JP2018028296A - Compressor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧縮機に関するものである。 The present invention relates to a compressor.
従来、このような分野の技術として、下記特許文献1に記載の圧縮機が知られている。この圧縮機は、インペラの回転軸を回転させるモータと、回転軸を非接触で支持する磁気軸受部とを備えている。また、磁気軸受部は、回転軸に設けられたアキシャルディスク部と、アキシャルディスク部を軸方向に挟んで配置された一対の電磁石とを備えている。この圧縮機では、変位センサで検知された変位に基づいて、回転軸を吸引する電磁石の吸引力が調整され、回転軸の位置が一定に制御される。 Conventionally, a compressor described in Patent Document 1 below is known as a technique in such a field. The compressor includes a motor that rotates the rotating shaft of the impeller, and a magnetic bearing portion that supports the rotating shaft in a non-contact manner. The magnetic bearing portion includes an axial disk portion provided on the rotating shaft and a pair of electromagnets arranged with the axial disk portion sandwiched in the axial direction. In this compressor, the attraction force of the electromagnet that attracts the rotating shaft is adjusted based on the displacement detected by the displacement sensor, and the position of the rotating shaft is controlled to be constant.
磁気軸受部においては、電磁石に要求される吸引力が大きくなると必要な電流が大きくなる。そうすると、電磁石の容量を大きくするのみならず、電流供給用のアンプや電源ユニット等の付帯の装置の容量も大きくする必要があり、圧縮機全体の製造コストアップの要因になってしまう。よって、磁気軸受部の電磁石に必要とされる電流を可能な限り小さくすることが望まれる。 In the magnetic bearing portion, the required current increases as the attractive force required for the electromagnet increases. In this case, it is necessary to increase not only the capacity of the electromagnet, but also the capacity of auxiliary devices such as an amplifier for supplying current and a power supply unit, which increases the manufacturing cost of the entire compressor. Therefore, it is desirable to reduce the current required for the electromagnet of the magnetic bearing portion as much as possible.
本発明は、磁気軸受部の電磁石の必要な容量を低減することができる圧縮機を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the compressor which can reduce the required capacity | capacitance of the electromagnet of a magnetic bearing part.
本発明の圧縮機は、インペラと、インペラの回転軸と、回転軸に設けられたアキシャルディスク部と、アキシャルディスク部をスラスト方向に挟んで配置されアキシャルディスク部を互いに反対の方向に磁気吸引する一対の電磁石と、を有し、回転軸をスラスト方向に支持する磁気軸受部と、を備え、一対の電磁石のうち、インペラの回転によって発生するガススラスト力に対抗する方向にアキシャルディスク部を磁気吸引する一方の電磁石を第1電磁石とし、他方の電磁石を第2電磁石としたときに、運転中におけるアキシャルディスク部と第1電磁石とのギャップが、アキシャルディスク部と第2電磁石とのギャップよりも小さくなるように設定されている。 The compressor according to the present invention includes an impeller, an impeller rotation shaft, an axial disk portion provided on the rotation shaft, and an axial disk portion sandwiched in the thrust direction, and magnetically attracts the axial disk portions in opposite directions. A pair of electromagnets, and a magnetic bearing portion that supports the rotating shaft in the thrust direction, and magnetically moves the axial disk portion in a direction that opposes the gas thrust force generated by the rotation of the impeller among the pair of electromagnets. When one electromagnet to be attracted is a first electromagnet and the other electromagnet is a second electromagnet, the gap between the axial disk portion and the first electromagnet during operation is larger than the gap between the axial disk portion and the second electromagnet. It is set to be smaller.
本発明の圧縮機は、回転軸の所定の制御基準点の位置を一定に維持するように、第1及び第2電磁石の磁気吸引力を操作する制御部を備え、アキシャルディスク部は、スラスト方向において、第1電磁石と制御基準点との間に位置するようにしてもよい。 The compressor of the present invention includes a control unit that operates the magnetic attraction force of the first and second electromagnets so that the position of the predetermined control reference point of the rotating shaft is kept constant, and the axial disk unit has a thrust direction In this case, it may be located between the first electromagnet and the control reference point.
本発明によれば、圧縮機の磁気軸受部の電磁石の必要な容量を低減することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the capacity | capacitance required of the electromagnet of the magnetic bearing part of a compressor can be reduced.
