JP2002310153A - 磁気軸受を有する回転機 - Google Patents

磁気軸受を有する回転機

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JP2002310153A
JP2002310153A JP2001119058A JP2001119058A JP2002310153A JP 2002310153 A JP2002310153 A JP 2002310153A JP 2001119058 A JP2001119058 A JP 2001119058A JP 2001119058 A JP2001119058 A JP 2001119058A JP 2002310153 A JP2002310153 A JP 2002310153A
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Japan
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magnetic bearing
gap sensor
rotating machine
support
support fitting
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JP2001119058A
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English (en)
Inventor
Takehiro Shinzen
健裕 新膳
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Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ギャップセンサや支持金具の振動を防止し、
共振しないようにした磁気軸受を有する回転機を提供す
る。 【解決手段】 ギャップセンサ8を備えた支持金具9の
先端を紐状体でしばり、又は一体型支持金具9とし、支
持金具9の質量を増大し、制御ブロックにフィルタC6
を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気軸受を有する
回転機であって、ギャップセンサによるギャップの計測
を正確に行ない安定した磁気軸受の制御を行なうように
したものである。
【0002】
【従来の技術】近年、回転体を非接触で支持するために
磁気軸受が適用されるようになってきつつある。回転体
を非接触支持することにより、(1)摩擦・摩耗の問題
が極めて少なくなること、(2)超高速回転が可能とな
ること、(3)振動・騒音が極めて小さくなること、
(4)潤滑油を使用しないですむため、特殊雰囲気中で
使用できること、等の利点が生じるためである。一般に
回転体を剛体と考えると、6つの自由度をもつ。すなわ
ち、重心の位置(x,y,z)で3つ、重心回りの回転
(ピッチング、ヨーイング、ローリング)の3つの計6
つである。通常、回転体は回転するのでローリングは自
由にさせることになる。したがって、5つの自由度を制
御することが必要になる。
【0003】この5軸制御型磁気軸受の構造例を有する
回転機を図7にて示す。シャフト1の中央部分には固定
子2と対向する回転子3を有し、この回転子3の軸方向
両脇にはラジアル磁気軸受4が備えられ、片側のラジア
ル磁気軸受4の近くにはスラスト磁気軸受5が備えら
れ、そして両端には接触機械軸受6が備えられている。
ラジアル磁気軸受4では、円筒型の回転子鉄心4aを固
定子として形成される電磁石4bにて放射状に引き合う
ようにしてシャフト1を中心に保つようにしており、前
述の5軸のうち4軸を制御するものである。また、スラ
スト磁気軸受5は回転子鉄心5aと電磁石5bとでシャ
フト1の軸方向である1軸を制御するものである。
【0004】ラジアル磁気軸受4では、4軸制御である
ことから回転子位置を非接触にて検出する位置センサが
必要であり、検出値としてはシャフト1の片寄りとして
シャフト1と位置センサとのギャップを検出するのが一
般的である。
【0005】ここで、非接触型微小位置センサとして
は、渦電流式センサが広く用いられており、構造として
は先端部にある数十ターンの検出コイルが発振回路の一
部となっており、発振に伴って検出コイルに高周波電流
