JP2013137067A

JP2013137067A - 磁気軸受

Info

Publication number: JP2013137067A
Application number: JP2011288493A
Authority: JP
Inventors: Yuji Nakazawa; 勇二中澤; Atsushi Sakawaki; 篤阪脇; Yusuke Irino; 裕介入野; Naoya Yamashita; 尚也山下; Toshiyuki Maeda; 敏行前田
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-11

Abstract

【課題】磁気軸受において損失の低減を図る。
【解決手段】複数のティース（24）（鉄心）を設ける。それぞれのティース（24）に巻回され、回転軸（13）の位置制御のための磁束を発生させる制御電流用コイル（Cd）を設ける。制御電流用コイル（Cd）よりも多い巻数（Nb）でそれぞれのティース（24）に巻回され、バイアス磁束を発生させるバイアス電流用コイル（Cb）を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転軸を電磁力によって非接触支持する磁気軸受に関するものである。

いわゆるターボ圧縮機のように高速回転する駆動軸を有する装置には、磁気軸受が用いられることが多い。磁気軸受では、位置制御系の設計しやすさの観点からは、電磁石に電磁力を発生させる制御電流と、電磁石の合成電磁力とが線形関係にあるのが望ましい。線形化を行うための手法としては、制御電流用コイルとバイアス電流用コイルの２種類のコイルをひとつのティースに巻回して電磁石を構成し、制御電流用コイルに流す電流で位置制御を行いつつ、バイアス電流用コイルにバイアス電流を流す方法がある（例えば特許文献１を参照）。特許文献１の例では、制御電流の全領域において合成電磁力との線形関係を保つために制御電流用コイルの最大起磁力とバイアス電流用コイルの最大起磁力を同じに設定し、また制御電流の最大値とバイアス電流の最大値を等しくしている。そのため、一般的には、バイアス電流用コイルと制御電流用コイルは同じ巻数となる。

特開昭６１-６６５４１

一般的に磁気軸受では、電磁石で発生する損失と、電磁石への電流を制御する電源装置の損失があり、例えば、バイアス電流は常に流すので、電源装置の損失はバイアス電流によるものが支配的になる。そして、磁気軸受では、このような損失の大きさがしばしば問題とされる。

本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、磁気軸受において損失の低減を図ることを目的としている。

前記の課題を解決するため、本発明の一態様は、
複数の鉄心（24）と、
それぞれの鉄心（24）に巻回され、回転軸（13）の位置制御のための磁束を発生させる制御電流用コイル（Cd）と、
前記制御電流用コイル（Cd）よりも多い巻数（Nb）でそれぞれの鉄心（24）に巻回され、バイアス磁束を発生させるバイアス電流用コイル（Cb）と、
を備えていることを特徴とする。

磁気軸受では一般的に、コイルに一定のバイアス電流を流すことで、ステータにバイアス磁束を流しておく。そこから力を制御する場合は、力を発生させたい方向のティース（鉄心）に巻回した、あるコイルの電流を増やし、その軸方向の反対側にあるティースに巻回してあるコイルの電流を減ずることで、回転軸に与える力を制御する。

この構成では、バイアス電流用コイル（Cb）の巻数が制御電流用コイル（Cd）の巻数よりも多いので、同じ大きさの磁力を発生させるための電流は、バイアス電流用コイル（Cb）の方が制御電流用コイル（Cd）よりも小さくなる。また、バイアス電流用コイル（Cb）の巻数を増やしたことで、バイアス電流用コイル（Cb）のインダクタンス（Lb）もより大きくなる。

本発明によれば、制御電流用コイル（Cd）の最大起磁力とバイアス電流用コイル（Cb）の最大起磁力を同じに設定したとすれば、バイアス電流（Ib）の最大値は、制御電流（Id）の最大値よりも小さくなる。すなわち、本発明では、損失の大きさが電流の大きさに左右される電流供給装置（41）でバイアス電流（Ib）を供給する場合に、その電流供給装置（41）における損失を低減させることが可能になる。また、バイアス電流用コイル（Cb）のインダクタンス（Lb）がより大きくなるので、バイアス電流用コイル（Cb）におけるリプルが低減する。

