(57)【要約】【課題】磁気軸受の制御の追従性が良好な採掘ガス圧縮機の軸受システムを提供する。【解決手段】採掘ガス圧縮機の軸受システムの軸受システムは、圧縮機に流入する前記採掘ガスの状態量を検出するための状態量センサと、前記圧縮機の回転軸を支持するための磁気軸受と、前記磁気軸受と前記回転軸との相対変位を検出するための変位センサと、前記変位センサの検出結果と前記相対変位の目標値との偏差に基づいて、前記磁気軸受のコイルへの供給電流を制御するように構成されたコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記状態量センサの検出結果に基づいて前記コントローラにおける制御パラメータを調節するように構成される。【選択図】  図１
2016169773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
採掘ガスを昇圧するための圧縮機の軸受システムであり、
前記圧縮機に流入する前記採掘ガスの状態量を検出するための状態量センサと、
前記圧縮機の回転軸を支持するための磁気軸受と、
前記磁気軸受と前記回転軸との相対変位を検出するための変位センサと、
前記変位センサの検出結果と前記相対変位の目標値との偏差に基づいて、前記磁気軸受のコイルへの供給電流を制御するように構成されたコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、前記状態量センサの検出結果に基づいて前記コントローラにおける制御パラメータを調節するように構成されたことを特徴とする採掘ガス圧縮機の軸受システム。
【請求項２】
前記変位センサは、
前記回転軸に直交する面内における第１方向の前記相対変位を検出するための第１センサと、
前記第１方向に直交する前記面内における第２方向の前記相対変位を検出するための第２センサと、
を含み、
前記磁気軸受は、
前記回転軸に対して印加される前記第１方向の電磁力を調節するための第１コイルと、
前記回転軸に対して印加される前記第２方向の電磁力を調節するための第２コイルと、
を含み、
前記コントローラは、
少なくとも、前記第１センサの検出結果と前記第１方向の前記相対変位の目標値との第１偏差に基づいて、前記第１コイルへの供給電流を制御し、且つ、
少なくとも、前記第２センサの検出結果と前記第２方向の前記相対変位の目標値との第２偏差に基づいて、前記第２コイルへの供給電流を制御する
ように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の採掘ガス圧縮機の軸受システム。
【請求項３】
前記コントローラは、
前記第１偏差の微分値と第１微分ゲインＫｄ１との積に基づいて前記第１コイルへの供給電流を制御し、且つ、前記第２偏差の微分値と第２微分ゲインＫｄ２との積に基づいて前記第２コイルへの供給電流を制御するとともに、
前記状態量センサの検出結果に基づいて前記第１微分ゲインＫｄ１および前記第２微分ゲインＫｄ２を調節するように構成されたことを特徴とする請求項２に記載の採掘ガス圧縮機の軸受システム。
【請求項４】
前記変位センサは、
前記回転軸に直交する面内における第１方向の前記相対変位を検出するための第１センサと、
前記第１方向に直交する前記面内における第２方向の前記相対変位を検出するための第２センサと、
を含み、
前記磁気軸受は、
前記回転軸に対して印加される前記第１方向の電磁力を調節するための第１コイルと、
前記回転軸に対して印加される前記第２方向の電磁力を調節するための第２コイルと、
を含み、
前記コントローラは、
少なくとも、前記第２センサの検出結果と前記第２方向の前記相対変位の目標値との第２偏差に基づいて、前記第１コイルへの供給電流を制御し、且つ、
少なくとも、前記第１センサの検出結果と前記第１方向の前記相対変位の目標値との第１偏差に基づいて、前記第２コイルへの供給電流を制御する
ように構成されたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の採掘ガス圧縮機の軸受システム。
【請求項５】
前記コントローラは、
前記第２偏差と第１クロスゲインＫｐｃ１との積に基づいて前記第１コイルへの供給電流を制御し、且つ、前記第１偏差と第２クロスゲインＫｐｃ２との積に基づいて前記第２コイルへの供給電流を制御するとともに、
前記状態量センサの検出結果に基づいて前記第１クロスゲインＫｐｃ１および前記第２クロスゲインＫｐｃ２を調節する
ように構成されたことを特徴とする請求項４に記載の採掘ガス圧縮機の軸受システム。
【請求項６】
前記圧縮機には、採掘現場と前記圧縮機との間に位置する気液分離器を通過した前記採掘ガスの気体成分が選択的に流入するように構成されており、
前記状態量センサは、前記気液分離器の下流側且つ前記圧縮機の上流側に設けられ、前記採掘ガスの前記気体成分の前記状態量を検出するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の採掘ガス圧縮機の軸受システム。
【請求項７】
前記状態量センサは、前記採掘ガスの密度又は圧力の少なくとも一方を検出するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の採掘ガス圧縮機の軸受システム。
