JP2004308823A - Magnetic bearing driving device - Google Patents

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    • F16C2360/00Engines or pumps
    • F16C2360/44Centrifugal pumps
    • F16C2360/45Turbo-molecular pumps

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic bearing driving device capable of reducing the damage of touch-down bearings even when the abnormality occurs in a magnetic bearing, a driving circuit and the like. <P>SOLUTION: A plurality of electromagnets X1A of the magnetic bearing supporting a shaft 1 in a state of being magnetically floated, and a driving circuit 30 for driving and controlling the electromagnets are divided into at least two groups. When the abnormality occurs in the electromagnets, the driving circuit and the like, the operation of the driving circuit of the group is stopped, and the driving circuit of the other group is operated to keep an operating state of the electromagnets, and the shaft 1 is forcibly touched down to the touch-down bearings 8, 9, and then stopped by an abnormality processing means, whereby the number of times of collision of the shaft 1 to the touch-down bearings 8, 9 is reduced, and the damage is reduced. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シャフトを電磁力により磁気浮上させて支持する磁気軸受に関し、特に、磁気軸受を構成する電磁石を駆動する磁気軸受駆動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、高速回転するモータ、或いは、ロータにより気体の排気を行うターボ分子ポンプにあっては、ロータを回転駆動するシャフトを2個のラジアル磁気軸受と1個のアキシャル磁気軸受とを有する磁気軸受装置で5軸制御可能に浮上軸支することが行われている。この種の磁気軸受装置については、特許第3215842号公報(特許文献1)或いは、特開平8−189527号公報(特許文献2)によって開示されている。
【0003】
図8は、磁気軸受として能動型磁気軸受を使用した磁気軸受装置の構成を示している。この磁気軸受装置は、シャフト1の回転を除く5自由度の5軸方向を能動制御するようにしたものである。
【0004】
即ち、シャフト1の略中央には、モータ2を構成するモータロータ3が固着され、このモータロータ3と対向する位置には、モータ2を構成するモータステータ4がケース5の内面に配置されている。このモータ2を挟んでシャフト1の左右には、第1のラジアル磁気軸受6と第2のラジアル磁気軸受7が設けられ、更にその外側には第1のタッチダウンベアリング8と第2のタッチダウンベアリング9が設けられている。そして、シャフト1のモータロータ3と第2のラジアル磁気軸受7との間には、アキシャル磁気軸受10が配置されている。
【0005】
上記第1のラジアル磁気軸受6の近傍には、シャフト1に対面させてラジアル方向の変位を検出する一対のラジアル変位センサ11が配置されている。そして、ラジアル変位センサ11によるシャフト1のラジアル変位の検出量に基き、後述する駆動回路によって第1のラジアル磁気軸受6に磁気力を発生させてシャフト1が中心付近にくるように制御するようになっている。
【0006】
第2のラジアル磁気軸受7も同様に、シャフト1のラジアル変位を検出する一対のラジアル変位センサ12を対面させ、この変位センサ12の検出量に基き、第2のラジアル磁気軸受7に磁気力を発生させてシャフト1が中心付近にくるように制御するようになっている。
【0007】
一方、アキシャル磁気軸受10は、シャフト1に固着されたアキシャルディスク10aと、このアキシャルディスク10aを介してシャフト1のアキシャル変位を検出するアキシャル変位センサ13と、アキシャルディスク10aを挟んで配置されたアキシャル電磁石ZA、ZBとを有している。そして、アキシャル変位センサ13によるシャフト1のアキシャル変位の検出量に基き、アキシャル電磁石ZA、ZBの磁気力をアキシャルディスク10aが所定の位置にくるように制御するようになっている。
【0008】
タッチダウンベアリング8、9は、シャフト1をラジアル磁気軸受6、7、アキシャル磁気軸受10で支持しないときに、シャフト1やモータロータ3が、ステータ4と直接接触しないようにシャフト1を保持するために設けられている。また、タッチダウンベアリング8、9は、ラジアル磁気軸受6、7、アキシャル磁気軸受10の磁気力やシャフト1及びモータロータ3とステータ4の各部の隙間を考慮して、シャフト1との隙間と位置が設定されている。
【0009】
また、機能上、シャフト1とタッチダウンベアリング8、9の内輪部とのラジアル方向およびアキシャル方向の隙間は、それぞれ磁気軸受部及びモータ2部の隙間より小さく設定されると共に、厳密には、シャフト1を磁気軸受10支持させない状態から、各磁気軸受で支持する際の立ち上げのため、または、ロータバランスがくずれたり、ロータの回転の負荷が増大したときの条件を考慮して設定されている。
【0010】
また、シャフト1が磁気浮上しないときに、タッチダウンベアリング8、9に接触する部分は、表面硬度を高めるため焼入れや硬質クロームメッキ等の表面硬化処理が施されていて、タッチダウンベアリング8、9によってシャフト1を支持したときの耐久性を高めるようになっている。
【0011】
