JP5289223B2 - ラジアル磁気軸受並びに多相交流調整器付き磁気軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、円周方向に分布して配置された電磁石を備えたラジアル磁気軸受に関する。かかる軸受は能動型磁気軸受あるいは能動型永久磁石軸受とも呼ばれる。

本発明はまた、かかるラジアル磁気軸受並びに回転磁界励磁用の多相交流調整器および磁気バイアス励磁用の直流電源を有する磁気軸受装置に関する。その交流調整器は好適にはインバータである。

ここで「半径方向」とは軸受けされたロータ軸の回転軸線に向いた方向であって、そこから離れる方向を意味する。「軸方向」とは回転軸線に対して平行な方向を意味し、「円周方向」とはロータ軸の回転軸線に対する接線方向を意味する。ロータ軸の運転中において、ロータ軸の回転軸線は実際には構造的回転軸線ないしラジアル磁気軸受の回転対称軸線に相当する。

分布して配置された少なくとも３個の電磁石とこれらの電磁石のコイルを制御するための電力調整器を有する磁気バイアス形の能動型ラジアル磁気マクスウェル・軸受装置が、特許文献１で知られている。その電力調整器として三相交流調整器が利用されている。そこでの形態に応じて、６個の電磁石が円周方向に相互に６０°ずらして配置され、その電磁石は三相コイル付き回転磁界形電機固定子として形成されている。磁気バイアスを発生するために少なくとも１個の補助コイルが設けられている。それらの電磁石は星形結線あるいは三角結線で三相交流調整器に接続されている。さらに特許文献１に、ロータのｘ方向およびｙ方向における位置が設定値で予め与えられるような磁気マクスウェル・軸受装置の運転方法が開示されている。ロータのｘ方向およびｙ方向における位置は位置センサによって検出される。ｘ方向およびｙ方向における制御偏差が計算される。続いて、２／３−位相変換によって、三相交流調整器に対する目標電流値が計算され、その三相交流調整器に与えられ、これによって、電磁石のコイルが、ロータの位置が設定可能な目標値に相当するように給電される。

かかる軸受は回転機のロータ軸を非接触式で摩耗無しに軸受するために設計されている。対象となる機械は１トン以上の質量と５００ｋＷ以上特に数ＭＷ（メガワット）の定格電力を有する。かかる機械は例えば電動機、発電機、タービン機械、圧縮機、ポンプなどである。これらは最高で４０００ｒｐｍ以上の回転数を有する。その運転中において、ラジアル磁気軸受と被軸受けロータ軸との間の空隙は、好適には、特に０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲に保たれる。

欧州特許第０８４５０８４号明細書

本発明の課題は、上述した従来技術から出発して、コイル構造についてより簡単なラジアル磁気軸受を提供することにある。また本発明の課題は、同等の磁気特性においてよりコンパクトなラジアル磁気軸受を提供することにある。

さらに本発明の課題は、かかるラジアル磁気軸受を備えた適切な磁気軸受装置を提供することにある。

この課題は特許請求の範囲の請求項１の特徴を有する（能動型）ラジアル磁気軸受によって解決される。その有利な実施態様は従属請求項２〜５に記載されている。また独立請求項６に、かかるラジアル磁気軸受を備えた磁気軸受装置が記載されている。その磁気軸受装置の有利な実施態様は従属請求項７〜９に記載されている。

本発明に基づいて、複数の電磁石はそれぞれ磁気バイアスおよび多相回転磁界を発生するための共用のコイルを有している。それらのコイルの第１半分群および第２半分群はそれぞれ中性点に結線されている。その両中性点は磁気バイアス励磁のために直流電源に接続するために利用される。それらのコイルの反対側端は回転磁界励磁のために相応した多相交流調整器に並列接続するために利用される。

本発明の大きな利点は、従来技術に比べて、電磁石当たり２個のコイルに代わって、１個（唯一）のコイルしか必要とされないことにある。これによって、本発明に基づくラジアル磁気軸受のコイル構造は、結線技術の観点並びに巻線作業コストの観点において顕著に簡単化される。もう１つの利点は、かかるラジアル磁気軸受が電磁石当たり唯一のコイルの利用によってよりコンパクトに実現できることにある。

