特開2024-130823軸受制御装置、磁気軸受装置、回転機械、磁気軸受装置の設定方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024130823
(43)【公開日】2024-09-30
(54)【発明の名称】軸受制御装置、磁気軸受装置、回転機械、磁気軸受装置の設定方法
(51)【国際特許分類】
F16C 32/04 20060101AFI20240920BHJP
F04D 29/058 20060101ALI20240920BHJP
【ＦＩ】
F16C32/04 A
F04D29/058
【審査請求】有
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023040736
(22)【出願日】2023-03-15
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2024-01-05
(71)【出願人】
【識別番号】516299338
【氏名又は名称】三菱重工サーマルシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100162868
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 英輔
(74)【代理人】
【識別番号】100161702
【弁理士】
【氏名又は名称】橋本 宏之
(74)【代理人】
【識別番号】100189348
【弁理士】
【氏名又は名称】古都 智
(74)【代理人】
【識別番号】100196689
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 康一郎
(72)【発明者】
【氏名】時政 泰憲
(72)【発明者】
【氏名】岩▲崎▼ 真人
(72)【発明者】
【氏名】呉 文平
【テーマコード（参考）】
3H130
3J102
【Ｆターム（参考）】
3H130AA14
3H130AB27
3H130AB47
3H130AC01
3H130AC17
3H130BA66E
3H130DA02Z
3H130DB10X
3J102AA01
3J102BA03
3J102BA17
3J102BA18
3J102CA29
3J102DA02
3J102DA03
3J102DA09
3J102DA35
3J102DB05
3J102DB21
3J102DB30
3J102GA20
(57)【要約】
【課題】コイルに生じる渦電流による影響を抑え、軸受性能を向上させることができる。
【解決手段】軸受制御装置は、軸線方向に延びる回転軸に対向配置されたコイルを含む電磁石を備え、コイルに電流を流すことで発生する磁界によって、回転軸を、軸線回りの周方向に回転自在に非接触で支持する磁気軸受の軸受制御装置であって、コイルに流れる電流の値であるコイル電流値を取得する電流値取得部と、電流値取得部で取得されたコイル電流値を、コイルで生成される磁束によって生じる渦電流の影響に応じて補正した補正電流値を生成するフィルタと、補正電流値に基づいた電流指令値を入力とし、コイルに電流を供給するパワーアンプと、を含む。
【選択図】図４
【解決手段】軸受制御装置は、軸線方向に延びる回転軸に対向配置されたコイルを含む電磁石を備え、コイルに電流を流すことで発生する磁界によって、回転軸を、軸線回りの周方向に回転自在に非接触で支持する磁気軸受の軸受制御装置であって、コイルに流れる電流の値であるコイル電流値を取得する電流値取得部と、電流値取得部で取得されたコイル電流値を、コイルで生成される磁束によって生じる渦電流の影響に応じて補正した補正電流値を生成するフィルタと、補正電流値に基づいた電流指令値を入力とし、コイルに電流を供給するパワーアンプと、を含む。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
軸線方向に延びる回転軸に対向配置されたコイルを含む電磁石を備え、前記コイルに電流を流すことで発生する磁界によって、前記回転軸を、前記軸線回りの周方向に回転自在に非接触で支持する磁気軸受の軸受制御装置であって、
前記コイルに流れる電流の値であるコイル電流値を取得する電流値取得部と、
前記電流値取得部で取得された前記コイル電流値を、前記コイルで生成される磁束によって生じる渦電流の影響に応じて補正した補正電流値を生成するフィルタと、
前記補正電流値に基づいた電流指令値を入力とし、前記コイルに電流を供給するパワーアンプと、を含む、
軸受制御装置。
前記コイルに流れる電流の値であるコイル電流値を取得する電流値取得部と、
前記電流値取得部で取得された前記コイル電流値を、前記コイルで生成される磁束によって生じる渦電流の影響に応じて補正した補正電流値を生成するフィルタと、
前記補正電流値に基づいた電流指令値を入力とし、前記コイルに電流を供給するパワーアンプと、を含む、
軸受制御装置。
【請求項2】
前記フィルタは、前記電磁石のインピーダンスと、前記コイルの抵抗、及び前記コイルのインダクタンスに基づいて、前記コイル電流値を前記渦電流の影響に応じて補正し、前記補正電流値を生成する、
請求項１に記載の軸受制御装置。
請求項１に記載の軸受制御装置。
【請求項3】
前記フィルタは、
前記コイルに印加される電圧をＶｉ、前記コイルの抵抗をＲ０、前記コイルのインダクタンスをＬ０、ラプラス演算子をｓ、前記渦電流の影響による項をＺｅｄ、としたときに、下式（１）に基づいて得られる電流値Ｉｌを、前記補正電流値として取得する、
請求項２に記載の軸受制御装置。
