JP5827492B2 - 振動特性測定装置および振動特性測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、多段遠心圧縮機など、回転機械の回転軸の振動特性を測定する振動特性測定装置と振動特性測定方法に関する。

油田、天然ガスプラント、石油化学プラント等に配置されて各種ガスや液体などの被圧縮流体を圧縮する多段遠心圧縮機は、複数段からなる遠心羽根車を回転軸とともに回転させ、遠心力によって被圧縮流体を圧縮する回転機械である。
このような多段遠心圧縮機には、遠心羽根車の各段からの被圧縮流体の漏れを防止するために、回転軸の軸線を中心とする環状のシール部材を含んで構成されるシール機構が備わっている。
多段遠心圧縮機に備わるシール機構では被圧縮流体の漏れ流れによる不安定化力が発生し、この不安定化力が回転軸や遠心羽根車の回転の安定性に影響を与える。つまり、不安定化力が安定化力を上回ると、シールホワールと呼ばれる自励振動が発生する。

したがって、回転機械は、シール機構に発生する不安定化力に対して充分に大きな安定化力を発生するように設計されることが重要になる。このために、回転軸を含む回転体の振動特性を測定してその特性を把握し、振動特性に基づいて安定性を評価することが必要である。

例えば、特許文献１には、軸受部に振動を与え、その振動によって回転軸に生じる振動を解析することによって、運転中の回転機械の振動特性を実測する技術が開示されている。また、非特許文献１には、圧縮機の回転軸の軸端に能動型のラジアル磁気軸受を取り付け、この磁気軸受に励磁電流を供給して回転軸を加振し、回転軸の振動特性を実測する技術が開示されている。

特公平５−５０５７号公報

Ｐｅｔｔｉｎａｔｏ、他２名、「Ｓｈｏｐ Ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ Ｒｏｔｏｒｄｙｎａｍｉｃ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ」、第３９回ターボマシナリシンポジウム、テキサス、２０１１年、３１頁〜４２頁

特許文献１や非特許文献１に記載される技術は、回転している回転軸を加振し、回転軸の振動（振幅と位相）を測定することによって、回転軸の振動特性を測定する技術である。
このように回転軸など回転体の振動特性を測定する場合、ばらつきの少ない高品質なデータを取得するためには、加振振幅が大きいことが好ましい。加振によって振動する回転体の振幅を大きくすることによって、振動を測定するセンサが出力する信号のＳＮ比を向上でき、振幅を示すデータとして高品質なデータを取得できる。

一方、回転している回転体の振幅が加振によって増大したときに、設計値として決定される許容値を超えた振幅になると、例えば回転体とシール機構が接触してシール機構に備わるシール部材が磨耗するなどの問題が発生する。したがって、回転体に発生する振幅が許容値を超えない範囲で加振する必要がある。
しかしながら、回転機械の回転体は質量の偏りなどによって、通常の回転時にも許容値を超えない振幅の範囲で振動している。したがって、回転中の回転体への加振によって発生させることのできる振動の振幅は、通常の回転時における振動の振幅と許容値のマージンの範囲内に制限される。換言すると、加振によって回転軸に発生できる振動が小さく抑えられることになり、振動を測定するセンサが出力する信号のＳＮ比が悪くなる。そして、この信号に基づいて取得されるデータ（回転軸の振動特性を示すデータ）の品質が低下するという問題がある。

例えば取得したデータの品質が悪い場合、取得するデータ数を大幅に増やして平均化処理することによって、振動解析することが可能である。
しかしながら、平均化処理をするために大量のデータを取得すると、データの取得に時間がかかり工数が増大するという問題がある。また、大量のデータを取得するために回転軸の運転時間や加振する時間が長くなり、エネルギの消費量が増えるという問題もある。

そこで、本発明は、振動特性の測定時に、許容値を超えることなく回転体を振動させ、エネルギの消費量を増やすことなく高品質のデータを取得可能な振動特性測定装置および振動特性測定方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため本発明は、回転機械の回転体を非接触支持する磁気軸受と、前記回転体が振動するときの振幅を測定する測定装置と、前記磁気軸受に電流を供給する電流供給装置と、前記回転体を加振するように前記磁気軸受を制御する加振制御信号を出力するとともに、前記測定装置が測定する前記振幅に基づいて、前記加振制御信号に対する前記回転体の振動の前記加振制御信号に対する応答特性を測定する加振制御装置と、を備える振動特性測定装置とする。そして、前記加振制御装置は前記応答特性を測定するときに、前記回転体が回転するときに発生する不釣合い振動を前記磁気軸受で解消するための振動解消信号を前記加振制御信号に加算した回転体制御信号を出力し、前記電流供給装置は、前記回転体制御信号に応じた磁力を発生させる電流を前記磁気軸受に供給し、前記回転体をモデル化したときの質量集中点における質量の大きさと前記質量集中点の位相に対応して、前記質量集中点に作用する遠心力を打ち消すような前記振動解消信号を設定することを特徴とする。また、この振動特性測定装置における振動特性測定方法とする。

本発明によると、振動特性の測定時に、許容値を超えることなく回転体を振動させ、エネルギの消費量を増やすことなく高品質のデータを取得可能な振動特性測定装置および振動特性測定方法を提供できる。
そして、軸受やシール機構の損傷やシール機構の磨耗などの不具合を生じさせることなく振動特性を測定できる。

（ａ）は本実施形態に係る振動特性測定装置を取り付けた多段遠心圧縮機を側面から見た概略構成図、（ｂ）は振動特性測定装置の磁気軸受と多段遠心圧縮機の回転軸をＡの方向から見た概略図である。 （ａ）は回転軸の不釣合い振動をモデル化した図、（ｂ）は回転軸の振幅と許容値のマージンを説明するための図である。 振動特性測定装置の機能ブロックを示す図である。 （ａ）は従来の振動特性測定装置で加振したときの回転軸のＸ軸方向の振幅を示す図、（ｂ）は本実施形態に係る振動特性測定装置で加振したときの回転軸のＸ軸方向の振幅を示す図である。 回転軸の振幅と許容値のマージンを従来例と本実施形態で比較する図である。 加振信号遮断器を有する加振制御装置を備える振動特性測定装置の機能ブロックを示す図である。

