遠心式コンプレッサ装置、燃料電池用コンプレッサ、及び燃料電池用コンプレッサの制御方法
【課題】自動車等の車両において生じる多様な要因により、電動モータのロータに対して軸方向に過大な負荷荷重が付与される状況にあっても、規模を拡大することなく、安全且つ確実な動作を維持できる燃料電池用コンプレッサを提供すること。
【解決手段】電動モータのロータを軸方向に非接触状態で支持する一対の磁気軸受を備え、該ロータが軸方向に受ける負荷荷重ＦＬに略比例して増大する制御電流ｉｃを含む励磁電流を前記磁気軸受に供給するようにした燃料電池用コンプレッサの制御方法である。制御電流ｉｃとその上限値ｉｃｍａｘとの大小関係を判断する制御電流値判断ステップＳ１０３と、ｉｃ≦ｉｃｍａｘの場合には、ロータの目標回転数Ｎｄを第１目標回転数Ｎ１として電動モータの回転を制御する一方、それ以外の場合には、Ｎｄを第１目標回転数Ｎ１の０．８〜０．９倍の第２目標回転数Ｎ２に変更する目標値変更ステップＳ１０４とを含む。
【解決手段】電動モータのロータを軸方向に非接触状態で支持する一対の磁気軸受を備え、該ロータが軸方向に受ける負荷荷重ＦＬに略比例して増大する制御電流ｉｃを含む励磁電流を前記磁気軸受に供給するようにした燃料電池用コンプレッサの制御方法である。制御電流ｉｃとその上限値ｉｃｍａｘとの大小関係を判断する制御電流値判断ステップＳ１０３と、ｉｃ≦ｉｃｍａｘの場合には、ロータの目標回転数Ｎｄを第１目標回転数Ｎ１として電動モータの回転を制御する一方、それ以外の場合には、Ｎｄを第１目標回転数Ｎ１の０．８〜０．９倍の第２目標回転数Ｎ２に変更する目標値変更ステップＳ１０４とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動モータと、該電動モータのロータを軸方向に非接触状態で支持する磁気軸受装置とを備えた遠心式コンプレッサ装置、該遠心式コンプレッサ装置が適用される燃料電池用コンプレッサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の遠心式コンプレッサ装置では、前記ロータの回転速度（回転数）を目標値として電動モータの回転が制御され、それによってロータの先端に軸支されたインペラにより軸方向に吸入され、圧縮して径方向に吐出される空気の流量又は圧力が所望の値と一致するようにされている（特許文献１参照）。
【０００３】
即ち、従来の遠心式コンプレッサ装置では、予め前記ロータ（インペラ）の回転速度と圧縮空気の流量又は圧力の関係が設定されており、該関係に基づきロータの回転速度が目標値と一致するように電動モータの回転を制御すれば、圧縮空気に所望の流量又は圧力が得られるようになっている。
【０００４】
また、前記磁気軸受装置は、前記ロータをアキシャル方向（軸方向）又はラジアル方向（径方向）にそれぞれ非接触状態で支持するための一対の磁気軸受を備えている。当該磁気軸受装置では、前記ロータの変位に伴い変化する制御電流を、各磁気軸受に一定となる定常電流に合わせた励磁電流を当該一対の磁気軸受（の各電磁石）に供給することでロータを中立位置（ロータが外力を受けない状態で回転する設計上の位置）にて支持させるようにしている。
【０００５】
ところで、燃料電池を利用した自動車等の車両に搭載され、圧縮空気を当該燃料電池に供給する燃料電池用コンプレッサが知られている（特許文献２参照）。この燃料電池用コンプレッサでは、インペラの先端近傍に加圧ボリュートが設けられており、前記インペラの回転により当該加圧ボリュート内に圧縮空気が生成され、燃料電池用コンプレッサの外部に排出される。
【特許文献１】特開２００１−３４２９９５号公報
【特許文献２】特開２００４−３０１２２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような燃料電池用コンプレッサの中で、ロータの軸受に前述の磁気軸受装置（遠心式コンプレッサ装置）を使用したもの（図１参照）では、ロータ（１２）の回転に伴い、インペラ（１１）において軸方向に圧縮空気を生じさせるための推力Ｆが生まれ、その反作用として、前記ロータが軸方向に負荷荷重ＦＬを受けるようになる。そして、該負荷荷重ＦＬが過大となり、その上限値ＦＬｍａｘ（ロータを中立位置で支持できる最大の荷重値）を超えると、磁気軸受装置によるロータの浮上制御が不能になり、その結果、燃料電池用コンプレッサ（１）内に設けた保護軸受にタッチダウン（着地）したり、場合によっては燃料電池用コンプレッサの故障につながる虞がある。
【０００７】
尚、ロータが軸方向に受ける負荷荷重ＦＬは、前記したインペラの推力Ｆ以外に、自動車等の車両の加減速、該車両に加わる横Ｇ、該車両の振動等の諸々の外的要因の他、さらに吸入する空気の温度や圧力等の内的要因により燃料電池用コンプレッサに付与される加速度（ロータに対して軸方向に付与される加速度）によっても変動（増大）する。
【０００８】
かかる問題に対処するために磁気軸受の負荷容量（支持剛性）を高めれば、必然的に燃料電池用コンプレッサの大型化を招来する。そして、昨今、声高に叫ばれている地球環境問題やエネルギー問題に対応し、自動車等の車両に搭載される車両搭載装置に強く求められている小型化・軽量化・低コスト化に反する結果となり、好ましくない。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、自動車等の車両において生じる多様な要因により、電動モータのロータに対して軸方向に過大な負荷荷重が付与される状況にあっても、規模を拡大することなく、安全且つ確実な動作が維持できる遠心式コンプレッサ装置、及び、該遠心式コンプレッサ装置が適用される燃料電池用コンプレッサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、自動車等の車両に搭載された車両搭載装置に圧縮空気を供給するべく当該車両に設けられ、インペラを軸支するロータをステータで回転駆動する電動モータと、前記ロータを軸方向に非接触状態で支持する一対の磁気軸受とを備え、前記ロータの浮上位置を調節すべく、当該ロータの変位によって変化しない定常電流と、該ロータの変位によって変化するとともに前記圧縮空気の供給に伴って前記ロータが軸方向に受ける負荷荷重に略比例して増大する制御電流と、を合わせた励磁電流を前記一対の磁気軸受に供給する遠心式コンプレッサ装置において、前記制御電流が所定値を超えないように前記電動モータの回転を制御すること、を要旨とする。
【００１１】
同構成によれば、電動モータのロータが軸方向に受ける負荷荷重に略比例して増大する制御電流が所定値を超えないように電動モータの回転が制御される。このため、例えば、この所定値を前記ロータに対して軸方向に付与される負荷荷重が当該ロータを中立位置で支持できる限界値を超えないようになる値に設定すれば、該負荷荷重が過大となり、一対の磁気軸受による電動モータのロータの浮上制御が不能に陥る不具合が回避できるようになる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の遠心式コンプレッサ装置において、前記所定値が、前記ロータに対して軸方向に付与される負荷荷重が過大となり前記磁気軸受による当該ロータの浮上制御が不能にならない前記制御電流の上限値に設定されていること、を要旨とする。
【００１３】
同構成によれば、所定値が、電動モータのロータに対して軸方向に付与される負荷荷重が過大となり一対の磁気軸受による当該ロータの浮上制御が不能にならない制御電流の上限値に設定される。これにより、一対の磁気軸受による前記ロータの浮上制御が不能になる不具合が的確に回避できるようになる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の遠心式コンプレッサ装置において、前記ロータの回転数の目標値が、前記制御電流が前記所定値以下になる値に設定されていること、を要旨とする。
【００１５】
同構成によれば、電動モータのロータの回転数の目標値が、制御電流が所定値以下になる値に設定されるので、当該ロータが軸方向に受ける負荷荷重が磁気軸受の負荷容量（支持剛性）を超えないようにするための電動モータの回転の制御を的確に行うことができるようになる。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の遠心式コンプレッサ装置において、前記制御電流が前記所定値以下の場合には、前記ロータの回転数の目標値を前記車両搭載装置で必要となる圧縮空気量に応じて設定される第１目標回転数として前記電動モータの回転を制御する一方、前記制御電流が前記所定値を超えた場合には、前記第１目標回転数を該回転数未満であって、前記制御電流が前記所定値を超えることを防止しうる第２目標回転数に変更するようにしたこと、を要旨とする。
