JP3418997B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents
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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
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
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- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
- F16C32/0451—Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F16C32/0474—Active magnetic bearings for rotary movement
- F16C32/0487—Active magnetic bearings for rotary movement with active support of four degrees of freedom
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- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B11/00—Automatic controllers
- G05B11/01—Automatic controllers electric
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は磁気軸受装置に関するも
のである。 【０００２】 【従来の技術】磁気軸受は磁気力により回転帯を全く非
接触で空中支持するため、潤滑の問題がないこと、真空
中などの特殊な環境で使えること、軸受損失が少ないこ
と、騒音が小さいこと、メンテナンスフリーであること
などの特長がある。その特長を生かして磁気軸受は高速
加工機や真空ポンプに応用されている。 【０００３】以下に従来の磁気軸受について説明する。
図２は磁気軸受装置の横断面図である。図２において、
１１は磁気軸受装置の外側のシェルで記載されない他の
機器に取り付けられている。シェル１１の内部にはモー
タステータ１２，電磁石１３，１４，位置検出用変位セ
ンサー１５，１６が設置されており、センサー１５，１
６で回転軸２０の位置を検出し、図３に記載するような
制御部のフィードバック制御で電磁石１３，１４の磁気
吸引力を変化させ軸２０を常に同じ位置で空中支持させ
るようになっている。 【０００４】一方、回転軸２０には電磁石１３に対向す
る位置に積層ケイ素鋼板で構成された電磁吸引部１８が
はめられており、電磁吸引部１８で軸のラジアル方向位
置を、鋼で作られた電磁吸引部１９でスラスト方向位置
を保つようになっている。 【０００５】図３はラジアル方向に関する従来の制御ブ
ロック図を概念的に示したもので、設定空隙Ｄ2に変位
センサー１５で検出された空隙量Ｄが一致するよう制御
している。図３は、両端部の電磁石をそれぞれ独立し
て制御する様子を示しており、スラスト方向の電磁石
は、説明には不要なので省いてある。図中の２１は一般
的なＰ．Ｉ．Ｄ．調節計、２２は制御電流ゲインであ
る。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな独立した電磁石制御では、磁気吸引力の相互干渉が
発生し、安定した空中支持はなかなか得られなかった。
以下に磁気吸引力の相互干渉について説明する。図４に
座標系を定義する。なお、簡単のため重力は無視するこ
ととする。このとき、磁気軸受装置の回転軸の運動方程
式は次式のようになる。 【０００７】 【数１】 【０００８】ここで、 ｍ：回転軸の質量 Ｆn：各電磁石の吸引力（ｎ＝１〜８） Ｊr：Ｚ軸まわりの慣性モーメント Ｊa：Ｘ，Ｙ軸まわりの慣性モーメント ω：回転体の定角速度 （外１）：重心〜前部電磁石の距離 （外２）：重心〜後部電磁石の距離 【０００９】 【外１】 【００１０】 【外２】 【００１１】さらに、各電磁石の吸引力Ｆnは次のよう
に表される。 【００１２】 【数２】 【００１３】ここでＩ1，Ｄ1の変動分ｉ，ｄは平衡状態
での値Ｉ2，Ｄ2に比べて微小であるとしｉ／Ｉ2，ｄ／
Ｄ2の二次以上の項を無視すると、電磁石の吸引力はＦn
は(数３）のように展開できる。 【００１４】 【数３】 【００１５】回転体前部の４つの電磁石特性Ｋおよび設