以下、本発明の実施形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。
図１の（ａ）に示すように、本実施形態に係る振動特性測定装置１は、多段遠心圧縮機５０などの回転機械に取り付けられて回転軸５１や遠心羽根車５３を含む回転体の振動特性を測定可能な装置である。
本実施形態に係る振動特性測定装置１は多段遠心圧縮機５０に限定されず、回転軸５１などの回転体を有する回転機械（タービン、電動機等）に取り付け可能であるが、以下では多段遠心圧縮機５０に取り付けられる一例を説明する。

図１の（ａ）に示すように構成される多段遠心圧縮機５０は、ガスなどの被圧縮流体を、回転軸５１とともに回転する遠心羽根車５３の遠心力で連続的に圧縮する装置であり、回転軸５１は図示しない駆動源（電動機等）によって回転駆動する。

遠心羽根車５３は、回転軸５１の軸方向に多段に備わって回転軸５１とともに回転し、中心側（回転軸５１側）から吸込んだ被圧縮流体を圧縮して遠心力で外周から吐出するように構成されている。

回転軸５１は、複数の軸受部材に回転可能に支持される。例えば、遠心羽根車５３を軸方向に挟むように２箇所に備わる軸受部材５２ａ、５２ｂによって回転軸５１はラジアル方向に支持される。また、回転軸５１をアキシャル方向に支持する軸受部材５２ｃによって、回転軸５１の軸方向への変動が規制される。
このように回転軸５１は複数の軸受部材５２ａ〜５２ｃによって回転可能に支持されている。

また、遠心羽根車５３は、静止体であるハウジング５４に収納され、入口部５４ａから取り込まれる被圧縮流体が多段の遠心羽根車５３によって圧縮されて出口部５４ｂから吐出するように構成される。
以下、回転軸５１や遠心羽根車５３を含み、回転軸５１と一体に回転する構造物を総称して「回転体」と記載する場合がある。また、回転体に対して静止している構造物（ハウジング５４等）を総称して「静止体」と記載する場合がある。

このように構成される多段遠心圧縮機５０では、ハウジング５４の入口部５４ａから取り込まれた被圧縮流体が遠心羽根車５３を通ることなくハウジング５４から吐出されると、被圧縮流体が圧縮されない状態で出口部５４ｂから吐出されることになり、多段遠心圧縮機５０の圧縮効率が低下する。そこで圧縮効率を向上するため、ハウジング５４（静止体）と、回転軸５１や遠心羽根車５３（回転体）の間隙をシールするように適宜シール機構５５が備わっている。

シール機構５５は、例えば、遠心羽根車５３の上流段（入口部５４ａ側）から、遠心羽根車５３とハウジング５４の間隙を通って下流段（出口部５４ｂ側）に流れ込むことを防止するために、ハウジング５４と遠心羽根車５３の間隙をシールするように備わっている。
また、遠心羽根車５３の軸方向の両端部には、ハウジング５４と回転軸５１の間隙をシールするためのシール機構５５が備わっている。

このように適宜備わるシール機構５５は、静止体と回転体の間に微小なクリアランスが形成されるように備わるシール部材（図示せず）を有し、被圧縮流体の流れを妨げるように構成される。
また、クリアランスが形成されることによって、例えば静止体に備わるシール機構５５のシール部材が回転体と接触することが防止され、シール部材の磨耗が抑制される。
なお、図１には、シール機構５５が静止体（ハウジング５４）に備わる構成が図示されているが、シール機構５５が回転体（回転軸５１、遠心羽根車５３等）に備わる構成であってもよい。また、シール機構５５が、ハウジング５４以外の静止体に備わる場合もある。

回転軸５１や遠心羽根車５３などを含んで構成される回転体は、周方向の質量が均一ではなく回転するときに微小な振動（不釣合い振動）が発生する。
回転体の質量が周方向に均一でない場合、図２の（ａ）示すように、周方向の１点が質量の集中点（質量集中点Ｇ）となるように回転体をモデル化することができる。質量集中点Ｇを有する回転体が回転すると質量集中点Ｇには遠心力が作用して外方に引き寄せられ、回転体は質量集中点Ｇの方に変位する。このような変位が回転体の回転にともなって連続的に発生し、不釣合い振動が発生する。
なお、図２の（ａ）に示す１２Ｘ，１２Ｙは、回転軸５１を非接触支持するように振動特性測定装置１（図１の（ａ）参照）に備わる磁気軸受１２の電磁石である。

このように、回転体には不釣合い振動が発生するため、静止体に備わるシール機構５５は不釣合い振動が発生した場合であっても回転体と接触しないようにクリアランスが形成されていることが好ましいが、クリアランスが大きくなると被圧縮流体の流れを妨げるシール性能が低下する。
そこで、回転体の不釣合い振動を常に監視し、その振幅が所定の許容値を超えないように回転体の運転を管理する場合もある。

また、多段遠心圧縮機５０（図１の（ａ）参照）などの回転機械では、回転体の固有振動モードに対する安定性を評価するため、回転体に発生する軸振動の応答特性を振動特性として測定する振動特性測定が必要になる。
回転体の軸振動に対する安定性は、回転体を加振し、それによって引き起こされる回転体の振動の応答特性を測定することによって評価可能である。
このため、回転体の軸振動に対する安定性を評価するときには、回転している回転体を強制的に振動させて、つまり、加振して、そのときの回転体振動の振幅と位相を測定し、入力（回転体に与える振動）に対する出力（回転体の実際の振動）の応答特性を測定することが実施される。

