JP2000145773A - 磁気軸受装置 - Google Patents
磁気軸受装置Info
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- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
- F16C32/0451—Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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- F16C32/0459—Details of the magnetic circuit
- F16C32/0461—Details of the magnetic circuit of stationary parts of the magnetic circuit
- F16C32/0465—Details of the magnetic circuit of stationary parts of the magnetic circuit with permanent magnets provided in the magnetic circuit of the electromagnets
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- F16C2380/26—Dynamo-electric machines or combinations therewith, e.g. electro-motors and generators
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- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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- F16C32/0474—Active magnetic bearings for rotary movement
- F16C32/0489—Active magnetic bearings for rotary movement with active support of five degrees of freedom, e.g. two radial magnetic bearings combined with an axial bearing
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 省電力で、高い軸受剛性を有し、軸受を目的
位置に精密に保持することができる磁気軸受装置を提供
すること。 【解決手段】磁気軸受装置は、回転軸１と、固定側の電
磁極と、回転軸１の電磁極に対する位置を検出する半径
方向変位センサー５と、この変位センサー５の出力に応
じて制御電流を供給する制御回路２２０とを備える。回
転軸１と電磁極１０との間で磁気回路を構成する磁極部
材１０の一部には永久磁石２０が配置される。永久磁石
２０による吸引力が無負荷の状態で静的に作用する荷重
と均衡する軸位置を制御回路の目標位置に設定する。こ
れにより、軸受に負荷が加わっていない場合には省電力
で動作し、軸受にある程度の負荷が加わった場合であっ
ても軸受を目的位置に精密に保持することができる。
位置に精密に保持することができる磁気軸受装置を提供
すること。 【解決手段】磁気軸受装置は、回転軸１と、固定側の電
磁極と、回転軸１の電磁極に対する位置を検出する半径
方向変位センサー５と、この変位センサー５の出力に応
じて制御電流を供給する制御回路２２０とを備える。回
転軸１と電磁極１０との間で磁気回路を構成する磁極部
材１０の一部には永久磁石２０が配置される。永久磁石
２０による吸引力が無負荷の状態で静的に作用する荷重
と均衡する軸位置を制御回路の目標位置に設定する。こ
れにより、軸受に負荷が加わっていない場合には省電力
で動作し、軸受にある程度の負荷が加わった場合であっ
ても軸受を目的位置に精密に保持することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気吸引力を利用
して回転体を非接触で回転自在に支持する磁気軸受装置
に関する。
して回転体を非接触で回転自在に支持する磁気軸受装置
に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、従来の磁気軸受として特公平５
−１７４０６号公報に開示されているものがある。この
例において、ラジアル磁気軸受部は、半径面内において
馬蹄形状にＮ極とＳ極が形成されるように巻線された磁
極対が３組以上できるように構成されたラジアルステー
タと、回転軸に取り付けられた環状鋼板の積層体である
ロータとで構成されている。この例では、ラジアル磁気
軸受部において、以下のような大きな軸受損失を生じ
る。即ち、ラジアル磁気軸受部の電磁極極性が回転方向
において交番する構成となるため、回転軸に設けた円環
