JP2006046600A - Magnetic bearing unit and flywheel energy storage device provided with it - Google Patents

Magnetic bearing unit and flywheel energy storage device provided with it Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic bearing unit capable of enlarging load capacity by an electromagnet without enlarging controlled current supplying to the electromagnet as well as a flywheel storage device provided with it. <P>SOLUTION: The magnetic bearing arrangement is provided with a position detection means which detects position of a body of revolution with respect to a plurality of electromagnets which is disposed so as to interpose the body of the revolution from both sides and then outputs position detection signal, an electromagnet control signal output means outputting the electromagnet control signal which contains at least integration output based on the output position detection signal and an electromagnet driving means driving the electromagnet based on the output electromagnet control signal. The electromagnet control signal output means outputs the electromagnet control signal moving floating position of the body of the revolution in order to apply magnetic force by the electromagnet against external force if the external force is applied in a radial direction. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、磁気軸受装置、特に複数組の磁気軸受で、回転体の中心軸方向（アキシアル方向）及び中心軸のラジアル方向に回転体を非接触支持して磁気浮上させる磁気軸受装置及びそれを備えるフライホイールエネルギ貯蔵装置に関する。   The present invention relates to a magnetic bearing device, in particular, a plurality of sets of magnetic bearings, and a magnetic bearing device that supports a rotating body in a non-contact manner in the central axis direction (axial direction) of the rotating body and the radial direction of the central axis, and magnetically floats the same. The present invention relates to a flywheel energy storage device.

この種の磁気軸受装置として、フライホイールを備える回転体を、回転体の中心軸方向（以下、アキシアル方向）及び該中心軸のラジアル方向に非接触支持する複数の電磁石を有する複数の磁気軸受、回転体のアキシアル方向及びラジアル方向の位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出装置、位置検出信号に基づいて磁気軸受の電磁石を制御する電磁石制御装置、ならびに回転体のアキシアル方向及びラジアル方向の可動範囲を機械的に規制する機械的規制手段としての保護軸受（タッチダウン軸受）を備えているものが知られている。   As a magnetic bearing device of this type, a plurality of magnetic bearings having a plurality of electromagnets that non-contact-support a rotating body including a flywheel in a central axis direction (hereinafter, axial direction) of the rotating body and a radial direction of the central axis, A position detection device that detects the position of the rotating body in the axial direction and radial direction and outputs a position detection signal, an electromagnet control device that controls the electromagnet of the magnetic bearing based on the position detection signal, and the axial direction and radial direction of the rotating body One having a protective bearing (touchdown bearing) as a mechanical restricting means for mechanically restricting the movable range is known.

各磁気軸受は、回転体をアキシアル方向及びラジアル方向の両側から挟むよう配置した１対の電磁石を１組あるいは２組備えている。位置検出装置は複数の位置センサを備えている。例えば、アキシアル方向では、回転体の位置を検出する端面にアキシアル方向にて対向する１個のアキシアル位置センサを備えており、ラジアル方向では、回転体を互いに直交する２つの方向の両側から挟むよう配置してある複数対のラジアル位置センサを備えている。電磁石制御装置は、浮上基準位置信号を出力する浮上基準位置信号出力手段、浮上位置基準信号及び位置検出信号に基づいて電磁石制御信号を出力する電磁石制御信号出力手段、ならびに電磁石制御信号に基づいて電磁石を駆動する電磁石駆動手段を備えている。   Each magnetic bearing includes one or two pairs of electromagnets arranged so as to sandwich the rotating body from both sides in the axial direction and the radial direction. The position detection device includes a plurality of position sensors. For example, in the axial direction, an axial position sensor that faces the end surface that detects the position of the rotating body in the axial direction is provided. In the radial direction, the rotating body is sandwiched from both sides in two directions orthogonal to each other. A plurality of pairs of radial position sensors arranged are provided. The electromagnet control device includes a levitation reference position signal output means for outputting a levitation reference position signal, an electromagnet control signal output means for outputting an electromagnet control signal based on the levitation position reference signal and the position detection signal, and an electromagnet based on the electromagnet control signal. Is provided with electromagnet driving means.

電磁石制御信号出力手段は、１対の電磁石に対する励磁電流信号を出力し、電磁石駆動手段は、該１対の電磁石に対して、励磁電流信号に比例する励磁電流を供給する。一般的な磁気軸受では、動作の制御を簡単にすべく、電流と磁気力との関係を線形化する方式（バイアス制御方式）を採用する。バイアス制御方式では、各電磁石に対する励磁電流信号は、定常電流信号と制御電流信号を合わせたものであり、各電磁石に供給する励磁電流は、定常電流と制御電流とを合わせたものである。定常電流値（定常電流信号値）は、回転体のアキシアル方向及びラジアル方向の位置にかかわらず一定値が供給される。そのため、バイアス制御方式を採用した磁気軸受をフライホイールエネルギ貯蔵装置に搭載した場合、定常電流に起因した消費電力及び回転損失が増大するという問題があった。   The electromagnet control signal output means outputs an excitation current signal for the pair of electromagnets, and the electromagnet drive means supplies an excitation current proportional to the excitation current signal to the pair of electromagnets. A general magnetic bearing employs a method (bias control method) that linearizes the relationship between the current and the magnetic force in order to simplify the operation control. In the bias control method, the excitation current signal for each electromagnet is a combination of the steady current signal and the control current signal, and the excitation current supplied to each electromagnet is the combination of the steady current and the control current. As the steady current value (steady current signal value), a constant value is supplied regardless of the position of the rotating body in the axial direction and radial direction. Therefore, when a magnetic bearing employing a bias control system is mounted on a flywheel energy storage device, there is a problem that power consumption and rotation loss due to steady current increase.

一方、制御電流値（制御電流信号値）は、回転体のアキシアル方向及びラジアル方向の位置によって変化し、アキシアル方向及びラジアル方向の１対の電磁石について、制御電流値（制御電流信号値）の絶対値は互いに等しく、その符号は互いに逆である。   On the other hand, the control current value (control current signal value) varies depending on the position of the rotating body in the axial direction and radial direction, and the absolute value of the control current value (control current signal value) for a pair of electromagnets in the axial direction and radial direction. The values are equal to each other and their signs are opposite to each other.

ここで、定常電流に起因した消費電力及び回転損失が増大するという問題を解決するため、ラジアル磁気軸受についてはゼロバイアス方式を採用している。ゼロバイアス方式では、定常電流を供給せず、一対の電磁石について回転体が遠のいた場合にのみ制御電流を供給する。その結果、消費電力及び回転損失を大幅に低減することが可能となる。   Here, in order to solve the problem that the power consumption and the rotation loss due to the steady current increase, the zero bias method is adopted for the radial magnetic bearing. In the zero bias method, a steady current is not supplied, and a control current is supplied only when the rotating body is far from the pair of electromagnets. As a result, power consumption and rotation loss can be greatly reduced.

