JP7374029B2

JP7374029B2 - 低温流体用ポンプ

Info

Publication number: JP7374029B2
Application number: JP2020043849A
Authority: JP
Inventors: 裕之山田
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2023-11-06
Anticipated expiration: 2040-03-13
Also published as: JP2021143645A

Description

本発明は低温流体用ポンプに関し、より特定的には、磁気軸受を備えた低温流体用ポンプに関する。

従来から、低温液化ガスなどを送液する低温流体用ポンプが知られている。このような低温流体用ポンプにおいて、特に長期間連続運転が要求される超電導機器の冷却用に使用するポンプのように、故障やメンテナンス等でポンプを停止させることができない用途に使用されるポンプでは、軸受としてメンテナンス不要な磁気軸受が採用される。

例えば、特開２０１３－５７２５０号公報（特許文献１）には、磁気軸受を採用した構成の低温流体用ポンプが開示されている。当該特許文献１に開示された低温流体用ポンプでは、発熱源であるモータの上部シャフトと下部シャフトとを磁気継手によって非接触状態で磁気結合することにより、モータからシャフトを通してインペラ側への熱侵入を抑制している。

特開２０１３－５７２５０号公報

磁気軸受では、電磁石が発生する磁気力によって回転体（例えば、低温流体用ポンプのモータのシャフト）を非接触支持することができる。例えば、電磁石のコイルに供給される電流の制御によって、シャフトのラジアル方向の位置を目標位置に維持するラジアル磁気軸受を構成することで、回転体の摩擦及び摩耗が抑制される。

特許文献１は、低温流体用ポンプに適用された磁気軸受での制御の詳細には言及していないが、磁気軸受の制御安定性を向上させるために、磁気軸受を構成する電磁石コイルに一定の電流（バイアス電流）を印加しておく構成が公知である。一方で、バイアス電流によって磁気軸受の電磁石コイルに流れる電流が大きくなると、磁気軸受における発熱が増加する。磁気軸受での発熱は低温流体の気化につながるため、低温流体用ポンプでは問題となることが懸念される。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、磁気軸受を備えた低温流体用ポンプにおいて、磁気軸受の制御精度を確保しながら、電磁石コイルの発熱を抑制することである。

本発明のある局面によれば、低温流体用ポンプは、インペラと、インペラに接続された回転軸と、回転軸を内部に保持する筐体と、回転軸を筐体に対して回転可能に支持する磁気軸受と、磁気軸受の発生力を制御する磁気軸受コントローラとを備える。磁気軸受は、磁気回路の少なくとも一部を構成するヨークと、ヨークの一部を囲む少なくとも１つのコイルとを含む。磁気軸受コントローラは、制御演算部と、電流アンプ部とを含む。制御演算部は、回転軸の位置を目標位置に維持するためのフィードバック制御演算を実行する。電流アンプ部は、制御演算部の制御出力に比例する電流をコイルへ供給する。制御演算部は、フィードバック演算部と、平方根演算部とを有する。フィードバック演算部は、回転軸の位置を計測する位置センサの出力値と、目標位置を示す目標値との偏差を補償するための発生力を示す制御値を算出する。平方根演算部は、フィードバック演算部からの制御値を平方根演算することによって制御出力を算出する。

本発明によれば、磁気軸受を備えた低温流体用ポンプにおいて、磁気軸受の制御精度を確保しながら、電磁石コイルの発熱を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る低温流体用ポンプの構成を説明するための断面模式図である。図１に示した低温流体用ポンプの回転軸方向に沿った部分断面模式図である。図２の線分ＩＩＩ－ＩＩＩにおける断面模式図である。ラジアル磁気軸受を構成する単体の電磁石におけるコイル電流と磁気力の関係を説明するための模式図である。ラジアル磁気軸受に用いられる電磁石の１自由度毎の配置及び特性を説明する模式図である。本発明の実施の形態に係る低温流体用ポンプにおける磁気軸受の制御構成例を説明するブロック図である。図６に示した制御構成におけるギャップ偏差に対する制御値の算出を説明する第１の概念図である。図６に示した制御構成におけるギャップ偏差に対する制御値の算出を説明する第２概念図である。磁気軸受の制御構成の第１の比較例（バイアス電流方式）を説明するブロック図である。磁気軸受の制御構成の第２の比較例（バイアス磁束方式）を説明するブロック図である。第２の比較例（バイアス磁束方式）磁気軸受における永久磁石の配置を説明するための部分断面模式図である。第２の比較例（バイアス磁束方式）磁気軸受におけるコイル電流及び磁気力の特性関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。

＜本実施の形態に係る構成の説明＞
図１は、本発明の実施の形態に係る低温流体用ポンプの構成を説明するための断面模式図である。

図１を参照して、本実施の形態に係る低温流体用ポンプ１００は、低温液化ガス等の低温流体を内部に貯留する容器２の圧力壁５に配置された貫通孔５ａを塞ぐように配置される。容器２は、耐圧容器として構成されており、低温流体として、例えば、液体窒素（ＬＮ₂）を貯留する。圧力壁５を構成する材料は、法令等によって高圧ガスの収容容器の構成材料としての使用が認められている材料であり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）またはアルミニウム（Ａｌ）を含む。

低温流体用ポンプ１００は、外郭部材である筐体として、容器２の内部に配置される第１筐体部６と、容器２の外部に配置される第２筐体部７とを備えている。ここで、容器２の内部とは、容器２の圧力壁５の外周面５ｂに対して内側に位置する部分を意味する。また、容器２の外部とは、容器２の圧力壁５の外周面５ｂに対して外側に位置する部分を意味する。第１筐体部６および第２筐体部７は、容器２の圧力壁５と別体として構成されている。