定空隙Ｄ1が同じであり、後部 ４つの電磁石特性Ｋおよ
び設定空隙Ｄ1が同じであるとするとき、電磁石に 関す
る各変数（Ｉn，Ｄn，Ｆn，Ｋn，ＫIn，ＫDn）を変数φ
nで代表させると、φf＝φ1〜φ4，φr＝φ5〜φ8が成
り立つ。ここで添字ｆは前部を、添字ｒは後部を意味す
る。さらに 、制御電流ｉは対向する２つの電磁石（例
えば図４のＭ２とＭ４）に対して正負を逆転させて同じ
大きさだけ流すものとすると、ｉ4＝−ｉ2等の関係が成
り立ち、回転体の運動方程式は（数４）（数５）のよう
に簡略化できる。 【００１６】 【数４】 【００１７】 【数５】 【００１８】回転軸の並進運動を表す（数４）におい
て、Ｘ方向の方程式には左辺第３項に回転成分θyが、
Ｙ方向の方程式にはθxが含まれている。また、回転運
動を表す（数５）において、θx方向の方程式の左辺第
２項にθy成分（ジャイロ作用）と左辺第４項に並進成
分ｙが含まれている。回転体が細長い場合、慣性モーメ
ントＪaは小さく、回転数ωが低いときジャイロ効果の
影響は無視でき、干渉は並進成分ｙだけとなる。同様に
θy方程式にはｘ項が含まれているため、並進運動と回
転運動の全ての方程式間に相互干渉が生じている。 【００１９】図３のような両端部の電磁石をそれぞれ独
立して制御する方法ではなく、本方式のように前後の電
磁石と回転軸の空隙量から回転軸の姿勢を並進成分と回
転成分に分離し、前後４つの電磁石を系として制御する
方法においては、（数４）（数５）の右辺に見られる制
御電流ｉは並進運動の制御電流ｉHと回転運動ｉ Kとの
和で構成される。並進運動方程式を満たすように重心の
変位偏差を０ にしようとするとき、制御操作量に相当
する（数４）の右辺の電流値ｉnを 変化させると（数
５）の右辺のＣの値も変化するので重心回りの振れ角が
変化してしまう。同様に、回転の運動方程式を満たすよ
うに重心回りの振れ角を０にしようとするとき、制御操
作量に相当する（数５）の右辺の電流値ｉnを変化 させ
ると（数４）の右辺のＢの値が変化し並進方向の位置が
変化してしまうという前述の電磁石の特性ＫDとバイア
ス電流Ｉ1による相互干渉とは別の相互干渉が生じると
いう問題点を有していた。また一般に、このような多入
力多出力系を精度良く制御するためには、現代制御理論
に基づく手法を駆使すれば良いことは周知であるが、現
代制御理論による手法はパラメータの決定や計算が煩雑
で実用的でないという問題点が有している。 【００２０】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
であって、バイアス電流値Ｉ2 や前後電磁石の制御電流
ゲインの比を適切に定めることによって、回転軸の並進
運動と回転運動の相互干渉をなくすことのできる磁気軸
受装置を提供することを目的とする。 【００２１】 【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の磁気軸受装置は、回転軸の変位を検出して回
転軸両端部（回転軸前後）に設けた電磁石により回転軸
の並進運動と回転運動を制御し回転軸を空中支持する磁
気軸受装置において、回転軸前部の電磁石へ供給する励
磁電流Ｉ f1 がバイアス電流Ｉ f2 と並進運動の制御電流ｉ
Hf と回転運動の制御電流ｉ Kf との和で表され、回転軸後
部の電磁石へ供給する励磁電流Ｉ r1 がバイアス電流Ｉ r2
と並進運動の制御電流ｉ Hr と回転運動の制御電流ｉ Kr と
の和で表され、 Ｋ f ：回転軸前部の電磁石の特性を表わす値 ｌ f ：回転軸の重心から回転軸前部の電磁石までの距離 Ｋ r ：回転軸後部の電磁石の特性を表わす値 ｌ r ：回転軸の重心から回転軸後部の電磁石までの距離 Ｄ r ：回転軸後部の電磁石と回転軸との間の空隙の大き
さ Ｄ f ：回転軸前部の電磁石と回転軸との間の空隙の大き
さ としたとき、バイアス電流がＩ f2 2 ｌ f ＝Ｉ r2 2 Ｋ r ｌ r 、
並進運動の制御電流ゲイン比がｉ Hf ／ｉ Hr ＝Ｋ Ir ｌ r Ｋ
If ｌ f 、回転運動の制御電流ゲイン比がｉ Kf ／ｉ Kr ＝Ｋ
Ir ／Ｋ If 、Ｋ Ir ＝２Ｋ r Ｉ r1 ／Ｄ r 2 、Ｋ If ＝２Ｋ f Ｉ f1
／Ｄ f 2 の各条件を満たすように設定され、構成されたこ
とを特徴とする。 【００２２】 【作用】上記の構成によって前述の相互干渉を避ける過
程を説明する。ここで、（数４）（数５）から並進運動
ｘと回転運動θy間の干渉と並進運動ｙと回転運動 θx
間の干渉は同等であるので、以下では簡単のためＹとθ
x間の干渉のみについて説明することとする。ここで
Ｙ，θxの２自由度系の座標系を図 ５に、運動方程式を