図１は、実施形態１に係るターボ圧縮機の構造を示す概略図である。図２は、磁気軸受の端面側を模式的に示す図である。図３は、磁気軸受の縦断面図（駆動軸方向の断面図）である。図４は、制御電流用コイルがバイアス電流用コイルに及ぼす外乱を説明する図である。図５は、実施形態２の磁気軸受の端面側を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《発明の実施形態１》
〈全体構成〉
本発明の実施形態として磁気軸受を適用したターボ圧縮機を説明する。図１は、実施形態１に係るターボ圧縮機（1）の構造を示す概略図である。ターボ圧縮機（1）は、図１に示すように、ケーシング（2）、羽根車（9）、電動機（10）、制御部（30）、及び電源部（40）を備えている。

ケーシング（2）は、両端が閉塞された円筒状に形成され、円筒軸線が水平向きとなるように配置されている。ケーシング（2）内の空間は、壁部（3）によって区画されている。該壁部（3）よりも右側の空間が、羽根車（9）を収容するインペラ室（4）を形成し、該壁部（3）よりも左側の空間が、電動機（10）を収容する電動機空間（5）を形成している。羽根車（9）は、複数の羽根によって外形が略円錐形状となるように形成されている。羽根車（9）は、電動機（10）の駆動軸（13）（回転軸）の一端に固定された状態で、インペラ室（4）内に収容されている。

電動機（10）は、ケーシング（2）内に収容され、羽根車（9）を駆動する。この例では、電動機（10）は、いわゆる永久磁石同期モータである。電動機（10）は、電動機用ステータ（11）、ロータ（12）、駆動軸（13）、及び軸受機構（8）を備えている。電動機用ステータ（11）は、ケーシング（2）の内周壁に固定されている。駆動軸（13）は、その軸心がロータ（12）の軸心と同軸となるようにロータ（12）に固定されている。

軸受機構（8）は、ラジアル方向用タッチダウン軸受（14）、スラスト磁気軸受（15）、スラスト方向用及びラジアル方向用タッチダウン軸受（16）（例えばアンギュラ玉軸受）、及び２つの磁気軸受（20,20）を備えている。磁気軸受（20,20）には、後に詳述するように、複数の電磁石（25）が設けられ、各電磁石（25）の電磁力の合成電磁力（F）を駆動軸（13）に付与し、駆動軸（13）を非接触状態で支持するように構成されている。ラジアル方向用タッチダウン軸受（14）は、例えば玉軸受で構成され、磁気軸受（20）の非通電時に駆動軸（13）を支持する。

〈磁気軸受（20）の構成〉
以下の説明では、軸方向とは駆動軸（13）の軸心の方向をいい、径方向とは前記軸心と直交する方向をいう。また、外周側とは前記軸心からより遠い側をいい、内周側とは前記軸心により近い側をいう。図２は、磁気軸受（20）の端面側を模式的に示す図である。また、図３は、磁気軸受（20）の縦断面図（駆動軸方向の断面図）である。本実施形態の磁気軸受（20）は、いわゆる４極型ヘテロポーラ型のラジアル磁気軸受である。磁気軸受（20）は、ステータ（21）、及びギャップセンサ（図示は省略）を備えている。

−ステータ（21）−
ステータ（21）は、ステータコア（22）、制御電流用コイル（Cd）、及びバイアス電流用コイル（Cb）を備えている。ステータコア（22）は、バックヨーク（23）と複数のティース（24）（鉄心）とを備えている。ステータコア（22）は、例えば電磁鋼板を積層して構成する。

バックヨーク（23）は、円環状に形成されている。図２に示すように、ティース（24）は、４つ設けられている。それぞれのティース（24）は、バックヨーク（23）と一体形成され、該バックヨーク（23）の内周面から内周側へ向かって突出している。４つのティース（24）は、バックヨーク（23）の内周に沿って９０度ピッチで配置されている。それぞれのティース（24）には、制御電流用コイル（Cd）とバイアス電流用コイル（Cb）とによって電磁石（25）が形成されている。それぞれのティース（24）は、直方体状であり、前記軸心に平行な面と該軸心に直交する面（軸方向端面と呼ぶ）を有している。

−制御電流用コイル（Cd）−
制御電流用コイル（Cd）は、駆動軸（13）の位置制御のための電磁力を発生させる。ここでは、位置制御のために制御電流用コイル（Cd）に流す電流を制御電流（Id）と呼ぶ。

