JP2001074049A5

JP2001074049A5 -

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Publication number: JP2001074049A5
Application number: JP1999253184A
Authority: JP
Filing date: 1999-09-07
Publication date: 2004-11-11

Description

【発明の名称】磁気軸受装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】一対がＸ軸上に配置され、他の一対がＹ軸上に配置された少なくとも２対の電磁石と、該電磁石間に配置された磁化可能な被浮上体と、該被浮上体の可動範囲を制限する補助支持具と、該被浮上体の位置変位を検出する一対の位置変位センサと、該位置変位センサからの位置変位信号に応答し、前記電磁石間の任意の位置で被浮上体を非接触で浮上させるように、前記電磁石の磁気吸引力又は磁気反発力を制御する制御電流を出力する制御回路を具備する磁気軸受装置において、
前記電磁石に正弦波信号を供給して被浮上体を移動させる被浮上体移動手段であり、一方の正弦波信号を前記Ｘ軸に配置された電磁石に供給し、該一方の正弦波信号に対して位相が９０°進むか又は遅れた他方の正弦波信号を前記Ｙ軸に配置された電磁石に供給し、これら正弦波信号の周波数と一致する一定の周期で前記被浮上体が前記補助支持具に沿って移動するようにする被浮上体移動手段と、
前記位置変位センサの検出位置変位信号からオフセット補正信号を生成するオフセット補正手段と、
前記オフセット補正手段からのオフセット補正信号を補償する位置補償手段と、
前記オフセット補正手段からのオフセット補正信号に応答して前記電磁石に付勢する駆動信号を供給するドライバと、
前記被浮上体が前記補助支持具に沿って移動するように前記電磁石を順次付勢する前記ドライバを制御する制御手段であり、前記位置変位センサの位置変位信号の最大・最小値を検出し、該最大・最小値の中間値を算出し、該中間値と所定の閾値レベルとを比較する制御手段と、
前記中間値と閾値レベルの差を実質的に除去するオフセット補正手段のオフセット補正信号を調整し、該中間値が前記被浮上体が前記電磁石間で浮上可能な位置となるようにする出力調整手段とを具備することを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】請求項１に記載の磁気軸受装置において、
前記被浮上体が機械的に移動可能な最大値で前記電磁石間を移動するように前記ドライバで前記電磁石を順次付勢し、位置変位信号の最大・最小値を検出し、該最大・最小値の中間値を算出し、該中間値と所定の閾値レベルとを比較し、該中間値と閾値レベルの差を実質的に除去するようにオフセット補正信号を出力調整する一連の動作を、人の作業による手動操作と、自動制御により実施する自動操作手段のいずれも選択可能とした制御回路を備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項３】請求項１に記載の磁気軸受装置において、
前記被浮上体が前記電磁石間で機械的に移動可能な最大範囲で移動した時、位置変位信号の最大・最小値の変化を監視する手段を有し、前記補助支持具の不具合を検出可能にした制御回路を備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御対象となる被浮上体を電磁石により発生する磁力の磁気吸引力或いは磁気反発力を利用して、任意の位置に非接触で被浮上体を浮上制御する磁気軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１は従来の磁気軸受装置の構成例を示す図である。図示するように、制御対象となる磁化可能な被浮上体１０５と、該被浮上体１０５を浮上支持するため必要な磁力を発生する電磁石１０１、１０２と、被浮上体１０５の位置変位を検出するための位置変位センサ１０３、１０４を具備し、被浮上体１０５は電磁石１０１及び位置変位センサ１０３と電磁石１０２及び位置変位センサ１０４の間にある。
【０００３】
被浮上体１０５は、電磁石１０１、１０２から発する電磁力により磁気吸引力或いは磁気反発力の作用を受け、更に電磁石１０１、１０２から発する電磁力は位置変位センサ１０３、１０４で検出された位置変位検出信号と制御回路部１１１にて補償制御され、電磁石１０１、１０２には被浮上体１０５を浮上支持する電磁力を発生する。制御回路部１１１はセンサ回路１１０、補償回路１０８及びドライバ１０９から構成され、センサ回路１１０はオフセット補正部１０６及びセンサゲイン調整部１０７から構成される。
