JP5192928B2 - 磁気軸受及びこのシステムを用いた回転機械 - Google Patents

Description

この発明は、磁気軸受により支持された回転軸に発生する捩り振動を減衰させるための磁気軸受の磁気軸受に関する。

周知のように、例えば、圧縮機等の回転機械は、タービンやモータ等の駆動源にカップリング、回転軸により結合されて回転駆動されるようになっており、かかる高速で回転される場合に回転軸を安定して支持するために磁気軸受が用いられる場合がある。
また、高圧環境や潤滑剤を使用することが困難な環境において回転軸を支持する場合にも磁気軸受が広く用いられている。

このように駆動源により回転駆動する場合、例えば、モータのトルク変動によってカップリング、回転軸に捩り振動が発生する場合があり、このような捩り振動を減衰する手段として、ダンパカップリングを用いてねじり振動を減衰させる方法があるものの、ダンパカップリングが高価であること、また、ダンパ要素として用いるゴムが劣化して寿命を迎えた場合、ゴムを交換することが必要であり、回転機械の稼働率の低下や交換コストがかかるという問題がある。

このように磁気軸受で支持された回転軸の捩り振動を減衰する手段として、捩り振動を検出して回転速度が速まる瞬間に回転軸が制動されるような渦電流を回転軸生じさせる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−１０３２８６号公報

しかしながら、上記特許文献１に示された磁気軸受の制御によれば、捩り振動を検出した瞬間に電流を制御するために、制御が複雑となるうえ、タイムラグにより充分に捩り振動が減衰できないという問題があった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、磁気軸受により支持された回転軸に生じる捩り振動を、磁気軸受を制御することにより効率的に減衰することが可能な磁気軸受及びこの磁気軸受を用いた回転機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１記載の発明は、回転軸の周方向に沿って配置され、互いに釣合う方向の磁気力を作用させる複数のコイルと、前記回転軸に生じる変位を検出する変位センサと、前記コイルを個々に制御するドライバと、を備え、前記変位センサの検出信号に基づいて前記コイルに供給する電流を制御して前記変位を調整可能に構成された磁気軸受であって、前記コイルに前記回転軸の回転数に応じた周波数の回転磁界を付与して、前記回転軸に回転磁界とのすべりを生じさせ、すべりに比例したトルクを前記回転軸に生じさせて捩り振動を減衰させるように構成されていることを特徴とする。

この発明に係る磁気軸受によれば、回転軸の回転数に応じた周波数の回転磁界をコイルに付与して、回転軸に回転磁界とのすべりを生じさせることができる。その結果、すべりに比例したトルクを回転軸に生じさせて捩り振動を減衰させることができる。

請求項２記載の発明は、請求項1に記載の磁気軸受であって、前記回転軸の速度を検出する速度センサを備え、前記速度センサにより前記回転数を検出するように構成されていることを特徴とする。

この発明に係る磁気軸受によれば、速度センサにより検出した回転軸の速度を回転磁界の周波数にフィードバックするので、回転数に対応したトルクを発生させて捩り振動を効率的に減衰させることができる。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の磁気軸受であって、回転磁界制御手段を備え、前記回転磁界制御手段は、前記回転磁界の周波数を制御可能に構成されていることを特徴とする。

この発明に係る磁気軸受によれば、回転磁界の周波数が制御可能とされているので所望の回転数において効率的に捩り振動を減衰させることができる。

請求項４記載の発明は、駆動源と、該駆動源により回転駆動される回転負荷と、前記駆動源及び前記回転負荷とを直列に連結して前記駆動源から前記回転負荷に回転力を伝達する回転軸とを備えた回転機械であって、それぞれの前記回転負荷における捩り角度を予め解析もしくは測定することにより得た前記回転機械において発生する捩り振動のうち減衰させるべき固有振動モードの捩り振動の発生に対応する位置に請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の磁気軸受が設けられていることを特徴とする。