状板の積層体において大きなヒステリシス損と渦電流損
が発生し、回転軸の発熱を起こす。これは磁気軸受の制
御電力の損失となる。
−１７４０６号公報に開示されているものがある。この
例において、ラジアル磁気軸受部は、半径面内において
馬蹄形状にＮ極とＳ極が形成されるように巻線された磁
極対が３組以上できるように構成されたラジアルステー
タと、回転軸に取り付けられた環状鋼板の積層体である
ロータとで構成されている。この例では、ラジアル磁気
軸受部において、以下のような大きな軸受損失を生じ
る。即ち、ラジアル磁気軸受部の電磁極極性が回転方向
において交番する構成となるため、回転軸に設けた円環
状板の積層体において大きなヒステリシス損と渦電流損
が発生し、回転軸の発熱を起こす。これは磁気軸受の制
御電力の損失となる。
【０００３】このような損失を回避するためのラジアル
磁気軸受としては、米国特許第４，９８３，８７０号中
に例示されているものがある。これによれば、ラジアル
磁気軸受の電磁極極性が回転方向において交番すること
がない。渦電流損は、回転軸の円周方向周面において磁
極が存在する部分と存在しない部分とが繰り返すことに
よる磁場強度の変化に起因して発生しようとするが、上
記ラジアル磁気軸受では、渦電流の通り道である電磁鋼
板積層体が円周方向に互いに絶縁された積層体であるの
で、渦電流がほとんど発生せず、軸受損失は著しく小さ
くなる。
磁気軸受としては、米国特許第４，９８３，８７０号中
に例示されているものがある。これによれば、ラジアル
磁気軸受の電磁極極性が回転方向において交番すること
がない。渦電流損は、回転軸の円周方向周面において磁
極が存在する部分と存在しない部分とが繰り返すことに
よる磁場強度の変化に起因して発生しようとするが、上
記ラジアル磁気軸受では、渦電流の通り道である電磁鋼
板積層体が円周方向に互いに絶縁された積層体であるの
で、渦電流がほとんど発生せず、軸受損失は著しく小さ
くなる。
【０００４】しかし、上記のラジアル磁気軸受において
も、なお大きな電流損が存在する。このようなラジアル
磁気軸受では、その制御機能を有効に発生させるために
バイアス磁束を発生させるバイアス電流を常時流してお
く必要があり、それが付加的な電カ損失となっている。
も、なお大きな電流損が存在する。このようなラジアル
磁気軸受では、その制御機能を有効に発生させるために
バイアス磁束を発生させるバイアス電流を常時流してお
く必要があり、それが付加的な電カ損失となっている。
【０００５】磁気軸受におけるバイアス電流の必要性を
回避する手段として、バイアス磁束を永久磁石で与える
磁石併用磁気軸受が考えられ、その１例として実開平２
−８７１２０号に開示のものがある。これは、バイアス
磁束を発生させるためにバイアス電流を流すことの無駄
を省く手段として、永久磁石を電磁極の一部に介在させ
てスラスト磁気軸受に適用した例である。スラスト磁気
軸受における実開平２−８７１２０号に示すような磁石
併用によるバイアス磁束供給を米国特許第４，９８３，
８７０号に開示の様なラジアル磁気軸受に適用し、軸受
損失の小さい磁石併用型のラジアル磁気軸受を構成する
ことも考えられる。
回避する手段として、バイアス磁束を永久磁石で与える
磁石併用磁気軸受が考えられ、その１例として実開平２
−８７１２０号に開示のものがある。これは、バイアス
磁束を発生させるためにバイアス電流を流すことの無駄
を省く手段として、永久磁石を電磁極の一部に介在させ
てスラスト磁気軸受に適用した例である。スラスト磁気
軸受における実開平２−８７１２０号に示すような磁石
併用によるバイアス磁束供給を米国特許第４，９８３，
８７０号に開示の様なラジアル磁気軸受に適用し、軸受
損失の小さい磁石併用型のラジアル磁気軸受を構成する
ことも考えられる。
【０００６】上記のような磁石併用型の磁気軸受の制御
回路としては、位置指令値に対して制御対象が合致して
配置されるように補償回路を作動させて、電力増幅器か
ら磁極コイルに供給する制御電流を適正値に制御するも
のが一般に知られている。この制御回路では、磁極コイ
ルに流れる制御電流を積分して補償回路にフィードバッ
クすることにより、制御対象の位置を制御対象への重カ
と磁石による吸引カとが釣り合う位置に合致させて最終
的には磁極コイルに流れる電流をゼロにする。
回路としては、位置指令値に対して制御対象が合致して
配置されるように補償回路を作動させて、電力増幅器か
ら磁極コイルに供給する制御電流を適正値に制御するも
のが一般に知られている。この制御回路では、磁極コイ
ルに流れる制御電流を積分して補償回路にフィードバッ
クすることにより、制御対象の位置を制御対象への重カ
と磁石による吸引カとが釣り合う位置に合致させて最終
的には磁極コイルに流れる電流をゼロにする。
【０００７】しかし、上記のような制御回路を用いた磁
石併用磁気軸受は、軸受剛性がゼロである。すなわち、
静的な負荷が連続的に付与される切削荷重のような変動
荷重が作用する場合には、軸の位置が徐々に変動する。
又、動的な荷重が作用する場合には、軸の位置が変動し
て衝突等の事故を起こす可能性があった。
石併用磁気軸受は、軸受剛性がゼロである。すなわち、
