JP5076513B2 - 遠心式コンプレッサ装置、燃料電池用コンプレッサ、及び該燃料電池用コンプレッサの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電動モータのロータを軸方向に非接触状態で支持する磁気軸受装置を備えた遠心式コンプレッサ装置、該遠心式コンプレッサ装置が適用される燃料電池用コンプレッサ、及び該燃料電池用コンプレッサで用いられる制御方法に関する。

従来、この種の遠心式コンプレッサ装置では、前記ロータの回転速度（回転数）を目標値として電動モータの回転が制御され、それによってロータの先端に軸支されたインペラにより軸方向に吸入され、圧縮して径方向に吐出される空気の流量又は圧力が所望の値と一致するようにされている（特許文献１参照）。

即ち、従来の遠心式コンプレッサ装置では、予め前記ロータ（インペラ）の回転速度と吐出空気の流量又は圧力の関係が設定されており、該関係に基づきロータの回転速度が目標値と一致するように電動モータの回転を制御すれば、吐出空気に所望の流量又は圧力が得られるようになっている。

また、前記磁気軸受装置は、前記ロータをアキシャル方向（軸方向）又はラジアル方向（径方向）にそれぞれ非接触状態で支持するための一対の磁気軸受を備えている。そして、該磁気軸受装置では、前記ロータの変位に伴い変化する制御電流を、各磁気軸受に一定となる定常電流に合わせた励磁電流を当該一対の磁気軸受（の各電磁石）に供給することでロータを中立位置（ロータが外力を受けない状態で回転する設計上の位置）にて支持させるようにしている。

ところで、上記した遠心式コンプレッサ装置の利用例として、燃料電池を利用した自動車等の車両に搭載され、吐出空気を当該燃料電池に供給する燃料電池用コンプレッサが知られている（特許文献２参照）。この燃料電池用コンプレッサでは、インペラの先端近傍に、該インペラの回転により内部に圧縮空気を生成するとともに該圧縮空気を外部に排出する通路にもなる加圧ボリュートが設けられている。
特開２００１−３４２９９５号公報 特開２００４−３０１２２５号公報

ところが、こうした燃料電池用コンプレッサでは、インペラ自体の加工精度のばらつきや、該インペラと加圧ボリュート等のクリアランスの設定値からのずれ等が生じる場合がある。そして、これによって、従来のように電動モータのロータの回転速度（回転数）を目標値として吐出空気の流量や圧力を調節する場合では、当該吐出空気に所望の流量又は圧力が得られないことがあった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、インペラ自体の加工精度のばらつき等、遠心式コンプレッサ装置に吐出空気の流量や圧力に変動を生じさせる要因がある場合でも、該要因に左右されることなく、所望の流量又は圧力を有する吐出空気が得られる遠心式コンプレッサ装置、該遠心式コンプレッサ装置が適用される燃料電池用コンプレッサ、及び、該燃料電池用コンプレッサで用いられる制御方法を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、インペラを軸支するロータをステータで回転駆動する電動モータと、前記ロータを軸方向に非接触状態で支持する一対の磁気軸受とを備えた遠心式コンプレッサ装置において、前記一対の磁気軸受に前記ロータの浮上位置を調節すべく供給され、当該ロータの変位に伴い変化する制御電流に基づいて吐出空気の圧力を推定する圧力推定手段を備え、吐出空気の圧力を目標値として、前記圧力推定手段によって得られた吐出空気の圧力に基づいて前記電動モータの回転を制御すること、を要旨とする。

同構成によれば、吐出空気の圧力を目標値として電動モータの回転を制御するので、インペラ自体の加工精度のばらつき等の要因に左右されることなく、所望の圧力を有する吐出空気が得られるようになる。

同構成によれば、圧力推定手段によって得られた吐出空気の圧力に基づいて（吐出空気の圧力を測定値として）電動モータの回転を制御するので、インペラ自体の加工精度のばらつき等の要因に左右されることなく、所望の圧力を有する吐出空気が得られるようになる。

同構成によれば、ロータの変位に伴い変化する制御電流に基づいて吐出空気の圧力を推定する圧力推定手段を用いるので、吐出空気の圧力を直接測定することなく、電動モータの回転の制御に必要となる吐出空気の圧力を得ることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の遠心式コンプレッサ装置において、前記圧力推定手段によって得られた吐出空気の圧力のフィードバック信号と、外部に備えられたＥＣＵ（電子制御装置）からの圧力指令信号との偏差が０になるように前記電動モータの回転をフィードバック制御すること、を要旨とする。

