JP2003172353A - 磁気軸受制御装置 - Google Patents

磁気軸受制御装置

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JP2003172353A JP2001369093A JP2001369093A JP2003172353A JP 2003172353 A JP2003172353 A JP 2003172353A JP 2001369093 A JP2001369093 A JP 2001369093A JP 2001369093 A JP2001369093 A JP 2001369093A JP 2003172353 A JP2003172353 A JP 2003172353A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電解コンデンサに流れるリップル電流を小さ
く抑えることの可能な磁気軸受制御装置を提供する。 【解決手段】 磁気軸受の１０軸分の励磁回路１１０を
２つのグループに分ける。この２つのグループは、それ
ぞれ１スイッチング周期ＴS中の前半より（０〜ＴS／２
までの範囲）にトランジスタ１３１、１３２を制御して
パルスを生成するグループと、後半より（ＴS／２〜ＴS
までの範囲）に制御してパルスを生成するグループであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は磁気軸受制御装置に
係わり、特に電解コンデンサに流れるリップル電流を小
さく抑えることの可能な磁気軸受制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】磁気軸受は半導体製造工程で使用される
ターボ分子ポンプ等の回転機器に使用される。ターボ分
子ポンプの磁気軸受の構成例に基づき、従来の磁気軸受
励磁回路について説明する。
【０００３】磁気軸受の構成例としてターボ分子ポンプ
の断面図を図６に示す。図６において、ターボ分子ポン
プは、ガスを排気するためのタービンブレードによる複
数の回転翼１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ…を多段に備
えた回転体１０３を備える。
【０００４】この回転体１０３を軸承するために、上側
ラジアル方向電磁石１０５ａ、下側ラジアル方向電磁石
１０７ａ及びアキシャル方向電磁石１０９ａを配設する
ことにより磁気軸受が構成されている。また、上側ラジ
アル方向センサ１０５ｂ、下側ラジアル方向センサ１０
７ｂ、アキシャル方向センサ１０９ｂを備える。
【０００５】上側ラジアル方向電磁石１０５ａ及び下側
ラジアル方向電磁石１０７ａは、それぞれの横断面図を
示す図７のように構成された電磁石巻線により４個の電
磁石が構成される。これらの４個の電磁石は、２個ずつ
対向配置され、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の２軸の磁気軸受
を構成する。
【０００６】詳細には、隣接する２個のコア凸部にそれ
ぞれ巻回された電磁石巻線１１１、１１１を１組として
互いに逆極性に配置することにより１つの電磁石が形成
される。この電磁石は、回転体１０３を挟んで対向する
コア凸部の電磁石巻線１１３、１１３による電磁石と１
つの対を構成し、それぞれが回転体１０３をＸ軸の正方
向又は負方向に吸引する。
【０００７】また、Ｘ軸と直交するＹ軸方向において
は、２個の電磁石巻線１１５、１１５と、これに対向す
る２個の電磁石巻線１１７、１１７についても、上記同
様に、Ｙ軸方向について対向する電磁石として１つの対
を構成する。
【０００８】アキシャル方向電磁石１０９ａ、１０９ａ
は、その縦断面図を示す図８のように、回転体１０３の
アーマチャ１０３ａを挟む２つの電磁石巻線１２１、１
２３により、１つの対として構成される。各電磁石巻線
１２１、１２３による２個の電磁石１０９ａ、１０９ａ
は、それぞれアーマチャ１０３ａを回転軸線の正方向又
は負方向に吸引力を作用する。
【０００９】また、上側ラジアル方向センサ１０５ｂ、
下側ラジアル方向センサ１０７ｂは、上記電磁石１０５
ａ、１０７ａと対応するＸＹ２軸に配置された４個のセ
ンシングコイルからなり、回転体１０３の径方向変位を
検出する。アキシャル方向センサ１０９ｂは回転体１０
３の軸方向変位を検出する。これらセンサは、それぞれ
の検出信号を図示せぬ磁気軸受制御装置に送るように構
成されている。
【００１０】これらのセンサ検出信号に基づき、磁気軸
受制御装置がＰＩＤ制御等により上側ラジアル方向電磁
