JPH0695818B2 - 兼用式案内磁気軸受の制御装置 - Google Patents

兼用式案内磁気軸受の制御装置

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JPH0695818B2
JPH0695818B2 JP58176482A JP17648283A JPH0695818B2 JP H0695818 B2 JPH0695818 B2 JP H0695818B2 JP 58176482 A JP58176482 A JP 58176482A JP 17648283 A JP17648283 A JP 17648283A JP H0695818 B2 JPH0695818 B2 JP H0695818B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、案内軸受と誘導電動発電機とを兼用するたて
軸形兼用式案内軸受の推力と吸引力とを独立して制御す
る兼用式案内軸受の制御装置に関するものである。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
第1図(A)に従来の兼用式案内磁気軸受の制御装置を
示す。第1図(B)は上記磁気軸受の構成断面図であ
る。
案内式磁気軸受は回転軸1に回転子2が設けられ、その
周囲に4分割された電機子3a,3b,3c,3dが固定子として
所定のギヤツプ長をもつて配置されている。すなわち4
個の片側式リニア誘導電動機(SLIM)が円周上に配置さ
れているのと同じである。
ギヤツプ長制御のために、対称配置された電機子3a,3b
と3c,3dに対応して、ギヤツプ長検出器4aと4bが設けら
れている。
片側式リニア誘導電動機(SLIM)では固定側電機子と回
転子の二次鉄心二次導体を含む)との間に第2図に示す
ような推力Fxと吸引力Fyが働らく。
兼用式案内磁気軸受はすべり周波数ωsを±ωs′以内に
制御し、これによつて得られる正の吸引力Fyを利用して
いる。
次に第1図(A)に示す従来の制御装置について説明す
る。
制御装置は対称配置された電機子3aと3b及び3cと3dのギ
ヤツプ長検出器4aと4bの出力Xa,Xbが入力されるギヤツ
プ長制御回路B−1,B−2と、各電機子3a〜3dにそれぞ
れ一次電流I1を供給する周波数変換器C−1〜C−4
と、速度制御回路Aで構成されている。
第1図において、各電機子3a〜3dにそれぞれ一次電流
Iu,Iv,Iwを供給する周波数変換器C−1〜C−4の電流
指令値Iu ,Iv ,Iw は次のような制御によつてあた
えられる。
以下電機子3aについて説明する。
周波数変換器への電流指令Iua ,Iva ,Iwa はすべ
り周波数ωsと実速度ωmの和であたえられる周波数指令
値ω1 で定まる三相単位正弦波U,VWと、ギヤツプ長制
御回路B−1が出力する一次電流振幅指令値I1a とを
乗算して与えられ、電流指令値Iua ,Iva ,Iwa
基ずいた三相正弦波電流が、電力増幅器24a(インバー
タなど)と電流検出器25a,26a,27a及び比較器21a,22a,2
3aで構成される周波数変換器C−1より電機子3aに供給
される。
また電機子3aと対称位置の電機子3bの制御は周波数変換
器C−2を介して3aと同じ制御回路によつて行なわれ
る。
電機子3aと3bの一次電流振幅指令値I1a とI1b を出力
するギヤツプ長制御回路B−1は、ギヤツプ長設定器
6、直列補償回路8、並列補償回路9、反転回路11、バ
イアス電流指令器12及び加算器7,10,13,14で構成されて
いる。
この場合出力I1a は加算器10の出力値exにバイアス電
流指令器12の指令値Br を加算した値であり、I1b
加算器10の出力値exから反転回路11を介して指令値Br
を減算した値となつている。
出力exは回転子2が中心の位置にある場合はほぼ零で、
I1a とI1b はBr に等しくなる。ギヤツプ長Xa≠Xb
場合はI1a とI1b はXaとXbに比例した値となる。
電機子3cと3dについても同様である。
以上のような従来の制御装置では推力Fxの制御はすべり
周波数ωsで行い、吸引力Fyの制御は一次電流I1の大き
