JPH11257352A - 磁気軸受及びそれを搭載した回転機械並びに回転機械の運転方法 - Google Patents

磁気軸受及びそれを搭載した回転機械並びに回転機械の運転方法

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JPH11257352A
JPH11257352A JP10062521A JP6252198A JPH11257352A JP H11257352 A JPH11257352 A JP H11257352A JP 10062521 A JP10062521 A JP 10062521A JP 6252198 A JP6252198 A JP 6252198A JP H11257352 A JPH11257352 A JP H11257352A
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直彦 高橋
Tsunehiro Endo
常博 遠藤
Haruo Miura
治雄 三浦
Minoru Yoshihara
稔 吉原
Yasuo Fukushima
康雄 福島
Kazuki Takahashi
一樹 高橋
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】センサレス直流ブラシレスモータを用いた回転
機械において、磁気軸受もセンサレス化することによ
り、安価でかつ安定に高速回転可能にする。 【解決手段】モータの端子電圧Va,Vb,Vcをモータ相電流
信号Ia,Ib,Icを用いて位相補正器８において補正する。
この時端子電圧は、積分器６及び比較器７を経ることに
よりデューティ比１のＯＮ／ＯＦＦ信号となり、永久磁
石回転子が回転して発生した誘起電圧に基づく回転信号
が得られ、回転センサーが不要となる。一方、位相補正
器からの出力は、１パルス／回転の出力信号TTとして、
ＰＬＬ回路に入力される。ＰＬＬ回路は、位相比較器
９、ロウ・パス・フィルタ１０、発振器１１、カウンタ
１２を有し、信号ＴＴを分周する。ＲＯＭ５ａ，５ｂに
は正弦波等が分周された信号位置毎に記憶され、分周さ
れた信号毎に磁気軸受の不釣り合い振動を制御してい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は磁気軸受及びそれを
搭載した回転機械に係り、特に直流ブラシレスモータを
駆動源にしたときに好適な磁気軸受及びそれを搭載した
回転機械並びにその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】直流モータで駆動される高速の回転機械
においては、ブラシから摩耗粉等が発生して作動ガスに
悪影響を及ぼすのを防止するため、及びメンテナンス周
期を伸ばすために、ブラシレスモータが多用される。ブ
ラシレスモータでは、モータの磁極位置と通流すべき巻
線の位置とを密接に関係づける必要がある。ところで、
モータの出力トルクはロータの磁極が発生する磁束とス
テータの巻線に流す電流との相互作用によって発生す
る。このためブラシレス直流モータでは、ロータの磁極
から発生する磁束が最大となる位置付近に存在する相の
巻線に電流を流すことが望ましい。また、ブラシレス直
流モータでは、ロータの磁極位置の回転にしたがって、
電流を流す相を時々刻々切換えている。そして、相切換
えである転流のタイミングが最大トルク発生のために重
要であり、回転位置センサーを用いてロータの磁極位置
を検出している。この回転位置センサから得られた回転
位置情報に基づいて、モータ電流の基本波位相と相誘起
電圧とが同相になるようにドライブ信号を作成し、モー
タの運転を制御している。
【０００３】正確な転流タイミングを得るためには、回
転位置の情報が必要であることは上述した通りである
が、永久磁石回転子が回転することにより発生する誘起
電圧によりロータの回転位置を知ることができ、特別に
回転位置センサーを設ける必要が無くなる。この方法に
よれば、電動機の回転系を小型化でき、また、低コスト
になるという利点があるので、種々の提案がなされてい
る。この一例が、特開平９−２６６６９０号公報、特開
平９−５６１９２号公報、特開平９−２９４３９１号公
報、特開平１０−２３７８３号公報等に記載されてい
る。
【０００４】ところで、潤滑油を使用しないという利点
から、高速のターボ圧縮機のロータを支持するのに磁気
軸受が使用されることがある。磁気軸受式のターボ圧縮
機では、ロータを電磁力により空中に浮上させて支持し
ているが、電磁力を発生する能動型の磁気軸受ではロー
タ位置を制御するために径方向の変位を測定している。
そして、この測定した径方向変位を用いていわゆるＰＩ
Ｄ制御（比例、積分、微分制御を組合わせた制御）して
いる。
【０００５】このように磁気軸受を回転機械に搭載する
場合、高速ロータでは、時には数次の危険速度を超えて
運転されることもあり、ロータの振動問題が浮上してく
る。特に高速回転では、不釣り合いにより励起される振
動を抑制することが危険速度を超える鍵である。そのた