【請求項８】
採掘ガスを昇圧するための圧縮機と、
前記圧縮機の回転軸を支持するように構成された請求項１乃至７の何れか一項に記載の軸受システムと、を備えることを特徴とする採掘ガス圧縮システム。
【請求項９】
採掘ガスを昇圧するための圧縮機の回転軸を支持するための磁気軸受の制御方法であって、
前記圧縮機に流入する前記採掘ガスの状態量を検出する状態量検出ステップと、
前記磁気軸受と前記回転軸との相対変位を検出する変位検出ステップと、
前記変位検出ステップにおける検出結果と前記相対変位の目標値との偏差に基づいて、前記磁気軸受のコイルへの供給電流を制御する電流制御ステップと、
を備え、
前記電流制御ステップでは、前記状態量検出ステップにおける検出結果に基づいて、前記偏差に基づく前記供給電流の制御パラメータを調節することを特徴とする採掘ガス圧縮機の磁気軸受制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、採掘ガス圧縮機の軸受システム及び採掘ガス圧縮システム並びに採掘ガス圧縮機の磁気軸受制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気軸受によって回転軸が支持される回転機械では、通常、回転軸を非接触支持するために生成する磁力を調節するために、回転軸の変位に基づくフィードバック制御が行われる。
例えば、特許文献１には、磁性体で構成させるロータを、電磁石の吸引力を利用して非接触支持する磁気軸受装置が記載されている。この磁気軸受装置では、変位センサによって検出されたロータの変位量と目標値との偏差に基づいて励磁電流値が演算されて、その演算結果に基づいて磁気軸受部の電磁石のコイルに励磁電流を与えることで、ロータを非接触支持するための磁力が調節されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４９２９２０８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、圧縮機においては、圧縮対象の流体の状態量が変化すると（例えば密度が増大すると）、回転軸に作用する励振力が増加して、軸振動が発生しやすくなる場合がある。回転軸を支持する軸受として磁気軸受が用いられる場合、このような軸振動が発生した場合には、該軸振動により生じる回転軸の変位に基づいて、上述したようなフィードバック制御により、回転軸に作用させる磁力（軸受反力）を適切に調節できる場合がある。しかしながら、圧縮機における圧縮対象の流体が天然ガスなどの採掘ガスである場合には、流体の状態量に変化が生じやすく、圧縮機の回転軸に作用する励振力が急激に変化することがある。この場合、磁気軸受の制御の追従性が十分でなく、回転体と回転体の周囲の部材（電磁石等）とが接触するおそれがある。
【０００５】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、磁気軸受の制御の追従性が良好な採掘ガス圧縮機の軸受システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る採掘ガス圧縮機の軸受システムは、
採掘ガスを昇圧するための圧縮機の軸受システムであり、
前記圧縮機に流入する前記採掘ガスの状態量を検出するための状態量センサと、
前記圧縮機の回転軸を支持するための磁気軸受と、
前記磁気軸受と前記回転軸との相対変位を検出するための変位センサと、
前記変位センサの検出結果と前記相対変位の目標値との偏差に基づいて、前記磁気軸受のコイルへの供給電流を制御するように構成されたコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、前記状態量センサの検出結果に基づいて前記コントローラにおける制御パラメータを調節するように構成される。
【０００７】
上記（１）の構成によれば、磁気軸受と回転軸の相対変位に基づくフィードバック制御の制御パラメータを、圧縮機に流入する採掘ガスの状態量に基づいて調節するようにした。すなわち、磁気軸受と回転軸との相対変位に基づくフィードバック制御において、圧縮機に実際に流入する前の採掘ガスの状態量の変化による励振力の変化を当該採掘ガスの圧縮機への到達に先立って考慮して制御パラメータを調節するので、制御パラメータを補正しない場合に比べて、磁気軸受の制御の追従性が良好となる。
【０００８】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記変位センサは、
前記回転軸に直交する面内における第１方向の前記相対変位を検出するための第１センサと、
前記第１方向に直交する前記面内における第２方向の前記相対変位を検出するための第２センサと、
を含み、
前記磁気軸受は、
前記回転軸に対して印加される前記第１方向の電磁力を調節するための第１コイルと、
前記回転軸に対して印加される前記第２方向の電磁力を調節するための第２コイルと、
を含み、
前記コントローラは、
少なくとも、前記第１センサの検出結果と前記第１方向の前記相対変位の目標値との第１偏差に基づいて、前記第１コイルへの供給電流を制御し、且つ、
