WO2001086159A1

WO2001086159A1 - Dispositif de levitation magnetique sans capteur

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Publication number: WO2001086159A1
Application number: PCT/JP2001/003831
Authority: WO
Inventors: Toshiya Yoshida
Original assignee: Tokyo Denki University
Priority date: 2000-05-08
Filing date: 2001-05-08
Publication date: 2001-11-15
Also published as: JP2002031134A; JP3563705B2

Description

明細書センサレス磁気浮上装置技術分野

本発明は、センサレス磁気浮上装置に関する。背景技術

高速回転する回転機などにおいては、軸受けの摩擦を避けるため、磁気浮上装置（磁気軸受け装置）が用いられることがある。ここでいう磁気浮上装置とは、磁性体である浮上対象物を、電磁石の吸引力または反発力を利用して、他の物体に接触しない状態で保持するものであり、通常、電磁石の電流または電圧を制御することによってこれを実現する。この際、電磁石と浮上対象物との間の距離情報の取得が必要となる。しかしながら、この距離情報を取得するためのセンサ装置を用いると、装置が大形化し、コストが増大する。このため、このようなセンサ装置を用いない、いわゆるセンサレス磁気浮上方式がいくつか提案され、装置の簡単化が図られてレる。

公開特許公報「特開平 6 — 2 2 9 4 1 9 」においては、電流ヒステリシス制御 P W M ( P u 1 s e w i d t h M o d u 1 a t i o n ) インバー夕回路の負荷のインダク夕ンスが変化すると、そのスイッチング周波数が変化するという特性を利用した制御が提案されている。このインバー夕回路 2台を一対の電磁石それぞれの電源として用いると、一対の電磁石の間に置かれた浮上対象物の位置により両電磁石の巻線のインダクタンス値が変化するため、両インバー夕回路のスィツチング周波数が変化する。この両ィンバ一夕回路のスィッチング周波数を一致またはある比率となるように P L L ( P h a s e — L o c k e d L o o p ) 制御でインバー夕回路の出力電流または電圧を制御すれば、一対の電磁石間に浮上対象物を保持することができる。

また、日本機械学会論文集（ C編） 6 3巻 6 0 9号（ 1 9 9 7 — 5 ) 掲載の論文「差動トランス方式セルフセンシング磁気軸受の研究」のように差動トランス方式を用いたセンサレス磁気浮上も提案されている。この方式も上述した一対の電磁石卷線のインダク夕ンス値の変化を利用したものであるすなわち、両電磁石の巻線に、浮上対象物を浮上させるために必要な電流の他に、交流電流（または交流電圧）を重畳させ、その交流電流（または交流電圧）に対する 2 つの巻線の逆起電力の差（または電流の差）を検出することで、浮上対象物の位置を検出しょうとするものである。本方式では、重畳させた交流電流（または交流電圧）と同じ周波数成分の信号のみを通過させる帯域通過フィルタを用いることによって電磁石の巻線両端の逆起電力（または巻線に流れる電流）から、重畳させた交流電流（または交流電圧）に対する逆起電力（または巻線に流れる電流）の信号を抽出している。このとき、電磁石の電源として P WMインバ一夕回路を使用した場合、インバー夕回路が発生する高調波電流（または高調波電圧）の周波数が一定であれば、この電流（または電圧）を上述の交流電流（または交流電圧）として置き換えることができる。例えば特許出願公開公報「特開 2 0 0 0 - 0 6 0 1 6 9」においては、巻線の交流電圧に応じて変動する電流成分を帯域通過フィル夕で抽出している。こうして得られた 2 つの巻線の逆起電力信号（または電流信号）の差を求め、乗算器を用いて重畳させた交流電流（または電圧）の信号と掛け合わせることによって、浮上対象物の位置情報を得る。これに応じて電磁石巻線の電流なり電圧なりを制御すれば、一対の電磁石間に浮上対象物を保持できる。

しかし、上述した P L L制御による方式では、電力制御を行うインバー夕回路を複数台必要とすることから、依然、十分な装置の簡単化、低価格化がなされたとは言い難い。さらに、電流ヒステリシス制御 P W Mインバータ回路の特性、特にスイッチング周波数は、負荷のインダクタンス値ゃ抵抗値等の変化によっても大きく変わるため、ィンバ.一夕回路の特性は、電磁石の電気的特性や、浮上対象物の材質、形状等にも影響を受ける。したがって、装置を設計する際には、制御回路、電磁石、浮上対象物の全てを考慮して設計しなければならず、他の磁気浮上装置の制御回路や電磁石の流用、浮上対象物の交換等が多くの場合において難しい。

