JP3837625B2 - 制御型磁気軸受装置 - Google Patents
制御型磁気軸受装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3837625B2 JP3837625B2 JP09169398A JP9169398A JP3837625B2 JP 3837625 B2 JP3837625 B2 JP 3837625B2 JP 09169398 A JP09169398 A JP 09169398A JP 9169398 A JP9169398 A JP 9169398A JP 3837625 B2 JP3837625 B2 JP 3837625B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- control
- rotating body
- current value
- magnetic bearing
- electromagnets
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- 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
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0442—Active magnetic bearings with devices affected by abnormal, undesired or non-standard conditions such as shock-load, power outage, start-up or touchdown
-
- 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
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
- F16C32/0446—Determination of the actual position of the moving member, e.g. details of sensors
-
- 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
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0474—Active magnetic bearings for rotary movement
- F16C32/0489—Active magnetic bearings for rotary movement with active support of five degrees of freedom, e.g. two radial magnetic bearings combined with an axial bearing
-
- 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
- F16C2360/00—Engines or pumps
- F16C2360/44—Centrifugal pumps
- F16C2360/45—Turbo-molecular pumps
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Non-Positive Displacement Air Blowers (AREA)
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、たとえばターボ分子ポンプなどに使用され、回転体を磁気軸受により非接触支持して回転させる制御型磁気軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の制御型磁気軸受装置として、回転体を非接触支持する複数の電磁石を有する複数組の磁気軸受と、回転体の位置を検出する位置検出装置と、位置検出装置からの位置検出信号に基づいて磁気軸受の各電磁石に供給する励磁電流を制御する電磁石制御装置とを備えているものが知られている。
【０００３】
このような磁気軸受装置においては、磁気軸受の電磁石を最適に制御することが重要であり、とくに回転体の曲げ固有振動数に対する安定制御特性（減衰特性）が重要となる。
【０００４】
ところが、上記のような従来の磁気軸受装置は、電磁石制御装置における制御はアナログＰＩＤ制御が主であり、入力信号に対する制御信号を出力するだけの機能しか備えておらず、安定制御特性を判断するような自己診断機能を付加することはきわめて困難であった。
【０００５】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、安定制御特性の自己診断が可能な制御型磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明による制御型磁気軸受装置は、回転体を１つの制御軸方向の両側から挟んで前記制御軸方向の所定の目標位置に非接触支持する１対の電磁石と、前記回転体の前記制御軸方向の位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段からの位置検出信号に基づいて前記１対の電磁石に供給する励磁電流を制御する電磁石制御手段とを備えている制御型磁気軸受装置において、前記回転体を前記制御軸方向に１つの所定の周波数で加振する加振手段が設けられ、前記電磁石制御手段が、前記加振手段により前記回転体を設計上の固有振動数から所定値だけ離れた１つの周波数で加振したときの、前記位置検出信号と前記電磁石の励磁電流値との位相差である位相特性を測定し、この測定結果に基づいて前記回転体の曲げ固有振動数に対する安定制御特性である減衰特性を判定する制御特性判定手段を備えていることを特徴とするものである。
【０００７】
回転体の曲げ固有振動数に対する安定制御特性を調べる場合は、１つの制御軸はラジアル方向の制御軸である。また、回転体の軸方向の振動に対する安定制御特性を調べる場合は、１つの制御軸はアキシアル方向の制御軸である。
【０００８】
回転体とこれを１つの制御軸方向の両側から挟む１対の電磁石とからなる系は、質量、ばねおよびダンパよりなる１自由度振動系と等価である。そして、制御型磁気軸受装置においては、各対の電磁石の部分におけるばね定数および減衰係数が所定の値になるように設計されるが、装置の製作誤差や組立誤差、電磁石の特性のばらつきなどにより、ばね定数および減衰係数にばらつきが生じる。この発明は、このような減衰係数のばらつきを調べることにより、磁気軸受の減衰特性を調べて、安定制御特性の良否を判定することを可能にするものである。
【０００９】
上記のような振動系の減衰特性を調べる場合、通常は、周波数特性の１つであるゲイン特性を調べるのが普通である。
【００１０】
図７は、質量Ｍおよびばね定数Ｋが一定である１自由度振動系において、減衰係数Ｃを変化させたときの系のゲイン特性を表わしており、横軸が周波数、縦軸がゲインを示している。図７から明らかなように、ゲインは、回転体の曲げ固有振動数（この例では約１００Ｈｚ）において急激に低下し、減衰係数Ｃが小さくなるほどゲインの低下の度合が大きくなる。したがって、固有振動数におけるゲインを調べることにより、減衰特性を調べることができる。すなわち、回転体を固有振動数で加振して、そのときのゲインを測定し、この測定結果と図７の関係から、そのときの減衰係数を求めて、減衰特性の良否を判定することができる。
【００１１】
しかしながら、回転体を設計上の固有振動数だけで加振してゲイン特性を調べたのでは、次に説明するように、上記のようなばね定数のばらつきの影響を受け、減衰特性を正確に調べることができない。
【００１２】