有利な実施態様において、ラジアル磁気軸受は相数に応じた数の相接続端子並びに２つの磁気バイアス接続端子を有している。従って、相数が３である場合、ラジアル磁気軸受は３個の相接続端子と２個の磁気バイアス接続端子を有する。換言すれば、本発明に基づくラジアル軸受は、５個の電気接続端子を介して交流調整器および直流電源に接続することができる。代案として、並列のコイル端並びに両中性点を別の接続線を介して交流調整器および直流電源に接続することができる。

特に有利な実施態様において、電磁石が多相コイルを備えた回転磁界形電機固定子として形成されている。この場合、多相コイルはラジアル磁気軸受の相応した固定子スロットにはめ込まれ、ないしは巻線されている。このようにして、特にコンパクトなラジアル磁気軸受が得られる。

他の有利な実施態様において、回転磁界形電機固定子は、磁化バイアスの磁極対数ｐ_Vと回転磁界の磁極対数ｐ_Dが値１だけ異なっているように巻線されている。これによって、印加された回転磁界の相位置が設定可能な場合に、有利に、ロータ軸を位置調整するために円周方向に作用する２極の磁界軸が調整可能である。磁化バイアス磁界の磁極対数ｐ_V並びに多相回転磁界の磁極対数ｐ_Dは、回転磁界形電機固定子の相応した巻線によって予め設定可能である。

好適には、この固定子多相コイルは穴数（Lochzahl）ｑ＝２／５の三相コイルである。その穴数は、固定子スロット数を相数、並びに回転磁界により発生された電磁石極の数で割り算した商である。

回転磁界形電機固定子が１２個の固定子スロットを有していることが特に有利である。その場合、三相交流調整器による相応した励磁時に、磁化バイアス磁界は６の磁極対数ｐ_Vを有し、三相回転磁界は５の磁極対数ｐ_Dを有する。かかるラジアル磁気軸受は、有利に、構造的に非常に簡単で最もコンパクトな構造を有する。

ラジアル磁気軸受の内径とその軸長の比は、好適には、０．３〜２であり、特に、０．８〜１．２５である。特別な用途において、その比は例えば０．２のようなそれ以下の値あるいは例えば５のようなそれ以上の値にもできる。

また本発明の課題は、本発明に基づくラジアル磁気軸受と、回転磁界励磁用の多相交流調整器と、磁化バイアス励磁用の直流電源を備えている磁気軸受装置によって解決される。かかる磁気軸受装置は、通常の交流調整器の利用並びに本発明によって特に簡単に実現できるコンパクトなラジアル軸受の利用によって、特にコンパクト且つ安価に製造できる。直流電源は交流調整器に対して電気的に分離することが可能である。

その軸受装置の１つの実施態様において、交流調整器は入力側の中間回路並びに後置接続されたインバータを有している。そのインバータは特に三相ユニットである。本発明に基づいて、直流供給は交流調整器の中間回路を介して行われる。交流調整器特にインバータへの直流電源の一体組入れによって、本発明に基づく磁気軸受装置の構造は一層簡単になる。直流電源は交流調整器の中間回路に直結できる。あるいはまた、中間回路に、ＤＣ／ＤＣ変換器が接続でき、このＤＣ／ＤＣ変換器は電気的に分離された直流電源、即ち、無電位の直流電源を可能とする。

他の実施態様において、直流電源は磁化バイアス電流を調整するためのタイミング制御可能なスイッチ手段特にチョッパを有している。これによって、磁化バイアス電流に対して設定可能な電流値が形成できる。

さらに、かかる磁気軸受装置は、他の実施態様において、磁気的に軸受けすべきロータ軸のｘ方向およびｙ方向における位置を検出するための位置センサを有している。また、かかる磁気軸受装置は、ｘ方向およびｙ方向におけるロータ軸の位置が設定できるように、ラジアル磁気軸受の回転磁界を励磁するための交流調整器に対する操作手段を備えた制御装置を有している。この制御装置は、好適には、位置センサによって検出されたロータ軸のｘ方向およびｙ方向における実際値が設定可能な目標値に相応するようにする調整手段を有している。このようにして、ロータ軸の特に精確な軸受けが可能となる。その制御装置は、好適には、交流調整器に一体に組み入れられている。位置センサは特に非接触式に位置を検出するように形成されている。その検出は例えば光学式あるいは磁気式に行われる。