一方、上述の差動'トランス方式では、位置情報となる逆起電力の検出に帯域通過フィルタを用いているため、中心周波数を正確に調整する必要があり、また、温度変化等で中心周波数が変化してしまう場合には大きな問題となる。また、重畳させる交流電流の周波数が変動する場合や、スイッチング周波数が一定でない P W Mインバ一タ回路を使用した場合には、本方式の適用が困難となる。さらに、乗算器を用いるため、制御回路の低価格化が難しいという欠点を持っている。この方式は基本的に、差動トランスが平衡状態になるように制御するため、電磁石間における浮上対象物の安定点を任意に変更するためには、他の機構を付加する必要がある。安定点の変更は、例えば磁気軸受を使用する回転機構において、軸受取り付けの工作精度の悪さを補正するために有用である , しかしながら、制御回路に機構を付加して安定点を変更できるようにしたとしても、その安定点が差動トランスの平衡点となっているわけではないので、浮上位置が電圧 . 電流検出器の感度等の影響を受けやすくなるという欠点がある。発明の開示

本発明の目的は、上述の欠点を解消するために新規のセンサレス磁気浮上装置を提案する'ものである。

前記目的を達成するために、本発明の第 1 の解決手段は、一対の電磁石の間に磁性体を非接触状態で保持するセンサレス磁気浮上装置であって、前記一対の電磁石のそれぞれの巻線を直列に接続した直列回路と 2端子回路網を直列に接続した直列回路とを並列に接続したブリッジ回路と、前記ブリッジ回路に給電するインバ一タ回路と、前記 2つの直列回路の接続点間に接続された電流又は電圧を検出する電流又は電圧検出器と、前記電流又は電圧検出器からの検出出力に基づいて前記磁性体の位置を検出する位置検出器と、前記位置検出器による検出結果から前記インバータ回路を制御して前記磁性体を所要の位置に制御する位置制御器とを有することを特徵とする。

第 2 の解決手段は、請求項 1 記載のセンサレス磁気浮上装置であって、前記位置検出器は、前記インパー夕回路のスィツチング動作に同期して同期整流を行う同期整流器であることを特徴とする。

第 3 の解決手段は、請求項 2記載のセンサレス磁気浮上装置であって、前記同期整流器の出力は、前記インバー夕回路の電圧又は電流制御入力端子と、低域通過フィルタを介して接続したことを特徴とする。 '

第 4 の解決手段は、請求項 1記載のセンサレス磁気浮上装置であって、前記位置検出器は、前記インバー夕回路のスィツチング動作に同期してサンプリングを行うサンプルホールド回路であることを特徴とする。第 5 の解決手段は、請求項 4記載のセンサレス磁気浮上装置であって、前記サンプルホールド回路の入力を前記検出器の出力とし、前記サンプルホールド回路の出力を前記制御器の入力とすることを特徴とする。

第 6 の解決手段は、請求項 1 又は 2記載のセンサレス磁気浮上装置であって、前記一対の電磁石のそれぞれの巻線に電流源回路を並列接続したことを特徴とする。

第 7 の解決手段は、請求項 1 又は 2記載のセンサレス磁気浮上装置であって、前記一対の電磁石にそれぞれ第 2 の巻線を施し、前記第 2 の巻線に、個別に又は共通に電源回路を接続したことを特徴とするもの。

第 8 の解決手段は、請求項 1 又は 2記載のセンサレス磁気浮上装置であって、前記電磁石の鉄心は永久磁石であるか、又は磁路の一部を永久磁石としたことを特徴とするもの。

第 9 の解決手段は、請求項 1 又は 2記載のセンサレス磁気浮上装置であって、前記検出器は、前記 2 つの直列回路の接続点間に接続された 1 次側巻線と前記検出器の出力となる前記 1 次側巻線に対する 2次側巻線とを具備する変圧器であることを特徴とする。

第 1 0 の解決手段は、請求項 1 又は 2記載のセンサレス磁気浮上装置であって、少なくとも前記 2端子回路網のうちの一方は、インピーダンスが可変であることを特徴とする。

第 1 1 の解決手段は、一対の電磁石の間に磁性体を非接触状態で保持するセンサレス磁気浮上装置であって、前記一対の電磁石のそれぞれの巻線を直列に接続した直列回路と 2端子回路網を直列に接続した直列回路とを並列に接続したプリッジ回路と、前記ブリッジ回路に給電するインバー夕回路と前記 2 つの直列回路の接続点間に接続された電流又は電圧を検出する電流又は電圧検出器と、前記電流又は電圧検出器からの検出出力に基づいて前記磁性体の位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段による検出結果から前記インバ一夕回路を制御して前記磁性体を所要の位置に制御する位置制御手段とを有することを特徴とする。

