CN101652577A - 电磁吸引式磁轴承及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的电磁吸引式磁轴承具备：相互相向地配置的至少一对电磁铁(1、2)；配置在电磁铁之间并且被保持在其中间位置的浮游体(3)；对从浮游体(3)的平衡位置起的位移和/或速度进行检测的传感器(4)；以及控制电磁铁(1、2)的控制装置(5)。根据浮游体(3)的位移和速度，求取与控制方向的加速度成正比例的变量(Z)，对应于变量的正负，使一方的电磁铁的控制电流为零，仅对另一方的电磁铁的控制电流进行控制。

Description

电磁吸引式磁轴承及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种使相向的电磁铁的任意的一方的控制电流总是为0的电磁吸引式磁轴承及其控制方法。

背景技术

电磁吸引式磁轴承通过非接触支撑，具有没有摩擦/磨耗、不需要润滑等的优点，能够在涡轮压缩机、极低温旋转机械、涡轮增压机、飞轮等的轴承中使用。

作为这样的电磁吸引式磁轴承，提出了一种仅以电磁铁构成的磁轴承，并已经申请了专利(专利文献1、2)。

在这些磁轴承中，对夹着漂浮体相互相向的一对电磁铁，在使从浮游体的中心位置起的位移抵消的方向上通过2输入非线性控制方式使电流流过，维持漂浮体的中立位置。

专利文献1的“主动控制电磁吸引式磁轴承”的目的在于，减少功率损耗、电磁铁的发热、对漂浮体的旋转运动的阻力。

为此，在该主动控制电磁吸引式磁轴承中，如图1所示，对夹着漂浮体51相互相向的一对电磁铁52、53，在使从漂浮体51的中立位置O起的位移抵消的方向上使电流i₁、i₂流过，从而将漂浮体51维持在中立位置O，作为该控制方式，使用2输入非线性控制方式。

专利文献2的“电磁吸引式磁轴承及其非线性控制方法”的目的在于，即使在从偏移返回至平衡点的情况下也使阻尼力发生作用，从而能够缩短收敛时间，并且完全满足作为控制系统的充分条件的李雅普诺夫渐进稳定条件。

为此，该装置如图2所示，具备：相互相向地配置的至少一对电磁铁；配置在电磁铁之间并且被保持在其中间位置的浮游体61；对从浮游体61的平衡位置起的位移和/或速度进行检测的传感器62；以及控制电磁铁的控制装置63。通过控制装置63，在浮游体61朝向平衡位置返回的情况下，对相向的电磁铁双方供给控制电流，由此使一方的电磁铁作为拉簧(tension spring)起作用，另一方的电磁铁作为阻尼器(damper)起作用。

专利文献1：日本专利申请特开2001-165164号公报

专利文献2：日本专利申请特开2002-61646号公报

在专利文献1的磁轴承中存在如下问题，即在从偏移返回平衡点的情况下不能够使阻尼力产生，到收敛为止耗费时间，在理论上不能说是稳定的问题。解决了这些问题的是专利文献2的磁轴承。

可是，在专利文献2中存在如下问题，即在浮游体朝向平衡位置返回的情况下，由于对相向的电磁铁双方供给电流，所以不能够实现使相向的电磁铁的任意的一方的控制电流为0的完全的零功率控制的问题。

即，在专利文献2的非线性零功率控制中，对从转子(rotor)的平衡点起的“位移”和“速度”进行检测，通过将该两项作为参数进行情况区分而分为4种情况，决定控制的电流值。可是，在该4种情况的2种情况中，使电流流过相向的两个磁极线圈，从而耗费不必要的电流，成为使损失增加的重要因素。

此外，由于按运算周期的每一个(例如按100μs的每一个)对2参数进行判定，所以使用于实时控制的运算逻辑复杂化，并且导致CPU的控制量增加，需要使用高性能且昂贵的CPU。

