JP6830844B2 - 磁気軸受の状態監視装置、ターボ圧縮機、ターボ冷凍機及び磁気軸受の状態監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気軸受の状態監視装置、ターボ圧縮機、ターボ冷凍機及び磁気軸受の状態監視方法に関する。

ターボ冷凍機に適用されるターボ圧縮機として、電動機のロータが固定された回転軸を磁気軸受により支持する構造が知られている（例えば特許文献１参照）。
磁気軸受は、回転軸に対向する鉄心に巻回されたコイルを備えている。これら鉄心及びコイルによって構成される電磁石の吸引力によって回転軸が支持される。磁気軸受の鉄心は、積層鋼板によって構成されている。この積層鋼板は、一般に絶縁塗膜によって絶縁性が担保されている。

特開２０１４−２３１８２６号公報

ところで、上記磁気軸受では、鉄心を構成する積層鋼板の絶縁塗膜が劣化する場合がある。
特に、磁気軸受をターボ冷凍機のターボ圧縮機に用いた場合には、冷凍サイクルで使用される冷媒の種類によっては樹脂系の材料に対して腐食性を有するものもある。この場合、上記絶縁塗膜の劣化はより顕著なものとなる。絶縁塗膜が劣化すれば、磁気軸受の効率低下につながってしまう。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、鉄心の絶縁性の劣化を容易に監視することができる磁気軸受の状態監視装置、ターボ圧縮機、ターボ冷凍機及び磁気軸受の状態監視方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用している。
即ち、モータによって軸線回りに回転される回転軸に対向配置された鉄心と該鉄心に巻回された磁気軸受コイルを有し、該磁気軸受コイルへの通電により発生する磁界によって前記回転軸を非接触で支持する磁気軸受の状態監視装置であって、前記磁気軸受コイルに交流電圧が印加された際における該交流電圧の値を取得するコイル電圧取得部と、前記磁気軸受コイルに前記交流電圧が印加されることで該磁気軸受コイルに流れる交流電流の値を取得するコイル電流取得部と、前記コイル電圧取得部が取得した前記交流電圧の値と前記コイル電流取得部が取得した前記交流電流の値とに基づいて前記磁気軸受のインダクタンスの値を演算するインダクタンス演算部と、該インダクタンス演算部が演算した前記インダクタンスの値に基づいて、前記鉄心が絶縁不良か否かを判定する判定部と、を備える。
本発明の第一態様に係る磁気軸受の状態監視方法は、モータによって軸線回りに回転される回転軸に対向配置された鉄心と該鉄心に巻回された磁気軸受コイルを有し、該磁気軸受コイルへの通電により発生する磁界によって前記回転軸を非接触で支持する磁気軸受の状態監視方法であって、前記磁気軸受コイルに交流電圧が印加された際における該交流電圧の値を取得するコイル電圧取得工程と、前記磁気軸受コイルに前記交流電圧が印加されることで該磁気軸受コイルに流れる交流電流の値を取得するコイル電流取得工程と、前記コイル電圧取得工程で取得した前記交流電圧の値と前記コイル電流取得工程で取得した前記交流電流の値とに基づいて前記磁気軸受コイルのインダクタンスの値を演算するインダクタンス演算工程と、該インダクタンス演算工程で演算した前記インダクタンスの値に基づいて、前記鉄心が絶縁不良か否かを判定する判定工程と、を備える。

磁気軸受の鉄心に絶縁不良が生じた場合には、鉄心の磁気抵抗が増加し、その結果、インダクタンスが低下する。よって、インダクタンスの値は、鉄心の絶縁劣化診断の指標となる。本態様では、コイル電圧取得部、コイル電流取得部によって取得した交流電圧、交流電流の値に基づいて、インダクタンスを演算する。そして、このインダクタンスの値を指標とすることで、鉄心の劣化を診断することができる。

上記磁気軸受の状態監視装置では、前記判定部は、予め取得した正常時の前記インダクタンスの値を基準として、前記インダクタンス演算部が演算した前記インダクタンスの値が閾値以上に下回った際に、前記鉄心が絶縁不良であると判定してもよい。

鉄心の絶縁劣化が生じる前の正常時のインダクタンスの値と、実測した交流電圧及び交流電流の値に基づくインダクタンスの値とを比較することで、鉄心の絶縁不良をより適切に判定することができる。

本発明の第二態様に係る磁気軸受の状態監視装置は、モータによって軸線回りに回転される回転軸に対向配置された鉄心と該鉄心に巻回された磁気軸受コイルを有し、該磁気軸受コイルへの通電により発生する磁界によって前記回転軸を非接触で支持する磁気軸受の状態監視装置であって、前記モータの負荷の値を取得するモータ負荷取得部と、前記磁気軸受コイルに流れる電流の値を取得するコイル電流取得部と、前記負荷取得部が取得した前記負荷の値と前記電流取得部が取得した前記電流の値とに基づいて、前記鉄心が絶縁不良か否かを判定する判定部と、を備える。
本発明の二態様に係る磁気軸受の状態監視方法は、モータによって軸線回りに回転される回転軸に対向配置された鉄心と該鉄心に巻回された磁気軸受コイルを有し、該磁気軸受コイルへの通電により発生する磁界によって前記回転軸を非接触で支持する磁気軸受の状態監視方法であって、前記モータの負荷の値を取得するモータ負荷取得工程と、前記磁気軸受コイルに流れる電流の値を取得するコイル電流取得工程と、前記モータ負荷取得工程で取得した前記負荷の値と、前記コイル電流取得工程で取得した前記電流の値とに基づいて、前記鉄心が絶縁不良か否かを判定する判定工程と、を備える。

