JP2009281213A - Centrifugal compressor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、遠心型圧縮機に関し、例えば、燃料電池装置の酸素供給側に設置されて圧縮空気を燃料電池に供給する用途に使用されるのに適した遠心型圧縮機に関する。 The present invention relates to a centrifugal compressor, and for example, relates to a centrifugal compressor that is installed on the oxygen supply side of a fuel cell device and is suitable for use in supplying compressed air to a fuel cell.
特許文献1には、燃料電池車の燃料電池に圧縮空気を供給するに際し、遠心型圧縮機を使用するとともに、その回転軸支持装置として、動圧軸受であるラジアルフォイル軸受とアキシアル磁気軸受とを組み合わせて使用することが提案されている。
上記遠心型圧縮機によると、燃料電池車で使用される燃料電池装置において、圧縮機を小型化できるという利点を有しているが、性能をさらに向上するため、その圧縮効率を高めることが課題となっている。 According to the above centrifugal compressor, the fuel cell device used in the fuel cell vehicle has an advantage that the compressor can be downsized. However, in order to further improve the performance, it is necessary to increase the compression efficiency. It has become.
この発明の目的は、上記実情に鑑み、小型化を図るとともに、その圧縮効率を高めた遠心型圧縮機を提供することにある。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a centrifugal compressor that is reduced in size and improved in compression efficiency.
この発明による遠心型圧縮機は、回転軸を支持する軸受ハウジング部およびインペラが配置されているスクロールハウジング部を有するハウジングと、一端にインペラを有し軸受ハウジング部の内側で回転する回転軸と、ラジアル動圧軸受、制御型アキシアル磁気軸受および磁気軸受制御装置を有し、回転軸を支持する回転軸支持装置とを備えている遠心型圧縮機において、磁気軸受制御装置は、回転軸の回転速度が所定値以下の場合に、回転軸のアキシアル方向の浮上位置をインペラとスクロールハウジング部とのギャップが基準値よりも大きくなる方向にシフトさせる低速域制御手段と、回転軸の回転速度が所定値を超えた場合に、回転軸のアキシアル方向の浮上位置をインペラとスクロールハウジング部とのギャップが基準値となる方向に戻す通常速域制御手段とを備えていることを特徴とするものである。 A centrifugal compressor according to the present invention includes a housing having a bearing housing portion supporting a rotating shaft and a scroll housing portion in which the impeller is disposed, a rotating shaft having an impeller at one end and rotating inside the bearing housing portion, In a centrifugal compressor having a radial dynamic pressure bearing, a control-type axial magnetic bearing, and a magnetic bearing control device, and including a rotary shaft support device that supports the rotary shaft, the magnetic bearing control device has a rotational speed of the rotary shaft. Low-speed range control means for shifting the axial position of the rotary shaft in the direction in which the gap between the impeller and the scroll housing portion is larger than the reference value, and the rotational speed of the rotary shaft is a predetermined value. If the gap exceeds the upper limit, the position where the gap between the impeller and the scroll housing part becomes the reference value And it is characterized in that it comprises a normal speed range control means for returning to.
通常のアキシアル磁気軸受の制御装置は、回転速度(回転数)にかかわらず、一定のアキシアル方向浮上位置に回転軸が位置するように制御が行われている。これに対し、この発明の遠心型圧縮機におけるアキシアル磁気軸受の制御装置は、低速域制御手段と通常速域制御手段とが切り換え可能とされ、低速域と通常速域とで回転軸のアキシアル方向目標浮上位置を変更するような制御が行われる。回転速度の所定値は、動圧軸受の支持剛性が十分なものとなる回転速度(回転数)とされる。シフト量は、磁気軸受装置で制御可能な範囲で設定され、例えば、軸方向の移動量で0.1〜0.2mm程度とされる。 A control device for a normal axial magnetic bearing is controlled so that the rotating shaft is positioned at a constant axial flying position regardless of the rotational speed (number of rotations). On the other hand, the control device for the axial magnetic bearing in the centrifugal compressor according to the present invention can switch between the low speed range control means and the normal speed range control means, and the axial direction of the rotary shaft is changed between the low speed range and the normal speed range. Control is performed to change the target flying position. The predetermined value of the rotational speed is a rotational speed (number of rotations) at which the support rigidity of the hydrodynamic bearing is sufficient. The shift amount is set in a range that can be controlled by the magnetic bearing device. For example, the shift amount in the axial direction is about 0.1 to 0.2 mm.
ラジアル動圧軸受は、例えば、ラジアルフォイル軸受とすればよく、ラジアルフォイル軸受は、例えば、回転軸に径方向から対向する軸受面を持つ可撓性の軸受フォイルと、軸受フォイルを支持する弾性体と、軸受フォイルおよび弾性体を回転軸との間に保持する外輪とを備えているものとされる。 The radial dynamic pressure bearing may be, for example, a radial foil bearing. The radial foil bearing may be, for example, a flexible bearing foil having a bearing surface that faces the rotating shaft in the radial direction, and an elastic body that supports the bearing foil. And an outer ring that holds the bearing foil and the elastic body between the rotary shaft and the bearing foil.