図１の（ａ）に示すように多段遠心圧縮機５０に取り付け可能な、本実施形態に係る振動特性測定装置１は、回転体の軸振動の安定性を評価するために回転体を加振し、さらに、加振された回転体の振動（振幅と位相）を測定し、振動の応答特性を測定する装置である。
このため振動特性測定装置１は、回転軸５１を加振する磁気軸受１２と回転軸５１の振幅（変位）を測定する測定装置（変位センサ１３）を含んで構成される。
磁気軸受１２は、電磁石１２Ｘ，１２Ｙ（図１の（ｂ）参照）を含んで構成され、図示しないコイルに供給される電流によって発生する磁力で回転軸５１を非接触支持することが、軸受としての本来の機能である。

図１の（ｂ）に示すように、回転軸５１の軸線を法線とする平面上で鉛直上下方向（第２方向とする）にＹ軸、Ｙ軸と直交する横方向（第１方向とする）にＸ軸を設定する。この構成によると、Ｘ軸の方向（第１方向）は、回転軸５１（回転体）の軸線方向と直交する方向であり、Ｙ軸の方向（第２方向）は、回転軸５１の軸線方向およびＸ軸の方向（第１方向）と直交する方向になる。

そして、図１の（ｂ）に示すように、回転軸５１の回転中心を原点Ｏとする座標系において、磁気軸受１２は、Ｘ軸上で回転軸５１を横方向に挟むように電磁石１２Ｘが配置され、Ｙ軸上で回転軸５１を上下方向に挟むように電磁石１２Ｙが配置される。そして、電磁石１２Ｘに供給する電流を制御することによって回転軸５１と電磁石１２Ｘの間隙を調節でき、電磁石１２Ｙに供給する電流を制御することによって回転軸５１と電磁石１２Ｙの間隙を調節できる。
さらに、回転軸５１と電磁石１２Ｘの間隙を連続的に調節することによって、回転軸５１をＸ軸方向に振動させることができ、回転軸５１と電磁石１２Ｙの間隙を連続的に調節することによって、回転軸５１をＹ軸方向に振動させることができる。このようにして磁気軸受１２で回転軸５１を加振できる。

例えば、回転軸５１と電磁石１２Ｘの間隙を周期的に調節するように余弦波電流を電磁石１２Ｘに供給し、回転軸５１と電磁石１２Ｙの間隙を、回転軸５１と電磁石１２Ｘの間隙と同じ周期で位相が９０度ずれるように調節する正弦波電流を電磁石１２Ｙに供給すると、軸線を中心として振れ回るように回転軸５１を加振できる。

図１の（ａ）に示す変位センサ１３は、例えば、振動による回転軸５１のＸ軸方向の変位量を測定するＸ変位センサ１３Ｘと、Ｙ軸方向の変位量を測定するＹ変位センサ１３Ｙからなり、Ｘ軸方向の変位量とＹ軸方向の変位量によって回転軸５１の振動変位が測定される。変位センサ１３の種類は限定されるものではないが、例えば、非接触に回転軸５１の変位を測定可能な渦電流式のものを利用できる。

従来、振動特性測定装置１は、回転体が回転しているときに磁気軸受１２で回転軸５１を加振し、変位センサ１３で回転軸５１のＸ軸方向とＹ軸方向の変位量を測定して回転軸５１の振動変位を測定するように構成される。
このとき、回転体は回転しているため前記した不釣合い振動が発生している。したがって、回転軸５１を加振すると、不釣合い振動に加えて加振による振動（以下、強制振動と称する）が発生し回転体の振幅が増大する。
前記したように、静止体に備わるシール機構５５と回転体の接触を回避するため、回転体の振幅は所定の許容値より小さいことが要求される。したがって、不釣合い振動が発生している回転体には、不釣合い振動による振幅と許容値のマージンに相当する振幅が最大となるような振動が入力可能である。

換言すると、加振による強制振動の大きさが制限される。つまり、図２の（ｂ）に示すように、不釣合い振動Ｖ１の振幅を基準とし、強制振動Ｖ２の振幅は基準となる振幅から許容値までのマージン（マージン１）の範囲内に抑えることが要求される。
したがって、強制振動による回転軸５１の振幅が小さくなり、変位センサ１３が出力する、回転軸５１の変位を示す信号（変位信号）のＳＮ比が悪くなる。

そこで、本実施形態に係る振動特性測定装置１は、回転している回転軸５１に振幅の大きな振動を与え、変位センサ１３が出力する変位信号のＳＮ比を良好に維持できるように構成されている。
具体的に、振動特性測定装置１は、図３に示すように釣合せ信号発生装置８を備え、回転体の応答特性の測定時に、一時的に不釣合い振動を解消するように構成される。

釣合せ信号発生装置８は、図２の（ａ）に示すように質量集中点Ｇに作用する遠心力を打ち消す力を、磁気軸受１２の磁力によって連続して発生させることで、遠心力による質量集中点Ｇ側への変位を打ち消して回転体の不釣合い振動を解消する。
このように、本実施形態に係る振動特性測定装置１は、図３に示す釣合せ信号発生装置８で回転体の不釣合い振動を解消する信号を発生し、本実施形態における電流供給装置である電流増幅器１１（図３参照）に入力する機能を有する。そして、電流増幅器１１は入力された信号（不釣合い振動を解消する信号）を所定のゲインで増幅した電流を磁気軸受１２に供給する。

電流増幅器１１から磁気軸受１２に供給される電流は、入力された信号が所定のゲインで増幅された電流で、入力された信号と同期していることが好ましい。この構成によって、電流増幅器１１から電流が供給される磁気軸受１２は、電流増幅器１１に入力される信号に応じた磁力を発生することができる。
なお、電流供給装置は、入力される信号に応じた磁力を発生させる電流を磁気軸受１２に供給可能な装置であれば、入力される信号を増幅した電流を磁気軸受１２に供給する電流増幅器１１に限定されない。

図３に示す釣合せ信号発生装置８は、いわゆる２相発振器を含んで構成され、その発振周波数は、回転体の回転周波数と同期することが必要とされる。そのため、釣合せ信号発生装置８には回転体の回転速度を示す回転パルス信号Ｒｐが入力される。例えば、図示しない回転速度センサが回転軸５１に刻まれた回転基準溝を測定した結果を回転パルス信号Ｒｐとして釣合せ信号発生装置８に入力する構成とすればよい。
そして、釣合せ信号発生装置８には、入力される回転パルス信号Ｒｐを基準信号とするフェーズロックドループ回路（ＰＬＬ回路）が組み込まれ、回転体の回転周波数に同期した正弦波信号と余弦波信号を発振するように構成されている。ＰＬＬ回路が発振する正弦波信号と余弦波信号は、位相が９０度異なる単一周波数の信号である。

