JP2009068718A - Magnetic bearing device - Google Patents

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JP2009068718A JP2008333220A JP2008333220A JP2009068718A JP 2009068718 A JP2009068718 A JP 2009068718A JP 2008333220 A JP2008333220 A JP 2008333220A JP 2008333220 A JP2008333220 A JP 2008333220A JP 2009068718 A JP2009068718 A JP 2009068718A
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正幹 大藤
Junichiro Ozaki
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    • F16C2360/44Centrifugal pumps
    • F16C2360/45Turbo-molecular pumps

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic bearing device capable of preventing excessive amplitude of a rotor in changing feedback gain. <P>SOLUTION: A magnetic bearing type turbo molecular pump must experience a critical speed (rotation speed n2) from the rotor rotating start to a stationary rotation. From the rotor rotating start to a rotation speed n3, the magnetic bearing is controlled at a control gain G1 of which the rotation speed n1 is a critical speed. When the rotation speed exceeds n4, it is controlled at a regular control gain G2. In a rotation speed range n3≤n≤n4 being a gain changeover zone, the control gain G is continuously varied from G1 to G2 in response to the increase of the rotation speed. As a result, the excessive amplitude of the rotor in changing the gain can be prevented. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、ターボ分子ポンプ等に用いられる磁気軸受装置に関する。 The present invention relates to a magnetic bearing device used for a turbo molecular pump or the like.

ターボ分子ポンプや工作機械等の高速回転が要求される装置においては、磁気軸受が採用されることが多い。例えば、ターボ分子ポンプの場合には、ロータ位置を変位センサで検出してそのセンサ信号を制御回路に取り込み、センサ信号に基づいて電磁石電流を制御するようにしている。磁気軸受装置では、一般的にフィードバック制御系としてPID制御を用いて、定常外乱に対する定常偏差を減衰させている。 Magnetic bearings are often used in devices that require high-speed rotation, such as turbomolecular pumps and machine tools. For example, in the case of a turbo molecular pump, the rotor position is detected by a displacement sensor, the sensor signal is taken into a control circuit, and the electromagnet current is controlled based on the sensor signal. In a magnetic bearing device, generally, PID control is used as a feedback control system to attenuate a steady deviation with respect to a steady disturbance.

このようなロータを支持する磁気軸受装置では、2つの固有振動モードを有している。一つはシリンドリカルモードと呼ばれ、ロータの軸が軸受中心軸の回りに円筒状の軌跡を描くものである。二つ目はコニカルモードと呼ばれ、ロータの軸が軸受中心軸の回りに円錐状の軌跡を描くものである。 A magnetic bearing device that supports such a rotor has two natural vibration modes. One is called a cylindrical mode, in which the rotor shaft draws a cylindrical trajectory around the bearing center axis. The second is called a conical mode, in which the rotor shaft draws a conical locus around the bearing center axis.

上記固有振動モードが存在することから、ロータ回転数を増加または減少させた際に、回転周波数が固有振動の周波数と一致したときに共振が発生して、ロータの過大振幅が発生するおそれがある。その結果、ロータがステータ側に設けられた保護ベアリングと接触して、磁気軸受自体に振動が発生する。それによって保護ベアリングからダストが発生したり、保護ベアリングの損傷や焼き付きといった問題が発生する。 Because of the existence of the natural vibration mode, when the rotational speed of the rotor is increased or decreased, resonance may occur when the rotational frequency matches the natural vibration frequency, which may cause an excessive amplitude of the rotor. . As a result, the rotor contacts the protective bearing provided on the stator side, and vibration is generated in the magnetic bearing itself. As a result, problems such as dust generation from the protective bearing and damage and seizure of the protective bearing occur.

ところで、固有振動モードの周波数はフィードバックのゲインに応じて変化することが知られている(例えば、特許文献1参照。)。例えば、ロータ回転速度が低速のときには、フィードバックゲインを本来の値よりも高くすることにより共振が生じる危険速度を高めに設定する。そのため、ロータは、本来のフィードバックゲインにおける危険速度に対応する回転速度を、共振を発生させることなく通過することができる。そして、ロータ回転速度が上記危険速度を通過したならば、フィードバックゲイン切り換えて本来のゲイン値に下げる。 By the way, it is known that the frequency of the natural vibration mode changes according to the gain of feedback (for example, refer to Patent Document 1). For example, when the rotor rotational speed is low, the critical speed at which resonance occurs is set higher by making the feedback gain higher than the original value. Therefore, the rotor can pass through the rotational speed corresponding to the critical speed in the original feedback gain without causing resonance. If the rotor rotational speed passes the critical speed, the feedback gain is switched to lower the original gain value.

特開平7−224839号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-224839

しかしながら、フィードバックゲインを急激に変化させると、ゲイン切り換えの際に発生する過渡応答によりロータに過大な振幅が生じ、最悪の場合にはロータが保護ベアリングにタッチダウンしてしまうおそれがあった。 However, if the feedback gain is suddenly changed, an excessive amplitude is generated in the rotor due to a transient response generated when the gain is switched, and in the worst case, the rotor may touch down the protective bearing.

