JP3937623B2 - Magnetic bearing device for power storage - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば余剰電力をフライホイールの運動エネルギーに変換して貯蔵する電力貯蔵用磁気軸受装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の電力貯蔵用磁気軸受装置として、フライホイールを有する回転体と、この回転体と同心に配置されたロータ及びこのロータの外周に配置されたステータからなる電動機と、回転体を非接触支持する超電導軸受と、回転体を補助的に非接触支持する磁気軸受と、磁気軸受を制御する制御装置と、電動機の運転停止時に、フライホイールに蓄えられた運動エネルギーを電気エネルギーに変換して制御装置に供給する手段とを備えた電力貯蔵用磁気軸受装置が提案されている(特開平6−129427号公報)。
この電力貯蔵用磁気軸受装置においては、回転体の回転を開始した後、回転体に共振が発生すると、回転体の変位が検出され、制御装置の指令信号により磁気軸受の対応する電磁石に励磁電流が供給される。これにより回転体の振れが補正され、タッチダウンが防止される。また、電動機の運転停止時に、フライホイールに蓄えられた運動エネルギーを電気エネルギーに変換する手段を備えているので、停電時においてもある程度の時間、制御装置に電力を供給することができ、回転体が停止するまでの間に発生する振れが補正される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、磁気軸受は、アキシアル磁気軸受、ラジアル磁気軸受共に大型になるとその固有振動数が数Hzになり、地震波が1〜数Hzの周波数成分を含むことからこの成分と磁気軸受とが共振する可能性が非常に高い。前記電力貯蔵用磁気軸受装置では、地震による加振が発生しても一定限度までは回転体に発生する振れが補正されてタッチダウン等が防止される。
しかし、地震波の周波数成分に磁気軸受の固有振動数と同じものが高レベルに含まれていると、振れの補正の限界を超え、タッチダウンするおそれがある。タッチダウンすると、回転体の回転速度は急速に低下し、フライホイールに蓄えられた運動エネルギーが摩擦の熱エネルギーとして消費される。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、地震が発生した場合に地震による回転体の振れを抑制し、タッチダウン等を防止することができる電力貯蔵用磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の電力貯蔵用磁気軸受装置は、電磁石を含む磁気的支持手段によってフライホイールを有する回転体を非接触支持するとともに、前記回転体の変位を検出して制御装置により当該変位に基づいた電磁石制御を行うことのできる電力貯蔵用磁気軸受装置において、
前記回転体から所定距離隔てた複数の位置でかつ前記制御装置との距離LがL>v・t(但し、vは地震波のうちのP波の伝播速度であり、tは前記制御装置が演算処理し前記電磁石制御の制御特性を変更して前記磁気的支持手段の支持力を変更させるのに要する処理時間である)を満たす位置に地震波検出センサを配設し、
前記制御装置が、前記複数の地震波検出センサの少なくとも1つの出力を受けてその出力レベルが所定値を超えるときに、定常電流又はフィードバックゲインの少なくとも一方を増加させることにより、前記電磁石制御の制御特性を変更し、前記磁気的支持手段の支持力を変化させることで地震波と前記回転体との共振を抑制すべく前記磁気的支持手段における軸方向及び径方向の固有振動数を変化させることを特徴とする(請求項1)。
この電力貯蔵用磁気軸受装置によれば、地震波検出センサからの情報に基づいて、回転体の振れを補正する電磁石制御の制御特性を変更するので、地震波と回転体との共振を抑制することができる。
【0005】
請求項1記載の電力貯蔵用磁気軸受装置においては、前記制御装置が、前記複数の地震波検出センサの少なくとも1つの出力レベルが所定値を超えるときに、定常電流又はフィードバックゲインの少なくとも一方を増加させるものであり、この場合には、容易に磁気的支持手段の支持力を向上させることができる。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら具体的に説明する。
図1は本発明の一実施形態に係る電力貯蔵用磁気軸受装置を示す模式図、図2はその平面図である。装置本体Sには制御装置30が接続されている。制御装置30の周囲には放射状に地震波検出センサとしてのP波センサZ1〜Z8が埋設されており、それぞれ制御装置30に接続されている。
