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JP3753923B2 - 磁気軸受制御装置 - Google Patents

磁気軸受制御装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は被浮上体を電磁気力で浮上制御する磁気軸受装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図1は、従来のこの種の磁気軸受制御装置の構成を示す図である。商用電源1から交流電源が力率改善回路(PFC)2を通して、インバータ用DC/DCコンバータ3及び軸受用DC/DCコンバータ4へ入力される。インバータ用DC/DCコンバータ3の出力はインバータ5に供給され、その出力はモータMに供給される。軸受用DC/DCコンバータ4の出力は、制御電源用DC/DCコンバータ8及び軸受用ドライバ7に供給され、該軸受用ドライバ7の出力は磁気軸受電磁石(図示せず)の励磁コイル9に供給される。これにより、被浮上体(図示せず)は磁気力で浮上すると共に、モータMの回転力により回転する。
【0003】
停電時は、回生電力を利用し、モータMで発電された電力をインバータ5を介して、周波数を制御しながら、回生電圧を一定に制御し、バックアップ用DC/DCコンバータ6へ供給される。該バックアップ用DC/DCコンバータ6の出力は、制御電源用DC/DCコンバータ8及び軸受用ドライバ7へ供給され、安全な回転数(タッチダウンベアリングで安全に支持できる回転数)まで被浮上体を浮上支持させながら減速させる。
【0004】
上記構成の磁気軸受制御装置において、インバータ5をPAM(パルス振幅変調)制御方式で運転した場合は、インバータ用DC/DCコンバータ3は始動と共に、徐々に上昇した電圧をインバータ5に供給し、インバータ5で周波数変換されモータMへ供給される。PAM制御方式は、一般的には低騒音であるが、リップル電流が大きいため、効率、トルクリップル等に問題がある。また、低電圧時に入力力率が悪いという問題もある。
【0005】
また、インバータ5をPWM(パルス幅変調)制御方式で運転した場合は、インバータ用DC/DCコンバータ3は、一定電圧をインバータ5に供給し、インバータ5でパルス変調及び周波数変換されモータMへ供給される。PWM制御方式は、一般的には、加減速運転時の応答は優れているが、モータMの騒音の点ではPAM制御方式より劣っている。
【0006】
また、上記従来構成の磁気軸受制御装置においては、インバータ用DC/DCコンバータ3、軸受用DC/DCコンバータ4、バックアップ用DC/DCコンバータ6、制御電源用DC/DCコンバータ8と電源用コンバータが多く、装置寸法も大きく、且つ高価で、システムも複雑となるという問題もあった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、モータを低騒音で運転でき、システム構成が簡単で、小型で安価な磁気軸受制御装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項1に記載の発明は、被浮上体を浮上支持する少なくとも一対の対向する電磁石と、被浮上体を回転させるモータと、これらを駆動制御するコントローラを具備する磁気軸受制御装置において、モータを駆動するインバータに駆動電力を供給すると共に、電磁石を駆動する軸受用ドライバに出力を供給する軸受用DC/DCコンバータにも電力を供給するDC/DCコンバータを設け、インバータは、PWM制御方式とPAM制御方式を併用してモータを回転駆動し、DC/DCコンバータは、軸受用DC/DCコンバータが被浮上体を浮上支持させるのに必要な磁気軸受支持電圧以上の電圧を出力し、停電時にはモータで発電する電力をインバータを介して軸受用DC/DCコンバータに供給するように構成したことを特徴とする。
【0009】
