JP2002122138A

JP2002122138A - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JP2002122138A
Application number: JP2000315662A
Authority: JP
Inventors: Akira Yamauchi; 明山内; Masayuki Yamamoto; 雅之山本
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2002-04-26
Also published as: EP1197670A3; US6770992B2; EP1197670A2; KR20020030033A; US20020074883A1

Abstract

(57)【要約】【課題】モータ部を有する磁気軸受装置において、ロ
ータの振れによりモータ部で生じる磁力のアンバランス
に起因する振動を低減すること。【解決手段】磁気軸受を制御するために取り付けたラ
ジアルセンサでロータの振れを検出する。そして、ロー
タとラジアルセンサとモータ部の幾何学的位置関係を用
いて、ラジアルセンサで検出されたロータの振れからモ
ータ部での振れを推定する。モータ部でのロータの振れ
の量と磁力のアンバランス量の関係はあらかじめ実験又
はシミュレーションによってデータベース化してあり、
このデータベースから磁力のアンバランス量を取得す
る。そして、この磁力のアンバランス量に抗する磁力を
軸受部のコイルに発生させ、このアンバランス量を相殺
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は磁気軸受装置に関
し、例えば、ロータのラジアル方向の振れに起因する振
動を低減した磁気軸受装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気軸受は例えば、複数のコイル（電磁
石）をロータ（回転子）の両端部の回りに配置すること
により形成されてる。通常の軸受けはボールベアリング
等によりロータを軸支するが、磁気軸受では、コイルの
発生する磁界をロータに作用させ、この磁界による吸引
力をバランスさせることによりロータを空間の定常位置
に非接触で支持する。ロータの振れ（定常位置からのラ
ジアル方向の変位、即ちロータの径方向の変位）は磁気
軸受部近傍に設置したラジアルセンサで検出され、その
振れが常に一定の範囲に入るようにコイルの吸引力を調
節するため、コイルの電流をフィードバック制御してい
る。

【０００３】このように磁気軸受でロータを支持して回
転させるシステムでは、ロータの重心（あるいは慣性中
心）とロータの回転軸が一致しない場合がある。このよ
うな状態でロータを回転させると、ロータには、重心と
回転軸の不一致に起因するロータの回転周期に同期した
振れ回りが発生する。磁気軸受はこの振れ回りを押さえ
るために、ロータの回転周波数に同期した制動力を発生
する。この周期的な制動力のために、作用反作用の法則
により磁気軸受コイルが配置されたステータ側にロータ
の回転周波数に同期した振動が発生する。振動の発生を
抑制しなければならないシステムで磁気軸受を使用する
場合、上に述べた振動が問題となる。例えば、磁気軸受
を搭載したターボ分子ポンプを電子顕微鏡に使用する場
合などにおいて、ターボ分子ポンプの発生する振動をい
かに抑制するかは、重要な解決課題の一つである。

【０００４】上に述べたロータの回転軸と重心の不一致
に起因する振動を抑制する研究は数多くなされており、
このような磁気軸受として、例えば特開平７−２５９８
５４号広報の磁気軸受装置がある。この磁気軸受装置を
図１１に示す。ロータ１１０はコイル１０７、１０８の
吸引力のバランスによりコイルからエアギャップＸ０を
隔てて軸支されている。ロータ１１０の振れは△Ｘはラ
ジアルセンサ１０９及び変位検出回路１０２により検出
される。磁気軸受制御回路１０１は、△Ｘを打ち消すよ
うなコイル１０７、１０８に流す電流の信号をパワーア
ンプ１０３、１０４に送信する。

【０００５】磁気軸受制御回路１０１の信号により、パ
ワーアンプ１０３はコイル１０７に電流Ｉ０＋△Ｉを、
パワーアンプ１０４はコイル１０８に電流Ｉ０−△Ｉを
供給し、この電流供給を受けたコイル１０７、１０８の
吸引力によりロータ１１０は定常位置Ｘ０に復帰する。
ここでＩ０はコイル１０７、１０８に流すバイアス電
流、△Ｉはエアギャップが△ｘ変動した際に磁気軸受制
御回路１０１で生成されるロータの位置制御信号による
コイルの巻線電流Ｉの変動分である。この特開平の磁気
軸受装置は、ラジアルセンサ１０９から出力される変位
信号のパワースペクトルのうち、ロータ１０９の回転周
波数と等しい周波数（ｆｒとする）とそれ以外の周波数
成分に対し、△Ｉを別々に制御するものである。以下に
数式を用いて詳しく述べる。一般に磁気軸受に使用され
るコイルが発生する吸引力Ｆは以下の式で表される。

【０００６】

【数１】Ｆ＝Ｋ｛（Ｉ０＋△Ｉ）／（Ｘ０＋△Ｘ）｝² ・・・（１）

【０００７】ここで、Ｋはコイルの形や巻き数できまる
定数である。磁気軸受制御回路１０１内では周波数ｆｒ
の信号を通過させる帯域通過フィルターと周波数ｆｒ以
外の信号を通過させる帯域遮断フィルタが並列に接続さ
れている。これらのフィルタにロータ１１０の変位信号
△Ｘを入力して、この信号を周波数ｆｒを有するものと
それ以外のものに分離する（周波数成分ｆｒの信号には
ロータ１１０の回転中心と慣性中心の不一致による振れ
によるものが含まれている）。帯域遮断フィルタから得
られた周波数ｆｒ以外の成分を持つ変位信号△Ｘについ
ていは、従来の磁気軸受装置と同様にしてコイルの電流
をフィードバック制御する。帯域通過フィルタから得ら
れた周波数ｆｒを持つ△Ｘの成分に対しては△Ｉを次の
式（２）で示した値になるように制御する。すると、式
（３）で示したようにコイルの吸引力は一定となる。

