JP7299477B2 - 電動機システム - Google Patents
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Description
実施形態1について説明する。本実施形態の電動機システム(2)は、冷媒回路(図示せず)に設けられて冷媒を圧縮するターボ圧縮機(1)に搭載されるが、その他の用途にも適用できる。
図1に示すように、ターボ圧縮機(1)は、ケーシング(10)と、インペラ(20)と、電動機システム(2)とを備える。電動機システム(2)は、駆動軸(30)と、タッチダウン軸受(40,41)と、スラスト磁気軸受(50)と、制御部(80)と、電源部(90)と、第1ベアリングレスモータ(60)と、第2ベアリングレスモータ(70)とを有する。第1ベアリングレスモータ(60)と第2ベアリングレスモータ(70)とは、駆動軸(30)の軸方向に並んで配置される。第1ベアリングレスモータ(60)は、第1電動機を構成している。第2ベアリングレスモータ(70)は、第2電動機を構成している。
ケーシング(10)は、両端が閉塞された円筒状に形成され、円筒軸線が水平向きとなるように配置される。ケーシング(10)内の空間は、壁部(11)によって区画される。壁部(11)よりも右側の空間は、インペラ(20)を収容するインペラ室(12)を構成する。壁部(11)よりも左側の空間は、第1ベアリングレスモータ(60)および第2ベアリングレスモータ(70)を収容する電動機室(14)を構成する。ケーシング(10)内を軸方向に延びる駆動軸(30)が、インペラ(20)と第1および第2ベアリングレスモータ(60,70)とを連結している。
インペラ(20)は、複数の羽根によって外形が略円錐形状となるように形成される。インペラ(20)は、駆動軸(30)の一端に固定された状態でインペラ室(12)に収容される。インペラ室(12)には、吸入管(15)および吐出管(16)が接続される。インペラ室(12)の外周部には、圧縮空間(13)が形成される。吸入管(15)は、冷媒を外部からインペラ室(12)内に導くために設けられている。吐出管(16)は、インペラ室(12)内で圧縮された高圧の冷媒を外部へ戻すために設けられている。
ターボ圧縮機(1)には2つのタッチダウン軸受(40,41)が設けられている。一方のタッチダウン軸受(40)は、駆動軸(30)の一端部(図1の右側端部)に近傍に設けられている。他方のタッチダウン軸受(41)は、駆動軸(30)の他端部近傍に設けられている。これらのタッチダウン軸受(40,41)は、第1および第2ベアリングレスモータ(60,70)が非通電であるとき(換言すると、駆動軸(30)が浮上していないとき)に駆動軸(30)を支持するように構成されている。
図1に示すように、スラスト磁気軸受(50)は、第1電磁石(51)および第2電磁石(52)を有する。スラスト磁気軸受(50)は、駆動軸(30)の他端部(換言すると、インペラ(20)が固定された一端部とは反対側の端部)に設けられた円板状の部分(以下、円板部(31))を電磁力によって支持するように構成されている。スラスト磁気軸受(50)は、第1電磁石(51)および第2電磁石(52)に流れる電流を制御することにより、第1電磁石(51)および第2電磁石(52)の対向方向(換言すると、軸方向または図1の左右方向)における駆動軸(30)の被支持部(円板部(31))の位置を制御することができる。
制御部(80)は、駆動軸(30)の位置が所望の位置となるように、円板部(31)とスラスト磁気軸受(50)との間のギャップを検出可能なギャップセンサ(図示せず)の検出値に基づいて、スラスト磁気軸受(50)に供給する電圧を制御するための電圧指令値(スラスト電圧指令値)を出力する。制御部(80)は、第1および第2ベアリングレスモータ(60,70)における固定子(64,74)と回転子(61,71)との間のギャップを検出可能なギャップセンサ(図示せず)の検出値と、インペラ(20)および駆動軸(30)の目標回転速度の情報とに基づいて、第1および第2ベアリングレスモータ(60,70)に供給する電圧を制御するための電圧指令値(モータ電圧指令値)を出力する。例えば、制御部(80)は、1つまたは複数のマイクロコンピュータ(図示せず)と、マイクロコンピュータを動作させるプログラムとによって構成することが可能である。制御部(80)の構成について、詳しくは後述する。