前記コイルに印加される電圧をＶｉ、前記コイルの抵抗をＲ０、前記コイルのインダクタンスをＬ０、ラプラス演算子をｓ、前記渦電流の影響による項をＺｅｄ、としたときに、下式（１）に基づいて得られる電流値Ｉｌを、前記補正電流値として取得する、
【数1】
【請求項4】
前記フィルタは、下式（２）に基づいて算出される前記渦電流の影響による項Ｚｅｄを、
Ｔｚ、Ｔｐを時定数としたときに、前記回転軸が回転するときの周波数域に応じて、下式（３）に基づいたフィッティングを行うことで取得する
Ｚｅｄ＝Π｛（１＋Ｔｚ＊ｓ）／（１＋Ｔｐ＊ｓ）｝ ・・・（３）
請求項３に記載の軸受制御装置。
【数2】
Ｚｅｄ＝Π｛（１＋Ｔｚ＊ｓ）／（１＋Ｔｐ＊ｓ）｝ ・・・（３）
請求項３に記載の軸受制御装置。
【請求項5】
軸線方向に延びる回転軸に対向配置されたコイルを含む電磁石を備え、前記コイルに電流を流すことで発生する磁界によって、前記回転軸を、前記軸線回りの周方向に回転自在に非接触で支持する磁気軸受と、
請求項１又は２に記載の軸受制御装置と、を含む、
磁気軸受装置。
請求項１又は２に記載の軸受制御装置と、を含む、
磁気軸受装置。
【請求項6】
前記磁気軸受は、前記回転軸の前記軸線方向への変位を拘束しつつ、前記回転軸を、前記軸線回りの周方向に回転自在に非接触で支持するスラスト磁気軸受である
請求項５に記載の磁気軸受装置。
請求項５に記載の磁気軸受装置。
【請求項7】
前記コイルは、金属により一体に形成され、前記回転軸に対して前記軸線方向を中心とした径方向の外側に配置され、前記軸線方向を中心とした周方向に延びる環状に形成されている、
請求項５に記載の磁気軸受装置。
請求項５に記載の磁気軸受装置。
【請求項8】
軸線方向に延びる回転軸と、
請求項５に記載の磁気軸受装置と、を含む、
回転機械。
請求項５に記載の磁気軸受装置と、を含む、
回転機械。
【請求項9】
請求項１又は２に記載の軸受制御装置の設定方法であって、
前記電磁石のインピーダンスＩｒ／Ｖｉを取得するステップと、
前記コイルの抵抗をＲ０、前記コイルのインダクタンスをＬ０としたときに、下式（４）
に基づいて算出される、前記渦電流の影響による項Ｚｅｄを取得するステップと、
Ｔｚ、Ｔｐを時定数としたときに、前記回転軸が回転するときの周波数域に応じて、下式（５）
Ｚｅｄ＝Π｛（１＋Ｔｚ＊ｓ）／（１＋Ｔｐ＊ｓ）｝ ・・・（５）
に基づいて、前記渦電流の影響による項Ｚｅｄをフィッティングするステップと、
フィッティングされた前記渦電流の影響による項Ｚｅｄに基づいて、前記フィルタを設定するステップと、を含む、
軸受制御装置の設定方法。
前記電磁石のインピーダンスＩｒ／Ｖｉを取得するステップと、
前記コイルの抵抗をＲ０、前記コイルのインダクタンスをＬ０としたときに、下式（４）
【数3】
Ｔｚ、Ｔｐを時定数としたときに、前記回転軸が回転するときの周波数域に応じて、下式（５）
Ｚｅｄ＝Π｛（１＋Ｔｚ＊ｓ）／（１＋Ｔｐ＊ｓ）｝ ・・・（５）
に基づいて、前記渦電流の影響による項Ｚｅｄをフィッティングするステップと、
フィッティングされた前記渦電流の影響による項Ｚｅｄに基づいて、前記フィルタを設定するステップと、を含む、
軸受制御装置の設定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、軸受制御装置、磁気軸受装置、回転機械、磁気軸受装置の設定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、支持体側のコイルに制御電流を通電するパワーアンプの出力制御電流の検出信号と、磁気力で浮上支持される被支持体の変位検出信号を入力信号に基づいて、支持体側の電磁石と被支持体側の電磁石ターゲットとの間に発生する磁束を推定し、磁束の推定値をパワーアンプにフィードバックする磁気軸受装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２００２－３９１７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、磁気軸受装置においては、コイルに電流を流すことで生成される磁束回りに渦電流が生じる。この渦電流により、コイルにおける磁束の生成が妨げられ、コイルにおける起磁力の低下に繋がる。その結果、磁気軸受装置の軸受性能向上の妨げとなっている。
【0005】
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、コイルに生じる渦電流による影響を抑え、軸受性能を向上させることができる軸受制御装置、磁気軸受装置、回転機械、磁気軸受装置の設定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するために、本開示に係る軸受制御装置は、軸線方向に延びる回転軸に対向配置されたコイルを含む電磁石を備え、前記コイルに電流を流すことで発生する磁界によって、前記回転軸を、前記軸線回りの周方向に回転自在に非接触で支持する磁気軸受の軸受制御装置であって、前記コイルに流れる電流の値であるコイル電流値を取得する電流値取得部と、前記電流値取得部で取得された前記コイル電流値を、前記コイルで生成される磁束によって生じる渦電流の影響に応じて補正した補正電流値を生成するフィルタと、前記補正電流値に基づいた電流指令値を入力とし、前記コイルに電流を供給するパワーアンプと、を含む。
【0007】
本開示に係る磁気軸受装置は、軸線方向に延びる回転軸に対向配置されたコイルを含む電磁石を備え、前記コイルに電流を流すことで発生する磁界によって、前記回転軸を、前記軸線回りの周方向に回転自在に非接触で支持する磁気軸受と、上記軸受制御装置と、を含む。
