JPH08219155A - 磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 回転軸の減速期間においても、良好な制御を
行なうことができる磁気軸受装置を提供する。 【構成】 回転軸を半径方向に支持する少なくとも２つ
の磁気軸受部と回転軸の回転加減速を行なう駆動部とを
備えた磁気軸受装置において、回転軸の半径方向の変位
変動量を比例要素，積分要素，微分要素を含むＰＩＤ制
御を行なって得られるＰＩＤ制御値を磁気軸受部にフィ
ードバックするＰＩＤフィードバック制御回路を備え、
そのＰＩＤフィードバック制御回路は、駆動部を直流ブ
レーキとして作用させて回転軸を減速させる期間におい
て、ＰＩＤ制御中の比例要素のゲインを変更することに
よって、減速期間においても非減速期間と同様の応答特
性を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気軸受装置に関し、
特に、真空ポンプ等の高速回転機器に用いる磁気軸受装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ターボ分子ポンプをはじめとする真空ポ
ンプ等の高速回転機器においては、良好な真空を得るた
めにオイルフリーであることが要求される。そこで、従
来形の油潤滑を利用した軸受に代えて磁気軸受が開発さ
れている。この磁気軸受は、真空空間に完全に無接触で
浮上し回転するため、発生する振動が非常に小さいとい
う特徴がある。そのため、電子顕微鏡やＸ線描画装置の
ように極度に振動を嫌う装置に最適なポンプである。

【０００３】従来、この磁気軸受として、回転軸回りの
自由度を除く５自由度の運動（３自由度の重心の並進運
動，２自由度の重心回りの回転運動）を能動的に制御す
る５軸制御形磁気軸受が知られている。この５軸制御形
磁気軸受では、ラジアル磁気軸受として回転体の半径方
向に８個の電磁石を備え、アキシャル磁気軸受として軸
方向に２個の電磁石を備えている。そして、この電磁石
とほぼ同位置に回転体の状態を検出する変位センサを設
置してフィードバック制御系を構成し、各電磁石に流れ
る電流を調節して電磁石の吸引力を調節し、回転体を中
心位置に支持している。

【０００４】このフィードバック制御系として、例え
ば、１入力，１出力の古典的ＰＩＤ調節系、多入力、多
出力である最適レギュレータ系、あるいは拡大最適レギ
ュレータ系の３つの制御系が知られている。古典的ＰＩ
Ｄ調節系は、各自由度ごとに比例、積分，微分のゲイン
定数を独立して設定するものであり、比較的簡単な制御
系を得ることができるが、回転運動系において歳差運動
の制御を積極的に行なえないという短所がある。最適レ
ギュレータ系は、回転運動系に対して、対称な主制御項
を持つＰＤ制御と逆対称交差結合を持つ比例及び位相進
み要素を備え、この歳差運動を積極的に減衰させる構造
を備えた制御系であるが、ＰＤ制御であるため定常偏差
の問題がある。この問題を解決する方法として拡大最適
レギュレータ系があり、比例，微分，積分要素によるＰ
ＩＤ制御をおこなうことによって、定常外乱に対する定
常偏差を減衰させている。

【０００５】図４は、従来の磁気軸受における拡大最適
レギュレータ系の制御系を説明するブロック図である。
図４の制御系は、回転軸の半径方向の変位を検出する４
つの変位センサＳxf，Ｓxr，Ｓyf，Ｓyr、及び軸方向の
変位を検出する１つの変位センサＳz から検出される変
位変動量をＰＩＤ制御し、回転体の半径方向に設けた８
個の電磁石と軸方向に設けた２個の電磁石を駆動する制
御系である。

【０００６】電磁石は、回転軸を挟んで対向して配置さ
れており、各電磁石に前記ＰＩＤ制御により定められる
励磁電流を励磁アンプを介して流すことによって、対向
する電磁石どうしで回転軸を吸引しあい、回転軸を適当
な位置に制御している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記磁気軸受によって
浮上した回転軸を高速回転速度に加速したり、その回転
速度を維持したり、あるいは、高速回転中の回転軸を減
速したり、回転停止を行なう駆動装置として、一般に、
誘導モータが用いられている。

