JP3766013B2

JP3766013B2 - 制御型磁気軸受

Info

Publication number: JP3766013B2
Application number: JP2001343322A
Authority: JP
Inventors: 良一高畑
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2001-11-08
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2021-11-08
Also published as: JP2003148468A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御型磁気軸受に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
制御型磁気軸受では、電磁石の制御として、回転体のラジアル方向の変位を検出するラジアルセンサで回転体の目標位置に対するずれ変位を検出し、そのずれ量をゼロにするよう電磁石に電流を流すフィードバック制御を行っている。
したがって、理想的には、回転体の変位検出位置と電磁石位置とは回転体に対して同じ位置（コロケーション）に配置すべきである。
【０００３】
しかし、構造上、変位検出位置と電磁石位置とを同じ位置に配置することは困難な場合が多いこと、変位検出位置と電磁石位置とが多少異なっても、ほとんどの場合さほど問題とはならないことなどの理由から、一般にはそのような配置はなされない（ノンコロケーション）。
【０００４】
ところが、ノンコロケーション配置であると、次のような問題が発生する。すなわち、回転体は、曲げモード固有振動数を有し、制御型磁気軸受の制御系は回転体の曲げモード固有振動数を発振させないように制御を行う。ところが、固有振動数は、回転体が回転を始めると前回り固有振動数と後回り固有振動数と呼ばれる振動数に分岐し、それぞれの値は回転数とともに変化する。
【０００５】
このため、回転体の回転数が変化すると、回転体Ｒの曲げモード（１次曲げモード）が、図７（ａ）のような曲げモード形状Ａから、図７（ｂ）のような曲げモード形状Ｂに変化する。曲げモード形状が変化すると、曲げモードの節ｄの位置も回転体軸方向に変化する。
【０００６】
節ｄの位置が変化しても、節ｄ、電磁石５１、及びラジアルセンサ５２の位置関係が図７（ａ）のままであれば問題はないが、節ｄの位置が変化して、節ｄ、電磁石５１、及びラジアルセンサ５２の位置関係が図７（ｂ）のようになると問題である。
【０００７】
図７（ａ）のように、節ｄからみて電磁石５１の位置とセンサ５２の位置とが、軸方向にみて同じ側にある場合、曲げモード形状Ａの曲がり方向は、電磁石５１及びセンサ５２からみていずれも離れた向きとなっているため、センサ５２では回転体Ｒが離れていることを検知して電磁石５１の回転体吸引力を大きくする制御が行われる。この制御に問題はない。
【０００８】
一方、図７（ｂ）のように、電磁石５１とセンサ５２の間に節ｄが位置すると、センサ５２による検出位置では曲げモード形状Ｂはセンサ５２から離れる方向に曲がっているが、逆に、電磁石５１の位置では曲げモード形状Ｂは電磁石５１に近づく方向に曲がっている。このような状態では、電磁石５１は回転体吸引力を弱めるように制御されるべきであるが、実際には、センサ５２の検知に基づき、電磁石５１は回転体吸引力が大きくなるように制御され、曲げ形状が大きくなってしまう。これは、磁気軸受の制御としては全く逆の不適切な制御となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、曲げモードの節ｄの位置とセンサ位置とが一致していると、回転体Ｒの変位（振動）量をラジアルセンサが検知しないため、発振を防止できる。したがって、センサは、曲げモードの節の位置に一致させて配置するのが理想的であるが、回転体Ｒの曲げモードの節ｄの位置は回転数によって軸方向に変化するため、位置固定されたラジアルセンサでは、曲げモードの節ｄの移動に対応できない。一方、ラジアルセンサを位置変更自在とすると構造が複雑となる。
