TWI354072B - Electromagnetic attraction type magnetic bearing a - Google Patents

Description

1354072 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種使相對向之電磁鐵之任一方之控制 電流總是設為〇之電磁吸引式磁性軸承及其控制方法。 【先前技術】 電磁吸引式磁性軸承係因非接觸支撐而具有無摩擦、 磨耗、且不須潤滑等之優點，而可利用在渦輪壓縮機、極 低溫旋轉機械、渦輪增壓器（turbo charger)、飛輪等之轴 承。 作為此種電磁吸引式磁性軸承，已發明有僅藉由電磁 鐵構成之磁性軸承，且已提出申請（專利文獻丨、2)。 此等磁性軸承係藉由雙輸入非線形控制方式使電流朝 將浮動體自中心位置之位移予以抵銷之方向流通於夾介浮 動體而相互對向之一對電磁鐵，以維持浮動體於中立位 者。 /專利文獻1之「主動控制電磁吸引式磁性軸承」之目 的係在於減低功率損失（p〇wer 1〇ss)、電磁鐵之發熱、浮 動.體對於旋轉運動之阻力。 μ 因此’如第1圖所示，此主動控制電磁吸引式磁性轴 承係使用雙輸人非線形控制作為控制方式，該控制方式係 使電流h、i2朝向將浮動體51自中立位置Q之位移予二抵 銷之方向流通於夾介浮動體51而相互對向之—對電-52、53，以將浮動體51維持於中立位置〇。 專利文獻2之「電磁吸引式磁性軸承及其非線形控制 5 319948 丄354072 次」之目的係在從偏離恢復為平衡點時亦使衰減力產生 作用而可縮短從敛時間，且可完全滿足屬於控制系統之充 分條件之李亞普諾夫（Lyapun〇v)漸進穩定條件。 因此，如第2圖所示，此裝置係具傷：相互對向配置 之至少1對電磁鐵；配置於電磁鐵之間且保持於其中間位 置之浮動體61，·用以檢測浮動體61自平衡位置之位移及 (或速度=感測器（s e n s。r) 6 2 ;及用以控制電磁鐵之控制 :置63。藉由控制裝置63使浮動體61朝向平衡位置復位 日守，係將控制電流供給至相對向之電磁鐵之兩方，且藉此 將-方之電磁鐵發揮拉伸彈簧作用，將另一方之』 揮制振器（damper)作用。 x (專利文獻1)日本特開2〇01-1 651 64號公報 (專利文獻2)日本特開2002_61 646號公報 專利文獻i之磁性軸承在從偏離恢復為平衡點時不合 稱門Γ達磁收傲很耗費時間’故有在邏輯上‘ 雜轴咖编相文獻2之 然而’在專利文獻2 t，浮動體朝向平衡位置恢 為了將控制電流供給至相對向之電磁鐵之兩方， =1=向之電磁鐵之任-方之控制電流設為〇之完全 零功率控制之問題點。 王 亦即，在專利文獻2之非線形零功率控制中 檢測轉子（rot〇r)自平衡點之「位移」及「速度」，且 2者作為參數實㈣分處理為⑽情況來決定要控制之電/ 319948 6 丄 JM〇72 ”而，在該4個情形中，2個情形要將電 目對向之兩方之磁極線圈，會消耗不f要之於 使損失增加之主要原因。 巩而成為 數進：二由於依每一運算周期(例如每1〇°蝴對2灸 丁.，因此會使實時（rea】time)控制用之運鞋 複雜化，並且導致CPU之控制量增加，"'、軻 昂貴之CPU。 1曰力而須使用向性能且 【發明内容】 ，發”有鑑於解決上述之㈣而研創者。”，本 x目#係在於可達成使相對向之電磁鐵之任—方之批 制電流總是設為0之完全零功率 工 期進行判定之夫盤m Μ運算周 丁叙之參數數減少，而使運算邏輯簡化 之控制量減少，而提供—種可降低高性能且昂貴之 必要/·生之電磁吸引式磁性軸承及其控制方法。 依據本發明，係提供—種電磁吸引式磁性轴承，其具 備.相互對向配置之至少一對 . 