JPH06173948A - 磁気軸受の磁気ダンパ装置及び磁気軸受装置 - Google Patents

磁気軸受の磁気ダンパ装置及び磁気軸受装置

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JPH06173948A
JPH06173948A JP33191392A JP33191392A JPH06173948A JP H06173948 A JPH06173948 A JP H06173948A JP 33191392 A JP33191392 A JP 33191392A JP 33191392 A JP33191392 A JP 33191392A JP H06173948 A JPH06173948 A JP H06173948A
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JP
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magnetic
rotor
permanent magnet
gap
conductor
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JP33191392A
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Osami Matsushita
修巳 松下
Mitsuo Yoneyama
光穂 米山
Naohiko Takahashi
直彦 高橋
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/02Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
    • F16F15/03Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using magnetic or electromagnetic means
    • F16F15/035Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using magnetic or electromagnetic means by use of eddy or induced-current damping

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁気軸受けロータの位置制御特性を向上させ
る。 【構成】 ロータ20に永久磁石3を固定し、空隙付き
の磁性体4a、4bで磁路を形成し、その空隙に静止し
た導電体円板2を挿入する。 【効果】 ロータ20が振動すると、永久磁石3の作る
磁界が円板2を切って円板2内に渦電流が発生し、これ
により振動は抑圧力を受ける。このため位置制御のフィ
ードバックゲインをより大きくとれる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、磁気軸受形ロータの磁
気ダンパ装置及び磁気軸受装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】能動形磁気軸受(以下、磁気軸受と呼
ぶ)は、多くの回転機械に利用されるようになってきて
いる。代表的なロータとしては、小形ではターボ真空ポ
ンプ、大形では遠心圧縮機がある。このような回転機械
の構成は、磁気軸受制御装置も含め、一般に図3のよう
なブロック線図で示される。ロータ20の左右に磁気軸
受電磁石21、22が配置され、そのすぐ近くでロータ
20の変位を変位センサ23、24で検出する。変位セ
ンサ23により検出された変位信号は制御器25へ入力
され、図の下部の拡大図で示すように基準信号との差が
比較器251でとられる。この差は信号処理回路252
で比例・積分などの処理を受けてパワーアンプ253、
254へ入力され、パワーアンプ253、254は電磁
石21を駆動する。同様に変位センサ24出力も制御器
26へ入力され、その出力より電磁石22が駆動され
る。ここで制御器26の構成は制御器25と同じであ
る。
【0003】この構成に於て、検出されたロータ位置が
軸受中立位置より下にあれば、信号処理回路252出力
は上側のパワーアンプ253のを駆動力を大きくし、軸
受の上部コイル側により大きい電流を流し、磁気吸引力
でロータ20を持ち上げる。又、ロータが中立位置より
上にあれば、下側のパワーアンプ254の出力を大きく
し、下側の電磁石コイルの磁気吸引力を大きくしてロー
タ20を引き下げる。このようにして、ロータ20を軸
受内の中立位置に保持するようにサーボフィードバック
制御が行われる。
【0004】このようなサーボフィードバック制御にお
いて、どのように電磁石コイルに電流を流し、中立位置
制御を行うかは、制御器の制御側、即ち信号処理回路2
52の動作によって決まる。一般に制御側としてはPI
D制御が用いられるので、振動制御、すなわちロータ2
0が振動しないように中立位置に保つには、このPID
制御の制御側の決め方が大切である。特に、何かのショ
ックでロータ20が中立位置からずれて振動した時に
は、この振動が減衰しながら、できるだけ短時間の内に
