JPS6014929B2 - 磁気懸垂方式ロ−タ−に於ける同期妨害補償装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は磁気懸垂方式ローターの同期妨害補償装置に関
するものである。

本発明は特に、少なくとも１つの放射状電磁軸受を有し
、かつその軸受は関連してローターの軸位置を検出する
手段を備えているものに関する。本発明に係る装置はロ
ーターの麹位置検出手段と電磁軸受の巻線間に接続され
ており、巻線への電流供聯合を制御する回路を有するサ
ーボ回路を備えている。サーボ回路は検出手段により検
出され供給される信号に応答して動作し、ロー夕一の軸
位置をその設定位暦に維持する。公知の懸垂方式に於て
「それが機械式、流体式、空気式潤滑軸受は磁気式なそ
れを問わず、懸垂したロータ−のバランス（平衡）の問
題が生ずる。

すなわちローターを軸受内に於いて、慣性輪を軸受によ
り決定される回転軸と完全に一致させるということは不
可能である。従ってこの不一致によりアンバランス（不
平衡）が生ずる。機械的懸垂方式に於てはこの不平衛が
存在する場合、ローターが回転すると、軸受に交互の又
は連続する力が伝達され不平衡に基づくローターの回転
が周期的に軸受に伝達され、ステータの望ましくない振
動となって表われる。

この振動を除去するために通常はローターをその定格速
度に於て平衡をとることが行なわれている。すなわち、
ローターの慣性軸が軸受により決定される回転軸と一致
するようにローターに付加的重り（質量）を取り付ける
。しかしこの方法は高精度であることが要求される。更
に〜 この方法は、処理（調整）後に経年変化又は熱変
形等に起因発生する振動に対してまで防止することはで
きない。同様に〜 この平衡方法は回転速度が定格速度
の時に行なわれるので、ロータ−が定格速度以外で回転
している時に発生する振動まで防止することができない
。電磁懸垂方式に於て不平衡が存在する場合には「鞠上
で回転するロータ−はＬその慣性軸が軸受により決定さ
れる設定された回転軸と異なってしまう。従来例として
「 ローターの回転軸に対して直角な固定座標軸のＸＹ
方向に設けた２つの検出器と〜 ローターの回転軸位置
を制御する制御回路を有する磁気軸受を考察する。検出
器ｘ？ ｙからそれぞれローターの位贋偏移を表わす、
ロータ−の回転周波数に対応する周期的な信号が出力さ
れる検出器からの信号が直接制御回路に接続されている
と、磁気懸垂力のステイフネスが大きい場合、すなわち
「制御回路の利得が非常に大きい場合、電磁石巻線に供
給される出力信号は「 ローターをその磁気軸受の構造
上定められた設定位置を維持するように、同様にロータ
ーの回転周波数で周期的に変化する。したがって検出器
から検出されたロータ−の周期的な振動を防止するため
に印放される周期的に変化する電流によりステータが好
ましくない振動を発生する。これを防止するために一般
的には、制御回路のダンピング効果を高められることに
より磁気懸垂全体のステイフネスを減少させている。

このことはまたローターがその慣性軸で回転できるよう
になるので振動を防止することになる。しかしこの低ス
テイフネスによる方法はローター位置を高精度に制御し
ようとする場合には全く満足のゆくものではなかった。

本発明の目的は、それ故、磁気懸垂方式ローターに於い
て妨害による有害な影響を著しく減少あるいは十分に打
消す為の装置を提供することにある。

これらの影響は不平衡が原因で生じ、ローター回転の角
速度と同じ周波数の交互に起る誤差信号が検出手段を通
して伝達されるからである。また回転と同期する別のタ
イプの漂遊妨害が存在する。これらは例えば磁気懸垂方
式のローターを駆動する電動機の回転素子又は固定素子
の不平衡の為である。これら全ての同期妨害はかわるが
わる生ずる性質があり、その周期はローターの回転速度
に関係する。しかるに本発明の目的はさらに、例えば、
ローター、位置検出器、軸受等の幾何学的、磁気的均合
がない場合、又はローターを駆動する電動機の不平衡に
より起り得る同期妨害の影響を防止することにある。

