JP2005076585A

JP2005076585A - 送風装置

Info

Publication number: JP2005076585A
Application number: JP2003310775A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Oyama; 敦大山
Original assignee: Ebara Densan Ltd
Current assignee: Ebara Densan Ltd
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【課題】特別に音圧発生装置を設けることなく、発生する騒音を減衰させることを実現して、静かに駆動することが可能な小型で安価の送風装置を提供する。
【解決手段】能動型磁気軸受２２〜２４によりプロペラファン２５を取り付けた回転軸１１が浮上支持された送風装置１０であって、その送風流路内に音圧センサ２５を配置して、その流路内の音圧信号に基づいて非接触支持している回転軸１１を能動型磁気軸受２２〜２４により加振させることにより、プロペラファン１３などを消音音源として機能させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、送風装置に係り、特に、外部に音源などの音圧発生装置を設置することなく能動的な消音効果を得ることができる消音機能を有して、周囲環境に対する騒音被害を抑制可能な送風装置に関する。

従来より、回転軸を回転させることにより、その回転軸に取り付けられているインペラを機能させて送風を行う送風装置が知られており、例えば、各種の作業空間等の室内空気の循環用・換気用の産業用送風機として利用されている。

このような送風装置では、回転軸やインペラ等の回転動作に伴って、騒音（音圧）が発生することから、その騒音対策として、送風配管の周囲に断熱効果も目的として充填材を巻いたり、送風吐出口にフィルターなどを設置する等の処置がなされてきたが、騒音に対する効果は大きくなかった。

このため、近年には、消音効果を得ることを主目的とした装置を送風装置に取り付けることが行われており、例えば、音圧検出装置と音圧発生装置とを組み合わせて、発生する騒音音圧を減衰させるアクティブサイレンサ装置を送風装置に取り付けることが提案されている。このアクティブサイレンサ装置は、回転軸やインペラなどから発生する騒音の音圧を所定の場所に設置した音圧検出装置により検出して、その音圧を減衰させるように位相補正を行った補正音を音圧発生装置から発生させることによって、音圧発生装置以降の音圧の流路において、その音圧が最小限になるように抑制する（例えば、特許文献１、２参照）。
特開平６−１１７３９９号公報特開平９−２６０２７９号公報

しかしながら、このような従来の送風装置にあっては、音圧発生装置を備えるアクティブサイレンサ装置を特別に設置しなければならず、その音圧発生装置となる音源からある程度の大きさの音圧を発生するには大型化してしまい、また、その音源を送風経路毎などの音圧の伝播経路毎に設置しなければならない、という問題があった。

また、送風装置からの騒音の発生原因の一つとして、回転軸を回転自在に支持（軸支）するボールベアリングの摺動音が挙げられるが、通常ボールベアリングは、長期の使用によるボール摺動摩耗の発生等により摺動音が増大する傾向にある。これに対して、アクティブサイレンサ装置による消音は、発生している音圧が所定量を超えると必ずしも効果的でなくなる、という問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みて為されたもので、特別に音圧発生装置を設けることなく、発生する騒音を減衰させることができ、静かに駆動することが可能な小型で安価な送風装置を提供することを目的とする。また、回転体を非接触の軸受で回転させることにより、発生する騒音の経時変化を少なくして、騒音の消音効果を継続・維持することができる送風装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の送風装置は、少なくとも１自由度方向を能動型磁気軸受で構成された磁気軸受装置により、インペラを含む回転体が浮上支持された送風装置であって、前記インペラとは所定の間隔を持って流路内に音圧検出装置を備え、該音圧検出装置により得られた流路内の音圧信号より、非接触支持している回転体を前記能動型磁気軸受により加振させ、前記回転体を消音音源として機能させることを特徴とするものである。

この発明では、浮上した状態で非接触回転する回転体により発生する騒音（音圧）が検出され、その検出音圧情報に基づいてその回転体自身が非接触支持されつつ騒音の消音音源として加振される。したがって、特別な音圧発生装置を設置することなく、回転体自身が発生する騒音を消音することができる。また、この回転体は、磁気軸受装置により非接触支持されているので、回転軸の回転駆動に伴う摺動音が発生せず、このため、発生する騒音が駆動時間に応じて増大するなど経時変化してしまうことを少なくすることができる。これにより、半永久的に消音効果を維持することができる。

