CN103827526B - 磁性轴承及使用该磁性轴承的压缩机 - Google Patents

磁性轴承及使用该磁性轴承的压缩机 Download PDF

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Abstract

设置有定子（21），向负载（Ld）变化的驱动轴（13）施加多个电磁铁（24）的合成电磁力（F）。设置有控制部（30），该控制部（30）控制第一线圈电流（IU）（上侧线圈电流）与第二线圈电流（IL）（下侧线圈电流）的电流差以进行驱动轴（13）的位置控制，其中，所述第一线圈电流（IU）在产生与负载（Ld）相反方向上的电磁力的电磁铁（24）的线圈（23）中流动，所述第二线圈电流（IL）在产生与负载（Ld）相同方向的电磁力的电磁铁（24）的线圈（23）中流动。在控制部（30）中，以第二线圈电流（IL）的平均值降低的方式对第二线圈电流（IL）进行逐次调节。

Description

磁性轴承及使用该磁性轴承的压缩机
技术领域
本发明涉及利用电磁力对转轴进行非接触支承的磁性轴承及使用该磁性轴承的压缩机。
背景技术
在所谓涡轮压缩机那样具有高速旋转的驱动轴的装置中，较多地使用磁性轴承。在磁性轴承中，从容易设计位置控制系统的观点出发，使电磁铁产生电磁力的控制电流与电磁铁的合成电磁力处于线性关系是较为理想的。作为用于进行线性化的一般方法，存在预先使偏置电流（固定值）流动至电磁铁的各线圈，使控制电流与偏置电流（根据驱动轴的位置而变化）重合后的电流流动的方法（例如参照专利文献1）。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开平10－141373号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，当采用上述线性化方法时，在各电磁铁的线圈中流动着电流而使各电磁铁相互拉伸，从而白白地消耗电力。
本发明着眼于上述问题而作，其目的在于提供一种能保持控制电流与合成电磁力的线形性并能降低电磁铁的线圈所消耗的电力的磁性轴承。
解决技术问题所采用的技术方案
为了解决上述技术问题，本发明一实施方式的磁性轴承的特征是，包括：定子21，该定子21具有多个电磁铁24，并朝负载Ld变化的驱动轴13施加上述多个电磁铁24的合成电磁力F；以及控制部30，该控制部30控制第一线圈电流IU与第二线圈电流IL的电流差以进行上述驱动轴13的位置控制，并调节上述第二线圈电流IL，以使上述第二线圈电流IL的平均值降低，其中，上述第一线圈电流IU在产生与上述负载Ld相反方向上的电磁力的电磁铁24的线圈23中流动，上述第二线圈电流IL在产生与上述负载Ld相同方向的电磁力的电磁铁24的线圈23中流动。
在该结构中，对设于定子21的电磁铁24的电流进行控制以进行驱动轴13的位置控制。另外，对第二线圈电流IL（后述下侧线圈电流IL）进行调节，以使该第二线圈电流的平均值降低，该第二线圈电流在产生与负载Ld相同方向上的电磁力的电磁铁24的线圈23中流动。此时，在本发明中还进行位置控制，因此，与第二线圈电流IL的调节一致地也调节第一线圈电流IU，以使第一线圈电流IU与第二线圈电流IL之差变为进行位置控制所需的值。这样，通过调节第二线圈电流IL，第二线圈电流IL降低（例如接近零），并且第一线圈电流IU的平均值也降低。
发明效果
根据本发明，能降低在与负载Ld的方向相同的方向上产生电磁力的线圈23的电流，因此，能降低磁性轴承20的消耗电力。
附图说明
图1是表示实施方式一的涡轮压缩机的结构的示意图。
图2是实施方式一的磁性轴承的横剖图。
图3是实施方式一的磁性轴承的纵剖图。
图4是说明控制部的结构的框图。
图5是说明实施方式一的偏置电流调节的流程图。
图6是例示出上侧及下侧线圈电流的变化的时序图。
图7是例示出调节完反馈增益的情况下的上侧及下侧线圈电流的变化的时序图。
图8是说明实施方式一的变形例的偏置电流调节的流程图。
图9是实施方式二的磁性轴承的横剖图。
图10是实施方式二的磁性轴承的纵剖图。
图11是实施方式三的磁性轴承的横剖图。
图12是实施方式三的磁性轴承的纵剖图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明实施方式进行说明。另外，以下的实施方式是优选的例示，并不意味着限制本发明、其应用物或其用途范围。
《发明的实施方式一》
在本发明的实施方式一中，作为使用本发明的磁性轴承的例子，对涡轮压缩机1进行说明。本实施方式的涡轮压缩机1与使制冷剂循环而进行制冷循环运转动作的制冷剂回路（未图示）连接，以压缩制冷剂。
（整体结构）
