磁気軸受装置、および回転機械
【課題】曲げ振動モードの固有周波数を安定化できる磁気軸受装置と、このスラスト磁気軸受を備えた回転機械を提供する。
【解決手段】シャフト５と一体に回転するスラストディスク２７と、磁力によりスラストディスク２７のスラスト力を支持するスラスト磁気軸受２５と、スラストディスク２７の傾きを検出する第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂ（傾斜検出手段）と、第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂに検出された傾きに起因する所定周期の振動によって、スラスト磁気軸受２５の磁力を制御するコントローラ２１（制御部）と、から構成され、スラスト磁気軸受２５は、周方向に複数に分割された第１電磁石２６ａおよび第２電磁石２６ｂ（磁力発生部）を有し、コントローラ２１は、第１電磁石２６ａおよび第２電磁石２６ｂを各々制御することを特徴としている。
【解決手段】シャフト５と一体に回転するスラストディスク２７と、磁力によりスラストディスク２７のスラスト力を支持するスラスト磁気軸受２５と、スラストディスク２７の傾きを検出する第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂ（傾斜検出手段）と、第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂに検出された傾きに起因する所定周期の振動によって、スラスト磁気軸受２５の磁力を制御するコントローラ２１（制御部）と、から構成され、スラスト磁気軸受２５は、周方向に複数に分割された第１電磁石２６ａおよび第２電磁石２６ｂ（磁力発生部）を有し、コントローラ２１は、第１電磁石２６ａおよび第２電磁石２６ｂを各々制御することを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、曲げ振動モードの抑制効果を有する磁気軸受装置、およびこの磁気軸受装置を備えた回転機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
産業用圧縮機やターボ冷凍機、小型ガスタービンなどの回転機械に用いられる軸受装置の一つとして、電磁石を用いた磁気軸受装置が知られている（例えば非特許文献１参照）。磁気軸受装置は、流体潤滑軸受よりも損失が少なく、軸受のドライ化および雰囲気のクリーン化が図れるため、特に真空状態では有効な軸受装置である。
【０００３】
図７は、一般的な磁気軸受装置２００を備えた回転機械２５０の説明図である。
図８は、シャフト２０２の各振動モードの説明図である。
図９は、各振動モードの周波数域の説明図である。
図７に示すように、回転機械２５０は、シャフト２０２と一体に回転するインペラ２０１と、磁気軸受装置２００とにより構成されている。
【０００４】
また、磁気軸受装置２００は、シャフト２０２のラジアル位置を検出するラジアルセンサ２０３と、シャフト２０２のスラスト位置を検出するスラストセンサ２０４と、シャフト２０２のラジアル負荷を支持するラジアル磁気軸受２０８（２０８ａ，２０８ｂ）と、シャフト２０２のスラスト負荷を支持するスラスト磁気軸受２０７と、ラジアル磁気軸受２０８およびスラスト磁気軸受２０７を制御するコントローラ２１０とを備えている。
【０００５】
ところで、回転駆動するシャフト５は、例えば図８（ｂ）から（ｄ）に示すような振動モードを有する。
図８（ｂ）および図８（ｃ）は、シャフト５がほとんど曲がらない剛体振動モードである。図８（ｂ）の剛体振動モードは、シャフト５の回転中心が偏心する剛体１次振動モードである。また、図８（ｃ）の剛体振動モードは、シャフト５の重心を挟んでシャフト５の端部が反対側に配置される剛体２次振動モードである。
また、図８（ｄ）は、シャフト５が湾曲する曲げ振動モードであり、シャフト５の重心を挟んで、シャフト５の端部が同じ側に配置される。
【０００６】
そして、コントローラ２１０は、ラジアルセンサ２０３およびスラストセンサ２０４の値を基に、図８に示す各振動モードの判別を行い、ＰＩＤ制御によりフィードバック制御を行っている。
【０００７】
ここで、通常、各振動モードは、その固有周波数が位相進み周波数域にあれば、振動が減衰して安定化することが知られている。換言すれば、位相進み周波数域は、シャフト２０２の振動を減衰させる安定化領域であり、位相遅れ周波数域は、シャフト２０２の振動を発散させる不安定化領域である。
【０００８】
したがって、コントローラ２１０は、ラジアル磁気軸受２０８およびスラスト磁気軸受２０７の吸引力を制御し、剛体１次振動モード、および剛体２次振動モードの固有周波数を操作している。具体的には、図９に示すように、剛体１次振動モードおよび剛体２次振動モードの固有周波数を位相進み周波数域に入れて、剛体１次振動モードおよび剛体２次振動モードの安定化を行っている。
また、曲げ振動モードについては位相進み周波数域に入らないため、例えば、フィードバック信号にノッチフィルタをかけることにより、曲げ振動モードの固有周波数付近におけるゲインを下げて安定化させている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】我妻隆夫、金光陽一、高橋直彦、福島康夫、松下修己「回転機械設計者のための磁気軸受ガイドブック」、日本工業出版株式会社、平成１６年７月３０日発刊、ｐ．８６−９１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、一般に、遠心圧縮機等の大型の回転機械に磁気軸受装置を適用する場合、曲げ振動モードの固有周波数が低下し、剛体１次振動モードおよび剛体２次振動モードの固有周波数に近くなることがある。
このとき、前述のようにノッチフィルタにより曲げ振動モードの固有周波数におけるゲインを下げると、曲げ振動モードの固有周波数近傍のゲインも低下する。これにより、剛体１次振動モードおよび剛体２次振動モードの固有周波数が不安定となり、安定化できなくなるおそれがある。
【００１１】
そこで本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、曲げ振動モードの固有周波数と、剛体１次振動モードおよび剛体２次振動モードの固有周波数とが近接している場合であっても、曲げ振動モードの安定化ができる磁気軸受装置と、この磁気軸受装置を備えた回転機械の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するため、本発明の磁気軸受装置は、回転駆動するシャフトの端部に設けられ、前記シャフトと一体に回転するスラストディスクと、磁力により前記スラストディスクのスラスト力を支持するスラスト磁気軸受と、前記スラストディスクの傾きを検出する傾斜検出手段と、前記傾斜検出手段に検出された傾きに起因する所定周期の振動によって、前記スラスト磁気軸受の磁力を制御する制御部と、から構成され、前記スラスト磁気軸受は、周方向に複数に分割された磁力発生部を有し、前記制御部は、前記磁力発生部を各々制御することを特徴としている。
【００１３】
本発明によれば、スラスト磁気軸受の磁力発生部は、周方向に複数に分割されているので、各磁力発生部の吸引力を細かく制御することができる。すなわち、スラスト磁気軸受は、シャフトに曲げ振動モードが発生したときであっても、ゲインを低下させることなく、シャフトの湾曲を低減させる方向に吸引力を発生させ、シャフトの振動を減衰させることができる。したがって、大型の回転機械のように、曲げ振動モードの固有周波数と、剛体１次振動モードおよび剛体２次振動モードの固有周波数とが近接している場合であっても、曲げ振動モードの安定化ができる。
【００１４】
また、前記傾斜検出手段は、前記シャフトのラジアル方向の変位を検出するラジアルセンサを使用していることが望ましい。
