JP2007333088A

JP2007333088A - 磁気軸受装置

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Publication number: JP2007333088A
Application number: JP2006165889A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Ishii; 康彦石井; Hirotoyo Miyagawa; 裕豊宮川
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2006-06-15
Filing date: 2006-06-15
Publication date: 2007-12-27

Abstract

【課題】磁気軸受使用装置を分解せずに回転体の異常を判定することにより、磁気軸受使用装置の稼働中であっても日常的に点検を実施することを可能とし、安全性および信頼性を向上させるとともに、メンテナンス費用を削減することができる磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】変位センサ8の出力に基づいて磁気軸受5,6,7の電磁石を制御するＤＳＰ17は、磁気軸受5,6,7に支持された状態の回転体4の周波数特性を求める周波数解析手段38と、回転体4の正常時の周波数特性Ｆ_０を蓄える基準周波数特性記憶手段としてのフラッシュメモリ19と、点検のため周波数解析手段38によって周波数特性Ｆを求めこれとフラッシュメモリ19に蓄えられた周波数特性Ｆ_０とを比較してその差が所定値より大きい場合に異常と判定する異常判定手段39とを有している。
【選択図】図４

Description

この発明は、磁気軸受装置、さらに詳しくは、複数組の磁気軸受で回転体をアキシアル制御軸方向およびラジアル制御軸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。

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制御型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。

この磁気軸受装置を使用する装置（工作機械、ターボ分子ポンプ、フライホイール電力貯蔵装置など）は、回転体がハウジング内に収められた構成とされることが一般的であり、そのため、回転体の損傷状態を目視により判断することが不可能なものとなっている。また、損傷を点検するためには、磁気軸受使用装置を停止させる必要があり、日常的な点検が困難であることから、異常の発見が遅れる可能性がある。特許文献１には、回転体の挙動が異常であると判断する基準をいくつか設定しておき、異常と判断された場合に、この情報をホストコンピュータに送信することで、同様の障害が発生する可能性の高い同一のロットで製造された装置を特定することが提案されている。
特開２００６−６４１１６号公報

上記特許文献１に記載されている磁気軸受装置によると、障害の発生を予見することが可能となるが、回転体の亀裂や変形などの異常を直接検出するものではないことから、これらの異常を直接検出することが課題となっており、また、回転体への堆積物の付着具合、シャフトとこれに嵌め合わされているロータなどとの緩み具合を発見することも望まれている。

この発明の目的は、磁気軸受使用装置を分解せずに回転体の異常を判定することにより、磁気軸受使用装置の稼働中であっても日常的に点検を実施することを可能とし、安全性および信頼性を向上させるとともに、メンテナンス費用を削減することが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、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、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、制御手段は、磁気軸受に支持された状態の回転体の周波数特性を求める周波数解析手段と、回転体の正常時の周波数特性を蓄える基準周波数特性記憶手段と、点検のため周波数解析手段によって周波数特性を求めこれと基準周波数記憶手段に蓄えられた周波数特性とを比較してその差が所定値より大きい場合に異常と判定する異常判定手段とを有していることを特徴とするものである。

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。

各磁気軸受は、回転体を制御軸方向の両側から挟んで対向する１対の電磁石を１組あるいは２組備えている。通常、アキシアル制御軸方向の変位センサには、回転体の位置検出端面にアキシアル制御軸方向の一方から対向する１個のアキシアル変位センサが含まれ、ラジアル制御軸方向の変位センサには、回転体を互いに直交する２つの制御軸方向の両側から挟んで対向する複数対のラジアル変位センサが含まれている。

制御手段は、各制御軸の１対の電磁石に対して、励磁電流信号に比例する励磁電流を供給する。各電磁石に対する励磁電流信号は、定常電流信号と制御電流信号を合わせたものであり、各電磁石に供給する励磁電流は、定常電流と制御電流を合わせたものである。定常電流（および定常電流信号）は、回転体の該制御軸方向の位置にかかわらず、一定の値である。制御電流（および制御電流信号）は、回転体の該制御軸方向の位置によって変化する。各制御軸の１対の電磁石について、制御電流（および制御電流信号）の絶対値は互いに等しく、その符号は互いに逆である。

周波数解析手段は、回転体を異なる周波数で加振し、その周波数応答を測定するもので、周波数応答は、加振信号が変位センサ、制御手段、磁気軸受および回転体を含む閉ループを一巡した後に測定される。加振信号は、回転体の制御のために各電磁石に供給される励磁電流に周波数スイープの正弦波信号を加算することで作成される。加振信号は、制御手段（例えば、ＤＳＰ）の入力側で与えてもよく、制御手段の出力側で与えてもよい。周波数応答の測定に際しては、磁気軸受のセンサ機能および電磁石機能が利用され、磁気軸受により周波数を変化させながら回転体を加振し、その応答（回転体の振れ量）がセンサで測定され、周波数特性として、周波数の変化に応じた感度関数（応答ゲイン）、コンプライアンスなどのうちの少なくとも１つ（コンプライアンスだけからでも異常判定は可能であり、また、感度関数だけからでも異常判定は可能であり、両者を併用してももちろんよい）が求められる。加振方向は、ラジアル方向（周波数応答関数として、感度関数およびコンプライアンスの使用が可能）でもよく、アキシアル方向（周波数応答関数として、感度関数の使用が可能）でもよい。

