JP7382864B2 - Magnetic bearing device and low temperature liquefied gas pump - Google Patents
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Description
この発明は、磁気軸受装置およびそれを備える低温液化ガス送液ポンプに関する。 The present invention relates to a magnetic bearing device and a low-temperature liquefied gas delivery pump equipped with the same.
磁気軸受は、回転体を磁気によって浮上させて支持する軸受であり、特殊環境下における回転機に利用されている。磁気軸受は、非接触支持を行なうため潤滑油が不要であり、軸受の寿命は半永久的である。潤滑油を必要としないため、従来の軸受では困難であった真空環境や超低温環境での運転が可能となる。 A magnetic bearing is a bearing that levitates and supports a rotating body using magnetism, and is used in rotating machines under special environments. Magnetic bearings provide non-contact support, so no lubricating oil is required, and the life of the bearing is semi-permanent. Since no lubricating oil is required, it is possible to operate in vacuum environments and ultra-low temperature environments, which are difficult to do with conventional bearings.
このような磁気軸受は、たとえば、特開2013-57250号公報に開示されている。 Such a magnetic bearing is disclosed in, for example, Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-57250.
玉軸受などの転がり軸受は、一定期間ごとに軸受のメンテナンスが必要であり、特に長期間連続運転が要求される超電導機器の冷却用に使用する低温液化ガスポンプには使用できなかった。そこで、特開2013-57250号公報では、低温液化ガスポンプの軸受に定期的なメンテナンスが不要な磁気軸受を採用した装置を開示する。 Rolling bearings such as ball bearings require bearing maintenance at regular intervals, and cannot be used in low-temperature liquefied gas pumps used for cooling superconducting equipment, which require continuous operation for long periods of time. Therefore, Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-57250 discloses a device that employs a magnetic bearing that does not require regular maintenance as a bearing of a low-temperature liquefied gas pump.
磁気軸受はインペラに発生する外乱に対応するため、一般的には最大負荷に応じた一定電流(バイアス電流)を常に磁気軸受の電磁石コイルに印加しておく必要がある。高吐出圧ポンプでは、インペラ周囲の圧力バランスからインペラの径方向に大きな負荷が掛かるので、負荷容量を大きくする必要がある。このため磁気軸受のバイアス電流を大きくする必要があり、この影響による電磁石部の消費電力が増大と発熱が課題であった。 In order for magnetic bearings to cope with disturbances occurring in the impeller, it is generally necessary to always apply a constant current (bias current) corresponding to the maximum load to the electromagnetic coil of the magnetic bearing. In a high discharge pressure pump, a large load is applied in the radial direction of the impeller due to the pressure balance around the impeller, so it is necessary to increase the load capacity. For this reason, it was necessary to increase the bias current of the magnetic bearing, and this resulted in increased power consumption and heat generation in the electromagnet section.
この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、発熱量を低減させつつ、安定に回転する磁気軸受装置およびそれを備える低温液化ガス送液ポンプを提供することである。 The present invention was made to solve the above problems, and its purpose is to provide a magnetic bearing device that rotates stably while reducing the amount of heat generated, and a low-temperature liquefied gas pump equipped with the magnetic bearing device. That's true.
この発明は、要約すると、回転軸を支持する磁気軸受装置であって、回転軸を挟むように配置された第1電磁石および第2電磁石と、回転軸の変位を検出するセンサと、第1電磁石および第2電磁石に流す電流を演算する演算部とを備える。演算部は、(a)センサが検出した変位に基づいて、第1電磁石および第2電磁石について逆符号で同値の制御電流を算出し、(b)制御電流の増減に応じて、第1電磁石および第2電磁石について同符号で同値のバイアス電流を算出し、(c)制御電流およびバイアス電流を加算して、第1電磁石および第2電磁石の各々に対して流すコイル電流を算出する。 In summary, the present invention is a magnetic bearing device that supports a rotating shaft, and includes a first electromagnet and a second electromagnet arranged to sandwich the rotating shaft, a sensor that detects displacement of the rotating shaft, and a first electromagnet. and a calculation unit that calculates the current flowing through the second electromagnet. The calculation unit (a) calculates control currents of the same value with opposite signs for the first electromagnet and the second electromagnet based on the displacement detected by the sensor, and (b) calculates control currents of the same value with opposite signs for the first electromagnet and the second electromagnet according to the increase/decrease in the control current. A bias current having the same sign and value is calculated for the second electromagnet, and (c) the control current and the bias current are added to calculate a coil current to be applied to each of the first electromagnet and the second electromagnet.
好ましくは、バイアス電流には下限値が規定されている。演算部は、制御電流の直流成分が増加し、かつ、制御電流の直流成分があらかじめ設定された第1しきい値より大きくなった場合に、バイアス電流を増加させ、制御電流の直流成分が減少し、かつ、制御電流の直流成分があらかじめ設定された第2しきい値より小さくなった場合に、下限値を下回らない範囲内でバイアス電流を減少させる。 Preferably, a lower limit value is defined for the bias current. The calculation unit increases the bias current and decreases the DC component of the control current when the DC component of the control current increases and the DC component of the control current becomes larger than a first threshold value set in advance. However, when the DC component of the control current becomes smaller than a preset second threshold, the bias current is reduced within a range that does not fall below the lower limit.
より好ましくは、第1しきい値は、第2しきい値よりも大きく設定され、バイアス電流の増減特性は、ヒステリシスを有する。 More preferably, the first threshold is set larger than the second threshold, and the bias current increase/decrease characteristic has hysteresis.
好ましくは、バイアス電流には下限値が規定されている。演算部は、制御電流の交流成分の振幅が増加し、制御電流の交流成分の振幅があらかじめ設定された第3しきい値より大きくなった場合に、バイアス電流を増加させ、制御電流の交流成分の振幅が減少し、制御電流の交流成分の振幅があらかじめ設定された第4しきい値より小さくなった場合に、下限値を下回らない範囲内でバイアス電流を減少させる。 Preferably, a lower limit value is defined for the bias current. The calculation unit increases the bias current and reduces the AC component of the control current when the amplitude of the AC component of the control current increases and the amplitude of the AC component of the control current becomes larger than a preset third threshold. When the amplitude of the AC component of the control current decreases and the amplitude of the AC component of the control current becomes smaller than a preset fourth threshold value, the bias current is decreased within a range that does not fall below the lower limit.
より好ましくは、第3しきい値は、第4しきい値よりも大きく設定され、バイアス電流の増減特性は、ヒステリシスを有する。 More preferably, the third threshold is set larger than the fourth threshold, and the bias current increase/decrease characteristic has hysteresis.
好ましくは、演算部は、バイアス電流を、予め設定した増減幅で段階的に変化させる。 Preferably, the arithmetic unit changes the bias current stepwise in a preset increase/decrease range.
好ましくは、演算部は、PID制御(比例積分微分制御)を実行して制御電流を算出し、バイアス電流の更新と同時にPID制御の制御パラメータを更新する。 Preferably, the calculation unit calculates the control current by performing PID control (proportional-integral-derivative control), and updates the control parameters of the PID control at the same time as updating the bias current.
より好ましくは、制御パラメータは、PID制御の一巡伝達関数のゲインである。演算部は、バイアス電流が予め設定した判定値を超えており、かつ、バイアス電流を増加させた場合、ゲインを大きくし、バイアス電流が予め設定した判定値を超えており、かつ、バイアス電流を減少させた場合、ゲインを小さくする。 More preferably, the control parameter is a gain of a loop transfer function of PID control. When the bias current exceeds a preset judgment value and the bias current is increased, the calculation section increases the gain and increases the bias current when the bias current exceeds a preset judgment value and increases the bias current. If it is decreased, the gain is decreased.
より好ましくは、制御パラメータは、PID制御の積分ゲインである。演算部は、バイアス電流が予め設定した判定値を超えており、かつ、バイアス電流を増加させた場合、積分ゲインを小さくし、バイアス電流が予め設定した判定値を超えており、かつ、バイアス電流を減少させた場合、積分ゲインを大きくする。 More preferably, the control parameter is an integral gain of PID control. If the bias current exceeds a preset judgment value and the bias current is increased, the calculation unit decreases the integral gain, and if the bias current exceeds a preset judgment value and increases the bias current, If the value is decreased, increase the integral gain.