【０００４】
位置変位センサ１０３、１０４で検出された被浮上体１０５の位置変位検出信号は、被浮上体１０５が電磁石１０１、１０２間で所定の位置に浮上支持されるようセンサ回路１１０の中で予め設定された閾値に対する位置変位検出信号の差動出力を該センサ回路１１０、補償回路１０８、ドライバ１０９により構成される制御回路部１１１で補償され電磁石１０１、１０２に出力される。
【０００５】
上記閾値は、通常被浮上体１０５が上記一対の電磁石１０１、１０２の間で浮上可能な範囲の中心に位置したときに、位置変位センサ１０３、１０４が出力する位置変位検出信号と概略一致するように設定することで、該閾値と位置変位検出信号との差動出力が最小になるように一対の電磁石１０１、１０２によって制御対象である被浮上体１０５を浮上制御する。
【０００６】
上記従来の技術では、上記閾値を設定するために被浮上体１０５を一対の電磁石１０１、１０２の間で人手で、若しくは電磁石１０１、１０２の力で機械的に移動可能な最大領域を移動させ、このとき得られる位置変位センサ１０３、１０４の位置変位検出信号の最大・最小値からオフセット補正部１０６にて位置変位検出信号の中心値を算出し、この値を閾値、つまりゼロ点として設定していた。
【０００７】
上記のように被浮上体１０５を機械的に移動可能な最大領域を移動させたい場合、例えば非常に大型の磁気軸受装置や非常に長尺の磁気軸受装置や制御対象物である場合に被浮上体に接触できない場合など、人手による被浮上体の移動作業は事実上不可能である。
【０００８】
また、電磁石１０１、１０２の磁気力で浮上位置の調整を行うときでも、機械的寸法誤差や位置変位センサ個別のばらつきにより、製品個々の制御対象物の浮上位置を検知する位置変位センサの出力特性に再現性がない場合や、該磁気軸受装置のメンテナンス時等、磁気軸受機構部と磁気軸受制御部のいずれかを交換するような事由が発生した場合など、磁気軸受機構部内の被浮上体１０５の浮上位置を新たな組み合わせで使用する磁気軸受制御部内の制御回路によってその都度調整する必要があった。
【０００９】
更に、被浮上体１０５が浮上停止中、若しくは浮上制御に異常が発生した場合に接触支持する補助支持具について、補助支持具に変形、摩耗などが発生し補助支持具（補助ベアリング）自体の機能を果たすことができない故障を、磁気軸受機構部が組み立てられたままの状態では検知できなかった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、被浮上体の浮上制御位置の設定値を調整することが容易で、且つ被浮上体に対する補助支持具の変形、摩耗を容易に検出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請求項１に記載の発明は、一対がＸ軸上に配置され、他の一対がＹ軸上に配置された少なくとも２対の電磁石と、該電磁石間に配置された磁化可能な被浮上体と、該被浮上体の可動範囲を制限する補助支持具と、該被浮上体の位置変位を検出する一対の位置変位センサと、該位置変位センサからの位置変位信号に応答し、電磁石間の任意の位置で被浮上体を非接触で浮上させるように、電磁石の磁気吸引力又は磁気反発力を制御する制御電流を出力する制御回路を具備する磁気軸受装置において、電磁石に正弦波信号を供給して被浮上体を移動させる被浮上体移動手段であり、一方の正弦波信号をＸ軸に配置された電磁石に供給し、該一方の正弦波信号に対して位相が９０°進むか又は遅れた他方の正弦波信号をＹ軸に配置された電磁石に供給し、これら正弦波信号の周波数と一致する一定の周期で被浮上体が補助支持具に沿って移動するようにする被浮上体移動手段と、位置変位センサの検出位置変位信号からオフセット補正信号を生成するオフセット補正手段と、オフセット補正手段からのオフセット補正信号を補償する位置補償手段と、オフセット補正手段からのオフセット補正信号に応答して電磁石に付勢する駆動信号を供給するドライバと、被浮上体が補助支持具に沿って移動するように電磁石を順次付勢するドライバを制御する制御手段であり、位置変位センサの位置変位信号の最大・最小値を検出し、該最大・最小値の中間値を算出し、該中間値と所定の閾値レベルとを比較する制御手段と、中間値と閾値レベルの差を実質的に除去するオフセット補正手段のオフセット補正信号を調整し、該中間値が前記被浮上体が電磁石間で浮上可能な位置となるようにする出力調整手段とを具備することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の磁気軸受装置において、被浮上体が機械的に移動可能な最大値で電磁石間を移動するように前記ドライバで電磁石を順