【００１７】
同構成によれば、制御電流が所定値以下に維持されるようになって電動モータのロータが安定して中立位置で支持できるようになる。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の遠心式コンプレッサ装置において、前記第２目標回転数が、圧縮空気を生じさせるために前記インペラに生じる推力に加えて、さらに前記車両の加減速、該車両に加わる横Ｇ、及び該車両の振動等を含む要因により前記ロータに付与される加速度によって前記ロータが軸方向に受ける負荷荷重を考慮して設定されていること、を要旨とする。
【００１８】
同構成によれば、第２目標回転数が、自動車等の車両において生じる多様な要因により電動モータのロータに付与される加速度によって当該ロータが軸方向に受ける負荷荷重を考慮して設定されているので、一対の磁気軸受による前記ロータの浮上制御が不能になる不具合が一定の予測性の下で的確に回避できるようになる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の遠心式コンプレッサ装置において、前記第２目標回転数が、前記第１目標回転数の０．８倍以上０．９倍以下に設定されていること、を要旨とする。
【００２０】
同構成によれば、第２目標回転数が、車両の燃料電池で必要となる圧縮空気量に応じ、第１目標回転数の０．８倍以上０．９倍以下の具体的数値に設定されているので、一対の磁気軸受による前記ロータの浮上制御が不能になる不具合が防止される電動モータの回転の制御が具体的且つ確実に行えるようになる。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、自動車等の車両に搭載された燃料電池に圧縮空気を供給する燃料電池用コンプレッサであって、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の遠心式コンプレッサ装置を用いること、を要旨とする。
【００２２】
同構成によれば、自動車等の車両において生じる多様な要因により、電動モータのロータの浮上制御が不能に陥る不具合が回避され、当該車両の燃料電池に圧縮空気を安定して供給できる信頼性の高い燃料電池用コンプレッサが実現されるようになる。
【００２３】
請求項８に記載の発明は、自動車等の車両に搭載された燃料電池に圧縮空気を供給するべく当該車両に設けられ、インペラを軸支するロータをステータで回転駆動する電動モータと、前記ロータを軸方向に非接触状態で支持する一対の磁気軸受とを備え、前記ロータの浮上位置を調節すべく、当該ロータの変位によって変化しない定常電流と、該ロータの変位によって変化するとともに前記ロータが軸方向に受ける負荷荷重に略比例して増大する制御電流と、を合わせた励磁電流を前記一対の磁気軸受に供給する燃料電池用コンプレッサの制御方法であって、前記制御電流と所定値との大小関係を判断する制御電流値判断ステップと、前記制御電流が前記所定値以下の場合には、前記ロータの回転数の目標値を前記車両搭載装置で必要となる圧縮空気量に応じて設定される第１目標回転数として前記電動モータの回転を制御する一方、前記制御電流が前記所定値を超えた場合には、前記目標値を前記第１目標回転数の０．８倍以上０．９倍以下の第２目標回転数に変更する目標値変更ステップとを含むこと、を要旨とする。
【００２４】
同構成によれば、車両の燃料電池で必要となる圧縮空気量を確保できるとともに、自動車等の車両において生じる多様な要因によって電動モータのロータの浮上制御が不能に陥る不具合が効果的に回避できるようになる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の遠心式コンプレッサ装置によれば、自動車等の車両において生じる多様な要因により、電動モータのロータに対して軸方向に過大な負荷荷重が付与される状況にあっても、規模を拡大することなく、安全且つ確実な動作が維持できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
本実施形態の遠心式コンプレッサ装置は、自動車等の車両に搭載され、該車両の動力源としての燃料電池に主として空気を圧縮状態として供給する燃料電池用コンプレッサとして使用される。
【００２７】
図１に示すように、前記燃料電池用コンプレッサ１は、燃料電池に圧縮された空気を供給するインペラ１１と、該インペラ１１を回転駆動するための電動モータ１０と、該インペラ１１及び電動モータ１０を収容する有底円筒状のハウジング１５とを備えている。この燃料電池用コンプレッサ１は、車両内において、図１に示す水平状態で使用される（図１においては、ロータ１２の軸方向と直交する方向が鉛直方向となる）。
【００２８】
前記電動モータ１０は、インペラ１１を先端部１２ｔで支持（軸支）するロータ１２及び該ロータ１２を電磁力により回転駆動するステータ１３を備えている。
前記インペラ１１は、ハウジング１５の一部を構成する加圧ボリュート１６内に回転可能に収容されている。該加圧ボリュート１６には、空気を燃料電池用コンプレッサ１内部に導入する空気導入路１６ａと、生成された圧縮空気を外部に吐出（排出）する空気排出路１６ｂとが設けられている。
【００２９】
前記ロータ１２は、その中央部位が径方向外方に膨出して大径部１２ｃを形成しており、その先端側（インペラ１１側）及び後端側には、前記大径部１２ｃを挟み込むように、鉄等の磁性体からなる前後一対の円盤状のフランジ部１２ａ，１２ｂが相対回転不能に設けられている。そして、該ロータ１２は、それぞれ、前記フランジ部１２ａ，１２ｂを、ハウジング１５に固設された前後一対のアキシャル磁気軸受２１，２２（該アキシャル磁気軸受２１，２２の鉄製のヨーク部には、コイル巻線２１ａ，２２ａが巻回され、複数の電磁石を構成している。）に対面させて軸方向（アキシャル方向）に非接触状態で支持されるとともに、同ハウジング１５に前記アキシャル磁気軸受２１，２２に挟まれる位置にて固設された前後一対のラジアルフォイル軸受１７ａ，１７ｂによって径方向（ラジアル方向）に非接触状態で支持される。尚、図１に示す燃料電池用コンプレッサ１においては、前記ロータ１２の軸方向の位置を検出するアキシャル位置センサ２３がハウジング１５の底部１５ａの中央位置に配設されている。
【００３０】
本実施形態で用いる磁気軸受装置２は、前記した燃料電池用コンプレッサ１に備えられるものであり、図１及び図２を参照して、前記した一対のアキシャル磁気軸受２１，２２及びアキシャル位置センサ２３を含む機械本体２０１と、前記アキシャル磁気軸受２１，２２の各電磁石の電磁力を制御してロータ１２の浮上位置を調節するとともに、該ロータ１２の回転速度を制御して燃料電池用コンプレッサ１の圧縮空気の流量又は圧力を調節するコントローラ２０２とを備えている。以下、ロータ１２の軸方向をＺ軸、Ｚ軸と直交するとともに互いに直交する２つの径方向をＸ軸、Ｙ軸とする。
【００３１】
前記機械本体２０１は、ロータ１２をステータ１３で回転駆動する前記電動モータ１０、ロータ１２をＺ軸方向に離間した２箇所において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に非接触状態で支持する前記ラジアルフォイル軸受１７ａ，１７ｂ、ロータ１２をＺ軸方向に非接触状態で支持する前記アキシャル磁気軸受２１，２２、及びロータ１２のＺ軸上の位置を検出して位置検出信号を出力する前記アキシャル位置センサ２３を備えている。
【００３２】
前記コントローラ２０２は、前記アキシャル位置センサ２３から入力される位置検出信号に基づきロータ１２の中立位置からのＺ軸上における変位量を演算して該変位量に対応する変位信号を出力する位置センサ回路２３ａ、ロータ１２に外乱が作用しても中立位置で支持するための電磁石制御信号を出力するとともに該ロータ１２を所定の回転数で回転駆動するための回転数指令信号を出力するＤＳＰ（ＤＳＰ：Digital Signal Processor；デジタル信号処理装置）ボード２５、該ＤＳＰボード２５から入力される電磁石制御信号に基づき前記アキシャル磁気軸受２１，２２の各電磁石を駆動する磁気軸受駆動回路２１ｂ、及び前記ＤＳＰボード２５から入力される回転数指令信号に基づき前記電動モータ１０のロータ１２の回転数をＰＷＭ制御方式により制御するインバータ回路２６を備えている。
