JPH04282020A - 磁気軸受制御装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ターボ分子ポンプ、高
速遠心分離機等の回転軸の動的不釣り合いによる回転数
に同期した周波数成分以外の成分を含まないで回転駆動
される装置に好適な磁気軸受制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、動的不釣り合いのある回転軸が
、軸−軸受系で構成される振動系の固有振動数以上の回
転数で回転するときは、慣性軸を中心に回転しようとす
る。

【０００３】これを幾何学的形状の中心軸回りで回転さ
せようとすると、幾何学的中心軸と慣性軸とのズレに相
当する振れを検出して制御することになり、軸受の制御
反力が大きくなって振動が大きくなったり、サーボ回路
が飽和して適正な制御が行われないという不都合を生じ
る。

【０００４】この不都合を解消するために従来は、振動
系の固有振動数以上の回転数で回転するときは、慣性軸
を中心に回転させるために、特開昭５２−９３８５２号
公報（以下、従来例と称す）に記載された制御方法が提
案されている。

【０００５】この従来例は、磁気軸受のローターの半径
方向の位置を検出する手段からの検出信号に応じて捲線
への供給電流を制御する回路を有するサーボ回路を備え
、このサーボ回路はローター回転速度の周波数に中心を
置く少なくとも１個の帯域消去フィルタ（ノッチフィル
タ）をもち、前記検出手段から供給される検出信号を濾
過する手段を検出手段と制御回路との間に備えた構成を
有し、これによって回転数に追従して、回転数に同期し
た周波数に対して帯域消去フィルタを使用し、偏心成分
の信号を除去するようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の磁気軸受制御装置にあっては、帯域消去フィルタを
使用して広範囲の周波数領域において偏心成分の信号を
除去して、回転軸を慣性軸と一致させるようにしている
ので、サーボ回路の直流電圧として高電圧が必要となる
と共に、サーボ回路を構成するオペアンプ等も高耐電圧
化する必要があって制御装置の構成が複雑となるうえ、
フィルタとしてもノッチフィルタを必要とするので、全
体の装置が高価となるという未解決の課題があった。

【０００７】そこで、本発明は、上記従来例の未解決の
課題に着目してなされたものであり、簡単な構成で廉価
な磁気軸受制御装置を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る磁気軸受制御装置は、回転軸を非接触
で位置調整可能に支持する電磁アクチュエータと、回転
軸の変位を検出する変位検出手段と、該変位検出手段の
変位検出値と予め設定した基準位置との偏差を算出する
偏差算出手段と、該偏差算出手段の偏差に基づいて前記
電磁アクチュエータの通電電流を制御する通電制御手段
とを備えた磁気軸受制御装置において、前記変位検出手
段と偏差算出手段との間に軸−軸受系の剛体モードにお
ける２次共振点の１．５倍の周波数以上の周波数成分を
除去するローパスフィルタを介挿したことを特徴として
いる。

【０００９】

【作用】本発明においては、変位検出手段の変位検出値
を、ローパスフィルタに供給して、軸−軸受系の剛体モ
ードにおける２次共振点の１．５倍の周波数以上の周波
数成分を減衰除去し２次共振点の１．５倍の周波数未満
の周波数成分を抽出し、これを偏差算出手段に供給して
予め設定した基準位置との偏差を算出するため、２次共
振点の１．５倍の周波数未満の回転数領域では回転軸を
幾何学的形状中心軸回りに制御して回転させ、２次共振
点の１．５倍の周波数以上の回転数領域では慣性軸回り
の回転を許容する。

【００１０】ここで、ローパスフィルタの周波数成分を
２次共振点の１．５倍以上に設定したのは、回転軸の振
動状態が回転軸の動的不釣り合いによる回転数に同期し
た周波数成分しか持たないターボ分子ポンプや高速遠心
分離機などに適用する磁気軸受装置では、基本的には回
転軸が軸−軸受系の剛体モードの２次共振点を通過する
までの間は、磁気軸受は回転軸を幾何学的形状中心軸回
りに制御して回転させる必要があり、２次共振点を越え
た回転数領域では、回転軸がその慣性軸回りに回転する
のを妨げないように、回転数に同期する周波数成分の情
報を通電制御手段に伝達しないようにすればよいが、現
実には２次共振点を越えた間近の周波数では、未だ振動
振幅が大きく、磁気軸受が回転軸の幾何学的形状中心軸
回りに制御する必要があるからである。