この発明は、他の局面では、上記いずれかの磁気軸受装置を備える、低温液化ガス送液ポンプである。 In another aspect, the present invention is a low-temperature liquefied gas liquid pump including any of the above magnetic bearing devices.
本発明によれば、バイアス電流を適正な値に制御するので、発熱量を抑えつつ安定に回転させることができる。 According to the present invention, since the bias current is controlled to an appropriate value, stable rotation can be achieved while suppressing the amount of heat generated.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are given the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
[ポンプ装置の全体構成]
図1は、磁気軸受を用いた低温液化ガスを送液する第1例のポンプ装置の構成を示す図である。図2は、磁気軸受を用いた低温液化ガスを送液する第2例のポンプ装置の構成を示す図である。
[Overall configuration of pump device]
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a first example of a pump device that uses a magnetic bearing to pump low-temperature liquefied gas. FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a second example of a pump device that uses a magnetic bearing to pump low-temperature liquefied gas.
低温液化ガスは、例えば液体窒素である。図1に示すポンプ10は、電磁石部分がインペラ40から離れている構成であり、図2に示すポンプ10Aは、電磁石部分がインペラ40と近い構成である。ポンプ10Aは、サブマージドポンプという低温液体にポンプの筐体が浸漬されるタイプのポンプである。ポンプ10およびポンプ10Aは、低温液化ガスを貯留する容器の天板や蓋に装着され、容器内の液体を吸い上げ送り出す。 The low-temperature liquefied gas is, for example, liquid nitrogen. The pump 10 shown in FIG. 1 has a configuration in which the electromagnet part is separated from the impeller 40, and the pump 10A shown in FIG. 2 has a configuration in which the electromagnet part is close to the impeller 40. The pump 10A is a type of pump called a submerged pump in which the pump housing is immersed in a low-temperature liquid. The pump 10 and the pump 10A are attached to the top plate or lid of a container storing low-temperature liquefied gas, and suck up and send out the liquid in the container.
図1および図2を参照して、ポンプ10およびポンプ10Aは、インペラ40と、ポンプケーシング50と、駆動部(モータ)30と、回転軸20と、磁気軸受60,70,80とを含む。
Referring to FIGS. 1 and 2, pump 10 and pump 10A include an impeller 40, a pump casing 50, a drive unit (motor) 30, a rotating
インペラ40は、ポンプケーシング50に収容されている。ポンプケーシング50は、下部に吸入口が設けられ、回転軸の側方に吐出口が設けられている。インペラ40は、回転軸20の下端部に装着されている。回転軸20は、駆動部30によって回転駆動される。
Impeller 40 is housed in pump casing 50. The pump casing 50 is provided with a suction port at the bottom and a discharge port on the side of the rotating shaft. The impeller 40 is attached to the lower end of the
磁気軸受60,70,80は、回転軸20を非接触状態で磁力によって支持する。磁気軸受60は、軸方向位置を支持するアキシャル軸受であり、磁気軸受70は、反ポンプ側ラジアル軸受であり、磁気軸受80は、インペラ側ラジアル軸受である。
The
図1、図2の構成とも、モータの熱がインペラに伝わるのを避けるように構成されている。ポンプは、遠心ポンプ型であり、インペラ40が回転すると下方から液体を吸入して、径方向外側の吐出口から吐き出す。 Both of the configurations shown in FIGS. 1 and 2 are configured to prevent heat from the motor from being transmitted to the impeller. The pump is a centrifugal pump type, and when the impeller 40 rotates, it sucks in liquid from below and discharges it from a discharge port on the outside in the radial direction.
図1、図2に示したような低温液化ガスを送液するポンプにおいて、熱の液化ガス部への侵入を最小限にすることが望ましい。よって、断熱性能の向上と軸受部およびモータの発熱低減は重要である。 In a pump that pumps low-temperature liquefied gas as shown in FIGS. 1 and 2, it is desirable to minimize the intrusion of heat into the liquefied gas section. Therefore, it is important to improve heat insulation performance and reduce heat generation in the bearing and motor.
軸受に磁気軸受を採用した場合、想定される最大負荷からバイアス電流の大きさを設定する方法が一般的であるため、例えば、ポンプの動作点が高吐出圧、低流量時と低吐出圧、高流量時ではインペラに発生する流体力が異なる。高吐出圧、低流量時に合わせてバイアス電流を決定すると、低吐出圧、高流量時ではポンプ室内での圧力バランスの差が小さくインペラに印加させる外乱が小さいため余分なバイアス電流を流すことになる。 When a magnetic bearing is used as a bearing, it is common to set the magnitude of the bias current based on the expected maximum load. At high flow rates, the fluid force generated on the impeller is different. If the bias current is determined according to high discharge pressure and low flow rate, at low discharge pressure and high flow rate, the difference in pressure balance in the pump chamber is small and the disturbance applied to the impeller is small, so an extra bias current will be passed. .
バイアス電流は磁気軸受の銅損を増加させるため、発熱低減のためには小さい方が望ましい。しかしながらバイアス電流を小さくすることは、磁気軸受の支持剛性を低下させる。従来はポンプの動作点に応じた最適化が図れていなかったが、本実施の形態では、変位や電流指令値の直流成分、交流成分から外乱の状態を検出し、外乱に応じてバイアス電流を変化させて制御の安定化を図る。また、バイアス電流を変更すると制御対象が変化するため、予めバイアス電流の制御幅を決めておき、バイアス電流の制御範囲で必要に応じて制御系のパラメータを切替えることで、広い動作範囲で安定した浮上制御が可能になる。 Since the bias current increases the copper loss of the magnetic bearing, it is desirable that the bias current be small in order to reduce heat generation. However, reducing the bias current reduces the support rigidity of the magnetic bearing. Conventionally, optimization according to the operating point of the pump was not possible, but in this embodiment, the state of disturbance is detected from the DC component and AC component of the displacement and current command value, and the bias current is adjusted according to the disturbance. Stabilize control by changing the In addition, since changing the bias current changes what is being controlled, it is possible to maintain stability over a wide operating range by determining the bias current control range in advance and switching control system parameters as necessary within the bias current control range. Levitation control becomes possible.
[各磁気軸受の構成]
図3は、アキシャル磁気軸受の回転軸を含む断面における構造を示す図である。図3を参照して、磁気軸受60は、回転軸20に固定されたスラストディスク61を挟むステータコア62,64と、ステータコイル63,65と、ギャップセンサ66とを含む。ステータコイル63に流す電流とステータコイル65に流す電流によって破線に示すように磁束が発生し、スラストディスク61を吸引する磁力のバランスを変化させることができる。ステータコイル63に流す電流とステータコイル65に流す電流を制御することによって、スラストディスク61の軸方向の位置、すなわち回転軸20の軸方向位置が制御される。
[Configuration of each magnetic bearing]
FIG. 3 is a diagram showing the structure of the axial magnetic bearing in a cross section including the rotation axis. Referring to FIG. 3,
図4は、ラジアル磁気軸受(ホモポーラ型磁気軸受)の回転軸に直交する断面における構造を示す図である。図5は、ラジアル磁気軸受(ホモポーラ型磁気軸受)の回転軸を含む断面における構造を示す図である。図4、図5を参照して、磁気軸受70は、回転軸20を挟むステータコア72,74と、ステータコイル73,75と、図示しないギャップセンサとを含む。ステータコア72とステータコイル73は、第1電磁石M1を構成する。ステータコア74とステータコイル75は、第2電磁石M2を構成する。ステータコイル73に流す電流とステータコイル75に流す電流によって破線に示すように磁束が発生し、回転軸20を吸引する第1電磁石M1、第2電磁石M2の磁力のバランスを変化させることができる。ステータコイル73に流す電流とステータコイル75に流す電流を制御することによって、回転軸20の径方向の位置が制御される。なお、第1電磁石M1、第2電磁石M2とは90°回転した位置に、同様に第3電磁石M3、第4電磁石M4が配置されており、90°回転した径方向における回転軸20の位置が制御される。
FIG. 4 is a diagram showing the structure of a radial magnetic bearing (homopolar magnetic bearing) in a cross section perpendicular to the rotation axis. FIG. 5 is a diagram showing the structure of a radial magnetic bearing (homopolar magnetic bearing) in a cross section including the rotating shaft. Referring to FIGS. 4 and 5,
なお、磁気軸受70に代えてヘテロポーラ型磁気軸受を使用しても良い。図6は、ラジアル磁気軸受(ヘテロポーラ型磁気軸受)の回転軸に直交する断面における構造を示す図である。図7は、ラジアル磁気軸受(ヘテロポーラ型磁気軸受)の回転軸を含む断面における構造を示す図である。図6、図7を参照して、磁気軸受70Aは、回転軸20を挟むステータティース72A,74Aと、ステータコイル73A,75Aと、図示しないギャップセンサとを含む。ステータコイル73Aに流す電流とステータコイル75Aに流す電流によって破線に示すように磁束が発生し、回転軸20を吸引する磁力のバランスを変化させることができる。ステータコイル73Aに流す電流とステータコイル75Aに流す電流を制御することによって、回転軸20の径方向の位置が制御される。
Note that a heteropolar magnetic bearing may be used instead of the
図8は、電磁石のコイル電流と磁力との関係を示す図である。図8に示すように、コイル電流iの2乗に比例して回転軸を引き寄せる磁力Fが増加する。磁力Fは、式(1)に示すように電磁石のコイル電流iの2次関数である。 FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the coil current of the electromagnet and the magnetic force. As shown in FIG. 8, the magnetic force F that attracts the rotating shaft increases in proportion to the square of the coil current i. The magnetic force F is a quadratic function of the electromagnet coil current i, as shown in equation (1).
