JP2014502707A - 磁気軸受ドライブ回路 - Google Patents

Abstract

一対の直流（ＤＣ）リンク電圧レールから駆動される磁気軸受ドライブ回路が提供され、該磁気軸受ドライブ回路は、磁気軸受巻線を駆動するための出力ＰＷＭ駆動信号を提供する少なくとも１つの増幅器を有し、該出力ＰＷＭ駆動信号は、複数の駆動信号レールを介して磁気軸受巻線に提供され、前記磁気軸受ドライブ回路は、ＤＣリンク電圧レールに結合され且つＤＣリンク電圧レールから一対のオフセットキャッチャ電圧レールを提供するように構成された一対の電圧オフセットデバイス、および、個々のオフセットキャッチャ電圧レールと複数の駆動信号レールのうちの対応する駆動信号レールとの間に結合された一次クランピング手段を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は一般にパワーエレクトロニクスに関し、詳細には改良された磁気軸受ドライブシステムに関する。

従来の磁気軸受増幅器の形態は、スイッチド・リラクタンスドライブのために使用される形態と類似している。しかしながら、磁気軸受増幅器は、伝送される電力が理論上は無効電力となる点で状況が異なっている（機械的な仕事がなされないため）。

実際、磁石は、銅損および場合によってはさらに鉄損を有するインダクタとしてモデル化することができる。しかしながら、磁気軸受までの距離が長い電力ケーブルを使用した設置では（例えば軸受が揮発性ガス圧縮機中に存在しているような場合、軸受を含んだ機械類と軸受ドライバ回路機構との間の分離が必要であることがしばしばであるため、実際の実施態様ではこのような設置がよくある）、磁気軸受およびそれらに対応するドライバ回路機構との長い磁石電力ケーブルのキャパシタンスおよび伝送線路の影響によって、スイッチングエッジにおける大きい電流、および負荷（すなわち磁気軸受）における極めて高い電圧をもたらすことになる。

大きい電流は、軸受またはドライバ回路機構が損傷する原因になり、あるいはこれらに他の好ましくない影響をもたらすことがある。また、これらの好ましくない影響は増幅されることがあり、これは、このような磁気軸受のための動作電圧が典型的には（既に）数百ボルト程度（例えば６００Ｖ）に達しているため、とりわけ問題である。

したがって改良された磁気軸受ドライブシステムが必要である。

本発明の実施形態は、磁石駆動増幅器の伝送線路モデル化磁石電力ケーブルのスイッチングに関連するエネルギーをＤＣリンク（すなわち電源）に帰還し、かつ、軸受ドライバ増幅器の動的性能を犠牲にすることなく負荷の電圧を制限する。

したがって、一対の直流（ＤＣ）リンク電圧レールから駆動される磁気軸受ドライブ回路が提供され、該磁気軸受ドライブ回路は、磁気軸受巻線を駆動するための出力ＰＷＭ駆動信号を提供する少なくとも１つの増幅器を有し、該出力ＰＷＭ駆動信号は、複数の駆動信号レールを介して磁気軸受巻線に提供され、前記磁気軸受ドライブ回路は、ＤＣリンク電圧レールに結合され且つＤＣリンク電圧レールから一対のオフセットキャッチャ電圧レールを提供するように構成された一対の電圧オフセットデバイス、および、個々のオフセットキャッチャ電圧レールと複数の駆動信号レールのうちの対応する駆動信号レールとの間に結合された一次クランピング手段を備えている。したがって両方のキャッチャレールが、一次クランピング手段を介して磁気軸受の個々の「脚」に接続される。

任意選択で、個々の電圧オフセットデバイスは、接地と個々のオフセットキャッチャ電圧レールとの間に接続されたデカップリングコンデンサ回路網をさらに備えている。

任意選択で、一次クランピング手段は、それぞれの駆動信号レール毎に一対のクランピングダイオードを備えている。

任意選択で、上記一対の一次クランピングダイオードは、オフセットキャッチャ電圧レール間に直列に結合され、また、一次クランピングダイオード間の接合点は、対応する駆動信号レールに結合される。

任意選択で、電圧オフセットデバイスは、それぞれのＤＣリンク電圧レールとオフセットキャッチャ電圧レールとの間に結合された直列抵抗器、または、それぞれのＤＣリンク電圧レールとオフセットキャッチャ電圧レールとの間に結合された所定の閾値電圧を有する（電力）ツェナーダイオード、または、出力がＤＣリンク電圧レール間のＤＣリンク電圧であって、入力が所定のオフセット電圧であり、それぞれのＤＣリンク電圧レールと両方のオフセットキャッチャ電圧レールとの間に結合されたＤＣ−ＤＣ変換器、または、制動回路を形成するコンデンサや抵抗器やスイッチ、のうちの１つを備えている。

