(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を回転駆動するブラシレス直流モータと、回転軸を磁気浮上させる磁気軸受手段と、磁気軸受手段を制御する磁気軸受制御回路と、磁気軸受異常時に回転軸を支持する保護ベアリングと、
電源異常時にブラシレス直流モータと直列接続する抵抗を含む強制ブレーキ回路とを備え、
前記強制ブレーキ回路は、モータへの印加電圧が設定電圧以上の場合に回生電力以上の電力分を抵抗に流す電流制動手段と、モータへの印加電圧が設定電圧以下の場合にブラシレス直流モータと抵抗とを直列接続するリレー回路とを備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気軸受装置に関し、特に、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプや工作機械用高速スピンドル等の高速回転機器に用いる磁気軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボ分子ポンプをはじめとする真空ポンプ等の高速回転機器においては、良好な真空を得るためにオイルフリーであることが要求され、また、工作機械用高速スピンドル等の高速回転体を非接触で支持することが要求されている。そこで、従来形の油潤滑を利用した軸受に代えて磁気軸受が開発されている。この磁気軸受は、回転軸を非接触で浮上させて回転させることにより、発生する振動を減少させることができる。
【０００３】
従来、この磁気軸受装置は、例えば図２に示すターボ分子ポンプでは、回転体の半径方向に電磁石を設けたラジアル磁気軸受２１，２２と、軸方向に電磁石を設けたスラスト軸受２３とを備え、この電磁石とほぼ同位置に設け回転体の状態を検出するラジアルセンサ２４，２５，スラストセンサ２６等の変位センサを設置してフィードバック制御系を構成し、各電磁石に流れる電流を調節して電磁石の吸引力を調節し、回転体を中心位置に支持している。
【０００４】
電磁石は、回転軸を挟んで対向して配置されており、各電磁石にＰＩＤ制御等により定められる励磁電流を励磁アンプを介して流すことによって、対向する電磁石どうしで回転軸を吸引しあい、回転軸を適当な位置に制御している。これによって、磁気浮上制御を行っている。
【０００５】
図９は従来の磁気軸受装置の概略ブロック図である。図９において、インバータ回路４は、交流電源に接続された整流回路１、平滑コンデンサ、および安定化電源２から得られる直流電圧の位相を制御してインダクションモータ１６に印加しており、このインバータ回路４は、回転センサ１７の検出信号を入力するインバータ制御回路５から制御信号を受けモータ制御を行う。また、モータ１６の回転軸を支持する磁気軸受手段の電磁石１４は、変位センサ１３の軸変位信号を入力する磁気軸受制御回路６によって制御される。インバータ制御回路４および磁気軸受制御回路６を駆動する電力は、直流／直流変換回路７を介して得られる直流電圧により供給される。
【０００６】
このような磁気軸受装置において停電等の電源異常が発生した場合、磁気軸受制御回路６に対して駆動電力の供給が停止されて磁気浮上制御やモータ制御が困難となり、回転軸は保護ベアリング１５によって摩擦支持されることになる。従来、この磁気浮上制御やモータ制御を維持するために、モータを発電機として使用し発電した回生電力やバックアップバッテリー（図示していない）によって磁気軸受制御回路６やインバータ制御回路５をバックアップしている。また、モータの制動は、回転軸のエネルギーを制御回路側に回生する回生制動と、回生分を超えるエネルギーを消費する発熱制動とをブレーキ制御回路８によって行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の磁気軸受装置では、電源異常の発生時における回転軸の減速に長時間を要するという問題点がある。
【０００８】
図１０は従来の磁気軸受装置における減速状態を説明する概略図である。電源異常時における磁気軸受制御回路やモータ制御回路の電源として、モータを発電機として使用して得られる電力を用いる場合には、回転軸が高速回転中のとき（図１０中の区間Ｂ）には各制御に充分な電力が得られるが、低速となると（図１０中の区間Ｃ）発電電力が低下してモータ制御および磁気浮上制御が維持できなくなり、回転軸は保護ベアリングによって支持されることになる。図１０中の区間Ｂにおける制動は、回転体の持つエネルギーを制御回路側に戻す回生制動を主とし、発電電力が得られなくなった後（図１０中の区間Ｃ）は、保護ベアリングによる小さな摩擦抵抗によって減速が行われる。この保護ベアリングの摩擦抵抗による減速には長時間を要し、また、この間保護ベアリングは摩擦によって劣化を受け、保護ベアリングの交換時期を早めることになる。図１０中の一点鎖線は回生制動が維持された場合の減速状態を示している。
