JP2997632B2 - 回転体に対する電磁的回転加振装置及びそれを用いた回転体の制振装置 - Google Patents
回転体に対する電磁的回転加振装置及びそれを用いた回転体の制振装置Info
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Description
いる回転体を電磁的に回転加振する技術に関し、更に詳
しく述べると、2極に磁化されているリング状の磁石
と、コイルへの通電制御により回転磁界を発生するリン
グ状のステータとにより回転体に回転加振力を付与する
回転体に対する電磁的回転加振装置及びそれを用いた回
転体の制振装置に関するものである。
数と一致した場合、振動振幅が急激に増大する危険速度
を有している。危険速度を通過しないで使用する回転体
は、その影響による振動振幅を抑えるため試験を行い、
そのバランスを評価し適切なバランシングを行ってい
る。特に危険速度を通過させて定格回転数に達する回転
機械(1次通過型〜N次通過型)は、危険速度を通過す
るため上記回転体と同様に試験を行い、適切なバランシ
ングを実施しなければ定格回転数に到達しない。このよ
うに回転体については、必ずバランシングを実施してい
る。
機械に回転体を組み込み、運転状態でアンバランス振動
を計測し、それに基づいて回転体にバランス・ウエイト
を付加したり、逆に回転体を削るなどの作業を行い振動
を抑制する。実際の回転試験では、各危険速度毎に振動
振幅把握からバランス計算・バランス修正を行わねばな
らず、極めて煩瑣であり多くの手間と時間がかかる作業
を必要とした。
て、近年、制御型磁気軸受を用いた変位フィードバック
制御が研究されている。制御型磁気軸受は、本来、回転
軸を軸受内の中立位置で常時保持されるように力を与え
るものである。そこで、制御型磁気軸受による制振は、
制御型磁気軸受に対して、アンバランス振動を相殺する
ような回転同期の加振力を重畳して加えることで、振動
を抑制して危険速度を通過させ、バランス評価を行おう
としている。このような手法は、例えば特開平4−35
1348号公報に記載されている。
る回転軸を電磁アクチュエータで吸引して軸受内の中立
位置で保持するものであり、1箇所に2極の吸引力が作
用する電磁アクチュエータをXY(軸をZ方向とした時
に軸に垂直な面)の4方向に配置して運用する。加振力
を付与するための回転磁界を発生するためにはパーソナ
ルコンピュータ制御によるDSP(デジタルシグナルプ
ロセッサ)電力やトラッキングフィルタ回路などからX
軸とY軸にサイン波とコサイン波の回転同期単相電力を
クロス制御して吸引回転磁界作用をさせており、非常に
複雑な制御電源を必要とする。
は、前述のように本質的には回転軸を軸受内の中立位置
で常時保持するように力を与え制御するものであるか
ら、アンバランスを相殺するような回転同期の加振力は
磁気軸受にとっては外乱となり、動作を不安定にする要
因となる。つまり、制御型磁気軸受の吸引回転磁界作用
による加振力は、変位フィードバックによるバネ効果と
速度フィードバックによる減衰効果を得るものであり、
制御型磁気軸受の本来の機能がこの外乱(加振力)を相
殺するように作動するため、特に難しい制御が必要とな
る。
クチュエータの機能によれば、瞬時にはXYの4方向に
配置の一つしか機能しておらず、フルパワーで機能せず
加振力が小さいため、電磁アクチュエータが大型化す
る。また制御についても、フィードバック遅れなどの問
題を生じ、基本的には吸引であっても不必要な回転力も
生じてしまい、ホワーリング(自励振動)の原因とな
る。更にDSP応答性などから、高回転数・高次危険速
度の通過が困難である。
効率よく任意の周波数の回転加振力を付与することがで
きる装置を提供することである。本発明の他の目的は、
回転体のアンバランス振動に対して同振幅で逆位相の振
動を、回転体に対して電磁的に与えることで、アンバラ
ンス振動を相殺する回転体の制振装置を提供することで
ある。
持されている回転体を電磁的に加振する装置である。こ
の装置は、2極に磁化されていて回転体の中心軸と同心
状に取り付けられるリング状の磁石と、コイルへの通電
制御により回転磁界を発生するリング状のステータと、
前記コイルに交流電力を供給する周波数可変の加振電源
部とを具備していて、前記磁石と前記ステータとは、そ
れらの磁気半径が互いに異なる寸法を有し且つ前記磁石
の磁化方向と同じ方向で対向するように配置されてい
て、ステータから発生する回転磁界と磁石との相互作用
により回転体に回転加振力を付与するように構成されて