图1是表示实施方式一的涡轮压缩机1的结构的示意图。如图1所示，涡轮压缩机1包括壳体2、叶轮9及电动机10。
壳体2形成为两端被关闭的圆筒状，且圆筒轴线朝向水平。壳体2内的空间被壁部3划分，该壁部3被配置成从图1的壳体2的右侧端部隔着规定的距离。比该壁部3更靠右侧的空间形成对叶轮9进行收容的叶轮室4，比该壁部3更靠左侧的空间形成对电动机10进行收容的电动机空间5。另外，在叶轮室4的外周侧形成有与该叶轮室4连通的压缩空间4a。
吸入管6和排出管7与壳体2连接，其中，上述吸入管6用于将来自制冷剂回路的制冷剂朝叶轮室4内进行引导，上述排出管7将在叶轮室4内压缩后的高压的制冷剂返回至制冷剂回路。
叶轮9的外形因多根叶片而呈大致圆锥形状。叶轮9在固定于电动机10的驱动轴13（转轴）一端的状态下收容于叶轮室4内。
电动机10收容于壳体2内，并驱动叶轮9。该电动机10包括定子11、转子12及驱动轴13。定子11呈筒状的形态，并固定于壳体2的内周壁。转子12呈圆筒状的形态，并隔着规定的间隙（气隙）插通定子11的内侧。另外，驱动轴13以轴心与该转子12的轴心同轴的方式插通固定于转子12。在转子12中埋设有多个永磁体12a。转子12的永磁体12a以被在定子11内产生的旋转磁场吸引的方式旋转，从而转子12在定子11内旋转。驱动轴13被配置成沿着水平方向。
电动机10包括轴承机构8。轴承机构8包括形成为大致筒状的两个接地轴承14、14和两个磁性轴承20、20。另外，电动机10也可能包括在推力方向上对驱动轴13进行支承的接地轴承。
接地轴承14及磁性轴承20是用于在径向上对驱动轴13进行支承的构件。接地轴承14及磁性轴承20均固定于壳体2内。上述磁性轴承20、20以对驱动轴13的两端侧进行支承的方式分别配置于驱动轴13的一端侧和另一端侧。另外，接地轴承14、14以对驱动轴13的两端部进行支承的方式分别配置于比磁性轴承20、20更靠外侧的位置。
如后所述，在磁性轴承20、20上设有多个电磁铁24，将各电磁铁24的合成电磁力F施加于驱动轴13，并在非接触状态下支承驱动轴13。
当磁性轴承20、20在非接触状态下支承驱动轴13时，以接地轴承14、14也与驱动轴13处于非接触状态的方式设定内径。另外，接地轴承14在磁性轴承20处于非通电时支承驱动轴13。磁性轴承20处于非通电是指例如电动机10停止时、因某种理由使得磁性轴承20变得不能控制而处于非通电的情况等。
（接地轴承14的结构）
接地轴承14由滚珠轴承构成。接地轴承14和驱动轴13的间隔形成得比磁性轴承20和驱动轴13的间隔小。藉此，当磁性轴承20、20不工作时，能利用接地轴承14以驱动轴13与磁性轴承20不接触的方式支承该驱动轴13。即，在电动机10停止时、因某种理由使得磁性轴承20变得不能控制而处于非通电的情况等下，能利用接地轴承14防止磁性轴承20破损。另外，接地轴承14并不限定于滚珠轴承，也可由例如单纯的圆筒状的构件构成。
（磁性轴承20的结构）
图2是实施方式一的磁性轴承20的横剖图（与驱动轴垂直的方向上的剖视图）。另外，图3是实施方式一的磁性轴承20的纵剖图（驱动轴方向上的剖视图）。如图2所示，磁性轴承20是所谓异极型的径向轴承。在该例中，磁性轴承20包括定子21、间隔传感器26、控制部30及电源装置40。
间隔传感器26安装于壳体2，并对驱动轴13相对于磁性轴承20的径向位置进行检测。
定子21包括铁心部22和线圈23。该铁心部22是层叠电磁钢板而构成的，其包括后轭部22a和多个极齿部22b。后轭部22a形成为大致筒状。各个极齿部22b与后轭部22a一体形成，并从后轭部22a的内周面朝径向内侧突出。本实施方式的铁心部22具有八个极齿部22b，这些极齿部22b沿着后轭部22a的内周而等间距（45度间距）配置。各极齿部22b的内周侧的面隔着规定的间隔而与驱动轴13相对。
在定子21上每隔一个极齿部22b卷绕有线圈23，由极齿部22b及线圈23这两个构件形成电磁铁24。即，在本实施方式的定子21中，形成有八个电磁铁24。在图2中，为了识别出各线圈23而在符号后面标注分支编号1～8（例如23-1、23-2……）。在该定子21中，两个线圈23成对地彼此相连。具体而言，在线圈23-1和线圈23-2、线圈23-3和线圈23-4、线圈23-5和线圈23-6、线圈23-7和线圈23-8各线圈对中，线圈23彼此相连。电源40与各个线圈对相连接，以供给电力。
（电源装置40）
电源装置40能个别地对供给至各线圈对的电压大小进行控制。在本实施方式中，存在四个线圈对，因此，电源装置40的输出为四个。控制部30对电源装置40供给至各线圈对的电压大小进行控制。在该例中，电源装置40根据控制部30输出的电压指令值使输出电压变化。藉此，流动至各线圈23的电源发生变化。作为一例，电源装置40能采用所谓PWM（PulseWidth Modulation：脉冲宽度调制）放大器。
