(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体を磁力によって非接触支持する複数の電磁石を備えた磁気軸受において、前記回転体を挟むように配置されて前記回転体との間の空隙の大きさに対応する空隙信号をそれぞれ出力する少なくとも１対の位置センサと、前記各位置センサからの空隙信号より求められた前記回転体の変位に基づいて前記各電磁石への供給電流を制御する電磁石制御手段とを備えた磁気軸受の制御装置であって、
前記電磁石制御手段が、前記１対の位置センサそれぞれの空隙信号を加算し、この空隙信号加算値と、所定の基準状態における空隙信号加算値に対応して出力される基準空隙値とを比較し、この比較結果に基づいて前記回転体の変位に基づく前記各電磁石への供給電流を補正するようになされていることを特徴とする磁気軸受の制御装置。
【請求項２】
前記１対の位置センサが前記回転体との間の空隙の大きさに比例する空隙信号をそれぞれ出力するものであり、前記各電磁石への供給電流が、前記回転体の変位に関係なく定常的に供給される定常電流と、前記回転体の変位によって変化する制御電流とが加算されたものであり、前記電磁石制御手段が、前記空隙信号加算値が前記基準空隙値より大きくなるにつれて前記定常電流が前記基準空隙値に対する値より大きくなり、前記空隙信号加算値が前記基準空隙値より小さくなるにつれて前記定常電流が前記基準空隙値に対する値より小さくなるように、前記定常電流を補正するようになされていることを特徴とする請求項１の磁気軸受の制御装置。
【請求項３】
前記１対の位置センサが前記回転体との間の空隙の大きさに比例する空隙信号をそれぞれ出力するものであり、前記各電磁石への供給電流が、前記回転体の変位に関係なく定常的に供給される定常電流と、前記回転体の変位によって変化する制御電流とが加算されたものであり、前記電磁石制御手段が、前記空隙信号加算値が前記基準空隙値より大きくなるにつれて前記制御電流の絶対値が前記基準空隙値に対する値より大きくなり、前記空隙信号加算値が前記基準空隙値より小さくなるにつれて前記制御電流の絶対値が前記基準空隙値に対する値より小さくなるように、前記制御電流を補正するようになされていることを特徴とする請求項１の磁気軸受の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁気軸受の制御装置、さらに詳しくは、回転体を磁力によって非接触支持する複数の電磁石を備えた磁気軸受の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
この種の磁気軸受には、回転体をラジアル方向に支持するラジアル磁気軸受と、アキシアル方向に支持するアキシアル磁気軸受がある。
【０００３】
ラジアル磁気軸受は、第１のラジアル方向の両側から回転体を挾むように配置された１対の第１の電磁石と、これと直交する第２のラジアル方向の両側から回転体を挟むように配置された１対の第２の電磁石とを備えており、その制御装置によって回転体の第１および第２のラジアル方向の位置が所定の中立位置に制御される。アキシアル磁気軸受は、回転体に形成されたフランジ部をアキシアル方向の両側から回転体を挾むように配置された１対の電磁石を備えており、その制御装置によって回転体のアキシアル方向の位置が所定の中立位置に制御される。そして、このようにラジアル磁気軸受およびアキシアル磁気軸受で支持された回転体が、高周波モータなどにより高速回転させられる。
【０００４】
ラジアル磁気軸受の制御装置は、第１の電磁石の近傍において第１のラジアル方向の両側から回転体を挟むように配置されて回転体との間の同ラジアル方向の空隙の大きさに比例する空隙信号をそれぞれ出力する１対の第１の位置センサ、第２の電磁石の近傍において第２のラジアル方向の両側から回転体を挟むように配置されて回転体との間の同ラジアル方向の空隙の大きさに比例する空隙信号をそれぞれ出力する１対の第２の位置センサ、１対の第１の位置センサの空隙信号の差を演算することによって回転体の第１のラジアル方向の変位を演算する第１のラジアル方向変位演算回路、１対の第２の位置センサの空隙信号の差を演算することによって回転体の第２のラジアル方向の変位を演算する第２のラジアル方向変位演算回路、回転体の第１および第２のラジアル方向の変位に基づいて第１および第２の電磁石への供給電流を演算する供給電流演算回路（ＰＩＤ制御回路）、ならびに供給電流演算回路の演算結果に基づいて各電磁石に電流を供給する電磁石駆動回路（電力増幅器）を備えている。
