JPH07103233A - スラスト磁気軸受の制御装置及び方法 - Google Patents
スラスト磁気軸受の制御装置及び方法Info
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- JPH07103233A JPH07103233A JP5269709A JP26970993A JPH07103233A JP H07103233 A JPH07103233 A JP H07103233A JP 5269709 A JP5269709 A JP 5269709A JP 26970993 A JP26970993 A JP 26970993A JP H07103233 A JPH07103233 A JP H07103233A
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- Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】スラスト磁気軸受の制御装置と方法に関し、回
転軸の熱膨張に係わる問題を、既設の変位検出器を利用
して解決する。 【構成】回転軸と、磁性体からなる円板状の回転子と、
回転子の軸方向両側にエアギャップを介して設けられた
電磁石からなる２つの固定子と、固定子に電流を供給す
る２つの電流増幅器と、回転子の軸方向変位を検出する
変位検出器と、変位指令値と変位検出器の信号を比較す
る比較器と、この比較器の信号を受ける位相補償器と、
回転軸が固定子から受ける支持力を補償する補償器とで
構成されたスラスト磁気軸受の制御装置に、固定子に供
給する電流を検出する２つの電流検出器と、回転軸先端
部近傍に設けられた変位検出器と、電流検出器と変位検
出器の信号から回転軸の熱膨張量を演算し、両側のギャ
ップ指令値を補正する補正演算器を付加する。
転軸の熱膨張に係わる問題を、既設の変位検出器を利用
して解決する。 【構成】回転軸と、磁性体からなる円板状の回転子と、
回転子の軸方向両側にエアギャップを介して設けられた
電磁石からなる２つの固定子と、固定子に電流を供給す
る２つの電流増幅器と、回転子の軸方向変位を検出する
変位検出器と、変位指令値と変位検出器の信号を比較す
る比較器と、この比較器の信号を受ける位相補償器と、
回転軸が固定子から受ける支持力を補償する補償器とで
構成されたスラスト磁気軸受の制御装置に、固定子に供
給する電流を検出する２つの電流検出器と、回転軸先端
部近傍に設けられた変位検出器と、電流検出器と変位検
出器の信号から回転軸の熱膨張量を演算し、両側のギャ
ップ指令値を補正する補正演算器を付加する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、回転軸を非接触支持す
るスラスト磁気軸受の制御装置と方法に関するものであ
る。
るスラスト磁気軸受の制御装置と方法に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】磁気軸受は磁気力により回転体を非接触
で空中支持するため、潤滑の問題がないこと、特殊な環
境のなかでも使用可能であること、また摩擦、摩耗、騒
音の問題がほとんど無く、超高速回転が可能であるなど
の特徴があるため、その実用化に向かって盛んに研究が
行われている。磁気軸受のうち、磁気吸引力を利用する
ものは、反発力を利用するものより支持力が大きく、ダ
ンピングもかけやすいため広く開発されて多くの回転機
械に適用されつつある。この軸受を適用すると、支持摩
擦が非常に小さくターボ機械や工作機主軸などの高速化
が可能である。しかし、磁気吸引力がそれ自身で不安定
系を構成するため、電磁石を用いた磁気軸受は少なくと
も浮上制御することが必要である。ここで、磁気吸引力
を利用する制御形磁気軸受のうちのスラスト軸受の一般
的な説明をすると次のようになっている。すなわち、回
転軸と、回転軸に固着され磁性体からなる円板状の回転
子と、回転子の軸方向両側にエアギャップを介して対向
するよう固定側に設けられた電磁石からなる２つの固定
子と、２つの固定子に電流を供給する２つの電流増幅器
と、固定子近傍に設けられ固定子にたいする回転子の軸
方向変位を検出する変位検出器と、変位指令値と変位検
出器の信号を比較する比較器と、比較器の信号を受けて
作動する位相補償器と、変位検出器の信号と位相補償器
の信号を受けて電流増幅器に信号を送り、位相補償器の
信号と回転軸が固定子から受ける軸方向の支持力とが比
例関係となるよう補償する補償器とで構成され、回転軸
の軸方向位置が所定の位置になるよう制御されて非接触
支持される。補償器の構成と補償方法については特公昭
６３ー１９７３４、特公平３ー４３７６６などに詳しく
述べられている。この補償器を用いると、固定子の電磁
石と回転軸の回転子間に働く磁気吸引力が非線形特性を
