专利名称：磁性轴承和搭载其的旋转机械以及旋转机械的运转方法
技术领域：
本发明涉及磁性轴承和搭载其的旋转机械，特别是涉及当把直流无刷电动机作为驱动源时适当的磁性轴承和搭载其的旋转机械及其运转方法。
在由直流电动机所驱动的高速旋转机械中，为了防止从电刷产生的磨耗粉末等对工作气隙产生不良影响，以及为了延长维护周期，而大多使用无刷电动机。在无刷电动机中，需要使电动机的磁极位置与应流通的线圈的位置建立密切的关系。而另一方面，通过转子磁极产生的磁通与在定子线圈中流过的电流之间的相互作用来产生电动机的输出转矩。为此，在无刷直流电动机中，希望在处于由转子磁极产生的磁通成为最大的位置附近的相的线圈中流过电流。并且，在无刷直流电动机中，由于转子的磁极位置的旋转，而时时刻刻切换流过电流的相。这样，作为相切换的电流切换的定时对于最大转矩的产生是重要的，使用旋转位置传感器来检测转子的磁极位置。根据从该旋转位置传感器所得到的旋转位置信息，来制成驱动信号，以使电动机电流的基波相位与相感应电压同相，来控制电动机的运转。
为了得到正确的电流切换定时，旋转位置的信息是必要的，这为上述那样，但是，由通过永磁转子旋转而产生的感应电压能够得知转子的旋转位置，不需要特别设置旋转位置传感器。根据该方法，能够使电动机的旋转系统小型化，以及降低成本，由于这样的优点而提出了各种方案。其一例记载在日本专利公开公报特开平9-266690号、特开平9-56192号、特开平9-294391号、特开平10-23783号等中。
然而，出于不使用润滑油的优点，应使用磁性轴承来支撑高速涡轮压缩机的转子。在磁性轴承式的涡轮压缩机中，通过电磁力来使转子浮起而进行支撑，而在发生电磁力的主动型的磁性轴承中，为了控制转子位置而测定径向的位移。这样，使用该测定的径向位移来进行所谓的PID控制(把比例、积分、微分控制进行组合的控制)。
在这样来把磁性轴承搭载到旋转机械中时，在高速转子中，有时会多次超过危险速度来运转，转子的振动问题显现出来。特别是，在高速旋转中，抑制因不平衡所引起的振动是超过危险速度的关键。为此，在磁性轴承中产生与转子的旋转频率相一致的加振力，而作为对于不平衡力的配重力来起作用，使超过危险速度的运转成为可能。
在使用直流无刷电动机并由磁性轴承所支撑的旋转机械中，为了以更好的定时来进行电动机的电流切换，旋转位置信息是必要的，以住使用编码器和分析器等旋转位置传感器。然而，由于能够如上述那样使用感应电压来进行旋转位置检测，故近年来使用感应电压来对旋转位置信息谋求无传感器化。
例如，在120°通电型直流无刷电动机中，当在电动机电流不流的状态下使转子旋转时，通过永磁转子旋转而产生感应电压，该产生的感应电压原样地出现在电动机的线圈端子上。感应电压完全与转子的旋转同步。当对该感应电压进行积分时，得到相位从感应电压相位移动了90°的信号。当使用比较器来在该信号的过零点进行触发时，得到每隔180°进行ON/OFF、OFF/ON的脉冲信号。可以使用该信号作为旋转位置信号。这样的通电在无刷电动机具有的每个线圈即三相中实施。
接着，与上述旋转位置信号的ON/OFF同步发生电动机的驱动信号，来驱动电动机。理论上，可以用这样的方法来形成电动机的驱动信号，但是，当在电动机中电流流通时，由于电动机的电感成分，故端电压与感应电压的相位不是一致的。而且该相位差随电动机电流而变化。因此，根据电动机电流的强弱来校正旋转位置信号的相位。在无刷电动机中，通过这样的方法可以不需要旋转位置传感器，在上述各个公报中，详细记载了其具体的方法。