【００１１】このように、２次共振点の１．５倍の周波
数以上の回転数領域では回転軸の幾何学的形状中心軸回
りの制御を中止することにより、通電制御手段を構成す
るサーボ回路の直流電圧を低く抑えることができ、サー
ボ回路を構成するオペアンプ等を耐電圧の低いものを使
用することがで可能となり、さらに複雑なノッチフィル
タを必要としないので、安価で信頼性の高い磁気軸受制
御装置を構成することができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は、本発明の一実施例を示す概略構成図であ
り、１はターボ分子ポンプ、高速遠心分離機等の回転軸
である。この回転軸１には、図示しないが軸方向の所定
距離離間した位置に夫々軸方向と直交する面内における
直交軸上に回転軸１の軸と直交する方向の位置を制御す
る４つの電磁石が個別に対向配設されていると共に、軸
方向端面の少なくとも一方に、回転軸１の軸方向の位置
を制御する電磁石が対向配設され、これら電磁石の電磁
力を制御することにより、回転軸を非接触状態で支持す
る。なお、図１では、回転軸１の上部側の水平方向位置
を制御するために回転軸１を挟んで相対向する２つの電
磁石２Ａ，２Ｂのみが示されている。

【００１３】また、固定部には、電磁石２Ａ，２Ｂによ
って位置制御される回転軸１の幾何学的形状中心軸に対
する変位を検出し、アナログ電圧でなる変位検出信号を
出力する変位センサ３が配設され、この変位センサ３か
ら出力される変位検出信号がローパスフィルタ４に入力
される。このローパスフィルタ４は、図２に示すように
、カットオフ周波数が回転軸とこれを支持する磁気軸受
とで構成される軸−軸受系の剛体モードの２次共振点の
１．５倍の周波数に設定され、したがって、変位検出信
号に含まれるカットオフ周波数近傍以上の周波数成分に
ついては減衰乃至遮断される。

【００１４】このローパスフィルタ４で抽出されたカッ
トオフ周波数未満の周波数成分でなる変位検出信号が、
フィードバック信号として減算器５に供給される。この
減算器５には、予め設定された幾何学的形状中心軸に対
する基準位置を表す基準位置信号が入力されており、位
置検出信号と基準位置信号との差値でなる位置偏差信号
εＰ　を算出する。この位置偏差信号εＰ　は、電磁石
２Ａに対する通電電流を制御する通電制御装置６に入力
される。

【００１５】この通電制御装置６は、直流サーボ回路の
構成を有し、例えば位置偏差信号εＰ　に比例、積分、
微分演算を施し、これをサーボアンプで増幅した値を電
流値に変換することにより、変位検出信号が零となるよ
うな電磁石２Ａに対する通電電流値を設定し、これを電
磁石２Ａに供給する。

【００１６】次に、上記実施例の動作を説明する。今、
回転軸１の振動状態が回転軸の動的不釣り合いによる回
転数に同期した周波数成分が軸−軸受系の剛体モードの
２次共振点未満の周波数であるときには、この振動状態
に応じた変位検出信号が変位センサ３から出力され、こ
れが全てローパスフィルタ４を通過して減算器５に入力
される。このため、減算器５で基準位置信号と変位検出
信号との差値でなる位置偏差信号εＰ　が算出され、こ
れが通電制御装置６に入力されることにより、通電制御
装置６で変位検出信号を零とする通電電流値が設定され
、この通電電流値が電磁石２Ａに供給される。この結果
、回転軸１は、変位センサ３の変位検出信号が零となる
ように位置制御されることになり、幾何学的形状中心軸
回りに回転することになる。

【００１７】そして、回転軸１の動的不釣り合いによる
回転数に同期した周波数成分が軸−軸受系の剛体モード
の２次共振点以上の周波数となったときには、ローパス
フィルタ４の通過域にある場合には、上記と同様に変位
検出信号が全て通過するので、回転軸１が幾何学的形状
中心軸回りに位置制御されるが、周波数成分がローパス
フィルタ４の通過域を越えて阻止域との間の遷移域とな
ると、周波数の増加に伴って変位検出信号の減衰量が多
くなり、阻止域に達するとその周波数成分の通過が完全
に阻止されることになる。このため、この遷移域から阻
止域にかけての周波数成分については、減算器５に入力
される変位検出信号が減衰乃至阻止されて回転軸１の振
動情報が入力されないことになるので、減算器５から出
力される位置偏差信号εＰ　は剛体モードの２次共振点
以下の変位信号成分となり、それが通電制御装置６に送
られて通電制御装置６から出力される通電電流は回転軸
１を慣性主軸位置に直流的に位置制御し、回転軸１は慣
性軸回りに回転することになる。

