JP2006022914A - 磁気軸受装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 保護軸受の交換時期をより正確に判定できる磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】 磁気軸受装置は、電磁石26,27,28の磁気吸引力により回転体4をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持する磁気軸受5,6,7と、回転体4のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を検出する変位検出手段8と、タッチダウン用の保護軸受11,12と、変位検出手段8による変位検出値に基づいて磁気軸受5,6,7の電磁石26,27,28を制御する制御手段とを備えている。制御手段が、回転体4のタッチダウンの回数をカウントして記憶するカウント手段と、磁気軸受5,6,7の起動時に保護軸受11,12に対する回転体4のアキシアル方向およびラジアル方向のクリアランスを検出する手段と、カウント手段に記憶されたタッチダウン回数のカウント値および上記クリアランスの検出値に基づいて保護軸受11,12が交換時期に達したかどうかを判定する判定手段とを備えている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、回転体を磁気軸受により非接触支持して回転させる磁気軸受装置に関する。
この種の磁気軸受装置では、高速回転する回転体（ロータ）が制御型アキシアル磁気軸受と制御型ラジアル磁気軸受によって非接触支持されるようになっており、運転停止時や異常動作時に回転体を受けて磁気軸受などを保護するために、たとえばアンギュラ玉軸受などを用いたタッチダウン用の保護軸受が設けられる。
保護軸受は高速で回転している回転体を受けるため、一般に、損傷が大きく、数回の使用が限度である。このため、保護軸受により支持された回転体を再び磁気軸受で非接触支持して回転させる再起動時に、保護軸受が交換時期になっているかどうか、すなわち、保護軸受が交換の必要な状態になっているかどうかを知る必要がある。
そのために、従来は、保護軸受を交換した後のタッチダウン回数をカウントして記憶しておき、このカウント値が所定の回数に達したときに、保護軸受が交換時期になったと判断している（たとえば特許文献１参照）。
特開２００３−２７８７５４号公報
保護軸受の損傷の度合いは、タッチダウンしたときの回転数や負荷などによって異なり、同じ回数タッチダウンした後の損傷の度合いもタッチダウン時の状況によって異なる。
このため、上記の従来の磁気軸受装置では、保護軸受の交換時期を正確に判定することができない。
この発明の目的は、上記の問題を解決し、保護軸受の交換時期をより正確に判定できる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、電磁石の磁気吸引力により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する磁気軸受と、回転体のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を検出する変位検出手段と、タッチダウン用の保護軸受と、変位検出手段による変位検出値に基づいて磁気軸受の電磁石を制御する制御手段とを備えている磁気軸受装置において、制御手段が、回転体のタッチダウンの回数をカウントして記憶するカウント手段と、磁気軸受の起動時に保護軸受に対する回転体のアキシアル方向およびラジアル方向のクリアランスを検出する手段と、カウント手段に記憶されたタッチダウン回数のカウント値および上記クリアランスの検出値に基づいて保護軸受が交換時期に達したかどうかを判定する判定手段とを備えていることを特徴とするものである。
保護軸受は、回転体を機械的に支持し、回転体のアキシアル方向およびラジアル方向の可動範囲を規制する。クリアランスは、保護軸受により規制される回転体のアキシアル方向およびラジアル方向の可動距離である。アキシアル方向のクリアランスは、回転体をアキシアル方向の一方の側に磁気吸引して保護軸受の一方の側に圧接させた状態における回転体の一方の極限位置と、回転体をアキシアル方向の反対側に磁気吸引して保護軸受の反対側に圧接させた状態における回転体の反対側の極限位置とを検出し、両極限位置の差を求めることによって検出することができる。ラジアル方向のクリアランスも、同様にして検出することができる。
タッチダウンの回数のカウントは、停電などにより電磁石への電流の供給が遮断された場合や、何らかの原因で磁気軸受の制御が不能となった場合など、磁気軸受による非接触支持をなくして回転体がタッチダウンしたときに行なわれる。回転体が磁気軸受により非接触支持されている状態でも、回転体のアキシアル方向あるいはラジアル方向の変位が所定値より大きくなったときに、回転体が保護軸受に接触してタッチダウンが行なわれたと判断し、これをカウントすることもできる。
