(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気軸受によって支持される回転体の位置を検出してその位置制御を行う制御型磁気軸受装置において、
静止状態の前記回転体を所定方向に移動させ、移動限界位置までの移動量を求める手段と、
前記移動量に基づいて磁気軸受の機種を判定し、制御パラメータを設定する手段と
を備えたことを特徴とする制御型磁気軸受装置。
【請求項２】
磁気軸受によって支持される回転体の位置を検出してその位置制御を行う制御型磁気軸受装置において、
静止状態の前記回転体を複数の方向に移動させ、移動限界位置までの移動量を求める手段と、
前記移動量に基づいて平均的移動量を求める手段と、
前記平均的移動量に基づいて磁気軸受の機種を判定し、制御パラメータを設定する手段と
を備えたことを特徴とする制御型磁気軸受装置。
【請求項３】
磁気軸受によって支持される回転体を静止位置からラジアル方向の第１軸の一方向側に移動させ、移動限界位置までの移動量を求め、
次に、前記回転体をラジアル方向の第２軸の一方向側に移動させ、移動限界位置までの移動量を求め、
次に、前記回転体をラジアル方向の第１軸の他方向側に移動させ、移動限界位置までの移動量を求め、
次に、前記回転体をラジアル方向の第２軸の他方向側に移動させ、移動限界位置までの移動量を求め、
前記各移動量に基づいて平均的移動量を演算し、
前記平均的移動量に基づいて磁気軸受の機種を判定し、制御パラメータを設定する
ことを特徴とする磁気軸受の機種判定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御型磁気軸受装置及び磁気軸受の機種判定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
制御型磁気軸受装置は、回転体や磁気軸受を備えた機械本体と、この機械本体を制御する制御装置とから構成されている。機械本体は複数の機種があり、機種によって制御パラメータも異なる。従って、従来、機械本体の機種毎に、対応する制御装置を用意する必要があった。
しかし、このように機械本体の機種毎に対応する制御装置を要するには、少量多品種の制御装置を製造しなければならず、不便である上に、量産によるコストダウンもできない。
【０００３】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、制御装置が複数機種の機械本体に適用できる制御型磁気軸受装置を提供することを目的とする。また、制御装置を複数機種の機械本体に適用させるための機種判定方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁気軸受によって支持される回転体の位置を検出してその位置制御を行う制御型磁気軸受装置において、静止状態の前記回転体を所定方向に移動させ、移動限界位置までの移動量を求める手段と、前記移動量に基づいて磁気軸受の機種を判定し、制御パラメータを設定する手段とを備えたものである（請求項１）。
このように構成された制御型磁気軸受装置では、静止状態の回転体を移動限界位置まで移動させることによりその移動量が求められ、この移動量が機種によって異なることに基づいて、機種判定が行われ、制御パラメータが設定される。
【０００５】
また、本発明は、磁気軸受によって支持される回転体の位置を検出してその位置制御を行う制御型磁気軸受装置において、静止状態の前記回転体を複数の方向に移動させ、移動限界位置までの移動量を求める手段と、前記移動量に基づいて平均的移動量を求める手段と、前記平均的移動量に基づいて磁気軸受の機種を判定し、制御パラメータを設定する手段とを備えたものであってもよい（請求項２）。