上記第1および第2のラジアル磁気軸受6,7は、先端面をシャフト1に対向させたコアにコイルを巻回した電磁石が構成され、アキシャル磁気軸受10と共に図1に示す駆動回路20によって駆動制御されている。即ち、駆動回路20は、第1および第2のラジアル磁気軸受6,7およびアキシャル磁気軸受10の磁気力を制御する10組の駆動回路20a、20b、20c、20d、20e、20f、20g、20h、20i、20jを備えている。
【0012】
上記制御回路CPUは、上述したラジアル方向の変位を検出する一対のラジアル変位センサ11、12、および、シャフト1のアキシャル変位を検出するアキシャル変位センサ13からのラジアル変位およびアキシャル変位の検出量に基き、駆動回路20に指令を与えてシャフト1が所定の位置になるように第1および第2のラジアル磁気軸受6,7およびアキシャル磁気軸受10の磁気力を制御している。また、駆動回路20は、図9に示すように、第1のラジアル磁気軸受6に設けられた各電磁石X1A、X1B、X2A、X2Bを駆動する駆動回路20a、20b、20c、20dと、第2のラジアル磁気軸受7に設けた各電磁石X3A、X3B、X4A、X4Bを駆動する駆動回路20e、20f、20g、20hおよび、アキシャル磁気軸受10の電磁石Z1A、Z1Bを駆動する各駆動回路20i、20j備え、第1および第2のラジアル磁気軸受6,7におけるX、Y方向の各2軸、および、アキシャル磁気軸受10におけるZ方向の1軸を駆動している。
【0013】
このような磁気軸受は、例えば10万rpm以上の高速回転で回転するシャフト1を支持し、上記第1および第2のラジアル磁気軸受6、7やアキシャル磁気軸受10に無通電状態、或いは、低速回転状態では、タッチダウンベアリング8、9によってシャフト1を支持するようにしている。
【0014】
【特許文献1】
特許第3215842号公報
【特許文献2】
特開平8−189527号公報
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記第1および第2のラジアル磁気軸受6、7やアキシャル磁気軸受10を駆動制御する10組からなる上記駆動回路20a、20b、20c、20d、20e、20f、20g、20h、20i、20jのうちの1回路、または、10個の上記電磁石X1A、X1B、X2A、X2B、X3A、X3B、X4A、X4BおよびZ1A、Z1Bの1個が何らかの原因で異常が発生した場合には、異常検出センサの信号に基づいて、制御回路CPUが異常の駆動回路の作動を停止させるか、或いは、全ての駆動回路の作動を停止させている。異常が生じた1つの駆動回路を停止させたときには、図10に示すようにシャフト1に対する磁気力のバランスが崩れてシャフト1が偏芯するために、タッチダウンベアリング8、9への衝突を繰り返しながら回転を継続する。また、全ての駆動回路の作動を停止させたときには、シャフト1が磁気浮上できないので、やはり、タッチダウンベアリング8、9への衝突を繰り返しながら回転する。
【0016】
タッチダウンベアリング8、9は、通常の無通電時或いは低速回転時におけるシャフト1の支持は可能であっても、上述したように、シャフト1が衝突を繰り返しながら回転した場合には、タッチダウンの許容回数を越えることから集中的に損傷し、やがて破壊されることがある。このため、タッチダウンベアリング8、9の機能を損なうという問題があった。
【0017】
そこで本発明は、磁気軸受或いは駆動回路に異常が生じた場合であっても、タッチダウンベアリングの損傷を減少することができる磁気軸受駆動装置を提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項1記載の磁気軸受駆動装置では、シャフトを磁気浮上させて支持する磁気軸受の複数の電磁石と、この電磁石を駆動制御する駆動回路を少なくとも2群に分割し、異常が生じたときには、その群の前記駆動回路の作動を停止させて他の群の駆動回路を作動し電磁石を作動状態にさせることにより、シャフトをタッチダウンベアリングに強制タッチダウンさせた後、シャフトを停止させる異常処理手段を備えていることから、シャフトのタッチダウンベアリングへの衝突回数が減少し損傷を減少させることにより、タッチダウンベアリングの寿命を延ばすことが可能となっている。
【0019】
また、請求項2記載の磁気軸受駆動装置では、電磁石に通電したときにシャフトを磁気力によって吸引させることから、シャフトが作動状態となった他の群の電磁石によって強制タッチダウンさせ、衝突する回数を減少させることを可能になっている。
【0020】
さらに、請求項3記載の磁気軸受駆動装置では、一つの群に属する複数の電磁石を隣接させて配置することにより、作動状態とした群の電磁石によってシャフトが偏奇してタッチダウンベアリングに強制タッチダウンさせるようになっている。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1乃至図4は、本発明の磁気軸受駆動装置を示し、図1は、異常処理手段を構成する磁気軸受駆動回路、図2は、ラジアル磁気軸受を示し、図3は、アキシャル電磁石を示している。
【0022】
図1に示す磁気軸受駆動回路は、5軸制御型の磁気軸受を駆動するように構成されている。尚、この磁気軸受駆動回路によって駆動制御される5軸制御型の磁気軸受は、前述した図8に示した2個のラジアル磁気軸受および1個のアキシャル磁気軸受に適用され、その詳細な説明は省略する。
【0023】
磁気軸受駆動回路は、第1および第2のラジアル磁気軸受6,7およびアキシャル磁気軸受10の磁気力を制御する制御回路CPUと、第1および第2のラジアル磁気軸受6,7およびアキシャル磁気軸受10の各電磁石を駆動する10組の駆動回路30を備えている。そして、これら駆動回路は、5組づつA群駆動回路31とB群駆動回路32に2分割されている。即ち、A群駆動回路31は第1および第2のラジアル磁気軸受6,7における一方の電磁石を駆動する5組の駆動回路31a、31b、31c、31d、31eから構成され、これら各駆動回路には、各々電磁石X1A、Y1A、X2A、Y2A、およびZ1Aのコイルが接続されている。また、B群駆動回路32は、第1および第2のラジアル磁気軸受6,7の他方の電磁石X1B、Y1B、X2B、Y2B、およびZ1Bを駆動する5組の駆動回路32a、32b、32c、32d、32eから構成されている。
【0024】