另一方面，在搭载磁性轴承的旋转机械中，特别是在超过危险速度而运转的高速的超临界的旋转机械中，就需要解决因超过危险速度而引起不平衡的振动。为此，当使用磁性轴承时，与转子的旋转速度相对应的数据是必要的，仍然需要使用旋转位置传感器或者旋转速度传感器用于磁性轴承控制系统。当在高速转子上新安装旋转角传感器时，转子的轴向长度变长，而发生危险速度的降低。因此，希望不新设置转数或旋转角传感器，加工与转子具有的旋转位移相关的信息来使用。但是，上述各公报中都未考虑这点，对于包含轴承部的旋转机械整体的小型化、高速化、廉价化和高可靠性化等，迄今仍未给予足够的注意。
鉴于上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供在由磁性轴承所支撑的高速旋转机械中不需要旋转位置传感器的廉价的磁性轴承和搭载其的旋转机械。
本发明的另一个目的是提供不需要旋转位置传感器而在振动力学上稳定的磁性轴承和搭载其的旋转机械。
本发明的又一个目的是提供不需要旋转位置传感器的长寿命高可靠性的磁性轴承和搭载其的旋转机械。
用于实现上述目的的本发明的第一方案是，提供一种磁性轴承，对由直流无刷电动机所驱动的转子进行旋转支撑，其特征在于，设置磁性轴承控制电路，根据电动机的感应电压来输入旋转位置信号，对该旋转位置信号进行分频来发生磁性轴承的控制信号。最好，直流无刷电动机具有三相线圈，使用该三相线圈的各线圈的端电压和流过各线圈的相电流值来得到上述感应电压，或者，上述直流无刷电动机具有三相线圈，从该电动机的各线圈的端电压和上述感应电压的相位差来得到上述旋转位置信号。
用于实现上述目的的本发明的第二方案是，提供一种旋转机械，包括转子和旋转驱动该转子的直流无刷电动机并搭载旋转自如地支承上述转子的一对径向磁性轴承，其特征在于，设置控制上述电动机的电动机控制电路、设在该电动机控制电路中来检测上述转子的旋转位置的装置、和根据该旋转位置信号而给上述磁性轴承施加控制电压的磁性轴承控制电路。
最好，上述电动机控制电路从上述电动机具有的三相线圈的端电压和流过该线圈的电动机相电流来求出端电压与感应电压的相位差，根据该相位差来输出旋转位置信号；或者，上述磁性轴承控制电路对从电动机控制电路所输出的旋转位置信号进行分频，在每个该分频的定时中给上述磁性轴承施加控制电压。最好，上述旋转位置信号在转子的每一个旋转周期中发生一次或者六次。
用于实现上述目的的本发明的第三方案是，提供一种旋转机械，具有带有永磁转子的直流无刷电动机的转子和安装在该转子的两轴端部上的离心叶轮，搭载有旋转自如地支撑上述转子的一对径向磁性轴承和推力磁性轴承，并包括控制这些径向磁性轴承和推力磁性轴承的磁性轴承控制装置，其特征在于，设置旋转位置检测装置，其根据在线圈中流过的线圈电流和线圈的端电压来求出在旋转驱动上述转子的三相线圈中所感应的感应电压，在转子的每一转中发生一个脉冲的信号，来作为旋转信号，同时，设置把该旋转位置检测装置发生的旋转信号输入到上述磁性轴承控制装置的装置。
用于实现上述目的的本发明的第四方案是，提供一种旋转机械的运转方法，该旋转机械由具有永磁转子的电动机所驱动，并由磁性轴承来旋转支撑上述转子，其特征在于，从永磁转子旋转而发生的电动机感应电压来得到与转子的旋转同步的脉冲信号，确定转子的旋转位置，在锁相环中对该脉冲信号进行分频，来更详细地确定旋转位置，使用与所确定的详细的旋转位置相对应的正弦函数和余弦函数来使上述磁性轴承产生轴承电磁力。