電源部(90)は、制御部(80)からのスラスト電圧指令値ならびにモータ電圧指令値(第1および第2回転用電圧指令値(Vr1*,Vr2*)ならびに第1および第2浮上用電圧指令値(Vf1*,Vf2*))に基づいて、スラスト磁気軸受(50)ならびに第1および第2ベアリングレスモータ(60,70)に電圧をそれぞれ供給する。電源部(90)は、PWM(Pulse Width Modulation)アンプ(図示せず)と、第1ベアリングレスモータ(60)に対応する第1回転用インバータ(91)および第1浮上用インバータ(93)と、第2ベアリングレスモータ(70)に対応する第2回転用インバータ(92)および第2浮上用インバータ(94)とを有する(図4を参照)。例えば、各インバータ(91~94)は、電圧形インバータにより構成することが可能である。
第1ベアリングレスモータ(60)は、電動機室(14)のうちインペラ(20)に近い側に配置される。第1ベアリングレスモータ(60)は、電磁力によって駆動軸(30)を回転駆動しかつ駆動軸(30)のラジアル荷重を非接触で支持するように構成されている。第1ベアリングレスモータ(60)は、一対の回転子(61)と固定子(64)を有する。回転子(61)は、駆動軸(30)に固定されている。固定子(64)は、ケーシング(10)の内周壁に固定されている。
第2ベアリングレスモータ(70)は、電動機室(14)のうちインペラ(20)から遠い側に配置される。第2ベアリングレスモータ(70)は、電磁力によって駆動軸(30)を回転駆動しかつ駆動軸(30)のラジアル荷重を非接触で支持するように構成されている。第2ベアリングレスモータ(70)は、一対の回転子(71)と固定子(74)を有する。回転子(71)は、駆動軸(30)に固定されている。固定子(74)は、ケーシング(10)の内周壁に固定されている。
図4に示すように、電動機システム(2)は、制御部(80)と、第1および第2回転用インバータ(91,92)と、第1および第2浮上用インバータ(94)と、第1および第2ベアリングレスモータ(60,70)とを備える。
図5に示すように、制御部(80)は、速度制御器(81)と、トルク分担制御器(82)と、第1および第2トルク制御器(83,84)とを備える。なお、図示および説明を省略するが、制御部(80)は、各ベアリングレスモータ(60,70)の支持力を制御するための第1および第2浮上用電圧指令値(Vf1*,Vf2*)を出力する制御系統も備える。
第1回転用インバータ(91)は、制御部(80)からの第1回転用電圧指令値(Vr1*)を受けて、第1ベアリングレスモータ(60)に回転用の電圧を供給する。第2回転用インバータ(92)は、制御部(80)からの第2回転用電圧指令値(Vr2*)を受けて、第2ベアリングレスモータ(70)に回転用の電圧を供給する。第1回転用インバータ(91)は、第1インバータを構成している。第2回転用インバータ(92)は、第2インバータを構成している。
第1浮上用インバータ(93)は、制御部(80)からの第1浮上用電圧指令値(Vf1*)を受けて、第1ベアリングレスモータ(60)に浮上用の電圧を供給する。第2回転用インバータ(92)は、制御部(80)からの第2浮上用電圧指令値(Vf2*)を受けて、第2ベアリングレスモータ(70)に浮上用の電圧を供給する。
制御部(80)(具体的には、トルク分担制御器(82))によるトルク分担比(K)の決定方法(第1~第5決定方法)について説明する。制御部(80)は、第1~第5決定方法に基づいてトルク分担比(K)を変更することにより、トルク比率を変更することができる。なお、本実施形態では、トルク分担比(K)は、0~1の範囲で設定される。この範囲でトルク分担比(K)を設定することにより、第1および第2ベアリングレスモータ(60,70)の一方で力行動作が行われかつ他方で回生動作が行われるのを阻止して、不要な損失が生じるのを回避することができる。なお、この範囲でトルク分担比(K)を設定する場合、第1および第2ベアリングレスモータ(60,70)は、両方が力行動作を行うか、両方が回生動作を行うか、または一方が力行動作もしくは回生動作を行いかつ他方がトルクを生じないかである。
第1決定方法は、回転速度域に応じて、より効率が高い方のベアリングレスモータ(60,70)により多くのトルクを出力させるための方法である。
第2決定方法は、各ベアリングレスモータ(60,70)の軸受荷重に応じて、支持力に対するトルク電流の干渉を抑制するための方法である。
第3決定方法は、各ベアリングレスモータ(60,70)の軸受荷重に応じて、トルク電流を利用して支持力を増大するための方法である。
第4決定方法は、テーブルデータに基づいて簡易的にトルク分担比(K)を決定するための方法である。