任意選択で、電圧オフセットデバイスは、（電力）ツェナーダイオードを備えており、また、回路は、個々のツェナーダイオードと直列の抵抗器をさらに備えている。

任意選択で、電圧オフセットデバイスは、電力ＭＯＳＦＥＴまたは電力ＩＧＢＴの両端間に結合される低電力ツェナーダイオードから形成された電力ツェナーダイオードを備えている。

任意選択で、電力ツェナーダイオードは、電力ＭＯＳＦＥＴまたは電力ＩＧＢＴの両端間に選択的に結合される、可変閾値電圧電力ツェナーダイオードを提供するための複数の低電力ツェナーダイオードを備えている。

任意選択で、電力をＤＣリンク電圧にのみ確実に伝送して戻すために、電圧オフセットデバイスとＤＣリンク電圧レールの間に整流器ダイオードを結合することができる。

任意選択で、電圧オフセットデバイスは、磁気軸受、磁気軸受増幅器およびそれらの間の長さのケーブルを備えた全体システムの増幅器端、または磁気軸受、磁気軸受増幅器およびそれらの間の長さのケーブルを備えた全体システムの磁気軸受端、のいずれかに配置される。

任意選択で、個々のＤＣリンク電圧レールと駆動信号レールとの間に二次クランピング手段を結合することができる。

任意選択で、二次クランピング手段は、個々のＤＣリンク電圧レールと駆動信号レールとの間に結合された抵抗器と直列の他のセットの（電力）ダイオードを備えている。

上で言及した磁気駆動軸受回路の変形形態を他の機械駆動回路のために使用することも可能である。

本発明の他の詳細、態様および実施形態について、単なる一例にすぎないが、図面を参照して説明する。図面では、同様の参照番号は、同様の要素または機能的に同様の要素を識別するために使用されている。図中の要素は、簡潔に、かつ、分かり易く示されており、また、必ずしもスケール通りには描かれていない。

本発明の実施形態による、磁気軸受巻線に個別に電力を供給することができる様子、または戻り経路を共有することができる様子を示す略図である。 本発明の一実施形態による磁気軸受増幅器回路の高水準の略図である。 本発明の一実施形態による、一次クランピングダイオード構造のみを有する磁気軸受増幅器回路の構成要素レベルの略図である。 本発明の実施形態による、電力ツェナーダイオードおよび可変電力ツェナーダイオードの構成要素レベルの略図である。 本発明の実施形態による、電力ツェナーダイオードおよび可変電力ツェナーダイオードの構成要素レベルの略図である。 本発明の実施形態による、電力ツェナーダイオードおよび可変電力ツェナーダイオードの構成要素レベルの略図である。 本発明が適用されていない、磁気軸受入力電圧の電圧対時間波形を示す図である。 本発明の実施形態による磁気軸受入力電圧の電圧対時間波形を示す図である。

（好ましい実施形態の詳細な説明）
図示される本発明の例は、そのほとんどの部分を、当業者に既知の電子コンポーネントおよび回路を使用して実施することができるため、本発明の基礎をなす概念を理解し、かつ、認識するために必要と思われる程度を超えるあらゆる詳細な説明は、本発明の教示を不明瞭にしないために、あるいは本発明の教示から逸れないために、省略される。

磁気軸受は、最も顕著には、多くの産業プロセスの駆動に見られる工場機械類における状況などの様々な状況で使用されている。これらの例には、産業用ポンプ、発電機などがある。安全上／衛生上または他の理由により、磁気軸受は、しばしば、それらの制御回路機構および駆動回路機構とは別に配置される。駆動回路機構は、典型的には、適切なＤＣリンク電圧（電源）をパワーオフする複数の増幅器を備えており、個々の増幅器は、特別に制御されたパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動信号を、磁気軸受内の１つまたは複数のセットの巻線に提供する。

典型的なシステムは、０Ｖから３９０Ｖ、０Ｖから６００Ｖ、または−１５０Ｖから＋１５０Ｖ（すなわち接地を中心とする３００Ｖスパン）のＤＣリンク電圧で動作する。しかしながら、本発明の方法はそれらに限定されない。異なる抵抗値、ブレークダウン／閾値電圧値などを単純に必要とする異なる電圧スパンを使用することも可能である。

磁気軸受巻線を駆動するＰＷＭ駆動信号は、その周波数が高いことがしばしばである。このような高周波パルスの場合、駆動回路機構を磁気軸受に接続している（長い）磁石電力ケーブルは、伝送線路として取り扱うことができる。