図８は、質量Ｍおよび減衰係数Ｃが一定である１自由度振動系において、ばね定数Ｋを変化させたときの系のゲイン特性を表わしている。図８から明らかなように、減衰係数Ｃが一定であっても、ばね定数Ｋの変化によってゲイン特性が変化し、ゲインが最も低下する周波数（固有振動数）が変化する。これは、ばね定数Ｋの変化によって固有振動数が変化することによる。そして、このようにばね定数Ｋのばらつきによって固有振動数がばらつくため、回転体を設計上の固有振動数（この例では１００Ｈｚ）だけで加振してゲインを測定したのでは、減衰係数Ｃが一定であっても、ばね定数のばらつきによってゲインの測定値がばらついてしまう。このため、ゲインの測定値からそのときの減衰係数Ｃを正確に求めることはできない。
【００１３】
ゲイン特性による場合でも、図８に示すような固有振動数のばらつきの範囲内において、周波数を細かいピッチで変化させ、各周波数で回転体を加振して、そのときのゲインを測定するようにすれば、そのときの減衰特性を比較的正確に求めることができる。ところが、そのようにすると、回転体を複数の異なる周波数で何度も加振する必要があり、測定が面倒である。
【００１４】
本発明者は、回転体を設計上の固有振動数から所定値だけ離れた１つの周波数で加振して、そのときの位相特性を求めることにより、ばね定数Ｋのばらつきの影響を受けずに、そのときの減衰係数Ｃを正確に求めることができることを見出だし、この発明を完成した。
【００１５】
図９は、質量Ｍおよび減衰係数Ｃが一定である系において、ばね定数Ｋを変化させたときの系の位相特性を表わしており、横軸が周波数、縦軸が位相を示している。図９から明らかなように、設計上の固有振動数（この例では１００Ｈｚ）を含む幅の狭い周波数範囲においては、減衰係数Ｃが一定であっても、ばね定数Ｋのばらつきによって位相もばらつくが、設計上の固有振動数よりも所定値だけ低い周波数たとえば６０Ｈｚの点Ａでは、ばね定数Ｋのばらつきにかかわらず、位相はほぼ一定になる。一方、図１０は、質量Ｍおよびばね係数Ｋが一定である系において、減衰係数Ｃを変化させたときの系の位相特性を表わしている。図１０から明らかなように、図９においてばね定数Ｋのばらつきにかかわらずに位相がほぼ一定になる上記の点Ａにおいて、減衰係数Ｃの変化によって位相も変化する。したがって、回転体を上記の点Ａの１つの周波数で加振して、そのときの位相を測定すれば、この測定結果と図１０の関係に基づいて、そのときの減衰係数Ｃを正確に求めることができ、これに基づいて、磁気軸受の減衰特性の良否の判定ができる。図９および図１０より明らかなように、位相特性は、設計上の固有振動数より小さい側と大きい側とで同じような傾向を示す。このため、回転体を設計上の固有振動数より大きい所定の１つの振動数で加振して、上記と同様に減衰特性の良否の判定をすることもできる。
【００１６】
この発明の制御型磁気軸受装置によれば、上述のように、安定制御特性の自己診断ができる。しかも、回転体を１つの周波数で加振するだけで、系のばね定数のばらつきにかかわらず、そのときの減衰特性を正確に求めることができ、測定がきわめて簡単である。
【００１７】
たとえば、前記電磁石制御手段が、前記位置検出手段からの位置検出信号に基づいて前記１対の電磁石に対する制御電流値を求め、一定のバイアス電流値に対して前記制御電流値を加算および減算した値を前記１対の電磁石に対する励磁電流値として出力するものであり、前記電磁石制御手段に、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段と、不揮発性記憶装置とが設けられ、前記不揮発性記憶装置に、正弦波信号のデータを記憶した正弦波信号テーブルが設けられ、前記ディジタル処理手段に、前記正弦波信号テーブルのデータを前記制御電流値に加算することにより前記回転体を加振する前記加振手段が設けられている
ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段としては、たとえば、ＭＰＵ（マイクロプロセッサ）、ディジタル信号処理プロセッサなどが使用される。この明細書において、ディジタル信号処理プロセッサ（Digital Signal Processor）とは、ディジタル信号を入力してディジタル信号を出力し、ソフトウェアプログラムが可能で、高速実時間処理が可能な専用ハードウェアを指す。なお、以下、これを「ＤＳＰ」と略すことにする。
【００１８】
不揮発性記憶装置としては、たとえば、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭなど、適当なものが使用される。
【００１９】
この場合、電磁石制御手段のディジタル処理手段に設けられた加振手段で、不揮発性記憶装置の正弦波信号テーブルに記憶された正弦波信号のデータを制御電流値に加算することにより、回転体を加振することができ、電磁石制御手段の他に別に機械的な加振手段を設ける必要がない。このため、加振手段による磁気軸受装置の構成の複雑化、大型化、コストアップを招くことがない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
【００２１】
図１は制御型磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す縦断面図、図２は同横断面図、図３はその電気的構成の１例を示すブロック図である。
【００２２】
磁気軸受装置は、機械本体(1)およびコントローラ(2)を備えており、コントローラ(2)にパソコン(3)が接続されている。
【００２３】
磁気軸受装置は、鉛直円筒状のケーシング(4)の内側で鉛直軸状の回転体(5)が回転する縦型のものである。以下の説明において、回転体(5)の軸方向（鉛直方 向）の制御軸（アキシアル制御軸）をＺ軸、Ｚ軸と直交するとともに互いに直交する２つの径方向（水平方向）の制御軸（ラジアル制御軸）をＸ軸およびＹ軸とする。
【００２４】
機械本体(1)には、回転体(5)を軸方向に非接触支持する１組のアキシアル磁気軸受(6)、回転体(5)を径方向に非接触支持する上下２組のラジアル磁気軸受(7)(8)、回転体(5)の軸方向および径方向の位置を検出するための位置検出部(9)、回転体(5)を高速回転させるためのビルトイン型電動モータ(10)、ならびに回転体(5)の軸方向および径方向の可動範囲を規制して回転体(5)を磁気軸受(6)(7)(8)で支持できなくなったときなどに可動範囲の極限位置において回転体(5)を機械的 に支持する規制手段としての上下２組の保護軸受(11)(12)が設けられている。
【００２５】
コントローラ(2)には、センサ回路(13)、磁気軸受駆動回路(14)、インバータ(15)、ＤＳＰボード(16)およびシリアル通信ボード(17)が設けられ、ＤＳＰボー ド(16)には、ディジタル処理手段としてのＤＳＰ(18)、ＲＯＭ(31)、不揮発性記憶装置としてのフラッシュメモリ(19)、Ａ／Ｄ変換器(20)およびＤ／Ａ変換器(21)が設けられている。コントローラ(2)とパソコン(3)は互いに離れた場所に設置され、フラッシュメモリ(19)とパソコン(3)が通信ボード(17)とケーブル(22)を 介して接続されている。
【００２６】
位置検出部(9)は、回転体(5)の軸方向の変位を位置するための１個のアキシアル位置センサ(23)、および回転体(5)の径方向の位置を検出するための上下２組 のラジアル位置センサユニット(24)(25)を備えている。
【００２７】
アキシアル磁気軸受(6)は、回転体(5)の下部に一体に形成されたフランジ部(5a)をＺ軸方向の両側から挟むように配置された１対のアキシアル電磁石(26a)(26b)を備えている。アキシアル電磁石は、符号(26)で総称する。
【００２８】
アキシアル位置センサ(23)は、回転体(5)の下端面にＺ軸方向の下側から対向 するように配置され、回転体(5)の下端面との距離（空隙）に比例する距離信号 を出力する。
【００２９】
