JPH0637895B2

JPH0637895B2 - 電磁軸受制御装置

Info

Publication number: JPH0637895B2
Application number: JP61213903A
Authority: JP
Inventors: 修己松下; 享之高木; 光穂米山; 豊美菅谷; 郁浩斎藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-09-12
Filing date: 1986-09-12
Publication date: 1994-05-18
Anticipated expiration: 2009-05-18
Also published as: JPS6372916A; EP0281632A4; DE3787091T2; US4841212A; EP0281632B1; WO1988002073A1; DE3787091D1; EP0281632A1

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、電磁軸受で支えられた磁気浮上形ロータの制
御装置に係り、特にロータの振れ回り運動に対する振動
振幅を小さく抑えうるに好適な電磁軸受制御装置に関す
る。

［従来の技術］吸引形電磁石を軸受とした電磁軸受で支えられた回転機
械の構成の概略は第４図のようになっており、はじめに
Ｘ軸方向の１次元で説明する。ロータ１に対して電磁石
のコイル２は左右に配置される。この状態でロータ２が
右へ変位すると左側の電磁石コイル２に制御電流ｉが流
れ、ロータ１は左側に変位するように吸引力が作用す
る。反対にロータが左側へ変位すると右側の電磁石コイ
ル２に制御電流ｉが流れ、吸引力が作用する。このよう
にロータ１の左右への変位に応じて、反対側の電磁石コ
イル２に制御電流ｉを流し、その吸引力によって、ロー
タ１が中心位置に位置するようにサーボ制御する。

ロータ１の左右への変位を検出するために変位センサ３
が少なくとも１つ必要である。変位センサ３としては誘
導コイル形、容量形あるいは光学式など非接触のものが
よく用いられている。

変位センサ３によって検出された変位信号ｘは制御回路
４に入力され、ロータ１の中心位置からの左右のずれに
応じて制御電圧ｖを決定し、左右の電磁石コイル用パワ
アンプ５に入力され、それに応じた制御電流ｉがコイル
２に流れる。左右のパワアンプ５への制御電圧ｖの流し
方は、電磁石の吸引力によってロータの求心作用が生じ
るようになされる。

このように、ロータ１の位置制御のためサーボ回路の構
成では、Ｘ方向に対して、変位センサ１が１個、左右の
電磁石コイル２とパワアンプ５が２個、制御回路４が１
個の構成となる。一般には第５図に示すように、ロータ
１の磁気軸受による位置制御のためには、Ｘ方向とＹ方
向の２次元の位置制御となる。よって、サーボ回路の構
成としては同じ仕様のものがＸ方向用とＹ方向用の２系
列並ぶことになる。

即ち、変位センサはＸ方向のセンサ３ＸとＹ方向のセン
サ３Ｙを備え、また制御回路も４Ｘ、４Ｙの２つの回路
をもち、それぞれにパワアンプ５が接続されている。

次に回転軸振動の特徴について述べる。不つりあい振動
を説明するため第６図がよく用いられる。空間固定座標
Ｏ−ＸＹ軸系からみてロータ１の軸心Ｏｒはｘ，ｙの変
位の所にあるとする。ロータ１に固定した回転座標Ｏｒ
−ＸｒＹｒ軸系からみたロータ１の重心Ｇの位置をεｘ
及びεｙとする。ロータ１の回転速度をΩと記すと、Ｏ
Ｘ軸とＯｒＸｒ軸の間の開き角度が回転角度でΩｔ（ｔ
ｉ時間）である。

このような記号の下で、不つりあいによりロータ１に作
用する力は、ロータ質量をｍとすると、ｘ方向にＦｘ＝ｍε_xΩ²cosΩｔｙ方向にＦｙ＝ｍε_yΩ²sinΩｔ・・・（１）である。これをＦ≡Ｆｘ＋ｉＦｙ（ｉ：虚数単位）の複
素平面で表示するとＦ≡Ｆｘ＋ｉＦｙ＝ｍεΩ²ｅ^ｉΩｔ・・・（２）ただし ε＝ε_x＋ｉε_y となり、ロータ回転と同じ方向に回転する力すなわち前
向きの力である。

