磁轴承装置和压缩的制造方法
【专利摘要】磁轴承主体(21)利用一对控制电磁铁(201、203)的合成电磁力(F)非接触地支撑转轴(33)。控制部(11)根据第一线圈电流(IL)对依赖于该第一线圈电流(IL)的电流值的控制富余度的指标即控制指标值进行检测，对分别流入一对控制电磁铁(201、203)的各个线圈(23、23)的一对线圈电流(IU、IL)间的中间值进行控制，以保证控制指标值接近预先决定好的目标指标值。其中，该第一线圈电流(IL)是流入一对控制电磁铁(201、203)中产生方向与转轴(33)的负荷(LD)相同的电磁力的第一控制电磁铁(201)的线圈的电流。
【专利说明】磁轴承装置和压缩机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种磁轴承装置，特别涉及对磁轴承的控制。
【背景技术】
[0002]到目前为止，利用多个电磁铁的合成电磁力非接触地支撑转轴的磁轴承已为众人所知。在这样的磁轴承中，预先让偏置电流(固定电流)流过多个电磁铁中每个电磁铁的每个线圈，对根据转轴的位置偏差而变化的控制电流和该偏置电流进行合成，由此来将控制电流和合成电磁力的关系线性化(例如专利文献I等)。
[0003]专利文献1:日本公开专利公报特开平10-141373号公报
【发明内容】
[0004]一发明所要解决的技术问题一
[0005]在上述磁轴承中，通过控制流入产生方向与转轴的负荷相反的电磁力的电磁铁的线圈中的线圈电流(上侧线圈电流)、流入产生方向与转轴的负荷相同的电磁力的电磁铁的线圈中的线圈电流(下侧线圈电流)，就能够对转轴的位置进行控制。
[0006]但是，如果为了减少磁轴承的功耗而降低上侧线圈电流和下侧线圈电流间的中间值(例如偏置电流)，下侧线圈电流的电流值会降低，磁轴承的控制富余度会降低，磁轴承的控制性能会降低。例如，如果下侧线圈电流的电流值降低，下侧线圈电流的零交的产生频度(下侧线圈电流成为零的频度)则会升高。在该情况下(特别是借助PWM开关方式对线圈电流进行控制的情况)，因为死时间会由于下侧线圈电流的零交而产生，下侧线圈电流的波形会失真，所以就难以维持控制电流和合成电磁力的线性化关系。而且，还会由于下侧线圈电流的波形失真而产生高频噪音。这样就难以既抑制磁轴承的控制性能下降又降低功耗。
[0007]因此，该发明的目的在于:提供一种既能够抑制磁轴承的控制性能下降又能够降低功耗的磁轴承装置。
[0008]—用以解决技术问题的技术方案一
[0009]根据该发明的一个方面，磁轴承装置10包括磁轴承主体21和控制部11。所述磁轴承主体21具有夹着该转轴33的被支撑部33a相对的至少一对控制电磁铁201、203，利用该至少一对控制电磁铁201、203的合成电磁力F非接触地支撑该转轴33。所述控制部11根据第一线圈电流IL对依赖于该第一线圈电流IL的电流值的控制富余度的指标即控制指标值进行检测，对分别流入所述一对控制电磁铁201、203的线圈的一对线圈电流IU、IL间的中间值进行控制，以保证该控制指标值接近预先决定好的目标指标值，其中，所述第一线圈电流IL是流入所述一对控制电磁铁201、203中产生方向与所述转轴33的负荷LD相同的电磁力的第一控制电磁铁201的线圈的电流。
[0010]在所述磁轴承装置10中，在磁轴承装置10的控制富余度的指标即控制指标值比目标指标值高的情况下(亦即，控制富余度比所希望的富余度高的情况下)，一对线圈电流IU、IL间的中间值就减少，磁轴承装置10的功耗减少。另一方面，当控制指标值比目标指标值低的情况下(亦即，控制富余度比所希望的富余度低的情况下)，一对线圈电流IU、IL间的中间值增加，磁轴承装置10的控制性能提高。
[0011]—发明的效果一
