(57)【要約】【課題】  保護軸受の交換時期を正確に判断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、電動モータ9により回転させられる回転体4を電磁石の磁気吸引力によりアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持する制御型磁気軸受5,6,7と、ダッチダウン用の保護軸受と、磁気軸受5,6,7の電磁石および電動モータ9を制御する制御手段2とを備え、制御手段2が、回転体4のタッチダウン回数をカウントして記憶するカウント手段と、記憶されたタッチダウン回数カウント値に基づいて保護軸受が交換時期に達したかどうかを判定する交換時期判定手段とを備えている。カウント手段が、回転体4の回転数が所定回転数以上であって、所定時間内において回転体4の変位が所定の異常検出値以上である割合が所定割合以上であるときに、回転体4がタッチダウンしたと判断する。【選択図】  図１
2007270936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動モータにより回転させられる回転体を電磁石の磁気吸引力によりアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持する制御型磁気軸受と、ダッチダウン用の保護軸受と、磁気軸受の電磁石および電動モータを制御する制御手段とを備え、制御手段が、回転体のタッチダウン回数をカウントして記憶するカウント手段と、記憶されたタッチダウン回数カウント値に基づいて保護軸受が交換時期に達したかどうかを判定する交換時期判定手段とを備えている磁気軸受装置において、
カウント手段が、回転体の回転数が所定回転数以上であって、所定時間内において回転体の変位が所定の異常検出値以上である割合が所定割合以上であるときに、回転体がタッチダウンしたと判断するものであることを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】
カウント手段が、回転体の回転数が所定回転数以上であって、所定時間内において回転体の変位が所定の異常検出値以上である割合が所定割合以上である状態が継続しても、リセットが行われるまでは１回のタッチダウンであるとするものであることを特徴とする請求項１の磁気軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転体を磁気軸受で非接触支持して電動モータにより回転させる磁気軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の磁気軸受装置として、機械本体とコントローラがケーブルで接続されており、機械本体に、回転体と、電磁石の磁気吸引力により回転体をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持する制御型アキシアル磁気軸受およびラジアル磁気軸受と、回転体のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を検出するための変位センサと、回転体を回転させる電動モータと、回転体の回転数を検出するための回転センサと、タッチダウン用の保護軸受とが設けられ、コントローラが、変位センサの出力に基づいて磁気軸受の電磁石を制御するとともに、回転センサの出力に基づいて電動モータを制御するものが知られている。
【０００３】
回転体は、アキシアル磁気軸受およびラジアル磁気軸受によって非接触支持された状態で、電動モータによって高速回転させられ、停電時や磁気軸受の異常動作時などには、回転体がタッチダウンして保護軸受に接触し、保護軸受が回転体を受けて磁気軸受などを保護するようになっている。
【０００４】
このようなタッチダウン時には保護軸受は高速で回転している回転体を受けるため、保護軸受の損傷が大きく、保護軸受は数回のタッチダウンで使用不能となり、交換が必要となる。このため、保護軸受が交換時期になっているかどうか、すなわち、保護軸受の交換が必要な状態になっているかどうかを知る必要がある。
【０００５】
そのため、従来は、回転体のタッチダウン回数をカウントして記憶し、このカウント値が所定の回数に達したときに、保護軸受が交換時期になったと判断するようにしている（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２７８７５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の特許文献１の発明では、磁気軸受の電磁石に電流を供給する電源の電圧が所定範囲以外の値になったときに、回転体がタッチダウンしたと判断している。
【０００７】
このため、タッチダウンの回数のカウント値と実際のタッチダウンの回数が一致せず、保護軸受の交換時期を正確に判断できないことがあった。
