(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体を非接触支持する２つの制御形ラジアル方向磁気軸受を有する磁気軸受装置において、
ラジアル方向磁気軸受の一方が回転体の重心の軸方向位置に対応する位置に配置され、同他方がこれより端寄りの位置に配置されており、
各ラジアル方向磁気軸受が、回転体の第１ラジアル方向の位置を制御するための第１ラジアル方向電磁石、および回転体の第１ラジアル方向と直交する第２ラジアル方向の位置を制御するための第２ラジアル方向電磁石をそれぞれ備えており、上記一方の重心側ラジアル方向磁気軸受を制御するための重心側ラジアル方向制御装置、および上記他方の端側ラジアル方向磁気軸受を制御するための端側ラジアル方向制御装置が設けられており、重心側ラジアル方向制御装置が、回転体の第１ラジアル方向の変位に基づいて重心側ラジアル方向磁気軸受の第１ラジアル方向電磁石を制御し、回転体の第２ラジアル方向の変位に基づいて重心側ラジアル方向磁気軸受の第２ラジアル方向電磁石を制御する制御回路を備え、端側ラジアル方向制御装置が、回転体の第１ラジアル方向の変位と第２ラジアル方向の変位を交差結合して、端側ラジアル方向磁気軸受の第１ラジアル方向電磁石および第２ラジアル方向電磁石を制御する制御回路を備えていることを特徴とする磁気軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、磁気軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気軸受装置として、回転体を非接触支持する１つのアキシアル方向磁気軸受と２つのラジアル方向磁気軸受とを有する５自由度制御形磁気軸受装置が知られている。
【０００３】
この種の従来の磁気軸受装置においては、２つのラジアル方向磁気軸受は回転体の軸方向重心位置を挟んで、回転体の両端寄りの２箇所に配置されている。各ラジアル方向磁気軸受は、１つのラジアル方向（第１ラジアル方向）から回転体を挟むように配置された１対の電磁石（第１ラジアル方向電磁石）と、第１ラジアル方向と直交するラジアル方向（第２ラジアル方向）から回転体を挟むように配置された１対の電磁石（第２ラジアル方向電磁石）とを備えている。第１ラジアル方向電磁石の近傍に、回転体の第１ラジアル方向の変位を検出するための位置センサが設けられ、第２ラジアル方向電磁石の近傍に、回転体の第２ラジアル方向の変位を検出するための位置センサが設けられている。そして、回転体の２箇所のラジアル方向の変位に基づいて、第１ラジアル方向制御装置により２箇所のラジアル方向磁気軸受の第１ラジアル方向電磁石の駆動電流が制御され、第２ラジアル方向制御装置により２箇所のラジアル方向磁気軸受の第２ラジアル方向電磁石の駆動電流が制御される。各ラジアル方向制御装置においては、回転体の運動が重心に関する並進運動（回転体の重心のラジアル方向の直線運動）と傾斜運動（回転体の重心まわりの回転運動）に分離され、対応するラジアル方向の並進運動と傾斜運動に対する並進運動制御回路と傾斜運動制御回路が設けられて、２箇所のラジアル方向磁気軸受の対応するラジアル方向電磁石が制御される。
【０００４】
このような従来の磁気軸受装置の１例が図４に示されている。以下の従来例の説明において、図４の上下を上下とし、図４の左側を前、右側を後とする。また、後から前を見たときの左右を左右とする。すなわち、図４の紙面表側を左、同裏側を右とする。そして、上下方向をＸ軸方向（第１ラジアル方向）、左右方向をＹ軸方向（第２ラジアル方向）、前後方向をＺ軸方向（アキシアル方向）とする。
【０００５】
