(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被支持体を磁気浮上させる電磁石と、
被支持体の変位を検出する変位センサと、
変位ンサからの変位信号に基づいて電磁石への供給電流を制御する磁気軸受制御回路を含んでループを形成する制御系を備えた磁気軸受装置であって、
前記制御系中の異常を検出する異常検出回路と、
該異常検出回路の信号に基づいて前記ループを遮断する遮断回路とを備え、
前記異常検出回路は前記磁気軸受制御回路の出力を入力することによって、電磁石電流アンプへの制御信号異常を検出することを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】
被支持体を磁気浮上させる電磁石と、
被支持体の変位を検出する変位センサと、
変位ンサからの変位信号に基づいて電磁石への供給電流を制御する磁気軸受制御回路を含んでループを形成する制御系を備えた磁気軸受装置であって、
前記制御系中の異常を検出する異常検出回路と、
該異常検出回路の信号に基づいて前記ループを遮断する遮断回路とを備え、
前記異常検出回路は、前記ループにおける変位センサの変位出力と支持目標値との偏差を求める加算器の出力を入力し、変位センサの異常及び加算器の異常を検出することを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項３】
前記異常検出回路は、前記変位センサの変位出力を入力することによって、変位センサの異常及び加算器の異常を検出することを特徴とする、請求項２に記載の磁気軸受装置。
【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や工作機械等に使用する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では、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る。また、工作機械等における高速回転機器では、接触による減速や摩擦熱が少ないことが要求される。このような要求から、従来の油潤滑を利用した軸受に代えて磁気軸受装置が開発されている。磁気軸受装置は回転軸等の被支持体を真空空間に完全に非接触で磁気浮上させて回転させるため、高速回転機器に適した軸受とすることができる。
【０００３】
通常、磁気軸受装置は回転体である被支持体のラジアル方向を支持するラジアル磁気軸受と、軸方向を支持するアキシャル磁気軸受を備えている。各磁気軸受は被支持体を磁気浮上させるための電磁石と、被支持体の位置を検出するための変位センサを備え、変位センサの位置信号を帰還させ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、被支持体が中心位置となるよう制御を行っている。
【０００４】
図８は従来の磁気軸受装置を説明するための概略ブロック図である。図８において、被支持体２０は電磁石６ａ，６ｂによって磁気浮上されて支持され、図示していない駆動部によって回転される。被支持体２０の位置制御を行うフィードバック制御系は、被支持体２０の位置を検出する変位センサ２，センサ回路３と、被支持体の支持目標値Ａと変位出力Ｂとの偏差に基づいて電磁石の電流を制御する制御信号を出力する磁気軸受制御回路４と、制御信号に基づいて電磁石６ａ，６ｂに駆動電流を供給する電磁石電流アンプ５ａ，５ｂと、被支持体２０に吸引力を付与する電磁石６ａ，６ｂを備えている。なお、図８は、アキシャル磁気軸受を省略して示し、さらに複数のラジアル磁気軸受の一部のみを示している。
【０００５】
前記フィードバック制御系は、被支持体が支持目標値Ａとなるように、変位センサ２が検出した変位出力Ｂを帰還させながら電磁石６ａ，６ｂの吸引力の調節を行う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