第 1 2 の解決手段は、一対の電磁石の間に磁性.体を非接触状態で保持するセンサレス磁気浮上システムであって、前記一対の電磁石のそれぞれの巻線を直列接続した直列回路と 2 つの 2端子回路網を直列接続した直列回路とを並列接続することでブリッジ回路を構成し、前記並列回路の両端に前記ブリッジ回路の電源としてのインバー夕回路の出力端子を接続し、前記 2 つの直列回路の接続点間に電流または電圧を検出する電流又は電圧検出器の入力を接続し、前記電流又は電圧検出器の出力を上記インバー夕回路のスイッチング動作に同期して同期整流を行う同期整流器の入力に接続し、前記同期整流器の出力を入力とする制御器の出力を上記インバー夕回路の電圧または電流制御入力端子に入力することによって、前記一対の電磁石の巻線の電流またはその巻線に加える電圧を制御することを特徴とする。

第 1 3 の解決手段は、一対の電磁石の間に磁性体を非接触状態で保持するためのセンサレス磁気浮上制御方法であって前記一対の電磁石のそれぞれの巻線を直列接続した直列回路と 2つの 2端子回路網を直列接続した直列回路とを並列接続することでブリッジ回路を構成するステップと、前記並列回路の両端に前記プリッジ回路の電源としてのインバー夕回路の出力端子を接続するステップと、前記 2つの直列回路の接続点間に電流又は電圧を検出する電流又は電圧検出器の入力を接続するステップと、前記検出器の出力を前記インバー夕回路のスイッチング動作（こ同期して同期整流を行う同期整流器の入力に接続するステップと、前記同期整流器の出力を入力とする制御器の出力を前記インバ一タ回路の電圧または電流制御入力端子に入力することによって、前記一対の電磁石の巻線の電流またはその巻線に加える電圧を制御するステツプとからなることを特徴とする。図面の簡単な説明

図 1 は、本発明によるセンサレス磁気浮上装置の第 1 から第 8 までの実施の形態における基本的な枠組みとなる制御回路の回路図を示したものである。

図 2 は、同期整流器の回路例を示した回路図である。

図 3 は、本発明の第 1 の実施形態に用いる電磁石部分と浮上対象物を示した接続図である。

図 4 は、図 1 のインバ一夕回路 Xに替わる電流制御系を有するィンバ一夕回路の回路図を示したものである。

図 5 は、図 1 のインバ一夕回路 Xに替わるインバー夕回路の回路図である。

図 6 は、図 1 のインパ一夕回路 Xに替わる電流制御系を持つインバー夕回路の回路図を示したものである。

図 7 は、本発明の第 3 の実施形態の制御回路部分の回路図である。

図 8 は、本発明の第 4の実施形態に用いる電磁石部分と浮上対象物を示した接続図である。

図 9 は、本発明の第 5 の実施形態に用いる電磁石部分と浮上対象物を示した接続図である。

図 1 0 は、本発明の第 6 の実施形態に用いる電磁石部分と浮上対象物を示した接続図である。

図 1 1 は、本発明の第 7 の実施形態の制御回路部分であり，ブリッジ回路の状態検出に絶縁変圧器を用いた場合の回路図である。図 1 2 は、本発明の第 8 の実施形態の制御回路部分でありプリッジ回路の二端子回路網として可変抵抗を適用した場合の回路図である。発明を実施するための最良の形態

本発明の第 1 の実施例について図 1 ， 2 , 3 ， 4， 5 ， 6 を使って説明する。

図 1 において、一対の電磁石の卷線 9， 1 0 と 2つの二端子回路 1 1 , 1 2 でブリッジ回路を構成し、インパー夕回路 Xをそのブリッジ回路の電源としている。 2つの二端子回路 1 1 , 1 2 の一例として、ここでは互いに等しい抵抗とするが、抵抗、インダクタンス、コンデンサ等の組み合わせから成る回路網も利用できる。インバー夕回路 Xは、例えば逆導通ダイオードを備えたバイポーラトランジスタ、 M O S — F E T , I G B T等のスイッチング素子 4 a， 4 b と直流電源 5 a , 5 b (共に同電圧）で構成されている。スイッチング素子への導通または非導通の指令信号は、否定回路 7 により 4 a と 4 bで互いに逆の関係を持ち、インバー夕回路制御入力端子 2 の信号と三角波発振器 8 の出力とを入力とするコンパレー夕 6 より与えられている。ブリッジ回路内には、 b d 間の電位差もしくは b dを流れる電流を検出する検出器 1 3 が配されており、この出力は、検出される電圧または電流に応じた信号、例えばそれらに比例した電圧が得られるものである。これには、絶縁増幅器や差動増幅器等が利用できる。この出力は、インバ一タ回路 Xのスイッチングに同期して増幅度の符号が切り替わる同期整流器 1 6 に導かれる。同期整流器としては、例えば図 2 のように、演算増幅器 B 1 、アナログスィッチ B 2 、抵抗 R a , b , R c (抵抗値は同値）で構成できることが知られている。この場合、入力は B 3 、同期入力は B 4、出力は B 5 となる。同期整流器の同期にはインバ一夕回路出力端子 l a， l b の端子間電圧を参照しても良いが、本実施例では、コンパレータ 6 の出力を参照している。同期整流器 1 6 の出力 B 5 は制御器 1 5 に導かれ、その出力が上述のインバータ回路制御入力端子 2へ帰還される制御器 1 5 は、比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等の良く知られているものとする。電磁石と浮上対象物の関係は図 3 のようになっている。すなわち、巻線 9 , 1 0 を含む電磁石 M a， M bの間に、その間隔よりも小さい着磁された浮上対象物 1 4が配されており、両電磁石の磁極と浮上対象物の磁極が対面するように置かれている。なお、浮上対象物の動きについては、図中の矢印方向のみに自由度があるものとする。