本発明は、フィードバックゲインを連続的に変化させてフィードバックゲイン切換を行うことにより、フィードバックゲイン切換時のロータの過大振幅を防止することができる磁気軸受装置を提供するものである。 The present invention provides a magnetic bearing device capable of preventing an excessive amplitude of a rotor at the time of feedback gain switching by continuously changing the feedback gain and switching the feedback gain.

本発明は、磁気浮上制御ゲインが異なる複数の運転状態を有する磁気軸受装置において、第1磁気浮上制御ゲインによる第1の運転状態から第2磁気浮上制御ゲインによる第2の運転状態へと切り換える際に、磁気浮上制御ゲインが第1磁気浮上制御ゲインから第2磁気浮上制御ゲインへと連続的に変化する第3の運転状態で磁気軸受装置を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
また、磁気軸受装置が、回転体を電磁石で非接触支持するとともに、回転体の回転数に応じて第1の運転状態から第2の運転状態へと切り換えるものであっても良い。その場合、第3の運転状態においては、回転体の回転数の変化に対応させて磁気浮上制御ゲインを第1磁気浮上制御ゲインから第2磁気浮上制御ゲインへと連続的に変化させる。
さらに、予め設定された所定切換時間内に前記第1の運転状態から前記第2の運転状態へと切り換えるようにしても良い。
In the magnetic bearing device having a plurality of operation states having different magnetic levitation control gains, the present invention switches from the first operation state based on the first magnetic levitation control gain to the second operation state based on the second magnetic levitation control gain. In addition, the magnetic levitation control gain includes control means for controlling the magnetic bearing device in a third operation state in which the magnetic levitation control gain continuously changes from the first magnetic levitation control gain to the second magnetic levitation control gain.
Further, the magnetic bearing device may support the rotating body in a non-contact manner with an electromagnet and switch from the first operating state to the second operating state in accordance with the rotational speed of the rotating body. In that case, in the third operating state, the magnetic levitation control gain is continuously changed from the first magnetic levitation control gain to the second magnetic levitation control gain in accordance with the change in the rotational speed of the rotating body.
Furthermore, switching from the first operating state to the second operating state may be performed within a preset switching time.

本発明によれば、第1磁気浮上制御ゲインによる第1の運転状態から第2磁気浮上制御ゲインによる第2の運転状態へと切り換える際に、磁気浮上制御ゲインが第1磁気浮上制御ゲインから第2磁気浮上制御ゲインへと連続的に変化させるようにしたので、磁気浮上制御ゲイン切換により生じる過渡応答を回避することができる。 According to the present invention, when switching from the first operating state by the first magnetic levitation control gain to the second operating state by the second magnetic levitation control gain, the magnetic levitation control gain is changed from the first magnetic levitation control gain to the second magnetic levitation control gain. 2 Since the magnetic levitation control gain is continuously changed, the transient response caused by the magnetic levitation control gain switching can be avoided.

以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1は本発明による磁気軸受装置の一実施の形態を示す図であり、磁気軸受式ターボ分子ポンプを示す。図1は磁気軸受式ターボ分子ポンプのポンプ本体1の断面図である。ポンプ本体1に設けられたケーシング20の内部には、複数段のロータ翼21およびネジ溝部22が形成されたロータ4と、ロータ翼21に対して交互に配設されるステータ翼23と、上記ネジ溝部22と対向するように配設される筒状部材24とが設けられている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a view showing an embodiment of a magnetic bearing device according to the present invention, and shows a magnetic bearing type turbo molecular pump. FIG. 1 is a cross-sectional view of a pump body 1 of a magnetic bearing turbomolecular pump. Inside the casing 20 provided in the pump body 1, the rotor 4 having a plurality of stages of rotor blades 21 and screw groove portions 22, the stator blades 23 arranged alternately with respect to the rotor blades 21, and the above A cylindrical member 24 disposed so as to face the screw groove 22 is provided.

ロータ4を非接触支持する電磁石5はラジアル磁気軸受を構成する電磁石51,52とアキシャル磁気軸受を構成する電磁石53とを有し、これらは5軸制御型磁気軸受を構成している。これらのラジアル電磁石51,52とアキシャル電磁石53に対応して、ラジアル変位センサ71,72およびアキシャル変位センサ73が設けられている。 The electromagnet 5 that supports the rotor 4 in a non-contact manner includes electromagnets 51 and 52 that constitute a radial magnetic bearing and an electromagnet 53 that constitutes an axial magnetic bearing, and these constitute a 5-axis control type magnetic bearing. Corresponding to the radial electromagnets 51 and 52 and the axial electromagnet 53, radial displacement sensors 71 and 72 and an axial displacement sensor 73 are provided.

ポンプ本体1は不図示のコントローラにより駆動され、コントローラとポンプ本体とを接続するケーブル(不図示)は、レセプタクル25に接続される。ロータ4を電磁石51,52,53により非接触支持しつつモータ6により回転駆動すると、吸気口フランジ20側のガスは矢印G1のように背圧側(空間S1)に排気され、背圧側に排気されたガスは排気口フランジ26に接続された補助ポンプによりポンプ外に排出される。 The pump body 1 is driven by a controller (not shown), and a cable (not shown) connecting the controller and the pump body is connected to the receptacle 25. When the rotor 4 is rotationally driven by the motor 6 while being supported in a non-contact manner by the electromagnets 51, 52, 53, the gas on the inlet flange 20 side is exhausted to the back pressure side (space S1) as shown by the arrow G1, and then exhausted to the back pressure side. The discharged gas is discharged out of the pump by an auxiliary pump connected to the exhaust port flange 26.

