(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の周面に沿い複数の電磁石を配置し、且つ、各電磁石と前記周面との距離を検出する複数の距離センサを配置してなる磁気軸受に用いる電流制御回路であり、しかも、各電磁石に個別に供給する駆動電流の値を制御するため各電磁石毎に個別に備えられる電流制御回路において、
前記距離センサから出力される検出距離信号により求められる検出距離が予め設定した設定距離になるような電流指令を生成すると共に、この電流指令を直流成分電流指令と交流成分電流指令に分けて出力する電流指令部と、
スイッチング制御をすることにより直流成分電流指令に応じた駆動電流を電磁石に供給するスイッチング制御型電流供給部、及び、スイッチングを用いない比例制御をすることにより交流成分電流指令に応じた駆動電流を電磁石に供給する比例制御型電流供給部でなる駆動電流供給部と、を具備することを特徴とする磁気軸受の電流制御回路。
【請求項２】
前記比例制御型電流供給部は、抵抗可変回路で構成されていることを特徴とする請求項１の磁気軸受の電流制御回路。
【請求項３】
前記比例制御型電流供給部は、増幅回路で構成されていることを特徴とする請求項１の磁気軸受の電流制御回路。
【請求項４】
前記スイッチング制御型電流供給部は、ＰＷＭアンプ回路で構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３の磁気軸受の電流制御回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気軸受の電流制御回路に関し、電源容量を小さくしつつ強い電磁吸引力で回転軸を軸支すると共に、応答性を向上させることができるように工夫したものである。
【０００２】
【従来の技術】
ターボ分子ポンプの回転軸のように、超高速回転する（例えば数万ｒｐｍで回転する）回転軸を非接触で軸支するために磁気軸受が採用されている。ここで図２に示す概念図を基に、一般的な磁気軸受１を説明する。図２に示すように、磁性体でなる回転軸２の両端部は、それぞれ磁気軸受１により、非接触で軸支されている。各磁気軸受１は、４つの電磁石３と、各電磁石３に隣接した４つの距離センサ４により構成されている。即ち、回転軸２の周面に沿い４つの電磁石３が等間隔で配置され、また、各電磁石３と回転軸２の周面との距離を検出する４つの距離センサ４が、回転軸２の周面に沿い等間隔で配置されている。
【０００３】
各電磁石３に個別に駆動電流を供給するため、複数の電流制御回路５が備えられている。ただし、図２では、１つの電流制御回路５のみを示している。電流制御回路５は、距離センサ４から出力される検出距離信号により求められる検出距離が、予め設定した設定距離になるように、各電磁石３に供給する駆動電流の値を調整するものである。
【０００４】
電流制御回路５は、図３に示すように、電流指令部１０と駆動電流供給部２０とで構成されている。電流制御部１０の変換器１１は、距離センサ（例えば渦電流変位センサ）４から出力される検出距離信号ａを、電圧信号である変換検出距離信号ｂに変換する。距離センサ４は、電磁石３に隣接して配置されている。そして、回転軸２の周面と距離センサ４との間の検出距離Ｌｄ（即ち回転軸２の周面と電磁石３との間の距離）が大きくなると、変換検出距離信号ｂが大きくなり、検出距離Ｌｄが小さくなると、変換検出距離信号ｂが小さくなる。
【０００５】
ＰＩＤ制御回路１２は、変換検出距離信号ｂをＰ（比例），Ｉ（積分），Ｄ（微分）制御して、検出距離Ｌｄが予め設定した設定距離Ｌｓになるような電流指令ｃを出力する。したがって、変換検出距離信号ｂが大きいときには電流指令ｃは大きくなり、変換検出距離信号ｂが小さいときには電流指令ｃは小さくなる。なお、ＰＩＤ制御回路１２は、一般的な制御回路の説明として記述しているものであり、実際には１次位相進み回路，アクティブフィルタなどが組み込まれる事例がある。
【０００６】
駆動電流供給部２０は、電流指令ｃの大きさに応じた電流値の駆動電流ｉを電磁石３に供給する。したがって、電流指令ｃが大きいときには駆動電流ｉが大きくなり、電流指令ｃが小さいときには駆動電流ｉが小さくなる。電磁石３は、供給される駆動電流ｉの値に比例した電磁吸引力により、回転軸２を吸引する。
【０００７】