同構成によれば、圧力推定手段によって得られた吐出空気の圧力のフィードバック信号と、外部に備えられたＥＣＵからの圧力指令信号との偏差が０になるように電動モータの回転をフィードバック制御するので、インペラ自体の加工精度のばらつき等の要因に左右されることなく、より確実に所望の圧力を有する吐出空気が得られるようになる。しかも、該フィードバック制御にあたってＰＩＤ制御を採用すれば、さらに精度良く且つ安定な吐出空気の圧力の調節が実現されるようになる。

請求項３に記載の発明は、車両に備えられた燃料電池に圧縮空気を供給する燃料電池用コンプレッサであって、請求項１又は請求項２に記載の遠心式コンプレッサ装置を用いること、を要旨とする。

同構成によれば、インペラ自体の加工精度のばらつき等の要因に左右されることなく、燃料電池で要求される最適な圧力を有する吐出空気が安定して得られるようになる。
請求項４に記載の発明は、燃料電池を利用した自動車等の車両に搭載され、吐出空気を当該燃料電池に供給するべく当該車両に設けられ、インペラを先端部で支持するロータをステータで回転駆動する電動モータと、前記ロータを軸方向に非接触状態で支持する一対の磁気軸受とを備えた燃料電池用コンプレッサの制御方法であって、前記一対の磁気軸受に前記ロータの浮上位置を調節すべく供給され、当該ロータの変位に伴い変化する制御電流に基づいて吐出空気の圧力を推定する圧力推定ステップと、前記推定された圧力のフィードバック信号と、車両に備えられたＥＣＵ（電子制御装置）からの圧力指令信号との偏差が０になるように前記電動モータの回転をフィードバック制御する回転制御ステップとを含むこと、を要旨とする。

同構成によれば、吐出空気の圧力の圧力フィードバック信号と、車両に備えられたＥＣＵからの圧力指令信号との偏差が０になるように電動モータの回転をフィードバック制御するので、インペラ自体の加工精度のばらつき等の要因に左右されることなく、燃料電池で要求される最適な圧力を有する吐出空気が安定して得られるようになる。

本発明によれば、インペラ自体の加工精度のばらつき等の吐出空気の流量や圧力に変動を生じさせる要因がある場合でも、該要因に左右されることなく、所望の流量又は圧力を有する吐出空気が得られるようになる。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
本実施形態の遠心式コンプレッサ装置は、自動車等の車両に搭載され、該車両の動力源としての燃料電池に主として空気を圧縮状態として供給する燃料電池用コンプレッサとして使用される。

図１に示すように、前記燃料電池用コンプレッサ１は、燃料電池に圧縮された空気を供給するインペラ１１と、該インペラ１１を回転駆動するための電動モータ１０と、該インペラ１１及び電動モータ１０を収容する有底円筒状のハウジング１５とを備えている。この燃料電池用コンプレッサ１は、車両内において、図１に示す水平状態で使用される（図１においては、ロータ１２の軸方向と直交する方向が鉛直方向となる）。

前記電動モータ１０は、インペラ１１を先端部１２ｔで支持するロータ１２及び該ロータ１２を電磁力により回転駆動するステータ１３を備えている。
前記インペラ１１は、ハウジング１５の一部を構成する加圧ボリュート１６内に回転可能に収容されている。該加圧ボリュート１６には、空気を燃料電池用コンプレッサ１内部に導入する空気導入路１６ａと、圧縮空気を外部に吐出（排出）する空気排出路１６ｂとが設けられている。

前記ロータ１２は、その中央部位が径方向外方に膨出して大径部１２ｃを形成しており、その先端側（インペラ１１側）及び後端側には、前記大径部１２ｃを挟み込むように、鉄等の磁性体からなる前後一対の円盤状のフランジ部１２ａ，１２ｂが相対回転不能に設けられている。そして、該ロータ１２は、それぞれ、前記フランジ部１２ａ，１２ｂを、ハウジング１５に固設された前後一対のアキシャル磁気軸受２１，２２（該アキシャル磁気軸受２１，２２の鉄製のヨーク部には、コイル巻線２１ａ，２２ａが巻回され、複数の電磁石を構成している。）に対面させて軸方向（アキシャル方向）に非接触状態で支持されるとともに、同ハウジング１５に前記アキシャル磁気軸受２１，２２に挟まれる位置にて固設された前後一対のラジアルフォイル軸受１７ａ，１７ｂによって径方向（ラジアル方向）に非接触状態で支持される。尚、図１に示す燃料電池用コンプレッサ１においては、前記ロータ１２の軸方向の位置を検出するアキシャル位置センサ２３がハウジング１５の底部１５ａの中央位置に配設されている。