アキシアル磁気軸受は、電磁石ヨークおよび電磁石コイルからなる1対のアキシアル電磁石間に作用する力を制御するもの(制御型)とされ、好ましくは、ラジアルフォイル軸受の外輪が電磁石ヨークを兼ねさせられ、ラジアルフォイル軸受の外輪に設けられた凹部に電磁石コイルが嵌め入れられることにより、アキシアル磁気軸受の各アキシアル電磁石がラジアルフォイル軸受に一体化される。そして、一方のアキシアル電磁石が回転軸の一端に設けられたフランジ部に対向させられ、他方のアキシアル電磁石が回転軸の他端に設けられたフランジ部に対向させられる。電磁石ヨークは、ラジアルフォイル軸受の外輪とは別の部材としてもよい。 The axial magnetic bearing controls the force acting between a pair of axial electromagnets consisting of an electromagnet yoke and an electromagnet coil (control type). Preferably, the outer ring of the radial foil bearing also serves as the electromagnet yoke. By inserting the electromagnet coil into the recess provided in the outer ring of the foil bearing, each axial electromagnet of the axial magnetic bearing is integrated with the radial foil bearing. And one axial electromagnet is made to oppose the flange part provided in the end of the rotating shaft, and the other axial electromagnet is made to oppose the flange part provided in the other end of the rotating shaft. The electromagnet yoke may be a member different from the outer ring of the radial foil bearing.
上記回転軸支持装置によると、ラジアル方向の支持はラジアルフォイル軸受が受け持ち、回転軸の回転時に周囲の空気が軸受フォイルと回転軸との間に引き込まれて圧力(動圧)を発生することにより、非接触で回転軸が保持される。また、アキシアル方向の支持はアキシアル磁気軸受が受け持ち、アキシアル電磁石の電磁石コイルに流される電流が制御されることにより、非接触で回転軸が保持される。 According to the above rotary shaft support device, the radial foil bearing supports the radial direction, and when the rotary shaft rotates, ambient air is drawn between the bearing foil and the rotary shaft to generate pressure (dynamic pressure). The rotating shaft is held in a non-contact manner. Further, the axial magnetic bearing is responsible for supporting in the axial direction, and the current flowing through the electromagnetic coil of the axial electromagnet is controlled to hold the rotating shaft in a non-contact manner.
遠心圧縮機は、回転軸をモータで高速回転させることにより、回転軸の一端に設けられたインペラに軸方向から空気を流入させ、圧縮空気を径方向に流出させるものであることから、回転軸には、アキシアル方向の大きな力が作用する。したがって、アキシアル方向の支持をアキシアルフォイル軸受で行った場合には、軸受の剛性が不足する可能性がある。これに対し、アキシアル方向の支持をアキシアル磁気軸受で行うことにより、負荷容量が増大するとともに、アキシアル方向の力の変動に応じて制御電流を変化させることにより、回転負荷変動に対してもアキシアル方向の非接触支持が確保される。 Since the centrifugal compressor rotates the rotating shaft at a high speed with a motor, air is introduced into the impeller provided at one end of the rotating shaft from the axial direction, and compressed air is discharged in the radial direction. A large force in the axial direction acts on. Therefore, when the axial direction support is performed by the axial foil bearing, the rigidity of the bearing may be insufficient. On the other hand, by supporting the axial direction with the axial magnetic bearing, the load capacity is increased, and the control current is changed according to the fluctuation of the axial force, so that the axial direction is also applied to the rotational load fluctuation. Non-contact support is ensured.
回転軸のアキシアル方向の浮上位置の制御に際し、インペラとスクロールハウジング部とのギャップの基準値は、圧縮効率を高めるために、できるだけ小さい値に設定される。この場合、回転軸の回転速度が所定値以下では、各ラジアル動圧軸受の支持剛性不足のために、インペラとスクロールハウジング部とが接触するという問題が生じる可能性がある。この問題を解消するために、アキシアル磁気軸受の制御装置は、回転軸の回転速度が所定値以下の場合に、低速域制御手段によって、ギャップを基準値よりも大きくなる方向にシフトして制御を行い、回転軸の回転数が所定値を超えた場合に、通常速域制御手段によって、ギャップを基準値に戻して制御を行うものとされる。これにより、インペラとスクロールハウジング部とが接触することが防止されるとともに、通常速度域において、圧縮効率を高めるためにギャップが最適化された状態で、回転軸の浮上位置が制御される。 When controlling the floating position of the rotating shaft in the axial direction, the reference value of the gap between the impeller and the scroll housing portion is set as small as possible in order to increase the compression efficiency. In this case, when the rotational speed of the rotating shaft is equal to or less than a predetermined value, there is a possibility that the impeller and the scroll housing portion come into contact with each other due to insufficient support rigidity of each radial dynamic pressure bearing. In order to solve this problem, the axial magnetic bearing control device performs control by shifting the gap in a direction larger than the reference value by the low speed region control means when the rotational speed of the rotating shaft is equal to or lower than a predetermined value. When the rotational speed of the rotating shaft exceeds a predetermined value, the normal speed range control means returns the gap to the reference value and performs control. As a result, the impeller and the scroll housing portion are prevented from coming into contact with each other, and the floating position of the rotating shaft is controlled in the normal speed range with the gap optimized in order to increase the compression efficiency.
