JPH07279962A - 磁気軸受式回転装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 停電時に回転体がタッチダウンしても、短時
間の内に回転体の回転を停止させる磁気軸受式回転装置
を提供する。 【構成】 通電中は駆動制御回路用電源６０の出力でリ
レー６１を動作させ、ブレーク接点６１ａを開放状態に
すると共に、コンデンサ６３に電荷を蓄えておく。そし
て、停電時には駆動制御回路用電源の出力はなくなるの
でリレーはオフとなり、接点は接続状態となる。する
と、それまでコンデンサ６３に蓄えられていた電荷が、
ダイオード６５ａ〜６５ｃを介してトランジスタ４３
ｂ、４３ｄ、４３ｆのゲートに印加される。トランジス
タがオンとなり、モータの３相巻線がトランジスタ等を
介して短絡され、電気的制動作用が働く。その結果、タ
ッチダウンした回転体の回転が短時間で停止し、保護ベ
アリングの回転回数が少なくなり、保護ベアリングの寿
命を延ばすことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気軸受式回転装置に
係り、例えば、回転中の磁気軸受式ターボ分子ポンプ等
が停電時にタッチダウンする際に、保護ベアリングが破
壊しないようにした磁気軸受式回転装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、磁気軸受式回転装置では、回転体
の高速回転中に停電した場合のバックアップ用電源とし
て、バッテリを装備するのが一般的であった。そして、
停電時には、このバッテリの電力によって回転体の磁気
浮上を継続させると共に、インバータでブレーキ動作を
行い、回転体の回転を停止させるようにしていた。

【０００３】しかし、近年、例えば磁気軸受式ターボ分
子ポンプなどでは、バックアップ用電源としてのバッテ
リを使用せず、停電時には回転体の回転エネルギをモー
タ駆動装置側に回生して磁気軸受の電源とすることによ
り、回転体の磁気浮上を継続する方式（以下、バッテリ
レス方式と呼ぶ）が主流となりつつある。

【０００４】バッテリレス方式では、回転体の回転エネ
ルギが回生されると共に回転体の回転数は低下し、回転
数の低下と共に回生される電力が減少する。そして、回
生電力が磁気浮上に必要な電力を下回った時点で、磁気
軸受の磁気浮上動作の継続が不可能となり、回転体は保
護ベアリング上に降下する（以下、タッチダウンと呼
ぶ）。

【０００５】一方、バッテリレス方式において、停電時
に磁気軸受が動作不可能となる回転数は、定格回転数の
１／３〜１／５程度である。そして、回転体が保護ベア
リング上にタッチダウンしたときの回転エネルギは、殆
ど保護ベアリングの機械的摩擦による熱エネルギとして
消費され、数分〜数１０分で回転は停止する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
如く数分〜数１０分にわたって保護ベアリング上で回転
体が回転すると、回転体の重量により保護ベアリングが
激しく磨耗する。この激しい磨耗のために、場合によっ
ては数１０回の停電時における回転体のタッチダウンに
より保護ベアリングが破壊したり、或いは、保護ベアリ
ングを構成するボールの磨耗によって生じたベアリング
のがたつきによって、例えばターボ分子ポンプの回転翼
と固定翼とが接触し、破壊するおそれがあった。

【０００７】そこで、本発明の目的は、回転体の高速回
転中に停電になり回転体がタッチダウンした場合に、短
時間で回転を停止させる磁気軸受式回転装置を提供する
ことである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、直流供給手段と、この直流供給手段からの供給電流
によりモータの回転体を磁気浮上させる電磁石と、この
電磁石の発生磁界を制御して前記回転体の位置制御を行
う磁気軸受制御手段と、前記直流供給手段からの供給電
流を、モータの回転体を回転させる回転磁界形成用の交
流に変換する電力変換手段と、前記直流供給手段による
給電の停止を検出し、前記電力変換手段から交流が供給
されるモータの巻線を短絡させる短絡手段とを備えて、
前記目的を達成する。

