JP2005233385A

JP2005233385A - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JP2005233385A
Application number: JP2004046565A
Authority: JP
Inventors: Hironori Kameno; 浩徳亀野
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】ノンコロケーションに伴う制御性能の低下や不安定化を防止するとともに、センサの固定が容易でかつ電磁石の磁気的ノイズによるセンサ出力の変動を防止した磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】ラジアル磁気軸受7は、アキシアル方向の同一位置において、周方向に等間隔をおいて配置された４つの電磁石7a,7bを有し、ラジアルセンサユニット10は、アキシアル方向の同一位置において、周方向に等間隔をおいて配置された４つのラジアルセンサ10a,10bを有している。ラジアル磁気軸受7の各電磁石7a,7bおよびラジアルセンサユニット10の各ラジアルセンサ10a,10bは、アキシアル方向の同一位置において、互いに４５°の間隔をおいて配置されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、複数組の磁気軸受で回転体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。

磁気軸受装置として、回転体と、回転体をアキシアル方向に非接触支持するための複数の電磁石を有するアキシアル磁気軸受と、回転体をラジアル方向に非接触支持するための複数の電磁石を有するラジアル磁気軸受と、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、各センサユニットによる位置の検出結果に基づいて各磁気軸受の電磁石を制御する電磁石制御手段とを備えているものが知られている（特許文献１）。この磁気軸受装置では、ラジアル磁気軸受は、周方向に等間隔をおいて配置された４つの電磁石を有し、ラジアルセンサユニットは、ラジアル磁気軸受のアキシアル方向に近接して設けられかつ周方向に等間隔をおいて配置された４つのラジアルセンサを有している。
特開平１０−４７３４６号公報

上記特許文献１の磁気軸受装置では、ラジアルセンサユニットがラジアル磁気軸受のアキシアル方向に近接して設けられていること、すなわち、電磁石がある制御位置とセンサがある変位検出位置とがアキシアル方向の同じ位置ではないこと（以下「ノンコロケーション」と称す）から、回転体の弾性モードの曲げ振動が発生したときに、制御性能の低下や不安定化を招く恐れがある。このノンコロケーションを防ぐためには、磁気軸受の各電磁石とラジアルセンサユニットの各ラジアルセンサとを同じ位置に設置すればよいが、この場合には、センサの固定が困難、電磁石の磁気的ノイズによるセンサ出力の変動などの問題が生じる。

この発明の目的は、ノンコロケーションに伴う制御性能の低下や不安定化を防止するとともに、センサの固定が容易でかつ電磁石の磁気的ノイズによるセンサ出力の変動を防止した磁気軸受装置を提供することにある。

この発明による磁気軸受装置は、回転体と、回転体をアキシアル方向に非接触支持するための複数の電磁石を有するアキシアル磁気軸受と、回転体をラジアル方向に非接触支持するための複数の電磁石を有するラジアル磁気軸受と、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、各センサユニットによる位置の検出結果に基づいて各磁気軸受の電磁石を制御する電磁石制御手段とを備え、ラジアル磁気軸受が周方向に等間隔をおいて配置された４つの電磁石を有し、ラジアルセンサユニットが周方向に等間隔をおいて配置された４つのラジアルセンサを有している磁気軸受装置において、ラジアル磁気軸受の各電磁石およびラジアルセンサユニットの各ラジアルセンサは、アキシアル方向の同一位置において、互いに４５°の間隔をおいて配置されていることを特徴とするものである。

磁気軸受装置は、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軸制御型とされ、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、装置全体で１０個の電磁石が用いられて、これらの電磁石によって５軸（アキシアル方向の軸およびアキシアル方向の２カ所におけるラジアル方向の２つの軸）がそれぞれ制御される。アキシアル磁気軸受に相当する２個の電磁石を省略することも可能であり、この場合には、２組の磁気軸受の各電磁石が、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とされ、各電磁石のアキシアル方向の吸引力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、各電磁石のラジアル方向の吸引力をラジアル変位信号に基づいて制御するラジアル方向制御手段とによって制御される。