以下、図面を参照しつつ本発明に係る圧縮機の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of a compressor according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1に示される圧縮機1は、直列式の2段圧縮機であり、ガスを圧縮する第1コンプレッサ部3aと、第1コンプレッサ部3aで圧縮されたガスを更に圧縮する第2コンプレッサ部3bと、を備えている。第1コンプレッサ部3aの第1インペラ5aと第2コンプレッサ部3bの第2インペラ5bとはシャフト6(回転軸)を介して連結されており、第1インペラ5aはシャフト6の一端に設けられ、第2インペラ5bはシャフト6の他端に設けられている。第1インペラ5a、第2インペラ5b及びシャフト6が一体となって圧縮機1のハウジング7内で回転軸線A周りに回転する。
A compressor 1 shown in FIG. 1 is a two-stage compressor in series, and includes a
以下の説明において、単に「軸方向」、「周方向」、「径方向」というときは、それぞれ、シャフト6の回転軸方向、シャフト6の回転周方向、シャフト6の回転径方向を意味するものとする。また、以下の説明において「右方向」、「左方向」などの語を用いる場合には、図1の右左に対応させて、第1インペラ5a側を左側、第2インペラ5b側を右側とする。
In the following description, the terms “axial direction”, “circumferential direction”, and “radial direction” mean the rotational axis direction of the
圧縮機1のハウジング7は、第1インペラ5aを内部に収容する第1ハウジング7aと、第2インペラ5bを内部に収容する第2ハウジング7bと、第1ハウジング7aと第2ハウジング7bとの間に配置されたシャフトハウジング7cとを備えている。第1ハウジング7aには、第1インペラ5aを周方向に囲む第1スクロール9aが形成されている。同様に、第2ハウジング7bには、第2インペラ5bを周方向に囲む第2スクロール9bが形成されている。シャフトハウジング7cの内部にはシャフト6が収容されている。
The
シャフトハウジング7cの内部には、シャフト6を回転させるモータ部13が当該シャフト6の周囲に設けられている。モータ部13は、シャフト6に固定されたロータ13rと、シャフトハウジング7cに固定されたステータ13sとを備えている。ステータ13sのモータコイルに電流が供給されることにより、ロータ13r及びシャフト6が回転し、第1インペラ5a及び第2インペラ5bが回転する。このように、圧縮機1は、モータ部13の回転力が第1インペラ5a及び第2インペラ5bに直接伝達されるダイレクトドライブ方式の圧縮機である。
A
第1ハウジング7aの吸気口15aから軸方向に流入したガスは、回転する第1インペラ5aで径方向に加速された後、第1スクロール9aにより減速され昇圧される。第1スクロール9aから送出されたガスは、接続配管(図示せず)を経由して第2ハウジング7bの吸気口15bから軸方向に導入される。上記接続配管の途中にはガスを冷却するクーラが設けられてもよい。吸気口15bから導入されたガスは、回転する第2インペラ5bで径方向に加速され、第2スクロール9bで減速され昇圧される。このように、圧縮機1は、第1インペラ5aを含む第1コンプレッサ部3aと、第2インペラ5bを含む第2コンプレッサ部3bと、によって2段階でガスを圧縮する。
The gas flowing in the axial direction from the
シャフトハウジング7cの内部には、シャフト6を径方向に支持する2つのラジアル磁気軸受部19a,19bと、シャフト6を軸方向に支持する1つのスラスト磁気軸受部21と、が設けられている。ラジアル磁気軸受部19a,19bは、モータ部13を間に挟んで第1インペラ5a側と第2インペラ5b側とに配置されている。ラジアル磁気軸受部19a,19bは、径方向への磁気吸引力によってシャフト6の径方向の位置を規制し、シャフト6を非接触で径方向に支持する。
Inside the shaft housing 7c, two radial magnetic bearing
スラスト磁気軸受部21は、軸方向において、モータ部13とラジアル磁気軸受部19aとの間に配置されている。スラスト磁気軸受部21は、シャフト6から径方向に張出すように鍔状に設けられた円板状のアキシャルディスク部23と、アキシャルディスク部23を軸方向に挟む一対の電磁石25a,25bと、を備えている。電磁石25a(第1電磁石)は、磁力によってアキシャルディスク部23を第1コンプレッサ部3a側に吸引する。電磁石25b(第2電磁石)は、磁力によってアキシャルディスク部23を第2コンプレッサ部3b側に吸引する。そして、電磁石25aによる吸引力と電磁石25bによる吸引力とが制御されることで、アキシャルディスク部23及びシャフト6の軸方向の位置が維持され、シャフト6はスラスト磁気軸受部21によって非接触で軸方向に支持される。
The thrust magnetic bearing
また、シャフトハウジング7c内において、ラジアル磁気軸受部19aと第1インペラ5aとの間には、タッチダウン軸受29aが設けられており、ラジアル磁気軸受部19bと第2インペラ5bとの間には、タッチダウン軸受29bが設けられている。タッチダウン軸受29a,29bは、通常時にはシャフト6と非接触であり、ラジアル磁気軸受部19a,19bに不具合が発生した場合に、非常用のシャフト6の軸受として機能する。タッチダウン軸受29a,29bには、玉軸受などが採用される。