【０００９】請求項２記載の発明では、前記電力変換手
段は、前記モータの巻線への電流供給を制御するスイッ
チング素子を有してなり、前記短絡手段は、前記直流供
給手段の出力側に並列接続された継電器およびコンデン
サと、前記継電器とコンデンサとの接続点に一端が接続
され、他端が前記スイッチング素子の導通を制御する導
通制御部に接続された前記継電器のブレーク接点とを備
えて、前記目的を達成する。

【００１０】請求項３記載の発明では、前記直流供給手
段と継電器との間に配置され、前記磁気軸受制御手段が
給電されている場合には前記直流供給手段と継電器とを
接続させ、前記磁気軸受制御手段が給電停止されている
場合には前記直流供給手段と継電器とを非接続とさせる
開閉手段を備えて、前記目的を達成する。

【００１１】

【作用】請求項１記載の磁気軸受式回転装置では、電磁
石は、直流供給手段から直流を供給されてモータの回転
体を磁気浮上させる。磁気軸受制御手段は、磁気浮上さ
れた回転体の位置制御を行う。電力変換手段は、直流供
給手段から供給された直流をモータの回転体を回転させ
る回転磁界形成用の交流に変換する。短絡手段は、直流
供給手段による給電の停止を検出して、モータの巻線を
短絡する。

【００１２】そして、給電停止時にモータの巻線が短絡
状態のまま回転体が回転を継続すると、モータは発電機
として作用し、モータの回転体は電気的制動作用を受け
る。従って、給電停止時には、回転体は電気的制動作用
により短時間の内に回転を停止するので、保護ベアリン
グの寿命を延ばすことができる。

【００１３】請求項２記載の磁気軸受式回転装置では、
電力変換手段をなすスイッチング素子にはモータの巻線
が接続されている。継電器は直流供給手段の出力側に接
続されているので、直流供給手段の給電の有無を検出す
る。継電器の接点は、ブレーク接点なので、給電時には
その接点が開放され、コンデンサはスイッチング素子と
は非接続状態になる。従って、コンデンサには、直流供
給手段からの給電時に電荷が蓄えられる。

【００１４】一方、給電停止時には継電器に給電されな
いので、ブレーク接点は接続状態になり、コンデンサに
蓄えられた電荷がスイッチング素子の導通制御部に供給
される。従って、モータの巻線は、スイッチング素子を
介して短絡される。請求項３記載の磁気軸受式回転装置
では、開閉手段が直流供給手段と継電器との間に配置さ
れている。開閉手段は、磁気軸受制御手段が給電されて
いる場合には直流供給手段と継電器とを接続させ、磁気
軸受制御手段が給電停止されている場合には直流供給手
段と継電器とを非接続とさせる。

【００１５】従って、磁気軸受制御手段への給電が停止
されると、直ちにブレーク接点が接続状態になり、コン
デンサに蓄えられた電荷によりスイッチング素子が導通
し、モータの巻線が短絡される。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の磁気軸受式回転装置における
実施例を図１ないし図６を参照して詳細に説明する。図
１は、本実施例を適用するバッテリレス方式の磁気軸受
システムの全体構成を示すブロック図である。

【００１７】図１に示すように、交流電源１は、「直流
供給手段」としての整流回路２の入力側に接続され、整
流回路２の出力側には２本の電源線Ｌa1、Ｌb1が接続さ
れている。２本の電源線Ｌa1、Ｌb1は、平滑用コンデン
サ３を介して単相電力を３相電力に変換する「電力変換
手段」としてのモータ駆動主回路４の入力側に接続され
ている。モータ駆動主回路４の出力側からは３相電力が
出力され、その出力は、磁気軸受式回転装置ＭＢを構成
するＤＣブラシレスモータのモータ巻線ＭＣに接続され
ている。