２組のラジアル磁気軸受(7)(8)は、アキシアル磁気軸受(6)の上側において上 下方向に所定の間隔をおいて配置されており、これらの間にモータ(10)が配置されている。上側のラジアル磁気軸受(7)は、回転体(5)をＸ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石(27a)(27b)、および回転体(5)をＹ軸方 向の両側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石(27c)(27d)を備えている。これらのラジアル電磁石は、符号(27)で総称する。同様に、下側のラジアル電磁石(8)も、２対のラジアル電磁石(28a)(28b)(28c)(28d)を備えている。これ らのラジアル電磁石も、符号(28)で総称する。
【００３０】
上側のラジアル位置センサユニット(24)は、上側のラジアル磁気軸受(7)の近 傍に配置されており、Ｘ軸方向の電磁石(27a)(27b)の近傍においてＸ軸方向の両側から回転体(5)を挟むように配置された１対のラジアル位置センサ(29a)(29b) 、Ｙ軸方向の電磁石(27c)(27d)の近傍においてＹ軸方向の両側から回転体(5)を 挟むように配置された１対のラジアル位置センサ(29c)(29d)を備えている。これらのラジアル位置センサは、符号(29)で総称する。同様に、下側のラジアル位置センサユニット(25)は、下側のラジアル磁気軸受(8)の近傍に配置されており、 ２対のラジアル位置センサ(30a)(30b)(30c)(30d)を備えている。これらのラジアル位置センサも、符号(30)で総称する。各ラジアル位置センサ(29)(30)は、回転体(5)の外周面との距離に比例する距離信号を出力する。
【００３１】
電磁石(26)(27)(28)および位置センサ(23)(29)(30)は、ケーシング(4)に固定 されている。
【００３２】
コントローラ(2)のＲＯＭ(31)には、ＤＳＰ(18)における処理プログラムなど が格納されている。フラッシュメモリ(19)には、正弦波信号テーブル(32)、磁気軸受(6)(7)(8)の制御パラメータを記憶した制御パラメータテーブル(33)、後述 するバイアス電流値を記憶したバイアス電流値テーブル(34)などが設けられており、正弦波信号テーブルには、正弦波信号のデータが記憶されている。これらのテーブル(32)(33)(34)の内容は、パソコン(3)を用いて書き替えることができる 。
【００３３】
センサ回路(13)は、位置検出部(9)の各位置センサ(23)(29)(30)を駆動し、各 位置センサ(23)(29)(30)の出力に基づいて、回転体(5)のＺ軸方向の位置、なら びに上下のラジアル位置センサユニット(24)(25)の部分におけるＸ軸方向およびＹ軸方向の位置を演算し、その演算結果である位置検出信号をＡ／Ｄ変換器(20)を介してＤＳＰ(18)に出力する。
【００３４】
ＤＳＰ(18)は、Ａ／Ｄ変換器(20)から入力する回転体(5)の位置の検出値に基 づいて、各磁気軸受(6)(7)(8)の各電磁石(26)(27)(28)に対する励磁電流信号を Ｄ／Ａ変換器(21)を介して磁気軸受駆動回路(14)に出力する。そして、駆動回路(14)は、ＤＳＰ(18)からの励磁電流信号に基づく励磁電流を対応する磁気軸受(6)(7)(8)の電磁石(26)(27)(28)に供給し、これにより、回転体(5)が所定の目標位置に非接触支持される。
【００３５】
ＤＳＰ(18)は、また、モータ(10)に対する回転数指令信号をインバータ(15)に出力し、インバータ(15)は、この信号に基づいて、モータ(10)の回転数を制御する。そして、その結果、回転体(5)が、磁気軸受(6)(7)(8)により目標位置に非接触支持された状態で、モータ(10)により高速回転させられる。
【００３６】
位置検出部(9)とセンサ回路(13)により、回転体(5)の各制御軸方向の位置を検出する位置検出手段が構成されている。また、コントローラ(2)のセンサ回路(13)を除く部分により、センサ回路(13)からの位置検出信号に基づいて各磁気軸受(6)(7)(8)の電磁石(26)(27)(28)に供給する励磁電流を制御する電磁石制御手段が構成されている。
【００３７】
図４は、コントローラ(2)の構成のうち、上側のラジアル磁気軸受(7)におけるＸ軸方向の１対のラジアル電磁石(27a)(27b)の制御に関する部分だけを示したものである。次に、図４を参照して、コントローラ(2)による上記の１対のラジア ル電磁石(27a)(27b)の制御について説明する。
【００３８】
まず、センサ回路(13)は、上側のラジアル位置センサユニット(24)のＸ軸方向の１対のラジアル位置センサ(29a)(29b)のうちの一方の出力信号から他方の出力信号を減算することにより、上側のラジアル磁気軸受(7)の部分における回転体(5)のＸ軸方向の位置すなわち目標位置に対する変位を求め、この変位に比例した変位検出信号ΔＸを出力する。センサ回路(13)からの変位検出信号ΔＸは、ＡＤ変換器(20)によりディジタル値に変換されて、ＤＳＰ(18)に入力する。ＤＳＰ(18)は、変位検出信号ΔＸに基づいて、たとえばＰＩＤ演算により、電磁石(27a)(27b)に対する制御電流値Ｉcを演算し、フラッシュメモリ(19)のテーブル(34)に 記憶されているバイアス電流値Ｉoと上記のように演算した制御電流値Ｉcを加算し、その結果得られた値（Ｉo＋Ｉc）を第１の励磁電流値としてＤＡ変換器(21)に出力するとともに、上記バイアス電流値Ｉoから上記制御電流値Ｉcを減算し、その結果得られた値（Ｉo−Ｉc）を第２の励磁電流値としてＤＡ変換器(21)に出力する。第１の励磁電流値（Ｉo＋Ｉc）はＤＡ変換器(21)によりアナログ信号に変換されて、第１の励磁電流信号（Ｉo＋Ｉc）として磁気軸受駆動回路(14)の第１の電力増幅器(35)に供給され、第１の電力増幅器(35)は第１の励磁電流信号（Ｉo＋Ｉc）を増幅し、これに比例する励磁電流を第１の電磁石(27a)に供給する 。第２の励磁電流値（Ｉo−Ｉc）はＤＡ変換器(21)によりアナログ信号に変換されて、第２の励磁電流信号（Ｉo−Ｉc）として磁気軸受駆動回路(14)の第２の電力増幅器(36)に供給され、第２の電力増幅器(36)は第２の励磁電流信号（Ｉo− Ｉc）を増幅し、これに比例する励磁電流を第２の電磁石(27a)に供給する。その結果、回転体(5)の上側のラジアル磁気軸受(7)の部分が、Ｘ軸方向の目標位置に支持される。
【００３９】
図５は、図４に示されているコントローラ(2)の部分において、上記のような 通常の制御を行っているときのＤＳＰ(18)の動作を機能ブロックで表わしたものである。このときは、ＤＳＰ(18)は、機能的には、制御電流演算手段(37)および励磁電流演算手段(38)を備えている。制御電流演算手段(37)は、センサ回路(13)からの変位検出信号ΔＸをＡＤ変換器(20)でディジタル化した変位検出値ΔＸに基づいて、たとえばＰＩＤ演算により、電磁石(27a)(27b)に対する制御電流値Ｉcを演算する。励磁電流演算手段(38)は、フラッシュメモリ(19)のテーブル(34) に記憶されているバイアス電流値Ｉoと上記のように演算した制御電流値Ｉcを加算し、その結果得られた値（Ｉo＋Ｉc）を第１の励磁電流値としてＤＡ変換器(21)に出力するとともに、上記バイアス電流値Ｉoから上記制御電流値Ｉcを減算し、その結果得られた値（Ｉo−Ｉc）を第２の励磁電流値としてＤＡ変換器(21)に出力する。
【００４０】
上記の磁気軸受装置において、パソコン(3)からの指令に基づいて、安定制御 特性の自己診断が行われる。次に、上側のラジアル磁気軸受(7)のＸ軸方向の１ 対のラジアル電磁石(27a)(27b)の部分の自己診断を行う場合を例にとって、ＤＳＰ(18)の動作について説明する。
【００４１】
自己診断を行う場合、設計上の固有振動数、その他の種々の条件を考慮して、回転体(5)を加振する周波数（加振周波数）を決定する。たとえば、前記のよう に、設計上の固有振動数が１００Ｈｚであるとし、加振周波数を６０Ｈｚとする。そして、パソコン(3)を用いて、フラッシュメモリ(19)の正弦波信号テーブル(32)の内容すなわち正弦波信号のデータを加振周波数に対応したものに書き替え る。
【００４２】
一方、自己診断を行う前に、回転体(5)の回転を停止した状態で、コントロー ラ(2)により磁気軸受(6)(7)(8)を制御して、回転体(5)を目標位置に非接触支持 しておく。