制御電流用コイル（Cd）は、ティース（24）ごとに設けられている。この例では、制御電流用コイル（Cd）は、ティース（24）の外周寄りに配置されている。勿論、制御電流用コイル（Cd）をティース（24）の内周寄りに配置することも可能である。各ティース（24）の制御電流用コイル（Cd）は、集中巻方式で巻線部材（例えば被覆付き銅線）が巻回されて形成され、駆動軸（13）を挟んで互いに対向した制御電流用コイル（Cd）同士は直列接続されている。それぞれのティース（24）への巻線部材の巻回は、例えば、巻線用ノズルを用いて行えばよい。

制御電流用コイル（Cd）の巻数の設定では、必要な起磁力、制御性などを勘案する。例えば、巻数をより多くすると、起磁力をより大きくできるが、インダクタンス（Lc）も大きくなって応答性（すなわち制御性）が低下する。詳しくは、制御電流用コイル（Cd）のインダクタンス（Lc）は巻数（Nc）の２乗に比例し、インダクタンス（Lc）は制御の反応速度に影響する。したがって、電流制御における反応速度によって制御電流用コイル（Cd）の巻数（Nc）が決まる。すなわち、制御電流用コイル（Cd）の巻数（Nc）には、制御性から定まる上限があると考えられる。なお、図２は、各コイル（Cb,Cd）の配置箇所を説明するものであって、実際の巻数やコイル同士の間隔などを示したものではない。

−バイアス電流用コイル（Cb）−
バイアス電流用コイル（Cb）は、制御電流（Id）の値と合成電磁力（F）との関係を線形にするためのバイアス磁束を発生させるコイルである。ここでは、バイアス電流用コイル（Cb）に流す電流をバイアス電流（Ib）とよぶ。各ティース（24）のバイアス電流用コイル（Cb）は、集中巻方式で配線部材が巻回されて構成されている。本実施形態では、制御電流用コイル（Cd）を先にティース（24）に巻回した後に、バイアス電流用コイル（Cb）を巻回してある。そのため、バイアス電流用コイル（Cb）は、制御電流用コイル（Cd）よりも、ティース（24）の内周側に位置している。各ティース（24）のバイアス電流用コイル（Cb）は、直列接続されている。バイアス電流用コイル（Cb）に電流を流すと、各ティース（24）に電磁力を発生させることができる。

本実施形態では、バイアス電流用コイル（Cb）の巻数（Nb）は、制御電流用コイル（Cd）の巻数（Nc）よりも多く構成されている。軸受機構（8）では、バイアス電流（Ib）には、直流電流が用いられ、駆動軸（13）の位置を制御するための制御電流（Id）に比べて、バイアス電流（Ib）は制御の反応速度は遅くてもよい。そのため、バイアス電流用コイル（Cb）は、制御電流用コイル（Cd）に比べて多く巻くことが可能になる。

〈電源部（40）〉
電源部（40）は、各コイル（Cb,Cd）に電力を供給する。電源部（40）は、バイアス電流供給装置（41）と、制御電流供給装置（42）とを備えている。バイアス電流供給装置（41）は、バイアス電流（Ib）（直流）をバイアス電流用コイル（Cb）に流す。また、制御電流供給装置（42）は、制御電流（Id）を制御電流用コイル（Cd）に流す。バイアス電流供給装置（41）や制御電流供給装置（42）には、一例として、いわゆるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）アンプを採用することができる。ＰＷＭアンプは、例えば、バイポーラ型トランジスタのスイッチングによって出力電圧を制御する。この構成では、例えばバイアス電流供給装置（41）では、所定のバイアス電流（Ib）を流すための損失の大きさが、電流の大きさに左右されることになる。なお、電源部（40）の構成は例示であり、例えばバイアス電流供給装置（41）には、所定の直流電源装置を採用してバイアス電流用コイル（Cb）に所定のバイアス電流（Ib）を流すようにする。この例では、バイアス電流供給装置（41）は、制御電流供給装置（42）よりも電流容量が小さく構成されている。すなわち、バイアス電流供給装置（41）は、制御電流供給装置（42）よりも低コストで構成できる。

図２では、バイアス電流供給装置（41）及び制御電流供給装置（42）と、各コイル（Cb,Cd）の接続関係を模式的に示してある。本実施形態では、直列接続された制御電流用コイル（Cd）が２組あるので制御電流供給装置（42）の出力は２つ設けられているが、図２では、Ｙ軸上に並んだ制御電流用コイル（Cd）についてのみの結線状態を例示してある。Ｘ軸上に並んだ制御電流用コイル（Cd）も同様に直列接続されて、制御電流供給装置（42）から電力供給される。