另外，电源装置40使电流朝顺逆两方向流动。
（控制部30的结构）
接着，对控制部30的结构进行说明。另外，在以下的说明中，“上侧线圈”是指产生与施加于驱动轴13的径向的负载Ld的方向相反方向上的吸引力（电磁力FU）的电磁铁24的线圈23，“下侧线圈”是指产生与负载Ld的方向相同方向上的吸引力（电磁力FL）的电磁铁24的线圈23。即，此处所述的线圈的上下称呼是由电磁力的方向和负载Ld的方向的关系来确定的，若存在与磁性轴承20、20的设置状态下的上下方向一致的情况，则也存在不一致的情况。在图2中，用粗线围住上侧及下侧线圈来加以例示。相对于图2所示的负载Ld，线圈23-1、23-2这两个线圈是下侧线圈，线圈23-5、23-6这两个线圈是上侧线圈。
控制部30包括微型计算机（未图示）和使该微型计算机工作的程序，控制流动至上侧线圈的电流（上侧线圈电流IU）与流动至下侧线圈的电流（下侧线圈电流IL）的电流差以进行驱动轴13的位置控制。具体而言，控制部30使控制电流Id与偏置电流Ib的相加电流流动至上侧及下侧线圈。此处，控制电流Id是用于使各电磁体24的线圈23产生电磁力的电流，上侧线圈的控制电流是＋Id，下侧线圈的控制电流是－Id。偏置电流Ib是用于使控制电流Id的值和合成电磁力F的关系变为线性的电流。
因此，上侧线圈电流IU是Ib＋Id的大小的电流。另外，下侧线圈电流IL是Ib－Id的大小的电流。上侧线圈电流IU对应于本发明的第一线圈电流，下侧线圈电流IL对应于本发明的第二线圈电流。若控制上侧线圈电流IU与下侧线圈电流IL的电流差，则能控制施加于驱动轴13的合成电磁力F，并能进行驱动轴13的位置控制。另外，上侧及下侧线圈电流IU、IL的大小控制是通过电源装置40进行的。
归纳本线性化规则，如下所示。
（关系式C）
IU＝Ib＋Id
IL＝Ib－Id
控制部30以下侧线圈电流IL的平均值（例如积分平均）降低的方式逐次调节下侧线圈电流IL。具体而言，在本实施方式的控制部30中，当控制电源装置40时，以偏置电流Ib的值接近控制电流Id的值的方式按规定的周期使偏置电流Ib的值增加或减少，从而对该偏置电流Ib的值进行更新。图4是对控制部30的结构进行说明的框图。如上述图所示，控制部30包括位置控制部31、电流控制器32、增益控制部33及偏置电流调节部34。另外，控制部30为了周期性地更新偏置电流Ib的值而也包括计时器（未图示），该计时器按上述更新周期将中断信号输出至电流控制器32。
―位置控制器31―
位置控制器31根据指示驱动轴13的径向位置的位置指令与间隔传感器26检测出的驱动轴13的径向位置之间的偏差来输出指示控制电流Id的大小的电流指令值。更具体而言，位置控制器31以驱动轴13位于期望位置的方式使上侧线圈电流IU与下侧线圈电流IL的电流差以规定的幅度变化来确定控制电流Id。在磁性轴承20中，由八个电磁体24构成四组电磁铁对，因此，位置控制器31生成四个电流指令值以用于各电磁铁对。
另外，位置控制器31在根据负载Ld使上侧线圈电流IU减小时，使上述电流差的变化幅度增大，并在根据负载Ld使上侧线圈电流IU增大时，使上述电流差的变化幅度减小。具体而言，位置控制器31通过按规定的周期（后述）调节反馈控制的反馈增益Kc来实现上述变化幅度的控制。
―电流控制器32―
电流控制器32求出电源装置40应输出的电压，并将指示该电压的电压指令值输出至电源装置40。在磁性轴承20上设有对上侧线圈电流IU的检测值和下侧线圈电流IL进行检测的电流检测器25。电流控制器32以偏置电流Ib与根据电流指令值确定的控制电流Id的相加电流分别流动至上侧及下侧线圈的方式对电流检测器25的检测值进行反馈，并确定上述电压指令值。
―偏置电流调节部34―
偏置电流调节部34周期性地更新偏置电流Ib的值。具体而言，偏置电流调节部34根据某一初始状态下的上侧及下侧线圈电流IU0、IL0的值（检测值）基于以下关系式（A1）算出初始状态的控制电流Id0及初始状态的偏置电流Ib0，并根据它们的相乘平均值（参照关系式A2）导出新的偏置电流Ib。
关系式A1
Ｉｂ0＝（ＩＵ0＋ＩＬ0）／2
Ｉｄ0＝（ＩＵ0-ＩＬ0）／2
关系式A2
采用上述相乘平均值是基于以下考虑的。
当将上侧线圈电流IU和下侧线圈电流IL变为关系式C的线性化规则时，控制电流Id和合成电磁力F被线性化，如下所示：
Ｆ＝ｋ×Ｉｂ×Ｉｄ…（1）
。此处，符号k是比例系数。例如，在初始状态下，假设合成电磁力为F0，偏置电流为Ib0，控制电流为Id0时，
Ｆ0＝ｋ×Ｉｂ0×Ｉｄ0…（2）
。当在合成电磁力为F0的状态下使控制电流与偏置电流一致时，式（1）为：
Ｆ0＝ｋ×Ｉｂ×Ｉｄ＝ｋ×Ｉｂ＾2…（3）
