(57)【要約】【課題】  低周波数から高周波数までのモータ周波数において磁気軸受の軸受剛性を効果的に確保することができる磁気軸受装置を提供する。【解決手段】  磁気軸受装置は、回転軸１０４の浮上制御のゲインを調整する制御装置１９を備える。制御装置１９は、回転軸１０４の浮上位置を検出する変位センサ２０７ａと、電磁石２０７ｂに励磁電流を供給するドライバ１７と、変位センサ２０７ａからの信号に基づいて電磁石２０７ｂへの励磁電流を調整して浮上制御を行う位相補償器１６と、位相補償器１６の出力信号が入力されるバンドパスフィルタ２２と、バンドパスフィルタ２２の出力信号を増幅する増幅器２３と、増幅器２３の出力信号を位相補償器１６の出力信号に加算する加算器２５とを備える。バンドパスフィルタ２２の中心周波数は、実際の回転軸１０４の回転周波数に基づいて設定される。【選択図】  図４
2005036973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体を磁気力により浮上支持する電磁石と、
前記回転体の浮上制御のゲインを調整する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記回転体の浮上位置を検出する変位センサと、
前記電磁石に励磁電流を供給するドライバと、
前記変位センサからの信号に基づいて前記電磁石への励磁電流を調整して浮上制御を行う位相補償器と、
前記位相補償器の出力信号が入力されるバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタの出力信号を所定の増幅度で増幅する増幅器と、
前記増幅器の出力信号を前記位相補償器の出力信号に加算して前記ドライバに出力する加算器と、
を備え、
前記バンドパスフィルタの中心周波数は、実際の前記回転体の回転周波数、前記回転体に回転駆動力を与えるモータに電力を供給する電源の電圧、電流、または周波数に基づいて設定されることを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記増幅器の増幅度を、実際の前記回転体の回転周波数、前記電源の電圧、電流、または周波数に基づいて調整す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】
前記制御装置は、実際の前記回転体の回転周波数、前記電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、前記回転体の浮上制御のゲインの調整のオンとオフを切換えるスイッチをさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気軸受装置。
【請求項４】
前記制御装置は、実際の前記回転体の回転周波数、前記電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、前記回転体の回転周波数が剛体モードの危険周波数付近の領域にあるときに、前記スイッチをオンに切換えるスイッチ制御器をさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載の磁気軸受装置。
【請求項５】
回転体を磁気力により浮上支持する電磁石と、
前記回転体の浮上制御のゲインを調整する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記回転体の浮上位置を検出する変位センサと、
前記電磁石に励磁電流を供給するドライバと、
前記変位センサからの信号に基づいて前記電磁石への励磁電流を調整して浮上制御を行う位相補償器と、
前記位相補償器の出力信号が入力されるバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタの出力信号を所定の増幅度で増幅する第１の増幅器と、
前記１の増幅器の出力信号を前記位相補償器の出力信号に加算または前記位相補償器の出力信号から減算する加減算器と、
前記第１の増幅器の増幅度が大きいときに、前記加減算器の出力信号にフィードフォワード信号を加算して前記ドライバに出力するフィードフォワード回路と、
を備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記第１の増幅器の増幅度を、実際の前記回転体の回転周波数、前記回転体に回転駆動力を与えるモータに電力を供給する電源の電圧、電流、または周波数に基づいて調整することを特徴とする請求項５に記載の磁気軸受装置。
【請求項７】
前記制御装置は、実際の前記回転体の回転周波数、前記回転体に回転駆動力を与えるモータに電力を供給する電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、前記回転体の浮上制御のゲインの調整のオンとオフを切換える第１のスイッチをさらに備えたことを特徴とする請求項５または６に記載の磁気軸受装置。
【請求項８】
前記制御装置は、実際の前記回転体の回転周波数、前記電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、前記回転体の回転周波数が剛体モードの危険周波数付近の領域にあるときに、前記第１のスイッチをオンに切換えるスイッチ制御器を備えたことを特徴とする請求項７に記載の磁気軸受装置。
【請求項９】
前記フィードフォワード回路は、
任意の周波数の信号を発生するオシレータと、
前記オシレータの出力信号の位相および周波数を前記加減算器の出力信号の位相および周波数に一致させる同調器と、
前記オシレータの出力信号を所定の増幅度で増幅する第２の増幅器と、
を備えたことを特徴とする請求項５から８のいずれか一項に記載の磁気軸受装置。
【請求項１０】
前記フィードフォワード回路は、前記第２の増幅器の増幅度を、実際の前記回転体の回転周波数、前記回転体に回転駆動力を与えるモータに電力を供給する電源の電圧、電流、または周波数に基づいて調整することを特徴とする請求項９に記載の磁気軸受装置。
【請求項１１】
前記フィードフォワード回路は、実際の前記回転体の回転周波数、前記回転体に回転駆動力を与えるモータに電力を供給する電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、前記第２の増幅器の出力信号のオンとオフを切換える第２のスイッチをさらに備えたことを特徴とする請求項９または１０に記載の磁気軸受装置。
【請求項１２】
前記制御装置は、実際の前記回転体の回転周波数、前記電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、前記回転体の回転周波数が弾性モードの危険周波数付近の領域にあるときに、前記第２のスイッチをオンに切換えるスイッチ制御器を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の磁気軸受装置。
【請求項１３】
回転体と、
前記回転体に回転駆動力を与えるモータと、
請求項１から１２のいずれか一項に記載した磁気軸受装置と、
を備えたことを特徴とする流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体を磁気力により浮上支持する制御型磁気軸受装置および磁気軸受装置を備えた流体機械に係り、特に、軸受剛性を効果的に確保することができる磁気軸受装置および磁気軸受装置を備えた流体機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、回転体を高速回転させる必要のある流体機械では、回転体を磁気力により非接触支持する磁気軸受装置が広く用いられている。磁気軸受装置は、軸受が支持する回転体の回転抵抗を少なくすることができ、摩耗粉が発生せず、軸受の摩耗に伴うメンテナンスが不要であり、軸受の潤滑剤によるコンタミネーションの問題が生じない等の特徴がある。