また、アキシアル磁気軸受をラジアルフォイル軸受に一体化することにより、軸方向の長さを短くすることができ、これにより、回転軸の固有振動数が増大して高速回転が可能となるとともに、小型化および軽量化することができる。 Also, by integrating the axial magnetic bearing with the radial foil bearing, the axial length can be shortened, which increases the natural frequency of the rotating shaft and enables high-speed rotation, as well as compactness. And weight reduction.
この発明の遠心型圧縮機によると、回転軸が径方向からラジアル動圧軸受に支持されているとともに、軸方向から制御型アキシアル磁気軸受に支持されているので、高速回転による軸受の疲労寿命の低下が抑えられ、また、潤滑のためのオイルを循環させるための機能が不要となるので、圧縮機の小型化が図られる。さらにまた、アキシアル磁気軸受の制御装置によって、低速域と通常速域とで回転軸のアキシアル方向目標浮上位置を変更して制御が行われることで、インペラとスクロールハウジング部とが接触することが防止されるとともに、通常速度域においては、インペラとスクロールハウジング部とのギャップの最適化が可能となって、圧縮効率を高めることができる。 According to the centrifugal compressor of the present invention, the rotating shaft is supported by the radial dynamic pressure bearing from the radial direction and is also supported by the control type axial magnetic bearing from the axial direction. The reduction is suppressed, and the function for circulating the oil for lubrication becomes unnecessary, so that the compressor can be downsized. Furthermore, the control device for the axial magnetic bearing changes the axial target lift position of the rotating shaft between the low speed range and the normal speed range to prevent contact between the impeller and the scroll housing. In addition, in the normal speed range, the gap between the impeller and the scroll housing part can be optimized, and the compression efficiency can be increased.
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。以下の説明において、図1の右を前、左を後というものとする。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, the right in FIG. 1 is the front and the left is the back.
図1は、この発明による遠心型圧縮機の概略構成を示すもので、圧縮機(1)は、前後方向の水平軸上に配置された略円筒状の密閉ハウジング(11)内に配置された水平軸状の回転軸(13)と、回転軸(13)端部に設けられたインペラ(13a)と、回転軸(13)を支持する回転軸支持装置(14)とを備えている。 FIG. 1 shows a schematic configuration of a centrifugal compressor according to the present invention. A compressor (1) is arranged in a substantially cylindrical hermetic housing (11) arranged on a horizontal axis in the front-rear direction. A horizontal shaft-like rotary shaft (13), an impeller (13a) provided at the end of the rotary shaft (13), and a rotary shaft support device (14) for supporting the rotary shaft (13) are provided.
ハウジング(11)は、前側にあって軸受支持部となる軸受ハウジング部(11a)と、後側にあってスクロールハウジング部となるスクロールハウジング部(11b)とから構成されている。 The housing (11) is composed of a bearing housing part (11a) which is a front side and serves as a bearing support part, and a scroll housing part (11b) which is a rear side and serves as a scroll housing part.
回転軸(13)は、段付軸状をなし、軸受ハウジング部(11a)内の空間内に配置されている。インペラ(13a)は、回転軸(13)の後端に固定されて、スクロールハウジング部(11b)内に配置されている。 The rotating shaft (13) has a stepped shaft shape and is arranged in a space in the bearing housing portion (11a). The impeller (13a) is fixed to the rear end of the rotary shaft (13) and is disposed in the scroll housing part (11b).
軸受ハウジング部(11a)の内周に、回転軸(13)を高速回転させるビルトイン型モータ(20)、回転軸(13)を径方向から支持する前後1対のラジアルフォイル軸受(ラジアル動圧軸受)(21)(22)、および前後ラジアルフォイル軸受(21)(22)に一体化されて回転軸(13)を軸方向(前後方向)から支持する1組の制御型アキシアル磁気軸受(23)が設けられている。 A built-in motor (20) that rotates the rotating shaft (13) at high speed on the inner periphery of the bearing housing (11a), and a pair of front and rear radial foil bearings (radial dynamic pressure bearings) that support the rotating shaft (13) from the radial direction ) (21) (22) and a set of control type axial magnetic bearings (23) integrated with the front and rear radial foil bearings (21) and (22) to support the rotating shaft (13) from the axial direction (front and rear direction) Is provided.
モータ(20)は、軸受ハウジング部(11a)側に設けられたステータ(20a)および回転軸(13)側に設けられたロータ(20b)から構成されている。 The motor (20) includes a stator (20a) provided on the bearing housing portion (11a) side and a rotor (20b) provided on the rotating shaft (13) side.
回転軸支持装置(14)は、前後ラジアルフォイル軸受(21)(22)およびアキシアル磁気軸受(23)によって構成されている。 The rotating shaft support device (14) includes front and rear radial foil bearings (21) and (22) and an axial magnetic bearing (23).