この発明に係る回転機械によれば、それぞれの前記回転負荷における捩り角度を予め解析もしくは測定して得られた、前記回転機械において発生する捩り振動のうち減衰させるべき固有振動モードの捩り振動の発生に対応する位置に磁気軸受が配置されているので、磁気軸受のコイルに回転数に応じた回転磁界を付与して特定の固有振動モードの捩り振動を効率的に減衰させることができる。
また、特定の固有振動を有する捩り振動に係る磁気軸受に回転磁界を付与するので、ムダな電力消費がなく省ネルギーが実現できる。
なお、この明細書において、直列に連結とは回転駆動が並列に分岐されないことを意味しており、例えば、減速機等を介することにより一の回転軸と他の回転軸とが同軸上に配置されていない場合であっても、入力された回転力が複数の回転軸に分岐されない場合には直列であるとする。

本発明に係る磁気軸受によれば、回転軸の回転数に応じた回転磁界を磁気軸受のコイルに発生させることができるので、回転軸に生じるねじれ振動を効率的に減衰させることができる。また、磁気軸受を構成するコイルに回転磁界を生じさせる構成とされているので、設備投資の低減及び省スペースを果たすことができる。
また、本発明に係る回転機械によれば、予め選択した捩り振動を効率的に減衰させることができる。

以下、図１から図４を参照し、この発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る回転機械の一実施形態を示す図であり、符号１は圧縮機トレンを示している。

圧縮機トレン１は、モータ（駆動源）２と、減速機３と、低圧圧縮機（回転負荷）４と、高圧圧縮機（回転負荷）５と、第１の回転軸６、第２の回転軸７とを備え、これらがモータ２、減速機３、第１の回転軸６、低圧圧縮機４、第２の回転軸７、高圧圧縮機５の順に直列に連結されている。
その結果、モータ２の回転駆動は、減速機３及び第１の回転軸６を介して低圧圧縮機４に伝達され、また、減速機３、第１の回転軸６、低圧圧縮機４及び第２の回転軸７を介して高圧圧縮機５に伝達されるようになっている。
また、この実施に形態において、第１の回転軸６、第２の回転軸７は２つの磁気軸受１０により回転自在に支持されている。

磁気軸受１０は、図２に示すように、コイル１１と、回転軸に生じる変位を検出する変位センサ１４と、回転軸の速度を検出する速度センサ１５と、ドライバ１６と、制御部１７とを備えている。
図２において示したのは、第２の回転軸７の例であるが、第１の回転軸６についても同様とされる。

コイル１１は、第２の回転軸７の周方向に沿って配置され、互いに釣合う方向の磁気力を吸引力として第２の回転軸７に作用させて第２の回転軸７を浮上支持するようになっている。
コイル１１は、例えば、２つのコイル対１２、１３を備えており、コイル対１２は、２つのコイル１２Ａ、１２Ｂを備え、コイル対１３はコイル１３Ａ、１３Ｂを備えている。

それぞれのコイル１２Ａ、１２Ｂ、１３Ａ、１３Ｂは、ドライバ１６によって個々に制御可能とされ、コイル１２Ａとコイル１２Ｂは、ドライバ１６から互いに反転された電流が供給された場合に、コイル１２Ａ、１２Ｂがそれぞれ第２の回転軸７を吸引する方向の磁気力が発生するように構成されている。かかる構成は、コイル対１３を構成するコイル１３Ａ、１３Ｂについても同様とされている。

変位センサ１４は、第２の回転軸７表面との距離を、例えば、磁気力によって検出し第２の回転軸７に生じる径方向の変位を検出する可能とされている。
速度センサ１５は、第２の回転軸７の回転を、例えば、磁気力の変化によって検出し、検出した速度検出信号を制御部１７に出力するようになっている

ドライバ１６は、４つのコイル１２Ａ、１２Ｂ、１３Ａ、１３Ｂに、例えば、ＰＷＭ制御された電流を出力してコイル１２Ａ、１２Ｂ、１３Ａ、１３Ｂに磁気力による吸引力を発生させるようになっている。このドライバ１６による電力供給は、コイル対１２のそれぞれのコイル１２Ａ、１２Ｂに互いに反転された電流が供給されるようになっている。また、コイル対１３に対しても同様とされている。