最好，包括使上述磁性轴承发生通过前馈来抵消作用在转子上的不平衡力的轴承电磁力的步骤，或者，包括使上述磁性轴承发生通过反馈来抵消作用在转子上的不平衡力的轴承电磁力的步骤。
本发明的这些和其他的目的、优点及特征将通过结合附图对本发明的实施例的描述而得到进一步说明。在这些附图中
图1是本发明的一个实施例的方框图；图2是搭载本发明所涉及的磁性轴承的旋转机械的一个实施例的纵截面图；图3是直流无刷电动机的驱动电路图；图4是说明直流电动机的感应电压与端电压的关系的图；图5是包括本发明所涉及的前馈型不平衡控制的径向磁性轴承控制系统的一个实施例的方框图；图6是包括本发明所涉及的反馈型不平衡控制的径向磁性轴承控制系统的一个实施例的方框图；图7是在本发明所涉及的磁性轴承的控制装置中使用的跟踪滤波器的一个实施例的方框图8是对应于在一转中得到六个脉冲的旋转位置信息这种情况的PLL电路的一个实施例的方框图。
在用于小流量的涡轮压缩机中，为了提高效率，必须高速旋转。为此，当在电动机上直接连接叶轮而成为一段或两段的压缩机时，电动机必然需要高速开关的变换器。作为高速的电动机，具有感应电动机、磁阻电动机或直流无刷电动机。其中，考虑到效率和功率因数，大多采用直流无刷电动机。为了支撑这样的高速旋转机械的转轴，气体轴承或磁性轴承是合适的，但是，在能够有效地抑制轴振动这点上，磁性轴承是优越的。
在直流电动机中，与永磁转子的磁极位置即N极和S极相配合，来切换导通电流的相，而得到转矩。从根本上讲，希望电动机电流的基波相位和通过转子旋转而发生的相感应电压是同相的。在带有电刷的电动机中，电流通过电刷而自动地进行切换，而具有控制电路简单的长处，但是，在电刷部上的滑动是不适合于高速旋转的，而存在维护性不好的短处。
另一方面，无刷电动机没有电刷，而是使用传感器来检测转轴的旋转位置，来切换导通电流的相。因此，没有滑动部。由于用于小流量的涡轮压缩机是高速旋转的，故大多采用无刷电动机。对于在无刷电动机中必要的旋转位置传感器来说，因高速工作，而要求转子侧部件具有足以耐受离心力的强度。在电动机轴端上安装了叶轮的压缩机特别是电动机轴两端上都安装了叶轮的两段压缩机中，不怎么希望轴的刚性的提高，因此，经常会在3次危险速度以上的条件下运转。要求在这样的离心压缩机中使用的磁性轴承能够抑制危险速度通过时的轴振动。
为了通过危险速度，只要发生消除不均衡力的轴承电磁力即可。为此，通过某种方法来求出不均衡力的大小和方向或相位。不均衡力是具有等于旋转频率的频率的周期外部干扰，因而把和该外部干扰成为反相位的正弦波加振命令加到磁性轴承的控制命令中。这是前馈型的不均衡振动抑制法。
不均衡力和不均衡振动位移的相位差一般在危险速度中为90°，因此，从径向的位移信号仅抽出旋转频率的频率成分，通过使其相位超前90°来进行反馈，就能抵消不均衡力。这是反馈型的不均衡振动抑制法。
为了进行90°的相位超前，在运算放大器等中形成微分器或相位超前电路。或者，交叉反馈测定径向位移的相互正交的传感器的传感器信号，而几何学地得到90°的相位超前。这是所谓的N交叉反馈。
此外，在支撑高速旋转的转子的磁性轴承中，为了使运转中的轴承电流降低，最近提出了降低旋转频率的频率成分的电流的措施。
在以上任一种方法中，转子的旋转频率是必须的，因此，需要采用任何一种方法来求出其。下面说明得到该旋转频率而控制磁性轴承的方法的基本思路。
在磁性轴承的不均衡振动控制中，必须配合转子的旋转位置来调整磁力(吸引力)，对不均衡力实施配重。通常，为了得到旋转位置的信息，安装旋转脉冲计来取得与转子的旋转同步的1脉冲/1转的脉冲信号，使用PLL逻辑来分割该信号，而得到高分辨率的旋转位置信号。如果使用该信号就能产生与旋转位置相对应的正弦波的磁力。这样，如果使该正弦波磁力相对于不平衡力为反相的，就能使不均衡振动减少。