式(1)において、Bは、磁束密度を示し、Sは磁路断面積を示し、Nはコイル巻き数を示し、iはコイル電流を示し、xはギャップ長を示し、μ0は真空の透磁率を示す。 In equation (1), B represents the magnetic flux density, S represents the cross-sectional area of the magnetic path, N represents the number of coil turns, i represents the coil current, x represents the gap length, and μ 0 represents the vacuum Indicates magnetic permeability.
図9は、回転軸を挟んで電磁石を対向させた場合の電磁石のコイル電流と磁力との関係を示す図である。図8に示した構成を図9に示すように対向型にする。i>0の範囲では、ic2=0とし、i<0の範囲ではic1=0として、対向する一方の電磁石のコイルにのみ電流を流すと、磁力F(ic1),F(ic2)の合成磁力が非線形となり、i=0のごく近傍では電流を増やしても磁力Fがあまり増加しない。このため、i=0のごく近傍では、回転軸が中心からずれた場合に電流を流しても磁力が小さく、ずれを補正する力が弱い、すなわち剛性が低い状態になってしまう。 FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the coil current and magnetic force of the electromagnet when the electromagnets are opposed to each other with the rotation axis in between. The configuration shown in FIG. 8 is made into a facing type as shown in FIG. In the range of i > 0, ic2 = 0, in the range of i < 0, ic1 = 0, and if current is applied only to the coil of one of the opposing electromagnets, the composite magnetic force of magnetic forces F(ic1) and F(ic2) becomes non-linear, and even if the current is increased, the magnetic force F does not increase much in the vicinity of i=0. Therefore, in the very vicinity of i=0, even if a current is applied when the rotational axis is deviated from the center, the magnetic force is small, and the force for correcting the deviation is weak, that is, the rigidity is low.
図9の構成では電流ゼロ付近での傾きが小さいため剛性が低くなり、また非線形のため制御系の安定性検証に用いられるボード線図が利用できないなどの問題がある。さらに、この場合では負荷が発生した際、コイルに制御電流が流れると、磁気軸受と磁気軸受で支持された回転軸からなる制御対象が大きく変化してしまうため、安定性を確保することが困難である。 In the configuration shown in FIG. 9, the slope near zero current is small, resulting in low rigidity, and due to nonlinearity, a Bode diagram used to verify the stability of the control system cannot be used. Furthermore, in this case, when a load occurs and a control current flows through the coil, the controlled object, which consists of the magnetic bearing and the rotating shaft supported by the magnetic bearing, changes significantly, making it difficult to ensure stability. It is.
[磁気軸受装置の制御]
電流ゼロ付近の剛性を高めるために、コイルにバイアス電流を流すことが行なわれる。
[Control of magnetic bearing device]
In order to increase the rigidity near zero current, a bias current is passed through the coil.
図10は、磁気軸受装置のバイアス電流方式を適用した制御を説明するための制御ブロック図である。図10を参照して、磁気軸受装置300は、回転軸20を挟むように配置された第1電磁石M1および第2電磁石M2と、回転軸20の変位を検出する変位センサ121,122と、第1電磁石M1および第2電磁石M2に流す電流を演算する演算部100とを備える。演算部100は、(a)変位センサ121,122が検出した変位に基づいて、第1電磁石M1および第2電磁石M2について逆符号で同値の制御電流icを算出し、(b)制御電流icの増減に応じて、第1電磁石M1および第2電磁石M2について同符号で同値のバイアス電流ibを算出し、(c)制御電流icおよびバイアスib電流を加算して、第1電磁石M1および第2電磁石M2の各々に対して流すコイル電流ic1,ic2を算出する。
FIG. 10 is a control block diagram for explaining control using a bias current method of a magnetic bearing device. Referring to FIG. 10, the
磁気軸受70によって支持される回転軸20の中心からの変位が変位センサ121,122によって検出され、センサ回路120に入力される。センサ回路120は、中心からの回転軸のずれに相当する制御量を演算部100に出力する、演算部100はこれを受けてアンプ111,112にそれぞれコイル電流指令値を出力する。アンプ111は磁気軸受のステータコイル73にコイル電流ic1を供給し、アンプ112は磁気軸受のステータコイル73に対向するステータコイル75にコイル電流ic2を供給する。
Displacement from the center of the
演算部100は、センサ回路120の出力を受けて、ゲイン調整、位相補償、フィルタ処理を行ない、制御電流指令値Vicを出力する制御器101と、制御電流指令値Vicに応じてバイアス電流指令値Vibを出力するバイアス電流設定部102と、加算器103と、減算器104とを含む。
The
加算器103は、制御電流指令値Vicとバイアス電流指令値Vibとを加算したコイル電流指令値Vic1をアンプ111に出力し、アンプ111はステータコイル73にコイル電流ic1(=ib+ic)を出力する。減算器104は、バイアス電流指令値Vibから制御電流指令値Vicを減算したコイル電流指令値Vic2をアンプ112に出力し、アンプ112はステータコイル75にコイル電流ic2(=ib-ic)を出力する。
一般的な磁気軸受は、バイアス電流ibが一定で、外乱に応じた制御電流icを流すことで軸を回転中心に支持する。 In a typical magnetic bearing, the bias current ib is constant, and the shaft is supported at the center of rotation by flowing a control current ic according to disturbance.
図11は、バイアス磁束によってコイル電流と磁力との関係が線形化された状態を説明するためのグラフである。図9に示した状態からコイルにバイアス電流ibを印加すると、グラフF(ic1)は左にシフトし、グラフF(ic2)は右にシフトする。このため、バイアス磁束によりコイル電流と合成磁力Fの関係が線形化される。電磁石M1で発生する磁力をF1とし、電磁石M2で発生する磁力をF2とすると、F1とF2は逆向きであり合成磁力Ftは、式(1)から以下のように表される。なお、ギャップxは厳密には釣り合い位置において電磁石M1,M2について等しくx0であるとし、釣り合い位置からのずれをΔxとすると、電磁石M1についてはx=x0+Δx、電磁石M2についてはx0-Δxとすべきであるが、原点近傍の領域ではΔx=0として、ギャップ長は電磁石M1,M2で同じとした。
Ft=F1-F2=k(ib+ic)2/x02-k(ib-ic)2/x02
Ft=k・4ib・ic/x02 ∝ic
従って、合力Fは-ib<ic<ibの範囲では、制御電流icに比例する線形な関数となる。
FIG. 11 is a graph for explaining a state in which the relationship between coil current and magnetic force is linearized by bias magnetic flux. When bias current ib is applied to the coil from the state shown in FIG. 9, graph F(ic1) shifts to the left and graph F(ic2) shifts to the right. Therefore, the relationship between the coil current and the composite magnetic force F is linearized by the bias magnetic flux. If the magnetic force generated by the electromagnet M1 is F1, and the magnetic force generated by the electromagnet M2 is F2, F1 and F2 are in opposite directions, and the composite magnetic force Ft is expressed as follows from equation (1). Strictly speaking, the gap x is x0 equally for electromagnets M1 and M2 at the balanced position, and if the deviation from the balanced position is Δx, then x = x0 + Δx for electromagnet M1 and x0 - Δx for electromagnet M2. However, in the region near the origin, Δx=0, and the gap lengths were the same for the electromagnets M1 and M2.
