JP2004270778A

JP2004270778A - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JP2004270778A
Application number: JP2003061245A
Authority: JP
Inventors: Masamiki Ofuji; 正幹大藤; Junichiro Ozaki; 純一郎小崎
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2004-09-30

Abstract

【課題】フィードバックゲイン切換時のロータの過大振幅を防止することができる磁気軸受装置の提供。
【解決手段】磁気軸受式ターボ分子ポンプでは、ロータ回転開始から定常回転に達するまでに危険速度（回転数ｎ２）を通過させなければならない。ロータ回転開始から回転数ｎ３までは、回転数ｎ１が危険速度である制御ゲインＧ１で磁気軸受を制御し、回転数がｎ４を越えたならば本来の制御ゲインＧ２で制御する。そして、ゲイン切換区間であるｎ３≦ｎ≦ｎ４の回転数範囲では、回転数の上昇に伴って制御ゲインＧをＧ１からＧ２へと連続的に変化させる。その結果、ゲイン切換時のロータの過大振幅を防止することができる。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ分子ポンプ等に用いられる磁気軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボ分子ポンプや工作機械等の高速回転が要求される装置においては、磁気軸受が採用されることが多い。例えば、ターボ分子ポンプの場合には、ロータ位置を変位センサで検出してそのセンサ信号を制御回路に取り込み、センサ信号に基づいて電磁石電流を制御するようにしている。磁気軸受装置では、一般的にフィードバック制御系としてＰＩＤ制御を用いて、定常外乱に対する定常偏差を減衰させている。
【０００３】
このようなロータを支持する磁気軸受装置では、２つの固有振動モードを有している。一つはシリンドリカルモードと呼ばれ、ロータの軸が軸受中心軸の回りに円筒状の軌跡を描くものである。二つ目はコニカルモードと呼ばれ、ロータの軸が軸受中心軸の回りに円錐状の軌跡を描くものである。
【０００４】
上記固有振動モードが存在することから、ロータ回転数を増加または減少させた際に、回転周波数が固有振動の周波数と一致したときに共振が発生して、ロータの過大振幅が発生するおそれがある。その結果、ロータがステータ側に設けられた保護ベアリングと接触して、磁気軸受自体に振動が発生する。それによって保護ベアリングからダストが発生したり、保護ベアリングの損傷や焼き付きといった問題が発生する。
【０００５】
ところで、固有振動モードの周波数はフィードバックのゲインに応じて変化することが知られている（例えば、特許文献１参照。）。例えば、ロータ回転速度が低速のときには、フィードバックゲインを本来の値よりも高くすることにより共振が生じる危険速度を高めに設定する。そのため、ロータは、本来のフィードバックゲインにおける危険速度に対応する回転速度を、共振を発生させることなく通過することができる。そして、ロータ回転速度が上記危険速度を通過したならば、フィードバックゲイン切り換えて本来のゲイン値に下げる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−２２４８３９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フィードバックゲインを急激に変化させると、ゲイン切り換えの際に発生する過渡応答によりロータに過大な振幅が生じ、最悪の場合にはロータが保護ベアリングにタッチダウンしてしまうおそれがあった。
【０００８】
本発明は、フィードバックゲインを連続的に変化させてフィードバックゲイン切換を行うことにより、フィードバックゲイン切換時のロータの過大振幅を防止することができる磁気軸受装置を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁気浮上制御ゲインが異なる複数の運転状態を有する磁気軸受装置において、第１磁気浮上制御ゲインによる第１の運転状態から第２磁気浮上制御ゲインによる第２の運転状態へと切り換える際に、磁気浮上制御ゲインが第１磁気浮上制御ゲインから第２磁気浮上制御ゲインへと連続的に変化する第３の運転状態で磁気軸受装置を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
