(57)【要約】【課題】  磁気浮上装置において、磁石ユニットと浮上体間の空隙長を大きく設定でき、電力消費量を低減するとともに、様々な方向の外乱に対して浮上体の位置変動の抑制が図れる磁気浮上装置を提供することにある。【解決手段】  電磁石と永久磁石で構成される磁石ユニット２２を対向配置するように磁石取付け部２８に取付け、当該磁石取付け部２８をサスペンション３０を介して一軸に対して可動とするとともに、制御装置４６により磁石ユニット２２から鉄製円環４８にゼロパワー制御に基づく電磁力を作用させて、この電磁力で浮上体１１を磁気浮上させることにより、外力に対する浮上体１１の位置変動と非接触支持に必要な電力消費量の増加を抑制できる。【選択図】  図３
2011158021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性体を備えた浮上体と、
前記浮上体の外周側に空隙を介するとともに対向して設置される電磁石を備えた複数の磁石ユニットと、
前記浮上体の外周側に配置した複数の前記磁石ユニットを固定する磁石取付け部と、
前記浮上体と前記磁石取付け部の外周側に設置されるフレーム状の基台と、
前記基台と前記磁石取付け部間において、前記基台と前記磁石ユニット間の距離の調整機能を有する磁石支持手段と、
前記磁石ユニットに接続され、前記電磁石に流れる電流を制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記電磁石に流れる励磁電流を、ゼロに収束させることにより、
前記浮上体と前記磁石ユニットの非接触支持状態を維持するとともに、前記基台と前記浮上体の距離を所定の値に収束させる
ことを特徴とする磁気浮上装置。
【請求項２】
前記磁石ユニットは、永久磁石と電磁石で構成され、前記永久磁石は磁石取付け部の浮上体配置側の面に取り付けられ、前記永久磁石の浮上体配置側の面に２つの前記電磁石が並列して取り付けられ、制御部が前記電磁石の電流を制御することで磁気回路を形成することを特徴とする請求項１記載の磁気浮上装置。
【請求項３】
前記浮上体に回転力を付与する駆動手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至２記載の磁気浮上装置。
【請求項４】
前記駆動手段は、前記浮上体に回転電動機のロータを備えるとともに、前記ロータの外周部に前記回転電動機のステータを備えていることを特徴とする請求項１乃至３に記載の磁気浮上装置。
【請求項５】
前記駆動手段により回転力を付与された前記浮上体の回転軸に対し、略直交する方向に電磁力を作用させる前記磁石ユニットを、前記浮上体の外周部に備えていることを特徴とする請求項１乃至４に記載の磁気浮上装置。
【請求項６】
前記駆動手段により回転力を付与された前記浮上体の回転軸に対し、略平行に電磁力を作用させる前記磁石ユニットを備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の磁気浮上装置。
【請求項７】
前記駆動手段により、回転力を付与された前記浮上体の回転軸に対し、略直交する方向に電磁力を作用させる前記磁石ユニットと、前記浮上体の回転軸に対して略平行に電磁力を作用させる前記磁石ユニットを備えていることを特徴とする請求項１乃至４記載の磁気浮上装置。
【請求項８】
前記駆動手段は、
浮上体に電磁力を作用させる磁石ユニットと、
前記磁石ユニットが前記浮上体に作用する電磁力に略直交する方向の推力を前記浮上体に付与するリニアモータと、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載の磁気浮上装置。
【請求項９】
前記制御手段は、前記電磁石の励磁電流を検出する電流センサと、基台と磁石ユニット間の距離を検出する位置センサと、を備えていることを特徴とする請求項１乃至８記載の磁気浮上装置。
【請求項１０】
前記浮上体と前記磁石ユニット間に、前記浮上体と前記磁石ユニット間を隔てる隔離手段を有することを特徴とする請求項１乃至９に記載の磁気浮上装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁石の磁気力で浮上体を非接触で支持する装置に関し、なかでも電磁石励磁電流を低減するとともに、浮上体の位置変動を抑制する磁気浮上装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転体を非接触支持する手段として磁気軸受が広く使用されている。通常、磁気軸受は、回転するロータの回転軸に直交する動きを非接触支持するラジアル軸受と回転軸に平行な動きを非接触支持するスラスト軸受で構成される。すべての運動の自由度で浮上体としてのロータの運動を安定化するため、いずれかの軸受に励磁電流により電磁石の吸引力を制御する常電導吸引式磁気浮上方式が適用されるのが一般的である。
【０００３】
外乱により生じるロータの位置偏差を電磁石の吸引力で抑制する場合、できるだけ小さな電磁石で十分な吸引力を得るためにロータと電磁石間の空隙長が極めて小さく設定される。電磁石とロータ間の空隙を渦電流式等の非接触ギャップセンサで検出し、検出された空隙長にもとづいて電磁石の吸引力を制御することで外乱に対するロータの変位を極めて小さくすることができる。
【０００４】
