JPH06249238A

JPH06249238A - 磁気軸受装置

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Publication number: JPH06249238A
Application number: JP3203093A
Authority: JP
Inventors: Satoru Fukada; 悟深田; Hirotomo Kamiyama; 拓知上山
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1993-02-22
Filing date: 1993-02-22
Publication date: 1994-09-06
Anticipated expiration: 2016-02-05
Also published as: EP0612928B1; JP3131671B2; EP0612928A1; DE69427171D1; DE69427171T2

Abstract

(57)【要約】【目的】電磁石の数を少なくして、コスト低減および
信頼性向上を図る。【構成】アキシアル方向に離隔した２箇所にアキシア
ル方向に関して互いに反対側を向くテーパ状の軸受面
５、６を形成した回転体１と、２箇所の軸受面５、６の
部分においてそれぞれ３個の電磁石7a、7b、7c、8a、8
b、8cにより回転体１を非接触支持する２組のアキシア
ル・ラジアル兼用磁気軸受２、３と、２組の磁気軸受
２、３の電磁石を制御する制御装置とを備える。制御装
置は、回転体１のアキシアル方向並進運動制御、ラジア
ル方向並進運動制御および重心Ｇ回りの傾斜運動制御を
互いに分離して行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、それぞれ複数個の電
磁石よりなる複数組の磁気軸受により回転体を非接触支
持する能動型（制御型）の磁気軸受装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の磁気軸受装置として、従来、１
組のアキシアル磁気軸受と２組のラジアル磁気軸受とを
備えた５軸制御型磁気軸受装置が知られている。

【０００３】この５軸制御型磁気軸受装置では、アキシ
アル磁気軸受は回転体のアキシアル方向に対向するよう
に配置された１対（２個）の電磁石よりなり、各ラジア
ル磁気軸受は回転体の円周方向に等間隔（９０度）をお
いて配置された２対（４個）の電磁石よりなる。すなわ
ち、アキシアル磁気軸受は合計２個の電磁石、ラジアル
磁気軸受は合計８個の電磁石で構成され、磁気軸受装置
全体が合計１０個の電磁石で構成されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
能動型磁気軸受装置では、電磁石の数が多く、これが磁
気軸受装置のコストが非常に高いことの主因となってい
る。また、電磁石の数が多いことは、電磁石系の故障率
の点から考えると、磁気軸受装置の信頼性の面で問題が
ある。

【０００５】この発明の目的は、上記の問題を解決し、
電磁石の数を少なくして、コスト低減および信頼性向上
が可能な磁気軸受装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の発明による磁気軸
受装置は、アキシアル方向に離隔した２箇所にアキシア
ル方向に関して互いに反対側を向くテーパ状の軸受面が
形成された回転体と、上記２箇所の軸受面の部分におい
て複数個の電磁石により回転体をアキシアル方向および
ラジアル方向に非接触支持する２組のアキシアル・ラジ
アル兼用磁気軸受と、回転体の重心のアキシアル方向変
位量、回転体の重心のラジアル方向変位量および回転体
の重心回りの傾斜量に基づいて上記２組の磁気軸受の電
磁石を制御する制御装置とを備えた磁気軸受装置におい
て、上記各磁気軸受が、軸受面の周囲に円周方向に所定
の間隔をおいて配置された３個の電磁石を備え、上記制
御装置が、回転体の重心のアキシアル方向変位量を０に
するアキシアル方向並進運動制御、回転体の重心のラジ
アル方向変位量を０にするラジアル方向並進運動制御お
よび回転体の重心回りの傾斜量を０にする傾斜運動制御
を互いに分離して行うことを特徴とするものである。

【０００７】第２の発明による磁気軸受装置は、アキシ
アル方向に離隔した２箇所にストレート状の軸受面が形
成された回転体と、上記２箇所の軸受面の部分において
複数個の電磁石により回転体をラジアル方向に非接触支
持する２組のラジアル磁気軸受と、回転体の重心のラジ
アル方向変位量および回転体の重心回りの傾斜量に基づ
いて上記２組のラジアル磁気軸受の電磁石を制御するラ
ジアル方向制御装置とを備えた磁気軸受装置において、
上記各ラジアル磁気軸受が、軸受面の周囲に円周方向に
所定の間隔をおいて配置された３個の電磁石を備え、上
記ラジアル方向制御装置が、回転体の重心のラジアル方
向変位量を０にするラジアル方向並進運動制御および回
転体の重心回りの傾斜量を０にする傾斜運動制御を互い
に分離して行うことを特徴とするものである。

