JP2003222130A - 磁気軸受装置 - Google Patents
磁気軸受装置Info
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- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
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- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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- F16C2360/44—Centrifugal pumps
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Abstract
(57)【要約】
【課題】回転体温度の変動により位置センサとのギャッ
プが変動しても、磁気軸受を安定に制御することができ
る磁気軸受を提供する。 【解決手段】回転体１１を電磁石１２、１３で吸引する
ことにより非接触支持すると共に、電磁石１２、１３と
のギャップｄ１、ｄ２を位置センサ１４及び１５により
検出し、その出力を引算器２１で引き算し、制御定数調
整回路２３で制御ゲイン倍し、ＰＩＤ調節器２５を通し
て電磁石１２、１３にフィードバックする。これによ
り、回転体１１は電磁石１２、１３とのギャップを均等
に保ちながら最適浮上位置に支持される。また、回転体
１１の熱膨張または熱収縮による前記位置センサ１４、
１５の検出感度の変化は、前記位置センサ１４、１５出
力を加算し、前記制御定数調整回路２３において加算値
に対応した制御ゲインを発生させて補正する。これによ
り広い回転体温度において安定した軸受制御が行える。
プが変動しても、磁気軸受を安定に制御することができ
る磁気軸受を提供する。 【解決手段】回転体１１を電磁石１２、１３で吸引する
ことにより非接触支持すると共に、電磁石１２、１３と
のギャップｄ１、ｄ２を位置センサ１４及び１５により
検出し、その出力を引算器２１で引き算し、制御定数調
整回路２３で制御ゲイン倍し、ＰＩＤ調節器２５を通し
て電磁石１２、１３にフィードバックする。これによ
り、回転体１１は電磁石１２、１３とのギャップを均等
に保ちながら最適浮上位置に支持される。また、回転体
１１の熱膨張または熱収縮による前記位置センサ１４、
１５の検出感度の変化は、前記位置センサ１４、１５出
力を加算し、前記制御定数調整回路２３において加算値
に対応した制御ゲインを発生させて補正する。これによ
り広い回転体温度において安定した軸受制御が行える。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ターボ分子ポンプ
等に用いられる磁気軸受装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】磁気軸受装置は、磁気の吸引力によって
回転体を非接触で浮上させ目標の位置に支持する装置で
あり、ターボ分子ポンプ、遠心分離機、工作機械主軸あ
るいは半導体製造装置などの高速回転用の軸受装置とし
て用いられている。図５は、基本的な５軸磁気軸受装置
の構造を示すもので、モータ８により回転する回転体１
は複数の電磁石３により非接触で軸受され、その浮上位
置は前記電磁石の近傍に配置された位置センサ２により
検出される。従来の磁気軸受装置においては、図６に示
すように位置センサ２ａ、２ｂで検出したギャップ信号
の差を制御ゲインを変える制御定数調整回路４、前記回
転体１の回転数成分を除去するフィルタ回路５、ＰＩＤ
調節器６に通してフィードバック制御を行っている。こ
のＰＩＤ調節器６からの制御信号は電磁石駆動回路７に
より電磁石３ａ、３ｂの駆動電流に変換され、電磁石３
ａ、３ｂと回転体１とのギャップ差が０になるように制
御されている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】例えば、ターボ分子ポ
ンプに用いられる磁気軸受装置では、排気するガスが増
加すると、モータ発熱やガス排気に伴う発熱によって回
転体１の温度が上昇する。回転体１の温度が上昇すると
