(57)【要約】【課題】対向する電磁石のいずれか一方の制御電流を常に０とする完全なゼロパワー制御が達成でき、かつ演算周期毎に判定するパラメータ数を低減し、演算ロジックを簡易し、ＣＰＵの制御量を減少させ、高性能かつ高価なＣＰＵの必要性を低減することができる電磁吸引式磁気軸受とその制御方法を提供する。【解決手段】互いに対向して配置された少なくとも１対の電磁石１，２と、電磁石の間に配置されその中間位置に保持される浮遊体３と、浮遊体の平衡位置からの変位及び／又は速度を検出するセンサ４と、電磁石を制御する制御装置５とを備える。制御装置５は、浮遊体の変位と速度から、制御方向の加速度に正比例する変数Ｚを求め、変数の正負に応じて、一方の電磁石の制御電流をゼロとし、他方の電磁石の制御電流のみを制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向して配置された少なくとも１対の電磁石と、該電磁石の間に配置されその中間位置に保持される浮遊体と、該浮遊体の平衡位置からの変位及び／又は速度を検出するセンサと、前記電磁石を制御する制御装置とを備え、
該制御装置は、浮遊体の変位と速度から、制御方向の加速度に正比例する変数Ｚを求め、該変数の正負に応じて、一方の電磁石の制御電流をゼロとし、他方の電磁石の制御電流のみを制御する、ことを特徴とする電磁吸引式磁気軸受。
【請求項２】
前記１対の電磁石は、第１電磁石と第２電磁石とからなり、
前記浮遊体の平衡位置から第１電磁石へ向かう変位をｘ、浮遊体の速度をｖ＝ｄｘ／ｄｔ、γを正の定数として、
前記変数Ｚは、以下の式（Ａ）で与えられる、
Ｚ＝ｘ＋γｖ・・・（Ａ）
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁吸引式磁気軸受。
【請求項３】
互いに対向して配置された少なくとも１対の電磁石と、該電磁石の間に配置されその中間位置に保持される浮遊体と、該浮遊体の平衡位置からの変位及び／又は速度を検出するセンサとを備え、
浮遊体の変位と速度から、制御方向の加速度に正比例する変数Ｚを求め、該変数の正負に応じて、一方の電磁石の制御電流をゼロとし、他方の電磁石の制御電流のみを制御する、ことを特徴とする電磁吸引式磁気軸受の制御方法。
【請求項４】
前記１対の電磁石は、第１電磁石と第２電磁石とからなり、
前記浮遊体の平衡位置から第１電磁石へ向かう変位をｘ、浮遊体の速度をｖ＝ｄｘ／ｄｔ、γを正の定数として、
前記変数Ｚを、以下の式（Ａ）で求める、
Ｚ＝ｘ＋γｖ・・・（Ａ）
ことを特徴とする請求項３に記載の電磁吸引式磁気軸受の制御方法。
【請求項５】
ａを１を超える定数、Ｘ０を平衡位置の磁気ギャップとして、前記変数Ｚが正又は０のときに、前記第１電磁石の制御電流を０とし、第２電磁石の制御電流ｉ２を、以下の式（Ｂ）で求め、
ｉ２＝ａ（Ｘ０＋ｘ）ＳＱＲＴ（Ｚ／ｋ）・・・（Ｂ）
前記変数Ｚが負のときに、前記第２電磁石の制御電流を０とし、第１電磁石の制御電流ｉ１を、以下の式（Ｃ）で求める、
ｉ１＝ａ（Ｘ０−ｘ）ＳＱＲＴ（−Ｚ／ｋ）・・・（Ｃ）
ことを特徴とする請求項４に記載の電磁吸引式磁気軸受の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対向する電磁石のいずれか一方の制御電流を常に０とする電磁吸引式磁気軸受とその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁吸引式磁気軸受は、非接触支持により、摩擦・摩耗がなく潤滑を必要としないなどの利点を有し、ターボ圧縮機、極低温回転機械、ターボチャージャ、フライホイール等の軸受に利用することができる。