本発明によれば、ラジアルセンサを使用してスラストディスクの傾斜を検出するので、従来と同じ装置構成でスラストディスクの傾斜を検出することができる。したがって、新たにスラストディスクの傾斜を検出するセンサを追加する必要がないので、低コストに磁気軸受装置を構成することができる。
【００１５】
また、前記所定周期は、曲げ振動モードの振動周期であることが望ましい。
本発明によれば、曲げ振動モードの振動周期を基にスラスト磁気軸受の磁力を制御しているので、ゲインを低下させることなく振動を減衰させて、曲げ振動モードの安定化ができる。
【００１６】
また、前記所定周期は、コニカルモードの振動周期であることが望ましい。
本発明によれば、コニカルモードの振動周期を基にスラスト磁気軸受の磁力を制御しているので、ゲインを低下させることなく振動を減衰させて、コニカルモードの安定化ができる。
【００１７】
また、本発明の回転機械は、上述の磁気軸受装置を備えたことを特徴としている。
本発明の回転機械は、曲げ振動モードの安定化ができる磁気軸受装置を備えている。したがって、例えば、遠心圧縮機のように、曲げ振動モードの固有周波数と、剛体１次振動モードおよび剛体２次振動モードの固有周波数とが近接している大型の回転機械であっても、曲げ振動モードの安定化ができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、スラスト磁気軸受の磁力発生部は、周方向に複数に分割されているので、各磁力発生部の吸引力を細かく制御することができる。すなわち、スラスト磁気軸受は、シャフトに曲げ振動モードが発生したときであっても、ゲインを低下させることなく、シャフトの湾曲を低減させる方向に吸引力を発生させ、シャフトの振動を減衰させることができる。したがって、大型の回転機械のように、曲げ振動モードの固有周波数と、剛体１次振動モードおよび剛体２次振動モードの固有周波数とが近接している場合であっても、曲げ振動モードの安定化ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の回転機械の説明図である。
【図２】磁気軸受装置の説明図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線における断面図である。
【図４】磁気軸受装置のブロック図である。
【図５】曲げ振動モード発生時の磁気軸受装置の説明図である。
【図６】第２実施形態のスラスト磁気軸受の説明図である。
【図７】一般的な磁気軸受装置を備えた回転機械の説明図である。
【図８】シャフトの各振動モードの説明図である。
【図９】各振動モードの周波数域の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
（遠心圧縮機）
図１は、本発明の磁気軸受装置２０を適用した遠心圧縮機１００の説明図である。
遠心圧縮機１００は、主として、中心軸Ｏ周りに回転するシャフト５と、シャフト５に取り付けられ、遠心力を利用してガス（気体）Ｇを圧縮するインペラ１０と、シャフト５を回転可能に支持すると共にガスＧを上流側から下流側に流す流路１０４を形成したケーシング１０５と、によって構成されている。なお、図示例ではシャフト５にインペラ１０が直列に６個設けられているが、少なくとも１個設けられていればよい。
【００２１】
ケーシング１０５のうち軸方向の一方側（図１における左側）には、ガスＧを外部から流入させる吸込口１０５ｃが設けられている。また、軸方向の他方側（図１における右側）には、ガスＧが外部に流出する排出口１０５ｄが設けられている。
ケーシング１０５内には、これら吸込口１０５ｃ及び排出口１０５ｄにそれぞれ連通し、縮径及び拡径を繰り返す内部空間が設けられている。この内部空間は、インペラ１０を収容する空間として機能すると共に流路１０４としても機能する。すなわち、吸込口１０５ｃと排出口１０５ｄとは、インペラ１０及び流路１０４を介して連通している。
【００２２】
（第１実施形態の磁気軸受装置）
次に、第１実施形態の磁気軸受装置２０について説明する。
図２は、磁気軸受装置２０の説明図である。
なお、以下の説明では、説明を簡単にするために、遠心圧縮機１００（図１参照）を流れるガスＧの上流側（図２における左側）を単に前側といい、下流側（図２における右側）を単に後側として説明する場合がある。
【００２３】
本実施形態の磁気軸受装置２０は、主にスラストディスク２７のスラスト力を支持するスラスト磁気軸受２５と、スラストディスク２７の傾きを検出する第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂ（傾斜検出手段）と、スラスト磁気軸受２５を制御するコントローラ２１（制御部）と、により構成されている。
【００２４】
スラストディスク２７は、ケーシング１０５（図１参照）の中心を貫くシャフト５の後側（図２における右側）に配置されている。スラストディスク２７は、略円盤状の部材であり、プレス等により形成される。特に、薄板の電磁鋼板を積層することにより、渦電流が発生しにくいスラストディスク２７を形成することができる。スラストディスク２７は、例えば、焼き嵌めや圧入等によってシャフト５と同軸になるように嵌合されており、シャフト５と一体的に回転する。
【００２５】
（スラスト磁気軸受）
スラスト磁気軸受２５は、スラストディスク２７を挟んで軸方向の前側に配置された前側スラスト磁気軸受２５ａと、軸方向の後側に配置された後側スラスト磁気軸受２５ｂとにより構成されている。なお、前側スラスト磁気軸受２５ａと、後側スラスト磁気軸受２５ｂとは同一の構造をしているため、以下では、後側スラスト磁気軸受２５ｂについて説明し、前側スラスト磁気軸受２５ａについては説明を省略している。
【００２６】
図３は、図２のＡ−Ａ線における断面図である。
図３に示すように、後側スラスト磁気軸受２５ｂは、電磁石２６（磁力発生部）を有している。後側スラスト磁気軸受２５ｂの電磁石２６は、軸方向から見て上側に配置された第１電磁石２６ａ、および下側に配置された第２電磁石２６ｂの、２個の電磁石により構成されている。すなわち、後側スラスト磁気軸受２５ｂの磁力発生部は、周方向に２分割されている。
【００２７】
第１電磁石２６ａおよび第２電磁石２６ｂは、それぞれ第１コイル２９ａおよび第２コイル２９ｂが巻回されることにより形成されている。
スラストディスク２７における第１電磁石２６ａおよび第２電磁石２６ｂが形成される領域には、第１コイル２９ａおよび第２コイル２９ｂを収容するためのリング状の溝（不図示）が設けられている。そして、リング状の溝に沿うように導線を巻回することにより、第１コイル２９ａおよび第２コイル２９ｂが形成されている。
【００２８】
第１コイル２９ａおよび第２コイル２９ｂの中心軸は、シャフトの中心軸Ｏと略平行になるように形成される。したがって、コントローラ２１のドライバ（図４参照）から第１コイル２９ａおよび第２コイル２９ｂに励磁電流を供給すると、スラスト磁気軸受２５からは、中心軸Ｏに沿った方向に磁界が発生する。なお、本実施形態のスラスト磁気軸受２５は、前側から後側（図２における左側から右側）に向かって磁界を発生している。そして、スラストディスク２７を後側に吸引することにより、スラストディスク２７とスラスト磁気軸受２５とのエアギャップを所定の値に保持している。
【００２９】
さらに本発明のスラスト磁気軸受２５は、前述のように第１電磁石２６ａと第２電磁石２６ｂとを有している。したがって、ドライバＤ３およびドライバＤ４（図４参照）をＰＩＤ制御部Ｃ３で制御することにより、第１コイル２９ａおよび第２コイル２９ｂに供給する励磁電流値を制御し、第１電磁石２６ａおよび第２電磁石２６ｂの磁力を制御することができる。したがって、スラストディスク２７が、前側スラスト磁気軸受２５ａと後側スラスト磁気軸受２５ｂとの間で傾斜しても、第１電磁石２６ａおよび第２電磁石２６ｂの磁力を制御し、スラストディスク２７の傾斜を抑制することができる。これにより、シャフト５に曲げ振動モードが発生しても、曲げ振動モードの安定化ができる。なお、スラスト磁気軸受２５の作用の詳細については後述する。