このように構成された制御型磁気軸受装置では、静止状態の回転体を複数方向の移動限界位置まで移動させるときの移動量の平均的移動量が求められ、この平均的移動量が機種によって異なることに基づいて、機種判定が行われ、制御パラメータが設定される。
【０００６】
また、本発明の磁気軸受の機種判定方法は、磁気軸受によって支持される回転体を静止位置からラジアル方向の第１軸の一方向側に移動させ、移動限界位置までの移動量を求め、次に、前記回転体をラジアル方向の第２軸の一方向側に移動させ、移動限界位置までの移動量を求め、次に、前記回転体をラジアル方向の第１軸の他方向側に移動させ、移動限界位置までの移動量を求め、次に、前記回転体をラジアル方向の第２軸の他方向側に移動させ、移動限界位置までの移動量を求め、前記各移動量に基づいて平均的移動量を演算し、前記平均的移動量に基づいて磁気軸受の機種を判定し、制御パラメータを設定するものである（請求項３）。
このような磁気軸受の機種判定方法では、静止状態の回転体を順に各方向への移動限界位置まで移動させたときの移動量から平均的移動量が求められ、この平均的移動量が機種によって異なることに基づいて、機種判定が行われ、制御パラメータが設定される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図４は、本発明の一実施形態による制御型磁気軸受装置の機械本体１を示す縦断面図であり、図５はその横断面図である。
この機械本体１は、円筒状のケーシング２の内側で、鉛直軸状の回転体３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３の軸方向をＺ方向、Ｚ方向と直交する図示の方向をＸ方向及びＹ方向とする。
横械本体１は、上記ケーシング２及び回転体３の他、アキシャル磁気軸受４、ラジアル磁気軸受５、アキシャル変位センサ６、ラジアル変位センサ７、モータ８、及び保護軸受９を備えている。
【０００８】
アキシャル磁気軸受４は、回転体３のフランジ部３ａを挟んで上下に配置され、回転体３を軸方向に非接触支持する。ラジアル磁気軸受５は、Ｚ軸上の２箇所においてそれぞれ、回転体３の周囲に９０度間隔で４個配置されている。また、ラジアル変位センサ７は、ラジアル磁気軸受５と周方向における同じ位置に、かつ、Ｚ方向上で近接して、４個２組で配置されている。アキシャル変位センサ６は、回転体３の軸方向端部３ｂに対向して配置されている。モータ８は、ケーシング２の内壁に取り付けられ、回転体３を高速回転させる。保護軸受９は一対設けられ、回転体３の軸方向および径方向の可動範囲を規制して、回転体３を磁気的に非接触支持できなくなったときなどに、回転体３を接触支持する。保護軸受９と回転体３とのラジアル方向の隙間及びアキシャル方向の隙間は、機械本体１の機種によって決まる所定の値である。
【０００９】
図６は、上記のように構成された機械本体１と、これと共に制御型磁気軸受装置を構成する制御装置１１との接続を示すブロック回路図である。
制御装置１１は、センサ回路１２、磁気軸受駆動回路１３、インバータ１４、ＤＳＰボード１５及びシリアル通信ボード２１を備えている。ＤＳＰボード１５には、ディジタル信号処理装置としてのＤＳＰ１６と、これに接続されたＲＯＭ１７、不揮発性記憶装置としてのフラッシュメモリ１８、Ａ／Ｄ変換器１９及びＤ／Ａ変換器２０が設けられている。
制御装置１１とは離れた場所に設置されるパーソナルコンピュータ２２は、制御装置１１のシリアル通信ボード２１に接続されている。
【００１０】
アキシャル変位センサ６及びラジアル変位センサ７からの出力信号は、センサ回路１２及びＡ／Ｄ変換器１９を介してＤＳＰ１６に入力される。一方、ＤＳＰ１６は、Ｄ／Ａ変換器２０及び磁気軸受駆動回路１３を介して、アキシャル磁気軸受４及びラジアル磁気軸受５を制御し、これによって回転体３を位置制御しながら非接触支持する。また、ＤＳＰ１６は、インバータ１４を介してモータ８の回転を制御する。