【０００５】
回転体には、回転による遠心力が作用し、また、鉄損、風損による温度上昇が生じる。このため、使用中に回転体の外径が変化し、これにより、回転体の位置が一定であっても回転体とラジアル磁気軸受との空隙の大きさが変化する。ところで、従来のラジアル磁気軸受の制御装置では、回転体の変位と各電磁石への供給電流との関係は、空隙の大きさが所定の値のときに最適となるように設定され、空隙の大きさが変化しても変わることはない。このため、この空隙の変化が大きくなると、磁気軸受の制御が不安定になるという問題がある。その理由を、図４を参照して説明する。
【０００６】
図４は、電磁石に流れる電流Ｉを横軸に、電磁石による吸引力Ｆを縦軸に表わしたグラフである。図４において、Ｆ1 は１対の電磁石の内の一方による吸引力を表わす曲線、Ｆ2 は同他方による吸引力を表わす曲線、Ｆは１対の電磁石の吸引力を合わせた全体の吸引力で、通常、直線状をなす。また、図４(a) は回転体と電磁石との空隙が比較的大きい場合のグラフ、同(b) は空隙が比較的小さい場合のグラフである。電流の変化量をΔＩ、吸引力の変化量をΔＦとすると、ΔＦ／ΔＩは空隙の変化によって変化し、空隙が小さくなるにつれて大きくなる。なお、このΔＦ／ΔＩは、１自由度制御系におけるばね定数Ｋに相当するものである。ここで、制御装置の制御定数が図４(a) の状態で最適となるように設定されていたとすると、同(b) のようになったときには、設定時と制御対象が異なることになる。したがって、空隙の大きさの変化が大きくなると、制御が不安定になる。
【０００７】
なお、温度センサおよび回転速度センサを用いて、回転体の温度変化および遠心力による外径の変化すなわち空隙の変化を求め、これに基づいて電磁石への供給電流を補正するようにすれば、上記の問題はなくなるが、このようにした場合、位置センサの他に温度センサと回転速度センサが必要となり、コストが高くなる。
【０００８】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、回転体と電磁石との空隙の変化により制御が不安定になることを防止でき、しかもそれによってコスト高とならない磁気軸受の制御装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段および効果】
この発明による磁気軸受の制御装置は、回転体を磁力によって非接触支持する複数の電磁石を備えた磁気軸受において、前記回転体を挟むように配置されて前記回転体との間の空隙の大きさに対応する空隙信号をそれぞれ出力する少なくとも１対の位置センサと、前記各位置センサからの空隙信号より求められた前記回転体の変位に基づいて前記各電磁石への供給電流を制御する電磁石制御手段とを備えた磁気軸受の制御装置であって、前記電磁石制御手段が、前記１対の位置センサそれぞれの空隙信号を加算し、この空隙信号加算値と、所定の基準状態における空隙信号加算値に対応して出力される基準空隙値とを比較し、この比較結果に基づいて前記回転体の変位に基づく前記各電磁石への供給電流を補正するようになされていることを特徴とするものである。
【００１０】
１対の位置センサそれぞれの空隙信号を加算することにより得られた空隙信号加算値は、回転体と電磁石との空隙の大きさに対応している。そして、この空隙信号加算値と基準空隙値との比較結果に基づいて前記回転体の変位に基づく各電磁石への供給電流を補正することにより、空隙の大きさの変化によって電磁石への供給電流を補正して、制御が不安定になることを防止することができる。しかも、回転体の変位を検出するために必要な位置センサの空隙信号から回転体と電磁石との空隙の大きさを求めているので、元来必要な位置センサの他に温度センサや回転速度センサを使用する必要がなく、コスト高を招くことがない。
【００１１】