一方、ロータ１の振動はＸ方向及びＹ方向から検出され
その振動数は回転速度Ωに一致しているから次の形に表
わされる。

Ｘ方向にｘ＝ａ_xcos（Ωｔ−θｘ）Ｙ方向にｙ＝ａ_ycos（Ωｔ−θｙ）・・・（３）Ｘ方向及びＹ方向の振幅をそれぞれａ_x，ａ_yとし回転角
度からみた位相遅れをθx，θyとしている。これを先程
と同じように複素平面で表示し、その軸心の軌跡をかく
と第７図のようにだ円軌道となる。ここでθy−θx＜１
８０゜だから、軌道の向きは回転方向Ωと同じく矢印で
示すように前向きである。

Ｘ方向のサーボ制御回路を通じての電磁石による支持剛
性とＹ方向のそれが等しい時、すなわちＸ方向とＹ方向
の軸受支持剛性が等方性に設定されている時には、Ｘ方
向とＹ方向への振動振幅は等しい。しかも両者の位相差
は９０゜であり、Ｘ方向振動がＹ方向振動に対して９０
゜進んでいる。これを式でかくと、次のようになる。

ａ_x＝ａ_y，θy＝θx＋９０゜・・・（４）ロータに作用する不つりあい力は第２式に示したように
Ｘ及びＹ方向に等方性に作用し、かつそれを受ける軸受
の特性も等方性だから当然の帰結である。この時のロー
タ振動の表現は次のようになる。

Ｘ方向にｘ＝ａcos（Ωｔ−θ）Ｙ方向にｙ＝ａsin（Ωｔ−θ）・・・（５）これを同様に複素平面にてロータ軸受の軌跡としてみる
と第７図のように円運動となる。軌道の向きは回転速度
Ωと同じだから前向きである。

以上述べたようにロータ振動は、軸受支持剛性が等しい
時には円運動となり、異方性がある時にはだ円軌道とな
る。軌道の向きはロータ回転と同じ方向で前向きであ
る。よって、複素変位Ｚを導入として、複素数形式で表
現すると、Ｚ＝ｘ＋iy・・・（６）等方性軸受の時Ｚ＝ａｅ^ｉΩｔ・・・（７）異方性軸受の時Ｚ＝ａ_ｆｅ^ｉΩｔ＋ａ_ｂｅ
^−ｉΩｔ・・・（８）ただし、ａ，ａ_f，ａ_b：複素振幅を表わす複素数｜ａ_f｜＞｜ａ_b｜となる。電磁軸受支持の場合には、一般には低速回転で
は異方性のある場合もあるが、高速回転になる程等方性
の性質に近づく。

不つりあい振動応答曲線の一例を第８図に示す。回転数
の低い方の２つの振動振幅のピークがロータ剛体モード
の共振点である。３番目の振動振幅のピークがロータの
曲げモードの共振点である。通常の磁気軸受支持ロータ
においては、サーボ制御回路の比例動作、微分動作、積
分動作の調整によって、低速の剛体モードの共振点の振
幅を小さく押えて通過することが可能である。しかし、
高速回転の曲げモードの共振点においては、減衰力不足
のため、鋭くかつ大振幅で通過せざるを得ない。仮に、
サーボ制御回路の調整を巧みに行うことにより、剛体モ
ードの共振振幅を小さく押え得たとしても、曲げモード
の共振振幅を押ええず、曲げモード共振点の回転速度を
越えて運転できないのが普通である。

このような電磁軸受形ロータの共振点での共振振幅を小
さく押えて通過させるサーボ回路における回転数同期の
トラッキングフィルターの原理についてと、それを用い
ての高減衰付与の制御方法について説明する。

