(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体を軸方向および径方向に非接触支持する複数の電磁石を有する複数組の磁気軸受、前記回転体の軸方向および径方向の位置を検出する複数の位置センサを有する位置検出手段、前記位置検出手段による位置の検出結果に基づいて前記各磁気軸受の電磁石を制御する電磁石制御手段、前記回転体を回転駆動する電動モータ、ならびに前記回転体の軸方向および径方向の可動範囲を規制してその可動範囲の極限位置において前記回転体を機械的に支持する転がり軸受よりなる保護軸受を備えている磁気軸受装置において、
回転停止状態の前記回転体の周面の周方向の１箇所をこれに対向する前記保護軸受の周面の周方向の１箇所に接触させてこの接触点を前記電磁石の励磁電流を変化させることにより前記保護軸受の周面の周方向に順次移動させる手段、この移動過程の複数の点において前記位置検出手段による位置の検出結果から前記回転体の中心の径方向の位置を検出する手段、および前記移動過程の各点における前記回転体の中心の径方向の位置の検出結果に基づいて前記保護軸受の良否を判定する手段を備えていることを特徴とする磁気軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁気軸受装置、さらに詳しくは、複数組の磁気軸受で回転体を軸方向（アキシアル方向）および径方向（ラジアル方向）に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。
【０００２】
【従来の技術】
この種の磁気軸受装置として、回転体を軸方向および径方向に非接触支持する複数の電磁石を有する複数組の磁気軸受、前記回転体の軸方向および径方向の位置を検出する複数の位置センサを有する位置検出手段、前記位置検出手段による位置の検出結果に基づいて前記各磁気軸受の電磁石を制御する電磁石制御手段、前記回転体を回転駆動する電動モータ、ならびに前記回転体の軸方向および径方向の可動範囲を規制してその可動範囲の極限位置において前記回転体を機械的に支持する転がり軸受よりなる保護軸受を備えているものが知られている。
【０００３】
このような磁気軸受装置はたとえばターボ分子ポンプなどに使用され、回転体が磁気軸受によって一定の目標位置に非接触支持された状態で、モータを駆動することにより、回転体は高速で回転させられ、モータの駆動を停止することにより、回転体は回転を停止させられる。そして、回転体の回転を停止した後、磁気軸受の駆動を停止して磁気軸受による支持力をなくすると、回転体は保護軸受によって支持される。
【０００４】
このように回転体の回転を停止してからこれを保護軸受で支持する場合は、回転体が保護軸受で受けられるときには回転体は回転していないので、保護軸受には摩耗や損傷は生じない。
【０００５】
ところが、使用上のミスや制御系の異常などにより、高速回転中の回転体が保護軸受に接触することがある。また、回転体の回転中に停電などにより磁気軸受およびモータへの給電が停止したような場合にも、高速回転している回転体が保護軸受で受けられて、徐々に減速し、やがて回転を停止する。このような場合、保護軸受は高速で回転している回転体に接触して、高速で回転し、しかも回転体から大きな力を受けるため、保護軸受の摩耗が大きく、損傷のおそれもある。したがって、一般に、保護軸受の寿命は短く、数回の使用が限度である。このため、回転を停止して保護軸受により支持されていた回転体を再び磁気軸受により支持して回転させるときには、その前に、保護軸受の良否すなわち寿命に達しているかどうかを検査しなければならない。しかし、従来の磁気軸受装置では、保護軸受の状態を知るために、磁気軸受装置を分解する必要があり、不便であった。
【０００６】
このような問題を解決するために、運転停止時に保護軸受が回転体を受けてから回転体の回転数が所定の値に減速するまでの時間が正常時よりも短くなったことを検出して保護軸受の異常を検出するようになった磁気軸受装置（特開平３−１１５７９６号公報参照）などが提案されているが、いずれの場合も保護軸受の良否を正確に判定することは困難であった。
【０００７】
そこで、本出願人は、磁気軸受の電磁石で回転体を径方向の１方向に吸引して保護軸受の一方の軌道輪に押圧させ、モータにより回転体とこれが押圧させられている保護軸受の軌道輪を回転させ、位置検出手段により回転体の径方向の位置の変化を検出し、この検出結果に基づいて保護軸受の良否を判定するようになった磁気軸受装置（実開平６−４３３４６号公報参照）を提案した。
【０００８】
この磁気軸受装置では、装置を分解することなく、保護軸受の良否をかなり正確に判定することができる。
【０００９】
しかし、保護軸受の検査時に回転体をモータで回転させているため、このときにモータを通常の回転時とは異なる低速で回転させる必要があり、したがって、そのための回転数制御回路を別途モータ駆動用のインバータに設ける必要があり、磁気軸受装置の構造が複雑になるという問題がある。また、回転体をモータで回転させているだけであるから、保護軸受の周方向の特定の位置にのみ異常がある場合、その位置を特定することはできない。
