JPH02286910A - 磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的コ （産業上の利用分！１１ｆ） 本発明は、回転軸の位置を検出２：；により険出し、そ
の検出出力に基いて電磁石に制御信号をｌｊえることに
より、回転軸を基準位置に非接触状態で保持するように
した磁気軸受装置に関する。

（従来の技術） 従来、この種の磁気軸受装置としては、例えば第３図に
示すようなものがある。

即ち、１はモータ等の回転軸であり、２ａ、３ａ、２ｂ
、３ｂはこの回転軸１を図示の基準位置に非接触状態で
保持するためのｉＩｉ　１ｉｆｔ石である。この場合、
回転軸１の回転中心Ｏで直交するＸ輔及びＹ軸を想定し
たとき、電磁石２ａ、　　３ａはＸ軸上で回転軸１を挾
んで対向するように配置され、電磁石２ｂ、’ｌｂはＹ
軸上で回転軸１を挾んで対向するように配置されている
。４ａ、４ｂは検出器であり、これらは夫々Ｘ軸、Ｙ軸
上に配置され、電磁石２ａ、２ｂから夫々の軸方向に沿
った回転軸１までの距離を検出するものである。５ａは
Ｘ軸方向の制御を行なう制御回路であり、これは次のよ
うに構成されている。即ち、６ａは回転軸１の基準位置
に対応する信号を出力する位置設定器であり、７ａはこ
の位置設定器６ａ及び検出器４ａから信号が与えられる
位置１−差発生器であり、これらの信号に基いて回転軸
１の基■位置からの偏、差に相当する偏差信号を出力す
るもの”である。

８ａは位相補償回路であり、これは、位置偏差発生器７
ａからの偏差信号に基いてＰ、１．Ｄ（比例積分微分）
等の処理により位相補償を行ない、これを制＠Ｊ錫号と
して電力増幅器９ａ、１０ａを夫々介して電磁石２ａ、
３ａの励磁コイル１１ａ。

１２ａに与えるようになっている。尚、５ｂはＹ軸方向
の制御を行なう制御回路であり、制御回路５ａと全く同
様の構成となっており、検出器４ｂから与えられる信号
に基いて制御信号を出力し電磁石２ｂ、３ｂの励磁コイ
ル１１ｂ、１２ｂに与えるようになっている。

このような構成により、回転軸１のＸ方向、Ｙ方向の変
位に対して、制御回路５ａ、５ｂは検出器４ａ、４ｂの
検出出力に基づいて回転ｆｉｌｌ　１を基準位置に修１
Ｅすべく制御信号を電磁石２ａ、３ａ。

２ｂ、３ｂの励磁コイルＩｌａ、１２ａ、１１．ｂ。

１２ｂに与えるようになる。この結果、回転軸］は非接
触状態で基準位置に保持されるものである。

（発明が解決しようとする課題） ところで、このような制御回路５ａ、５ｂにおいては、
その構成を簡単にするため、７は磁石２ａ、３ａ、　　
２ｂ、３ｂの非線形要素を線形化して取扱い、Ｐ、Ｉ、
Ｄ処理の定数を決めて制御を行なうことが一般的となっ
ている。即ち、例えば電磁石の励磁７に流に対する電磁
力、磁速密度に対する透磁率の変化等の非線形要素は、
運転中の回転軸１の変位が小さいことから、線形化して
取扱っても回転軸１の安定した制御に支障をきたすこと
がないからである。

しかしながら、このような従来構成のものでは７上述の
ように運転中の場合には支障なく制御が行なわれるが、
磁気軸受装置の起動時或は停止１°時においても同様の
処理によって制御されることにＩ↓す、停止し一位置で
ある図示しないタッチダウンベアリングに支持された位
置と基準位置との間での大きな変位にχ・１して、回転
軸１は急激に移動すべく制御される。これにより、起動
時には、１１位置近傍での回転軸１の振動が長く続いて
安定な状態になるまでに時間がかかってしまい、また停
止時には回転軸１がタッチダウンベアリングに落下する
ためその衝撃で損傷する虞があるという問題があった。