また、磁気軸受装置が、回転体を電磁石で非接触支持するとともに、回転体の回転数に応じて第１の運転状態から第２の運転状態へと切り換えるものであっても良い。その場合、第３の運転状態においては、回転体の回転数の変化に対応させて磁気浮上制御ゲインを第１磁気浮上制御ゲインから第２磁気浮上制御ゲインへと連続的に変化させる。
さらに、予め設定された所定切換時間内に前記第１の運転状態から前記第２の運転状態へと切り換えるようにしても良い。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明による磁気軸受装置の一実施の形態を示す図であり、磁気軸受式ターボ分子ポンプを示す。図１は磁気軸受式ターボ分子ポンプのポンプ本体１の断面図である。ポンプ本体１に設けられたケーシング２０の内部には、複数段のロータ翼２１およびネジ溝部２２が形成されたロータ４と、ロータ翼２１に対して交互に配設されるステータ翼２３と、上記ネジ溝部２２と対向するように配設される筒状部材２４とが設けられている。
【００１１】
ロータ４を非接触支持する電磁石５はラジアル磁気軸受を構成する電磁石５１，５２とアキシャル磁気軸受を構成する電磁石５３とを有し、これらは５軸制御型磁気軸受を構成している。これらのラジアル電磁石５１，５２とアキシャル電磁石５３に対応して、ラジアル変位センサ７１，７２およびアキシャル変位センサ７３が設けられている。
【００１２】
ポンプ本体１は不図示のコントローラにより駆動され、コントローラとポンプ本体とを接続するケーブル（不図示）は、レセプタクル２５に接続される。ロータ４を電磁石５１，５２，５３により非接触支持しつつモータ６により回転駆動すると、吸気口フランジ２０側のガスは矢印Ｇ１のように背圧側（空間Ｓ１）に排気され、背圧側に排気されたガスは排気口フランジ２６に接続された補助ポンプによりポンプ外に排出される。
【００１３】
２７，２８は非常用のメカニカルベアリングであり、ロータ４が磁気浮上していないときには、ロータ４はこれらのベアリング２７，２８により支持される。ベアリング２７はロータ４のラジアル方向の２軸（ｘ軸およびｙ軸）の運動を非常時に拘束し、ベアリング２８はラジアル方向の２軸（ｘ軸およびｙ軸）とスラスト方向の１軸（ｚ軸）を拘束する。なお、ベアリング２７，２８は、磁気浮上中のロータ４が大きく偏心した際に、ロータ４とステータ側の電磁石等とが接触するのを防止する保護ベアリングとしても機能している。
【００１４】
図２は５軸制御型磁気軸受の概念図であり、ロータ４の回転軸Ｊがｚ軸に一致するように示した。図１に示したラジアル電磁石５１は、ｘ軸に関する一対の電磁石５１ｘとｙ軸に関する一対の電磁石５１ｙとを備えている。同様に、ラジアル電磁石５２も、ｘ軸に関する一対の電磁石５２ｘとｙ軸に関する一対の電磁石５２ｙとを備えている。また、アキシャル電磁石５３は、ロータ４の下端に設けられたディスク４１をｚ軸に沿って挟むように対向して配設される一対の電磁石５３ｚを備えている。
【００１５】
図１の変位センサ７１，７２に関しても、電磁石５１ｘ，５１ｙ，５２ｘ，５２ｙに対応してそれぞれ一対のラジアル変位センサで構成されている。これら５組の電磁石５１ｘ，５１ｙ，５２ｘ，５２ｙ，５３および変位センサ７１〜７３により５軸制御型磁気軸受が構成されている。
【００１６】
図３は磁気軸受装置の磁気浮上制御系の基本構成を示すブロック図であり、磁気軸受部分に関してはラジアル方向の一軸にのみ示した。電磁石５としては一対のラジアル電磁石５１ｘを示し、変位センサ７としては電磁石５１ｘに対応したラジアル変位センサ７１ｘを示す。変位センサ７はインダクタンス式のセンサであり、ギャップ変位の変化によるセンサ部インピーダンスの変化を利用して、ギャップ変位を電気信号に変換している。ロータ４のセンサ対向面は強磁性体または導体で構成される。
【００１７】