【００４３】
上記のような準備が終了したならば、パソコン(3)からコントローラ(2)に自己診断指令を出力する。すると、コントローラ(2)は、自己診断を開始する。図６ は、図４に示されているコントローラ(2)の部分において、自己診断を行うとき のＤＳＰ(18)の動作を機能ブロックで表わしたものであり、図５と同じ部分には同一の符号を付している。このときは、ＤＳＰ(18)は、機能的には、制御電流演算手段(37)、加振手段を構成する正弦波信号加算手段(39)、励磁電流演算手段(38)および制御特性判定手段(40)を備えている。
【００４４】
パソコン(3)から自己診断指令が出力されると、ＤＳＰ(18)において、制御電 流演算手段(37)が制御電流値Ｉcを演算して出力する度に、加算手段(39)が、フ ラッシュメモリ(19)のテーブル(32)から正弦波信号のデータＳを順に読み込み、これを制御電流演算手段(37)からの制御電流値Ｉcに加算して、新たな制御電流 値Ｉcとし、これを励磁電流演算手段(38)に出力する。そして、励磁電流演算手 段(38)が、バイアス電流値Ｉoに正弦波信号のデータＳを含む制御電流値Ｉcを加算した値（Ｉo＋Ｉc）を第１の励磁電流値としてＤＡ変換器(21)に出力するとともに、バイアス電流値Ｉoから正弦波信号のデータＳを含む制御電流値Ｉcを減算した値（Ｉo−Ｉc）を第２の励磁電流値としてＤＡ変換器(21)に出力する。このため、１対の電磁石(27a)(27b)に供給される励磁電流は、通常の制御時の励磁電流に正弦波信号が加算されたものとなり、この正弦波信号により、回転体(5)が Ｘ軸方向に加振される。そして、このように回転体(5)が加振されている間に、 判定手段(40)が、ＤＳＰ(18)の入力信号であるＡＤ変換器(20)からの変位検出値ΔＸとＤＳＰ(18)の出力信号の１つである励磁電流演算回路(38)からの第１の励磁電流値（Ｉo＋Ｉc）の位相差を求め、前記のように、この位相差と図１０に示すような関係から、減衰係数を求める。そして、この減衰係数に基づいて、安定制御特性を判定する。あるいは、求められた位相から直接減衰特性の良否を判定する。たとえば、上記の場合、位相のしきい値を２〜３°とし、求めた位相がこのしきい値より大きいときは、減衰特性が良好であると判定する。
【００４５】
磁気軸受(6)(7)(8)の他の各対の電磁石(26)(27)(28)についても、同様に、安 定制御特性の自己診断を行うことができる。
【００４６】
コントローラ(2)は、必ずしもパソコンなどのコンピュータに接続されなくて もよい。その場合、望ましくは、コントローラ(2)に操作パネルとＬＣＤ（液晶 ディスプレイ）を設け、これらを使用してフラッシュメモリ(19)のテーブル(32)(33)(34)の内容の書き替え、自己診断の指令などができるようにする。
【００４７】
上記実施形態では、フラッシュメモリ(19)のテーブル(32)に記憶されている正弦波信号のデータを用いて、ＤＳＰ(18)の加算手段(39)により、回転体(5)を加 振しているが、加振手段として機械的な加振装置を用いて回転体(5)を加振する ことも可能である。
【００４８】
上記実施形態には、回転体(5)が固定部分であるケーシング(4)の内側で回転するインナロータ型の磁気軸受装置を示したが、この発明は、回転体が固定部分の外側で回転するアウタロータ型の磁気軸受装置にも適用できる。
【００４９】
また、上記実施形態には、回転体(5)が鉛直に支持される縦型の磁気軸受装置 を示したが、この発明は、回転体が水平に支持される横型の磁気軸受装置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の実施形態を示す磁気軸受装置の機械的部分の主要部の縦断面図である。
【図２】図２は、同横断面図である。
【図３】図３は、同磁気軸受装置の電気的構成の１例を示すブロック図である。
【図４】図４は、図３のコントローラの１対の電磁石に関する部分を示すブロック図である。
【図５】図５は、通常の制御時における図４のＤＳＰの部分の機能を示すブロック図である。
【図６】図６は、自己診断時における図４のＤＳＰの部分の機能を示すブロック図である。
【図７】図７は、質量およびばね定数が一定で減衰係数が変化するときのゲイン特性の１例を示す図である。
【図８】図８は、質量および減衰係数が一定でばね定数が変化するときのゲイン特性の１例を示す図である。
【図９】図９は、質量および減衰係数が一定でばね定数が変化するときの位相特性の１例を示す図である。
【図１０】図１０は、質量およびばね定数が一定で減衰係数が変化するときの位相特性の１例を示す図である。
【符号の説明】
(2) コントローラ
(5) 回転体
(6) アキシアル磁気軸受
(7)(8) ラジアル磁気軸受
(9) 位置検出部
(13) センサ回路
(18) ディジタル信号処理プロセッサ（ＤＳＰ）
(19) フラッシュメモリ（不揮発性記憶装置）
(27a)(27b) ラジアル電磁石
(29a)(29b) ラジアル位置センサ
(32) 正弦波信号テーブル
(37) 制御電流演算手段
(38) 励磁電流演算手段
(39) 正弦波信号加算手段（加振手段）
【発明の属する技術分野】
この発明は、たとえばターボ分子ポンプなどに使用され、回転体を磁気軸受により非接触支持して回転させる制御型磁気軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の制御型磁気軸受装置として、回転体を非接触支持する複数の電磁石を有する複数組の磁気軸受と、回転体の位置を検出する位置検出装置と、位置検出装置からの位置検出信号に基づいて磁気軸受の各電磁石に供給する励磁電流を制御する電磁石制御装置とを備えているものが知られている。
【０００３】
このような磁気軸受装置においては、磁気軸受の電磁石を最適に制御することが重要であり、とくに回転体の曲げ固有振動数に対する安定制御特性（減衰特性）が重要となる。
【０００４】
ところが、上記のような従来の磁気軸受装置は、電磁石制御装置における制御はアナログＰＩＤ制御が主であり、入力信号に対する制御信号を出力するだけの機能しか備えておらず、安定制御特性を判断するような自己診断機能を付加することはきわめて困難であった。
【０００５】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、安定制御特性の自己診断が可能な制御型磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明による制御型磁気軸受装置は、回転体を１つの制御軸方向の両側から挟んで前記制御軸方向の所定の目標位置に非接触支持する１対の電磁石と、前記回転体の前記制御軸方向の位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段からの位置検出信号に基づいて前記１対の電磁石に供給する励磁電流を制御する電磁石制御手段とを備えている制御型磁気軸受装置において、前記回転体を前記制御軸方向に１つの所定の周波数で加振する加振手段が設けられ、前記電磁石制御手段が、前記加振手段により前記回転体を設計上の固有振動数から所定値だけ離れた１つの周波数で加振したときの、前記位置検出信号と前記電磁石の励磁電流値との位相差である位相特性を測定し、この測定結果に基づいて前記回転体の曲げ固有振動数に対する安定制御特性である減衰特性を判定する制御特性判定手段を備えていることを特徴とするものである。
【０００７】
回転体の曲げ固有振動数に対する安定制御特性を調べる場合は、１つの制御軸はラジアル方向の制御軸である。また、回転体の軸方向の振動に対する安定制御特性を調べる場合は、１つの制御軸はアキシアル方向の制御軸である。
【０００８】