スクロールハウジング部(11b)内の空間の後端に気体流入路(11c)が設けられている。回転軸(13)が回転することにより、インペラ(13a)が回転し、インペラ(13a)の回転により、空気が、気体流入路(11c)からスクロールハウジング部(11b)内の空間(11d)に流入し、同空間(11d)内で圧縮され、同空間(11d)に通じる気体流出路(図示略)を通って排出される。 A gas inflow passage (11c) is provided at the rear end of the space in the scroll housing portion (11b). As the rotating shaft (13) rotates, the impeller (13a) rotates.By the rotation of the impeller (13a), air flows from the gas inflow path (11c) to the space (11d) in the scroll housing part (11b). It flows in, is compressed in the space (11d), and is discharged through a gas outflow path (not shown) that leads to the space (11d).
段付き状の回転軸(13)は、モータ(20)のロータ(20b)が軸方向中間部分に設けられている大径部(31)と、大径部(31)の後側に連なる小径部(32)と、大径部(31)の前端部に設けられた前側フランジ部(34)と、大径部(31)の後端部に設けられた後側フランジ部(35)とからなる。インペラ(13a)は、小径部(32)の後端部(小径部(32)との境界部)に取り付けられており、各ラジアルフォイル軸受(21)(22)は、各フランジ部(34)(35)との間にわずかな隙間が形成されるように、大径部(31)の両端部近傍に設けられている。 The stepped rotary shaft (13) includes a large-diameter portion (31) in which the rotor (20b) of the motor (20) is provided in the intermediate portion in the axial direction, and a small-diameter continuous to the rear side of the large-diameter portion (31). Part (32), a front flange part (34) provided at the front end part of the large diameter part (31), and a rear flange part (35) provided at the rear end part of the large diameter part (31). Become. The impeller (13a) is attached to the rear end of the small diameter portion (32) (boundary portion with the small diameter portion (32)), and each radial foil bearing (21) (22) is connected to each flange portion (34). It is provided in the vicinity of both end portions of the large-diameter portion (31) so that a slight gap is formed between (35).
図2に示すように、各ラジアルフォイル軸受(21)(22)は、回転軸大径部(31)の径方向外側に軸受隙間(44)を隔てて配置される可撓性を有するトップフォイル(軸受フォイル)(41)と、このトップフォイル(41)の径方向外側に配置されるバンプフォイル(弾性体)(42)と、このバンプフォイル(42)の径方向外側に配置される外輪(43)とからなる。 As shown in FIG. 2, each radial foil bearing (21) (22) has a flexible top foil that is arranged on the radially outer side of the rotary shaft large diameter portion (31) with a bearing gap (44) therebetween. (Bearing foil) (41), a bump foil (elastic body) (42) disposed on the radially outer side of the top foil (41), and an outer ring disposed on the radially outer side of the bump foil (42) ( 43).
トップフォイル(41)は、帯状ステンレス鋼板製で、帯状ステンレス鋼板をその長手方向の両端が隣接するようにロール加工で周方向の重なりがない円筒形に成形した後、この円筒形に成形された鋼板の一端部の軸方向の両端部を径方向に切り起こして先端を屈曲させて形成されている。切り起こされた部分以外の円筒部(41a)がトップフォイルの主部になっており、切り起こされた部分(41b)がトップフォイル(41)の係合部になっている。 The top foil (41) is made of a strip-shaped stainless steel plate, and the strip-shaped stainless steel plate is formed into a cylindrical shape without overlapping in the circumferential direction by roll processing so that both ends in the longitudinal direction are adjacent to each other. The both ends of the steel plate in the axial direction are cut and raised in the radial direction, and the tip is bent. The cylindrical portion (41a) other than the cut and raised portion is a main portion of the top foil, and the cut and raised portion (41b) is an engaging portion of the top foil (41).
バンプフォイル(42)は、ステンレス鋼製の波形板材を円筒形に成形した円筒部(42a)と、円筒部(42a)の一端に連なり円筒部(42a)の径方向外側に位置する係合部(42b)とからなる。 The bump foil (42) includes a cylindrical portion (42a) formed of a corrugated plate made of stainless steel into a cylindrical shape, and an engaging portion that is connected to one end of the cylindrical portion (42a) and located on the radially outer side of the cylindrical portion (42a). (42b).
外輪(43)の内周面には、略径方向に延びる係合溝(43c)が形成されている。そして、バンプフォイル(42)の円筒部(42a)が外輪(43)の内周面に沿うように配置されて、その係合部(42b)が外輪(43)の係合溝(43c)に係合させられることにより、バンプフォイル(42)が外輪(43)に取り付けられ、このバンプフォイル(42)と回転軸大径部(31)との間にトップフォイル(41)の円筒部(41a)が介在させられるとともに、その係合部(41b)が外輪(43)の係合溝(43c)に係合させられることにより、トップフォイル(41)が外輪(43)に取り付けられている。 On the inner peripheral surface of the outer ring (43), an engaging groove (43c) extending in a substantially radial direction is formed. Then, the cylindrical portion (42a) of the bump foil (42) is disposed along the inner peripheral surface of the outer ring (43), and the engaging portion (42b) is formed in the engaging groove (43c) of the outer ring (43). By being engaged, the bump foil (42) is attached to the outer ring (43), and the cylindrical portion (41a) of the top foil (41) is provided between the bump foil (42) and the rotary shaft large diameter portion (31). ) And the engaging portion (41b) is engaged with the engaging groove (43c) of the outer ring (43), so that the top foil (41) is attached to the outer ring (43).