　このような問題を解決するために、起動時及び停止時
にはその設定を急激に行わず徐々に変化させるように設
定することが考えられる。しかし、回転軸１が縦軸配置
となるような形態で使用される場合には、起動時に回転
軸が検出器側に停止していないことがあり、このときに
は上記のような設定がかえって逆効果となり、激しい偏
差が生じるため振動を起こしてしまう。従って、回転軸
の停止位置に条件がつくことになってしまうという問題
があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その
目的は、回転軸の停止位置に拘らず回転軸の起動時にお
ける振動を防止すると共に停止時における回転軸支持部
祠への衝撃を極力低ドし得る磁気軸受装置を提１」（す
るにある。

［発明の（１−１成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、回転軸を自身と所定の基苧距離を存した基準
位置に非接触状態で保持するだめの電磁石を備え、この
電磁石の電磁力を制御（６号のレベルにより制御するよ
うにした磁気軸受装置をχ・ｌ象とし、前記回転軸及び
電磁石間の距離を検出する検出器、及びこの検出器の検
出出力に基づいて決定した制御信号を前記電磁石に与え
ることにより前記回転軸を前記基準位置に保持する位置
制御ｆｌｔ１手段、並びに前記検出器による検出距離が
前記基■距離より大きいときに検知信号を発生する比較
回路を設けた上で、前記位置制御手段を、前記電磁石の
起動時及び停止時における前記回転軸のＦ多動に際して
前記制御信号のレベルを所定時間を以て徐々に変化させ
ると共に、その変化方向を前記検知信号の有無に応じて
反転させるように（１′４成したところに特徴を有する
。

（作用） 本発明の磁気軸受装置によれば、電磁石の起動時におい
て、回転軸の検出距離が基準距離以下の場合には比較回
路から検知信号は出力されず、位置制御手段は回転軸を
基準位置へ移動させるための制御信号のレベルを所定時
間を以て徐々に変化させながら電磁石に与える。これに
より回転軸は基準位置に徐々に移動して非接触状態で保
持されるようになり、従って、振動を起こすことなく速
やかに安定する。また、回転軸の検出距離が基準距離よ
りも大きい場合には比較回路から検知信号が出力され、
位置制御手段は回転軸をｇｔ％位置へ移動させるための
制御信号のレベルを反転させて大きいほうから徐々に変
化させながら電磁石にり、える。これにより、回転軸が
検出器から遠い位置に停止しているときでも徐々に基ｆ
　（ｓｈ置に移動され、従って、振動を起こすことなく
速やかに安定する。この後、回転軸の保持動作中におい
ては、位置制御手段による電磁石の吸引力制御により回
転軸が非接触状態で基〆’１”　ＩＭ置に保持される。

一方、電磁石の通電停止１−時においては、位置制御手
段は電磁石に与える制御信号のレベルを所定時間を以て
徐々に低下させていく。これにより、回転軸は急激に落
下することなく例えばタッチダウンベアリングのような
回転軸支持部祠に静かに接触するようになり、従って、
接触時の衝撃がなく回転軸等が損傷することがない。

（実施例） 以下、本発明をラジアル形の磁気軸受装置に適用した一
実施例について第１図及び第２図を参照しながら説明す
る。

全体構成を示す第１図において、２１はモータ等の回転
軸であり、これは停止中には図示しないタッチダウンベ
アリングに接触状態で保持されるようになっている。２
２ａ、２３ａ、　　２２ｂ、２３ｂはこの回転軸２１を
図示の基■位置に非接触状態で保持するための電磁石で
ある。この場合、回転軸２］の回転中心Ｏで直交するＸ
輔及びＹ軸を想定したとき、電磁石２２ａ、２３ａはＸ
軸上で回転軸２１を挾んで対向するように配置され、電
磁石２２ｂ、２３ｂはＹ軸」−で回転軸２１を挾んで対
向するように配置されている。２４ａ、２４ｂは検出器
であり、これらは夫々Ｘ軸、Ｙ軸上に配置され、電磁石
２２ａ、２２ｂから夫々の軸方向に沿った回転軸２１ま
での距離を検出して検出１立置信号Ｓｌａ、Ｓｌｂを出
力するものである。