【０００８】この誘導モータにおいて、加速動作時に
は、回転軸の回転周波数より高い周波数の回転磁界を電
気的に発生させ、この回転磁界と回転軸とのすべりによ
って発生するうず電流と、回転磁界との電磁気的作用に
よって加速トルクを得ている。一方、減速動作において
は、回路構成が比較的簡単となる直流ブレーキ方式が用
いられている。この直流ブレーキ方式では、回転軸のロ
ータ部に対して一定の方向に磁界を発生させ、回転ロー
タがこの磁界を横切るときに発生するうず電流をによっ
て、回転軸の回転エネルギーを熱に変換して減速を行な
うものである。

【０００９】一般に、誘導モータのロータ部には、回転
トルク発生のためのうず電流を流す導体部と、漏れ磁束
を逓減させるための強磁性体部とを備えている。そのた
め、直流ブレーキ方式により直流磁界を印加すると、こ
の強磁性体部に対して磁気力が発生し、直流磁界の方向
の吸引力がロータ部に作用することになる。この吸引力
は、バネ定数を減少させるため、回転軸の半径方向の浮
上制御性能は一般に悪化する。

【００１０】そのため、従来の磁気軸受では、例えば、
加速期間や減速期間にかかわらず、前記図４に示すよう
に各ＰＩＤ要素の制御ゲインを一定にして制御を行なっ
ているため、減速期間において回転軸の半径方向の浮上
制御が極端に悪化してタッチダウン等の現象が生じる虞
があり、前記直流磁界を大きくすることができず、その
結果、減速時間を短くすることができない。

【００１１】したがって、従来の磁気軸受は、減速期間
において良好な制御を行なうことができないという問題
点を有している。

【００１２】そこで、本発明は前記した従来の磁気軸受
の問題点を解決し、回転軸の減速期間においても、良好
な制御を行なうことができる磁気軸受装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、回転軸を半径
方向に支持する少なくとも２つの磁気軸受部と回転軸の
回転加減速を行なう駆動部とを備えた磁気軸受装置にお
いて、回転軸の半径方向の変位変動量を比例要素，積分
要素，微分要素を含むＰＩＤ制御を行なって得られるＰ
ＩＤ制御値を磁気軸受部にフィードバックするＰＩＤフ
ィードバック制御回路を備え、そのＰＩＤフィードバッ
ク制御回路は、駆動部を直流ブレーキとして作用させて
回転軸を減速させる期間において、ＰＩＤ制御中の比例
要素のゲインを変更することによって、前記目的を達成
する。本発明の磁気軸受装置は、回転軸を少なくとも２
つの磁気軸受部によって支持し、駆動部によって回転の
加減速を行なう装置であり、この磁気軸受部はＰＩＤフ
ィードバック制御回路によって制御される。また、ＰＩ
Ｄフィードバック制御回路は、回転軸の半径方向の変位
変動量を比例要素，積分要素，微分要素を備えたＰＩＤ
補償器を含み、ＰＩＤ制御により求めた制御値を磁気軸
受部にフィードバックする回路であり、比例要素のゲイ
ンは変更可能であって、駆動部を直流ブレーキとして作
用させることによる回転軸の減速期間においてゲイン変
更を行なうものである。また、本発明における直流ブレ
ーキは、駆動部に印加する直流磁界により形成されるも
のである。

【００１４】本発明の実施態様は、直流ブレーキ作用に
より発生するバネ定数の減少を相殺するように比例要素
のゲイン変更を行なうものであり、これによって、回転
軸の半径方向の変位変動量の過渡応答特性を不変とする
ことができる。

