JPH05312214A - 磁気軸受装置及び磁気軸受の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 軸受負荷が変動する軸を支承する磁気軸受に
対し、無駄な消費電力を抑制する。 【構成】 ロータリ圧縮機１の回転軸２に配設された磁
気軸受に対し、圧縮機１の吸入圧及び吐出圧を検知し、
この検知信号に基づいて軸受負荷を推定する。そして、
この推定された軸受負荷に応じて磁気軸受の電磁石３に
供給する電力を調整する。これにより、軸受負荷が小さ
い状態での消費電力を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気軸受装置及び磁気
軸受の制御方法に係り、特に、軸受負荷が変動する回転
軸を支承するものに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば特開平２−２８６９１
０号公報に示されているように、高速回転する回転軸を
非接触状態で支承するようにした磁気軸受が知られてい
る。この種の磁気軸受は、回転軸に対して同心円上に複
数の電磁石が配設され、各電磁石の電磁力の釣合いによ
って回転軸を非接触状態で支承することにより、回転軸
と軸受との摩擦抵抗を無くして回転軸の高速化や装置の
高性能化を図るようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
磁気軸受を圧縮機（例えばロータリピストン型圧縮機）
のクランク軸の軸受に採用しようとした場合、以下に述
べるような理由から実用し難かった。

【０００４】つまり、この種の圧縮機は、冷媒等の圧縮
動作の際に圧縮室内が次第に高圧になり、これに伴って
軸受負荷も次第に大きくなることになり、この軸受負荷
の時間変動が大きい。この軸受負荷の時間変動状態の２
つの例を図６及び図７に示す。図６には高圧縮タイプ、
図７には低圧縮タイプの圧縮機における時間と軸受負荷
との関係を示している。このように、軸受負荷の時間変
動が大きいために、磁気軸受には、この軸受負荷の最大
値（図６における軸受負荷Ａ、図７における軸受負荷
Ｂ）に適応した軸受能力が要求されることになり、常
に、この軸受負荷の最大値に適応した軸受能力を得るよ
うに電源出力を大きく設定しておく必要がある。従っ
て、圧縮室内が低圧であって軸受負荷が小さい状態にあ
っても高い電源出力が与えられていて無駄な消費電力を
浪費することになるため、ランニングコストの面から圧
縮機へは採用し難かった。

【０００５】本発明は、この点に鑑みてなされたもので
あって、このような無駄な消費電力を抑制して、軸受負
荷が変動するような箇所への磁気軸受の採用を可能にす
ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、軸受負荷の変動を推定し、この推定さ
れた軸受負荷に応じて供給電力を調整するようにした。
具体的に、請求項１記載の発明は、軸受負荷が変動する
回転軸（２）に対して同心円上に複数配置された電磁石
（３），（３），…を備え、該電磁石（３），（３），
…の電磁力によって前記回転軸（２）を非接触状態で支
承するようにした磁気軸受装置を対象としている。そし
て、前記軸受負荷の変動状態を推定する軸受負荷変動推
定手段（１８）と、該軸受負荷変動推定手段（１８）の
出力を受け、該出力に応じて前記電磁石（３），
（３），…ヘの供給電力を調整する電力調整手段（１
９）とを備えさせるような構成とした。

【０００７】請求項２記載の発明は、前記請求項１記載
の磁気軸受装置において、電磁石（３），（３），…
を、圧縮機（１）の回転軸（２）に対して同心円上に複
数配置させる。そして、軸受負荷変動推定手段（１８）
を、圧縮機（１）の吸入圧及び吐出圧を検知する圧力セ
ンサ（４），（５）を備えて成すような構成とした。

【０００８】請求項３記載の発明は、前記請求項１また
は２記載の磁気軸受装置において、軸受負荷が所定周期
で変動されるものに対して、軸受負荷変動推定手段（１
８）を、軸受負荷変動の１サイクル毎に軸受負荷の変動
状態を推定するような構成とした。

【０００９】請求項４記載の発明は、軸受負荷が変動す
る回転軸（２）に対して同心円上に複数の電磁石
（３），（３），…が配置されており、該電磁石
（３），（３），…の電磁力によって前記回転軸（２）
を非接触状態で支承する磁気軸受の制御方法を対象とし
ている。そして、前記軸受負荷の変動状態を推定し、こ
の推定値に基づいて前記電磁石（３），（３），…ヘの
供給電力を調整するようにした。