め、ロータの回転周波数に一致した加振力を磁気軸受で
発生させ、不釣り合い力に対するカウンター力として作
用させ、危険速度を超えた運転を可能にしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】直流ブラシレスモータ
を使用した磁気軸受で支持される回転機械では、モータ
の転流をタイミングよく行うために回転位置情報が必要
であり、これまではエンコーダやレゾルバ等の回転位置
センサが用いられてきた。しかしながら、上述したよう
に誘起電圧を用いても回転位置検出が可能であるので、
近年誘起電圧を用いて回転位置情報についてはセンサレ
ス化が図られている。
【０００７】例えば120°通電型直流ブラシレスモータ
においては、モータ電流が流れない状態でロータを回転
させると、永久磁石回転子が回転することにより誘起電
圧が発生し、この発生した誘起電圧がモータの巻線端子
にそのまま現れる。誘起電圧はロータの回転に完全に同
期しているから、この誘起電圧を積分すると誘起電圧位
相より位相が90度シフトした信号が得られる。コンパレ
ータを用いて、この信号のゼロクロス点でトリガをかけ
ると、180°毎にON/OFF、OFF/ONするパルス信号が得ら
れる。したがって、この信号を回転位置信号として用い
ることができる。なお、このような通電は、ブラシレス
モータが有する各巻線毎、すなわち３相分実施される。
【０００８】次に、モータのドライバ信号を上記回転位
置信号のON/OFFに同期して発生し、モータを駆動する。
理論的にはこのような方法でモータの駆動信号を作るこ
とができるが、モータに電流が流れると、モータのイン
ダクタンス成分のために端子電圧と誘起電圧とは位相が
一致しなくなる。しかも、この位相差はモータ電流に応
じて変化する。そこで、モータ電流の強弱に応じて回転
位置信号の位相を補正している。ブラシレスモータで
は、このような方法により回転位置センサを不要として
おり、上記各公報には、その具体的方法が詳細に記載さ
れている。
【０００９】一方、磁気軸受を搭載した回転機械、特に
危険速度を超えて運転される高速のスーパクリティカル
の回転機械では、危険速度を超えるために不釣り合いに
起因する振動を解決する必要がある。そのため、磁気軸
受を用いたときには、ロータの回転速度に対応したデー
タが必要となり、磁気軸受制御系用として依然回転位置
センサあるいは回転速度センサが用いられている。高速
ロータに回転角センサーを新たに取付けると、ロータの
軸方向長さが長くなり、危険速度の低下という事態を生
じる。そこで、回転数または回転角センサーを新たに設
けることなく、回転機械の有する回転変位に関する情報
を加工して用いることが望まれている。しかしながら、
上記各公報のいずれもこの点については考慮されておら
ず、軸受部をも含めた回転機械全体の小型化、高速化、
低廉化及び高信頼性化等については、これまで十分には
配慮されていなかった。
【００１０】本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなさ
れたものであり、その目的は磁気軸受により支持される
高速回転機械に係り、位置センサを不要とした安価な磁
気軸受及びそれを搭載した回転機械を提供することにあ
る。◆本発明の他の目的は、位置センサを不要として振
動力学的に安定な磁気軸受及びそれを搭載した回転機械
を提供することにある。◆本発明のさらに他の目的は、
位置センサを不要としてコンパクトな磁気軸受及びそれ
を搭載した回転機械を提供することにある。◆本発明の
さらに他の目的は、位置センサを不要とした長寿命で高
信頼性の磁気軸受及びそれを搭載した回転機械を提供す
ることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の第１の特徴は、直流ブラシレスモータで駆動
されるロータを回転支持する磁気軸受であって、モータ
の誘起電圧に基づく回転位置信号を入力し、この回転位
置信号を分周して磁気軸受の制御信号を発生する磁気軸
受制御回路を設けたものである。そして好ましくは、直
流ブラシレスモータは３相の巻線を有し、前記誘起電圧
はこの３相の巻線の各巻線の端子電圧と各巻線を流れる
相電流値とを用いて得られる、または、前記直流ブラシ
レスモータは３相の巻線を有し、前記回転位置信号はこ
のモータの各巻線の端子電圧と前記誘起電圧との位相差
から得られるものである。
【００１２】上記目的を達成するための本発明の第２の
特徴は、ロータと、このロータを回転駆動する直流ブラ
シレスモータとを備え、前記ロータを回転自由に支承す
る一対のラジアル磁気軸受が搭載された回転機械におい
て、前記モータを制御するモータ制御回路と、このモー
タ制御回路に設けられ前記ロータの回転位置を検出する
手段と、この回転位置信号に応じて前記磁気軸受に制御
電圧を印加する磁気軸受制御回路とを設けたたものであ
る。
【００１３】そして好ましくは、前記モータ制御回路
は、前記モータが備える３相の巻線の端子電圧と、この
巻線を流れるモータ相電流とから端子電圧と誘起電圧と