【００１８】また、整流回路２の出力側の２本の電源線
Ｌa1、Ｌb1は、直流安定化電源回路５の入力側に接続さ
れている。直流安定化電源回路５の出力側には、２本の
電源線Ｌa2、Ｌb2が接続されている。２本の電源線Ｌa
2、Ｌb2は、モータ駆動制御回路６に接続されると共
に、磁気軸受式回転装置ＭＢの磁気軸受巻線ＢＣに電力
を供給して回転体の位置制御を行う「磁気軸受制御手
段」としての磁気軸受制御回路７に接続されている。モ
ータ駆動制御回路６の出力側は、モータ駆動主回路４の
制御用の入力端子に接続されている。

【００１９】次に、第１実施例と第２実施例を説明す
る。なお、これらの実施例は、図１に示したモータ駆動
主回路４とモータ駆動制御回路６との回路構成が相違す
るのみであり、その他の部分は同一である。 （１）第１実施例 本実施例は、通電中にコンデンサに蓄えた電荷を、停電
時にＮ・ＭＯＳトランジスタのゲートに加えてこのＮ・
ＭＯＳトランジスタをオンさせ、モータ巻線ＭＣを短絡
して電気的制動作用を行わせる場合である。

【００２０】図２は、モータ駆動主回路４の具体的な構
成のモータ駆動主回路４Ａを示す回路図であり、図３
は、同様にモータ駆動制御回路６Ａを示す回路図であ
る。図２に示すように、２本の電源線Ｌa1、Ｌb1間に
は、抵抗４１とトランジスタ４２からなる直列回路が接
続されている。抵抗４１は、停電に伴う回転体の減速時
に、ＤＣブラシレスモータから回生されるエネルギを消
費させるための回生抵抗であり、回生されるエネルギ量
と抵抗４１で消費されるエネルギ量が等しくなるように
トランジスタ４２がオン・オフ制御される。

【００２１】また、２本の電源線Ｌa1、Ｌb1間には、ト
ランジスタ４３ａと４３ｂとからなる直列回路と、トラ
ンジスタ４３ｃと４３ｄとからなる直列回路と、トラン
ジスタ４３ｅと４３ｆとからなる直列回路とが、それぞ
れ接続されている。各トランジスタ４２、４３ａ〜４３
ｆは、Ｎ・ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴ（絶縁ゲートバ
イポーラモードトランジスタ）等のパワートランジスタ
が使用され、各トランジスタ４２、４３ａ〜４３ｆのソ
ース・ドレイン間には回生電流パス用のダイオード４４
ａ〜４４ｇが接続されている。また、各トランジスタ４
３ａと４３ｂ、４３ｃと４３ｄ、４３ｅと４３ｆのそれ
ぞれの接続点は、モータ巻線ＭＣに接続されている。

【００２２】トランジスタ４３ｂ、４３ｄ、４３ｆのそ
れぞれのゲートは、図３に示すモータ駆動制御回路６Ａ
の符号Ａ、Ｂ、Ｃで示す部分に接続されている。図３に
示すように、駆動制御回路用電源６０の入力側は、直流
安定化電源回路５の２本の電源線Ｌa2、Ｌb2に接続さ
れ、駆動制御回路用電源６０は直流安定化電源回路５の
出力電圧を、リレー駆動用の電圧に変換する。駆動制御
回路用電源６０の出力側の＋端子と−端子間には、交流
電源１の通電中に動作する「短絡手段」をなすリレー６
１が接続され、更に＋側端子は直流阻止用のダイオード
６２を介してリレー６１の「短絡手段」をなすブレーク
接点６１ａの一方の端子に接続されている。

【００２３】交流電源１の通電時にはリレー６１に通電
されるので、ブレーク接点６１ａは開放状態となり、交
流電源１の停電時には接続状態となる。ダイオード６２
のカソードとブレーク接点６１ａの一方の端子間には、
「短絡手段」をなすコンデンサ６３の＋側端子が接続さ
れ、このコンデンサ６３の−側端子は駆動制御回路用電
源６０の−側出力端子に接続されると共に、接地されて
いる。

