JP3182205B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents

磁気軸受装置

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JP3182205B2 JP11701192A JP11701192A JP3182205B2 JP 3182205 B2 JP3182205 B2 JP 3182205B2 JP 11701192 A JP11701192 A JP 11701192A JP 11701192 A JP11701192 A JP 11701192A JP 3182205 B2 JP3182205 B2 JP 3182205B2
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はターボ機械や工作機械の
軸受装置に係り、より詳細には、回転軸に磁性材料製の
回転子ヨークを取付け、ケーシングにコイルを巻いた電
磁石固定子を取付け、この回転子ヨークと電磁石固定子
との間隙を微小となるようにし、回転軸とケーシング間
の相対変位を測定する変位センサを設け、その変位セン
サからの出力信号に基づいてコイルに電流を流し、回転
子と電磁石固定子間に磁気吸引力を作用させ、回転軸を
固定子中心に支承する磁気軸受装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】図3は従来の磁気軸受装置の制御系のブ
ロック図を示すものである。図3において、符号1はケ
ーシングであり、このケーシング1には励磁コイル3を
備えた電磁石固定子2が固定されている。一方、回転軸
4には回転子ヨーク5が固着されている。そして、回転
軸4に隣接して変位センサ6が配設されており、補償回
路7と電力増幅器8によって変位センサ6からの出力信
号に基づいてコイル3に電流を流し、回転子ヨーク5と
電磁石固定子2間に磁気吸引力を作用させるように構成
されている。
【0003】次にこの構成における磁気軸受装置の動作
について説明する。変位センサ6によって回転軸4の変
位を検出し、回転軸4の位置目標値と変位センサ6で検
出された変位信号との偏差をもとに補償回路7で補償信
号を生成する。その生成された信号によって電力増幅器
8を駆動し、ケーシング1に固定された電磁石固定子2
のコイル3に、電流を流し回転子ヨーク5と電磁石固定
子2間に磁気吸引力を作用させ、回転軸4を固定子の中
心付近に支承する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高速回
転機においては、回転軸(ロータ)は危険速度を乗り越
えたあとは、回転軸自身の慣性中心を中心に回転しよう
とする。本来、回転中心の回りで回転すれば、回転軸の
回転成分の振れ回りは小さくなる。しかし、磁気軸受で
はセンサ中心は、慣性中心とは必ずしも一致しないため
に、磁気軸受で制御しようとすると、かえって回転軸を
加振してしまい、回転成分は大きくなってしまう。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、回転軸に取り
付けた回転子ヨークと、この回転子ヨークから微小間隔
の距離を置いてケーシングに取り付けられた電磁石固定
子と、前記回転軸とケーシング間の相対変位を測定する
変位センサと、この変位センサからの変位信号をもとに
前記回転子ヨークと前記電磁石固定子間に作用する磁気
吸引力を制御する補償回路と電力増幅器とを有する磁気
軸受装置において、前記回転軸の回転同期周波数成分か
らなる擬似信号の形成手段と、該擬似信号を前記変位セ
ンサの変位信号から減算する減算器とを備え、該減算器
の出力信号は前記変位センサの変位信号に含まれる周波
数成分のうち、前記回転同期周波数成分のゲインを低減
した信号であり、該信号に基づき前記磁気吸引力を制御
することを特徴とする磁気軸受装置にある。
【0006】
【作用】本発明によって、パルス発生器と変位センサか
らの信号等によって回転軸系の伝達関数を求め、この伝
達関数を適応デジタルフィルタで模擬し、これに補償回
路又は電力増幅器の出力信号を加えることにより、擬似
信号を発生させ、回転センサの情報より回転同期周波数
成分のみバンドパスフィルタで取り出した信号を、変位
センサ信号より減算し、この減算信号をもとに、補償回
路と電力増幅器とによって励磁電流を制御するものであ
る。
【0007】従って、従来の変位センサ信号に比べて、
回転軸系の伝達関数を模擬した擬似信号から回転に同期
した周波数のみ局部的にゲインが低減されるので、曲げ
危険速度を通過後の高速回転時に回転軸(ロータ)を慣
性中心の回りに回転でき、回転振れまわり成分を小さく
することができる。
【0008】
【実施例】以下、本発明に係る磁気軸受装置の制御系の
実施例を添付図面を参照して説明する。図1は本発明の
第1の実施例を示し、図1において、符号1はケーシン
グであり、このケーシング1には励磁コイル3を備えた
電磁石固定子2が固定されている。一方、回転軸4には
回転子ヨーク5が固着されている。そして、回転軸4に
