JP6327595B2 - 磁気軸受装置および磁気軸受装置のバイアス電流制御方法 - Google Patents
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Description
この発明は、この発明は、たとえば自動車などの車両に搭載されるフライホイール式電力貯蔵装置などに使用される磁気軸受装置および当該磁気軸受装置のバイアス電流制御方法に関する。
従来、電源として高効率でクリーンなフライホイール電力貯蔵装置（ＦＥＳＳ：Ｆｌｙｗｈｅｅｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）が提供されている。そして、このＦＥＳＳ用の軸受として、回転体の非接触支持が可能な磁気軸受装置が提案されている（特許文献１参照）。
特許文献１に記載された磁気軸受装置では、回転体が１つのアキシアル磁気軸受と２つのラジアル磁気軸受で非接触支持されている。ここで、アキシアル磁気軸受は、回転体のフランジ部を回転体の回転軸方向の両側から挟むように配置された１対の電磁石を備えている。また、各ラジアル磁気軸受は、回転体を上記回転軸に直交する方向の両側から挟むように配置された２対の電磁石を備えている。
この磁気軸受装置は、さらに、回転体の目標位置からの変位を検出する変位検出手段と、回転体の変位に基づいてアキシアル磁気軸受およびラジアル磁気軸受を構成する各電磁石に励磁電流を供給する制御ユニットとを備える。そして、制御ユニットは、アキシアル磁気軸受およびラジアル磁気軸受について、対をなす電磁石のいずれか一方のみに励磁電流を流す制御を行ういわゆるゼロバイアス電流制御を行っている。
ところが、制御ユニットがゼロバイアス電流制御を行う場合、アキシアル磁気軸受およびラジアル磁気軸受の剛性が低くなってしまう。従って、地震等の大きな外乱が生じた場合、回転体がタッチダウンしてしまう虞がある。
これに対して、制御ユニットがアキシアル磁気軸受およびラジアル磁気軸受それぞれを構成する電磁石に常に一定のバイアス電流を流し、アキシアル磁気軸受およびラジアル磁気軸受の剛性を高めることが考えられる。
しかしながら、この場合、制御ユニットがアキシアル磁気軸受およびラジアル磁気軸受それぞれを構成する電磁石に常に一定のバイアス電流を流し続けるので、アキシアル磁気軸受およびラジアル磁気軸受における消費電力が増大してしまう。
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、消費電力の低減を図りながら、タッチダウンの発生を抑制できる磁気軸受装置を提供することを目的とする。
（１）本発明に係る磁気軸受装置は、回転体と、ラジアル磁気軸受と、励磁電流制御部とを備える。ラジアル磁気軸受は、回転体の回転軸に直交する一方向において回転体を両側から挟むように配置された一対の第１電磁石を有する。励磁電流制御部は、第１バイアス電流に、回転体の回転軸に直交する方向における第１変位の大きさに応じて適応的に変化する第１制御電流を重畳してなる第１励磁電流を、第１電磁石に供給することにより、第１変位を制御する。そして、励磁電流制御部は、更に、第１変位の大きさの増加に伴い、第１バイアス電流の大きさを増加させるとともに、第１変位の大きさの減少に伴い、第１バイアス電流の大きさを減少させる可変バイアス電流制御を行う。
本構成によれば、励磁電流制御部は、ラジアル磁気軸受について可変バイアス電流制御を行う。これにより、第１変位の大きさが小さく、ラジアル磁気軸受の剛性が小さくてもよい場合、励磁電流制御部は、第１バイアス電流を小さくするので、第１変位の大きさに関わらず第１バイアス電流の電流値を一定にする構成に比べて、第１バイアス電流の消費を低減できる。
一方、例えば比較的大きな外乱が発生し、第１変位の大きさが大きく、ラジアル磁気軸受の剛性を大きくする必要がある場合、励磁電流制御部は、第１バイアス電流を大きくするので、ラジアル磁気軸受の剛性が大きくなり、回転体のタッチダウンの発生を抑制できる。
一方、例えば比較的大きな外乱が発生し、第１変位の大きさが大きく、ラジアル磁気軸受の剛性を大きくする必要がある場合、励磁電流制御部は、第１バイアス電流を大きくするので、ラジアル磁気軸受の剛性が大きくなり、回転体のタッチダウンの発生を抑制できる。
（２）また、本発明に係る磁気軸受装置は、上記回転体の回転軸方向において回転体を両側から挟むように配置された一対の第２電磁石を有するアキシアル磁気軸受を更に備えるものであってもよい。そして、上記励磁電流制御部は、更に、第２バイアス電流に、回転体の回転軸方向における第２変位の大きさに応じて適応的に変化する第２制御電流を重畳してなる第２励磁電流を、第２電磁石に供給することにより、第２変位を制御してもよい。また、励磁電流制御部は、第２変位の大きさの増加に伴い、第２バイアス電流の大きさを増加させるとともに、第２変位の大きさの減少に伴い、第２バイアス電流の大きさを減少させる可変バイアス電流制御を行ってもよい。
本構成によれば、励磁電流制御部は、アキシアル磁気軸受について可変バイアス電流制御を行う。これにより、第２変位の大きさが小さく、アキシアル磁気軸受の剛性が小さくてもよい場合、励磁電流制御部は、第２バイアス電流を小さくするので、第２変位の大きさに関わらず第２バイアス電流の電流値を一定にする構成に比べて、第２バイアス電流の消費を低減できる。
一方、例えば比較的大きな外乱が発生し、第２変位の大きさが大きく、アキシアル磁気軸受の剛性を大きくする必要がある場合、励磁電流制御部は、第２バイアス電流を大きくするので、アキシアル磁気軸受の剛性が大きくなり、回転体のタッチダウンの発生を抑制できる。
一方、例えば比較的大きな外乱が発生し、第２変位の大きさが大きく、アキシアル磁気軸受の剛性を大きくする必要がある場合、励磁電流制御部は、第２バイアス電流を大きくするので、アキシアル磁気軸受の剛性が大きくなり、回転体のタッチダウンの発生を抑制できる。
（３）また、本発明に係る磁気軸受装置は、上記回転体が、上記回転軸が鉛直方向を向くように配置され、上記励磁電流制御部が、回転体に作用する重力と上記一対の第２電磁石から回転体に作用する磁気吸引力とが相殺するように、一対の第２電磁石それぞれに第２バイアス電流を供給するものであってもよい。
本構成によれば、回転体に作用する重力と第２電磁石から回転体に作用する磁気吸引力とが相殺される。これにより、励磁電流制御部が行う制御の単純化を図ることができる。
本構成によれば、回転体に作用する重力と第２電磁石から回転体に作用する磁気吸引力とが相殺される。これにより、励磁電流制御部が行う制御の単純化を図ることができる。
（４）また、本発明に係る磁気軸受装置は、上記励磁電流制御部が、下記式（１）および（２）の関係式が成立するように、一対の第２電磁石それぞれに第２バイアス電流を供給するものであってもよい。
ここで、Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］［Ａ］は、上記一対の第２電磁石のうち、地面から遠い方に配置された第２電磁石に供給する第２バイアス電流であり、Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］［Ａ］は、地面に近い方に配置された第２電磁石に供給する第２バイアス電流である。また、Ｗ［ｍ］は、回転体が目標位置に存在する場合における各第２電磁石と回転体との間の回転軸方向の距離であり、ｍ［ｋｇ］は、回転体の重量であり、ｇ［ｍ／ｓ２］は、重力加速度であり、Ｋ［Ｎｍ２／Ａ２］は、磁気吸引力定数であり、γｖ［ｔ］は、バイアスパラメータである。
ここで、Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］［Ａ］は、上記一対の第２電磁石のうち、地面から遠い方に配置された第２電磁石に供給する第２バイアス電流であり、Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］［Ａ］は、地面に近い方に配置された第２電磁石に供給する第２バイアス電流である。また、Ｗ［ｍ］は、回転体が目標位置に存在する場合における各第２電磁石と回転体との間の回転軸方向の距離であり、ｍ［ｋｇ］は、回転体の重量であり、ｇ［ｍ／ｓ２］は、重力加速度であり、Ｋ［Ｎｍ２／Ａ２］は、磁気吸引力定数であり、γｖ［ｔ］は、バイアスパラメータである。
本構成によれば、励磁電流制御部が、回転体に作用する重力と第２電磁石から回転体に作用する磁気吸引力とが相殺されるような第２バイアス電流の電流値を比較的容易に設定できる。
（５）また、本発明に係る磁気軸受装置は、上記バイアスパラメータγｖ［ｔ］が、上記回転体の上記第２変位の変化に応じて変化するものであってもよい。
本構成によれば、上記第２バイアス電流が第２変位に関わらず一定の構成に比べて、第２変位を比較的小さい大きさで推移させることができる。
本構成によれば、上記第２バイアス電流が第２変位に関わらず一定の構成に比べて、第２変位を比較的小さい大きさで推移させることができる。
（６）また、本発明に係る磁気軸受装置は、上記バイアスパラメータγｖ［ｔ］について、上記第２変位をｚｖ[t]、重み係数をαｖ、一定の係数をγｖ０とすると、下記式（３）の関係式が成立するものであってもよい。
本構成によれば、上記第２バイアス電流が第２変位に関わらず一定の構成に比べて、第２変位を比較的小さい大きさで推移させることができる。
本構成によれば、上記第２バイアス電流が第２変位に関わらず一定の構成に比べて、第２変位を比較的小さい大きさで推移させることができる。
（７）また、本発明に係る磁気軸受装置は、上記バイアスパラメータγｖ［ｔ］が、上記回転体の上記回転軸方向における変位速度の変化に応じて変化するものであってもよい。
本構成によれば、上記第２バイアス電流が第２変位に関わらず一定の構成に比べて、第２変位を比較的小さい大きさで推移させることができる。
本構成によれば、上記第２バイアス電流が第２変位に関わらず一定の構成に比べて、第２変位を比較的小さい大きさで推移させることができる。
（８）また、本発明に係る磁気軸受装置は、上記バイアスパラメータγｖ［ｔ］が、上記回転体の上記回転軸方向における変位加速度の変化に応じて変化するものであってもよい。
本構成によれば、上記第２バイアス電流が第２変位に関わらず一定の構成に比べて、第２変位を比較的小さい大きさで推移させることができる。
本構成によれば、上記第２バイアス電流が第２変位に関わらず一定の構成に比べて、第２変位を比較的小さい大きさで推移させることができる。
（９）また、本発明に係る磁気軸受装置は、上記励磁電流制御部が、上記第１変位の大きさが変位閾値未満の場合、上記一対の第１電磁石に第１バイアス電流を供給しないゼロバイアス電流制御を行い、第１変位の大きさが変位閾値以上の場合、上記可変バイアス電流制御を行ってもよい。
本構成によれば、励磁電流制御部が、上記第１変位の大きさが変位閾値未満の場合、上記一対の第１電磁石に第１バイアス電流を供給しないゼロバイアス電流制御を行う。これにより、第１変位の大きさに関わらず第１バイアス電流の電流値を一定にする構成に比べて、第１バイアス電流の消費を低減できる。
本構成によれば、励磁電流制御部が、上記第１変位の大きさが変位閾値未満の場合、上記一対の第１電磁石に第１バイアス電流を供給しないゼロバイアス電流制御を行う。これにより、第１変位の大きさに関わらず第１バイアス電流の電流値を一定にする構成に比べて、第１バイアス電流の消費を低減できる。
（１０）他の観点から見た本発明に係る磁気軸受装置のバイアス電流制御方法は、回転体と、回転体の回転軸に直交する一方向において回転体を両側から挟むように配置された一対の第１電磁石を有するラジアル磁気軸受と、を備える磁気軸受装置のバイアス電流制御方法である。そして、当該バイアス電流制御方法は、第１バイアス電流に、回転体の回転軸に直交する方向における第１変位に応じて適応的に変化する第１制御電流を重畳してなる第１励磁電流を、第１電磁石に供給するステップと、第１変位の増加に伴い、第１バイアス電流を増加させるステップと、第１変位の減少に伴い、第１バイアス電流を減少させるステップと、を含む。
（１１）他の観点から見た本発明に係る磁気軸受装置のバイアス電流制御方法は、回転体と、回転体の回転軸方向において回転体を両側から挟むように配置された一対の第２電磁石を有するアキシアル磁気軸受と、を備える磁気軸受装置のバイアス電流制御方法である。そして、当該バイアス電流制御方法は、第２バイアス電流に、回転体の回転軸方向における第２変位に応じて適応的に変化する第２制御電流を重畳してなる第２励磁電流を、第２電磁石に供給するステップと、第２変位の増加に伴い、第２バイアス電流を増加させるステップと、第２変位の減少に伴い、第２バイアス電流を減少させるステップと、を含む。
本発明によれば、消費電力の低減を図りながら、タッチダウンの発生を抑制できる。
［１．実施の形態１］
＜１＞構成
まず、本実施形態に係る磁気軸受装置の構成について説明する。この磁気軸受装置は、例えばフライホイール式電力貯蔵装置に適用されるものである。
＜１＞構成
まず、本実施形態に係る磁気軸受装置の構成について説明する。この磁気軸受装置は、例えばフライホイール式電力貯蔵装置に適用されるものである。
図１は、本実施形態に係る磁気軸受装置のブロック図であり、図２は、磁気軸受装置の機械本体の断面図であり、図３は、磁気軸受装置の主要部の一部破断した斜視図である。
図１に示すように、磁気軸受装置は、機械本体１と、制御ユニット２とを備える。この機械本体１と制御ユニット２とは、ケーブル（図示せず）を介して接続されている。