磁気軸受の吸引力、即ち、該磁気軸受の磁気軸受コイルに流れる電流の値は、回転軸の自重と作動流体から受ける変動力によって定まる。そのため、モータの負荷の値と磁気軸受の電流の値とは相関する。ここで鉄心の絶縁性が低下した場合、鉄心の磁気抵抗が増加する。この場合、同様の吸引力を得るために必要な電流量が増加する。そのため、モータの負荷に対する磁気軸受コイルの電流の値は、鉄心の絶縁劣化診断の指標となる。
本態様では、モータの負荷の値と磁気軸受コイルの電流値を取得することで、これらに基づいて鉄心の絶縁不良を判定することができる。

上記態様では、前記判定部は、予め取得した正常時の前記負荷と前記電流との関係を基準として、前記負荷に対応する前記電流の値が閾値以上に大きい場合に、前記鉄心が絶縁不良であると判定してもよい。

鉄心の絶縁劣化が生じる前の正常時の磁気軸受コイルの電流値と、実測した磁気軸受コイルの電流値とを同様のモータの負荷の状態で対比することで、鉄心の絶縁不良をより適切に判定することができる。

本発明の第三態様に係る磁気軸受の状態監視装置は、モータによって軸線回りに回転される回転軸に対向配置された鉄心と該鉄心に巻回された磁気軸受コイルを有し、該磁気軸受コイルへの通電により発生する磁界によって前記回転軸を非接触で支持する磁気軸受の状態監視装置であって、前記磁気軸受コイルの温度を取得するコイル温度取得部と、前記磁気軸受コイルに流れる電流の値を取得するコイル電流取得部と、前記コイル温度取得が取得した前記温度と前記コイル電流取得部が取得した前記電流の値とに基づいて、前記鉄心が絶縁不良か否かを判定する第一判定部と、を備える。
本発明の第三態様に係る磁気軸受の状態監視方法は、モータによって軸線回りに回転される回転軸に対向配置された鉄心と該鉄心に巻回された磁気軸受コイルを有し、該磁気軸受コイルへの通電により発生する磁界によって前記回転軸を非接触で支持する磁気軸受の状態監視方法であって、前記磁気軸受コイルの温度を取得するコイル温度取得工程と、前記磁気軸受コイルに流れる電流の値を取得するコイル電流取得工程と、前記コイル温度取得工程で取得した前記温度と前記コイル電流取得工程で取得した前記電流の値とに基づいて、前記鉄心が絶縁不良か否かを判定する第一判定工程と、を備える。

鉄心の絶縁劣化が生じれば、渦電流損が増えるため、磁気軸受コイルの温度は上昇する。したがって、磁気軸受コイルの温度は、鉄心の絶縁劣化の指標となる。
本態様では、磁気軸受コイルの温度及び電流の値を取得し、当該温度を絶縁劣化の指標とすることで、絶縁劣化を容易に判定することができる。

上記態様では、前記第一判定部は、予め取得した正常時の前記電流と前記温度との関係を基準として、前記電流に対応する前記温度の値が閾値以上に大きい場合に、前記鉄心が絶縁不良であると判定してもよい。

鉄心の絶縁劣化が生じる前の正常時の磁気軸受コイルの温度と、実測した磁気軸受コイルの温度とを同様の磁気軸受コイルの電流値の状態で対比することで、鉄心の絶縁不良をより適切に判定することができる。

上記態様では、前記第一判定部が、前記鉄心が絶縁不良であると判定した場合に、前記コイル温度取得部が取得した前記温度が耐熱温度以下か否かを判定する第二判定部と、該第二判定部が、前記温度が耐熱温度以下であると判定した際にアラームを発する警報部と、前記第二判定部が、前記温度が耐熱温度以下ではないと判定した際に運転を停止させる停止部と、を備えてもよい。

第一判定部が絶縁不良と判断した後に、第二判定部が耐熱温度を基準として温度の高低を判定する。その結果、耐熱温度以下の場合にはアラームを発するに留まる一方、耐熱温度を超える場合には運転を停止する。これにより、運転を継続するか否かの判定を適切に行うことができる。

本発明の第四態様に係るターボ圧縮機は、前記回転軸、前記モータ、前記磁気軸受、上記いずれかに記載の磁気軸受の状態監視装置及び前記回転軸と一体に回転するインペラとを備える。

本発明の第五態様に係るターボ冷凍機は、上記いずれかの冷媒を圧縮するターボ圧縮機及び凝縮部、膨張部、蒸発部を備える。

本発明の状態監視装置、ターボ圧縮機、ターボ冷凍機及び磁気軸受の状態監視方法によれば、鉄心の絶縁性の劣化を容易に監視することができる。

第一実施形態に係るターボ冷凍機の概略構成図である。 第一実施形態に係るターボ圧縮機の模式的な縦断面図である。 第一実施形態に係る磁気軸受の軸線に直交する断面図である。 第一実施形態に係る磁気軸受及びモータの機能ブロック図である。 第一実施形態に係る状態監視装置のハードウェア構成を示す図である。 第一実施形態に係る状態監視装置の機能ブロック図である。 時刻とインダクタンスとの関係を示すグラフである。 第二実施形態に係る磁気軸受及びモータの機能ブロック図である。 第二実施形態に係る状態監視装置の機能ブロック図である。 モータの負荷と磁気軸受コイルの電流との関係を示すグラフである。 第三実施形態に係る磁気軸受の機能ブロック図である。 第三実施形態に係る状態監視装置の機能ブロック図である。 第三実施形態に係る磁気軸受の状態監視方法の手順を示すフローチャートである。 磁気軸受コイルの温度と磁気軸受コイルの電流との関係を示すグラフである。 第三実施形態の変形例に係る評価温度と磁気軸受コイルの電流との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態に係るターボ冷凍機１００について図１〜図８を参照して説明する。
図１に示すように、ターボ冷凍機１００は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機１と、ターボ圧縮機１によって圧縮された冷媒を冷却水によって凝縮する凝縮器２と、凝縮器２からの冷媒Ｗ減圧する膨張部である第一膨張弁３と、第一膨張弁３からの冷媒を気液二相に分離するエコノマイザ４と、を備えている。

