JP3218118B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents
磁気軸受装置Info
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
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- Electromagnetism (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Description
【産業上の利用分野】本発明は、電磁力(磁気吸引力)
を用いて浮上体を電磁石により非接触で浮上支持する磁
気軸受装置にかかり、特に滑り状態(スライディングモ
ード)制御理論を用いた磁気軸受装置に関する。
を用いて浮上体を電磁石により非接触で浮上支持する磁
気軸受装置にかかり、特に滑り状態(スライディングモ
ード)制御理論を用いた磁気軸受装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、磁気軸受装置の制御には様々な方
法が採用されているが、代表的なアナログPID制御を
例に説明する。図6に示すように、磁性材料のターゲッ
トを備える浮上体4は、電磁石10の磁気吸引力により
浮上し非接触で支持される。浮上体4の浮上位置の制御
は、浮上体4の位置を変位センサ5で検出し、変位セン
サ5からの変位信号をPID位相補償回路13に入力し
て位相補償を行い、アナログ電力増幅器14で電流増幅
して、電磁石3の制御コイル11に制御電流として印加
し磁気吸引力を調整し、浮上体4の浮上位置の制御を行
なっている。
法が採用されているが、代表的なアナログPID制御を
例に説明する。図6に示すように、磁性材料のターゲッ
トを備える浮上体4は、電磁石10の磁気吸引力により
浮上し非接触で支持される。浮上体4の浮上位置の制御
は、浮上体4の位置を変位センサ5で検出し、変位セン
サ5からの変位信号をPID位相補償回路13に入力し
て位相補償を行い、アナログ電力増幅器14で電流増幅
して、電磁石3の制御コイル11に制御電流として印加
し磁気吸引力を調整し、浮上体4の浮上位置の制御を行
なっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、係る従
来のアナログPID制御を用いる装置では、浮上体(制
御対象)4と制御コイル11及びアナログ電力増幅器1
4の特性をあらかじめ考慮し、各種フィルタによって位
相及びゲインが補償されるように、位相補償回路13の
回路定数が定められている。このため、予定外の外乱ま
たは浮上体の特性変化に対しては、安定な浮上状態を維
持する制御が困難となる場合があった。
来のアナログPID制御を用いる装置では、浮上体(制
御対象)4と制御コイル11及びアナログ電力増幅器1
4の特性をあらかじめ考慮し、各種フィルタによって位
相及びゲインが補償されるように、位相補償回路13の
回路定数が定められている。このため、予定外の外乱ま
たは浮上体の特性変化に対しては、安定な浮上状態を維
持する制御が困難となる場合があった。
【0004】そこで、このような問題を解決するため
に、滑り状態制御理論(スライディングモード制御理
論)の利用が見直されており(例えば、日本機械学会論
文集54巻497号PP183〜188、Computrol No.13 PP72〜7
8)、この理論を応用した磁気軸受装置が考えられる。
滑り状態制御理論は、従来ハードウエア上の制約から実
用化は限られていたが、最近のエレクトロニクスの発達
により広く応用可能になりつつある。この制御方式は、
簡単なアルゴリズムで制御対象のパラメータ変動や外乱
に対して強く、非線形性にも強い制御系を構成できる特
徴をもっている。
に、滑り状態制御理論(スライディングモード制御理
論)の利用が見直されており(例えば、日本機械学会論
文集54巻497号PP183〜188、Computrol No.13 PP72〜7