このようにして磁気軸受ではロータが非接触支持されるが、特殊な環境、たとえば、真空中でロータを回転させる場合には、磁気軸受全体を真空中に置くと、放熱効果が期待できず、外乱が大きい場合には電磁石が加熱することになる。また、キャンドポンプのように液中でインペラとしてロータを回転させる場合には、磁気軸受全体を液中に置くと、インペラの回転によって生じた液体の流れを電磁石が乱すため、ポンプの効率が著しく低下する。
【０００５】
このような場合では、浮上体であるロータを真空容器内やパイプ内に配置し、これら電磁石と浮上体を隔離する隔離手段の外側に電磁石を配置してロータを非接触支持することが考えられる。しかし、電磁石を容器やパイプの外に配置すると、ロータと電磁石間の空隙長が広くなり、ロータを支持するのに十分な電磁力を得るには電磁石の大型化が避けられないという問題があった。さらに、電磁石励磁電流を増大させて大きな電磁力を得ることも可能であるが、この場合には電磁石コイルの抵抗損が大きくなり、磁気軸受の電力消費が増大するとともに発熱量も増加するという問題がある。
【０００６】
少ない電力消費で吸引式磁気浮上を行なう場合、永久磁石と電磁石で磁石ユニットを構成し、永久磁石に起因する主磁束と電磁石に起因する主磁束の磁気回路が浮上体と磁石ユニット間の空隙で共通の磁路を形成するように磁石ユニットと浮上体を配置して、浮上状態の安定性を維持しながら電磁石励磁電流をゼロに収束させるいわゆるゼロパワー制御を適用すればよい。例えば、特許文献１参照）。この構成によれば、浮上体と磁石ユニット間の空隙長が大きい場合でもわずかな電磁石励磁電流で大きな電磁力を制御することができ、たとえばエレベータの乗りかごを非接触で案内することが可能となる（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
このように、電磁石と永久磁石で構成された磁石ユニットと浮上体で磁気軸受を構成してゼロパワー制御を適用すると、大きな空隙でロータを非接触支持することができる。このため、非磁性体で作られた容器内やパイプ内に置かれたロータをこれら隔離手段の外側にある磁石ユニットで非接触支持することも可能となる。
【０００８】
しかし、こうした場合でも、ロータに定常外乱としての外力が作用する場合では、容器やパイプとロータ間の空隙を一定に保つことが困難になる。セロパワー制御でも、ロータに定常的な外力が作用すると磁石ユニットはその大きさに釣合うような電磁力を発生する。しかし、電磁石励磁電流が常にゼロに収束するように磁気浮上制御が行なわれるため、電磁石励磁電流がゼロに収束する結果としてギャップ長が変動して所定値に収束することになる。つまり、外力が大きくなればロータの変位量が増大する。このため、外力が大きい場合には、ロータが容器やパイプに接触することになる。
【０００９】
ゼロパワー制御適用時の浮上体の位置変動を抑制するには、磁石ユニットの位置調整機能を有する磁石支持手段と浮上体の絶対位置検出手段により、浮上体の絶対を検出してその変動を打ち消すように磁石ユニットを動かせばよい（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭６１−１０２１０５号公報
【特許文献２】特願平１１−１９２２２４号公報
【特許文献３】特願平６−２２３７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来の磁気浮上装置のように、浮上体の高さを一定に保ちながら鋼板を非接触で搬送する装置が開示されているが、小型のキャンドポンプや軸流ポンプに磁気軸受を用いる場合、これらのポンプは様々な箇所に取付けられるため、ロータに作用する自重の方向は様々に変化する。このように、様々な方向からロータに外乱が作用する磁気軸受にあっては、浮上体の高さを一定に保つような装置では、軸受の取付け姿勢の変化に対してロータと容器内壁もしくはパイプ内壁間の空隙長を一定に維持することができないという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、様々な方向の外乱に対して浮上体の位置変動の抑制が図れる磁気浮上装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記を解決するために、本発明による磁気浮上装置は、強磁性体を備えた浮上体と、前記浮上体の外周側に空隙を介するとともに対向して設置される電磁石を備えた複数の磁石ユニットと、前記浮上体の外周側に配置した複数の前記磁石ユニットを固定する磁石取付け部と、前記浮上体と前記磁石取付け部の外周側に設置されるフレーム状の基台と、前記基台と前記磁石取付け部間において、前記基台と前記磁石ユニット間の距離の調整機能を有する磁石支持手段と、前記磁石ユニットに接続され、前記電磁石に流れる電流を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記電磁石に流れる励磁電流を、ゼロに収束させることにより、前記浮上体と前記磁石ユニットの非接触支持状態を維持するとともに、前記基台と前記浮上体の距離を所定の値に収束させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の磁気浮上装置によれば、浮上体の磁気浮上にゼロパワー制御を適用しても、様々な方向の外乱に対して浮上体の絶対位置を所定値に維持することができるので、容器やパイプ等の内側に浮上体を配置してもこれらの内壁に浮上体が接触することがない。このため、装置が破損しにくく、装置の信頼性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態の磁気浮上装置の概略図。