ただし、電流と磁気力との関係は常に非線形となっている。アキシアル磁気軸受については、永久磁石バイアス方式等を採用することにより、消費電力を低減することが必要となる。   However, the relationship between current and magnetic force is always nonlinear. For axial magnetic bearings, it is necessary to reduce power consumption by adopting a permanent magnet bias system or the like.

上記のような磁気軸受装置には、保護軸受による可動範囲に対するアキシアル方向及びラジアル方向の機械的中心位置と、磁気軸受の電磁石の位置に対するアキシアル方向及びラジアル方向の磁気的中心位置と、位置センサの位置に対する対センサ中心位置とがある。機械的中心位置は、保護軸受により規制される可動範囲の中心の位置である。アキシアル方向及びラジアル方向の磁気的中心位置は、アキシアル方向及びラジアル方向に対をなす２個の電磁石の中心の位置である。アキシアル方向の対センサ中心位置は、回転体の位置を検出する端面とアキシアル位置センサとの距離があらかじめ設定された所定値になる基準位置である。また、ラジアル方向の対センサ中心位置は、ラジアル方向に対をなす２個のラジアル位置センサの中心の位置である。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。実際には、製作誤差や組立誤差のために上記３つの中心位置の間に誤差が生じることがあるが、一般に、この誤差は小さい。   The magnetic bearing device as described above has axial and radial mechanical center positions with respect to the movable range of the protective bearing, axial and radial magnetic center positions with respect to the position of the electromagnet of the magnetic bearing, and position sensors. There is a center position of the sensor with respect to the position. The mechanical center position is the center position of the movable range regulated by the protective bearing. The magnetic center position in the axial direction and the radial direction is the position of the center of two electromagnets paired in the axial direction and the radial direction. The center position of the pair of sensors in the axial direction is a reference position where the distance between the end surface for detecting the position of the rotating body and the axial position sensor is a predetermined value set in advance. The radial sensor pair center position is the center position of the two radial position sensors paired in the radial direction. The magnetic bearing device is designed such that the mechanical center position, the magnetic center position, and the sensor center position all coincide. Actually, an error may occur between the three center positions due to a manufacturing error or an assembly error, but this error is generally small.

通常の磁気軸受装置では、回転体が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、磁気軸受の電磁石を制御する。このため、回転体は、略磁気的中心位置に保持される。あるいは、回転体は、磁気的中心位置に保持される。このように回転体が磁気的中心位置あるいは略磁気的中心位置に保持される場合、１対の電磁石と回転体との空隙（エアギャップ）の大きさは互いに略同一となる。   In a normal magnetic bearing device, the electromagnet of the magnetic bearing is controlled so that the rotating body is held at the center position of the sensor, that is, the center of the rotating body matches the center position of the sensor. For this reason, the rotating body is held at a substantially magnetic center position. Alternatively, the rotating body is held at the magnetic center position. As described above, when the rotating body is held at the magnetic center position or the substantially magnetic center position, the sizes of the gaps (air gaps) between the pair of electromagnets and the rotating body are substantially the same.

また、上述した磁気軸受装置を自動車等の車両に搭載し、磁気軸受装置内に取り付けたモータ発電機を、通常時はフライホイールを備えた回転体を回転させるモータとして機能させ、停電時等の非常時には発電機として機能させることで、バッテリーを用いないフライホイールエネルギ貯蔵装置を実現することができる。特に自動車等の車両に搭載する場合、バッテリー交換等のメンテナンスが不要となる（特許文献１，２参照）。
特開２００２−１５７９８号公報 特開平１０−１５９７０７号公報 In addition, the above-described magnetic bearing device is mounted on a vehicle such as an automobile, and the motor generator attached in the magnetic bearing device is caused to function as a motor that rotates a rotating body equipped with a flywheel at normal times, such as during a power failure. By functioning as a generator in an emergency, a flywheel energy storage device that does not use a battery can be realized. In particular, when installed in a vehicle such as an automobile, maintenance such as battery replacement becomes unnecessary (see Patent Documents 1 and 2).
JP 2002-15798 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-159707

上述した構成の磁気軸受装置では、電磁石の磁気吸引力以外に、ジャイロモーメントに起因する外力がラジアル方向に作用することがある。例えば、ゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受を含む磁気軸受装置を自動車等の車両のフライホイールエネルギ貯蔵装置として搭載した場合、車両の右左折、坂道の上り下り等を行う場合にフライホイール回転体にジャイロモーメントが生じ、それに起因する外力がラジアル方向に作用する。斯かる場合、外力に抗して回転体を磁気的中心位置近傍に支持するためには、一方の電磁石に大きな制御電流を供給する必要があり、消費電力及び回転損失が増大するおそれがある。場合によっては、負荷容量が不足して、回転体を磁気的中心位置近傍に保持できないおそれもある。   In the magnetic bearing device having the above-described configuration, an external force due to the gyro moment may act in the radial direction in addition to the magnetic attractive force of the electromagnet. For example, when a magnetic bearing device including a radial magnetic bearing of a zero bias control system is mounted as a flywheel energy storage device for a vehicle such as an automobile, the flywheel rotating body is used when turning the vehicle left and right, going up and down a hill, etc. A gyro moment is generated, and an external force caused by the gyro moment acts in the radial direction. In such a case, in order to support the rotating body near the magnetic center position against an external force, it is necessary to supply a large control current to one of the electromagnets, which may increase power consumption and rotation loss. In some cases, the load capacity is insufficient, and the rotating body may not be held near the magnetic center position.

本発明は、上述した問題点を鑑みてなされたものであり、ゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受において、電磁石に供給する制御電流を大きくすることなく、電磁石による負荷容量を大きくすることができる磁気軸受装置及びそれを備えるフライホイールエネルギ貯蔵装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and in a zero-bias control type radial magnetic bearing, a magnet that can increase the load capacity of the electromagnet without increasing the control current supplied to the electromagnet. It is an object of the present invention to provide a bearing device and a flywheel energy storage device including the same.