持ち、軸受の制御系全体が非線形系となって安定制御が
困難であったものが、全体として線形系とされて安定し
た浮上制御系が得られる。磁気軸受に用いられる前記の
変位検出器には非接触式のものが必要であり、検出精度
や価格の点から、一般に渦電流形変位検出器が多く用い
られている。この変位検出器は、検出コイルに高周波電
流を供給すると検出ターゲットである回転子内に渦電流
が生じ、これがエアギャップに影響されることを利用し
て検出される。この渦電流形変位検出器を用いると、検
出器自身が高価であるため全体コストが上がってしまう
ことや、変位検出器が固定子電磁石の近傍に設けられて
軸受の支持点と変位検出点が異なり制御系の安定余裕が
制限されるという問題がある。そこで、最近は、電磁石
に電流を供給する電流増幅器にスイッチング素子を用い
たＰＷＭ形のものが用いられるようになったことを利用
して、その電流リップルからインダクタンスの変化とし
てギャップ値を検出する方法が提案されている（例え
ば、特開平５ー１１８３２９）。
で空中支持するため、潤滑の問題がないこと、特殊な環
境のなかでも使用可能であること、また摩擦、摩耗、騒
音の問題がほとんど無く、超高速回転が可能であるなど
の特徴があるため、その実用化に向かって盛んに研究が
行われている。磁気軸受のうち、磁気吸引力を利用する
ものは、反発力を利用するものより支持力が大きく、ダ
ンピングもかけやすいため広く開発されて多くの回転機
械に適用されつつある。この軸受を適用すると、支持摩
擦が非常に小さくターボ機械や工作機主軸などの高速化
が可能である。しかし、磁気吸引力がそれ自身で不安定
系を構成するため、電磁石を用いた磁気軸受は少なくと
も浮上制御することが必要である。ここで、磁気吸引力
を利用する制御形磁気軸受のうちのスラスト軸受の一般
的な説明をすると次のようになっている。すなわち、回
転軸と、回転軸に固着され磁性体からなる円板状の回転
子と、回転子の軸方向両側にエアギャップを介して対向
するよう固定側に設けられた電磁石からなる２つの固定
子と、２つの固定子に電流を供給する２つの電流増幅器
と、固定子近傍に設けられ固定子にたいする回転子の軸
方向変位を検出する変位検出器と、変位指令値と変位検
出器の信号を比較する比較器と、比較器の信号を受けて
作動する位相補償器と、変位検出器の信号と位相補償器
の信号を受けて電流増幅器に信号を送り、位相補償器の
信号と回転軸が固定子から受ける軸方向の支持力とが比
例関係となるよう補償する補償器とで構成され、回転軸
の軸方向位置が所定の位置になるよう制御されて非接触
支持される。補償器の構成と補償方法については特公昭
６３ー１９７３４、特公平３ー４３７６６などに詳しく
述べられている。この補償器を用いると、固定子の電磁
石と回転軸の回転子間に働く磁気吸引力が非線形特性を
持ち、軸受の制御系全体が非線形系となって安定制御が
困難であったものが、全体として線形系とされて安定し
た浮上制御系が得られる。磁気軸受に用いられる前記の
変位検出器には非接触式のものが必要であり、検出精度
や価格の点から、一般に渦電流形変位検出器が多く用い
られている。この変位検出器は、検出コイルに高周波電
流を供給すると検出ターゲットである回転子内に渦電流
が生じ、これがエアギャップに影響されることを利用し
て検出される。この渦電流形変位検出器を用いると、検
出器自身が高価であるため全体コストが上がってしまう
ことや、変位検出器が固定子電磁石の近傍に設けられて
軸受の支持点と変位検出点が異なり制御系の安定余裕が
制限されるという問題がある。そこで、最近は、電磁石
に電流を供給する電流増幅器にスイッチング素子を用い
たＰＷＭ形のものが用いられるようになったことを利用
して、その電流リップルからインダクタンスの変化とし
てギャップ値を検出する方法が提案されている（例え
ば、特開平５ー１１８３２９）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、そのような
磁気軸受の一般的な構成を、例えば工作機主軸のスラス
ト軸受に適用すると、次のような問題がある。工作機主
軸に磁気軸受を適用するとき、工具を設けた主軸先端側
にラジアル軸受が設けられ、スラスト軸受は２つのラジ
アル軸受の間か、主軸後端付近に設けられるのが一般的
である。従って、主軸が稼働する際の温度上昇によって
主軸が膨張すると、主軸先端が変位して熱膨張量だけ加
工精度が低下するのである。その程度は、スラスト軸受
を２つのラジアル軸受の間に設けるよりも主軸後端付近
に設けるほうが大きい。スラスト軸受を２つのラジアル
軸受の間に設けるときの主軸の熱膨張の影響は、スラス
ト軸受を主軸後端付近に設けるときの熱膨張より小さい
が、変位検出器の設置空間が必要であるとか、分解組立
が容易でないなどの欠点を持っている。主軸の熱膨張の