发明内容

本发明正是为了解决上述问题而提出的。即，本发明的目的在于提供一种电磁吸引式磁轴承及其控制方法，其能够实现使相向的电磁铁的任意的一方的控制电流总是为0的完全的零功率控制，并且减少按运算周期的每一个进行判定的参数数量，使运算逻辑简略化，使CPU控制量减少，能够减少高性能且昂贵的CPU的必要性。

根据本发明，提供一种电磁吸引式磁轴承，其特征在于，具备：相互相向地配置的至少一对电磁铁；配置在该电磁铁之间并且被保持在其中间位置的浮游体；对从该浮游体的平衡位置起的位移和/或速度进行检测的传感器；以及控制所述电磁铁的控制装置，该控制装置根据浮游体的位移和速度，求取与控制方向的加速度成正比例的变量，对应于该变量的正负，使一方的电磁铁的控制电流为零，仅对另一方的电磁铁的控制电流进行控制。

根据本发明的优选实施方式，所述一对电磁铁包括：第一电磁铁和第二电磁铁，

将从所述浮游体的平衡位置起向第一电磁铁的位移作为x，将浮游体的速度作为v＝dx/dt，将γ作为正的常数，

所述变量Z由下式(A)赋予。

Z＝x+γv…(A)

此外，根据本发明，提供一种电磁吸引式磁轴承的控制方法，通过相互相向地配置的至少一对电磁铁对被配置在该一对电磁铁之间的中间位置的浮游体进行保持，该电磁吸引式磁轴承的控制方法的特征在于，对来自该浮游体的平衡位置的位移和/或速度进行检测，根据浮游体的位移和速度，求取与控制方向的加速度成正比例的变量Z，对应于该变量的正负，使一方的电磁铁的控制电流为零，仅对另一方的电磁铁的控制电流进行控制。

根据本发明的优选实施方式，所述一对电磁铁包括：第一电磁铁和第二电磁铁，将从所述浮游体的平衡位置起向第一电磁铁的位移作为x，将浮游体的速度作为v＝dx/dt，将γ作为正的常数，所述变量Z由下式(A)求取。

Z＝x+γv…(A)

此外，将a作为正常数、将X₀作为平衡位置的磁隙，在所述变量Z为正或0时，将所述第一电磁铁的控制电流作为0，以下式(B)求取第二电磁铁的控制电流i₂，在所述变量Z为负时，将所述第二电磁铁的控制电流作为0，以下式(C)求取第一电磁铁的控制电流i₁。

i₂＝a(X₀+x)SQRT(Z/k)…(B)

i₁＝a(X₀-x)SQRT(-Z/k)…(C)

根据上述本发明的装置和方法，通过控制装置，根据浮游体的位移x和速度v，求取与控制方向的加速度成正比例的变量Z，对应于该变量Z的正负，使一方的电磁铁的控制电流为零，仅对另一方的电磁铁的控制电流进行控制，因此不像专利文献2那样，通过对“变量”、“速度”这2个参数进行情况区分而分类为4个情况，而是通过将参数作为一个变量Z，从而能够将情况区分从4个情况减少到2个情况。再有，即使变更判定参数，控制性能也是等价的。

此外，在本发明中，在全部的情况中，在相向的磁极线圈的任意的一方中控制电流总是为零，能够进一步减少消耗电流、减少损失。

此外，使数字运算的每一周期的所需要的判定的数量减半，从而使控制逻辑简略化，能够大幅减少CPU的运算负载。也就是说，对循环时间的缩短做出贡献，同时能够减少对CPU的要求规格。

附图说明

图1是专利文献1的“主动控制电磁吸引式磁轴承”的示意图。

图2是专利文献2的“电磁吸引式磁轴承及其非线性控制方法”的示意图。

图3是现有的电磁吸引式磁轴承的控制模型图。

图4是根据本发明的电磁吸引式磁轴承的控制模型图。

具体实施方式

本发明能够在发挥与本发明的发明者在先申请的专利文献2等价的控制能力的同时，使控制逻辑简略化，减少控制电流和减少CPU运算负载。以下，一边与该现有技术进行比较一边说明本发明。