当根据式（2）和式（3）导出新的偏置电流Ib时，如下所示：
。此时，根据关系式（C），上侧线圈电流IU在初始状态下为ＩＵ0＝Ｉｂ0＋Ｉｄ0但在调节后为下侧线圈电流IL在初始状态下为ＩＬ0＝Ｉｂ0－Ｉｄ0但在调节后为ＩＬ＝0。即，上侧线圈电流IU和下侧线圈电流IL的绝对值都降低了。即，若以事前的偏置电流值与控制电流值的相乘平均值变为新的偏置电流Ib的方式进行调节，则能降低由电磁铁24的线圈23消耗的电力。
当如上所述求出新的偏置电流Ib时，偏置电流调节部34更新偏置电流Ib的值。然后，电流控制器32以由关系式C求出的上侧及下侧线圈电流IU、IL流动的方式将上下各线圈用的电压指令值输出至电源装置40。求出该电压指令值时使用的控制电流Id的值是对应于电流指令值而确定的电流值。
另外，为了进行关系式A的运算，朝偏置电流调节部34输入电流检测器25的检测值（参照图4）。上侧线圈电流IU及下侧线圈电流IL具有变化分量，但电流控制器32分别算出上述电流的直流分量，并用于关系式A的运算。
另外，在该例中，电流控制器32与上述计时器的中断信号同步地将用于算出上侧及下侧线圈电流IU、IL的偏置电流Ib的值更新为偏置电流调节部34导出的值。只要将该更新的周期（计时器的周期）设定为比位置控制器31的位置控制的周期足够长的周期即可。在本实施方式中，将偏置电流Ib更新的周期设定为位置控制的周期的100倍～1000倍的周期。
―增益控制部33―
增益控制部33与偏置电流Ib的更新同步地将用于对反馈增益Kc进行调节的指令值输出至位置控制器31。在该例中，增益控制部33根据以下的关系式B将调节反馈增益Kc用的指令值输出至位置控制器31。
关系式B
Ｋｃ＝Ｋｃ0×Ｉｂ0／Ｉｂ
其中，在关系式B中，Ib0是某一初始状态下的偏置电流值。另外，Kc0是偏置电流值被以Ib0为基础进行调节后的位置控制的反馈增益Kc。
（控制部30的动作）
图5是说明实施方式一的偏置电流调节的流程图。控制部30进行图5所示的步骤S01～步骤S05的处理。
在步骤S01中，偏置电流调节部34使更新的作业处于等待状态，直至偏置电流Ib的更新周期到来为止、即直至接受到计时器的中断信号为止。在该等待状态的情况下，电流控制器32使用当前的偏置电流Ib的值来确定上侧及下侧线圈电流IU、IL，并将与该上侧及下侧线圈电流IU、IL相对应的电压指令值输出至电流装置40。当等待状态因上述计时器的中断而被解除时，偏置电流调节部34的动作转移至下个步骤S02。
在步骤S02中，偏置电流调节部34根据由电流检测器25检测出的上侧线圈电流IU及下侧线圈电流IL的检测值来分别求出上侧线圈电流IU及下侧线圈电流IL的直流分量。例如，能通过使用低通滤波器来求出上侧线圈电流IU、下侧线圈电流IL的直流分量。
在步骤S03中，偏置电流调节部34使用在步骤S02中求出的上侧及下侧线圈电流IU、IL的直流分量由关系式A1算出偏置电流Ib及控制电流Id。即，在步骤S03中，偏置电流调节部34求出偏置电流Ib和控制电流Id的直流分量。
在步骤S04中，偏置电流调节部34使用在步骤S03中求出的偏置电流Ib的值和控制电流Id的值由关系式A2算出新的偏置电流Ib。然后，电流控制器32以由关系式C求出的上侧及下侧线圈电流IU、IL流动的方式将上下各线圈用的电压指令值输出至电源装置40。此处的用于算出上侧及下侧线圈电流IU、IL的Id是根据位置控制器31输出的电流指令值而确定的控制电流Id值。
在步骤S05中，基于关系式B根据由增益控制部33生成的指令值，位置控制器31对位置控制的反馈增益Kc进行更新。
图6是例示出上侧及下侧线圈电流IU、IL的变化的时序图。图6的时序图的纵轴是电流值。在图6的例子中，在时刻t1、t2、t3各自的时间点更新偏置电流Ib。例如，在时刻t1，偏置电流Ib被更新为Ib（t1），从时刻t1到时刻t2为止的期间，偏置电流Ib为恒定值的Ib（t1）。
在时刻t2，进行步骤S04的处理，将偏置电流Ib更新为Ib（t2）。即，在该磁性轴承20中，偏置电流Ib是半固定的。该Ib（t2）是比时刻t2更前时刻的偏置电流Ib的直流分量（＝Ib（t1））与控制电流Id的直流分量的相乘平均。通过这样算出偏置电流Ib，对该偏置电流Ib的值以接近控制电流Id的值的方式进行更新。
在时刻t2至时刻t3的期间，电流控制器32为了算出上侧及下侧线圈电流IU、IL而使用Ib（t2）。即，电流控制器32以在上侧线圈中流动着上侧线圈电流IU＝Ib（t2）＋Id、并在下侧线圈中流动着下侧线圈电流IL＝Ib（t2）－Id的方式将上下各线圈用的电压指令值输出至电源装置40。如关系式C所示，当将Ib接近Id（Ib→Id）时，IL的值接近0。即，当以偏置电流Ib的值接近控制电流Id的值的方式更新该偏置电流Ib的值时，下侧线圈电流IL的平均值降低而接近0（理想情况为0）。