【０００８】

【作用】第１の発明の場合、磁気軸受装置全体を６個の
電磁石で構成することができ、１０個の電磁石で構成さ
れた従来の磁気軸受装置に比べて、必要な電磁石の数が
４個減少する。また、制御装置が、回転体の重心のアキ
シアル方向変位量を０にするアキシアル方向並進運動制
御、回転体の重心のラジアル方向変位量を０にするラジ
アル方向並進運動制御および回転体の重心回りの傾斜量
を０にする傾斜運動制御を互いに分離して行うので、回
転体の重心のアキシアル方向並進運動制御、回転体の重
心のラジアル方向並進運動制御および回転体の重心回り
の傾斜運動の相互干渉がなくなる。

【０００９】第２の発明の場合、２組のラジアル磁気軸
受を６個の電磁石で構成することができ、ラジアル磁気
軸受が８個の電磁石で構成された従来の磁気軸受装置に
比べて、必要な電磁石の数が２個減少する。また、ラジ
アル方向制御装置が、回転体の重心のラジアル方向変位
量を０にするラジアル方向並進運動制御および回転体の
重心回りの傾斜量を０にする傾斜運動制御を互いに分離
して行うので、回転体の重心のラジアル方向並進運動制
御および回転体の重心回りの傾斜運動の相互干渉がなく
なる。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例に
ついて説明する。

【００１１】図１〜図３は、第１実施例を示している。

【００１２】図１は能動型磁気軸受装置の主要部の機械
的構成の１例を示し、図２は電気的構成の１例を示して
いる。なお、第１実施例の説明において、図１の上下を
上下とし、図１の左側を前、右側を後とする。また、前
から後を見たときの左右を左右とする。すなわち、図１
の紙面裏側を左、同表側を右とする。そして、前後方向
をｘ軸方向、左右方向をｙ軸方向、上下方向をｚ軸方向
とする。

【００１３】磁気軸受装置は、ｘ軸方向にのびる回転体
(1) と、回転体(1) をアキシアル方向（ｘ軸方向）およ
びラジアル方向に非接触支持する前後２組のアキシアル
・ラジアル兼用磁気軸受(2)(3)と、これらの磁気軸受
(2)(3)の電磁石電流を制御する制御装置(4) とを備えて
いる。前側のアキシアル・ラジアル兼用磁気軸受(2) を
前側磁気軸受、後側のアキシアル・ラジアル兼用磁気軸
受(3) を後側磁気軸受ということにする。

【００１４】回転体(1) は、たとえば、図示しない内蔵
型高周波モータにより高速回転させられる。回転体(1)
のアキシアル方向に離隔した前後２箇所に、アキシアル
方向に関して互いに反対方向を向くテーパ状の軸受面
(5)(6)が形成されている。前部軸受面(5) は外側斜め前
方を向き、後部軸受面(6) は外側斜め後方を向いてい
る。

【００１５】前側磁気軸受(2) は、前部軸受面(5) の下
方に対向状に配置された前側第１電磁石(7a)、前部軸受
面(5) の斜め右上方に対向状に配置された前側第２電磁
石(7b)および前部軸受面(5) の斜め左上方に対向状に配
置された前側第３電磁石(7c)より構成されている。後側
磁気軸受(3) も、同様に、後側第１電磁石(8a)、後側第
２電磁石(8b)および後側第３電磁石(8c)より構成されて
いる。ｙ−ｚ面と平行な横断面上において、各磁気軸受
(2)(3)の第１電磁石(7a)(8a)はｚ軸上に配置され、第２
電磁石(7b)(8b)と第３電磁石(7c)(8c)はｚ軸から反対方
向に同角度隔たるようにｚ軸に対して対称に配置されて
いる。

【００１６】回転体(1) の前部軸受面(5) の近傍に、回
転体(1) 前部のｚ軸方向の変位を検出するための上下１
対の前側ｚ軸方向位置センサ(10a)(10b)、および回転体
(1)前部のｙ軸方向の変位を検出するための左右１対の
前側ｙ軸方向位置センサ(11a)(11b)が設けられている。
回転体(1) の後部軸受面(6) の近傍に、回転体(1) 後部
のｚ軸方向の変位を検出するための上下１対の後側ｚ軸
方向位置センサ(12a)(12b)、および回転体(1) 後部のｙ
軸方向の変位を検出するための左右１対の後側ｙ軸方向
位置センサ(13a)(13b)が設けられている。回転体(1) の
前後両端部に、回転体(1) のｘ軸方向の変位を検出する
ための前後１対のｘ軸方向位置センサ(14a)(14b)が設け
られている。

【００１７】１対の前側ｚ軸方向位置センサ(10a)(10b)
の出力から減算器(15)により回転体(1) 前部のｚ軸方向
変位ｚ₁が求められ、１対の後側ｚ軸方向位置センサ(1
2a)(12b)の出力から減算器(16)により回転体(1) 後部の
ｚ軸方向変位ｚ₂が求められる。ｚ₁とｚ₂とから加算
器(17)により回転体(1) の重心(G) のｚ軸方向変位量ｚ
が求められる。ｚはｚ軸方向並進運動制御回路(18)に入
力し、この回路(18)からｚを０にするようなｚ軸方向並
進運動制御信号ｕ_zが運動分離制御回路(19)に入力す
る。また、ｚ₁とｚ₂とから減算器(20)により回転体
(1) のｘ−ｚ面内における重心(G) 回りの傾斜量（ｘ−
ｚ面内傾斜量）ｚ_Rが求められる。ｚ_Rはｘ−ｚ面内傾
斜運動制御回路(21)に入力し、この回路(21)からｚ_Rを
０にするようなｘ−ｚ面内傾斜運動制御信号ｕ_zRが運動
分離制御回路(19)に入力する。

