(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体と、
該回転体の半径方向位置及び／又は軸方向位置を検出する複数の位置検出センサと、
該位置検出センサで検出した半径方向位置及び／又は軸方向位置の信号を基に該位置検出センサに対応して配設された電磁石を制御する磁気軸受手段と、
前記電磁石と電源との間を断接するスイッチング素子を含み、前記電源に対し複数並列された励磁回路と、
前記電源に配設されたコンデンサと、
前記スイッチング素子をパルス制御する制御手段とを備え、
前記励磁回路を介して前記コンデンサに流れる電流が所定値未満となるように、前記励磁回路が複数のグループにグループ分けされ、各グループ毎に１周期中でのパルス生成される区域が異ならせられ、又は該区域の一部が重複され、
前記各スイッチング素子が前記位置検出センサで検出した位置信号に基づきそれぞれ独立して制御されることを特徴とする磁気軸受制御装置。
【請求項２】
前記励磁回路が、前記コンデンサに流れる電流の合成が前記各区域毎にほぼ均等となるようにグループ分けされたことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受制御装置。
【請求項３】
前記半径方向位置又は前記軸方向位置を同一方向に増減させるため対向して配設された電磁石を励磁する励磁回路は、同一のグループとされることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁気軸受制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気軸受制御装置に係わり、特に電解コンデンサに流れるリップル電流を小さく抑えることの可能な磁気軸受制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気軸受は半導体製造工程で使用されるターボ分子ポンプ等の回転機器に使用される。ターボ分子ポンプの磁気軸受の構成例に基づき、従来の磁気軸受励磁回路について説明する。
【０００３】
磁気軸受の構成例としてターボ分子ポンプの断面図を図６に示す。
図６において、ターボ分子ポンプは、ガスを排気するためのタービンブレードによる複数の回転翼１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ…を多段に備えた回転体１０３を備える。
【０００４】
この回転体１０３を軸承するために、上側ラジアル方向電磁石１０５ａ、下側ラジアル方向電磁石１０７ａ及びアキシャル方向電磁石１０９ａを配設することにより磁気軸受が構成されている。また、上側ラジアル方向センサ１０５ｂ、下側ラジアル方向センサ１０７ｂ、アキシャル方向センサ１０９ｂを備える。
【０００５】
上側ラジアル方向電磁石１０５ａ及び下側ラジアル方向電磁石１０７ａは、それぞれの横断面図を示す図７のように構成された電磁石巻線により４個の電磁石が構成される。これらの４個の電磁石は、２個ずつ対向配置され、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の２軸の磁気軸受を構成する。
【０００６】
詳細には、隣接する２個のコア凸部にそれぞれ巻回された電磁石巻線１１１、１１１を１組として互いに逆極性に配置することにより１つの電磁石が形成される。この電磁石は、回転体１０３を挟んで対向するコア凸部の電磁石巻線１１３、１１３による電磁石と１つの対を構成し、それぞれが回転体１０３をＸ軸の正方向又は負方向に吸引する。
【０００７】
また、Ｘ軸と直交するＹ軸方向においては、２個の電磁石巻線１１５、１１５と、これに対向する２個の電磁石巻線１１７、１１７についても、上記同様に、Ｙ軸方向について対向する電磁石として１つの対を構成する。
【０００８】
アキシャル方向電磁石１０９ａ、１０９ａは、その縦断面図を示す図８のように、回転体１０３のアーマチャ１０３ａを挟む２つの電磁石巻線１２１、１２３により、１つの対として構成される。各電磁石巻線１２１、１２３による２個の電磁石１０９ａ、１０９ａは、それぞれアーマチャ１０３ａを回転軸線の正方向又は負方向に吸引力を作用する。
【０００９】
また、上側ラジアル方向センサ１０５ｂ、下側ラジアル方向センサ１０７ｂは、上記電磁石１０５ａ、１０７ａと対応するＸＹ２軸に配置された４個のセンシングコイルからなり、回転体１０３の径方向変位を検出する。アキシャル方向センサ１０９ｂは回転体１０３の軸方向変位を検出する。これらセンサは、それぞれの検出信号を図示せぬ磁気軸受制御装置に送るように構成されている。
