JP4797744B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents

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Description

この発明は、回転体を磁気軸受で非接触支持して電動モータにより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、電動モータにより回転させられる回転体をアキシアル電磁石の磁気吸引力によりアキシアル方向に非接触支持する１組の制御型アキシアル磁気軸受と、回転体をラジアル電磁石の磁気吸引力により互いに直交する２つのラジアル方向に非接触支持する２組の制御型ラジアル磁気軸受と、回転体のアキシアル方向の変位を検出するためのアキシアル変位センサと、回転体の上記２つのラジアル方向の変位を検出するための２対のラジアル変位センサを有する２組のラジアル変位センサユニットと、回転体のアキシアル方向および上記２つのラジアル方向の変位に基づいてアキシアル電磁石およびラジアル電磁石を制御する電磁石制御手段とを備えているものが知られている（たとえば特許文献１参照）。
特開２００３−０９７５５４号公報 磁気軸受装置では、運転を開始するときに、ラジアル変位センサのゲイン補正値およびオフセット補正値を求めて記憶する、いわゆるキャリブレーションが行われる。そして、運転時には、記憶されたゲイン補正値およびオフセット補正値を用いて、各ラジアル変位センサの出力のゲイン補正およびオフセット補正を行い、この補正後の値に基づいてラジアル電磁石を制御するようになっている。
上記のような磁気軸受装置では、運転開始時に、ラジアル変位センサの異常を検出することが望ましい。
ラジアル変位センサの異常とは、断線やセンサの特性異常など、ラジアル変位センサ自体の異常の他に、局所的なラジアル隙間詰まり、保護軸受の異常、回転体の変形など、ラジアル変位センサ自体の異常ではないが、ラジアル変位センサの出力に影響を与える異常も含むものとする。
たとえば、キャリブレーション時に求められたゲイン補正値およびオフセット補正値の絶対値の大きさを調べることにより、ラジアル変位センサの異常を検出することができる。
ところが、それだけでは、局所的なラジアル隙間詰まり、保護軸受の異常、回転体の変形、一部のラジアル変位センサの特性異常などのラジアル変位センサの異常を確実に検出することはできなかった。
この発明の目的は、上記の問題を解決し、ラジアル変位センサの異常をより確実に検出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、電動モータにより回転させられる回転体をラジアル電磁石の磁気吸引力により互いに直交する２つのラジアル方向に非接触支持する少なくとも１組の制御型ラジアル磁気軸受と、回転体の上記２つのラジアル方向の変位を検出するための２対のラジアル変位センサを有する少なくとも１組のラジアル変位センサユニットと、回転体の上記２つのラジアル方向の変位に基づいてラジアル電磁石を制御するラジアル電磁石制御手段とを備えている磁気軸受装置において、ラジアル変位センサのゲイン補正値およびオフセット補正値を求めて記憶するキャリブレーション時にこれらゲイン補正値およびオフセット補正値ならびに少なくとも１組のラジアル変位センサユニットにおけるラジアル変位センサ相互間のゲイン補正値の差に基づいてラジアル変位センサの異常を検出する異常検出手段が設けられていることを特徴とするものである。
ゲイン補正値およびオフセット補正値だけでなく、ラジアル変位センサ相互間のゲイン補正値の差によってもラジアル変位センサの異常を検出するので、局所的なラジアル隙間詰まり、保護軸受の異常、回転体の変形、一部のラジアル変位センサの特性異常などのラジアル変位センサの異常をより確実に検出することができる。
この発明の磁気軸受装置において、たとえば、異常検出手段が、いずれかのラジアル変位センサのゲイン補正値が所定の判定値より大きいとき、いずれかのラジアル変位センサのオフセット補正値の絶対値が所定の判定値より大きいとき、または全てのラジアル変位センサのゲイン補正値の最大値と最小値との差が所定の判定値より大きいときに、ラジアル変位センサの異常であると判定するものである。
これによれば、上記のようなラジアル変位センサの異常をより確実に検出することができる。
この発明の磁気軸受装置において、たとえば、異常検出手段が、いずれかのラジアル変位センサのゲイン補正値が所定の判定値より大きいとき、いずれかのラジアル変位センサのオフセット補正値の絶対値が所定の判定値より大きいとき、または１組のラジアル変位センサのゲイン補正値の最大値と最小値との差が所定の判定値より大きいときに、ラジアル変位センサの異常であると判定するものである。
これによれば、上記のようなラジアル変位センサの異常をより確実に検出することができる。
この発明の磁気軸受装置において、たとえば、制御型ラジアル磁気軸受およびラジアル変位センサユニットを２組ずつ備えている。たとえば、さらに、回転体をアキシアル電磁石の磁気吸引力によりアキシアル方向に非接触支持する１組の制御型アキシアル磁気軸受と、回転体のアキシアル方向の変位を検出するためのアキシアル変位センサと、回転体のアキシアル方向の変位に基づいてアキシアル電磁石を制御するアキシアル電磁石制御手段とを備えている。
上記の磁気軸受装置において、たとえば、異常検出手段が、いずれかのラジアル変位センサのゲイン補正値が所定の判定値より大きいとき、いずれかのラジアル変位センサのオフセット補正値の絶対値が所定の判定値より大きいとき、または全てのラジアル変位センサのゲイン補正値の最大値と最小値との差が所定の判定値より大きいときに、ラジアル変位センサの異常であると判定するものである。