また、図３に示すように、釣合せ信号発生装置８には、不釣合い振動の相殺振幅Ａｍと位相Ｐｈがそれぞれ入力される。ここでいう位相Ｐｈは、回転体の回転角度と図２の（ａ）に示す質量集中点Ｇの回転角度のずれを１８０度遅らせた位相を示す。つまり、回転体が基準の位置（例えば、回転角度が「０」）にあるときの質量集中点Ｇの回転角度（図２の（ａ）にθａで示す）を１８０度遅らせた角度（図２の（ａ）にθｂで示す）とする。
このように質量集中点Ｇの回転角度から１８０度遅らせた位相Ｐｈとすることで、質量集中点Ｇに作用する遠心力を打ち消す方向の力を発生させることができる。
また、相殺振幅Ａｍは、質量集中点Ｇに作用する遠心力を打ち消す量を示す。

相殺振幅Ａｍおよび位相Ｐｈは、例えば、振動特性測定装置１（図１の（ａ）参照）の管理者が、多段遠心圧縮機５０（図１の（ａ）参照）の回転体に発生する不釣合い振動を測定することによって取得し、さらに、図示しない入力装置によって入力する値とすればよい。そして、入力された相殺振幅Ａｍおよび位相Ｐｈが図示しない記憶部に記憶される構成とすれば、釣合せ信号発生装置８は、必要に応じて相殺振幅Ａｍおよび位相Ｐｈを読み出して利用できる。

釣合せ信号発生装置８は、ＰＬＬ回路が発振する余弦波信号と正弦波信号に、相殺振幅Ａｍおよび位相Ｐｈを組み合わせ、下式（１ａ）、（１ｂ）に示すようなＸ軸方向の発振信号ＦｘとＹ軸方向の発振信号Ｆｙを、図２の（ａ）に示すように発生する。
Ｆｘ＝Ａｍ・Ｃｏｓ（Ωｔ＋Ｐｈ） （１ａ）
Ｆｙ＝Ａｍ・Ｓｉｎ（Ωｔ＋Ｐｈ） （１ｂ）
なお、Ωは回転体の回転角速度、ｔは時間を示す。
また、回転角速度Ωは、例えば、入力される回転パルス信号Ｒｐに基づいて算出される値である。
釣合せ信号発生装置８は、このように、振幅がともにＡｍであって位相が互いに９０度ずれた発振信号Ｆｘ，Ｆｙを発生する。
このように、釣合せ信号発生装置８は、余弦波成分（Ａｍ・Ｃｏｓ（Ωｔ＋Ｐｈ））を含んだＸ軸方向の発振信号Ｆｘと、正弦波成分（Ａｍ・Ｓｉｎ（Ωｔ＋Ｐｈ））を含んだＹ軸方向の発振信号Ｆｙを発生する。

式（１ａ）、（１ｂ）に示される発振信号Ｆｘ、Ｆｙは釣合せ信号発生装置８から出力され、それぞれ、電流増幅器１１のＸ増幅器１１Ｘ、Ｙ増幅器１１Ｙに入力される。
Ｘ増幅器１１Ｘでは、入力された発振信号Ｆｘを所定のゲインで増幅して電磁石１２Ｘに供給する。また、Ｙ増幅器１１Ｙでは、入力された発振信号Ｆｙを所定のゲイン（例えば、Ｘ増幅器１１Ｘのゲインと同等のゲイン）で増幅して電磁石１２Ｙに供給する。Ｘ増幅器１１Ｘ、Ｙ増幅器１１Ｙのゲインは、磁気軸受１２の特性や回転体の振動特性に応じ、適宜設定されることが好ましい。

電磁石１２Ｘおよび電磁石１２Ｙに電流増幅器１１（Ｘ増幅器１１Ｘ，Ｙ増幅器１１Ｙ）から出力される電流が供給されると、磁気軸受１２には、Ｘ軸方向とＹ軸方向に合成された信号（合成発振信号Ｆｚ）が増幅された電流が供給されることになる。この合成発振信号Ｆｚは、複素数表記で次式（２）のように示される。
Ｆｚ＝Ｆｘ＋ｊＦｙ＝Ａｍ・ｅ^{ｊ（Ωｔ＋Ｐｈ）} （２）
なお、ｊは虚数単位を示す。

式（２）より、合成発振信号Ｆｚは、時間ｔの経過にともなって複素平面上で半径Ａｍの円形に振れる信号であることがわかる。したがって、磁気軸受１２で回転体の周囲に互いに直交するように配置される電磁石１２Ｘ、１２Ｙが、それぞれ発振信号Ｆｘ、Ｆｙに応じた磁力を発生すれば、その合成された磁力は、回転体の回転に同期して、回転体の回転中心を中心とする円形に振れる力となる。

また、不釣合い振動によって発生し、回転体を変位させる力（以下、不釣合い力と称する）も回転体の回転に同期して回転体の回転中心を中心とする円形に振れる力である。この不釣合い力は、図２の（ａ）に示す質量集中点Ｇに作用する遠心力によって発生し、発振信号Ｆｘ，Ｆｙの位相Ｐｈは、質量集中点Ｇの回転角度を１８０度遅らせた角度に相当することから、発振信号Ｆｘ，Ｆｙが増幅された余弦波電流や正弦波電流が供給される磁気軸受１２で発生する磁力によって、回転体の不釣合い振動を解消できる。
つまり、合成発振信号Ｆｚは、余弦波成分（Ａｍ・Ｃｏｓ（Ωｔ＋Ｐｈ））をＸ軸方向の振動を解消する成分、正弦波成分（Ａｍ・Ｓｉｎ（Ωｔ＋Ｐｈ））をＹ軸方向の振動を解消する成分とする振動解消信号となる。
釣合せ信号発生装置８は、このように発振信号Ｆｘ，Ｆｙを生成し、さらに発振信号Ｆｘ，Ｆｙを合成した合成発振信号（振動解消信号）Ｆｚを発生して回転体の不釣合い振動を解消する。