石１０５ａ、下側ラジアル方向電磁石１０７ａ及びアキ
シャル方向電磁石１０９ａ、１０９ａを構成する計１０
個の電磁石の吸引力を個々に調節することにより、回転
体１０３を磁気浮上支持するように構成されている。
【００１１】つぎに、上述のように構成される磁気軸受
の各電磁石を励磁駆動する磁気軸受励磁回路について説
明する。電磁石巻線に流れる電流をパルス幅変調方式に
より制御する磁気軸受励磁回路の例を図９に示す。
【００１２】図９において、１個の電磁石を構成する電
磁石巻線１１１は、その一端がトランジスタ１３１を介
して電源１３３の正極に接続され、他端がトランジスタ
１３２を介して電源１３３の負極に接続されている。
【００１３】そして、電流回生用のダイオード１３５の
カソードが電磁石巻線１１１の一端に接続され、アノー
ドが電源１３３の負極に接続されている。同様に、ダイ
オード１３６のカソードが電源１３３の正極に接続さ
れ、アノードが電磁石巻線１１１の他端に接続されてい
る。電源１３３の正極と負極間には安定化のため電解コ
ンデンサ１４１が接続されている。
【００１４】また、トランジスタ１３２のソース側には
電流検出回路１３９が介設され、この電流検出回路１３
９で検出された電流が制御回路１３７に入力されるよう
になっている。
【００１５】以上のように構成される励磁回路１１０
は、電磁石巻線１１１に対応されるものであり、他の電
磁石巻線１１３、１１５、１１７、１２１、１２３に対
しても同じ励磁回路１１０が構成される。従って、５軸
制御型磁気軸受の場合には、合計１０個の励磁回路１１
０が電解コンデンサ１４１と並列に接続されている。
【００１６】かかる構成において、トランジスタ１３
１、１３２の両方をｏｎすると電流が増加し、両方をｏ
ｆｆすると電流が減少する。そして、どちらか１個ｏｎ
するとフライホイール電流が保持される。フライホイー
ル電流を流すことで、ヒステリシス損を減少させ、消費
電力を低く抑えることができる。
【００１７】また、高調波等の高周波ノイズを低減でき
る。そして、このフライホイール電流を電流検出回路１
３９で測定することで電磁石巻線１１１を流れる電磁石
電流ｉLが検出可能である（特許第３１７６５８４号公
報）。
【００１８】制御回路１３７は、電流指令値と電流検出
回路１３９による検出値とを比較してパルス幅変調によ
る１周期内のパルス幅を決め、トランジスタ１３１、１
３２のゲートに信号送出する。
【００１９】電流指令値が検出値より大きい場合には、
図１０に示すように１周期ＴS（例えばＴS＝１００μ
ｓ）中で１回だけパルス幅時間ＴP1に相当する時間分、
トランジスタ１３１、１３２の両方をｏｎする。このと
き電磁石電流ｉLが増加すると同時に電解コンデンサ１
４１にはパルス状の正の電流ｉc1が流れる。即ち、電解
コンデンサ１４１から電流ｉc1が流出する。
【００２０】一方、電流指令値が検出値より小さい場合
には、図１１に示すように１周期Ｔ S中で１回だけパル
ス幅時間ＴP2に相当する時間分、トランジスタ１３１、
１３２の両方をｏｆｆする。このとき電磁石電流ｉLが
減少すると同時に電解コンデンサ１４１にはパルス状の
負の電流ｉc2が流れる。即ち、電解コンデンサ１４１に
電流ｉc2が流入する。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の磁気
軸受励磁回路では、回転体１０３の浮上制御如何によ
り、図５（ａ）に示すように、電解コンデンサ１４１に
は、瞬間的に１０軸分の電流ｉc1（又は電流ｉc2）が重
畳されリップル電流として流れるおそれが生ずる。その
ため、電解コンデンサ１４１には大型の電解コンデンサ
を使用する必要があり、回路寸法が大きくなり、コスト
高になっていた。
【００２２】本発明はこのような従来の課題に鑑みてな
されたもので、電解コンデンサに流れるリップル電流を
小さく抑えることの可能な磁気軸受制御装置を提供する
ことを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】このため本発明は、回転
体と、該回転体の半径方向位置及び／又は軸方向位置を
電磁石により制御する磁気軸受手段と、前記電磁石と電
源との間を断接するスイッチング素子を含み、前記電源
に対し複数並列された励磁回路と、前記電源に配設され
たコンデンサと、前記スイッチング素子をパルス制御す
る制御手段とを備え、前記励磁回路を介して前記コンデ
ンサに流れる電流が所定値未満となるように、前記励磁
回路が複数のグループにグループ分けされ、各グループ
毎に１周期中でのパルス生成される区域が異ならせら