ポンプ本体１を駆動するコントローラには、センサ回路２、制御回路３、励磁アンプ８が設けられている。制御回路３は、Ａ／Ｄコンバータ３０１、Ｄ／Ａコンバータ３０２、演算部であるＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）３０７、およびＲＯＭ３０４やＲＡＭ３０５等を有する記憶部３０６を備えている。
【００１８】
変位センサ７にはセンサ回路２により数十ｋＨｚの搬送波が印加され、ギャップ変位により生じるセンサ部インピーダンス変化に応じて搬送波を振幅変調する。この振幅被変調波（ＡＭ波）は、センサ信号としてセンサ回路２を介して制御回路３に入力される。ラジアル変位センサ７１ｘの場合には、センサ回路２において各変位センサ７１ｘからのセンサ信号の差分が演算され、その差分成分がセンサ信号として制御回路３に入力される。ロータ４の回転速度（回転数）は回転数センサ１０により検出され、その検出信号は制御回路３に入力される。
【００１９】
制御回路３に入力されたアナログセンサ信号は、Ａ／Ｄコンバータ３０１によりデジタル値に変換され、ＤＳＰ３０７に入力される。磁気軸受装置では、変位センサ７のセンサ信号を制御系にフィードバックして電磁石５の励磁電流を制御しており、ロータ４や電磁石５等で構成される磁気浮上系に応じた制御ゲインが記憶部３０６に予めインプットされている。
【００２０】
図４は、本実施の形態におけるＤＳＰ３０７の機能を示すブロック図である。Ａ／Ｄコンバータ３０１によりデジタル変換されたセンサ信号は、ＤＳＰ３０７の制御演算部３１０に入力される。制御演算部３１０では、変位センサ７からのセンサ信号と予め設定された制御ゲインとに基づいて電磁石５に流すべき励磁電流を算出する。例えば、ロータ４の浮上位置が適正位置よりも左側にずれている場合には、右側の電磁石５１ｘの励磁電流を大きくして適正位置となるように制御する。このときの電流制御量はＰＩＤ演算により算出される。
【００２１】
制御演算部３１０の制御演算出力は制御出力ゲイン切換部３１１に入力される。制御出力ゲイン切換部３１１では、回転数センサ１０で検出されたロータ４の回転数に基づいて、制御演算部３１０から入力された制御演算出力を補正することによりゲイン切換を行う。ゲイン切換の詳細については後述する。制御出力ゲイン切換部３１１からは、制御演算出力にゲイン補正係数を乗じた制御信号が出力される。その制御信号は、Ｄ／Ａコンバータ３０２によりアナログ値に変換された後に励磁アンプ８に入力される。
【００２２】
図５，６はターボ分子ポンプにおけるゲイン切換の一例を示す図である。図５はロータ４の回転数と制御ゲインとの関係を示す図であり、縦軸はゲイン、横軸はロータ回転数である。また、図６はゲイン切換手順を示すフローチャートであり、制御出力ゲイン切換部３１１の動作を示したものである。
【００２３】
図５の曲線Ｌは制御ゲインの変化を表しており、ロータ４の回転数ｎが＜ｎ３の時には制御ゲインはＧ１に設定される。また、回転数ｎがｎ＞ｎ４の場合には、制御ゲインはＧ２（＜Ｇ１）に設定される。そして、ｎ３≦ｎ≦ｎ４の範囲がゲイン切換区間であり、回転数ｎがｎ３からｎ４へと変化する間に、制御ゲインはＧ１から減少してＧ２へと変化する。このゲイン切換区間ｎ３≦ｎ≦ｎ４を挟んでゲインＧ１とゲインＧ２との間の切り換えが行われる。なお、回転開始時の制御ゲインＧ１は、予め記憶部３０６に記憶されている制御ゲインである。
【００２４】
制御ゲインＧ２は高速回転時に適した制御ゲインであり、制御ゲインＧ２に設定したときの危険速度に対応する回転数はｎ２である。一方、制御ゲインＧ１はＧ２よりも大きく、そのときの危険速度に対応する回転数はｎ２よりも大きなｎ１となる。ロータ４を定常回転まで加速する際には、回転数ｎ２に対応する危険速度を通過させる必要がある。
【００２５】
従来は、図７の示すように、高速回転時の制御ゲインＧ２よりも大きな制御ゲインＧ１で加速を開始する。このときの危険速度に対応する回転数は上述したようにｎ１である。そして、ロータ回転速度が回転数ｎ２を通過したならば、すなわち、制御ゲインＧ２の場合の危険速度を通過したならば、回転数ｎ５において制御ゲインをＧ１からＧ２へと階段状に急激に切り換える。ゲイン切換により危険速度に対応する回転数はｎ２となるので、ロータは危険速度を通過したことになる。このようなゲイン切換を行うことにより、危険速度（共振点）を速やかに通過できることは前述したとおりである。
【００２６】