【００１５】本発明の他の実施態様は、比例要素のゲイ
ン定数に、直流ブレーキ作用により発生するバネ定数の
減少に対応するゲイン定数の符号を逆にした値を付加す
ることによってゲイン変更を行なうものであり、これに
よって、回転軸の半径方向の変位変動量の過渡応答特性
を不変とすることができる。

【００１６】本発明の別の実施態様は、回転軸を半径方
向に支持する少なくとも２つの磁気軸受部と回転軸の回
転加減速を行なう駆動部とを備えた磁気軸受装置におい
て、前記磁気軸受部における回転軸の半径方向の変位変
動量を検出する検出部と、前記変位変動量を比例要素，
積分要素，微分要素を含むＰＩＤ制御を行なって得られ
るＰＩＤ制御値を、検出部と同じ座標軸側の磁気軸受部
にフィードバックするＰＩＤフィードバック制御回路系
と、検出部と異なる座標軸側の磁気軸受部にフィードバ
ックするＰＩＤフィードバック制御回路系とを備え、該
ＰＩＤフィードバック制御回路系は、駆動部を直流ブレ
ーキとして作用させて回転軸を減速させる期間におい
て、駆動部と同じ座標軸側にある検出部と接続している
ＰＩＤフィードバック制御回路系の比例要素のゲイン
を、直流ブレーキ作用により発生するバネ定数の減少を
相殺するように変更を行なうものであり、これによっ
て、良好な制御を行なうことができる。

【００１７】本発明の更に別の実施態様は、比例要素の
ゲインの変更を、駆動部の励磁電流に関する電磁石係
数，回転軸の重心と電磁石との軸方向の距離，回転軸の
重心と駆動部との軸方向の距離，及び回転軸の重心と検
出部との軸方向の距離により求めるものであり、これに
よって、比例要素の各ゲインの変更値を求めることがで
きる。

【００１８】

【作用】本発明の磁気軸受装置において、回転軸を加速
する期間，回転軸を一定速度に維持する期間において
は、回転軸の半径方向の変位変動量を検出し、その変位
変動量に比例要素，積分要素，微分要素を含むＰＩＤ制
御を施してＰＩＤ制御値を求める。そして、この求めた
ＰＩＤ制御値を磁気軸受部にフィードバックして、回転
軸の浮上を制御する。このＰＩＤ制御における各要素の
ゲインはあらかじめ定めた値に設定しておく。

【００１９】一方、回転軸を減速する期間においては、
回転軸を駆動する駆動部において直流磁界を印加し、駆
動部を直流ブレーキとして作用させる。このとき、印加
する直流磁界は、回転軸の制御系においてバネ定数を減
少するように作用する。本発明の磁気軸受装置において
は、この回転軸の減速期間において、ＰＩＤ制御中の比
例要素についてゲイン変更を行なう。この比例要素のゲ
イン変更は、減少するバネ定数を相殺するよう行なうも
のであり、このゲイン変更によって、回転軸の制御系に
おけるバネ定数を、回転軸の加速あるいは定速期間と同
じ値に保持することができる。

【００２０】また、より詳細には、磁気軸受部における
回転軸の半径方向の変位変動量を検出する検出部と、そ
の変位変動量を比例要素，積分要素，微分要素を含むＰ
ＩＤ補償器によってＰＩＤ制御を行なう。そして、求め
たＰＩＤ制御値を、検出部と同じ座標軸側の磁気軸受部
にフィードバックするＰＩＤフィードバック制御回路系
と、検出部と異なる座標軸側の磁気軸受部にフィードバ
ックするＰＩＤフィードバック制御回路系とを備えてお
り、駆動部を直流ブレーキとして作用させて回転軸を減
速させる期間において、駆動部と同じ座標軸側にある検
出部と接続されるＰＩＤフィードバック制御回路系のＰ
ＩＤ制御中の比例要素のゲインを変更する。