ＲＯＭ１７には、ＤＳＰ１６における処理プログラムなどが格納されている。また、フラッシュメモリ１８には、複数種類の機械本体１に対応した複数組の制御パラメータ、複数種類の機械本体１に対応した移動スパン平均値Ｓ（詳細後述）、及び、後述するバイアス電流値Ｉｏ等のデータが格納されている。なお、これらのデータは、パーソナルコンピュータ２２から書き換えることもできる。
【００１１】
図７は、制御装置１１の構成のうち、ラジアル方向の位置制御に関する部分のみを示したブロック図である。図示している一対のラジアル変位センサ７は、例えば、回転体３を挟んでＸ軸方向で対向配置されているものであるとする。これらのラジアル変位センサ７の出力は、センサ回路１２に入力され、ここで、一方の出力から他方の出力を減算する処理が行われる。センサ回路１２の出力はＡ／Ｄ変換されて、変位信号ΔＸとなる。これは、Ｘ軸方向における回転体３の目標位置に対する変位を表す。ＤＳＰ１６は、変位信号ΔＸに基づいて、２つの励磁電流信号（Ｉｏ＋Ｉｃ）及び（Ｉｏ−Ｉｃ）を出力する。ここで、Ｉｏはバイアス電流値であり、ＩｃはΔＸの符号及び大きさに応じた制御電流値である。励磁電流信号（Ｉｏ＋Ｉｃ）及び（Ｉｏ−Ｉｃ）はそれぞれ、Ｄ／Ａ変換された後、磁気軸受駆動回路１３内の増幅器１３ａで増幅されて、回転体３を挟んでＸ軸上で対向している一対のラジアル磁気軸受５に供給される。この結果、変位信号ΔＸに応じて、変位を０にする方向に電磁力が調整され、回転体３はＸ軸方向の目標位置に支持される。
Ｙ軸方向においても同様の位置制御が行われる。
【００１２】
一方、図８は、制御装置１１の構成のうち、アキシャル方向の位置制御に関する部分のみを示したブロック図である。アキシャル変位センサ６の出力はセンサ回路１２に入力される。センサ回路１２は、アキシアル変位センサ６の出力信号より、回転体３のＺ軸方向の目標位置に対する変位を求める。この変位はＡ／Ｄ変換されて変位信号ΔＺになり、ＤＳＰ１６に入力される。ＤＳＰ１６は、変位信号ΔＺに基づいて、２つの励磁電流信号（Ｉｏ＋Ｉｃ）及び（Ｉｏ−Ｉｃ）を出力する。ここで、Ｉｏはバイアス電流値であり、ＩｃはΔＺの符号及び大きさに応じた制御電流値である。励磁電流信号（Ｉｏ＋Ｉｃ）及び（Ｉｏ−Ｉｃ）はそれぞれ、Ｄ／Ａ変換された後、磁気軸受駆動回路１３内の増幅器１３ａで増幅されて、回転体３のフランジ部３ａの上下に配置されているアキシャル磁気軸受４に供給される。この結果、変位信号ΔＺに応じて、変位を０にする方向に電磁力が調整され、回転体３はＺ軸方向の目標位置に支持される。
【００１３】
上記のように構成された制御型磁気軸受装置は、回転体３の回転制御及び位置制御を行う手段を構成する他、始動時においては、ＤＳＰ１６を中心とした位置制御機能に基づいて、静止状態の回転体３を所定方向に移動させ、移動限界位置までの移動量を求める手段と、その移動量に基づいて磁気軸受（機械本体１）の機種を判定し、制御パラメータを設定する手段とを構成している。以下、この機種判定動作について詳細に説明する。
【００１４】
上記の制御型磁気軸受装置において、制御装置１１の電源が投入されていないときは、アキシャル磁気軸受４及びラジアル磁気軸受５並びにモータ８は駆動されていない。従って、回転体３は保護軸受９により接触支持されて、停止している。制御装置１１の電源が投入されると、ＤＳＰ１６により、図１に示すフローチャートに従って、横械本体１の識別が行われる。本例では機械本体１の種類は、Ａ機種、Ｂ機種及びＣ機種の３種類とする。これらの機種ごとに、回転体３と保護軸受９との隙間の寸法が異なっている。
まず、ステップＳ１において、ＤＳＰ１６は、移動限界位置までの移動量測定を行う。具体的には、まず、フラッシュメモリ１８から仮の制御パラメータを読んでアキシャル磁気軸受４を駆動する。これにより、回転体３はＺ軸上の仮の目標位置に浮上する。この状態において、回転体３は保護軸受９の内径円の範囲内でラジアル方向に移動が可能である。
