JP4052433B2 - 回転体制振装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は微小重力回転装置の回転軸支持機構に関し、微小な回転軸の振動も外部へ伝えることがなく、効果的に制振するようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は現在宇宙で行なわれている回転装置の一例を示す平面図であり、図において、モータ、等の回転装置６０には４本の支持部材６１，６２，６３，６４が取付けられ、放射状に伸びている。支持部材６１〜６４の先端には実験ボックス７０，７１，７２，７３が取付けられ、実験ボックス７０〜７３内には実験対象物、例えば植物、等が入れられる。このような装置は、無重力状態において回転装置６０により０〜数十回転／秒程度の回転が与えられ実験ボックス７０〜７３内の対象物の実験が行なわれる。
【０００３】
上記のような回転装置では、支持部材６１〜６４の先端に実験ボックス７０〜７３が取付けられており、先端部が大きな形状である。又、実験ボックス７０〜７３内には種類の異なる実験対象物が収納され、実験物の大きさも種々異なり、装置全体は回転軸中心に対称な配置ではあるが、収納される実験対象物はアンバランスである。従って、回転により支持部材６１〜６４及び実験ボックス７０〜７３には振動が発生し、振動が発生すると実験対象物を変動させたり、悪影響を及ぼすことになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記に説明した回転装置においては、宇宙における微小重力空間で実験ボックス内へ実験対象物を入れ、実験ボックスを回転させて実験を行う際に、実験ボックス間のアンバランスに起因して回転軸に振動が発生する。この振動は、回転軸を介して周囲環境へ伝播し、周囲の宇宙機器へも影響を及ぼし、機器の制御、等にも影響を与えるが、このような振動は本出願人が提案した微小重力回転装置により磁気軸受を配設し、磁気軸受を制御することにより効果的に吸収することができるようになった。次にこの概要を説明する。
【０００５】
図１０は本発明の出願人が提案した特許出願も了している先行技術に係る回転装置を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視図、（ｃ）はＤ−Ｄ断面図である。（ａ）図において１０は回転体全体を収納するケーシングであり、ケーシング１０には上下に空間１０ａ，１０ｂが設けられている。上下の空間１０ａ，１０ｂ内の周囲には磁気軸受１１，１２が配設されている。
【０００６】
磁気軸受１１，１２は、それぞれ空間１０ａ，１０ｂ内の周囲に励磁用のコイル１，２を配設して磁気軸受を構成している。３，４はそれぞれ空間１０ａ，１０ｂ内のコイル１，２の内側に配設された振動センサであり、後述するように回転軸３０の振動又は変位を検出し、この変位より回転軸３０の振動が検出できるものである。振動センサ３，４は（ｃ）図に示すように周囲に対称に複数個（図示の例では４個）が配置され、±Ｘ，±Ｙ方向の回転軸３０の振動変位を検出する構成である。３０は前記した回転軸であり、両端がそれぞれ空間１０ａ，１０ｂ内に配置され、モータ１３に連結し、磁気軸受１１，１２で両端部が軸支される。従って、回転軸３０はコイル１，２とは、それぞれ所定の隙間を保って磁力により空間部に支持されモータ１３で回転される。回転軸３０の周囲には（ｂ）図にも示すように、Ｘ、Ｙ軸方向に４本のアーム２４，２５，２６，２７で固定され、水平に伸び先端には実験ボックス２０，２１，２２，２３が取付けられている。
【０００７】
上記構成において、回転軸３０の軸受は磁気軸受１１，１２であり、回転軸３０はケーシング１０の支持部には接触せず、磁力により支持する構成とし、回転軸３０に振動が発生すると、その振動は回転軸３０両端周囲のＸ、Ｙ軸に配置した複数個の振動センサ３，４で検出する。振動センサ３，４では、後述するように、回転軸３０の振動又は変位を検出して、その信号を制御装置へ入力し、制御装置ではギャップが小さくなると、このギャップを元の隙間に戻すように対応するコイル１，２の位置の電流を制御し、振動を能動的に吸収するものである。
【０００８】
コイル１，２としては、図示省略するが、例えば、コイルを独立した複数個（図示の例では４個）の巻線を、それぞれＸ軸、Ｙ軸の４方向へ磁力が作用するように配設しておき、回転軸３０の振動や変位に応じて変位が大きく、コイルとのギャップの変動が一番大きい個所のコイルの励磁を制御し、回転軸３０との反発力、もしくは吸引力を調整し、振動による変位を吸収するような構成とする。
【０００９】
図１１は制御の系統図であり、回転軸３０上端周囲に配設された振動センサ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ及び下端の振動センサ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄからの各検出信号は制御装置１４へ入力される。制御装置１４はモータ１３を駆動させて回転軸３０を回転させると共に、各振動センサ３，４のＸ、Ｙ軸４方向の回転軸端の振動に伴う変位を監視し、センサと回転軸間のギャップが要求値よりも小さくなるか又は大きくなるとＸ、Ｙ軸の対応する個所のコイル１，２の巻線の励磁電流を制御し、この間の回転軸３０とコイル間の反発力又は吸引力を強めギャップを元の位置へ戻すように作動させる。
【００１０】
１５は記憶装置であり、予め振動周波数に対する振幅又は加速度の要求値のパターンや振動モードがデータとして記憶されており、制御装置１４では、振動センサ３，４からの回転軸３０の振動を監視するに当り、この要求値と比較し、回転軸が変位し、振動が大きくなり、かつ要求値を超える振動であると、コイルの励磁電流を制御して振動を吸収し、回転軸３０の振動が要求値以下となるように絶えず制御する。
【００１１】
上記の回転装置の磁気軸受で制振制御を行う際には、磁気軸受で回転軸を支持するバイアス制御と、能動制振制御を同時に行っている。バイアスと能動制振制御を同時に行うと、微小な振動を制振する場合に能動制御のため微小電流を通電するが、この場合に能動制御が不可能となることが起こる。又、能動制振制御の励磁電流の制御によってはバイアス能力が失われることも起こり得る。バイアス制御では回転軸を中心にセットするために、比較的強い電力で磁力を調整し、回転軸のバランスを取っており、そのために磁力による弾性支持力が固い支持力となり、回転軸の振動が微小な振動でも、磁気軸受を介して振動がケーシング側へ伝播されることが起こり、これら問題に対して何らかの対策が望まれていた。
【００１２】
そこで本発明では、回転装置の磁気軸受に工夫を行い、能動制振用の磁気軸受と、バイアス用の磁気軸受とを別体とすることにより、磁気軸受を介してケーシングへ振動が伝播しないようにして、微小振動を効果的に吸収し、ケーシングの外部機器へ悪影響を及ぼさないようにすることが可能な回転体制御装置を提供することを課題としてなされたものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために次の手段を提供する。
【００１４】
（１）ケーシング内で両端が磁気軸受で支持されモータにより回転駆動される回転軸を有し、同回転軸の周囲に重力を付加する対象物を入れる複数のボックスを取付けて構成される回転体制振装置であって、
前記回転軸の端部のそれぞれに制振用磁気軸受と、前記回転軸の位置保持を行うバイアス用磁気軸受を有するとともに、
回転軸の振動または変位を検出する振動センサーと、前記振動センサーの検出信号に基づき前記磁気軸受に供給する電流の制御を行う制御装置を有し、
前記制御装置は、前記振動センサーの検出信号に基づき、前記制御用磁気軸受による制振のための電流制御を行いつつ、前記バイアス用磁気軸受が加える前記回転軸の位置保持力を緩和するよう位置保持用の電流を減少させること
を特徴とする回転体制振装置。
【００１９】
（２）更に、回転軸の中央部にも制振用磁気軸受を設けたことを特徴とする請求項１記載の回転体制振装置。
【００２０】
（３）更に、回転軸の中央部にもバイアス用磁気軸受を配設したことを特徴とする請求項１記載の回転体制振装置。
【００２１】
（４）前記制振用及びバイアス用磁気軸受を複数備え、前記振動センサーの検出信号に基づき回転軸の振動の増大に応じて順次作動する個数を増加させるように制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の回転体制振装置。
【００２２】
本発明の（１）においては、ケーシング内で両端が磁気軸受で支持されモータにより回転駆動される回転軸を有し、同回転軸の周囲に重力を付加する対象物を入れる複数のボックスを取付けて構成される回転体制振装置であって、前記回転軸の端部のそれぞれに制振用磁気軸受と、前記回転軸の位置保持を行うバイアス用磁気軸受を有するとともに、回転軸の振動または変位を検出する振動センサーと、前記振動センサーの検出信号に基づき前記磁気軸受に供給する電流の制御を行う制御装置を有し、前記制御装置は、前記振動センサーの検出信号に基づき、前記制御用磁気軸受による制振のための電流制御を行いつつ、前記バイアス用磁気軸受が加える前記回転軸の位置保持力を緩和するよう位置保持用の電流を減少させることを特徴とする
