JP2008157439A - Magnetic bearing device and compressor for fuel cell - Google Patents
Magnetic bearing device and compressor for fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008157439A JP2008157439A JP2007113059A JP2007113059A JP2008157439A JP 2008157439 A JP2008157439 A JP 2008157439A JP 2007113059 A JP2007113059 A JP 2007113059A JP 2007113059 A JP2007113059 A JP 2007113059A JP 2008157439 A JP2008157439 A JP 2008157439A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- temperature
- magnetic bearing
- bearing device
- main shaft
- rotor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C2360/00—Engines or pumps
- F16C2360/42—Pumps with cylinders or pistons
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C2360/00—Engines or pumps
- F16C2360/44—Centrifugal pumps
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C2360/00—Engines or pumps
- F16C2360/44—Centrifugal pumps
- F16C2360/45—Turbo-molecular pumps
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C2380/00—Electrical apparatus
- F16C2380/26—Dynamo-electric machines or combinations therewith, e.g. electro-motors and generators
Abstract
Description
本発明は、複数対の磁気軸受を備え、回転主軸を軸方向又は径方向に非接触状態で支持して磁気浮上させる磁気軸受装置、及び、該磁気軸受装置を使用した燃料電池用コンプレッサに関する。 The present invention relates to a magnetic bearing device that includes a plurality of pairs of magnetic bearings and supports a rotary main shaft in a non-contact state in an axial direction or a radial direction and magnetically levitates, and a fuel cell compressor using the magnetic bearing device.
従来、磁気軸受装置として、フランジ部を一体的に備えるロータ(回転主軸)を、該ロータの軸方向(アキシャル方向)に非接触状態で支持する複数対のアキシャル電磁石又は径方向(ラジアル方向)に非接触状態で支持する複数対のラジアル電磁石を備える磁気軸受(軸方向又は径方向について、それぞれ一対の磁気軸受が備えられる。)、ロータの軸方向や径方向の位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出手段、並びに該位置検出信号に基づいて磁気軸受の各電磁石を制御する電磁石制御手段を備えたものが知られている(特許文献1参照)。 Conventionally, as a magnetic bearing device, a plurality of pairs of axial electromagnets or radial directions (radial directions) supporting a rotor (rotary main shaft) integrally provided with a flange portion in a non-contact state in the axial direction (axial direction) of the rotor. Magnetic bearings with multiple pairs of radial electromagnets supported in a non-contact state (a pair of magnetic bearings are provided for each of the axial and radial directions), and position detection signals by detecting the axial and radial positions of the rotor There is known a position detection means for outputting a signal and an electromagnet control means for controlling each electromagnet of a magnetic bearing based on the position detection signal (see Patent Document 1).
このような磁気軸受装置は、軸方向の位置を検出する位置検出手段として、ロータの軸方向の端面に対向した1個のアキシャル位置センサを備えており、径方向の位置を検出する位置検出手段として、ロータを互いに直交する2つの径方向の両側から挟むように配置された複数対のラジアル位置センサを備えている。 Such a magnetic bearing device is provided with one axial position sensor facing the axial end face of the rotor as position detecting means for detecting the position in the axial direction, and position detecting means for detecting the radial position. Are provided with a plurality of pairs of radial position sensors arranged so as to sandwich the rotor from both sides in two radial directions orthogonal to each other.
また、前記電磁石制御手段は、ロータの目標浮上位置信号と前記位置検出信号とに基づき電磁石制御信号を出力する電磁石制御信号出力部、及び該電磁石制御信号出力部から出力された電磁石制御信号に基づき電磁石を駆動する電磁石駆動部を備えている。 The electromagnet control means outputs an electromagnet control signal based on the target floating position signal of the rotor and the position detection signal, and based on the electromagnet control signal output from the electromagnet control signal output section. An electromagnet driving unit for driving the electromagnet is provided.
前記電磁石制御信号出力部は、磁気軸受の各電磁石に対する電磁石制御信号としての励磁電流信号を出力し、電磁石駆動部は、前記磁気軸受の各電磁石に対して、前記励磁電流信号に比例した励磁電流を供給する。ここで、各電磁石に対する励磁電流信号は、定常電流信号と制御電流信号を合わせたものであり、各電磁石に供給する励磁電流は、定常電流と制御電流を合わせたものである。定常電流値(定常電流信号値)は、ロータの軸方向及び径方向の位置にかかわらず一定であり、制御電流値(制御電流信号値)は、ロータの軸方向及び径方向の位置によって変化する。そして、軸方向及び径方向における各一対の磁気軸受について、制御電流値(制御電流信号値)の絶対値は互いに等しく、その符号は互いに逆である。 The electromagnet control signal output unit outputs an excitation current signal as an electromagnet control signal for each electromagnet of the magnetic bearing, and the electromagnet drive unit outputs an excitation current proportional to the excitation current signal to each electromagnet of the magnetic bearing. Supply. Here, the excitation current signal for each electromagnet is a combination of the steady current signal and the control current signal, and the excitation current supplied to each electromagnet is the combination of the steady current and the control current. The steady current value (steady current signal value) is constant regardless of the position of the rotor in the axial direction and the radial direction, and the control current value (control current signal value) varies depending on the position of the rotor in the axial direction and the radial direction. . And about each pair of magnetic bearing in an axial direction and radial direction, the absolute value of a control current value (control current signal value) is mutually equal, and the code | symbol is mutually reverse.
上記した磁気軸受装置には、ロータの可動範囲に対する軸方向及び径方向の機械的中心位置と、磁気軸受の各電磁石の位置に対する軸方向及び径方向の磁気的中心位置と、位置センサの位置に対する対センサ中心位置とがある。 In the magnetic bearing device described above, the axial and radial mechanical center positions with respect to the movable range of the rotor, the axial and radial magnetic center positions with respect to the positions of the electromagnets of the magnetic bearing, and the position of the position sensor. There is a center position with respect to the sensor.
ここで、機械的中心位置は、所謂タッチダウン軸受等の保護軸受により規制される可動範囲の中心の位置である。軸方向及び径方向の磁気的中心位置は、軸方向及び径方向に対をなす2個の電磁石の中心の位置である。軸方向の対センサ中心位置は、ロータの位置を検出する端面とアキシャル位置センサとの距離があらかじめ設定された所定値になる基準位置である。また、径方向の対センサ中心位置は、径方向に対をなす2個のラジアル位置センサの中心の位置となる。 Here, the mechanical center position is a center position of a movable range regulated by a protective bearing such as a so-called touchdown bearing. The magnetic center position in the axial direction and the radial direction is the position of the center of the two electromagnets paired in the axial direction and the radial direction. The center position of the pair of sensors in the axial direction is a reference position where the distance between the end surface for detecting the position of the rotor and the axial position sensor is a predetermined value set in advance. In addition, the center position of the pair of sensors in the radial direction is the center position of the two radial position sensors paired in the radial direction.
一般に、磁気軸受装置は、上記した機械的中心位置、磁気的中心位置、及び対センサ中心位置が全て一致するように設計される。そして、磁気軸受装置では、ロータが対センサ中心位置に保持されるように、即ち、ロータの中心が対センサ中心位置に一致するように、前記した電磁石制御手段によって、磁気軸受の各電磁石を制御するため、ロータは、磁気的中心位置に保持されるようになる。このようにロータが磁気的中心位置に保持される場合、軸方向又は径方向における一対の磁気軸受とロータとの離間距離は互いにほぼ同一となる。 Generally, the magnetic bearing device is designed so that the above-described mechanical center position, magnetic center position, and sensor center position all coincide. In the magnetic bearing device, each electromagnet of the magnetic bearing is controlled by the electromagnet control means so that the rotor is held at the center position of the sensor, that is, the center of the rotor coincides with the center position of the sensor. Therefore, the rotor is held at the magnetic center position. When the rotor is thus held at the magnetic center position, the distance between the pair of magnetic bearings and the rotor in the axial direction or the radial direction is substantially the same.