【0008】
本開示に係る回転機械は、軸線方向に延びる回転軸と、上記磁気軸受装置と、を含む。
【0009】
本開示に係る磁気軸受装置の設定方法は、上記軸受制御装置の設定方法であって、前記電磁石のインピーダンスＩｒ／Ｖｉを取得するステップと、前記コイルの抵抗をＲ０、前記コイルのインダクタンスをＬ０としたときに、下式（１）
に基づいて算出される、前記渦電流の影響による項Ｚｅｄを取得するステップと、Ｔｚ、Ｔｐを時定数としたときに、前記回転軸が回転するときの周波数に応じて、下式（２）
Ｚｅｄ＝Π｛（１＋Ｔｚ＊ｓ）／（１＋Ｔｐ＊ｓ）｝ ・・・（２）
に基づいて、前記渦電流の影響による項Ｚｅｄをフィッティングするステップと、フィッティングされた前記渦電流の影響による項Ｚｅｄに基づいて、前記フィルタを設定するステップと、を含む。
【数1】
Ｚｅｄ＝Π｛（１＋Ｔｚ＊ｓ）／（１＋Ｔｐ＊ｓ）｝ ・・・（２）
に基づいて、前記渦電流の影響による項Ｚｅｄをフィッティングするステップと、フィッティングされた前記渦電流の影響による項Ｚｅｄに基づいて、前記フィルタを設定するステップと、を含む。
【発明の効果】
【0010】
本開示の軸受制御装置、磁気軸受装置、回転機械、磁気軸受装置の設定方法によれば、コイルに生じる渦電流による影響を抑え、軸受性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本開示の実施形態に係る磁気軸受装置、回転機械の概略構成を示す図である。
【図2】上記磁気軸受装置の磁気制御装置のハードウェア構成を示す図である。
【図3】上記磁気制御装置の機能構成を示す図である。
【図4】上記磁気制御装置のスラスト軸受制御部の機能構成を示す図である。
【図5】上記磁気軸受装置の電磁石の等価回路を示す図である。
【図6】上記軸受制御装置の設定方法の手順を示すフローチャートである。
【図7】上記磁気軸受装置の設定方法において、渦電流による影響による項を、フィッティングさせる例を示す図である。
【図8】上記磁気軸受装置の設定方法において、渦電流による影響による項を、フィッティングさせる他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、添付図面を参照して、本開示による軸受制御装置、磁気軸受装置、回転機械、磁気軸受装置の設定方法を実施するための形態を説明する。しかし、本開示はこの実施形態のみに限定されるものではない。
（回転機械の構成）
本開示の実施形態において、回転機械１は、例えば、ターボ冷凍機等に用いられるターボ機械である。回転機械１としては、ターボ機械に限らず、蒸気タービン、ガスタービン、遠心圧縮機等であってもよい。
図１に示すように、回転機械１は、回転軸１１、ハウジング１０、第一インペラ１２、第二インペラ１３、モータ１４、及び磁気軸受装置１９を備えている。
（回転機械の構成）
本開示の実施形態において、回転機械１は、例えば、ターボ冷凍機等に用いられるターボ機械である。回転機械１としては、ターボ機械に限らず、蒸気タービン、ガスタービン、遠心圧縮機等であってもよい。
図１に示すように、回転機械１は、回転軸１１、ハウジング１０、第一インペラ１２、第二インペラ１３、モータ１４、及び磁気軸受装置１９を備えている。
【0013】
回転軸１１は、軸線Ｏに沿った軸線方向Ｄａに延びる円柱状をなしている。回転軸１１の軸線方向Ｄａの一部には、スラストカラー１８が設けられている。スラストカラー１８は、回転軸１１の外周面から、軸線Ｏを中心とした径方向Ｄｒの外側に鍔状に張り出している。
【0014】
ハウジング１０は、回転軸１１を径方向Ｄｒの外側から囲うように配置されている。回転軸１１の軸線方向Ｄａの両端部は、ハウジング１０の軸線方向Ｄａの両側の開口から突出している。
【0015】
第一インペラ１２は、回転軸１１の軸線方向Ｄａの一方側（図２の左側）の端部に一体に固定されている。第一インペラ１２は、回転軸１１とともに軸線Ｏ回りの周方向Ｄｃに回転することで、軸線方向Ｄａの一方側から流入する冷媒を径方向外側に向かって圧送する。
【0016】
第二インペラ１３は、回転軸１１の軸線方向Ｄａの他方側（図２の右側）の端部に一体に固定されている。第二インペラ１３は、回転軸１１とともに周方向Ｄｃに回転することで、径方向外側から流入する冷媒を軸線方向Ｄａの他方側に向かって圧送する。
【0017】
このように第一インペラ１２及び第二インペラ１３を有する回転機械１は、第一インペラ１２で圧縮した冷媒をさらに第二インペラ１３で圧縮する二段圧縮構造とされている。
【0018】
モータ１４は、ロータコア１５とステータ１６とを有している。
ロータコア１５は、回転軸１１の外周面に一体に固定されている。ロータコア１５は、回転軸１１の外周面に外嵌された積層鋼板構造を有している。ロータコア１５には、周方向Ｄｃに間隔をあけて複数の永久磁石（図示なし）が設けられている。
ロータコア１５は、回転軸１１の外周面に一体に固定されている。ロータコア１５は、回転軸１１の外周面に外嵌された積層鋼板構造を有している。ロータコア１５には、周方向Ｄｃに間隔をあけて複数の永久磁石（図示なし）が設けられている。
【0019】
ステータ１６は、ロータコア１５の径方向Ｄｒの外側に配置されたステータコアと、ステータコアに周方向Ｄｃに間隔をあけて複数設けられたステータコイルとを有している。
モータ１４は、ステータ１６のステータコイルに外部から電流が供給されることで、軸線Ｏ回りの周方向Ｄｃに回転する回転磁界が生成される。ロータコア１５は、ステータ１６による回転磁界に各永久磁石が追従することで、回転軸１１と一体に、周方向Ｄｃに回転する。