これによれば、上記のようなラジアル変位センサの異常をより確実に検出することができる。
上記の磁気軸受装置において、たとえば、異常検出手段が、いずれかのラジアル変位センサのゲイン補正値が所定の判定値より大きいとき、いずれかのラジアル変位センサのオフセット補正値の絶対値が所定の判定値より大きいとき、または各組のラジアル変位センサのゲイン補正値の最大値と最小値との差が所定の判定値より大きいときに、ラジアル変位センサの異常であると判定するものである置。
これによれば、上記のようなラジアル変位センサの異常をより確実に検出することができる。
この発明の磁気軸受装置によれば、上述のように、局所的なラジアル隙間詰まり、保護軸受の異常、回転体の変形、一部のラジアル変位センサの特性異常などのラジアル変位センサの異常をより確実に検出することができる。
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。
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)(33)、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)(31)およびＤＡ変換器(21)(32)が設けられている。
変位検出部(8)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。
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)により変位検出装置が構成され、変位検出部(8)のラジアル変位センサユニット(24)(25)およびセンサ回路(13)のラジアル変位センサ(28)(29)に関する部分によりラジアル変位検出装置が構成されている。
センサ回路(33)は、回転センサ(10)を駆動し、回転センサ(10)の出力を回転体(4)の回転数に対応する回転数信号に変換し、これをＡＤ変換器(31)を介してＤＳＰ(17)に出力する。
ＤＳＰ(17)は、ＡＤ変換器(20)を介して入力する各変位センサ(23)(29)(30)の出力信号に基づいて、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(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(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ＤＡ変換器(32)を介してインバータ(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。
上記の磁気軸受装置では、運転開始時に、公知のキャリブレーションが行われて、各ラジアル変位センサ(29)(30)に対するゲイン補正値およびオフセット補正値が求められ、それらがＲＡＭ(19)に記憶される。このキャリブレーションは、たとえば、回転体(4)を、ラジアル電磁石(27)(28)により、保護軸受(11)(12)で規制されるＸ軸およびＹ軸方向の可動範囲の極限位置に吸引し、各ラジアル変位センサ(29)(30)について、零点位置および極限位置における出力が所定の基準値となるようなゲイン補正値およびオフセット補正値を求めるものである。
そして、運転時には、記憶されたゲイン補正値およびオフセット補正値を用いて、各ラジアル変位センサ(29)(30)の出力のゲイン補正およびオフセット補正が行われ、この補正後の値に基づいてラジアル電磁石(27)(28)が制御される。
図４は、ＤＳＰ(17)において、一方のラジアル変位センサユニット(24)の２対のラジアル変位センサ(29)に対する上記補正を行う部分および一方のラジアル磁気軸受(6)のラジアル電磁石(27)を制御する部分の機能ブロック図である。
図４において、Ｘa、Ｘb、Ｙa、ＹbはＡＤ変換器(20)を介して入力するラジアル変位センサ(29a)(29b)(29c)(29d)の出力信号、Ｘ1a、Ｘ1b、Ｙ1c、Ｙ1dはゲイン補正およびオフセット補正が行われたあとの補正信号である。
図４に示すように、各ラジアル変位センサ(29)に対し、オフセット補正手段(34a)(34b)(34c)(34d)およびゲイン補正手段(35a)(35b)(35c)(35d)が設けられている。オフセット補正手段は符号(34)で、ゲイン補正手段は符号(35)で総称する。
各ラジアル変位センサ(29)の出力信号Ｘa、Ｘb、Ｙa、Ｙbに対し、まず、オフセット補正手段(34)において、ＲＡＭ(19)に記憶されているオフセット補正値を用いて、オフセット補正が行われ、次に、ゲイン補正手段(35)において、ＲＡＭ(19)に記憶されているゲイン補正値を用いて、ゲイン補正が行われる。そして、補正信号Ｘ1a、Ｘ1b、Ｙ1c、Ｙ1dがラジアル電磁石制御手段(36)に送られ、ラジアル電磁石制御手段(36)は、これら補正信号Ｘ1a、Ｘ1b、Ｙ1c、Ｙ1dに基づいて、ラジアル電磁石(27)を制御する。
他方のラジアル変位センサユニット(25)のラジアル変位センサ(30)および他方のラジアル磁気軸受(7)のラジアル電磁石(28)についても、同様である。
上記のようなキャリブレーションが行われた場合、通常は、ゲイン補正値およびオフセット補正値は、全てのラジアル変位センサ(29)(30)についてかなり近い値になる。ところが、断線やセンサの特性異常などのセンサ自体の異常、または局所的なラジアル隙間詰まり、保護軸受の異常、回転体の変形などの異常があると、ゲイン補正値およびオフセット補正値は、ラジアル変位センサ(29)(30)によってばらついた値になる。