【００３０】
（ラジアル磁気軸受）
ラジアル磁気軸受２８は、シャフト５の両端に配置されており、シャフト５の前側（図２における左側）に配置された第１ラジアル磁気軸受２８ａと、シャフト５の後側（図２における右側）に配置された第２ラジアル磁気軸受２８ｂとにより構成されている。
ラジアル磁気軸受２８は、不図示の鉄心に複数の不図示のコイルが巻回されることにより形成される。ラジアル磁気軸受２８は、コイルに励磁電流が流れることによりシャフト５の径方向に磁界を発生し、シャフト５とラジアル磁気軸受２８とのエアギャップが所定の値になるように保持している。
【００３１】
第１ラジアル磁気軸受２８ａのコイルには、ドライバＤ１から励磁電流が供給され、第２ラジアル磁気軸受２８ｂのコイルには、ドライバＤ２から励磁電流が供給される。ドライバＤ１は、ＰＩＤ制御部Ｃ１により制御され、ドライバＤ２は、ＰＩＤ制御部Ｃ２により制御されている。
【００３２】
（傾斜検出手段）
磁気軸受装置２０には、スラストディスク２７の傾きを検出する傾斜検出手段が設けられている。本実施形態の傾斜検出手段は、ラジアルセンサ２３（第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂ）により構成されている。
ラジアルセンサ２３は、シャフト５の両端に配置されており、第１ラジアルセンサ２３ａは第１ラジアル磁気軸受２８ａの前側に、第２ラジアルセンサ２３ｂは第２ラジアル磁気軸受２８ｂの後側に配置されている。なお、第１ラジアル磁気軸受２８ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂの配置はこれに限られることなく、例えば、第１ラジアルセンサ２３ａは第１ラジアル磁気軸受２８ａの後側に、第２ラジアルセンサ２３ｂは第２ラジアル磁気軸受２８ｂの前側に配置されていてもよい。
【００３３】
第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂは、渦電流式やインダクション式のセンサが採用される。例えば、渦電流式のセンサの場合、各振動モードでシャフト５が傾くと、電磁誘導作用により、第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂ内のコイルを通過する磁束密度が変化し、磁束密度の変化に応じてコイルのインピーダンスが変化する。このコイルのインピーダンスの変化から、シャフト５の傾斜、およびスラストディスク２７の傾斜を検出することができる。
【００３４】
（コントローラ）
図４は、磁気軸受装置２０のブロック図である。
上述したラジアル磁気軸受２８およびスラスト磁気軸受２５は、コントローラ２１（制御部）により制御される。
コントローラ２１は、主に、ＰＩＤ制御部Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３と、各電磁石のコイルに励磁電流を供給するドライバＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４と、曲げ振動モードの発生を検出する検出フィルタＦと、により構成されている。
また、コントローラ２１は、ラジアル磁気軸受２８を制御するラジアル制御系と、スラスト磁気軸受２５を制御するスラスト制御系と、検出フィルタＦにより曲げ振動モードが検出されたときにスラスト磁気軸受２５を制御する曲げ減衰制御系と、により構成されている。
【００３５】
ラジアル制御系では、第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂにより、シャフト５のラジアルずれを検出すると、ＰＩＤ制御部Ｃ１，Ｃ２が演算を行い、第１ラジアル磁気軸受２８ａ、および第２ラジアル磁気軸受２８ｂの各コイルに流す励磁電流を算出している。そして、ドライバＤ１，Ｄ２は、ＰＩＤ制御部Ｃ１，Ｃ２が算出した励磁電流値に基づき、第１ラジアル磁気軸受２８ａ、および第２ラジアル磁気軸受２８ｂの各コイルに励磁電流を供給している。
【００３６】
スラスト制御系では、スラストセンサ２４により、スラストディスク２７のスラストずれを検出すると、ＰＩＤ制御部Ｃ３が演算を行い、スラスト磁気軸受２５の第１コイル２９ａおよび第２コイル２９ｂに流す励磁電流を算出している。
さらに、シャフト５に曲げ振動モードが発生した場合には、第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂの各値から、検出フィルタＦがシャフト５の曲げ振動モードを検出する。そして、曲げ減衰制御系は、曲げ振動モードを減衰させるように、スラスト磁気軸受２５の第１コイル２９ａおよび第２コイル２９ｂに流す励磁電流を算出している。
また、ドライバＤ３は、ＰＩＤ制御部Ｃ３および曲げ減衰制御系が算出した励磁電流値に基づき、スラスト磁気軸受２５の第１コイル２９ａおよび第２コイル２９ｂに励磁電流を供給している。
【００３７】
その後、ラジアル制御系、スラスト制御系、および曲げ減衰制御系の各制御系により操作され、変位したシャフト５のラジアル位置、スラストディスク２７のスラスト位置、およびスラストディスク２７の傾斜（すなわち曲げ振動モードの有無）を、第１ラジアルセンサ２３ａ、第２ラジアルセンサ２３ｂおよびスラストセンサ２４により再度検出する。そして、再度ＰＩＤ制御部Ｃ１〜Ｃ３で演算を行い、各ドライバＤ１〜Ｄ４が供給する電流を調整するというフィードバック制御を繰り返している。
【００３８】
（作用）
次に、本実施形態の磁気軸受装置２０の作用について説明する。
図５は、曲げ振動モード発生時の磁気軸受装置２０の説明図である。
図５に示すように、シャフト５が湾曲する曲げ振動モードが発生すると、スラストディスク２７に傾斜が発生する。なお、以下では、スラストディスク２７の上側が前側（図５における左側）に傾斜し、スラストディスク２７の下側が、後側（図５における右側）に傾斜している場合について説明する。
【００３９】
曲げ振動モードが発生するとシャフト５が湾曲する（図８（ｄ）参照）。このため、曲げ振動モード時のシャフト５と、第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂとのエアギャップは、定常状態におけるシャフト５と、第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂとのエアギャップから変化している。
第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂは、エアギャップの変化を検出し、さらにコントローラ２１に設けられた検出フィルタＦにより、コントローラ２１は曲げ振動モードの発生を検出する。
【００４０】
検出フィルタＦが曲げ振動モードの発生を検出すると、曲げ減衰制御系が動作する。曲げ減衰制御系では、スラストディスク２７の傾斜を抑制してシャフトを伸長させ、曲げ振動モードの振動を減衰させるための励磁電流値を算出している。そして、第１電磁石２６ａに励磁電流を供給するドライバＤ３、および第２電磁石２６ｂに励磁電流を供給するドライバＤ４に指令を与える。
【００４１】
ここで、本実施形態のスラスト磁気軸受２５は、前側から後側（図２における左側から右側）に向かってスラストディスク２７を吸引して、スラストディスク２７とスラスト磁気軸受２５とのエアギャップを所定の値に保持している。
そのため、図５に示すように、スラストディスク２７の上側が前方に移動し、スラストディスク２７の下側が後方に移動するように傾斜を生じようとしている場合には、上側に配置された第１電磁石２６ａの吸引力を増大させ、下側に配置された第２電磁石２６ｂの吸引力を減少させればよい。
【００４２】
したがって、曲げ減衰制御系は、第１電磁石２６ａに励磁電流を供給するドライバＤ３には、第１コイル２９ａに流れる励磁電流を増加させるように指令を与える。これに対して、第２電磁石２６ｂに励磁電流を供給するドライバＤ４には、第２コイル２９ｂに流れる励磁電流を減少させるように指令を与える。