ラジアルフォイル軸受(21)(22)は、トップフォイル(41)が帯状ステンレス鋼板をその長手方向の両端が隣接するようにロール加工で周方向の重なりがない円筒形に成形されているので、曲率半径が一定で真円度が高いものとなっていることから、回転軸(13)の支持性能が高くかつ回転軸(13)の浮上特性も良好なものとなっている。 Radial foil bearings (21) and (22) have a top foil (41) that is formed into a cylindrical shape that does not overlap in the circumferential direction by roll processing so that both ends in the longitudinal direction are adjacent to each other in the longitudinal direction. Since the radius is constant and the roundness is high, the support performance of the rotary shaft (13) is high and the floating characteristics of the rotary shaft (13) are also good.
各ラジアルフォイル軸受(21)(22)の外輪(43)は、磁性体製とされており、前側のラジアルフォイル軸受(21)の外輪(43)の軸方向外側端面(前端面)に、環状凹所(43a)が前側フランジ部(34)に臨まされるように設けられており、後側のラジアルフォイル軸受(22)の外輪(43)の軸方向外側端面(後端面)に、環状凹所(43b)が後側フランジ部(35)に臨まされるように設けられている。 The outer ring (43) of each radial foil bearing (21) (22) is made of a magnetic material, and is annularly formed on the outer end face (front end face) in the axial direction of the outer ring (43) of the radial foil bearing (21) on the front side. A recess (43a) is provided so as to face the front flange portion (34), and an annular recess is formed on the axially outer end surface (rear end surface) of the outer ring (43) of the rear radial foil bearing (22). The portion (43b) is provided so as to face the rear flange portion (35).
前側のラジアルフォイル軸受(21)の外輪(43)の環状凹所(43a)に電磁石コイル(24a)が嵌め入れられており、また、後側のラジアルフォイル軸受(22)の外輪(43)の環状凹所(43b)に電磁石コイル(25a)が嵌め入れられている。この結果、磁性体製の外輪(43)は、アキシアル電磁石(24)(25)のヨーク(24b)(25b)を兼ねさせられ、前側のラジアルフォイル軸受(21)の外輪(43)=電磁石ヨーク(24b)と電磁石コイル(24a)とによって、前側フランジ部(34)に臨まされている前側アキシアル電磁石(24)が形成され、後側のラジアルフォイル軸受(22)の外輪(43)=電磁石ヨーク(25b)と電磁石コイル(25a)とによって、後側フランジ部(35)に臨まされている後側アキシアル電磁石(25)が形成されている。 An electromagnetic coil (24a) is fitted in the annular recess (43a) of the outer ring (43) of the front radial foil bearing (21), and the outer ring (43) of the rear radial foil bearing (22) An electromagnetic coil (25a) is fitted in the annular recess (43b). As a result, the outer ring (43) made of a magnetic material also serves as the yoke (24b) (25b) of the axial electromagnet (24) (25), and the outer ring (43) of the front radial foil bearing (21) = electromagnet yoke (24b) and the electromagnet coil (24a) form the front axial electromagnet (24) facing the front flange portion (34), and the outer ring (43) of the rear radial foil bearing (22) = electromagnet yoke A rear axial electromagnet (25) facing the rear flange portion (35) is formed by (25b) and the electromagnet coil (25a).
アキシアル磁気軸受(23)は、上記のように形成された前側アキシアル電磁石(24)と後側アキシアル電磁石(25)とからなる。 The axial magnetic bearing (23) includes a front-side axial electromagnet (24) and a rear-side axial electromagnet (25) formed as described above.
ハウジング(11)の軸受ハウジング部(11a)の前壁後面には、回転軸(13)の前側フランジ部(34)の中心部に臨まされて回転軸(13)のアキシアル方向の位置を検出するアキシアル位置センサ(26)が設けられている。ハウジング(11)の軸受ハウジング部(11a)の前壁後面には、さらに、前側フランジ部(34)の前面外周に設けられた凹部(28)に臨まされて回転軸(13)の回転数を検出する回転センサ(27)が設けられている。 The rear surface of the front wall of the bearing housing portion (11a) of the housing (11) is faced to the center of the front flange portion (34) of the rotating shaft (13) and detects the position of the rotating shaft (13) in the axial direction. An axial position sensor (26) is provided. The rear surface of the front wall of the bearing housing part (11a) of the housing (11) is further faced by a recess (28) provided on the outer periphery of the front flange part (34) to reduce the rotational speed of the rotary shaft (13). A rotation sensor (27) for detection is provided.