【００２４】ブレーク接点６１ａの他方の端子は、直流
阻止用のダイオード６５ａ、６５ｂ、６５ｃのそれぞれ
のアノードに接続され、各ダイオード６５ａ、６５ｂ、
６５ｃのカソードは、図２に示した各トランジスタ４
２、４３ａ〜４３ｆのゲートを所定のタイミングで制御
駆動するゲート駆動回路６４に接続されている。

【００２５】次に、以上のように構成された第１実施例
の動作を説明する。 交流電源の通電時 この場合は、モータ駆動主回路４Ａおよびモータ駆動制
御回路６Ａを含め、図１に示す全ての部分に電力が供給
可能になっている。

【００２６】そして、図３に示すリレー６１には駆動制
御回路用電源６０から所定の直流電圧が印加され、リレ
ー６１はオンになり、ブレーク接点６１ａは開放状態と
なる。従って、コンデンサ６３には駆動制御回路用電源
６０から直流電圧が印加され、充電される。

【００２７】また、モータ駆動主回路４Ａの各トランジ
スタ４２、４３ａ〜４３ｆは、モータ駆動制御回路６Ａ
に示すゲート駆動回路６４から出力されるゲート信号に
よって所定のタイミングでオン・オフ制御される。更
に、磁気軸受制御回路７からは、磁気浮上用の電流が磁
気軸受巻線ＢＣに供給される。従って、磁気軸受式回転
装置ＭＢを構成するＤＣブラシレスモータの回転体（ロ
ータ）は、所定の速度で高速回転される。

【００２８】交流電源の停電時 磁気軸受式回転装置ＭＢの高速回転中に停電が発生した
場合、ＤＣブラシレスモータは直ちに減速し始める。減
速時に回生される電力の一部は、モータ駆動主回路４Ａ
を介して直流安定化電源回路５に供給され、それによっ
て停電時でもモータ駆動制御回路６Ａや磁気軸受制御回
路７は、動作を継続し、回転体は保護ベアリング上にタ
ッチダウンすることなく回転を継続する。

【００２９】また、停電時であっても回生エネルギによ
って磁気軸受式回転装置ＭＢが動作している間、駆動制
御回路用電源６０が動作し、リレー６１のブレーク接点
６１ａは開放状態のままであり、コンデンサ６３の充電
は継続される。やがて、ＤＣブラシレスモータの回転数
が低下し、回生電力が磁気軸受制御回路７とモータ駆動
制御回路６Ａとにおいて消費される電力より小さくなっ
たとき、直流安定化電源回路５は動作を停止し、回転体
は保護ベアリング上にタッチダウンする。

【００３０】このとき図３に示す駆動制御回路用電源６
０も動作を停止するのでリレー６１はオフとなり、ブレ
ーク接点６１ａは接続状態に回復する。このブレーク接
点６１ａの接続により、それまでコンデンサ６３に蓄え
られていた電荷が、ブレーク接点６１ａ、ダイオード６
５ａ〜６５ｃを介してトランジスタ４３ｂ、４３ｄ、４
３ｆをオンにするので、ＤＣブラシレスモータの３相コ
イルが短絡される。

【００３１】このとき、ＤＣブラシレスモータは発電機
として作用し、回転エネルギはモータ巻線抵抗及びケー
ブル抵抗などで消費され、すみやかに減速する。従っ
て、保護ベアリングを長時間に渡って回転させることが
ないので、保護ベアリングを磨耗させることがない。

【００３２】ここに、トランジスタ４３ｂ、４３ｄ、４
３ｆには、前述の如くＦＥＴ或いはＩＧＢＴが用いられ
ているので、ゲート漏れ電流が極めて少なく、回転体が
停止するまでの間トランジスタ４３ｂ、４３ｄ、４３ｆ
のオン状態を継続することができる。