が流れると、高周波交流磁界が発生し、この交流磁界が
測定対象の金属体(ここではシャフト)を貫くとき、こ
の磁界を打ち消すように渦電流が流れ、この渦電流によ
る損失により発振振幅は減少する。この発信振幅の減少
量は、金属体と検出コイルとの間の距離と金属体の導電
率によって変化するものであるが、発振振幅の変化を検
波回路により測定することで、金属体の変位量を測定す
るというものである。
【0006】図8はラジアル磁気軸受4に備えられたギ
ャップセンサ8とその取付状態とを示す正面及び側面を
示すものである。シャフト1にはラジアル磁気軸受4の
円筒型の回転子鉄心4aがはめ込まれ、固定子である電
磁石4bと対向している構造で、このラジアル磁気軸受
4の軸方向に隣接して基端がフレーム7にボルト固定さ
れ、先端が図9に示すようにL字形に折り曲げられてギ
ャップセンサ8が取付けられる支持金具9が放射方向に
配置されている。そして、ギャップセンサ8は支持金具
9の折り曲げられた先端に取付けられ、シャフト1に対
向するように取付けられる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
支持金具9によるギャップセンサ8の取付構造にあって
は、支持金具9の剛性が不足しがちであり、磁気軸受4
の回転子鉄心4aの浮上時の衝撃によりギャップセンサ
8自体が振動してしまう。つまり、磁気軸受4に電源を
投入する前には回転子鉄心4aは、固定子の電磁石4b
と接触している状態であるが、この状態から制御を開始
すると、制御器に含まれる積分動作(定常偏差を小さく
するため積分動作が含まれる)により制御開始前の偏差
が大きく積分出力が大きくなっていわゆるワインドアッ
プ現象が生じ、機械系に急激な力が加わって支持金具9
を通しギャップセンサ8に振動が発生することになる。
この結果、ギャップセンサ8によるギャップ計測値にセ
ンサ自体の振動による変位分が加わり、回転子とのギャ
ップが正確に測定できなくなり、安定に制御できないと
いう問題がある。
【0008】本発明は、かかる問題に鑑み、支持金具の
振動を防止する等してギャップを安定して制御するよう
にした磁気軸受を有する回転機の提供を目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成する本
発明は、次の発明特定事項を有する。第1の発明は、回
転子変位を磁気軸受のギャップセンサにて測定し上記磁
気軸受の制御をする磁気軸受を有する回転機において、
基端が固定されて先端にてギャップセンサを支持する複
数の支持金具の先端を相互に拘束することを特徴とす
る。
【0010】第2の発明は、回転子変位を磁気軸受のギ
ャップセンサにて測定し上記磁気軸受の制御をする磁気
軸受を有する回転機において、複数の上記ギャップセン
サを一体形成の支持金具にて支持することを特徴とす
る。
【0011】第3の発明は、第1,第2の発明にあっ
て、支持金具の質量を増大させたことを特徴とする。
【0012】第4の発明は、第1ないし第3の発明にあ
って、磁気軸受の制御を行なう制御部にてギャップセン
サによる信号を処理する処理回路にはフィルタを備えた
ことを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】ここで、図1〜図6を参照して本
発明の実施の形態の例について述べる。図1は、前述し
た図8に対応する本発明の実施形態の一例で、ラジアル
磁気軸受4の円筒形のフレーム7の側面に、基端がボル
ト固定され、先端にシャフト1に対向するギャップセン
サ8が取付けられた、L字型の支持金具9を放射方向に
4個備えてある。
【0014】このL字型の支持金具9は、その先端にて
ギャップセンサ8が載るようにシャフト1に沿って折り
曲げられている。本例では、全ての支持金具9の先端を
相互に拘束する手段は、支持金具9の先端の折り曲げ部
分に、全ての支持金具9を緊縛するように紐状体10を
かけて縛るものであり、折り曲げ部分は各支持金具9に
て相互に結ばれ拘束される。このために支持金具9はそ
の基端と先端とで固定状態となりギャップセンサ8の振
動を防止することができる。
【0015】図2は支持金具9の変形例であり、図1に
示す複数の支持金具9を一体化した例を示している。つ
まり、蓋部Bを有する略T形に一体に形成した支持金具
9の3つの端に前述のラジアル磁気軸受4のフレーム7
に固定するためのボルト穴9BHが形成され、この略T