さて、２５ａ、２５ｂは軸受制御部で、これらは同様の
構成となっており夫々位置制御手段たる位置制御回路２
６ａ、２６ｂ及び比較回路２７ａ。

２７ｂから構成されている。以ド、その６部の構成を、
Ｘ軸方向の制御系統には添字ａを付し、Ｙ軸方向の制御
系統には添字すを付して示すものとし、その詳細をＸ軸
方向の制御系統即ち軸受制御部２５　ａの＄１４成につ
いてのみ述べる。

まず、位置制御回路２６ａにおいて、２８ａは図示しな
い直流電源に接続された起動スイッチで、電源の投入に
応じてオンされるようになっている。

２９ａはこの起動スイッチ２８ａを介して電源が与えら
れる比較信号発生回路で、通電に応じて基僧位置までの
距＃Ｅ（基準距離）に相当するステップ状の比較信号Ｓ
２ａを出力する。比較回路２７ａは、検出器２４ａ及び
比較１ｉ号発生回路２９　Ｂから信号が与えられるもの
で、検出位置信号Ｓｌａと比較信号Ｓ２ａとを比較する
。そして検出位置信号Ｓ２＋ｔが大きい時、つまり検出
器２４Ｈによる検出距離が２！■距離よりも大きいとき
には検知信号Ｓ４ａを出力し、そうでないときにはゼロ
レベルの信号を出力するものである。３０ａは設定回路
で、これは例えば−次遅れ要素により所定時間Ｔか経過
する間に）に　阜距離に相当するレベルに達する設定信
号Ｓ４ａを出力するものである。３１ａは加算器で、こ
れは比較回路２７ａ、設定回路３０ａからの信号Ｓ３ａ
、Ｓ４ａを加算して合成１ｇ号Ｓ５ａとして出力するも
のである。３２ａは変換器で、加算器３１　ａから与え
られる合成信号Ｓ５ａの極性が正符号のときにはそのま
ま出力し、負符号のときには反転して変換信号Ｓｅａと
して出力するものである。３’３ａは制限回路で、変換
器３２　ａから与えられる信号ＳＧａにχ・１して所定
の上限値、下限値を超える部分をカッ！・して減算器゛
３４ａにｌ−ｊえるものである。この場合、制限回路３
３ａは、回転軸２１を過剰に大きく制御してタッチダウ
ンベアリングに接触してしまうことを防市するために設
けられているものである。減算器３４ａは、制限回路３
３ａを介して変換回路３２Ｂから与えられる設定位置信
号５ｆ３ａから前記検出器２４ａの検出位置信号Ｓｉｔ
を減算して偏差信号Ｓ７ａを出力する。

３５ａは位）ＩＩ補償回路で、これは減算器３４ａから
与えられる（−差信号Ｓ７＋１に基づいて位相補償を行
なって制御信号Ｓ　８ａ、　　Ｓ　９ａとして出力する
もので、これらの制御信号Ｓｅａ、Ｓ９ａは夫々電力増
幅器−４６ａ、３７ａを介して電磁石２２ａ、２３ａの
励磁コイル３８ａ、３Ｑａに与えられる。この場合、位
相補償回路゛３２ａはＰ、１．Ｄ方式等で信号変換処理
を行なうもので、電磁石２２ａ、２３ａにχ・すする非
線形要素を近似的に線形要素とみなしてその定数が設定
されている。

次に、上記構成の作用について第２図をも参照しながら
説明する。尚、作用についてもＸ軸方向及びＹ軸方向の
制御系統は全く同様に機能するので、以下Ｘ軸方向の制
御系統のみについて述べる。

まず、電源投入前の状態において、回転軸２１のそのと
きの停止位置が検出器２４Ｂに対して基僧距離よりも離
れている場合、つまり検出器２４ａの検出位置１６号Ｓ
ｌＨの値が基亭距離レベルの信号よりも大きい場合につ
いて述べる。

即ち、電源が役人され、これに応じて起動スイッチ２８
ａがオンすると、比較信号発生回路２０ａはバク距離に
相当するステップ状の比較信号５２１１を比較回路２７
ａに与える（第２図（ａ）参照）また、検出器２４ａは
回転軸２１に対する検出位置信号８１＋１を比較回路２
７ａに与える。比較回路２７ａは、検出位置信号Ｓｌａ
の値が比較信号Ｓ２１亀の値よりも大きいことに基づい
て、検知信号Ｓ３ａを出力する（第２図（ｂ）参照）。