制振用の磁気軸受は回転軸に振動が発生すると、まず、バイアス用磁気軸受の位置保持力を弱めるような磁力を発生してバイアス用磁気軸受が発生している位置保持力を所定量弱め、位置保持力を緩和するように制御する。
同時に振動を吸収するような能動制振の制御を行うので、微小な振動が生じてもバイアス用磁気軸受の固い支持力で振動を外部へ伝播するようなことがなく、制振も効果的になされる。
【００２６】
本発明の（２）においては、更に、回転軸の中央部にも制振用磁気軸受を設けた、回転軸の首振りを含む振動がより確実に制振することができる。
【００２７】
本発明の（３）では、回転軸の中央部は、複数のバイアス用磁気軸受で位置保持されるので、回転軸の首振り振動は両端の複数の制振用の磁気軸受で制御され、回転軸の中心位置への制御は中央部の複数のバイアス用磁気軸受で確実になされる。
【００２８】
なお、本発明の（４）では、前記制振用及びバイアス用磁気軸受を複数備え、前記振動センサーの検出信号に基づき回転軸の振動の増大に応じて順次作動する個数を増加させるように制御するので、振動の種類に応じて磁気軸受を最適な数に設定して運転することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基いて具体的に説明する。図１は本発明の実施の第１形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。図においてケーシング１０内には、図１０の先行技術の例と同じく空間１０ａ，１０ｂが形成され、空間１０ａには円筒状の上部固定材３１が、空間１０ｂには円筒状の下部固定材３２が固定されている。
【００３０】
上部固定材３１には磁気軸受１１、振動センサ３が図１０の例と同じく複数個配設され、更に、バイアス用磁気軸受３５ａ、スラスト用の磁気軸受３３が取付けられ、下部固定材３２にも振動センサ４、バイアス用磁気軸受３５ｂ、磁気軸受１２が、それぞれ取付けられている。これら各磁気軸受１１，３５ａ，３３で回転軸３０の一端部が、磁気軸受１２，３５ｂで回転軸３０の他端部が、それぞれ磁力の作用により非接触で支持される。この回転軸３０は下部固定材３２に取付けられたモータ３４により回転駆動される。
【００３１】
回転軸３０には、図１０で示す例と同様に、アーム２４，２５，２６，２７の一端が放射状に伸びて取付けられ、他端に実験ボックス２０，２１，２２，２３が支持されており、各実験ボックス２０〜２３内へは微小重力環境において重力を付加するための対象物が入れられ、回転駆動される。
【００３２】
なお、上記の例では４本のアーム２４〜２７により４個の実験ボックス２０〜２３を支持する例で説明したが、アームを４本以上、例えば８本を放射状に配置し、８個の実験ボックスを配置するような構成でも良く、この個数は実験対象物の種類や大きさ、等により適宜設定すれば良いものである。
【００３３】
図２は図１におけるＡ−Ａ断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。（ａ）に示すように、ケーシング１０内には円筒状の上部固定材３１が固定されており、上部固定材３１には円環状の磁気軸受のコイルが取付けられ、回転軸３０が挿通している。又、（ｂ）に示すように、下部固定材３２には、直交するＸ−Ｙ座標軸に複数個（図示の例では４個）の振動センサ４が取付けられており、振動センサ４の下方にはバイアス用磁気軸受３５ｂが配置され、下部固定材３２に取付けられている。なお、上部固定材３１に取付けられる振動センサ３、バイアス用磁気軸受３５ａも同様な配置となっている。
【００３４】
上記構成の実施の第１形態において、回転軸３０が回転すると、実験対象物の重量のアンバランスにより回転中に各実験ボックス２０〜２３間に加速度のアンバランスが生じ、回転軸３０が振動しようとするが、この振動又は変位は、図１０，図１１の例で説明したように、回転軸３０両端周囲のＸ、Ｙ軸に配置した複数個の振動センサ３，４で検出する。振動センサ３，４では、後述するように、回転軸３０の振動や変位を検出して、その信号を制御装置へ入力し、制御装置ではギャップが小さくなると、このギャップを元の隙間に戻すように対応するコイル１，２の位置の電流を制御し、振動を能動的に吸収するように制御するものである。
【００３５】
一方、回転軸３０は、振動が発生しない時には軸受部とは非接触で支持する必要があるので、バイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂのコイルへ励磁電流を流し、回転軸３０が常時中心位置を保持するように設定されている。図１０に示す例では回転軸３０を中心に保持するのは能動制御用の磁気軸受１１，１２で能動制御と同時に行っており、このためバイアス用の電流で回転軸３０が磁気力により強固な支持となり、微小な振動でも磁気軸受を介してケーシング１０側へ振動が伝播したり、又、微小な振動の制振が効果的になされなかった。
【００３６】
本実施の第１形態では、まず、第１の方法としてバイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂには回転軸３０を中心位置へ保持するために、一定の位置保持用の励磁電流を加えておき、回転軸３０に振動が発生すると、能動制振用の磁気軸受１１，１２のみを制御し、バイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂの振動に対応する個所のコイルの磁気力を弱めるように制御して位置保持力を弱めて自由度を高め、振動がバイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂを介してケーシング１０側へ伝播しないようにする。同時に、磁気軸受１１，１２は発生した振動を弱められた位置保持力の状態で、図１０，図１１で説明したように励磁電流を制御して振動を吸収する。
【００３７】
次に、第２の方法としては、バイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂには位置保持用の電流を加えておき、回転軸３０に振動が発生すると、まず、バイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂの電流を制御してバイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂによる位置保持力を弱めて自由度を高めると共に、同時に能動制振用の磁気軸受１１，１２で同様に振動を吸収するような制御を行う。
【００３８】
本実施の第１形態においては、上記の第１の方法によりバイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂは制振のための制御は行なわず、位置保持の作用のみを行い、能動制振用の磁気軸受１１，１２で制振と位置保持力を弱める両方の作用を行ない、微小な振動も効果的に制振してケーシングの外部へ振動を伝播しないようにすることができる。又、上記の第２の方法により、バイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂにより位置保持力を弱める制御を行うと共に、同時に能動制振用の磁気軸受１１，１２により制振の制御のみを行うようにしても、上記と同様に外部へ振動を伝播させずに、微小な振動でも効果的に制振することができるものである。
【００３９】
図３は上記の制御の状態を示す信号のタイミング図を示し、磁気軸受１１，１２及びバイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂの複数のコイルのうち、１つのコイルを代表して示しており、（ａ）は上記の第１の方法、（ｂ）は第２の方法の例である。（ａ）において、（１）は回転軸３０に生じた振動波形であり、Ｓo は基準値を示している。（２）はバイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂに加えられる位置保持用の電流であり、（３）は能動制御用の磁気軸受１１，１２に加えられる位置保持力を緩和するための電流であり、振動が基準値Ｓo を超える間出力される。（４）は同じく磁気軸受１１，１２に加えられる能動制振用の電流で、同じく振動（１）が基準値Ｓo を超える間に出力される。このように（ａ）の方法では、バイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂは常時位置保持用の電流（２）を加えておき、磁気軸受１１，１２に位置保持緩和用の電流（３）及び能動制振用の電流（４）を加え、（５）に示すように振動（１）が基準値Ｓo を超えると、磁気軸受１１，１２が位置保持力を弱めると共に、制振を行い、振動（１）を基準値以内に抑えるようにする。
【００４０】
