JP4929208B2

JP4929208B2 - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JP4929208B2
Application number: JP2008050595A
Authority: JP
Inventors: 泰憲時政; 孝昌平井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2028-02-29
Also published as: JP2009209958A

Description

本発明は、地震等の外乱発生時に回転軸の振動を速やかに収束させることができる磁気軸受装置に関する。

従来、この種の磁気軸受装置として、特許文献１に示される「電力貯蔵用磁気軸受装置」が知られている。この磁気軸受装置１は、図８に示すように、フライホイール２を有するロータ３と、該ロータ３を非接触支持する磁気軸受部４と、ロータ３の変位を検出するロータ変位検出手段５と、駆動源となる超電導体部６と、該磁気軸受部４を制御する制御手段（図示略）と、運転停止時にフライホイール２に蓄えられた運動エネルギーを電気エネルギーに変換して制御手段に供給するエネルギー変換手段（図示略）とを備えたものである。そして、この磁気軸受装置１では、ロータ３の回転を開始した後、ロータ３に振動が発生すると、ロータ変位検出手段５によってロータ３の変位が検出され、制御手段の指令信号により磁気軸受部４内の電磁石に励磁電流が供給される。そして、この磁気軸受部４への励磁電流の供給によりロータ３の支持力を変化させ、この支持力の変化によって該ロータ３の振れを補正する、その後、その補正により変位したロータ３の変位量をロータ変位検出手段５により再度検出し、その変位量に基づき磁気軸受部４に対して供給する励磁電流値を再度、調整するというフィードバック制御を繰り返すことで、ロータ３の振動を徐々に減衰させ、これによって該ロータ３がステータ７に接触するというタッチダウンを防止する。
特開２０００−２０５２６１号公報

上記のような磁気軸受装置１では、地震によりロータ３に振動が発生すると、フィードバック制御により、ロータ３の固有振動数を変化させて、地震波の周波数成分からずらすようにし、これによって該ロータ３が地震波と共振することを防止しているが、このような固有振動数を調整に際して、ＰＩＤ調節計を使用することがある。

このＰＩＤ調節計は、ロータ変位検出手段５によって検出されたロータ３の変位量と目標値との偏差に基づき、偏差に比例した動作を演算する比例要素（Ｐ）、偏差の時間積分に比例した動作を演算する積分要素（Ｉ）、偏差の時間的変化に比例した動作を演算する微分要素（Ｄ）を求め、これら要素と予め設定しておいたプロセス式とから、磁気軸受部４の電磁石に供給する励磁電流値を演算する。そして、ＰＩＤ調節計で演算した励磁電流値に基づき、磁気軸受部４によるロータ３の支持力を制御し、その後、その制御により変位したロータ３の変位量を検出手段５により再度検出し、その変位量に基づき磁気軸受部４に対して供給する励磁電流値を再度、調整するというフィードバック制御を繰り返すことで、ロータ３の振動を徐々に減衰させるものである。

しかしながら、このようなＰＩＤ調節計を用いた振動制御では、ロータ３の振動を速やかに収束させようとして全体のループゲインを大きくすると、制御信号だけでなくノイズも増幅されるため，電気回路にて信号が飽和することにより、目標値を越えたオーバーシュートが発生して、ロータ３の振動減衰を効果的に行うことができないという問題が生じていた。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、地震発生時にロータの振動減衰を効果的に行うことができる磁気軸受装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために本発明では、ロータを非接触支持する磁気軸受部と、ロータの変位を検出するロータ変位検出手段と、該ロータ変位検出手段の検出信号に基づき磁気軸受部を制御する制御手段とを具備し、該制御手段から出力される磁気軸受部への励磁電流によりロータに対する支持力を変化させて、該ロータの振れを補正するとともに、振れ補正後のロータ変位量に基づいて該制御手段から出力される磁気軸受部への励磁電流をフィードバック制御する磁気軸受装置であって、前記制御手段に、地震等、ロータを振動させる外乱の発生を検出する外乱検出手段と、前記ロータ変位検出手段で検出されたロータの変位量と目標値との偏差に基づき、偏差に比例した動作を演算する比例要素、偏差の時間積分に比例した動作を演算する積分要素、偏差の時間的変化に比例した動作を演算する微分要素を求め、これら要素と予め設定しておいたプロセス式とから、磁気軸受部の電磁石に供給する励磁電流値を演算するＰＩＤ調節計とを設け、前記外乱検出手段は、前記ロータ変位検出手段で検出されるロータの変位に基づき該ロータの固有振動数を求め、この固有振動数の成分が予め定めたしきい値を越えた場合に、地震等の外乱が発生したと判断し、前記ＰＩＤ調節計は、地震等の外乱が発生した場合に、前記積分要素の演算処理で設定される積分ゲインを、前記ロータの固有振動数の成分が前記しきい値以下の場合の積分ゲインより低い積分ゲインに設定し、または、微分ゲインを、前記ロータの固有振動数の成分が前記しきい値以下の場合の微分ゲインより高い微分ゲインに設定することを特徴とする。例えば、前記積分要素の演算処理で設定される積分ゲインを通常値より低くすることを特徴とする。

