(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被浮上体を磁気浮上支持する一対或いは複数対の電磁石、及び該被浮上体の浮上位置を検出する一対或いは複数対の変位センサを具備する単数又は複数の磁気軸受ユニットと、該電磁石に一定のバイアス電流を流して被浮上体を安定浮上制御させる定電流回路と、前記変位センサの出力信号に基いて前記浮上体を所定位置に浮上支持するように前記電磁石の励磁電流を制御する制御ループを具備する磁気軸受制御装置において、
コントローラ、前記磁気軸受ユニットの一対或いは複数対の電磁石に流れるバイアス電流を検出する電流検出回路、前記定電流回路から供給されるバイアス電流を調整する定電流調整回路を設け、前記コントローラは該電流検出回路で検出したバイアス電流値が適正か否かを判断し、前記バイアス電流を予め決められた最適定電流値になるように前記定電流調整回路を介して調整する機能を具備することを特徴とする磁気軸受制御装置。
【請求項２】
被浮上体を磁気浮上支持する一対或いは複数対の電磁石、及び該被浮上体の浮上位置を検出する一対或いは複数対の変位センサを具備する単数又は複数の磁気軸受ユニットと、該電磁石に一定のバイアス電流を流して被浮上体を安定浮上制御させる定電流回路と、前記変位センサの出力信号に基いて前記浮上体を所定位置に浮上支持するように前記電磁石の励磁電流を制御する制御ループを具備する磁気軸受制御装置において、
コントローラ、前記磁気軸受ユニットの一対或いは複数対の電磁石に流れるバイアス電流を検出する電流検出回路、前記定電流回路から供給されるバイアス電流を調整する定電流調整回路を設け、前記コントローラは前記各電流検出回路の検出電流値を読み込み、予め記憶された各磁気軸受ユニットの被浮上体の浮上向きにおける前記磁気軸受ユニットの各電磁石に流れるバイアス電流データと比較し、前記被浮上体の浮上向きを解析し、該解析結果に基いて前記各定電流回路からのバイアス電流が前記被浮上体の浮上している向きに対して予め定めた最適値になるように前記定電流調整回路を介して調整する機能を具備することを特徴とする磁気軸受制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の磁気軸受制御装置において、
前記制御ループを切断させるループ切断手段を設け、前記コントローラは前記磁気軸受ユニットの電磁石に流れる電流をバイアス電流のみに固定する機能を具備することを特徴とする磁気軸受制御装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気軸受制御装置において、
前記コントローラは前記定電流調整回路を介して調整したバイアス電流値を記憶する記憶装置を具備し、前記被浮上体の浮上制御に該記憶装置に記憶したバイアス電流値を利用することを特徴とする磁気軸受制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁石の磁気吸引力を利用して回転軸等の被浮上体を非接触で浮上支持する磁気軸受を制御する磁気軸受制御装置に関し、特に磁気軸受を構成する一対或いは複数対の電磁石に供給するバイアス定電流を調整する磁気軸受制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁気軸受は、回転軸等の被浮上体を非接触で支持できる軸受であることから、例えばターボ分子ポンプ等に用いて高速回転運動が可能となり、軸受の摩耗という問題が生ぜず、又潤滑油等を必要としないのでメンテナンスフリーである等の種々の特徴を有している。係る磁気軸受には、回転軸を半径方向に浮上位置制御するラジアル能動磁気軸受、回転軸を軸方向に浮上位置制御するアキシャル能動磁気軸受がある。これら従来の磁気軸受を用いた磁気軸受制御装置の一部分の構成例を図１に示す。
【０００３】