モータ１４は、ステータ１６のステータコイルに外部から電流が供給されることで、軸線Ｏ回りの周方向Ｄｃに回転する回転磁界が生成される。ロータコア１５は、ステータ１６による回転磁界に各永久磁石が追従することで、回転軸１１と一体に、周方向Ｄｃに回転する。
【0020】
磁気軸受装置１９は、一対のラジアル磁気軸受２０と、スラスト磁気軸受（磁気軸受）３０と、を備えている。
一対のラジアル磁気軸受２０は、モータ１４を挟んで、軸線方向Ｄａの両側に配置されている。各ラジアル磁気軸受２０は、ヨーク２１と、複数のラジアル磁気軸受コイル２２と、を有している。
一対のラジアル磁気軸受２０は、モータ１４を挟んで、軸線方向Ｄａの両側に配置されている。各ラジアル磁気軸受２０は、ヨーク２１と、複数のラジアル磁気軸受コイル２２と、を有している。
【0021】
ヨーク２１は、複数の積層鋼板を軸線方向Ｄａに積層させることで構成されている。ヨーク２１は、バックヨーク２１ａ及び複数のティース２１ｂを有している。バックヨーク２１ａは、軸線Ｏを中心とする円環状をなしている。バックヨーク２１ａは、ハウジング１０に固定されている。ティース２１ｂは、周方向Ｄｃに等間隔をあけて設けられている。各ティース２１ｂは、バックヨーク２１ａから径方向Ｄｒの内側に向かって延びている。各ティース２１ｂの径方向Ｄｒの内側の端部は、回転軸１１の外周面と径方向Ｄｒに間隔をあけて対向している。
【0022】
ラジアル磁気軸受コイル２２は、複数のティース２１ｂに巻回されている。ラジアル磁気軸受コイル２２は、後述する軸受制御装置６０からの制御信号に基づいて、図示しない電源から電流が供給されることで磁界を発生する。ラジアル磁気軸受２０は、ラジアル磁気軸受コイル２２で発生する磁界により、回転軸１１を、径方向Ｄｒへの移動を拘束しつつ、軸線Ｏ回りの周方向Ｄｃに回転自在に非接触で支持する。ラジアル磁気軸受２０は、変位センサ（図示なし）で検出される回転軸１１の位置情報に基づいて、回転軸１１が径方向Ｄｒにおける基準位置に復帰するように回転軸１１を支持している。
【0023】
スラスト磁気軸受３０は、回転軸１１のスラストカラー１８に対し、軸線方向Ｄａの両側に配置された、一対の電磁石３１を有している。各電磁石３１は、ステータ３２と、コイル３３と、を備えている。
【0024】
ステータ３２は、ハウジング１０と一体に固定されている。ステータ３２は、軸線Ｏ回りの周方向Ｄｃに延びる円環状に形成されている。ステータ３２は、軸線方向Ｄａにおいて、スラストカラー１８と向き合う位置に、コイル保持溝３２ｍを有している。コイル保持溝３２ｍは、軸線方向Ｄａにおいてスラストカラー１８から離間する方向に窪んでいる。コイル保持溝３２ｍは、軸線Ｏ回りの周方向Ｄｃに延びる円環状に形成されている。
【0025】
コイル３３は、コイル保持溝３２ｍ内に収容されている。コイル３３は、軸線Ｏ回りの周方向Ｄｃに延びる円環状に形成されている。コイル３３は、金属材料により円環状に一体形成されている。
【0026】
各コイル３３は、後述する軸受制御装置６０からの制御信号により電流が供給されることで、磁界を発生する。スラスト磁気軸受３０の一対の電磁石３１は、各コイル３３で、スラストカラー１８を軸線方向Ｄａにおいて吸引する方向の磁界を発生する。スラスト磁気軸受３０は、一対の電磁石３１の各々でスラストカラー１８を吸引することで、回転軸１１を、回転軸１１の軸線方向Ｄａへの変位を拘束しつつ、回転軸１１を、軸線Ｏ回りの周方向Ｄｃに回転自在に非接触で支持する。スラスト磁気軸受３０は、位置センサ（図示なし）で検出される回転軸１１の軸線方向Ｄａの位置情報に基づいて、回転軸１１が軸線方向Ｄａで所定の位置になるように、回転軸１１を非接触で軸線方向Ｄａから支持している。
【0027】
軸受制御装置６０は、磁気軸受装置１９の各ラジアル磁気軸受２０、及びスラスト磁気軸受３０の動作を制御する。
軸受制御装置６０は、図２に示すように、プロセッサ６１、ＲＯＭ６２（Read Only Memory）、ＲＡＭ６３（Random Access Memory）、ストレージ６４、信号受信モジュール６５を備えるコンピュータである。信号受信モジュール６５は、回転軸１１の位置を検出する位置センサ（図示なし）からの位置信号、コイル３３に流れる電流の検出信号等を受信する。
軸受制御装置６０は、図２に示すように、プロセッサ６１、ＲＯＭ６２（Read Only Memory）、ＲＡＭ６３（Random Access Memory）、ストレージ６４、信号受信モジュール６５を備えるコンピュータである。信号受信モジュール６５は、回転軸１１の位置を検出する位置センサ（図示なし）からの位置信号、コイル３３に流れる電流の検出信号等を受信する。
【0028】
図３に示すように、軸受制御装置６０は、ラジアル磁気軸受２０の動作を制御するラジアル磁気軸受制御部７０Ａと、スラスト磁気軸受３０の動作を制御するスラスト軸受制御部７０Ｂと、を機能的に備えている。
【0029】
ラジアル磁気軸受制御部７０Ａは、変位センサ（図示なし）で検出される回転軸１１の径方向Ｄｒにおける位置情報を示す位置信号を受信すると、ラジアル磁気軸受コイル２２に供給する電流を制御する。なお、ラジアル磁気軸受２０のヨーク２１は、積層鋼板からなる。積層鋼板は、薄い鋼板を軸線方向Ｄａに積層することで構成されている。このような積層鋼板からなるヨーク２１を備えたラジアル磁気軸受２０においては、渦電流が生じにくい。このため、本開示の実施形態では、ラジアル磁気軸受制御部７０Ａは、後述するスラスト軸受制御部７０Ｂのようなフィルタ７４を備えていない。