【０００３】
例えば、図１に示すようなガスレーザ装置５００においては、フッ素ガスなどのハロゲン系ガスを含むレーザガスが封入されたレーザ容器５０１の内部に循環ファン５０３が配置されている。このレーザ容器５０１の両端部から突出してモータ５０５により回転駆動される循環ファン５０３の回転軸５０４の支持に磁気軸受装置が設けられている。すなわち、回転軸５０４は、両端側に設けられているラジアル磁気軸受装置５０６，５０７およびアキシャル磁気軸受装置５０８によりレーザ容器５０１に対して非接触に回転自在に支持されている。
【０００４】
このような磁気軸受装置５０６，５０７，５０８は、一般に、回転側の回転軸５０４に磁性材からなるターゲットを設ける一方、固定側のレーザ容器５０１のその磁性材からなるターゲットに対向する位置に電磁石を配設することにより、電磁石の発生する磁気力でレーザ容器５０１に対して回転軸５０４を浮上させて非接触支持する機構を共通して持っている。このことから、磁気軸受装置の制御について、ラジアル磁気軸受装置５０７を一例に説明する。
【０００５】
ラジアル磁気軸受装置５０７は、レーザ容器５０１側に変位センサ５０７ａと電磁石５０７ｂが配設される一方、循環ファン５０３の回転軸５０４側には変位センサターゲット５０７ｃと磁性材からなる電磁石ターゲット５０７ｄとが配置されて構成されており、電磁石５０７ｂの磁気吸引力によりレーザ容器５０１に対して回転軸５０４を非接触支持している。
【０００６】
そして、このラジアル磁気軸受装置５０７は、変位センサターゲット５０７ｃを検出する変位センサ５０７ａからの信号に基づいて回転軸５０４の相対位置を検出する変位検出器と、この回転軸５０４の検出位置と基準位置との偏差に応じて回転軸を所定位置に安定に位置決めするように演算を行って軸受制御信号を出力する位相補償器と、その軸受制御信号を増幅して電磁石５０７ｂに励磁電流として供給するドライバとからなる制御装置を備える。これにより、循環ファン５０３の回転軸５０４を所定位置に位置決めして、モータ５０５による安定した回転駆動を実現している。
【０００７】
このような磁気軸受装置を備えた流体機械においては、高速回転する回転体の安定した非接触支持を実現するために、制御動作に各種の工夫が図られている（例えば、特許文献１から４参照）。
【特許文献１】特許第３３３１４７６号公報
【特許文献２】特開平６−５８３３２号公報
【特許文献３】特開２０００−１４５７７４号公報
【特許文献４】特開平１１−９３９５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このような従来の磁気軸受装置を備えた流体機械においては、ガスレーザ装置５００のモータ５０５が回転軸５０４を回転駆動すると不平衡磁気吸引力が作用し、磁気軸受の開ループゲインが小さくなって支持剛性が低下する、という問題があった。
【０００９】
図２は、従来の磁気軸受装置における磁気軸受剛性を示すグラフであり、ラジアル磁気軸受５０７の剛性をモータ５０５の駆動力の有無で比較したものである。ラジアル磁気軸受５０７の剛性は、図２に示すように、モータ５０５を駆動させると、そのモータ５０５の不平衡吸引力によって低下し、特に、いわゆる剛体モードの危険速度付近で低下してしまう（図２のＸ部分参照）。このように磁気軸受装置の剛性が特定の周波数付近で低下してしまうと、その周波数領域では回転軸５０４の振れ回りが過大となって、安定した回転動作を行えなくなってしまう、という問題があった。この傾向は、モータ５０５を高出力化していくにつれてさらに顕著となる。
【００１０】
この問題は、上記特許文献１〜３に記載の回転制御によっても解決することはできない。特許文献１の場合は、回転軸の回転周波数付近の浮上制御のゲインをその他の周波数のゲインより低くすることはできるが、高くすることはできない。このため、回転軸が慣性中心で回転しない低周波数領域の剛体モードの危険速度を通過するには、効果的でない。また回路も複雑である。特許文献２の場合は、誘導モータのすべり周波数の軸受剛性についてのものであるため、そのまま適用しても効果はない。特許文献３の場合は、軸受剛性の低下する特定の周波数付近のみ浮上制御のゲイン調整の制御を行うことはできない。
【００１１】
なお、このような問題の対策として、予めモータ５０５の不平衡磁気吸引力により低下する開ループゲイン分を浮上制御の比例ゲインに上乗せしておく方法や、モータ５０５の負荷状況とともに浮上制御の比例ゲインを大きくする方法が考えられる。しかしながら、高次曲げ周波数の制御安定性を損なってしまうため、実施するのは極めて困難である。
【００１２】
また、回転軸５０４が回転すると、回転周波数の上昇とともにジャイロ効果によって危険速度が低周波数側と高周波数側に分岐していき、回転軸５０４の回転周波数が高いほど低周波数側の後回り周波数と高周波数側の前回り周波数との差が大きくなることが知られている。このため、回転軸５０４が回転していないときは、磁気軸受の制御が安定していても、回転しているときは回転周波数によって危険速度が変動し、特に弾性モードにおける危険速度の前回り周波数および後回り周波数で不安定になり易く、磁気軸受の安定性を確保しようと比例ゲインを下げると低い周波数領域で支持剛性が低下し、振れ回りが過大となり、低い回転周波数と高い回転周波数での磁気軸受の制御の安定性の両立が困難であった。
【００１３】
また、弾性モードにおける危険速度の近辺で十分な磁気軸受の支持剛性が得られず、回転軸５０４を弾性モードにおける危険速度以上の周波数で回転させるためには、高精度のバランシングが必要とされ、実用的ではなかった。上記特許文献４では、弾性モードにおける危険速度の制御ゲインを低下させるため、磁気軸受を安定に支持することはできるが、弾性モードの危険速度以上の周波数で回転させることは難しい。
【００１４】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、低周波数から高周波数までの回転周波数において磁気軸受の軸受剛性を効果的に確保することができる磁気軸受装置および磁気軸受装置を備えた流体機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様によれば、回転体を磁気力により浮上支持する電磁石と、上記回転体の浮上制御のゲインを調整する制御装置とを備えた磁気軸受装置が提供される。制御装置は、上記回転体の浮上位置を検出する変位センサと、上記電磁石に励磁電流を供給するドライバと、上記変位センサからの信号に基づいて上記電磁石への励磁電流を調整して浮上制御を行う位相補償器と、上記位相補償器の出力信号が入力されるバンドパスフィルタと、上記バンドパスフィルタの出力信号を所定の増幅度で増幅する増幅器と、上記増幅器の出力信号を上記位相補償器の出力信号に加算して上記ドライバに出力する加算器とを備える。上記バンドパスフィルタの中心周波数は、実際の上記回転体の回転周波数、上記回転体に回転駆動力を与えるモータに電力を供給する電源の電圧、電流、または周波数に基づいて設定される。
【００１６】
本発明によれば、回転体を浮上支持する磁気軸受の浮上制御のゲインを、回転体の実際の回転周波数や回転体を回転させるモータ駆動電源の電圧、電流、周波数に応じて調整することができ、任意の周波数において変更することができる。したがって、モータの駆動力の発生状態、または回転体の回転周波数により浮上制御のゲインを変更することができるから、すべての運転状況に応じて開ループゲインを最適化することができる。
【００１７】
言い換えると、回転体に駆動力が加えられていないときは、開ループゲインが、回転体を浮上するために必要な程度の浮上制御のゲインに設定されて制御安定性を高めることができる。また、駆動力が加えられるときには、例えば、バンドパスフィルタの中心周波数を回転体の回転周波数と一致させて、磁気軸受の浮上制御のゲインを回転体の回転周波数付近でのみ増加させることができる。