さで行つている。
従つて推力Fxと吸引力Fyのどちらかの一方を制御しよう
とすると、推力Fxと吸引力Fyは両方とも変化する。
その変化は速度制御回路及びギヤツプ長制御回路から見
ると外乱源となり、制御系を不安定にする。
例えば第2図に示す推力Fxと吸引力Fyの特性において、
すべり周波数ωsをωs1からωs2へ制御すると、推力Fx
はFx1からFx2へ変化して増加するのに対して、吸引力Fy
はFy1からFy2へ変化して減少する。
一次電流I1の制御では破線で示すように推力Fxと吸引力
Fyが両方とも変化する。
〔発明の目的〕
本発明は、分割して配置された電機子のそれぞれの一次
電流I1の励磁電流成分I0と二次電流成分I2とを別々に制
御することによつてそれぞれの推力Fxと吸引力Fyとを独
立して制御し、これによつて全体としての吸引力のバラ
ンスと推力の強さを安定に制御できる合理的な兼用式案
内磁気軸受の制御装置を提供することを目的としてい
る。
〔発明の概要〕
本発明は、回転子の周囲に空隙を持って配設された固定
電機子に対称に配設された一対の一次巻線を複数組備え
た兼用式案内磁気軸受の制御装置において、速度基準と
前記回転子速度との偏差に応じて二次電流成分指令を出
力する速度制御回路と、前記一対の一次巻線を備えた固
定電機子の空隙と空隙基準との偏差に応じて一対の励磁
電流指令を出力する空隙長制御回路と、前記二次電流成
分指令と前記一対の励磁電流指令に応じて前記一対の一
次巻線の電流をそれぞれベクトル演算し、前記回転子の
回転位相角に応じて一対の一次電流指令を出力する電流
基準発生回路と、前記一対の一次電流指令に応じて前記
一対の一次巻線にそれぞれ交流電流を供給する電力変換
回路を設け、前記回転子の二次電流成分と、前記回転子
と前記固定電機子間の空隙を独立して制御することを特
徴とするものである。さらに、前記電流基準発生回路
は、前記二次電流成分指令と前記一対の励磁電流指令に
応じて前記一対の一次巻線の電流の大きさ、相対位相角
及びすべり位相角をそれぞれベクトル演算によって決定
し、前記回転位相角に前記相対位相角とすべり位相角を
加えて前記電流の位相角とし、前記一対の一次巻線の一
次電流指令として出力することを特徴とするものであ
る。さらにまた、前記固定電機子は2組の一対の一次巻
線を有し、前記空隙長制御回路と前記電流基準発生回路
と前記電力変換回路をそれぞれ2組設けることを特徴と
するものである。
〔発明の実施例〕
本発明の一実施例を第5図に示す。
以下先ず本発明の動作原理について説明する。
誘導電動機の電機子と回転子の間に発生する推力Fxと吸
引力Fyは一般に下記(1),(2)式で表わされる。
Fx=kx・Φ0・I2=kx′・I0・I2 …(1) Fy=ky・Φ0 2=ky′・I0 2 …(2) ここにI0は励磁電流成分、I2は二次電流成分、Φ0は主
磁束であり、kx,kx′,ky,ky′は比例定数である。
(1),(2)式より推力Fx及び吸引力Fyを独立に制御
するためには、推力Fxは二次電流成分I2と位相角θ(θ
=tan-1 I2/I0)を制御し、吸引力Fyは励磁電流成分I0
を制御すればよいことがわかる。
第3図は対称配置された片側式リニア誘導電動機(LSI
M)の電流ベクトルと、そのとき発生する推力Fxと吸引
力Fyのベクトルを示す。
第3図(A)において電流ベクトルは二次電流成分I2a
=I2b及び励磁電流成分I0a=I0bであり、各位相角は実
回転位相角θm,すべり位相角θs,相対位相角θ,一次
電流瞬時位相角θ1である。
この場合各位相角とその大きさは次式で表わされる。
ωs=Ks(ωr−ωm) …(5) θ1=θm+θs+θ …(6) I0=I0a+I0b …(9) I2=I2a+I2b …(10) 第3図(B)は第3図(A)における電流ベクトルを推
力Fxと吸引力Fyのベクトルで示したものである。
LSIMの推力Fxは推力FxaまたはFxbと方向は同じで、大き
さは2倍となるが、吸引力Fyは互に逆方向に働らく。
次に第4図のベクトル図を用いて本発明の制御動作を説
明する。説明は便宜上対称配置された1組のLSIMについ
て行う。
(1)推力Fxを一定として吸引力Fyを可変制御したい場