（ｂ）は第２の方法であり、（１）の振動に対し、基準値Ｓo を超えると、超えた間はバイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂには常時加えられる位置保持の電流を減少させ、この部分の位置保持力を緩和するように制御される。この状態で、磁気軸受１１，１２には能動制振用の電流（４）が加えられ、（５）に示すように基準値Ｓo を超えた間の振動を抑えることができる。
【００４１】
図４は本発明の実施の第２形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。図において、本実施の第２形態においては、図１に示す実施の第１形態の回転軸３０の軸受支持構造の構成に加え、更に能動制振を行う磁気軸受３６ａ，３６ｂを追加した構成であり、その他の構成は図１に示す実施の第１形態と同じであるので詳しい説明は省略する。
【００４２】
即ち、図４において、回転軸３０の一端にはバイアス用磁気軸受３５ａを挟んで能動制振用の磁気軸受１１と磁気軸受３６ａが配置され、他端にはバイアス用磁気軸受３５ｂを挟んで能動制振用の磁気軸受１２と磁気軸受３６ｂが配置されている。バイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂは図１０、図１１で説明した先行技術と同じように、回転軸３０の位置保持の機能を有し、磁気軸受１１と３６ａは両方で回転軸３０の一端の能動制振の機能を有し、磁気軸受１２と３６ｂは両方で回転軸３０の他端の能動制振の機能を有するものである。その具体的作用は図１１で説明した内容がそのまま適用されるので、詳しい説明は省略する。
【００４３】
上記に説明した実施の第２形態においては、バイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂの両側には同じ機能を有する能動制振用の磁気軸受１１と３６ａ、及び１２と３６ｂとがそれぞれ配置されているので、回転軸３０の制振制御のバランスが取れ、実施の第１形態と比べて高精度な制御を可能とするものである。
【００４４】
図５は本発明の実施の第３形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。図において、本実施の第３形態においては、図１に示す実施の第１形態の回転軸３０の軸受支持構造の構成に加え、更に、回転軸３０の位置保持を行うバイアス用磁気軸受を追加した構成であり、その他の構成は図１に示す実施の第１形態と同じであるので詳しい説明は省略する。
【００４５】
即ち、図５において、回転軸３０の一端には能動制振用の磁気軸受１１を挟んでバイアス用磁気軸受３５ｃとバイアス用磁気軸受３５ｄが配置され、他端には能動制振用の磁気軸受１２を挟んでバイアス用磁気軸受３５ｅと磁気軸受３５ｆが配置されている。バイアス用磁気軸受３５ｃ〜３５ｆは、それぞれの端部において両方で図１０、図１１で説明したと同じように回転軸３０の位置保持の機能を有し、磁気軸受１１は回転軸３０の一端の能動制振の機能を有し、磁気軸受１２は回転軸３０の他端の能動制振の機能を有するものである。その具体的作用は図１１で説明した内容がそのまま適用されるので、詳しい説明は省略する。
【００４６】
上記に説明した実施の第３形態においては、能動制振用の磁気軸受１１，１２の両側には同じ機能を有する回転軸３０の位置保持用の磁気軸受３５ｃと３５ｄ、及び３５ｅと３５ｆとがそれぞれ配置されているので、回転軸３０の制振制御及び位置保持のバランスが取れ、実施の第１形態と比べて高精度な制御を可能とするものである。
【００４７】
図６は本発明の実施の第４形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。図において、本実施の第４形態においては、回転軸３０の両端部に磁気軸受１１，１２を４個配置した構成である。なお、磁気軸受１１，１２は図示の例では４個の例であるが４個に限定されず任意の数を配置することができる。その他の構成は図１に示す構成と同じである。
【００４８】
即ち、図６に示すように、上部固定材３１には回転軸３０の一端を能動的に制御して支持する磁気軸受１１が、図の例では４個が取付けられており、回転軸３０の振動に伴う変位を検出する振動センサ３が配置されている。同様に、下部固定材３２にも、回転軸３０の他端を能動的に支持する磁気軸受１２が４個、及び振動センサ４が配置されている。
【００４９】
上記構成の実施の第４形態においては、回転軸３０の両端は複数個の磁気軸受１１，１２を図９で後述するように必要個数だけ作動させ、回転軸３０が中心位置となるように位置保持がなされると共に、回転軸３０に首振り等の振動が発生すると、前記したように振動センサ３，４からの変位を検出し、図１１で述べたように、制御装置１４が、その振動の変位をなくすように複数の磁気軸受１１，１２の励磁電流を制御して振動を能動的に吸収する。従って、多種ある振動モードに対して即応が可能となり、振動が確実に制振されると共に、仮に磁気軸受の一部が故障したとしても、安全な運転が可能となる。
【００５０】
図７は本発明の実施の第５形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。図において、本実施の第５形態においては、図６に示す実施の第４形態において回転軸３０の中央部にも複数の磁気軸受を追加し、回転軸３０の両端部と中央部において複数の磁気軸受で支持する構成としたもので、その他の構成は図６と同じである。
【００５１】
即ち、図７において、上部固定材３１の回転軸３０中央部に相当する位置に４個の磁気軸受３７と振動センサ３８が追加されている。その他の構成は図６と同じである。磁気軸受３７は４個に限らず任意の複数個を設置することができ、磁気軸受３７は、図１，図２で説明した構造の磁気軸受１１，１２と同じものであり、又、振動センサ３８も図１０で示したものと同じ配置で振動センサ３，４と同じである。
【００５２】
上記構成の実施の第５形態においては、回転軸３０の両端部、及び中央部が、それぞれ複数個の磁気軸受１１，１２，３７で支持されており、図９で後述するように振動の大きさ、強さに応じて必要な個数だけを作動させ、回転軸３０が中心位置となるように位置保持がなされる。更に、回転軸３０に首振り等の振動が発生すると、前記したように振動センサ３，４，３８からの変位を検出し、図１１で述べたように、制御装置１４が、その振動の変位をなくすように複数の磁気軸受１１，１２，３８の励磁電流を制御して振動を能動的に吸収する。従って、多種ある振動モードに対して即応が可能となり、振動が確実に制振されると共に、仮に磁気軸受の一部が故障したとしても、安全な運転が可能となる。
【００５３】
図８は本発明の実施の第５形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。図において、本実施の第６形態においては、図６に示す実施の第４形態において回転軸３０の中央部にも複数のバイアス用磁気軸受を追加し、回転軸３０の両端部と中央部において複数の磁気軸受で支持する構成としたもので、その他の構成は図６と同じである。
【００５４】
即ち、図８において、上部固定材３１の回転軸３０中央部に相当する位置に４個のバイアス用磁気軸受３９と振動センサ３８が追加されている。その他の構成は図６と同じである。バイアス用磁気軸受３９は４個に限らず任意の複数個を設置することができ、バイアス用磁気軸受３９は、図２で説明した構造の磁気軸受３５ａ、３５ｂと同じものであり、又、振動センサ３８も図１０で示したものと同じ配置で振動センサ３，４と同じである。
【００５５】
上記構成の実施の第６形態においては、回転軸３０の両端部が複数の能動制振用の磁気軸受１１，１２で、及び中央部が複数個のバイアス用磁気軸受３９で支持されており、図９で後述するように振動の大きさ、強さに応じて必要な個数だけを作動させる。回転軸３０はバイアス用磁気軸受３９によって中心位置となるように位置保持がなされると共に、回転軸３０に首振り等の振動が発生すると、前記したように振動センサ３，４，３８からの変位を検出し、図１１で述べたように、制御装置１４が、その振動の変位をなくすように複数の磁気軸受１１，１２の励磁電流を制御して振動を能動的に吸収する。従って、多種ある振動モードに対して即応が可能となり、振動が確実に制振されると共に、仮に磁気軸受の一部が故障したとしても、安全な運転が可能となる。
【００５６】
図９は本発明の実施の第４形態における複数の磁気軸受１１，１２の駆動を制御する場合の制御のフローチャートである。この磁気軸受の制御は図１１で説明した能動制振制御に加えて、制御装置１４により行なわれるものである。なお、このフローチャートは図６に示す構成に基づいて説明するが、図７，図８に示す実施の第５，第６形態の構成にも同様に適用されるものである。
【００５７】
図９において、回転装置の駆動が開始すると、制御装置１４は、まず、ステップＳ１において、振動センサ３，４からの回転軸３０の振動に伴う変位を検出し、この信号を取込む。ここで、制御装置１４には、回転軸３０の許容される下限の許容値を第１の許容値として設定しておき、更に第１の許容値よりもやや大きい第２許容値、第２許容値よりもやや大きい第３許容値をそれぞれ設定し、記憶させておく。Ｓ２において、検出した変位の大きさが下限の第１の許容値よりも大きいと、Ｓ３へ進み、Ｓ３において、その範囲を調べる。