磁気軸受装置は、たとえば、アキシアル方向の制御軸（アキシアル制御軸）と、アキシアル方向の２箇所においてアキシアル制御軸と直交するとともに互いに直交するそれぞれ２つのラジアル方向の制御軸（ラジアル制御軸）とを有する５軸制御型磁気軸受装置である。
５軸制御型磁気軸受装置の場合、好ましくは、クリアランスの検出およびそれに基づく保護軸受交換時期の判定は、制御軸ごとに行なわれる。５軸制御型磁気軸受装置と異なる形式の磁気軸受装置の場合も、同様である。
この発明の磁気軸受装置によれば、タッチダウンの回数だけでなく、保護軸受に対する回転体のクリアランスによっても保護軸受が交換時期に達したかどうかを判定するので、保護軸受の交換時期をより正確に判定することができる。
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。
図１は磁気軸受装置の全体構成を概略的に示すブロック図、図２は磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す縦断面図、図３は同横断面図である。
磁気軸受装置は、ケーブルにより接続された機械本体(1)およびコントローラ（制御装置）(2)を備えている。コントローラ(2)は、制御手段を構成する。
磁気軸受装置は、鉛直円筒状のケーシング(3)の内側で鉛直軸状の回転体（ロータ）(4)が回転する縦型のものである。以下の説明において、回転体(4)の鉛直な軸方向（アキシアル方向）の制御軸（アキシアル制御軸）をＺ軸、Ｚ軸と直交するとともに互いに直交する２つの水平な径方向（ラジアル方向）の制御軸（ラジアル制御軸）をＸ軸およびＹ軸とする。
機械本体(1)には、回転体(4)を軸方向に非接触支持する１組の制御型アキシアル軸受(5)、回転体(4)を径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(6)(7)、回転体(4)の軸方向および径方向の変位を検出するための変位検出部(8)、回転体(4)を高速回転させるためのビルトイン型電動モータ(9)、回転体(4)の回転数を検出するための回転センサ(10)、ならびに回転体(4)の軸方向および径方向の可動範囲を規制して回転体(4)を磁気軸受(5)(6)(7)で支持していないときに回転体(4)を機械的に支持する上下２組のタッチダウン用の保護軸受(11)(12)が設けられている。
コントローラ(2)には、センサ回路(13)、電磁石駆動回路(14)、インバータ(15)およびＤＳＰボード(16)が設けられ、ＤＳＰボード(16)には、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段としてのＤＳＰ(17)、ＲＯＭ(18)、不揮発性記憶装置としてのＲＡＭ(19)、ＡＤ変換器(20)およびＤＡ変換器(21)が設けられている。
変位検出部(9)は、回転体(4)の軸方向の変位を検出するための１個のアキシアル変位センサ(23)、および回転体(4)の径方向の変位を検出するための上下２組のラジアル変位センサユニット(24)(25)を備えている。
アキシアル磁気軸受(5)は、回転体(4)の下部に一体に形成されたフランジ部(4a)をＺ軸方向の両側から挟むように配置された１対のアキシアル電磁石(26a)(26b)を備えている。アキシアル電磁石は、符号(26)で総称する。
アキシアル変位センサ(23)は、回転体(4)の下端面にＺ軸方向の下側から対向するように配置され、回転体(4)の下端面との距離（空隙）に比例する距離信号を出力する。
２組のラジアル磁気軸受(6)(7)は、アキシアル磁気軸受(5)の上側において上下方向に所定の距離をおいて配置されており、これらの間にモータ(9)が配置されている。上側のラジアル磁気軸受(6)は、回転体(4)をＸ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石(27a)(27b)、および回転体(4)をＹ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石(27c)(27d)を備えている。これらのラジアル電磁石は、符号(27)で総称する。同様に、下側のラジアル磁気軸受(7)も、２対のラジアル電磁石(28a)(28b)(28c)(28d)を備えている。これらの電磁石も、符号(28)で総称する。