本発明に係る磁気軸受装置は、フライホイールを備える回転体を、複数対の電磁石の磁力により、前記回転体の中心軸方向及び前記回転体の中心軸のラジアル方向に非接触支持して、磁気浮上するよう構成してある磁気軸受装置において、前記ラジアル方向で、前記回転体を両側から挟むように配置された複数組の電磁石に対する前記回転体の位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出手段と、該位置検出手段が出力した位置検出信号に基づいて少なくとも積分出力を含む電磁石制御信号を出力する電磁石制御信号出力手段と、該電磁石制御信号出力手段が出力した電磁石制御信号に基づいて前記電磁石を駆動する電磁石駆動手段とを備え、前記電磁石制御信号出力手段は、前記回転体に前記ラジアル方向の外力が作用した場合、該外力に抗する電磁石による磁力を作用させるために前記回転体の浮上位置を移動させる電磁石制御信号を出力するよう構成してあることを特徴とする。   A magnetic bearing device according to the present invention supports a rotating body including a flywheel in a non-contact manner in a central axis direction of the rotating body and a radial direction of the central axis of the rotating body by a magnetic force of a plurality of pairs of electromagnets. In the magnetic bearing device configured to levitate, a position in the radial direction for detecting a position of the rotating body with respect to a plurality of sets of electromagnets arranged so as to sandwich the rotating body from both sides and outputting a position detection signal A detection means; an electromagnet control signal output means for outputting an electromagnet control signal including at least an integral output based on the position detection signal output by the position detection means; and an electromagnet control signal output by the electromagnet control signal output means. Electromagnet drive means for driving the electromagnet, and the electromagnet control signal output means is configured to output the external force when an external force in the radial direction is applied to the rotating body. Characterized in that are configured to output an electromagnet control signal for moving the floating position of the rotor to exert a magnetic force by the electromagnet against the.

本発明に係る磁気軸受装置では、ゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受を含み、回転体を複数のラジアル方向の両側から挟むように配置された１対の電磁石において、ラジアル方向に外力が作用しない場合、制御電流はほとんどゼロである。それに対して、ジャイロモーメント等に起因するラジアル方向の外力が回転体に作用した場合、該外力に抗する電磁石による磁力を作用させるために回転体の浮上位置を移動させる電磁石制御信号を出力する。   In the magnetic bearing device according to the present invention, when a pair of electromagnets including a zero-bias control type radial magnetic bearing and arranged to sandwich the rotating body from both sides in the radial direction does not act in the radial direction The control current is almost zero. On the other hand, when an external force in the radial direction caused by a gyro moment or the like acts on the rotating body, an electromagnet control signal for moving the floating position of the rotating body is output in order to apply a magnetic force by the electromagnet against the external force.

これにより、回転体の浮上位置が一方の電磁石側（外力の作用方向の反対側）にシフトされ、回転体と一方の電磁石との空隙の大きさが小さくなるため、制御電流を小さくしても、回転体を支持するのに必要な磁力を得ることができるようになる。このように、回転体の浮上位置を一方の電磁石側にシフトすることにより、制御電流が過大になることがなく、しかも回転体を支持することができる。   As a result, the floating position of the rotating body is shifted to one electromagnet side (opposite to the direction in which the external force acts), and the size of the gap between the rotating body and one electromagnet is reduced. The magnetic force required to support the rotating body can be obtained. Thus, by shifting the floating position of the rotating body to the one electromagnet side, the control current is not excessive and the rotating body can be supported.

また、本発明に係るフライホイールエネルギ貯蔵装置は、上述した磁気軸受装置を備え、前記回転体の中間部分に発電機を兼ねたモータを備えることを特徴とする。   In addition, a flywheel energy storage device according to the present invention includes the above-described magnetic bearing device, and includes a motor that also serves as a generator in an intermediate portion of the rotating body.

これにより、回転体の浮上位置が一方の電磁石側にシフトされ、回転体と一方の電磁石との空隙の大きさが小さくなるため、制御電流を増加させることなく、回転体を支持するのに必要な磁力を得ることができ、磁気軸受装置の消費電力を増加させることなく、エネルギ貯蔵効率の低下を抑制することが可能となる。   As a result, the floating position of the rotating body is shifted to one electromagnet side, and the size of the gap between the rotating body and one electromagnet is reduced, so that it is necessary to support the rotating body without increasing the control current. Thus, a reduction in energy storage efficiency can be suppressed without increasing the power consumption of the magnetic bearing device.

本発明によれば、自動車の右左折、坂道の上り下り等に伴うジャイロモーメントに起因する外力が、ラジアル方向に作用する場合であっても、ゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受の電磁石に供給する制御電流を大きくすることなく、電磁石による負荷容量を大きくすることができ、エネルギ貯蔵効率の低下を抑制することが可能となる。   According to the present invention, even when an external force caused by a gyro moment accompanying a right or left turn of an automobile, an ascending or descending of a hill, etc. acts in the radial direction, it is supplied to an electromagnet of a radial magnetic bearing of a zero bias control system Without increasing the control current, the load capacity of the electromagnet can be increased, and the reduction in energy storage efficiency can be suppressed.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置について説明する。   Hereinafter, a magnetic bearing device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置を備えるフライホイールエネルギ貯蔵装置の構成例を示す回転体の中心軸を含む面での断面図である。なお、図１は、電気自動車に組み付けて制動時にエネルギを回収して貯蔵しておくフライホイールエネルギ貯蔵装置として構成している。   FIG. 1 is a cross-sectional view in a plane including a central axis of a rotating body showing a configuration example of a flywheel energy storage device including a magnetic bearing device according to an embodiment of the present invention. In addition, FIG. 1 is comprised as a flywheel energy storage apparatus assembled | attached to an electric vehicle and collect | recovering and storing energy at the time of braking.

ハウジング１０のラジアル方向に、互いに同心に固設した２つの枢軸１１、１１を設けてあり、支持枠１２を構成する１対の支持腕１３、１３の先端部に設けた軸受１４、１４は、枢軸１１、１１を、それぞれ揺動変位自在に支持している。また、枢軸１１、１１と直交する方向に図示しない他の１対の枢軸を設けてあり、図示しない他の支持枠により揺動変位自在に支持している。支持枠１２と他の支持枠とはジンバル機構を構成し、回転体１５及びフライホイール１６の高速回転に伴うジャイロ効果に拘らず、エネルギ貯蔵装置を組み付けた電気自動車の運動性能に悪影響が及ばないようにしている。   In the radial direction of the housing 10, two pivot shafts 11, 11 fixed concentrically to each other are provided, and bearings 14, 14 provided at the distal ends of a pair of support arms 13, 13 constituting the support frame 12 are: The pivot shafts 11 and 11 are supported so as to be swingable and displaceable. Further, another pair of pivot shafts (not shown) is provided in a direction orthogonal to the pivot shafts 11 and 11, and is supported by other support frames (not shown) so as to be swingable and displaceable. The support frame 12 and the other support frame constitute a gimbal mechanism, and regardless of the gyro effect accompanying the high-speed rotation of the rotating body 15 and the flywheel 16, there is no adverse effect on the motion performance of the electric vehicle incorporating the energy storage device. I am doing so.

ハウジング１０の内側中心部には、回転体１５を鉛直方向に配設している。そして、回転体１５の上下端には非常用のタッチダウン軸受１７、１８を配設している。   A rotating body 15 is arranged in the vertical direction at the inner central portion of the housing 10. Then, emergency touchdown bearings 17 and 18 are disposed at the upper and lower ends of the rotating body 15.