在本发明中，不需要旋转脉冲计，使用从电动机的端电压得到的旋转位置信号作为磁性轴承的脉冲信号。由此，不需要磁性轴承专用的旋转位置传感器或者旋转速度传感器。而且，对电动机的端电压进行滤波来除去波纹成分，当在与零电位进行比较的比较器中通过时，得到占空比1∶1的脉冲信号，这是与转子的旋转同步的信号。使用PLL来把该信号进行分频，而使脉冲数增加，而成为高分辨率的旋转位置信号。对应于该高分辨率的旋转位置，来求出正弦函数和余弦函数，而构成磁性轴承的控制装置的不均衡控制系统。
根据以上本发明的基本思虑，下面使用附图来说明旋转机械的一个实施例。在图2中以纵截面图的形式表示了作为本发明所涉及的旋转机械的一个例子的2段离心压缩机的旋转部的细节。在2段的离心压缩机30中，在电动机41的转子31的两端部上直接安装第一段和第二段的离心叶轮32a、32b。在转子31的两离心叶轮32a、32b安装位置的内侧设置径向磁性轴承33a、33b，通过该径向磁性轴承33a、33b来可旋转地支撑转子31。在各个径向磁性轴承33a、33b上设置测定转子31的径向位移(X1，Y1)、(Xr，Yr)的径向传感器42a、42b。
在图2中，在位于右侧的第二段的离心叶轮32b侧的径向磁性轴承33b的轴向内侧，配置能够支承在该2段压缩机中发生的轴向推力的推力磁性轴承34a、34b，以便于夹住设在转子31上的推力板。对于该推力轴承，为了测定转子31的轴向位移Z，而设置推力传感器43。径向磁性轴承33a、33b分别被固定在轴承座35a、35b中，推力磁性轴承分别被固定在轴承架36a、36b中。
转子31在其中央部形成具有永磁转子40的电动机转子部，相对于该转子部具有微小的间隙来配置电动机定子37。由该电动机定子37和电动机转子部以及未图示的控制电路来构成无刷电动机41。电动机定子37被保持在安装于电动机外壳中的定子腔38中。
直接安装在转子31的两端部上的离心叶轮32a、32b是没有覆盖壁的开放覆盖叶轮，在各离心叶轮32a、32b的覆盖面与内壳38a、38b之间形成微小间隙。在径向磁性轴承33a、33b的轴向外侧配置辅助轴承39a、39b，以便于当磁性轴承未通电时防止转子31与定子部和外壳接触。在压缩机运转时，转子31通过径向磁性轴承33a、33b而浮起，这些辅助轴承39a、39b被旋转控制而不会与转子31相接触。在运转时，在辅助轴承39a、39b与转子31之间所形成的间隙小于电动机和径向磁性轴承33a、33b的气隙以及叶轮的覆盖隙。
径向传感器42a、42b和推力传感器43的输出被输入磁性轴承控制电路51，该磁性轴承控制电路51向各轴承输出控制径向磁性轴承33a、33b和推力磁性轴承34a、34b的电压。另一方面，电动机定子37的各相线圈的端电压被输入电动机控制电路52，驱动电动机的电流从电动机控制电路52输出给电动机转子。如下述那样，从电动机控制电路52向磁性轴承控制电路51输出控制信号。