図４において、磁気軸受装置は、回転体(1) を非接触支持する１つのアキシアル方向磁気軸受(2) と前後２つのラジアル方向磁気軸受(3)(4)を備えている。回転体(1) の中心軸はＺ軸方向にのびており、回転体(1) は内蔵型高周波モータ(5) により高速回転させられる。アキシアル方向磁気軸受(2) は、回転体(1) をＺ軸方向に支持するものであり、アキシアル方向制御装置(6) によって制御される。ラジアル方向磁気軸受(3)(4)は、回転体(1) をＸ軸方向およびＹ軸方向に支持するものである。前側のラジアル方向磁気軸受(3) を前側磁気軸受、後側のラジアル方向磁気軸受(4) を後側磁気軸受ということにする。前側磁気軸受(3) は回転体(1) の重心(G) より前端寄りの位置に配置され、後側磁気軸受(4) は回転体(1) の重心(G) より後端寄りの位置に配置されている。
【０００６】
前側磁気軸受(3) は、回転体(1) のＸ軸方向の位置を制御するための１対のＸ軸方向電磁石(10a)(11a)、および回転体(1) のＹ軸方向の位置を制御するための１対のＹ軸方向電磁石（図示略）を備えている。後側磁気軸受(4) は、回転体(1) のＸ軸方向の位置を制御するための１対のＸ軸方向電磁石(10b)(11b)、および回転体(1) のＹ軸方向の位置を制御するための１対のＹ軸方向電磁石（図示略）を備えている。図示は省略したが、前側磁気軸受(3) の近傍に、その部分の回転体(1) のＸ軸方向の位置を検出するための前側Ｘ軸方向位置センサおよびＹ軸方向の位置を検出するための前側Ｙ軸方向位置センサが設けられ、後側磁気軸受(4) の近傍に、その部分の回転体(1) のＸ軸方向の位置を検出するための後側Ｘ軸方向位置センサおよびＹ軸方向の位置を検出するための後側Ｙ軸方向位置センサが設けられている。２つの磁気軸受(3)(4)のＸ軸方向電磁石(10a)(11a)(10b)(11b)はＸ軸方向制御装置(40)により制御され、Ｙ軸方向電磁石はＹ軸方向制御装置（図示略）により制御される。
【０００７】
Ｘ軸方向制御装置(40)には、並進運動制御回路(41)および傾斜運動制御回路(42)が設けられている。並進運動制御回路(41)は、前側および後側Ｘ軸方向位置センサの出力から回転体(1) の重心(G) のＸ軸方向の変位量（並進運動成分）を求め、これに基づいて並進運動制御信号を出力する。傾斜運動制御回路(42)は、前側および後側Ｘ軸方向位置センサの出力から回転体(1) の重心(G) まわりの傾斜量（傾斜運動成分）を求め、これに基づいて傾斜運動制御信号を出力する。並進運動制御回路(41)と傾斜運動制御回路(42)の出力は加算器(43)および減算器(44)に入力し、加算器(43)の出力により前側磁気軸受(3) のＸ軸方向電磁石(10a)(11a)が制御され、減算器(44)の出力により後側磁気軸受(4) のＸ軸方向電磁石(10b)(11b)が制御される。Ｙ軸方向制御装置についても同様であり、前側および後側Ｙ軸方向位置センサの出力から回転体(1) のＹ軸方向の並進運動成分と傾斜運動成分が分離されて、並進運動制御回路および傾斜運動制御回路にそれぞれ入力し、並進運動制御回路からの並進運動成分（並進運動制御信号）と傾斜運動制御回路からの傾斜運動成分（傾斜運動制御信号）が合成されて、前側磁気軸受(3) のＹ軸方向電磁石および後側磁気軸受(4) のＹ軸方向電磁石が制御される。
【０００８】
ところで、上記のように回転体の並進運動と傾斜運動を分離して制御を行うと、並進運動の固有振動数が分離しないようにすることができるが、ジャイロ作用によってＸ軸方向およびＹ軸方向の傾斜運動に干渉が生じる。これを補償するため、たとえば特開昭５８−８１２１７号公報などに記載されているように、Ｘ軸方向制御装置とＹ軸方向制御装置との間で回転体の傾斜運動成分の交差結合を行って、安定度を向上させる方法が採用されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の磁気軸受装置では、上記のように、Ｘ軸方向制御装置およびＹ軸方向制御装置において、それぞれ回転体の並進運動成分と傾斜運動成分の分離、合成のための回路が必要であり、磁気軸受の制御装置が複雑になり、コストも高くなるという問題がある。