【００１８】
これにより、回転体の駆動による不平衡磁気吸引力によって開ループゲインが低下する際には、回転体が慣性中心で回転しない周波数領域におけるその回転体の不釣り合い振動を効果的に抑制することができる。そして、回転体の回転周波数以外の、例えば高次曲げ周波数領域での浮上制御のゲインを増加させず、磁気軸受制御系の安定性を損なうことを防止することができる。
【００１９】
また、低い周波数と高い周波数で磁気軸受の安定性を両立することが難しい場合であっても、例えば、低い回転周波数では従来の位相補償器で安定性を確保し、高い周波数では回転周波数が変化してもバンドパスフィルタの中心周波数を前回り周波数や後回り周波数近辺に設定して回転速度の変化とともに追従させることで、バンドパスフィルタの中心周波数付近でのみ磁気軸受の浮上制御のゲインを上げることができ、安定性を確保することができる。また、例えば、弾性モードの危険速度と回転周波数が一致する周波数の近辺にバンドパスフィルタの中心周波数を設定することで、その周波数の近辺でのみ浮上制御のゲインを増加させることができるので、弾性モードの危険速度と回転周波数が一致しても、不釣り合い振動を抑制できる程度の支持剛性を得ることができる。このため、高精度のバランシングをすることなしに弾性モードの危険速度以上の回転速度で回転体を回転させることができる。
【００２０】
上記制御装置は、上記増幅器の増幅度を、実際の上記回転体の回転周波数、上記電源の電圧、電流、または周波数に基づいて調整することとしてもよい。これにより、例えば、回転体の駆動時の不平衡磁気吸引力が磁気軸受に作用する場合にも、回転体の浮上制御のゲインを各回転周波数での回転体の不釣り合い振動を抑えるのに必要な値に調整することができる。すなわち、浮上制御のゲインは、回転体の駆動力の負荷によって変動する不平衡磁気吸引力に対応して必要最低限にすることができ、高次曲げ周波数の制御安定性を確保することができる。
【００２１】
また、弾性モードの危険速度近辺にバンドパスフィルタの中心周波数を設定する場合であっても、その弾性モードの危険速度の共振レベルに応じて、安定性を確保できる程度に浮上制御のゲインを調整することができる。
【００２２】
また、上記制御装置は、実際の上記回転体の回転周波数、上記電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、上記回転体の浮上制御のゲインの調整のオンとオフを切換えるスイッチをさらに備えていてもよい。さらに、上記制御装置は、実際の上記回転体の回転周波数、上記電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、上記回転体の回転周波数が剛体モードの危険周波数付近の領域にあるときに、上記スイッチをオンに切換えるスイッチ制御器をさらに備えることが好ましい。これにより、上記浮上制御のゲインの調整をオン・オフすることができ、浮上制御のゲインを調整する必要がない回転周波数領域や、浮上制御のゲインの調整により磁気軸受が不安定となる領域、例えば高次曲げ周波数領域などではスイッチをオフにする一方、浮上制御のゲインを調整する必要がある回転周波数領域ではスイッチをオンにしてフィードバック制御（調整）することができる。
【００２３】
また、本発明の第２の態様によれば、回転体を磁気力により浮上支持する電磁石と、上記回転体の浮上制御のゲインを調整する制御装置とを備えた磁気軸受装置が提供される。上記制御装置は、上記回転体の浮上位置を検出する変位センサと、上記電磁石に励磁電流を供給するドライバと、上記変位センサからの信号に基づいて上記電磁石への励磁電流を調整して浮上制御を行う位相補償器と、上記位相補償器の出力信号を入力するバンドパスフィルタとを備える。また、上記制御装置は、上記バンドパスフィルタの出力信号を所定の増幅度で増幅する第１の増幅器と、上記１の増幅器の出力信号を上記位相補償器の出力信号に加算または上記位相補償器の出力信号から減算する加減算器と、上記第１の増幅器の増幅度が大きいときに、上記加減算器の出力信号にフィードフォワード信号を加算して上記ドライバに出力するフィードフォワード回路とを備える。
【００２４】
上記フィードフォワード回路は、任意の周波数の信号を発生するオシレータと、上記オシレータの出力信号の位相と周波数を、上記加減算器の出力信号の位相と周波数に一致させる同調器と、上記オシレータの出力信号を所定の増幅度で増幅する第２の増幅器とを含むことができる。
【００２５】
このような構成により、回転体の不釣り合い力をフィードフォワード信号で相殺できるので、不釣り合い振動を効果的に抑制することができる。また、フィードフォワード回路により、第１の増幅器の増幅度を限界にしなくても高い支持剛性を得ることができる。
【００２６】
上記制御装置は、上記第１の増幅器の増幅度を、実際の上記回転体の回転周波数、上記回転体に回転駆動力を与えるモータに電力を供給する電源の電圧、電流、または周波数に基づいて調整することとしてもよい。これにより、例えば、回転体の駆動時の不平衡吸引力が磁気軸受に作用する場合にも、回転体の浮上制御のゲインを各周波数での不釣り合い振動を抑えるのに必要な値に調整することができ、高次曲げ周波数の制御安定性を確保できる。
【００２７】
また、上記制御装置は、実際の上記回転体の回転周波数、上記回転体に回転駆動力を与えるモータに電力を供給する電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、上記回転体の浮上制御のゲインの調整のオンとオフを切換える第１のスイッチを備えていてもよい。さらに、上記制御装置は、実際の上記回転体の回転周波数、上記電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、上記回転体の回転周波数が剛体モードの危険周波数付近の領域にあるときに、上記第１のスイッチをオンに切換えるスイッチ制御器を備えることが好ましい。
【００２８】
上記第１のスイッチにより上記浮上制御のゲインの調整のオンとオフを切換えることができるので、例えば、浮上制御のゲインを調整する必要がない回転周波数領域や浮上制御のゲインを調整したことでかえって磁気軸受が不安定となる領域、高次曲げ周波数領域などでは、第１のスイッチをオフにする一方、浮上制御のゲインを調整する必要がある回転周波数領域では、第１のスイッチをオンすることができる。
【００２９】
上記フィードフォワード回路は、上記第２の増幅器の増幅度を、実際の上記回転体の回転周波数、上記回転体に回転駆動力を与えるモータに電力を供給する電源の電圧、電流、または周波数に基づいて調整することができる。これにより、任意の周波数において、第２の増幅器の増幅度を調整でき、例えば、各周波数における回転体の不釣り合い振動が許容範囲内になる程度に調整することができ、必要最低限の支持剛性として電力消費を抑えることができる。
【００３０】
また、上記フィードフォワード回路は、実際の上記回転体の回転周波数、上記回転体に回転駆動力を与えるモータに電力を供給する電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、上記第２の増幅器の出力信号のオンとオフを切換える第２のスイッチを備えていてもよい。さらに、上記制御装置は、実際の上記回転体の回転周波数、上記電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、上記回転体の回転周波数が弾性モードの危険周波数付近の領域にあるときに、上記第２のスイッチをオンに切換えるスイッチ制御器を備えることが好ましい。
【００３１】
