JP4353017B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents

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Description

この発明は、回転体を磁気軸受により非接触支持して回転させる磁気軸受装置に関する。
この種の磁気軸受装置として、機械本体とコントローラ（制御装置）がケーブルで接続されており、機械本体に、回転体と、電磁石の磁気吸引力により回転体をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持する制御型アキシアル磁気軸受および制御型ラジアル磁気軸受と、回転体のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を検出するための変位センサと、回転体を回転させる電動モータと、回転体の回転数を検出するための回転センサと、タッチダウン用の保護軸受とが設けられ、コントローラが、変位センサの出力に基づいて磁気軸受の電磁石を制御するとともに、回転センサの出力に基づいて電動モータを制御するものが知られている。
このような磁気軸受装置では、通常、回転体は保護軸受により規制される可動範囲の中心位置を目標位置として磁気浮上させられるが、変位センサと保護軸受との位置関係は機械本体によって異なるため、機械本体ごとに、アキシアル方向およびラジアル方向の磁気浮上目標位置を求めるためのキャリブレーションいわゆる変位センサのキャリブレーションを行なう必要がある。このため、従来の磁気軸受装置では、磁気軸受の起動時に自動的に変位センサのキャリブレーションが行なわれるようになっている（たとえば特許文献１参照）。
特開２００１−０７４０４９号公報
変位センサのキャリブレーションは、通常、アキシアル方向およびラジアル方向の各制御軸について、回転体を制御軸の一方の側に磁気吸引して保護軸受の一方の側に圧接させた状態における回転体の一方の極限位置と、回転体を制御軸の反対側に磁気吸引して保護軸受の反対側に圧接させた状態における反対側の極限位置とを検出し、両極限位置の中心位置（中間値）をその制御軸の磁気浮上目標位置とすることにより行なわれる。
回転体が回転を停止して保護軸受により支持されている状態から磁気軸受を起動する場合は、上記のような変位センサのキャリブレーションを行なうことにより、回転体を所望の磁気浮上目標位置に磁気浮上させることができる。
回転体が磁気軸受により非接触支持されて回転させられている磁気軸受装置の運転中に停電が生じ、磁気軸受が動作を停止して回転体がタッチダウンした後、電源が復帰して磁気軸受が再起動すると、回転体が回転を継続している場合があるが、このような場合でも、上記の従来の磁気軸受装置では、自動的に変位センサのキャリブレーションが行なわれる。この場合、回転体を制御軸の一方の側に磁気吸引して保護軸受に圧接させたときに、回転体が振れ回って回転しているため、正常にキャリブレーションができず、回転体を所望の磁気浮上目標位置に磁気浮上させることができなくなる。
この発明の目的は、上記の問題を解決し、正常な変位センサのキャリブレーションができないことによる不具合をなくすことができる磁気軸受装置を提供することにある。
この発明による磁気軸受装置は、回転体と、電磁石の磁気吸引力により回転体をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持する磁気軸受と、回転体のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を検出するための変位センサと、回転体を回転させる電動モータと、回転体の回転数を検出するための回転センサと、タッチダウン用の保護軸受と、変位センサの出力に基づいて磁気軸受の電磁石を制御するとともに回転センサの出力に基づいて電動モータを制御する制御手段とを備えている磁気軸受装置において、制御手段が、磁気軸受の起動時において、回転センサの出力から回転体の回転の有無を判別し、回転体が回転しているときには変位センサのキャリブレーションを行なわず、回転体が回転していないときには変位センサのキャリブレーションを行なうものであることを特徴とするものである。
回転体が回転していて変位センサのキャリブレーションを行なわない場合は、たとえば、前回の磁気軸受動作時の磁気浮上目標位置をそのまま使用する。
保護軸受は、回転体を機械的に支持し、回転体のアキシアル方向およびラジアル方向の可動範囲を規制する。
変位センサのキャリブレーションは、たとえば、保護軸受により規制される回転体の可動範囲の中心位置を磁気浮上目標位置として設定するものである。
磁気軸受装置は、たとえば、アキシアル方向の制御軸（アキシアル制御軸）と、アキシアル方向の２箇所においてアキシアル制御軸と直交するとともに互いに直交するそれぞれ２つのラジアル方向の制御軸（ラジアル制御軸）とを有する５軸制御型磁気軸受装置である。
５軸制御型磁気軸受装置の場合、変位センサのキャリブレーションは、制御軸ごとに行なわれる。５軸制御型磁気軸受装置と異なる形式の磁気軸受装置の場合も、同様である。
この発明の磁気軸受装置によれば、磁気軸受の起動時でも、回転体が回転しているときには、変位センサのキャリブレーションを行なわないので、回転体が回転していることによって正常なキャリブレーションが行なわれなくなることがなく、したがって、回転体を常に所望の磁気浮上目標位置に磁気浮上させることができる。
以下、図面を参照して、この発明を５軸制御型磁気軸受装置に適用した実施形態について説明する。
図１は磁気軸受装置の全体構成を概略的に示すブロック図、図２は磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す縦断面図、図３は同横断面図である。