下面对在上述那样构成的2段离心压缩机30中所使用的无刷电动机41进行详细描述。在图3中表示了三相直流无刷电动机41的一般驱动电路的一个例子。根据电动机的旋转位置或者负荷的大小，例如以120°通电方式来使电源开关ON/OFF，在a相、b相、c相的各相中流过电流。即，直流无刷电动机41的驱动部具有逆变器47、向该逆变器47指示通电切换的通电切换部46、为了发生通电切换信号而从在电动机41中所感应的电压检测出永磁转子40的圆周方向位置的位置检测电路45。逆变器47根据从通电切换部46所指示的向电动机各相绕组44a、44b、44c的通电切换定时，来使由开关晶体管和二极管组成的开关器件48a、48b、48c和开关器件49a、49b、49c动作。例如，在120°通电中，仅在转子31的旋转角为大致120°的区间中给a相绕组44a施加正电压，然后，在旋转角大致为60°的区间中停止给该a相的通电，然后，在大致120°的区间中施加负电压。此后，在大致60°的区间中停止通电。同样地向b相、c相进行通电。其中，向a相、b相、c相各相的通电定时分别每隔120°变化。这样来发生旋转磁场，来驱动无刷电动机41。
下面在图1中表示图3所示的位置检测电路45的细节。该图1以方框图来表示旋转位置检测功能。在该图中，根据直流无刷电动机41的端电压来生成磁性轴承用的旋转位置信号。
电动机的相端电压Va、Vb、Vc被输入设在每个相的积分器6，来进行积分。通过由该积分器6进行积分，使端电压Va、Vb、Vc的相位移动90°，同时，除去在脉宽调制(PWM)控制等产生的高次谐波的波纹成分，而成为近似于正弦波的信号。其中，当积分器6实施对全部信号成分进行积分的纯粹积分处理时，就会无意义地放大微小的DC电压。为了避免该缺陷，在积分器6中具有切除DC电压的高通滤波器。通过积分器6的信号在比较器7中与相端电压Va、Vb、Vc的中性电位Vn进行比较。由此，在过零点上得到进行通/断的占空比1∶1的脉冲信号。其中，占空比是ON与OFF的时间之比。该脉冲信号在每相中得到，分别相差120°。该脉冲信号作为旋转位置信息而供电动机和磁性轴承的控制使用。
另一方面，由于脉冲信号源于相位随电动机的相电流变化的相端电压，这样旋转位置脉冲信号与相端电压一起变化，不能确定电动机的旋转位置。因此，由电动机的相电流所进行的校正是必要的。使用图4来说明由相电流所进行的校正的方法。相端电压V由感应电压E0与相电流Im流过相电阻r和相电感L而产生的阻抗降的矢量和所表示。即，感应电压E0是相端电压V与阻抗降的矢量差。求出相端电压V和感应电压E0的相位差δ，通过从相端电压V的相位扣除该值来得到感应电压E0的相位即旋转角信息。
图1中的相位校正器8用来求出该相位差δ，根据相位差δ来校正旋转位置脉冲信号的相位。其结果，无论电动机电流值如何，都能得到感应电压与相位相一致的脉冲信号。在控制电动机电流的逆变器中，根据由相位校正器8进行了相位校正的旋转位置信号来实施开关器件的通电切换。
为了控制在磁性轴承系统中发生的某种不均衡振动，至少需要转子31的每一转输出一个脉冲的信号TT。相位校正器8可以准备适合于该磁性轴承的控制的信号。即，可以在磁性轴承的控制中使用进行了相位校正的三相脉冲信号中的一个来作为信号TT。
在磁性轴承的不均衡振动控制中，配合转子的旋转位置来调整磁力。因此，用PLL(锁相环)电路来对每一转输出一个脉冲的信号TT进行分频，而生成被分解得非常细的旋转位置信号。接着，在相位比较器9中，比较从相位校正器8得到的脉冲信号TT和计数器12的MSB(最高有效位)，来运算频率和相位的偏差。LPF(低通滤波器)10把从相位比较器9所输出的频率和相位的偏差进行平滑，在VCO(电压控制振荡器)11中起振与该LPF 10的输出电压相对应的信号。由VCO 11所振荡的信号在计数器12中进行计数，其最高有效位被反馈给相位比较器9。