上記構成の磁気軸受装置では、地震等の外乱が検出された場合に、ＰＩＤ調節計において、例えば、積分要素の演算処理で設定される積分ゲインを通常値より低い値に設定変更したので、一次固有振動数に対する位相進みを大きくして制御の応答を早めることができ、これによってロータの振動減衰を効果的に行うことができる。

また、上記構成の磁気軸受装置では、ロータ変位検出手段で検出されるロータの変位に基づき該ロータの固有振動数を求め、この固有振動数の成分が予め定めたしきい値を越えた場合に、地震等の外乱が発生したと判断したので、この判断結果に基づき、上述した積分ゲインを通常値より低い値に設定変更することによるロータの振動減衰処理を速やかに開始することができる。

また、本発明では、前記ＰＩＤ調節計は、地震等の外乱が発生した場合に微分ゲインを一次固有振動数側にシフトさせることを特徴とする。

上記構成の磁気軸受装置では、外乱検出手段にて地震等の外乱が検出された場合に、ＰＩＤ調節計にて微分ゲインを一次固有振動数側にシフトさせることにより、一次固有振動数に対する位相進みを大きくして制御の応答を早めることができ、上述したような積分ゲインを通常値より低い値に設定変更した場合と同様に、ロータの振動減衰を効果的に行うことができる。

本発明によれば、ＰＩＤ調節計にて、積分要素の演算処理で設定される積分ゲインを通常値より低い値に設定変更すること等の操作をすることにより、一次固有振動数に対する位相進みを大きくして制御の応答を早め、ロータの振動減衰を効果的に行うことが可能となる。

本発明の実施形態を図１〜図７を参照して説明する。図１は本発明に係わる磁気軸受装置１０を模式的に示した図であって、符号１１は磁性体からなるロータ、符号１２は、電磁石１２Ａの吸引力を利用して磁性体のロータ１１を非接触で支持する磁気軸受部である。この磁気軸受装置１０では、ロータ１１の回転方向に沿うように複数の磁気軸受部１２の電磁石１２Ａを配置し、これら電磁石１２Ａから生じる吸引力がバランスする中間部にロータ１１を位置させるようにしている。

符号１３は、ロータ１１の軸と直交する方向への変位を検出する変位センサであって、この変位センサ１３から出力される検出信号は、制御手段２０に供給される。この制御手段２０は、ノイズカットフィルター２１、ＰＩＤ調節計２２、位相補償フィルタ２３を主な構成要素とするものであって、制御手段２０の構成要素の中で、ノイズカットフィルター２１は、ロータ１１の振動に関する以外の検出成分をカットするためのものである。

また、ＰＩＤ調節計２２は、変位センサ１３によって検出されたロータ１１の変位量と目標値との偏差に基づき、磁気軸受部１２の電磁石１２Ａに供給する励磁電流値を演算し、その演算結果を制御信号として出力する（後述する）。位相補償フィルタ２３は、ＰＩＤ調節計２２にて微分要素に関する演算を行わない場合に、位相補償を行なって、固有振動数に対応する不安定化力を減衰させるものである。

そして、ＰＩＤ調節計２２で演算しかつ位相補償フィルタ２３を経た制御信号は、磁気軸受部１２の電磁石１２Ａを駆動する電磁石ドライバ２４に供給される。そして、この電磁石ドライバ２４によって電磁石１２Ａのコイル２５が励磁され、これによって電磁石１２Ａからロータ１１に作用される支持力が調整される。その後、当該制御により変位したロータ１１の変位量は変位センサ１３により再度検出され、その変位量に基づき磁気軸受部１２に対して供給する励磁電流値を再演算して調整するというフィードバック制御を繰り返すことで、ロータ１１の振動を徐々に減衰させるようにしている。なお、図１において符号５０で示すものは、入力された磁気軸受部１２の支持力に対して変位するロータ１１を制御系の一要素（質量に生じる加速度に対応する伝達関数）として模式的に示したブロックである。

