JP3636939B2 - 磁気軸受の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸ずれを磁力により非接触に補償する磁気軸受の制御装置に係り、特に巻線に供給する電流量の制御の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２に一般的な磁気軸受構造の斜視図を示す。回転電動機３は、軸１を高速回転させる。スラスト方向の磁気軸受４は、軸１のスラスト方向の位置を一定に保つ。ラジアル方向の磁気軸受２，５は、軸１の軸ずれを補償して、そのラジアル方向の位置を一定に保つ。
【０００３】
図３は、従来のラジアル方向の位置を一定に保つ磁気軸受の制御装置の構成ブロック図である。図３において、ラジアル磁気軸受は、スラスト方向から見た断面図として図示している。ロータ６は中心部に穴のあいた円形状の珪素鋼板をスラスト方向に積層した円筒形状をしており、焼きばめにより軸１に固着されている。ステータ７は珪素鋼板をスラスト方向に積層し、その内周には８つの極歯が等間隔に配置されている。ステータ７の四方に配置した２個の極歯を１組とする４組の極歯にはそれぞれ巻線１１，１２，１３，１４が巻かれ、電磁石を４方に４個配置した構造となっている。ここで、いずれかの巻線に電流を流すと励磁された電磁石の磁気吸引力により、ロータ６には励磁した電磁石の方向に推力が発生する。
【０００４】
位置検出器８，９は、ロータ６の、直交座標でのＸ軸方向とＹ軸方向との２方向の位置をそれぞれ検出して、位置信号ＳＸとＳＹとして出力する。減算器１５，１６は、ロータ６のＸ方向とＹ方向の目標位置信号ＧＸとＧＹから、それぞれＳＸとＳＹを減算し、対応する差信号ＤＸ，ＤＹを出力する。差信号ＤＸ，ＤＹはそれぞれ推力制御回路１７，１８に入力され、推力制御回路１７，１８は、差信号が０となるように、ロータ６に加えるＸ方向とＹ方向のそれぞれの推力指令値ＦＸ，ＦＹを出力する。電流値変換器１９，２０では、推力指令値と巻線電流が正比例関係になるように、推力指令値ＦＸとＦＹに対して平方根演算又はバイアス推力を加える等の処理を行い、巻線１１，１３と巻線１２，１４に流す電流値信号ＣＰＸ，ＣＮＸとＣＰＹ，ＣＮＹに変換する。電流制御回路２１と２２では内蔵する多数のパワートランジスタをパルス幅変調することにより、電流値信号ＣＰＸ，ＣＮＸとＣＰＹ，ＣＮＹに一致するよう巻線１１，１３と１２，１４に流す電流ＩＰＸ，ＩＮＸとＩＰＹ，ＩＮＹをそれぞれ制御する。
【０００５】
以上のことから、図３の磁気軸受の制御装置では、ロータ６の位置を直交座標での２方向の位置を目標位置信号ＧＸとＧＹに追従するよう制御でき、目標位置信号ＧＸとＧＹを一定値にすれば、ロータ６のラジアル方向の位置を拘束するラジアル軸受としての機能を果たすことができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のラジアル磁気軸受では、磁気軸受制御装置により、４つの電磁石に流れる８相の電流をそれぞれ独立に制御するために、高価なパワートランジスタが数多く必要となってコストがかかるという問題点があった。
【０００７】
また、８つの極歯にそれぞれ巻線を巻き付ける必要があって、製造工程が複雑になって、コストがかかるという問題点があった。
【０００８】
さらに、このような４つの巻線の８相の電流を制御する装置は磁気軸受以外ではほとんどない上、磁気軸受は高速で回転する真空ポンプや工作機械等の特殊なスピンドルでしか使用されないため、量産効果によるコストダウンもみこめず、電流制御装置が非常に高価となっていた。したがって、磁気軸受システムは高速回転用の軸受としては格段に優れた性能を有する反面、通常の転がり軸受による軸受方式に比べて、コストがかかるという問題があった。