そして、フィードバック制御により以上の操作を繰り返すことにより、スラストディスク２７の傾斜を抑制し、曲げ振動モードの振動を減衰させている。
【００４３】
（第１実施形態の効果）
本実施形態によれば、スラスト磁気軸受２５の磁力発生部である電磁石２６は、上側の第１電磁石２６ａと、下側の第２電磁石２６ｂとに分割されているので、第１電磁石２６ａ、および第２電磁石２６ｂの吸引力を細かく制御することができる。すなわち、本実施形態のスラスト磁気軸受２５は、シャフト５に曲げ振動モードが発生したときであっても、ゲインを低下させることなく、シャフト５の曲げを低減させる方向に吸引力を発生させ、シャフト５の振動を減衰させることができる。したがって、例えば遠心圧縮機１００（図１参照）等の大型の回転機械１のように、曲げ振動モードの固有周波数と、剛体１次振動モードおよび剛体２次振動モードの固有周波数とが近接している場合であっても、曲げ振動モードの安定化ができる。
【００４４】
また、本実施形態によれば、ラジアルセンサ２３を使用して、ラジアルセンサ２３とシャフト５とのエアギャップの変化を検知することでスラストディスク２７の傾斜を検出しているので、従来と同じ装置構成でスラストディスク２７の傾斜を検出することができる。したがって、新たにスラストディスク２７の傾斜を検出するセンサを追加する必要がないので、低コストに磁気軸受装置２０を構成することができる。
【００４５】
また、本実施形態によれば、曲げ振動モードの振動周期を基にスラスト磁気軸受２５に設けられた第１電磁石２６ａおよび第２電磁石２６ｂの磁力を制御している。したがって、ゲインを低下させることなくシャフト５の振動を減衰させ、曲げ振動モードの安定化ができる。
【００４６】
また、本実施形態の遠心圧縮機１００（図１参照）は、上述の磁気軸受装置２０を備えているので、曲げ振動モードの固有周波数と、剛体１次振動モードおよび剛体２次振動モードの固有周波数とが近接していても、曲げ振動モードの安定化ができる。
【００４７】
（第２実施形態のスラスト磁気軸受）
次に、第２実施形態のスラスト磁気軸受２５について説明する。
図６は、第２実施形態のスラスト磁気軸受２５の説明図である。
第１実施形態のスラスト磁気軸受２５では、電磁石２６は２箇所に設けられており、軸方向から見て上側に配置された第１電磁石２６ａと、下側に配置された第２電磁石２６ｂとにより構成されていた。しかし、第２実施形態のスラスト磁気軸受２５では、周方向に沿って電磁石２６が４箇所に設けられている点で、第１実施形態とは異なっている。なお、第１実施形態と同様の構成部分については、詳細な説明を省略する。
【００４８】
また、第２実施形態のスラスト磁気軸受２５は、第１実施形態と同様に、前側スラスト磁気軸受２５ａと、後側スラスト磁気軸受２５ｂとにより構成されており、前側スラスト磁気軸受２５ａと、後側スラスト磁気軸受２５ｂとは同一の構造をしている。したがって、以下では後側スラスト磁気軸受２５ｂについて説明し、前側スラスト磁気軸受２５ａについては説明を省略している。
【００４９】
図６に示すように、後側スラスト磁気軸受２５ｂには、軸方向から見て上側には第１電磁石２６ａが、下側には第２電磁石２６ｂが、左側には第３電磁石２６ｃが、右側には第４電磁石２６ｄがそれぞれ配置されている。すなわち、後側スラスト磁気軸受２５ｂの磁力発生部は、周方向に４分割されている。
第１電磁石２６ａ、第２電磁石２６ｂ、第３電磁石２６ｃ、および第４電磁石２６ｄは、それぞれ第１コイル２９ａ、第２コイル２９ｂ、第３コイル２９ｃ、および第４コイル２９ｄが巻回されることで形成される。
【００５０】
第１実施形態と同様に、第１コイル２９ａおよび第２コイル２９ｂは、それぞれコントローラ２１のドライバＤ３およびドライバＤ４（図４参照）と接続されている。そして、ドライバＤ３およびドライバＤ４から供給される励磁電流値を変化させることにより、第１電磁石２６ａおよび第２電磁石２６ｂの磁力の強さを変化させることができる。したがって、スラストディスク２７が、前側スラスト磁気軸受２５ａと後側スラスト磁気軸受２５ｂとの間で鉛直方向に傾斜しても、第１電磁石２６ａと第２電磁石２６ｂとの間で吸引力を変化させ、スラストディスク２７の傾斜を抑制している。
【００５１】
さらに、第３コイル２９ｃおよび第４コイル２９ｄは、図４に示すドライバＤ３およびドライバＤ４と同様に構成された、ドライバＤ５およびドライバＤ６（不図示）と接続されている。そして、ドライバＤ５およびドライバＤ６から供給される励磁電流値を変化させることにより、第３電磁石２６ｃと第４電磁石２６ｄとで磁力の強さを変化させることができる。したがって、スラストディスク２７が、前側スラスト磁気軸受２５ａと後側スラスト磁気軸受２５ｂとの間で水平方向に傾斜しても、第３電磁石２６ｃと第４電磁石２６ｄとの間で吸引力を変化させ、スラストディスク２７の傾斜を抑制している。
【００５２】
（第２実施形態の効果）
本実施形態によれば、スラスト磁気軸受２５の磁力発生部である電磁石２６は、軸方向平面視で上側の第１電磁石２６ａ、下側の第２電磁石２６ｂ、左側の第３電磁石２６ｃ、および右側の第４電磁石２６ｄの４個に分割されている。これにより、第１電磁石２６ａ、第２電磁石２６ｂ、第３電磁石２６ｃ、および第４電磁石２６ｄの吸引力を細かく制御し、スラストディスク２７の傾斜を抑制して、シャフト５の振動を減衰させることができる。したがって、第１実施形態よりも高精度にすばやく曲げ振動モードの安定化ができる。
【００５３】
なお、この発明は上述した実施の形態に限られるものではない。
各実施形態では、回転機械１として遠心圧縮機１００を例にして説明した。しかし、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、斜流型の圧縮機に本発明を適用することもできる。
また、本発明の回転機械１は遠心圧縮機１００に限定されることなく、例えば、送風機に適用することもできる。
【００５４】
また、第１実施形態および第２実施形態では、磁気軸受装置２０による曲げ振動モードが発生した場合の振動の安定化について説明した。しかし、磁気軸受装置２０の適用は、曲げ振動モードに限られることはなく、例えばコニカルモードの振動の安定化についても適用できる。
【００５５】
また、第１実施形態におけるスラスト磁気軸受２５の電磁石２６は２分割されており、第２実施形態におけるスラスト磁気軸受２５の電磁石２６は４分割されていた。しかし、電磁石２６の分割数はこれらに限定されることはなく、例えば３分割や６分割であってもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１・・・回転機械 ５・・・シャフト ２０・・・磁気軸受装置 ２１・・・コントローラ（制御部） ２３・・・ラジアルセンサ（傾斜検出手段） ２５・・・スラスト磁気軸受 ２６・・・電磁石（磁力発生部） ２７・・・スラストディスク
【技術分野】
【０００１】
この発明は、曲げ振動モードの抑制効果を有する磁気軸受装置、およびこの磁気軸受装置を備えた回転機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
産業用圧縮機やターボ冷凍機、小型ガスタービンなどの回転機械に用いられる軸受装置の一つとして、電磁石を用いた磁気軸受装置が知られている（例えば非特許文献１参照）。磁気軸受装置は、流体潤滑軸受よりも損失が少なく、軸受のドライ化および雰囲気のクリーン化が図れるため、特に真空状態では有効な軸受装置である。
【０００３】
図７は、一般的な磁気軸受装置２００を備えた回転機械２５０の説明図である。
図８は、シャフト２０２の各振動モードの説明図である。
図９は、各振動モードの周波数域の説明図である。
図７に示すように、回転機械２５０は、シャフト２０２と一体に回転するインペラ２０１と、磁気軸受装置２００とにより構成されている。
【０００４】
