JPS6124816A - 非線形制御型磁気軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、磁気浮上装置等に用いられる磁気軸受に係わ
り、特に非線形制御型磁気軸受に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来、電磁石の吸引力を利用した各種の磁気軸受が開発
されているが、この種の軸受は一般に高価である。これ
は、磁気軸受に必要な位置変位センサ及び電力増幅器が
高価で消費電力も大きいためである。従って、これらの
欠点を克服すれば、非接触、無摩擦及び無潤滑を特徴と
する磁気軸受の応用範囲は更に広くなると考えられる。

ところで、高価な位置変位センサの代りに、加工が容易
で安価なサーチコイルを用いた速度センサ利用による磁
気軸受の実現は線形制御法の範囲で既に実用化され、製
品化もなされている。この方式は、ゼロ・パワ一方式と
しての長所も有しており、その技術は既に確立している
。しかし、この方式の短所は、本質的に静止時からの浮
上起動ができない点にあり、通常は別にリフト・オフ回
路を具備させ、それによって浮上させると云う方法を採
っている。このため、変位センサに相当する別のセンサ
が必要となり、これが上記方式の魅力を半減させる要因
となっている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、高価な位置変位センサや電力増幅器等
を必要とせず、被浮揚体を電磁石の吸引力で軸受するこ
とができ、さらに静止時からの浮上起動も可能で、且つ
消費電力の低減化をはかり得る非線形制御型磁気軸受を
提供することにある。

〔発明の概要〕 本発明の骨子は、速度センサの出力信号と電磁石の励磁
電流とに基づいて被浮揚体の変位を求めることにより、
高価な位置変位センサを不要とし、さらに一対の電磁石
の択一的励磁により高価な電力増幅器を不要とすること
にある。

即ち本発明は、非線形制御型磁気軸受において、被浮揚
体を挟んでこの被浮揚体と離間して対向配置され該被浮
揚体を磁気力により吸引する一対の電磁石と、これらの
電磁石に択一的に励磁電流を供給する手段と、上記各電
磁石に流れる電流値を検出する手段と、前記被浮揚体の
前記電磁石の対向方向に対する移動速度を検出する速度
センサと、上記検出された電流値及び速度に基づいて所
定の演算を行い前記電磁石の通電切換タイミングを制御
する演算器とを設けるようにしたものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、浮上起動の機能を本質的に備えている
点で、ゼロパワ一方式に類する省エネルギー効果、リフ
ト・オフの機能、更にスイッチング・アンブリファイア
を原理としているため、スイッチング要素としてトラン
ジスタを用いたとしても、常に発熱の最小な領域で使用
するため、スイッチング・アンプの小型軽量化が可能で
ある。

また、高価な位置変位センサや電力増幅器等が不要とな
る。このため、非接触、無摩擦、無潤滑を特徴とする磁
気軸受を容易且つ安価に実現することができ、その効果
は絶大である。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の一実施例に係わる非線形制御型磁気軸
受を示す概略構成図である。図中１０は被浮揚体であり
、この被浮揚体１０の上下方向には該被浮揚体１０を間
にして第１及び第２の電磁石１１．１２が離間対向配置
されている。電磁石１１．１２は切換スイッチ１３及び
判定器１４を介してそれぞれ電ｉ！１５に接続されてい
る。そして、切換スイッチ１３がＳｉ側のとき第１の電
磁石１１が励磁され、切換スイッチ１３が８２側のとき
第２の電磁石１２が励磁される。つまり、第１及び第２
の電磁石１１．１２は択一的に、励磁されるものとなっ
ている。なお、切換スイッチ１３は、スイッチング要素
として例えばトランジスタを用いて構成されている。

判定器１４は、電ｔｌｊｔ１５から流れる電流が最大値
で一定時間以上連続したか否かを判定するものであり、
その判定情報は後述する演算器２０に供給されている。

電磁石１１．１２とスイッチ１３どの間には電流検出用
の抵抗１６．１７がそれぞれ直列接続されている。そし
て、これらの抵抗１６．１７の両端電圧が電流値情報と
して演算器２０に供給されている。また、前記被浮揚体
１０の下方には該°被浮揚体１０の下面に対向してサー
チコイル等からなる速度センサ１８が配置されている。

このセンサ１８により被浮揚体１０の上下方向の移動速
度が検出され、この検出速度情報は演算器２０に供給さ
れている。

演算器２０は、第２図に示す如く加減器２１゜微分器２
２．アナログ演算器２３及び切換判別器２４等から構成
されている。前記検出された電流値ｉＡ、ｉＢは加減器
２１に入力され、１＝ｉ八−ｉＢとして演算される。加
減器２１の出力ｉはアナログ演算器２３に供給される。