【００１５】
図２は、保護軸受９の内径円Ｃと、それに内接する範囲で移動可能な回転体３との位置関係を平面的に示した図である。まず初期状態として、（ａ）に示すように、回転体３が内接円Ｃと同心に位置しているとする。ＤＳＰ１６は、この状態において、＋Ｙ及び−Ｙの方向に配置されているラジアル変位センサ７の出力に基づく変位信号ΔＹ０（＝０）を記憶する。次に、ＤＳＰ１６は、＋Ｙの方向にあるラジアル磁気軸受５にのみ所定の励磁電流を供給して回転体３を＋Ｙ方向に吸引する。これにより、回転体３は保護軸受９（内径円Ｃ）の＋Ｙ側に内接する（（ｂ）の状態）。この状態においてＤＳＰ１６は、＋Ｙ及び−Ｙの方向に配置されているラジアル変位センサ７の出力に基づく変位信号ΔＹ１を読む。ＤＳＰ１６は、この変位信号ΔＹ１と、先に記憶した変位信号ΔＹ０との差（ΔＹ１−ΔＹ０）を算出するとともに、予めインプットされた変位信号と実際の変位との対応関係に基づいて、（ａ）から（ｂ）への回転体３の＋Ｙ方向への移動量ＹＬｐ（符号は正）を求め、記憶する。また、ＤＳＰ１６は、＋Ｘ及び−Ｘの方向に配置されているラジアル変位センサ７の出力に基づく変位信号ΔＸ０（＝０）を記憶する。
【００１６】
次に、ＤＳＰ１６は、＋Ｘの方向にあるラジアル磁気軸受５にのみ所定の励磁電流を供給して回転体３を＋Ｘ方向に吸引する。これにより、回転体３は保護軸受９（内径円Ｃ）の＋Ｘ側に内接する（（ｃ）の状態）。この状態においてＤＳＰ１６は、＋Ｘ及び−Ｘの方向に配置されているラジアル変位センサ７の出力に基づく変位信号ΔＸ１を読む。ＤＳＰ１６は、この変位信号ΔＸ１と、先に記憶した変位信号ΔＸ０との差（ΔＸ１−ΔＸ０）を算出するとともに、これに基づいて、（ｂ）から（ｃ）への回転体３の＋Ｘ方向への移動量ＸＬｐ（符号は正）を求め、記憶する。
【００１７】
次に、ＤＳＰ１６は、−Ｙの方向にあるラジアル磁気軸受５にのみ所定の励磁電流を供給して回転体３を−Ｙ方向に吸引する。これにより、回転体３は保護軸受９（内径円Ｃ）の−Ｙ側に内接する（（ｄ）の状態）。この状態においてＤＳＰ１６は、＋Ｙ及び−Ｙの方向に配置されているラジアル変位センサ７の出力に基づく変位信号ΔＹ２を読む。ＤＳＰ１６は、この変位信号ΔＹ２と、先に記憶した変位信号ΔＹ０との差（ΔＹ２−ΔＹ０）を算出するとともに、これに基づいて、（ａ）から（ｄ）への回転体３の−Ｙ方向への移動量ＹＬｎ（符号は負）を求め、記憶する。
【００１８】
次に、ＤＳＰ１６は、−Ｘの方向にあるラジアル磁気軸受５にのみ所定の励磁電流を供給して回転体３を−Ｘ方向に吸引する。これにより、回転体３は保護軸受９（内径円Ｃ）の−Ｘ側に内接する（（ｅ）の状態）。この状態においてＤＳＰ１６は、＋Ｘ及び−Ｘの方向に配置されているラジアル変位センサ７の出力に基づく変位信号ΔＸ２を読む。ＤＳＰ１６は、この変位信号ΔＸ２と、先に記憶した変位信号ΔＸ０との差（ΔＸ２−ΔＸ０）を算出するとともに、これに基づいて（ｂ）から（ｅ）への回転体３の−Ｘ方向への移動量ＸＬｎ（符号は負）を求め、記憶する。
【００１９】
上記のようにして、（ａ）の状態から回転体３を保護軸受９に内接させながら（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）の順に移動させた場合の回転体３の中心位置Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４をプロットしたものが図３の（ａ）である。また、前述の移動量ＹＬｐ、ＸＬｐ、ＹＬｎ及びＸＬｎは、図３に示す各寸法である。