第5決定方法は、複数の三次元テーブルデータに基づいて、電動機システム(2)の消費電力を抑制できるトルク分担比(K)を決定するための方法である。
本実施形態の電動機システム(2)は、軸心回りに回転可能な駆動軸(30)と、それぞれが上記駆動軸(30)を回転駆動する第1ベアリングレスモータ(60)および第2ベアリングレスモータ(70)と、上記第1ベアリングレスモータ(60)にトルク発生用の電力を供給する第1回転用インバータ(91)と、上記第2ベアリングレスモータ(70)にトルク発生用の電力を供給する第2回転用インバータ(92)と、上記第1回転用インバータ(91)および上記第2回転用インバータ(92)を制御すると共に、上記第1ベアリングレスモータ(60)の出力トルクと上記第2ベアリングレスモータ(70)の出力トルクとの比率を変更可能に構成された制御部(80)とを備える。したがって、第1ベアリングレスモータ(60)は、第1回転用インバータ(91)から供給される電力によりトルクを出力する。第2ベアリングレスモータ(70)は、第2回転用インバータ(92)から供給される電力によりトルクを出力する。制御部(80)は、第1ベアリングレスモータ(60)の出力トルクと第2ベアリングレスモータ(70)の出力トルクとの比率(「トルク比率」ともいう。)を変更可能である。これにより、様々な運転条件に応じてトルク比率を設定することにより、または第1ベアリングレスモータ(60)および第2ベアリングレスモータ(70)の特性に応じてトルク比率を設定することにより、電動機システム(2)全体の消費電力を抑制することができる。
実施形態2について説明する。本実施形態の電動機システム(2)は、第1ベアリングレスモータ(60)および第2ベアリングレスモータ(70)が、互いに同じ特性のものである点で上記実施形態1と異なる。以下、上記実施形態1と異なる点について主に説明する。
第6決定方法は、全体トルク指令(Ta*)に応じて駆動するベアリングレスモータ(60,70)の台数を変更するための方法である。
第7決定方法は、全体トルク指令(Ta*)に応じて駆動するベアリングレスモータ(60,70)の台数を変更するための別の方法である。
本実施形態の電動機システム(2)によっても、上記実施形態1と同様の効果が得られる。
実施形態3について説明する。本実施形態の電動機システム(2)は、トルク分担制御器(82)などの構成が上記実施形態1と異なる。以下、上記実施形態1と異なる点について主に説明する。
本実施形態の電動機システム(2)によっても、上記実施形態1と同様の効果が得られる。
実施形態4について説明する。本実施形態の電動機システム(2)は、トルク分担制御器(82)などの構成が上記実施形態3と異なる。以下、上記実施形態3と異なる点について主に説明する。
本実施形態の電動機システム(2)によっても、上記実施形態3と同様の効果が得られる。
実施形態5について説明する。本実施形態の電動機システム(2)は、制御部(80)がトルク分担制御器(82)を備えない点で上記実施形態1と異なる。以下、上記実施形態1と異なる点について主に説明する。
本実施形態の電動機システム(2)によっても、上記実施形態1と同様の効果が得られる。
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
30 駆動軸
60 第1ベアリングレスモータ(第1電動機)
67a~67c 支持用コイル
70 第2ベアリングレスモータ(第2電動機)
77a~77c 支持用コイル
80 制御部
91 第1回転用インバータ(第1インバータ)
92 第2回転用インバータ(第2インバータ)
Claims (8)
- 軸心回りに回転可能な駆動軸(30)と、
それぞれが上記駆動軸(30)を回転駆動する第1電動機(60)および第2電動機(70)と、
上記第1電動機(60)にトルク発生用の電力を供給する第1インバータ(91)と、
上記第2電動機(70)にトルク発生用の電力を供給する第2インバータ(92)と、
上記第1インバータ(91)および上記第2インバータ(92)を制御すると共に、上記第1電動機(60)の出力トルクと上記第2電動機(70)の出力トルクとの比率を変更可能に構成された制御部(80)とを備え、
上記第1電動機(60)および上記第2電動機(70)は、ベアリングレスモータにより構成され、
上記制御部(80)は、上記第1電動機(60)の軸受荷重を示す第1指標値と、上記第2電動機(70)の軸受荷重を示す第2指標値とに基づいて、上記第1電動機(60)の出力トルクと上記第2電動機(70)の出力トルクとの比率を変更可能に構成されている