P波センサZ1〜Z8は、Eを震源とする地震が発生したときにそのP波の加速度を検出して制御装置30に出力する。各P波センサZ1〜Z8は、各P波センサZ1〜Z8と制御装置30との距離Lが、次式
L>v・t
v:P波の伝播速度
t:制御装置30が演算処理し、制御特性を変更して軸受の支持力を向上させるのに要する処理時間
を満たす位置に配置されている。
【0007】
図3は本発明の一実施形態に係る電力貯蔵用磁気軸受装置の装置本体Sを示す断面図であり、図4はその一部の構成と制御装置の構成とを示すブロック図である。
この装置本体Sは、鉛直軸状の回転体1、超電導磁気軸受2、アキシアル変位センサ3a、上下一対のラジアル変位検出ユニット3r、アキシアル磁気軸受5a、上下一対のラジアル磁気軸受5r、回転体1に取付けられたロータ9aとその外周側に配置されたステータ9bとからなる電動機9、上下一対のフライホイール13、上下一対又は複数対のタッチダウン軸受27を備えており、これらが円筒状の上部ハウジング10、中間ハウジング11、下部ハウジング12の内部に配置されている。
【0008】
超電導磁気軸受2は回転体1を軸方向及び径方向に非接触支持し、ラジアル磁気軸受5rは回転体1を径方向に非接触支持し、アキシアル磁気軸受5aは回転体1を軸方向に非接触支持する。ラジアル変位検出ユニット3rは回転体1の径方向の変位を、アキシアル変位センサ3aは回転体1の軸方向の変位をそれぞれ検出して制御装置30に出力する。電動機9は回転体1を回転させ、フライホイール13は余剰電力を回転運動エネルギーに変換して貯蔵し、タッチダウン軸受27は非常時に回転体1を支持する。
【0009】
アキシアル磁気軸受5a及びラジアル磁気軸受5rは、複数個の電磁石を備えている。
超電導磁気軸受2は、回転体1と同心に配置された永久磁石部15及びこれに対向させて配置された超電導体部16とからなる。永久磁石部15は支持円板17と、この支持円板17の外周に強磁性体19を介して固定された環状の永久磁石18とを備えている。超電導体部16は超電導体収容部材21と、その中空部21aに収容された超電導体22とを備えている。超電導体収容部材21は、冷媒供給管23及び冷媒排出管24を介して冷媒収容容器(図示せず)に接続されている。
【0010】
図4のブロック図中、装置本体Sの変位検出部3は上述したラジアル変位検出ユニット3r及びアキシアル変位センサ3aであり、磁気軸受部5はラジアル磁気軸受5r及びアキシアル磁気軸受5aである。
制御装置30は、変位演算回路31、磁気軸受部駆動回路32、インバータ33、DSP(ディジタル信号処理装置)35、A/D変換器37を備えている。
磁気軸受部駆動回路32は、磁気軸受部5の各電磁石に対応する複数の電力増幅器を備えている。
インバータ33は、DSP35からの信号に基づいて、電動機9の回転を制御する。
地震波検出部36は上述のP波センサZ1〜Z8からなる。各P波センサZ1〜Z8はそれぞれP波の加速度を検出し、A/D変換器37を介してDSP35に出力する。
【0011】
以上のように構成された電力貯蔵用磁気軸受装置においては、まず、ラジアル磁気軸受5r及びアキシアル磁気軸受5aを作動状態にし、回転体1を軸方向及び径方向に非接触支持して、所定の運転位置に浮上させる。次に、超電導体部16を永久磁石部15に対して所定の位置まで接近させ、超電導体22を冷却して第2種超電導状態に保持する。このとき、永久磁石18から発せられ、超電導体22に侵入した磁束は、ピン止め効果により超電導体22のピン止め点にピン止めされる。さらに、超電導体部16を上昇させ、アキシアル磁気軸受5aによる支持負担力が零になった時点でこれをその位置に停止させる。これにより、回転体1の重量は超電導磁気軸受2のみによって支持されることになる。そして、電動機9を駆動して回転体1を高速回転させる。
【0012】
回転体1の回転に変位が生じると、磁気軸受部5によりこの変位が補正される。この回転体1の位置制御(電磁石制御)は以下のようにして実行される。
変位演算回路31が、変位検出部3からの入力信号に基づいて回転体1の変位を演算し、これらの変位に対応する変位信号をDSP35に出力する。DSP35は所定のサンプリング時間ごとに、これに基づき、磁気軸受部駆動回路32に、磁気軸受部5の各電磁石に対する電流指令信号を出力する。磁気軸受部駆動回路32は、この電流指令信号に基づいて磁気軸受部5の対応する電磁石に励磁電流を供給する。これにより回転体1の変位が補正されて回転体1が目標位置に非接触支持される。
【0013】
この実施形態に係る電力貯蔵用磁気軸受装置の近くで地震が発生した場合、地震のP波振動が地震波検出部36によって捉えられ、その出力がA/D変換器37に送られる。
A/D変換器37の出力レベルが所定値を越える場合、DSP35は上述の回転体1の位置制御の制御特性を変更する。
図5はDSP35によって実行される制御特性の変更処理の一例を示すフローチャートである。この処理は所定のサンプリング時間ごとに高速に実行される。