【図２】本発明の第１の実施形態の引力とギャップ長の関係を示すパターン図。
【図３】本発明の第１の実施形態の磁気浮上装置の一部を切り欠いた斜視図。
【図４】本発明の第１の実施形態の縦方向支持装置の斜視図。
【図５】本発明の第１の実施形態の横方向支持装置の斜視図。
【図６】本発明の第１の実施形態の浮上体の一部を切り欠いた斜視図。
【図７】本発明の第１の実施形態の誘導電動機の一部を切り欠いた斜視図。
【図８】本発明の第１の実施形態の制御ブロック図。
【図９】本発明の第１の実施形態のモード制御電圧演算器のブロック図。
【図１０】本発明の第２の実施の形態の磁気浮上装置の一部を切り欠いた斜視図。
【図１１】本発明の第２の実施形態のリニア同期モータの一部を切り欠いた斜視図。
【図１２】本発明の第２の実施形態のリニア同期モータの一部を切り欠いた断面図。
【図１３】本発明の第３の実施形態の磁気浮上装置の平面図。
【図１４】図１３のＸ−Ｘ’線に沿った磁気浮上装置の断面図。
【図１５】図１３のＹ−Ｙ’線に沿った磁気浮上装置の断面図。
【図１６】本発明の第３の実施形態の推力制御のブロック図。
【図１７】本発明の第３の実施形態の推力演算器のブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、ゼロパワー制御で非接触支持される浮上体の絶対位置を所定値に維持できる本発明の原理について説明する。
【００１７】
図１に示すように永久磁石１と電磁石２で構成される磁石ユニット３、４を同極同士が対向するように磁石取付け部５に取付け、浮上体６を磁石ユニット３、４間に配置する。ここで、浮上体６はたとえば鉄の円環である。浮上体６には、各磁石ユニットの発生する磁束φにより吸引力が作用する。電磁石励磁電流がゼロの場合、浮上体６に作用するこれらの吸引力の和は、下側の磁石ユニット３と浮上体６間の空隙長を横軸、上方向（ｚ方向）の吸引力を縦軸正方向として図２に実線で示されている。また、磁石ユニット３、４の個々の吸引力が点線で示されている。このように２つの磁石ユニット３、４で浮上体を引き付け合うと、図２から明らかなように、空隙長にほぼ比例する大きさの電磁力が浮上体に作用する。一般に、吸引式磁気浮上装置で浮上体を安定に浮上させる制御装置は線形制御理論を適用して設計されるため、空隙長と吸引力の関係に図２の実線のような線形性が表われていると安定した浮上状態が維持できる空隙長の範囲を大きくすることができる。
【００１８】
磁石取付け部５は、磁石ユニット３、４を搭載したまま、ばね７、ダンパ８を介して上下に可動な状態で基台９に取付けられているとする。
【００１９】
また、磁石ユニット３、４の各電磁石２は、磁石ユニット３の吸引力が増大する励磁電流で磁石ユニット４の吸引力が減少するように直列に接続されており、この場合の励磁電流をiｚとする。
【００２０】
基台９から磁石取付け部５までの距離をｚL、磁石ユニット３から浮上体６までの距離をｚとして、浮上体６がゼロパワー制御で安定に浮上している場合を考える。ｚがｚ０、ｚLがｚL０、iｚがゼロの図１の状態で、この浮上体６に外力uｚが加わった時の浮上体６および磁石取付け部５の運動方程式はばね７のばね定数をk、ダンパ８の速度抵抗をγとして次のように線形化できる。
【００２１】
（数１）
ここで、Fｚは定常状態において浮上体が磁石ユニット３、４から受ける電磁力の総和、Δは微小変動分、uLは磁石取付け部５に加わる外力、mは浮上体６の質量、Mは磁石取付け部５およびこれに取付けられた部品の総質量、  はFｚの定常浮上状態におけるｚに関する偏微分値でいわゆる磁気ばね定数、 はFｚの定常浮上状態におけるiｚに関する偏微分値、記号・は１階の時間微分演算子である。
【００２２】
uLをゼロとし、外乱uｚが印加された場合、浮上体６の定常浮上状態における位置変動はΔｚ＋ΔｚLである。浮上体６の磁気浮上にゼロパワー制御が適用されているので、定常浮上状態でΔiｚはゼロとなる。（数１）より時間に関する微分項をゼロとして、
、
であるから、Δｚ＋ΔｚLは、
（数２）
と計算できる。
【００２３】
（数２）はばね７のばね定数kを磁気ばね定数に一致させると、定常的な外乱に対して浮上体６の絶対位置が変動しないことを示している。
【００２４】
このように、空隙長を大きく設定した磁気浮上装置にゼロパワー制御を適用しても、基台と磁石ユニット間の距離を調節できる磁石支持手段により電力消費の低減と浮上体の位置変動の抑制が可能となる。
【００２５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２６】
（第一の実施の形態）（請求項１乃至４、８乃至１０、１２対応）
図３乃至図７には第１の実施の形態における磁気浮上装置が全体として１０で示されている。磁気浮上装置１０は、浮上体１１をｚ方向（上下方向）に支持する２つの縦方向支持装置１２と浮上体１１をｙ方向（左右方向）に支持する２の横方向支持装置１３で構成されている。
【００２７】
図３に示すように、浮上体１１は、少なくとも当該装置１０で非接触支持される範囲が、たとえば高分子材料のような非磁性・非導電性の部材で構成されたパイプ１４の内側に配置されている。また、パイプ１４は図示していない所定の支持方法で当該磁気浮上装置と同じ床面に取付けられている。
【００２８】