また、燃料電池を利用した自動車等の車両に搭載され、圧縮空気を当該燃料電池に供給するべく、インペラと、該インペラを軸支するロータ(回転主軸)とを有する磁気軸受装置を備えた燃料電池用コンプレッサが知られている(特許文献2)。この燃料電池用コンプレッサでは、インペラの先端近傍に、該インペラの回転により加圧されて内部に圧縮空気を生成するとともに該圧縮空気を外部に排出する通路にもなる加圧ボリュートが設けられている。
こうした燃料電池用コンプレッサでは、磁気軸受装置のロータの高速回転に伴い、主としてロータを回転駆動するステータコイルが発熱し、ロータ及びステータコイルを収容するハウジング内の空気を伝達してロータが加熱される。そして、該ロータが、その温度上昇による熱膨張によって軸方向にインペラ側で伸張し、インペラと加圧ボリュートとの離間距離が次第に縮まり、ついには両者が接触してインペラが大きな損傷を受けるという問題があった。 In such a fuel cell compressor, with the high-speed rotation of the rotor of the magnetic bearing device, the stator coil that mainly drives the rotor to generate heat generates heat, and the rotor and the rotor in the housing that houses the stator coil are transmitted to heat the rotor. . Then, the rotor expands axially on the impeller side due to thermal expansion due to the temperature rise, and the separation distance between the impeller and the pressure volute gradually decreases, and finally the two come into contact with each other and the impeller is seriously damaged. was there.
また、このような燃料電池用コンプレッサ用途以外にも、上述した磁気軸受装置では、ロータの熱膨張による軸方向の伸張によって、当該ロータ(ロータのフランジ部)が、ハウジングやアキシャル電磁軸受等の他の部位に接触し、該部位やロータが損傷する問題があった。 In addition to such fuel cell compressor applications, in the above-described magnetic bearing device, the rotor (the rotor flange portion) may become a housing, an axial electromagnetic bearing, or the like due to axial expansion caused by thermal expansion of the rotor. There was a problem that the part and the rotor were damaged.
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、回転主軸が高速回転等に伴う温度上昇により熱膨張した場合であっても、該回転主軸が他の部位に接触することなく安定した動作が確保される磁気軸受装置、及び、該磁気軸受装置を用いて安定した動作が実現される燃料電池用コンプレッサを提供することにある。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and the purpose of the present invention is that even if the rotation main shaft is thermally expanded due to a temperature rise caused by high-speed rotation or the like, the rotation main shaft is in another part. An object of the present invention is to provide a magnetic bearing device in which stable operation is ensured without being in contact with the fuel, and a fuel cell compressor in which stable operation is realized using the magnetic bearing device.
上記問題点を解決するために、請求項1に記載の発明は、回転主軸を軸方向に非接触状態で支持する一対の磁気軸受を備えた磁気軸受装置において、前記回転主軸の表面温度を推定する温度推定手段と、該温度推定手段によって推定された表面温度に基づき、前記一対の磁気軸受の各電磁石に通電する励磁電流を調節することで前記回転主軸の軸方向の位置を制御する電磁石制御手段と、をさらに備えること、を要旨とする。 In order to solve the above-described problems, the invention according to claim 1 estimates the surface temperature of the rotating main shaft in a magnetic bearing device including a pair of magnetic bearings that support the rotating main shaft in a non-contact state in the axial direction. And an electromagnet control for controlling the axial position of the rotating spindle by adjusting the excitation current applied to each electromagnet of the pair of magnetic bearings based on the surface temperature estimated by the temperature estimation unit And a means.
同構成によれば、温度推定手段によって推定された回転主軸の表面温度に基づき、電磁石制御手段によって調節された励磁電流を軸方向の一対の磁気軸受に通電することで回転主軸の軸方向における位置を制御することができる。これにより、該回転主軸が熱膨張により軸方向に伸張することによって、ハウジングや磁気軸受等の他の部位へ接触することを効果的に回避することができる。また、これにより、回転主軸とハウジングや磁気軸受等の他の部位の隙間を可能な限り小さくできるので、磁気軸受装置が適用される燃料電池用コンプレッサ等の小型化が実現される。 According to this configuration, the axial position of the rotating main shaft is obtained by passing the excitation current adjusted by the electromagnet control means to the pair of magnetic bearings in the axial direction based on the surface temperature of the rotating main shaft estimated by the temperature estimating means. Can be controlled. Accordingly, it is possible to effectively avoid contact with other parts such as the housing and the magnetic bearing by the rotation main shaft extending in the axial direction due to thermal expansion. This also makes it possible to make the gap between the rotating main shaft and other parts such as the housing and the magnetic bearing as small as possible, thereby realizing a reduction in the size of a fuel cell compressor to which the magnetic bearing device is applied.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の磁気軸受装置において、前記温度推定手段が、前記回転主軸を回転駆動するステータコイルの温度を測定する温度センサであること、を要旨とする。 The gist of a second aspect of the present invention is the magnetic bearing device according to the first aspect, wherein the temperature estimation means is a temperature sensor that measures the temperature of a stator coil that rotationally drives the rotary main shaft. .
同構成によれば、通常、電動モータ部の保護のためにステータコイルに配設されるサーミスタ温度センサ(過電流保護用PTCサーミスタ)等を回転主軸の表面温度の温度推定手段として利用でき、新たに温度推定手段を設ける必要がなくなり、磁気軸受装置の構造が簡単化される。 According to this configuration, a thermistor temperature sensor (overcurrent protection PTC thermistor) or the like disposed on the stator coil for protection of the electric motor unit can be used as a temperature estimation means for the surface temperature of the rotating spindle. It is no longer necessary to provide temperature estimation means for the magnetic bearing device, and the structure of the magnetic bearing device is simplified.
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の磁気軸受装置において、前記温度推定手段が、前記回転主軸の軸方向の位置を検出する位置センサの温度補償に用いられる温度補償用センサであること、を要旨とする。 According to a third aspect of the present invention, in the magnetic bearing device according to the first aspect, the temperature estimating means is a temperature compensation sensor used for temperature compensation of a position sensor that detects an axial position of the rotation main shaft. It is a summary.
同構成によれば、例えば、温度補償用センサによる常温(20℃)での出力を基準値とし、温度上昇に伴う基準値に対する出力の変化量から回転主軸の表面温度を推定することができる。また、このように、位置センサの温度補償に用いられる温度補償用センサを温度推定手段として用いることから、新たに温度推定手段を設ける必要がなくなり、磁気軸受装置の構造が簡単化される。 According to this configuration, for example, the output at normal temperature (20 ° C.) from the temperature compensation sensor can be used as a reference value, and the surface temperature of the rotating spindle can be estimated from the amount of change in the output with respect to the reference value as the temperature rises. Further, as described above, since the temperature compensation sensor used for temperature compensation of the position sensor is used as the temperature estimation means, it is not necessary to newly provide a temperature estimation means, and the structure of the magnetic bearing device is simplified.
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の磁気軸受装置において、前記位置センサ及び温度補償用センサは、いずれも過電流型フェライトコア位置センサからなること、を要旨とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a magnetic bearing device according to the third aspect, wherein each of the position sensor and the temperature compensation sensor comprises an overcurrent type ferrite core position sensor.
同構成によれば、過電流型フェライトコア位置センサのコイルに近接した導体が変位すると導体表面に流れる渦電流が変化して変わるコイルのインピーダンスが、さらに環境温度に対応して変化する性質を利用して過電流型フェライトコア位置センサからなる温度補償用センサを温度推定手段として用いることができるようになる。 According to this configuration, when the conductor close to the coil of the overcurrent type ferrite core position sensor is displaced, the eddy current flowing on the conductor surface changes and the impedance of the coil changes according to the ambient temperature. Thus, a temperature compensation sensor comprising an overcurrent type ferrite core position sensor can be used as the temperature estimation means.
