JP2015010716A - 改良された能動型磁気軸受制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】コストの増大をさせることなく、アキシャル磁気軸受の軸方向の外乱を排除して、不安定性を防止する。
【解決手段】能動型磁気軸受の回転子１０Ａの位置を制御するため、要求された位置、速度、および加速度を生成するための軌道計画モジュール１２と、観測器２０による位置フィードバック値と速度フィードバック値の差異に従って第１の指令信号を生成するための第１の補正回路１８と、位置、速度、および加速度の計算値に従って第２の指令信号を生成するためのフィードフォワード・コントローラ１４と、当該第１の指令信号と当該第２の指令信号を加算し、電磁石に対する第３の指令信号を生成するための加算器１６と、当該流束指令信号と観測器の流束値の差異に従って当該能動型磁気軸受の当該電磁コイルを流れる電流を制御する、当該電力増幅器に対する電圧指令信号を生成するための、第２の補正回路２８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気軸受に関し、より具体的には、運動計画制御による改良された動的性能を有するアキシャル磁気軸受に関する。

磁気軸受は、電気モータ、圧縮器、タービン等のような様々な回転機械で使用されており、当該機械の回転子に作用する磁界により回転シャフトの軸方向位置および／または半径方向位置を維持するために使用される。

アキシャル磁気軸受はしばしば、タービンの回転子または圧縮器の挙動に無用な影響を及ぼしうる産業環境（圧縮波や振動）から生ずる軸方向の外乱を排除して、サイクル、振動、不安定性を限定させるために使用される。

軸方向の耐力は、電力増幅器に接続された電磁石の対（古典的には電磁石ごとに１つの電力増幅器）を用いて生成される。当該電力増幅器に対して、制御電圧がコントローラにより調整される。しかし、スラスト磁気軸受の非積層の性質（非積層軸受が渦電流の生成に寄与する）によりコントローラの動作が制限される。アクチュエータの原動力は大幅に低下し（アキシャル軸受は特定の帯域幅周波数外の外乱を排除できない）、鉄損が増大する。

したがって、公知な解決策として、可能なときには、アキシャル軸受の設計を変更して（スロットの導入または積層設計の利用）、渦電流の生成を防止または少なくとも制限して損失を減らす。特殊な材料、例えば、強磁性粉から成るインサーションに基づく他の解決策も特定されている。

しかし、これらの公知な解決策の何れも一般化することはできない。なぜならば、それらは高価であり磁気軸受のコストを増大させるからである。さらに、これらは例えば機械抵抗の低下または利用可能な力の低下のような機械的制限のため各軸受に使用することはできない。

本発明は、好適にはハードウェアまたは磁気軸受の設計を変更することなく運動計画制御（平坦性ベース制御）を用いて渦電流に対処することによって上記の欠点を排除することを目的とする。この解決策により、上記の損失を最小化する。

上記第１の補正回路が回転子の位置に関する比例積分コントローラと当該回転子の速度に関する比例コントローラとを備え、上記第２の補正回路が電磁コイルの流束に関する比例コントローラを備えることが好ましい。

有利なことに、上記軌道計画モジュールはさらに、要求された加速度を伝達する。

本発明の諸実施形態を例示する添付図面を参照すると、本発明はより良く理解され、そのさらなる詳細と利点は以下の説明からより明らかになろう。

本発明に従う能動型磁気軸受の回転子の位置の制御装置の略図である。 図１の軌道計画モジュールにより実行される一連のステップの流れ図である。 古典的なバイアス制御または本発明に従う制御に対するアキシャル磁気軸受のスラスト・ディスクの位置と速度を表す図である。 古典的なバイアス制御または本発明に従う制御に対するアキシャル磁気軸受のスラスト・ディスクの位置と速度を表す図である。 古典的なバイアス制御または本発明に従う制御に対するアキシャル磁気軸受の各電磁石における電流強度を表す図である。 古典的なバイアス制御または本発明に従う制御に対するアキシャル磁気軸受の各電磁石における電流強度を表す図である。 古典的なバイアス制御または本発明に従う制御に対するアキシャル磁気軸受の各電磁石に印加された電圧を表す図である。 古典的なバイアス制御または本発明に従う制御に対するアキシャル磁気軸受の各電磁石に印加された電圧を表す図である。