の位相差を求め、この位相差に基づき回転位置信号を出
力する、または前記磁気軸受制御回路は、モータ制御回
路から出力される回転位置信号を分周し、この分周され
たタイミング毎に制御電圧を前記磁気軸受に印加するも
のである。また好ましくは、前記回転位置信号は、ロー
タの１回転周期当たり１回または６回発生されるもので
ある。
【００１４】上記目的を達成するための本発明の第３の
特徴は、永久磁石回転子を有する直流ブラシレスモータ
のロータと、このロータの両軸端部に取付けられた遠心
羽根車とを有し、前記ロータを回動自在に支承する一対
のラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受とが搭載され、
これらラジアル磁気軸受及びスラスト磁気軸受を制御す
る磁気軸受制御手段を備えた回転機械において、前記ロ
ータを回転駆動する３相の巻線に誘起される誘起電圧を
巻線に流れる巻線電流と巻線の端子電圧に基づき求め、
ロータの１回転当たり１パルスの信号を発生して回転信
号とする回転位置検出手段を設けるとともに、前記磁気
軸受制御手段にこの回転位置検出手段が発生した回転信
号を入力する手段を設けたものである。
【００１５】上記目的を達成するための本発明の第４の
特徴は、永久磁石回転子を有するモータにより駆動さ
れ、磁気軸受により前記ロータが回転支承される回転機
械の運転方法において、永久磁石回転子が回転して発生
したモータ誘起電圧から回転子の回転に同期したパルス
信号を得て回転子の回転位置を同定し、該パルス信号を
フェーズ・ロックド・ループにおいて分周して回転位置
をさらに詳細に同定し、同定された詳細な回転位置に対
応させた正弦関数及び余弦関数を用いて前記磁気軸受に
軸受電磁力を発生させるものである。
【００１６】そして好ましくは、前記磁気軸受に、ロー
タに作用する不釣り合い力をフィードフォワードで相殺
する軸受電磁力を発生させるステップを含む、あるい
は、前記磁気軸受に、ロータに作用する不釣り合い力を
フィードバックで相殺する軸受電磁力を発生させるステ
ップを含むものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】小流量用とのターボ圧縮機では効
率を上げるために、高速回転が必要とされる。そのた
め、モータに羽根車を直結して１段あるいは２段の圧縮
機とすると、必然的にモータは高速にスイッチングする
インバータを必要とする。高速用のモータとしては、誘
導モータ、リラクタンスモータあるいは直流ブラシレス
モータがある。この中で、効率及び力率を考慮して直流
ブラシレスモータが多く採用される。このような高速回
転機械の回転軸を支持するのには気体軸受あるいは磁気
軸受が好適であるが、軸振動を効果的に抑制できる点で
磁気軸受が優れている。
【００１８】直流モータでは永久磁石回転子の磁極位
置、すなわちＮ極とＳ極に合わせて、電流を流す相を切
り替えて回転トルクを得ている。基本的にはモータ電流
の基本波位相と回転子が回転することで発生する相誘起
電圧とが同相になることが望ましい。ところで、ブラシ
付きモータでは、電流はブラシによって自動的に切り替
えられ、制御回路が簡単であるという長所を有するもの
の、ブラシ部における摺動は高速回転に不向きであり、
メンテナンス性が良くないという短所がある。
【００１９】一方、ブラシレスモータはブラシが無いの
で、センサーを用いて回転軸の回転位置を検出し、電流
を流す相を切り替えている。このため、摺動部が無い。
小流量用のターボ圧縮機は高速回転するから、ブラシレ
スモータが採用されることが多く、ブラシレスモータに
必要な回転位置センサーには高速動作が、回転子側部品
には遠心力に十分耐えられる強度が要求されている。モ
ータ軸端に羽根車を取り付けた圧縮機、特にモータ軸両
端に羽根車がついた２段圧縮機では、軸剛性の向上が余
り望めないので、３次の危険速度以上で運転されること
が多い。このような遠心圧縮機に用いる磁気軸受は、危
険速度通過時の軸振動を抑制できることが求められる。
能動型の磁気軸受では吸引力をうまく調節して軸を浮上
させる。
【００２０】危険速度を通過するためには、不釣り合い
力を打ち消す軸受電磁力を発生させればよい。そこで、
何らかの方法により不釣り合い力の大きさと方向または
位相を求める。不釣り合い力は回転周波数に等しい周波
数を持つ周期外乱であるから、この外乱と逆位相になる
制限波加振命令を磁気軸受の制御命令に加算する。これ
はフィードフォワード型の不釣り合い振動抑制法であ
る。
【００２１】また、不釣り合い力と不釣り合い振動振動
変位との位相差は、一般に危険速度においては９０°に
なるから、径方向の変位信号から回転周波数の周波数成
分だけを抽出し、それに位相進みを９０°施してフィー
ドバックすることで不釣り合い力を打ち消すことができ
る。これはフィードバック型の不釣り合い振動抑制法で
ある。
【００２２】９０°の位相進みを施すためには、オペア
ンプ等において微分器あるいは位相進み回路を作る。ま
たは、径方向変位を測定している互いに直交なセンサー