図４に示すように、縦方向支持装置１２は、図示していない床面に所定の方法で固定された基台１６、永久磁石１８と電磁石２０で構成される磁石ユニット２２を上部梁２４の下面中央部に備えるとともに他の磁石ユニット２２を下部梁２６の上面中央部に備える磁石取付け部２８、磁石取付け部２８を上下方向に可動に支持する磁石支持手段としてのサスペンション３０で構成されている。
【００２９】
基台１６は、アッパービーム３２、ロアービーム３４、左右の固定板３６および当該基台を床面に固定するための脚部３８を備えている。前記アッパービーム３２の両端および前記ロアービーム３４の両端にはリニアブッシュ４０が計４個備えられている。
【００３０】
磁石取付け部２８は、前記上部梁２４と前記下部梁２６の両端に取付けられた固定スリーブ４２を貫通するロッド４４を備えており、各固定スリーブ４２と左右のロッド４４は溶接や接着等の所定の方法で固定されている。なお、前記上部梁２４と前記下部梁２６の中央部に位置する前記磁石ユニット２２が図示していない所定の方法でそれぞれ固定されていることは言うまでもない。また、前述のように直列接続されている各電磁石２０の励磁電流を制御して前記浮上体１１をゼロパワー制御で非接触支持するため、各電磁石２０のコイル端は制御装置４６につながれている。
【００３１】
サスペンション３０は、リニアブッシュ４０、リニアブッシュ４０４４を貫通するロッド４４及び、ロッド４４が貫通しリニアブッシュ４０および固定スリーブ４２に突き当てるように配置される弾性要素としてのばね４７で構成されており、磁石を支持する手段を備えている。
【００３２】
図５に示すように、横方向支持装置１３は、前記縦方向支持装置１２の基台１６を横置きとし、前記ロアービーム３４に取付けられていた前記脚部３８に替えて、固定板３６に横方向支持装置１３としての脚部３８’を取り付けて構成されている。したがって、同一箇所には同一記号を付し、説明は省略する。
【００３３】
図６に示すように、浮上体１１は、縦方向支持装置１２および横方向支持装置１３のそれぞれの磁石ユニット２２に略対向する強磁性の鉄製円環４８、内部にインペラファン５０を備えた非磁性導電性のアルミ円環５２、鉄製円環４８およびアルミ円環５２を接続する非磁性非導電性のプラスティック円環５４を備えている。そして、図７に示すように前記パイプ１４の外周には、アルミ円環５２の側面に対向する位置で三相界磁巻線が施された固定子５６が図示しない所定の方法で固定されている。この場合、アルミ円環５２と固定子５６で誘導電動機５８が構成されることは言うまでもない。
【００３４】
制御手段としての制御装置４６は、図８に示すように、センサ部６０とモード座標変換部６２とモード制御電圧演算部６４とモード制御電圧座標逆変換器６６、図示していない外部の電源に接続され当該モード制御電圧座標逆変換器６６が出力する電磁石励磁電圧信号に基づいて各支持装置１２、１３の電磁石２０を励磁するパワーアンプ６８ａ〜６８ｄを備えている。
【００３５】
センサ部６０は、前記下部梁２６の磁石ユニット２２と浮上体１１の鉄製円環４８間の距離を検出するための渦電流式ギャップセンサ７０ａ〜７０ｄ、前記アッパービーム３２と前記上部梁２４間の距離を検出するための光学式ギャップセンサ７２ａ〜７２ｄおよび前記電磁石２０ａ〜５０ｄに流れる励磁電流を検出するための電流センサ７４ａ〜７４ｄを備えている。なお、以下では、同一アルファベットは、縦方向支持装置１２もしくは横方向支持装置１３において同一支持装置に備えられていることを示している。
【００３６】
モード座標変換部６２は、浮上体１１と磁石ユニット２２間の所定の距離を設定する浮上体ギャップ長設定器７６ａ〜７６ｄ、アッパービーム３２と上部梁２４間の所定の距離を設定する磁石取付け部ギャップ長設定器７８ａ〜７８ｄ、前記電磁石２０の所定の励磁電流値を設定する電流設定器８０ａ〜８０ｄ、ギャップセンサ７０ａ〜７０ｄの検出信号ｚａ、ｚｂ、ｚｃ、ｚｄから前記浮上体ギャップ長設定器７６ａ〜７６ｄの設定値を減算する減算器８２ａ〜８２ｄ、ギャップセンサ７２ａ〜７２ｄの検出信号ｚＬａ、ｚＬｂ、ｚＬｃ、ｚＬｄから前記磁石取付け部ギャップ長設定器７８ａ〜７８ｄの設定値を減算する減算器８４ａ〜８４ｄ、電流センサ７４ａ〜７４ｄの検出信号ｉａ、ｉｂ、ｉｃ、ｉｄから前記電流設定器８０ａ〜８０ｄの設定値を減算する減算器８６ａ〜８６ｄ、減算器８２ａ〜８２ｄの出力から浮上体１１と磁石取付け部の相対位置変化を４つの運動の自由度に関する浮上体ギャップ長偏差Δｚ、Δｙ、Δξ、Δψに変換する浮上体ギャップ長偏差座標変換器８８、減算器８４ａ〜８４ｄの出力から磁石取付け部２８と基台１６の相対位置変化を４つの運動の自由度に関する磁石取付け部ギャップ長偏差ΔｚＬ、ΔｙＬ、ΔξＬ、ΔψＬに変換する磁石取付け部ギャップ長偏差座標変換器９０、減算器８６ａ〜８６ｄの出力から電磁石励磁電流偏差を４つの運動の自由度に関する励磁電流Δｉｚ、Δｉｙ、Δｉξ、Δｉψに変換する電流偏差座標変換器９２を備えている。
【００３７】
モード制御電圧演算部６４は、前記浮上体ギャップ長偏差座標変換器８８、前記磁石取付け部ギャップ長偏差座標変換器９０、前記電流偏差座標変換器９２の出力に基づいて各運動モードごとの電磁石励磁電圧ｅｚ、ｅｙ、ｅξ、ｅψを演算するｚモード制御電圧演算器９４、ｙモード制御電圧演算器９６、ξモード制御電圧演算器９８、ψモード制御電圧演算器１００を備えている。そして、モード制御電圧座標逆変換器６６は、前記モード制御電圧演算部６４の出力から各支持装置１２、１３の個々の電磁石に供給すべき励磁電圧ｅａ、ｅｂ、ｅｃ、ｅｄを演算する。
