(57)【要約】【課題】回転体の物理的な重心と隙間センサ及びアクチュエータの中心が一致しない場合でも回転体の振れ回り振動を抑制可能な磁気軸受装置を提供する。【解決手段】四つの隙間センサ３８１〜３８４の出力に基づいて、変位加減算器４０１で回転体の変位が、回転角加減算器４０２で回転体の傾斜角度が算出される。この変位及び傾斜角度に基づいて変位制御信号及び回転角制御信号が算出され、これらは四つのアクチュエータ３７１〜３７４に供給され、回転体の変位及び傾斜が制御される。本発明に係る磁気軸受にあってはさらに、所定係数倍された傾斜角度を変位に補正加算する変位補正部４６及び所定係数倍された変位制御信号を回転角制御信号に補正加算する回転角制御信号補正部４７を具備する。【選択図】　　　図４
2004019928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体と前記回転体の支持体の隙間を検出する隙間検出手段と、
前記隙間検出手段の出力に基づいて回転体のラジアル方向変位を算出する変位算出手段と、
前記隙間検出手段の出力に基づいて回転体の傾斜角度を算出する傾斜角度算出手段と、
前記変位算出手段で算出された回転体のラジアル方向変位に基づいて回転体のラジアル方向変位制御信号を算出する変位制御信号算出手段と、
前記傾斜角度算出手段で算出された回転体の傾斜角度に基づいて回転体の傾斜角度制御信号を算出する傾斜角度制御信号算出手段と、
前記変位制御信号算出手段で算出された変位制御信号に基づいて回転体のラジアル方向を修正するとともに、前記傾斜角度制御信号算出手段で算出された傾斜角度制御信号に基づいて回転体の傾斜を修正する修正手段を具備する磁気軸受において、
前記傾斜角度算出手段で算出された回転体の傾斜角度を所定係数倍した値によって、前記変位算出手段で算出された回転体のラジアル方向変位を補正する変位補正手段をさらに具備する磁気軸受。
【請求項２】
回転体と前記回転体の支持体の隙間を検出する隙間検出手段と、
前記隙間検出手段の出力に基づいて回転体のラジアル方向変位を算出する変位算出手段と、
前記隙間検出手段の出力に基づいて回転体の傾斜角度を算出する傾斜角度算出手段と、
前記変位算出手段で算出された回転体のラジアル方向変位に基づいて回転体のラジアル方向変位制御信号を算出する変位制御信号算出手段と、
前記傾斜角度算出手段で算出された回転体の傾斜角度に基づいて回転体の傾斜角度制御信号を算出する傾斜角度制御信号算出手段と、
前記変位制御信号算出手段で算出された変位制御信号に基づいて回転体のラジアル方向を修正するとともに、前記傾斜角度制御信号算出手段で算出された傾斜角度制御信号に基づいて回転体の傾斜を修正する修正手段を具備する磁気軸受において、
前記変位制御信号算出手段で算出された変位制御信号を所定係数倍した値によって、前記傾斜角度制御信号算出手段で算出された傾斜角度制御信号を補正する傾斜角度制御信号補正手段をさらに具備する磁気軸受。
【請求項３】
回転体と前記回転体の支持体の隙間を検出する隙間検出手段と、
前記隙間検出手段の出力に基づいて回転体のラジアル方向変位を算出する変位算出手段と、
前記隙間検出手段の出力に基づいて回転体の傾斜角度を算出する傾斜角度算出手段と、
前記変位算出手段で算出された回転体のラジアル方向変位に基づいて回転体のラジアル方向変位制御信号を算出する変位制御信号算出手段と、
前記傾斜角度算出手段で算出された回転体の傾斜角度に基づいて回転体の傾斜角度制御信号を算出する傾斜角度制御信号算出手段と、
前記変位制御信号算出手段で算出された変位制御信号に基づいて回転体のラジアル方向を修正するとともに、前記傾斜角度制御信号算出手段で算出された傾斜角度制御信号に基づいて回転体の傾斜を修正する修正手段を具備する磁気軸受において、
前記傾斜角度算出手段で算出された回転体の傾斜角度を所定係数倍した値によって、前記変位算出手段で算出された回転体のラジアル方向変位を補正する変位補正手段と、