【００１８】ところが、本発明が制御対象とするターボ
分子ポンプや高速遠心分離機などの磁気軸受装置では、
種々の実験を行った結果、回転軸の振動状態が回転軸の
動的不釣り合いによる回転数に同期した周波数成分しか
持たず、回転数成分の周波数以上の周波数成分まで制御
の対象とする必要がないことが判明した。このため、タ
ーボ分子ポンプや高速遠心分離機等の磁気軸受装置では
、基本的には回転軸が軸−軸受系の剛体モードの２次共
振点を通過するまでは、磁気軸受は回転軸を幾何学的形
状中心軸回りに回転させる必要があるが、２次共振点を
越えた回転数領域では、回転軸がその慣性軸回りに回転
するのを妨げないように、回転数に同期する周波数成分
の情報は通電制御装置６に伝達しないようにすればよい
。しかしながら、現実には軸−軸受系の剛体モードの２
次共振点を越えた直後の周波数では、未だ振動振幅が大
きく、磁気軸受が回転軸１の幾何学的形状中心軸回りに
制御する必要があり、しかもローパスフィルタのカット
オフ周波数では、伝達される信号が３デシベル減衰され
た状態となるので、カットオフ周波数を軸−軸受系の剛
体モードの２次共振点の１．５倍以上に設定することに
より、回転軸の振動状態が回転軸の動的釣合いによる回
転数に同期した周波数成分した持たない装置に適用する
磁気軸受装置としては必要充分な性能を発揮することが
できる。

【００１９】因みに、切削加工機の切削工具を保持した
回転軸のように、回転軸の振動状態は回転数成分及びそ
の整数倍の周波数成分だけでなく、切削加工に伴う高周
波成分まで含む場合には、回転軸を慣性軸回りに回転さ
せて磁気軸受制御するときに前述した従来例のように回
転数成分の周波数以上の周波数成分まで制御の対象とす
る必要があり、通電制御装置を構成するサーボ回路の直
流電圧を高くすると共にサーボ回路を構成するオペアン
プの耐電圧を高くする必要があり、且つ複雑なノッチフ
ィルタを使用する必要があり、製作コストが嵩むことに
なる。

【００２０】ところが、本発明の適用対象ではこのよう
な必要がない。本発明では、軸−軸受系の剛体モードの
２次共振点の１．５倍以上の周波数成分を除去するロー
パスフィルタを設けているので、通電制御装置のサーボ
回路の直流電圧を低くすることができると共に、サーボ
回路を構成するオペアンプの耐電圧を低くすることがで
き、しかも簡易な構成のローパスフィルタを適用し得る
ので、製作コストを大幅に低減することができる。

【００２１】なお、上記実施例においては、電磁アクチ
ュエータとして電磁石を適用した場合について説明した
が、これに限定されるものではなく、通電電流によって
電磁力を変化可能なアクチュエータであればよいもので
ある。

【００２２】また、上記実施例においては、回転軸１が
垂直方向に配置されている場合について説明したが、こ
れに限らず水平方向に配置されている場合にも本発明を
適用し得ることは言うまでもない。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る磁気
軸受制御装置は、変位検出手段と、この変位検出手段の
変位検出値と基準値との偏差を算出する偏差算出手段と
の間に軸−軸受系の剛体モードの２次共振点の１．５倍
の周波数以上の周波数成分を除去するローパスフィルタ
を介挿した構成としたので、２次共振点の１．５倍の周
波数未満の回転数領域でのみ回転軸を幾何学的形状中心
軸回りに制御し、これ以上の回転数領域での幾何学的形
状中心軸回りの制御を中止することにより、通電制御手
段を構成するサーボ回路の直流電圧を低く抑えることが
できると共に、サーボ回路を構成するオペアンプ等の耐
電圧も低くすることができき、しかも簡易なローパスフ
ィルタを使用するだけでよく、複雑なノッチフィルタを
必要としないので、安価で信頼性の高い磁気軸受制御装
置を構成することができる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す概略構成図である。

【図２】本発明に適用し得るローパスフィルタの伝達関
数を示すグラフである。

【符号の説明】

１　　　　回転軸 ２Ａ，２Ｂ　　　　電磁石 ３　　　　変位センサ ４　　　　ローパスフィルタ ５　　　　減算器 ６　　　　通電制御装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　回転軸を非接触で位置調整可能に支持
   する電磁アクチュエータと、回転軸の変位を検出する変
   位検出手段と、該変位検出手段の変位検出値と予め設定
   した基準位置との偏差を算出する偏差算出手段と、該偏
   差算出手段の偏差に基づいて前記電磁アクチュエータの
   通電電流を制御する通電制御手段とを備えた磁気軸受制
   御装置において、前記変位検出手段と偏差算出手段との
   間に軸−軸受系の剛体モードにおける２次共振点の１．
   ５倍の周波数以上の周波数成分を除去するローパスフィ
   ルタを介挿したことを特徴とする磁気軸受制御装置。