また、振動特性測定装置１は、図３に示すように加振応答分析装置９を備える。加振応答分析装置９は、回転体を加振するための加振信号Ｅｘ，Ｅｙを発生する。加振信号Ｅｘは回転体をＸ軸方向に加振する制御信号で、加振信号Ｅｙは回転体をＹ軸方向に加振する制御信号である。そして、加振信号Ｅｘ，Ｅｙの少なくとも一方を成分として含む信号を加振制御信号と称する。
この構成によると、加振信号Ｅｘは、回転体をＸ軸方向に加振する、加振制御信号の成分（第１方向加振成分）となり、加振信号Ｅｙは、回転体をＹ軸方向に加振する、加振制御信号の成分（第２方向加振成分）となる。

本実施形態に係る加振応答分析装置９は、例えば任意の振幅の正弦波信号を、それぞれＸ軸方向の加振信号ＥｘおよびＹ軸方向の加振信号Ｅｙとして周期を変えながら出力し、電流増幅器１１のＸ増幅器１１ＸとＹ増幅器１１Ｙに、それぞれ入力する。
正弦波信号である加振信号ＥｘがＸ増幅器１１Ｘで増幅された電流が電磁石１２Ｘに供給されると、回転体はＸ軸方向に加振される。また、正弦波信号である加振信号ＥｙがＹ増幅器１１Ｙで増幅された電流が電磁石１２Ｙに供給されると、回転体はＹ軸方向に加振される。

また、加振応答分析装置９には、変位センサ１３が計測する回転体の変位を示す変位信号が入力される。Ｘ変位センサ１３Ｘは、回転体のＸ軸方向の変位を測定して測定結果をＸ変位信号Ｍｘとして加振応答分析装置９に入力し、Ｙ変位センサ１３Ｙは、回転体のＹ軸方向の変位を測定して測定結果をＹ変位信号Ｍｙとして加振応答分析装置９に入力する。

Ｘ軸方向の加振信号Ｅｘを正弦波信号とする場合、加振応答分析装置９は、時間経過とともに周期を変えながら加振信号Ｅｘを出力し、入力されるＸ変位信号Ｍｘに基づいて回転体のＸ軸方向の変位をデータとして取得する。そして、加振信号Ｅｘ（正弦波信号）に対する回転体のＸ軸方向の応答特性（周波数特性）を測定する。
同様に、Ｙ軸方向の加振信号Ｅｙを正弦波信号とする場合、加振応答分析装置９は、時間経過とともに周期を変えながら加振信号Ｅｙを出力し、入力されるＹ変位信号Ｍｙに基づいて回転体のＹ軸方向の変位をデータとして取得する。そして、加振信号Ｅｙ（正弦波信号）に対する回転体のＹ軸方向の応答特性（周波数特性）を測定する。
このようにして加振応答分析装置９は、回転体に対する入力（Ｘ軸方向の加振信号Ｅｘ、Ｙ軸方向の加振信号Ｅｙ）に対する回転体の出力（Ｘ変位信号Ｍｘ、Ｙ変位信号Ｍｙ）の応答特性を測定する。

例えば、図４の（ａ）に示すように、Ｘ軸方向の応答特性を測定するために加振応答分析装置９が回転体をＸ軸方向に加振すると、加振している期間（加振実行期間）は、Ｘ軸方向の加振信号Ｅｘの周期の変化に応じてＸ軸方向の変位、つまり振幅が変化し、特定の周波数のときに最大振幅となる応答特性が得られる。
しかしながら、加振実行期間においても回転体には不釣合い振動が発生しているため、加振による強制振動の振幅は、不釣合い振動の振幅に重ね合わされた振幅となる。そして、強制振動する回転体の振幅は、加振されていない回転体の振幅より大きくなる。したがって、加振によって回転体に生じさせることのできる振幅は、図２の（ｂ）に示すように（図５に（従来例）として再度示す）、不釣合い振動の振幅と前記した許容値とのマージン１の範囲に制限される。

つまり、図５に（従来例）として示すように、不釣合い振動Ｖ１の振幅を基準とし、強制振動Ｖ２の振幅は基準となる振幅からの増加分として現われる。したがって、強制振動Ｖ２の振幅は、基準となる振幅（不釣合い振動Ｖ１の振幅）と許容値とのマージン１に相当する振幅に制限される。このことによって、回転体を加振して発生できる振幅が小さくなるように制限される。つまり、強制振動Ｖ２の最大振幅が小さくなるように制限され、Ｘ変位センサ１３Ｘが最大振幅を測定して出力するＸ変位信号ＭｘのＳＮ比が悪くなる。そして、加振応答分析装置９が取得するＸ軸方向の変位のデータの品質が低下する。
同様に、Ｙ軸方向の変位のデータの品質も低下する。

そこで、振動特性測定装置１（図１の（ａ）参照）は、図３に示すように、発振信号Ｆｘと加振信号Ｅｘを加算し、発振信号Ｆｙと加振信号Ｅｙを加算する加算器７ａを備える。そして、本実施形態においては、釣合せ信号発生装置８、加振応答分析装置９、および加算器７ａを含んで、振動特性測定装置１の加振制御装置７とする。

