JP3680363B2 - Magnetic bearing control device - Google Patents
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- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸を磁束で軸承する磁気軸受に係り、特に、回転軸の安定制御が容易で、負ばねが発生せず、発熱の少ない磁気軸受制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ラジアル軸受等に用いられる磁気軸受は、回転軸を磁束で軸承するものであり、このために、図4に示されるように、回転軸41の周りに電磁石42を配してなる。回転軸と電磁石との間にはエアギャップ43が形成される。図5に示されるように、電磁石の巻線51には、コントローラ52及びパワーアンプ53からなる増幅器54が接続される。この増幅器54には、エアギャップ43が適正である位置からの回転軸41の変位を検出した信号を入力し、この入力信号に比例した電流が巻線51に流れるようになっている。電磁石42が回転軸41に及ぼす電磁力により、回転軸41が適正位置に安定するように制御される。
【0003】
上記磁気軸受制御にはサーボ制御が用いられる。即ち、巻線に電流検出器を接続し、実際に巻線に流れる電流を検出して増幅器に帰還する。または、電磁石の鉄心に磁束検出用の補助コイルを付加し、この補助コイルの起電力を検出して増幅器に帰還する。前者は、帰還量が巻線電流であるから電流フィードバックと呼び、後者は帰還量が磁束を表す量であるから磁束フィードバックと呼ぶ。特公昭61−37643号のように、低周波では電流フィードバック、高周波では磁束フィードバックとしたものもある。
【0004】
磁気軸受の電磁石は、例えば図4に示されるように、4つの電磁石42のそれぞれの磁極が回転軸41の周囲を取り巻くように配置される。そして、各電磁石の巻線に印加される駆動電流は、増幅器のパワーアンプをA級動作させるか、B級動作させるかにより、図8または図9のようになる。A級動作の場合、図8に示されるように、直流バイアス61に制御成分を重畳したものである(信号62)。回転軸を挟んで対向する電磁石の巻線には同じ直流バイアス61に逆相の制御成分を重畳したものが印加される(信号63)。A級動作を用いることにより、印加される駆動電流と発生する磁気力との間の線形化が可能となり、このことは精密制御に向いている。この例では、信号62で示される正相電流の振幅が信号63で示される逆相直流の振幅に比べて大きいので、正相電流が流れている電磁石42の方向へ回転軸41を動かそうとする動作が生じる。バイアス61としては、例えば、入力信号が正弦波であるとき、その正弦波信号が負となる位相でも駆動電流がマイナスにならないように設定される。これは、磁気軸受が電磁石の吸引力を利用しており、電磁石の性質から駆動電流がマイナスであっても吸引力が働いてしまうので、駆動電流がマイナスになると回転軸を適正位置に精密に安定させられないからである。B級動作の場合、図9に示されるように、直流バイアス61はゼロであり、信号62,63はそれぞれプラスのみである。磁気力は駆動電流の自乗特性の影響を受け非線形となる。この場合、精度が落ちるものの回転軸41を中立位置に保つ機能は得られる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
磁気軸受において、電磁石が発生する電磁力は、巻線電流の自乗に比例し、かつエアギャップの自乗に反比例する。この反比例特性は負バネを生む。即ち、変位がちょっと大きくなると電磁力が著しく小さくなり、変位を小さくするための力がますます得られなくなる。従って、従来の電流フィードバックを用いたものは、回転軸の安定制御が非常に困難である。
【0006】
磁束フィードバックを併用したものでも、低周波では電流フィードバックであるから負バネ発生が避けられない。
【0007】
また、電磁石の磁界により回転軸には渦電流が流れ、回転軸は発熱する。従来の磁気軸受は、A級動作の場合、各巻線に直流バイアスが印加されているため、いつも渦電流が流れる可能性があり、発熱が激しいという問題がある。かといってB級動作では精度が落ちるという問題がある。
