JP3616852B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、磁気軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気軸受装置として、従来、回転体を非接触支持する１つのアキシアル方向磁気軸受と２つのラジアル方向磁気軸受を備えた５自由度制御型磁気軸受装置が知られている。
【０００３】
このような５自由度制御型磁気軸受装置においては、回転体の重心に関する並進運動と傾斜運動を分離して制御する制御系が知られている。このうち、回転体のアキシアル方向の並進運動は、アキシアル方向磁気軸受により独立に制御される。回転体のラジアル方向の並進運動および傾斜運動は、回転体のアキシアル方向の２箇所に配置された第１および第２のラジアル方向磁気軸受により制御される。
【０００４】
図４は、上記のような従来の５自由度制御型磁気軸受装置の主要部を示している。なお、以下の説明において、上下左右は図４についていうものとする。
【０００５】
図４において、磁気軸受装置は、回転体（１） を非接触支持する１つのアキシアル方向磁気軸受（図示略）と左右２つのラジアル方向磁気軸受（２）（３）を備えている。
【０００６】
アキシアル方向磁気軸受は、回転体（１） をＺ軸方向（左右方向）に支持するものである。ラジアル方向磁気軸受（２）（３）は、回転体（１） をラジアル方向に支持するものである。各ラジアル方向磁気軸受（２）（３）には、回転体（１） をＺ軸と直交するＸ軸方向（上下方向）に支持する部分（Ｘ軸方向磁気軸受）と、Ｚ軸およびＸ軸と直交するＹ軸方向（図４の紙面と直交する方向）に支持する部分（Ｙ軸方向磁気軸受）とがあり、図４にはＸ軸方向磁気軸受（４）（５）が示されている。左側のラジアル方向磁気軸受（２） を第１ラジアル方向磁気軸受、右側のラジアル方向磁気軸受（３） を第２ラジアル方向磁気軸受ということにする。また、左側のＸ軸方向磁気軸受（４） を単に第１磁気軸受、右側のＸ軸方向磁気軸受（５） を単に第２磁気軸受ということにする。ラジアル方向磁気軸受（２）（３）の制御装置には、Ｘ軸方向磁気軸受（４）（５）を制御する部分（Ｘ軸方向制御装置）とＹ軸方向磁気軸受を制御する部分（Ｙ軸方向制御装置）とがあり、図４にはＸ軸方向制御装置（６） が示されている。Ｙ軸方向磁気軸受およびＹ軸方向制御装置はＸ軸方向磁気軸受（４）（５）およびＸ軸方向制御装置（６） と同様のものであるから、この明細書においては、Ｘ軸方向磁気軸受（４）（５）およびＸ軸方向制御装置（６） についてのみ説明する。
【０００７】
図４に示されているＸ軸方向磁気軸受（４）（５）およびＸ軸方向制御装置（６） は、Ｘ−Ｚ平面における回転体（１） の並進運動と傾斜運動を分離して制御するものである。ここで、並進運動とは回転体（１） の重心（Ｇ） のＸ軸方向の運動であり、傾斜運動とは回転体（１） の重心（Ｇ） を通りＹ軸と平行な軸を中心とする回転体（１） の回転運動である。
【０００８】
各Ｘ軸方向磁気軸受（４）（５）は、回転体（１） をＸ軸方向の両側から挟むように配置された１対の電磁石（４ａ）（４ｂ）（５ａ）（５ｂ）を備えている。第１磁気軸受（４） の１対の電磁石（４ａ）（４ｂ）を第１電磁石、第２磁気軸受（５） の１対の電磁石（５ａ）（５ｂ）を第２電磁石ということにする。
【０００９】
各Ｘ軸方向磁気軸受（４）（５）の電磁石（４ａ）（４ｂ）（５ａ）（５ｂ）の近傍に、１対の位置センサ（７ａ）（７ｂ）（８ａ）（８ｂ）が回転体（１） をＸ軸方向の両側から挟むようにそれぞれ配置されている。左側の１対の位置センサ（７ａ）（７ｂ）を第１位置センサ、右側の１対の位置センサ（８ａ）（８ｂ）を第２位置センサということにする。
【００１０】