いる。
もよいし、回転軸に軸受を取り付けて該軸受の静止部側
に装着してもよい。磁石は永久磁石が好ましいが、電磁
石でもよい。例えばリング状の磁石を軸方向に2極着磁
した永久磁石とし、該永久磁石とステータとが軸方向で
対向するように配置する構成がある。あるいは、リング
状の磁石を径方向に2極着磁した永久磁石とし、該永久
磁石とステータとが同一平面上で径方向で対向するよう
に配置する構成でもよい。
的回転加振装置を使用し、軸受によって支持されている
回転体のアンバランス振動を相殺する制振装置である。
この装置は、2極に磁化されていて回転体の中心軸と同
心状に取り付けられるリング状の磁石と、コイルへの通
電制御により回転磁界を発生するステータを具備し、前
記磁石と前記ステータとは、それらの磁気半径が互いに
異なる寸法を有し且つ磁石の磁化方向と同じ方向で対向
するように配置されていて、ステータから発生する回転
磁界と磁石との相互作用により回転体に回転加振力を付
与する電磁的回転加振部と、回転体の回転数を検出する
回転センサを備えた計測部と、該回転センサからの出力
パルスにより回転体の回転に同期した周波数のサイン波
信号を発生し、その信号の位相及び振幅を制御した駆動
出力を前記ステータのコイルに供給する制振電源部とを
具備している。そして回転体のアンバランス振動の位相
と逆位相で且つアンバランス振動の振幅にほぼ等しい振
動を前記電磁的回転加振部から発生させるように構成す
る。
しくは、計測部は、回転体の回転数を検出する回転セン
サの他に、回転体の振動を検出する振動センサと、両セ
ンサの出力によって振動の位相と振幅を求める計測器を
具備し、また制御電源部は、回転センサからの出力パル
スにより回転体の回転に同期した周波数の信号を発生さ
せる位相同期ループと、サイン波データを格納している
サインロムと、サインロムから読み出したサイン波デー
タによりDA変換を行うDA変換器と、前記計測器によ
り得られる回転体のアンバランス位相と逆位相となるよ
うにサインロムから出力するサイン波データを制御する
と共に回転体のアンバランス振幅にほぼ対応するように
DA変換器からの出力を制御する位相・電圧コントロー
ラとを具備している構成とする。
テータとは、それらの磁気半径が互いに異なる寸法を有
し且つ前記磁石の磁化方向と同じ方向で対向するように
配置されているために、ステータから発生する磁界と磁
石との反発・吸引の相互作用による合力は、中心軸方向
に対して垂直な面内に働く。そして、この力が、ステー
タから発生する回転磁界に応じて回転する。これによっ
て回転体には回転加振力が付与れさることになる。ステ
ータに供給する交流電流の電流値、周波数、及び位相に
よって回転加振力を自由に制御できる。
で且つアンバランス振動の振幅にほぼ等しい振幅の振動
を電磁的に該回転体に付与すると、アンバランスが打ち
消される。例えば典型的な例を図1及び図2で模式的に
表す。図1の単振動の時間軸振動波形において、実線で
示したアンバランス振動応答に対して、破線で示した電
気的振動応答を与えることで、実線と破線との合成波形
は相殺する。このことをナイキスト線図で示したのが図
2であり、アンバランス振動応答の逆位相の電気的振動
応答を組み合わせることで合成振動応答は相殺する。危
険速度を通過する毎に、このような操作を行うことで、
N次危険速度の通過が可能となる。
転加振装置の一実施例を示す基本構成図である。この装
置は、受動型軸受(図示するを省略)により回転自在に
支持されている任意の回転体に回転加振力を付与するも
のであり、リング状の永久磁石10とリング状のステー
タ12と加振電源部14とからなる。永久磁石10は、
軸方向に2極着磁されていて、回転体16(ここでは回
転体の軸18)に同心状に装着されている。ステータ1
2は通常の誘導モータ等と同様の構成であってよく、そ
のコイルへの通電制御により実質的に2極の回転磁界を
発生するものである。永久磁石10とステータ12と
は、それらの磁気半径(磁極が形成される位置から中心
軸までの距離であり、永久磁石の磁気半径を符号R
1 で、ステータの磁気半径を符号R2 で示す)が互いに
異なる寸法を有し、且つ軸方向で対向するように配置さ
れている。加振電源部14は、前記ステータ12のコイ
ルに交流電力を供給する周波数可変のインバータであ
る。
10は、例えば上面がN極に、下面がS極に着磁されて
いるとする。そして、コイルへの通電によって、ある瞬
間、ステータ12には、図面右側がS極、図面左側がN
