CN105723107B - 磁力轴承装置、以及真空泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁力轴承装置，该磁力轴承装置初始调整简单，且不增加控制设备的存储器容量，能够以简单的算法进行最合适的轴承控制。一对平方器（32xp、32xm）以及加法运算器（33）取得将未图示磁力轴承的转子轴在径向方向上在相反方向上吸引的一对电磁铁的各电流稳态值（Ip、Im），分别进行平方化并进行加法运算。然后，为了与磁力轴承的安装姿势相应地使各电磁铁的电流最合适地变化，补正系数运算器（35）根据被平方、加法运算后的电流稳态值（Ip^2＋Im^2）计算作用于电磁铁的补正增益指令值Kcomp。接着，将在电磁铁的控制电路的基本增益Kctrl上加上补正增益指令值Kcomp而得的增益指令值G向输入增益放大器（38）输入。增益放大器（38）基于增益指令值G，生成被补正的电流指令值，从而最合适地控制磁力轴承。

Description

磁力轴承装置、以及真空泵

技术领域

本发明涉及具备由电磁铁的电磁力非接触地支承旋转体的磁力轴承和控制该磁力轴承的控制设备的磁力轴承装置、以及使用该磁力轴承装置的真空泵。

背景技术

以往，由电磁铁的电磁力（吸引力）支承旋转体（刚体）拥有的6个自由度中的5个自由度的磁力轴承（5轴控制磁力轴承）广为人知。这种磁力轴承具备下述优异的性能：因轴承部分为非接触，故没有磨损而寿命较长，因轴承损失微小，故能够应用于超高速旋转设备，并且，能够任意地调整轴承的刚性、衰减特性，能够进行低振动、低噪音旋转等。因此，这种磁力轴承例如用于半导体制造装置等所使用的真空泵、涡轮分子泵、以及涡轮发电机、机床等。

然而，在这种磁力轴承中，若旋转转子轴，则有下述可能：因构成磁力轴承的电磁铁的磁通量而在转子轴上产生由涡电流引起的铁损，该转子轴的温度上升。因此，产生具备磁力轴承的真空泵的容许流量降低等的不良情况。此时，在垂直地设置真空泵的情况下，通过降低构成磁力轴承的电磁铁的电流（励磁电流），能够抑制转子轴的温度上升。但是，在降低电磁铁的电流的情况下，即使垂直地设置真空泵并稳定地旋转，若将该真空泵重新水平地设置，则转子轴的自重沿径向方向施加于电磁铁侧，因此也存在磁力轴承的刚性（悬浮斥力）降低而使转子轴不能稳定地旋转的情况。相反，在将真空泵水平地设置并使转子轴稳定地旋转的情况下，若将该真空泵重新垂直地设置，则磁力轴承的刚性（向轴心的斥力）过度提高，容易引起因轴心偏移等而产生的震荡、振动。

即，真空泵能够与半导体制造装置等的设置状态相应地以垂直方向、倾斜方向、水平方向、倒立方向等任意的姿势自由地安装。此时，必须将从控制设备流向电磁铁的电流控制为最合适，使得能够与真空泵的安装姿势相应地向磁力轴承的电磁铁流通最合适的电流。因此，公开了以与真空泵（即，磁力轴承的转子轴）的设置方向相应地、始终流通最合适的电流的方式选择性地切换电流补偿电路的控制系数的磁力轴承装置的技术。此时，选择性地切换的控制系数使用与真空泵的设置方向相应地借助实验等预先求出的系数（例如，参照专利文献1）。

专利文献1：日本特开平9－42290号公报。

但是，前述专利文献1所公开的技术由于与真空泵（磁力轴承的旋转轴）的设置方向相应地切换预先求出的多个控制系数，因此需要在控制电路内存储大量控制系数。因此，存在导致控制设备的存储器容量变大的可能。另外，还存在真空泵的设置姿势和电流的控制系数的关系的初始调整需要大量时间的可能。进而，在真空泵的设置方向动态地变化的用途中，电流在控制系数的切换的瞬间过度地变动，因此存在在磁力轴承上产生振动的可能。

发明内容

因此，为了使初始调整简单、不增加控制设备的存储器容量、以简单的算法进行最合适的轴承控制，产生所需要解决的技术问题，本发明的目的在于解决该问题。

本发明是为了达成上述目的而提出的发明，技术方案1记载的发明提供一种磁力轴承装置，具备：借助电磁铁的电磁力将转子轴非接触地支承的磁力轴承，和控制该磁力轴承的控制设备，前述控制设备具备电流取得单元、补正系数运算单元、第1加法运算单元、电流控制单元，前述电流取得单元取得在一对前述电磁铁的各个中流动的电流稳态值，一对前述电磁铁在相反方向上吸引前述磁力轴承的前述转子轴，前述补正系数运算单元根据前述电流稳态值，求出补正增益指令值，前述补正增益指令值对因前述磁力轴承的安装姿势引起的一对前述电磁铁的吸引力产生的不稳定弹性系数进行补偿，前述第1加法运算单元将前述补正增益指令值和与前述磁力轴承的安装姿势无关的唯一地确定的基本增益进行加法运算来求出增益指令值，前述电流控制单元借助基于前述增益指令值而生成的电流指令值，控制在一对前述电磁铁的各个中流动的电流。

