JP5120053B2

JP5120053B2 - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JP5120053B2
Application number: JP2008119447A
Authority: JP
Inventors: 近藤　　猛; 圭輝小崎; 和也小倉
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2008-05-01
Filing date: 2008-05-01
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2028-05-01
Also published as: JP2009270595A

Description

この発明は、電磁石の磁気吸引力または反発力により回転体を非接触で支持する磁気軸受装置に関するものである。

従来の磁気軸受装置としては、特許文献１が提案、権利化されている。特許文献１の技術は、浮上制御対象物である回転体の半径方向に対する変位を一対もしくは複数対の電磁石により変位センサなしで位置推定し、回転体の位置を制御するものである。具体的に、図１１により説明する。回転体１は、その両側に配置された電磁石２，３が発生する磁気吸引力または磁気反発力により、両電磁石２，３の磁極間に非接触で浮上支持される。電磁石２，３の励磁巻線は、それぞれ一端がバイアス電源４に接続されるとともに、他端が電流検出素子５，６を介して環流ダイオード付のスイッチング素子７，８、ダイオード９，１０及び軸受電源１１からなる制御電圧源に接続される。この構成により、電磁石２，３の両励磁巻線に励磁電流Ｉ，ＩＩを供給し、スイッチング素子７，８の開閉を調整することで、励磁電流を制御する。なお、Ｖａ，Ｖａ´は電磁石２，３の電圧である。

スイッチング素子７，８の開閉は互いに逆の関係にあり、またこれらの開閉のタイミングは、図示しないパルス幅変調制御回路により与えられる。そして、回転体１と電磁石２，３との間にギャップ変位が生じれば、各励磁巻線に加えたＰＷＭ制御されたパルス電圧に対する変位電流が流れる。即ち、ギャップ変位が生じれば、磁路中の磁気抵抗が変化し、結果としてインダクタンスが変化する。このインダクタンスの変化を位置検出の推定に利用することにより、位置検出センサを不要としている。

このように、特許文献１においては、一対の励磁巻線の変位に対して交番磁界を発生させ、電磁石２，３に垂直な磁界と回転体１との吸引力、反発力により回転体１の位置制御を行っている。その他、特許文献１においては、ＰＷＭ制御された電圧のデューティ比を励磁巻線の励磁電流の変化として検出し、その加算信号を操作信号として出力することが行われ、また、一対の励磁巻線の励磁電流の差に係数を乗じて位置情報の信号に加算することが行われている。又、回路の線形領域でインピーダンス制御させるためのバイアス電源は各電磁石２，３に共通とし、電磁石数よりバイアス電源の数を少なくしている。また、３巻線変圧器において、第３巻線にＬ共振ＣＲを追加して、ギャップ電圧を推定することにより、励磁電流の検出を代用させている。
特開２００４−１３２５３７号公報

図１１に示した従来の磁気軸受装置においては、重力方向に対して浮上制御する場合に、電磁石の数を最小とした例を示している。しかしながら、実際の磁気軸受装置においては、図１２に示すように、回転体１の片端については、重力に対して垂直、水平の４個の電磁石２，３，１２，１３が必要であり、回転体１の両端においては、磁気浮上させるためには、合計８個の電磁石が必要であり、それぞれについて制御も必要である。一方、磁気軸受装置においては、構造が小形、軽量であることが望まれており、また制御の簡単化も望まれている。従って、８個もの電磁石、電流検出及びその制御は小形軽量化に不利であり、制御も複雑である。又、精度良く中心位置を制御するためには、３次巻線による電圧検出が必要であり、検出コイル数は合計８個必要とし、やはり小形軽量化に不利であった。なお、図１２において、１４，１５は電流検出素子である。

この発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、小形、軽量化が可能であるとともに、制御も簡単にすることができる磁気軸受装置を得ることを目的とする。