請求項5に記載の発明は、請求項1〜請求項4のいずれかに記載の磁気軸受装置において、前記電磁石制御手段が、前記回転主軸の温度上昇に伴って該回転主軸が目標浮上位置からシフトするシフト量に基づいて前記一対の磁気軸受に通電する励磁電流を調節し、前記回転主軸の軸方向の位置を制御すること、を要旨とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the magnetic bearing device according to any one of the first to fourth aspects, the electromagnet control means causes the rotation main shaft to move from the target floating position as the temperature of the rotation main shaft increases. The gist is to control an axial position of the rotating main shaft by adjusting an exciting current to be supplied to the pair of magnetic bearings based on a shift amount to be shifted.
同構成によれば、電磁石制御手段によって、回転主軸の温度上昇に伴って該回転主軸が目標浮上位置からシフトするシフト量に応じた制御電流を定常電流に合わせることで一対の磁気軸受に通電する励磁電流を調節し、これにより回転主軸の軸方向の位置を制御し、回転主軸の他の部位への接触を回避することができる。 According to the configuration, the pair of magnetic bearings is energized by adjusting the control current according to the shift amount that the rotation main shaft shifts from the target levitation position to the steady current by the electromagnet control means with the temperature increase of the rotation main shaft. By adjusting the excitation current, thereby controlling the position of the rotating spindle in the axial direction, contact with other parts of the rotating spindle can be avoided.
請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の磁気軸受装置において、前記電磁石制御手段が、前記回転主軸の温度上昇に伴って該回転主軸が目標浮上位置からシフトするシフト量が0になるように前記回転主軸の軸方向の位置を制御すること、を要旨とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the magnetic bearing device according to the fifth aspect, the electromagnet control means causes the shift amount of the rotational main shaft to shift from the target flying position to zero as the temperature of the rotational main shaft increases. The gist is to control the position of the rotating main shaft in the axial direction.
同構成によれば、電磁石制御手段によって、回転主軸の温度上昇に伴って該回転主軸が目標浮上位置からシフトするシフト量に応じた制御電流を定常電流に合わせることで一対の磁気軸受に通電する励磁電流を調節し、回転主軸の軸方向の位置を制御し、制御回転主軸の熱膨張による軸方向の伸張分、当該回転主軸を軸方向にオフセット(移動)させることができる。これにより、該回転主軸が熱膨張により軸方向に伸張することによって、それ自体を収容するハウジングや磁気軸受等の他の部位への接触を確実に回避することができる。 According to the configuration, the pair of magnetic bearings is energized by adjusting the control current according to the shift amount that the rotation main shaft shifts from the target levitation position to the steady current by the electromagnet control means with the temperature increase of the rotation main shaft. It is possible to adjust the excitation current, control the axial position of the rotation main shaft, and offset (move) the rotation main shaft in the axial direction by the axial expansion due to thermal expansion of the controlled rotation main shaft. As a result, the rotation main shaft extends in the axial direction due to thermal expansion, so that it is possible to reliably avoid contact with other parts such as a housing or a magnetic bearing that accommodates the rotation main shaft.
請求項7に記載の発明は、燃料電池に圧縮空気を供給するインペラを先端部で支持する回転主軸を備えた燃料電池用コンプレッサにおいて、前記回転主軸を非接触状態で支持するべく、請求項1〜請求項6のいずれかに記載の磁気軸受装置を用いること、を要旨とする。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a fuel cell compressor including a rotating main shaft that supports an impeller for supplying compressed air to the fuel cell at a tip portion thereof, so as to support the rotating main shaft in a non-contact state. The gist is to use the magnetic bearing device according to claim 6.
同構成によれば、燃料電池用コンプレッサにおいて、磁気軸受装置の温度推定手段によって推定された回転主軸の表面温度に基づき、磁気軸受装置の電磁石制御手段によって調節された励磁電流を軸方向の一対の磁気軸受に通電することで回転主軸の軸方向における位置を制御することができる。これにより、該回転主軸が熱膨張により軸方向に伸張することによって、同回転主軸に軸支されたインペラと、加圧ボリュートとの離間距離が温度上昇とともに縮まり、ついには該インペラが加圧ボリュートに接触する不具合を効果的に回避することができる。また、これにより、燃料電池用コンプレッサにおいて、インペラと加圧ボリュート等の他の部位の隙間を可能な限り小さくできるので、小型化が実現される。 According to this configuration, in the fuel cell compressor, the excitation current adjusted by the electromagnet control means of the magnetic bearing device based on the surface temperature of the rotating spindle estimated by the temperature estimation means of the magnetic bearing device is used as a pair of axial directions. By energizing the magnetic bearing, the position of the rotary main shaft in the axial direction can be controlled. As a result, the rotation main shaft expands in the axial direction due to thermal expansion, so that the separation distance between the impeller pivotally supported on the rotation main shaft and the pressure volute is reduced as the temperature rises, and finally the impeller is moved to the pressure volute. It is possible to effectively avoid the problem of touching. In addition, as a result, in the fuel cell compressor, the gap between the other parts such as the impeller and the pressurized volute can be made as small as possible, so that downsizing is realized.
請求項8に記載の発明は、外部に圧縮空気を供給するインペラを先端部で支持する回転主軸を備えたターボ型コンプレッサにおいて、前記回転主軸を非接触状態で支持するべく、請求項1〜請求項6のいずれかに記載の磁気軸受装置を用いること、を要旨とする。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a turbo-type compressor having a rotating main shaft that supports an impeller for supplying compressed air to the outside at a tip portion thereof, so as to support the rotating main shaft in a non-contact state. The gist is to use the magnetic bearing device according to any one of Items 6.
同構成によれば、汎用のターボ型コンプレッサにおいて、磁気軸受装置の温度推定手段によって推定された回転主軸の表面温度に基づき、磁気軸受装置の電磁石制御手段によって調節された励磁電流を軸方向の一対の磁気軸受に通電することで回転主軸の軸方向における位置を制御することができる。これにより、該回転主軸が熱膨張により軸方向に伸張することによって、同回転主軸に軸支されたインペラと、加圧ボリュートとの離間距離が温度上昇とともに縮まり、ついには該インペラが加圧ボリュートに接触する不具合を効果的に回避することができる。また、これにより、汎用のターボ型コンプレッサにおいて、インペラと加圧ボリュート等の他の部位の隙間を可能な限り小さくできるので、小型化が実現される。 According to this configuration, in a general-purpose turbo compressor, the excitation current adjusted by the electromagnet control means of the magnetic bearing device is applied to the axial direction based on the surface temperature of the rotating spindle estimated by the temperature estimation means of the magnetic bearing device. By energizing the magnetic bearing, the position of the rotary spindle in the axial direction can be controlled. As a result, the rotation main shaft expands in the axial direction due to thermal expansion, so that the separation distance between the impeller pivotally supported on the rotation main shaft and the pressure volute is reduced as the temperature rises, and finally the impeller is moved to the pressure volute. It is possible to effectively avoid the problem of touching. In addition, as a result, in a general-purpose turbo compressor, the gap between other parts such as an impeller and a pressure volute can be made as small as possible, so that downsizing is realized.
本発明によれば、回転主軸が高速回転等に伴う温度上昇により熱膨張した場合であっても、該回転主軸が他の部位に接触することなく安定した動作が確保される磁気軸受装置、及び、該磁気軸受装置を用いて安定した動作が実現される燃料電池用コンプレッサを提供することが可能となる。 According to the present invention, even when the rotation main shaft is thermally expanded due to a temperature rise accompanying high-speed rotation or the like, a magnetic bearing device that ensures stable operation without the rotation main shaft contacting other parts, and Thus, it is possible to provide a fuel cell compressor that realizes stable operation using the magnetic bearing device.