静的な負荷が連続的に付与される切削荷重のような変動
荷重が作用する場合には、軸の位置が徐々に変動する。
又、動的な荷重が作用する場合には、軸の位置が変動し
て衝突等の事故を起こす可能性があった。
【０００８】従来の磁石併用磁気軸受の制御回路の例と
して、図３に実開平５−１０８２２号公報に開示された
磁石併用磁気軸受の制御回路のブロック図を示す。この
回路では、補償回路３０１が電力増幅回路３０２に指令
信号を出力し、電力増幅回路３０２が制御対象３０３を
実際に駆動する。この際、ＶＺＰ帰還回路３０４を作動
させて、積分器３０５で負荷信号を積分して負荷電流信
号がゼロになるように調整するとともに、静的な変動負
荷が所定以上に加えられた場合にも衝突等の事故が生じ
ないように、振幅制限回路３０６と利得設定回路３０７
を設けてＶＺＰ帰還回路３０４のフィードバックが過大
にならないように制限している。
して、図３に実開平５−１０８２２号公報に開示された
磁石併用磁気軸受の制御回路のブロック図を示す。この
回路では、補償回路３０１が電力増幅回路３０２に指令
信号を出力し、電力増幅回路３０２が制御対象３０３を
実際に駆動する。この際、ＶＺＰ帰還回路３０４を作動
させて、積分器３０５で負荷信号を積分して負荷電流信
号がゼロになるように調整するとともに、静的な変動負
荷が所定以上に加えられた場合にも衝突等の事故が生じ
ないように、振幅制限回路３０６と利得設定回路３０７
を設けてＶＺＰ帰還回路３０４のフィードバックが過大
にならないように制限している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の制御回
路では、ＶＺＰ動作範囲を超える変動負荷が回転軸に加
えられた場合に、回転軸が所定範囲内で位置不定の制御
状態となって、軸受を目的位置に精密に保持することが
困難である。
路では、ＶＺＰ動作範囲を超える変動負荷が回転軸に加
えられた場合に、回転軸が所定範囲内で位置不定の制御
状態となって、軸受を目的位置に精密に保持することが
困難である。
【００１０】そこで、この発明は、省電力で、高い軸受
剛性を有し、回転軸を目的位置に精密に保持することが
できる磁気軸受装置を提供することを目的とする。
剛性を有し、回転軸を目的位置に精密に保持することが
できる磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の磁気軸受装置は、回転軸と、固定側の電磁
極と、前記回転軸の前記電磁極に対する位置を検出する
変位センサーと、前記変位センサーの出力に応じて制御
電流を供給する制御装置とを備えるとともに、前記回転
軸と前記電磁極との間で磁気回路を構成する磁極部材の
一部に永久磁石を配置する磁気軸受装置において、永久
磁石による吸引力が無負荷の状態で静的に作用する荷重
と均衡する軸位置を制御回路の目標位置に設定すること
を特徴とする。
め、本発明の磁気軸受装置は、回転軸と、固定側の電磁
極と、前記回転軸の前記電磁極に対する位置を検出する
変位センサーと、前記変位センサーの出力に応じて制御
電流を供給する制御装置とを備えるとともに、前記回転
軸と前記電磁極との間で磁気回路を構成する磁極部材の
一部に永久磁石を配置する磁気軸受装置において、永久
磁石による吸引力が無負荷の状態で静的に作用する荷重
と均衡する軸位置を制御回路の目標位置に設定すること
を特徴とする。
【００１２】上記磁気軸受装置では、永久磁石による吸
引力が無負荷の状態で静的に作用する荷重と均衡する軸
位置を制御回路の目標位置に設定するので、回転軸に負
荷が加わっていない場合には省電力で動作し、回転軸に
ある程度の負荷が加わった場合であっても回転軸を目的
位置に精密に保持することができる。
引力が無負荷の状態で静的に作用する荷重と均衡する軸
位置を制御回路の目標位置に設定するので、回転軸に負
荷が加わっていない場合には省電力で動作し、回転軸に
ある程度の負荷が加わった場合であっても回転軸を目的
位置に精密に保持することができる。
【００１３】上記装置において、例えば電源投入時には
回転軸を特定の目的位置に浮上させ、次に電流の積分値
に基づいて磁極コイルに流れる電流の直流分がゼロにな
るようにフィードバックし、この際の制御回路の目標位
置を浮上位置として記憶し、その後、この浮上位置を目
標位置とする位置制御を行うことができる。
回転軸を特定の目的位置に浮上させ、次に電流の積分値
に基づいて磁極コイルに流れる電流の直流分がゼロにな
るようにフィードバックし、この際の制御回路の目標位
置を浮上位置として記憶し、その後、この浮上位置を目
標位置とする位置制御を行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態につき説明する。図１は、実施形態の磁気軸受装
置の本体部分をその軸心に沿って切断して示す縦断面図
である。
施形態につき説明する。図１は、実施形態の磁気軸受装
置の本体部分をその軸心に沿って切断して示す縦断面図
である。
【００１５】ハウジング１００内において回転自在に支
持されている回転軸１には、略中央から半径方向に延在
