JP4840234B2 - タンデムスクリューコンプレッサ - Google Patents

Description

本発明は、２軸のスクリューが歯合するタンデムスクリューコンプレッサに関し、特に各軸にモータが軸直結されたタンデムスクリューコンプレッサに関する。

下記特許文献１には、小型・コンパクト化を図ることができる電動駆動式過給機として、スクリュー型過給機の雄ロータと雌ロータの２つのロータのうち相対回転速度の高い雄ロータを、高速回転型電動機で直接駆動するようにしたものが開示されている。これにより、同一駆動力を高速回転する小型の電動機で得て、電動駆動式過給機全体の小型・コンパクト化を図るというものである。

下記特許文献２には、スクリューコンプレッサではないが、「複数の被駆動箇所ごとにモータが配設された機構の例」として、個別駆動電気自動車および個別駆動電気自動車用タンデムモータが開示されている。具体的には、サスペンション類と干渉することなく限られた範囲内で２個の大容量のモータが設置できるように、シャシフレームの縦フレーム材に挟まれてタンデムモータが設置されたものである。このタンデムモータは、同一構成の２個のモータがそのモータ本体の主軸線をオフセットさせて互い違いに平行に配置され、それぞれミッションを介して主軸線からオフセットされた２個の出力軸が一直線に並び、この出力軸が前輪の車軸線上に略一致させてあるというものである。

前記「複数の被駆動箇所ごとにモータが配設された機構の例」として、特許文献１，２に開示された以外にも、例えば複数のモータにより全軸駆動するように動力分散した新幹線が、加速性能を初めとする基本的性能が優れていることも周知である。
特開２００３−２６９１８２号公報 特開平６−６４４５２号公報

特許文献１に開示された、２軸式のスクリュー型過給機は小型・コンパクト化を図ることができる電動駆動式過給機として有効であるが、これに類する車載用途等においては、さらなる改善余地が残されていた。例えば、電動駆動式過給機を搭載したエンジンが強い加速力を必要とする時、電動駆動式過給機が迅速に起動するように電動機が過給器に強い加速力を付与する必要があるという課題があった。

また、高速回転または高トルク出力による定格稼動（以下、「高風量域運転」ともいう）において効率良くなるように設計されたモータを含む駆動装置を、中低速運転または中低トルク負荷による微力稼動（以下、「低風量域運転」ともいう）すれば著しく効率低下する。これに対して、迅速な起動特性を不可欠として、低風量域運転から高風量域運転の全ての運転領域にわたって効率良くするという課題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、迅速な起動特性のみならず、微力稼動から定格稼動の何れの運転領域においても効率良いタンデムスクリューコンプレッサを提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、第１の発明に係るタンデムスクリューコンプレッサは、下記第１の手段を採用する。
第１軸に軸支され同軸結合された第１ギヤと共に回転自在の第１スクリューと、前記第１軸とほぼ平行な第２軸に軸支され前記第１ギヤと歯合して逆回転する第２ギヤに同軸結合された第２スクリューと、を備え、逆ネジの関係にある前記第１スクリューと前記第２スクリューをかみ合わせた空間で流体を圧縮するタンデムスクリューコンプレッサにおいて、前記第１スクリューに同軸結合された主モータと、前記第２スクリューに同軸結合された副モータと、を備え、前記主モータと前記副モータの何れか一方は軽負荷時に遊動可能とする。

第１の発明に係るタンデムスクリューコンプレッサによれば、第１スクリューに同軸結合された主モータを設計目標どおりに定格稼動させると高い効率が得られる。第１スクリューの回転に伴って第１ギヤも同軸回転する。第１ギヤと歯合した第２ギヤに同軸結合された第２スクリューは逆回転する。逆ネジの関係にある第１スクリューと第２スクリューをかみ合わせた空間において流体が圧縮され、ネジ送りにより送出される。

また、タンデムスクリューコンプレッサが起動する時、主モータの定格仕様どおりの起動トルクが発生するが、それで起動の加速が不足しているならば、第２スクリューに同軸結合された副モータが相当のトルク出力するように定格稼動する。そうすると、主モータの起動トルクに副モータの助勢を加えて迅速起動することが可能である。