被支持体の高速回転中に、磁気軸受装置の制御系に異常が発生すると、電磁石に過大な電磁石電流が流れる場合がある。磁気軸受装置の制御系に発生する異常としては、例えば変位センサの故障，変位センサ信号線の断線，支持目標値とフィードバック信号との偏差を求める加算器の故障等がある。例えば、変位センサ信号線が断線すると、磁気軸受制御回路４は被支持体２０が所定位置にないと判断し、電磁石に供給する電磁石電流を増大させる。電磁石に過大な電磁石電流が流れると、被支持体２０は高速回転しながら補助ベアリング２１に強く押しつけられ、補助ベアリング２１が破損したり、被支持体２０が補助ベアリング２１との接触面で焼き付くという問題が発生する。また、被支持体が停止中の場合に電磁石に過大な電磁石電流が流れると、電磁石の発熱によって電磁石が破損するという問題が発生する。
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、磁気軸受装置の制御系の異常による電磁石への過大電流の供給を防止することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気軸受装置は、被支持体を磁気浮上させる電磁石と、被支持体の変位を検出する変位センサと、変位センサからの変位信号に基づいて電磁石への供給電流を制御する磁気軸受制御回路を含んでループを形成する制御系を構成し、制御系中の異常を検出する異常検出回路と、異常検出回路の信号に基づいて前記ループを遮断する遮断回路とを備えることによって、磁気軸受装置の制御系の異常による電磁石への過大電流の供給を防止する。
【０００８】
本発明の磁気軸受装置において、前記した構成の制御系は、変位センサによって検出した被支持体の変位量と目標値との偏差を求め、磁気軸受制御回路はこの偏差量にもとづいて電磁石電流アンプに制御信号を送り、電磁石の吸引力を調節する。本発明の異常検出回路は、この制御系中を監視し、例えば制御系中の各部の信号値を基準値との比較によって異常検出を行う。異常検出回路は、制御系中に異常を検出すると異常検出信号を遮断回路に送信する。遮断回路は制御系を構成するループの一部を遮断する回路であり、異常検出信号を受けて信号の遮断を行う。遮断回路は、例えば磁気軸受制御回路と電磁石電流アンプとの間に設置して電磁石電流アンプへの制御電流の導通を制御して、制御系中の異常発生時に電磁石への電磁石電流の供給を停止する。
遮断回路によって電磁石への電磁石電流の供給が停止すると、被支持体は磁気浮上を継続することができなくなり、補助ベアリングによって支持される。このとき補助ベアリングが受ける圧力は、被支持体の重さのみによるものであって、電磁石電流による過大な押圧力を受けることはなく、補助ベアリングの破損や接触面での焼き付きをさけることができる。
【０００９】
本発明の第１の実施態様は、異常検出回路は磁気軸受制御回路の出力を入力し、電磁石電流アンプへの制御信号の異常を検出するものであり、これによって、変位センサの異常や制御系中の突出ノイズや制御系中の断線や電磁石の異常等を検出することができる。
本発明の第２の実施態様は、異常検出回路は変位センサの変位出力の異常を検出するものであり、これによって、変位センサの異常や制御系中の突出ノイズや制御系中の断線等を検出することができる。
本発明の第３の実施態様は、異常検出回路は変位センサの変位出力と支持目標値との偏差の異常を検出するものであり、これによって、変位センサの変位出力と支持目標値との偏差を求める加算器の異常や変位センサの異常や制御系中の突出ノイズや制御系中の断線等を検出することができる。
また、本発明の第４の実施態様は、異常検出回路は第２の実施態様と第３の実施態様とを組み合わせた構成であり、これによって、変位センサの異常と加算器の異常とを区別することができる。
【００１０】
【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例について、図１の本発明の磁気軸受装置の一実施形態を説明する概略ブロック図を用いて説明する。図１に示す磁気軸受装置中の制御系は、磁気軸受装置において被支持体２０を磁気浮上させる一ラジアル磁気軸受についてのみ概略的に示しており、他のラジアル磁気軸受およびアキシャル磁気軸受についても同様に制御系を構成することができる。