以下に、上記第 1 の実施例の動作を簡単に説明する。なおここでは図 3 において、巻線 9 , 1 0 をそれぞれ含む一対の電磁石 M a , M bが同一であるとする。電磁石 M a と浮上対象物 1 4 との空隙と、電磁石 M b と浮上対象物 1 4 との空隙が等しくなるように浮上対象物 1 4が置かれた場合、巻線 9 1 0 の端子間のインダク夕ンス値は同値となる。この浮上対象物 1 4 の位置を中心点とする。通常、空隙の透磁率よりも電磁石の鉄心や浮上対象物の透磁率は数百倍から数千倍あるので、浮上対象物 1 4が電磁石 M a側に近づくと、巻線 9両端のインダクタンスが巻線 1 0両端のそれよりも大きくなり逆に電磁石 M b側に近づくと、巻線 1 0両端のインダクタンスの方が大きくなる。したがって、浮上対象物 1 4が中心点にある時には、この巻線 9 ， 1 0 を含む図 1 のブリッジ回路は平衡状態となり、 V 2 = 0 または i 2 = 0 となる。なお、ここでいう V 2および i 2 は、それぞれ b d間開放電圧および b d間短絡電流を意味するものとする。また、浮上対象物 1 4がこの位置よりも電磁石 M a側に近づいた場合、ブリッジ入力の電圧 V 1 が V 1 〉 0 の時は v 2 < 0かつ i 2 < 0 、

1 く 0 の時は 2 > 0 かっ 1 2 > 0 となる。逆に電磁石 M b側に近づいた場合、 V 1 > 0 の時は V 2 > 0かつ i 2 > 0 v l < 0 の時は v 2 く 0かつ i 2 < 0 となる。図 1 のコンパレ一夕 6 の二値出力は、インパ一タ回路 Xの出力電圧の極性すなわち v l の符号を表しているので、 v 2 または i 2 に比例する信号を検出する検出器 1 3 の出力を、この二値出力に同期して同期整流をする同期整流器 1 6 に入力すると、その出力信号 f は、

浮上対象物が電磁石 M a側に偏った場合 ί > 0

浮上対象物が電磁石 M b側に偏った場合 f < 0

浮上対象物が中心点にある場合 f = 0

とすることができる。また、： f の絶対値は、中心点からずれるほど大きくなる。したがって、この信号から浮上対象物の位置を知り得ることは明らかである。また、この検出信号 f は、原理的に、インバータ回路のスイッチングの影響を受けないので、スィツチング周波数が変化する場合においても、浮上対象物の位置情報を与える。一方、図 3 の巻線に対し a から c に向かって電流を流すと、浮上対象物は電磁石 M a に吸引され、かつ電磁石 M b に反発され、電磁石 M a の方向に力を受ける。逆に c から aに向かって電流を流すと、浮上対象物は電磁石 M b の方向に力を受ける。これより、上記信号 ί を、制御器 1 5 を介してインバ一夕回路の出力電圧を制御するインバー夕回路制御入力端子 2 に帰還すれば、巻線 9 , 1 0 の電流が操作され、浮上対象物を中心点に保持するように制御が可能なことは明らかである。

また、図 4 のように、電流検出器 C 1 、誤差増幅器 C 2 、比例積分微分制御器等の制御器 C 3 を用いた電流制御系を持つインバー夕回路を図 1 のィンバ一夕回路 Xと置き換えて使用した場合、二端子回路網 1 1 ， 1 2 のインピ一ダンスを巻線 9 , 1 0 のインピーダンスに比べて十分大きく（例えばスイッチング周波数での巻線のリアクタンスの 1 0倍以上）設定しておけば、二端子回路網の電流は無視でき、制御器 1 5 からの指令により直接的に巻線の電流が制御でき、上述の場合と同様、浮上対象物を中心点に保持するように制御が可能なことは明らかである。さらに、図 5 のようにスイッチング素子 4 c , 4 d の導通、非導通をそれぞれ 4 a， 4 b と逆の関係とし、 4 a , 4 b の中点および 4 c , 4 d の中点を出力とするインバー夕回路を図 1 の Xと置き換えた場合でも同様の効果が期待できる。加えて図 6 のように、図 4同様、電流検出器 C 1 、誤差増幅器 C 2 、比例積分微分制御器等制御器 C 3 を用いた電流制御系を持つインバー夕回路としても同様な効果が期待できることは明らかである。