のセンサー信号をたすきがけにフィードバックして、幾
何学的に９０°の位相進み信号を得る。これがいわゆる
Ｎクロスフィードバックである。
【００２３】さらに、高速回転するロータを支持する磁
気軸受において、運転中の軸受電流を低減させるために
回転周波数の周波数成分の電流を低減することも最近提
案されている。
【００２４】以上のいずれの方法においても、ロータの
回転周波数は必須であるから、何らかの方法でこれを求
める必要がある。この回転周波数を得て磁気軸受を制御
する方法の基本的な考え方を次に説明する。
【００２５】磁気軸受の不釣り合い振動制御ではロータ
の回転位置に合わせて、磁力(吸引力)を調整し、不釣り
合い力にカウンターを施さなければならない。通常、回
転位置の情報を得るためには、回転パルス計を取り付け
てロータの回転に同期した１パルス／１回転のパルス信
号を取得し、その信号をPLLロジックを使って分割し、
高い分解能の回転位置信号を得る。この信号を使えば回
転位置に対応した正弦波状の磁力を発生させることがで
きる。そしてこの正弦波状磁力を不釣り合い力に対し逆
相にすれば、不釣り合い振動を減少させることができ
る。
【００２６】本発明では回転パルス計を不要にして、モ
ータの端子電圧から得た回転位置信号を磁気軸受のパル
ス信号として用いている。これにより磁気軸受専用の回
転位置センサあるいは回転速度センサを不要にしてい
る。さらに、モータの端子電圧をフィルタリングしてリ
ップル分を取り除き、ゼロ電位と比較するコンパレータ
に通すと、デューティ１：１のパルス信号が得られ、こ
れはロータの回転に同期した信号である。この信号をPL
Lを使って分周しパルス数を増加させ、高分解な回転位
置信号としている。この高分解の回転位置に対応して正
弦関数及び余弦関数を求めておき、磁気軸受の制御装置
の不釣り合い制御系を構成する。
【００２７】上記本発明の基本的な考え方に基づく回転
機械の一実施例を、以下に図面を用いて説明する。図２
に、本発明に係る回転機械の一例である２段の遠心圧縮
機の回転部の詳細を、縦断面図で示す。２段の遠心圧縮
機３０においては、モータ４１のロータ３１の両端部に
第１段及び第２段の遠心羽根車３２ａ，３２ｂが直接取
り付けられている。ロータ３１の両羽根車３２ａ，３２
ｂ取付け位置より内側にはラジアル磁気軸受３３ａ，３
３ｂが配設されており、このラジアル磁気軸受３３ａ，
３３ｂによりロータ３１が回転可能に支承されている。
それぞれのラジアル磁気軸受３３ａ，３３ｂにはロータ
３１の径方向の変位（Ｘl，Ｙl）、（Ｘr，Ｙr）を測定
するラジアルセンサー４２ａ，４２ｂが設けられてい
る．また、図２において右側に位置する第２段羽根車３
２ｂ側のラジアル磁気軸受３３ｂの軸方向内側には、こ
の２段圧縮機において発生する軸方向推力を支承可能な
スラスト磁気軸受３４a，３４bがロータ３１に設けられ
たスラストプレートを挟むように配置されている。この
スラスト軸受に対してもロータ３１の軸方向の変位Ｚを
測定するために、スラストセンサー４３が設けられてい
る。そして、ラジアル磁気軸受３３ａ，３３ｂはそれぞ
れベアリングハウジング３５ａ，３５ｂに、スラスト磁
気軸受はベアリングホルダ３６ａ，３６ｂにそれぞれ固
定されている。
【００２８】ロータ３１は、その中央部に永久磁石回転
子４０を有するモータロータ部が形成されており、この
ロータ部に対向して僅かの隙間をもってモータステータ
３７が配設されている。このモータステータ３７とモー
タロータ部及び図示しない制御回路とによりブラシレス
モータ４１が構成される。モータステータ３７は、モー
タケーシングに取付けられたステータハウジング３８に
保持されている。
【００２９】ロータ３１の両端部に直接取付けられた遠
心羽根車３２ａ，３２ｂは、シュラウド壁を持たないオ
ープンシュラウド羽根車であり、各羽根車３２a，３２b
のシュラウド面とインナーケーシング３８ａ，３８ｂと
の間には微小隙間が形成されている。ラジアル磁気軸受
３３ａ，３３ｂの軸方向外側には、磁気軸受に通電され
ないときに、ロータ３１がステータ部やケーシングと接
触するのを防止するために、補助軸受３９a，３９bが配
設されている。圧縮機運転時には、ロータ３１はラジア
ル磁気軸受３３ａ，３３ｂにより浮上させられ、これら
補助軸受３９ａ，３９ｂとロータ３１とが接触すること
なく回転制御される。運転時に補助軸受３９ａ，３９ｂ
とロータ３１との間に形成される隙間は、モータやラジ
アル磁気軸受３３ａ，３３ｂのエアギャップ及び羽根車
のシュラウドギャップより小さい。
【００３０】ラジアルセンサー４２ａ，４２ｂ及びスラ
ストセンサー４３の出力は、磁気軸受制御回路５１に入
力され、この磁気軸受制御回路５１は、ラジアル磁気軸
受３３ａ，３３ｂ及びスラスト磁気軸受３４a，３４bを
制御する電圧を各軸受に出力する。一方、モータステー
タ３７の各相の巻線の端子電圧はモータ制御回路５２に
入力され、モータを制御する電圧がモータ制御回路５２
からモータロータに出力される。後述するように、モー
タ制御回路５２からは、磁気軸受制御回路５１に制御信