回転体１は熱膨張し、回転体１と位置センサ２ａ、２ｂ
間のギャップが減少する。位置センサ２ａ、２ｂは、図
７に示すような非直線的特性を有しており、ギャップが
減少するとギャップに対する出力電圧変化比、すなわち
検出感度が減少する。この結果、磁気軸受制御系のルー
プゲインが減少し、磁気軸受制御が不安定になるという
問題がある。 【０００４】このような制御ループの不安定性はＰＩＤ
調節器６の制御定数の再調整により抑えることも可能で
あるが、元の温度に低下した場合に磁気軸受制御系がま
た不安定になり、制御定数の再調整が必要になるという
問題がある。本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、回転体と位置センサ間のギャップが回
転体の温度上昇などにより変化しても磁気軸受を安定に
制御することができる磁気軸受装置を提供することを目
的とする。 【０００５】 【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の磁気軸受装置は、ハウジング内に収納され
た回転体と、この回転体を非接触で位置調整可能に支持
する、ハウジング内に取り付けられた複数の磁気軸受
と、前記回転体の位置を検出する位置検出手段と、前記
位置検出手段の検出結果を磁気軸受制御系にフィードバ
ックして、前記回転体が最適浮上位置に支持されるよう
に制御する制御手段とを備える磁気軸受装置において、
前記回転体を中心にして対向する位置に設けられた位置
センサにより検出されたギャップの和に応じて、磁気軸
受制御系の制御定数の切換えを行う制御定数切換手段を
備えたことを特徴とするものである。本発明の磁気軸受
装置は上記のように構成されており、回転体の熱膨張や
熱収縮による回転体と位置センサ間のギャップ変動が原
因で生じる制御不安定を抑制することができる。 【０００６】 【発明の実施の形態】以下、本発明の磁気軸受装置の実
施例を図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本
発明による磁気軸受装置の構成を示すブロック図、図２
は５軸磁気軸受部の電磁石と回転体との位置関係を示す
図である。本発明の磁気軸受装置は、例えばターボ分子
ポンプ等の各種装置の回転部を形成する回転体１１と、
この回転体１１を磁気の吸引力を利用して非接触で支持
するよう対向して設置された電磁石１２、１３と、この
電磁石１２、１３の近傍に設置されたギャップｄ１、ｄ
２を電気的信号に変換するほぼ同特性の位置センサ１
４、１５とからなる磁気軸受部１０と、前記ギャップｄ
１、ｄ２を一定に保つように制御する下記制御部２０か
ら構成されている。 【０００７】前記回転体１１は、実際には５軸磁気軸受
等により支持されており、この場合には回転体１１に対
して図２に示すような位置に、上部Ｘ軸上の１組の電磁
石１２ａ、１３ａ及びＹ軸上の１組の電磁石１２ｂ、１
３ｂと、下部Ｘ軸上の１組の電磁石１２ｃ、１３ｃ及び
Ｙ軸上の１組の電磁石１２ｄ、１３ｄと、下部Ｚ軸上の
１組の電磁石１２ｅ、１３ｅが配置され、モータ１６に
より回転体１１は一体のディスク１１ａと共に非接触で
回転する。また、回転体１１と各電磁石とのギャップ
は、各電磁石の近傍に設けられた位置センサ（図示省
略）により検出されるとともに、各電磁石への駆動電流
は、それぞれ１組の電磁石に対応して設けられた制御部
（図示省略）により制御される。図１では代表的に１組
の電磁石１２、１３と位置センサ１４、１５とそれに対
応する制御部２０を示しているが、他の電磁石に対して
も同様な制御部が用いられる。 【０００８】前記制御部２０は、前記位置センサ１４、
１５により検出されたギャップｄ１、ｄ２に対応する出
力信号Ｅ０１、Ｅ０２を引き算して偏差信号ΔＥ（＝Ｅ
０１−Ｅ０２）に変換する引算器２１と、前記出力信号
Ｅ０１、Ｅ０２を加算する加算器２２と、この出力信号
Ｅ０３に基づいて前記位置センサ１４、１５の検出感度
の変化分を補正できる制御ゲインに切換える制御定数調
整回路２３と、前記回転体１１の回転数成分を除去する
フィルタ回路２４と、前記偏差信号ΔＥが３項動作（比
例、積分、微分）によって変化する制御信号を出力する
ＰＩＤ調節器２５と、この制御信号が電磁石１２、１３
