(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体を非接触で位置調整可能に支持する電磁極と、
回転体の変位を検出する変位検出手段と、
前記変位検出手段により検出された回転体の変位量を、前記回転体の重心を通る慣性主軸に対するラジアル方向の並進運動の変位成分と慣性主軸の回りの回転運動成分とに分離する座標分離回路と、
回転体の回転数を検出する回転数検出手段と、
検出された回転体の回転数に一致する周波数の正弦波の同期信号を発生させる同期信号発生手段と、
前記座標分離回路により分離された回転体のラジアル方向の並進運動の変位量の利得を、前記同期信号により決定される回転体の回転周波数付近において減衰させる帯域除去フイルタと、
前記帯域除去フイルタを通過した回転体のラジアル方向の並進運動の変位量に基づいて電磁極の励磁電流を制御する制御信号を出力する補償回路と
を備え、回転体をその慣性主軸の回りに回転するように非接触で支持する磁気軸受装置において、
前記回転数検出手段は回転体に設けられた回転体の回転数に対応するパルスを発生するパルス発生手段から発生するパルスを検出し、前記同期信号発生手段は検出された回転体の回転数を示す前記パルスを計数・演算処理して回転数に一致する周波数の疑似正弦波形の同期信号を発生させること
を特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】
前記パルス発生手段は、前記回転体の外周に円周方向に沿つて所定間隔を隔てて形成された溝或いは着磁パターンであり、その個数は６０の整数倍或いは３６の整数倍であることを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受装置。
【請求項３】
前記同期信号発生手段は、カウンタ、デコーダ、アップ・ダウン切換器、位相切換信号発生器及び位相切換器から構成される同期信号発生回路であることを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受装置。
【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もので、特に、遠心分離機などのように動的不釣り合いのある回転体を、その動的不釣り合いを補償して安定して回転自在に支持する磁気軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気軸受装置を持つ回転体においては、回転体Ｍの回転軸をＺ軸、回転軸に対して直交するＸＹ方向をそれぞれＸ軸、Ｙ軸とすると、回転体Ｍの周囲にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の変位を検出するセンサを設け、センサの検出信号に基づいてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向のそれぞれの基準位置からの変位が０になるようにＸ軸方向の磁気軸受コイル、Ｙ軸方向の磁気軸受コイル、Ｚ軸方向の磁気軸受コイルの励磁電流を制御し、回転体Ｍを非接触状態に支持して回転させている。
【０００３】
図８に示すように、幾何学的な形状で決定される中心軸Ｏを回転軸とする回転体Ｍにおいて、その回転軸Ｏに対して動的不釣り合いのある場合は、軸−軸受系で構成される振動系の固有振動数以上の回転数で回転させると、回転体Ｍは中心軸Ｏからεだけずれた慣性主軸Ｉの回りに振れながら回転しようとする。この結果、幾何学的な形状で決定される中心軸Ｏと慣性主軸Ｉとのずれεに基づく振動が周期的に軸受に伝達され、装置の振動となつて現れる。
【０００４】
磁気軸受装置では、この振れを押さえて回転体Ｍを幾何学的な形状で決定される回転軸Ｏの回りに回転させるため、回転体Ｍの振れの大きさをＸ軸方向センサ及びＹ軸方向センサで検出し、Ｘ軸方向の磁気軸受コイル及びＹ軸方向の磁気軸受コイルの励磁電流を制御している。
【０００５】