【0008】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、回転軸の安定制御が容易で、負ばねが発生せず、発熱の少ない磁気軸受制御装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、回転軸の周りに電磁石を配し、この電磁石の巻線に増幅器を接続し、この増幅器に上記回転軸の変位を検出した信号を入力し、この入力信号に比例した電流が上記巻線に流れるようにした磁気軸受制御装置において、上記電磁石の鉄心中に磁束を検出するホール素子を、上記電磁石の鉄心を一部切り欠いて形成した溝に埋め込むようにして埋め込み、予めこの溝への漏れ磁束と鉄心全体の磁束との関係を求めておき、この関係を用い、上記ホール素子で検出した漏れ磁束から鉄心全体の磁束を推定すると共に、このホール素子が検出した信号を上記増幅器に帰還するものである。
【0010】
また、本発明は、回転軸の周りに電磁石を配し、この電磁石の巻線に増幅器を接続し、この増幅器に上記回転軸の変位を検出した信号を入力し、この入力信号に比例した電流が上記巻線に流れるようにした磁気軸受制御装置において、上記電磁石の鉄心中に磁束を検出するホール素子を、上記電磁石の鉄心の内部に設けた空隙に埋め込むようにして埋め込み、予めこの空隙への漏れ磁束と鉄心全体の磁束との関係を求めておき、この関係を用い、上記ホール素子で検出した漏れ磁束から鉄心全体の磁束を推定すると共にこのホール素子が検出した信号を上記増幅器に帰還するものである。
【0013】
上記ホール素子の代わりに磁気抵抗素子を用いてもよい。
【0014】
電磁石が発生する電磁力は磁束の自乗に比例するから、磁束フィードバックを用いれば負バネは発生しない。しかし、補助コイルの起電力によって磁束を検出すると、低周波、とりわけ直流の検出が困難である。このため従来は低周波での電流フィードバックの併用が必要であった。磁束の検出にホール素子等を用い磁束フィードバックを行えば理想的であることが前記公知例に記載されているが、ホール素子をエアギャップ内に置くことには破損等の問題があり実現不可能とされていた。
【0015】
上記本発明の構成により、電磁石の鉄心中にホール素子を埋め込んだので、直流を含む全周波数域での磁束フィードバックが可能となった。即ち、ホール素子は直流から交流まで、全周波数域に亘って磁束の検出が可能である。よってホール素子が検出した信号を増幅器に帰還することで、入力信号に応じた電流を流すのではなく、入力信号に応じた磁束を生じるような機能が得られる。また、ホール素子は鉄心で保護され、回転軸の変位に拘らず破損から免れる。
【0016】
鉄心は大きく切り欠くと損失が生じるので、ほんの一部を切り欠く。その溝への漏れ磁束をホール素子で検出する。予め漏れ磁束と鉄心全体の磁束との関係を求めておけば、この関係には再現性があるので、ホール素子で検出した漏れ磁束から鉄心全体の磁束を推定することができる。
【0017】
ホール素子を空隙に埋め込む場合も溝に埋め込む場合と同様の作用がある。
【0018】
ブリッジの出力信号の正負に応じ、どちらか一方の巻線のみに電流を流すので、直流バイアスが不要となり、かつマイナスの駆動電流が発生しない。
【0019】
ホール素子の代わりに磁気抵抗素子を用いても同様の作用がある。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【0021】
図1に示されるように、磁気軸受制御装置のサーボ制御回路は、電磁石1の鉄心2に巻かれた巻線3と、パワーアンプ4の後段にFET5を配した増幅器6と、巻線電流検出器7を用いた電流帰還路8と、巻線電流検出器7及び補助コイル9を併用した電流・磁束混合帰還路10と、ホール素子11を用いた磁束帰還路12とからなる。
【0022】
電磁石1は、双方の磁極が負荷(回転軸)13に臨んでそれぞれエアギャップを形成するように鉄心2を曲げてある。その鉄心2にホール素子11が埋め込まれている。この実施の形態では、鉄心2がコ字状に形成され、その鉄心2の中間部の一部を切り欠いて溝14が形成されている。その溝14にホール素子11が埋め込まれている。鉄心2には、磁束を発生させる巻線3のほかに磁束φを検出するための補助コイル9が巻かれている。補助コイル9は起電力e=dφ/dtを生じるものである。