この発明の請求項１に係る磁気軸受装置は、回転体の両端に、１２０°等角間隔で三相配置した電磁石により形成したラジアル軸受を設け、前記各電磁石の磁気吸引力または反発力により回転体を回転自在にかつ非接触で支持し、前記各電磁石の三相の励磁巻線の励磁電流を電流センサにより検出し、前記回転体の回転軸側の前記各励磁巻線間の相互磁束による磁気抵抗と、軸受の固定子側の前記各励磁巻線間の相互磁束による磁気抵抗と、前記各電磁石と回転軸とのギャップにおける前記各励磁巻線間の相互磁束による磁気抵抗と、の磁気等価回路から、前記各励磁巻線の抵抗（１／２値）と前記各励磁巻線の漏れインダクタンスとの直列接続体と、軸受の固定子と回転子の磁性材部分のインダクタンスを並列合成した三相の各相間の磁性部分のインダクタンスと三相の各相間の励磁巻線の漏れインダクタンス（１／２値）との並列接続体による電気等価回路を得て、この電気等価回路を用いた演算で前記各励磁巻線のインダクタンスを求め、この演算で求めた前記各励磁巻線のインダクタンスが等しくなるように各励磁巻線に電圧を印加して前記電流センサで検出した各相の励磁電流を制御するようにしたものである。
この発明の請求項２に係る磁気軸受装置は、前記各励磁巻線にＰＷＭ制御された電圧を印加するようにしたものである。
請求項３に係る磁気軸受装置は、各相励磁巻線軸上に各相電磁石と回転体とのギャップ電圧を検出するサーチコイルを設け、各サーチコイルの検出値が一致するように各サーチコイルに電圧を印加するようにしたものである。
請求項４に係る磁気軸受装置は、各相励磁巻線軸上に各相電磁石と回転体とのギャップ電圧を検出するサーチコイルを設け、各相のギャップ電圧が一致するように各相の電磁石に個別に電圧を印加するようにしたものである。

以上のようにこの発明の請求項１，２によれば、１２０°等角間隔で三相配置した電磁石により形成したラジアル軸受により回転体の両端を支持しており、全部で６個の電磁石を用いればよく、小形軽量の磁気軸受装置が得られる。又、回転体の中心がラジアル軸受の中心からずれた場合には、このずれにより各相電磁石のインダクタンスが変化する。このインダクタンスの変化を各励磁巻線の励磁電流により検出し、各相インダクタンスが等しくなるように励磁電流を制御しており、変位検出センサを設けないので、制御も簡単になる。

請求項３によれば、各相巻線軸上に各相電磁石と回転体とのギャップ電圧を検出するサーチコイルを設け、このサーチコイルの検出値が一致するように各サーチコイルに電圧を印加しており、請求項１の効果に加えて、変位した回転体をラジアル軸受の中心により精度よく位置させることができる。

請求項４によれば、サーチコイルにより検出したギャップ電圧が一致するように各電磁石の励磁巻線に電圧を印加するようにしており、やはり回転体をラジアル軸受の中心に精度よく位置させることができる。

実施最良形態１
以下、この発明を実施するための最良の形態を図面とともに説明する。図１は実施最良形態１による磁気軸受装置の電気接続図、図２（ａ），（ｂ）はこの磁気軸受装置のラジアル軸受の拡大側面図及び磁気軸受装置を有する回転電機の縦断正面図であり、１６は回転電機の回転軸、１７は回転子、１８は固定子である。回転電機の回転軸１６の両端はＵ，Ｖ，Ｗの各相の電磁石１９〜２１を１２０°等角間隔で配置したラジアル軸受２２により支持する。３５は回転軸１６とラジアル軸受２２との間のギャップである。各相の励磁巻線２３〜２５は２極機誘導機固定子の集中２／３短節巻（ハーフコイル）と一致する。各相の励磁巻線２３〜２５には、直流電源２６の電力をインバータ２７により交流に変換し、平滑コンデンサ２８により平滑した電力がスイッチング素子２９〜３１を介して供給され、励磁巻線２３〜２５の励磁電流をスイッチング素子２９〜３１により電流制御し、三相の励磁巻線軸Ｕ，Ｖ，Ｗ方向の起磁力を調整し、３つの電磁石１９〜２１により回転軸１６を非接触で支持する。３２〜３４は各相の励磁電流を検出する電流センサである。即ち、各相の励磁電流を電流センサ３２〜３４により検出し、これにより各相の励磁巻線２３〜２５のインダクタンスを検出し、この各相のインダクタンスが等しくなるように各相の励磁電流を制御する。

図３（ａ），（ｂ）は電磁石１９〜２１（ラジアル軸受２２）と回転軸１６とが平衡（中心が一致し、ギャップ３５が均一になる。）したときの、U軸電磁石１９によって生じる磁束及び各電磁石１９〜２１を励磁したときの機械角θｓ（ｒａｄ）とギャップ（電磁石１９〜２１と回転軸１６とのギャップ）３５の磁束密度Ｂｇ（ｗｂ／ｍ²）との関係を示している。各電磁石１９〜２１の磁束密度Bｇは機械角θｓに対して非対称となり、ギャップ３５中の空間高調波磁束が発生するが、３つの電磁石１９〜２１のギャップ３５の磁束密度Ｂｇを合成すれば、任意のギャップ位置での磁束は互いに打ち消しあい、ギャップ３５の磁束はほぼ零となる。