Ｘ軸方向及びＹ軸方向のセンサから出力される検出信号は、回転体Ｍの回転周波数に対応する周期で変動する信号であるから、回転体の支持状態のステイフネス（硬さ）を大きくして、回転体Ｍを幾何学的な形状で決定される回転軸Ｏの回りに回転させようとする場合は、センサから出力される検出信号に基づいて制御されるＸ軸方向の磁気軸受コイル及びＹ軸方向の磁気軸受コイルの励磁電流も、回転体Ｍの回転周波数に対応する周期で変動する。この結果、磁気軸受コイル及びステータは周期的振動を発生することになり、装置に好ましくない影響を及ぼす。
【０００６】
この好ましくない振動を防止する対策としては、制御回路のダンピング効果を高めて磁気軸受装置による回転体の支持状態のステイフネス（硬さ）を減少させる方法が知られている。ステイフネス（硬さ）の減少は回転体の慣性主軸の回りの回転を許容するから、結果として振動を防止することになる。しかし、この方法では回転体の位置を高精度で制御するには十分でない。
【０００７】
その原因は、回転体Ｍの回転の角速度と同じ周波数で交互に起こる誤差信号が、磁気軸受コイルの励磁電流を制御する制御回路に伝達されることにある。この対策としては、誤差信号を除く帯域除去フイルタをＸ軸方向及びＹ軸方向のセンサと制御回路との間に設けることが提案されている（特公昭６０−１４９２９号公報）。
【０００８】
帯域除去フイルタは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のセンサを通して入力される検出信号から、回転体の回転速度に等しい周波数を中心とする狭い周波数帯域の信号の利得を減衰させるものであるから、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のセンサからの検出信号を帯域除去フイルタに通すことにより、回転体の回転速度に等しい周波数付近ではＸ軸方向及びＹ軸方向のセンサを通して入力される周期的な誤差信号のレベルが低下し、磁気軸受コイルの励磁電流による軸受制御のステイフネス（硬さ）が低下して回転体Ｍは慣性主軸Ｉの回りに自由に回転することができ、振動を防止することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記した帯域除去フイルタは、回転体の回転速度に等しい周波数を中心とする狭い周波数帯域の信号の利得を減衰させるものであるから、フイルタを構成するには、基準信号として回転体の実際の回転速度に比例した信号が必要となる。
【００１０】
このため、従来提案されている方法では、回転体の回転速度を検出して得た周波数信号を電圧信号に変換し、回転速度に比例した信号を得ていた。
【００１１】
しかしながら、このようなアナログ信号処理によるときは、周波数信号を電圧信号に変換するコンバータの誤差により、正確に回転速度に比例した信号を得ることが難しく、この結果、回転体の実際の回転速度に等しい周波数付近でＸ軸方向及びＹ軸方向のセンサから入力される周期的な誤差信号のレベルを十分に低下させることができない。
【００１２】
また、正確に回転速度に比例した信号を得ようとすれば複雑な回路を使用することになり、制御回路が高価なものとなる等の不都合があつた。この発明は、上記課題を解決することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を解決するもので、請求項１の発明は、回転体を非接触で位置調整可能に支持する電磁極と、回転体の変位を検出する変位検出手段と、前記変位検出手段により検出された回転体の変位量を、前記回転体の重心を通る慣性主軸に対するラジアル方向の並進運動の変位成分と慣性主軸の回りの回転運動成分とに分離する座標分離回路と、回転体の回転数を検出する回転数検出手段と、検出された回転体の回転数に一致する周波数の正弦波の同期信号を発生させる同期信号発生手段と、前記座標分離回路により分離された回転体のラジアル方向の並進運動の変位量の利得を、前記同期信号により決定される回転体の回転周波数付近において減衰させる帯域除去フイルタと、前記帯域除去フイルタを通過した回転体のラジアル方向の並進運動の変位量に基づいて電磁極の励磁電流を制御する制御信号を出力する補償回路とを備え、回転体をその慣性主軸の回りに回転するように非接触で支持する磁気軸受装置において、前記回転数検出手段は回転体に設けられた回転体の回転数に対応するパルスを発生するパルス発生手段から発生するパルスを検出し、前記同期信号発生手段は検出された回転体の回転数を示す前記パルスを計数・演算処理して回転数に一致する周波数の疑似正弦波形の同期信号を発生させることを特徴とする。