27,28は非常用のメカニカルベアリングであり、ロータ4が磁気浮上していないときには、ロータ4はこれらのベアリング27,28により支持される。ベアリング27はロータ4のラジアル方向の2軸(x軸およびy軸)の運動を非常時に拘束し、ベアリング28はラジアル方向の2軸(x軸およびy軸)とスラスト方向の1軸(z軸)を拘束する。なお、ベアリング27,28は、磁気浮上中のロータ4が大きく偏心した際に、ロータ4とステータ側の電磁石等とが接触するのを防止する保護ベアリングとしても機能している。 27 and 28 are emergency mechanical bearings. When the rotor 4 is not magnetically levitated, the rotor 4 is supported by these bearings 27 and 28. The bearing 27 constrains the movement of the rotor 4 in the radial direction (x-axis and y-axis) in an emergency, and the bearing 28 has two radial directions (x-axis and y-axis) and one axis in the thrust direction (z-axis). ). The bearings 27 and 28 also function as protective bearings that prevent the rotor 4 from contacting the stator-side electromagnet or the like when the magnetically levitated rotor 4 is greatly decentered.

図2は5軸制御型磁気軸受の概念図であり、ロータ4の回転軸Jがz軸に一致するように示した。図1に示したラジアル電磁石51は、x軸に関する一対の電磁石51xとy軸に関する一対の電磁石51yとを備えている。同様に、ラジアル電磁石52も、x軸に関する一対の電磁石52xとy軸に関する一対の電磁石52yとを備えている。また、アキシャル電磁石53は、ロータ4の下端に設けられたディスク41をz軸に沿って挟むように対向して配設される一対の電磁石53zを備えている。 FIG. 2 is a conceptual diagram of a 5-axis control type magnetic bearing, in which the rotation axis J of the rotor 4 is shown to coincide with the z-axis. The radial electromagnet 51 shown in FIG. 1 includes a pair of electromagnets 51x related to the x axis and a pair of electromagnets 51y related to the y axis. Similarly, the radial electromagnet 52 also includes a pair of electromagnets 52x related to the x axis and a pair of electromagnets 52y related to the y axis. In addition, the axial electromagnet 53 includes a pair of electromagnets 53z disposed to face each other so as to sandwich the disk 41 provided at the lower end of the rotor 4 along the z axis.

図1の変位センサ71,72に関しても、電磁石51x,51y,52x,52yに対応してそれぞれ一対のラジアル変位センサで構成されている。これら5組の電磁石51x,51y,52x,52y,53および変位センサ71〜73により5軸制御型磁気軸受が構成されている。 The displacement sensors 71 and 72 in FIG. 1 are also constituted by a pair of radial displacement sensors corresponding to the electromagnets 51x, 51y, 52x, and 52y. These five sets of electromagnets 51x, 51y, 52x, 52y, 53 and displacement sensors 71-73 constitute a 5-axis control type magnetic bearing.

図3は磁気軸受装置の磁気浮上制御系の基本構成を示すブロック図であり、磁気軸受部分に関してはラジアル方向の一軸にのみ示した。電磁石5としては一対のラジアル電磁石51xを示し、変位センサ7としては電磁石51xに対応したラジアル変位センサ71xを示す。変位センサ7はインダクタンス式のセンサであり、ギャップ変位の変化によるセンサ部インピーダンスの変化を利用して、ギャップ変位を電気信号に変換している。ロータ4のセンサ対向面は強磁性体または導体で構成される。 FIG. 3 is a block diagram showing the basic configuration of the magnetic levitation control system of the magnetic bearing device, and the magnetic bearing portion is shown only on one axis in the radial direction. The electromagnet 5 is a pair of radial electromagnets 51x, and the displacement sensor 7 is a radial displacement sensor 71x corresponding to the electromagnet 51x. The displacement sensor 7 is an inductance type sensor, and converts the gap displacement into an electrical signal by utilizing the change in the sensor unit impedance caused by the change in the gap displacement. The sensor facing surface of the rotor 4 is made of a ferromagnetic material or a conductor.

ポンプ本体1を駆動するコントローラには、センサ回路2、制御回路3、励磁アンプ8が設けられている。制御回路3は、A/Dコンバータ301、D/Aコンバータ302、演算部であるDSP(デジタルシグナルプロセッサ)307、およびROM304やRAM305等を有する記憶部306を備えている。 A controller that drives the pump body 1 is provided with a sensor circuit 2, a control circuit 3, and an excitation amplifier 8. The control circuit 3 includes an A / D converter 301, a D / A converter 302, a DSP (digital signal processor) 307 which is an arithmetic unit, and a storage unit 306 having a ROM 304, a RAM 305, and the like.