Further, in the
続いて、図1〜図3を参照しながら、制御装置37(制御部)及びスラスト磁気軸受部21によるシャフト6の軸方向の位置制御について更に詳細に説明する。図2は、この位置制御に関係する構成要素を模式的に示す図であり、図3は、電磁石25a,25bとアキシャルディスク部23との位置関係を示す図である。また、図2に示される各符号の意味は次の通りである。
Qa:電磁石25aがアキシャルディスク部23に対して発生する左向きの磁気吸引力
Qb:電磁石25bがアキシャルディスク部23に対して発生する右向きの磁気吸引力
Ga:電磁石25aとアキシャルディスク部23とのギャップ(間隙)
Gb:電磁石25bとアキシャルディスク部23とのギャップ(間隙)
Ia:制御装置37から電磁石25aに供給される駆動電流
Ib:制御装置37から電磁石25bに供給される駆動電流
なお、電磁石25a,25bは、例えば、図3に示されるように、コイル25hとコア25jとを有している。この場合、厳密には、図3に示されるように、コア25jの先端面とアキシャルディスク部23の面との間の距離がギャップGa,Gbに相当する。
Next, the axial position control of the
Qa: leftward magnetic attractive force generated by the
Gb: Gap (gap) between the
Ia: Drive current supplied from the
シャフト6の軸方向の位置制御を行うために、圧縮機1は、変位センサ33a,33bを備えている。変位センサ33aはモータ部13の左側に配置され、変位センサ33bはモータ部13の右側に配置されている。変位センサ33a,33bは、シャフト6の軸方向の変位を検知する。例えば、変位センサ33a,33bとしては、シャフト6の外周面に設けられたセンサターゲット36a,36bの位置を非接触で検知する方式のものを用いてもよい。
In order to control the position of the
制御装置37は、センサターゲット36aの軸方向の変位を示す変位信号を変位センサ33aから取得すると共に、センサターゲット36bの軸方向の変位を示す変位信号を変位センサ33bから取得する。また、制御装置37は、電磁石25a,25bへの供給電流を操作することで、電磁石25a,25bの磁気吸引力を操作することができる。
The
制御装置37は、2つの変位センサ33a,33bから取得した変位信号に基づく所定の演算により、シャフト6上に設定された所定の制御基準点41の軸方向の変位を算出する。例えば、制御基準点41がセンサターゲット36aとセンサターゲット36bとの中点に設定されている場合には、制御装置37は、センサターゲット36aの変位とセンサターゲット36bの変位とを平均して制御基準点41の軸方向の変位を算出することができる。そして、制御装置37は、得られた制御基準点41の変位に基づき、当該制御基準点41の変位をゼロにするように、電磁石25a,25bへの供給電流を操作する。すなわち、圧縮機1の運転中においては、制御基準点41の軸方向の位置をハウジング7に対して一定に維持するようなフィードバック制御が実行される。シャフト6上の制御基準点41は、運転中において、ハウジング7に対し軸方向で不動の点となる。
The
なお、制御基準点41は、シャフト6の位置制御を実行するための位置制御プログラムにおいて、シャフト6上の任意の位置に設定することができる仮想の点である。例えば、制御装置37は、センサターゲット36aの変位とセンサターゲット36bの変位とのそれぞれに所定の重みを付与する加重平均によって、任意の位置に設定された制御基準点41の軸方向の変位を算出することができる。
The
ここで、インペラ5a,5bの回転によってシャフト6に発生するガススラスト力について説明する。回転するインペラ5aは、軸方向に右向きにガスを吸入し径方向外側に向けて加速する。このガスからの反作用によって、インペラ5aは左向きのスラスト力Faを受ける。同様の原理によりインペラ5bは右向きのスラスト力Fbを受ける。そして、シャフト6には、上記のスラスト力Faとスラスト力Fbとの合力が、ガススラスト力Fとして作用する。例えば、圧縮機1の場合、第2コンプレッサ部3bによるガスの圧力比が、第1コンプレッサ部3aによるガスの圧力比よりも高く、Fb>Faであるものとする。従ってこの場合、圧縮機1では、シャフト6に作用するガススラスト力Fは右向きである。
Here, the gas thrust force generated in the
上記の右向きのガススラスト力Fに釣合わせるために、スラスト磁気軸受部21では、電磁石25aの磁気吸引力Qaと、電磁石25bの磁気吸引力Qbと、の関係を、Qa>Qbとする必要がある。すなわち、ガススラスト力Fに対抗する方向にアキシャルディスク部23を磁気吸引する電磁石25aの磁気吸引力Qaを、他方の電磁石25bの磁気吸引力Qbよりも大きくする必要がある。
In order to balance with the rightward gas thrust force F, in the thrust
ここで、電磁石が対象物に対して発生する磁気吸引力は、電磁石と対象物とのギャップの2乗に反比例する。この知見に基づいて、圧縮機1では、図3(a)に示されるように、運転中(例えば、定格運転中)において、ギャップGaがギャップGbよりも小さくなるように設定されている。すなわち、運転中において、アキシャルディスク部23が電磁石25bよりも電磁石25aに寄った位置で回転する。