【００３３】
前記ＤＳＰボード２５には、制御プログラムが実行可能なデジタル処理手段としてのＤＳＰ２５ａ、該ＤＳＰ２５ａに設けられた記憶手段としてのＲＯＭ及びフラッシュメモリ（図示せず）、Ａ／Ｄ変換器２４ａ，２４ｃ、及びＤ／Ａ変換器２４ｂが、図２に示す接続状態で配設されている。
【００３４】
前記ＤＳＰ２５ａには、前記電動モータ１０に流れる駆動電流を検知する電流センサ１０ａからの当該駆動電流信号がＡ／Ｄ変換器２４ｃを介してデジタル信号に変換後に入力されるとともに、車両に備えられ、所定の処理プログラムを実行して電動モータ１０の回転を制御するコンピュータ３から入力される指令信号と前記駆動電流信号とに基づいて回転数指令信号を演算し、該回転数指令信号を前記インバータ回路２６に出力する電動モータ駆動部２５ｂ、及び、前記位置センサ回路２３ａからＡ／Ｄ変換器２４ａを介して入力されるロータ１２の変位信号に基づいて電磁石制御信号を演算し、該電磁石制御信号をＤ／Ａ変換器２４ｂを介して前記磁気軸受駆動回路２１ｂに出力するとともに、当該電磁石制御信号を電動モータ１０の回転の制御に供すべく前記コンピュータ３に出力するＡＭＢ（ＡＭＢ：Active Magnetic Bearing；能動型磁気軸受）制御部２５ｃが備えられている。
【００３５】
尚、前記ＲＯＭには、ＤＳＰ２５ａで処理される制御プログラムが格納されており、フラッシュメモリには、前記アキシャル磁気軸受２１，２２の制御パラメータを記憶した制御パラメータテーブルや、バイアス電流値（定常電流値）を記憶したバイアス電流値テーブル等が設けられている。
【００３６】
本実施形態の燃料電池用コンプレッサ１は、以上のように構成され、前記磁気軸受駆動回路２１ｂは、ＤＳＰボード２５からの電磁石制御信号に基づく制御電流ｉｃを前記ＲＯＭに記憶された定常電流ｉｏに合わせたアキシャル方向励磁電流ｉｅを前記アキシャル磁気軸受２１，２２の各電磁石に供給する。また、前記インバータ回路２６は、ＤＳＰボード２５からの回転数指令信号に基づき電動モータ１０のロータ１２の回転数をＰＷＭ制御する。これにより、該ロータ１２は、前記アキシャル磁気軸受２１，２２及びラジアルフォイル軸受１７ａ，１７ｂによって中立位置に非接触状態で支持された状態で電動モータ１０のステータ１３で回転駆動される。尚、前記制御電流ｉｃは、図３に示すように、燃料電池用コンプレッサ１から燃料電池への圧縮空気の供給に伴ってロータ１２がＺ軸方向に受ける負荷荷重ＦＬと略比例して増大することが確認されている。
【００３７】
そして、図１を参照して、前記ロータ１２の回転に伴ってインペラ１１が回転することにより、空気が加圧ボリュート１６の空気導入路１６ａを通って矢印ａ１（導入空気の圧力：ｐ０［ＭＰａ］）の方向に導入されて加圧され、さらに圧縮状態にて加圧ボリュート１６の空気排出路１６ｂを通って矢印ａ２（吐出空気の圧力：ｐ１［ＭＰａ］）の方向に排出され、図示しない加湿機を経由して車両の燃料電池に供給される。
【００３８】
ここで、空気の圧縮に伴い、インペラ１１（ロータ１２）においてＺ軸方向に推力Ｆ［Ｎ］が生じ、該推力Ｆ［Ｎ］の反作用力を含む負荷荷重ＦＬ［Ｎ］をロータ１２が受けることで当該ロータ１２が中立位置からＺ軸方向に沿って変位するようになる。そして、該変位量に対応する変位信号が位置センサ回路２３ａからＡ／Ｄ変換器２４ａを介してＤＳＰ２５ａのＡＭＢ制御部２５ｃに入力され、該ＡＭＢ制御部２５ｃにおいて当該変位信号に基づいて、前述のとおりに電磁石制御信号が演算される。
【００３９】
本実施形態の燃料電池用コンプレッサ１は、前記電磁石制御信号に基づく制御電流ｉｃ［Ａ］が該制御電流ｉｃの上限値ｉｃｍａｘ［Ａ］（所定値）を超えないように前記電動モータ１０の回転を制御する点に特徴を有する。ここで、当該制御電流ｉｃの上限値ｉｃｍａｘは、図３に示す制御電流ｉｃとロータ１２のＺ軸方向の負荷荷重ＦＬとの比例関係に基づき、ロータ１２が当該負荷荷重ＦＬの上限値ＦＬｍａｘ［Ｎ］（ロータ１２を中立位置で支持できる最大の荷重値）に対応して設定されるものである。
【００４０】
詳細には、図４及び図５を参照して、ロータ１２の回転数の目標値（以下、目標回転数という。）Ｎｄ［ｒｐｍ］を、車両の燃料電池で必要となる圧縮空気量Ｑ１［ｍ３／ｓｅｃ］に応じた値としてＮ１［ｒｐｍ］に設定している場合では、同図中の（２）のようにインペラ１１の推力Ｆ（図１参照）にのみ由来する前記負荷荷重ＦＬの変動幅は小さく、該負荷荷重ＦＬは、その上限値ＦＬｍａｘを超えることはない。ところが、このインペラ１１の推力Ｆ以外に、自動車等の車両の加減速、該車両に加わる横Ｇ、該車両の振動等の諸々の外的要因に加えて、さらに吸入する空気の温度や圧力等の内的要因により燃料電池用コンプレッサ１に付与される加速度を含めた場合には、前記負荷荷重ＦＬの変動幅は、図４中の（１）のように大きくなる。そして、前記負荷荷重の上限値ＦＬｍａｘを超えるようになって、この状態が継続されると、磁気軸受装置２（アキシャル磁気軸受２１，２２）によるロータ１２の浮上制御が制御範囲を逸脱して不能に陥ることがある。その結果、燃料電池用コンプレッサ１内に設けた保護軸受（図示省略）にタッチダウン（着地）したり、場合によっては燃料電池用コンプレッサ１の故障につながる虞がある。
【００４１】
そこで、本実施形態では、燃料電池用コンプレッサ１の動作中に前記制御電流ｉｃがその上限値ｉｃｍａｘを超えたことを条件として、図４中の（１）´のように、ロータ１２の目標回転数Ｎｄを前記第１目標回転数Ｎ１［ｒｐｍ］から、該第１目標回転数Ｎ１に定数Ｋ（０．８≦Ｋ≦０．９）を乗算した第２目標回転数Ｎ２（＝Ｋ・Ｎ１）［ｒｐｍ］に変更する。ここで、定数Ｋは、インペラ１１の推力Ｆ以外に、自動車等の車両の加減速、該車両に加わる横Ｇ、該車両の振動等の諸々の外的要因に加えて、さらに吸入する空気の温度や圧力等の内的要因により燃料電池用コンプレッサ１に付与される加速度を考慮し、それら諸要因によって前記負荷荷重ＦＬに変動が生じても、制御電流ｉｃがその上限値ｉｃｍａｘ以下に維持されるように設定した値である。
【００４２】
これにより、電動モータ１０のロータ１２の回転数Ｎが低下し、インペラ１１の推力Ｆが減少する。この結果、図４中の（１）のように上記諸要因により負荷荷重ＦＬの変動が大きい状況にあっても、当該負荷荷重ＦＬがその上限値ＦＬｍａｘを超えることはなくなり、磁気軸受装置２によるロータ１２の浮上制御が不能に陥る不具合が効果的に回避できるようになる。
【００４３】
本実施形態の燃料電池用コンプレッサ１では、図５に示すように、電動モータ１０は、そのロータ１２の回転数Ｎが、その回転数下限値Ｎｍｉｎ以上、前記負荷荷重ＦＬがその上限値ＦＬｍａｘを超えない回転数上限値Ｎｍａｘ以下の範囲となる理論上の制御範囲内で制御される。
【００４４】
以下、本実施形態における電動モータ１０の制御フローを図６を参照して説明する。この制御フローは、前記コンピュータ３において、処理プログラム上で一定のサンプリング時間ごとに実行されるものである。
【００４５】
まず、初期設定として、電動モータ１０のロータ１２の目標回転数ＮｄをＮ１［ｒｐｍ］、制御電流ｉｃの上限値ｉｃｍａｘ［Ａ］、第１目標回転数Ｎ１に乗算して第２目標回転数Ｎ２を得るための定数Ｋ（０．８≦Ｋ≦０．９）を設定する（ステップＳ１０１）。
【００４６】
次に、前記ＡＭＢ制御部２５ｃから出力される電磁石制御信号に基づいて制御電流ｉｃを取得する（ステップＳ１０２）。
そして、該制御電流ｉｃとその上限値ｉｃｍａｘの大小関係が判断される。換言すれば、ロータ１２が軸方向に受ける負荷荷重ＦＬがその上限値ＦＬｍａｘと比較される（ステップＳ１０３；制御電流値判断ステップ）。ここで、ｉｃ＞ｉｃｍａｘの場合（Ｙｅｓの場合）は、前記目標回転数Ｎｄを第２目標回転数Ｎ２（＝Ｋ・Ｎ１；０．８≦Ｋ≦０．９）に設定する（ステップＳ１０４；目標値変更ステップ）。一方、ｉｃ≦ｉｃｍａｘの場合（Ｎｏの場合）は、前記初期設定のままで電動モータ１０の回転の制御が継続される（ステップＳ１０５）。その後、スタート時点からサンプリング時間が経過し、タイムアップすれば（ステップＳ１０６）、ステップＳ１０２の手前の段階（Ａ）に戻る。
【００４７】
以上、本実施形態の燃料電池用コンプレッサ１によれば、以下のような作用・効果を得ることができる。