上側のラジアル変位センサユニット(24)は、上側のラジアル磁気軸受(6)の近傍に配置されており、Ｘ軸方向の電磁石(27a)(27b)の近傍においてＸ軸方向の両側から回転体(4)を挟むように配置された１対のラジアル変位センサ(29a)(29b)、およびＹ軸方向の電磁石(27c)(27d)の近傍においてＹ軸方向の両側から回転体(4)を挟むように配置された１対のラジアル変位センサ(29c)(29d)を備えている。これらのラジアル変位センサは、符号(29)で総称する。同様に、下側のラジアル変位センサユニット(25)は、下側のラジアル磁気軸受(7)の近傍に配置されており、２対のラジアル変位センサ(30a)(30b)(30c)(30d)を備えている。これらのラジアル変位センサも、符号(30)で総称する。各ラジアル変位センサ(29)(30)は、回転体(4)の外周面との距離に比例する距離信号を出力する。
回転センサ(10)は、回転体(4)の回転数に対応する回転数信号を出力する。
電磁石(26)(27)(28)、変位センサ(23)(29)(30)は、ケーシング(3)に固定されている。
保護軸受(11)(12)はアンギュラ玉軸受などの転がり軸受よりなり、各保護軸受(11)(12)の外輪がケーシング(3)に固定され、内輪が回転体(4)の周囲に所定の隙間をあけて配置されている。２組の保護軸受(11)(12)はいずれも径方向の支持が可能なものであり、少なくとも１組は軸方向の支持も可能なものである。
コントローラ(2)のＲＯＭ(18)には、ＤＳＰ(17)における処理プログラムなどが格納されている。ＲＡＭ(19)には、磁気軸受の制御パラメータ、後述する定常電流値（バイアス電流値）、タッチダウン回数のカウント値などが記憶されている。
センサ回路(13)は、変位検出部(8)の各変位センサ(23)(29)(30)を駆動し、各変位センサ(23)(29)(30)の出力に基づいて、回転体の軸方向の変位、ならびに上下のラジアル変位センサユニット(24)(25)の部分におけるＸ軸方向およびＹ軸方向の変位を演算し、その演算結果である変位信号をＡＤ変換器(20)を介してＤＳＰ(17)に出力する。変位検出部(8)およびセンサ回路(13)により、変位検出手段が構成されている。
ＤＳＰ(17)は、ＡＤ変換器(20)から入力する変位信号に基づいて、各磁気軸受(5)(6)(7)の各電磁石(26)(27)(28)に対する制御電流値を求め、一定の定常電流値に制御電流値を加えた励磁電流信号をＤＡ変換器(20)を介して磁気軸受駆動回路(14)に出力する。そして、駆動回路(14)は、ＤＳＰ(17)からの励磁電流信号に基づく励磁電流を対応する磁気軸受(5)(6)(7)の電磁石(26)(27)(28)に供給し、これにより、回転体(4)が所定の目標位置に非接触される。ＤＳＰ(17)は、また、回転センサ(10)からの回転数信号に基づいて、モータ(9)に対する回転数指令信号をインバータ(15)に出力し、インバータ(15)は、この信号に基づいて、モータ(9)の回転数を制御する。そして、その結果、回転体(4)が、磁気軸受(5)(6)(7)により目標位置に非接触支持された状態で、モータ(9)により高速回転させられる。
磁気軸受装置の電源が投入されていない状態では、磁気軸受(5)(6)(7)およびモータ(9)は作動しておらず、回転体(4)は保護軸受(11)(12)に支持されて停止している。そして、電源が投入されて磁気軸受(5)(6)(7)が起動されるときに、キャリブレーションが行なわれ、保護軸受(11)(12)が交換時期に達したかどうかの検査が行なわれる。
次に、図４および図５のフローチャートを参照して、電源投入後の磁気軸受(5)(6)(7)の起動時の上記の動作について詳しく説明する。
図４は磁気軸受装置運転時のＤＳＰ(17)の動作を示すフローチャート、図５は磁気軸受(5)(6)(7)の起動時のＤＳＰ(17)の動作を示すフローチャートである。
図４に示すように、磁気軸受装置の運転中、タッチダウンが行なわれたかどうかが監視され（ステップ１１）、タッチダウンが行なわれると、タッチダウン回数のカウント値を１増加してこれを記憶し（ステップ１２）、ステップ１１に戻って、上記の動作を繰り返す。タッチダウンが行なわれなければ、ステップ１１の動作を繰り返す。これにより、タッチダウンが１回行なわれる度に、カウント値が１ずつ増加する。
図５に示すように、磁気軸受(5)(6)(7)の起動の指令がなされると、所定のキャリブレーションが行なわれ（ステップ２１）、各制御軸について、クリアランスの大きさが求められ、目標位置が設定される。
ステップ２１におけるキャリブレーションは、たとえば、次のように行なわれる。