電磁石制御手段は、好ましくは、例えばディジタル信号処理プロセッサ、ＭＰＵ（マイクロプロセッサ）など、ソフトウェアプログラムが可能ディジタル処理手段より構成される。ディジタル信号処理プロセッサ（ＤＳＰ）とは、ディジタル信号を入力してディジタル信号を出力し、ソフトウェアプログラムが可能で、高速演算処理が可能な専用ハードウェアを指す。

磁気軸受装置の制御装置には、電磁石制御手段の他、電磁石制御手段から出力された電磁石制御信号を入力として電磁石に励磁電流を供給する電磁石駆動手段が設けられる。

各センサユニットは、各センサからの出力（距離信号）に基づいて、回転体のＺ軸方向の位置、ならびに上下のラジアルセンサユニットの部分における２つの軸（Ｘ１ｓ軸、Ｙ１ｓ軸、Ｘ２ｓ軸およびＹ２ｓ軸方向）の位置を演算し、その演算結果である回転体の変位信号をＡＤ変換器を介して電磁石制御手段（例えばＤＳＰ）に入力する。ＤＳＰは、このディジタル信号に基づいて、各磁気軸受の各電磁石に対する励磁電流信号をＤＡ変換器を介して電磁石駆動手段（例えば磁気軸受駆動回路）に出力する。そして、駆動回路は、ＤＳＰからの励磁信号に基づく励磁電流を対応する磁気軸受の電磁石に供給し、これにより、回転体が目標浮上位置に非接触支持される。

電磁石およびラジアルセンサを４５°置きに配置するに際しては、各電磁石は、横断面円形の回転体を四方から囲む方形の枠の各辺に外側から臨まされ、各ラジアルセンサは、この方形の枠の内側の各コーナー部に相当する位置に配置されているようにすればよい。

ラジアルセンサとしては、Ｕ字状、円筒状、円柱状などのコアにコイルが巻かれたもの使用される。

各ラジアルセンサは、Ｕ字状のコアおよびこれに巻かれたコイルからなり、各Ｕ字状の鉄心がその両側壁がアキシアル方向に対向するように配置されていることが好ましい。このようにすると、ラジアルセンサの周方向寸法を小さくすることができ、電磁石とラジアルセンサとの干渉が防止され、センサの取付けが容易となる。

電磁石制御手段においては、入力されたディジタル位置信号（各センサ位置における回転体の変位信号）が各電磁石がある位置における回転体の変位に換算される。このために、電磁石制御手段は、例えば、上部ラジアルセンサの軸を基準とする座標系で求められた各検出値をＸ１ｓおよびＹ１ｓ、下部ラジアルセンサの軸を基準とする座標系で求められた各検出値をＸ２ｓおよびＹ２ｓとし、上部電磁石の軸を基準とする座標系のＸ１およびＹ１の値ならびに下部電磁石の軸を基準とする座標系のＸ２およびＹ２の値を以下の式で求める座標変換部を有しているものとされる。

Ｘ１＝Ｘ１ｓ・cos（４５°）＋Ｙ１ｓ・cos（−４５°）
Ｙ１＝Ｘ１ｓ・cos（１３５°）＋Ｙ１ｓ・cos（４５°）
Ｘ２＝Ｘ２ｓ・cos（４５°）＋Ｙ２ｓ・cos（−４５°）
Ｙ２＝Ｘ２ｓ・cos（１３５°）＋Ｙ２ｓ・cos（４５°）
そして、この座標変換部で得られたＸ１およびＹ１の値ならびにＸ２およびＹ２の値を使用して各電磁石に印加される制御電流が求めらる。これにより、従来と全く同じ精度で、回転体の浮上位置を正確に特定できる。この座標変換部は、従来の電磁石制御手段で行われていた処理の前段階に設けられることが好ましく、座標変換部以降の処理は、従来と同じにように行えばよい。