上記第２のスイッチにより第２の増幅器の出力信号のオンとオフを切換えることができるので、フィードフォワード回路によるフィードフォワード制御のオンとオフの切換えができ、例えば、バンドパスフィルタの出力信号がそれほど大きく増幅されていない周波数においてはオフに切換え、バンドパスフィルタの出力信号が大きく増幅されフィードフォワード制御が効果的となる周波数ではオンに切換えることができる。
【００３２】
本発明の第３の態様によれば、回転体と、上記回転体に回転駆動力を与えるモータと、上述した磁気軸受装置とを備えた流体機械が提供される。また、上記磁気軸受は流体機械に限らず各種他の回転機械に適用することができ、高出力化が求められている回転機械に、磁気軸受により回転体を安定に支持させつつ高速回転させることができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、回転体の回転駆動による不平衡吸引力が発生しても、回転体の回転周波数付近において磁気軸受の剛性を効果的に保つことができる。したがって、磁気軸受装置の軸受剛性を効果的に確保することができ、安定した流体機械の運転が可能となる。
【００３４】
また、ジャイロ効果によって危険速度が前回り周波数と後回り周波数に分かれても、低い回転周波数と高い回転周波数での磁気軸受制御安定性を両立することができる。さらに、高精度のバランシングを必要とせずに弾性モードの危険速度以上の回転数周波数で回転体を回転させることができる。したがって、磁気軸受装置の軸受剛性を効果的に確保することができ、安定した流体機械の運転が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明に係る磁気軸受装置を備えた流体機械の実施形態について図３から図１１を参照して説明する。
【００３６】
図３は本発明の第１の実施形態における磁気軸受装置を用いた流体機械としてのガスレーザ装置１００を示す概略図、図４は図３の磁気軸受装置の制御系を示す概念ブロック線図である。図３において、ガスレーザ装置１００は、フッ素ガスなどのハロゲン系ガスを含むレーザガスを加圧状態で気密密封したレーザ容器１０１を備えており、このレーザ容器１０１内には封入レーザガスを循環させるための循環ファン１０３が内蔵されている。
【００３７】
循環ファン１０３は、レーザ容器１０１の両端部に形成された円筒形状部１０１ａ，１０１ｂ内に回転体としての回転軸１０４を突出させて回転自在に支持されており、その回転軸１０４の一端部に配置されたモータ１０５により回転駆動される。
【００３８】
モータ１０５は、固定側のレーザ容器１０１の円筒形状部１０１ａの内面に取り付けられたモータステータ１０５ａと、モータステータ１０５ａに対面するように回転側の回転軸１０４の外周面に取り付けられたモータロータ１０５ｂとから構成されている。図４に示すように、モータステータ１０５ａはモータ駆動装置１２に接続された巻線を有している。モータ１０５は、回転指令器１１からの指令信号に従ってモータ駆動装置１２がモータステータ１０５ａの巻線に所望の周波数の電力を供給することにより、回転軸１０４を所望の回転速度で回転させることができ、循環ファン１０３をレーザ容器１０１内で回転駆動させることができる。なお、この回転軸１０４の実際の回転速度は、モータ１０５の反対側の回転軸１０４に固設された円盤１０４ａの回転を回転センサ１３（図４参照）が検出して検知することができる。
【００３９】
循環ファン１０３は、レーザ容器１０１の円筒形状部１０１ａ，１０１ｂに配設されているラジアル磁気軸受装置１０６，１０７およびアキシャル磁気軸受装置１０８により、その回転軸１０４の両側を回転自在に非接触支持されている。これにより、ガスレーザ装置１００は、回転抵抗の少ない循環ファン１０３の安定した高速回転を実現し、高出力のレーザ光を出力するためにレーザガスを循環させることができる。なお、レーザ容器１０１内を循環させるレーザガスは、磁気軸受装置１０６，１０７，１０８のそれぞれの内部に形成される空間を介して容器１０１内部を循環している。
【００４０】
ラジアル磁気軸受装置１０６，１０７は、固定側のレーザ容器１０１の円筒形状部１０１ａ，１０１ｂの内周面に変位センサ１０６ａ，１０７ａと電磁石１０６ｂ，１０７ｂとを備えている。一方で、回転側の回転軸１０４の外周面には変位センサターゲット１０６ｃ，１０７ｃと磁性材からなる電磁石ターゲット１０６ｄ，１０７ｄが、固定側の変位センサ１０６ａ，１０７ａと電磁石１０６ｂ，１０７ｂのそれぞれに対向するように配置されている。このラジアル磁気軸受装置１０６，１０７は、変位センサ１０６ａ，１０７ａにより回転軸１０４の相対的位置を検出し、その相対的位置に基づいて電磁石１０６ｂ，１０７ｂへの励磁電流を調整することにより、固定側に対して回転軸１０４をラジアル方向の所望位置に浮上させて非接触支持する。
【００４１】
アキシャル磁気軸受装置１０８は、同様に、固定側のレーザ容器１０１の円筒形状部１０１ｂに変位センサ１０８ａと一対の電磁石１０８ｂとを備えている。一方、回転側の回転軸１０４には変位センサターゲット１０８ｃと磁性材からなる電磁石ターゲット１０８ｄがそれぞれ配置される。このアキシャル磁気軸受装置１０８は、変位センサ１０８ａが変位センサターゲット１０８ｃの相対的位置を検出することで、回転軸１０４のアキシャル方向位置を検知し、一対の電磁石１０８ｂが回転軸１０４のターゲット１０８ｄを挟むように、磁気力を制御することにより、アキシャル方向の所望位置に回転軸１０４を非接触支持することを実現している。
【００４２】
ここで、これら磁気軸受装置１０６，１０７，１０８の非接触支持制御については、回転軸１０４の両端部のラジアル磁気軸受装置１０６と１０７とで同様であり、ラジアル方向とアキシャル方向でも同様であるため、ここでは１つのラジアル磁気軸受装置１０７の制御を一例として説明する。
【００４３】
図４に示すように、ラジアル磁気軸受装置１０７は磁気軸受の制御装置１９を備えており、この制御装置１９は、変位センサターゲット１０７ｃを検出する変位センサ１０７ａからの信号に基づいて回転軸１０４のラジアル方向における位置を検出して位置検出信号Ｓ１を出力する変位検出器１５と、その位置検出信号Ｓ１と回転軸１０４の基準位置（浮上目標位置）Ｒとの偏差を算出する減算器３０と、磁気軸受が最適に動作するように補償する軸受制御信号Ｓ２を演算し出力する位相補償器１６と、その軸受制御信号Ｓ２を増幅して電磁石１０７ｂへの励磁電流を供給するドライバ１７とを有している。
【００４４】
このような構成により、制御装置１９は、回転軸１０４の静止浮上状態のときに、回転軸１０４の相対位置に基づいたフィードバック制御により、磁性材からなるターゲット１０７ｄに電磁石１０７ｂから磁気力を与えて、回転軸１０４を所望の目標位置に対して安定に位置決めして非接触支持する。
【００４５】
そして、この制御装置１９は、回転軸１０４の円盤１０４ａに対面する回転センサ１３からの信号に基づいて、その回転軸１０４の回転速度（回転周波数）を表すパルス信号Ｓ３を出力する回転速度検出器２０と、その回転周波数パルス信号Ｓ３を電圧信号Ｓ４に変換して出力するＦ／Ｖ変換器（周波数−電圧変換器）２１と、その電圧信号Ｓ４に応じた回転周波数を中心周波数（通過させる周波数帯域の中心）に設定して、位相補償器１６から入力される軸受制御信号Ｓ２を通過出力するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２２とを備えている。また、制御装置１９は、バンドパスフィルタ２２から出力された軸受制御信号Ｓ５を所定の増幅度で増幅して出力する増幅器２３と、増幅された軸受制御信号Ｓ６の受け渡しをオン・オフする制御調整スイッチ２４と、位相補償器１６からドライバ１７に受け渡す軸受制御信号Ｓ２に上記増幅された軸受制御信号Ｓ６を加算する加算器２５とを備えている。
【００４６】