【００１０】
磁気軸受装置には、回転体が固定部分であるケーシングの内側で回転するインナロータ型のものと、回転体が固定部分の外側で回転するアウタロータ型のものとがあるが、いずれの場合にも上記の問題がある。
【００１１】
また、磁気軸受装置には、回転体が水平に支持される横型のものと、回転体が鉛直に支持される縦型のものとがあるが、いずれの場合にも上記の問題がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、装置を分解せずに保護軸受の良否を簡単にかつ正確に判定できる磁気軸受装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明による磁気軸受装置は、回転体を軸方向および径方向に非接触支持する複数の電磁石を有する複数組の磁気軸受、前記回転体の軸方向および径方向の位置を検出する複数の位置センサを有する位置検出手段、前記位置検出手段による位置の検出結果に基づいて前記各磁気軸受の電磁石を制御する電磁石制御手段、前記回転体を回転駆動する電動モータ、ならびに前記回転体の軸方向および径方向の可動範囲を規制してその可動範囲の極限位置において前記回転体を機械的に支持する転がり軸受よりなる保護軸受を備えている磁気軸受装置において、回転停止状態の前記回転体の周面の周方向の１箇所をこれに対向する前記保護軸受の周面の周方向の１箇所に接触させてこの接触点を前記電磁石の励磁電流を変化させることにより前記保護軸受の周面の周方向に順次移動させる手段、この移動過程の複数の点において前記位置検出手段による位置の検出結果から前記回転体の中心の径方向の位置を検出する手段、および前記移動過程の各点における前記回転体の中心の径方向の位置の検出結果に基づいて前記保護軸受の良否を判定する手段を備えていることを特徴とするものである。
【００１４】
通常、磁気軸受には、回転体を軸方向に支持するアキシアル磁気軸受と、回転体を径方向に支持するラジアル磁気軸受とが含まれている。たとえば、保護軸受の良否の判定は、回転体をアキシアル磁気軸受により軸方向の所定の位置に支持した状態で行われる。
【００１５】
保護軸受の周面に沿う回転体の移動範囲は、保護軸受の周面のほぼ全周にわたるのが望ましいが、保護軸受の周面の一部であってもよい。
【００１６】
保護軸受が正常である場合、回転体を保護軸受の周面に接触させた状態で保護軸受の周方向に移動させると、回転体の中心は保護軸受の周面と同心の１つの円上を移動し、その円の半径は回転体と保護軸受との間隙の大きさに対応する一定の値になる。この円を正常時の円とすると、保護軸受に過度の摩耗や損傷などの異常が生じている場合には、回転体の移動過程の複数の点における回転体の中心の径方向の位置の検出値の中には、正常時の円から大きく離れるものが出てくる。したがって、回転体の移動過程の各点における回転体の中心の位置の検出結果に基づいて、保護軸受の良否を簡単にかつ確実に判定することができる。
【００１７】
たとえば、回転体の移動過程の各点における回転体の中心を通る円の半径を求め、この半径が所定の値より小さいときは、回転体と保護軸受との間隙が異常に小さいと判断し、逆に、この半径が所定の値より大きいときは、保護軸受に過度の摩耗や損傷などの異常が生じていると判断する。
【００１８】
回転体と保護軸受との間隙が異常に小さくなった場合、回転体の移動過程の各点における回転体の中心を通る円の半径は、正常時の円の半径よりも小さくなる。また、保護軸受に過度の摩耗や損傷などの異常が生じている場合、回転体の移動過程の各点における回転体の中心を通る円の半径は、正常時の円の半径よりも大きくなる。したがって、上記のようにすることにより、回転体と保護軸受との間隙が異常に小さいことや保護軸受に過度の摩耗や損傷などの異常が生じていることを確実に検知することができる。
【００１９】
たとえば、回転体の移動過程の各点における回転体の中心の検出値の中に、回転体の中心を通る円の中心からの距離が正常時の円の半径の値と異常に異なる点があるような場合は、保護軸受に異常があると判断する。
【００２０】
保護軸受の周方向の１箇所に異常があるような場合、回転体がその箇所に接触しているときの回転体の中心の径方向の位置は、正常時の円から大きく離れる。したがって、上記のようにすることにより、保護軸受の周方向の１箇所にだけ異常があるような場合でも、これを確実に検知することができる。
【００２１】
たとえば、ラジアル磁気軸受の各電磁石に供給する励磁電流を適宜制御することにより、各電磁石の励磁電流をそれぞれ徐々に変化させて、回転体の周面を保護軸受の周面に接触させた状態でこの接触点を保護軸受の周面の周方向に順次移動させる。
【００２２】
ラジアル磁気軸受が２つの制御軸方向に対向する２対の電磁石を備えている場合、たとえば、次のように各電磁石の励磁電流を制御する。まず、１番目の電磁石にのみ励磁電流を供給して、回転体を一方の制御軸方向の一方の極限位置に吸引する。次に、この１番目の電磁石の励磁電流を徐々に０まで減少させるとともに、隣の２番目の電磁石の励磁電流を徐々に増加させて、回転体を保護軸受の周面に沿って他方の制御軸方向の一方の極限位置まで移動させる。そして、この２番目の電磁石と隣の３番目の電磁石との間、この３番目の電磁石と隣の４番目の電磁石との間、この４番目の電磁石と最初の１番目の電磁石との間で、同様に励磁電流を制御する。これにより、回転体を保護軸受の周面に接触させた状態でこの周面に沿ってほぼ１周させることができる。
