JP2001027238A - Magnetic bearing device - Google Patents

Magnetic bearing device

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JP2001027238A
JP2001027238A JP19944399A JP19944399A JP2001027238A JP 2001027238 A JP2001027238 A JP 2001027238A JP 19944399 A JP19944399 A JP 19944399A JP 19944399 A JP19944399 A JP 19944399A JP 2001027238 A JP2001027238 A JP 2001027238A
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JP
Japan
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magnetic bearing
radial
housing
vibration
coordinate
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JP19944399A
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Takeshi Takizawa
岳史 滝澤
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NSK Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the vibration of a housing to a minimum by controlling a rotor to rotate on a center of inertia on the basis of a detecting signal of a position detecting means capable of detecting a radial position of the rotor. SOLUTION: Output signals of radial sensors 8x, 8y are transformed from a static coordinate system to a rotary coordinate system by a coordinate transformation circuit 21. The signal is operated to allow only the DC components lx, ly corresponding to the number of revolutions by unbalancing by a low-pass filter circuit 22. The output signal is transformed into the static coordinate systems xl, yl by a coordinate inverse transformation circuit 23. The electric current corresponding to a calculated deflection signal around an inertia axis is allowed to flow to a coil of a radial magnetic bearing stator to control the radial position of a rotary shaft 3. As a result, the rotary shaft 3 can be rotated on a center of inertia. Whereby the vibration of a chamber housing can be reduced to a minimum though the deflection of the rotary shaft 3 is increased.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、エキシマレーザ装
置等に用いられ、回転体を非接触で支持するための磁気
軸受を備えた磁気軸受装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic bearing device used for an excimer laser device or the like and having a magnetic bearing for supporting a rotating body in a non-contact manner.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、エキシマレーザ用の軸受装置
は、腐食性の高いハロゲンガスを含むレーザガスを完全
に密封するためのレーザチェンバを有し、このレーザチ
ェンバ内にガス循環用ファンを設置してその回転軸を回
転させることによりレーザガスを循環させる装置であ
る。このエキシマレーザ用の軸受装置において、レーザ
ガスに不純物が混入してその量が多くなると、放電が不
安定になり、レーザ出力光エネルギーが低下することは
よく知られている事実である。
2. Description of the Related Art Generally, a bearing device for an excimer laser has a laser chamber for completely sealing a laser gas containing a highly corrosive halogen gas, and a gas circulation fan is installed in the laser chamber. This is a device that circulates the laser gas by rotating the rotation shaft. It is a well-known fact that in an excimer laser bearing device, when impurities are mixed into a laser gas to increase the amount thereof, discharge becomes unstable and laser output light energy decreases.

【0003】従来は、このガス循環用ファンの軸受とし
て、深溝玉軸受等のボールベアリングを用いた転がり軸
受が使われていた。しかし、ボールベアリングに必要な
グリースが枯渇し、ガス循環用ファンが回りにくくなっ
たり、グリースからエキシマレーザの動作に支障を来た
すミストや不純物が発生し、これがレーザチェンバ内を
循環するガスレーザ媒質に混入して放電が不安定になっ
てしまう等の理由のため、転がり軸受の長時間使用は困
難であった。そこで、特開平06−021543号公報
においては、図12に示すように、送風ファン17の回
転軸18を軸支する転がり軸受19をケーシング210
で覆い、このケーシング210にガス浄化管220の一
端を接続し、他端をレーザチェンバ100に接続すると
共に、その中途部に、浄化部であるオイルミストトラッ
プ230及び循環ポンプ240を設け、回転軸18の一
端を駆動モータ120の軸130に連結した構成の転が
り軸受装置が開示されている。このガス浄化管220内
でガスレーザ媒質の一部を循環させる過程で、転がり軸
受19で発生する不純物を除去し、不純物のレーザチェ
ンバ100内への混入を回避している。
Conventionally, rolling bearings using ball bearings such as deep groove ball bearings have been used as bearings for this gas circulation fan. However, the grease required for the ball bearings is depleted, and the gas circulation fan becomes difficult to rotate, and mist and impurities that interfere with the operation of the excimer laser are generated from the grease, which are mixed into the gas laser medium circulating in the laser chamber. It has been difficult to use the rolling bearing for a long time for reasons such as unstable discharge. Therefore, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-021543, a rolling bearing 19 for supporting a rotating shaft 18 of a blower fan 17 is provided with a casing 210 as shown in FIG.
One end of a gas purification tube 220 is connected to the casing 210, the other end is connected to the laser chamber 100, and an oil mist trap 230 and a circulation pump 240, which are a purification unit, are provided in the middle thereof. A rolling bearing device having a configuration in which one end of the drive bearing 18 is connected to a shaft 130 of a drive motor 120 is disclosed. In the process of circulating a part of the gas laser medium in the gas purifying pipe 220, impurities generated in the rolling bearing 19 are removed to prevent the impurities from entering the laser chamber 100.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
上記転がり軸受装置においては、ガス浄化管220内
で、不純物を完全には除去することができない。また、
レーザビームを鏡台に対してサブミクロンで制御する必
要があるため、回転軸18の支持回りの振動を小さく抑
える必要があるが、送風ファン17と回転軸18の振動
がケーシング210に伝わり、これがレーザビームの振
れの原因となるため、工作機械等の精度が求められる用
途には適用することができない。加えて、転がり軸受1
9は接触支持のため、短寿命であるという問題点もあっ
た。一方、回転体(回転軸と送風ファンを含む)を非接
触で支持する磁気軸受の場合は、その振動は転がり軸受
19より遥かに小さくなり、長寿命であるが、回転体の
不釣り合いや気体を撹拌する不釣り合い力によって、転
がり軸受と同様に振動が外部に伝わり、特に、ケーシン
グ(ハウジング)に伝わって、レーザビームの角度が振
れるという問題点があった。
However, in the above-mentioned conventional rolling bearing device, the impurities cannot be completely removed in the gas purifying tube 220. Also,
Since it is necessary to control the laser beam with a submicron relative to the lens barrel, it is necessary to suppress the vibration around the support of the rotating shaft 18. However, the vibration of the blower fan 17 and the rotating shaft 18 is transmitted to the casing 210, Since it causes beam deflection, it cannot be applied to applications requiring precision such as machine tools. In addition, rolling bearing 1
No. 9 also had a problem that it had a short life because of contact support. On the other hand, in the case of a magnetic bearing that supports a rotating body (including a rotating shaft and a blower fan) in a non-contact manner, its vibration is much smaller than that of the rolling bearing 19 and has a longer life. Vibration is transmitted to the outside as in the case of a rolling bearing due to the unbalance force that agitates the laser beam, and in particular, the vibration is transmitted to the casing (housing), and the angle of the laser beam fluctuates.