根据该结构，电流取得单元取得将磁力轴承的转子轴在径向方向上在相反方向上吸引的一对电磁铁的各电流稳态值。由此，补正系数运算单元根据各电流稳态值计算用于对因由磁力轴承的安装姿势而产生的一对电磁铁的吸引力引起的不稳定弹性系数进行补偿的补正增益指令值。然后，第1加法运算单元将补正增益指令值和与磁力轴承的安装姿势无关地唯一地确定的基本增益进行加法运算来求出增益指令值。由此，电流控制单元基于增益指令值而生成电流指令值，并基于该电流指令值，控制在一对电磁铁的各个中流动的电流。因此，即使磁力轴承的安装姿势变化，也能够始终以最合适的状态控制磁力轴承。

另外，技术方案2记载的发明提供一种磁力轴承装置，在技术方案1记载的磁力轴承装置的方案的基础上，前述电流取得单元基于在一对前述电磁铁的各个中流动的电流的电流检测值、或前述电流指令值，取得前述电流稳态值。

根据该方案，电流取得单元既可以根据在一对前述电磁铁的各个中流动的电流的电流检测值来取得电流稳态值，也可以根据电流控制单元生成的电流指令值来取得电流稳态值。在前者的情况下取得被反馈控制的结果的电流检测值并生成补正增益指令值，但在后者的情况下取得被反馈控制之前的电流指令值并生成补正增益指令值，所以后者的控制响应性较快。

另外，技术方案3记载的发明提供一种磁力轴承装置，在技术方案1或2记载的磁力轴承装置的方案的基础上，前述电流控制单元利用前述增益指令值来控制具有前述转子轴的位置信息的力指令中间信号，并将被前述增益指令值控制的前述力指令中间信号和偏置电流设定值进行加法运算来生成前述电流指令值。

根据该方案，电流控制单元将具有转子轴的位置信息的力指令中间信号和偏置电流设定值进行加法运算来生成电流指令值，所以能够与转子轴的偏心状态对应地适当地进行轴承控制。

另外，技术方案4记载的发明提供一种磁力轴承装置，在技术方案1至3中任一方案所记载的磁力轴承装置的方案的基础上，前述电流指令值相对于一对前述电磁铁，消除前述不稳定弹性系数，仅作用将前述转子轴向前述磁力轴承的中心拉回的力。

根据该方案，将补正增益指令值和基本增益进行加法运算，由此，对置的一对电磁铁的一瞬间之后的合计吸引力相对于一对电磁铁的当前的合计吸引力，成为仅施加将转子轴向磁力轴承的中心拉回的弹性力的状态，抵消由磁力轴承的不稳定的弹性系数引起的吸引力。即，对置的一对电磁铁能够仅作用将转子轴向磁力轴承的中心拉回的力。

另外，技术方案5记载的发明提供一种磁力轴承装置，在技术方案1至4中任一方案所记载的磁力轴承装置的方案的基础上，前述电流取得单元具备将在一对前述电磁铁的各个中流动的前述电流稳态值个别地平方化的一对平方化单元，和将一对前述平方化单元个别地平方化后的各个电流稳态值进行加法运算的第2加法运算单元。

根据该方案，在电流取得单元中，一对平方化单元将从各电磁铁取得的电流稳态值单独地平方化，进而，第2加法运算单元将被平方化的2个电流稳态值进行加法运算，之后向补正系数运算单元输入，所以补正系数运算单元能够求出更高精度的补正增益指令值。

另外，技术方案6记载的发明提供一种磁力轴承装置，在技术方案5记载的磁力轴承装置的方案的基础上，还具备低通滤波器，前述低通滤波器对借助一对前述平方化单元和前述第2加法运算单元进行平方、加法运算后的电流稳态值进行平均化处理并移转至前述补正系数运算单元。

根据该方案，电流取得单元（一对平方化单元和第2加法运算单元）使被平方、加法运算后的电流稳态值通过低通滤波器后向补正系数运算单元发送，所以能够除去因磁力轴承的旋转频率而产生的干扰、波动。由此，补正系数运算单元能够实现不含干扰、波动的补正增益指令值。

另外，技术方案7记载的发明提供一种磁力轴承装置，在技术方案6记载的磁力轴承装置的方案的基础上，前述低通滤波器的共振频率为大致1Hz。

根据该方案，低通滤波器的共振频率设定为1Hz左右，所以不会降低磁力轴承的控制的响应性。

另外，技术方案8记载的发明提供一种磁力轴承装置，在技术方案3至7中任一方案所记载的磁力轴承装置的方案的基础上，还具备线性化单元，前述线性化单元将表示前述电流控制单元所生成的电流指令值和前述电磁铁的吸引力的关系的非线性特性借助前述偏置电流设定值来线性化。

根据该方案，电磁铁的吸引力与电流的平方成比例，因此力－电流特性具有非线性，所以这样一来由电流控制单元进行的电流的控制容易变得不稳定。因此，通过利用偏置电流设定值将力－电流特性线性化，能够使电流的控制稳定化。

另外，技术方案9记载的发明提供一种磁力轴承装置，在技术方案8记载的磁力轴承装置的方案的基础上，前述线性化单元仅在一对前述电磁铁的双方中都没有电流流动时发挥作用。

根据该方案，线性化单元使用偏置电流设定值来使力－电流特性线性化，所以在一对电磁铁的双方中流动有电流时，需要停止线性化单元的功能。

此外，前述控制设备也能够应用于1轴控制磁力轴承装置、3轴控制磁力轴承装置的控制，但也能够应用于将前述转子轴具有的6个自由度中的5个自由度用前述电磁铁的吸引力支承的5轴控制磁力轴承装置的控制。

