制動作用を行わせる場合である。
【００２０】
図２は、モータ駆動主回路４の具体的な構成のモータ駆動主回路４Ａを示す回路図であり、図３は、同様にモータ駆動制御回路６Ａを示す回路図である。
図２に示すように、２本の電源線Ｌａ１、Ｌｂ１間には、抵抗４１とトランジスタ４２からなる直列回路が接続されている。抵抗４１は、停電に伴う回転体の減速時に、ＤＣブラシレスモータから回生されるエネルギを消費させるための回生抵抗であり、回生されるエネルギ量と抵抗４１で消費されるエネルギ量が等しくなるようにトランジスタ４２がオン・オフ制御される。
【００２１】
また、２本の電源線Ｌａ１、Ｌｂ１間には、トランジスタ４３ａと４３ｂとからなる直列回路と、トランジスタ４３ｃと４３ｄとからなる直列回路と、トランジスタ４３ｅと４３ｆとからなる直列回路とが、それぞれ接続されている。
各トランジスタ４２、４３ａ〜４３ｆは、Ｎ・ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラモードトランジスタ）等のパワートランジスタが使用され、各トランジスタ４２、４３ａ〜４３ｆのソース・ドレイン間には回生電流パス用のダイオード４４ａ〜４４ｇが接続されている。また、各トランジスタ４３ａと４３ｂ、４３ｃと４３ｄ、４３ｅと４３ｆのそれぞれの接続点は、モータ巻線ＭＣに接続されている。
【００２２】
トランジスタ４３ｂ、４３ｄ、４３ｆのそれぞれのゲートは、図３に示すモータ駆動制御回路６Ａの符号Ａ、Ｂ、Ｃで示す部分に接続されている。
図３に示すように、駆動制御回路用電源６０の入力側は、直流安定化電源回路５の２本の電源線Ｌａ２、Ｌｂ２に接続され、駆動制御回路用電源６０は直流安定化電源回路５の出力電圧を、リレー駆動用の電圧に変換する。駆動制御回路用電源６０の出力側の＋端子と−端子間には、交流電源１の通電中に動作する「短絡手段」をなすリレー６１が接続され、更に＋側端子は直流阻止用のダイオード６２を介してリレー６１の「短絡手段」をなすブレーク接点６１ａの一方の端子に接続されている。
【００２３】
交流電源１の通電時にはリレー６１に通電されるので、ブレーク接点６１ａは開放状態となり、交流電源１の停電時には接続状態となる。ダイオード６２のカソードとブレーク接点６１ａの一方の端子間には、「短絡手段」をなすコンデンサ６３の＋側端子が接続され、このコンデンサ６３の−側端子は駆動制御回路用電源６０の−側出力端子に接続されると共に、接地されている。
【００２４】
ブレーク接点６１ａの他方の端子は、直流阻止用のダイオード６５ａ、６５ｂ、６５ｃのそれぞれのアノードに接続され、各ダイオード６５ａ、６５ｂ、６５ｃのカソードは、図２に示した各トランジスタ４２、４３ａ〜４３ｆのゲートを所定のタイミングで制御駆動するゲート駆動回路６４に接続されている。
【００２５】
次に、以上のように構成された第１実施例の動作を説明する。
▲１▼交流電源の通電時
この場合は、モータ駆動主回路４Ａおよびモータ駆動制御回路６Ａを含め、図１に示す全ての部分に電力が供給可能になっている。
【００２６】
そして、図３に示すリレー６１には駆動制御回路用電源６０から所定の直流電圧が印加され、リレー６１はオンになり、ブレーク接点６１ａは開放状態となる。従って、コンデンサ６３には駆動制御回路用電源６０から直流電圧が印加され、充電される。
【００２７】
また、モータ駆動主回路４Ａの各トランジスタ４２、４３ａ〜４３ｆは、モータ駆動制御回路６Ａに示すゲート駆動回路６４から出力されるゲート信号によって所定のタイミングでオン・オフ制御される。更に、磁気軸受制御回路７からは、磁気浮上用の電流が磁気軸受巻線ＢＣに供給される。従って、磁気軸受式回転装置ＭＢを構成するＤＣブラシレスモータの回転体（ロータ）は、所定の速度で高速回転される。
【００２８】
▲２▼交流電源の停電時
磁気軸受式回転装置ＭＢの高速回転中に停電が発生した場合、ＤＣブラシレスモータは直ちに減速し始める。減速時に回生される電力の一部は、モータ駆動主回路４Ａを介して直流安定化電源回路５に供給され、それによって停電時でもモータ駆動制御回路６Ａや磁気軸受制御回路７は、動作を継続し、回転体は保護ベアリング上にタッチダウンすることなく回転を継続する。
【００２９】