最良のパルス応答つまり伝送線路から最も平らな周波数応答を得るために使用される通常の実践は、伝送線路の特性インピーダンスに等しい（直列）電源インピーダンスから伝送線路を駆動し、かつ、（並列）抵抗すなわち同様の値のインピーダンスを使用して伝送線路を終端することである（いわゆるインピーダンス整合）。そうすることにより伝送線路内の反射が除去される。

磁石電力ケーブル配線として使用するために適した２００メートルのケーブルの例を取ると、試験測定では、特性インピーダンスは４３オームであることが決定された（試験では、単位長さ当たりのキャパシタンスで割った単位長さ当たりのインダクタンスの平方根が測定された）。

このようなケーブルの場合、磁気軸受巻線の大きい値の磁石インダクタンス（２０ｍＨ以上）により、事実上、磁石電力ケーブルの磁気軸受端に開放終端が提供される（典型的に使用されている１０ｋＨｚ搬送波周波数のパルス幅変調で）。

単純に４３オームの抵抗器を磁気軸受巻線と並列に置くだけで、良好な終端が提供されるが（この抵抗器は伝送線路モデル化電力ケーブルの特性インピーダンスと整合するため）、それぞれの磁石軸受巻線に供給される電圧が掛かる抵抗に起因して、かなりの電力損失を招くことにもなる。

例えば電力損失＝Ｖ^２／Ｒであり、ここで動作電圧が６００Ｖである場合（これは磁気軸受用途では極めて典型的である）、単一の磁石の瞬時損失は、
（６００^＊６００）／４３＝８３７２ワット
になる。

電力はＰＷＭ信号の形態で軸受に供給されることを考慮すると、全電圧が供給されるのは、一定の割合（典型的な例は約１０％である）の時間の間にすぎない。磁石電力ケーブルの磁気軸受端の４３オームの抵抗器の両端間で、磁石当たり約８３７ワットの電力損失が実際に観察されるのはそのためである。しかしながらこれらのレベルは依然として極めて高い。

この電力は、（１つまたは複数の磁気軸受自体によって使用される電力と合わせて）電源が提供しなければならない電力であるばかりでなく、この無駄な電力はまた、負荷において消費されなければならない。また、キャンド軸受では、カン損失によってこのような抵抗性損失／減衰に対する他の寄与が提供されることになる。

並列終端抵抗器がない場合、磁石端に到達するパルス信号は、ケーブル特性インピーダンスよりはるかに大きいインピーダンスに遭遇することになり、また、パルスは、反転することなく伝送端に向かって反射して戻るため、パルス遷移の電圧は２倍になる。

さらに、直列抵抗器（この例では、磁石電力ケーブルの計算された特性インピーダンスに整合させるための４３オームの抵抗器）を電源部分に単純に使用することは、抵抗が固有ケーブル抵抗より約１００倍大きくなり、そのため、磁石巻線に伝送される電流に比例した、望ましくない、大きく、かつ、許容不可能なＤＣ電圧降下の原因となり（電力損失＝Ｉ^２Ｒであるため）、これは望ましくない。このことを念頭に置くと、可能な限り小さいＩ^２Ｒ電力損失を維持するためには、典型的には０．５オーム未満のケーブル抵抗を使用することが賢明である。このように、４３オームの抵抗は、このケーブルの総抵抗を約１００倍大きくすることになる。さらに、この形態には（極めて）大きい電力定格の抵抗器が必要である（これは、大きく、かつ、高価である）。

さらに、電源インピーダンスは、増幅器端では事実上ゼロであるため、遠方端で反射した駆動信号は、すべて、事実上反転して磁気軸受に向かってはね返り（つまり反射し）、そこで反転することなく再び増幅器に向かって反射して戻ることになる。これは規則的に生じ、線路上での「リンギング」の原因になることがある（これは、増幅器回路にとってはとりわけ有害である）。より詳細には、遠方端に有効な開放終端が存在し、かつ、送信端にゼロインピーダンスが存在している場合、開放遠方端に到達したパルスは、すべてその大きさが２倍になって（例えば元の電圧が６００Ｖであれば１２００Ｖになる）送信端へ戻り、短絡終端には衝突するだけで、今度は反転して負荷端に向かって移動して戻り、以下、これが繰り返される。このような効果は、ビデオ同軸ケーブル上の低電圧で立証することができる。結果は、減衰リンギングのようであるが、正弦波ではなく、矩形を有している。リンギングの減衰の割合は、磁石電力ケーブル中の損失（つまり電力ケーブルを伝送線路としてモデル化することによって計算された４３オームの特性インピーダンスと比較した実際のケーブルの直列抵抗を介した損失）によって決まる。典型的には、リンギングは、長いケーブルを行ったり来たり走行する毎に、５％（断面が大きい磁石ケーブル）と４０％（ビデオ同軸ケーブル）との間で減衰することになる。