【0005】本発明は、かかる従来例の有する不都合を
改善し、回転体の振れはある程度許容されるが、ハウジ
ングの振動を極力小さくすることができ、低電力消費
で、長寿命な磁気軸受装置を提供することを課題として
いる。
According to the present invention, the disadvantages of the prior art are improved, and the vibration of the rotating body is allowed to some extent, but the vibration of the housing can be minimized, the power consumption is low, and the magnetic bearing device has a long life. The challenge is to provide

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明は、ハウジング内に収納された回転体
と、この回転体を非接触で位置調整可能に支持し、前記
ハウジング内に取り付けられた複数の磁気軸受と、前記
回転体の半径方向の位置を検出する位置検出手段と、を
備えた磁気軸受装置において、前記位置検出手段の検出
信号に基づいて前記回転体が慣性中心を軸として回転す
るように制御する回転制御手段を設けて成ることを特徴
とする。このような回転制御手段は好ましくは、前記位
置検出手段による検出値である前記回転体の静止座標系
における各位置成分を回転座標系に変換する座標変換手
段と、この座標変換手段による変換結果の回転数に相当
する直流成分のみを通過させるためのローパスフィルタ
手段と、このローパスフィルタ手段を通過した回転座標
系の各位置成分を静止座標系に逆変換する座標逆変換手
段とを備え、この座標逆変換手段によって得た各位置成
分を、前記位置検出手段による検出値に逆符号で加算し
た値に基づいて、前記回転体が慣性中心を軸として回転
するように制御する。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to achieve the above object, the present invention provides a rotating body housed in a housing, and supports the rotating body in a non-contact manner so as to be adjustable in position. In a magnetic bearing device comprising: a plurality of mounted magnetic bearings; and a position detection unit that detects a radial position of the rotator, the rotator has a center of inertia based on a detection signal of the position detection unit. A rotation control means for controlling rotation as an axis is provided. Such rotation control means is preferably a coordinate conversion means for converting each position component in the stationary coordinate system of the rotating body, which is a value detected by the position detection means, into a rotation coordinate system, and a conversion result of the coordinate conversion means. Low-pass filter means for passing only a DC component corresponding to the number of rotations; and coordinate inverse transformation means for inversely transforming each position component of the rotating coordinate system that has passed through the low-pass filter means into a stationary coordinate system. Based on a value obtained by adding each position component obtained by the inversion means to the value detected by the position detection means with an inverse sign, control is performed so that the rotating body rotates around the center of inertia.

【0007】このような、本発明によれば、回転体が慣
性中心を軸として回転するように制御するので、回転体
はある程度振れても、ハウジングの振動は極力抑えられ
る。
According to the present invention, since the rotating body is controlled to rotate around the center of inertia, the vibration of the housing is suppressed as much as possible even if the rotating body swings to some extent.

【0008】[0008]

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を図面に基づ
いて説明する。図1は本発明の実施形態を示す磁気軸受
装置の制御回路のブロック図、図2は本発明に関わるエ
キシマレーザ用磁気軸受装置の軸方向の断面図、図3は
図2のエキシマレーザ用磁気軸受装置のA−A断面図で
ある。この実施形態は、本発明の磁気軸受装置をエキシ
マレーザ用磁気軸受装置に適用した場合について示して
いる。先ず、エキシマレーザ用磁気軸受装置の構成につ
いて説明する。図2において、1はレーザチェンバ、2
は放電励起部、3は回転軸、4は回転軸3に取り付けら
れたガス循環用の直交流ファン、5はチェンバハウジン
グ、6はラジアル磁気軸受ステータ、7はスラスト磁気
軸受ステータ、8はラジアルセンサ、9はスラストセン
サ、11はカップリング間座、12は駆動側磁気カップ
リング、13は駆動モータ、31はスラストフランジ、
32は回転軸3のラジアル磁気軸受ロータ部、33は駆
動モータ13用のロータ部である回転軸側カップリング
磁石、61はシールド隔壁である。ラジアルセンサ8と
スラストセンサ9が位置検出手段である。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 is a block diagram of a control circuit of a magnetic bearing device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an axial sectional view of a magnetic bearing device for an excimer laser according to the present invention. It is AA sectional drawing of a bearing device. This embodiment shows a case where the magnetic bearing device of the present invention is applied to a magnetic bearing device for an excimer laser. First, the configuration of a magnetic bearing device for an excimer laser will be described. In FIG. 2, 1 is a laser chamber, 2
Is a discharge excitation unit, 3 is a rotating shaft, 4 is a cross-flow fan for gas circulation mounted on the rotating shaft 3, 5 is a chamber housing, 6 is a radial magnetic bearing stator, 7 is a thrust magnetic bearing stator, and 8 is a radial sensor. , 9 is a thrust sensor, 11 is a coupling spacer, 12 is a drive side magnetic coupling, 13 is a drive motor, 31 is a thrust flange,
32 is a radial magnetic bearing rotor part of the rotating shaft 3, 33 is a rotating shaft side coupling magnet which is a rotor part for the drive motor 13, and 61 is a shield partition. The radial sensor 8 and the thrust sensor 9 are position detecting means.