【００３８】
ここで、４つの運動の自由度とは浮上体１１および磁石取付け部２８のｚ軸に平行な運動（ｚモード）、ｙ軸に平行な運動（ｙモード）、ｙ軸周りの回転運動（ξ?モード）およびｚ軸周りの回転運動（ψ?モード）であることは言うまでもない。このような運動モードごとの座標変換をともなう磁気浮上制御については特願平４−３５１１６７号や特願平６−２２３７８８号に詳細が述べられているので、各座標変換器８８、９０、９２および座標逆変換器６６については簡単のため詳説は省略する。
【００３９】
モード制御電圧演算部６４はｚモード制御電圧演算器９４、ｙモード制御電圧演算器９６、ξモード制御電圧演算器９８、ψモード制御電圧演算器１００を備えているが、これらは同一の構造を有するので、ｚモード制御電圧演算器９６を例にその構成を説明する。
【００４０】
ｚモード制御電圧演算器９４は図９のように構成されている。すなわち、ΔｚからΔｚの時間変化率Δ?ｚを演算する微分器１０２と、ΔｚＬからΔｚＬの時間変化率Δ?ｚＬを演算する微分器１０４と、Δｚ、Δ?ｚ、ΔｚＬ、Δ?ｚＬ、Δｉｚに適当なフィ−ドバックゲインを乗じるゲイン補償器１０６と、電流偏差目標値発生器１０８と、Δｉｚを電流偏差目標値発生器１０８の目標値より減じる減算器１１０と、減算器１１０の出力値を積分し適当なフィ−ドバックゲインを乗じる積分補償器１１２と、ゲイン補償器１０６の出力値の総和を演算する加算器１１４と、加算器１１４の出力値を積分補償器１１０の出力値より減じてｚモ−ドの電磁石励磁電圧ｅｚを出力する減算器１１６とで構成されている。
【００４１】
なお、制御装置４６は各支持装置１２、１３に分割して取り付けられているが、全体としては上述のように構成されていることは言うまでもない。また、図８において、電力線は棒線、信号経路は矢印線で示されている。
【００４２】
次に、以上のように構成された本実施の形態に係るモータ駆動装置の動作について説明する。
【００４３】
装置が待機状態すなわちパワーアンプ６８が図示していない外部電源に接続され、制御装置４６が動作していない状態ではモード制御電圧座標逆変換器６６がゼロを出力しており、電磁石２０が励磁されることはない。この場合、永久磁石１８により磁石ユニット２２が浮上体１１を吸引するため、浮上体１１はパイプ１４の内壁に接触した状態となる。浮上体１１は回転軸方向においても鉄環４８に常に磁石ユニット２２に対向しようとする吸引力が作用するため、パイプ１４内部に流体が存在しても流されることはない。
【００４４】
モード制御電圧演算部６４の各モードの電流偏差目標値発生器１０８にゼロが設定されて制御装置４６が動作を開始すると、浮上体１１の４つの運動モードごとにゼロパワー制御が行なわれるため、浮上体１１はパイプ内壁から離脱して非接触状態で支持される。
【００４５】
浮上体１１が非接触支持された後、誘導電動機５８に三相交流が通電されると浮上体１１のアルミ円環にはトルクが発生し、浮上体１１のインペラ５０が回転を開始する。これにより、パイプ内部の流体を搬送することが可能となる。
【００４６】
装置の動作中、浮上体１１の自重はゼロパワー制御により永久磁石１８の吸引力とつりあうため、磁石ユニット２２が定常的に励磁されることはない。また、インペラ５０に異物や生物が付着したり、何らかの結晶が析出して浮上体１１の自重が変化した場合でも、浮上体１１の絶対位置が変動したり、電力消費量が増加することもない。したがって、電力消費の低減と浮上体の位置変動の抑制が図れるばかりか、装置が破損しにくく、装置の信頼性向上を図ることができる。
【００４７】
装置を待機状態に戻すには、誘導電動機５８の運転周波数をゼロにすれば浮上体１１の回転が停止する。この後、三相電源を切断し、各モードの電流偏差目標値発生器１０８に所定の値を設定すると浮上体１１はパイプ１４の内壁に接触する。この状態で制御装置４６の動作を停止するとモード制御電圧座標逆変換器６６がゼロを出力して装置は再び待機状態となる。
【００４８】
パワーアンプ６８の前記外部電源を切断して装置を停止させた後、配管を変更して本発明による磁気浮上装置１０がより傾いた床面に設置された場合には、浮上体１１に作用する重力の向きが変わることになる。このような場合に再び装置を運転しても、ゼロパワー制御による浮上体ギャップ長の変動が、前記サスペンション３０によって吸収されるため、床面に対する浮上体の位置が変動しない。このため、浮上体１１はパイプ１４に接触することなく回転する。したがって、装置の使い勝手も向上する。
【００４９】
なお、上記の第１の実施の形態では、磁石取付け部と基台間の距離の検出に光学式ギャップセンサを用いているが、これは距離検出の方法をなんら限定するものではなく、たとえば接触式のリニアゲージであってなんら差し支えない。また、電磁石と永久磁石で構成される磁石ユニットが全体としてU字形状となっているが、これは磁石ユニットの構成をなんら限定するものでなく、ゼロパワー制御が適用できる構成・形状であればいかなるものであってもよい。さらに、本実施の形態ではサスペンションがばね４７を備えているが、これはサスペンションの構成を何ら限定するものでなく、板ばねやゴム等でサスペンションを構成してなんら差し支えない。
【００５０】
（効果）
このような構成の磁気浮上装置によれば、浮上体の磁気浮上にゼロパワーを適用しても、様々な方向の外乱に対して浮上体の絶対位置を所定に維持できるため、空隙長を大きく設定しても電力消費の低減を図ることが可能である。