回転体とこれを１つの制御軸方向の両側から挟む１対の電磁石とからなる系は、質量、ばねおよびダンパよりなる１自由度振動系と等価である。そして、制御型磁気軸受装置においては、各対の電磁石の部分におけるばね定数および減衰係数が所定の値になるように設計されるが、装置の製作誤差や組立誤差、電磁石の特性のばらつきなどにより、ばね定数および減衰係数にばらつきが生じる。この発明は、このような減衰係数のばらつきを調べることにより、磁気軸受の減衰特性を調べて、安定制御特性の良否を判定することを可能にするものである。
【０００９】
上記のような振動系の減衰特性を調べる場合、通常は、周波数特性の１つであるゲイン特性を調べるのが普通である。
【００１０】
図７は、質量Ｍおよびばね定数Ｋが一定である１自由度振動系において、減衰係数Ｃを変化させたときの系のゲイン特性を表わしており、横軸が周波数、縦軸がゲインを示している。図７から明らかなように、ゲインは、回転体の曲げ固有振動数（この例では約１００Ｈｚ）において急激に低下し、減衰係数Ｃが小さくなるほどゲインの低下の度合が大きくなる。したがって、固有振動数におけるゲインを調べることにより、減衰特性を調べることができる。すなわち、回転体を固有振動数で加振して、そのときのゲインを測定し、この測定結果と図７の関係から、そのときの減衰係数を求めて、減衰特性の良否を判定することができる。
【００１１】
しかしながら、回転体を設計上の固有振動数だけで加振してゲイン特性を調べたのでは、次に説明するように、上記のようなばね定数のばらつきの影響を受け、減衰特性を正確に調べることができない。
【００１２】
図８は、質量Ｍおよび減衰係数Ｃが一定である１自由度振動系において、ばね定数Ｋを変化させたときの系のゲイン特性を表わしている。図８から明らかなように、減衰係数Ｃが一定であっても、ばね定数Ｋの変化によってゲイン特性が変化し、ゲインが最も低下する周波数（固有振動数）が変化する。これは、ばね定数Ｋの変化によって固有振動数が変化することによる。そして、このようにばね定数Ｋのばらつきによって固有振動数がばらつくため、回転体を設計上の固有振動数（この例では１００Ｈｚ）だけで加振してゲインを測定したのでは、減衰係数Ｃが一定であっても、ばね定数のばらつきによってゲインの測定値がばらついてしまう。このため、ゲインの測定値からそのときの減衰係数Ｃを正確に求めることはできない。
【００１３】
ゲイン特性による場合でも、図８に示すような固有振動数のばらつきの範囲内において、周波数を細かいピッチで変化させ、各周波数で回転体を加振して、そのときのゲインを測定するようにすれば、そのときの減衰特性を比較的正確に求めることができる。ところが、そのようにすると、回転体を複数の異なる周波数で何度も加振する必要があり、測定が面倒である。
【００１４】
本発明者は、回転体を設計上の固有振動数から所定値だけ離れた１つの周波数で加振して、そのときの位相特性を求めることにより、ばね定数Ｋのばらつきの影響を受けずに、そのときの減衰係数Ｃを正確に求めることができることを見出だし、この発明を完成した。
【００１５】
図９は、質量Ｍおよび減衰係数Ｃが一定である系において、ばね定数Ｋを変化させたときの系の位相特性を表わしており、横軸が周波数、縦軸が位相を示している。図９から明らかなように、設計上の固有振動数（この例では１００Ｈｚ）を含む幅の狭い周波数範囲においては、減衰係数Ｃが一定であっても、ばね定数Ｋのばらつきによって位相もばらつくが、設計上の固有振動数よりも所定値だけ低い周波数たとえば６０Ｈｚの点Ａでは、ばね定数Ｋのばらつきにかかわらず、位相はほぼ一定になる。一方、図１０は、質量Ｍおよびばね係数Ｋが一定である系において、減衰係数Ｃを変化させたときの系の位相特性を表わしている。図１０から明らかなように、図９においてばね定数Ｋのばらつきにかかわらずに位相がほぼ一定になる上記の点Ａにおいて、減衰係数Ｃの変化によって位相も変化する。したがって、回転体を上記の点Ａの１つの周波数で加振して、そのときの位相を測定すれば、この測定結果と図１０の関係に基づいて、そのときの減衰係数Ｃを正確に求めることができ、これに基づいて、磁気軸受の減衰特性の良否の判定ができる。図９および図１０より明らかなように、位相特性は、設計上の固有振動数より小さい側と大きい側とで同じような傾向を示す。このため、回転体を設計上の固有振動数より大きい所定の１つの振動数で加振して、上記と同様に減衰特性の良否の判定をすることもできる。
【００１６】
この発明の制御型磁気軸受装置によれば、上述のように、安定制御特性の自己診断ができる。しかも、回転体を１つの周波数で加振するだけで、系のばね定数のばらつきにかかわらず、そのときの減衰特性を正確に求めることができ、測定がきわめて簡単である。
【００１７】
たとえば、前記電磁石制御手段が、前記位置検出手段からの位置検出信号に基づいて前記１対の電磁石に対する制御電流値を求め、一定のバイアス電流値に対して前記制御電流値を加算および減算した値を前記１対の電磁石に対する励磁電流値として出力するものであり、前記電磁石制御手段に、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段と、不揮発性記憶装置とが設けられ、前記不揮発性記憶装置に、正弦波信号のデータを記憶した正弦波信号テーブルが設けられ、前記ディジタル処理手段に、前記正弦波信号テーブルのデータを前記制御電流値に加算することにより前記回転体を加振する前記加振手段が設けられている
ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段としては、たとえば、ＭＰＵ（マイクロプロセッサ）、ディジタル信号処理プロセッサなどが使用される。この明細書において、ディジタル信号処理プロセッサ（Digital Signal Processor）とは、ディジタル信号を入力してディジタル信号を出力し、ソフトウェアプログラムが可能で、高速実時間処理が可能な専用ハードウェアを指す。なお、以下、これを「ＤＳＰ」と略すことにする。
【００１８】
不揮発性記憶装置としては、たとえば、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭなど、適当なものが使用される。
【００１９】
この場合、電磁石制御手段のディジタル処理手段に設けられた加振手段で、不揮発性記憶装置の正弦波信号テーブルに記憶された正弦波信号のデータを制御電流値に加算することにより、回転体を加振することができ、電磁石制御手段の他に別に機械的な加振手段を設ける必要がない。このため、加振手段による磁気軸受装置の構成の複雑化、大型化、コストアップを招くことがない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
【００２１】
図１は制御型磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す縦断面図、図２は同横断面図、図３はその電気的構成の１例を示すブロック図である。
【００２２】
磁気軸受装置は、機械本体(1)およびコントローラ(2)を備えており、コントローラ(2)にパソコン(3)が接続されている。
【００２３】
磁気軸受装置は、鉛直円筒状のケーシング(4)の内側で鉛直軸状の回転体(5)が回転する縦型のものである。以下の説明において、回転体(5)の軸方向（鉛直方 向）の制御軸（アキシアル制御軸）をＺ軸、Ｚ軸と直交するとともに互いに直交する２つの径方向（水平方向）の制御軸（ラジアル制御軸）をＸ軸およびＹ軸とする。
【００２４】
機械本体(1)には、回転体(5)を軸方向に非接触支持する１組のアキシアル磁気軸受(6)、回転体(5)を径方向に非接触支持する上下２組のラジアル磁気軸受(7)(8)、回転体(5)の軸方向および径方向の位置を検出するための位置検出部(9)、回転体(5)を高速回転させるためのビルトイン型電動モータ(10)、ならびに回転体(5)の軸方向および径方向の可動範囲を規制して回転体(5)を磁気軸受(6)(7)(8)で支持できなくなったときなどに可動範囲の極限位置において回転体(5)を機械的 に支持する規制手段としての上下２組の保護軸受(11)(12)が設けられている。
【００２５】
