(57)【要約】【課題】  磁気軸受に加わる荷重が変動した場合でも、バイアス電流を自動的に制御することができる磁気軸受の制御装置を提供する。【解決手段】  浮上体をラジアル方向の所定位置に非接触支持する複数のバイアスコイルを有するバイアス部及び制御コイルを有する制御部を備える磁気軸受の制御装置において、浮上体のラジアル方向の変位及びラジアル軸周りの傾きを検出し、その検出信号から浮上体に作用するラジアル方向の力及びラジアル軸周りのモーメントを求め、それらの値に基づいて、前記浮上体を前記所定位置に非接触支持する力を発生するために制御コイルに供給する制御電流値を求め、前記ラジアル方向の力又はラジアル軸周りのモーメントをフィードバックして、制御電流の値を零にすることにより求めたバイアス電流値を用いて、複数のバイアスコイルに供給するバイアス電流を制御する磁気軸受の制御装置。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
浮上体をラジアル方向の所定位置に磁気的に非接触支持する複数のバイアスコイルを有するバイアス部及び制御コイルを有する制御部を備える磁気軸受の制御装置において、
前記浮上体のラジアル方向の変位及びラジアル軸周りの傾きに関する情報を検出する変位検出手段と、
該変位検出手段の出力信号に基づいて、前記浮上体に作用するラジアル方向の力及びラジアル軸周りのモーメントを求める演算手段と、
前記ラジアル方向の力及びラジアル軸周りのモーメントに基づいて、前記浮上体を前記所定位置に非接触支持する支持力を発生するために制御コイルに供給する制御電流の値を求める制御電流演算手段と、
前記浮上体に作用するラジアル方向の力又はラジアル軸周りのモーメントをフィードバックして、前記制御電流の値を零にすることにより求めたバイアス電流の値を用いて、前記制御部のギャップ磁束を一定にして、前記複数のバイアスコイルに供給するバイアス電流を制御するバイアス電流制御手段とを備えることを特徴とする磁気軸受の制御装置。
【請求項２】
前記バイアス部は、半円柱面状の外周面を有し、該外周面に前記複数のバイアスコイルが巻回されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイアス電流を自動的に制御することができる磁気軸受の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、製紙ロールや圧延ロールなどの各種大型ロールの軸受として、コロ軸受などの機械式軸受が用いられている。しかしながら、機械式軸受は、定期的にメンテナンスを行いグリスなどの潤滑剤を補充する必要があり、メンテナンス中は製造ラインを停止せざる負えないため連続可動時間に限界があるので、ライン効率向上の妨げとなっている。また、機械式軸受により大型ロールの回転時の振動を除去し大型ロールの回転精度を更に向上することは非常に困難であるので、最終製品の精度を含む品質向上の妨げとなっている。
【０００３】
これらを考慮し、大型ロールの軸受として、機械式軸受に代えて、磁気軸受を用いることが考えられる。磁気軸受は、非接触状態で回転体を支持するため潤滑剤を必要としないので、定期的なメンテナンスを省くことができ、連続可動時間を大幅に延ばすことが可能となる。また、磁気軸受は、自動位置調整機能を設けることにより回転中の位置や傾きをアクティブ制御することができ、大型ロールの回転精度を向上することが可能となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、バイアスコイルを有するバイアス部及び制御コイルを有する制御部を備える従来の磁気軸受では、バイアスコイルに供給するバイアス電流の値を一定の状態にして制御が行われていた。そのため、磁気軸受に加わる荷重が変動した場合には、手動でバイアス電流を調整しなければならないという問題があった。また、浮上体が浮上するスタートアップ時などの変位が大きくなる場合には、制御部に力が偏り、必要な浮上力が得られないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記のような種々の課題を解決することを目的としてなされたものであって、磁気軸受に加わる荷重が変動した場合でも、バイアス電流を自動的に制御することができる磁気軸受の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の磁気軸受の制御装置は、浮上体をラジアル方向の所定位置に磁気的に非接触支持する複数のバイアスコイルを有するバイアス部及び制御コイルを有する制御部を備える磁気軸受の制御装置において、前記浮上体のラジアル方向の変位及びラジアル軸周りの傾きに関する情報を検出する変位検出手段と、該変位検出手段の出力信号に基づいて、前記浮上体に作用するラジアル方向の力及びラジアル軸周りのモーメントを求める演算手段と、前記ラジアル方向の力及びラジアル軸周りのモーメントに基づいて、前記浮上体を前記所定位置に非接触支持する支持力を発生するために制御コイルに供給する制御電流の値を求める制御電流演算手段と、前記浮上体に作用するラジアル方向の力又はラジアル軸周りのモーメントをフィードバックして、前記制御電流の値を零にすることにより求めたバイアス電流の値を用いて、前記制御部のギャップ磁束を一定にして、前記複数のバイアスコイルに供給するバイアス電流を制御するバイアス電流制御手段とを備えることを特徴としている。