形の支持金具9の中央には、折り曲げ部9Lを有して図
1に示すシャフト1が通る略矩形の穴9SHが形成され
る。そして、この穴9SHの4辺(蓋部Bを含んで計4
辺)の中央にあって折り曲げ部分9Lにはギャップセン
サ8が取付け固定される。この場合、シャフト1の軸中
心に対して4個のギャップセンサ8の位置決めを正確な
ものにする必要があり、矩形の穴9SHの位置、折り曲
げ部9Lの曲げ加工、ボルト穴9BHの位置、蓋部Bの
厚さ等の形成に正確さを必要とする。
【0016】このように支持金具9を一体形成すること
によりギャップセンサ8の振動を軽減もしくは防止する
ことができる。図2に示す一体形成の支持金具9は、金
型を用いて一体成形したものでも、無垢の材料から機械
加工で作製したものでも、複数の構成部材を溶接等で一
体化したものでも良い。例えば、略T形の板材を横辺部
分から縦辺部分へ切り欠き、この切り欠き部分(穴9S
H)の3辺にてギャップセンサ8が載るように折り曲げ
たものを作製し、これに、ギャップセンサ8が載るよう
な板状の蓋部Bを切り欠き部分側から溶接することによ
り、支持金具9が得られる。
【0017】ここで、支持金具9についての振動を考察
するに、図3は支持金具の簡易モデルであるが、支持金
具の弾性係数をK、支持金具の保持質量をM、変位をx
とすると、質点の運動方程式、並びに質点の共振周波数
ωは次式[数1]となる。
【数1】
【0018】他方、ラジアル磁気軸受4における振動を
考察するに、図4(a)のように磁気軸受4をモデル化
することができて、振動のバネ定数は電磁石の電流を調
節する制御系の比例ゲインKP によって次のように決定
される。平衡点における電流をI0 、平衡点における変
位をX0 、制御系の比例ゲインをKP 、平衡点からの変
位をxとすると、電磁石の発生する力Fmag は次式[数
2]となる。
【数2】
【0019】そして、バネ定数はdFmag /dxにて与
えられるので、次式[数3]となる。
【数3】
【0020】ここで、図4(a)のモデルを図4(b)
の如くバネ質量のモデルに変換すると、制御系による共
振周波数ω2 はバネ定数Kと回転子鉄心の質量Mにより
次式[数4]のようになる。
【数4】
【0021】こうして、ラジアル磁気軸受4の共振角周
波数ω2 と支持金具の共振角周波数ωとを同じにならな
いように、いいかえれば発振しないようにすることによ
り、定常運転状態における安定性の向上を図ることがで
きる。
【0022】このために、図5に示すように、一体形成
の支持金具9の蓋部Bに更に重りgを取付けることによ
り制御系の共振周波数と支持金具9の固有振動数とを離
すことにより、定常運転の安定性が図れる。重りgは、
支持金具9の固有振動数を下げることにより、ラジアル
磁気軸受4の共振角周波数ω2 と支持金具9の共振角周
波数ωとが同じにならないように、支持金具9の質量を
増大させるものであれば良い。
【0023】更に、本発明にあっては、図6に示すよう
にラジアル磁気軸受の制御ブロックによる方策をも例示
する。図6は、ラジアル磁気軸受のセンサ部分つまりギ
ャップセンサ8とシャフト1とのギャップの測定値の制
御・演算ブロックを示すものである。この制御ブロック
において、位置検出部C1は前述のギャップの測定値検
出を行ない、この検出信号は前述した4個のギャップセ
ンサによる上下左右方向の変位情報である。座標変換部
C2ではこの変位情報から回転子の重心及び重心まわり
の傾きに変換する。つまり、4軸の位置や傾きを求める
ものである。このうち、重心については、PID制御部
C3により制御量を求め、重心まわりの傾きについては
LQR部C4にて最適レギュレータを用いて制御量を求
めるものである。制御出力は、座標変換部C5にて再度
変換されてラジアル磁気軸受での上下左右方向の電流指
定値に変換されることになる。
【0024】かかる制御ブロックにて、位置検出部C1
と座標変換部C2との間にはフィルタ部C6が介在され
る。このフィルタ部C6はギャップセンサの支持具であ
る支持金具の共振周波数の通過を阻止するためのもの
で、不要な信号の除去を行なうためのものである。
【0025】上述の説明においては、図5において一体
形の支持金具について重りgを付加して質量をふやすこ
とを述べたのであるが、図1に示す紐状体による緊縛
等、各支持金具の先端を相互に拘束する構成において