【０００８】

【数２】△Ｉ＝（Ｉ０／Ｘ０）△Ｘ・・・（２）Ｆ＝Ｋ（Ｉ０／Ｘ０）² ・・・（３）

【０００９】式（３）に示したように、周波数成分ｆｒ
を持つ振れについては常にコイル１０７、１０８がロー
タ１１０に及ぼす吸引力が一定となるため、磁気軸受部
には周波数ｆｒの振動は生じない。即ち、ロータ１１０
の回転軸と慣性軸の不一致（ロータ１１０の重心が回転
軸上にないともいえる）によって生じる振動（周波数ｆ
ｒを有する）は生じない。ところで、両端を磁気軸受で
支持されたロータの中央部に磁極を備え、その周囲にコ
イル（モータ巻線）を備えたステータを配置して、ロー
タにモータ部が形成されている。この場合にロータがラ
ジアル方向に振れるとステータが生成する界磁によって
ロータに及ぼす磁力にアンバランスが生じる。この磁力
のアンバランスはロータ回転時に振動が発生する原因の
一つである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特開平の
磁気軸受装置では磁気軸受自体に起因する振動は抑制す
ることができるが、上記モータ部での磁力のアンバラン
スに起因する振動については、その存在が明らかにも関
わらず、抑制することができない。なお、近年のモータ
の小型化効率化の要求により強力な永久磁石を搭載した
ブラシレスＤＣモータが普及しており、これらのモータ
によってモータ部が形成された場合、単にエアギャップ
間隔の差異による磁力のアンバランスに加えて、永久磁
石の位相に伴う磁気的アンバランスによっても振動が発
生する。また、場合によってはロータが界磁の吸引力の
ためにステータに固着してしまい、磁気軸受にてロータ
を浮上させることができない場合も考えられる。そのた
め、必要以上に磁気軸受を大型化したり、電流アンプの
容量を増大させることが求められる場合があった。

【００１１】そこで、本発明はこの点に鑑みてなされた
ものであり、その目的とするところは、軸受部及びモー
タ部での振動を減少させた磁気軸受装置を提供すること
である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、ロータと、前記ロータに設けられ、磁力
により前記ロータを回転させるモータ部と、前記ロータ
を所定の位置で磁気支持する磁気支持用のコイルと、前
記ロータが所定の位置からラジアル方向に振れることに
より前記モータ部で生じる前記ロータに作用する磁力の
アンバランスを取得する磁力のアンバランス取得手段
と、前記磁力のアンバランスに抗するように、前記磁気
支持用コイルの磁力を調節する磁気支持調節手段と、を
備えたことを特徴とする磁気軸受装置を提供する。この
ように磁気軸受装置を構成するとロータの位置がラジア
ル方向に振れることによって生じるロータとステータ間
の吸引力のアンバランスに抗する力を磁気軸受に発生さ
せることにより、ステータの振動を低減することができ
る。

【００１３】また、前記ロータの所定の位置は、前記ロ
ータを前記ロータの回転軸が前記ロータの重心を通るよ
うに回転した場合即ち、前記ロータを慣性中心の回りに
回転させたときに得られる位置、または、前記ロータを
慣性中心の回りに回転させた場合に生じる、前記ロータ
と前記コイルのエアギャップの変動に対して、前記ロー
タとコイルの間に作用する磁力が、前記ロータが回転す
る一周期に渡って一定となるように、前記コイルの磁力
を補正した場合に得られた位置とすることができる。

【００１４】このモータ部は、例えばブラシレスＤＣモ
ータとすることができる。ブラシレスＤＣモータはロー
タに固着した永久磁石と、この永久磁石の周囲に配置さ
れた複数のコイルから構成されている。そして、このコ
イルの磁極を順次切り替えて回転磁界を発生させ、この
回転磁界にロータの永久磁石を吸引追従させることによ
り、ロータを回転させる。ロータの位置がラジアル方向
に振れると、永久磁石とコイルの間の吸引力にアンバラ
ンスが生じ、これがモータ部が振動する原因となる。そ
のため、この吸引力のアンバランスをうち消すような吸
引力を磁気軸受部のコイルに発生させる。

【００１５】また、モータ部でのロータの振れは、ラジ
アルセンサでロータの振れを検出し、この値及びモータ
部とラジアルセンサとロータの幾何学的な位置関係から
算出することができる。モータ部でのロータの振れが計
算によって推定されると、この振れの値と、ロータの磁
極の回転角度と界磁の角度からモータ部でのロータ、ス
テータ間の磁力のアンバランスを計算や、実験値から得
ることができる。そして、この磁力のアンバランスをう
ち消すように磁気軸受の軸受け力を制御することができ
る。また、この磁力のアンバランスはあらかじめ、ロー
タの振れ、磁極の回転角度、界磁の角度を変数としてデ
ータベース化しておくことができる。そして、ロータの
振れから磁力のアンバランスを取得するときは、このと
きの振れの量と磁極の回転角度、界磁の角度を用いてこ
のデータベースから得ることができる。

【００１６】また、モータ部でのロータの振れによる吸
引力のアンバランスは、モータ内に直接ロータ、ステー
タ間の磁束を検出するセンサを取り付けて、このセンサ
の値から推定しても良い。磁極の回転角度、界磁の角
度、センサで検出された磁束の値とロータ、ステータ間
の磁力のアンバランスの関係はあらかじめ、磁場解析や
実験により求めておく。