【０００７】
請求項２に記載の磁気軸受の制御装置は、請求項１に記載の磁気軸受の制御装置において、前記バイアス部は、半円柱面状の外周面を有し、該外周面に前記複数のバイアスコイルが巻回されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の磁気軸受の制御装置によれば、磁気軸受に加わる荷重が変動した場合などでも、バイアス電流が自動的に調整されるので、同じ磁気軸受で様々な荷重に対応することが可能になるとともに、バイアス電流を手動調節するという手間を省くことができる。また、バイアス電流を制御することにより、バイアス磁束の変化率を調整することができるので、スタートアップ時においても、浮上制御が可能となる。
【０００９】
また、制御電流を零にするように制御するため、制御部に浮上体を支持するために必要な支持力を発生させる必要がなく、バイアス磁束により効果的に力を発生させることができるので、消費電力を削減することができる。これにより、制御部の負担が減るため、制御部の構造の小型化を図ることができる。また、制御系を浮上体の変位と浮上体に作用する力で設計できるので、制御系設計を容易にすることができる。
【００１０】
請求項２に記載の磁気軸受の制御装置によれば、バイアス磁束は半円柱面状の外周面が形成された側に偏って通り、バイアス磁束によって当該外周面が形成された側向きの浮上力が発生する。また、半円柱面状の外周面が形成された側においてバイアス磁束が通ることが可能な領域を最大化することができ、当該側に向かって発生させる浮上力を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態に係る磁気軸受の制御装置について、図面に基づき説明する。図１に概略軸方向断面図を示すように、磁気軸受１は、アウターロータ型の磁気軸受になっており、略円筒状のロール２の両端は不図示の玉軸受によって支持され、軸３を有する磁気軸受１自体がロール２に対して浮上する構成を採っている。尚、本実施形態では、前記のように軸３を有する磁気軸受１が浮上体の場合を例に説明するが、軸３を不図示の土台等に固定し、ロール２側を磁気軸受１に対して、浮上させて非接触支持する構成にすることも可能である。
【００１２】
図１から図３に示すように、磁気軸受１は、複数（３つ）のバイアスコイル４を有するバイアス部５と、制御コイル６を制御部７とを備えており、それぞれの中心部を軸３が通っている。
【００１３】
バイアス部５は、バイアス磁束が通るバイアス磁路を構成するものであって、複数のバイアスコイル４がロール２の内周面と近接対向するようにそれぞれ巻回されている。バイアス部５は、図２（ａ）及び図２（ｂ）にも示すように、各図下側にロール２との間に空隙Ｓを設けるように形成されている。具体的には、図２（ａ）に示すように、軸３方向と直交するラジアル方向における断面を略扇形状としている。より詳細には、この断面外形は、上側がロール２の内周面の直径に略等しい直径を有する半円であり、下側が上側の半円の直径より短い直径を有する半円及び当該半円への上側の半円の両端からの接線からなっている。バイアス部５の外周面には、図１に示すように、各バイアスコイル４の一部がそれぞれ収容される凹部８が形成されている。この凹部８が形成された部分におけるバイアス部５は、図２（ｂ）に示すように、回転中心を中心とする円状の外周面を有しており、当該外周面の一部は前記下側の半円のなす面と連なるものである。これにより、バイアスコイル４は、その全周に渡って一様に、ロール２の内周面と近接対向するように配置される。また、複数の凹部８が形成されるので、その間に扇形突極部９がそれぞれ形成されることになる。なお、バイアス部５は、バイアス磁束が通る磁路を構成するので、積層鉄心であることが好ましいが、必ずしも積層である必要はない。
【００１４】
制御部７は、制御磁束が通る制御磁路を構成するものでもあって、図１及び図３に示すように、バイアス部５の軸方向両端（第１及び第３のバイアス部５１，５３の軸方向の外側）にそれぞれ２対（４個）の突極１０が設けられている。各突極１０は、軸３を中心として均等に４方向に延びるように、つまり全体として十字状となるように形成された突出部１１に制御コイル６がそれぞれ巻回されることにより設けられている。
【００１５】