高速回転域で回転している場合のロータ振動の一般的な
特徴を第５図に用いて説明する。第８図の曲げモード共
振点近くで回転しているとする。この時のロータ振動と
しては、不つりあいによる回転数同期の前向き振動が主
成分で、その他にケーシングの揺れなどの外力によるロ
ータのゆらぎ振動が発生する。ゆらぎ振動は剛体モード
の固有振動数に近く、回転数に比べ低周波数のものであ
る。よってロータ振動Ｚは複素形式で、第７式を流用し
てＺ_in＝（ゆらぎ振動）＋ａｅ^ｉΩｔ・・・（９）とかける。これを入力して回転数同期成分のみＺ_out＝
ａｅ^ｉΩｔ・・・（10）を出力するトラッキングフィルターの原理は第９図であ
る。

入力信号にｅ^−ｉΩｔをかけることにより回転座標系へ
の変換となる。すなわちＺ₁≡ｅ^−ｉΩｔＺ_in＝（ゆらぎ振動）×ｅ^ｉΩｔ＋ａ・
・・（11）となり、回転数同期成分ａは回転座標系の信号Ｚ₁にお
いては直流成分となる。また上式の第１項にみるよう
に、静止座標系Ｚ_inにおいて低周波数にみえていたもの
が、回転座標系Ｚ₁においては高周波成分に移ってい
る。

ここで、回転数同期の直流成分ａを抽出するために、ロ
ーパスフィルタを通す。その出力をＺ_２とすると、Ｚ₂ａ・・・（12）である。ローパスフィルタの遮断周波数は回転数に比べ
微小である。通常数Ｈｚあるいはそれ以下の０．１Ｈｚ
位に設定される。このローパスフィルタのゲインは１で
ある。

次に、この回転座標系の信号Ｚ₂を静止座標系へ逆変換
するためにｅ^ｉΩｔをかける。その結果、第１０式に示
すように、入力信号Ｚ_inの中から回転数同期成分のみを
抽出した出力信号Z_outを得る。

これが回転数同期成分フィルタの原理であり、第９図に
示す。回転数Ωの変化に追従していく形となっていると
きにはトラッキングフィルタと呼ぶ。ｅ^ｉΩｔは回転数
同期のcosあるいはsin関数をマトリックス演算する手法
で達成される。この数学的な原理を回路の表現に変換し
たものが第１０図である。この第７図で回転パルスを入
力してそれと同期したsinとcos波形の発生回路が９であ
る。入力Ｘ_in，ｙ_in（Ｚ_in＝ｘ_in＋ｉｙ_in）に対してマ
トリックス演算Ｔを行い、ｘ₁及びｙ₁（Ｚ₁＝ｘ₁＋ｉｙ
₁）を求める。

としてｘ₁，ｙ₁に対してそれぞれ独立にローパスフィル
タを通しｘ₂，ｙ₂（Ｚ₂＝ｘ₂＋ｉｙ₂）を求める。さら
にこの信号に対してＴの逆変換を行い、ｘ_out及びｙ
_out（Ｚ_out＝ｘ_out＋ｉ_nｙ_out）を求める。

このようにして、実際の電子回路によってｘ変位信号及
びｙ変位信号の中から回転同期成分のみを抽出すること
ができる。

なお、この回転数同期トラッキングフィルタ回路を用い
た従来の装置としては、例えば特開昭５２−９３８５３
号に挙げられているものがある。以下この公報で述べら
れている共振振幅低減の方法を第１１図によって説明す
る。

まず、Ｘ方向及びＹ方向のロータの変位をｘ及びｙとし
て検出できたとする。この変位信号ｘとｙを回路６Ｘ，
６ＹのＤ_XとＤ_Yにそれぞれ入力するとａｘ＋ｂ及びａ
ｙ＋ｂが出力される供給方式の回路である。そしてこ
のようにして派生させられたＸ方向の派生信号ａｘ＋ｂ
とＹ方向の派生信号ａｙ＋ｂを先程の回転数同期ト
ラッキングフィルタ７に入力する。