Ft=F1-F2=k(ib+ic) 2 /x0 2 -k(ib-ic) 2 /x0 2
Ft=k・4ib・ic/x0 2 ∝ic
Therefore, the resultant force F becomes a linear function proportional to the control current ic in the range -ib<ic<ib.
図10に示した本実施の形態の演算部100は、バイアス電流設定部102がバイアス電流指令値Vibを制御電流指令値Vicに応じて変化させる。このため磁力の線形化の状態も変化する。
In the
図12は、バイアス電流を変化させた際のコイル電流と磁力との関係を説明するためのグラフである。バイアス電流をib1,ib2,ib3に変化させることにより、バイアス磁束も変化する。バイアス磁束を大きくすると、図12に示すようにコイル電流に対する発生力の線形範囲が拡大し、コイル電流に対する力の傾きも大きくなる。バイアス電流の大きさをib1<ib2<ib3とすると、合成磁力Ftの大きさもFt1<Ft2<Ft3のように大きくなる。バイアス電流ibが大きいほど剛性も強くなり、回転軸の変位が生じたときに回転中心に引き戻す力が大きくなる。 FIG. 12 is a graph for explaining the relationship between coil current and magnetic force when changing the bias current. By changing the bias current to ib1, ib2, and ib3, the bias magnetic flux also changes. When the bias magnetic flux is increased, the linear range of the generated force with respect to the coil current expands, as shown in FIG. 12, and the slope of the force with respect to the coil current also increases. When the magnitude of the bias current is set to ib1<ib2<ib3, the magnitude of the composite magnetic force Ft also increases as Ft1<Ft2<Ft3. The larger the bias current ib, the stronger the rigidity, and the greater the force that pulls the rotating shaft back to the center of rotation when displacement occurs.
図11、図12からわかるように、バイアス電流の2倍の領域までコイル電流と磁力の関係を線形化することができる。対向する電磁石のコイルに同値の電流を印加することでバイアス磁束をかけるバイアス電流方式において、回転軸に発生する負荷の大きさに応じてバイアス電流を可変させる。一般的にバイアス電流は最大負荷を考慮して予め決定した固定値としているが、本実施の形態では負荷に応じて変化させるため、負荷が小さい動作条件ではバイアス電流も小さくなりコイルの銅損や回転時の回転軸の鉄損を低減し発熱を抑制することができる。 As can be seen from FIGS. 11 and 12, it is possible to linearize the relationship between the coil current and magnetic force up to twice the bias current. In the bias current method, which applies a bias magnetic flux by applying the same current to the coils of opposing electromagnets, the bias current is varied according to the magnitude of the load generated on the rotating shaft. Generally, the bias current is set to a fixed value that is predetermined in consideration of the maximum load, but in this embodiment, it is changed according to the load, so the bias current becomes smaller under operating conditions with a small load, which reduces the copper loss of the coil. Iron loss of the rotating shaft during rotation can be reduced and heat generation can be suppressed.
回転軸20にかかる負荷(例えば流体力など)は、電磁石のコイル電流ic1,ic2や変位センサ121,122の出力から推定できる。コイル電流ic1,ic2は演算部100の出力であるコイル電流指令値Vic1,Vic2と等価であるため、演算部100はコイル電流ic1,ic2を知ることが出来る。磁気軸受70,80の電磁石諸元は既知であるため、電流値が分かれば磁気軸受部での負荷を推定することができる。また軸受の配置およびインペラ40の位置も既知であることから、インペラ40にかかるラジアル荷重も推定することが出来る。バイアス電流ibは、ラジアル磁気軸受毎(電磁石(M1~M4)4個で1セット)を同じ値で可変させてもよいし、X軸、Y軸毎(対向する電磁石(M1,M2)2個で1セット、対向する電磁石(M3,M4)2個で1セット)に可変させてもよい。
The load (for example, fluid force) applied to the
また負荷が大きい場合も予め設定した最大電流の範囲まで大きくすることができ、線形範囲の拡大による制御安定性の向上や剛性向上が期待できる。 Furthermore, even when the load is large, the current can be increased up to a preset maximum current range, and improvements in control stability and rigidity can be expected by expanding the linear range.
図13は、磁気軸受のバイアス電流と剛性の関係を示すグラフである。図13には、磁気軸受に変位センサをつけて、フィードバックループによって位置制御をした場合の、軸受剛性が示されている。周波数が高周波側の剛性は、軸の質量によって決まるためバイアス電流の影響は小さい。周波数が低周波側の剛性は、バイアス電流の影響を受け、バイアス電流が大きいほど、剛性は高くなる。剛性の式は下式(2)で表される。 FIG. 13 is a graph showing the relationship between bias current and rigidity of a magnetic bearing. FIG. 13 shows the bearing rigidity when a displacement sensor is attached to the magnetic bearing and the position is controlled by a feedback loop. The stiffness on the high frequency side is determined by the mass of the shaft, so the influence of the bias current is small. The stiffness on the low frequency side is influenced by the bias current, and the larger the bias current, the higher the stiffness. The stiffness formula is expressed by the following formula (2).
式(2)において、Fdは外乱、xは変位、mはロータの質量、KIFは、電流-力変換定数(電磁石の電流と発生する力の関係を示すゲイン)を示し、KGFは、ギャップ-力変換定数(ギャップと力の関係を示すゲイン)、Gsはセンサゲイン、Gaはアンプゲイン、Gcは制御パラメータ(PID)を示す。 In equation (2), Fd is the disturbance, x is the displacement, m is the mass of the rotor, K IF is the current-force conversion constant (gain indicating the relationship between the electromagnet current and the generated force), and K GF is, Gap-force conversion constant (gain indicating the relationship between gap and force), Gs is sensor gain, Ga is amplifier gain, and Gc is control parameter (PID).
図14は、バイアス電流の大きさによって制御対象の伝達関数が変化することを示したグラフである。ここでの制御対象は磁気軸受である。ここで図14の制御対象の伝達関数の縦軸Kは以下の式(3)で表される。 FIG. 14 is a graph showing that the transfer function of the controlled object changes depending on the magnitude of the bias current. The object to be controlled here is a magnetic bearing. Here, the vertical axis K of the transfer function of the controlled object in FIG. 14 is expressed by the following equation (3).
式(3)において、KIFは、電流-力変換定数(電磁石の電流と発生する力の関係を示すゲイン)を示し、KGFは、ギャップ-力変換定数(ギャップと力の関係を示すゲイン)を示し、mはロータの質量を示す。KIFもKGFもバイアス電流によって値が変化するパラメータである。 In Equation (3), K IF represents a current-force conversion constant (a gain that represents the relationship between the electromagnet's current and the generated force), and K GF represents a gap-force conversion constant (a gain that represents the relationship between the gap and force). ), and m indicates the mass of the rotor. Both K IF and K GF are parameters whose values change depending on the bias current.
図14に示すように、高周波側ではバイアス電流の大小は伝達関数に影響を与えないが、低周波側では、バイアス電流が小さいほど伝達関数は上がり、バイアス電流が大きいほど伝達関数は下がる。以下の式(4)にフィードバック系の一巡伝達関数の式を示す。 As shown in FIG. 14, on the high frequency side, the magnitude of the bias current does not affect the transfer function, but on the low frequency side, the smaller the bias current, the higher the transfer function, and the larger the bias current, the lower the transfer function. The following equation (4) shows the equation of the loop transfer function of the feedback system.