を駆動できるレベルの電流Ｉ１、Ｉ２にまで増幅変換す
る電磁石駆動回路２６から構成されている。 【０００９】前記加算器２２及び制御定数調整回路２３
は、本発明を特徴付けるもので、この制御定数調整回路
２３は、加算器２２の出力信号Ｅ０３と内部比較電圧と
を比較して、ゲートＧ１〜Ｇ３をもつスイッチ２３ａに
切換信号を送出する比較器２３ｂと、前記ゲートＧ１〜
Ｇ３に対応してゲイン調整電圧Ｖ１〜Ｖ３を出力する電
圧源２３ｃと、前記引算器２１の出力信号ΔＥとゲイン
調整電圧Ｖ１〜Ｖ３を掛合わせた出力信号Ｅ０４を出力
する掛算器２３ｄから構成されている。前記ゲイン調整
電圧Ｖ１〜Ｖ３は、回転体１１の熱膨張や熱収縮により
ギャップｄ１、ｄ２が変化すると、位置センサ１４、１
５の非直線性により検出感度が変化して磁気軸受制御の
安定性が低下するのを制御ゲインを調節して補正するも
ので、その動作原理および設定方法の１例を図３を参照
しながら説明する。 【００１０】図３は、前記位置センサ１４、１５の入出
力特性を示したものである。ギャップｄ１またはｄ２が
大きくなるに従い検出感度が増加している。回転体１１
の温度が上昇すると熱膨張により電磁石１２、１３との
ギャップｄ１、ｄ２が狭まり、逆に温度が下降すると熱
収縮によりギャップｄ１、ｄ２が広くなる。これによ
り、位置センサ１４、１５の検出感度は、回転体１１の
温度が上昇すると低下し、温度が下降すると逆に増加す
る。したがって、温度が上昇したときに制御ゲインを増
加し、温度が低下したときに制御ゲインを減少させるこ
とにより磁気軸受制御を安定化させることができる。 【００１１】図３において、回転体１１が軽負荷運転に
よる低温状態、通常の負荷運転による温度状態、高負荷
運転による高温状態で使用される場合のギャップｄ１、
ｄ２の存在範囲をそれぞれ０〜Ｘ１、Ｘ１〜Ｘ２、Ｘ２
〜Ｘ３とし、この時の位置センサ１４、１５の出力信号
Ｅ０１、Ｅ０２を０〜Ｅ１、Ｅ１〜Ｅ２、Ｅ２〜Ｅ３と
して示す。また、０〜Ｘ１、Ｘ１〜Ｘ２、Ｘ２〜Ｘ３の
範囲を直線で近似した場合の勾配（検出感度）をＫ１、
Ｋ２、Ｋ３で示す。 【００１２】前記位置センサ１４、１５の出力信号Ｅ０
１、Ｅ０２は、加算器２２で加算され、この出力信号Ｅ
０３は、比較器２３ｂで内部設定される２Ｅ１、２Ｅ
２、２Ｅ３の電圧と比較され、次の条件によりゲートＧ
１〜Ｇ３がオンとなる。 ２Ｅ１＞Ｅ０３ ならば Ｇ１がオン ２Ｅ１＜Ｅ０３＜２Ｅ２ ならば Ｇ２がオン ２Ｅ２＜Ｅ０３＜２Ｅ３ ならば Ｇ３がオン 【００１３】前記掛算器２３ｄの演算式を Ｅ０４＝ＫΔＥ・Ｖ（Ｖ：Ｖ１〜Ｖ３） （１式） として、Ｖ１〜Ｖ３を次のように設定する。 Ｖ２＝１／Ｋ Ｖ１＝（Ｋ２／Ｋ１）Ｖ２＝Ｋ２／（Ｋ・Ｋ１） Ｖ３＝（Ｋ２／Ｋ３）Ｖ２＝Ｋ２／（Ｋ・Ｋ３） 【００１４】次に本発明の磁気軸受装置の制御動作を説
明する。位置センサ１４、１５の出力電圧信号Ｅ０１、
Ｅ０２は、引算器２１により引き算される。その偏差信
号ΔＥは、制御定数調整回路２３で制御ゲインが修正さ
れ、フィルタ回路２４で回転体１１の回転数成分が除去
された後、ＰＩＤ調節器２５から偏差信号ΔＥを変数と
する比例、積分、微分動作信号が出力され、電磁石駆動
回路２６で電磁石駆動電流Ｉ１、Ｉ２に信号変換され、
偏差信号ΔＥを０にするよう電磁石１２、１３の駆動電
流を調節する。通常運転状態（Ｘ１〜Ｘ２）では、Ｇ２
がオンとなり、前記制御定数調整回路２３の制御ゲイン
は１、出力信号Ｅ０４は Ｅ０４＝ ΔＥ となり、ＰＩＤ調節器２５においてＰＩＤ制御定数の最
適チューニングが行われる。 【００１５】運転初期状態（０〜Ｘ１）ではＧ１がオン
となり、制御ゲインは（Ｋ２／Ｋ１）、その出力Ｅ０４
は、 Ｅ０４＝（Ｋ２／Ｋ１）ΔＥ となり、偏差信号ΔＥは制御ゲイン（Ｋ２／Ｋ１）倍さ
れ、検出感度の低下による制御動作の不安定性が改善さ
れ、通常運転状態に早く到達することができる。また、
高温運転状態（Ｘ２〜Ｘ３）ではＧ３がオンとなり、制
御ゲインは（Ｋ２／Ｋ３）、その出力信号Ｅ０４は Ｅ０４＝（Ｋ２／Ｋ３）ΔＥ となり、偏差信号ΔＥは制御ゲイン（Ｋ２／Ｋ３）倍さ
れ、検出感度の増加による制御動作の不安定性が改善さ
れる。上記の演算処理は、アナログ演算回路あるいは図
示しないが、Ａ／ＤやＤ／Ａなどのインターフェースと
ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどからなるマイクロコンピュ
ータを用いて行うことができる。 【００１６】図４は従来の磁気軸受装置における安定領
域（ａ）と本発明の磁気軸受装置における安定領域
（ｂ）とを対比して示したものである。すなわち、従来
の磁気軸受装置では、図４（ａ）に示すように回転体の
直径が２Ｒ〜（２Ｒ＋２α）の範囲において、磁気軸受
制御が安定領域となるのに対し、本発明の磁気軸受装置
では、図４（ｂ）に示すように温度上昇等により回転体
がさらに熱膨張し全体的に＋２βの伸びが生じたときに
適切な制御定数に切り変わることができるため、回転体
の直径が２Ｒ〜（２Ｒ＋２α＋２γ）の範囲において、
磁気軸受制御が安定領域となる。 【００１７】また、本発明では、ギャップｄ１、ｄ２を
位置センサ１４、１５で検出し、その出力信号を加算器
２２で加算し、比較器２３ｂで位置センサ１４、１５の
動作領域を検出し、この検出感度を制御ゲインで補正す
るようにしたことを特徴としているので、回転体１１が
中心位置からずれて一時的にギャップｄ１、ｄ２のバラ
ンスが崩れた場合でもギャップｄ１、ｄ２の加算値はほ
ぼ一定であるため制御ゲインの頻繁な切り換わりが防
げ、安定した制御を行うことができる。 【００１８】上記のように本発明の磁気軸受装置は、回
転体を挿んで対抗する位置センサの出力を加算して、そ
の加算値から回転体と軸受間のギャップを求め、そのギ
ャップに対応してゲートを開き、決められた制御ゲイン
に切り換えて制御範囲を拡大するようにしたことを特徴
とするもので、本発明は、実施例に限定されるものでは
なく、例えば制御定数をさらに細かく切り換えたり、ゲ
イン調整電圧を制御結果から決めるようにしてもよい。
また、ＩＣと抵抗器からなるアナログ回路で倍率設定器
を構成し、その抵抗器を前記ゲートＧ１〜Ｇ３で切換え
制御ゲインを変えるようにしてもよい。 【００１９】 【発明の効果】本発明の磁気軸受装置は、対向する位置
センサによって検出されたギャップの和に基づいて制御
ゲインを設定するようにしたので、回転体構造体の温度
変化により回転体が膨張または収縮した場合でも、常に
安定した軸受制御を行うことができる。
等に用いられる磁気軸受装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】磁気軸受装置は、磁気の吸引力によって
回転体を非接触で浮上させ目標の位置に支持する装置で
あり、ターボ分子ポンプ、遠心分離機、工作機械主軸あ
るいは半導体製造装置などの高速回転用の軸受装置とし
て用いられている。図５は、基本的な５軸磁気軸受装置
の構造を示すもので、モータ８により回転する回転体１
は複数の電磁石３により非接触で軸受され、その浮上位
置は前記電磁石の近傍に配置された位置センサ２により
検出される。従来の磁気軸受装置においては、図６に示
すように位置センサ２ａ、２ｂで検出したギャップ信号
の差を制御ゲインを変える制御定数調整回路４、前記回
転体１の回転数成分を除去するフィルタ回路５、ＰＩＤ
調節器６に通してフィードバック制御を行っている。こ
のＰＩＤ調節器６からの制御信号は電磁石駆動回路７に
より電磁石３ａ、３ｂの駆動電流に変換され、電磁石３
ａ、３ｂと回転体１とのギャップ差が０になるように制
御されている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】例えば、ターボ分子ポ
ンプに用いられる磁気軸受装置では、排気するガスが増
加すると、モータ発熱やガス排気に伴う発熱によって回
転体１の温度が上昇する。回転体１の温度が上昇すると
回転体１は熱膨張し、回転体１と位置センサ２ａ、２ｂ
間のギャップが減少する。位置センサ２ａ、２ｂは、図
７に示すような非直線的特性を有しており、ギャップが
減少するとギャップに対する出力電圧変化比、すなわち
検出感度が減少する。この結果、磁気軸受制御系のルー
プゲインが減少し、磁気軸受制御が不安定になるという
問題がある。 【０００４】このような制御ループの不安定性はＰＩＤ
調節器６の制御定数の再調整により抑えることも可能で
あるが、元の温度に低下した場合に磁気軸受制御系がま
た不安定になり、制御定数の再調整が必要になるという