による回転座標系への変換である。そして第２の処理に
よってゲインＫのローパスフィルタ（狭帯域の積分操作
に相当）にかけられｘ₂及びｙ₂の信号が得られる。この
第２の処理はＸ方向とＹ方向でそれぞれ別個にフィルタ
リングされる。そして次に第３の処理によって再び静止
座標系への逆変換によって出力信号ｘ₀とｙ₀が得られる。この出力信号Ｘ
₀及びｙ₀は入力信号ｘとｙの振動波形のうち、回転数と
同期した成分のみが抽出されたものに相当する。そして
供給回路６Ｘ，６Ｙの係数ａ及びｂの大きさあるいはロ
ーパスフィルタのゲインＫの大きさを調整することによ
り、ｘとｙの回転数同期成分の位相進み動作を持たせる
ことができる。すなわち共振振幅の減衰作用を与えるこ
とができる。

出力信号ｘ₀，ｙ₀はそれぞれパワアンプ５を通り、電磁
石コイル２を制御するための信号となる。

この第１１図に示される臨界周波数減衰装置において
は、例えばＸ方向の共振振幅低減のためにｘ変位信号を
制御回路４Ｘ，４Ｙに入力すると同時に、先程のｘ変位
信号の中から回転同期成分のみを抽出した。ｘ₀信号を
もサーボ制御に用いる。Ｙ方向についても同様である。
ｘ₀信号及びｙ₀信号サーボ制御に利用することにより、
回転数同期成分については係数ａ，ｂやゲインＫの調整
によって位相進み特性をもたせることができるようにな
る。このことによってロータには減衰作用が与えられ、
第８図に示すような共振振幅も破線のように小振幅で通
過させることできる。

この方式の本質は、検出した変位信号ｘ及びｙから微分
回路を通じ速度信号及びを作り、この変位信号と速
度信号を回転同期トラッキングフィルタ７に通す。そし
て変位と速度の回転同期成分のみを抽出し、回転数同期
の不つりあい振動のみの制御に供しようとするものとで
ある。変位成分の大きさによって軸受剛性の調整が可能
で、また速度成分の大きさによって軸受減衰の調整が可
能な仕組となっている。

［発明が解決しようとする問題点］上記従来技術の制御方式では、変位信号から微分回路に
よって、速度信号を作る必要があり回路が複雑になる欠
点があり、また、Ｘ方向とＹ方向のそれぞれの変位信号
を回転同期トラッキングフィルタを通し、変位と速度の
回転同期成分のみを抽出してＸ方向及びＹ方向のそれぞ
れに加算入力をしているため、回転数同期の不つりあい
振動を十分小さくすることができなかった。

本発明の目的はロータの回転によって発生する自励振動
を低減できる電磁軸受制御装置を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］上記目的は、ロータの半径方向位置をＸ方向とＹ方向の
直角２方向より検出する検出手段をもつ電磁軸受制御装
置において、あらかじめ設定した半径方向位置に前記ロ
ータを保持するように前記検出手段から出る変位信号に
感応して電磁コイルへ供給電流を制御する回路をＸ方向
とＹ方向の２チャンネルもつサーボ回路を構成し、その
サーボ回路内に前記ロータの回転によって発生する自励
振動周波数を抽出する抽出手段を設け、Ｘ方向及びＹ方
向の変位信号を前記抽出手段に入力し、その信号の出力
はＸ方向信号とＹ方向信号のうち一方の方向の信号を他
方の方向のサーボ回路に加算入力し、かつ前記他方の方
向の信号を前記一方の方向のサーボ回路に減算入力する
手段を設けることによって達成される。

［作用］ロータの回転によって発生する振動を、選択抽出手段と
Ｘ方向とＹ方向の信号をクロスさせて制御することによ
って、防止することができる。以下、この理由を理論的
に説明する。

すべり軸受で支えられたロータではオイルウィップと呼
ばれる自励振動が発生することが知られている。この原
因を考える。すべり軸受における油膜の反作用はロータ
の変位及び速度に対して次のように表わされる。