式(4)において、mはロータの質量、KIFは、電流-力変換定数(電磁石の電流と発生する力の関係を示すゲイン)を示し、KGFは、ギャップ-力変換定数(ギャップと力の関係を示すゲイン)を示し、Gsはセンサゲインを示し、Gaはアンプゲインを示し、Gcは制御パラメータ(PID)を示す。 In equation (4), m is the mass of the rotor, K IF is the current-force conversion constant (gain indicating the relationship between the electromagnet's current and the generated force), and K GF is the gap-force conversion constant (the gap and Gs indicates a sensor gain, Ga indicates an amplifier gain, and Gc indicates a control parameter (PID).
つまり一巡伝達関数は制御対象の伝達関数にセンサゲイン、アンプゲイン、制御ゲインを乗じたものである。系の安定性の判定では一巡伝達関数のボード線図においてクロスオーバー周波数(ボード線図で上から下に0dB(ゼロデシベル)を横切る周波数)で位相が-180度より遅れていない必要がある(位相余裕)。 In other words, the open loop transfer function is the product of the transfer function of the controlled object multiplied by the sensor gain, amplifier gain, and control gain. To judge the stability of a system, the phase must not lag by -180 degrees at the crossover frequency (the frequency that crosses 0 dB (zero decibel) from top to bottom in the Bode diagram) in the Bode diagram of the open-loop transfer function ( phase margin).
一巡伝達関数のクロスオーバー周波数は制御対象の変化によって変わる。場合によって位相余裕がない領域にクロスオーバー周波数が移動したり、新たなクロスオーバー周波数が発生したりして不安定となる。 The crossover frequency of the loop transfer function changes depending on changes in the controlled object. In some cases, the crossover frequency may move to an area where there is no phase margin, or a new crossover frequency may occur, resulting in instability.
図15は、磁気軸受システムのブロック図である。図15において、アンプ204は、制御器203からの指令どおりに電流を出力する。制御対象205(回転軸)の変位は変位センサ206で検出され、目標値(中央位置)との差は減算器202によって算出される。制御器203は、PID制御(ゲイン調整、位相補償、フィルタ処理)を行なっている。
FIG. 15 is a block diagram of the magnetic bearing system. In FIG. 15,
磁気軸受のコイル電流は図15に示すような電流フィードバックループを有している。制御電流icは、所定の周波数帯域までは電流指令値に追従するため、電流指令値から実際の制御電流の大きさを推定することが出来る。また、この制御電流にバイアス電流を加えることによって、バイアス磁束によって、磁気軸受の制御電流に対し、発生力を線形化することができる(図8~図11)。 The coil current of the magnetic bearing has a current feedback loop as shown in FIG. Since the control current ic follows the current command value up to a predetermined frequency band, the magnitude of the actual control current can be estimated from the current command value. Furthermore, by adding a bias current to this control current, the bias magnetic flux can linearize the generated force with respect to the control current of the magnetic bearing (FIGS. 8 to 11).
図16は、図15の磁気軸受システムの一巡伝達関数の周波数特性を示したボード線図である。ゲインが0dBを横切るときの周波数(クロスオーバー周波数fc)において、位相が-180°より上に来ていないと、系は発振してしまうことが知られている。図11では、fcにおいて位相φ>-180°で安定である。 FIG. 16 is a Bode diagram showing the frequency characteristics of the open-loop transfer function of the magnetic bearing system of FIG. 15. It is known that the system will oscillate unless the phase is above -180° at the frequency at which the gain crosses 0 dB (crossover frequency fc). In FIG. 11, it is stable when the phase φ>−180° at fc.
図17は、図16の状態からバイアス電流を大きくした場合の一巡伝達関数の周波数特性を示したボード線図である。バイアス電流を大きくすると、軸の振れに対して剛性が上がる。しかし、ゲインが下がって新たなクロスオーバー周波数fc1を持ってしまう。図17では、クロスオーバー周波数fc1において位相φ<-180°で不安定である。 FIG. 17 is a Bode diagram showing the frequency characteristics of the open loop transfer function when the bias current is increased from the state shown in FIG. 16. Increasing the bias current increases rigidity against shaft vibration. However, the gain decreases and a new crossover frequency fc1 is acquired. In FIG. 17, the phase is unstable when the phase φ<-180° at the crossover frequency fc1.
図18は、図17の状態から一巡伝達関数の全体のゲインを大きくした場合の一巡伝達関数の周波数特性を示したボード線図である。図18では、一巡伝達関数のゲインを大きくすることによって、図17のfc1がクロスオーバー周波数でなくなった。クロスオーバー周波数fcにおいては位相φ>-180°で安定である。 FIG. 18 is a Bode diagram showing the frequency characteristics of the open-loop transfer function when the overall gain of the open-loop transfer function is increased from the state shown in FIG. 17. In FIG. 18, by increasing the gain of the open loop transfer function, fc1 in FIG. 17 is no longer the crossover frequency. At the crossover frequency fc, it is stable when the phase φ>-180°.
図19は、図17の状態から積分ゲインを下げ、低周波数側の位相への影響を小さくした場合の一巡伝達関数の周波数特性を示したボード線図である。図19では、積分ゲインを下げることによって、fc1における位相がφ>-180°に変化したので安定である。本実施の形態では、図18の処理、図19の処理のいずれか一方を実行しても良いし、図18の処理に加えて図19の処理も実行しても良い。 FIG. 19 is a Bode diagram showing the frequency characteristics of the open loop transfer function when the integral gain is lowered from the state shown in FIG. 17 to reduce the influence on the phase on the low frequency side. In FIG. 19, the phase at fc1 changes to φ>-180° by lowering the integral gain, so it is stable. In this embodiment, either the process in FIG. 18 or the process in FIG. 19 may be executed, or the process in FIG. 19 may be executed in addition to the process in FIG. 18.
予め磁気軸受の安定性を検証しておき、バイアス電流の増減に応じて全体のゲイン、積分ゲインなどの制御パラメータも同時に可変させる。演算部100は、PID制御を実行して制御電流指令値Vicを算出し、バイアス電流の更新と同時にPID制御の制御パラメータを更新する。
The stability of the magnetic bearing is verified in advance, and control parameters such as the overall gain and integral gain are varied at the same time as the bias current increases or decreases. The
バイアス電流を大きくすると図14に示すように制御対象の周波数特性(ボード線図:図16)で低周波数側のゲインが低下(図17)するため、ゲイン余裕から判断して、PID制御の全体のゲインを大きくする。 As shown in Fig. 14, when the bias current is increased, the gain on the low frequency side decreases (Fig. 17) in the frequency characteristics of the controlled object (Bode plot: Fig. 16), so judging from the gain margin, the overall PID control Increase the gain.