コントローラ(2)には、センサ回路(13)、磁気軸受駆動回路(14)、インバータ(15)、ＤＳＰボード(16)およびシリアル通信ボード(17)が設けられ、ＤＳＰボー ド(16)には、ディジタル処理手段としてのＤＳＰ(18)、ＲＯＭ(31)、不揮発性記憶装置としてのフラッシュメモリ(19)、Ａ／Ｄ変換器(20)およびＤ／Ａ変換器(21)が設けられている。コントローラ(2)とパソコン(3)は互いに離れた場所に設置され、フラッシュメモリ(19)とパソコン(3)が通信ボード(17)とケーブル(22)を 介して接続されている。
【００２６】
位置検出部(9)は、回転体(5)の軸方向の変位を位置するための１個のアキシアル位置センサ(23)、および回転体(5)の径方向の位置を検出するための上下２組 のラジアル位置センサユニット(24)(25)を備えている。
【００２７】
アキシアル磁気軸受(6)は、回転体(5)の下部に一体に形成されたフランジ部(5a)をＺ軸方向の両側から挟むように配置された１対のアキシアル電磁石(26a)(26b)を備えている。アキシアル電磁石は、符号(26)で総称する。
【００２８】
アキシアル位置センサ(23)は、回転体(5)の下端面にＺ軸方向の下側から対向 するように配置され、回転体(5)の下端面との距離（空隙）に比例する距離信号 を出力する。
【００２９】
２組のラジアル磁気軸受(7)(8)は、アキシアル磁気軸受(6)の上側において上 下方向に所定の間隔をおいて配置されており、これらの間にモータ(10)が配置されている。上側のラジアル磁気軸受(7)は、回転体(5)をＸ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石(27a)(27b)、および回転体(5)をＹ軸方 向の両側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石(27c)(27d)を備えている。これらのラジアル電磁石は、符号(27)で総称する。同様に、下側のラジアル電磁石(8)も、２対のラジアル電磁石(28a)(28b)(28c)(28d)を備えている。これ らのラジアル電磁石も、符号(28)で総称する。
【００３０】
上側のラジアル位置センサユニット(24)は、上側のラジアル磁気軸受(7)の近 傍に配置されており、Ｘ軸方向の電磁石(27a)(27b)の近傍においてＸ軸方向の両側から回転体(5)を挟むように配置された１対のラジアル位置センサ(29a)(29b) 、Ｙ軸方向の電磁石(27c)(27d)の近傍においてＹ軸方向の両側から回転体(5)を 挟むように配置された１対のラジアル位置センサ(29c)(29d)を備えている。これらのラジアル位置センサは、符号(29)で総称する。同様に、下側のラジアル位置センサユニット(25)は、下側のラジアル磁気軸受(8)の近傍に配置されており、 ２対のラジアル位置センサ(30a)(30b)(30c)(30d)を備えている。これらのラジアル位置センサも、符号(30)で総称する。各ラジアル位置センサ(29)(30)は、回転体(5)の外周面との距離に比例する距離信号を出力する。
【００３１】
電磁石(26)(27)(28)および位置センサ(23)(29)(30)は、ケーシング(4)に固定 されている。
【００３２】
コントローラ(2)のＲＯＭ(31)には、ＤＳＰ(18)における処理プログラムなど が格納されている。フラッシュメモリ(19)には、正弦波信号テーブル(32)、磁気軸受(6)(7)(8)の制御パラメータを記憶した制御パラメータテーブル(33)、後述 するバイアス電流値を記憶したバイアス電流値テーブル(34)などが設けられており、正弦波信号テーブルには、正弦波信号のデータが記憶されている。これらのテーブル(32)(33)(34)の内容は、パソコン(3)を用いて書き替えることができる 。
【００３３】
センサ回路(13)は、位置検出部(9)の各位置センサ(23)(29)(30)を駆動し、各 位置センサ(23)(29)(30)の出力に基づいて、回転体(5)のＺ軸方向の位置、なら びに上下のラジアル位置センサユニット(24)(25)の部分におけるＸ軸方向およびＹ軸方向の位置を演算し、その演算結果である位置検出信号をＡ／Ｄ変換器(20)を介してＤＳＰ(18)に出力する。
【００３４】
ＤＳＰ(18)は、Ａ／Ｄ変換器(20)から入力する回転体(5)の位置の検出値に基 づいて、各磁気軸受(6)(7)(8)の各電磁石(26)(27)(28)に対する励磁電流信号を Ｄ／Ａ変換器(21)を介して磁気軸受駆動回路(14)に出力する。そして、駆動回路(14)は、ＤＳＰ(18)からの励磁電流信号に基づく励磁電流を対応する磁気軸受(6)(7)(8)の電磁石(26)(27)(28)に供給し、これにより、回転体(5)が所定の目標位置に非接触支持される。
【００３５】
ＤＳＰ(18)は、また、モータ(10)に対する回転数指令信号をインバータ(15)に出力し、インバータ(15)は、この信号に基づいて、モータ(10)の回転数を制御する。そして、その結果、回転体(5)が、磁気軸受(6)(7)(8)により目標位置に非接触支持された状態で、モータ(10)により高速回転させられる。
【００３６】
位置検出部(9)とセンサ回路(13)により、回転体(5)の各制御軸方向の位置を検出する位置検出手段が構成されている。また、コントローラ(2)のセンサ回路(13)を除く部分により、センサ回路(13)からの位置検出信号に基づいて各磁気軸受(6)(7)(8)の電磁石(26)(27)(28)に供給する励磁電流を制御する電磁石制御手段が構成されている。
【００３７】
図４は、コントローラ(2)の構成のうち、上側のラジアル磁気軸受(7)におけるＸ軸方向の１対のラジアル電磁石(27a)(27b)の制御に関する部分だけを示したものである。次に、図４を参照して、コントローラ(2)による上記の１対のラジア ル電磁石(27a)(27b)の制御について説明する。
【００３８】
まず、センサ回路(13)は、上側のラジアル位置センサユニット(24)のＸ軸方向の１対のラジアル位置センサ(29a)(29b)のうちの一方の出力信号から他方の出力信号を減算することにより、上側のラジアル磁気軸受(7)の部分における回転体(5)のＸ軸方向の位置すなわち目標位置に対する変位を求め、この変位に比例した変位検出信号ΔＸを出力する。センサ回路(13)からの変位検出信号ΔＸは、ＡＤ変換器(20)によりディジタル値に変換されて、ＤＳＰ(18)に入力する。ＤＳＰ(18)は、変位検出信号ΔＸに基づいて、たとえばＰＩＤ演算により、電磁石(27a)(27b)に対する制御電流値Ｉcを演算し、フラッシュメモリ(19)のテーブル(34)に 記憶されているバイアス電流値Ｉoと上記のように演算した制御電流値Ｉcを加算し、その結果得られた値（Ｉo＋Ｉc）を第１の励磁電流値としてＤＡ変換器(21)に出力するとともに、上記バイアス電流値Ｉoから上記制御電流値Ｉcを減算し、その結果得られた値（Ｉo−Ｉc）を第２の励磁電流値としてＤＡ変換器(21)に出力する。第１の励磁電流値（Ｉo＋Ｉc）はＤＡ変換器(21)によりアナログ信号に変換されて、第１の励磁電流信号（Ｉo＋Ｉc）として磁気軸受駆動回路(14)の第１の電力増幅器(35)に供給され、第１の電力増幅器(35)は第１の励磁電流信号（Ｉo＋Ｉc）を増幅し、これに比例する励磁電流を第１の電磁石(27a)に供給する 。第２の励磁電流値（Ｉo−Ｉc）はＤＡ変換器(21)によりアナログ信号に変換されて、第２の励磁電流信号（Ｉo−Ｉc）として磁気軸受駆動回路(14)の第２の電力増幅器(36)に供給され、第２の電力増幅器(36)は第２の励磁電流信号（Ｉo− Ｉc）を増幅し、これに比例する励磁電流を第２の電磁石(27a)に供給する。その結果、回転体(5)の上側のラジアル磁気軸受(7)の部分が、Ｘ軸方向の目標位置に支持される。
【００３９】