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
<第1実施形態>
本実施形態の磁気軸受装置は、自動車等の車両に搭載され、該車両の動力源としての燃料電池に主として空気を圧縮状態として供給する燃料電池用コンプレッサに適用されるものである。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
<First Embodiment>
The magnetic bearing device of this embodiment is applied to a fuel cell compressor that is mounted on a vehicle such as an automobile and supplies mainly compressed air to a fuel cell as a power source of the vehicle.
図1に示すように、前記燃料電池用コンプレッサ1は、燃料電池に圧縮された空気を供給するインペラ11と、該インペラ11を回転駆動するための電動モータ部10とを備えている。この燃料電池用コンプレッサ1は、車両内において、図1に示す水平状態で使用される(図1においては、ロータ12の軸方向と直交する方向が鉛直方向となる)。
As shown in FIG. 1, the fuel cell compressor 1 includes an
前記電動モータ部10は、インペラ11を先端部12tで軸支するロータ12(回転主軸)及び該ロータ12を回転駆動するステータコイル13を備えている。該ステータコイル13のコイル巻線部13aには、過電流保護用のサーミスタ温度センサ20が配設されている。そして、該インペラ11と電動モータ部10とは、有底円筒状のハウジング15内に収容されている。
The
前記インペラ11は、ハウジング15の一部を構成する加圧ボリュート16内に回転可能に収容されている。ここで、加圧ボリュート16には、空気を燃料電池用コンプレッサ1内部に導入する空気導入路16aと、圧縮空気を燃料電池用コンプレッサ1外部に排出する空気排出路16bとが設けられている。そして、ロータ12の回転駆動によるインペラ11の回転により、空気が空気導入路16aを通って矢印a1の方向に導入されて加圧され、さらに圧縮状態にて空気排出路16bを通って矢印a2の方向に排出され、図示しない加湿機を経由して車両の燃料電池に供給されるようになっている。
The
前記ロータ12は、その中央部位が径方向外方に膨出して大径部12cを形成しており、その先端側(インペラ11側)及び後端側には、前記大径部12cを挟み込むように、鉄等の磁性体からなる前後一対の円盤状のフランジ部12a,12bが相対回転不能に設けられている。そして、該ロータ12は、それぞれ、前記フランジ部12a,12bを、ハウジング15に固設された前後一対のアキシャル磁気軸受21,22(該アキシャル磁気軸受21,22の鉄製のヨーク部には、コイル巻線21a,22aが巻回され、複数の電磁石を構成している。)に対面させて軸方向(アキシャル方向)に非接触状態で支持されるとともに、同ハウジング15に前記アキシャル磁気軸受21,22に挟まれる位置にて固設された前後一対のラジアルフォイル軸受17a,17bによって径方向(ラジアル方向)に非接触状態で支持される。尚、図1に示す電動モータ部10においては、前記ロータ12の軸方向の位置(変位)を検出して位置検出信号を出力するアキシャル位置センサ23pがセンサブロック23に固設された状態でハウジング15の底部15aの中央位置に配設されている。
The
本実施形態の磁気軸受装置2は、図1及び図2を参照して、前記したアキシャル磁気軸受21,22、位置検出手段としてのアキシャル位置センサ23p、ロータ12の表面温度を推定する温度推定手段としてのサーミスタ温度センサ20、及び、以下に説明する機械本体201と、前記アキシャル位置センサ23pより出力された位置検出信号に基づいて前記アキシャル磁気軸受21,22の各電磁石を制御する電磁石制御手段としてのコントローラ202とを備えている。以下、ロータ12の軸方向をZ軸、Z軸と直交するとともに互いに直交する2つの径方向をX軸、Y軸とする。また、Z軸に沿った数値(位置又は距離)をZ0、Z、ΔZ、ΔL0、ΔL、ΔLmaxで表記する。
1 and 2, the
前記機械本体201は、図2を参照して、ロータ12をZ軸方向に非接触状態で支持する前後一対のアキシャル磁気軸受21,22、ロータ12をZ軸方向に離間した2箇所において、X軸方向及びY軸方向に非接触状態で支持するラジアルフォイル軸受17a,17b、ロータ12のZ軸方向の位置を検出して位置検出信号を出力するアキシャル位置センサ23p、ロータ12の表面温度を推定する温度推定手段として用いられるサーミスタ温度センサ20、及びロータ12を高速回転させる電動モータ部10を備えている。
Referring to FIG. 2, the machine
前記コントローラ202は、アキシャル位置センサ23pに電気的に接続された位置センサ回路23a、サーミスタ温度センサ20に電気的に接続された温度センサ回路20a、ロータ12の目標浮上位置信号とアキシャル位置センサ23pからの位置検出信号とに基づき電磁石制御信号を出力する電磁石制御信号出力部としてのDSP(DSP:Digital Signal Processor;デジタル信号処理装置)ボード24、該DSPボード24から出力された電磁石制御信号に基づきアキシャル磁気軸受21,22の各電磁石を駆動する電磁石駆動部としての磁気軸受駆動回路25、及び前記電動モータ部10を制御するインバータ回路26を備えている。ここで、DSPボード24には、プログラムが可能なデジタル処理手段としてのDSP24a、記憶手段としてのROM24b及びフラッシュメモリ24c、A/D変換器24d、並びにD/A変換器25eが図2に示す接続状態で配設されている。ここで、ROM24bには、ロータ12の目標浮上位置Z0に関する情報と、DSP24aで処理されるプログラムが格納されており、フラッシュメモリ24cには、アキシャル磁気軸受21,22の制御パラメータを記憶した制御パラメータテーブル、バイアス電流値(定常電流値)を記憶したバイアス電流値テーブルが設けられている。
The
前記位置センサ回路23aは、前記アキシャル位置センサ23pを駆動し、該アキシャル位置センサ23pの出力であるロータ12の下端面との空隙の大きさに比例する位置検出信号に基づいて、ロータ12のZ軸方向の位置を演算し、その演算結果である位置検出信号ZasをA/D変換器24dを介してDSP24aに出力する。
The
前記温度センサ回路20aは、前記サーミスタ温度センサ20を駆動し、該サーミスタ温度センサ20の出力である温度信号ts(ロータ12の表面温度信号)に基づいて、前記ROM24bに記憶されたロータ12の目標浮上位置Z0から減算するオフセット量ΔZを演算し、その演算結果である補正浮上位置信号(Z0−ΔZ)をA/D変換器24dを介してDSP24aに出力し、フラッシュメモリ24cに記憶させる。
The
前記DSP24aは、前記ROM24bに格納されたプログラムに従い、Z軸方向について、A/D変換器24dから入力されるロータ12の位置検出信号Zasと、前記フラッシュメモリ24cに記憶された補正浮上位置信号(Z0−ΔZ)とに基づき、PID動作により、前記アキシャル磁気軸受21,22の各電磁石に対する電磁石制御信号を計算し、これをD/A変換器25eを介して磁気軸受駆動回路25に出力する。
The
そして、該磁気軸受駆動回路25は、DSP24aからの電磁石制御信号に基づく制御電流を定常状態における定常電流に合わせた励磁電流をアキシャル磁気軸受21,22の各電磁石に供給することで、ロータ12を補正浮上位置に非接触状態で支持するようにフィードバック制御するようになる。即ち、磁気軸受装置2においては、ロータ12の中心が、機械的中心位置、磁気的中心位置、及び対センサ中心位置に一致するようになる。
The magnetic
一方、DSP24aは、電動モータ部10に対する回転数指令信号をインバータ回路26に出力し、該インバータ回路26は、回転数指令信号に基づき電動モータ部10の回転数を制御する。これにより、ロータ12は、前記アキシャル磁気軸受21,22及びラジアルフォイル軸受17a,17bによって目標浮上位置又は補正浮上位置において非接触状態で支持され、電動モータ部10によって回転駆動される。
On the other hand, the
尚、本実施形態において、前記したオフセット量ΔZは、前記温度センサ回路20aにおいて、以下のようにして計算される。即ち、図3(a)及び図3(b)を参照して、ロータ12が高速回転し、該ロータ12を回転駆動するステータコイル13の発熱等により、ハウジング15内の空気を伝達してロータ12が加熱された場合において、ロータ12が目標浮上位置Z0で回転する定常運転時のロータ12のインペラ11側の伸張量、即ち、ロータ12の目標浮上位置のシフト量をΔL0、定常運転時のロータ12の表面温度をt0(℃)、ロータ12の高速回転時の最大のシフト量をΔLmax、そのときのロータ12の表面温度をtmax(℃)とする。