上記目的を達成するために、本発明はローター タと、
巻線を有する少なくとも１つの電磁軸受と、設定位置に
対するローターの半径方向位置を表わす位置信号を発生
するる少なくとも１つの検出手段と、前記巻線に電流を
供給する付勢手段と、前記検出手段と前記付勢手段間に
接続されておりロＺーターが前記設定位置を維持するよ
うに前記位置信号に応答して前記巻線への電流供給を制
御する制御回路とを備えた磁気懸垂方式ｏータ−に於け
る同期妨害補償装置であって、前記検出手段が、互いに
及び固定（垂直）座標Ｚ軸に於けるローターの回転軸に
対して直角である第１及び第２の軸に添ったローターの
半径方向位置を表わす第１及び第２の位置信号を発生す
る第１及び第２の検出器からなり「前記制御回路が前記
第１及び第２の検出器と前記付勢手段間に接続２されて
おり前記巻線に対して前記第１及び第２の位置信号に応
答する電流を供Ｖ給するよう制御し「前記制御回路がそ
の第１の入力が前記第１の位置信号を受信できるよう前
記第１の検出手段に接続されておりその出力が前記付勢
手段に接続されている第１の２入力加算器とその第１の
入力が前記第２の位置信号を受信できるよう前記第２の
検出手段に綾競されておりその出力が前記付勢手段に接
続されている第２の２入力加算器とを有する帯城除去フ
ィルタ回路と、前記帯城除去フィルタ回路に接続されて
おりローターの回転速度ｗを表わす信号を発生する手段
と、前記固定座標系を互いにかつローターの回転軸に対
して直角でありｎｗに等しい速度で固定座標軸に対して
回転する２つの軸よりなる回転座標系に座標変換すると
共にその第１及び第２の入力が前記第１及び第２の加算
器の出力にそれぞれ接続されており前記加算器の出力を
変換して第３及び第４の信号を発生する第１の変換回路
と、前記第１の変換回路に接続されており前記第３の信
号を積分する第１の積分器と「前記第１の変換回路に接
続されており、前記第４の信号を積分する第２の積分器
と、前記回転座標系を前記固定座標系に変換すると共に
その第１及び第２の入力が前記第１及び第２の積分器に
接続されておりそれらの積分信号を受信し第５及び第６
の信号を発生する第２の変換回路とを備えており、前記
第１及び第２の加算器の第２入力が前記第２の変換回路
に接続されており前記第５及び第６の信号を受信するよ
うに構成した。

以下本発明をより明確にするために、図面を参照しなが
ら本発明の１実施例を説明する。

第１図から第３図は２個の磁気藤受３によりステータ２
に支持されたローター１を示す。

各藤受は岡定ア−マチユア５の各々の極に取付けられた
８個の巻線４をもつ電磁石から構成されている。これら
はロータ−１と同軸で且つローター１に固定された環状
電機子６と共に動作する。巻線はそれぞれ二つの固定直
交軸Ｘ′Ｘ及びＹ′Ｙと関係する２組の相対するＥＸ，
Ｅｘ′及びＥｙ，Ｅｙ′の如く配列される。

これらの座標軸は軸受がもつ予め設定した回転軸紅′Ｚ
に垂直である。一組の対、例えば「Ｅｘ及びＥｘ′が直
径方向に対向しており、各々は巻線が付勢されるとロー
ターに吸引力を働かせる。図示の実施例では、各対の巻
線４は直列に接続してある。各軸受は巻線と関係し、Ｘ
′Ｘ及びＹ′Ｙとそれぞれ並行して２個の固定軸に配置
される２対の検出器Ｄｘ，Ｄｘ′及びＤｙ，Ｄｙ′をも
つ半径方向検出装置Ｔがある。

１対又は同一対の２個の検出器は直径方向に相対してい
る。

図示の実施例では各検出器はローター１に固定され且つ
同軸上にある環状電機子１０と共働する固定電機子９に
載層された教本の巻線で構成されている。検出器の他の
例としては、特に「容量あるいは光学系の検出器も使用
可能である。ローター１はステータ２に取付けたステー
タ及びローター１に取付けたローターとから成る電動機
（図示されない）により駆動することが可能である。

各対の検出器からの信号を加算し、各々軸×′Ｘ及びＹ
′Ｙに沿ってローター回転軸の実際の半径方向位置と設
定位置間のギャップを示す各々の出力信号ｘ，ヱを供給
する１，１２（第４図に示す）の如き加算器からなる回
路でもつて検出器の信号を用いて各藤受を働かせる方法
はよく知られている。