【００５８】
変位の大きさが、Ｓ３−１のように第１と第２の許容値の間にある場合には、Ｓ４−１において複数の磁気軸受１１，１２のうち、Ｓ４−１においてそれぞれ１個の磁気軸受のみを作動させ、Ｓ３−２のように、第２と第３の間にあり、振動の変位がある程度大きい場合には、Ｓ４−２において、複数の磁気軸受のうち予め定められた所定数、例えば、４個のうちの２個を作動させ、Ｓ３−３のように第３の上限よりも大きい場合には、Ｓ４−３において全部の磁気軸受、即ち、４個の場合には全数の４個を作動させる。又、Ｓ２において、センサからの信号が許容値よりも小さいと、Ｓ４−１へ進み、１個のみの磁気軸受を作動させる。
【００５９】
Ｓ４において、作動させる磁気軸受が定まると、Ｓ５において、図１０，図１１で説明したと同じように能動制振の制御を行い、振動を吸収し、Ｓ６において運転継続であれば、Ｓ１へ戻り再び同様の制御を繰り返し、運転終了であれば制御を終了する。このような制御は、回転軸３０のそれぞれの端部、中央部において実施されるものである。
【００６０】
上記のように、回転軸３０の両端において、それぞれの端部において、振動センサ３，４からの信号により、その振動の大きさに応じて、複数の磁気軸受のうち、適正な数の磁気軸受のみを作動させ、振動の大きさに応じて、１個の場合、中間数の場合、全数の場合と、磁気軸受の作動数を制御する構成としたので、回転装置の回転に伴う多様な振動モードに対しても広範囲に即応が可能となるものである。
【００６１】
なお、回転軸３０の中央部に磁気軸受を設ける図７，図８の構成においても、同様に中央部において、図７の構成においては４個の制振用磁気軸受３７を、図８の構成においては４個のバイアス用磁気軸受３９を、それぞれ図９に示す制御のフローチャートに基いて、作動を制御するものである。
【００６２】
又、上記に説明した図６，図７，図８の構成の応用例として、回転軸３０の両端部に複数のバイアス用磁気軸受を、中央部に複数の制振用磁気軸受を配置する構成、又、一端部に複数のバイアス用磁気軸受を、他端に複数の制振用磁気軸受を、中央部に複数の制振用磁気軸受を、それぞれ配置する構成とすることもできる。又、更に、一端にのみ制振用磁気軸受を配置し、他端と中央部には複数のバイアス用磁気軸受を、それぞれ配置する構成とすることもできる。このように、回転軸の一端、他端、中央部の３個所において磁気軸受の配置を種々組合せて配置する構成としても同様の効果が得られるものである。
【００６３】
又、図９において、Ｓ３で振動の大きさを調べ、Ｓ４で作動する磁気軸受の数を設定する制御を行ったが、これに代えて、Ｓ４において、各複数の磁気軸受の制振用磁気軸受の位置保持用の電流、バイアス用磁気軸受のバイアス電流を、それぞれ振動の大小に応じて増減させるように制御することもできる。このように制御しても上記と同様に回転軸の制振を行うことができる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明の回転体制振装置は、（１）ケーシング内で両端が磁気軸受で支持されモータにより回転駆動される回転軸を有し、同回転軸の周囲に重力を付加する対象物を入れる複数のボックスを取付けて構成される回転体制振装置であって、前記回転軸の両端の各磁気軸受は、それぞれ制振用の磁気軸受と、前記回転軸の位置保持を行うバイアス用磁気軸受の２個からなることを特徴としている。
【００６５】
上記構成により、バイアス用磁気軸受は回転軸を中心に位置させるように磁気力で回転軸を保持する。制振用の磁気軸受は回転軸に振動が発生すると、まず、バイアス用磁気軸受の位置保持力を弱めるような磁力を発生してバイアス用磁気軸受が発生している位置保持力を所定量弱め、位置保持力を緩和するように制御する。同時に振動を吸収するような能動制振の制御を行うので、微小な振動が生じてもバイアス用磁気軸受の固い支持力で振動を外部へ伝播するようなことがなく、制振も効果的になされる。
【００６６】
本発明の（２）においては、回転軸両端の各磁気軸受は、バイアス用磁気軸受を挟んで両側に制振用磁気軸受を配列して構成されるので、上記（１）の発明と同様に回転軸に発生する振動をケーシングの外部へ伝播させずに制振を効果的に行うことができ、更に、制振用の磁気軸受が両端において、それぞれ２個がバランス良く配置されているので、より効果的な制振が可能となる。
【００６７】
本発明の（３）においては、回転軸両端の磁気軸受は、制振用磁気軸受を挟んで両側にバイアス用磁気軸受を配列して構成するので、上記（１）の発明と同様に回転軸に発生する振動をケーシングの外部へ伝播させずに制振を効果的に行うことができ、更に、バイアス用磁気軸受が両端において、それぞれ２個がバランス良く配置されておるので、回転軸の位置保持が正確になされると共に、より効果的な制振がなされる。
【００６８】
本発明の（４）では、バイアス用磁気軸受は、制振用の磁気軸受が制振制御を行っている間は、回転軸の位置保持力を所定量だけ弱めるように励磁電流を制御し、バイアス用磁気軸受の回転軸の位置保持力を緩和する。そのために回転軸の振動はバイアス用磁気軸受において自由度が高まり、振動がバイアス用磁気軸受を介してケーシングへ伝播されることがなく、この振動は制振用の軸受により効果的に制振される。
【００６９】
本発明の（５）においては、回転軸の両端の磁気軸受は、それぞれ複数の磁気軸受で構成されているので、その支持力が強固となり、故障する磁気軸受があったとしても機能を失うことがなく、多種ある振動モードに対しても、広範囲に対応可能となる。又、本発明の（６）においては、回転軸の中央部にも複数の磁気軸受を設けたので、回転軸の首振りを含む振動がより確実に制振することができる。
【００７０】
本発明の（７）では、回転軸の中央部は、複数のバイアス用磁気軸受で位置保持されるので、回転軸の首振り振動は両端の複数の制振用の磁気軸受で制御され、回転軸の中心位置への制御は中央部の複数のバイアス用磁気軸受で確実になされる。
【００７１】
本発明の（８）では、両端部及び中央部の複数の磁気軸受は、回転軸の振動の強さに応じて、作動させる個数を適正に制御するので、振動の種類に応じて磁気軸受を最適な数に設定して運転することができ、上記（５）から（７）の発明の振動制御の信頼性が向上するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。
【図２】図１に示す断面図で、（ａ）はＡ−Ａ，（ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。
【図３】本発明の実施の第１形態に係る制振機能を示す信号のタイミング図であり、（ａ）はバイアス用磁気軸受を制御しない方法、（ｂ）はバイアス用磁気軸受を制御する方法を、それぞれ示す。
【図４】本発明の実施の第２形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。
【図５】本発明の実施の第３形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。
【図６】本発明の実施の第４形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。
【図７】本発明の実施の第５形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。
【図８】本発明の実施の第６形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。
【図９】本発明の実施の第４〜第６形態に係る磁気軸受の作動を制御する制御のフローチャートである。
【図１０】本発明の先行技術に係る回転装置を示し、（ａ）は内部の側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視図、（ｃ）は（ａ）におけるＤ−Ｄ矢視図である。
【図１１】図１０に示す回転装置の制御系統図である。
【図１２】宇宙における回転式実験装置の一例を示す平面図である。
【符号の説明】
３，４，３８ 振動センサ
１０ ケーシング
１１，１２，３３，３６ａ，３６ｂ，３７ 磁気軸受
２０〜２３ 実験ボックス
２４〜２７ アーム
３０ 回転軸
３１ 上部固定材
３２ 下部固定材
３４ モータ
３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３５ｅ，３５ｆ，３９
バイアス用磁気軸受
【発明の属する技術分野】
本発明は微小重力回転装置の回転軸支持機構に関し、微小な回転軸の振動も外部へ伝えることがなく、効果的に制振するようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は現在宇宙で行なわれている回転装置の一例を示す平面図であり、図において、モータ、等の回転装置６０には４本の支持部材６１，６２，６３，６４が取付けられ、放射状に伸びている。支持部材６１〜６４の先端には実験ボックス７０，７１，７２，７３が取付けられ、実験ボックス７０〜７３内には実験対象物、例えば植物、等が入れられる。このような装置は、無重力状態において回転装置６０により０〜数十回転／秒程度の回転が与えられ実験ボックス７０〜７３内の対象物の実験が行なわれる。
