JP2009063005A - 磁気軸受装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】回転体の磁気軸受装置において、その各電磁石の容量を自由に設計でき、負荷容量を過不足なく設定できる磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】回転体の磁気軸受において、回転体の並進運動を制御する並進運動制御回路２３と、該回転体の傾斜運動を制御する傾斜運動制御回路２４を具備する磁気軸受制御装置において、ラジアル電位センサ部の信号を入力として、ラジアル電磁石のｘ、ｙ方向の力に作用する不平衡消去回路３６を並列接続した。
【選択図】図２
【解決手段】回転体の磁気軸受において、回転体の並進運動を制御する並進運動制御回路２３と、該回転体の傾斜運動を制御する傾斜運動制御回路２４を具備する磁気軸受制御装置において、ラジアル電位センサ部の信号を入力として、ラジアル電磁石のｘ、ｙ方向の力に作用する不平衡消去回路３６を並列接続した。
【選択図】図２
Description
本発明はターボ分子ポンプやねじ溝真空ポンプ等の高速回転機械の分野その他に利用される磁気軸受装置に関する。
従来の磁気軸受装置は図５の如く回転体ａをその上端部で軸方向に支持制御する軸方向磁気軸受ｂと、前記回転体ａをその上半部及び下半部において半径方向に支持制御する第１半径方向磁気軸受ｃと、第２半径方向磁気軸受ｄとを具備する５自由度制御形磁気軸受に形成されている。
そしてこの５自由度制御形磁気軸受は回転体の回転軸に平行な並進運動と回転体の重心のまわりの回転運動とを分離したフィードバック制御する制御系に構成されている。
尚、図５においてｅは前記回転体ａを回転させるモータを示す（特許文献１参照）。
そして磁気軸受装置における従来の回転体の回転軸のラジアル方向制御器の信号系のブロック線図を図６に示す。
図６において、
ｘ１ ：上側ラジアル変位センサ部のｘ方向変位
ｙ１ ：上側ラジアル変位センサ部のｙ方向変位
ｘ２ ：下側ラジアル変位センサ部のｘ方向変位
ｙ２ ：下側ラジアル変位センサ部のｙ方向変位
ｘ：回転体重心のｘ方向変位
ｙ：回転体重心のｙ方向変位
θｙ ：ｙ軸まわりの回転体の傾斜角
θｘ ：ｘ軸まわりの回転体の傾斜角
ｆｘ ：回転体に作用するｘ方向の力
ｆｙ ：回転体に作用するｙ方向の力
τｙ ：回転体に作用するｙ軸まわりのトルク
τｘ ：回転体に作用するｘ軸まわりのトルク
ｆｘ１：上側ラジアル電磁石のｘ方向の力
ｆｙ１：上側ラジアル電磁石のｙ方向の力
ｆｘ２：下側ラジアル電磁石のｘ方向の力
ｆｙ２：下側ラジアル電磁石のｙ方向の力
を表わす。
尚、ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向は図５に示す方向である。
ｘ１ ：上側ラジアル変位センサ部のｘ方向変位
ｙ１ ：上側ラジアル変位センサ部のｙ方向変位
ｘ２ ：下側ラジアル変位センサ部のｘ方向変位
ｙ２ ：下側ラジアル変位センサ部のｙ方向変位
ｘ：回転体重心のｘ方向変位
ｙ：回転体重心のｙ方向変位
θｙ ：ｙ軸まわりの回転体の傾斜角
θｘ ：ｘ軸まわりの回転体の傾斜角
ｆｘ ：回転体に作用するｘ方向の力
ｆｙ ：回転体に作用するｙ方向の力
τｙ ：回転体に作用するｙ軸まわりのトルク
τｘ ：回転体に作用するｘ軸まわりのトルク
ｆｘ１：上側ラジアル電磁石のｘ方向の力
ｆｙ１：上側ラジアル電磁石のｙ方向の力
ｆｘ２：下側ラジアル電磁石のｘ方向の力
ｆｙ２：下側ラジアル電磁石のｙ方向の力
を表わす。
尚、ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向は図５に示す方向である。
即ち、従来のラジアル方向制御装置は次のように構成されている。