しかしながら、磁気軸受巻線を駆動するＰＷＭ増幅器の電源レール電圧より若干高く設定された電圧（すなわち、電圧極性に関し、正の数値の場合は、より正の方向に高く、また、負の数値の場合は、より負の方向に高く設定された電圧）に接続された「クランピング」ダイオードを使用して最初の電圧オーバシュートを捕え（キャッチし）、リンギングからエネルギーをこれらの「キャッチャ」電圧レール中に回収することにより、単一の衝突における更なるあらゆる往復リンギング効果の振幅を実質的に低減することが可能であることが見出された。これは、事実上、開放遠方端における見せ掛けのほぼゼロに近いインピーダンス中への、反射の超過電圧部分の終端結果である。

第２の「クランピング」ダイオードは、負の遷移に対して使用することができ、この場合、キャッチング電圧を負の駆動電圧より若干高くしなければならず、すなわち、パルス源（すなわち磁気軸受駆動増幅器）に電力を供給している負のレールよりもさらに負の方向に高くしなければならない。

「クランピング」ダイオードは、高速回復ダイオードであることが好ましく、また、ペアで（軸受巻線電力ケーブルの脚毎に）使用されることが好ましい。

個々の磁石電力ケーブルは、２本の「脚」、つまり駆動増幅器から磁気軸受巻線まで延在する電流導体、および磁気軸受巻線から駆動増幅器まで戻る電流導体を備えている。磁気軸受巻線は、反対ペアで駆動されることがしばしばであり、したがって一組の反対磁石は、単一のリターン経路、すなわち図１に示される脚を共有することができる（Ａ_１およびＢ_１１１０は、絶縁された／個別の磁石駆動ケーブル配線を表しており、また、Ａ_２／Ｂ_２１２０は、共有共通リターン状態を表している）。

個々の磁気軸受巻線／脚（または共有リターン経路）は、典型的には２つの関連するクランピングダイオードを有しており、したがって磁気軸受巻線毎に４つ使用される。一実施形態では、ダイオードは、直列抵抗器を有しておらず、ＤＣリンク電圧の制限より所定の電圧オフセット値だけ高いキャッチャ電圧オフセットおよびＤＣリンク電圧の制限より所定の電圧オフセット値だけ低いキャッチャ電圧オフセットに接続する。しかしながら、代替実施形態では、磁石電力ケーブルのインピーダンスと整合する抵抗器を使用することができる。

すべてのキャッチャ電圧（すなわち電圧シンク）は、好ましくは、２つのデカップリングコンデンサを有しており、１つは接地に接続するデカップリングコンデンサであり、もう１つは反対極性のキャッチャ電圧に接続するデカップリングコンデンサである。接地は、典型的にはローカルマシンの金属細工物接地電位であり、磁石ケーブル内の接地導体ではない。

個別の回路はキャッチャ電圧を提供することができるが、エネルギーが失われることなくＤＣリンクに戻されるよう、ＤＣリンク電圧を使用することが好ましい。したがって、正の駆動電圧がＤＣリンク電圧の正の電位より所定のオフセット値だけ高くなるときはいつでも、また、同様に、負の駆動電圧がＤＣリンクの負の電位を超えるときはいつでも、電力をＤＣリンクに戻すために、該ＤＣリンクに接続が戻される電圧オフセットデバイスを使用することは、エネルギー効率の点ではるかに優れている。オフセット電圧は、典型的には個々のＤＣリンク値の１５Ｖと５０Ｖとの間である（例えば６００Ｖの典型的なＤＣリンク電圧の場合、（−１５Ｖから＋６１５Ｖ）と（−５０Ｖから＋６５０Ｖ）との間である）。

電力リターンケーブルが提供されない場合、そうでなければ信号源に戻されることになる電力を消費させるための制動抵抗器回路を使用するオプションがある。この場合、通常はそれぞれの電力リターンケーブルに供給する回路が、それぞれの電力リターンケーブルに供給する代わりに値が大きい電解コンデンサに供給することになり、このコンデンサは、半導体スイッチを介してコンデンサの両端間に接続されている抵抗器によって放電されることになる。このような制動回路の通常の動作は、スイッチの場合、電圧が（より）高い閾値を超えて高くなると導通を開始し、また、コンデンサ電圧がより低い閾値未満に降下すると導通を停止することである。これらの２つの電圧レベル間のヒステリシスは、典型的には１５Ｖと５０Ｖの間であり、したがって両方の閾値がＤＣリンク電圧の広がりより広くなり、したがって代わりにクランピング電圧レベルをＤＣリンクの範囲外へ広げるための電圧オフセットデバイスの使用は不要である。しかしながら、エネルギーが単純に制動回路中に無駄に棄てられるため、これは役に立たない実施態様である。