Here, the magnetic attractive force generated by the electromagnet with respect to the object is inversely proportional to the square of the gap between the electromagnet and the object. Based on this knowledge, as shown in FIG. 3A, the compressor 1 is set so that the gap Ga is smaller than the gap Gb during operation (for example, during rated operation). That is, during operation, the
具体的には、運転中のシャフト6の制御基準点41が変位ゼロのときに、アキシャルディスク部23が電磁石25bよりも電磁石25aに寄った位置に配置されるような位置関係で、制御基準点41、変位センサ33a,33b、電磁石25a,25b、及びアキシャルディスク部23の位置関係が設定される。なお、運転中においては、回転時の風損によってインペラ5a,5b及びシャフト6が高温になり熱膨張するので、上記の位置関係の設定には、熱膨張によりシャフト6が軸方向に伸長することも考慮に含まれている。また、当然ながら、シャフト6が熱膨張した場合にアキシャルディスク部23が電磁石25aに接触しないように設定されている。なお、図3(b)に示されるように、運転前(シャフト6が回転していないとき)においては、ギャップGaとギャップGbとが等しくなるようにしてもよい。
Specifically, when the
運転中において、ギャップGaがギャップGbよりも小さくなることによる作用効果について説明する。ギャップGaとギャップGbとを等しくする運転に比較して、ギャップGaが小さくなることにより、電磁石25aが磁気吸引力Qaを発生させるために必要な電流Iaを低減することができる。その一方で、電磁石25bが発生すべき磁気吸引力Qbはもともと比較的小さいため、ギャップGbが大きくなったことに起因して必要となる電流Ibの増加も比較的小さい。また、ギャップGaがギャップGbよりも小さい場合には、ギャップGaとギャップGbとが等しい場合に比較して、電流Iaと電流Ibとの合計を小さくすることもできる。
A description will be given of the operational effects due to the gap Ga becoming smaller than the gap Gb during operation. Compared with the operation in which the gap Ga and the gap Gb are made equal, the gap Ga is reduced, whereby the current Ia necessary for the
以上により、運転中においてギャップGaをギャップGbよりも小さくする構成によれば、電流Ia、電流Ibの何れも極端に大きくする必要がなく、よって、電磁石25a,25bの電流の容量を何れも極端に大きくする必要がない。従って、電磁石25a,25bへの電流供給に係るアンプや電源ユニットの容量も削減することができ、その結果、圧縮機1の製造コストを削減することができる。また、前述の通り、電流Ia、電流Ibの何れも極端に大きくする必要がないことから、スラスト磁気軸受部21及び圧縮機1の消費電力やランニングコストも低減される。
As described above, according to the configuration in which the gap Ga is smaller than the gap Gb during operation, neither the current Ia nor the current Ib needs to be extremely large, and therefore the current capacity of the
また、圧縮機1では、図2に示される通り、アキシャルディスク部23が、軸方向において、電磁石25aと制御基準点41との間に位置するといった位置関係がある。このような位置関係により得られる作用効果について説明する。
In the compressor 1, as shown in FIG. 2, there is a positional relationship in which the
運転中においてシャフト6が熱膨張した場合には、ハウジング7に対して不動である制御基準点41を中心としてシャフト6が左右に伸長することになる。そして、アキシャルディスク部23は、上記熱膨張に起因して、制御基準点41から離れ電磁石25aに近づく方向(左方向)に移動する。すなわち、運転中のアキシャルディスク部23は、運転前(熱膨張が発生していないとき)に比較して、電磁石25aに寄った位置に移動することになる。従って、運転前にはギャップGaとギャップGbとが等しく、運転中にはギャップGaがギャップGbよりも小さくなる、といった現象を、シャフト6の熱膨張を利用して自動的に発生させる設定が可能になる。
When the