（１）電動モータ１０のロータ１２が軸方向に受ける負荷荷重ＦＬに略比例して増大する制御電流ｉｃがその上限値ｉｃｍａｘ（所定値）を超えないように電動モータ１０の回転が制御される。このため、該負荷荷重ＦＬがその上限値ＦＬｍａｘを超え、アキシャル磁気軸受２１，２２（磁気軸受装置２）による電動モータ１０のロータ１２の浮上制御が不能に陥る不具合が回避でき、当該ロータ１２が安定して中立位置で支持できるようになる。
【００４８】
（２）電動モータ１０のロータ１２の回転数Ｎの目標回転数Ｎｄが、制御電流ｉｃがその上限値ｉｃｍａｘ（所定値）を超えない値である第２目標回転数Ｎ２に設定される。このため、当該ロータ１２が軸方向に受ける負荷荷重ＦＬがアキシャル磁気軸受２１，２２の負荷容量（支持剛性）を超えないようにするための電動モータ１０の回転の制御を的確に行うことができるようになる。
【００４９】
（３）第２目標回転数Ｎ２が、圧縮空気を生じさせるためにインペラ１１に生じる推力Ｆに加えて、さらに車両の加減速、該車両に加わる横Ｇ、及び該車両の振動等を含む要因によりロータ１２に付与される加速度によって当該ロータ１２が軸方向に受ける負荷荷重ＦＬを考慮して設定されている。このため、アキシャル磁気軸受２１，２２による前記ロータ１２の浮上制御が不能になる不具合が一定の予測性の下で的確に回避できるようになる。
【００５０】
（４）第２目標回転数Ｎ２が、車両の燃料電池で必要となる圧縮空気量に応じ、第１目標回転数Ｎ１の０．８倍以上０．９倍以下の具体的数値に設定されているので、電動モータ１０の回転の制御が具体的且つ確実に行えるようになる。
【００５１】
（５）以上の（１）〜（４）により、自動車等の車両において生じる多様な要因により、電動モータ１０のロータ１２の浮上制御が不能に陥る不具合が回避され、当該車両の燃料電池に圧縮空気を安定して供給できる信頼性の高い燃料電池用コンプレッサ１が実現されるようになる。
【００５２】
（６）さらに、既存の燃料電池用コンプレッサにおいて、その制御方法を変更することのみで、アキシャル磁気軸受２１，２２の負荷容量（支持剛性）を高める効果が得られる。このため、装置の規模を拡大する必要がなく、昨今の地球環境問題やエネルギー問題に対応し、自動車等の車両に搭載される車両搭載装置に強く求められている小型化・軽量化・低コスト化の要請に対応したものとなる。
【００５３】
尚、上記実施形態は、以下のように変形してもよい。
・上記実施形態では、磁気軸受装置２における演算処理にＤＳＰ２５ａを用いたが、これに限定されるものではなく、例えばパーソナルコンピュータ、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等、ＤＳＰ以外のものを用いてもよい。また、ＤＳＰ２５ａ以外にコンピュータ３を別途設け、電動モータ１０の制御を行わせたが、当該ＤＳＰ２５ａにコンピュータ３の処理機能を併せ持たせるようにしてもよい。
【００５４】
・上記実施形態では、本発明の遠心式コンプレッサ装置を燃料電池用コンプレッサに適用した例を示した。しかし、これに限られず、該遠心式コンプレッサ装置は、その他、ターボ分子ポンプ等の圧縮空気を生成する汎用のターボ型コンプレッサにも適用することもできるし、そのような空気コンプレッサ以外に、他の回転機器（コンプレッサ、ブロワ、タービン）にも適用することができる。
【００５５】
・上記実施形態では、第１目標回転数Ｎ１に乗算する定数Ｋを０．８以上０．９以下の範囲に設定した。しかし、これに限られず、該定数Ｋは，遠心式コンプレッサ装置の規模や用途に応じ、多様な要因で遠心式コンプレッサ装置に付与される加速度を考慮して適宜変更可能（例えば、０．６以上０．７５以下の範囲とする。）である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池用コンプレッサの軸方向断面図。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池用コンプレッサに適用される磁気軸受装置のブロック図。
【図３】制御電流ｉｃ［Ａ］（励磁電流ｉｅ［Ａ］）と電動モータのロータのＺ軸方向の負荷荷重ＦＬ［Ｎ］との関係を示すグラフ図。
【図４】電動モータのロータの目標回転数Ｎｄを第１目標回転数Ｎ１から第２目標回転数Ｎ２に変更する根拠を説明するためのグラフ図（横軸を時間、縦軸をロータの回転数Ｎ及びロータの負荷荷重ＦＬとする）。
【図５】電動モータの回転の制御範囲を説明するためのグラフ図（横軸を電動モータのロータの回転数Ｎ、縦軸をロータの負荷荷重ＦＬ及び圧縮空気量Ｑとする）。
【図６】本発明の実施形態に係る燃料電池用コンプレッサにおける電動モータの制御フロー図。
【符号の説明】
【００５７】
１…燃料電池用コンプレッサ（遠心式コンプレッサ装置）、２…磁気軸受装置、１０…電動モータ、１１…インペラ、１２…ロータ、１２ｔ…先端部、１３…ステータ、２１，２２…アキシャル磁気軸受（一対の磁気軸受）、２５ａ…ＤＳＰ、２５ｂ…電動モータ駆動部、２５ｃ…ＡＭＢ制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動モータと、該電動モータのロータを軸方向に非接触状態で支持する磁気軸受装置とを備えた遠心式コンプレッサ装置、該遠心式コンプレッサ装置が適用される燃料電池用コンプレッサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の遠心式コンプレッサ装置では、前記ロータの回転速度（回転数）を目標値として電動モータの回転が制御され、それによってロータの先端に軸支されたインペラにより軸方向に吸入され、圧縮して径方向に吐出される空気の流量又は圧力が所望の値と一致するようにされている（特許文献１参照）。
【０００３】
即ち、従来の遠心式コンプレッサ装置では、予め前記ロータ（インペラ）の回転速度と圧縮空気の流量又は圧力の関係が設定されており、該関係に基づきロータの回転速度が目標値と一致するように電動モータの回転を制御すれば、圧縮空気に所望の流量又は圧力が得られるようになっている。
【０００４】
また、前記磁気軸受装置は、前記ロータをアキシャル方向（軸方向）又はラジアル方向（径方向）にそれぞれ非接触状態で支持するための一対の磁気軸受を備えている。当該磁気軸受装置では、前記ロータの変位に伴い変化する制御電流を、各磁気軸受に一定となる定常電流に合わせた励磁電流を当該一対の磁気軸受（の各電磁石）に供給することでロータを中立位置（ロータが外力を受けない状態で回転する設計上の位置）にて支持させるようにしている。
【０００５】
ところで、燃料電池を利用した自動車等の車両に搭載され、圧縮空気を当該燃料電池に供給する燃料電池用コンプレッサが知られている（特許文献２参照）。この燃料電池用コンプレッサでは、インペラの先端近傍に加圧ボリュートが設けられており、前記インペラの回転により当該加圧ボリュート内に圧縮空気が生成され、燃料電池用コンプレッサの外部に排出される。
【特許文献１】特開２００１−３４２９９５号公報
【特許文献２】特開２００４−３０１２２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような燃料電池用コンプレッサの中で、ロータの軸受に前述の磁気軸受装置（遠心式コンプレッサ装置）を使用したもの（図１参照）では、ロータ（１２）の回転に伴い、インペラ（１１）において軸方向に圧縮空気を生じさせるための推力Ｆが生まれ、その反作用として、前記ロータが軸方向に負荷荷重ＦＬを受けるようになる。そして、該負荷荷重ＦＬが過大となり、その上限値ＦＬｍａｘ（ロータを中立位置で支持できる最大の荷重値）を超えると、磁気軸受装置によるロータの浮上制御が不能になり、その結果、燃料電池用コンプレッサ（１）内に設けた保護軸受にタッチダウン（着地）したり、場合によっては燃料電池用コンプレッサの故障につながる虞がある。
【０００７】
尚、ロータが軸方向に受ける負荷荷重ＦＬは、前記したインペラの推力Ｆ以外に、自動車等の車両の加減速、該車両に加わる横Ｇ、該車両の振動等の諸々の外的要因の他、さらに吸入する空気の温度や圧力等の内的要因により燃料電池用コンプレッサに付与される加速度（ロータに対して軸方向に付与される加速度）によっても変動（増大）する。
【０００８】