【００１７】また、ロータの回転によって生じる振動を
取得する例えば加速度センサなどのセンサを例えばモー
タ部のステータなどに設置し、ロータ回転時にこのセン
サにより検出される振動が小さくなるように磁気軸受部
のコイルの電流を制御する機構を付加することにより、
ロータの回転によって生じる振動を更に小さくすること
ができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について、図１から図１０を参照して詳細に説明する。
図１は本実施の形態に係る磁気軸受装置を示した図であ
る。図に示したようにロータ１の断面の中心から紙面上
方にｘ軸を、紙面表から裏へ向かう方向にｙ軸をとるこ
とにする。ロータ１の両端に磁気軸受部８、９が、中央
部にモータ部１０が形成されている。磁気軸受部８には
所定のエアギャップを介してコイル３ａ、３ｂが配置さ
れている。コイル３ａ、３ｂはロータ１を互いに吸引
し、この吸引力のバランスによりロータ１はｘ方向の所
定の位置に非接触で保持される。図示していないがｙ方
向にも一対のコイルが３ｃ、３ｄが配置され、ロータ１
をｙ方向の所定の位置に保持している。

【００１９】磁気軸受部８より更にロータ１の端部方向
はラジアルセンサ２ａがｘ方向に配置させている。ラジ
アルセンサ２ａはロータ１のｘ方向の振れを非接触で検
出する。また、図示しないが同様にｙ方向（紙面裏方
向）にはロータ１のｙ方向の振れを検出するラジアルセ
ンサ２ｂが配置されている。磁気軸受装置の制御装置
は、これらのラジアルセンサによりロータ１の振れを検
出し、この値を基にコイル３ａ、３ｂの電流をフィード
バック制御し、軸受部８のｘ方向のエアギャップが所定
の値になるようにフィードバック制御する。図示しない
がｙ方向でも軸受部８のｙ方向のエアギャップが所定の
値になるようにコイル３ｃ、３ｄの磁力をフィードバッ
ク制御している。同様に磁気軸受部９はｘ方向のコイル
５ａ、５ｂや図示しないｙ方向のコイル５ｃ、５ｄ及び
ｘ方向のラジアルセンサ４ａ、ｙ方向のラジアルセンサ
４ｂが設置されている。これらの構成、働きは軸受部８
と同様である。

【００２０】モータ部１０は、ロータ１に固着したＮ極
とＳ極からなる永久磁石１１と、この永久磁石１１の周
囲に６個のコイルを配置したステータから構成される。
図には図示の関係上コイル６ａ、６ｂの２つを示してあ
る。モータ部１０の駆動は、モータドライバにより、こ
れらのコイル６ａ、６ｂなどに３相交流を供給して、次
々にコイルの極性を切り替えて回転磁界を発生させるこ
とにより行われる。この回転磁界にロータ１に固着した
永久磁石１１のＮ極とＳ極が吸引され、ロータ１は磁界
の回転に伴って回転する。以降、センサ２ａ、２ｂやコ
イル６ａ、６ｂなどのように同じ素子でありこれらを特
に区別しない場合は、単にセンサ２、コイル６などのよ
うに略記することにする。

【００２１】本実施の形態では、以上のように構成され
た磁気軸受装置において、以下の手順によりロータ１の
振れによりモータ部１０で発生した磁力のアンバランス
を解消する。（１）ラジアルセンサ２、４で検出されたロータ１の振
れから、モータ部１０でのロータ１の振れを推定する。（２）モータ部１０でのロータ１の振れにより、コイル
６が生成する界磁が永久磁石１１に及ぼす磁力のアンバ
ランスを推定する。（３）磁気軸受部８、９がロータ１に及ぼす吸引力（磁
力）により、上記の磁力のアンバランスを相殺する。

【００２２】以下順に上の（１）〜（３）について説明
する。（１）ラジアルセンサ２、４で検出されたロータ１の振
れから、モータ部１０でのロータ１の振れを推定する。
ラジアルセンサ２、４でロータ１の振れを検出し、ラジ
アルセンサ２、４、モータ部１０、及びロータ１の幾何
学的位置関係から、モータ部１０でのロータ１の振れを
算出する。このようにラジアルセンサ２、４の検出値か
らモータ部１０でのロータ１の振れを推定する方法を採
用すれば、新たにモータ部１０にロータ１の振れを検出
するセンサを設置する必要がなく、既存のセンサを利用
することができる。

【００２３】図１に示したようにロータ１の重心７から
コイル６の中心までの距離をＬ、磁気軸受のコイル５の
中心までの距離をＬｂ、ラジアルセンサ４までの距離を
Ｔｂ、コイル３の中心までの距離をＬａ、ラジアルセン
サ２までの距離Ｔａとする。なお、これらの距離はロー
タ１の軸方向の距離である。今、ラジアルセンサ４ａに
よって検出されたロータ１のｘ方向の振れがＸａ×ｓｉ
ｎθ１、ラジアルセンサ２ａによって検出されたロータ
１のｘ方向の振れがＸｂ×ｓｉｎθ２であると、モータ
部１０でのロータ１のｘ方向の振れ△Ｘは以下の式で表
すことができる。ここでθ１、θ２はそれぞれ任意時刻
ｔでの位相を示す。位相θは一般にθ＝ω×ｔである。
ここでωはロータ１の角速度、ｔは時間である。また、
ラジアルセンサ２ｂ、４ｂによりｙ方向の振れ△Ｙも同
様にして計算される。