少なくとも、前記第２センサの検出結果と前記第２方向の前記相対変位の目標値との第２偏差に基づいて、前記第２コイルへの供給電流を制御する
ように構成される。
上記（２）の構成によれば、第１方向と、第１方向に直交する第２方向のそれぞれにおける磁気軸受と回転軸の相対変位に基づく磁気軸受のストレート制御において、制御パラメータを、圧縮機に流入する採掘ガスの状態量に基づいて調節するようにした（上記（１）参照）。すなわち、圧縮機に実際に流入する前の採掘ガスの状態量の変化による励振力の変化を当該採掘ガスの圧縮機への到達に先立って考慮してストレート制御の制御パラメータを調節するので、磁気軸受の制御の追従性が良好となる。
【０００９】
（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、
前記コントローラは、
前記第１偏差の微分値と第１微分ゲインＫｄ１との積に基づいて前記第１コイルへの供給電流を制御し、且つ、前記第２偏差の微分値と第２微分ゲインＫｄ２との積に基づいて前記第２コイルへの供給電流を制御するとともに、
前記状態量センサの検出結果に基づいて前記第１微分ゲインＫｄ１および前記第２微分ゲインＫｄ２を調節するように構成される。
上記（３）の構成によれば、第１方向と、第１方向に直交する第２方向のそれぞれにおける磁気軸受と回転軸の相対変位に基づく磁気軸受のストレート制御において、制御パラメータのうち微分ゲインを、圧縮機に流入する採掘ガスの状態量に基づいて調節するようにした。これにより、圧縮機に実際に流入する前の採掘ガスの状態量の変化による励振力の変化を当該採掘ガスの圧縮機への到達に先立って考慮して、採掘ガスの状態量に応じた減衰を付加することができ、回転軸の軸振動を効果的に抑制することができる。よって、磁気軸受の制御の追従性が良好となる。
【００１０】
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、
前記変位センサは、
前記回転軸に直交する面内における第１方向の前記相対変位を検出するための第１センサと、
前記第１方向に直交する前記面内における第２方向の前記相対変位を検出するための第２センサと、
を含み、
前記磁気軸受は、
前記回転軸に対して印加される前記第１方向の電磁力を調節するための第１コイルと、
前記回転軸に対して印加される前記第２方向の電磁力を調節するための第２コイルと、
を含み、
前記コントローラは、
少なくとも、前記第２センサの検出結果と前記第２方向の前記相対変位の目標値との第２偏差に基づいて、前記第１コイルへの供給電流を制御し、且つ、
少なくとも、前記第１センサの検出結果と前記第１方向の前記相対変位の目標値との第１偏差に基づいて、前記第２コイルへの供給電流を制御する
ように構成される。
圧縮機においては、流体のクロスばね効果によって、回転軸の振れ回り振動が励起される場合がある。このような場合、磁気軸受のクロス制御によって回転軸の振れ回り振動を抑制することが考えられる。
上記（４）の構成によれば、第１方向と、第１方向に直交する第２方向のそれぞれにおける磁気軸受と回転軸の相対変位に基づく磁気軸受のクロス制御において、制御パラメータを、圧縮機に流入する採掘ガスの状態量に基づいて調節するようにした（上記（１）参照）。すなわち、圧縮機に実際に流入する前の採掘ガスの状態量の変化による励振力の変化を当該採掘ガスの圧縮機への到達に先立って考慮してクロス制御の制御パラメータを調節するので、磁気軸受の制御の追従性が良好となる。
【００１１】
（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の構成において、
前記コントローラは、
前記第２偏差と第１クロスゲインＫｐｃ１との積に基づいて前記第１コイルへの供給電流を制御し、且つ、前記第１偏差と第２クロスゲインＫｐｃ２との積に基づいて前記第２コイルへの供給電流を制御するとともに、
前記状態量センサの検出結果に基づいて前記第１クロスゲインＫｐｃ１および前記第２クロスゲインＫｐｃ２を調節する
ように構成される。
上記（５）の構成によれば、第１方向と、第１方向に直交する第２方向のそれぞれにおける磁気軸受と回転軸の相対変位に基づく磁気軸受のクロス制御において、制御パラメータのうち比例ゲインを、圧縮機に流入する採掘ガスの状態量に基づいて調節するようにした。これにより、圧縮機に実際に流入する前の採掘ガスの状態量の変化による励振力の変化を当該採掘ガスの圧縮機への到達に先立って考慮して、採掘ガスの状態量に応じてフィードバック制御における流体ばねの剛性を調整することができ、回転軸の軸振動を効果的に抑制することができる。よって、磁気軸受の制御の追従性が良好となる。
【００１２】
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（５）の何れかの構成において、
前記圧縮機には、採掘現場と前記圧縮機との間に位置する気液分離器を通過した前記採掘ガスの気体成分が選択的に流入するように構成されており、
前記状態量センサは、前記気液分離器の下流側且つ前記圧縮機の上流側に設けられ、前記採掘ガスの前記気体成分の前記状態量を検出するように構成される。