ついで、指定速度に到達したならば、副モータは助勢を止めて遊動させるか、あるいは適宜に出力を弱める。この時、主モータのみを定格稼動させることにより運転効率を高く維持することが可能である。なお、主モータと副モータの何れか一方が軽負荷時に遊動可能であるので、副モータが中低速で効率良く運転可能ならば、主モータを遊動させ副モータのみを効率良く定格稼動させても良い。

このように、迅速な起動特性に加えて、低風量領域から高風量領域の何れの運転領域においても、主モータと副モータが定格点を下回る非効率な運転をしないで済むので、結果的にタンデムスクリューコンプレッサの運転効率を良くすることが可能である。

また、第２の発明に係るタンデムスクリューコンプレッサは、前記第１の発明に加え、前記主モータと前記副モータの少なくとも何れか一方は永久磁石同期モータであることを第２の手段として採用する。これによれば、永久磁石同期モータは小型軽量化して正確容易に速度制御が可能である。

また、第３の発明に係るタンデムスクリューコンプレッサは、前記第１または第２の発明に加え、前記主モータと前記副モータの少なくとも何れか一方は誘導モータであることを第３の手段として採用する。これによれば、誘導モータが安価で簡素なことに加えて、遊動時に鉄損が生じ難いので、遊動時間の長い運転領域において、誘導モータを遊動させることによって、効率を高く維持することが可能である。

また、第４の発明に係るタンデムスクリューコンプレッサは、前記第１ないし第３の何れかの発明に加え、前記主モータは永久磁石同期モータを用いて速度制御し、前記副モータは誘導モータを用いてトルク制御し軽負荷時には遊動可能であることを第４の手段として採用する。

第４の発明に係る、タンデムスクリューコンプレッサによれば、永久磁石同期モータを速度制御して用いる主モータは速度指令値に基づいて常時定格稼動に近くして運転効率を高くする。また、軽負荷時には遊動可能であるようにトルク制御して用いる誘導モータを定格稼動近くで必要な時にのみ運転することによって、運転効率を高くすることが可能である。なお、主・副でなる２つのモータがそれぞれ半ば独立した制御を受けているが、一方が速度制御で、他方はトルク制御であるため干渉するような害は生じない。

また、第５の発明に係るタンデムスクリューコンプレッサは、下記第５の手段を採用する。
前記第１ないし第４の何れかの発明に加え、前記主モータおよび前記副モータはモータ電流の目標値である電流指令値から実測された電流検出値を減算するようにフィードバックした値に基づいてトルク制御し、前記主モータは前記トルク制御に加えた上位の制御として速度指令値から実測された速度検出値を減算するようにフィードバックした値に基づいて速度制御する。

第５の発明に係る、タンデムスクリューコンプレッサによれば、主モータは、上位の制御系統とする速度指令値および、その下位の制御系統とする電流指令値による二重のフィードバック制御系統により、指令速度で安定動作することが可能である。すなわち、主モータは、実測された第１スクリューの速度検出値に対する速度指令値の差分をなくすように、速度検出値をフィードバックして速度制御されると共に、モータ電流の目標値である電流指令値と、実測された電流検出値との差分をなくすように、電流検出値をフィードバックしてトルク制御される。

一方、副モータはモータ電流の目標値である電流指令値と、実測された電流検出値との差分をなくすように、電流検出値のみをフィードバックしてトルク制御される。このように、主・副でなる２つのモータにより、第１・第２でなる２つのスクリューをそれぞれ駆動するタンデムスクリューコンプレッサによれば、高風量域運転する時は、主モータの運転効率を定格内で高く維持しながら指令速度で安定動作させることが可能である。また、上位の制御系統によって速度制御されている主モータの出力だけではトルク不足が生じた時は、その不足分だけを副モータが助勢する。

ついで、指定速度に到達したならば、副モータは助勢を止めて遊動させるか適宜に弱める。この時、主モータと副モータの何れか一方が軽負荷時に遊動可能であるので、副モータが中低速で比較的効率良く運転可能ならば、主モータを遊動させ副モータのみを効率良く定格稼動させても良い。このように、低風量域運転する時は、定格から外れて効率低下する主モータを遊動させて、副モータだけを定格内で効率良く運転することが可能である。