れ、又は該区域の一部が重複されたことを特徴とする。
【００２４】励磁回路を複数のグループにグループ分け
し、各グループ毎に１周期中でのパルス生成される区域
を異ならせたことで、一時にすべての励磁回路からコン
デンサに向けて電流が流れる等ということはなくなる。
リップル電流の大きさがグループ分けにより小さくなる
ので、実効電流も小さくなる。
【００２５】但し、励磁回路を介してコンデンサに流れ
る電流が所定値未満となりさえすれば、各グループ毎に
１周期中でのパルス生成される区域が一部重複された状
態にされてもよい。以上により、コンデンサを小型に構
成できる。制御ユニットも小型化でき、コストダウンに
も繋がる。
【００２６】また、本発明は、前記励磁回路が、前記コ
ンデンサに流れる電流の合成が前記各区域毎にほぼ均等
となるようにグループ分けされたことを特徴とする。
【００２７】このことにより、リップル電流の実効電流
が最も小さくなる。
【００２８】更に、本発明は、前記半径方向位置又は前
記軸方向位置を同一方向に増減させるため対向して配設
された電磁石を励磁する励磁回路は、同一のグループと
されることを特徴とする。
【００２９】磁気軸受による制御では、通常、一方の電
磁石に流れる電流が増えると反対側の対向する電磁石に
流れる電流が減る方向にある。このため、対向する電磁
石同士を同一グループに入れることで、コンデンサに流
れるリップル電流を減少させることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。図１に、本発明の実施形態の回路構成図を示
す。なお、図９と同一要素のものについては同一符号を
付して説明は省略する。
【００３１】図１において、磁気軸受の１０軸分の励磁
回路１１０を２つのグループに分ける。この２つのグル
ープは、それぞれ１スイッチング周期ＴS中の前半より
（０〜ＴS／２までの範囲）にトランジスタ１３１、１
３２を制御してパルスを生成するグループと、後半より
（ＴS／２〜ＴSまでの範囲）に制御してパルスを生成す
るグループである。
【００３２】このように励磁回路１１０を２つのグルー
プに分け、かつ電流指令値が検出値より大きい場合の制
御を図２のタイムチャートに示し、電流指令値が検出値
より小さい場合の制御を図３のタイムチャートに示す。
【００３３】通常、トランジスタ１３１、１３２の通電
デューティは０〜５０％位なので、前半よりグループと
後半よりグループに分けることで電解コンデンサ１４１
に流れるピーク電流を減少させることができる。
【００３４】具体的に一例を挙げれば、前半よりにトラ
ンジスタ１３１、１３２を制御するグループとして、下
側ラジアル方向電磁石１０７ａの電磁石巻線１１１、１
１３、１１５、１１７に対応される励磁回路１１０をま
とめる。
【００３５】一方、後半よりに制御するグループとし
て、上側ラジアル方向電磁石１０５ａの電磁石巻線１１
１、１１３、１１５、１１７及びアキシャル方向電磁石
１０９ａの電磁石巻線１２１、１２３に対応される励磁
回路１１０をまとめる。
【００３６】また、図７において、回転体１０３をＸ軸
プラス方向に制御したい場合には、ｉL＋を増加し、ｉL
−を減少する。一方、Ｘ軸マイナス方向に制御したい場
合には、ｉL＋を減少し、ｉL−を増加する。この間の様
子を図４（ａ）に示す。
【００３７】このように、回転体１０３を対向する電磁
石により制御する場合には、通常、一方の電磁石に流れ
る電流が増えると反対側の電磁石に流れる電流が減る方
向にある。このため、対向する電磁石同士を同一グルー
プに入れることで電解コンデンサ１４１に流れるリップ
ル電流を減少させることができる。
【００３８】なお、このときの各励磁回路１１０から電
解コンデンサ１４１に流れる電流ｉ cは図４（ｂ）のよ
うであり、結局電解コンデンサ１４１に流れる合成電流
ｉcは図４（ｃ）のようになる。従って、合成電流ｉcの
実効値は小さくできる。
【００３９】このため、上側ラジアル方向電磁石１０５
ａの電磁石巻線１１１、１１３、上側ラジアル方向電磁
石１０５ａの電磁石巻線１１５、１１７、下側ラジアル
方向電磁石１０７ａの電磁石巻線１１１、１１３、下側
ラジアル方向電磁石１０７ａの電磁石巻線１１５、１１
７、及びアキシャル方向電磁石１０９ａの電磁石巻線１
２１、１２３は対としてグループ分けされるのが望まし
い。
【００４０】以上のようにグループ分けすることで、図
５（ａ）、（ｂ）に示すように、電解コンデンサ１４１
に流れるリップル電流の大きさを、従来構成に比べほぼ
１／２程度に抑えることができる。
【００４１】図５（ａ）及び図５（ｂ）に基づき、本発