【０００９】
本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、簡易な構成で、８相制御と同等の機能を実現でき、コストを低減できる磁気軸受の制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記従来例の問題点を解決するための請求項１記載の発明は、磁性体からなるロータ外周に空隙をおいて複数の極歯を配置した磁性体からなるステータと、前記複数の極歯を励磁するスター結線またはデルタ結線した３つの巻線と、前記ロータの軸ずれ位置を直交する２方向で検出する軸ずれセンサとを具備する磁気軸受に取り付けられ、前記３つの巻線に流す電流を制御する磁気軸受の制御装置において、前記直交する２方向の軸ずれ位置を表す信号の入力を受けて、前記ロータの軸ずれを補償する推力を前記３つの巻線の磁力として発生させるための、前記各巻線に対応する３つの電流値を演算する３相電流値変換手段を有することを特徴としている。
【００１１】
また、前記３相電流値変換手段は、前記３つの電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗをそれぞれ、推力の大きさの平方根に比例する値をＦ，前記推力の方向角度をＡ、ｎを任意に選択した整数とし、θをＡ／２＋ｎπとして、Ｉｕ＝Ｆ・ＣＯＳ（θ），Ｉｖ＝Ｆ・ＣＯＳ（θ＋２π／３），Ｉｗ＝Ｆ・ＣＯＳ（θ＋４π／３）の数式に従って演算するのが好適である。
【００１２】
さらに、前記３相電流値変換手段は、前回入力された軸ずれ位置に基づいて演算したθと、今回入力された軸ずれ位置に基づいて演算したθとの差の絶対値をπで除したときの余りが小さくなるように、前記ｎを選択するのが好適である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態に係る磁気軸受の制御装置について説明する。本発明の磁気軸受の制御装置は、３つの極歯に磁束を発生させる巻線をスター又はデルタ結線した磁気軸受に取り付けられ、３相の電流を制御することで軸ずれを補償するためにラジアル方向の運動制御を行い、８相電流で制御する場合の性能を維持しつつ、電流を流す相数を低減可能としている。
【００１４】
図１は本発明の磁気軸受の制御装置の構成ブロック図であり、磁気軸受は、スラスト方向から見た断面図として図示している。尚、従来のものと同等のものは同じ符号を付して詳細な説明を省略する。ステータ２７は珪素鋼板等の磁性体をスラスト方向に積層し、その内周部には等間隔に３つの極歯が配置されている。ステータ２７の３つの極歯にはスター結線で接続された巻線２８，２９，３０が巻装されている。推力制御回路１７と１８からのロータ６に加えるＸ方向とＹ方向の推力指令ＦＸとＦＹは極座標変換器２３により次の［数１］に基づいて極座標（Ｆ，Ａ）に変換される。
【００１５】
【数１】
Ｆ＝Ｃ・ＳＱＲＴ（ＦＸ²＋ＦＹ²）
Ａ＝ＡＴＡＮ２（ＦＸ、ＦＹ）
ここで、Ｃは一定の係数、ＳＱＲＴは平方根演算関数、ＡＴＡＮ２は２変数を入力とする逆正接演算関数であり、ＦＸとＦＹとの成分を有するベクトルの所定軸からの傾き角度を演算する関数である。極座標変換器２３は、推力の大きさを示すＦと推力の方向を角度で示すＡとを３相電流値変換手段としての３相電流値変換器２４に出力する。３相電流値変換器２４は、まず、次の［数２］により、電流の大きさＩと、位相θの演算を行う。
【００１６】
【数２】
Ｉ＝ＳＱＲＴ（Ｆ）
θ＝Ａ／２＋πｎ