図１において、１は回転軸等の被浮上体であり、該被浮上体１の浮上位置は、該被浮上体１に対向して配置された変位センサ４、４により検出され、センサ回路５により変位電気信号に変換され、位相補正回路６によりＰＩＤ（比例・積分・微分）処理された後、定電流回路７ａ、７ｂに入力され、被浮上体１に対向して配置された一対の電磁石２、２の磁極コイル３Ｐ、３Ｎにその変位量のずれを修正する磁気吸引力ＰP、ＰNに相当する励磁電流となって供給され、被浮上体１は電磁石２と電磁石２の間に磁気浮上支持される。
【０００４】
磁気軸受の電磁石２においては、一般的に磁気吸引力が磁極コイルに流れる電流の２乗に比例することが知られているので対向する電磁石２、２の磁極コイル３Ｐ、３Ｎにある一定のバイアス電流ＩBP、ＩBNを供給し、センサ回路５からの変位電気信号に対して電磁石２、２の磁気吸引力ＰP、ＰNが直線的に比例関係になるようにしている。
【０００５】
図２に示すように、変位量が中心点０より＋方向、或いは−方向に変位した場合、対向する電磁石２、２の磁極コイル３Ｐ、３Ｎのそれぞれのバイアス電流ＩBP、ＩBNは増減し、結果として磁気吸引力ＰP、ＰNの合成の磁気吸引力はセンサ回路５からの変位電気信号に直線的に比例するようになる。また、変位量が０の場合のバイアス定電流ＩBOは、各回路構成における電気的な部品のばらつきや、被浮上体１の重量又は形状或いは電磁石２の構造の違いや、被浮上体１の浮上向きによって磁気軸受にその重力が加わる場合等において、良好な直線性が得られるようにバイアス電流調整器８、８等によってバイアス定電流ＩBOが調整されていた。
【０００６】
上記のようなバイアス電流調整器８によるバイアス定電流調整方法は、磁気軸受の制御装置や被浮上体や磁気軸受構成が変わる異機種毎に手動で調整を行う必要があり、特に電磁石２の数が多い多軸制御の磁気軸受装置においてはその調整に多大な労力を要していた。更に、磁気軸受を用いたターボ分子ポンプ等の場合は、ポンプの取り付け姿勢に自由度が求められ、全ての取付姿勢において磁気軸受を構成する電磁石に良好なバイアス定電流を流すためには全ての電磁石に被浮上体の重量を考慮したバイアス定電流を供給する必要があり、結果として必要以上の電流が流れ、磁気軸受部の発熱やコントローラの大型化を招くという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、同一のコントローラで異機種の磁気軸受装置及び磁気軸受装置の設置姿勢に対応して容易に磁気軸受を構成する電磁石のバイアス電流の調整ができ、且つ該バイアス電流値を必要最小の最適な状態に調整できる小型で、磁気軸受部の発熱量が少なくできる磁気軸受制御装置を提供することを目的とする。
【００１２】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、被浮上体を磁気浮上支持する一対或いは複数対の電磁石、及び該被浮上体の浮上位置を検出する一対或いは複数対の変位センサを具備する単数又は複数の磁気軸受ユニットと、該電磁石に一定のバイアス電流を流して被浮上体を安定浮上制御させる定電流回路と、変位センサの出力信号に基いて浮上体を所定位置に浮上支持するように電磁石の励磁電流を制御する制御ループを具備する磁気軸受制御装置において、コントローラ、磁気軸受ユニットの一対或いは複数対の電磁石に流れるバイアス電流を検出する電流検出回路、定電流回路から供給されるバイアス電流を調整する定電流調整回路を設け、コントローラは該電流検出回路で検出したバイアス電流値が適正か否かを判断し、バイアス電流を予め決められた最適定電流値になるように定電流調整回路を介して調整する機能を具備することを特徴とする。
【００１３】
上記のようにコントローラにより、電流検出回路で検出したバイアス電流値が適正か否かを判断し、バイアス電流を予め決められた最適電流値になるように定電流調整回路を介して調整するので、磁気軸受ユニットの電磁石のバイアス電流を最適定電流値に容易に調整することができる。また、バイアス電流値を磁気軸受ユニットの電磁石に流れるバイアス電流をフィードバックすることでバイアス電流値が目標値に達しているか否かを判断し自動調整するので、コントローラと磁気軸受装置の系に固体差があってもバイアス電流値を自動的に補正できるのである。