第1のラジアル磁気軸受6には、図2に示すように、シャフト1に対して先端面を対向させたコアにコイルを巻回した4個の電磁石X1A、X1B、Y1A、Y1Bが等角度に配置されている。そして、シャフト1の軸芯を中心に電磁石X1Aと電磁石X1Bを互いに対面させ、電磁石Y1Aと電磁石Y1Bを互いに対面させている。一方、第2のラジアル磁気軸受7についても、図示しないが、第1のラジアル磁気軸受6と同様に、4個の電磁石X2A、X2B、Y2A、Y2Bが等角度に配置すると共に、シャフト1の軸芯を中心に電磁石X2Aと電磁石X2Bを対面させ、電磁石Y2Aと電磁石Y2Bを対面させている。そして、これらの各電磁石は、上記A群およびB群の各々の駆動回路により各コイルに電流を通電することによってシャフト1を磁気的に吸引するようにしている。また、アキシャル磁気軸受10には、図3に示すように、2個の電磁石Z1A、Z1Bがシャフト1に固着されたアキシャルディスク10aに対面させて配置している。以上のように、第1および第2のラジアル磁気軸受6、7の各電磁石も、A群およびB群に2分割されている。尚、図2においては、便宜上、シャフト1自体を磁石体として各電磁石によって磁気的に吸引するようにしているが、実際には、シャフト1に永久磁石等の磁性体を一体的に固着して、この磁性体を各電磁石によって吸引させるようにしているものであり、以下の説明も同様である。
【0025】
上述したA群駆動回路31およびB群駆動回路32は、各々制御回路CPUに接続され、この制御回路CPUの制御指令の基づき、A群駆動回路31およびB群駆動回路32に接続されたA群およびB群の電磁石X1A・・Z1A、およびX2A・・Z1Bが駆動制御される。そして、制御回路CPUは、上述したラジアル方向の変位を検出する一対のラジアル変位センサ11、12および、シャフト1のアキシャル変位を検出するアキシャル変位センサ13からのラジアル変位およびアキシャル変位の検出量に基き、A群駆動回路31およびB群駆動回路32に指令を与えてシャフト1が所定の位置になるように第1および第2のラジアル磁気軸受6,7およびアキシャル磁気軸受10の磁気力を制御している。
【0026】
一方、制御回路CPUには、例えば図4に示すような上記A群駆動回路31およびB群駆動回路32に制御指令を送出するための制御回路33が構成されている。尚、図4は、第1のラジアル磁気軸受6における電磁石X1Aを駆動するための駆動回路を例示しているが、その他の各電磁石についても同様であるので個々の駆動回路については説明を省略する。
【0027】
制御回路33は、ラジアル変位センサ11が検出したラジアル方向の変位に基づく信号が入力される位置検出回路34と、この位置検出回路34の位置信号に基づいて比例動作、積分動作およぶ微分動作等の演算処理を行いシャフト1の変位に対応した所定の制御電圧を発生するPID制御回路35と、リミッタ回路36およびオペアンプ37を備えている。上記オペアンプ37の出力端子は、コレクタに電磁石X1Aのコイルを接続した駆動回路のトランジスタ38のベースに接続されており、PID制御回路35からの制御電圧に応じて電磁石X1Aのコイルの電流が制御されるようになっている。トランジスタ38のエミッタには抵抗Rを介して接地されると共に、オペアンプ37の反転入力端子に接続されている。
【0028】
また、制御回路CPUには、上述したA群駆動回路31およびB群駆動回路32に制御指令を送出する他、図1に示すように、ロータの回転位置を検出してモータを回転駆動するポールセンサ、モータや磁気軸受等の温度異常を検出する温度センサ、低電圧(LV)、過電流(OC)、クロック異常(WDTOF)等の各種異常が生じたときに駆動を禁止する駆動禁止回路、上記モータや磁気軸受の電流をフィードバックする電流フィードバック等々の各種信号が入力されるようになっている。上記駆動禁止回路は、上述した各種異常の他に、A群駆動回路31およびB群駆動回路32、或いは、各電磁石X1A・・の少なくとも一つが異常のときに発生する異常信号に基づき、モータを停止させる信号を出力するようになっていて、異常処理手段を構成している。
【0029】
次に、上述した磁気軸受駆動回路の動作について説明する。今、A群の電磁石にうち、電磁石X1Aに例えば温度上昇による異常が発生したとする。この状態は温度センサによって検出され、その信号が制御回路CPUに出力される。このとき、制御回路CPUは、A群駆動回路31の全ての駆動回路31a・・による駆動を停止させるように指令信号を発して駆動回路31a・・の作動を停止させると共に、B群駆動回路32の駆動回路32a・・を作動させ、シャフト1を強制的に引き寄せるように指令信号を発することにより、シャフト1は、図5に示すような状態となる。
【0030】
図5は、第1のラジアル磁気軸受6における異常時の状態を示している。この図から明らかなように、A群駆動回路31の作動を全て停止し、B群駆動回路32の作動により、シャフト1は、矢示のように、B群駆動回路32によって作動する2個の電磁石X1B、Y1B側に磁気的に吸引される。つまり、前述したように、A群に属する電磁石X1A、Y1Aと、B群に属する電磁石X1B、Y1Bは、シャフト1に対して偏奇させた位置に配置していることから、シャフト1は、B群に属する電磁石X1B、Y1Bのほぼ中央付近に強制的に吸引される。この結果、シャフト1はタッチベアリング8に接触して強制タッチダウンが行われる。
【0031】
シャフト1がタッチベアリング8に対して強制タッチダウンされると、シャフト1はタッチベアリング8にほぼ接触した状態で回転するので、位置が規制されて移動が抑制される。このため、シャフト1はタッチベアリング8への衝突回数が大幅に抑制される。上述した動作は、第2のラジアル磁気軸受7についても同様に作動し、B群駆動回路32の全てを作動させることにより、B群に属する電磁石X2B、Y2Bを作動させて、シャフト1をタッチベアリング9に強制タッチダウンさせる。
【0032】
また、B群駆動回路32の全てを作動させることによって、アキシャル磁気軸受10における2個の電磁石Z1A、Z1Bのうち、電磁石Z1Bのみが作動状態となる。この結果、アキシャルディスク10aが電磁石Z1Bに吸引されて、シャフト1が図6に示すように下方に移動する。
【0033】
このように、シャフト1をタッチベアリング8、9に強制タッチダウンさせたときに、異常が発生したA群駆動回路31、或いは、電磁石X1A・・から発せられた異常信号に基づいて、制御回路CPUがモータ2の回転駆動を停止させる異常処理を行うことによってシャフト1の回転が停止する。この結果、シャフト1はタッチベアリング8、9に強制タッチダウンした状態で停止する。
【0034】
上述した例は、A群の電磁石のうち電磁石X1Aに異常が生じた場合について説明したが、A群の他の電磁石に異常が生じた場合も同様である。また、B群の電磁石の少なくとも一つに異常が生じた場合は、上述した例とは逆に、A群駆動回路31を作動させ、B群駆動回路32を停止させることによって、シャフト1をタッチベアリング8、9に強制タッチダウンした状態で停止させることができる。更に、A群駆動回路31、或いは、B群駆動回路32に回路温度異常、過電流異常等の異常が発生したときにも、異常が生じた群を停止させ、正常な群を作動させることによって、シャフト1をタッチベアリング8、9に強制タッチダウンさせ、やがてこの状態で停止させることができる。
【0035】