【0009】チェンバハウジング5は、レーザチェンバ
1全体を形成するケースで、その内壁面の所定位置に放
電励起部2が取り付けられると共に、内壁面によって形
成される空間内に、直交流ファン4及びその両側のスラ
ストフランジ31を固定した回転軸3が回転自在に非接
触の状態で支持されている。チェンバハウジング5の図
中左端部のチェンバハウジング密閉端51には、密閉ハ
ウジング10が設置され、レーザチェンバ1の一端側を
密閉している。チェンバハウジング5の図中右端側に固
定されたレーザチェンバハウジング密閉端51には、非
磁性のセラミックで形成されたカップリング間座11が
固定され、レーザチェンバ1の他端側を密閉している。
The chamber housing 5 is a case that forms the entire laser chamber 1. The discharge excitation section 2 is attached to a predetermined position on the inner wall surface of the chamber housing 5. The rotating shaft 3 to which the thrust flanges 31 on both sides are fixed is rotatably supported in a non-contact state. A closed housing 10 is provided at a closed end 51 of the chamber housing 5 at the left end in the figure to seal one end of the laser chamber 1. A coupling spacer 11 made of non-magnetic ceramic is fixed to a laser chamber housing closed end 51 fixed to the right end side of the chamber housing 5 in the figure, and seals the other end of the laser chamber 1. .

【0010】回転軸3の直交流ファン4の両側位置に
は、ラジアル軸受ロータ部32が設けられている。チェ
ンバハウジング5側の、ラジアル軸受ロータ部32に対
向する位置には、ラジアル磁気軸受ステータ6が所定の
間隔を配して設けられ、それに隣接してラジアルセンサ
8が設けられている。ラジアル磁気軸受ステータ6には
ラジアル磁気軸受のコイル62が取り付けられている。
このラジアル軸受ロータ部32とラジアル磁気軸受ステ
ータ6により磁気軸受が構成されている。
A radial bearing rotor section 32 is provided on both sides of the cross-flow fan 4 of the rotating shaft 3. At a position on the chamber housing 5 side facing the radial bearing rotor section 32, a radial magnetic bearing stator 6 is provided at a predetermined interval, and a radial sensor 8 is provided adjacent thereto. A radial magnetic bearing coil 62 is attached to the radial magnetic bearing stator 6.
The radial bearing rotor section 32 and the radial magnetic bearing stator 6 constitute a magnetic bearing.

【0011】シールド隔壁61は、非磁性の金属材料
で、回転軸3を包囲する形でチェンバハウジング5とチ
ェンバハウジング密閉端51に溶接固定されている。こ
のラジアル隔壁61とチェンバハウジング5の内壁によ
って形成される密閉空間中に、前記の如く、ラジアル磁
気軸受ステータ6とラジアルセンサ8が配設されてい
る。この実施形態では、シールド隔壁61は溶接固定さ
れているが、この構成に限らず、Oリングを介してネジ
で取り付けても良い。ラジアルセンサ8は、回転軸3の
半径方向変位をシールド隔壁61越しにインダクタンス
の変化として検出する。このインダクタンスの変化に応
じて、ラジアル磁気軸受のコイル62に流す電流を制御
するフィードバック制御を行うことにより、回転軸3
の、その半径方向のシールド隔壁61とのギャップが一
定に保たれるようにする。
The shield partition wall 61 is made of a non-magnetic metal material and is welded and fixed to the chamber housing 5 and the chamber housing closed end 51 so as to surround the rotating shaft 3. As described above, the radial magnetic bearing stator 6 and the radial sensor 8 are disposed in a closed space formed by the radial partition wall 61 and the inner wall of the chamber housing 5. In this embodiment, the shield partition wall 61 is fixed by welding. However, the present invention is not limited to this configuration, and the shield partition wall 61 may be attached with a screw via an O-ring. The radial sensor 8 detects the displacement of the rotary shaft 3 in the radial direction as a change in inductance over the shield partition 61. By performing feedback control for controlling the current flowing through the coil 62 of the radial magnetic bearing in accordance with the change in the inductance, the rotating shaft 3
Of the shield wall 61 in the radial direction is kept constant.