採掘現場にて採掘された採掘ガスは、気体成分と液体成分が混合した気液混合流体である場合がある。上記（６）の構成によれば、採掘ガスのうち、圧縮機に導入されて、回転軸に作用する励振力に影響を及ぼす気体成分の状態量に基づいてフィードバック制御（例えば、ストレート制御やクロス制御）における制御パラメータを調節するようにしたので、磁気軸受の制御の追従性が良好となる。
【００１３】
（７）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（６）の何れかの構成において、
前記状態量センサは、前記採掘ガスの密度又は圧力の少なくとも一方を検出するように構成される。
圧縮機に導入される採掘ガスの密度や圧力に応じて、圧縮機の回転軸に作用する励振力は変化する。上記（７）の構成によれば、採掘ガスの密度又は圧力の少なくとも一方に基づいてフィードバック制御における制御パラメータを調節するようにしたので、磁気軸受の制御の追従性が良好となる。
【００１４】
（８）本発明の少なくとも一実施形態に係る採掘ガス圧縮システムは、
採掘ガスを昇圧するための圧縮機と、
前記圧縮機の回転軸を支持するように構成された上記（１）〜（７）の何れかの構成の軸受システムと、を備える。
【００１５】
上記（８）の構成によれば、磁気軸受と回転軸の相対変位に基づくフィードバック制御の制御パラメータを、圧縮機に流入する採掘ガスの状態量に基づいて調節するようにした。すなわち、磁気軸受と回転軸との相対変位に基づくフィードバック制御において、圧縮機に実際に流入する前の採掘ガスの状態量の変化による励振力の変化を当該採掘ガスの圧縮機への到達に先立って考慮して制御パラメータを調節するので、制御パラメータを補正しない場合に比べて、磁気軸受の制御の追従性が良好となる。
【００１６】
（９）本発明の少なくとも一実施形態に係る採掘ガス圧縮機の磁気軸受制御方法は、
採掘ガスを昇圧するための圧縮機の回転軸を支持するための磁気軸受の制御方法であって、
前記圧縮機に流入する前記採掘ガスの状態量を検出する状態量検出ステップと、
前記磁気軸受と前記回転軸との相対変位を検出する変位検出ステップと、
前記変位検出ステップにおける検出結果と前記相対変位の目標値との偏差に基づいて、前記磁気軸受のコイルへの供給電流を制御する電流制御ステップと、
を備え、
前記電流制御ステップでは、前記状態量検出ステップにおける検出結果に基づいて、前記偏差に基づく前記供給電流の制御パラメータを調節する。
【００１７】
上記（９）の方法によれば、磁気軸受と回転軸の相対変位に基づくフィードバック制御の制御パラメータを、圧縮機に流入する採掘ガスの状態量に基づいて調節するようにした。すなわち、磁気軸受と回転軸との相対変位に基づくフィードバック制御において、圧縮機に実際に流入する前の採掘ガスの状態量の変化による励振力の変化を当該採掘ガスの圧縮機への到達に先立って考慮して制御パラメータを調節するので、制御パラメータを補正しない場合に比べて、磁気軸受の制御の追従性が良好となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、磁気軸受の制御の追従性が良好な採掘ガス圧縮機の軸受システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】一実施形態に係る採掘ガス圧縮システムの全体構成を示す概略図である。
【図２】一実施形態に係る圧縮機の構成を示す概略図である。
【図３】一実施形態に係る採掘ガス圧縮機の軸受システムにおける磁気軸受の制御の概要を示す図である。
【図４】一実施形態に係る採掘ガス圧縮機の軸受システムにおけるストレート制御とクロス制御を説明するための図である。
【図５】一実施形態に係る採掘ガス圧縮機の軸受システムのブロック線図である。
【図６】一実施形態に係る採掘ガス圧縮機の軸受システムのブロック線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２１】
図１は、一実施形態に係る採掘ガス圧縮システムの全体構成を示す概略図であり、図２は、一実施形態に係る圧縮機の構成を示す概略図である。図１に示すように、採掘ガス圧縮システム１は、採掘現場２６で採掘された採掘ガスを昇圧するための圧縮機４と、圧縮機４の回転軸３を支持するように構成された軸受システム２と、を備える。圧縮機４で圧縮する採掘ガスは、採掘現場２６にて、地下や海底に存在する資源層２８（例えばガス層や油層等）から採掘される。圧縮機４の上流側には気液分離器２４が設けられており、採掘現場２６で採掘された採掘ガスは気液分離器２４にて気体成分と液体成分とに分離される。圧縮機４には、気液分離器２４で分離された気体成分が供給されて、この気体成分が圧縮機４によって昇圧されるようになっている。
【００２２】
図２に示すように、圧縮機４は、回転軸３と、回転軸３に取り付けられたインペラ５と、回転軸３及びインペラ５を収容するとともにガスを流す流路３８を形成するケーシング３２と、を含む。回転軸３は、中心軸Ｏの周りを回転可能にラジアル磁気軸受１０（１０Ａ，１０Ｂ）及びスラスト磁気軸受６によって支持される。また、ケーシング３２には、気体を圧縮機４に導入するための入口３４及び気体を圧縮機４の外部に排出するための出口３６が設けられる。
