JPH09166138A - 磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 位置センサのセンサ信号の調節精度を向上さ
せ、回転軸位置の再現性を向上させた磁気軸受装置を提
供する。 【解決手段】 磁気軸受において、磁気軸受装置が通常
行う電磁石への電流供給を停止し、電流供給手段３０
は、調整する位置センサの方向と直交する一対の電磁石
に交流電流を供給するとともに、調整する位置センサの
方向の電磁石に直流電流を供給する。これによって、回
転軸は調整する位置センサの近傍において検出方向と直
交する方向に振動運動を行う。位置センサはこの回転軸
の運動を検出し、センサ信号調節手段２２は、検出信号
に基づいて位置センサのセンサ信号のゲイン調節やオフ
セット調節の調節量の調整を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転体を磁気力に
よって非接触で回転可能に保持する磁気軸受装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】磁気軸受装置は、完全に非接触で浮上し
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やオイルフリーであることが要求
される真空ポンプ等の高速回転機器に適している。

【０００３】図６は５軸磁気軸受装置の概略構成図であ
り、図７は５軸磁気軸受装置の電磁石と位置センサの配
置を示す図である。図６に示す磁気軸受装置１は、回転
軸２の周囲方向にラジアル方向電磁石３，４とラジアル
センサ６，７を備え、軸方向にアキシル方向電磁石５と
アキシルセンサ８を備えており、位置センサによる回転
軸２の位置検出に基づく電磁石の駆動によって回転軸２
を非接触で浮上支持し、モータ１１によって回転駆動を
行っている。また、磁気軸受装置はタッチダウン軸受
９，１０を備え、非通電時における回転軸２の支持を行
っている。図７は磁気軸受装置の電磁石と位置センサの
配置を示しており、ラジアル磁気軸受３，４として回転
軸２の半径方向に８個の電磁石Ｍx1p,Ｍx1m,Ｍy1p,Ｍy1
m,Ｍx2p,Ｍx2m,Ｍy2p,Ｍy2m を備え、アキシル磁気軸受
５として軸方向に２個の電磁石Ｍzp, Ｍzmを備えて、ま
た、これら電磁石とほぼ同位置にラジアルセンサ６，７
として回転軸２の半径方向に８個の位置センサＳx1p,Ｓ
x1m,Ｓy1p,Ｓy1m,Ｓx2p,Ｓx2m,Ｓy2p,Ｓy2m を備え、ア
キシルセンサ８として軸方向に位置センサＳｚを備えて
いる。

【０００４】これら電磁石と位置センサはフィードバッ
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、回転軸の中心位置への支持を行
っている。図８は従来の磁気軸受装置の磁気浮上のため
のフィードバック制御系を説明するためのブロック図で
ある。図８の制御系では、回転軸の半径方向の位置をお
よび軸方向の位置を検出する位置センサで検出した位置
変動量をアンプ２１を介してセンサ信号調節手段（ゲイ
ン・オフセット調節回路）２２で調節し、さらにＰＩＤ
制御装置２３で定められた励磁電流をスイッチ手段２４
および励磁アンプ２５を介して磁気軸受２０に供給し、
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。電磁石は、回転軸を挟んで
対向して配置されており、対向する電磁石どうしで回転
軸を吸引しあって回転軸を適当な位置に制御する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
磁気軸受装置では、位置センサのゲイン調節やオフセッ
ト調節をする際の精度や、その時の回転軸の位置の再現
性の点で問題点がある。磁気軸受装置において回転軸を
良好に支持するには、回転軸位置の再現性が良いことが
求められ、このためには、センサ信号調節手段の調節量
を最適な量に調整する必要がある。

【０００６】位置センサのセンサ信号とＰＩＤ制御装置
へのセンサ出力との信号関係の調整は、回転軸２が位置
センサに対してその位置検出方向に最も近づいた位置
と、最も遠くの位置での位置センサの信号を求め、この
信号に基づいてセンサ信号調節手段（ゲイン・オフセッ
ト調節回路）２２の調節量を調整することにより行って
いる。従来、この位置センサの信号を求める場合に、磁
気軸受装置全体の向きを変えることによって回転軸を位
置センサに対して移動させたり、また、位置センサの検
出方向の電磁石に直流電流を通電して回転軸を吸引して
いる。