[0012]如上所述，通过对一对线圈电流IU、IL间的中间值进行控制以保证磁轴承装置10的控制富余度的指标即控制指标值接近目标指标值，就既能够抑制磁轴承装置10的控制性能下降，又能够降低功耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]【图1】是示出包括磁轴承装置的压缩机的结构例的概略图。
[0014]【图2】是用于对磁轴承主体做说明的横向剖视图。
[0015]【图3】是用于对磁轴承主体做说明的纵向剖视图。
[0016]【图4】是用于对控制部做说明的方框图。
[0017]【图5】是用于电源电路的结构例做说明的电路图。
[0018]【图6】是用于对磁轴承装置的工作情况做说明的流程图。
[0019]【图7】是用于对磁轴承装置的工作情况做说明的时序图。 [0020]【图8】是示出上侧线圈电流和下侧线圈电流与合成电磁力的关系的曲线图。
[0021]【图9】是用于对控制指标值的变形例I做说明的时序图。
[0022]【图10】是用于对控制指标值的变形例2做说明的时序图。
[0023]【图11】是用于对控制指标值的变形例3做说明的时序图。
[0024]【图12】是用于对控制指标值的变形例4做说明的时序图。
[0025]【图13】是用于对控制指标值的变形例5做说明的时序图。
[0026]【图14】是用于对磁轴承装置的工作情况的变形例I做说明的流程图。
[0027]【图15】是用于对磁轴承装置的工作情况的变形例2做说明的流程图。
[0028]【图16】是用于对磁轴承装置的工作情况的变形例3做说明的流程图。
[0029]【图17】是用于对磁轴承装置的工作情况的变形例4做说明的流程图。
[0030]【图18】是用于对磁轴承装置的工作情况的变形例5做说明的流程图。
[0031]【图19】是用于对磁轴承装置的工作情况的变形例6做说明的流程图。
[0032]【图20】是用于对电源电路的变形例做说明的电路图。
[0033]【图21】是用于对包括图20所示的电源电路的磁轴承装置的工作情况作说明的时序图。
[0034]【图22】是用于对磁轴承主体的变形例I做说明的横向剖视图。
[0035]【图23】是用于对磁轴承主体的变形例I做说明的纵向剖视图。
[0036]【图24】用于对磁轴承主体的变形例2做说明的横向剖视图。
[0037]【图25】是用于对磁轴承主体的变形例2做说明的纵向剖视图。
【具体实施方式】
[0038]下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细的说明。此外，用同一符号表示图中相同的或者相应的部分，说明不再重复。[0039]〔压缩机〕
[0040]图1示出包括该发明的实施方式所涉及的磁轴承装置10的压缩机I的结构例。这里，压缩机I是涡轮式压缩机。压缩机I除了包括磁轴承装置10以外，还包括电动机30、机壳40、叶轮50和两个触底轴承60、60。压缩机I例如连接在制冷剂循环而进行制冷循环运转的制冷剂回路(省略图示)中，对制冷剂进行压缩。
[0041]机壳40呈两端封口的圆筒状，以圆筒轴线为水平朝向的方式设置好机壳40。机壳40内的空间由壁部41分开。壁部41右侧的空间是安装叶轮50的叶轮室42，壁部41左侧的空间是安装电动机30的电动机空间43。在叶轮室42的外周一侧形成有与叶轮室42连通的压缩空间42a。将来自外部的气体(例如来自制冷回路的制冷剂)引向叶轮室42的吸气管44、和让在叶轮室42内压缩的高压气体返回外部(例如制冷剂回路)的喷气管45连接在机壳40上。叶轮50的外形利用多个叶片形成为近似圆锥形状。叶轮50安装在叶轮室42内。
[0042]电动机30安装在机壳40内，对叶轮50进行驱动。在该例中，电动机30是所谓的永久磁铁同步电动机。电动机30包括定子31、转子32以及驱动轴33 (转轴)。定子31固定在机壳40的内周壁上。转子32以与定子31间保持规定的距离且与定子31相对的方式插在定子31中。驱动轴33以其轴心与转子32的轴心同轴的方式固定在转子32上。叶轮50固定在驱动轴33的一端。触底轴承60、60例如由球轴承构成，在未对磁轴承装置10通电时支撑驱动轴33。