たとえば、前記１対の位置センサが前記回転体との間の空隙の大きさに比例する空隙信号をそれぞれ出力するものであり、前記各電磁石への供給電流が、前記回転体の変位に関係なく定常的に供給される定常電流と、前記回転体の変位によって変化する制御電流とが加算されたものであり、前記電磁石制御手段が、前記空隙信号加算値が前記基準空隙値より大きくなるにつれて前記定常電流が前記基準空隙値に対する値より大きくなり、前記空隙信号加算値が前記基準空隙値より小さくなるにつれて前記定常電流が前記基準空隙値に対する値より小さくなるように、前記定常電流を補正するようになされている。
【００１２】
あるいは、たとえば、前記１対の位置センサが前記回転体との間の空隙の大きさに比例する空隙信号をそれぞれ出力するものであり、前記各電磁石への供給電流が、前記回転体の変位に関係なく定常的に供給される定常電流と、前記回転体の変位によって変化する制御電流とが加算されたものであり、前記電磁石制御手段が、前記空隙信号加算値が前記基準空隙値より大きくなるにつれて前記制御電流の絶対値が前記基準空隙値に対する値より大きくなり、前記空隙信号加算値が前記基準空隙値より小さくなるにつれて前記制御電流の絶対値が前記基準空隙値に対する値より小さくなるように、前記制御電流を補正するようになされている。
【００１３】
たとえば、電磁石制御手段は、１対の位置センサの空隙信号の差を演算することによって回転体の変位を演算する変位演算手段、回転体の変位に基づいて各電磁石への供給電流を演算する供給電流演算手段、供給電流演算手段の演算結果に基づいて各電磁石に電流を供給する電磁石駆動手段、１対の位置センサそれぞれの空隙信号を加算して空隙信号加算値を出力する空隙信号加算手段、所定の基準状態における空隙信号加算値に対応する基準空隙値を出力する基準空隙値発生手段、および空隙信号加算値と基準空隙値とを比較して補正値を演算する比較・補正演算手段を備えており、電磁石駆動手段が、比較・補正演算手段による演算結果に基づいて各電磁石への供給電流を補正するようになされている。供給電流演算手段は、各電磁石に対する定常電流値と制御電流値を電磁石駆動手段に出力し、電磁石駆動手段は、定常電流値と制御電流値を加算した電流を各電磁石に供給する。供給電流演算手段における回転体の変位と定常電流値および制御電流値との関係は、空隙信号加算値に関係なく、一定である。比較・補正演算手段は、たとえば、空隙信号加算値が基準空隙値より大きくなるにつれて１より大きくなり、空隙信号加算値が基準空隙値より小さくなるにつれて１より小さくなるような定常電流の補正係数を演算し、電磁石駆動手段に出力する。そして、電磁石駆動手段は、供給電流演算手段からの定常電流値に比較・補正演算手段からの補正係数を乗算して補正定常電流値を求め、これと供給電流演算手段からの制御電流値を加算した電流を各電磁石に供給する。あるいは、比較・補正演算手段は、上記と同様の電流の補正係数を演算し、電磁石駆動手段に出力する。そして、電磁石駆動手段は、供給電流演算手段からの制御電流値に比較・補正演算手段からの補正係数を乗算して補正制御電流値を求め、これと供給電流演算手段からの定常電流値を加算した電流を各電磁石に供給する。
【００１４】
【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。
【００１５】
図１には、軸状の回転体(1) 、回転体(1) をラジアル方向に非接触支持するための２組のラジアル磁気軸受(2a)(2b)、および回転体(1) を高速回転させるための高周波モータ(3) が示されている。なお、以下の説明において、回転体(1) のアキシアル方向（前後方向）をＺ軸方向、Ｚ軸と直交する１つのラジアル方向（上下方向）をＸ軸方向、Ｚ軸およびＸ軸と直交する他のラジアル方向（左右方向）をＹ軸方向とする。２組のラジアル磁気軸受(2a)(2b)は、前後方向に所定の間隔をおいて配置され、これらの間にモータ(3) が配置されている。回転体(1) はアキシアル磁気軸受によってアキシアル方向に非接触支持されているが、その図示は省略されている。
【００１６】
図２には前側ラジアル磁気軸受(2a)とその制御装置(4a)の１例が示され、図３には後側ラジアル磁気軸受(2b)とその制御装置(4b)の１例が示されている。なお、図１、図２および図３において、同じ部分には同一の符号を付している。また、前側の磁気軸受(2a)および制御装置(4a)と、後側の磁気軸受(2b)および制御装置(4b)とにおいて、対応する部分の符号には同じ数字を用い、前側のものには添字a を、後側のものには添字b を付している。
【００１７】