さらに、ターボ冷凍機１００は、エコノマイザ４からの冷媒の気相をターボ圧縮機１へと導く流入路５と、エコノマイザ４からの液相を再度減圧する膨張部としての第二膨張弁６と、第二膨張弁６からの冷媒Ｗを蒸発させる蒸発器７とを備えている。

凝縮器２の気相部と蒸発器７の気相部との間には、ホットガスバイパス管８が設けられている。ホットガスバイパス管８には、ホットガスバイパス管８内を流れる高温冷媒ガスの流量を制御するためのホットガスバイパス弁８ａが設けられている。

ターボ冷凍機１００は、ターボ圧縮機１、凝縮器２、第一膨張弁３、第二膨張弁６及び蒸発器７を順次接続する配管９を有する冷凍サイクルを有している。冷媒Ｗとしては、例えばＨＦО系の冷媒であるＲ１２３３ｚｄが用いられている。Ｒ１２３３ｚｄは地球温暖化係数（ＧＷＰ）が低い一方、特に樹脂系の材料に対して腐食性を示す。

凝縮器２は、ターボ圧縮機１で圧縮された冷媒Ｗを冷却水等によって熱交換させることで冷却し、液体の状態とする装置である。例えば、凝縮器２は、シェルアンドチューブ式の熱交換器である。

第一膨張弁３は、凝縮器２からの液体の冷媒Ｗを断熱膨張して減圧し、液体の一部を蒸発させることによって、冷媒Ｗを気液二相の状態とする。
エコノマイザ４は、第一膨張弁３において気液二相の状態とされた冷媒Ｗを気相と液相とに分離する装置である。

流入路５は、エコノマイザ４によって気液二相の冷媒Ｗから分離された気相Ｗを、ターボ圧縮機１に流入させる。
第二膨張弁６は、エコノマイザ４で気相Ｗが分離されて液相のみとなった冷媒Ｗを断熱膨張して減圧するものである。なお、本実施形態のターボ冷凍機１００では、膨張弁を用いて冷媒Ｗを減圧する構成としているがこれに限ることはなく、他の膨張部を用いて冷媒Ｗを減圧してもよい。
蒸発器７は、第二膨張弁６からの冷媒Ｗを水等との間で熱交換して蒸発させ、飽和蒸気の状態とする。

次にターボ圧縮機１について、図２を用いて詳細に説明する。
ターボ圧縮機１は、回転軸１１、ハウジング１０、第一インペラ１２、第二インペラ１３、モータ１４、磁気軸受２０を備えている。
回転軸１１は軸線Ｏ１に沿って延びる棒状をなしている。回転軸１１の外周面における軸線Ｏ１方向の一部には、該回転軸１１の外周面から外周側に鍔状に張り出すスラストカラー１１ａが設けられている。

ハウジング１０は、該回転軸１１を外周側から囲うように配置されている。該ハウジング１０の両端の開口からは、回転軸１１の軸線Ｏ１方向両端が露出している。
第一インペラ１２は、回転軸１１の軸線Ｏ１方向一方側（図２の左側）の端部に一体に固定されている。該第一インペラ１２は、回転軸１１とともに軸線Ｏ１回りに回転することで、軸線Ｏ１方向一方側から流入する冷媒を径方向外側に向かって圧送する。

第二インペラ１３は、回転軸１１の軸線Ｏ１方向他方側（図２の右側）の端部に一体に固定されている。該第二インペラ１３は、回転軸１１の回転とともに軸線Ｏ１回りに回転することで、径方向外側から流入する冷媒を軸線Ｏ１方向他方側に向かって圧送する。
このように第一インペラ１２及び第二インペラ１３を有するターボ圧縮機１は、第一インペラ１２で圧縮した冷媒をさらに第二インペラ１３で圧縮する二段圧縮構造とされている。また、第二インペラ１３には、第一インペラ１２で圧縮された冷媒に加えて、流入路５を介してエコノマイザ４から導入される冷媒の気相が導入される。

モータ１４は、ロータコア１５とステータ１６とを有している。
ロータコア１５は、回転軸１１の外周面に一体に固定されている。ロータコア１５は、回転軸１１の外周面に外嵌された積層鋼板構造を有している。積層鋼板構造には、軸線Ｏ１の周方向に間隔をあけて複数の永久磁石が設けられている。
ステータ１６は、ロータコア１５を外周側から囲うステータコアと、該ステータコアに周方向に間隔をあけて複数設けられたステータコイルとを有している。
このようなモータ１４では、ステータ１６のステータコイルに外部から電流が供給され、これにより発生する回転磁界に各永久磁石が追従することでロータコア１５及び該ロータコア１５と一体とされた回転軸１１ががステータ１６に対して軸線Ｏ１回りに回転する。

磁気軸受２０は、スラスト軸受２０Ａと、一対のラジアル軸受２０Ｂとを有している。
スラスト軸受２０Ａは、回転軸１１のスラストカラー１１ａを軸線Ｏ１方向から挟み込むように設けられている。スラスト軸受２０Ａは、回転軸１１の軸線Ｏ１方向の位置が所定の位置になるように、該回転軸１１を非接触で軸線Ｏ１方向から支持している。