圧縮機４の入口３４から流入したガスは、回転軸３とともに回転するインペラ５を通過する際に遠心力により昇圧されて、出口３６から圧縮機４の外部に排出される。なお、圧縮機の入口３４及び出口３６は、ケーシング３２に形成される。
【００２３】
回転軸３を支持するための軸受システム２（図１及び図２参照）は、圧縮機４よりも上流側に設けられた状態量センサ９２と、圧縮機４の回転軸３を支持するための磁気軸受（６，１０）と、磁気軸受（８，１０）と回転軸３との相対変位を検出するための変位センサ（１０，２２）と、コントローラ１００と、を備える。
【００２４】
回転軸３を支持するための磁気軸受は、回転軸３の両端側に設けられるラジアル磁気軸受（１０Ａ，１０Ｂ）と、回転軸３の一端側に設けられるスラスト磁気軸受６とを含む。
【００２５】
ラジアル磁気軸受（１０Ａ，１０Ｂ）（以下において、まとめて「ラジアル磁気軸受１０」と記載することがある）は、電磁石（１５Ａ，１５Ｂ）（以下において、まとめて「電磁石１５」と記載することがある）と、電磁石１５を駆動するための電磁石ドライバ（不図示）とを含む。電磁石ドライバによって電磁石１５のコイルに励磁電流を与えると、電磁石１５が励磁されて電磁力生じる。ラジアル磁気軸受１０は、このように生じる電磁力によって回転軸３に対して径方向に沿った吸引力を作用させることで、回転軸３を浮上させて回転軸３のラジアル荷重を負担する。
【００２６】
スラスト磁気軸受６は、圧縮機４の回転軸３に設けられたスラストカラー８に対して磁力を作用させるための磁力生成部９を含む。
磁力生成部９は、スラストカラー８の側方に設けられる電磁石（７ａ，７ｂ）と、電磁石（７ａ，７ｂ）を駆動するための電磁石ドライバ（不図示）とを含む。電磁石ドライバによって電磁石（７ａ，７ｂ）のコイルに通電すると、電磁石（７ａ，７ｂ）が励磁されて電磁力が生じ、磁性体であるスラストカラー８に吸引力を作用させて、電磁石とスラストカラー８との間にギャップが形成されるようにスラストカラー８を浮上させる。このように、スラスト磁気軸受６は、回転軸３に設けられたスラストカラー８に対して磁力を作用させて回転軸３のスラスト荷重を受けるように構成される。
【００２７】
変位センサは、ラジアル磁気軸受（１０Ａ，１０Ｂ）と回転軸３との相対変位（すなわち、回転軸３の径方向における相対変位）を検出するための変位センサ（２０Ａ，２０Ｂ）（以下において、まとめて「変位センサ２０」と記載することがある）と、スラスト磁気軸受６と回転軸３との相対変位（すなわち、回転軸３の軸方向における相対変位）を検出するための変位センサ２２とを含む。
【００２８】
なお、以下においては、実施形態に係る「磁気軸受」及び「変位センサ」としてラジアル磁気軸受（１０Ａ，１０Ｂ）及び変位センサ（２０Ａ，２０Ｂ）について説明するが、他の実施形態においては、「磁気軸受」及び「変位センサ」は、スラスト磁気軸受６及び変位センサ２２であってもよい。
【００２９】
状態量センサ９２は、圧縮機４に流入する採掘ガスの状態量を検出するためのセンサである。
ここで、採掘ガスの状態量とは、その変化によって回転軸３励振力に影響を及ぼす状態量のことであり、例えば、採掘ガスの密度又は圧力を含む。
【００３０】
コントローラ１００は、変位センサ２０によって検出されるラジアル磁気軸受１０と回転軸３との相対変位と、該相対変位の目標値との偏差に基づいて、ラジアル磁気軸受１０のコイルへの供給電流を制御（フィードバック制御）するように構成される。
また、コントローラ１００は、以下で説明するように、状態量センサ９２によって検出された採掘ガスの状態量に基づいてコントローラ１００における制御パラメータ（例えば、ＰＩＤ制御におけるゲイン）を調節するように構成される。
【００３１】
以下、図３〜図７を用いて、幾つかの実施形態に係る圧縮機の磁気軸受制御について説明する。
【００３２】
図３は、一実施形態に係る採掘ガス圧縮機の軸受システムにおける磁気軸受の制御の概要を示す図である。
図３に示す採掘ガス圧縮機の軸受システム２において、変位センサ２０は、Ｘ方向におけるラジアル磁気軸受１０と回転軸３との相対変位（以降において、単に「相対変位」とも記載する）である変位ｘを検出するための第１変位センサ１６（第１センサ）と、Ｙ方向における相対変位である変位ｙを検出するための第２変位センサ１８（第２センサ）と、を含む。ここで、Ｘ方向は、回転軸３に直交する面内における方向（第１方向）であり、Ｙ方向は、回転軸３に直交する面内においてＸ方向（第１方向）に直交する方向（第２方向）である。
【００３３】
また、図３において、ラジアル磁気軸受１０は、回転軸３に対して印加されるＸ方向（第１方向）の電磁力を調節するための１対の第１コイル（１２Ａ，１２Ｂ）と、回転軸３に対して印加されるＹ方向（第２方向）の電磁力を調節するための１対の第２コイル１４（１４Ａ，１４Ｂ）とを含む。１対の第１コイル（１２Ａ，１２Ｂ）及び１対の第２コイル１４（１４Ａ，１４Ｂ）は、それぞれ、回転軸３を挟んで互いに対向するように配置されて、各対をなすコイルが回転軸３に対してＸ方向又はＹ方向において反対方向の吸引力を作用させるようになっている。