図7は、本発明による磁気軸受駆動回路の他の実施形態を示している。即ち、前述した第1および第2のラジアル磁気軸受6、7の電磁石を駆動する駆動回路30を例えば3分割した例を示し、シャフト1に対して先端面を対向させたコアにコイルを巻回した6個の電磁石XnA、XnB、XnC、YnA、YnB、およびYnCが等角度に配置されている。そして、A群に属する電磁石XnA、YnAを隣接させ、B群に属する電磁石XnB、YnBを隣接させ、更に、C群に属する電磁石XnC、YnCを隣接させている。これら3分割されたA、B、C群の各電磁石には、各々駆動回路(図示しない)が接続され、この駆動回路もA、B、C群に3分割されている。
【0036】
以上の構成において、B群に属する電磁石XnBが過電流によって異常が発生した場合、制御回路CPUは、B群駆動回路の全ての駆動回路による駆動を停止させ、A群駆動回路とC群駆動回路を作動させるように指令信号を発する。この結果、シャフト1は、A群とC群に属する電磁石XnA、YnA、および、XnC、YnCの作動によって、電磁石YnAと電磁石XnCの中間付近に吸引されて、シャフト1はタッチベアリング8に接触して強制タッチダウンが行われる。その後、前述した実施形態と同様に、制御回路CPUがモータ2の回転駆動を停止させる異常処理を行うことによってシャフト1の回転が停止し、シャフト1はタッチベアリング8、9に強制タッチダウンした状態で停止する。尚、上述した動作は、第1および第2のラジアル磁気軸受6、7において共通であるので、その説明は省略する。
【0037】
尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるが、これに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形可能である。例えば、本発明が適用される図8に示した磁気軸受装置について、ラジアル磁気軸受やアキシャル磁気軸受の配列および構成は他に変更可能である。また、上述の実施形態は、5軸制御型の磁気軸受装置について説明したが、例えば、ラジアル方向に2軸のみ制御する同様に複数に分割してシャフトを強制タッチダウンさせるように構成しても良く、1軸乃至3軸制御型の磁気軸受装置にも適用可能である。
【0038】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の請求項1にかかる磁気軸受駆動装置は、シャフトを磁気浮上させて支持する複数の電磁石と、この電磁石を駆動制御する駆動回路を少なくとも2群に分割し、異常が生じた群の駆動回路の作動を停止させて他の群の駆動回路を作動して電磁石を作動状態にさせるので、シャフトをタッチダウンベアリングに強制タッチダウンさせることができ、その後、異常処理手段によってシャフトを強制タッチダウンさせた状態で停止することから、シャフトがタッチダウンベアリングに衝突する回数を減少させることが可能となり、タッチダウンベアリングの損傷を減少させることによって寿命を延ばすことができる。
【0039】
また、本発明の請求項2にかかる磁気軸受駆動装置は、電磁石に通電したときにシャフトを磁気力によって吸引させることから、シャフトが作動状態となった他の群の電磁石に磁気的吸引によって強制タッチダウンさせることができことから、タッチダウンベアリング衝突する回数を減少させることが可能となる。
【0040】
また、本発明の請求項2にかかる磁気軸受駆動装置は、一つの群に属する複数の電磁石を隣接させて配置したので、動作状態とした群の電磁石によってシャフトが偏奇してタッチダウンベアリングに強制タッチダウンさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の磁気軸受駆動装置における実施態様を示すブロック図である。
【図2】本発明の磁気軸受駆動装置におけるラジアル磁気軸受の電磁石の配置を示す構成図である。
【図3】本発明の磁気軸受駆動装置におけるアキシャル磁気軸受を示す構成図である。
【図4】本発明の磁気軸受駆動装置における駆動回路を示す回路ブロック図である。
【図5】本発明の磁気軸受駆動装置におけるラジアル磁気軸受の異常時の作動状態を示す説明図である。
【図6】本発明の磁気軸受駆動装置におけるアキシャル磁気軸受の異常時の作動状態を示す説明図である。
【図7】本発明の磁気軸受駆動装置におけるラジアル磁気軸受の他の実施形態を示す構成図である。
【図8】磁気軸受駆動装置の構成を示す断面図である。
【図9】従来の磁気軸受駆動装置の駆動回路を示すブロック図である。
【図10】従来の磁気軸受駆動装置におけるラジアル磁気軸受の異常時の作動状態を示す説明図である。
【符号の説明】
1 シャフト
6 第1のラジアル磁気軸受
7 第2のラジアル磁気軸受
8 第1のタッチダウンベアリング
9 第2のタッチダウンベアリング
10 アキシャル磁気軸受
11 ラジアル変位センサ
12 ラジアル変位センサ
13 アキシャル変位センサ
30 駆動回路
31 A群駆動回路
32 B群駆動回路
X1A、Y1A、X2A、Y2A、Z1A A群の電磁石
X1B、Y1B、X2B、Y2B、Z1B B群の電磁石
CPU 制御回路
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic bearing that supports a shaft by magnetically levitating the shaft by electromagnetic force, and more particularly to a magnetic bearing driving device that drives an electromagnet constituting the magnetic bearing.
[0002]
[Prior art]
For example, in a motor that rotates at high speed or a turbo molecular pump that exhausts gas by a rotor, a magnetic bearing device having a shaft that rotationally drives the rotor has two radial magnetic bearings and one axial magnetic bearing. In this case, a floating shaft is supported so as to be capable of controlling five axes. This type of magnetic bearing device is disclosed in Japanese Patent No. 3215842 (Patent Document 1) or Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-189527 (Patent Document 2).