[0043]〔磁轴承装置 〕
[0044]磁轴承装置10包括一个或者多个(这里为两个)磁轴承主体21、21和控制部11。磁轴承主体21、21彼此具有相同的结构。如后所述,磁轴承主体21具有夹着驱动轴33的被支撑部33a相对的至少一对控制电磁铁，磁轴承主体21构成为:利用这些控制电磁铁的合成电磁力非接触地支撑驱动轴33。控制部11构成为:对磁轴承主体21、21的工作情况进行控制。
[0045]〈磁轴承主体〉
[0046]接下来，参照图2和图3对磁轴承主体21进行说明。图2示出图1所示磁轴承主体21的横向剖面(垂直于驱动轴的那一方向的剖面)；图3示出图1所示磁轴承主体21的纵向剖面(驱动轴方向的剖面)。此外，在以下说明中，轴向说的是转轴方向，即驱动轴33的轴心的方向；径向说的是与驱动轴33的轴向正交的方向。而且，外周一侧说的是离驱动轴33的轴心较远的一侧，内周一侧说的是离驱动轴33的轴心较近的一侧。
[0047]这里，磁轴承主体21构成异极型径向轴承。磁轴承主体21包括磁芯部22和多个(这里为八个线圈23-1、…、23-8)。此外，在以下的说明中，用“线圈23”表示将线圈23-1、…、23-8的总称。
[0048](磁芯部)
[0049]磁芯部22通过将电磁钢板叠层而构成。磁芯部22包括后磁轭(back yoke)部22a和多个(这里,为八个)齿(teeth)部22b、…、22b。后磁轭部22a呈近似筒状。齿部22b、…、22b与后磁轭部22a形成为一体,从后磁轭部22a的内周面朝着径向内方突出。齿部22b、…、22b沿着后磁轭部22a的内周面而设，彼此的间距为45°。齿部22b的内周面与驱动轴33之间留有规定的间隙且与驱动轴33相对。[0050](线圈)
[0051]八个线圈23-1、…、23-8分别绕在八个齿部22b、…、22b上，由此而形成有八个电磁铁24-1、…、24-8。线圈23-1与线圈23_2相连。因此，通过让线圈电流流入线圈23_1、23-2，就能够产生径向的吸引力(电磁力)。亦即，这里，两个电磁铁24-1、24-2形成在径向上产生吸引力(电磁力)的控制电磁铁201。与此相同，线圈23-3、23-5、23-7分别与线圈23-4、23-6、23-8相连。由此而分别形成控制电磁铁202、203、204。此外，对线圈23-1、…、23-8的缠绕方向、流入线圈23-1、...、23-8的电流的朝向进行设定，要保证在图2所示箭头的方向上产生磁通。
[0052](控制电磁铁)
[0053]控制电磁铁201、202分别夹着驱动轴33的被支撑部33a与控制电磁铁203、204相对。亦即，控制电磁铁201与控制电磁铁203成对，控制电磁铁202与控制电磁铁204成对。而且，通过控制流入一对控制电磁铁201、203的线圈23、23的一对线圈电流，亦即流入线圈23-1、23-2的线圈电流、流入线圈23-5、23-6的线圈电流，便能够控制控制电磁铁201、203的合成电磁力。其结果是，能够控制驱动轴33在控制电磁铁201、203彼此相对的方向上的径向位置。一对控制电磁铁202、204也一样。这样就能够非接触地支撑驱动轴33。
[0054]〈线圈电流〉
[0055]接下来，对流入控制电磁铁201、…、204的线圈23_1、...、23_8的线圈电流做说明。此外，在以下说明中，“上侧线圈”意味着产生方向与作用于驱动轴33的负荷LD相反的吸引力(电磁力)FU的控制电磁铁的线圈23 下侧线圈”意味着产生方向与负荷LD相同的吸引力(电磁力)FL的控制电磁铁的线圈23。“上侧线圈电流IU”意味着流入上侧线圈的线圈电流，“下侧线圈电流IL”意味着流入下侧线圈的线圈电流。这里，“上侧”和“下侦Ij”这一表述方式是根据电磁力的方向与负荷LD的方向之间的关系决定的表述方式,有与磁轴承主体21的设置状态下的上下一致的时候，也有不一致的时候。