【００２４】

【数３】 △Ｘ＝Ｘａ＋（Ｘｂ−Ｘａ）×（Ｔａ＋Ｌ）／（Ｔａ＋Ｔｂ）・・・（４） △Ｙ＝Ｙａ＋（Ｙｂ−Ｘａ）×（Ｔａ＋Ｌ）／（Ｔａ＋Ｔｂ）・・・（５）

【００２５】（２）モータ部１０でのロータ１の振れに
より、コイル６が生成する界磁が永久磁石１１に及ぼす
磁力のアンバランスを推定する。次に、モータ部１０で
のロータ１の振れによって磁極１１とコイル６が生成す
る界磁の間に生じる磁力のアンバランスを求める方法に
ついて述べる。まず、ブラシレスＤＣモータが仕組みに
ついて説明する。図２は図１のＡ−Ａ線における断面図
である。コイル６は図に示したように６つあり、コイル
６ｅ、６ｆにＵ相、６ｃ、６ｄにＶ相、６ａ６ｂにＷ相
の電流を流すようになっている。それぞれの相のコイル
は対になっており、電流を流すと互いに極性が逆になる
ように導線が直列に接続されている。例えば、コイル６
ｅ、６ｆにある方向にＵ相の電流を流すと、コイル６ｆ
はＮ極、コイル６ｅはＳ極になり、電流を逆転するとコ
イル６ｆはＳ極、コイル６ｅはＮ極となる。Ｖ相のコイ
ル６ｃ、６ｄ及びＷ相のコイル６ａ、６ｂについても同
様の関係が成り立つ。

【００２６】図２に示した状態はＵ、Ｖ相コイルが励磁
されており、合成磁界（界磁、太線で示した矢印２１の
方向）はｘ’方向になっている。なお、以降合成磁界の
Ｎ極からＳ極へ向かう方向をｘ’軸、これに垂直に（即
ち無通電相のコイル方向に）ｙ’軸をとる。コイル６に
供給する電流を順次切り替えることによりコイル６の極
性を次々に切り替え、これによって合成磁界をロータ１
を回転させたい方向（例えば図に細線で示した矢印２０
の方向）に回転さる。この回転磁界にロータ１に固着し
た永久磁石１１を吸引させてロータ１を回転させる。電
流の切り替えは磁極１１の位置を検出しながらモータド
ライバによって制御される。ロータ１に最大トルクが作
用するのは図２に示したように、永久磁石１１の磁界の
方向に対して、コイル６の合成磁界が９０°の位置にあ
るときである。なお、コイル６に供給する電流の相を切
り替えて磁界が回転すると、上で考えたｘ’軸、ｙ’軸
も回転するものとして以下の説明を行う。

【００２７】次に、モータ部１０でロータ１に振れ生じ
た場合、ロータ１にどのような磁力のアンバランスが作
用するか検討する。まず、モータ部１０での振れがない
状態、即ちＸ０＝Ｙ０＝δ０の場合を考える。ここで、
Ｘ０、Ｙ０はそれぞれロータ１がモータの中心にあると
きのｘ’方向、及びｙ’方向のロータ１とコイル６の間
のエアギャップであり、δ０はある所定の一定値であ
る。仮に、ロータ１に永久磁石１１を装着しない場合
は、ロータ１に作用する磁力は図３に示したようにＦ
１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４となり、Ｆ１とＦ４及びＦ２とＦ
３はそれぞれ大きさと方向が逆になるので、Ｆ１からＦ
４までを加えた合力は０となる。よって磁力のアンバラ
ンスは生じない。

【００２８】次に、永久磁石１１を装着したロータ１が
モータの中心にあるときに、コイル６からロータ１に及
ぼす磁力について考える。この場合にロータ１作用する
磁力の一例を図４に示す。永久磁石１１はコイル６から
磁力Ｆ１〜Ｆ６を受ける。これらの力の関係を示したベ
クトル図を図５に示す。この図に示したようにＦ３とＦ
６、Ｆ２とＦ５、Ｆ１とＦ４はそれぞれ大きさが同じで
方向が逆であるので、これらの和は０となり、ロータ１
にラジアル方向（半径方向）の力は生じない。しかし、
図４から明らかなように、磁力Ｆ１〜Ｆ６はロータ１を
矢線２２の方向に回転させるトルクを生じる。即ち、モ
ータ部１０を振動させる原因となるロータ１をラジアル
方向に移動させる力は生じずに、ロータ１を回転させる
トルクのみ生じる。しかし、通常はモータ部１０ではロ
ータ１の振れが発生し、これによって磁力のアンバラン
スが生じ、ロータ１の回転に伴って振動が生じる。

【００２９】次に、図６に示したようにモータ部１０で
ロータ１がｘ方向に△Ｘだけ振れた場合に、コイル６に
よる界磁がロータ１に及ぼす磁力を考える。この場合は
以下の関係が成り立つ。

【００３０】

【数４】｜Ｆ１｜＜｜Ｆ４｜・・・（６）｜Ｆ６｜＜｜Ｆ３｜・・・（７）

【００３１】今、仮にδ０＝１［ｍｍ］、△Ｘ＝０．２
［ｍｍ］とすると、以下の式が成り立つ。

【００３２】

【数５】Ｘ０−△Ｘ＝０．８［ｍｍ］・・・（８）Ｘ０＋△Ｘ＝１．２［ｍｍ］・・・（９）

【００３３】ロータ１とコイル６の間に作用する磁力が
エアギャップの２剰に比例すると仮定すると、以下の関
係が概略成り立つ。

【００３４】

【数６】｜Ｆ１｜＝（０．８／１．２）²×｜Ｆ４｜＝０．４４４｜Ｆ４｜・・・（１０）｜Ｆ６｜＝（０．８／１．２）²×｜Ｆ３｜＝０．４４４｜Ｆ３｜・・・（１１）

【００３５】Ｆ１〜Ｆ６をベクトル図に示すと図７のよ
うになり、磁力の合成ベクトル２３（Ｆｓｘとする）は
−ｙ’方向であることがわかる。なお、Ｆ２とＦ５は大
きさが同じで方向が逆なので相殺する。以上からロータ
１がｘ方向へ振れすると、ロータ１にはコイル６が生成
する磁界から−ｙ方向の磁力Ｆｓｘを受けることがわか
る。ここで角度αはｘ’軸とＦ３がなす角度である。ま
た、同様にしてロータ１がｙ’方向へ振れするとロータ
１はコイル６が生成する磁界から−ｘ’方向の磁力Ｆｓ
ｙを受ける。ロータ１がｘ’方向へ△Ｘ振れ、ｙ’方向
へ△Ｙ振れた場合には、ロータ１に作用する磁力Ｆｓは
ＦｓｘとＦｓｙの合力であり、以下の式で表される。こ
こで、Ｆｓ、Ｆｓｘ、Ｆｓｙはいずれもベクトル量であ
る。