公知のサーボ回路では信号ｘ及びｙは電磁石Ｅｘ，Ｅｘ
′，Ｅｙ及びｙ′を制御する制御回路１３の入力端子１
３ａ及び１３ｂに供孫合される。

そのような制御回路は図示の如く制御信号ｘｃ，ｙｃを
供給する進相絹１４・，１５からなりたっている。これ
らの制御信号は位相変換器１６，１７１こより遅相され
、その結果、信号ｘ′ｃ，ｘ″ｃ及びｙ′ｃ，ｙ″ｃが
得られ、増中器舷，Ａ′ｘ，Ａｙ，Ａ′ｙにより増中さ
れ適当な極性をもって電磁石紅ｘ，Ｅｘ′，Ｅｙ，８ｙ
′に供給される。このような制御回路は既に公知であり
、例えばフランス特許第２１４９６４４号にも開示され
ている。本発明の補償方式では新たな回路が加算器１１
及び１２の出力部と制御回路１３の入力部１３ａ及び１
３ｂ間に組込まれている。

この回路は制御回路への障害伝播を減じあるいは除去す
る処理回路１８である。ローター亀が不均衡となった場
合には「第５図に示す如くロータ−の設定回転軸０とそ
の慣性鞠１間には直径方向のの離脱ごが生ずる。

しかし、この値が小さいと検出器を通して周期的な誤差
信号を伝達すること）なる。その変動周期（Ｈｚ）は回
転数／秒で表わされるローター回転速度に等しい。第４
図の回路１８はローター１の不平衡により発生する誤差
信号をろ過して敬除〈ものである。

この回路１８は各々二つの入力部をもつ２個の加算器Ｓ
ｘ，Ｓｙとからなる。これらの第１入力部はそれぞれ加
算器１亀及び１２の出力端子と接続されており、しかる
に信号ｘ，ｙを受信することとなる。加算器Ｓｘ及びＳ
ｙの出力部は制御回路ｉ３の入力部１３ａ及び１３ｂも
こそれぞれ接続されており且つｘｓ，ｙｓを供給するこ
と）なる。反動回路１９は加算器Ｓｘ及びＳｙの出力部
とそれら第２入力部との間に接続されている。反動回路
１９は、第１、第２入力信号ｘｓ？ ｙｓを受信しそれ
ぞれ以下の如く二つの出力信号Ｘ，Ｙを供給する。

第１変換回路則ちリゾルバＲＩか構成される。尚、ごは
ローターの角速度であり「 ｔは時間を示す。

今、軸×ｘ，ｙｙの固定座標系で一点の座標としてｘＳ
，ｙｓに注目すれば、×，Ｙは第５図に示す如く直交軸
Ｘ′Ｘ，Ｙ′Ｙの回転座標系に於けるその点の座標を示
すこと）なる。これらの軸はローターの回転軸に垂直に
直交し「且つロータ−に対し固定される。ある不平衡の
ため、上述の如くローターの回転速度と同じ周波数より
はずれた誤差信号が発生し、リゾルバにより行なわれる
変換によりローターに対して不平衛を有交的に補正し、
離脱ごを補償するためにこれを使用することが出来る。
これを達成するために、信号Ｘ，Ｙは積分器皮，ｌｙに
より回転座標系で積分される。ある不平衡はほぼ一定或
いは非常にゆるやかに変動し得るので「積分器戊，ｌｙ
の通常帯城を低くおさえることがあるいは十分に低い周
波数におさえることが可能となる。積分器ｋ？ｌｙから
与えられる信号ＸＩ？ＸＩはリゾルバＲＩとは逆の変換
を行ない、一つの出力信号ｘ，，ｙ，で供給する第２変
換回路則ちリゾルバＲ２の第１、第２入力部に与えられ
る。これらはそれぞれ加算器Ｓｘ，Ｓｙの第２入力部に
与えられる。信号ｘ，，ｙ，は信号ｘｓ，ｙｓと反対の
極性で加算器に戻される。

又上記信号は次式により求められる。及び それ故、真の不平衡をバランスする為の補償信号に仮想
不平衡を表わす補償信号が重量された如く効果となる。

リゾルバＲ１，Ｒ２はそれぞれローターの実際の回転速
度に比例した大きさの信号を発生する回転変換回路２０
により供給される信号Ｗを第３入力部で受信する。これ
らのリゾルバ回路Ｒ】，Ｒ２は固定座標系と回転座標系
間のデータを変換するものでも公知の構成でも良い。特
に「回路１９は、デジタル（数値）回路にしても良く、
信号ｘ，ｙは回路１９に与えられる前にデジタルに変換
され、信号ｘＳ？ ｙｓは制御回路１３に与えられる前
にアナ。グに変換される。加算器に戻され且つ信号ｘ，
ｙに加算される信号の反転についは、反動回路の任意点
で信号の反転により行なえ得る。これら種々の信号波形
を第９図に示した。