するスラスト磁気軸受の一部を構成するフランジ部８０
が形成されている。回転軸１の軸方向両端側の外周に
は、ラジアル磁気軸受の一部を構成するロータコア２が
嵌合されている。ロータコア２は、Ｉ型磁性鋼板の円周
方向積層体であり、各ロータコア２の外周に配置された
保持部材３によって締まり嵌めで締め付けられており、
軸線方向両側の固定リング４によって回転軸１に対して
固定されている。
持されている回転軸１には、略中央から半径方向に延在
するスラスト磁気軸受の一部を構成するフランジ部８０
が形成されている。回転軸１の軸方向両端側の外周に
は、ラジアル磁気軸受の一部を構成するロータコア２が
嵌合されている。ロータコア２は、Ｉ型磁性鋼板の円周
方向積層体であり、各ロータコア２の外周に配置された
保持部材３によって締まり嵌めで締め付けられており、
軸線方向両側の固定リング４によって回転軸１に対して
固定されている。
【００１６】ロータコア２の半径方向外方において、ラ
ジアル磁気軸受の一部を構成するコ字形の電磁鋼板積層
体であるステータコア１０が、ハウジング１００に対し
て円周方向に等間隔で４つ配置されている。３つ以上で
あれば足りるこのステータコア１０は、磁極部材であ
り、本体１０ａと、本体１０ａから半径方向内方に延在
する２つのヨーク部１０ｂ、１０ｃとからなる。ヨーク
部１０ｂ、１０ｃと本体１０ａとの間には、それぞれバ
イアス磁束発生用の平板状の永久磁石２０、２１が配置
されている。この永久磁石２０、２１の極性は、ラジア
ル方向に互いに逆となっている。磁束調節用の励磁コイ
ル３１、３２が、ヨーク部１０ｂ、１０ｃにそれぞれ巻
き付けられている。ステータコア１０のうちロータコア
２に対向する面は、電磁極になっている。なお、ハウジ
ング１００内において回転軸１の軸方向両端に対向して
配置された半径方向変位センサー５は、回転軸１の半径
方向位置を感知する。
ジアル磁気軸受の一部を構成するコ字形の電磁鋼板積層
体であるステータコア１０が、ハウジング１００に対し
て円周方向に等間隔で４つ配置されている。３つ以上で
あれば足りるこのステータコア１０は、磁極部材であ
り、本体１０ａと、本体１０ａから半径方向内方に延在
する２つのヨーク部１０ｂ、１０ｃとからなる。ヨーク
部１０ｂ、１０ｃと本体１０ａとの間には、それぞれバ
イアス磁束発生用の平板状の永久磁石２０、２１が配置
されている。この永久磁石２０、２１の極性は、ラジア
ル方向に互いに逆となっている。磁束調節用の励磁コイ
ル３１、３２が、ヨーク部１０ｂ、１０ｃにそれぞれ巻
き付けられている。ステータコア１０のうちロータコア
２に対向する面は、電磁極になっている。なお、ハウジ
ング１００内において回転軸１の軸方向両端に対向して
配置された半径方向変位センサー５は、回転軸１の半径
方向位置を感知する。
【００１７】さらに、この軸受本体は、スラスト磁気軸
受の一部として、回転軸１に設けられたフランジ部８０
の軸方向両面に対向して同心で設置される断面コ字状の
磁性材質の円環体４０と、断面コ字状円環体４０の断面
一部において同心で介在する２つの円環状永久磁石５
０、５１と、断面コ字状円環体４０の溝部に巻き回され
る励磁コイル６０と、フランジ部８０の軸方向位置を感
知する軸方向変位センサー７０とを備える。
受の一部として、回転軸１に設けられたフランジ部８０
の軸方向両面に対向して同心で設置される断面コ字状の
磁性材質の円環体４０と、断面コ字状円環体４０の断面
一部において同心で介在する２つの円環状永久磁石５
０、５１と、断面コ字状円環体４０の溝部に巻き回され
る励磁コイル６０と、フランジ部８０の軸方向位置を感
知する軸方向変位センサー７０とを備える。
【００１８】円環体４０は、円板状の本体４０ａと、本
体４０ａから軸線方向に延在する小環状ヨーク部４０ｂ
と大環状ヨーク部４０ｃとからなり、支持部材４１、４
２を介してハウジング１００に取付けられている。両環
状ヨーク部４０ｂ、４０ｃと、本体４０ａとの間に配置
された永久磁石５０、５１の極性は、軸方向に互いに逆
となっている。なお、フランジ部８０の外周部の一方の
側面に対向して、支持部材４１に軸方向変位センサー７
０が配置されている。
体４０ａから軸線方向に延在する小環状ヨーク部４０ｂ
と大環状ヨーク部４０ｃとからなり、支持部材４１、４
２を介してハウジング１００に取付けられている。両環
状ヨーク部４０ｂ、４０ｃと、本体４０ａとの間に配置
された永久磁石５０、５１の極性は、軸方向に互いに逆
となっている。なお、フランジ部８０の外周部の一方の
側面に対向して、支持部材４１に軸方向変位センサー７
０が配置されている。
【００１９】回転軸１の軸方向両端に形成された小径部
１ａの半径方向外方には、通常はそれに当接しないタッ
チダウン軸受１００ａが配置されてハウジング１００に
固定されている。また、ハウジング１００の略中央に
は、ステータ９０ａが配置され、それに対向して回転軸
１にはロータ９０ｂが配置されており、ステータ９０ａ
とロータ９０ｂとで駆動用モータを構成する。
１ａの半径方向外方には、通常はそれに当接しないタッ
チダウン軸受１００ａが配置されてハウジング１００に
固定されている。また、ハウジング１００の略中央に