In the present embodiment, the offset amount ΔZ described above is calculated in the
すると、表面温度がt(℃)のときのロータ12のインペラ11側のシフト量ΔLは、概ね表面温度差(t−t0)に比例すると考えられるので、下式1で与えられる。
ΔL=ΔL0+(ΔLmax−ΔL0)・(t−t0)/(tmax−t0)…(式1)
ここで、ロータ12の表面温度t(℃)は、主としてステータコイル13の発熱に由来するので、前記したサーミスタ温度センサ20からの温度信号tsに比例すると考えることができる。よって、比例定数をkとすると、下式2で与えられる。
Then, since the shift amount ΔL on the
ΔL = ΔL 0 + (ΔL max −ΔL 0 ) · (t−t 0 ) / (t max −t 0 ) (Expression 1)
Here, since the surface temperature t (° C.) of the
t=k・ts…(式2)
この式2と上式1より、下式3が得られる。
ΔL=ΔL0+・(ΔLmax−ΔL0)・(k・ts−t0)/(tmax−t0)…(式3)
前記オフセット量ΔZは、表面温度がt(℃)のときのロータ12の浮上位置のシフト量ΔLから定常運転時のシフト量ΔL0を減じた値である(ΔL―ΔL0)、即ち、前記オフセット量ΔZは、ロータ12の温度上昇に伴って該ロータ12が目標浮上位置Z0からシフトするシフト量と一致させればよい。換言すれば、ロータ12の温度上昇に伴って該ロータ12が目標浮上位置Z0からシフトするシフト量である(ΔL―ΔL0)が結果的に0になるようにオフセット量ΔZを調節すればよいので、当該オフセット量ΔZは、上式3より、下式4のとおりに計算される。
t = k · ts (Expression 2)
From this
ΔL = ΔL 0 + · (ΔL max −ΔL 0 ) · (k · ts−t 0 ) / (t max −t 0 ) (Equation 3)
The offset amount ΔZ, the surface temperature is a value obtained by subtracting the shift amount [Delta] L 0 of the steady operation from the shift amount [Delta] L of the floating position of the
ΔZ=ΔL―ΔL0=(ΔLmax−ΔL0)・(k・ts−t0)/(tmax−t0)…(式4)
以上、本実施形態の磁気軸受装置2によれば、以下のような作用・効果を得ることができる。
ΔZ = ΔL−ΔL 0 = (ΔL max −ΔL 0 ) · (k · ts−t 0 ) / (t max −t 0 ) (Expression 4)
As described above, according to the
(1)本実施形態では、温度推定手段としてのサーミスタ温度センサ20によって推定されたロータ12の表面温度t(℃)に基づき、電磁石制御手段としてのコントローラ202によって、ロータ12を収容するハウジング15に軸方向に配設された前後一対のアキシャル磁気軸受21,22に通電する励磁電流が調節される。これにより、ロータ12のZ軸方向の位置が制御され、ロータ12の熱膨張によるZ軸方向のインペラ11側の伸張分、当該ロータ12をZ軸方向にオフセット(移動)させることができる。これにより、該ロータ12がハウジング15やラジアルフォイル軸受17a,17b等の他の部位へ接触することを確実に回避することができる。
(1) In the present embodiment, based on the surface temperature t (° C.) of the
(2)本実施形態では、通常、電動モータ部10の保護のためにステータコイル13に配設されるサーミスタ温度センサ20をロータ12の表面温度の温度推定手段として利用でき、新たに温度推定手段を設ける必要がなくなり、磁気軸受装置の構造が簡単化される。
(2) In the present embodiment, normally, the
(3)本実施形態では、燃料電池用コンプレッサ1において、磁気軸受装置2の温度推定手段であるサーミスタ温度センサ20によって推定されたロータ12の表面温度t(℃)に基づき、磁気軸受装置2の電磁石制御手段であるコントローラ202によって、ハウジング15のZ軸方向に配設された前後一対のアキシャル磁気軸受21,22に通電する励磁電流が調節される。これにより、ロータ12のZ軸方向の位置が制御され、ロータ12の熱膨張によるZ軸方向のインペラ11側の伸張分、当該ロータ12をZ軸方向にオフセットさせることができる。これにより、該ロータ12が熱膨張によりZ軸方向に伸張することによって、同ロータ12に軸支されたインペラ11と、加圧ボリュート16との離間距離が温度上昇とともに縮まり、ついには該インペラ11が加圧ボリュート16に接触する不具合を効果的に回避することができるようになる。また、これにより、燃料電池用コンプレッサ1において、インペラ11と加圧ボリュート16等の他の部位の隙間を可能な限り小さくできるので、設計の自由度が高まり、燃料電池用コンプレッサ1の小型化が実現される。
(3) In the present embodiment, in the fuel cell compressor 1, based on the surface temperature t (° C.) of the
<第2実施形態>
本実施形態では、第1実施形態で温度推定手段として用いた過電流保護用のサーミスタ温度センサ20に代えて、同温度推定手段としてロータ12(回転主軸)のZ軸方向の位置を検出するアキシャル位置センサ23pの温度補償に用いられる温度補償用センサを用いる以外は、第1実施形態と同様の構成であり、以下、特に説明する場合を除いて共通する部分には同一の又は対応する符号を付してその説明を省略する。
<Second Embodiment>
In this embodiment, instead of the overcurrent protection
本実施形態の機械本体201aは、図4を参照して、ロータ12のZ軸方向の位置を検出して位置検出信号を出力するアキシャル位置センサ23p、該アキシャル位置センサ23pの温度補償に用いられる温度補償用センサ23bを備えている。
The machine main body 201a of this embodiment is used for temperature compensation of the axial position sensor 23p, which detects the position of the
尚、図5(a)に示すように、アキシャル位置センサ23p及び温度補償用センサ23bは、ハウジング15の底部15aの中央位置に設けられた円盤状のセンサブロック23に互いに近接する状態で固設されている。
As shown in FIG. 5A, the axial position sensor 23p and the
詳しくは、図5(a)を参照して、アキシャル位置センサ23p及び温度補償用センサ23bは、いずれも過電流型フェライトコア位置センサからなり、フェライトコア23sと、該フェライトコア23sの周囲に巻回されたコイル23cを備えている。図5(a)に示すアキシャル位置センサ23pは、ロータ12の中心軸上に位置しており、ロータ12との離間距離を正確に検出可能な状態とされている。一方、温度補償用センサ23bには、フェライトコア23sと対向するようにダミーターゲット23gが設けられており、該フェライトコア23sとダミーターゲット23gとの常時一定の離間距離を検出可能な状態とされている。この離間距離は、常温(20℃)におけるアキシャル位置センサ23pとロータ12の端面(被検出面)との離間距離と等しくなるように設定している。また、ダミーターゲット23gは、ロータ12と同種の金属材料により構成されており、温度補償用センサ23bにおいて、前記ダミーターゲット23gとフェライトコア23sとの間には、樹脂からなる厚さが均一のスペーサ23dが介装されている。
Specifically, referring to FIG. 5A, the axial position sensor 23p and the
また、センサブロック23は、金属材料からなるセンサブロック本体23hと、アキシャル位置センサ23p及び温度補償用センサ23bと、位置センサ回路23a及び温度補償用センサ回路20bとを電気的に接続する配線部分を固定する樹脂部分からなる。そして、アキシャル位置センサ23p及び温度補償用センサ23bは、前記センサブロック本体23hに固定されている。