［数２］で、ｎは０又は１の整数であり、３相電流値変換器２４は、いずれか一方を選択して［数２］の演算を行う。具体的に３相電流値変換器２４は、前回演算したθをθｐとして保持し、ｎ＝０のときのθをθ０、ｎ＝１のときのθをθ１として、θ０−θｐと、θ１−θｐとを演算して、これらの絶対値をπで除したときの余りが小さくなる方のθ０又はθ１を位相θとして選択する。
【００１７】
さらに、３相電流値変換器２４は、次の［数３］により、３相の電流値Ｃｕ、Ｃｖ，Ｃｗを決定する。
【００１８】
【数３】
Ｃｕ＝Ｉ・ＣＯＳ（θ）
Ｃｖ＝Ｉ・ＣＯＳ（θ＋２π／３）
Ｃｗ＝Ｉ・ＣＯＳ（θ＋４π／３）
３相電流制御回路２５は、３相電流値変換器２４から３相の電流値Ｃｕ、Ｃｖ，Ｃｗの入力を受けて、この値に相当する電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを制御して、それぞれ対応する巻線２８，２９，３０に流す。
【００１９】
次に、このように電流を制御したときの磁気軸受の動作を説明する。
【００２０】
巻線２８，２９，３０に流れる電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗにより、３つの極歯からは電流量にほぼ比例した磁束が発せられる。ここで、ロータ６と３つの極歯間の空隙が一定の場合、極歯に発生した磁束により、ロータ６にはたらく磁気吸引力をＦｕ，Ｆｖ，Ｆｗとすると、磁気吸引力は磁束密度の２乗に正比例することから、磁気吸引力Ｆｕ，Ｆｖ，Ｆｗは次の［数４］に示すようになる。
【００２１】
【数４】
Ｆｕ＝Ｋ・Ｉｕ²
Ｆｖ＝Ｋ・Ｉｖ²
Ｆｗ＝Ｋ・Ｉｗ²
ここで、Ｋは磁気軸受の推力と電流の関係により決定される比例係数である。また、ロータ６の中心を原点とし巻線２８が巻装された極歯の方向をＸ軸および角度０として、ロータ６にはたらく力のＸ、Ｙ成分をＦｘ，Ｆｙとすると、これらは、［数５］で表すことができる。
【００２２】
【数５】
Ｆｘ＝Ｆｕ−ＣＯＳ（π／３）（Ｆｖ＋Ｆｗ）
＝Ｋ（Ｉｕ²−（Ｉｖ²＋Ｉｗ²）／２）
Ｆｙ＝ＳＩＮ（π／３）（Ｆｖ−Ｆｗ）
＝√３Ｋ（Ｉｖ²−Ｉｗ²）／２）
【００２３】
従って、［数３］により、次のようになる。
【数６】
Ｆｘ＝（３／４）Ｋ・Ｉ²・ＣＯＳ（２θ）
Ｆｙ＝（３／４）Ｋ・Ｉ²・ＳＩＮ（２θ）
【００２４】
さらに、［数２］により、次のようになる。
【数７】
Ｆｘ＝（３／４）Ｋ・Ｆ・ＣＯＳ（Ａ＋２πｎ）＝（３／４）Ｋ・Ｆ・ＣＯＳ（Ａ）
Ｆｙ＝（３／４）Ｋ・Ｆ・ＳＩＮ（Ａ＋２πｎ）＝（３／４）Ｋ・Ｆ・ＳＩＮ（Ａ）
また、［数１］を変形して、
【数８】
ＣＯＳ（Ａ）＝ＦＸ／（Ｆ／Ｃ）
ＳＩＮ（Ａ）＝ＦＹ／（Ｆ／Ｃ）
を得るが、ここで、（３／４）Ｋ＝１／Ｃとし、［数８］を［数７］に代入すると次の［数９］が得られる。
【数９】
Ｆｘ＝ＦＸ
Ｆｙ＝ＦＹ
【００２５】
このように、極座標変換器２３と３相電流値変換器２４と３相電流制御回路２５を用いれば、図１のような３つの巻線をスター結線した磁気軸受を直交座標系の推力指令で従来の８相電流を用いた磁気軸受の制御装置と同様に制御して、軸ずれを補償できる。
【００２６】
尚、３相電流値変換器２４において、ｎを０か１、つまり偶数又は奇数のいずれかを選択するにあたり、位相θと前回演算した位相θｐとの差の絶対値をπで割った余りが小さくなるようにｎを選択しているが、これは、３相の巻線に流す電流が急激に変化するのを防止するためである。すなわち、［数３］を見て理解できるように、θがＡ／２かＡ／２＋πであるかによって巻線に流す電流向きが逆になるにもかかわらず、［数６］ではロータ６に働く力は同じである。これを利用すれば、例えば、単純にθをＡ／２として制御した場合を考えると、＋πより僅かに小さい角度から−πよりも僅かに大きな方向に変化した場合には、本来ならば、θをπ／２から−π／２に近い値に変化させることとなり、巻線に流す電流を急激に変化させることになるが、上記のようにｎを選択すれば、θをπ／２より僅かに小さい角度からπ／２より僅かに大きな角度とすることで、ロータ６に同様の大きさの力を作用させつつ、３相の巻線に流す電流が急激に変化するのを防止できる。