は、ステータ９０ａが配置され、それに対向して回転軸
１にはロータ９０ｂが配置されており、ステータ９０ａ
とロータ９０ｂとで駆動用モータを構成する。
【００２０】図２は、図１に示す本体部分の駆動回路を
説明する図である。なお、図示のラジアル磁気軸受部分
２００は、図１の本体部分の１つのラジアル磁気軸受
２、１０、２０、２１、３１、３２に対応するものであ
るが、概念的な構造として簡単化して示してあり、回転
軸１の周囲に装着されるロータコア２と、ロータコア２
に対向するステータコア１０と、ステータコア１０に組
み込まれる永久磁石２０と、ステータコア１０に巻き回
される励磁コイル３１とを備える。
説明する図である。なお、図示のラジアル磁気軸受部分
２００は、図１の本体部分の１つのラジアル磁気軸受
２、１０、２０、２１、３１、３２に対応するものであ
るが、概念的な構造として簡単化して示してあり、回転
軸１の周囲に装着されるロータコア２と、ロータコア２
に対向するステータコア１０と、ステータコア１０に組
み込まれる永久磁石２０と、ステータコア１０に巻き回
される励磁コイル３１とを備える。
【００２１】駆動回路は、位置指令値が入力される演算
回路２１０と、演算回路２１０から出力される差分信号
等を受けて制御信号を発生する制御回路２２０と、制御
回路２２０の出力に基づいて励磁コイル３１へ電力を供
給するパワーアンプ２３０と、励磁コイル３１に供給さ
れる電流を積分してこれに対応する電気信号を発生する
積分回路２５０と、半径方向変位センサー５の出力する
位置信号を必要に応じて保持することができるメモリ２
６０とを備える。スイッチＳＷ１は、積分回路２５０か
ら演算回路２１０へのフィードバック信号をオン・オフ
するためのものであり、スイッチＳＷ３は、外部からの
位置指令値とメモリ２６０に記憶した位置信号とを選択
的に切り替えて演算回路２１０に接続するためのもので
ある。なお、スイッチＳＷ１、ＳＷ３やメモリ２６０の
動作タイミングは、図示を省略する主制御装置によって
制御されている。
回路２１０と、演算回路２１０から出力される差分信号
等を受けて制御信号を発生する制御回路２２０と、制御
回路２２０の出力に基づいて励磁コイル３１へ電力を供
給するパワーアンプ２３０と、励磁コイル３１に供給さ
れる電流を積分してこれに対応する電気信号を発生する
積分回路２５０と、半径方向変位センサー５の出力する
位置信号を必要に応じて保持することができるメモリ２
６０とを備える。スイッチＳＷ１は、積分回路２５０か
ら演算回路２１０へのフィードバック信号をオン・オフ
するためのものであり、スイッチＳＷ３は、外部からの
位置指令値とメモリ２６０に記憶した位置信号とを選択
的に切り替えて演算回路２１０に接続するためのもので
ある。なお、スイッチＳＷ１、ＳＷ３やメモリ２６０の
動作タイミングは、図示を省略する主制御装置によって
制御されている。
【００２２】演算回路２１０は、スイッチＳＷ３の設定
によって外部からの位置指令値である位置制御電圧Ｖ0
が入力されている場合、スイッチＳＷ１がオフであれ
ば、この位置制御電圧Ｖ0から半径方向変位センサー５
の出力する位置信号である位置信号電圧Ｖsを差し引い
た差分（Ｖ0−Ｖs）を制御回路２２０に出力し、スイッ
チＳＷ１がオンであれば、位置制御電圧Ｖ0から積分回
路２５０が出力する電気信号である電流の積分値Ｖ１を
差し引いた修正値（Ｖ0−Ｖ１）から半径方向変位セン
サー５の出力する位置信号電圧Ｖsを差し引いた差分
（（Ｖ0−Ｖ１）−Ｖs）を制御回路２２０に出力する。
一方、スイッチＳＷ３の設定によってメモリ２６０に記
憶した位置信号であるバランス位置電圧Ｖnsが演算回路
２１０に入力されている場合、スイッチＳＷ１はオフで
あり、メモリ２６０から読み出したバランス位置電圧Ｖ
nsから半径方向変位センサー５から出力される位置信号
電圧Ｖsを差し引いた値が制御回路２２０に入力され
る。
によって外部からの位置指令値である位置制御電圧Ｖ0
が入力されている場合、スイッチＳＷ１がオフであれ
ば、この位置制御電圧Ｖ0から半径方向変位センサー５
の出力する位置信号である位置信号電圧Ｖsを差し引い
た差分（Ｖ0−Ｖs）を制御回路２２０に出力し、スイッ
チＳＷ１がオンであれば、位置制御電圧Ｖ0から積分回
路２５０が出力する電気信号である電流の積分値Ｖ１を
差し引いた修正値（Ｖ0−Ｖ１）から半径方向変位セン
サー５の出力する位置信号電圧Ｖsを差し引いた差分
（（Ｖ0−Ｖ１）−Ｖs）を制御回路２２０に出力する。
一方、スイッチＳＷ３の設定によってメモリ２６０に記
憶した位置信号であるバランス位置電圧Ｖnsが演算回路
２１０に入力されている場合、スイッチＳＷ１はオフで
あり、メモリ２６０から読み出したバランス位置電圧Ｖ
nsから半径方向変位センサー５から出力される位置信号
電圧Ｖsを差し引いた値が制御回路２２０に入力され
る。
【００２３】制御回路２２０は、演算回路２１０から出
力される差分（Ｖ0−Ｖs）、（（Ｖ0−Ｖ１）−Ｖs）等
に基づいて、パワーアンプ２３０への電流の配分とその
強度値とを演算して出力する。
力される差分（Ｖ0−Ｖs）、（（Ｖ0−Ｖ１）−Ｖs）等