【００２１】この比例要素のゲインの変更値は、駆動部
の励磁電流に関する電磁石係数，回転軸の重心と電磁石
との軸方向の距離，回転軸の重心と駆動部との軸方向の
距離，及び回転軸の重心と検出部との軸方向の距離によ
り求める。そして、この変更値を回転軸の加速あるいは
定速期間におけるゲイン値に付加する。これによって、
回転軸の減速期間においても、回転軸の制御系における
バネ定数を、回転軸の加速あるいは定速期間と同じ値に
保持することができる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を５自由度制御形磁
気軸受に適応した場合について図を用いて説明する。

【００２３】はじめに、磁気軸受の構成について説明す
る。図２は、本発明の磁気軸受装置の一実施例を適応す
る５自由度制御形磁気軸受の概略構造図である。図２に
示す磁気軸受は、回転軸回りの自由度を除く５自由度の
運動を能動的に制御する５軸制御形磁気軸受であり、回
転軸Ｒの重心Ｇを原点とし、Ｚ軸を回転軸Ｒ上にとする
Ｘ，Ｙ，Ｚ座標を示している。この５軸制御形磁気軸受
は、重心の並進運動について３つの自由度，重心回りの
回転運動について２つの自由度の合計５つの自由度を有
している。

【００２４】そして、この５軸制御形磁気軸受では、回
転体の半径方向に８個の電磁石（Ｍxfp ，Ｍxfn ，Ｍxr
p ，Ｍxrn ，Ｍyfp ，Ｍyfn ，Ｍyrp ，Ｍyrn ）を備え
ており、これらの電磁石によってラジアル磁気軸受を構
成している。なお、ここで、Ｍは電磁石を示し、添字ｘ
はＸ座標軸方向を，添字ｙはＹ座標軸方向を，添字ｆは
重心Ｇに対して回転軸Ｒの一方の側を，添字ｒは重心Ｇ
に対して回転軸Ｒの他方の側を，添字ｐは座標軸の正方
向を，添字ｎは座標軸の負方向を示している。したがっ
て、重心Ｇに対して回転軸Ｒの一方の側において、電磁
石Ｍxfp と電磁石Ｍxfn は回転軸Ｒを挟んでＸ軸方向に
対向して配置され、また、電磁石Ｍyfpと電磁石Ｍyfn
は回転軸Ｒを挟んでＹ軸方向に対向して配置されてい
る。また、電磁石Ｍxrp ，Ｍxrn ，Ｍyrp ，Ｍyrn につ
いても、重心Ｇに対して回転軸Ｒの他方の側において同
様に配置されている。

【００２５】さらに、この５軸制御形磁気軸受は、回転
軸Ｒの軸方向に２個の電磁石（Ｍzp，Ｍzn）を備えてお
り、これらの電磁石によってアキシャル磁気軸受を構成
している。なお、添字ｚはＺ座標軸方向を示している。

【００２６】また、この５軸制御形磁気軸受は、これら
電磁石とほぼ同位置に回転軸Ｒの状態を検出する変位セ
ンサ（Ｓxf，Ｓyf，Ｓxr，Ｓyr，Ｓz ）を備えている。
なお、変位センサＳの添字は電磁石で用いた添字を同様
である。例えば、変位センサＳｘｆは、重心Ｇに対して
回転軸Ｒの一方の側におけるＸ軸方向についての回転軸
Ｒの変位を検出するセンサである。

【００２７】さらに、この電磁石Ｍと変位センサＳはフ
ィードバック制御系を構成しており、変位センサＳによ
って検出した変位変動量を用いて各電磁石に流れる電流
を調節することで電磁石の吸引力を調節し、これによっ
て回転軸が中心位置となるよう制御を行なっている。そ
して、この回転軸Ｒは回転軸に取り付けられたモータｍ
によって駆動される。