（数６）（数７）に再度記載する。 【００２３】 【数６】 【００２４】 【数７】 【００２５】回転運動が並進運動に影響を及ぼさないよ
うにするためには、並進運動方程式（数６）に含まれる
回転成分θxの係数Ａ2を０にすればよい。したがって、
ＫDf（外１）＝ＫDr（外２）が非干渉化の条件となる
が、（数３）よりＫDはバイアス電流Ｉ2によって決定さ
れる。同様に、並進運動が回転運動に及ぼす影響をなく
すためには、（数４）の左辺第４項のｙの係数Ａ4 を０
にすればよい。ここで、前記Ａ2＝０の条件とＡ4＝０の
条件は同時に満たされることがわかる。したがって、並
進運動と回転運動の非干渉化のための条件の１つは前部
電磁石のバイアス電流Ｉf2と後部電磁石のバイアス電流
Ｉr2がＩf2 2Ｋf（外１）＝Ｉr2 2Ｋr（外２）の条件を満
たすことである。 【００２６】次に重心の並進運動を制御するために変化
させる（数６）の右辺の制御操作量と重心回りの回転運
動を制御するために変化させる（数７）の右辺の制御操
作量が互いに影響を及ぼし合うことを防ぐための施策に
ついて述べる。（数６）（数７）において、回転軸前部
の制御電流ｉfは並進運動の制御電流ｉHfと 回転運動の
制御電流iKfとの和で表され、回転軸後部の制御電流ｉr
は並進運動の制御電流ｉHrと回転運動の制御電流ｉKrと
の和で表される。 【００２７】まず、並進運動の制御電流ｉHf，ｉHrが回
転運動に対して干渉しないためには、（数６）の右辺値
Ｂyが変化しても（数７）の右辺値Ｃxが変化しないよう
な電流ゲインにしなければならない。すなわちＣxを満
たすよ うな制御電流を流せばよく、前部電磁石に流す
制御電流値ｉHfと後部電磁石に流す制御電流値ｉHrの比
ｉHf／ｉHr＝ＫIr（外２）ＫIf（外１）になるように並
進運動の制御電流ゲイン比を設定する。同様に、回転運
動の制御電流ｉkが並進運動に対して干渉しないために
は（数６）の右辺値 Ｂy＝０すなわちｉKf／ＩKr＝ＫIr
／ＫIfを満たすように 回転運動の制御電流ゲイン比を
設定する。 【００２８】以上に述べたようなバイアス電流値および
制御電流のゲイン比の設定によって、重心の変位偏差の
補正のために並進運動の方程式の各項の値が変化して
も、回転運動の方程式内にある並進成分の係数および右
辺値Ｃは０となり、方程式が満たされなくなることな
い。同様に、重心の回りの振れ角の補正のために回転運
動の方程式の各項の値が変化しても、並進運動の方程式
内にある回転成分の係数および右辺値Ｂは０となり、ジ
ャイロ効果の項を除いて完全に並進の各方程式と回転の
各方程式とが独立に扱えるようになる。これによって、
並進運動と回転運動の相互干渉をなくし、精度よい制御
が可能となる。 【００２９】 【実施例】以下本発明の一実施例について、図１を参照
しながら説明する。 【００３０】図１においても、並進運動ｘと回転運動θ
y間の干渉と並進運動ｙと回転 運動θx間の干渉は同等
であるので、以下では簡単のためＹとθx間の干渉のみ
について説明することとする。図１において、１〜３，
６〜９は一般の電気信号のゲイン、４，５はＰ．Ｉ．
Ｄ．調節計、１０は電流増幅器である。図２の示すラジ
アル方向の位置検出センサー１５から入った回転軸２０
の位置情報は差動増幅器１によって対向する位置検出セ
ンサーの信号の差が電圧ｖとして得られる。前後の位置
検出センサーから重心までの距離を各々（外３），（外
４） 【００３１】 【外３】 【００３２】 【外４】 【００３３】とするとき、変換部２では前後の位置検出
センサー位置での回転軸２０のＹ方向変位信号ｖyf，ｖ
yrに距離比（外４）／（（外３）＋（外４）），（外
３）／（（外３）＋（外４））を乗じて回転軸２０の重
心の並進変位ｙを示す電圧値ｖyを算出している。ま
た、３では前記統合されたＹ方向の変位信号の 前後の
差ｖy f−ｖyrとセンサー間距離（外３）＋（外４）から
重心回りの振れ角θxを示す 【００３４】 【外５】 【００３５】を求めている。これらの値は設定値Ｒy， 【００３６】 【外６】 【００３７】と比較され、それぞれの差をＰ．Ｉ．Ｄ調
節計へ取り込んでいる。Ｐ．Ｉ．Ｄ．調節計の出力であ
る制御電流指令値ｉはゲイン６〜９を通り、バイアス電
流信号Ｉ1を加えられた後、増幅器１０を通して電磁石
へ供給される。本発明によ る非干渉化はバイアス電流
値および前記制御変換部６〜９で決定されるゲイン値に
より設定するものである。ゲイン６，７では並進運動の
制御電流ｉHが回 転運動に干渉しないように前後のゲイ
ン比Ｇf／ＧrをＫIr（外２）／ＫIf（外１）の条件を満
たすように設定している。また、同様に制御変換部８，
９では回転運動の制御電流ｉKが並進運動に干渉しない