【００１１】
図１において、被支持体２０は電磁石６ａ，６ｂによって磁気浮上されて支持され、図示していない駆動部によって回転される。被支持体２０の位置制御を行うフィードバック制御系は、被支持体２０の位置を検出する変位センサ２と、該変位センサ２の信号を受けて変位出力を出力するセンサ回路３と、被支持体２０の支持目標値Ａと変位出力Ｂとの偏差に基づいて電磁石６の電流を制御する制御信号を出力する磁気軸受制御回路４と、該制御信号に基づいて電磁石６ａ，６ｂに駆動電流を供給する電磁石電流アンプ５ａ，５ｂと、被支持体２０に吸引力を付与する電磁石６ａ，６ｂを備え、さらに、前記電磁石と、変位センサと、磁気軸受制御回路を含んでループを形成する制御系中の異常を検出する異常検出回路７ａと、該異常検出回路７ａの異常検出信号に基づいてループを遮断する遮断回路８とを備えている。
【００１２】
なお、図１中に示す電磁石６ａ，６ｂは磁気軸受装置が備える電磁石の一例であり、被支持体２０を挟んで対向して配置し、電磁石電流アンプ５ｂの前に配置した反転器によって電磁石６ａと電磁石６ｂとの吸引力の方向を逆方向として互いに被支持体２０を吸引する磁力を発生する一対の電磁石を示しておいる。この電磁石は、被支持体２０に対して他の位置のラジアル方向に変位センサおよび電磁石の対を配置し、また、軸方向について変位センサおよび電磁石を配置することもできる。
なお、図１に示す構成例では、遮断回路８を磁気軸受制御回路４と電磁石電流アンプ５ａの間に設け、異常検出回路７ａは磁気軸受制御回路４の出力を入力する構成とし、磁気軸受制御回路４の制御信号を監視することによって制御系の異常検出を行い、電磁石電流アンプ５ａ，５ｂへの制御信号を停止することによって電磁石６ａ，６ｂによる被支持体２０の磁気浮上を停止する。
【００１３】
次に、図１の構成例の磁気軸受装置の動作について、図５，６を用いて説明する。図５（ａ）は磁気軸受装置の制御系が正常に動作しているときのセンサ出力（ａ１）、偏差信号（ａ２）、磁気軸受制御回路出力（ａ３）、異常検出回路の出力（ａ４）、および電磁石電流（ａ５）であり、同様に図５（ｂ）は制御系中の出力が突出した場合の異常動作の各部の出力を示し、図５（ｃ）は制御系中で断線した場合の異常動作の各部の出力を示し、図６（ａ），（ｂ）は電磁石に異常が発生した場合の各部の出力を示している。
図５（ａ）において、制御系が正常な場合には、変位センサ２は被支持体２０の位置を非接触で検出し、被支持体２０との距離に対応した信号に変換し、センサ回路３を介して変位出力Ｂ（図５（ａ１））を出力する。制御系中の加算器は、変位出力Ｂと支持目標値Ａとの偏差（Ａ−Ｂ）を求める（図５（ａ２））。磁気軸受制御回路４は偏差に基づいて被支持体２０が所定位置からのずれを減少させるに必要な制御信号（図５（ａ３））を演算し、電磁石電流アンプ５を介して電磁石６によって被支持体２０を磁気浮上させ、図中のＣで示す可動範囲内となるよう位置制御を行う。可動範囲Ｃは被支持体２０が補助ベアリング２１に接触するまでの一方の側での許容範囲である。
【００１４】
異常検出回路７ａは磁気軸受制御回路の出力（図５（ａ３））を所定の値（図中の二点鎖線）と比較し、所定値を超えた場合には制御系中に異常が発生したと判定し、遮断回路８を駆動して制御系のループを遮断する。
図５（ｂ）に示すように、制御系内で変位センサ等の出力が突出する異常動作が発生した場合には、変位出力Ｂ（図５（ｂ１））および偏差信号（図５（ｂ２））は大きく変動する。通常、磁気軸受制御回路４はＰＩＤ制御を行っており、この変動に対して微分制御を行う。異常検出回路７ａは、磁気軸受制御回路４の出力（図５（ｂ３））を監視し、図中の二点鎖線で示す所定値と比較し、所定値を継続して所定時間Ｔ１以上超えている場合には制御系中に異常が発生したと判定し（図５（ｂ４））、遮断回路８を駆動して制御系のループを遮断する（図５（ｂ５））。
【００１５】
なお、異常検出回路７ａおよび遮断回路８による異常時の制御系の遮断を行わない場合には、電磁石６には図５の（ｂ５）中の破線で示す電磁石電流が流れ、被支持体２０と補助ベアリング２１とが強く接触することになる。