Ｆ_x＝ｋ_xxｘ＋ｋ_xyｙ＋ｃ_xx＋ｃ_xy Ｆ_y＝ｋ_yxｘ＋ｋ_yyｙ＋ｃ_yx＋ｃ_yy・・・（17）ただしＦ_x，Ｆ_y；Ｘ方向及びＹ方向への軸受反力ｋ_ij（ｉ，ｊ＝ｘ，ｙ）：すべり軸受膜弾性定数ｃ_ij（ｉ，ｊ＝ｘ，ｙ）：すべり軸受の油膜減衰定数概念的に述べると、ｋ_xxやｋ_yyあるいはｃ_xyやｃ_yxは軸
受剛性として作用する。またｃ_xxやｃ_yyは軸受減衰とし
て作用するのでロータの安定化作用を及ぼす。ところで
ｋ_xyやｋ_yxはＸ方向とＹ方向のクロス項を示し、ロータ
振動に対して不安定化作用を起こす原因となる。特に、
ｋ_xy＜０，ｋ_yx＜０となる回転数においては、ロータに
はオイルウィップと呼ばれる前向きの不安定振動が発生
する原因となる。すなわち、前向きの固有振動数に対し
て安定性が低下する訳で、減衰作用が弱まることにな
る。すべり軸受は受動素子であるからこの符号を変える
ことはできない。

しかし、電磁軸受では電子回路の構成によってこの符号
を逆転させることは可能である。すなわち、ｋ_xy＜０で
ｋ_yx＞０となるようにＸ方向制御回路とＹ方向制御回路
のチャンネルをクロスさせれば、前向きの固有振動数に
対する安定性を向上させることができる。またこのよう
なチャンネルのクロスによると、同時に存在する後向き
の固有振動数に対する安定性は低下することは否めな
い。

そこで、先に述べた回転同時のトラッキングフィルタを
併用することにより、共振点近傍における前向きの固有
振動数に対してのみ安定性の向上が可能となる。この
時、後向きの固有振動数に対する安定性は不変で低下す
るようなことは起こらない。

このようにして、チャンネルクロスと回転同期トラッキ
ングフィルタの併用によって、前向き成分のみ固有振動
数安定性向上すなわち減衰性の向上が達成される。不つ
りあい振動は前向きの力であり、これで引起こされる不
つりあい振動の共振ピークは前向きの固有振動数の減衰
を大きくとればとる程、小さい共振振幅に押え得ること
になる。

［実施例］以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。Ｘ方
向のロータ変位を検出した変位信号ｘは制御回路４Ｘに
入力され、その演算結果はパワアンプ５に入力され制御
電流を電磁石コイル２に流す構成をとる。Ｙ方向につい
ても同様である。このような構成は第５図に示したよう
に、電磁軸受によるサーボ制御方式の基本構成である。

さて、この検出した変位信号ｘとｙを回転同期成分のト
ラッキングフィルタ７に入力し、ロータの変位振動成分
の内、回転同期成分ｘ_NとＹ_Nのみを抽出する。軸受が等
方性の時には、第７式に示したように、その不つりあい
振動Ｚ_N＝ｘ_N＋ｉｙ_NはＺ_N＝ａ・ｅ^ｉΩｔ・・・（18）となる。すなわちｘ_N＝ａ_Ncos（Ωｔ−θ_N）ｙ_N＝ａ_Nsin（Ωｔ−θ_N）・・・（19）ただしａ＝ａ_Nｅ^ｉθＮである。

ここで注目するべきことは_N ＝−Ωｙ_N _N＝＋Ωｘ_N・・・（20）の関係が成立していることである。これは不つりあい振
動は第７図に示すように円軌道となりＸ軸からＹ軸へと
回転と同方向に進むことに関係する。このような円軌道
では、ｘ振動の９０゜前の振動は−ｙ振動と予見され、
ｙ軸動の９０゜前の振動はｘ振動と予見される。この予
見は微分操作を意味しているから上式が物理的に頷け
る。