这些与通常的PLL电路相同。但是，在计数器12中，每一转输出一个脉冲的信号TT被分割为计数器的位数。例如，如果计数器12是12位的计数器，则每一转输出一个脉冲的信号TT被分割为212＝4096个信号。
为了抑制电动机的不均衡振动，可以给转子施加力以抵消该振动。具体地说，从磁性轴承作为轴承电磁力提供抵消振动的力，使电磁力按正弦波变化，由此来实现上述效果。通过图1来详细说明该抑制振动的力的施加。把正弦波和余弦波的一个周期分割成计数器12的分割数，把在各个分割位置上的正弦波和余弦波的值分别存储在ROM(只读存储器)5a、5b中。如果根据计数器12的输出来参照ROM 5a、5b的地址，就能得到转子的旋转即与不均衡振动同步的正弦波信号。其中，计数器12为12位的计数器，可以在ROM 5a、5b中存储对正弦波和余弦波的一个周期进行了4096分割的数据。在上述中，虽然在ROM 5a、5b中存储正弦波和余弦波的值，也可以随时运算而求出计数器的各个分割位置上的正弦和余弦的值。
在图5中表示了把上述控制方法用于在旋转机械中所搭载的径向磁性轴承中的例子。该图5是使用前馈型的不均衡控制的2轴径向磁性轴承控制系统的方框图。检测转子的径向位移的径向传感器的X轴和Y轴传感器信号Xs、Ys在传感器信号变换器13a、13b中变换为位移信号X、Y。所变换的位移信号X、Y被输入控制电路14a、14b。控制电路14a、14b根据所输入的位移信号X、Y来进行PID控制和相位超前控制等控制运算，发生为了驱动轴承的电磁铁所需要的功率放大器的指令。
控制电路14a、14b运算的功率放大器的指令根据正负的符号而由切换器15a、15b分离成两个。所分离的正和负的信号成为功率放大器的一对指令。在通常的功率放大器中，根据需要施加偏置电流，对于构成径向轴承的电磁铁来改善吸引力的线性。这些不考虑不均衡控制。
为了实行不均衡控制，把从ROM 5a、5b得到的sinΩt信号和cosΩt信号与控制电路14a、14b的输出信号相加。其中，Ω是转子的旋转角速度，t是时间。不均衡力的大小和相位随控制对象的机械而不同，因此，对于每种控制对象的机械调整相位和力。在常数cosβ的块17和sinβ的块18中，调整sinΩt和cosΩt的相位。进行交叉运算，而得到sin(Ωt+β)、cos(Ωt+β)。其中，调整相位β，以使相位β同电动机的感应电压与不均衡力的相位差相一致。另一方面，在常数G的块中调整不均衡力的大小。
下面使用图6来对用于磁性轴承的作为另一个不均衡控制方式的反馈型的不均衡控制进行说明。图6是能够进行2轴的控制的径向磁性轴承控制系统的方框图。从位移信号X、Y仅抽出不均衡振动的频率成分，进行反馈。在抽出不均衡振动的频率成分过程中，使用跟踪滤波器20。跟踪滤波器20是带通滤波器，使进行滤波的频率始终与转子的旋转速度的频率相一致。
为了使该跟踪滤波器20动作，需要与转子的旋转速度相同周期的正弦波和余弦波。在本实施例中，如上述那样，从ROM 5a、5b得到sinΩt信号和cosΩt信号，然后，使用得到的sinΩt信号和cosΩt信号。
在图7中表示了跟踪滤波器20的细节。首先，对位移信号(X、Y)和三角函数信号(cosΩt，-sinΩt)进行矢量运算。具体地说，用下式表示