【０００３】
かかる電磁吸引式磁気軸受として、本発明の発明者らは、電磁石のみで構成された磁気軸受を創案し既に出願している（特許文献１、２）。
これらの磁気軸受は、浮上体を挟んで互いに対向する一対の電磁石に浮遊体の中心位置からの変位を相殺する方向に２入力非線形制御方式により電流を流して浮上体を中立位置に維持するものである。
【０００４】
特許文献１の「能動制御電磁吸引式磁気軸受け」は、パワーロス、電磁石の発熱、浮上体の回転運動に対する抵抗を低減することを目的とする。
そのため、この能動制御電磁吸引式磁気軸受けは、図３に示すように、浮上体５１を挟んで互いに対向する一対の電磁石５２、５３に浮上体５１の中立位置Ｏからの変位を相殺する方向に電流ｉ１、ｉ２を流して浮上体５１を中立位置Ｏに維持する制御方式として、２入力非線形制御方式が用いられている。
【０００５】
特許文献２の「電磁吸引式磁気軸受とその非線形制御方法」は、ずれから平衡点に戻る場合にも減衰力を作用させて収束時間を短縮でき、かつ制御系の十分条件であるリアプノフの漸近安定条件を完全に満たすことを目的とする。
そのため、この装置は、図４に示すように、互いに対向して配置された少なくとも１対の電磁石と、電磁石の間に配置されその中間位置に保持される浮遊体６１と、浮遊体の平衡位置からの変位及び／又は速度を検出するセンサ６２と、電磁石を制御する制御装置６３とを備える。制御装置６３により、浮遊体が平衡位置に向かって戻る場合に、対向する電磁石の両方に制御電流を供給し、これにより一方の電磁石を引張バネとして作用させ、他方の電磁石をダンパーとして作用させるものである。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１６５１６４号公報、「能動制御電磁吸引式磁気軸受け」
【特許文献２】特開２００２−６１６４６号公報、「電磁吸引式磁気軸受とその非線形制御方法」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の磁気軸受は、ずれから平衡点に戻る場合に減衰力を発生できず収束まで時間がかかり、理論的に安定とはいえない、等の問題点があった。この問題点を解決したのが、特許文献２の磁気軸受である。
【０００８】
しかし、特許文献２では、浮遊体が平衡位置に向かって戻る場合に、対向する電磁石の両方に制御電流を供給するため、対向する電磁石のいずれか一方の制御電流を０とする完全なゼロパワー制御は達成できない問題点があった。
すなわち、特許文献２の非線形ゼロパワー制御では、ロータの平衡点からの「変位」および「速度」を検出し、その２つをパラメータとし４ケースに場合分けを実施することで制御する電流値を決定している。しかし、その４ケースのうち２ケースでは、対向する両方の磁極コイルに電流を流すことになり、不要な電流を消費し、損失を増加させる要因となっていた。
【０００９】
また、演算周期毎（例えば１００μｓ毎）に２パラメータについて判定するため、リアルタイム制御のための演算ロジックを複雑化するとともに、ＣＰＵの制御量増加をもたらし、高性能かつ高価なＣＰＵを使用する必要があった。
【００１０】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、対向する電磁石のいずれか一方の制御電流を常に０とする完全なゼロパワー制御が達成でき、かつ演算周期毎に判定するパラメータ数を低減し、演算ロジックを簡易し、ＣＰＵの制御量を減少させ、高性能かつ高価なＣＰＵの必要性を低減することができる電磁吸引式磁気軸受とその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、互いに対向して配置された少なくとも１対の電磁石と、該電磁石の間に配置されその中間位置に保持される浮遊体と、該浮遊体の平衡位置からの変位及び／又は速度を検出するセンサと、前記電磁石を制御する制御装置とを備え、