8)、この理論を応用した磁気軸受装置が考えられる。
滑り状態制御理論は、従来ハードウエア上の制約から実
用化は限られていたが、最近のエレクトロニクスの発達
により広く応用可能になりつつある。この制御方式は、
簡単なアルゴリズムで制御対象のパラメータ変動や外乱
に対して強く、非線形性にも強い制御系を構成できる特
徴をもっている。
【0005】しかしながら、この滑り状態制御理論を磁
気軸受装置に単に適用した場合には、ベースとなる電流
I0 と滑り平面切り替え電流の+ΔIまたは−ΔIが加
算された電流を制御コイル11に流すことになる。その
結果、ベースとなる電流I0を制御コイル11に流し続
けることになるため、コイルが発熱したり、コイルの発
熱を抑えるためにコイルの巻き数を増加するとインダク
タンスが増大し制御性が悪くなるという問題が生じる。
気軸受装置に単に適用した場合には、ベースとなる電流
I0 と滑り平面切り替え電流の+ΔIまたは−ΔIが加
算された電流を制御コイル11に流すことになる。その
結果、ベースとなる電流I0を制御コイル11に流し続
けることになるため、コイルが発熱したり、コイルの発
熱を抑えるためにコイルの巻き数を増加するとインダク
タンスが増大し制御性が悪くなるという問題が生じる。
【0006】本発明は、係る従来技術の問題点に鑑み、
コイル及び電力増幅器の発熱を抑えその消費電力を減少
し、かつ制御性の向上した滑り状態制御理論に基づく磁
気軸受装置を提供する。
コイル及び電力増幅器の発熱を抑えその消費電力を減少
し、かつ制御性の向上した滑り状態制御理論に基づく磁
気軸受装置を提供する。
【0007】
【課題を解決するための手段】滑り状態制御理論に基づ
きバイアス電流相当の直流電流のみを流す第1のコイル
と、前記滑り状態制御理論における滑り平面を切り替え
るためのオンまたはオフの電流のみを流す第2のコイル
と、該第1のコイルと該第2のコイルとを同一制御軸上
に備えた電磁石と、前記第1のコイルに前記直流電流を
供給する直流電源装置と、前記滑り状態制御理論に基づ
く滑り状態制御量を演算する滑り状態制御装置と、該滑
り状態制御量を増幅し前記第2のコイルに前記滑り平面
を切り替えるためのオンまたはオフの電流を供給する電
力増幅器とを備えたことを特徴とする。
きバイアス電流相当の直流電流のみを流す第1のコイル
と、前記滑り状態制御理論における滑り平面を切り替え
るためのオンまたはオフの電流のみを流す第2のコイル
と、該第1のコイルと該第2のコイルとを同一制御軸上
に備えた電磁石と、前記第1のコイルに前記直流電流を
供給する直流電源装置と、前記滑り状態制御理論に基づ
く滑り状態制御量を演算する滑り状態制御装置と、該滑
り状態制御量を増幅し前記第2のコイルに前記滑り平面
を切り替えるためのオンまたはオフの電流を供給する電
力増幅器とを備えたことを特徴とする。
【0008】
【作用】第1のコイルには、バイアス電流相当の直流電
流のみを流すため、コイルの巻き数を増加し、直流電流
を小さくすることができる。従って消費電力が低減しコ
イルの発熱を抑えることができる。第2のコイルには、
滑り状態制御理論における滑り平面を切り替えるオンま
たはオフの電流のみを流すため、コイルの巻き数を減ら
しインダクタンスを低減し制御性を向上させることがで
きる。
流のみを流すため、コイルの巻き数を増加し、直流電流
を小さくすることができる。従って消費電力が低減しコ
イルの発熱を抑えることができる。第2のコイルには、
滑り状態制御理論における滑り平面を切り替えるオンま
たはオフの電流のみを流すため、コイルの巻き数を減ら
しインダクタンスを低減し制御性を向上させることがで
きる。
【0009】
【実施例】以下、添付図1乃至図5を参照しながら本発
明の実施例について説明する。
明の実施例について説明する。
【0010】図1は、本発明の第1の実施例の滑り状態
制御に基づく磁気軸受装置の説明図である。電磁石10
の磁極コア3には、コの字型の二つの磁極それぞれに第