次に本発明の第 2 の実施例について、図 1 を使って説明する。本実施例の制御回路は、図 1 の同期整流器の出力端子 B 5 と制御器 1 5 の入力との間を低域通過フィルタ L 1 を介して接続したものであり、他の構成は第 1 の実施例と同じである。

通常、インバー夕回路等に用いる半導体スイッチング素子の導通、非導通の切替えには、若干の時間を要することが知られている。この時間遅れにより、第 1 の実施例に示した図 1 の同期整流器 1 6 の出力は、浮上対象物の位置情報を与えるものの、 4 a , 4 b の導通、非導通の切替え時に符号が変化してしまう。この時間遅れが顕著なスイッチング素子を使用した場合、この符号変化がノイズとなつて制御器 1 5 に入力される可能性があり、場合によっては制御性悪化や制御不能となる。この符号変化は、インバ一タ回路 Xのスィッチング素子の状態が変化するたびに発生することから、上記低域通過フイリレ夕の通過域をインバ一夕回路 Xのスイッチング周波数（すなわち三角波発生回路 8 の発振周波数）以下としておけば、このノイズの除去が期待でき、このようなスィッチング素子を使っても、浮上対象物を中心点に保持するように制御が可能となる。

また、図面には示さないが、スイッチングの同期信号出力端子 3 と同期整流器の同期信号入力端子 B 4 との間に遅延回路を揷入すると、同期整流器 1 6 とスイッチング素子 4 a , 4 bのスイッチングは、同期はしているものの時間的なずれが生ずる。このため、同期整流の出力信号は、スイッチング素子の動作に時間遅れがないとしても、スイッチング素子 4 a , 4 b の導通、非導通の切り替わりの際に、符号の変化が起こる。この信号を低域通過フィル夕に通すと、従来から知られている同期整流器による時間微分が行われたことになり浮上対象物の位置の時間微分の要素が含まれた信号が得られる。この構成では、制御器 1 5 に微分器を用いなくても、微分制御を施した効果が期待できる。

次に本発明の第 3 の実施例について図 7 を使って説明する第 1 の実施例では同期整流器を用い、その出力信号により浮上対象物の中心点からの片寄りを検出し、浮上対象物の制御に用いていたが、本実施例では、図 7 のように、インバ一夕回路 Xのスイッチング動作に同期してサンプリングを行うサンプルホ一ルド回路 1 6 a を用い、この入力を検出器 1 3 からの検出信号と.し、出力を制御器 1 5 の入力とする。この変更点以外は、第 1 の実施例の構成と同じである。なお、サンプリングのタイミングは、インバ一タ回路のスイッチングの同期信号出力端子 3 から得ており、例えばその二値出力が「 1 」と「 0」であるとすれば、「 1 」のときサンプリングして、 Γ 0 J のときサンプリングしたデータを保持するといつた動作をするものとする。

第 1 の実施例で、述べたように、図 3 の浮上対象物 1 4が. 中心点にある時には、巻線 9 , 1 0 を含む図 7 のブリッジ回路は平衡状態となり、 V 2 = 0 または i 2 = 0 となる。（ V 2および i 2 は、それぞれ b d間開放電圧および b d間短絡電流）また、浮上対象物 1 4がこの位置よりも電磁石 M a側に近づいた場合、プリッジ入力の電圧 V 1 が V 1 > 0 の時は v 2 < 0 かつ i 2 < 0 、 v l < 0 の時は v 2〉 0 かつ i 2 > 0 となる。逆に電磁石 M b側に近づいた場合、 V 1 > 0 の時は v 2 > 0 かつ i 2 > 0 、 v l く 0 の時は v 2 < 0カゝっ i 2 < 0 となる。すなわち、 v l > 0 もしくは v l く 0 のどちらかの時のみ、検出器 1 3 からの出力をサンプリングすれば、浮上対象物の中心点からの方向も含めた偏差情報を得ることができる。よって、詳細な説明は割愛するが、この構成により、浮上対象物を中心点に保持するように制御が可能なことは明らかである。' なお、ディジタル制御器を用いて本制御回路を構築した場合、ディジタル制御器が備えているサンプルホールド回路をこのサンプルホールド回路 1 6 a として見立て、そのサンプリングを、インバー夕回路のスイッチングに同期させ、 V 1 〉 0 もしくは V 1 く 0 のどちらか一方の時に行えばよい。