また、磁気軸受装置２００は、シャフト２０２のラジアル位置を検出するラジアルセンサ２０３と、シャフト２０２のスラスト位置を検出するスラストセンサ２０４と、シャフト２０２のラジアル負荷を支持するラジアル磁気軸受２０８（２０８ａ，２０８ｂ）と、シャフト２０２のスラスト負荷を支持するスラスト磁気軸受２０７と、ラジアル磁気軸受２０８およびスラスト磁気軸受２０７を制御するコントローラ２１０とを備えている。
【０００５】
ところで、回転駆動するシャフト５は、例えば図８（ｂ）から（ｄ）に示すような振動モードを有する。
図８（ｂ）および図８（ｃ）は、シャフト５がほとんど曲がらない剛体振動モードである。図８（ｂ）の剛体振動モードは、シャフト５の回転中心が偏心する剛体１次振動モードである。また、図８（ｃ）の剛体振動モードは、シャフト５の重心を挟んでシャフト５の端部が反対側に配置される剛体２次振動モードである。
また、図８（ｄ）は、シャフト５が湾曲する曲げ振動モードであり、シャフト５の重心を挟んで、シャフト５の端部が同じ側に配置される。
【０００６】
そして、コントローラ２１０は、ラジアルセンサ２０３およびスラストセンサ２０４の値を基に、図８に示す各振動モードの判別を行い、ＰＩＤ制御によりフィードバック制御を行っている。
【０００７】
ここで、通常、各振動モードは、その固有周波数が位相進み周波数域にあれば、振動が減衰して安定化することが知られている。換言すれば、位相進み周波数域は、シャフト２０２の振動を減衰させる安定化領域であり、位相遅れ周波数域は、シャフト２０２の振動を発散させる不安定化領域である。
【０００８】
したがって、コントローラ２１０は、ラジアル磁気軸受２０８およびスラスト磁気軸受２０７の吸引力を制御し、剛体１次振動モード、および剛体２次振動モードの固有周波数を操作している。具体的には、図９に示すように、剛体１次振動モードおよび剛体２次振動モードの固有周波数を位相進み周波数域に入れて、剛体１次振動モードおよび剛体２次振動モードの安定化を行っている。
また、曲げ振動モードについては位相進み周波数域に入らないため、例えば、フィードバック信号にノッチフィルタをかけることにより、曲げ振動モードの固有周波数付近におけるゲインを下げて安定化させている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】我妻隆夫、金光陽一、高橋直彦、福島康夫、松下修己「回転機械設計者のための磁気軸受ガイドブック」、日本工業出版株式会社、平成１６年７月３０日発刊、ｐ．８６−９１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、一般に、遠心圧縮機等の大型の回転機械に磁気軸受装置を適用する場合、曲げ振動モードの固有周波数が低下し、剛体１次振動モードおよび剛体２次振動モードの固有周波数に近くなることがある。
このとき、前述のようにノッチフィルタにより曲げ振動モードの固有周波数におけるゲインを下げると、曲げ振動モードの固有周波数近傍のゲインも低下する。これにより、剛体１次振動モードおよび剛体２次振動モードの固有周波数が不安定となり、安定化できなくなるおそれがある。
【００１１】
そこで本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、曲げ振動モードの固有周波数と、剛体１次振動モードおよび剛体２次振動モードの固有周波数とが近接している場合であっても、曲げ振動モードの安定化ができる磁気軸受装置と、この磁気軸受装置を備えた回転機械の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するため、本発明の磁気軸受装置は、回転駆動するシャフトの端部に設けられ、前記シャフトと一体に回転するスラストディスクと、磁力により前記スラストディスクのスラスト力を支持するスラスト磁気軸受と、前記スラストディスクの傾きを検出する傾斜検出手段と、前記傾斜検出手段に検出された傾きに起因する所定周期の振動によって、前記スラスト磁気軸受の磁力を制御する制御部と、から構成され、前記スラスト磁気軸受は、周方向に複数に分割された磁力発生部を有し、前記制御部は、前記磁力発生部を各々制御することを特徴としている。
【００１３】
本発明によれば、スラスト磁気軸受の磁力発生部は、周方向に複数に分割されているので、各磁力発生部の吸引力を細かく制御することができる。すなわち、スラスト磁気軸受は、シャフトに曲げ振動モードが発生したときであっても、ゲインを低下させることなく、シャフトの湾曲を低減させる方向に吸引力を発生させ、シャフトの振動を減衰させることができる。したがって、大型の回転機械のように、曲げ振動モードの固有周波数と、剛体１次振動モードおよび剛体２次振動モードの固有周波数とが近接している場合であっても、曲げ振動モードの安定化ができる。
【００１４】
また、前記傾斜検出手段は、前記シャフトのラジアル方向の変位を検出するラジアルセンサを使用していることが望ましい。
本発明によれば、ラジアルセンサを使用してスラストディスクの傾斜を検出するので、従来と同じ装置構成でスラストディスクの傾斜を検出することができる。したがって、新たにスラストディスクの傾斜を検出するセンサを追加する必要がないので、低コストに磁気軸受装置を構成することができる。
【００１５】
また、前記所定周期は、曲げ振動モードの振動周期であることが望ましい。
本発明によれば、曲げ振動モードの振動周期を基にスラスト磁気軸受の磁力を制御しているので、ゲインを低下させることなく振動を減衰させて、曲げ振動モードの安定化ができる。
【００１６】
また、前記所定周期は、コニカルモードの振動周期であることが望ましい。
本発明によれば、コニカルモードの振動周期を基にスラスト磁気軸受の磁力を制御しているので、ゲインを低下させることなく振動を減衰させて、コニカルモードの安定化ができる。
【００１７】
また、本発明の回転機械は、上述の磁気軸受装置を備えたことを特徴としている。
本発明の回転機械は、曲げ振動モードの安定化ができる磁気軸受装置を備えている。したがって、例えば、遠心圧縮機のように、曲げ振動モードの固有周波数と、剛体１次振動モードおよび剛体２次振動モードの固有周波数とが近接している大型の回転機械であっても、曲げ振動モードの安定化ができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、スラスト磁気軸受の磁力発生部は、周方向に複数に分割されているので、各磁力発生部の吸引力を細かく制御することができる。すなわち、スラスト磁気軸受は、シャフトに曲げ振動モードが発生したときであっても、ゲインを低下させることなく、シャフトの湾曲を低減させる方向に吸引力を発生させ、シャフトの振動を減衰させることができる。したがって、大型の回転機械のように、曲げ振動モードの固有周波数と、剛体１次振動モードおよび剛体２次振動モードの固有周波数とが近接している場合であっても、曲げ振動モードの安定化ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の回転機械の説明図である。
【図２】磁気軸受装置の説明図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線における断面図である。
【図４】磁気軸受装置のブロック図である。
【図５】曲げ振動モード発生時の磁気軸受装置の説明図である。
【図６】第２実施形態のスラスト磁気軸受の説明図である。
【図７】一般的な磁気軸受装置を備えた回転機械の説明図である。
【図８】シャフトの各振動モードの説明図である。
【図９】各振動モードの周波数域の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
（遠心圧縮機）
図１は、本発明の磁気軸受装置２０を適用した遠心圧縮機１００の説明図である。
遠心圧縮機１００は、主として、中心軸Ｏ周りに回転するシャフト５と、シャフト５に取り付けられ、遠心力を利用してガス（気体）Ｇを圧縮するインペラ１０と、シャフト５を回転可能に支持すると共にガスＧを上流側から下流側に流す流路１０４を形成したケーシング１０５と、によって構成されている。なお、図示例ではシャフト５にインペラ１０が直列に６個設けられているが、少なくとも１個設けられていればよい。