【0012】スラスト磁気軸受ステータ7は、チェンバ
ハウジング5の内壁端面に、回転軸3のスラストフラン
ジ31に対向して設けられ、スラスト軸受間壁71によ
って密閉されている。 スラストセンサ9は、密閉ハウ
ジング10に設けられ、スラストセンサ隔壁91によっ
て密閉ハウジング10内に密閉されている。スラストセ
ンサ9は、回転軸3の軸方向変位をスラストセンサ隔壁
91越しにインダクタンスの変化として検出する。この
インダクタンスの変化に応じて、スラスト磁気軸受ステ
ータ7のコイルに流す電流を制御するフィードバック制
御を行うことにより、回転軸3のスラストセンサ9側端
面の、軸方向のスラストセンサ隔壁91とのギャップが
一定に保たれるようにする。
The thrust magnetic bearing stator 7 is provided on the inner wall end face of the chamber housing 5 so as to face the thrust flange 31 of the rotating shaft 3, and is sealed by a thrust bearing inter-wall 71. The thrust sensor 9 is provided in the closed housing 10, and is sealed in the closed housing 10 by a thrust sensor partition 91. The thrust sensor 9 detects the axial displacement of the rotating shaft 3 as a change in inductance over the thrust sensor partition 91. By performing feedback control for controlling the current flowing through the coil of the thrust magnetic bearing stator 7 in accordance with the change in the inductance, the gap between the thrust sensor 9 side end surface of the rotating shaft 3 and the thrust sensor partition 91 in the axial direction is reduced. Try to keep it constant.

【0013】回転軸3のカップリング間座11側端部の
外周面には、回転軸側カップリング磁石33が取り付け
られ、カップリング間座11の内周面と非接触で対向し
ている。駆動モータ13は、モータ取り付け体14によ
ってチェンバハウジング密閉端51に取り付けられ、駆
動モータ13の軸131先端には、筒状の駆動側磁気カ
ップリング12が固定されている。この駆動側磁気カッ
プリング12の内周面側に駆動側磁気カップリング磁石
121が取り付けられており、この部分がカップリング
間座11外周面と非接触で対向するように配置されてい
る。駆動側磁気カップリング磁石121と回転軸側カッ
プリング磁石33とは所定の間隔が配されており、この
駆動側磁気カップリング磁石121とカップリング間座
11と回転軸側カップリング磁石33により、磁気カッ
プリング部が構成されている。
A rotating shaft-side coupling magnet 33 is attached to the outer peripheral surface of the end of the rotating shaft 3 on the coupling spacer 11 side, and is opposed to the inner peripheral surface of the coupling spacer 11 in a non-contact manner. The drive motor 13 is attached to the chamber housing closed end 51 by a motor attachment body 14, and a cylindrical drive-side magnetic coupling 12 is fixed to a tip of a shaft 131 of the drive motor 13. A drive-side magnetic coupling magnet 121 is attached to the inner peripheral surface side of the drive-side magnetic coupling 12, and this portion is arranged so as to face the outer peripheral surface of the coupling spacer 11 in a non-contact manner. The drive-side magnetic coupling magnet 121 and the rotating shaft-side coupling magnet 33 are arranged at a predetermined interval, and the drive-side magnetic coupling magnet 121, the coupling spacer 11, and the rotating shaft-side coupling magnet 33 provide: A magnetic coupling unit is configured.

【0014】チェンバハウジング5には、タッチダウン
軸受15がスラスト磁気軸受ステータ7の近傍に設けら
れ、回転軸3の異常回転時にこれを停止させる機能を有
するが、通常は回転軸3とは非接触に配置されている。
このように、直交流ファン4に内嵌された回転軸3は、
カップリング間座11と、チェンバハウジング5のシー
ルド隔壁61と、スラスト軸受隔壁71と、密閉ハウジ
ング10のスラストセンサ隔壁91とによって密閉され
た空間に保持され、ラジアル軸受ロータ部32とラジア
ル磁気軸受ステータ6間の磁気吸引力によって非接触に
支持されている。
A touchdown bearing 15 is provided in the chamber housing 5 in the vicinity of the thrust magnetic bearing stator 7, and has a function of stopping the rotation shaft 3 when it is abnormally rotated. Are located in
Thus, the rotating shaft 3 fitted inside the cross flow fan 4
It is held in a space sealed by the coupling spacer 11, the shield partition 61 of the chamber housing 5, the thrust bearing partition 71, and the thrust sensor partition 91 of the sealed housing 10, and has a radial bearing rotor portion 32 and a radial magnetic bearing stator. It is supported in a non-contact manner by a magnetic attraction force between the six.

【0015】上記構成において、回転軸3は、駆動モー
タ13の駆動力が、駆動側磁気カップリング12及びカ
ップリング間座11を介して伝達されることにより回転
する。この際、駆動モータ13の駆動力は、駆動側磁気
カップリング12の駆動側磁気カップリング磁石121
と、回転軸3の回転軸側カップリング磁石33との間の
磁気力による非接触な結合力によって回転軸3に伝達さ
れる。このガス循環ファン4の回転により、図3に示す
ように、レーザチェンバ1の密閉空間内のハロゲンガス
を含むレーザガスが矢印のように循環する。
In the above configuration, the rotating shaft 3 rotates when the driving force of the driving motor 13 is transmitted via the driving magnetic coupling 12 and the coupling spacer 11. At this time, the driving force of the driving motor 13 is controlled by the driving magnetic coupling magnet 121 of the driving magnetic coupling 12.
Is transmitted to the rotating shaft 3 by a non-contact coupling force due to a magnetic force between the rotating shaft 3 and the rotating shaft side coupling magnet 33. By the rotation of the gas circulation fan 4, as shown in FIG. 3, the laser gas containing the halogen gas in the closed space of the laser chamber 1 circulates as shown by the arrow.