次付勢し、位置変位信号の最大・最小値を検出し、該最大・最小値の中間値を算出し、該中間値と所定の閾値レベルとを比較し、該中間値と閾値レベルの差を実質的に除去するようにオフセット補正信号を出力調整する一連の動作を、人の作業による手動操作と、自動制御により実施する自動操作手段のいずれも選択可能とした制御回路を備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明は請求項１に記載の磁気軸受装置において、被浮上体が前記電磁石間で機械的に移動可能な最大範囲で移動した時、位置変位信号の最大・最小値の変化を監視する手段を有し、前記補助支持具の不具合を検出可能にした制御回路を備えたことを特徴とする。
【００１４】
上記のように相対向する電磁石を順次個別に励磁することで、該被浮上体を該一対の電磁石間で機械的に移動可能な最大領域で移動させ、位置変位センサで検出される位置変位検出信号の最大最小値を検出し、中心値を算出し、該位置変位検出信号の中心値と、被浮上体の浮上位置を決定する閾値とを比較し、位置変位検出信号の中心値と閾値の差動出力が概ね“０”になるようにオフセット補正手段に対して調整信号を加減入力し調整するという方法を用いれば、非常に大型の磁気軸受装置や非常に長尺の磁気軸受装置や制御対象物である被浮上体に接触できない等の場合でも、所定の位置に浮上支持することが可能となる。
【００１５】
また、機械的寸法誤差や位置変位センサの個別のばらつきにより、製品個々で制御対象物の浮上位置と位置変位センサの出力特性に再現性がない場合や、一度位置変位センサの調整を行った被浮上体を有する機械的構造物と被浮上体を浮上制御する制御回路を有する磁気軸受制御部において、個々の部品を交換する必要があった場合に、再び初期調整が必要であっても、本発明によれば、センサ調整に必要な時間を短縮でき、作業者の負担を減らすことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図２は本発明に係る磁気軸受装置の構成例を示す図であり、図２（ａ）は全体構成を、図２（ｂ）は磁気軸受を構成するＸ軸方向とＹ軸方向の電磁石の配置の状態を示す図である。また、図３は図２のセンサ回路の詳細を示す図で、図４は電磁石吸引力による被浮上体にかかるベクトルを示す図である。なお、図３では説明の簡略化のため、位置変位検出信号Ｓｓ１のみについて示す。
【００１７】
図２に示す構成の磁気軸受装置は、制御対象物である被浮上体９を浮上支持するための電磁石１、２、３、４と、被浮上体９の位置を検出する位置変位センサ５、６、７、８と、電磁石１、２、３、４で浮上制御していないときの補助支持手段である補助支持具（補助ベアリング）１０、１１で構成されている。位置変位センサ５、６の位置変位検出信号Ｓｓ１或いは位置変位センサ７、８の位置変位検出信号Ｓｓ２はセンサ回路１２のオフセット補正部１９、センサゲイン調整部２０により補正された変位センサ出力Ｓｇを出力し、補償回路１３で補償され信号Ｓｐをドライバ１４に入力することで電磁石１、２及び電磁石３、４に相応の電流を流し、該電磁石１、２及び電磁石３、４の吸引力で被浮上体９を安定浮上させるフィードバック制御が行われる。
【００１８】
上記構成の磁気軸受装置において、浮上位置調整作業は、被浮上体９を浮上制御しない状態で、補償回路１３とドライバ１４は切替器ＳＷによって遮断され、更にドライバ１４に発振回路１６が接続された状態で実施する。この切り替え作業の後、被浮上体９が補助支持具１０、１１に接触するのに十分な大きさの電磁力を電磁石１、２、３、４に発生させるため、ドライバ１４に発振回路１６によって疑似信号を入力する。
【００１９】
上記ドライバ１４に疑似信号が入力されたとき、例えば、図２（ｂ）に示すＸ軸上に配置された電磁石１Ｘ、３Ｘ、２Ｘ、４Ｘに正弦波信号を、Ｙ軸上に配置された電磁石１Ｙ、３Ｙ、２Ｙ、４Ｙにこの正弦波信号から９０度位相が進んだ、又は遅れた信号を入力した場合、制御対象である被浮上体９にかかる電磁石吸引力のベクトルｆは一定の周期、つまりこの正弦波信号の周波数に相応する周期で磁気軸受機構内を回転し、被浮上体９は、補助支持具１０、１１に沿って動く。
【００２０】
この間オフセット補正部１９のオフセット補正出力Ｓ₀を自動調整制御回路１５にて検出し、最大値、最小値の絶対値が等しくなるようにオフセット調整指令値Ｃ１をオフセット補正部１９に出力することで、補助支持具１０、１１の中心と被浮上体９の浮上目標値を一致させることができる。この作業をオフセット補正と呼ぶことにする。
【００２１】