また、制御装置１９は、制御調整スイッチ２４をオン・オフするスイッチ制御器２６を備えている。このスイッチ制御器２６は、Ｆ／Ｖ変換器２１からの電圧信号Ｓ４に基づいて、回転軸１０４の回転速度が予め設定されている回転速度領域（例えば、ラジアル磁気軸受１０７の剛性が駆動するモータ１０５の不平衡吸引力によって低下する、いわゆる剛体モードの危険速度付近の回転速度領域）にある場合に制御調整スイッチ２４をオンに切換える一方、その回転速度領域以外である場合には制御調整スイッチ２４をオフに切換える。これらの、回転速度検出器２０と、Ｆ／Ｖ変換器２１と、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２２と、増幅器２３と、制御調整スイッチ２４と、加算器２５と、スイッチ制御器２６等により、磁気軸受の制御調整器２９が構成されている。
【００４７】
このような構成により、制御調整器２９は、回転軸１０４の実際の回転周波数に合わせて、メイン回路の位相補償器１６とドライバ１７との間でやり取りする軸受制御信号Ｓ２を所定の増幅度で増幅してその回転軸１０４を支持するに十分なゲインに調整した調整信号（増幅軸受制御信号）Ｓ６を、基本の軸受制御信号Ｓ２に加算する。これにより、制御調整器２９は、モータ１０５の駆動力が発生しているときに回転軸１０４に作用する不平衡磁気吸引力によってラジアル磁気軸受１０７の剛性が低下する条件の場合でも、十分な磁気軸受剛性を得られるように回転周波数付近の浮上制御のゲインを調整することができ、回転軸１０４の不釣り合い量による振れ回りを抑えることができる。したがって、制御調整器２９は、回転軸１０４を安定に非接触支持（浮上）させて、レーザ容器１０１内における循環ファン１０３の回転軸１０４の安定な回転駆動を実現している。
【００４８】
ここで、増幅器２３は、現実の回転軸１０４の回転周波数、あるいは、回転軸１０４の回転周波数に相当するモータ駆動装置１２の電源周波数・電源電圧・電源電流や回転指令器１１の指令信号などに基づいて、その回転軸１０４を支持するのに十分なゲインを算出（推定）して相応の増幅度になるように調整することができる。
【００４９】
また、増幅器２３は、回転軸１０４に作用するモータ１０５の不平衡磁気吸引力をＫｕｍとするとともに、磁気軸受の原理により発生する不平衡力をＫｕとした場合に、増幅度が常にＫｕｍ／Ｋｕとなるように調整することにより、モータ１０５の回転周波数に応じた不平衡磁気吸引力による磁気軸受の開ループゲインの低下を阻止し、静止浮上時に等しい開ループゲインを保たせる方法を用いるようにしてもよい。
【００５０】
図５（ａ）および図５（ｂ）は、図４の磁気軸受装置の周波数伝達特性を示すグラフであり、図５（ａ）はゲイン特性を表し、図５（ｂ）は位相特性を表す。これらの周波数伝達特性は、加算器２５の前後、すなわち位相補償器１６の出力信号Ｓ２と加算器２５の出力信号Ｓ７との間の周波数伝達特性である。図５（ａ）に示すように、制御調整器２９は、回転軸１０４の実際の回転周波数付近のみの浮上制御のゲインを増加することができる。ただし、この制御調整器２９は、図５（ｂ）に示すように、実際の回転周波数よりやや高い周波数において位相が若干遅れるため、バンドパスフィルタ２２のバンド幅を適度に狭めてラジアル磁気軸受装置１０７の磁気軸受が不安定になることを防いでいる。
【００５１】
図６は、図４の制御調整装置２９の動作例を示すタイムチャートである。図６に示すように、スイッチ制御器２６は、回転軸１０４の実際の回転周波数（回転速度）に応じた電圧信号Ｓ４が剛体モードにおける危険速度（周波数）ＣＳ１よりも少し低い周波数に対応するレベルｖ１に達した時刻ｔ１に制御調整スイッチ２４をオンに切換える。この後、その電圧信号Ｓ４が剛体モードにおける危険速度ＣＳ１よりも少し高い周波数に対応するレベルｖ２に達した時刻ｔ２に、制御調整スイッチ２４をオフに切換えるように動作する。このように、電圧信号Ｓ４のレベルがｖ１からｖ２にある範囲において制御調整スイッチ２４がオンとなるようになっている。
【００５２】
図７は、制御調整器２９の有無に応じた磁気軸受剛性を示す。図７に示すように、剛体モードにおける危険速度ＣＳ１付近でゲインが増加している。すなわち、制御調整スイッチ２４をオン・オフすることにより、制御調整器２９は、回転軸１０４の回転周波数が剛体モードにおける危険速度ＣＳ１の回転周波数付近にあるときのラジアル磁気軸受装置１０７の磁気軸受剛性を高く保つことができる（図７のＹ部分参照）。このように、上述した制御調整器２９によれば、制御調整器２９を備えていない場合に生じるような回転軸１０４の不釣り合いによる振れ回りを抑制し、回転軸１０４をより安定して非接触支持することができる。また、制御調整器２９は、このときの浮上制御のゲインを剛体モードにおける危険速度ＣＳ１の回転周波数付近のみで増幅させるため、高次曲げ周波数の制御安定性を損なうことがない。
【００５３】
なお、バンドパスフィルタ２２の中心周波数は、回転軸１０４の実際の回転周波数に限らず、回転軸１０４の回転周波数に相当するモータ駆動装置１２の電源周波数・電源電圧・電源電流や回転指令器１１の指令信号などから回転軸１０４の回転周波数を換算して設定するようにしてもよい。また、スイッチ制御器２６も、同様に、回転軸１０４の実際の回転周波数に限らず、回転軸１０４の回転周波数に相当するモータ駆動装置１２の電源周波数・電源電圧・電源電流や回転指令器１１の指令信号などから回転軸１０４の実際の回転周波数を換算して、制御調整スイッチ２４のオン・オフ制御を行うようにしてもよい。
【００５４】
このように本実施形態においては、バンドパスフィルタ２２の中心周波数を回転軸１０４の回転周波数に対応させる（相関を持たせる）ことにより、ドライバ１７に入力する軸受制御信号を必要に応じて増幅して磁気軸受の浮上制御のゲインを調整することができ、回転軸１０４をレーザ容器１０１に非接触支持させる開ループゲインを最適化することができる。この磁気軸受の浮上制御のゲインは、回転軸１０４の回転周波数に応じて増幅度を調整したり、この調整をオン・オフすることにより、回転軸１０４の剛体モードにおける危険速度の回転周波数付近でのみ最適に調整することができ、制御安定性を高めることができる。
【００５５】
したがって、モータ１０５の駆動による不平衡磁気吸引力が回転軸１０４の磁気軸受に作用して開ループゲインが低下する回転周波数において、その回転周波数に応じた回転軸１０４の不釣り合い振動を抑えるのに必要な値に磁気軸受の浮上制御のゲインを調整することができる。また、この磁気軸受の浮上制御のゲインは、回転軸１０４が慣性中心で回転しない上記剛体モードの危険速度などのように調整の必要な周波数領域においてのみ増加させるようにして、そのゲインの調整を必要最低限にすることができ、回転軸１０４の回転以外が要因となる、例えば高次曲げ周波数域での浮上制御のゲインは増加させずに、磁気軸受制御系の安定性を損なうことを防止できる。
【００５６】
この結果、回転軸１０４の回転駆動による不平衡吸引力が発生しても、磁気軸受の剛性を効果的に保つことができ、ガスレーザ装置１００の循環ファン１０３を安定かつ高速回転させて高出力のレーザ光を得ることができる。
【００５７】
図８は、本発明の第２の実施形態における磁気軸受装置の制御系を示す概念ブロック線図である。図８において、上述の第１の実施形態における構成要素と同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００５８】
本実施形態におけるラジアル磁気軸受装置２０６，２０７は、第１の実施形態のラジアル磁気軸受１０６，１０７と同様に、変位センサ２０６ａ，２０７ａと、電磁石２０６ｂ，２０７ｂと、変位センサターゲット２０６ｃ，２０７ｃと、磁性材からなる電磁石ターゲット２０６ｄ，２０７ｄとを備えている。また、アキシャル磁気軸受装置２０８は、変位センサ２０８ａ、一対の電磁石２０８ｂと、変位センサターゲット２０８ｃと、磁性材からなる電磁石ターゲット２０８ｄとを備えている。いずれの磁気軸受装置２０６，２０７，２０８についても浮上制御は同様な方法によりなされるので、ここでは１つのラジアル磁気軸受装置２０７の制御を一例として説明する。