上述した制御手段２０には、地震の発生を検出する地震検出手段２６が設けられている。この地震検出手段２６は、変位センサ１３で検出されるロータ１１の変位が予め定めた地震判定しきい値（例えば、５０μｍ〜１００μｍ）を越えた場合に、地震が発生したと判断するものであって、その判断結果は、ＰＩＤ調節計２２に供給される。

前述したＰＩＤ調節計２２は、変位センサ１３によって検出されたロータ１１の変位量と目標値との偏差に基づき、偏差に比例した動作を演算する比例要素（Ｐ）、偏差の時間積分に比例した動作を演算する積分要素（Ｉ）、偏差の時間的変化に比例した動作を演算する微分要素（Ｄ）を求め、これら要素と予め設定しておいたプロセス式とから、磁気軸受部１２の電磁石１２Ａに供給する励磁電流値を演算する。そして、このＰＩＤ調節計２２では、比例要素（Ｐ）、積分要素（Ｉ）、微分要素（Ｄ）の制御定数であるゲイン（Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄ：通常時ゲイン）がそれぞれ設定されており、このゲインの設定値によって制御系の位相を調整して応答性を上げる又は下げるようにしているが、本実施形態のＰＩＤ調節計２２では、地震検出手段２６によって地震が検出された場合には、特に積分要素（Ｉ）のゲインのみを、通常時ゲインＫｉより低い値とした地震発生時ゲインＫｉ´としている。また、比例要素（Ｐ）のゲインＫｐ、微分要素（Ｄ）については、そのままか、応答性を高めるために通常時ゲインに対して高める設定変更を行っても良い。また、地震が終了して、地震検出手段２６によって、変位センサ１３で検出されるロータ１１の変位が予め定めた地震判定しきい値（例えば、５０μｍ〜１００μｍ）を下回った場合に、地震によるロータ１１の振れが収束したと判断し、この判断結果に基づき、積分要素（Ｉ）の地震発生時ゲインＫｉ´を、通常時ゲインＫｉに戻すようにする。

通常時と地震発生時の状態を示したものが図２である。図２おいて、（Ａ１）及び（Ａ２）は通常時の積分ゲインＫｉとこの積分ゲインＫｉにより示される位相、（Ｂ１）及び（Ｂ２）は地震発生時の積分ゲインＫｉ´とこの積分ゲインＫｉ´により示される位相である。そして、これらの図を参照して判るように、地震発生時に積分要素（Ｉ）のゲインを小さくして、地震発生時ゲインＫｉ´とする設定変更を行った場合には（図２（Ａ１）〜（Ａ２）参照）、一次固有振動数に対する位相進み（矢印（イ）で示す）を大きくして制御の応答を早め、ロータ１１の振動減衰を速やかに行うことができる。このような現象を、時間とロータ１１の変位との関係で示したものが、図３である。図３（Ａ）は従来のように、地震発生時に通常時ゲイン（Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄ）で制御を行った場合の振幅を示す図、図３（Ｂ）は、積分要素（Ｉ）のゲインＫｉのみを下げた場合の振幅を示す図であり、上述したように、積分ゲインＫｉを地震発生時ゲインＫｉ´とする設定変更を行った場合には、一次固有振動数に対する位相進みを大きくして制御の応答を早め、ロータ１１の振動減衰を速やかに行うことができる。

以上詳細に説明したように本実施形態に示される磁気軸受装置１０では、地震検出手段２６にて地震が検出された場合に、ＰＩＤ調節計２２において、積分要素（Ｉ）の演算処理で設定される通常時積分ゲインＫｉより低い地震発生時積分ゲインＫｉ´に設定変更したので、一次固有振動数に対する位相進みを大きくして制御の応答を早めることができ、これによってロータの振動減衰を効果的に行うことができる。

上記実施形態では以下のような変形例がある。
（１）上記実施形態では、地震の発生を検出する地震検出手段２６にて、変位センサ１３で検出されるロータ１１の変位が予め定めたしきい値（例えば、５０μｍ〜１００μｍ）を越えた場合に、地震が発生したと判断したが、これに限定されず、図４で示すような地震検出手段３０により構成しても良い。この地震検出手段３０は、変位センサ１３で検出されるロータ１１の変位信号のうち、固有振動数の成分が予め定めたしきい値（例えば、５０μｍ〜１００μｍ）を越えた場合に、地震が発生したと判断するものである。そして、このような地震検出に際しては、図５に示すように、しきい値ａ，ｂを設定し、バンドパスフィルタ３１を通過させることで抽出した一次固有振動数の成分によって示される変位量が、予め定めたしきい値ａ，ｂ（例えば、５０μｍ〜１００μｍ）を越えた否かによって地震の有無を判定しても良い。