【０００８】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、保護軸受の交換時期を正確に判断できる磁気軸受装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明による磁気軸受装置は、電動モータにより回転させられる回転体を電磁石の磁気吸引力によりアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持する制御型磁気軸受と、ダッチダウン用の保護軸受と、磁気軸受の電磁石および電動モータを制御する制御手段とを備え、制御手段が、回転体のタッチダウン回数をカウントして記憶するカウント手段と、記憶されたタッチダウン回数カウント値に基づいて保護軸受が交換時期に達したかどうかを判定する交換時期判定手段とを備えている磁気軸受装置において、カウント手段が、回転体の回転数が所定回転数以上であって、所定時間内において回転体の変位が所定の異常検出値以上である割合が所定割合以上であるときに、回転体がタッチダウンしたと判断するものであることを特徴とするものである。
【００１０】
カウント手段が、回転体の回転数が所定回転数以上であって、所定時間内において回転体の変位が所定の異常検出値以上である割合が所定割合以上であるときに、回転体がタッチダウンしたと判断するものであるから、タッチダウンの回数を正確にカウントすることができ、したがって、保護軸受の交換時期を正確に判断することができる。
【００１１】
この発明の磁気軸受装置において、たとえば、カウント手段が、回転体の回転数が所定回転数以上であって、所定時間内において回転体の変位が所定の異常検出値以上である割合が所定割合以上である状態が継続しても、リセットが行われるまでは１回のタッチダウンであるとするものである。
【００１２】
このようにすれば、タッチダウンの回数をより正確にカウントすることができる。
【００１３】
上記所定回転数、異常検出値、所定時間および所定割合は、磁気軸受装置の機種ごとに設定することができる。
【００１４】
上記異常検出値、所定時間および所定割合は、アキシアル方向およびラジアル方向の各制御軸の変位センサごとに設定することができる。
【００１５】
磁気軸受装置は、たとえば、アキシアル方向の制御軸（アキシアル制御軸）と、アキシアル方向の２箇所においてアキシアル制御軸と直交するとともに互いに直交するそれぞれ２つのラジアル方向の制御軸（ラジアル制御軸）とを有する５軸制御型磁気軸受装置である。
【発明の効果】
【００１６】
この発明の磁気軸受装置によれば、上記のように、タッチダウンの回数を正確にカウントして、保護軸受の交換時期を正確に判断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、この発明を５軸制御型磁気軸受装置に適用した実施形態について説明する。
【００１８】
図１は磁気軸受装置の全体構成を概略的に示すブロック図、図２は磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す縦断面図、図３は同横断面図である。
【００１９】
磁気軸受装置は、ケーブルにより接続された機械本体(1)およびコントローラ（制御手段）(2)を備えている。
【００２０】
磁気軸受装置は、鉛直円筒状のケーシング(3)の内側で鉛直軸状の回転体（ロータ）(4)が回転する縦型のものである。以下の説明において、回転体(4)の鉛直な軸方向（アキシアル方向）の制御軸（アキシアル制御軸）をＺ軸、Ｚ軸と直交するとともに互いに直交する２つの水平な径方向（ラジアル方向）の制御軸（ラジアル制御軸）をＸ軸およびＹ軸とする。
【００２１】
機械本体(1)には、回転体(4)を軸方向に非接触支持する１組の制御型アキシアル磁気軸受(5)、回転体(4)を径方向に非接触支持する上下２組の制御型ラジアル磁気軸受(6)(7)、回転体(4)の軸方向および径方向の変位を検出するための変位検出部(8)、回転体(4)を高速回転させるためのビルトイン型電動モータ(9)、回転体(4)の回転数を検出するための回転センサ(10)、ならびに回転体(4)の軸方向および径方向の可動範囲を規制して回転体(4)を磁気軸受(5)(6)(7)で支持していないときに回転体(4)を機械的に支持する上下２組のタッチダウン用の保護軸受(11)(12)が設けられている。
【００２２】
コントローラ(2)には、センサ回路(13)(33)、電磁石駆動回路(14)、インバータ(15)およびＤＳＰボード(16)が設けられ、ＤＳＰボード(16)には、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段としてのＤＳＰ(17)、ＲＯＭ(18)、不揮発性記憶装置としてのＲＡＭ(19)、ＡＤ変換器(20)(31)およびＤＡ変換器(21)(32)が設けられている。
【００２３】
変位検出部(8)は、回転体(4)の軸方向の変位を検出するための１個のアキシアル変位センサ(23)、および回転体(4)の径方向の変位を検出するための上下２組のラジアル変位センサユニット(24)(25)を備えている。
【００２４】
アキシアル磁気軸受(5)は、回転体(4)の下部に一体に形成されたフランジ部(4a)をＺ軸方向の両側から挟むように配置された１対のアキシアル電磁石(26a)(26b)を備えている。アキシアル電磁石は、符号(26)で総称する。
【００２５】