かかる問題に対処するために磁気軸受の負荷容量（支持剛性）を高めれば、必然的に燃料電池用コンプレッサの大型化を招来する。そして、昨今、声高に叫ばれている地球環境問題やエネルギー問題に対応し、自動車等の車両に搭載される車両搭載装置に強く求められている小型化・軽量化・低コスト化に反する結果となり、好ましくない。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、自動車等の車両において生じる多様な要因により、電動モータのロータに対して軸方向に過大な負荷荷重が付与される状況にあっても、規模を拡大することなく、安全且つ確実な動作が維持できる遠心式コンプレッサ装置、及び、該遠心式コンプレッサ装置が適用される燃料電池用コンプレッサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、自動車等の車両に搭載された車両搭載装置に圧縮空気を供給するべく当該車両に設けられ、インペラを軸支するロータをステータで回転駆動する電動モータと、前記ロータを軸方向に非接触状態で支持する一対の磁気軸受とを備え、前記ロータの浮上位置を調節すべく、当該ロータの変位によって変化しない定常電流と、該ロータの変位によって変化するとともに前記圧縮空気の供給に伴って前記ロータが軸方向に受ける負荷荷重に略比例して増大する制御電流と、を合わせた励磁電流を前記一対の磁気軸受に供給する遠心式コンプレッサ装置において、前記制御電流が所定値を超えないように前記電動モータの回転を制御すること、を要旨とする。
【００１１】
同構成によれば、電動モータのロータが軸方向に受ける負荷荷重に略比例して増大する制御電流が所定値を超えないように電動モータの回転が制御される。このため、例えば、この所定値を前記ロータに対して軸方向に付与される負荷荷重が当該ロータを中立位置で支持できる限界値を超えないようになる値に設定すれば、該負荷荷重が過大となり、一対の磁気軸受による電動モータのロータの浮上制御が不能に陥る不具合が回避できるようになる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の遠心式コンプレッサ装置において、前記所定値が、前記ロータに対して軸方向に付与される負荷荷重が過大となり前記磁気軸受による当該ロータの浮上制御が不能にならない前記制御電流の上限値に設定されていること、を要旨とする。
【００１３】
同構成によれば、所定値が、電動モータのロータに対して軸方向に付与される負荷荷重が過大となり一対の磁気軸受による当該ロータの浮上制御が不能にならない制御電流の上限値に設定される。これにより、一対の磁気軸受による前記ロータの浮上制御が不能になる不具合が的確に回避できるようになる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の遠心式コンプレッサ装置において、前記ロータの回転数の目標値が、前記制御電流が前記所定値以下になる値に設定されていること、を要旨とする。
【００１５】
同構成によれば、電動モータのロータの回転数の目標値が、制御電流が所定値以下になる値に設定されるので、当該ロータが軸方向に受ける負荷荷重が磁気軸受の負荷容量（支持剛性）を超えないようにするための電動モータの回転の制御を的確に行うことができるようになる。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の遠心式コンプレッサ装置において、前記制御電流が前記所定値以下の場合には、前記ロータの回転数の目標値を前記車両搭載装置で必要となる圧縮空気量に応じて設定される第１目標回転数として前記電動モータの回転を制御する一方、前記制御電流が前記所定値を超えた場合には、前記第１目標回転数を該回転数未満であって、前記制御電流が前記所定値を超えることを防止しうる第２目標回転数に変更するようにしたこと、を要旨とする。
【００１７】
同構成によれば、制御電流が所定値以下に維持されるようになって電動モータのロータが安定して中立位置で支持できるようになる。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の遠心式コンプレッサ装置において、前記第２目標回転数が、圧縮空気を生じさせるために前記インペラに生じる推力に加えて、さらに前記車両の加減速、該車両に加わる横Ｇ、及び該車両の振動等を含む要因により前記ロータに付与される加速度によって前記ロータが軸方向に受ける負荷荷重を考慮して設定されていること、を要旨とする。
【００１８】
同構成によれば、第２目標回転数が、自動車等の車両において生じる多様な要因により電動モータのロータに付与される加速度によって当該ロータが軸方向に受ける負荷荷重を考慮して設定されているので、一対の磁気軸受による前記ロータの浮上制御が不能になる不具合が一定の予測性の下で的確に回避できるようになる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の遠心式コンプレッサ装置において、前記第２目標回転数が、前記第１目標回転数の０．８倍以上０．９倍以下に設定されていること、を要旨とする。
【００２０】
同構成によれば、第２目標回転数が、車両の燃料電池で必要となる圧縮空気量に応じ、第１目標回転数の０．８倍以上０．９倍以下の具体的数値に設定されているので、一対の磁気軸受による前記ロータの浮上制御が不能になる不具合が防止される電動モータの回転の制御が具体的且つ確実に行えるようになる。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、自動車等の車両に搭載された燃料電池に圧縮空気を供給する燃料電池用コンプレッサであって、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の遠心式コンプレッサ装置を用いること、を要旨とする。
【００２２】
同構成によれば、自動車等の車両において生じる多様な要因により、電動モータのロータの浮上制御が不能に陥る不具合が回避され、当該車両の燃料電池に圧縮空気を安定して供給できる信頼性の高い燃料電池用コンプレッサが実現されるようになる。
【００２３】
請求項８に記載の発明は、自動車等の車両に搭載された燃料電池に圧縮空気を供給するべく当該車両に設けられ、インペラを軸支するロータをステータで回転駆動する電動モータと、前記ロータを軸方向に非接触状態で支持する一対の磁気軸受とを備え、前記ロータの浮上位置を調節すべく、当該ロータの変位によって変化しない定常電流と、該ロータの変位によって変化するとともに前記ロータが軸方向に受ける負荷荷重に略比例して増大する制御電流と、を合わせた励磁電流を前記一対の磁気軸受に供給する燃料電池用コンプレッサの制御方法であって、前記制御電流と所定値との大小関係を判断する制御電流値判断ステップと、前記制御電流が前記所定値以下の場合には、前記ロータの回転数の目標値を前記車両搭載装置で必要となる圧縮空気量に応じて設定される第１目標回転数として前記電動モータの回転を制御する一方、前記制御電流が前記所定値を超えた場合には、前記目標値を前記第１目標回転数の０．８倍以上０．９倍以下の第２目標回転数に変更する目標値変更ステップとを含むこと、を要旨とする。
【００２４】
同構成によれば、車両の燃料電池で必要となる圧縮空気量を確保できるとともに、自動車等の車両において生じる多様な要因によって電動モータのロータの浮上制御が不能に陥る不具合が効果的に回避できるようになる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の遠心式コンプレッサ装置によれば、自動車等の車両において生じる多様な要因により、電動モータのロータに対して軸方向に過大な負荷荷重が付与される状況にあっても、規模を拡大することなく、安全且つ確実な動作が維持できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
本実施形態の遠心式コンプレッサ装置は、自動車等の車両に搭載され、該車両の動力源としての燃料電池に主として空気を圧縮状態として供給する燃料電池用コンプレッサとして使用される。
【００２７】
図１に示すように、前記燃料電池用コンプレッサ１は、燃料電池に圧縮された空気を供給するインペラ１１と、該インペラ１１を回転駆動するための電動モータ１０と、該インペラ１１及び電動モータ１０を収容する有底円筒状のハウジング１５とを備えている。この燃料電池用コンプレッサ１は、車両内において、図１に示す水平状態で使用される（図１においては、ロータ１２の軸方向と直交する方向が鉛直方向となる）。
【００２８】
前記電動モータ１０は、インペラ１１を先端部１２ｔで支持（軸支）するロータ１２及び該ロータ１２を電磁力により回転駆動するステータ１３を備えている。