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、被浮上体を磁気浮上支持する一対或いは複数対の電磁石、及び該被浮上体の浮上位置を検出する一対或いは複数対の変位センサを具備する単数又は複数の磁気軸受ユニットと、該電磁石に一定のバイアス電流を流して被浮上体を安定浮上制御させる定電流回路と、変位センサの出力信号に基いて浮上体を所定位置に浮上支持するように電磁石の励磁電流を制御する制御ループを具備する磁気軸受制御装置において、コントローラ、磁気軸受ユニットの一対或いは複数対の電磁石に流れるバイアス電流を検出する電流検出回路、定電流回路から供給されるバイアス電流を調整する定電流調整回路を設け、コントローラは各電流検出回路の検出電流値を読み込み、予め記憶された各磁気軸受ユニットの被浮上体の浮上向きにおける磁気軸受ユニットの各電磁石に流れるバイアス電流データと比較し、被浮上体の浮上向きを解析し、該解析結果に基いて各定電流回路からのバイアス電流が被浮上体の浮上している向きに対して予め定めた最適値になるように定電流調整回路を介して調整する機能を具備することを特徴とする。
【００１５】
上記のようにコントローラにより、磁気軸受ユニットの被浮上体の浮上向きを解析し、該解析結果に基いて各定電流回路からのバイアス電流が被浮上体の浮上している向きに対して予め定めた最適値になるようにバイアス定電流を調整するので、例えば複数の磁気軸受ユニットを具備するターボ分子ポンプ等においてどのような取付姿勢であっても、電磁石に最適なバイアス電流を流すことができ、必要以上のバイアス電流による磁気軸受の発熱を防止できる。また、必要最小限のバイアス電流で制御可能なため、磁気軸受ユニットの電磁石の励磁に必要な電源容量も小さくできる。また、バイアス電流値を磁気軸受ユニットの電磁石に流れるバイアス電流をフィードバックし、予め記憶された各磁気軸受ユニットの被浮上体の浮上向きにおける電磁石に流れるバイアス電流データと比較し、被浮上体の浮上向きを解析し、該解析結果に基いて各定電流回路からのバイアス電流が被浮上体の浮上している向きに対して予め定めた最適値になるように調整するので、コントローラと磁気軸受装置の系に固体差があってもバイアス電流値を自動的に補正できる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の磁気軸受制御装置において、制御ループを切断させるループ切断手段を設け、コントローラは磁気軸受ユニットの電磁石に流れる電流をバイアス電流のみに固定する機能を具備することを特徴とする。
【００１７】
上記のようにコントローラが磁気軸受ユニットの電磁石に流れる電流をバイアス電流のみに固定する機能を具備するので、バイアス電流の調整が他の制御電流等に影響されることなくできるので、バイアス電流の調整が容易で且つ精度良くできる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気軸受装置において、コントローラは前記定電流調整回路を介して調整したバイアス電流値を記憶する記憶装置を具備し、被浮上体の浮上制御に該記憶装置に記憶したバイアス電流値を利用することを特徴とする。
【００１９】
上記のようにコントローラは記憶装置に記憶している定電流調整回路を介して調整したバイアス電流値を利用して被浮上体の浮上制御を行うので、一度バイアス電流の調整を行うと以後のバイアス電流の調整が不要或いは短縮できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基いて説明する。図３は本発明に係る磁気軸受制御装置の構成例を示す図であり、本磁気軸受制御装置は、１軸方向の磁気軸受を制御する磁気軸受制御装置の構成例を示す。図３において、図１と同一符号を付した部分は同一又は相当部分を示す。図３において、９ａ、９ｂは定電流調整回路、１０ａ、１０ｂは電流検出回路、１１は制御回路、１２は不揮発性記憶装置（ＥＥＰＲＯＭ）、１３はアナログスイッチである。ここで、電磁石２、２と、変位センサ４、４で被浮上体１を磁気浮上させる磁気軸受ユニットを構成する。また、制御回路１１と、不揮発性記憶装置１２で制御コントローラを構成する。