図１に示すように、磁気軸受装置は、機械本体１と、制御ユニット２とを備える。この機械本体１と制御ユニット２とは、ケーブル（図示せず）を介して接続されている。
＜機械本体＞
図２に示すように、機械本体１は、ケーシング３と、回転体４と、アキシアル磁気軸受５と、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７と、変位センサ部８と、電動機９と、回転センサ１０と、保護軸受１１，１２と、を備える。機械本体１は、地面Ｆ上に設置される。
回転体４は、略円柱状の形状を有し、長手方向における一端部がケーシング３の外部に突出している。そして、回転体４は、その長手方向における一端部にフライホイール４ａが固定されるとともに、他端部にフランジ部４ｂが設けられている。この回転体４は、いわゆる縦型回転体であり、ケーシング３の内側において、長手方向に延伸する中心軸を回転軸として回転する。また、回転体４は、回転軸が鉛直方向を向くようにして、所定の目標位置で回転する。
以下、回転体４の回転軸方向（アキシアル方向）をＺ軸、Ｚ軸に直交し且つ互いに直交する回転体４の２つの径方向（ラジアル方向）をＸ軸、Ｙ軸として説明する。
図２に示すように、機械本体１は、ケーシング３と、回転体４と、アキシアル磁気軸受５と、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７と、変位センサ部８と、電動機９と、回転センサ１０と、保護軸受１１，１２と、を備える。機械本体１は、地面Ｆ上に設置される。
回転体４は、略円柱状の形状を有し、長手方向における一端部がケーシング３の外部に突出している。そして、回転体４は、その長手方向における一端部にフライホイール４ａが固定されるとともに、他端部にフランジ部４ｂが設けられている。この回転体４は、いわゆる縦型回転体であり、ケーシング３の内側において、長手方向に延伸する中心軸を回転軸として回転する。また、回転体４は、回転軸が鉛直方向を向くようにして、所定の目標位置で回転する。
以下、回転体４の回転軸方向（アキシアル方向）をＺ軸、Ｚ軸に直交し且つ互いに直交する回転体４の２つの径方向（ラジアル方向）をＸ軸、Ｙ軸として説明する。
アキシアル磁気軸受５は、回転体４をＺ軸方向における所定の目標位置で非接触支持する。
アキシアル磁気軸受５は、回転体４のフランジ部４ｂをＺ軸方向における両側から挟むように配置された１対の電磁石（第２電磁石）２８ａ，２８ｂを備える。
電磁石２８ａ，２８ｂは、いずれもケーシング３に固定されている。
アキシアル磁気軸受５は、回転体４のフランジ部４ｂをＺ軸方向における両側から挟むように配置された１対の電磁石（第２電磁石）２８ａ，２８ｂを備える。
電磁石２８ａ，２８ｂは、いずれもケーシング３に固定されている。
第１、第２ラジアル磁気軸受６，７は、いずれも回転体４をＸ軸方向およびＹ軸方向における所定の目標位置で非接触支持する。
第１、第２ラジアル磁気軸受６，７は、アキシアル磁気軸受５のフライホイール４ａ側であり且つ回転体４のＺ軸方向において離間した２箇所に設けられている。そして、第１ラジアル磁気軸受６は、フライホイール４ａ側に位置し、第２ラジアル磁気軸受７は、アキシアル磁気軸受５側に位置する。
第１、第２ラジアル磁気軸受６，７は、アキシアル磁気軸受５のフライホイール４ａ側であり且つ回転体４のＺ軸方向において離間した２箇所に設けられている。そして、第１ラジアル磁気軸受６は、フライホイール４ａ側に位置し、第２ラジアル磁気軸受７は、アキシアル磁気軸受５側に位置する。
図３に示すように、第１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対の電磁石（第１電磁石）２９Ｘａ，２９Ｘｂと、回転体４をＹ軸方向の両側から挟むように配置された一対の電磁石（第１電磁石）２９Ｙａ，２９Ｙｂとを備える。
第２ラジアル磁気軸受７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対の電磁石（第１電磁石）３０Ｘａ，３０Ｘｂと、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対の電磁石（第１電磁石）３０Ｙａ，３０Ｙｂとを備える。
電磁石２９Ｘａ，２９Ｘｂ，２９Ｙａ，２９Ｙｂ，３０Ｙａ，３０Ｙｂ，３０Ｘａ，３０Ｘｂは、いずれもケーシング３に固定されている。
第２ラジアル磁気軸受７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対の電磁石（第１電磁石）３０Ｘａ，３０Ｘｂと、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対の電磁石（第１電磁石）３０Ｙａ，３０Ｙｂとを備える。
電磁石２９Ｘａ，２９Ｘｂ，２９Ｙａ，２９Ｙｂ，３０Ｙａ，３０Ｙｂ，３０Ｘａ，３０Ｘｂは、いずれもケーシング３に固定されている。
変位センサ部８は、回転体４のＺ軸方向の変位（第２変位）と、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の変位（第１変位）とを検出する。
変位センサ部８は、アキシアル変位センサ２５と、第１、第２ラジアル変位センサユニット２６，２７と、を備える。
アキシアル変位センサ２５は、回転体４のＺ軸方向の変位を検出する。
アキシアル変位センサ２５は、Ｚ軸方向において、回転体４に対向配置されている。アキシアル変位センサ２５は、自機と回転体４との間の距離を示す距離信号を出力する。
変位センサ部８は、アキシアル変位センサ２５と、第１、第２ラジアル変位センサユニット２６，２７と、を備える。
アキシアル変位センサ２５は、回転体４のＺ軸方向の変位を検出する。
アキシアル変位センサ２５は、Ｚ軸方向において、回転体４に対向配置されている。アキシアル変位センサ２５は、自機と回転体４との間の距離を示す距離信号を出力する。
第１、第２ラジアル変位センサユニット２６，２７は、回転体４のＺ軸方向およびＹ軸方向の変位を検出する。
第１ラジアル変位センサユニット２６は、第１ラジアル磁気軸受６近傍に配置されている。
第１ラジアル変位センサユニット２６は、ラジアル変位センサ３１Ｘａ，３１Ｘｂと、ラジアル変位センサ３１Ｙａ，３１Ｙｂとを備える。ラジアル変位センサ３１Ｘａ，３１Ｘｂは、電磁石２９Ｘａ，２９Ｘｂ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ている。ラジアル変位センサ３１Ｙａ，３１Ｙｂは、電磁石２９Ｙａ，２９Ｙｂ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ている。
第１ラジアル変位センサユニット２６は、第１ラジアル磁気軸受６近傍に配置されている。
第１ラジアル変位センサユニット２６は、ラジアル変位センサ３１Ｘａ，３１Ｘｂと、ラジアル変位センサ３１Ｙａ，３１Ｙｂとを備える。ラジアル変位センサ３１Ｘａ，３１Ｘｂは、電磁石２９Ｘａ，２９Ｘｂ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ている。ラジアル変位センサ３１Ｙａ，３１Ｙｂは、電磁石２９Ｙａ，２９Ｙｂ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ている。
第２ラジアル変位センサユニット２７は、第２ラジアル磁気軸受７近傍に配置されている。
第２ラジアル変位センサユニット２７は、ラジアル変位センサ３２Ｘａ，３２Ｘｂと、ラジアル変位センサ３２Ｙａ，３２Ｙｂとを備える。ラジアル変位センサ３２Ｘａ，３２Ｘｂは、電磁石３０Ｘａ，３０Ｘｂ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ている。ラジアル変位センサ３２Ｙａ，３２Ｙｂは、電磁石３０Ｙａ，３０Ｙｂ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ている。
アキシアル変位センサ２５および第１、第２ラジアル変位センサユニット２６，２７は、いずれもケーシング３に固定されている。
第２ラジアル変位センサユニット２７は、ラジアル変位センサ３２Ｘａ，３２Ｘｂと、ラジアル変位センサ３２Ｙａ，３２Ｙｂとを備える。ラジアル変位センサ３２Ｘａ，３２Ｘｂは、電磁石３０Ｘａ，３０Ｘｂ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ている。ラジアル変位センサ３２Ｙａ，３２Ｙｂは、電磁石３０Ｙａ，３０Ｙｂ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ている。
アキシアル変位センサ２５および第１、第２ラジアル変位センサユニット２６，２７は、いずれもケーシング３に固定されている。
電動機９は、いわゆるビルトイン型発電兼用電動機であり、回転体４を高速回転させる。この電動機９は、回転体４のアキシアル方向における、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７の間に配置されている。
回転センサ１０は、回転体４の回転速度を検出する。回転センサ１０は、ケーシング３に固定されている。
回転センサ１０は、回転体４の回転速度を検出する。回転センサ１０は、ケーシング３に固定されている。
保護軸受１１，１２は、回転体４の長手方向に沿って離間した２箇所に設けられ、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をアキシアル磁気軸受５および第１、第２ラジアル磁気軸受６，７により支持していないときに、回転体４を機械的に支持する。
保護軸受１１，１２は、例えばアンギュラ玉軸受等の軸受からなる。各保護軸受１１，１２は、その外輪がケーシング３に固定されるとともに、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。各保護軸受１１，１２は、いずれもＸ軸方向（Ｙ軸方向）の支持が可能であり、少なくとも１つはアキシアル方向の支持も可能である。上側の保護軸受１１は、ラジアル方向の支持のみを行い、下側の保護軸受１２は、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）の支持とＺ軸方向の支持の両方を行う。
保護軸受１１，１２は、例えばアンギュラ玉軸受等の軸受からなる。各保護軸受１１，１２は、その外輪がケーシング３に固定されるとともに、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。各保護軸受１１，１２は、いずれもＸ軸方向（Ｙ軸方向）の支持が可能であり、少なくとも１つはアキシアル方向の支持も可能である。上側の保護軸受１１は、ラジアル方向の支持のみを行い、下側の保護軸受１２は、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）の支持とＺ軸方向の支持の両方を行う。
＜制御ユニット＞
図１に戻って、制御ユニット２は、センサ回路１３，１４と、第１、第２電磁石駆動回路１５ａ，１５ｂと、インバータ１６と、ＤＳＰボード１７と、を備える。
ＤＳＰボード１７は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）１８と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１９と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）２０と、ＡＤ変換器２１，２２と、ＤＡ変換器２３ａ，２３ｂ，２４と、を備える。
図１に戻って、制御ユニット２は、センサ回路１３，１４と、第１、第２電磁石駆動回路１５ａ，１５ｂと、インバータ１６と、ＤＳＰボード１７と、を備える。
ＤＳＰボード１７は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）１８と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１９と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）２０と、ＡＤ変換器２１，２２と、ＤＡ変換器２３ａ，２３ｂ，２４と、を備える。
ＲＯＭ１９には、ＤＳＰ１８において実行されるコンピュータプログラム等が格納されている。ＲＡＭ２０には、アキシアル磁気軸受５および第１、第２ラジアル磁気軸受６，７の制御に用いられる制御パラメータ等が記憶されている。
センサ回路１３は、変位センサ部８を構成するアキシアル変位センサ２５、第１、第２ラジアル変位センサユニット２６，２７を駆動させる。そして、センサ回路１３は、アキシアル変位センサ２５の出力値を、回転体４のＺ軸方向の変位を示す変位信号に変換する。また、センサ回路１３は、第１、第２ラジアル変位センサユニット２６，２７の出力値も、回転体４のＸ軸方向およびＹ軸方向の変位を示す変位信号に変換する。そして、センサ回路１３は、変換して得られた変位信号を、ＡＤ変換器２１を介してＤＳＰ１８に入力する。
センサ回路１４は、回転センサ１０を駆動させる。そして、センサ回路１４は、回転センサ１０の出力を回転体４の回転速度を示す回転速度信号に変換し、ＡＤ変換器２２を介してＤＳＰ１８に入力する。
ＤＳＰ１８は、コンピュータを有し、例えばＲＯＭ１９からＲＡＭ２０に読み込まれたコンピュータプログラムを実行することにより、種々の機能を実現することができる。