また、請求項2に記載の発明は、被浮上体を浮上支持する少なくとも一対の対向する電磁石と、被浮上体を回転させるモータと、これらを駆動制御するコントローラを具備する磁気軸受制御装置において、モータを駆動するインバータに駆動電力を供給すると共に、電磁石を駆動する軸受用ドライバにも電力を供給するDC/DCコンバータを設け、インバータは、PWM制御方式とPAM制御方式を併用してモータを回転駆動し、DC/DCコンバータは、軸受用ドライバが被浮上体を浮上支持させるのに必要な磁気軸受支持電圧と同等の電圧を出力し、停電時にはモータで発電する電力をインバータを介して軸受用ドライバに供給するように構成したことを特徴とする。
【0010】
PWM制御方式は、一般的には、加減速運転時の応答は優れているが、モータの騒音はPAM制御方式より劣っており、PAM制御方式は、一般的には低騒音であるが、リップル電流が大きいため、効率、トルクリップル等に問題があり、低電圧時に入力力率が悪い。本願の請求項1又は2に記載の発明では上記のように、インバータがPWM制御方式と PAM制御方式を併用して該モータを回転駆動するので、モータの加速運転時はPWM制御方式で、定格運転時はPAM制御方式で動作させることにより、低騒音で効率のよい運転が可能となる。また、インバータがPWM制御方式とPAM制御方式を併用してモータを回転駆動するように構成したことで、軸受用DC/DCコンバータあるいは軸受用ドライバにも電力を供給しているDC/DCコンバータの出力電圧を、被浮上体を浮上支持させるのに必要な磁気軸受支持電圧と同等ないしはそれ以上の電圧に維持することが可能となる。これにより、従来必要であった停電時のバックアップ用のDC/DCコンバータが不要となるので、磁気軸受装置の構成を簡単にでき、従来よりも小型で安価な磁気軸受装置を提供できる。
【0011】
また、請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の磁気軸受制御装置において、インバータは、その出力が軸受支持電圧以下ではPWM制御方式で動作し、軸受支持電圧以上及び定格運転時ではPAM制御方式で動作することを特徴とする。
【0012】
また、請求項4に記載の発明は、請求項2に記載の磁気軸受制御装置において、インバータは、モータの加速時にはPWM制御方式で動作し、定格運転時にはPAM制御方式で動作することを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図2は本発明に係る磁気軸受制御装置の構成例を示す図である。商用電源11から交流電源が力率改善回路(PFC)12を通して、DC/DCコンバータ13へ入力される。DC/DCコンバータ13の出力はインバータ14に供給されると共に、軸受用DC/DCコンバータ15に供給される。インバータ14の出力はモータMに供給される。また、軸受用DC/DCコンバータ15の出力は、制御電源用DC/DCコンバータ17及び軸受用ドライバ16に供給され、該軸受用ドライバ16の出力は磁気軸受電磁石(図示せず)の励磁コイル18に供給される。これにより、被浮上体(図示せず)は磁気力で浮上すると共に、モータMにより回転する。
【0014】
DC/DCコンバータ13は、軸受用DC/DCコンバータ15が磁気軸受電磁石が被浮上体を浮上支持するのに必要な軸受支持電圧を出力しており、モータMの加速時に前記軸受支持電圧より高い電圧が必要な場合は、更にその出力電圧を上昇させる。その時、軸受用DC/DCコンバータ15の出力は一定とする。インバータ14は、インバータ14及び軸受用DC/DCコンバータ15の出力が、前記軸受支持電圧以下ではPWM制御方式で動作し、該軸受支持電圧以上及び定格運転時ではPAM制御方式で動作する。
【0015】
停電時は、回生電力を利用し、モータMで発電される電力をインバータ14を介して周波数を制御しながら、回生電圧を一定に制御し、軸受用DC/DCコンバータ15へ供給する。更に、軸受用DC/DCコンバータ15の出力は、制御電源用DC/DCコンバータ17及び軸受用ドライバ16へ供給され、被浮上体の回転が安全な回転数に達するまで、該被浮上体を浮上支持しながら減速させる。
【0016】
