(57)【要約】【課題】磁気軸受を有する回転機械の起動方法において、磁気軸受に電力を供給する電源装置の電流容量を低減する。【解決手段】回転軸６と、永久磁石を備えたロータと、ステータとを有する電動機と、周方向に間隔をあけて配置された複数のコイル２８を有し、コイル２８に通電することにより回転軸６を非接触状態で支持する磁気軸受１１と、危急軸受１３と、を有する回転機械の起動方法であって、複数のコイル２８のうち、下方に配置されている一のコイル２８ａに最も大きな電流を流す通電工程と、最も大きな電流を流すコイルを、一のコイルに隣接、かつ、一のコイルよりも上方に配置されている二のコイル２８ｂに変更するコイル変更工程と、回転軸６が危急軸受１３の内周面に接触し、かつ、回転軸６が最も高くなる位置まで、最も大きな電流を流すコイルの変更を繰り返す連続変更工程と、を含む回転機械の起動方法を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
永久磁石を備えて前記回転軸の外周面に固定されたロータと、前記ロータに対向して配置されたステータとを有する電動機と、
周方向に間隔をあけて配置された複数のコイルを有し、前記コイルに通電することにより前記回転軸を非接触状態で支持する磁気軸受と、
前記磁気軸受の非作動時に前記回転軸を支持する危急軸受と、を有する回転機械の起動方法であって、
前記複数のコイルのうち、下方に配置されている一のコイルに最も大きな電流を流す通電工程と、
最も大きな電流を流すコイルを、前記一のコイルに隣接、かつ、前記一のコイルよりも上方に配置されている二のコイルに変更するコイル変更工程と、
前記回転軸が前記危急軸受の内周面に接触し、かつ、前記回転軸が最も高くなる位置まで、最も大きな電流を流すコイルの変更を繰り返す連続変更工程と、を含む回転機械の起動方法。
【請求項２】
前記連続変更工程の後に、
前記複数のコイルのうち下方に配置されている複数のコイルに流す電流を徐々に大きくするとともに、上方に配置されている複数のコイルに流す電流を徐々に小さくして、回転軸を回転中心に移動させる位置移動工程を含む請求項１に記載の回転機械の起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気軸受を備える回転機械の起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ターボ冷凍機に適用されるターボ圧縮機のような回転機械において、電動機のロータが固定された回転軸を磁気軸受により支持している構造が知られている（例えば特許文献１参照）。磁気軸受は、複数の電磁石コイルを備えており、回転軸を電磁石コイルの吸引力によって支持する。磁気軸受を有する回転機械は、磁気軸受の停止時や異常時に回転軸を支持する軸受である危急軸受（補助軸受、タッチダウン軸受）を設けるのが一般的である。
【０００３】
このような回転機械においては、磁気軸受の停止時では回転軸は自重により危急軸受に接触する。起動時では、磁気軸受を構成する複数の電磁石コイルのうち、鉛直方向上側の電磁石コイルに大きな電流を流すことによって、回転軸を吸引浮上させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２３１８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ビルトインタイプの永久磁石電動機を有する回転機械の場合、磁気軸受の停止時においては、回転軸には回転軸の自重に加えて永久磁石による吸引力が働く。横置きの回転軸の場合、回転軸の自重と永久磁石による吸引力は、いずれも鉛直方向下向きに働く。
起動時では、回転軸の自重と永久磁石による吸引力とに打ち勝つ吸引力を発生させるために、複数の電磁石コイルのうち鉛直方向上側の電磁石コイルに更に大きな電流を流す必要がある。これにより、磁気軸受に電力を供給する電源の電流容量を大きくする必要が生じる。
【０００６】
この発明は、磁気軸受に電力を供給する電源装置の電流容量を低減することができる回転機械の起動方法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】