前記変位制御信号算出手段で算出された変位制御信号を所定係数倍した値によって、前記傾斜角度制御信号算出手段で算出された傾斜角度制御信号を補正する傾斜角度制御信号補正手段をさらに具備する磁気軸受。
【請求項４】
前記隙間検出手段が、
前記回転体の中心軸を通る平面内の前記回転体の重心を含む円の周上に配置された四つの隙間センサで構成される請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気軸受。
【請求項５】
前記修正手段が、
前記回転体の中心軸を通る平面内の前記回転体の重心を含む円の周上に配置された四つのアクチュエータで構成される請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気軸受。
【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係り、特に回転半径方向の変位を低減することの可能な磁気軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人工衛星の姿勢制御用アクチュエータとしてフライホイールが使用されるが、フライホイールの回転軸のアキシャル軸受及びラジアル軸受として非接触で回転軸を保持することの可能な磁気軸受を採用することが普通である。
【０００３】
この軸受にあっては、磁力を発生する磁気軸受用アクチュエータと回転軸の隙間を所定値に維持するために、回転軸と磁気軸受用アクチュエータの隙間を隙間センサに応じて磁気軸受用アクチュエータが発生するアキシャル方向又はラジアル方向の磁力を制御している。
【０００４】
特にラジアル軸受にあっては、回転体の中心軸を通る互いに直交するニ平面のそれぞれの平面上に回転体の物理的な重心の周囲に配置された四つの隙間センサにより、回転体の回転軸の中心軸からのＸ軸方向及びＹ軸方向）の偏倚を検出する。
【０００５】
そして、各平面上の回転体の物理的な重心の周囲に配置された四つのアクチュエータを差動的に動作させることにより、回転軸の当該平面内における水平方向の変位制御（Ｘ軸制御及びＹ軸制御）及び当該平面に垂直な軸回りの回転角制御（θ軸制御及びφ軸制御）を行っている。
【０００６】
回転体の物理的な重心と四つの隙間センサの中心とが一致している場合には、四つの隙間センサの出力を同一の重みで加減算することにより、Ｘ軸制御とφ軸制御（及びＹ軸制御とθ軸制御）を相互に独立に実施することが可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際には製作上の制約から回転体の物理的な重心と四つの隙間センサ及び四つのアクチュエータの中心を一致させることは困難であり、Ｘ軸制御とφ軸制御（及びＹ軸制御とθ軸制御）を独立に実施することはできない。このため姿勢制御用アクチュエータに外乱が加わったときに、回転体に振れ回り振動が発生し易くなる。
【０００８】
図１は課題の説明図であって、中心軸Ｃを中心に回転体１０が回転している場合を想定する。
【０００９】
回転体１０の傾きを検出するために、回転軸Ｃを通るＸ軸を含む平面内の回転体１０の下方に二つの隙間センサ１１１及び１１２が、上方に二つの隙間センサ１１３及び１１４が配置される。
【００１０】
そして、下方の隙間センサ１１１及び１１２と上方の隙間センサ１１３及び１１４間の距離を２Ｄ、センサ中心Ｘと回転体１０の重心Ｇ間の距離をｄとする。
【００１１】
回転体１０が重心Ｇを中心として当該平面に垂直なφ軸回りに角度φだけ傾いたときには、
隙間センサ１１１で検出される変位Ｌ１　＝−（Ｄ−ｄ）×θ
隙間センサ１１２で検出される変位Ｌ２　＝＋（Ｄ−ｄ）×θ
隙間センサ１１３で検出される変位Ｌ３　＝＋（Ｄ＋ｄ）×θ
隙間センサ１１４で検出される変位Ｌ４　＝−（Ｄ＋ｄ）×θ
となる。
【００１２】
即ち、ｄ＝０であれば、対角線上に配置された二組の隙間センサ、隙間センサ１１１と１１４並びに隙間センサ１１２と１１３の出力は同じとなるため、これらの出力を同一の重みで加減算することにより中心軸Ｃのラジアル方向変位を正確に検出することが可能となる。
