JP2004293598A

JP2004293598A - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JP2004293598A
Application number: JP2003084263A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Takahata; 良一高畑
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】装置の小型化、軽量化および回転体の高速化ならびに消費電力の低減が可能であり、しかも、その制御装置の簡素化を可能にした磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】各電磁石９，１０は、アキシアル方向の２箇所からラジアル方向の内側に突出したラジアル方向吸引磁極９ｂ，１０ｂおよびアキシアル方向吸引磁極９ａ，１０ａを有する略馬蹄形のものである。磁気軸受制御装置は、各電磁石９，１０のバイアス電流をアキシアル変位信号に基づいて変化させることによってアキシアル方向の制御を行うアキシアル方向制御手段と、バイアス電流の変化によって生じたラジアル方向の吸引力の変化をコントローラ制御ゲインで補償するラジアル方向制御手段とを有している。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数組の磁気軸受で回転体（例えば、電力貯蔵装置のフライホイールの回転軸）をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持して磁気浮上させる磁気軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フライホイールの回転によって電力を貯蔵する電力貯蔵装置は、数時間以上の待機時間が必要であり、軸受損失を低減するために、その支持機構として、転がり軸受でなく、制御型磁気軸受装置が使用されている。
【０００３】
制御型磁気軸受装置としては、回転体をアキシアル方向に非接触支持する１組のアキシアル磁気軸受、回転体をアキシアル方向の２箇所においてそれぞれ互いに直交する２つのラジアル方向に非接触支持する２組のラジアル磁気軸受を備えた５軸磁気軸受装置が使用されている。通常、アキシアル磁気軸受は、２個の電磁石より構成され、各ラジアル磁気軸受は、４個の電磁石より構成されており、装置全体で１０個の電磁石が用いられ、これらの電磁石によって５軸がそれぞれ制御されている（特許文献１）。
【０００４】
また、電磁石の数を少なくした磁気軸受装置として、アキシアル方向の２箇所にアキシアル方向に関して互いに反対側を向くテーパ面が形成され、これら各テーパ面の周囲に、回転体をテーパ面と直交する方向に吸引する４個あるいは３個の電磁石を有するアキシアル・ラジアル兼用磁気軸受が設けられたものが提案されている（特許文献２）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１−１２６４２３号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平８−３２６５３０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１の磁気軸受装置では、アキシアル方向の３箇所に磁気軸受が設けられるため、回転体が長くなり、その分、装置が大型化、重量化する。しかも、回転体が長くなるため、その固有振動数が低下し、高速回転が困難になる。また、磁気軸受装置全体で１０個の電磁石が使用されるため、これらの消費電力が大きく、重量も重くなる。さらに、５軸をそれぞれ独立制御しているため、制御の構成が複雑になるとともに、各電磁石にそれぞれ電力増幅器が必要であるため、これらの消費電力も大きい。
【０００８】
また、上記特許文献２の磁気軸受装置では、全体の電磁石の数が８個あるいは６個で済むが、精度の高いテーパ面を形成する必要があるため、回転体に格別の加工が必要になる。