次に、センサゲイン調整部２０のゲイン調整出力Ｓｇを自動調整制御回路１５に取り込み、このゲイン調整出力Ｓｇの絶対値があらかじめ設定された大きさになるようにゲイン調整指令Ｃ２をセンサゲイン調整部２０に出力し調整することで、設定されたセンサ感度を得る。この作業をセンサゲイン調整と呼ぶことにする。
【００２２】
上記オフセット補正及びセンサゲイン調整の後、オフセット調整指令値Ｃ１に任意の値を加算又は減算し、オフセット補正部１９に出力することにより、任意浮上目標値で浮上制御できる。この一連の作業を浮上位置調整と呼ぶことにする。
【００２３】
上記浮上位置調整の一連の流れを自動化するため、センサ調整スタート信号Ｓstを出力する調整スタートボタン１８を設け、ラッチ回路１７によりセンサ調整スタート信号Ｓstを保持し、該センサ調整スタート信号Ｓstを切替器ＳＷに出力することにより、接点ａと接点ｃを閉じ、それと同時にドライバ１４に正弦波信号と該正弦波信号から９０度進むか又は遅れた信号を出力し、自動調整制御回路１５に調整をスタートさせる。
【００２４】
図５は自動調整制御回路１５の自動調整制御手順のフローを示す図である。図示するように、センサ調整スタート信号ＳstがＯＮになったら先ず上記オフセット補正を行い（ステップＳＴ１）、次にセンサゲイン調整を行い（ステップＳＴ２）、続いて浮上位置調整を行い（ステップＳＴ３）、センサ調整スタート信号ＳstをＯＦＦとする（ステップＳＴ４）。
【００２５】
また、上記センサゲイン調整が終了すると、自動調整制御回路１５はセンサゲイン調整を停止し、ラッチ回路１７にセンサ調整ストップ信号Ｓoffを出力し、センサ調整スタート信号Ｓstをオフさせ、発振回路１６の発振を停止し、切替器ＳＷ１の接点ａと接点ｂを閉じることにより浮上制御を開始する。
【００２６】
更に、この浮上位置調整を行う工程で得られる被浮上体９の移動可能範囲は、磁気軸受装置内の補助支持具１０、１１の内側寸法に規制されているため、一連の計測によって測定される位置変位検出信号の最大変位量は該補助支持具１０、１１の内側寸法を示すことになる。
【００２７】
今、磁気浮上制御停止中に被浮上体を支持する補助支持具１０、１１が破損又は摩耗した場合、補助支持具１０、１１が正規の状態に得られる位置変位センサ５、６、７、８の位置変位検出信号の最大値と比較すると、位置変位検出信号が変化するため、この変化量を予め任意の範囲で設定し、この設定値を越えて変化量が発生した場合に警報を出すことが可能となる。
【００２８】
上記のように被浮上体９を電磁石１、２、３、４によって移動可能な範囲を機械的に移動させ、この時得られる位置変位センサ５、６、７、８の最大最小信号値をもとに、被浮上体９の浮上目標位置を決定する一連の作業を自動若しくは手動による設定動作指令に基づき実行させることで、磁気軸受装置の初期設定を自動で行うことが可能となる。また、この一連の設定作業中に得られる位置変位検出信号の最大変化量によって磁気軸受装置を構成する補助支持具１０、１１の変形・摩耗を検出することが可能となる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように各請求項に記載の発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。
【００３０】
（１）被浮上体を電磁石によって移動可能な範囲に機械的に移動させ、この時得られる位置変位センサの最大最小信号値をもとに、被浮上体の浮上目標位置を決定する一連の作業を自動若しくは手動による設定動作指令に基づき実行させることで、磁気軸受装置の初期設定を容易に行うことが可能となる。
【００３１】
（２）請求項３に記載の発明によれば、上記（１）の効果に加え、この一連の設定作業中に得られる位置変位検出信号の最大変化量によって磁気軸受装置を構成する補助支持具の変形・摩耗を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の磁気軸受装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明に係る磁気軸受装置の構成例を示す図で、図２（ａ）は全体構成を、図２（ｂ）は磁気軸受を構成するＸ軸方向とＹ軸方向の電磁石の配置の状態を示す図である。
【図３】図２のセンサ回路の詳細を示す図である。
【図４】電磁石吸引力による被浮上体にかかるベクトルを示す図である。
【図５】自動調整制御回路の自動調整制御手順のフローを示す図である。
【符号の説明】
１電磁石
２電磁石
３電磁石
４電磁石
５位置変位センサ
６位置変位センサ
７位置変位センサ
８位置変位センサ
９被浮上体
１０補助支持具
１１補助支持具
１２センサ回路
１３補償回路
１４ドライバ
１５自動調整制御回路
１６発振回路
１７ラッチ回路
１８調整スタートボタン
１９オフセット補正部
２０センサゲイン調整部