また、図５（ｃ）に示すように、制御系内で断線が発生した場合には、変位出力Ｂ（図５（ｃ１））は無くなり、偏差信号（図５（ｃ２））は大きく目標値に急変する。通常、磁気軸受制御回路４のＰＩＤ制御は、変動を微分制御した後に積分制御を行って制御信号（図５（ｃ３））を出力する。異常検出回路７ａは、磁気軸受制御回路４の出力（図５（ｃ３））を監視し、図中の二点鎖線で示す所定値と比較し、所定値を超えたことよって制御系中に異常が発生したと判定し（図５（ｃ４））、遮断回路８を駆動して制御系のループを遮断する（図５（ｃ５））。
なお、異常検出回路７ａおよび遮断回路８による異常時の制御系の遮断を行わない場合には、電磁石６には図５（ｃ５）中の破線で示す電磁石電流が流れ、被支持体２０と補助ベアリング２１とが強く接触することになる。
【００１６】
次に、電磁石に異常が発生した場合について図６を用いて説明する。電磁石６ａあるいは電磁石６ｂに異常が発生し、被支持体２０が補助ベアリング２１の片側に接触した状態となり、変位センサ２は一定出力を維持することになる。図６（ａ）と図６（ｂ）は被支持体２０の偏りの方向が逆の場合を示しており、制御系は同様の動作を行うため、以下では図６（ａ）のみについて説明する。
変位センサ２の出力が一定出力（ａ１）を出し続けると、目標値を一定とすると偏差信号も一定出力（図６（ａ２））を出し続ける。磁気軸受制御回路４の制御信号（図６（ａ３））は積分制御によって徐々に増加する。異常検出回路７ａは、制御信号（図６（ａ３））が図中の二点鎖線で示す比較値を超え、超えた状態が所定時間Ｔ２以上となることを判定する。異常検出回路７ａは、異常が発生したと判定すると（図６（ａ４））、遮断回路８を駆動して制御系のループを遮断する（図６（ａ５））。なお、異常検出回路７ａおよび遮断回路８による異常時の制御系の遮断を行わない場合には、電磁石６には図６（ａ５）中の破線で示す電磁石電流が流れ、被支持体２０と補助ベアリング２１とが強く接触することになる。
従って、図１に示す実施の形態によれば、変位センサの異常や制御系中の突出ノイズや制御系中の断線や電磁石の異常等を検出することができる。
【００１７】
次に、図２により本発明の磁気軸受装置の他の実施形態を説明する。図２に示す磁気軸受装置は図１に示す磁気軸受装置とほぼ同様の構成であり、異常検出回路７ｂに接続の点で相違している。図２の構成では、異常検出回路７ｂはセンサ回路３の出力を入力する構成とし、センサ回路３の変位出力Ｂを監視することによって制御系の異常検出を行い、電磁石電流アンプ５ａ，５ｂへの制御信号を停止することによって電磁石６ａ，６ｂによる被支持体２０の磁気浮上を停止する。
図２の構成例の磁気軸受装置の動作について、図７を用いて説明する。図７（ａ）は磁気軸受装置の制御系が正常に動作しているときのセンサ出力（ａ１）、偏差信号（ａ２）、磁気軸受制御回路出力（ａ３）、異常検出回路の出力（ａ４）、および電磁石電流（ａ５）であり、同様に図７（ｂ）は制御系中の出力が突出した場合の異常動作の各部の出力を示し、図７（ｃ）は制御系中で断線した場合の異常動作の各部の出力を示している。
【００１８】
制御系が正常な場合の各出力（図７（ａ））は前記図５（ａ）とほぼ同様である。図２の構成例では、異常検出回路７ｂはセンサ回路３の出力（図７（ａ１））を所定の値と比較し、所定値を継続して所定時間Ｔ３以上超えている場合には制御系中に異常が発生したと判定し、遮断回路８を駆動して制御系のループを遮断する。
図７（ｂ）に示すように、制御系内で変位センサ等の出力が突出する異常動作が発生した場合には、変位出力Ｂ（図７（ｂ１））は大きく変動する。異常検出回路７ｂは、センサ回路３の出力（図７（ｂ１））を監視し、図中の二点鎖線で示す所定値と比較し、所定値を超えた状態が所定時間Ｔ３を超えている場合に制御系中に異常が発生したと判定し（図７（ｂ４））、遮断回路８を駆動して制御系のループを遮断する（図７（ｂ５））。なお、異常検出回路７ａおよび遮断回路８による異常時の制御系の遮断を行わない場合には、電磁石６には図７（ｂ５）中の破線で示す電磁石電流が流れ、被支持体２０と補助ベアリング２１とが強く接触することになる。