【００２８】ここで、以下の説明に用いる変位変動量
ｄ，軸方向距離ｌは、それぞれ以下の符号によって示す
ものとする。電磁石Ｍと回転軸Ｒとの変位変動量ｄは、
変位の対象となっている電磁石Ｍの添字を付すことによ
って示している。例えば、電磁石Ｍxfp と電磁石Ｍxfn
については、電磁石Ｍxfp と回転軸Ｒとの距離をｄMxf
で示している。他の電磁石についても同様の符号によっ
て示すものとする。また、変位センサＳと回転軸Ｒとの
変位変動量ｄは、検出を行なっている変位センサＳの添
字を付すことによって示している。例えば、変位センサ
Ｓxfについては、変位センサＳxfと回転軸Ｒとの距離を
ｄSxf で示している。また、重心Ｇから電磁石Ｍまでの
軸方向の距離ｌはｌMf，ｌMrによって示し、重心Ｇから
変位センサＳまでの軸方向の距離ｌはｌSf，ｌSrによっ
て示している。さらに、モータｍについては、回転軸Ｒ
との変位変動量をＸ軸方向ではｄmx，Ｙ軸方向ではｄmy
で示し、重心Ｇからの軸方向距離をｌm によって示して
いる。なお、前記の変位変動量，及び重心Ｇは平衡位置
を原点としている。

【００２９】次に、前記図２の５軸制御形磁気軸受につ
いての浮上制御系について説明する。５軸制御形磁気軸
受の浮上制御系を解析する座標系として、回転軸Ｒの重
心Ｇの浮上平衡位置を原点とし、回転軸Ｒが図２に示す
ようにＺ軸と一致するように空間に固定された重心座標
系を設定する。この座標系のＺ方向を除く半径方向の重
心Ｇの変位を以下の式（１）によって表すものとする。

【００３０】 ｄg ┴〔ｄx ｄy θx θy 〕t …（１） ここで、〔 〕t は転置行列を表す。この半径方向の重
心変位において、次式（２）の運動方程式が成り立つ。

【００３１】 Ｎｄg ’’＝Ｇｙｄg ’＋ＴM t ＦM ＋Ｆｅ …（２） ここで、「’」は時間ｔによる微分を示し、Ｎ，Ｇｙ，
ＴM ，ＦM ，及びＦｅは以下で示される行列である。

【００３２】

【数１】 ここで、上式において、ｎはロータ質量，Ｉｒは回転軸
Ｒの半径方向の慣性モーメント、Ｉａはロータの軸方向
の慣性モーメント、ωは回転軸Ｒの回転角速度、ｌMfは
重心Ｇから一方の電磁石Ｍf までのＺ軸方向距離、ｌMr
は重心Ｇから他方の電磁石Ｍr までのＺ軸方向距離、Ｆ
M は回転軸Ｒの半径方向の浮上制御用電磁石力、ＦMxf
は電磁石Ｍxfp と回転軸Ｒ間の吸引力と電磁石Ｍxfn と
回転軸Ｒ間の吸引力の合力、Ｆe は回転軸Ｒの半径方向
に作用するその他の外力の重心座標表示である。なお、
ＦMxr 〜ＦMyr についてもＦMxf と同様に合力を表して
いる。

【００３３】前記式（２）の右辺のＦM を回転軸Ｒの浮
上平衡位置の近傍において線形近似すると次の式（８）
によって表される。

【００３４】 ＦM ＝ＦMo＋ＦMiＵ＋ＫMsｄM …（８） ここで、ＦMo，ＦMi，Ｕ，ＫMs，ｄM は以下の式によっ
て表される。

【００３５】

【数２】 ここで、上式において、ＦMoは一定力、Ｕは電磁石の励
磁電流の浮上平衡状態時の値からの変動量、ｄM は電磁
石位置における回転軸Ｒと電磁石間のギャップの浮上平
衡状態時の値からの変動量、ＫMiは励磁電流に関する電
磁石係数、ＫMsはギャップ変動に関する電磁石係数であ
る。

