JP2007263250A

JP2007263250A - 磁気軸受装置

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Publication number: JP2007263250A
Application number: JP2006090020A
Authority: JP
Inventors: Hirotoyo Miyagawa; 裕豊宮川; Manabu Taniguchi; 学谷口
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】回転体の剛体モードの共振点通過時の触れ回りを低減して、それによる不具合の発生を防止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、電動モータ9により回転させられる回転体4を電磁石の磁気吸引力によりラジアル方向に非接触支持する制御型ラジアル磁気軸受6,7と、回転体4のラジアル方向の変位を検出するラジアル変位検出装置と、ラジアル磁気軸受6,7の電磁石および電動モータ9を制御する制御装置2とを備えている。制御装置2は、回転体4の加減速中、回転体4の剛体モード共振点を含む所定の回転数領域において、電動モータ9の電流を減少させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転体を磁気軸受で非接触支持して電動モータにより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として、機械本体とコントローラ(制御装置）がケーブルで接続されており、機械本体に、回転体と、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制御型アキシアル磁気軸受およびラジアル磁気軸受と、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ための変位センサと、回転体を回転させる電動モータと、回転体の回転数を検出するための回転センサと、タッチダウン用の保護軸受とが設けられ、コントローラが、変位センサの出力に基づいて磁気軸受の電磁石を制御するとともに、回転センサの出力に基づいて電動モータを制御するものが知られている（たとえば特許文献１参照）。
特開２００３−０９７５５４号公報

上記のような磁気軸受装置では、運転開始時や運転停止時の加減速中、回転体の剛体モードの共振点通過時に回転体の振れ回りが大きくなる。そのため、場合によっては、回転体が保護軸受に接触して接触音を発生し、また、変位異常と判断して回転体を停止させてしまうことがある。

この発明の目的は、上記の問題を解決し、回転体の剛体モードの共振点通過時の触れ回りを低減して、それによる不具合の発生を防止できる磁気軸受装置を提供することにある。

第１の発明による磁気軸受装置は、電動モータにより回転させられる回転体を電磁石の磁気吸引力によりラジアル方向に非接触支持する制御型ラジアル磁気軸受と、回転体のラジアル方向の変位を検出するラジアル変位検出装置と、ラジアル磁気軸受の電磁石および電動モータを制御する制御装置とを備えている磁気軸受装置において、制御装置が、回転体の加減速中、回転体の剛体モード共振点を含む所定の回転数領域において、電動モータの電流を減少させるものであることを特徴とするものである。

回転体の振れ回りが大きくなる要因として、モータの偏心（ステータ内径とロータ外形の機械的な軸心ずれ）、モータの各相の巻線誤差による電気的不平衡などによる不平衡力が挙げられる。そして、モータの電流が大きくなるに従い、吸引力が増加するとともに、不平衡力が増加し、振れ回り量も増加する傾向にある。

第１の発明によれば、回転体の加減速中、回転体の剛体モード共振点を含む所定の回転数領域において、電動モータの電流を減少させることにより、回転体の剛体モード共振点通過時の振れ回りが低減する。

第２の発明による磁気軸受装置は、電動モータにより回転させられる回転体を電磁石の磁気吸引力によりラジアル方向に非接触支持する制御型ラジアル磁気軸受と、回転体のラジアル方向の変位を検出するラジアル変位検出装置と、ラジアル磁気軸受の電磁石および電動モータを制御する制御装置とを備えている磁気軸受装置において、制御装置が、回転体の加減速中、回転体のラジアル方向の変位が所定の閾値を越えたときに、電動モータの電流を減少させるものであることを特徴とするものである。

第２の発明によれば、回転体の加減速中、回転体のラジアル方向の変位が所定の閾値を越えたときに、電動モータの電流を減少させることにより、回転体の剛体モード共振点通過時の振れ回りが低減する。

第２の発明において、好ましくは、回転体のラジアル方向変位の閾値超過分に応じて電動モータの電流を減少させる。すなわち、超過分が大きいときは電流の減少量を大きくし、超過分が小さいときは電流の減少量を小さくする。

この発明の磁気軸受装置によれば、上記のように、回転体の剛体モード共振点通過時の振れ回りを低減させることができ、したがって、回転体が保護軸受に接触することを防止し、変位異常と判断して回転体を停止させてしまうことを回避することができる。

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。

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)(33)、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)(31)およびＤＡ変換器(21)(32)が設けられている。

変位検出部(8)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。

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)により変位検出装置が構成され、変位検出部(8)のラジアル変位センサユニット(24)(25)およびセンサ回路(13)のラジアル変位センサ(28)(29)に関する部分によりラジアル変位検出装置が構成されている。

センサ回路(33)は、回転センサ(10)を駆動し、回転センサ(10)の出力を回転体(4)の回転数に対応する回転数信号に変換し、これをＡＤ変換器(31)を介してＤＳＰ(17)に出力する。