【００１４】
そして、前記パルス発生手段は、前記回転体の外周に円周方向に沿つて所定間隔を隔てて形成された溝或いは着磁パターンであり、その個数は６０の整数倍或いは３６の整数倍とするとよい。
【００１５】
また、前記同期信号発生手段は、カウンタ、デコーダ、アップ・ダウン切換器、位相切換信号発生器及び位相切換器から構成される同期信号発生回路である。
【００１６】
【作用】
回転数検出手段は、回転体に設けたパルス発生手段により発生するパルスを検出する。同期信号発生手段は、検出された回転体の回転数を示すパルスの個数を計数・演算処理して、回転数に一致する周波数の疑似正弦波形の同期信号を発生させるから、正確に回転速度に比例した同期信号を得ることができ、回転体の実際の回転速度に等しい周波数付近でＸ軸方向及びＹ軸方向のセンサから入力される周期的な誤差信号のレベルを十分に低下させることができる。
【００１７】
【実施例】
以下、この発明の実施例について説明する。図１はこの発明の磁気軸受装置の実施例の構成の概略を示す正面図である。図１において、１はロータ、２は上側ラジアル磁気軸受、３は下側ラジアル磁気軸受、４は上側スラスト磁気軸受、５は下側スラスト磁気軸受、６はロータ駆動用高周波モータを示す。また、７は上側ラジアル変位センサ、８は下側ラジアル変位センサ、９はアキシアル変位センサ、１０は回転数検出器を示す。
【００１８】
上側ラジアル磁気軸受２及び下側ラジアル磁気軸受３は、図２に示すように、それぞれ直交座標軸Ｘ１  −Ｘ２  、Ｙ１  −Ｙ２  に対して対称に配置された固定アーマチユアの各磁極に設けられたコイル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、及びコイル３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを有する電磁石から構成され、後述するようにコイル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、及びコイル３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに流れる励磁電流を制御して、ロータ１のラジアル方向の位置が制御される。
【００１９】
上側スラスト磁気軸受４及び下側スラスト磁気軸受５は、ＸＹ座標軸に直交するＺ軸方向に配置されたコイル４ａ、５ａを有する電磁石から構成され、後述するようにコイル４ａ、５ａに流れる励磁電流を制御して、ロータ１のアキシアル方向の位置が制御される。
【００２０】
また、上側ラジアル変位センサ７及び下側ラジアル変位センサ８は、図３に示すように、それぞれ直交座標軸Ｘ１  −Ｘ２  、Ｙ１  −Ｙ２  に対して対称に配置されたラジアルセンサ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、及び８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄから構成され、ラジアルセンサ７ａ、７ｃはロータ１の上部におけるＸ１  −Ｘ２  軸方向の変位を検出し、ラジアルセンサ７ｂ、７ｄはロータ１の上部におけるＹ１  −Ｙ２  軸方向の変位を検出する。同様にラジアルセンサ８ａ、８ｃはロータ１の下部におけるＸ１  −Ｘ２  軸方向の変位を検出し、ラジアルセンサ８ｂ、８ｄはロータ１の下部におけるＹ１  −Ｙ２  軸方向の変位を検出する。
【００２１】
アキシアル変位センサ９はＸＹ座標軸に対して直交する座標軸Ｚ１  −Ｚ２  方向のアキシアルセンサ９ａ、９ｂから構成され、ロータ１のＺ軸方向の変位を検出する。
【００２２】
ロータ１は公知の駆動用高周波モータ６により回転駆動される。ロータ１の回転数を検出するため、ロータ１のスラストカラー部１Ｓには、図４に示すように円周方向に複数個の溝１Ｓａが等間隔に形成され、パルス発生器１Ｐを形成している。
【００２３】