本発明によれば、迅速な起動特性のみならず、微力稼動から定格稼動の何れの運転領域においても運転効率の良好なタンデムスクリューコンプレッサを提供することが可能である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態（以下、「本実施形態」という）について説明する。なお、各図において、同一機能は同一符号を付して説明を省略する。

図１は、本実施形態に係るタンデムスクリューコンプレッサＥ１，Ｅ２の概略を示す側面模式図であり、（ａ）永久磁石同期モータ１，２の２個使い型のタンデムスクリューコンプレッサＥ１、（ｂ）永久磁石同期モータ１と誘導モータ２′の各１個使い型のタンデムスクリューコンプレッサＥ２である。

図１（ａ），（ｂ）に示すタンデムスクリューコンプレッサＥ１，Ｅ２は、第１軸１１に軸支され同軸結合された第１ギヤ１２と共に回転自在の第１スクリュー１０と、第１軸１１とほぼ平行な第２軸２１に軸支され第１ギヤ１２と歯合して逆回転する第２ギヤ２２に同軸結合された第２スクリュー２０と、を備え、逆ネジの関係にある第１スクリュー１０と第２スクリュー２０をかみ合わせた空間で流体を圧縮するように基本構成されている。

このようなオス・メスの２ロータ（第１・第２スクリュー１０，２０）でなるタンデムスクリューコンプレッサＥ１，Ｅ２は、第１軸１１および第２軸２１の２軸にそれぞれ接続された主・副２つのモータ１，２による回転駆動力を第１・第２ギヤ１２・２２を介する各軸間で授受しながら運転される。また、本発明の特徴である各軸直結の２モータ方式において、主・副２つのモータ１，２が常時両方共にトルク出力するとは限らず、片方のモータを適宜に遊動させて運転効率を高めている。すなわち、第１スクリュー１０に同軸結合された主モータ１と、第２スクリュー２０に同軸結合された副モータ２と、を備え、主モータ１と副モータ２の何れか一方は軽負荷時に遊動可能とする。

なお、主モータ１はタンデムスクリューコンプレッサＥ１，Ｅ２を定格稼動した時に高効率が得られ、起動トルクおよび急加速性能は弱くても構わないものとする。一方、副モータ２は主モータ１を補助してタンデムスクリューコンプレッサＥ１，Ｅ２を全力稼動（最高風量運転）した時、または副モータ２単独で中低速運（低風量運転）した時に高い効率が得られる定格である。したがって、主モータ１の能力を超えた使用状況において、起動トルクおよび急加速性能が不足している時、またはタンデムスクリューコンプレッサＥ１，Ｅ２を制限稼動（微力運転）した時に、副モータ２がほぼ定格どおりに効率良くトルクを発生する。

なお、主モータ１および副モータ２の制御に関しては後述するように、主モータ１と副モータ２は第１ギヤ１２と歯合する第２ギヤ２２により常時連動して回転位置まで規定される関係であるため、それぞれのモータに独立した別系統から速度制御がなされた場合、干渉して回転異常をきたすので、一方を速度制御して他方をトルク制御することにより円滑な協働運転させる。

ここで動作も交えて説明する。第１スクリュー１０に同軸結合された主モータ１を設計目標どおりに定格運転させると高い効率が得られる。第１スクリュー１０の回転に伴って第１ギヤ１２も同軸回転する。そして、第１ギヤ１２と歯合した第２ギヤ２２に同軸結合された第２スクリュー２０は逆回転する。そうすると、逆ネジの関係にある第１スクリュー１０と第２スクリュー２０をかみ合わせた空間で、流体が圧縮され、ネジ送りにより送出される。

また、タンデムスクリューコンプレッサＥ１，Ｅ２が起動する時、主モータ１の仕様どおりに弱い起動トルクが発生するが、起動の加速が不足しているならば、第２スクリュー２０に同軸結合された副モータ２が高いトルク出力によって主モータ１を助勢するように定格稼動する。そうすると、主モータ１の弱い起動トルクに副モータ２の助勢を加えて迅速起動することが可能である。