【００３６】前記式（２）において、右辺中のＦe とし
て、減速時におけるモータの直流磁界による電磁石力及
び重力を考えると、Ｆe は次式（１４）で表わされる。

【００３７】 Ｆe ＝Ｔm t Ｆm t ＋Ｇr …（１４） ここで、Ｔm ，Ｆm 及びＧr は次式（１５），（１
６），（１７）によって表される。

【００３８】

【数３】 上式において、Ｇr はロータに作用する重力、Ｆm はモ
ータ位置における直流磁界によるモータステータと回転
軸Ｒ間の吸引力であり、ｌm は重心Ｇからモータまでの
Ｚ軸方向の距離である。この吸引力Ｆm についても回転
軸Ｒの浮上平衡位置の近傍において線形近似すると次の
式（１８）によって表される。

【００３９】 Ｆm ＝Ｆmo＋Ｋmsｄm …（１８） ここで、Ｆmo，Ｋms，及びｄm は次式（１９）〜（２
１）によって表される。

【００４０】

【数４】 上式において、Ｆmoは一定力であり、Ｋmsはギャップ変
動に関する電磁石係数であり、ｄm はモータ位置におけ
る回転軸Ｒとモータステータ間ギャップの浮上平衡位置
からの変動量である。

【００４１】また、ｄM ，ｄm とｄg との間には次の関
係式が成立している。

【００４２】 ｄM ＝ＴM ｄg …（２２） ｄm ＝Ｔm ｄg …（２３） さらに、ｄs とｄg との間には次式（２４）の関係があ
る。

【００４３】 ｄg ＝Ｔs -1ｄs …（２４） なお、〔 〕-1は逆行列である。

【００４４】ここで、Ｔs 及びセンサ位置における回転
軸Ｒとセンサ間ギャップの浮上平衡位置からの変動量ｄ
s は次式（２５），（２６）によって表される。

【００４５】

【数５】 前記式（１），（２），（８），（１４），（１８），
（２２），（２３），（２４）から次式（２７）が得ら
れる。この式（２７）は、半径方向の各センサによって
観測される変動量に関する回転軸Ｒの運動方程式であ
る。

【００４６】 ｄs ’’＝Ｔs Ｎ-1Ｇy Ｔs -1ｄs ’ ＋Ｔs Ｎ-1（ＴM t ＫMsＴM ＋Ｔm t ＫmsＴm ）Ｔs -1ｄs ＋Ｔs Ｎ-1（ＴM t ＫMiＵ＋ＴM t ＦM0＋Ｔm t Ｆm0＋Ｇr ） …（２７） ここで、浮上制御系の電磁石励磁電流の平衡状態からの
変動量Ｕを次式（２８）によって与えるものとする。

【００４７】

【数６】 ここで、ＫP は比例ゲイン（Ｐゲイン），ＫD は微分ゲ
イン（Ｄゲイン），ＫI は積分ゲイン（Ｉゲイン）であ
り、∫〔 〕ｄｔは積分を表している。

【００４８】前記式（２８）を式（２７）に代入して両
辺を時間ｔで１階微分を行なうと、次式（２９）とな
る。なお、式（２７）の右辺の一定力は積分要素による
一定力と相殺される。

【００４９】 ｄs ’’’＝Ｔs Ｎ-1（Ｇy Ｔs -1−ＴM t ＫMiＫD ）ｄs ’’ ＋Ｔs Ｎ-1｛（ＴM t ＫMsＴM ＋Ｔm t ＫmsＴm ）Ｔs -1 −ＴM t ＫMiＫP ｝ｄs ’ −Ｔs Ｎ-1ＴM t ＫMiＫI ｄs …（２９） 前記式（２９）は、Ｋmsの大きさの減速用直流磁界が印
加されている時のＰＩＤフィードバック制御系の運動方
程式を表している。

【００５０】さて、一般に、対向して配置される各軸の
電磁石には同じ大きさの一定電流がバイアス分としてあ
らかじめ設定され、このバイアス電流を同じ大きさの制
御電流により増減するよう励磁アンプが構成されてい
る。このとき、前記式（２９）中のＫMsの対角要素は、
減速用直流磁界が印加された場合の方が、印加されない
場合と比較して負の方向に大きくなる。