図4は上記磁気軸受制御装置の動作を説明するための図で、同図(a)はモータMの回転数を、同図(b)はインバータ14の出力電圧を、同図(c)はDC/DCコンバータ13の出力をそれぞれ示す。図4に示すように、DC/DCコンバータ13の出力は磁気軸受電磁石が被浮上体を浮上支持するのに必要な電圧を出力しており、モータMの加速に応じて、前記磁気軸受電磁石が被浮上体を浮上支持するのに必要な電圧以上の電圧が必要となった場合、DC/DCコンバータ13はその出力を上昇させる。
【0017】
その際、インバータ14はその出力電圧が磁気軸受電磁石が被浮上体を浮上支持するのに必要な軸受支持電圧V1’になるか(時間T2)若しくは、PWMのデューティー最大までPWM制御方式で動作し、出力電圧を制御する。該軸受支持電圧V1’以上(時間T2〜T3)若しくはPWMのデューティー最大以上及び定格運転時間(時間T3〜T4)ではPAM制御方式で動作し、出力電圧を制御する。
【0018】
また、負荷運転時(時間T4〜T7)はインバータ14の出力電圧は磁気軸受磁石が被浮上体を浮上支持するのに必要な軸受支持電圧V1’以上若しくは、PWMのデューティー最大以上ではPAM制御方式で動作し、磁気軸受電磁石が被浮上体を浮上支持するのに必要な軸受支持電圧V1’以下(時間T5〜T6)になるか若しくは、PWMのデューティー最大以下ではPWM制御方式で動作し、出力電圧を制御する。
【0019】
また、停電時(時間T7〜T8)は回生制動で減速する。また、DC/DCコンバータ13は、モータMの加速時、インバータ14の出力が軸受電圧V1になるまで(時間T1〜T2)は前記軸受支持電圧V1を出力し、定格運転電圧V2になるまで(時間T2〜T3)上昇し、定格運転時は定格運転電圧V2を出力する。
【0020】
図3は本発明に係る磁気軸受制御装置の構成例を示す図である。商用電源11から交流電源が力率改善回路(PFC)12を通して、DC/DCコンバータ13へ入力される。DC/DCコンバータ13の出力はインバータ14に供給されると共に、軸受用ドライバ16及び制御電源用DC/DCコンバータ17に供給される。インバータ14の出力はモータMに供給される。軸受用ドライバ16の出力は磁気軸受電磁石(図示せず)の励磁コイル18に供給される。これにより、被浮上体(図示せず)は磁気力で浮上すると共に、モータMにより回転する。
【0021】
DC/DCコンバータ13は、磁気軸受電磁石が被浮上体を浮上支持するのに必要な軸受支持電圧を軸受用ドライバ16に出力している。インバータ14はモータMの加速時にはPWM制御方式で動作し、定格運転時ではPAM制御方式で動作する。
【0022】
停電時は、回生電力を利用し、モータMで発電される電力をインバータ14を介して周波数を制御しながら、回生電圧を一定に制御し、制御電源用DC/DCコンバータ17及び軸受用ドライバ16へ供給され、被浮上体の回転が安全な回転数に達するまで、該被浮上体を浮上支持しながら減速させる。
【0023】
図5は上記磁気軸受制御装置の動作を説明するための図で、同図(a)はモータMの回転数を、同図(b)はインバータ14の出力電圧を、同図(c)はDC/DCコンバータ13の出力をそれぞれ示す。図5に示すように、DC/DCコンバータ13の出力は磁気軸受電磁石が浮上体を浮上支持するのに必要な電圧を出力しており、モータMの加速時(時間T1〜T2)、インバータ14はその出力電圧がV1’(時間T2)まではPWM制御方式で動作し、出力電圧を制御する。定格運転時(時間T2〜T3)ではPAM制御方式で動作し、出力電圧を制御する。
【0024】
また、負荷運転時(時間T3〜T4)はインバータ14の出力電圧はPWM制御方式で動作し、出力電圧を制御する。また、停電時(時間T4〜T5)は回生制動で減速する。また、DC/DCコンバータ13は、磁気軸受電磁石が被浮上体を浮上支持する必要な一定の軸受電圧V1をインバータ14、軸受用ドライバ16及び制御電源用DC/DCコンバータ17に出力している。
【0025】
上記のように本実施形態例によれば、インバータ14はモータMの加速運転時はPWM制御方式で動作し、定格運転時はPAM制御方式で動作するので、モータMは低騒音で効率のよい運転が可能となる。なお、上記実施形態例のいずれの場合も、被浮上体の位置を検出する検出手段を設けても良い。