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであって、構造を複雑化することなく回転体の発振を防止することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ラジアルセンサによって検出された回転体のラジアル方向の変位に基づいて電磁石を制御する制御型磁気軸受において、前記ラジアルセンサは、前記電磁石を挟んで軸方向両側に対をなして配置され、対のラジアルセンサの出力に基づき、電磁石の位置に対応した検出位置における回転体の変位を演算する演算手段と、前記回転体の回転数を検出する回転数センサとを備え、前記演算手段は、前記検出位置を前記回転体の回転数に応じて変化する曲げモードの節の位置に追随させるために、前記回転数センサによって検出された回転数に応じて、前記検出位置を軸方向に異ならせて回転体の変位を演算することを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、演算によって、検出位置を回転体の回転数に応じて変化する曲げモードの節の位置に追随させることができるため、回転体の発振を防止することができる。
【００１２】
そして、回転体の回転数に対する曲げモード節の位置を記憶するメモリを更に備え、前記演算手段は、前記回転数センサによって検出された回転数に基づいて求めた曲げモード節の位置を前記検出位置として回転体の変位を演算するのが好ましい。回転体回転数に応じて変化する曲げモード節の位置と検出位置とを一致させると、回転体の変位量をラジアルセンサが検知しないため、回転体の発振を防止でき、適切な制御が行える。
【００１３】
以下は、本願で開示する参考発明である。
第１の参考発明は、ラジアルセンサによって検出された回転体のラジアル方向の変位に基づいて電磁石を制御する制御型磁気軸受において、前記電磁石は、回転体軸方向に分割された電磁石分割体の組み合わせによって構成され、前記ラジアルセンサは、両電磁石分割体の間に配置されていることを特徴とする。
【００１４】
ラジアルセンサを、回転体軸方向に分割された電磁石分割体の間に配置することで、ラジアルセンサの位置と電磁石の位置を一致させることができ、回転体の回転数が変化して曲げモードの節の位置が変化しても、適切な制御を行うことができる。
【００１５】
また、前記電磁石は、前記回転体を挟んでラジアル方向に対をなして配置されて１組とされ、組をなす両電磁石にそれぞれ備えられた両ラジアルセンサによって検出された回転体の変位に基づいて、当該組をなす両電磁石の電磁石分割体が制御されるのが好ましい。電磁石を電磁石分割体の組み合わせによって構成することで電磁石分割体が多数となるが、かかる構成を採用することで、各電磁石分割体の制御を容易に行うことができる。
【００１６】
また、第２の参考発明は、ラジアルセンサによって検出された回転体のラジアル方向の変位に基づいて電磁石を制御する制御型磁気軸受において、前記ラジアルセンサは、前記電磁石を挟んで軸方向両側に対をなして配置され、対のラジアルセンサの出力に基づき、電磁石の位置に対応した検出位置における回転体の変位を演算する演算手段を備えていることを特徴とする。
電磁石とラジアルセンサの位置が一致していなくとも、電磁石の軸方向両側で対をなすラジアルセンサの各出力から電磁石に対応する位置における回転体の変位を演算すれば、電磁石とラジアルセンサの位置が一致しているのと同様の状態となり、回転体の回転数が変化して曲げモードの節の位置が変化しても、適切な制御を行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて参考発明及び本発明の実施形態を説明する。図１〜図３は前記参考発明の実施形態に係る制御型磁気軸受を示している。回転体軸方向からみた概略平面図である図１において示す制御型磁気軸受の電磁石ユニット１は、回転体Ｒの周囲に配置される円筒状のハウジング２を備え、このハウジング２に、電磁石３と、ラジアルセンサ４とが取り付けられている。
【００１８】
電磁石３は、回転体Ｒをラジアル方向に非接触保持するためのラジアル磁気軸受を構成している。電磁石３は複数個取り付けられており、ここでは、ラジアル方向２軸（Ｘ−Ｘ’，Ｙ−Ｙ’）分、計４個設けられており、Ｘ−Ｘ’軸方向に対をなす２個の電磁石３，３で１組をなし、Ｙ−Ｙ’軸方向に対をなす２個の電磁石で他の１組をなしている。
各電磁石３は、複数の電磁石分割体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの組み合わせによって構成されており、各電磁石分割体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、それぞれヘテロポーラ型の電磁石として構成されている。
【００１９】
電磁石分割体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、図１に示すように周方向に２列並設されているとともに、図２に示すように軸方向にも２段並設され、各電磁石３は計４つの電磁石分割体によって構成されている。これらの４つの電磁石分割体の組み合わせで実質的に一つの電磁石と同様に作用する。