【0023】
パワーアンプ4は、入力信号Sが入力される負入力端子と、3つの帰還信号が入力される正入力端子とを有し、出力端子が所定の直列インピーダンス15を介してFET5のゲートに接続されている。FET5のソースは電磁石1の巻線3に接続され、その巻線3は直流電源16に接続されている。FET5のドレンは抵抗器17に接続され、抵抗器17の反対側は接地されている。この抵抗器17は巻線電流検出器7を構成している。
【0024】
上記抵抗器17のFET5側からパワーアンプの正入力端子に電流帰還路8が構成されている。
【0025】
電流・磁束混合帰還路10は、抵抗器17のFET5側に接続された低域通過瀘波器(LPF)18と、補助コイル9に積分回路19を介して接続された高域通過瀘波器(HPF)20と、両瀘波器18,20の出力を混合する加算器21とからなり、その加算器21の出力端子がパワーアンプ4の正入力端子に接続されている。
【0026】
磁束帰還路12は、ホール素子11をパワーアンプ4の正入力端子に接続したものである。ホール素子11は溝14への漏れ磁束を検出するようになっているので、予め溝14への漏れ磁束と鉄心2全体の磁束との関係を求めてある。例えば、比が1:100であれば、この比に基づき、ホール素子11で検出した漏れ磁束から鉄心2全体の磁束を推定することができる。
【0027】
電流帰還路8は電流帰還を行うもの、電流・磁束混合帰還路10は直流電流帰還と交流磁束帰還とを混合して行うもので、いずれも公知である。直流から交流まで全周波数域に亘って磁束帰還を行う磁束帰還路12が本発明の実施の形態である。
【0028】
本実施の形態では、図4に示されるように、4つの電磁石が用いられ、それぞれの磁極が回転軸の周囲を取り巻くように配置される。従って、図1のサーボ制御回路も4つ用いられる。各サーボ制御回路に、エアギャップが適正である位置からの回転軸の変位に比例した入力信号が入力されるようになっている。増幅器6にFET5が組み込まれているので、回転軸の変位がある位相(これを正の位相とする)のとき当該巻線3に電流が流れ、負の位相のときには電流が流れないようになっている。ただし、回転軸を挟んで対向させて配置された電磁石にとって変位は逆位相となる。従って、片方の電磁石において正の位相であるため巻線3に電流が流れているときには、反対の電磁石では巻線3に電流が流れず、逆に、片方の電磁石において負の位相であるため巻線3に電流が流れていないとき、反対の電磁石では巻線3に電流が流れるようになっている。
【0029】
次に実施の形態の作用を述べる。
【0030】
図示されない変位検出器によって回転軸の変位が検出され、これに比例した入力信号が増幅器6に入力される。増幅器6は入力信号に比例させて電磁石を駆動する。このとき電流帰還路8、電流・磁束混合帰還路10、磁束帰還路12よりそれぞれの帰還量が増幅器6に帰還される。
【0031】
電流帰還路8及び電流・磁束混合帰還路10の動作については従来より知られているので説明を省略する。
【0032】
磁束帰還路12にあっては、ホール素子11で検出された磁束φに比例する電圧が帰還される。この磁束φには直流も交流も含まれている。電磁石が発生する電磁力は磁束φの自乗に比例するから、磁束フィードバックを用いたことにより、変位を小さくするための正しい電磁力が得られる。即ち、エアギャップが大きいときには大きい電流、エアギャップが小さいときには小さい電流が流れるように自動的に補償される。従って、負バネは発生せず、回転軸の軸受中心保持性能が向上し、制御が安定になる。加えて、残留磁気の悪影響も自動的に補償され、チューニングがしやすくなる。
【0033】
また、電磁石1の鉄心2中にホール素子11を埋め込んだので、直流を含む全周波数域での磁束フィードバックが可能となった。ホール素子11は鉄心2で保護され、回転軸の変位に拘らず破損から免れる。
【0034】
図3に、互いに回転軸の反対にある電磁石1の巻線3の電流波形31,32を示す。図示されるように、巻線3の一方にのみ電流が流れる。このように、増幅器6が回転軸の変位の符号によって巻線3に電流を流すか流さないので、直流バイアスがなくとも、マイナスの駆動電流は流れない。このため回転軸の安定制御を阻む要因であるマイナスの駆動電流による電磁力が発生しない。従って、回転軸の安定制御が容易となり、かつ増幅器6のパワーアンプ4がA級動作する場合でも、直流バイアスに由来する発熱がなくなる。また、増幅器6のパワーアンプ4がB級動作する場合でも、入力信号に応じた磁束を生じるようになるので、負ばねは生じず、回転軸の軸受中心保持性能が向上する。