に基づいて、パワーアンプ２３０への電流の配分とその
強度値とを演算して出力する。
【００２４】積分回路２５０は、励磁コイル３１に供給
される電流の直流成分を電流の積分値Ｖ1として発生す
る。
される電流の直流成分を電流の積分値Ｖ1として発生す
る。
【００２５】メモリ２６０は、サンプル・ホールド回路
等からなり、半径方向変位センサー５の出力する位置信
号電圧Ｖsを必要なタイミングで切り出しまたは平均化
したバランス位置電圧Ｖnsを保持して出力する。
等からなり、半径方向変位センサー５の出力する位置信
号電圧Ｖsを必要なタイミングで切り出しまたは平均化
したバランス位置電圧Ｖnsを保持して出力する。
【００２６】以下、図２の駆動回路の動作、すなわち本
実施形態の磁気軸受装置の動作について説明する。
実施形態の磁気軸受装置の動作について説明する。
【００２７】まず、第１段階で、スイッチＳＷ１をオフ
にするとともにスイッチＳＷ３を位置制御電圧Ｖ0に接
続して、スイッチＳＷ３を介して外部からの位置制御電
圧Ｖ0を入力する。これにより、回転軸１は、位置制御
電圧Ｖ0に対応する適当な目標位置に浮上し、回転軸１
に対する外力に拘わらずこの目標位置に保持される（位
置制御状態）。この際、制御回路２２０には、位置制御
電圧Ｖ0から位置信号電圧Ｖsを差し引いた差分（Ｖ0−
Ｖs）が入力されて、フィードバック制御に利用され
る。なお、このような位置制御状態は、一般に励磁コイ
ル３１に供給される電流の直流成分が多く消費電力が大
きくなる。
にするとともにスイッチＳＷ３を位置制御電圧Ｖ0に接
続して、スイッチＳＷ３を介して外部からの位置制御電
圧Ｖ0を入力する。これにより、回転軸１は、位置制御
電圧Ｖ0に対応する適当な目標位置に浮上し、回転軸１
に対する外力に拘わらずこの目標位置に保持される（位
置制御状態）。この際、制御回路２２０には、位置制御
電圧Ｖ0から位置信号電圧Ｖsを差し引いた差分（Ｖ0−
Ｖs）が入力されて、フィードバック制御に利用され
る。なお、このような位置制御状態は、一般に励磁コイ
ル３１に供給される電流の直流成分が多く消費電力が大
きくなる。
【００２８】次に、第２段階で、スイッチＳＷ１をオン
に切り替えるとともに積分回路２５０を動作させてて、
スイッチＳＷ１を介して積分回路２５０からのバイアス
積分電圧Ｖ１も演算回路２１０にフィードバックする。
これにより、制御回路２２０には、差分（（Ｖ0−Ｖs）
−Ｖ１）が入力されるが、この修正値（Ｖ0−Ｖ１）等
は、励磁コイル３１に供給される電流の直流成分がゼロ
に収束するまで変化する。つまり、第１段階で制御回路
２２０に位置制御電圧Ｖ0が入力されることによって励
磁コイル３１に生じていた電流の直流成分を相殺するよ
うになるまでバイアス積分電圧Ｖ１が増加又は減少して
安定する。このような安定状態は、回転軸１に作用する
負荷と永久磁石２０の吸引力とが釣り合って負荷電流の
直流成分がゼロの状態（ゼロパワー状態）である。この
ゼロパワー状態では、励磁コイル３１に流れる電流は回
転軸１の微小変動を抑える微分動作のためのみの微小量
となっており、消費電力が極めて小さい。ただし、この
ようなゼロパワー状態において、回転軸１の位置は、回
転軸１に作用する外力がゼロの場合は当初の位置（ゼロ
外力位置）維持されるが、回転軸１に作用する静的な外
力が増すと、この外力に応じて回転軸１がゼロ外力位置
から定常的に変位することになる。第２段階では、回転
軸１を上記ゼロ外力位置に保持するために、回転軸１に
静的な外力を加えないこととする。なお、第２段階の最
後に、このゼロパワー状態において半径方向変位センサ
ー５が出力する位置信号電圧Ｖsに対応するバランス位
置電圧Ｖns（ゼロ外力位置に相当する）をメモリ２６０
に保持する。
に切り替えるとともに積分回路２５０を動作させてて、
スイッチＳＷ１を介して積分回路２５０からのバイアス
積分電圧Ｖ１も演算回路２１０にフィードバックする。
これにより、制御回路２２０には、差分（（Ｖ0−Ｖs）
−Ｖ１）が入力されるが、この修正値（Ｖ0−Ｖ１）等
は、励磁コイル３１に供給される電流の直流成分がゼロ
に収束するまで変化する。つまり、第１段階で制御回路
２２０に位置制御電圧Ｖ0が入力されることによって励
磁コイル３１に生じていた電流の直流成分を相殺するよ
うになるまでバイアス積分電圧Ｖ１が増加又は減少して
安定する。このような安定状態は、回転軸１に作用する
負荷と永久磁石２０の吸引力とが釣り合って負荷電流の
直流成分がゼロの状態（ゼロパワー状態）である。この
ゼロパワー状態では、励磁コイル３１に流れる電流は回
転軸１の微小変動を抑える微分動作のためのみの微小量
となっており、消費電力が極めて小さい。ただし、この
ようなゼロパワー状態において、回転軸１の位置は、回
転軸１に作用する外力がゼロの場合は当初の位置（ゼロ
外力位置）維持されるが、回転軸１に作用する静的な外
力が増すと、この外力に応じて回転軸１がゼロ外力位置
から定常的に変位することになる。第２段階では、回転
軸１を上記ゼロ外力位置に保持するために、回転軸１に
静的な外力を加えないこととする。なお、第２段階の最
後に、このゼロパワー状態において半径方向変位センサ