【０００３】
上記のような回転装置では、支持部材６１〜６４の先端に実験ボックス７０〜７３が取付けられており、先端部が大きな形状である。又、実験ボックス７０〜７３内には種類の異なる実験対象物が収納され、実験物の大きさも種々異なり、装置全体は回転軸中心に対称な配置ではあるが、収納される実験対象物はアンバランスである。従って、回転により支持部材６１〜６４及び実験ボックス７０〜７３には振動が発生し、振動が発生すると実験対象物を変動させたり、悪影響を及ぼすことになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記に説明した回転装置においては、宇宙における微小重力空間で実験ボックス内へ実験対象物を入れ、実験ボックスを回転させて実験を行う際に、実験ボックス間のアンバランスに起因して回転軸に振動が発生する。この振動は、回転軸を介して周囲環境へ伝播し、周囲の宇宙機器へも影響を及ぼし、機器の制御、等にも影響を与えるが、このような振動は本出願人が提案した微小重力回転装置により磁気軸受を配設し、磁気軸受を制御することにより効果的に吸収することができるようになった。次にこの概要を説明する。
【０００５】
図１０は本発明の出願人が提案した特許出願も了している先行技術に係る回転装置を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視図、（ｃ）はＤ−Ｄ断面図である。（ａ）図において１０は回転体全体を収納するケーシングであり、ケーシング１０には上下に空間１０ａ，１０ｂが設けられている。上下の空間１０ａ，１０ｂ内の周囲には磁気軸受１１，１２が配設されている。
【０００６】
磁気軸受１１，１２は、それぞれ空間１０ａ，１０ｂ内の周囲に励磁用のコイル１，２を配設して磁気軸受を構成している。３，４はそれぞれ空間１０ａ，１０ｂ内のコイル１，２の内側に配設された振動センサであり、後述するように回転軸３０の振動又は変位を検出し、この変位より回転軸３０の振動が検出できるものである。振動センサ３，４は（ｃ）図に示すように周囲に対称に複数個（図示の例では４個）が配置され、±Ｘ，±Ｙ方向の回転軸３０の振動変位を検出する構成である。３０は前記した回転軸であり、両端がそれぞれ空間１０ａ，１０ｂ内に配置され、モータ１３に連結し、磁気軸受１１，１２で両端部が軸支される。従って、回転軸３０はコイル１，２とは、それぞれ所定の隙間を保って磁力により空間部に支持されモータ１３で回転される。回転軸３０の周囲には（ｂ）図にも示すように、Ｘ、Ｙ軸方向に４本のアーム２４，２５，２６，２７で固定され、水平に伸び先端には実験ボックス２０，２１，２２，２３が取付けられている。
【０００７】
上記構成において、回転軸３０の軸受は磁気軸受１１，１２であり、回転軸３０はケーシング１０の支持部には接触せず、磁力により支持する構成とし、回転軸３０に振動が発生すると、その振動は回転軸３０両端周囲のＸ、Ｙ軸に配置した複数個の振動センサ３，４で検出する。振動センサ３，４では、後述するように、回転軸３０の振動又は変位を検出して、その信号を制御装置へ入力し、制御装置ではギャップが小さくなると、このギャップを元の隙間に戻すように対応するコイル１，２の位置の電流を制御し、振動を能動的に吸収するものである。
【０００８】
コイル１，２としては、図示省略するが、例えば、コイルを独立した複数個（図示の例では４個）の巻線を、それぞれＸ軸、Ｙ軸の４方向へ磁力が作用するように配設しておき、回転軸３０の振動や変位に応じて変位が大きく、コイルとのギャップの変動が一番大きい個所のコイルの励磁を制御し、回転軸３０との反発力、もしくは吸引力を調整し、振動による変位を吸収するような構成とする。
【０００９】
図１１は制御の系統図であり、回転軸３０上端周囲に配設された振動センサ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ及び下端の振動センサ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄからの各検出信号は制御装置１４へ入力される。制御装置１４はモータ１３を駆動させて回転軸３０を回転させると共に、各振動センサ３，４のＸ、Ｙ軸４方向の回転軸端の振動に伴う変位を監視し、センサと回転軸間のギャップが要求値よりも小さくなるか又は大きくなるとＸ、Ｙ軸の対応する個所のコイル１，２の巻線の励磁電流を制御し、この間の回転軸３０とコイル間の反発力又は吸引力を強めギャップを元の位置へ戻すように作動させる。
【００１０】
１５は記憶装置であり、予め振動周波数に対する振幅又は加速度の要求値のパターンや振動モードがデータとして記憶されており、制御装置１４では、振動センサ３，４からの回転軸３０の振動を監視するに当り、この要求値と比較し、回転軸が変位し、振動が大きくなり、かつ要求値を超える振動であると、コイルの励磁電流を制御して振動を吸収し、回転軸３０の振動が要求値以下となるように絶えず制御する。
【００１１】
上記の回転装置の磁気軸受で制振制御を行う際には、磁気軸受で回転軸を支持するバイアス制御と、能動制振制御を同時に行っている。バイアスと能動制振制御を同時に行うと、微小な振動を制振する場合に能動制御のため微小電流を通電するが、この場合に能動制御が不可能となることが起こる。又、能動制振制御の励磁電流の制御によってはバイアス能力が失われることも起こり得る。バイアス制御では回転軸を中心にセットするために、比較的強い電力で磁力を調整し、回転軸のバランスを取っており、そのために磁力による弾性支持力が固い支持力となり、回転軸の振動が微小な振動でも、磁気軸受を介して振動がケーシング側へ伝播されることが起こり、これら問題に対して何らかの対策が望まれていた。
【００１２】
そこで本発明では、回転装置の磁気軸受に工夫を行い、能動制振用の磁気軸受と、バイアス用の磁気軸受とを別体とすることにより、磁気軸受を介してケーシングへ振動が伝播しないようにして、微小振動を効果的に吸収し、ケーシングの外部機器へ悪影響を及ぼさないようにすることが可能な回転体制御装置を提供することを課題としてなされたものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために次の手段を提供する。
【００１４】
（１）ケーシング内で両端が磁気軸受で支持されモータにより回転駆動される回転軸を有し、同回転軸の周囲に重力を付加する対象物を入れる複数のボックスを取付けて構成される回転体制振装置であって、
前記回転軸の端部のそれぞれに制振用磁気軸受と、前記回転軸の位置保持を行うバイアス用磁気軸受を有するとともに、
回転軸の振動または変位を検出する振動センサーと、前記振動センサーの検出信号に基づき前記磁気軸受に供給する電流の制御を行う制御装置を有し、
前記制御装置は、前記振動センサーの検出信号に基づき、前記制御用磁気軸受による制振のための電流制御を行いつつ、前記バイアス用磁気軸受が加える前記回転軸の位置保持力を緩和するよう位置保持用の電流を減少させること
を特徴とする回転体制振装置。
【００１９】
（２）更に、回転軸の中央部にも制振用磁気軸受を設けたことを特徴とする請求項１記載の回転体制振装置。
【００２０】
（３）更に、回転軸の中央部にもバイアス用磁気軸受を配設したことを特徴とする請求項１記載の回転体制振装置。
【００２１】
（４）前記制振用及びバイアス用磁気軸受を複数備え、前記振動センサーの検出信号に基づき回転軸の振動の増大に応じて順次作動する個数を増加させるように制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の回転体制振装置。
【００２２】
本発明の（１）においては、ケーシング内で両端が磁気軸受で支持されモータにより回転駆動される回転軸を有し、同回転軸の周囲に重力を付加する対象物を入れる複数のボックスを取付けて構成される回転体制振装置であって、前記回転軸の端部のそれぞれに制振用磁気軸受と、前記回転軸の位置保持を行うバイアス用磁気軸受を有するとともに、回転軸の振動または変位を検出する振動センサーと、前記振動センサーの検出信号に基づき前記磁気軸受に供給する電流の制御を行う制御装置を有し、前記制御装置は、前記振動センサーの検出信号に基づき、前記制御用磁気軸受による制振のための電流制御を行いつつ、前記バイアス用磁気軸受が加える前記回転軸の位置保持力を緩和するよう位置保持用の電流を減少させることを特徴とする
制振用の磁気軸受は回転軸に振動が発生すると、まず、バイアス用磁気軸受の位置保持力を弱めるような磁力を発生してバイアス用磁気軸受が発生している位置保持力を所定量弱め、位置保持力を緩和するように制御する。
同時に振動を吸収するような能動制振の制御を行うので、微小な振動が生じてもバイアス用磁気軸受の固い支持力で振動を外部へ伝播するようなことがなく、制振も効果的になされる。
【００２６】