また、停電時であっても回生エネルギによって磁気軸受式回転装置ＭＢが動作している間、駆動制御回路用電源６０が動作し、リレー６１のブレーク接点６１ａは開放状態のままであり、コンデンサ６３の充電は継続される。
やがて、ＤＣブラシレスモータの回転数が低下し、回生電力が磁気軸受制御回路７とモータ駆動制御回路６Ａとにおいて消費される電力より小さくなったとき、直流安定化電源回路５は動作を停止し、回転体は保護ベアリング上にタッチダウンする。
【００３０】
このとき図３に示す駆動制御回路用電源６０も動作を停止するのでリレー６１はオフとなり、ブレーク接点６１ａは接続状態に回復する。このブレーク接点６１ａの接続により、それまでコンデンサ６３に蓄えられていた電荷が、ブレーク接点６１ａ、ダイオード６５ａ〜６５ｃを介してトランジスタ４３ｂ、４３ｄ、４３ｆをオンにするので、ＤＣブラシレスモータの３相コイルが短絡される。
【００３１】
このとき、ＤＣブラシレスモータは発電機として作用し、回転エネルギはモータ巻線抵抗及びケーブル抵抗などで消費され、すみやかに減速する。従って、保護ベアリングを長時間に渡って回転させることがないので、保護ベアリングを磨耗させることがない。
【００３２】
ここに、トランジスタ４３ｂ、４３ｄ、４３ｆには、前述の如くＦＥＴ或いはＩＧＢＴが用いられているので、ゲート漏れ電流が極めて少なく、回転体が停止するまでの間トランジスタ４３ｂ、４３ｄ、４３ｆのオン状態を継続することができる。
【００３３】
また、コンデンサ６３の充電電圧を１２Ｖ、ＦＥＴのゲート漏れ電流を１００ｎＡとし、ＦＥＴに１０Ｖ以上の電圧を５分以上供給するために必要なコンデンサ６３の容量は、次式で求めることができる。
１００×１０^−９×３×５×６０／２＝４５×１０^−６Ｆ
従って、コンデンサ６３としては、余裕を見て１００μＦ程度の電解コンデンサを使用すればよい。
【００３４】
▲３▼第１実施例におけるモータ駆動制御回路の変形例
ところで、停電となり、図１に示す磁気軸受制御回路７への給電が停止されると、磁気軸受巻線ＢＣへの給電も停止される。
一方、停電になっても、磁気軸受式回転装置全体には電源回路周辺のコンデンサ等には未だ電荷が残存している可能性がある。従って、前述の如く停電になって磁気軸受制御回路７への給電が停止されても、駆動制御回路用電源６０からはリレー６１をオンにさせる電流が継続して供給される可能性がある。よって、停電になったにも拘らず、図３に示すモータ駆動制御回路６Ａが動作せず、ＤＣブラシレスモータの３相コイルが短絡されない場合がある。従って、電気的制動作用が働かないので、回転体のタッチダウン後に、長時間回転体が回転を継続するおそれがある。
【００３５】
このような不都合を回避する手段として、図４に示すモータ駆動制御回路６Ｂが好適である。
図４に示すように、駆動制御回路用電源６０とリレー６１との間に、開閉回路６６を配置する。この開閉回路６６は、通電中に閉じており、停電となり磁気軸受制御回路７が停止した場合には開く。
【００３６】
このように構成すれば、磁気軸受制御回路７が停止すると開閉回路６６が開くので、リレー６１がオフになり、ブレーク接点６１ａが接続される。このブレーク接点６１ａの接続により、コンデンサ６３に蓄えられた電荷がトランジスタ４３ｂ、４３ｄ、４３ｆをオンにするので、モータの３相が短絡される。
【００３７】
よって、ＤＣブラシレスモータは発電機として作用し、タッチダウンした回転体は保護ベアリングを長時間に渡って回転させることがないので、保護ベアリングを磨耗させることがない。
（２）第２実施例
本実施例は、通電中にコンデンサに蓄えた電荷を、停電時にＰ・ＭＯＳＦＥＴのゲートに加えてこのＰ・ＭＯＳＦＥＴをオンさせ、モータ巻線ＭＣを短絡する場合である。
【００３８】
図５は、第２実施例のモータ駆動主回路４Ｂの回路図であり、図６は、第２実施例のモータ駆動制御回路６Ｃの回路図である。
本実施例は、トランジスタ４５ａ〜４５ｃにＰ・ＭＯＳＦＥＴを使用し、ダイオード６６、６８ａ〜６８ｃの方向を逆にした場合である。
【００３９】
このように構成しても、第１実施例と同様に、通電中にはダイオード６６を介して駆動制御回路用電源５２からコンデンサ６７に電流供給され、コンデンサ６７に電荷が蓄えられる。そして、停電時には、コンデンサ６７に蓄えられた電荷によりトランジスタ４５ａ、４５ｃ、４５ｅが導通されて３相のモータ巻線が短絡される。従って、ＤＣブラシレスモータは発電機として作用し、タッチダウンした回転体は保護ベアリングを長時間に渡って回転させることがないので、保護ベアリングを磨耗させることがない。
