JP5997597B2 - 磁気軸受装置、磁気軸受装置に起因する振動の低減方法 - Google Patents
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Description
る、或いはその逆で高速回転時には問題とならないが低速回転時に問題となることがある。また、影響範囲内の装置要素への振動の伝達特性は、各装置要素の接続形態や支持形態などに依存するため、影響範囲内の装置要素の特定の箇所においてどの程度の振動が発生するかを予測することは困難である。機械的に回転軸の釣り合わせを行う場合は、通常、回転軸に設けられたバランス修正面に重りを付ける作業、或いは、ドリル等で削る作業を行うが、スペースが狭い場合、腐食などの問題によって修正面を露出させることが難しい場合、汚染環境などの問題によってバランス修正面に容易に人間が触れることが出来ない場合などでは、機械的な釣り合わせを行うことは困難である。このようなことから、磁気軸受装置に起因して発生する振動の影響範囲内の装置要素の特定の箇所における振動を確実に低減できる技術が求められる。
回転数での動作条件下で振動センサによって検出された第2の振動値と、第3の制御モードでの制御によって回転軸に加えられるアンバランス量の第2の値と第2の周期的なタイミングと、に基づいて、第2の制御モードにおいて第2の電流の電流値および第1の周期的なタイミングによって回転軸のアンバランス量が修正される修正面の数M(Mは1以上の整数)と、振動センサの数N(Nは1以上の整数)とが、N≦Mを満たす場合に、少なくとも1つの振動センサの設置箇所のうちの全ての設置箇所において振動値が最小になるように、第2の電流の電流値および第1の周期的なタイミングを決定してもよい。
本発明の第12の形態は、回転軸を支承する磁気軸受装置に起因する振動を低減する方法として提供される。この方法は、回転軸を浮上支持するための第1の電流を磁気軸受の電磁石に流し、電磁石に流された電流によって生じる電磁力を用いて、磁気浮上によって回転軸を非接触で支承させる第1の工程と、第1の工程において、回転軸の回転によって生じる振動の影響範囲内に設けられた少なくとも1つの振動センサによって、振動を検出する第2の工程と、少なくとも1つの振動センサの設置箇所のうちの、少なくとも1つの設置箇所において、第1の工程において検出された振動値よりも振動が低減されるように、回転軸の回転周期に同期した周期的な所定のタイミングで、第1の電流に代えて、第1の電流の電流値に対して所定の値だけ加算または減算した電流値を有する第2の電流を電磁石に流し、電磁石に流された電流によって生じる電磁力を用いて、磁気浮上によって回転軸を非接触で支承させる第3の工程とを備える。かかる方法によれば、第1の形態と同様の効果を奏する。第11の形態に、第2ないし第10の形態を適用することも可能である。
図1は、本発明の一実施例としての軸受装置20の概略構成を示す。本実施例では、軸受装置20は、チャンバ130を負圧にするためのファン120の回転軸100を支承する。ただし、軸受装置20の用途は、特に限定するものではなく、ポンプ、圧縮機、ガス攪拌機など種々の回転機械に適用可能である。図1に示すように、軸受装置20は、磁気軸受30、変位センサ41,42,43、回転センサ50、振動センサ61,62、制御部70を備えている。
パルスの発生回数を2回以上とすることも可能である。また、回転センサ50は、上述した位置に第2の切欠部53が形成されている。したがって、径方向の両端での重量が均一化され、回転軸100の回転バランスに悪影響を与えない。第1の切欠部52および第2の切欠部53には、非磁性材料が充填されていてもよい。