問題がある。本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、回転体と位置センサ間のギャップが回
転体の温度上昇などにより変化しても磁気軸受を安定に
制御することができる磁気軸受装置を提供することを目
的とする。 【０００５】 【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の磁気軸受装置は、ハウジング内に収納され
た回転体と、この回転体を非接触で位置調整可能に支持
する、ハウジング内に取り付けられた複数の磁気軸受
と、前記回転体の位置を検出する位置検出手段と、前記
位置検出手段の検出結果を磁気軸受制御系にフィードバ
ックして、前記回転体が最適浮上位置に支持されるよう
に制御する制御手段とを備える磁気軸受装置において、
前記回転体を中心にして対向する位置に設けられた位置
センサにより検出されたギャップの和に応じて、磁気軸
受制御系の制御定数の切換えを行う制御定数切換手段を
備えたことを特徴とするものである。本発明の磁気軸受
装置は上記のように構成されており、回転体の熱膨張や
熱収縮による回転体と位置センサ間のギャップ変動が原
因で生じる制御不安定を抑制することができる。 【０００６】 【発明の実施の形態】以下、本発明の磁気軸受装置の実
施例を図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本
発明による磁気軸受装置の構成を示すブロック図、図２
は５軸磁気軸受部の電磁石と回転体との位置関係を示す
図である。本発明の磁気軸受装置は、例えばターボ分子
ポンプ等の各種装置の回転部を形成する回転体１１と、
この回転体１１を磁気の吸引力を利用して非接触で支持
するよう対向して設置された電磁石１２、１３と、この
電磁石１２、１３の近傍に設置されたギャップｄ１、ｄ
２を電気的信号に変換するほぼ同特性の位置センサ１
４、１５とからなる磁気軸受部１０と、前記ギャップｄ
１、ｄ２を一定に保つように制御する下記制御部２０か
ら構成されている。 【０００７】前記回転体１１は、実際には５軸磁気軸受
等により支持されており、この場合には回転体１１に対
して図２に示すような位置に、上部Ｘ軸上の１組の電磁
石１２ａ、１３ａ及びＹ軸上の１組の電磁石１２ｂ、１
３ｂと、下部Ｘ軸上の１組の電磁石１２ｃ、１３ｃ及び
Ｙ軸上の１組の電磁石１２ｄ、１３ｄと、下部Ｚ軸上の
１組の電磁石１２ｅ、１３ｅが配置され、モータ１６に
より回転体１１は一体のディスク１１ａと共に非接触で
回転する。また、回転体１１と各電磁石とのギャップ
は、各電磁石の近傍に設けられた位置センサ（図示省
略）により検出されるとともに、各電磁石への駆動電流
は、それぞれ１組の電磁石に対応して設けられた制御部
（図示省略）により制御される。図１では代表的に１組
の電磁石１２、１３と位置センサ１４、１５とそれに対
応する制御部２０を示しているが、他の電磁石に対して
も同様な制御部が用いられる。 【０００８】前記制御部２０は、前記位置センサ１４、
１５により検出されたギャップｄ１、ｄ２に対応する出
力信号Ｅ０１、Ｅ０２を引き算して偏差信号ΔＥ（＝Ｅ
０１−Ｅ０２）に変換する引算器２１と、前記出力信号
Ｅ０１、Ｅ０２を加算する加算器２２と、この出力信号
Ｅ０３に基づいて前記位置センサ１４、１５の検出感度
の変化分を補正できる制御ゲインに切換える制御定数調
整回路２３と、前記回転体１１の回転数成分を除去する
フィルタ回路２４と、前記偏差信号ΔＥが３項動作（比
例、積分、微分）によって変化する制御信号を出力する
ＰＩＤ調節器２５と、この制御信号が電磁石１２、１３
を駆動できるレベルの電流Ｉ１、Ｉ２にまで増幅変換す
る電磁石駆動回路２６から構成されている。 【０００９】前記加算器２２及び制御定数調整回路２３
は、本発明を特徴付けるもので、この制御定数調整回路
２３は、加算器２２の出力信号Ｅ０３と内部比較電圧と
を比較して、ゲートＧ１〜Ｇ３をもつスイッチ２３ａに
切換信号を送出する比較器２３ｂと、前記ゲートＧ１〜
Ｇ３に対応してゲイン調整電圧Ｖ１〜Ｖ３を出力する電
圧源２３ｃと、前記引算器２１の出力信号ΔＥとゲイン
調整電圧Ｖ１〜Ｖ３を掛合わせた出力信号Ｅ０４を出力
する掛算器２３ｄから構成されている。前記ゲイン調整