該制御装置は、浮遊体の変位と速度から、制御方向の加速度に正比例する変数を求め、該変数の正負に応じて、一方の電磁石の制御電流をゼロとし、他方の電磁石の制御電流のみを制御する、ことを特徴とする電磁吸引式磁気軸受が提供される。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記１対の電磁石は、第１電磁石と第２電磁石とからなり、
前記浮遊体の平衡位置から第１電磁石へ向かう変位をｘ、浮遊体の速度をｖ＝ｄｘ／ｄｔ、γを正の定数として、
前記変数Ｚは、以下の式（Ａ）で与えられる。
Ｚ＝ｘ＋γｖ・・・（Ａ）
【００１３】
また本発明によれば、互いに対向して配置された少なくとも１対の電磁石と、該電磁石の間に配置されその中間位置に保持される浮遊体と、該浮遊体の平衡位置からの変位及び／又は速度を検出するセンサとを備え、
浮遊体の変位と速度から、制御方向の加速度に正比例する変数を求め、該変数の正負に応じて、一方の電磁石の制御電流をゼロとし、他方の電磁石の制御電流のみを制御する、ことを特徴とする電磁吸引式磁気軸受の制御方法が提供される。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記１対の電磁石は、第１電磁石と第２電磁石とからなり、
前記浮遊体の平衡位置から第１電磁石へ向かう変位をｘ、浮遊体の速度をｖ＝ｄｘ／ｄｔ、γを正の定数として、
前記変数Ｚを、以下の式（Ａ）で求める。
Ｚ＝ｘ＋γｖ・・・（Ａ）
【００１５】
また、ａを正の定数、Ｘ０を平衡位置の磁気ギャップとして、前記変数Ｚが正又は０のときに、前記第１電磁石の制御電流を０とし、第２電磁石の制御電流ｉ２を、以下の式（Ｂ）で求め、
ｉ２＝ａ（Ｘ０＋ｘ）ＳＱＲＴ（Ｚ／ｋ）・・・（Ｂ）
前記変数Ｚが負のときに、前記第２電磁石の制御電流を０とし、第１電磁石の制御電流ｉ１を、以下の式（Ｃ）で求める。
ｉ１＝ａ（Ｘ０−ｘ）ＳＱＲＴ（−Ｚ／ｋ）・・・（Ｃ）
【発明の効果】
【００１６】
上記本発明の装置及び方法によれば、制御装置により、浮遊体の変位ｘと速度ｖから、制御方向の加速度に正比例する変数Ｚを求め、この変数Ｚの正負に応じて、一方の電磁石の制御電流をゼロとし、他方の電磁石の制御電流のみを制御するので、特許文献２のように、「変位」、「速度」という２つのパラメータの場合分けにより４ケースに分類せずに、パラメータを変数Ｚの１つとすることで、場合分けを４ケースから２ケースに減らすことができる。なお、判定パラメータを変更しても、制御性能は等価である。
【００１７】
また、本発明では、全てのケースにおいて、対向する磁極コイルのどちらか一方は常に制御電流がゼロとなり、さらなる消費電流の低減、損失低減が可能となる。
また、デジタル演算の１周期につき、必要な判定の数を半減させることで、制御ロジックを簡略化させ、ＣＰＵの演算負荷を大幅に減少できる。つまり、サイクル時間の短縮に寄与すると同時に、ＣＰＵへの要求仕様を低減するが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、本発明の発明者らの先行出願である特許文献２と等価な制御能力を発揮しつつ、制御ロジックを簡略化し、制御電流の低減およびＣＰＵ演算負荷を低減するものである。以下、本発明をこの従来技術と比較しつつ説明する。
【００１９】