石と、Y軸方向を制御する電磁石と、にそれぞれ回転周期と同じ周期の余弦波電流、正弦波電流を流すことで回転軸100の回転と同期した径方向の力を回転軸100に加え、回転軸100のアンバランス量を修正する。余弦波電流、正弦波電流の周期は、回転周期の整数倍であっても良い。また、回転周期の整数倍である複数の周期の電流の加算値であっても良い。あるいは、X軸方向を制御する電磁石とY軸方向を制御する電磁石とのうちの片方だけに電流を流しても良い。タイミングの調整は、前述の余弦弦波電流、正弦波電流の位相をずらすことで実施する。第2の電流は、X軸方向に正弦波電流を、Y軸方向に余弦波電流を流すことで回転軸100に加える径方向の力の回転方向を前述とは逆にすることができることは言うまでもない。回転軸100の回転方向に合わせて第2の電流による径方向の力の回転方向を選択すれば良い。なお、第1の制御モードでの第1の電流と、第2の制御モードでの第2の電流のうちの第1のタイミング以外のタイミングでの電流(第1の電流)とは、同一ではないが、本願では、回転軸100の変位量(予測値であってもよい)に基づき、かつ、振動センサ61,62の検出結果に基づかずに決定された電流は、全て「第1の電流」と呼んでいる。
α12=(B12−A1)/U02 ・・・(2)
α21=(B21−A2)/U01 ・・・(3)
α22=(B22−A2)/U02 ・・・(4)
A1+α11×U1+α12×U2=0 ・・・(5)
A2+α21×U1+α22×U2=0 ・・・(6)
れる。そして、加振の大きさから、第2の電流の電流値が求められる。上記の式(5),(6)から明らかなように、本実施例では、振動センサ61,62の設置箇所のうちのすべての設置箇所における振動が、最小(理論上ゼロ)になるように、第2の電流の電流値および第1のタイミングが決定される。こうすることによって、振動センサ61,62の設置箇所における振動を著しく低減できる。ただし、式(5),(6)における右項は、振動値A1,A2よりも小さい任意の値で設定可能である。なお、修正面の数M(Mは1以上の整数)と、振動センサの数N(Nは1以上の整数)とがN≦Mを満たす場合に、上記のように振動センサ61,62の設置箇所のうちのすべての設置箇所における振動が最小となるアンバランス量U1,U2を求めることが可能である。
された値)から著しく低減されているのが分かる。取付位置a,b,e,f,gの振動値は、取付位置c,d以外の取付位置における振動の変化を把握するために測定したものであり、係数影響法に使用するものではない。振動値基準位置を取付位置c,dとした場合と同様に、振動値基準位置を取付位置f,gとした場合、取付位置a,eとした場合、取付位置b,eとした場合のいずれにおいても、デフォルト値から著しく低減されているのが分かる。
B.変形例:
B−1.変形例1:
第1の制御モードおよび第3の制御モードでの制御は、2種類以上の異なる回転数に対して実施されてもよい。この場合、修正面の数M(Mは1以上の整数)と、振動センサの数N(Nは1以上の整数)と、設定された回転数の種類の数Rとが、N×R≦Mを満たす場合には、振動センサの全ての設置箇所において、かつ、R種類の異なる回転数の動作条件下の各々において振動値が最小(理論的にゼロ)になるように、アンバランス量U1,U2を求めてもよい。一方、N×R>Mを満たす場合には、変形例1で説明したように、N個の振動センサの設置箇所ごと、かつ、R種類の異なる回転数の動作条件ごとの、第2の制御モードでの制御時における振動値の二乗和が最小になるように、アンバランス量U1,U2を求めてもよい。こうすれば、複数種類の異なる回転数の動作条件下のいずれにおいても、第2の制御モードによって、M,NおよびRの条件に応じて、振動値を著しく低減できる。
第2の電流の電流値および第1のタイミングは、影響係数法以外の手法によって決定してもよい。例えば、制御部70は、第3の制御モードにおいて、所定回数だけ第2のタイミングおよび第2の値を変えて、振動センサ61,62での検出を行い、検出された振動値が相対的に小さくなる第2のタイミングおよび第2の値を第1のタイミングおよび第1の値として採用してもよい。こうしても、簡易的に振動の低減を行える。
30…磁気軸受
31,32,33,34…電磁石
35…磁性体
41,42,43…変位センサ
50…回転センサ
51…ディスク部
51a…第1の面
51b…第2の面
52…第1の切欠部
53…第2の切欠部
54…センサ磁極
55…センサコイル
60a〜60g,61,62…振動センサ
70…制御部
71…コントロールユニット
72…変位センサ回路
73…電磁石駆動回路
74…回転センサ回路
76…DSPシステム
80…コマンドコンピュータ
100…回転軸
110…モータ
115…ステータハウジング
120…ファン
121…ケーシング
130…チャンバ
1XY,2XY…修正面
Claims (12)