この発明の磁気軸受装置によると、ラジアル磁気軸受の各電磁石およびラジアルセンサユニットの各ラジアルセンサがアキシアル方向の同一位置に設けられているので、ノンコロケーションに伴う制御性能の低下や不安定化を防止することができ、また、これらが互いに４５°の間隔をおいて配置されることにより、センサの固定が容易となりかつ電磁石の磁気的ノイズによるセンサ出力の変動を防止することができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。なお、図１の縦断面図は、図２のＹ１ｓ−Ｙ１線に沿う断面図であり、図１の中央線より右の部分には、左の部分と４５°の角度をなす部分を示している。

磁気軸受装置(1)は、鉛直に配置された厚肉略円筒状ケーシング(2)の内部で鉛直軸状の回転体(3)が回転する縦型のものである。なお、以下の説明において、アキシアル方向（上下方向）の制御軸をＺ軸とし、Ｚ軸に対して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）の制御軸については、ラジアル磁気軸受(7)(8)の電磁石(7a)(7b)(8a)(8b)を基準とする方をそれぞれＸ１軸、Ｙ１軸、Ｘ２軸およびＹ２軸とし、ラジアルセンサユニット(10)(11)のセンサ(10a)(10b)(11a)(11b)を基準とする方をそれぞれＸ１ｓ軸、Ｙ１ｓ軸、Ｘ２ｓ軸およびＹ２ｓ軸とする。

ケーシング(2)内には、回転体(3)をＺ軸方向に非接触支持する制御型アキシアル磁気軸受(6)、回転体(3)の上下２箇所をＸ１軸およびＹ１軸（Ｘ２軸およびＹ２軸）方向に非接触支持する上下２組の制御型ラジアル磁気軸受(7)(8)、回転体(3)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(9)、回転体(3)の上下２箇所におけるＸ１ｓ軸およびＹ１ｓ軸（Ｘ２ｓ軸およびＹ２ｓ軸）方向の位置を検出するための上下２組のラジアルセンサユニット(10)(11)、回転体(3)に一体に設けられた円筒状ロータ(12)を高速回転させるモータのステータユニット(13)、回転体(3)の回転速度を検出するための回転センサ(14)ならびに回転体(3)のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を制限して回転体(3)を磁気軸受(6)(7)(8)で非接触支持できなくなったときなどに機械的に支持する上下２組のタッチダウン軸受(15)(16)が設けられている。

アキシアル磁気軸受(6)は、回転体(3)の下端部近くに設けられたフランジ部すなわちアキシアルディスク部(3a)をＺ軸方向の両側から挟むように配置された上下１対のアキシアル電磁石(6a)(6b)を備えている。

上部のラジアル磁気軸受(7)は、図２に詳しく示すように、回転体(3)をＸ１軸方向の両側から挟むように配置された１対のＸ１軸制御用ラジアル電磁石(7a)と、回転体(3)をＹ１軸方向の両側から挟むように配置された１対のＹ１軸制御用ラジアル電磁石(7b)とを備えている。同様に、図２に（）付きの符号で示しているように、下部のラジアル磁気軸受(8)は、回転体(3)をＸ２軸方向の両側から挟むように配置された１対のＸ２軸制御用ラジアル電磁石(8a)と、回転体(3)をＹ２軸方向の両側から挟むように配置された１対のＹ２軸制御用ラジアル電磁石(8b)とを備えている。

アキシアルセンサユニット(9)は、回転体(3)のＺ軸方向の位置を検出するためのものであり、回転体(3)の下端に同心状に取り付けられている短円柱状のアキシアル方向ターゲット(23)の下端面の中心部にＺ軸方向の下側から対向するように配置されているアキシアルセンサ(9a)を有している。アキシアルセンサ(9a)は、コアにコイルが巻かれたものである。