図１に示されるように、第１筐体部６は、インペラ８、シャフト９の第１部９ａを内部に収容している。第１筐体部６には、開口部としての流入口６ａおよび流出口６ｂが配置されている。流入口６ａは、第１筐体部６の下方端部に配置され、下方に開口している。流出口６ｂは、インペラ８の中心軸の延在方向（シャフト９の中心軸の延在方向）から見たインペラ８の外周面の接線方向に開口している。

第１筐体部６の上方端部は、第２筐体部７の下方端部と接続され、固定されている。具体的には、第１筐体部６の上方端部の上面において外周側に位置する部分が、第２筐体部７の下方端部の下面に接続され、固定されている。

第２筐体部７の下方端部は、容器２の圧力壁５に配置された貫通孔５ａ内に配置される。第２筐体部７の下方端部は、貫通孔５ａの大部分を塞ぐように構成されている。第２筐体部７の下方端部は、上記延在方向に垂直な径方向（ラジアル方向）において、貫通孔５ａの内周端面と対向する外周側面を有している。

図１に示されるように、第２筐体部７は、シャフト９の第２部９ｂ、モータ１０、ラジアル磁気軸受１１、およびスラスト磁気軸受１２を内部に収容している。なお、ラジアル磁気軸受１１の詳細な構成は後述する。第２筐体部７は、その下方端部よりも上方において、上記径方向の外側に突出しているフランジ部７ａを含む。フランジ部７ａは、上記周方向に連なっている。フランジ部７ａには、固定部材１４を挿入するための複数の固定用貫通孔が配置されている。

複数の固定用貫通孔の各々は、シャフト９の中心軸に対する周方向に互いに間隔を隔てて配置されている。各固定用貫通孔の孔軸は、例えば上記中心軸に沿っている。各固定用貫通孔の一端はフランジ部７ａの下面に配置されており、各固定用貫通孔の他端はフランジ部７ａの上面に配置されている。フランジ部７ａの下面は、圧力壁５の外周面５ｂにおいて貫通孔５ａの全周を囲む部分と、上記中心軸に沿った方向において対向している。固定用貫通孔の一端と対向する圧力壁５の外周面５ｂには、凹部が形成されている。当該固定用貫通孔と凹部とに固定部材１４としてのネジが挿入・固定されることによって、フランジ部７ａは、圧力壁５の外周面５ｂと接続されている。

第２筐体部７は、例えば第３筐体部７ｃと第４筐体部７ｄとを含む。第３筐体部７ｃは筒状部材である。第４筐体部７ｄは、第３筐体部７ｃの上方端部を覆うように構成された、蓋状部材である。第３筐体部７ｃの下方端部が、第２筐体部７の下方端部を構成している。第３筐体部７ｃの上方端部は、第４筐体部７ｄの下方端部と接触され、固定されている。第３筐体部７ｃの上方端部および第４筐体部７ｄの下方端部には、それぞれフランジ部が形成されている。第３筐体部７ｃのフランジ部と第４筐体部７ｄのフランジ部とは重なるように配置されている。これらのフランジ部には、貫通孔が形成されている。当該貫通孔に固定部材１５としてのネジが挿入・固定されている。第２筐体部７の外周面は、例えば大気に曝されている。

第１筐体部６および第２筐体部７を構成する材料は、法令等によって高圧ガスの収容容器の構成材料としての使用が認められている材料であり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）またはアルミニウム（Ａｌ）を含む。

インペラ８は、シャフト９が回転することにより回転し、容器２内の低温流体ＬＧに運動エネルギーを付与する。インペラ８は、例えば遠心羽根車として構成されている。インペラ８は、シャフト９の第１部９ａの一端に接続されている。

シャフト９は、第１部９ａおよび第２部９ｂを含む。上記延在方向において、第１部９ａの一端はインペラ８に接続されており、第１部９ａの他端は第２部９ｂの一端に接続されている。第１部９ａの中心軸は、第２部９ｂの中心軸と同軸状に配置されている。シャフト９の中心軸は、第１部９ａおよび第２部９ｂの中心軸であって、インペラ８の中心軸と同軸状に配置されている。シャフト９は、モータ１０により回転駆動される。シャフト９の第２部９ｂは、ラジアル磁気軸受１１およびスラスト磁気軸受１２により非接触で支持されている。シャフト９は、その中心軸がモータ１０の回転軸と同軸となるように支持されている。シャフト９の中心軸の上記延在方向は、例えば鉛直方向に沿っている。

ラジアル磁気軸受１１は、例えば上記延在方向においてモータ１０の両側に２つ配置されている。スラスト磁気軸受１２は、シャフト９の第２部９ｂの他端よりも上方に配置されている。シャフト９、モータ１０、ラジアル磁気軸受１１およびスラスト磁気軸受１２は、インペラ８を回転駆動する駆動部を構成している。

また、異なる観点から言えば、上記低温流体用ポンプ１００は、インペラ８と、回転軸としてのシャフト９と、筐体としての第１筐体部６および第２筐体部７と、磁気軸受としてのラジアル磁気軸受１１とを主に備える。シャフト９はインペラ８に接続される。第１筐体部６および第２筐体部７は、シャフト９を内部に保持する。ラジアル磁気軸受１１は、シャフト９を第２筐体部７に対して回転可能に支持する。ラジアル磁気軸受１１は、ヨークと、少なくとも１つのコイル１１ｂとを含む。ヨークは磁気回路１１ｅの少なくとも一部を構成する。少なくとも１つのコイル１１ｂはヨークの一部を囲む。

次に、図２及び図３を用いてラジアル磁気軸受１１の構成を説明する。

図２及び図３を参照して、上記低温流体用ポンプ１００において、ヨークは、ベース部１１ａと、第１～第８の突出部１１ｄ１～１１ｄ８を有する複数の突出部１１ｄとを含む。ベース部１１ａは、シャフト９の外周側においてシャフト９の表面から間隔を隔てて、シャフト９の周方向に沿って延びるように配置される。すなわち、ベース部１１ａはシャフト９の外周を周方向に囲むような円環形状を有する。