合。
第4図(A)において定常状態の励磁電流成分I0a,I0b
からI0aがI0a′へ変化すると、I0bはI0b′に変化させ
る。この場合変化値は|−Δi0b|=|Δi0a|とする。
二次電流成分I2aとI2bを一定に保つためには位相角θ2
の一次電流I1a′(一点鎖線で示すベクトル)及び位相
角θbをもつ一次電流I1b′(破線で示すベクトル)を流
す必要があり、その和である一次電流I1は定常状態のベ
クトル(実線で示すベクトル)を保つている。
第4図(B)は第4図(A)の動作を力のベクトル図と
して表わしたもので、変化後の推力Fx′は元のFxに等し
く吸引力Fyのみ変化することを示している。
(2)吸引力Fyを一定として推力Fxを可変制御したい場
合。
第4図(C)において定常状態の二次電流成分I2a,I2b
がI2a′,I2b′へ変化すると、全体の二次電流成分I2
I2′になる。この場合I2aとI2bは同一信号で制御される
ものとし、その変化値を2・Δi2とする。
一次電流は位相角θのI1a,I1bから位相角θ′のI1a′と
I1b′に変化し、全体の一次電流I1はI1′となる。
第4図(D)は第4図(C)の動作を力のベクトル図で
示したもので、吸引力FyaとFybは一定であり、推力Fx
みが可変制御されていることがわかる。
上記第4図の説明で述べたように、二次電流成分I2と励
磁電流成分I0の変化に応じて位相角θを制御すれば、I2
とI0を独立に制御できる。
第5図は上記説明で述べた制御を可能とする制御装置の
一実施例を示すもので、第1図と同一番号,同一記号の
ものは第1図と同じである。また制御回路は2組の同一
回路から構成されているので説明は電機子3aと3bのみに
ついて行う。
速度設定値ωrと実速度値ωmとの偏差Δωを増幅器17で
増幅して得られる二次電流成分指令値I2 と、ギヤツプ
長制御回路B−1の出力として得られる励磁電流成分指
令値I0a とI0b は演算回路30a,31a,32aと30b,31b,32b
に入力される。
演算回路30a,30bは(7),(8)式に基ずいて一次電
流振幅指令値I1a ,I1b を演算する回路、演算回路31
a,31bは(3)式に基ずいて位相角θa,θbを演算する
回路、演算回路32a,32bは(5)式に基ずいてすべり周
波数ωsを算出する回路であり、上記すべり周波数ωs
積分器18a,18bに入力されてすべり位相角θsa,θsb
変換される。
回転検出器5で検出された回転子の位相角θmと、上記
の演算によつて求められた位相角θa,θb及びθsa,θ
sbは加算器19a,20a,19b,20bによつて加算され、(6)
式に基ずいて、一次電流振幅指令値I1a ,I1b の瞬時
回転位相角指令値θ1a ,θ1b が求められ、上記I1a
,I1b と共に正弦波発生器21a,21bへ入力される。
正弦波発生器21a,21bは一対の電流基準発生回路を構成
し、電力変換回路を構成する電力変換器26aおよび26bの
一次電流指令値Iua ,Iva ,Iwa およびIub ,Ivb
,Iwb を出力する。この出力は瞬時回転位相角指令
値θ1a ,θ1b に比例する周波数で、一次電流振幅指
令値I1a ,I1b に比例する振幅値をもつ三相の正弦波
である。
一次電流指令値Iua ,Iva ,Iwa とIub ,Ivb ,I
wb は電力変換器26a,26bの指令値として与えられ、二
次電流成分指令値I2a ,I2b と励電流成分指令値I0a
,I0b を満足させるような一次電流Iua,Iva,Iwa
Iub,Ivb,Iwbを電機子3aと3bに供給する。
上記のような制御装置で各電機子3a,3b,3c,3dに流れる
一次電流の二次電流成分I2と励磁電流成分I0を制御する
ことによつて兼用式案内磁気軸受に必要な推力Fxと吸引
力Fyを独立に制御することができる。
上記はすべり位相角θsを単なるすべり周波数ωsより求
めた場合について説明したが、下記(12)式に示すよう
に励磁電流成分I0を考慮した制御構成を用いてもよい。
なお、以上の実施例では固定電機子は3相の例で示した
が、6相、12相で実施することができる。また、固定電
機子は4分割の例で示したが、6分割、8分割で実施す