The
そして、アキシャル位置センサ23p及び温度補償用センサ23bにおいては、コイル23cに近接した導体が変位すると導体表面に流れる渦電流が変化してコイル23cのインピーダンスが変わる性質を利用し、導体の変位とアキシャル位置センサ23p及び温度補償用センサ23bとしての過電流型フェライトコア位置センサによる出力の関係から導体の位置が推定されるように構成されている。
The axial position sensor 23p and the
本実施形態のコントローラ202aは、図4を参照して、アキシャル位置センサ23pに電気的に接続された位置センサ回路23a、温度補償用センサ23bに電気的に接続された温度補償用センサ回路20bを備えている。また、DSPボード24eには、温度補償用センサ23bに接続されたA/D変換器25f、位置センサ回路23aに接続されたA/D変換器25dが配設されている。
Referring to FIG. 4, the
前記位置センサ回路23aは、第1実施形態と同様に、前記アキシャル位置センサ23pを駆動し、該アキシャル位置センサ23pの出力であるロータ12の下端面との空隙の大きさに比例する距離信号に基づいて、ロータ12のZ軸方向の位置を演算し、その演算結果である位置検出信号ZasをA/D変換器25dを介してDSP24aに出力する。
As in the first embodiment, the
前記温度補償用センサ回路20bは、前記温度補償用センサ23bを駆動し、該温度補償用センサ23bの出力であるダミーターゲット23gとの離間距離に比例する距離信号に基づいて、ダミーターゲット23gのZ軸方向の位置を演算し、その演算結果である位置検出信号ZcsをA/D変換器25fを介してDSP24aに出力する。また、位置検出信号Zcsの一部は、位置センサ回路23aの出力側に設けられた比較器27にも出力され、該比較器27において位置センサ回路23aからの出力である位置検出信号Zasとの偏差がとられ、さらにその偏差(Zas−Zcs)に基づく信号がDSP24aに入力され、ROM24bに格納されたプログラムにより処理される。
The temperature
以下、アキシャル位置センサ23p及び温度補償用センサ23bの動作についてさらに詳細に説明する。アキシャル位置センサ23pに対してロータ12が変位すると、即ち、アキシャル位置センサ23pとロータ12との離間距離Zaが変わると、アキシャル位置センサ23pから、前記位置センサ回路23aを介してDSP24aに前記離間距離Zaに応じた位置検出信号Zasが出力される。
Hereinafter, the operations of the axial position sensor 23p and the
図5(b)に示すように、この位置検出信号Zasは、アキシャル位置センサ23pとロータ12との離間距離Zaの増加に対して反比例的に減少する。尚、図5(b)において、離間距離Za=Zac(Zac:離間距離Zaにおける所定距離)のときの位置検出信号Zas=Zas(Za=Zac)とする。
As shown in FIG. 5B, the position detection signal Zas decreases in inverse proportion to the increase in the separation distance Za between the axial position sensor 23p and the
また、図5(c)に示すように、離間距離Za=Zacのときの位置センサ回路23aを介したアキシャル位置センサ23pの出力である位置検出信号Zasは、アキシャル位置センサ23pの環境温度t(℃)、即ち、センサブロック23の温度に対して一次関数的に増加する。また、温度補償用センサ23bの温度補償用センサ回路20bを介した出力である位置検出信号Zcsも同様に、温度補償用センサ回路20bの環境温度t(℃)、即ち、アキシャル位置センサ23pの環境温度t(℃)と等しいセンサブロック23の温度に対して一次関数的に増加する。
Further, as shown in FIG. 5C, the position detection signal Zas, which is the output of the axial position sensor 23p via the
ここで、図4に示す比較器27により位置検出信号Zasと位置検出信号Zcsの差分(偏差)(Zas−Zcs)をとると、該差分は、位置検出信号Zasにおいて、環境温度t(℃)の変化による影響(バックグランド)が除外された信号となる、即ち、温度ドリフト分が位置検出信号Zcsにより相殺されるので、本実施形態では、位置検出信号Zasそのものではなく、正確にいえば、該差分(Zas−Zcs)に基づいてロータ12の浮上位置が制御されることとなる。尚、図5(c)において、環境温度(常温)20℃のときの温度補償用センサ23bの温度補償用センサ回路20bを介した出力(位置検出信号)をZcs(t=20℃)とする。
Here, when the difference (deviation) (Zas−Zcs) between the position detection signal Zas and the position detection signal Zcs is taken by the
そして、図5(c)を参照して、任意の環境温度t1(℃)のときの温度補償用センサ23bによる位置検出信号をZcs(t=t1℃)とすると、前述のとおり、位置検出信号Zcsは、環境温度t(℃)に対して一次関数的に増加するので、aを線形部分の比例定数として、下式5が成立する。
Then, referring to FIG. 5C, when the position detection signal from the
Zcs(t=t1℃)−Zcs(t=20℃)=a・(t1−20)…(式5)
上式5をt1について変形すると、下式6が得られる。
t1=(1/a)・(Zcs(t=t1℃)−Zcs(t=20℃))+20
=(1/a)・Zcs(t=t1℃)+20−(1/a)・Zcs(t=20℃)…(式6)
ここで、20−(1/a)・Zcs(t=20℃)≒0、即ち、Zcs(t=20℃)≒20aとなるように、温度補償用センサ23bから入力される位置検出信号のゲイン(増幅率)を温度補償用センサ回路20bにて調節してZcsが得られることとすれば、環境温度t1(℃)は、下式7で表される。
Zcs (t = t1 ° C.) −Zcs (t = 20 ° C.) = A · (t 1 −20) (Formula 5)
When the above equation 5 is transformed with respect to t 1 , the following equation 6 is obtained.
t 1 = (1 / a) · (Zcs (t = t 1 ° C.) − Zcs (t = 20 ° C.) ) + 20
= (1 / a) · Zcs (t = t1 ° C.) + 20− (1 / a) · Zcs (t = 20 ° C.) (Formula 6)
Here, 20− (1 / a) · Zcs (t = 20 ° C.) ≈0, that is, Zcs (t = 20 ° C.) ≈20a, the position detection signal input from the
t1=(1/a)・Zcs(t=t1℃)…(式7)
つまり、温度補償用センサ23bによる位置検出信号Zcsは、温度補償用センサ23bの環境温度t(℃)に比例すると考えることができる。さらに、ロータ12の表面温度t(℃)は温度補償用センサ23bの環境温度t(℃)、即ち、センサブロック23の温度とともに上昇し、該温度に比例すると考えることができるので、この比例定数をk´とすると、ロータ12の表面温度t(℃)は、下式8で与えられる。
t 1 = (1 / a) · Zcs (t = t 1 ° C.) (Expression 7)
That is, it can be considered that the position detection signal Zcs by the
t=k´・Zcs…(式8)
この式8を用いて、第1実施形態と同様な方法によって、第1実施形態にいうオフセット量ΔZを求めると、下式9のとおりとなる。
t = k ′ · Zcs (Expression 8)
When the offset amount ΔZ referred to in the first embodiment is obtained by using the equation 8 by the same method as in the first embodiment, the following equation 9 is obtained.