１対の第１位置センサ（７ａ）（７ｂ）の出力は第１減算器（１０）に入力し、これによって回転体（１） の左側部分のＸ軸方向変位Ｘ１ が演算される。１対の第２位置センサ（８ａ）（８ｂ）の出力は第２減算器（１１）に入力し、これによって回転体（１） の右側部分のＸ軸方向変位Ｘ２ が演算される。第１位置センサ（７ａ）（７ｂ）と第１減算器（１０）により、回転体（１） の左側部分のＸ軸方向の位置（基準位置に対する変位）を検出する第１の位置検出手段が構成されている。第２位置センサ（８ａ）（８ｂ）と第２減算器（１１）により、回転体（１） の右側部分のＸ軸方向の位置を検出する第２の位置検出手段が構成されている。
【００１１】
第１減算器（１０）の出力Ｘ１ および第２減算器（１１）の出力Ｘ２ は、変位量演算手段を構成する第１加算器（１２）の２つの入力端子にそれぞれ入力し、これによって回転体（１） のＸ軸方向の並進運動量すなわち重心（Ｇ） のＸ軸方向変位量ＸＧ が演算される。第１および第２減算器（１０）（１１）の出力Ｘ１ 、Ｘ２ は、また、傾斜量演算手段を構成する第３減算器（１３）の２つの入力端子にそれぞれ入力し、これによってＸ−Ｚ平面における回転体（１） の重心（Ｇ） の回りの傾斜量θＹ が演算される。
【００１２】
第１加算器（１２）の出力ＸＧ は並進運動用ＰＩＤ制御回路（１４）に入力し、この回路（１４）から変位量ＸＧ が零になるような並進運動制御信号Ｄ１ が出力される。第３減算器（１３）の出力θＹ は傾斜運動用ＰＩＤ制御回路（１５）に入力し、この回路（１５）から傾斜量θＹ が零になるような傾斜運動制御信号Ｄ２ が出力される。２つの制御回路（１４）（１５）の出力Ｄ１ 、Ｄ２ は、第４減算器（１６）の２つの入力端子にそれぞれ入力し、この減算器（１６）から第１電磁石（４ａ）（４ｂ）の駆動信号Ｃ１ が出力される。第４減算器（１６）の出力Ｃ１ は電力増幅器（１７）を介して上側の第１電磁石（４ａ）のコイルに入力するとともに、インバータ（１８）および電力増幅器（１９）を介して下側の第１電磁石（４ｂ）のコイルに入力し、これによってこれらの電磁石（４ａ）（４ｂ）のコイルに流れる電流値が制御される。２つの制御回路（１４）（１５）の出力Ｄ１ 、Ｄ２ は、また、第２加算器（２０）の２つの入力端子にそれぞれ入力し、この加算器（２０）から第２電磁石（５ａ）（５ｂ）の駆動信号Ｃ２ が出力される。第２加算器（２０）の出力Ｃ２ は電力増幅器（２１）を介して上側の第２電磁石（５ａ）のコイルに入力するとともに、インバータ（２２）および電力増幅器（２３）を介して下側の第２電磁石（５ｂ）のコイルに入力し、これによってこれらの電磁石（５ａ）（５ｂ）のコイルに流れる電流値が制御される。そして、このように左右のＸ軸方向磁気軸受（４）（５）の電磁石（４ａ）（４ｂ）（５ａ）（５ｂ）のコイルに流れる電流値を制御することにより、回転体（１） の並進運動と傾斜運動が分離して制御される。２つの制御回路（１４）（１５）、第４減算器（１６）、第２加算器（２０）、電力増幅器（１７）（１９）（２１）（２３）およびインバータ（１８）（２２）により、回転体（１） の重心（Ｇ） のラジアル方向変位量および回転体（１） の重心（Ｇ） 回りの傾斜量に基づいて２つのＸ軸方向磁気軸受（４）（５）を制御するラジアル方向制御手段が構成されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように回転体の並進運動と傾斜運動を分離して制御を行うと、回転体の傾斜モード（剛体１次モード）および並進モード（剛体２次モード）については制御可能であるが、１次曲げモードについては制御不可能な場合が多く、回転体の回転数を１次曲げ固有振動数よりも高く設定できないという問題がある。
【００１４】