パルス発生器１Ｐの溝１Ｓａは回転数検出器１０で検出されてパルス信号が出力される。例えば、溝１Ｓａを６０個設けた場合はロータ１の回転角度６°毎に１個のパルスが発生するから、そのパルス数をカウントすることで回転数を検出することができる。回転数検出器１０には公知の各種の検出器、例えば磁気式検出器、光電式検出器などが利用できる。
【００２４】
図５は磁気軸受装置の制御回路ブロツク図を示す。制御回路は、同期信号発生回路２０、座標分離回路１７、帯域除去フイルタ１６、補償回路１８、及び電力増幅器１９から構成される。
【００２５】
同期信号発生回路２０は、ロータ１の回転数に完全に同期した周波数の疑似正弦波を発生する回路であつて、カウンタ１１、デコーダ１２、アツプ・ダウン切換器１３、位相切換信号発生器１４、位相切換器１５から構成される。図５に示す回路図、及び発生する疑似正弦波の波形を示す図６を参照しつつ、その動作を説明する。なお、以下の説明では、パルス発生器１Ｐからはロータ１の回転角度６°毎に１個のパルスが発生するものとする。
【００２６】
回転数検出器１０で検出されたパルスはカウンタ１１に入力されて計数（アツプカウント）され、デコーダ１２でデコードされて、回転角度６°毎に回転角に対応した正弦値が出力され、ロータの回転角度で９０°までの波形が形成される。デコーダ１２の出力がロータの回転角度で９０°に達するとアツプ・ダウン切換器１３に信号が出力され、カウンタ１１の計数動作をダウンカウントに切換える。以降、回転角度で９０°毎にアツプ・ダウン切換器１３はカウンタ１１の計数動作をアツプカウント／ダウンカウントに切換える。
【００２７】
さらに、アツプ・ダウン切換器１３は、ロータの回転角度で１８０°に達すると、即ち回転角度で９０°毎の計数動作が２回繰り返される毎に位相切換信号発生器１４に信号を出力する。これを受けて位相切換信号発生器１４は位相切換器１５に位相反転信号を出力する。これにより、デコーダ１２から出力されるロータの回転角度６°毎に出力される回転角に対応した正弦値は１８０°反転して出力され、ロータの回転角度で０°〜３６０°に対応した図６に示す疑似正弦波ｓを発生させることができる。
【００２８】
疑似正弦波信号ｓはロータ１のスラストカラー部１Ｓに形成した溝１Ｓａを検知して発生するパルス信号に基づいて発生させるので、ロータの回転数に完全に同期した周波数の信号である。
【００２９】
座標分離回路１７は、ラジアルセンサ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ及び８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの出力を入力とし、ロータの重心に対するＸ軸方向の変位成分ｘ、Ｙ軸方向の変位成分ｙ、Ｘ軸回りの回転運動成分θ、Ｙ軸回りの回転運動成分φ、アキシアルセンサ９ａ、９ｂの出力からアキシアル方向（Ｚ軸方向）の変位成分ｚを分離出力する回路である。
【００３０】
帯域除去フイルタ１６は、座標分離回路１７の出力ｘ、ｙ、及び同期信号発生回路２０の出力（疑似正弦波信号）ｓを入力とし、座標分離回路１７の出力であるロータの変位成分ｘ、ｙのうち、疑似正弦波信号ｓの周波数（ロータ１の回転速度）を中心とする狭い周波数帯域における利得を低下させるもので、ロータの変位成分ｘ、ｙに含まれる誤差信号を除去し、ロータ１の回転速度付近においてのみ磁気軸受装置によるロータの支持状態のステイフネス（硬さ）を減少させる。これにより、ロータは慣性主軸の回りの回転が許容され、振動を減少させることができる。
【００３１】
帯域除去フイルタ１６は、例えば、特公昭６０−１４９２９号公報に記載されているような、２つの入力部を持つ２個の加算器と、２個のリゾルバ、及び２個の積分器から構成される公知の回路を使用することができる。
【００３２】
補償回路１８は、帯域除去フイルタ１６を通過して誤差信号成分が除かれたＸ軸方向及びＹ軸方向の変位成分ｘｓ、ｙｓと、アキシアルセンサ９ａ、９ｂの出力からアキシアル方向（Ｚ軸方向）の変位成分ｚに基づいて、ラジアル方向磁気軸受２、３及びスラスト方向磁気軸受４、５のコイルに流れる励磁電流を制御する制御信号を出力するものである。
【００３３】
電力増幅器１９は、ラジアル方向磁気軸受２、３及びスラスト方向磁気軸受４、５のコイルに流れる電力を供給するもので、補償回路１８から出力される制御信号に基づいて供給電力の制御が行なわれる。