また、回転体１５の上下端部分に、支持ブラケットを介してフライホイール１６を固設している。フライホイール１６は、鋼、アルミニウム合金等の金属製の素材又は繊維入り強化プラスチックより成り、これらの材料を加工して、全体を円輪状に形成している。図１の例では、フライホイール１６は、外周寄り部分の厚さ寸法を大きくして回転時のモーメントを大きくし、回転時に貯蔵可能な運動エネルギを十分に確保できるようにしている。   Further, flywheels 16 are fixed to upper and lower ends of the rotator 15 via support brackets. The flywheel 16 is made of a metal material such as steel or aluminum alloy or a fiber-reinforced plastic, and these materials are processed to form an annular shape as a whole. In the example of FIG. 1, the flywheel 16 increases the thickness dimension of the portion near the outer periphery to increase the moment during rotation so that sufficient kinetic energy can be secured that can be stored during rotation.

一方、回転体１５の中間部分には、ラジアル方向にて回転体１５を支持するゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受２１、２２を、モータ２３を挟んで配設してある。回転体１５のラジアル方向の変位は、ラジアル磁気軸受２１、２２の直近に備えてあるラジアル位置センサユニット２４、２５の出力に基づいて求めることができる。モータ２３は、回転体１５に固定してあるロータ、及び該ロータと対向するようケーシング４の内周面に固定してあるステータにより、発電機兼用モータとして構成してある。   On the other hand, radial magnetic bearings 21 and 22 of a zero bias control system that support the rotator 15 in the radial direction are disposed in the middle portion of the rotator 15 with the motor 23 interposed therebetween. The radial displacement of the rotating body 15 can be obtained based on the outputs of the radial position sensor units 24 and 25 provided in the immediate vicinity of the radial magnetic bearings 21 and 22. The motor 23 is configured as a generator combined motor by a rotor fixed to the rotating body 15 and a stator fixed to the inner peripheral surface of the casing 4 so as to face the rotor.

上述のような構成とすることにより、電気エネルギをフライホイール１６の回転運動としての運動エネルギに変換して貯蔵する際には、ステータに通電する。例えば上述の構成のエネルギ貯蔵装置を電気自動車に組み込んだ場合、電気自動車の減速時（制動時を含む）に電気自動車駆動用モータとステータとを導通させ、減速に伴って電気自動車駆動用モータが発電した電力をステータに流す。この結果、モータ２３がモータとして機能し、回転体１５をフライホイール１６と共に回転させる。これに対して、例えば電気自動車の加速時に、フライホイール１６に運動エネルギとして貯蔵されたエネルギを電気エネルギに変換して取り出し、電気自動車駆動用モータに通電する際には、モータ２３を発電機として機能させ、ステータから取り出した電力を電気自動車駆動用モータに送る。   With the above-described configuration, when the electrical energy is converted into kinetic energy as rotational motion of the flywheel 16 and stored, the stator is energized. For example, when the energy storage device having the above-described configuration is incorporated in an electric vehicle, the electric vehicle driving motor and the stator are electrically connected when the electric vehicle is decelerated (including when braking), and the electric vehicle driving motor is The generated power is passed through the stator. As a result, the motor 23 functions as a motor and rotates the rotating body 15 together with the flywheel 16. On the other hand, when the electric vehicle is accelerated, for example, the energy stored as kinetic energy in the flywheel 16 is converted into electric energy and is taken out, and when the electric vehicle driving motor is energized, the motor 23 is used as a generator. The electric power extracted from the stator is sent to the electric vehicle driving motor.

図２は、本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す回転体のアキシアル方向（鉛直方向）の断面図、図３は、本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す回転体のラジアル方向（水平方向）の断面図、図４は、本発明の実施の形態に係る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。   FIG. 2 is a sectional view in the axial direction (vertical direction) of the rotating body showing the main part of the mechanical part of the magnetic bearing device according to the embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a magnetic diagram according to the embodiment of the present invention. Sectional view in radial direction (horizontal direction) of rotating body showing main part of mechanical part of bearing device, FIG. 4 is a block diagram showing an example of an electrical configuration of the magnetic bearing device according to the embodiment of the present invention. It is.

本実施の形態に係る磁気軸受装置は、ケーブルにより接続された機械本体１及びコントローラ２を備えている。本実施の形態に係る磁気軸受装置は、鉛直円筒状のケーシング４の内側で鉛直軸状の回転体５が回転する縦置き型である。図２及び図３に示すように、回転体１５のアキシアル方向（鉛直方向）の中心軸をＺ軸、Ｚ軸と直交するとともに互いに直交する２つのラジアル方向（水平方向）の軸をＸ軸及びＹ軸とする。   The magnetic bearing device according to the present embodiment includes a machine body 1 and a controller 2 connected by a cable. The magnetic bearing device according to the present embodiment is a vertical type in which a vertical shaft-like rotating body 5 rotates inside a vertical cylindrical casing 4. As shown in FIGS. 2 and 3, the axial axis (vertical direction) of the rotator 15 is centered in the Z axis, and two radial (horizontal) axes orthogonal to the Z axis and orthogonal to each other are the X axis and The Y axis is assumed.

機械本体１は、回転体１５をアキシアル方向の２箇所においてそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向に非接触支持する上下２組のゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受２１、２２、回転体１５の上記２箇所におけるＸ軸方向及びＹ軸方向の位置をそれぞれ検出するための位置検出部（位置検出手段）９を構成するラジアル位置センサユニット２４、２５、回転体１５を高速回転させるためのビルトイン型モータ２３、ならびに回転体１５のアキシアル方向及びラジアル方向の可動範囲を規制する上下２組の保護（タッチダウン）軸受１７、１８を備えている。保護軸受１７、１８は、回転体１５をラジアル磁気軸受２１、２２で支持することができなくなった場合に、可動範囲の極限位置において回転体１５を機械的に支持する機械的規制手段である。なお、説明の便宜上、上部のラジアル磁気軸受２１におけるＸ軸方向の軸を上部Ｘ軸、Ｙ軸方向の軸を上部Ｙ軸とし、下部のラジアル磁気軸受２２におけるＸ軸方向の軸を下部Ｘ軸、Ｙ軸方向の軸を下部Ｙ軸とする。また、アキシアル磁気軸受とアキシアルセンサユニットについては標記を省略した。   The machine body 1 includes two sets of upper and lower radial magnetic bearings 21 and 22 of the zero bias control system that support the rotating body 15 in the X axis direction and the Y axis direction at two locations in the axial direction. Radial position sensor units 24 and 25 constituting a position detection unit (position detection means) 9 for detecting positions in the X-axis direction and the Y-axis direction at each location, and a built-in type motor 23 for rotating the rotating body 15 at high speed And two sets of upper and lower protective (touch-down) bearings 17 and 18 for restricting the movable range of the rotating body 15 in the axial direction and the radial direction. The protective bearings 17 and 18 are mechanical regulating means for mechanically supporting the rotating body 15 in the limit position of the movable range when the rotating body 15 cannot be supported by the radial magnetic bearings 21 and 22. For convenience of explanation, the X-axis direction axis of the upper radial magnetic bearing 21 is the upper X-axis, the Y-axis direction axis is the upper Y-axis, and the X-axis direction axis of the lower radial magnetic bearing 22 is the lower X-axis. The axis in the Y-axis direction is the lower Y-axis. Also, the notation is omitted for the axial magnetic bearing and the axial sensor unit.