【００２３】
さらに、磁気軸受の電磁石の励磁電流を制御することによって回転体を周方向に移動させることができるので、従来のように回転体をモータで回転させる必要がなく、モータ駆動用のインバータに特別な回転数制御回路を別途設ける必要がない。すなわち、磁気軸受装置の構造を全く変えることなく、磁気軸受の電磁石の制御方法を変えるだけで保護軸受の検査を行うことができる。また、磁気軸受の電磁石の励磁電流を制御することによって回転体を周方向に移動させる場合、各電磁石の励磁電流の状態から回転体が保護軸受の周方向のどの位置にあるかを検知できるので、保護軸受の周方向の特定の位置にのみ異常がある場合でも、その位置を特定でき、より正確な異常の検出ができる。
【００２４】
この発明の磁気軸受装置によれば、上述のように、磁気軸受の電磁石の励磁電流を変化させて回転体を周方向に移動させることにより、装置を分解せずに保護軸受の良否を簡単にかつ正確に判定することができ、回転体をモータで回転させる必要がなく、モータ駆動用のインバータに特別な回転数制御回路を別途設ける必要がない。また、磁気軸受の電磁石の励磁電流を変化させることによって回転体を周方向に移動させるため、各電磁石の励磁電流の状態から回転体が保護軸受の周方向のどの位置にあるかを検知でき、したがって、保護軸受の周方向の特定の位置にのみ異常がある場合でも、その位置を特定でき、より正確な異常の検出ができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
【００２６】
図１は磁気軸受装置の主要部を示す一部切欠き斜視図、図２は同縦断面図、図３は同横断面図、図４はその電気的構成の１例を示すブロック図である。
【００２７】
この磁気軸受装置は、水平円筒状のケーシング(1)の内側で水平軸状の回転体(2)が回転する横型のものである。以下の説明において、回転体(2)の軸方向の制 御軸（アキシアル制御軸）をＺ軸、Ｚ軸と直交する１つの径方向の制御軸（ラジアル制御軸）をＸ軸、Ｚ軸およびＸ軸と直交する他のラジアル制御軸をＹ軸とする。また、図２の右側を前、左側を後とし、後から前を見たときの左右を左右とする。この例では、Ｚ軸方向が前後方向、Ｘ軸方向が左右方向、Ｙ軸方向が上下方向と一致し、前側がＺ軸正側、右側がＸ軸正側、上側がＹ軸正側となっている。
【００２８】
磁気軸受装置は、回転体(2)を軸方向に非接触支持する１組のアキシアル磁気 軸受(3)、回転体(2)を径方向に非接触支持する前後２組のラジアル磁気軸受(4)(5)、回転体(2)の軸方向および径方向の位置を検出する位置検出手段としての位 置検出装置(6)、回転体(2)を高速回転させるためのビルトイン型電動モータ(7) 、位置検出装置(6)による位置の検出結果に基づいて磁気軸受(3)(4)(5)を制御する電磁石制御手段としての電磁石制御装置(8)、ならびに回転体(2)の軸方向および径方向の可動範囲を規制して回転体(2)を磁気軸受(3)(4)(5)で支持できなくなったときなどに可動範囲の極限位置において回転体(2)を機械的に支持する規制 手段としての前後２組の保護軸受(10)(11)を備えている。
【００２９】
位置検出装置(6)は、回転体(2)の軸方向の位置を検出するための１個のアキシアル位置センサ(12)、回転体(2)の径方向の位置を検出するための前後２組のラ ジアル位置センサユニット(13)(14)、およびこれらの出力から回転体(2)の軸方 向の位置および径方向の位置を演算する位置演算回路(15)を備えている。位置演算回路(15)は、後述する対センサ中心位置を原点とする回転体(2)の中心(A)の位置を演算する。なお、この対センサ中心位置を原点とする回転体(2)の中心(A)の位置を単に回転体(2)の位置ということにする。
【００３０】
アキシアル磁気軸受(3)は、回転体(2)の前部に一体に形成されたフランジ部(2a)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(16a)(16b)を備えている。アキシアル電磁石は符号(16)で総称し、区別する必要があるときは、Ｚ軸正側の電磁石(16a)を第１アキシアル電磁石、Ｚ軸負側の電磁石(16b)を第２アキシアル電磁石と呼ぶことにする。
【００３１】
アキシアル位置センサ(12)は、回転体(2)の前端面（位置検出端面）にＺ軸方 向の正側から対向するように配置され、回転体(2)の前端面との距離（空隙）に 比例する距離信号を出力する。そして、演算回路(15)が、予め設定された一定の値（回転体(2)のＺ軸方向の位置が０となるときのアキシアル位置センサ(12)の 距離信号に等しい値）からアキシアル位置センサ(21)の距離信号を減算することにより、回転体(2)のＺ軸方向の位置を演算し、電磁石制御装置(8)に出力する。