電圧オフセットデバイスは、典型的には複数の対で使用され、１つは正のキャッチャ電圧レールに対する正のオフセットのための対であり、他の対は、負のキャッチャ電圧レールに対する負のオフセットのための対である。電圧オフセットデバイスは、電力リターンケーブルのいずれか一方の端（すなわち、駆動／制御回路端、または負荷端）に配置することができる。

例えば様々な異なるオフセットデバイスを使用することができ、単純な抵抗器を使用して電圧オフセットを生成することができる。しかしながら、この場合、オフセット電圧は電力リターン電流に正比例する。したがって抵抗器は、単純で、かつ、安価であるが、最良の性能は提供しない。

定電圧オフセットデバイスの最も単純な実施形態はツェナーダイオードである。高電圧および大電流を駆動する場合、典型的には電力ツェナーダイオードが使用される。ツェナー（ブレークダウンすなわち閾値）電圧は１０Ｖから５０Ｖの範囲内であり、また、ツェナー電流は５Ａ程度である。したがって消費は最大２５０Ｗになることがある。電力ツェナーダイオードは、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの電力半導体の両端間に典型的な４００ｍＷ（つまり低電力）ツェナーダイオードを接続し、ゲート電圧を、コレクタ電圧（ＩＧＢＴを使用する場合）またはドレイン電圧（ＭＯＳＦＥＴを使用する場合）未満のある規定値にすることによって実施することができる。この場合、電力ツェナー閾値電圧は、標準（典型的には４００ｍＷ）ツェナーダイオードのブレークダウン電圧＋電力半導体のゲート閾値電圧（これは、典型的には５Ｖと１０Ｖの間にすることができる）である。この合計は、上で言及した１０Ｖから５０Ｖの範囲内になるように設定される。

もっと複雑な解決法は、電力ツェナーダイオードの代わりにＤＣ−ＤＣ変換器を使用して電圧オフセットを達成することである。理想的には、ＤＣ−ＤＣ変換器に置換される電力ツェナーダイオードの閾値電圧と同じ入力電圧を有する、直流的に絶縁された（galvanically isolated）ＤＣ−ＤＣ変換器が使用されることになる。出力電圧は、典型的にはＤＣリンク電圧（すなわち０Ｖまたは＋６００Ｖ）である。入力電圧は、電圧が設定値（１０Ｖ〜５０Ｖ）より高くなると、ＤＣ−ＤＣ変換器が徐々により多くの電力をＤＣリンクバスに供給し戻すように該変換器を構成することにより、制御することができる。それにより、キャッチャ回路機構がより複雑にはなるが、電力効率は改善される。

他の可能性は、昇圧変換器構成（直流的に絶縁されていない）を使用して、オフセットキャッチャ電圧からＤＣリンクバスに電力を戻すことである。この場合、入力電圧が設定値より高くなると、入力から得られる電流を上方に調整することによって入力電圧を制御するように、昇圧変換器の制御ループをセットアップしなければならないことになる。

さらに、第２のセットのクランピングダイオードを存在させることも可能であり、これらのクランピングダイオードは、それらに直列に接続された、磁石電力ケーブルの特性インピーダンスにほぼ等しい抵抗器を有している。この第２のセットのクランピングダイオードは、電力リターンケーブルのＤＣリンク電圧（オフセットキャッチャ電圧ではなく）に直接接続する。この抵抗器の存在により、キャッチャダイオードがフライホイール電流のための好ましい経路になるのが防止され、また、その値は、特性インピーダンスを適切に終端するように選択される。二次クランピングダイオードおよび直列抵抗器の直列順序は逆にすることが可能である。この第２のセットのクランピングダイオードの追加により、二組の電力リターンケーブル（一組は「オフセット」リターンケーブル、もう一組は「ＤＣリンク」リターンケーブル）が必要になるため、さらに複雑になる。そのため、必然的に第２の電力リターンケーブル（ＤＣリンク毎の）が伴うか、あるいはケーブルの負荷端に電圧オフセットデバイスが配置される。この二次セットのダイオードの利点は些細であるため、余計な複雑性、およびケーブルの負荷端に電圧オフセットデバイスを配置することに関連する問題を正当化することはできない。