在图6的例子中，在时刻t2，下侧线圈电流IL的平均值也减小。另外，上侧线圈电流IU也被电流控制器32控制，以使上侧线圈电流IU和下侧线圈电流IL的差变为进行位置控制所需的值。其结果是，上侧线圈电流IU的平均值（例如积分平均）也减小。另外，当下侧线圈电流IL的平均值接近零时，下侧线圈电流IL也可能会被控制为负值。因此，如上所述，电源装置40使下侧线圈电流IL朝顺逆两方向流动。
另外，在图6的例子中，在时刻（t2＋α），负载Ld发生变化。若负载Ld变化，则电流指令值等也变化。在该例中，上侧线圈电流IU降低，并且下侧线圈电流IL增加，其结果是，上侧线圈电流IU与下侧线圈电流IL的差变小。用于算出此时的上侧及下侧线圈电流IU、IL的偏置电流Ib的值是Ib（t2）。
然而，在时刻t3，进行步骤S04的处理，将偏置电流Ib更新为Ib（t3）。此处，Ib（t3）也降低，下侧线圈电流IL的平均值也减小。另外，上侧线圈电流IU的平均值也降低。即，在本实施方式中，按规定的周期更新偏置电流Ib，因此，也能追随着负载Ld的变化降低下侧线圈电流IL。
另外，图7是例示出调节完反馈增益Kc的情况下的上侧及下侧线圈电流IU、IL的变化的时序图。图7例示出负载Ld减小、且在负载Ld减小前后驱动轴13的振幅大小没有变化的情况下的状态。在该情况下，如图7所示，上侧线圈电流IU和下侧线圈电流IL的电流差的变化幅度变大。
（本实施方式的效果）
如上所述，在本实施方式中，以偏置电流Ib的值接近控制电流Id的方式逐次更新偏置电流Ib的值，从而能降低上侧及下侧线圈电流IU、IL。因此，在本实施方式中，能降低磁性轴承20、20的消耗电力。
另外，通过与偏置电流Ib的更新同步地基于关系式B对反馈增益kc进行调节，能消除因偏置电流Ib的变更而产生的位置控制环频率特性的变化。
另外，在上述例子中，“平均值降低”是指平均值接近零，但也可例如以下侧线圈电流IL逐渐接近零以外的值的方式构成控制部30。
《实施方式一的变形例》
偏置电流Ib的值的更新并不限定于实施方式一的方法。图8是说明实施方式一的变形例的偏置电流调节的流程图。在该例中，偏置电流调节部34按规定的步宽Istep更新偏置电流Ib的值。具体而言，偏置电流调节部34进行图8所示的步骤S11～步骤S18的动作。步骤S11至步骤S13的处理与实施方式一中说明的步骤S01至步骤S03的处理相同。
在步骤S14中，偏置电流调节部34将偏置电流Ib的值与控制电流Id的值进行比较。比较的结果是，在偏置电流Ib的值比控制电流Id的值大的情况下，转移至步骤S15的处理，若不是的话，则转移至步骤S16的处理。
在转移至步骤S15的情况下，偏置电流调节部34将偏置电流Ib减小规定的步宽Istep。即，偏置电流调节部34算出Ib－Istep以作为新的偏置电流Ib。
在步骤S16中，偏置电流调节部34将偏置电流Ib的值与控制电流Id的值进行比较。比较的结果是，在偏置电流Ib的值比控制电流Id的值小的情况下，转移至步骤S17的处理，若不是的话，则转移至步骤S18的处理。
在步骤S17中，偏置电流调节部34将偏置电流Ib增大规定的步宽Istep。即，偏置电流调节部34算出Ib＋Istep以作为新的偏置电流Ib。
然后，与实施方式一相同，电流控制器32以由关系式C求出的上侧及下侧线圈电流IU、IL流动的方式将上下各线圈用的电压指令值输出至电源装置40。这样，在本变形例中，以偏置电流Ib的值接近控制电流Id的值的方式，偏置电流调节部34以规定的步宽Istep增加或减少偏置电流Ib的值。
另外，在步骤S18中，与实施方式一的步骤S05相同，基于关系式B根据由增益控制部33生成的指令值，位置控制器31对位置控制的反馈增益Kc进行更新。
（本变形例的效果）
在本实施方式中，也通过偏置电流调节部34的上述动作使偏置电流Ib的值接近控制电流Id的值。因此，在本实施方式中，也还是能降低上侧及下侧线圈电流IU、IL，能降低磁性轴承20、20的消耗电力。
另外，在本变形例中，也与偏置电流Ib的更新同步地基于关系式B对反馈增益Kc进行调节，因此，能消除因偏置电流Ib的变更而产生的位置控制环频率特性的变化。
《发明的实施方式二》
图9是实施方式二的磁性轴承20的横剖图。另外，图10是实施方式二的磁性轴承20的纵剖图。如图9所示，本实施方式的磁性轴承20是所谓同极型的径向轴承。
本实施方式的磁性轴承20也与实施方式一相同，定子21包括铁心部22和线圈23。铁心部22包括后轭部22a和多个极齿部22b。后轭部22a形成为大致筒状。各个极齿部22b与后轭部22a一体形成，并从该后轭部22a的内周面朝径向内侧突出。