【０００７】
本発明の第一の態様によれば、回転機械の起動方法は、回転軸と、永久磁石を備えて前記回転軸の外周面に固定されたロータと、前記ロータに対向して配置されたステータとを有する電動機と、周方向に間隔をあけて配置された複数のコイルを有し、前記コイルに通電することにより前記回転軸を非接触状態で支持する磁気軸受と、前記磁気軸受の非作動時に前記回転軸を支持する危急軸受と、を有する回転機械の起動方法であって、前記複数のコイルのうち、下方に配置されている一のコイルに最も大きな電流を流す通電工程と、最も大きな電流を流すコイルを、前記一のコイルに隣接、かつ、前記一のコイルよりも上方に配置されている二のコイルに変更するコイル変更工程と、前記回転軸が前記危急軸受の内周面に接触し、かつ、前記回転軸が最も高くなる位置まで、最も大きな電流を流すコイルの変更を繰り返す連続変更工程と、を含む。
【０００８】
このような構成によれば、回転軸を浮上させる際に、下方に配置されている回転軸を危急軸受に沿わせて鉛直方向最上部まで持ち上げる構成とした。
これにより、回転軸を鉛直方向最下部から直接的に、正規の浮上位置に持ち上げる場合と比較して、より小さな電流で回転軸を浮上させることができる。
即ち、回転軸を鉛直方向最下部から直接的に、正規の浮上位置に持ち上げる場合は、上方のコイルに、回転軸とロータの自重、及びロータの永久磁石による吸引力に打ち勝つ吸引力を発生させる必要がある。
一方、本発明の起動方法によれば、回転軸を危急軸受に沿わせながら鉛直方向最上部まで持ち上げる。これにより、コイルに大きな電流を流すことなく回転軸を移動させることができ、ラジアル磁気軸受に電力を供給する電源装置の電流容量を低減することができる。
【０００９】
上記回転機械の起動方法において、前記連続変更工程の後に、前記複数のコイルのうち下方に配置されている複数のコイルに流す電流を徐々に大きくするとともに、上方に配置されている複数のコイルに流す電流を徐々に小さくして、回転軸を回転中心に移動させる中心移動工程を含んでよい。
【００１０】
このような構成によれば、回転軸を正規の浮上位置に移動させる際に、永久磁石による吸引力と、回転軸とロータの自重とが打ち消し合う向きに働くため、コイルに大きな電流を流すことなく回転軸を移動させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、回転軸を危急軸受に沿わせながら鉛直方向最上部まで持ち上げる。これにより、コイルに大きな電流を流すことなく回転軸を移動させることができ、ラジアル磁気軸受に電力を供給する電源装置の電流容量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態のターボ圧縮機の全体構成図である。
【図２】本発明の実施形態のターボ圧縮機のラジアル磁気軸受の概略構成図である。
【図３】本発明の実施形態のターボ圧縮機の起動方法を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態のターボ圧縮機の起動方法を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態の回転機械であるターボ圧縮機について図面を参照して詳細に説明する。
ターボ圧縮機は、ターボ冷凍機、ターボヒートポンプ等（以下、総称してターボ冷凍機という）に適用されるものであり、凝縮器、絞り装置、蒸発器と共に公知の冷凍サイクルを構成し、低圧の冷媒ガスを高圧の冷媒ガスに圧縮することによって冷凍サイクル内を循環させる機能を担うものである。
【００１４】
図１に示すように、ターボ圧縮機１は、内部空間を有するケーシング２と、永久磁石同期電動機５（以下、電動機と呼ぶ。）と、電動機５の駆動力により回転する回転軸６と、回転軸６を回転自在に支持する軸受装置１０と、回転軸６に固定された一段羽根車８及び二段羽根車９（以下、羽根車と呼ぶこともある。）と、軸受装置１０を制御する制御装置７と、を備える回転機械である。