号が出力される。
【００３１】次に、以上のように構成した２段の遠心圧
縮機３０に用いられるブラシレスモータ４１について詳
述する。図３に、３相の直流ブラシレスモータ４１の一
般的な駆動回路の一例を示す。モータの回転位置あるい
は負荷の大きさに応じて、例えば120°通電方式でパワ
ースイッチをON/OFFし、ａ相、ｂ相、ｃ相の各相に電流
を流す。すなわち、直流ブラシレスモータ４１の駆動部
は、インバータ部４７と、このインバータ部４７へ通電
切換を指示する通電切換部４６と、通電切換信号を発生
するためモータ４１に誘起される電圧から永久磁石回転
子４０の周方向位置を検出する位置検出回路４５とを有
している。インバータ部４７は、通電切換部４６から指
示されたモータの各相の巻線４４ａ，４４ｂ，４４ｃへ
の通電切換タイミングに応じて、スイッチングトランジ
スタとダイオードから成るスイッチング素子４８ａ，４
８ｂ，４８ｃおよびスイッチング素子４９ａ、４９ｂ、
４９ｃを動作させる。例えば、１２０°通電において
は、ａ相の巻線４４aにロータ３１の回転角でほぼ１２
０°の区間だけ正電圧を付加した後、回転角でほぼ６０
°の区間このａ相へは通電を停止し、その後ほぼ１２０
°の区間負電圧を印加する。その後ほぼ６０°の区間通
電を停止する。b相、c相へも同様に通電する。ただし、
ａ相、ｂ相、ｃ相の各相への通電タイミングは夫々１２
０°ずつ変化させる。このようにして回転磁界を発生さ
せ、ブラシレスモータ４１を駆動する。
【００３２】次に、図３に示した位置検出回路４５の詳
細を図１に示す。この図１は、回転位置検出機能をブロ
ック図で示している。本図においては、直流ブラシレス
モータ４１の端子電圧に基づいて、磁気軸受用の回転位
置信号を生成している。
【００３３】モータの相端子電圧Va、Vb、Vcは角相毎に
設けられた積分器６に入力され、積分される。この積分
器６で積分されることにより端子電圧Va、Vb、Vcの位相
は90°シフトするとともに、パルス幅変調（ＰＷＭ）制
御等で生じた高調波のリップル成分が除去され、正弦波
に近似した信号となる。ここで積分器６が全ての信号成
分を積分する純粋な積分処理を実施すると、微小なDC電
圧を無意味に増幅してしまう。この不具合を避けるた
め、積分器６にDC電圧をカットするハイパスフィルタを
つける。積分器６を通った信号は、コンパレータ７で相
端子電圧Va、Vb、Vcの中性電位Vnと比較される。これに
より、ゼロクロス点でON/OFFするデューティ１：１のパ
ルス信号が得られる。ここで、デューティは、ＯＮとＯ
ＦＦの時間の比である。このパルス信号は各相毎に得ら
れ、それぞれは120°ずつずれている。そして、このパ
ルス信号が、回転位置情報としてモータ及び磁気軸受の
制御に使用される。
【００３４】ところで、パルス信号の元になっているの
はモータの相電流によって位相が変化する相端子電圧で
あるから、回転位置パルス信号はこのままでは相端子電
圧と共に変化し、モータの回転位置を特定できない。そ
こで、モータの相電流による補正が必要となる。図４を
用いて、相電流による補正の方法を説明する。相端子電
圧Ｖは、誘起電圧Eoと、相抵抗ｒおよび相インダクタン
スＬに相電流Imが流れて生じるインピーダンスドロップ
とのベクトル和で表される。つまり、誘起電圧Eoは、相
端子電圧Ｖとインピーダンスドロップのベクトル差であ
る。そして、相端子電圧Ｖと誘起電圧Eoの位相差δを求
め、この値を相端子電圧Vの位相から差し引くことによ
り誘起電圧Eoの位相、すなわち回転角情報が得られる。
【００３５】図１中の位相補正器８はこの位相差δを求
めるものであり、位相差δに基づいて回転位置パルス信
号の位相を補正する。その結果、モータ電流の値の如何
に関わらず、誘起電圧と位相が一致したパルス信号が得
られる。モータ電流を制御するインバータ部では、位相
補正器８により位相補正された回転位置信号に基づいて
スイッチング素子の通電切換を実施する。
【００３６】磁気軸受に発生する恐れのある不釣り合い
振動を制御するためには、少なくともロータ３１の１回
転当たり１パルス出力される信号TTが必要である。位相
補正器８は、この磁気軸受の制御に適した信号を用意で
きる。つまり、位相補正した３相のパルス信号のうちの
１つを、信号TTとして磁気軸受の制御に用いればよい。
【００３７】磁気軸受の不釣り合い振動制御において
は、ロータの回転位置に合わせて磁力を調整する。そこ
で、１回転当たり１パルスの信号TTを、PLL(フェーズ・
ロックド・ループ)回路で分周して非常に細かく分解さ
れた回転位置信号を生成する。次いで位相比較器９にお
いて、位相補正器８から得たパルス信号TTとカウンタ12
のMSB(モースト・シグニフィキャント・ビット:最上位
ビット)とを比較し、周波数および位相の偏差を演算す
る。LPF（ロウ・パス・フィルタ)10は、位相比較器９か
ら出力された周波数及び位相の偏差を平滑化し、VCO(電
圧制御発振器)11においてこのLPF１０の出力電圧に応じ
た信号を発振する。VCO11で発振された信号は、カウン
タ12でカウントされ、その最上位ビットが位相比較器９