複数の突出部１１ｄ（第１～第８の突出部１１ｄ１～１１ｄ８）は、ベース部１１ａからシャフト９に向けて突出するとともに、シャフト９の周方向において互いに間隔を隔てて配置される。複数の突出部１１ｄはシャフト９の周方向において等間隔に配置されている。複数の突出部１１ｄには、電磁石を構成するためのコイル１１ｂが巻回される。すなわち、第１～第８の突出部１１ｄ１～１１ｄ８には、コイル１１ｂ１～１１ｂ８がそれぞれ巻回される。

隣接する２個の突出部１１ｄに巻回されたコイル１１ｂは直列接続される。例えば、図３では、突出部１１ｄ１及び１１ｄ２のコイル１１ｂ１及び１１ｂ２が直列接続されて、コイル１１ｂ１及び１１ｂ２への通電により、電磁石を構成する磁気回路１１ｅ１が形成される。同様に、直列接続されたコイル１１ｂ３及び１１ｂ４への通電により磁気回路１１ｅ３が形成され、直列接続されたコイル１１ｂ５及び１１ｂ６への通電により磁気回路１１ｅ２が形成され、直列接続されたコイル１１ｂ７及び１１ｂ８への通電により磁気回路１１ｅ４が形成される。磁気回路１１ｅ１～１１ｅ４の形成により、電磁石による磁気力が発生する。

第１～第８の突出部１１ｄ１～１１ｄ８の位置関係により、磁気回路１１ｅ１を構成するコイル１１ｂ１及び１１ｂ２と、磁気回路１１ｅ２を構成するコイル１１ｂ５及び１１ｂ６とは、回転軸に垂直な方向に沿って、シャフト９を挟んで対向する。そして、シャフト９を挟んで対向する磁気回路１１ｅ１及び１１ｅ２のそれぞれによる磁気力は、互いに逆方向となる。従って、コイル１１ｂ１及び１１ｂ２の電流によって変化する磁気回路１１ｅ１（電磁石）による磁気力と、コイル１１ｂ５及び１１ｂ６の電流によって変化する磁気回路１１ｅ２（電磁石）による磁気力とによって、図３中のＸ１方向のシャフト９の変位（１自由度）を制御することができる。

同様に、磁気回路１１ｅ３を構成するコイル１１ｂ３及び１１ｂ４と、磁気回路１１ｅ４を構成するコイル１１ｂ７及び１１ｂ８とは、回転軸に垂直な方向に沿って、シャフト９を挟んで対向する。シャフト９を挟んで対向する磁気回路１１ｅ３及び磁気回路１１ｅ４のそれぞれによる磁気力は互いに逆方向となるので、磁気回路１１ｅ３による磁気力と、磁気回路１１ｅ４による磁気力とにより、図３中のＸ２方向のシャフト９の変位（１自由度）を制御することができる。

このように、２個のラジアル磁気軸受１１によってシャフト９の径方向（水平方向）に４自由度（Ｘ１～Ｘ４）の変位制御を行なうとともに、スラスト磁気軸受１２によって、シャフト９の回転軸方向（図１中のＺ方向）に１自由度の変位制御を行うことによって、低温流体用ポンプ１００のシャフト９の磁気軸受を構成することができる。

なお、スラスト磁気軸受１２は、図１に示されるように、スラストディスク１３を挟んで、回転軸に沿ってコイル１２ｂ１及び１２ｂ２を対向配置することで構成することができる。スラストディスク１３は、回転軸に垂直な面を有するように構成されて、シャフト９の端部に設けられる。コイル１２ｂ１及び１２ｂ２は、通電により、互いに逆方向の磁気力を発生する電磁石を構成する。コイル１２ｂ１及び１２ｂ２による電磁力を用いて、スラストディスク１３の位置（Ｚ方向）を制御することで、回転軸方向（Ｚ方向）のシャフト９の位置を制御することができる。なお、コイル１２ｂ１及び１２ｂ２のペアは、複数個配置することも可能である。

なお、ラジアル磁気軸受の構成の変形例として、図１に示された２個のラジアル磁気軸受１１のうちの一方については、複数のコイル１１ｂ間の接続関係を図３からずらすことによって（具体的には、コイル１１ｂ２及び１１ｂ３、コイル１１ｂ４及び１１ｂ５、コイル１１ｂ６及び１１ｂ７、コイル１１ｂ８及び１１ｂ１をそれぞれ直列接続）、Ｘ１及びＸ２方向と４５度ずつずれたＸ３及びＸ４方向の変位を制御するように、複数の磁気回路（電磁石）を形成することも可能である。

このように、低温流体用ポンプ１００の磁気軸受では、１自由度毎に、コイルによって構成された電磁石を対向配置することによって、シャフトの当該自由度方向の変位（１次元）を制御することができる。以下では、ラジアル磁気軸受の１自由度での制御（コイル電流制御）を代表的に説明する。

図４は、ラジアル磁気軸受を構成する単体の電磁石におけるコイル電流と磁気力の関係を説明するための模式図である。図４（ａ）はシャフト９に対向させて、ラジアル磁気軸受に相当する電磁石を配置した状態を示す模式図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した構成においてコイル１１ｂに流される電流ｉと当該電磁石において発生する磁気力Ｆとの関係を示すグラフである。

図４（ｂ）において、横軸は電流ｉを示し、縦軸は磁気力Ｆを示す。下記の式（１）のように、磁気力Ｆは、電流ｉの２次関数で示される。

式（１）中において、Ｂは磁束密度、Ｓは磁路断面積、Ｎはコイル巻き数、ｉはコイルに供給される電流、ｘは、図４（ａ）中に示された、電磁石及びとシャフト９とのギャップ（突出部１１ｄの先端とシャフト９とのギャップに相当）をそれぞれ意味する。