なお、以下の説明において、回転軸６の軸線Ａが延びている方向を軸方向Ｄとする。また、軸線Ａに直交する方向を径方向とする。軸方向Ｄであって、電動機５を基準にして羽根車側を軸方向前側Ｄ１、電動機５を基準にして羽根車８，９とは反対の側を軸方向後側Ｄ２という。
【００１５】
電動機５、回転軸６、軸受装置１０、及び一段羽根車８、及び二段羽根車９は、ケーシング２の内部空間に配置されている。軸受装置１０は、第一ラジアル磁気軸受１１ａ及び第二ラジアル磁気軸受１１ｂ（以下、ラジアル磁気軸受１１と呼ぶこともある。）と、第一スラスト磁気軸受１２ａ及び第二スラスト磁気軸受１２ｂ（以下、スラスト磁気軸受１２と呼ぶこともある。）と、第一危急軸受１３ａ及び第二危急軸受１３ｂ（以下、危急軸受１３と呼ぶこともある。）と、を有している。
【００１６】
電動機５は、回転軸６の外周面に固定されたロータ１４と、ロータ１４に対向して配置されたステータ１６とを備えている。電動機５は、ケーシング２の電動機室３の中央部位に固定設置されている。ロータ１４には、永久磁石１５が埋め込まれている。永久磁石１５は、埋め込む方式に限らず、ロータ１４の表面に張り付ける方式としてもよい。
ステータ１６はケーシング２に固定されている。ステータ１６には、コイル（図示せず）が巻回されており、コイルに通電することにより磁束が発生する。
【００１７】
回転軸６は、ケーシング２の内部空間に横置きで設置されている。回転軸６の軸方向後側Ｄ２の端部には、スラストディスク１７が固定されている。第一スラスト磁気軸受１２ａと第二スラスト磁気軸受１２ｂとは、スラストディスク１７を挟んで、所定のギャップを介して対向配置されている。スラスト磁気軸受１２は、コイル２８に供給される電流により磁気吸引力を発生する。スラスト磁気軸受１２は、一対のスラスト磁気軸受１２間にスラストディスク１７を位置せしめることにより、回転軸６にかかるスラスト荷重を支持する。
【００１８】
第一ラジアル磁気軸受１１ａ及び第二ラジアル磁気軸受１１ｂは、電動機室３の内部にて、回転軸６を非接触状態で回転自在に支持する。第一ラジアル磁気軸受１１ａは、電動機５のロータ１４の軸方向前側Ｄ１に配置されている。第二ラジアル磁気軸受１１ｂは、電動機５のロータ１４の軸方向後側Ｄ２に配置されている。
第一危急軸受１３ａは、第一ラジアル磁気軸受１１ａの軸方向前側Ｄ１に配置されている。第二危急軸受１３ｂは、第二ラジアル磁気軸受１１ｂの軸方向後側Ｄ２に配置されている。危急軸受１３は、ラジアル磁気軸受１１が故障した場合や非作動時に回転軸６を支持する、補助軸受（ラジアル軸受）である。危急軸受１３の内径は、ラジアル磁気軸受１１の内径よりも小さい。
【００１９】
ケーシング２の圧縮室４には、一段羽根車８が配置された低段側圧縮部１８と、二段羽根車９が配置された高段側圧縮部１９とからなる二段圧縮機構が内蔵されている。二段圧縮機構は、吸入口から入口ベーン２１を介して吸込んだ低圧冷媒ガスを低段側圧縮部１８により圧縮し、その吐出ガスを高段側圧縮部１９により吸込み、高圧冷媒ガスに二段圧縮する。各々の羽根車８，９は、回転軸６の軸方向前側Ｄ１に直結され、電動機５によって回転駆動される。
一段羽根車８および二段羽根車９は、シュラウド２３，２４が各々の羽根車から分離され、それがケーシング２側に設けられた、いわゆるオープン型の羽根車である。
【００２０】
図２に示すように、ラジアル磁気軸受１１は、回転軸６と同心状に形成されている筒部２６と、筒部２６の径方向内側に突出する複数の突起２７と、各々の突起２７に巻回されているコイル２８（電磁石コイル）と、を有している。複数のコイル２８（突起２７）は、回転軸６の周方向に等間隔に設けられている。複数のコイル２８は、電源装置２２（ドライバ、図１参照）と接続されている。電源装置２２と制御装置７とは電気的に接続されている。
【００２１】
ラジアル磁気軸受１１は、回転軸６の外周面とコイル２８との距離を検出する変位センサ（図示せず）を有している。
ラジアル磁気軸受１１は、複数のコイル２８に通電することにより、互いに釣り合う方向の磁気力を吸引力として回転軸６に作用させて回転軸６を浮上支持する。
【００２２】