中立位置に戻るようにする必要があり、このためには比
例(P)および微分(D)のゲインを上げる必要があ
る。しかしこの場合、次の問題がある。
【0005】図4は振動周波数に対するサーボフィード
バック制御のゲイン及び位相特性を示しており、ロータ
が安定して磁気浮上している状態では、振動は剛体モー
ドになっている。この剛体モードより高い周波数域にあ
る高次曲げモードでは、ゲインが剛体モードの時より大
きくなる。したがって剛体モード付近の周波数でゲイン
を上げると、曲げモードのより高次のモードが発生する
高周波数領域ではより高ゲインになる。しかも、電子回
路の追従回路の能力不足も原因して、高周波数領域で高
ゲインになってしまった後にゲインが下がり始める。フ
ィードバックループでは、ゲインが下がり始めの周波数
領域では不減衰が付与されることを意味しているから、
高周波数領域では高ゲインの不減衰が付与されることに
なる。この振動がロータの持つ材料減衰により抑圧され
ないと高次曲げモードで発振することになる。従ってチ
ューニングと呼ばれる調整作業によって、材料減衰を越
えないように制御系のゲインが調整される。また、発振
をおこす周波数のみをノッチフィルターを用いて減衰さ
せるように電子回路を構成し、ループゲインを高くとる
ようにする方法もある。また図5あるいは図6に示した
ように、ロータ端部にメカニカルダンパを設けてロータ
の振動を抑止することもできる。図5ではロータ20の
内周側にOリング40(弾性体)を介して質量体41を
取り付け、図6ではロータ20の外周側にOリング50
を介して質量体51を取り付けている。ロータが振動す
ると、その振動は質量体41または51に伝幡し、ロー
タの振動エネルギーを質量体が吸収する。また、特開平
1−240791号は、ゴムを利用したダイナミックダ
ンパーの例を開示する。これは、図5や図6の例に類似
する。更に、特開平1−168018号は、固有振動域
でダンピング機能を果たす電気的フィルタを設けた例を
開示する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】チューニング作業によ
ってロータの材料減衰以下の範囲でゲイン調整を行って
いたのでは、十分なダンピングを与えられないことが多
い。また、ノッチフィルタを用いる方法では、ノッチフ
ィルタの中心周波数が温度などで変化するため、安定な
特性が得られない。また図5または図6に示したメカニ
カルダンパでは、質量体を回転体と一緒に回転させねば
ならず、強度上の問題や新たな不つりあいを発生すると
いう問題がある。特開平1−240791号も同様な問
題がある。またメカニカルダンパに代わって、亘理厚著
「機械振動」発行丸善、P.11に示されているような
通常の油シリンダを用いるのは、ダンパピストンが回転
軸に接触支承していなくてはならず、非接触支持を特徴
とする磁気軸受とは相いれない。特開平1−16801
8号は、電気的なフィルタでダンピング機能を果たすよ
うにしたものであるが、電気回路が複雑であり、機能的
にも充分なダンピング機能を得られないとの問題があ
る。
【0007】本発明の目的は、非接触で支承し、かつ十
分な減衰を付与できる磁気軸受けロータ用の磁気ダンパ
装置及び磁気軸受装置を提供するにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の目的は、磁気軸受
で非接触支承されたロータに固定して取り付けられた永
久磁石と、該永久磁石に固定されかつ該永久磁石の両極
の間に空隙を含む磁路を構成するように取り付けられた
磁性体と、上記空隙にその一部が挿入されかつ静止した
物体に固定して取り付けられた導電体とから磁気ダンパ
装置を構成することにより達成され、また磁気軸受で非
接触支承されたロータに固定して取り付けられた導電体
円板と、静止した物体に固定して取り付けられた永久磁
石と、該永久磁石に固定されて該永久磁石の両極の間に
空隙を含む磁路を形成しかつ上記空隙内に上記導電体円
板が位置するように構成された磁性体とから磁気ダンパ
装置を構成することにより達成される。
【0009】
【作用】ロータに振動が発生すると、導電体円板と磁性
体とが相対的に振動するから、導電体内に磁界変動によ
る渦電流が発生し、これによって振動に対する減衰力が
生じて振動を抑圧する。このためフィードバックループ
のゲインをより大きくとっても、高次モードでの発振が
抑えられるから、剛体モードに於けるゲインを従来より
も大きくでき、制御特性の向上及び調整作業の簡易化が
図れる。
【0010】
【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。図1
は本発明の磁気ダンパ装置の一実施例を示すもので、図
3に示したロータ20の右端部分に取り付けた例であ
る。即ち、ロータ20の端面に非磁性体のスリーブ1を
取りつけ、それに永久磁石3を抱かせる。回転体に磁石
を取付ける訳だから、回転強度を考え、しっかりと固定
する。そしてこの永久磁石3のN側とS側を磁性体(F
e材が良い)の円板4a,4bではさんで磁路を構成
し、その一部を空隙にしておく。この空隙部分に導電体
2(Cu材が良い)のドーナツ円を入れる。
【0011】この構成で、ロータ20が軸振動を起こす
と、ロータ端部に固定された円板4a、4bがロータ軸