【００１０】

【作用】上記の構成により本発明では以下に述べるよう
な作用が得られる。請求項１記載の発明では、軸受負荷
が変動する回転軸（２）に対して同心円上に複数配置さ
れた電磁石（３），（３），…の電磁力によって前記回
転軸（２）が非接触状態で支承される。そして、軸受負
荷変動推定手段（１８）によって軸受負荷の変動状態を
推定し、電力調整手段（１９）が、この推定された軸受
負荷に応じて前記電磁石（３），（３），…への供給電
力を調整する。これにより、軸受負荷が大きい状態の時
には供給電力も大きくし、軸受負荷が小さい状態の時に
は供給電力も小さくすることができ、全体的な消費電力
が抑制される。

【００１１】請求項２記載の発明では、圧力センサ
（４），（５）によって圧縮機（１）の吸入圧及び吐出
圧を検知し、この検知された圧力に基づいて軸受負荷の
変動状態を推定する。これによって検出の難しい軸受負
荷を間接的に検出することができる。

【００１２】請求項３記載の発明では、軸受負荷変動推
定手段（１８）により、軸受負荷変動の１サイクル毎に
軸受負荷の変動状態を推定し、電磁石（３），（３），
…への供給電力を１サイクル毎に調整する。これによ
り、回転軸（２）の回転数の変化やトルク変動等に伴う
軸受負荷の変動パターンの変化に追従して電磁石
（３），（３），…への供給電力を調整することができ
る。

【００１３】請求項４記載の発明の方法では、上記請求
項１記載の発明における作用と同様に、軸受負荷の変動
状態を推定し、この推定値に基づいて電磁石（３），
（３），…への供給電力を調整する。

【００１４】

【実施例】

（第１実施例）次に、本発明に係る第１実施例を図面に
基づいて説明する。本例では、圧縮機のクランク軸を支
承するようにした磁気軸受について説明する。図２には
本例に係る圧縮機（１）周辺部の構成を、図３には磁気
軸受装置によって本発明でいう回転軸としての圧縮機
（１）のクランク軸（２）が支承された状態を示してい
る。この磁気軸受装置における電磁石（３）の基本構造
及び軸受原理について説明すると、図３の如く、この電
磁石（３）は、前記クランク軸（２）と同心円上に配設
された電磁石ステータ（３ａ）を備えており、この電磁
石ステータ（３ａ）から、求心方向、つまりクランク軸
（２）に向って偶数個（図３のものは８個）のマグネッ
ト（３ｂ），（３ｂ），…が延設されている。そして、
隣合う一対のマグネット（３ｂ），（３ｂ）にはコイル
（３ｃ）が互いに逆向きに巻設されることによって前記
電磁石（３）が構成されている。そして、前記コイル
（３ｃ）に電流が通電された際に、この一対のマグネッ
ト（３ｂ），（３ｂ）に亘る環状の磁界（図３の一点鎖
線参照）が形成されるようになっている。従って、各コ
イル（３ｃ），（３ｃ），…に通電されると電磁石
（３）の電磁力がクランク軸（２）を引合う方向に作用
し、この各電磁力の釣合いによってクランク軸（２）が
非接触状態で支承されるようになっている。

【００１５】そして、本例の特徴としては、圧縮機
（１）の圧縮動作に伴う軸受負荷に応じて各コイル（３
ｃ），（３ｃ），…に印加する電圧を変更することにあ
る。以下に、この電流を変更するための構成について説
明する。

【００１６】図２に示すように、圧縮機（１）の吐出管
（１ａ）及び吸入管（１ｂ）には夫々圧力センサ
（４），（５）が配設されており、各管（１ａ），（１
ｂ）の内圧を検出している。そして、この圧力センサ
（４），（５）によって本発明でいう軸受負荷変動推定
手段（１８）が構成されており、この各圧力センサ
（４），（５）は軸受負荷変動の１サイクル毎、つまり
クランク軸（２）の１回転毎に検出した圧力信号を更新
して出力するようになっている。このため、クランク軸
（２）の回転数の変化やトルク変動等に伴う軸受負荷の
変動パターンの変化に追従して電磁石（３），（３），
…への供給電力を調整することができるようになってい
る。そして、この各圧力センサ（４），（５）によって
検出された圧力信号は演算器（６）に入力されるように
なっている。そして、この演算器（６）内には、前記圧
力信号に基づいて前記各コイル（３ｃ），（３ｃ），…
に流れる電流を変更する増幅回路（７）（図１参照）が
備えられている。つまり、前記圧力センサ（４），
（５）によって検知された圧力に基づいて軸受負荷の変
動状態を推定するようにしているために、検出の難しい
軸受負荷を間接的に検出することができ、軸受負荷の変
動状態の推定を簡単且つ正確に行うことができるように
なっている。