アキシアル磁気軸受(23)は、図3に示す制御装置(61)により、位置センサ(26)で検出された回転軸(13)の位置および回転センサ(27)で検出された回転数に基づいて、その電磁石コイル(24a)(25a)に流される電流が制御されている。電磁石コイル(24a)(25a)に流される電流は、回転によりインペラ(13a)に作用する力に釣り合う吸引力がアキシアル電磁石(24)(25)に生成されるように制御され、これにより、回転軸(13)は、アキシアル方向の所定位置に非接触支持される。 The axial magnetic bearing (23) is controlled by the controller (61) shown in FIG. 3 based on the position of the rotary shaft (13) detected by the position sensor (26) and the rotational speed detected by the rotation sensor (27). The current flowing through the electromagnetic coils (24a) and (25a) is controlled. The current flowing through the electromagnet coils (24a) and (25a) is controlled so that an attractive force that is balanced with the force acting on the impeller (13a) is generated in the axial electromagnets (24) and (25). The shaft (13) is supported in a non-contact manner at a predetermined position in the axial direction.
図3に示すように、制御装置(61)には、モータ駆動回路(62)、磁気軸受駆動回路(63)、位置センサ駆動回路(64)、回転センサ駆動回路(65)、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段としてのDSP(66)、AD変換器(67)およびDA変換器(68)が設けられている。 As shown in FIG. 3, the controller (61) can be a motor drive circuit (62), a magnetic bearing drive circuit (63), a position sensor drive circuit (64), a rotation sensor drive circuit (65), and a software program. A DSP (66), an AD converter (67), and a DA converter (68) are provided as digital processing means.
DSPはディジタル信号処理プロセッサの略で、ディジタル信号処理プロセッサとは、ディジタル信号を入力してディジタル信号を出力し、ソフトウェアプログラムが可能で、高速実時間処理が可能な専用ハードウェアを指す。DSP(66)は、従来の磁気軸受制御装置で使用されている種々の制御手段に加えて、低速域制御手段(69)を有しており、低速域制御手段(69)は、通常速制御手段(通常速域制御手段)(70)と切り換え可能とされている。通常速域制御手段(70)は、回転軸(13)の回転数(回転速度)が所定値を超えた場合に、回転軸(13)のアキシアル方向の浮上位置をインペラ(13a)とスクロールハウジング部(11b)とのギャップ(G)(図4参照)が基準値となるように制御するもので、低速域制御手段(69)は、回転軸(13)の回転数が所定値以下の場合に、ギャップ(G)が基準値よりも大きくなる方向にシフトさせて制御するものである。 The DSP is an abbreviation for a digital signal processor. The digital signal processor refers to dedicated hardware that can input a digital signal and output the digital signal, can be software-programmed, and can perform high-speed real-time processing. The DSP (66) has a low speed range control means (69) in addition to various control means used in the conventional magnetic bearing control device. The low speed range control means (69) is a normal speed control. The means (normal speed range control means) (70) can be switched. When the rotational speed (rotational speed) of the rotary shaft (13) exceeds a predetermined value, the normal speed range control means (70) determines the axial position of the rotary shaft (13) in the axial direction and the scroll housing. The control is performed so that the gap (G) (see FIG. 4) with the part (11b) becomes the reference value, and the low speed region control means (69) is used when the rotational speed of the rotating shaft (13) is a predetermined value or less. In addition, the gap (G) is controlled to be shifted in the direction in which the gap (G) becomes larger than the reference value.
位置センサ駆動回路(64)は、位置センサ(26)の出力である距離信号に基づいて、回転軸(13)のアキシアル方向の位置を演算し、その演算結果である位置信号をAD変換器(67)を介してDSP(66)に出力する。 The position sensor drive circuit (64) calculates the position of the rotary shaft (13) in the axial direction based on the distance signal that is the output of the position sensor (26), and converts the position signal that is the result of the calculation into an AD converter ( 67) to the DSP (66).
アキシアル位置センサ(26)のコイルに交流電流を流した状態でターゲットに相当する前側フランジ部(34)とのギャップ(空隙)の大きさが変化すると、インダクタンス変化が生じ、アキシアル位置センサ(26)は、前側フランジ部(34)とのギャップの大きさに比例する距離信号を出力する。位置センサ駆動回路(64)は、回転軸(13)がアキシアル方向の所定回転数に対応する目標浮上位置にあるときの変位を0とし、この目標浮上位置に対する回転軸(13)のアキシアル方向の変位に比例する信号を位置信号として出力する。 If the size of the gap (gap) with the front flange (34) corresponding to the target changes with an alternating current flowing through the coil of the axial position sensor (26), an inductance change occurs, and the axial position sensor (26) Outputs a distance signal proportional to the size of the gap with the front flange portion (34). The position sensor drive circuit (64) sets the displacement when the rotating shaft (13) is at a target flying position corresponding to a predetermined number of rotations in the axial direction to 0, and the axial direction of the rotating shaft (13) relative to this target flying position is zero. A signal proportional to the displacement is output as a position signal.