- 回転軸を支承する磁気軸受装置であって、
電磁石に流された電流によって生じる電磁力を用いて、磁気浮上によって前記回転軸を非接触で支承する磁気軸受と、
前記回転軸の回転を検出する回転センサと、
前記電磁石に流す電流を制御する制御部と、
前記回転軸の回転によって生じる振動の影響範囲内に設けられた少なくとも1つの振動センサと
を備え、
前記制御部は、
前記回転軸を浮上支持するための第1の電流を前記電磁石に流す第1の制御モードと、
前記少なくとも1つの振動センサの設置箇所のうちの少なくとも1つの設置箇所において、前記第1の制御モードにおいて検出された第1の振動値よりも振動が低減されるように、前記回転センサによって検出される前記回転軸の回転周期に同期した第1の周期的なタイミングで、前記第1の電流に代えて、前記第1の電流の電流値に対して第1の値だけ加算または減算した電流値を有する第2の電流を前記電磁石に流す第2の制御モードと
で制御可能に構成された
磁気軸受装置。 - 請求項1に記載の磁気軸受装置であって、
前記制御部は、
任意の回転角度で設定された前記回転周期に同期した第2の周期的なタイミングで、前記第1の電流に代えて、前記第1の電流の電流値に対して第2の値だけ加算または減算した電流値を有する第3の電流を前記電磁石に流す第3の制御モードで制御可能に構成され、
前記第1の振動値と、前記第3の制御モードでの制御時において前記振動センサによ
って検出された第2の振動値と、前記第2の値と前記第2の周期的なタイミングと、に基づいて、影響係数法を用いて、前記第2の制御モードに使用する、前記第2の電流の電流値および前記第1の周期的なタイミングを決定する
磁気軸受装置。 - 請求項2に記載の磁気軸受装置であって、
前記制御部は、
前記回転軸の1つの回転数での動作条件下で検出された前記第1の振動値と、前記第3の制御モードでの制御時において前記1つの回転数での動作条件下で前記振動センサによって検出された前記第2の振動値と、前記第2の値と前記第2の周期的なタイミングと、に基づいて、
前記第2の制御モードにおいて前記第2の電流の電流値および前記第1の周期的なタイミングによって前記回転軸のアンバランス量が修正される修正面の数M(Mは1以上の整数)と、前記振動センサの数N(Nは1以上の整数)とが、N≦Mを満たす場合に、
前記少なくとも1つの振動センサの設置箇所のうちの全ての設置箇所において振動値が最小になるように、前記第2の電流の電流値および前記第1の周期的なタイミングを決定する
磁気軸受装置。 - 請求項2に記載の磁気軸受装置であって、
前記制御部は、
前記回転軸の1つの回転数での動作条件下で検出された前記第1の振動値と、前記第3の制御モードでの制御時において前記1つの回転数での動作条件下で前記振動センサによって検出された前記第2の振動値と、前記第2の値と前記第2の周期的なタイミングと、に基づいて、
前記第2の制御モードにおいて前記第2の電流の電流値および前記第1の周期的なタイミングによって前記回転軸のアンバランス量が修正される修正面の数M(Mは1以上の整数)と、前記振動センサの数N(Nは1以上の整数)とが、N>Mを満たす場合に、
前記N個の振動センサの設置箇所ごとの、前記1つの回転数での動作条件下での前記第2の制御モードでの制御時における振動値の二乗和が最小になるように、前記第2の電流の電流値および前記第1の周期的なタイミングを決定する
磁気軸受装置。 - 請求項2に記載の磁気軸受装置であって、
前記制御部は、
前記回転軸のR(Rは2以上の整数)種類の異なる回転数の動作条件下の各々で検出された前記第1の振動値の各々と、前記第3の制御モードでの制御時において前記R種類の異なる回転数の動作条件下の各々で前記振動センサによって検出された前記第2の振動値の各々と、前記第2の値と前記第2の周期的なタイミングと、に基づいて、
前記第2の制御モードにおいて前記第2の電流の電流値および前記第1の周期的なタイミングによって前記回転軸のアンバランス量が修正される修正面の数M(Mは1以上の整数)と、前記振動センサの数N(Nは1以上の整数)と、前記Rとが、N×R≦Mを満たす場合に、
前記少なくとも1つの振動センサの設置箇所のうちの全ての設置箇所において、かつ、前記R種類の異なる回転数の動作条件下の各々において振動値が最小になるように、前記第2の電流の電流値および前記第1の周期的なタイミングを決定する
