JPS63303216A - 磁気軸受装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は磁界を用いて回転機械等の軸を非接触で支持す
る磁気軸受装置であって、能動形と称される種類のもの
に関する。

〔従来の技術〕

上述の磁気軸受装置は、磁性体からなる軸のまわりにそ
れを径方向に吸引する電磁石を複数個配設して、これら
電磁石に対する励磁電流を制御することにより軸を磁気
的に浮かせた状態で支承するもので、完全無接触の軸受
であるため潤滑が不要で高速回転に適する等の種々の長
所がある。この種の磁気軸受装置の従来例を第６図およ
び第７図に示す。

第６図において、軸１のまわりに４個の電磁石２８〜２
ｄが配設されており、これらの向上下の電磁石２ａ、２
ｂが軸１の上下方向の位置を制御し、左右の電磁石２ｃ
、２ｄが軸１の左右方向の位置を制御するわけであるが
、よく知られているように電磁石と軸との間の空隙長が
小さくなればなる程電磁石の電磁吸引力が増加するため
、この磁気軸受装置は本質的には不安定であって上下ま
たは左右の電磁石の吸引力を互いに拮抗させてやらねば
ならない。この吸引力の制御のため軸１の変位を検出す
る要があり、このため各電磁石に対応して差動変圧器方
式などの変位センサ３ａ〜３ｂが設けられて、軸１の上
下、左右方向の偏心量がこれによって検出される。

第７図の右側部には上下方向の電磁石２ａ、２ｂと変位
センサ３ａ　、　３ｂだけが示されており、両変位セン
サからの信号は差回路４によって差が取られ、これによ
って軸の上下方向の偏心量δを表わす信号がこの差回路
４から出力される。この偏心量信号は図の左側部の制御
偏差回路５に与えられ、これによって偏心量の設定値δ
０と比較される。この制御偏差回路５もまた一種の差回
路であって、偏心量の実際値δと偏心量の目標値である
設定値δＯとの差の制御偏差Δδがこれから出力されて
電流調節器６に与えられる。この電流調節器６は−ｉ的
にはＰＩＤ副節調節器り、制御信号を信号配分器７に与
える。信号配分器７は電流値指令を励磁回路８ａ、８ｂ
に与えるもので、軸１が例えば図の下方に偏心していて
偏心量δがその設定値δ０よりも大で従って制御偏差Δ
δが正であるとき、励磁回路８ａへの電流値指令を増し
て上側の電磁石２ａの吸引力を増加させるとともに、励
磁回路８ｂへの電流値指令を減じて下側の電磁石２ｂの
吸引力を減少させる。このように、電磁石２ａ　、　２
ｂに対する第７図の制御系は変位センサ３ａ、３ｂと差
回路４によって検出された偏心量δを常に設定値δ０に
なるように両電磁石に対する励磁電流を制御するわけで
、このためこの種の磁気軸受装置は一般に能動系と呼ば
れる。なお容易にわかるように、上述の設定値δＯは通
常は０であって軸１は両電磁石２ａ、２ｂの中央ないし
は中心に向けて制御される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の磁気軸受装置はその制御系の性能が良好でかつ充
分高い制御ゲインをもっとき、偏心量δの制御誤差は結
局変位センサの分解能によって決まる。変位センサとし
ては前述のように差動変圧器ないしはインダクタ形のも
のが用いられているが、その変位検出上の分解能はふつ
う１〜１０ｐとされており、従ってこの種の変位センサ
を用いる限りいわゆる軸振れを１１１ｍ以下に抑えるこ
とばできない。しかし、この種の変位センサの分解能は
現在知られている変位センサ中でも最高の部類に属する
もので、これ以上の分解能をもつ変位センサを得ること
は現状では非常に困難である。

さらに、この変位センサについての問題は若干の検出遅
れがあることである。よく知られているように差動変圧
器は交流励磁されその変位検出に要する時間は励磁の周
波数によって決まって来る。

もちろん、この周波数もかなり高く選定されているので
あるが、原理上検出遅れ時間をなくすことはできない。

軸系の固有振動の周波数によっても事情は異なるが、磁
気軸受装置の制御上はこの遅れ時間は極力小さいことが
望ましく、とくに制御ゲインを上げて制御誤差を圧縮し
ようとすると、検出に遅れがあると制御系の安定度が落
ちて来るので、望むように制御ゲインを上げることがで
きなくなる。