【0016】次に、非接触で支持された回転軸3を慣性
中心を軸として回転させるための制御回路について、図
1を参照して説明する。同図において、3は回転軸、8
x,8yはラジアルセンサ8の成分で、8xはX成分、8y
はY成分をそれぞれ検出する機能を有する。21は座標
変換手段である座標変換回路で、静止座標系から回転座
標系に変換する。22はローパスフィルタ手段である低
域通過フィルタ回路(Low Pass Filter:LPF回
路)で、回転数に相当する直流成分のみを通過させる。
23は座標逆変換手段である座標逆変換回路で、回転座
標系から静止座標系に逆変換する。77は増幅のための
電流アンプである。
Next, a control circuit for rotating the rotating shaft 3 supported in a non-contact manner around the center of inertia will be described with reference to FIG. In the figure, 3 is a rotation axis, 8
x and 8y are components of the radial sensor 8, 8x is an X component, 8y
Has a function of detecting each of the Y components. Reference numeral 21 denotes a coordinate conversion circuit as a coordinate conversion means, which converts a stationary coordinate system into a rotating coordinate system. Reference numeral 22 denotes a low-pass filter circuit (Low Pass Filter: LPF circuit) which is a low-pass filter means, and passes only a DC component corresponding to the rotation speed.
Reference numeral 23 denotes a coordinate inverse transformation circuit which is a coordinate inverse transformation means, which performs an inverse transformation from the rotating coordinate system to the stationary coordinate system. 77 is a current amplifier for amplification.

【0017】先ず、ラジアルセンサ8x,8yの出力信号
を、座標変換回路21で静止座標系から回転座標系に変
換する。回転軸3の回転の角速度をω、静止座標系を
(xs,ys)、回転座標系を(Lx,Ly)とすると、 Lx=xs・cosωt+ys・sinωt Ly=−xs・sinωt+ys・cosωt
First, the output signals of the radial sensors 8x and 8y are converted by the coordinate conversion circuit 21 from a stationary coordinate system to a rotating coordinate system. Assuming that the angular velocity of rotation of the rotating shaft 3 is ω, the stationary coordinate system is (xs, ys), and the rotating coordinate system is (Lx, Ly), Lx = xs · cosωt + ys · sinωt Ly = −xs · sinωt + ys · cosωt

【0018】座標変換回路21により、この2式の演算
が行われて回転座標系(Lx,Ly)に変換される。回転
座標上の量に変換された信号はLPF回路22によっ
て、不釣り合いによる回転数に相当する直流成分(I
x,Iy)のみを通過させる演算を行う。フィルタの定数
をK、時定数(カットオフ周波数)をTsとすると、
The coordinate conversion circuit 21 performs the calculation of these two equations and converts the rotation into a rotating coordinate system (Lx, Ly). The LPF circuit 22 converts the signal converted into the amount on the rotation coordinate into a DC component (I
x, Iy). If the filter constant is K and the time constant (cutoff frequency) is Ts,

【0019】回転数に相当する直流成分のみを通過させ
たLPF回路22の出力信号は、座標逆変換回路23に
よって、静止座標系(xl,yl)に変換される。 xl=Ix・cosωt−Iy・sinωt yl=Ix・sinωt+Iy・cosωt この座標逆変換回路23によって、この2式の演算が行
われ、不釣り合いに相当する直流成分だけが静止座標系
(xl,yl)に変換され、ラジアルセンサ8x,8yの検
出信号に逆符号で加算される。このようにして算出され
た慣性軸まわりでの振れ信号に応じた電流をラジアル磁
気軸受ステータ6のコイル62に流して、回転軸3のラ
ジアル位置制御を行う。
The output signal of the LPF circuit 22, which has passed only the DC component corresponding to the rotation speed, is converted by the coordinate reverse conversion circuit 23 into a stationary coordinate system (xl, yl). xl = Ix.cos.omega.t-Iy.sin.omega.t yl = Ix.sin.omega.t + Iy.cos.omega.t The coordinate inverse conversion circuit 23 performs the operation of these two equations, and only the unbalanced DC component corresponds to the stationary coordinate system (xl, yl). And added to the detection signals of the radial sensors 8x and 8y with an opposite sign. A current corresponding to the shake signal about the inertial axis calculated in this way is passed through the coil 62 of the radial magnetic bearing stator 6 to control the radial position of the rotating shaft 3.

【0020】これにより、回転に同期した成分は除去さ
れ、回転に同期した中心周波数を持つBEF(Band E
limination Filter:特定周波数をカットするフィル
タ)と同様の機能を得ることができ、回転同期周波数の
み制御系のゲインを下げた状態、即ち、剛性が極度に下
がった状態になる。その結果、回転軸3は慣性中心を軸
として回転すること(慣性主軸周りの制御)が可能にな
る。これにより、回転軸3の振れは、従来の幾何学的中
心を軸とする制御の場合より大きくなるが、ラジアル磁
気軸受ステータ6に掛かる反力が非常に小さくなるの
で、チェンバハウジング5の振動は、従来に比較して極
力抑えられる。また、回転数成分の制御は実施しないの
で、電力消費も抑えられる。
Accordingly, the component synchronized with the rotation is removed, and the BEF (Band E) having the center frequency synchronized with the rotation is removed.
A function similar to that of a limination filter (a filter that cuts off a specific frequency) can be obtained, and a state in which the gain of the control system is reduced only for the rotation synchronization frequency, that is, a state in which the rigidity is extremely reduced. As a result, the rotation shaft 3 can rotate around the center of inertia (control around the main axis of inertia). As a result, the run-out of the rotary shaft 3 becomes larger than in the case of the conventional control centered on the geometric center, but the reaction force acting on the radial magnetic bearing stator 6 becomes very small. , As much as possible. In addition, since the control of the rotational speed component is not performed, the power consumption can be suppressed.