ように前後の ゲイン比Ｇf／ＧrをＫIr／ＫIfの条件を
満たすように設定している。ここで非干渉条件を満たす
ように設定されたｉHｉKを加え、さらに定常に電磁石に
供給するバイアス電流Ｉ2を加えて電磁石に供給する電
流 Ｉ1をつくる際、バイアス電流Ｉ2の前後比はＩf2／
Ｉr2＝（Ｋr（外２）／Ｋf（外１））1/2を満たすよう
に設定している。本実 施例によれば、バイアス電流Ｉ2
と変化する制御電流ｉとからなる電磁石に 供給される
電流Ｉ1は、前後電磁石のバイアス電流比と制御電流ゲ
イン比の 非干渉化設定により（数４）と（数５）の方
程式が互いに独立となり、並進運動と回転運動の相互干
渉を防ぐことができるようになる。 【００３８】 【発明の効果】以上のように、本発明では上記の様な方
法でバイアス電流値および制御電流のゲイン比を設定
し、磁気軸受装置を構成することにより、回転軸を支持
する電磁石の特性が一品ずつばらつくことにより、回転
軸前部の電磁石と回転軸後部の電磁石の特性に差異があ
っても、並進運動と回転運動の相互干渉をなくすことが
でき、精度のよい制御が可能な磁気軸受装置を実現する
ことができる。
のである。 【０００２】 【従来の技術】磁気軸受は磁気力により回転帯を全く非
接触で空中支持するため、潤滑の問題がないこと、真空
中などの特殊な環境で使えること、軸受損失が少ないこ
と、騒音が小さいこと、メンテナンスフリーであること
などの特長がある。その特長を生かして磁気軸受は高速
加工機や真空ポンプに応用されている。 【０００３】以下に従来の磁気軸受について説明する。
図２は磁気軸受装置の横断面図である。図２において、
１１は磁気軸受装置の外側のシェルで記載されない他の
機器に取り付けられている。シェル１１の内部にはモー
タステータ１２，電磁石１３，１４，位置検出用変位セ
ンサー１５，１６が設置されており、センサー１５，１
６で回転軸２０の位置を検出し、図３に記載するような
制御部のフィードバック制御で電磁石１３，１４の磁気
吸引力を変化させ軸２０を常に同じ位置で空中支持させ
るようになっている。 【０００４】一方、回転軸２０には電磁石１３に対向す
る位置に積層ケイ素鋼板で構成された電磁吸引部１８が
はめられており、電磁吸引部１８で軸のラジアル方向位
置を、鋼で作られた電磁吸引部１９でスラスト方向位置
を保つようになっている。 【０００５】図３はラジアル方向に関する従来の制御ブ
ロック図を概念的に示したもので、設定空隙Ｄ2に変位
センサー１５で検出された空隙量Ｄが一致するよう制御
している。図３は、両端部の電磁石をそれぞれ独立し
て制御する様子を示しており、スラスト方向の電磁石
は、説明には不要なので省いてある。図中の２１は一般
的なＰ．Ｉ．Ｄ．調節計、２２は制御電流ゲインであ
る。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな独立した電磁石制御では、磁気吸引力の相互干渉が
発生し、安定した空中支持はなかなか得られなかった。
以下に磁気吸引力の相互干渉について説明する。図４に
座標系を定義する。なお、簡単のため重力は無視するこ
ととする。このとき、磁気軸受装置の回転軸の運動方程
式は次式のようになる。 【０００７】 【数１】 【０００８】ここで、 ｍ：回転軸の質量 Ｆn：各電磁石の吸引力（ｎ＝１〜８） Ｊr：Ｚ軸まわりの慣性モーメント Ｊa：Ｘ，Ｙ軸まわりの慣性モーメント ω：回転体の定角速度 （外１）：重心〜前部電磁石の距離 （外２）：重心〜後部電磁石の距離 【０００９】 【外１】 【００１０】 【外２】 【００１１】さらに、各電磁石の吸引力Ｆnは次のよう
に表される。 【００１２】 【数２】 【００１３】ここでＩ1，Ｄ1の変動分ｉ，ｄは平衡状態
での値Ｉ2，Ｄ2に比べて微小であるとしｉ／Ｉ2，ｄ／
Ｄ2の二次以上の項を無視すると、電磁石の吸引力はＦn
は(数３）のように展開できる。 【００１４】 【数３】 【００１５】回転体前部の４つの電磁石特性Ｋおよび設
定空隙Ｄ1が同じであり、後部 ４つの電磁石特性Ｋおよ
び設定空隙Ｄ1が同じであるとするとき、電磁石に 関す
る各変数（Ｉn，Ｄn，Ｆn，Ｋn，ＫIn，ＫDn）を変数φ
nで代表させると、φf＝φ1〜φ4，φr＝φ5〜φ8が成
り立つ。ここで添字ｆは前部を、添字ｒは後部を意味す
る。さらに 、制御電流ｉは対向する２つの電磁石（例
えば図４のＭ２とＭ４）に対して正負を逆転させて同じ
大きさだけ流すものとすると、ｉ4＝−ｉ2等の関係が成
り立ち、回転体の運動方程式は（数４）（数５）のよう
に簡略化できる。 【００１６】 【数４】 【００１７】 【数５】 【００１８】回転軸の並進運動を表す（数４）におい