ＤＳＰ１８は、ＡＤ変換器２１から入力される変位信号に基づいて、アキシアル磁気軸受５および第１、第２ラジアル磁気軸受６，７に入力する電流の電流値を求め、当該電流値に対応する励磁電流信号をＤＡ変換器２３ａ，２３ｂを介して第１、第２電磁石駆動回路１５ａ，１５ｂに入力する。
ＤＳＰ１８は、ＡＤ変換器２１から入力される変位信号に基づいて、アキシアル磁気軸受５および第１、第２ラジアル磁気軸受６，７に入力する電流の電流値を求め、当該電流値に対応する励磁電流信号をＤＡ変換器２３ａ，２３ｂを介して第１、第２電磁石駆動回路１５ａ，１５ｂに入力する。
第１、第２電磁石駆動回路１５ａ，１５ｂは、ＤＳＰ１８から入力される励磁電流信号に基づいて、励磁電流をアキシアル磁気軸受５および第１、第２ラジアル磁気軸受６，７に供給する。
また、ＤＳＰ１８は、ＡＤ変換器２２から入力される回転速度信号に基づいて制御信号を生成し、生成した制御信号を、ＤＡ変換器２４を介してインバータ１６に入力する。
インバータ１６は、ＤＡ変換器２４から入力される制御信号に基づいて、電動機９を動作させる。ここで、回転体４は、アキシアル磁気軸受５および第１、第２ラジアル磁気軸受６，７により所定の目標位置で非接触支持された状態で、電動機９により高速回転させられる。
また、ＤＳＰ１８は、ＡＤ変換器２２から入力される回転速度信号に基づいて制御信号を生成し、生成した制御信号を、ＤＡ変換器２４を介してインバータ１６に入力する。
インバータ１６は、ＤＡ変換器２４から入力される制御信号に基づいて、電動機９を動作させる。ここで、回転体４は、アキシアル磁気軸受５および第１、第２ラジアル磁気軸受６，７により所定の目標位置で非接触支持された状態で、電動機９により高速回転させられる。
＜２＞動作
次に、本実施形態に係る磁気軸受装置の動作について説明する。
図４は、本実施形態に係る磁気軸受装置の主要部の概略側面図である。
第１、第２ラジアル磁気軸受６，７において、電磁石２９Ｘａ（２９Ｙａ），３０Ｘａ（３０Ｙａ）に励磁電流が流れると、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）に作用する磁気吸引力Ｆ１ｈが発生する。一方、電磁石２９Ｘｂ（２９Ｙｂ），３０Ｘｂ（３０Ｙｂ）に励磁電流が流れると、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）において磁気吸引力Ｆ１ｈが作用する向きとは反対向きに作用する磁気吸引力Ｆ２ｈが発生する。
この第１、第２ラジアル磁気軸受６，７において、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）に外乱が加わり回転体４が目標位置からＸ軸方向（Ｙ軸方向）に変位した場合、制御ユニット２が、回転体４を目標位置に戻すように各磁気吸引力Ｆ１ｈ，Ｆ２ｈを調整する。具体的には、制御ユニット２が、電磁石２９Ｘａ（２９Ｙａ），３０Ｘａ（３０Ｙａ），２９Ｘｂ（２９Ｙｂ），３０Ｘｂ（３０Ｙｂ）それぞれに供給する励磁電流の大きさを制御する。
次に、本実施形態に係る磁気軸受装置の動作について説明する。
図４は、本実施形態に係る磁気軸受装置の主要部の概略側面図である。
第１、第２ラジアル磁気軸受６，７において、電磁石２９Ｘａ（２９Ｙａ），３０Ｘａ（３０Ｙａ）に励磁電流が流れると、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）に作用する磁気吸引力Ｆ１ｈが発生する。一方、電磁石２９Ｘｂ（２９Ｙｂ），３０Ｘｂ（３０Ｙｂ）に励磁電流が流れると、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）において磁気吸引力Ｆ１ｈが作用する向きとは反対向きに作用する磁気吸引力Ｆ２ｈが発生する。
この第１、第２ラジアル磁気軸受６，７において、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）に外乱が加わり回転体４が目標位置からＸ軸方向（Ｙ軸方向）に変位した場合、制御ユニット２が、回転体４を目標位置に戻すように各磁気吸引力Ｆ１ｈ，Ｆ２ｈを調整する。具体的には、制御ユニット２が、電磁石２９Ｘａ（２９Ｙａ），３０Ｘａ（３０Ｙａ），２９Ｘｂ（２９Ｙｂ），３０Ｘｂ（３０Ｙｂ）それぞれに供給する励磁電流の大きさを制御する。
また、アキシアル磁気軸受５において、電磁石２８ａに励磁電流が流れると、Ｚ軸方向に作用する磁気吸引力Ｆ１ｖが発生する。一方、電磁石２８ｂに励磁電流が流れると、Ｚ軸方向において磁気吸引力Ｆ１ｖが作用する向きとは反対向きに作用する磁気吸引力Ｆ２ｖが発生する。
このアキシアル磁気軸受５において、Ｚ軸方向に外乱が加わり回転体４が目標位置からＺ軸方向に変位した場合、制御ユニット２は、回転体４が目標位置に戻るように各磁気吸引力Ｆ１ｖ，Ｆ２ｖを調整する。具体的には、制御ユニット２が、電磁石２８ａ，２８ｂそれぞれに供給する励磁電流を制御する。
このアキシアル磁気軸受５において、Ｚ軸方向に外乱が加わり回転体４が目標位置からＺ軸方向に変位した場合、制御ユニット２は、回転体４が目標位置に戻るように各磁気吸引力Ｆ１ｖ，Ｆ２ｖを調整する。具体的には、制御ユニット２が、電磁石２８ａ，２８ｂそれぞれに供給する励磁電流を制御する。
ところで、制御ユニット２から第１、第２ラジアル磁気軸受６，７に供給される励磁電流は、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］成分と、制御電流ｉｈ［ｔ］成分とから構成される。即ち、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７に供給される励磁電流は、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］に制御電流ｉｈ［ｔ］を重畳したものに相当する。
制御ユニット２からアキシアル磁気軸受５に供給される励磁電流も、同様に、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］（Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］）に制御電流ｉｖ［ｔ］を重畳したものに相当する。
制御ユニット２からアキシアル磁気軸受５に供給される励磁電流も、同様に、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］（Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］）に制御電流ｉｖ［ｔ］を重畳したものに相当する。
図５は、本実施形態に係る第１、第２ラジアル磁気軸受６，７に供給する制御電流ｉｈ［ｔ］の大きさと、回転体４に作用する磁気吸引力Ｆｈ（＝Ｆ１ｈ＋Ｆ２ｈ）との関係を表わす図である。
ここで、電磁石２９Ｘａ（２９Ｙａ），３０Ｘａ（３０Ｙａ）から回転体４に作用する磁気吸引力Ｆ１ｈを正とし、電磁石２９Ｘｂ（２９Ｙｂ），３０Ｘｂ（３０Ｙｂ）から回転体４に作用する磁気吸引力Ｆ２ｈを負としている。また、電磁石２９Ｘａ（２９Ｙａ），３０Ｘａ（３０Ｙａ）に流す励磁電流をＩｈ１［ｔ］、電磁石２９Ｘｂ（２９Ｙｂ），３０Ｘｂ（３０Ｙｂ）に流す励磁電流をＩｈ２［ｔ］とすると、Ｉｈ１［ｔ］およびＩｈ２［ｔ］と、制御電流ｉｈ［ｔ］との間に、下記式（１）の関係式が成立する。
式（１）に示すように、制御電流ｉｈ［ｔ］が正の場合、Ｉｈ１［ｔ］がＩｈ２［ｔ］よりも大きくなり、磁気吸引力Ｆ１ｈが磁気吸引力Ｆ２ｈよりも大きくなる。一方、制御電流ｉｈ［ｔ］が負の場合、Ｉｈ２［ｔ］がＩｈ１［ｔ］よりも大きくなり、磁気吸引力Ｆ２ｈが磁気吸引力Ｆ１ｈよりも大きくなる。
ここで、電磁石２９Ｘａ（２９Ｙａ），３０Ｘａ（３０Ｙａ）から回転体４に作用する磁気吸引力Ｆ１ｈを正とし、電磁石２９Ｘｂ（２９Ｙｂ），３０Ｘｂ（３０Ｙｂ）から回転体４に作用する磁気吸引力Ｆ２ｈを負としている。また、電磁石２９Ｘａ（２９Ｙａ），３０Ｘａ（３０Ｙａ）に流す励磁電流をＩｈ１［ｔ］、電磁石２９Ｘｂ（２９Ｙｂ），３０Ｘｂ（３０Ｙｂ）に流す励磁電流をＩｈ２［ｔ］とすると、Ｉｈ１［ｔ］およびＩｈ２［ｔ］と、制御電流ｉｈ［ｔ］との間に、下記式（１）の関係式が成立する。
式（１）に示すように、制御電流ｉｈ［ｔ］が正の場合、Ｉｈ１［ｔ］がＩｈ２［ｔ］よりも大きくなり、磁気吸引力Ｆ１ｈが磁気吸引力Ｆ２ｈよりも大きくなる。一方、制御電流ｉｈ［ｔ］が負の場合、Ｉｈ２［ｔ］がＩｈ１［ｔ］よりも大きくなり、磁気吸引力Ｆ２ｈが磁気吸引力Ｆ１ｈよりも大きくなる。
そして、制御ユニット２は、制御電流ｉｈ［ｔ］の大きさを変化させることにより、外乱が回転体４に作用する方向とは逆方向に、磁気吸引力Ｆｈ（＝Ｆ１ｈ＋Ｆ２ｈ）が作用するように制御する。
ここにおいて、図５に示すように、ｉｈ［ｔ］が−Ｉｂｉａｓｈよりも大きく且つＩｂｉａｓｈ未満の範囲内である場合は、回転体４に作用する磁気吸引力Ｆｈ（＝Ｆ１ｈ＋Ｆ２ｈ）は、制御電流ｉｈ［ｔ］の変化に対して、線形に変化する。
従って、制御ユニット２は、回転体４に作用する磁気吸引力Ｆｈが制御電流ｉｈ［ｔ］に対して線形に変化するものと看做して制御電流ｉｈ［ｔ］を調節する線形制御が可能となる。
ここにおいて、図５に示すように、ｉｈ［ｔ］が−Ｉｂｉａｓｈよりも大きく且つＩｂｉａｓｈ未満の範囲内である場合は、回転体４に作用する磁気吸引力Ｆｈ（＝Ｆ１ｈ＋Ｆ２ｈ）は、制御電流ｉｈ［ｔ］の変化に対して、線形に変化する。
従って、制御ユニット２は、回転体４に作用する磁気吸引力Ｆｈが制御電流ｉｈ［ｔ］に対して線形に変化するものと看做して制御電流ｉｈ［ｔ］を調節する線形制御が可能となる。
また、図５に示すように、回転体４に作用する磁気吸引力Ｆｈが制御電流ｉｈ［ｔ］に対して線形に変化する範囲（以下、「線形制御可能範囲」と称する。）Δｉｈ１，Δｉｈ２は、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈの略２倍に相当する。従って、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈが大きいほど、線形範囲を広く設定することができる（例えば、図５において、Δｉｈ１＜Δｉｈ２）。
このように、制御電流ｉｈ［ｔ］に対する線形制御可能範囲が増加すると、制御ユニット２が、線形制御により回転体４に作用する磁気吸引力Ｆｈを可変できる範囲も増加する（例えば、図５において、ΔＦｈ１＜ΔＦｈ２）。
このように、制御電流ｉｈ［ｔ］に対する線形制御可能範囲が増加すると、制御ユニット２が、線形制御により回転体４に作用する磁気吸引力Ｆｈを可変できる範囲も増加する（例えば、図５において、ΔＦｈ１＜ΔＦｈ２）。
そこで、本実施形態に係る磁気軸受装置では、制御ユニット２が、変位センサ部８から回転体４のＸ軸方向（Ｙ軸方向）の変位（第１変位）ｚｈ［ｔ］やＺ軸方向の変位（第２変位）ｚｖ［ｔ］を取得する。そして、制御ユニット２は、取得した変位ｚｈ［ｔ］，ｚｖ［ｔ］に応じて、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７に供給するバイアス電流Ｉｂｉａｓｈや、アキシアル磁気軸受５に供給するバイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］（Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］）を変化させる。
具体的には、制御ユニット２は、変位ｚｈ［ｔ］の増加に伴い、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］を増加させるとともに、変位ｚｈ［ｔ］の減少に伴い、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］を減少させる可変バイアス電流制御を行う。また、制御ユニット２は、変位ｚｖ［ｔ］の増加に伴い、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］を増加させるとともに、変位ｚｖ［ｔ］の減少に伴い、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］を減少させる可変バイアス電流制御も行う。
具体的には、制御ユニット２は、変位ｚｈ［ｔ］の増加に伴い、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］を増加させるとともに、変位ｚｈ［ｔ］の減少に伴い、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］を減少させる可変バイアス電流制御を行う。また、制御ユニット２は、変位ｚｖ［ｔ］の増加に伴い、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］を増加させるとともに、変位ｚｖ［ｔ］の減少に伴い、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］を減少させる可変バイアス電流制御も行う。
次に、制御ユニット２の動作の詳細について説明する。ここでは、制御ユニット２が、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７を制御する動作と、アキシアル磁気軸受５を制御する動作とに分けて説明する。
＜第１、第２ラジアル磁気軸受を制御する動作＞
まず、制御ユニット２が、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７を制御する動作について説明する。
図６は、本実施形態に係る制御ユニット２が、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７を制御する動作を示すフローチャートである。