以下図を参照して本発明並びにその有利な実施例を詳細に説明する。

ラジアル磁気軸受で軸受けされたロータ軸を備えた回転機の部分断面図。 従来における６個の電磁石を有するラジアル磁気軸受を制御するための三相交流調整器を備えた電気回路図。 交流調整器および本発明に基づくコイル結線付きラジアル磁気軸受を備えた磁気軸受装置の電気回路図の例。 図３におけるラジアル磁気軸受の側面図。 本発明に基づく磁気軸受装置の第１実施例の回路図。 本発明に基づく磁気軸受装置の第２実施例の回路図。

図１はラジアル磁気軸受１で軸受けされたロータ軸２２を備えた回転機２０の例を示している。この例において、回転機２０はロータ軸２２上に置かれた回転子２３と固定子２４とを有する電動機である。その回転機２０は、あるいはまた、例えばポンプ、圧縮機、スピンドルあるいは他の回転機械でもある。さらにその回転機２０は、好適には、タービン機械である。また、その回転機２０はラジアル磁気軸受１のエネルギ供給の喪失時にロータ軸２２を受けるための控え軸受２１を有している。符号Ａはロータ軸２の回転軸線、ＡＬはラジアル磁気軸受１の軸長、ＩＤはラジアル軸受１の内径である。この例において、その内径ＩＤと軸長ＡＬの比は例えば約１．５である。

図２は、上述の特許文献１に応じた従来技術における６個の電磁石を有するラジアル磁気軸受１を制御するための三相交流調整器３を備えた電気回路図を示している。この回路図では、付属する６個のコイルＬ１Ｕ、Ｌ２Ｕ、Ｌ１Ｖ、Ｌ２Ｖ、Ｌ１Ｗ、Ｌ２Ｗだけが示されている。３つの相Ｕ、Ｖ、Ｗのそれぞれの相に対して２個のコイルＬ１Ｕ、Ｌ２Ｕ；Ｌ１Ｖ、Ｌ２Ｖ；Ｌ１Ｗ、Ｌ２Ｗがそれぞれ直列接続され、中性点Ｓで結線されている。図示された３本の配線にはインバータ側で相電流ｉＵ、ｉＶ、ｉＷが供給される。

この例において、交流調整器３は入力側の中間回路３２とこれに後置接続されたいわゆる全ブリッジ回路におけるインバータユニット３１とを備えたインバータである。符号３４はタイミング制御可能なスイッチ手段特にパワートランジスター、３５はフリーホィーリングダイオードである。入力側に印加された入力直流電圧Ｕｅを安定するために、中間回路コンデンサ３３が設けられている。また、６個の磁化バイアスコイルＬＶから成る直列回路が電圧中間回路３２に並列接続されている。その直列回路を通して流れる磁化バイアス電流iOが中間回路３２を介して供給される。この図には示されていない電磁石はそれぞれ１個の右側コイルＬ１Ｕ、Ｌ２Ｕ、Ｌ１Ｖ、Ｌ２Ｖ、Ｌ１Ｗ、Ｌ２Ｗとそれぞれ１個の磁気バイアスコイルＬＶを有している。図示された磁気軸受装置は６個の電磁石、従って、１２個のコイルの配置を必要とする。

図３は、交流調整器３と本発明に基づくコイル結線付きラジアル磁気軸受１とを備えた磁気軸受装置１０の例を示している。図示されたラジアル磁気軸受１は、好適には、直径線的に対を成して対向して位置し円周方向に分布して配置された電磁石１Ｕ、２Ｕ；１Ｖ、２Ｖ；１Ｗ、２Ｗを有し、これらの電磁石は円周方向に相互に６０°ずらして配置されている。本発明に基づいて、電磁石１Ｕ、２Ｕ；１Ｖ、２Ｖ；１Ｗ、２Ｗはそれぞれ、磁化バイアスおよび回転磁界を発生するための共用のコイルＬ１Ｕ、Ｌ２Ｕ；Ｌ１Ｖ、Ｌ２Ｖ；Ｌ１Ｗ、Ｌ２Ｗを有している。すぐに理解できるように、従来における方式に比べて、有利に半数のコイルしか必要とされない。その場合、第１の半数のコイル群（Ｌ１Ｕ、Ｌ１Ｖ、Ｌ１Ｗ）および第２の半数のコイル群（Ｌ２Ｕ、Ｌ２Ｖ、、Ｌ２Ｗ）はそれぞれ中性点Ｓ１、Ｓ２で結線されている。この両中性点Ｓ１、Ｓ２は本発明に基づいて磁気バイアス励磁用の直流電源２に接続するために利用されている。これらのコイルの反対側端は回転磁界励磁のために回転磁界の相Ｕ、Ｖ、Ｗの数に応じた多相交流調整器３に並列接続するために利用されている。両中性点Ｓ１、Ｓ２は図示されていない接続線を介して磁気バイアス電気接続端子７、８に接続されている（図４参照）。磁気バイアス電流iOを供給するために電池記号で表された直流電源２がそれらの接続端子７、８を介して接続されている。図４の左側部分に、相数に応じた数、即ち、この実施例では３個の相接続端子４、５、６が存在している。これらの接続端子４、５、６は図示されていない接続線を介して、右下側部分に図示された３個（第１半分）の電磁石１Ｕ、１Ｖ、１ＷのコイルＬ１Ｕ、Ｌ１Ｖ、Ｌ１Ｗのコイル端に接続されている。それと並んで、左上側部分に図示された３個（第２半分）の電磁石２Ｕ、２Ｖ、２ＷのコイルＬ２Ｕ、Ｌ２Ｖ、Ｌ２Ｗのコイル端が、図示されていない接続線を介して位相接続端子４、５、６に接続されている。