て、Ｘ方向の方程式には左辺第３項に回転成分θyが、
Ｙ方向の方程式にはθxが含まれている。また、回転運
動を表す（数５）において、θx方向の方程式の左辺第
２項にθy成分（ジャイロ作用）と左辺第４項に並進成
分ｙが含まれている。回転体が細長い場合、慣性モーメ
ントＪaは小さく、回転数ωが低いときジャイロ効果の
影響は無視でき、干渉は並進成分ｙだけとなる。同様に
θy方程式にはｘ項が含まれているため、並進運動と回
転運動の全ての方程式間に相互干渉が生じている。 【００１９】図３のような両端部の電磁石をそれぞれ独
立して制御する方法ではなく、本方式のように前後の電
磁石と回転軸の空隙量から回転軸の姿勢を並進成分と回
転成分に分離し、前後４つの電磁石を系として制御する
方法においては、（数４）（数５）の右辺に見られる制
御電流ｉは並進運動の制御電流ｉHと回転運動ｉ Kとの
和で構成される。並進運動方程式を満たすように重心の
変位偏差を０ にしようとするとき、制御操作量に相当
する（数４）の右辺の電流値ｉnを 変化させると（数
５）の右辺のＣの値も変化するので重心回りの振れ角が
変化してしまう。同様に、回転の運動方程式を満たすよ
うに重心回りの振れ角を０にしようとするとき、制御操
作量に相当する（数５）の右辺の電流値ｉnを変化 させ
ると（数４）の右辺のＢの値が変化し並進方向の位置が
変化してしまうという前述の電磁石の特性ＫDとバイア
ス電流Ｉ1による相互干渉とは別の相互干渉が生じると
いう問題点を有していた。また一般に、このような多入
力多出力系を精度良く制御するためには、現代制御理論
に基づく手法を駆使すれば良いことは周知であるが、現
代制御理論による手法はパラメータの決定や計算が煩雑
で実用的でないという問題点が有している。 【００２０】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
であって、バイアス電流値Ｉ2 や前後電磁石の制御電流
ゲインの比を適切に定めることによって、回転軸の並進
運動と回転運動の相互干渉をなくすことのできる磁気軸
受装置を提供することを目的とする。 【００２１】 【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の磁気軸受装置は、回転軸の変位を検出して回
転軸両端部（回転軸前後）に設けた電磁石により回転軸
の並進運動と回転運動を制御し回転軸を空中支持する磁
気軸受装置において、回転軸前部の電磁石へ供給する励
磁電流Ｉ f1 がバイアス電流Ｉ f2 と並進運動の制御電流ｉ
Hf と回転運動の制御電流ｉ Kf との和で表され、回転軸後
部の電磁石へ供給する励磁電流Ｉ r1 がバイアス電流Ｉ r2
と並進運動の制御電流ｉ Hr と回転運動の制御電流ｉ Kr と
の和で表され、 Ｋ f ：回転軸前部の電磁石の特性を表わす値 ｌ f ：回転軸の重心から回転軸前部の電磁石までの距離 Ｋ r ：回転軸後部の電磁石の特性を表わす値 ｌ r ：回転軸の重心から回転軸後部の電磁石までの距離 Ｄ r ：回転軸後部の電磁石と回転軸との間の空隙の大き
さ Ｄ f ：回転軸前部の電磁石と回転軸との間の空隙の大き
さ としたとき、バイアス電流がＩ f2 2 ｌ f ＝Ｉ r2 2 Ｋ r ｌ r 、
並進運動の制御電流ゲイン比がｉ Hf ／ｉ Hr ＝Ｋ Ir ｌ r Ｋ
If ｌ f 、回転運動の制御電流ゲイン比がｉ Kf ／ｉ Kr ＝Ｋ
Ir ／Ｋ If 、Ｋ Ir ＝２Ｋ r Ｉ r1 ／Ｄ r 2 、Ｋ If ＝２Ｋ f Ｉ f1
／Ｄ f 2 の各条件を満たすように設定され、構成されたこ
とを特徴とする。 【００２２】 【作用】上記の構成によって前述の相互干渉を避ける過
程を説明する。ここで、（数４）（数５）から並進運動
ｘと回転運動θy間の干渉と並進運動ｙと回転運動 θx
間の干渉は同等であるので、以下では簡単のためＹとθ
x間の干渉のみについて説明することとする。ここで
Ｙ，θxの２自由度系の座標系を図 ５に、運動方程式を
（数６）（数７）に再度記載する。 【００２３】 【数６】 【００２４】 【数７】 【００２５】回転運動が並進運動に影響を及ぼさないよ
うにするためには、並進運動方程式（数６）に含まれる
回転成分θxの係数Ａ2を０にすればよい。したがって、
ＫDf（外１）＝ＫDr（外２）が非干渉化の条件となる
が、（数３）よりＫDはバイアス電流Ｉ2によって決定さ
れる。同様に、並進運動が回転運動に及ぼす影響をなく
すためには、（数４）の左辺第４項のｙの係数Ａ4 を０
にすればよい。ここで、前記Ａ2＝０の条件とＡ4＝０の
条件は同時に満たされることがわかる。したがって、並
進運動と回転運動の非干渉化のための条件の１つは前部