図５に戻って、制御ゲインをＧ１からＧ２へと切り換えて共振点通過を速やかに行わせる点は図７の場合と同様であるが、本実施の形態では、ゲイン切換区間（ｎ３≦ｎ≦ｎ４）を設けてその区間で制御ゲインをＧ２からＧ１へと連続的に切り換えるようにした。ところで、ゲインＧ１およびゲインＧ２の状態はともに安定な状態であるが、ゲイン切換区間であるゲインＧ１の状態とゲインＧ２の状態との間の状態は必ずしも安定な状態とはいえない。そのため、ゲインＧ１からゲインＧ２への切換を時間をかけてゆっくり行うと、磁気軸受の状態が不安定になるおそれがある。
【００２７】
しかし、本実施の形態では、上述したようにゲイン切換区間を設け、その区切られた短い時間の間に連続的にゲインを変化させることにより、不安定になるのを防止することができる。このとき、連続的にゲインを変化させるゲイン切換区間の幅、すなわちゲイン切換に要する時間はある程度短いほうが好ましく、例えば１秒以下に設定される。もちろん、この切換時間は、従来のように階段状に変化させる場合と比較すれば十分に長い時間であり、階段状に変化させたときに生じる過渡現象が発生することはない。
【００２８】
ゲイン切換区間の幅としては、例えば、ターボ分子ポンプであれば、ロータ回転周波数（Ｈｚ）で表すと数Ｈｚ程度である。もちろん、この周波数幅はロータ回転の加速速度および減速速度に依存しており、同じ切換時間であっても加減速速度が速いほうが周波数幅も大きくなる。
【００２９】
次に、図６のフローチャートを用いて切換手順を説明する。図６のフローチャートは、制御回路３（図３参照）の電源がオンされるとスタートする。ステップＳ１０１では制御回路３の電源がオフされたか否かを判定し、オフと判定されるとゲイン切換の処理を終了し、オンと判定されるとステップＳ１０２へ進む。
【００３０】
ステップＳ１０２では、ロータ回転数ｎが「ｎ＜ｎ３」、「ｎ３≦ｎ≦ｎ４」および「ｎ＞ｎ４」のいずれであるかを判定する。なお、ｎ３，ｎ４は図５で示したように、ゲイン切換区間の上限および下限の回転数を表す。ステップＳ１０２で「ｎ＜ｎ３」と判定されるとステップＳ１０３へ進み、「ｎ３≦ｎ≦ｎ４」と判定されるとステップＳ１０４へ進み、「ｎ＞ｎ４」と判定されるとステップＳ１０５へ進む。
【００３１】
ステップＳ１０３〜Ｓ１０５の各処理では、ロータ回転数ｎに応じたゲイン補正係数αを演算する。ロータ回転数ｎが「ｎ＜ｎ３」の場合には、ステップＳ１０３で補正係数αをα＝１とし、ステップＳ１０６に進んで制御ゲインＧをＧ＝Ｇ１・αで算出する。すなわち、図５に示すように、「ｎ＜ｎ３」の範囲では制御ゲインはＧ１とされる。
【００３２】
一方、ロータ回転数ｎが「ｎ＞ｎ４」の場合には、ステップＳ１０５で補正係数αをα＝Ｇ２／Ｇ１とし、ステップＳ１０６ではその補正係数αを用いて制御ゲインＧを算出する。この場合、制御ゲインＧはＧ＝Ｇ２となる。すなわち、「ｎ＞ｎ４」の範囲では、図５に示すように制御ゲインはＧ２とされる。
【００３３】
ロータ回転数ｎがゲイン切換区間「ｎ３≦ｎ≦ｎ４」にある場合には、ステップＳ１０４に進み、ロータ回転数ｎをｎの関数α（ｎ）に代入して補正係数αを算出する。関数α（ｎ）は「１≧α（ｎ）＞Ｇ２／Ｇ１」を満たしており、図５に示すようにゲイン切換区間「ｎ３≦ｎ≦ｎ４」において連続的に緩やかに変化するものである。また、回転数ｎの上下限では、α（ｎ３）＝１、α（ｎ４）＝Ｇ２／Ｇ１を満たしている。
【００３４】
制御演算部３１０では制御ゲインがＧ１であるとして制御演算出力を算出しているので、ステップＳ１０７においては、制御演算部３１０で算出された制御演算出力を、ステップＳ１０６で算出された制御ゲインＧに対応するように補正する。図４では、この補正された制御演算出力が制御出力ゲイン切換部３１１からＤ／Ａコンバータ３０２に出力される。ステップＳ１０７の処理が終了したならばステップＳ１０１へと戻り、制御回路３の電源がオフされるまでステップＳ１０１からステップＳ１０７の処理を繰り返し行う。
【００３５】
ゲイン切換区間におけるα（ｎ）としては、ゲイン切換時の不安定現象を抑制できるものであれば、図５に示すようなゲイン変化に限らず、様々なものが可能である。例えば、図８に示すように、Ｇ１・α（ｎ）を一定の傾きβ＝−（Ｇ２−Ｇ１）／（ｎ４−ｎ３）を有する直線としても良い。
【００３６】