【０００９】
この発明の目的は、装置の小型化、軽量化および回転体の高速化ならびに消費電力の低減が可能であり、しかも、その制御装置の簡素化を可能にした磁気軸受装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明による磁気軸受装置は、回転体と、回転体の周囲に配置された複数個の電磁石をそれぞれ有し回転体のアキシアル方向の２箇所においてアキシアルおよびラジアル両方向に非接触支持する２組の磁気軸受と、回転体のアキシアル方向の位置を検出するためのアキシアルセンサユニットと、回転体のラジアル方向の位置を検出するためのラジアルセンサユニットと、各電磁石にバイアス電流および制御電流を合わせた励磁電流を供給する磁気軸受制御装置とを備えている磁気軸受装置において、各磁気軸受の各電磁石は、アキシアル方向の２箇所からラジアル方向の内側に突出したラジアル方向吸引磁極およびアキシアル方向吸引磁極を有する略馬蹄形のものであり、磁気軸受制御装置は、各電磁石のバイアス電流をアキシアル変位信号に基づいて変化させることによってアキシアル方向の制御を行うアキシアル方向制御手段と、バイアス電流の変化によって生じたラジアル方向の吸引力の変化をラジアル変位信号に基づいてコントローラ制御ゲインを変化させることによって補償するラジアル方向制御手段とを有していることを特徴とするものである。
【００１１】
この発明の磁気軸受装置は、横置き型にも縦置き型にも適用できるが、典型的には、縦型の磁気軸受装置に適用される。
【００１２】
縦置き型の場合、磁気軸受は、回転体の上端部および下端部に配置され、上部磁気軸受の電磁石のアキシアル方向吸引磁極が回転体の上端面に臨まされ、下部磁気軸受の電磁石のアキシアル方向吸引磁極が回転体の下端面に臨まされる。これに代えて、回転体に上部および下部のフランジ部を設け、上部磁気軸受の電磁石のアキシアル方向吸引磁極が回転体の上部フランジ部の上面に臨まされ、下部磁気軸受の電磁石のアキシアル方向吸引磁極が回転体の下部フランジ部の下面に臨まされるようにしてもよい。
【００１３】
磁気軸受制御装置は、より具体的には、アキシアル方向変位がマイナスの時、アキシアル方向制御手段によって、上部電磁石のバイアス電流を上げ、その分、下部電磁石のバイアス電流を下げるとともに、ラジアル方向制御手段によって、上部電磁石のラジアル方向の制御ゲインを下げ、下部電磁石のラジアル方向の制御ゲインを上げるように制御し、また、アキシアル方向変位がプラスの時、アキシアル方向制御手段によって、上部電磁石のバイアス電流を下げ、その分、下部電磁石のバイアス電流を上げるとともに、ラジアル方向制御手段によって、上部電磁石のラジアル方向の制御ゲインを上げ、下部電磁石のラジアル方向の制御ゲインを下げる。
【００１４】
この発明の磁気軸受装置によると、５軸磁気軸受装置で必要とされていた１組のアキシアル磁気軸受を削除することができるので、装置の小型化、軽量化および回転体の高速化ならびに消費電力の低減が可能となり、しかも、バイアス電流を変化させて、その分を制御ゲインで補償する制御は、バイアス電流を一定として、センサユニットの出力信号に基づいてアキシアル方向制御電流およびラジアル方向制御電流の大きさを制御する制御に比べて、簡単かつ精度のよいものとなる。
【００１５】
【発明の実施形態】
以下、図面を参照して、この発明を５軸制御型磁気軸受装置に適用した実施形態について説明する。
【００１６】
図１は、５軸制御型磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示すもので、磁気軸受装置（１）は、縦型のもので、ケーシング内に鉛直に配置された軸状の回転体（２）を備えている。以下の説明において、回転体（２）のアキシアル方向（鉛直方向）の軸をＺ軸、Ｚ軸と直交するとともに互いに直交する２つのラジアル方向（水平方向）の軸をＸ軸およびＹ軸とする。
【００１７】
