こうえいフォーラム第１０号／２００２. １

揚水発電所向け補機用磁気軸受の開発
DEVELOPMENT OF CANNED PUMP WITH MAGNETIC BEARING FOR PUMPED STORAGE
POWER STATION

笠 謙新*・有田勇二*・林 秀彦*・芝野桂一郎**
Kenshin RYU , Yuji ARITA , Hidehiko HAYASHI and Keiichiro SHIBANOGrand packing and mechanical seal are widely adopted as a shaft seal of the general pumps
used for hydropower stations to prevent water leakage. As of bearings of pump and motor, ballbearings are generally used because of low cost. These mechanical elements, however,inevitably require the periodical maintenance to avoid their mechanical troubles through the life
span of pump and motor. Therefore, users especially of chemical plants are eager to have adeveloped pump free from the problem of maintenance and risk of the environment pollution.
At this time, an epoch-making pump and motor is developed realizing non-leak of shaft seals
and maintenance free of bearings. The pump structures of canned seal tube with active magnetic
bearings are capable of having seal-less and no contact bearing.
Key Words : auxiliary pump , hydro power station , seal , ball bearing , canned , active
magnetic bearing

１．は じ め に
従来、水力発電所に用いられているポンプは、ポンプと駆動用モータがベース上でカップリング接続されて回転駆ポンプモータは関西電力（株）奥吉野発電所の主軸封水加圧ポンプとして納入し実用運転開始後、約 1 年 6 ヵ月を経過し順調に運転を継続している。

動している。ポンプ内の流体はインペラの回転によって吐出されるが、ポンプ内の昇圧された流体が回転軸から漏洩

２．従来型ポンプの問題点することを防止するために、一般的にメカニカルシールま従来型ポンプモータはポンプ、モータがそれぞれ独立したはグランドパッキンが用いられている。また、軸受にはた構造となっており、軸連結はカップリングによって行わ汎用性が高く廉価なボールベアリングが使用されている。

れるため精密な据付調整が必要である。軸受はポンプ、モ

このようなポンプモータの故障またはメンテナンスのほとータそれぞれ 2 組のボールベアリングが用いられ、運転時

んどは、回転体との接触部品である軸シールおよび軸受部間、回転速度、軸振れおよび運転時の動的外力による軸振分に集中しており、寿命に応じて定期的な交換や日常的な動に応じた寿命があり、定期的な取替を要す。また、軸封点検が必要であることから、メンテナンスフリーのポンプ

水装置はメカニカルシールが用いられ、回転体に対し常時モータの開発に対する期待は、非常に大きい。特に人体お摺動することから、摩耗および配管中のスラリーに起因しよび環境に有害となる流体を取り扱う化学・薬品プラントたエロージョンによる流体漏洩が生じ、調整および取替が用ポンプでは、非常に有効なポンプとして位置付けられる。

必要である。

そこで、モータ回転軸の軸端部にポンプのインペラを直一般的なポンプモータの保護方法は、ポンプインペラ部接装着し、回転軸全体を磁気軸受で非接触浮上支持して流の異物などによる過剰負荷および軸受焼損時に発生するモ体中で回転させることにより、これらの問題を根本的に解ータ過電流検出によるサーマルリレーでのトリップのみで決できる画期的なポンプモータの開発を行った。完成したあり、運転時の異常監視は行われていない。表−１に従来型ポンプの特徴とメンテナンス性、また図−１に従来型ポ＊（株）日本工営横浜事業所 パワーソリューション部
日本工営横浜事業所 営業企画室＊＊ （株）

ンプモータ構造図を示す。

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揚水発電所向け補機用磁気軸受の開発

表−１ 従来型ポンプの特徴とメンテナンス性

図−２ ラジアル軸受の基本原理図
ボールベア
リング

三相交流電動機
ボールベアリング

カップカップリング
メカニカルシール

吐出制御回路は回転軸の位置を検出する変位センサの信号とポンプ制御基準位置を比較し、PID 制御により補償する信号処理部、信号をモニターする監視部、および信号処理部からの水流司令に応じてコイル電流を調整する増幅部によって構成されている。ここで用いた PID による軸受制御とは、基準ボールベアリング位置との偏差に比例する出力を出す比例動作（Proportionlaction:P動作）と、偏差の積分に比例する出力を出す積分動