図１は、所定の軸Ｙ−Ｙ’に沿った能動型磁気軸受（スラスト軸受１０）により支持される回転子１０Ａの位置を制御するための本発明に従う制御装置のブロック図を示す。

当該観測位置と観測速度は、異なる測定値を異なるセンサから受信する観測器２０により伝達される。より具体的には、当該観測器は、Ｙ−Ｙ’軸に沿って配置された回転子位置（位置センサ８Ａ、８Ｂ；９）の検出器から回転子Ｚ（ｔ）の測定位置を受信し、能動型磁気軸受の電磁石の第１および第２のコイル２２Ａ、２２Ｂの測定電流Ｉ_１（ｔ）、Ｉ_２（ｔ）を電流検知要素２４Ａ、２４Ｂから受信し、当該第１のおよび第２のコイル２２Ａ、２２Ｂでの測定電圧Ｕ_１（ｔ）、Ｕ_２（ｔ）を受信する。しかし、測定位置および測定電流のみが、これらの２つの測定値から速度を再構築しフィードバックを計算できる観測器２０に必要であることに留意されたい。反対に、測定電圧の可用性は必要でなく（これは指令Ｕ１ｃｏｍとＵ２ｃｏｍから推定できる）、または、流束検知要素（図示せず）から得られる測定流束により置き換えることができる。

当該軌道を、所定の磁気軸受力、軸受内の磁気流束、部品（即ち、増幅器＋電磁石）内の電流、回転子の軸移動に対して構築することができる。

図２の流れ図で示すように、軌道計画モジュールにより計算された軌道を２つの理由で使用する。即ち、システムの起動時における位置軌道の設定することと、大きな外乱により回転子が最大位置誤差を超えて移動するときに軌道を正常位置に戻すことである。

実際、第１の初期化ステップ１００の後に、観測器の収束テスト１０２を行う。このテストから否定応答が生じた場合には、アラーム１０４を設定してテストを続行する。反対に、当該テストの肯定応答が得られた場合には、電力増幅器に対する電圧指令Ｕ_１ｃｏｍ（ｔ）、Ｕ_２ｃｏｍ（ｔ）を生成（即ち、ステップで軌道を設定）し、Ｚ≠Ｚ_ｒｅｑである限り（ステップ１１０のテスト）アラームを設定する（ステップ１０８）。Ｚ≒Ｚ_ｒｅｑであるとき（ステップ１１０のテストで「はい」）には、位置Ｚが最大位置誤差を下回る限り（ステップ１１４のテストで「いいえ」）、さらなるステップ１１２で位置Ｚを読み取る。反対に、位置Ｚが最大位置誤差を上回るときには（ステップ１１４のテストで「はい」）、電力増幅器に対する電圧指令Ｕ_１ｃｏｍ（ｔ）、Ｕ_２ｃｏｍ（ｔ）を生成（即ち、ステップ１１６で軌道を拒否）し、Ｚ≠Ｚ_ｒｅｑである限り、Ｚ位置の読取りのステップ１１２に戻る前にアラームを設定する（ステップ１１８）。

本発明をより良く理解するために、古典的なバイアス制御（ＰＩＤコントローラ）の挙動とアキシャル能動型磁気軸受の位置制御の開始段階中の本発明に従う制御の比較を示すテストの結果を図３乃至８に示す。増幅器の電流は正の値にのみ限定されることに留意されたい。したがって、電圧の負の値は反応電流低下を指示できるにすぎない。即ち、負の電圧が維持されると無電流につながる。アキシャル磁気軸受の回転子に取り付けたスラスト・ディスクの軸方向位置を初期位置から名目位置に設定する。

図３は、古典的制御１２０および本発明に従う制御１２２によるスラスト・ディスクＺ（ｔ）の位置を表す。第３の曲線１２４は本発明に従う制御によるＺ_ｒｅｑ（ｔ）を示す。古典的な形状と反対に曲線の平坦な性質により、本発明に従う制御を平坦性ベース制御（ＦＢＣ）と称する。

図５は、古典的制御１４０および本発明に従う制御１４２による第１の電磁石の電流強度Ｉ_１（ｔ）を表し、図６は古典的制御１５０および本発明に従う制御１５２による第２の電磁石の電流強度Ｉ_２（ｔ）を表す。