図５は、図４に示されているコントローラ(2)の部分において、上記のような 通常の制御を行っているときのＤＳＰ(18)の動作を機能ブロックで表わしたものである。このときは、ＤＳＰ(18)は、機能的には、制御電流演算手段(37)および励磁電流演算手段(38)を備えている。制御電流演算手段(37)は、センサ回路(13)からの変位検出信号ΔＸをＡＤ変換器(20)でディジタル化した変位検出値ΔＸに基づいて、たとえばＰＩＤ演算により、電磁石(27a)(27b)に対する制御電流値Ｉcを演算する。励磁電流演算手段(38)は、フラッシュメモリ(19)のテーブル(34) に記憶されているバイアス電流値Ｉoと上記のように演算した制御電流値Ｉcを加算し、その結果得られた値（Ｉo＋Ｉc）を第１の励磁電流値としてＤＡ変換器(21)に出力するとともに、上記バイアス電流値Ｉoから上記制御電流値Ｉcを減算し、その結果得られた値（Ｉo−Ｉc）を第２の励磁電流値としてＤＡ変換器(21)に出力する。
【００４０】
上記の磁気軸受装置において、パソコン(3)からの指令に基づいて、安定制御 特性の自己診断が行われる。次に、上側のラジアル磁気軸受(7)のＸ軸方向の１ 対のラジアル電磁石(27a)(27b)の部分の自己診断を行う場合を例にとって、ＤＳＰ(18)の動作について説明する。
【００４１】
自己診断を行う場合、設計上の固有振動数、その他の種々の条件を考慮して、回転体(5)を加振する周波数（加振周波数）を決定する。たとえば、前記のよう に、設計上の固有振動数が１００Ｈｚであるとし、加振周波数を６０Ｈｚとする。そして、パソコン(3)を用いて、フラッシュメモリ(19)の正弦波信号テーブル(32)の内容すなわち正弦波信号のデータを加振周波数に対応したものに書き替え る。
【００４２】
一方、自己診断を行う前に、回転体(5)の回転を停止した状態で、コントロー ラ(2)により磁気軸受(6)(7)(8)を制御して、回転体(5)を目標位置に非接触支持 しておく。
【００４３】
上記のような準備が終了したならば、パソコン(3)からコントローラ(2)に自己診断指令を出力する。すると、コントローラ(2)は、自己診断を開始する。図６ は、図４に示されているコントローラ(2)の部分において、自己診断を行うとき のＤＳＰ(18)の動作を機能ブロックで表わしたものであり、図５と同じ部分には同一の符号を付している。このときは、ＤＳＰ(18)は、機能的には、制御電流演算手段(37)、加振手段を構成する正弦波信号加算手段(39)、励磁電流演算手段(38)および制御特性判定手段(40)を備えている。
【００４４】
パソコン(3)から自己診断指令が出力されると、ＤＳＰ(18)において、制御電 流演算手段(37)が制御電流値Ｉcを演算して出力する度に、加算手段(39)が、フ ラッシュメモリ(19)のテーブル(32)から正弦波信号のデータＳを順に読み込み、これを制御電流演算手段(37)からの制御電流値Ｉcに加算して、新たな制御電流 値Ｉcとし、これを励磁電流演算手段(38)に出力する。そして、励磁電流演算手 段(38)が、バイアス電流値Ｉoに正弦波信号のデータＳを含む制御電流値Ｉcを加算した値（Ｉo＋Ｉc）を第１の励磁電流値としてＤＡ変換器(21)に出力するとともに、バイアス電流値Ｉoから正弦波信号のデータＳを含む制御電流値Ｉcを減算した値（Ｉo−Ｉc）を第２の励磁電流値としてＤＡ変換器(21)に出力する。このため、１対の電磁石(27a)(27b)に供給される励磁電流は、通常の制御時の励磁電流に正弦波信号が加算されたものとなり、この正弦波信号により、回転体(5)が Ｘ軸方向に加振される。そして、このように回転体(5)が加振されている間に、 判定手段(40)が、ＤＳＰ(18)の入力信号であるＡＤ変換器(20)からの変位検出値ΔＸとＤＳＰ(18)の出力信号の１つである励磁電流演算回路(38)からの第１の励磁電流値（Ｉo＋Ｉc）の位相差を求め、前記のように、この位相差と図１０に示すような関係から、減衰係数を求める。そして、この減衰係数に基づいて、安定制御特性を判定する。あるいは、求められた位相から直接減衰特性の良否を判定する。たとえば、上記の場合、位相のしきい値を２〜３°とし、求めた位相がこのしきい値より大きいときは、減衰特性が良好であると判定する。
【００４５】
磁気軸受(6)(7)(8)の他の各対の電磁石(26)(27)(28)についても、同様に、安 定制御特性の自己診断を行うことができる。
【００４６】
コントローラ(2)は、必ずしもパソコンなどのコンピュータに接続されなくて もよい。その場合、望ましくは、コントローラ(2)に操作パネルとＬＣＤ（液晶 ディスプレイ）を設け、これらを使用してフラッシュメモリ(19)のテーブル(32)(33)(34)の内容の書き替え、自己診断の指令などができるようにする。
【００４７】
上記実施形態では、フラッシュメモリ(19)のテーブル(32)に記憶されている正弦波信号のデータを用いて、ＤＳＰ(18)の加算手段(39)により、回転体(5)を加 振しているが、加振手段として機械的な加振装置を用いて回転体(5)を加振する ことも可能である。
【００４８】
上記実施形態には、回転体(5)が固定部分であるケーシング(4)の内側で回転するインナロータ型の磁気軸受装置を示したが、この発明は、回転体が固定部分の外側で回転するアウタロータ型の磁気軸受装置にも適用できる。
【００４９】
また、上記実施形態には、回転体(5)が鉛直に支持される縦型の磁気軸受装置 を示したが、この発明は、回転体が水平に支持される横型の磁気軸受装置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の実施形態を示す磁気軸受装置の機械的部分の主要部の縦断面図である。
【図２】図２は、同横断面図である。
【図３】図３は、同磁気軸受装置の電気的構成の１例を示すブロック図である。
【図４】図４は、図３のコントローラの１対の電磁石に関する部分を示すブロック図である。
【図５】図５は、通常の制御時における図４のＤＳＰの部分の機能を示すブロック図である。
【図６】図６は、自己診断時における図４のＤＳＰの部分の機能を示すブロック図である。
【図７】図７は、質量およびばね定数が一定で減衰係数が変化するときのゲイン特性の１例を示す図である。
【図８】図８は、質量および減衰係数が一定でばね定数が変化するときのゲイン特性の１例を示す図である。
【図９】図９は、質量および減衰係数が一定でばね定数が変化するときの位相特性の１例を示す図である。
【図１０】図１０は、質量およびばね定数が一定で減衰係数が変化するときの位相特性の１例を示す図である。
【符号の説明】
(2) コントローラ
(5) 回転体
(6) アキシアル磁気軸受
(7)(8) ラジアル磁気軸受
(9) 位置検出部
(13) センサ回路
(18) ディジタル信号処理プロセッサ（ＤＳＰ）
(19) フラッシュメモリ（不揮発性記憶装置）
(27a)(27b) ラジアル電磁石
(29a)(29b) ラジアル位置センサ
(32) 正弦波信号テーブル
(37) 制御電流演算手段
(38) 励磁電流演算手段
(39) 正弦波信号加算手段（加振手段）
Claims (2)
- 回転体を１つの制御軸方向の両側から挟んで前記制御軸方向の所定の目標位置に非接触支持する１対の電磁石と、前記回転体の前記制御軸方向の位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段からの位置検出信号に基づいて前記１対の電磁石に供給する励磁電流を制御する電磁石制御手段とを備えている制御型磁気軸受装置において、