【００５１】
また、浮上体の絶対位置を所定値に維持することができるので、容器やパイプ等の内側に浮上体を配置してもこれらの内壁に浮上体が接触することがない。このため、装置が破損しにくく、装置の信頼性を向上することが可能となる。
【００５２】
（第２の実施の形態）（請求項１、７、９、１１対応）
本発明に基づく第２の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図１０は、本発明の第２の実施の形態の磁気浮上装置の一部を切り欠いた斜視図である。図１１は、本発明の第２の実施形態のリニア同期モータの一部を切り欠いた斜視図である。図１２は、本発明の第２の実施形態のリニア同期モータの一部を切り欠いた断面図である。尚、図１乃至９と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
【００５３】
（構成）
図１０乃至図１１には第２の実施例に関わる磁気浮上装置の主要部が２１０として示されている。
【００５４】
磁気浮上装置２１０では、浮上体１１のアルミ円環５２に替えて、ハルバッハ配列された永久磁石リング列２１２が取付けられ、永久磁石リング列２１２の外側に磁界が発生するように浮上体１１’が構成されている。また、前記永久磁石リング列２１２の内側にはインペラ５０に替えて弁２１４が取付けられている。
【００５５】
弁２１４は、４つの貫通穴を有する台座２１６と弁膜２１８を備えており、弁膜２１８は台座２１６の貫通穴を覆うように所定の方法でその一部が台座２１６に固定されている。
【００５６】
図１１に示すように、パイプ１４の外側にはリング状の三相コイル２２０が巻装されている。
【００５７】
（作用）
三相コイル２２０を所定のパターンで励磁することにより、浮上体１１’は、図１０に示すｘ軸に平行な往復運動を開始する。このとき、浮上体１１’は各支持装置１２、１３の電磁力により、パイプ１４に対して非接触支持されている。
【００５８】
浮上体１１’の往復運動により、パイプ１４中の流体を弁２１４の作用で搬送することが可能となる。
【００５９】
本実施の形態では、浮上体１１’の往復運動により、各支持装置１２、１３に印加される浮上体１１’の重量が変化する。このように、支持重量が変化すると浮上体浮上ギャップ長が変動するが、第１の実施形態で示したように、この変動はサスペンション３０の効果による磁石取付け部の変動で相殺される。このため、浮上体１１’とパイプ１４間の距離が一定に維持され、浮上体１１’がパイプ１４の内壁に接触することがない。
【００６０】
（効果）
本実施形態では、第１の実施形態の効果に加えて、図１２に示すように、永久磁石リング列２１２と三相コイル２２０でリニア同期モータ２２２が形成されている。当該リニア同期モータ２２２はコアレス構造であるため、界磁である永久磁石リング列２１２と電機子巻線である三相コイル２２０間に吸引力が発生しない。したがって、浮上体１１の非接触支持に影響を与える外力を小さくすることができる。なお、図１２において永久磁石の磁極の向きを矢印で表しており、矢印先端側がＮ極である。
【００６１】
（第３の実施の形態）（請求項１、２、５、６対応）
本発明に基づく第３の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図１３は、本発明の第３の実施形態の磁気浮上装置の平面図である。図１４は、図１３のＸ−Ｘ’線に沿った磁気浮上装置の断面図である。図１５は、図１３のＹ−Ｙ’線に沿った磁気浮上装置の断面図である。図１６は、本発明の第３の実施形態の推力制御のブロック図である。図１７は、本発明の第３の実施形態の推力演算器のブロック図である。尚、図１乃至１２と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
【００６２】
図１３乃至図１５には第３の実施例に関わる磁気浮上装置の主要部が３１０として示されている。
【００６３】
（支持装置について）
図１３に示すように、磁気浮上装置３１０は、浮上体３１１と４つの上下方向支持装置３１３と２つの横方向支持装置３１５とを具備している。これら４つの上下方向支持装置３１３は、互いに協調して、倒れ２軸（θおよびξ方向）と高さ１軸（ｚ方向）に関して浮上体３１１を非接触で支持するためのものである。また、横方向支持装置３１５は、それぞれ、ｘ軸方向とｙ軸方向について浮上体３１１を非接触で支持するためのものである。
【００６４】
（浮上体について）
浮上体３１１は、鉄製の外リング３１７と、当該外リング３１７の内側に配置され、永久磁石で構成される磁石リング３１９と、当該磁石リング３１９の内側に配置される鉄製の内リング３２１と、当該内リング３２１の内側に所定の方法で固定される非磁性材料、例えばセラミックス等で構成される非磁性円盤３２３と、非磁性円盤３２３上に固定され、上部に導電性非磁性材料例えば銅やアルミ等で構成ざれた２次導体リング３２５を具備する円環基台３２７と、当該円環基台３２７の上部に取り付けられ、回転することによって流体を搬送する遠心ファン３２９を備えている。浮上体３１１は、非磁性かつ非導電性材料で形成されるケーシング３３１によりわずかなギャップを介して包み込まれている。
【００６５】