また、構成される磁気軸受装置は，回転体を所定の位置に支持するための自由度を能動型磁気軸受で構成されなくとも、少なくとも１自由度方向については能動型磁気軸受を備え，他自由度においては永久磁石などを用いた受動型磁気軸受による構成でもよく、本発明において、前記能動型磁気軸受は、回転体を所定の位置に非接触支持するため、回転体の位置変位を検出する変位センサと、該変位センサの信号をもとに、回転体を支持するため磁気吸引力或いは磁気反発力を発生させる電磁石とを備えることが好ましい。また、前記位置変位に基づいて回転体を所定の目標位置に非接触支持する軸受制御補償回路を備えることが好ましい。また、前記能動型磁気軸受は、前記音圧検出装置から得られた音圧信号に基づいて回転体を加振することで発生する音圧により、当該音圧検出装置で計測される音圧信号を最小にする消音信号補償回路を備えることが好ましい。

本発明によれば、上記のように構成することにより、発生する騒音を消音しつつ静かに駆動することができ、音圧発生装置を不要にして小型かつ安価に送風装置を作製することができる。この送風装置は、回転体を非接触支持して、騒音の発生を低減し、消音効果を安定に継続・維持することができる。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。図１〜図３は本発明に係る送風装置を構成する一実施形態を示す図である。

図１において、送風装置１０は、プロペラファン（インペラ）１３を備えた回転軸（回転体）１１と、これを非接触で支持するとともに回転駆動する磁気軸受ユニット（本体部）１２ａ，（先端部）１２ｂとにより主として構成され、その回転軸１１に固設されて羽根を延在させているプロペラファン（インペラ）１３により送風を行う。磁気軸受ユニット１２ａ，１２ｂは、両端部開放の円筒形状に形成されたケーシング１４内に収装されており、そのケーシング１４の円筒の軸方向に回転軸１１の軸心が一致するように、フレーム１５ａ，１５ｂに支持されて取り付けられている。この送風装置１０は、例えば、クリーンルーム内に空気を引き込む送風経路やクリーンルーム内における空気の循環経路を形成する断面円形のダクト途中にケーシング１４が設置されることにより、磁気軸受ユニット１２ａ，１２ｂが回転軸１１を非接触支持しつつプロペラファン１３を回転させて、上流側の空気を下流側へと圧送し所望量の空気を送風する。

磁気軸受ユニット（本体部）１２ａは、回転軸１１を回転駆動するモータ部２１と、回転軸１１の基部側をラジアル方向に非接触支持するラジアル磁気軸受部２２と、回転軸１１の基部側をアキシャル方向に非接触支持するアキシャル磁気軸受部２３とを内装している。また、磁気軸受ユニット（先端部）１２ｂは、回転軸１１の先端側をラジアル方向に非接触支持するラジアル磁気軸受部２４を内装している。従って、この磁気軸受ユニット１２ａ，１２ｂは、モータ部２１が回転軸１１を回転駆動しつつ、能動型磁気軸受を構成する磁気軸受部２２〜２４がその回転軸１１をケーシング１４側の本体部１２ａおよび先端部１２ｂに対して非接触状態にて軸支している。

詳細には、モータ部２１は、回転軸１１の周面にモータロータ２１ａが固設される一方、本体部１２ａにはモータコイルを備えたモータステータ２１ｂがモータロータ２１ａに対面するように設置されている。ラジアル磁気軸受部２２は、回転軸１１の周面に磁性体２２ａが固設される一方、本体部１２ａにはラジアル電磁石２２ｂが回転軸１１の磁性体２２ａに対面するように設置されている。また、その近傍にはラジアル方向の位置変位を検出する変位センサ２２ｃが取り付けられている。

アキシャル磁気軸受部２３は、回転軸１１の後端部にディスク形状に突出するアキシャル磁性体２３ａが固設される一方、本体部１２ａにはアキシャル電磁石２３ｂがそのアキシャル磁性体２３ａの両面に対面して挟み込むように設置されている。また、その回転軸１１の後端面と本体部１２ａの対面位置にはアキシャル方向の位置変位を検出する変位センサ２３ｃが取り付けられている。