【００１３】
しかし、ｄ≠０であれば、隙間センサ１１１と１１４並びに隙間センサ１１２と１１３の出力は相違するため、これらの出力を同一の重みで加減算した場合には中心軸Ｃのラジアル方向変位を正確に検出することできない。さらに、中心軸Ｃのラジアル方向変位を正確に検出できない状態でアクチュエータにより中心軸Ｃのラジアル方向変位を制御した場合には、却って傾きを助長し、回転体に振れ回り振動が発生するおそれを回避できない。
【００１４】
図２は回転体の動特性を示すブロック図であって、２１は回転体の質量による動特性を、２２はφ軸回りの回転体の動特性を示す。
【００１５】
即ち、回転体にＸ軸方向に力Ｆを印加すると回転体の質量による動特性２１を介して変位Ｘとして検出され、回転体にφ軸回りの回転力Ｔを印加するとφ軸回りの回転体の動特性を介して傾斜角度φとして検出される。
【００１６】
しかしｄ≠０の場合には、Ｘ軸方向に力Ｆが印加されるとφ軸周りの回転モーメント（Ｆ×α）が発生し、回転体がφ軸回りに回転するとＸ軸方向の変位（φ×δ）が検出される。
【００１７】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、回転体の物理的な重心と隙間センサ及びアクチュエータの中心が一致しない場合でも回転体の振れ回り振動を抑制可能な磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る、回転体と前記回転体の支持体の隙間を検出する隙間検出手段と、隙間検出手段の出力に基づいて回転体のラジアル方向変位を算出する変位算出手段と、隙間検出手段の出力に基づいて回転体の傾斜角度を算出する傾斜角度算出手段と、変位算出手段で算出された回転体のラジアル方向変位に基づいて回転体のラジアル方向変位制御信号を算出する変位制御信号算出手段と、傾斜角度算出手段で算出された回転体の傾斜角度に基づいて回転体の傾斜角度制御信号を算出する傾斜角度制御信号算出手段と、変位制御信号算出手段で算出された変位制御信号に基づいて回転体のラジアル方向を修正するとともに傾斜角度制御信号算出手段で算出された傾斜角度制御信号に基づいて回転体の傾斜を修正する修正手段を具備する磁気軸受は、傾斜角度算出手段で算出された回転体の傾斜角度を所定係数倍した値によって変位算出手段で算出された回転体のラジアル方向変位を補正する変位補正手段を具備する。
【００１９】
本発明にあっては、傾斜角度を所定係数倍した値によって回転体のラジアル方向変位が補正される。
【００２０】
第２の発明に係る磁気軸受は、変位制御信号算出手段で算出された変位制御信号を所定係数倍した値によって傾斜角度制御信号算出手段で算出された傾斜角度制御信号を補正する傾斜角度制御信号補正手段を具備する。
【００２１】
本発明にあっては、変位制御信号を所定係数倍した値によって傾斜角度制御信号が補正される。
【００２２】
第３の発明に係る磁気軸受は、傾斜角度算出手段で算出された回転体の傾斜角度を所定係数倍した値によって変位算出手段で算出された回転体のラジアル方向変位を補正する変位補正手段と、変位制御信号算出手段で算出された変位制御信号を所定係数倍した値によって傾斜角度制御信号算出手段で算出された傾斜角度制御信号を補正する傾斜角度制御信号補正手段を具備する。
【００２３】
本発明にあっては、傾斜角度を所定係数倍した値によって回転体のラジアル方向変位が補正されるとともに、変位制御信号を所定係数倍した値によって傾斜角度制御信号が補正される。
【００２４】
第４の発明に係る磁気軸受は、隙間検出手段が、回転体の中心軸を通る平面内の回転体の重心を含む円の周上に配置された四つの隙間センサで構成される。
【００２５】
第５の発明に係る磁気軸受は、修正手段が、回転体の中心軸を通る平面内の回転体の重心を含む円の周上に配置された四つのアクチュエータで構成される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図３は本発明に係る磁気軸受を適用した姿勢制御用フライホールの断面図であって、基板３０に垂直に立てられた回転軸３１の回りを回転体３２が回転する。