【００３２】
２組のラジアル磁気軸受(4)(5)は、アキシアル磁気軸受(3)の後側において前 後方向に所定の間隔をおいて配置されており、これらの間にモータ(7)が配置さ れている。前側のラジアル磁気軸受(4)は、回転体(2)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(17a)(17b)、および回転体(2)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(17c)(17d)を備えている。これらのラジアル電磁石は符号(17)で総称し、区別する必要があるときは、Ｘ軸方向の正側の電磁石(17a)を第１Ｘ軸電磁石、負側の電磁石(17b)を第２Ｘ軸電磁石、Ｙ軸方向の正側の電磁石(17c)を第１Ｙ軸電磁石、負側の電磁石(17d)を第２Ｙ軸電磁石と呼ぶことにする。同様に、後側のラジアル電磁石(5)も、第１ Ｘ軸電磁石(18a)、第２Ｘ軸電磁石(18b)、第１Ｙ軸電磁石(18c)および第２Ｙ軸 電磁石(18d)を備えている。これらのラジアル電磁石(18a)〜(18d)も、符号(18) で総称する。
【００３３】
前側のラジアル位置センサユニット(13)は、前側のラジアル磁気軸受(4)の近 傍に配置されており、Ｘ軸電磁石(17a)(17b)の近傍においてＸ軸方向の両側から回転体(2)を挟むように配置された１対のラジアル位置センサ(19a)(19b)、Ｙ軸 電磁石(17c)(17d)の近傍においてＹ軸方向の両側から回転体(2)を挟むように配 置された１対のラジアル位置センサ(19c)(19d)を備えている。これらのラジアル位置センサは符号(19)で総称し、区別する必要があるときは、Ｘ軸方向の正側のセンサ(19a)を第１Ｘ軸センサ、負側のセンサ(19b)を第２Ｘ軸センサ、Ｙ軸方向の正側のセンサ(19c)を第１Ｙ軸センサ、負側のセンサ(19d)を第２Ｙ軸センサと呼ぶことにする。同様に、後側のラジアル位置センサユニット(14)も、後側のラジアル磁気軸受(5)の近傍に配置されており、第１Ｘ軸センサ(20a)、第２Ｘ軸センサ(20b)、第１Ｙ軸センサ(20c)および第２Ｙ軸センサ(20d)を備えている。こ れらのラジアル位置センサ(20a)〜(20d)も、符号(20)で総称する。各ラジアル位置センサ(19)(20)は、回転体(2)の外周面との距離に比例する距離信号を出力す る。そして、位置演算回路(15)は、前側のユニット(13)の第２Ｘ軸センサ(19b) の距離信号から第１Ｘ軸センサ(19a)の距離信号を減算することにより、前側の ラジアル磁気軸受(4)の近傍における回転体(2)のＸ軸方向の位置を演算するとともに、同ユニット(13)の第２Ｙ軸センサ(19d)の距離信号から第１Ｙ軸センサ(19c)の距離信号を減算することにより、同位置における回転体(2)のＹ軸方向の位 置を演算し、電磁石制御装置(8)に出力する。同様に、位置演算回路(15)は、後 側のユニット(14)の第２Ｘ軸センサ(20b)の距離信号と第１Ｘ軸センサ(20a)の距離信号の差より、後側のラジアル磁気軸受(5)の近傍における回転体(2)のＸ軸方向の位置を求めるとともに、同ユニット(14)の第２Ｙ軸センサ(20d)の距離信号 と第１Ｙ軸センサ(20c)の距離信号の差より、同位置における回転体(2)のＹ軸方向の位置を求め、電磁石制御装置(8)に出力する。
【００３４】
電磁石(16)(17)(18)および位置センサ(12)(19)(20)は、ケーシング(1)に固定 されている。
【００３５】
前側の保護軸受(10)は、たとえば深みぞ玉軸受などの転がり軸受よりなり、アキシアル荷重とラジアル荷重の両方を受けられるようになっている。この軸受(10)の外輪(10a)はケーシング(1)に固定され、内輪(10b)が回転体(1)の外周面に形成された環状みぞ(21)の部分に軸方向および径方向に適当な間隙をあけて臨ませられている。後側の保護軸受(11)は、たとえば深みぞ玉軸受などの転がり軸受よりなり、ラジアル荷重を受けられるようになっている。軸受(11)の外輪(11a)は ケーシング(1)に固定され、内輪(11b)は回転体(1)の外周面に適当な間隙をあけ て対向するように配置されている。そして、前側の軸受(10)の内輪(10b)と回転 体(1)との間の軸方向の間隙の大きさにより、回転体(1)の軸方向の可動範囲が規制され、各軸受(10)(11)の内輪(10b)(11b)と回転体(1)との間の径方向の間隙の 大きさにより、回転体(1)の径方向の可動範囲が規制される。そして、回転体(2)が可動範囲の極限位置において保護軸受(10)(11)により支持されている状態でも、回転体(2)と電磁石(16)(17)(18)および位置センサ(12)(19)(20)との間には間 隙があり、回転体(2)は電磁石(16)(17)(18)および位置センサ(12)(19)(20)に接 触することはない。
【００３６】
回転体(2)と、保護軸受(10)(11)の内輪(10b)(11b)、電磁石(16)(17)(18)およ び位置センサ(12)(19)(20)との間隙は大きくても数ｍｍ程度であるが、図面にはこれを誇張して表わしている。