このときに更新する制御パラメータは、PID制御の一巡伝達関数の全体のゲインである。演算部100は、バイアス電流が予め設定した判定値を超えており、かつ、バイアス電流を増加させた場合、ゲインを大きくし、バイアス電流が予め設定した判定値を超えており、かつ、バイアス電流を減少させた場合、ゲインを小さくする。
The control parameter updated at this time is the overall gain of the open loop transfer function of the PID control. When the bias current exceeds a preset judgment value and the bias current is increased, the
具体的には制御器203において、全体のゲインの調整(図18)や積分ゲインにより低周波側の位相状態を変更(図19)する。図19の状態は制御対象の変化に対し不安定のため、図19の処理は図18の全体のゲインの調整と併せておこなう。
Specifically, the
このときに併せて更新する制御パラメータは、PID制御の積分ゲインである。演算部100は、バイアス電流が予め設定した判定値を超えており、かつ、バイアス電流を増加させた場合、積分ゲインを小さくし、バイアス電流が予め設定した判定値を超えており、かつ、バイアス電流を減少させた場合、積分ゲインを大きくする。
The control parameter that is updated at this time is the integral gain of PID control. When the bias current exceeds a preset determination value and the bias current is increased, the
図20は、磁気軸受のメイン処理のフローチャートである。図10、図20を参照して、ステップS1において演算部100はセンサ回路120を介して変位センサ121,122の信号を取得する。そしてステップS2において演算部100は対向する電磁石M1,M2の各々の電流指令値を決定する。そしてステップS3において、演算部100からの指令値によってアンプ111、アンプ112からコイル73,75にコイル電流ic1,ic2を印加する。メイン処理では、ステップS1,S2,S3の処理が繰り返し実行される。
FIG. 20 is a flowchart of the main processing of the magnetic bearing. Referring to FIGS. 10 and 20, in step S1,
図21は、図20のS2における電流指令値を決定する処理のフローチャートである。図10、図21を参照して、演算部100は、ステップS11において制御に係る位相補償、PID処理、ゲイン調整、フィルタ処理などの演算を行ない制御電流指令値Vicを決定する。演算部100は、制御電流指令値Vicの決定と並行してステップS12においてバイアス電流指令値Vibを決定する。さらにステップS13において、演算部100は、一方でバイアス電流指令値Vibに制御電流指令値Vicを加算し、他方ではバイアス電流指令値Vibから制御電流指令値Vicを減算して、コイル電流ic1,ic2に対応するコイル電流指令値Vic1,Vic2を決定し出力する。磁気軸受70は回転軸を挟んで対向する一対の電磁石M1,M2を含み、各々の電磁石のコイル電流ic1、ic2によって発生する合成磁力によって非接触に軸を支持する。
FIG. 21 is a flowchart of the process of determining the current command value in S2 of FIG. Referring to FIGS. 10 and 21, in step S11,
図22は、図21のS12におけるバイアス電流指令値を決定する処理の第1例を示したフローチャートである。図22に示すように、演算部100は、制御電流指令値の直流成分Vicdcが増加し、かつ、制御電流指令値の直流成分Vicdcがあらかじめ設定された第1しきい値Vth1より大きくなった場合に、バイアス電流を増加させ、制御電流指令値の直流成分Vicdcが減少し、かつ、制御電流指令値の直流成分Vicdcがあらかじめ設定された第2しきい値Vth2より小さくなった場合に、バイアス電流を減少させる。好ましくは、第1しきい値Vth1は、第2しきい値Vth2よりも大きく設定され、バイアス電流ibの増減特性は、ヒステリシスを有する。 FIG. 22 is a flowchart showing a first example of the process of determining the bias current command value in S12 of FIG. 21. As shown in FIG. 22, when the DC component Vicdc of the control current command value increases and the DC component Vicdc of the control current command value becomes larger than a preset first threshold value Vth1, , the bias current is increased, the DC component Vicdc of the control current command value decreases, and when the DC component Vicdc of the control current command value becomes smaller than the preset second threshold Vth2, the bias current decrease. Preferably, the first threshold Vth1 is set larger than the second threshold Vth2, and the increase/decrease characteristic of the bias current ib has hysteresis.
図22のフローチャートに示すように対向する電磁石の制御電流指令値Vicの直流成分Vicdcを監視し、負荷が大きくなった際は(S23でYES)、対向する電磁石の制御電流指令値Vicの直流成分Vicdcが判定値Vth1より大きくなったタイミング(S24でNO)で、バイアス電流ibを増加させる(S25)。負荷が小さくなった際は(S23でNO)、対向する電磁石の制御電流指令値Vicの直流成分Vicdcが小さくなるため、判定値Vth2より小さくなったタイミング(S26でNO)で、バイアス電流ibを減少させる(S27)。判定値Vth1と判定値Vth2を異なる値とし、バイアス電流ibを増減させるしきい値にヒステリシスを設けることによって、負荷変動の交流成分において、不必要なバイアス電流の切替えを抑制する。 As shown in the flowchart of FIG. 22, the DC component Vicdc of the control current command value Vic of the opposing electromagnet is monitored, and when the load becomes large (YES in S23), the DC component of the control current command value Vic of the opposing electromagnet is monitored. At the timing when Vicdc becomes larger than the determination value Vth1 (NO in S24), the bias current ib is increased (S25). When the load becomes small (NO in S23), the DC component Vicdc of the control current command value Vic of the opposing electromagnet becomes small, so the bias current ib is changed at the timing when it becomes smaller than the judgment value Vth2 (NO in S26). decrease (S27). By setting the judgment value Vth1 and the judgment value Vth2 to different values and providing hysteresis in the threshold value for increasing/decreasing the bias current ib, unnecessary switching of the bias current is suppressed in the alternating current component of load fluctuation.
バイアス電流ibの初期値は無負荷時において、回転軸20を安定に浮上させることができる値ibLとし、バイアス電流ibの設定値はこの初期値より小さくしない。つまり、初期値をバイアス電流ibの下限値ibL(最小値)とする。また、バイアス電流の上限値ibU(最大値)は電磁石、アンプおよび電源の制約から決定される。ステップS21~S27の処理によってバイアス電流が決定されるとステップS28のガード処理において、バイアスibが上限値ibUを超えていた場合にはバイアス電流ib=ibUとし、逆にバイアスibが下限値ibLより小さくなっていた場合にはバイアス電流ib=ibLとする。
The initial value of the bias current ib is set to a value ibL that allows the rotating
バイアス電流ibを増減させると軸受剛性が変化する(図13)。バイアス電流ibが大きくなると軸受剛性が高くなり、バイアス電流ibが小さくなると軸受剛性は低下する。そのため、制御電流指令値Vicの直流成分Vicdcが一定値(Vth1)より高くなり、これに応じてバイアス電流ibを大きくすると、剛性が高くなる。剛性が高くなると、負荷が同じ場合であれば、制御電流指令値Vicの直流成分Vicdcは小さくなる。同様に制御電流指令値Vicの直流成分Vicdcが一定値(Vth2)より低くなり、バイアス電流ibを小さくすると、剛性が低下する。剛性が低下すると、負荷が同じ場合であれば、制御電流指令値Vicの直流成分Vicdcは大きくなる。 When the bias current ib is increased or decreased, the bearing rigidity changes (FIG. 13). As the bias current ib increases, the bearing rigidity increases, and as the bias current ib decreases, the bearing rigidity decreases. Therefore, when the DC component Vicdc of the control current command value Vic becomes higher than a constant value (Vth1) and the bias current ib is increased accordingly, the rigidity becomes higher. When the rigidity increases, the DC component Vicdc of the control current command value Vic becomes smaller for the same load. Similarly, when the DC component Vicdc of the control current command value Vic becomes lower than a constant value (Vth2) and the bias current ib is reduced, the rigidity decreases. When the rigidity decreases, the DC component Vicdc of the control current command value Vic increases if the load is the same.