前記インペラ１１は、ハウジング１５の一部を構成する加圧ボリュート１６内に回転可能に収容されている。該加圧ボリュート１６には、空気を燃料電池用コンプレッサ１内部に導入する空気導入路１６ａと、生成された圧縮空気を外部に吐出（排出）する空気排出路１６ｂとが設けられている。
【００２９】
前記ロータ１２は、その中央部位が径方向外方に膨出して大径部１２ｃを形成しており、その先端側（インペラ１１側）及び後端側には、前記大径部１２ｃを挟み込むように、鉄等の磁性体からなる前後一対の円盤状のフランジ部１２ａ，１２ｂが相対回転不能に設けられている。そして、該ロータ１２は、それぞれ、前記フランジ部１２ａ，１２ｂを、ハウジング１５に固設された前後一対のアキシャル磁気軸受２１，２２（該アキシャル磁気軸受２１，２２の鉄製のヨーク部には、コイル巻線２１ａ，２２ａが巻回され、複数の電磁石を構成している。）に対面させて軸方向（アキシャル方向）に非接触状態で支持されるとともに、同ハウジング１５に前記アキシャル磁気軸受２１，２２に挟まれる位置にて固設された前後一対のラジアルフォイル軸受１７ａ，１７ｂによって径方向（ラジアル方向）に非接触状態で支持される。尚、図１に示す燃料電池用コンプレッサ１においては、前記ロータ１２の軸方向の位置を検出するアキシャル位置センサ２３がハウジング１５の底部１５ａの中央位置に配設されている。
【００３０】
本実施形態で用いる磁気軸受装置２は、前記した燃料電池用コンプレッサ１に備えられるものであり、図１及び図２を参照して、前記した一対のアキシャル磁気軸受２１，２２及びアキシャル位置センサ２３を含む機械本体２０１と、前記アキシャル磁気軸受２１，２２の各電磁石の電磁力を制御してロータ１２の浮上位置を調節するとともに、該ロータ１２の回転速度を制御して燃料電池用コンプレッサ１の圧縮空気の流量又は圧力を調節するコントローラ２０２とを備えている。以下、ロータ１２の軸方向をＺ軸、Ｚ軸と直交するとともに互いに直交する２つの径方向をＸ軸、Ｙ軸とする。
【００３１】
前記機械本体２０１は、ロータ１２をステータ１３で回転駆動する前記電動モータ１０、ロータ１２をＺ軸方向に離間した２箇所において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に非接触状態で支持する前記ラジアルフォイル軸受１７ａ，１７ｂ、ロータ１２をＺ軸方向に非接触状態で支持する前記アキシャル磁気軸受２１，２２、及びロータ１２のＺ軸上の位置を検出して位置検出信号を出力する前記アキシャル位置センサ２３を備えている。
【００３２】
前記コントローラ２０２は、前記アキシャル位置センサ２３から入力される位置検出信号に基づきロータ１２の中立位置からのＺ軸上における変位量を演算して該変位量に対応する変位信号を出力する位置センサ回路２３ａ、ロータ１２に外乱が作用しても中立位置で支持するための電磁石制御信号を出力するとともに該ロータ１２を所定の回転数で回転駆動するための回転数指令信号を出力するＤＳＰ（ＤＳＰ：Digital Signal Processor；デジタル信号処理装置）ボード２５、該ＤＳＰボード２５から入力される電磁石制御信号に基づき前記アキシャル磁気軸受２１，２２の各電磁石を駆動する磁気軸受駆動回路２１ｂ、及び前記ＤＳＰボード２５から入力される回転数指令信号に基づき前記電動モータ１０のロータ１２の回転数をＰＷＭ制御方式により制御するインバータ回路２６を備えている。
【００３３】
前記ＤＳＰボード２５には、制御プログラムが実行可能なデジタル処理手段としてのＤＳＰ２５ａ、該ＤＳＰ２５ａに設けられた記憶手段としてのＲＯＭ及びフラッシュメモリ（図示せず）、Ａ／Ｄ変換器２４ａ，２４ｃ、及びＤ／Ａ変換器２４ｂが、図２に示す接続状態で配設されている。
【００３４】
前記ＤＳＰ２５ａには、前記電動モータ１０に流れる駆動電流を検知する電流センサ１０ａからの当該駆動電流信号がＡ／Ｄ変換器２４ｃを介してデジタル信号に変換後に入力されるとともに、車両に備えられ、所定の処理プログラムを実行して電動モータ１０の回転を制御するコンピュータ３から入力される指令信号と前記駆動電流信号とに基づいて回転数指令信号を演算し、該回転数指令信号を前記インバータ回路２６に出力する電動モータ駆動部２５ｂ、及び、前記位置センサ回路２３ａからＡ／Ｄ変換器２４ａを介して入力されるロータ１２の変位信号に基づいて電磁石制御信号を演算し、該電磁石制御信号をＤ／Ａ変換器２４ｂを介して前記磁気軸受駆動回路２１ｂに出力するとともに、当該電磁石制御信号を電動モータ１０の回転の制御に供すべく前記コンピュータ３に出力するＡＭＢ（ＡＭＢ：Active Magnetic Bearing；能動型磁気軸受）制御部２５ｃが備えられている。
【００３５】
尚、前記ＲＯＭには、ＤＳＰ２５ａで処理される制御プログラムが格納されており、フラッシュメモリには、前記アキシャル磁気軸受２１，２２の制御パラメータを記憶した制御パラメータテーブルや、バイアス電流値（定常電流値）を記憶したバイアス電流値テーブル等が設けられている。
【００３６】
本実施形態の燃料電池用コンプレッサ１は、以上のように構成され、前記磁気軸受駆動回路２１ｂは、ＤＳＰボード２５からの電磁石制御信号に基づく制御電流ｉｃを前記ＲＯＭに記憶された定常電流ｉｏに合わせたアキシャル方向励磁電流ｉｅを前記アキシャル磁気軸受２１，２２の各電磁石に供給する。また、前記インバータ回路２６は、ＤＳＰボード２５からの回転数指令信号に基づき電動モータ１０のロータ１２の回転数をＰＷＭ制御する。これにより、該ロータ１２は、前記アキシャル磁気軸受２１，２２及びラジアルフォイル軸受１７ａ，１７ｂによって中立位置に非接触状態で支持された状態で電動モータ１０のステータ１３で回転駆動される。尚、前記制御電流ｉｃは、図３に示すように、燃料電池用コンプレッサ１から燃料電池への圧縮空気の供給に伴ってロータ１２がＺ軸方向に受ける負荷荷重ＦＬと略比例して増大することが確認されている。
【００３７】
そして、図１を参照して、前記ロータ１２の回転に伴ってインペラ１１が回転することにより、空気が加圧ボリュート１６の空気導入路１６ａを通って矢印ａ１（導入空気の圧力：ｐ０［ＭＰａ］）の方向に導入されて加圧され、さらに圧縮状態にて加圧ボリュート１６の空気排出路１６ｂを通って矢印ａ２（吐出空気の圧力：ｐ１［ＭＰａ］）の方向に排出され、図示しない加湿機を経由して車両の燃料電池に供給される。
【００３８】
ここで、空気の圧縮に伴い、インペラ１１（ロータ１２）においてＺ軸方向に推力Ｆ［Ｎ］が生じ、該推力Ｆ［Ｎ］の反作用力を含む負荷荷重ＦＬ［Ｎ］をロータ１２が受けることで当該ロータ１２が中立位置からＺ軸方向に沿って変位するようになる。そして、該変位量に対応する変位信号が位置センサ回路２３ａからＡ／Ｄ変換器２４ａを介してＤＳＰ２５ａのＡＭＢ制御部２５ｃに入力され、該ＡＭＢ制御部２５ｃにおいて当該変位信号に基づいて、前述のとおりに電磁石制御信号が演算される。
【００３９】
本実施形態の燃料電池用コンプレッサ１は、前記電磁石制御信号に基づく制御電流ｉｃ［Ａ］が該制御電流ｉｃの上限値ｉｃｍａｘ［Ａ］（所定値）を超えないように前記電動モータ１０の回転を制御する点に特徴を有する。ここで、当該制御電流ｉｃの上限値ｉｃｍａｘは、図３に示す制御電流ｉｃとロータ１２のＺ軸方向の負荷荷重ＦＬとの比例関係に基づき、ロータ１２が当該負荷荷重ＦＬの上限値ＦＬｍａｘ［Ｎ］（ロータ１２を中立位置で支持できる最大の荷重値）に対応して設定されるものである。
【００４０】
詳細には、図４及び図５を参照して、ロータ１２の回転数の目標値（以下、目標回転数という。）Ｎｄ［ｒｐｍ］を、車両の燃料電池で必要となる圧縮空気量Ｑ１［ｍ３／ｓｅｃ］に応じた値としてＮ１［ｒｐｍ］に設定している場合では、同図中の（２）のようにインペラ１１の推力Ｆ（図１参照）にのみ由来する前記負荷荷重ＦＬの変動幅は小さく、該負荷荷重ＦＬは、その上限値ＦＬｍａｘを超えることはない。ところが、このインペラ１１の推力Ｆ以外に、自動車等の車両の加減速、該車両に加わる横Ｇ、該車両の振動等の諸々の外的要因に加えて、さらに吸入する空気の温度や圧力等の内的要因により燃料電池用コンプレッサ１に付与される加速度を含めた場合には、前記負荷荷重ＦＬの変動幅は、図４中の（１）のように大きくなる。そして、前記負荷荷重の上限値ＦＬｍａｘを超えるようになって、この状態が継続されると、磁気軸受装置２（アキシャル磁気軸受２１，２２）によるロータ１２の浮上制御が制御範囲を逸脱して不能に陥ることがある。その結果、燃料電池用コンプレッサ１内に設けた保護軸受（図示省略）にタッチダウン（着地）したり、場合によっては燃料電池用コンプレッサ１の故障につながる虞がある。