A＝X·cosΩt+Y·sinΩtB＝Y·cosΩt-X·sinΩt把运算结果(A，B)输入低通滤波器21，仅取出直流成分(Ao，Bo)。该直流成分为在位移信号X、Y中包含的向前旋转同步成分的振幅值。进一步把(cosΩt，sinΩt)与该直流成分进行矢量运算，仅抽出在位移信号X、Y中包含的向前旋转同步成分。当该所抽出的信号为(Xn，Yn)时，该信号由下式表示Xn＝Ao·cosΩt+Bo·sinΩtYn＝Bo·cosΩt-Ao·sinΩt把该旋转同步成分(Xn，Yn)乘以调整用的增益(Kcosα、Ksinα)，与控制电路14a、14b的输出相加。这是与不均衡振动相对应的反馈控制系统的基本构成。
在上述说明中，相位校正器8提供三相脉冲信号中的一个供磁性轴承使用。另一方面，向控制磁性轴承的PLL电路输入作为每一转输出一个脉冲的信号的脉冲信号TT，把该脉冲信号分频成多个，而生成被非常详细分解的旋转位置信号。
然而，在旋转速度的变化迅速的机械和低速的机械中，存在PLL电路用每一转一个脉冲不能很好地起作用的情况。在此情况下，使用从感应电压得到的全部三相的位置检测信号，来得到每一转六个脉冲的信号。这样，由PLL电路来对这些得到的信号进行分频而使用。得到六个脉冲的方法为以下这样从比较器7得到的脉冲信号是占空比1∶1。因此，在脉冲的上升沿和下降沿上进行触发。如果在PLL电路中追加该触发电路，就能在每相中得到每一转两个脉冲的信号。由于各相互差120度，则当在三相中都进行上升沿和下降沿的触发时，可以在每一转中得到六个脉冲的信号。通过把脉冲数增加到六倍，PLL电路的响应性也改善六倍。
在用于控制磁性轴承的PLL电路中，对该每一转六个脉冲的信号TT进行分频，来生成ROM5a、5b用的地址信号。因此，当与上述实施例相同而使用12位的计数器12时，计数器12的最大地址数是4096，因此，为了对全部六个信号存储正弦波和余弦波的信息，每个信号仅使用计数器12的容量的1/6。而且，由于计数器的位数是二进制数，故每个信号成为最接近于1/6的1/8的计数器容量。即，在一个脉冲/每转的信号输入中，可以使用12位，而在六个脉冲/每转中，可以仅使用9位。
使用图8来说明六个脉冲/每转时的计数器的动作。计数器12的第9位反馈给相位比较器9。当计数了6×29＝3072个脉冲时，即，每当从脉冲信号TT收取了在转子的一个周期中发生的全部六个脉冲时，把计数器12复位。在ROM中存储把正弦波或者余弦波的一个周期进行3072分割的数据。这样，如果计数器的容量相同，即使增加了转子的每一周期的输入脉冲数，分频数也不一定增大，有时表面上看是粗的控制。但是，如果增加了每一周期的脉冲数，当转子的速度变动剧烈时以及在转子的旋转速度非常慢的情况下，能够更精确地检测到旋转速度和旋转加速度等的转子的旋转信息，因此，能够使转子稳定地运转。
根据本发明，在支撑旋转机械的磁性轴承和驱动旋转机械的直流无刷电动机两者中，不需要旋转位置传感器，因此，能够以低成本实现磁性轴承和搭载其的旋转机械。由于不需要旋转位置传感器，能够缩短转子的轴长，而能够提高转子的刚性。而且，由于刚性提高，故转子的危险速度变大，能够使旋转机械在高速下稳定运转，而提高磁性轴承和旋转机械的可靠性。
权利要求
1.一种磁性轴承，对由直流无刷电动机所驱动的转子进行旋转支撑，其特征在于，设置磁性轴承控制电路，其输入根据电动机的感应电压的旋转位置信号，对该旋转位置信号进行分频来发生磁性轴承的控制信号。
2.根据权利要求1所述的磁性轴承，其特征在于，上述直流无刷电动机具有三相线圈，使用该三相线圈的各线圈的端电压和流过各线圈的相电流值来得到上述感应电压。
3.根据权利要求1所述的磁性轴承，其特征在于，上述直流无刷电动机具有三相线圈，从该电动机的各线圈的端电压和上述感应电压的相位差来得到上述旋转位置信号。