次に本発明の第 4の実施例について図 1 、図 3 、図 8 を使つて説明する。

第 4の実施例においては、図 1 の巻線 9および 1 0 として図 8 の回路を用いたものとなる。すなわち、第 1 の実施例では、図 3 の電磁石および浮上対象物を用いたが、本実施例では図 8 とした以外は何ら変わらない。 A 1 , A 2 は電流源回路であり、共に直流電流 I c を供給している。また、浮上対象物 1 4 a は着磁されていない磁性体とし、その機械的な自由度は矢印方向のみとする。ここで、二端子回路網のインピ一ダンスが巻線 9， 1 0 のインピーダンスよりも十分大きい (例えばィンバ一夕回路のスィツチング周波数での巻線のリァクタンスの 1 0倍以上）として二端子回路網の電流を無視できると考える。図 1 のインバータ回路 Xが、ブリッジ回路に電流 I を供給していたとすると、巻線 9 , 1 0 の電流 I m 1， I m 2 はそれぞれ、

I m 1 = I c + I

I m 2 = I c - I

となる。さらに、 I の絶対値が I c 以下の範囲では、 I m 1 I m 2 は非負で、両電流は I の変化に対し差動的となる。したがって、電流 I を操作すれば、電磁石 M a , M b の吸引力の差を調節できるので、浮上対象物に加わる力を双方向で制御できることになる。この制御性は、第 1 の実施例で説明した図 3 と同等となる。ゆえに、詳細な説明は割愛するが、浮上対象物が着磁されていない磁性体を電磁石間の中心点に保持するように制御できることが明らかである。

次に本発明の第 5 の実施例について図 1 、図 3 、図 9 を使つて説明する。

第 5 の実施例においては、図 1 の巻線 9 および 1 0 として図 9 の回路を用いたものとなる。すなわち、第 1 の実施例では、図 3 の電磁石および浮上対象物を用いたが、本実施例では図 9 とした以外は何ら変わらない。 A 3， A 4は、巻線 9 1 0 とそれぞれ磁路を共有し、それぞれ和動的および差動的となるように巻かれた互いに同じ巻数のバイアス磁束用巻線であり、 A 5 はその電源回路である。浮上対象物 1 4 a は着 • 磁されていない磁性体とし、その機械的な自由度は矢印方向のみとする。電源 A 5 より一定電流を供給すれば、巻線 9および巻線 A 3 で発生する起磁力は鉄心で加算され、巻線 1 0 および巻線 A 4で発生する起磁力は減算されるので、 I の変化に対しそれぞれの鉄心に加わる起磁力は差動的に変化するよって、巻線 A 4が発生する起磁力の大きさが、巻線 1 0 のそれよりも常に大きくなるように、巻線 A 4 の電流を設定しておけば、それぞれの電磁石の吸引力の変化は、第 4 の実施例の場合と同様となり、やはり、電流 I を操作すれば、電磁石 M a， M bの吸引力の差を調節できるので、浮上対象物に加わる力を双方向で制御できることになる。ゆえに、詳細な説明は割愛するが、浮上対象物が着磁されていない磁性体を第 4 の実施例と同様、電磁石間の中心点に保持するように制御できることが明らかである。なお、本実施例では、 2つのバイアス磁束用巻線を直列接続して共通の電源より電流を供給したが、並列として共通の電源から電流を供給した場合や個別の電源を使用した場合についても同様の効果が得られることは言うまでもない。

次に本発明の第 6 の実施例について図 1 、図 3 、図 1 0 を使って説明する。第 6 の実施例においては、図 1 の卷線 9 および 1 0 として、図 1 0 の回路を揷入したものとなる。すなわち、第 1 の実施例では、図 3 の電磁石および浮上対象物を用いたが、本実施例では図 1 0 とした以外は何ら変わらないそれぞれの電磁石に永久磁石 A 6および A 7が取り付けられており、永久磁石の磁力と一対の電磁石が発生する磁力がそれぞれ加算、減算されるようになっている。浮上対象物 1 4 aは着磁されていない磁性体とし、その機械的な自由度は矢印方向のみとする。このようにすると、この永久磁石は、上記の第 5 の実施例のバイアス磁束用巻線と同じ働きをする。ここで、電磁石が発生する磁力よりも永久磁石の磁力の方が常に大きくなるように永久磁石を選ぶか、あるいは電磁石の電流の動作範囲を制限すれば、詳細な説明は割愛するが、動作上は第 5 の実施例と等価となり、浮上対象物が着磁されていない磁性体を電磁石間の中心点に保持するように制御できることが明らかである。また、電磁石の磁路自体を永久磁石としても同様な結果が得られることは言うまでもない。

次に本発明の第 7 の実施例について図 1 、図 1 1 を使って説明する。

図 1 1 は、本発明の第 7 の実施例を示したものであり、図 1 における検出器 1 3 として絶縁変圧器 1 3 a を用いたものである。ブリッジ回路の b d間に絶緣変圧器 1 3 aの一次側巻線が接続され、二次側卷線の一端を基準として、他端を検出信号出力端子としている。検出器 1 3 は、ブリッジ回路が平衡状態であるか否かを計測することを目的としているが、その情報を得るには、プリッジ回路の b d間の電圧または電流の交流成分のみが検出されればよい。したがって、検出器として絶縁変圧器を用いることは可能である。また、本実施例の回路では、装置が動作中である間、インパー夕回路は常にスイッチング動作をしているため、ブリッジ回路には常に交流電圧成分が入力されていることになる。よって、ブリツジ回路の状態は常に絶縁変圧器 1 3 a を介して知ることができる。したがって、詳細な説明は割愛するが、他の実施例と同様、本実施例の構成によっても浮上対象物の位置制御が可能であることは明らかである。