【００５１】また、前記式（２９）において、減速用直
流磁界が印加されていない場合には、Ｋms＝０とするこ
とによって表される。これらのことより、前記式（２
９）において、モータによって直流磁界が印加されると
バネ定数（ｄs ’の係数）が減少する。このモータによ
る直流磁界は減速期間に印加されるものであり、この減
速期間では他の期間と比較して不安定性が上昇すること
になる。

【００５２】ここで、減速時におけるＫMsをＫMsbrk と
おき、減速時以外の時のＫMsをＫMsnormalとおく。さら
に、減速時におけるＰＩＤゲインをそれぞれＫPbrk，Ｋ
Ibrk，ＫDbrkとおき、減速時以外の時のＰＩＤゲインを
それぞれＫPnormal ，ＫInormal ，ＫDnormal とおく。
このとき、半径方向の各センサで観測される変動量ｄs
の過渡応答特性について、減速時と減速時以外の時で同
一となる条件は、前記式（２９）から求めることがで
き、次式（３０）〜（３２）によって表される。

【００５３】 ＫPbrk＝ＫPnormal ＋ＫMi-1（ＴM t ）-1｛Ｔm t ＫmsＴm ＋ＴM t （ＫMsbrk −ＫMsnormal）ＴM ｝Ｔs -1 …（３０） ＫIbrk＝ＫInormal …（３１） ＫDbrk＝ＫDnormal …（３２） 前記式（３０）は減速期間に印加される直流磁界の吸引
力によって減少するバネ定数の減少分を減速していない
期間のＰゲインに加え、また、Ｉゲイン及びＤゲインに
ついては不変とすることによって、減速期間において減
速していない期間と同じ制御応答性を得られることを示
している。

【００５４】ここで、上記減速期間でのバネ定数の減少
分は次式（３３）によって表すことができる。

【００５５】

【数７】 すなわち、ＰＩＤフィードバック制御系において、減速
期間に上式（３３）で表されるＰゲイン（比例ゲイン）
を付加することによって、磁気軸受の回転軸Ｒの浮上制
御を減速していない期間と同様の応答特性で制御するこ
とができる。

【００５６】図１は、前記式で表される本発明の磁気軸
受装置におけるＰＩＤフィードバック制御系を説明する
ブロック図である。図１の制御系は、前記図４で示し制
御系のブロック図と同様に、回転軸の半径方向の変位を
検出する４つの変位センサＳxf，Ｓxr，Ｓyf，Ｓyr、及
び軸方向の変位を検出する１つの変位センサＳz から検
出される変位変動量をＰＩＤ制御し、回転体の半径方向
に設けた８個の電磁石と軸方向に設けた２個の電磁石を
駆動する制御系である。

【００５７】そして、図１の制御系においては、前記式
（３３）で示されるＰゲイン（Ｐ11，Ｐ12，Ｐ21，Ｐ2
2，Ｐ33，Ｐ34，Ｐ43，Ｐ44）を有したＰ補償器をスイ
ッチを介して切り換え可能に付加した構成である。

【００５８】例えば、前記式（３３）の対角成分である
（Ｐ11，Ｐ22，Ｐ33，Ｐ44）については、図１の変位セ
ンサＳxf，Ｓxr，Ｓyf，ＳyrからスイッチＳＷ11，ＳＷ
22，ＳＷ33，ＳＷ44を介して電磁石Ｍxf，Ｍxr，Ｍyf，
Ｍyrに加えられ、一方、前記式（３３）のその他の成分
である（Ｐ12，Ｐ21，Ｐ34，Ｐ43）については、図１の
変位センサＳxf，Ｓxr，Ｓyf，ＳyrからスイッチＳＷ2
1，ＳＷ12，ＳＷ43，ＳＷ34を介して電磁石Ｍxr，Ｍx
f，Ｍyr，Ｍyfに加えられている。すなわち、図１の制
御系において、変位センサＳxfと電磁石Ｍxf間，変位セ
ンサＳxrと電磁石Ｍxr間，変位センサＳyfと電磁石Ｍy
f，及び変位センサＳyrと電磁石Ｍyr間の非交差要素
と、変位センサＳxfと電磁石Ｍxr間，変位センサＳxrと
電磁石Ｍxf間，変位センサＳyfと電磁石Ｍyr，及び変位
センサＳyrと電磁石Ｍyf間の交差要素について、切り換
えスイッチ，加算器及びＰ補償器を追加する構成とする
ことによって、切り換えスイッチの閉動作によって直流
磁界による影響を防止することができる。