変位センサ7にはセンサ回路2により数十kHzの搬送波が印加され、ギャップ変位により生じるセンサ部インピーダンス変化に応じて搬送波を振幅変調する。この振幅被変調波(AM波)は、センサ信号としてセンサ回路2を介して制御回路3に入力される。ラジアル変位センサ71xの場合には、センサ回路2において各変位センサ71xからのセンサ信号の差分が演算され、その差分成分がセンサ信号として制御回路3に入力される。ロータ4の回転速度(回転数)は回転数センサ10により検出され、その検出信号は制御回路3に入力される。 A carrier wave of several tens of kHz is applied to the displacement sensor 7 by the sensor circuit 2, and the carrier wave is amplitude-modulated in accordance with a change in impedance of the sensor portion caused by the gap displacement. This amplitude modulated wave (AM wave) is input to the control circuit 3 via the sensor circuit 2 as a sensor signal. In the case of the radial displacement sensor 71x, the sensor circuit 2 calculates the difference between the sensor signals from each displacement sensor 71x, and the difference component is input to the control circuit 3 as a sensor signal. The rotational speed (rotational speed) of the rotor 4 is detected by the rotational speed sensor 10, and the detection signal is input to the control circuit 3.

制御回路3に入力されたアナログセンサ信号は、A/Dコンバータ301によりデジタル値に変換され、DSP307に入力される。磁気軸受装置では、変位センサ7のセンサ信号を制御系にフィードバックして電磁石5の励磁電流を制御しており、ロータ4や電磁石5等で構成される磁気浮上系に応じた制御ゲインが記憶部306に予めインプットされている。 The analog sensor signal input to the control circuit 3 is converted into a digital value by the A / D converter 301 and input to the DSP 307. In the magnetic bearing device, the excitation signal of the electromagnet 5 is controlled by feeding back the sensor signal of the displacement sensor 7 to the control system, and the control gain corresponding to the magnetic levitation system composed of the rotor 4 and the electromagnet 5 is stored in the storage unit 306 is input in advance.

図4は、本実施の形態におけるDSP307の機能を示すブロック図である。A/Dコンバータ301によりデジタル変換されたセンサ信号は、DSP307の制御演算部310に入力される。制御演算部310では、変位センサ7からのセンサ信号と予め設定された制御ゲインとに基づいて電磁石5に流すべき励磁電流を算出する。例えば、ロータ4の浮上位置が適正位置よりも左側にずれている場合には、右側の電磁石51xの励磁電流を大きくして適正位置となるように制御する。このときの電流制御量はPID演算により算出される。 FIG. 4 is a block diagram showing functions of the DSP 307 in this embodiment. The sensor signal digitally converted by the A / D converter 301 is input to the control calculation unit 310 of the DSP 307. The control calculation unit 310 calculates the excitation current that should flow through the electromagnet 5 based on the sensor signal from the displacement sensor 7 and a preset control gain. For example, when the floating position of the rotor 4 is shifted to the left side from the proper position, control is performed so that the excitation current of the right electromagnet 51x is increased to the proper position. The current control amount at this time is calculated by PID calculation.

制御演算部310の制御演算出力は制御出力ゲイン切換部311に入力される。制御出力ゲイン切換部311では、回転数センサ10で検出されたロータ4の回転数に基づいて、制御演算部310から入力された制御演算出力を補正することによりゲイン切換を行う。ゲイン切換の詳細については後述する。制御出力ゲイン切換部311からは、制御演算出力にゲイン補正係数を乗じた制御信号が出力される。その制御信号は、D/Aコンバータ302によりアナログ値に変換された後に励磁アンプ8に入力される。 The control calculation output of the control calculation unit 310 is input to the control output gain switching unit 311. The control output gain switching unit 311 performs gain switching by correcting the control calculation output input from the control calculation unit 310 based on the rotation number of the rotor 4 detected by the rotation number sensor 10. Details of the gain switching will be described later. The control output gain switching unit 311 outputs a control signal obtained by multiplying the control calculation output by the gain correction coefficient. The control signal is converted to an analog value by the D / A converter 302 and then input to the excitation amplifier 8.

図5,6はターボ分子ポンプにおけるゲイン切換の一例を示す図である。図5はロータ4の回転数と制御ゲインとの関係を示す図であり、縦軸はゲイン、横軸はロータ回転数である。また、図6はゲイン切換手順を示すフローチャートであり、制御出力ゲイン切換部311の動作を示したものである。 5 and 6 are diagrams illustrating an example of gain switching in the turbo molecular pump. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the rotational speed of the rotor 4 and the control gain, where the vertical axis represents the gain and the horizontal axis represents the rotor rotational speed. FIG. 6 is a flowchart showing the gain switching procedure, and shows the operation of the control output gain switching unit 311.

図5の曲線Lは制御ゲインの変化を表しており、ロータ4の回転数nが<n3の時には制御ゲインはG1に設定される。また、回転数nがn>n4の場合には、制御ゲインはG2(<G1)に設定される。そして、n3≦n≦n4の範囲がゲイン切換区間であり、回転数nがn3からn4へと変化する間に、制御ゲインはG1から減少してG2へと変化する。このゲイン切換区間n3≦n≦n4を挟んでゲインG1とゲインG2との間の切り換えが行われる。なお、回転開始時の制御ゲインG1は、予め記憶部306に記憶されている制御ゲインである。 A curve L in FIG. 5 represents a change in the control gain. When the rotation speed n of the rotor 4 is <n3, the control gain is set to G1. When the rotational speed n is n> n4, the control gain is set to G2 (<G1). The range of n3 ≦ n ≦ n4 is a gain switching section, and the control gain decreases from G1 and changes to G2 while the rotation speed n changes from n3 to n4. Switching between the gain G1 and the gain G2 is performed across the gain switching section n3 ≦ n ≦ n4. The control gain G1 at the start of rotation is a control gain stored in advance in the storage unit 306.