本発明の（２）においては、更に、回転軸の中央部にも制振用磁気軸受を設けた、回転軸の首振りを含む振動がより確実に制振することができる。
【００２７】
本発明の（３）では、回転軸の中央部は、複数のバイアス用磁気軸受で位置保持されるので、回転軸の首振り振動は両端の複数の制振用の磁気軸受で制御され、回転軸の中心位置への制御は中央部の複数のバイアス用磁気軸受で確実になされる。
【００２８】
なお、本発明の（４）では、前記制振用及びバイアス用磁気軸受を複数備え、前記振動センサーの検出信号に基づき回転軸の振動の増大に応じて順次作動する個数を増加させるように制御するので、振動の種類に応じて磁気軸受を最適な数に設定して運転することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基いて具体的に説明する。図１は本発明の実施の第１形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。図においてケーシング１０内には、図１０の先行技術の例と同じく空間１０ａ，１０ｂが形成され、空間１０ａには円筒状の上部固定材３１が、空間１０ｂには円筒状の下部固定材３２が固定されている。
【００３０】
上部固定材３１には磁気軸受１１、振動センサ３が図１０の例と同じく複数個配設され、更に、バイアス用磁気軸受３５ａ、スラスト用の磁気軸受３３が取付けられ、下部固定材３２にも振動センサ４、バイアス用磁気軸受３５ｂ、磁気軸受１２が、それぞれ取付けられている。これら各磁気軸受１１，３５ａ，３３で回転軸３０の一端部が、磁気軸受１２，３５ｂで回転軸３０の他端部が、それぞれ磁力の作用により非接触で支持される。この回転軸３０は下部固定材３２に取付けられたモータ３４により回転駆動される。
【００３１】
回転軸３０には、図１０で示す例と同様に、アーム２４，２５，２６，２７の一端が放射状に伸びて取付けられ、他端に実験ボックス２０，２１，２２，２３が支持されており、各実験ボックス２０〜２３内へは微小重力環境において重力を付加するための対象物が入れられ、回転駆動される。
【００３２】
なお、上記の例では４本のアーム２４〜２７により４個の実験ボックス２０〜２３を支持する例で説明したが、アームを４本以上、例えば８本を放射状に配置し、８個の実験ボックスを配置するような構成でも良く、この個数は実験対象物の種類や大きさ、等により適宜設定すれば良いものである。
【００３３】
図２は図１におけるＡ−Ａ断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。（ａ）に示すように、ケーシング１０内には円筒状の上部固定材３１が固定されており、上部固定材３１には円環状の磁気軸受のコイルが取付けられ、回転軸３０が挿通している。又、（ｂ）に示すように、下部固定材３２には、直交するＸ−Ｙ座標軸に複数個（図示の例では４個）の振動センサ４が取付けられており、振動センサ４の下方にはバイアス用磁気軸受３５ｂが配置され、下部固定材３２に取付けられている。なお、上部固定材３１に取付けられる振動センサ３、バイアス用磁気軸受３５ａも同様な配置となっている。
【００３４】
上記構成の実施の第１形態において、回転軸３０が回転すると、実験対象物の重量のアンバランスにより回転中に各実験ボックス２０〜２３間に加速度のアンバランスが生じ、回転軸３０が振動しようとするが、この振動又は変位は、図１０，図１１の例で説明したように、回転軸３０両端周囲のＸ、Ｙ軸に配置した複数個の振動センサ３，４で検出する。振動センサ３，４では、後述するように、回転軸３０の振動や変位を検出して、その信号を制御装置へ入力し、制御装置ではギャップが小さくなると、このギャップを元の隙間に戻すように対応するコイル１，２の位置の電流を制御し、振動を能動的に吸収するように制御するものである。
【００３５】
一方、回転軸３０は、振動が発生しない時には軸受部とは非接触で支持する必要があるので、バイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂのコイルへ励磁電流を流し、回転軸３０が常時中心位置を保持するように設定されている。図１０に示す例では回転軸３０を中心に保持するのは能動制御用の磁気軸受１１，１２で能動制御と同時に行っており、このためバイアス用の電流で回転軸３０が磁気力により強固な支持となり、微小な振動でも磁気軸受を介してケーシング１０側へ振動が伝播したり、又、微小な振動の制振が効果的になされなかった。
【００３６】
本実施の第１形態では、まず、第１の方法としてバイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂには回転軸３０を中心位置へ保持するために、一定の位置保持用の励磁電流を加えておき、回転軸３０に振動が発生すると、能動制振用の磁気軸受１１，１２のみを制御し、バイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂの振動に対応する個所のコイルの磁気力を弱めるように制御して位置保持力を弱めて自由度を高め、振動がバイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂを介してケーシング１０側へ伝播しないようにする。同時に、磁気軸受１１，１２は発生した振動を弱められた位置保持力の状態で、図１０，図１１で説明したように励磁電流を制御して振動を吸収する。
【００３７】
次に、第２の方法としては、バイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂには位置保持用の電流を加えておき、回転軸３０に振動が発生すると、まず、バイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂの電流を制御してバイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂによる位置保持力を弱めて自由度を高めると共に、同時に能動制振用の磁気軸受１１，１２で同様に振動を吸収するような制御を行う。
【００３８】
本実施の第１形態においては、上記の第１の方法によりバイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂは制振のための制御は行なわず、位置保持の作用のみを行い、能動制振用の磁気軸受１１，１２で制振と位置保持力を弱める両方の作用を行ない、微小な振動も効果的に制振してケーシングの外部へ振動を伝播しないようにすることができる。又、上記の第２の方法により、バイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂにより位置保持力を弱める制御を行うと共に、同時に能動制振用の磁気軸受１１，１２により制振の制御のみを行うようにしても、上記と同様に外部へ振動を伝播させずに、微小な振動でも効果的に制振することができるものである。
【００３９】
図３は上記の制御の状態を示す信号のタイミング図を示し、磁気軸受１１，１２及びバイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂの複数のコイルのうち、１つのコイルを代表して示しており、（ａ）は上記の第１の方法、（ｂ）は第２の方法の例である。（ａ）において、（１）は回転軸３０に生じた振動波形であり、Ｓo は基準値を示している。（２）はバイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂに加えられる位置保持用の電流であり、（３）は能動制御用の磁気軸受１１，１２に加えられる位置保持力を緩和するための電流であり、振動が基準値Ｓo を超える間出力される。（４）は同じく磁気軸受１１，１２に加えられる能動制振用の電流で、同じく振動（１）が基準値Ｓo を超える間に出力される。このように（ａ）の方法では、バイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂは常時位置保持用の電流（２）を加えておき、磁気軸受１１，１２に位置保持緩和用の電流（３）及び能動制振用の電流（４）を加え、（５）に示すように振動（１）が基準値Ｓo を超えると、磁気軸受１１，１２が位置保持力を弱めると共に、制振を行い、振動（１）を基準値以内に抑えるようにする。
【００４０】
（ｂ）は第２の方法であり、（１）の振動に対し、基準値Ｓo を超えると、超えた間はバイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂには常時加えられる位置保持の電流を減少させ、この部分の位置保持力を緩和するように制御される。この状態で、磁気軸受１１，１２には能動制振用の電流（４）が加えられ、（５）に示すように基準値Ｓo を超えた間の振動を抑えることができる。
【００４１】
図４は本発明の実施の第２形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。図において、本実施の第２形態においては、図１に示す実施の第１形態の回転軸３０の軸受支持構造の構成に加え、更に能動制振を行う磁気軸受３６ａ，３６ｂを追加した構成であり、その他の構成は図１に示す実施の第１形態と同じであるので詳しい説明は省略する。