電磁石のバイアス電流Ｉf2と後部電磁石のバイアス電流
Ｉr2がＩf2 2Ｋf（外１）＝Ｉr2 2Ｋr（外２）の条件を満
たすことである。 【００２６】次に重心の並進運動を制御するために変化
させる（数６）の右辺の制御操作量と重心回りの回転運
動を制御するために変化させる（数７）の右辺の制御操
作量が互いに影響を及ぼし合うことを防ぐための施策に
ついて述べる。（数６）（数７）において、回転軸前部
の制御電流ｉfは並進運動の制御電流ｉHfと 回転運動の
制御電流iKfとの和で表され、回転軸後部の制御電流ｉr
は並進運動の制御電流ｉHrと回転運動の制御電流ｉKrと
の和で表される。 【００２７】まず、並進運動の制御電流ｉHf，ｉHrが回
転運動に対して干渉しないためには、（数６）の右辺値
Ｂyが変化しても（数７）の右辺値Ｃxが変化しないよう
な電流ゲインにしなければならない。すなわちＣxを満
たすよ うな制御電流を流せばよく、前部電磁石に流す
制御電流値ｉHfと後部電磁石に流す制御電流値ｉHrの比
ｉHf／ｉHr＝ＫIr（外２）ＫIf（外１）になるように並
進運動の制御電流ゲイン比を設定する。同様に、回転運
動の制御電流ｉkが並進運動に対して干渉しないために
は（数６）の右辺値 Ｂy＝０すなわちｉKf／ＩKr＝ＫIr
／ＫIfを満たすように 回転運動の制御電流ゲイン比を
設定する。 【００２８】以上に述べたようなバイアス電流値および
制御電流のゲイン比の設定によって、重心の変位偏差の
補正のために並進運動の方程式の各項の値が変化して
も、回転運動の方程式内にある並進成分の係数および右
辺値Ｃは０となり、方程式が満たされなくなることな
い。同様に、重心の回りの振れ角の補正のために回転運
動の方程式の各項の値が変化しても、並進運動の方程式
内にある回転成分の係数および右辺値Ｂは０となり、ジ
ャイロ効果の項を除いて完全に並進の各方程式と回転の
各方程式とが独立に扱えるようになる。これによって、
並進運動と回転運動の相互干渉をなくし、精度よい制御
が可能となる。 【００２９】 【実施例】以下本発明の一実施例について、図１を参照
しながら説明する。 【００３０】図１においても、並進運動ｘと回転運動θ
y間の干渉と並進運動ｙと回転 運動θx間の干渉は同等
であるので、以下では簡単のためＹとθx間の干渉のみ
について説明することとする。図１において、１〜３，
６〜９は一般の電気信号のゲイン、４，５はＰ．Ｉ．
Ｄ．調節計、１０は電流増幅器である。図２の示すラジ
アル方向の位置検出センサー１５から入った回転軸２０
の位置情報は差動増幅器１によって対向する位置検出セ
ンサーの信号の差が電圧ｖとして得られる。前後の位置
検出センサーから重心までの距離を各々（外３），（外
４） 【００３１】 【外３】 【００３２】 【外４】 【００３３】とするとき、変換部２では前後の位置検出
センサー位置での回転軸２０のＹ方向変位信号ｖyf，ｖ
yrに距離比（外４）／（（外３）＋（外４）），（外
３）／（（外３）＋（外４））を乗じて回転軸２０の重
心の並進変位ｙを示す電圧値ｖyを算出している。ま
た、３では前記統合されたＹ方向の変位信号の 前後の
差ｖy f−ｖyrとセンサー間距離（外３）＋（外４）から
重心回りの振れ角θxを示す 【００３４】 【外５】 【００３５】を求めている。これらの値は設定値Ｒy， 【００３６】 【外６】 【００３７】と比較され、それぞれの差をＰ．Ｉ．Ｄ調
節計へ取り込んでいる。Ｐ．Ｉ．Ｄ．調節計の出力であ
る制御電流指令値ｉはゲイン６〜９を通り、バイアス電
流信号Ｉ1を加えられた後、増幅器１０を通して電磁石
へ供給される。本発明によ る非干渉化はバイアス電流
値および前記制御変換部６〜９で決定されるゲイン値に
より設定するものである。ゲイン６，７では並進運動の
制御電流ｉHが回 転運動に干渉しないように前後のゲイ
ン比Ｇf／ＧrをＫIr（外２）／ＫIf（外１）の条件を満
たすように設定している。また、同様に制御変換部８，
９では回転運動の制御電流ｉKが並進運動に干渉しない
ように前後の ゲイン比Ｇf／ＧrをＫIr／ＫIfの条件を
満たすように設定している。ここで非干渉条件を満たす
ように設定されたｉHｉKを加え、さらに定常に電磁石に
供給するバイアス電流Ｉ2を加えて電磁石に供給する電
流 Ｉ1をつくる際、バイアス電流Ｉ2の前後比はＩf2／
Ｉr2＝（Ｋr（外２）／Ｋf（外１））1/2を満たすよう
に設定している。本実 施例によれば、バイアス電流Ｉ2
と変化する制御電流ｉとからなる電磁石に 供給される
電流Ｉ1は、前後電磁石のバイアス電流比と制御電流ゲ
イン比の 非干渉化設定により（数４）と（数５）の方