コントローラ２は、センサ回路３１、電磁石駆動手段としての電磁石駆動回路（電磁石駆動手段）３２、インバータ３３及びＤＳＰボード（電磁石制御信号出力手段）３４を備えており、ＤＳＰボード３４は、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段としてのＤＳＰ３５、ＲＯＭ３６、記憶手段としてのフラッシュメモリ３７、ＡＤ変換器３８及びＤＡ変換器３９を有している。なお、ＤＳＰとは、ディジタル信号処理プロセッサの略語であり、ディジタル信号処理プロセッサとは、ディジタル信号を入力してディジタル信号を出力し、ソフトウェアプログラムが可能で、高速実時間処理が可能な専用ハードウェアを意味する。   The controller 2 includes a sensor circuit 31, an electromagnet drive circuit (electromagnet drive means) 32 as an electromagnet drive means, an inverter 33, and a DSP board (electromagnet control signal output means) 34. The DSP board 34 can be a software program. It has a DSP 35 and a ROM 36 as digital processing means, a flash memory 37 as a storage means, an AD converter 38 and a DA converter 39. The DSP is an abbreviation for a digital signal processor, and the digital signal processor is a dedicated hardware capable of inputting a digital signal and outputting the digital signal, enabling software programs, and performing high-speed real-time processing. Means.

位置検出部９は、回転体１５の上部Ｘ軸方向、上部Ｙ軸方向、下部Ｘ軸方向、及び下部Ｙ軸方向の位置を検出するための上下２組のラジアル位置センサユニット２４、２５を備えている。   The position detector 9 includes two sets of upper and lower radial position sensor units 24 and 25 for detecting the position of the rotating body 15 in the upper X-axis direction, upper Y-axis direction, lower X-axis direction, and lower Y-axis direction. ing.

２組のゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受２１、２２は、上下方向に所定の間隔をおいて配置してあり、ラジアル磁気軸受２１、２２の間にモータ２３が配置されている。上部のラジアル磁気軸受２１は、回転体１５を上部Ｘ軸方向の両側から挟むように配置されて回転体１５を磁気吸引する１対のラジアル電磁石２７ａ、２７ｂ、及び回転体１５を上部Ｙ軸方向の両側から挟むように配置されて回転体１５を磁気吸引する１対のラジアル電磁石２７ｃ、２７ｄを備えている。これらのラジアル電磁石は、符号２７で総称する。同様に、下部のラジアル磁気軸受２２も、２対のラジアル電磁石２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄを備えている。これらのラジアル電磁石も、符号２８で総称する。ラジアル磁気軸受２１、２２は、少なくとも同一方向の１対の電磁石には、同じ特性のものが使用される。全てのラジアル電磁石２７、２８に同じ特性のものが使用されることが好ましい。   The two sets of radial magnetic bearings 21 and 22 of the zero bias control system are arranged at predetermined intervals in the vertical direction, and the motor 23 is arranged between the radial magnetic bearings 21 and 22. The upper radial magnetic bearing 21 is disposed so as to sandwich the rotating body 15 from both sides in the upper X-axis direction, and a pair of radial electromagnets 27a and 27b that magnetically attract the rotating body 15 and the rotating body 15 in the upper Y-axis direction. A pair of radial electromagnets 27c and 27d that magnetically attract the rotating body 15 are provided so as to be sandwiched from both sides of the rotating body 15. These radial electromagnets are collectively designated by reference numeral 27. Similarly, the lower radial magnetic bearing 22 includes two pairs of radial electromagnets 28a, 28b, 28c, and 28d. These radial electromagnets are also collectively designated by reference numeral 28. The radial magnetic bearings 21 and 22 have the same characteristics for at least one pair of electromagnets in the same direction. It is preferable that all radial electromagnets 27 and 28 have the same characteristics.

上部のラジアル位置センサユニット２４は、上部のラジアル磁気軸受２１の近傍に配置してあり、上部Ｘ軸方向のラジアル電磁石２７ａ、２７ｂの近傍において上部Ｘ軸方向の両側から回転体１５を挟むように配置された１対の上部ラジアル位置センサ２９ａ、２９ｂ、及び上部Ｙ軸方向のラジアル電磁石２７ｃ、２７ｄの近傍において上部Ｙ軸方向の両側から回転体１５を挟むように配置された１対の上部ラジアル位置センサ２９ｃ、２９ｄを備えている。これらのラジアル位置センサは、符号２９で総称する。同様に、下部のラジアル位置センサユニット２５は、下部のラジアル磁気軸受２２の近傍に配置されており、２対の下部ラジアル位置センサ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを備えている。これらのラジアル位置センサも、符号３０で総称する。各ラジアル位置センサユニット２４、２５は、回転体１５の外周面との空隙の大きさに比例する距離信号を出力する。   The upper radial position sensor unit 24 is disposed in the vicinity of the upper radial magnetic bearing 21 so as to sandwich the rotating body 15 from both sides in the upper X-axis direction in the vicinity of the radial electromagnets 27a and 27b in the upper X-axis direction. A pair of upper radial position sensors 29a, 29b and a pair of upper radial positions arranged so as to sandwich the rotating body 15 from both sides in the upper Y-axis direction in the vicinity of the upper Y-axis direction radial electromagnets 27c, 27d. Position sensors 29c and 29d are provided. These radial position sensors are collectively referred to by reference numeral 29. Similarly, the lower radial position sensor unit 25 is disposed in the vicinity of the lower radial magnetic bearing 22 and includes two pairs of lower radial position sensors 30a, 30b, 30c, and 30d. These radial position sensors are also collectively referred to by reference numeral 30. Each radial position sensor unit 24, 25 outputs a distance signal proportional to the size of the gap with the outer peripheral surface of the rotating body 15.

なお、ラジアル電磁石２７、２８及びラジアル位置センサ２９、３０は、ケーシング４に固定されている。   The radial electromagnets 27 and 28 and the radial position sensors 29 and 30 are fixed to the casing 4.