本実施形態で用いる磁気軸受装置２は、前記した燃料電池用コンプレッサ１に備えられるものであり、図１及び図２を参照して、前記した一対のアキシャル磁気軸受２１，２２及びアキシャル位置センサ２３を含む機械本体２０１と、前記アキシャル磁気軸受２１，２２の各電磁石の電磁力を制御してロータ１２の浮上位置を調節するとともに、該ロータ１２の回転速度を制御して燃料電池用コンプレッサ１の吐出空気の流量又は圧力を調節するコントローラ２０２とを備えている。以下、ロータ１２の軸方向をＺ軸、Ｚ軸と直交するとともに互いに直交する２つの径方向をＸ軸、Ｙ軸とする。

前記機械本体２０１は、ロータ１２をステータ１３で回転駆動する電動モータ１０、ロータ１２をＺ軸方向に離間した２箇所において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に非接触状態で支持するラジアルフォイル軸受１７ａ，１７ｂ、ロータ１２をＺ軸方向に非接触状態で支持する前後一対のアキシャル磁気軸受２１，２２、及びロータ１２のＺ軸上の位置を検出して位置検出信号を出力するアキシャル位置センサ２３を備えている。

前記コントローラ２０２は、アキシャル位置センサ２３から入力される位置検出信号に基づきロータ１２の中立位置からのＺ軸上における変位量を演算して該変位量に対応する変位信号を出力する位置センサ回路２３ａ、ロータ１２に外力が作用しても中立位置で支持するための電磁石制御信号を出力するとともに該ロータ１２を所定の回転数で回転駆動するための回転数指令信号を出力するＤＳＰ（ＤＳＰ：Digital Signal Processor；デジタル信号処理装置）ボード２５、該ＤＳＰボード２５から入力される電磁石制御信号に基づき前記アキシャル磁気軸受２１，２２の各電磁石を駆動する磁気軸受駆動回路２１ｂ、及びＤＳＰボード２５から入力される回転数指令信号に基づき電動モータ１０のロータ１２の回転数を制御するインバータ回路２６を備えている。

前記ＤＳＰボード２５には、制御プログラムが実行可能なデジタル処理手段としてのＤＳＰ２５ａ、該ＤＳＰ２５ａに設けられた記憶手段としてのＲＯＭ及びフラッシュメモリ（図示せず）、Ａ／Ｄ変換器２４ａ，２４ｂ、Ｄ／Ａ変換器２４ｃ，２４ｄ，２４ｅ、並びにＤ／Ａ変換器２４ｃから入力される目標値としての信号とＤ／Ａ変換器２４ｅから入力されるフィードバック信号（測定値）とを比較して偏差をＡ／Ｄ変換器２４ａに出力する比較器２７が、図２に示す接続状態で配設されている。

前記ＤＳＰボード２５において、Ｄ／Ａ変換器２４ｃは、車両に備えられたＥＣＵ（電子制御装置）から送信され、本実施形態の燃料電池用コンプレッサ１の吐出空気の圧力を指定する圧力指令信号を受信できるように当該ＥＣＵに接続されている。また、前記ＤＳＰ２５ａには、電動モータ１０の回転を制御すべくＡ／Ｄ変換器２４ａから入力される信号を回転数指令信号に変換してインバータ回路２６に出力する電動モータ駆動部２５ｂ、位置センサ回路２３ａからＡ／Ｄ変換器２４ｂを介して入力されるロータ１２の変位信号に基づいて電磁石制御信号を演算し、該電磁石制御信号をＤ／Ａ変換器２４ｄを介して磁気軸受駆動回路２１ｂに出力するＡＭＢ（ＡＭＢ：Active Magnetic Bearing；能動型磁気軸受）制御部２５ｄ、及び、該ＡＭＢ制御部２５ｄから出力される前記電磁石制御信号に基づき、燃料電池用コンプレッサ１の吐出空気の圧力ｐ１を推定（演算）し、その結果得られた圧力信号をＤ／Ａ変換器２４ｃに出力する、吐出空気の圧力を推定する圧力推定手段としての空気圧力推定部２５ｃが備えられている。尚、前記ＲＯＭには、ＤＳＰ２５ａで処理される制御プログラムが格納されており、フラッシュメモリには、前記アキシャル磁気軸受２１，２２の制御パラメータを記憶した制御パラメータテーブルや、バイアス電流値（定常電流値）を記憶したバイアス電流値テーブル等が設けられている。