図１は、従来の電磁吸引式磁気軸受の制御モデル図である。電磁吸引式磁気軸受は、互いに対向して配置された少なくとも１対の電磁石１，２（第１電磁石１と第２電磁石２）と、電磁石１，２の間に配置されその中間位置に保持される浮遊体３と、浮遊体３の平衡位置からの変位ｘ及び／又は速度ｖ（＝ｄｘ／ｄｔ）を検出するセンサ（図示せず）とを備える。
【００２０】
なお以下の説明において、Ｍをロータ質量［ｋｇ］、Ｘ０を磁気ギャップ［ｍ］、ｘを平衡点から第１電磁石１へ向かう変位［ｍ］、ｉ１を第１電磁石１の制御電流［Ａ］、ｉ２を電磁石２の制御電流［Ａ］、Ｆ１を第１電磁石１の吸引力［Ｎ］、Ｆ２を電磁石２の吸引力［Ｎ］、μ０を真空透磁率（＝４π×１０７）［Ｈ／ｍ］、Ｓを磁路断面積［ｍ２］、Ｎを電磁石１、２のコイルターン数［−］、ｋを磁気吸引力係数（＝μ０Ｎ２Ｓ／４［ｍ４］）とする。
【００２１】
この時、運動方程式は数１の式（１）のとおりとなる。なお、以下の式において、ｖ＝ｄｘ／ｄｔを上部に点１つを付したｘ、加速度ｄ２ｘ／ｄｔ２を上部に点２つを付したｘで表す。
【００２２】
【数１】
2008249011.tif 000003
【００２３】
従来の制御では、ロータ変位ｘ、速度ｖの正負により４ケースに分類し、制御電流ｉ１，ｉ２を決定していた。各ケースにおける制御電流と、それを式（１）に代入した結果を数２の式（２．１）〜式（２．４）に示す。
ただし、ａは１を超える定数、γは正の定数であり、任意に決めることができる。
【００２４】
【数２】
2008249011.tif 000004
【００２５】
数２の各式から以下のことが分かる。
（１）  Ｃａｓｅ−２、４の場合には、減衰を付与するために第１電磁石１の制御電流ｉ１と第２電磁石２の制御電流ｉ２の両方に電流が流れている。
（２）  全てのケースにおいて、Ｍｄ２ｘ／ｄｔ２は同一の結果となる。
ここで、Ｋ＝ａ２、Ｃ＝ａ２γ・・・（３）とおけば、式（１）は、式（４）となり、減衰を有する一自由度振動系の運動方程式となる。
Ｍｄ２ｘ／ｄｔ２＝−Ｃｄｘ／ｄｔ−Ｋｘ・・・（４）
【００２６】
言い換えると、制御力は必ず−Ｃｄｘ／ｄｔ−Ｋｘとなる。このことから、定数ａとγは一自由度振動系の固有値ω、減衰比ζを決めることにより一義的に定まることが分かる。
（３）  Ｃａｓｅ−１、３では制御力の方向は、ｘ、ｄｘ／ｄｔによらず常に一定であるが、Ｃａｓｅ−２、４では、ｘ、ｄｘ／ｄｔの関係によっては、制御力方向が変化する。
【００２７】
上述したように、従来のＣａｓｅ−２、４では、対向する２つの磁極コイルに制御電流ｉ１，ｉ２を流すことになる。本発明は、制御性能を損なうことなく、一方の制御電流を完全にゼロにする手段を提案するものである。
【００２８】
図２は、本発明による電磁吸引式磁気軸受の制御モデル図である。
本発明の電磁吸引式磁気軸受は、少なくとも１対の電磁石１，２、浮遊体３、センサ４及び制御装置５を備える。
【００２９】
１対の電磁石１，２は、第１電磁石１と第２電磁石２とからなり、互いに対向して配置される。
【００３０】
浮遊体３は、電磁石１，２の間に配置されその中間位置に保持される。この例において、浮遊体３は、例えば鉛直軸であり、磁気軸受で図で左右方向に支持されており、重力方向の影響を受けないものとする。なお、図で上下方向の支持は、別の磁気軸受で行い、同様に重力方向の影響を受けないものとする。
なお、軸を水平に支持する場合のように、重力の影響を受ける場合には、電磁石の吸引力に重力分を付加（加算又は減算）することで、同様に扱うことができる。
【００３１】
