JP5077059B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents

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Description

この発明は、電磁石の励磁巻線の励磁電流を計測することにより、被支持物との距離を推定し、安定して磁気浮上を行うことができる磁気軸受装置に関するものである。
従来の磁気軸受装置としては、特許文献１に示されたものがあり、これについて図４（ａ）〜（ｃ）により説明する。図４（ａ）は磁気軸受装置の制御ブロック図、図４（ｂ）はパルス幅変調（ＰＷＭ）されたスイッチング電圧Ｅを示し、図４（ｃ）はスイッチングリップル電流Ｉを示す。丸印はサンプルホールドタイミングを示す。図において、被支持体１は電磁石２の磁気力により非接触で支持され、電磁石２の磁気力は、励磁巻線３にＰＷＭパワーアンプ４からパルス幅変調された電圧が印加され、励磁巻線３にパルス幅変調電圧と同期したスイッチングリップル電流が流れることにより発生する。この励磁巻線３に流れるスイッチングリップル電流は、ＣＴ等の電流検出器５により検出される。
電流検出器５により検出された電流は、サンプルホールド器６によりサンプルホールドされる。リファレンス信号生成器７は、ＰＷＭパワーアンプ４の出力部のスイッチング素子を駆動するスイッチング信号に同期して、スイッチング信号を受け取り、パルス波形を成形する。成形されたパルス波形はサンプルホールド器６に入力され、時間ｔ１後にサンプルホールド器６によりスイッチングリップル電流波形をサンプルホールドする。
サンプルホールド器６の出力はローパスフィルタ（ＬＰＦ）８に入力され、高周波成分が除去され、被支持体１の移動量情報としての低周波信号成分が制御回路９に入力される。制御回路９では、被支持体１の目標位置と比較され、位相及びゲインが調整され、被支持体１が目標位置に安定して支持されるようにＰＷＭパワーアンプ４のパルス幅変調を行う。
前記したように、電磁石２の磁気力は、ＰＷＭパワーアンプ４から図４（ｂ）に示すスイッチング電圧Ｅが印加され、この電圧Ｅと同期したリップルを持つ図４（ｃ）に示すスイッチングリップル電流Ｉが励磁電流３に流れることにより発生する。このスイッチングリップル電流Ｉをスイッチングオンオフのタイミングより所定の時間後にサンプルホールドし、その傾きから励磁電流３のインダクタンスＬを求め、求められたインダクタンスＬから変位Ｘ、即ち被支持体１と電磁石２とのギャップＸを検出する方式である。
なお、この出願の発明に関連する他の先行技術文献情報としては特許文献２がある。
特許第３２２０３０３号公報 特開昭６１−２４８９１６号公報
しかしながら、前記した従来の磁気軸受装置においては、スイッチングリップル電流のサンプル時刻が電圧スイッチング時刻に近いために、スイッチング時に発生するサージ電圧等に起因するノイズの影響を受け易い。又、電磁石２の起磁力を大きくするために、励磁巻線３の巻数を多くすると、そのインダクタンスＬが増加し、スイッチングリップル電流の振幅が小さくなるので、インダクタンスＬを大きくすることができなかった。
この発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、スイッチングリップル電流のサンプル時にノイズの影響を受け難くするとともに、インダクタンスを大きくして、電磁石と被支持体との変位を精度良く推定することができる磁気軸受装置を得ることを目的とする。
この発明の請求項１に係る磁気軸受装置は、スイッチングリップル電流のサンプルタイミングを電圧スイッチングの中間点で行うとともに、サンプルされたスイッチングリップル電流から磁気軸受に必要な電圧成分を求め、この電圧成分にスイッチング周波数より低い周波数の計測信号を重畳し、この重畳信号がパルス幅変調された電圧を励磁巻線に印加することにより、この励磁巻線にスイッチングリップル電流を流し、このスイッチングリップル電流の磁気力により被支持体を非接触で支持し、この重畳された印加電圧に応じた励磁電流の変化から電磁石のインダクタンスを求め、このインダクタンスから被支持体と電磁石との変位を推定するようにしたものである。
請求項２に係る磁気軸受装置は、前記計測信号が、単相交流信号であるものである。
請求項３に係る磁気軸受装置は、前記計測信号の電圧が、方形波であるものである。
以上のようにこの発明の請求項１，２によれば、パルス幅変調された電圧を電磁石の励磁巻線に印加したときに励磁巻線に流れるスイッチングリップル電流のサンプルタイミングを電圧スイッチングの中間点で行っており、電圧スイッチングの中間点では電圧スイッチングが無く、スイッチングリップル電流は安定し、ノイズの影響を少なくすることができる。又、スイッチング時間に依存せずに、重畳した低周波の計測信号に依存してインダクタンスを測定することが可能となり、インダクタンスの測定に時間的余裕があるので、インダクタンスを大きくすることができ、変位の推定を精度良く行うことができる。
請求項３によれば、計測信号の電圧を方形波としており、計測信号の電流変化を直線近似させることができ、インダクタンスの計測を簡略化することができる。
実施最良形態１
以下、この発明を実施するための最良の形態を図面とともに説明する。図１（ａ）〜（ｃ）はこの発明の実施最良形態１による磁気軸受装置の制御ブロック図、スイッチング電圧Ｅの波形図及びスイッチングリップル電流Ｉの波形図を示し、図２（ａ）〜（ｃ）は磁気軸受に必要な電圧成分に重畳して流す計測信号の電圧波形図、電流波形図及びその一部拡大図を示す。計測信号は、スイッチング信号の周波数に比べて低い周波数の単相交流信号である。１０はサンプルタイミング信号生成器、１１は計測信号指令器、１２は加算器であり、図１（ｃ）の丸印はサンプルタイミングを示す。その他の構成は、従来と同様である。