演算部100は、PID制御等を用いてバイアス電流ibを連続的に変化させてもよい。または、演算部100は、予め設定した増減幅(例えば0.1A等)で、バイアス電流ibを段階的に変化させてもよい。
The
図23は、図21のS12におけるバイアス電流指令値を決定する処理の第2例を示したフローチャートである。図24は、バイアス電流指令値を決定する処理の第2例に対応するブロック図である。なお図22の処理がメイン処理であり、図23の処理を行なうときは図22の処理と同時に適用される。図23、図24に示すように、演算部100Aは、制御電流指令値の交流成分Vicacの振幅が増加し、制御電流指令値の交流成分Vicacの振幅があらかじめ設定された第3しきい値Vth3より大きくなった場合に、バイアス電流を増加させ、制御電流指令値の交流成分Vicacの振幅が減少し、制御電流指令値の交流成分Vicacの振幅があらかじめ設定された第4しきい値Vth4より小さくなった場合に、バイアス電流を減少させる。好ましくは、第3しきい値Vth3は、第4しきい値Vth4よりも大きく設定され、バイアス電流の増減特性は、ヒステリシスを有する。この場合、バイアス電流設定部102は、センサ回路120の出力とVicの2ヶ所の信号を受ける構成となる。交流成分は制御部100Aの位相補償等の処理で、周波数によってゲインに重み付けされる。そのため主に高周波成分ではセンサ回路120の出力をバイアス電流設定部102内でフィルタ処理等して得られた値からVibが生成される。また交流成分の低周波成分はVicを用いた場合の方が判断しやすい場合があり、両方の出力を利用する。
FIG. 23 is a flowchart showing a second example of the process of determining the bias current command value in S12 of FIG. FIG. 24 is a block diagram corresponding to a second example of processing for determining a bias current command value. Note that the process in FIG. 22 is the main process, and when the process in FIG. 23 is performed, it is applied simultaneously with the process in FIG. As shown in FIGS. 23 and 24, the
直流成分と同様に、交流成分については、図23のフローチャートに示すようにセンサ信号もしくは対向する電磁石の制御電流指令値Vicの交流成分Vicacの振幅値を監視、抽出(S31,S32)する。負荷が増加中である場合は(S33でYES)、センサ信号もしくは対向する電磁石の制御電流指令値Vicの交流成分Vicacの振幅が判定値Vth3より大きくなったタイミングで(S34でNO)、バイアス電流を増加させる(S35)。負荷が減少中である場合は(S33でNO)、センサ信号もしくは対向する電磁石の制御電流指令値Vicの交流成分Vicacの振幅が小さくなるため、制御電流指令値Vicの交流成分Vicacの振幅が判定値Vth4より小さくなったタイミングで(S36でNO)、バイアス電流を減少させる(S37)。判定値Vth3と判定値Vth4を異なる値とし、バイアス電流を増減させるしきい値にヒステリシスを設けることによって、負荷変動の交流成分において、不必要なバイアス電流の切替えを抑制する。 As with the DC component, as for the AC component, as shown in the flowchart of FIG. 23, the amplitude value of the AC component Vicac of the sensor signal or the control current command value Vic of the opposing electromagnet is monitored and extracted (S31, S32). If the load is increasing (YES in S33), the bias current is increased at the timing when the sensor signal or the amplitude of the AC component Vicac of the control current command value Vic of the opposing electromagnet becomes larger than the judgment value Vth3 (NO in S34). (S35). If the load is decreasing (NO in S33), the amplitude of the AC component Vicac of the control current command value Vic of the sensor signal or the opposing electromagnet becomes smaller, so the amplitude of the AC component Vicac of the control current command value Vic is determined. At the timing when the bias current becomes smaller than the value Vth4 (NO in S36), the bias current is decreased (S37). By setting the determination value Vth3 and the determination value Vth4 to different values and providing hysteresis in the threshold value for increasing or decreasing the bias current, unnecessary switching of the bias current is suppressed in the alternating current component of load fluctuation.
交流成分Vicacの抽出には、回転同期成分と低周波領域を分離する。回転軸の回転速度の加減速時には回転同期成分の振れを監視し、回転軸のアンバランスによる振れが大きい場合には、バイアス電流を大きくして剛性を高める。また回転装置の設置環境や地震など外乱による振動は低周波領域(例えば50Hz以下)であるので、外乱の有無はセンサ信号もしくは対向する電磁石の制御電流指令値Vicの交流成分Vicacの振幅値から判断し、外乱発生時にはバイアス電流を大きくして剛性を高める。 To extract the AC component Vicac, the rotation synchronous component and the low frequency region are separated. When accelerating or decelerating the rotational speed of the rotating shaft, the vibration of the rotation synchronization component is monitored, and if the vibration due to unbalance of the rotating shaft is large, the bias current is increased to increase the rigidity. In addition, since vibrations caused by the installation environment of the rotating equipment or disturbances such as earthquakes are in the low frequency range (for example, 50Hz or less), the presence or absence of disturbances can be determined from the sensor signal or the amplitude value of the alternating current component Vicac of the control current command value Vic of the opposing electromagnet. However, when a disturbance occurs, the bias current is increased to increase rigidity.
バイアス電流の初期値は無負荷時において、回転軸20を安定に浮上させることができる値とし、バイアス電流ibの設定値はこの初期値より小さくしない。つまり、初期値をバイアス電流ibの下限値ibL(最小値)とする。また、バイアス電流の上限値ibU(最大値)は電磁石、アンプおよび電源の制約から決定される。ステップS31~S37の処理によってバイアス電流が決定されるとステップS38のガード処理において、バイアスibが上限値ibUを超えていた場合にはバイアス電流ib=ibUとし、逆にバイアスibが下限値ibLより小さくなっていた場合にはバイアス電流ib=ibLとする。
The initial value of the bias current is a value that allows the rotating
バイアス電流を増減させると軸受剛性が変化する(図13)。バイアス電流が大きくなると軸受剛性が高くなり、バイアス電流が小さくなると軸受剛性は低下する。そのため、変位センサ121,122の信号もしくは制御電流指令値Vicの交流成分Vicacの振幅が一定値(Vth3)より大きくなり、これに応じてバイアス電流を大きくすると軸受剛性は高くなる。軸受剛性が高くなると、負荷が同じ場合であれば、センサ信号もしくは制御電流指令値Vicの交流成分Vicacの振幅は小さくなる。同様にセンサ信号もしくは制御電流指令値Vicの交流成分Vicacの振幅が一定値(Vth4)より小さくなり、これに応じてバイアス電流を小さくすると、軸受剛性が低下する。軸受剛性が低下すると、負荷が同じ場合であれば、センサ信号もしくは制御電流指令値Vicの交流成分Vicacの振幅は大きくなる。
Increasing or decreasing the bias current changes the bearing stiffness (Figure 13). As the bias current increases, the bearing rigidity increases, and as the bias current decreases, the bearing rigidity decreases. Therefore, the amplitude of the AC component Vicac of the signals of the
バイアス電流ibはPIDなどの制御を用いて連続的に可変してもよい。もしくは予め設定した値、例えば0.1Aで段階的に変化させてもよい。 The bias current ib may be continuously varied using control such as PID. Alternatively, it may be changed stepwise at a preset value, for example 0.1A.
以上説明したように、本実施の形態に係る磁気軸受装置では、電磁石のバイアス電流を回転軸に発生する負荷に応じて可変するため、負荷が小さい動作条件ではコイルの銅損や回転時の回転軸の鉄損を低減し発熱を抑制することができる。また負荷が大きい場合も予め設定した最大電流の範囲まで大きくすることができ、線形範囲の拡大による制御安定性の向上や剛性向上が期待できる。 As explained above, in the magnetic bearing device according to the present embodiment, the bias current of the electromagnet is varied according to the load generated on the rotating shaft. It is possible to reduce core loss of the shaft and suppress heat generation. Furthermore, even when the load is large, the current can be increased up to a preset maximum current range, and improvements in control stability and rigidity can be expected by expanding the linear range.
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed this time should be considered to be illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims rather than the description of the embodiments described above, and it is intended that all changes within the meaning and range equivalent to the claims are included.
10,10A ポンプ、20 回転軸、30 駆動部、40 インペラ、50 ポンプケーシング、60,70,70A,80 磁気軸受、61 スラストディスク、62,64,72,74 ステータコア、63,65,73,73A,75,75A ステータコイル、66 ギャップセンサ、72A,74A ステータティース、100,100A 演算部、101,203 制御器、102 バイアス電流設定部、103 加算器、104,202 減算器、111,112,204 アンプ、120 センサ回路、121,122,123,206 変位センサ、M1 第1電磁石、M2 第2電磁石。 10, 10A pump, 20 rotating shaft, 30 drive unit, 40 impeller, 50 pump casing, 60, 70, 70A, 80 magnetic bearing, 61 thrust disk, 62, 64, 72, 74 stator core, 63, 65, 73, 73A , 75, 75A Stator coil, 66 Gap sensor, 72A, 74A Stator teeth, 100, 100A Arithmetic unit, 101, 203 Controller, 102 Bias current setting unit, 103 Adder, 104, 202 Subtractor, 111, 112, 204 Amplifier, 120 Sensor circuit, 121, 122, 123, 206 Displacement sensor, M1 First electromagnet, M2 Second electromagnet.