图3是现有的电磁吸引式磁轴承的控制模型图。电磁吸引式磁轴承具备：相互相向配置的至少一对电磁铁1、2(第一电磁铁和第二电磁铁)；配置在电磁铁1、2之间并被保持在其中间位置的浮游体3；以及对从浮游体3的平衡位置起的位移x和/或速度v(＝dx/dt)进行检测的传感器(未图示)。

再有，在以下的说明中，将M作为转子质量[kg]，将X₀作为磁隙[m]，将x作为从平衡点起向第一电磁铁1的位移[m]、将i₁作为第一电磁铁1的控制电流[A]、将i₂作为电磁铁2的控制电流[A]、将F₁作为第一电磁铁1的吸引力[N]、将F₂作为电磁铁2的吸引力[N]、将μ₀作为真空磁导率(＝4π×10⁷)[H/m]，将S作为磁路截面积[m²]，将N作为电磁铁1、2的线圈圈数[-]、将k作为磁吸引力系数(＝μ₀N²S/4[m⁴])。

这时，运动方程式如数1的式(1)所示。再有，在以下的数式中，将v＝dx/dt以在上部附加了1个点的x表示，将加速度d²x/dt²以上部附加了2个点的x表示。

[数1]

$M\stackrel{\·\·}{x}=F_1-F_2=k{\left(\frac{i_1}{X_0-x}\right)}^2-k{\left(\frac{i_2}{X_0+x}\right)}^2\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

在现有的控制中，通过转子位移x、速度v的正负分类为4种情况，决定控制电流i₁，i₂。各情况下的控制电流、和将其带入式(1)后的结果如数(2)的式(2.1)～式(24)所示。

其中，a是超过1的常数，γ是正的常数，能够任意决定。

[数2]

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{Case}\·1,x\≥0,\stackrel{\·}{x}\≥0\\ i_1=0\\ i_2=a(X_0+x)\sqrt{\frac{x+\mathrm{\γ}\stackrel{\·}{x}}{k}}\\ M\stackrel{\·\·}{x}=F_1-F_2=-(a^{2}x+a^2\mathrm{\γ}\stackrel{\·}{x})\end{array}\right]---\left(2.1\right)$

$\begin{array}{c}\mathrm{Case}\&CenterDot;2,x\&GreaterEqual;0,\stackrel{\&CenterDot;}{x}<0\\ \left.\begin{array}{c}{i}_1=a(X_0-x)\sqrt{-\frac{\mathrm{\&gamma;}\stackrel{\&CenterDot;}{x}}{k}}\\ i_2=a(X_0+x)\sqrt{\frac{x}{k}}\\ M\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{x}=F_1-F_2=-(a^{2}x+a^2\mathrm{\&gamma;}\stackrel{\&CenterDot;}{x})\end{array}\right]\end{array}---\left(2.2\right)$

$\begin{array}{c}\mathrm{Case}\&CenterDot;3,x<0,\stackrel{\&CenterDot;}{x}<0\\ \left.\begin{array}{c}{i}_1=a(X_0-x)\sqrt{-\frac{x+\mathrm{\&gamma;}\stackrel{\&CenterDot;}{x}}{k}}\\ i_2=0\\ M\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{x}=F_1-F_2=-(a^{2}x+a^2\mathrm{\&gamma;}\stackrel{\&CenterDot;}{x})\end{array}\right]\end{array}---\left(2.3\right)$

$\begin{array}{c}\mathrm{Case}\&CenterDot;4,x<0,\stackrel{\&CenterDot;}{x}\&GreaterEqual;0\\ \left.\begin{array}{c}{i}_1=a(X_0-x)\sqrt{-\frac{x}{k}}\\ i_2=a(X_0+x)\sqrt{\frac{\mathrm{\&gamma;}\stackrel{\&CenterDot;}{x}}{k}}\\ M\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{x}=F_1-F_2=-(a^{2}x+a^2\mathrm{\&gamma;}\stackrel{\&CenterDot;}{x})\end{array}\right]\end{array}---\left(2.4\right)$