【００４２】
即ち、図４において、回転軸３０の一端にはバイアス用磁気軸受３５ａを挟んで能動制振用の磁気軸受１１と磁気軸受３６ａが配置され、他端にはバイアス用磁気軸受３５ｂを挟んで能動制振用の磁気軸受１２と磁気軸受３６ｂが配置されている。バイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂは図１０、図１１で説明した先行技術と同じように、回転軸３０の位置保持の機能を有し、磁気軸受１１と３６ａは両方で回転軸３０の一端の能動制振の機能を有し、磁気軸受１２と３６ｂは両方で回転軸３０の他端の能動制振の機能を有するものである。その具体的作用は図１１で説明した内容がそのまま適用されるので、詳しい説明は省略する。
【００４３】
上記に説明した実施の第２形態においては、バイアス用磁気軸受３５ａ，３５ｂの両側には同じ機能を有する能動制振用の磁気軸受１１と３６ａ、及び１２と３６ｂとがそれぞれ配置されているので、回転軸３０の制振制御のバランスが取れ、実施の第１形態と比べて高精度な制御を可能とするものである。
【００４４】
図５は本発明の実施の第３形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。図において、本実施の第３形態においては、図１に示す実施の第１形態の回転軸３０の軸受支持構造の構成に加え、更に、回転軸３０の位置保持を行うバイアス用磁気軸受を追加した構成であり、その他の構成は図１に示す実施の第１形態と同じであるので詳しい説明は省略する。
【００４５】
即ち、図５において、回転軸３０の一端には能動制振用の磁気軸受１１を挟んでバイアス用磁気軸受３５ｃとバイアス用磁気軸受３５ｄが配置され、他端には能動制振用の磁気軸受１２を挟んでバイアス用磁気軸受３５ｅと磁気軸受３５ｆが配置されている。バイアス用磁気軸受３５ｃ〜３５ｆは、それぞれの端部において両方で図１０、図１１で説明したと同じように回転軸３０の位置保持の機能を有し、磁気軸受１１は回転軸３０の一端の能動制振の機能を有し、磁気軸受１２は回転軸３０の他端の能動制振の機能を有するものである。その具体的作用は図１１で説明した内容がそのまま適用されるので、詳しい説明は省略する。
【００４６】
上記に説明した実施の第３形態においては、能動制振用の磁気軸受１１，１２の両側には同じ機能を有する回転軸３０の位置保持用の磁気軸受３５ｃと３５ｄ、及び３５ｅと３５ｆとがそれぞれ配置されているので、回転軸３０の制振制御及び位置保持のバランスが取れ、実施の第１形態と比べて高精度な制御を可能とするものである。
【００４７】
図６は本発明の実施の第４形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。図において、本実施の第４形態においては、回転軸３０の両端部に磁気軸受１１，１２を４個配置した構成である。なお、磁気軸受１１，１２は図示の例では４個の例であるが４個に限定されず任意の数を配置することができる。その他の構成は図１に示す構成と同じである。
【００４８】
即ち、図６に示すように、上部固定材３１には回転軸３０の一端を能動的に制御して支持する磁気軸受１１が、図の例では４個が取付けられており、回転軸３０の振動に伴う変位を検出する振動センサ３が配置されている。同様に、下部固定材３２にも、回転軸３０の他端を能動的に支持する磁気軸受１２が４個、及び振動センサ４が配置されている。
【００４９】
上記構成の実施の第４形態においては、回転軸３０の両端は複数個の磁気軸受１１，１２を図９で後述するように必要個数だけ作動させ、回転軸３０が中心位置となるように位置保持がなされると共に、回転軸３０に首振り等の振動が発生すると、前記したように振動センサ３，４からの変位を検出し、図１１で述べたように、制御装置１４が、その振動の変位をなくすように複数の磁気軸受１１，１２の励磁電流を制御して振動を能動的に吸収する。従って、多種ある振動モードに対して即応が可能となり、振動が確実に制振されると共に、仮に磁気軸受の一部が故障したとしても、安全な運転が可能となる。
【００５０】
図７は本発明の実施の第５形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。図において、本実施の第５形態においては、図６に示す実施の第４形態において回転軸３０の中央部にも複数の磁気軸受を追加し、回転軸３０の両端部と中央部において複数の磁気軸受で支持する構成としたもので、その他の構成は図６と同じである。
【００５１】
即ち、図７において、上部固定材３１の回転軸３０中央部に相当する位置に４個の磁気軸受３７と振動センサ３８が追加されている。その他の構成は図６と同じである。磁気軸受３７は４個に限らず任意の複数個を設置することができ、磁気軸受３７は、図１，図２で説明した構造の磁気軸受１１，１２と同じものであり、又、振動センサ３８も図１０で示したものと同じ配置で振動センサ３，４と同じである。
【００５２】
上記構成の実施の第５形態においては、回転軸３０の両端部、及び中央部が、それぞれ複数個の磁気軸受１１，１２，３７で支持されており、図９で後述するように振動の大きさ、強さに応じて必要な個数だけを作動させ、回転軸３０が中心位置となるように位置保持がなされる。更に、回転軸３０に首振り等の振動が発生すると、前記したように振動センサ３，４，３８からの変位を検出し、図１１で述べたように、制御装置１４が、その振動の変位をなくすように複数の磁気軸受１１，１２，３８の励磁電流を制御して振動を能動的に吸収する。従って、多種ある振動モードに対して即応が可能となり、振動が確実に制振されると共に、仮に磁気軸受の一部が故障したとしても、安全な運転が可能となる。
【００５３】
図８は本発明の実施の第５形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。図において、本実施の第６形態においては、図６に示す実施の第４形態において回転軸３０の中央部にも複数のバイアス用磁気軸受を追加し、回転軸３０の両端部と中央部において複数の磁気軸受で支持する構成としたもので、その他の構成は図６と同じである。
【００５４】
即ち、図８において、上部固定材３１の回転軸３０中央部に相当する位置に４個のバイアス用磁気軸受３９と振動センサ３８が追加されている。その他の構成は図６と同じである。バイアス用磁気軸受３９は４個に限らず任意の複数個を設置することができ、バイアス用磁気軸受３９は、図２で説明した構造の磁気軸受３５ａ、３５ｂと同じものであり、又、振動センサ３８も図１０で示したものと同じ配置で振動センサ３，４と同じである。
【００５５】
上記構成の実施の第６形態においては、回転軸３０の両端部が複数の能動制振用の磁気軸受１１，１２で、及び中央部が複数個のバイアス用磁気軸受３９で支持されており、図９で後述するように振動の大きさ、強さに応じて必要な個数だけを作動させる。回転軸３０はバイアス用磁気軸受３９によって中心位置となるように位置保持がなされると共に、回転軸３０に首振り等の振動が発生すると、前記したように振動センサ３，４，３８からの変位を検出し、図１１で述べたように、制御装置１４が、その振動の変位をなくすように複数の磁気軸受１１，１２の励磁電流を制御して振動を能動的に吸収する。従って、多種ある振動モードに対して即応が可能となり、振動が確実に制振されると共に、仮に磁気軸受の一部が故障したとしても、安全な運転が可能となる。
【００５６】
図９は本発明の実施の第４形態における複数の磁気軸受１１，１２の駆動を制御する場合の制御のフローチャートである。この磁気軸受の制御は図１１で説明した能動制振制御に加えて、制御装置１４により行なわれるものである。なお、このフローチャートは図６に示す構成に基づいて説明するが、図７，図８に示す実施の第５，第６形態の構成にも同様に適用されるものである。
【００５７】
図９において、回転装置の駆動が開始すると、制御装置１４は、まず、ステップＳ１において、振動センサ３，４からの回転軸３０の振動に伴う変位を検出し、この信号を取込む。ここで、制御装置１４には、回転軸３０の許容される下限の許容値を第１の許容値として設定しておき、更に第１の許容値よりもやや大きい第２許容値、第２許容値よりもやや大きい第３許容値をそれぞれ設定し、記憶させておく。Ｓ２において、検出した変位の大きさが下限の第１の許容値よりも大きいと、Ｓ３へ進み、Ｓ３において、その範囲を調べる。
【００５８】
変位の大きさが、Ｓ３−１のように第１と第２の許容値の間にある場合には、Ｓ４−１において複数の磁気軸受１１，１２のうち、Ｓ４−１においてそれぞれ１個の磁気軸受のみを作動させ、Ｓ３−２のように、第２と第３の間にあり、振動の変位がある程度大きい場合には、Ｓ４−２において、複数の磁気軸受のうち予め定められた所定数、例えば、４個のうちの２個を作動させ、Ｓ３−３のように第３の上限よりも大きい場合には、Ｓ４−３において全部の磁気軸受、即ち、４個の場合には全数の４個を作動させる。又、Ｓ２において、センサからの信号が許容値よりも小さいと、Ｓ４−１へ進み、１個のみの磁気軸受を作動させる。