センサ４は、浮遊体３と、浮遊体３の平衡位置からの変位ｘ及び／又は速度ｖ（＝ｄｘ／ｄｔ）を検出する。センサ４は、非接触式であるのがよい。また、このセンサは、変位センサ、速度センサの一方でもよいが、両方を備えてもよい。なお、変位ｘのみ検出する場合には変位を微分して速度ｖを求め、速度ｖのみ検出する場合には積分して変位ｘを求める。
【００３２】
制御装置５は、浮遊体の変位ｘと速度ｖから、制御方向の加速度に正比例する変数Ｚを求め、この変数の正負に応じて、一方の電磁石の制御電流をゼロとし、他方の電磁石の制御電流のみを制御する。すなわち、制御装置５は、後述する式に従って、電磁石１，２に供給する電流ｉ１，ｉ２をリアルタイムに演算し供給する電磁石を制御する。
【００３３】
従来の手段では、浮遊体の変位と速度の正負で判定して場合分けを実施していたが、本発明では、新たな判定項目として、制御方向の加速度に正比例する変数Ｚを導入する。
ここで、変数Ｚは、以下の式（５）で与えられる。
Ｚ＝ｘ＋γｖ・・・（５）
【００３４】
表１は、本発明と従来例とを比較したものである。この表に示すとおり、当然ながら、変数Ｚの正負は、生じる制御力の方向と必ず逆になる。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
これらより、本発明では、以下のように電流ｉ１，ｉ２を決定する。
（１）  Ｃａｓｅ−１、３の場合、必ずどちらか一方の電流はゼロになるので、制御電流ｉ１，ｉ２は従来の制御と同じとする。
（２）  Ｃａｓｅ−２、４において、従来の制御では変数Ｚの正負によって制御力方向は正負のどちらにもなりうる。よって、変数Ｚの正負によって、通電する磁極を一方に決定し、制御力方向と逆の磁極コイルへの通電をゼロとする。
（３）  変位、速度の２つのパラメータではなく、判定用に新規導入した変数Ｚに着目し、数３の式（６．１）〜式（６．２）に示すように電流値を決定する。
【００３７】
【数３】
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【００３８】
数３の各式は、Ｃａｓｅ−１、３については、従来と同じである。
また、Ｃａｓｅ−２、４についても、片方の磁極への通電はゼロとなり、どちらか一方の磁極コイルのみに電流を流す。
Ｃａｓｅ−Ａ、Ｂともに、制御力は従来手法と同様に、
Ｍｄ２ｘ／ｄｔ２＝−Ｃｄｘ／ｄｔ−Ｋｘ・・・（４）となり、減衰を有する一自由度振動系と等価になる。
【００３９】
上述したように、本発明では、（１）判定パラメータを変位、速度から変数Ｚに減らし、１パラメータの正負判別のみとした。
また、全てのケースにおいて、どちらか一方の磁極コイルに流す電流は必ずゼロとなるようにした。
従って、制御電流を低減することで、損失低減につながる上、制御ロジックを簡素化したことでＣＰＵにおける演算負荷を低減することが可能となった。
なお、制御ロジックを簡素化し、制御電流を低減したにも関わらず、制御性能は同等である。
【００４０】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来の電磁吸引式磁気軸受の制御モデル図である。
【図２】本発明による電磁吸引式磁気軸受の制御モデル図である。
【図３】特許文献１の「能動制御電磁吸引式磁気軸受け」の模式図である。
【図４】特許文献２の「電磁吸引式磁気軸受とその非線形制御方法」の模式図である。
【符号の説明】
【００４２】
１，２  電磁石、
３  浮遊体、
４  センサ、
５  制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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