へフィードバックされる。
【００３８】これらは、通常のPLL回路と同じである。
ただし、カウンタ12において、１回転当たり１パルスの
信号TTはカウンタのビット数に分割される。例えば、カ
ウンタ12が12ビットのカウンタならば、１回転当たり１
パルスの信号ＴＴは２12＝4096個の信号に分割される。
【００３９】ロータの不釣り合い振動を抑えるには、そ
の振動を相殺するように力をロータに与えればよい。具
体的には、振動を相殺する力を磁気軸受から軸受電磁力
として与え、電磁力を正弦波状に変化させることにより
実現される。この制振力の付加を図１により詳述する。
カウンタ１２の分割数分だけ正弦波および余弦波の１周
期を分割し、各分割位置での正弦波及び余弦波の値をそ
れぞれROM（リード・オンリー・メモリー）5a、5bに格
納しておく。カウンタ12の出力に応じて、ROM5a、5bの
アドレスを参照すれば、ロータの回転すなわち不釣り合
い振動に同期した正弦波信号が得られる。ここで、カウ
ンタ12が12ビットのカウンターなら、正弦波および余弦
波の１周期を4096分割したデータを、ROM 5a、5bに記
憶させれば良い。なお、以上においては正弦波及び余弦
波の値をROM 5a、5bに記憶させているが、カウンター
の各分割位置における正弦及び余弦の値を時々刻々演算
して求めてもよい。
【００４０】上述した制御方法を、回転機械に搭載され
たラジアル磁気軸受に応用した例を図５に示す。この図
５は、フィードフォワード型の不釣り合い制御を適用し
た２軸のラジアル磁気軸受制御系のブロック図である。
ロータの径方向変位を検出するラジアルセンサーのＸ軸
及びＹ軸センサー信号Xs、Ysは、センサー信号変換器13
a、13bにおいて変位信号Ｘ、Ｙに変換される。変換され
た変位信号Ｘ、Ｙは、制御回路14a、14bに入力される。
制御回路14a、14bは、入力された変位信号Ｘ、Ｙに基づ
いて、PID制御や位相進み制御等の制御演算を行ない、
軸受の電磁石を駆動するのに必要なパワーアンプのコマ
ンドを発生する。
【００４１】制御回路14a、14bが演算したパワーアンプ
のコマンドは、正負の符号に応じて切換器15a、15bで２
つに分離される。分離された正及び負の信号は、パワー
アンプの１対のコマンドとなる。通常のパワーアンプで
は、必要に応じてバイアス電流を印加して、ラジアル軸
受を構成する電磁石について吸引力の線形性を改善して
いる。これらは不釣り合い制御を考慮していない。
【００４２】不釣り合い制御を実行するために、ROM 5
a、5bから得たsinΩt信号とcosΩt信号を、制御回路14
a、14bの出力信号に加算する。ここで、Ωはロータの回
転角速度、ｔは時間である。不釣り合い力の大きさと位
相は制御対象の機械により異なるので、位相及び力を制
御対象の機械毎に調整する。定数cosβのブロック１７
およびsinβのブロック18において、sinΩｔとcosΩtの
位相を調整する。たすきがけの演算をして、sin(Ωt＋
β)、cos(Ωt＋β)を得る。ここでは、モータの誘起電
圧と不釣り合い力の位相差に位相βが一致するよう、位
相βを調整している。一方、不釣り合い力の大きさは、
定数Ｇのブロックにおいて調整する。
【００４３】次に、磁気軸受に適用されるの他の不釣り
合い制御方式であるフィードバック型の不釣り合い制御
について、図６を用いて説明する。図６は、２軸の制御
が可能なラジアル磁気軸受制御系のブロック図である。
変位信号Ｘ、Ｙから不釣り合い振動の周波数成分のみを
抽出し、フィードバックしている。不釣り合い振動の周
波数成分を抽出する際に、トラッキング・フィルタ２０
を使用している。トラッキング・フィルタ２０はバンド
・パス・フィルタであり、フィルターリングする周波数
を常にロータの回転速度の周波数に一致させようとす
る。
【００４４】このトラッキング・フィルタ20を動作させ
るには、ロータの回転速度と同じ周期の正弦波と余弦波
が必要である。本実施例においては、上述したようにRO
M 5a、5bからsinΩt信号とcosΩt信号が得られるか
ら、得られたsinΩt信号とcosΩt信号を用いる。
【００４５】トラッキング・フィルタ20の詳細を、図７
に示す。初めに、変位信号（Ｘ，Ｙ）と三角関数信号
（cosΩt，−sinΩt）とをベクトル演算する。具体的に
は、次式で表される。
【００４６】Ａ＝Ｘ・cosΩt＋Ｙ・sinΩt Ｂ＝Ｙ・cosΩt−Ｘ・sinΩt 演算結果（Ａ，Ｂ）をロウ・パス・フィルタ21に入力
し、直流成分（Ao，Bo）のみを取り出す。この直流成分
は、変位信号Ｘ、Ｙに含まれる前向き回転同期成分の振
幅値になっている。この直流成分にさらに（cosΩt，si
nΩt）をベクトル演算して、変位信号Ｘ、Ｙに含まれる
前向き回転同期成分のみを抽出する。この抽出された信
号を(Xn、Yn)とすると、この信号は次式で表される。
【００４７】Xn＝Ao・cosΩt−Bo・sinΩt Yn＝Bo・cosΩt＋Ao・sinΩt この回転同期成分(Xn、Yn)に調整用のゲイン(Ｋcosα、