なお、回転体３の初期の中心位置Ｐ０は、図３の（ｂ）に示すように、Ｐ１〜Ｐ４の中心にあるとは限らない。この場合、図示のＹＬｐ及びＹＬｎは、Ｐ０における変位信号ΔＹ０を基準に読みとられるため不均一になる。但しこの場合でも、＋Ｙ方向にあるラジアル磁気軸受５に吸引されると、回転体３の中心はＰ１の位置に移動する。従って、ＸＬｐ及びＸＬｎに関しては、（ａ）の場合と同様である。
【００２０】
こうして求めた移動量ＹＬｐ、ＸＬｐ、ＹＬｎ及びＸＬｎを基に、ＤＳＰ１６は、移動スパン平均値Ｓの演算を行う（ステップＳ２）。具体的には、まず、Ｙ及びＸの両方向における移動スパンＹｓ及びＸｓを、
Ｙｓ＝ＹＬｐ−ＹＬn
Ｘｓ＝ＸＬｐ−ＸＬｎ
により求める。次に、移動スパン平均値Ｓを、
Ｓ＝（Ｙｓ＋Ｘｓ）／２  ...(1)
により求める。このようにＸ、Ｙ両方向の平均でＳを求めることにより、後述する機種判定の信頼性を高めることができる。
【００２１】
続いてＤＳＰ１６は、移動スパン平均値Ｓが、
Ｓ１min≦Ｓ≦Ｓ１max    ...(2)
を満たすか否かを判断する（ステップＳ３）。ここで、Ｓ１min及びＳ１maxは、Ａ機種の機械本体１における保護軸受９と回転体３とのラジアル方向への隙間の最小値及び最大値である。機械本体１がＡ機種であれば、上記(2)式の判断はイエスとなる。従って、ＤＳＰ１６はステップＳ７に進み、フラッシュメモリ１８からＡ機種用の制御パラメータを読み込み、この制御パラメータに基づいて、アキシャル磁気軸受４及びラジアル磁気軸受５に対して支持の目標値を設定する。
【００２２】
機械本体１がＡ機種でなければ、上記(2)式の判断はノーとなる。従って、ＤＳＰ１６はステップＳ４に進み、移動スパン平均値Ｓが、
Ｓ２min≦Ｓ≦Ｓ２max    ...(3)
を満たすか否かを判断する。ここで、Ｓ２min及びＳ２maxは、Ｂ機種の機械本体１における保護軸受９と回転体３とのラジアル方向への隙間の最小値及び最大値である（但し、Ｓ１max＜Ｓ２min）。機械本体１がＢ機種であれば、上記(3)式の判断はイエスとなる。従って、ＤＳＰ１６はステップＳ８に進み、フラッシュメモリ１８からＢ機種用の制御パラメータを読み込み、この制御パラメータに基づいて、アキシャル磁気軸受４及びラジアル磁気軸受５に対して支持の目標値を設定する。
【００２３】
機械本体１がＢ機種でなければ、上記(3)式の判断はノーとなる。従って、ＤＳＰ１６はステップＳ５に進み、移動スパン平均値Ｓが、
Ｓ３min≦Ｓ≦Ｓ３max    ...(4)
を満たすか否かを判断する。ここで、Ｓ３min及びＳ３maxは、Ｃ機種の機械本体１における保護軸受９と回転体３とのラジアル方向への隙間の最小値及び最大値である（但し、Ｓ２max＜Ｓ３min）。機械本体１がＣ機種であれば、上記(4)式の判断はイエスとなる。従って、ＤＳＰ１６はステップＳ９に進み、フラッシュメモリ１８からＣ機種用の制御パラメータを読み込み、この制御パラメータに基づいて、アキシャル磁気軸受４及びラジアル磁気軸受５に対して支持の目標値を設定する。
【００２４】
機械本体１がＣ機種でなければ、上記(4)式の判断はノーとなる。この結果、機械本体１はＡ機種、Ｂ機種、Ｃ機種のいずれでもないことになり、機種判別ができない。従って、ＤＳＰ１６はステップＳ６に進み、異常表示を行う。
こうして、機械本体１の機種を移動スパン平均値Ｓから判断し、自動的に該当機種用の制御パラメータに設定して、迅速に磁気浮上状態に移行することができる。従って、共通の制御装置１１により、複数種類の機械本体１に対して適切な制御パラメータを自動的に設定して、回転体３の位置制御を行うことができる。これにより、制御装置１１を汎用化することができ、制御装置１１の量産効果によりコストダウンを図ることができる。なお、自動的な判断ができない場合にのみ異常表示が行われ、人の判断にて制御パラメータの設定が行われる。
【００２５】