電圧Ｖ１〜Ｖ３は、回転体１１の熱膨張や熱収縮により
ギャップｄ１、ｄ２が変化すると、位置センサ１４、１
５の非直線性により検出感度が変化して磁気軸受制御の
安定性が低下するのを制御ゲインを調節して補正するも
ので、その動作原理および設定方法の１例を図３を参照
しながら説明する。 【００１０】図３は、前記位置センサ１４、１５の入出
力特性を示したものである。ギャップｄ１またはｄ２が
大きくなるに従い検出感度が増加している。回転体１１
の温度が上昇すると熱膨張により電磁石１２、１３との
ギャップｄ１、ｄ２が狭まり、逆に温度が下降すると熱
収縮によりギャップｄ１、ｄ２が広くなる。これによ
り、位置センサ１４、１５の検出感度は、回転体１１の
温度が上昇すると低下し、温度が下降すると逆に増加す
る。したがって、温度が上昇したときに制御ゲインを増
加し、温度が低下したときに制御ゲインを減少させるこ
とにより磁気軸受制御を安定化させることができる。 【００１１】図３において、回転体１１が軽負荷運転に
よる低温状態、通常の負荷運転による温度状態、高負荷
運転による高温状態で使用される場合のギャップｄ１、
ｄ２の存在範囲をそれぞれ０〜Ｘ１、Ｘ１〜Ｘ２、Ｘ２
〜Ｘ３とし、この時の位置センサ１４、１５の出力信号
Ｅ０１、Ｅ０２を０〜Ｅ１、Ｅ１〜Ｅ２、Ｅ２〜Ｅ３と
して示す。また、０〜Ｘ１、Ｘ１〜Ｘ２、Ｘ２〜Ｘ３の
範囲を直線で近似した場合の勾配（検出感度）をＫ１、
Ｋ２、Ｋ３で示す。 【００１２】前記位置センサ１４、１５の出力信号Ｅ０
１、Ｅ０２は、加算器２２で加算され、この出力信号Ｅ
０３は、比較器２３ｂで内部設定される２Ｅ１、２Ｅ
２、２Ｅ３の電圧と比較され、次の条件によりゲートＧ
１〜Ｇ３がオンとなる。 ２Ｅ１＞Ｅ０３ ならば Ｇ１がオン ２Ｅ１＜Ｅ０３＜２Ｅ２ ならば Ｇ２がオン ２Ｅ２＜Ｅ０３＜２Ｅ３ ならば Ｇ３がオン 【００１３】前記掛算器２３ｄの演算式を Ｅ０４＝ＫΔＥ・Ｖ（Ｖ：Ｖ１〜Ｖ３） （１式） として、Ｖ１〜Ｖ３を次のように設定する。 Ｖ２＝１／Ｋ Ｖ１＝（Ｋ２／Ｋ１）Ｖ２＝Ｋ２／（Ｋ・Ｋ１） Ｖ３＝（Ｋ２／Ｋ３）Ｖ２＝Ｋ２／（Ｋ・Ｋ３） 【００１４】次に本発明の磁気軸受装置の制御動作を説
明する。位置センサ１４、１５の出力電圧信号Ｅ０１、
Ｅ０２は、引算器２１により引き算される。その偏差信
号ΔＥは、制御定数調整回路２３で制御ゲインが修正さ
れ、フィルタ回路２４で回転体１１の回転数成分が除去
された後、ＰＩＤ調節器２５から偏差信号ΔＥを変数と
する比例、積分、微分動作信号が出力され、電磁石駆動
回路２６で電磁石駆動電流Ｉ１、Ｉ２に信号変換され、
偏差信号ΔＥを０にするよう電磁石１２、１３の駆動電
流を調節する。通常運転状態（Ｘ１〜Ｘ２）では、Ｇ２
がオンとなり、前記制御定数調整回路２３の制御ゲイン
は１、出力信号Ｅ０４は Ｅ０４＝ ΔＥ となり、ＰＩＤ調節器２５においてＰＩＤ制御定数の最
適チューニングが行われる。 【００１５】運転初期状態（０〜Ｘ１）ではＧ１がオン
となり、制御ゲインは（Ｋ２／Ｋ１）、その出力Ｅ０４
は、 Ｅ０４＝（Ｋ２／Ｋ１）ΔＥ となり、偏差信号ΔＥは制御ゲイン（Ｋ２／Ｋ１）倍さ
れ、検出感度の低下による制御動作の不安定性が改善さ
れ、通常運転状態に早く到達することができる。また、
高温運転状態（Ｘ２〜Ｘ３）ではＧ３がオンとなり、制
御ゲインは（Ｋ２／Ｋ３）、その出力信号Ｅ０４は Ｅ０４＝（Ｋ２／Ｋ３）ΔＥ となり、偏差信号ΔＥは制御ゲイン（Ｋ２／Ｋ３）倍さ
れ、検出感度の増加による制御動作の不安定性が改善さ
れる。上記の演算処理は、アナログ演算回路あるいは図
示しないが、Ａ／ＤやＤ／Ａなどのインターフェースと
ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどからなるマイクロコンピュ
ータを用いて行うことができる。 【００１６】図４は従来の磁気軸受装置における安定領
域（ａ）と本発明の磁気軸受装置における安定領域
（ｂ）とを対比して示したものである。すなわち、従来
の磁気軸受装置では、図４（ａ）に示すように回転体の
直径が２Ｒ〜（２Ｒ＋２α）の範囲において、磁気軸受
制御が安定領域となるのに対し、本発明の磁気軸受装置
では、図４（ｂ）に示すように温度上昇等により回転体