伝達関数がＫ（ｓ）のコントローラおよび伝達関数がＧ（ｓ）の制御対象からなるフィードバック制御系において、その閉ループ伝達関数は、Ｇ（ｓ）Ｋ（ｓ）／（１＋Ｇ（ｓ）Ｋ（ｓ））で表され、感度関数Ｓ（ｓ）は、Ｓ（ｓ）＝１／（１＋Ｇ（ｓ）Ｋ（ｓ））で表される。コントローラの入力側またはコントローラの出力側＝制御対象の入力側において、加振信号を入力し、これが一巡した後の周波数応答を測定することにより、感度関数（小さい方が望ましい）が求められる。また、コントローラの出力側＝制御対象の入力側において、加振信号（制御力Ｕ（ｔ））を入力し、コントローラの入力側において周波数応答（偏差Ｅ（ｔ））を測定することにより、コンプライアンスがＥ（ｔ）／Ｕ（ｔ）として求められる。

周波数特性として、横軸に加振周波数を、縦軸に応答ゲインを取った感度関数が使用されていることがあり、また、周波数特性として、横軸に加振周波数を、縦軸に加振力に対する変位の比を取ったコンプライアンスが使用されていることがある。感度関数は、その応答ゲインが高くなると、制御が不安定になることから、例えば、その応答ゲインのピーク値（固有値の一例）を求め、ピーク値が所定値より大きい場合に異常と判定すればよい。コンプライアンスは、剛性の逆数であり、その値が高いと（軸受剛性が低すぎると）、制御が不安定になることから、例えば、そのピーク値（固有値の一例）を求め、ピーク値が所定値より大きい場合に異常と判定すればよい。このピーク値については、標準値より小さい（応答は安定）場合でも、標準値から大きく違っていれば、異常の可能性があるので、ピーク値が所定範囲内にある場合に正常、この範囲から外れた場合に異常と判定してもよく、また、判定基準としては、ピーク値の他に、ピーク値に対応する周波数（固有値の他の例）が基準値から外れていないかを判定してもよく、また、グラフ全体として、その相似度を求めて異常かどうかの判定を行ってもよい。

通常の磁気軸受装置では、回転体が対センサ中心位置に保持されるように、すなわち回転体の中心が対センサ中心位置に一致するように、磁気軸受の電磁石が制御される。このため、回転体は、略磁気的中心位置に保持される。あるいは、回転体は、磁気的中心位置に保持される。このように回転体が磁気的中心位置あるいは略磁気的中心位置に保持される場合、１対の電磁石と回転体との空隙（ギャップ）の大きさは互いに等しいかあるいはほぼ等しい。

なお、アキシアル制御軸をＺ軸、２つのラジアル制御軸をそれぞれＸ軸およびＹ軸とすると、縦置き型の磁気軸受装置では、Ｚ軸が鉛直方向になり、横置き型の磁気軸受装置では、通常、Ｘ軸およびＹ軸のいずれか一方が鉛直方向になる。

この発明の磁気軸受装置によると、回転体の周波数解析は、磁気軸受使用装置を分解することなくかつ短時間で行うことができるので、磁気軸受使用装置の稼働中であっても日常的に点検を実施することが可能であり、安全性および信頼性を向上させることができ、メンテナンス費用も削減することができる。

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フラッシュメモリ(19)、ＡＤ変換器(20)およびＤＡ変換器(21)が設けられている。コントローラ(2)のフラッシュメモリ(19)は、シリアル通信ボード(34)およびケーブル(35)を介して離れた場所に設置されたパソコン(22)に接続されている。オペレータは、パソコン(22)の入力装置を使用することにより、磁気軸受装置運転のための種々のデータの入力や異常発生時の処理のためなどの種々のデータの設定を行うことができる。

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。

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)および変位センサ(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。運転停止あるいは停電などによって磁気軸受(5)(6)(7)が作動していない状態では、回転体(4)は保護軸受(11)(12)に支持される。

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。フラッシュメモリ(19)には、磁気軸受の制御パラメータ、定常電流値（バイアス電流値）、各制御軸の磁気浮上目標位置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。

センサ回路(30)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(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。

図４は、ＤＳＰの動作を機能ブロックで表したものである。ＤＳＰ(17)は、機能的には、制御電流演算手段(36)、励磁電流演算手段(37)、周波数解析手段(38)、比較判定手段(39)および加振信号出力手段(40)を備えている。