かかる問題点の所在に立脚して、本発明は軸の変位ない
しは偏心を検出する分解能が高く、軸振れを従来よりも
小さく抑えることができる磁気軸受装置を得ることを目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的は本発明によれば、磁気軸受装置を磁性体から
なる軸をそれぞれ径方向に吸引するように該軸のまわり
に配設された複数個の直流電磁石と、電磁石に流れる励
磁電流の値を検出する電流検出器と、各電磁石により発
生される軸に対する電磁的な吸引力を検出する力検出器
と、電流検出器により検出された励磁電流の値と力検出
器により検出された吸引力の値とから電磁石と軸との間
の空隙長の値を計算により求める空隙長計算手段と、該
手段により複数個の電磁石に対してそれぞれ計算された
空隙長の値から軸の偏心量が所定の設定値になるように
各電磁石に対する励磁電流の値を調節する励磁電流制御
回路とにより構成することにより達成される。

〔作用〕

上述の構成かられかるように、本発明においては軸の変
位量を検出するために電磁石に対する励磁電流の値を検
出する電流検出器と電磁石が発生する吸引力を検出する
力検出器とを電磁石ごとに用い、これらの検出器からの
検出値に基づいて各電磁石と軸との間の空隙長を計算に
よって電磁石ごとに求める。よく知られているように電
磁石が発生する吸引力Ｆは励磁電流ｉと空隙長ｄとの関
数であって一般には次式で表わされる。

Ｆ＝Ｋ・（ｉｐ／ｄ’ｉ−・−一−−−−−−−−−−
−−−−−−−ｍ−−−・−（１）Ｋは電磁石により決
まる比例定数であり、ρ、σはいずれも１以上の定数で
、それぞれ１および２に近い値をもつ。

上式かられかるように、吸引力Ｆは空隙長ｄのσ乗倍に
反比例しており、磁気軸受装置において用いられるよう
な空隙長ｄの小さな範囲では空隙長ｄが僅か変わるだけ
で吸引力Ｆが大きく変化する。逆にいえば吸引力Ｆの変
位を検出すれば空隙長ｄつまり軸の変位を細かく検出で
きるわけで、これによって本発明では軸変位の検出分解
能を従来の１７１０程度にすることができる。さらに、
運転中における軸の突然の変位は電磁石の吸引力以外の
軸に掛かる外力に基づくものであるが、かかる突然変位
時に電磁石の励磁電流ｉは直ちには反応しないので、変
位はそのまま吸引力Ｆの変化に反映される。換言すれば
、軸の動的な変位が直ちに吸引力Ｆの変化になって現わ
れるので、本発明によれば軸の動的な変位を原理的に時
間遅れなく検出できる。このため制御系を不安定にする
ことなく制御ゲインを上げることが可能になり、前述の
検出分解能が高まることと相俟って、制御誤差としての
軸振れを従来よりもずっと少なく制御することができ、
これによって前述の所期の課題が解決される。

なお、上述のように空隙長計算手段により空隙長が各電
磁石について計算された後は簡単に偏心量をこれから得
ることができる。すなわち、上下ないしは左右の電磁石
について計算された空隙長の差をとることによって簡単
に上下、左右方向の偏心量が求まる。あるいは、上下な
いしは左右の電磁石対に対する空隙長の和は常に一定で
あるから、電磁石対中の一方について計算した空隙長か
らも偏心量は簡単に求まる。従って本発明においてはす
べての電磁石に対応して電流検出器と力検出器を設けて
空隙長を計算する必要は必ずしもなく、上下ないしは左
右の電磁石対中の一方についてのみ空隙長を得るように
して全体構成を簡略化することが可能である。前記構成
中のｌｌ３Ｗ１電流制御回路は上のようにして求められ
た偏心量を実際値としてそれを設定値と比較した制御偏
差をなくすように励磁電流の値を調節してもよく、また
後述の実施例におけるように、偏心量をわざわざ求めな
くても空隙長の値に基づいて直ちに励磁電流を調節する
ようにしてもよい。