一対のラジアル軸受２０Ｂ（以下、単に磁気軸受２０と称する）は、モータ１４を軸線Ｏ１方向から挟み込むように設けられている。磁気軸受２０は、詳しくは図３に示すように、ヨーク３０、複数の磁気軸受コイル４０、変位センサ５０、軸受制御部５１、ドライバ５２を有している。

ヨーク３０は、バックヨーク３１及び複数の鉄心３２（ティース）から構成されている。バックヨーク３１は、軸線Ｏ１を中心とする円環状をなして回転軸１１を外周側から囲っている。バックヨーク３１は、ハウジング１０に固定されている。バックヨーク３１は、回転軸１１の外周側に間隔をあけて配置されている。

鉄心３２は、バックヨーク３１から径方向内側に向かって突出するように周方向に等間隔（本実施形態では９０°）をあけて複数（本実施形態では４つ）が設けられている。各鉄心３２は、径方向に沿う軸線に沿って延在している。各鉄心３２の径方向内側の端部は、回転軸１１の外周面と径方向に間隔をあけて対向している。

このようにバックヨーク３１及び鉄心３２からなるヨーク３０は、複数の積層鋼板を軸線Ｏ１方向に積層させることで構成されている。また、各積層鋼板は、絶縁塗膜によって被覆されている。これによって、ヨーク３０全体の絶縁性が担保されている。
磁気軸受コイル４０は、径方向に沿う軸線回りに各鉄心３２に巻回されている。互いに径方向に対向する鉄心３２及び該鉄心３２に巻回されたコイルによって、これら鉄心３２の延びる方向を制御軸Ｏ２として、磁気軸受２０は制御されている。本実施形態の磁気軸受２０は、互いに９０°角度のずれた二つの制御軸Ｏ２を有している。即ち、本実施形態の磁気軸受２０は、それぞれ二軸制御とされている。

変位センサ５０は、制御軸Ｏ２方向の回転軸１１の変位を検出する。
軸受制御部５１には、変位センサ５０が検出した回転軸１１の変位情報が入力される。軸受制御部５１は、変位センサ５０からの回転軸１１の変位情報に基づいて、該回転軸１１の基準位置からの偏差に応じた制御信号を出力する。

ドライバ５２は、軸受制御部５１からの制御信号に基づいて、磁気軸受２０の磁気軸受コイル４０に電流を供給する。ドライバ５２は図示しない電源に接続されており、該電源からの電流を制御信号に応じた値に変換して磁気軸受コイル４０に供給する。磁気軸受コイル４０は、ドライバ５２から軸受制御部５１の制御信号に応じた電流が供給されることで、回転軸１１が基準位置からのずれが小さくなるように、該回転軸１１に対して吸引力を付与する。即ち、磁気軸受２０は、変位センサ５０からの回転軸１１の位置情報に基づいて、回転軸１１が基準位置に復帰するように該回転軸１１を支持している。

なお、磁気軸受２０は、一対のラジアル軸受２０Ｂそれぞれの二つの制御軸Ｏ２に加えて、スラスト軸受２０Ａでも同様に軸線Ｏ１方向の一の制御軸で軸線Ｏ１方向の変位センサに基づく回転軸の位置制御をしている。したがって、本実施形態では、計５つの制御軸で制御をしている。

本実施形態では、このような磁気軸受２０の絶縁劣化を診断するための状態監視システムが設けられている。状態監視システムは、図４に示すように、コイル電圧印加部５３、コイル電流検出部５４及び状態監視装置６０を備える。

コイル電圧印加部５３は、ドライバ５２と磁気軸受コイル４０とを接続する配線に、磁気軸受コイル４０と並列に設けられている。コイル電圧印加部５３は、磁気軸受コイル４０に対して交流電圧を印加可能に構成されている。同時にコイル電圧印加部５３は、磁気軸受コイル４０に印加する交流電圧の値を信号として外部に出力可能とされている。

コイル電流検出部５４は、ドライバ５２と磁気軸受コイル４０とを接続する配線上に磁気軸受コイル４０と直列に設けられている。コイル電流検出部５４は、コイル電圧印加部５３によって磁気軸受コイル４０に印加された交流電圧に応じて流れる交流電流の値を検出し、外部に信号として出力する。
なお、コイル電流検出部５４は、ドライバ５２から磁気軸受コイル４０に供給される電流（駆動電流）とコイル電圧印加部５３によって印加される交流電圧によって流れる交流電流とのうち、後者の交流電流のみを検出可能とされていてもよい。また、駆動電流を停止した状態で、コイル電圧印加部５３が磁気軸受コイル４０に交流電圧を付与し、その際に流通する交流電流をコイル電流検出部５４が検出してもよい。

コイル電圧印加部５３からの信号及びコイル電流検出部５４からの信号はそれぞれ状態監視装置６０に入力される。
状態監視装置６０は、図５に示すように、ＣＰＵ６１（Central Processing Unit）、ＲＯＭ６２（Read Only Memory）、ＲＡＭ６３（Random Access Memory）、ＨＤＤ６４（Hard Disk Drive）、信号受信モジュール６５を備えるコンピュータである。信号受信モジュール６５は、コイル電圧印加部５３及びコイル電流検出部５４からの信号を受信する。

図６に示すように、状態監視装置６０のＣＰＵ６１は予め自装置で記憶するプログラムを実行することにより、制御部７１、コイル電流取得部７２、コイル電圧取得部７３、インダクタンス演算部７４、判定部７５、警報部７６として機能する。
制御部７１は解析装置に備わる他の機能部を制御する。

コイル電流取得部７２は、コイル電流検出部５４からの磁気軸受コイル４０に流れる交流電流の値を時間とともに取得する（コイル電流取得工程）。
コイル電圧取得部７３は、コイル電圧印加部５３からの磁気軸受コイル４０に印加される交流電圧の値を時間とともに取得する（コイル電圧取得工程）。