アキシアル変位センサ(23)は、回転体(4)の下端面にＺ軸方向の下側から対向するように配置され、回転体(4)の下端面との距離（空隙）に比例する距離信号を出力する。
【００２６】
２組のラジアル磁気軸受(6)(7)は、アキシアル磁気軸受(5)の上側において上下方向に所定の距離をおいて配置されており、これらの間にモータ(9)が配置されている。上側のラジアル磁気軸受(6)は、回転体(4)をＸ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石(27a)(27b)、および回転体(4)をＹ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石(27c)(27d)を備えている。これらのラジアル電磁石は、符号(27)で総称する。同様に、下側のラジアル磁気軸受(7)も、２対のラジアル電磁石(28a)(28b)(28c)(28d)を備えている。これらの電磁石も、符号(28)で総称する。
【００２７】
上側のラジアル変位センサユニット(24)は、上側のラジアル磁気軸受(6)の近傍に配置されており、Ｘ軸方向の電磁石(27a)(27b)の近傍においてＸ軸方向の両側から回転体(4)を挟むように配置された１対のラジアル変位センサ(29a)(29b)、およびＹ軸方向の電磁石(27c)(27d)の近傍においてＹ軸方向の両側から回転体(4)を挟むように配置された１対のラジアル変位センサ(29c)(29d)を備えている。これらのラジアル変位センサは、符号(29)で総称する。同様に、下側のラジアル変位センサユニット(25)は、下側のラジアル磁気軸受(7)の近傍に配置されており、２対のラジアル変位センサ(30a)(30b)(30c)(30d)を備えている。これらのラジアル変位センサも、符号(30)で総称する。各ラジアル変位センサ(29)(30)は、回転体(4)の外周面との距離に比例する距離信号を出力する。
【００２８】
電磁石(26)(27)(28)、変位センサ(23)(29)(30)は、ケーシング(3)に固定されている。
【００２９】
保護軸受(11)(12)はアンギュラ玉軸受などの転がり軸受よりなり、各保護軸受(11)(12)の外輪がケーシング(3)に固定され、内輪が回転体(4)の周囲に所定の隙間をあけて配置されている。２組の保護軸受(11)(12)はいずれも径方向の支持が可能なものであり、少なくとも１組は軸方向の支持も可能なものである。この例では、上側の保護軸受(11)は径方向の支持のみを行い、下側の保護軸受(12)は径方向の支持と軸方向の支持を行うようになっている。
【００３０】
コントローラ(2)のＲＯＭ(18)には、ＤＳＰ(17)における処理プログラムなどが格納されている。ＲＡＭ(19)には、磁気軸受の制御パラメータ、後述するタッチダウン回数のカウント値などが記憶されている。この例では、タッチダウン回数のカウント値は、２組の保護軸受(11)(12)のそれぞれについて記憶されるようになっている。
【００３１】
センサ回路(13)は、変位検出部(8)の各変位センサ(23)(29)(30)を駆動し、各変位センサ(23)(29)(30)の出力に基づいて、回転体の軸方向の変位、ならびに上下のラジアル変位センサユニット(24)(25)の部分におけるＸ軸方向およびＹ軸方向の変位を演算し、その演算結果である変位信号をＡＤ変換器(20)を介してＤＳＰ(17)に出力する。変位検出部(8)およびセンサ回路(13)により変位検出装置が構成され、変位検出部(8)のラジアル変位センサユニット(24)(25)およびセンサ回路(13)のラジアル変位センサ(28)(29)に関する部分によりラジアル変位検出装置が構成されている。
【００３２】
センサ回路(33)は、回転センサ(10)を駆動し、回転センサ(10)の出力を回転体(4)の回転数に対応する回転数信号に変換し、これをＡＤ変換器(31)を介してＤＳＰ(17)に出力する。
【００３３】
ＤＳＰ(17)は、ＡＤ変換器(20)から入力する変位信号に基づいて、各磁気軸受(5)(6)(7)の各電磁石(26)(27)(28)に対する制御電流値を求め、一定の定常電流値に制御電流値を加えた励磁電流信号をＤＡ変換器(21)を介して磁気軸受駆動回路(14)に出力する。そして、駆動回路(14)は、ＤＳＰ(17)からの励磁電流信号に基づく励磁電流を対応する磁気軸受(5)(6)(7)の電磁石(26)(27)(28)に供給し、これにより、回転体(4)が所定の目標位置に非接触される。ＤＳＰ(17)は、また、回転センサ(10)からの回転数信号に基づいて、モータ(9)に対する電流制御信号をＤＡ変換器(32)を介してインバータ(15)に出力し、インバータ(15)は、この信号に基づいて、モータ(9)の電流を制御することにより、回転数を制御する。そして、その結果、回転体(4)が、磁気軸受(5)(6)(7)により目標位置に非接触支持された状態で、モータ(9)により高速回転させられる。
【００３４】