門日保拄你“ _電磁鐵，配置在該電磁鐵之 二中間位置之浮動體；用以檢測該浮動體自平 衡位置之位移及/式括择 # σ 十 鐵之控制裝置，.4 及用以控制前述電磁 /、中該控制裝置係從浮動體之位移與速 度’求出與控制方向之加 之加速度成正比之變數，且依據該變 ΐ j 之控制電流設為零’而僅控制 另一方之電磁鐵之控制電流。 1電磁2車乂佳貫施形態’前述一對電磁鐵係由第 1電磁鐵與弟2電磁鐵所組成， 319948 7 1354072 <設前述浮動體從平衡位置朝向苐〗電磁鐵之位移為 ' Χ、動體之逮度為v=dx/dt、設τ為正的常數時，則 . 前述變數Z係可由以下公式（A)而提供。 Z= x-f 7 v . · · (A) 此外，依據本發明，係提供一種電磁吸引式磁性軸承 之控制方法，該電磁吸引式磁性軸承係藉由相互對向配置 之至乂對電磁鐵來將配置在該一對電磁鐵之間之中間位 φ置之浮動體加以保持者，該控制方法係檢測該浮動體自平 衡位置之位移及/或速度，且從浮動體之位移與速度，求 出與控制方向之加速度成正比之變數z，並依據該變數之 正負，使一方之電磁鐵之控制電流設為零，而僅控制另一 方之電磁鐵之控制電流。 依據本發明之較佳實施形態，前述一對電磁鐵係由第 电磁鐵與第2電磁鐵所組成，設前述浮動體從平衡位置 朝向第1電磁鐵之位移為X、設浮動體之速度為 鲁dt、設7為正的常數時’則前述變數z可由以下公式⑴ 來求得。 Z= x+ 7 v . · · (a) 一此外’言史a為正的常數、設χ。為平衡位置之磁隙，而 月,J述變數ζ為正或0時，使前述第1電磁鐵之控制電流設 =〇’以下列公式（Β)求出第2電磁鐵之控制電流i2，而於 前述變數Z為負時，使前述第2電磁鐵之控制電流設為〇、， 以下列公式（C)求出第【電磁鐵之控制電流“。 i2=a(X〇 + x)SQRT(z/k) · · · m 319948 8 1354072 •(C) a(X〇-x)SQRT(-ZXk) 依據上述本發明之裝置及方法，藉由控— 動體之位移X與速度4出與控制方向 1正：: 變數z’並依擄此變數z之正負 ^度成正比之 電流設為零，而僅控制另-方之電磁鐵之:控:: .非如專利文獻2係藉由將「位移」、「 制電〜，因此 情況區分而分類為4個情況，而本發明係設參數為變= 灸之，即可將情況區分從4個情況減少為2個情況 即使變更判定參數，控制性能亦為等效。 線圈發财’係在所有情況中’相對向之磁極 線圈之任一方總是會控制電流設為零，而可 牛 的減少消耗電流、減少損失。 ^ 此外，對數位運算之每一周划* 孩心— 母周期使所需之判定數減半， 曰匕pi間化控制邏輯，且大幅減少CPU.之運嘗 :之，有助於周期時間之縮短，同時可減低對：二之1 求規格。 【實施方式】 =發明係一面發揮與本發明之發明人等之前案專利文 ’、效之，制能力，一面簡化控制邏輯，且減低控制電 /瓜CPU運异負荷者。以下一面與該先前技 明本發明。 衩囟况 第3圖係為先前之電磁吸引式磁性軸承之控制模型 圖。電磁吸引式磁性軸承係具備：相互對向配置之至少一 對电磁鐵卜2(第1電磁鐵與第2電磁鐵）；配置在電磁鐵 319948 9 1354072 1 2之間且保持在其中間位置之浮動體3 ;以及用以檢測 淨動自平衡位置之位移X及/或速度v( = dx/dt)之 感測器（未圖示）。 、「另f，在以下說明中，係設Μ為轉子質量[kg]、X。為 磁隙m、x為從平衡點朝向第1電磁鐵之位移[小 第1電磁鐵1之控制電流⑷、為電磁鐵2之控制電流 [A]為第1電磁鐵j之吸引力⑻、卜為電磁鐵2之吸 引力[N]、#。為真空磁導率（ = 〇xl〇7)[H/m]、$為磁路 剖面積M、N為電磁鐵卜2之線圈隨[―]^為磁性 吸引力係數（=# 〇N2S/4[m4])。 此時，運動方程式即成為數式2之公式⑴。另外，在 以下之公式中’係分別將v=dx/dt用上方附有i個點之 x(即幻、將加速度d2x/dt2用上方附有2個點之χ(即幻 來表示。 [數式1]