インダクタンス演算部７４は、コイル電流取得部７２が取得した交流電流の値及びコイル電圧取得部７３が取得した交流電圧の値に基づいて、磁気軸受２０のインダクタンスＬを演算する。具体的には、下記（１）式に基づいて、磁気軸受２０のインダクタンスＬを演算する（インダクタンス演算工程）。

ここで、Ｉは磁気軸受コイル４０に流れる電流値、Ｖは磁気軸受コイル４０の両端の電圧値、θは電圧に対する電流の位相差である。

判定部７５は、インダクタンス演算部７４が演算したインダクタンスＬの値に基づいて、鉄心３２が絶縁不良か否かを判定する（判定工程）。具体的には、判定部７５は、予め取得した正常時（例えば新設時）の磁気軸受２０のインダクタンスの値を基準として、該基準よりも低い閾値を下回った際に、鉄心３２が絶縁不良であると判定する。

警報部７６は、判定部７５の判定結果に基づいて警報を出力する（警報工程）。即ち、警報部７６は、判定部７５が絶縁不良であると判定した場合には、警報を出力する処理を行う。警報部７６は、警報情報をモニタに表示する処理を行ってもよいし、警報としてのアラームを鳴らす処理を行ってもよい。
なお、本実施形態の磁気軸受２０の状態監視方法は、上記のコイル電流取得工程、コイル電圧取得工程、インダクタンス演算工程、判定工程及び警報工程を含む。

次に本実施形態の作用について説明する。
磁気軸受２０のインダクタンスＬは、以下の（２）〜（４）式でも求めることができる。

ここで、Ｎは磁気軸受コイル４０の巻き数、Ｒ_ｍ０は磁路における鉄心３２と回転軸１１とのエアギャップの磁気抵抗、δ_ｒは磁路におけるエアギャップの長さ、μ_０は真空透磁率、Ａ_ｙは鉄心３２の断面積、Ｒ_ｍｃは磁路におけるヨーク３０及び回転軸１１の磁気抵抗、ｌ_ｒは回転軸１１の磁路長、ｌ_ｓはヨーク３０の磁路長である。
鉄心３２の絶縁が劣化した場合、ヨーク３０及び回転軸１１の磁気抵抗Ｒ_ｍｃが増加する。そのため、（２）式からわかるように、インダクタンスＬの値が低下する。よって、インダクタンスＬの値は、絶縁劣化診断の指標となる。したがって、図７に示すように、インダクタンスの経年変化を監視することで、絶縁の劣化診断を行うことができる。

また、鉄心３２の絶縁劣化が生じる前の正常時のインダクタンスＬの値と、実測した交流電圧及び交流電流の値に基づくインダクタンスＬの値とを比較することで、鉄心３２の絶縁不良をより適切に判定することができる。

さらに本実施形態のように、コイル電圧印加部５３によって磁気軸受コイル４０の両端に交流電圧を付与し、当該交流電圧の値、及び、交流電圧によって流れる交流電流の値を取得することで、絶縁劣化の指標となるインダクタンスＬを容易に取得することができる。
よって、絶縁塗膜を形成する樹脂に対して腐食性の高いＲ１２３３ｚｄをターボ冷凍機１００の冷媒として用いた場合であっても、容易に絶縁劣化を把握することができる。

次に第二実施形態について図８〜図１０を参照して説明する。第二実施形態では第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図８に示すように、第二実施形態の磁気軸受２０は、第一実施形態同様の磁気軸受コイル４０、変位センサ５０、軸受制御部５１、ドライバ５２を備え、さらにコイル電流検出部５４を備えている。
第二実施形態のコイル電流検出部５４は、ドライバ５２から磁気軸受コイル４０に供給される電流の値を検出して、外部に信号として出力する。即ち、第二実施形態のコイル電流検出部５４は、磁気軸受コイル４０の駆動電流の値を検出する。

第一実施形態では説明を省略したが、モータ１４は、モータ制御部８１及びインバータ８２によって駆動される。
モータ制御部８１は、インバータ８２に対して目標とするモータ１４の回転数に応じた制御信号を出力する。インバータ８２は、図示しない電源から供給される電流を、モータ制御部８１からの制御信号に応じて、所定の周波数に変換してモータ１４に供給する。モータ１４は、インバータ８２から供給される電流によって回転駆動される。

本実施形態では、状態監視システムの一構成として、コイル電流検出部５４、状態監視装置６０に加えて、モータ１４の負荷を検出する負荷検出部８３が設けられている。負荷検出部８３は、インバータ８２に接続されており、インバータ８２がモータ１４に供給する電流及び電圧値に基づいて、モータ１４の負荷を検出する。

コイル電流検出部５４からの信号及び負荷検出部８３からの信号は、それぞれ状態監視装置６０の信号受信モジュール６５に入力される。
図９に本実施形態の状態監視装置６０の機能ブロック図を示す。コイル電流取得部７２は、コイル電流検出部５４が検出した磁気軸受コイル４０の駆動電流を取得する（コイル電流取得工程）。モータ負荷取得部９６は、負荷検出部８３が検出したモータ１４の負荷を取得する（モータ負荷取得工程）。

判定部７５は、負荷取得部が取得したモータ１４の負荷の値とコイル電流取得部７２が取得した駆動電流の値とに基づいて、鉄心３２が絶縁不良か否かを判定する（判定工程）。具体的には判定部７５は、駆動電流の値が、負荷毎に設定された閾値以上となった場合に、鉄心３２が絶縁不良であると判定する。
そして、警報部７６は、判定部７５の判定結果に基づいて警報を出力する（警報工程）。なお、本実施形態の磁気軸受２０の状態監視方法は、上記のコイル電流取得工程、モータ負荷取得工程、判定工程及び警報工程を含む。