【００３４】
コントローラ１００は、第１変位センサ１６及び第２変位センサ１８からの検出信号を受け取って、第１方向における相対変位である変位ｘ及び第２方向における相対変位である変位ｙに基づいて、第１方向についての第１制御指令値及び第２方向についての第２制御指令値を算出して、第１制御指令値を第１電磁石ドライバ１１に出力し、第２制御指令値を第２電磁石ドライバ１３に出力するようになっている。
一実施形態では、第１制御指令値及び第２制御指令値は、第１電磁石ドライバ１１又は第２電磁石ドライバ１３から第１コイル１２又は第２コイル１４に与えられる励磁電流の指令値である。他の実施形態では、第１制御指令値及び第２制御指令値は、第１電磁石ドライバ１１又は第２電磁石ドライバ１３から第１コイル１２又は第２コイル１４に与えられる電圧の指令値であり、あるいは、第１電磁石ドライバ１１又は第２電磁石ドライバ１３によって第１コイル１２又は第２コイル１４に通電することによって生じる電磁力の指令値である。
【００３５】
図４は、一実施形態に係る採掘ガス圧縮機の軸受システムにおけるストレート制御とクロス制御を説明するための図である。
図４中のＧｄ１、Ｇｄ２、Ｇｃ１及びＧｃ２は、コントローラ１００の構成要素である。図４において、Ｇｄ１は、第１変位センサ１６の検出結果である変位ｘと、第１方向における相対変位の目標値との第１偏差に基づいて、第１コイル１２へ供給する電流を制御するための制御信号を演算するための、第１ストレート演算部１０２である。また、Ｇｄ２は、第２変位センサ１８の検出結果である変位ｙと、第２方向における相対変位の目標値との第２偏差に基づいて、第２コイル１４へ供給する電流を制御するための制御信号を算出するための、第２ストレート演算部１０４である。
第１ストレート演算部１０２で演算される制御信号に基づいて第１コイル１２へ電流を供給することにより、回転軸３に作用させる第１方向の電磁力Ｆｘｄを生じさせる。また、第２ストレート演算部１０４で演算される制御信号に基づいて第２コイル１４へ電流を供給することにより、回転軸３に作用させる第２方向の電磁力Ｆｙｄを生じさせる。
【００３６】
このように、コントローラ１００は、少なくとも、第１変位センサ１６の検出結果と第１方向の相対変位の目標値との第１偏差に基づいて、第１コイル１２への供給電流を制御し、且つ、少なくとも、第２変位センサ１８の検出結果と第２方向の相対変位の目標値との第２偏差に基づいて、第２コイル１４への供給電流を制御するように構成される。すなわち、第１方向における変位ｘに基づいて第１方向において回転軸に作用させる電磁力Ｆｘｄを生じさせるための制御信号を演算すること、及び、第２方向における変位ｙに基づいて第２方向において回転軸に作用させる電磁力Ｆｙｄを生じさせるための制御信号を演算すること、を含むストレート制御を行うように構成される。
【００３７】
図４において、Ｇｃ１は、第２変位センサ１８の検出結果である変位ｙと、第２方向における相対変位の目標値との第２偏差に基づいて、第１コイル１２へ供給する電流を制御するための第１クロス制御信号を演算するための、第１クロス演算部１０６である。また、Ｇｃ２は、第１変位センサ１６の検出結果である変位ｘと、第１方向における相対変位の目標値との第１偏差に基づいて、第２コイル１４へ供給する電流を制御するための第２クロス制御信号を算出するための、第２クロス演算部１０８である。
第１クロス演算部１０６で演算される第１クロス制御信号に基づいて第１コイル１２へ電流を供給することにより、回転軸３に作用させる第１方向の電磁力Ｆｘｃを生じさせる。また、第２クロス演算部１０８で演算される第２クロス制御信号に基づいて第２コイル１４へ電流を供給することにより、回転軸３に作用させる第２方向の電磁力Ｆｙｃを生じさせる。
【００３８】
このように、コントローラ１００は、少なくとも、第２変位センサ１８の検出結果と第２方向の相対変位の目標値との第２偏差に基づいて、第１コイル１２への供給電流を制御し、且つ、少なくとも、第１変位センサ１６の検出結果と第１方向の相対変位の目標値との第１偏差に基づいて、第２コイル１４への供給電流を制御するように構成される。すなわち、第２方向における変位ｙに基づいて第１方向において回転軸に作用させる電磁力Ｆｘｃを生じさせるための制御信号を演算すること、及び、第１方向における変位ｘに基づいて第２方向において回転軸に作用させる電磁力Ｆｙｃを生じさせるための制御信号を演算すること、を含むクロス制御を行うように構成される。
【００３９】
上述のように、ストレート制御及び／又はクロス制御を行うように構成されたコントローラ１００は、以下に説明するように、状態量センサ９２によって検出された採掘ガスの状態量に基づいてコントローラ１００における制御パラメータを調節するように構成される。
【００４０】
図５及び図６は、それぞれ、一実施形態に係る採掘ガス圧縮機の軸受システムのブロック線図である。図５は、上述したストレート制御を行う場合のブロック線図であり、図６は、ストレート制御に加えて、上述したクロス制御を行う場合のブロック線図である。
【００４１】