次に本発明の第 8 の実施例について図 1 、図 3 、図 1 2 を使って説明する。

図 1 2 は、本発明の第 8 の実施例を示したものであり、図 1 における二端子回路網 1 1 , 1 2 を可変抵抗 R l ， R 2 としたものである。第 1 の実施例では、 2つの二端子回路網を同一抵抗値の抵抗としたが、本実施例では、これらの抵抗値を変化させることで、ブリッジ回路の平衡点を変更し、浮上対象物の浮上位置を変更できるようにした構成を示している図 3 において、浮上対象物 1 4 を電磁石 M a に接触させた時の巻線 9および 1 0 の両端間のィンダク夕ンスをそれぞれ L a 1 , L b 1 とし、浮上対象物 1 4 を電磁石 M b に接触させた時の巻線 9および 1 0 の両端間のィンダク夕ンスをそれぞれ L a 2， L b 2 とした時、

L a 1 ÷ L b l > R l ÷R 2 > L a 2 ÷L b 2

の範囲で抵抗値を選べば、一対の電磁石間で任意の位置に浮上対象物を配置させることができる。なお、本実施例では、二端子回路網 1 1 , 1 2 を可変抵抗としたが、可変インダクタンスゃ可変キャパシタンスも使用できることは言うまでもない。また、これらの素子にトランジスタ等の外部信号によりィンピーダンスが操作できる素子を用いても同様な効果が得られる。産業上の利用可能性

本発明による磁気浮上装置では、従来の技術として例に挙げた P L L制御によるセンサレス磁気浮上装置が持つ問題、すなわちインバー夕回路を複数台使用しているため、十分な簡単化ができていないという問題点や、電流ヒステリシス制御 P W Mィンバー夕回路を使用することの欠点でもある、制御回路、電磁石、浮上対象物の全てを考慮しての設計が必要という問題点を解決している。これにより、低価格化はもちろんのこと、制御回路に汎用性を持たせることができるので制御回路と磁気回路を別個に設計し、別個に提供することができるようになった。また、浮上対象物の位置検出に帯域通過フイレタを用いていないので、差動トランス方式を用いたセンサレス磁気浮上が持っている、帯域通過フィル夕の中心周波数設定の難しさや、中心周波数の変動に関する問題は解消される。本発明の実施においては、同期整流器を用いるかサンプルホールド回路を用いるかの選択ができるが、前者を選択した場合、差動トランス方式で用いられていた乗算器を用いることなく安価に制御回路を構成できる。また、同期整流器の出力に低域通過フィルタを用いることで、スィッチング素子の時間遅れに起因する、同期整流器出力におけるノィズの除去や、遅延回路との併用で浮上対象物の位置の時間微分演算も可能となり、微分器を用いなくとも微分制御を含めることが可能となる。デ.ィジ夕ル制御器を用いて本制御回路を構築した場合、ディジタル制御器が備えているサンプルホ一ルド回路をそのまま利用できる後者の方式が有用となる。

さらに、電磁石の巻線に電流源回路を付け加えることで、着磁されていない磁性体の制御も可能となる。同じ効果が、電磁石に第 2 の巻線を施し、この 2 つの巻線に、個別にまたは共通に電源回路を接続することでも可能となる。また、電磁石の鉄心として永久磁石を用いるか、または磁路の一部を永久磁石とすることでも同様の結果が得られる。この場合は電源の追加が不要という利点もある。

一方、 1 次側巻線を入力、 2次側卷線を出力とした変圧器を本装置内部のプリッジ回路の状態を検出する検出器として使用した場合、絶縁増幅器や差動増幅器等の回路を用いた場合に比べ、制御回路を安価に構築できるメリットをもたらすまた、ブリッジ回路内の二端子回路網の一方もしくは両方を可変インピーダンスとすることで、浮上対象物の位置をも制御することができる。このことは、浮上対象物を駆動する一種のァクチユエ一夕としても利用できることを意味する。また、電磁石の設置に際し、その設置の機械的精度が悪い場合には、浮上位置を変更することで設置の精度を補正することができる利点がある。

Claims

請求の範囲

1 . 一対の電磁石の間に磁性体を非接触状態で保持するセンサレス磁気浮上装置であって、前記一対の電磁石のそれぞれの巻線を直列に接続した直列回路と 2端子回路網を直列に接続した直列回路とを並列に接続したブリッジ回路と、前記ブリッジ回路に給電するインバー夕回路と、前記 2つの直列回路の接続点間に接続された電流又は電圧を検出する電流又は電圧検出器と、前記電流又は電圧検出器からの検出出力に基づいて前記磁性体の位置を検出する位置検出器と、前記位置検出器による検出結果から前記インバ一夕回路を制御して前記磁性体を所要の位置に制御する位置制御器とを有することを特徴とするもの。