図１４および図１５に示すように、当該ケーシング３３１の外側には、２次導体リング３２５と対向する位置に誘導電動機の界磁巻線がステータ３３３としてカバー３３４とともに取り付けられており、浮上体３１１とケーシング３３１およびステータ３３３は全体としていわゆるキャンドポンプを構成している。ここで、図１３には図面の簡素化のため当該ステータ３３３およびカバー３３４が図示されていない。また、ケーシング３３１の上部には、液体を流入させる図示しないパイプが接続された流入口３３５が設けられているとともに、側面には、図示しないパイプが接続された流出口３３７が設けられている。そして、ケーシング３３１は図示しない所定の方法で床面等の基準面に対して固定されている。
【００６６】
上下方向支持装置３１３は、断面がＵ字形状の鉄心３３９の中央部にコイル３４１を巻装してなる電磁石で構成される磁石ユニット３４３、上下に配置される磁石ユニット３４３の前記コイル３４１のコイルが当たらないように逃げ穴を有する断面がＵ字形状の磁石取付け部３４５、磁石取付け部３４５の外側側面に固定され、磁石取付け部３４５を上下に可動にガイドするためのリニアブッシュ３４７を具備したガイドブロック３４９、リニアブッシュ３４７を貫通して磁石取付け部３４５を上下に可動にガイドするガイドロッド３５１、ガイドロッド３５１の下端が図示しない所定の方法で固定される基台３５３、ガイドブロック３４９と基台３５３の間に介在してガイドロッド３５１が貫通するばね３５５、ガイドブロック３４９と基台３５３の間に介在してガイドブロック３４９に上下方向の推力を付与する円筒型リニアモータ３５７、磁石取付け部３４５の上部下面に取付けられ、磁石ユニット３４３と外リング３１７間の空隙長を検出する渦電流式ギャップセンサ３５９、ガイドブロック３４９の上面に取付けられ、ガイドロッドの所定位置に貼り付けられたスケールを光学的に読取ることで磁石ユニット３４３の基台３５３が置かれる基準面に対する高さを検出するためのリニア位置センサ３６１を具備している。ここで、ガイドブロック３４９、ガイドロッド３５１、リニアブッシュ３４７、ばね３５５、リニアモータ３５７およびリニア位置センサ３６１は全体として磁石支持手段として機能している。そして、ばね３５５が浮上体３１１を含むガイドブロック３４９から上部の重量を支持しているため、浮上体３１１が所定の高さで非接触支持されている場合に、リニアモータ３５７は推力を発生する必要がない。このように浮上体の重量の支持にばねを用いると磁石支持手段で消費させる電力を低減できる効果がある。また、浮上体３１１に流体の渦等により外力が作用する場合には、ばね３５５のばね力に加えてリニアモータ３５７の推力を加えることができるので、例えば図１６に示すようにリニアモータ３５７の推力を制御すれば基台３５３に対する磁石取付け部３４５の上下動に減衰力を与えることができ、外力に対する浮上体３１１の動きをより抑制することができる。
【００６７】
図１６に示すリニアモータ３５７の推力制御装置３６３は、一般にもよく知られているように以下のように構成されている。すなわち、推力制御装置３６３は、リニア位置センサ３６１より導入された信号に基づいてリニアモータ３５７が発生すべき推力を演算する推力演算器３６５、前記推力演算器３６５の出力する推力指令値ｆｚとリニア位置センサ３６１の出力に基づいてリニアモータ３５７の三相コイルに印加すべき電圧を演算するベクトル制御器３６７、当該ベクトル制御器３６７の出力する三相電圧指令値に基づいて後述の点弧角信号を発生する点弧角発生器３６９、当該点弧角発生器３６９からの点弧角信号により図示していない直流電源からリニアモータ３５７を励磁する三相交流電圧を生成する三相PWMインバータ３７１を具備している。
【００６８】
推力演算器３６５は図１７に示すように、磁石取付け部３４５の所定の高さ目標値ｚＬ０を発生する磁石取付け部高さ目標値発生器３７３、リニア位置センサ３６１からの信号ｚLから磁石取付け部高さ目標値発生器３７３の出力ｚＬ０を減じる減算器３７５、減算器３７５の出力を微分して磁石取付け部３４５の移動速度を演算する微分器３７７、減算器３７５の出力と前記微分器３７７の出力に、それぞれ所定のゲインを乗じる２つのゲイン補償器３７９、当該ゲイン補償器３７９の出力を加算する加算器３８１、ゼロ目標値３８３から加算器３８１の出力を減じて推力指令値ｆｚを出力する減算器３８５を具備して構成されている。
【００６９】
以上の構成により、これら４つの前記上下方向支持装置３１３に対して上述のゼロパワー制御を適用すると、浮上体３１１の運動の自由度（倒れ２軸（θおよびξ方向）と高さ１軸（ｚ方向））ごとに磁気浮上制御が行われ、それぞれの運動軸に関し、外力に対する浮上体３１１の位置変動が抑制される。
【００７０】
図１５に示すように、横方向支持装置３１５は、外リング３１７に対向する２つの磁石ユニット３８７、断面がＵ字形状で磁石ユニット３８７が両端側面内側に固定されている磁石取付け部３８９、磁石取付け部３８９の底面下側両端近傍に固定され、当該磁石取付け部３８９を水平方向にガイドするためのリニアガイド３９１を具備した２つのガイドブロック３９３、リニアガイド３９１と組合されガイドブロック３９３をｘ軸（ｙ軸）に沿って可動とするガイドレール３９５、ガイドレール３９５が取付けられた基台３９７を備えている。また、一方の基台３９７にはリニアモータ３５７がマウント３９９を介して取付けられており、リニアモータ３５７の推力軸の端部はガイドブロック３９３に固定されている。そして、ガイドレール３９５の上面には図示していないリニアスケールが貼られており、リニアガイド３９１に取付けられたリニア位置センサ３６１により基台３９７に対する磁石取付け部の移動距離を検出している。さらに、磁石取付け部３８９の一方の端部側面内側の磁石ユニット３８７近傍にはギャップセンサ３５９が設置されており、磁石ユニット３８７と外リング３１７間の空隙長を検出している。ここで、ガイドブロック３９３、ガイドレール３９５、リニアガイド３９１、リニアモータ３５７およびリニア位置センサ３６１は全体として磁石支持手段として機能している。