程式が互いに独立となり、並進運動と回転運動の相互干
渉を防ぐことができるようになる。 【００３８】 【発明の効果】以上のように、本発明では上記の様な方
法でバイアス電流値および制御電流のゲイン比を設定
し、磁気軸受装置を構成することにより、回転軸を支持
する電磁石の特性が一品ずつばらつくことにより、回転
軸前部の電磁石と回転軸後部の電磁石の特性に差異があ
っても、並進運動と回転運動の相互干渉をなくすことが
でき、精度のよい制御が可能な磁気軸受装置を実現する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における磁気軸受装置のＹ方向
に関する制御ブロックの概念図 【図２】磁気軸受装置の横断面図 【図３】従来の制御ブロックの概念図 【図４】磁気吸引力の相互千渉を説明するための座標系
を示した図 【図５】並進運動Ｙと回転運動θxの２自由度系の座標
系を示した図 【符号の説明】 １〜３，６〜９，２２ 制御電流ゲイン ４，５，２１ Ｐ．Ｉ．Ｄ．調節計 １３，１４ 電磁石 １５，１６ 変位センサー ２０ 回転体
に関する制御ブロックの概念図 【図２】磁気軸受装置の横断面図 【図３】従来の制御ブロックの概念図 【図４】磁気吸引力の相互千渉を説明するための座標系
を示した図 【図５】並進運動Ｙと回転運動θxの２自由度系の座標
系を示した図 【符号の説明】 １〜３，６〜９，２２ 制御電流ゲイン ４，５，２１ Ｐ．Ｉ．Ｄ．調節計 １３，１４ 電磁石 １５，１６ 変位センサー ２０ 回転体
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭63−318314（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】 【請求項１】 回転軸の変位を検出して回転軸両端部
（回転軸前後）に設けた電磁石により回転軸の並進運動
と回転運動を制御し回転軸を空中支持する磁気軸受装置
において、回転軸前部の電磁石へ供給する励磁電流Ｉf1
がバイアス電流Ｉf2と並進運動の制御電流ｉHfと回転運
動の制御電流ｉKfとの和で表され、回転軸後部の電磁石
へ供給する励磁電流Ｉr1がバイアス電流Ｉr2と並進運動
の制御電流ｉHrと回転運動の制御電流ｉKrとの和で表さ
れるとき、Ｋ f を回転軸前部の電磁石の特性を表わす値 ｌ f を回転軸の重心から回転軸前部の電磁石までの距離 Ｋ r を回転軸後部の電磁石の特性を表わす値 ｌ r を回転軸の重心から回転軸後部の電磁石までの距離 Ｄ r を回転軸後部の電磁石と回転軸との間の空隙の大き
さ Ｄ f を回転軸前部の電磁石と回転軸との間の空隙の大き
さ とすると バイアス電流が Ｉ f2 2 Ｋ f ｌ f ＝Ｉ r2 2 Ｋ r ｌ r 並進運動の制御電流ゲイン比が ｉ Hf ／ｉ Hr ＝Ｋ Ir ｌ r Ｋ If ｌ f 回転運動の制御電流ゲイン比が ｉ Kf ／ｉ Kr ＝Ｋ Ir ／Ｋ If Ｋ Ir ＝２Ｋ r Ｉ r1 ／Ｄ r 2 Ｋ If ＝２Ｋ f Ｉ f1 ／Ｄ f 2 の各条件を満たすように設定し、回転軸の並進運動と回
転運動の制御系間の相互干渉をなくす構成としたことを
特徴とする磁気軸受装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12159792A JP3418997B2 (ja) | 1991-10-04 | 1992-05-14 | 磁気軸受装置 |
| US07/956,645 US5376871A (en) | 1991-10-04 | 1992-10-02 | Method of controlling position of rotary shaft in magnetic bearing |
| KR1019920018108A KR960005185B1 (ko) | 1991-10-04 | 1992-10-02 | 자기베어링장치 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25755991 | 1991-10-04 | ||
| JP3-257559 | 1991-10-04 | ||
| JP12159792A JP3418997B2 (ja) | 1991-10-04 | 1992-05-14 | 磁気軸受装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05149339A JPH05149339A (ja) | 1993-06-15 |
| JP3418997B2 true JP3418997B2 (ja) | 2003-06-23 |
Family
ID=26458910