【００３６】

【数７】Ｆｓ＝Ｆｓｘ＋Ｆｓｙ・・・（１２）

【００３７】次に、Ｆｓｘを求める方法について述べ
る。Ｆｓｘは△Ｘ、コイル６が生成する界磁の方向及び
ロータ１の最大トルク点からの回転角度γを変数とする
３変数の関数である（コイル６が生成する磁界の大きさ
は一定とする）。Ｆｓｙについても同様である。式（１
２）に従ってＦｓをＦｓｘとＦｓｙから求めるために
は、あらかじめこれら３つの変数の各種の値に対するＦ
ｓｘとＦｓｙをあらかじめ求めておいてデータベース化
し、これを利用することを考える。ところで、コイル６
が生成する磁界の方向はコイル６に固定したｘｙ座標系
から見て０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０
°、３００°の６種類であるが、γは０°から６０°
（６０°に達するとコイル６の界磁が次の相に切り替わ
り０°となる）までの連続量であり、△Ｘも連続量であ
るので、これらの３変数のすべてに渡ってＦｓｘを求め
るとデータ数が膨大となってデータ処理等が困難であ
る。そこで、図８に示したようにロータ１の最大トルク
点からの回転角度は２０°おきに０°、２０°、４０°
の３つの場合について考え、実際にＦｓｘを求める際に
はγを、例えば０°±１０°ならば０°、２０°±１０
°ならば２０°、４０°±１０°ならば４０°として、
０°、２０°、４０°の何れかに振り分けるものとす
る。なお、上の回転角度は０°、２０°、４０°に限定
されるものではない。以上のようにγの値を限定すると
Ｆｓｘはコイル６が生成する界磁の方向とγの２つをパ
ラメータとする△Ｘの１変数関数となる。同様にしてＦ
ｓｙは△Ｙの１変数関数ｇ（△Ｙ）となる。

【００３８】コイル６の発生する磁界の方向とγ、及び
Ｆｓｘ、Ｆｓｙの関係を示した表を図８に示す。この表
は、コイル６の発生する磁界の方向により６つのパター
ンに区分されている。それぞれのパターンは更に３つの
γ、即ち０°、２０°４０°によって３つに区分され
る。そして、例えばパターン１で、γが０°に固定した
場合、ロータ１をｘ’方向に△Ｘ変位させた時のＦｓｘ
をｆ１（△Ｘ）とする。ｆ１（△Ｘ）は種々の△Ｘにつ
いて磁場解析や実験などによりあらかじめ求めておきデ
ータベース化しておく。同じ要領でｆ２（△Ｘ）、ｆ３
（△Ｘ）を求めてデータベース化しておく。また、コイ
ル６の生成する界磁の各パターンに対し、モータ部１０
は対照的な構造になっているため、パターン１で求めた
ｆ１（△Ｘ）、ｆ２（△Ｘ）、ｆ３（△Ｘ）は他のパー
ターンにも適用できる。同様にしてＦｓｙについてもｇ
１（△Ｙ）、ｇ２（△Ｙ）、ｇ３（△Ｙ）をデータベー
ス化しておく。また、上のｆ１（△Ｘ）等は、データベ
ースを作成するのではなく、例えば最小二乗法などを用
いて近似式を求めておき、これに△Ｘを代入することに
よって演算するようにしても良い。

【００３９】コイル６が生成する界磁の方向はモータの
Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各電流波形をモニタすることにより
求めることができる。また、γはコイル６の生成する界
磁と磁極１１の相対的な角度なので、γを求めるにはコ
イル６が生成する界磁の方向と永久磁石１１の磁極の回
転方向の位置を知ることが必要である。永久磁石１１の
磁極の位置、即ちステータに対するロータ１の位相は、
永久磁石１１のＮ極とＳ極の磁極切り替え点を検出し、
これと回転数の情報から検出する。ここで、永久磁石１
１の磁極の切り替え点の検出は、例えば、ホール素子な
どのハード的な外部センサを用いても良いし、また、例
えばモータをフリーランさせ、そのときモータ巻線に誘
導される誘導起電力から推定するいわゆるセンサレスド
ライバを用いても良い。

【００４０】（３）磁気軸受部８、９がロータ１に及ぼ
す吸引力（磁力）により、上記の磁力のアンバランスを
相殺する。次に、上に述べたモータ部１０でのロータ１
の振れにより生ずる、コイル６とロータ１間の磁力のア
ンバランスを、磁気軸受部８、９の磁力で相殺する方法
について説明する。式（１２）のＦｓは界磁と共に回転
するｘ’−ｙ’座標系で記述されているため、これをコ
イル６（又はステータ）に固定したｘ−ｙ座標系に変換
する。Ｆｓはベクトル量であるので、これのｘ成分をＦ
ｘ、ｙ成分をＦｙとする。また、図９に示したように、
ロータ１が軸受部８でｘ、ｙ方向に受ける磁力をそれぞ
れＦａｘ、Ｆａｙ、軸受部９でｘ、ｙ方向に受ける磁力
をそれぞれＦｂｘ、Ｆｂｙとする。ここでは、簡単のた
め磁気軸受のコイルを軸受部８ではコイル３ａ、３ｃ、
軸受部９ではコイル５ａ、５ｃのみを用いて説明する。
コイル３ｂ、３ｄ、５ｂ、５ｄは表記しないがコイル３
ａ、３ｃ、５ａ、５ｃと同様に動作している。ロータ１
に作用する力の釣り合いから式（１３）、（１４）が成
り立ち、また、ロータ１の重心７の回りのモーメントの
釣り合いから式（１５）、（１６）が成り立つ。