次に、図２を参照して、前側の磁気軸受(2a)および制御装置(4a)について説明する。
【００１８】
前側磁気軸受(2a)は、Ｘ軸方向の両側から回転体(1) をはさむように配置された１対のＸ軸電磁石(5a)(6a)、およびＹ軸方向の両側から回転体(1) を挟むように配置された１対のＹ軸電磁石(7a)(8a)を備えている。
【００１９】
前側制御装置(4a)は、Ｘ軸電磁石(5a)(6a)の近傍においてＸ軸方向の両側から回転体(1) を挟むように配置された１対のＸ軸位置センサ(11a)(12a)、Ｙ軸電磁石(7a)(8a)の近傍においてＹ軸方向の両側から回転体(1) を挟むように配置された１対のＹ軸位置センサ(13a)(14a)、および電磁石制御手段としての電磁石制御回路(9a)より構成されている。電磁石制御回路(9a)は、それぞれ減算器よりなるＸ軸変位演算回路(15a) およびＹ軸変位演算回路(16a) 、ＰＩＤ制御回路(17)、それぞれ電力増幅器よりなるＸ軸電磁石駆動回路(18a) およびＹ軸電磁石駆動回路(19a) 、加算器よりなる空隙信号加算手段としての空隙信号加算回路(20a) 、基準空隙値発生手段としての基準空隙値発生器(21a) 、ならびに比較・補正演算手段としての比較・補正演算回路(22a) を備えている。
【００２０】
Ｘ軸位置センサ(11a)(12a)は、回転体(1) との間のＸ軸方向の空隙の大きさに比例する空隙信号をそれぞれ出力する。Ｙ軸位置センサ(13a)(14a)は、回転体(1) との間のＹ軸方向の空隙の大きさに比例する空隙信号をそれぞれ出力する。Ｘ軸変位演算回路(15a) は、１対のＸ軸位置センサ(11a)(12a)の空隙信号の差を演算することにより、回転体(1) のＸ軸方向の変位を演算し、その演算結果を出力する。Ｙ軸変位演算回路(16a) は、１対のＹ軸位置センサ(13a)(14a)の空隙信号の差を演算することにより、回転体(1) のＹ軸方向の変位を演算し、その演算結果を出力する。ＰＩＤ制御回路(17)は、Ｘ軸変位演算回路(15a) の出力である回転体(1) のＸ軸方向の変位と、Ｙ軸変位演算回路(16a) の出力である回転体(1) のＹ軸方向の変位とに基づいて、各電磁石(5a)(6a)(7a)(8a)への供給電流を演算し、その演算結果を出力する。制御回路(17)は、各電磁石(5a)〜(8a)に対する定常電流値と制御電流値を出力する。定常電流値は、回転体(1) の変位に関係なく、一定の正の値である。制御電流値は、回転体(1) の変位により、０を中心に正および負に変化する。また、制御回路(17)における回転体(1) の変位と定常電流値および制御電流値との関係は、後述の空隙信号加算値に関係なく、一定である。各電磁石駆動回路(18a)(19a)は、制御回路(17)からの定常電流値と制御電流値に基づいて、各電磁石(5a)〜(8a)に電流を供給する。空隙信号加算回路(20a) は、１対のＸ軸位置センサ(11a)(12a)それぞれの空隙信号を加算して、空隙信号加算値を出力する。この空隙信号加算値は、Ｘ軸位置センサ(11a)(12a)と回転体(1) との空隙の大きさ、すなわちＸ軸電磁石(5a)(6a)と回転体(1) との空隙の大きさに対応している。また、遠心力や温度変化による回転体(1) のラジアル方向の寸法変化には方向性がないから、上記の空隙信号加算値はＹ軸電磁石(7a)(8a)と回転体(1) との空隙の大きさにも対応している。したがって、Ｘ軸位置センサ(11a)(12a)の空隙信号を加算するだけで、Ｘ軸電磁石(5a)(6a)およびＹ軸電磁石(7a)(8a)と回転体(1) との空隙の大きさを求めることができる。基準空隙値発生回路(21a) は、所定の基準状態における空隙信号加算値に対応する基準空隙値を出力する。比較・補正演算回路(22a) は、空隙信号加算回路(20a) からの空隙信号加算値と基準空隙値発生回路(21a) からの基準空隙値とを比較して、各電磁石(5a)〜(8a)への供給電流の補正係数を演算し、これを電磁石駆動回路(18a)(19a)へ出力する。補正係数は、空隙信号加算値が基準空隙値と等しいときは１で、空隙信号加算値が基準空隙値より大きくなるにつれて１より大きくなり、空隙信号加算値が基準空隙値より小さくなるにつれて１より小さくなる。