そして、前記磁気軸受駆動回路２１ｂは、ＤＳＰボード２５からの電磁石制御信号に基づく制御電流ｉｃを前記ＲＯＭに記憶された定常電流ｉｏに合わせたアキシャル方向励磁電流ｉｅを前記アキシャル磁気軸受２１，２２の各電磁石に供給する。また、前記インバータ回路２６は、ＤＳＰボード２５からの回転数指令信号に基づき電動モータ１０のロータ１２の回転数を制御する。これにより、該ロータ１２は、前記アキシャル磁気軸受２１，２２及びラジアルフォイル軸受１７ａ，１７ｂによって中立位置に非接触状態で支持された状態で電動モータ１０のステータ１３で回転駆動される。

このロータ１２の回転に伴ってインペラ１１が回転することにより、図１を参照して、空気が加圧ボリュート１６の空気導入路１６ａを通って矢印ａ１（導入空気の圧力：ｐ０［ＭＰａ］）の方向に導入されて加圧され、さらに圧縮状態にて加圧ボリュート１６の空気排出路１６ｂを通って矢印ａ２（吐出空気の圧力：ｐ１［ＭＰａ］）の方向に排出され、図示しない加湿機を経由して車両の燃料電池に供給される。ここで、空気の圧縮に伴い、ロータ１２に対してＺ軸方向に負荷荷重Ｆ［Ｎ］がかかり、該負荷荷重Ｆによってロータ１２が中立位置からＺ軸方向に沿って変位するようになる。そして、該変位量に対応する変位信号が位置センサ回路２３ａからＡ／Ｄ変換器２４ｂを介してＤＳＰ２５ａのＡＭＢ制御部２５ｄに入力され、該ＡＭＢ制御部２５ｄにて当該変位信号に基づき電磁石制御信号が演算される。次に、この電磁石制御信号が空気圧力推定部２５ｃに入力される。ここで、図３（ａ）の磁気軸受装置のアキシャル方向励磁電流ｉｅと遠心式コンプレッサの吐出空気圧力ｐ１との関係グラフに示すように、電磁石制御信号に対応する制御電流ｉｃと吐出空気圧力ｐ１とは比例関係（ｉｃ＝Ｋ_１・ｐ１）にあることが確認されている。このため、前記空気圧力推定部２５ｃにおいて、当該関係に基づいて、制御電流ｉｃから吐出空気圧力ｐ１が推定され、該推定された吐出空気圧力ｐ１に対応する吐出圧力信号が演算される（圧力推定ステップ）。そして、この吐出圧力信号は、Ｄ／Ａ変換器２４ｃを介して比較器２７にフィードバック信号（測定値）として入力され、車両に備えられたＥＣＵ（電子制御装置）から送信された圧力指令信号（目標値）と比較され、得られた偏差に対応する信号がＡ／Ｄ変換器２４ａを介してＤＳＰ２５ａの電動モータ駆動部２５ｂに入力される。次いで、該電動モータ駆動部２５ｂにおいて前記偏差が０になるようにＰＩＤ動作によりインバータ回路２６に出力される回転数指令信号が調節され、その回転数指令信号に応じて電動モータ１０のロータ１２の回転速度がフィードバック制御される（回転制御ステップ）。この結果、本実施形態の燃料電池用コンプレッサ１では、前記ＥＣＵによって指令されたとおりの圧力がその吐出空気に安定して得られるようになる。

以上、本実施形態の燃料電池用コンプレッサ１によれば、以下のような作用・効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、ロータ１２の変位に伴い変化する制御電流ｉｃに基づいて吐出空気の圧力を推定する圧力推定手段として、ＤＳＰ２５ａに備えられた空気圧力推定部２５ｃを用い、同空気圧力推定部２５ｃによって得られた吐出空気の圧力に基づき電動モータ１０の回転を制御する。このため、インペラ１１自体の加工精度のばらつき等の要因に左右されることなく、燃料電池で要求される最適な圧力を有する吐出空気が安定して得られるようになる。

（２）本実施形態では、ＤＳＰ２５ａに備えられた空気圧力推定部２５ｃによって得られた吐出空気の圧力のフィードバック信号と、車両に備えられたＥＣＵからの圧力指令信号との偏差が０になるように電動モータ１０の回転をフィードバック制御するので、確実に所望の圧力を有する吐出空気が得られるようになる。

（３）本実施形態では、インペラ１１自体の加工精度のばらつき等の要因に左右されることなく、燃料電池で要求される最適な圧力を有する吐出空気が安定して得られるようになる。これにより、自動車用途として高い信頼性を具備する燃料電池用コンプレッサ１が実現されている。