また、上部の保護軸受１７は、例えば深みぞ玉軸受等の転がり軸受よりなり、ラジアル方向の荷重を受けられるようになっている。下部の保護軸受１８も、例えば深みぞ玉軸受等の転がり軸受よりなり、アキシアル方向の荷重とラジアル方向の荷重との両方を受けられるようになっている。そして、保護軸受１８と回転体１５との間のアキシアル方向の空隙の大きさにより、回転体１５のアキシアル方向の可動範囲が規制され、保護軸受１７、１８と回転体１５との間のラジアル方向の空隙の大きさにより、回転体１５のラジアル方向の可動範囲が規制される。これにより、回転体１５が可動範囲の極限位置において保護軸受１７、１８により支持されている状態でも、回転体１５とラジアル電磁石２７、２８及び位置センサ２９、３０との間には空隙があり、回転体１５はラジアル電磁石２７、２８及び位置センサ２９、３０に接触することはない。   The upper protective bearing 17 is a rolling bearing such as a deep groove ball bearing, for example, and can receive a load in the radial direction. The lower protective bearing 18 is also composed of a rolling bearing such as a deep groove ball bearing, for example, and can receive both an axial load and a radial load. The axial movable range of the rotating body 15 is restricted by the size of the gap in the axial direction between the protective bearing 18 and the rotating body 15, and the radial direction between the protective bearings 17, 18 and the rotating body 15 is restricted. The movable range in the radial direction of the rotating body 15 is regulated by the size of the gap. Thus, even when the rotating body 15 is supported by the protective bearings 17 and 18 at the extreme position of the movable range, there is a gap between the rotating body 15 and the radial electromagnets 27 and 28 and the position sensors 29 and 30. The rotating body 15 does not contact the radial electromagnets 27 and 28 and the position sensors 29 and 30.

コントローラ２のセンサ回路３１は、位置検出部９の各位置センサ２９、３０を駆動し、各位置センサ２９、３０の出力である距離信号に基づいて、回転体１５の上下のラジアル位置センサユニット２４、２５におけるＸ軸方向及びＹ軸方向の位置を演算し、その演算結果である位置信号をＡＤ変換器３８を介してＤＳＰ３５に出力する。位置検出部９及びセンサ回路３１により、回転体１５のラジアル方向の位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出手段としての位置検出装置が構成されている。   The sensor circuit 31 of the controller 2 drives the position sensors 29 and 30 of the position detector 9, and the radial position sensor units 24 above and below the rotating body 15 based on the distance signals that are the outputs of the position sensors 29 and 30. , 25, the position in the X-axis direction and the Y-axis direction is calculated, and a position signal as a result of the calculation is output to the DSP 35 via the AD converter 38. The position detection unit 9 and the sensor circuit 31 constitute a position detection device as position detection means for detecting the position of the rotating body 15 in the radial direction and outputting a position detection signal.

ＲＯＭ３６には、ＤＳＰ３５における処理プログラムなどが格納されている。フラッシュメモリ３７には、磁気軸受の制御パラメータを記憶した制御パラメータテーブルなどが設けられている。ＤＳＰ３５は、ＡＤ変換器３８から入力する回転体１５の位置を表わすディジタル位置信号に基づいて、ゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受２１、２２の各ラジアル電磁石２７、２８に対する制御電流信号（電磁石制御信号）をＤＡ変換器３９を介して電磁石駆動回路３２に出力する。そして、電磁石駆動回路３２は、ＤＳＰ３５からの制御電流信号に基づく制御電流を対応するラジアル磁気軸受２１、２２のラジアル電磁石２７、２８に供給し、これにより、回転体１５が目標浮上位置に非接触支持される。ＤＳＰ３５により、浮上位置信号及び位置検出信号に基づいて電磁石制御信号を出力する電磁石制御信号出力手段が構成されている。   The ROM 36 stores a processing program for the DSP 35 and the like. The flash memory 37 is provided with a control parameter table that stores control parameters for the magnetic bearing. The DSP 35 controls the control current signal (electromagnet control signal) for the radial electromagnets 27 and 28 of the radial magnetic bearings 21 and 22 of the zero bias control system based on the digital position signal representing the position of the rotating body 15 input from the AD converter 38. ) To the electromagnet drive circuit 32 via the DA converter 39. Then, the electromagnet drive circuit 32 supplies a control current based on the control current signal from the DSP 35 to the corresponding radial electromagnets 27 and 28 of the radial magnetic bearings 21 and 22, whereby the rotating body 15 is not in contact with the target floating position. Supported. The DSP 35 constitutes an electromagnet control signal output means for outputting an electromagnet control signal based on the flying position signal and the position detection signal.

図５は、コントローラ２の構成のうち、ラジアル方向のラジアル磁気軸受２１における１対のラジアル電磁石２７ａ、２７ｂの制御に関する部分だけを示した部分ブロック図である。次に、図５を参照して、コントローラ２による１対のラジアル電磁石２７ａ、２７ｂの制御について説明する。   FIG. 5 is a partial block diagram showing only the part related to the control of the pair of radial electromagnets 27 a and 27 b in the radial magnetic bearing 21 in the radial direction in the configuration of the controller 2. Next, control of the pair of radial electromagnets 27a and 27b by the controller 2 will be described with reference to FIG.

センサ回路３１により出力された位置信号Ｘｓは、ＡＤ変換器３８によりディジタル値Ｘｓｄに変換され、ＤＳＰ３５に入力される。ＤＳＰ３５は、変換されたディジタル値Ｘｓｄに基づいて、ラジアル電磁石２７ａ、２７ｂに対するディジタル制御電流信号ＩｃｄをＤＡ変換器３９に出力する。   The position signal Xs output from the sensor circuit 31 is converted into a digital value Xsd by the AD converter 38 and input to the DSP 35. The DSP 35 outputs a digital control current signal Icd for the radial electromagnets 27 a and 27 b to the DA converter 39 based on the converted digital value Xsd.

一方の電力増幅器４１により増幅した制御電流、あるいは他方の電力増幅器４２により増幅した制御電流は、外力により生じた回転体１５の磁気的中心位置に対する変位に基づいて、回転体１５に対して該外力に抗する電磁石による吸引力を作用させるために回転体１５の浮上位置を移動させる。その結果、回転体１５は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の磁気的中心位置から移動し、該外力に抗する電磁石による吸引力が作用する位置までシフトする。   The control current amplified by one power amplifier 41 or the control current amplified by the other power amplifier 42 is applied to the rotating body 15 based on the displacement of the rotating body 15 with respect to the magnetic center position caused by the external force. The floating position of the rotating body 15 is moved in order to apply an attractive force by an electromagnet that resists the above. As a result, the rotator 15 moves from the magnetic center position in the X-axis direction and the Y-axis direction, and shifts to a position where an attractive force by the electromagnet against the external force acts.

図６は、回転体１５がシフトした状態を示すラジアル方向（水平方向）の断面図である。図６中の白抜き矢印で示すように、外力がラジアル電磁石２７ｂとラジアル電磁石２７ｃとの間に作用する場合、回転体１５は、一点鎖線で示す磁気的中心位置から、該外力に抗する方向、すなわちラジアル電磁石２７ａとラジアル電磁石２７ｄとの間の方向へとシフトし、実線で表す位置へと移動する。すなわち、回転体１５の中心点Ｏ１がＯ２へとシフトする。   FIG. 6 is a sectional view in the radial direction (horizontal direction) showing a state in which the rotating body 15 is shifted. When the external force acts between the radial electromagnet 27b and the radial electromagnet 27c, as shown by the white arrow in FIG. 6, the rotating body 15 is in a direction against the external force from the magnetic center position indicated by the alternate long and short dash line. That is, it shifts in the direction between the radial electromagnet 27a and the radial electromagnet 27d and moves to the position indicated by the solid line. That is, the center point O1 of the rotator 15 is shifted to O2.