【００２７】
回転体３２の底面に形成された溝の内側には矩形の永久磁石３３が配置されている。即ち、溝の外周にはＮ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極・・・の順に、溝の内周にはＳ極、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極・・・の順に永久磁石３３が配置される。
【００２８】
基板３０上の対向する永久磁石３３の中心の円周上に設置された矩形コイル３４を順次励磁して回転磁界を生成すると、永久磁石３３との間に作用する吸引力及び反発力により回転体３２が回転駆動される。
【００２９】
回転軸３１の下端及び上端にはアキシャル軸受用アクチュエータ３５１及び３５２が配置される。なお、アキシャル軸受用アクチュエータ３５１及び３５２には水平方向に巻回されたドーナッツ状のコイルにより垂直方向の磁力を発生し、回転体３２を垂直方向に駆動制御する。さらに、このアキシャル軸受用電磁石アクチュエータ３５１及び３５２の対角線上に二つの鉛直変位センサ３６１及び３６２が配置される。
【００３０】
回転体３２の中心部に形成された空洞内には、回転軸中心を通る一つの平面（Ｘ平面）上に四つのラジアル軸受用Ｘ軸アクチュエータ３７１〜３７４が回転軸に固定されている。またＸ平面に直交する平面（Ｙ平面）上にも四つのラジアル軸受用Ｙ軸アクチュエータ（図示せず）回転軸に固定されている。
【００３１】
さらに、Ｘ平面上には四つのＸ軸隙間センサ３８１〜３８４が、Ｙ平面上には四つのＹ軸隙間センサ（図示せず）が設置される。
【００３２】
図４は上記構成を有する姿勢制御用フライホールの磁気軸受の制御系統図である。なお、以下はＸ軸制御及びφ軸制御について説明するが、Ｙ軸制御及びθ軸制御に対しても同一の制御系が適用される。
【００３３】
即ち、四つのＸ軸隙間センサ３８１〜３８４は変位加減算器４０１及び回転角加減算器４０２の入力端子に接続される。
【００３４】
即ち、変位加減算器４０１の負入力端子には、第１の隙間センサ３８１及び第３の隙間センサ３８３が、正入力端子に第２の隙間センサ３８２及び第４の隙間センサ３８４が接続され、変位加減算器４０１は回転体３２のＸ軸方向変位を出力する。
【００３５】
また、回転角加減算器４０２の負入力端子には第１の隙間センサ３８１及び第４の隙間センサ３８４が、正入力端子には第２の隙間センサ３８２及び第３の隙間センサ３８３が接続され、回転角加減算器４０２は回転体３２のφ軸回り回転角を出力する。
【００３６】
変位加減算器４０１の出力であるＸ軸方向変位が入力される変位偏差演算器４１１は、目標Ｘ軸変位設定器４２１で設定される目標Ｘ軸変位とＸ軸方向変位とを比較し変位偏差を出力する。変位偏差演算器４１１の出力は、例えばＰＩ制御器である変位制御器４３１に入力され、変位制御信号を出力する。
【００３７】
変位制御器４３１から出力される変位制御信号は、第１の電力増幅器４４１を介して第１のアクチュエータ３７１に、第３の電力増幅器４４３を介して第３のアクチュエータ３７３に供給される。さらに、変位制御信号は、第１の反転バッファ４５１及び第２の電力増幅器４４２を介して第２のアクチュエータ３７２に、第２の反転バッファ４５２及び第４の電力増幅器４４４を介して第４のアクチュエータ３７４にも供給される。
【００３８】
回転角加減算器４０２の出力であるφ軸回り回転角が入力される回転角偏差演算器４１２は、目標φ軸回り回転角設定器４２２で設定される目標φ軸回り回転角とφ軸回り回転角とを比較し回転角偏差を出力する。回転角偏差演算器４１２の出力は、例えばＰＩ制御器である回転角制御器４３２に入力され、回転角制御信号を出力する。
【００３９】