図５は、ラジアル磁気軸受に用いられる電磁石の１自由度毎の配置及び特性を説明する模式図である。

図５（ａ）に示されるように、シャフト９を挟むようにして対向配置（１８０度）した２個の電磁石によって、シャフト９の１自由度の磁気力Ｆが制御される。図５（ａ）中に示すように、図中右方向を磁気力Ｆの正方向とすると、右側のコイル１１ｂに電流ｉ１を通電することにより、正方向の磁気力Ｆ１が発生する。反対に、左側のコイル１１ｂに電流ｉ２を通電すると、負方向の磁気力Ｆ２が発生する。左側及び右側のコイル１１ｂの電流ｉ１，ｉ２を制御することによって、１自由度方向の磁気力Ｆ（Ｆ１＋Ｆ２）の向き及び大きさを制御することができる。

図５（ｂ）には、電流ｉと磁気力Ｆとの関係が模式的に示される。第１象限に示すように、上記式（１）においてｉ＝ｉ１とすることにより、電流ｉ１に応じて磁気力Ｆ１（Ｆ１＞０）が変化する。同様に、第３象限に示すように、上記式（１）においてｉ＝ｉ２とすることにより、電流ｉ２に応じて磁気力Ｆ２（Ｆ２＜０）が変化する。

例えば、シャフト９の変位に応じて、磁気軸受が発生すべき磁気力Ｆ＊の方向及び大きさが決定されると、Ｆ＊＞０のときには、ｉ２＝０として、かつ、式（１）の逆算から必要な電流ｉ１を逆算することができる。反対に、Ｆ＊＜０のときには、ｉ１＝０として、式（１）の逆算から必要な電流ｉ２を逆算することができる。

図６は、本実施の形態に係るラジアル磁気軸受１１の制御構成例を説明するブロック図である。図６には、１自由度（Ｘ１方向）分の制御構成が示されているが、１自由度毎に同様の制御構成を設けることができる。

図６を参照して、磁気軸受コントローラ２００は、制御演算部２１０と、電流アンプ２５０とを含む。ラジアル磁気軸受１１には、Ｘ１方向の変位制御のために、２個の電磁石ＥＭ１，ＥＭ２が、Ｘ１方向に沿ってシャフト９を挟んで対向配置される。電磁石ＥＭ１は、図３における、突出部１１ｄ１及び１１ｄ２と、コイル１１ｂ１及び１１ｂ２とによって構成される。同様に、電磁石ＥＭ２は、図３における、突出部１１ｄ５及び１１ｄ６と、コイル１１ｂ５及び１１ｂ６とによって構成される。

電流アンプ２５０は、アンプユニット２５１及び２５２を有する。アンプユニット２５１は、制御演算部２１０によって算出された制御値ｉｃｍ１に応じて、電磁石ＥＭ１を構成するコイル（例えば、コイル１１ｂ１，１１ｂ２）へ供給するコイル電流ｉｃ１を制御する。電磁石ＥＭ１は、アンプユニット２５１から供給されたコイル電流ｉｃ１に応じた磁気力ｆ１（Ｘ１正方向）を発生する。すなわち、電磁石ＥＭ１は「第１の電磁石」の一実施例に対応し、電磁石ＥＭ１を構成するコイルは「第１のコイル」の一実施例に対応する。

これに対して、アンプユニット２５２は、制御演算部２１０によって算出された制御値ｉｃｍ２に応じて、電磁石ＥＭ２を構成するコイル（例えば、コイル１１ｂ５，１１ｂ６）へ供給するコイル電流ｉｃ２を制御する。電磁石ＥＭ２は、電流アンプ２５０から供給されたコイル電流ｉｃ２に応じた磁気力ｆ２（Ｘ１負方向）を発生する。同様に、電磁石ＥＭ２は「第２の電磁石」の一実施例に対応し、電磁石ＥＭ２を構成するコイルは「第２のコイル」の一実施例に対応する。

制御演算部２１０は、偏差演算部２１２と、フィードバック（ＦＢ）演算部２２０と、平方根演算部２２１，２２２とを有する。

さらに、ラジアル磁気軸受１１には、電磁石（突出部１１ｄ）及びシャフト９の間のＸ１方向のギャップ値Ｘを検出するためのギャップセンサ２７０が配置される。ギャップ値Ｘは、シャフト９のＸ１方向の位置が目標位置と合致したときにＸ＝Ｘ＊（目標値）となる。すなわち、ギャップセンサ２７０は、シャフト９の「位置センサ」の一実施例に対応する。

偏差演算部２１２は、ギャップセンサ２７０によって検出されたギャップ値Ｘと目標値Ｘ＊との偏差（ギャップ偏差）ΔＸを算出する（ΔＸ＝Ｘ＊－Ｘ）。

フィードバック演算部２２０は、ギャップ偏差ΔＸ＝０とするためのフィードバック制御演算により、コイル電流ｉｃ１，ｉｃ２を制御するための制御値ｉｃｍ１，ｉｃｍ２を算出する。

図７及び図８には、ギャップ偏差に対する制御値の算出を説明するための概念図が示される。

図７の横軸にはギャップ偏差ΔＸが示され、縦軸には、電磁石ＥＭ１及びＥＭ２の全体によって発生させるべき磁気力指令値ｆ＊が示される（ｆ＊＝ｆ１＊－ｆ２＊）。図７に示されるように、ΔＸ＝０のときには、Ｘ＝Ｘ＊であり、シャフト９のＸ１方向の位置が目標位置であるため、ｆ＊＝０とすることができる。一方で、ΔＸ＞０のときは、ギャップ値Ｘ（図６）を増加するために、図６中の右方向に磁気力を発生させる（ｆ＊＞０）。反対に、ΔＸ＜０のときは、ギャップ値Ｘを減少するために、図６中の左方向に磁気力を発生させる（ｆ＊＜０）。従って、図６に示すように、ギャップ偏差ΔＸに比例して、必要な磁気力ｆ＊を設定することができる。