根据数2的各式可知以下情况。

(1)在情况2、4时，为了赋予阻尼，使第一电磁铁1的控制电流i₁和第二电磁铁2的控制电流i₂均流过电流。

(2)在全部情况下，Md²x/dx²是相同结果。

这里，如果K＝a²、C＝a²γ…(3)，式(1)成为式(4)，成为具有阻尼的一自由度振动系统的运动方程式。

Md²x/dt²＝-Cdx/dt-Kx…(4)

换言之，控制力必定成为-Cdx/dt-Kx。由此，可知通过决定一自由度振动系统的固有值ω、阻尼比ζ，常数a和γ而被唯一地决定。

(3)在情况1、3中控制力的方向不依赖于x、dx/dt而总是固定的，但在情况2、4中，控制力的方向根据x、dx/dt的关系而变化。

如上所述，在现有技术的情况2、4中，对相向的2个磁极线圈流过控制电流i₁、i₂。在本发明中，提出了不损害控制性能而使一方的控制电流完全为零的方法。

图4是表示本发明的电磁吸引式磁轴承的控制模型图。

本发明的电磁吸引式磁轴承具备：至少一对的电磁铁1、2，浮游体3，传感器4，以及控制装置5。

一对电磁铁1、2包括第一电磁铁1和第二电磁铁2，相互相向配置。

浮游体3配置在电磁铁1、2之间，被保持在其中间位置。在本例中，浮游体3例如是围绕垂直方向的轴心旋转的轴，被磁轴承在图的左右方向上支撑，不受重力方向的影响。再有，图中上下方向的支撑由其它的磁轴承进行，同样地不受重力方向的影响。

再有，如在水平地支撑轴的情况下那样的受到重力的影响的情况下，通过将重力量附加(加法运算或减法运算)到电磁铁的吸引力，从而能够同样地对待。

传感器4对浮游体3从浮游体3的平衡位置起的位移x和/或速度v(＝dx/dt)进行检测。传感器4优选是非接触式的。此外，该传感器具备位移传感器、速度传感器的一方也可，具备双方也可。再有，在仅检测位移x的情况下对位移进行微分来求取速度v，在仅对速度v进行检测的情况下对速度进行积分来求取位移x。

控制装置5根据浮游体的位移x和速度v，求取与控制方向的加速度成正比例的变量Z，对应于该变量的正负，使一方的电磁铁的控制电流为零，仅对另一方的电磁铁的控制电流进行控制。即，控制装置5按照后述数式，实时地运算向电磁铁1、2供给的电流i₁、i₂，控制电磁铁1、2。

在现有的方法中，以浮游体的位移和速度的正负进行判定来实施情况区分，但在本发明中，作为新的判定项目，导入与控制方向的加速度成正比例的变量Z。

在这里，变量Z以下述式(5)赋予。

Z＝x+γv…(5)

表1是比较本发明和现有例子的表。如该表所示，当然变量Z的正负必定与生成的控制力的方向相反。

[表1]

由此，在本发明中以下述方式决定电流i₁、i₂。

(1)在情况1、3时，因为必然任意的一方的电流变为零，所以控制电流i₁、i₂与现有的控制相同。

(2)在情况2、4时，在现有的控制中根据变量Z的正负，控制力方向有可能成为正负的任何一方。由此，根据变量Z的正负，决定一方的进行通电的电磁铁，使对与控制力方向相反的电磁铁的通电为零。

(3)不着眼于位移、速度这2个参数，而着眼于用于判定而新导入的变量Z，以数3的式(6.1)～式(6.2)所示的方式决定电流值。

[数3]

$\mathrm{Case}\&CenterDot;A,a^{2}x+a^2\mathrm{\&gamma;}\stackrel{\&CenterDot;}{x}\&GreaterEqual;0$

$\left.\begin{array}{c}{i}_1=0\\ i_2=a(X_0+x)\sqrt{\frac{x+\mathrm{\&gamma;}\stackrel{\&CenterDot;}{x}}{k}}\\ M\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{x}=F_1-F_2=-(a^{2}x+a^2\mathrm{\&gamma;}\stackrel{\&CenterDot;}{x})\end{array}\right]---\left(6.1\right)$