磁気軸受装置の運転中、ＤＳＰ(17)により、タッチダウンの検出と保護軸受(11)(12)が交換時期に達したかどうかの判断が行われる。タッチダウンが検出されると、ＲＡＭ(19)に記憶されているタッチダウン回数のカウント値が１増加されてそれが新たに記憶される。これにより、タッチダウンが１回行われるたびに、カウント値が１ずつ増加する。そして、カウント値が所定値以上になると、保護軸受(11)(12)が交換時期に達したと判断される。この例では、タッチダウンの検出、タッチダウン回数のカウントおよび記憶、ならびに交換時期に達したかどうかの判断は、保護軸受(11)(12)ごとに個別に行われる。
【００３５】
タッチダウンの検出は、次のようにして行われる。
【００３６】
アキシアル変位センサ(23)および２つのラジアル変位センサユニット(24)(25)のそれぞれについて、回転体(4)の回転数が所定回転数ＬＲ以上であって、所定時間Ｔ内において回転体(4)の変位Ｄが所定の異常検出値ＬＤ以上である割合が所定割合Ｐ以上であるときに、回転体(4)がタッチダウンしたと判断する。そして、回転体(4)の回転数が所定回転数ＬＲ以上であって、所定時間Ｔ内において回転体(4)の変位Ｄが異常検出値ＬＤ以上である割合が所定割合Ｐ以上である状態が継続しても、リセットが行われるまで、すなわち、リセット信号の入力があるかあるいは電源がオフされるまでは、１回のタッチダウンであるとする。
【００３７】
次に、アキシアル変位センサ(23)に関するタッチダウンの検出について、詳細に説明する。
【００３８】
回転体(4)のＺ軸方向の変位をＤｚ、Ｚ軸方向の異常検出値をＬＤｚとすると、所定回転数ＬＲ以上であって、所定時間Ｔ内において変位Ｄｚが異常検出値ＬＤｚ以上である割合が所定割合Ｐ以上であるときに、下側の保護軸受(12)に対するタッチダウンが行われたと判断され、下側の保護軸受(12)に対するカウント値が１増加させられる。
【００３９】
次に、上側のラジアル変位センサユニット(24)に関するタッチダウンの検出について、詳細に説明する。
【００４０】
上側のラジアル変位センサユニット(24)の部分における回転体(4)のＸ軸方向の変位をＤｘ1、Ｙ軸方向の変位をＤｙ1とすると、径方向の変位Ｄｒ1は次のようになる。
【００４１】
Ｄｒ1＝√（Ｄｘ1２＋Ｄｙ1２）
上側のラジアル変位センサユニット(24)の部分におけるＸ軸方向のラジアル変位センサ(29a)(29b)の極限値をＬｘ1、Ｙ軸方向のラジアル変位センサ(29c)(29d)の極限値をＬｙ1とすると、異常検出値ＬＤ1は次のようになる。
【００４２】
ＬＤ1＝√（Ｌｘ1２＋Ｌｙ1２）
そして、所定回転数ＬＲ以上であって、所定時間Ｔ内において変位Ｄｒ1が異常検出値ＬＤ1以上である割合が所定割合Ｐ以上であるときに、上側の保護軸受(11)に対するタッチダウンが行われたと判断され、上側の保護軸受(11)に対するカウント値が１増加させられる。
【００４３】
次に、下側のラジアル変位センサユニット(25)に関するタッチダウンの検出について、詳細に説明する。
【００４４】
下側のラジアル変位センサユニット(25)の部分における回転体(4)のＸ軸方向の変位をＤｘ2、Ｙ軸方向の変位をＤｙ2とすると、径方向の変位Ｄｒ2は次のようになる。
【００４５】
Ｄｒ2＝√（Ｄｘ2２＋Ｄｙ2２）
下側のラジアル変位センサユニット(25)の部分におけるＸ軸方向のラジアル変位センサ(30a)(30b)の極限値をＬｘ2、Ｙ軸方向のラジアル変位センサ(30c)(30d)の極限値をＬｙ2とすると、異常検出値ＬＤ2は次のようになる。
【００４６】
ＬＤ2＝√（Ｌｘ2２＋Ｌｙ2２）
そして、所定回転数ＬＲ以上であって、所定時間Ｔ内において変位Ｄｒ2が異常検出値ＬＤ2以上である割合が所定割合Ｐ以上であるときに、下側の保護軸受(12)に対するタッチダウンが行われたと判断され、下側の保護軸受(12)に対するカウント値が１増加させられる。
【００４７】
たとえば、所定時間Ｔは３秒、所定割合は０．５（＝５０％）である。これらは、磁気軸受装置の機種によって個別に設定することができる。また、制御軸ごとに設定することもできる。
【００４８】
磁気軸受装置の全体構成あるいは各部の構成、制御の方法などは、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、この発明の実施形態における磁気軸受装置の全体構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】図２は、図１の磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す縦断面図である。
【図３】図３は、図２の横断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
(2)     コントローラ
(4)     回転体
(5)     アキシアル磁気軸受
(6)(7)    ラジアル磁気軸受
(9)     電動モータ
(11)(12)    保護軸受
(26a)(26b)    アキシアル電磁石
(27a)(27b)(27c)(27d)(28a)(28b)(28c)(28d)    ラジアル電磁石
【図１】
2007270936.tif 000003
【図２】
2007270936.tif 000004
【図３】
2007270936.tif 000005