今、ｆｊが信号ｘｓの周波数を指し、ｆがローターの速
度（回転数ノ秒）であると仮定すると、反動回路１９の
伝達関係数Ｔは第６図の漸近的描写で示れる如く変化す
る。

△ｆは積分器ｌｘ，ｌｙの通過帯域を示し、Ｋはこれら
積分器の増中度を示す。従って伝達関数Ｔは以下の如く
して得られる。ここで、 Ｐ＝ｉ！肌一ｗｌ＝２汀ｊ！ｆｉｌ、 △のニ２汀△ｆ 信号ｘ，，ｙ，は信号ｘｓ，ｙｓと反対の符号で再び導
かれ回路全体の伝達関数は・ Ｇ＝Ｆ； で示される。

且つ第７図の断近線図で表わされる。それ故、信号ｘ，
ｙの為に回路１８はロータ−の回転速度と常に等しい周
波数をその中心とせる狭周波数帯城をもつ帯城除去フィ
ル夕を構成する。第７図に示されるように、周波数帯城
中が利得と共に上は２（Ｋ＋１）△ｆの値から下は２△
ｆ値まで低下する周波数帯城で係数（Ｋ＋１）により利
得は分割される。軸受のこわさＣは第８図に示される。

回路１８があるため周波数ｆに中心を置く周波数帯城で
はこわさが急速に低下する。例えば、回転速度に等しい
周波数の何んらかの同期妨害のため藤受のこわさは除去
され、又ロータ−は慣性軸を自由に回転する。既に上記
した如く、ロー夕−と関係した不平衡は概ね一定もしく
はゆっくり変動する。そして同期妨害に対し十分に且つ
排他的に軸受のこわさを相殺する目的で非常に低い周波
数、例えばＩＨ２から０．１日２迄積分器の通過帯域を
制限することが可能である。第８図の漸近曲線から剛性
Ｃが周波数ｆ‘こ対してほぼ（Ｋ＋１）で分割されるこ
とがわかる。

有利には、積分器ｌｘ，ｌｙに対し値Ｋも調整し得るよ
うに可変利得をもった増中器となるように配慮する。尚
、ロータ−が起動したときに軸受のこわさが零となるの
を防ぐため遮断手段を回路１８に直列に配列されたスイ
ッチに設置しても良い。ローターが起動する前に、調整
素子により零値で増中器の利得Ｋを保持することが可能
である。上述の装置は特に不平衡が生じた際のあらゆる
同期妨害の除去に適している。しかし、既に述べた通り
、ローターの回転速度と関連した別種の妨害が存在し得
る。

例えば位置検出器の対称性の欠陥或いは駆動モーターの
構造上の欠陥によるこれらの不平碗により検出器から周
期的誤差信号を発生する。そのような妨害はモーターの
回転速度と等しい基本周波数の高調波に抑制されるかも
知れない。偶数倍高調波は直径的に相対した対の検出器
の配置により除去されるが、奇数倍高調波は基本周波数
の奇数倍周波数で誤差信号の伝達が起る。第４図の装置
はリゾルバＲ１，Ｒ２にｎｗｔで代表される信号を供給
して、これらずれ信号を補償するものでｎは検出器から
出る信号のろ過を必要とする基本周波数の倍数である。
ｎｗｔで示されるこの信号は変換器２０から供聯合され
る信号の増倍器を介して容易に達成出来る。リゾルバＲ
Ｉは固定座標系ｘ′ｘ，ｙ′ｙの座標を角速度ｎのをも
った該固定座標系に対して回転する座標系の座標に変換
する。リゾルバＲ２は逆変換を達成する。この方式は種
々の変換が可能である。