一般に、電磁石の発生する磁気吸引力ｆｍは、（数１）で表すことができる。なお、（数１）において、Ｎは電磁石のコイルの巻数を、μ０は真空の透磁率を、Ｓは磁路面積を、ｉはコイルに供給する電流を、ｘは電磁石とロータ（回転体）との空隙（エアギャップ）を、それぞれ示している。   In general, the magnetic attractive force fm generated by the electromagnet can be expressed by (Equation 1). In (Equation 1), N is the number of turns of the electromagnet coil, μ0 is the vacuum permeability, S is the magnetic path area, i is the current supplied to the coil, and x is the electromagnet and rotor (rotating body). And air gaps (air gaps).

（数１）
ｆｍ＝（Ｎ2・μ０・Ｓ・ｉ2）／（２ｘ）2 (Equation 1)
fm = (N 2 · μ 0 · S · i 2 ) / (2x) 2

したがって、外力に抗する磁気吸引力ｆｍを増大させるためには、回転体１５の浮上位置を磁気的中心位置に維持する場合、すなわち電磁石と回転体との空隙ｘが一定である場合には、コイルに供給する電流ｉを増加する必要がある。   Therefore, in order to increase the magnetic attractive force fm against the external force, when the floating position of the rotating body 15 is maintained at the magnetic center position, that is, when the gap x between the electromagnet and the rotating body is constant, It is necessary to increase the current i supplied to the coil.

それに対して、本実施の形態のように、回転体１５の浮上位置を移動させる場合、すなわちラジアル電磁石２７ａ及びラジアル電磁石２７ｄと回転体１５との空隙ｘを減少させる場合、（数１）より外力に抗する磁気吸引力ｆｍが増大することから、コイルに供給する電流ｉを増加させることなく、外力に抗する磁気吸引力ｆｍを発生することが可能となる。これにより、コイルに供給する電流ｉ、すなわち上述した制御電流を増加させることなく、回転体１５を支持するのに必要な磁気吸引力を得ることができ、磁気軸受装置の消費電力を増加させることなく、フライホイールエネルギ貯蔵装置のエネルギ貯蔵効率の低下を抑制することが可能となる。   On the other hand, when the floating position of the rotating body 15 is moved as in the present embodiment, that is, when the gap x between the radial electromagnet 27a and the radial electromagnet 27d and the rotating body 15 is reduced, the external force is greater than (Equation 1). Therefore, the magnetic attraction force fm against the external force can be generated without increasing the current i supplied to the coil. Thereby, the magnetic attraction force required to support the rotating body 15 can be obtained without increasing the current i supplied to the coil, that is, the control current described above, and the power consumption of the magnetic bearing device can be increased. It is possible to suppress a decrease in energy storage efficiency of the flywheel energy storage device.

図７は、従来のゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受のように、浮上位置を磁気的中心位置に固定した場合のラジアル電磁石２７ａの制御電流値等の変化を示すタイムチャートである。図８は、本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置におけるラジアル電磁石２７ａの制御電流値等の変化を示すタイムチャートである。なお、図８では説明を簡単にするため、外力がＸ軸の負方向に作用した場合についてタイムチャートを示す。図７及び図８において、（ａ）は回転体１５に作用するＸ軸方向の外力、（ｂ）は外力が作用する方向と反対側に位置するラジアル電磁石２７ａの制御電流値、（ｃ）は外力が作用する方向に位置し、ラジアル電磁石２７ａと対になるラジアル電磁石２７ｂの制御電流値、（ｄ）は回転体１５のＸ軸方向の浮上位置、（ｅ）は積分出力を表している。（ａ）の外力は、Ｘ軸の負方向を正とする。また、浮上位置は外力が作用する方向、すなわちＸ軸の負方向を負とする。   FIG. 7 is a time chart showing changes in the control current value and the like of the radial electromagnet 27a when the flying position is fixed at the magnetic center position as in a conventional zero bias control type radial magnetic bearing. FIG. 8 is a time chart showing changes in the control current value and the like of the radial electromagnet 27a in the magnetic bearing device according to the embodiment of the present invention. In addition, in order to simplify description in FIG. 8, a time chart is shown for a case where an external force acts in the negative direction of the X axis. 7 and 8, (a) is the external force in the X-axis direction acting on the rotating body 15, (b) is the control current value of the radial electromagnet 27a located on the opposite side to the direction in which the external force acts, and (c) is The control current value of the radial electromagnet 27b which is located in the direction in which the external force acts and is paired with the radial electromagnet 27a, (d) represents the floating position of the rotating body 15 in the X-axis direction, and (e) represents the integral output. In the external force (a), the negative direction of the X axis is positive. The floating position is negative in the direction in which an external force acts, that is, the negative direction of the X axis.

まず図７を参照して、浮上位置を磁気的中心位置に固定する従来のゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受装置について説明する。   First, with reference to FIG. 7, a conventional zero bias control type radial magnetic bearing device for fixing the flying position to the magnetic center position will be described.

従来のゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受装置では、図７（ａ）の左側部分に示すように、外力が０（ゼロ）の間は、積分出力は０で、制御電流は０であり、ラジアル電磁石２７ａ、２７ｂに供給される電流値は理想的には０（ゼロ）Ａに等しい。図７（ａ）の右側部分に示すように、所定の外力が作用した場合、図７（ｅ）のように積分出力もそれに比例して増加する。それに伴い制御電流値も比例して増加するため、図７（ｂ）のように外力が作用する方向と反対側に位置するラジアル電磁石２７ａの制御電流値は増加して、外力に抗する磁気吸引力を生ずる値で一定となる。また、図７（ｃ）のように外力が作用する方向に位置し、ラジアル電磁石２７ａと対になるラジアル電磁石２７ｂの制御電流値は変化せず０（ゼロ）Ａである。したがって、浮上位置は図７（ｄ）のようにＸ軸の磁気的中心位置０で一定となる。   In the conventional radial magnetic bearing device of the zero bias control system, as shown in the left part of FIG. 7A, when the external force is 0 (zero), the integral output is 0 and the control current is 0. The current value supplied to the electromagnets 27a and 27b is ideally equal to 0 (zero) A. As shown in the right part of FIG. 7A, when a predetermined external force is applied, the integrated output also increases in proportion thereto as shown in FIG. 7E. Accordingly, the control current value also increases proportionally, so that the control current value of the radial electromagnet 27a located on the opposite side to the direction in which the external force acts as shown in FIG. It is constant at the value that generates force. Further, as shown in FIG. 7C, the control current value of the radial electromagnet 27b which is located in the direction in which the external force acts and is paired with the radial electromagnet 27a does not change and is 0 (zero) A. Therefore, the flying position is constant at the magnetic center position 0 of the X axis as shown in FIG.