τ実施例〕 以下、図を参照しながら本発明の詳細な説明する。第１
図および第２図は本発明の一実施例を示すものである。

第１図には力検出器１０ａ〜１０ｄの取り付は例が示さ
れており、これらは図示のように電磁石２８〜２ｂの軸
１とは反対側の背面と固定環体５との間に挿入されてい
る。この力検出器としては、ストレンゲージを用いたも
の、磁歪素子あるいは圧電センサ等を用いることができ
、いずれも本質的に検出遅れなく電磁石の吸引力を検出
することができる。

第２図は上下の電磁石２ａ＋２ｂと力検出器１０ａ、　
１０ｂに関連する制御系を含む磁気軸受装置の全体構成
を示すもので、左右の電磁石２ｃ、２ｄについても同様
な構成が用いられる。電磁石２ａ　、　２ｂは共通の直
流電流により給電され、それを流れる励磁電流ｉａ。

ｉｂが例えば電流変成器である電流検出器２０ａ、２０
ｂによって検出される。空隙長計算手段３０ａ、３０ｂ
は例えばアナログ演算回路であって、この励磁電流値ｉ
ａ、ｉｂと力検出器１０ａ、１０ｂによって検出された
吸引力値Ｆａ、Ｆｂを入力する。この実施例の場合、前
の（１）式においてρ−１．σ−２として、これら空隙
長計算手段３０ａ、３０ｂは電磁石２ａ、２ｂの空隙長
ｄａ、ｄｂを次式で演算出力する。

ｄａ＝ｒａ／Ｆａ、　　ｄｂ＝ｆＫ−Ｔｉ”ｂ　／　Ｆ
ｂ−−ｆ２）これらの空隙長ｄａ、ｄｂＯ値は励磁電流
制御回路４０内の差回路４１に与えられ、偏心量δがこ
れから出力される。励磁電流制御回路４ｏ内には別の差
回路４２があり、この偏心量δΦ値をそれに対する設定
値δ０と比較して、制御偏差Δδを作る。調節器４３は
この制御偏差Δδを受けて、これに基づいて簡略に示さ
れた励磁調整器４４に対する制御信号を作るもので、電
磁石２ａ、２ｂのもつインダクタンス値、軸系がもつ慣
性値、電磁石の吸引力による軸支持の固さ等の諸因子に
適合するよう一般的にはＰＩＤりｉＪ節器として構成さ
れる。励磁調整器４４は図では簡単な調整抵抗として機
能的に示されたように、調節器４３からの制御信号を受
けて従来技術と同様に、例えば制御偏差Δδが正のとき
には上側の電磁石２ａに対する励磁電流を強め、下側の
電磁石２ｂに対する励磁電流を同時に弱めることにより
、軸１の位置を上方に向けて操作する。この励磁調整器
４４は実際にはトランジスタやチョッパ方式の電流調整
回路として構成される。

第３図は空隙長ｄが急速変化したときのこの実施例にお
ける空隙長計算手段３０ａ　、　３０ｂによる検出感度
を説明するためのもので、これから空隙長ｄの変化Δｄ
に対する吸引力Ｆの変化ΔＦの比ΔＦ／Δｄが大きく、
従って吸引力Ｆから空隙長ｄの僅かな変化が検出できる
ことがわかる。この検出感度ないし分解能は空隙長ｄの
動作点の選び方によって変わり、これを小さ目に選定す
るのが有利である。空隙長ｄの動作点をこのように小さ
く選定することにより、図かられかるように同じ電磁石
を大きな吸引力で利用することができ、また吸引力によ
る軸の支承の固さも大きくできるので、軸受装置として
一般的には望ましい方向になる。