また、回転軸１１の先端部を非接触支持する先端部１２ｂでは、ラジアル磁気軸受部２４は、ラジアル磁気軸受部２２と同様に、回転軸１１の周面に磁性体２４ａが固設される一方、ラジアル電磁石２４ｂがその磁性体２４ａに対面するように設置されている。また、その近傍には回転軸１１のラジアル方向の位置変位を検出する変位センサ２４ｃが取り付けられている。なお、回転軸１１の非接触制御は、ラジアル方向には回転軸１１の円周方向に９０°位相をずらせた２対のラジアル電磁石が存在して、ラジアル４軸、アキシャル１軸の合計５軸で制御するのが一般的である。

そして、この送風装置１０は、回転軸１１を安定に所定の目標位置に非接触支持するための支持制御手段として、図２に示すように、磁気軸受部２２〜２４の変位センサ２２ｃ〜２４ｃに位置検出回路３１が接続される一方、電磁石２２ｂ〜２４ｂに軸受駆動パワーアンプ３２が接続されるとともに、これら位置検出回路３１と軸受駆動パワーアンプ３２は軸受制御補償回路３３を介して接続されている。

位置検出回路３１は、回転軸１１のラジアル方向およびアキシャル方向毎の位置変位に応じた変位センサ２２ｃ〜２４ｃからのセンサ信号を増幅・出力することにより、回転軸１１の変位情報を検出して軸受制御補償回路３３に入力する。軸受制御補償回路３３は、位置検出回路３１からの変位情報（変位信号）に基づいて、回転軸１１を所定の目標浮上位置に非接触で支持するための補償処理を施した後に、その補償信号を軸受駆動パワーアンプ３２に入力する。軸受駆動パワーアンプ３２は、軸受制御補償回路３３からの補償信号に基づいて磁性体２２ａ〜２４ａとの間に所望の磁気吸引力（磁気反発力）を発生させる電流を電磁石２２ｂ〜２４ｂに供給し、上記磁束を発生させ、回転軸１１を目標位置に非接触支持する。

これにより、送風装置１０は、モータ部２１が回転駆動する回転軸１１を、ラジアル方向およびアキシャル方向に浮上位置制御して所定の目標位置での非接触支持を実現している。

図１に戻って、送風装置１０には、空気の圧送経路を画成するケーシング１４内のプロペラファン１３の近傍に音圧を検出する音圧センサ２５が設置されている。この音圧センサ２５は、図２に示すように、音圧検出回路３６に接続されており、その音圧検出回路３６は消音信号補償回路３７を介して軸受駆動パワーアンプ３２に接続されている。この音圧センサ２５と音圧検出回路３６により音圧検出装置が構成されている。

音圧センサ２５は、回転軸１１と共にプロペラファン１３が回転駆動することにより発生する風切り音などの騒音音圧を電気信号に変換・出力（検出）する。音圧検出回路３６は、プロペラファン１３などにより発生する騒音音圧に応じた音圧センサ２５からのセンサ信号に基づいて音圧情報を検出して（音圧に応じた信号を増幅・出力して）、その音圧信号を消音信号補償回路３７に入力する。消音信号補償回路３７は、音圧検出回路３６からの音圧情報に基づいてその騒音音圧を減衰させる補償信号を生成する。即ち、音圧検出装置から得られた音圧信号に基づいて能動型磁気軸受により回転体を加振することで発生する音圧により、当該音圧検出装置で計測される音圧信号を最小にする消音補償信号を生成する。

そして、消音音圧を発生するようにプロペラファン１３などを能動型磁気軸受により運動させる補償信号を、加算器３５で軸受制御補償回路３３の補償信号に加算して軸受駆動パワーアンプ３２に入力する。その軸受駆動パワーアンプ３２は、回転軸１１を非接触支持する補償信号に、消音補償信号が加算・入力された補償情報に基づいて回転軸磁性体２２ａ〜２４ａとの間に所望の磁気吸引力（磁気反発力でもよい）を発生させる電流供給を電磁石２２ｂ〜２４ｂに行って、所要の磁束を発生させる。