極の磁極が発生したとする。すると図面右側ではS極同
士の反発力による左上向きの電磁力が発生し、図面左側
ではNS極間の吸引力による左下向きの電磁力が発生す
る。これらが合成すると、永久磁石10の軸方向の分力
は逆方向であるため相殺されるが、軸方向に対して垂直
な(図面では水平面内の)分力F1 ,F2 は同方向とな
るため足し合わされて偏心力となる。ステータ12に発
生する磁界の向きは、加振電源部14から供給する交流
電力の周波数に応じて回転するため、永久磁石10に印
加される電磁的な偏心力もその向きが回転する。この偏
心力は、ステータ12に供給する交流電流の周波数と電
流値で制御できる。つまりステータ12から発生する回
転磁界と永久磁石10との相互作用によって、回転体1
6に所望の回転加振力を付与することができ、電気的入
力が質の良い回転振動ベクトル加振をもたらす。
は、商用電気を一旦直流とし周波数に合わせて±の電圧
スイッチングを行い矩形波の電圧・周波数可変とするの
が一般的である。このような矩形波インバータは市販さ
れており容易に且つ安価に入手できる。加振交流電力の
波形は矩形波の他、サイン波でもよい。但し、サイン波
インバータは高価であり一般的ではない。
は、上記の実施例が最適と考えられるが、回転加振力を
付与するための構成としては、上記の例のみに限られる
ものではない。上記の例ではリング状の磁石として永久
磁石を使用しているが、永久磁石に代えて電磁石を用い
てもよい。その場合、図示するを省略するが、磁芯に巻
線を施した構造体を回転側に設けるためには、通常のD
Cモータのようなブラシを用いて巻線に通電すればよ
い。
可能である。その例を図4に示す。リング状の永久磁石
20は、径方向に2極着磁(ここでは外周面がS極、内
周面がN極)されていて、回転体21に取り付けられて
いる。回転体21は軸受22で回転自在に支持されてい
る。ステータ23はリング状であって、コイルへの通電
制御により回転磁界を発生する構造である。この永久磁
石20とステータ23は、同一平面上に位置し径方向で
対向する(即ち、ステータ23の内側に永久磁石20が
位置する)ように配置されている。この構成において
も、例えばある瞬間にステータ23により発生する磁界
が図4の状態であるとすると、回転体20の左側では異
極の吸引力が生じ、右側では同極の反発力が生じて、回
転体20に左向きの力が働く。この力がステータ23に
よって発生する回転磁界と共に回転するため、回転体2
0は回転加振力を受けることになる。
着しているが、軸受を介して取り付けてもよい。その例
を図5に示す。回転体25にボール軸受26を設け、そ
の静止部側にリング状の永久磁石27を装着する。この
例は、図3と同様、軸方向に2極着磁したものである。
リング状のステータ28は、前記永久磁石27に対して
軸方向で対向するように配置する。このような軸受を介
する構成は、磁石が回転応力を受けない利点があり、電
磁石が組み込み易い。但し、軸受に軸受荷重が負荷され
ることになることから、軸受の焼き付きが生じないよう
に考慮する必要がある。
一つの応用例としては、回転体の制振装置がある。その
概略構成の一例を図6に示す。適用した回転体30は、
バネと減衰をもつ上下のラジアル軸受32,34で水平
面内(XY方向)の支持がなされ、同じくバネと減衰を
もつスラスト軸受36で鉛直方向(Z方向)の支持がな
されている。更に、永久磁石38とステータ40とから
なる回転用モータ42を有し、そのステータ40に駆動
用インバータ44から通電することにより、回転体30
が所望の速度で回転する。本発明に係る回転体の制振装
置は、電磁的回転加振部46と、計測部48と、制振電
源部50とを具備し、回転体のアンバランス振動の位相
と逆位相で且つアンバランス振動の振幅にほぼ等しい振
幅の振動を前記電磁的回転加振部から発生させることに
より、回転体のアンバランス振動を相殺するように構成
されている。
は図3に示すものと同様であってよく、軸方向に2極着
磁されていて回転体の軸52に装着するリング状の永久
磁石60と、コイルへの通電制御により回転磁界を発生
するステータ62とを具備している。前記永久磁石60
と前記ステータ62とは、それらの磁気半径が互いに異
なる寸法を有し且つ軸方向で対向するように配置されて
いて、ステータから発生する回転磁界と永久磁石との相
互作用により回転体に回転加振力を付与する構成であ
る。
回転センサ70と、回転体の振動を検出する振動センサ
72と、両センサ70,72の出力によって振動の位相
と振幅を求めるオシロスコープやFFT(高速フーリエ