制御部１７は、変位制御部１７Ａと、回転磁界制御部１７Ｂと、回転数制御部１７Ｃを備えている。
変位制御部１７Ａは、変位センサ１４から入力された回転軸の位置検出信号に基づいてコイル１１に供給する電流を演算してドライバ１６に出力するようになっている。その結果、第２の回転軸７に対する吸引力を制御して第２の回転軸７を所定の位置に浮上支持可能とされている。
回転磁界制御部１７Ｂは、第２の回転軸７の回転速度をコイル１１に供給する回転磁界の周波数にフィードバックするものであり、速度センサ１５から出力された速度検出信号に基づいてコイル１１に付与する回転磁界の周波数を演算して回転磁界制御信号をドライバ１６に出力するようになっている。
回転数制御部１７Ｃは、回転磁界の周波数を制御して、第２の回転軸７の回転数に対応する回転数制御信号をドライバ１６に付与するようになっている。

ここで、コイル１１に与える回転磁界の周波数を制御して速度変動を減衰させるトルクを発生させる場合について説明する。
回転磁界の周波数と第２の回転軸７の回転速度の関係を示すと、式（１）で示され、
トルクＴ＝α（ｆ−Ｎ） ・・・（１）
ｆ：回転磁界の周波数（一定）
Ｎ：回転軸の回転速度（＝（ｄθ／ｄｔ））
であり、
第２の回転軸７の回転に関する運動方程式は、
Ｉ・（ｄ^２θ／ｄｔ^２）＝Ｔ
＝αｆ−α・（ｄθ／ｄｔ）
Ｉ：第２の回転軸７の慣性モーメント
であり、α・（ｄθ／ｄｔ）項が捩り振動の減衰に作用する。

また、速度センサ１５により検出した第２の回転軸７の回転数をフィードバックすることにより回転磁界の周波数を制御して速度変動を減衰させるトルクを発生させる場合について説明する。
回転磁界の周波数と第２の回転軸７の回転速度の関係は、
トルクＴ＝α（ｆ−Ｎ） ・・・（２）
ｆ_０：定常周波数
ｆ＝ｆ_０＋β（ｆ_０−Ｎ） （β＞０）とすると、
Ｎ：回転軸の回転速度（＝（ｄθ／ｄｔ））
Ｎ＜ｆ_０のとき
ｆ＝ｆ_０＋β（ｆ_０−Ｎ）＞０
Ｎ＞ｆ_０のとき
ｆ＝ｆ_０＋β（ｆ_０−Ｎ）＜０
トルクＴ＝α（ｆ_０＋β（ｆ_０−Ｎ）−Ｎ）
＝αｆ_０＋αβｆ_０−α（β＋１）・Ｎ
第２の回転軸７の回転に関する運動方程式は、
Ｉ・（ｄ^２θ／ｄｔ^２）＝Ｔ
＝αｆ_０＋αβｆ_０−α（β＋１）・（ｄθ／ｄｔ）
よって Ｉ・（ｄθ／ｄｔ）＋α（β＋１）・（ｄθ／ｄｔ）＝αｆ_０＋αβｆ_０
となる。
ここで、 α（β＋１）＞αであるので、
第２の回転軸７の回転数をフィードバックすることでより大きな減衰効果が確保される。
回転磁界制御部１７Ｂは、上記式（２）に基づいて回転磁界の周波数ｆを演算するように構成されている。

磁気軸受１０によれば、第２の回転軸７の回転数に応じた回転磁界をコイル対１２、１３に付与して第２の回転軸７に回転磁界とのすべりを生じさせることにより第２の回転軸７にすべりに比例したトルクを生じさせることができる。
その結果、第２の回転軸７に生じる捩り振動を効率的に減衰させることができる。