第１信号変換器１と第２信号変換器２と、第１並進運動制御器３と第２並進運動制御器４と第１傾斜運動制御器５と第２傾斜運動制御器６と、第１交差信号変換器７と第２交差信号変換器８とからなり、前記第１信号変換器１は前記ｘ１、ｙ１、ｘ２、ｙ２の信号を入力し、Τｓの信号変換して前記ｘ、ｙ、θｙ、θｘの信号を出力するようにしている。
ここで
ただし
である。
前記第２信号変換器２は前記ｆｘ、ｆｙ、τｙ、τｘの信号を入力しＬＢ −１の信号変換して前記ｆｘ１、ｆｙ１、ｆｘ２、ｆｙ２の信号を出力するようにしている。
ここで
ただし
である。
そして前記第１信号変換器１の出力信号ｘの第１信号線９と前記第２信号変換器２の入力信号ｆｘの第２信号線１０との間に第１並進制御器３が介在されていると共に、前記第１信号変換器１の出力信号ｙの第３信号線１１と前記第２信号変換器２の入力信号ｆｙの第４信号線１２との間に第２並進制御器４が介在され、これら第１、第２制御器３、４のいずれもＰＩＤ制御をするようにしている。そしてこれら第１、第２制御器３、４により並進運動制御回路２３を構成する。
又、前記第１信号変換器１の出力信号θｙの第５信号線１３と前記第２信号変換器２の入力信号τｙの第６信号線１４との間に第１傾斜運動制御器５が介在すると共に、前記第１信号変換器１の出力信号θｘの第７信号線１５と前記第２信号変換器２の入力信号τｘの第８信号線１６との間に第２傾斜運動制御器６が介在する。
そして前記第５信号線１３に第１信号引き出し点１７を、又第７信号線１５に第２信号引き出し点１８をそれぞれ介在すると共に、前記第６信号線１４に第１信号加え合わせ点１９を又第８信号線１６に第２信号加え合わせ点２０をそれぞれ介在し、前記第１信号引き出し点１７から前記第２信号加え合わせ点２０との間を接続する第１信号分岐線２１に第１交差信号変換器７を介在すると共に、前記第２信号引き出し点１８から前記第２信号加え合わせ点１９との間を接続する第２信号分岐線２２に第２交差信号変換器８を介在した。
そして前記第１信号加え合わせ点１９において、前記第２信号分岐線２２の前記第２交差信号変換器８からの出力信号が前記第１傾斜運動制御器５からの出力信号にプラスで付加されると共に前記第２信号加え合わせ点２０において、前記第１信号分岐線２１の第１交差信号変換器７からの出力信号が前記第２傾斜運動制御器６からの出力信号にマイナスで付加されている。
そして前記第１傾斜運動制御器５と第２傾斜運動制御器６と前記第１交差信号変換器７と前記第２交差信号変換器８とにより傾斜運動制御器回路２４を構成する。
ここで前記第１、第２傾斜運動制御器５、６はＰＩＤＡの制御すると共に、第１、第２交差信号変換器７、８は交差フィードバックの係数Ｋｃにより変換される。
尚、前記ＰＩＤＡは図７に示す如く下記の（３）式の伝達関数であり、
又、前記Ｋｃは図７に示す如く下記の（４）式の伝達関数である。
ただし
Ｉｄ：重心を通る直径まわりの慣性モーメント
Ｉｐ：回転軸まわりの慣性モーメント
Ω ：回転軸の回転角速度
ｐ１２：リカッチ微分方程式の解
Ｉｄ：重心を通る直径まわりの慣性モーメント
Ｉｐ：回転軸まわりの慣性モーメント
Ω ：回転軸の回転角速度
ｐ１２：リカッチ微分方程式の解
この従来の磁気軸受装置によれば、回転体の並進運動と傾斜運動の干渉を避けるために電磁石の配置と、相対する磁石の吸引作用によって回転体の回転軸を浮上させるように作動する吸引形磁気軸受において電磁石と回転軸が近接する程吸引力が増す負の剛性である不平衡剛性との間に非干渉条件即ち回転体の並進運動と傾斜運動が連成しないために必要な支持位置と支持剛性に対する条件を満たす必要があり、この非干渉条件を満たすためには、磁気軸受の機械的構造から電磁石の配置が概ね決定されるので、不平衡剛性の大きさで調整する必要がある。