【００５９】
ラジアル磁気軸受２０７は制御装置１１９を備えており、この制御装置１１９は、変位センサターゲット２０７ｃを検出する変位センサ２０７ａからの信号に基づいて回転軸１０４のラジアル方向における位置を検出して位置検出信号Ｓ１１を出力する変位検出器１１５と、その位置検出信号Ｓ１１と回転軸１０４の基準位置（浮上目標位置）Ｒとの偏差を算出する減算器１３０と、磁気軸受が最適に動作するように補償する軸受制御信号Ｓ１２を演算し出力する位相補償器１１６と、その軸受制御信号Ｓ１２を増幅して電磁石２０７ｂへの励磁電流を供給するドライバ１１７とを有している。
【００６０】
制御装置１１９は、回転軸１０４の円盤１０４ａに対面する回転センサ１３からの信号に基づいてその回転軸１０４の回転速度（回転周波数）を表すパルス信号Ｓ１３を出力する回転速度検出器１２０と、その回転周波数パルス信号Ｓ１３を電圧信号Ｓ１４に変換して出力するＦ／Ｖ変換器（周波数−電圧変換器）１２１と、その電圧信号Ｓ１４に応じた回転周波数を中心周波数（通過させる周波数帯域の中心）に設定して、位相補償器１１６から入力される軸受制御信号Ｓ１２を通過出力するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１２２とを備えている。また、制御装置１１９は、Ｆ／Ｖ変換器１２１からの電圧信号Ｓ１４に応じて決められた信号Ｓ１５を出力する増幅度調整器１２３と、バンドパスフィルタ１２２の出力信号Ｓ１６と増幅度調整器１２３の出力信号Ｓ１５とを乗算した信号Ｓ１７を出力する乗算器１２８と、乗算された信号Ｓ１７の受け渡しをオン・オフする制御調整スイッチ１２４と、位相補償器からドライバ１１７に受け渡す軸受制御信号Ｓ１２に上記乗算された信号Ｓ１７を加算する加算器１２５とを備えている。
【００６１】
加算器１２５は、増幅度調整器１２３の出力信号Ｓ１５が正の値であれば加算器として機能し、出力信号Ｓ１５が負の値であれば減算器として機能する。したがって、加算器１２５は加減算器であるといえる。また、出力信号Ｓ１５の大きさを調整することによって、バンドパスフィルタ１２２の出力信号Ｓ１６の増幅度を決定することができる。このように、増幅度調整器１２３の出力信号Ｓ１５の符号および大きさを調整することで、バンドパスフィルタ１２２からの信号Ｓ１６に対して加算、減算、増幅、および減衰のいずれを行うかを決定することができる。このように、増幅度調整器１２３と乗算器１２８とによりバンドパスフィルタ１２２の出力信号Ｓ１６を任意の増幅度で増幅する第１の増幅器が構成されている。
【００６２】
図９（ａ）および図９（ｂ）は、図８の磁気軸受装置の周波数伝達特性を示すグラフであり、図９（ａ）はゲイン特性を表し、図９（ｂ）は位相特性を表す。これらの周波数伝達特性は、加算器１２５の前後、すなわち位相補償器１１６の出力信号Ｓ１２と加算器１２５の出力信号Ｓ１８との間の周波数伝達特性である。図９（ａ）および図９（ｂ）において、Ａのグラフは、増幅度調整器１２３の出力信号Ｓ１５が０より大きい正の値である場合、Ｂのグラフは、出力信号Ｓ１５が０より小さく−１より大きい場合、Ｃのグラフは、出力信号Ｓ１５が−１である場合、すなわちノッチフィルタの特性を示す場合、Ｄのグラフは、出力信号Ｓ１５が−１より小さく−２より大きい場合、Ｅのグラフは、出力信号Ｓ１５が−２より小さい場合を示している。なお、図示はしないが、出力信号Ｓ１５の大きさが０であれば、信号Ｓ１２がそのまま信号Ｓ１８となって出力される。また、出力信号Ｓ１５が−２である場合は、位相が３６０度遅れるオールパスフィルタの特性を示す。
【００６３】
このように、出力信号Ｓ１５によって、種々の特性を実現することができるので、磁気浮上させる対象物の特性に応じて、磁気軸受が不安定にならないように最適な特性を選択して使用できる。
【００６４】
また、制御装置１１９は、増幅度調整器１２３における増幅度が大きいときに、加算器１２５の出力信号Ｓ１８にフィードフォワード信号を加算するフィードフォワード回路１３０を備えている。このフィードフォワード回路１３０は、任意の周波数の信号Ｓ１９を発生するオシレータ１３１と、オシレータ１３１の出力信号Ｓ１９の周波数および位相を加算器１２５の出力信号Ｓ１８の周波数および位相と一致させる周波数位相同調器１３２と、オシレータ１３１の出力信号Ｓ１９を所定の増幅度で増幅する（第２の）増幅器１３３と、増幅された信号Ｓ２０の受け渡しをオン・オフする制御調整スイッチ１３４と、加算器１２５の出力信号Ｓ１８に上記増幅された信号Ｓ２０を加算する加算器１３５とを備えている。
【００６５】
このようなフィードフォワード回路１３０は、信号Ｓ１２から信号Ｓ１８への周波数伝達特性のゲインを大きくすることで磁気軸受制御系の開ループゲインをある程度大きくしている周波数領域で高い磁気軸受剛性を実現することができる。
【００６６】
制御装置１１９は、図８に示すように、制御調整スイッチ１２４および制御調整スイッチ１３４をオン・オフするスイッチ制御器１２６を備えている。このスイッチ制御器１２６は、Ｆ／Ｖ変換器１２１からの電圧信号Ｓ１４に基づいて、回転軸１０４の回転速度が予め設定されている回転速度領域にあるときに、スイッチ１２４とスイッチ１３４とをそれぞれ独立にオン・オフするものである。
【００６７】
図１０は、図８の制御調整装置１２９の動作例を示すタイムチャートである。図１０に示すように、スイッチ制御器１２６は、回転軸１０４の実際の回転周波数（回転速度）に応じた電圧信号Ｓ１４が剛体モードにおける危険速度（周波数）ＣＳ１よりも少し低い周波数に対応するレベルｖ１に達した時刻ｔ１に制御調整スイッチ１２４をオンに切換える。その後、その電圧信号Ｓ１４が剛体モードにおける危険速度ＣＳ１よりも少し高い周波数に対応するレベルｖ２に達した時刻ｔ２に、制御調整スイッチ１２４をオフに切換える。
【００６８】
さらに、電圧信号Ｓ１４が弾性モードにおける危険速度ＣＳ２よりも少し低い周波数に対応するレベルｖ３に達した時刻ｔ３に、再び制御調整スイッチ１２４をオンに切換え、さらにこれより周波数が少し高いレベルｖ４に達した時刻ｔ４に制御調整スイッチ１３４をオンにしてフィードフォワード回路１３０を投入する。回転周波数が弾性モードの危険速度ＣＳ２を超え、電圧信号Ｓ１４がレベルｖ５に達した時刻ｔ５で制御調整スイッチ１２４および制御調整スイッチ１３４をオフに切換える。
【００６９】
このような制御装置１１９の動作により、回転体（回転軸１０４）が剛体モードの危険速度および弾性モードの危険速度に達しても、高い軸受剛性を得ることができ、不釣り合い振動を抑制することができる。なお、弾性モードの危険速度において軸受剛性を高めるように制御装置１１９を構成した場合には、バンドパスフィルタ１２２がその危険速度の近傍の周波数特性に影響を与えて不安定にさせないように、バンドパスフィルタ１２２のバンド幅を狭く設定しておくことが好ましい。
【００７０】
制御調整スイッチ１３４がオフになっているときに、バンドパスフィルタ１２２の中心周波数を回転軸１０４の回転周波数以外の周波数に設定してもよい。例えば、回転速度を上げていくにつれて、危険速度が前回り周波数と後回り周波数に分岐し、前回り周波数で磁気軸受が不安定になってしまう場合には、その前回り周波数の危険速度近辺にバンドパスフィルタ１２２の中心周波数を合わせて安定化させてもよい。この場合には、制御装置１１９をノッチフィルタのようにゲインを下げるように構成してもよい。また、バンドパスフィルタ１２２の中心周波数を、回転周波数の変化に伴う危険速度の前回り周波数と後回り周波数の変動に追従させて設定してもよい。