【0030】
図４に示すように、スラスト軸受制御部７０Ｂは、コントローラ７１と、パワーアンプ７２と、電流値取得部７３と、フィルタ７４と、を機能的に備えている。
【0031】
コントローラ７１は、変位センサ（図示なし）で検出される回転軸１１の軸線方向Ｄａにおける位置情報を示す位置指令信号を受信すると、一対の電磁石３１のコイル３３に供給する電流値の指令信号Ｓ１を出力する。
【0032】
パワーアンプ７２は、コントローラ７１から出力される指令信号Ｓ１と、後述するフィルタ７４から出力される補正電流値Ｉｈを示す補正信号Ｓ２とに基づいて、コイル３３に電流を供給する。
【0033】
電流値取得部７３は、実際にコイル３３に流れる電流の値であるコイル電流値Ｉｃを取得する。
【0034】
フィルタ７４は、電流値取得部７３で取得されたコイル電流値Ｉｃを、コイル３３で生成される磁束によって生じる渦電流の影響に応じて補正する。フィルタ７４は、コイル電流値Ｉｃを渦電流の影響に応じて補正することによって生成された補正電流値Ｉｈを出力する。
【0035】
図５は、電磁石３１のコイル３３の等価回路を示す図である。この図５に示すように、電磁石３１は、コイル３３に電流が流れることによって生成される磁束回りに渦電流が発生する。この渦電流による影響は、１段目の渦電流（１次）、１段目の渦電流に起因して生成される２段目の渦電流（２次）、…といったように複数次にわたって現れる、カウアーラダーモデルとしてモデル化することができる。そこで、これら複数次の渦電流による影響の総和を、渦電流の影響による項Ｚｅｄと表す。
【0036】
フィルタ７４は、電磁石３１のインピーダンスと、コイル３３の抵抗、及びコイル３３のインダクタンスに基づいて、コイル電流値Ｉｃを渦電流の影響に応じて補正し、補正電流値を生成する。
より具体的には、コイル３３に印加される電圧Ｖｉに対する主励磁電流の値Ｉｌの応答比Ｉｌ／Ｖｉは、コイル３３の抵抗Ｒ０、コイル３３のインダクタンスＬ０、ラプラス演算子ｓ、渦電流の影響による項Ｚｅｄとの間に、下式（３）に示すような関係が成り立つ。
上式（３）に基づき、渦電流の影響による項Ｚｅｄを予め設定しておくことで、フィルタ７４は、主励磁電流の値Ｉｌを算出し、この値Ｉｌを、補正電流値として出力することができる。
より具体的には、コイル３３に印加される電圧Ｖｉに対する主励磁電流の値Ｉｌの応答比Ｉｌ／Ｖｉは、コイル３３の抵抗Ｒ０、コイル３３のインダクタンスＬ０、ラプラス演算子ｓ、渦電流の影響による項Ｚｅｄとの間に、下式（３）に示すような関係が成り立つ。
【数2】
【0037】
ここで、渦電流の影響による項Ｚｅｄをフィルタ７４に予め設定するための、軸受制御装置６０の設定方法Ｓ１０について説明する。
図６に示すように、軸受制御装置６０の設定方法Ｓ１０は、電磁石のインピーダンスを取得するステップＳ１１と、渦電流の影響による項を取得するステップＳ１２と、渦電流の影響による項をフィッティングするステップＳ１３と、渦電流の影響による項を、フィルタに設定するステップＳ１４と、を含んでいる。
図６に示すように、軸受制御装置６０の設定方法Ｓ１０は、電磁石のインピーダンスを取得するステップＳ１１と、渦電流の影響による項を取得するステップＳ１２と、渦電流の影響による項をフィッティングするステップＳ１３と、渦電流の影響による項を、フィルタに設定するステップＳ１４と、を含んでいる。
【0038】
電磁石のインピーダンスを取得するステップＳ１１では、電磁石３１のインピーダンスＩｒ／Ｖｉを取得する。これには、電磁石３１のインピーダンスＩｒ／Ｖｉを実測してもよいし、電磁石３１のインピーダンスＩｒ／Ｖｉを磁場解析により算出してもよい。
【0039】
渦電流の影響による項を取得するステップＳ１２では、下式（４）
に基づいて、渦電流の影響による項Ｚｅｄを推定する。ここで、コイル３３の抵抗Ｒ０、コイル３３の静的なインダクタンスＬ０は、実測してもよいし、解析により算出してもよい。ここで、コイル３３の静的なインダクタンスＬ０は、コイル３３の吸引力に寄与するコイル３３の主磁束に関するインダクタンスであり、電磁石３１とスラストカラー１８との隙間に対する依存性が大きい。一方、渦電流の影響による項Ｚｅｄは、電磁石３１の構造に起因するものであり、電磁石３１とスラストカラー１８との隙間に対する依存性が小さい。
【数3】
【0040】
渦電流の影響による項をフィッティングするステップＳ１３では、Ｔｚ、Ｔｐを時定数としたときに、回転軸１１が回転するときの周波数に応じて、下式（５）
Ｚｅｄ＝Π｛（１＋Ｔｚ＊ｓ）／（１＋Ｔｐ＊ｓ）｝ ・・・（５）
に基づいて、渦電流の影響による項Ｚｅｄをフィッティングする。ここで、回転機械１において、回転軸１１が回転するときの周波数を、例えば１０～１０００Ｈｚとした場合、渦電流の影響による項Ｚｅｄの位相歪みの大きさと、ゲイン（インピーダンスの逆数）の大きさを実測し、それぞれ最小二乗法等により、予め設定した理想値に近づくように、渦電流の影響による項Ｚｅｄをフィッティングさせる。
Ｚｅｄ＝Π｛（１＋Ｔｚ＊ｓ）／（１＋Ｔｐ＊ｓ）｝ ・・・（５）
に基づいて、渦電流の影響による項Ｚｅｄをフィッティングする。ここで、回転機械１において、回転軸１１が回転するときの周波数を、例えば１０～１０００Ｈｚとした場合、渦電流の影響による項Ｚｅｄの位相歪みの大きさと、ゲイン（インピーダンスの逆数）の大きさを実測し、それぞれ最小二乗法等により、予め設定した理想値に近づくように、渦電流の影響による項Ｚｅｄをフィッティングさせる。