システムが二次クランピングダイオードのみを使用する場合（直列抵抗器と共に）、これらの二次クランピングダイオードはそれほど有効ではないため、初期電圧オーバシュートは、一次クランピングダイオードのみを利用した場合に遭遇する初期電圧オーバシュートと比較すると、依然として重大である。しかしながら「リンギング」の継続期間を著しく短縮することは可能である。一次クランピングダイオードおよび二次クランピングダイオードの両方を使用して、それらそれぞれの利点を合わせた利点が提供される。

図２は、本発明の一実施形態による磁気軸受増幅器回路２００の高水準の略図を示したものである。

図２では、ＤＣリンク電圧／電源２１０は、それぞれ少なくとも１つの磁気軸受巻線を駆動する複数の磁気軸受巻線増幅器（２２０ａ〜ｃ）に電力を供給している。磁気軸受の巻線は、それぞれの端子（図２には二組の端子１３０ａ／ｂのみが示されている）を介して接続されている。一次クランピングダイオード１４０ａ／ｂは、対応する個々の磁石端子１３０ａ／ｂに接続されており、また、任意選択で二次クランピングダイオード１５０ａ／ｂが対応する個々の端子１３０ａ／ｂに接続される（点線）。一次クランピングダイオード１４０ａ／ｂは、対応する個々の電圧オフセットデバイス１６５および１７５によって提供される、正のキャッチャ電圧レール１６０と「負」のキャッチャ電圧レール１７０との間に結合されている。これらの電圧オフセットデバイスは、逆供給阻止ダイオード１８０を介して適切なＤＣリンク電圧に戻る（すなわち、０〜６００ＶのＤＣリンクの場合、正のキャッチャレールが＋６００Ｖに接続し、また、「負の」キャッチャレールが０Ｖに接続する）。実施に際し、抵抗器を備えた二次クランピングダイオード１５０ａ／ｂはＤＣリンク２１０に直接結合される。個々の増幅器２２０ａ〜ｃは、１つまたは複数のセットの一次／二次クランピングダイオードを有しており、それらは、すべて同じ電力リターンケーブルを使用することも、あるいは個別の電力リターンケーブルを使用することも可能である。図２はまた、回路のそれぞれの部分が提供される場所を示しており、すなわち、磁気軸受を組み込んだ機械が取り付けられている場所から離れた制御キャビネット内に配置されているのか、あるいは機械自体の中に配置されているのかが示される。

図３は、本発明の一実施形態による、一次クランピングダイオード１４０ａ構造のみを有する磁気軸受増幅器回路の構成要素レベルの略図を示したものであり、参照番号は、回路全体のそれぞれの部分に対して典型的に使用される構成要素を示すために図２の高水準の略図に対応している。個々のケーブル脚と直列な、並列のインダクタおよび抵抗器３１０（これらは、短絡状態下における、時間に対する電流の変化率を制限するためにしばしば含まれている）、磁気軸受巻線３２０およびデカップリングコンデンサ回路網３３０などのいくつかの追加構成要素もまた示される。

図４Ａ〜図４Ｃは、高電力ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴトランジスタ（１６５^Ｄ２）に結合された、抵抗器（１６５^Ｒ）と直列の１つまたは複数の低電力ツェナーダイオード（１６５^{Ｄ１：１−Ｎ}）から電力ツェナーダイオードおよび可変ツェナーダイオードを形成することができる様子を示したものである。これらの構造により、複数のキャッチャオフセット電圧（正および負の）のうちの１つまたは複数を形成することができる。

図５は、本発明が適用されていない、磁気軸受入力電圧の電圧対時間または電流対時間の波形を示したものであり、図の上側部分に示される駆動電圧波形上に見ることができるスパイク５１０、および下側半分に示される電流波形上のリンギングが存在している。

一方、図６は、上側部分に、本発明の実施形態による磁気軸受入力電圧の電圧対時間波形であって、駆動電圧波形上に見ることができるプラトー（plateau：台地）６１０を形成するためにスパイクが除去された磁気軸受入力電圧の電圧対時間波形を示し、また、下側半分に、短縮されたリンギング効果継続期間を示す電流波形を示したものである。オフセットキャッチャ電圧が小さすぎると（つまりＤＣリンク電圧を十分に超えて広がらない場合）、駆動電圧はより長いテールオフを有することが分かった。