【００３７】
制御装置(8)は、位置検出装置(6)により前記のようにして求められた回転体(2)のＺ軸方向の位置、２組のラジアル磁気軸受(4)(5)の近傍における回転体(2)のＸ軸方向およびＹ軸方向の位置に基づいて、各電磁石(16)(17)(18)に流れる励磁電流の大きさを制御し、これにより、回転体(2)が後述する一定の目標位置に保 持されるようになっている。
【００３８】
上記の磁気軸受装置には、保護軸受(10)(11)による可動範囲に対する回転体(2)の軸方向および径方向の中心位置（機械的中心位置）と、磁気軸受(3)(4)(5)の電磁石(16)(17)(18)の位置に対する軸方向および径方向の中心位置（磁気的中心位置）と、位置検出装置(6)の位置センサ(12)(19)(20)の位置に対する軸方向お よび径方向の中心位置（対センサ中心位置）とがある。機械的中心位置は、保護軸受(10)(11)により規制される可動範囲の中心の位置であり、軸方向については、前側の保護軸受(10)の内輪(10b)が回転体(2)のみぞ(21)の軸方向の中央にきて、内輪(10b)の端面とこれに対向するみぞ(21)の側面との軸方向の間隙が両側に おいて互いに等しくなる位置であり、径方向については、回転体(2)の中心(A)が２組の保護軸受(10)(11)の中心に一致して、回転体(2)と保護軸受(10)(11)の内 輪(10b)(11b)との径方向の間隙が全周にわたって等しくなる位置である。磁気的中心位置は、各磁気軸受(3)(4)(5)の各制御軸方向に対向する各対の電磁石(16)(17)(18)の中心の位置である。対センサ中心位置は、軸方向については、回転体(2)の前端面とアキシアル位置センサ(12)との距離が前記の予め設定された一定の値になるような位置であり、径方向については、各ラジアル位置センサユニット(13)(14)の各制御軸方向に対向する各対のラジアル位置センサ(19)(20)の中心の位置である。なお、径方向の対センサ中心位置をＯ1、径方向の機械的中心位置 をＯ2とする。
【００３９】
磁気軸受装置は、機械的中心位置、磁気的中心位置および対センサ中心位置が全て一致するように設計されるが、製作誤差や組立誤差のためにこれらの間に誤差が生じることがある。
【００４０】
従来の磁気軸受装置では、回転体が設計上の中心位置である対センサ中心位置に保持されるように、すなわち回転体の中心が対センサ中心位置に一致するように、磁気軸受の電磁石が制御される。このため、対センサ中心位置が機械的中心位置と一致してない場合は、回転体を機械的中心位置に保持することができない。この場合、回転体の機械的中心位置と対センサ中心位置との誤差が大きいと、回転体を対センサ中心位置に保持したときに、回転体と保護軸受との間隙が部分的に小さくなって、種々の不具合が生じる。このような問題を避けるため、たとえば特開平２−１０７８１５号公報などに記載されているように、各制御軸について回転体を可動範囲の両極限位置に移動させたときの位置センサの出力から機械的中心位置を求め、この機械的中心位置に回転体を磁気浮上させるようになった磁気軸受装置が提案されている。
【００４１】
ところが、上記のような磁気軸受装置では、各ラジアル磁気軸受の１つの電磁石にだけ急激に励磁電流を供給して、回転体をその電磁石の方向の極限位置に移動させるので、回転体が保護軸受に衝突し、このときに、大きな反動や振動が生じ、保護軸受を損傷するおそれがある。また、電磁石の励磁電流を急激に変化させるため、電磁石を駆動する電力増幅器の突入電流が大きくなり、電力増幅器の寿命が短くなるという問題がある。
【００４２】
このため、上記の磁気軸受装置では、最初に運転を開始する際に、次のようにして、機械的中心位置が求められ、以後、この機械的中心位置を前記目標位置として、磁気軸受(3)(4)(5)の制御が行われる。
【００４３】
図５は、機械的中心位置を求めるときのラジアル磁気軸受(4)(5)の各電磁石(17)(18)の励磁電流を下側に、回転体(2)と保護軸受(11)の内輪(11b)の内周面との位置関係を上側に示している。なお、図５には回転体(2)と後側の保護軸受(11) との関係だけを示しているが、回転体(2)と前側の保護軸受(10)との関係も同様 である。
【００４４】
磁気軸受装置の運転を開始する前は、磁気軸受(3)(4)(5)およびモータ(7)は駆動されておらず、回転体(2)は保護軸受(10)(11)の内輪(10b)(11b)に支持されて 、停止している。
【００４５】
このような状態から、最初に、１対のアキシアル電磁石(16a)(16b)に互いに等しい励磁電流が供給され、これにより、回転体(2)は、径方向には保護軸受(10)(11)により機械的に支持された状態で、軸方向にはアキシアル磁気軸受(3)により軸方向の対センサ中心位置に支持される。
【００４６】