【0021】図4(a)に、本発明の磁気軸受装置の制
御処理手順のブロック図を示している。同図において、
回転検出回路72からのセンサ信号から、座標分離処理
回路73で回転軸3の軸方向の変位Z、X軸回りの回転
角度θ、Y軸回りの回転角度φ等を分離して補償回路7
5で位置補正量が演算され、演算結果が電流アンプ77
で増幅される。一方、回転検出回路72のセンサ信号か
ら、座標分離処理回路74で回転軸3の半径方向の変位
X,Yを分離して、同図(b)の従来の制御処理手順に
は無い自動バランス制御回路76による処理を経て、補
償回路75で位置補正量が演算され、演算結果が電流ア
ンプ77で増幅される。この自動バランス制御回路76
と補償回路75による処理を、上述した座標変換回路2
1、低域通過フィルタ回路22、及び座標逆変換回路2
3にて行う。
FIG. 4A is a block diagram of a control processing procedure of the magnetic bearing device according to the present invention. In the figure,
The coordinate separation processing circuit 73 separates the axial displacement Z, the rotation angle θ about the X axis, the rotation angle φ about the Y axis, and the like from the sensor signal from the rotation detection circuit 72 in the coordinate separation processing circuit 73, and compensating circuit 7
5, the position correction amount is calculated.
Amplified by On the other hand, the displacements X and Y in the radial direction of the rotation shaft 3 are separated from the sensor signal of the rotation detection circuit 72 by the coordinate separation processing circuit 74, and the automatic balance control which is not included in the conventional control processing procedure of FIG. After the processing by the circuit 76, the position correction amount is calculated by the compensation circuit 75, and the calculation result is amplified by the current amplifier 77. This automatic balance control circuit 76
And the processing by the compensation circuit 75 are performed by the coordinate conversion circuit 2 described above.
1, low-pass filter circuit 22, and coordinate inverse transformation circuit 2
Perform in 3.

【0022】本発明を実際のエキシマレーザ用磁気軸受
装置に適用する前に、回転試験を行った試験装置の構成
を図5に示している。同図(a)において、磁気軸受ハ
ウジング80内の中央に、回転軸であるロータ81を、
その両端を磁気軸受(図示しない)で非接触で支持した
状態で配設し、ロータ81に近接してラジアルセンサ8
x,8y、及び回転検出器82を配置している。磁気軸受
ハウジング80の側面を示す同図(b)において、83
は回転検出用の円板である。ラジアルセンサ8x,8yに
よる検出信号は、センサドライバ84を介して座標変換
回路86に出力される。一方、回転検出器82による検
出信号は、トリガ回路87を介した信号と同期させて座
標変換回路86に出力される。座標変換回路86による
演算結果の成分Xr,Yrに応じて、磁気軸受のコイル
(図示しない)に流す電流を制御する。この座標変換回
路86には、上述した座標変換回路21、低域通過フィ
ルタ回路22、座標逆変換回路23が含まれる。使用し
たロータ81の寸法は、直径100mm、長さ500mm、磁気軸
受部分の外径を50mmとした。ロータ81の重量は約8
kgf、ロータ81の回転速度は約5800rpmで試験を実施し
た。
FIG. 5 shows the configuration of a test apparatus in which a rotation test was performed before the present invention was applied to an actual magnetic bearing apparatus for an excimer laser. In FIG. 9A, a rotor 81 as a rotating shaft is provided in the center of a magnetic bearing housing 80.
The two ends are disposed in a state of being supported in a non-contact manner by magnetic bearings (not shown).
The x, 8y, and rotation detectors 82 are arranged. In the same figure (b) showing the side surface of the magnetic bearing housing 80, 83
Is a disk for detecting rotation. Detection signals from the radial sensors 8x and 8y are output to a coordinate conversion circuit 86 via a sensor driver 84. On the other hand, the detection signal from the rotation detector 82 is output to the coordinate conversion circuit 86 in synchronization with the signal via the trigger circuit 87. The current flowing through the coil (not shown) of the magnetic bearing is controlled according to the components Xr and Yr of the calculation result by the coordinate conversion circuit 86. The coordinate conversion circuit 86 includes the coordinate conversion circuit 21, the low-pass filter circuit 22, and the coordinate inverse conversion circuit 23 described above. The dimensions of the rotor 81 used were 100 mm in diameter, 500 mm in length, and 50 mm in outer diameter of the magnetic bearing portion. The weight of the rotor 81 is about 8
The test was carried out at a rotational speed of kgf and the rotor 81 of about 5800 rpm.