まず、制御ユニット２は、第１、第２ラジアル変位センサユニット２６，２７から、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）の変位ｚｈ［ｔ］を取得する（ステップＳ１１）。この変位ｚｈ［ｔ］は、回転体４がＸ軸方向（Ｙ軸方向）において目標位置に存在する場合に「０」となる量である。
次に、制御ユニット２は、制御電流ｉｈ［ｔ］を算出する（ステップＳ１２）。ここでは、制御ユニット２のＤＳＰ１８が、図５に示すように、回転体４に作用する磁気吸引力Ｆｈが制御電流ｉｈ［ｔ］に対して線形に変化するものと看做して制御電流ｉｈ［ｔ］を算出する。
まず、制御ユニット２が、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７を制御する動作について説明する。
図６は、本実施形態に係る制御ユニット２が、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７を制御する動作を示すフローチャートである。
まず、制御ユニット２は、第１、第２ラジアル変位センサユニット２６，２７から、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）の変位ｚｈ［ｔ］を取得する（ステップＳ１１）。この変位ｚｈ［ｔ］は、回転体４がＸ軸方向（Ｙ軸方向）において目標位置に存在する場合に「０」となる量である。
次に、制御ユニット２は、制御電流ｉｈ［ｔ］を算出する（ステップＳ１２）。ここでは、制御ユニット２のＤＳＰ１８が、図５に示すように、回転体４に作用する磁気吸引力Ｆｈが制御電流ｉｈ［ｔ］に対して線形に変化するものと看做して制御電流ｉｈ［ｔ］を算出する。
続いて、制御ユニット２は、変位ｚｈ［ｔ］に基づいて、バイアスパラメータγｈ［ｔ］を算出する（ステップＳ１３）。具体的には、ＤＳＰ１８が、下記式（５）の関係式を用いて算出する。
ここで、ｚｈ［ｔ］は、回転体４のＸ軸方向（Ｙ軸方向）への変位、αｈは、重み係数、γｈ０は、一定の係数を示す。
つまり、バイアスパラメータγｈ［ｔ］は、回転体４のＸ軸方向（Ｙ軸方向）への変位ｚｈ［ｔ］の変化に応じて変化する。
ここで、ｚｈ［ｔ］は、回転体４のＸ軸方向（Ｙ軸方向）への変位、αｈは、重み係数、γｈ０は、一定の係数を示す。
つまり、バイアスパラメータγｈ［ｔ］は、回転体４のＸ軸方向（Ｙ軸方向）への変位ｚｈ［ｔ］の変化に応じて変化する。
その後、制御ユニット２は、算出したバイアスパラメータγｈ［ｔ］に基づいて、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］を算出する（ステップＳ１４）。具体的には、ＤＳＰ１８が、下記式（６）の関係式を用いて算出する。
ここで、ｆｕｎｃ（＊）は、単調増加関数である。従って、バイアスパラメータγｈ［ｔ］の大きさが大きくなるほど、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］の大きさも大きくなる。なお、ｆｕｎｃ（＊）は、例えば１次関数や２次関数でもよいし、指数関数であってもよい。或いは、バイアスパラメータγｈ［ｔ］の増加に対して階段状に変化するステップ関数であってもよい。
ここで、ｆｕｎｃ（＊）は、単調増加関数である。従って、バイアスパラメータγｈ［ｔ］の大きさが大きくなるほど、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］の大きさも大きくなる。なお、ｆｕｎｃ（＊）は、例えば１次関数や２次関数でもよいし、指数関数であってもよい。或いは、バイアスパラメータγｈ［ｔ］の増加に対して階段状に変化するステップ関数であってもよい。
次に、制御ユニット２は、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７に供給する励磁電流Ｉｈ１（＝Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］＋ｉｈ［ｔ］）、Ｉｈ２（＝Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］−ｉｈ［ｔ］）の電流値を算出する（ステップＳ１５，Ｓ１６）。
続いて、制御ユニット２は、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７に励磁電流Ｉｈ１，Ｉｈ２を出力する（ステップＳ１７）。ここでは、制御ユニット２は、電磁石２９Ｘａ，３０Ｘａ（２９Ｙａ，３０Ｙａ）に励磁電流Ｉｈ１を出力し、電磁石２９Ｘｂ，３０Ｘｂ（２９Ｙｂ，３０Ｙｂ）に励磁電流Ｉｈ２を出力する。
具体的には、制御ユニット２の第２電磁石駆動回路１５ｂが、ＤＳＰ１８から入力される、励磁電流Ｉｈ１，Ｉｈ２の大きさを示す励磁電流信号に基づいて、励磁電流Ｉｈ１，Ｉｈ２を出力する。
続いて、制御ユニット２は、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７に励磁電流Ｉｈ１，Ｉｈ２を出力する（ステップＳ１７）。ここでは、制御ユニット２は、電磁石２９Ｘａ，３０Ｘａ（２９Ｙａ，３０Ｙａ）に励磁電流Ｉｈ１を出力し、電磁石２９Ｘｂ，３０Ｘｂ（２９Ｙｂ，３０Ｙｂ）に励磁電流Ｉｈ２を出力する。
具体的には、制御ユニット２の第２電磁石駆動回路１５ｂが、ＤＳＰ１８から入力される、励磁電流Ｉｈ１，Ｉｈ２の大きさを示す励磁電流信号に基づいて、励磁電流Ｉｈ１，Ｉｈ２を出力する。
その後、制御ユニット２は、停止操作が有ったか否かを判定する（ステップＳ１８）。具体的には、制御ユニット２が、メモリに保持された、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７の停止操作が有ったか否かを判定するためのフラグの内容を確認する。例えば、フラグの内容が「０」に設定されていれば、制御ユニット２は、停止操作が有ったと判定する。このフラグの内容は、例えば磁気軸受装置に設けられた操作部（図示せず）を操作することにより変更することができるようにすればよい。
ステップＳ１８において、停止操作が無いと判定されると（ステップＳ１８：Ｎｏ）、制御ユニット２は、再びステップＳ１１の処理を行う。
一方、ステップＳ１８において、停止操作が有ったと判定されると（ステップＳ１８：Ｙｅｓ）、制御ユニット２は、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７への励磁電流Ｉｈ１，Ｉｈ２の供給を停止する。
一方、ステップＳ１８において、停止操作が有ったと判定されると（ステップＳ１８：Ｙｅｓ）、制御ユニット２は、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７への励磁電流Ｉｈ１，Ｉｈ２の供給を停止する。
図７は、本実施形態に係る第１、第２ラジアル磁気軸受６，７に関する制御ブロック図である。
図７において、制御対象である第１、第２ラジアル磁気軸受６，７は、電磁石２９Ｘａ，２９Ｘｂ（２９Ｙａ，２９Ｙｂ），３０Ｘａ，３０Ｘｂ（３０Ｙａ，３０Ｙｂ）を含む。線形制御部２１Ａと、変換部２１Ｂ，２１Ｃとは、制御ユニット２において実現されている。
まず、線形制御部２１Ａには、回転体４がＸ軸方向（Ｙ軸方向）における目標位置に存在する場合の変位ｚｈ＝０から、機械本体１から出力されるＸ軸方向（Ｙ軸方向）の変位ｚｈ［ｔ］を差し引いて得られる差分値が入力される。
また、変換部２１ＢにＸ軸方向（Ｙ軸方向）の変位ｚｈ［ｔ］が入力されると、変換部２１Ｂは、変位ｚｈ［ｔ］の絶対値に重み係数αｈを積算して得られる値を出力する。
図７において、制御対象である第１、第２ラジアル磁気軸受６，７は、電磁石２９Ｘａ，２９Ｘｂ（２９Ｙａ，２９Ｙｂ），３０Ｘａ，３０Ｘｂ（３０Ｙａ，３０Ｙｂ）を含む。線形制御部２１Ａと、変換部２１Ｂ，２１Ｃとは、制御ユニット２において実現されている。
まず、線形制御部２１Ａには、回転体４がＸ軸方向（Ｙ軸方向）における目標位置に存在する場合の変位ｚｈ＝０から、機械本体１から出力されるＸ軸方向（Ｙ軸方向）の変位ｚｈ［ｔ］を差し引いて得られる差分値が入力される。
また、変換部２１ＢにＸ軸方向（Ｙ軸方向）の変位ｚｈ［ｔ］が入力されると、変換部２１Ｂは、変位ｚｈ［ｔ］の絶対値に重み係数αｈを積算して得られる値を出力する。
そして、変換部２１Ｃには、変換部２１Ｂからの出力に一定の係数γｈ０を加算して得られる値γｈ［ｔ］が入力される。
すると、変換部２１Ｃは、γｈ［ｔ］をパラメータとする所定の単調増加関数ｆｕｎｃ［γｈ［ｔ］］を用いて、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］を算出して出力する。
そして、第１（第２）ラジアル磁気軸受６（７）には、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］に線形制御部２１Ａから出力される制御信号ｉｈ［ｔ］が重畳されてなる励磁電流Ｉｈ１（＝Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］＋ｉｈ［ｔ］）、Ｉｈ２（＝Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］−ｉｈ［ｔ］）が入力される。
一方、機械本体１は、励磁電流Ｉｈ１，Ｉｈ２が入力された状態における回転体４のＸ軸方向（Ｙ軸方向）の変位ｚｈ［ｔ］を出力する。
すると、変換部２１Ｃは、γｈ［ｔ］をパラメータとする所定の単調増加関数ｆｕｎｃ［γｈ［ｔ］］を用いて、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］を算出して出力する。
そして、第１（第２）ラジアル磁気軸受６（７）には、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］に線形制御部２１Ａから出力される制御信号ｉｈ［ｔ］が重畳されてなる励磁電流Ｉｈ１（＝Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］＋ｉｈ［ｔ］）、Ｉｈ２（＝Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］−ｉｈ［ｔ］）が入力される。
一方、機械本体１は、励磁電流Ｉｈ１，Ｉｈ２が入力された状態における回転体４のＸ軸方向（Ｙ軸方向）の変位ｚｈ［ｔ］を出力する。
図８は、本実施形態に係る磁気軸受装置について、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）の外乱の大きさ｜Ｆｏｕｔ［ｔ］｜とバイアス電流Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］、制御電流ｉｈ［ｔ］に対する線形制御可能範囲の大きさΔｉｈ、磁気吸引力Ｆｈに対する線形制御可能範囲の大きさΔＦｈとの関係を示すタイムチャートである。
Ｉｂｉａｓｈ０は、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）の外乱Ｆｏｕｔ［ｔ］が０の場合におけるバイアス電流の大きさを示す。また、Δｉｈ０、ΔＦｈ０は、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）の外乱Ｆｏｕｔ［ｔ］が０の場合における線形制御可能範囲の大きさを示す。
図８に示すように、制御ユニット２は、外乱Ｆｏｕｔ［ｔ］の大きさが大きくなるほど、バイアス電流Ｉｂｉａｓ０大きくなるように変化させる。これにより、外乱Ｆｏｕｔ［ｔ］の大きさが大きくなるほど、制御電流ｉｈ［ｔ］に対する線形制御可能範囲の大きさΔｉｈが大きくなり、磁気吸引力Ｆｈに対する線形制御可能範囲の大きさΔＦｈも大きくなる。
Ｉｂｉａｓｈ０は、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）の外乱Ｆｏｕｔ［ｔ］が０の場合におけるバイアス電流の大きさを示す。また、Δｉｈ０、ΔＦｈ０は、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）の外乱Ｆｏｕｔ［ｔ］が０の場合における線形制御可能範囲の大きさを示す。
図８に示すように、制御ユニット２は、外乱Ｆｏｕｔ［ｔ］の大きさが大きくなるほど、バイアス電流Ｉｂｉａｓ０大きくなるように変化させる。これにより、外乱Ｆｏｕｔ［ｔ］の大きさが大きくなるほど、制御電流ｉｈ［ｔ］に対する線形制御可能範囲の大きさΔｉｈが大きくなり、磁気吸引力Ｆｈに対する線形制御可能範囲の大きさΔＦｈも大きくなる。
このようにして、制御ユニット２は、外乱Ｆｏｕｔ［ｔ］の大きさが大きくなるほど、磁気吸引力Ｆｈに対する線形制御範囲の大きさΔＦｈを大きくする。つまり、制御ユニット２は、外乱Ｆｏｕｔ［ｔ］の大きさに応じて、当該外乱Ｆｏｕｔ［ｔ］を十分に低減できる程度の磁気吸引力Ｆｈを発生させる。
＜アキシアル磁気軸受を制御する動作＞
次に、制御ユニット２が、アキシアル磁気軸受５を制御する動作について説明する。ここでは、制御ユニット２が、回転体４に作用する重力と電磁石２８ａ，２８ｂから回転体に作用する磁気吸引力とが相殺するように、電磁石２８ａ，２８ｂそれぞれにバイアス電流（第２バイアス電流）Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］を供給する。この点が、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７を制御する動作と相違する。