まず、ステップS1において、DSP35は、各P波センサZ1〜Z8からの入力信号に基づいてA/D変換器37が出力した電圧値Pを読み取る。そして、既に回転体1の位置制御の制御特性を変更済みかどうかを判断する(ステップS2)。
【0014】
まだ、制御特性を変更していない場合、DSP35は、各P波センサからの出力電圧値Pをしきい値PPと比較し、少なくとも1つのP波センサからの出力電圧値Pがしきい値PPより大きいかどうかを判断する(ステップS3)。
少なくとも1つのP波センサからの出力電圧値Pがしきい値PPより大きい場合、DSP35は制御特性を変更する(ステップS4)。具体的には、磁気軸受部駆動回路32に電流指令信号を出力し、磁気軸受部5の対応する電磁石の定常電流を増加させる。さらに、フィードバックゲインを増加させて、回転体1の位置制御の応答性を高める。これにより、磁気軸受部5の支持力が向上し、磁気軸受部5の軸方向及び径方向における固有振動数が増加する。
【0015】
一方、ステップS3において、いずれの出力電圧値Pもしきい値PP以下である場合には、処理を終了する。
ステップS2において、既に制御特性を変更済みであると判断した場合、DSP35は、全ての出力電圧値Pがしきい値PP以下であるかどうかを判断する(ステップS5)。
全ての出力電圧値Pがしきい値PP以下である場合、DSP35は制御特性を復帰させる(ステップS6)。具体的には、定常電流を減少させ、フィードバックゲインを減少させる。これにより磁気軸受部5の固有振動数が減少する。
ステップS5において、少なくとも1つの出力電圧値Pがしきい値PPより大きい場合には、変更済みの制御特性を維持する。
【0016】
以上のように、回転体1の位置制御の制御特性が変更されると、磁気軸受部5による支持力が向上し、磁気軸受部5の固有振動数が増加して地震波の周波数成分からずれる。従って、地震波と回転体1との共振が抑制される。共振が抑制されることにより、地震波が装置本体Sに到達しても回転体1が目標位置に非接触支持される。従って、タッチダウン等が防止され、フライホイール13に蓄えられた運動エネルギーの損失が防止される。
【0017】
なお、前記実施形態においては、定常電流及びフィードバックゲインの両方を変更させる場合につき説明しているが、定常電流又はフィードバックゲインの少なくとも一方を変更すればよい。但し、両方とも変更するのが好ましい。
また、しきい値PPは1つだけ設けられているが、段階的に複数のしきい値PPを設け、それぞれのしきい値PPに対して細かく制御特性の変更を行うことにしてもよい。
また、前記実施形態においては、地震波検出センサとして加速度検出型のP波センサを適用した場合につき説明しているが、速度検出型のP波センサを用いてもよい。但し、いわゆる絶対加速度又は絶対速度を検出するタイプが好ましい。また、他の地震波検出センサを使用することにしてもよい。
【0018】
【発明の効果】
以上のように、請求項1記載の電力貯蔵用磁気軸受装置によれば、回転体から所定距離隔てた複数の位置に地震波検出センサを配設し、この地震波検出センサからの情報に基づいて、回転体の振れを補正する電磁石制御の制御特性を変更するので、地震波と回転体との共振を抑制することができる。従って、タッチダウン等が防止され、フライホイールに蓄えられた運動エネルギーの損失が防止される。
【0019】
請求項2記載の電力貯蔵用磁気軸受装置によれば、制御装置が、地震波検出センサの出力レベルが所定値を超えるときに、定常電流又はフィードバックゲインの少なくとも一方を増加させるので、容易に磁気的支持手段の支持力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る電力貯蔵用磁気軸受装置を示す模式図である。
【図2】本発明の一実施形態に係る電力貯蔵用磁気軸受装置を示す平面図である。
【図3】本発明の一実施形態に係る電力貯蔵用磁気軸受装置の装置本体Sを示す断面図である。
【図4】装置本体Sの一部の構成と制御装置の構成とを示すブロック図である。
【図5】DSPによって実行される制御特性の変更を示すフローチャートである。
【符号の説明】
S 装置本体
Z1〜Z8 P波センサ
1 回転体
3 変位検出部
5 磁気軸受部
9 電動機
30 制御装置
31 変位演算回路
32 磁気軸受駆動回路
35 DSP
37 A/D変換器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic bearing device for power storage that stores, for example, surplus power by converting it into kinetic energy of a flywheel.