図５に示すブロック線図に沿って、一実施形態に係るストレート制御による磁気軸受の制御についてより詳細に説明する。なお、ストレート制御においては、第１方向の変位ｘに基づく第１方向に関する制御信号の演算と、第２方向の変位ｙに基づく第２方向に関する制御信号の演算とは同様の流れで行われるため、以下においては第１方向に関する演算についてのみ説明する。
【００４２】
図５に示す実施形態において、第１変位センサ１６から出力される検出信号（ラジアル磁気軸受１０と回転軸３との第１方向における相対変位である変位ｘを示す検出信号）は、コントローラ１００に送られる。コントローラ１００は、上述した第１ストレート演算部１０２のほかに第１ノイズカットフィルタ１１２を含み、上述した第１ストレート演算部１０２は第１位相補償フィルタ１１６を含む。
【００４３】
ノイズカットフィルタ１１２は、第１変位センサ１６から出力される検出信号におけるノイズを低減又は除去するためのものである。
また、位相補償フィルタ１１６は、必要に応じて（例えば、第１ストレート演算部１０２にて微分要素に関する演算を行わない場合に）、位相補償を行なって固有振動数に対応する不安定化力を減衰させるものである。
【００４４】
第１ストレート演算部１０２は、第１変位センサ１６から出力されて第１ノイズカットフィルタ１１２を通過した検出信号を受け取って、この検出信号の示すラジアル磁気軸受１０と回転軸３との第１方向の相対変位（変位ｘ）と、該相対変位の目標値との偏差に基づいて制御信号を演算する。この制御信号は、必要に応じて位相補償フィルタ２３を経て、第１方向についての第１制御指令値として第１電磁石ドライバ１１に出力される。
【００４５】
第１ストレート演算部１０２から出力された制御信号は、スラスト磁気軸受６において第１方向の電磁力を生成するための第１電磁石ドライバ１１に供給される。そして、この第１電磁石ドライバ１１によって第１コイル１２が励磁されることによって、回転軸３に作用する第１方向の電磁力（制御力Ｆｘ）が調整される。
【００４６】
以上の第１方向における電磁力の制御についての説明は、第２方向の電磁力（制御力Ｆｙ）の制御についてもそのまま当てはまる。
【００４７】
上述の制御や外力により生じるラジアル磁気軸受１０と回転軸３との相対変位は第１変位センサ１６及び第２変位センサ１８により再度検出され、その変位量に基づき第１コイル１２及び第２コイル１４に対して供給する励磁電流値を再演算して調整するというフィードバック制御により、ラジアル磁気軸受１０と回転軸３との第１方向及び第２方向における相対変位（変位ｘ及び変位ｙ）を目標値にするようにしている。
【００４８】
上述の第１ストレート演算部１０２及び第２ストレート演算部１０４は、第１変位センサ１６又は第２変位センサ１８によって検出されたラジアル磁気軸受１０と回転軸３との第１方向又は第２方向の相対変位（変位ｘ又は変位ｙ）と、該相対変位の目標値との偏差に基づいて、該偏差に比例した動作を演算する比例要素（Ｐ）、該偏差の時間積分に比例した動作を演算する積分要素（Ｉ）、及び、該偏差の時間的変化に比例した動作を演算する微分要素（Ｄ）を求め、これら要素と予め設定しておいたプロセス式とから、第１コイル１２又は第２コイル１４に対して供給する励磁電流値（第１制御指令値又は第２制御指令値）を算出する。
また、第１ストレート演算部１０２及び第２ストレート演算部１０４では、比例要素（Ｐ）、積分要素（Ｉ）、微分要素（Ｄ）の制御定数であるゲイン（Ｋｐ１、Ｋｉ１、Ｋｄ１）及び（Ｋｐ２、Ｋｉ２、Ｋｄ２）がそれぞれ設定されており、このゲインの設定値によって制御系の位相を調整して応答性を上げる又は下げることができる。
【００４９】
すなわち、コントローラ１００は、第１偏差の微分値と第１微分ゲインＫｄ１との積に基づいて第１コイル１２への供給電流を制御し、且つ、第２偏差の微分値と第２微分ゲインＫｄ２との積に基づいて第２コイル１４への供給電流を制御するように構成される。
【００５０】
一方、圧縮機４の上流側に設けられた状態量センサ９２の検出結果としての状態量（例えば密度など）は、採掘ガスの状態を示す信号としてコントローラ１００に送られる。そして、コントローラ１００の制御パラメータ演算部１１０では、この検出結果に基づいて、第１微分ゲインＫｄ１および第２微分ゲインＫｄ２を調節して、第１ストレート演算部１０２及び第２ストレート演算部１０４で制御信号の演算に用いる第１微分ゲインＫｄ１および第２微分ゲインＫｄ２を決定する。
【００５１】
上記実施形態では、第１方向と、第１方向に直交する第２方向のそれぞれにおけるラジアル磁気軸受１０と回転軸３の相対変位（変位ｘ及び変位ｙ）に基づくラジアル磁気軸受１０のストレート制御において、制御パラメータのうち微分ゲインを、圧縮機４に流入する採掘ガスの状態量に基づいて調節する。これにより、圧縮機４に実際に流入する前の採掘ガスの状態量の変化による励振力の変化を当該採掘ガスの圧縮機４への到達に先立って考慮して、採掘ガスの状態量に応じた減衰を付加することができ、回転軸３の軸振動を効果的に抑制することができる。よって、ラジアル磁気軸受１０の制御の追従性が良好となる。
【００５２】