ところが不平衡剛性は電磁石の負荷容量と比例関数にあるため非干渉条件を満たそうとすると、一方の電磁石の容量が過大になるか或いは他方の電磁石の容量が過小になる不都合があった。
本発明は前記非干渉条件を考慮する必要がなく前記各電磁石の容量を自由に設計でき、負荷容量を過不足なく設定できる磁気軸受装置を提供することを目的とする。
この目的を達成すべく本発明は回転体の磁気軸受において、回転体の並進運動を制御する並進運動制御回路と、該回転体の傾斜運動を制御する傾斜運動制御回路を具備する磁気軸受制御装置において、不平衡消去回路を並列接続した。
本発明によれば非干渉条件を考慮する必要がなく磁気軸受の各電磁石の容量を自由に設計できると共に、負荷容量を過不足なく設定でき、磁気軸受装置の設計が極めて容易にできる効果を有する。
本発明を実施するための最良の形態の実施例を次に示す。
図１は本発明の分子ポンプの磁気軸受装置の主要部を示す概略図である。
３０は分子ポンプの回転体の回転軸を示し、該回転軸３０はその上方部において上側ラジアル磁気軸受３１により、又下方部においては下側ラジアル磁気軸受３２によりそれぞれ支持されていると共に下端部においてアキシャル磁気軸受３３により支持されている。
そして前記ラジアル方向制御器２３は前記上側ラジアル磁気軸受３１の位置センサ３１ａの検出信号と前記下側ラジアル磁気軸受３２の位置センサ３２ａの検出信号をそれぞれ入力して前記上側ラジアル磁気軸受３１の電磁石３１ｂと前記下側ラジアル磁気軸受３２の電磁石３２ｂを制御するようにしている。
又、アキシャル磁気軸受３３においてもアキシャル方向制御器３４が位置センサ３３ａの検出信号を入力して電磁石３３ｂを制御するようにしている。
尚、３５は前記回転軸３０を回転駆動するモータを示す。
図２は磁気軸受装置における本発明の回転体の回転軸のラジアル方向の制御器の信号系のブロック線図を示し、本発明は図６で示す前述の従来のラジアル制御器に不平衡消去回路３６を並列接続したことを特徴とする。
即ち、前記第１信号変換器１への前記ｘ１の第１入力線３７に第３引き出し点３８を、又前記ｙ１の第２入力線３９に第４引き出し点４０を、又前記ｘ２の第３入力線４１に第５引き出し点４２を、又前記ｙ２の第４入力線４３に第６引き出し点４４をそれぞれ介在すると共に、前記第２信号変換器２からの前記ｆｘ１の第１出力線４５に第３加え合わせ点４６を、又前記ｆｙ１の第２出力線４７に第４加え合わせ点４８を、又前記ｆｘ２の第４出力線５１に第６加え合わせ点５２をそれぞれ介在した。
そして前記不平衡消去回路３６は、前記第３引き出し点３８より分岐した第１分岐入力線５３より前記ｘ１の入力信号を、又前記第４引き出し点４０より分岐した第２分岐入力線５４より前記ｙ１の入力信号を、又前記第５引き出し点４２より分岐した第３分岐入力線５５より前記ｘ２の入力信号を、又前記第６引き出し点４４より分岐した第４分岐入力線４４より分岐した第４分岐入力線５６より前記ｙ２の入力信号を入力するように接続されている。
又、前記不平衡消去回路３６からの第１分岐出力線５７が前記第３加え合わせ点４６において前記第１出力線４５に、又前記不平衡消去回路３６からの第２分岐出力線５８が前記第４加え合わせ点４８において前記第２出力線４７に、又前記不平衡消去回路３６からの第３分岐出力線５９が前記第５加え合わせ点５０において前記第３出力線４９に、又前記不平衡消去回路３６からの第４分岐出力線６０が前記第６加え合わせ点５２において前記第４出力線５１にそれぞれ接続し、各加え合わせ点４６、４８、５０又は５２において、前記第２信号変換回路２からの各出力線４５、４７、４９又は５１のマイナスの出力信号と、前記不平衡消去回路３６からの分岐出力線５７、５８、５９又は６０のマイナスの出力信号とがそれぞれ付加されている。
そして前記不平衡消去回路３６の伝達関数は
ＫＭＬＢ ΤΤＳである。
ここで
であり、 ８極ヘテロポーラ型の場合、
であり、
μ０：真空の透磁率