【００４１】
そこで、本実施形態では、燃料電池用コンプレッサ１の動作中に前記制御電流ｉｃがその上限値ｉｃｍａｘを超えたことを条件として、図４中の（１）´のように、ロータ１２の目標回転数Ｎｄを前記第１目標回転数Ｎ１［ｒｐｍ］から、該第１目標回転数Ｎ１に定数Ｋ（０．８≦Ｋ≦０．９）を乗算した第２目標回転数Ｎ２（＝Ｋ・Ｎ１）［ｒｐｍ］に変更する。ここで、定数Ｋは、インペラ１１の推力Ｆ以外に、自動車等の車両の加減速、該車両に加わる横Ｇ、該車両の振動等の諸々の外的要因に加えて、さらに吸入する空気の温度や圧力等の内的要因により燃料電池用コンプレッサ１に付与される加速度を考慮し、それら諸要因によって前記負荷荷重ＦＬに変動が生じても、制御電流ｉｃがその上限値ｉｃｍａｘ以下に維持されるように設定した値である。
【００４２】
これにより、電動モータ１０のロータ１２の回転数Ｎが低下し、インペラ１１の推力Ｆが減少する。この結果、図４中の（１）のように上記諸要因により負荷荷重ＦＬの変動が大きい状況にあっても、当該負荷荷重ＦＬがその上限値ＦＬｍａｘを超えることはなくなり、磁気軸受装置２によるロータ１２の浮上制御が不能に陥る不具合が効果的に回避できるようになる。
【００４３】
本実施形態の燃料電池用コンプレッサ１では、図５に示すように、電動モータ１０は、そのロータ１２の回転数Ｎが、その回転数下限値Ｎｍｉｎ以上、前記負荷荷重ＦＬがその上限値ＦＬｍａｘを超えない回転数上限値Ｎｍａｘ以下の範囲となる理論上の制御範囲内で制御される。
【００４４】
以下、本実施形態における電動モータ１０の制御フローを図６を参照して説明する。この制御フローは、前記コンピュータ３において、処理プログラム上で一定のサンプリング時間ごとに実行されるものである。
【００４５】
まず、初期設定として、電動モータ１０のロータ１２の目標回転数ＮｄをＮ１［ｒｐｍ］、制御電流ｉｃの上限値ｉｃｍａｘ［Ａ］、第１目標回転数Ｎ１に乗算して第２目標回転数Ｎ２を得るための定数Ｋ（０．８≦Ｋ≦０．９）を設定する（ステップＳ１０１）。
【００４６】
次に、前記ＡＭＢ制御部２５ｃから出力される電磁石制御信号に基づいて制御電流ｉｃを取得する（ステップＳ１０２）。
そして、該制御電流ｉｃとその上限値ｉｃｍａｘの大小関係が判断される。換言すれば、ロータ１２が軸方向に受ける負荷荷重ＦＬがその上限値ＦＬｍａｘと比較される（ステップＳ１０３；制御電流値判断ステップ）。ここで、ｉｃ＞ｉｃｍａｘの場合（Ｙｅｓの場合）は、前記目標回転数Ｎｄを第２目標回転数Ｎ２（＝Ｋ・Ｎ１；０．８≦Ｋ≦０．９）に設定する（ステップＳ１０４；目標値変更ステップ）。一方、ｉｃ≦ｉｃｍａｘの場合（Ｎｏの場合）は、前記初期設定のままで電動モータ１０の回転の制御が継続される（ステップＳ１０５）。その後、スタート時点からサンプリング時間が経過し、タイムアップすれば（ステップＳ１０６）、ステップＳ１０２の手前の段階（Ａ）に戻る。
【００４７】
以上、本実施形態の燃料電池用コンプレッサ１によれば、以下のような作用・効果を得ることができる。
（１）電動モータ１０のロータ１２が軸方向に受ける負荷荷重ＦＬに略比例して増大する制御電流ｉｃがその上限値ｉｃｍａｘ（所定値）を超えないように電動モータ１０の回転が制御される。このため、該負荷荷重ＦＬがその上限値ＦＬｍａｘを超え、アキシャル磁気軸受２１，２２（磁気軸受装置２）による電動モータ１０のロータ１２の浮上制御が不能に陥る不具合が回避でき、当該ロータ１２が安定して中立位置で支持できるようになる。
【００４８】
（２）電動モータ１０のロータ１２の回転数Ｎの目標回転数Ｎｄが、制御電流ｉｃがその上限値ｉｃｍａｘ（所定値）を超えない値である第２目標回転数Ｎ２に設定される。このため、当該ロータ１２が軸方向に受ける負荷荷重ＦＬがアキシャル磁気軸受２１，２２の負荷容量（支持剛性）を超えないようにするための電動モータ１０の回転の制御を的確に行うことができるようになる。
【００４９】
（３）第２目標回転数Ｎ２が、圧縮空気を生じさせるためにインペラ１１に生じる推力Ｆに加えて、さらに車両の加減速、該車両に加わる横Ｇ、及び該車両の振動等を含む要因によりロータ１２に付与される加速度によって当該ロータ１２が軸方向に受ける負荷荷重ＦＬを考慮して設定されている。このため、アキシャル磁気軸受２１，２２による前記ロータ１２の浮上制御が不能になる不具合が一定の予測性の下で的確に回避できるようになる。
【００５０】
（４）第２目標回転数Ｎ２が、車両の燃料電池で必要となる圧縮空気量に応じ、第１目標回転数Ｎ１の０．８倍以上０．９倍以下の具体的数値に設定されているので、電動モータ１０の回転の制御が具体的且つ確実に行えるようになる。
【００５１】
（５）以上の（１）〜（４）により、自動車等の車両において生じる多様な要因により、電動モータ１０のロータ１２の浮上制御が不能に陥る不具合が回避され、当該車両の燃料電池に圧縮空気を安定して供給できる信頼性の高い燃料電池用コンプレッサ１が実現されるようになる。
【００５２】
（６）さらに、既存の燃料電池用コンプレッサにおいて、その制御方法を変更することのみで、アキシャル磁気軸受２１，２２の負荷容量（支持剛性）を高める効果が得られる。このため、装置の規模を拡大する必要がなく、昨今の地球環境問題やエネルギー問題に対応し、自動車等の車両に搭載される車両搭載装置に強く求められている小型化・軽量化・低コスト化の要請に対応したものとなる。
【００５３】
尚、上記実施形態は、以下のように変形してもよい。
・上記実施形態では、磁気軸受装置２における演算処理にＤＳＰ２５ａを用いたが、これに限定されるものではなく、例えばパーソナルコンピュータ、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等、ＤＳＰ以外のものを用いてもよい。また、ＤＳＰ２５ａ以外にコンピュータ３を別途設け、電動モータ１０の制御を行わせたが、当該ＤＳＰ２５ａにコンピュータ３の処理機能を併せ持たせるようにしてもよい。
【００５４】
・上記実施形態では、本発明の遠心式コンプレッサ装置を燃料電池用コンプレッサに適用した例を示した。しかし、これに限られず、該遠心式コンプレッサ装置は、その他、ターボ分子ポンプ等の圧縮空気を生成する汎用のターボ型コンプレッサにも適用することもできるし、そのような空気コンプレッサ以外に、他の回転機器（コンプレッサ、ブロワ、タービン）にも適用することができる。
【００５５】
・上記実施形態では、第１目標回転数Ｎ１に乗算する定数Ｋを０．８以上０．９以下の範囲に設定した。しかし、これに限られず、該定数Ｋは，遠心式コンプレッサ装置の規模や用途に応じ、多様な要因で遠心式コンプレッサ装置に付与される加速度を考慮して適宜変更可能（例えば、０．６以上０．７５以下の範囲とする。）である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池用コンプレッサの軸方向断面図。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池用コンプレッサに適用される磁気軸受装置のブロック図。
【図３】制御電流ｉｃ［Ａ］（励磁電流ｉｅ［Ａ］）と電動モータのロータのＺ軸方向の負荷荷重ＦＬ［Ｎ］との関係を示すグラフ図。
【図４】電動モータのロータの目標回転数Ｎｄを第１目標回転数Ｎ１から第２目標回転数Ｎ２に変更する根拠を説明するためのグラフ図（横軸を時間、縦軸をロータの回転数Ｎ及びロータの負荷荷重ＦＬとする）。
【図５】電動モータの回転の制御範囲を説明するためのグラフ図（横軸を電動モータのロータの回転数Ｎ、縦軸をロータの負荷荷重ＦＬ及び圧縮空気量Ｑとする）。
【図６】本発明の実施形態に係る燃料電池用コンプレッサにおける電動モータの制御フロー図。
【符号の説明】
【００５７】
１…燃料電池用コンプレッサ（遠心式コンプレッサ装置）、２…磁気軸受装置、１０…電動モータ、１１…インペラ、１２…ロータ、１２ｔ…先端部、１３…ステータ、２１，２２…アキシャル磁気軸受（一対の磁気軸受）、２５ａ…ＤＳＰ、２５ｂ…電動モータ駆動部、２５ｃ…ＡＭＢ制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車等の車両に搭載された車両搭載装置に圧縮空気を供給するべく当該車両に設けられ、