1のコイル1及び第2のコイル2が巻回されている。磁
性材料のターゲットを備える浮上体4は、電磁石10の
コイル1,2に電流が供給されることによって生じる磁
気吸引力により浮上支持される。ここで第1のコイル1
は、浮上体4の重力とほぼつり合う磁気吸引力を発生す
る、バイアス電流相当の直流電流のみを流すものであ
り、直流電流を供給する直流電源装置8に接続されてい
る。
制御に基づく磁気軸受装置の説明図である。電磁石10
の磁極コア3には、コの字型の二つの磁極それぞれに第
1のコイル1及び第2のコイル2が巻回されている。磁
性材料のターゲットを備える浮上体4は、電磁石10の
コイル1,2に電流が供給されることによって生じる磁
気吸引力により浮上支持される。ここで第1のコイル1
は、浮上体4の重力とほぼつり合う磁気吸引力を発生す
る、バイアス電流相当の直流電流のみを流すものであ
り、直流電流を供給する直流電源装置8に接続されてい
る。
【0011】第2のコイル2は、電磁石10の磁気吸引
力を増減させ浮上体4の浮上位置を制御する滑り状態制
御理論における滑り平面を切り替えるオンまたはオフの
電流のみを流すものであり、オンまたはオフの電流を供
給するスイッチング増幅器である電力増幅器7に接続さ
れている。二つの第1のコイル1あるいは第2のコイル
2は、それぞれの電源に並列接続されているように図示
されているが、二つのコイルがそれぞれ直列に接続され
ても差し支えないことはもとよりである。
力を増減させ浮上体4の浮上位置を制御する滑り状態制
御理論における滑り平面を切り替えるオンまたはオフの
電流のみを流すものであり、オンまたはオフの電流を供
給するスイッチング増幅器である電力増幅器7に接続さ
れている。二つの第1のコイル1あるいは第2のコイル
2は、それぞれの電源に並列接続されているように図示
されているが、二つのコイルがそれぞれ直列に接続され
ても差し支えないことはもとよりである。
【0012】変位センサ5は、浮上体4の電磁石10の
磁極面に対する相対的な位置を検出するものであり、滑
り状態制御装置6は、変位センサ5の信号に基づいて滑
り状態制御理論を用いて滑り制御量を演算し、滑り平面
を切り替えるための信号を出力する制御装置である。電
力増幅器7は、滑り状態制御装置6で演算された滑り制
御量に基づいてオンまたはオフの電流をコイル2に供給
するスイッチング増幅器である。
磁極面に対する相対的な位置を検出するものであり、滑
り状態制御装置6は、変位センサ5の信号に基づいて滑
り状態制御理論を用いて滑り制御量を演算し、滑り平面
を切り替えるための信号を出力する制御装置である。電
力増幅器7は、滑り状態制御装置6で演算された滑り制
御量に基づいてオンまたはオフの電流をコイル2に供給
するスイッチング増幅器である。
【0013】係る構成の磁気軸受装置は概略以下のよう
に動作する。コイル1には直流電源8より浮上体4の重
力とほぼつり合う磁気吸引力を発生する直流電流I0 が
流れる。コイル1の巻き数N0 と電流I0 の積に比例し
た磁束Φ0 が電磁石10に発生し、この磁束Φ0 に比例
した浮上体4を浮上支持する磁気吸引力(電磁力)F0
が発生する。外乱等により浮上体の位置が変化した場合
には、変位センサ5により浮上位置の変化が検出され、
滑り状態制御装置6により滑り制御量が演算され、滑り
平面を切り替える電流の+ΔIまたは−ΔIの電流がス
イッチング増幅器である電力増幅器7からコイル2に印
加される。このような電磁石10の磁気吸引力を制御す
るオンまたはオフの電流を第2のコイルに印加すること
により、浮上体4を所定の浮上位置に制御する。
に動作する。コイル1には直流電源8より浮上体4の重
力とほぼつり合う磁気吸引力を発生する直流電流I0 が
流れる。コイル1の巻き数N0 と電流I0 の積に比例し
た磁束Φ0 が電磁石10に発生し、この磁束Φ0 に比例
した浮上体4を浮上支持する磁気吸引力(電磁力)F0
が発生する。外乱等により浮上体の位置が変化した場合
には、変位センサ5により浮上位置の変化が検出され、