【００２１】
ケーシング１０５のうち軸方向の一方側（図１における左側）には、ガスＧを外部から流入させる吸込口１０５ｃが設けられている。また、軸方向の他方側（図１における右側）には、ガスＧが外部に流出する排出口１０５ｄが設けられている。
ケーシング１０５内には、これら吸込口１０５ｃ及び排出口１０５ｄにそれぞれ連通し、縮径及び拡径を繰り返す内部空間が設けられている。この内部空間は、インペラ１０を収容する空間として機能すると共に流路１０４としても機能する。すなわち、吸込口１０５ｃと排出口１０５ｄとは、インペラ１０及び流路１０４を介して連通している。
【００２２】
（第１実施形態の磁気軸受装置）
次に、第１実施形態の磁気軸受装置２０について説明する。
図２は、磁気軸受装置２０の説明図である。
なお、以下の説明では、説明を簡単にするために、遠心圧縮機１００（図１参照）を流れるガスＧの上流側（図２における左側）を単に前側といい、下流側（図２における右側）を単に後側として説明する場合がある。
【００２３】
本実施形態の磁気軸受装置２０は、主にスラストディスク２７のスラスト力を支持するスラスト磁気軸受２５と、スラストディスク２７の傾きを検出する第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂ（傾斜検出手段）と、スラスト磁気軸受２５を制御するコントローラ２１（制御部）と、により構成されている。
【００２４】
スラストディスク２７は、ケーシング１０５（図１参照）の中心を貫くシャフト５の後側（図２における右側）に配置されている。スラストディスク２７は、略円盤状の部材であり、プレス等により形成される。特に、薄板の電磁鋼板を積層することにより、渦電流が発生しにくいスラストディスク２７を形成することができる。スラストディスク２７は、例えば、焼き嵌めや圧入等によってシャフト５と同軸になるように嵌合されており、シャフト５と一体的に回転する。
【００２５】
（スラスト磁気軸受）
スラスト磁気軸受２５は、スラストディスク２７を挟んで軸方向の前側に配置された前側スラスト磁気軸受２５ａと、軸方向の後側に配置された後側スラスト磁気軸受２５ｂとにより構成されている。なお、前側スラスト磁気軸受２５ａと、後側スラスト磁気軸受２５ｂとは同一の構造をしているため、以下では、後側スラスト磁気軸受２５ｂについて説明し、前側スラスト磁気軸受２５ａについては説明を省略している。
【００２６】
図３は、図２のＡ−Ａ線における断面図である。
図３に示すように、後側スラスト磁気軸受２５ｂは、電磁石２６（磁力発生部）を有している。後側スラスト磁気軸受２５ｂの電磁石２６は、軸方向から見て上側に配置された第１電磁石２６ａ、および下側に配置された第２電磁石２６ｂの、２個の電磁石により構成されている。すなわち、後側スラスト磁気軸受２５ｂの磁力発生部は、周方向に２分割されている。
【００２７】
第１電磁石２６ａおよび第２電磁石２６ｂは、それぞれ第１コイル２９ａおよび第２コイル２９ｂが巻回されることにより形成されている。
スラストディスク２７における第１電磁石２６ａおよび第２電磁石２６ｂが形成される領域には、第１コイル２９ａおよび第２コイル２９ｂを収容するためのリング状の溝（不図示）が設けられている。そして、リング状の溝に沿うように導線を巻回することにより、第１コイル２９ａおよび第２コイル２９ｂが形成されている。
【００２８】
第１コイル２９ａおよび第２コイル２９ｂの中心軸は、シャフトの中心軸Ｏと略平行になるように形成される。したがって、コントローラ２１のドライバ（図４参照）から第１コイル２９ａおよび第２コイル２９ｂに励磁電流を供給すると、スラスト磁気軸受２５からは、中心軸Ｏに沿った方向に磁界が発生する。なお、本実施形態のスラスト磁気軸受２５は、前側から後側（図２における左側から右側）に向かって磁界を発生している。そして、スラストディスク２７を後側に吸引することにより、スラストディスク２７とスラスト磁気軸受２５とのエアギャップを所定の値に保持している。
【００２９】
さらに本発明のスラスト磁気軸受２５は、前述のように第１電磁石２６ａと第２電磁石２６ｂとを有している。したがって、ドライバＤ３およびドライバＤ４（図４参照）をＰＩＤ制御部Ｃ３で制御することにより、第１コイル２９ａおよび第２コイル２９ｂに供給する励磁電流値を制御し、第１電磁石２６ａおよび第２電磁石２６ｂの磁力を制御することができる。したがって、スラストディスク２７が、前側スラスト磁気軸受２５ａと後側スラスト磁気軸受２５ｂとの間で傾斜しても、第１電磁石２６ａおよび第２電磁石２６ｂの磁力を制御し、スラストディスク２７の傾斜を抑制することができる。これにより、シャフト５に曲げ振動モードが発生しても、曲げ振動モードの安定化ができる。なお、スラスト磁気軸受２５の作用の詳細については後述する。
【００３０】
（ラジアル磁気軸受）
ラジアル磁気軸受２８は、シャフト５の両端に配置されており、シャフト５の前側（図２における左側）に配置された第１ラジアル磁気軸受２８ａと、シャフト５の後側（図２における右側）に配置された第２ラジアル磁気軸受２８ｂとにより構成されている。
ラジアル磁気軸受２８は、不図示の鉄心に複数の不図示のコイルが巻回されることにより形成される。ラジアル磁気軸受２８は、コイルに励磁電流が流れることによりシャフト５の径方向に磁界を発生し、シャフト５とラジアル磁気軸受２８とのエアギャップが所定の値になるように保持している。
【００３１】
第１ラジアル磁気軸受２８ａのコイルには、ドライバＤ１から励磁電流が供給され、第２ラジアル磁気軸受２８ｂのコイルには、ドライバＤ２から励磁電流が供給される。ドライバＤ１は、ＰＩＤ制御部Ｃ１により制御され、ドライバＤ２は、ＰＩＤ制御部Ｃ２により制御されている。
【００３２】
（傾斜検出手段）
磁気軸受装置２０には、スラストディスク２７の傾きを検出する傾斜検出手段が設けられている。本実施形態の傾斜検出手段は、ラジアルセンサ２３（第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂ）により構成されている。
ラジアルセンサ２３は、シャフト５の両端に配置されており、第１ラジアルセンサ２３ａは第１ラジアル磁気軸受２８ａの前側に、第２ラジアルセンサ２３ｂは第２ラジアル磁気軸受２８ｂの後側に配置されている。なお、第１ラジアル磁気軸受２８ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂの配置はこれに限られることなく、例えば、第１ラジアルセンサ２３ａは第１ラジアル磁気軸受２８ａの後側に、第２ラジアルセンサ２３ｂは第２ラジアル磁気軸受２８ｂの前側に配置されていてもよい。
【００３３】
第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂは、渦電流式やインダクション式のセンサが採用される。例えば、渦電流式のセンサの場合、各振動モードでシャフト５が傾くと、電磁誘導作用により、第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂ内のコイルを通過する磁束密度が変化し、磁束密度の変化に応じてコイルのインピーダンスが変化する。このコイルのインピーダンスの変化から、シャフト５の傾斜、およびスラストディスク２７の傾斜を検出することができる。
【００３４】
（コントローラ）
図４は、磁気軸受装置２０のブロック図である。
上述したラジアル磁気軸受２８およびスラスト磁気軸受２５は、コントローラ２１（制御部）により制御される。
コントローラ２１は、主に、ＰＩＤ制御部Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３と、各電磁石のコイルに励磁電流を供給するドライバＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４と、曲げ振動モードの発生を検出する検出フィルタＦと、により構成されている。