影響を避けるため、主軸先端に変位検出器を設ける方法
も提案されたが、主軸先端の位置が制御されるため加工
精度は高く維持されるものの、前記補償器が正常に動作
できなくなり、制御系の安定性がしだいに損なわれてき
て、ついには浮上できなくなるという問題があった。ま
た、一方、変位検出器を設けることなく、電磁石電流の
リップルから演算して変位を検出する前記の方法は、原
理的に検出が可能であるとはいうものの、電磁石が本来
変位検出器として使われるものでないため、渦電流を利
用した変位検出器と比べると検出精度やその他の諸特性
が非常に悪い。従って工作機主軸のように高い精度を要
求される軸受には適していない。そこで、本発明は、変
位検出器と電磁石間の回転軸の熱膨張にかかわる前記の
諸問題を、既設の変位検出器を利用して解決することを
目的とする。
磁気軸受の一般的な構成を、例えば工作機主軸のスラス
ト軸受に適用すると、次のような問題がある。工作機主
軸に磁気軸受を適用するとき、工具を設けた主軸先端側
にラジアル軸受が設けられ、スラスト軸受は２つのラジ
アル軸受の間か、主軸後端付近に設けられるのが一般的
である。従って、主軸が稼働する際の温度上昇によって
主軸が膨張すると、主軸先端が変位して熱膨張量だけ加
工精度が低下するのである。その程度は、スラスト軸受
を２つのラジアル軸受の間に設けるよりも主軸後端付近
に設けるほうが大きい。スラスト軸受を２つのラジアル
軸受の間に設けるときの主軸の熱膨張の影響は、スラス
ト軸受を主軸後端付近に設けるときの熱膨張より小さい
が、変位検出器の設置空間が必要であるとか、分解組立
が容易でないなどの欠点を持っている。主軸の熱膨張の
影響を避けるため、主軸先端に変位検出器を設ける方法
も提案されたが、主軸先端の位置が制御されるため加工
精度は高く維持されるものの、前記補償器が正常に動作
できなくなり、制御系の安定性がしだいに損なわれてき
て、ついには浮上できなくなるという問題があった。ま
た、一方、変位検出器を設けることなく、電磁石電流の
リップルから演算して変位を検出する前記の方法は、原
理的に検出が可能であるとはいうものの、電磁石が本来
変位検出器として使われるものでないため、渦電流を利
用した変位検出器と比べると検出精度やその他の諸特性
が非常に悪い。従って工作機主軸のように高い精度を要
求される軸受には適していない。そこで、本発明は、変
位検出器と電磁石間の回転軸の熱膨張にかかわる前記の
諸問題を、既設の変位検出器を利用して解決することを
目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本発明は、回転軸と、該回転軸に固着され磁性体か
らなる円板状の回転子と、該回転子の軸方向両側にエア
ギャップを介して対向するよう固定側に設けられた電磁
石からなる２つの固定子と、該固定子に電流を供給する
ＰＷＭ形の２つの電流増幅器と、前記固定子に対する回
転子の軸方向変位を検出する変位検出器と、変位指令値
と該変位検出器の信号を比較する第１の比較器と、該第
１の比較器の信号を受けて作動する位相補償器と、前記
変位検出器の信号と位相補償器の信号を受けて前記２つ
の電流増幅器に信号を送り前記位相補償器の信号と回転
軸が２つの固定子から受ける軸方向の支持力とが比例関
係となるよう補償する補償器とで構成され、回転軸の軸
方向を非接触支持するスラスト磁気軸受の制御装置にお
いて、前記電流増幅器が前記固定子に供給する電流を検
出する２つの電流検出器と、回転軸先端部近傍に設けら
れた回転軸先端部の軸方向変位を検出する変位検出器
と、前記電流検出器の信号と変位検出器の信号から固定
子と変位検出器間の回転軸の熱膨張量を演算し、両側の
ギャップ指令値を補正する補正演算器を付加することに
より、回転軸の熱膨張にかかわらず、軸方向のギャップ
と支持力を保つようにする。
め、本発明は、回転軸と、該回転軸に固着され磁性体か
らなる円板状の回転子と、該回転子の軸方向両側にエア
ギャップを介して対向するよう固定側に設けられた電磁
石からなる２つの固定子と、該固定子に電流を供給する
ＰＷＭ形の２つの電流増幅器と、前記固定子に対する回
転子の軸方向変位を検出する変位検出器と、変位指令値
と該変位検出器の信号を比較する第１の比較器と、該第
１の比較器の信号を受けて作動する位相補償器と、前記
変位検出器の信号と位相補償器の信号を受けて前記２つ
の電流増幅器に信号を送り前記位相補償器の信号と回転
軸が２つの固定子から受ける軸方向の支持力とが比例関
係となるよう補償する補償器とで構成され、回転軸の軸
方向を非接触支持するスラスト磁気軸受の制御装置にお
いて、前記電流増幅器が前記固定子に供給する電流を検
出する２つの電流検出器と、回転軸先端部近傍に設けら
れた回転軸先端部の軸方向変位を検出する変位検出器
と、前記電流検出器の信号と変位検出器の信号から固定