【００３４】
前記実施例では、図４に示すように、パルス発生器１Ｐはロータ１のスラストカラー部１Ｓの円筒状の周面に溝１Ｓａを等間隔に形成して構成しているが、これに代えて、図７に示すように、ロータ１のスラストカラー部１Ｓのスラスト面に放射状に溝１Ｓｂを形成して構成してもよい。また、溝に代えて着磁パターンを形成し、磁気センサで読み取るように構成してもよい。
【００３５】
スラストカラー部１Ｓにパルス発生器１Ｐを形成したのは、スラストカラー部の外径を大きくし、発生するパルス数を多くするためである。発生するパルス数を多くすることで機械加工の精度を高め、疑似正弦波信号の精度を高めることができる。また、パルス発生器１Ｐは特にスラストカラー部に限定するものではなく、その他の回転体部分に形成することもできる。
【００３６】
また、前記実施例ではパルス発生器１Ｐの溝１Ｓａを６０個設け、ロータ１の回転角度６°毎に１個のパルスが発生するように構成しているが、溝１Ｓａを３６個設け、ロータ１の回転角度１０°毎に１個のパルスが発生するように構成してもよい。カウンタ１１として４ビツトのバイナリカウンタを使用する場合は、パルス発生器１Ｐに回転角度６°毎に１個のパルスが発生する構成とすれば１５個のパルスを計数したとき回転角度が９０°となり好都合である。また、カウンタ１１としてＢＣＤカウンタを使用する場合は、回転角度１０°毎に１個のパルスが発生するように構成すれば９個のパルスを計数したとき回転角度が９０°となり好都合である。
【００３７】
いずれにしても、パルス発生器１Ｐの溝の数或いは着磁パターンの数は、使用するカウンタにバイナリカウンタを使用するかＢＣＤカウンタを使用するかにより決定される事項で、６０個のｎ倍又は３６個のｎ倍とすると好都合である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したとおり、この発明によれば、回転体にその回転数を示すパルスを発生するパルス発生手段を設け、検出して得たパルス信号を計数・演算処理して発生させた精度の高い疑似正弦波信号を帯域除去フイルタに入力するから、帯域除去フイルタは、回転体の回転速度に等しい周波数付近でＸ軸方向及びＹ軸方向のセンサを通して入力される周期的な誤差信号を効果的に除去し、磁気軸受コイルの励磁電流による軸受制御のステイフネス（硬さ）を低下させて回転体を慣性主軸の回りに自由に回転させることができ、磁気軸受装置の動的不釣り合いに基づいて発生する振動を、簡単な構成により補償することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の磁気軸受装置の構成の概略を示す正面図。
【図２】磁気軸受装置のＸＹ軸方向の電磁石の配置を説明する平面図。
【図３】磁気軸受装置のＸＹ軸方向のセンサ配置を説明する平面図。
【図４】ロ−タに設けたパルス発生器の構成を示す斜視図。
【図５】磁気軸受装置の制御回路のブロツク図。
【図６】疑似正弦波の波形を説明する波形図。
【図７】ロ−タに設けたパルス発生器の構成の他の例を示す斜視図。
【図８】回転体の回転軸と慣性主軸を説明する図。
【符号の説明】
１  ロ−タ
２  上側ラジアル磁気軸受
３  下側ラジアル磁気軸受
４  上側スラスト磁気軸受
５  下側スラスト磁気軸受
６  ロ−タ駆動用高周波モ−タ
７  上側ラジアル変位センサ
８  下側ラジアル変位センサ
９  アキシアル変位センサ
１０  回転数検出器
１１  カウンタ
１２  デコ−ダ
１３  アツプ・ダウン切換器
１４  位相切換信号発生器
１５  位相切換器
１６  帯域除去フイルタ
１７  座標分離回路
１８  補償回路
１９  電力増幅器
２０  同期信号発生回路
【図１】
0003550736.tif 000002
【図２】
0003550736.tif 000003
【図３】
0003550736.tif 000004
【図４】
0003550736.tif 000005
【図５】
0003550736.tif 000006
【図６】
0003550736.tif 000007
【図７】
0003550736.tif 000008
【図８】
0003550736.tif 000009