磁気力指令値ｆ＊は、電磁石ＥＭ１による磁気力指令値ｆ１＊と、電磁石ＥＭ２による磁気力指令値ｆ２＊とに分解される。例えば、ｆ＊≧０のときには、ｆ２＊＝０、かつ、ｆ１＊＝ｆ＊と設定し、ｆ＊≦０のときには、ｆ１＊＝０、かつ、ｆ２＊＝ｆ＊と設定することができる。このように、フィードバック演算部２２０は、ギャップ偏差ΔＸから、電磁石ＥＭ１による磁気力指令値ｆ１＊と、電磁石ＥＭ２による磁気力指令値ｆ２＊とを算出することができる。

再び図６を参照して、平方根演算部２２１は、上述の式（１）の逆関数に従って、磁気力指令値ｆ１＊からコイル電流ｉｃ１の制御値ｉｃｍ１を算出する。同様に、平方根演算部２２２は、上述の数（１）の逆関数に従って、磁気力指令値ｆ２＊からコイル電流ｉｃ１の制御値ｉｃｍ２を算出する。ここで、磁気力指令値ｆ１＊及びｆ２＊を包括的にｆｒ＊と表記し、コイル電流ｉｃ１，ｉｃ２の制御値ｉｃｍ１及びｉｃｍ２を包括的にｉｃｍと表記すると、制御値ｉｃｍと磁気力指令値ｆ＊との間には、下記の式（２）が成立する。

式（２）中のｋは、式（１）と同様の定数（ｋ＝μ₀・Ｎ²・Ｓ／４）であり、ｘはギャップ値を示す。式（２）に示されるように、平方根演算部２２１，２２２では、平方根演算（１／２乗）が必要となる。

例えば、平方根演算部２２１，２２２は、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）等のプログラム可能なロジックＩＣ（Integrated Circuit）によるデジタル演算処理機能による実現が可能である。具体的には、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）と呼ばれる集積回路によって制御演算部２１０を構成し、その一部分によって、平方根演算部２２１，２２２の機能を実現することが可能である。あるいは、サンプリングされたデジタル値に対するＣＰＵ（Central Processing Unit）による演算によって、平方根演算部２２１，２２２の機能、又は、平方根演算部２２１，２２２を含む制御演算部２１０全体の機能を実現することも可能である。

平方根演算部２２１，２２２を含む制御演算部２１０の制御周期は、一般的には、５～５０ｋＨｚ程度の範囲内とされる。高性能のハードウェア（ＣＰＵ、ＦＰＧＡ等）を用いると、制御周期を短くすることが可能である一方で製品コストが上昇する。従って、制御周期については、低温流体用ポンプ１００が適用されるシステムの許容値に従って適切に設定することが好ましい。

図７及び上記式（２）より、ギャップ偏差ΔＸに対するコイル電流ｉｃ１，ｉｃ２は、図８に示すように設定される。図８の横軸は、図７と共通（ギャップ偏差ΔＸ）であり、縦軸は、コイル電流ｉｃ１及びｉｃ２である。

ΔＸ＞０の領域では、ｆｃ＊２＝０よりｉｃ２＝０となるので、磁気力指令値ｆ＊の平方根に従ったコイル電流ｉｃ１がコイル１１ｂ（電磁石ＥＭ１）に供給される。一方で、ΔＸ＜０の領域では、ｆｃ＊１＝０よりｉｃ１＝０となるので、磁気力指令値ｆ＊の平方根に従ったコイル電流ｉｃ２がコイル１１ｂ（電磁石ＥＭ２）に供給されることになる。このように、コイル電流ｉｃ１，ｉｃ２の方向が切替わることはないので、アンプユニット２５１及び２５２は、電流方向の切替機能を具備しない簡易な構成とすることができる。

なお、図７及び図８では、目標値Ｘ＊に対するギャップ偏差ΔＸを横軸として磁気力指令値ｆ＊を算出したが、実際には、ギャップ偏差ΔＸに比例積分（ＰＩ）制御、ゲイン調整、位相補償、及び、フィルタ処理等を用いて磁気力指令値ｆ＊を算出することも可能である。

このように、本実施の形態に係る低温流体用ポンプでは、デジタル平方根演算に基づいて磁気軸受を制御する。このような平方根演算の導入により、図７に示したように、ギャップ偏差ΔＸ及び磁気力指令値ｆ＊の間を線形化した安定的な制御が実現できる。この結果、後述する、バイアス電流方式及びバイアス磁束方式の磁気軸受と比較して、電磁石での発熱抑制、及び、回路構成の簡素化による低コスト化の面で有利となる。

＜比較例との比較による効果の説明＞
図９は、第１の比較例として示されるバイアス電流方式による磁気軸受の制御構成を説明するブロック図である。

図９を参照して、第１の比較例では、コイル電流ｉｃ１，ｉｃ２の制御値ｉｃｍ１，ｉｃｍ２が、制御演算部３００ａによって演算される。図９のその他の構成は、図６と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

制御演算部３００ａは、フィードバック（ＦＢ）制御器３１０と、バイアス電流設定部３２０と、加算部３３０と、減算部３４０とを備える。

フィードバック制御器３１０は、ギャップセンサ２７０によって検出されたギャップ値Ｘと目標値Ｘ＊とを受けて、ギャップ偏差ΔＸ（ΔＸ＝Ｘ＊－Ｘ）を解消するためのフィードバック制御値Ｖｉｃを算出する。例えば、フィードバック制御値Ｖｉｃは、図７の磁気力指令値ｆ＊と同様に、ギャップ偏差ΔＸに対する線形演算によって算出することができる。この際に、ＰＩ制御、ゲイン調整、位相補償、及び、フィルタ処理等をさらに組み合わせて、フィードバック制御値Ｖｉｃを算出することができる。この点は、図６のフィードバック演算部２２０でも同様である。