子と変位検出器間の回転軸の熱膨張量を演算し、両側の
ギャップ指令値を補正する補正演算器を付加することに
より、回転軸の熱膨張にかかわらず、軸方向のギャップ
と支持力を保つようにする。
【０００５】
【作用】上記手段により、電磁石に供給される電流のリ
ップルが、固定子と回転子のエアギャップに比例するの
で、補正演算器で主軸先端と軸受部間の膨張量が求めら
れ、変位検出器の信号に加算または減算して補償器に用
いる変位信号を補正し、回転軸が熱膨張しても当初の安
定な浮上系が維持されるのである。
ップルが、固定子と回転子のエアギャップに比例するの
で、補正演算器で主軸先端と軸受部間の膨張量が求めら
れ、変位検出器の信号に加算または減算して補償器に用
いる変位信号を補正し、回転軸が熱膨張しても当初の安
定な浮上系が維持されるのである。
【０００６】
【実施例】以下本発明の実施例を図に基づいて説明す
る。図１は本発明のスラスト磁気軸受の制御装置を示す
ブロック図であり、図２は補正演算器を示すブロック図
である。図１において、１は工作機械の主軸、２は主軸
１の先端に図示しないホルダを介して固定された工具、
３はスラスト磁気軸受、３１は主軸１に固着され磁性体
からなる円板状の回転子、３２、３３は回転子３１の軸
方向両側にエアギャップを介して対向するよう図示しな
いフレーム等の固定側に設けられた電磁石からなる円環
状の固定子である。４はスラスト磁気軸受３の制御装
置、４１は主軸１の先端部近傍に、フレームやブラケッ
トなどに設けられ、主軸１の先端部の軸方向変位を検出
する変位検出器である。４２、４３は、スイッチング素
子を用いたＰＷＭ形の電流増幅器７１、７２が固定子３
２、３３に供給する電流ＩL ，ＩR を検出する電流検出
器である。４４は、変位指令値Ｘｓと変位検出器４１の
信号Ｘを比較する第１の比較器、５は第１の比較器４４
の出力信号Ｘｓ−Ｘを受けて働くＰＩＤ補償器などから
なる位相補償器である。８は、電流検出器４２、４３の
検出電流ＩL ，ＩR と変位検出器４１の信号Ｘを受け、
回転子３１と固定子３２、３３間のエアギャップに対応
する信号Ｘ1 ，Ｘ2 を出力する補正演算器である。６
は、位相補償器５の信号と補正演算器８の信号Ｘ1 ，Ｘ
2 を受けて電流増幅器７１、７２に指令を送り、位相補
償器５の信号と回転軸が２つの固定子から受ける軸方向
の支持力とが比例関係となるよう補正する補償器であ
る。主軸１は、スラスト磁気軸受３と、主軸１に設けら
れた図示しない２つのラジアル磁気軸受とで非接触支持
され、主軸１に設けられた図示しないモータにより回転
させることができる。変位検出器４１とスラスト磁気軸
受３とは離れた位置に配置されている。図２において、
８１、８１は電流検出器４２、４３の電流信号ＩL ，Ｉ
R を受け、ＰＷＭ形の電流増幅器７１、７２のキャリヤ
周波数を通過させ他の低周波信号を除去する２つのハイ
パスフィルタ、８２、８２はハイパスフィルタ８１、８
１の信号を増幅する２つの増幅器、８３、８３は増幅器
８２の信号を受けてそれぞれ全波整流する２つの全波整
流器、８４は２つの全波整流器８３の信号を比較する第
２の比較器、８５は比較器８４の信号にバイアスＸ0 を
加算する第１の加算器、８６は変位検出器４１の信号Ｘ
に第１の加算器８５の信号を加算する第２の加算器、８
７は変位検出器４１の信号から第１の加算器８５の信号
を減算する第３の減算器であり、これらにより補正演算
器８を構成している。以上の構成において、スラスト磁
気軸受の浮上制御は次のように行われる。変位検出器４
１で主軸１の軸方向変位Ｘが検出されると、第１の比較
器４４が変位指令値Ｘｓと比較し、偏差信号（Ｘｓ−
Ｘ）を出力する。その偏差信号（Ｘｓ−Ｘ）を受けた位
相補償器５は、左右のギャップδL ，δR が等しくなる
ように、位相を補償して信号ＸL ，ＸR を出力する。補
償器６は、信号ＸL ，ＸR と後述する補正演算器８の信
号Ｘ1 ，Ｘ2 を受けて、電流増幅器７１、７２に1 ２つ
の電流指令ｉL ，ｉR を与える。電流増幅器７１、７２
は、この電流指令ｉL ，ｉR に応じて固定子３２、３３
に電流ＩL ，ＩR を供給する。この電流ＩL ，ＩRによ
り回転子３１と固定子３２、３３間に磁気吸引力が生じ
る。回転子３１が指令値Ｘｓで指定した位置よりずれて
いるとき、第１の比較器４４の偏差信号（Ｘｓ−Ｘ）が
ゼロでないため、位相補正器５が働いて信号を出力し、
この信号に応じてずれた方向と反対方向の支持力が生じ
主軸のずれた位置を復帰させようとする。このようにし
て主軸１が軸方向に非接触支持される。また、このよう
な動作をしているとき、補正演算８の信号Ｘ1 ，Ｘ2 が
回転子３１と固定子３２、３３間のエアギャップにそれ
ぞれ対応するため、位相補償器５の信号と軸方向磁気軸
受３の支持力が比例関係となり、回転子３１の浮上位置
と熱膨張に関わらず当初の安定な浮上系が維持される。