例如，若将前述控制设备应用于5轴控制磁力轴承装置，则能够高精度地控制真空泵、涡轮分子泵、发电机用水轮机、精密机床等所使用的磁力轴承。

技术方案10记载的发明提供一种真空泵，该真空泵具备技术方案1至9中任一方案所记载的磁力轴承装置。

发明的效果

根据本发明，即使在将构成磁力轴承的电磁铁的电流设定得较低的状态下变更磁力轴承的设置方向，控制设备也借助基于对基本增益和不稳定补偿增益（补正增益指令值）进行加法运算而得的增益指令值所生成的电流指令值控制磁力轴承。因此，即使磁力轴承的设置方向变化，该磁力轴承的刚性也不变化，因此能够抑制因设置方向的变更而引起的磁力轴承的振动。另外，能够以比较简单的算法实现控制设备的功能，因此能够缩小该控制设备的存储器容量，并且，能够简便地进行与真空泵的设置姿势对应的电流的初始调整。进而，即使在磁力轴承的设置方向动态地变化的用途中，也由于该磁力轴承的控制增益连续地变化，而能够抑制磁力轴承的振动。

附图说明

图1是本发明的一实施例所应用的5轴控制型磁力轴承的概略结构图。

图2是表示具备本发明的一实施例所应用的磁力轴承的真空泵的结构的剖视图。

图3是表示将本发明的一实施例所应用的真空泵安装于半导体制造装置时的安装姿势的示意图。

图4是表示由本发明的一实施例所应用的磁力轴承和控制设备构成的磁力轴承装置的结构的示意图。

图5是表示本发明的一实施例所应用的磁力轴承的控制设备的控制系统的框图。

具体实施方式

本发明为了达成初始调整简单、不增加控制设备的存储器容量、以简单的算法进行最合适的轴承控制的目的，通过提供一种磁力轴承装置来实现，该磁力轴承装置具备：借助电磁铁的电磁力将转子轴非接触地支承的磁力轴承，和控制该磁力轴承的控制设备，控制设备具备电流取得单元、补正系数运算单元、第1加法运算单元、电流控制单元，所述电流取得单元取得在一对电磁铁的各个中流动的电流稳态值，所述一对电磁铁在相反方向上吸引磁力轴承的转子轴，所述补正系数运算单元根据电流稳态值，求出补正增益指令值，所述补正增益指令值对因磁力轴承的安装姿势引起的一对电磁铁的吸引力产生的不稳定弹性系数进行补偿，所述第1加法运算单元将补正增益指令值和与磁力轴承的安装姿势无关的唯一地确定的基本增益进行加法运算来求出增益指令值，所述电流控制单元借助基于增益指令值而生成的电流指令值，控制在一对前述电磁铁的各个中流动的电流。

即，涉及本发明的实施方式的磁力轴承装置取得将磁力轴承的转子轴在径向方向上在相反方向上吸引的一对电磁铁的各电流稳态值（Ip、Im）。然后，为了与磁力轴承的安装姿势相应地使各电流最合适地变化，根据取得的各电流稳态值（Ip、Im）来计算作用于电磁铁的不稳定补偿增益（补正增益指令值）Kcomp。接着，在电磁铁的控制电路的基本增益Kctrl上加上补正增益指令值Kcomp而生成增益指令值。然后，由被该增益指令值补正的电流指令值控制磁力轴承。由此，即使磁力轴承的安装姿势变化，也能够始终以最合适的状态控制磁力轴承。

实施例

以下，参照图1至图5对涉及本发明的磁力轴承装置的优选的实施例进行详细的说明。图1是本发明的一实施例所应用的5轴控制型磁力轴承的概略结构图。该5轴控制型磁力轴承表示在径向4轴上配置控制用电磁铁和位移传感器、在轴向1轴上配置控制用电磁铁和位移传感器的结构。即，该5轴控制型磁力轴承构成为，主动地控制除绕旋转轴的自由度以外的5个自由度（重心的平移运动为3个自由度，绕重心的旋转运动为2个自由度）的运动。

该5轴控制型磁力轴承在被DC马达1旋转驱动的转子轴（旋转轴）2的上方侧的半径方向（径向方向）上，分别针对X轴、Y轴成对（一对）地配置有4个径向电磁铁3xp、3xm、3yp、3ym。另外，与各径向电磁铁3xp、3xm、3yp、3ym的位置对应地，分别配置有径向传感器4xp、4xm、4yp、4ym。同样地，在DC马达1的下方侧的转子轴2的半径方向（径向方向）上，分别针对X轴、Y轴成对地配置有4个径向电磁铁5xp、5xm、5yp、5ym。另外，与各径向电磁铁5xp、5xm、5yp、5ym的位置对应地，分别配置有径向传感器6xp、6xm、6yp、6ym。由这8个径向电磁铁3xp、3xm、3yp、3ym、5xp、5xm、5yp、5ym构成径向磁力轴承。