振動特性測定装置１は、回転体の応答特性を測定するときには、加振制御装置７の加振応答分析装置９で加振制御信号を発生し、さらに釣合せ信号発生装置８で振動解消信号を発生する。そして、加算器７ａで、振動解消信号のＸ軸方向の発振信号Ｆｘと加振制御信号のＸ軸方向の加振信号Ｅｘを加算した加算信号ＡＤＤｘを生成する。同様に、振動解消信号のＹ軸方向の発振信号Ｆｙと加振制御信号のＹ軸方向の加振信号Ｅｙを加算した加算信号ＡＤＤｙを生成する。
加算信号ＡＤＤｘはＸ増幅器１１Ｘに入力され、加算信号ＡＤＤｘをＸ増幅器１１Ｘで増幅した電流が磁気軸受１２の電磁石１２Ｘ（図１の（ｂ）参照）に供給される。
また、加算信号ＡＤＤｙはＹ増幅器１１Ｙに入力され、加算信号ＡＤＤｙをＹ増幅器１１Ｙで増幅した電流が磁気軸受１２の電磁石１２Ｙ（図１の（ｂ）参照）に供給される。

つまり、加振制御装置７からは、振動解消信号（合成発振信号Ｆｚ）と加振制御信号が加算された信号（以下、回転体制御信号と称する）が出力される。
この回転体制御信号は、振動解消信号の余弦波成分と、加振制御信号の第１方向加振成分が加算された成分を含む加算信号ＡＤＤｘ、および振動解消信号の正弦波成分と、加振制御信号の第２方向加振成分が加算された成分を含む加算信号ＡＤＤｙからなる合成信号である。
加算信号ＡＤＤｘは、Ｘ軸方向の発振信号Ｆｘと加振信号Ｅｘが加算された信号であり、回転体のＸ軸方向の発振信号Ｆｘの成分と、Ｘ軸方向の加振信号Ｅｘの成分を含んだ加算信号になる。
また加算信号ＡＤＤｙは、Ｙ軸方向の発振信号Ｆｙと加振信号Ｅｙが加算された信号であり、回転体のＹ軸方向の発振信号Ｆｙの成分と、Ｙ軸方向の加振信号Ｅｙの成分を含んだ加算信号になる。

したがって、加算信号ＡＤＤｘ、ＡＤＤｙを成分として含む回転体制御信号は、Ｘ軸方向の発振信号Ｆｘの成分と、Ｙ軸方向の発振信号Ｆｙの成分と、Ｘ軸方向の加振信号Ｅｘの成分と、Ｙ軸方向の加振信号Ｅｙの成分を含んだ信号となる。そして、回転体制御信号が電流増幅器１１で増幅された電流が磁気軸受１２に供給されると、磁気軸受１２には、Ｘ軸方向の発振信号Ｆｘの成分と、Ｙ軸方向の発振信号Ｆｙの成分と、Ｘ軸方向の加振信号Ｅｘの成分と、Ｙ軸方向の加振信号Ｅｙの成分と、を含んだ電流が供給される。

この構成によると、加振実行期間において、磁気軸受１２に供給される電流の発振信号Ｆｘ、Ｆｙの成分によって回転体の不釣合い振動が解消し、加振信号Ｅｘ、Ｅｙの成分によって回転体がＸ軸方向およびＹ軸方向に加振される。したがって、図４の（ｂ）に示すように、加振実行期間でＸ軸方向に不釣合い振動は発生せず、加振による強制振動のみ発生する。そして、回転体のＸ軸方向の振幅は強制振動の振幅となる。また、図示はしないが、Ｙ軸方向にも不釣合い振動は発生せず、加振による強制振動のみ発生する。そして、回転体のＹ軸方向の振幅は強制振動の振幅となる。
このことによって、Ｘ変位センサ１３Ｘ（図３参照）は強制振動のＸ軸方向の振幅のみを測定し、その測定結果をＸ変位信号Ｍｘ（図３参照）として加振応答分析装置９（図３参照）に入力できる。同様にＹ変位センサ１３Ｙ（図３参照）は強制振動のＹ軸方向の振幅のみを測定し、その測定結果をＹ変位信号Ｍｙ（図３参照）として加振応答分析装置９（図３参照）に入力できる。

つまり、図５に（本実施形態）として示すように、不釣合い振動の振幅が無い状態、換言すると振幅が「０」の状態を基準とすることができ、強制振動Ｖ２の振幅は「０」からの増加分として現われる。したがって、強制振動Ｖ２の振幅は、「０」と許容値とのマージン（マージン２）に相当する振幅の範囲内であればよく、回転体を加振して発生できる振幅を広げることができる。また、強制振動Ｖ２の最大振幅も「０」と許容値とのマージン２に相当する振幅まで広げることができ、Ｘ変位センサ１３Ｘ（図３参照）が最大振幅を測定して出力するＸ変位信号Ｍｘ（図３参照）のＳＮ比を良くすることができる。同様に、Ｙ変位センサ１３Ｙ（図３参照）が最大振幅を測定して出力するＹ変位信号Ｍｙ（図３参照）のＳＮ比を良くすることができる。
そして、加振応答分析装置９が取得するＸ軸方向の変位のデータ及びＹ軸方向の変位のデータの品質を向上できる。

なお、振動特性測定装置１は、多段遠心圧縮機５０（図１の（ａ）参照）の回転体のＸ軸方向の応答特性とＹ軸方向の応答特性をそれぞれ単独に測定可能な構成とすることもできる。
例えば、Ｘ軸方向の応答特性を単独で測定する場合、加振応答分析装置９は、釣合せ信号発生装置８が出力するＸ軸方向の発振信号Ｆｘと、加振応答分析装置９が出力するＸ軸方向の加振信号Ｅｘを加算した加算信号ＡＤＤｘをＸ増幅器１１Ｘに入力する。
さらに、釣合せ信号発生装置８が出力するＹ軸方向の発振信号ＦｙをＹ増幅器１１Ｙに入力する。つまり、Ｙ軸方向の加振信号Ｅｙをゼロとする加算信号ＡＤＤｙをＹ増幅器１１Ｙに入力する。
このとき、磁気軸受１２には、Ｘ軸方向の発振信号Ｆｘの成分と、Ｙ軸方向の発振信号Ｆｙの成分と、Ｘ軸方向の加振信号Ｅｘの成分と、を含んだ電流が供給される。