また、回転センサ(27)の出力も、前側フランジ部(34)とのギャップの大きさに比例して変化し、前側フランジ部(34)の凹部(28)以外の部分が回転センサ(27)に対向しているときと、凹部(28)が回転センサ(27)に対向しているときとでは、回転センサ(27)と前側フランジ部(34)とのギャップの大きさが異なるため、回転センサ(27)の出力は、凹部(28)がその対向位置に来るたびに変化する。したがって、回転センサ(27)は、回転軸(13)が1回転する間に凹部(28)の数と同数のパルスを発生し、このような回転センサ(27)の出力が速度検出信号として回転センサ駆動回路(65)からDSP(66)に出力される。 The output of the rotation sensor (27) also changes in proportion to the size of the gap with the front flange portion (34), and the portion other than the recess (28) of the front flange portion (34) is the rotation sensor (27). The gap between the rotation sensor (27) and the front flange (34) is different between when the recess (28) faces the rotation sensor (27) and when the recess (28) faces the rotation sensor (27). The output of the sensor (27) changes every time the recess (28) comes to the opposite position. Therefore, the rotation sensor (27) generates the same number of pulses as the number of recesses (28) during one rotation of the rotation shaft (13), and the output of the rotation sensor (27) rotates as a speed detection signal. The signal is output from the sensor drive circuit (65) to the DSP (66).
DSP(66)は、回転センサ駆動回路(65)から入力する回転数およびAD変換器(67)から入力する回転軸(13)の位置を表わすディジタル位置信号に基づいて、アキシアル磁気軸受(23)の電磁石(24)に対する励磁電流信号をDA変換器(68)を介して磁気軸受駆動回路(63)に出力する。そして、駆動回路(63)は、DSP(66)からの励磁電流信号に基づく励磁電流を対応するアキシアル磁気軸受(23)の電磁石(24)に供給し、これにより、回転軸(13)が目標浮上位置に非接触支持される。 The DSP (66) is an axial magnetic bearing (23) based on a digital position signal representing the rotational speed input from the rotation sensor drive circuit (65) and the position of the rotary shaft (13) input from the AD converter (67). The excitation current signal for the electromagnet (24) is output to the magnetic bearing drive circuit (63) via the DA converter (68). Then, the drive circuit (63) supplies an excitation current based on the excitation current signal from the DSP (66) to the electromagnet (24) of the corresponding axial magnetic bearing (23), whereby the rotating shaft (13) is targeted. Non-contact support at the floating position.
DSP(66)は、また、回転センサ駆動回路(65)の回転速度検出信号から回転軸(13)の回転速度を演算し、これに基づいてモータ(20)の回転を制御するための回転速度指令信号をモータ駆動回路(62)に出力する。モータ駆動回路(62)は、インバータ等を備えており、回転速度指令信号に基づいて、モータ(20)の回転速度を制御する。そして、その結果、回転軸(13)が、ラジアルフォイル軸受(21)(22)およびアキシアル磁気軸受(23)により目標浮上位置に非接触支持された状態で、モータ(20)により高速回転させられる。 The DSP (66) also calculates the rotation speed of the rotation shaft (13) from the rotation speed detection signal of the rotation sensor drive circuit (65), and controls the rotation speed of the motor (20) based on this. The command signal is output to the motor drive circuit (62). The motor drive circuit (62) includes an inverter and controls the rotation speed of the motor (20) based on the rotation speed command signal. As a result, the rotating shaft (13) is rotated at high speed by the motor (20) while being supported in a non-contact manner at the target floating position by the radial foil bearings (21), (22) and the axial magnetic bearing (23). .
上記の遠心型圧縮機(1)によると、回転軸(13)のラジアル方向の支持は、ラジアルフォイル軸受(動圧軸受)(21)(22)が受け持っており、回転軸(13)は、回転時には、各フォイル軸受(21)(22)で発生する動圧によって非接触でラジアル方向に支持される。また、回転軸(13)のアキシアル方向の支持は、アキシアル磁気軸受(23)が受け持っており、インペラ(13a)に作用するアキシアル方向の力が変動した場合には、これに見合った吸引力がアキシアル電磁石(24)に生成される。これにより、回転軸(13)は、回転負荷変動の影響を受けずに、安定的に非接触支持され、そのスムーズな回転が保証されるとともに、耐久性(寿命)も優れたものとなる。 According to the above centrifugal compressor (1), the radial shaft bearing (dynamic bearing) (21) (22) is responsible for supporting the rotating shaft (13) in the radial direction, and the rotating shaft (13) is During rotation, the foil bearings (21) and (22) are supported in the radial direction in a non-contact manner by the dynamic pressure generated by the foil bearings (21) and (22). The axial support of the rotary shaft (13) is handled by the axial magnetic bearing (23), and if the axial force acting on the impeller (13a) fluctuates, the corresponding attractive force will be applied. Generated in the axial electromagnet (24). As a result, the rotary shaft (13) is stably supported in a non-contact manner without being affected by fluctuations in the rotational load, and its smooth rotation is guaranteed and durability (life) is excellent.