磁気軸受装置。 - 請求項2に記載の磁気軸受装置であって、
前記制御部は、
前記回転軸のR(Rは2以上の整数)種類の異なる回転数の動作条件下の各々で検出された前記第1の振動値の各々と、前記第3の制御モードでの制御時において前記R種類の異なる回転数の動作条件下の各々で前記振動センサによって検出された前記第2の振動値の各々と、前記第2の値と前記第2の周期的なタイミングと、に基づいて、
前記第2の制御モードにおいて前記第2の電流の電流値および前記第1の周期的なタイミングによって前記回転軸のアンバランス量が修正される修正面の数M(Mは1以上の整数)と、前記振動センサの数N(Nは1以上の整数)と、前記Rとが、N×R>Mを満たす場合に、
前記N個の振動センサの設置箇所ごと、かつ、前記R種類の異なる回転数の動作条件ごとの、前記第2の制御モードでの制御時における振動値の二乗和が最小になるように、前記第2の電流の電流値および前記第1の周期的なタイミングを決定する
磁気軸受装置。 - 請求項4または請求項6に記載の磁気軸受装置であって、
前記制御部は、前記影響係数法で使用する影響係数に所定の重み付けを行って、前記第2の電流の電流値および前記第1の周期的なタイミングを決定する
磁気軸受装置。 - 請求項2ないし請求項7のいずれか一項に記載の磁気軸受装置であって、
前記制御部は、
前記第3の制御モードによって、前記第2の電流の電流値および前記第1の周期的なタイミングを決定した場合に、該決定した前記第2の電流の電流値および前記第1の周期的なタイミングを特定可能な情報を記憶媒体に記憶させ、
前記回転軸の回転数が、該回転軸の回転の開始後、定格回転数に達した場合に、前記記憶媒体に記憶された前記情報から特定される前記第2の電流の電流値および前記第1の周期的なタイミングを用いて、前記第2の制御モードでの制御を行う
磁気軸受装置。 - 請求項1ないし請求項8のいずれか一項に記載の磁気軸受装置であって、
前記回転センサは、前記回転軸が1回転するごとに1回のパルスを発生するように構成された
磁気軸受装置。 - 請求項9に記載の磁気軸受装置であって、
前記回転センサは、
前記回転軸に固定され、該回転軸と直交する方向に円盤状に形成され、磁性材料からなるディスク部と、
前記ディスク部と間隙を有して対向するように設けられたセンサ磁極と、
センサ磁極に巻回されたセンサコイルと
を備え、
前記ディスク部のうちの前記センサ磁極と対向する側の面である第1の面には、前記ディスク部の軸線の方向の厚みが低減された第1の切欠部が形成され、
前記ディスク部のうちの前記第1の面と反対側の面である第2の面には、前記軸線を中心とした前記第1の切欠部と180度回転対称の位置に、前記第1の切欠部と同一の形状の第2の切欠部が形成された
磁気軸受装置。 - 請求項1ないし10のいずれか一項に記載の磁気軸受装置であって、
前記振動の影響範囲は、前記磁気軸受装置本体、前記磁気軸受装置が支承する前記回転軸の回転を利用する回転装置、及び、前記回転軸の回転によって内部に気流を生じさせる
チャンバのうちの少なくとも1つである、
磁気軸受装置。 - 回転軸を支承する磁気軸受装置に起因する振動を低減する方法であって、
前記回転軸を浮上支持するための第1の電流を前記磁気軸受の電磁石に流し、該電磁石に流された電流によって生じる電磁力を用いて、磁気浮上によって前記回転軸を非接触で支承させる第1の工程と、
第1の工程において、前記回転軸の回転によって生じる振動の影響範囲内に設けられた少なくとも1つの振動センサによって、振動を検出する第2の工程と、
前記少なくとも1つの振動センサの設置箇所のうちの、少なくとも1つの設置箇所において、前記第1の工程において検出された振動値よりも振動が低減されるように、前記回転軸の回転周期に同期した周期的な所定のタイミングで、前記第1の電流に代えて、前記第1の電流の電流値に対して所定の値だけ加算または減算した電流値を有する第2の電流を前記電磁石に流し、該電磁石に流された電流によって生じる電磁力を用いて、磁気浮上によって前記回転軸を非接触で支承させる第3の工程と
を備えた方法。
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