ー５が出力する位置信号電圧Ｖsに対応するバランス位
置電圧Ｖns（ゼロ外力位置に相当する）をメモリ２６０
に保持する。
【００２９】次に、第３段階で、スイッチＳＷ１をオフ
に切り替えるとともに、スイッチＳＷ３をメモリ２６０
側に切り替える。この結果、新たな位置制御電圧である
バランス位置電圧ＶnsをスイッチＳＷ３を介して演算回
路２１０に入力することになる。これにより、回転軸１
は、バランス位置電圧Ｖnsに対応するゼロ外力位置にそ
のまま浮上し、回転軸１に対する外力の有無に拘わらず
このゼロ外力位置に保持される（最小パワー位置制御状
態）。この際、制御回路２２０には、バランス位置電圧
Ｖnsから位置信号電圧Ｖsを差し引いた差分（Ｖns−Ｖ
s）が入力されて、フィードバック制御に利用される。
なお、このような最小パワー位置制御状態においては、
回転軸１に作用する静的な外力がゼロの場合、励磁コイ
ル３１に直流電流が生じない前述のゼロパワー状態とな
っており、回転軸１に静的な外力が作用した場合にも、
励磁コイル３１に生じる直流電流を最小限としつつ回転
軸１をゼロ外力位置に保持する。つまり、磁気軸受装置
の剛性を高く保ったままで、省電力で精密な制御が達成
される。
に切り替えるとともに、スイッチＳＷ３をメモリ２６０
側に切り替える。この結果、新たな位置制御電圧である
バランス位置電圧ＶnsをスイッチＳＷ３を介して演算回
路２１０に入力することになる。これにより、回転軸１
は、バランス位置電圧Ｖnsに対応するゼロ外力位置にそ
のまま浮上し、回転軸１に対する外力の有無に拘わらず
このゼロ外力位置に保持される（最小パワー位置制御状
態）。この際、制御回路２２０には、バランス位置電圧
Ｖnsから位置信号電圧Ｖsを差し引いた差分（Ｖns−Ｖ
s）が入力されて、フィードバック制御に利用される。
なお、このような最小パワー位置制御状態においては、
回転軸１に作用する静的な外力がゼロの場合、励磁コイ
ル３１に直流電流が生じない前述のゼロパワー状態とな
っており、回転軸１に静的な外力が作用した場合にも、
励磁コイル３１に生じる直流電流を最小限としつつ回転
軸１をゼロ外力位置に保持する。つまり、磁気軸受装置
の剛性を高く保ったままで、省電力で精密な制御が達成
される。
【００３０】なお、以上の説明では、単一の半径方向変
位センサー５の出力に基づいて、回転軸１の特定方向
（Ｘ方向）に関する位置を制御しているが、直行方向
（Ｙ方向）において対向する軸受部分についても同様の
制御が行われており、回転軸１の位置はＸＹ面内で最小
パワー位置制御状態に保持されている。
位センサー５の出力に基づいて、回転軸１の特定方向
（Ｘ方向）に関する位置を制御しているが、直行方向
（Ｙ方向）において対向する軸受部分についても同様の
制御が行われており、回転軸１の位置はＸＹ面内で最小
パワー位置制御状態に保持されている。
【００３１】また、以上の説明では、一方のラジアル磁
気軸受について位置制御について説明したが、図１に示
す２つのラジアル磁気軸受の双方に上記の駆動回路を設
けて制御することで、より省電力で高剛性で精密な磁気
軸受装置を実現できる。
気軸受について位置制御について説明したが、図１に示
す２つのラジアル磁気軸受の双方に上記の駆動回路を設
けて制御することで、より省電力で高剛性で精密な磁気
軸受装置を実現できる。
【００３２】さらに、スラスト磁気軸受についても、上
記の駆動回路を設けて制御することで、省電力で高剛性
で精密な磁気軸受装置を実現できる。
記の駆動回路を設けて制御することで、省電力で高剛性
で精密な磁気軸受装置を実現できる。
【００３３】以上、実施形態に即して本発明を説明した
が、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、位置制御電圧のほかに半径
方向変位センサー５の出力する位置信号を利用した差分
を用いて回転軸１の位置制御を行っているが、ＰＩＤや
現代制御理論による各種の位置制御が可能なことは言う
までもない。
が、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、位置制御電圧のほかに半径
方向変位センサー５の出力する位置信号を利用した差分
を用いて回転軸１の位置制御を行っているが、ＰＩＤや
現代制御理論による各種の位置制御が可能なことは言う
までもない。
【００３４】また、上記実施形態では、半径方向変位セ
ンサー５の出力を直接演算回路２１０に入力している
が、適当なスイッチをこれらの間に介在させることがで
きる。この場、上記の第１及び第２段階で、このスイッ
チをオフとし、第３段階で、このスイッチをオンとして
半径方向変位センサー５の出力を演算回路２１０に入力
することも出来る。
ンサー５の出力を直接演算回路２１０に入力している
が、適当なスイッチをこれらの間に介在させることがで
きる。この場、上記の第１及び第２段階で、このスイッ
チをオフとし、第３段階で、このスイッチをオンとして
半径方向変位センサー５の出力を演算回路２１０に入力
することも出来る。