ついで、指定速度に到達したならば、副モータ２は助勢を止めて遊動させるか、あるいは適宜に出力を弱める。最終的には、主モータ１のみを定格稼動させることにより運転効率を高く維持することが可能である。なお、主モータ１と副モータ２の何れか一方が軽負荷時に遊動可能であるので、副モータ２が中低速で比較的効率良く運転可能ならば、主モータ１を遊動させ副モータ２のみを効率良く定格稼動させても良い。このように、迅速な起動特性に加えて、低風量領域から高風量領域の何れの運転領域においても、主モータ１と副モータ２のどちらも定格点を下回らないように、運転効率を良好に維持することが可能である。

ここで、図１（ａ）に示すタンデムスクリューコンプレッサＥ１と、図１（ｂ）に示すタンデムスクリューコンプレッサＥ２との違いを説明する。まず、図１（ａ）に示すように、主モータ１と副モータ２の両方とも永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）による２個使い型のタンデムスクリューコンプレッサＥ１は、永久磁石同期モータの性質上、小型軽量化して正確かつ容易に速度制御することが可能である。

つぎに、図１（ｂ）に示すように、主モータ１は永久磁石同期モータを用いて速度制御し、副モータ２は誘導モータ（ＩＭ）を用いてトルク制御し軽負荷時には遊動可能にしている。これによれば、誘導モータが安価で簡素なことに加えて、遊動時に鉄損が生じ難いので、遊動時間の長い運転領域において、効率を高くすることが可能である。なお、主モータ１と副モータ２の少なくとも何れか一方に誘導モータを用いる設計思想があれば、他方が永久磁石同期モータまたは誘導モータ、あるいはその他の形式のモータを用いるようにしても構わない。

図２は本実施形態に係る２軸交互モータ配置のタンデムスクリューコンプレッサＥ３の概略を示す側面模式図である。図２に示すように、主モータ１が軸接続された第１軸１１′の軸端から遠い方に、副モータ２が軸接続された第２軸２１′の軸端が位置している。すなわち、平行な２軸に対して交互の軸端にそれぞれのモータを配置している。これは、取付けるスペース等に合わせて図１（ａ）に示したタンデムスクリューコンプレッサＥ１を変形して、タンデムスクリューコンプレッサＥ３を形成したものであり、制御方法および運転方法に変わりはない。

図３は本実施形態に係るタンデムスクリューコンプレッサＥ１〜Ｅ３の制御系統を示すブロック図であり、（ａ）主モータ制御系統、（ｂ）副モータ制御系統である。図３（ａ）に示すように、主モータ１に対し、外部から直接入力される速度指令値１３が、減算器３１、ＰＩ制御器３２、減算器３３、およびＰＩ制御器３４を介して変換された電圧指令値１７となって印加される。また、図３（ｂ）に示すように、副モータ２に対し、外部から直接入力される電流指令値２５が、減算器３３およびＰＩ制御器３４を介して変換された電圧指令値２７となって印加される。

図３から読み取れるように、主モータ１および副モータ２は、モータ電流の目標値である電流指令値１５，２５から、実測された電流検出値１６，２６を減算するようにフィードバックした値に基づいてトルク制御されているので、ある程度負荷トルクが変動しても安定した回転を維持できる。さらに主モータ１は前記トルク制御に加えた上位の制御である速度指令値１３に対して、実測された速度検出値１４を減算するようにフィードバックした値に基づいて速度制御される。

また、図３において、主モータ１に永久磁石同期モータを用い、副モータ２に誘導モータを用いた場合、主モータ１は速度指令値に基づいて定格稼動に近くして運転効率を高くすることができる。そして、重負荷時には副モータ２に助勢させる一方、軽負荷時には副モータ２を遊動させることが可能である。すなわち、トルク制御して用いる副モータ２を、必要な時にのみ定格稼動に近くして運転効率を高くすることが可能である。なお、主・副でなる２つのモータ１，２がそれぞれ半ば独立した制御を受けているが、一方が速度制御で、他方はトルク制御であるため干渉するような害は生じない。

タンデムスクリューコンプレッサＥ１，Ｅ３において、主モータ１は、上位の制御系統である度指令値１３および、その下位の制御系統である電流指令値１５による二重のフィードバック制御系統により指令速度で安定動作させることが可能である。すなわち、主モータ１は、目標とする速度指令値１３に対し、実測された第１スクリュー１０の速度検出値１４と、の差分をなくすように、速度検出値１４をフィードバックして速度制御されると共に、モータ電流の目標値である電流指令値１５と、実測された電流検出値１６との差分をなくすように、電流検出値１６をフィードバックしてトルク制御される。

