JP5763885B2 - 磁気浮上装置 - Google Patents
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Description
記浮上体の外周側に空隙を介するとともに対向して設置される永久磁石と電磁石を備えた
複数の磁石ユニットと、前記浮上体の外周側に配置した複数の前記磁石ユニットを固定す
る磁石取付け部と、前記浮上体と前記磁石取付け部の外周側に設置されるフレーム状の基
台と、前記基台と前記磁石取付け部間に設けられ、前記基台と前記磁石ユニット間の距離
を調節する磁石支持手段と、前記磁石ユニットに接続され、前記電磁石に流れる電流を制
御する制御部とを有し、前記磁石支持手段は、前記磁石ユニットの電磁力を前記浮上体と
前記磁石ユニット間の距離に関して偏微分した磁気ばね定数と一致させるようなばね定数
を有し、前記制御部は、前記電磁石に流れる励磁電流を、ゼロに収束させることにより、
前記浮上体と前記磁石ユニットの非接触支持状態を維持するとともに、前記基台と前記浮
上体の距離を所定の値に収束させることを特徴としている。
Δは微小変動分、uLは磁石取付け部5に加わる外力、mは浮上体6の質量、Mは磁石取付け
部5およびこれに取付けられた部品の総質量、∂Fz/∂zはFzの定常浮上状態における
zに関する偏微分値でいわゆる磁気ばね定数、∂Fz/∂iはFzの定常浮上状態における
izに関する偏微分値、記号・は1階の時間微分演算子である。
動はΔz+ΔzLである。浮上体6の磁気浮上にゼロパワー制御が適用されているので、
定常浮上状態でΔizはゼロとなる。(数1)より時間に関する微分項をゼロとして、
図3乃至図7には第1の実施の形態における磁気浮上装置が全体として10で示されてい
る。磁気浮上装置10は、浮上体11をz方向(上下方向)に支持する2つの縦方向支持
装置12と浮上体11をy方向(左右方向)に支持する2の横方向支持装置13で構成さ
れている。
及び、ロッド44が貫通しリニアブッシュ40および固定スリーブ42に突き当てるよう
に配置される弾性要素としてのばね47で構成されており、磁石を支持する手段を備えて
いる。
(zモード)、y軸に平行な運動(yモード)、y軸周りの回転運動(ξモード)および
z軸周りの回転運動(ψモード)であることは言うまでもない。このような運動モードご
との座標変換をともなう磁気浮上制御については特願平4−351167号や特願平6−
223788号に詳細が述べられているので、各座標変換器88、90、92および座標
逆変換器66については簡単のため詳説は省略する。
時間変化率Δ・zを演算する微分器102と、ΔzLからΔzLの時間変化率Δ・zLを
演算する微分器104と、Δz、Δ・z、ΔzL、Δ・zL、Δizに適当なフィ−ドバ
ックゲインを乗じるゲイン補償器106と、電流偏差目標値発生器108と、Δizを電
流偏差目標値発生器108の目標値より減じる減算器110と、減算器110の出力値を
積分し適当なフィ−ドバックゲインを乗じる積分補償器112と、ゲイン補償器106の
出力値の総和を演算する加算器114と、加算器114の出力値を積分補償器110の出
力値より減じてzモ−ドの電磁石励磁電圧ezを出力する減算器116とで構成されてい
る。
このような構成の磁気浮上装置によれば、浮上体の磁気浮上にゼロパワーを適用しても、様々な方向の外乱に対して浮上体の絶対位置を所定に維持できるため、空隙長を大きく設定しても電力消費の低減を図ることが可能である。
本発明に基づく第2の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図10は、本発
明の第2の実施の形態の磁気浮上装置の一部を切り欠いた斜視図である。図11は、本発
明の第2の実施形態のリニア同期モータの一部を切り欠いた斜視図である。図12は、本
発明の第2の実施形態のリニア同期モータの一部を切り欠いた断面図である。尚、図1乃
至9と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
図10乃至図11には第2の実施例に関わる磁気浮上装置の主要部が210として示されている。
三相コイル220を所定のパターンで励磁することにより、浮上体11’は、図10に示すx軸に平行な往復運動を開始する。このとき、浮上体11’は各支持装置12、13の電磁力により、パイプ14に対して非接触支持されている。