【００４１】

【数８】Ｆｘ＝Ｆａｘ＋Ｆｂｘ・・・・・・・・・・・・（１３）Ｆｙ＝Ｆａｙ＋Ｆｂｙ・・・・・・・・・・・・（１４）Ｆａｘ×Ｌａ＋Ｆｂｘ×Ｌｂ＝−Ｆｘ×Ｌ・・・（１５）Ｆａｙ×Ｌａ＋Ｆｂｙ×Ｌｂ＝−Ｆｙ×Ｌ・・・（１６）

【００４２】上の式（１３）から式（１６）までの連立
方程式を解くことにより、モータ部１０で生じた磁力の
アンバランスをうち消すために、磁気軸受８、９に必要
な磁力Ｆａｘ、Ｆｂｘ、Ｆａｙ、Ｆｂｙを求めることが
できる。次にコイル３に磁力Ｆａｘ、Ｆａｙをコイル５
に磁力Ｆｂｘ、Ｆｂｙを発生させるための電流値が必要
となる。磁気軸受８、９に供給する電流と、発生する磁
力の間には式（１７）〜（２０）の関係が成り立つ。こ
れらの関係は磁場解析、実験などにより求めてデータベ
ース化することができる。また、例えば最小二乗法等を
用いて近似式をもとめ、これを関数ｆの式としても良
い。ここで、Ｉａｘ、Ｉａｙ、Ｉｂｘ、Ｉｂｙはそれぞ
れコイル３ａ、３ｃ、５ａ、５ｃに供給する電流であ
る。

【００４３】

【数９】Ｆａｘ＝ｆ（Ｉａｘ）・・・（１７）Ｆａｙ＝ｆ（Ｉａｙ）・・・（１８）Ｆｂｘ＝ｆ（Ｉｂｘ）・・・（１９）Ｆｂｙ＝ｆ（Ｉｂｙ）・・・（２０）

【００４４】式（１７）〜（２０）の関係から逆に電流
値を磁力で表すと下の（２１）〜（２４）の関係が成り
立つ。なお、関数ｆ^-1は関数ｆの逆関数である。磁場解
析や実験などによりコイルの発生する磁力とコイルの電
流の関係がデータベース化してある場合は、これから必
要な磁力を発生させるための電流値をこのデータベース
から読みとることができる。

【００４５】

【数１０】Ｉａｘ＝ｆ^-1（Ｆａｘ）・・・（２１）Ｉａｙ＝ｆ^-1（Ｆａｙ）・・・（２２）Ｉｂｘ＝ｆ^-1（Ｆｂｘ）・・・（２３）Ｉｂｙ＝ｆ^-1（Ｆｂｙ）・・・（２４）

【００４６】図１０は本実施の形態の磁気軸受装置の制
御装置８０を示したブロック図である。ロータ位相推定
器６１は、ロータ１の回転数信号と永久磁石１１の磁極
切り替え信号が入力され、永久磁石１１の磁極の位置を
出力する。回転数信号はロータ１の回転数を表し、永久
磁石磁極位置切り替え信号は永久磁石１１のＮ極とＳ極
の磁極の切り替え位置がモータ内に設置したセンサを通
過したタイミングを表す。この両者の信号から永久磁石
１１の磁極の位置を推定し、これをＦｓｘ演算部６６、
Ｆｓｙ演算部６９に出力する。ここで、永久磁石磁極位
置切り替え信号をカウントすれば、回転数信号が得ら
れ、回転数センサそのものは不要となる。モータ部ロー
タ振れ推定器６３には軸受部８のラジアルセンサ３ａ、
３ｂ及び軸受部９のラジアルセンサ５ａ、５ｂが接続さ
れている。それぞれのセンサにより軸受部８、９でのロ
ータ１の振れのｘｙ成分が検出され、これらの値がモー
タ部ロータ振れ推定器６３に入力される。モータ部１０
ロータ振れ推定器６３は式（４）、（５）に基づきモー
タ部１０でのロータ１の振れ△Ｘ、△Ｙを演算し、出力
する。そして、△Ｘ、△ＹにＸ０、Ｙ０が加算され、Ｘ
０＋△ＸとＹ０＋△ＹがそれぞれＦｓｘ演算部６６、Ｆ
ｓｙ演算部６９に入力される。

【００４７】Ｆｓｘ推定器６４は、パターン推定部６５
とＦｓｘ演算部６６から構成されている。パターン推定
部６５はＵ相、Ｖ相、Ｗ相モータ巻線の電流をモニタし
図８に示したコイル６が生成する磁界即ち界磁のパター
ンを推定する。Ｆｓｘ演算部６６はパターン推定部６５
から界磁のパターンを、ロータ位相推定器６１からロー
タ１の磁極の位置を取得し、これによってγを推定す
る。Ｆｓｘ演算部は更に、モータ部ロータ振れ推定器６
３からモータ部１０でのロータ１の振れ△ＸにＸ０を加
算された値を取得する。これらの３つの値、即ち界磁パ
ターン、γ、△Ｘから図８の表に従ってＦｓｘを推定す
る。Ｆｓｘはロータ１がｘ’方向に△Ｘだけ振れること
によって生じる−ｙ’方向の磁力である。Ｆｓｙ推定部
６７は、パターン推定部６８とＦｓｙ演算部６９から構
成されており、Ｆｓｘ推定器６４と同様にしてロータ１
がｙ’方向に振れることによって−ｘ’方向に生じる磁
力、即ちＦｓｙを推定する。