[0002]
[Prior art]
As a conventional magnetic bearing device for electric power storage, a rotating body having a flywheel, a motor arranged concentrically with the rotating body, and an electric motor comprising a stator arranged on the outer periphery of the rotor, and the rotating body are supported in a non-contact manner. A superconducting bearing, a magnetic bearing that supports the rotating body in a noncontact manner, a control device that controls the magnetic bearing, and a control device that converts the kinetic energy stored in the flywheel into electrical energy when the motor is stopped. There has been proposed a magnetic bearing device for electric power storage provided with a means for supplying to a power source (Japanese Patent Laid-Open No. 6-129427).
In this power storage magnetic bearing device, when resonance occurs in the rotating body after the rotating body starts rotating, the displacement of the rotating body is detected, and an excitation current is applied to the corresponding electromagnet of the magnetic bearing by a command signal from the control device. Is supplied. This corrects the shake of the rotating body and prevents touchdown. In addition, since it has means to convert kinetic energy stored in the flywheel into electrical energy when the motor is stopped, it can supply power to the control device for a certain amount of time even during a power outage. The shake that occurs until the motor stops is corrected.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when both an axial magnetic bearing and a radial magnetic bearing become large, the natural frequency becomes several Hz, and the seismic wave includes a frequency component of 1 to several Hz, so this component and the magnetic bearing can resonate. The nature is very high. In the magnetic bearing device for power storage, even if vibration is caused by an earthquake, the vibration generated in the rotating body is corrected up to a certain limit to prevent touchdown or the like.
However, if the frequency component of the seismic wave contains the same frequency as the natural frequency of the magnetic bearing at a high level, the vibration correction limit may be exceeded and touchdown may occur. When touched down, the rotational speed of the rotating body decreases rapidly, and the kinetic energy stored in the flywheel is consumed as thermal energy for friction.
The present invention has been made in view of such circumstances, and it is intended to provide a magnetic bearing device for power storage that can suppress the shake of a rotating body due to an earthquake and prevent touchdown or the like when an earthquake occurs. Objective.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a magnetic bearing device for power storage according to the present invention supports a rotary body having a flywheel in a non-contact manner by a magnetic support means including an electromagnet, and detects a displacement of the rotary body to control the rotary body. In the magnetic bearing device for power storage that can perform electromagnet control based on the displacement by
At a plurality of positions separated by a predetermined distance from the rotating body and the distance L to the control device is L> v · t (where v is the propagation speed of the P wave of the seismic wave, and t is calculated by the control device. The seismic wave detection sensor is disposed at a position that satisfies the processing time required for processing and changing the control characteristics of the electromagnet control to change the supporting force of the magnetic support means,
When the control device receives at least one output of the plurality of seismic wave detection sensors and an output level thereof exceeds a predetermined value, the control device increases at least one of a steady current and a feedback gain, thereby controlling the electromagnet control characteristics. And changing the supporting force of the magnetic support means to change the natural frequency in the axial direction and the radial direction in the magnetic support means in order to suppress the resonance between the seismic wave and the rotating body. (Claim 1).
According to this magnetic bearing device for power storage, since the control characteristics of the electromagnet control for correcting the shake of the rotating body are changed based on the information from the seismic wave detection sensor, the resonance between the seismic wave and the rotating body can be suppressed. it can.
[0005]
2. The magnetic bearing device for power storage according to
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic view showing a magnetic bearing device for power storage according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view thereof. A
P-wave sensors Z <b> 1 to Z <b> 8 detect the acceleration of the P-wave and output it to control
v: Propagation speed of P wave t: Arranged at a position that satisfies the processing time required for the
[0007]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the device main body S of the magnetic bearing device for power storage according to one embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a block diagram showing a part of the configuration and the configuration of the control device.