このため、上記の磁気軸受装置では、キャリブレーションが行われたときに、上記のようなラジアル変位センサ(29)(30)の異常の検出が行われるようになっている。
この異常の検出は、ゲイン補正値の大きさ、オフセット補正値の絶対値の大きさ、およびラジアル変位センサ(29)(30)相互間のゲイン補正値の差に基づいて行われる。
ゲイン補正値の大きさに基づく異常の検出は、いずれかのラジアル変位センサ(29)(30)のゲイン補正値が所定の判定値より大きいときに異常であると判定するものである。
オフセット補正値の絶対値の大きさに基づく異常の検出は、いずれかのラジアル変位センサ(29)(30)のオフセット補正値の絶対値が所定の判定値より大きいときに異常であると判定するものである。
ラジアル変位センサ(29)(30)相互間のゲイン補正値の差に基づく異常の検出は、たとえば、次のようにして行われる。
まず、全てのラジアル変位センサ(29)(30)のゲイン補正値の最大値と最小値を求め、それらの差を求める。そして、この差が所定の判定値より大きいときに、異常であると判定する。
ラジアル変位センサ(29)(30)相互間のゲイン補正値の差に基づく異常の検出は、次のようにして行われることもある。
まず、一方のラジアル変位センサユニット(24)の２対のラジアル変位センサ(29)について、ゲイン補正値の最大値と最小値との差を求め、この差が所定の判定値より大きいときに、異常であると判定する。同様に、他方のラジアル変位センサユニット(25)の２対のラジアル変位センサ(30)についても、ゲイン補正値の最大値と最小値との差を求め、この差が所定の判定値より大きいときに、異常であると判定する。
そして、このような異常の検出が行われることにより、上記のようなラジアル変位センサ(29)(30)の異常が確実に検出される。
磁気軸受装置の全体構成あるいは各部の構成、制御の方法などは、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、この発明の実施形態における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、ラジアル変位センサに対するオフセット補正およびゲイン補正を行う部分の機能ブロック図である。
符号の説明
(4) 回転体
(6)(7) ラジアル磁気軸受
(9) 電動モータ
(24)(25) ラジアル変位センサユニット
(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
(34a)(34b)(34c)(34d) オフセット補正手段
(35a)(35b)(35c)(35d) ゲイン補正手段
(36) ラジアル電磁石制御手段

Claims (6)

  1. 電動モータにより回転させられる回転体をラジアル電磁石の磁気吸引力により互いに直交する２つのラジアル方向に非接触支持する少なくとも１組の制御型ラジアル磁気軸受と、回転体の上記２つのラジアル方向の変位を検出するための２対のラジアル変位センサを有する少なくとも１組のラジアル変位センサユニットと、回転体の上記２つのラジアル方向の変位に基づいてラジアル電磁石を制御するラジアル電磁石制御手段とを備えている磁気軸受装置において、
    ラジアル変位センサのゲイン補正値およびオフセット補正値を求めて記憶するキャリブレーション時にこれらゲイン補正値およびオフセット補正値ならびに少なくとも１組のラジアル変位センサユニットにおけるラジアル変位センサ相互間のゲイン補正値の差に基づいてラジアル変位センサの異常を検出する異常検出手段が設けられていることを特徴とする磁気軸受装置。
  2. 異常検出手段が、いずれかのラジアル変位センサのゲイン補正値が所定の判定値より大きいとき、いずれかのラジアル変位センサのオフセット補正値の絶対値が所定の判定値より大きいとき、または全てのラジアル変位センサのゲイン補正値の最大値と最小値との差が所定の判定値より大きいときに、ラジアル変位センサの異常であると判定するものであることを特徴とする請求項１の磁気軸受装置。
  3. 異常検出手段が、いずれかのラジアル変位センサのゲイン補正値が所定の判定値より大きいとき、いずれかのラジアル変位センサのオフセット補正値の絶対値が所定の判定値より大きいとき、または１組のラジアル変位センサのゲイン補正値の最大値と最小値との差が所定の判定値より大きいときに、ラジアル変位センサの異常であると判定するものであることを特徴とする請求項１の磁気軸受装置。
  4. 制御型ラジアル磁気軸受およびラジアル変位センサユニットを２組ずつ備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項の磁気軸受装置。
  5. 異常検出手段が、いずれかのラジアル変位センサのゲイン補正値が所定の判定値より大きいとき、いずれかのラジアル変位センサのオフセット補正値の絶対値が所定の判定値より大きいとき、または全てのラジアル変位センサのゲイン補正値の最大値と最小値との差が所定の判定値より大きいときに、ラジアル変位センサの異常であると判定するものであることを特徴とする請求項４の磁気軸受装置。
  6. 異常検出手段が、いずれかのラジアル変位センサのゲイン補正値が所定の判定値より大きいとき、いずれかのラジアル変位センサのオフセット補正値の絶対値が所定の判定値より大きいとき、または各組のラジアル変位センサのゲイン補正値の最大値と最小値との差が所定の判定値より大きいときに、ラジアル変位センサの異常であると判定するものであることを特徴とする請求項４の磁気軸受装置。
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