进而，在转子轴2的轴方向（轴向方向）上，上下成对地配置有2个轴向电磁铁7zm、7zp，构成轴向磁力轴承。此外，在转子轴2的下端部配置有轴向传感器8z。

这些径向电磁铁3xp、3xm、3yp、3ym、5xp、5xm、5yp、5ym和径向传感器4xp、4xm、4yp、4ym、6xp、6xm、6yp、6ym在X轴、Y轴方向上分别成对地独立并构成反馈控制系统，并控制电流（励磁电流）来调节各径向电磁铁的吸引力。由此，转子轴2在以使旋转轴处于中心位置的方式进行控制的同时被DC马达1旋转驱动。此外，轴向电磁铁7zm、7zp和轴向传感器8z也构成反馈控制系统。此外，如下所述，对上述的X轴、Y轴、Ｚ轴方向进行详细的说明。图1的上部轴承侧的X轴为Xh轴，上部轴承侧的Y轴为Yh轴。另外，图1的下部轴承侧的X轴为Xb轴，下部轴承侧的Y轴为Yb轴。进而，转子轴2的轴方向为Z轴。

图2是表示具备本发明的一实施例所应用的磁力轴承的真空泵的结构的剖视图。该真空泵构成具备复合叶片的涡轮分子泵。如图2所示，在真空泵21的中央部分旋转自如地配置有转子轴2，在该转子轴2的中央部安装有用于使该转子轴2旋转驱动的DC马达1。另外，在位于DC马达1的上部的转子轴2的径向方向上配置有径向电磁铁3，构成转子轴2的一个磁力轴承。此外，在径向电磁铁3的附近，配置有用于检测转子轴2的位移的径向传感器4。

另外，在位于DC马达1的下部的转子轴2的径向方向上配置有径向电磁铁5，构成转子轴2的另一个磁力轴承。此外，在径向电磁铁5的附近，配置有用于检测转子轴2的位移的径向传感器6。

进而，在转子轴2的下端部附近沿轴向方向配置有轴向电磁铁7，构成转子轴2的轴向方向的磁力轴承。另外，在转子轴2的下端部配置有用于检测转子轴2的轴向方向的位移的轴向传感器8。此外，在转子轴2的上端部以及下端部，分别配置有保护用干式轴承11、12，抑制因径向磁力轴承4、5的震荡等而使转子轴2异常地产生位移。

另外，在真空泵21的固定侧配置有定子叶片13，与该定子叶片13对置地旋转自如地配置有转子叶片14。根据这种结构，若借助DC马达1的旋转驱动而转子轴2旋转，则转子叶片14相对于定子叶片13相对地旋转，所以来自未图示容器的空气被从吸气口凸缘15吸引并从排气口凸缘16向外部排出。这种真空泵21例如以800Hz（1.25msec/1圈）的旋转速度进行高速旋转，因此能够将期望的容器内维持在极高的真空状态。

图3是表示将本发明的一实施例所应用的真空泵安装于半导体制造装置时的安装姿势的示意图。如图3所示，真空泵21相对于半导体制造装置22以最合适的姿势安装。例如，若将图的下方设为重力的方向，则能够像真空泵21a一样沿垂直方向安装、像真空泵21b一样沿倾斜方向安装、像真空泵21c一样沿水平方向安装、或者像真空泵21d一样沿倒立方向安装。

如图3所示，在像真空泵21a一样相对于半导体制造装置22沿垂直方向安装的情况下，磁力轴承的转子轴的自重完全没有施加在径向方向的电磁铁侧，但在像真空泵21c一样相对于半导体制造装置22沿水平方向安装的情况下，磁力轴承的转子轴的全部自重施加于径向方向的电磁铁侧。即，真空泵21以各种各样的姿势安装于半导体制造装置22，因此在构成该真空泵21的磁力轴承的电磁力上，因重力的矢量方向，动态地加上（减去）转子轴的自重。因此，为了与真空泵21的安装姿势无关地稳定地维持磁力轴承的刚性，需要以比较简单的算法适当地控制磁力轴承的电流。因此，在本发明的实施例中，提取因磁力轴承的安装姿势而变动的电磁铁的不稳定弹性系数的力（不稳定要素），并将该不稳定要素作为不稳定补偿增益。然后，在与磁力轴承的安装姿势无关地唯一地确定的基本增益上加上不稳定补偿增益来生成增益指令值。进而，基于该增益指令值，在各个安装姿势生成最合适的电流指令值，并借助生成的电流指令值适当地控制一对电磁铁。以下，对此详细地说明。

图4是表示由本发明的一实施例所应用的磁力轴承和控制设备构成的磁力轴承装置的结构的示意图。如图4所示，磁力轴承装置20构成为具备磁力轴承23和控制设备24。径向方向的磁力轴承23在转子轴2的x方向（＋x～－x的方向）上，对置地配置有一对径向电磁铁（＋x电磁铁3xp和－x电磁铁3xm）。另外，在各个径向电磁铁（＋x电磁铁3xp和－x电磁铁3xm）的附近，分别配置有检测x方向的转子轴位移的径向传感器（＋x传感器4xp和－x传感器4xm）。并且，来自各径向传感器（＋x传感器4xp和－x传感器4xm）的位移信号Sxp、Sxm向控制设备24反馈。另外，来自控制设备24的控制信号（电流）Ixp、Ixm向x轴的一对径向电磁铁（＋x电磁铁3xp和－x电磁铁3xm）供给。因此，借助由位移信号Sxp、Sxm的反馈而控制的电流Ixp、Ixm，控制＋x电磁铁3xp和－x电磁铁3xm的吸引力，其结果，转子轴2以向基准位置（中心位置）复原的方式运动。