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12159792A Expired - Fee Related JP3418997B2 (ja) | 1991-10-04 | 1992-05-14 | 磁気軸受装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5376871A (ja) |
| JP (1) | JP3418997B2 (ja) |
| KR (1) | KR960005185B1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190032867A (ko) * | 2017-09-20 | 2019-03-28 | 한화파워시스템 주식회사 | 드라이 가스 실에 적용된 자기 감쇠기 시스템 |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US6879126B2 (en) * | 2001-06-29 | 2005-04-12 | Medquest Products, Inc | Method and system for positioning a movable body in a magnetic bearing system |
| DE102007028229B3 (de) * | 2007-06-20 | 2008-09-18 | Siemens Ag | Magnetlagersteuereinrichtung mit einem dreiphasigen Umrichter sowie Verwendung eines dreiphasigen Umrichters zur Steuerung eines Magnetlagers |
| AU2009244520B2 (en) * | 2008-05-06 | 2013-10-17 | Fmc Technologies, Inc. | Motor with high pressure rated can |
| CN104467545B (zh) * | 2013-09-12 | 2018-04-17 | 珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 | 磁悬浮系统的轴控制方法和装置 |
Family Cites Families (2)
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|---|---|---|---|---|
| JPH0198708A (ja) * | 1987-10-07 | 1989-04-17 | Ebara Res Co Ltd | ラジアル磁気軸受装置 |
| US4908558A (en) * | 1988-04-22 | 1990-03-13 | Contraves Goerz Corporation | Spherical motion simulator |
-
1992
- 1992-05-14 JP JP12159792A patent/JP3418997B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1992-10-02 US US07/956,645 patent/US5376871A/en not_active Expired - Lifetime
- 1992-10-02 KR KR1019920018108A patent/KR960005185B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190032867A (ko) * | 2017-09-20 | 2019-03-28 | 한화파워시스템 주식회사 | 드라이 가스 실에 적용된 자기 감쇠기 시스템 |
| KR102383011B1 (ko) * | 2017-09-20 | 2022-04-04 | 한화파워시스템 주식회사 | 드라이 가스 실에 적용된 자기 감쇠기 시스템 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR930008331A (ko) | 1993-05-21 |
| JPH05149339A (ja) | 1993-06-15 |
| US5376871A (en) | 1994-12-27 |
| KR960005185B1 (ko) | 1996-04-22 |
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