図−１ 従来型ポンプモータ構造図

作（Integral action:I 動作）と、偏差の微分に比例する出力を出す微分動作（Derivative action:D動作）との総和による制御

３．磁気軸受を用いた密封型ポンプの開発要素方式である。モニタリングを行う監視部の機能として、軸（1）開発の概要

受に作用する荷重の変化や外乱の状況のリアルタイム表示

従来型ポンプの課題は軸封水部およびボールベアリングや運転状況の数値管理などが可能であり、最近では制御回の定期的なメンテナンスが必要となること、また、リアル路をディジタル化することにより小型化を図ると同時に、タイムな運転状態管理が不完全であることである。これら

通信機能を持たせ遠隔操作や監視が可能である。図−３にの課題に対する開発要素としては、以下の技術項目がある。

制御方式の基本構成図を示す。

①封水部を省略する方法としてキャンド（Canned）モータと呼ばれる完全密封型ポンプモータの構造とする②完全非接触軸受として磁気軸受を採用し、メンテナンスフリーと運転状態監視を行う
これらの項目の実現によって、従来型ポンプモータの課題を解決し、メンテナンス性および信頼性の高いポンプとなる。
（2）磁気軸受の原理
磁気軸受（Active Magnetic Bearing）は、相対する電磁石の磁気吸引力によって回転軸を吸引し、回転軸の位置に応じた電磁石の界磁電流を制御することで、完全な非接触状

図−３ 制御回路の基本構成（3）密封型モータ（キャンドモータ）の構造態で空中に保持する軸受である。軸受には回転体の静止荷

軸シールレスを行うことは、ポンプ内流体がモータ内エ重と運転時の動的荷重が作用した際に、軸ポジションと変アーギャップに侵入することになる。したがって、モータ位センサーの基準位置間に偏差が生じる。この偏差に応じは侵入した流体に対し電気的絶縁、防錆、圧力に対する機た磁気吸引力（コイル電流）を変化させ、変位センサーの基械的な保護が必要となる。

準位置に安定するよう制御する。図−２にラジアル軸受の基本原理図を示す。

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一般的にこれらの保護には二つの方法があり、簡便な方法として巻線には耐水線を用い、鉄心表面には塗料の塗布こうえいフォーラム第１０号／２００２. １

によって保護したモータがある。しかしこの方法は、流体

1）流体の循環による冷却作用摩擦により、絶縁物の摩耗および鉄心塗料の剥離による酸密封ポンプの大きな特徴の一つは、常時流体中で回転子化が発生しやすく、耐久性に問題がある。一方、確実な方が回転することである。したがって、流体と回転子外周に法としてモータ内径に肉薄の保護管を挿入し、缶（キャン）は摩擦が発生することから、流体がモータ内部で滞留しなによって回転子を包みこみ内部流体との隔離を行う密封型いよう循環経路を確保する必要がある。

モータ（キャンドモータ）がある。キャンドモータ用のキャ

流体の循環経路は図−４に示す通り、ポンプ吐出側の高ンには流体に対する防錆、耐圧が要求されるため、一般に圧力部からインペラ背面のシール部を通過し、モータエアステンレスが用いられ信頼性、耐久性に優れるが、モーターギャップおよび磁気軸受ギャップを通過して軸端まで到のギャップ磁束による渦電流損が増加し、キャン厚により達、その後軸中心に設けた循環用貫通穴によって、インペエアーギャップが大きくなって励磁電流が増加する欠点もラ低圧側に循環する経路となる。この流体の循環は、軸受ある。

やモータの発熱体である鉄心やコイルに密接した部分を通過するため、流体による内部の直接冷却となり高効率で熱４．磁気軸受型密封ポンプの設計交換される。

（1）磁気軸受型密封ポンプの定格

2）流体中の補助軸受ギャップ開発の対象としたポンプは、既設の揚水発電所の主機用磁気軸受を採用する場合には、万一の制御盤の故障や電主軸封水加圧用であることから、ポンプ定格は既設ポンプ源喪失時に機械的な損傷を防止する目的で補助軸受が必要と同一とした。モータは高速回転においても機器寿命に影である。補助軸受ギャップは磁気軸受エアーギャップの響がないという磁気軸受のメリットを生かし、かご型誘導50％程度に設定しており、通常運転時の軸は補助軸受とは電動機の 2 極（同期回転速度:3600r/min 60Hz）を採用した。