滑り状態制御装置6により滑り制御量が演算され、滑り
平面を切り替える電流の+ΔIまたは−ΔIの電流がス
イッチング増幅器である電力増幅器7からコイル2に印
加される。このような電磁石10の磁気吸引力を制御す
るオンまたはオフの電流を第2のコイルに印加すること
により、浮上体4を所定の浮上位置に制御する。
【0014】ここでバイアス電流相当の直流電流のみを
流す第1のコイルは、浮上体4の重力とほぼつり合う磁
気吸引力F0 を発生すれば良いので、コイルの巻き数N
0 と電流I0 の積は起磁力N0 ×I0 となり、この起磁
力N0 ×I0 に等しいコイルの巻き数と電流の積を持つ
直流電磁石を設計すれば良い。一方、直流電磁石のコイ
ルの発熱は電流の二乗に比例するために、電流I0 を少
なくし、コイル1の巻き数N0 を多くすることで必要な
起磁力N0 ×I0 を確保すれば良い。このようにコイル
1の巻き数N0 を多くすることで、電流I0 を小さく
し、コイルの発熱及びコイル1及び直流電源8を含めた
消費電力を減少させることができる。
流す第1のコイルは、浮上体4の重力とほぼつり合う磁
気吸引力F0 を発生すれば良いので、コイルの巻き数N
0 と電流I0 の積は起磁力N0 ×I0 となり、この起磁
力N0 ×I0 に等しいコイルの巻き数と電流の積を持つ
直流電磁石を設計すれば良い。一方、直流電磁石のコイ
ルの発熱は電流の二乗に比例するために、電流I0 を少
なくし、コイル1の巻き数N0 を多くすることで必要な
起磁力N0 ×I0 を確保すれば良い。このようにコイル
1の巻き数N0 を多くすることで、電流I0 を小さく
し、コイルの発熱及びコイル1及び直流電源8を含めた
消費電力を減少させることができる。
【0015】一方コイル2は、巻き数N2 を減少させる
ことによって、コイルのインダクタンスLを減少させる
ことができる。コイル2のインダクタンスLが減少すれ
ば、印加するオン又はオフの滑り平面切り替えのための
信号の周波数を上げることができるため、制御性を向上
させることができる。また、コイル2には滑り平面切り
替えのための電流の+ΔIまたは−ΔIのいわば、パル
ス幅変調された電流が印加されるため、電力増幅器7は
スイッチング増幅器でよく、アナログ電力増幅器が不要
となり電力増幅器の損失が大幅に減少する。
ことによって、コイルのインダクタンスLを減少させる
ことができる。コイル2のインダクタンスLが減少すれ
ば、印加するオン又はオフの滑り平面切り替えのための
信号の周波数を上げることができるため、制御性を向上
させることができる。また、コイル2には滑り平面切り
替えのための電流の+ΔIまたは−ΔIのいわば、パル
ス幅変調された電流が印加されるため、電力増幅器7は
スイッチング増幅器でよく、アナログ電力増幅器が不要
となり電力増幅器の損失が大幅に減少する。
【0016】図2は、本発明の第2の実施例の滑り状態
制御に基づく磁気軸受装置を示し、コの字型の磁極コア
3の二つの磁極の一方に第1のコイル1を巻き、他方に
第2のコイル2を巻いたものである。第1のコイル1及
び第2のコイル2の動作は上述の第1の実施例と同様で
ある。
制御に基づく磁気軸受装置を示し、コの字型の磁極コア
3の二つの磁極の一方に第1のコイル1を巻き、他方に
第2のコイル2を巻いたものである。第1のコイル1及
び第2のコイル2の動作は上述の第1の実施例と同様で
ある。
【0017】図3は本発明の第3の実施例の滑り状態制
御に基づく磁気軸受装置の説明図である。本実施例にお
いては、コの字型の磁極コア3の基部に第1のコイル1
及び第2のコイル2を巻回したものである。ここで第1
のコイル1及び第2のコイル2の動作も上述の第1の実
施例と同様である。
御に基づく磁気軸受装置の説明図である。本実施例にお
いては、コの字型の磁極コア3の基部に第1のコイル1
及び第2のコイル2を巻回したものである。ここで第1
のコイル1及び第2のコイル2の動作も上述の第1の実
施例と同様である。
【0018】図4は、本発明の第4の実施例の滑り状態