明のように２グループにグループ分けして構成した場合
に流れるリップル電流の大きさを基準として実効電流を
算出してみると、本発明のようにグループ分けした場合
の実効電流が数１であるのに対し、従来構成の場合の実
効電流が数２のようになる。但し、パルス幅をＴ0とし
てデューティＤ＝Ｔ0／ＴSとする。
【００４２】
【数１】
【００４３】
【数２】
【００４４】従って、実効電流が小さくなるため、小型
の電解コンデンサ１４１を使用できる。制御ユニットも
小型化でき、コストダウンにも繋がる。
【００４５】なお、グループ分けは上述の組み合わせに
限定されるものではなく、電解コンデンサ１４１に流れ
るリップル電流の大きさが前半よりグループと後半より
グループとでほぼ均等になればよく、組み合わせには自
由度を有する。
【００４６】また、本発明の実施形態では、各励磁回路
１１０に対するパルス生成を１周期ＴS中の前半よりに
制御するグループと後半よりに制御するグループとに分
けて構成したが、２グループではなく、前、中、後の３
グループで構成してもよい。この場合であっても、電解
コンデンサ１４１に流れるリップル電流の大きさが３グ
ループでほぼ均等となるように各励磁回路１１０をグル
ープ分けする。
【００４７】更に、各励磁回路１１０を介して電解コン
デンサ１４１に流れるリップル電流の大きさが所定値未
満となりさえすれば、各グループ毎に１周期中でのパル
ス生成される区域が一部重複された状態にされてもよ
い。
【００４８】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、励
磁回路を複数のグループにグループ分けし、各グループ
毎に１周期中でのパルス生成される区域を異ならせる等
して構成したので、一時にすべての励磁回路からコンデ
ンサに向けて電流が流れる等ということはなくなる。
【００４９】リップル電流の大きさがグループ分けによ
り小さくなるので、実効電流も小さくなる。従って、コ
ンデンサを小型に構成できる。制御ユニットも小型化で
き、コストダウンにも繋がる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態の回路構成図
【図２】 電流指令値が検出値より大きい場合の制御を
示すタイムチャート
【図３】 電流指令値が検出値より小さい場合の制御を
示すタイムチャート
【図４】 対向する電磁石により制御されるときの様子
を示すタイムチャート
【図５】 電解コンデンサに流れるリップル電流の大き
さを示す図
【図６】 ターボ分子ポンプの断面図
【図７】 ラジアル方向電磁石の横断面図
【図８】 アキシャル方向電磁石の縦断面図
【図９】 磁気軸受励磁回路の例
【図１０】 電流指令値が検出値より大きい場合の制御
を示すタイムチャート
【図１１】 電流指令値が検出値より小さい場合の制御
を示すタイムチャート
【符号の説明】
１０３ 回転体 １１０ 励磁回路 １３１、１３２ トランジスタ １４１ 電解コンデンサ １０５ａ 上側ラジアル方向電磁石 １０７ａ 下側ラジアル方向電磁石 １０９ａ アキシャル方向電磁石 １１１、１１３、１１５、１１７、１２１、１２３ 電
磁石巻線

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 回転体と、該回転体の半径方向位置及び
    ／又は軸方向位置を電磁石により制御する磁気軸受手段
    と、前記電磁石と電源との間を断接するスイッチング素
    子を含み、前記電源に対し複数並列された励磁回路と、
    前記電源に配設されたコンデンサと、前記スイッチング
    素子をパルス制御する制御手段とを備え、前記励磁回路
    を介して前記コンデンサに流れる電流が所定値未満とな
    るように、前記励磁回路が複数のグループにグループ分
    けされ、各グループ毎に１周期中でのパルス生成される
    区域が異ならせられ、又は該区域の一部が重複されたこ
    とを特徴とする磁気軸受制御装置。
  2. 【請求項２】 前記励磁回路が、前記コンデンサに流れ
    る電流の合成が前記各区域毎にほぼ均等となるようにグ
    ループ分けされたことを特徴とする請求項１記載の磁気
    軸受制御装置。
  3. 【請求項３】 前記半径方向位置又は前記軸方向位置を
    同一方向に増減させるため対向して配設された電磁石を
    励磁する励磁回路は、同一のグループとされることを特
    徴とする請求項１又は請求項２記載の磁気軸受制御装
    置。
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