この検知信号Ｓ３ａは、比較信号Ｓ２ａの振幅１直ｅに
対して２　（Ｑの振幅値２ｅで極性が負の値となってい
る。一方、設定回路３０ａは起動スイッチ２８ａのオン
に基づいて設定信号Ｓ４ａを出力する（第２図（ａ）参
照）。この設定信号Ｓ４ａは、所定時間Ｔが経過する間
に徐々に変化してバク距離に相当するレベルに達するも
ので、加’ｒｌ　器３１　ａにおいて上述の検知信号Ｓ
３ａと合成される。これにより、変換器′３２ａは、第
２図（ｃ）に示すような負極性の合成信号Ｓ５ａが与え
られるので、これを反転させて設定位置信号ＳＧａを出
力する（第２図（ｄ）参照）。

この結果、設定位置（、−号ＳＧａは、検知信号Ｓ３ａ
が出力されたときにはその値が２ｅから徐々に減少して
所定時間Ｔ経過の間に基ベヘ位置に相当するレベルの値
ｅに達するようになる。この後、設定位置信号Ｓ６ａは
、制限回路３３ａを介して減算器３４ａにｔｊ、えられ
る。減算器３４ａにおいては、設定位置信号Ｓ（＋Ｈ＋
の値から検出器２４ａからｌｊえられた検出位置信号Ｓ
Ｉ’＋ｔの値を減算し、回転軸２１の基準位置からの偏
差に相当する偏差信号Ｓ７ａとして出力する。この偏差
信号５７ｉｔは位相補償回路３５ａにおいて位相補償さ
れた後制御信号５８ａＳ９ａとして出力され、夫々電力
増幅器′３６ａ、３６ｂを介して電磁石２２ａ、２３ａ
の励磁コ・ｒル３８ａ、３８ｂに与えられる。従って、
位置制御回路２６ａにより、回転軸２１が検出器２４ａ
に対して基準位置よりも離れている場合には、これに応
じて大きい値から基準位置レベルに向かって徐々に変化
する（−差信号５７２１が出力され、回転軸２１は電磁
石２２ａ、２３ａの吸引力によりｉｌＪ　ｉ’ｌ’ｉ位
置に非接触状態で保持されるようになって、振動するこ
となく速やかに安定状態となる。この後、回転軸２１は
、７１ｉ　＆Ｉ！７．石２２ａ、２３ａの通電状態にお
いては、その吸引力を検出Ｔ６２４　ａの検出（立置信
号に基づいて位置制御回路２６ａにより制御されて基ヤ
位置に保持される。

また、回転軸２１が検出器２４に対して基準距離よりも
近い位置にある場合には、上述と異なり検出位置信号５
ｌｉｔはゼロに近い値となり、これにより比較回路２７
ａから検知信号Ｓ３ａは出力されずゼロレベルの信号５
３ａ−が出力される（第２図（ｂ）参照）。そして、設
定信号Ｓ４ａは加算器３１ａ、変換器３２ａを介して、
そのまま合成信号Ｓ５＋ｔ−から位置設定信号５ｆｉａ
　　に変換されて出力される（第２図（ｃ）、（ｄ）参
照）。つまり、位置設定（ａ　＋ｌＵＳ　［ｆｎ−はそ
の値がゼロから基■レベルに向かって所定時間Ｔの間に
徐々に変化するようになる。この結果、回転軸２１は、
上述と同様にして電磁石２２ａ、２′うａからの吸引力
により徐々に移動され、振動することなく速やかにＷ準
位置に非接触状態で保持されるようになる。

次に、図示しない電源がオフされたときには、起動スイ
ッチ２８ａもオフとなり、これに基づいて、設定回路３
０ａから出力される設定信号Ｓ４ａは、第２図（ｅ）に
示すように所定時間Ｔが経過する間に徐々に変化しなが
らゼロレベルに達するようになる。これにより、位置制
御回路２６ａは、前述と同様の信号処理を経て、電磁石
２２ａ、２３ａの吸引力を徐々に減少させるように制御
する。