接触しないで回転している。

これによりモータの回転速度を既設の約 2 倍とし、小型化

この補助軸受ギャップは、通常のキャンドポンプに用いを図った。表−２にポンプモータの仕様比較表を示す。

られている水中軸受の約10倍程度であることから、液中のスラッジによるエロージョンは発生しにくく、メンテナン

表−２ ポンプモータ仕様表

ス周期を延ばすことが可能となる。
3）据付レベル調整
本ポンプは 1 軸上にインペラ、モータ、磁気軸受を構成していることから、内部点検時の分解は非常に容易となる。
また、非接触の磁気軸受では、従来の軸受のような片当りなどは発生しないため、装置の据付け傾斜の許容値は比較的大きくすることができ、精密なレベル調整は不要である。
したがって、回転機の熟練作業者による組立は不要で作業時間も短縮できる。

（2）磁気軸受型密封ポンプの構造と特徴
磁気軸受型密封ポンプの構造上の特徴は前述の通り、キ

表−３ 磁気軸受型密封ポンプの特徴とメンテナンス性ャンド化によるシールレスポンプであること、および磁気軸受を用いた完全非接触軸受であることの 2 点である。以下に、この構造を採用したことによる特徴について記載する。

図−４ 磁気軸受型密封ポンプ構造図

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揚水発電所向け補機用磁気軸受の開発（3）軸受容量

32ビット DSP によるディジタル PID 制御とセンサ信号

これまで当社が取り組んできた水車発電機への磁気軸受処理を行う。また、磁気軸受装置の状態監視も合わせて行適用で培ったノウハウに加え、回転子が水中で回転運動すう。図−６に軸受状態監視画面を示す。

る場合に発生する流体の粘性抵抗や回転子の見かけ上の慣軸受制御方式：ディジタル PID 制御性力を実験および数値解析によって求め、各軸受の設計荷入力/出力： 6 入力（ 5 センサ入力、1 予備）
7 出力重を表−４の通り設計した。

（ 5 アンプ制御指令、 2 バイアス電流指令）
表−４ 軸受の荷重設定

CPU：Motrola 683xx family processor
DSP ：Texas Instrument TMS 320C5xx family4）I / F ボード
接点情報と RS232C インターフェースで外部と情報交換を行う。

（4）軸受制御装置

状態表示接点

：1点

警報接点

：1点

ウォッチドック接点 ： 1 点

この密封ポンプモータに適用した磁気軸受は 5 つのイン

RS232Cインタフェース： 2 ポート

ダクタンス型変位センサと10個の軸受コイルをポンプモー
タ内に配置して、10個のアンプとディジタル PID コント

RS

232C I/F

LED

ローラで回転軸を 5 軸方向で制御する装置である。

I/F

軸受制御装置システムブロック図を図−５に示す。電源

AC/DC部のAC / DC変換ボード、軸受制御部のディジタルコント
ロールボード、電流増幅部のアンプボード、外部入出力部の I /F（インタフェース）ボード、計 4 枚の基板で構成され

400V

60Hz

400V

60Hzている。基板の大きさはそれぞれ200mm×110ｍｍとなっており、コンパクトな制御装置構成が可能となる。以下にそれぞれの概略仕様を示す。
1）AC / DC変換ボード
既設ポンプモータを交換するときの便宜を考慮して、磁図−５ 軸受制御装置システムブロック図

気軸受駆動電源はモータと同じ電源を使用できるものとした。
入力電圧：AC400、AC200V
出力電圧：DC150V DC24V DC8V ±DC15V
入力容量：500 VA2）アンプボード
PWM方式アンプで 1 ボードで10出力を行う。
搭載アンプ数：10個

各アンプ出力電流値：0 〜 4 A
内部DC電源：DC150 V
図−６ 軸受状態監視画面

スイッチング周波数：40 kHz
短絡保護：個々のアンプ（出力端子間、各出力端子とアース間）（5）軸受調整
磁気軸受型密封ポンプモータの回転軸を安定した位置制

3）コントロールボード

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御する場合、空気中の状態とモータポンプ内が流体で充たこうえいフォーラム第１０号／２００２. １

されている 2 つの状態を満足する伝達関数が必要となってくる。今回、回転軸を空気中での制御状態から、流体で充たされた環境に変化させた場合、軸受剛性が不足して不安

５．現 地 試 験完成した磁気軸受型密封ポンプを写真−３に示す。以下に、現地での試験結果を記す。

定な状態となる。これは、回転子が空中より水中の方が水の抵抗で動かし難くなるからで、制御パラメータを設定する場合に以下の内容を考慮に入れて調整を行う必要があ（1）軸受変位量
現地試験時のインペラ側ラジアル軸受変位オービット図を図−７に示す。中心の楕円は軸中心の実軌道を示し、外る。
①回転子に荷重が付加される