【０００７】しかしながら、一般に、磁気軸受装置はタ
ッチダウン軸受を使用しており、回転軸の半径方向の変
位はタッチダウン軸受によって規制している。このタッ
チダウン軸受は回転時の発熱による熱膨張に備えて軸受
隙間を大きくとってある。そのため、磁気軸受装置全体
を傾けることによって回転軸を位置センサに対して移動
させ、これによって得られた位置センサ信号によりゲイ
ン・オフセット調節量の調整を行う場合には、大きな軸
受隙間により十分な再現性が得られないという問題が生
じる。

【０００８】また、電磁石に直流電流を通電して回転軸
を吸引する場合には、回転軸の移動位置が不適切となる
場合がある。図９は回転軸の吸引状態を説明する図であ
る。図９は、図中のＸｐ方向のラジアル方向電磁石に直
流電流を供給して回転軸２をＸｐ方向に吸引する場合を
示している。このとき、ラジアル方向電磁石３，４のコ
アは２つのヨーク１４を持ち、各ヨーク１４にコイル１
５を巻回した構成としている。このような構成の電磁石
に直流電流を供給すると、回転軸２は位置センサの検出
方向（図中のＡ）ではなく一方のヨーク１４の方向に
（図中のＢ）に吸引される場合が生じる。そのため、こ
のような位置ずれを含んで検出した位置センサ信号では
正確なゲイン・オフセット調節量の調整を行うことがで
きず、十分な再現性が得られないことになる。

【０００９】そこで、本発明は前記した従来の磁気軸受
装置の問題点を解決し、位置センサのセンサ信号の調節
精度を向上させ、回転軸位置の再現性を向上させた磁気
軸受装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、回転軸を半径
方向に支持する電磁石と回転軸の半径方向の位置を検出
する位置センサと該位置センサのセンサ信号調節手段を
備え、位置センサのセンサ信号に基づいて電磁石に供給
する励磁電流を制御して回転軸を磁気浮上させるラジア
ル磁気軸受装置において、位置センサの検出方向の電磁
石に直流電流を供給し、該検出方向と直交する方向の一
対の電磁石に交流電流を供給する電流供給手段とを備え
ることによって、位置センサのセンサ信号の調節精度を
向上させ、回転軸位置の再現性を向上させるものであ
る。

【００１１】本発明の電磁石は直交する軸上の回転軸を
挟んで配置されるものであり、この吸引力によって回転
軸を半径方向に支持する。また、本発明の位置センサは
回転軸の変位を直線方向で検出するセンサであり、一つ
の軸上に配置された一対の電磁石の少なくとも一方の電
磁石の近傍に配置して、回転軸の電磁石に対する変位を
検出する。

【００１２】本発明の電流供給手段は、位置センサの検
出方向の電磁石に直流電流を供給することによって回転
軸をこの検出方向に吸引させ、また、検出方向と直交す
る２方向の電磁石に交流電流を供給することによって回
転軸を検出方向と直交する方向に強制的に振動運動を起
こさせる機能を備えるものである。センサ信号の調節量
の調整において、位置センサはこの回転軸の変動を検出
して検出信号を出力する。センサ信号調節手段は、この
検出信号に基づいてセンサ信号とセンサ出力との間の関
係を定める調節量を調整するものである。なお、ここで
は、検出信号は前記調節量を調整する際に位置センサが
出力するセンサ信号であり、センサ出力はセンサ信号調
節手段２２の出力である。

【００１３】本発明の磁気軸受装置において、位置セン
サのセンサ信号についてゲイン調節やオフセット調節等
の調節量の調整を行う場合には、磁気軸受装置が通常行
う電磁石への電流供給を停止し、本発明の電流供給手段
から調整用の電流を供給する。本発明の電流供給手段
は、調整する位置センサの方向と直交する一対の電磁石
に交流電流を供給するとともに、調整する位置センサの
方向の電磁石に直流電流を供給する。この電流供給手段
からの電流供給によって、回転軸は調整する位置センサ
の近傍において検出方向と直交する方向に振動運動を行
う。位置センサはこの回転軸の運動を検出して、検出信
号を位置センサのセンサ信号調節手段に送る。センサ信
号調節手段は、検出信号に基づいて位置センサのセンサ
信号のゲイン調節やオフセット調節の調節量の調整を行
う。センサ信号調節手段によるセンサ信号のゲイン調節
やオフセット調節の調節量の調整が終了した後は、電流
供給手段による電流供給を停止し、調整したゲイン量や
オフセット量を用いて電磁石の駆動を行う。

【００１４】本発明の第１の実施態様は、位置センサの
センサ信号の調節はセンサ信号のゲイン調節およびオフ
セット調節を含み、いずれか一方の調節あるいは両方の
調節を行うことができ、ゲイン調節によってセンサ信号
の大きさの調節を行うことができ、オフセット調節によ
ってセンサ信号の零点調節を行うものであり、本発明の
磁気軸受装置では、これらゲイン調節あるいはオフセッ
ト調節の調節量を最適の量に調整することができる。