【０００９】
また、電源異常時における制御回路用の電源として、バックアップバッテリーを用いる場合には、電源異常後においても磁気軸受制御やモータ制御は維持されるものの、制動手段がないため減速には長時間を要することになり、また、大容量のバッテリーを別個に用意する必要がある。
【００１０】
そこで、本発明は前記した従来の磁気軸受装置の問題点を解決し、電源異常の発生時における回転軸の減速を短時間化することができる磁気軸受装置を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気軸受装置は、回転軸を回転駆動するブラシレス直流モータと、回転軸を磁気浮上する磁気軸受手段と、磁気軸受手段を制御する磁気軸受制御回路と、磁気軸受異常時に回転軸を支持する保護ベアリングと、電源異常時にブラシレス直流モータと直列接続する抵抗を含む強制ブレーキ回路とを備えることによって、電源異常の発生時における回転軸の減速を短時間化するものである。
【００１２】
ブラシレス直流モータは、回転軸の回転エネルギーをステータ側のコイルに誘導電流として変換することができるモータであり、本発明はこの誘導電流を強制ブレーキ回路中の抵抗によって熱変換してブレーキ作用を行う発熱制動を行うものである。
【００１３】
本発明の第１の実施態様は、強制ブレーキ回路はモータへの印加電圧が設定電圧以下の場合に、ブラシレス直流モータと抵抗とを直列接続するリレー回路を備えるものであり、これによって、ブラシレス直流モータのエネルギーを熱変換する発熱制動を行うことができる。
【００１４】
本発明の第２の実施態様は、強制ブレーキ回路は制御回路側への回生電力以上の電力分を抵抗に流す電流制動手段を備え、これによって、回生制動と発熱制動とを行うことができる。
【００１５】
本発明の第３の実施態様は、磁気軸受制御回路を駆動するバックアップバッテリーを備えるものであり、これによって、強制ブレーキ回路の動作時においても回転軸の磁気浮上制御を行うことができる。
【００１６】
本発明の第４の実施態様は、磁気軸受制御回路をブラシレス直流モータを発電機として使用して得られる電力により駆動するものである。
【００１７】
電源から電力が正常に供給されている場合には、モータは磁気軸受回路の制御によって駆動される磁気軸受手段によって磁気浮上制御されている。電源異常が発生すると、モータへの電源からの駆動電力の供給が停止する。モータは慣性力により回転を持続し、逆に発電機として作用し電力を発生する。回転数が高く発生電力が充分なときには、磁気軸受制御回路はこの発生電力により駆動される。回転数が低下し発生電力が不充分となると、磁気軸受制御回路は磁気浮上制御を停止する。
【００１８】
このとき、強制ブレーキ回路の抵抗とモータとを直列接続することにより、モータに流れる電流を抵抗により熱に変換して発熱制動を行う。これによって、回転軸の減速を短時間化する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。
（本発明の実施の形態の構成）図１は本発明の磁気軸受装置の一実施の形態の概略ブロック図である。図１に示す構成は、前記図９に示した構成とほぼ同様であるが、ブレーキ制御回路８に代えて強制ブレーキ回路３を備えた点、モータとしてブラシレス直流モータ１１を用いる点、インダクションモータ１６からブラシレス直流モータ１１への変更に伴って回転センサ１７をホールセンサ１２に変更する点等の構成において相違している。
【００２０】
図１において、インバータ回路４は、交流電源に接続された整流回路１、平滑コンデンサ、および安定化電源２から得られる直流電圧の位相を制御してブラシレス直流モータ１１に印加しており、このインバータ回路４は、ホールセンサ１２の検出信号を入力するインバータ制御回路５から制御信号を受けモータ制御を行う。なお、ブラシレス直流モータ１１の永久磁石の回転位置を検出するために、回転センサ１７からホールセンサ１２に変更している。また、ブラシレス直流モータ１１の回転軸を支持する磁気軸受手段の電磁石１４は、変位センサ１３からの軸変位信号を入力し制御信号を出力する磁気軸受制御回路６によって制御される。インバータ制御回路５および磁気軸受制御回路６を駆動する電力は、直流／直流変換回路７を介して得られる直流電圧により供給される。
【００２１】
安定化電源２とインバータ回路４との間には、電源に対して抵抗３１と電流制御素子３２を直列接続し、該電流制御素子３２に並列にリレー３３を並列接続すした強制ブレーキ回路３が設けられる。
【００２２】