【００７１】
また、バンドパスフィルタ１２２の中心周波数は、回転軸１０４の実際の回転周波数に限らず、回転軸１０４の回転周波数に相当するモータ駆動装置１２の電源周波数・電源電圧・電源電流や回転指令器１１の指令信号などから回転軸１０４の回転周波数を換算して設定するようにしてもよい。また、スイッチ制御器１２６も、同様に、回転軸１０４の実際の回転周波数に限らず、回転軸１０４の回転周波数に相当するモータ駆動装置１２の電源周波数・電源電圧・電源電流や回転指令器１１の指令信号などから回転軸１０４の実際の回転周波数を換算して、制御調整スイッチ１２４および制御調整スイッチ１３４のオン・オフ制御を行うようにしてもよい。
【００７２】
また、増幅度調整器１２３における増幅度は、回転軸１０４の実際の回転周波数に限らず、回転軸１０４の回転周波数に相当するモータ駆動装置１２の電源周波数・電源電圧・電源電流や回転指令器１１の指令信号などから回転軸１０４の回転周波数を換算したものに応じて設定してもよい。また、信号Ｓ１２から信号Ｓ１８に至る経路は位相補償器１２６に直列に接続されているため、信号Ｓ１２から信号Ｓ１８までの構成を位相補償器１２６の入力段に接続してもよい。
【００７３】
図１１は、図８の制御装置の回転軸１０４に対する外乱Ｆｄから回転軸１０４の変位Ｘまでのブロック線図である。図１１において、Ｐは回転軸１０４の応答特性、Ｋｓは変位検出器１１５の応答特性、Ｋａは位相補償器１１６、バンドパスフィルタ１２２、増幅度調整器１２３、加算器１２５から構成される制御装置１１９の一部の応答特性、Ｋｄはドライバ１１７の応答特性を示す。
【００７４】
信号Ｓ２１に信号Ｓ２２が加算されていない場合、外乱Ｆｄから回転軸１０４の変位Ｘまでの閉ループ特性は、以下の式（１）で表される。
【数１】
2005036973.tif 000003
【００７５】
バンドパスフィルタ１２２の中心周波数を周波数ｆとし、増幅度調整器１２３の増幅度を大きくすれば、周波数ｆでのＫａのゲインを大きくすることができる。Ｋａの増幅度がある程度大きければ、式（１）は、以下の式（２）として考えることができる。
【数２】
2005036973.tif 000004
【００７６】
この式（２）から、外乱Ｆｄに対する変位Ｘの位相差はほぼ−θとなる。ここで、周波数ｆにおいて、ドライバ１１７（Ｋｄ）は十分応答し、位相遅れがないとすると、式（２）は、外乱Ｆｄと信号Ｓ２１の位相がほぼ同じであることを意味する。周波数ｆが回転軸１０４の回転周波数であるとすれば、外乱Ｆｄはほぼ回転軸１０４の不釣り合い力であり、信号Ｓ２１は不釣り合い力Ｆｄと同一の周波数および同一の位相となる。
【００７７】
したがって、任意の周波数を発生するオシレータ１３１の周波数および位相を信号Ｓ２１と同じにして、適度に増幅した信号Ｓ２２を信号Ｓ２１に加算することで、不釣り合い力Ｆｄと逆位相の信号をフィードフォワードすることができる。すなわち、不釣り合い力Ｆｄを信号Ｓ２２で相殺できるので、変位Ｘの不釣り合い振動を効果的に抑制することができる。
【００７８】
ここで、信号Ｓ２１に信号Ｓ２２を加算しないでも、第１の増幅器（増幅度調整器１２３と乗算器１２８）の増幅度を大きくすれば磁気軸受の支持剛性は向上するが、この増幅度は有限であるので、支持剛性の向上には限界がある。本実施形態によれば、オシレータ１３１によってフィードフォワードできるので、第１の増幅器の増幅度を限界にしなくても高い支持剛性を得ることができる。
【００７９】
上述した実施形態においては、ガスレーザ装置１００の循環ファン１０３に適用した例を説明したが、ポンプやコンプレッサや送風機などの回転装置を備える流体機械の回転体に適用することもできることは言うまでもない。また、ポンプやコンプレッサや送風機などの流体機械のみならず、回転軸を磁気軸受装置で支持しつつモータで回転駆動する各種の回転機械にも同様に適用が可能である。
【００８０】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】磁気軸受装置を用いた流体機械の一例を示す概略図である。
【図２】従来の磁気軸受装置における磁気軸受剛性を示すグラフである。
【図３】本発明の第１の実施形態における磁気軸受装置を用いた流体機械を示す概略図である。
【図４】図３の磁気軸受装置の制御系を示す概念ブロック線図である。
【図５】図４の磁気軸受装置の周波数伝達特性を示すグラフである。
【図６】図４の制御装置の動作例を示すタイムチャートである。
【図７】図４の磁気軸受装置の磁気軸受剛性の特性を示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態における磁気軸受装置を用いた流体機械を示す概念ブロック図である。
【図９】図８の磁気軸受装置の周波数伝達特性を示すグラフである。
【図１０】図８の制御装置の動作例を示すタイムチャートである。
【図１１】図８の磁気軸受装置のブロック線図である。
【符号の説明】
【００８２】
１１    回転指令器
１２    モータ駆動装置
１３    回転センサ
１５，１１５    変位検出器
１６，１１６    位相補償器
１７，１１７    ドライバ
１９，１１９    制御装置
２０，１２０    回転速度検出器
２１，１２１    Ｆ／Ｖ変換器
２２，１２２    バンドパスフィルタ
２３，１３３    増幅器
２４，１２４，１３４    制御調整スイッチ
２５，１２５，１３５    加算器
２６，１２６    スイッチ制御器
２９，１２９    制御調整器
１００    ガスレーザ装置
１０１    レーザ容器
１０３    循環ファン
１０４    回転軸
１０５    モータ
１０６，１０７，２０６，２０７    ラジアル磁気軸受装置
１０８，２０８    アキシャル磁気軸受装置
１２３    増幅度調整器
１２８    乗算器
１３０    フィードフォワード回路
１３１    オシレータ
１３２    周波数位相同調器
【図１】
2005036973.tif 000005
【図２】
2005036973.tif 000006
【図３】
2005036973.tif 000007
【図４】
2005036973.tif 000008
【図５】
2005036973.tif 000009
【図６】
2005036973.tif 000010
【図７】
2005036973.tif 000011
【図８】
2005036973.tif 000012
【図９】
2005036973.tif 000013
【図１０】
2005036973.tif 000014
【図１１】
2005036973.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成16年6月8日(2004.6.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体を磁気力により浮上支持する電磁石と、
前記回転体の浮上制御のゲインを調整する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記回転体の浮上位置を検出する変位センサと、
前記電磁石に励磁電流を供給するドライバと、
前記変位センサからの信号に基づいて前記電磁石への励磁電流を調整して浮上制御を行う位相補償器と、
前記位相補償器の出力信号が入力されるバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタの出力信号を所定の増幅度で増幅する増幅器と、
前記増幅器の出力信号を前記位相補償器の出力信号に加算して前記ドライバに出力する加算器と、
を備え、