以上の実施例では前の（２）式かられかるように空隙長
ｄの値を近偵的に求めているが、第４図に示す実施例は
空隙長計算手段３０としてマイクロコンピュータを用い
ることにより空隙長ｄの値をより精密に計算できるよう
にしたものである。これに用いるマイクロコンピュータ
は１６ビツト以上を扱え１０ＭＨｚ以上のクロックをも
つ高速動作可能なものがよく、通例のようにＣＰＵ３１
．ＲＯＭ３２．ＲＡＭ３３がバス３４で結合されたもの
である。力検出器１０ａ、１０ｂからの吸引力Ｆａ、Ｆ
ｂＯ値および電流検出器２０ａ　、　２０ｂからの励磁
電流ｉａ、ｉｂの値の取り込み用には人カポ−）３５ａ
、３５ｂが設けられ、ＡＤＣ３６ａ、３６ｂおよび３７
ａ、３７ｂによって変換されたそれらのディジタル値が
マイクロコンピュータ３０に与えられる。空隙長ｄａ、
ｄｂの計算は前の（１）式に基づいて精密に計算され、
これから直ちに偏心量δが求まり、これによって前と同
様に励磁電流をＩＩＩ御すればよいわけであるが、この
実施例では最終被制御量が励磁電流であるからからそれ
に対する制御偏差をこのマイクロコンピュータ３０から
出カスるようになっている。

まず上のように空隙長ｄａ、ｄｂがディジタル計算され
るが、元来この空隙長ｄａ、ｄｂの和は一定の所定値ｄ
ａｂになるはずであるが、検出誤差等や励磁電流１ａ、
　Ｉｂの制御上の時間遅れのため必ずしもｄａｂ＝　ｄ
ａ　＋　ｄｂが成立しない場合があり、このためこの等
式が成立するように例えば比例配分法により一旦検出さ
れた空隙長ｄａ、ｄｂＯ値に補正を加える。

一方、容易にわかるように上下の電磁石２ａ、２ｂが発
生する吸引力Ｆａ、Ｆｂの間には軸１の系統の等価的な
重さをＷとするとき、Ｐａ＝Ｆｂ＋Ｗが成立するはずで
あり、吸引力Ｆａ、Ｆｂについても同様な補正が可能で
ある。第５図（ａ）はこれらの補正の結果の空隙長ｄａ
、ｄｂを示すもので、図の曲線ＡＢは簡単化のため両型
磁石２ａ、２ｂについて空隙長ｄと励磁電流ｌとの関係
が同じであるとして描かれている。

また、軸１の偏心量δの設定値δＯが０であり、従って
両型磁石２ａ、２ｂに対する空隙長の目標値が同じ空隙
長ｄであるとする。図かられかるように、計算かつ補正
された両型磁石２ａ、２ｂの空隙長ｄａ、ｄｂに対応す
る励磁電流ｉａ、ｉｂＯ値が曲線ＡＢから求まり、それ
らの値と空隙長の目標値ｄに対応する励磁電流Ｉの値の
差から励磁電流に対する制御偏差Δｉａ、Δｔｂが計算
できる。これらの制御偏差値は第４図の出力ボート３８
ａ　、　３８ｂからそれぞれＤＡＣ３９ａ、　３９ｂを
介して出力される。これを受けるのは前と同じく一般的
にはＰＩＤ調節器である電流調節器４３ａ、４３ｂであ
って、それらからの制御信号によってこの実施例の場合
は上下の電磁石に対して別個に設けられた励磁回路４４
ａ、４４ｂがそれぞれ電磁石２ａ、２ｂに対して励磁電
流を供給する。

第５図（ｂｌはこの実施例の動作のより一般的な場合を
示すもので、上下の電磁石が発生すべき吸引力には元来
軸の等測的な重さＷだけの差があり、従って両型磁石２
ａ　、　２ｂについての空隙長ｄと励磁電流ｌとの関係
が異なる曲線Ａ、Ｂをとる場合が示されている。また、
両型磁石の空隙長の目標値も異なりうるので、これらが
ｄａｏ、　ｄｂｏで示されている。この場合にも制御偏
差Δｉａ、　Δｉｂは同図ｆａｌの場合と同様に計算さ
れ、マイクロコンピュータ３０から出力される。