【００７１】
（効果）
以上のように構成された横方向支持装置３１５を、ｘ軸と平行に設置すれば浮上体３１１のｘ軸方向の運動に関してゼロパワー制御が可能となり、ｙ軸と平行に設置すれば浮上体３１１のｙ軸方向の運動に関してゼロパワー制御が可能となる。これにより、それぞれの運動軸に関し、外力に対する浮上体３１１の位置変動が抑制される。
【００７２】
横方向支持装置３１５はｘ軸とｙ軸に平行に設置されるため、図１５にも示すように、これらの磁石取付け部３８９が互いに干渉しないよう磁石取付け部底面の高さが異なるように構成されている。
【００７３】
また、磁石ユニット３８７は磁石ユニット２２と同様に構成されており、ここでは簡単のため説明は省略する。
【００７４】
なお、上記の第３の実施の形態では、本発明の磁気浮上装置がキャンドポンプに適用され、磁石ユニットと浮上体の間にケーシングが介在するが、これはケーシングの介在やキャンドポンプへの適用をなんら限定するものでなく、浮上体の外力に対する位置変動の抑制と電力消費の低減を目的とするあらゆる装置に適用して何ら差し支えない。
【００７５】
また、上記各実施の形態では、制御装置はアナログ演算的に説明されているがこれは、アナログ、デジタルの演算方式を何ら限定するものではなくデジタル演算方式を適用してもよい。
【００７６】
このほか、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１、１８ …永久磁石
２、２０ …電磁石
３、４、２２、３４３、３８７ …磁石ユニット
５、２８、３４５、３８９ …磁石取付け部
６、１１、１１’、３１１ …浮上体
７、４７、３５５ …ばね
８ …ダンパ
９、１６、３５３、３９７ …基台
１０、２１０、３１０ …磁気浮上装置
１２、３１３ …縦方向支持装置
１３、３１５ …横方向支持装置
１４ …パイプ
２４ …上部梁
２６ …下部梁
３０ …サスペンション
３２ …アッパービーム
３４ …ロアービーム
３６ …固定板
３８、３８’ …脚部
４０、３４７ …リニアブッシュ
４２ …固定スリーブ
４４ …ロッド
４６ …制御装置
４８ …鉄製円環
５０ …インペラファン
５２ …アルミ円環
５４ …プラスティック円環
５６ …固定子
５８ …誘導電動機
６０ …センサ部
６２ …モード座標変換部
６４ …モード制御電圧演算部
６６ …モード制御電圧座標逆変換器
６８ …パワーアンプ
７０、３５９ …渦電流式ギャップセンサ
７２ …光学式ギャップセンサ
７４ …電流センサ
７６ …浮上体ギャップ長設定器
７８ …磁石取付け部ギャップ長設定器
８０ …電流設定器
８２、８４、８６、１１０、１１６、３７５、３８５ …減算器
８８ …浮上体ギャップ長偏差座標変換器
９０ …磁石取付け部ギャップ長偏差座標変換器
９２ …電流偏差座標変換器
９４ …ｚモード制御電圧演算器
９６ …ｙモード制御電圧演算器
９８ …ξモード制御電圧演算器
１００ …ψモード制御電圧演算器
１０２、１０４、３７７ …微分器
１０６、３７９ …ゲイン補償器
１０８ …電流偏差目標値発生器
１１２ …積分補償器
１１４、３８１ …加算器
２１２ …永久磁石リング列
２１４ …弁
２１６ …台座
２１８ …弁膜
２２０ …三相コイル
２２２ …リニア同期モータ
３１７ …外リング
３１９ …磁石リング
３２１ …内リング
３２３ …非磁性円盤
３２５ …２次導体リング
３２７ …円環基台
３２９ …遠心ファン
３３１ …ケーシング
３３３ …ステータ
３３４ …カバー
３３５ …流入口
３３７ …流出口
３３９ …鉄心
３４１ …コイル
３４９、３９３ …ガイドブロック
３５１ …ガイドロッド
３５７ …リニアモータ
３６１ …リニア位置センサ
３６３ …推力制御装置
３６５ …推力演算器
３６７ …ベクトル制御器
３９６ …点弧角発生器
３７１ …三相ＰＷＭインバータ
３７３ …磁石取付け部高さ目標値発生器
３９１ …リニアガイド
３９５ …ガイドレール
３９９ …マウント
【図１】
2011158021.tif 000003
【図２】
2011158021.tif 000004
【図３】
2011158021.tif 000005
【図４】
2011158021.tif 000006
【図５】
2011158021.tif 000007
【図６】
2011158021.tif 000008
【図７】
2011158021.tif 000009
【図８】
2011158021.tif 000010
【図９】
2011158021.tif 000011
【図１０】
2011158021.tif 000012
【図１１】
2011158021.tif 000013
【図１２】
2011158021.tif 000014
【図１３】
2011158021.tif 000015
【図１４】
2011158021.tif 000016
【図１５】
2011158021.tif 000017
【図１６】
2011158021.tif 000018
【図１７】
2011158021.tif 000019