次に本実施形態の作用について説明する。
磁気軸受２０はロータの自重（回転軸１１、第一インペラ１２及び第二インペラ１３の自重）と、これら第一インペラ１２、第二インペラ１３によって圧送される冷媒（流体）から受ける変動力に抗して吸引力Ｆを発生させている。当該吸引力Ｆと磁気軸受コイル４０を駆動する電流Ｉとの関係式は、下記（５）式で表される。

ここで、Ｒ_ｍは、磁路全体の磁気抵抗であって上記Ｒ_ｍ０とＲ_ｍｃの和である。

また、磁気軸受２０を駆動する電流Ｉは、下記（６）式となる。

ここで、Ｆ_ｒはロータの自重（回転軸１１、第一インペラ１２及び第二インペラ１３の自重）、Ｆ_ｆは冷媒から受ける変動力である。冷媒から受ける変動力Ｆ_ｆは、第一インペラ１２及び第二インペラ１３による冷媒への仕事が大きい程（第一インペラ１２及び第二インペラ１３を回転させるモータ１４の負荷が大きい程）、大きくなる。

一方、鉄心３２の絶縁が低下する場合、鉄心３２の磁気抵抗が増加する。磁気軸受２０の磁気軸受コイル４０には、変位センサ５０による回転軸１１の変位に応じて基準位置に復帰するように電流が供給されている。そのため、鉄心３２の磁気抵抗が増加した際に、増加前と同様に回転軸１１を基準位置に復帰させるためには、即ち、増加前と同様の吸引力を与えるためには、必要となる電流の値が増加する。
したがって、モータ１４の負荷に応じた磁気軸受コイル４０を駆動させる電流の値は、図１０に示す通りとなる。即ち、モータ１４の負荷と磁気軸受コイル４０の電流とは相関しており、さらに異常時（絶縁劣化磁）には、正常時に比べて所定のモータ１４負荷に対する磁気軸受コイル４０の電流の値は増加する。

以上のように、磁気軸受２０の吸引力、即ち、該磁気軸受２０の磁気軸受コイル４０に流れる電流の値は、回転側の自重と作動流体の冷媒から受ける変動力によって定まる。そのため、モータ１４の負荷の値と磁気軸受２０の電流の値とは相関する。鉄心３２の絶縁性が低下した場合、鉄心３２の磁気抵抗が増加する。この場合、同様の吸引力を得るために必要な電流量が増加する。そのため、モータ１４の負荷に対する磁気軸受コイル４０の電流の値は、鉄心３２の絶縁劣化診断の指標となる。したがって、モータ１４の負荷の値と磁気軸受コイル４０の電流値を取得することで、これらに基づいて鉄心３２の絶縁不良を判定することができる。

さらに、鉄心３２の絶縁劣化が生じる前の正常時の磁気軸受コイル４０の電流値と、実測した磁気軸受コイル４０の電流値とを同様のモータ１４の負荷の状態で対比することで、鉄心３２の絶縁不良をより適切に判定することができる。

次に第三実施形態について、図１１〜図１４を参照して説明する。第三実施形態では第一、第二実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図１１に示すように、第三実施形態の磁気軸受２０は、第一実施形態同様の磁気軸受コイル４０、変位センサ５０、軸受制御部５１、ドライバ５２を備えている。また、磁気軸受２０の状態監視システムの構成として、コイル電流検出部５４、コイル温度検出部９８及び状態監視装置６０を備えている。
第三実施形態のコイル電流検出部５４は、第二実施形態同様、ドライバ５２から磁気軸受コイル４０に供給される電流である駆動電流（コイル電流）の値を検出して、外部に信号として出力する。即ち、第三実施形態のコイル電流検出部５４は、磁気軸受コイル４０の駆動電流の値を検出する。

第三実施形態では、コイル温度検出部９８がさらに設けられている。コイル温度検出部９８は、磁気軸受コイル４０の温度（コイル温度）を検出して、外部に出力する。コイル温度検出部９８としては、例えば熱電対等のセンサが用いられている。

コイル電流検出部５４からの信号及びコイル温度検出部９８からの信号は、それぞれ状態監視装置６０の信号受信モジュール６５に入力される。
図１２に本実施形態の状態監視装置６０の機能ブロック図を示す。コイル電流取得部７２は、コイル電流検出部５４が検出した磁気軸受コイル４０の駆動電流を取得する。コイル温度取得部１０２は、コイル温度検出部９８が検出した磁気軸受コイル４０のコイル温度を取得する。

第一判定部１０３は、コイル温度取得が取得したコイル温度とコイル電流取得部７２がしたコイル電流の値とに基づいて、鉄心３２が絶縁不良か否かを判定する。より具体的には、第一判定部１０３は、予め取得した正常時の電流と温度との関係を基準として、電流に対する温度の値が閾値以上に大きい場合に、鉄心３２が絶縁不良であると判定する。

第二判定部１０４は、第一判定部１０３が、鉄心３２が絶縁不良であると判定した場合に、コイル温度取得部１０２が取得した温度が、予めさだめた磁気軸受２０の耐熱温度以下か否かを判定する。
警報部７６は、第二判定部１０４が、前記温度が耐熱温度以下であると判定した際にアラームを発する。
停止部１０５は、第二判定部１０４が、温度が耐熱温度以下ではないと判定した際に、磁気軸受２０及びターボ圧縮機１の運転を停止させる。なお、停止部１０５をターボ圧縮機１のみの運転を停止させてもよい。