【００３３】また、コンデンサ６３の充電電圧を１２
Ｖ、ＦＥＴのゲート漏れ電流を１００ｎＡとし、ＦＥＴ
に１０Ｖ以上の電圧を５分以上供給するために必要なコ
ンデンサ６３の容量は、次式で求めることができる。 １００×１０^-9×３×５×６０／２＝４５×１０^-6Ｆ 従って、コンデンサ６３としては、余裕を見て１００μ
Ｆ程度の電解コンデンサを使用すればよい。

【００３４】第１実施例におけるモータ駆動制御回路
の変形例 ところで、停電となり、図１に示す磁気軸受制御回路７
への給電が停止されると、磁気軸受巻線ＢＣへの給電も
停止される。一方、停電になっても、磁気軸受式回転装
置全体には電源回路周辺のコンデンサ等には未だ電荷が
残存している可能性がある。従って、前述の如く停電に
なって磁気軸受制御回路７への給電が停止されても、駆
動制御回路用電源６０からはリレー６１をオンにさせる
電流が継続して供給される可能性がある。よって、停電
になったにも拘らず、図３に示すモータ駆動制御回路６
Ａが動作せず、ＤＣブラシレスモータの３相コイルが短
絡されない場合がある。従って、電気的制動作用が働か
ないので、回転体のタッチダウン後に、長時間回転体が
回転を継続するおそれがある。

【００３５】このような不都合を回避する手段として、
図４に示すモータ駆動制御回路６Ｂが好適である。図４
に示すように、駆動制御回路用電源６０とリレー６１と
の間に、開閉回路６６を配置する。この開閉回路６６
は、通電中に閉じており、停電となり磁気軸受制御回路
７が停止した場合には開く。

【００３６】このように構成すれば、磁気軸受制御回路
７が停止すると開閉回路６６が開くので、リレー６１が
オフになり、ブレーク接点６１ａが接続される。このブ
レーク接点６１ａの接続により、コンデンサ６３に蓄え
られた電荷がトランジスタ４３ｂ、４３ｄ、４３ｆをオ
ンにするので、モータの３相が短絡される。

【００３７】よって、ＤＣブラシレスモータは発電機と
して作用し、タッチダウンした回転体は保護ベアリング
を長時間に渡って回転させることがないので、保護ベア
リングを磨耗させることがない。 （２）第２実施例 本実施例は、通電中にコンデンサに蓄えた電荷を、停電
時にＰ・ＭＯＳＦＥＴのゲートに加えてこのＰ・ＭＯＳ
ＦＥＴをオンさせ、モータ巻線ＭＣを短絡する場合であ
る。

【００３８】図５は、第２実施例のモータ駆動主回路４
Ｂの回路図であり、図６は、第２実施例のモータ駆動制
御回路６Ｃの回路図である。本実施例は、トランジスタ
４５ａ〜４５ｃにＰ・ＭＯＳＦＥＴを使用し、ダイオー
ド６６、６８ａ〜６８ｃの方向を逆にした場合である。

【００３９】このように構成しても、第１実施例と同様
に、通電中にはダイオード６６を介して駆動制御回路用
電源５２からコンデンサ６７に電流供給され、コンデン
サ６７に電荷が蓄えられる。そして、停電時には、コン
デンサ６７に蓄えられた電荷によりトランジスタ４５
ａ、４５ｃ、４５ｅが導通されて３相のモータ巻線が短
絡される。従って、ＤＣブラシレスモータは発電機とし
て作用し、タッチダウンした回転体は保護ベアリングを
長時間に渡って回転させることがないので、保護ベアリ
ングを磨耗させることがない。

【００４０】なお、第２実施例においても、図４に示し
たのと同様の開閉回路６６を駆動制御回路用電源６０と
リレー６１との間に備えれば、第１実施例と同様の効果
を上げることができる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の発明
によれば、短絡手段は、直流供給手段による直流の供給
停止を検出してモータの巻線を短絡しているので、直流
の供給が停止されると、モータは発電機として作用し、
モータの回転体は電気的制動作用を受ける。従って、給
電停止時には、回転体は電気的制動作用により短時間の
内に回転を停止するので、保護ベアリングの寿命を延ば
すことができる。