制御に基づく磁気軸受装置の説明図である。これはラジ
アル磁気軸受等に用いるリング状の基部で接続された複
数の磁極を持つ電磁石に適用した場合を示す。本実施例
においても、コイル1及びコイル2の動作は上述の第1
の実施例に説明したものと同様である。なお、本実施例
においては、浮上体4がリング状の磁極コア3の内側に
あるが、アウターロータのように浮上体4が制御磁極の
外側にある場合も適用可能であることは言うまでもな
い。
制御に基づく磁気軸受装置の説明図である。これはラジ
アル磁気軸受等に用いるリング状の基部で接続された複
数の磁極を持つ電磁石に適用した場合を示す。本実施例
においても、コイル1及びコイル2の動作は上述の第1
の実施例に説明したものと同様である。なお、本実施例
においては、浮上体4がリング状の磁極コア3の内側に
あるが、アウターロータのように浮上体4が制御磁極の
外側にある場合も適用可能であることは言うまでもな
い。
【0019】図5は、本発明の第5の実施例の滑り状態
制御に基づく磁気軸受装置の説明図である。同一制御軸
上に第1のコイル1及び第2のコイル2を備えた第1の
電磁石16と第2の電磁石17とを有する。ここでバイ
アス電流相当の直流電流のみを流す第1のコイル1及び
直流電源供給装置8の役割は浮上体4に対して定常的な
ラジアル方向のバイアス力を与えるものである。滑り状
態制御装置6の演算した制御量の符号によって第1の電
磁石16と第2の電磁石17のそれぞれの第2のコイル
2に流す電流を切り替えることにより、滑り状態制御理
論の滑り平面を切り替える電力増幅器18を備えてい
る。ここでは、第1の電磁石16のコイル2に+ΔIの
電流が流れるときには、第2の電磁石17のコイル2に
は−ΔIの電流が相補的に流れる。
制御に基づく磁気軸受装置の説明図である。同一制御軸
上に第1のコイル1及び第2のコイル2を備えた第1の
電磁石16と第2の電磁石17とを有する。ここでバイ
アス電流相当の直流電流のみを流す第1のコイル1及び
直流電源供給装置8の役割は浮上体4に対して定常的な
ラジアル方向のバイアス力を与えるものである。滑り状
態制御装置6の演算した制御量の符号によって第1の電
磁石16と第2の電磁石17のそれぞれの第2のコイル
2に流す電流を切り替えることにより、滑り状態制御理
論の滑り平面を切り替える電力増幅器18を備えてい
る。ここでは、第1の電磁石16のコイル2に+ΔIの
電流が流れるときには、第2の電磁石17のコイル2に
は−ΔIの電流が相補的に流れる。
【0020】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明は磁気軸
受装置の電磁石を滑り状態制御理論を用いて制御し、バ
イアス電流相当の直流電流のみを流す第1のコイルと、
滑り平面を切り替えるオンまたはオフの電流のみを流す
第2のコイルとに分けて電磁石を構成したものである。
従って、バイアス電流相当の直流電流のみを流す第1の
コイルは、巻き数を大きく取ることができ、電流を小さ
くすることができる。一方、滑り平面の切り替えの電流
を印加する第2のコイル2は、巻き数を少なくすること
が可能となり、コイル2のインダクタンスLを低減し制
御周波数を高くすることができる。それゆえ、低消費電
力で制御性の優れた滑り状態制御理論に基づく磁気軸受
装置が実現される。
受装置の電磁石を滑り状態制御理論を用いて制御し、バ
イアス電流相当の直流電流のみを流す第1のコイルと、
滑り平面を切り替えるオンまたはオフの電流のみを流す
第2のコイルとに分けて電磁石を構成したものである。
従って、バイアス電流相当の直流電流のみを流す第1の
コイルは、巻き数を大きく取ることができ、電流を小さ
くすることができる。一方、滑り平面の切り替えの電流
を印加する第2のコイル2は、巻き数を少なくすること
が可能となり、コイル2のインダクタンスLを低減し制
御周波数を高くすることができる。それゆえ、低消費電
力で制御性の優れた滑り状態制御理論に基づく磁気軸受