在本实施方式中，极齿部22b设有八个。详细而言，如图10所示，极齿部22b呈两级地排列配置在驱动轴13的轴心方向上，如图9所示，各个级的四个极齿部22b沿着后轭部22a的内周等间距（90度间距）地配置。在各极齿部22b上卷绕有线圈23，在定子21上构成有八个电磁铁24。在该例中，呈两级排列的线圈23彼此成对。即，在该例中，存在四个线圈对。在该例中，成对的线圈23彼此也相互相连。各电磁铁24的线圈23的卷绕方向、电流朝向被设定成产生图10中箭头所示的方向的磁通。在本实施方式中，也将各电磁铁24的合成电磁力F施加于驱动轴13，并在非接触状态下支承驱动轴13。在图9中，也用粗线围住上侧及下侧线圈来加以例示。相对于图9所示的负载Ld，线圈23-1是下侧线圈，线圈23-3是上侧线圈。
在上述结构的磁性轴承20中，也如实施方式一及其变形例所示，通过以偏置电流Ib的值接近控制电流Id的值的方式进行控制，能降低上侧及下侧线圈电流IU、IL，并能降低磁性轴承20、20的消耗电力。
《发明的实施方式三》
图11是实施方式三的磁性轴承20的横剖图。另外，图12是实施方式三的磁性轴承20的纵剖图。本实施方式的磁性轴承20是所谓推力轴承。如图12所示，在电动机10的驱动轴13上固定有圆盘状的推力盘13a，磁性轴承20对推力盘13a的轴向位置、即驱动轴13的轴向位置进行控制。
（磁性轴承20的结构）
磁性轴承20包括定子21、电源装置40、间隔传感器26及控制部30。间隔传感器26安装于推力盘13a的附近，并对推力盘13a的轴向位置进行检测。
定子21包括铁心部22和线圈23。在本实施方式中，在定子21上设有两个铁心部22。各个铁心部22呈环状的形态，并隔着规定的气隙配置于推力盘13a的轴向两侧。
如图12所示，在各铁心部22的与推力盘13a相对的一侧形成有圆周槽22c，在圆周槽22c内收容有线圈23。即，在本实施方式中，在一个铁心部22上形成有一个电磁铁24。各线圈23的电流朝向被设定成产生图12中箭头所示的方向的磁通。
另外，在该实施方式中，“上侧线圈”相当于产生与施加于驱动轴13的推力方向（轴向）的负载Ld的方向相反方向上的吸引力（电磁力FU）的电磁铁24的线圈23，“下侧线圈”相当于产生与负载Ld的方向相同方向上的吸引力（电磁力FL）的电磁铁24的线圈23。即，在该例中，线圈的上下称呼也是由电磁力的方向和负载Ld的方向的关系来确定的，若存在与磁性轴承20、20的设置状态下的上下方向一致的情况，则也存在不一致的情况。
在本实施方式中，以推力盘13a在与定子21非接触状态下维持于规定位置的方式将各电磁铁24的合成电磁力F施加于推力盘13a，从而在轴向上支承驱动轴13。此时，如实施方式一及其变形例所示，通过以偏置电流Ib的值接近控制电流Id的值的方式进行控制，能降低上侧及下侧线圈电流IU、IL，并能降低磁性轴承20的消耗电力。
《其它实施方式》
（1）在磁性轴承20中，可能因某种原因而使实际的负载Ld的方向不朝向假想的方向。实际的负载Ld可能会朝例如与假想的负载Ld的方向正交的方向施加。在该情况下，假想为上侧线圈（第一线圈）的线圈23的电磁铁24与假想为下侧线圈（第二线圈）的线圈23的电磁铁24各自的平均负载为零。这样，在假想为上侧及下侧线圈的两线圈中流动的电流IU、IL为正负相反且大小相同的电流。其结果是，假想为上侧及下侧线圈的线圈的电磁铁24彼此以相同的力相互拉伸，位置控制可能会不稳定。此外，在还同时进行控制增益Kc的调节的情况下，当上侧线圈电流IU过小时，控制增益Kc过大，控制器的内部变量、指令电压饱和而可能使位置控制变得不稳定。
因此，为了维持稳定的位置控制，在控制部30中，以上侧线圈电流IU的平均值与下侧线圈电流IL的平均值之和的大小不在某一限制值以下的方式调节下侧线圈电流IL是较为理想的。
（2）另外，在偏置电流调节部34中，以偏置电流Ib的绝对值的大小不在根据磁性轴承20的运转条件确定的阈值以下的方式调节偏置电流Ib，也能同样地维持稳定的位置控制。
（3）另外，在负载Ld稳定之后调节下侧线圈电流IL是较为理想的。例如，当频繁地进行大幅度的下侧线圈电流IL调节时，可能会导致产生异常声音等。能通过各种方法进行负载Ld是否稳定的判断。例如，可考虑以下方法：在控制部30中，在上述更新的时间点多次检测上侧线圈电流IU的平均值和下侧线圈电流IL的平均值中的至少一方，若其变化幅度在规定的阈值以下，则判断为“负载稳定”。此外，在控制部30中，只要在“负载稳定”的情况下调节偏置电流Ib（即下侧线圈电流（IL））即可。此处，“规定的阈值”既可以是预先确定的固定值，也可根据例如由该磁性轴承支承的设备的运转条件来改变该“规定的阈值”。
