JP3301619B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転軸及びロータを含
む回転体とステータとを有する回転機械の前記回転軸を
磁気的に支承し、永久磁石を備えてステータに対するロ
ータの軸方向位置を一定に保持するための受動形磁気軸
受と、回転軸の半径方向位置を検出する変位センサと、
電磁石を備えて変位センサの出力に基づいて半径方向に
回転軸を制御する能動形磁気軸受と、該能動形磁気軸受
に供給する電流の制御を行う制御装置とを含む磁気軸受
装置であって、所謂「２軸制御」タイプの磁気軸受装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から種々のタイプの磁気軸受装置が
提案されている。そして、２軸制御タイプのものは、回
転体とステータとの軸方向相対位置を永久磁石で構成さ
れた受動形磁気軸受で保持し、半径方向（或いは水平面
のＸ−Ｙ方向）の位置制御を電磁石から成る能動形磁気
軸受で行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし２軸制御タイプ
の磁気軸受装置においては、従来、振れ回りの抑制が困
難であるという問題があった。

【０００４】図１０を参照してその問題を説明すると、
図示しないロータと一体化されている回転軸１は能動形
磁気軸受２、２により半径方向位置を制御されている。
ここで、従来の２軸制御タイプのものでは、能動形磁気
軸受２、２の作用中心と回転体の重心Ｇとが一致してい
るので、何等かの不安定力が作用した場合に、回転軸１
の重心Ｇ近傍の半径方向位置は変化しないが、その両端
部は重心Ｇを中心に矢印ＳＲで示すように回動して、振
れ回り運動が生じてしまう。従って、能動形磁気軸受
２、２で磁気的な吸引力を発生しても、振れ回り運動の
回動中心に作用することとなり、振れ回りを減衰、抑制
することが出来ない。

【０００５】これに対して能動形磁気軸受やその他のア
クチュエータを軸方向の異なる位置に複数設ければ振れ
回り運動の抑制や減衰が可能である。しかし、アクチュ
エータの個数を増加すれば部品点数が増加し、構造が複
雑となるので、製造コストや保守コストも増加し、さら
に消費電力が増加するので省エネルギという要請にも反
することになる。そのため、アクチュエータの個数を増
加させることは許されない。

【０００６】本発明は、この様な従来技術の問題点に鑑
みて提案されたもので、アクチュエータの個数を増加さ
せること無く、回転軸の振れ回りを効果的に減衰させる
ことが出来る磁気軸受装置の提供を目的とするものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、垂直方
向に延びる回転軸（１６）及びロータ（１２）を含む回
転体とステータ（１４）とを有する回転機械（１０）の
前記回転軸（１６）を磁気的に支承し、永久磁石（３
２）を備えてステータ（１４）に対するロータ（１２）
の軸方向位置を一定に保持するための受動形磁気軸受
（２０）と、回転軸（１６）の半径方向位置を検出する
変位センサ（２４、２６）と、電磁石（２０）を備えて
変位センサ（２４、２６）の出力に基づいて半径方向に
回転軸を制御する１つのみの能動形ラジアル磁気軸受
（２２）と、該能動形ラジアル磁気軸受（２２）に供給
する電流の制御を行う制御装置（４０）とを含む磁気軸
受装置において、該１つの能動形ラジアル磁気軸受（２
２）の作用中心（９）と前記回転体の重心（Ｇ）とが軸
方向に偏寄量（ｅ）だけ偏寄しており、前記変位センサ
（２４、２６）は軸方向の異なる位置に少なくとも２つ
設けられており、前記制御装置（４０）は、変位センサ
（２４、２６）からの傾きに関する出力信号を演算処理
する傾き信号演算回路（５８）と、該傾き信号演算回路
（５８）からの出力信号の位相を遅らせる位相遅れ回路
（６２）と、ラジアル信号演算回路（５２、５４、５
６）及び位相遅れ回路（６２）の出力信号が入力され且
つ信号の位相を進める位相進み回路（４４）と、該異相
進み回路（４３）からの出力の電流増幅器（４８）とを
含み、前記回転軸（１６）の半径方向変位及び振れ回り
を効果的に減衰するように、能動形ラジアル磁気軸受
（２２）へ供給される電流を制御する様に構成されてい
る。