図５は、回転体（１） に１次曲げが生じたときの左および右側部分のＸ軸方向変位Ｘ１ 、Ｘ２ と回転体（１） の重心（Ｇ） 位置との関係を概略的に示している。なお、図５では、回転体（１） の曲げを実際より誇張して表わしている。回転体（１） に１次曲げが生じると、図５（ａ） に示すように、重心（Ｇ） の位置がＸ軸方向の負側に変位しているのに、変位Ｘ１ 、Ｘ２ がともに正の値になることがある。前述の説明から明らかなように、第１加算器（変位量演算手段）（１２）で演算される重心（Ｇ） のＸ軸方向の変位量ＸＧ は、２箇所の変位Ｘ１ 、Ｘ２ の和であるから、上記のような場合には、回転体（１） の実際の変位量は負であるのに、演算された変位量ＸＧ は正の値になる。そして、この演算された変位量ＸＧ が零になるように磁気軸受（４）（５）が制御されるため、図５（ｂ） に示すように、回転体（１） の重心（Ｇ） はさらにＸ軸方向の負側に変位し、曲げの振幅がさらに大きくなる。このため、１次曲げ固有振動数において、回転体（１） の振動が大きくなり、この振動数を越えて、回転体（１） の回転数を高くすることができない。
【００１５】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、回転体の１次曲げ固有振動数よりも回転数を高くできる磁気軸受装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明による磁気軸受装置は、
回転体のアキシアル方向の２箇所に配置されて回転体を非接触支持する第１および第２のラジアル方向磁気軸受、回転体のアキシアル方向の２箇所に配置されて各箇所における回転体のラジアル方向の位置を検出する第１および第２の位置検出手段、上記第１および第２の位置検出手段の出力より回転体の重心のラジアル方向変位量を演算する変位量演算手段、上記第１および第２の位置検出手段の出力より回転体の重心回りの傾斜量を演算する傾斜量演算手段、ならびに回転体の重心のラジアル方向変位量および回転体の重心回りの傾斜量に基づいて２つのラジアル方向磁気軸受を制御するラジアル方向制御手段を備えた磁気軸受装置において、
上記２つの位置検出手段の出力が、それぞれ、回転体の１次曲げ固有振動数近傍に中心周波数を有しかつ上記固有振動数における位相が互いに１８０度異なる帯域消去フィルタを介して上記変位量演算手段に入力していることを特徴とするものである。
【００１７】
【作用】
２つの位置検出手段からそれぞれ帯域消去フィルタを介して変位量演算手段に入力する信号の間には、回転体の１次曲げ固有振動数において、１８０度の位相差が生じ、これらが、結果的に、互いに打消し合う信号となり、機械的にフィルタがかかった状態となり、１次曲げ固有振動数において回転体の振動が大きくなるようなことがなくなる。
【００１８】
【実施例】
以下、図１〜図３を参照して、この発明の実施例について説明する。
【００１９】
図１は、この発明による磁気軸受装置の主要部の１例を示している。なお、以下の説明において、上下左右は図１についていうものとする。また、図１において、従来例を示す図４と同じ部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略した。
【００２０】
図１において、第１の位置検出手段を構成する第１減算器（１０）の出力端子と第１加算器（変位量演算手段）（１２）の一方の入力端子との間に帯域消去フィルタとしての第１ノッチフィルタ（２４）が設けられ、第２の位置検出手段を構成する第２減算器（１１）の出力端子と第１加算器（１２）の他方の入力端子との間に帯域消去フィルタとしての第２ノッチフィルタ（２５）が設けられている。
【００２１】
図２に第１ノッチフィルタ（２４）の周波数特性が、図３に第２ノッチフィルタ（２５）の周波数特性がそれぞれ示されている。第１ノッチフィルタ（２４）は回転体（１） の１次曲げ固有振動数ｆＲ より少し低い中心周波数ｆＡ を有し、１次曲げ固有振動数ｆＲ において位相が９０度進んでいる。第２ノッチフィルタ（２５）は１次曲げ固有振動数ｆＲ より少し高い中心周波数ｆＢ を有し、固有振動数ｆＲ において位相が９０度遅れている。したがって、２つのノッチフィルタ（２４）（２５）の位相は、１次曲げ固有振動数において互いに１８０度異なっている。
【００２２】