（4）另外，在偏置电流调节部34中，也可归纳出控制电流Id的平均值，在该平均值的变化幅度在规定阈值以下的情况下，判断为“负载稳定”，并调节偏置电流Ib。此处，“规定的阈值”既可以是预先确定的固定值，也可根据例如由该磁性轴承20支承的设备（该例中为电动机10）的运转条件来改变该“规定的阈值”。
（5）另外，“负载稳定”与否也可考虑以下方法：对上侧线圈电流（IU）的平均值、下侧线圈电流IL的平均值中的至少一方进行检测，若检测出的平均值的某一频率以上的变化幅度在规定的阈值以下，则判断为“负载稳定”。该判断只要能由例如控制部30进行即可。此处，“规定的阈值”也是既可以是预先确定的固定值，也可根据例如由该磁性轴承20支承的设备（该例中为电动机10）的运转条件来改变该“规定的阈值”。
（6）另外，也可考虑：在控制电流Id的平均值的规定频率以上的变化幅度比规定的阈值小的情况下，判断为“负载稳定”。该判断只要能由例如偏置电流调节部34进行即可，此处，“规定的阈值”也是既可以是预先确定的固定值，也可根据例如由该磁性轴承20支承的设备（该例中为电动机10）的运转条件来改变该“规定的阈值”。
（7）另外，磁性轴承20的用途并不限定于涡轮压缩机1。例如，能应用于涡轮分子泵等具有转轴的各种设备。
（8）另外，偏置电流Ib的调节无需是周期性的，调节的时间点是任意的。
工业上的可利用性
本发明作为利用电磁力对转轴以非接触的方式进行支承的磁性轴承及使用该磁性轴承的压缩机是有用的。
符号说明
10 电动机
13 驱动轴
20 磁性轴承
21 定子
24 电磁铁
30 控制部
31 位置控制器（控制器）
32 电流控制器（控制器）
34 偏置电流调节部

Claims (15)

1.一种磁性轴承，其特征在于，包括：
定子(21)，该定子(21)具有多个电磁铁(24)，并朝负载(Ld)变化的驱动轴(13)施加所述多个电磁铁(24)的合成电磁力(F)；以及
控制部(30)，该控制部(30)控制第一线圈电流(IU)与第二线圈电流(IL)的电流差以进行所述驱动轴(13)的位置控制，并调节所述第二线圈电流(IL)，以使所述第二线圈电流(IL)的平均值降低，其中，所述第一线圈电流(IU)在产生与所述负载(Ld)相反方向上的电磁力的电磁铁(24)的线圈(23)中流动，所述第二线圈电流(IL)在产生与所述负载(Ld)相同方向的电磁力的电磁铁(24)的线圈(23)中流动，
在所述第一线圈电流(IU)随着所述负载(Ld)减小时，所述控制部(30)使所述电流差的变化幅度增大，在所述第一线圈电流(IU)随着所述负载(Ld)增大时，所述控制部(30)使所述电流差的变化幅度减小。
2.如权利要求1所述的磁性轴承，其特征在于，
所述控制部(30)包括：
控制器(31、32)，该控制器(31、32)对控制电流(Id)和偏置电流(Ib)进行控制，其中，所述控制电流(Id)使各电磁铁(24)产生电磁力，所述偏置电流(Ib)为了使所述控制电流(Id)的值与所述合成电磁力(F)的关系变为线性而与所述控制电流(Id)相加；以及
偏置电流调节部(34)，该偏置电流调节部(34)调节所述偏置电流(Ib)的值，以使所述偏置电流(Ib)的值接近所述控制电流(Id)的值。
3.如权利要求1所述的磁性轴承，其特征在于，
所述控制部(30)调节所述第二线圈电流(IL)，以使所述第一线圈电流(IU)的平均值与所述第二线圈电流(IL)的平均值之和的绝对值的大小不在规定的限制值以下。
4.如权利要求1所述的磁性轴承，其特征在于，
所述控制部(30)求出所述第一线圈电流(IU)的平均值及所述第二线圈电流(IL)的平均值中的至少一方，并在求出的平均值的变化幅度在根据该磁性轴承所支承的设备的运转条件确定出的阈值以下的情况下，进行所述第二线圈电流(IL)的调节。
5.如权利要求1所述的磁性轴承，其特征在于，
所述控制部(30)求出所述第一线圈电流(IU)的平均值及所述第二线圈电流(IL)的平均值中的至少一方，并在求出的平均值的规定频率以上的变化幅度比根据该磁性轴承所支承的设备的运转条件确定出的阈值小的情况下，对所述第二线圈电流(IL)进行调节。
6.一种磁性轴承，其特征在于，包括：
定子(21)，该定子(21)具有多个电磁铁(24)，并朝负载(Ld)变化的驱动轴(13)施加所述多个电磁铁(24)的合成电磁力(F)；以及控制部(30)，该控制部(30)控制第一线圈电流(IU)与第二线圈电流(IL)的电流差以进行所述驱动轴(13)的位置控制，并调节所述第二线圈电流(IL)，以使所述第二线圈电流(IL)的平均值降低，其中，所述第一线圈电流(IU)在产生与所述负载(Ld)相反方向上的电磁力的电磁铁(24)的线圈(23)中流动，所述第二线圈电流(IL)在产生与所述负载(Ld)相同方向的电磁力的电磁铁(24)的线圈(23)中流动，
所述控制部(30)包括：