【０００８】また、本発明の磁気軸受装置によれば、前
記制御装置は、変位センサからの傾きに関する出力信号
を演算処理する傾き信号演算回路と、該傾き信号演算回
路からの出力信号の位相を遅らせる位相遅れ回路と、ラ
ジアル信号演算回路及び位相遅れ回路の出力信号が入力
され且つ信号の位相を進める位相進み回路と、電流増幅
器とを含んでいる。

【０００９】ここで前記受動形磁気軸受としては、永久
磁石と磁性材料とを積層したタイプのものが好ましい
が、一般的な永久磁石を用いた受動形磁気軸受であれ
ば、全て適用可能である。

【００１０】本発明の実施に際して、前記位相遅れ回路
及び位相進み回路は周知の構成の回路を適用可能であ
る。

【００１１】

【作用】上記のように構成された本発明の磁気軸受装置
では、能動形磁気軸受の磁気的な吸引力を適宜制御する
に際して、制御装置の作用により、能動形磁気軸受に供
給される電流の位相が好適に制御され、半径方向変位及
び振れ回りに対する減衰特性が良好となる。

【００１２】そして本発明によれば、前記位相遅れ回路
及び位相進み回路を制御装置内へ組み込むことにより、
位相平面における特性根の配置を最も減衰の良好な位置
に近接することが出来る。すなわち、位相遅れ回路のゲ
インを調整することにより、特性根の配置を減衰が良好
な領域に治め、そして、ゲイン調整の如何によっては、
位相平面上で左斜４５度線上に特性根が並ぶという理想
的な配置が達成できるのである。

【００１３】これに加えて本発明によれば、前記回転体
の重心と能動形磁気軸受の作用中心とが軸方向に偏寄し
ているので、振れ回り運動が発生したとしても能動形磁
気軸受の磁気的な吸引力が作用するのは重心ではないた
め、該磁気的な吸引力を適宜制御することにより、振れ
回り運動を減衰、抑制することが可能である。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【００１５】図１は本発明の磁気軸受装置を適用した回
転機械を示している。全体を符号１０で示す回転機械
は、ロータ１２、ステータ１４、ロータ１２と一体に構
成された垂直方向に延びる回転軸１６を含んでいる。そ
してステータ１４の内側には、回転軸１６及びロータ１
２を回転するためのモータ１８と、回転軸１６の半径方
向位置を制御するための電磁石２０を含む能動形磁気軸
受２２と、軸方向の異なる位置に設けた上下の変位セン
サ２４、２６と、回転検出器２８とが設けられている。

【００１６】ステータ１４の外周面とロータ１２の内周
面には、受動形磁気軸受３０が形成されている。図１で
明確に示されている様に、受動形磁気軸受３０のステー
タ１４側には永久磁石３２と磁性材料３４とを複数積層
したユニットが形成され、一方、ロータ１２側には磁性
材料から成るユニットが形成されている。但し、受動形
磁気軸受３０の構成はこれに限定されるものではなく、
その他の構成のものであっても勿論適用可能である。

【００１７】回転軸１６の上端部及び下端部には、それ
ぞれ非常用玉軸受３６、３８が設けられている。なお、
ロータ１２及び回転軸１６から成る回転体１３の重心
は、符号Ｇで示され、能動形磁気軸受２２の作用中心は
符号Ｃで示されており、重心Ｇと作用中心Ｃは軸方向に
寸法ｅだけ偏寄している。

【００１８】能動形磁気軸受２２の電磁石２０には、図
示しない制御装置を介して電流が供給される。この制御
装置の構成は、例えば図２に示す様になっている。

【００１９】図２において、この制御装置は全体を符号
４０で示してあり、変位センサ２４、２６の出力が入力
されるラジアル信号演算回路４２、該回路４２からの出
力が入力される位相進み回路４４、該回路４４からの出
力を増幅して電磁石２０のコイル４６へ供給する増幅器
４８を含んでいる。

【００２０】次に図３、４をも参照して、図２に示す制
御装置４０を用いた実施例の作用を説明する。

【００２１】まず変位センサ２４、２６からの出力がラ
ジアル信号演算回路４２に入力される（図４のステップ
Ｓ１）。

【００２２】ここで、変位センサ２４、２６は軸方向
（図３の符号Ｖ方向）に離隔して配置されており、その
離隔寸法は一定である。回転軸１６が一点鎖線で示す状
態１６Ａの様に傾いた場合には、それぞれの変位センサ
２４、２６から回転軸１６までの距離が異なるため、そ
の出力も相違する。従って、変位センサ２４、２６の偏
寄量ｅ（図１）を考慮して、変位センサ２４、２６の出
力の差から回転軸１６の傾き角度φ（図３）を演算する
ことが出来る。そしてラジアル信号演算回路４２におい
てはこの様な処理が為されるのである（ステップＳ
２）。