上述したように、本実施の形態では、ゲイン切換区間（ｎ３≦ｎ≦ｎ４）を設けてその区間で制御ゲインをＧ２からＧ１へと連続的に切り換えるようにしたので、制御ゲインの急激な変化に伴う過渡応答を回避することができる。さらに、切換区間を短くすることにより、ゲイン切換区間における不安定化を防止することができる。その結果、ゲイン切換時の過大振幅の発生に起因するポンプ損傷等を防止することができる。さらに、回転数変化の履歴に左右されない方式であるため、切換回転数付近で加速、減速など、回転数を変化させても適正ゲインでの制御を行うことができる。
【００３７】
上述した実施の形態では、ターボ分子ポンプの磁気軸受装置における危険速度通過の際のゲイン切換を例に説明したが、例えば、図９（ａ），（ｂ）に示すようにゲインを所定回転数範囲内だけで大きくする場合にも適用することができる。図９（ａ）に示す例は、所定範囲内では上に凸な形状の補正関数α’（ｎ）で連続的にゲインを変える。一方、図９（ｂ）に示す例では、ゲインを増加させる切り換え区間Ａ１では補正関数α１（ｎ）を用い、ゲインを減少させる切り換え区間Ａ２では補正関数α２（ｎ）を用いる。さらには、回転体の磁気軸受装置に限らず、種々の磁気軸受装置において、制御ゲインを増加または減少させる場合に適用することができる。
【００３８】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、制御ゲインＧ１は第１磁気浮上制御ゲインを、制御ゲインＧ２は第２磁気浮上制御ゲインをそれぞれ構成する。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１磁気浮上制御ゲインによる第１の運転状態から第２磁気浮上制御ゲインによる第２の運転状態へと切り換える際に、磁気浮上制御ゲインが第１磁気浮上制御ゲインから第２磁気浮上制御ゲインへと連続的に変化させるようにしたので、磁気浮上制御ゲイン切換により生じる過渡応答を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による磁気軸受装置の一実施の形態を示す図であり、磁気軸受式ターボ分子ポンプの断面図である。
【図２】５軸制御型磁気軸受の概念図である。
【図３】磁気浮上制御系の基本構成を示すブロック図である。
【図４】ＤＳＰ３０７の機能を示すブロック図である。
【図５】ロータ４の回転数と制御ゲインとの関係を示す図である。
【図６】ゲイン切換手順を示すフローチャートである。
【図７】従来のゲイン切換を示す図である。
【図８】ゲインＧを直線的に減少させる場合のＧを示す図である。
【図９】補正関数α（ｎ）の他の例を示す図であり、（ａ）は第１の例を、（ｂ）は第２の例をそれぞれ示す。
【符号の説明】
１ポンプ本体
２センサ回路
３制御回路
４ロータ
５，５１〜５３，５１ｘ，５１ｙ，５２ｘ，５２ｙ電磁石
６モータ
８励磁アンプ
１０回転数センサ
２７，２８メカニカルベアリング
７１，７２ラジアル変位センサ
７３アキシャル変位センサ
３０１Ａ／Ｄコンバータ
３０２Ｄ／Ａコンバータ
３０７ＤＳＰ
３０６記憶部
３１０制御演算部
３１１制御出力ゲイン切換部
Ｇ１，Ｇ２制御ゲイン

Claims

磁気浮上制御ゲインが異なる複数の運転状態を有する磁気軸受装置において、
第１磁気浮上制御ゲインによる第１の運転状態から第２磁気浮上制御ゲインによる第２の運転状態へと切り換える際に、前記磁気浮上制御ゲインが前記第１磁気浮上制御ゲインから前記第２磁気浮上制御ゲインへと連続的に変化する第３の運転状態で前記磁気軸受装置を制御する制御手段を備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
請求項１に記載の磁気軸受装置において、
前記磁気軸受装置は、回転体を電磁石で非接触支持するとともに、前記回転体の回転数に応じて前記第１の運転状態から前記第２の運転状態へと切り換えるものであって、
前記第３の運転状態においては、前記回転体の回転数の変化に対応させて前記磁気浮上制御ゲインを前記第１磁気浮上制御ゲインから前記第２磁気浮上制御ゲインへと連続的に変化させることを特徴とする磁気軸受装置。
請求項１または２に記載の磁気軸受装置において、
前記制御手段は、予め設定された所定切換時間内に前記第１の運転状態から前記第２の運転状態へと切り換えることを特徴とする磁気軸受装置。