【００１５】本発明の第２の実施態様は、直交軸上で回
転軸を挟んで配置される電磁石は、回転軸の駆動部分に
対して一方の側あるいは両側に設けることができ、これ
によって、回転軸の磁気浮上支持を行うことができる。

【００１６】本発明の第３の実施態様は、軸上に配置さ
れた一対の電磁石の近傍のそれぞれに位置センサを配置
し、両位置センサのセンサ信号の差を検出信号とするも
のであり、これによって、温度特性等の外乱補償を行う
ことができる。

【００１７】本発明の第４の実施態様は、電流供給手段
において着脱可能な交流電流供給手段を備え、これによ
って、磁気軸受装置に対して位置センサのセンサ信号の
調節量の調整時にのみ交流電流供給手段を設けることが
できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照しながら詳細に説明する。本発明の実施の形態の構
成例について図１を用いて説明する。図１は本発明の磁
気軸受装置の一実施形態の構成を説明するブロック図で
ある。図１に示す構成は、前記図６，７の概略構成図で
示した５軸磁気軸受装置に限らず、一部を永久磁石に置
き換えた磁気軸受装置に適用することができるものであ
る。以下では図６，７に示した５軸磁気軸受装置を例と
して説明する。

【００１９】図１に示すブロック図は、前記図８と同様
に磁気軸受装置の磁気浮上のためのフィードバック制御
系を構成しており、ＰＩＤ制御装置から励磁アンプに電
流を供給する構成の点で相違している。図１において、
磁気軸受装置１の制御系は、回転軸の半径方向の位置を
および軸方向の位置を検出する位置センサＳx1p,Ｓx1m,
Ｓy1p,Ｓy1m,Ｓx2p,Ｓx2m,Ｓy2p,Ｓy2m,Ｓｚで検出した
位置変動量をアンプ２１を介してセンサ信号調節手段
（ゲイン・オフセット調節回路）２２で調節し、調節し
たセンサ信号Ｓx1, Ｓx2, Ｓy1, Ｓy2, ＳｚをＰＩＤ制
御装置２３に送る。なお、センサ信号Ｓx1は位置センサ
Ｓx1p のセンサ信号と位置センサＳx1m のセンサ信号か
ら形成するＸ軸方向のセンサ信号であり、また、センサ
信号Ｓx2は位置センサＳx2p のセンサ信号と位置センサ
Ｓx2m のセンサ信号から形成するＸ軸方向のセンサ信号
である。センサ信号Ｓy1，Ｓy2についても同様である。

【００２０】ＰＩＤ制御装置２３は、センサ信号Ｓy1，
Ｓy2，Ｓx1, Ｓx2, Ｓｚに基づくＰＩＤ制御によって定
められた励磁電流を電流供給手段３０中のスイッチ手段
３３および励磁アンプ２５を介して磁気軸受２０に供給
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。電磁石は、回転軸２を
挟んで対向して配置されており、センサ信号調節手段２
２で調節されたセンサ信号に基づいて駆動される。各軸
上で対向配置された電磁石は回転軸を吸引しあって回転
軸を適当な位置に制御する。

【００２１】センサ信号調節手段２２は、例えばセンサ
信号のゲインを調節するゲイン調節回路やオフセット量
を調節するオフセット調節回路等を含み、位置センサか
らのセンサ信号を調節してセンサ出力を出力する。この
センサ信号調節手段２２のゲインやオフセットの量を最
適な量に調整する場合には、回転軸を位置センサに対し
て偏った位置に配置し、このときのセンサ信号を検出信
号とすることによって調整量を求めることができる。こ
の調整量を求めるには、電流供給手段３０内のスイッチ
３３の切り換えによって、調整を行う位置センサの検出
方向にある電磁石には直流電流を供給し、この検出方向
と直交する軸上の対向する電磁石には交流電流を供給す
る。これによって、回転軸を位置センサに接近させると
ともに振動運動を生じさせて電磁石への偏った接近を防
止させた状態で、位置センサのみにかかわるセンサ信号
を求める。また、電流供給手段３０はコネクタ３２を介
して交流電源３１をスイッチ３３に着脱可能な構成とす
ることもできる。