【００１７】本例における各コイル（３ｃ），（３
ｃ），…に流れる電流を変更するための制御ブロックを
図４に基づいて説明すると、この制御ブロックは、補正
回路（８）、前記増幅回路（７）等を備えており、前記
圧力センサ（４），（５）の圧力信号等が補正回路
（８）に入力され、該補正回路（８）において補正され
た初期電圧信号が増幅回路（７）に入力されてコイル
（３ｃ），（３ｃ），…に流れる電流が決定されるよう
になっている。尚、この図４におけるKpは比例ゲイン、
Kiは積分ゲイン、Kdは微分ゲイン、Koはアンプゲイン、
Kmは電磁石正剛性、M は負荷質量、Keは電磁石負剛性、
Ksはセンサゲインである。

【００１８】以下、前記増幅回路（７）について図１に
基づいて説明する。この増幅回路（７）は第１及び第２
の２つの増幅器（１０），（１１）（差動増幅器）及び
第１及び第２のトランジスタ（１２），（１３）（NPN
形）を備えており、第１増幅器（１０）の正入力端子
（１０ａ）は抵抗（R1）を介して接地されている一方、
負入力端子（１０ｂ）は、前記補正回路（８）の補正信
号に基づいた初期電圧信号が抵抗（R2）を経て入力され
るようになっていると共に、抵抗（R3）を介してバイア
ス回路（１４）が接続されている。このバイアス回路
（１４）は、電源に接続された可変抵抗(VR1) を備えて
成っている。このバイアス回路（１４）は、定常バイア
スを所定値まで持上げることで前記各電磁石（３），
（３），…によってクランク軸（２）を引合う力を常時
得るようにするためのものである。更に、この第１増幅
器（１０）の負入力端子（１０ｂ）には抵抗（R4）を有
する帰還回路（１５）が接続されている。

【００１９】また、第２増幅器（１１）の正入力端子
（１１ａ）は接地されている一方、負入力端子（１１
ｂ）には、前記第１増幅器（１０）の出力端子（１０
ｃ）が抵抗（R5）を介して接続されている。また、前記
負入力端子（１１ｂ）には抵抗（R6）及びダイオード
（D1）を有する帰還回路（１６）が接続されている。

【００２０】そして、前記第１トランジスタ（１２）の
ベース端子（１２ａ）には前記第２増幅器（１１）の出
力端子（１１ｃ）が抵抗（R7）を介して接続されている
と共にコレクタ端子（１２ｂ）はダイオード（D2）及び
抵抗（R8）を介して電源に接続されている。また、該第
１トランジスタ（１２）のエミッタ端子（１２ｃ）は抵
抗（R9）を介して電流フィードバック回路（１７）に接
続されている。

【００２１】更に、前記第２トランジスタ（１３）のベ
ース端子（１３ａ）には前記第１トランジスタ（１２）
のエミッタ端子（１２ｃ）が接続されていると共に該第
２トランジスタ（１３）のエミッタ端子（１３ｃ）は抵
抗（R10 ）を介して接地されている。そして、この第２
トランジスタ（１３）のコレクタ端子（１３ｂ）には抵
抗（R11 ）を介して前記電磁石（３）のコイル（３ｃ）
に接続されており、このコイル（３ｃ）は電源に接続さ
れていると共に、該電源とコイル（３ｃ）との間はコン
デンサ（Ｃ）を介して接地されている。また、前記第１
トランジスタ（１２）のコレクタ端子（１２ｂ）は抵抗
（R12 ）を介して電源とコンデンサ（Ｃ）との間に接続
されている。

【００２２】このような構成により、前記各圧力センサ
（４），（５）の検出信号に基づいた初期電圧信号に応
じて第１及び第２トランジスタ（１２），（１３）が作
動されて、前記電磁石（３）のコイル（３ｃ）に流れる
電流を調整することによって電磁石（３）の電磁力発生
状態を変化させるようになっている。つまり、この増幅
回路（７）によって本発明でいう電力調整手段（１９）
が構成されている。そして、この作動を具体的に説明す
ると、各圧力センサ（４），（５）によって検出される
圧力信号の圧力変動状態をモニタリングし、その変動状
態に基づいて軸受負荷の時間変動周期及び軸受負荷の最
大値を推定する。そして、この推定した軸受負荷の変動
状態に対応するように、第１及び第２トランジスタ（１
２），（１３）を作動させる。これによって、軸受荷重
の変動値(dF/dc) に応じて電源電圧を設定することがで
きる。それにより、軸受荷重の変動(dF/dt) に追随して
制御量の変動(di/dt) をさせることができる。そして、
その結果、軸受負荷が小さい場合、電力消費Ｖ×Ｉを小
さく抑えることができる。