进而，径向方向的磁力轴承23在转子轴2的y方向上，对置地配置有一对径向电磁铁（＋y电磁铁3yp和－y电磁铁3ym）。另外，在各个径向电磁铁（＋y电磁铁3yp和－y电磁铁3ym）的附近，分别配置有检测y方向的转子轴位移的径向传感器（＋y传感器4yp和－y传感器4ym）。此外，图4是说明x轴方向的电流的图，因此对于y方向的径向电磁铁（＋y电磁铁3yp和－y电磁铁3ym）以及y方向的径向传感器（＋y传感器4yp和－y传感器4ym），省略信号系统。另外，在图4中，可以看出，x轴、y轴的各个径向传感器4xp、4xm、4yp、4ym分别固定于各个径向电磁铁3xp、3xm、3yp、3ym，但各个径向传感器4xp、4xm、4yp、4ym和各个径向电磁铁3xp、3xm、3yp、3ym安装高度的位置不同，因此实际上两者没有被固定。此外，构成为，在转子轴2产生异常位移时，在其两端附近被保护用干式轴承11、12支承（参照图2）。

根据这种结构，作为位移传感器的径向传感器（＋x传感器4xp、－x传感器4xm）检测转子轴2的位置并向控制设备24反馈位移信号Sxp、Sxm。于是，控制设备24基于与预先存储的基准位置的差进行信号处理，适当地决定在径向电磁铁（＋x电磁铁3xp、－x电磁铁3xm）中流动的电流。并且，从控制设备24内的电流控制放大器（未图示）向径向电磁铁（＋x电磁铁3xp、－x电磁铁3xm）供给期望的电流（Ixp、Ixm）。由此，径向电磁铁（＋x电磁铁3xp、－x电磁铁3xm）借助期望的吸引力使转子轴2以向基准位置（径向方向x轴的中心位置）复原的方式运动。对径向方向的y轴也进行同样的动作，使转子轴2以向基准位置（径向方向y轴的中心位置）复原的方式运动。

图5是表示本发明的一实施例所应用的磁力轴承的控制设备的控制系统的框图。该图仅表示对夹装于磁力轴承的转子轴的径向方向的Xh轴的一对电磁铁（径向电磁铁）的电流进行控制的控制设备的控制系统。

首先，对图5所示的磁力轴承的控制设备的结构以及各个要素的功能进行说明。控制设备24构成为具备：单独进行在径向方向上对置的一对电磁铁的电流的控制的电流控制放大器31xp、31xm；将来自电流控制放大器31xp、31xm的电流检测值分别平方化的平方器32xp、32xm；对被分别平方化的电流检测值进行加法运算的加法运算器33；对电流检测值的平方、加法运算值进行平均化的低通滤波器34；在从低通滤波器34输出的电流检测值的平方、加法运算值上乘以补正系数来求出补正增益指令值的平均值的补正系数乘法运算器35；对从补正系数乘法运算器35输出的补正增益指令值和基本增益设定值进行加法运算来求出增益指令值G的加法运算器36；将具有转子轴的径向方向的4轴和推力方向的1轴的位置信息的力指令中间信号进行处理并输出的补偿器37；将从补偿器37输出的Xh轴的力指令中间信号基于增益指令值G进行增幅处理的增益放大器38；将从增益放大器38输出的非线性的力－电流指令中间信号的特性线性化的力－电流线性化器39；将被线性化的电流指令中间信号分叉并使一方的信号反转的反转器40；对未反转的一方的电流指令中间信号和偏置电流设定值进行加法运算来求出电流指令值并向电流控制放大器31xp输出的加法运算器41xp；以及对被反转器40反转的电流指令中间信号和偏置电流设定值进行加法运算来求出电流指令值并向电流控制放大器31xm输出的加法运算器41xm。

接着，对图5所示的各要素的功能进行详细的说明。电流控制放大器31xp具备用于向在转子轴的径向方向上对置的一方的＋x电磁铁3xp（参照图4）流通适当的电流（励磁电流）的功能。电流控制放大器31xm具备用于向在转子轴的径向方向上对置的另一方的－x电磁铁3xm（参照图4）流通适当的电流（励磁电流）的功能。

平方器32xp以及平方器32xm具备如下功能：分别从电流控制放大器31xp以及电流控制放大器31xm取得将磁力轴承的转子轴（未图示）分别在x轴的相反方向上吸引的电磁铁对（＋x电磁铁3xp和－x电磁铁3xm）的电流检测值（Ixhp、Ixhm），并将这些电流检测值（Ixhp、Ixhm）分别平方化。加法运算器33具备对由平方器32xp、32xm分别平方化的电流检测值进行加法运算来求出（Ixhp^2＋Ixhm^2）的功能。低通滤波器34具备为了除去干扰等而将从加法运算器33输出的电流的平方、加法运算值（Ixhp^2＋Ixhm^2）平均化的功能。

补正系数乘法运算器35具备如下功能：相对于从加法运算器33经由低通滤波器34而输出的电流的平方、加法运算值（Ixhp^2＋Ixhm^2），将用于补正转子轴的位移的补正系数Kcd进行乘法运算，并计算用于补正磁力轴承的不稳定弹性系数的补正增益指令值Kcomp＝Kcd（Ixhp^2＋Ixhm^2）的平均值。加法运算器36具备如下功能：对从补正系数乘法运算器35输出的补正增益指令值Kcomp和与磁力轴承的配置姿势无关地预先设定的基本增益设定值Kctrl进行加法运算，求出增益指令值G（Kctrl＋Kcomp）。