この構成により、磁気軸受（20）では、制御電流（Id）を、直列接続の制御電流用コイル（Cd）の対の単位で制御できる。すなわち、磁気軸受（20）では、制御電流用コイル（Cd）による電磁力を軸（Ｘ軸、Ｙ軸）単位で制御できる。なお、制御電流用コイル（Cd）同士を直列接続せずに、制御電流（Id）を制御電流用コイル（Cd）ごとに制御すれば、ティース単位で電磁力を制御することができる。

バイアス電流供給装置（41）及び制御電流供給装置（42）が各コイル（Cb,Cd）に供給する電圧の大きさは、制御部（30）が制御する。例えば、制御電流供給装置（42）は、制御部（30）が出力した電圧指令値に応じて出力電圧を変化させる。これにより制御電流用コイル（Cd）に流れる電流が変化する。

〈制御部（30）〉
制御部（30）は、駆動軸（13）が所望の位置で非接触支持されるように、ギャップセンサ（図示省略）の検出値を用いて位置制御を行う。位置制御では、制御部（30）は、制御電流供給装置（42）を介して制御電流（Id）の大きさを制御する。このとき制御部（30）は、各電磁石（25）の合成電磁力（F）と、制御電流（Id）との関係が線形になるように、バイアス電流用コイル（Cb）に所定のバイアス電流（Ib）を流す。バイアス電流（Ib）は一定値の直流としてもよいし、駆動軸（13）の負荷などに応じて制御してもよい。なお、バイアス電流（Ib）を制御する場合には、その制御は、一般的には、位置制御の制御周期よりも長い周期（例えば位置制御の周期の１００倍以上の周期）で行えばよいと考えられる。つまり、バイアス電流用コイル（Cb）には、制御電流用コイル（Cd）ほどの高速な制御性は求められない。

〈各コイルの電流値の関係〉
磁気軸受（20）では、制御電流用コイル（Cd）による起磁力の最大値と、バイアス電流用コイル（Cb）による起磁力の最大値とを同じにするのが好ましい。例えば、これらの起磁力の最大値が互いに異なると、合成電磁力（F）と制御電流（Id）との線形性を確保できる範囲が狭くなるからである。

本実施形態でも制御部（30）によって、バイアス電流用コイル（Cb）の最大起磁力と制御電流用コイル（Cd）の最大起磁力が同じになるように制御を行う。そのような制御を行うと、本実施形態では、バイアス電流（Ib）の最大値は制御電流（Id）の最大値よりも小さくなる。これは、バイアス電流用コイル（Cb）の巻数（Nb）を制御電流用コイル（Cd）の巻数（Nc）よりも多くした結果、同じ大きさの磁力を発生させるための電流が、バイアス電流用コイル（Cb）の方が制御電流用コイル（Cd）よりも小さくなるからである。すなわち、本実施形態では、バイアス電流供給装置（41）における電流値をより小さくできる。

〈本実施形態における効果〉
以上のように、本実施形態によれば、バイアス電流（Ib）をより小さくできるので、損失の大きさが電流の大きさに左右されるバイアス電流供給装置（41）では、損失を低減させることが可能になる。

また、バイアス電流用コイル（Cb）の巻数（Nb）を増やしたことで、バイアス電流用コイル（Cb）のインダクタンス（Lb）もより大きくなり、バイアス電流用コイル（Cb）におけるリプルが低減する。その結果、鉄損を低減させることが可能になる。

《実施形態１の変形例》
バイアス電流用コイル（Cb）の巻数（Nb）は、次式（１）のように定めるのが好適である。

Ｎｃ＜Ｎｂ≦Ｎｃ×Ｌｃ／Ｍ・・・式（１）
ここで、Ｌｃは、制御電流用コイル（Cd）のインダクタンスである。Ｍは、制御電流（Id）がバイアス電流用コイル（Cb）に及ぼす影響の割合を示した相互インダクタンスである。また、Ｎｃは、制御電流用コイル（Cd）の巻数である。

図４は、制御電流（Id）がバイアス電流用コイル（Cb）に及ぼす影響を説明する図である。同図において、ｉ２は、制御電流（Id）である。ｉ１は、制御電流（Id）の影響によってバイアス電流用コイル（Cb）に生ずる電流である。また、Ｒｂはバイアス電流用コイル（Cb）の直流抵抗成分である。