【００１０】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、制御装置の簡略化が可能な磁気軸受装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明による磁気軸受装置は、回転体を非接触支持する２つの制御形ラジアル方向磁気軸受を有する磁気軸受装置において、ラジアル方向磁気軸受の一方が回転体の重心の軸方向位置に対応する位置に配置され、同他方がこれより端寄りの位置に配置されており、各ラジアル方向磁気軸受が、回転体の第１ラジアル方向の位置を制御するための第１ラジアル方向電磁石、および回転体の第１ラジアル方向と直交する第２ラジアル方向の位置を制御するための第２ラジアル方向電磁石をそれぞれ備えており、上記一方の重心側ラジアル方向磁気軸受を制御するための重心側ラジアル方向制御装置、および上記他方の端側ラジアル方向磁気軸受を制御するための端側ラジアル方向制御装置が設けられており、重心側ラジアル方向制御装置が、回転体の第１ラジアル方向の変位に基づいて重心側ラジアル方向磁気軸受の第１ラジアル方向電磁石を制御し、回転体の第２ラジアル方向の変位に基づいて重心側ラジアル方向磁気軸受の第２ラジアル方向電磁石を制御する制御回路を備え、端側ラジアル方向制御装置が、回転体の第１ラジアル方向の変位と第２ラジアル方向の変位を交差結合して、端側ラジアル方向磁気軸受の第１ラジアル方向電磁石および第２ラジアル方向電磁石を制御する制御回路を備えていることを特徴とするものである。
【００１３】
【作用】
ラジアル方向磁気軸受の一方が回転体の重心位置に配置されているので、この重心側ラジアル方向磁気軸受の部分の回転体のラジアル方向の変位については、その大部分が並進運動成分であって、傾斜運動成分は並進運動成分に比べて十分に小さく、他方の端側ラジアル方向磁気軸受の部分の回転体のラジアル方向の変位については、その大部分が傾斜運動成分であって、並進運動成分は傾斜運動成分に比べて十分に小さい。このため、回転体の並進運動成分と傾斜運動成分の分離および合成のための回路を設けずに、各ラジアル方向磁気軸受をそれぞれの部分のラジアル方向の変位に基づいて制御するだけで、並進運動成分と傾斜運動成分を分離したのと同等の効果が得られる。なお、重心側ラジアル方向磁気軸受を回転体の重心位置に正確に配置しなくても、重心位置の近傍に配置すれば、同じ効果が得られる。そして、回転体の並進運動成分と傾斜運動成分の分離、合成のための回路が不要になることにより、重心側ラジアル方向磁気軸受を制御するための重心側ラジアル方向制御装置と、端側ラジアル方向磁気軸受を制御するための端側ラジアル方向制御装置とを互いに独立したものにすることができ、制御装置が簡略化できる。
【００１４】
重心側ラジアル方向磁気軸受においては、その部分の回転体の傾斜運動成分が並進運動成分に比べて十分に小さいので、重心側ラジアル方向制御装置で回転体の第１ラジアル方向および第２ラジアル方向の傾斜運動成分の交差結合を行わなくても、これら２つのラジアル方向の傾斜運動に干渉が生じることがない。このため、重心側ラジアル方向制御装置では、回転体の第１ラジアル方向の変位に基づいて重心側ラジアル方向磁気軸受の第１ラジアル方向電磁石を、回転体の第２ラジアル方向の変位に基づいて重心側ラジアル方向磁気軸受の第２ラジアル方向電磁石を、別々に制御するだけでよく、制御回路が簡略化できる。端側ラジアル方向磁気軸受においては、端側ラジアル方向制御装置で、回転体の第１ラジアル方向の変位と第２ラジアル方向の変位を交差結合して、端側ラジアル方向磁気軸受の第１ラジアル方向電磁石および第２ラジアル方向電磁石を制御することにより、これら２つのラジアル方向の傾斜運動成分の干渉を補償することができる。
【００１５】
【実施例】
以下、図１〜図３を参照して、この発明の実施例について説明する。
【００１６】