【0026】
【発明の効果】
以上説明したように、各請求項に記載の発明によれば下記のような優れた効果が得られる。
【0027】
インバータがPWM制御方式とPAM制御方式を併用して該モータを回転駆動するので、モータの加速運転時はPWM制御方式で、定格運転時はPAM制御方式で動作させることにより、低騒音で効率のよい運転が可能となる。また、インバータがPWM制御方式とPAM制御方式を併用してモータを回転駆動するように構成したことで、軸受用DC/DCコンバータあるいは軸受用ドライバにも電力を供給しているDC/DCコンバータの出力電圧を、被浮上体を浮上支持させるのに必要な磁気軸受支持電圧と同等ないしはそれ以上の電圧に維持することが可能となる。これにより、従来必要であった停電時のバックアップ用のDC/DCコンバータが不要となるので、磁気軸受装置の構成を簡単にでき、従来よりも小型で安価な磁気軸受装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の磁気軸受制御装置の構成例を示す図である。
【図2】 本発明に係る磁気軸受制御装置の構成例を示す図である。
【図3】 本発明に係る磁気軸受制御装置の構成例を示す図である。
【図4】 本発明に係る磁気軸受制御装置の動作を説明するための図である。
【図5】 本発明に係る磁気軸受制御装置の動作を説明するための図である。
【符号の説明】
11 商用電源
12 力率改善回路(PFC)
13 DC/DCコンバータ
14 インバータ
15 軸受用DC/DCコンバータ
16 軸受用ドライバ
17 制御電源用DC/DCコンバータ
18 励磁コイル
M モータ

Claims (4)

  1. 被浮上体を浮上支持する少なくとも一対の対向する電磁石と、前記被浮上体を回転させるモータと、これらを駆動制御するコントローラを具備する磁気軸受制御装置において、
    前記モータを駆動するインバータに駆動電力を供給すると共に、前記電磁石を駆動する軸受用ドライバに出力を供給する軸受用DC/DCコンバータにも電力を供給するDC/DCコンバータを設け、
    前記インバータは、PWM制御方式とPAM制御方式を併用して前記モータを回転駆動し、
    前記DC/DCコンバータは、前記軸受用DC/DCコンバータが前記被浮上体を浮上支持させるのに必要な磁気軸受支持電圧以上の電圧を出力し、
    停電時には前記モータで発電する電力を前記インバータを介して前記軸受用DC/DCコンバータに供給するように構成したことを特徴とする磁気軸受制御装置。
  2. 被浮上体を浮上支持する少なくとも一対の対向する電磁石と、前記被浮上体を回転させるモータと、これらを駆動制御するコントローラを具備する磁気軸受制御装置において、
    前記モータを駆動するインバータに駆動電力を供給すると共に、前記電磁石を駆動する軸受用ドライバにも電力を供給するDC/DCコンバータを設け、
    前記インバータは、PWM制御方式とPAM制御方式を併用して前記モータを回転駆動し、
    前記DC/DCコンバータは、前記軸受用ドライバが前記被浮上体を浮上支持させるのに必要な磁気軸受支持電圧と同等の電圧を出力し、
    停電時には前記モータで発電する電力を前記インバータを介して前記軸受用ドライバに供給するように構成したことを特徴とする磁気軸受制御装置。
  3. 請求項1に記載の磁気軸受制御装置において、
    前記インバータは、その出力が前記軸受支持電圧以下ではPWM制御方式で動作し、前記軸受支持電圧以上及び定格運転時ではPAM制御方式で動作することを特徴とする磁気軸受制御装置。
  4. 請求項2に記載の磁気軸受制御装置において、
    前記インバータは、前記モータの加速時にはPWM制御方式で動作し、定格運転時にはPAM制御方式で動作することを特徴とする磁気軸受制御装置。
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