【0035】
本発明の他の実施の形態を説明する。
【0036】
図2に示されるように、互いに回転軸の反対にある電磁石1のホール素子11にあっては、負荷13の変位に対し磁束の増減がちょうど反対になる。そこで、これらのホール素子11を用いてブリッジを構成する。これにより磁束の変化を大きく捕らえることができる。増幅器はこのブリッジの出力信号の正負に応じ、出力信号が正の位相のとき片方の巻線のみに電流を流し、出力信号が負の位相のとき反対の巻線のみに電流を流すようにする。
【0037】
図1及び図2の実施の形態では、鉄心2の外周に溝14を形成してホール素子11が埋め込んだが、鉄心2の内部にホール素子11を埋め込んで磁気回路の中心にホール素子11が位置するようにしてもよい。図6に示されるように、鉄心2は回転軸13の周りを囲んで環状に形成され、この鉄心2の内周を8等分する各箇所に回転軸13に向けて突き出されたポールが設けられ、各々のポールにより回転軸13とのエアギャップが形成されている。ホール素子11は鉄心2の内部に空隙を設け、その空隙内に埋め込まれている。ホール素子11を埋める位置は、ポールの基端部、環状部分の外周、内周、中央などがある。ポールの基端部に埋める場合、ホール素子11の向きは径方向又は周方向にすることができる。図6から判るように、磁気回路は複数のポールと鉄心2の環状部分と回転軸13とを経由するので、ホール素子11を埋める位置により、磁気回路の中心にホール素子11が位置するようにできる。
【0038】
ここまでの実施の形態では、磁束の検出にホール素子を用いたが、磁束密度に比例して抵抗が変化する磁気抵抗素子(以下、MR素子という)を用いることができる。MR素子によっても、直流から交流まで、全周波数域に亘って磁束の検出が可能である。図7(a)に示されるように、ホール素子の場合、鉄心2を通る磁場Bに比例する電圧が得られる。MR素子の場合、図7(b)に示されるように、MR素子11aと既知抵抗71とを直列接続し、定電圧を印加することにより、鉄心2を通る磁場Bに比例する降下電圧が得られる。
【0039】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【0040】
(1)電磁石の鉄心中にホール素子を埋め込んだので、直流を含む全周波数域での磁束フィードバックが可能となり、回転軸の安定制御が容易となる。また、ホール素子は鉄心で保護される。
【0041】
(2)直流バイアスを用いるA級動作でも発熱が抑えられる。また、直流バイアスを用いないB級動作でも安定制御ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を示す磁気軸受制御装置のサーボ制御回路の回路図である。
【図2】本発明の他の実施の形態を示す電磁石の組み合わせ図である。
【図3】本発明の巻線の電流波形を示す図である。
【図4】磁気軸受の電磁石の配置図である。
【図5】電磁石の駆動回路の回路図である。
【図6】本発明の他の実施の形態を示す磁気軸受の断面図である。
【図7】本発明による磁束検出回路の回路図である。
【図8】従来の巻線の電流波形を示す図である。
【図9】従来の巻線の電流波形を示す図である。
【符号の説明】
1 電磁石
2 鉄心
3 巻線
6 増幅器
11 ホール素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic bearing that supports a rotating shaft with a magnetic flux, and more particularly to a magnetic bearing control device that is easy to control the rotating shaft easily, does not generate a negative spring, and generates less heat.