[0003]
FIG. 8 shows a configuration of a magnetic bearing device using an active magnetic bearing as the magnetic bearing. This magnetic bearing device actively controls five axes of five degrees of freedom excluding rotation of the shaft 1.
[0004]
That is, a motor rotor 3 constituting the motor 2 is fixed to a substantially center of the shaft 1, and a motor stator 4 constituting the motor 2 is disposed on an inner surface of the case 5 at a position facing the motor rotor 3. A first radial magnetic bearing 6 and a second radial magnetic bearing 7 are provided on the left and right sides of the shaft 1 with the motor 2 interposed therebetween, and a first touch-down bearing 8 and a second touch-down A bearing 9 is provided. An axial magnetic bearing 10 is arranged between the motor rotor 3 of the shaft 1 and the second radial magnetic bearing 7.
[0005]
In the vicinity of the first radial magnetic bearing 6, a pair of radial displacement sensors 11, which face the shaft 1 and detect displacement in the radial direction, are arranged. Then, based on the amount of radial displacement of the shaft 1 detected by the radial displacement sensor 11, a magnetic force is generated in the first radial magnetic bearing 6 by a drive circuit to be described later so that the shaft 1 is controlled to be near the center. Has become.
[0006]
Similarly, the second radial magnetic bearing 7 faces a pair of radial displacement sensors 12 for detecting the radial displacement of the shaft 1, and applies a magnetic force to the second radial magnetic bearing 7 based on the detection amount of the displacement sensor 12. The shaft 1 is generated so as to be controlled so as to come near the center.
[0007]
On the other hand, the axial magnetic bearing 10 includes an axial disk 10a fixed to the shaft 1, an axial displacement sensor 13 for detecting an axial displacement of the shaft 1 via the axial disk 10a, and an axial disk disposed with the axial disk 10a interposed therebetween. It has electromagnets ZA and ZB. The magnetic force of the axial electromagnets ZA and ZB is controlled based on the axial displacement of the shaft 1 detected by the axial displacement sensor 13 so that the axial disk 10a comes to a predetermined position.
[0008]
The touchdown bearings 8 and 9 are used to hold the shaft 1 so that the shaft 1 and the motor rotor 3 do not directly contact the stator 4 when the shaft 1 is not supported by the radial magnetic bearings 6 and 7 and the axial magnetic bearing 10. Is provided. Further, the touchdown bearings 8 and 9 have a gap and a position between the shaft 1 in consideration of magnetic forces of the radial magnetic bearings 6 and 7 and the axial magnetic bearing 10 and gaps between the shaft 1 and the motor rotor 3 and the stator 4. Is set.
[0009]
Further, functionally, the gaps in the radial direction and the axial direction between the shaft 1 and the inner ring portions of the touchdown bearings 8 and 9 are set smaller than the gaps between the magnetic bearing portion and the motor 2, respectively. It is set in consideration of the conditions when the magnetic bearing 1 is not supported by the magnetic bearing 10 and when the magnetic bearing 10 is supported by the magnetic bearings, or when the rotor balance is lost or the rotational load of the rotor is increased. .
[0010]
Further, when the shaft 1 does not magnetically levitate, the portions in contact with the touch-down bearings 8 and 9 are subjected to a surface hardening treatment such as quenching or hard chrome plating to increase the surface hardness. Thereby, the durability when the shaft 1 is supported is enhanced.
[0011]
The first and second radial magnetic bearings 6 and 7 are each configured by an electromagnet in which a coil is wound around a core having a distal end surface facing the shaft 1, and driven by a drive circuit 20 shown in FIG. 1 together with the axial magnetic bearing 10. Is controlled. That is, the drive circuit 20 includes ten sets of drive circuits 20 a, 20 b, 20 c, 20 d, 20 e, 20 f, 20 g, 20 h for controlling the magnetic force of the first and second radial magnetic bearings 6, 7 and the axial magnetic bearing 10. , 20i, and 20j.
[0012]
The control circuit CPU is configured to detect the radial displacement and the axial displacement from the pair of radial displacement sensors 11 and 12 for detecting the displacement in the radial direction and the axial displacement sensor 13 for detecting the axial displacement of the shaft 1. A command is given to the drive circuit 20 to control the magnetic forces of the first and second radial magnetic bearings 6, 7 and the axial magnetic bearing 10 so that the shaft 1 is at a predetermined position. As shown in FIG. 9, the drive circuit 20 includes drive circuits 20a, 20b, 20c, and 20d for driving the electromagnets X1A, X1B, X2A, and X2B provided on the first radial magnetic bearing 6, and Drive circuits 20e, 20f, 20g, 20h for driving the electromagnets X3A, X3B, X4A, X4B provided on the radial magnetic bearing 7, and drive circuits 20i, 20j for driving the electromagnets Z1A, Z1B of the axial magnetic bearing 10. , Two axes in the X and Y directions of the first and second radial magnetic bearings 6 and 7, and one axis in the Z direction of the axial magnetic bearing 10.
[0013]
Such a magnetic bearing supports the shaft 1 that rotates at a high speed of, for example, 100,000 rpm or more, and the first and second radial magnetic bearings 6 and 7 and the axial magnetic bearing 10 are in a non-energized state or at a low speed. In the rotating state, the shaft 1 is supported by the touchdown bearings 8 and 9.