ΔZ=(ΔLmax−ΔL0)・(k´・Zcs−t0)/(tmax−t0)…(式9)
以上、本実施形態の磁気軸受装置2によれば、第1実施形態で得られる作用・効果と同等の作用・効果に加えて、さらに以下のような作用・効果を得ることができる。
ΔZ = (ΔL max −ΔL 0 ) · (k ′ · Zcs−t 0 ) / (t max −t 0 ) (Equation 9)
As described above, according to the
(4)本実施形態では、温度補償用センサ23bによる常温(20℃)での出力である位置検出信号Zcs(t=20℃)を基準値とし、温度上昇に伴う当該基準値Zcs(t=20℃)に対する出力である位置検出信号Zcsの変化量(Zcs(t=t1℃)−Zcs(t=20℃))からロータ12の表面温度t(℃)を推定することができる。また、このように、アキシャル位置センサ23pの温度補償に用いられる温度補償用センサ23bを温度推定手段として用いることから、新たに温度推定手段を設ける必要がなくなり、磁気軸受装置2の構造が簡単化される。
(4) In this embodiment, the position detection signal Zcs (t = 20 ° C.) , which is an output at normal temperature (20 ° C.) by the
(5)本実施形態では、過電流型フェライトコア位置センサのコイル23cに近接した導体が変位すると導体表面に流れる渦電流が変化して変わるコイル23cのインピーダンスが、さらに環境温度t(℃)に対応して変化する性質を利用して過電流型フェライトコア位置センサからなる温度補償用センサ23bを温度推定手段として用いることができるようになる。
(5) In this embodiment, when the conductor close to the
尚、上記実施形態は、以下のように変形してもよい。
・上記各実施形態では、ロータ12の径方向の軸受として、ラジアルフォイル軸受17a,17bを用いたが、ロータ12を径方向に非接触状態で支持するラジアル磁気軸受を用いることも可能である。
The above embodiment may be modified as follows.
In each of the above embodiments, the
・上記各実施形態では、演算処理にDSP24aを用いたが、これに限定されるものではなく、例えばパーソナルコンピュータ、CPU(中央演算処理装置)等、DSP以外のものでもよい。
In each of the above embodiments, the
・上記各実施形態では、ロータ12が固定部分であるハウジング15の内側で回転するインナロータ型の磁気軸受装置について説明したが、本発明の技術的思想は、ロータ12が固定部分であるハウジング15の外側で回転するアウタロータ型の磁気軸受装置にも適用可能である。
In each of the above embodiments, the inner rotor type magnetic bearing device that rotates inside the
・上記第1実施形態では、温度推定手段としてロータ12を回転駆動するステータコイル13の温度を測定するサーミスタ温度センサ20を用いたが、他の実施例として、ロータ12(回転主軸)の表面温度を測定する非接触式の温度計を適宜配置してもよい。また、コンプレッサの場合は、圧縮空気の排出路に熱電対などを配置して排気温度を測定した結果からロータ12の表面温度を推定する(温度推定手段を設ける)ことも可能である。
In the first embodiment, the
・上記各実施形態では、磁気軸受装置を燃料電池用コンプレッサに適用した例を示したが、本発明の磁気軸受装置は、その他のターボ分子ポンプなどの圧縮空気を製造する汎用のターボ型コンプレッサにも同様にして適用することができる。 In each of the above embodiments, an example in which the magnetic bearing device is applied to a fuel cell compressor has been shown. However, the magnetic bearing device of the present invention is applied to a general-purpose turbo compressor for producing compressed air such as other turbo molecular pumps. Can be applied in the same manner.
・上記第2実施形態では、温度補償用センサ23bをハウジング15の底部15aの中央位置に配置したセンサブロック23に固設したが、位置検出信号Zasの温度ドリフト分が位置検出信号Zcsにより相殺できる限り、その他にも温度上昇が高いインペラ11側のハウジング15や、アキシャル磁気軸受21,22のいずれかに配設することも可能である。
In the second embodiment, the
・上記第2実施形態では、温度補償用センサ23bのダミーターゲット23gは、ロータ12と同種の金属材料により構成したが、位置検出信号Zasの温度ドリフト分が位置検出信号Zcsにより相殺できる限り、その他の材料、例えば、アルミニウムや電磁鋼板により構成することも可能である。
In the second embodiment, the dummy target 23g of the
1…燃料電池用コンプレッサ、2…磁気軸受装置、11…インペラ、12…ロータ(回転主軸)、13…ステータコイル、20…サーミスタ温度センサ(温度推定手段)、21,22…アキシャル磁気軸受、23…センサブロック、23b…温度補償用センサ、23p…アキシャル位置センサ、201,201a…機械本体、202,202a…コントローラ(電磁石制御手段)。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell compressor, 2 ... Magnetic bearing apparatus, 11 ... Impeller, 12 ... Rotor (rotary main shaft), 13 ... Stator coil, 20 ... Thermistor temperature sensor (temperature estimation means), 21, 22 ... Axial magnetic bearing, 23 ... sensor block, 23b ... temperature compensation sensor, 23p ... axial position sensor, 201, 201a ... machine body, 202, 202a ... controller (electromagnet control means).
Claims (8)
前記回転主軸の表面温度を推定する温度推定手段と、
該温度推定手段によって推定された表面温度に基づき、前記一対の磁気軸受の各電磁石に通電する励磁電流を調節することで前記回転主軸の軸方向の位置を制御する電磁石制御手段と、をさらに備えることを特徴とする磁気軸受装置。 In a magnetic bearing device comprising a pair of magnetic bearings that support the rotating spindle in a non-contact state in the axial direction,
Temperature estimating means for estimating the surface temperature of the rotating spindle;
Electromagnet control means for controlling the position in the axial direction of the rotating spindle by adjusting the excitation current applied to each electromagnet of the pair of magnetic bearings based on the surface temperature estimated by the temperature estimation means. A magnetic bearing device.
前記温度推定手段が、前記回転主軸を回転駆動するステータコイルの温度を測定する温度センサである磁気軸受装置。 The magnetic bearing device according to claim 1,
A magnetic bearing device, wherein the temperature estimation means is a temperature sensor that measures the temperature of a stator coil that rotationally drives the rotary main shaft.
前記温度推定手段が、前記回転主軸の軸方向の位置を検出する位置センサの温度補償に用いられる温度補償用センサである磁気軸受装置。 The magnetic bearing device according to claim 1,
A magnetic bearing device, wherein the temperature estimation means is a temperature compensation sensor used for temperature compensation of a position sensor that detects the axial position of the rotating spindle.
前記位置センサ及び温度補償用センサは、いずれもフェライトコアにコイルが巻回された過電流型フェライトコア位置センサからなる磁気軸受装置。 The magnetic bearing device according to claim 3,
Each of the position sensor and the temperature compensation sensor is a magnetic bearing device including an overcurrent type ferrite core position sensor in which a coil is wound around a ferrite core.
前記電磁石制御手段が、前記回転主軸の温度上昇に伴って該回転主軸が目標浮上位置からシフトするシフト量に基づいて前記一対の磁気軸受に通電する励磁電流を調節し、前記回転主軸の軸方向の位置を制御する磁気軸受装置。 In the magnetic bearing device according to any one of claims 1 to 4,
The electromagnet control means adjusts an excitation current energized to the pair of magnetic bearings based on a shift amount by which the rotating main shaft shifts from a target flying position as the temperature of the rotating main shaft increases, and an axial direction of the rotating main shaft Magnetic bearing device that controls the position of the motor.
前記電磁石制御手段が、前記回転主軸の温度上昇に伴って該回転主軸が目標浮上位置からシフトするシフト量が0になるように前記回転主軸の軸方向の位置を制御する磁気軸受装置。 The magnetic bearing device according to claim 5,
A magnetic bearing device in which the electromagnet control means controls the axial position of the rotation main shaft so that the amount of shift by which the rotation main shaft shifts from the target levitation position becomes zero as the temperature of the rotation main shaft increases.