补偿器37具备如下功能：对来自转子轴的径向方向的4轴Pxh、Pyh、Pxb、Pyb和推力方向的1轴Pz的位置信号进行处理，输出具有转子轴的位置信息的力指令中间信号。此外，位置信号Pxh是检测图1所示的5轴控制型磁力轴承的上部的X轴（Xh轴）方向的一对电磁铁3xp、3xm的相对位置偏移的一对径向传感器4xp、4xm的信号。另外，位置信号Pyh是检测图1所示的5轴控制型磁力轴承的上部的Y轴（Yh轴）方向的一对电磁铁3yp、3ym的相对位置偏移的一对径向传感器4yp、4ym的信号。同样地，位置信号Pxb是检测图1所示的5轴控制型磁力轴承的下部的X轴（Xb轴）方向的一对电磁铁5xp、5xm的相对位置偏移的一对径向传感器6xp、6xm的信号，位置信号Pyb是检测下部的Y轴（Yb轴）方向的一对电磁铁5yp、5ym的相对位置偏移的一对径向传感器6yp、6ym的信号。另外，位置信号Pz是检测上下成对地沿Ｚ轴方向配置的轴向电磁铁7zm、7zp的相对位置偏移（推力方向的位置偏移）的轴向传感器8z的信号。若表示这种5轴全部的位置信号的处理系统，则信号处理系统的图变得复杂，所以在图5中代表性地仅表示位置信号Pxh的信号处理系统。增益放大器38具备如下功能：将由补偿器37生成并输出的Xh轴的力指令中间信号输入，并基于从加法运算器36输出并设定的增益指令值G（Kctrl＋Kcomp），对Xh轴的力指令中间信号进行增幅处理。

力－电流线性化器39具备将从增益放大器38输出的具有非直线性的电流指令中间信号（力－电流特性的信号）基于偏置电流设定值而线性化的功能。此外，力－电流线性化器39检测偏置电流设定值，仅当在一对电磁铁5xp、5xm的双方中都不存在电流时，进行电路的切换，使线性化功能有效化。反转器40具备使从力－电流线性化器39输出的线性的电流指令中间信号所分叉的一方的信号反转的功能。加法运算器41xp具备如下功能：对未反转的一方的电流指令中间信号和偏置电流设定值OCh进行加法运算来求出电流指令值Cxhp，并将该电流指令值Cxhp向电流控制放大器31xp输出。加法运算器41xm具备如下功能：对由反转器40反转的电流指令中间信号和偏置电流设定值OCh进行加法运算来求出电流指令值Cxhm，并将该电流指令值Cxhm向电流控制放大器31xm输出。

接着，参照图4对图5所示的磁力轴承的控制设备的动作进行说明。这里，举例说明下述情况：控制在转子轴的径向方向的Xh轴上对置的一对电磁铁（＋x电磁铁3xp和－x电磁铁3xm：参照图4）的偏置电流。

首先，分别从电流控制放大器31xp、31xm取得将转子轴分别在相反方向上吸引的一对电磁铁对（＋x电磁铁3xp和－x电磁铁3xm）的电流检测值（Ixhp、Ixhm），并使用平方器32xp、32xm和加法运算器33来计算电流检测值的平方和（Ixhp^2＋Ixhm^2）。然后，在通过低通滤波器34而将（Ixhp^2＋Ixhm^2）平均化后，由补正系数运算器35在平均化的（Ixhp^2＋Ixhm^2）上乘以补正系数Kcd，计算对磁力轴承的不稳定性（不稳定弹性系数）进行补正的补正增益指令值Kcomp＝Kcd（Ixhp^2＋Ixhm^2）的平均值。此外，向平方器32xp、32xm输入的也可以不是电流检测值（Ixhp、Ixhm），而是偏置电流指令值（Cxhp、Cxhm）。另外，即使不使用低通滤波器34，对基本的动作也没有障碍，但为了防止因磁力轴承的转子轴的旋转而产生的干扰障碍等，希望使用低通滤波器34。

接着，加法运算器36对由补正系数运算器35求出的补正增益指令值Kcomp和与磁力轴承的配置姿势无关地唯一确定的基本增益Kctrl进行加法运算来求出增益指令值G（Kctrl＋Kcomp），并将该增益指令值G（Kctrl＋Kcomp）设定于增益放大器38。

另一方面，补偿器37对来自径向方向4轴的Pxh、Pyh、Pxb、Pyb的转子轴的位置信号分别进行处理，生成各轴的力指令中间信号。这里，对补偿器37生成Xh轴的力指令中间信号的情况进行说明。由补偿器37生成的Xh轴的力指令中间信号被输入至设定了增益指令值G（Kctrl＋Kcomp）的增益放大器38。由此，增益放大器38基于增益指令值G（Kctrl＋Kcomp）而对Xh轴的力指令中间信号进行增幅处理并输出，该增益指令值G（Kctrl＋Kcomp）相对于基于磁力轴承的配置姿势的基本增益Kctrl被补正了不稳定弹性系数。

接着，电磁铁的吸引力与电流的平方成比例，因此力－电流特性具有非直线性，所以来自增益放大器38的输出信号（力指令中间信号）输入至力－电流线性化器39并借助偏置电流设定值OCh而线性化。因此，力－电流线性化器39检测偏置电流设定值OCh，仅在电流存在时进行电路的切换来使线性化功能有效化。此外，也可以不使用力－电流线性化器39，但该情况下电流补正的控制性能恶化。