前記速度センサ１８で検出された検出速度Ｘは、微分器
２２に入力されて微分される。微分器２２の出力である
加速度Ｘは上記電流値ｉと共にアナログ演算器２３に供
給される。アナログ演算器２３では、上記入力した各信
号から前記被浮揚体１０の位置変位Ｘを演算する。この
変位Ｘは、前記速度交と共に切換判別器２４に供給され
る。また、前記判定器１４の判定情報は切換判別器２４
に供給される。この切換判別器２４は上記入力した各信
号に応じて前記切換スイッチ１３を切換えるものとなっ
ている。

このように構成され・た磁気軸受の作用及び動作原理に
ついて説明する。

被浮揚体１０にかかる力は重力と電磁力とであるが、重
力を無視して電磁力のみを考えるど、被浮揚体１０の運
動方程式は ｍ交＝Ｍ（ｘ）　・１２　　　　　・・・・・・■とな
る。ここで、ｍは浮揚体買置、Ｍ（Ｘ）は電磁石のコイ
ル・インピーダンスを含む変位Ｘの関数である。

速度センサ１８の検出速度信号Ｘを微分すると加速度Ｘ
が得られ、また電磁石１１．１２の電流値は常に測定可
能であるから上記■式を用いてＭ（ｘ）が、更にＭ（ｘ
）の関数形は予め知ることが可能であるから、変位Ｘが
求まる。このようにして、電流値１と速度交とから変位
Ｘが得られる。

この変位Ｘと速度信号Ｘとを用いて切換スイッチ１３の
切換タイミングを決定する。最適制御理論によると ｍｘ＝ｆ、ｏｒ−ｆ、　（一定） の運動場における位置移動最短時間制御のスイッチ切換
判別式は Ｆ　（ｘ、ｘ）＝ｍｘｌｉ＋ｆｘ＝０ となり、Ｆ　（ｘ、ｘ）≧０のときｆ、Ｆ　（ｘ、ｘ）
＜Ｏのとき−ｆに切換えれば最適制御が実現される。

上記理論を適用するとき問題になるのが■式の右辺が定
数でなく、電流値と位置との関数となることである。電
磁石１１．１２のコイルに電圧ｅを付勢した時に流れる
電流値ｉは ｅ＝Ｒｔ　　＋ｄ　　（Ｌ　　ｉ　　）　　／ｄ　ｔ　
　　−−−−−−■で得られる。ここで、Ｒはコイルの
抵抗値、し＝Ｌ（ｘ）はコイルのインピーダンスである
。

■式は電流値のｌＩ間遅れを示す式であるが、本実施例
ではこの時間遅れを逆に利用し、これでもって消費電力
の極小化をはかっている。

いま、便利のために、■式の代りに次式を考える。

ｍｘ−αＸ＋β１　　　　　　・・・・・・■この式は
、電磁石に永久磁石を併用し、これを非線形化した時に
得られる式であるが、■式の代りにこれを用いたどして
も、本発明の本質に影響はないので、以後これを用いて
説明する。

■式でｉ−±ｉｏ　　（一定）と仮に仮定すると、電流
に時間後れがない時の最適切換判別式が得られる。つま
り、■式を１回積分して Ｑ（ｘ、ｘ） ＝ｍＸ２−αＸ２−β１ＱＩＸＩ　　＝Ｑ・・・・■が
得られる。これを用いて、実際には時間後れのある制御
系のシミュレーションを行い、位相平面にその軌跡を描
いたのが第３図及び第４図である。

なお、これらの図において、（ａ）は速度にと変位Ｘと
の関係を示す特性図、（ｂ）は電磁石のコイル電流変化
を示す信号波形図である。

コイルの時定数が小さい時は第３図（ａ）に示す如く、
初期値Ａ点で電磁石１１側にスイッチ１３が切換えられ
、０点で電磁石１２側に切換えられた後、すぐに目標地
点０に到達する。つまり、最短時間最適制御が実現され
る。このことは、第３図（ｂ）に示す電磁石１１．１２
の電流値変化を見、でも良く判る。０点に到着後は頻繁
に切換えを行って０点維持が実現される。この系では電
磁石１１．１２のいずれかのコイルに常に最大電流が流
れており、小電力用としては不向きである。

なお、第３図において、破線Ｐは切換曲線を示し、時刻
ｔ１は０点に相当する。

第４図はコイルの時定数を大きくした場合で、第３図と
同じ切換曲線Ｐを用いている。この系では、一時遅れの
影響で最終的にリミット・サイクルが残り、振動・位置
出し誤差が大きい。即ち、リミッ１−・サイクルが大き
く実用的でない。