に対して垂直な方向に振動するから、空隙の間の磁界が
導電体2に対して相対的に移動し、これによって渦電流
が導電体内に発生し、ダンピング力が生じる。このダン
ピング力を表す減衰定数Cは(数1)で与えられる。
【数1】 C=(3.2t/(F・f・g))・Am・L・10-3 ただしFは漏洩係数(1〜10)、fは磁気抵抗係数
(1.2〜1.5)であり、また図1に示したようにtは
導電体円板の厚さ、gは磁気ギャップ、Lは磁石極間距
離であり、Amは円板4aまたは4bを図1の面に垂直
に切った断面の面積、即ち磁石極面積である。ここで、
円板4a、4bとしてネオ磁石(Na/Fe/B焼結磁
石)を用い、F=2.5,f=1.2、t=4mm、g=5
mm、Am=9.4cm2(φ20−φ40)、L=1cmとす
れば、
【数2】C=8×10ー3 kgf・s/cm を得る。このように、本実施例によれば、小さな減衰定
数しか生じないので、それだけでロータの振動を押える
力としては不十分であるが、制御系の発振防止には大い
に役立つ程度の力は発生し得る。即ち、従来技術で述べ
たような制御系のチューニングで、高次モードでの発振
が生じないゲインの範囲が広くなり、制御特性の向上が
図れる。しかも構造上の新たな不安定を生じる心配もな
い。
【0012】図2は本発明の別の実施例を示すもので、
図3に示したロータ20の左端部に取り付けた例であ
る。本実施例では、永久磁石5及びそれを挟んで空隙付
き磁路を構成する円板7a、7bを静止側とし、空隙内
の導電体円板6をロータ20側に取り付ける。この例の
動作は図1の場合と同様であり、同じ効果が得られる。
【0013】なお、図1、2の実施例は、ロータの端面
に磁気ダンパを取り付けるものとしたが、端面に設置す
ると、どの振動モードに対しても効率よく減衰を付与で
きるからである。しかし、ロータ端面以外への取り付け
でも、十分な効果があり、本発明はこうした場合を排除
するものではない。又、ロータの磁気軸受の支承は、ロ
ータの一部を支承する場合も、ロータの全部を支承する
場合も含まれる。
【0014】
【発明の効果】本発明によれば、ロータを非接触支持の
ままで軸振動に安定な減衰を与えることができるので、
高次モードでの発振を生じない範囲でのゲイン調整可能
な範囲が拡大し、制御性能の向上が図れるとともに、調
整作業が簡単になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す図である。
【図2】本発明の一実施例を示す図である。
【図3】磁気軸受形回転機械のサーボフィードバック制
御系を示す図である。
【図4】サーボフィードバック制御系のPID制御時の
伝達関数を示す関数である。
【図5】メカニカルダンパを搭載したロータの例を示す
図である。
【図6】メカニカルダンパを搭載したロータの例を示す
図である。
【符号の説明】
1 スリーブ(非磁性体) 2 導電帯円板 3 永久磁石 4a 磁性体 4b 磁性体 5 永久磁石 6 導電体円板 7a 磁性体 7b 磁性体

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 磁気軸受で一部又は全部が非接触支承さ
    れたロータに固定して取り付けられた永久磁石と、該永
    久磁石に固定されかつ該永久磁石の両極の間に空隙を含
    む磁路を構成するように取り付けられた磁性体と、上記
    空隙にその一部が挿入されかつ静止した物体に固定して
    取り付けられた導電体とから成ることを特徴とする磁気
    ダンパ装置。
  2. 【請求項2】 前記永久磁石及び磁性体は、前記ロータ
    の端部に取り付けられたことを特徴とする請求項1記載
    の磁気ダンパ装置。
  3. 【請求項3】 磁気軸受で一部又は全部が非接触支承さ
    れたロータに固定して取り付けられた導電体円板と、静
    止した物体に固定して取り付けられた永久磁石と、該永
    久磁石に固定されて該永久磁石の両極の間に空隙を含む
    磁路を形成しかつ上記空隙内に上記導電体円板が位置す
    るように構成された磁性体とから成ることを特徴とする
    磁気ダンパ装置。
  4. 【請求項4】 前記導電体円板は、前記ロータの端部に
    取り付けられたことを特徴とする請求項3記載の磁気ダ
    ンパ装置。
  5. 【請求項5】 磁気軸受で非接触支承されたロータと、
    このロータに固定して取り付けられた永久磁石と、該永
    久磁石に固定されかつ該永久磁石の両極の間に空隙を含
    む磁路を構成するように取り付けられた磁性体と、上記
    空隙にその一部が挿入されかつ静止した物体に固定して
    取り付けられた導電体とから成ることを特徴とする磁気
    軸受装置。
  6. 【請求項6】 磁気軸受で非接触支承されたロータと、
    このロータに固定して取り付けられた導電体円板と、静
    止した物体に固定して取り付けられた永久磁石と、該永
    久磁石に固定されて該永久磁石の両極の間に空隙を含む
    磁路を形成しかつ上記空隙内に上記導電体円板が位置す
    るように構成された磁性体とから成ることを特徴とする
    磁気軸受装置。
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