次に、図５にＴ1として示すように、第２Ｙ軸電磁石(17d)(18d)に一定の励磁 電流Ｉ1を供給する。これにより、回転体(2)はＹ軸負側に吸引され、保護軸受内輪(10b)(11b)の内周面の下側極限点Ｙmに接触して、Ｙ軸負側の極限位置に保持 される。このとき、下側極限点Ｙmの近傍に接触して停止していた回転体(2)を電磁石(17d)(18d)により吸引してその点Ｙmに接触させるだけであるから、回転体(2)はほとんど動くことがなく、保護軸受(10)(11)に衝撃が加わることがない。次に、第２Ｙ軸電磁石(17d)(18d)の励磁電流を段階的に徐々に減少させるとともに、その時計回り方向の隣にある第２Ｘ軸電磁石(17b)(18b)の励磁電流を０から段階的に徐々に増加させ、図５にＴ3として示すように、第２Ｙ軸電磁石(17d)(18d)の励磁電流を０にすると同時に、第２Ｘ軸電磁石(17b)(18b)の励磁電流を最大 値Ｉ1にする。このように第２Ｙ軸電磁石(17d)(18d)および第２Ｘ軸電磁石(17b)(18b)の励磁電流を変化させることにより、Ｔ1、Ｔ2およびＴ3に示すように、保護軸受(10b)(11b)の内周面に対する回転体(2)の接触点が下側極限点Ｙmから時計回り方向に左側極限点Ｘm側に徐々に移動し、Ｔ3においては、回転体(2)はＸ軸 負側に吸引され、左側極限点Ｘmに接触して、Ｘ軸負側の極限位置に保持される 。次に、第２Ｘ軸電磁石(17b)(18b)の励磁電流を段階的に徐々に減少させるとともに、その時計回り方向の隣にある第１Ｙ軸電磁石(17c)(18c)の励磁電流を０から徐々に増加させ、図５にＴ5として示すように、第２Ｘ軸電磁石(17b)(18b)の 励磁電流を０にすると同時に、第１Ｙ軸電磁石(17c)(18c)の励磁電流を最大値Ｉ2にし、Ｔ3、Ｔ4およびＴ5に示すように、回転体(2)を、保護軸受内輪(10b)(11b)の内周面に沿って、時計回り方向に、上側極限点Ｙpに接触するＹ軸正側の極限位置まで移動させる。次に、上記と同様に、第１Ｙ軸電磁石(17c)(18c)およびその時計回り方向の隣にある第１Ｘ軸電磁石(17a)(18a)の励磁電流を変化させることにより、回転体(2)をＹ軸正側の極限位置から右側極限点Ｘpに接触するＸ軸正側の極限位置まで時計回り方向に移動させる。次に、上記と同様に、第１Ｘ軸電磁石(17a)(18a)およびその時計回り方向の隣にある第２Ｙ軸電磁石(17b)(18b)の励磁電流を変化させることにより、回転体(2)をＸ軸正側の極限位置からＹ軸負 側の極限位置まで時計回り方向に移動させる。これにより、回転体(2)は、保護 軸受内輪(10b)(11b)の内側をその内周面に沿って時計回り方向に１周する。
【００４７】
第１Ｘ軸電磁石(17a)(18a)、第２Ｘ軸電磁石(17b)(18b)および第２Ｙ軸電磁石(17d)(18d)における励磁電流の増加および減少の変化パターンは同一であり、この変化パターンに回転体(2)に作用する重力に相当する分（図５に斜線を付して 示した部分）を加えたのが第１Ｙ軸電磁石(17c)(18c)の励磁電流の変化パターンである。
【００４８】
上記の回転体(2)の移動過程の複数の点において、位置検出装置(6)の出力から、回転体(2)の各ラジアル位置センサユニット(13)(14)の部分におけるＸ軸方向 およびＹ軸方向の位置を求め、記憶する。
【００４９】
このようにして回転体(2)の移動過程の各点における回転体(2)の位置の検出が終わると、これらの検出結果より、各ラジアル位置センサユニット(13)(14)の部分における径方向の機械的中心位置が求められる。
【００５０】
上記のように、回転体(2)を保護軸受内輪(10b)(11b)の内周面の１箇所に接触 させた状態でこの内周面の周方向に移動させると、回転体(2)の中心(A)は、径方向の機械的中心位置Ｏ2を中心とする円上を移動する。したがって、回転体(2)の移動過程の各点における回転体(2)の中心(A)を通る円の中心を求めれば、それが径方向の機械的中心位置Ｏ2となる。
【００５１】
図６は、後側のラジアル位置センサユニット(14)の部分における回転体(2)の 位置の検出結果を対センサ中心位置Ｏ1を原点とするＸ−Ｙ座標で示している。 そして、このような検出結果から、たとえば、最小２乗法によって、回転体(2) の中心(A)を通る円(C)とその中心が求められ、この円(C)の中心が後側のラジア ル位置センサユニット(14)の部分における径方向の機械的中心位置Ｏ2となる。 これと同時に、回転体(2)の中心(A)を通る円(C)のＸ軸方向の半径ＲxとＹ軸方向の半径Ｒyも求められる。前側のラジアル位置センサユニット(13)の部分につい ても、同様である。
【００５２】
上記のように径方向の機械的中心位置を求めた後に、次のように、保護軸受(10)(11)の異常の検出が行われる。
【００５３】
たとえば、上記のようにして求めた回転体(2)の中心(A)を通る円(C)の半径Ｒx、Ｒyが所定の値より小さいときは、回転体(2)と保護軸受(10)(11)との間隙が異常に小さいと判断する。逆に、この半径Ｒx、Ｒyが所定の値より大きいときは、保護軸受(10)(11)に過度の摩耗や損傷などの異常が生じていると判断する。また、回転体(2)の移動過程の各点における回転体(1)の中心(A)の検出値の中に、径 方向の機械的中心位置Ｏ2からの距離が半径Ｒx、Ｒyの値と異常に異なる点があ るような場合も、保護軸受(10)(11)に異常があると判断する。この場合、この異常な点に対する保護軸受(10)(11)の周方向の位置に異常があると判断される。そして、各ラジアル電磁石(17)(18)の励磁電流の状態から回転体(2)が保護軸受(10)(11)の周方向のどの位置にあるかを検知できるので、上記の異常な点に対する 各ラジアル電磁石(17)(18)の励磁電流の状態から、異常のある位置を特定することができる。