[0056](上侧线圈电流和下侧线圈电流)
[0057]上侧线圈电流IU和下侧线圈电流IL分别包括偏置电流Ib和控制电流Id。
[0058]偏置电流Ib是用于将控制电流Id的电流值和合成电磁力F之间的关系线性化的电流。偏置电流Ib是上侧线圈电流IU与下侧线圈电流IL的中间值(以下，表述为上下线圈电流IU、IL的中间值)相对应。
[0059]控制电流Id是用于决定合成电磁力F的方向和大小的电流。上侧线圈电流IU中包括的控制电流Id与上下线圈电流IU、IL的中间值和上侧线圈电流IU的电流值的差分值(正值)相对应。下侧线圈电流IL中包括的控制电流Id与上下线圈电流IU、IL的中间值和下侧线圈电流IL的电流值的差分值(负值)相对应。
[0060]上侧线圈电流IU能够像以下数学式I那样用偏置电流Ib和控制电流Id表示。
[0061]【数学式I】
[0062]IU = Ib+Id
[0063]下侧线圈电流IL能够像以下数学式2那样用偏置电流Ib和控制电流Id表示。
[0064]【数学式2】
[0065]IL = Ib-1d
[0066]合成电磁力F能够像以下数学式3那样用偏置电流Ib和控制电流Id表示。此外，数学式3中“K”是根据磁轴承主体21的尺寸、构造决定的比例常数。
[0067]【数学式3】
[0068]F = KXIbXId
[0069]由数学式1、数学式3能够得到以下数学式4，用偏置电流Ib和合成电磁力F来表示上侧线圈电流IU。
[0070]【数学式4】
【权利要求】
1.一种磁轴承装置，其特征在于:包括磁轴承主体(21)和控制部(11)， 所述磁轴承主体(21)具有夹着转轴(33)的被支撑部(33a)而相对的至少一对控制电磁铁(201、203)，利用该至少一对控制电磁铁(201、203)的合成电磁力(F)非接触地支撑该转轴(33)， 所述控制部(11)根据第一线圈电流(IL)对依赖于该第一线圈电流(IL)的电流值的控制富余度的指标即控制指标值进行检测，对分别流入所述一对控制电磁铁(201、203)的线圈的一对线圈电流(IU、IL)间的中间值进行控制，以保证该控制指标值接近预先决定好的目标指标值，其中，所述第一线圈电流(IL)是流入所述一对控制电磁铁(201、203)中产生方向与所述转轴(33)的负荷(LD)相同的电磁力的第一控制电磁铁(201)的线圈的电流。
2.根据权利要求1所述的磁轴承装置，其特征在于: 所述控制部(11)对所述一对线圈电流(IU、IL)间的中间值进行控制，以保证所述第一线圈电流(IL)的平均值接近预先决定好的目标电流值(10)。
3.根据权利要求1所述的磁轴承装置，其特征在于: 所述控制部(11)对所述一对线圈电流(IU、IL)间的中间值进行控制，以保证规定期间内的所述第一线圈电流(IL)的最小值(ILmin)接近预先决定好的目标最小值(IOmin)。
4.根据权利要求1所述的磁轴承装置，其特征在于: 所述控制部(11)对所述一对线圈电流(IU、IL)间的中间值进行控制，以保证规定期间内的所述第一线圈电流(IL)的极小值的平均值(ILb)接近预先决定好的目标平均值(IOb)。
5.根据权利要求1所述的磁轴承装置，其特征在于: 所述控制部(11)对所述一对线圈电流(IU、IL)间的中间值进行控制，以保证在规定期间内所述第一线圈电流(IL)的电流值高于预先决定好的目标电流值(IO)的高电平期间(HH)的时间比接近预先决定好的目标时间比。