そして、Ｘ変位センサ１３Ｘ（図３参照）は回転体のＸ軸方向の変位を測定してＸ変位信号Ｍｘ（図３参照）を加振応答分析装置９（図３参照）に入力する。
回転体は磁気軸受１２に供給される電流のＸ軸方向の発振信号Ｆｘの成分によって、Ｘ軸方向の不釣合い振動が解消され、Ｘ変位センサ１３Ｘは加振によって振動する回転体の振幅を測定できる。

同様に、加振応答分析装置９は、釣合せ信号発生装置８が出力するＹ軸方向の発振信号Ｆｙと、加振応答分析装置９が出力するＹ軸方向の加振信号Ｅｙを加算した加算信号ＡＤＤｙをＹ増幅器１１Ｙに入力する。さらに、Ｘ軸方向の加振信号Ｅｘをゼロとする加算信号ＡＤＤｘをＸ増幅器１１Ｘに入力する。このようにすると、Ｙ変位センサ１３Ｙ（図３参照）で回転体のＹ軸方向の変位を測定できる。
回転体は磁気軸受１２に供給される電流のＹ軸方向の発振信号Ｆｙの成分によって、Ｙ軸方向の不釣合い振動が解消され、Ｙ変位センサ１３Ｙは加振によって振動する回転体の振幅を測定できる。
このように、回転体のＸ軸方向の応答特性とＹ軸方向の応答特性をそれぞれ単独に測定可能な構成であってもよい。

以上のように、本実施形態に係る振動特性測定装置１（図１の（ａ）参照）は、多段遠心圧縮機５０（図１の（ａ）参照）に備わる回転体（回転軸５１（図１の（ａ）参照）、遠心羽根車５３（図１の（ａ）参照））の応答特性を測定するとき、釣合せ信号発生装置８（図３参照）が発生する発振信号Ｆｘ、Ｆｙと、加振応答分析装置９（図３参照）が発生する加振信号Ｅｘ，Ｅｙを加算器７ａ（図３参照）で加算し、Ｘ軸方向の発振信号Ｆｘの成分とＸ軸方向の加振信号Ｅｘの成分を含んだ加算信号ＡＤＤｘ（図３参照）、およびＹ軸方向の発振信号Ｆｙの成分とＹ軸方向の加振信号Ｅｙの成分を含んだ加算信号ＡＤＤｙ（図３参照）を生成する。
加算信号ＡＤＤｘ，ＡＤＤｙは、加振制御装置７（図３参照）からの出力信号として電流増幅器１１（Ｘ増幅器１１Ｘ（図３参照），Ｙ増幅器１１Ｙ（図３参照））に入力される。
Ｘ増幅器１１Ｘは、加算信号ＡＤＤｘを増幅した電流を磁気軸受１２の電磁石１２Ｘ（図３参照）に供給し、Ｙ増幅器１１Ｙは、加算信号ＡＤＤｙを増幅した電流を磁気軸受１２の電磁石１２Ｙ（図３参照）に供給する。

回転体は、電磁石１２Ｘ（図３参照）に供給される電流に含まれるＸ軸方向の発振信号Ｆｘの成分と、電磁石１２Ｙ（図３参照）に供給される電流に含まれるＹ軸方向の発振信号Ｆｙの成分によって、不釣合い振動が解消する。また、電磁石１２Ｘに供給される電流に含まれるＸ軸方向の加振信号Ｅｘの成分と、電磁石１２Ｙに供給される電流に含まれるＹ軸方向の加振信号Ｅｙの成分によって加振される。

この構成によって、振動特性測定装置１（図１の（ａ）参照）が、多段遠心圧縮機５０（図１の（ａ）参照）に備わる回転体の応答特性を測定するとき、回転体の不釣合い振動を解消することができる。このことによって、加振による強制振動の振幅の許容範囲を広げることができ、変位センサ１３（Ｘ変位センサ１３Ｘ（図３参照）、Ｙ変位センサ１３Ｙ（図３参照））が出力するＸ変位信号ＭｘとＹ変位信号ＭｙのＳＮ比を良くすることができる。そして、加振応答分析装置９（図３参照）は、Ｘ軸方向の変位に関する高品質のデータとＹ軸方向の変位に関する高品質のデータを取得できる。

さらに、取得するデータの品質が高く、数少ないデータで回転体の応答特性を評価することができるため、データの取得に要する時間を短くできる。ひいては、データの取得に要する工数を削減することができ、エネルギの消費量を減らすことができる。

なお、加振信号Ｅｘ，Ｅｙとしては、前記した正弦波信号のほか、ランダム信号やパルス信号なども考えられる。
加振応答分析装置９が、正弦波信号以外の信号を加振信号として発生する場合も、その加振信号の成分（第１方向加振成分、第２方向加振成分）に発振信号の成分（余弦波成分、正弦波成分）を加算した回転体制御信号を電流増幅器１１（図３参照）で増幅した電流を磁気軸受１２（図３参照）に供給する構成とすればよい。

また、回転体の安定性を評価するために、回転体の振動波形を分析してシステムパラメータを同定する方法もある。例えば、固有振動数の振動を回転体に発生させる周波数の正弦波成分を含む加振信号で回転体を加振し、さらに、回転体が共振状態にあるときに加振信号を瞬時に遮断したときの自由振動波形によってシステムパラメータを同定することが可能である（システム同定の詳細については、例えば、「ＭＡＴＬＡＢによる制御のためのシステム同定（１９９６年 足立修一著 東京電機大学出版局）」参照）。

このようにシステムパラメータを同定する方法の場合にも、固有振動数の振動を回転体に発生させる加振信号に発振信号を加算した回転体制御信号を電流増幅器１１（図３参照）で増幅した電流を磁気軸受１２（図３参照）に供給する構成とすればよい。さらに、加振信号を遮断した後は回転体が自由振動している間、発振信号Ｆｘ、Ｆｙを電流増幅器１１で増幅した電流を磁気軸受１２に供給する構成とすれば、変位センサ１３（図３参照）は、自由振動している回転体の変位を、不釣合い振動の影響を受けることなく測定できる。