回転角制御器４３２から出力される回転角制御信号は、第１の電力増幅器４４１を介して第１のアクチュエータ３７１に、第４の電力増幅器４４４を介して第４のアクチュエータ３７４に供給される。さらに、回転角制御信号は、第３の反転バッファ４５３及び第２の電力増幅器４４２を介して第２のアクチュエータ３７２に、第４の反転バッファ４５４及び第３の電力増幅器４４３を介して第３のアクチュエータ３７３にも供給される。
【００４０】
即ち、回転体３２がＸ軸正方向（右方向）に移動した場合には変位偏差が生じ、変位制御器４３１から変位制御信号が出力される。そして、第１のアクチュエータ３７１及び第３のアクチュエータ３７３は吸引力を強め、第２のアクチュエータ３７２及び第４のアクチュエータ３７４は吸引力を弱め、回転体３２をＸ軸負方向に引き戻し、Ｘ軸正方向への移動を抑制する。
【００４１】
また、回転体３２がφ軸時計回りに回転した場合には回転角偏差が生じ、回転角制御器４３２から回転角制御信号が出力される。そして、第２のアクチュエータ３７２及び第３のアクチュエータ３７３は吸引力を強め、第１のアクチュエータ３７１及び第４のアクチュエータ３７４は吸引力を弱め、回転体３２をφ軸反時計回りに引き戻し、φ軸時計回りの回転を抑制する。
【００４２】
本発明に係る軸受装置は、さらにＸ軸方向変位補正部４６及びφ軸回り回転角制御信号補正部４７を具備する。
【００４３】
Ｘ軸方向変位補正部４６は、回転角加減算器４０２の出力であるφ軸回り回転角を所定係数倍する回転角係数器４６１と、この回転角係数器４６１から出力される所定係数倍されたφ軸回り回転角とＸ軸方向変位加減算器４０１から出力されるＸ軸方向変位を加算する変位補正加算器４６２とから構成される。
【００４４】
そして、回転体３２の重心と隙間センサ及び軸受アクチュエータの中心との偏倚に起因して、回転体３２がφ軸回りに回転したときにも変位加減算器から回転体３２がＸ軸方向に移動したことを意味する変位が出力されることを防止する。
【００４５】
φ軸回り回転角制御信号補正部４７は、変位制御器４３１の出力である変位制御信号を所定係数倍する変位制御信号係数器４７１と、この変位制御信号係数器４７１から出力される所定係数倍された変位制御信号と回転角制御器４３２から出力される回転角制御信号を加算する回転角制御信号補正加算器４７２とから構成される。
【００４６】
そして、回転体３２の重心と隙間センサ及び軸受アクチュエータの中心との偏倚に起因して、回転体３２をＸ軸方向に移動させる発生力によってφ軸回りのモーメントが発生し、回転体３２がφ軸回りに回転することを防止する。
【００４７】
上記はＸ軸方向変位及びφ軸回りの回転について説明したが、この説明はＹ軸方向変位及びθ軸回り回転についても適用されることはいうまでもない。
【００４８】
【発明の効果】
本発明に係る磁気軸受によれば、回転体の重心と隙間検出手段及び修正手段の中心が一致していない場合であっても、回転体の振れ回り振動の発生を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】課題の説明図である。
【図２】回転体の動特性を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る磁気軸受を適用した姿勢制御用フライホイールの断面図である。
【図４】磁気軸受の制御系統図である。
【符号の説明】
３８１〜３８４…隙間センサ
４０１…変位加減算器
４０２…回転角加減算器
４１１…変位偏差算出器
４１２…角度偏差算出器
４２１…目標変位設定器
４２２…目標回転角設定器
４３１…変位制御器
４３２…回転角制御器
４４１〜４４４…電力増幅器
４５１〜４５４…反転バッファ
３７１〜３７４…アクチュエータ
４６…変位補正部
４６１…回転角係数器
４６２…変位補正加算器
４７…回転角制御信号補正部
４７１…変位制御信号係数器
４７２…回転角制御信号補正加算器
【図１】
2004019928.tif 000003
【図２】
2004019928.tif 000004
【図３】
2004019928.tif 000005
【図４】
2004019928.tif 000006