ロール２は、略円筒状のものであり、バイアスコイル４と対向する内周面には、環状溝１２がそれぞれ形成されている。ロール２は、第１から第３のバイアス部５１，５２，５３にそれぞれ対応する３つの略短円筒状の回転子２１，２２，２３が分割形成された円筒状の外筒２４によってボルト等の固定具（不図示）によって固定されてなるものである。複数の環状溝１２が形成されているので、その間に凸部がそれぞれ形成されることになる。これら凸部は、バイアス部５の外周面に形成された扇形突極部９とそれぞれ近接対向する。
【００１６】
バイアス部５とロール２との空隙Ｓに一対の変位センサ１３が２か所に設けられている。これら変位センサ１３は、当該空隙Ｓ内において軸方向にできる限り離間させて設けられており、一対の変位センサ１３が、軸３のラジアル方向の変位を検出する。そして、後述する変位検出部（変位検出手段）１０２が、これらの変位センサ１３から出力された検出信号に基づいて、軸３の所定位置からのずれを求める。このように、バイアス部５の外周面とロール２との間の空隙Ｓに変位センサ１３を設けることにより、外部にセンサを設ける必要がなくなるので、磁気軸受１の小型化を図ることができるが、図４に示すように、変位センサ１３を外部の土台（不図示）に取付けて、軸３のラジアル方向の所定位置からのずれを検出するようにしても良い。尚、ここでのラジアル方向とは、図６に示すように、軸３のアキシャル方向（ｚ軸方向）に直交するｘ軸方向、ｙ軸方向のことを指しており、ｘ軸は、地面に対して水平方向、ｙ軸は、地面に対して鉛直方向としている。
【００１７】
上記のように構成された磁気軸受１では、バイアスコイル４及び制御コイル６に通電すると、バイアスコイル４によってバイアス磁束が発生し、制御コイル６によって制御磁束が発生することによって、ロール２に対して非接触支持するように軸３を有する磁気軸受１に浮上力が発生するようになる。
【００１８】
バイアスコイル４に通電することによって発生したバイアス磁束は、図５に示すように、バイアス部５からロール２を巡るように形成される。バイアス磁束は、バイアス部５とロール２との間に設けた空隙Ｓを越えてロール２に渡ることができないため、空隙Ｓが設けられていない側（図中上側）に偏って通るので、バイアス磁束によって発生する軸受力（浮上力）は、当該空隙Ｓを設けた側とは反対方向の所定方向に向かう。そのため、当該所定方向と反対方向から受ける荷重に対する対抗力としての軸受力を発生させることができる。以下では、磁気軸受１のバイアスコイル４に供給するバイアス電流を制御するための制御装置１００について説明する。尚、以下では、図８に示すように、浮上体である軸３の鉛直方向（ｙ軸方向）に荷重が掛かった場合を例にして説明するが、軸３のｘ軸周りの傾き方向に荷重が掛かった場合も後述する同様の制御方法にてバイアス電流を制御することは可能である。
【００１９】
本実施形態における磁気軸受１では、バイアス磁束の発生にバイアスコイル４を用いているので、バイアス電流を制御することによりバイアス磁束を制御することが可能となる。しかしながら、バイアス電流の変化によって制御部７の磁束が変化すると、制御電流に対する力のゲインが変化するため、浮上体の位置制御にとっては望ましくない。そこで、制御装置１００では、制御部７のギャップ磁束が一定で、バイアス部５の扇型突極部９で発生する磁束のみが変化するようにバイアス電流を変化させるよう制御を行う。また、バイアス電流の大きさは、バイアス力が軸３のラジアル方向（ここでは、ｙ軸方向）に作用する荷重に釣り合うよう制御する。
【００２０】
そのため、予め磁気軸受１の磁気回路を解析する。図７は、磁気軸受１のバイアス磁束の磁路と等価な磁気回路１ａを示している。図７の磁気回路１ａにおけるＮｂｂは、中央のバイアスコイル４を表しており、Ｎｂｃは、両端のバイアスコイル４を表している。iｃｂ１，iｂｂ，iｃｂ２は、それぞれのバイアスコイル４に入力する電流、Rｇｂは、扇形突極部のギャップの磁気抵抗、Rｇｃは制御部７のギャップの合成磁気抵抗、Φｂ１，Φｂ２は、それぞれの扇形突極部を通るバイアス磁束、Φｃｂ１，Φｃｂ２は各制御部の４突極を通るバイアス磁束の合計を表している。
【００２１】
図７の磁気回路１aにおいて、両端のバイアスコイル４に入力される電流値をiｃｂ１＝iｃｂ２＝iｃｂとすると、それぞれのギャップに発生する磁束は、数式（１）のように表される。
【数１】
2010121714.tif 000003
【００２２】
従って、制御部の磁束を一定するには、数式（１）における（２Nｃｂiｃｂ＋Nｂｂiｂｂ）の値が一定になるようにすれば良い。そして、iｂｂ＝０のときの両端のバイアスコイル４への入力電流値をiｃｂ０とするとiｃｂは、数式（２）のように表される。また、iｂｂはｙ軸方向の制御力をフィードバックすることにより制御を行う。
【数２】
2010121714.tif 000004
【００２３】