【００２１】
上記構成の磁気軸受制御装置において初期状態では、アナログスイッチ１３は制御回路１１により開き、制御ループを開放しており、制御回路１１は不揮発性記憶装置１２に記憶されている初期状態のバイアス定電流値を読み込み定電流調整回路９ａ、９ｂにその値を出力する。その後定電流調整回路９ａ、９ｂは定電流回路７ａ、７ｂを介して、電磁石２、２の磁極コイル３Ｐ、３Ｎに設定されたバイアス電流を供給する。この時アナログスイッチ１３が制御ループを開放しているため、磁極コイル３Ｐ、３Ｎには定電流調整回路９ａ、９ｂにて設定されたバイアス電流のみが流れる。
【００２２】
このバイアス電流を電流検出回路１０ａ、１０ｂにて検出し、その電流検出値を制御回路１１に入力すると共に、制御回路１１は不揮発性記憶装置１２に予め設定記憶されている目標電流値との差を計算し、該目標電流値が磁極コイル３Ｐ、３Ｎに流れるように、定電流調整回路９ａ、９ｂに新たな指示値を出力する。電流検出回路１０ａ、１０ｂで検出した検出電流値が上記目標電流値と等しくなると、制御回路１１はアナログスイッチ１３を閉じ、制御ループを閉じる。これにより、電磁石２、２による被浮上体１の磁気浮上を開始する。
【００２３】
変位センサ４及びセンサ回路５からの変位電気信号は位相補正回路６によりＰＩＤ制御され、定電流回路７ａ、７ｂに入力され、被浮上体１の変位量に相当する励磁電流が磁極コイル３Ｐ、３Ｎに加減され被浮上体１を磁気浮上させるように制御が開始される。被浮上体１の磁気浮上後、該被浮上体１に軸重量が図のように加わった場合は、重量Ｍの力を相殺するために磁極コイル３Ｐに流れる励磁電流が増加し磁極コイル３Ｎに流れる励磁電流が減少する様に制御が行われる。その結果、電流検出回路１０ａと電流検出回路１０ｂにて検出される電流値が異なり、この値を制御回路１１が読み込むことで現在の被浮上体１の浮上方向、即ち磁気軸受ユニットの設置方向が判定できる。
【００２４】
不揮発性記憶装置１２には、上記初期状態のバイアス定電流値及び目標電流値の他に、被浮上体１の浮上方向（磁気軸受の設置方向）に対応する電磁石２へのバイアス定電流が記憶されており、制御回路１１は不揮発性記憶装置１２に記憶されている各浮上向きでのバイアス定電流値を参照し、電流検出回路１０ａ、１０ｂの電流検出値に合致する現在の浮上方向を探し出し、その浮上状態での最適のバイアス定電流値を不揮発性記憶装置１２により再度読み込んで定電流調整回路９ａ、９ｂに新たな目標電流値となるバイアス定電流値を出力する。これにより磁極コイル３Ｐ、３Ｎに流れるバイアス電流は増減し、結果として電磁石２はセンサ変位電気信号に直線的に比例した磁気吸引力を発生することが可能となる。
【００２５】
また、上記により最適に調整された時の定電流調整回路に対する補正値は、不揮発性記憶装置１２に保存し、次回浮上時にこのデータを利用して前記の調整手順を短縮するようにしてもよい。
【００２６】
図３に示す構成の磁気軸受制御装置は、１軸方向の磁気軸受を制御する場合であるが、１軸以上の複数の制御軸を備える磁気軸受装置に関しても同様に構成できる。図４は複数（図では３つ）の磁気軸受制御装置１５の磁気軸受ユニット１４のバイアス電流を１つの制御コントローラ１６で調整する場合である。
【００２７】
図４において、制御コントローラ１６は制御回路１１と不揮発性記憶装置（ＥＥＰＲＯＭ）１２で構成される。また、各磁気軸受制御装置１５は定電流回路７ａ、７ｂ、定電流調整回路９ａ、９ｂ、電流検出回路１０ａ、１０ｂ、アナログスイッチ１３で構成される。また、各磁気軸受制御装置１５にはそれぞれ磁気軸受ユニット１４が接続されている。磁気軸受ユニット１４は図示は省略するが図３に示すように、被浮上体１に対向して配置された一対の電磁石２、２、変位センサ４、４で構成される。
【００２８】
そして電磁石２、２の磁極コイル３Ｐ、３Ｎは電流検出回路１０ａ、１０ｂを介して定電流回路７ａ、７ｂに接続され、変位センサ４、４の出力は図３に示すようにセンサ回路５に入力され、センサ回路５の出力は位相補正回路６に入力され、位相補正回路６の出力はアナログスイッチ１３を介して定電流回路７ａ、７ｂに入力されるようになっている。バイアス定電流の調整方法は、図３の場合と同様であるからその説明は省略する。