これは、１つまたは複数の「クランピング」ダイオードに接続する電圧が低すぎる場合（すなわち、ＤＣリンク電圧に近すぎる場合）、個々のクランピングダイオードが磁石軸受駆動増幅器内のフライホイールダイオードに取って代わることが可能であり、ケーブル入力部で電流パルスに極めて長いテールをもたらすことが分かったことによるものである。この状態の下ではリターン経路電流は、リターン経路電流が結合される磁石内の磁石電流の合計の約半分である。これは、図４の電力ツェナーダイオード構造などの適切な電圧オフセットデバイスを介してしっかりしたキャッチャ電圧を提供することによって回避しなければならない。

６００Ｖで動作する一例示的形態では、増幅器への電力リターンの個々の脚に２２オームの抵抗器を使用することにより、電流が磁石電流（それぞれ１０Ａ）の合計の半分ではなく、典型的には約０．７Ａまで減少し、このことから、ツェナーダイオードが接続する２つのキャッチャ電圧は、６００ＶのＤＣリンクレールより約１５Ｖ高く、また、０Ｖレールより１５Ｖ低いことを推論することができることが分かった。したがってパルス源が０Ｖと＋６００Ｖの間で生成されると、事実上、−１５Ｖと＋６１５Ｖの間の電圧波形のトラムライニング（tram-lining）が存在する。しかしながら、異なるコンポーネント値は、典型的には１０Ｖと５０Ｖの間の異なるトラムライン（tram-lined）電圧レベルをもたらすか／異なるトラムライン電圧レベルを必要とすることがある。

これらのキャッチング電圧レベルを正しいレベルにしても、例えば１つまたは複数の「クランピング」ダイオードが捕えることができる時間間隔より長い時間間隔が電力のグリッチ間に存在している場合、ある程度長い電流テールが依然として存在することがあり、したがって２つのトラムラインレベル（−１５Ｖおよび＋６１５Ｖ）がＤＣリンク電圧（例えば０Ｖおよび＋６００Ｖ）に向かって内側へ移動することがある。しかしながら、これは、任意選択で２２オームの抵抗器と直列の能動電力ツェナーダイオードなどの、主ＤＣリンクから電力が供給される電圧オフセットデバイスを使用することによって回避することができる。ツェナー電圧を変化させることにより（図４Ｃ参照）、テール電流およびキャッチング電圧を最適化することができる。

開示されている特定の構成要素の値は、単なる例示的なものにすぎず、何ら本発明を限定するものではないことは理解されよう。したがって簡潔におさらいすると、ＤＣリンクの各々の側（正および負）のための電圧シンク（オフセットキャッチャ電圧）構造と共に、磁石ケーブルの脚毎に典型的には少なくとも１つのセット（対）のクランピングダイオードを存在させることができる。すべての電圧シンクには、場合によっては、接地に対するデカップリングコンデンサおよび逆極性の電圧シンクに対するデカップリングコンデンサの２つのデカップリングコンデンサが必要である。接地は、典型的には、磁石ケーブル内の接地導体ではなく、ローカルマシンの金属細工物である。一方、変形形態のための他のオプションには、Ａ）クランプダイオードは直列抵抗器を含んでも、含まなくてもよい、Ｂ）異なる電圧シンクに接続された複数のセットのクランプダイオードを使用する可能性（例えば直列抵抗器を備えた１つのセット、および直列抵抗器を備えていない１つのセット）がある。

電圧シンクを提供する異なる方法は、Ｃ１）単純な直列抵抗器（しかしながらＤＣリンクからの電圧オフセットは電流の流れに応じて変化する）、Ｃ２）ＤＣリンク電圧に定電圧を加えるための電力ツェナーダイオード、Ｃ３）ツェナー電圧からＤＣリンクバス電圧へのＤＣ−ＤＣ電圧変換器（電力浪費を少なくし、かつ、廃熱を散逸させる必要性を回避するための）、Ｃ４）電力ツェナーダイオード以外の直列抵抗器（ツェナーデバイスは短絡し損なうことがあり、安全性を増すため）、Ｃ５）閾値電圧制御を備え、電力リターンリンクを備えていない制動抵抗器への直接の電力廃棄（しかしながら、これはそれほどにはエネルギー的に有効ではない）を含むことができる。電圧シンク電力ツェナーまたはＤＣ−ＤＣ変換器は、磁石ケーブルのいずれか一方の端に取り付けることができる。