磁気軸受装置（１）は、上下の２箇所において回転体（２）をアキシアル方向（Ｚ軸方向）およびラジアル方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）にそれぞれ非接触支持する上下２組の磁気軸受（３）（４）と、回転体（２）の上端部に設けられてアキシアル方向の位置を検出するためのアキシアルセンサユニット（５）と、上下の２箇所におけるＸ軸方向およびＹ軸方向の位置をそれぞれ検出するための上下のラジアルセンサユニット（６）（７）と、回転体（２）を高速回転させるための電動モータ（８）と、各磁気軸受（３）（４）に励磁電流を供給する磁気軸受制御装置（図示略）とを備えている。
【００１８】
上部磁気軸受（３）は、回転体（２）の上端部をＸ軸方向の両側から挟むように設けられて回転体（２）をＺ軸方向の上側およびＸ軸方向の両側（外側）に吸引する１対のＸ軸方向電磁石（９）と、回転体（２）の上端部をＹ軸方向の両側から挟むように設けられて回転体（２）をＺ軸方向の上側およびＹ軸方向の両側に吸引する１対のＹ軸方向電磁石（図示略）とを備えている。下部磁気軸受（４）は、同様に、回転体（２）の下端部をＺ軸方向の下側およびＸ軸方向の両側に吸引する１対のＸ軸方向電磁石（１０）と、回転体（２）の下端部をＺ軸方向の下側およびＹ軸方向の両側に吸引する１対のＹ軸方向電磁石（図示略）とを備えている。
【００１９】
上部磁気軸受（３）の各Ｘ軸方向電磁石（９）は、アキシアル方向の２箇所からＸ軸方向の内側に突出したアキシアル方向吸引磁極（９ａ）およびラジアル方向吸引磁極（９ｂ）を有する略馬蹄形をなし、上側のアキシアル方向吸引磁極（９ａ）は、下側のラジアル方向吸引磁極（９ｂ）よりも内側に突出している。ラジアル方向吸引磁極（９ｂ）は、回転体（２）の上端近傍の外周面（２ａ）にわずかな空隙をあけて対向し、回転体（２）をＸ軸方向の外側に吸引する。アキシアル方向吸引磁極（９ａ）は、回転体（２）の上端の上向きの環状端面（２ｂ）の上方に張り出して、この端面（２ｂ）とわずかな空隙をあけて対向し、回転体（２）をＺ軸方向の上側に吸引する。上部磁気軸受（３）の各Ｘ軸方向電磁石（９）には、励磁電流を流すためのコイル（９ｃ）が巻回されている。上部磁気軸受（３）の各Ｙ軸方向電磁石も、Ｘ軸方向電磁石（９）と同じ構成を有し、同様の働きをする。上部磁気軸受（３）の全電磁石（９）のアキシアル方向吸引磁極（９ａ）は同一の極性を有し、ラジアル方向吸引磁極（９ｂ）はそれと逆の同一の極性を有する。
【００２０】
下部磁気軸受（４）の各Ｘ軸方向電磁石（１０）は、アキシアル方向の２箇所からＸ軸方向の内側に突出したアキシアル方向吸引磁極（１０ａ）およびラジアル方向吸引磁極（１０ｂ）を有する略馬蹄形をなし、下側のアキシアル方向吸引磁極（１０ａ）は、上側のラジアル方向吸引磁極（１０ｂ）よりも内側に突出している。ラジアル方向吸引磁極（１０ｂ）は、回転体（２）の下端近傍の外周面（２ｃ）にわずかな空隙をあけて対向し、回転体（２）をＸ軸方向の外側に吸引する。アキシアル方向吸引磁極（１０ａ）は、回転体（２）の下端の下向きの環状端面（２ｄ）の下方に張り出して、この端面（２ｄ）とわずかな空隙をあけて対向し、回転体（２）をＺ軸方向の下側に吸引する。上部磁気軸受（３）の各Ｘ軸方向電磁石（１０）には、励磁電流を流すためのコイル（１０ｃ）が巻回されている。下部磁気軸受（４）の各Ｙ軸方向電磁石も、Ｘ軸方向電磁石（１０）と同様の構成および働きを有する。下部磁気軸受（４）の全電磁石（１０）のアキシアル方向吸引磁極（１０ａ）は同一の極性を有し、ラジアル方向吸引磁極（１０ｂ）はそれと逆の同一の極性を有する。
【００２１】
回転体（２）の上端を臨むように回転体（２）のアキシアル方向の変位を検出するためのアキシアルセンサユニット（５）が設けられている。上部磁気軸受（３）の近傍に、回転体（２）上部のラジアル方向の変位を検出するためのラジアルセンサユニット（６）、すなわち、回転体（２）をＸ軸方向の両側から挟むように設けられて回転体（２）のＸ軸方向の変位を検出する１対のＸ軸方向変位センサと、回転体（２）をＹ軸方向の両側から挟むように設けられて回転体（２）のＹ軸方向の変位を検出する１対のＹ軸方向変位センサとが設けられている。下部磁気軸受（４）の近傍に、同様に、回転体（２）下部のラジアル方向の変位を検出するためのラジアルセンサユニット（７）、すなわち、１対のＸ軸方向変位センサおよび１対のＹ軸方向変位センサが設けられている。