【００２０】
前記ラジアルセンサ４は、各電磁石３に１個ずつ設けられており、本実施形態では、４つの電磁石分割体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの中央位置に配置されている。すなわち、ラジアルセンサ４は、周方向に並んだ２つの電磁石分割体３ａ，３ｃ（又は３ｂ，３ｄ）の周方向中間位置であって、回転体Ｒの軸方向に並んだ２つの電磁石分割体３ａ，３ｂ（又は３ｃ，３ｄ）の軸方向中間位置に配置されている。
【００２１】
図３に示すように、かかる配置のセンサ４で検出された回転体Ｒの変位（振れ回り量）は、Ａ／Ｄコンバータ６によってアナログ変位信号からデジタル変位信号に変換されＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）７に入力される。ＤＰＳ７には、Ｘ−Ｘ’方向に組をなす電磁石３，３のセンサ４，４、及びＹ−Ｙ’方向に組をなす電磁石３，３のセンサ４，４からそれぞれ信号が入力され、ＤＳＰ７は、Ｘ−Ｘ’方向に組をなす両センサ４，４の信号から回転体ＲのＸ−Ｘ’方向の変位を求め、Ｙ−Ｙ’方向に組をなすセンサ４，４の信号から回転体ＲのＹ−Ｙ’方向の変位を求める。
【００２２】
ＤＳＰ７は、回転体Ｒの変位を減少させるべく、電磁石３の制御信号を出力する。出力された制御信号は、Ｄ／Ａコンバータ８によってアナログ値に変換され、増幅器９によって増幅されて電磁石３を構成する各電磁石分割体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄに巻装されたコイルに制御電流として与えられる。電磁石３の制御は、各組毎に行われ、Ｘ−Ｘ’方向の変位はＸ−Ｘ’方向に組をなす電磁石３，３によって制御され、Ｙ−Ｙ’方向の変位はＹ−Ｙ’方向に組をなす電磁石３，３によって制御される。
また、１つの電磁石３を構成する電磁石分割体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄに与えられる制御電流は、すべて共通で与えてもよいし、あるいは各電磁石分割体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄに対して独立して与えてもよい。
【００２３】
前述のように、ラジアルセンサ４は、複数の電磁石分割体の組み合わせからなる電磁石３の中央位置にあるため、ラジアルセンサ４で検出する回転体Ｒの変位検出位置と電磁石３の位置とが回転体軸方向において一致することになり、理想的なコロケーションのセンサ配置となる。したがって、回転体Ｒの回転数が変化して曲げモードの節の位置が変化しても、曲げモードの節がセンサ４と電磁石３の間に位置することがないので、適切な制御が行える。
【００２４】
また、ラジアルセンサ４は、複数の電磁石分割体の組み合わせからなる電磁石３の中央位置にあるため、ラジアルセンサ変位検出位置と電磁石の位置とは回転体周方向においても一致することになり、周方向においても適切な制御が行える。
【００２５】
図４及び図５は、本発明の実施形態に係る制御型磁気軸受を示している。この本発明の実施形態では、ラジアルセンサとして、電磁石３の回転体軸方向一方側に配置された第１ラジアルセンサ４ａと電磁石３の回転体軸方向他方側に配置された第２ラジアルセンサ４ｂとが設けられており、第１及び第２のラジアルセンサ４ａ，４ｂとが電磁石３を挟んで対をなしている。なお、第１及び第２ラジアルセンサ４ａ，４ｂは電磁石３の周方向中央位置に配置されている。
【００２６】
図５に示すように、軸方向に並設された第１及び第２のラジアルセンサ４ａ，４ｂは、それぞれ回転体Ｒの変位を検出し、各ラジアルセンサ４ａ，４ｂの出力は、Ａ／Ｄコンバータ６，６を介してＤＳＰ７に入力される。ＤＳＰ７では、対をなすラジアルセンサ４ａ，４ｂの出力から、電磁石３の位置に対応した検出位置Ｈにおける回転体Ｒの変位を演算する。この演算は、両ラジアルセンサ４ａ，４ｂの出力値を平均化することによって行うことができる。
【００２７】
両ラジアルセンサ４ａ，４ｂの出力値を平均化することにより、両ラジアルセンサ４ａ，４ｂの間に位置する電磁石３の位置に対応した位置（以下「仮想センサ位置」ともいう）Ｈにおける回転体Ｒの変位を求めることができる。このようにＤＳＰ７は、コロケーションとなる仮想センサ位置Ｈにおける回転体Ｒの変位を演算により求める演算手段としても機能する。
【００２８】
したがって、スペース等の問題から軸方向２段の電磁石分割体の間にラジアルセンサを配置できない場合や、電磁石３を軸方向２段に分割できない場合等においては、ラジアルセンサをコロケーションセンサ配置としなくとも、電磁石３の軸方向両側にそれぞれ設けることで、演算によりコロケーションセンサ出力と同等な回転体Ｒ変位量を求めることができる。