【００４８】Ｆｓ推定器７０はＦｓｘ演算部６６とＦｓ
ｙ演算部６９からＦｓｘ、Ｆｓｙを受け取り、式（１
２）からＦｓを合成する。Ｆｓはモータ部１０でロータ
１が界磁から受ける磁力のアンバランスであり、またこ
の量はベクトル量である。ｘ−ｙ成分分離器７１はベク
トル量ＦｓをＦｓ推定器７０から受け取り、これをコイ
ル６や軸受部８、９に固定したｘ−ｙ座標系におけるＦ
ｘ、Ｆｙに分解する。Ｆｘ、Ｆｙはロータ１のモータ部
１０での振れによりロータ１がコイル６の生成する界磁
から受ける磁力のアンバランスのｘ成分、ｙ成分であ
る。磁気軸受必要負荷推定器７２はｘ−ｙ成分分離器７
１からＦｘ、Ｆｙを受け取り、式（１３）〜式（１６）
で表されるロータ１に作用する力の釣り合いと、重心の
回りのモーメントの釣り合いからＦｘ、Ｆｙを打ち消す
ために必要な、磁気軸受部８、９に生成する磁力Ｆａ
ｘ、Ｆａｙ、Ｆｂｘ、Ｆｂｙを演算する。

【００４９】必要電流推定器７３は磁気軸受必要負荷推
定器７２から磁力Ｆａｘ、Ｆａｙ、Ｆｂｘ、Ｆｂｙの値
の信号を受け取り、この磁力をコイル６で発生するのに
必要な電流Ｉａｘ、Ｉａｙ、Ｉｂｘ、Ｉｂｙを推定し、
これらの電流を発生するための信号を電流アンプ７５ａ
〜７５ｄへ送る。

【００５０】また、ラジアルセンサ２、４はそれぞれＰ
ＩＤ補償器７４ａ〜７４ｄ、電流アンプ７５ａ〜７５ｄ
を介して磁気軸受部８、９のコイル３、５に接続されて
いる。制御回路８０のこの系統は、従来から磁気軸受装
置の制御に用いられているものである。この部分は以下
のように動作する。磁気軸受部８のラジアルセンサ２ａ
は磁気軸受部８近傍でのロータ１のｘ方向の振れを検出
し、その信号をＰＩＤ（ＰｒｏｐｏｔｉｏｎａｌＩｎ
ｔｅｇｒａｌＤｅｒｉｖａｔｉｖｅ）補償器７４ａに
出力する。ここは磁気軸受部８、９に対して通常のＰＩ
Ｄ制御を行う部分である。

【００５１】ＰＩＤ制御とは例えば、ロータ１とコイル
３の間の磁気吸引力の変化分をロータ１の振れと速度に
比例させるようにコイル電流を制御することである。Ｐ
ＩＤ制御により磁気軸受装置は軸受け力を得る。即ち、
ロータ１がラジアル方向の一方へ振れれば、この振れを
戻すようにコイル３の磁力がフィードバック制御され
る。ＰＩＤ補償器７４ａの出力信号は電流アンプ７５ａ
で増幅され、所定の電流がコイル７６ａに供給される。
そして、ロータ１は軸受部８のｘ方向の所定の吸引力を
得、コイル３と所定のエアギャップを隔てて支持され
る。磁気軸受部８のｙ方向の制御及び磁気軸受部９での
ｘ、ｙ方向の吸引力の制御も同様にして行われる。

【００５２】ＰＩＤ補償器７４ａから電流アンプ７５ａ
へ送られる電流値には必要電流推定器７３からの電流値
が加算されるようになっている。これによって、コイル
７６ａが生成する磁界はロータ１を所定の位置に保持す
る軸受け力と、モータ部１０で生じた界磁による磁力の
アンバランスを打ち消す磁力Ｆａｘが重畳されたものと
なる。磁気軸受部８のｙ方向の制御及び磁気軸受部９で
のｘ、ｙ方向の吸引力の制御も同様にして行われる。以
上のように磁気軸受装置８０を構成することにより、ロ
ータ１の振れによるモータ部１０で生じる磁力のアンバ
ランスを解消し、その結果ステータの発生する振動を抑
制することができる。

【００５３】本実施の形態では、ラジアルセンサ２、４
でのロータ１の振れからモータ部１０でのロータの振れ
を推定し、これによってモータ部１０でロータ１に作用
する磁力のアンバランスを推定したが、たとえば、モー
タ部１０の内部に磁束検出センサを設置し、このセンサ
によりモータ内のエアギャップ内の磁束を直接検出し
て、この値からロータ１とコイル６の間に作用する磁力
のアンバランスを推定しても良い。本実施の形態では、
図８で示したように界磁のパターンとγと△Ｘ等により
ロータ１が受ける磁力を実験などにより求めたが、磁束
検出センサを用いる場合は界磁のパターン、γ、磁束検
出センサの出力とロータ１の受ける磁力の関係を実験や
磁場解析などにより求めてデータベース化する。そし
て、磁気軸受装置稼働時は磁界パターンとγと磁束セン
サの出力からこのデータベースを検索し、Ｆｓｘ、Ｆｓ
ｙを推定する。