なお、上記実施形態におけるフローチャート（図１）は、３機種から選択する処理を示したが、さらに多機種について判断し、自動的に制御パラメータを設定することも可能である。
また、上記実施形態では、移動量ＹＬｐ、ＸＬｐ、ＹＬｎ及びＸＬｎを基に機種判定を行ったが、Ｙ方向又はＸ方向のみの移動量に基づいて機種判定を行うことも可能である。
また、上記実施形態では、移動量ＹＬｐ、ＸＬｐ、ＹＬｎ及びＸＬｎを求める前にアキシャル磁気軸受軸受４を励磁して軸方向には仮の磁気浮上の状態としたが、回転体３が保護軸受９に接触した状態でもラジアル方向に吸引することが可能であれば、軸方向に浮上させなくても良い。
また、上記実施形態では、ラジアル方向の移動限界までの移動量に基づいて機種判定を行ったが、アキシャル方向の移動限界までの移動量に基づいて機種判定を行うことも可能である。この場合は、静止状態の回転体３を、その軸方向端部３ｂが保護軸受９に当たるまで浮上させることにより、アキシャル変位センサ６の変位信号ΔＺの変化量からその移動量を求め、これに基づいて機種判定が行われる。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明は以下の効果を奏する。
請求項１の制御型磁気軸受装置によれば、静止状態の回転体を移動限界位置まで移動させることにより求めた移動量に基づいて、機種判定が行われ、制御パラメータが設定されるので、共通の制御装置を複数機種の機械本体に適用することができる。
【００２７】
請求項２の制御型磁気軸受装置によれば、静止状態の回転体を複数方向の移動限界位置まで移動させることにより求めた移動量の平均的移動量に基づいて、機種判定が行われ、制御パラメータが設定されるので、共通の制御装置を複数機種の機械本体に適用することができる。また、平均的移動量に基づいていることで、機種判定の信頼性も高い。
【００２８】
請求項３の磁気軸受の機種判定方法によれば、静止状態の回転体を順に各方向への移動限界位置まで移動させることにより求めた移動量の平均的移動量に基づいて、機種判定が行われ、制御パラメータが設定されるので、共通の制御装置を複数機種の機械本体に適用することができる。また、平均的移動量に基づいていることで、機種判定の信頼性も高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による制御型磁気軸受装置における機種判定のフローチャートである。
【図２】保護軸受の内径円と、それに内接する範囲で移動可能な回転体との位置関係を平面的に示した図である。
【図３】回転体の移動限界位置まで順に移動させたときの回転体の中心位置と移動量とを示す図である。
【図４】上記制御型磁気軸受装置の機械本体を示す縦断面図である。
【図５】上記機械本体の横断面図である。
【図６】上記制御型磁気軸受装置のブロック回路図である。
【図７】上記制御型磁気軸受装置の構成のうち、ラジアル方向の位置制御に関する部分のみを示したブロック図である。
【図８】上記制御型磁気軸受装置の構成のうち、アキシャル方向の位置制御に関する部分のみを示したブロック図である。
【符号の説明】
１    機械本体
３    回転体
４    アキシャル磁気軸受
５    ラジアル磁気軸受
６    アキシャル変位センサ
７    ラジアル変位センサ
９    保護軸受
１１    制御装置
１６    ＤＳＰ
１８    フラッシュメモリ
【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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【図７】
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【図８】
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