6.根据权利要求1所述的磁轴承装置，其特征在于: 所述控制部(11)每隔规定期间对所述第一线圈电流(IL)的最小值(ILmin)和预先决定好的目标最小值(IOmin)的差分值(IDmin)进行检测,对所述一对线圈电流(IU、IL)间的中间值进行控制，以保证该差分值(IDmin)的累计平均值(IDa)接近预先决定好的累计目标平均值(IDO)。
7.根据权利要求1所述的磁轴承装置，其特征在于: 当所述控制指标值落在包括所述目标指标值的允许范围内时，所述控制部(11)就不改变所述一对线圈电流(IU、IL)间的中间值。
8.根据权利要求1所述的磁轴承装置，其特征在于: 所述控制指标值与所述目标指标值的差分值越大，所述控制部(11)就使所述一对线圈电流(IU、IL)间的中间值的改变量越多。
9.根据权利要求1所述的磁轴承装置，其特征在于: 所述控制部(11)对所述一对线圈电流(IU、IL)间的中间值进行控制，以保证所述一对线圈电流(IU、IL)各自的平均值之和不比预先决定好的限制值低。
10.根据权利要求1所述的磁轴承装置，其特征在于:所述一对线圈电流(IU、IL)分别包括对应于该一对线圈电流(IU、IL)间的中间值的偏置电流(lb)、和对应于该中间值与该一对线圈电流(IU、IL)各自的电流值的差分值的控制电流(Id)， 所述控制部(11)对所述一对线圈电流(IU、IL)间的中间值进行控制，以保证所述偏置电流(Ib)的电流值不比预先决定好的限制值低。
11.根据权利要求1所述的磁轴承装置，其特征在于: 所述控制部(11)在所述第一线圈电流(IL)的平均值和第二线圈电流(IU)的平均值中的至少一平均值的变化幅度比预先决定好的更新阈值小的情况下，对所述一对线圈电流(IU、IL)间的中间值进行控制，其中，所述第二线圈电流(IU)是流入所述一对控制电磁铁(201、203)中产生方向与所述转轴(33)的负荷(LD)相反的电磁力的第二控制电磁铁(203)的线圈的电流。
12.根据权利要求1所述的磁轴承装置，其特征在于: 所述一对线圈电流(IU、IL)分别包括对应于该一对线圈电流(IU、IL)间的中间值的偏置电流(lb)、和对应于该中间值与该一对线圈电流(IU、IL)各自的电流值的差分值的控制电流(Id)， 所述控制部(11)在所述控制电流(Id)的平均值的变化幅度小于预先决定好的更新阈值的情况下，对所述一对线 圈电流(IU、IL)间的中间值进行控制。
13.根据权利要求1所述的磁轴承装置，其特征在于: 所述控制部(11)，在所述第一线圈电流(IL)的平均值和第二线圈电流(IU)的平均值中的至少一平均值的规定频率以上的变化幅度比预先决定好的更新阈值小的情况下，对所述一对线圈电流(IU、IL)间的中间值进行控制，其中，所述第二线圈电流(IU)是流入所述一对控制电磁铁(201、203)中产生方向与所述转轴(33)的负荷(LD)相反的电磁力的第二控制电磁铁(203)的线圈的电流。
14.根据权利要求1所述的磁轴承装置，其特征在于: 所述一对线圈电流(IU、IL)分别包括对应于该一对线圈电流(IU、IL)间的中间值的偏置电流(lb)、和对应于该中间值与该一对线圈电流(IU、IL)各自的电流值的差分值的控制电流(Id)， 所述控制部(11)在所述控制电流(Id)的平均值的规定频率以上的变化幅度小于预先决定好的更新阈值的情况下，对所述一对线圈电流(IU、IL)间的中间值进行控制。
15.一种压缩机，其特征在于包括: 权利要求1所述的磁轴承装置(10)； 电动机(30)，该电动机(30)的驱动轴(33)由所述磁轴承装置(10)非接触地支撑；以及 由所述电动机(30)驱动的压缩机构。
【文档编号】F16C32/04GK104024667SQ201280065081
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年12月19日 优先权日:2011年12月28日
【发明者】阪脇笃, 中澤勇二, 入野裕介, 山下尚也 申请人:大金工业株式会社