なお、振動特性測定装置１の設計変更例として、例えば、図６に示すように、加算器７ａから出力される加算信号ＡＤＤｘ、ＡＤＤｙの出力を遮断する加振信号遮断器１０を有する加振制御装置７を備える構成であってもよい。
加振信号遮断器１０には、Ｘ変位センサ１３Ｘが出力するＸ変位信号ＭｘとＹ変位センサ１３Ｙが出力するＹ変位信号Ｍｙが入力される。
そして加振信号遮断器１０は、Ｘ変位信号Ｍｘに基づいて算出される回転体のＸ軸方向の変位、またはＹ変位信号Ｍｙに基づいて算出される回転体のＹ軸方向の変位の少なくとも一方が所定の閾値を超えたときに、加算信号ＡＤＤｘ、ＡＤＤｙの信号の出力を遮断するように構成される。

この構成によると、例えば、加算信号ＡＤＤｘ、ＡＤＤｙの加振信号Ｅｘ，Ｅｙの成分による加振によって、Ｘ軸方向の変位、またはＹ軸方向の変位が所定の閾値を超えたとき、すなわち、回転体の振幅が許容値をこえたときに、加算信号ＡＤＤｘ、ＡＤＤｙが電流増幅器１１で増幅された電流の、磁気軸受１２への供給が遮断される。したがって、回転体に発生している、許容値を超えた振幅での振動を収束させることができ、例えば、シール機構５５（図１の（ａ）参照）が損傷することを防止できる。

なお、図示はしないが、加振信号遮断器１０を、加振応答分析装置９と加算器７ａの間に配置する構成とすれば、回転体の振幅が許容値を超えたときに加振応答分析装置９が出力する加振信号Ｅｘ，Ｅｙの加算器７ａへの入力を遮断できる。したがって、加振制御装置７から発振信号Ｆｘ、Ｆｙのみが出力され、発振信号Ｆｘ、Ｆｙを電流増幅器１１で増幅した電流が磁気軸受１２に供給される。
この構成によると、回転体に発生している、許容値を超えた振幅での振動をより速やかに収束させることができる。

１ 振動特性測定装置
７ 加振制御装置
８ 釣合せ信号発生装置
９ 加振応答分析装置
１０ 加振信号遮断器
１１ 電流増幅器（電流供給装置）
１２ 磁気軸受
１３ 変位センサ（測定装置）
５０ 多段遠心圧縮機（回転機械）
５１ 回転軸（回転体）
５２ａ，５２ｂ，５２ｃ 軸受部材
５３ 遠心羽根車（回転体）
５４ ハウジング（静止体）
５５ シール機構
ＡＤＤｘ，ＡＤＤｙ 加算信号（回転体制御信号）
Ｅｘ，Ｅｙ 加振信号（加振制御信号）
Ｆｘ，Ｆｙ 発振信号
Ｆｚ 振動解消信号

Claims (4)

1. 回転機械の回転体を非接触支持する磁気軸受と、
   前記回転体が振動するときの振幅を測定する測定装置と、
   前記磁気軸受に電流を供給する電流供給装置と、
   前記回転体を加振するように前記磁気軸受を制御する加振制御信号を出力するとともに、前記測定装置が測定する前記振幅に基づいて、前記加振制御信号に対する前記回転体の振動の前記加振制御信号に対する応答特性を測定する加振制御装置と、を備える振動特性測定装置であって、
   前記加振制御装置は前記応答特性を測定するときに、
   前記回転体が回転するときに発生する不釣合い振動を前記磁気軸受で解消するための振動解消信号を前記加振制御信号に加算した回転体制御信号を出力し、
   前記電流供給装置は、前記回転体制御信号に応じた磁力を発生させる電流を前記磁気軸受に供給し、
   前記回転体をモデル化したときの質量集中点における質量の大きさと前記質量集中点の位相に対応して、前記質量集中点に作用する遠心力を打ち消すような前記振動解消信号を設定することを特徴とする振動特性測定装置。
2. 前記加振制御装置は、
   回転する前記回転体の回転周期と等しい周期で、前記質量集中点の回転に対して１８０度位相が遅れる余弦波成分を、前記回転体の軸線方向と直交する第１方向の振動を解消する成分とし、
   回転する前記回転体の回転周期と等しい周期で、前記質量集中点の回転に対して１８０度位相が遅れる正弦波成分を、前記軸線方向および前記第１方向と直交する第２方向の振動を解消する成分として前記振動解消信号を生成し、
   前記回転体を前記第１方向に加振する第１方向加振成分と、前記回転体を前記第２方向に加振する第２方向加振成分と、を含んで前記加振制御信号を生成し、
   さらに、前記余弦波成分と前記第１方向加振成分を加算し、前記正弦波成分と前記第２方向加振成分を加算して前記回転体制御信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の振動特性測定装置。
3. 前記加振制御装置は、
   前記測定装置が測定する前記振幅が所定の許容値より大きいときに、前記回転体制御信号の出力を遮断する加振信号遮断器を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動特性測定装置。
4. 回転機械の回転体を非接触支持する磁気軸受と、
   前記回転体が振動するときの振幅を測定する測定装置と、
   前記回転体を加振するように前記磁気軸受を制御する加振制御信号および前記回転体が回転するときに発生する不釣合い振動を解消する振動解消信号を出力するとともに、前記測定装置が測定する前記振幅に基づいて、前記回転体の振動の前記加振制御信号に対する応答特性を測定する加振制御装置と、を備える振動特性測定装置における振動特性測定方法であって、
   前記回転体の回転周期と等しい周期で、前記回転体をモデル化したときの質量集中点の回転に対して１８０度位相が遅れる余弦波成分、及び、前記回転体の回転周期と等しい周期で、前記質量集中点の回転に対して１８０度位相が遅れる正弦波成分を合成して前記質量集中点に作用する遠心力を打ち消すような前記振動解消信号を発生するステップと、
   前記加振制御信号に前記振動解消信号を加算して回転体制御信号を発生するステップと、
   前記回転体制御信号に応じた磁力を発生させる電流が前記磁気軸受に供給されたときに前記振幅を測定するステップと、
   を有することを特徴とする振動特性測定方法。

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