図４は、それぞれ直径線的に対向して位置する２個の電磁石１Ｕ、２Ｕ；１Ｖ、２Ｖ；１Ｗ、２ＷのコイルＬ１Ｕ、Ｌ２Ｕ；Ｌ１Ｖ、Ｌ２Ｖ；Ｌ１Ｗ、Ｌ２Ｗが図示されていない応分の相電流ｉＵ、ｉＶ、ｉＷで通電されることを示している。これによって、特に一定の磁化バイアス電流iOにより引き起こされた磁界が、供給される相電流ｉＵ、ｉＶ、ｉＷの相状態に応じて、ある時は強められ、ある時は弱められる。換言すれば、図示されたロータ軸２２は相状態に応じてある時は一方向に、ある時には他方向にもっと引き寄せられる。その都度の相電流ｉＵ、ｉＶ、ｉＷを供給するために利用される交流調整器はこの図には示されていない。理解を容易にするためにロータ軸２２の内側に、ロータ軸２２の半径方向動きにおけるｘ方向並びにｙ方向が記されている。

好適には、電磁石１Ｕ、２Ｕ；１Ｖ、２Ｖ；１Ｗ、２Ｗは多相コイル付き回転磁界形電機固定子として形成されている。この場合、かかる固定子は多相コイルがはめ込まれる複数の固定子スロットを有している。好適には、かかる回転磁界形電機固定子は、磁化バイアスの磁極対数ｐ_Vと回転磁界の磁極対数ｐ_Dが値１だけ異なっているように巻線されている。

特にコンパクトなラジアル磁気軸受は、多相コイルが穴数（Lochzahl）ｑ＝２／５の三相コイルであることによって得られる。これは例えば、相応した三相コイルがはめ込まれた１２個の固定子スロットを備えた回転磁界形電機固定子によって達成される。その三相コイルで発生された半径方向磁界は５の磁極対数ｐ_Dを有し、これに対し、磁化バイアス磁界は６の磁極対数ｐ_Vを有する。

図５は、第１実施例に応じた本発明に基づく磁気軸受装置１０を示している。これは、図５の左側部分にインバータの形態の交流調整器３を有し、右側に結線済みラジアル磁気軸受１を有している。この回路図において、２つの中性点Ｓ１、Ｓ２における６個のコイルＬ１Ｕ、Ｌ２Ｕ；Ｌ１Ｖ、Ｌ２Ｖ；Ｌ１Ｗ、Ｌ２Ｗの本発明に基づく接続も理解できる。本発明に基づいて、交流調整器３の中間回路３２，２を介して磁気バイアス電流iOの供給が行われる。換言すれば、中間回路３２，２はラジアル磁気軸受１において磁気バイアスを発生するための直流電源２の機能を有する。その中間回路３２，２に例として整流装置３６が前置接続されている。この整流装置３６は、例えば２３０Ｖの系統電圧のような入力交流電圧Ｕｎから、中間回路３２，２に対する整流済み入力直流電圧Ｕｅを供給する。符号１５、１６は交流調整器３の電源系統接続端子である。

図６は本発明に基づく磁気軸受装置１０の第２実施例を示している。この場合、直流電源２は磁化バイアス電流iOを調整するためのタイミングスイッチ手段特にチョッパを有している。これによって、スイッチ手段３７の相応したタイミング制御において、実際に無段階の磁化バイアス電流iOが発生できる。このようにして、例えばラジアル磁気軸受１の減衰特性が調整できる。