【００２２】励磁アンプ２５の各端子Ｘ1p, Ｘ1m, Ｘ2
p, Ｘ2m, Ｙ1p, Ｙ1m, Ｙ2p, Ｙ2m,Ｚp ，Ｚm は磁気軸
受２０の電磁石Ｍx1p,Ｍx1m,Ｍy1p,Ｍy1m,Ｍx2p,Ｍx2m,
Ｍy2p,Ｍy2m,Ｚzp, Ｚzmに接続され、励磁電流の供給を
行う。

【００２３】次に、本発明の磁気軸受装置の動作につい
て、図２〜５を用いて説明する。図２は回転軸２とラジ
アル方向電磁石３，４とラジアルセンサ６，７との位置
関係を示す図であり、図３はセンサ信号の調節量を調整
のための回転軸の位置関係を示す図である。回転軸２
は、ラジアルセンサ６，７等の位置センサのセンサ信号
のゲインやオセット等の調節が最適調整されると、タッ
チダウン軸受の内輪１２に対して最適な位置に位置制御
される。この位置センサのセンサ信号の調節量を調整す
るには、本発明の磁気軸受装置では図３に示すように回
転軸２を調整する位置センサの検出方向に移動させると
ともに（図３中の矢印Ｃ）、該検出方向と直交する方向
に振動させる（図３中の矢印Ｄ）。図３中の破線で示す
回転軸２は振動したときの位置を示している。

【００２４】矢印Ｃ方向への回転軸２の移動は、位置セ
ンサ側の電磁石に直流電流を供給することによって行
い、また、矢印Ｄ方向への回転軸２の振動は直交する方
向の対向する一対の電磁石に交流電流を供給することに
よって行う。この振動によって、回転軸２は電磁石に対
する偏った移動を防止する。

【００２５】次に、図４のフローチャートに従ってセン
サ信号調節手段の調節量の調整について説明する。この
調整では、Ｘ軸方向の位置センサおよびＹ軸方向の位置
センサについて独立して行うことができるため、図４の
フローチャートでは始めにステップＳ１〜ステップＳ７
でＹ軸方向の位置センサについて調整し、続いてステッ
プＳ８〜ステップＳ１４でＸ軸方向の位置センサについ
て調整する場合を示している。この位置センサの調整順
は任意であり、フローチャートと逆の順で行うこともで
きる。また、Ｙ軸方向のステップＳ１〜ステップＳ７と
Ｘ軸方向のステップＳ８〜ステップＳ１４は同様である
ため、以下ではステップＳ１〜ステップＳ７について説
明し、ステップＳ８〜ステップＳ１４は説明を省略す
る。

【００２６】始めに、電流供給手段３０において、コネ
クタ３２等の接続によって交流電源３１を接続し、スイ
ッチ３３のＹ１とＹ２を交流電源３１側に切り換えて、
Ｙ軸方向の電磁石Ｍy1p,Ｍy1m,Ｍy2p,Ｍy2m に交流電流
を供給して、交流による励磁を行う（ステップＳ１）。
また、スイッチ３３の切り換えによって、電磁石Ｍx1p,
Ｍx2p には直流電流を供給し、電磁石Ｍx1m,Ｍx2m はオ
フとして電流の供給を停止する。これによって、回転軸
２は直流励磁された電磁石Ｍx1p,Ｍx2p によってＸ軸の
ｐ側に引き寄せられるとともに、交流励磁された電磁石
Ｍy1p,Ｍy1m,Ｍy2p,Ｍy2m によってＹ軸のｐ側とｍ側で
往復動を行う（ステップＳ２）。

【００２７】センサ信号調節手段２２は、回転軸２の振
動運動の間に位置センサＳx1p,Ｓx1m,Ｓx2p,Ｓx2m の出
力を求める。電磁石に対して電流を供給しないときに
は、回転軸は図５（ａ）の位置にあり、そのときの位置
センサＳｘのセンサ信号は図５（ｂ）となる。これに対
して、前記ステップＳ１，２の処理を行うと、回転軸は
図５（ｃ）中の破線に示すように位置センサＳxpの近傍
でＹ軸方向に振動し、そのときの位置センサＳｘのセン
サ信号は図５（ｄ）となる。なお、この位置センサＳｘ
のセンサ信号は、位置センサＳxpと位置センサＳxmのセ
ンサ信号の差等により得ることができ、これによって、
温度特性の補償を行うことができる。なお、位置センサ
Ｓxpと位置センサＳxmは、回転軸の軸方向に対して一方
向に設けた位置センサＳx1p とＳx1m 、および他方向に
設けた位置センサＳx2p とＳx2m を意味しており、両方
の位置センサの組を用いる構成とすることも、一方の位
置センサの組を用いる構成とすることもできる（ステッ
プＳ３）。