固定子３２、３３の電流ＩL ，ＩR が電流検出器４２、
４３によって検出されると、２つのハイパスフィルタ８
１、８１によってそれぞれ低周波信号が阻止され電流増
幅器７１、７２のキャリヤ周波数の信号だけが出力され
る。ここで、この出力信号と、回転子３１と固定子３
２、３３間のエアギャップとの関係について説明すると
次の通りである。ＰＷＭ形の電流増幅器で電磁石からな
る固定子に電流を供給するとき、電流増幅器と固定子の
損失を小さくするため、電流増幅器７１、７２の主回路
電源の電圧は高く、固定子の抵抗は小さくされる。従っ
て、電流増幅器７１、７２からみた電磁石からなる固定
子３２、３３は電気的にインダクタンスと等価とみなす
ことができ、電流増幅器の主回路電圧Ｖと，電磁石から
なる固定子のインダクタンスＬと，電磁石からなる固定
子の電流Ｉとの間にはおよそ次の関係がある。 Ｖ＝Ｌ（ｄＩ／ｄｔ） また、インダクタンスＬと電磁石からなる固定子と回転
子間のエアギャップＸとはおよそ次の関係がある。
Ｌ∝１／Ｘ この２つの式から次式の関係が得られる。 ｄＩ∝Ｖ・Ｘ・ｄｔ この式のｄｔは電流増幅器のキャリヤ周波数の逆数であ
り、スイッチング素子をスイッチングする時間間隔に等
しく一定である。主回路電圧Ｖも一定にしてあるので前
記の式は次式のようになり、スイッチングで生じる電流
リップルは概ねエアギャップに比例するのである。 ｄＩ∝Ｘ 従って、２つのハイパスフィルタ８１、８１の出力信号
はそれぞれのエアギャップに比例した振幅の三角波とな
る。インダクタンスＬが大きいと電流リップルは小さい
のでハイパスフィルタ８１、８１の出力信号はそれぞれ
増幅器８２、８２で増幅される。そしてさらに全波整流
器８３、８３でそれぞれ全波整流されるので、全波整流
器８３、８３の出力信号は電流リップルの振幅に対応す
る大きさの直流信号となり、それぞれのエアギャップに
比例する。この２つの信号を第２の比較器８４で比較
し、第１の加算器８５でバイアス信号Ｘ0 を加算する。
バイアス信号Ｘ0 は初期状態で左右のギャップが等しく
なるように設定してある。図１に示したスラスト磁気軸
受３が作動して非接触浮上し、主軸１が熱膨張する前の
状態で、第１の加算器８５の出力信号がゼロとなるよう
調整しておくと、熱膨張して主軸１の軸方向磁気軸受３
の部分の回転子３１が軸方向に変位すれば、その変位に
比例した信号が第１の加算器８５から出力される。ここ
で、２つの増幅器８２，８２の増幅率を適当に選べば、
変位検出器４１で検出された主軸先端部の変位の変位信
号Ｘに、第１の加算器８５の信号を第２の加算器８６で
加算すると、回転子３１と固定子３２間のエアギャップ
が得られ、変位検出器４１で検出された主軸先端部の変
位信号Ｘから、第１の加算器８５の信号を第３の減算器
８７で減算すると、回転子３１と固定子３３間のエアギ
ャップが得られる。補正演算器８の最終段の加減算器８
６、８７で用いた２つの信号のうち、一方は変位検出器
４１で検出された変位信号Ｘであるため高い精度を持っ
ているが、他方は、ＰＷＭ形電流増幅器の出力電流を検
出し、ハイパスフィルタ８１から第１の加算器８５まで
の回路で演算された熱膨張に相当する信号であるため、
前記のように十分な精度を持っていない。しかし、補正
演算器８で演算された回転子３１と固定子３２、３３間
のエアギャップに相当する信号Ｘ1 ，Ｘ2 は、変位信号
Ｘに熱膨張に相当する補正をかけて得られたものである
ため、変位検出器４１ほどの精度はないにしても、変位
検出器４１の信号を用いないで電流ＩL ，ＩR だけで演
算して求めたものよりもかなり高い精度を持っている。
従って、この２つの信号を用いた補償器６によりスラス
ト軸受の制御系は十分安定なものとされるのである。こ
のように、補正演算器８を用いて補償器６の信号を演算
しても、主軸１の軸方向位置は変位検出器４１の信号を
用いて制御されるため前記のように高い精度で保持され
る。このようにして、主軸の熱膨張による影響を補正す
ることができるのである。
る。図１は本発明のスラスト磁気軸受の制御装置を示す
ブロック図であり、図２は補正演算器を示すブロック図
である。図１において、１は工作機械の主軸、２は主軸
１の先端に図示しないホルダを介して固定された工具、
３はスラスト磁気軸受、３１は主軸１に固着され磁性体
からなる円板状の回転子、３２、３３は回転子３１の軸
方向両側にエアギャップを介して対向するよう図示しな
いフレーム等の固定側に設けられた電磁石からなる円環
状の固定子である。４はスラスト磁気軸受３の制御装
置、４１は主軸１の先端部近傍に、フレームやブラケッ
トなどに設けられ、主軸１の先端部の軸方向変位を検出
する変位検出器である。４２、４３は、スイッチング素
子を用いたＰＷＭ形の電流増幅器７１、７２が固定子３
２、３３に供給する電流ＩL ，ＩR を検出する電流検出