制御電流演算手段(36)は、ＡＤ変換器(20)からの変位信号ΔＺに基づいて、たとえばＰＩＤ演算により、電磁石(26)(27)(28)に対する制御電流値Ｉcを演算する。励磁電流演算手段(37)は、フラッシュメモリ(19)のテーブルに記憶されているバイアス電流値Ｉoに制御電流値Ｉcを加算し、その結果得られた値Ｉ＝（Ｉo＋Ｉc）を第１の励磁電流値としてＤＡ変換器(21)に出力するとともに、上記バイアス電流値Ｉoから上記制御電流値Ｉcを減算し、その結果得られた値Ｉ＝（Ｉo−Ｉc）を第２の励磁電流値としてＤＡ変換器(21)に出力する。

周波数解析手段(38)は、加振信号出力手段(40)から入力された加振信号Ｖに基づき、この信号が閉ループを一巡したときの周波数応答を測定する。周波数応答の測定は、例えば初回運転時に行われて、この周波数特性Ｆ_０が基準値としてフラッシュメモリ(19)に蓄えられる。そして、点検が必要となる都度、同じ条件で周波数応答が測定され、基準値Ｆ_０と点検用データＦとが比較判定手段(39)において比較される。加振信号出力手段(40)は、回転体(4)の制御のために各電磁石(26)(27)(28)に供給される励磁電流Ｉに周波数スイープの正弦波信号を加算することにより、加振信号Ｖを作成する。基準値としてフラッシュメモリ(19)に蓄えられる周波数特性Ｆ_０は、必要に応じて、新しいものに書き換えられる。

初回運転時の感度関数は、例えば、図６の（ａ）に示したものとなる、感度関数のゲインが高くなると制御が不安定になる。そこで、例えば、図６の（ｂ）に示すように、点検時の感度関数が大きくなった場合、比較判定手段(39)は、ピーク値が所定値（例えば、周波数５Ｈｚ近傍のピーク値の基準値が１０ｄＢ）を越えれば、異常、所定値以下であれば正常と判定することで、機械本体（磁気軸受使用装置）(1)の現在の異常状況を判定することができる。ピーク値に代えて、ピーク値に対応する周波数が所定範囲内にあるかどうかによっても正常か異常かを判定することができる。

また、図６に示した感度関数に代えて、図７に示すコンプライアンスを求め、回転体(4)の曲げ固有振動やその他の振動のピーク値や周波数が基準値に比べて所定の範囲内にあるかを判定するようにしてもよい。図７において、コンプライアンスは、加振力に対する変位の比を周波数ごとに求めたものであり、感度関数と同様に、その値が高くなると、制御が不安定になることから、図４に示した構成を使用することで、正常か異常かの判定を行うことができる。

なお、周波数を変化させる範囲に関しては、例えば、０−２ｋＨｚとされるが、これに限定されるものではなく、必要に応じて、種々の範囲とすることができる。

次に、図５のフローチャートを参照して、点検時の動作について詳しく説明する。

図５において、予め、初回運転時に磁気軸受に支持された状態の回転体の周波数解析が実行され（ステップ101）、初回運転時の周波数解析結果から得られた回転体の周波数特性（例えば、感度関数のゲインの最大値）が基準値として設定され、これがフラッシュメモリ(19)に記憶される（ステップ102）。点検が必要となった場合、初回運転時と同じ条件で回転体の周波数解析が実行される（ステップ103）。次いで、点検時の周波数解析結果から得られた回転体の周波数特性と基準値との差Ｄが演算される（ステップ104）。回転体が正常（初回運転時と同じ状態）であれば、Ｄは０であり、回転体に亀裂や変形がある場合、回転体に堆積物が付着している場合、電動モータのロータがシャフトに対して緩んでいる場合には、Ｄが大きくなる。そこで、点検時周波数特性と基準値との差Ｄに応じて正常または異常が判定され（ステップ105）、正常と判定された場合に運転継続ＯＫ信号が出力され（ステップ106）、異常と判定された場合に異常告知信号が出力される（ステップ107）。

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、図３のＤＳＰの機能を示すブロック図である。図５は、磁気軸受の動作の１例を示すフローチャートである。図６は、周波数解析で得られる感度関数を示すグラフである。図７は、周波数解析で得られるコンプライアンスを示すグラフである。

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
(9) 回転センサ
(10) 電動モータ
(23) アキシアル変位センサ
(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
(29a)(29b)(29c)(29d)(30a)(30b)(30c)(30d) ラジアル変位センサ

Claims

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、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、
制御手段は、磁気軸受に支持された状態の回転体の周波数特性を求める周波数解析手段と、回転体の正常時の周波数特性を蓄える基準周波数特性記憶手段と、点検のため周波数解析手段によって周波数特性を求めこれと基準周波数記憶手段に蓄えられた周波数特性とを比較してその差が所定値より大きい場合に異常と判定する異常判定手段とを有していることを特徴とする磁気軸受装置。
周波数特性として、横軸に加振周波数を、縦軸に応答ゲインを取った感度関数が使用されていることを特徴とする請求項１の磁気軸受装置。
応答ゲインのピーク値が求められて、ピーク値が所定値より大きい場合に異常と判定されていることを特徴とする請求項２の磁気軸受装置。
周波数特性として、横軸に加振周波数を、縦軸に加振力に対する変位の比を取ったコンプライアンスが使用されていることを特徴とする請求項１の磁気軸受装置。