制御ゲインG2は高速回転時に適した制御ゲインであり、制御ゲインG2に設定したときの危険速度に対応する回転数はn2である。一方、制御ゲインG1はG2よりも大きく、そのときの危険速度に対応する回転数はn2よりも大きなn1となる。ロータ4を定常回転まで加速する際には、回転数n2に対応する危険速度を通過させる必要がある。 The control gain G2 is a control gain suitable for high-speed rotation, and the rotation speed corresponding to the critical speed when set to the control gain G2 is n2. On the other hand, the control gain G1 is larger than G2, and the rotational speed corresponding to the critical speed at that time is n1 larger than n2. When accelerating the rotor 4 to steady rotation, it is necessary to pass a critical speed corresponding to the rotation speed n2.

従来は、図7の示すように、高速回転時の制御ゲインG2よりも大きな制御ゲインG1で加速を開始する。このときの危険速度に対応する回転数は上述したようにn1である。そして、ロータ回転速度が回転数n2を通過したならば、すなわち、制御ゲインG2の場合の危険速度を通過したならば、回転数n5において制御ゲインをG1からG2へと階段状に急激に切り換える。ゲイン切換により危険速度に対応する回転数はn2となるので、ロータは危険速度を通過したことになる。このようなゲイン切換を行うことにより、危険速度(共振点)を速やかに通過できることは前述したとおりである。 Conventionally, as shown in FIG. 7, acceleration is started with a control gain G1 larger than the control gain G2 during high-speed rotation. The rotational speed corresponding to the critical speed at this time is n1 as described above. If the rotor rotational speed passes through the rotational speed n2, that is, if the critical speed in the case of the control gain G2 is passed, the control gain is suddenly switched from G1 to G2 stepwise at the rotational speed n5. Since the rotation speed corresponding to the critical speed is n2 by the gain switching, the rotor has passed the critical speed. As described above, the dangerous speed (resonance point) can be quickly passed by performing such gain switching.

図5に戻って、制御ゲインをG1からG2へと切り換えて共振点通過を速やかに行わせる点は図7の場合と同様であるが、本実施の形態では、ゲイン切換区間(n3≦n≦n4)を設けてその区間で制御ゲインをG2からG1へと連続的に切り換えるようにした。ところで、ゲインG1およびゲインG2の状態はともに安定な状態であるが、ゲイン切換区間であるゲインG1の状態とゲインG2の状態との間の状態は必ずしも安定な状態とはいえない。そのため、ゲインG1からゲインG2への切換を時間をかけてゆっくり行うと、磁気軸受の状態が不安定になるおそれがある。 Returning to FIG. 5, the point that the control gain is switched from G1 to G2 and the resonance point is passed through is the same as in FIG. 7, but in this embodiment, the gain switching section (n3 ≦ n ≦ n4) is provided, and the control gain is continuously switched from G2 to G1 in the section. By the way, although the states of the gain G1 and the gain G2 are both stable, the state between the state of the gain G1 and the state of the gain G2, which is the gain switching section, is not necessarily a stable state. Therefore, if the switching from the gain G1 to the gain G2 is performed slowly over time, the state of the magnetic bearing may become unstable.

しかし、本実施の形態では、上述したようにゲイン切換区間を設け、その区切られた短い時間の間に連続的にゲインを変化させることにより、不安定になるのを防止することができる。このとき、連続的にゲインを変化させるゲイン切換区間の幅、すなわちゲイン切換に要する時間はある程度短いほうが好ましく、例えば1秒以下に設定される。もちろん、この切換時間は、従来のように階段状に変化させる場合と比較すれば十分に長い時間であり、階段状に変化させたときに生じる過渡現象が発生することはない。 However, in the present embodiment, it is possible to prevent instability by providing the gain switching section as described above and continuously changing the gain during the divided short time. At this time, the width of the gain switching section in which the gain is continuously changed, that is, the time required for gain switching is preferably short to some extent, and is set to, for example, 1 second or less. Of course, this switching time is sufficiently long compared to the case of changing in a stepped manner as in the prior art, and no transient phenomenon occurs when changing in a stepped manner.

ゲイン切換区間の幅としては、例えば、ターボ分子ポンプであれば、ロータ回転周波数(Hz)で表すと数Hz程度である。もちろん、この周波数幅はロータ回転の加速速度および減速速度に依存しており、同じ切換時間であっても加減速速度が速いほうが周波数幅も大きくなる。 As the width of the gain switching section, for example, in the case of a turbo molecular pump, it is about several Hz in terms of the rotor rotational frequency (Hz). Of course, this frequency width depends on the acceleration speed and the deceleration speed of the rotor rotation, and the frequency width becomes larger as the acceleration / deceleration speed is faster even in the same switching time.