隣接して変位センサ6が配設されており、回転軸4の変
位を変位センサ6で測定するようになっている。同様
に、回転軸4に隣接して回転センサ9が配設されてお
り、回転軸4の回転数を測定するようになっている。磁
気軸受装置はシステム同定回路10を備え、このシステ
ム同定回路10は伝達関数設定部11と擬似信号発生部
14とから構成されている。そして、変位センサ6から
の検出信号は伝達関数設定部の伝達関数測定器12に入
力されるとともに減算器21に入力されるようになって
いる。また、伝達関数設定部11はパルス発生器13を
備え、パルス発生器13からのパルスは加算器23に入
力されて電力増幅器8に入力される。
【0009】一方、擬似信号発生部14は適応デジタル
フィルタ15とバンドパス回路16とを備え、前記伝達
関数測定器12で測定された伝達関数は適応デジタルフ
ィルタ15に入力され、この適応デジタルフィルタ15
は、この伝達関数を模擬する。この適応デジタルフィル
タ15には、補償回路7又は図示しないが電力増幅器8
の出力信号が入力されて、回転軸の固有の伝達関数に従
った擬似信号が発生される。この擬似信号は回転センサ
9の信号によって、バンドパス回路16により、回転軸
の回転同期周波数成分信号を出力する。
【0010】ここで、バンドパス回路16は、回転軸の
回転周波数成分のみが通される周波数可変のバンドパス
フィルタである。従って、減算器21では、変位センサ
の変位信号に、補償回路7又は電力増幅器8の出力信号
を入力することにより、擬似信号発生部14で作られた
回転軸の回転同期周波数成分信号が入力され、減算され
る。
【0011】次に、前述のように構成された磁気軸受装
置の動作を説明する。伝達関数設定部11中のパルス発
生器13で発生したパルスは第3の加算器23に入力さ
れ、電力増幅器8を経由してケーシング1に固定された
電磁石固定子2に巻かれたコイル3に電流を流し、電磁
石固定子2から回転軸4に電磁力による外乱を与え、そ
の時の回転軸4の変位を変位センサ6で測定する。そし
て、ここで、パルス発生器13によって発生されるパル
スは、システム同定用のパルス又は、ホワイトノイズあ
るいはチャープ信号であり、回転軸系の伝達関数の測定
のためのものである。変位センサ6の出力は伝達関数測
定器12に入力され、回転軸系の伝達関数が伝達関数測
定器12によって測定され、その測定された伝達関数は
適応デジタルフィルタ15に入力される。適応デジタル
フィルタ15は伝達関数測定器12よりの回転軸系の伝
達関数に基づいて、擬似信号を発生する。擬似信号は、
回転軸系の回転同周波数成分を模擬する信号である。
バンドパス回路16は、回転センサ9の信号を利用して
適応デジタルフィルタ15の出力信号である擬似信号か
ら、回転同期周波数成分信号を取り出し、システム同定
回路10の出力とする。この出力信号は、減算器21に
より変位信号に減算される。この減算したあとの信号は
同定誤差検出回路17に入力され、これによって変位信
号と擬似信号との誤差が小さくなるように、適応デジ
ルフィルタ15が逐次修正される。また、減算器21で
減算された誤差信号は加算器22に入力され、ここで回
転軸4の位置目標値から減算され、この減算された信号
が補償回路7に入力され、この補償回路7からの出力に
よって電力増幅器8が動作し、コイル3に電流を流し、
電磁石固定子2と回転子ヨーク5間に生じる磁気吸引力
によって回転軸4の位置を制御する。
【0012】このようにして、変位センサ6の変位信号
がシステム同定回路10の回転同期周波数成分信号から
なる擬似信号によって減算された後の信号は、回転同期
周波数に落ちこみを持ち、局部的にゲインが低減され
る。この信号をもとに磁気軸受を制御することにより、
回転軸(ロータ)を高速回転時に慣性中心の回りに回転
させることができ、振動を小さくすることができる。図
1において、図中のS−1は、変位センサ6で検出した
変位信号のスペクトルを示し、S−2はバンドパス回路
を通過後の擬似信号のスペクトルを示している。S−1
のピークNは、回転同期周波数による極であり、高周波
側のピークは、その他の曲げ固有モードによる極であ
る。S−2は、回転同期周波数の極が適応デジタルフィ
ルタ15から出力されバンドパス回路を通過後擬似
号として形成されていることを示す。S−3は、これら
が減算されたスペクトルであり、回転同期周波数におい
て、補償回路7及び電力増幅器8に低いゲインが局部的
に加えられることを示している。
【0013】図2は、本発明の第2の実施例の制御系の
ブロック図を示す。この実施例においては、システム同
定回路10の伝達関数設定部11は極値設定部18から
なり、擬似信号発生部14は適応デジタルフィルタ15
からなる。伝達関数設定部11及び擬似信号発生部14
以外の構成は、図1に示す本発明の第1の実施例と同じ
であり、その説明を省略する。
【0014】回転軸系の伝達関数に基づき、擬似信号を
出力するシステム同定回路10は、以下のように動作す
る。即ち、回転センサ9より極値設定部18は、回転周
波数を判定し、判定された回転周波数に基づき、適応
タルフィルタ15の極値を設定する。擬似信号発生部