器である。４４は、変位指令値Ｘｓと変位検出器４１の
信号Ｘを比較する第１の比較器、５は第１の比較器４４
の出力信号Ｘｓ−Ｘを受けて働くＰＩＤ補償器などから
なる位相補償器である。８は、電流検出器４２、４３の
検出電流ＩL ，ＩR と変位検出器４１の信号Ｘを受け、
回転子３１と固定子３２、３３間のエアギャップに対応
する信号Ｘ1 ，Ｘ2 を出力する補正演算器である。６
は、位相補償器５の信号と補正演算器８の信号Ｘ1 ，Ｘ
2 を受けて電流増幅器７１、７２に指令を送り、位相補
償器５の信号と回転軸が２つの固定子から受ける軸方向
の支持力とが比例関係となるよう補正する補償器であ
る。主軸１は、スラスト磁気軸受３と、主軸１に設けら
れた図示しない２つのラジアル磁気軸受とで非接触支持
され、主軸１に設けられた図示しないモータにより回転
させることができる。変位検出器４１とスラスト磁気軸
受３とは離れた位置に配置されている。図２において、
８１、８１は電流検出器４２、４３の電流信号ＩL ，Ｉ
R を受け、ＰＷＭ形の電流増幅器７１、７２のキャリヤ
周波数を通過させ他の低周波信号を除去する２つのハイ
パスフィルタ、８２、８２はハイパスフィルタ８１、８
１の信号を増幅する２つの増幅器、８３、８３は増幅器
８２の信号を受けてそれぞれ全波整流する２つの全波整
流器、８４は２つの全波整流器８３の信号を比較する第
２の比較器、８５は比較器８４の信号にバイアスＸ0 を
加算する第１の加算器、８６は変位検出器４１の信号Ｘ
に第１の加算器８５の信号を加算する第２の加算器、８
７は変位検出器４１の信号から第１の加算器８５の信号
を減算する第３の減算器であり、これらにより補正演算
器８を構成している。以上の構成において、スラスト磁
気軸受の浮上制御は次のように行われる。変位検出器４
１で主軸１の軸方向変位Ｘが検出されると、第１の比較
器４４が変位指令値Ｘｓと比較し、偏差信号（Ｘｓ−
Ｘ）を出力する。その偏差信号（Ｘｓ−Ｘ）を受けた位
相補償器５は、左右のギャップδL ，δR が等しくなる
ように、位相を補償して信号ＸL ，ＸR を出力する。補
償器６は、信号ＸL ，ＸR と後述する補正演算器８の信
号Ｘ1 ，Ｘ2 を受けて、電流増幅器７１、７２に1 ２つ
の電流指令ｉL ，ｉR を与える。電流増幅器７１、７２
は、この電流指令ｉL ，ｉR に応じて固定子３２、３３
に電流ＩL ，ＩR を供給する。この電流ＩL ，ＩRによ
り回転子３１と固定子３２、３３間に磁気吸引力が生じ
る。回転子３１が指令値Ｘｓで指定した位置よりずれて
いるとき、第１の比較器４４の偏差信号（Ｘｓ−Ｘ）が
ゼロでないため、位相補正器５が働いて信号を出力し、
この信号に応じてずれた方向と反対方向の支持力が生じ
主軸のずれた位置を復帰させようとする。このようにし
て主軸１が軸方向に非接触支持される。また、このよう
な動作をしているとき、補正演算８の信号Ｘ1 ，Ｘ2 が
回転子３１と固定子３２、３３間のエアギャップにそれ
ぞれ対応するため、位相補償器５の信号と軸方向磁気軸
受３の支持力が比例関係となり、回転子３１の浮上位置
と熱膨張に関わらず当初の安定な浮上系が維持される。
固定子３２、３３の電流ＩL ，ＩR が電流検出器４２、
４３によって検出されると、２つのハイパスフィルタ８
１、８１によってそれぞれ低周波信号が阻止され電流増
幅器７１、７２のキャリヤ周波数の信号だけが出力され
る。ここで、この出力信号と、回転子３１と固定子３
２、３３間のエアギャップとの関係について説明すると
次の通りである。ＰＷＭ形の電流増幅器で電磁石からな
る固定子に電流を供給するとき、電流増幅器と固定子の
損失を小さくするため、電流増幅器７１、７２の主回路
電源の電圧は高く、固定子の抵抗は小さくされる。従っ
て、電流増幅器７１、７２からみた電磁石からなる固定
子３２、３３は電気的にインダクタンスと等価とみなす
ことができ、電流増幅器の主回路電圧Ｖと，電磁石から
なる固定子のインダクタンスＬと，電磁石からなる固定
子の電流Ｉとの間にはおよそ次の関係がある。 Ｖ＝Ｌ（ｄＩ／ｄｔ） また、インダクタンスＬと電磁石からなる固定子と回転
子間のエアギャップＸとはおよそ次の関係がある。
Ｌ∝１／Ｘ この２つの式から次式の関係が得られる。 ｄＩ∝Ｖ・Ｘ・ｄｔ この式のｄｔは電流増幅器のキャリヤ周波数の逆数であ
り、スイッチング素子をスイッチングする時間間隔に等
しく一定である。主回路電圧Ｖも一定にしてあるので前
記の式は次式のようになり、スイッチングで生じる電流
リップルは概ねエアギャップに比例するのである。 ｄＩ∝Ｘ 従って、２つのハイパスフィルタ８１、８１の出力信号
はそれぞれのエアギャップに比例した振幅の三角波とな
る。インダクタンスＬが大きいと電流リップルは小さい
のでハイパスフィルタ８１、８１の出力信号はそれぞれ
増幅器８２、８２で増幅される。そしてさらに全波整流