次に、図6のフローチャートを用いて切換手順を説明する。図6のフローチャートは、制御回路3(図3参照)の電源がオンされるとスタートする。ステップS101では制御回路3の電源がオフされたか否かを判定し、オフと判定されるとゲイン切換の処理を終了し、オンと判定されるとステップS102へ進む。 Next, the switching procedure will be described using the flowchart of FIG. The flowchart of FIG. 6 starts when the control circuit 3 (see FIG. 3) is turned on. In step S101, it is determined whether or not the power source of the control circuit 3 has been turned off. If it is determined to be off, the gain switching process is terminated, and if it is determined to be on, the process proceeds to step S102.

ステップS102では、ロータ回転数nが「n<n3」、「n3≦n≦n4」および「n>n4」のいずれであるかを判定する。なお、n3,n4は図5で示したように、ゲイン切換区間の上限および下限の回転数を表す。ステップS102で「n<n3」と判定されるとステップS103へ進み、「n3≦n≦n4」と判定されるとステップS104へ進み、「n>n4」と判定されるとステップS105へ進む。 In step S102, it is determined whether the rotor rotational speed n is “n <n3”, “n3 ≦ n ≦ n4”, or “n> n4”. Note that n3 and n4 represent the upper and lower rotation speeds of the gain switching section as shown in FIG. If “n <n3” is determined in step S102, the process proceeds to step S103. If “n3 ≦ n ≦ n4” is determined, the process proceeds to step S104. If “n> n4” is determined, the process proceeds to step S105.

ステップS103〜S105の各処理では、ロータ回転数nに応じたゲイン補正係数αを演算する。ロータ回転数nが「n<n3」の場合には、ステップS103で補正係数αをα=1とし、ステップS106に進んで制御ゲインGをG=G1・αで算出する。すなわち、図5に示すように、「n<n3」の範囲では制御ゲインはG1とされる。 In each process of steps S103 to S105, a gain correction coefficient α corresponding to the rotor rotational speed n is calculated. When the rotor rotational speed n is “n <n3”, the correction coefficient α is set to α = 1 in step S103, and the process proceeds to step S106, where the control gain G is calculated as G = G1 · α. That is, as shown in FIG. 5, the control gain is G1 in the range of “n <n3”.

一方、ロータ回転数nが「n>n4」の場合には、ステップS105で補正係数αをα=G2/G1とし、ステップS106ではその補正係数αを用いて制御ゲインGを算出する。この場合、制御ゲインGはG=G2となる。すなわち、「n>n4」の範囲では、図5に示すように制御ゲインはG2とされる。 On the other hand, when the rotor rotational speed n is “n> n4”, the correction coefficient α is set to α = G2 / G1 in step S105, and the control gain G is calculated using the correction coefficient α in step S106. In this case, the control gain G is G = G2. That is, in the range of “n> n4”, the control gain is G2, as shown in FIG.

ロータ回転数nがゲイン切換区間「n3≦n≦n4」にある場合には、ステップS104に進み、ロータ回転数nをnの関数α(n)に代入して補正係数αを算出する。関数α(n)は「1≧α(n)>G2/G1」を満たしており、図5に示すようにゲイン切換区間「n3≦n≦n4」において連続的に緩やかに変化するものである。また、回転数nの上下限では、α(n3)=1、α(n4)=G2/G1を満たしている。 When the rotor rotational speed n is in the gain switching section “n3 ≦ n ≦ n4”, the process proceeds to step S104, and the rotor rotational speed n is substituted into the function α (n) of n to calculate the correction coefficient α. The function α (n) satisfies “1 ≧ α (n)> G2 / G1” and changes continuously and gently in the gain switching section “n3 ≦ n ≦ n4” as shown in FIG. . Further, α (n3) = 1 and α (n4) = G2 / G1 are satisfied at the upper and lower limits of the rotational speed n.

制御演算部310では制御ゲインがG1であるとして制御演算出力を算出しているので、ステップS107においては、制御演算部310で算出された制御演算出力を、ステップS106で算出された制御ゲインGに対応するように補正する。図4では、この補正された制御演算出力が制御出力ゲイン切換部311からD/Aコンバータ302に出力される。ステップS107の処理が終了したならばステップS101へと戻り、制御回路3の電源がオフされるまでステップS101からステップS107の処理を繰り返し行う。 Since the control calculation unit 310 calculates the control calculation output assuming that the control gain is G1, in step S107, the control calculation output calculated by the control calculation unit 310 is changed to the control gain G calculated in step S106. Correct so that it corresponds. In FIG. 4, the corrected control calculation output is output from the control output gain switching unit 311 to the D / A converter 302. If the process of step S107 is complete | finished, it will return to step S101 and will repeat the process of step S101 to step S107 until the power supply of the control circuit 3 is turned off.

ゲイン切換区間におけるα(n)としては、ゲイン切換時の不安定現象を抑制できるものであれば、図5に示すようなゲイン変化に限らず、様々なものが可能である。例えば、図8に示すように、G1・α(n)を一定の傾きβ=−(G2−G1)/(n4−n3)を有する直線としても良い。 As the α (n) in the gain switching section, various things are possible without being limited to the gain change as shown in FIG. 5 as long as the instability phenomenon at the time of gain switching can be suppressed. For example, as shown in FIG. 8, G1 · α (n) may be a straight line having a constant slope β = − (G2−G1) / (n4−n3).