不つりあい振動成分のみに注目すれば第２０式が成立す
るので、トラッキングフィルタ７の出力信号ｘ_Nとｙ_Nに
対してそれぞれ微分信号_N及び−ｘと見たてればよい
ことになる。そこでＹ方向への減衰作用を与えるためｘ
信号をα倍して、Ｙ方向チャンネルへ加算入力する。一
方、Ｘ方向への減衰作用を与えるためｙ信号を−α倍に
してＸ方向チャンネルへ加算入力する。この第１図では
−α倍はＸ方向への減算入力として示している。

このようにして、チャンネルクロスで加算と減算入力す
ることにより、回転数同期成分に対する反力はＦ_X＝−αｙ_N≡ｋ_xyｙ・・・（21）Ｆ_Y＝＋αｘ_N≡＋ｋ_yxｘ・・・（22）さ表わされることになる。このことはｋ_xy＜０でｋ_yx＞
０に設定することに相当する。よってロータの前向き振
動に対する減衰性向上を計ろうとする目的が達成され
る。

チャンネルクロスで加算減算入力するときの係数は大き
い程良い訳であるが、電子回路の飽和防止の制約もあ
り、適当な共振振幅となるようにαのゲイン調整をすれ
ばよい。

第２図により一般的に、軸受の特性が異方性があるため
に第７図のだ円軌道あるいは第８式のような不つりあい
振動が起こっている場合の回路構成である。

この場合、第８式の前向きのａ_fｅ^ｉΩｆ振動を押える
方法は先述の第１図と同じである。後向きの成分ａ_bｅ
^−ｉΩｔの振動成分を押える方法は前向きの時の処理の
逆をとればよい。トラッキングフィルタは逆回転の回転
数同期フィルタ８の出力のチャンネルクロスの加算減算
入力の方式はαと逆の符号となるβ倍をとればよい。

第３図は本発明の回転同期トラッキングフィルタとチャ
ンネルクロスを使った場合の実験データである。横軸に
回転数を縦軸に振動振幅を示している。同図でＯＮとは
本発明の第１図の動作をさせた時のものである。ＯＦＦ
とはチャンネルクロスを切った時（α＝０に相当）のも
のである。

ＯＮにすることにより振動振幅は著しく低下し、ＯＦＦ
にすることにより振動振幅は元の大きな振幅に戻ってい
ることがわかる。

よって、本発明の方法によれば、第８図に示されるよう
な曲げモードの共振振幅も、適当な減衰が与えられるこ
とになり、一点破線のような小さな共振振幅で危険速度
を通過させることが可能となる。

以上の説明から明らかなように、不つりあい振動を能動
的に振動する手法の骨子は、次に示す２つの過程とな
る。まず、Ｘ方向とＹ方向の２方向のロータ振動を検出
し、トラッキングフイルタに入力し、回転同期成分
Ｘ_N，Ｙ_Nを抽出すること、次に、この抽出された信号Ｘ
_NをＹ方向チャンネルへ、Ｙ_NをＸ方向チャンネルへとク
ロスさせてそれぞれのチャンネルへ加え合せることであ
る。この際、加え合せる場合の符号は、Ｘ方向とＹ方向
で逆符号である。即ち、一方が加算なら他方は減算とい
うことになる。

さらに要約すれば、本発明の特徴は検出信号成分のうち
制御しようとする周波数成分をトラッキングフィルタで
抽出し、その抽出された信号を異符号でクロス結合させ
て微分信号すなわち制振作用を発生させようとするもの
である。