また、コントローラ２１は、ラジアル磁気軸受２８を制御するラジアル制御系と、スラスト磁気軸受２５を制御するスラスト制御系と、検出フィルタＦにより曲げ振動モードが検出されたときにスラスト磁気軸受２５を制御する曲げ減衰制御系と、により構成されている。
【００３５】
ラジアル制御系では、第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂにより、シャフト５のラジアルずれを検出すると、ＰＩＤ制御部Ｃ１，Ｃ２が演算を行い、第１ラジアル磁気軸受２８ａ、および第２ラジアル磁気軸受２８ｂの各コイルに流す励磁電流を算出している。そして、ドライバＤ１，Ｄ２は、ＰＩＤ制御部Ｃ１，Ｃ２が算出した励磁電流値に基づき、第１ラジアル磁気軸受２８ａ、および第２ラジアル磁気軸受２８ｂの各コイルに励磁電流を供給している。
【００３６】
スラスト制御系では、スラストセンサ２４により、スラストディスク２７のスラストずれを検出すると、ＰＩＤ制御部Ｃ３が演算を行い、スラスト磁気軸受２５の第１コイル２９ａおよび第２コイル２９ｂに流す励磁電流を算出している。
さらに、シャフト５に曲げ振動モードが発生した場合には、第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂの各値から、検出フィルタＦがシャフト５の曲げ振動モードを検出する。そして、曲げ減衰制御系は、曲げ振動モードを減衰させるように、スラスト磁気軸受２５の第１コイル２９ａおよび第２コイル２９ｂに流す励磁電流を算出している。
また、ドライバＤ３は、ＰＩＤ制御部Ｃ３および曲げ減衰制御系が算出した励磁電流値に基づき、スラスト磁気軸受２５の第１コイル２９ａおよび第２コイル２９ｂに励磁電流を供給している。
【００３７】
その後、ラジアル制御系、スラスト制御系、および曲げ減衰制御系の各制御系により操作され、変位したシャフト５のラジアル位置、スラストディスク２７のスラスト位置、およびスラストディスク２７の傾斜（すなわち曲げ振動モードの有無）を、第１ラジアルセンサ２３ａ、第２ラジアルセンサ２３ｂおよびスラストセンサ２４により再度検出する。そして、再度ＰＩＤ制御部Ｃ１〜Ｃ３で演算を行い、各ドライバＤ１〜Ｄ４が供給する電流を調整するというフィードバック制御を繰り返している。
【００３８】
（作用）
次に、本実施形態の磁気軸受装置２０の作用について説明する。
図５は、曲げ振動モード発生時の磁気軸受装置２０の説明図である。
図５に示すように、シャフト５が湾曲する曲げ振動モードが発生すると、スラストディスク２７に傾斜が発生する。なお、以下では、スラストディスク２７の上側が前側（図５における左側）に傾斜し、スラストディスク２７の下側が、後側（図５における右側）に傾斜している場合について説明する。
【００３９】
曲げ振動モードが発生するとシャフト５が湾曲する（図８（ｄ）参照）。このため、曲げ振動モード時のシャフト５と、第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂとのエアギャップは、定常状態におけるシャフト５と、第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂとのエアギャップから変化している。
第１ラジアルセンサ２３ａおよび第２ラジアルセンサ２３ｂは、エアギャップの変化を検出し、さらにコントローラ２１に設けられた検出フィルタＦにより、コントローラ２１は曲げ振動モードの発生を検出する。
【００４０】
検出フィルタＦが曲げ振動モードの発生を検出すると、曲げ減衰制御系が動作する。曲げ減衰制御系では、スラストディスク２７の傾斜を抑制してシャフトを伸長させ、曲げ振動モードの振動を減衰させるための励磁電流値を算出している。そして、第１電磁石２６ａに励磁電流を供給するドライバＤ３、および第２電磁石２６ｂに励磁電流を供給するドライバＤ４に指令を与える。
【００４１】
ここで、本実施形態のスラスト磁気軸受２５は、前側から後側（図２における左側から右側）に向かってスラストディスク２７を吸引して、スラストディスク２７とスラスト磁気軸受２５とのエアギャップを所定の値に保持している。
そのため、図５に示すように、スラストディスク２７の上側が前方に移動し、スラストディスク２７の下側が後方に移動するように傾斜を生じようとしている場合には、上側に配置された第１電磁石２６ａの吸引力を増大させ、下側に配置された第２電磁石２６ｂの吸引力を減少させればよい。
【００４２】
したがって、曲げ減衰制御系は、第１電磁石２６ａに励磁電流を供給するドライバＤ３には、第１コイル２９ａに流れる励磁電流を増加させるように指令を与える。これに対して、第２電磁石２６ｂに励磁電流を供給するドライバＤ４には、第２コイル２９ｂに流れる励磁電流を減少させるように指令を与える。
そして、フィードバック制御により以上の操作を繰り返すことにより、スラストディスク２７の傾斜を抑制し、曲げ振動モードの振動を減衰させている。
【００４３】
（第１実施形態の効果）
本実施形態によれば、スラスト磁気軸受２５の磁力発生部である電磁石２６は、上側の第１電磁石２６ａと、下側の第２電磁石２６ｂとに分割されているので、第１電磁石２６ａ、および第２電磁石２６ｂの吸引力を細かく制御することができる。すなわち、本実施形態のスラスト磁気軸受２５は、シャフト５に曲げ振動モードが発生したときであっても、ゲインを低下させることなく、シャフト５の曲げを低減させる方向に吸引力を発生させ、シャフト５の振動を減衰させることができる。したがって、例えば遠心圧縮機１００（図１参照）等の大型の回転機械１のように、曲げ振動モードの固有周波数と、剛体１次振動モードおよび剛体２次振動モードの固有周波数とが近接している場合であっても、曲げ振動モードの安定化ができる。
【００４４】
また、本実施形態によれば、ラジアルセンサ２３を使用して、ラジアルセンサ２３とシャフト５とのエアギャップの変化を検知することでスラストディスク２７の傾斜を検出しているので、従来と同じ装置構成でスラストディスク２７の傾斜を検出することができる。したがって、新たにスラストディスク２７の傾斜を検出するセンサを追加する必要がないので、低コストに磁気軸受装置２０を構成することができる。
【００４５】
また、本実施形態によれば、曲げ振動モードの振動周期を基にスラスト磁気軸受２５に設けられた第１電磁石２６ａおよび第２電磁石２６ｂの磁力を制御している。したがって、ゲインを低下させることなくシャフト５の振動を減衰させ、曲げ振動モードの安定化ができる。
【００４６】
また、本実施形態の遠心圧縮機１００（図１参照）は、上述の磁気軸受装置２０を備えているので、曲げ振動モードの固有周波数と、剛体１次振動モードおよび剛体２次振動モードの固有周波数とが近接していても、曲げ振動モードの安定化ができる。
【００４７】
（第２実施形態のスラスト磁気軸受）
次に、第２実施形態のスラスト磁気軸受２５について説明する。
図６は、第２実施形態のスラスト磁気軸受２５の説明図である。
第１実施形態のスラスト磁気軸受２５では、電磁石２６は２箇所に設けられており、軸方向から見て上側に配置された第１電磁石２６ａと、下側に配置された第２電磁石２６ｂとにより構成されていた。しかし、第２実施形態のスラスト磁気軸受２５では、周方向に沿って電磁石２６が４箇所に設けられている点で、第１実施形態とは異なっている。なお、第１実施形態と同様の構成部分については、詳細な説明を省略する。
【００４８】
また、第２実施形態のスラスト磁気軸受２５は、第１実施形態と同様に、前側スラスト磁気軸受２５ａと、後側スラスト磁気軸受２５ｂとにより構成されており、前側スラスト磁気軸受２５ａと、後側スラスト磁気軸受２５ｂとは同一の構造をしている。したがって、以下では後側スラスト磁気軸受２５ｂについて説明し、前側スラスト磁気軸受２５ａについては説明を省略している。