上述したように、本実施の形態では、ゲイン切換区間(n3≦n≦n4)を設けてその区間で制御ゲインをG2からG1へと連続的に切り換えるようにしたので、制御ゲインの急激な変化に伴う過渡応答を回避することができる。さらに、切換区間を短くすることにより、ゲイン切換区間における不安定化を防止することができる。その結果、ゲイン切換時の過大振幅の発生に起因するポンプ損傷等を防止することができる。さらに、回転数変化の履歴に左右されない方式であるため、切換回転数付近で加速、減速など、回転数を変化させても適正ゲインでの制御を行うことができる。 As described above, in the present embodiment, the gain switching section (n3 ≦ n ≦ n4) is provided, and the control gain is continuously switched from G2 to G1 in the section. The transient response associated with can be avoided. Furthermore, destabilization in the gain switching section can be prevented by shortening the switching section. As a result, it is possible to prevent the pump from being damaged due to the occurrence of an excessive amplitude during gain switching. Further, since the system does not depend on the history of changes in the rotational speed, control with an appropriate gain can be performed even if the rotational speed is changed, such as acceleration and deceleration, near the switching rotational speed.

上述した実施の形態では、ターボ分子ポンプの磁気軸受装置における危険速度通過の際のゲイン切換を例に説明したが、例えば、図9(a),(b)に示すようにゲインを所定回転数範囲内だけで大きくする場合にも適用することができる。図9(a)に示す例は、所定範囲内では上に凸な形状の補正関数α’(n)で連続的にゲインを変える。一方、図9(b)に示す例では、ゲインを増加させる切り換え区間A1では補正関数α1(n)を用い、ゲインを減少させる切り換え区間A2では補正関数α2(n)を用いる。さらには、回転体の磁気軸受装置に限らず、種々の磁気軸受装置において、制御ゲインを増加または減少させる場合に適用することができる。 In the embodiment described above, the gain switching at the critical speed passage in the magnetic bearing device of the turbo molecular pump has been described as an example. For example, as shown in FIGS. The present invention can also be applied to a case where the size is increased only within the range. In the example shown in FIG. 9A, the gain is continuously changed with a correction function α ′ (n) having an upwardly convex shape within a predetermined range. On the other hand, in the example shown in FIG. 9B, the correction function α1 (n) is used in the switching section A1 in which the gain is increased, and the correction function α2 (n) is used in the switching section A2 in which the gain is decreased. Further, the present invention is not limited to the magnetic bearing device of a rotating body, and can be applied to increase or decrease the control gain in various magnetic bearing devices.

以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、制御ゲインG1は第1磁気浮上制御ゲインを、制御ゲインG2は第2磁気浮上制御ゲインをそれぞれ構成する。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。 In the correspondence between the embodiment described above and the elements of the claims, the control gain G1 constitutes the first magnetic levitation control gain, and the control gain G2 constitutes the second magnetic levitation control gain. In addition, the present invention is not limited to the above embodiment as long as the characteristics of the present invention are not impaired.

本発明による磁気軸受装置の一実施の形態を示す図であり、磁気軸受式ターボ分子ポンプの断面図である。It is a figure which shows one Embodiment of the magnetic bearing apparatus by this invention, and is sectional drawing of a magnetic bearing type | mold turbomolecular pump. 5軸制御型磁気軸受の概念図である。It is a conceptual diagram of a 5-axis control type magnetic bearing. 磁気浮上制御系の基本構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the basic composition of a magnetic levitation control system. DSP307の機能を示すブロック図である。3 is a block diagram showing functions of a DSP 307. FIG. ロータ4の回転数と制御ゲインとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the rotation speed of the rotor 4, and a control gain. ゲイン切換手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows a gain switching procedure. 従来のゲイン切換を示す図である。It is a figure which shows the conventional gain switching. ゲインGを直線的に減少させる場合のGを示す図である。It is a figure which shows G in the case of decreasing the gain G linearly. 補正関数α(n)の他の例を示す図であり、(a)は第1の例を、(b)は第2の例をそれぞれ示す。It is a figure which shows the other example of correction | amendment function (alpha) (n), (a) shows a 1st example and (b) shows a 2nd example, respectively.

符号の説明Explanation of symbols

1 ポンプ本体
2 センサ回路
3 制御回路
4 ロータ
5,51〜53,51x,51y,52x,52y 電磁石
6 モータ
8 励磁アンプ
10 回転数センサ
27,28 メカニカルベアリング
71,72 ラジアル変位センサ
73 アキシャル変位センサ
301 A/Dコンバータ
302 D/Aコンバータ
307 DSP
306 記憶部
310 制御演算部
311 制御出力ゲイン切換部
G1,G2 制御ゲイン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Pump main body 2 Sensor circuit 3 Control circuit 4 Rotor 5, 51-53, 51x, 51y, 52x, 52y Electromagnet 6 Motor 8 Excitation amplifier 10 Rotational speed sensor 27, 28 Mechanical bearing 71, 72 Radial displacement sensor 73 Axial displacement sensor 301 A / D converter 302 D / A converter 307 DSP
306 Storage unit 310 Control operation unit 311 Control output gain switching unit G1, G2 Control gain