ることができる。また、上記実施例では電流制御の場合
について示したが、電圧制御で実施することができる。
この場合、電流指令はインピーダンス降下分を考慮した
電圧指令として出力することは云うまでもない。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば各電機子に供給され
る一次電流の二次電流成分と励磁電流成分を個々に制御
することによつて案内磁気軸受の回転に必要な吸引力と
推力を独立に制御できる兼用式案内磁気軸受の制御装置
が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は兼用式案内磁気軸受の従来の制御装置の一例を
示す系統図、第2図は兼用式案内磁気軸受の堆力と吸引
力の一般的な特性図、第3図は同じく電流および力の一
般的なベクトル図、第4図は本発明の制御動作を説明す
るための電流および力のベクトル図、第5図は本発明の
一実施例を示す系統図である。 1……回転軸 2……回転子 3a〜3d……電機子 4a,4b……ギヤツプ長検出器 5……回転検出器 6……ギヤツプ長設定器 12……バイアス指令設定器 15……速度設定器 18……積分器 19……三相単位正弦波発生器 20……乗算器 26……電力変換器 28……F/V変換器 30……I1演算回路 31……θ演算回路 32……除算器 21a〜21d……正弦波発生器 A……速度制御回路 B−1,B−2……ギヤツプ長制御回路 C−1〜C−4……周波数変換器 D−1〜D−4……演算回路

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】回転子の周囲に空隙を持って配設された固
    定電機子に対称に配設された一対の一次巻線を複数組備
    えた兼用式案内磁気軸受の制御装置において、速度基準
    と前記回転子速度との偏差に応じて二次電流成分指令を
    出力する速度制御回路と、前記一対の一次巻線を備えた
    固定電機子の空隙と空隙基準との偏差に応じて一対の励
    磁電流指令を出力する空隙長制御回路と、前記二次電流
    成分指令と前記一対の励磁電流指令に応じて前記一対の
    一次巻線の電流をそれぞれベクトル演算し、前記回転子
    の回転位相角に応じて一対の一次電流指令を出力する電
    流基準発生回路と、前記一対の一次電流指令に応じて前
    記一対の一次巻線にそれぞれ交流電流を供給する電力変
    換回路を設け、前記回転子の二次電流成分と、前記回転
    子と前記固定電機子間の空隙を独立して制御することを
    特徴とする兼用式案内磁気軸受の制御装置。
  2. 【請求項2】前記電流基準発生回路は、前記二次電流成
    分指令と前記一対の励磁電流指令に応じて前記一対の一
    次巻線の電流の大きさ、相対位相角及びすべり位相角を
    それぞれベクトル演算によって決定し、前記回転位相角
    に前記相対位相角とすべり位相角を加えて前記電流の位
    相角とし、前記一対の一次巻線の一次電流指令として出
    力することを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の兼
    用式案内磁気軸受の制御装置。
  3. 【請求項3】前記固定電機子は2組の一対の一次巻線を
    有し、前記空隙長制御回路と前記電流基準発生回路と前
    記電力変換回路をそれぞれ2組設けることを特徴とする
    特許請求の範囲第1項記載の兼用式案内磁気軸受の制御
    装置。
JP58176482A 1983-09-26 1983-09-26 兼用式案内磁気軸受の制御装置 Expired - Lifetime JPH0695818B2 (ja)

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JPS5237648A (en) * 1975-08-23 1977-03-23 Padana Ag Electromagnetic bearing device

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