バイアス電流用コイル（Cb）と制御電流用コイル（Cd）は電気的に結合している。そのため、制御電流（Id）の変化によって、バイアス電流用コイル（Cb）には誘導電流が発生する。この誘導電流の変化の速度は、制御電流（Id）の変化の速度と同等であり、その大きさは相互インダクタンス（M）に比例する。したがって、バイアス電流（Ib）の制御応答速度を制御電流（Id）の制御応答速度と同等にするためには、バイアス電流用コイル（Cb）の巻数（Nb）をＮｃ×Ｌｃ／Ｍにする必要がある。

つまり、巻数（Nb）が式（１）を満足するように定めることで、バイアス電流（Ib）の制御性を制御電流（Id）と同等以上に保った状態で、バイアス電流供給装置（41）の損失低減や、バイアス電流供給装置（41）の電流容量低減の効果を発揮できる。すなわち、本変形例では、バイアス電流（Ib）の制御性を維持しつつ、実施形態１の効果を得ることが可能になる。それゆえ、本変形例は、バイアス電流（Ib）の可変制御を行う磁気軸受に有用である。

《発明の実施形態２》
図５は、実施形態２の磁気軸受（20）の端面側を模式的に示す図である。磁気軸受（20）は、図５に示すように、いわゆる８極型ヘテロポーラ型のラジアル軸受である。この例でも、磁気軸受（20）は、ステータ（21）、及びギャップセンサ（図示は省略）を備えている。

ステータ（21）は、ステータコア（22）、制御電流用コイル（Cd）、及びバイアス電流用コイル（Cb）を備えている。本実施形態においても、制御電流用コイル（Cd）は、ステータコア（22）のそれぞれのティース（24）に集中巻方式で巻線部材が巻回されている。また、各ティース（24）のバイアス電流用コイル（Cb）は、集中巻方式で巻線部材が巻回されて構成されている。本実施形態においても、バイアス電流用コイル（Cb）の巻数（Nb）を制御電流用コイル（Cd）の巻数（Nc）よりも多くしてあり、実施形態１の磁気軸受（20）と同様の効果を得ることができる。

《その他の実施形態》
なお、制御電流用コイル（Cd）をバイアス電流用コイル（Cb）よりも内周側に配置してもよい。

また、磁気軸受（20）の用途はターボ圧縮機（1）には限定されない。例えば、ターボ分子ポンプ等、回転軸を有する種々の機器に応用できる。

本発明は、回転軸を電磁力によって非接触支持する磁気軸受として有用である。

１３駆動軸（回転軸）
２０磁気軸受
２４ティース（鉄心）
４１バイアス電流供給装置
４２制御電流供給装置
Ｃｂバイアス電流用コイル
Ｃｄ制御電流用コイル

Claims

複数の鉄心（24）と、
それぞれの鉄心（24）に巻回され、回転軸（13）の位置制御のための磁束を発生させる制御電流用コイル（Cd）と、
前記制御電流用コイル（Cd）よりも多い巻数（Nb）でそれぞれの鉄心（24）に巻回され、バイアス磁束を発生させるバイアス電流用コイル（Cb）と、
を備えていることを特徴とする磁気軸受。
請求項１の磁気軸受において、
前記バイアス電流用コイル（Cb）の巻数は、該バイアス電流用コイル（Cb）の巻数をＮｂ、前記制御電流用コイル（Cd）のインダクタンスをＬｃ、前記制御電流（Id）がバイアス電流用コイル（Cb）に及ぼす影響の割合を示した相互インダクタンスをＭ、制御電流用コイル（Cd）の巻数をＮｃとした場合に、Ｎｂ≦Ｎｃ×Ｌｃ／Ｍの関係を満たすことを特徴とする磁気軸受。
請求項１の磁気軸受において、
前記バイアス電流用コイル（Cb）に電力を供給するバイアス電流供給装置（41）の電流容量は、前記制御電流用コイル（Cd）に電力を供給する制御電流供給装置（42）の電流容量よりも小さいことを特徴とする磁気軸受。
請求項１の磁気軸受において、
前記バイアス電流（Ib）は、前記制御電流（Id）よりも小さいことを特徴とする磁気軸受。