特に１８の如く処理回路を複数個使用し「それぞれを特
定の周波数と運動してもよい。最後に、この装置は単一
半径方向検出方式について述べたが、ローター懸垂装置
に設置された各半径方向検出方式とも連動させることも
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は電磁軸受に搭載されたローターの下半分切欠軸
方向断面図、第２図は第１図の線ローロによる半径方向
断面図、第３図は第１図の線ｍ−ｍによる半径方向断面
図「第４図は本発明による装置のサーボ回路図「第５図
はローターにより構成される座標軸を説明するための図
、第６図は第４図に示す反動回路の伝達関数のグラフ、
第７図は第４図に示す処理回路の全伝達関数のグラフ、
第８図は軸受のこわさをローターの妨害周波数の関数と
して示すグラフ「及び第９図は第４図に示したサーボ回
路の種々の波形を示す図である。 （図中符号）、１・・・…ローター、２・・…・ステー
夕、３・・・・・・磁気軸受、４…・・・巻線、５・・
・・・・固定電機子、６・・・・・・環状電機子、７・
・・・・・半径方向検出器、８…・・・巻線、９・・…
・固定電機予Ｌ Ｉ０・・…・壕状電機子、亀包亨 亀
２・・…・二入力加算器へ 翼３…・・・制御回路、亀
亀，函覇……進相網ふ首６，亀を……位相変換器、亀８
……処理回路、富鯵……反動回路ト２８・・…。回転変
換回路。↓千１ １千２ ↓の字 〆ゾｆ 一千５ 市午白 干ｒ 干干 可９函

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ローター１と、巻線４を有する少なくとも１つの電
   磁軸受３と、設定位置に対するローター１の半径方向位
   置を表わす位置信号を発生する少なくとも１つの検出手
   段７と、前記巻線４に電流を供給する付勢手段と、前記
   検出手段７と前記付勢手段間に接続されておりローター
   １が前記設定位置を維持するように前記位置信号に応答
   して前記巻線への電流供給を制御する制御回路１３とを
   備えた磁気懸垂方式ローターに於ける同期妨害補償装置
   であって、 前記検出手段７が、互いに及び固定（垂直
   ）座標軸に於けるローター１の回転軸に対して直角であ
   る第１及び第２の軸に添ったローター１の半径方向位置
   を表わす第１及び第２の位置信号を発生する第１及び第
   ２の検出器からなり、前記制御回路１３が前記第１及び
   第２の検出器７と前記付勢手段間に接続されており前記
   巻線４に対して前記第１及び第２の位置信号に応答する
   電流を供給するよう制御し、前記制御回路１３がその第
   １の入力が前記第１の位置信号を受信できるよう前記第
   １の検出手段に接続さておりその出力が前記付勢手段に
   接続されている第１の２入力加算器Ｓｘとその第１の入
   力が前記第２の位置信号を受信できるよう前記第２の検
   出手段に接続されておりその出力が前記付勢手段に接続
   されている第２の２入力加算器Ｓｙとを有する帯域除去
   フイルタ回路１８と、前記帯域除去フイルタ回路に接続
   されておりローターの回転速度ｗを表わす信号を発生す
   る手段２０と、前記固定座標系を互いにかつローター１
   の回転軸１に対して直角でありｎｗに等し速度で固定座
   標軸に対して回転する２つの軸よりなる回転座標系に座
   標変換すると共にその第１及び第２の入力が前記第１及
   び第２の加算器Ｓｘ，Ｓｙの出力にそれぞれ接続されて
   おり前記加算器の出力を変換して第３及び第４の信号を
   発生する第１の変換回路Ｒ１と、前記第１の変換回路Ｒ
   １に接続されており前記第３の信号を積分する第１の積
   分器Ｉｘと、前記第１の変換回路Ｒ１に接続されており
   、前記第４の信号を積分する第２の積分器Ｉｘと、前記
   回転座標系を前記固定座標系に変換すると共にその第１
   及び第２の入力が前記第１及び第２の積分器Ｉｘ，Ｉｙ
   に接続されておりそれらの積分信号を受信し第５及び第
   ６の信号を発生する第２の変換回路Ｒ２とを備えており
   、前記第１及び第２の加算器Ｓｘ，Ｓｙの第２入力が前
   記第２の変換回路Ｒ２に接続されており前記第５及び第
   ６の信号を受信することを特徴とする磁気懸垂方式ロー
   ターに於ける同期妨害補償装置。 ２ 更に前記変換回路Ｒ１，Ｒ２にローター１の回転速
   度を表わす信号を供給するための変換器２０を備えてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の同期
   妨害補償装置。 ３ 前記第１及び第２の積分器Ｉｘ，Ｉｙは低域周波数
   が１Ｈｚ以下の狭通過周波数帯を有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の同期妨害補償装置。 ４ 前記帯域除去フイルタ回路の通過周波数帯の中心周
   波数はローター１の回転速度と等しいことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の同期妨害補償装置。