である適応デジタルフィルタ15には、変位センサ6の
信号が入力され、設定された伝達関数に基づき、図中S
ー2に示す擬似信号が出力され、減算器21に渡され
る。
【0015】減算器21の出力信号は、図中S−3に示
すように、変位センサ6の信号に、適応デジタルフィル
タ15で作られた擬似信号が減算されたものである。従
って、以降の動作は本発明の第1の実施例と同じであ
り、減算器21で擬似信号の減算された信号に基づき、
磁気軸受を制御することにより、回転軸を高速回転時に
慣性中心の回りに回転させることができ、振動を小さく
することができる。尚、同定誤差検出回路17によっ
て、適応デジタルフィルタ15の伝達関数を修正する動
作も、本発明の第1の実施例と同様である。
【0016】本第2の実施例によれば、第1の実施例が
パルス発生器13及び伝達関数測定器12を備え、制御
系にパルス等を印加して伝達関数を求めていたのに対し
て、回転センサ9の信号から適応デジタルフィルタ15
の伝達関数の極値を直接設定するものである。従って、
第1の実施例のパルス発生器13及び伝達関数測定器1
2が不要となり、大幅に制御系が簡略化される
【0017】
【発明の効果】本発明は、システム同定回路より出力さ
れる回転同期周波数成分、変位センサの信号から減算
した信号に基づき磁気吸引力を制御する磁気軸受装置に
ある。従って、回転軸(ロータ)を高速回転時に慣性中
心の回りに回転させることができ、振動を小さくするこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の磁気軸受装置の制御系
のブロック図である。
【図2】本発明の第2の実施例の磁気軸受装置の制御系
のブロック図である。
【図3】従来の磁気軸受装置の制御系のブロック図であ
る。
【符号の説明】
3 コイル 4 回転軸 5 回転子ヨーク 6 変位センサ 7 補償回路 8 電力増幅器 9 回転センサ 10 システム同定回路 11 伝達関数設定部 12 伝達関数測定器 13 パルス発生器 14 擬似信号発生部 15 適応デジタルフィルタ 16 バンドパス回路 17 同定誤差検出回路 18 極値設定部 21 減算器 22,23 加算器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F16C 32/04

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 回転軸に取り付けた回転子ヨークと、こ
    の回転子ヨークから微小間隔の距離を置いてケーシング
    に取り付けられた電磁石固定子と、前記回転軸とケーシ
    ング間の相対変位を測定する変位センサと、この変位セ
    ンサからの変位信号をもとに前記回転子ヨークと前記電
    磁石固定子間に作用する磁気吸引力を制御する補償回路
    と電力増幅器とを有する磁気軸受装置において、前記回
    転軸の回転同期周波数成分からなる擬似信号の形成手段
    と、該擬似信号を前記変位センサの変位信号から減算す
    る減算器とを備え、該減算器の出力信号は前記変位セン
    サの変位信号に含まれる周波数成分のうち、前記回転同
    期周波数成分のゲインを低減した信号であり、該信号に
    基づき前記磁気吸引力を制御することを特徴とする磁気
    軸受装置。
  2. 【請求項2】 前記回転同期周波数成分からなる擬似信
    号の形成手段は、パルス発生器と、該パルスを電力増幅
    器を経由して電磁石固定子の励磁コイルに入力して電磁
    力による外乱を与え、該外乱による回転軸の変位を変位
    センサで測定した結果を入力する伝達関数測定器と、該
    伝達関数測定器で測定した回転軸系の伝達関数が設定さ
    れる適応デジタルフィルタと、該フィルタの出力である
    回転軸の固有の伝達関数に従った擬似信号の周波数成分
    のうち、回転同期周波数成分を取り出す回転センサ及び
    バンドパスフィルタとからなることを特徴とする請求項
    1の磁気軸受装置。
  3. 【請求項3】 前記回転同期周波数成分からなる擬似信
    号の形成手段は、適応デジタルフィルタと、回転センサ
    により検出された回転周波数に基づいて極値を前記適応
    デジタルフィルタに設定する伝達関数設定部とを備えた
    ことを特徴とする請求項1の磁気軸受装置。
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JP2000205259A (ja) * 1999-01-18 2000-07-25 Koyo Seiko Co Ltd 磁気浮上回転体の回転数検出装置
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JP6038997B2 (ja) * 2015-04-22 2016-12-07 株式会社日立製作所 振動特性測定装置および振動特性測定方法

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