このため回転軸２の周面と電磁石３との間の検出距離Ｌｄが設定距離Ｌｓよりも大きいときには、変換検出距離信号ｂひいては電流指令ｃが大きくなり、駆動電流ｉの電流値が大きくなり、電磁石３による電磁吸引力が強まり、回転軸２が電磁石３側に吸引される。逆に、回転軸２の周面と電磁石３との間の検出距離Ｌｄが設定距離Ｌｓよりも小さいときには、変換検出距離信号ｂひいては電流指令ｃが小さくなり、駆動電流ｉの電流値が小さくなり、電磁石３による電磁吸引力が弱まり、回転軸２を電磁石３側に吸引する力が弱まる。
【０００８】
各電流制御回路５において上述した制御がされ、回転軸２の周面に沿い配置した４つの電磁石３の磁気吸引力が制御される。このため、回転軸２の回転軸芯２ａが、磁気軸受１の回転中心に位置するように位置制御されつつ、回転軸２が軸支される。
【０００９】
駆動電流供給部２０の具体的な従来回路としては、図４〜図６に示すものが採用されている。なお図４〜図６において、３０は直流電源である。
【００１０】
図４の例は、駆動電流供給部として増幅回路２１を採用したものである。この増幅回路２１では、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をダーリントン接続して、電流指令ｃを２段増幅して得た駆動電流ｉを、電磁石３に供給するようにしている。駆動電流ｉの値は電流指令ｃの値に比例して増減する。この増幅回路２１では、電流指令ｃの値（電圧値）が大きいときにはトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の抵抗が小さくなり、電流指令ｃの値（電圧値）が小さいときにはトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の抵抗が大きくなり、抵抗可変型の回路となっている。
【００１１】
なお、電流指令ｃの値（電圧値）を小さく設定しておけば、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の抵抗が大きくなり、応答性は高い。これは、抵抗成分を含む増幅回路２１とリアクタンス成分を含む電磁石３とでなる回路が、１次遅れ回路となっているため、抵抗成分を大きくすることにより、応答性が高くなるのである。
【００１２】
図５の例は、駆動電流供給部としてＰＷＭアンプ回路の一例である単象限ＰＷＭアンプ回路２２を採用したものである。この単象限ＰＷＭアンプ回路２２では、ＰＷＭ信号発生回路２２ａにより、電流指令ｃの値に応じたパルス幅のＰＷＭ信号Ｐを発生させ、このＰＷＭ信号Ｐによりスイッチング素子ＳＷ１をＯＮ・ＯＦＦ制御することにより、駆動電流ｉの値を制御している。なお、スイッチング素子ＳＷ１がＯＦＦになった時には、電流ｉは電磁石３→転流抵抗Ｒ１→ダイオードＤ１→電磁石３のループに沿い循環流通し、転流抵抗Ｒ１にて電磁エネルギーが消費される。
なお、転流抵抗Ｒ１の抵抗値を大きく設定しておけば、ＯＦＦ時の循環電流が急速に減衰し、応答性を上げることができる。
【００１３】
図６の例は、駆動電流供給部としてＰＷＭアンプ回路の一例である電圧可逆ＰＷＭアンプ回路２３を採用したものである。この電圧可逆ＰＷＭアンプ回路２３では、ＰＷＭ信号発生回路２３ａにより、電流指令ｃの値に応じたパルス幅のＰＷＭ信号Ｐを発生させ、このＰＷＭ信号Ｐによりスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２を同期してＯＮ・ＯＦＦ制御することにより、駆動電流ｉの値を制御している。スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２がＯＮになった時には、直流電源３０→スイッチング素子ＳＷ１１→電磁石３→スイッチング素子ＳＷ１２→抵抗Ｒ１１→アース電位の経路に沿い駆動電流ｉが流れる。スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２がＯＦＦになった時には、アース電位→抵抗Ｒ１２→ダイオードＤ１１→電磁石３→ダイオードＤ１２→直流電源３０の経路に沿い電流が流れる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで磁気軸受１としては、回転軸２の自重が作用しても、回転軸２の軸芯２ａが磁気軸受１の回転中心から位置ズレしないように、位置保持して軸支することができるようにするため、各電磁石３が強い電磁吸引力でもって回転軸２を吸引する必要がある。つまり、駆動電流供給部２０での損失が小さく、電磁石３に大電流を流せることが望まれる。しかも、電源容量を小さくすることが望まれる。