【００４９】
図６に示すように、後側スラスト磁気軸受２５ｂには、軸方向から見て上側には第１電磁石２６ａが、下側には第２電磁石２６ｂが、左側には第３電磁石２６ｃが、右側には第４電磁石２６ｄがそれぞれ配置されている。すなわち、後側スラスト磁気軸受２５ｂの磁力発生部は、周方向に４分割されている。
第１電磁石２６ａ、第２電磁石２６ｂ、第３電磁石２６ｃ、および第４電磁石２６ｄは、それぞれ第１コイル２９ａ、第２コイル２９ｂ、第３コイル２９ｃ、および第４コイル２９ｄが巻回されることで形成される。
【００５０】
第１実施形態と同様に、第１コイル２９ａおよび第２コイル２９ｂは、それぞれコントローラ２１のドライバＤ３およびドライバＤ４（図４参照）と接続されている。そして、ドライバＤ３およびドライバＤ４から供給される励磁電流値を変化させることにより、第１電磁石２６ａおよび第２電磁石２６ｂの磁力の強さを変化させることができる。したがって、スラストディスク２７が、前側スラスト磁気軸受２５ａと後側スラスト磁気軸受２５ｂとの間で鉛直方向に傾斜しても、第１電磁石２６ａと第２電磁石２６ｂとの間で吸引力を変化させ、スラストディスク２７の傾斜を抑制している。
【００５１】
さらに、第３コイル２９ｃおよび第４コイル２９ｄは、図４に示すドライバＤ３およびドライバＤ４と同様に構成された、ドライバＤ５およびドライバＤ６（不図示）と接続されている。そして、ドライバＤ５およびドライバＤ６から供給される励磁電流値を変化させることにより、第３電磁石２６ｃと第４電磁石２６ｄとで磁力の強さを変化させることができる。したがって、スラストディスク２７が、前側スラスト磁気軸受２５ａと後側スラスト磁気軸受２５ｂとの間で水平方向に傾斜しても、第３電磁石２６ｃと第４電磁石２６ｄとの間で吸引力を変化させ、スラストディスク２７の傾斜を抑制している。
【００５２】
（第２実施形態の効果）
本実施形態によれば、スラスト磁気軸受２５の磁力発生部である電磁石２６は、軸方向平面視で上側の第１電磁石２６ａ、下側の第２電磁石２６ｂ、左側の第３電磁石２６ｃ、および右側の第４電磁石２６ｄの４個に分割されている。これにより、第１電磁石２６ａ、第２電磁石２６ｂ、第３電磁石２６ｃ、および第４電磁石２６ｄの吸引力を細かく制御し、スラストディスク２７の傾斜を抑制して、シャフト５の振動を減衰させることができる。したがって、第１実施形態よりも高精度にすばやく曲げ振動モードの安定化ができる。
【００５３】
なお、この発明は上述した実施の形態に限られるものではない。
各実施形態では、回転機械１として遠心圧縮機１００を例にして説明した。しかし、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、斜流型の圧縮機に本発明を適用することもできる。
また、本発明の回転機械１は遠心圧縮機１００に限定されることなく、例えば、送風機に適用することもできる。
【００５４】
また、第１実施形態および第２実施形態では、磁気軸受装置２０による曲げ振動モードが発生した場合の振動の安定化について説明した。しかし、磁気軸受装置２０の適用は、曲げ振動モードに限られることはなく、例えばコニカルモードの振動の安定化についても適用できる。
【００５５】
また、第１実施形態におけるスラスト磁気軸受２５の電磁石２６は２分割されており、第２実施形態におけるスラスト磁気軸受２５の電磁石２６は４分割されていた。しかし、電磁石２６の分割数はこれらに限定されることはなく、例えば３分割や６分割であってもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１・・・回転機械 ５・・・シャフト ２０・・・磁気軸受装置 ２１・・・コントローラ（制御部） ２３・・・ラジアルセンサ（傾斜検出手段） ２５・・・スラスト磁気軸受 ２６・・・電磁石（磁力発生部） ２７・・・スラストディスク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動するシャフトの端部に設けられ、前記シャフトと一体に回転するスラストディスクと、
磁力により前記スラストディスクのスラスト力を支持するスラスト磁気軸受と、
前記スラストディスクの傾きを検出する傾斜検出手段と、
前記傾斜検出手段に検出された傾きに起因する所定周期の振動によって、前記スラスト磁気軸受の磁力を制御する制御部と、から構成され、
前記スラスト磁気軸受は、周方向に複数に分割された磁力発生部を有し、
前記制御部は、前記磁力発生部を各々制御することを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】
前記傾斜検出手段は、前記シャフトのラジアル方向の変位を検出するラジアルセンサを使用していることを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受装置。
【請求項３】
前記所定周期は、曲げ振動モードの振動周期であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気軸受装置。
【請求項４】
前記所定周期は、コニカルモードの振動周期であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気軸受装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気軸受装置を備えたことを特徴とする回転機械。
【請求項１】
回転駆動するシャフトの端部に設けられ、前記シャフトと一体に回転するスラストディスクと、
磁力により前記スラストディスクのスラスト力を支持するスラスト磁気軸受と、
前記スラストディスクの傾きを検出する傾斜検出手段と、
前記傾斜検出手段に検出された傾きに起因する所定周期の振動によって、前記スラスト磁気軸受の磁力を制御する制御部と、から構成され、
前記スラスト磁気軸受は、周方向に複数に分割された磁力発生部を有し、
前記制御部は、前記磁力発生部を各々制御することを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】
前記傾斜検出手段は、前記シャフトのラジアル方向の変位を検出するラジアルセンサを使用していることを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受装置。
【請求項３】
前記所定周期は、曲げ振動モードの振動周期であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気軸受装置。
【請求項４】
前記所定周期は、コニカルモードの振動周期であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気軸受装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気軸受装置を備えたことを特徴とする回転機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１７２７５６（Ｐ２０１２−１７２７５６Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３５０４８（Ｐ２０１１−３５０４８）
【出願日】平成２３年２月２１日（２０１１．２．２１）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【出願人】（３１００１０５６４）三菱重工コンプレッサ株式会社 (45)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２１日（２０１１．２．２１）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【出願人】（３１００１０５６４）三菱重工コンプレッサ株式会社 (45)
【Ｆターム（参考）】
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