【００４０】
なお、第２実施例においても、図４に示したのと同様の開閉回路６６を駆動制御回路用電源６０とリレー６１との間に備えれば、第１実施例と同様の効果を上げることができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、短絡手段は、直流供給手段による直流の供給停止を検出してモータの巻線をスイッチング素子の導通を制御して短絡しているので、直流の供給が停止されると、モータは発電機として作用し、モータの回転体は電気的制動作用を受ける。従って、給電停止時には、回転体は電気的制動作用により短時間の内に回転を停止するので、保護ベアリングの寿命を延ばすことができる。
【００４２】
また、請求項２記載の発明では、短絡手段として継電器とこの継電器のブレーク接点とコンデンサとを用いて、給電停止時には、回転体は電気的制動作用により短時間の内に回転を停止する。
【００４３】
請求項３記載の発明では、開閉手段は、磁気軸受制御手段が給電停止されている場合には直流供給手段と継電器とを非接続とさせるので、直ちにブレーク接点が接続状態になり、コンデンサに蓄えられた電荷によりスイッチング素子が導通され、モータの巻線が短絡される。
【００４４】
従って、磁気軸受式回転装置を構成する電源回路のコンデンサ等に、停電時に電荷が残っていても、直ちにモータの回転体は電気的制動作用を受ける。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の全体構成を示すブロック図である。
【図２】同上、モータ駆動主回路の第１実施例の回路図である。
【図３】同上、モータ駆動制御回路の第１実施例の回路図である。
【図４】同上、モータ駆動制御回路の第１実施例の変形例の回路図である。
【図５】同上、モータ駆動主回路の第２実施例の回路図である。
【図６】同上、モータ駆動制御回路の第２実施例の回路図である。
【符号の説明】
ＭＢ 磁気軸受装置
ＭＣ 磁気軸受装置のモータ巻線
１ 交流電源
２ 整流回路（直流供給手段）
４ モータ駆動主回路（電力変換手段）
４Ａ 第１実施例のモータ駆動主回路
４Ｂ 第２実施例のモータ駆動主回路
５ 直流安定化電源回路
６ モータ駆動制御回路
６Ａ 第１実施例のモータ駆動制御回路
６Ｂ 第２実施例のモータ駆動制御回路
７ 磁気軸受制御回路
４１ 回生抵抗
４２、４３ａ〜４３ｆ Ｎ・ＭＯＳトランジスタ
４５ａ〜４５ｃ Ｐ・ＭＯＳトランジスタ
６０ 駆動制御回路用電源
６１ リレー（検出手段）
６１ａ リレーのブレーク接点（検出手段）
６３ コンデンサ（検出手段）
６６ 開閉回路（開閉手段）

Claims (3)

1. 直流供給手段と、
   この直流供給手段からの供給電流によりモータの回転体を磁気浮上させる電磁石と、
   この電磁石の発生磁界を制御して前記回転体の位置制御を行う磁気軸受制御手段と、
   前記モータの巻線への電流供給を制御するスイッチング素子を用いて、前記直流供給手段からの供給電流をモータの回転体を回転させる回転磁界形成用の交流に変換する電力変換手段と、
   前記直流供給手段による給電の停止を検出し、前記電力変換手段から交流が供給されるモータの巻線を前記スイッチング素子の導通を制御して短絡させる短絡手段と、
   を備えたことを特徴とする磁気軸受式回転装置。
2. 前記短絡手段は、前記直流供給手段の出力側に並列接続された継電器およびコンデンサと、前記継電器とコンデンサとの接続点に一端が接続され、他端が前記スイッチング素子の導通を制御する導通制御部に接続された前記継電器のブレーク接点とを備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受式回転装置。
3. 前記直流供給手段と継電器との間に配置され、前記磁気軸受制御手段が給電されている場合には前記直流供給手段と継電器とを接続させ、前記磁気軸受制御手段が給電停止されている場合には前記直流供給手段と継電器とを非接続とさせる開閉手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の磁気軸受式回転装置。

Images