次に、磁気軸受１０の作用について説明する。
１）第２の回転軸７は、コイル１１の吸引力により浮上され、第２の回転軸７が所定位置からずれて第２の回転軸７の表面に変位が生じると、変位センサ１４により検出された位置検出信号が変位制御部１７Ａに入力されて、位置検出信号に基づいてドライバ１６に出力された制御信号によりコイル１１に供給する電流が制御され、コイル１１の吸引力を制御することにより第２の回転軸７を所定位置に復元する。
２）第２の回転軸７に捩り振動が発生して回転速度が変化すると、速度センサ１５により検出された速度検出信号が回転磁界制御部１７Ｂに入力され、速度検出信号に基づいて第２の回転軸７に生じた捩り振動を減衰させるトルクに対応した回転磁界の周波数が算出され、その回転磁界の周波数の制御信号がドライバ１６に出力される。
その結果、第２の回転軸７に生じた捩り振動が効率的に減衰される。

磁気軸受１０によると、速度センサ１５で検出した第２の回転軸７の回転速度に基づいて、捩り振動を減衰させるための周波数の回転磁界をコイル１１に付与し、第２の回転軸７に捩り振動に対応するすべり及びトルクを生じさせるので第２の回転軸７に発生した捩り振動を効率的に減衰することができる。
また、磁気軸受を構成するコイルに回転磁界を生じさせるので、設備投資の低減及び省スペースを果たすことができる。

磁気軸受１０によれば、第２の回転軸７の回転数に応じて周波数を制御することができるようになっているので、所望の回転数に応じたトルクを発生させることができる。その結果、所望の回転数において効率的に捩り振動を減衰させることができる。

次に、この発明に係る磁気軸受１０を適用した圧縮機トレン１の実施例について説明する。
図３は、圧縮機トレン１において発生する捩り振動の概略を示す斜視図であり、（Ａ）は１次モードの捩り振動を、（Ｂ）は２次モードの捩り振動を示す図である。
なお、図３では、減速機３を省略して圧縮機トレン１を示している。また、図中の矢印は、ある瞬間の捩り振動を生じる捩りモーメントを示している。

また、図４は、圧縮機トレン１において発生する捩り振動の固有振動モードを説明する概略図であり、図１においてＡで示した位置における捩り振動を、横軸に捩り振動の周波数、縦軸に時間（ｔ）を表し、その時間ｔにおける周波数ごとのトルクを時間軸方向に表示した図である。

圧縮機トレン１は、図４に示すように、例えば、非同期の１４Ｈｚの１次モードの捩り振動が生じていて、この１４Ｈｚの１次モードの捩り振動は、図３（Ａ）において示すように、モータ２と高圧圧縮機５の間の第１の回転軸６及び第２の回転軸７から構成される回転軸構成体８において形成されている。
したがって、固有振動モードが１４Ｈｚの１次モードの捩り振動は、第２の回転軸７に配置された磁気軸受１０の回転磁界を速度フィードバック制御することにより効率的に減衰される。

また、２次モードの捩り振動は、図３（Ｂ）において示すように、低圧圧縮機４を挟んで第１の回転軸６及び第２の回転軸７で反転した方向の捩り振動により形成されているので磁気軸受を低圧圧縮機４に設けて回転磁界を付与することで捩り振動を効率的に減衰させることができる。

同様にして、他の固有モードの捩り振動の捩り方向を検出し、検出された捩りの組み合わせによって減衰させたい固有モードの発生に対応する位置に磁気軸受を配置して対応する周波数の回転磁界を付与することにより減衰させることができる。

圧縮機トレン１によれば、それぞれの圧縮機４、５において発生する特定の固有モードを有する捩り振動を、捩り角度を予め解析もしくは測定することにより得て、減衰させるべき１次モードの捩り振動の発生に対応する第２の回転軸７に磁気軸受１０が配置されている。
したがって、磁気軸受１０のコイル１１に回転軸の回転数に応じた周波数の回転磁界を付与して１次モードの捩り振動を効率的に減衰させることができる。
また、１次モードの捩り振動を減衰させる際に、磁気軸受１０のみに回転磁界を付与するのでムダな電力消費がなく省ネルギーが実現できる。