【００１０】
これらのセンサ検出信号に基づき、磁気軸受制御装置がＰＩＤ制御等により上側ラジアル方向電磁石１０５ａ、下側ラジアル方向電磁石１０７ａ及びアキシャル方向電磁石１０９ａ、１０９ａを構成する計１０個の電磁石の吸引力を個々に調節することにより、回転体１０３を磁気浮上支持するように構成されている。
【００１１】
つぎに、上述のように構成される磁気軸受の各電磁石を励磁駆動する磁気軸受励磁回路について説明する。電磁石巻線に流れる電流をパルス幅変調方式により制御する磁気軸受励磁回路の例を図９に示す。
【００１２】
図９において、１個の電磁石を構成する電磁石巻線１１１は、その一端がトランジスタ１３１を介して電源１３３の正極に接続され、他端がトランジスタ１３２を介して電源１３３の負極に接続されている。
【００１３】
そして、電流回生用のダイオード１３５のカソードが電磁石巻線１１１の一端に接続され、アノードが電源１３３の負極に接続されている。同様に、ダイオード１３６のカソードが電源１３３の正極に接続され、アノードが電磁石巻線１１１の他端に接続されている。電源１３３の正極と負極間には安定化のため電解コンデンサ１４１が接続されている。
【００１４】
また、トランジスタ１３２のソース側には電流検出回路１３９が介設され、この電流検出回路１３９で検出された電流が制御回路１３７に入力されるようになっている。
【００１５】
以上のように構成される励磁回路１１０は、電磁石巻線１１１に対応されるものであり、他の電磁石巻線１１３、１１５、１１７、１２１、１２３に対しても同じ励磁回路１１０が構成される。従って、５軸制御型磁気軸受の場合には、合計１０個の励磁回路１１０が電解コンデンサ１４１と並列に接続されている。
【００１６】
かかる構成において、トランジスタ１３１、１３２の両方をｏｎすると電流が増加し、両方をｏｆｆすると電流が減少する。そして、どちらか１個ｏｎするとフライホイール電流が保持される。フライホイール電流を流すことで、ヒステリシス損を減少させ、消費電力を低く抑えることができる。
【００１７】
また、高調波等の高周波ノイズを低減できる。そして、このフライホイール電流を電流検出回路１３９で測定することで電磁石巻線１１１を流れる電磁石電流ｉLが検出可能である（特許第３１７６５８４号公報）。
【００１８】
制御回路１３７は、電流指令値と電流検出回路１３９による検出値とを比較してパルス幅変調による１周期内のパルス幅を決め、トランジスタ１３１、１３２のゲートに信号送出する。
【００１９】
電流指令値が検出値より大きい場合には、図１０に示すように１周期ＴS（例えばＴS＝１００μｓ）中で１回だけパルス幅時間ＴP1に相当する時間分、トランジスタ１３１、１３２の両方をｏｎする。このとき電磁石電流ｉLが増加すると同時に電解コンデンサ１４１にはパルス状の正の電流ｉc1が流れる。即ち、電解コンデンサ１４１から電流ｉc1が流出する。
【００２０】
一方、電流指令値が検出値より小さい場合には、図１１に示すように１周期ＴS中で１回だけパルス幅時間ＴP2に相当する時間分、トランジスタ１３１、１３２の両方をｏｆｆする。このとき電磁石電流ｉLが減少すると同時に電解コンデンサ１４１にはパルス状の負の電流ｉc2が流れる。即ち、電解コンデンサ１４１に電流ｉc2が流入する。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の磁気軸受励磁回路では、回転体１０３の浮上制御如何により、図５（ａ）に示すように、電解コンデンサ１４１には、瞬間的に１０軸分の電流ｉc1（又は電流ｉc2）が重畳されリップル電流として流れるおそれが生ずる。そのため、電解コンデンサ１４１には大型の電解コンデンサを使用する必要があり、回路寸法が大きくなり、コスト高になっていた。
【００２２】
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、電解コンデンサに流れるリップル電流を小さく抑えることの可能な磁気軸受制御装置を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、回転体と、該回転体の半径方向位置及び／又は軸方向位置を検出する複数の位置検出センサと、該位置検出センサで検出した半径方向位置及び／又は軸方向位置の信号を基に該位置検出センサに対応して配設された電磁石を制御する磁気軸受手段と、前記電磁石と電源との間を断接するスイッチング素子を含み、前記電源に対し複数並列された励磁回路と、前記電源に配設されたコンデンサと、前記スイッチング素子をパルス制御する制御手段とを備え、前記励磁回路を介して前記コンデンサに流れる電流が所定値未満となるように、前記励磁回路が複数のグループにグループ分けされ、各グループ毎に１周期中でのパルス生成される区域が異ならせられ、又は該区域の一部が重複され、前記各スイッチング素子が前記位置検出センサで検出した位置信号に基づきそれぞれ独立して制御されることを特徴とする。