（２）上記実施形態では、ロータ１１の変位を検出する変位センサ１３の出力に基づき地震を検出したが、これに限定されず、図６に示すように磁気軸受装置１０のケーシング（図示略）に固定した加速度センサからなる地震センサ３２によって地震を直接検出し、地震検出時に、上述した通常時積分ゲインＫｉより低い地震発生時積分ゲインＫｉ´に設定変更する処理を行う。

（３）上記実施形態では、地震検出手段２６によって地震が検出された場合には、ＰＩＤ調節計２２にて、特に積分要素（Ｉ）のゲインのみを、通常時ゲインＫｉより低い値とした地震発生時ゲインＫｉ´としているが、これに加えて、図７（Ａ）に点線（ロ）で示すように、微分ゲインＫｄを一次固有振動数側にシフトさせることにより、一次固有振動数に対する位相進みを大きくして制御の応答性を早め（図７（Ｂ）参照）、これによって同様に、ロータの振動減衰を速やかに行なわせるようにしても良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。また、上述した外乱として地震を例に挙げたが、地震以外の外乱として、ロータ１１周辺の機械の不具合により生じる通常外の振動などがある。
なお、本発明では，安定化の対象とする固有振動数を一次固有振動数としているが，磁気軸受の設計によっては，二次以上の他の固有振動数の方が地震等の外乱の影響を受けやすい場合もあり，その場合はその固有振動数を対象として，上述の安定化手法を適用してもよい。

本発明の実施形態を示す概略構成図ゲインと位相との関係を示す図であって、（Ａ１）（Ａ２）は積分ゲイン調整前、（Ｂ１）（Ｂ２）は積分ゲイン調整後を示している。ロータの振動減衰を示す図であって、（Ａ）は従来の減衰状況、（Ｂ）は本発明の減衰状況を示している。地震検出手段を変更した場合の変形例１を示す概略構成図バンドパスフィルタの作用を説明するための図地震検出手段を変更した場合の変形例２を示す概略構成図微分ゲインを調整した場合の例を示す図従来の磁気軸受装置を説明するための正断面図

符号の説明

１０磁気軸受装置
１１ロータ
１２磁気軸受部
１２Ａ電磁石
１３変位センサ（ロータ変位検出手段）
２０制御手段
２２ＰＩＤ調節計
２６地震検出手段（外乱検出手段）
３０地震検出手段（外乱検出手段）
３１バンドパスフィルタ（外乱検出手段）
３２加速度センサ（外乱検出手段）

Claims

ロータを非接触支持する磁気軸受部と、ロータの変位を検出するロータ変位検出手段と、該ロータ変位検出手段の検出信号に基づき磁気軸受部を制御する制御手段とを具備し、該制御手段から出力される磁気軸受部への励磁電流によりロータに対する支持力を変化させて、該ロータの振れを補正するとともに、振れ補正後のロータ変位量に基づいて該制御手段から出力される磁気軸受部への励磁電流をフィードバック制御する磁気軸受装置であって、
前記制御手段には、地震等、ロータを振動させる外乱の発生を検出する外乱検出手段と、前記ロータ変位検出手段で検出されたロータの変位量と目標値との偏差に基づき、偏差に比例した動作を演算する比例要素、偏差の時間積分に比例した動作を演算する積分要素、偏差の時間的変化に比例した動作を演算する微分要素を求め、これら要素と予め設定しておいたプロセス式とから、磁気軸受部の電磁石に供給する励磁電流値を演算するＰＩＤ調節計とが設けられており、
前記外乱検出手段は、前記ロータ変位検出手段で検出されるロータの変位に基づき該ロータの固有振動数を求め、この固有振動数の成分が予め定めたしきい値を越えた場合に、地震等の外乱が発生したと判断し、
前記ＰＩＤ調節計は、地震等の外乱が発生した場合に、前記積分要素の演算処理で設定される積分ゲインを、前記ロータの固有振動数の成分が前記しきい値以下の場合の積分ゲインより低い積分ゲインに設定し、または、微分ゲインを、前記ロータの固有振動数の成分が前記しきい値以下の場合の微分ゲインより高い微分ゲインに設定する磁気軸受装置。
前記ＰＩＤ調節計は、前記積分要素のゲインを調整することを特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。
前記ＰＩＤ調節計は、地震等の外乱が発生した場合に微分ゲインを一次固有振動数側にシフトさせることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気軸受装置。