次に図１３のフローチャートを参照して本実施形態の磁気軸受２０の状態監視方法について説明する。
当該状態監視方法では、最初にコイル電流取得部７２及びコイル温度取得部１０２が、磁気軸受コイル４０の電流の値及び磁気軸受コイル４０の温度の値を取得する（ステップＳ１、コイル電流取得工程及びコイル温度取得工程）。

次いで、予め取得した正常時の電流と温度との関係を基準として、電流に対する温度の値が閾値以上に大きい場合に、鉄心３２が絶縁不良であると判定する。具体的には図１４に示すグラフにしたがって、検出した電流の値と温度の値とが、破線で示す異常時のライン以下の場合には、正常と判断し、再びデータの取得を行う。一方、検出した電流の値と温度の値とが、破線で示す異常時のラインを超える場合には、即ち、コイル電流に対してコイル温度が過剰に大きい場合には、異常（絶縁劣化）と判断する（ステップＳ２、第一判定工程）。

ステップＳ２で異常と判断された場合には、検出したコイル温度が、耐熱温度以下か否かを判定する（第二判定工程、ステップＳ３）。
第二判定部１０４が、コイル温度が耐熱温度以下であると判定した際にアラームを発する（ステップＳ３、警報工程）。
第二判定部１０４が、温度が耐熱温度以下ではないと判定した際には、磁気軸受２０及びターボ圧縮機１の運転を停止させる（ステップＳ４、停止工程）。

次に第三実施形態の作用について説明する。
鉄心３２の絶縁性が低下すると、該鉄心３２での渦電流損が増加することに伴って磁気軸受コイル４０の温度が増加する。したがって、磁気軸受コイル４０の温度は、鉄心３２の絶縁劣化の指標となる。
即ち、図１４に示すように、正常時（例えば新設時）には、コイル電流の増加にともなってコイル温度が所定の傾きで増加する。一方、鉄心３２の絶縁性が低下した際には、当該傾きが増大し、即ち、コイル電流の増加に伴って正常時よりもコイル温度の増加率が増大する。したがって、コイル電流の値毎にコイル温度の閾値を設定し、実測したコイル温度が当該閾値を超えた際に異常と判定することで、容易に絶縁劣化を検知することができる。

鉄心３２の絶縁劣化が生じる前の正常時の磁気軸受コイル４０の温度と、実測した磁気軸受コイル４０の温度とを同様の磁気軸受コイル４０の電流値の状態で対比することで、鉄心３２の絶縁不良をより適切に判定することができる。

さらに、本実施形態では、第一判定部１０３が絶縁不良と判断した後に、第二判定部１０４が耐熱温度を基準として温度の高低を判定する。その結果、耐熱温度以下の場合にはアラームを発するに留まる一方、耐熱温度を超える場合には運転を停止させる。これにより、運転を継続するか否かの判定を適切に行うことができる。

第三実施形態の変形例として、図１５に示すように、コイル温度に代えて、下記（７）式で表される評価温度Ｔｅを用いてもよい。

ここで、Ｔｃはコイル温度、Ｔａは外気温、αは補正係数である。

コイル温度は外気温の影響を受けるため、外気温が高ければそれだけ検出される温度は高くなる。そのため、外気温Ｔａに補正係数αを乗じた項をコイル温度Ｔｃから減じた評価温度Ｔｅをコイル温度に代えて評価の対象として用いることで、外気温の影響を受けずに適切に絶縁劣化を評価することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
実施形態では本発明を磁気軸受２０のうちラジアル軸受２０Ｂに適用した例について説明したが、スラスト軸受２０Ａに適用してもよい。

１ ターボ圧縮機
２ 凝縮器
３ 第一膨張弁
４ エコノマイザ
５ 流入路
６ 第二膨張弁
７ 蒸発器
８ ホットガスバイパス管
８ａ ホットガスバイパス弁
９ 配管
１０ ハウジング
１１ 回転軸
１１ａ スラストカラー
１２ 第一インペラ
１３ 第二インペラ
１４ モータ
１５ ロータコア
１６ ステータ
２０ 磁気軸受
２０Ａ スラスト軸受
２０Ｂ ラジアル軸受
３０ ヨーク
３１ バックヨーク
３２ 鉄心
４０ 磁気軸受コイル
５０ 変位センサ
５１ 軸受制御部
５２ ドライバ
５３ コイル電圧印加部
５４ コイル電流検出部
６０ 状態監視装置
６１ ＣＰＵ
６２ ＲＯＭ
６３ ＲＡＭ
６４ ＨＤＤ
６５ 信号受信モジュール
７１ 制御部
７２ コイル電流取得部
７３ コイル電圧取得部
７４ インダクタンス演算部
７５ 判定部
７６ 警報部
８１ モータ制御部
８２ インバータ
８３ 負荷検出部
９６ モータ負荷取得部
９８ コイル温度検出部
１００ ターボ冷凍機
１０２ コイル温度取得部
１０３ 第一判定部
１０４ 第二判定部
１０５ 停止部
Ｏ１ 軸線
Ｏ２ 制御軸

Claims (12)