【００２７】
尚、ここでは３つの巻線の結線方法をスター結線として説明したが、これはデルタ結線としてもよい。また、［数３］では巻線に流す電流を余弦関数（ＣＯＳ関数）で記述したが、Ｘ軸となる基準方向等の前提条件を変えた場合は、３つの各相に一定のオフセット位相を加算してもよいし、正弦関数（ＳＩＮ関数）としても構わない。
【００２８】
本発明の磁気軸受の制御装置によれば、８相電流制御を用いることなく、ロータの軸ずれを補償でき、電流制御を行う相数を低減して、パワートランジスタの数を大幅に削減でき、コストを低減できる。
【００２９】
また、３相の電流制御回路は３相電動機制御用として大量に生産されており、これらの装置を流用すれば磁気軸受用の電流制御回路を大幅にコストダウンできる。巻線を巻く箇所も従来例の８カ所から３カ所にと大幅に減少して、容易に製造でき、コストを低減できる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、８相電流制御を用いることなく、ロータの軸ずれを補償でき、電流制御を行う相数を低減して、パワートランジスタの数を大幅に削減でき、コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る磁気軸受の制御装置の構成ブロック図である。
【図２】 一般的な磁気軸受構造の斜視図である。
【図３】 従来の磁気軸受の制御装置の構成ブロック図である。
【符号の説明】
１ 軸、２，５ ラジアル磁気軸受、３ 電動機、４ スラスト磁気軸受、６磁気軸受ロータ、７，２７ 磁気軸受ステータ、８，９ 位置検出器、１１，１２，１３，１４，２８，２９，３０ 巻線、１５，１６ 減算器、１７，１８推力制御回路、１９，２０，２４ 電流値変換器、２１，２２，２５ 電流制御回路、２３ 極座標変換器。

Claims (2)

1. 磁性体からなるロータ外周に空隙をおいて複数の極歯を配置した磁性体からなるステータと、前記複数の極歯を励磁するスター結線またはデルタ結線した３つの巻線と、前記ロータの軸ずれ位置を直交する２方向で検出する軸ずれセンサとを具備する磁気軸受に取り付けられ、前記３つの巻線に流す電流を制御する磁気軸受の制御装置において、
   前記直交する２方向の軸ずれ位置を表す信号の入力を受けて、前記ロータの軸ずれを補償する推力を前記３つの巻線の磁力として発生させるための、前記各巻線に対応する３つの電流値を演算する３相電流値変換手段を有し、
   前記３相電流値変換手段は、前記３つの電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗをそれぞれ、推力の大きさの平方根に比例する値をＦ，前記推力の方向角度をＡ、ｎを任意に選択した整数とし、θをＡ／２＋ｎπとして、
   Ｉｕ＝Ｆ・ＣＯＳ（θ），
   Ｉｖ＝Ｆ・ＣＯＳ（θ＋２π／３），
   Ｉｗ＝Ｆ・ＣＯＳ（θ＋４π／３）
   の数式に従って演算することを特徴とする磁気軸受の制御装置。
2. 前記３相電流値変換手段は、前回入力された軸ずれ位置に基づいて演算したθと、今回入力された軸ずれ位置に基づいて演算したθとの差の絶対値をπで除したときの余りが小さくなるように、前記ｎを選択することを特徴する請求項１記載の磁気軸受の制御装置。

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