【００２３】従って、従来では、軸受負荷の時間変動が
大きいものに磁気軸受を採用しようとすると、軸受負荷
の最大値に適応した軸受能力を得るように電源出力を大
きく設定しておく必要があり無駄な消費電力を浪費する
ことになっていたが、本例の構成に構成によれば、軸受
負荷が小さい状態には、軸受能力を小さくすることによ
って、消費電力を抑制することができ、軸受負荷が変動
するような箇所への磁気軸受の採用を可能にすることが
できることになり、磁気軸受の応用範囲を大幅に拡大す
ることができる。

【００２４】（第２実施例）次に、第２実施例について
説明する。本例は、磁気軸受の制御回路及び圧縮機駆動
用回路に関し、その特徴とするところは、磁気軸受にお
ける各電磁石の制御回路及び圧縮機駆動用回路のコンパ
クト化を図ったことにある。

【００２５】以下、本例の構成について説明する。図５
に示すように、本例における電磁石制御回路（２１）及
び圧縮機駆動用回路（２２）は、夫々ＰＷＭ（パルス幅
変調）方式による制御が行われるようになっている。

【００２６】つまり、電磁石制御回路（２１）にあって
は、三角波発生器（２３）から予め設定された所定周
期、所定振幅の三角波信号が発信されており、制御回路
（２１ａ）から出力された制御信号がＰＷＭ回路（２１
ｂ）に送信され、このＰＷＭ回路（２１ｂ）において、
この制御信号と前記三角波とが比較され、その差に応じ
たパルス幅のパルス設定信号がスイッチング回路（２１
ｃ）に出力される。そして、このスイッチング回路（２
１ｃ）では、前記パルス設定信号に基づいてトランジス
タのスイッチング動作が行われ、これによって電力の増
幅が行われて、この増幅された電力が電磁石（３）のコ
イルに送られるようになっている。

【００２７】一方、圧縮機駆動用回路（２２）にあって
は、制御回路（２２ａ）から出力された制御信号がＰＷ
Ｍ回路（２２ｂ）に送信され、このＰＷＭ回路（２２
ｂ）において、上記と同様に、制御信号と前記三角波と
が比較され、その差に応じたパルス幅のパルス設定信号
がスイッチング回路（２２ｃ）に出力される。そして、
このスイッチング回路（２２ｃ）では、前記パルス設定
信号に基づいてトランジスタのスイッチング動作が行わ
れ、これによって直流電流が三相交流電流に変換されて
圧縮機駆動用モータ（２４）に送られるようになってい
る。つまり、この圧縮機駆動用回路（２２）にあっては
インバータ制御が行われていることになる。

【００２８】そして、本例の特徴とする構成としては、
電磁石制御回路（２１）及び圧縮機駆動用回路（２２）
において三角波発生器（２３）と電源（２５）とが共用
されていることにある。つまり、三角波発生器（２３）
は１つしか備えておらず、この三角波発生器（２３）で
発生された三角波は各電磁石制御回路（２１），（２
１），…のＰＷＭ回路（２１ｂ），（２１ｂ），…及び
圧縮機駆動用回路（２２）のＰＷＭ回路（２２ｂ）に夫
々送信されて各制御信号と比較されるようになってい
る。一方、電源（２５）も直流電源１つしか備えておら
ず、この直流電源（２５）から供給された電力は各電磁
石制御回路（２１），（２１），…のスイッチング回路
（２１ｃ），（２１ｃ），…及び圧縮機駆動用回路（２
２）のスイッチング回路（２２ｃ）に夫々送信され、こ
の圧縮機駆動用回路（２２）のスイッチング回路（２２
ｃ）にあっては、上述した如く三相交流に変換されるよ
うになっている。

【００２９】このように、本例の構成によれば、磁気軸
受を備えたものにおいて部品点数の低減に伴って制御回
路全体としてのコンパクト化を図ることができるばかり
でなく、生産工程の減少及びコストの低減を図ることが
できる。