回転軸(13)のアキシアル方向の浮上位置の制御に際し、インペラ(13a)とスクロールハウジング部(11b)とのギャップ(G)の基準値は、圧縮効率を高めるために、できるだけ小さい値に設定される。回転軸(13)の回転数が所定値(1万〜2万rpm程度)以下の場合、各ラジアルフォイル軸受(21)(22)の支持剛性が不足しており、回転軸(13)の回転振れが発生しやすいため、インペラ(13a)とスクロールハウジング部(11b)とのギャップ(G)が小さいと、両者が接触するという問題が生じる可能性がある。そこで、回転軸(13)の回転数が所定値以下の場合(始動時および途中で回転数が低下した時)には、このギャップ(G)が低速域制御手段(69)によって基準値よりも大きくなる方向にシフトされる。 When controlling the floating position of the rotary shaft (13) in the axial direction, the reference value of the gap (G) between the impeller (13a) and the scroll housing part (11b) is set as small as possible to increase the compression efficiency. The When the rotational speed of the rotary shaft (13) is less than a predetermined value (about 10,000 to 20,000 rpm), the radial foil bearings (21) and (22) have insufficient support rigidity, and the rotation of the rotary shaft (13) Since vibration is likely to occur, if the gap (G) between the impeller (13a) and the scroll housing part (11b) is small, there may be a problem that they come into contact with each other. Therefore, when the rotational speed of the rotating shaft (13) is below a predetermined value (when the rotational speed decreases during start-up and in the middle), this gap (G) is set to be lower than the reference value by the low speed region control means (69). Shifted in the direction of increasing.
すなわち、回転軸(13)の回転数が所定値以下の場合には、インペラ(13a)とスクロールハウジング部(11b)との位置関係は、低速域制御手段(69)によって、ギャップ(G)が基準値よりも大きくなる方向(前方=図1の右方)にシフト量Sだけシフトされて、図4に二点鎖線で示す状態となるように、回転軸(13)の浮上位置が制御されることにより、インペラ(13a)とスクロールハウジング部(11b)とが接触することが防止される。そして、回転軸(13)の回転数が所定値(ラジアルフォイル軸受(21)(22)の支持剛性が十分となる回転数)を超えた場合には、インペラ(13a)とスクロールハウジング部(11b)との位置関係は、通常速域制御手段(70)によって、ギャップ(G)が基準値に戻されて制御され、これにより、図4に実線で示す圧縮効率を高めるためにギャップ(G)が最適化された状態で、回転軸(13)の浮上位置が制御される。 That is, when the rotational speed of the rotating shaft (13) is less than or equal to a predetermined value, the positional relationship between the impeller (13a) and the scroll housing portion (11b) is such that the gap (G) is determined by the low speed region control means (69). The floating position of the rotary shaft (13) is controlled so that it is shifted by the shift amount S in the direction larger than the reference value (forward = right side in FIG. 1) and is in the state indicated by the two-dot chain line in FIG. This prevents contact between the impeller (13a) and the scroll housing part (11b). When the rotational speed of the rotating shaft (13) exceeds a predetermined value (the rotational speed at which the radial foil bearings (21) and (22) have sufficient support rigidity), the impeller (13a) and the scroll housing portion (11b ) Is controlled by the normal speed range control means (70) so that the gap (G) is returned to the reference value, thereby increasing the compression efficiency indicated by the solid line in FIG. In a state where is optimized, the floating position of the rotating shaft (13) is controlled.
(1) 遠心型圧縮機
(11) ハウジング
(11a) 軸受ハウジング部
(11b) スクロールハウジング部
(13) 回転軸
(13a) インペラ
(14) 回転軸支持装置
(21)(22) ラジアルフォイル軸受
(23) 制御型アキシアル磁気軸受
(61) アキシアル磁気軸受制御装置
(69) 低速域制御手段
(70) 通常速制御手段
(G) ギャップ
(1) Centrifugal compressor
(11) Housing
(11a) Bearing housing
(11b) Scroll housing
(13) Rotating shaft
(13a) Impeller
(14) Rotating shaft support device
(21) (22) Radial foil bearing
(23) Control type axial magnetic bearing
(61) Axial magnetic bearing controller
(69) Low speed control means
(70) Normal speed control means
(G) Gap
Claims (1)
磁気軸受制御装置は、回転軸の回転速度が所定値以下の場合に、回転軸のアキシアル方向の浮上位置をインペラとスクロールハウジング部とのギャップが基準値よりも大きくなる方向にシフトさせる低速域制御手段と、回転軸の回転速度が所定値を超えた場合に、回転軸のアキシアル方向の浮上位置をインペラとスクロールハウジング部とのギャップが基準値となる方向に戻す通常速域制御手段とを備えていることを特徴とする遠心型圧縮機。 A housing having a bearing housing portion supporting a rotating shaft and a scroll housing portion in which the impeller is disposed, a rotating shaft having an impeller at one end and rotating inside the bearing housing portion, a radial dynamic pressure bearing, and a control type axial magnetic In a centrifugal compressor having a bearing and a magnetic bearing control device, and having a rotating shaft support device for supporting a rotating shaft,
The magnetic bearing control device is a low-speed control that shifts the floating position in the axial direction of the rotating shaft in a direction in which the gap between the impeller and the scroll housing portion is larger than the reference value when the rotating speed of the rotating shaft is a predetermined value or less. And normal speed range control means for returning the axial position of the rotary shaft in the axial direction to a direction in which the gap between the impeller and the scroll housing portion becomes a reference value when the rotational speed of the rotary shaft exceeds a predetermined value. A centrifugal compressor characterized by that.
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