図３の磁路構成より磁気等価回路を描くと、図４のようになる。Ｎは有効巻数、ｉｕ，ｉｖ，ｉｗは各相励磁電流、Nｉｕ，Ｎｉｖ，Ｎｉｗは各相の起磁力であり、図のように、各相の起磁力と並列に自己巻線のみの漏れ磁気抵抗Ｒｍｌｕ，Ｒｍｌｖ，Ｒｍｌｗがある。又、三相の励磁巻線間には、固定子１８、回転子１７の磁性材部分の磁気抵抗とギャップ３５の磁気抵抗が直列に接続されている。即ち、Ｒｍｒ□□は回転軸１６側の三相の励磁巻線間の相互磁束による磁気抵抗、Ｒｍｓ□□は固定子１８側の三相の励磁巻線間の相互磁束による磁気抵抗、Ｒｍｇ□□はギャップ３５の三相の励磁巻線間の相互磁束による磁気抵抗である。

図４の磁気等価回路から図５の電気等価回路が得られる。図５では、固定子１８と回転子１７の磁性材部分のインダクタンスは並列合成して示してある。又、簡単化のために、鉄損は無視している。Ｒａｕ，Ｒａｖ，ＲａｗはＵ，Ｖ，Ｗ相における励磁巻線の抵抗（１／２値）、Ｌｌｕ，Ｌｌｖ，ＬｌｗはＵ，Ｖ，Ｗ相における励磁巻線の漏れインダクタンス、Ｌｍｕｖ，Ｌｍｖｗ，ＬｍｗｕはＵＶ，ＶＷ、ＷＵの各相間の磁性部分のインダクタンス、Ｌｇｕｖ、Ｌｇｖｗ，ＬｇｗｕはＵＶ，ＶＷ、ＷＵの各相間における励磁巻線の漏れインダクタンス（１／２値）である。図５に示すように各励磁巻線２３〜２５には巻線抵抗と漏れインダクタンスが直列接続されている。また、三相の励磁巻線間の相互インダクタンスには、磁性材に伴うインダクタンスとギャップ部分のインダクタンスが並列に接続されている。又、磁性材の非線形性に伴う影響を無視できるよう、磁性材の磁束密度が線形領域となるよう制御するため、図４及び図５の非線形パラメータはギャップ３５の磁気抵抗即ちギャップ３５の変位に伴うインダクタンスのみとなる。

図６の巻線端子Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２は図１の巻線端子と同一であり、巻線端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１にはそれぞれ電流制御（Ｐ電位制御）するためのスイッチング素子２９〜３１が接続され、巻線端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２には電流の帰路（Ｎ電位）が接続される。図６は三相回路のＹΔ回路を構成している。
図６において、図３のような平衡状態では、各相の励磁巻線２３〜２５から見たインピーダンスは等しく、同一の電圧を各相の励磁巻線２３〜２５に印加すれば、各相の励磁巻線２３〜２５の巻線抵抗と漏れインダクタンスのみを経由してＮ電位に電流が帰還する。これに対して、例えば、図７に示すように、回転軸１６の中心がずれた場合には、ギャップ３５が不均一になる。ここで、各励磁巻線２３〜２５に同時に電圧を印加すると、Ｕ相電磁石１９による磁束の平均磁路長が長くなり、結果として磁気抵抗が増加し、インダクタンスが低下する。これにより、電流センサ３２による電流検出の変化が増加する。逆に、Ｖ相電磁石２０及びＷ相電磁石２１による磁束の平均磁路長が短くなり、磁気抵抗が減少してインダクタンスが増加し、電流センサ３３，３４による電流検出の変化が減少する。このように、三相の励磁巻線間の巻線漏れインダクタンスＬｇｕｖ，Ｌｇｖｗ、Ｌｇｗｕの変化に伴う電流変化が観測される。こうして、ギャップ３５が不均一になった場合、各相の励磁巻線２３〜２５に同一電圧を印加すると、各相の励磁巻線２３〜２５に流れる励磁電流に差が生じる。従って、この励磁電流の変化を妨げるように、即ち各相の励磁巻線２３〜２５の励磁電圧と励磁電流の比が同一となる、あるいは各相のインピーダンスが等しくなるように、各相の励磁巻線２３〜２５に印加するＰＷＭ電圧を可変して励磁電流を制御すれば、各相電磁石１９〜２１と回転軸１６とのギャップ３５を均一にすることができる。
実施最良形態１においては、１２０°等角間隔で三相配置した電磁石１９〜２１によりラジアル軸受２２を形成し、このラジアル軸受２２により回転軸１６の両端を支持しており、６個の電磁石により支持することができ、小形、軽量化が可能となる。又、回転軸１６の中心がラジアル軸受２２の中心からずれた場合、各相の電磁石１９〜２１のインダクタンスが変化するので、このインダクタンスの変化を各相の励磁電流を検出する電流センサ３２〜３４により検出し、各相のインダクタンスが等しくなるように各相の励磁電流を制御しており、変位検出センサを設ける必要が無いので、制御も簡単になる。