Claims (11)
前記回転軸を挟むように配置された第1電磁石および第2電磁石と、
前記回転軸の変位を検出するセンサと、
前記第1電磁石および前記第2電磁石に流す電流を演算する演算部とを備え、
前記演算部は、
(a)前記センサが検出した変位に基づいて、前記第1電磁石および前記第2電磁石について逆符号で同値の制御電流を算出し、
(b)前記制御電流の増減に応じて、前記第1電磁石および前記第2電磁石について同符号で同値のバイアス電流を算出し、
(c)前記制御電流および前記バイアス電流を加算して、前記第1電磁石および前記第2電磁石の各々に対して流すコイル電流を算出し、
前記演算部は、PID制御を実行して前記制御電流を算出し、前記バイアス電流の更新と同時に前記PID制御の制御パラメータを更新する、磁気軸受装置。 A magnetic bearing device that supports a rotating shaft,
a first electromagnet and a second electromagnet arranged to sandwich the rotating shaft;
a sensor that detects displacement of the rotating shaft;
a calculation unit that calculates a current flowing through the first electromagnet and the second electromagnet,
The arithmetic unit is
(a) based on the displacement detected by the sensor, calculate control currents with opposite signs and the same value for the first electromagnet and the second electromagnet;
(b) calculating bias currents with the same sign and the same value for the first electromagnet and the second electromagnet in accordance with the increase/decrease in the control current;
(c) adding the control current and the bias current to calculate a coil current to be applied to each of the first electromagnet and the second electromagnet ;
In the magnetic bearing device, the calculation unit executes PID control to calculate the control current, and updates the control parameters of the PID control at the same time as updating the bias current.
前記演算部は、前記制御電流の直流成分が増加し、かつ、前記制御電流の直流成分が予め設定された第1しきい値より大きくなった場合に、前記バイアス電流を増加させ、前記制御電流の直流成分が減少し、かつ、前記制御電流の直流成分が予め設定された第2しきい値より小さくなった場合に、前記下限値を下回らない範囲内で前記バイアス電流を減少させる、請求項1に記載の磁気軸受装置。 A lower limit value is defined for the bias current,
The calculation unit increases the bias current and increases the control current when the DC component of the control current increases and the DC component of the control current becomes larger than a first threshold value set in advance . 2. When the DC component of the control current decreases and the DC component of the control current becomes smaller than a preset second threshold, the bias current is reduced within a range that does not fall below the lower limit value. 1. The magnetic bearing device according to 1.
前記演算部は、前記制御電流の交流成分の振幅が増加し、前記制御電流の交流成分の振幅が予め設定された第3しきい値より大きくなった場合に、前記バイアス電流を増加させ、前記制御電流の交流成分の振幅が減少し、前記制御電流の交流成分の振幅が予め設定された第4しきい値より小さくなった場合に、前記下限値を下回らない範囲内で前記バイアス電流を減少させる、請求項1に記載の磁気軸受装置。 A lower limit value is defined for the bias current,
The calculation unit increases the bias current when the amplitude of the AC component of the control current increases and the amplitude of the AC component of the control current becomes larger than a preset third threshold; When the amplitude of the AC component of the control current decreases and the amplitude of the AC component of the control current becomes smaller than a preset fourth threshold, reduce the bias current within a range that does not fall below the lower limit value. The magnetic bearing device according to claim 1.
前記演算部は、前記バイアス電流が予め設定した判定値を超えており、かつ、前記バイアス電流を増加させた場合、前記ゲインを大きくし、前記バイアス電流が予め設定した判定値を超えており、かつ、前記バイアス電流を減少させた場合、前記ゲインを小さくする、請求項1に記載の磁気軸受装置。 The control parameter is a gain of the open loop transfer function of the PID control,
When the bias current exceeds a preset determination value and the bias current is increased, the calculation unit increases the gain and causes the bias current to exceed a preset determination value; The magnetic bearing device according to claim 1 , wherein the gain is decreased when the bias current is decreased.
前記演算部は、前記バイアス電流が予め設定した判定値を超えており、かつ、前記バイアス電流を増加させた場合、前記積分ゲインを小さくし、前記バイアス電流が予め設定した判定値を超えており、かつ、前記バイアス電流を減少させた場合、前記積分ゲインを大きくする、請求項1に記載の磁気軸受装置。 The control parameter is an integral gain of the PID control,
When the bias current exceeds a preset determination value and the bias current is increased, the calculation unit reduces the integral gain and determines whether the bias current exceeds the preset determination value. 2. The magnetic bearing device according to claim 1 , wherein the integral gain is increased when the bias current is decreased.
前記回転軸を挟むように配置された第1電磁石および第2電磁石と、a first electromagnet and a second electromagnet arranged to sandwich the rotating shaft;
前記回転軸の変位を検出するセンサと、a sensor that detects displacement of the rotating shaft;
前記第1電磁石および前記第2電磁石に流す電流を演算する演算部とを備え、a calculation unit that calculates a current flowing through the first electromagnet and the second electromagnet,
前記演算部は、The arithmetic unit is
(a)前記センサが検出した変位に基づいて、前記第1電磁石および前記第2電磁石について逆符号で同値の制御電流を算出し、(a) based on the displacement detected by the sensor, calculate control currents with opposite signs and the same value for the first electromagnet and the second electromagnet;
(b)前記制御電流の増減に応じて、前記第1電磁石および前記第2電磁石について同符号で同値のバイアス電流を算出し、(b) calculating bias currents with the same sign and the same value for the first electromagnet and the second electromagnet in accordance with the increase/decrease in the control current;
(c)前記制御電流および前記バイアス電流を加算して、前記第1電磁石および前記第2電磁石の各々に対して流すコイル電流を算出し、(c) adding the control current and the bias current to calculate a coil current to be applied to each of the first electromagnet and the second electromagnet;
前記バイアス電流には下限値が規定されており、A lower limit value is defined for the bias current,
前記演算部は、前記制御電流の直流成分が増加し、かつ、前記制御電流の直流成分が予め設定された第1しきい値より大きくなった場合に、前記バイアス電流を増加させ、前記制御電流の直流成分が減少し、かつ、前記制御電流の直流成分が予め設定された第2しきい値より小さくなった場合に、前記下限値を下回らない範囲内で前記バイアス電流を減少させる、磁気軸受装置。The calculation unit increases the bias current and increases the control current when the DC component of the control current increases and the DC component of the control current becomes larger than a first threshold value set in advance. a magnetic bearing that reduces the bias current within a range that does not fall below the lower limit when the DC component of the control current decreases and the DC component of the control current becomes smaller than a preset second threshold. Device.
前記回転軸を挟むように配置された第1電磁石および第2電磁石と、a first electromagnet and a second electromagnet arranged to sandwich the rotating shaft;
前記回転軸の変位を検出するセンサと、a sensor that detects displacement of the rotating shaft;
前記第1電磁石および前記第2電磁石に流す電流を演算する演算部とを備え、a calculation unit that calculates a current flowing through the first electromagnet and the second electromagnet,
前記演算部は、The arithmetic unit is
(a)前記センサが検出した変位に基づいて、前記第1電磁石および前記第2電磁石について逆符号で同値の制御電流を算出し、(a) based on the displacement detected by the sensor, calculate control currents with opposite signs and the same value for the first electromagnet and the second electromagnet;
(b)前記制御電流の増減に応じて、前記第1電磁石および前記第2電磁石について同符号で同値のバイアス電流を算出し、(b) calculating bias currents with the same sign and the same value for the first electromagnet and the second electromagnet in accordance with the increase/decrease in the control current;
(c)前記制御電流および前記バイアス電流を加算して、前記第1電磁石および前記第2電磁石の各々に対して流すコイル電流を算出し、(c) adding the control current and the bias current to calculate a coil current to be applied to each of the first electromagnet and the second electromagnet;
前記バイアス電流には下限値が規定されており、A lower limit value is defined for the bias current,
前記演算部は、前記制御電流の交流成分の振幅が増加し、前記制御電流の交流成分の振幅があらかじめ設定された第3しきい値より大きくなった場合に、前記バイアス電流を増加させ、前記制御電流の交流成分の振幅が減少し、前記制御電流の交流成分の振幅が予め設定された第4しきい値より小さくなった場合に、前記下限値を下回らない範囲内で前記バイアス電流を減少させる、磁気軸受装置。The calculation unit increases the bias current when the amplitude of the AC component of the control current increases and the amplitude of the AC component of the control current becomes larger than a preset third threshold; When the amplitude of the AC component of the control current decreases and the amplitude of the AC component of the control current becomes smaller than a preset fourth threshold, reduce the bias current within a range that does not fall below the lower limit value. magnetic bearing device.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2013068309A (en) | 2011-09-26 | 2013-04-18 | Daikin Industries Ltd | Magnetic bearing and compressor using the same |
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