また、外力等が作用して回転軸２の回転軸芯２ａが磁気軸受１の回転中心から位置ズレした場合には、回転軸芯２ａが磁気軸受１の回転中心に迅速に戻る高応答性が望まれる。
【００１５】
しかし、図４〜図６に示す駆動電流供給部２０（増幅回路２１，単象限ＰＷＭアンプ回路２２，電圧可逆ＰＷＭアンプ回路２３）では、上記２つの要望を同時に満足することはできなかった。
【００１６】
ここで、前述した増幅回路２１，単象限ＰＷＭアンプ回路２２，電圧可逆ＰＷＭアンプ回路２３の利点・欠点を述べておく。
【００１７】
増幅回路２１の利点・欠点は次の通りである。
（１）電流指令ｃの値（電圧値）を小さく設定しておけば、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の抵抗が大きくなり、応答性が高い。
（２）大電流を流すことができる。
（３）ノイズ（電気的、機械的ノイズ）が少ない。
しかし、
（４）増幅回路２１の抵抗成分において生じるジュール熱（損失）が大きい。
（５）損失が大きいため電源容量の大きな直流電源３０を必要とする。
（６）損失が大きいため発熱が大きくなる。
（７）発熱が大きいためヒートシンクが大きくなり、冷却も必要となり電源全体が大きくなる。
【００１８】
単象限ＰＷＭアンプ回路２２の利点・欠点は次の通りである。
（１）単象限ＰＷＭアンプ回路２２での損失が小さい。
（２）電源容量が小さくてすみ、直流電源３０を小型にすることができる。
（３）転流抵抗Ｒ１の抵抗値を大きくすると、ＰＷＭ信号発生回路２２ａでのキャリア周波数を高くできる。また、大電流を流すことができる。
しかし、
（４）一般的に転流抵抗Ｒ１の抵抗値が小さいので、応答性が悪い。
（５）応答性を上げるには転流抵抗Ｒ１を大きくする必要がある。
（６）転流抵抗Ｒ１を大きくすると、損失が大きくなる。
【００１９】
電圧可逆ＰＷＭアンプ回路２３の利点・欠点は次の通りである。
（１）応答性は中程度である。
（２）電圧可逆ＰＷＭアンプ回路２３での損失が小さい。
（３）電源容量が小さくてすみ、直流電源３０を小型にすることができる。
しかし、
（４）回路が複雑である。
（５）キャリア周波数を上げると大電流を流すことができない。
（６）大電流を流すとノイズ（電気的、機械的ノイズ）が大きくなる。
【００２０】
結局、応答性が良いのは増幅回路（抵抗可変回路）２１であり、損失が小さく電源が小さい割に大電流を流せるのはＰＷＭアンプ回路２３である。
【００２１】
本発明は、上記従来技術に鑑み、電源容量を小さくしつつ各電磁石が強い電磁吸引力でもって回転軸を吸引しつつ、応答性を高くすることのできる、磁気軸受の電流制御回路を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の構成は、回転軸の周面に沿い複数の電磁石を配置し、且つ、各電磁石と前記周面との距離を検出する複数の距離センサを配置してなる磁気軸受に用いる電流制御回路であり、しかも、各電磁石に個別に供給する駆動電流の値を制御するため各電磁石毎に個別に備えられる電流制御回路において、
前記距離センサから出力される検出距離信号により求められる検出距離が予め設定した設定距離になるような電流指令を生成すると共に、この電流指令を直流成分電流指令と交流成分電流指令に分けて出力する電流指令部と、
スイッチング制御をすることにより直流成分電流指令に応じた駆動電流を電磁石に供給するスイッチング制御型電流供給部、及び、スイッチングを用いない比例制御をすることにより交流成分電流指令に応じた駆動電流を電磁石に供給する比例制御型電流供給部でなる駆動電流供給部と、を具備することを特徴とする。
【００２３】
また本発明の構成は、前記比例制御型電流供給部は、抵抗可変回路や増幅回路で構成されていることを特徴とする。また前記スイッチング制御型電流供給部は、ＰＷＭアンプ回路で構成されていることを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、従来技術と同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２５】
図１は本発明の実施の形態にかかる磁気軸受の電流制御回路５０を示す。この電流制御部５０は、電流指令部１００と、駆動電流供給部２００とで構成されている。