図１は、５自由度制御形磁気軸受装置の主要部の概略構成を示している。以下の実施例の説明においても、図１について、前述の図４の場合と同様に、上下、前後、左右、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の関係を定める。また、図１〜図３において、図４の従来例と同じ部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略した。
【００１７】
図１に示すように、前側（端側）磁気軸受(3)は、回転体(1)の重心(G)より前端寄りの位置に配置され、前側ラジアル方向制御装置（前側制御装置）(7)により制御される。後側（重心側）磁気軸受(4)は、回転体(1) の重心(G)のＺ軸方向位置に対応する位置に配置され、後側ラジアル方向制御装置（後側制御装置）(8)により制御される。
【００１８】
前側磁気軸受(3) および前側制御装置(7) の詳細が図２に、後側磁気軸受(4) および後側制御装置(8) の詳細が図３に示されている。なお、前側磁気軸受(3) および制御装置(7) と、後側磁気軸受(4) および制御装置(8) とについて、対応する部分には同じ数字の符号を用い、前側のものには添字ａを、後側のものには添字ｂを付して区別している。そして、混同のおそれがない場合は、添字を省略して表わすことにする。
【００１９】
各磁気軸受(3)(4)は、回転体(1) を上下から挟むように配置された１対のＸ軸方向電磁石(10a)(10b)(11a)(11b)、および回転体(1) を左右から挟むように配置された１対のＹ軸方向電磁石(12a)(12b)(13a)(13b)を備えている。Ｘ軸方向電磁石(10)(11)の近傍に、回転体(1) のＸ軸方向の位置を検出するための上下１対のＸ軸方向位置センサ(14a)(14b)(15a)(15b)が設けられ、Ｙ軸方向電磁石(12)(13)の近傍に、回転体(1) のＹ軸方向の位置を検出するための左右１対のＹ軸方向位置センサ(16a)(16b)(17a)(17b)が設けられている。
【００２０】
後側制御装置(8) において、１対のＸ軸方向位置センサ(14b)(15b)の出力が第１減算器(18b) に入力し、これによって回転体(1) の重心(G) のＸ軸方向変位Ｘb が演算される。第１減算器(18b) の出力は公知のＸ軸方向ＰＩＤ制御回路(19b) に入力し、この回路(19b) からＸ軸方向制御信号ＣXbが出力される。制御回路(19b) の出力はインバータ(20b) および電力増幅器(21b) を介して一方のＸ軸方向電磁石(10b) に入力するとともに、電力増幅器(22b) を介して他方のＸ軸方向電磁石(11b) に入力し、これにより、１対のＸ軸方向電磁石(10b)(11b)に流れる電流値が制御され、回転体(1) の重心(G) のＸ軸方向の位置の制御が行われる。一方、１対のＹ軸方向位置センサ(16b)(17b)の出力が第２減算器(23b) に入力し、これによって回転体(1) の重心(G) のＹ軸方向変位Ｙb が演算される。第２減算器(23b) の出力は公知のＹ軸方向ＰＩＤ制御回路(24b) に入力し、この回路(24b) からＹ軸方向制御信号ＣYbが出力される。制御回路(24b) の出力はインバータ(25b) および電力増幅器(26b) を介して一方のＹ軸方向電磁石(12b) に入力するとともに、電力増幅器(27b) を介して他方のＹ軸方向電磁石(13b) に入力し、これにより、１対のＹ軸方向電磁石(12b)(13b)に流れる電流値が制御され、回転体(1) の重心(G) のＹ軸方向の位置の制御が行われる。
【００２１】