= — jP2 =免

⑴ 在先前之控制中，係藉由轉子位移χ、速度v之正負 分類為4個情況，而決定控制電流h、h。將各情況中之 控制電流、及將其代入公式（1)之結果顯示於數式/之公式 (2. 1)至公式（2. 4)。 二 可任意決定。 惟a係超過1之常數、γ係正的常數 [數式2 ] 319948 10 1354072 情況- χ + γχ k ^ = F}-F2= -(α2χ + α2γχ) 情況’2 χ乏〇、乂 <〇 ζι = ai^〇 ·• 卜机+x)甚 k ^ = F, - F2 = -{a2x + a2pc) 情況·3 x<〇、乂<〇 ’丨=♦。- X)J. χ + μ k ί2 =0 Μχ = /τ _ /? - -[μ^χ + α2γχ) 情況-4 χ<〇、以〇 = α(χ〇 ^X)J. i2-a(X0+x)^K Μχ = -^α2χ + a2)xj

X I (2. 1) (2.2) (2.3) (2.4) 從數式2之各公式可得知以下結果。 (1)在情況（case)-2、4時，為了使之衰減，而於第^電磁鐵1之控制電流i,與第2電磁鐵2之控制電流“之兩 方流通有電流。 319948 11 1354072 (2) 在所有情况中，Md2x/dt2之結果相同。 在此’若設K=a2、C=a2r · · · (3)，則公式⑴即 成為公式（4)，而成為具有衰減之一自由度振動系統之運動 方程式。

Md2x/dt2= —cdx/dt —Κχ ...(4) 換σ之控φ彳力必然成為_ Cdx/ dt — Κχ。由此可明 瞭$數&與7係藉由決定一自由度振動系統之固有值 ①、衰減比Γ而單義地決定。 (3) 在情況-1、3中，控制力之方向並未取決於χ、心 /dt，而總是一定，惟在情況_2、4中，控制力方向係依X、 dx/dt之關係而變化。 •如上所述，在先前技術之情況-2、4中，係控制電流 =、h流通於相對向之2個磁極線圈。本發明係—種不會 損及控制性能，而可使一方之控制電流完全設 曰 七上β — 7〜丁 f又 之提案。 第4圖係為本發明之電磁吸引式磁性軸承之控制模型 圖。 、

本發明之電磁吸引式.磁性軸承係具備至少一 、浮動體3、感測器4及控制裝置5。 對電磁鐵 —對電磁鐵1、2係由第丨電磁鐵1與第2電磁鐵2 所組成，且相互對向配置。 浮動體3係配置在電磁鐵1、2之間，且保姓—# ,.φ 饰猗在其中間 位置。在此例中，浮動體3係例如為繞著鉛直方向之軸、 旋轉之轴（shaft)，其係藉由磁性軸承而支撐於在圖中2 319948 12 方：之Γ:會？到重力方向之影響者。另外，在圖t上下 >係猎由其他磁性軸承來執行，同樣地不會受到 —刀方向之影響。 響時另L如同將軸呈水平支揮之情形，在受到重力之影 力，即重力部份附加（加算或減算）於電磁鐵之吸引 尸可同樣進行處理。 之位浮動體3、浮動體3自平衡位置 一:。此感測器係可為位移感測器、速度感測器之 亦可具備兩者。另外，僅檢測 方向==係從浮動體之位移雜u求咖 f向之加速度成正比之變數z，且依據此變數 方之電磁鐵之控制電流設為零、 鐵之控制電流。亦即，控制夺置另一方之電磁 供給至電磁鐵卜2之電,#'依據後述之公式’將 磁鐵卜2。 ^11、12進行即時運算，以控制電 在先前之手段中，係以浮動體之位移盘速正 判定而實讀況區分，惟在本發^ ^方 之加速度成正比之變數”控制方向 在此，變數Μ由以下公式⑸所提供 Z = x-l· r v . · .(5) 第1表編本㈣切__者。如該表所 319948 13 1354072 不，變數Z之正負當然一定會與所產生之控制力方向相反 第一表 情況 位移 速度 — z 控制力 方向 通電線圈 (先前） 通電線圈 (本發明） 情〉兄-1 0 x ^ 0 正 磁極2 磁極2 情況-2 0 x < 0 正 負 磁極1、2 磁極2 ϋ-3— x <0 ―負 正 磁極1、2 磁極1 負. 正 磁極1 磁極1 情況-4 x< 0 x^O 負 正 磁極1、2 磁極1 — 正 負 磁極1、2 磁極2

在本發明中，係從此等資料決定電流h、i2如下。 (1)在炀況-1、3之情形中，由於任一方之電流必定成 設為零，因此控制電流^h係與先前之控制相同。 ⑵在情況-2、4之情形，在先前之控制中，控制力方 向會因為變數Z之正負而可能成為正負之任一者。因此， 依據變數Z之正負，決定要通電之電磁鐵於一方，且使對 鲁於與控制力方向相反之電磁鐵之通電設為零。 ⑶著眼於新導人作為判定用之變數Z，而非位移、速 度之2個參數’則如數式3之公式（61)至公式&幻所示 地決定電流值。 [數式3] 319948 14