【００１８】１対の前側ｙ軸方向位置センサ(11a)(11b)
の出力から減算器(22)により回転体(1) 前部のｙ軸方向
変位ｙ₁が求められ、１対の後側ｙ軸方向位置センサ(1
3a)(13b)の出力から減算器(23)により回転体(1) 後部の
ｙ軸方向変位ｙ₂が求められる。ｙ₁とｙ₂とから加算
器(24)により回転体(1) の重心(G) のｙ軸方向変位量ｙ
が求められる。ｙはｙ軸方向並進運動制御回路(25)に入
力し、この回路(25)からｙを０にするようなｙ軸方向並
進運動制御信号ｕ_yが運動分離制御回路(19)に入力す
る。また、ｙ₁とｙ₂とから減算器(26)により回転体
(1) のｘ−ｙ面内における重心(G) 回りの傾斜量（ｘ−
ｙ面内傾斜量）ｙ_Rが求められる。ｙ_Rはｘ−ｙ面内傾
斜運動制御回路(27)に入力し、この回路(27)からｙ_Rを
０にするようなｘ−ｙ面内傾斜運動制御信号ｕ_yRが運動
分離制御回路(19)に入力する。

【００１９】１対のｘ軸方向位置センサ(14a)(14b)の出
力から、減算器(28)により回転体(1) の重心(G) のｘ軸
方向変位量ｘが求められる。ｘはｘ軸方向並進運動制御
回路(29)に入力し、この回路(29)からｘを０にするよう
なｘ軸方向並進運動制御信号ｕ_xが運動分離制御回路(1
9)に入力する。

【００２０】各運動制御回路(18)(21)(25)(27)(29)とし
ては、たとえば、公知のＰＩＤ制御回路などが用いられ
る。

【００２１】運動分離制御回路(19)の構成の１例が図３
に示されている。ｕ_z、ｕ_zR、ｕ_y、ｕ_yRおよびｕ_xは
運動分離制御回路(19)の制御入力となり、運動分離制御
回路(19)は、これらの信号に基づいて、回転体(1) のｘ
軸方向並進運動、ｙ軸方向並進運動、ｘ−ｙ面内傾斜運
動、ｚ軸方向並進運動およびｘ−ｚ面内傾斜運動を互い
に分離するように、前側第１電磁石制御信号ｅ₁₁、前側
第２電磁石制御信号ｅ₁₂、前側第３電磁石制御信号
ｅ₁₃、後側第１電磁石制御信号ｅ₂₁、後側第２電磁石制
御信号ｅ₂₂および後側第３電磁石制御信号ｅ₂₃を出力す
る。ｅ₁₁は前側第１電磁石(7a)を駆動する電力増幅器(3
0)に、ｅ₁₂は前側第２電磁石(7b)を駆動する電力増幅器
(31)に、ｅ₁₃は前側第３電磁石(7c)を駆動する電力増幅
器(32)に、ｅ₂₁は後側第１電磁石(8a)を駆動する電力増
幅器(33)に、ｅ₂₂は後側第２電磁石(8b)を駆動する電力
増幅器(34)に、ｅ₂₃は後側第３電磁石(8c)を駆動する電
力増幅器(35)にそれぞれ入力する。

【００２２】なお、５つの各運動制御回路(18)(21)(25)
(27)(29)と運動分離制御回路(19)により、制御装置(4)
が構成されている。

【００２３】上記の磁気軸受装置では、制御装置(4) に
より回転体(1) の重心(G) のアキシアル方向変位量を０
にするアキシアル方向並進運動制御、回転体(1) の重心
(G)のラジアル方向変位量を０にするラジアル方向並進
運動制御および回転体(1) の重心(G) 回りの傾斜量を０
にする傾斜運動制御が互いに分離して行われるので、こ
れら各運動の間の相互干渉をなくすことができる。

【００２４】次に、図４〜図７を参照して、運動分離制
御回路(19)について説明する。ここでは、電磁石系の動
特性は全て等しいことを前提にする。そして、まず、軸
受系の線形化動特性モデルを解析的に導出する。次に、
制御入力の効果を分離して、近似的に非干渉制御系を実
現する方法を検討し、比較的簡単な構成法を説明する。