[0014]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3215842 [Patent Document 2]
JP-A-8-189527
[Problems to be solved by the invention]
However, the drive circuits 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f, 20g, 20h, 20i, and 20j are composed of 10 sets for driving and controlling the first and second radial magnetic bearings 6 and 7 and the axial magnetic bearing 10. If one of the circuits or one of the ten electromagnets X1A, X1B, X2A, X2B, X3A, X3B, X4A, X4B and Z1A, Z1B has an abnormality for some reason, an abnormality detection sensor , The control circuit CPU stops the operation of the abnormal drive circuit or stops the operation of all drive circuits. When one of the drive circuits in which the abnormality has occurred is stopped, the collision of the touchdown bearings 8 and 9 is repeated because the balance of the magnetic force on the shaft 1 is lost and the shaft 1 is eccentric as shown in FIG. Continue rotating while doing. When the operation of all the drive circuits is stopped, the shaft 1 cannot be magnetically levitated, so that the shaft 1 also rotates while repeatedly colliding with the touchdown bearings 8 and 9.
[0016]
The touch-down bearings 8, 9 can support the shaft 1 during normal non-energization or low-speed rotation. However, as described above, when the shaft 1 repeatedly rotates and rotates, Exceeding the allowable number of times may cause intensive damage and eventually destroy. For this reason, there is a problem that the function of the touchdown bearings 8 and 9 is impaired.
[0017]
Therefore, an object of the present invention is to provide a magnetic bearing drive device capable of reducing damage to a touchdown bearing even when an abnormality occurs in a magnetic bearing or a drive circuit.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the magnetic bearing driving device according to claim 1, a plurality of electromagnets of a magnetic bearing that magnetically levitates and supports a shaft, and a driving circuit that drives and controls the electromagnets are divided into at least two groups. When an abnormality occurs, the operation of the drive circuits of the group is stopped, and the drive circuits of the other groups are operated to make the electromagnets in an operative state. Is provided, the number of collisions of the shaft with the touch-down bearing is reduced and damage is reduced, so that the life of the touch-down bearing can be extended.
[0019]
Further, in the magnetic bearing driving device according to the second aspect, the shaft is attracted by the magnetic force when the electromagnet is energized, so that the shaft is forcibly touched down by another group of electromagnets in the activated state, and the number of collisions It is possible to reduce.
[0020]
Further, in the magnetic bearing drive device according to the third aspect, by arranging a plurality of electromagnets belonging to one group adjacent to each other, the shaft is biased by the electromagnets in the activated state, and the touchdown bearing is forcibly touched down. It is made to let.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1 to 4 show a magnetic bearing driving device according to the present invention, FIG. 1 shows a magnetic bearing driving circuit constituting an abnormality processing means, FIG. 2 shows a radial magnetic bearing, and FIG. 3 shows an axial electromagnet. ing.
[0022]
The magnetic bearing drive circuit shown in FIG. 1 is configured to drive a five-axis control type magnetic bearing. The five-axis control type magnetic bearing driven and controlled by the magnetic bearing drive circuit is applied to the two radial magnetic bearings and one axial magnetic bearing shown in FIG. 8 described above. Omitted.
[0023]
The magnetic bearing drive circuit includes a control circuit CPU for controlling the magnetic force of the first and second radial magnetic bearings 6, 7 and the axial magnetic bearing 10, and the first and second radial magnetic bearings 6, 7 and the axial magnetic bearing It has ten sets of drive circuits 30 for driving ten electromagnets. These drive circuits are divided into two groups each of which includes a group A drive circuit 31 and a group B drive circuit 32. That is, the group A drive circuit 31 is composed of five sets of drive circuits 31a, 31b, 31c, 31d and 31e for driving one electromagnet in the first and second radial magnetic bearings 6 and 7. Are connected to coils of electromagnets X1A, Y1A, X2A, Y2A, and Z1A, respectively. The group B drive circuit 32 includes five sets of drive circuits 32a, 32b, 32c, and 32d that drive the other electromagnets X1B, Y1B, X2B, Y2B, and Z1B of the first and second radial magnetic bearings 6,7. , 32e.
[0024]
As shown in FIG. 2, four electromagnets X1A, X1B, Y1A, and Y1B each having a coil wound around a core whose front end face is opposed to the shaft 1 are equiangularly arranged on the first radial magnetic bearing 6. Are located. The electromagnet X1A and the electromagnet X1B face each other around the axis of the shaft 1, and the electromagnet Y1A and the electromagnet Y1B face each other. On the other hand, the second radial magnetic bearing 7 is also not shown, but similarly to the first radial magnetic bearing 6, the four electromagnets X2A, X2B, Y2A, and Y2B are arranged at equal angles, and the shaft of the shaft 1 is rotated. The electromagnet X2A and the electromagnet X2B face each other around the core, and the electromagnet Y2A and the electromagnet Y2B face each other. Each of these electromagnets is configured to magnetically attract the shaft 1 by applying a current to each coil by the drive circuits of the groups A and B. 3, two electromagnets Z1A and Z1B are arranged on the axial magnetic bearing 10 so as to face the axial disk 10a fixed to the shaft 1. As shown in FIG. As described above, each of the electromagnets of the first and second radial magnetic bearings 6 and 7 is also divided into the A group and the B group. In FIG. 2, for convenience, the shaft 1 itself is used as a magnet body and magnetically attracted by each electromagnet. However, in practice, a magnetic body such as a permanent magnet is integrally fixed to the shaft 1. This magnetic material is attracted by each electromagnet, and the same applies to the following description.
[0025]
The group A drive circuit 31 and the group B drive circuit 32 described above are each connected to a control circuit CPU, and the group A drive circuits connected to the group A drive circuit 31 and the group B drive circuit 32 based on the control command of the control circuit CPU. And the electromagnets X1A... Z1A and X2A. The control circuit CPU is configured to detect the radial displacement and the axial displacement from the pair of radial displacement sensors 11 and 12 for detecting the displacement in the radial direction and the axial displacement sensor 13 for detecting the axial displacement of the shaft 1. , A command is given to the group A drive circuit 31 and the group B drive circuit 32 to control the magnetic force of the first and second radial magnetic bearings 6, 7 and the axial magnetic bearing 10 so that the shaft 1 is at a predetermined position. ing.
[0026]
On the other hand, the control circuit CPU includes a control circuit 33 for transmitting a control command to the group A drive circuit 31 and the group B drive circuit 32 as shown in FIG. 4, for example. FIG. 4 exemplifies a drive circuit for driving the electromagnet X1A in the first radial magnetic bearing 6, but the same applies to other electromagnets, so that the description of the individual drive circuits is omitted. .