本実施形態のラジアル磁気軸受１１は、周方向に等間隔（９０°）に配置された第一コイル２８ａ、第二コイル２８ｂ、第三コイル２８ｃ、及び第四コイル２８ｄの四つのコイル２８を備えている。四つのコイル２８は、周方向において、第一コイル２８ａ、第二コイル２８ｂ、第三コイル２８ｃ、第四コイル２８ｄの順に配置されている。四つのコイル２８のうち第一コイル２８ａ及び第四コイル２８ｄは、回転軸６の下方に配置されている。第一コイル２８ａ及び第四コイル２８ｄは、筒部２６の最下部Ｐ１から周方向に４５°ずれた位置に配置されている。
四つのコイル２８のうち第二コイル２８ｂ及び第第三コイル２８ｃは、回転軸６の上方に配置されている。第二コイル２８ｂ及び第三コイル２８ｃは、筒部２６の最上部Ｐ２から周方向に４５°ずれた位置に配置されている。
コイル２８の数は、四つに限ることはなく、回転軸６及びロータ１４の重量などに応じて適宜変更することができる。
【００２３】
次に、本実施形態のターボ圧縮機１の起動方法について説明する。本実施形態のターボ圧縮機１の起動方法は、主に、ラジアル磁気軸受１１の制御方法である。制御装置７には、コイル２８の数及び位置、回転軸６やロータ１４の重量などに基づいて制御方法が記憶されている。また、以下に説明する制御方法においては、制御装置７は、第一ラジアル磁気軸受１１ａと第二ラジアル磁気軸受１１ｂを同時に、同様に制御する。
【００２４】
本実施形態のターボ圧縮機１の起動方法は、図３に示すように、複数のコイル２８のうち、下方に配置されている一のコイルである第一コイル２８ａに電流を流す通電工程Ｓ１と、電流を流すコイルを、第一コイル２８ａに隣接、かつ、第一コイル２８ａよりも上方に配置されている二のコイルである第二コイル２８ｂに変更するコイル変更工程Ｓ２と、回転軸６が危急軸受１３の内周面に接触し、かつ、最も高くなる位置まで、電流を流すコイル２８の変更を繰り返す連続変更工程Ｓ３と、回転軸６が正規の浮上位置（回転中心）で浮上するように制御する位置移動工程Ｓ４と、を含む。
回転軸６の正規の浮上位置とは、回転軸６の外周面と危急軸受１３（ラジアル磁気軸受１１）との間の隙間が周方向に一定となる位置である。
【００２５】
図４（ａ）に示すように、ラジアル磁気軸受１１の停止時では、回転軸６は、重力によって危急軸受１３の内周面に接触し、かつ、回転軸６が最も低くなる位置に位置する。回転軸６には、ロータ１４の自重Ｇ及びロータ１４（永久磁石１５）とステータ１６との間に働く磁力による吸引力Ｍの両方が作用する。
【００２６】
通電工程Ｓ１では、制御装置７は、第一コイル２８ａのみに電流を流す（ＯＮ状態とする。）ように電源装置２２を制御する。これにより、図４（ｂ）に示すように、回転軸６には、第一コイル２８ａ（電磁石コイル）の磁力による吸引力ＥＭが作用する。回転軸６は、危急軸受１３の内周面に接触し、かつ、第一コイル２８ａに最も近い位置に移動する。回転軸６は、危急軸受１３の内周面に沿いながら移動する。
ここで、制御装置７は、第一コイル２８ａのみに電流を流したが、これに限ることはない。例えば、相対的に他のコイル２８と比較して第一コイル２８ａに最も大きな電流を流せば、第二コイル２８ｂ及び第四コイル２８ｄにも通電してもよい。
【００２７】
コイル変更工程Ｓ２では、制御装置７は、第一コイル２８ａに隣接、かつ、第一コイル２８ａよりも上方に配置されているコイルである、第二コイル２８ｂのみに電流を流すように電源装置２２を制御する。即ち、電流を流すコイルをより上方のコイルに変更する。これにより、図４（ｃ）に示すように、回転軸６は、危急軸受１３の内周面に接触し、かつ、第二コイル２８ｂに最も近い位置に移動する。回転軸６は、危急軸受１３の内周面に沿いながら移動する。
ここで、制御装置７は、瞬間的に電流を流すコイルを変更する必要はない。例えば、徐々に第一コイル２８ａに流す電流を小さくするとともに、徐々に第二コイル２８ｂに流す電流を大きくしてもよい。
また、通電工程Ｓ１と同様に、制御装置７は、相対的に他のコイルと比較して第二コイル２８ｂに最も大きな電流を流せば、他のコイル２８にも通電してよい。
【００２８】