【００２５】本発明者は、日本機械学会論文集、C-58-5
51（1992-7）Ｐ75-82 に「コーン形磁気軸受系の線形化
動特性モデルと制御系の構成法」という論文を発表し
た。以下の説明におけるモデリングと制御系の構成法は
電磁石８個の場合の上記論文のそれに方法論としては類
似している。

【００２６】１．回転軸の運動方程式以下では取扱いを簡単にするために、軸受部の構造を次
のように定める。

【００２７】(S1) 電磁石ステータの配置は二つの軸受
部で同じで、二つのステータの取付方向（θ_a，０＜θ
_a＜９０°）は他の一つのステータ中心軸方向に関して
対称である（図５参照）。

【００２８】(S2) ステータ鉄心の方向角β_iと定常状
態の空隙長ｌ_oiはそれぞれの軸受部で等しい（図６参
照）。

【００２９】(S3) 電磁ロータ部はステータ部よりも軸
方向に少し長く作られており、許容される変位と姿勢変
化に対してロータ側の磁極面形状に変化は無いとする。

【００３０】(S4) すべての電磁石系の動特性は等し
い。

【００３１】上の条件の中で(S4)は一般的には無理があ
るが、位相補償を用いて特性を揃えることができるな
ど、実用的にはかなりの程度満たされる場合も多いと考
えられる。

【００３２】この説明において用いる記号と変数を以下
にまとめて記す。

【００３３】データ：ｍ：回転軸の質量ｍ_R：回転（傾斜）運動の等価質量＝Ｊ／Ｌ² ｍ_P：回転（傾斜）運動の等価質量＝Ｊ_P／Ｌ² Ｊ：回転軸の半径方向軸回りの慣性モーメントＪ_P：回転軸の極慣性モーメント ω：軸の回転角速度Ｌ_i：回転軸重心と軸受部中心間の距離Ｌ：＝（Ｌ₁＋Ｌ₂）／２Ｄ_i：軸受部中心のロータ直径ｌ_osi：鉄心の磁気抵抗を考慮した空隙長 α_i：ロータの円錐角度 β_i：ステータ鉄心の方向角度 θ_a：ステータの取付方向角度 μ_o：空気の透磁率＝４π×１０^-7Ｈ／ｍＡ_ij：磁極面積Ｎ_ij：電磁石コイルの巻数ｂ_ij：電磁石系の入出力係数Ｋ_Fij：電磁石１個の吸引力増分係数Ｔ_i：電磁石系の時定数Ｉ_ijo：電磁石コイルのバイアス電流変数：ｘ：回転軸重心の軸方向変位ｙ：同半径水平方向の変位ｚ：同半径垂直方向の変位ｙ_R：半径水平方向面（ｘ−ｙ平面）の傾斜変位＝Ｌθ，θは傾斜角ｚ_R：半径垂直方向面の傾斜変位＝Ｌφ，φは傾斜角ｅ_ij：軸受部ｉの電磁石系ｊへの制御入力ｑ_ij：電流の単位を持ち、磁束変動分に等価な変数ｄ_i（ｄ_x、ｄ_yなど）：電磁力以外の外力の変動分図４に運動を記述する座標系を示す。定常時の回転軸重
心を原点に、中心軸方向にｘ軸を、それと垂直な半径方
向に互いに垂直なｙ軸とｚ軸をとる。そして、ｙ軸負方
向回りの回転角をθ、そのときにｚ軸が向くｚ' 軸方向
回りの回転角をφとする。図には回転角速度と角運動量
および角運動量の回転による時間的変化を示す。

【００３４】図５に回転軸に働く電磁力の様子を示す。
簡単のために、３個の電磁石ステータの中で一つはその
中心線をｚ軸方向に一致させる。個々の電磁石部の変数
とデータを表すために、図のように、軸受部を区別する
ために第一下添え字を、３個の電磁石を区別するために
ｚ軸上を１、ｙ軸正方向側を２、ｙ軸負方向側を３とし
て第二下添え字を用いる。回転軸の運動方程式を求める
とき以下の仮定を置く。

【００３５】(A1) 回転軸の変位と姿勢変化角は十分小
さい。

【００３６】(A2) 電磁石の吸引力はステータの定常静
止時ロータ面への正射影面の中心に、面に垂直に働く。

【００３７】このとき、回転軸の剛体運動について以下
の式が得られる。

【００３８】

【数１】ここで、

【数２】なお、Ｄ_x、Ｄ_y、Ｄ_zは電磁石以外の外力、Ｍ_yとＭ
_zはそれらによって作られるモーメントである。

【００３９】以下では簡単のために、姿勢変化角を次式
で定義される変位量で置き換える。

【００４０】

【数３】これらの変位量は、対称な回転軸の場合には姿勢変化に
よる軸受部での変位を示す。このような置き換えはロー
タの変位状態が把握し易く、変位検出量をフィードバッ
クする際に角度に換算する必要がないなど取扱いに都合
がよい。