図７は、古典的制御１６０および本発明に従う制御１６２による第１の電磁石に印加される電圧Ｕ_１（ｔ）を表し、図８は、古典的制御１７０および本発明に従う制御１７２による第２の電磁石に印加される電圧Ｕ_２（ｔ）を表す。

本発明には複数の利点がある。即ち、バイアス（流束／電流）なしに磁気スラスト軸受を制御して、当該コントローラを用いて消費されるエネルギが古典的なバイアス制御によるコントローラよりも非常に少ないようにすることができる。名目位置だけでなく空隙内の任意の位置においても良好な性能で容易に制御することができる。回転子が、空隙内で充分に区別可能な任意の到達可能な位置軌道を辿ることができる。コントローラ（フィードバック制御項）について妥協することなくシステムの物理的制限を考慮することができる。

本発明は、例えば自動車またはトラックに対するＨＶＡＣのような小型システム内のアキシャル磁気軸受のように、冷却器またはターボエキスパンダのような重要な機械のアキシャル磁気軸受に特に適している。

好適な実施形態を示し説明したが、添付の特許請求の範囲で定義した本発明の範囲を逸脱しない任意の変更や修正を行ってもよいことに留意されたい。例えば、１対の反対の電磁石を用いて説明したが、４対の電磁石に一般化されることは明らかである。

Claims (6)

1. 能動型磁気軸受の電磁コイル（２２Ａ、２２Ｂ）に出力が接続された電力増幅器（３０Ａ、３０Ｂ）を介して提供される前記能動型磁気軸受により支持された回転子（１０Ａ）の位置を制御するための制御装置であって、
   要求された位置と速度を生成するための軌道計画モジュール（１２）と、
   前記電磁コイルにおける少なくとも前記回転子の位置（Ｚ（ｔ））および電流強度（Ｉ_１（ｔ）、Ｉ_２（ｔ））の測定値から位置フィードバック値および速度フィードバック値を生成するための観測器（２０）と、
   それぞれ前記要求された位置と速度および前記位置フィードバック値と前記速度フィードバック値の差異に従って第１の指令信号
   を生成するための、前記軌道計画モジュールと前記観測器に接続された第１の補正回路（１８）と、
   前記要求された位置と速度の計算値に従って第２の指令信号
   を生成するための、前記軌道計画モジュールに接続されたフィードフォワード・コントローラ（１４）と、
   前記第１の指令信号と前記第２の指令信号を加算して第３の指令信号
   を伝達するための、前記フィードフォワード・コントローラと前記第１の補正回路に接続された加算器（１６）と、
   前記第３の指令信号から前記電磁コイルに対する流束指令信号（Φ_１ｃｏｍ（ｔ）、Φ_２ｃｏｍ（ｔ））を生成するための、前記加算器に接続された非線形反転回路（２６）と、
   前記流束指令信号と観測された流束値
   の差異に従って前記能動型磁気軸受の前記電磁コイルを流れる電流を制御する、前記電力増幅器に対する電圧指令信号（Ｕ_１ｃｏｍ（ｔ）、Ｕ_２ｃｏｍ（ｔ））を生成するための、前記非線形反転回路と前記観測器に接続された第２の補正回路（２８）と、
   を備える、制御装置。
2. フィードバックされた前記位置および前記速度の値は、位置センサ（８Ａ、８Ｂ；９）が出力した測定位置Ｚ（ｔ）と電流検知要素（２４Ａ、２４Ｂ）により出力した前記電流強度（Ｉ_１（ｔ）、Ｉ_２（ｔ））を少なくとも受信する観測器（２０）により伝達された観測位置
   および観測速度
   である、請求項１に記載の装置。
3. 前記観測器はさらに、前記電磁コイルに印加された測定電圧（Ｕ_１（ｔ）、Ｕ_２（ｔ））または流束検知要素から取得した測定流束を受信し、観測流束を前記第２の補正回路に伝達する、請求項２に記載の装置。
4. 前記第１の補正回路は、前記回転子の位置に関する比例積分コントローラと前記回転子の速度に関する比例コントローラとを備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記第２の補正回路は、前記電磁コイルの流束に関する比例コントローラを備える、請求項１に記載の装置。
6. 前記軌道計画モジュールはさらに、要求された加速度を伝達する、請求項１に記載の装置。