【００１９】
また、図７（ｃ）に示すように、制御系内で断線が発生した場合には、変位出力Ｂ（図７（ｃ１））は図中の二点鎖線で示す所定値を超えて減少し、制御系中に異常が発生したと判定し（図７（ｃ４））、遮断回路８を駆動して制御系のループを遮断する（図７（ｃ５））。なお、異常検出回路７ａおよび遮断回路８による異常時の制御系の遮断を行わない場合には、磁気軸受制御回路４の積分制御によって制御出力（図７（ｃ３））および電磁石電流（図７（ｃ５））は増加し、被支持体２０と補助ベアリング２１とが強く接触することになる。
従って、図２に示す実施の形態によれば、変位センサの異常や制御系中の突出ノイズや制御系中の断線の異常等を検出することができる。
【００２０】
次に、図３により本発明の磁気軸受装置の別の実施形態を説明する。図３に示す磁気軸受装置は図１，図２に示す磁気軸受装置とほぼ同様の構成であり、異常検出回路７ｃに接続の点で相違している。図３の構成では、異常検出回路７ｃは変位出力Ｂと目標値Ａとの偏差を求める加算器の出力を入力する構成とし、偏差（Ａ−Ｂ）を監視することによって制御系の異常検出を行い、電磁石電流アンプ５ａ，５ｂへの制御信号を停止することによって電磁石６ａ，６ｂによる被支持体２０の磁気浮上を停止する。図３に示す構成例の動作は、前記図２のセンサ回路３の出力を監視する構成例とほぼ同様であるため、詳細な説明は省略する。図３に示す構成例は、図３に示す構成例が検出する制御系の異常検出に加えて、加算器の異常についても検出することができる。
また、図４により本発明の磁気軸受装置のさらに別の実施形態は、図２および図３に示す磁気軸受装置を組み合わせた構成であり、異常検出回路７ｄに対してセンサ回路３の出力と加算器の出力とを入力する構成とし、これによって、センサ回路３の異常と加算器の異常とを区別して判定することができる。
【００２１】
本発明の実施の形態によれば、磁気軸受装置の制御系中に異常が発生した場合においても、過大な電磁石電流による電磁石の大きな吸引力の発生を防止することができるため、被支持体は電磁石で補助ベアリングに強く押しつけられることはなく、被支持体および補助ベアリングへの損傷を防止することができる。また、電磁石に過大な電流を流し続けることもないので、発熱等による電磁石の損傷を防止し、磁気軸受装置の安全性を向上させることができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、磁気軸受装置の制御系の異常による電磁石への過大電流の供給を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気軸受装置の一実施形態を説明する概略ブロック図である。
【図２】本発明の磁気軸受装置の他の実施形態を説明する概略ブロック図である。
【図３】本発明の磁気軸受装置の他の実施形態を説明する概略ブロック図である。
【図４】本発明の磁気軸受装置の他の実施形態を説明する概略ブロック図である。
【図５】本発明の磁気軸受装置の動作を説明するための図である。
【図６】本発明の磁気軸受装置の動作を説明するための図である。
【図７】本発明の磁気軸受装置の動作を説明するための図である。
【図８】従来の磁気軸受装置を説明するための概略ブロック図である。
【符号の説明】
１…磁気軸受装置、２…変位センサ、３…センサ回路、４…磁気軸受制御回路、５…電磁石電流アンプ、６…電磁石、７…異常検出回路、８…遮断回路、２０…被支持体、２１…補助ベアリング。
【図１】
0003717013.tif 000002
【図２】
0003717013.tif 000003
【図３】
0003717013.tif 000004
【図４】
0003717013.tif 000005
【図５】
0003717013.tif 000006
【図６】
0003717013.tif 000007
【図７】
0003717013.tif 000008
【図８】
0003717013.tif 000009