次に、内蔵する液体の流動などの影響で回転数に無関係
に発生する自励振動を能動的に制振させる方法について
説明する。

第１２図はロータ内部の流体力によって自励振動が発生
する例である。同図で、回転軸１４に連結されたドラム
１５は一軸構造を成し、上下の軸受口で保持されてい
る。軸受７は通常の玉軸受で受動形軸受である。このロ
ータでは、上部の回転軸１４より流体を注入し、ドラム
１５内を流し回転軸１４の下部より取り出す遠心分離機
を表わした図である。第１３図は、液体を軸方向に流す
と自励振動がある回転数領域で発生する、その状態を示
す図である。第１３図において、発生した自励振動の周
波数を△印で示す。これを制振させるために第１２図の
ごとく電磁軸受１３を設ける。回転軸１の変位をセンサ
３で検出し、その信号に応じて制御電流を電磁軸受１３
に流し自励振動を防止する訳である。

この自励振動の防止法を詳しく説明すると、第１３図に
示すように自励振動の周波数△印は回転数とは異った値
である。それはロータ形状及び玉軸受の支持剛性によっ
て決定される値すなわち固有振動数であり、設計段階で
事前に十分予測可能である。その予測計算値をＷ_ｆ及び
Ｗ_ｂの曲線にて示しており、ここでＷ_ｆを前向き固有振
動数、Ｗｂを後向き固有振動数と定義することにする。
流体力に起因る自励振動は通常第１４図に示すように前
向き（自転の方向と公転の方向が一致している場合）で
ある。この第１３図に示す実測値△印と計算値Ｗ_ｆを比
べてわかるように、自励振動の周波数はロータ固有の振
動数として予測でき、かつその旋回方向は前向きであ
る。この振動を防止するための制御回路が第１５図に示
すもので、本発明の他の実施例である。

第１５図において、４Ｘと４Ｙはそれぞれ通常のＸ方向
及びＹ方向の制御回路である。この場合、フィルタ７に
は、回転パルスの代わりに自励振動の固有振動数に等し
い周波数を発生する発振器１６の信号Ｗｎがトリガーと
して入力される。そして検出したＸ方向及びＹ方向の振
動変位の中で、この自励振動成分Ｘ_ｆ及びＹ_ｆを抽出す
る。しかも、自励振動は前向き旋回運転であるからＹ_ｆ
からＸチャンネルへは負で、Ｘ_ｆかＹチャンネルへは正
でクロス加算入力することにより、不つりあい振動と同
様に振動を抑える減衰作用を電磁軸受によって発生させ
ることができる。

第１３図に示すように、自励振動の周波数は回転数とと
もに少しずつ変化するが、ロータ固有のものであるから
発生する自励振動の周波数をある幅でもって予測するこ
とができる。この場合、第１５図の代わりに、第１６図
の如くバンドパスフィルター１６Ｘ，１６Ｙで所望の周
波数成分を抽出し、それが前向き旋回運動であるとの物
理的解釈に立ち、フィルター７の出力Ｘｎ，ＹｎをＸチ
ャンネル、Ｙチャンネルクロスでか異符号で加算すれば
よい。

また、自励振動としては後向きの旋回運動が起こる場合
がある。例えば第１３図で◇印のように、高速回転にな
ると低周波数で後向きに旋回運動を起こしやすくなる。
これを防止するためには、第１６図に示す手段が有効で
あるるこの場合の所望の周波数は低周波数領域のもので
あるから、６Ｘ，６Ｙにローパスフィルタを用いて、低
周波数振動を抽出する。その出力Ｘｎ，ＹｎをＸチャン
ネル、Ｙチャンネルへクロスでかつ異符号で加算入力す
るとよい。Ｘチャンネルのクロスの総合点を正、Ｙチャ
ンネルのクロスの総合点を負とすることによって後向き
旋回運動の安定性を改善することが可能である。

以上述べたように、所望の周波数領域の振動数を抽出す
るためのフィルタ、及びフィルタの出力をクロスで元の
チャンネルで異符号で加算入力することによって、本発
明の目的が達成される。ＸチャンネルとＹチャンネルの
符号の決め方は、制御しようとする振動が前向きのもの
であるか後向きの旋回運動であるかによって決まる。