接着，将力－电流线性化器39的输出的力指令中间信号分叉，一方的信号保持原样的极性，利用反转器40使另一方的信号反转。这是因为，相对于在转子轴的径向方向的Xh轴的两侧对置地夹装的一对径向电磁铁（＋x电磁铁3xp和－x电磁铁3xm），流通相反极性的电流。

即，从力－电流线性化器39输出的分叉信号的一方的力指令中间信号保持原样地利用加法运算器41xp与偏置电流设定值OCh进行加法运算而生成电流指令值Cxhp，分叉信号的另一方的力指令中间信号被反转器40反转后利用加法运算器41xm与偏置电流设定值OCh进行加法运算而生成电流指令值Cxhm。换句话说，生成在径向方向上在相反方向上互相吸引的电磁铁对（＋x电磁铁3xp和－x电磁铁3xm）的各个的电流指令值（Cxhp、Cxhm），这些电流指令值（Cxhp、Cxhm）分别被输入至电流控制放大器31xp、31xm。

由此，基于磁力轴承的配置姿势的被补正了不稳定弹性系数的电流从电流控制放大器31xp流向配置于径向方向的Xh轴的一侧的径向电磁铁（＋x电磁铁3xp），基于磁力轴承的配置姿势的被补正了不稳定弹性系数的电流从电流控制放大器31xm流向配置在径向方向的Xh轴的另一侧的径向电磁铁（－x电磁铁3xm）。

即，在磁力轴承的转子轴相对于重力而垂直地设置的情况下，在Xh轴上没有施加重力，所以在电磁铁中只流动与偏置电流设定值OCh相应的较小的电流。因此，增益放大器38所设定的增益指令值G（Kctrl＋Kcomp）成为较小的值，以较低的增益控制磁力轴承的电流。

这里，若转子轴的姿势变更为水平，则为了在Xh轴上抵抗重力并使转子轴抬起而在电磁铁中流动有较大的电流。若流动有较大的电流，则磁力轴承的不稳定弹性系数Kd增大，这样一来磁力轴承的刚性降低。因此，在本发明的实施例的结构中，增益放大器38所设定的增益指令值G（Kctrl＋Kcomp）成为较大的值，借助由较高的增益而增幅的电流指令值，控制磁力轴承，因此磁力轴承的刚性不会降低，磁力轴承能够确保适当的刚性。

此外，图5所示的控制设备的电流补正功能能够在磁力轴承装置的调整时等，任意地解除。在该情况下，如图4所述，仅为由径向传感器（＋x传感器4xp、－x传感器4xm）进行的位移信号Sxp、Sxm的反馈的控制功能。

接着，使用数学式对由控制设备带来的磁力轴承的不稳定弹性系数的补偿功能进行说明。此外，对以下的数学式所使用的各符号分别如下所述地定义。Fo：当前的、对置的两侧的电磁铁所产生的合计的吸引力（力），单位〔N〕；δo：当前的、电磁铁的气隙，单位〔m〕；Ipluso：当前的、＋侧电磁铁（＋x电磁铁3xp）的电流，单位〔A〕；Iminuso：当前的、－侧电磁铁（－x电磁铁3xm）的电流，单位〔A〕；ΔF：在当前和一瞬间之后之间变化的吸引力（力），单位〔N〕；Δδ：在当前和一瞬间之后之间变化的气隙，单位〔m〕；F：一瞬间之后的、对置的两侧的电磁铁所产生的合计的吸引力（力），单位〔N〕；A：力和电流的平方的比例系数（A＝F/I^2），单位〔N/A^2〕；Gctrl：磁力轴承的弹性系数（未补正的控制电路的基本的值），单位〔N/m〕；Kctrl：补正增益加法运算用增益放大器的基本增益，单位〔无量纲〕；Krem：从磁力轴承的弹性系数Gctrl除以基本增益Kctrl后剩下的系数，单位〔N/m〕；因此，Gctrl＝Kctrl×Krem。

若如上所述地对各符号进行定义，则一瞬间之后的、对置的两侧的电磁铁（＋x电磁铁3xp和－x电磁铁3xm）所产生的合计的吸引力（力）由下式（1）表示。

这里，导入补正参数Kcd和补正增益Kcomp。此外，Kcd＝2A/δo，气隙δo的变化量较少，这里，补正参数Kcd作为固定系数处理。

因此，补正增益Kcomp由下式（2）表示。

这里，若将补正增益Kcomp向电路的基本增益设定值进行加法运算，则一瞬间之后的、对置的两侧的电磁铁产生的合计的吸引力F由下式（3）表示。

此外，在表达一瞬间之后的电磁铁的力“F”的式（3）中，第1项是当前的电磁铁的力，第2项是磁力轴承将转子轴向中心拉回的弹性力，第3项是磁力轴承的不稳定弹性系数的力，第4项是补正转子轴的位移的力。

前述的式（3）像式（4）一样表示。

因此，如从前述的式（4）可以看出的那样，通过将补正增益指令值向基本增益进行加法运算，对置的一对电磁铁的一瞬间之后的合计吸引力（F）相对于一对电磁铁的当前的合计吸引力（F0），成为仅施加将转子轴向磁力轴承的中心拉回的弹性力（Gctrl×Δδ）的状态，由磁力轴承的不稳定的弹性系数引起的吸引力被抵消。即，对置的一对电磁铁仅作用有将转子轴向磁力轴承的中心拉回的力。