$\mathrm{Case}\&CenterDot;B,a^{2}x+a^2\mathrm{\&gamma;}\stackrel{\&CenterDot;}{x}<0$

$\left.\begin{array}{c}{i}_1=a(X_0-x)\sqrt{-\frac{x+\mathrm{\&gamma;}\stackrel{\&CenterDot;}{x}}{k}}\\ i_2=0\\ M\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{x}=F_1-F_2=-(a^{2}x+a^2\mathrm{\&gamma;}\stackrel{\&CenterDot;}{x})\end{array}\right]---\left(6.2\right)$

数3的各式针对情况1、3与现有技术相同。

此外，针对情况2、4，向一方的电磁铁的通电变为零，仅使电流流过任意的一方的电磁铁。

在情况A、B中，控制力与现有方法相同地，成为Md²x/dt²＝-Cdx/dt-Kx…(4)，与具有阻尼的一自由度振动系统等价。

如上所述，在本发明中，(1)判定参数从位移、速度减少至变量Z，仅进行一个参数的正负判别。

此外，在所有情况中，必定使流过任意的一方的电磁铁的电流为零。

因此，通过减少控制电流，从而减少损失，进而通过使控制逻辑简单化，从而能够减少CPU的运算负载。

再有，尽管使控制逻辑简单化，减少了控制电流，但是控制性能同等。

再有，本发明不限定于上述实施方式，当然在不脱离本发明的主旨的范围中能够进行各种变更。

Claims (5)

1.一种电磁吸引式磁轴承，其特征在于，

具备：相互相向地配置的至少一对电磁铁；配置在该电磁铁之间并且被保持在其中间位置的浮游体；对从该浮游体的平衡位置起的位移和/或速度进行检测的传感器；以及控制所述电磁铁的控制装置，

该控制装置根据浮游体的位移和速度，求取与控制方向的加速度成正比例的变量Z，对应于该变量的正负，使一方的电磁铁的控制电流为零，仅对另一方的电磁铁的控制电流进行控制。

2.根据权利要求1所述的电磁吸引式磁轴承，其特征在于，

所述一对电磁铁包括：第一电磁铁和第二电磁铁，

将从所述浮游体的平衡位置起向第一电磁铁的位移作为x，将浮游体的速度作为v＝dx/dt，将γ作为正的常数，

所述变量Z由下式(A)赋予，

Z＝x+γv…(A)。

3.一种电磁吸引式磁轴承的控制方法，通过相互相向地配置的至少一对电磁铁，对被配置在该一对电磁铁之间的中间位置的浮游体进行保持，该电磁吸引式磁轴承的控制方法的特征在于，

对从该浮游体的平衡位置起的位移和/或速度进行检测，

根据浮游体的位移和速度，求取与控制方向的加速度成正比例的变量Z，对应于该变量的正负，使一方的电磁铁的控制电流为零，仅对另一方的电磁铁的控制电流进行控制。

4.根据权利要求3所述的电磁吸引式磁轴承的控制方法，其特征在于，

所述一对电磁铁包括：第一电磁铁和第二电磁铁，

将从所述浮游体的平衡位置起向第一电磁铁的位移作为x，将浮游体的速度作为v＝dx/dt，将γ作为正的常数，

所述变量Z由下式(A)赋予，

Z＝x+γv…(A)。

5.根据权利要求4所述的电磁吸引式磁轴承的控制方法，其特征在于，

将a作为超过1的常数、将X₀作为平衡位置的磁隙，在所述变量Z为正或0时，将所述第一电磁铁的控制电流作为0，以下式(B)求取第二电磁铁的控制电流i₂，

i₂＝a(X₀+x)SQRT`(Z/k)…(B)

在所述变量Z为负时，将所述第二电磁铁的控制电流作为0，以下式(C)求取第一电磁铁的控制电流i₁，

i₁＝a(X₀-x)SQRT(-Z/k)…(C)。

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