これにより、送風装置１０は、モータ部２１が回転駆動させる回転軸１１をラジアル方向やアキシャル方向に変位（運動）させて、回転軸１１を所定の目標位置に支持しつつ、音圧センサ２５が検出する音圧を最小にする消音を実現している。

ここで、騒音音圧を減衰させる運動としては、例えば図３に示すように、騒音の主な発生源であるプロペラファン１３自体をアキシャル方向に振動させる加振制御をする。この加振制御は、プロペラファン１３の騒音音圧を相殺して減衰・消音することができる消音音圧を発生させる運動をそのプロペラファン１３などに行わせる。これによって、音圧センサ２５が検出する音圧は、プロペラファン１３の騒音音圧が加振制御の音圧により相殺され、検出音圧を最小にすることができる。

従来には、位置検出回路３１、軸受駆動パワーアンプ３２および軸受制御補償回路３３により磁気軸受部２２〜２４の駆動を制御して回転軸１１を非接触支持することのみが行われていたが、このように本実施形態においては、音圧センサ２５、音圧検出回路３６および消音信号補償回路３７を追加するだけで、その磁気軸受部２２〜２４によりプロペラファン１３などを積極的に加振制御することにより消音音源として機能させることができる。これにより、スピーカー等の音源（音圧発生装置）を別途設置することなく、その騒音を減衰・消音することができる。

また、この磁気軸受部２２〜２４は、回転軸１１を磁気力により浮上させて非接触支持することができるので、従来のボールベアリングなどのように磨耗により摺動音が変化して効果的な消音が不能になってしまうことがない。従って、その騒音音圧を減衰・消音する効果を永続的に得ることができ、また、その騒音音圧の経年的な変化や個体差も少なく、その消音効果を効果的に得ることができる。

この結果、静かにプロペラファン１３を回転させて送風することができる送風装置１０を、小型かつ安価に作製することができ、騒音音圧の消音効果を半永久的に継続・維持することができる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。例えば、送風装置に限らず、コンプレッサなどの回転機械などにも適用することもできる。

本発明に係る送風装置を構成する一実施形態を示す図であり、駆動部分の概略全体構成を示す縦断面図である。その制御部分を示すブロック図である。その駆動部分の動作を説明する縦断面図である。

符号の説明

１０送風装置
１１回転軸
１２ａ磁気軸受ユニット（本体部）
１２ｂ磁気軸受ユニット（先端部）
１３プロペラファン
１４ケーシング
２１モータ部
２１ａモータロータ
２１ｂモータステータ
２２，２４ラジアル磁気軸受部
２２ａ，２４ａラジアル磁性体
２２ｂ，２４ｂラジアル電磁石
２２ｃ〜２４ｃ変位センサ
２３アキシャル磁気軸受部
２３ａアキシャル磁性体
２３ｂアキシャル電磁石
２５音圧センサ
３１位置検出回路
３２軸受駆動パワーアンプ
３３軸受制御補償回路
３５加算回路
３６音圧検出回路
３７消音信号補償回路

Claims

インペラを含む回転体は、少なくとも１自由度方向は能動型磁気軸受により浮上支持された送風装置であって、前記インペラとは所定の間隔を持って流路内に音圧検出装置を備え、該音圧検出装置により得られた流路内の音圧信号より、非接触支持している回転体を前記能動型磁気軸受により加振させ、前記回転体を消音音源として機能させることを特徴とする送風装置。
前記能動型磁気軸受は、回転体の位置変位を検出する変位センサと、該変位センサの信号をもとに、前記回転体を非接触支持するための磁気吸引力或いは磁気反発力を発生させる電磁石とを備えたことを特徴とする請求項１記載の送風装置。
前記能動型磁気軸受は、前記位置変位に基づいて回転体を所定の目標位置に非接触支持する軸受制御補償回路を備えたことを特徴とする請求項２記載の送風装置。
前記能動型磁気軸受は、前記音圧検出装置から得られた音圧信号に基づいて前記回転体を加振することで発生する音圧により、当該音圧検出装置で計測される音圧信号を最小にする消音信号補償回路を備えたことを特徴とする請求項１記載の送風装置。