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形したものであってもよい。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。例えば、実施形態では、本発明を2段圧縮機に適用しているが、本発明は、1段圧縮機や3段以上の多段圧縮機にも適用可能である。また、アキシャルディスク部23は円板状に限られず、電磁石25a,25bからの軸方向成分の吸引力を受ける形状であればよい。
Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and may be modified without changing the gist described in each claim. You may use combining the structure of each embodiment suitably. For example, in the embodiment, the present invention is applied to a two-stage compressor, but the present invention can also be applied to a one-stage compressor or a multistage compressor having three or more stages. In addition, the
1 圧縮機
5a、5b インペラ
6 シャフト(回転軸)
21 スラスト磁気軸受部
23 アキシャルディスク部
25a 電磁石(第1電磁石)
25b 電磁石(第2電磁石)
37 制御装置(制御部)
41 制御基準点
Ga、Gb ギャップ
F ガススラスト力
1
21 Thrust
25b Electromagnet (second electromagnet)
37 Control device (control unit)
41 Control reference point Ga, Gb Gap F Gas thrust force
Claims (2)
前記インペラの回転軸と、
前記回転軸に設けられたアキシャルディスク部と、前記アキシャルディスク部をスラスト方向に挟んで配置され前記アキシャルディスク部を互いに反対の方向に磁気吸引する一対の電磁石と、を有し、前記回転軸をスラスト方向に支持する磁気軸受部と、を備え、
前記一対の電磁石のうち、前記インペラの回転によって発生するガススラスト力に対抗する方向に前記アキシャルディスク部を磁気吸引する一方の電磁石を第1電磁石とし、他方の電磁石を第2電磁石としたときに、
運転中における前記アキシャルディスク部と前記第1電磁石とのギャップが、前記アキシャルディスク部と前記第2電磁石とのギャップよりも小さくなるように設定されている、圧縮機。 Impeller,
A rotating shaft of the impeller;
An axial disk portion provided on the rotating shaft, and a pair of electromagnets arranged so as to sandwich the axial disk portion in a thrust direction and magnetically attract the axial disk portions in directions opposite to each other. A magnetic bearing portion that supports the thrust direction,
Of the pair of electromagnets, when one electromagnet that magnetically attracts the axial disk portion in a direction opposite to the gas thrust force generated by the rotation of the impeller is a first electromagnet and the other electromagnet is a second electromagnet ,
A compressor, wherein a gap between the axial disk portion and the first electromagnet during operation is set to be smaller than a gap between the axial disk portion and the second electromagnet.
前記アキシャルディスク部は、前記スラスト方向において、前記第1電磁石と前記制御基準点との間に位置する、請求項1に記載の圧縮機。 A controller for operating the magnetic attraction force of the first and second electromagnets so as to keep the position of the predetermined control reference point of the rotating shaft constant;
The compressor according to claim 1, wherein the axial disk portion is located between the first electromagnet and the control reference point in the thrust direction.
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