Claims (6)

回転体を電磁石で非接触支持するとともに、前記電磁石を制御する磁気浮上制御ゲインが異なる複数の運転状態を有する磁気軸受装置において、
第1磁気浮上制御ゲインに設定したときの危険速度に対応する前記回転体の回転数においては、第2磁気浮上制御ゲインによる第2の運転状態で前記磁気軸受装置を制御し、
第2磁気浮上制御ゲインに設定したときの危険速度に対応する前記回転体の回転数においては、第1磁気浮上制御ゲインによる第1の運転状態で前記磁気軸受装置を制御し、
前記第1磁気浮上制御ゲインに設定したときの危険速度に対応する前記回転体の回転数と、前記第2磁気浮上制御ゲインに設定したときの危険速度に対応する前記回転体の回転数で挟まれた区間よりも狭い区間をゲイン切換区間に設定して
当該区間内で第1磁気浮上制御ゲインによる第1の運転状態と第2磁気浮上制御ゲインによる第2の運転状態を切り換える際に、前記磁気浮上制御ゲインが前記第1磁気浮上制御ゲインと前記第2磁気浮上制御ゲインとの間で連続的に変化する第3の運転状態で前記磁気軸受装置を制御する制御手段を備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
In a magnetic bearing device having a plurality of operating states in which the rotating body is supported in a non-contact manner by an electromagnet and the magnetic levitation control gain for controlling the electromagnet is different.
At the rotational speed of the rotating body corresponding to the critical speed when set to the first magnetic levitation control gain, the magnetic bearing device is controlled in the second operation state by the second magnetic levitation control gain,
In the rotation speed of the rotating body corresponding to the critical speed when set to the second magnetic levitation control gain, the magnetic bearing device is controlled in the first operating state by the first magnetic levitation control gain,
The rotational speed of the rotating body corresponding to the critical speed when set to the first magnetic levitation control gain is sandwiched between the rotational speed of the rotating body corresponding to the critical speed when set to the second magnetic levitation control gain. When a section that is narrower than the set section is set as a gain switching section and the first operation state by the first magnetic levitation control gain and the second operation state by the second magnetic levitation control gain are switched in the section, Control means for controlling the magnetic bearing device in a third operating state in which the magnetic levitation control gain continuously changes between the first magnetic levitation control gain and the second magnetic levitation control gain. Magnetic bearing device.
請求項1に記載の磁気軸受装置において、
前記第3の運転状態においては、前記回転体の回転数の変化に対応させて前記磁気浮上制御ゲインを前記第1磁気浮上制御ゲインと前記第2磁気浮上制御ゲインとの間で連続的に変化させることを特徴とする磁気軸受装置。
The magnetic bearing device according to claim 1,
In the third operating state, the magnetic levitation control gain is continuously changed between the first magnetic levitation control gain and the second magnetic levitation control gain in response to a change in the rotational speed of the rotating body. A magnetic bearing device characterized in that
請求項1または請求項2に記載の磁気軸受装置において、
前記第3の運転状態においては、前記磁気浮上制御ゲインは前記第1磁気浮上制御ゲインと前記第2磁気浮上制御ゲインの間で単調に変化することを特徴とする磁気軸受装置。
In the magnetic bearing device according to claim 1 or 2,
In the third operating state, the magnetic levitation control gain changes monotonically between the first magnetic levitation control gain and the second magnetic levitation control gain.
請求項1に記載の磁気軸受装置において、
前記第3の運転状態においては、前記磁気浮上制御ゲインは前記第1磁気浮上制御ゲインと前記第2磁気浮上制御ゲインの間を一定の傾きを有する直線で変化することを特徴とする磁気軸受装置。
The magnetic bearing device according to claim 1,
In the third operating state, the magnetic levitation control gain changes with a straight line having a certain slope between the first magnetic levitation control gain and the second magnetic levitation control gain. .
請求項1乃至4に記載の磁気軸受装置において、
前記ゲイン切換区間は、予め設定された所定切換時間で設定されることを特徴とする磁気軸受装置。
The magnetic bearing device according to claim 1, wherein
The gain switching section is set with a predetermined switching time set in advance.
前記第1磁気浮上制御ゲインに設定したときの危険速度に対応する前記回転体の回転数は、前記第1の運転状態においてシリンドリカルモード及び/又はコニカルモードの固有振動が発生する回転数であり、
前記第2磁気浮上制御ゲインに設定したときの危険速度に対応する前記回転体の回転数は、前記第2の運転状態においてシリンドリカルモード及び/又はコニカルモードの固有振動が発生する回転数であることを特徴とする請求項1乃至5記載の磁気軸受装置。
The rotational speed of the rotating body corresponding to the critical speed when set to the first magnetic levitation control gain is a rotational speed at which natural vibration of the cylindrical mode and / or the conical mode is generated in the first operating state,
The rotational speed of the rotating body corresponding to the critical speed when set to the second magnetic levitation control gain is a rotational speed at which natural vibration of the cylindrical mode and / or the conical mode is generated in the second operating state. The magnetic bearing device according to claim 1, wherein:
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