ＤＣリターン経路の増幅器端の標準整流器ダイオード１８０は、典型的には順方向の電力の流れを防止するための安全上の理由のためにのみ提供されている。

ＤＣリンクが相互接続されるようになるのを防止するために、個別の増幅器毎に必要な１つのＤＣリターンバスを存在させることができる。最悪の場合の電流定格は、典型的には磁石電流の合計の半分である（これは、電圧降下はここでは問題ではないため、電線の自己加熱を考慮するためであることに留意されたい）。電力リターンケーブルのためには２．５ｍｍ^２の線の太さが間違いなく適している。それに対して、長い磁石電力ケーブルは、少なくとも１０ｍｍ^２の断面を有することになるようである。

Claims (13)

1. 磁気軸受巻線を駆動するための出力パルス幅変調（ＰＷＭ）駆動信号を提供する少なくとも１つの増幅器を有し、一対の直流（ＤＣ）リンク電圧レールから駆動される磁気軸受ドライブ回路であって、前記出力ＰＷＭ駆動信号は複数の駆動信号レールを介して前記磁気軸受巻線に提供され、
   前記ＤＣリンク電圧レールに結合され、かつ、該ＤＣリンク電圧レールから一対のオフセットキャッチャ電圧レールを提供するように構成された一対の電圧オフセットデバイスと、
   個々のオフセットキャッチャ電圧レールと、駆動信号レールのうちの対応する駆動信号レールとの間に結合された一次クランピング手段と、
   を備える磁気軸受ドライブ回路。
2. 個々の電圧オフセットデバイスが、接地と個々のオフセットキャッチャ電圧レールとの間に接続されたデカップリングコンデンサ回路網をさらに備える、請求項１に記載の磁気軸受ドライブ回路。
3. 前記一次クランピング手段が、それぞれの駆動信号レール毎に一対のクランピングダイオードを備える、請求項１または２に記載の磁気軸受ドライブ回路。
4. 前記一対の一次クランピングダイオードが、前記オフセットキャッチャ電圧レール間に直列に結合され、前記一次クランピングダイオード間の接合点が、対応する前記駆動信号レールに結合される、請求項３に記載の磁気軸受ドライブ回路。
5. 前記電圧オフセットデバイスが、
   それぞれの前記ＤＣリンク電圧レールとオフセットキャッチャ電圧レールとの間に結合された直列抵抗器、または
   それぞれの前記ＤＣリンク電圧レールとオフセットキャッチャ電圧レールとの間に結合された、所定の閾値電圧を有する電力ツェナーダイオード、または
   出力が前記ＤＣリンク電圧レール間のＤＣリンク電圧であって、入力が所定のオフセット電圧であり、それぞれの前記ＤＣリンク電圧レールと両方のオフセットキャッチャ電圧レールとの間に結合された、ＤＣ−ＤＣ変換器、または、
   制動回路を形成するコンデンサ、抵抗器、およびスイッチ、
   を備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気軸受ドライブ回路。
6. 前記電圧オフセットデバイスがツェナーダイオードを備え、前記回路が、個々のツェナーダイオードと直列の抵抗器をさらに備える、請求項５に記載の磁気軸受ドライブ回路。
7. 前記電圧オフセットデバイスが、電力ＭＯＳＦＥＴまたは電力ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）の両端間に結合される低電力ツェナーダイオードから形成された電力ツェナーダイオードを備える、請求項５または６に記載の磁気軸受ドライブ回路。
8. 前記電力ツェナーダイオードが、電力ＭＯＳＦＥＴまたは電力ＩＧＢＴの両端間に選択的に結合される、可変閾値電圧電力ツェナーダイオードを提供するための複数の低電力ツェナーダイオードを備える、請求項７に記載の磁気軸受ドライブ回路。
9. 電力を前記ＤＣリンク電圧にのみ確実に伝送して戻すために、前記電圧オフセットデバイスと前記ＤＣリンク電圧レールとの間に結合された整流器ダイオードをさらに備える、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の磁気軸受ドライブ回路。
10. 前記電圧オフセットデバイスが、
    磁気軸受、磁気軸受増幅器、およびそれらの間の長さのケーブルを備えた全体システムの増幅器端、または
    前記磁気軸受、磁気軸受増幅器、およびそれらの間の長さのケーブルを備えた前記全体システムの磁気軸受端、
    に配置される、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の磁気軸受ドライブ回路。
11. 個々のＤＣリンク電圧レールと駆動信号レールの間に結合された二次クランピング手段をさらに備える、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の磁気軸受ドライブ回路。
12. 前記二次クランピング手段が、個々のＤＣリンク電圧レールと駆動信号レールとの間に結合された、抵抗器と直列のさらなるセットの電力ダイオードを備える、請求項１１に記載の磁気軸受ドライブ回路。
13. 実質的に、添付の図面を参照して本明細書において説明され、かつ、添付の図面に示されている磁気軸受ドライブ回路。
    

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