（本発明の実施の形態の作用）モータが通常回転を行う場合には、電源からの交流電力を整流回路１、平滑コンデンサ、および安定化電源２によって直流電圧を得、この直流電圧をインバータ回路４によって位相制御してブラシレス直流モータ１１に供給し駆動を行う。磁気軸受制御回路６は、磁気軸受手段の電磁石１４に制御信号を送り、回転軸を磁気浮上制御する。このとき、インバータ制御回路５および磁気軸受制御回路６は、直流／直流変換回路７を通して得られる安定化電源からの直流電圧によって駆動される。
【００２３】
次に、電源異常により非常停止する場合のモータ制動について説明する。以下、図３の本発明の実施の形態の第１の制動作用を説明するフローチャート、図４の強制ブレーキ回路の動作を説明する図、および図５の回転軸の回転数の時間変化を示す図を用いて、モータ制動の第１の制動作用について説明する。
【００２４】
インバータ制御回路５および磁気軸受制御回路６は、直流／直流変換回路７を通して電源から電力供給を受け通常回転を行う。図５中の区間Ａはこの通常回転状態を示している（ステップＳ１）。
【００２５】
電源異常等により電源側からの電力の供給は停止すると、電源電圧が低下し、モータ１１側は電圧を誘導して逆に発電機として作用する。インバータ制御回路５および磁気軸受制御回路６は電源に代わってモータ側から電力供給を受ける。この電圧がインバータ制御回路５および磁気軸受制御回路６の駆動に充分な電圧である場合には、この電力によってモータ制御および磁気浮上制御を行う。（ステップＳ２，３）。
【００２６】
図５中の区間Ｂは、このときの回転軸の回転状態を示している。区間Ｂにおける制動は、回生制動と発熱制動により行われる。図４（ａ）は区間Ｂにおける強制ブレーキ回路３の動作を示している。区間Ｂでは、強制ブレーキ回路３中のリレー３３はオフし、電流制御素子３２のみが駆動される。インバータ制御回路５は、モータ側から発電される電力をモータ側と強制ブレーキ回路３側に分流する。モータ側に戻すことによって回生制動が行われ、強制ブレーキ回路３に抵抗３１に流すことによって発熱制動が行われる。この分流は、強制ブレーキ回路３中の電流制御素子３２により行われ、モータ側に戻す分を超えた電力が抵抗３１に流れるよう制御が行われる（ステップＳ４）。
【００２７】
回転軸の減速が進み、発電される電圧がインバータ制御回路５および磁気軸受制御回路６の駆動に充分な電圧より低下すると（ステップＳ２）、インバータ制御回路５および磁気軸受制御回路６は駆動電力の供給がなくなるため、インバータ制御および磁気浮上制御を停止する（ステップＳ５）。図５中の区間Ｃはこのときの回転軸の回転状態を示している。このとき、強制ブレーキ回路３のリレー３３がオンしてモータと抵抗３１とは直列接続され、モータ側に誘導される電流は抵抗３１に流れて熱に変換され、この発熱制動によって制動作用が行われる。図４（ｂ）はこのときの強制ブレーキ回路における電流の流れを示している（ステップＳ６）。また、このとき、回転軸は磁気浮上制御が停止しているため保護ベアリング１５によって支持され、この摩擦による制動も受けることになる。
【００２８】
したがって、区間Ｃでは、抵抗による発熱制動と保護ベアリングによる摩擦制動によって、速やかな減速が行われることになる。
【００２９】
次に、モータ制動の第２の制動作用について説明する。図６は本発明の実施の形態の第２の制動作用を説明するフローチャート、図８は回転軸の回転数の時間変化を示す図である。
【００３０】
インバータ制御回路５および磁気軸受制御回路６は、直流／直流変換回路７を通して電源から電力供給を受け通常回転を行う。図８中の区間Ａはこの通常回転状態を示している（ステップＳ１１）。
【００３１】
電源異常等により電源側からの電力の供給は停止すると、インバータ制御回路５および磁気軸受制御回路６は電源側から電力の供給を受けることができないため、図示しないバックアップバッテリーから電力の供給を受け、これによって、インバータ制御および磁気浮上制御を行う（ステップＳ１２）。
【００３２】
モータ側で発電する電圧が回生制動を行うことができる電圧である場合（図８中の区間Ｂ）には、前記ステップＳ４と同様に回生制動と発熱制動とによって、回転軸の制動を行う（ステップＳ１３，１４）。
【００３３】
回転軸の減速が進み、発電する電圧が回生制動を行うことができる電圧以下となると（ステップＳ１３）、インバータ制御回路５は強制ブレーキ回路３のリレー３３をオンとして抵抗３１をモータに直列接続し、抵抗３１による発熱制動を行う（ステップＳ１５）。図８中の区間Ｃはこのときの回転状態を示しており、インバータ制御回路５および磁気軸受制御回路６はバックアップバッテリーによって駆動されてモータ制御および磁気浮上制御を引続き続行する。
【００３４】
したがって、区間Ｃでは、磁気浮上制御によって非接触に状態で回転するとともに、抵抗による発熱制動によって減速が行われることになる。
【００３５】
この第２の制動作用では、電源異常時において保護ベアリングによる回転軸の支持を行わないため、保護ベアリングの劣化を減少させる効果が大となる。