【００２８】次に、前記ステップＳ２，３と同様の処理
を、回転軸をＸ軸のｍ側に引き寄せて行う。そのため
に、ステップＳ４においてスイッチ３３の切り換えによ
って、電磁石Ｍx1m,Ｍx2m に直流電流を供給し、電磁石
Ｍx1p,Ｍx2p をオフとして電流の供給を停止する。そし
て、ステップＳ５において位置センサＳx1p,Ｓx1m,Ｓx2
p,Ｓx2m の出力を求める。これによって、回転軸は図５
（ｅ）中の破線に示すように位置センサＳxpの近傍でＹ
軸方向に振動し、そのときの位置センサＳｘのセンサ信
号は図５（ｆ）となる。

【００２９】次に、ステップＳ６，７において、前記工
程で求めた検出信号から位置センサのゲインおよびオセ
ットを求め、求めたゲインおよびオセットに基づいてセ
ンサ信号調節手段２２中の調節量を調整する。前記ステ
ップＳ３，５で求めた位置センサＳｘのセンサ信号を信
号処理すると、図５（ｇ）に示す検出信号が得られる。
図５（ｇ）において、縦軸のプラス側は位置センサＳｘ
のＸ軸のプラス方向（ｐ方向）のずれ量を示し、縦軸の
マイナス側は位置センサＳｘのＸ軸のマイナス方向（ｍ
方向）のずれ量を示すとともに、位置センサのセンサ信
号のゲインを示している。また、ステップＳ３，５の位
置センサＳｘのセンサ信号の平均値を求めると、この平
均値はセンサ信号のオセットを表している。そこで、こ
のゲインおよびオセットを基にして、基準値との比較等
処理によってセンサ信号調節手段２２中のゲイン調節回
路やオセット調節回路を調節して最適な調節量を定め
る。これによって、Ｘ軸方向の位置センサの調整を行う
ことができる。同様に、ステップＳ８からステップＳ１
４の工程によって、Ｙ軸方向の位置センサの調整を行う
ことができる。

【００３０】本発明の実施の形態によれば、各位置セン
サのゲインやオセットの量を求めることができるため、
この検出量を用いてゲイン調節回路やオセット調節回路
の自動調節を行うことができる。なお、前記実施の形態
では、ラジアル方向電磁石３，４とラジアルセンサ６，
７を回転軸２の軸方向の上下に設ける構成に適用した場
合で説明しているが、いずれか一方のみに設置する構成
に適用することもできる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
位置センサのセンサ信号の調節精度を向上させ、回転軸
位置の再現性を向上させた磁気軸受装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁気軸受装置の一実施形態の構成を説
明するブロック図である。

【図２】回転軸とラジアル方向電磁石とラジアルセンサ
との位置関係を示す図である。

【図３】センサ信号の調節量を調整のための回転軸の位
置関係を示す図である。

【図４】センサ信号調節手段の調節量の調整を説明する
ためのフローチャートである。

【図５】センサ信号調節手段の調節量の調整を説明する
ための図である。

【図６】５軸磁気軸受装置の概略構成図である。

【図７】５軸磁気軸受装置の電磁石と位置センサの配置
を示す図である。

【図８】従来の磁気軸受装置の磁気浮上のためのフィー
ドバック制御系を説明するためのブロック図である。

【図９】回転軸の吸引状態を説明する図である。

【符号の説明】

１…磁気軸受装置、２…回転軸、３，４…ラジアル方向
電磁石、５…アキシル方向電磁石、６，７…ラジアルセ
ンサ、８…アキシルセンサ、９，１０…タッチダウン軸
受、１１…モータ、１２…タッチダウン軸受の内輪、１
３…コア、１４…ヨーク、１５…コイル、２０…磁気軸
受、２１…アンプ、２２…センサ信号調節手段、２３…
ＰＩＤ制御装置、２４，３３…スイッチ、２５…励磁ア
ンプ、３０…電流供給手段、３１…交流電源、３２…コ
ネクタ。

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電磁石と回
   転軸の半径方向の位置を検出する位置センサと該位置セ
   ンサのセンサ信号調節手段を備え、位置センサのセンサ
   信号に基づいて電磁石に供給する励磁電流を制御して回
   転軸を磁気浮上させるラジアル磁気軸受装置において、
   位置センサの検出方向の電磁石に直流電流を供給し、該
   検出方向と直交する方向の一対の電磁石に交流電流を供
   給する電流供給手段とを備えたことを特徴とする磁気軸
   受装置。