まず、上下のＸ軸およびＹ軸について、回転体(4)を仮の目標位置（たとえば前回運転時の目標位置）に非接触支持する。そして、回転体(4)をＺ軸方向正側に磁気吸引して保護軸受(11)(12)のＺ軸方向正側に圧接させ、そのときの回転体のＹ軸方向の極限位置を検出する。次に、回転体(4)をＺ軸方向負側に磁気吸引して保護軸受(11)(12)のＺ軸方向負側に圧接させ、そのときの回転体のＹ軸方向の極限位置を検出する。そして、両極限位置の差を求めてＹ軸方向のクリアランスとし、両極限位置の中間値をＹ軸方向の目標位置とする。次に、回転体(4)を上記のようにして求めたＺ軸方向の目標位置に非接触支持する。そして、回転体(4)を上下のＸ軸の正側に磁気吸引して保護軸受(11)(12)のＸ軸方向正側に圧接させ、そのときの回転体(4)の上下のＸ軸方向の極限位置を検出する。次に、回転体(4)を上下のＸ軸方向の負側に磁気吸引して保護軸受(11)(12)のＸ軸負側に圧接させ、そのときの回転体(4)の上下のＸ軸方向の極限位置を検出する。そして、上側のＸ軸について、両極限位置の差を求めてクリアランスとし、両極限位置の中間値を目標位置とするとともに、下側のＸ軸について、同様に、クリアランスおよび目標位置を求める。最後に、回転体(4)を上記のようにして求めた上下のＸ軸方向の目標位置に非接触支持し、Ｘ軸の場合と同様に、上下のＹ軸について、クリアランスおよび目標位置を求め、回転体(4)をこのようにして求めた上下のＹ軸方向の目標位置に非接触支持する。これにより、回転体(4)は、５つの制御軸の目標位置に非接触支持される。
次に、保護軸受(11)(12)を交換した直後であるかどうかが判断され（ステップ２２）、交換直後であれば、ステップ１で求めた各制御軸のクリアランスの大きさがクリアランス初期値として記憶され（ステップ２３）、タッチダウン回数のカウント値が０に初期化される（ステップ２４）。
たとえば、保護軸受(11)(12)を新品に交換した場合に作業者がコントローラ(2)で所定の操作を行なうようにしておく。そうすれば、ステップ２２において、保護軸受(11)(12)を交換した直後であるかどうかを判断することができる。
ステップ２４の処理が行なわれた場合は、保護軸受(11)(12)の交換直後で、保護軸受(11)(12)の交換の必要がないので、運転を開始する（ステップ２５）。
ステップ２２において、保護軸受(11)(12)の交換直後でなかった場合は、カウント値が所定の設定値と比較され（ステップ２６）、カウント値が設定値に達していなければ、各制御軸について、クリアランスの初期値からの増減分が演算される（ステップ２７）。そして、クリアランス増減分が所定の設定値と比較され（ステップ２８）、いずれの制御軸についてもクリアランス増減分が設定値に達していなければ、保護軸受(11)(12)が交換時期に達していないと判定され、ステップ２５に進んで、運転を開始する。ステップ２６においてカウント値が設定値に達していた場合またはステップ２８においていずれかの制御軸についてクリアランス増減分が設定値以上の場合は、保護軸受(11)(12)が交換時期に達していると判定され、保護軸受の交換指令が出力される。
図５の例では、各制御軸について、クリアランスの初期値からの増減分を求めて、増減分を所定の増減分設定値と比較しているが、保護軸受(11)(12)の交換直後に各制御軸のクリアランスの初期値を求めたときに、各初期値に所定の値を加えたものを判定用のクリアランス設定値として記憶しておき、その後の磁気軸受(5)(6)(7)の起動時に、検出した各制御軸のクリアランスを対応するクリアランス設定値と比較するようにしてもよい。
磁気軸受装置の全体構成および各部の構成などは、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、磁気軸受装置の全体構成を概略的に示すブロック図である。 図２は、図１の磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す縦断面図である。 図３は、図２の横断面図である。 図４は、運転時のＤＳＰの動作の１例を示すフローチャートである。 図５は、再起動時のＤＳＰの動作の１例を示すフローチャートである。
符号の説明
(2) コントローラ
(4) 回転体
(5) アキシアル磁気軸受
(6)(7) ラジアル磁気軸受
(8) 変位検出部
(11)(12) 保護軸受
(13) センサ回路
(26a)(26b) アキシアル電磁石
(27a)(27b)(27c)(27d)(28a)(28b)(28c)(28d) ラジアル電磁石

Claims (1)

  1. 電磁石の磁気吸引力により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する磁気軸受と、回転体のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を検出する変位検出手段と、タッチダウン用の保護軸受と、変位検出手段による変位検出値に基づいて磁気軸受の電磁石を制御する制御手段とを備えている磁気軸受装置において、
    制御手段が、回転体のタッチダウンの回数をカウントして記憶するカウント手段と、磁気軸受の起動時に保護軸受に対する回転体のアキシアル方向およびラジアル方向のクリアランスを検出する手段と、カウント手段に記憶されたタッチダウン回数のカウント値および上記クリアランスの検出値に基づいて保護軸受が交換時期に達したかどうかを判定する判定手段とを備えていることを特徴とする磁気軸受装置。
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