【００３６】
次に、モータ制動の第３の制動作用について説明する。図７は本発明の実施の形態の第３の制動作用を説明するフローチャートである。
【００３７】
第３の制動作用は、モータ制御および磁気浮上制御の駆動電力を、発電電力とバックアップバッテリーとを切り換えて供給するものである。インバータ制御回路５および磁気軸受制御回路６は、直流／直流変換回路７を通して電源から電力供給を受け通常回転を行う。図８中の区間Ａはこの通常回転状態を示している（ステップＳ２１）。
【００３８】
電源異常等により電源側からの電力の供給は停止すると、インバータ制御回路５および磁気軸受制御回路６は電源側から電力の供給を受けることができないため、モータ１１側を発電機として使用して得られる電力を用いて駆動する。この電圧がインバータ制御回路５および磁気軸受制御回路６の駆動に充分な電圧である場合には、この電力によってモータ制御および磁気浮上制御を行う。（ステップＳ２２，２３）。この区間Ｂにおいては、前記ステップＳ４と同様に回生制動と発熱制動とによって回転軸の制動を行う（ステップＳ２４）。
【００３９】
回転軸の減速が進み、発電される電圧がインバータ制御回路５および磁気軸受制御回路６の駆動に充分な電圧より低下すると（ステップＳ２２）、インバータ制御回路５および磁気軸受制御回路６は、図示しないバックアップバッテリーから電力の供給を受け、これによって、モータ制御および磁気浮上制御を行う（ステップＳ２５）。さらに、インバータ制御回路５は強制ブレーキ回路３のリレー３３をオンとして抵抗３１をモータに直列接続し、抵抗３１による発熱制動を行う。図８中の区間Ｃはこのときの回転状態を示している（ステップＳ２６）。
【００４０】
したがって、区間Ｃでは、磁気浮上制御によって非接触に状態で回転するとともに、抵抗による発熱制動によって減速が行われることになる。
【００４１】
この第３の制動作用では、第２の制動作用と同様に保護ベアリングの劣化を減少させる効果が大となるとともに、第２の制動作用と比較してバックアップバッテリーの使用時間が短時間であるため、バックアップバッテリーを小容量とすることができる。
【００４２】
なお、強制ブレーキ回路中のリレーに代えて、電力が供給されない状態においてもオン状態を保持する素子を使用することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電源異常の発生時における回転軸の減速を短時間化することができる磁気軸受装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気軸受装置の一実施の形態の概略ブロック図である。
【図２】ターボ分子ポンプの概略図である。
【図３】本発明の実施の形態の第１の制動作用を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の強制ブレーキ回路の動作を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態の回転軸の回転数の時間変化を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態の第２の制動作用を説明するフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態の第３の制動作用を説明するフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態の回転軸の回転数の時間変化を示す図である。
【図９】従来の磁気軸受装置の概略ブロック図である。
【図１０】従来の磁気軸受装置における減速状態を説明する概略図である。
【符号の説明】
１…整流回路、２…安定化電源、３…強制ブレーキ回路、４…インバータ回路、５…インバータ制御回路、６…磁気軸受制御回路、７…直流／直流変換回路、８…ブレーキ制御回路、１１…ブラシレス直流モータ、１２…ホールセンサ、１３…変位センサ、１４…電磁石、１５…保護ベアリング、１６…インダクションモータ、１７…回転センサ、３１…抵抗、３２…電流制御素子、３３…リレー。
【図１】
0003677826.tif 000002
【図２】
0003677826.tif 000003
【図３】
0003677826.tif 000004
【図４】
0003677826.tif 000005
【図５】
0003677826.tif 000006
【図６】
0003677826.tif 000007
【図７】
0003677826.tif 000008
【図８】
0003677826.tif 000009
【図９】
0003677826.tif 000010
【図１０】
0003677826.tif 000011