前記回転主軸を非接触状態で支持するべく、請求項1〜請求項6のいずれかに記載の磁気軸受装置を用いることを特徴とする燃料電池用コンプレッサ。 In a fuel cell compressor having a rotating main shaft that supports an impeller for supplying compressed air to a fuel cell at a tip portion,
7. A fuel cell compressor using the magnetic bearing device according to claim 1 to support the rotating main shaft in a non-contact state.
前記回転主軸を非接触状態で支持するべく、請求項1〜請求項6のいずれかに記載の磁気軸受装置を用いることを特徴とするターボ型コンプレッサ。 In a turbo compressor having a rotating main shaft that supports an impeller that supplies compressed air to the outside at its tip,
A turbo compressor using the magnetic bearing device according to any one of claims 1 to 6, in order to support the rotating main shaft in a non-contact state.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007113059A JP2008157439A (en) | 2006-11-28 | 2007-04-23 | Magnetic bearing device and compressor for fuel cell |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006320078 | 2006-11-28 | ||
JP2007113059A JP2008157439A (en) | 2006-11-28 | 2007-04-23 | Magnetic bearing device and compressor for fuel cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008157439A true JP2008157439A (en) | 2008-07-10 |
Family
ID=39658559
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007113059A Pending JP2008157439A (en) | 2006-11-28 | 2007-04-23 | Magnetic bearing device and compressor for fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008157439A (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2431614A3 (en) * | 2010-09-16 | 2012-11-21 | Pfeiffer Vacuum GmbH | Vacuum pump |
JP2018028296A (en) * | 2016-08-18 | 2018-02-22 | 株式会社Ihi | Compressor |
WO2018033945A1 (en) * | 2016-08-18 | 2018-02-22 | ダイキン工業株式会社 | Magnetic bearing device and fluid machine system using same |
US10951155B2 (en) | 2017-02-28 | 2021-03-16 | Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems, Ltd. | Temperature prediction device, compressor with magnetic bearing mounted thereon, temperature prediction method and program |
CN113964962A (en) * | 2021-10-18 | 2022-01-21 | 哈尔滨工业大学 | Axial magnetic circuit position sensor system of segmented radial magnetic circuit electromagnetic bearing |
CN114513095A (en) * | 2022-01-06 | 2022-05-17 | 广东美的暖通设备有限公司 | Motor assembly, compressor and air conditioning equipment |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS62244000A (en) * | 1986-04-15 | 1987-10-24 | Ebara Corp | Turbine-driven compressor |
JPH0530775A (en) * | 1991-07-19 | 1993-02-05 | Fuji Electric Co Ltd | Controller for induction motor |
JPH0650334A (en) * | 1992-07-27 | 1994-02-22 | Ebara Corp | Thrust magnetic bearing of turbomachinery |
JPH08240406A (en) * | 1994-10-28 | 1996-09-17 | Barber Colman Co | Position sensor |
JP2001214934A (en) * | 2000-02-02 | 2001-08-10 | Koyo Seiko Co Ltd | Magnetic bearing device |
JP2005240952A (en) * | 2004-02-27 | 2005-09-08 | Ebara Corp | Magnetic bearing device and turbo-type vacuum pump |
-
2007
- 2007-04-23 JP JP2007113059A patent/JP2008157439A/en active Pending
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS62244000A (en) * | 1986-04-15 | 1987-10-24 | Ebara Corp | Turbine-driven compressor |
JPH0530775A (en) * | 1991-07-19 | 1993-02-05 | Fuji Electric Co Ltd | Controller for induction motor |
JPH0650334A (en) * | 1992-07-27 | 1994-02-22 | Ebara Corp | Thrust magnetic bearing of turbomachinery |
JPH08240406A (en) * | 1994-10-28 | 1996-09-17 | Barber Colman Co | Position sensor |
JP2001214934A (en) * | 2000-02-02 | 2001-08-10 | Koyo Seiko Co Ltd | Magnetic bearing device |
JP2005240952A (en) * | 2004-02-27 | 2005-09-08 | Ebara Corp | Magnetic bearing device and turbo-type vacuum pump |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2431614A3 (en) * | 2010-09-16 | 2012-11-21 | Pfeiffer Vacuum GmbH | Vacuum pump |
JP2018028296A (en) * | 2016-08-18 | 2018-02-22 | 株式会社Ihi | Compressor |
WO2018033945A1 (en) * | 2016-08-18 | 2018-02-22 | ダイキン工業株式会社 | Magnetic bearing device and fluid machine system using same |
CN109563876A (en) * | 2016-08-18 | 2019-04-02 | 大金工业株式会社 | Magnetic bearing device and the fluid-mechanic system for having used the magnetic bearing device |
US11162503B2 (en) | 2016-08-18 | 2021-11-02 | Daikin Industries, Ltd. | Magnetic bearing device and fluid machine system using same |
US10951155B2 (en) | 2017-02-28 | 2021-03-16 | Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems, Ltd. | Temperature prediction device, compressor with magnetic bearing mounted thereon, temperature prediction method and program |
CN113964962A (en) * | 2021-10-18 | 2022-01-21 | 哈尔滨工业大学 | Axial magnetic circuit position sensor system of segmented radial magnetic circuit electromagnetic bearing |
CN113964962B (en) * | 2021-10-18 | 2022-09-30 | 哈尔滨工业大学 | Axial magnetic circuit position sensor system of segmented radial magnetic circuit electromagnetic bearing |
CN114513095A (en) * | 2022-01-06 | 2022-05-17 | 广东美的暖通设备有限公司 | Motor assembly, compressor and air conditioning equipment |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2008157439A (en) | Magnetic bearing device and compressor for fuel cell | |
JP6695541B2 (en) | Magnetic bearing controller and vacuum pump | |
KR101746147B1 (en) | Centrifugal compressor | |
US11454279B2 (en) | Thrust magnetic bearing and turbo-compressor with same | |
KR20120054564A (en) | Vacuum pump | |
JP5764141B2 (en) | MAGNETIC BEARING CONTROL DEVICE AND EXHAUST PUMP HAVING THE DEVICE | |
JP6154871B2 (en) | Magnetic levitation rotor mechanism | |
JP2000283160A (en) | Magnetic bearing protection device and turbo molecular pump | |
WO2019239682A1 (en) | Magnetic bearing control device and magnetic bearing control method | |
US11680572B2 (en) | Vacuum pump and magnetic bearing controller with multiple rigidity modes at high and low gains | |
JP2008256084A (en) | Magnetic bearing device and magnetic bearing spindle device | |
KR102213999B1 (en) | Magnetic bearing device and vacuum pump | |
JP5742044B2 (en) | Control type magnetic bearing device | |
JP6801481B2 (en) | Magnetic bearing equipment and vacuum pump | |
JP2005240967A (en) | Magnetic bearing device and turbo-type vacuum pump | |
JP5076513B2 (en) | Centrifugal compressor device, fuel cell compressor, and control method for the fuel cell compressor | |
JPH08159157A (en) | Magnetic bearing device | |
JP2005240952A (en) | Magnetic bearing device and turbo-type vacuum pump | |
JP4893353B2 (en) | Centrifugal compressor device, fuel cell compressor, and control method for fuel cell compressor | |
JP4965596B2 (en) | Turbo type vacuum pump | |
JP2005240952A5 (en) | ||
WO2005045266A1 (en) | Power amplification device and magnetic bearing | |
JP2003042155A (en) | Magnetic bearing device | |
JP2010144774A (en) | Controlled type magnetic bearing device | |
JP2006316959A (en) | Magnetic bearing device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100326 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20110928 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20111011 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20120306 |