そこで、本実施例では第５図に示す如く直線状の切換線
Ｑを採用した。この場合、第５図（ａ）に示プ如く初期
値Ａ点から目標値０点に収束し、リミット・サイクルは
のこらない。また、第５図（ｂ）に示す如く電磁石１１
．１２の励磁電流が極めて少なくて済む。このため、即
応性はいくらか低下するものの、実用的に重要な安定性
と小電力に魅力がある。しかも、切換線Ｑは変位Ｘと速
度Ｘとの一次関数どなり、そのアナログ計篩は極めて単
純化される。なお、第５図（ｂ）中ｙは被浮揚体の位置
を加速度から算出したもので、制胛同の思い込み１直を
示している。

今までは、外部からの外乱がない状態の話を進めてきた
が、例えば系を重力場に置いた場合、被浮揚体１０は第
６図（ａ）に示す如く電磁石１１゜１２の電磁力と重力
とが静的に釣合う位＠Ｂ点に自動的に移動させられ、こ
の位置に維持されるのである。また、この場合第６図（
ｂ）に示す如く電磁石１１の通電時間の方が電磁石１２
のそれより僅かに長くなるのである。

このように本実施例によれば、被浮揚体１０の移動速度
交及び電磁石１１．１２の励磁電流ｉに基づき演算器２
０で切換スイッチ１３を切換制御することによって、被
浮揚体１０を磁気浮上させることができる。そしてこの
場合、電磁石１１゜１２に流れる電流はコイルのインピ
ーダンスにより極めて小さい値となるので、消費電力を
極めて少なくすることができる。さらに、高価な位置変
位センサや電力増幅器等を必要としないので、安価に実
現することができる。

また、判定器１４及び演算器２０の作用により、静止時
からの浮上起動も確実に行うことができる。

即ち、静止時に被浮揚体１０が例えば電磁石１２側にあ
り、切換スイッチ１３が８２側にあったとすると、速度
センサ１８の出力が零であるので切換スイッチ１３はす
ぐには切換わらない。しかし、この場合電磁石１２に最
大電流が連続して流れることになり、判定器１４にてこ
れが判定される。

そして、判定器１４の判定情報が演算器２０の切換判別
器２４に供給され、切換スイッチ１３が８１側に強制的
に切換えられることになる。切換スイッチ１３がＳｌ側
に切換えられた後は、前記第５図及び第６図を用いて説
明したのと同様に０点に自動的に移動することになり、
これにより浮上起動ができるのである。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。例えば、前記切換スイッチはトランジスタに限るも
のではなく、パワーリレーで構成してもよい。また、前
記判定器は、前記電磁石のいずれかに最大電流が一定時
間以上流れたことを判定するものであればよいので、そ
の取付は位置は適宜変更可能である。その他、本発明の
要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる非線形制御型磁気軸
受を示す概略構成図、第２図は上記実施例の要部構成を
示すブロック図、第３図乃至第６図はそれぞれ被浮揚体
の位相平面軌跡及び電磁石電流特性を示すもので第３図
はコイルの時定数が小さい場合の模式図、第４図はコイ
ルの時定数が′大きく一次後れの影響でリミット・サイ
クルが生じた場合の模式図、第５図は本実施例のように
直線状の切換線を用いた場合の模式図、第６図は第５図
の例で重力を考慮した場合の模式図である。 １０・・・被浮揚体、１１・・・第１の電磁石、１２・
・・第２の電磁石、１３・・・切換スイッチ、１４・・
・判定器、１５・・・直流電源、１６．１７・・・電流
検出用抵抗、１８・・・速度センサ、２０・・・演算器
、２１・・・加減器、２２・・・微分器、２３・・・ア
ナログ演算器、２４・・・切換判別器。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第２図 第３目 第４０

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）被浮揚体を挟んでこの被浮揚体と離間して対向配
   置され、該被浮揚体を磁気力により吸引する一対の電磁
   石と、これらの電磁石に択一的に励磁電流を供給する手
   段と、上記各電磁石に流れる電流値を検出する手段と、
   前記被浮揚体の前記電磁石の対向方向に対する移動速度
   を検出する速度センサと、上記検出された電流値及び速
   度に基づいて所定の演算を行い前記電磁石の通電切換タ
   イミングを制御する演算器とを具備してなることを特徴
   とする非線形制御型磁気軸受。
2. （２）前記演算器は、前記検出された被浮揚体の移動速
   度を微分して加速度を求め、この加速度と前記検出され
   た電流値とをアナログ演算して被浮揚体の運動方程式か
   ら上記被浮揚体の変位を求め、この変位と上記速度とに
   基づいて前記電磁石の通電切換タイミングを制御するも
   のであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   非線形制御型磁気軸受。
3. （３）前記被浮揚体がいずれかの電磁石側に吸引されて
   いる状態が一定時間以上連続するとき、電磁石の通電を
   強制的に反対側に切換えることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の非線形制御型磁気軸受。