インペラを軸支するロータをステータで回転駆動する電動モータと、前記ロータを軸方向に非接触状態で支持する一対の磁気軸受とを備え、
前記ロータの浮上位置を調節すべく、当該ロータの変位によって変化しない定常電流と、該ロータの変位によって変化するとともに前記圧縮空気の供給に伴って前記ロータが軸方向に受ける負荷荷重に略比例して増大する制御電流と、を合わせた励磁電流を前記一対の磁気軸受に供給する遠心式コンプレッサ装置において、
前記制御電流が所定値を超えないように前記電動モータの回転を制御することを特徴とする遠心式コンプレッサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の遠心式コンプレッサ装置において、
前記所定値が、前記ロータに対して軸方向に付与される負荷荷重が過大となり前記磁気軸受による当該ロータの浮上制御が不能にならない前記制御電流の上限値に設定されている遠心式コンプレッサ装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の遠心式コンプレッサ装置において、
前記ロータの回転数の目標値が、前記制御電流が前記所定値以下になる値に設定されている遠心式コンプレッサ装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の遠心式コンプレッサ装置において、
前記制御電流が前記所定値以下の場合には、前記ロータの回転数の目標値を前記車両搭載装置で必要となる圧縮空気量に応じて設定される第１目標回転数として前記電動モータの回転を制御する一方、前記制御電流が前記所定値を超えた場合には、前記第１目標回転数を該回転数未満であって、前記制御電流が前記所定値を超えることを防止しうる第２目標回転数に変更するようにした遠心式コンプレッサ装置。
【請求項５】
請求項４に記載の遠心式コンプレッサ装置において、
前記第２目標回転数が、圧縮空気を生じさせるために前記インペラに生じる推力に加えて、さらに前記車両の加減速、該車両に加わる横Ｇ、及び該車両の振動等を含む要因により前記ロータに付与される加速度によって前記ロータが軸方向に受ける負荷荷重を考慮して設定されている遠心式コンプレッサ装置。
【請求項６】
請求項５に記載の遠心式コンプレッサ装置において、
前記第２目標回転数が、前記第１目標回転数の０．８倍以上０．９倍以下に設定されている遠心式コンプレッサ装置。
【請求項７】
自動車等の車両に搭載された燃料電池に圧縮空気を供給する燃料電池用コンプレッサであって、
請求項１〜請求項６のいずれかに記載の遠心式コンプレッサ装置を用いることを特徴とする燃料電池用コンプレッサ。
【請求項８】
自動車等の車両に搭載された燃料電池に圧縮空気を供給するべく当該車両に設けられ、
インペラを軸支するロータをステータで回転駆動する電動モータと、前記ロータを軸方向に非接触状態で支持する一対の磁気軸受とを備え、
前記ロータの浮上位置を調節すべく、当該ロータの変位によって変化しない定常電流と、該ロータの変位によって変化するとともに前記ロータが軸方向に受ける負荷荷重に略比例して増大する制御電流と、を合わせた励磁電流を前記一対の磁気軸受に供給する燃料電池用コンプレッサの制御方法であって、
前記制御電流と所定値との大小関係を判断する制御電流値判断ステップと、
前記制御電流が前記所定値以下の場合には、前記ロータの回転数の目標値を前記車両搭載装置で必要となる圧縮空気量に応じて設定される第１目標回転数として前記電動モータの回転を制御する一方、前記制御電流が前記所定値を超えた場合には、前記目標値を前記第１目標回転数の０．８倍以上０．９倍以下の第２目標回転数に変更する目標値変更ステップとを含むことを特徴とする燃料電池用コンプレッサの制御方法。
【請求項１】
自動車等の車両に搭載された車両搭載装置に圧縮空気を供給するべく当該車両に設けられ、
インペラを軸支するロータをステータで回転駆動する電動モータと、前記ロータを軸方向に非接触状態で支持する一対の磁気軸受とを備え、
前記ロータの浮上位置を調節すべく、当該ロータの変位によって変化しない定常電流と、該ロータの変位によって変化するとともに前記圧縮空気の供給に伴って前記ロータが軸方向に受ける負荷荷重に略比例して増大する制御電流と、を合わせた励磁電流を前記一対の磁気軸受に供給する遠心式コンプレッサ装置において、
前記制御電流が所定値を超えないように前記電動モータの回転を制御することを特徴とする遠心式コンプレッサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の遠心式コンプレッサ装置において、
前記所定値が、前記ロータに対して軸方向に付与される負荷荷重が過大となり前記磁気軸受による当該ロータの浮上制御が不能にならない前記制御電流の上限値に設定されている遠心式コンプレッサ装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の遠心式コンプレッサ装置において、
前記ロータの回転数の目標値が、前記制御電流が前記所定値以下になる値に設定されている遠心式コンプレッサ装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の遠心式コンプレッサ装置において、
前記制御電流が前記所定値以下の場合には、前記ロータの回転数の目標値を前記車両搭載装置で必要となる圧縮空気量に応じて設定される第１目標回転数として前記電動モータの回転を制御する一方、前記制御電流が前記所定値を超えた場合には、前記第１目標回転数を該回転数未満であって、前記制御電流が前記所定値を超えることを防止しうる第２目標回転数に変更するようにした遠心式コンプレッサ装置。
【請求項５】
請求項４に記載の遠心式コンプレッサ装置において、
前記第２目標回転数が、圧縮空気を生じさせるために前記インペラに生じる推力に加えて、さらに前記車両の加減速、該車両に加わる横Ｇ、及び該車両の振動等を含む要因により前記ロータに付与される加速度によって前記ロータが軸方向に受ける負荷荷重を考慮して設定されている遠心式コンプレッサ装置。
【請求項６】
請求項５に記載の遠心式コンプレッサ装置において、
前記第２目標回転数が、前記第１目標回転数の０．８倍以上０．９倍以下に設定されている遠心式コンプレッサ装置。
【請求項７】
自動車等の車両に搭載された燃料電池に圧縮空気を供給する燃料電池用コンプレッサであって、
請求項１〜請求項６のいずれかに記載の遠心式コンプレッサ装置を用いることを特徴とする燃料電池用コンプレッサ。
【請求項８】
自動車等の車両に搭載された燃料電池に圧縮空気を供給するべく当該車両に設けられ、
インペラを軸支するロータをステータで回転駆動する電動モータと、前記ロータを軸方向に非接触状態で支持する一対の磁気軸受とを備え、
前記ロータの浮上位置を調節すべく、当該ロータの変位によって変化しない定常電流と、該ロータの変位によって変化するとともに前記ロータが軸方向に受ける負荷荷重に略比例して増大する制御電流と、を合わせた励磁電流を前記一対の磁気軸受に供給する燃料電池用コンプレッサの制御方法であって、
前記制御電流と所定値との大小関係を判断する制御電流値判断ステップと、
前記制御電流が前記所定値以下の場合には、前記ロータの回転数の目標値を前記車両搭載装置で必要となる圧縮空気量に応じて設定される第１目標回転数として前記電動モータの回転を制御する一方、前記制御電流が前記所定値を超えた場合には、前記目標値を前記第１目標回転数の０．８倍以上０．９倍以下の第２目標回転数に変更する目標値変更ステップとを含むことを特徴とする燃料電池用コンプレッサの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−１９６４４２（Ｐ２００８−１９６４４２Ａ）
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３４７２７（Ｐ２００７−３４７２７）
【出願日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【出願人】（０００００１２４７）株式会社ジェイテクト (7,053)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【出願人】（０００００１２４７）株式会社ジェイテクト (7,053)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]