【0041】
渦電流の影響による項を、フィルタに設定するステップＳ１４では、ステップＳ１３でフィッティングされた渦電流の影響による項Ｚｅｄを、フィルタ７４に設定する。
【0042】
（作用効果）
上記構成の軸受制御装置６０、磁気軸受装置１９、回転機械１、磁気軸受装置１９の設定方法Ｓ１０によれば、フィルタ７４で、コイル３３で生成される磁束によって生じる渦電流の影響に応じて補正した補正電流値を生成する。パワーアンプ７２では、補正電流値に基づいた電流指令値を入力とし、コイル３３に電流を供給することにより、コイル３３に生じる渦電流による影響を抑えることができる。したがって、渦電流によってコイル３３における磁束の生成が妨げられることが抑えられ、コイル３３における起磁力の低下が抑えられる。その結果、スラスト磁気軸受３０の軸受性能を向上させることができる。
上記構成の軸受制御装置６０、磁気軸受装置１９、回転機械１、磁気軸受装置１９の設定方法Ｓ１０によれば、フィルタ７４で、コイル３３で生成される磁束によって生じる渦電流の影響に応じて補正した補正電流値を生成する。パワーアンプ７２では、補正電流値に基づいた電流指令値を入力とし、コイル３３に電流を供給することにより、コイル３３に生じる渦電流による影響を抑えることができる。したがって、渦電流によってコイル３３における磁束の生成が妨げられることが抑えられ、コイル３３における起磁力の低下が抑えられる。その結果、スラスト磁気軸受３０の軸受性能を向上させることができる。
【0043】
また、フィルタ７４は、電磁石３１のインピーダンスＩｒ／Ｖｉと、コイル３３の抵抗Ｒ０、及びコイル３３のインダクタンスＬ０に基づいて、コイル電流値Ｉｃを渦電流の影響に応じて補正することで、コイル３３で、渦電流の影響を相殺して励磁を行えるように、補正電流値を生成することができる。
【0044】
また、金属により一体に形成されたコイル３３を備えるスラスト磁気軸受３０においては、コイル３３に生じる渦電流による影響が大きくなる。そこで、このようなコイル３３に生じる渦電流による影響を抑えることで、軸受性能を、より有効に向上させることができる。
【0045】
（その他の実施形態）
以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
なお、上記実施形態では、渦電流の影響による項Ｚｅｄの設定方法の流れを説明したが、その手順は適宜変更可能である。
以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
なお、上記実施形態では、渦電流の影響による項Ｚｅｄの設定方法の流れを説明したが、その手順は適宜変更可能である。
【0046】
＜付記＞
実施形態に記載の軸受制御装置６０、磁気軸受装置１９、回転機械１、磁気軸受装置１９の設定方法Ｓ１０は、例えば以下のように把握される。
実施形態に記載の軸受制御装置６０、磁気軸受装置１９、回転機械１、磁気軸受装置１９の設定方法Ｓ１０は、例えば以下のように把握される。
【0047】
（１）第１の態様に係る軸受制御装置６０は、軸線方向Ｄａに延びる回転軸１１に対向配置されたコイル３３を含む電磁石３１を備え、前記コイル３３に電流を流すことで発生する磁界によって、前記回転軸１１を、前記軸線Ｏ回りの周方向Ｄｃに回転自在に非接触で支持する磁気軸受３０の軸受制御装置６０であって、前記コイル３３に流れる電流の値であるコイル電流値Ｉｃを取得する電流値取得部７３と、前記電流値取得部７３で取得された前記コイル電流値Ｉｃを、前記コイル３３で生成される磁束によって生じる渦電流の影響に応じて補正した補正電流値を生成するフィルタ７４と、前記補正電流値に基づいた電流指令値を入力とし、前記コイル３３に電流を供給するパワーアンプ７２と、を含む。
【0048】
この軸受制御装置６０は、フィルタ７４で、コイル３３で生成される磁束によって生じる渦電流の影響に応じて補正した補正電流値を生成する。パワーアンプ７２では、補正電流値に基づいた電流指令値を入力とし、コイル３３に電流を供給することにより、コイル３３に生じる渦電流による影響を抑えることができる。したがって、渦電流によってコイル３３における磁束の生成が妨げられることが抑えられ、コイル３３における起磁力の低下が抑えられる。その結果、磁気軸受３０の軸受性能を向上させることができる。
【0049】
（２）第２の態様に係る軸受制御装置６０は、（１）の軸受制御装置６０であって、前記フィルタ７４は、前記電磁石３１のインピーダンスＩｒ／Ｖｉと、前記コイル３３の抵抗Ｒ０、及び前記コイル３３のインダクタンスＬ０に基づいて、前記コイル電流値Ｉｃを前記渦電流の影響に応じて補正し、前記補正電流値を生成する。
【0050】
これにより、フィルタ７４は、電磁石３１のインピーダンスＩｒ／Ｖｉと、コイル３３の抵抗Ｒ０、及びコイル３３のインダクタンスＬ０に基づいて、コイル電流値Ｉｃを渦電流の影響に応じて補正することで、コイル３３で、渦電流の影響を相殺して励磁を行えるように、補正電流値を生成することができる。
【0051】
（３）第３の態様に係る軸受制御装置６０は、（２）の軸受制御装置６０であって、前記フィルタ７４は、前記電磁石３１に印加される電圧をＶｉ、前記コイル３３の抵抗をＲ０、前記コイル３３のインダクタンスをＬ０、ラプラス演算子をｓ、前記渦電流の影響による項をＺｅｄ、としたときに、下式（６）に基づいて得られる電流値Ｉｌを、前記補正電流値として取得する。
【数4】
【0052】
これにより、渦電流の影響を相殺しながらコイル３３で励磁を行えるように、補正電流値を取得することができる。