本実施形態では、第1の実施形態の効果に加えて、図12に示すように、永久磁石リング列212と三相コイル220でリニア同期モータ222が形成されている。当該リニア同期モータ222はコアレス構造であるため、界磁である永久磁石リング列212と電機子巻線である三相コイル220間に吸引力が発生しない。したがって、浮上体11の非接触支持に影響を与える外力を小さくすることができる。なお、図12において永久磁石の磁極の向きを矢印で表しており、矢印先端側がN極である。
本発明に基づく第3の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図13は、本発
明の第3の実施形態の磁気浮上装置の平面図である。図14は、図13のX−X’線に沿
った磁気浮上装置の断面図である。図15は、図13のY−Y’線に沿った磁気浮上装置
の断面図である。図16は、本発明の第3の実施形態の推力制御のブロック図である。図
17は、本発明の第3の実施形態の推力演算器のブロック図である。尚、図1乃至12と
同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
図13に示すように、磁気浮上装置310は、浮上体311と4つの上下方向支持装置313と2つの横方向支持装置315とを具備している。これら4つの上下方向支持装置313は、互いに協調して、倒れ2軸(θおよびξ方向)と高さ1軸(z方向)に関して浮上体311を非接触で支持するためのものである。また、横方向支持装置315は、それぞれ、x軸方向とy軸方向について浮上体311を非接触で支持するためのものである。
浮上体311は、鉄製の外リング317と、当該外リング317の内側に配置され、永久磁石で構成される磁石リング319と、当該磁石リング319の内側に配置される鉄製の内リング321と、当該内リング321の内側に所定の方法で固定される非磁性材料、例えばセラミックス等で構成される非磁性円盤323と、非磁性円盤323上に固定され、上部に導電性非磁性材料例えば銅やアルミ等で構成ざれた2次導体リング325を具備する円環基台327と、当該円環基台327の上部に取り付けられ、回転することによって流体を搬送する遠心ファン329を備えている。浮上体311は、非磁性かつ非導電性材料で形成されるケーシング331によりわずかなギャップを介して包み込まれている。
以上のように構成された横方向支持装置315を、x軸と平行に設置すれば浮上体311のx軸方向の運動に関してゼロパワー制御が可能となり、y軸と平行に設置すれば浮上体311のy軸方向の運動に関してゼロパワー制御が可能となる。これにより、それぞれの運動軸に関し、外力に対する浮上体311の位置変動が抑制される。
2、20 …電磁石
3、4、22、343、387 …磁石ユニット
5、28、345、389 …磁石取付け部
6、11、11’、311 …浮上体
7、47、355 …ばね
8 …ダンパ
9、16、353、397 …基台
10、210、310 …磁気浮上装置
12、313 …縦方向支持装置
13、315 …横方向支持装置
14 …パイプ
24 …上部梁
26 …下部梁
30 …サスペンション
32 …アッパービーム
34 …ロアービーム
36 …固定板
38、38’ …脚部
40、347 …リニアブッシュ
42 …固定スリーブ
44 …ロッド
46 …制御装置
48 …鉄製円環
50 …インペラファン
52 …アルミ円環
54 …プラスティック円環
56 …固定子
58 …誘導電動機
60 …センサ部
62 …モード座標変換部
64 …モード制御電圧演算部
66 …モード制御電圧座標逆変換器
68 …パワーアンプ
70、359 …渦電流式ギャップセンサ
72 …光学式ギャップセンサ
74 …電流センサ
76 …浮上体ギャップ長設定器
78 …磁石取付け部ギャップ長設定器
80 …電流設定器
82、84、86、110、116、375、385 …減算器
88 …浮上体ギャップ長偏差座標変換器
90 …磁石取付け部ギャップ長偏差座標変換器
92 …電流偏差座標変換器
94 …zモード制御電圧演算器
96 …yモード制御電圧演算器
98 …ξモード制御電圧演算器
100 …ψモード制御電圧演算器
102、104、377 …微分器
106、379 …ゲイン補償器
108 …電流偏差目標値発生器
112 …積分補償器
114、381 …加算器
212 …永久磁石リング列
214 …弁
216 …台座
218 …弁膜
220 …三相コイル
222 …リニア同期モータ
317 …外リング
319 …磁石リング
321 …内リング
323 …非磁性円盤
325 …2次導体リング
327 …円環基台
329 …遠心ファン
331 …ケーシング
333 …ステータ
334 …カバー
335 …流入口
337 …流出口
339 …鉄心
341 …コイル