前記バンドパスフィルタの中心周波数は、実際の前記回転体の回転周波数、前記回転体に回転駆動力を与えるモータに電力を供給する電源の電圧、電流、または周波数に基づいて設定されることを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記増幅器の増幅度を、実際の前記回転体の回転周波数、前記電源の電圧、電流、または周波数に基づいて調整す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】
前記制御装置は、実際の前記回転体の回転周波数、前記電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、前記回転体の浮上制御のゲインの調整のオンとオフを切換えるスイッチをさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気軸受装置。
【請求項４】
前記制御装置は、実際の前記回転体の回転周波数、前記電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、前記回転体の回転周波数が危険速度の回転周波数付近の領域にあるときに、前記スイッチをオンに切換えるスイッチ制御器をさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載の磁気軸受装置。
【請求項５】
回転体を磁気力により浮上支持する電磁石と、
前記回転体の浮上制御のゲインを調整する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記回転体の浮上位置を検出する変位センサと、
前記電磁石に励磁電流を供給するドライバと、
前記変位センサからの信号に基づいて前記電磁石への励磁電流を調整して浮上制御を行う位相補償器と、
前記位相補償器の出力信号が入力されるバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタの出力信号を所定の増幅度で増幅する第１の増幅器と、
前記１の増幅器の出力信号を前記位相補償器の出力信号に加算または前記位相補償器の出力信号から減算する加減算器と、
前記第１の増幅器の増幅度が大きいときに、前記加減算器の出力信号にフィードフォワード信号を加算して前記ドライバに出力するフィードフォワード回路と、
を備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記第１の増幅器の増幅度を、実際の前記回転体の回転周波数、前記回転体に回転駆動力を与えるモータに電力を供給する電源の電圧、電流、または周波数に基づいて調整することを特徴とする請求項５に記載の磁気軸受装置。
【請求項７】
前記制御装置は、実際の前記回転体の回転周波数、前記回転体に回転駆動力を与えるモータに電力を供給する電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、前記回転体の浮上制御のゲインの調整のオンとオフを切換える第１のスイッチをさらに備えたことを特徴とする請求項５または６に記載の磁気軸受装置。
【請求項８】
前記制御装置は、実際の前記回転体の回転周波数、前記電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、前記回転体の回転周波数が危険速度の回転周波数付近の領域にあるときに、前記第１のスイッチをオンに切換えるスイッチ制御器を備えたことを特徴とする請求項７に記載の磁気軸受装置。
【請求項９】
前記フィードフォワード回路は、
任意の周波数の信号を発生するオシレータと、
前記オシレータの出力信号の位相および周波数を前記加減算器の出力信号の位相および周波数に一致させる同調器と、
前記オシレータの出力信号を所定の増幅度で増幅する第２の増幅器と、
を備えたことを特徴とする請求項５から８のいずれか一項に記載の磁気軸受装置。
【請求項１０】
前記フィードフォワード回路は、前記第２の増幅器の増幅度を、実際の前記回転体の回転周波数、前記回転体に回転駆動力を与えるモータに電力を供給する電源の電圧、電流、または周波数に基づいて調整することを特徴とする請求項９に記載の磁気軸受装置。
【請求項１１】
前記フィードフォワード回路は、実際の前記回転体の回転周波数、前記回転体に回転駆動力を与えるモータに電力を供給する電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、前記第２の増幅器の出力信号のオンとオフを切換える第２のスイッチをさらに備えたことを特徴とする請求項９または１０に記載の磁気軸受装置。
【請求項１２】
前記制御装置は、実際の前記回転体の回転周波数、前記電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、前記回転体の回転周波数が危険速度の回転周波数付近の領域にあるときに、前記第２のスイッチをオンに切換えるスイッチ制御器を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の磁気軸受装置。
【請求項１３】
回転体と、
前記回転体に回転駆動力を与えるモータと、
請求項１から１２のいずれか一項に記載した磁気軸受装置と、
を備えたことを特徴とする流体機械。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
また、上記制御装置は、実際の上記回転体の回転周波数、上記電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、上記回転体の浮上制御のゲインの調整のオンとオフを切換えるスイッチをさらに備えていてもよい。さらに、上記制御装置は、実際の上記回転体の回転周波数、上記電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、上記回転体の回転周波数が危険速度の回転周波数付近の領域にあるときに、上記スイッチをオンに切換えるスイッチ制御器をさらに備えることが好ましい。これにより、上記浮上制御のゲインの調整をオン・オフすることができ、浮上制御のゲインを調整する必要がない回転周波数領域や、浮上制御のゲインの調整により磁気軸受が不安定となる領域、例えば高次曲げ周波数領域などではスイッチをオフにする一方、浮上制御のゲインを調整する必要がある回転周波数領域ではスイッチをオンにしてフィードバック制御（調整）することができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
また、上記制御装置は、実際の上記回転体の回転周波数、上記回転体に回転駆動力を与えるモータに電力を供給する電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、上記回転体の浮上制御のゲインの調整のオンとオフを切換える第１のスイッチを備えていてもよい。さらに、上記制御装置は、実際の上記回転体の回転周波数、上記電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、上記回転体の回転周波数が危険速度の回転周波数付近の領域にあるときに、上記第１のスイッチをオンに切換えるスイッチ制御器を備えることが好ましい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
また、上記フィードフォワード回路は、実際の上記回転体の回転周波数、上記回転体に回転駆動力を与えるモータに電力を供給する電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、上記第２の増幅器の出力信号のオンとオフを切換える第２のスイッチを備えていてもよい。さらに、上記制御装置は、実際の上記回転体の回転周波数、上記電源の電圧、電流、または周波数に基づいて、上記回転体の回転周波数が危険速度の回転周波数付近の領域にあるときに、上記第２のスイッチをオンに切換えるスイッチ制御器を備えることが好ましい。