4.根据权利要求2所述的磁性轴承，其特征在于，上述直流无刷电动机具有三相线圈，从该电动机的各线圈的端电压和上述感应电压的相位差来得到上述旋转位置信号。
5.一种旋转机械，包括转子和旋转驱动该转子的直流无刷电动机，并搭载旋转自如地支承上述转子的一对径向磁性轴承，其特征在于，设置控制上述电动机的电动机控制电路、设在该电动机控制电路中来检测上述转子的旋转位置的装置、和根据该旋转位置信号而给上述磁性轴承施加控制电压的磁性轴承控制电路。
6.根据权利要求5所述的旋转机械，其特征在于，上述电动机控制电路从上述电动机具有的三相线圈的端电压和流过该线圈的电动机相电流来求出端电压与感应电压的相位差，根据该相位差来输出旋转位置信号。
7.根据权利要求5所述的旋转机械，其特征在于，上述磁性轴承控制电路对从电动机控制电路所输出的旋转位置信号进行分频，在每个该分频的定时中给上述磁性轴承施加控制电压。
8.根据权利要求6所述的旋转机械，其特征在于，上述磁性轴承控制电路对从电动机控制电路所输出的旋转位置信号进行分频，在每个该分频的定时中给上述磁性轴承施加控制电压。
9.根据权利要求6所述的旋转机械，其特征在于，上述旋转位置信号在转子的每一个旋转周期中发生一次或者六次。
10.根据权利要求7所述的旋转机械，其特征在于，上述旋转位置信号在转子的每一个旋转周期中发生一次或者六次。
11.根据权利要求8所述的旋转机械，其特征在于，上述旋转位置信号在转子的每一个旋转周期中发生一次或者六次。
12.一种旋转机械，具有带有永磁转子的直流无刷电动机的转子和安装在该转子的两轴端部上的离心叶轮，搭载有旋转自如地支撑上述转子的一对径向磁性轴承和推力磁性轴承，并包括控制这些径向磁性轴承和推力磁性轴承的磁性轴承控制装置，其特征在于，设置旋转位置检测装置，其根据在线圈中流过的线圈电流和线圈的端电压来求出在旋转驱动上述转子的三相线圈中所感应的感应电压，在转子的每一转中发生一个脉冲的信号，来作为旋转信号，同时，设置把该旋转位置检测装置发生的旋转信号输入到上述磁性轴承控制装置的装置。
13.一种旋转机械的运转方法，该旋转机械由具有永磁转子的电动机所驱动，并由磁性轴承来旋转支撑上述转子，其特征在于，从永磁转子旋转而发生的电动机感应电压来得到与转子的旋转同步的脉冲信号，确定转子的旋转位置，在锁相环中对该脉冲信号进行分频，来更详细地确定旋转位置，使用与所确定的详细的旋转位置相对应的正弦函数和余弦函数来使上述磁性轴承产生轴承电磁力。
14.根据权利要求13所述的旋转机械的运转方法，其特征在于，包括使上述磁性轴承发生通过前馈来抵消作用在转子上的不平衡力的轴承电磁力的步骤。
15.根据权利要求13所述的旋转机械的运转方法，其特征在于，包括使上述磁性轴承发生通过反馈来抵消作用在转子上的不平衡力的轴承电磁力的步骤。
全文摘要
在使用无传感器直流无刷电动机的旋转机械中,使用电动机相电流信号来校正电动机的端电压。根据永磁转子旋转而发生的感应电压来得到旋转信号,而不需要旋转传感器。另一方面,来自相位校正器的输出作为一个脉冲/每转的输出信号被输入PLL电路。PLL电路具有相位比较器、低通滤波器、振荡器、计数器,对旋转的输出信号进行分频。在ROM中存储每个把正弦波进行分频的信号位置,用每个所分频的信号来控制磁性轴承的不均衡振动。
文档编号H02K7/09GK1229175SQ99102599
公开日1999年9月22日 申请日期1999年3月3日 优先权日1998年3月13日
发明者高桥直彦, 远藤常博, 三浦治雄, 吉原稔, 福岛康雄, 高桥一树 申请人:株式会社日立制作所