ことを特徴とする電動機システム。 - 請求項1において、
上記制御部(80)は、上記第1インバータ(91)または上記第2インバータ(92)の電力変換動作を休止させる一部休止運転を実行する
ことを特徴とする電動機システム。 - 請求項1または2において、
上記第1インバータ(91)のキャリア周波数と、上記第2インバータ(92)のキャリア周波数とは、互いに異なる
ことを特徴とする電動機システム。 - 請求項1~3のいずれか1項において、
上記第1電動機(60)と上記第2電動機(70)とは、相対的に低い回転速度域で一方が他方よりも効率が高く、かつ相対的に高い回転速度域で他方が一方よりも効率が高く、
上記制御部(80)は、上記相対的に低い回転速度域において、上記相対的に高い回転速度域よりも、上記第1電動機(60)と上記第2電動機(70)との一方の出力トルクの、上記第1電動機(60)と上記第2電動機(70)との他方の出力トルクに対する比率を高くする
ことを特徴とする電動機システム。 - 請求項1~3のいずれか1項において、
上記第1電動機(60)および上記第1インバータ(91)と上記第2電動機(70)および上記第2インバータ(92)とは、相対的に低い回転速度域で一方が他方よりも効率が高く、かつ相対的に高い回転速度域で他方が一方よりも効率が高く、
上記制御部(80)は、上記相対的に低い回転速度域において、上記相対的に高い回転速度域よりも、上記第1電動機(60)および上記第1インバータ(91)と上記第2電動機(70)および上記第2インバータ(92)との一方の出力トルクの、上記第1電動機(60)および上記第1インバータ(91)と上記第2電動機(70)および上記第2インバータ(92)との他方の出力トルクに対する比率を高くする
ことを特徴とする電動機システム。 - 請求項1~5のいずれか1項において、
上記第1指標値は、第1基準時における上記第1電動機(60)の支持用コイル(67a~67c)を流れる電流に対する、上記第1基準時よりも後の第2基準時における上記第1電動機(60)の支持用コイル(67a~67c)を流れる電流の比率であり、
上記第2指標値は、上記第1基準時における上記第2電動機(70)の支持用コイル(77a~77c)を流れる電流に対する、上記第2基準時における上記第2電動機(70)の支持用コイル(77a~77c)を流れる電流の比率であり、
上記制御部(80)は、
上記第1指標値が上記第2指標値よりも大きい場合に、上記第2基準時の経過後に、上記第1基準時よりも、上記第1電動機(60)の出力トルクの、上記第2電動機(70)の出力トルクに対する比率を低くする一方、
上記第2指標値が上記第1指標値よりも大きい場合に、上記第2基準時の経過後に、上記第1基準時よりも、上記第2電動機(70)の出力トルクの、上記第1電動機(60)の出力トルクに対する比率を低くする
ことを特徴とする電動機システム。 - 請求項1~5のいずれか1項において、
上記第1指標値は、第1基準時における上記第1電動機(60)の支持用コイル(67a~67c)を流れる電流に対する、上記第1基準時よりも後の第2基準時における上記第1電動機(60)の支持用コイル(67a~67c)を流れる電流の比率であり、
上記第2指標値は、上記第1基準時における上記第2電動機(70)の支持用コイル(77a~77c)を流れる電流に対する、上記第2基準時における上記第2電動機(70)の支持用コイル(77a~77c)を流れる電流の比率であり、
上記制御部(80)は、
上記第1指標値が上記第2指標値よりも大きい場合に、上記第2基準時の経過後に、上記第1基準時よりも、上記第1電動機(60)の出力トルクの、上記第2電動機(70)の出力トルクに対する比率を高くする一方、
上記第2指標値が上記第1指標値よりも大きい場合に、上記第2基準時の経過後に、上記第1基準時よりも、上記第2電動機(70)の出力トルクの、上記第1電動機(60)の出力トルクに対する比率を高くする
ことを特徴とする電動機システム。 - 請求項1~7のいずれか1項において、
上記制御部(80)は、上記第1電動機(60)および上記第2電動機(70)の両方が力行動作を行うか、上記第1電動機(60)および上記第2電動機(70)の両方が回生動作を行うか、上記第1電動機(60)および上記第2電動機(70)の一方が力行動作もしくは回生動作を行いかつ他方がトルクを生じないように、上記第1電動機(60)の出力トルクと上記第2電動機(70)の出力トルクとの比率を変更する
ことを特徴とする電動機システム。
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