The apparatus main body S includes a vertical
[0008]
The superconducting
[0009]
The axial magnetic bearing 5a and the radial magnetic bearing 5r include a plurality of electromagnets.
The superconducting
[0010]
In the block diagram of FIG. 4, the
The
The magnetic bearing
The
The seismic
[0011]
In the magnetic bearing device for power storage configured as described above, first, the radial
[0012]
When displacement occurs in the rotation of the
The
[0013]
When an earthquake occurs near the magnetic bearing device for power storage according to this embodiment, the P wave vibration of the earthquake is captured by the seismic
When the output level of the A /
FIG. 5 is a flowchart showing an example of the control characteristic changing process executed by the
First, in step S1, the
[0014]
If the control characteristics have not been changed, the
When the output voltage value P from at least one P-wave sensor is larger than the threshold value PP, the
[0015]
On the other hand, if any output voltage value P is less than or equal to the threshold value PP in step S3, the process ends.
If it is determined in step S2 that the control characteristics have already been changed, the
If all the output voltage values P are less than or equal to the threshold value PP, the
In step S5, when at least one output voltage value P is larger than the threshold value PP, the changed control characteristic is maintained.
[0016]
As described above, when the control characteristics of the position control of the
[0017]
In the embodiment, the case where both the steady current and the feedback gain are changed has been described. However, at least one of the steady current and the feedback gain may be changed. However, it is preferable to change both.
Although only one threshold value PP is provided, a plurality of threshold values PP may be provided in stages, and the control characteristics may be finely changed for each threshold value PP.
In the above embodiment, the acceleration detection type P wave sensor is applied as the seismic wave detection sensor. However, a velocity detection type P wave sensor may be used. However, a type that detects so-called absolute acceleration or absolute velocity is preferable. Other seismic wave detection sensors may be used.
[0018]
【The invention's effect】
As described above, according to the magnetic bearing device for power storage according to
[0019]
According to the magnetic bearing device for power storage according to
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a magnetic bearing device for power storage according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing a magnetic bearing device for power storage according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an apparatus main body S of a power storage magnetic bearing device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing a partial configuration of the apparatus main body S and a configuration of a control device.
FIG. 5 is a flowchart showing control characteristic change executed by the DSP;
[Explanation of symbols]
S Device body Z1 to Z8
37 A / D converter
Claims (1)
前記回転体から所定距離隔てた複数の位置でかつ前記制御装置との距離LがL>v・t(但し、vは地震波のうちのP波の伝播速度であり、tは前記制御装置が演算処理し前記電磁石制御の制御特性を変更して前記磁気的支持手段の支持力を変更させるのに要する処理時間である)を満たす位置に地震波検出センサを配設し、
前記制御装置が、前記複数の地震波検出センサの少なくとも1つの出力を受けてその出力レベルが所定値を超えるときに、定常電流又はフィードバックゲインの少なくとも一方を増加させることにより、前記電磁石制御の制御特性を変更し、前記磁気的支持手段の支持力を変化させることで地震波と前記回転体との共振を抑制すべく前記磁気的支持手段における軸方向及び径方向の固有振動数を変化させることを特徴とする電力貯蔵用磁気軸受装置。Non-contact support of a rotating body having a flywheel by magnetic support means including an electromagnet, and a magnetic bearing for power storage capable of detecting the displacement of the rotating body and performing electromagnet control based on the displacement by a control device In the device
At a plurality of positions separated by a predetermined distance from the rotating body and the distance L to the control device is L> v · t (where v is the propagation speed of the P wave of the seismic wave, and t is calculated by the control device. The seismic wave detection sensor is disposed at a position that satisfies the processing time required for processing and changing the control characteristics of the electromagnet control to change the supporting force of the magnetic support means,
When the control device receives at least one output of the plurality of seismic wave detection sensors and an output level thereof exceeds a predetermined value, the control device increases at least one of a steady current and a feedback gain, thereby controlling the electromagnet control characteristics. And changing the supporting force of the magnetic support means to change the natural frequency in the axial direction and the radial direction in the magnetic support means in order to suppress the resonance between the seismic wave and the rotating body. A magnetic bearing device for power storage.
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