器８３、８３でそれぞれ全波整流されるので、全波整流
器８３、８３の出力信号は電流リップルの振幅に対応す
る大きさの直流信号となり、それぞれのエアギャップに
比例する。この２つの信号を第２の比較器８４で比較
し、第１の加算器８５でバイアス信号Ｘ0 を加算する。
バイアス信号Ｘ0 は初期状態で左右のギャップが等しく
なるように設定してある。図１に示したスラスト磁気軸
受３が作動して非接触浮上し、主軸１が熱膨張する前の
状態で、第１の加算器８５の出力信号がゼロとなるよう
調整しておくと、熱膨張して主軸１の軸方向磁気軸受３
の部分の回転子３１が軸方向に変位すれば、その変位に
比例した信号が第１の加算器８５から出力される。ここ
で、２つの増幅器８２，８２の増幅率を適当に選べば、
変位検出器４１で検出された主軸先端部の変位の変位信
号Ｘに、第１の加算器８５の信号を第２の加算器８６で
加算すると、回転子３１と固定子３２間のエアギャップ
が得られ、変位検出器４１で検出された主軸先端部の変
位信号Ｘから、第１の加算器８５の信号を第３の減算器
８７で減算すると、回転子３１と固定子３３間のエアギ
ャップが得られる。補正演算器８の最終段の加減算器８
６、８７で用いた２つの信号のうち、一方は変位検出器
４１で検出された変位信号Ｘであるため高い精度を持っ
ているが、他方は、ＰＷＭ形電流増幅器の出力電流を検
出し、ハイパスフィルタ８１から第１の加算器８５まで
の回路で演算された熱膨張に相当する信号であるため、
前記のように十分な精度を持っていない。しかし、補正
演算器８で演算された回転子３１と固定子３２、３３間
のエアギャップに相当する信号Ｘ1 ，Ｘ2 は、変位信号
Ｘに熱膨張に相当する補正をかけて得られたものである
ため、変位検出器４１ほどの精度はないにしても、変位
検出器４１の信号を用いないで電流ＩL ，ＩR だけで演
算して求めたものよりもかなり高い精度を持っている。
従って、この２つの信号を用いた補償器６によりスラス
ト軸受の制御系は十分安定なものとされるのである。こ
のように、補正演算器８を用いて補償器６の信号を演算
しても、主軸１の軸方向位置は変位検出器４１の信号を
用いて制御されるため前記のように高い精度で保持され
る。このようにして、主軸の熱膨張による影響を補正す
ることができるのである。
【０００７】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、固
定子に供給される電流から熱膨張によるスラスト磁気軸
受の部分の変位を求めて補正し、回転子と固定子間のエ
アギャップを求めているので、浮上用変位検出器の他に
変位検出器を追加することなく、熱膨張による磁気軸受
制御系の不安定化を回避して当初の安定な浮上系が維持
されるのである。従って、既設の機械に制御装置のみを
付加するだけでよいので、簡単に機械の性能向上をする
効果がある。
定子に供給される電流から熱膨張によるスラスト磁気軸
受の部分の変位を求めて補正し、回転子と固定子間のエ
アギャップを求めているので、浮上用変位検出器の他に
変位検出器を追加することなく、熱膨張による磁気軸受
制御系の不安定化を回避して当初の安定な浮上系が維持
されるのである。従って、既設の機械に制御装置のみを
付加するだけでよいので、簡単に機械の性能向上をする
効果がある。
【図１】本発明の実施例を示す、スラスト磁気軸受の制
御装置のブロック図
御装置のブロック図
【図２】図１の補正演算器を示すブロック図
１ 主軸 ２ 工具 ３ スラスト磁気軸受 ３１ 回転子 ３２、３３ 固定子 ４１ 変位検出器 ４ 磁気軸受制御装置 ４２、４３ 電流検出器 ４４ 第１の比較器 ５ 位相補償器 ６ 補償器 ７１、７２ 電流増幅器 ８ 補正演算器 ８１ ハイパスフィルタ ８２ 増幅器 ８３ 全波整流器 ８４ 第２の比較器 ８５ 第１の加算器 ８６ 第２の加算器 ８７ 第３の比較器
Claims (3)
- 【請求項１】 回転軸と、該回転軸に固着され磁性体か
らなる円板状の回転子と、該回転子の軸方向両側にエア
ギャップを介して対向するよう固定側に設けられた電磁
石からなる２つの固定子と、該固定子に電流を供給する
ＰＷＭ形の２つの電流増幅器と、前記固定子に対する回
転子の軸方向変位を検出する変位検出器と、変位指令値
と該変位検出器の信号を比較する第１の比較器と、該第
１の比較器の信号を受けて作動する位相補償器と、前記
変位検出器の信号と位相補償器の信号を受けて前記２つ
の電流増幅器に信号を送り前記位相補償器の信号と回転
軸が２つの固定子から受ける軸方向の支持力とが比例関
係となるよう補償する補償器とで構成され、回転軸の軸
方向を非接触支持するスラスト磁気軸受の制御装置にお
いて、 前記電流増幅器が前記固定子に供給する電流を検出する
２つの電流検出器と、回転軸先端部近傍に設けられた回
転軸先端部の軸方向変位を検出する変位検出器と、前記