349、393 …ガイドブロック
351 …ガイドロッド
357 …リニアモータ
361 …リニア位置センサ
363 …推力制御装置
365 …推力演算器
367 …ベクトル制御器
396 …点弧角発生器
371 …三相PWMインバータ
373 …磁石取付け部高さ目標値発生器
391 …リニアガイド
395 …ガイドレール
399 …マウント
Claims (11)
- 強磁性体を備えた浮上体と、
前記浮上体の外周側に空隙を介するとともに対向して設置される永久磁石と電磁石を備
えた複数の磁石ユニットと、
前記浮上体の外周側に配置した複数の前記磁石ユニットを固定する磁石取付け部と、
前記浮上体と前記磁石取付け部の外周側に設置されるフレーム状の基台と、
前記基台と前記磁石取付け部間に設けられ、前記基台と前記磁石ユニット間の距離を調
節する磁石支持手段と、
前記磁石ユニットに接続され、前記電磁石に流れる電流を制御する制御部とを有し、
前記磁石支持手段は、前記磁石ユニットの電磁力を前記浮上体と前記磁石ユニット間の
距離に関して偏微分した磁気ばね定数と一致させるようなばね定数を有し、
前記制御部は、前記電磁石に流れる励磁電流を、ゼロに収束させることにより、前記浮
上体と前記磁石ユニットの非接触支持状態を維持するとともに、前記基台と前記浮上体の
距離を所定の値に収束させることを特徴とする磁気浮上装置。 - 前記磁石ユニットは、永久磁石と電磁石で構成され、前記永久磁石は磁石取付け部の浮
上体配置側の面に取り付けられ、前記永久磁石の浮上体配置側の面に2つの前記電磁石が
並列して取り付けられ、制御部が前記電磁石の電流を制御することで磁気回路を形成する
ことを特徴とする請求項1記載の磁気浮上装置。 - 前記浮上体に回転力を付与する駆動手段を備えていることを特徴とする請求項1または
請求項2に記載の磁気浮上装置。 - 前記駆動手段は、前記浮上体に回転電動機のロータを備えるとともに、前記ロータの外
周部に前記回転電動機のステータを備えていることを特徴とする請求項3に記載の磁気浮
上装置。 - 前記駆動手段により回転力を付与された前記浮上体の回転軸に対し、略直交する方向に
電磁力を作用させる前記磁石ユニットを、前記浮上体の外周部に備えていることを特徴と
する請求項3または請求項4に記載の磁気浮上装置。 - 前記駆動手段により回転力を付与された前記浮上体の回転軸に対し、略平行に電磁力を
作用させる前記磁石ユニットを備えていることを特徴とする請求項3または請求項4に記
載の磁気浮上装置。 - 前記駆動手段により、回転力を付与された前記浮上体の回転軸に対し、略直交する方向
に電磁力を作用させる前記磁石ユニットと、前記浮上体の回転軸に対して略平行に電磁力
を作用させる前記磁石ユニットを備えていることを特徴とする請求項3または請求項4に
記載の磁気浮上装置。 - 前記浮上体に取り付けられ、前記浮上体の外側に磁界を発生させる永久磁石列と、
前記永久磁石列が発生する磁界に略直交する方向の推力を前記浮上体に付与するリニア
モータと、
を備えていることを特徴とする請求項1に記載の磁気浮上装置。 - 前記制御部は、前記電磁石の励磁電流を検出する電流センサと、基台と磁石ユニット間
の距離を検出する位置センサと、を備えていることを特徴とする請求項1乃至請求項8の
いずれか1項に記載の磁気浮上装置。 - 前記浮上体と前記磁石ユニット間に、前記浮上体と前記磁石ユニット間を隔てる隔離手
段を有することを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の磁気浮上装置
。 - 強磁性体を備えた浮上体と、
前記浮上体の外周側に空隙を介するとともに対向して設置される永久磁石と電磁石を備
えた複数の磁石ユニットと、
前記浮上体の外周側に配置した複数の前記磁石ユニットを固定する磁石取付け部と、
前記浮上体と前記磁石取付け部の外周側に設置されるフレーム状の基台と、
前記基台と前記磁石取付け部間に設けられ、前記基台と前記磁石ユニット間の距離を調
節するサスペンションと、
前記磁石ユニットに接続され、前記電磁石に流れる電流を制御する制御部とを有し、
前記サスペンションは、前記磁石ユニットの電磁力を前記浮上体と前記磁石ユニット間
の距離に関して偏微分した磁気ばね定数と一致させるようなばね定数を有し、
前記制御部は、前記電磁石に流れる励磁電流を、ゼロに収束させることにより、前記浮
上体と前記磁石ユニットの非接触支持状態を維持するとともに、前記基台と前記浮上体の
距離を所定の値に収束させることを特徴とする磁気浮上装置。
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