【００２６】
電流指令部１００は、変換器１１１と、ＰＩＤ制御回路１１２と、ローパスフィルタ１１３と、ハイパスフィルタ１１４とで構成されている。
【００２７】
電流制御部１００の変換器１１１は、距離センサ（例えば渦電流変位センサ）４から出力される検出距離信号ａを、電圧信号である変換検出距離信号ｂに変換する。そして、回転軸２の周面と距離センサ４との間の検出距離Ｌｄ（即ち回転軸２の周面と電磁石３との間の距離）が大きくなると、変換検出距離信号ｂが大きくなり、検出距離Ｌｄが小さくなると、変換検出距離信号ｂが小さくなる。
【００２８】
ＰＩＤ制御回路１１２は、変換検出距離信号ｂをＰ（比例），Ｉ（積分），Ｄ（微分）制御して、検出距離Ｌｄが予め設定した設定距離Ｌｓになるような電流指令ｃを出力する。したがって、変換検出距離信号ｂが大きいときには電流指令ｃは大きくなり、変換検出距離信号ｂが小さいときには電流指令ｃは小さくなる。
【００２９】
ローパスフィルタ１１３は、電流指令ｃのうち直流成分（低周波成分）を通過させて、直流成分電流指令ｄを出力する。ハイパスフィルタ１１４は、電流指令ｃのうち交流成分（高周波成分）を通過させて、交流成分電流指令ｅを出力する。なお直流成分電流指令ｄの値は、回転軸２の自重を磁気吸引するのに必要な駆動電流値に相当し、交流成分電流指令ｅの値は、回転軸２が位置変動した場合に回転軸２の回転軸芯２ａを磁気軸受１の回転中心に戻す電磁吸引力を発生するのに必要な駆動電流値に相当する。このため、自重を負担している回路では、直流成分電流指令ｄの値（絶対値）は、交流成分電流指令ｅの値（絶対値）よりも大きくなっている。
【００３０】
駆動電流供給部２００は、ＰＷＭアンプ回路（スイッチング制御型電流供給部、図１では電圧可逆ＰＷＭアンプが示してある）２０１と、抵抗可変回路である増幅回路（比例制御型電流供給部）２０２と、直流電源２１０とで構成されている。
【００３１】
ＰＷＭアンプ回路２０１では、ＰＷＭ信号発生回路２０１ａにより、直流成分電流指令ｄの値に応じたパルス幅のＰＷＭ信号Ｐを発生させ、このＰＷＭ信号Ｐによりスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２を同期してＯＮ・ＯＦＦ制御することにより、出力する駆動電流ｉ１の値を制御している。スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２がＯＮになった時には、直流電源２１０→スイッチング素子ＳＷ１１→電磁石３→スイッチング素子ＳＷ１２→抵抗Ｒ１１→アース電位の経路に沿い駆動電流ｉ１が流れる。スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２がＯＦＦになった時には、アース電位→抵抗Ｒ１２→ダイオードＤ１１→電磁石３→ダイオードＤ１２→直流電源２１０の経路に沿い電流が流れる。なお、直流成分電流指令ｄの値が大きいため、ＰＷＭアンプ回路２０１から出力される駆動電流ｉ１の値も大きくなっている。
【００３２】
増幅回路２０２では、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をダーリントン接続して、交流電流指令ｅを２段増幅して得た駆動電流ｉ２を、電磁石３に供給するようにしている。駆動電流ｉ２の値は交流電流指令ｅの値に比例して増減する。この増幅回路２０２では、交流電流指令ｅの値（電圧値）を小さくできるため、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の抵抗が大きくなり、応答性を高めることができる。
【００３３】
このように、ＰＷＭアンプ回路２０１から出力される駆動電流ｉ１と、増幅回路２０２から出力される駆動電流ｉ２が重畳した駆動電流ｉが、電磁石３に供給される。この場合、駆動電流ｉ１により生じた電磁吸引力により、回転軸２の自重を支える磁気吸引力が発生し、駆動電流ｉ２により生じた磁気吸引力により、回転軸２の位置変動を抑える電磁吸引力（即ち検出距離Ｌｄを設定距離Ｌｓにするように作用する電磁吸引力）が発生する。
【００３４】
ＰＷＭアンプ回路２０１は、電源容量が小さい割に低損失で大電流を出力することができるので、大きな値となっている駆動電流ｉ１を出力するのに好適である。したがって強い電磁吸引力で回転軸２を軸支することができる。なお、ＰＷＭアンプ回路２０１は、応答性は中程度であるが、駆動電流ｉ１の値は急変することがないので、問題はない。