[0027]
The control circuit 33 includes a position detection circuit 34 to which a signal based on the radial displacement detected by the radial displacement sensor 11 is input, and a proportional operation, an integral operation, a differential operation, and the like based on the position signal of the position detection circuit 34. A PID control circuit 35 that performs arithmetic processing and generates a predetermined control voltage corresponding to the displacement of the shaft 1, a limiter circuit 36, and an operational amplifier 37 are provided. The output terminal of the operational amplifier 37 is connected to the base of the transistor 38 of the drive circuit having the collector connected to the coil of the electromagnet X1A, and the current of the coil of the electromagnet X1A is controlled according to the control voltage from the PID control circuit 35. It has become so. The emitter of the transistor 38 is grounded via a resistor R and is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 37.
[0028]
The control circuit CPU sends a control command to the group A drive circuit 31 and the group B drive circuit 32, as shown in FIG. 1, and detects a rotational position of the rotor to rotate the motor. A sensor, a temperature sensor for detecting a temperature abnormality of a motor, a magnetic bearing or the like, a drive inhibition circuit for inhibiting a drive when various abnormalities such as a low voltage (LV), an overcurrent (OC), and a clock abnormality (WDTOF) occur; Various signals such as current feedback for feeding back the current of the motor and the magnetic bearing are input. The above-mentioned drive prohibition circuit operates the motor based on an abnormality signal generated when at least one of the group A drive circuit 31 and the group B drive circuit 32 or each of the electromagnets X1A... A stop signal is output, and constitutes abnormality processing means.
[0029]
Next, the operation of the above-described magnetic bearing drive circuit will be described. Now, it is assumed that, among the electromagnets of the group A, an electromagnet X1A has an abnormality due to, for example, a temperature rise. This state is detected by the temperature sensor, and the signal is output to the control circuit CPU. At this time, the control circuit CPU issues a command signal to stop the driving of all the driving circuits 31a of the group A driving circuit 31 to stop the operation of the driving circuits 31a. Are operated to generate a command signal to forcibly pull the shaft 1, so that the shaft 1 is brought into a state as shown in FIG.
[0030]
FIG. 5 shows an abnormal state of the first radial magnetic bearing 6. As is apparent from this figure, all the operations of the group A drive circuit 31 are stopped, and the operation of the group B drive circuit 32 causes the shaft 1 to be driven by the two group B drive circuits 32 as shown by arrows. It is magnetically attracted to the electromagnets X1B and Y1B. That is, as described above, since the electromagnets X1A and Y1A belonging to the group A and the electromagnets X1B and Y1B belonging to the group B are arranged at positions deviated from the shaft 1, the shaft 1 Are forcibly attracted to the vicinity of the center of the electromagnets X1B and Y1B belonging to. As a result, the shaft 1 comes into contact with the touch bearing 8 to perform a forced touchdown.
[0031]
When the shaft 1 is forcibly touched down with respect to the touch bearing 8, the shaft 1 rotates while substantially touching the touch bearing 8, so that the position is regulated and the movement is suppressed. Therefore, the number of collisions of the shaft 1 with the touch bearing 8 is greatly reduced. The above-described operation is similarly performed for the second radial magnetic bearing 7, and by operating all of the group B drive circuit 32, the electromagnets X2B and Y2B belonging to the group B are operated, and the shaft 1 is touch-touched. 9 is forcibly touched down.
[0032]
By operating all of the B-group drive circuit 32, only the electromagnet Z1B of the two electromagnets Z1A and Z1B in the axial magnetic bearing 10 is activated. As a result, the axial disk 10a is attracted by the electromagnet Z1B, and the shaft 1 moves downward as shown in FIG.
[0033]
As described above, when the shaft 1 is forcibly touched down on the touch bearings 8 and 9, the control circuit CPU based on the abnormal signal generated from the group A drive circuit 31 or the electromagnets X1A. Performs an abnormal process of stopping the rotation drive of the motor 2, whereby the rotation of the shaft 1 is stopped. As a result, the shaft 1 stops with the touch bearings 8 and 9 forcibly touched down.
[0034]
The above-described example describes the case where an abnormality occurs in the electromagnet X1A among the electromagnets in the group A, but the same applies to the case where an abnormality occurs in another electromagnet in the group A. When an abnormality occurs in at least one of the electromagnets of the group B, the shaft 1 is touched by operating the group A drive circuit 31 and stopping the group B drive circuit 32, contrary to the above-described example. The bearing can be stopped with the bearings 8 and 9 forcibly touched down. Further, when an abnormality such as a circuit temperature abnormality or an overcurrent abnormality occurs in the group A drive circuit 31 or the group B drive circuit 32, the group in which the abnormality has occurred is stopped and the normal group is operated. , The shaft 1 can be forcibly touched down on the touch bearings 8 and 9 and finally stopped in this state.
[0035]
FIG. 7 shows another embodiment of the magnetic bearing drive circuit according to the present invention. That is, an example is shown in which the drive circuit 30 for driving the electromagnets of the first and second radial magnetic bearings 6 and 7 is divided into, for example, three, and a coil is wound around a core having a tip end surface facing the shaft 1 The six electromagnets XnA, XnB, XnC, YnA, YnB, and YnC are arranged at equal angles. Then, the electromagnets XnA and YnA belonging to the group A are adjacent to each other, the electromagnets XnB and YnB belonging to the group B are adjacent to each other, and the electromagnets XnC and YnC belonging to the group C are adjacent to each other. A drive circuit (not shown) is connected to each of the three divided electromagnets of groups A, B, and C, and this drive circuit is also divided into groups A, B, and C.