上部ラジアルセンサユニット(10)は、回転体(3)の上部ラジアル磁気軸受(7)とアキシアル方向の同一位置にある部分のＸ１ｓ軸およびＹ１ｓ軸方向の位置を検出するためのものであり、図２に詳しく示すように、上部ラジアル磁気軸受(7)に対向するように回転体(3)の外周に設けられたターゲット部(21)をＸ１軸と反時計方向に４５°をなすＸ１ｓ軸方向の両側から挟むように配置された１対のＸ１ｓ軸位置検出用ラジアルセンサ(10b)と、ターゲット部(21)をＹ１軸と反時計方向に４５°をなすＹ１ｓ軸方向の両側から挟むように配置された１対のＹ１ｓ軸位置検出用ラジアルセンサ(10a)とから構成されている。同様に、下部ラジアルセンサユニット(11)は、回転体(3)の下部ラジアル磁気軸受(8)とアキシアル方向の同一位置にある部分のＸ２ｓ軸およびＹ２ｓ軸方向の位置を検出するためのものであり、図２に（）付きの符号で示しているように、下部ラジアル磁気軸受(8)に対向するように回転体(3)の外周に設けられたターゲット部(22)をＸ２軸と反時計方向に４５°をなすＸ２ｓ軸方向の両側から挟むように配置された１対のＸ２ｓ軸位置検出用ラジアルセンサ(11b)と、ターゲット部(22)をＹ２軸と反時計方向に４５°をなすＹ２ｓ軸方向の両側から挟むように配置された１対のＹ２ｓ軸位置検出用ラジアルセンサ(11a)とから構成されている。

図２に示す磁気軸受装置の横断面形状から分かるように、各ラジアル磁気軸受(7)(8)の各電磁石(7a)(7b)(8a)(8b)は、横断面円形の回転体(3)を四方から囲む方形の枠の各辺に外側から臨まされており、各ラジアルセンサ(10a)(10b)(11a)(11b)は、この方形の枠の内側の各コーナー部に相当する位置に配置されている。こうして、上下ラジアル磁気軸受(7)(8)の各電磁石(7a)(7b)(8a)(8b)および上下ラジアルセンサユニット(10)(11)の各ラジアルセンサ(10a)(10b)(11a)(11b)は、互いに干渉することなくかつ極めてコンパクトに、アキシアル方向の同一位置において、互いに４５°の間隔をおいて配置されている。

各ラジアルセンサ(10a)(10b)(11a)(11b)は、図１に示すように、Ｕ字状のコア(17)およびこれに巻かれたコイル(18)からなり、コア(17)の両側壁（上下壁）がアキシアル方向に対向するように配置されている。各ターゲット部(21)(22)は、無方向性けい素鋼板製の環状の薄板を積層することにより構成されている。

回転センサ(14)はアキシアルセンサ(9a)と同じ特性のものである。ターゲット(23)の下端面の外周部の１つの円周上に、１つまたは複数の被検出部(24)が形成されている。この例では、ターゲット(23)の下端面の最外周に凹部を形成することにより、被検出部(24)が形成されている。複数の被検出部(24)が形成される場合、それらは円周方向に等間隔をおいて設けられる。

上部タッチダウン軸受(15)は、回転体(3)のラジアル方向の変位を制限するものである。上部タッチダウン軸受(15)は、単列の玉軸受とされ、その外輪(15a)はケーシング(2)に固定されており、内輪(15b)は、回転体(3)が磁気軸受(6)(7)(8)により非接触支持された状態で、回転体(3)の上端寄りの部分の外径が均一な軸部(3b)にラジアル方向にわずかな隙間をあけて対向している。下部タッチダウン軸受(16)は、回転体(3)のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を制限するものである。下部タッチダウン軸受(16)は、複列の玉軸受とされ、その外輪(16a)はアキシアル磁気軸受の上側の電磁石鉄心(26)に固定されており、内輪(16b)は、回転体(3)が磁気軸受(6)(7)(8)により非接触支持された状態で、回転体(3)の下部の外周に形成された環状みぞ(25)の部分にアキシアル方向およびラジアル方向にわずかな隙間をあけて対向している。回転体(3)が磁気軸受(6)(7)(8)により非接触支持された状態において、上部タッチダウン軸受(15)の内輪(15b)と回転体(3)とのラジアル方向の隙間ならびに下部タッチダウン軸受(16)の内輪(16b)と回転体(3)とのアキシアル方向およびラジアル方向の隙間は実際には非常に小さいが、図１には、それらを誇張して示している。