【００２４】
励磁回路を複数のグループにグループ分けし、各グループ毎に１周期中でのパルス生成される区域を異ならせたことで、一時にすべての励磁回路からコンデンサに向けて電流が流れる等ということはなくなる。リップル電流の大きさがグループ分けにより小さくなるので、実効電流も小さくなる。
【００２５】
但し、励磁回路を介してコンデンサに流れる電流が所定値未満となりさえすれば、各グループ毎に１周期中でのパルス生成される区域が一部重複された状態にされてもよい。以上により、コンデンサを小型に構成できる。制御ユニットも小型化でき、コストダウンにも繋がる。
【００２６】
また、本発明は、前記励磁回路が、前記コンデンサに流れる電流の合成が前記各区域毎にほぼ均等となるようにグループ分けされたことを特徴とする。
【００２７】
このことにより、リップル電流の実効電流が最も小さくなる。
【００２８】
更に、本発明は、前記半径方向位置又は前記軸方向位置を同一方向に増減させるため対向して配設された電磁石を励磁する励磁回路は、同一のグループとされることを特徴とする。
【００２９】
磁気軸受による制御では、通常、一方の電磁石に流れる電流が増えると反対側の対向する電磁石に流れる電流が減る方向にある。このため、対向する電磁石同士を同一グループに入れることで、コンデンサに流れるリップル電流を減少させることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。図１に、本発明の実施形態の回路構成図を示す。なお、図９と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
【００３１】
図１において、磁気軸受の１０軸分の励磁回路１１０を２つのグループに分ける。この２つのグループは、それぞれ１スイッチング周期ＴS中の前半より（０〜ＴS／２までの範囲）にトランジスタ１３１、１３２を制御してパルスを生成するグループと、後半より（ＴS／２〜ＴSまでの範囲）に制御してパルスを生成するグループである。
【００３２】
このように励磁回路１１０を２つのグループに分け、かつ電流指令値が検出値より大きい場合の制御を図２のタイムチャートに示し、電流指令値が検出値より小さい場合の制御を図３のタイムチャートに示す。
【００３３】
通常、トランジスタ１３１、１３２の通電デューティは０〜５０％位なので、前半よりグループと後半よりグループに分けることで電解コンデンサ１４１に流れるピーク電流を減少させることができる。
【００３４】
具体的に一例を挙げれば、前半よりにトランジスタ１３１、１３２を制御するグループとして、下側ラジアル方向電磁石１０７ａの電磁石巻線１１１、１１３、１１５、１１７に対応される励磁回路１１０をまとめる。
【００３５】
一方、後半よりに制御するグループとして、上側ラジアル方向電磁石１０５ａの電磁石巻線１１１、１１３、１１５、１１７及びアキシャル方向電磁石１０９ａの電磁石巻線１２１、１２３に対応される励磁回路１１０をまとめる。
【００３６】
また、図７において、回転体１０３をＸ軸プラス方向に制御したい場合には、ｉL＋を増加し、ｉL−を減少する。一方、Ｘ軸マイナス方向に制御したい場合には、ｉL＋を減少し、ｉL−を増加する。この間の様子を図４（ａ）に示す。
【００３７】
このように、回転体１０３を対向する電磁石により制御する場合には、通常、一方の電磁石に流れる電流が増えると反対側の電磁石に流れる電流が減る方向にある。このため、対向する電磁石同士を同一グループに入れることで電解コンデンサ１４１に流れるリップル電流を減少させることができる。
【００３８】
なお、このときの各励磁回路１１０から電解コンデンサ１４１に流れる電流ｉcは図４（ｂ）のようであり、結局電解コンデンサ１４１に流れる合成電流ｉcは図４（ｃ）のようになる。従って、合成電流ｉcの実効値は小さくできる。
【００３９】