【００２９】
両ラジアルセンサ４ａ，４ｂの出力値を単に平均化する場合には、前記仮想センサ位置Ｈは両ラジアルセンサ４ａ，４ｂ間の中央位置となるが、両出力値を平均化する場合に、各出力値に異なる重みを付けた重み付け平均化演算を行うことで、仮想センサ位置Ｈを軸方向に変化させることができる。
【００３０】
例えば、図６に示すように、仮想センサ位置Ｈを第１センサ４ａ寄りの位置Ｈ１とする場合には、第１ラジアルセンサ４ａの出力値を大きく（重み付け）して第２ラジアルセンサ４ａの出力値との平均値を算出することにより、算出された値は両ラジアルセンサ４ａ，４ｂの中央位置Ｈより第１ラジアルセンサ４ａ側の仮想センサ位置Ｈ１における変位量となる。
【００３１】
さらに、仮想センサ位置Ｈの軸方向移動が可能であることを利用して、回転体Ｒの回転数変化によって変化する曲げモードの節ｄの変化に、仮想センサ位置Ｈを追随させて変化させる演算を行うこともできる。
【００３２】
例えば、曲げモードの節ｄの位置とセンサ位置（仮想センサ位置Ｈ）とが一致していると、回転体Ｒの変位（振動）量をラジアルセンサが検知しないため、発振を防止できる。したがって、センサは、曲げモードの節の位置に一致させて配置するのが理想的であるが、回転体Ｒの曲げモードの節ｄの位置は回転数によって軸方向に変化するため、位置固定されたラジアルセンサでは、曲げモードの節ｄの移動に対応できない。一方、ラジアルセンサを位置変更自在とすると構造が複雑となる。
【００３３】
これに対し、軸方向に対をなすラジアルセンサ４ａ，４ｂによって仮想センサ位置Ｈにおける変位を演算する方式にあっては、前述のように仮想センサ位置Ｈを演算によって変化させることができる。
【００３４】
そして、予め測定された曲げモードの節の位置の回転体回転数による変化データが記憶されたメモリ１０と、回転体Ｒの回転数を測定する回転数センサ１１とを設けておくことで（図５参照）、ＤＳＰ７では、回転数センサ１１で測定した回転数に基づいて現在の節ｄ１の位置を求め、現在の節の位置ｄ１と仮想センサ位置Ｈ１とを一致させつつ、電磁石３の制御をすることができ、発振を防止できる。
【００３５】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では電磁石分割体としてヘテロポーラ電磁石を例示して説明したが、ホモポーラ型電磁石を採用することもできる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、演算によって、検出位置を回転体の回転数に応じて変化する曲げモードの節の位置に追随させることができるため、回転体の発振を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考発明の実施形態に係る制御型磁気軸受の電磁石ユニットを回転体軸方向からみた平面図である。
【図２】参考発明の実施形態の制御型磁気軸受の側断面図である。
【図３】参考発明の実施形態の制御型磁気軸受の制御装置の構成図である。
【図４】本発明の実施形態に係る制御型磁気軸受の側断面図である。
【図５】本発明の実施形態の制御型磁気軸受の制御装置の構成図である。
【図６】本発明の実施形態において仮想センサ位置を曲げモードの節に追随させる場合の概念図である。
【図７】電磁石とラジアルセンサの位置が異なる場合の問題点を説明する説明図である。
【符号の説明】
３電磁石
３ａ電磁石分割体
３ｂ電磁石分割体
３ｃ電磁石分割体
３ｄ電磁石分割体
４ラジアルセンサ
４ａ第１ラジアルセンサ
４ｂ第２ラジアルセンサ
７ＤＳＰ（演算手段）
Ｒ回転体
Ｈ仮想センサ位置（検出位置）
ｄ曲げモード節

Claims

ラジアルセンサによって検出された回転体のラジアル方向の変位に基づいて電磁石を制御する制御型磁気軸受において、
前記ラジアルセンサは、前記電磁石を挟んで軸方向両側に対をなして配置され、
対のラジアルセンサの出力に基づき、電磁石の位置に対応した検出位置における回転体の変位を演算する演算手段と、前記回転体の回転数を検出する回転数センサとを備え、
前記演算手段は、前記検出位置を前記回転体の回転数に応じて変化する曲げモードの節の位置に追随させるために、前記回転数センサによって検出された回転数に応じて、前記検出位置を軸方向に異ならせて回転体の変位を演算することを特徴とする制御型磁気軸受。
回転体の回転数に対する曲げモード節の位置を記憶するメモリを更に備え、
前記演算手段は、前記回転数センサによって検出された回転数に基づいて求めた曲げモード節の位置を前記検出位置として回転体の変位を演算することを特徴とする請求項１記載の制御型磁気軸受。