【0053】
（４）第４の態様に係る軸受制御装置６０は、（３）の軸受制御装置６０であって、前記フィルタ７４は、下式（７）に基づいて算出される前記渦電流の影響による項Ｚｅｄを、
Ｔｚ、Ｔｐを時定数としたときに、前記回転軸１１が回転するときの周波数域に応じて、下式（８）に基づいたフィッティングを行うことで取得する。
Ｚｅｄ＝Π｛（１＋Ｔｚ＊ｓ）／（１＋Ｔｐ＊ｓ）｝ ・・・（８）
【数5】
Ｚｅｄ＝Π｛（１＋Ｔｚ＊ｓ）／（１＋Ｔｐ＊ｓ）｝ ・・・（８）
【0054】
これにより、回転軸１１が回転するときの周波数域において、渦電流の影響を相殺しながらコイル３３で励磁を行えるように、補正電流値を生成することができる。
【0055】
（５）第５の態様に係る磁気軸受装置１９は、軸線方向Ｄａに延びる回転軸１１に対向配置されたコイル３３を含む電磁石３１を備え、前記コイル３３に電流を流すことで発生する磁界によって、前記回転軸１１を、前記軸線Ｏ回りの周方向Ｄｃに回転自在に非接触で支持する磁気軸受３０と、（１）から（５）の何れか一つの軸受制御装置６０と、を含む。
【0056】
これにより、コイル３３に生じる渦電流による影響を抑え、軸受性能を向上させることができる軸受制御装置６０を備えた、磁気軸受装置１９を提供することが可能となる。
【0057】
（６）第６の態様に係る磁気軸受装置１９は、（５）の磁気軸受装置１９であって、前記磁気軸受３０は、前記回転軸１１の前記軸線方向Ｄａへの変位を拘束しつつ、前記回転軸１１を、前記軸線Ｏ回りの周方向Ｄｃに回転自在に非接触で支持するスラスト磁気軸受３０である。
【0058】
これにより、スラスト磁気軸受３０において、コイル３３に生じる渦電流による影響を抑え、軸受性能を向上させることができる。
【0059】
（７）第７の態様に係る磁気軸受装置１９は、（５）又は（６）の磁気軸受装置１９であって、前記コイル３３は、金属により一体に形成され、前記回転軸１１に対して前記軸線方向Ｄａを中心とした径方向Ｄｒの外側に配置され、前記軸線方向Ｄａを中心とした周方向Ｄｃに延びる環状に形成されている。
【0060】
これにより、金属により一体に形成されたコイル３３においては、コイル３３に生じる渦電流による影響が大きくなる。そこで、このようなコイル３３に生じる渦電流による影響を抑えることで、軸受性能を、より有効に向上させることができる。
【0061】
（８）第８の態様に係る回転機械１は、軸線方向Ｄａに延びる回転軸１１と、（１）から（７）の何れか一つの磁気軸受装置１９と、を含む。
回転機械１の例としては、ターボ機械、蒸気タービン、ガスタービン、遠心圧縮機等が挙げられる。
回転機械１の例としては、ターボ機械、蒸気タービン、ガスタービン、遠心圧縮機等が挙げられる。
【0062】
これにより、コイル３３に生じる渦電流による影響を抑え、軸受性能を向上させることができる磁気軸受装置１９を備えた、回転機械１を提供することが可能となる。
【0063】
（９）第９の態様に係る軸受制御装置６０の設定方法Ｓ１０は、（１）から（４）の何れか一つの軸受制御装置６０の設定方法Ｓ１０であって、前記電磁石３１のインピーダンスＩｒ／Ｖｉを取得するステップＳ１１と、前記コイル３３の抵抗をＲ０、前記コイル３３のインダクタンスをＬ０としたときに、下式（９）
に基づいて算出される、前記渦電流の影響による項Ｚｅｄを取得するステップＳ１２と、Ｔｚ、Ｔｐを時定数としたときに、前記回転軸１１が回転するときの周波数域に応じて、下式（１０）
Ｚｅｄ＝Π｛（１＋Ｔｚ＊ｓ）／（１＋Ｔｐ＊ｓ）｝ ・・・（１０）
に基づいて、前記渦電流の影響による項ＺｅｄをフィッティングするステップＳ１３と、フィッティングされた前記渦電流の影響による項Ｚｅｄに基づいて、前記フィルタ７４を設定するステップＳ１４と、を含む。
【数6】
Ｚｅｄ＝Π｛（１＋Ｔｚ＊ｓ）／（１＋Ｔｐ＊ｓ）｝ ・・・（１０）
に基づいて、前記渦電流の影響による項ＺｅｄをフィッティングするステップＳ１３と、フィッティングされた前記渦電流の影響による項Ｚｅｄに基づいて、前記フィルタ７４を設定するステップＳ１４と、を含む。
【0064】
これにより、コイル３３に生じる渦電流による影響を抑え、軸受性能を向上させることができるフィルタ７４を備えた、軸受制御装置６０を設定することができる。
【符号の説明】
【0065】
１…回転機械
１０…ハウジング
１１…回転軸
１２…第一インペラ
１３…第二インペラ
１４…モータ
１５…ロータコア
１６…ステータ
１８…スラストカラー
１９…磁気軸受装置
２０…ラジアル磁気軸受
２１…ヨーク
２１ａ…バックヨーク
２１ｂ…ティース
２２…ラジアル磁気軸受コイル
３０…磁気軸受
３０…スラスト磁気軸受
３１…電磁石
３２…ステータ
３２ｍ…コイル保持溝
３３…コイル
６０…軸受制御装置
６１…プロセッサ
６２…ＲＯＭ
６３…ＲＡＭ
６４…ストレージ
６５…信号受信モジュール
７０Ａ…ラジアル磁気軸受制御部
７０Ｂ…スラスト軸受制御部
７１…コントローラ
７２…パワーアンプ
７３…電流値取得部
７４…フィルタ
Ｄａ…軸線方向
Ｄｃ…周方向
Ｄｒ…径方向
Ｏ…軸線
Ｓ１…指令信号
Ｓ２…補正信号
１０…ハウジング
１１…回転軸
１２…第一インペラ
１３…第二インペラ
１４…モータ
１５…ロータコア
１６…ステータ
１８…スラストカラー
１９…磁気軸受装置
２０…ラジアル磁気軸受
２１…ヨーク
２１ａ…バックヨーク
２１ｂ…ティース
２２…ラジアル磁気軸受コイル
３０…磁気軸受
３０…スラスト磁気軸受
３１…電磁石
３２…ステータ
３２ｍ…コイル保持溝
３３…コイル