磁気軸受装置の制御装置（図示略）は、各センサユニット(9)(10)(11)による位置の検出結果に基づいて各磁気軸受(6)(7)(8)の各電磁石(6a)(6b)(7a)(7b)(8a)(8b)を制御する電磁石制御手段としてのディジタル信号処理プロセッサ、電磁石制御手段から出力された電磁石制御信号を入力として電磁石(6a)(6b)(7a)(7b)(8a)(8b)に励磁電流を供給する電磁石駆動手段としての磁気軸受駆動回路などを備えている。

各センサ(9a)(10a)(10b)(11a)(11b)は、ターゲット(21)(22)(23)とのギャップ（間隙）の大きさに比例する距離信号を出力する。すなわち、アキシアルセンサ(9a)は、回転体(3)のターゲット(23)のＺ軸方向の位置に対応した信号を出力し、各ラジアルセンサ(10a)(10b)(11a)(11b)は、回転体(3)のターゲット部(21)(22)とのラジアル方向の隙間の大きさに対応した信号を出力する。したがって、アキシアルセンサ(9a)により、回転体(3)のＺ軸方向の位置が検出され、Ｘ１ｓ軸位置検出用ラジアルセンサ(10b)、Ｙ１ｓ軸位置検出用ラジアルセンサ(10a)、Ｘ２ｓ軸位置検出用ラジアルセンサ(11b)およびＹ２ｓ軸位置検出用ラジアルセンサ(11a)により回転体(3)のＸ１ｓ軸、Ｙ１ｓ軸、Ｘ２ｓ軸およびＹ２ｓ軸方向の位置が検出される。こうして得られた回転体(3)のＺ軸方向の変位信号、Ｘ１ｓ軸、Ｙ１ｓ軸、Ｘ２ｓ軸およびＹ２ｓ軸方向の変位信号がＡＤ変換器を介して制御装置のディジタル信号処理プロセッサに入力される。

ディジタル信号処理プロセッサにおいては、入力されたラジアル方向のディジタル位置信号（各ラジアルセンサ(10a)(10b)(11a)(11b)位置における回転体(3)のラジアル変位信号）が各電磁石(7a)(7b)(8a)(8b)がある位置における回転体(3)の変位に換算される。このために、電磁石制御手段には、同じ原点を有しかつ角度θだけ回転させられた２つの直角座標間の変換式であるＸ＝Ｘ’cosθ＋Ｙ’sinθ、Ｙ＝Ｙ’cosθ−Ｘ’sinθにより、各センサ(10a)(10b)(11a)(11b)位置における回転体(3)の変位信号を各電磁石(7a)(7b)(8a)(8b)がある位置における回転体(3)の変位に換算する座標変換部が設けられる。この座標変換部で得られた値を使用して各電磁石(7a)(7b)(8a)(8b)に印加される制御電流が求められる。