【００５４】また、モータ部１０や磁気軸受装置の筐体
などに加速度計又は振動計等を取り付けて、これによっ
て、モータ部１０の振動を検出し、これが小さくなるよ
うに各磁気軸受部のコイルの電流を調整する制御装置を
付加すると、更に磁気軸受装置の振動を抑制することが
できる。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば、ロータの振れによるモ
ータの磁力のアンバランスに起因する振動の低減が可能
であり、磁気軸受部の小型化、高効率化を図ることがで
きる。また、磁気軸受装置のハード構成は従来のままで
良く、ラジアルセンサを新たに追加するなどの必要は無
い上、磁気軸受制御系内にマイコン（ＭｉｃｒｏＰｒ
ｏｃｅｓｓｏｒ）又は、ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉ
ｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）又は、メモリ等を用い
てモータ内の磁力のアンバランスなどを推定する推定
器、コイルの発生する磁力をコイルに流す電流値に変換
したりなどする変換器などを構成するだけで、モータ部
１０に生じた磁力のアンバランスを打ち消すことができ
る。また、モータ部１０でのロータの振れを直接推定又
は測定するため、モータ内でのロータの振れを高い精度
で取得することができる。実際に磁気軸受装置外部へ発
生する振動（加速度）を基に、これを最小化するように
調整できる機能を付加すると、更に振動抑制効果を向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の磁気軸受装置を示した図
である。

【図２】図１のモータ部１０のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】ロータが永久磁石１１を備えない場合にステー
タコイルがロータに及ぼす磁力を示した図である。

【図４】ロータが永久磁石１１を備えた場合にステータ
コイルがロータに及ぼす磁力を示した図である。

【図５】各ステータコイルが永久磁石１１に及ぼす磁力
を示したベクトル図である。

【図６】ロータがｘ’方向に△Ｘ振れした場合に、ステ
ータコイルが永久磁石１１に及ぼす磁力を示した図であ
る。

【図７】ロータがｘ’方向に△Ｘ振れした場合に、ステ
ータコイルが永久磁石１１に及ぼす磁力を示したベクト
ル図である。

【図８】ステータコイルの界磁のパターンなどとＦｓ
ｘ、Ｆｓｙの関係を示した表である。

【図９】ロータと磁気軸受のコイルの吸引力を示した図
である。

【図１０】本発明の磁気軸受装置の制御系を示したブロ
ック図である。

【図１１】従来の磁気軸受装置を示した図である。

【符号の説明】

１ロータ２ラジアルセンサ３ａコイル３ｂコイル３ｃコイル３ｄコイル４ａラジアルセンサ４ｂラジアルセンサ５ａコイル５ｂコイル５ｃコイル５ｄコイル６ａステータコイル６ｂステータコイル７重心８磁気軸受部９磁気軸受部１０モータ部１１永久磁石６１ロータ位相推定器６３モータ部ロータ振れ推定器６４Ｆｓｘ推定器６５パターン推定部６６Ｆｓｘ演算部６７Ｆｓｙ推定器６８パターン推定部６９Ｆｓｙ演算部７０Ｆｓ推定器７１ｘ−ｙ成分分離器７２磁気軸受必要負荷推定器７３必要電流推定器７４ａＰＩＤ補償器７４ｂＰＩＤ補償器７４ｃＰＩＤ補償器７４ｄＰＩＤ補償器７５ａ電流アンプ７５ｂ電流アンプ７５ｃ電流アンプ７５ｄ電流アンプ８０磁気軸受制御装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロータと、前記ロータに設けられ、磁力により前記ロータを回転さ
せるモータ部と、前記ロータを所定の位置でラジアル方向に磁気支持する
磁気支持用のコイルと、前記ロータが所定の位置からラジアル方向に振れること
により前記モータ部で生じる前記ロータに作用する磁力
のアンバランスを取得する磁力のアンバランス取得手段
と、前記磁力のアンバランスに抗するように、前記磁気支持
用のコイルの磁力を調節する磁力調節手段と、を備えた
ことを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】前記ロータの所定の位置は、前記ロータを前記ロータの回転軸が前記ロータの重心を
通るように回転した場合に得られる位置、または、前記
ロータを前記ロータの回転軸が前記ロータの重心を通る
ように回転させた場合に生じる、前記ロータと前記コイ
ルのエアギャップの変動に対して、前記ロータとコイル
の間に作用する磁力が、前記ロータが回転する一周期に
渡って一定となるように、前記コイルの磁力を補正した
場合に得られる位置であることを特徴とする請求項１記
載の磁気軸受装置。
【請求項３】前記モータ部はロータに固着した複数の
磁極と、前記磁極の周囲に配置した複数のコイルとから構成され
たブラシレスＤＣ（直流）モータであることを特徴とす
る請求項１又は請求項２に記載の磁気軸受装置。
【請求項４】前記ロータのラジアル方向の振れを検出
するラジアルセンサと、前記ラジアルセンサと前記モータ部の幾何学的な位置関
係から、前記ラジアルセンサにて取得した前記ロータの
振れから前記モータ部でのラジアル方向の振れを推定す
る第１の推定手段と、を備え、前記磁力のアンバランス取得手段は、前記磁極の回転角度と、前記モータ部のコイルが生成している界磁と、前記第１の推定手段で推定した前記ロータのラジアル方
向の振れとから前記モータ部で前記ロータに作用する磁
力のアンバランスを推定する第２の推定手段と、からな
ることを特徴とする請求項３に記載の磁気軸受装置。
【請求項５】前記第２の推定手段は、前記磁極の回転角度と、前記モータ部のコイルが生成している界磁と、前記ロータのラジアル方向の振れに対して、前記モータ部で前記ロータに作用する磁力のアンバラン
スを記録したデータベースであることを特徴とする請求
項４記載の磁気軸受装置。
【請求項６】前記磁力のアンバランス取得手段は、前記磁極と前記モータ部のコイルとのエアギャップに存
在する磁束を検出する磁束検出センサと、前記磁束検出センサで検出された磁束から、前記モータ
部での磁力のアンバランスを推定する第３の推定手段
と、を備えたことを特徴とする請求項２に記載の磁気軸
受装置。
【請求項７】前記ロータが回転する際に発生する振動
を検出する検出手段と、前記検出手段によって検出された振動が小さくなるよう
に前記磁気支持用コイルの磁力を調節する機構を更に備
えたことを特徴とする請求項１から５までの何れかの一
に記載の磁気軸受装置。