Ｋsinα)を掛け、制御回路14a、14bの出力に加算する。
これが、不釣り合い振動に対するフィードバック制御系
の基本構成である。
【００４８】上記説明においては、位相補正器８は３相
のパルス信号の中の１つを磁気軸受用に提供している。
一方、磁気軸受を制御するPLL回路に１回転当たり１パ
ルスの信号であるパルス信号TTを入力し、このパルス信
号を多数で分周して非常に細かく分解された回転位置信
号を生成している。
【００４９】ところが、回転速度の変化が速い機械や低
速な機械では、１回転当たり１パルスではPLL回路がう
まく機能しない場合がある。その場合は誘起電圧から得
た３相の位置検出信号を全て使用し、１回転当たり６パ
ルスの信号を得るようにする。そして、この得られた信
号を、PLL回路で分周して用いる。６パルスを得る方法
は以下による。コンパレータ７から得られたパルス信号
は、デューティ１：１である。そこで、パルスの立ち上
がりと立ち下がりにおいてトリガをかける。このトリガ
回路をＰＬＬ回路に追加すれば、各相毎に１回転当たり
２パルスの信号が得られる。各相はお互いに120度ずれ
ているので、３相全てに立ち上がりと立ち下がりのトリ
ガをかけると、１回転に６パルスの信号が得られる。パ
ルス数を６倍に増すことにより、PLL回路の応答性は６
倍良くなる。
【００５０】磁気軸受を制御するためのPLL回路では、
この１回転当たり６パルスの信号TTを分周して、ROM 5
a、5b用のアドレス信号を作成する。したがって、上記
実施例と同様に１２ビットのカウンタ１２を用いると、
カウンタ１２の最大アドレス数は４０９６であるから、
６個の信号全てについて正弦波と余弦波の情報を格納す
るためには、１信号当たりカウンタ１２の容量の１/６
しか使えない。さらに、カウンタのビットは２進数であ
るから、１信号当たり結局１/６に最も近い１/８のカウ
ンタ容量となる。すなわち、１信号／回転の信号入力で
は１２ビット使用できたが、６信号／回転では９ビット
のみ使用できる。
【００５１】図８を用いて、６信号／回転時のカウンタ
の動作を説明する。カウンタ12の９ビット目を位相比較
器９にフィードバックする。６×２9＝3072パルスを数
えたとき、すなわち、パルス信号TTからロータ１周期で
発生する６個のパルス全てをを受け取る毎に、カウンタ
12をリセットする。なお、ROMには正弦波あるいは余弦
波の１周期を3072分割したデータを格納しておく。この
ように、カウンターの容量が同じであれば、ロータ１周
期当たりの入力信号数を増しても分周数は必ずしも増大
せず、一見粗い制御になることもある。しかしながら、
１周期当たりの信号数を増せば、ロータの速度変動が激
しいときやロータの回転速度が非常に遅い場合に、回転
速度や回転加速度等のロータの回転情報を精度よく知る
ことができるので、ロータを安定に運転することができ
る。
【００５２】
【発明の効果】本発明によれば、回転機械を支持する磁
気軸受と回転機械を駆動する直流ブラシレスモータの双
方において、回転位置センサを不要としたので、低コス
トで磁気軸受及びそれを搭載した回転機械を実現でき
る。また、回転位置センサを不要としたので、ロータの
軸長を短くすることができ、ロータの剛性を高めること
ができる。さらに、剛性が向上したのでロータの危険速
度が大になり、回転機械を高速まで安定して運転でき
る。その結果、磁気軸受及びそれを搭載した回転機械を
長期間無保守で運転でき、磁気軸受及び回転機械の信頼
性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のブロック図。
【図２】本発明に係る磁気軸受を搭載した回転機械の一
実施例の縦断面図。
【図３】直流ブラシレスモータの駆動回路図。
【図４】直流モータの誘起電圧と端子電圧の関係を説明
する図。
【図５】本発明に係るフィードフォワード型の不釣り合
い制御を備えたラジアル磁気軸受制御系の一実施例のブ
ロック図。
【図６】本発明に係るフィードバック型の不釣り合い制
御を備えたラジアル磁気軸受制御系の一実施例のブロッ
ク図。
【図７】本発明に係る磁気軸受の制御装置に用いるトラ
ッキング・フィルタの一実施例のブロック図。
【図８】１回転に６個のパルスが得られるPLL回路の一
実施例のブロック図。
【符号の説明】
5a、5b……波形記憶用メモリ、６……DCカット付き積分
器、７……コンパレータ、８……位相補正器、９……位
相比較器、10……ロウ・パス・フィルタ、11……VCO、1
2……カウンタ、13a、13b……センサ変換器、14a、14b
……制御器、15a、15b……切換器、16a、16b、16c、16d
……パワーアンプ、17……ゲイン、18……ゲイン、19…
…ゲイン、20……トラッキング・フィルタ、21……ロウ
・パス・フィルタ、30……遠心圧縮機、31……ロータ、
33a,33b……ラジアル磁気軸受、34a,34b……スラスト磁
気軸受、37……モータステータ、40……永久磁石回転
子、41……モータ、42a,42b……ラジアルセンサー、43