【００２２】
各磁気軸受（３）（４）の各電磁石（９）（１０）および各センサユニット（５）（６）（７）は磁気軸受制御装置に接続されており、この制御装置から各電磁石（９）（１０）に励磁電流が供給される。各磁気軸受（３）（４）の電磁石（９）（１０）の励磁電流は、バイアス電流に制御電流を合わせたものとされている。
【００２３】
磁気軸受制御装置は、図２に示すように、センサユニットＧｓの出力信号をＰＩＤ制御のコントローラＧｃの制御ゲインで調整し、これを増幅器ＧＡで増幅して、電磁石Ｇｍに供給される励磁電流を発生させることにより、各電磁石Ｇｍの吸引力をバランスさせている。
【００２４】
特許文献１に記載の従来の磁気軸受装置では、５つの制御軸が独立して制御されており、各電磁石に供給される励磁電流は、バイアス電流にアキシアル方向制御電流およびラジアル方向制御電流を重ね合わせたものとされている。また、これらの電流のうち、バイアス電流は、一定の大きさに保持されていた。そして、図４（ａ）（ｂ）に示すように、上部磁気軸受（３）の電磁石（９）の励磁電流については、Ｘ軸方向に対向する１対の磁極の励磁電流をｉ_Ｘ１およびｉ_Ｘ１’とし、Ｙ軸方向に対向する１対の磁極の励磁電流をｉ_Ｙ１およびｉ_Ｙ１’として、ｉ_Ｘ１＝ｉ_０１（一定）＋Δｉ_Ｘ１（ｔ），ｉ_Ｘ１’＝ｉ_０１（一定）−Δｉ_Ｘ１（ｔ），ｉ_Ｙ１＝ｉ_０１（一定）＋Δｉ_Ｙ１（ｔ），ｉ_Ｙ１’＝ｉ_０１（一定）−Δｉ_Ｙ１（ｔ）であった。同様に、下部磁気軸受（４）の電磁石（１０）の励磁電流は、Ｘ軸方向に対向する１対の磁極の励磁電流をｉ_Ｘ２およびｉ_Ｘ２’とし、Ｙ軸方向に対向する１対の磁極の励磁電流をｉ_Ｙ２およびｉ_Ｙ２’として、ｉ_Ｘ２＝ｉ_０２（一定）＋Δｉ_Ｘ２（ｔ），ｉ_Ｘ２’＝ｉ_０２（一定）−Δｉ_Ｘ２（ｔ），ｉ_Ｙ２＝ｉ_０２（一定）＋Δｉ_Ｙ２（ｔ），ｉ_Ｙ２’＝ｉ_０２（一定）−Δｉ_Ｙ２（ｔ）であった。
【００２５】
一方、図１に示した構成の磁気軸受装置（１）において、略馬蹄形の電磁石（９）（１０）に供給されるバイアス電流を一定として、これにアキシアル方向制御電流およびラジアル方向制御電流を重ね合わせたものを励磁電流とすると、回転体（２）を非接触支持するための制御が複雑になる。例えば、回転体（２）がアキシアル方向にのみ変位した場合、回転体（２）がアキシアル方向の目標位置にくる磁気力を発生するように、励磁電流はアキシアル方向制御電流の分だけ変化し、その結果、ラジアル方向の磁気力も変化することになり、回転体（２）を両方向に非接触支持するためには、さらにラジアル方向の制御も必要となる。
【００２６】
これに対し、この発明の磁気軸受装置（１）の制御装置は、各電磁石（９）（１０）のバイアス電流をアキシアル変位信号に基づいて変化させることによってアキシアル方向の制御を行うアキシアル方向制御手段と、バイアス電流の変化によって生じたラジアル方向の吸引力の変化をラジアル変位信号に基づいてコントローラ制御ゲイン（Ｇｃ）を変化させることによって補償するラジアル方向制御手段とを有している。
【００２７】
したがって、上部磁気軸受（３）の電磁石（９）の励磁電流については、Ｘ軸方向に対向する１対の磁極の励磁電流をｉ_Ｘ１およびｉ_Ｘ１’とし、Ｙ軸方向に対向する１対の磁極の励磁電流をｉ_Ｙ１およびｉ_Ｙ１’として、ｉ_Ｘ１＝ｉ_０１（Ｚ）＋Δｉ_Ｘ１（ｔ），ｉ_Ｘ１’＝ｉ_０１（Ｚ）−Δｉ_Ｘ１（ｔ），ｉ_Ｙ１＝ｉ_０１（Ｚ）＋Δｉ_Ｙ１（ｔ），ｉ_Ｙ１’＝ｉ_０１（Ｚ）−Δｉ_Ｙ１（ｔ）となる。同様に、下部磁気軸受（４）の電磁石（１０）の励磁電流は、Ｘ軸方向に対向する１対の磁極の励磁電流をｉ_Ｘ２およびｉ_Ｘ２’とし、Ｙ軸方向に対向する１対の磁極の励磁電流をｉ_Ｙ２およびｉ_Ｙ２’として、ｉ_Ｘ２＝ｉ_０２（Ｚ）＋Δｉ_Ｘ２（ｔ），ｉ_Ｘ２’＝ｉ_０２（Ｚ）−Δｉ_Ｘ２（ｔ），ｉ_Ｙ２＝ｉ_０２（Ｚ）＋Δｉ_Ｙ２（ｔ），ｉ_Ｙ２’＝ｉ_０２（Ｚ）−Δｉ_Ｙ２（ｔ）となる。