実施最良形態２
実施最良形態１においては、変位センサなしで回転軸１６がラジアル軸受２２、即ち各相電磁石１９〜２１の中心に位置するように、各相電磁石１９〜２１と回転軸１６とのギャップ３５のインダクタンスの変化をＰＷＭ出力電圧指令と各電流センサ３２〜３４による各相の検出励磁電流により検出し、各相電磁石１９〜２１のインダクタンスが等しくなるように制御している。しかしながら、電流検出精度が十分でない場合や非線形インピーダンスの変化が微小な場合、あるいは外乱等の不確定要素がある場合等には、回転軸１６をより精度良く、ラジアル軸受２２の中心に位置させるためには、変位センサが必要となる。

図８は実施最良形態２による磁気軸受装置の電気接続図を示し、回転軸１６の両端に設けられたラジアル軸受３６は、１２０°等角配置の各相電磁石１９〜２１の他に、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相励磁巻線軸上に、各相電磁石１９〜２１と回転軸１６とのギャップ３５の電圧を検出するためのサーチコイル３７〜３９を設けている。Ｕ１´，Ｕ２´，Ｖ１´，Ｖ２´，Ｗ１´，Ｗ２´はサーチコイル３７〜３９の巻線端子を示す。電源２６、インバータ２７、平滑コンデンサ２８、スイッチング素子２９〜３１、電流センサ３２〜３４は実施最良形態１と同様に設けられている。

図９（ａ）、（ｂ）は回転軸１６と電磁石１９〜２１及びサーチコイル３７〜３９（ラジアル軸受３６）の平衡状態を示し、図９（ａ）はＵ相電磁石１９によって生じる磁束を示し、サーチコイル３７〜３９は各相の励磁巻線軸と対称に配置している一例を示している。実際には、サーチコイル３７〜３９の短節度は電磁石１９〜２１より短くてよい。又、図９（ｂ）は各電磁石１９〜２１を励磁したときの機械角θｓ（ｒａｄ）とギャップ（電磁石１９〜２１と回転軸１６とのギャップ）３５の磁束密度Ｂｇ（ｗｂ／ｍ²）との関係及びサーチコイル３７〜３９との関係を示し、平衡状態ではサーチコイル３７〜３９の端子間には合成磁束が互いに打ち消し合うことにより電位差は無く、ほぼ零である。

図９のような平衡状態では、各相の励磁巻線２３〜２５から見たインピーダンスは等しく、同一の電圧を各巻線２３〜２５に印加すれば、各相の励磁巻線２３〜２５の巻線抵抗と漏れインダクタンスのみを経由してＮ電位に電流が帰還する。これに対して、例えば、図１０に示すように、回転軸１６の中心がＵ相の励磁巻線軸の反対方向に変位した場合には、Ｕ相電磁石１９のインダクタンスが低下し、電流センサ３２による電流変化が増加し、逆にＶ相、Ｗ相電磁石２０，２１のインダクタンスが増加して、電流センサ３３，３４による電流変化が減少する。ここまでの点は、実施最良形態１と同様である。一方、サーチコイル３７〜３９については、Ｕ相のサーチコイル３７の電位差が増加する。これは、Ｕ巻線軸のインダクタンスが低下したことによる。従って、この低下を補正するようにＵ相のサーチコイル３７に電圧を印加すれば、回転軸１６はＵ巻線軸の方向に浮上し、サーチコイル３７が他のサーチコイル３８，３９と平衡状態になれば、回転軸１６はラジアル軸受３６のほぼ中心位置に支持されたことになる。他のサーチコイル３７についても、同様である。なお、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の電磁石１９〜２１に個別に電圧を印加するようにし、対象サーチコイル３７〜３９で位置検出を行っても良い。