【００４２】また、請求項２記載の発明では、スイッチ
ング素子を介してモータの巻線への電流供給を制御し、
短絡手段として継電器とこの継電器のブレーク接点とコ
ンデンサとを用いて、給電停止時には、回転体は電気的
制動作用により短時間の内に回転を停止する。

【００４３】請求項３記載の発明では、開閉手段は、磁
気軸受制御手段が給電停止されている場合には直流供給
手段と継電器とを非接続とさせるので、直ちにブレーク
接点が接続状態になり、コンデンサに蓄えられた電荷に
よりスイッチング素子が導通され、モータの巻線が短絡
される。

【００４４】従って、磁気軸受式回転装置を構成する電
源回路のコンデンサ等に、停電時に電荷が残っていて
も、直ちにモータの回転体は電気的制動作用を受ける。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の全体構成を示すブロック図で
ある。

【図２】同上、モータ駆動主回路の第１実施例の回路図
である。

【図３】同上、モータ駆動制御回路の第１実施例の回路
図である。

【図４】同上、モータ駆動制御回路の第１実施例の変形
例の回路図である。

【図５】同上、モータ駆動主回路の第２実施例の回路図
である。

【図６】同上、モータ駆動制御回路の第２実施例の回路
図である。

【符号の説明】

ＭＢ 磁気軸受装置 ＭＣ 磁気軸受装置のモータ巻線 １ 交流電源 ２ 整流回路（直流供給手段） ４ モータ駆動主回路（電力変換手段） ４Ａ 第１実施例のモータ駆動主回路 ４Ｂ 第２実施例のモータ駆動主回路 ５ 直流安定化電源回路 ６ モータ駆動制御回路 ６Ａ 第１実施例のモータ駆動制御回路 ６Ｂ 第２実施例のモータ駆動制御回路 ７ 磁気軸受制御回路 ４１ 回生抵抗 ４２、４３ａ〜４３ｆ Ｎ・ＭＯＳトランジスタ ４５ａ〜４５ｃ Ｐ・ＭＯＳトランジスタ ６０ 駆動制御回路用電源 ６１ リレー（検出手段） ６１ａ リレーのブレーク接点（検出手段） ６３ コンデンサ（検出手段） ６６ 開閉回路（開閉手段）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流供給手段と、 この直流供給手段からの供給電流によりモータの回転体
   を磁気浮上させる電磁石と、 この電磁石の発生磁界を制御して前記回転体の位置制御
   を行う磁気軸受制御手段と、 前記直流供給手段からの供給電流を、モータの回転体を
   回転させる回転磁界形成用の交流に変換する電力変換手
   段と、 前記直流供給手段による給電の停止を検出し、前記電力
   変換手段から交流が供給されるモータの巻線を短絡させ
   る短絡手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受式回転
   装置。
2. 【請求項２】 前記電力変換手段は、前記モータの巻線
   への電流供給を制御するスイッチング素子を有してな
   り、 前記短絡手段は、前記直流供給手段の出力側に並列接続
   された継電器およびコンデンサと、前記継電器とコンデ
   ンサとの接続点に一端が接続され、他端が前記スイッチ
   ング素子の導通を制御する導通制御部に接続された前記
   継電器のブレーク接点とを備えたことを特徴とする請求
   項１記載の磁気軸受式回転装置。
3. 【請求項３】 前記直流供給手段と継電器との間に配置
   され、前記磁気軸受制御手段が給電されている場合には
   前記直流供給手段と継電器とを接続させ、前記磁気軸受
   制御手段が給電停止されている場合には前記直流供給手
   段と継電器とを非接続とさせる開閉手段を備えたことを
   特徴とする請求項２記載の磁気軸受式回転装置。