【００３０】尚、本例では圧縮機の磁気軸受について述
べたが本発明はこれに限るものではなく、軸受負荷が変
動するような種々の機器に適用することができる。

【００３１】

【発明の効果】上述してきたように、本発明によれば以
下に述べるような効果が発揮される。請求項１記載の発
明によれば、軸受負荷が変動する回転軸を支承する磁気
軸受装置に対して、軸受負荷の変動状態を推定する軸受
負荷変動推定手段（１８）と、該軸受負荷変動推定手段
（１８）の出力を受け、該出力に応じて前記電磁石
（３），（３），…ヘの供給電力を調整する電力調整手
段（１９）とを備えさせるようにしたために、軸受負荷
が大きい状態の時に供給電力を大きくし軸受負荷が小さ
い状態の時に供給電力を小さくすることができて、全体
的な消費電力を抑制することができるので、軸受負荷が
変動するような箇所への磁気軸受の採用を可能にするこ
とができ、磁気軸受の応用範囲を大幅に拡大することが
できる。

【００３２】請求項２記載の発明によれば、磁気軸受に
よって圧縮機（１）の回転軸（２）を支承するようにし
たものに対して、圧力センサ（４），（５）によって、
圧縮機（１）の吸入圧及び吐出圧を検知し、この検知さ
れた圧力に基づいて軸受負荷の変動状態を推定するよう
にしたために、検出の難しい軸受負荷を間接的に検出す
ることができ、軸受負荷の変動状態の推定を簡単且つ正
確に行うことができ、安定した軸受状態を得ることがで
きる。

【００３３】請求項３記載の発明によれば、軸受負荷が
所定周期で変動されるものに対して、軸受負荷変動推定
手段（１８）によって、軸受負荷変動の１サイクル毎に
軸受負荷の変動状態を推定するようにしたために、回転
軸（２）の回転数の変化やトルク変動等に伴う軸受負荷
の変動パターンの変化に追従して電磁石（３），
（３），…への供給電力を調整することができ、これに
よっても安定した軸受状態を得ることができる。

【００３４】請求項４記載の発明の方法では、上記請求
項１記載の発明における効果と同様に、全体的な消費電
力を抑制することができるので、軸受負荷が変動するよ
うな箇所への磁気軸受の採用を可能にすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例における増幅回路を示す図である。

【図２】圧縮機の周辺構造を示す図である。

【図３】磁気軸受によるクランク軸の軸受状態を示す図
である。

【図４】磁気軸受の制御ブロック図である。

【図５】第２実施例における制御ブロック図である。

【図６】軸受負荷の時間変動状態の一例を示す図であ
る。

【図７】軸受負荷の時間変動状態の他の例を示す図であ
る。

【符号の説明】

（１） 圧縮機 （２） クランク軸（回転軸） （３） 電磁石 （４），（５） 圧力センサ （１８） 軸受負荷変動推定手段 （１９） 電力調整手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉見 学 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内 (72)発明者 渕上 博 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸受負荷が変動する回転軸（２）に対し
   て同心円上に複数配置された電磁石（３），（３），…
   を備え、該電磁石（３），（３），…の電磁力によって
   前記回転軸（２）を非接触状態で支承するようにした磁
   気軸受装置であって、 軸受負荷の変動状態を推定する軸受負荷変動推定手段
   （１８）と、 該軸受負荷変動推定手段（１８）の出力を受け、該出力
   に応じて前記電磁石（３），（３），…ヘの供給電力を
   調整する電力調整手段（１９）とを備えていることを特
   徴とする磁気軸受装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の磁気軸受装置において、
   電磁石（３），（３），…は、圧縮機（１）の回転軸
   （２）に対して同心円上に複数配置されており、軸受負
   荷変動推定手段（１８）は、圧縮機（１）の吸入圧及び
   吐出圧を検知する圧力センサ（４），（５）を備えて成
   っていることを特徴とする磁気軸受装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の磁気軸受装置に
   おいて、軸受負荷は所定周期で変動されるようになって
   おり、軸受負荷変動推定手段（１８）は、軸受負荷変動
   の１サイクル毎に軸受負荷の変動状態を推定するように
   なっていることを特徴とする磁気軸受装置。
4. 【請求項４】 軸受負荷が変動する回転軸（２）に対し
   て同心円上に複数の電磁石（３），（３），…が配置さ
   れており、該電磁石（３），（３），…の電磁力によっ
   て前記回転軸（２）を非接触状態で支承する磁気軸受の
   制御方法であって、 軸受負荷の変動状態を推定し、この推定値に基づいて前
   記電磁石（３），（３），…ヘの供給電力を調整するこ
   とを特徴とする磁気軸受の制御方法。