控制器(31、32)，该控制器(31、32)对控制电流(Id)和偏置电流(Ib)进行控制，其中，所述控制电流(Id)使各电磁铁(24)产生电磁力，所述偏置电流(Ib)为了使所述控制电流(Id)的值与所述合成电磁力(F)的关系变为线性而与所述控制电流(Id)相加；以及
偏置电流调节部(34)，该偏置电流调节部(34)调节所述偏置电流(Ib)的值，以使所述偏置电流(Ib)的值接近所述控制电流(Id)的值。
7.如权利要求2或6所述的磁性轴承，其特征在于，
所述偏置电流调节部(34)将所述偏置电流(Ib)的值调节为所述偏置电流(Ib)的值与所述控制电流(Id)的值的相乘平均值。
8.如权利要求2或6所述的磁性轴承，其特征在于，
所述偏置电流调节部(34)按规定的步宽(Istep)调节所述偏置电流(Ib)的值。
9.如权利要求2或6所述的磁性轴承，其特征在于，
所述偏置电流调节部(34)调节所述偏置电流(Ib)，以使所述偏置电流(Ib)的绝对值的大小不在根据该磁性轴承所支承的设备的运转条件确定出的阈值以下。
10.如权利要求2或6所述的磁性轴承，其特征在于，
在所述控制电流(Id)的平均值的变化幅度在根据该磁性轴承所支承的设备的运转条件确定出的阈值以下的情况下，所述偏置电流调节部(34)对所述偏置电流(Ib)进行调节。
11.如权利要求2或6所述的磁性轴承，其特征在于，
在所述控制电流(Id)的平均值的规定频率以上的变化幅度比根据该磁性轴承所支承的设备的运转条件确定出的阈值小的情况下，所述偏置电流调节部(34)进行所述偏置电流(Ib)的调节。
12.一种磁性轴承，其特征在于，包括：
定子(21)，该定子(21)具有多个电磁铁(24)，并朝负载(Ld)变化的驱动轴(13)施加所述多个电磁铁(24)的合成电磁力(F)；以及控制部(30)，该控制部(30)控制第一线圈电流(IU)与第二线圈电流(IL)的电流差以进行所述驱动轴(13)的位置控制，并调节所述第二线圈电流(IL)，以使所述第二线圈电流(IL)的平均值降低，其中，所述第一线圈电流(IU)在产生与所述负载(Ld)相反方向上的电磁力的电磁铁(24)的线圈(23)中流动，所述第二线圈电流(IL)在产生与所述负载(Ld)相同方向的电磁力的电磁铁(24)的线圈(23)中流动，
所述控制部(30)调节所述第二线圈电流(IL)，以使所述第一线圈电流(IU)的平均值与所述第二线圈电流(IL)的平均值之和的绝对值的大小不在规定的限制值以下。
13.一种磁性轴承，其特征在于，包括：
定子(21)，该定子(21)具有多个电磁铁(24)，并朝负载(Ld)变化的驱动轴(13)施加所述多个电磁铁(24)的合成电磁力(F)；以及
控制部(30)，该控制部(30)控制第一线圈电流(IU)与第二线圈电流(IL)的电流差以进行所述驱动轴(13)的位置控制，并调节所述第二线圈电流(IL)，以使所述第二线圈电流(IL)的平均值降低，其中，所述第一线圈电流(IU)在产生与所述负载(Ld)相反方向上的电磁力的电磁铁(24)的线圈(23)中流动，所述第二线圈电流(IL)在产生与所述负载(Ld)相同方向的电磁力的电磁铁(24)的线圈(23)中流动，
所述控制部(30)求出所述第一线圈电流(IU)的平均值及所述第二线圈电流(IL)的平均值中的至少一方，并在求出的平均值的变化幅度在根据该磁性轴承所支承的设备的运转条件确定出的阈值以下的情况下，进行所述第二线圈电流(IL)的调节。
14.一种磁性轴承，其特征在于，包括：
定子(21)，该定子(21)具有多个电磁铁(24)，并朝负载(Ld)变化的驱动轴(13)施加所述多个电磁铁(24)的合成电磁力(F)；以及
控制部(30)，该控制部(30)控制第一线圈电流(IU)与第二线圈电流(IL)的电流差以进行所述驱动轴(13)的位置控制，并调节所述第二线圈电流(IL)，以使所述第二线圈电流(IL)的平均值降低，其中，所述第一线圈电流(IU)在产生与所述负载(Ld)相反方向上的电磁力的电磁铁(24)的线圈(23)中流动，所述第二线圈电流(IL)在产生与所述负载(Ld)相同方向的电磁力的电磁铁(24)的线圈(23)中流动，
所述控制部(30)求出所述第一线圈电流(IU)的平均值及所述第二线圈电流(IL)的平均值中的至少一方，并在求出的平均值的规定频率以上的变化幅度比根据该磁性轴承所支承的设备的运转条件确定出的阈值小的情况下，对所述第二线圈电流(IL)进行调节。
15.一种压缩机，其特征在于，包括：
权利要求1所述的磁性轴承(20)；
在所述磁性轴承(20)上以非接触的方式支承有驱动轴(13)的电动机(10)；以及
由所述电动机(10)驱动的压缩机构。
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