図６に示すブロック線図に沿って、一実施形態に係るクロス制御を用いた磁気軸受の制御についてより詳細に説明する。なお、図６に示すブロック線図のうち、図５と重複する部分（例えば第１ストレート演算部１０２及び第２ストレート演算部１０４を用いて第１コイル１２又は第２コイル１４に対して供給する励磁電流値（第１制御指令値又は第２制御指令値）を算出する部分）については、説明を省略する。
【００５３】
図６に示す実施形態では、コントローラ１００は、第１クロス演算部１０６（Ｇｃ１）及び第２クロス演算部１０８（Ｇｃ２）を含む。
図６において、第１ストレート演算部１０２で演算された制御信号は、第１クロス演算部１０６で演算される第２偏差と第１クロスゲインＫｐｃ１との積に基づいて調節される。また、第２ストレート演算部１０４で演算された制御信号は、第２クロス演算部１０８で演算される第１偏差と第２クロスゲインＫｐｃ２との積に基づいて調節される。
また、コントローラ１００の制御パラメータ演算部１１０では、状態量センサ９２から受け取った検出結果を示す信号に基づいて、クロスゲインＫｐｃを調節するための調整量を算出し、第１クロス演算部１０６及び第２クロス演算部１０８に出力する。そして、第１クロス演算部１０６及び第２クロス演算部１０８では、該調整量に基づいて、第１クロスゲインＫｐｃ１及び第２クロスゲインＫｐｃ２を調節する。
【００５４】
上述のように、図６に示す実施形態では、第１方向と第２方向のそれぞれにおけるラジアル磁気軸受１０と回転軸３の相対変位（変位ｘ及び変位ｙ）に基づくラジアル磁気軸受１０のクロス制御において、制御パラメータのうち比例ゲインを、圧縮機４に流入する採掘ガスの状態量に基づいて調節するようにした。これにより、圧縮機４に実際に流入する前の採掘ガスの状態量の変化による励振力の変化を当該採掘ガスの圧縮機４への到達に先立って考慮して、採掘ガスの状態量に応じてフィードバック制御における流体ばねの剛性を調整することができ、回転軸３の軸振動を効果的に抑制することができる。よって、ラジアル磁気軸受１０の制御の追従性が良好となる。
【００５５】
一実施形態では、状態量センサ９２は、圧縮機４に流入する採掘ガスの密度又は圧力の少なくとも一方を検出するように構成される。
【００５６】
ここで、圧縮機４に流入するガスの密度又は圧力の変化が圧縮機４の軸振動に与える影響について説明する。圧縮機４の回転軸３の軸振動に対して不安定化作用を有する流体クロスばねＱＡは次式で表される。
【数１】
2016169773.tif 000003
ただし、上記式において、ＨＰ：インペラ動力、Ｂｃ，Ｃ：定数、Ｄｃ：インペラ外形、Ｈｃ：インペラ吐出幅、Ｎ：回転数、ρｄ：採掘ガスの出口密度、ρｓ：採掘ガスの入口密度、である。
上記式からわかるように、インペラ動力（ＨＰ）が増加すれば、流体クロスばねＱＡが増大する。圧縮機に流入するガスの密度又は圧力が増加することによりインペラ動力は増加するので、圧縮機に流入するガスの密度又は圧力が増加すれば、流体クロスばねＱＡが増大し、回転軸３に作用する不安定化力が増大する。
よって、状態量センサ９２によって、圧縮機４に流入する採掘ガスの密度又は圧力を計測し、これらの状態量の変化の大きさに応じて、クロスばねのゲインＫｐｃ（Ｋｐｃ１又はＫｐｃ２）を変化させる（圧縮機４に流入する採掘ガスの密度又は圧力が増加するほど、クロスばねのゲインＫｐｃを大きくする）ことで、回転軸３の軸振動を効果的に低減することができる。
【００５７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
【００５８】
本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【符号の説明】
【００５９】
１        採掘ガス圧縮システム
２        軸受システム
３        回転軸
４        圧縮機
５        インペラ
６        スラスト磁気軸受
８        スラストカラー
９        磁力生成部
１０      ラジアル磁気軸受
１１      第１電磁石ドライバ
１２      第１コイル
１３      第２電磁石ドライバ
１４      第２コイル
１５      電磁石
１６      第１変位センサ
１８      第２変位センサ
２０      変位センサ
２２      変位センサ
２３      位相補償フィルタ
２４      気液分離器
２６      採掘現場
２８      資源層
３２      ケーシング
３４      入口
３６      出口
３８      流路
９２      状態量センサ
１００    コントローラ
１０２    第１ストレート演算部
１０４    第２ストレート演算部
１０６    第１クロス演算部
１０８    第２クロス演算部
１１０    制御パラメータ演算部
【図１】
2016169773.tif 000004
【図２】
2016169773.tif 000005
【図３】
2016169773.tif 000006
【図４】
2016169773.tif 000007
【図５】
2016169773.tif 000008
【図６】
2016169773.tif 000009