【００２３】回転軸１６の傾き角度φを演算したなら
ば、それをゼロとするべく電磁石２０において好適な磁
気的吸引力を発生せしめる必要がある。図３を参照すれ
ば明らかな様に、電磁石２０の磁気的吸引力の作用中心
と重心Ｇとは軸方向Ｖについて偏寄している。換言すれ
ば、電磁石２０の磁気的吸引力は振れ回り運動の回動中
心ではない箇所に作用する。従って、電磁石２０へ供給
される電流の位相を適宜制御すれば振れ回り運動が減衰
されるのである。

【００２４】ステップＳ３において、位相進み回路４４
はその様な電流の好適な位相を実現する作用を奏してい
るのである。そして、位相進み回路４４で位相を調整さ
れた電流は、電磁石２０のコイル４６へ供給され、回転
軸１６の振れ回りを減衰、抑制する。

【００２５】図５はこの実施例の特性を示すものであ
る。制御軸変位信号は略“０”を示しており、ラジアル
運動（半径方向運動）の制御が良好に行われていること
がわかる。また、傾き運動の制御は比較的緩やかであ
る。振れ回りの抑制は、あまり期待出来ない。

【００２６】図６は図２で示す制御装置４０とは別の構
成を有する制御装置５０を示している。この構成につい
て図７をも参照しつつ以下に説明する。但し、図２に示
すのと同一の部材には同一の符号を付けて図示或いは説
明してある。

【００２７】先ず、変位センサ２４、２６から半径方向
変位量を示す信号が出力される（ステップＳ１０）。こ
の信号はラインＬ１、Ｌ２及び定数回路５２、５４を経
て、加算回路５６を通過する。なお、定数回路５２、５
４及び加算回路５６により、ラジアル信号演算回路が構
成されている。

【００２８】これにより、変位センサ２４、２６からの
出力は、半径方向変位量の差異を示す信号に変換される
（ステップＳ１１）。そして該変換された信号は、位相
進み回路４４に入力される（ステップＳ１２）。

【００２９】一方、変位センサ２４、２６からの出力の
一部は分岐して、ラインＬ３、Ｌ４を介して傾き信号演
算回路５８、定数回路６０を通過することにより、回転
軸１６の傾きを示す信号に変換される（ステップＳ１
３）。

【００３０】半径方向変位量の差異を示す信号及び傾き
を示す信号は、位相進み回路４４において合成される。
そして、電磁石２０（図１）へ供給される電流の位相
を、該電磁石の磁気的吸引力により回転軸１６の振れ回
り運動が効果的に減衰するような位相に調節するのであ
る（ステップＳ１５）。

【００３１】位相進み回路４４で位相が調節された信号
は、増幅器４８を介して、供給電流として電磁石２０へ
送られる（ステップＳ１６）。

【００３２】制御装置５０を設けることにより、位相平
面上における特性根の配置は図８の様になる。ここで、
特性根の配置が左斜４５度線Ｌ４５−１、Ｌ４５−２に
挟まれた領域にあれば振れ回りは減衰し、特性根が左斜
４５度線Ｌ４５−１、Ｌ４５−２上にあるときに減衰特
性が最も良好となる。

【００３３】図８から明らかな様に、制御装置５０を設
けた場合の特性根は左斜４５度線Ｌ４５−１、Ｌ４５−
２に挟まれた領域内に存在し、且つ該左斜４５度線に非
常に近接した位置にあるため、極めて減衰特性が良好で
ある。この事は、図９で示す減衰特性からも明らかであ
る。図９から明らかなように、振れ回りによる半径方向
変位量は速やかに減衰して、ゼロとなる。