【0023】この試験装置による試験の結果、ロータ8
1は慣性中心を軸として回転することが可能となり、軸
受に掛かる反力が非常に小さくなることが分かった。そ
れは、図7(a)に示す、上記試験装置における磁気軸
受ハウジング80の垂直方向の振動(G)の時間波形、
及び同図(b)の振動(dB)のスペクトラムと、図6
(a)に示す、従来の回転軸の幾何学的中心を軸として
回転させる制御による場合の、磁気軸受ハウジングの垂
直方向の振動(G)時間波形、及び同図(b)の振動
(dB)のスペクトラムと比較して見ると明らかであ
る。即ち、図7の上記試験装置における磁気軸受ハウジ
ング80の垂直方向の振動の振幅が、図6の従来の幾何
学的中心を軸とする制御による場合の磁気軸受ハウジン
グの垂直方向の振動の振幅より小さくなっている。同様
に、図9(a)の上記試験装置における磁気軸受ハウジ
ング80の水平方向の振動(G)の時間波形、同図
(b)の振動(dB)のスペクトラムも、図8(a),
(b)に示す、従来の幾何学的中心を軸とする制御によ
る磁気軸受ハウジングの水平方向の時間波形とスペクト
ラムに比較して、振幅が明らかにに小さくなっている。
したがって、磁気軸受ハウジング80の振動は、従来の
幾何学的中心を軸とする制御の場合よりも小さくなって
いることが分かる。
As a result of the test using this test apparatus, the rotor 8
It was found that No. 1 was able to rotate around the center of inertia, and the reaction force acting on the bearing was extremely small. FIG. 7A shows a time waveform of a vertical vibration (G) of the magnetic bearing housing 80 in the test apparatus,
6 and the spectrum of the vibration (dB) in FIG.
The vertical vibration (G) time waveform of the magnetic bearing housing and the vibration (dB) of FIG. 6B in the case of the conventional control shown in FIG. It is clear when compared with the spectrum. That is, the amplitude of the vertical vibration of the magnetic bearing housing 80 in the test apparatus of FIG. 7 is smaller than the amplitude of the vertical vibration of the magnetic bearing housing in the case of the conventional control centered on the geometric center of FIG. It is getting smaller. Similarly, the time waveform of the horizontal vibration (G) of the magnetic bearing housing 80 in the test apparatus of FIG. 9A and the spectrum of the vibration (dB) of FIG. 9B are also shown in FIG.
The amplitude is clearly smaller than the horizontal time waveform and spectrum of the magnetic bearing housing by the conventional control centered on the geometric center shown in FIG.
Therefore, it can be seen that the vibration of the magnetic bearing housing 80 is smaller than in the case of the conventional control centered on the geometric center.

【0024】また、ロータ81が慣性中心まわりに回転
することが可能になった結果、図10(b)に示すよう
に、同図(a)の従来方式の場合に比較して、回転体
(ロータ81)の振れ回りリサージ図の振幅が4μmか
ら20μmとなって、大きくなっている。即ち、本発明の
磁気軸受装置の回転体の振れは、従来例より大きくな
る。
Further, as a result of the fact that the rotor 81 can rotate around the center of inertia, as shown in FIG. 10B, the rotating body ( The amplitude of the whirling resurge diagram of the rotor 81) has increased from 4 μm to 20 μm. That is, the run-out of the rotating body of the magnetic bearing device of the present invention is larger than in the conventional example.

【0025】しかし、上記試験装置の場合、前記磁気軸
受のラジアル磁気軸受ステータのコイル(図示しない)
に流れる電流は、図11(b)に示すように、同図
(a)の従来方式の場合に比較して、X成分,Y成分共
に2.5〜2.8Aから0.3〜0.4Aと約1/7の
量に減少しているので、電力消費が抑えられることが分
かる。これは、従来の回転数成分の制御を行わないこと
が原因している。
However, in the case of the above-described test apparatus, a coil (not shown) of the radial magnetic bearing stator of the magnetic bearing is used.
As shown in FIG. 11B, the current flowing through the X-axis and the Y-axis components ranges from 2.5 to 2.8 A to 0.3 to 0.3 in both the X and Y components, as shown in FIG. Since it is reduced to 4A, which is about 1/7, it can be seen that power consumption is suppressed. This is because the conventional control of the rotational speed component is not performed.

【0026】当然のことながら、回転数以外の周波数で
は剛性を持っており、図1に示すように、回転周波数以
外の周波数に対する振れには制御がかかるので、軸受と
しての機能は損なわれない。尚、磁気軸受のハウジング
80への取り付けは、この実施形態のように、磁気軸受
を直接取り付ける場合だけでなく、その間に非磁性材や
緩衝部材を介して取り付ける場合にも適用できる。ま
た、上記実施形態の磁気軸受装置は、エキシマレーザ用
磁気軸受装置の制御回路として示したが、これに限ら
ず、回転体の振れはある程度許容できるが、ハウジング
の振動を小さくする必要のある他の種々の用途にも適用
可能である。
As a matter of course, it has stiffness at frequencies other than the rotation speed, and as shown in FIG. 1, the deflection at frequencies other than the rotation frequency is controlled, so that the function as a bearing is not impaired. The attachment of the magnetic bearing to the housing 80 can be applied not only to the case where the magnetic bearing is directly attached as in this embodiment but also to the case where the magnetic bearing is attached via a non-magnetic material or a cushioning member therebetween. Further, the magnetic bearing device of the above embodiment is shown as a control circuit of a magnetic bearing device for an excimer laser. However, the present invention is not limited to this, and the vibration of the rotating body can be tolerated to some extent, but it is necessary to reduce the vibration of the housing. Can be applied to various uses.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
回転体が慣性中心を軸として回転するように制御するの
で、回転体はある程度振れるが、ハウジングの振動を極
力小さくすることができ、これに伴って電力消費量を大
幅に削減することができる。延いては、装置の寿命を延
ばすことができる。
As described above, according to the present invention,
Since the rotating body is controlled so as to rotate around the center of inertia, the rotating body swings to some extent, but the vibration of the housing can be minimized and the power consumption can be greatly reduced accordingly. As a result, the life of the device can be extended.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施形態を示す磁気軸受装置の制御
回路を示すブロック図
FIG. 1 is a block diagram showing a control circuit of a magnetic bearing device according to an embodiment of the present invention.