【００５４】
このような異常が検出された場合は、警報を発し、磁気軸受装置を起動させない。
【００５５】
径方向の機械的中心位置を求める際に、回転体(2)を保護軸受(10)(11)の内輪(10b)(11b)の内周面に常に接触させた状態で、この接触点を保護軸受内輪(10b)(11b)の内周面の周方向に順次移動させるので、回転体(2)が保護軸受内輪(10b)(11b)に衝突することがない。したがって、保護軸受(10)(11)に大きな反動や振動が発生することがなく、保護軸受(10)(11)の損傷が防止される。また、従来のように電磁石(16)(17)(18)の励磁電流を急激に変化させて回転体(2)を極限位置に吸 引するのではなく、電磁石(16)(17)(18)の励磁電流を徐々に変化させて回転体(2)を保護軸受内輪(10b)(11b)の内周面に沿って移動させるので、電磁石(16)(17)(18)を駆動するための電力増幅器の突入電流を小さくすることができ、電力増幅 器の長寿命化が可能である。
【００５６】
上記のように径方向の機械的中心位置が求められて、しかも異常がない場合は、求められた径方向の機械的中心位置を目標位置として、ラジアル磁気軸受(4)(5)の各電磁石(17)(18)の励磁電流を制御し、回転体(2)を径方向にも非接触支持 する。そして、このような状態で、従来と同様に、軸方向の機械的中心位置が求められる。たとえば、第２アキシアル電磁石(16b)の励磁電流を０にして、第１ アキシアル磁気軸受(16a)により回転体(2)をＺ軸正側の極限位置に吸引し、回転体(2)のＺ軸方向の位置を求める。次に、第１アキシアル電磁石(16a)の励磁電流を０にすると同時に、第２アキシアル電磁石(16b)に一定の励磁電流を供給して 、第２アキシアル磁気軸受(16b)により回転体(2)をＺ軸負側の極限位置に吸引し、回転体(2)のＺ軸方向の位置を求める。そして、両極限位置における回転体(2)のＺ軸方向の位置の中点を求め、これを軸方向の機械的中心位置とする。
【００５７】
この場合にも、両極限位置における回転体(2)のＺ軸方向の位置より、保護軸 受(10)の異常などを検出することができる。すなわち、両極限位置における回転体(2)のＺ軸方向の位置の差が所定の値より小さいときは、回転体(2)と保護軸受(10)との軸方向の間隙が異常に小さいと判断し、逆に、この差が所定の値より大きいときは、保護軸受(10)に過度の摩耗や損傷などの異常が生じていると判断する。
【００５８】
このような異常が検出された場合も、警報を発し、磁気軸受装置を起動させない。
【００５９】
上記のように軸方向の機械的中心位置が求められて、しかも異常がない場合は、求められた軸方向の機械的中心位置を目標位置とし、アキシアル磁気軸受(3) の各電磁石(12)の励磁電流を制御する。これにより、回転体(2)は機械的中心位 置に非接触支持される。
【００６０】
この実施形態のような横型の磁気軸受装置の場合、回転体(2)には重力が下向 き（Ｙ軸負側向き）に作用する。このため、径方向の機械的中心位置Ｏ2を求め る過程において、回転体(2)を下側（Ｙ軸負側）の極限位置に位置させた状態で は、回転体(2)が保護軸受(10)(11)に及ぼすＹ軸方向の下向きの力は電磁石(17d)(18d)の磁気吸引力より重力分だけ大きくなり、回転体(2)を上側（Ｙ軸正側）の極限位置に位置させた状態では、回転体(2)が保護軸受(10)(11)に及ぼすＹ軸方 向の上向きの力は電磁石(17c)(18c)の磁気吸引力より重力分だけ小さくなる。したがって、上記２つの状態における電磁石(17d)(18d)(17c)(18c)の励磁電流を等しくしたとすれば、上下の極限位置において回転体(2)が保護軸受(10)(11)に及 ぼすＹ軸方向の力に大きな差が生じ、その結果、保護軸受(10)(11)の径方向の変形量に差が生じる。このため、機械的中心位置Ｏ2の検出に誤差が生じる。
【００６１】
これに対し、上記の磁気軸受装置では、第１Ｙ軸電磁石(17c)(18c)の励磁電流を、残りのものに対して、回転体(2)に作用する重力分だけ大きくしているので 、上記のような問題は生じない。
【００６２】
上記のように回転体(2)が磁気軸受(3)(4)(5)によって機械的中心位置に非接触支持された状態で、モータ(7)を駆動させることにより、回転体(2)を回転させることができ、モータ(7)の駆動を停止することにより、回転体(2)の回転を停止させることができる。そして、回転体(2)の回転が停止した後、磁気軸受(3)(4)(5)の駆動を停止して、各電磁石(16)(17)(18)の励磁電流を０にすることにより、磁気軸受(3)(4)(5)による支持がなくなり、回転体(2)は保護軸受(10)(11)によって支持される。また、このように保護軸受(10)(11)により支持されて、停止している回転体(2)を非接触支持して回転させるときには、最初に求めた機械的中心位 置を目標位置として、磁気軸受(3)(4)(5)の制御が行われる。