バイアス電流設定部３２０は、予め定められたバイアス制御値Ｖｉｂを出力する。加算部３３０は、フィードバック制御値Ｖｉｃ及びバイアス制御値Ｖｉｂを加算することによって、コイル電流ｉｃ１の制御値ｉｃｍ１を算出する。一方で、減算部３４０は、バイアス制御値Ｖｉｂからフィードバック制御値Ｖｉｃを減算することによって、コイル電流ｉｃ２の制御値ｉｃｍ２を算出する。図９の制御構成においても、アンプユニット２５１は、制御値ｉｃｍ１に応じたコイル電流ｉｃ１を、電磁石ＥＭ１を構成するコイルへ供給する。同様に、アンプユニット２５２は、制御値ｉｃｍ２に応じたコイル電流ｉｃ２を、電磁石ＥＭ２を構成するコイルへ供給する。

従って、バイアス電流方式（図９）では、ギャップ偏差ΔＸ＝０のときには、Ｖｉｃ＝０と算出されて、ｉｃ１＝ｉｃ２＝ｉｂに制御される（ｉｂは、バイアス制御値Ｖｉｂの電流換算値）。この結果、電磁石ＥＭ１及びＥＭ２の両方が、バイアス制御値Ｖｉｂに従った同じ大きさの磁気力ｆ１及びｆ２（ｆ１＝ｆ２）を発生することで、シャフト９のＸ１方向の変位（位置）が維持される。

ΔＸ＞０（Ｘ＊＞Ｘ）になると、Ｖｉｃ＞０と算出されることで、ｉｃ１＝ｉｂ＋ｉｃ、ｉｃ２＝ｉｂ－ｉｃに制御される。ここで、ｉｃは、フィードバック制御値Ｖｉｃの電流換算値であり、Ｖｉｃ及びｉｃの極性は同じである。この結果、電磁石ＥＭ１及びＥＭ２による磁気力ｆ１及びｆ２がｆ１＞ｆ２とされることで、ギャップ値Ｘを目標値Ｘ＊へ向けて増加することができる。

反対に、ΔＸ＜０（Ｘ＊＜Ｘ）になると、Ｖｉｃ＜０と算出されるので、ｉｃ１（ｉｃ１＝ｉｂ＋ｉｃ）及びｉｃ２（ｉｃ２＝＝ｉｂ－ｉｃ）は、ｉｃ２＞ｉｃ１となる。この結果、電磁石ＥＭ１及びＥＭ２による磁気力ｆ１及びｆ２がｆ２＞ｆ１とされることで、ギャップ値Ｘを目標値Ｘ＊へ向けて減少することができる。

第１の比較例（バイアス電流方式）による磁気軸受の制御構成では、常時、バイアス電流相当の磁気力を、対向する２個の電磁石ＥＭ１，ＥＭ２から出力することで、ギャップ偏差ΔＸに基づく線形演算のみでフィードバック制御を行なうことができる。すなわち、本実施の形態に係る制御構成（図６）と比較すると、平方根演算が不要となるので、制御演算部の機能を簡素化できる。

又、バイアス電流値ｉｂ（バイアス制御値Ｖｉｂ）を適切に設定することで、コイル電流ｉｃ１，ｉｃ２の方向が切替わることはないので、アンプユニット２５１及び２５２は、本実施の形態と同様に、電流方向の切替機能を具備しない簡易な構成とすることができる。

しかしながら、バイアス電流が常時電磁石コイルに供給されるため、磁気軸受での電力損失による効率低下及び発熱量の増大が懸念される。特に、低温流体用ポンプの磁気軸受では、磁気軸受での温度上昇による低温流体の気化を抑制することが重要である。上述のように、本実施の形態に従う磁気軸受の制御構成では、バイアス電流を供給することなく、ΔＸ＝０のときには、電磁石ＥＭ１及びＥＭ２へのコイル電流ｉｃ１，ｉｃ２を０とできるので、低温流体用ポンプに好適であることが理解される。

図１０は、第２の比較例として示されるバイアス磁束方式による磁気軸受の制御構成を説明するブロック図である。

図１０を参照して、第１の比較例では、コイル電流ｉｃ１，ｉｃ２の制御値ｉｃｍ１，ｉｃｍ２が、制御演算部３００ｂによって演算される。さらに、各電磁石ＥＭ１，ＥＭ２において、バイアス磁束を発生するための永久磁石１１ｃが配置される。図１０のその他の構成は、図６と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

図１１は、バイアス磁束方式の磁気軸受における永久磁石の配置を説明するための部分断面模式図である。

図１１を図３と比較して、バイアス磁束方式の磁気軸受では、複数の突出部１１ｄのうちの隣接する突出部１１ｄの間に、それぞれ永久磁石１１ｃが配置される。永久磁石１１ｃとしては、主にネオジム（Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ）磁石、サマコバ（Ｓｍ－Ｃｏ）磁石、アルニコ（Ａｌ－Ｎｉ－Ｃｏ）磁石等を用いることができる。

図４の例では、突出部１１ｄ１及び１１ｄ２の間に永久磁石１１ｃ１が配置され、突出部１１ｄ３及び１１ｄ４の間に永久磁石１１ｃ３が配置され、突出部１１ｄ５及び１１ｄ６の間に永久磁石１１ｃ２が配置され、突出部１１ｄ７及び１１ｄ８の間に永久磁石１１ｃ４が配置される。

さらに、永久磁石１１ｃ間で、周方向において隣り合う端部に同じ極が位置するように配置されている。例えば、図４において、永久磁石１１ｃ１と永久磁石１１ｃ３との隣り合う端部は同じＮ極であり、永久磁石１１ｃ１と永久磁石１１ｃ４との隣り合う端部は同じＳ極である。又、永久磁石１１ｃ３と永久磁石１１ｃ２との隣り合う端部は同じＳ極であり、永久磁石１１ｃ２と永久磁石１１ｃ４との隣り合う端部は同じＮ極である。