このため、上側ラジアル方向電磁石１０５ａの電磁石巻線１１１、１１３、上側ラジアル方向電磁石１０５ａの電磁石巻線１１５、１１７、下側ラジアル方向電磁石１０７ａの電磁石巻線１１１、１１３、下側ラジアル方向電磁石１０７ａの電磁石巻線１１５、１１７、及びアキシャル方向電磁石１０９ａの電磁石巻線１２１、１２３は対としてグループ分けされるのが望ましい。
【００４０】
以上のようにグループ分けすることで、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、電解コンデンサ１４１に流れるリップル電流の大きさを、従来構成に比べほぼ１／２程度に抑えることができる。
【００４１】
図５（ａ）及び図５（ｂ）に基づき、本発明のように２グループにグループ分けして構成した場合に流れるリップル電流の大きさを基準として実効電流を算出してみると、本発明のようにグループ分けした場合の実効電流が数１であるのに対し、従来構成の場合の実効電流が数２のようになる。但し、パルス幅をＴ0としてデューティＤ＝Ｔ0／ＴSとする。
【００４２】
【数１】
0004059313.tif 000002
【００４３】
【数２】
0004059313.tif 000003
【００４４】
従って、実効電流が小さくなるため、小型の電解コンデンサ１４１を使用できる。制御ユニットも小型化でき、コストダウンにも繋がる。
【００４５】
なお、グループ分けは上述の組み合わせに限定されるものではなく、電解コンデンサ１４１に流れるリップル電流の大きさが前半よりグループと後半よりグループとでほぼ均等になればよく、組み合わせには自由度を有する。
【００４６】
また、本発明の実施形態では、各励磁回路１１０に対するパルス生成を１周期ＴS中の前半よりに制御するグループと後半よりに制御するグループとに分けて構成したが、２グループではなく、前、中、後の３グループで構成してもよい。
この場合であっても、電解コンデンサ１４１に流れるリップル電流の大きさが３グループでほぼ均等となるように各励磁回路１１０をグループ分けする。
【００４７】
更に、各励磁回路１１０を介して電解コンデンサ１４１に流れるリップル電流の大きさが所定値未満となりさえすれば、各グループ毎に１周期中でのパルス生成される区域が一部重複された状態にされてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、励磁回路を複数のグループにグループ分けし、各グループ毎に１周期中でのパルス生成される区域を異ならせる等して構成したので、一時にすべての励磁回路からコンデンサに向けて電流が流れる等ということはなくなる。
【００４９】
リップル電流の大きさがグループ分けにより小さくなるので、実効電流も小さくなる。従って、コンデンサを小型に構成できる。制御ユニットも小型化でき、コストダウンにも繋がる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態の回路構成図
【図２】  電流指令値が検出値より大きい場合の制御を示すタイムチャート
【図３】  電流指令値が検出値より小さい場合の制御を示すタイムチャート
【図４】  対向する電磁石により制御されるときの様子を示すタイムチャート
【図５】  電解コンデンサに流れるリップル電流の大きさを示す図
【図６】  ターボ分子ポンプの断面図
【図７】  ラジアル方向電磁石の横断面図
【図８】  アキシャル方向電磁石の縦断面図
【図９】  磁気軸受励磁回路の例
【図１０】  電流指令値が検出値より大きい場合の制御を示すタイムチャート
【図１１】  電流指令値が検出値より小さい場合の制御を示すタイムチャート
【符号の説明】
１０３  回転体
１１０  励磁回路
１３１、１３２  トランジスタ
１４１  電解コンデンサ
１０５ａ  上側ラジアル方向電磁石
１０７ａ  下側ラジアル方向電磁石
１０９ａ  アキシャル方向電磁石
１１１、１１３、１１５、１１７、１２１、１２３  電磁石巻線
【図１】
0004059313.tif 000004
【図２】
0004059313.tif 000005
【図３】
0004059313.tif 000006
【図４】
0004059313.tif 000007
【図５】
0004059313.tif 000008
【図６】
0004059313.tif 000009
【図７】
0004059313.tif 000010
【図８】
0004059313.tif 000011
【図９】
0004059313.tif 000012
【図１０】
0004059313.tif 000013
【図１１】
0004059313.tif 000014