[0036]
In the above configuration, when an abnormality occurs in the electromagnet XnB belonging to the group B due to an overcurrent, the control circuit CPU stops the driving of all the driving circuits of the group B driving circuit, and drives the group A driving circuit and the group C driving circuit. A command signal is issued to operate the. As a result, the shaft 1 is attracted near the middle between the electromagnets YnA and XnC by the operation of the electromagnets XnA, YnA and XnC, YnC belonging to the groups A and C, and the shaft 1 comes into contact with the touch bearing 8. A forced touchdown is performed. After that, similarly to the above-described embodiment, the control circuit CPU performs an abnormal process of stopping the rotation of the motor 2 to stop the rotation of the shaft 1, and the shaft 1 is forcibly touched down to the touch bearings 8 and 9. Stop at The operation described above is common to the first and second radial magnetic bearings 6 and 7, and the description thereof is omitted.
[0037]
The above embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but the present invention is not limited to this, and can be variously modified without departing from the gist of the present invention. For example, in the magnetic bearing device shown in FIG. 8 to which the present invention is applied, the arrangement and configuration of the radial magnetic bearing and the axial magnetic bearing can be changed in another way. In the above-described embodiment, the five-axis control type magnetic bearing device has been described. However, for example, similarly, only two axes are controlled in the radial direction. The present invention is also applicable to a one-axis to three-axis control type magnetic bearing device.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, the magnetic bearing drive device according to claim 1 of the present invention divides a plurality of electromagnets that support the shaft by magnetically levitating and supports the drive circuits for driving and controlling the electromagnets into at least two groups. Since the operation of the drive circuit of the group in which the occurrence has occurred is stopped and the drive circuit of the other group is activated to bring the electromagnet into the operating state, the shaft can be forcibly touched down by the touchdown bearing, and thereafter, the abnormality processing means By stopping the shaft in a state where the shaft is forcibly touched down, the number of times that the shaft collides with the touchdown bearing can be reduced, and the life of the touchdown bearing can be extended by reducing damage to the touchdown bearing.
[0039]
Further, the magnetic bearing driving device according to claim 2 of the present invention causes the shaft to be attracted by the magnetic force when the electromagnet is energized, so that the other group of electromagnets in which the shaft has been activated is forcibly applied by magnetic attraction. Since the touchdown can be performed, the number of times of touchdown bearing collision can be reduced.
[0040]
Further, in the magnetic bearing driving device according to claim 2 of the present invention, a plurality of electromagnets belonging to one group are arranged adjacent to each other. Can be touched down.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a magnetic bearing drive device of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram showing an arrangement of electromagnets of a radial magnetic bearing in the magnetic bearing drive device of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram showing an axial magnetic bearing in the magnetic bearing drive device of the present invention.
FIG. 4 is a circuit block diagram showing a drive circuit in the magnetic bearing drive device of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an operation state of the radial magnetic bearing in the magnetic bearing drive device of the present invention when an abnormality occurs.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an operation state of the axial magnetic bearing in the magnetic bearing drive device of the present invention when an abnormality occurs.
FIG. 7 is a configuration diagram showing another embodiment of the radial magnetic bearing in the magnetic bearing drive device of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view showing a configuration of a magnetic bearing driving device.
FIG. 9 is a block diagram showing a drive circuit of a conventional magnetic bearing drive device.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing an operation state of a radial magnetic bearing in a conventional magnetic bearing driving device when an abnormality occurs.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 shaft 6 first radial magnetic bearing 7 second radial magnetic bearing 8 first touch-down bearing 9 second touch-down bearing 10 axial magnetic bearing 11 radial displacement sensor 12 radial displacement sensor 13 axial displacement sensor 30 drive circuit 31 A group driving circuit 32 B group driving circuit X1A, Y1A, X2A, Y2A, Z1A Electromagnets X1B, Y1B, X2B, Y2B, Z1B of group A Electromagnet CPU control circuit of group B

Claims (3)

シャフトを磁気浮上させて支持する磁気軸受の電磁石を駆動制御する磁気軸受駆動装置であって、
前記シャフトの周囲には複数の電磁石と、前記シャフトを支持するタッチベアリングが配置され、
前記複数の電磁石は少なくとも2群に分割されて前記シャフトの周囲に群を分けて配置すると共に、前記複数の電磁石を駆動する複数の駆動回路を少なくとも2群に分割し、
前記電磁石または前記駆動回路が異常のときに、その群の前記駆動回路の作動を停止させて他の群の前記駆動回路を作動させ、この作動させた駆動回路により駆動する前記電磁石によって前記シャフトを前記タッチダウンベアリングに接触させると共に、前記軸を回転駆動する駆動手段の作動を停止させる異常処理手段を備えたことを特徴とする磁気軸受駆動装置。
A magnetic bearing drive device that drives and controls an electromagnet of a magnetic bearing that supports the shaft by magnetically levitating,
A plurality of electromagnets and a touch bearing that supports the shaft are arranged around the shaft,
The plurality of electromagnets are divided into at least two groups and arranged separately around the shaft, and a plurality of driving circuits for driving the plurality of electromagnets are divided into at least two groups,
When the electromagnet or the driving circuit is abnormal, the operation of the driving circuit of the group is stopped to activate the driving circuit of another group, and the shaft is driven by the electromagnet driven by the activated driving circuit. A magnetic bearing drive device comprising: an abnormality processing unit that stops the operation of a drive unit that drives the shaft to rotate while making contact with the touch-down bearing.
前記電磁石は、通電したときに前記シャフトを磁気力によって吸引させる請求項1記載の磁気軸受駆動装置。The magnetic bearing drive device according to claim 1, wherein the electromagnet causes the shaft to be attracted by a magnetic force when energized. 各群の前記電磁石は、前記シャフトをラジアル方向に磁気浮上させて支持するように前記シャフトの軸芯を中心として等間隔に配置され、一つの群に属する複数の前記電磁石を隣接して配置した請求項1および2記載の磁気軸受駆動装置。The electromagnets of each group are arranged at equal intervals around the axis of the shaft so as to magnetically levitate and support the shaft in the radial direction, and a plurality of the electromagnets belonging to one group are arranged adjacently. The magnetic bearing drive device according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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