各電磁石駆動回路(18a)(19a)は、比較・補正演算回路(22a) からの補正係数に基づいて、制御回路(17)からの供給電流値を補正し、補正された電流を各電磁石(5a)〜(8a)に供給する。供給電流値の補正の仕方はいろいろあるが、たとえば、制御回路(17)からの定常電流値に補正係数を乗算して、定常電流値を補正し、これと制御回路(17)からの制御電流値とを加算して、供給電流として供給する。あるいは、場合によっては、制御回路(17)からの制御電流値に補正係数を乗算して、補正電流値を補正し、これと制御回路(17)からの定常電流値とを加算して、供給電流として供給する。さらに、定常電流値と制御電流値���両方に所定の割合で補正係数を乗算して、定常電流値、制御電流値の両方を同時に補正するようにしてもよい。
【００２１】
上記のように電磁石(5a)〜(8a)と回転体(1) との空隙の変化に応じて電磁石(5a)〜(8a)への供給電流を補正することにより、回転体(1) のラジアル方向の寸法変化によって空隙が変化しても制御が不安定になることがない。
【００２２】
後側の磁気軸受(2b)およびその制御装置(4b)の構成は前側のそれとほとんど同じであるから、説明は省略する。なお、上記実施例では、前側の電磁石(5a)(6a)(7a)(8a)への供給電流値を演算するために回転体(1) の後側のＸ軸およびＹ軸方向の変位も用い、後側の電磁石(5b)(6b)(7b)(8b)への供給電流値を演算するために回転体(1) の前側のＸ軸およびＹ軸方向の変位も用いるいわゆる交差制御を行っているので、前側の制御装置(4a)と後側の制御装置(4b)で１つの共通のＰＩＤ制御回路(17)を使用している。しかし、前側の電磁石(5a)〜(8a)の制御と後側の電磁石(5b)〜(8b)の制御が完全に独立しているような場合には、前側の制御装置(4a)と後側の制御装置(4b)とで別々のＰＩＤ制御回路が使用される。
【００２３】
回転体(1) の温度変化は前側磁気軸受(2a)の部分と後側磁気軸受(2b)の部分とで同じであるとは限らない。このため、２組の磁気軸受(2a)(2b)のそれぞれにおいて、空隙信号加算値に基づいて電磁石(5a)〜(8a)(5b)〜(8b)への供給電流を補正している。
【００２４】
なお、上記実施例では、位置センサとして回転体と位置センサとの間の空隙の大きさに比例する空隙信号を出力するものを用いたが、逆に回転体と位置センサとの間の空隙の大きさに反比例する空隙信号を出力するものを位置センサとして用いてもよい。ただし、その場合は、電磁石制御手段を、空隙信号加算値が基準空隙値より大きくなるにつれて供給電流値が基準空隙値に対する値より小さくなり、空隙信号加算値が基準空隙値より小さくなるにつれて供給電流値が基準空隙値に対する値より大きくなるように、供給電流値を補正するよう構成する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態を示す回転体と２組のラジアル磁気軸受の側面図である。
【図２】１組のラジアル磁気軸受とその制御装置の１例を示す構成図である。
【図３】他の１組のラジアル磁気軸受とその制御装置の１例を示す構成図である。
【図４】電磁石への供給電流と電磁石の吸引力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
(1)                       回転体
(2a)                      Ｘ軸磁気軸受
(2b)                      Ｙ軸磁気軸受
(4a)                      Ｘ軸制御装置
(4b)                      Ｙ軸制御装置
(5a)(5b)(6a)(6b)          Ｘ軸電磁石
(7a)(7b)(8a)(8b)          Ｙ軸電磁石
(9a)                      Ｘ軸電磁石制御回路
(9b)                      Ｙ軸電磁石制御回路
(11a)(11b)(12a)(12b)      Ｘ軸位置センサ
(13a)(13b)(14a)(14b)      Ｙ軸位置センサ
【図１】
0003735736.tif 000002
【図２】
0003735736.tif 000003
【図３】
0003735736.tif 000004
【図４】
0003735736.tif 000005