丄 334U/；Z 情況·Α (32Λ： + α2；^2 0 /, = ο (6.1) h = ai^〇 +

Mx = F} - F2 = -\a2x + a2^c) 情況·Β a2x + G2#<〇 相同 h =a(^o i2 = 0 Mx = F{~F2 = -{a2x + a2^ 數式3之各公式，有關於情況_ i、 (6.2) 方面’係與先前 鐵之通電亦為 此外，關於情況-2、4,對於單方之電磁 零，而僅對於某一方之電磁鐵流通電流。

情況-A、β之控制力均與先前手段同樣Md2x/dt2=-Cdx/dt~Kx· · .(4)， 一自由度振動系統等效。 與具有衰減 之 、、、如上所述，在本發明中，係將判定參數從位移、速度 減為變數Z，而僅作1個參數之正負判別。 又 此外，在所有情況中，錢流通於某—方之電磁 電流必定設為零。 因此，藉由減低控制電流，可使損失減低，並且可簡 化控制邏輯，由此而可減低CPU之運算負荷。 θ 另外，儘管簡化控制邏輯，且減低控制電流，惟控制 319948 15 性能仍相同。 、+另外，本發明並不以上述之實施形態為限，只要在不 脫離本發明之要旨之範圍，則可作各種變更，應自不待言。 【圖式簡單說明】 第1圖係為專利文獻1之「主動控制電磁吸引式磁性 轴承」之模式圖。 第2圖係為專利文獻2之「電磁吸引式磁性軸承及其 鲁非線形控制方法」之模式圖。 ’、 弟3圖係為先前之電磁吸引式磁性轴承之控制模型 弟4圖係為本發明之電磁吸引式磁性軸承之控制模型 圖。 L 主要元件符號說明】 1、 2 .電磁鐵. 4 感測器 • 51 浮動體 61 浮動體 63 控制裝置 F 2 第2電磁鐵之吸引 ii ' Ϊ2電流 X 位移 Z 變數 3 浮動體 5 控制裝置 5 2、5 3電磁鐵 62 感測器

Fi 第1電磁鐵之吸引力 力 v . 速度 X〇 .磁隙 16 319948

Claims (1)

1354072 十、申請專利範園： 1 ·種電磁吸引式磁性軸承，具備：相互對向配置之至少 對電磁鐵，配置在該電磁鐵之間且保持於其中間位置 之浮動體；用以檢測該浮動體自平衡位置之位移及/或 迷度之感測器；及用以控制前述電磁鐵之控制裝置， 其特徵為：該控制裝置係從浮動體之位移與速度， 求出與控制方向之加速度成正比之變數z，且依據該變 _ 數之正負，使一方之電磁鐵之控制電流設為零，而僅控 制另一方之電磁鐵之控制電流。 2.如申請專利範圍第1項之電磁吸引式磁性軸承，其中， 月|J述一對電磁鐵係由第丨電磁鐵與第2電磁鐵所組成， 設前述浮動體從平衡位置朝向第丨電磁鐵之位移 為X、设洋動體之速度為v=dx/dt、設r為正的常數， 則 前述變數Z係可由以下公式（A)來提供： _ Z= x+ 7 v · · · (A)。 3· —種電磁吸引式磁性軸承之控制方法，該電磁吸引式磁 性韩承係藉由相互對向配置之至少一對電磁鐵將配置 在該一對電磁鐵間之中⑴立置之浮動體加以保持者，該 控制方法係： 檢測該浮動體自平衡位置之位移及/或速度， 且從浮動體之位移與速度，求出與控制方向之加速 度成正比之變數Z，並依據該變數之正負，使一方之電 磁鐵之控制電流設為零，而僅控制另一方之電磁鐵之控 319948 17 1354072 制電流。 4. 如申請專利範圍第3項之電磁吸引式磁性軸承之控制 方法’其中’前述一對電磁鐵係由第1電磁鐵與第2 電磁鐵所組成， 設前述浮動體從平衡位置朝向第丨電磁鐵之位移 為X、設浮動體之速度為v= dx/dt、設τ*為正的常數， 則前述變數Z係可由以下公式（a)來求出： Z=x-l· r v · · · (A) 。 5. 如申請專利範圍第4項之電磁吸引式磁性軸承之控制 方法，其中，設a為超過1之常數、設Χβ為平衡:置 之磁隙，而前述變數Ζ為正或〇時，使前述第丨電磁鐵 之控制電流設為0,以下列公式（Β)求出第2電磁鐵之 控制電流i2， i2 = a(X。+ x)SQRT(Z/k) · · · (B) 而於前述變數Z為負時，使前述第 Z電磁鐵之控制 電流設為0，以下列公式（C)求出第11 ^ 罘1電磁鐵之控制電 流ii ? ••(C)。 ii = a(X〇 — x) SQRT ( — Z / k) 319948 18