次に、制御ユニット２が、アキシアル磁気軸受５を制御する動作について説明する。ここでは、制御ユニット２が、回転体４に作用する重力と電磁石２８ａ，２８ｂから回転体に作用する磁気吸引力とが相殺するように、電磁石２８ａ，２８ｂそれぞれにバイアス電流（第２バイアス電流）Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］を供給する。この点が、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７を制御する動作と相違する。
図９は、本実施形態に係る制御ユニット２がアキシアル磁気軸受５を制御する動作を示すフローチャートである。
まず、制御ユニット２は、アキシアル変位センサ２５から、回転体４のＺ軸方向における変位ｚｖ［ｔ］を取得する（ステップＳ２１）。この変位ｚｖ［ｔ］は、回転体４がＺ軸方向において目標位置に存在する場合に「０」となる量である。
次に、制御ユニット２は、制御電流ｉｖ［ｔ］を算出する（ステップＳ２２）。ここでは、制御ユニット２のＤＳＰ１８が、回転体４に作用する磁気吸引力Ｆｖが制御電流ｉｖ［ｔ］に対して線形に変化するものと看做して制御電流ｉｖ［ｔ］を算出する。
まず、制御ユニット２は、アキシアル変位センサ２５から、回転体４のＺ軸方向における変位ｚｖ［ｔ］を取得する（ステップＳ２１）。この変位ｚｖ［ｔ］は、回転体４がＺ軸方向において目標位置に存在する場合に「０」となる量である。
次に、制御ユニット２は、制御電流ｉｖ［ｔ］を算出する（ステップＳ２２）。ここでは、制御ユニット２のＤＳＰ１８が、回転体４に作用する磁気吸引力Ｆｖが制御電流ｉｖ［ｔ］に対して線形に変化するものと看做して制御電流ｉｖ［ｔ］を算出する。
続いて、制御ユニット２は、変位ｚｖ［ｔ］に基づいて、バイアスパラメータγｖ［ｔ］を算出する（ステップＳ２３）。具体的には、ＤＳＰ１８が、下記式（３）の関係式を用いて算出する。
ここで、ｚｖ［ｔ］は、回転体４のＺ軸方向への変位、αｖは、重み係数、γｖ０は、一定の係数を示す。
つまり、バイアスパラメータγｖ［ｔ］が、回転体４のＺ軸方向の変位ｚｖ［ｔ］の変化に応じて変化する。これにより、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］が変位ｚｖ［ｔ］に関わらず一定の構成に比べて、変位ｚｖ［ｔ］を比較的小さい範囲で推移させることができる。
ここで、ｚｖ［ｔ］は、回転体４のＺ軸方向への変位、αｖは、重み係数、γｖ０は、一定の係数を示す。
つまり、バイアスパラメータγｖ［ｔ］が、回転体４のＺ軸方向の変位ｚｖ［ｔ］の変化に応じて変化する。これにより、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］が変位ｚｖ［ｔ］に関わらず一定の構成に比べて、変位ｚｖ［ｔ］を比較的小さい範囲で推移させることができる。
その後、制御ユニット２は、算出したバイアスパラメータγｖ［ｔ］に基づいて、一対の電磁石２８ａ，２８ｂのうち、地面Ｆから遠い方に配置された電磁石２８ａに供給するバイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］を算出する（ステップＳ２４）。具体的には、ＤＳＰ１８が、下記式（１）の関係式を用いて算出する。この式（１）の導出過程の詳細は後述する。
ここで、Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］［Ａ］は、電磁石２８ａに供給するバイアス電流、Ｗ［ｍ］は、回転軸Ｊ方向における電磁石２８ａと回転体４との間の距離、ｍ［ｋｇ］は、回転体４の重量、ｇ［ｍ／ｓ２］は、重力加速度、Ｋ［Ｎｍ２／Ａ２］は、磁気吸引力定数を示す。
次に、制御ユニット２は、励磁電流Ｉｖ１（＝Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］＋ｉｖ［ｔ］）の電流値を算出する（ステップＳ２５）。
ここで、Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］［Ａ］は、電磁石２８ａに供給するバイアス電流、Ｗ［ｍ］は、回転軸Ｊ方向における電磁石２８ａと回転体４との間の距離、ｍ［ｋｇ］は、回転体４の重量、ｇ［ｍ／ｓ２］は、重力加速度、Ｋ［Ｎｍ２／Ａ２］は、磁気吸引力定数を示す。
次に、制御ユニット２は、励磁電流Ｉｖ１（＝Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］＋ｉｖ［ｔ］）の電流値を算出する（ステップＳ２５）。
続いて、制御ユニット２は、算出したバイアスパラメータγｖ［ｔ］に基づいて、一対の電磁石２８ａ，２８ｂのうち、地面Ｆに近い方に配置された電磁石２８ｂに供給するバイアス電流Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］を算出する（ステップＳ２６）。具体的には、ＤＳＰ１８が、下記式（２）の関係式を用いて算出する。この式（２）の導出過程の詳細は後述する。
ここで、Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］［Ａ］は、電磁石２８ａに供給するバイアス電流、Ｗ［ｍ］は、回転軸Ｊ方向における電磁石２８ａと回転体４との間の距離、ｍ［ｋｇ］は、回転体４の重量、ｇ［ｍ／ｓ２］は、重力加速度、Ｋ［Ｎｍ２／Ａ２］は、磁気吸引力定数を示す。
その後、制御ユニット２は、励磁電流Ｉｖ２（＝Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］−ｉｖ［ｔ］）を算出する（ステップＳ２７）。
ここで、Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］［Ａ］は、電磁石２８ａに供給するバイアス電流、Ｗ［ｍ］は、回転軸Ｊ方向における電磁石２８ａと回転体４との間の距離、ｍ［ｋｇ］は、回転体４の重量、ｇ［ｍ／ｓ２］は、重力加速度、Ｋ［Ｎｍ２／Ａ２］は、磁気吸引力定数を示す。
その後、制御ユニット２は、励磁電流Ｉｖ２（＝Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］−ｉｖ［ｔ］）を算出する（ステップＳ２７）。
次に、制御ユニット２は、アキシアル磁気軸受５に励磁電流Ｉｖ１，Ｉｖ２を出力する（ステップＳ２８）。ここでは、制御ユニット２は、電磁石２８ａに励磁電流Ｉｖ１を出力し、電磁石２８ｂに励磁電流Ｉｖ２を出力する。
その後、制御ユニット２は、停止操作が有ったか否かを判定する（ステップＳ２９）。ここでは、制御ユニット２は、前述のステップＳ１８の処理を同様の処理を行う。
ステップＳ２９において、停止操作が無いと判定されると（ステップＳ２９：Ｎｏ）、制御ユニット２は、再びステップＳ２１の処理を行う。
一方、ステップＳ２９において、停止操作が有りと判定されると（ステップＳ２９：Ｙｅｓ）、制御ユニット２は、アキシアル磁気軸受５への励磁電流Ｉｖ１，Ｉｖ２の供給を停止する。
その後、制御ユニット２は、停止操作が有ったか否かを判定する（ステップＳ２９）。ここでは、制御ユニット２は、前述のステップＳ１８の処理を同様の処理を行う。
ステップＳ２９において、停止操作が無いと判定されると（ステップＳ２９：Ｎｏ）、制御ユニット２は、再びステップＳ２１の処理を行う。
一方、ステップＳ２９において、停止操作が有りと判定されると（ステップＳ２９：Ｙｅｓ）、制御ユニット２は、アキシアル磁気軸受５への励磁電流Ｉｖ１，Ｉｖ２の供給を停止する。
図１０は、本実施形態に係るアキシアル磁気軸受５に関する制御ブロック図である。
図１０において、制御対象であるアキシアル磁気軸受５は、電磁石２８ａ，２８ｂを含む。線形制御部２２Ａと、変換部２２Ｂ，２２Ｄ，２２Ｅとは、制御ユニット２において実現されている。
まず、線形制御部２２Ａには、回転体４がＺ軸方向における目標位置に存在する場合の変位ｚｖ＝０から、機械本体１から出力されるＺ軸方向の変位ｚｖ［ｔ］を差し引いて得られる差分値が入力される。
また、変換部２２Ｂは、Ｚ軸方向の変位ｚｖ［ｔ］が入力されると、変位ｚｖ［ｔ］の絶対値に重み係数αｖを積算して得られる値を出力する。
そして、変換部２２Ｄには、変換部２２Ｂからの出力に一定の係数γｖ０を加算して得られる値γｖ［ｔ］が入力される。
変換部２２Ｄは、上記式（５）を用いて、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］を算出して出力する。
図１０において、制御対象であるアキシアル磁気軸受５は、電磁石２８ａ，２８ｂを含む。線形制御部２２Ａと、変換部２２Ｂ，２２Ｄ，２２Ｅとは、制御ユニット２において実現されている。
まず、線形制御部２２Ａには、回転体４がＺ軸方向における目標位置に存在する場合の変位ｚｖ＝０から、機械本体１から出力されるＺ軸方向の変位ｚｖ［ｔ］を差し引いて得られる差分値が入力される。
また、変換部２２Ｂは、Ｚ軸方向の変位ｚｖ［ｔ］が入力されると、変位ｚｖ［ｔ］の絶対値に重み係数αｖを積算して得られる値を出力する。
そして、変換部２２Ｄには、変換部２２Ｂからの出力に一定の係数γｖ０を加算して得られる値γｖ［ｔ］が入力される。
変換部２２Ｄは、上記式（５）を用いて、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］を算出して出力する。
一方、変換部２２Ｅには、変換部２２Ｂからの出力に一定の係数γｖ０を加算して得られる値γｖ［ｔ］が入力される。
変換部２２Ｅは、上記式（６）を用いて、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］を算出して出力する。
そして、アキシアル磁気軸受５には、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］に、線形制御部２２Ａから出力される制御信号ｉｖ［ｔ］が重畳されてなる励磁電流Ｉｖ１（＝Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］＋ｉｖ［ｔ］）、Ｉｖ２（＝Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］−ｉｖ［ｔ］）が入力される。
一方、機械本体１は、励磁電流Ｉｖ１，Ｉｖ２が入力された状態における回転体４のＺ軸方向の変位ｚｖ［ｔ］を出力する。
変換部２２Ｅは、上記式（６）を用いて、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］を算出して出力する。
そして、アキシアル磁気軸受５には、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］に、線形制御部２２Ａから出力される制御信号ｉｖ［ｔ］が重畳されてなる励磁電流Ｉｖ１（＝Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］＋ｉｖ［ｔ］）、Ｉｖ２（＝Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］−ｉｖ［ｔ］）が入力される。
一方、機械本体１は、励磁電流Ｉｖ１，Ｉｖ２が入力された状態における回転体４のＺ軸方向の変位ｚｖ［ｔ］を出力する。
制御ユニット２が、以上のように動作することで、回転体４に作用する重力ｍｇと電磁石２８ａ，２８ｂから回転体４に作用する磁気吸引力Ｆｖとが相殺される。これにより、制御ユニット２が行う制御の単純化を図ることができる。
また、制御ユニット２は、上記式（１）および式（２）を用いて、回転体４に作用する重力ｍｇと電磁石２８ａ，２８ｂから回転体４に作用する磁気吸引力Ｆｖとが相殺されるようなバイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］の電流値を比較的容易に設定できる。
また、制御ユニット２は、上記式（１）および式（２）を用いて、回転体４に作用する重力ｍｇと電磁石２８ａ，２８ｂから回転体４に作用する磁気吸引力Ｆｖとが相殺されるようなバイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］の電流値を比較的容易に設定できる。
図１１は、本実施形態に係る磁気軸受装置について、Ｚ軸方向の外乱の大きさ｜Ｆｏｕｔ［ｔ］｜と、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］、制御電流ｉｖ［ｔ］に対する線形制御可能範囲の大きさΔｉｖ、磁気吸引力Ｆｖに対する線形制御可能範囲の大きさΔＦｖとの関係を示すタイムチャートである。
Ｉｂｉａｓｖ１０，Ｉｂｉａｓｖ２０は、Ｚ軸方向の外乱Ｆｏｕｔ［ｔ］が０の場合におけるバイアス電流の大きさを示す。また、Δｉｖ０、ΔＦｖ０は、Ｚ軸方向の外乱Ｆｏｕｔ［ｔ］が０の場合における線形制御可能範囲の大きさを示す。
Ｉｂｉａｓｖ１０，Ｉｂｉａｓｖ２０は、Ｚ軸方向の外乱Ｆｏｕｔ［ｔ］が０の場合におけるバイアス電流の大きさを示す。また、Δｉｖ０、ΔＦｖ０は、Ｚ軸方向の外乱Ｆｏｕｔ［ｔ］が０の場合における線形制御可能範囲の大きさを示す。
図１１に示すように、制御ユニット２は、外乱Ｆｏｕｔ［ｔ］の大きさが大きくなるほど、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］が大きくなるように変化させる。これにより、外乱Ｆｏｕｔ［ｔ］の大きさが大きくなるほど、制御電流ｉｖ［ｔ］に対する線形制御可能範囲の大きさΔｉｖが大きくなり、磁気吸引力Ｆｖに対する線形制御可能範囲の大きさΔＦｖも大きくなる。