【００２９】
【発明の効果】
以上、説明したように各請求項の発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。
【００３２】
請求項１に記載の発明によれば、コントローラにより、電流検出回路で検出したバイアス電流値が適正か否かを判断し、バイアス電流を予め決められた最適電流値になるように定電流調整回路を介して調整するので、磁気軸受ユニットの電磁石のバイアス電流を最適定電流値に容易に調整することができる。また、バイアス電流値を磁気軸受ユニットの電磁石に流れるバイアス電流をフィードバックすることでバイアス電流値が目標値に達しているか否かを判断し自動調整するので、コントローラと磁気軸受装置の系に固体差があってもバイアス電流値を自動的に補正できるのである。
【００３３】
請求項２に記載の発明によれば、コントローラにより、磁気軸受ユニットの被浮上体の浮上向きを解析し、該解析結果に基いて各定電流回路からのバイアス電流が被浮上体の浮上している向きに対して予め定めた最適値になるようにバイアス定電流を調整するので、例えば複数の磁気軸受ユニットを具備するターボ分子ポンプ等においてどのような取付姿勢であっても、電磁石に最適なバイアス電流を流すことができ、必要以上のバイアス電流による磁気軸受の発熱を防止できる。また、必要最小限のバイアス電流で制御可能なため、磁気軸受ユニットの電磁石の励磁に必要な電源容量も小さくできる。また、バイアス電流値を磁気軸受ユニットの電磁石に流れるバイアス電流をフィードバックし、予め記憶された各磁気軸受ユニットの被浮上体の浮上向きにおける電磁石に流れるバイアス電流データと比較し、被浮上体の浮上向きを解析し、該解析結果に基いて各定電流回路からのバイアス電流が被浮上体の浮上している向きに対して予め定めた最適値になるように調整するので、コントローラと磁気軸受装置の系に固体差があってもバイアス電流値を自動的に補正できる。
【００３４】
請求項３に記載の発明によれば、コントローラが磁気軸受ユニットの電磁石に流れる電流をバイアス電流のみに固定する機能を具備するので、バイアス電流の調整が他の制御電流等に影響されることなくできるので、バイアス電流の調整が容易で且つ精度良くできる。
【００３５】
請求項４に記載の発明によれば、コントローラは記憶装置に記憶している定電流調整回路を介して調整したバイアス電流値を利用して被浮上体の浮上制御を行うので、一度バイアス電流の調整を行うと以後のバイアス電流の調整が不要或いは短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の磁気軸受制御装置の構成例を示す図である。
【図２】磁気軸受の磁極コイルに流れる励磁電流と被浮上体の変位量及び被浮上体に及ぼす磁気吸引力の関係を示す図である。
【図３】本発明に係る磁気軸受制御装置の構成例を示す図である。
【図４】本発明に係る磁気軸受制御装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１              被浮上体
２              電磁石
３Ｐ、３Ｎ      磁極コイル
４              変位センサ
５              センサ回路
６              位相補正回路
７ａ、７ｂ      定電流回路
８              バイアス電流調整器
９ａ、９ｂ      定電流調整回路
１０ａ、１０ｂ  電流検出回路
１１            制御回路
１２            不揮発性記憶装置
１３            アナログスイッチ
１４            磁気軸受ユニット
１５            磁気軸受制御装置
１６            制御コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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