【００６３】
上記のように回転体(2)の回転を停止してからこれを保護軸受(10)(11)で支持 する場合、保護軸受(10)(11)には摩耗や損傷は生じない。
【００６４】
ところが、使用上のミスや制御系の異常などにより、高速回転中の回転体(2) が保護軸受(10)(11)の内輪(16b)(17b)に接触することがある。また、回転体(2) の回転中に停電などにより磁気軸受(3)(4)(5)およびモータ(7)への給電が停止したような場合にも、高速回転している回転体(2)が保護軸受(10)(11)に受けられ て、徐々に減速し、やがて回転を停止する。このような場合、保護軸受(10)(11)の内輪(16b)(17b)は高速で回転している回転体(2)に接触して、高速で回転し、 しかも回転体(2)から大きな力を受けるため、保護軸受(10)(11)の摩耗が大きく 、損傷のおそれもある。
【００６５】
このため、上記の磁気軸受装置では、回転を停止して保護軸受(10)(11)により支持されていた回転体(2)を再び磁気軸受(3)(4)(5)により支持して回転させるときには、その前に、保護軸受(10)(11)の異常検出を行っている。これは、前に説明した径方向の機械的中心位置を求めた後の異常検出とほぼ同様である。すなわち、まず、回転体(2)をアキシアル磁気軸受(3)で最初に求められている軸方向の機械的中心位置に支持し、前に説明した保護軸受(10)(11)の径方向についての異常検出を行う。その結果、異常がなければ、回転体(2)をラジアル磁気軸受(4)(5)で最初に求められている径方向の機械的中心位置に支持し、前に説明した保護 軸受(10)(11)の軸方向についての異常検出を行う。そして、いずれについても異常がない場合のみ、回転体(2)を最初に求められている機械的中心位置に非接触 支持して、回転させる。
【００６６】
なお、磁気軸受装置を最初に起動するときでなくても、必要に応じ、改めて前記のように機械的中心位置を求めることもできる。
【００６７】
上記実施形態には、インナロータ型の磁気軸受装置を示したが、この発明はアウタロータ型の磁気軸受装置にも適用できる。
【００６８】
また、上記実施形態には、横型の磁気軸受装置を示したが、この発明は縦型の磁気軸受装置にも適用できる。縦型の磁気軸受装置の場合、ラジアル制御軸であるＸ軸およびＹ軸は水平に配置され、アキシアル制御軸であるＺ軸は鉛直に配置される。したがって、径方向の機械的中心位置を求めるときに、回転体に作用する重力を考慮する必要がなく、ラジアル磁気軸受の電磁石の励磁電流に前記のような差を設ける必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の実施形態を示す磁気軸受装置の主要部の一部切欠き斜視図である。
【図２】図２は、同縦断面図である。
【図３】図３は、同横断面図である。
【図４】図４は、図１の磁気軸受装置の電気的構成の１例を示すブロック図である。
【図５】図６は、磁気軸受装置の径方向の機械的中心位置を求める方法の１例を示す説明図である。
【図６】図６は、図５の方法における磁気軸受装置の対センサ中心位置、回転体を保護軸受の内輪の内周面に沿って移動させる移動過程の各点において検出された回転体の中心の径方向の位置およびこれらから求められた径方向の機械的中心位置を示す説明図である。
【符号の説明】
(2)                         回転体
(3)                         アキシアル磁気軸受
(4)(5)                      ラジアル磁気軸受
(6)                         位置検出装置
(7)                         電動モータ
(8)                         電磁石制御装置
(10)(11)                    保護軸受
(10a)(11a)                  外輪
(10b)(11b)                  内輪
(12)                        アキシアル位置センサ
(16a)(16b)                  アキシアル電磁石
(17a)(17b)(17c)(17d)        ラジアル電磁石
(18a)(18b)(18c)(18d)        ラジアル電磁石
(19a)(19b)(19c)(19d)        ラジアル位置センサ
(20a)(20b)(20c)(20d)        ラジアル位置センサ
【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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