前記回転体を前記制御軸方向に１つの所定の周波数で加振する加振手段が設けられ、前記電磁石制御手段が、前記加振手段により前記回転体を設計上の固有振動数から所定値だけ離れた１つの周波数で加振したときの、前記位置検出信号と前記電磁石の励磁電流値との位相差である位相特性を測定し、この測定結果に基づいて前記回転体の曲げ固有振動数に対する安定制御特性である減衰特性を判定する制御特性判定手段を備えていることを特徴とする制御型磁気軸受装置。 - 前記電磁石制御手段が、前記位置検出手段からの位置検出信号に基づいて前記１対の電磁石に対する制御電流値を求め、一定のバイアス電流値に対して前記制御電流値を加算および減算した値を前記１対の電磁石に対する励磁電流値として出力するものであり、前記電磁石制御手段に、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段と、不揮発性記憶装置とが設けられ、前記不揮発性記憶装置に、正弦波信号のデータを記憶した正弦波信号テーブルが設けられ、前記ディジタル処理手段に、前記正弦波信号テーブルのデータを前記制御電流値に加算することにより前記回転体を加振する前記加振手段が設けられていることを特徴とする請求項１の制御型磁気軸受装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09169398A JP3837625B2 (ja) | 1998-04-03 | 1998-04-03 | 制御型磁気軸受装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09169398A JP3837625B2 (ja) | 1998-04-03 | 1998-04-03 | 制御型磁気軸受装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11287247A JPH11287247A (ja) | 1999-10-19 |
| JP3837625B2 true JP3837625B2 (ja) | 2006-10-25 |
Family
ID=14033603
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP09169398A Expired - Fee Related JP3837625B2 (ja) | 1998-04-03 | 1998-04-03 | 制御型磁気軸受装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3837625B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4145009A1 (en) * | 2021-09-03 | 2023-03-08 | Skf Magnetic Mechatronics | Rotating machine vibration monitoring process for detecting degradations within a rotating machine fitted with magnetic bearings |
-
1998
- 1998-04-03 JP JP09169398A patent/JP3837625B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4145009A1 (en) * | 2021-09-03 | 2023-03-08 | Skf Magnetic Mechatronics | Rotating machine vibration monitoring process for detecting degradations within a rotating machine fitted with magnetic bearings |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11287247A (ja) | 1999-10-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7921494B2 (en) | Internal unit, suspended such that it can vibrate, of a laundry treatment machine, method for controlling a laundry treatment machine, and use of an electronic sensor in an internal unit | |
| JP5237042B2 (ja) | 振動速度センサ校正方法及び装置 | |
| JPH05284689A (ja) | 回転体連結部の調整支援装置 | |
| JP5418805B2 (ja) | 回転体のアンバランス量算出方法及び装置 | |
| US7456538B2 (en) | Reaction balanced rotary drive mechanism | |
| JP5884415B2 (ja) | トルク測定装置 | |
| JP2001041240A (ja) | 磁気軸受の制御装置 | |
| JP3837625B2 (ja) | 制御型磁気軸受装置 | |
| KR100954063B1 (ko) | 초고속 에어베어링 스핀들의 동특성 분석 장치 | |
| JPH11118591A (ja) | ディスク装置の筐体の振動解析方法及び解析装置 | |
| EP2740954B1 (en) | Magnetic bearing apparatus and method for reducing vibration caused by magnetic bearing apparatus | |
| KR100642991B1 (ko) | 노면의 회전식 휴대용 마찰계수 측정기구 | |
| JP6554515B2 (ja) | 工作機械の振動検出方法 | |
| JP4854403B2 (ja) | 磁界変調する角度測定装置とその作動方法 | |
| JP3785522B2 (ja) | 制御型磁気軸受装置 | |
| JP2003190140A (ja) | Ｘ線ｃｔシステムにおけるガントリ装置およびその制御方法 | |
| JPH11166531A (ja) | 磁気軸受装置 | |
| JP3785521B2 (ja) | 制御型磁気軸受装置 | |
| TWI615235B (zh) | 自適應振動感測方法 | |
| JP4011297B2 (ja) | 軸受予荷重推定装置及び軸受予荷重推定方法及び軸受予荷重推定プログラム及びこのプログラムを記録した記録媒体 | |
| CN108318122B (zh) | 自适应振动感测方法 | |
| TWI693341B (zh) | 風力渦輪機及用於判定該風力渦輪機中的實際轉子速度之裝置及方法 | |
| JP4110305B2 (ja) | 磁気軸受装置 | |
| RU2676061C1 (ru) | Способ резонансной настройки роторного вибрационного гироскопа | |
| JP2000074064A (ja) | 磁気軸受装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20051108 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20051031 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060110 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060620 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20060718 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090811 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100811 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110811 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120811 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130811 Year of fee payment: 7 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |