JPH08145056A - 制御形磁気軸受用の電流制御装置 - Google Patents

制御形磁気軸受用の電流制御装置

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JPH08145056A
JPH08145056A JP29301194A JP29301194A JPH08145056A JP H08145056 A JPH08145056 A JP H08145056A JP 29301194 A JP29301194 A JP 29301194A JP 29301194 A JP29301194 A JP 29301194A JP H08145056 A JPH08145056 A JP H08145056A
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JP
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phase
current
voltage
electromagnets
electromagnet
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Application number
JP29301194A
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English (en)
Inventor
Tsuneo Kume
常生 久米
Sumitoshi Sonoda
澄利 園田
Kiyoshi Ishida
精 石田
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Yaskawa Electric Corp
Original Assignee
Yaskawa Electric Corp
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Publication date
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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
    • F16C32/0406Magnetic bearings
    • F16C32/044Active magnetic bearings
    • F16C32/0444Details of devices to control the actuation of the electromagnets
    • F16C32/0457Details of the power supply to the electromagnets

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 数多い電磁石を少ない数のトランジスタで制
御できる電流制御装置。 【構成】 3相トランジスタインバータブリッジ3の、
第1の相の出力端子を磁気軸受の第1の電磁石6の端子
に接続し、第2の相の出力端子を第1の電磁石と回転軸
を挟んで相対して設置された第2の電磁石7の端子に接
続し、第3の相の出力端子を両電磁石の残りの端子に接
続し、第1の相と第2の相の電流を電流検出器4,5で
検出し、それぞれを電流増幅器で電流指令値と比較増幅
して、第1の相および第2の相の電圧指令値としてそれ
ぞれのPWM制御器15,16に与え、第1の相の電圧
指令と第2の相の電圧指令との和の極性を反転した値を
第3の相の電圧指令として第3のPWM制御器14に与
え、各PWM制御器において三角波のキャリア信号と比
較し、その論理出力で各相の主回路素子を駆動すること
により、1組の3相ブリッジ回路で2個の電磁石を独立
に電流制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、超高速回転体の支持等
に用いる制御形磁気軸受用の電磁石の電流制御装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】図8は、この種の制御形磁気軸受に用い
られる対となっている2個の電磁石と制御回路とを示す
図、図9は1個の電磁石を制御する従来の電流制御装置
を示す回路図である。回転子の回転軸78に設けられた
回転子側の鉄心79を挟んで、対をなす2個の固定子側
の電磁石76,77が対向するように設けられている。
位置制御器70は、固定子側と回転子側との間隔を検出
する変位センサ80からの信号と、位置指令との差分に
より電流指令irefを生成し、生成した電流指令iref
電流制御装置71,72に与えることにより、電流制御
装置71,72を駆動して両電磁石76,77に流す電
流を制御し、回転軸78を所望の位置に保持するもので
ある。これら電磁石のうちの1個の制御のために用いら
れるのが図9に示されるような電流制御装置であって、
コンバータブリッジ81で交流電源を整流して、コンデ
ンサ82で平滑することにより一定電圧の直流電源を得
て、インバータブリッジ83、電流検出器84、電流増
幅器91、PWM制御器95により電磁石76に電流指
令信号iref に応じた電流を流す。この場合通常、電磁
石に流す電流は直流であるため、交流出力を持ったイン
バータは不要であるが、電磁石の持った非線形の吸引力
特性を補償して安定な動作をさせるためおよび高速応答
を得るためにフルブリッジ回路の単相トランジスタブリ
ッジからなるインバータブリッジ83を採用している。
すなわち、従来は電磁石1個に対して、単相トランジス
タブリッジを1組用いていたわけである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述の電磁石を、例え
ば電動機の軸受に適用する場合には、負荷側支持端、反
負荷側支持端の双方にラジアル軸受が必要であり、それ
ぞれ縦方向、横方向に1対ずつ、計4対、両支持端で合
計8個の電磁石が必要である。これに加えて、アキシャ
ル方向の軸受用に電磁石を1対だけ加えると、全体で1
0個の電磁石が必要になる。これらの電磁石を制御する
ために、従来の方法によれば、10個の独立した電流制
御装置を準備しなければならない。図9で考えると、コ
ンバータブリッジ1と平滑コンデンサ2は共用できるに
しても、その他の部分は全て電磁石の個数分だけ揃えな
ければならない。例えば、電磁石1個に対して、単相ト
ランジスタブリッジを1組用いているため、電磁石1個
当たり4個の主トランジスタが必要であり、上述の10
個の電磁石には40個の主トランジスタが必要となるた
め、システムが大掛かりになり、高価なものとなる。
【0004】本発明は上記の問題に鑑み、数多い電磁石
を少ない数のトランジスタで制御できる電流制御装置を
提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の電流制御装置
は、3相トランジスタインバータブリッジの、第1の相
の出力端子を制御形磁気軸受の第1の電磁石の端子に接
続し、第2の相の出力端子を第1の電磁石と回転軸を挟
んで相対して設置された第2の電磁石の端子に接続し、
第3の相の出力端子を両電磁石の残りの端子に接続し、
第1の相と第2の相の電流を別個に検出し、それぞれを
電流増幅器で電流指令値と比較増幅して、その値を第1
の相および第2の相の電圧指令値としてそれぞれのPW
M制御器に与え、第1の相の電圧指令と第2の相の電圧
指令との和の極性を反転した値を第3の相の電圧指令と
して第3のPWM制御器に与え、各PWM制御器におい
て三角波のキャリア信号と比較し、その論理出力で各相
の主回路素子を駆動することにより、1組の3相ブリッ
ジ回路で2個の電磁石を独立に電流制御する。
【0006】また、第3の相の電圧指令を、第1および
第2の電圧指令値に関係なく常にゼロにすることによ
り、第1の相と第2の相の電流制御系の非干渉化を図る
のが好ましく、第3のPWM制御器に与えるキャリア信
号を反転することにより、出力線間電圧の平均値は変え
ずに、正逆双方向に瞬時電圧を得るようにすることも好
ましい。
【0007】
【作用】合計6個のトランジスタを用いた3相ブリッジ
回路を用いて、2個の電磁石を同時に非干渉制御するの
で、電磁石1個当たり3個の主トランジスタで制御可能
となる。3相トランジスタブリッジは、トランジスタモ
ジュールやIGBTモジュール(Insulated Gate Bipol
ar Transistor Module)として一体化したものが普及し
ており、集積化がさらに進んだIPM(Intelligent Po
wer Module)も実用化されているので、これらを用いれ
ばシステムの簡素化および低コスト化が図れることとな
る。
【0008】
【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
説明する。図1は本発明の制御形磁気軸受用の電流制御
装置の第1の実施例を示すブロック図、図2は図1の実
施例における電磁石を示す図、図5は図1の実施例の動
作を示す波形図である。本実施例を例えば電動機の軸受
に適用する場合には、回転軸の負荷側支持端、反負荷側
支持端の双方にラジアル軸受が必要であり、それぞれ縦
方向、横方向に1対ずつ、計4対、およびアキシャル方
向の軸受用に1対を加えると、電磁石は5対設けなけれ
ばならないが、理解を容易にするために、図1,図2に
おいては、1対の電磁石およびそれに対応する電流制御
装置のみを示す。固定子側の電磁石6,7は、回転体の
回転軸8に設けられた鉄心9を挟んで、対向して対をな
すように設けられている。本実施例の電流制御装置は、
固定子側と回転子側との間隔を検出する変位センサ10
からの信号と、位置指令との差分により電流指令
Uref,iVrefを生成し、生成した電流指令iUref,i
Vrefに基づく電流をそれぞれ電磁石6,7に流し、回転
体を所望の位置に保持するものである。
【0009】すなわち、U相とV相の出力に電流検出器
4,5を挿入して、電磁石6,7への供給電流を検出す
る。検出した供給電流と、電流指令値iUref,iVref
とを電流増幅器11、12が比較・増幅し、その結果で
ある偏差信号を電圧指令eU,eV としPWM制御器1
5、16に出力する。PWM制御器15、16は、電流
増幅器11,12から入力した電圧指令eU ,eV と、
キャリア信号発生器13で発生する三角波eC とを比較
してU相、V相の電圧信号を得て、インバータブリッジ
3の6個の主回路素子(ここでは、IGBTを使用して
いる)を駆動する。U相とV相の電流を制御すれば残り
のN相の電流は、各相の電流の合計がゼロになるように
流れるので特に制御する必要はない。ここでは、N相の
電圧信号として、交流サーボドライブでよく用いている
ように eN=−(eU +eV ) となるようにして電圧のバランスを取るようにしてい
る。上述のように、従来の回路であればインバータブリ
ッジにトランジスタが8個必要となるところ、6個で済
んでいる。
【0010】次に図1の実施例の動作について図5を参
照して説明する。図5の最上段は、PWM制御器14,
15,16の入力波形である。電圧指令eU,eV,eN
とキャリア信号eC とを比較した出力でそれぞれの主回
路素子を駆動すると、VU,VV,VN で示すような、直
流母線の仮想中性点に対する出力電圧が得られる。線間
電圧は互いに差をとることにより、VU-N,VV-N に示
すようになる。本実施例では、2個の電磁石6,7に加
わる電圧が逆極性になっている。これは、定常状態で
は、それぞれの電流の向きが逆方向になっていることを
示すもので、この場合、中性点Nに流れる電流は、それ
らの差分だけの小さな値でよいことになる。 次に本発
明の第2の実施例について図3および図6を参照して説
明する。図1の実施例においては、電磁石の電流は、そ
れぞれの相の電流指令値に追従するが、電圧指令の総和
がゼロになるようにしているので、一方に過渡的な変動
があると、中性点の電位が変わり、他方の磁石に印加さ
れる電圧が変動し、制御ルーブゲインが変わるという問
題がある。そこで、本実施例では、このような問題を解
決するために、中性点Nを制御する電圧指令eNをゼロ
ボルトに固定している。図6の最上段の波形図から明ら
かなように、eNはグランドに接続されて固定バイアス
とされ、他の相に対する電圧指令の影響を受けないか
ら、各相を完全に独立に電流制御することができる。
【0011】さらに、本発明の第3の実施例について図
4および図7を参照して説明する。図1および図3の実
施例の動作について図5および図6に示すことから明ら
かなように、出力電圧は一方向の電圧とゼロ電圧の繰り
返しであり、リップルの小さい電流を得ることができ
る。しかし、高応答が必要な用途では正逆双方向の電圧
を繰り返しながら同様の平均電圧を得るようにするのが
望ましいことがある。図4は、このような用途に対応す
るためのものであって、図3と同様の回路において、N
相のPWM制御器14に印加するキャリア信号を信号反
転器17で反転している。図7に示すように中性点の電
圧信号eN は破線で示すような三角波eC が反転され
たものと比較されVN の代わりにVN の否定出力を出力
する。その結果、同図に示すように線間電圧としては、
両極性およびゼロを含み、その平均値が図6に等しい波
形を得ることができる。以上は、アナログ回路と三角波
比較形PWM方式を前提にのべたが、ディジタル制御を
用いた場合も全く同様に取り扱うことができる。
【0012】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、1組の3
相トランジスタブリッジ回路を用いて、2個の電磁石を
独立に電流制御することにより、制御形磁気軸受用の電
流制御装置を簡素化ができるとともに、3相トランジス
タブリッジ回路を用いているために、3相トランジスタ
ブリッジ回路として既に普及しているトランジスタモジ
ュールやIGBTモジュールを用いることができ、さら
には、集積化の進んだIPMも用いることができ、シス
テムの簡素化、低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の制御形磁気軸受用の電流制御装置の第
1の実施例を示すブロック図である。
【図2】図1の実施例における電磁石の構造を示す図で
ある。
【図3】本発明の制御形磁気軸受用の電流制御装置の第
2の実施例を示すブロック図である。
【図4】本発明の制御形磁気軸受用の電流制御装置の第
3の実施例を示すブロック図である。
【図5】図1の実施例の動作を示す波形図である。
【図6】図3の実施例の動作を示す波形図である。
【図7】図4の実施例の動作を示す波形図である。
【図8】従来の制御形磁気軸受に用いられる対となって
いる2個の電磁石と制御回路とを示す図である。
【図9】1個の電磁石を制御する電流制御装置の従来例
を示す回路図である。
【符号の説明】
1 コンバータブリッジ 2 コンデンサ 3 インバータブリッジ 4,5 電流検出器 6,7 電磁石 8 回転軸 9 鉄芯 10 変位センサ 11,12 電流増幅器 13 キャリア信号発生器 14,15,16 PWM制御器 17 信号反転器

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 3相トランジスタインバータブリッジ
    の、第1の相の出力端子を制御形磁気軸受の第1の電磁
    石の端子に接続し、第2の相の出力端子を第1の電磁石
    と回転軸を挟んで相対して設置された第2の電磁石の端
    子に接続し、第3の相の出力端子を両電磁石の残りの端
    子に接続し、第1の相と第2の相の電流を別個に検出
    し、それぞれを電流増幅器で電流指令値と比較増幅し
    て、その値を第1の相および第2の相の電圧指令値とし
    てそれぞれのPWM制御器に与え、第1の相の電圧指令
    と第2の相の電圧指令との和の極性を反転した値を第3
    の相の電圧指令として第3のPWM制御器に与え、各P
    WM制御器において三角波のキャリア信号と比較し、そ
    の論理出力で各相の主回路素子を駆動することにより、
    1組の3相ブリッジ回路で2個の電磁石を独立に電流制
    御することを特徴とする、制御形磁気軸受用の電流制御
    装置。
  2. 【請求項2】 第3の相の電圧指令を、第1および第2
    の電圧指令値に関係なく常にゼロにすることにより、第
    1の相と第2の相の電流制御系の非干渉化を図る請求項
    1記載の制御形磁気軸受用の電流制御装置。
  3. 【請求項3】 第3のPWM制御器に与えるキャリア信
    号を反転することにより、出力線間電圧の平均値は変え
    ずに、正逆双方向に瞬時電圧を得るようにする請求項1
    または2記載の制御形磁気軸受用の電流制御装置。
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