実施最良形態２においては、各相電磁石１９〜２１と回転軸１６とのギャップ電圧を検出するサーチコイル３７〜３９を設けており、回転軸１６が変位した場合には、各相の電磁石１９〜２１のインダクタンスが変化する。このインダクタンスの変化をサーチコイル３７〜３９はギャップ電圧の変化として検出することができ、このギャップ電圧が等しくなるように各サーチコイル３７〜３９に電圧を印加すれば、回転軸１６をラジアル軸受２２の中心に精度良く位置させることができる。従って、実施最良形態１の効果に加えて、回転軸１６をラジアル軸受２２の中心に精度良く位置させることができるという効果を奏する。また、サーチコイル３７〜３９により検出した各ギャップ電圧が一致するように各電磁石１９〜２１の励磁巻線に電圧を印加すれば、やはり回転軸１６をラジアル軸受３６の中心に精度良く位置させることができる。

なお、前記各実施最良形態においては、回転電機の回転軸１６の磁気軸受装置について記載したが、回転体の磁気軸受装置であればよい。

この発明の実施最良形態１による磁気軸受装置の電気接続図である。実施最良形態１による磁気軸受装置のラジアル軸受の拡大側面図及び磁気軸受装置を有する回転電機の縦断正面図である。実施最良形態１による各電磁石と回転軸とが平衡したときの、Ｕ軸電磁石によって生じる磁束を示す図、及び各電磁石を励磁したときの機械角θｓとギャップの磁束密度Ｂｇとの関係図である。実施最良形態１による磁気軸受装置の磁気等価回路図である。実施最良形態１による磁気軸受装置の電気等価回路図である。実施最良形態１による磁気軸受装置の全体的な電気等価回路図である。実施最良形態１による磁気軸受装置の回転軸が変位した状態の側面図である。実施最良形態２による磁気軸受装置の電気接続図である。実施最良形態２による各電磁石と回転軸及びサーチコイルとが平衡したときの、Ｕ軸電磁石によって生じる磁束を示す図、及び各電磁石を励磁したときの機械角θｓとギャップの磁束密度Ｂｇ及びサーチコイルとの関係図である。実施最良形態２による磁気軸受装置の回転軸が変位した状態の側面図である。特許文献１に記載された従来の磁気軸受装置の電気接続図である。従来の磁気軸受装置の電気接続図である。

符号の説明

１６…回転軸
１９〜２１…電磁石
２２，３６…ラジアル軸受
２３〜２５…励磁巻線
２９〜３１…スイッチング素子
３２〜３４…電流センサ
３５…ギャップ

Claims

回転体の両端に、１２０°等角間隔で三相配置した電磁石により形成したラジアル軸受を設け、前記各電磁石の磁気吸引力または反発力により回転体を回転自在にかつ非接触で支持し、前記各電磁石の三相の励磁巻線の励磁電流を電流センサにより検出し、
前記回転体の回転軸側の前記各励磁巻線間の相互磁束による磁気抵抗と、
軸受の固定子側の前記各励磁巻線間の相互磁束による磁気抵抗と、
前記各電磁石と回転軸とのギャップにおける前記各励磁巻線間の相互磁束による磁気抵抗と、
の磁気等価回路から、
前記各励磁巻線の抵抗（１／２値）と前記各励磁巻線の漏れインダクタンスとの直列接続体と、
軸受の固定子と回転子の磁性材部分のインダクタンスを並列合成した三相の各相間の磁性部分のインダクタンスと三相の各相間の励磁巻線の漏れインダクタンス（１／２値）との並列接続体による電気等価回路を得て、
この電気等価回路を用いた演算で前記各励磁巻線のインダクタンスを求め、
この演算で求めた前記各励磁巻線のインダクタンスが等しくなるように各励磁巻線に電圧を印加して前記電流センサで検出した各相の励磁電流を制御するようにしたことを特徴とする磁気軸受装置。
前記各励磁巻線にＰＷＭ制御された電圧を印加するようにしたことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。
各相の励磁巻線軸上に各相電磁石と回転体とのギャップ電圧を検出するサーチコイルを設け、各サーチコイルの検出値が一致するように各サーチコイルに電圧を印加するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の磁気軸受装置。
各相の励磁巻線軸上に各相電磁石と回転体とのギャップ電圧を検出するサーチコイルを設け、各相のギャップ電圧が一致するように各相の電磁石に個別に電圧を印加するようにしたことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。