さらに、本発明に基づく磁気軸受装置１０は、磁気的に軸受けすべきロータ軸２２のｘ方向およびｙ方向における位置を検出するための図示されていない位置センサを有することができる。また、この磁気軸受装置１０は、ｘ方向およびｙ方向におけるロータ軸２２の位置が設定できるように、ラジアル磁気軸受の回転磁界を励磁するための交流調整器に対する操作手段を備えた制御装置を有している。その制御装置は、好適には、位置センサによって検出されたロータ軸２２のｘ方向およびｙ方向における実際値が設定可能な目標値になるようにする調整手段を有している。その相応した調整方法は上述した特許文献１に詳細に記載されている。

１ ラジアル磁気軸受
２ 直流電源
３ 交流調整器
１０ 磁気軸受装置
２２ ロータ軸
３１ インバータ
３２ 中間回路

Claims (9)

1. 円周方向に分布して配置された電磁石（１Ｕ、２Ｕ；１Ｖ、２Ｖ；１Ｗ、２Ｗ）を備えたラジアル磁気軸受であって、
   電磁石（１Ｕ、２Ｕ；１Ｖ、２Ｖ；１Ｗ、２Ｗ）がそれぞれ磁気バイアスおよび多相回転磁界を発生するための共用のコイル（Ｌ１Ｕ、Ｌ２Ｕ；Ｌ１Ｖ、Ｌ２Ｖ；Ｌ１Ｗ、Ｌ２Ｗ）を有し、それらのコイルの第１半分群（Ｌ１Ｕ、Ｌ１Ｖ、Ｌ１Ｗ）および第２半分群（Ｌ２Ｕ、Ｌ２Ｖ、Ｌ２Ｗ）がそれぞれ中性点（Ｓ１、Ｓ２）に結線され、その両中性点（Ｓ１、Ｓ２）が磁気バイアス励磁のために直流電源（２）に接続するために利用され、これらのコイルの反対側端が回転磁界励磁のために相応した多相交流調整器（３）に並列接続するために利用されていることを特徴とする円周方向に分布して配置された電磁石（１Ｕ、２Ｕ；１Ｖ、２Ｖ；１Ｗ、２Ｗ）を備えたラジアル磁気軸受。
2. ラジアル磁気軸受が相Ｕ、Ｖ、Ｗの数に応じた数の相接続端子（４〜６）並びに２つの磁気バイアス接続端子（７、８）を有していることを特徴とする請求項１に記載のラジアル磁気軸受。
3. 電磁石（１Ｕ、２Ｕ；１Ｖ、２Ｖ；１Ｗ、２Ｗ）が多相コイルを備えた回転磁界形電機固定子として形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のラジアル磁気軸受。
4. 回転磁界形電機固定子が、磁化バイアスの磁極対数ｐ_Vと回転磁界の磁極対数ｐ_Dが値１だけ異なっているように巻線されていることを特徴とする請求項３に記載のラジアル磁気軸受。
5. 多相コイルが穴数ｑ＝２／５の三相コイルであることを特徴とする請求項３又は４に記載のラジアル磁気軸受。
6. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載のラジアル磁気軸受（１）と、回転磁界励磁用の多相交流調整器（３）と、磁化バイアス励磁用の直流電源（２）を備えていることを特徴とする磁気軸受装置。
7. 交流調整器（３）が入力側の中間回路（３２）並びに後置接続されたインバータ（３１）を有し、直流供給（２）が交流調整器（３）の中間回路（３２）を介して行われることを特徴とする請求項６に記載の磁気軸受装置。
8. 直流電源（２）が磁化バイアス電流（１０）を調整するためのタイミング制御可能なスイッチ手段特にチョッパを有していることを特徴とする請求項７に記載の磁気軸受装置。
9. − 磁気的に軸受けすべきロータ軸（２２）のｘ方向およびｙ方向における位置を検出す るための位置センサと、
   − ｘ方向およびｙ方向におけるロータ軸（２２）の位置が設定できるように、ラジアル 磁気軸受の回転磁界を励磁するための交流調整器（３）に対する操作手段と、位置セン サによって検出されたロータ軸（２２）のｘ方向およびｙ方向における実際値が設定可 能な目標値となるようにする調整手段を備えた制御装置と、
   を有していることを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１つに記載の磁気軸受装置。

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