がさらに熱膨張し全体的に＋２βの伸びが生じたときに
適切な制御定数に切り変わることができるため、回転体
の直径が２Ｒ〜（２Ｒ＋２α＋２γ）の範囲において、
磁気軸受制御が安定領域となる。 【００１７】また、本発明では、ギャップｄ１、ｄ２を
位置センサ１４、１５で検出し、その出力信号を加算器
２２で加算し、比較器２３ｂで位置センサ１４、１５の
動作領域を検出し、この検出感度を制御ゲインで補正す
るようにしたことを特徴としているので、回転体１１が
中心位置からずれて一時的にギャップｄ１、ｄ２のバラ
ンスが崩れた場合でもギャップｄ１、ｄ２の加算値はほ
ぼ一定であるため制御ゲインの頻繁な切り換わりが防
げ、安定した制御を行うことができる。 【００１８】上記のように本発明の磁気軸受装置は、回
転体を挿んで対抗する位置センサの出力を加算して、そ
の加算値から回転体と軸受間のギャップを求め、そのギ
ャップに対応してゲートを開き、決められた制御ゲイン
に切り換えて制御範囲を拡大するようにしたことを特徴
とするもので、本発明は、実施例に限定されるものでは
なく、例えば制御定数をさらに細かく切り換えたり、ゲ
イン調整電圧を制御結果から決めるようにしてもよい。
また、ＩＣと抵抗器からなるアナログ回路で倍率設定器
を構成し、その抵抗器を前記ゲートＧ１〜Ｇ３で切換え
制御ゲインを変えるようにしてもよい。 【００１９】 【発明の効果】本発明の磁気軸受装置は、対向する位置
センサによって検出されたギャップの和に基づいて制御
ゲインを設定するようにしたので、回転体構造体の温度
変化により回転体が膨張または収縮した場合でも、常に
安定した軸受制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による磁気軸受装置の構成を示すブロッ
ク図である。 【図２】電磁石と回転体の位置関係を示す図である。 【図３】ギャップに対する位置センサの出力特性図であ
る。 【図４】回転体の安定領域を示す図である。 【図５】磁気軸受装置の構造を示す図である。 【図６】従来の磁気軸受装置の構成を示すブロック図で
ある。 【図７】ギャップに対する位置センサの出力特性図であ
る。 【符号の説明】 １、１１…回転体 ２、２ａ、２ｂ、１４、１５…位置センサ ３、３ａ、３ｂ、１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２
ｄ、 １２ｅ、１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３
ｅ…電磁石 ４、２３…制御定数調整回路 ５、２４…フィルタ回路 ６、２５…ＰＩＤ調節器 ７、２６…電磁石駆動回路 ８、１６…モータ １１ａ…ディスク ２１…引算器 ２２…加算器 ２３ａ…スイッチ ２３ｂ…比較器 ２３ｃ…電圧源 ２３ｄ…掛算器 Ｅ０１、Ｅ０２、Ｅ０３、Ｅ０４…出力信号 ｄ１、ｄ２…ギャップ Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３…ゲート Ｉ１、Ｉ２…電流
ク図である。 【図２】電磁石と回転体の位置関係を示す図である。 【図３】ギャップに対する位置センサの出力特性図であ
る。 【図４】回転体の安定領域を示す図である。 【図５】磁気軸受装置の構造を示す図である。 【図６】従来の磁気軸受装置の構成を示すブロック図で
ある。 【図７】ギャップに対する位置センサの出力特性図であ
る。 【符号の説明】 １、１１…回転体 ２、２ａ、２ｂ、１４、１５…位置センサ ３、３ａ、３ｂ、１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２
ｄ、 １２ｅ、１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３
ｅ…電磁石 ４、２３…制御定数調整回路 ５、２４…フィルタ回路 ６、２５…ＰＩＤ調節器 ７、２６…電磁石駆動回路 ８、１６…モータ １１ａ…ディスク ２１…引算器 ２２…加算器 ２３ａ…スイッチ ２３ｂ…比較器 ２３ｃ…電圧源 ２３ｄ…掛算器 Ｅ０１、Ｅ０２、Ｅ０３、Ｅ０４…出力信号 ｄ１、ｄ２…ギャップ Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３…ゲート Ｉ１、Ｉ２…電流