上記のように、それぞれのバイアスコイル４に供給するバイアス電流iｃｂ，iｂｂの制御は、図８に示す制御装置１００を用いて行われる。具体的には、図８に示すように、制御装置１００では、まず変位センサ１３から得られた変位データは、Ａ／Ｄ変換器１０１によりディジタル信号化され変位検出部（変位検出手段）１０２へと送られる。変位検出部１０２では、これらの信号を座標変換することにより軸３のラジアル方向の変位及びラジアル軸周りの傾きが算出される。変位検出部１０２から得られた出力信号（変位信号）は、ＰＤ制御器（演算手段）１０３へと送られる。ＰＤ制御器１０３では、これらの変位信号から軸３に作用しているラジアル方向の力、及びラジアル軸周りのモーメントを求める。尚、ここではラジアル方向の力、及びラジアル軸周りのモーメントの算出にＰＤ制御器１０３を用いた例を示しているが、ＰＩＤ制御器やその他公知の現代制御理論を用いても良い。また、軸３に作用するラジアル方向の力とは、ｘ軸方向又はｙ軸方向に掛かる力のことであり、ラジアル軸周りのモーメントとは、ｘ軸又はｙ軸周りに回転させようとするモーメント（トルク）のことである。
【００２４】
ＰＤ制御器１０３で求められた軸３に作用しているラジアル方向の力、及びラジアル軸周りのモーメントのデータは、制御電流演算部１０４に送られる。制御電流演算部１０４では、ラジアル方向の力、及びラジアル軸周りのモーメントを制御部７での力に座標変換することにより、軸３をラジアル方向の所定位置に非接触支持するために必要な支持力（浮上力）を発生するための制御コイル６に流す制御電流の値を算出する。
【００２５】
また、バイアス電流制御部１０５では、ＰＤ制御器１０３で求められたラジアル方向の力、又はラジアル軸周りのモーメントをPI制御器１０５ａへフィードバックしてバイアス電流iｂｂの調整を行う。PI制御器１０５ａでは、P制御により応答速度の調整を行い、I制御により、制御電流の値を零にする。尚、ここでは、ｙ軸方向に荷重が加わった場合を例にしているので、図８では、ｙ軸方向の力をPI制御器１０５ａへフィードバックすることにより、バイアス電流iｂｂの調整を行っている。このようにして得られたバイアス電流iｂｂの値を用いて、バイアス電流演算手段１０５ｂでは、それぞれのバイアスコイル４へ供給するバイアス電流iｃｂ及びiｂｂの値を算出する。具体的には、バイアス電流演算手段１０５ｂでは、磁気軸受１の磁気回路を解析して得られた数式（２）にPI制御器１０５ａから得られたバイアス電流iｂｂの値を代入することにより、両端のバイアスコイル４に供給するバイアス電流iｃｂの値を求める。
【００２６】
このような制御を行うことにより、軸３に掛かる荷重とバイアス電流による力を釣り合わせることが可能になり、制御電流を零にすることができる。そのため、従来のようにバイアス電流を手動調節するような手間を省くことができる。また、バイアス電流を制御することにより、バイアス磁束の変化率を調整することができるので、浮上体のスタートアップ時においても、浮上制御が可能となる。尚、磁気軸受１の構成は、本実施形態のものに限定されるものではなく、半円柱面状のバイアス部を有する磁気軸受であれば、適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係る磁気軸受の概略軸方向断面図である。
【図２】磁気軸受の概略断面図であり、（ａ）は図１に示すＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は図１に示すＢ−Ｂ線断面図をそれぞれ示している。
【図３】磁気軸受の概略断面図であり、図１に示すＣ−Ｃ線断面図を示している。
【図４】他の実施形態に係る磁気軸受の概略軸方向断面図である。
【図５】磁気軸受の磁路を通るバイアス磁束の様子を示す概略説明図である。
【図６】軸３の座標系を示す概略説明図である。
【図７】磁気軸受のバイアス磁束の磁路と等価な磁気回路を示す回路図である。
【図８】本発明の実施形態に係る磁気軸受の制御装置１００を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００２８】
１                磁気軸受
３                軸（浮上体）
４                バイアスコイル
５                バイアス部
６                制御コイル
７                制御部
１００            制御装置
１０２            変位検出部（変位検出手段）
１０３            ＰＤ制御器（演算手段）
１０４            制御電流演算部（制御電流演算手段）
１０５            バイアス電流制御部（バイアス電流制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010121714.tif 000009
【図６】
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【図７】
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【図８】
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