周円は設計許容変位限界を示す。実負荷運転時における最②負の軸受剛性が増加する

大変位量は両振幅（P−P）値で約50μmとなり、許容変位量

そこで、PID 制御パラメータを空気中の約 5 倍程度の軸である補助軸受ギャップ値（P−P値：250μm）に対し約 5受剛性に調整を行い、安定した制御状態を構築することが倍の裕度を有し、非常に安定した軸受制御が得られた。

出来た。
（6）軸受製作
写真−１、写真−２は当社工場内で製作中のラジアル軸受およびスラスト軸受を示す。
ラジアル軸受はコイル絶縁樹脂硬化後に直列接続、各コイル口出し線および温度センサーを装着した状態である。
スラスト軸受は鉄心にコイルを挿入して位置調整した状態であり、この後、鉄心内ギャップに樹脂を充填し硬化させている。

図−７ ラジアル軸受運転時変位量（2）負荷ヒートラン
実負荷運転時の負荷ヒートラン試験における各部の温度上昇値を図−８に示す。各軸受コイルの平衡温度はスラスト軸受で46℃、ラジアル軸受は49℃となりモータ内部を循環する水による冷却効果が非常に有効であることが確認で
写真−１ ラジアル軸受

きた（水温：11.5℃ 室温：16℃）。
この結果から、年間を通して比較的低温で温度変化の少Th1

写真−２ スラスト軸受

Th2

図−８ 負荷ヒートラン試験結果

131揚水発電所向け補機用磁気軸受の開発

写真−３ 磁気軸受型密封ポンプ完成写真

図−９ 保守監視システム概念図

ない流体用ポンプにおいては、軸受コイルの電流密度を更単純比較では約2.5倍のコスト増となった。今後、民間企に高密度設計することが可能であり、更なる小型化が図れ業への営業展開を図るには、コストダウンは必要不可欠でる見通しを得た。

あり、部品レベルでの簡素化や製作工法の改善および量産効果によるコストダウンが課題である。

６．今後の課題および展望

2）適用分野の開拓（1）技術的課題

磁気軸受型密封ポンプのメリットを最大限に生かせる適実用開発したポンプには、以下の技術的な 3 課題があり用分野は化学･薬品･食品プラントや高価流体用ポンプであ今後の機種開発にはこれらの解決が必要となる。

り、これらのアプリケーションにおける潜在的ニーズは非1）ポンプモータの総合効率改善

常に高い。従来の電力会社中心の営業範囲を拡大し、石磁気軸受型密封ポンプは従来型のポンプと比べ、前述の油･化学･薬品プラント会社へのアプローチが必要となる。

モータエアーギャップ、キャンによる渦電流、内部流体摩擦によって若干効率が低い。ポンプ構造、モータ形状および電気特性の最適値を解析し、総合効率の改善を行う必要（3）今後の展望
大規模発電所や化学プラントではポンプなど補機ならずがある。

送風ファン、圧縮機などへの展開を図ることも可能である。

2）間接冷却方式の検討

このようなプラントで複数台の補機管理を行う場合は、磁化学プラントに用いる密封ポンプでは、流体温度が常温気軸受制御盤の監視機能を用い運転状態および軸受状態の（40℃）以上の適用が考えられ、この場合は流体によるモリアルタイム状態管理が行える集中管理システムによってータおよび軸受の直接冷却効果を期待することはできな遠隔での機器運転管理を行うことが可能である。図−９にい。他の冷却方式による冷却構造と熱解析による効果的なはそのシステム概念図を示した。またさらに当社が顧客に冷却方法の検討が必要である。

代り運転管理を行う、運転管理代行業務への発展も可能で3）設計の標準化ある。

磁気軸受型密封ポンプは汎用の化学･薬品ポンプとして販売促進することが望ましく、製品機種の多様化が必要である。部品の共有やコストダウンを志向した標準設計化を行い、顧客ニーズに応じた供給体制の確立が必要である。
（2）営業および経済的課題
1）コストダウン
軸受および制御装置の開発コストのために、従来機との132

参考文献
１）須郷康史：技術士会、最近の磁気軸受アプリケーション動向、技術