前記構成において、被支持体１は電磁石２の磁気力により非接触で支持され、電磁石２の磁気力は、励磁巻線３にＰＷＭパワーアンプ４からパルス幅変調されたスイッチング電圧Ｅが印加され、スイッチングリップル電流Ｉが励磁巻線３に流れることにより発生する。このスイッチングリップル電流Ｉは電流検出器５により検出される。電流検出器５により検出されたスイッチングリップル電流Ｉは、図１（ｃ）に丸印で示すサンプルタイミングによりサンプルホールドされる。即ち、サンプルタイミング信号生成器１０はＰＷＭパワーアンプ４の電圧スイッチング信号の中間点でスイッチングリップル電流をサンプルホールドするようなサンプルタイミング信号を生成し、このサンプルタイミング信号をサンプルホールド器６に入力する。
サンプルホールド器６は電圧スイッチング信号の中間点でかつ電圧スイッチング時間と同じＴｃ時間毎にスイッチングリップル電流をサンプルホールドする。サンプルホールド器６の出力は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）８に入力され、高周波成分は除去され、被支持体１の移動量情報としての低周波信号成分が制御回路９に入力される。制御回路９から出力された磁気軸受に必要な電圧成分には、計測信号指令器１１から出力された、図２に示す電圧スイッチング信号の周波数に比べて低い周波数の単相交流の計測信号が加算器１２において重畳され、この重畳信号がＰＷＭパワーアンプ４においてＰＷＭ変調され、このＰＷＭ変調された電圧が励磁巻線３に印加され、この重畳された印加電圧に応じた励磁電流の変化からインダクタンスを求め、このインダクタンスから被支持体１と電磁石２との変位Ｘが推定可能となる。
前記した実施最良形態１においては、スイッチングリップル電流Ｉのサンプルタイミングを電圧スイッチングの中間点で行うとともに、計測信号を重畳したときの励磁電流の変化から電磁石２のインダクタンスを求め、このインダクタンスから被支持体１と電磁石２との変位Ｘを推定しており、電圧スイッチングの中間点においては、電圧スイッチングが無く、スイッチングリップル電流が安定しており、電圧スイッチング時に発生するサージ電圧等に起因するノイズの影響を少なくすることができる。又、従来の磁気軸受装置においては、スイッチング時間毎にスイッチングリップル電流の傾きを検出しなければならないために、時間的余裕が無く、あまりインダクタンスを大きくできなかったが、この実施最良形態において低周波の計測信号を重畳した時は、スイッチング時間に依存せずに、重畳した低周波の計測信号に依存して、インダクタンスを測定することが可能となる。このため、電磁石２の能力を向上させるために、電磁石２の励磁巻線３の巻数を増加してインダクタンスを大きくすることが可能となり、変位推定の精度を向上させることができる。又、磁気軸受に必要な電圧成分に低周波の計測信号を重畳して、インダクタンスの計測を行っており、インダクタンスの計測に必要なスイッチングリップル電流を多くサンプルすることができるため、これによっても変位推定の精度を向上させることができる。
実施最良形態２
図３（ａ）〜（ｃ）は実施最良形態２による磁気軸受装置の磁気軸受に必要な電圧成分に重畳して流す計測信号の電圧波形図、電流波形図及びその一部拡大図を示す。計測信号は、スイッチング信号の周波数に比べて低い周波数の方形波信号である。その他の構成は、実施最良形態１と同様である。
実施最良形態２においては、磁気軸受に必要な電圧成分に重畳して流す計測信号の電圧をスイッチング信号の周波数に比べて低い周波数の方形波信号としており、計測信号の電流変化を直線近似させることができ、計測信号が単相交流の実施最良形態１と比べて、インダクタンスの計測を簡略化することができる。その他の効果は実施最良形態１と同様である。
この発明の実施最良形態１による磁気軸受装置の制御ブロック図、スイッチング電圧Ｅの波形図及びスイッチングリップル電流Ｉの波形図である。 実施最良形態１による磁気軸受装置の計測信号の電圧波形図、電流波形図及びその一部拡大図である。 実施最良形態２による磁気軸受装置の計測信号の電圧波形図、電流波形図及びその一部拡大図である。 特許文献１に示された従来の磁気軸受装置の制御ブロック図、スイッチング電圧Ｅの波形図及びスイッチングリップル電流Ｉの波形図である。
符号の説明
１…被支持体
２…電磁石
３…励磁巻線
４…ＰＷＭパワーアンプ
５…電流検出器
６…サンプルホールド器
９…制御回路
１０…サンプルタイミング信号生成器
１１…計測信号指令器
１２…加算器

Claims (3)

  1. スイッチングリップル電流のサンプルタイミングを電圧スイッチングの中間点で行うとともに、サンプルされたスイッチングリップル電流から磁気軸受に必要な電圧成分を求め、この電圧成分にスイッチング周波数より低い周波数の計測信号を重畳し、この重畳信号がパルス幅変調された電圧を励磁巻線に印加することにより、この励磁巻線にスイッチングリップル電流を流し、このスイッチングリップル電流の磁気力により被支持体を非接触で支持し、この重畳された印加電圧に応じた励磁電流の変化から電磁石のインダクタンスを求め、このインダクタンスから被支持体と電磁石との変位を推定するようにしたことを特徴とする磁気軸受装置。
  2. 前記計測信号は、単相交流信号であることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。
  3. 前記計測信号の電圧は、方形波であることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。
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