このようにして、制御ユニット２は、外乱Ｆｏｕｔ［ｔ］の大きさが大きくなるほど、磁気吸引力Ｆｈに対する線形制御可能範囲の大きさΔＦｖを大きくする。つまり、制御ユニット２は、外乱Ｆｏｕｔ［ｔ］の大きさに応じて、当該外乱Ｆｏｕｔ［ｔ］を十分に低減できる程度の磁気吸引力Ｆｖを発生させる。
＜制御ユニットが、バイアス電流算出時に用いる式について＞
次に、制御ユニット２が、アキシアル磁気軸受５に供給するバイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］を算出する際に用いる式（式（５）および式（６））について説明する。
回転体４についてＺ軸方向の運動方程式は、下記式（７）および（８）のように表される。
ここで、２つの電磁石２８ａ，２８ｂのうち、地面Ｆから遠い方に配置された電磁石２８ａに供給するバイアス電流をＩｂｉａｓｖ１［ｔ］［Ａ］、地面Ｆに近い方に配置された電磁石２８ｂに供給するバイアス電流をＩｂｉａｓｖ２［ｔ］［Ａ］としている。また、回転軸Ｊ方向における電磁石２８ａ，２８ｂと回転体４との間の距離をＷ［ｍ］、回転体４の重量をｍ［ｋｇ］、重力加速度をｇ［ｍ／ｓ２］、磁気吸引力定数をＫ［Ｎｍ２／Ａ２］としている。また、式（８）では、磁気吸引力Ｆｖ１が作用する方向を正としている。
式（７）は、回転体４に対して、磁気吸引力Ｆｖとともに重力ｍｇが作用することを示している。
次に、制御ユニット２が、アキシアル磁気軸受５に供給するバイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］を算出する際に用いる式（式（５）および式（６））について説明する。
回転体４についてＺ軸方向の運動方程式は、下記式（７）および（８）のように表される。
ここで、２つの電磁石２８ａ，２８ｂのうち、地面Ｆから遠い方に配置された電磁石２８ａに供給するバイアス電流をＩｂｉａｓｖ１［ｔ］［Ａ］、地面Ｆに近い方に配置された電磁石２８ｂに供給するバイアス電流をＩｂｉａｓｖ２［ｔ］［Ａ］としている。また、回転軸Ｊ方向における電磁石２８ａ，２８ｂと回転体４との間の距離をＷ［ｍ］、回転体４の重量をｍ［ｋｇ］、重力加速度をｇ［ｍ／ｓ２］、磁気吸引力定数をＫ［Ｎｍ２／Ａ２］としている。また、式（８）では、磁気吸引力Ｆｖ１が作用する方向を正としている。
式（７）は、回転体４に対して、磁気吸引力Ｆｖとともに重力ｍｇが作用することを示している。
式（８）をテイラー展開して、制御電流ｉｖ［ｔ］がバイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］に比べて十分小さく、ｚｖ［ｔ］がＷに比べて十分小さいものとして近似すると、下記式（９）のように表される。
ここで、式（９）を式（７）に代入し、定常状態（ｚｖ［ｔ］＝０，ｉｖ［ｔ］＝０）を想定して式（７）の左辺を０とし、更に、下記式（１０）の関係式が成立するバイアスパラメータγｖ［ｔ］を用いると、式（７）は、下記式（１１）のように表される。
これら式（１０）および式（１１）から、上記式（１）および（２）の関係式が得られる。
これら式（１０）および式（１１）から、上記式（１）および（２）の関係式が得られる。
＜３＞磁気軸受装置の性能について
次に、本実施形態に係る磁気軸受装置の性能について説明する。
図１２は、本実施形態に係るアキシアル磁気軸受５について可変バイアス電流制御を行った場合における、回転体４のＺ軸方向の変位ｚｖ［ｔ］の推移を示したシミュレーション結果である。縦軸は、回転体４のＺ軸方向の変位ｚｖ［ｔ］、横軸は時間である。
ここで、図１２（ａ）は、本実施形態のシミュレーション結果を示し、図１２（ｂ）は、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］を一定にした比較例におけるシミュレーション結果を示している。
また、図１２（ａ）に示すシミュレーションでは、式（４）における重み係数αｖを８．２９１×１０５に設定した。
次に、本実施形態に係る磁気軸受装置の性能について説明する。
図１２は、本実施形態に係るアキシアル磁気軸受５について可変バイアス電流制御を行った場合における、回転体４のＺ軸方向の変位ｚｖ［ｔ］の推移を示したシミュレーション結果である。縦軸は、回転体４のＺ軸方向の変位ｚｖ［ｔ］、横軸は時間である。
ここで、図１２（ａ）は、本実施形態のシミュレーション結果を示し、図１２（ｂ）は、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］を一定にした比較例におけるシミュレーション結果を示している。
また、図１２（ａ）に示すシミュレーションでは、式（４）における重み係数αｖを８．２９１×１０５に設定した。
図１２（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態では、外乱Ｆｏｕｔが存在する環境下において、回転体４のＺ軸方向における変位ｚｖ［ｔ］は、その最大値が１．３１３×１０−６［ｍ］となるように推移する。一方、比較例の場合、回転体４のＺ軸方向における変位ｚｖ［ｔ］は、その最大値が３．５１６×１０−６［ｍ］となるように推移する。つまり、本実施形態では、比較例に比べて、変位のピーク値が１／３程度に低減されている。
ここにおいて、比較例の場合、変位ｚｖ［ｔ］の大きさに関わらず、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］が一定であるため、外乱Ｆｏｕｔの大きさが上記線形制御可能範囲を超えることがある。
一方、本実施形態では、変位ｚｖ［ｔ］の大きさに応じて、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］を変化させることにより、外乱Ｆｏｕｔの大きさが上記線形制御可能範囲内となるように調整する。これにより、比較例に比べて、変位ｚｖ［ｔ］のばらつきが低減されている。
ここにおいて、比較例の場合、変位ｚｖ［ｔ］の大きさに関わらず、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］が一定であるため、外乱Ｆｏｕｔの大きさが上記線形制御可能範囲を超えることがある。
一方、本実施形態では、変位ｚｖ［ｔ］の大きさに応じて、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］を変化させることにより、外乱Ｆｏｕｔの大きさが上記線形制御可能範囲内となるように調整する。これにより、比較例に比べて、変位ｚｖ［ｔ］のばらつきが低減されている。
＜３＞まとめ
結局、本実施形態に係る磁気軸受装置によれば、ＤＳＰ１８が、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７について可変バイアス電流制御を行う。これにより、第１変位ｚｈ［ｔ］の大きさが小さく、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７の剛性が小さくてもよい場合、ＤＳＰ１８は、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈを小さくする。従って、第１変位ｚｈ［ｔ］の大きさに関わらずバイアス電流Ｉｂｉａｓｈを一定にする構成に比べて、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈの消費を低減できる。
結局、本実施形態に係る磁気軸受装置によれば、ＤＳＰ１８が、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７について可変バイアス電流制御を行う。これにより、第１変位ｚｈ［ｔ］の大きさが小さく、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７の剛性が小さくてもよい場合、ＤＳＰ１８は、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈを小さくする。従って、第１変位ｚｈ［ｔ］の大きさに関わらずバイアス電流Ｉｂｉａｓｈを一定にする構成に比べて、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈの消費を低減できる。
一方、例えば比較的大きな外乱が発生し、第１変位ｚｈ［ｔ］の大きさが大きく、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７の剛性を大きくする必要がある場合、ＤＳＰ１８は、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈを大きくするので、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７の剛性が大きくなる。従って、回転体４のＸ軸方向（Ｙ軸方向）におけるタッチダウンの発生を抑制できる。
また、ＤＳＰ１８は、アキシアル磁気軸受５について可変バイアス電流制御を行う。これにより、第２変位ｚｖ［ｔ］の大きさが小さく、アキシアル磁気軸受５の剛性が小さくてもよい場合、ＤＳＰ１８は、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］を小さくする。従って、第２変位ｚｖ［ｔ］の大きさに関わらずバイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］の電流値を一定にする構成に比べて、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］の消費を低減できる。
一方、例えば比較的大きな外乱が発生し、第２変位ｚｖ［ｔ］の大きさが大きく、アキシアル磁気軸受５の剛性を大きくする必要がある場合、ＤＳＰ１８は、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］の大きくする。従って、アキシアル磁気軸受５の剛性が大きくなり、回転体４のＺ軸方向におけるタッチダウンの発生を抑制できる。
［２．実施形態２］
本実施形態に係る磁気軸受装置は、図１乃至図３に示す構成と同様であり、制御ユニット２の動作が実施形態１とは相違する。具体的には、制御ユニット２が、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７を制御する動作が実施形態１と相違する。
本実施形態に係る磁気軸受装置は、図１乃至図３に示す構成と同様であり、制御ユニット２の動作が実施形態１とは相違する。具体的には、制御ユニット２が、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７を制御する動作が実施形態１と相違する。
図１３および図１４は、本実施形態に係る制御ユニット２が第１、第２ラジアル磁気軸受６，７を制御する動作を示すフローチャートである。
図１３に示すように、まず、制御ユニット２は、第１、第２ラジアル変位センサユニット２６，２７から、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）の変位ｚｈ［ｔ］を取得する（ステップＳ３１）。
次に、制御ユニット２は、変位ｚｈ［ｔ］の絶対値の大きさが、変位閾値ｚｈｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ３２）。
図１３に示すように、まず、制御ユニット２は、第１、第２ラジアル変位センサユニット２６，２７から、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）の変位ｚｈ［ｔ］を取得する（ステップＳ３１）。
次に、制御ユニット２は、変位ｚｈ［ｔ］の絶対値の大きさが、変位閾値ｚｈｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ３２）。
ステップＳ３２において、変位ｚｈ［ｔ］の絶対値が、変位閾値ｚｈｔｈ以上であると判定されると（ステップＳ３２：Ｙｅｓ）、図１４に示すように、制御ユニット２は、制御電流ｉｈ［ｔ］を算出する（ステップＳ４１）。
続いて、制御ユニット２は、変位ｚｈ［ｔ］に基づいて、バイアスパラメータγｈ［ｔ］を算出する（ステップＳ４２）。
続いて、制御ユニット２は、変位ｚｈ［ｔ］に基づいて、バイアスパラメータγｈ［ｔ］を算出する（ステップＳ４２）。
その後、制御ユニット２は、算出したバイアスパラメータγｈ［ｔ］に基づいて、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］の電流値を算出する（ステップＳ４３）。
次に、制御ユニット２は、励磁電流Ｉｈ１（＝Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］＋ｉｈ［ｔ］），Ｉｈ２（＝Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］−ｉｈ［ｔ］）を算出する（ステップＳ４４，Ｓ４５）。
続いて、制御ユニット２は、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７に励磁電流Ｉｈ１，Ｉｈ２を出力する（ステップＳ４６）。ここでは、制御ユニット２は、電磁石２９Ｘａ，３０Ｘａ（２９Ｙａ，３０Ｙａ）に励磁電流Ｉｈ１を出力するとともに、電磁石２９Ｘｂ，３０Ｘｂ（２９Ｙｂ，３０Ｙｂ）に励磁電流Ｉｈ２を出力する。