座標変換式は、より具体的には、図３に示すように、上部ラジアルセンサ(10a)(10b)の軸（Ｘ１ｓ軸およびＹ１ｓ軸）を基準とする座標系で求められた各検出値をＸ１ｓおよびＹ１ｓとし、上部電磁石(7a)(7b)の軸（Ｘ１軸およびＹ１軸）を基準とする座標系のＸ１およびＹ１の値を求める式がＸ１＝Ｘ１ｓ・cos（４５°）＋Ｙ１ｓ・cos（−４５°）、Ｙ１＝Ｘ１ｓ・cos（１３５°）＋Ｙ１ｓ・cos（４５°）とされる。また、図示省略したが、下部ラジアルセンサ(11a)(11b)の軸（Ｘ２ｓ軸およびＹ２ｓ軸）を基準とする座標系で求められた各検出値をＸ２ｓおよびＹ２ｓとし、下部電磁石(8a)(8b)の軸（Ｘ２軸およびＹ２軸）を基準とする座標系のＸ２およびＹ２の値を求める式がＸ２＝Ｘ２ｓ・cos（４５°）＋Ｙ２ｓ・cos（−４５°）、Ｙ２＝Ｘ２ｓ・cos（１３５°）＋Ｙ２ｓ・cos（４５°）とされる。これらの座標変換部以外の制御装置の構成は、従来と同じものとされる。

磁気軸受装置(1)の運転中、ディジタル信号処理プロセッサは、アキシアルセンサユニット(9)により検出された回転体(3)のＺ軸方向の変位信号、座標変換部で得られた回転体(3)のＸ１軸、Ｙ１軸、Ｘ２軸およびＹ２軸方向の変位信号に基づいて、各磁気軸受(6)(7)(8)の各電磁石(6a)(6b)(7a)(7b)(8a)(8b)に対する励磁電流信号をＤＡ変換器を介して電磁石駆動手段としての磁気軸受駆動回路に出力する。そして、駆動回路は、ＤＳＰからの励磁信号に基づく励磁電流を対応する磁気軸受(6)(7)(8)の電磁石(6a)(6b)(7a)(7b)(8a)(8b)に供給し、これにより、回転体(3)が目標浮上位置に非接触支持される。そして、このように回転体(3)が磁気軸受(6)(7)(8)により非接触支持された状態で、モータのステータユニット(13)およびロータ(12)により回転体(3)が高速回転させられる。

なお、上記の実施形態において、縦置き型の磁気軸受装置として説明したが、磁気軸受装置を横置き型とすることもできる。また、磁気軸受装置(1)の各部の構成は、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。

図１は、この発明の磁気軸受装置の実施形態を示す縦断面図である。図２は、この発明の磁気軸受装置の実施形態を示す横断面図である。図３は、この発明の磁気軸受装置の電磁石制御手段の特徴部分を説明する図である。

符号の説明

(1) 磁気軸受装置
(3) 回転体
(6) アキシアル磁気軸受
(7)(8) ラジアル磁気軸受
(7a)(7b)(8a)(8b) 電磁石
(9) アキシアルセンサユニット
(10)(11) ラジアルセンサユニット
(10a)(10b)(11a)(11b) ラジアルセンサ

Claims

回転体と、回転体をアキシアル方向に非接触支持するための複数の電磁石を有するアキシアル磁気軸受と、回転体をラジアル方向に非接触支持するための複数の電磁石を有するラジアル磁気軸受と、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、各センサユニットによる位置の検出結果に基づいて各磁気軸受の電磁石を制御する電磁石制御手段とを備え、ラジアル磁気軸受が周方向に等間隔をおいて配置された４つの電磁石を有し、ラジアルセンサユニットが周方向に等間隔をおいて配置された４つのラジアルセンサを有している磁気軸受装置において、ラジアル磁気軸受の各電磁石およびラジアルセンサユニットの各ラジアルセンサは、アキシアル方向の同一位置において、互いに４５°の間隔をおいて配置されていることを特徴とする磁気軸受装置。
各ラジアルセンサは、Ｕ字状のコアおよびこれに巻かれたコイルからなり、各Ｕ字状の鉄心がその両側壁がアキシアル方向に対向するように配置されている請求項１の磁気軸受装置。
電磁石制御手段において、入力されたディジタル位置信号すなわち各センサ位置における回転体の変位信号が各電磁石がある位置における回転体の変位に換算されている請求項１または２の磁気軸受装置。