……スラストセンサー 51……磁気軸受制御回路、52……モータ制御回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉原 稔 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所土浦工場内 (72)発明者 福島 康雄 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所土浦工場内 (72)発明者 高橋 一樹 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所土浦工場内

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】直流ブラシレスモータで駆動されるロータ
    を回転支持する磁気軸受であって、モータの誘起電圧に
    基づく回転位置信号を入力し、この回転位置信号を分周
    して磁気軸受の制御信号を発生する磁気軸受制御回路を
    設けたことを特徴とする磁気軸受。
  2. 【請求項２】前記直流ブラシレスモータは３相の巻線を
    有し、前記誘起電圧はこの３相の巻線の各巻線の端子電
    圧と各巻線を流れる相電流値とを用いて得られることを
    特徴とする請求項１に記載の磁気軸受。
  3. 【請求項３】前記直流ブラシレスモータは３相の巻線を
    有し、前記回転位置信号はこのモータの各巻線の端子電
    圧と前記誘起電圧との位相差から得られるものであるこ
    とを特徴とする請求項１または２に記載の磁気軸受。
  4. 【請求項４】ロータと、このロータを回転駆動する直流
    ブラシレスモータとを備え、前記ロータを回転自由に支
    承する一対のラジアル磁気軸受が搭載された回転機械に
    おいて、 前記モータを制御するモータ制御回路と、このモータ制
    御回路に設けられ前記ロータの回転位置を検出し回転位
    置信号を出力する手段と、この回転位置信号に応じて前
    記磁気軸受に制御電圧を印加する磁気軸受制御回路とを
    設けたことを特徴とする回転機械。
  5. 【請求項５】前記モータ制御回路は、前記モータが備え
    る３相の巻線の端子電圧と、この巻線を流れるモータ相
    電流とから端子電圧と誘起電圧との位相差を求め、この
    位相差に基づき回転位置信号を出力するものであること
    を特徴とする請求項４に記載の回転機械。
  6. 【請求項６】前記磁気軸受制御回路は、前記回転位置信
    号を分周し、この分周されたタイミング毎に制御電圧を
    前記磁気軸受に印加するものであることを特徴とする請
    求項４または５に記載の回転機械。
  7. 【請求項７】前記回転位置信号は、ロータの１回転周期
    当たり１回または６回発生されることを特徴とする請求
    項４ないし６のいずれか１項に記載の回転機械。
  8. 【請求項８】永久磁石回転子を有する直流ブラシレスモ
    ータのロータと、このロータの両軸端部に取付けられた
    遠心羽根車とを有し、前記ロータを回動自在に支承する
    一対のラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受とが搭載さ
    れ、これらラジアル磁気軸受及びスラスト磁気軸受を制
    御する磁気軸受制御手段を備えた回転機械において、 前記ロータを回転駆動する３相の巻線に誘起される誘起
    電圧を巻線に流れる巻線電流と巻線の端子電圧に基づき
    求め、ロータの１回転当たり１パルスの信号を発生して
    回転信号とする回転位置検出手段を設けるとともに、前
    記磁気軸受制御手段にこの回転位置検出手段が発生した
    回転信号を入力する手段を設けたことを特徴とする回転
    機械。
  9. 【請求項９】永久磁石回転子を有するモータにより駆動
    され、磁気軸受により前記ロータが回転支承される回転
    機械の運転方法において、永久磁石回転子が回転して発
    生したモータ誘起電圧から回転子の回転に同期したパル
    ス信号を得て回転子の回転位置を同定し、該パルス信号
    をフェーズ・ロックド・ループにおいて分周して回転位
    置をさらに詳細に同定し、同定された詳細な回転位置に
    対応させた正弦関数及び余弦関数を用いて前記磁気軸受
    に軸受電磁力を発生させることを特徴とする回転機械の
    運転方法。
  10. 【請求項１０】前記磁気軸受に、ロータに作用する不釣
    り合い力をフィードフォワードで相殺する軸受電磁力を
    発生させるステップを含むことを特徴とする請求項９に
    記載の回転機械の運転方法。
  11. 【請求項１１】前記磁気軸受に、ロータに作用する不釣
    り合い力をフィードバックで相殺する軸受電磁力を発生
    させるステップを含むことを特徴とする請求項９に記載
    の回転機械の運転方法。
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