図１１から理解されるように、永久磁石１１ｃ１～１１ｃ４は、磁気回路１１ｅ１～１１ｅ４の一部を構成する位置に配置される。

再び図１０を参照して、制御演算部３００ｂは、フィードバック（ＦＢ）制御器３５０と、乗算部３６０とを有する。

フィードバック制御器３５０は、フィードバック制御器３１０（図９）と同様に構成されて、ギャップセンサ２７０によって検出されたギャップ値Ｘと目標値Ｘ＊とを受けて、図９と同様のフィードバック制御値Ｖｉｃを算出する。上述のように、フィードバック制御値Ｖｉｃは、ギャップ偏差ΔＸに対する線形演算によって算出することができる。

図１０の制御構成では、フィードバック制御値Ｖｉｃが、そのままコイル電流ｉｃ１の制御値ｉｃｍ１とされる（ｉｃｍ１＝Ｖｉｃ）。一方で、乗算部３６０は、フィードバック制御値Ｖｉｃに「－１」を乗算することによって、コイル電流ｉｃ２の制御値ｉｃｍ２を算出する（ｉｃｍ２＝－Ｖｉｃ）。

永久磁石１１ｃを磁気軸受に配置することにより、電磁石ＥＭ１，ＥＭ２の各々において、磁気回路１１ｅにおける起磁力は、下記の式（３）で示される。

ここで、式（３）中において、ｌｉは磁路長、ｌｐは図６に示す永久磁石１１ｃの長さ、Ｈは永久磁石内部の磁界の強さをそれぞれ意味する。

式（３）から理解されるように、永久磁石１１ｃの起磁力が加算されることにより、磁束密度は（Ｎｉ－Ｈｌｐ）の関数となる。つまり、永久磁石１１ｃが配置された図１１の磁気軸受においては、コイルの電流ｉで磁気力を制御することができる。

図１２は、第２の比較例（バイアス磁束方式）の磁気軸受におけるコイル電流及び磁気力の特性関係を示すグラフである。

図１２を参照して、図１１の磁気軸受では、永久磁石１１ｃによって発生するバイアス磁束によって、コイルの電流ｉと磁気力Ｆとの間の特性関係が線形化される。例えば、永久磁石１１ｃが発生するバイアス磁束によって発生する磁気力Ｆの２倍の領域まで、コイルの電流ｉと磁気力Ｆの関係を線形化することができる。

再び図１０を参照して、第２の比較例（バイアス磁束方式）の制御構成では、ギャップ偏差ΔＸ＝０のときには、Ｖｉｃ＝０と算出されて、ｉｃ１＝ｉｃ２＝０に制御される。電磁石ＥＭ１及びＥＭ２の両方が、バイアス磁束に従った同じ大きさの磁気力ｆ１及びｆ２（ｆ１＝ｆ２）を発生することで、電磁石ＥＭ１及びＥＭ２全体での磁気力ｆ＝０となる。これが、図１２でのｉ＝０、かつ、Ｆ＝０の状態に相当する。

ΔＸ＞０（Ｘ＊＞Ｘ）になると、Ｖｉｃ＞０と算出されることで、ｉｃ１＝ｉｃ、ｉｃ２＝－ｉｃに制御されることで、電磁石ＥＭ１及びＥＭ２による磁気力ｆ１及びｆ２がｆ１＞ｆ２とされることで、ギャップ値Ｘを目標値Ｘ＊へ向けて増加することができる。この状態は、図１２でのｉ＞０のためにＦ＞０とされる領域での状態に相当する。

反対に、ΔＸ＜０（Ｘ＊＜Ｘ）になると、Ｖｉｃ＜０と算出されるので、ｉｃ１＝－ｉｃ、ｉｃ２＝ｉｃに制御される。これにより電磁石ＥＭ１及びＥＭ２による磁気力ｆ１及びｆ２がｆ１＜ｆ２とされることで、ギャップ値Ｘを目標値Ｘ＊へ向けて減少することができる。この状態は、図１２でのｉ＜０のためにＦ＜０とされる領域での状態に相当する。

このように、第２の比較例（バイアス磁束方式）による磁気軸受では、第１の比較例のようなバイアス電流を供給することなく、ギャップ偏差ΔＸに基づく線形演算のみでフィードバック制御を行なうことができる。すなわち、本実施の形態に係る制御構成（図６）と比較すると、平方根演算が不要となるので、制御演算部の機能を簡素化できる。

一方で、第２の比較例（バイアス磁束方式）による磁気軸受では、電磁石の磁気回路中に永久磁石１１ｃを組込むため、磁気回路１１ｅの磁路抵抗が大きくなる。この結果、同一の磁界（すなわち、磁気力）を発生するために必要となるコイル電流が増加するとともに、制御応答性が低下する点で不利となる。

又、永久磁石１１ｃをヨーク部に組み込むため、磁石コストの増加、及び、組立工程の複雑化から製造コストの上昇が懸念される。さらに、コイル電流ｉｃ１，ｉｃ２の方向は、ギャップ偏差ΔＸの極性（正／負）に応じて切替わるので、アンプユニット２５１及び２５２は、電流方向の切替機能を具備するために、構成が複雑化する。この点からも製造コストの上昇が懸念される。

これに対して、本実施の形態に従う磁気軸受は、バイアス電流方式のようなバイアス電流の供給による温度上昇の問題、及び、バイアス磁束方式による、磁路抵抗の増大、及び、製造コストの問題を発生させることなく、低温流体用ポンプの磁気軸受に適用することができる。