第１減算器（１０）の出力信号である変位Ｘ１ は第１ノッチフィルタ（２４）を介して第１加算器（１２）に入力し、第２減算器（１） の出力信号である変位Ｘ２ は第２ノッチフィルタ（２５）を介して第１加算器（１２）に入力する。このため、第１加算器（１２）に入力する２つの信号の間には、１次曲げ固有振動数ｆＲ において、１８０度の位相差が生じる。このために、第１加算器（１２）が出力する回転体（１） の重心（Ｇ） のＸ軸方向変位量ＸＧ は、第１ノッチフィルタ（２４）の中心周波数ｆＡ から第２ノッチフィルタ（２５）の中心周波数ｆＢ の範囲において大きく減衰され、１次曲げ固有振動数ｆＲ でほぼ０となる。よって、並進運動用ＰＩＤ制御回路（１４）の出力も、このときほぼ０となる。すなわち、２つのノッチフィルタ（２４）（２５）の出力信号は、結果的に、互いに打消し合う信号となり、機械的にフィルタがかかった状態となり、１次曲げ固有振動数ｆＲ 近傍の上記周波数ｆＡ からｆＢ の範囲では、回転体（１） は並進運動についてはほとんど制御されない状態となり、前述のように回転体（１） の重心（Ｇ） が負側に変位しているのに変位Ｘ１ 、Ｘ２ がともに正の値になるような場合にも、回転体（１） の重心（Ｇ） のＸ軸方向の位置は変らないので、１次曲げ固有振動数ｆＲ において回転体の振動が大きくなるようなことがなくなる。したがって、１次曲げ固有振動数ｆＲ の影響が少なくなり、１次曲げ固有振動数ｆＲ を越えて回転体（１） の回転数を高くすることが可能になる。
【００２３】
なお、上記実施例では、Ｘ軸方向磁気軸受およびＸ軸方向制御装置についてのみ説明したが、Ｙ軸方向磁気軸受およびＹ軸方向制御装置も同一の構成を有している。
【００２４】
【発明の効果】
この発明の磁気軸受装置によれば、上述のように、回転体の１次曲げ固有振動数において回転体の振動が大きくなるようなことがなくなり、したがって、１次曲げ固有振動数の影響が少なくなり、１次曲げ固有振動数を越えて回転体の回転数を高くすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示す磁気軸受装置の主要部のブロック図である。
【図２】第１ノッチフィルタの周波数特性を示すグラフである。
【図３】第２ノッチフィルタの周波数特性を示すグラフである。
【図４】従来の磁気軸受装置の主要部を示すブロック図である。
【図５】回転体に１次曲げが生じたときの左および右側部分のＸ軸方向変位と回転体の重心位置との関係を概略的に示す説明図である。
【符号の説明】
（１） 回転体
（２） 第１ラジアル方向磁気軸受
（３） 第２ラジアル方向磁気軸受
（４） 第１Ｘ軸方向磁気軸受
（５） 第２Ｘ軸方向磁気軸受
（６） Ｘ軸方向制御装置
（７ａ）（７ｂ） 第１位置センサ
（８ａ）（８ｂ） 第２位置センサ
（１０） 第１減算器
（１１） 第２減算器
（１２） 第１加算器（変位量演算手段）
（１３） 第３減算器（傾斜量演算手段）
（１４） 並進運動用ＰＩＤ制御回路
（１５） 傾斜運動用ＰＩＤ制御回路
（１６） 第４減算器
（２０） 第２加算器
（２４） 第１ノッチフィルタ（帯域消去フィルタ）
（２５） 第２ノッチフィルタ（帯域消去フィルタ）

Claims (1)

1. 回転体のアキシアル方向の２箇所に配置されて回転体を非接触支持する第１および第２のラジアル方向磁気軸受、回転体のアキシアル方向の２箇所に配置されて各箇所における回転体のラジアル方向の位置を検出する第１および第２の位置検出手段、上記第１および第２の位置検出手段の出力より回転体の重心のラジアル方向変位量を演算する変位量演算手段、上記第１および第２の位置検出手段の出力より回転体の重心回りの傾斜量を演算する傾斜量演算手段、ならびに回転体の重心のラジアル方向変位量および回転体の重心回りの傾斜量に基づいて２つのラジアル方向磁気軸受を制御するラジアル方向制御手段を備えた磁気軸受装置において、
   上記２つの位置検出手段の出力が、それぞれ、回転体の１次曲げ固有振動数近傍に中心周波数を有しかつ上記固有振動数における位相が互いに１８０度異なる帯域消去フィルタを介して上記変位量演算手段に入力していることを特徴とする磁気軸受装置。

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