連続変更工程Ｓ３では、制御装置７は、回転軸６が危急軸受１３の内周面に接触し、かつ、回転軸６が最も高くなる位置まで、電流を流すコイルの変更を繰り返す制御を行う。本実施形態のラジアル磁気軸受１１は、四つのコイル２８を備えているため、第二コイル２８ｂに電流を流した後、第二コイル２８ｂ及び第三コイル２８ｃの両方に電流を流すことによって、図４（ｄ）に示すように、回転軸６は、最も高くなる位置に位置する。
【００２９】
位置移動工程Ｓ４では、制御装置７は、上方の第二コイル２８ｂ及び第三コイル２８ｃに流れる電流を徐々に小さくするとともに、下方の第一コイル２８ａ及び第四コイル２８ｄに流れる電流を徐々に大きくすることによって、回転軸６の位置を正規の浮上位置に移動させる。図４（ｅ）に示すように、制御装置７は、ロータ１４の自重Ｇを考慮して、上方の第二コイル２８ｂ及び第三コイル２８ｃによって作用する吸引力ＥＭｂ，ＥＭｃが、下方の第一コイル２８ａ及び第四コイル２８ｄによって作用する吸引力ＥＭａ，ＥＭｄよりもやや大きくなるように、電流を制御する。
これにより、回転軸６は、危急軸受１３の内周面に接触した状態から、危急軸受１３との間に周方向に一定の間隔を有するように下方へ移動する。
【００３０】
上記実施形態によれば、回転軸６を浮上させる際に、下方に配置されている回転軸６を危急軸受１３に沿わせて鉛直方向最上部Ｐ２まで持ち上げた後、正規の浮上位置に移動させる構成とした。
これにより、回転軸６を鉛直方向最下部Ｐ１から直接的に、正規の浮上位置に持ち上げる場合と比較して、より小さな電流で回転軸６を浮上させることができる。
【００３１】
即ち、回転軸６を鉛直方向最下部Ｐ１から直接的に、正規の浮上位置に持ち上げる場合は、上方のコイル２８（第二コイル２８ｂ、及び第三コイル２８ｃ）に、回転軸６とロータ１４の自重Ｇ、及びロータ１４の永久磁石１５による吸引力Ｍに打ち勝つ吸引力を発生させる必要がある。
一方、本実施形態の起動方法によれば、回転軸６を危急軸受１３に沿わせながら鉛直方向最上部Ｐ２まで持ち上げる。これにより、回転軸６を、コイル２８に大きな電流を流すことなく移動させることができ、ラジアル磁気軸受１１に電力を供給する電源装置２２の電流容量を低減することができる。
また、回転軸６を正規の浮上位置に移動させる際は、図４（ｅ）に示すように、永久磁石１５による吸引力Ｍと、回転軸６とロータ１４の自重Ｇとが打ち消し合う向きに働くため、コイル２８に大きな電流を流すことなく回転軸６を移動させることができる。
【００３２】
また、ラジアル磁気軸受１１に通電していない場合は、回転軸６が危急軸受１３によって支持される。これにより、ラジアル磁気軸受１１の非作動時に回転軸６がラジアル磁気軸受１１に接触することを防止することができる。
【００３３】
以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態はターボ圧縮機の起動方法であるが、永久磁石を備えたロータを有する電動機と磁気軸受とを有する回転機械であれば、上記起動方法は採用可能である。
また、磁気軸受を構成するコイルの数、スラスト磁気軸受の有無なども回転機械の使用などに応じて適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１  ターボ圧縮機（回転機械）
２  ケーシング
３  電動機室
４  圧縮室
５  電動機
６  回転軸
７  制御装置
８  一段羽根車
９  二段羽根車
１０  軸受装置
１１  ラジアル磁気軸受（磁気軸受）
１１ａ  第一ラジアル磁気軸受
１１ｂ  第二ラジアル磁気軸受
１２  スラスト磁気軸受
１２ａ  第一スラスト磁気軸受
１２ｂ  第二スラスト磁気軸受
１３  危急軸受
１４  ロータ
１５  永久磁石
１６  ステータ
１８  低段側圧縮部
１９  高段側圧縮部
２２  電源装置
２８  コイル
２８ａ  第一コイル
２８ｂ  第二コイル
２８ｃ  第三コイル
２８ｄ  第四コイル
Ｓ１  通電工程
Ｓ２  コイル変更工程
Ｓ３  連続変更工程
Ｓ４  位置移動工程
【図１】
2017147783.tif 000003
【図２】
2017147783.tif 000004
【図３】
2017147783.tif 000005
【図４】
2017147783.tif 000006