Ｓｉ：磁極の断面積
Ｎｉ：コイルの巻き数
Ｉｉ：バイアス電流
δｉ：空隙長
を表わす。
ＫＭＬＢ ΤΤＳである。
ここで
μ０：真空の透磁率
Ｓｉ：磁極の断面積
Ｎｉ：コイルの巻き数
Ｉｉ：バイアス電流
δｉ：空隙長
を表わす。
又、前記ＬＢ Τは前記（２）式のＬＢの転置マトリックスであり、ΤＳは前記（１）式のΤＳ −１の逆マトリックスに相当する。
そして、実施例１において、前記第１、第２傾斜運動制御器５、６はＰＩＤＡ´制御をするが該ＰＩＤＡ´は図３に示す如く下記の（７）式の伝達関数であり、
ただし
ＫＰ：比例制御係数
ＫＤ：微分制御係数
ＫＰ：比例制御係数
ＫＤ：微分制御係数
又、前記第１、第２交差信号変換器７、８の交差フィードバックのＫＣ´は図３に示す如く下記の（８）式の伝達関数である。
ここで
ＰＩＤＡ´とＫＣ´は（３）式のＰＩＤＡや（４）式のＫＣと異なり、ｐ１２のリカッチ微分方程式の解を含んでいない。
ＰＩＤＡ´とＫＣ´は（３）式のＰＩＤＡや（４）式のＫＣと異なり、ｐ１２のリカッチ微分方程式の解を含んでいない。
尚、前記リカッチ微分方程式の解ｐ１２はＩｄ、Ｉｐ、Ωや不平衡剛性最適化の重みの複雑な関数であるため、回転軸の回転速度に合わせて制御係数を複雑な式でスケジュールする必要があった。
ところが、本発明においては、（７）式及び（８）式より明らかなようにＰＩＤＡ´及びＫＣ´は前記解ｐ１２を含んでいない。
そこで、係数ＫＰ、ＫＤは任意に設定できるので、これらを回転速度によらず一定とすることにより複雑なスケジュールが不要となる。又、このときＫＣ´はΩに単純に比例するのでスケジュールは容易である。
又、減衰率ζは
であると十分な安定性が得られる。
即ち、ζが余り小さいと充分な安定性が得られず、０．４以上が好適である。
又、ζが大きいと（９）式よりＫＰつまり微分制御が大きいことになり、微分制御は高周波のゲインを高める効果があるため回転軸の曲げ振動等の高周波の振動を助長し、場合によっては不安定化する問題点があるので、１／√２以下であることが好適である。
又、図４に示す如く前記交差フィールドバックを形成する第１信号引き出し点１７から第１交差信号変換器７への第１信号分岐線２１と第２信号引き出し点１８から第２交差信号変換器８への第２分岐線２２とに低域通過フィルターＬＰＦをそれぞれ直列に付加してそのカットオフ角速度をωｃとすると
の条件を満足すると安定化する。
ここで
である。
本発明はターボ分子ポンプやねじ溝真空ポンプ等の高速回転機械その他で使用されている磁気軸受システムに利用される。
７ 第１交差信号変換器
８ 第２交差信号変換器
２１ 第１信号分岐線
２２ 第２信号分岐線
２３ 並進運動制御回路
２４ 傾斜運動制御回路
３６ 不平衡消去回路
８ 第２交差信号変換器
２１ 第１信号分岐線
２２ 第２信号分岐線
２３ 並進運動制御回路
２４ 傾斜運動制御回路
３６ 不平衡消去回路
Claims (3)
- 回転体の磁気軸受において、回転体の並進運動を制御する並進運動制御回路と、該回転体の傾斜運動を制御する傾斜運動制御回路を具備し、不平衡消去回路を並列接続したことを特徴とする回転体の磁気軸受装置。
- 前記傾斜運動制御回路は交差信号変換器を介在した１対の信号分岐線が互に交差する交差フィードバック信号系を具備し、前記交差信号変換器の伝達関数Ｋｃ´がＩｐΩＫｄ／２Ｉｄであることを特徴とする請求項１に記載の回転体の磁気軸受装置。
但し、Ｉｄ：重心を通る直径まわりの慣性モーメント
Ｉｐ：回転軸まわりの慣性モーメント
Ω ：回転軸の回転角速度
Ｋｄ：微分制御係数 - 前記交差フィードバック信号系に所定のカットオフ角速度の低域通過フィルターを直列に付加したことを特徴とする回転体の磁気軸受装置。
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