2 . 請求項 1 記載のセンサレス磁気浮上装置であって、前記位置検出器は、 '前記インパ一タ回路のスイッチング動作に同期して同期整流を行う同期整流器であることを特徴とするもの。

3 . 請求項 2記載のセンサレス磁気浮上装置であって、前記同期整流器の出力は、前記インバー夕回路の電圧又は電流制御入力端子と、低域通過フィルタを介して接続したことを特徴とするもの。

4 . 請求項 1記載のセンサレス磁気浮上装置であって、前記位置検出器は、前記インバー夕回路のスイッチング動作に同期してサンプリングを行うサンプルホールド回路であることを特徴とするもの。

5 . 請求項 4記載のセンサレス磁気浮上装置であって、前記サンプルホールド回路の入力を前記検出器の出力とし、前記サンプルホールド回路の出力を前記制御器の入力とすることを特徴とするもの。

6 . 請求項 1 又は 2記載のセンサレス磁気浮上装置であって、前記一対の電磁石のそれぞれの巻線に電流源回路を並列接続したことを特徴とするもの。

7 . 請求項 1 又は 2記載のセンサレス磁気浮上装置であって前記一対の電磁石にそれぞれ第 2 の巻線を施し、前記第 2 の巻線に、個別に又は共通に電源回路を接続したことを特徵とするもの。

8 . 請求項 1 又は 2記載のセンサレス磁気浮上装置であって前記電磁石の鉄心は永久磁石であるか、又は磁路の一部を永久磁石としたことを特徴とするもの。

9 . 請求項 1 又は 2記載のセンサレス磁気浮上装置であって前記検出器は、前記 2 つの直列回路の接続点間に接続された 1 次側巻線と前記検出器の出力となる前記 1 次側巻線に対する 2次側巻線とを具備する変圧器であることを特徴とするもの。

1 0 . 請求項 1 又は 2記載のセンサレス磁気浮上装置であつて、少なくとも前記 2端子回路網のうちの一方は、インピ —ダンスが可変であることを特徵とするもの。

1 1 . 一対の電磁石の間に磁性体を非接触状態で保持するセンサレス磁気浮上装置であって、前記一対の電磁石のそれぞれの巻線を直列に接続した直列回路と 2端子回路網を直列に接続した直列回路とを並列に接続したブリッジ回路と前記ブリッジ回路に給電するインバー夕回路と、前記 2つの直列回路の接続点間に接続された電流又は電圧を検出する電流又は電圧検出器と、前記電流又は電圧検出器からの検出出力に基づいて前記磁性体の位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段による検出結果から前記インバ一夕回路を制御して前記磁性体を所要の位置に制御する位置制御手段とを有することを特徴とするもの。 '

1 2 . 一対の電磁石の間に磁性体を非接触状態で保持するセンサレス磁気浮上システムであって、前記一対の電磁石のそれぞれの巻線を直列接続した直列回路と 2つの 2端子回路網を直列接続した直列回路とを並列接続することでプリッジ回路を構成し、前記並列回路の両端に前記ブリツジ回路の電源としてのインバー夕回路の出力端子を接続し、前記 2つの直列回路の接続点間に電流または電圧を検出する電流又は電圧検出器の入力を接続し、前記電流又は電圧検出器の出力を上記インバー夕回路のスイッチング動作に同期して同期整流を行う同期整流器の入力に接続し、前記同期整流器の出力を入力とする制御器の出力を上記インバ一夕回路の電圧または電流制御入力端子に入力することによつて、前記一対の電磁石の巻線の電流またはその卷線に加える電圧を制御することを特徵とするもの。

3 . 一対の電磁石の間に磁性体を非接触状態で保持するためのセンサレス磁気浮上制御方法であって、前記一対の電磁石のそれぞれの巻線を直列接続した直列回路と 2 つの 2 端子回路網を直列接続した直列回路とを並列接続することでブリッジ回路を構成するステップと、前記並列回路の両端に前記ブリッジ回路の電源としてのインバー夕回路の出力端子を接続するステップと、前記 2つの直列回路の接続点間に電流又は電圧を検出する電流又は電圧検出器の入力を接続するステップと、前記検出器の出力を前記インバー夕回路のスィツチング動作に同期して同期整流を行う同期整流器の入力に接続するステップと、前記同期整流器の出力を入力とする制御器の出力を前記インバー夕回路の電圧または電流制御入力端子に入力することによって、前記一対の電磁石の巻線の電流またはその巻線に加える電圧を制御するステップとからなることを特徴とするもの。