【図2】エキシマレーザ用磁気軸受装置の軸方向の断面
構成図
FIG. 2 is an axial cross-sectional configuration diagram of a magnetic bearing device for an excimer laser.

【図3】図2のエキシマレーザ用磁気軸受装置を示すA
−A断面図
FIG. 3A shows the magnetic bearing device for the excimer laser of FIG. 2;
-A sectional view

【図4】本発明の磁気軸受装置の制御処理手順を示すブ
ロック図(a)と従来の磁気軸受装置の制御処理手順を
示すブロック図(b)
FIG. 4 is a block diagram showing a control processing procedure of a magnetic bearing device according to the present invention (a) and a block diagram showing a control processing procedure of a conventional magnetic bearing device (b).

【図5】本発明の磁気軸受装置の制御回路を用いた試験
装置の構成を示すブロック図(a)と磁気軸受ハウジン
グの側面図(b)
FIG. 5A is a block diagram showing the configuration of a test apparatus using the control circuit of the magnetic bearing device of the present invention, and FIG. 5B is a side view of the magnetic bearing housing.

【図6】従来の幾何学中心制御回路における磁気軸受ハ
ウジングの垂直方向の振動を示す時間波形(a)とスペ
クトラム(b)
FIG. 6 shows a time waveform (a) and a spectrum (b) showing vertical vibration of a magnetic bearing housing in a conventional geometric center control circuit.

【図7】本発明の制御回路における磁気軸受ハウジング
の垂直方向の振動を示す時間波形(a)とスペクトラム
(b)
FIG. 7 shows a time waveform (a) and a spectrum (b) showing vertical vibration of the magnetic bearing housing in the control circuit of the present invention.

【図8】従来の幾何学中心制御回路における磁気軸受ハ
ウジングの水平方向の振動を示す時間波形(a)とスペ
クトラム(b)
FIG. 8 is a time waveform (a) and a spectrum (b) showing horizontal vibration of a magnetic bearing housing in a conventional geometric center control circuit.

【図9】本発明の制御回路における磁気軸受ハウジング
の水平方向の振動を示す時間波形(a)とスペクトラム
(b)
FIG. 9 is a time waveform (a) and a spectrum (b) showing horizontal vibration of the magnetic bearing housing in the control circuit of the present invention.

【図10】従来の幾何学中心制御回路による回転体の振
れ回りリサージュ図形(a)と本発明の制御回路による
回転体の振れ回りリサージュ図形(b)
FIG. 10 shows a whirling Lissajous figure of a rotating body by a conventional geometric center control circuit (a) and a whirling Lissajous figure of a rotating body by a control circuit of the present invention (b)

【図11】従来の幾何学中心制御によってラジアル磁気
軸受ステータのコイルに流れる電流の波形図(a)と本
発明の制御によってラジアル磁気軸受ステータのコイル
に流れる電流の波形図(b)
11 (a) is a waveform diagram of a current flowing through a coil of a radial magnetic bearing stator by conventional geometric center control, and FIG. 11 (b) is a waveform diagram of a current flowing through a coil of the radial magnetic bearing stator according to the control of the present invention.

【図12】従来のエキシマレーザ用の転がり軸受装置を
示す軸方向の概略構成図
FIG. 12 is a schematic configuration diagram in the axial direction showing a conventional rolling bearing device for an excimer laser.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

3 回転体(回転軸と直交流ファン) 6 ステータ部(ラジアル磁気軸受ステータ) 8x,8y 位置検出手段(ラジアルセンサ) 32 ロータ部(ラジアル磁気軸受ロータ部) 6,32 磁気軸受 3 Rotating body (rotary shaft and cross-flow fan) 6 Stator part (radial magnetic bearing stator) 8x, 8y Position detecting means (radial sensor) 32 Rotor part (radial magnetic bearing rotor part) 6,32 Magnetic bearing

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ハウジング内に収納された回転体と、こ
の回転体を非接触で位置調整可能に支持し、前記ハウジ
ング内に取り付けられた複数の磁気軸受と、前記回転体
の半径方向の位置を検出する位置検出手段と、を備えた
磁気軸受装置において、 前記位置検出手段の検出信号に基づいて前記回転体が慣
性中心を軸として回転するように制御する回転制御手段
を設けて成ることを特徴とする磁気軸受装置。
1. A rotating body housed in a housing, a plurality of magnetic bearings mounted in the housing for supporting the rotating body in a non-contact manner, and a radial position of the rotating body. And a position detecting means for detecting the rotation of the rotating body based on a detection signal of the position detecting means. Characteristic magnetic bearing device.
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