前側制御装置(7) において、第１減算器(18a) によって回転体(1) の前端側部分のＸ軸方向変位Ｘa が演算され、これがＸ軸方向ＰＩＤ制御回路(19a) に入力する。また、第２減算器(23a) によって回転体(1) の前端側部分のＹ軸方向変位Ｙa が演算され、これがＹ軸方向ＰＩＤ制御回路(24a) に入力する。さらに、Ｘ軸方向変位Ｘa が、ゲイン調整回路(31a) を介して第３減算器(29a) に入力して、Ｙ軸方向ＰＩＤ制御回路(24a) の出力から減算されるとともに、Ｙ軸方向変位Ｙa が、ゲイン調整回路(30a) を介して加算器(28a) に入力して、Ｘ軸方向ＰＩＤ制御回路(19a) の出力に加算され、交差結合が行われる。そして、加算器(28a) からのＸ軸方向制御信号ＣXaに基づき、１対のＸ軸方向電磁石(10a)(11a)に流れる電流値が制御されて、回転体(1) の前端側部分のＸ軸方向の位置の制御が行われ、第３減算器(29a) からのＹ軸方向制御信号ＣYaに基づき、１対のＹ軸方向電磁石(12a)(13a)に流れる電流値が制御されて、回転体(1) の前端側部分のＹ軸方向の位置の制御が行われる。他は、後側制御装置(8) の場合と同様である。
【００２２】
前側制御装置(7) で検出される回転体(1) のＸ軸方向およびＹ軸方向の変位Ｘa 、Ｙa は、大部分が回転体(1) の重心(G) に関する傾斜運動成分であり、Ｘ軸方向電磁石(10a)(11a)とＹ軸方向電磁石(12a)(13a)とを後側制御装置(8) の場合のように独立に制御したのでは、回転体(1) の傾きの歳差運動の不安定化が生じる。これを補償するため、上記の磁気軸受装置では、前側制御装置(7) において、Ｘ軸方向の変位とＹ軸方向の変位の交差結合を行って、安定度を向上させている。
【００２３】
これに対し、後側磁気軸受(4) は回転体(1)の重心(G)のＺ軸方向位置に対応する位置に配置されているので、後側制御装置(8)で検出される回転体(1)のＸ軸方向およびＹ軸方向の変位Ｘb、Ｙbは、大部分が並進運動成分であって、傾斜運動成分は並進運動成分に比べて十分に小さい。したがって、後側制御装置(8)では、Ｘ軸方向電磁石(10b)(11b)とＹ軸方向電磁石(12b)(13b)とをＸ軸方向の変位とＹ軸方向の変位とに基づいてそれぞれ独立に制御するだけでよく、Ｘ軸方向の変位とＹ軸方向の変位の交差結合は不要である。このため、制御装置(8)の構成が簡略化される。
【００２４】
【発明の効果】
この発明の磁気軸受装置によれば、上述のように、２つのラジアル方向磁気軸受の一方が回転体の重心位置に配置されており、重心側ラジアル方向磁気軸受を制御するための重心側ラジアル方向制御装置では、回転体の第１ラジアル方向および第２ラジアル方向の傾斜運動成分の交差結合を行なわないので、制御装置の簡略化ができ、コストダウンが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示す磁気軸受装置の主要部の概略構成図である。
【図２】前側ラジアル方向磁気軸受および前側ラジアル方向制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】後側ラジアル方向磁気軸受および後側ラジアル方向制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】従来例を示す磁気軸受装置の主要部の概略構成図である。
【符号の説明】
(1)               回転体
(2)               アキシアル方向磁気軸受
(3)               前側（端側）ラジアル方向磁気軸受
(4)               後側（重心側）ラジアル方向磁気軸受
(5)               高周波モータ
(6)               アキシアル方向制御装置
(7)               前側（端側）ラジアル方向制御装置
(8)               後側（重心側）ラジアル方向制御装置
(10a)(11a)        前側（端側）Ｘ軸方向電磁石
(10b)(11b)        後側（重心側）Ｘ軸方向電磁石
(12a)(13a)        前側（端側）Ｙ軸方向電磁石
(12b)(13b)        後側（重心側）Ｙ軸方向電磁石
【図１】
0003635343.tif 000002
【図２】
0003635343.tif 000003
【図３】
0003635343.tif 000004
【図４】
0003635343.tif 000005