磁気軸受装置は、ケーブルにより接続された機械本体(1)およびコントローラ（制御装置）(2)を備えている。コントローラ(2)は、制御手段を構成する。
磁気軸受装置は、鉛直円筒状のケーシング(3)の内側で鉛直軸状の回転体（ロータ）(4)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(4)の鉛直な軸方向（アキシアル方向）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つの水平な径方向（ラジアル方向）の制御軸（ラジアル制御軸）をＸ軸およびＹ軸とする。
機械本体(1)には、回転体(4)を軸方向に非接触支持する１組の制御型アキシアル軸受(5)、回転体(4)を径方向に非接触支持する上下２組の制御型ラジアル磁気軸受(6)(7)、回転体(4)の軸方向および径方向の変位を検出するための変位検出部(8)、回転体(4)を高速回転させるためのビルトイン型電動モータ(9)、回転体(4)の回転数を検出するための回転センサ(10)、ならびに回転体(4)の軸方向および径方向の可動範囲を規制して回転体(4)を磁気軸受(5)(6)(7)で支持していないときに回転体(4)を機械的に支持する上下２組のタッチダウン用の保護軸受(11)(12)が設けられている。
コントローラ(2)には、センサ回路(13)、電磁石駆動回路(14)、インバータ(15)およびＤＳＰボード(16)が設けられ、ＤＳＰボード(16)には、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のＤＳＰ(17)、ＲＯＭ(18)、不揮発性記憶装置としてのＲＡＭ(19)、ＡＤ変換器(20)およびＤＡ変換器(21)が設けられている。
変位検出部(9)は、回転体(4)の軸方向の変位を検出するための１個のアキシアル変位センサ(23)、および回転体(4)の径方向の変位を検出するための上下２組のラジアル変位センサユニット(24)(25)を備えている。
アキシアル磁気軸受(5)は、回転体(4)の下部に一体に形成されたフランジ部(4a)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。
アキシアル変位センサ(23)は、回転体(4)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(4)の下端面との距離（空隙）に比例する距離信号を出力する。
２組のラジアル磁気軸受(6)(7)は、アキシアル磁気軸受(5)の上側において上下方向に所定の距離をおいて配置されており、これらの間にモータ(9)が配置されている。上側のラジアル磁気軸受(6)は、回転体(4)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(4)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、下側のラジアル磁気軸受(7)も、２対のラジアル電磁石(28a)(28b)(28c)(28d)を備えている。これらの電磁石も、符号(28)で総称する。
上側のラジアル変位センサユニット(24)は、上側のラジアル磁気軸受(6)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(4)を挟むように配置された１対のラジアル変位センサ(29a)(29b)、および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(4)を挟むように配置された１対のラジアル変位センサ(29c)(29d)を備えている。これらのラジアル変位センサは、符号(29)で総称する。同様に、下側のラジアル変位センサユニット(25)は、下側のラジアル磁気軸受(7)の近傍に配置されており、２対のラジアル変位センサ(30a)(30b)(30c)(30d)を備えている。これらのラジアル変位センサも、符号(30)で総称する。各ラジアル変位センサ(29)(30)は、回転体(4)の外周面との距離に比例する距離信号を出力する。
回転センサ(10)は、回転体(4)の回転数に対応する回転数信号を出力する。
電磁石(26)(27)(28)、変位センサ(23)(29)(30)は、ケーシング(3)に固定されている。
保護軸受(11)(12)はアンギュラ玉軸受などの転がり軸受よりなり、各保護軸受(11)(12)の外輪がケーシング(3)に固定され、内輪が回転体(4)の周囲に所定の隙間をあけて配置されている。２組の保護軸受(11)(12)はいずれも径方向の支持が可能なものであり、少なくとも１組は軸方向の支持も可能なものである。
コントローラ(2)のＲＯＭ(18)には、ＤＳＰ(17)における処理プログラムなどが格納されている。ＲＡＭ(19)には、磁気軸受の制御パラメータ、後述する定常電流値（バイアス電流値）、各制御軸の磁気浮上目標位置などが記憶されている。
センサ回路(13)は、変位検出部(8)の各変位センサ(23)(29)(30)を駆動し、各変位センサ(23)(29)(30)の出力に基づいて、回転体の軸方向の変位、ならびに上下のラジアル変位センサユニット(24)(25)の部分におけるＸ軸方向およびＹ軸方向の変位を演算し、その演算結果である変位信号をＡＤ変換器(20)を介してＤＳＰ(17)に出力する。変位検出部(8)およびセンサ回路(13)により、変位検出手段が構成されている。