【００４１】上の電磁力の項はステータ鉄心が円周方向
にＣ形（図６参照）の場合には、鉄心の方向角β_iを考
慮に入れるのがより正確である。この補正は、上と同様
に吸引力の増分ｆ_iの方向をロータ磁極面に垂直にとる
と、ｃｏｓα_iをｃｏｓα_iｃｏｓβ_iで置き換えるこ
とでできる。このとき、変動分についての運動方程式は
以下のように求められる。

【００４２】

【数４】ここで、

【数５】ただし、ｉ＝１，２について、

【数６】式(23)で（Ｆ_ij）₀などの下添え字“０”付きは定常値
を示す。この式で与えられる係数の項は回転軸の姿勢変
化によるバイアス力の方向変化に基づくものである。

【００４３】２．線形化動特性モデル 2.1 電磁石系のモデル磁束の飽和はなく、ヒステリシスの影響は小さいとす
る。鉄心にソリッド形が使用される場合を含めて、鉄心
の渦電流の影響を一次の項まで考慮した場合、それぞれ
の電磁石の吸引力の一次の増分は以下のように表され
る。

【００４４】

【数７】ここで、ｇ₁（Ｄ）、ｇ₂（Ｄ）は微分演算子Ｄを用い
て以下に定義される微分演算式である。

【００４５】

【数８】ただし、Ｔ_e、Ｔ、Ｔ_sは時定数で、すべての電磁石系
で等しいとする（構造条件(S4)）。Δｌ_ijは空隙長の変
動分である。係数は以下のように与えられる。

【００４６】

【数９】ここで、Ｆ_ijoはバイアス吸引力である。

【００４７】2.2 空隙長の近似表現図７のように軸受部中心面上で、ロータがｙ、ｚ軸方向
に軸受中心からそれぞれｙ' 、ｚ' 変位したとする。た
だし、これらの変位は十分小さいとする。このとき、第
３のステータに対しては、ロータ磁極面の中心点Ｃは点
Ｃ₁に移動するが、移動後のロータ磁極面の中心は点
Ｃ' 付近に移ると考えられる。磁力線はロータ面に垂直
になり、この状態での平均的な磁極間距離を求めるのは
非常に複雑であるので、ここでは単純に、距離の変化を
点Ｃと点Ｃ₂間の距離で近似する。このとき、３個のス
テータとの距離変化は以下のように近似される。ただ
し、下添え字はステータの番号を示す。

【００４８】

【数１０】ステータ磁極が円周方向にＣ形の場合には、二つのステ
ータ磁極の中心線方向とそれについて対称な磁極方向と
の角度βを考慮すると、例えばΔｌ₃の平均は次のよう
に表されて、上式の関係をｃｏｓβ倍したもので近似さ
れる。

【００４９】

【数１１】ただし、ｙ₁、ｙ₂などはそれぞれのステータ部での変
位である。これらはロータの傾斜が関係するために厳密
には異なるが、それを考慮することによる差異は微小で
あるので、ステータ中心線部での変位ｙ' とｚ' で代表
させた。

【００５０】いま、ロータがｙ、ｚ軸方向にそれぞれ
ｙ、ｚ変位し、ｙ、ｚ軸回りにそれぞれ−θ、φ傾斜し
た場合を考える。このとき、左側軸受部でステータ３に
対する空隙長変化を、構造条件(S3)と条件(A1)のもとで
前記論文と同様にして、次のように近似する。

【００５１】

【数１２】ここで、係数は以下のように与えられる。

【００５２】

【数１３】上式を式(31)に代入し、ロータが軸方向にｘ変位した場
合の空隙長変化を加えて、左側軸受部でのステータ３と
ロータ磁極面の距離を次式で近似する。

【００５３】

【数１４】同様にして、軸受部ｉでのｊ番目のステータに関した空
隙長変化Δｌ_ijを以下のように近似する。

【００５４】

【数１５】ただし、Δｌ₁₁とΔｌ₂₁にはｐ_i1に磁極の方向角β_iを
考慮した。

【００５５】2.3 全体の動特性モデル上の結果を制御力の表示式に用いると全体の動特性モデ
ルが求められる。以下に使用する記号をまとめて記す。

【００５６】

【数１６】式(38)で定義されるｃ_Fijklaで同じ軸受部でのものｃ
_Fijika（ｉ＝１，２）は式(29)の関係と条件(S2)から、
バイアス吸引力の比を示す。

【００５７】例えば、式(19)は式(26)の関係を用いると
次のように表される。

【００５８】

【数１７】ここで、

【数１８】このとき、ｑ_yは次式で与えられる。

【００５９】

【数１９】ただし、

【数２０】同様にして制御力の表示式を求めると、全体の線形化動
特性は以下のようにまとめられる。

【００６０】

【数２１】ここで、

【数２２】また、制御入力変数は以下のように表される。

【００６１】

【数２３】ここで、

【数２４】以上のように、電磁石系の動特性が等しい場合には、見
かけの入力変数を用いて運動方程式を分離した形で表現
できる。ただし、制御力は、例えば式(46)と(51)からわ
かるように空隙変化の影響を受けるために、変位を介し
て干渉し合う。その干渉は片側４個の電磁石の場合より
も複雑である。