【００３５】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の磁気軸受装置では、永久磁石による吸引力が無負荷の
状態で静的に作用する荷重と均衡する軸位置を制御回路
の目標位置に設定するので、回転軸に負荷が加わってい
ない場合には省電力で動作し、回転軸にある程度の負荷
が加わった場合であっても回転軸を目的位置に精密に保
持することができる。
の磁気軸受装置では、永久磁石による吸引力が無負荷の
状態で静的に作用する荷重と均衡する軸位置を制御回路
の目標位置に設定するので、回転軸に負荷が加わってい
ない場合には省電力で動作し、回転軸にある程度の負荷
が加わった場合であっても回転軸を目的位置に精密に保
持することができる。
【図１】実施形態の磁気軸受装置の本体部分の内部構造
を説明する断面図である。
を説明する断面図である。
【図２】図１に示す本体部分の駆動回路の構造を説明す
る図である。
る図である。
【図３】従来の磁気軸受装置の駆動回路を説明する図で
ある。
ある。
１…回転軸 ２…ロータコア ３…保持部材 ４…固定リング ５…半径方向変位センサー １０…ステータコア ２０，２１…永久磁石 ３１，３２…励磁コイル ４０…円環体 ５０，５１…永久磁石 ６０…励磁コイル ７０…軸線方向変位センサー ８０…フランジ部 ９０…駆動用モータ １００…ハウジング １００ａ…タッチダウン軸受 １００ｂ…外筒 １００ｃ…保護軸受ハウジング ２００…ラジアル磁気軸受部分 ２１０…演算回路 ２２０…制御回路 ２３０…パワーアンプ ２４０…接地抵抗 ２５０…積分回路 ２６０…メモリ ＳＷ１，ＳＷ３…スイッチ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3J102 AA01 BA03 BA19 CA09 CA25 CA28 DA02 DA03 DA06 DA10 DA12 DA25 DB05 DB10 DB11 DB37
Claims (1)
- 【請求項１】 回転軸と、固定側の電磁極と、前記回転
軸の前記電磁極に対する位置を検出する変位センサー
と、前記変位センサーの出力に応じて制御電流を供給す
る制御装置とを備えるとともに、前記回転軸と前記電磁
極との間で磁気回路を構成する磁極部材の一部に永久磁
石を配置する磁気軸受装置において、 永久磁石による吸引力が無負荷の状態で静的に作用する
荷重と均衡する軸位置を制御回路の目標位置に設定する
ことを特徴とする磁気軸受装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10323176A JP2000145773A (ja) | 1998-11-13 | 1998-11-13 | 磁気軸受装置 |
| US09/440,115 US6259179B1 (en) | 1998-11-13 | 1999-11-15 | Magnetic bearing system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10323176A JP2000145773A (ja) | 1998-11-13 | 1998-11-13 | 磁気軸受装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000145773A true JP2000145773A (ja) | 2000-05-26 |
Family
ID=18151933
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10323176A Pending JP2000145773A (ja) | 1998-11-13 | 1998-11-13 | 磁気軸受装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6259179B1 (ja) |
| JP (1) | JP2000145773A (ja) |
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| CN109340260A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-02-15 | 长沙市开启时代电子有限公司 | 一种五自由度磁悬浮轴承双反互补电励磁控制器 |
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| US9683601B2 (en) | 2013-03-14 | 2017-06-20 | Calnetix Technologies, Llc | Generating radial electromagnetic forces |
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1999
- 1999-11-15 US US09/440,115 patent/US6259179B1/en not_active Expired - Fee Related
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