６０…軸受制御装置
６１…プロセッサ
６２…ＲＯＭ
６３…ＲＡＭ
６４…ストレージ
６５…信号受信モジュール
７０Ａ…ラジアル磁気軸受制御部
７０Ｂ…スラスト軸受制御部
７１…コントローラ
７２…パワーアンプ
７３…電流値取得部
７４…フィルタ
Ｄａ…軸線方向
Ｄｃ…周方向
Ｄｒ…径方向
Ｏ…軸線
Ｓ１…指令信号
Ｓ２…補正信号
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【手続補正書】
【提出日】2023-10-10
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
軸線方向に延びる回転軸に対向配置されたコイルを含む電磁石を備え、前記コイルに電流を流すことで発生する磁界によって、前記回転軸を、前記軸線回りの周方向に回転自在に非接触で支持する磁気軸受の軸受制御装置であって、
前記コイルに流れる電流の値であるコイル電流値を取得する電流値取得部と、
前記電流値取得部で取得された前記コイル電流値を、前記コイルで生成される磁束によって生じる渦電流の影響に応じて補正した補正電流値を生成するフィルタと、
前記補正電流値に基づいた電流指令値を入力とし、前記コイルに電流を供給するパワーアンプと、を含む、
軸受制御装置。
前記コイルに流れる電流の値であるコイル電流値を取得する電流値取得部と、
前記電流値取得部で取得された前記コイル電流値を、前記コイルで生成される磁束によって生じる渦電流の影響に応じて補正した補正電流値を生成するフィルタと、
前記補正電流値に基づいた電流指令値を入力とし、前記コイルに電流を供給するパワーアンプと、を含む、
軸受制御装置。
【請求項2】
前記フィルタは、前記電磁石のインピーダンスと、前記コイルの抵抗、及び前記コイルのインダクタンスに基づいて、前記コイル電流値を前記渦電流の影響に応じて補正し、前記補正電流値を生成する、
請求項１に記載の軸受制御装置。
請求項１に記載の軸受制御装置。
【請求項3】
前記フィルタは、
前記コイルに印加される電圧をＶｉ、前記コイルの抵抗をＲ０、前記コイルのインダクタンスをＬ０、ラプラス演算子をｓ、前記渦電流の影響による項をＺｅｄ、としたときに、下式（１）に基づいて得られる電流値Ｉｌを、前記補正電流値として取得する、
請求項２に記載の軸受制御装置。
前記コイルに印加される電圧をＶｉ、前記コイルの抵抗をＲ０、前記コイルのインダクタンスをＬ０、ラプラス演算子をｓ、前記渦電流の影響による項をＺｅｄ、としたときに、下式（１）に基づいて得られる電流値Ｉｌを、前記補正電流値として取得する、
【数1】
【請求項4】
前記フィルタは、電磁石のインピーダンスＩ
ｒ
／Ｖ
ｉ
を示す下式（２）に基づいて算出される前記渦電流の影響による項Ｚｅｄを、
Ｔｚ、Ｔｐを時定数としたときに、前記回転軸が回転するときの周波数域に応じて、下式（３）に基づいたフィッティングを行うことで取得する
Ｚｅｄ＝Π｛（１＋Ｔｚ＊ｓ）／（１＋Ｔｐ＊ｓ）｝ ・・・（３）
請求項３に記載の軸受制御装置。
【数2】
Ｚｅｄ＝Π｛（１＋Ｔｚ＊ｓ）／（１＋Ｔｐ＊ｓ）｝ ・・・（３）
請求項３に記載の軸受制御装置。
【請求項5】
軸線方向に延びる回転軸に対向配置されたコイルを含む電磁石を備え、前記コイルに電流を流すことで発生する磁界によって、前記回転軸を、前記軸線回りの周方向に回転自在に非接触で支持する磁気軸受と、
請求項１又は２に記載の軸受制御装置と、を含む、
磁気軸受装置。
請求項１又は２に記載の軸受制御装置と、を含む、
磁気軸受装置。
【請求項6】
前記磁気軸受は、前記回転軸の前記軸線方向への変位を拘束しつつ、前記回転軸を、前記軸線回りの周方向に回転自在に非接触で支持するスラスト磁気軸受である
請求項５に記載の磁気軸受装置。
請求項５に記載の磁気軸受装置。
【請求項7】
前記コイルは、金属により一体に形成され、前記回転軸に対して前記軸線方向を中心とした径方向の外側に配置され、前記軸線方向を中心とした周方向に延びる環状に形成されている、
請求項５に記載の磁気軸受装置。
請求項５に記載の磁気軸受装置。
【請求項8】
軸線方向に延びる回転軸と、
請求項５に記載の磁気軸受装置と、を含む、
回転機械。
請求項５に記載の磁気軸受装置と、を含む、
回転機械。
【請求項9】
請求項１又は２に記載の軸受制御装置の設定方法であって、
前記電磁石のインピーダンスＩｒ／Ｖｉを取得するステップと、
前記コイルの抵抗をＲ０、前記コイルのインダクタンスをＬ０としたときに、下式（４）
に基づいて算出される、前記渦電流の影響による項Ｚｅｄを取得するステップと、
Ｔｚ、Ｔｐを時定数としたときに、前記回転軸が回転するときの周波数域に応じて、下式（５）
Ｚｅｄ＝Π｛（１＋Ｔｚ＊ｓ）／（１＋Ｔｐ＊ｓ）｝ ・・・（５）
に基づいて、前記渦電流の影響による項Ｚｅｄをフィッティングするステップと、
フィッティングされた前記渦電流の影響による項Ｚｅｄに基づいて、前記フィルタを設定するステップと、を含む、
軸受制御装置の設定方法。
前記電磁石のインピーダンスＩｒ／Ｖｉを取得するステップと、
前記コイルの抵抗をＲ０、前記コイルのインダクタンスをＬ０としたときに、下式（４）
【数3】
Ｔｚ、Ｔｐを時定数としたときに、前記回転軸が回転するときの周波数域に応じて、下式（５）
Ｚｅｄ＝Π｛（１＋Ｔｚ＊ｓ）／（１＋Ｔｐ＊ｓ）｝ ・・・（５）
に基づいて、前記渦電流の影響による項Ｚｅｄをフィッティングするステップと、
フィッティングされた前記渦電流の影響による項Ｚｅｄに基づいて、前記フィルタを設定するステップと、を含む、
軸受制御装置の設定方法。