一方、副モータ２はモータ電流の目標値である電流指令値２５と、実測された電流検出値２６との差分をなくすように、電流検出値２５のみをフィードバックしてトルク制御される。

このように、主・副でなる２つのモータ１，２により、第１・第２でなる２つのスクリュー１０，２０を駆動するタンデムスクリューコンプレッサＥ１〜３によれば、高風量域運転する時は、主モータ１を定格維持するように運転効率を高くしながら指令速度で安定動作させる一方、速度制御されている主モータ１だけのトルクに不足が生じた時は、その不足分だけ副モータ２が助勢する。逆に、低風量域運転する時は、主モータ１での駆動によれば定格から外れて効率低下するので、その主モータ１を遊動させて、副モータ２だけを定格内で効率良く運転することも可能である。

また、タンデムスクリューコンプレッサＥ１〜３が、主・副でなる２つのモータ１，２の全力稼動により起動した後、指定速度に到達したならば、副モータ２による助勢を適宜に弱め、最終的にはトルク出力を止めて遊動させる。この時、指定速度が中低速（低風量域運転）であり、その軽負荷に対して副モータ２が中低速で高い効率で運転することが可能ならば、主モータ１を遊動させて副モータ２のみを効率良く定格稼動させることが好ましい。

以上、説明したように、本発明のタンデムスクリューコンプレッサによれば、迅速な起動特性を有するのみならず、微力稼動から定格稼動の何れの運転領域においても効率良く運転することが可能である。

本発明の一実施形態（本実施形態）に係るタンデムスクリューコンプレッサの概略を示す側面模式図であり、（ａ）永久磁石同期モータの２個使い型、（ｂ）永久磁石同期モータと誘導モータの各１個使い型である。 本実施形態に係る２軸交互モータ配置のタンデムスクリューコンプレッサの概略を示す側面模式図である。 本実施形態に係るタンデムスクリューコンプレッサの制御系統を示すブロック図であり、（ａ）主モータ制御系統、（ｂ）副モータ制御系統である。

符号の説明

１ 主モータ，永久磁石同期モータ（符号兼用）、
2，２′ 副モータ，永久磁石同期モータ，誘導モータ（符号兼用）、
１０ 第１スクリュー、 １１ 第１軸、 １２ 第１ギヤ、
２０ 第２スクリュー、 ２１，２１′ 第２軸、 ２２ 第２ギヤ、
Ｅ１〜Ｅ３ タンデムスクリューコンプレッサ、
１３ 速度指令値、 １４ 速度検出値、 １５ 電流指令値、 １６ 電流検出値、

Claims (5)

1. 第１軸に軸支され同軸結合された第１ギヤと共に回転自在の第１スクリューと、
   前記第１軸とほぼ平行な第２軸に軸支され前記第１ギヤと歯合して逆回転する第２ギヤに同軸結合された第２スクリューと、を備え、
   逆ネジの関係にある前記第１スクリューと前記第２スクリューをかみ合わせた空間で流体を圧縮するタンデムスクリューコンプレッサにおいて、
   前記第１スクリューに同軸結合された主モータと、
   前記第２スクリューに同軸結合された副モータと、を備え、
   前記主モータと前記副モータの何れか一方は軽負荷時に遊動可能であることを特徴とするタンデムスクリューコンプレッサ。
2. 前記主モータと前記副モータの少なくとも何れか一方は永久磁石同期モータであることを特徴とする請求項１に記載のタンデムスクリューコンプレッサ。
3. 前記主モータと前記副モータの少なくとも何れか一方は誘導モータであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のタンデムスクリューコンプレッサ。
4. 前記主モータは永久磁石同期モータを用いて速度制御し、
   前記副モータは誘導モータを用いてトルク制御し軽負荷時には遊動可能であることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載のタンデムスクリューコンプレッサ。
5. 前記主モータおよび前記副モータはモータ電流の目標値である電流指令値から実測された電流検出値を減算するようにフィードバックした値に基づいてトルク制御し、
   前記主モータは前記トルク制御に加えた上位の制御として速度指令値から実測された速度検出値を減算するようにフィードバックした値に基づいて速度制御することを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載のタンデムスクリューコンプレッサ。

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