[0002]
[Prior art]
A magnetic bearing used for a radial bearing or the like has a rotating shaft supported by a magnetic flux, and for this purpose, an
[0003]
Servo control is used for the magnetic bearing control. That is, a current detector is connected to the winding, and the current actually flowing through the winding is detected and fed back to the amplifier. Alternatively, an auxiliary coil for detecting magnetic flux is added to the iron core of the electromagnet, and the electromotive force of this auxiliary coil is detected and fed back to the amplifier. The former is called current feedback because the feedback amount is a winding current, and the latter is called magnetic flux feedback because the feedback amount is an amount representing magnetic flux. Japanese Patent Publication No. 61-37643 includes current feedback at low frequencies and magnetic flux feedback at high frequencies.
[0004]
For example, as shown in FIG. 4, the electromagnet of the magnetic bearing is arranged so that the magnetic poles of the four
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the magnetic bearing, the electromagnetic force generated by the electromagnet is proportional to the square of the winding current and inversely proportional to the square of the air gap. This inverse proportional characteristic produces a negative spring. In other words, when the displacement is slightly increased, the electromagnetic force is remarkably reduced, and the force for reducing the displacement cannot be obtained more and more. Therefore, it is very difficult to stably control the rotating shaft using the conventional current feedback.
[0006]
Even with magnetic flux feedback, negative springs are unavoidable due to current feedback at low frequencies.
[0007]
Further, an eddy current flows through the rotating shaft by the magnetic field of the electromagnet, and the rotating shaft generates heat. The conventional magnetic bearing has a problem that in the case of class A operation, since a direct current bias is applied to each winding, an eddy current may always flow, and heat generation is intense. However, there is a problem that the accuracy is lowered in the class B operation.
[0008]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a magnetic bearing control device that solves the above-described problems and that can easily control the rotation shaft, does not generate a negative spring, and generates little heat.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, an electromagnet is arranged around a rotating shaft, an amplifier is connected to the winding of the electromagnet, and a signal obtained by detecting the displacement of the rotating shaft is input to the amplifier. In a magnetic bearing control device in which a current proportional to a signal flows in the winding, a Hall element for detecting a magnetic flux in the iron core of the electromagnet is embedded in a groove formed by partially cutting the iron core of the electromagnet. a manner embedded in advance to previously obtain a relation between the leakage flux and the iron core overall flux into the groove, using this relationship, the estimated magnetic flux of the entire core from leaking magnetic flux detected by the Hall element, the Hall element The signal detected by is fed back to the amplifier.
[0010]
In the present invention, an electromagnet is arranged around the rotating shaft, an amplifier is connected to the winding of the electromagnet, a signal in which the displacement of the rotating shaft is detected is input to the amplifier, and a current proportional to the input signal is input. In the magnetic bearing control device in which the magnetic flux flows in the winding, a Hall element for detecting magnetic flux is embedded in the iron core of the electromagnet so as to be embedded in a gap provided in the iron core of the electromagnet, and is previously embedded in the gap. The relationship between the leakage flux of the iron core and the magnetic flux of the entire iron core is obtained, and using this relationship, the magnetic flux of the entire iron core is estimated from the leakage magnetic flux detected by the hall element and the signal detected by the hall element is fed back to the amplifier. To do.
[0013]
A magnetoresistive element may be used instead of the Hall element.
[0014]
Since the electromagnetic force generated by the electromagnet is proportional to the square of the magnetic flux, a negative spring is not generated if magnetic flux feedback is used. However, if the magnetic flux is detected by the electromotive force of the auxiliary coil, it is difficult to detect low frequency, particularly direct current. For this reason, it has been necessary to use current feedback at a low frequency. Although it is described in the above-mentioned known example that it is ideal to perform magnetic flux feedback using a Hall element or the like for detecting magnetic flux, it is impossible to put the Hall element in the air gap due to problems such as breakage. It was said.