この例からもわかるように、本発明は以上説明した実施
例のほか、種々の態様で実施をすることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明においては磁性体からなる軸
をそれぞれ径方向に吸引するように該軸のまわりに配設
された複数個の直流電磁石と、電磁石に流れる励磁電流
の値を検出する電流検出器と、各電磁石により発生され
る軸に対する電磁的な吸引力を検出する力検出器と、電
流検出器により検出された励磁電流の値と力検出器によ
り検出された吸引力の値とから電磁石と軸との間の空隙
長の値を計算により求める空隙長計算手段と、該手段に
より複数個の電磁石に対してそれぞれ計算された空隙長
の値から軸の偏心量が所定の設定値になるように各電磁
石に対する励磁電流の値を調節する励磁電流制御回路と
から磁気軸受装置を構成するようにしたので、電磁石が
本来持つその吸引力と空隙長との関係から、軸が偏心し
て空隙長が僅かに変化しても大きな変化を示す吸引力を
力検出器によって鋭敏に掴えることができるので、吸引
力の検出値から従来より約１桁高い分解能で軸の偏心量
を正確に検出することができる。しかも、吸引力は軸の
偏心量が急変した場合でも本質的に時間遅れなく吸引力
からこの変化を掴えることができる。このように本発明
によれば従来より高い分解能でかつ高速で軸の偏心量を
検出することができるので、磁気軸受装置の能動制御系
の制御ゲインを充分上げることによって、従来よりも軸
振れをずっと少なく制御することができる。

以上の特長をもつ本発明による磁気軸受装置は大形回転
機械用にとくに適し、かつ軸に急激な衝撃的ないしは振
動的な外力が加わった時の制御性に優れており、大形回
転機械に通用してその運転信輔性を向上し非接触式の利
点を生かして保守の手間を削減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第５図までが本発明に関し、第１図は本発明
による磁気軸受装置における電磁石と力検出器の配置を
示す軸受部の横断面図、第２図は本発明装置の一実施例
を示す構成回路図、第３図は電磁石の吸引力と空隙長と
の関係を示す線図、第４図は本発明装置の異なる実施例
を示す構成回路図、第５図は励磁電流制御に関連する電
磁石の空隙長と励磁電流との関係を示す線図である。第
６図以降は従来技術に関し、第６図は従来の磁気軸受の
横断面図、第７図は従来の磁気軸受装置の概要を示す構
成回路図である。図において、１：軸、２　、２ａ〜２
ｄ　：電磁石、３ａ〜３ｄ：従来の変位センサ、１０．
１０ａ　〜１．Ｏｄ：力栓出器、２０ａ　、　２０ｂ　
：電流検出器、３０：空隙長計算手段ないしはマイクロ
コンピュータ、３１：　ＣＰＵ、３２：　ＲＯＭ、３３
：　ＲＡＭ、３４：バス、３５ａ、３５ｂ：入力ボート
、３６ａ、　３６ｂ。 ３７ａ、３７ｂ：Ａ　Ｄ　Ｃ、３８ａ、３８ｂ：出力ポ
ート、３９ａ、３９ｂ：ＤＡＣ，４３：調節器、４３ａ
、４３ｂ：電流調節器、４４：励磁調整器、４４ａ、４
４ｂ：励磁回路、ｄ：空隙長ないしはその目標値、ｄａ
、ｄｂ：空隙長、ｄａＯ，ｄｂｏ：空隙長の目標値、Δ
ｄ：空隙長の変化分、δ：偏心量、δＯ：偏心量の設定
値、Δδ：偏心量の制御偏差、Ｆ　、Ｆａ、Ｆｂ　：電
磁石の吸引力、ΔＦ：吸引力の変化分、ｉ、ｉａ、ｉｂ
：励磁電流、Δｉａ、　Δｉｂ：励磁電流の制御偏差、
である。 寸　　　　　　　　　　　　　０ ．ａ　　＋　　ミ １ミ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 磁性体からなる軸をそれぞれ径方向に吸引するように該
   軸のまわりに配設された複数個の直流電磁石と、電磁石
   に流れる励磁電流の値を検出する電流検出器と、各電磁
   石により発生される軸に対する電磁的な吸引力を検出す
   る力検出器と、電流検出器により検出された励磁電流の
   値と力検出器により検出された吸引力の値とから電磁石
   と軸との間の空隙長の値を計算により求める空隙長計算
   手段と、該手段により複数個の電磁石に対してそれぞれ
   計算された空隙長の値から軸の偏心量が所定の設定値に
   なるように各電磁石に対する励磁電流の値を調節する励
   磁電流制御回路とを備えてなる磁気軸受装置。