この結果、回転軸２１は徐々に移動されて静かにタッチ
ダウンベアリングに接触するようになる。

従って、回転軸２１及びタッチダウンベアリングはその
接触時の衝撃がなくなり損傷することがなくなる。

このような本実施例によれば、回転軸２１が縦軸配置形
態で使用される場合に、その回転軸２１がどの位置に停
止していたとしても、比較回路２７ａ　（２７ｂ）によ
り検出器２４　ａ　（２４ｂ）の検出位置信号Ｓ　ｌａ
　（Ｓ　ｌｂ）が基僧距離レベルよりも大きいときには
検知信号５３ａ（Ｓ３ｂ）を出力し、位置制御回路２６
ａ　（２６ｂ）により、所定時間Ｔの間に徐々に変化す
る位置設定信号Ｓ　Ｇａ　（Ｓ　Ｏｂ）を出力して電磁
石２２　ａ　、　　２３ａ　（２２ｂ　、　　２３ｂ）
を制御するようにしたので、回転軸２１が急激に基準位
置に移動される従来と異なり、回転軸２１を振動させる
ことなく速やかに基準位置で安定させることができる。

また、停止時においても、位置設定信号を所定時間Ｔの
間に徐々に変化させて停止１−位置に相当するゼロレベ
ルに達するようにしたので、回転軸２１を電磁石２２ａ
、２３ａ（２２ｂ、２３ｂ）により、徐々に停止位置に
移動させることができ、急激に吸引力が断たれる従来と
異なり、タッチダウンベアリングに静かに接触させるこ
とができ、従って、回転軸２１及びタッチダウンベアリ
ングを損傷させることがなくなる。

尚、上記実施例は本発明をラジアル磁気軸受に適用した
場合について述べたが、これに限らず、例えばスラスト
磁気軸受等の磁気軸受全般に適用できる等、要旨を逸脱
しない範囲内で種々の変形が可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の磁気軸受装置によれば、
起動時に検出器による検出距離が基り距離より大きいと
きには、比較回路により検知信号を発生させ、この検知
信号に応じて位置制御手段により電磁石の吸引力を徐々
に変化させて回転軸をそのときの停！Ｌ位置から基■位
置に移動させるようにし、また、停止１４時においても
電磁石の吸引力を徐々に変化させなから停止位置に移動
させるようにした。これにより、回転軸は、起動時にお
いてどの位置にあっても徐々に基阜位置に移動されて振
動を起こすことなく速やかに安定し、また、停止時にお
いても徐々に停止位置に移動されて回転軸支持部材に静
かに接触し、回転軸及びその回転軸支持部材に接触時の
衝撃による損傷を与えることがなくなるという優れた効
果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の一実施例を示すもので、第
１図は全体構成図、第２図は位置制御回路内の各部にお
ける信号を示す作用説明図であり、第３図は従来例を示
す第１図相当図である。 図面中、２１は回転軸、２２ａ、２３ａ、２２ｂ　　２
３ｂは電磁石、２４ａ、２４ｂは検出器、２５ａ、２５
ｂは軸受制御部、２６ａ、２６ｂは位置制御回路（位置
制御手段）　、２７ａ、２７ｂは比較回路である。 代理人　弁理士　　則　近　　憲　１Ｇ同 第　　子 丸 健

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、回転軸を自身と所定の基準距離を存した基準位置に
   非接触状態で保持するための電磁石を備え、この電磁石
   の電磁力を制御信号のレベルにより制御するようにした
   磁気軸受装置において、前記回転軸及び電磁石間の距離
   を検出する検出器と、この検出器の検出出力に基づいて
   決定した制御信号を前記電磁石に与えることにより前記
   回転軸を前記基準位置に保持する位置制御手段と、前記
   検出器による検出距離が前記基準距離より大きいときに
   検知信号を発生する比較回路とを具備してなり、前記位
   置制御手段は、前記電磁石の起動時及び停止時における
   前記回転軸の移動に際して前記制御信号のレベルを所定
   時間を以て徐々に変化させると共に、その変化方向を前
   記検知信号の有無に応じて反転させるように構成されて
   いることを特徴とする磁気軸受装置。