電流検出器の信号と変位検出器の信号から固定子と変位
検出器間の回転軸の熱膨張量を演算し、両側のギャップ
指令値を補正する補正演算器を備えたことを特徴とする
スラスト磁気軸受の制御装置。 - 【請求項２】 前記補正演算器が、電流検出器の信号を
受けて電流増幅器のキャリア周波数を通過させる２つの
ハイパスフィルタと、該ハイパスフィルタの信号を受け
てそれぞれ信号レベルを調節する２つの増幅器と、該増
幅器の信号を受けてそれぞれ全波整流する２つの全波整
流器と、該２つの全波整流器の信号を比較する第２の比
較器と、該第２の比較器の信号を受けて基準信号を加算
する第１の加算器と、該第１の加算器の信号を受けて前
記変位検出器の信号を加算する第２の加算器と、前記第
１の加算器の信号を受けて前記変位検出器の信号から減
算する第３減算器からなる請求項１のスラスト磁気軸受
の制御装置。 - 【請求項３】 請求項１記載のスラスト磁気軸受の制御
装置において、ＰＷＭ形の電流増幅器が固定子に供給す
る電流リップルから得られる変位と変位検出器から得ら
れる変位を加減算して、軸の熱膨張にによる変位の変動
を補償することを特徴とするスラスト磁気軸受の制御方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26970993A JP3395170B2 (ja) | 1993-10-01 | 1993-10-01 | スラスト磁気軸受の制御装置及び方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26970993A JP3395170B2 (ja) | 1993-10-01 | 1993-10-01 | スラスト磁気軸受の制御装置及び方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07103233A true JPH07103233A (ja) | 1995-04-18 |
| JP3395170B2 JP3395170B2 (ja) | 2003-04-07 |
Family
ID=17476088
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26970993A Expired - Fee Related JP3395170B2 (ja) | 1993-10-01 | 1993-10-01 | スラスト磁気軸受の制御装置及び方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3395170B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7235965B2 (en) | 2004-01-15 | 2007-06-26 | Kabushiki Kaisha Teikoku Denki Seisakusho | Motor bearing wear detecting device |
| JP2015010716A (ja) * | 2013-06-28 | 2015-01-19 | エスカエフ・マニュティック・メシャトロニク | 改良された能動型磁気軸受制御システム |
| CN116576764A (zh) * | 2023-07-06 | 2023-08-11 | 瑞纳智能设备股份有限公司 | 转轴的轴向位移检测装置、方法及磁轴承系统 |
-
1993
- 1993-10-01 JP JP26970993A patent/JP3395170B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7235965B2 (en) | 2004-01-15 | 2007-06-26 | Kabushiki Kaisha Teikoku Denki Seisakusho | Motor bearing wear detecting device |
| JP2015010716A (ja) * | 2013-06-28 | 2015-01-19 | エスカエフ・マニュティック・メシャトロニク | 改良された能動型磁気軸受制御システム |
| CN116576764A (zh) * | 2023-07-06 | 2023-08-11 | 瑞纳智能设备股份有限公司 | 转轴的轴向位移检测装置、方法及磁轴承系统 |
| CN116576764B (zh) * | 2023-07-06 | 2023-09-29 | 瑞纳智能设备股份有限公司 | 转轴的轴向位移检测装置、方法及磁轴承系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3395170B2 (ja) | 2003-04-07 |
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