【００６２】３．制御系の構成前章で求めた運動方程式系は変位を介して干渉し合う
が、この干渉を無視した単一グループのフィードバック
制御系を構成しても、変位のゲインを十分に大きく選ぶ
ことができれば、実用的にはあまり問題にならない。無
視できない場合には、干渉を小さくするように、干渉を
与える変位のフィードバックを制御則に加えることが可
能である。このようなことから、前章の見かけの入力変
数を用いると、制御系の設計を近似的に分離できる。以
下では、前章のモデルに基づいて各運動系の制御則が与
えられたとして、個々の電磁石系への制御入力ｅ_ijをど
のように定めるかを検討する。

【００６３】実際の制御入力変数は６個で、ロータ運動
は５自由度系であるので、その中の一個は任意に選ぶこ
とができる。一般的には制御系を多変数系として取り扱
うことができるが、余分な入力を有効に活かす見通しの
良い基準は得られにくい。ここでは前記論文と同様に、
二つの軸受部が分担する、スラスト軸受の機能の割合を
定めることにこの任意性を利用する。

【００６４】式(58)と(59)の関係から、４個の実入力変
数は次のように表される。

【００６５】

【数２５】ここで、ｅ_y1とｅ_y2は式(56)から次式で与えられる。

【００６６】

【数２６】ｅ_yz1とｅ_yz2は後で定めることにする。また、式(57)
から、ｅ₁₁とｅ₂₁は次のように表される。

【００６７】

【数２７】ここで、

【数２８】以下では、実制御入力の係数演算をまとめ、また、その
特徴をより理解しやすくするために、以下の変数を用い
る。

【００６８】

【数２９】このとき、式(63)、(60)、(64)、(61)は以下のように表
される。

【００６９】

【数３０】ただし、ｃ_F1211b＝１／ｃ_F1112bの関係を用いた。

【００７０】式(67)、(68)、(70)の関係をｘ軸方向の制
御入力変数の式(55)に代入すると次の関係を得る。

【００７１】

【数３１】上式がｚ軸方向の制御入力ｅ_z1とｅ_z2' に無関係に成り
立つようにするために、ｅ_yz1' ｅ_yz2' を次のように
置く。

【００７２】

【数３２】上式を式(72)に代入すると以下の関係が得られる。

【００７３】

【数３３】以上のように、制御入力ｅ_x、ｅ_y、ｅ_yR、ｅ_z、ｅ_zR
が定まれば、各電磁石系への入力は、式(62a) 、(65a)
、(66)、(67)、(73)の関係を介して、式(68)〜(71)で
与えられる。これらの関係を線図で示すと図３のように
なる。ただし、図ではｅ_x→ｕ_xなどのように制御入力
変数にｅのかわりにｕを用いている。この制御系の構成
は８個の電磁石を用いた場合と同様な特徴を持っている
が、それよりもかなり複雑になっている。

【００７４】上の展開からわかるように、係数ｋ₁₁、ｋ
₂₁、ｋ₁₂、ｋ₂₂の係数項は、アキシアル方向の制御入力
にｚ軸方向の制御入力が影響を与えないために必要であ
る。そして、前者の二つと後者の二つはそれぞれ対で、
ｚ軸方向の制御を二つの軸受部で分担する割合を示すも
のである。上の関係式を満たす限り、どのような係数が
選ばれようと理論的には線形性の範囲で差異はないが、
実用面では選び方にいくつかの基準が考えられる。例え
ば、制御系の構成を簡単化するためにはｋ₁₂＝ｋ₂₁＝０
に選べばよい。また、それぞれの電磁石の容量を考慮し
て制御入力の配分を定めることも可能である。対称形の
軸受系（ｃ_P12＝ｓ₁₂＝ｃ₁₂＝１）では、ｋ₁₂＝ｋ₁₁か
つｋ₂₂＝ｋ₂₁に選ぶと式(73)でｅ_zの関与を除くことが
でき、制御系の構成をいくらか簡単化できる。この場合
には、しかしながら、ｚ軸方向並進運動の制御をｅ₁₁と
ｅ₂₁が入力される２個の電磁石のみに負担させることで
あり、その分電磁石の過渡的な負荷が大きくなるため
に、線形性がくずれ易いなど制御系の特性が制約され
る。ついでに、式(73)からｚ軸方向回転運動の制御入力
ｅ_zRの関与を除くことはできない。これはロータ姿勢角
が二つの制御力のモーメントによって制御されるからで
ある。