此外，在前述的各式所示的（Ipluso^2＋Iminuso^2）中包含因磁力轴承的旋转频率而产生的波动及干扰，所以式（2）所示的补正增益Kcomp＝Kcd×（Ipluso^2＋Iminuso^2）的计算需要在使该信号通过约1Hz左右的低通滤波器后执行。

这里，对权利要求书中的方案所述的各单元与图5所示的各要素的对应关系进行说明。电流取得单元对应2个平方器32xp、32xm，以及加法运算器33。补正系数运算单元对应补正系数运算器35。第1加法运算单元对应加法运算器36。电流控制单元对应增益放大器38、反转器40、加法运算器41xp、41xm、以及电流控制放大器31xp、31xm。平方化单元对应平方器32xp、32xm。第2加法运算单元对应加法运算器33。线性单元对应力－电流线性化器39。此外，该控制功能24既可以由使用运算放大器等的电子配件（离散器）来实现，也可以使用微型计算机、DSP（Digital Signal Processor）等由软件来实现。

以上，说明了本发明的具体的实施例，但本发明并不限定于本实施例，在不超出本发明的精神的范围内能够进行多种改变，并且，本发明当然也包括该改变的方案。

生产上的可利用性

本发明的磁力轴承装置能够非接触支承、无润滑且低振动地超高速旋转，所以并不限于真空泵，还能够有效地应用于离心压缩机、涡轮发电机、涡轮膨胀机、磨削主轴、血流泵、半导体制造装置、测量・分析设备等。

附图标记说明

1DC马达；2转子轴；3、3xp、3xm、3yp、3ym、5、5xp、5xm、5yp、5ym径向电磁铁；4、4xp、4xm、4yp、4ym、6、6xp、6xm、6yp、6ym径向传感器；7、7zp、7zm轴向电磁铁；8、8z轴向传感器；11、12保护用干式轴承；13定子叶片；14转子叶片；15吸气口凸缘；16排气口凸缘；20磁力轴承装置；21、21a、21b、21c、21d真空泵；22半导体制造装置；23磁力轴承；24控制设备；31xp、31xm电流控制放大器（电流控制单元）；32xp、32zm平方器（电流取得单元，平方化单元）；33加法运算器（电流取得单元，第2加法运算单元）；34低通滤波器；35补正系数运算器（补正系数运算单元）；36加法运算器（第1加法运算单元）；37补偿器；38增益放大器（电流控制单元）；39力－电流线性化器（线性化单元）；40反转器；41xp、41xm加法运算器（电流控制单元）。

Claims (9)

1.一种磁力轴承装置，具备：借助电磁铁的电磁力将转子轴非接触地支承的磁力轴承，和控制该磁力轴承的控制设备，其特征在于，

前述控制设备具备电流取得单元、补正系数运算单元、第1加法运算单元、电流控制单元，

前述电流取得单元取得在一对前述电磁铁的各个中流动的电流稳态值，一对前述电磁铁在相反方向上吸引前述磁力轴承的前述转子轴，

前述补正系数运算单元根据前述电流稳态值，求出补正增益指令值，前述补正增益指令值对因前述磁力轴承的安装姿势引起的一对前述电磁铁的吸引力产生的不稳定弹性系数进行补偿，

前述第1加法运算单元将前述补正增益指令值和与前述磁力轴承的安装姿势无关的唯一地确定的基本增益进行加法运算来求出增益指令值，

前述电流控制单元借助基于前述增益指令值而生成的电流指令值，控制在一对前述电磁铁的各个中流动的电流，

前述电流取得单元具备将在一对前述电磁铁的各个中流动的前述电流稳态值个别地平方化的一对平方化单元，和将一对前述平方化单元个别地平方化后的各个电流稳态值进行加法运算的第2加法运算单元。

2.如权利要求1所述的磁力轴承装置，其特征在于，

前述电流取得单元基于在一对前述电磁铁的各个中流动的电流的电流检测值、或前述电流指令值，取得前述电流稳态值。

3.如权利要求1或2所述的磁力轴承装置，其特征在于，

前述电流控制单元利用前述增益指令值来控制具有前述转子轴的位置信息的力指令中间信号，并将被前述增益指令值控制的前述力指令中间信号和偏置电流设定值进行加法运算来生成前述电流指令值。

4.如权利要求1或2所述的磁力轴承装置，其特征在于，

前述电流指令值相对于一对前述电磁铁，消除前述不稳定弹性系数，仅作用将前述转子轴向前述磁力轴承的中心拉回的力。

5.如权利要求1或2所述的磁力轴承装置，其特征在于，

还具备低通滤波器，前述低通滤波器对借助一对前述平方化单元和前述第2加法运算单元进行平方、加法运算后的电流稳态值进行平均化处理并移转至前述补正系数运算单元。

6.如权利要求5所述的磁力轴承装置，其特征在于，

前述低通滤波器的共振频率为大致1Hz。

7.如权利要求3所述的磁力轴承装置，其特征在于，

还具备线性化单元，前述线性化单元将表示前述电流控制单元所生成的电流指令值和前述电磁铁的吸引力的关系的非线性特性借助前述偏置电流设定值来线性化。

8.如权利要求7所述的磁力轴承装置，其特征在于，

前述线性化单元仅在一对前述电磁铁的双方中都没有电流流动时发挥作用。

9.一种真空泵，其特征在于，

具备权利要求1至8中任一项所述的磁力轴承装置。