【００５９】図３は、本発明の制御系において、各電磁
石に供給される励磁電流を電磁石毎に区分して示してお
り、図１の構成を電磁石毎に区分けしたものである。

【００６０】例えば、図３の（ａ）は、電磁石Ｍxfp と
電磁石Ｍxfn に供給される励磁電流に寄与する変位セン
サとＰＩＤ制御系，及びＰ補償器の関係を示している。
そして、電磁石Ｍxfp と電磁石Ｍxfn には、変位センサ
Ｓxf，Ｓxr，Ｓyf，Ｓyrからの検出値をＰＩＤ制御した
値と、変位センサＳxfからの検出値についてのみＰ11の
Ｐゲインで比例制御した値と、変位センサＳxrからの検
出値についてのみＰ12のＰゲインで比例制御した値とを
加算して求められる励磁電流が励磁アンプを介して供給
されている。なお、図３の（ｂ）〜図３の（ｄ）につい
ても同様である。

【００６１】したがって、ある座標軸方向にある電磁石
について注目すると、その電磁石と同じ方向の座標軸に
ある変位センサからの検出値についてのみ比例制御した
値を通常のＰＩＤ制御に加算することによって、減速期
間についても非減速期間と同様の応答特性を得ることが
できる。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
回転軸の減速期間においても、良好な制御を行なうこと
ができる磁気軸受装置を提供することができる。特に、
直流ブレーキ等を採用する必要がなく、しかもタッチダ
ウン等の現象が起こることがなく、回転軸の減速時間の
短縮化を図ることができる。また、ターボ分子ポンプ等
の真空ポンプの回転軸用として使用する場合、ポンプの
作動，停止を頻繁に行なう必要がある排気系において
は、排気特性を向上できるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁気軸受装置におけるＰＩＤフィード
バック制御系を説明するブロック図である。

【図２】本発明の磁気軸受装置の一実施例を適応する５
自由度制御形磁気軸受の概略構造図である。

【図３】本発明の制御系において、各電磁石に供給され
る励磁電流を電磁石毎に区分して示した図である。

【図４】従来の磁気軸受における拡大最適レギュレータ
系の制御系を説明するブロック図である。

【符号の説明】

Ｒ…回転軸、Ｓ…変位センサ、Ｍ…電磁石、ｍ…モー
タ、ＰＩＤ…ＰＩＤ制御部、ＳＷ…スイッチ。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成７年２月１７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３０】 ｄg ≡〔ｄx ｄy θx θy 〕t …（１） ここで、〔 〕t は転置行列を表す。この半径方向の重
心変位において、次式（２）の運動方程式が成り立つ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸を半径方向に支持する少なくとも
   ２つの磁気軸受部と回転軸の回転加減速を行なう駆動部
   とを備えた磁気軸受装置において、前記回転軸の半径方
   向の変位変動量を比例要素，積分要素，微分要素を含む
   ＰＩＤ制御を行ない、該ＰＩＤ制御値を磁気軸受部にフ
   ィードバックするＰＩＤフィードバック制御回路を備
   え、前記ＰＩＤフィードバック制御回路は、前記駆動部
   の直流ブレーキ作用による回転軸の減速期間において、
   比例要素のゲインを変更することを特徴とする磁気軸受
   装置。