【００７５】係数ｋ_x1とｋ_x2は二つの軸受部での軸方向
制御の分担割合を示すもので、これらの中の一つの選び
方の任意性が本章の冒頭で述べた一個の任意性である。
一つの係数をゼロに選ぶことは、一つの軸受部にアキシ
アル軸受の機能を受け持たせることで、この場合は、５
個の自由度の制御に最小限のアクチュエータを用いてい
ることになる。このアキシアル軸受の分担割合は、使用
条件を考慮に入れて定めることが比較的容易である。

【００７６】電磁石系の動特性が全て等しいという上の
前提条件は一般的には必ずしも満たされないが、満たさ
れる場合もかなり多いと考えられる。また、満たされな
い場合でも、電磁石系への入力に位相補償を施して、か
なり近い範囲内に揃えることが可能な場合もある。この
ような非干渉化は、一般にハードウェア固有の特性を有
効に利用した方法とは言えない。しかしながら、非干渉
化は負荷条件を考慮にいれた設計がしやすいこと、制御
パラメータの調整を容易にすることなど、メリットも大
きい。

【００７７】図８〜図１０は、第２実施例を示してい
る。

【００７８】図８は能動型磁気軸受装置の主要部の機械
的構成の１例を示し、図９は電気的構成の１例を示して
いる。第２実施例の説明においても、図８について、第
１実施例の場合と同様に、前後、左右、上下、ｘ軸、ｙ
軸およびｚ軸を定義する。

【００７９】磁気軸受装置は、ｘ軸方向にのびる回転体
(1) と、回転体(1) をラジアル方向に非接触支持する前
後２組のラジアル磁気軸受(36)(37)と、回転体(1) をア
キシアル方向に非接触支持する１組のアキシアル磁気軸
受(38)と、ラジアル磁気軸受(36)(37)を制御するラジア
ル方向制御装置(39)と、アキシアル磁気軸受(38)を制御
するアキシアル方向制御装置(40)および制御のための変
位センサとを備えている。

【００８０】回転体(1) のアキシアル方向に離隔した前
後２箇所に、ストレート状（円筒形）の軸受面(41)(42)
が形成されている。また、回転体(1) の適当な箇所たと
えば前部にアキシアル軸受用の外向きフランジ(43)が形
成されている。

【００８１】前側ラジアル磁気軸受(36)は、前部軸受面
(41)の下方に対向状に配置された前側ラジアル第１電磁
石(44a) 、前部軸受面(41)の斜め右上方に対向状に配置
された前側ラジアル第２電磁石(44b) および前部軸受面
(41)の斜め左上方に対向状に配置された前側ラジアル第
３電磁石(44c) より構成されている。後側磁気軸受(37)
も、同様に、後側ラジアル第１電磁石(45a) 、後側ラジ
アル第２電磁石(45b)および後側ラジアル第３電磁石(45
c) より構成されている。これらの電磁石(44a) 〜(44c)
(45a)〜(45c) の配置は、第１実施例の場合と同様であ
る。

【００８２】アキシアル磁気軸受(38)は、回転体(1) の
フランジ(43)に前後両側から対向するように配置された
アキシアル第１電磁石(46a) およびアキシアル第２電磁
石(46b) より構成されている。

【００８３】ラジアル方向制御装置(39)は、ｚ軸方向並
進運動制御回路(18)、ｘ−ｚ面内傾斜運動制御回路(2
1)、ｙ軸方向並進運動制御回路(25)、ｘ−ｙ面内傾斜運
動制御回路(27)および運動分離制御回路(47)により構成
されている。

【００８４】これら各運動制御回路(18)(21)(25)(27)
は、第１実施例の場合と同じものである。

【００８５】運動分離制御回路(47)の構成の１例が図１
０に示されている。この場合、ラジアル方向の制御入力
ｕ_z、ｕ_zR、ｕ_yおよびｕ_yRが運動分離制御回路(47)の
制御入力となり、運動分離制御回路(47)は、これらの信
号に基づいて、回転体(1) のｙ軸方向並進運動、ｘ−ｙ
面内傾斜運動、ｚ軸方向並進運動およびｘ−ｚ面内傾斜
運動を互いに分離するように、第１実施例の場合と同様
の電磁石制御信号ｅ₁₁、ｅ₁₂、ｅ₁₃、ｅ₂₁、ｅ₂₂、ｅ₂₃
を出力する。この運動分離制御回路(47)は第１実施例の
運動分離制御回路(19)からｕ_xを除いたものであり、こ
のようにするだけで、ラジアル磁気軸受(36)(37)にも適
用できるようになる。

【００８６】アキシアル方向制御装置(40)は、回転体
(1) の重心(G) のｘ軸方向変位量ｘに基づいて、アキシ
アル第１電磁石制御信号ｅ₃₁およびアキシアル第２電磁
石制御信号ｅ₃₂を出力する。ｅ₃₁はアキシアル第１電磁
石(46a) を駆動する電力増幅器(48)に、ｅ₃₂はアキシア
ル第２電磁石(46b) を駆動する電力増幅器(49)にそれぞ
れ入力される。