これにより、図３に示すように、アキシアル方向変位がマイナスの時、アキシアル方向制御手段によって、同図（ａ）に矢印で示されている分だけ、上部電磁石（９）のバイアス電流が上げられ、その分、同図（ｂ）に示されている分だけ、下部電磁石（１０）のバイアス電流が下げられる。そして、ラジアル方向制御手段は、ラジアル方向の吸引力の変化を補償するように、上部電磁石（９）のラジアル方向の制御ゲインが下がりかつ下部電磁石（１０）のラジアル方向の制御ゲインが上がる制御を行う。逆に、図示省略したが、アキシアル方向変位がプラスの時、アキシアル方向制御手段によって、上部電磁石（９）のバイアス電流が下げられ、その分、下部電磁石（１０）のバイアス電流が上げられるとともに、ラジアル方向制御手段によって、上部電磁石（９）のラジアル方向の制御ゲインが上げられ、下部電磁石（１０）のラジアル方向の制御ゲインが下げられる。
【００２８】
上記の磁気軸受装置では、磁気軸受（３）（４）が１組で回転体（２）をラジアル方向にもアキシアル方向にも吸引できるものであるから、２組の磁気軸受（３）（４）の合計８個の電磁石（９）（１０）で回転体（２）を非接触支持することができ、従来の一般的な磁気軸受装置に比べ、電磁石の数が２個減少し、これに伴い電磁石を駆動するための電力増幅器の数も減少する。このため、装置の小型化ができ、重量および消費電力が減少する。また、回転体（２）の周囲に２組の磁気軸受（３）（４）を設けるだけでよいため、３組の磁気軸受が必要な従来のものに比べ、回転体（２）の長さを短くすることができ、したがって、回転体（２）の固有振動数を高めて、高速回転させることが可能である。そして、従来は一定とされていたバイアス電流およびコントローラ制御ゲインをそれぞれ変化させることにより、制御が簡素化され、しかも、精度のよい制御が可能となる。
【００２９】
なお、上記実施形態では、各磁気軸受（３）（４）が回転体（２）の周囲に円周方向に等間隔をおいて配置された４個の電磁石（９）（１０）を備えているが、磁気軸受は回転体の周囲に円周方向に等間隔をおいて配置された３個の電磁石を備えたものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の磁気軸受装置の実施形態の機械的部分を示す縦断面図である。
【図２】図２は、磁気軸受制御装置を示すブロック図である。
【図３】図３は、この制御装置による制御の一例を示すグラフである。
【図４】図４は、従来の制御装置による制御例を示すグラフである。
【符号の説明】
（１）磁気軸受装置
（２）回転体
（３）（４）磁気軸受
（５）アキシアルセンサユニット
（６）（７）ラジアルセンサユニット
（９）（１０）電磁石
（９ａ）（１０ａ）アキシアル方向吸引磁極
（９ｂ）（１０ｂ）ラジアル方向吸引磁極

Claims

回転体と、回転体の周囲に配置された複数個の電磁石をそれぞれ有し回転体のアキシアル方向の２箇所においてアキシアルおよびラジアル両方向に非接触支持する２組の磁気軸受と、回転体のアキシアル方向の位置を検出するためのアキシアルセンサユニットと、回転体のラジアル方向の位置を検出するためのラジアルセンサユニットと、各電磁石にバイアス電流および制御電流を合わせた励磁電流を供給する磁気軸受制御装置とを備えている磁気軸受装置において、
各磁気軸受の各電磁石は、アキシアル方向の２箇所からラジアル方向の内側に突出したラジアル方向吸引磁極およびアキシアル方向吸引磁極を有する略馬蹄形のものであり、磁気軸受制御装置は、各電磁石のバイアス電流をアキシアル変位信号に基づいて変化させることによってアキシアル方向の制御を行うアキシアル方向制御手段と、バイアス電流の変化によって生じたラジアル方向の吸引力の変化をラジアル変位信号に基づいてコントローラ制御ゲインを変化させることによって補償するラジアル方向制御手段とを有していることを特徴とする磁気軸受装置。