[0015]
With the above-described configuration of the present invention, the Hall element is embedded in the iron core of the electromagnet, so that magnetic flux feedback is possible in the entire frequency range including DC. That is, the Hall element can detect the magnetic flux over the entire frequency range from DC to AC. Therefore, by feeding back the signal detected by the Hall element to the amplifier, it is possible to obtain a function of generating a magnetic flux according to the input signal rather than flowing a current according to the input signal. In addition, the Hall element is protected by an iron core, and is free from damage regardless of the displacement of the rotating shaft.
[0016]
If the iron core is notched large, a loss will occur. The magnetic flux leaking into the groove is detected by a Hall element. If the relationship between the leakage magnetic flux and the magnetic flux of the entire iron core is obtained in advance, this relationship is reproducible, so that the magnetic flux of the entire iron core can be estimated from the leakage magnetic flux detected by the Hall element.
[0017]
The effect of embedding the Hall element in the gap is the same as that of embedding in the groove.
[0018]
Depending on the polarity of the output signal of the bridge, current is passed through only one of the windings, so a DC bias is not required and no negative drive current is generated.
[0019]
A similar effect can be obtained by using a magnetoresistive element instead of the Hall element.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0021]
As shown in FIG. 1, the servo control circuit of the magnetic bearing control device includes a winding 3 wound around an
[0022]
In the
[0023]
The
[0024]
A current feedback path 8 is formed from the
[0025]
The current / magnetic flux
[0026]
The magnetic
[0027]
The current feedback path 8 performs current feedback, and the current / magnetic flux
[0028]
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, four electromagnets are used, and the magnetic poles are arranged so as to surround the periphery of the rotating shaft. Accordingly, four servo control circuits in FIG. 1 are also used. An input signal proportional to the displacement of the rotating shaft from the position where the air gap is appropriate is input to each servo control circuit. Since the
[0029]
Next, the operation of the embodiment will be described.
[0030]
A displacement detector (not shown) detects the displacement of the rotating shaft, and an input signal proportional to this is input to the
[0031]
Since the operations of the current feedback path 8 and the current / magnetic flux
[0032]
In the magnetic
[0033]
In addition, since the
[0034]
FIG. 3 shows
[0035]
Another embodiment of the present invention will be described.
[0036]
As shown in FIG. 2, in the
[0037]
In the embodiment of FIGS. 1 and 2, the
[0038]
In the embodiments so far, the Hall element is used for detecting the magnetic flux, but a magnetoresistive element (hereinafter referred to as an MR element) whose resistance changes in proportion to the magnetic flux density can be used. Even with the MR element, the magnetic flux can be detected over the entire frequency range from direct current to alternating current. As shown in FIG. 7A, in the case of the Hall element, a voltage proportional to the magnetic field B passing through the
[0039]
【The invention's effect】
The present invention exhibits the following excellent effects.
[0040]
(1) Since the Hall element is embedded in the iron core of the electromagnet, magnetic flux feedback is possible in all frequency ranges including DC, and stable control of the rotating shaft is facilitated. The Hall element is protected with an iron core.
[0041]
(2) Heat generation can be suppressed even in a class A operation using a DC bias. Further, stable control can be performed even in a class B operation without using a DC bias.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a servo control circuit of a magnetic bearing control device showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a combination diagram of electromagnets showing another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a current waveform of a winding according to the present invention.
FIG. 4 is an arrangement diagram of electromagnets of a magnetic bearing.
FIG. 5 is a circuit diagram of a drive circuit for an electromagnet.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a magnetic bearing showing another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a circuit diagram of a magnetic flux detection circuit according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a current waveform of a conventional winding.
FIG. 9 is a diagram showing a current waveform of a conventional winding.
[Explanation of symbols]
1 Electromagnet 2
Claims (3)
Priority Applications (1)
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