なお、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。
例えば、上記実施の形態においては、速度センサ１５が設けられて、圧縮機トレン１の回転軸６，７の回転速度を検出することにより回転軸６、７の回転数を検出する場合について説明したが、回転軸６、７の回転速度をフィードバックする構成は任意に設定可能である。また、速度センサ１５を用いる場合に、例えば、エンコーダ等、他の回転数検出手段を用いてもよい。

また、上記実施の形態においては、回転数制御部１７Ｃが設けられていて、対応する周波数を自在に調整可能な場合について説明したが、回転数制御部１７Ｃが設けられていない構成の磁気軸受１０としてもよい。
また、上記実施の形態においては、圧縮機トレン１に磁気軸受１０を配置して捩り振動を減衰させる場合について説明したが、例えば、タービン、その他の回転機械に適用してもよい。

また、上記実施の形態においては、モータ２に対して２台の圧縮機４、５が直列に配置される場合について説明したが、例えば、圧縮機が３台以上の圧縮機トレンに対しても適用可能であり、かかる場合、捩り振動の固有振動モードは、１次、２次のみならず、３次以上の高次の捩り振動に対しても適用可能である。

また、上記実施の形態においては、モータ２が圧縮機トレン１の一端に配置される場合について説明したが、モータが圧縮機トレンの中間位置に配置され、モータの両側に回転軸が配置された圧縮機トレンにも適用可能である。

本発明の一実施形態に係る圧縮機トレンの概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁気軸受の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る圧縮機トレンにおける捩り振動を説明する図であり、（Ａ）は１次モードの捩り振動を、（Ｂ）は２次モードの捩り振動を示す図である。 本発明の一実施形態に係る圧縮機トレンにおける固有モードの捩り振動を説明する図である。

符号の説明

１ 圧縮機トレン（回転機械）
２ モータ（駆動源）
４ 低圧圧縮機（回転負荷）
５ 高圧圧縮機（回転負荷）
６ 第１の回転軸（回転軸）
７ 第２の回転軸（回転軸）
１０ 磁気軸受
１１ コイル
１２Ａ、１２Ｂ、１３Ａ、１３Ｂ コイル
１４ 変位センサ
１５ 速度センサ
１６ ドライバ
１７ 制御部

Claims (4)

1. 回転軸の周方向に沿って配置され、互いに釣合う方向の磁気力を作用させる複数のコイルと、
   前記回転軸に生じる変位を検出する変位センサと、
   前記コイルを個々に制御するドライバと、を備え、
   前記変位センサの検出信号に基づいて前記コイルに供給する電流を制御して前記変位を調整可能に構成された磁気軸受であって、
   前記ドライバから前記コイルに回転磁界を付与する制御部を備え、
   前記制御部は、
   前記コイルに前記回転軸の回転数に応じた周波数の回転磁界を付与して、前記回転軸に回転磁界とのすべりを生じさせ、すべりに比例したトルクを前記回転軸に生じさせて捩り振動を減衰させるように構成されていることを特徴とする磁気軸受。
2. 請求項1に記載の磁気軸受であって、
   前記回転軸の速度を検出する速度センサを備え、
   前記速度センサにより前記回転数を検出するように構成されていることを特徴とする磁気軸受。
3. 請求項１又は請求項２に記載の磁気軸受であって、
   回転磁界制御手段を備え、
   前記回転磁界制御手段は、前記回転磁界の周波数を制御可能に構成されていることを特徴とする磁気軸受。
4. 駆動源と、
   該駆動源により回転駆動される回転負荷と、
   前記駆動源及び前記回転負荷とを直列に連結して前記駆動源から前記回転負荷に回転力を伝達する回転軸と、
   を備えた回転機械であって、
   それぞれの前記回転負荷における捩り角度を予め解析若しくは測定することにより得た前記回転機械において発生する捩り振動のうち減衰させるべき固有振動モードの捩り振動の発生に対応する位置に請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の磁気軸受が設けられていることを特徴とする回転機械。

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