【００３４】

【発明の効果】以上の通り本発明によれば、下記のすぐ
れた効果を奏する。 （ａ） 傾き信号演算回路からの信号を位相遅れされ、
ラジアル信号演算回路と位相遅れ回路からの出力信号の
位相を進めるようにしたので、図９に示すように好適な
減衰特性が得られ、１つのみの能動形ラジアル磁気軸受
を用いて細長い回転体の変位を充分に制御できる。 （ｂ） １つのみの能動形ラジアル磁気軸受の作用点を
重心からずらし、静的な傾き支持力は受動形磁気軸受で
発生させ、動的な支持力は能動形磁気軸受で発生させる
ので、能動形ラジアル磁気軸受は１つなのに４つの運
動、すなわち２つのラジアルＸＹ軸方向の並進運動、２
つのＸＹ軸回りの傾き運動の自由度を能動制御すること
ができる。 （ｃ） 従来は複数のラジアル磁気軸受を必要とした
が、本発明では１つのみなので、制御装置がＸ．Ｙ方向
を制御すればよく、制御装置が簡単化できる。

【００３５】そして少なくとも２つの変位センサを用
い、回転体に振れ回り運動や不安定力に起因する半径方
向変位が生ずると、それによる半径方向変位量を上下の
センサで検出し、該センサの出力に基づいて能動形磁気
軸受に供給する電流の位相を制御する。そして能動形磁
気軸受の磁気的な吸引力により半径方向変位及び振れ回
りが減衰できる。従って、アクチュエータ数を増加する
ことなく、半径方向変位及び振れ回りの減衰、抑制が自
動的に行われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した回転機械を示す断面正面図。

【図２】本発明の第１実施例で用いられる制御装置のブ
ロック図。

【図３】第１実施例の作用を簡略化して示す正面図。

【図４】図２の制御装置のフローチャートを示す図。

【図５】第１実施例の作用を示す特性図。

【図６】本発明の第２実施例で用いられる制御装置のブ
ロック図。

【図７】図６の制御装置のフローチャートを示す図。

【図８】第２実施例における特性根の位相平面上の配置
を示す図。

【図９】第２実施例の作用を示す特性図。

【図１０】従来技術を簡略化して示す正面図。

【符号の説明】

１０…回転機械 １２・・・ロータ １３・・・回転体 １４・・・ステータ １６・・・回転軸 ２０・・・電磁石 ２２・・・能動形磁気軸受 ２４、２６・・・変位センサ ３０・・・受動形磁気軸受 ４０、５０・・・制御装置 ４２・・・ラジアル信号演算回路 ４４・・・位相進み回路 ６２・・・位相遅れ回路

フロントページの続き (72)発明者 篠崎 弘行 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株式会社荏原総合研究所内 (72)発明者 白尾 祐司 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株式会社荏原総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭55−65719（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16C 32/00 - 32/06

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 垂直方向に延びる回転軸（１６）及びロ
   ータ（１２）を含む回転体とステータ（１４）とを有す
   る回転機械（１０）の前記回転軸（１６）を磁気的に支
   承し、永久磁石（３２）を備えてステータ（１４）に対
   するロータ（１２）の軸方向位置を一定に保持するため
   の受動形磁気軸受（２０）と、回転軸（１６）の半径方
   向位置を検出する変位センサ（２４、２６）と、電磁石
   （２０）を備えて変位センサ（２４、２６）の出力に基
   づいて半径方向に回転軸を制御する１つのみの能動形ラ
   ジアル磁気軸受（２２）と、該能動形ラジアル磁気軸受
   （２２）に供給する電流の制御を行う制御装置（４０）
   とを含む磁気軸受装置において、該１つの能動形ラジア
   ル磁気軸受（２２）の作用中心（９）と前記回転体の重
   心（Ｇ）とが軸方向に偏寄量（ｅ）だけ偏寄しており、
   前記変位センサ（２４、２６）は軸方向の異なる位置に
   少なくとも２つ設けられており、前記制御装置（４０）
   は、変位センサ（２４、２６）からの傾きに関する出力
   信号を演算処理する傾き信号演算回路（５８）と、該傾
   き信号演算回路（５８）からの出力信号の位相を遅らせ
   る位相遅れ回路（６２）と、ラジアル信号演算回路（５
   ２、５４、５６）及び位相遅れ回路（６２）の出力信号
   が入力され且つ信号の位相を進める位相進み回路（４
   ３）と、該異相進み回路（４３）からの出力の電流増幅
   器（４８）とを含み、前記回転軸（１６）の半径方向変
   位及び振れ回りを効果的に減衰するように、能動形ラジ
   アル磁気軸受（２２）へ供給される電流を制御する様に
   構成されている事を特徴とする磁気軸受装置。