また、以上では、ラジアル磁気軸受１１の制御について説明したが、各自由度毎に同様のコイル電流制御を行うことができるので、スラスト磁気軸受１２を同様に制御することも可能である。即ち、本実施の形態に係る磁気軸受が、ラジアル磁気軸受１１である場合には、「回転軸」であるシャフト９のＸ方向の位置を目標位置（Ｘ方向）に制御するために上述のフィードバック制御が適用されたが、本実施の形態に係る磁気軸受が、スラスト磁気軸受１２である場合には、スラストディスク１３の位置（Ｚ方向）で示されるシャフト９（回転軸）のＺ方向の位置を目標位置（Ｚ方向）に制御するために、図１に示されたコイル１２ｂ１，１２ｂ２の電流制御に、上述した電流ｉｃ１，ｉｃ２のフィードバック制御を適用することができる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。

本発明は、超電導機器の冷却用を始めとして、低温流体を移送するためのポンプとして、任意の用途に適用することができる。

２容器、５圧力壁、５ａ貫通孔、５ｂ外周面、６第１筐体部、６ａ流入口、６ｂ流出口、７第２筐体部、７ａフランジ部、７ｃ第３筐体部、７ｄ第４筐体部、８インペラ、９シャフト、９ａ第１部、９ｂ第２部、１０モータ、１１ラジアル磁気軸受、１１ａベース部、１１ｂ，１１ｂ１～１１ｂ８，１２ｂ１，１２ｂ２コイル、１１ｃ，１１ｃ１～１１ｃ４永久磁石、１１ｄ，１１ｄ１～１１ｄ８突出部、１１ｅ，１１ｅ１～１１ｅ４磁気回路、１２スラスト磁気軸受、１３スラストディスク、１４，１５固定部材、１００低温流体用ポンプ、２００磁気軸受コントローラ、２１０，３００ａ，３００ｂ制御演算部、２１２偏差演算部、２２０フィードバック演算部、２２１，２２２平方根演算部、２５０電流アンプ、２５１，２５２アンプユニット、２７０ギャップセンサ、３１０，３５０フィードバック制御器、３２０バイアス電流設定部、３３０加算部、３４０減算部、３６０乗算部、ＥＭ１，ＥＭ２電磁石、ＬＧ低温流体、Ｖｉｂバイアス制御値、Ｖｉｃフィードバック制御値、Ｘギャップ値、ｆ＊，ｆ１＊，ｆ２＊磁気力指令値、ｉｂバイアス電流値、ｉｃ１，ｉｃ２コイル電流、ｉｃｍ１，ｉｃｍ２制御値（コイル電流）。

Claims

インペラと、
前記インペラに接続された回転軸と、
前記回転軸を内部に保持する筐体と、
前記回転軸を前記筐体に対して回転可能に支持する磁気軸受と、
前記磁気軸受の発生力を制御する磁気軸受コントローラとを備え、
前記磁気軸受は、
磁気回路の少なくとも一部を構成するヨークと、
前記ヨークの一部を囲む複数のコイルとを含み、
前記磁気軸受コントローラは、
前記回転軸の位置を目標位置に維持するためのフィードバック制御演算を実行する制御演算部と、
前記制御演算部の制御出力に比例する電流を前記コイルへ供給する電流アンプ部とを含み、
前記制御演算部は、
前記回転軸の位置を計測する位置センサの出力値と、前記目標位置を示す目標値との偏差を補償するための前記発生力を示す制御値を算出するフィードバック演算部と、
前記フィードバック演算部からの前記制御値を平方根演算することによって前記制御出力を算出する平方根演算部とを有し、
前記複数のコイルは、前記回転軸の中心軸に垂直な方向に沿って、前記回転軸を挟んで対向配置された第１及び第２の電磁石を形成する第１及び第２のコイルを有し、
前記フィードバック演算部は、第１の方向に沿った前記偏差が正である場合には、前記第１の電磁石の前記発生力によって前記偏差を補償する一方で前記第２の電磁石による前記発生力をゼロに設定し、前記第１の方向に沿った前記偏差が負である場合には、前記第２の電磁石の前記発生力によって前記偏差を補償する一方で前記第１の電磁石による前記発生力をゼロに設定するように、前記制御値を算出する、低温流体用ポンプ。
インペラと、
前記インペラに接続された回転軸と、
前記回転軸を内部に保持する筐体と、
前記回転軸を前記筐体に対して回転可能に支持する磁気軸受と、
前記磁気軸受の発生力を制御する磁気軸受コントローラとを備え、
前記磁気軸受は、
磁気回路の少なくとも一部を構成するヨークと、
前記ヨークの一部を囲む複数のコイルとを含み、
前記磁気軸受コントローラは、
前記回転軸の位置を目標位置に維持するためのフィードバック制御演算を実行する制御演算部と、
前記制御演算部の制御出力に比例する電流を前記コイルへ供給する電流アンプ部とを含み、
前記制御演算部は、
前記回転軸の位置を計測する位置センサの出力値と、前記目標位置を示す目標値との偏差を補償するための前記発生力を示す制御値を算出するフィードバック演算部と、
前記フィードバック演算部からの前記制御値を平方根演算することによって前記制御出力を算出する平方根演算部とを有し、
前記回転軸には、前記回転軸の中心軸に沿った端部において、前記中心軸に垂直な面を有するスラストディスクが取り付けられ、
前記複数のコイルは、前記中心軸に沿って前記スラストディスクを挟んで対向配置された第１及び第２の電磁石を形成する第１及び第２のコイルを有し、
前記フィードバック演算部は、第１の方向に沿った前記偏差が正である場合には、前記第１の電磁石の前記発生力によって前記偏差を補償する一方で前記第２の電磁石による前記発生力をゼロに設定し、前記第１の方向に沿った前記偏差が負である場合には、前記第２の電磁石の前記発生力によって前記偏差を補償する一方で前記第１の電磁石による前記発生力をゼロに設定するように、前記制御値を算出する、低温流体用ポンプ。