装置が実現される。
【図1】本発明の第1の実施例の滑り状態制御に基づく
磁気軸受装置の説明図。
磁気軸受装置の説明図。
【図2】本発明の第2の実施例の滑り状態制御に基づく
磁気軸受装置の説明図。
磁気軸受装置の説明図。
【図3】本発明の第3の実施例の滑り状態制御に基づく
磁気軸受装置の説明図。
磁気軸受装置の説明図。
【図4】本発明の第4の実施例の滑り状態制御に基づく
磁気軸受装置の説明図。
磁気軸受装置の説明図。
【図5】本発明の第5の実施例の滑り状態制御に基づく
磁気軸受装置の説明図。
磁気軸受装置の説明図。
【図6】従来の磁気軸受装置の説明図。
1 第1のコイル 2 第2のコイル 3 磁極コア 4 浮上体 5 変位センサ 6 滑り状態制御装置 7,18 電力増幅器 8 直流電源装置 10,16,17 電磁石
Claims (3)
- 【請求項1】 滑り状態制御理論に基づきバイアス電流
相当の直流電流のみを流す第1のコイルと、前記滑り状
態制御理論における滑り平面を切り替えるためのオンま
たはオフの電流のみを流す第2のコイルと、該第1のコ
イルと該第2のコイルとを同一制御軸上に備えた電磁石
と、前記第1のコイルに前記直流電流を供給する直流電
源装置と、前記滑り状態制御理論に基づく滑り状態制御
量を演算する滑り状態制御装置と、該滑り状態制御量を
増幅し前記第2のコイルに前記滑り平面を切り替えるた
めのオンまたはオフの電流を供給する電力増幅器とを備
えたことを特徴とする磁気軸受装置。 - 【請求項2】 滑り状態制御理論に基づき浮上体の重力
とほぼつり合う磁気吸引力を発生する直流電流のみを流
す第1のコイルと、前記滑り状態制御理論における滑り
平面を切り替えるためのオンまたはオフの電流のみを流
す第2のコイルと、該第1のコイルと該第2のコイルと
を同一磁気回路の磁極に巻いた電磁石と、前記第1のコ
イルにベースとなる直流電流を供給する直流電源装置
と、前記滑り状態制御理論に基づく滑り状態制御量を演
算する滑り状態制御装置と、該滑り状態制御量を増幅し
前記第2のコイルに前記滑り平面を切り替えるためのオ
ンまたはオフの電流を供給する電力増幅器とを備えたこ
とを特徴とする磁気軸受装置。 - 【請求項3】 同一制御軸上に前記第1のコイル及び第
2のコイルを備えた第1の電磁石と第2の電磁石とを有
し、前記滑り状態制御装置の演算した制御量の符号によ
って、前記第1の電磁石と第2の電磁石の第2のコイル
に流す電流を切り替えることにより前記滑り平面を切り
替える電力増幅器を備えたことを特徴とする請求項1に
記載の磁気軸受装置。 【0001】
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP08667793A JP3218118B2 (ja) | 1993-03-22 | 1993-03-22 | 磁気軸受装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP08667793A JP3218118B2 (ja) | 1993-03-22 | 1993-03-22 | 磁気軸受装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06280873A JPH06280873A (ja) | 1994-10-07 |
JP3218118B2 true JP3218118B2 (ja) | 2001-10-15 |
Family
ID=13893659
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP08667793A Expired - Fee Related JP3218118B2 (ja) | 1993-03-22 | 1993-03-22 | 磁気軸受装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
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