【００５９】
Ｓ４において、作動させる磁気軸受が定まると、Ｓ５において、図１０，図１１で説明したと同じように能動制振の制御を行い、振動を吸収し、Ｓ６において運転継続であれば、Ｓ１へ戻り再び同様の制御を繰り返し、運転終了であれば制御を終了する。このような制御は、回転軸３０のそれぞれの端部、中央部において実施されるものである。
【００６０】
上記のように、回転軸３０の両端において、それぞれの端部において、振動センサ３，４からの信号により、その振動の大きさに応じて、複数の磁気軸受のうち、適正な数の磁気軸受のみを作動させ、振動の大きさに応じて、１個の場合、中間数の場合、全数の場合と、磁気軸受の作動数を制御する構成としたので、回転装置の回転に伴う多様な振動モードに対しても広範囲に即応が可能となるものである。
【００６１】
なお、回転軸３０の中央部に磁気軸受を設ける図７，図８の構成においても、同様に中央部において、図７の構成においては４個の制振用磁気軸受３７を、図８の構成においては４個のバイアス用磁気軸受３９を、それぞれ図９に示す制御のフローチャートに基いて、作動を制御するものである。
【００６２】
又、上記に説明した図６，図７，図８の構成の応用例として、回転軸３０の両端部に複数のバイアス用磁気軸受を、中央部に複数の制振用磁気軸受を配置する構成、又、一端部に複数のバイアス用磁気軸受を、他端に複数の制振用磁気軸受を、中央部に複数の制振用磁気軸受を、それぞれ配置する構成とすることもできる。又、更に、一端にのみ制振用磁気軸受を配置し、他端と中央部には複数のバイアス用磁気軸受を、それぞれ配置する構成とすることもできる。このように、回転軸の一端、他端、中央部の３個所において磁気軸受の配置を種々組合せて配置する構成としても同様の効果が得られるものである。
【００６３】
又、図９において、Ｓ３で振動の大きさを調べ、Ｓ４で作動する磁気軸受の数を設定する制御を行ったが、これに代えて、Ｓ４において、各複数の磁気軸受の制振用磁気軸受の位置保持用の電流、バイアス用磁気軸受のバイアス電流を、それぞれ振動の大小に応じて増減させるように制御することもできる。このように制御しても上記と同様に回転軸の制振を行うことができる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明の回転体制振装置は、（１）ケーシング内で両端が磁気軸受で支持されモータにより回転駆動される回転軸を有し、同回転軸の周囲に重力を付加する対象物を入れる複数のボックスを取付けて構成される回転体制振装置であって、前記回転軸の両端の各磁気軸受は、それぞれ制振用の磁気軸受と、前記回転軸の位置保持を行うバイアス用磁気軸受の２個からなることを特徴としている。
【００６５】
上記構成により、バイアス用磁気軸受は回転軸を中心に位置させるように磁気力で回転軸を保持する。制振用の磁気軸受は回転軸に振動が発生すると、まず、バイアス用磁気軸受の位置保持力を弱めるような磁力を発生してバイアス用磁気軸受が発生している位置保持力を所定量弱め、位置保持力を緩和するように制御する。同時に振動を吸収するような能動制振の制御を行うので、微小な振動が生じてもバイアス用磁気軸受の固い支持力で振動を外部へ伝播するようなことがなく、制振も効果的になされる。
【００６６】
本発明の（２）においては、回転軸両端の各磁気軸受は、バイアス用磁気軸受を挟んで両側に制振用磁気軸受を配列して構成されるので、上記（１）の発明と同様に回転軸に発生する振動をケーシングの外部へ伝播させずに制振を効果的に行うことができ、更に、制振用の磁気軸受が両端において、それぞれ２個がバランス良く配置されているので、より効果的な制振が可能となる。
【００６７】
本発明の（３）においては、回転軸両端の磁気軸受は、制振用磁気軸受を挟んで両側にバイアス用磁気軸受を配列して構成するので、上記（１）の発明と同様に回転軸に発生する振動をケーシングの外部へ伝播させずに制振を効果的に行うことができ、更に、バイアス用磁気軸受が両端において、それぞれ２個がバランス良く配置されておるので、回転軸の位置保持が正確になされると共に、より効果的な制振がなされる。
【００６８】
本発明の（４）では、バイアス用磁気軸受は、制振用の磁気軸受が制振制御を行っている間は、回転軸の位置保持力を所定量だけ弱めるように励磁電流を制御し、バイアス用磁気軸受の回転軸の位置保持力を緩和する。そのために回転軸の振動はバイアス用磁気軸受において自由度が高まり、振動がバイアス用磁気軸受を介してケーシングへ伝播されることがなく、この振動は制振用の軸受により効果的に制振される。
【００６９】
本発明の（５）においては、回転軸の両端の磁気軸受は、それぞれ複数の磁気軸受で構成されているので、その支持力が強固となり、故障する磁気軸受があったとしても機能を失うことがなく、多種ある振動モードに対しても、広範囲に対応可能となる。又、本発明の（６）においては、回転軸の中央部にも複数の磁気軸受を設けたので、回転軸の首振りを含む振動がより確実に制振することができる。
【００７０】
本発明の（７）では、回転軸の中央部は、複数のバイアス用磁気軸受で位置保持されるので、回転軸の首振り振動は両端の複数の制振用の磁気軸受で制御され、回転軸の中心位置への制御は中央部の複数のバイアス用磁気軸受で確実になされる。
【００７１】
本発明の（８）では、両端部及び中央部の複数の磁気軸受は、回転軸の振動の強さに応じて、作動させる個数を適正に制御するので、振動の種類に応じて磁気軸受を最適な数に設定して運転することができ、上記（５）から（７）の発明の振動制御の信頼性が向上するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。
【図２】図１に示す断面図で、（ａ）はＡ−Ａ，（ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。
【図３】本発明の実施の第１形態に係る制振機能を示す信号のタイミング図であり、（ａ）はバイアス用磁気軸受を制御しない方法、（ｂ）はバイアス用磁気軸受を制御する方法を、それぞれ示す。
【図４】本発明の実施の第２形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。
【図５】本発明の実施の第３形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。
【図６】本発明の実施の第４形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。
【図７】本発明の実施の第５形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。
【図８】本発明の実施の第６形態に係る回転体制振装置を示す内部の断面図である。
【図９】本発明の実施の第４〜第６形態に係る磁気軸受の作動を制御する制御のフローチャートである。
【図１０】本発明の先行技術に係る回転装置を示し、（ａ）は内部の側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視図、（ｃ）は（ａ）におけるＤ−Ｄ矢視図である。
【図１１】図１０に示す回転装置の制御系統図である。
【図１２】宇宙における回転式実験装置の一例を示す平面図である。
【符号の説明】
３，４，３８ 振動センサ
１０ ケーシング
１１，１２，３３，３６ａ，３６ｂ，３７ 磁気軸受
２０〜２３ 実験ボックス
２４〜２７ アーム
３０ 回転軸
３１ 上部固定材
３２ 下部固定材
３４ モータ
３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３５ｅ，３５ｆ，３９
バイアス用磁気軸受
Claims (4)
- ケーシング内で両端が磁気軸受で支持されモータにより回転駆動される回転軸を有し、同回転軸の周囲に重力を付加する対象物を入れる複数のボックスを取付けて構成される回転体制振装置であって、
前記回転軸の端部のそれぞれに制振用磁気軸受と、前記回転軸の位置保持を行うバイアス用磁気軸受を有するとともに、
回転軸の振動または変位を検出する振動センサーと、前記振動センサーの検出信号に基づき前記磁気軸受に供給する電流の制御を行う制御装置を有し、
前記制御装置は、前記振動センサーの検出信号に基づき、前記制御用磁気軸受による制振のための電流制御を行いつつ、前記バイアス用磁気軸受が加える前記回転軸の位置保持力を緩和するよう位置保持用の電流を減少させること
を特徴とする回転体制振装置。 - 更に、回転軸の中央部にも制振用磁気軸受を設けたことを特徴とする請求項１記載の回転体制振装置。
- 更に、回転軸の中央部にもバイアス用磁気軸受を配設したことを特徴とする請求項１記載の回転体制振装置。
- 前記制振用及びバイアス用磁気軸受を複数備え、前記振動センサーの検出信号に基づき回転軸の振動の増大に応じて順次作動する個数を増加させるように制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の回転体制振装置。
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