次に、制御ユニット２は、励磁電流Ｉｈ１（＝Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］＋ｉｈ［ｔ］），Ｉｈ２（＝Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］−ｉｈ［ｔ］）を算出する（ステップＳ４４，Ｓ４５）。
続いて、制御ユニット２は、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７に励磁電流Ｉｈ１，Ｉｈ２を出力する（ステップＳ４６）。ここでは、制御ユニット２は、電磁石２９Ｘａ，３０Ｘａ（２９Ｙａ，３０Ｙａ）に励磁電流Ｉｈ１を出力するとともに、電磁石２９Ｘｂ，３０Ｘｂ（２９Ｙｂ，３０Ｙｂ）に励磁電流Ｉｈ２を出力する。
図１３に戻って、その後、制御ユニット２は、停止操作が有ったか否かを判定する（ステップＳ３９）。ここでは、制御ユニット２は、実施形態１で説明した、ステップＳ１８の処理を同様の処理を行う。
また、ステップＳ３２において、変位ｚｈ［ｔ］の絶対値が、変位閾値ｚｈｔｈ未満であると判定されると（ステップＳ３２：Ｎｏ）、制御ユニット２は、磁気吸引力Ｆｈ［ｔ］を算出する（ステップＳ３３）。
次に、制御ユニット２は、磁気吸引力Ｆｈ［ｔ］が０以上であるか否かを判定する（ステップＳ３４）。
また、ステップＳ３２において、変位ｚｈ［ｔ］の絶対値が、変位閾値ｚｈｔｈ未満であると判定されると（ステップＳ３２：Ｎｏ）、制御ユニット２は、磁気吸引力Ｆｈ［ｔ］を算出する（ステップＳ３３）。
次に、制御ユニット２は、磁気吸引力Ｆｈ［ｔ］が０以上であるか否かを判定する（ステップＳ３４）。
ステップＳ３４において、磁気吸引力Ｆｈ［ｔ］が０以上であると判定されると（ステップＳ３４：Ｙｅｓ）、制御ユニット２は、励磁電流Ｉｈ１［ｔ］を０［Ａ］よりも大きい電流値に設定するとともに、励磁電流Ｉｈ２［ｔ］を０［Ａ］に設定する（ステップＳ３５）。
次に、制御ユニット２は、励磁電流Ｉｈ１［ｔ］，Ｉｈ２［ｔ］を第１、第２ラジアル磁気軸受６，７に供給する（ステップＳ３６）。
その後、制御ユニット２は、ステップＳ３９の処理を行う。
次に、制御ユニット２は、励磁電流Ｉｈ１［ｔ］，Ｉｈ２［ｔ］を第１、第２ラジアル磁気軸受６，７に供給する（ステップＳ３６）。
その後、制御ユニット２は、ステップＳ３９の処理を行う。
一方、ステップＳ３４において、磁気吸引力Ｆｈ［ｔ］が０未満であると判定されると（ステップＳ３４：Ｎｏ）、制御ユニット２は、励磁電流Ｉｈ１［ｔ］を０［Ａ］に設定するとともに、励磁電流Ｉｈ２［ｔ］を０［Ａ］よりも大きい電流値に設定する（ステップＳ３７）。
次に、制御ユニット２は、励磁電流Ｉｈ１［ｔ］，Ｉｈ２［ｔ］を第１、第２ラジアル磁気軸受６，７に供給する（ステップＳ３８）。
その後、制御ユニット２は、ステップＳ３９の処理を行う。
次に、制御ユニット２は、励磁電流Ｉｈ１［ｔ］，Ｉｈ２［ｔ］を第１、第２ラジアル磁気軸受６，７に供給する（ステップＳ３８）。
その後、制御ユニット２は、ステップＳ３９の処理を行う。
ステップＳ３８において、停止操作が無いと判定されると（ステップＳ３８：Ｙｅｓ）、制御ユニット２は、再びステップＳ３１の処理を行う。
一方、ステップＳ３８において、停止操作が有りと判定されると（ステップＳ３８：Ｎｏ）、制御ユニット２は、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７への励磁電流Ｉｈ１［ｔ］，Ｉｈ２［ｔ］の供給を停止する。
一方、ステップＳ３８において、停止操作が有りと判定されると（ステップＳ３８：Ｎｏ）、制御ユニット２は、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７への励磁電流Ｉｈ１［ｔ］，Ｉｈ２［ｔ］の供給を停止する。
図１５は、本実施形態に係る磁気軸受装置について、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）の変位ｚｈ［ｔ］と、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７に供給する励磁電流Ｉｈ１，Ｉｈ２の大きさとの関係を示すタイムチャートである。
図１５に示すように、変位ｚｈ［ｔ］が変位閾値ｚｈｔｈ未満の場合、制御ユニット２は、いわゆるゼロバイアス電流制御を行い、励磁電流Ｉｈ１［ｔ］と励磁電流Ｉｈ２［ｔ］とが交互に０［Ａ］に設定される。
そして、変位ｚｈ［ｔ］が変位閾値ｚｈｔｈ以上の場合、制御ユニット２は、可変バイアス電流制御を行う。この場合、制御ユニット２は、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］を、外乱｜Ｆｈｏｕｔ｜の大きさに追従するように変化させる。
図１５に示すように、変位ｚｈ［ｔ］が変位閾値ｚｈｔｈ未満の場合、制御ユニット２は、いわゆるゼロバイアス電流制御を行い、励磁電流Ｉｈ１［ｔ］と励磁電流Ｉｈ２［ｔ］とが交互に０［Ａ］に設定される。
そして、変位ｚｈ［ｔ］が変位閾値ｚｈｔｈ以上の場合、制御ユニット２は、可変バイアス電流制御を行う。この場合、制御ユニット２は、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］を、外乱｜Ｆｈｏｕｔ｜の大きさに追従するように変化させる。
結局、本実施形態に係る磁気軸受装置によれば、制御ユニット２が、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）の変位ｚｈ［ｔ］の大きさが変位閾値ｚｈｔｈ未満であるとする。この場合、制御ユニット２は、一対の第１電磁石２９Ｘａ，３０Ｘａ，２９Ｙａ，３０Ｙａ，２９Ｘｂ，３０Ｘｂ，２９Ｙｂ，３０Ｙｂにバイアス電流Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］を供給しないゼロバイアス電流制御を行う。これにより、第１変位ｚｈ［ｔ］の大きさに関わらずバイアス電流Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］を一定にする構成に比べて、バイアス電流Ｉｂｉａｓｈ［ｔ］の消費を低減できる。
［３．変形例］
（１）実施形態１では、アキシアル磁気軸受５の制御において、バイアスパラメータγｖ［ｔ］が、回転体４のＺ軸方向の変位ｚｖ［ｔ］の変化に応じて変化する例について説明した。但し、バイアスパラメータγｖ［ｔ］は、このように変化するものに限定されない。例えば、バイアスパラメータγｖ［ｔ］が、回転体４のＺ軸方向における変位速度（ｄｚｖ［ｔ］／ｄｔ）の変化に応じて変化するものであってもよい。或いは、バイアスパラメータγｖ［ｔ］が、回転体４のＺ軸方向における変位加速度（ｄ２ｚｖ［ｔ］／ｄｔ２）の変化に応じて変化するものであってもよい。
（１）実施形態１では、アキシアル磁気軸受５の制御において、バイアスパラメータγｖ［ｔ］が、回転体４のＺ軸方向の変位ｚｖ［ｔ］の変化に応じて変化する例について説明した。但し、バイアスパラメータγｖ［ｔ］は、このように変化するものに限定されない。例えば、バイアスパラメータγｖ［ｔ］が、回転体４のＺ軸方向における変位速度（ｄｚｖ［ｔ］／ｄｔ）の変化に応じて変化するものであってもよい。或いは、バイアスパラメータγｖ［ｔ］が、回転体４のＺ軸方向における変位加速度（ｄ２ｚｖ［ｔ］／ｄｔ２）の変化に応じて変化するものであってもよい。
図１６は、本実施形態に係るアキシアル磁気軸受５について可変バイアス電流制御を行った場合における、回転体４のＺ軸方向の変位ｚｖ［ｔ］の推移を示したシミュレーション結果である。縦軸は、回転体４のＺ軸方向の変位ｚｖ［ｔ］、横軸は時間である。ここで、図１６（ａ）は、バイアスパラメータγｖ［ｔ］について式（１２）の関係式が成立する場合におけるシミュレーション結果、図１６（ｂ）は、バイアスパラメータγｖ［ｔ］について式（１３）の関係式が成立する場合におけるシミュレーション結果を示す。
これらのシミュレーション結果は、バイアスパラメータγｖ［ｔ］を変えながら、回転体４に対してＺ軸方向に所定の外乱が加わった場合における回転体４のＺ軸方向の変位（第２変位）ｚｖ［ｔ］の推移を計算して得られるものである。
バイアスパラメータγｖ［ｔ］が、式（１２）に示すように、回転体４のＺ軸方向への変位速度（ｄｚｖ［ｔ］／ｄｔ）の大きさに比例するとする。
ここで、αｖｖは、重み係数、ｚｖ［ｔ］は、Ｚ軸方向の変位量、γｖ０は、一定の係数を示す。
この場合、重み係数αｖｖを５．３１１×１０３に設定すると、図１６（ａ）に示すように、外乱が存在する環境下において、回転体４のＺ軸方向における変位は、その最大値が３．４４４×１０−６［ｍ］となるように推移する。
これらのシミュレーション結果は、バイアスパラメータγｖ［ｔ］を変えながら、回転体４に対してＺ軸方向に所定の外乱が加わった場合における回転体４のＺ軸方向の変位（第２変位）ｚｖ［ｔ］の推移を計算して得られるものである。
バイアスパラメータγｖ［ｔ］が、式（１２）に示すように、回転体４のＺ軸方向への変位速度（ｄｚｖ［ｔ］／ｄｔ）の大きさに比例するとする。
ここで、αｖｖは、重み係数、ｚｖ［ｔ］は、Ｚ軸方向の変位量、γｖ０は、一定の係数を示す。
この場合、重み係数αｖｖを５．３１１×１０３に設定すると、図１６（ａ）に示すように、外乱が存在する環境下において、回転体４のＺ軸方向における変位は、その最大値が３．４４４×１０−６［ｍ］となるように推移する。
また、バイアスパラメータγｖ［ｔ］が、式（１３）に示すように、回転体４のＺ軸方向への変位加速度（ｄ２ｚｖ［ｔ］／ｄｔ２）の大きさに比例するとする。
ここで、αｖは、重み係数、ｚｖ［ｔ］は、Ｚ軸方向の変位量、γ０は、一定の係数を示す。
この場合、αａを２．０５６×１０−１に設定すると、図１６（ｂ）に示すように、外乱が存在する環境下において、回転体４のＺ軸方向における変位は、その最大値が３．５０８×１０−６［ｍ］となるように推移する。
ここで、αｖは、重み係数、ｚｖ［ｔ］は、Ｚ軸方向の変位量、γ０は、一定の係数を示す。
この場合、αａを２．０５６×１０−１に設定すると、図１６（ｂ）に示すように、外乱が存在する環境下において、回転体４のＺ軸方向における変位は、その最大値が３．５０８×１０−６［ｍ］となるように推移する。
ところで、実施形態１で説明したように、比較例として、バイアス電流Ｉｂｉａｓｖ１［ｔ］，Ｉｂｉａｓｖ２［ｔ］が、回転体４のＺ軸方向における変位ｚｖ［ｔ］に関わらず一定である構成があるとする。この比較例の場合、変位ｚｖ［ｔ］は、その最大値が３．５１６×１０−６［ｍ］となるように推移する（図１２（ｂ）参照）。
これに対して、本変形例の場合、前述のように、回転体４のＺ軸方向における変位ｚｖ［ｔ］は、その最大値が３．４４４×１０−６［ｍ］或いは３．５０８×１０−６［ｍ］となるように推移する。
つまり、本構成によれば、バイアス電流が変位ｚｖ［ｔ］に関わらず一定の比較例に比べて、変位ｚｖ［ｔ］を比較的小さい範囲で推移させることができる。
これに対して、本変形例の場合、前述のように、回転体４のＺ軸方向における変位ｚｖ［ｔ］は、その最大値が３．４４４×１０−６［ｍ］或いは３．５０８×１０−６［ｍ］となるように推移する。
つまり、本構成によれば、バイアス電流が変位ｚｖ［ｔ］に関わらず一定の比較例に比べて、変位ｚｖ［ｔ］を比較的小さい範囲で推移させることができる。
（２）実施形態１および変形例（１）では、アキシアル磁気軸受５の制御において、バイアスパラメータγｖ［ｔ］が、回転体４のＺ軸方向の変位ｚｖ［ｔ］、変位速度（ｄｚｖ［ｔ］／ｄｔ）、変位加速度（ｄ２ｚｖ［ｔ］／ｄｔ２）のいずれかの変化に応じて変化する例について説明した。但し、バイアスパラメータγｖ［ｔ］は、回転体４のＺ軸方向の変位ｚｖ［ｔ］、変位速度（ｄｚｖ［ｔ］／ｄｔ）、変位加速度（ｄ２ｚｖ［ｔ］／ｄｔ２）のすべての変化に応じて変化するものであってもよい。
図１７および図１８は、本実施形態に係るアキシアル磁気軸受５について可変バイアス電流制御を行った場合における、回転体４のＺ軸方向の変位ｚｖ［ｔ］の推移を示したシミュレーション結果である。縦軸は、回転体４のＺ軸方向の変位ｚｖ［ｔ］、横軸は時間である。ここで、図１７（ａ）は、バイアスパラメータγｖ［ｔ］について式（１４）の関係式が成立する場合におけるシミュレーション結果、図１７（ｂ）は、バイアスパラメータγｖ［ｔ］について式（１５）の関係式が成立する場合におけるシミュレーション結果を示す。また、図１８は、バイアスパラメータγｖ［ｔ］について式（１６）の関係式が成立する場合におけるシミュレーション結果を示す。
バイアスパラメータγｖ［ｔ］が、式（１４）に示すように、回転体４における正規化した疑似状態ベクトルの１次平均ノルムの大きさに比例するとする。ここで、式（１４）下段に示すように、疑似状態変数ベクトルは、状態変数ベクトルに加速度を変数として付加してなる３次元ベクトルである。
ここで、βｖは、対角行例で表される重み係数、Ｚｖ［ｔ］は、疑似状態変数ベクトル、Ｔ１は、ベクトルＺｖ［ｔ］を正規化する正規化行列を示す。そして、バイアスパラメータγｖ［ｔ］は、疑似状態変数ベクトルを正規化して得られるベクトルの１次平均ノルムに一定の係数γｖ０を加えた量に相当する。
ここで、βｖは、対角行例で表される重み係数、Ｚｖ［ｔ］は、疑似状態変数ベクトル、Ｔ１は、ベクトルＺｖ［ｔ］を正規化する正規化行列を示す。そして、バイアスパラメータγｖ［ｔ］は、疑似状態変数ベクトルを正規化して得られるベクトルの１次平均ノルムに一定の係数γｖ０を加えた量に相当する。