また、前向きか後向きかいずれかの旋回運動を防止する
かの切換方法としては、フィルタ回路の前段にスイッチ
を設け必要な回転数などの条件によってスイッチが入る
方法がある。この場合、第１３図に示されるように、自
励振動が生じるのは、特定の回転数範囲であるので、こ
の自励振動を減衰させる機構は必要な回転領域のみで機
能させればよいことになる。

［発明の効果］本発明によれば、回転機械の自励振動、特に内蔵する流
体の流動などの影響で回転数に無関係に発生する自励振
動を他の固有振動成分の安定性を損なうことなく制振す
ることができる。その結果、回転機械の安定性をさらに
高めることができ、回転機械を高速回転域に亘って使用
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のサーボ制御方式の実施例を示すブロッ
ク図、第２図は異方性支持特性の場合の本発明に基づく
サーボ制御方式のブロック図、第３図は本発明の試験デ
ータ特性線図、第４図は電磁軸受のサーボ制御動作を説
明する図、第５図は電磁軸受支持ロータのサーボ回路構
成図、第６図はロータ変位と不つりあいを示す力学モデ
ル図、第７図は不つりあい振動のロータ軸心ふれまわり
軌跡図、第８は不つりあい振動応答曲線図、第９図は回
転数同期フィルタの原理説明図、第１０図は回転数同期
トラッキングフィルタ回路構成図、第１１図は従来の臨
界周波数減衰装置のブロック図である。第１２図は本発
明を実施した回転機械のモデルを示す構成図、第１３図
は第１２図に示す回転機械の回転数と固有振動数の関係
を示す図、第１４図は従来の構成における自励振動のロ
ータ軸心の振れまわり軌跡図、第１５図、第１６図は本
発明の他の実施例を示す図である。［符号の説明］１……ロータ、２……電磁石コイル、３X……Ｘ方向変
位検出器、３Y……Ｙ方向変位検出器、４X……Ｘ方向制
御回路、５……パワアンプ、７．８……フィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者米山光穂茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者菅谷豊美茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者斎藤郁浩茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (56)参考文献特開昭48−41137（ＪＰ，Ａ) 特開昭50−89740（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−187113（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−245443（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロータの半径方向変位におけるＸ方向とＹ
方向に関してロータを予め設定した半径方向の基準位置
に保持させる電磁コイルと、前記ロータのＸ方向および
Ｙ方向の変位をそれぞれ検出する検出器と、前記検出器
からのＸ方向およびＹ方向の変位と基準位置信号との偏
差によってそれぞれＸ方向およびＹ方向の電磁コイルへ
の供給電流を制御するＸ方向制御回路およびＹ方向制御
回路とを備えた電磁軸受制御装置において、自励振動の
固有振動に等しい周波数を発生する発振器と、前記発振
器からの周波数に基づき、前記Ｘ方向およびＹ方向の変
位信号から前記ロータの回転によって生じる前向きある
いは後向きの自励振動のＸ方向およびＹ方向の成分を抽
出する選択抽出手段と前記選択抽出手段からの前向きあ
るいは後向きの自励振動のＸ方向成分に係数を加える第
１の係数器と、前記選択抽出手段からの前向きあるいは
後向きの自励振動のＹ方向成分に係数を加える第２の係
数器と、前記第１の係数器からの前向きあるいは後向き
の自励振動のＸ方向成分を前記Ｙ方向制御回路のＹ方向
制御信号に正あるいは負に加算する第１の加算器と、前
記第２の係数器からの前向きあるいは後向きの自励振動
のＹ方向成分を前記Ｘ方向制御回路のＸ方向制御信号に
負あるいは正加算する第２の加算器とを備えたことを特
徴とする電磁軸受制御装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、前記選択
抽出手段は前記自励振動周波数を内包するバンドパスフ
ィルタであることを特徴とする電磁軸受制御装置。
【請求項３】特許請求の範囲第１項において、前記選択
抽出手段は前記自励振動周波数を抽出するトラッキング
フィルタであることを特徴とする電磁軸受制御装置。