ＤＳＰ(17)は、ＡＤ変換器(20)から入力する変位信号に基づいて、各磁気軸受(5)(6)(7)の各電磁石(26)(27)(28)に対する制御電流値を求め、一定の定常電流値に制御電流値を加えた励磁電流信号をＤＡ変換器(20)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(17)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(5)(6)(7)の電磁石(26)(27)(28)に供給し、これにより、回転体(4)が所定の目標位置に非接触される。ＤＳＰ(17)は、また、回転センサ(10)からの回転数信号に基づいて、モータ(9)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(9)の回転数を制御する。そして、その結果、回転体(4)が、磁気軸受(5)(6)(7)により目標位置に非接触支持された状態で、モータ(9)により高速回転させられる。
運転停止あるいは停電などによって磁気軸受(5)(6)(7)が作動していない状態では、回転体(4)は保護軸受(11)(12)に支持されている。そして、このようなタッチダウン状態から電源が投入あるいは復帰して磁気軸受(5)(6)(7)が起動されるときに、変位センサのキャリブレーションを行なうかどうかが判断される。
次に、図４のフローチャートを参照して、磁気軸受(5)(6)(7)の起動時の上記の動作について詳しく説明する。
図４に示すように、磁気軸受(5)(6)(7)の起動の指令がなされると、予め設定された所定の遅れ時間（たとえば１秒〜数秒）の間に、回転センサ(10)の出力が検出される（ステップ１１）。そして、回転センサ(11)の出力から回転体(4)が回転していうかどうかが判断され（ステップ１２）、回転していない場合は、変位センサ(23)(29)(30)のキャリブレーションが行なわれ（ステップ１３）、キャリブレーションにより求められた磁気浮上目標位置を使用して運転が開始される（ステップ１４）。ステップ１２において、回転体(4)が回転していた場合は、キャリブレーションは行なわれず、前回の磁気軸受(5)(6)(7)の動作時の磁気浮上目標位置を使用して運転が開始される（ステップ１４）。
ステップ１３におけるキャリブレーションは、たとえば、次のように行なわれる。
まず、上下のＸ軸およびＹ軸について、回転体(4)を仮の目標位置（たとえば前回の磁気軸受(5)(6)(7)の動作時の目標位置）に非接触支持する。そして、回転体(4)をＺ軸方向正側に磁気吸引して保護軸受(11)(12)のＺ軸方向正側に圧接させ、そのときの回転体のＺ軸方向の極限位置を検出する。次に、回転体(4)をＺ軸方向負側に磁気吸引して保護軸受(11)(12)のＺ軸方向負側に圧接させ、そのときの回転体のＺ軸方向の極限位置を検出する。そして、両極限位置の中間値をＺ軸方向の目標位置とする。次に、回転体(4)を上記のようにして求めたＺ軸方向の目標位置に非接触支持する。そして、回転体(4)を上下のＸ軸の正側に磁気吸引して保護軸受(11)(12)のＸ軸方向正側に圧接させ、そのときの回転体(4)の上下のＸ軸方向の極限位置を検出する。次に、回転体(4)を上下のＸ軸方向の負側に磁気吸引して保護軸受(11)(12)のＸ軸負側に圧接させ、そのときの回転体(4)の上下のＸ軸方向の極限位置を検出する。そして、上側のＸ軸について、両極限位置の中間値を目標位置とするとともに、下側のＸ軸について、同様に、目標位置を求める。最後に、回転体(4)を上記のようにして求めた上下のＸ軸方向の目標位置に非接触支持し、Ｘ軸場合と同様に、上下のＹ軸について、目標位置を求め、回転体(4)をこのようにして求めた上下のＹ軸方向の目標位置に非接触支持する。これにより、回転体(4)は、５つの制御軸の目標位置に非接触支持される。
上記のキャリブレーションの例では、各制御軸について、保護軸受により規制される可動範囲の中心位置を磁気浮上目標位置としてるが、それ以外の位置を磁気浮上目標位置としてもよい。また、キャリブレーションも、上記の例のものに限らない。
磁気軸受装置の全体構成および各部の構成などは、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。
図１は、磁気軸受装置の全体構成を概略的に示すブロック図である。 図２は、図１の磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す縦断面図である。 図３は、図２の横断面図である。 図４は、磁気軸受の起動時のＤＳＰの動作の１例を示すフローチャートである。
符号の説明
(2) コントローラ
(4) 回転体
(5) アキシアル磁気軸受
(6)(7) ラジアル磁気軸受
(9) 回転センサ
(10) 電動モータ
(11)(12) 保護軸受
(23) アキシアル変位センサ
(26a)(26b) アキシアル電磁石
(27a)(27b)(27c)(27d)(28a)(28b)(28c)(28d) ラジアル電磁石
(29a)(29b)(29c)(29d)(30a)(30b)(30c)(30d) ラジアル変位センサ

Claims (1)

  1. 回転体と、電磁石の磁気吸引力により回転体をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持する磁気軸受と、回転体のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を検出するための変位センサと、回転体を回転させる電動モータと、回転体の回転数を検出するための回転センサと、タッチダウン用の保護軸受と、変位センサの出力に基づいて磁気軸受の電磁石を制御するとともに回転センサの出力に基づいて電動モータを制御する制御手段とを備えている磁気軸受装置において、
    制御手段が、磁気軸受の起動時において、回転センサの出力から回転体の回転の有無を判別し、回転体が回転しているときには変位センサのキャリブレーションを行なわず、回転体が回転していないときには変位センサのキャリブレーションを行なうものであることを特徴とする磁気軸受装置。
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