この場合、βｖをｄｉａｇ（２．８５７×１０５，６０．６１，６．０６１×１０−１２）に設定するとする。この場合、図１７（ａ）に示すように、外乱が存在する環境下において、回転体４のＺ軸方向における変位ｚｖ［ｔ］は、その最大値が２．３５８×１０−６［ｍ］となるように推移する。
また、バイアスパラメータγｖ［ｔ］が、式（１５）に示すように、回転体４における正規化した疑似状態ベクトルのユークリッドノルムの大きさに比例するとする。
ここで、βｖは、対角行例で表される重み係数、Ｚｖ［ｔ］は、疑似状態変数ベクトル、Ｔ２は、疑似状態変数ベクトルＺｖ［ｔ］を正規化する正規化行列を示す。そして、バイアスパラメータγｖ［ｔ］は、疑似状態変数ベクトルＺｖ［ｔ］を正規化して得られるベクトルの１次平均ノルムに一定の係数γｖ０を加えた量に相当する。
ここで、βｖは、対角行例で表される重み係数、Ｚｖ［ｔ］は、疑似状態変数ベクトル、Ｔ２は、疑似状態変数ベクトルＺｖ［ｔ］を正規化する正規化行列を示す。そして、バイアスパラメータγｖ［ｔ］は、疑似状態変数ベクトルＺｖ［ｔ］を正規化して得られるベクトルの１次平均ノルムに一定の係数γｖ０を加えた量に相当する。
βｖをｄｉａｇ（２．８５７×１０５，５１．９５，３．６３６×１０−１１）に設定したとする。この場合、図１７（ｂ）に示すように、外乱が存在する環境下において、回転体４のＺ軸方向における変位ｚｖ［ｔ］は、その最大値が１．６００×１０−６［ｍ］となるように推移する。
また、バイアスパラメータγｖ［ｔ］が、式（１６）に示すように、回転体４における正規化した疑似状態ベクトルの無限大ノルム（最大値ノルム）の大きさに比例するとする。
ここで、βは、対角行例で表される重み係数、Ｚｖ［ｔ］は、疑似状態変数ベクトル、Ｔ∞は、疑似状態変数ベクトルＺｖ［ｔ］を正規化する正規化行列を示す。そして、バイアスパラメータγｖ［ｔ］は、疑似状態変数ベクトルＺｖ［ｔ］を正規化して得られるベクトルの１次平均ノルムに一定の係数γｖ０を加えた量に相当する。
ここで、βは、対角行例で表される重み係数、Ｚｖ［ｔ］は、疑似状態変数ベクトル、Ｔ∞は、疑似状態変数ベクトルＺｖ［ｔ］を正規化する正規化行列を示す。そして、バイアスパラメータγｖ［ｔ］は、疑似状態変数ベクトルＺｖ［ｔ］を正規化して得られるベクトルの１次平均ノルムに一定の係数γｖ０を加えた量に相当する。
βｖをｄｉａｇ（６．２５０×１０５，９６．９７，９．０９１×１０−１１）に設定したとする。この場合、図１８に示すように、外乱が存在する環境下において、回転体４のＺ軸方向における変位ｚｖ［ｔ］は、その最大値が１．４１６×１０−６［ｍ］となるように推移する。
ところで、前述の比較例の場合、変位ｚｖ［ｔ］は、その最大値が３．５１６×１０−６［ｍ］となるように推移する（図１２（ｂ）参照）。
これに対して、本変形例の場合、前述のように、回転体４のＺ軸方向における変位ｚｖ［ｔ］は、その最大値が２．３５８×１０−６［ｍ］、１．６００×１０−６［ｍ］或いは１．４１６×１０−６［ｍ］の範囲内で推移する。
つまり、本構成によれば、バイアス電流が変位ｚｖ［ｔ］に関わらず一定の比較例に比べて、変位ｚｖ［ｔ］を比較的小さい範囲で推移させることができる。
これに対して、本変形例の場合、前述のように、回転体４のＺ軸方向における変位ｚｖ［ｔ］は、その最大値が２．３５８×１０−６［ｍ］、１．６００×１０−６［ｍ］或いは１．４１６×１０−６［ｍ］の範囲内で推移する。
つまり、本構成によれば、バイアス電流が変位ｚｖ［ｔ］に関わらず一定の比較例に比べて、変位ｚｖ［ｔ］を比較的小さい範囲で推移させることができる。
（３）実施形態１では、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７について、制御ユニット２が、バイアスパラメータγｈ［ｔ］を、回転体４のＸ軸方向（Ｙ軸方向）への変位ｚｈ［ｔ］の変化に応じて変化する例について説明した。但し、バイアスパラメータγｈ［ｔ］は、このように変化するものに限定されない。例えば、バイアスパラメータγｈ［ｔ］が、回転体４のＸ軸方向（Ｙ軸方向）における変位速度（ｄｚｈ［ｔ］／ｄｔ）の変化に応じて変化するものであってもよい。或いは、バイアスパラメータγｈ［ｔ］が、回転体４のＺ軸方向における変位加速度（ｄ２ｚｈ［ｔ］／ｄｔ２）の変化に応じて変化するものであってもよい。
（４）実施形態２では、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７について、ゼロバイアス電流制御とバイアス制御とを切り替える例について説明した。但し、アキシアル磁気軸受５についても、ゼロバイアス電流制御とバイアス制御とを切り替える構成としてもよい。
或いは、制御ユニット２が、アキシアル磁気軸受５および第１、第２ラジアル磁気軸受６，７のいずれか一方のみについて、ゼロバイアス電流制御とバイアス制御とを切り替える構成であってもよい。
或いは、制御ユニット２が、アキシアル磁気軸受５および第１、第２ラジアル磁気軸受６，７のいずれか一方のみについて、ゼロバイアス電流制御とバイアス制御とを切り替える構成であってもよい。
（５）上記各実施形態および各変形例では、アキシアル磁気軸受５と、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７の両方を備える例について説明したが、例えば、いずれか一方のみを備える構成であってもよい。
［４．付記］
磁気軸受装置の全体構成および各部の構成は、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。
たとえば、回転体４が地面Ｆに対して水平に配置される横型の磁気軸受装置の場合、制御ユニット２は、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７に対して、実施形態１，２や変形例（１）および（２）における、アキシアル磁気軸受５に対して行う制御と同様の制御を行えばよい。
また、本発明は、フライホイール式電力貯蔵装置以外の磁気軸受装置にも適用できる。
磁気軸受装置の全体構成および各部の構成は、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。
たとえば、回転体４が地面Ｆに対して水平に配置される横型の磁気軸受装置の場合、制御ユニット２は、第１、第２ラジアル磁気軸受６，７に対して、実施形態１，２や変形例（１）および（２）における、アキシアル磁気軸受５に対して行う制御と同様の制御を行えばよい。
また、本発明は、フライホイール式電力貯蔵装置以外の磁気軸受装置にも適用できる。
１：機械本体、２：制御ユニット（励磁電流制御部）、４：回転体、５：アキシアル磁気軸受、６：第１ラジアル磁気軸受、７：第２ラジアル磁気軸受、８：変位センサ部、１８：ＤＳＰ、２８ａ，２８ｂ，２９Ｘａ，２９Ｘｂ，２９Ｙａ，２９Ｙｂ，３０Ｘａ，３０Ｘｂ，３０Ｙａ，３０Ｙｂ：電磁石
Claims (9)
- 回転体と、
前記回転体の回転軸に直交する一方向において前記回転体を両側から挟むように配置された一対の第１電磁石を有するラジアル磁気軸受と、
前記回転体の回転軸方向において前記回転体を両側から挟むように配置された一対の第２電磁石を有するアキシアル磁気軸受と、
第１バイアス電流に、前記回転体の前記回転軸に直交する方向における第１変位に応じて適応的に変化する第１制御電流を重畳してなる第１励磁電流を、前記第１電磁石に供給することにより、前記第１変位を制御する励磁電流制御部と、を備え、
前記回転体は、前記回転軸が鉛直方向を向くように配置され、
前記励磁電流制御部は、更に、前記第１変位の増加に伴い、前記第１バイアス電流を増加させるとともに、前記第１変位の減少に伴い、前記第１バイアス電流を減少させる可変バイアス電流制御を行うことができると共に、
前記励磁電流制御部は、更に、第２バイアス電流に、前記回転体の前記回転軸方向における第２変位に応じて適応的に変化する第２制御電流を重畳してなる第２励磁電流を、前記第２電磁石に供給することにより、前記第２変位を制御し、且つ、前記第２変位の増加に伴い、前記第２バイアス電流を増加させるとともに、前記第２変位の減少に伴い、前記第２バイアス電流を減少させる可変バイアス電流制御を行い、
前記励磁電流制御部は、前記回転体に作用する重力と前記一対の第２電磁石から前記回転体に作用する磁気吸引力とが相殺するように、前記一対の第２電磁石それぞれに前記第２バイアス電流を供給し、
前記励磁電流制御部は、前記一対の第２電磁石のうち、前記地面から遠い方に配置された第２電磁石に供給する第２バイアス電流をＩｂｉａｓｖ１［ｔ］、地面に近い方に配置された第２電磁石に供給する前記第２バイアス電流をＩｂｉａｓｖ２［ｔ］、前記回転軸方向における第２電磁石と前記回転体との間の距離をＷ、前記回転体の質量をｍ、重力加速度をｇ、磁気吸引力定数をＫ、バイアスパラメータをγｖ［ｔ］とすると、下記式（１）および（２）の関係式が成立するように、前記一対の第２電磁石それぞれに前記第２バイアス電流を供給する
磁気軸受装置。
- 前記バイアスパラメータは、前記回転体の前記第２変位の変化に応じて変化する
請求項１記載の磁気軸受装置。 - 前記第２変位をｚｖ[t]、重み係数をαｖ、一定の係数をγｖ０とすると、下記式（３）の関係式が成立する
請求項２記載の磁気軸受装置。
- 前記バイアスパラメータは、前記回転体の前記回転軸方向における変位速度の変化に応じて変化する
請求項１に記載の磁気軸受装置。 - 前記バイアスパラメータは、前記回転体の前記回転軸方向における変位加速度の変化に応じて変化する
請求項１に記載の磁気軸受装置。 - 前記励磁電流制御部は、前記第１変位の大きさが変位閾値未満の場合、前記一対の第１電磁石に供給する第１バイアス電流を供給しないゼロバイアス電流制御を行い、前記第１変位の大きさが前記変位閾値以上の場合、前記第１変位の大きさに基づいて、前記可変バイアス電流制御を行う
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の磁気軸受装置。 - 回転体と、前記回転体の回転軸方向において前記回転体を両側から挟むように配置された一対の第２電磁石を有するアキシアル磁気軸受と、を備える磁気軸受装置のバイアス電流制御方法であって、
前記回転体は、前記回転軸が鉛直方向を向くように配置され、
第２バイアス電流に、前記回転体の前記回転軸方向における第２変位に応じて適応的に変化する第２制御電流を重畳してなる第２励磁電流を、前記第２電磁石に供給するステップと、
前記第２変位の増加に伴い、前記第２バイアス電流を増加させるステップと、
前記第２変位の減少に伴い、前記第２バイアス電流を減少させるステップと、を含み、
前記第２電磁石に電流を供給するステップでは、
前記回転体に作用する重力と前記一対の第２電磁石から前記回転体に作用する磁気吸引力とが相殺するように、前記一対の第２電磁石それぞれに前記第２バイアス電流を供給し、
前記一対の第２電磁石のうち、前記地面から遠い方に配置された第２電磁石に供給する第２バイアス電流をＩｂｉａｓｖ１［ｔ］、地面に近い方に配置された第２電磁石に供給する前記第２バイアス電流をＩｂｉａｓｖ２［ｔ］、前記回転軸方向における第２電磁石と前記回転体との間の距離をＷ、前記回転体の質量をｍ、重力加速度をｇ、磁気吸引力定数をＫ、バイアスパラメータをγｖ［ｔ］とすると、下記式（４）および（５）の関係式が成立するように、前記一対の第２電磁石それぞれに前記第２バイアス電流を供給する
磁気軸受装置のバイアス電流制御方法。
- 前記磁気軸受装置は、前記回転体の回転軸に直交する一方向において前記回転体を両側から挟むように配置された一対の第１電磁石を有するラジアル磁気軸受を更に備え、
第１バイアス電流に、前記回転体の前記回転軸に直交する方向における第１変位に応じて適応的に変化する第１制御電流を重畳してなる第１励磁電流を、前記第１電磁石に供給するステップと、
前記第１変位の増加に伴い、前記第１バイアス電流を増加させるステップと、
前記第１変位の減少に伴い、前記第１バイアス電流を減少させるステップと、
を更に含む請求項７に記載の磁気軸受装置のバイアス電流制御方法。 - 回転体と、
前記回転体の回転軸方向において前記回転体を両側から挟むように配置された一対の第２電磁石を有するアキシアル磁気軸受と、
第２バイアス電流に、前記回転体の前記回転軸方向における第２変位に応じて適応的に変化する第２制御電流を重畳してなる第２励磁電流を、前記第２電磁石に供給することにより、前記第２変位を制御する励磁電流制御部と、を備え、
前記回転体は、前記回転軸が鉛直方向を向くように配置され、
前記励磁電流制御部は、更に、前記第２変位の増加に伴い、前記第２バイアス電流を増加させるとともに、前記第２変位の減少に伴い、前記第２バイアス電流を減少させる可変バイアス電流制御を行い、
前記励磁電流制御部は、前記回転体に作用する重力と前記一対の第２電磁石から前記回転体に作用する磁気吸引力とが相殺するように、前記一対の第２電磁石それぞれに前記第２バイアス電流を供給し、
前記励磁電流制御部は、前記一対の第２電磁石のうち、前記地面から遠い方に配置された第２電磁石に供給する第２バイアス電流をＩｂｉａｓｖ１［ｔ］、地面に近い方に配置された第２電磁石に供給する前記第２バイアス電流をＩｂｉａｓｖ２［ｔ］、前記回転軸方向における第２電磁石と前記回転体との間の距離をＷ、前記回転体の質量をｍ、重力加速度をｇ、磁気吸引力定数をＫ、バイアスパラメータをγｖ［ｔ］とすると、下記式（６）および（７）の関係式が成立するように、前記一対の第２電磁石それぞれに前記第２バイアス電流を供給する
磁気軸受装置。
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