1. モータによって軸線回りに回転される回転軸に対向配置された鉄心と該鉄心に巻回された磁気軸受コイルを有し、該磁気軸受コイルへの通電により発生する磁界によって前記回転軸を非接触で支持する磁気軸受の状態監視装置であって、
   前記磁気軸受コイルに交流電圧が印加された際における該交流電圧の値を取得するコイル電圧取得部と、
   前記磁気軸受コイルに前記交流電圧が印加されることで該磁気軸受コイルに流れる交流電流の値を取得するコイル電流取得部と、
   前記コイル電圧取得部が取得した前記交流電圧の値と前記コイル電流取得部が取得した前記交流電流の値とに基づいて前記磁気軸受のインダクタンスの値を演算するインダクタンス演算部と、
   該インダクタンス演算部が演算した前記インダクタンスの値に基づいて、前記鉄心が絶縁不良か否かを判定する判定部と、
   を備える磁気軸受の状態監視装置。
2. 前記判定部は、予め取得した正常時の前記インダクタンスの値を基準として、前記インダクタンス演算部が演算した前記インダクタンスの値が閾値以上に下回った際に、前記鉄心が絶縁不良であると判定する請求項１に記載の磁気軸受の状態監視装置。
3. モータによって軸線回りに回転される回転軸に対向配置された鉄心と該鉄心に巻回された磁気軸受コイルを有し、該磁気軸受コイルへの通電により発生する磁界によって前記回転軸を非接触で支持する磁気軸受の状態監視装置であって、
   前記モータの負荷の値を取得するモータ負荷取得部と、
   前記磁気軸受コイルに流れる電流の値を取得するコイル電流取得部と、
   前記モータ負荷取得部が取得した前記負荷の値と前記コイル電流取得部が取得した前記電流の値とに基づいて、前記鉄心が絶縁不良か否かを判定する判定部と、
   を備える磁気軸受の状態監視装置。
4. 前記判定部は、予め取得した正常時の前記負荷と前記電流との関係を基準として、前記負荷に対応する前記電流の値が閾値以上に大きい場合に、前記鉄心が絶縁不良であると判定する請求項３に記載の磁気軸受の状態監視装置。
5. モータによって軸線回りに回転される回転軸に対向配置された鉄心と該鉄心に巻回された磁気軸受コイルを有し、該磁気軸受コイルへの通電により発生する磁界によって前記回転軸を非接触で支持する磁気軸受の状態監視装置であって、
   前記磁気軸受コイルの温度を取得するコイル温度取得部と、
   前記磁気軸受コイルに流れる電流の値を取得するコイル電流取得部と、
   前記コイル温度取得部が取得した前記温度と前記コイル電流取得部が取得した前記電流の値とに基づいて、前記鉄心が絶縁不良か否かを判定する第一判定部と、
   を備える磁気軸受の状態監視装置。
6. 前記第一判定部は、予め取得した正常時の前記電流と前記温度との関係を基準として、前記電流に対応する前記温度の値が閾値以上に大きい場合に、前記鉄心が絶縁不良であると判定する請求項５に記載の磁気軸受の状態監視装置。
7. 前記第一判定部が、前記鉄心が絶縁不良であると判定した場合に、前記コイル温度取得部が取得した前記温度が耐熱温度以下か否かを判定する第二判定部と、
   該第二判定部が、前記温度が耐熱温度以下であると判定した際にアラームを発する警報部と、
   前記第二判定部が、前記温度が耐熱温度以下ではないと判定した際に運転を停止させる停止部と、
   を備える請求項５又は６に記載の磁気軸受の状態監視装置。
8. 前記回転軸、前記モータ、前記磁気軸受、請求項１から７のいずれか一項に記載の磁気軸受の状態監視装置及び前記回転軸と一体に回転するインペラとを備えるターボ圧縮機。
9. 請求項８に記載の冷媒を圧縮するターボ圧縮機及び凝縮部、膨張部、蒸発部を備えるターボ冷凍機。
10. モータによって軸線回りに回転される回転軸に対向配置された鉄心と該鉄心に巻回された磁気軸受コイルを有し、該磁気軸受コイルへの通電により発生する磁界によって前記回転軸を非接触で支持する磁気軸受の状態監視方法であって、
    前記磁気軸受コイルに交流電圧が印加された際における該交流電圧の値を取得するコイル電圧取得工程と、
    前記磁気軸受コイルに前記交流電圧が印加されることで該磁気軸受コイルに流れる交流電流の値を取得するコイル電流取得工程と、
    前記コイル電圧取得工程で取得した前記交流電圧の値と前記コイル電流取得工程で取得した前記交流電流の値とに基づいて前記磁気軸受コイルのインダクタンスの値を演算するインダクタンス演算工程と、
    該インダクタンス演算工程で演算した前記インダクタンスの値に基づいて、前記鉄心が絶縁不良か否かを判定する判定工程と、
    を備える磁気軸受の状態監視方法。
11. モータによって軸線回りに回転される回転軸に対向配置された鉄心と該鉄心に巻回された磁気軸受コイルを有し、該磁気軸受コイルへの通電により発生する磁界によって前記回転軸を非接触で支持する磁気軸受の状態監視方法であって、
    前記モータの負荷の値を取得するモータ負荷取得工程と、
    前記磁気軸受コイルに流れる電流の値を取得するコイル電流取得工程と、
    前記モータ負荷取得工程で取得した前記負荷の値と、前記コイル電流取得工程で取得した前記電流の値とに基づいて、前記鉄心が絶縁不良か否かを判定する判定工程と、
    を備える磁気軸受の状態監視方法。
12. モータによって軸線回りに回転される回転軸に対向配置された鉄心と該鉄心に巻回された磁気軸受コイルを有し、該磁気軸受コイルへの通電により発生する磁界によって前記回転軸を非接触で支持する磁気軸受の状態監視方法であって、
    前記磁気軸受コイルの温度を取得するコイル温度取得工程と、
    前記磁気軸受コイルに流れる電流の値を取得するコイル電流取得工程と、
    前記コイル温度取得工程で取得した前記温度と前記コイル電流取得工程で取得した前記電流の値とに基づいて、前記鉄心が絶縁不良か否かを判定する第一判定工程と、
    を備える磁気軸受の状態監視方法。

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