尚、上記実施形態は、以下のように変形してもよい。
・上記実施形態では、吐出空気の圧力を目標値として電動モータ１０の回転を制御するようにしたが、必要に応じて、吐出空気の流量を目標値として制御することも可能である。この場合は、図３（ｂ）に示す制御電流ｉｃと吐出空気の流量ｑとの間で確認された比例関係（ｉｃ＝Ｋ_２・ｑ）が利用される。

・上記実施形態では、磁気軸受装置２における演算処理にＤＳＰ２５ａを用いたが、これに限定されるものではなく、例えばパーソナルコンピュータ、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等、ＤＳＰ以外のものを用いてもよい。

・上記実施形態では、ＤＳＰ２５ａに備えられた空気圧力推定部２５ｃ（圧力推定手段）により推定された吐出空気の圧力に基づき、電動モータ１０の回転を制御した。しかし、それに代えて、燃料電池用コンプレッサ１の吐出空気の圧力を直接的に検知（測定）する圧力センサ（圧力検知手段）を加圧ボリュート１６の空気排出路１６ｂ内等に設置し、該圧力センサにより検知された吐出空気の圧力に基づき、電動モータ１０の回転を制御することも可能である。

・上記実施形態では、本発明の遠心式コンプレッサ装置を燃料電池用コンプレッサに適用した例を示したが、該遠心式コンプレッサ装置は、その他、圧縮空気を生成する汎用のターボ型コンプレッサにも適用することもできる。

本発明の実施形態に係る燃料電池用コンプレッサの軸方向断面図。 本発明の実施形態に係る燃料電池用コンプレッサに適用される磁気軸受装置のブロック図。 （ａ）は、磁気軸受装置のアキシャル方向励磁電流ｉｅと燃料電池用コンプレッサの吐出空気圧力ｐ１との関係（制御電流ｉｃと吐出空気圧力ｐ１との関係）を示すグラフ図、（ｂ）は、磁気軸受装置のアキシャル方向励磁電流ｉｅと燃料電池用コンプレッサの吐出空気流量ｑとの関係（制御電流ｉｃと吐出空気流量ｑとの関係）を示すグラフ図。

符号の説明

１…燃料電池用コンプレッサ（遠心式コンプレッサ装置）、２…磁気軸受装置、１０…電動モータ、１１…インペラ、１２…ロータ、１２ｔ…先端部、１３…ステータ、２１，２２…アキシャル磁気軸受（一対の磁気軸受）、２５ａ…ＤＳＰ、２５ｃ…空気圧力推定部。

Claims (4)

1. インペラを軸支するロータをステータで回転駆動する電動モータと、前記ロータを軸方向に非接触状態で支持する一対の磁気軸受とを備えた遠心式コンプレッサ装置において、
   前記一対の磁気軸受に前記ロータの浮上位置を調節すべく供給され、当該ロータの変位に伴い変化する制御電流に基づいて吐出空気の圧力を推定する圧力推定手段を備え、
   吐出空気の圧力を目標値として、前記圧力推定手段によって得られた吐出空気の圧力に基づいて前記電動モータの回転を制御することを特徴とする遠心式コンプレッサ装置。
2. 請求項１に記載の遠心式コンプレッサ装置において、
   前記圧力推定手段によって得られた吐出空気の圧力のフィードバック信号と、外部に備えられたＥＣＵ（電子制御装置）からの圧力指令信号との偏差が０になるように前記電動モータの回転をフィードバック制御する遠心式コンプレッサ装置。
3. 車両に備えられた燃料電池に圧縮空気を供給する燃料電池用コンプレッサであって、
   請求項１又は請求項２に記載の遠心式コンプレッサ装置を用いることを特徴とする燃料電池用コンプレッサ。
4. 燃料電池を利用した自動車等の車両に搭載され、吐出空気を当該燃料電池に供給するべく当該車両に設けられ、
   インペラを先端部で支持するロータをステータで回転駆動する電動モータと、前記ロータを軸方向に非接触状態で支持する一対の磁気軸受とを備えた燃料電池用コンプレッサの制御方法であって、
   前記一対の磁気軸受に前記ロータの浮上位置を調節すべく供給され、当該ロータの変位に伴い変化する制御電流に基づいて吐出空気の圧力を推定する圧力推定ステップと、
   前記推定された圧力のフィードバック信号と、車両に備えられたＥＣＵ（電子制御装置）からの圧力指令信号との偏差が０になるように前記電動モータの回転をフィードバック制御する回転制御ステップとを含むことを特徴とする燃料電池用コンプレッサの制御方法。

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