【００８７】他は第１実施例の場合と同様であり、同じ
部分には同一の符号を付している。

【００８８】上記の磁気軸受装置では、ラジアル磁気軸
受(36)(37)とアキシアル磁気軸受(38)が別に設けられて
いるので、ラジアル方向の運動とアキシアル方向の運動
との間に相互干渉が起きることがない。そして、ラジア
ル方向制御装置(39)により回転体(1) の重心(G) のラジ
アル方向変位量を０にするラジアル方向並進運動制御お
よび回転体(1) の重心(G) 回りの傾斜量を０にする傾斜
運動制御が互いに分離して行われるので、これらラジア
ル方向の各運動の間の相互干渉もなくすことができる。

【００８９】たとえばｚ軸方向変位量ｚ、ｘ−ｚ面内傾
斜量ｚ_R、ｙ軸方向変位量ｙ、ｘ−ｙ面内傾斜量）ｙ_R
およびｘ軸方向変位量ｘを求める手段など、磁気軸受装
置の各部の構成は、上記実施例のものに限らず、適宜変
更可能である。

【００９０】なお、上記第２実施例ではアキシアル方向
の軸受を電磁石を用いた能動型磁気軸受で構成したが、
永久磁石を用いた受動型磁気軸受、機械式の軸受（転が
り軸受、すべり軸受など）でアキシアル軸受を構成して
もよい。

【００９１】

【発明の効果】この発明の磁気軸受装置によれば、上述
のように、必要な電磁石の数を少なくすることができ、
したがって、コスト低減および信頼性の向上が可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例を示す磁気軸受装置主要
部の斜視図である。

【図２】第１実施例の主要部の電気的構成を示すブロッ
ク図である。

【図３】第１実施例の運動分離制御回路の構成を示すブ
ロック図である。

【図４】運動分離制御回路を説明するための説明図であ
る。

【図５】運動分離制御回路を説明するための他の説明図
である。

【図６】運動分離制御回路を説明するためのさらに他の
説明図である。

【図７】運動分離制御回路を説明するためのさらに他の
説明図である。

【図８】この発明の第２実施例を示す磁気軸受装置主要
部の斜視図である。

【図９】第２実施例の主要部の電気的構成を示すブロッ
ク図である。

【図１０】第２実施例の運動分離制御回路の構成を示す
ブロック図である。

【符号の説明】

(1) 回転体 (2)(3) アキシアル・ラジアル兼用磁気
軸受 (4) 制御装置 (5)(6) 軸受面 (7a)(7b)(7c) 電磁石 (8a)(8b)(8c) 電磁石 (36)(37) ラジアル磁気軸受 (38) アキシアル磁気軸受 (39) ラジアル方向制御装置 (40) アキシアル方向制御装置 (41)(42) 軸受面 (44a)(44b)(44c) 電磁石 (45a)(45b)(45c) 電磁石 (46a)(46b) 電磁石

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アキシアル方向に離隔した２箇所にアキシ
アル方向に関して互いに反対側を向くテーパ状の軸受面
が形成された回転体と、上記２箇所の軸受面の部分にお
いて複数個の電磁石により回転体をアキシアル方向およ
びラジアル方向に非接触支持する２組のアキシアル・ラ
ジアル兼用磁気軸受と、回転体の重心のアキシアル方向
変位量、回転体の重心のラジアル方向変位量および回転
体の重心回りの傾斜量に基づいて上記２組の磁気軸受の
電磁石を制御する制御装置とを備えた磁気軸受装置にお
いて、上記各磁気軸受が、軸受面の周囲に円周方向に所定の間
隔をおいて配置された３個の電磁石を備え、上記制御装
置が、回転体の重心のアキシアル方向変位量を０にする
アキシアル方向並進運動制御、回転体の重心のラジアル
方向変位量を０にするラジアル方向並進運動制御および
回転体の重心回りの傾斜量を０にする傾斜運動制御を互
いに分離して行うことを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】アキシアル方向に離隔した２箇所にストレ
ート状の軸受面が形成された回転体と、上記２箇所の軸
受面の部分において複数個の電磁石により回転体をラジ
アル方向に非接触支持する２組のラジアル磁気軸受と、
回転体の重心のラジアル方向変位量および回転体の重心
回りの傾斜量に基づいて上記２組のラジアル磁気軸受の
電磁石を制御するラジアル方向制御装置とを備えた磁気
軸受装置において、上記各ラジアル磁気軸受が、軸受面の周囲に円周方向に
所定の間隔をおいて配置された３個の電磁石を備え、上
記ラジアル方向制御装置が、回転体の重心のラジアル方
向変位量を０にするラジアル方向並進運動制御および回
転体の重心回りの傾斜量を０にする傾斜運動制御を互い
に分離して行うことを特徴とする磁気軸受装置。