も、各支持金具に同量の重りを加えるなどして、質量を
増大して発振を防止するようにしてもよい。また、支持
金具の共振周波数の通過を阻止するフィルタ部について
は、図1に示したような各支持金具の先端を相互に拘束
する構成、図2に示したような一体形成の支持金具の構
成、図5に示したような支持金具の質量を重りgで増大
させる構成、いずれの場合にも、位置検出部(ギャップ
センサ)C1と座標変換部C2との間にフィルタ部C6
を介在させることができる。これにより、フィルタ部C
6が支持金具の共振周波数の通過を阻止し、安定な磁気
浮上が可能となる。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、次
の効果を有する。 1.磁気軸受の回転子変位測定用ギャップセンサにおい
て、ギャップセンサの振動幅を少なくすることができ
る。 2.磁気軸受の回転子変位測定用ギャップセンサにおい
て、ギャップセンサの固有振動数を下げることにより、
共振現象を防止することができる。 3.磁気軸受の回転子変位測定用ギャップセンサにおい
て、測定後の計測値にフィルタをかけることにより、共
振現象を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の一例の構成図。
【図2】本発明の実施の形態の他の例の構成図。
【図3】支持金具の簡易モデルの説明図。
【図4】磁気軸受の簡易モデルの説明図。
【図5】重りをつけた例の構成図。
【図6】制御ブロックのブロック図。
【図7】回転機全体の簡略断面図。
【図8】従来例の構成図。
【図9】支持金具の構成図。
【符号の説明】
1 シャフト 4 ラジアル磁気軸受 4a ラジアル磁気軸受の回転子鉄心 4b ラジアル磁気軸受の電磁石 7 ラジアル磁気軸受のフレーム 8 ギャップセンサ 9 支持金具 10 紐状体 B 蓋部 g 重り C6 フィルタ部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 3J102 AA01 BA03 BA17 BA18 CA02 CA03 DA02 DA03 DA09 DB01 DB05 DB27 DB29 GA13 5H607 AA04 BB01 BB02 BB13 BB14 BB26 CC07 DD01 DD19 GG01 GG18 HH01 HH09 5H611 AA01 BB01 BB02 PP03 QQ03 RR00 UA04

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 回転子変位を磁気軸受のギャップセンサ
    にて測定し上記磁気軸受の制御をする磁気軸受を有する
    回転機において、 基端が固定されて先端にてギャップセンサを支持する複
    数の支持金具の先端を相互に拘束することを特徴とする
    磁気軸受を有する回転機。
  2. 【請求項2】 回転子変位を磁気軸受のギャップセンサ
    にて測定し上記磁気軸受の制御をする磁気軸受を有する
    回転機において、 複数の上記ギャップセンサを一体形成の支持金具にて支
    持することを特徴とする磁気軸受を有する回転機。
  3. 【請求項3】 支持金具の質量を増大させたことを特徴
    とする請求項1又は2記載の磁気軸受を有する回転機。
  4. 【請求項4】 磁気軸受の制御を行なう制御部にてギャ
    ップセンサによる信号を処理する処理回路にはフィルタ
    を備えたことを特徴とする請求項1,2又は3記載の磁
    気軸受を有する回転機。
JP2001119058A 2001-04-18 2001-04-18 磁気軸受を有する回転機 Withdrawn JP2002310153A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006094625A (ja) * 2004-09-24 2006-04-06 Nikon Corp モータ駆動機構
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JP5541464B2 (ja) * 2009-02-18 2014-07-09 株式会社島津製作所 ターボ分子ポンプ

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Effective date: 20080701