変換器)などの計測器74を具備している。
らの出力パルスにより回転体の回転に同期した周波数の
サイン波信号を発生し、その信号の位相及び振幅を制御
した駆動出力を前記電磁的回転加振部46のステータ6
2のコイルに供給するものである。この実施例では、回
転センサ70からの出力パルスにより回転体の回転に同
期した周波数の信号を発生する位相同期ループ(PL
L)80と、サイン波データを格納しているサインロム
82と、該サインロム82から読み出したサイン波デー
タによりDA変換を行うDA変換器84と、前記計測器
74により得られる回転体のアンバランス位相と逆位相
となるようにサインロム86から出力するサイン波デー
タを制御すると共に回転体のアンバランス振幅にほぼ対
応するようにDA変換器74からの出力を制御する位相
・電圧コントローラ86とを具備している。位相・電圧
コントローラ86は、位相同期ループ80から得られる
回転体の回転に同期した信号と、計測器74で把握でき
る振動応答とに基づき、DA変換器84を制御するので
ある。この制振装置においては、計測部48で振動状況
を把握し、制振電源部50によって電磁的回転加振部4
6から回転体のアンバランス振動に応じた制振力を出力
することで行われる。
式であるが、オープンループ制御方式にも適用できる。
回転体の振動を計測器で計測することで振動を把握す
る。それに基づき位相・電圧コントローラで位相と電圧
をマニュアル制御することで、制振が行える。予め回転
体の振動がすべて把握されていれば、計測部を有しない
システムでも位相・電圧コントローラをプログラム制御
することで、制振が行える。
て、この種の制振装置を適用した結果の概略を図7に模
式的に示す。実験に用いた制振装置は、便宜的にオープ
ンループ制御方式のマニュアル制御をステップ的に行っ
た例である。図7のAは振動相殺以前の振動スペクトル
の概略であり、Bは振動相殺後の振動スペクトルの概略
である。この制振装置による極く簡単な制御によって、
曲げ1次(a)〜曲げ4次(d)まで振動許容値以下の
レベルまで制振されていることが分かる。
振装置は、上記の制振装置への適用の他、アンバランス
量を算出して従来の技術であるモーダル法により釣り合
わせを行う回転バランサーとしても使用できる。その
他、回転場での振動評価(例えば軸受耐力評価、あるい
は回転場での危険速度変化など)にも適用できる。
としてアンバランスを付加し、徐々にその量を増加させ
て、その度毎に回転試験を行っており、回転試験回数が
多く要し、工数が大きかった。それに対して本発明に係
る電磁的回転加振装置を用いて回転加振すると、危険速
度毎に振動振幅を大きくするなど任意に振動応答を与え
ることができる。そのため、軸受の使用限界条件動荷重
負荷による質の良い条件の下に、一度の回転試験で荷重
負荷パラメータを設定でき、効率的軸受耐力評価が行え
る。
振装置を用いると、回転体の回転数上昇に伴う共振点の
変化を捉えることができ、回転体の構造設計評価などに
反映できる。
力の波形は、前記のように矩形波でもよいしサイン波で
もよい。振動評価は振動応答を得るもので入力が小さく
てよく、任意の周波数域でデータを採取するため矩形波
でよい。しかし特に制振に適用するには、単一周波数の
サイン波が望ましい。矩形波による加振は、基本周波数
と奇数倍周波数の複合加振となり(サイン波以外では、
これに類する加振となる)、そのため標的基本周波数加
振の時、奇数倍周波数に危険速度が存在すれば振動応答
するからである。矩形波インバータの場合は、奇数倍周
波数の電圧が倍数の順に小さくなること、加振力が周波
数に反比例することから振動応答は小さいが、基本周波
数をスイープしたときにスイープ域が広範囲となるので
注意を要する。逆に、この特性を利用すると、高周波領
域の加振が行えることになる。
に限られるものではない。回転体からの出力を変換する
方法としては、上記の他、振動波形から同期フィルタ、
位相変換を経て増幅器で増幅する構成でもよい。また振
動・パルス出力を基準として発振する方法としては、
ホストパーソナルコンピュータを用いたDSP発振、
トリガ同期によるオシレータ発振、パーソナルコンピ
ュータ制御によるインバータ発振などもある。それら任
意の方法によって回転磁界電力を得ることができる。な
おこれらにおいては、回転磁界の位相と電力量を調整す
る機能を具備する必要がある。
うに回転体が各危険速度で単独で振動応答する場合であ
る。しかし、回転体の構造などによっては、複数の危険
速度が接近し、そのため同一回転数で連成して振動する