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(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｆ０４Ｄ 29/04 Ｆ０４Ｄ 29/04 Ｒ
Ｆターム(参考） 3H022 AA01 BA06 BA07 CA16 CA50
DA08 DA09
3H031 DA02 EA12 FA13
3J102 AA01 BA03 BA17 BA18 CA10
DA02 DA03 DA09 DB05 DB10
DB11 DB27 DB29 DB30 GA06
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】ハウジング内に収納された回転体と、この
回転体を非接触で位置調整可能に支持する、ハウジング
内に取り付けられた複数の磁気軸受と、前記回転体の位
置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の検出
結果を磁気軸受制御系にフィードバックして、前記回転
体が最適浮上位置に支持されるように制御する制御手段
とを備える磁気軸受装置において、前記回転体を中心に
して対向する位置に設けられた位置センサにより検出さ
れたギャップの和に応じて、磁気軸受制御系の制御定数
の切換えを行う制御定数切換手段を備えたことを特徴と
する磁気軸受装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002017931A JP2003222130A (ja) | 2002-01-28 | 2002-01-28 | 磁気軸受装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002017931A JP2003222130A (ja) | 2002-01-28 | 2002-01-28 | 磁気軸受装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003222130A true JP2003222130A (ja) | 2003-08-08 |
Family
ID=27742894
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002017931A Pending JP2003222130A (ja) | 2002-01-28 | 2002-01-28 | 磁気軸受装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003222130A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1460293A3 (en) * | 2003-03-19 | 2005-03-09 | BOC Edwards Japan Limited | Magnetic bearing device and pump device with the magnetic bearing device mounted thereto |
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| JP2007327639A (ja) * | 2006-05-09 | 2007-12-20 | Shimadzu Corp | 磁気軸受装置 |
| EP3236020A1 (de) * | 2016-04-22 | 2017-10-25 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zum betrieb einer turbomaschine, regelungseinheit |
| CN110701187A (zh) * | 2019-10-08 | 2020-01-17 | 重庆邮电大学 | 一种五自由度磁轴承的智能双积分滑模控制方法及设备 |
-
2002
- 2002-01-28 JP JP2002017931A patent/JP2003222130A/ja active Pending
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