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(21)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)に対する電流制御信号をＤＡ変換器(32)を介してインバータ(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)の電流を制御することにより、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。

上記の磁気軸受装置では、たとえば運転を停止するときの電動モータ加速時およびたとえば運転を停止するときの電動モータ減速時に、ＤＳＰ(17)が、回転体(4)の剛体モード共振点通過時の径方向の振れ回りを低減させるために、モータ(9)の電流を制御するようになっている。次に、図４〜図６を参照して、モータ(9)の電流制御の２つの例について説明する。

図６は、回転体(4)の回転数と剛体モード固有振動周波数との関係を示すグラフであり、Ａが剛体モード共振点である。

第１の例では、ＤＳＰ(17)は、回転体(4)の回転数が剛体モード共振点Ａを含む所定の回転数領域Ｂにおいて、モータ(9)の電流を減少させるようになっている。図４は、第１の例における回転体(4)の回転数とモータ(9)の電流との関係を示すグラフであり、モータ(9)の加減速時に、回転数が領域Ｂ外のときはモータ(9)に一定の電流Ｉ0が供給され、回転数が領域Ｂ内のときはモータ(9)にＩ0より小さい一定の電流Ｉ1が供給されるようになっている。

そして、このように、回転体(4)の加減速中に、回転体(4)の剛体モード共振点Ａを含む所定の回転数領域Ｂにおいて、モータ(9)の電流を減少させることにより、回転体(4)の剛体モード共振点Ａ通過時の振れ回りが低減する。

第２の例では、ＤＳＰ(17)は、回転体(4)の径方向の変位Ｄが所定の閾値Ｓを越えたときに、モータ(9)の電流を減少させるようになっている。図５は、第２の例のおける回転体(4)の回転数と回転体(4)の径方向の変位Ｄおよびモータ(9)の電流Ｉとの関係を示すグラフであり、モータ(9)の加減速時に、変位Ｄが閾値Ｓ以下であれば、モータ(9)に一定の電流Ｉ0が供給され、変位Ｄが閾値Ｓを越えると、その超過分に応じてモータ(9)の電流がＩ0から減少させられる。すなわち、超過分が大きいときは電流の減少量が大きく、超過分が小さいときは電流の減少量が小さい。

回転体(4)の加減速中に、回転数が剛体モード共振点Ａの近傍に達すると、回転体(4)の振れ回りすなわち径方向の変位Ｄが大きくなって、閾値Ｓを越えることがある。そして、変位Ｄが閾値Ｓを越えてもモータ(9)に一定の電流Ｉ0を供給したとすると、振れ回りが異常に大きくなることがあるが、上記のように、変位Ｄが閾値Ｓを越えたときに、モータ(9)の電流を減少させることにより、図5に示すように、回転体(4)の剛体モード共振点Ａ通過時の振れ回りが低減する。

磁気軸受装置の全体構成あるいは各部の構成、制御の方法などは、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、この発明の実施形態における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、電動モータの制御の第１の例における回転体の回転数と電動モータの電流との関係を示すグラフである。図５は、電動モータの制御の第２の例における回転体の回転数と回転体のラジアル方向の変位および電動モータの電流との関係を示すグラフである。図６は、回転体の回転数と剛体モード固有周波数との関係を示すグラフである。

符号の説明

(4) 回転体
(6)(7) ラジアル磁気軸受
(9) 電動モータ
(13) センサ回路
(24)(25) ラジアル変位センサユニット
(27a)(27b)(27c)(27d)(28a)(28b)(28c)(28d) ラジアル電磁石
(29a)(29b)(29c)(29d)(30a)(30b)(30c)(30d) ラジアル変位センサ

Claims

電動モータにより回転させられる回転体を電磁石の磁気吸引力によりラジアル方向に非接触支持する制御型ラジアル磁気軸受と、回転体のラジアル方向の変位を検出するラジアル変位検出装置と、ラジアル磁気軸受の電磁石および電動モータを制御する制御装置とを備えている磁気軸受装置において、
制御装置が、回転体の加減速中、回転体の剛体モード共振点を含む所定の回転数領域において、電動モータの電流を減少させるものであることを特徴とする磁気軸受装置。
電動モータにより回転させられる回転体を電磁石の磁気吸引力によりラジアル方向に非接触支持する制御型ラジアル磁気軸受と、回転体のラジアル方向の変位を検出するラジアル変位検出装置と、ラジアル磁気軸受の電磁石および電動モータを制御する制御装置とを備えている磁気軸受装置において、
制御装置が、回転体の加減速中、回転体のラジアル方向の変位が所定の閾値を越えたときに、電動モータの電流を減少させるものであることを特徴とする磁気軸受装置。