場合がある。そのように連成して振動応答するために単
一の電磁的回転加振部では良好な制振が困難な場合に
は、任意の複数の箇所に電磁的回転加振部を設けてそれ
ぞれ制御することで、良好な制振を行うことができる。
振する方式であり、回転体に対して電磁的に効率よく任
意の周波数の質の良い回転加振力を付与することができ
る。そのため、アンバランス量を算出し、従来の技術で
あるモーダル法によって釣り合わせを行う回転バランサ
ーとしても使用できる。また一度の回転試験で荷重負荷
パラメータを設定でき、効率的軸受耐力評価手法として
利用できる。更に回転体の回転数上昇に伴う共振点の変
化を捉えることができ、回転体の構造設計評価等に反映
できる。
して同振幅で逆位相の振動を電磁的に与えるように構成
されているので、回転体のアンバランス振動を制御をほ
とんど必要とせずに相殺し制振することができる。この
装置は、現有する曲げ4次通過までは既に実証済みであ
り、更に危険速度の増加したN次通過型回転体にも適用
でき、高速回転する弾性回転体に対して、極めて有効で
ある。また、この制振装置は、回転時の温度上昇による
熱的アンバランス、回転応力による変形アンバランス、
流体アンバランスのように、過渡的な振動や不再現性の
振動に対しても十分に対応することができる。
示す説明図。
示す概略説明図。
を示す説明図。
施例を示す説明図。
ロック図。
明図。
Claims (6)
- 【請求項1】 軸受により支持されている回転体を加振
する装置であって、2極に磁化されていて回転体の中心
軸と同心状に取り付けられるリング状の磁石と、コイル
への通電制御により回転磁界を発生するリング状のステ
ータと、前記コイルに交流電力を供給する周波数可変の
加振電源部とを具備し、前記磁石と前記ステータとは、
それらの磁気半径が互いに異なる寸法を有し且つ前記磁
石の磁化方向と同じ方向で対向するように配置されてい
て、ステータから発生する回転磁界と磁石との相互作用
により回転体に回転加振力を付与することを特徴とする
回転体に対する電磁的回転加振装置。 - 【請求項2】 リング状の磁石は軸方向に2極着磁した
永久磁石であり、該永久磁石とステータとが軸方向で対
向するように配置されている請求項1記載の電磁的回転
加振装置。 - 【請求項3】 リング状の磁石は径方向に2極着磁した
永久磁石であり、該永久磁石とステータとが同一平面上
で径方向で対向するように配置されている請求項1記載
の電磁的回転加振装置。 - 【請求項4】 回転体の回転軸に軸受を取り付け、該軸
受の静止部側にリング状の磁石を装着した請求項1、2
又は3記載の電磁的回転加振装置。 - 【請求項5】 軸受によって支持されている回転体のア
ンバランス振動を相殺する装置であって、2極に磁化さ
れていて回転体の中心軸と同心状に取り付けられるリン
グ状の磁石と、コイルへの通電制御により回転磁界を発
生するステータとを具備し、前記磁石と前記ステータと
は、それらの磁気半径が互いに異なる寸法を有し且つ前
記磁石の磁化方向と同じ方向で対向するように配置され
ていて、ステータから発生する回転磁界と磁石との相互
作用により回転体に回転加振力を付与する電磁的回転加
振部と、回転体の回転数を検出する回転センサを備えた
計測部と、該回転センサからの出力パルスにより回転体
の回転に同期した周波数のサイン波信号を発生し、その
信号の位相及び振幅を制御した駆動出力を前記ステータ
のコイルに供給する制振電源部と、を具備し、回転体の
アンバランス振動の位相と逆位相で且つアンバランス振
動の振幅にほぼ等しい振幅の振動を前記電磁的回転加振
部から発生させることを特徴とする回転体の制振装置。 - 【請求項6】 計測部は、回転体の回転数を検出する回
転センサの他に、回転体の振動を検出する振動センサ
と、両センサの出力によって振動の位相と振幅を求める
計測器を具備し、制御電源部は、回転センサからの出力
パルスにより回転体の回転に同期した周波数の信号を発
生させる位相同期ループと、サイン波データを格納して
いるサインロムと、サインロムから読み出したサイン波
データによりDA変換を行うDA変換器と、前記計測器
により得られる回転体のアンバランス位相と逆位相とな
るようにサインロムから出力するサイン波データを制御
すると共に回転体のアンバランス振幅にほぼ対応するよ
うにDA変換器からの出力を制御する位相・電圧コント
ローラとを具備している請求項5記載の回転体の制振装
置。
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