【００３５】
増幅回路２０２は、応答性が良いため、値が急変する駆動電流ｉ２を出力するのに好適である。したがって、回転軸２が位置変動しても、応答性よく回転軸２の回転軸芯２ａを、磁気軸受１の回転中心に戻すことができる。駆動電流ｉ２は、回転軸２の位置変動を迅速に抑えるため急変するが、その値（絶対値）は小さいため、損失は小さく、しかも、応答性を高く維持することができる。
【００３６】
このように駆動電流ｉのうち直流成分に相当する駆動電流ｉ１をＰＷＭアンプ回路２０１から出力し、交流成分に相当する駆動電流ｉ２を増幅回路２０２から出力するようにしたので、両者の長所を発揮することができる。この結果、電流制御回路５０の全体として、応答性が良好で、損失を小さく、電源容量を小さくすることができる。かくして、この電流制御回路５０は、磁気軸受１の電流制御回路として最適なものとなる。
【００３７】
なお、増幅回路２０２の代わりに、スライダック式の抵抗可変回路を採用することもできる。
【００３８】
【発明の効果】
以上、実施の形態と共に具体的に説明したように本発明では、回転軸の周面に沿い複数の電磁石を配置し、且つ、各電磁石と前記周面との距離を検出する複数の距離センサを配置してなる磁気軸受に用いる電流制御回路であり、しかも、各電磁石に個別に供給する駆動電流の値を制御するため各電磁石毎に個別に備えられる電流制御回路において、
前記距離センサから出力される検出距離信号により求められる検出距離が予め設定した設定距離になるような電流指令を生成すると共に、この電流指令を直流成分電流指令と交流成分電流指令に分けて出力する電流指令部と、
スイッチング制御をすることにより直流成分電流指令に応じた駆動電流を電磁石に供給するスイッチング制御型電流供給部、及び、スイッチングを用いない比例制御をすることにより交流成分電流指令に応じた駆動電流を電磁石に供給する比例制御型電流供給部でなる駆動電流供給部と、を具備する構成とした。
【００３９】
このような構成としたため、直流成分に相当する値の大きな駆動電流をスイッチング制御型電流供給部により供給することができ、交流成分に相当する値の小さな駆動電流を比例制御型電流供給部により供給することができる。スイッチング制御型電流供給部は、電源容量が小さい割に低損失で大電流を流すことができ、比例制御型電流供給部は応答性が良いので、強い電磁吸引力で回転軸を軸支しつつ、応答性を向上させることができ、磁気軸受にとって最適な電流制御回路となる。
【００４０】
また本発明では、前記比例制御型電流供給部は、抵抗可変回路や増幅回路で構成されていることを特徴とする。また前記スイッチング制御型電流供給部は、ＰＷＭアンプ回路で構成している。このため、汎用の回路を巧く組み合わせて、磁気磁石にとって最適な電流制御回路を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる磁気軸受の電流制御回路を示す回路図。
【図２】磁気軸受を示す構成図。
【図３】従来技術にかかる、磁気軸受の電流制御回路を示す回路図。
【図４】増幅回路を示す回路図。
【図５】単象限ＰＷＭアンプ回路を示す回路図。
【図６】電圧可逆ＰＷＭアンプ回路を示す回路図。
【符号の説明】
１  磁気軸受
２  回転軸
２ａ  回転軸芯
３  電磁石
４  距離センサ
５  電流制御回路
１０  電流指令部
１１  変換器
１２  ＰＩＤ制御回路
２０  駆動電流供給部
２１  増幅回路
２２  単象限ＰＷＭアンプ回路
２２ａ  ＰＷＭ信号発生回路
２３  電圧可逆ＰＷＭアンプ回路
２３ａ  ＰＷＭ信号発生回路
５０  電流制御回路
１００  電流指令部
１１１  変換器
１１２  ＰＩＤ制御回路
１１３  ローパスフィルタ
１１４  ハイパスフィルタ
２００  駆動電流供給部
２０１  ＰＷＭアンプ回路（スイッチング制御型電流供給部）
２０１ａ  ＰＷＭ信号発生回路
２０２  増幅回路（比例制御型電流供給部）
２１０  直流電源
ａ  検出距離信号
ｂ  変換検出距離信号
ｃ  電流指令
ｄ  直流成分電流指令
ｅ  交流成分電流指令
ｉ，ｉ１，ｉ２  駆動電流
Ｐ  ＰＷＭ信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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