次に、図８を参照して、本実施の形態に係る磁気軸受装置の動作の一例について説明する。   Next, an example of the operation of the magnetic bearing device according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

磁気軸受装置の制御が開始すると、浮上位置信号Ｘoを０（＝磁気的中心位置）に設定し、回転体１５の磁気浮上を開始する。これにより、回転体１５は、まず磁気的中心位置に支持される。ラジアル方向であるＸ軸の正方向に外力が作用するまでの期間は、従来のゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受装置と同様、図８（ａ）の左側部分に示すように、外力が０（ゼロ）の間は、積分出力は０で、制御電流は０であり、ラジアル電磁石２７ａ、２７ｂに供給される電流値は理想的には０（ゼロ）Ａに等しい。   When the control of the magnetic bearing device is started, the flying position signal Xo is set to 0 (= magnetic center position), and the magnetic levitation of the rotating body 15 is started. Thereby, the rotating body 15 is first supported at the magnetic center position. In the period until the external force acts in the positive direction of the X axis, which is the radial direction, as in the conventional radial magnetic bearing device of the zero bias control system, as shown in the left part of FIG. Zero), the integral output is 0, the control current is 0, and the current value supplied to the radial electromagnets 27a and 27b is ideally equal to 0 (zero) A.

図８（ａ）の右側部分に示すように、所定の外力が作用した場合、図８（ｅ）のように積分出力もそれとともに増加する。それに伴って制御電流値が増加することを抑制すべく、回転体１５を図８（ｄ）のように、Ｘ軸の負方向にＸ１までシフトする。   As shown in the right part of FIG. 8 (a), when a predetermined external force is applied, the integrated output increases with it as shown in FIG. 8 (e). In order to suppress an increase in the control current value associated therewith, the rotating body 15 is shifted to X1 in the negative direction of the X axis as shown in FIG.

これにより、図８（ｂ）のように外力が作用する方向と反対側に位置するラジアル電磁石２７ａの制御電流値は、回転体１５のシフト時には増加するものの、移動後は０（ゼロ）Ａに収束する。また、図８（ｃ）のように外力が作用する方向に位置し、ラジアル電磁石２７ａと対になるラジアル電磁石２７ｂの制御電流値は変化せず、０（ゼロ）Ａのままである。   As a result, the control current value of the radial electromagnet 27a located on the side opposite to the direction in which the external force acts as shown in FIG. 8B increases when the rotating body 15 is shifted, but becomes 0 (zero) A after the movement. Converge. Further, as shown in FIG. 8C, the control current value of the radial electromagnet 27b which is located in the direction in which the external force acts and is paired with the radial electromagnet 27a does not change and remains 0 (zero) A.

したがって、回転体１５の浮上位置を、外力が作用する方向と反対側へシフトすることにより、励磁電流の積分値で求めることができる消費電力を大きく減少することができ、フライホイールエネルギ貯蔵装置のエネルギ貯蔵効率の低下を大きく抑制することが可能となる。   Therefore, by shifting the floating position of the rotator 15 to the side opposite to the direction in which the external force acts, the power consumption that can be obtained by the integral value of the excitation current can be greatly reduced, and the flywheel energy storage device It becomes possible to largely suppress a decrease in energy storage efficiency.

なお、上述した実施の形態では、演算処理にＤＳＰ３５を用いているが、特に斯かる構成に限定されるものではなく、例えばパーソナルコンピュータ、マイクロプロセッサ等、ＤＳＰ以外のもので構成されてもよい。   In the above-described embodiment, the DSP 35 is used for the arithmetic processing. However, the DSP 35 is not particularly limited to such a configuration. For example, a personal computer, a microprocessor, or the like may be used.

また、本実施の形態では、回転体１５が固定部分であるケーシング４の内側で回転するインナロータ型の磁気軸受装置について説明しているが、回転体１５が固定部分であるケーシング４の外側で回転するアウタロータ型の磁気軸受装置にも適用可能であることは言うまでもない。   Further, in the present embodiment, an inner rotor type magnetic bearing device is described in which the rotating body 15 rotates inside the casing 4 which is a fixed part. However, the rotating body 15 rotates outside the casing 4 which is a fixed part. Needless to say, the present invention can also be applied to an outer rotor type magnetic bearing device.

また、本実施の形態では、ラジアル電磁石のＮＳ両極が水平方向に配置してあるヘテロポーラー型の磁気軸受装置について説明しているが、ラジアル電磁石のＮＳ両極が鉛直方向に配置してあるホモポーラー型の磁気軸受装置であっても同様の効果が期待できる。   In the present embodiment, a heteropolar type magnetic bearing device in which NS poles of a radial electromagnet are arranged in the horizontal direction is described. However, a homopolar type in which NS poles of the radial electromagnet are arranged in the vertical direction is described. The same effect can be expected even with this magnetic bearing device.

また、本実施の形態では、フライホイール１６を内蔵したハウジング１０を、ジンバル機構を介して支持していることから、例えば本発明に係るフライホイールエネルギ貯蔵装置を設置した電気自動車等の姿勢が変化した場合であっても、ハウジング１０の姿勢は、フライホイール１６のジャイロ効果により変化しない。換言すれば、フライホイール１６のジャイロ効果により、電気自動車の姿勢変化は妨げられない。   In the present embodiment, since the housing 10 incorporating the flywheel 16 is supported via the gimbal mechanism, for example, the attitude of an electric vehicle or the like in which the flywheel energy storage device according to the present invention is installed is changed. Even in this case, the attitude of the housing 10 does not change due to the gyro effect of the flywheel 16. In other words, the attitude change of the electric vehicle is not hindered by the gyro effect of the flywheel 16.

したがって、図１に示したフライホイールエネルギ貯蔵装置を電気自動車の減速時のエネルギ貯蔵装置として使用した場合に、電気自動車の運動性能を悪化させることはない。しかも、図１に示した様に、フライホイール１６及び発電機を兼ねるモータ２３を、保護軸受１７、１８の間に配置することにより、これら両軸受１７、１８同士の間隔を大きくした場合、外部振動により回転体１５が傾斜しにくい構造を実現することができる。よって、使用時に複雑な振動が加わり易い、電気自動車の減速時のエネルギ貯蔵装置として使用するのに適した構造を実現することが可能となる。   Therefore, when the flywheel energy storage device shown in FIG. 1 is used as an energy storage device during deceleration of an electric vehicle, the motion performance of the electric vehicle is not deteriorated. In addition, as shown in FIG. 1, when the motor 23, which also serves as the flywheel 16 and the generator, is disposed between the protective bearings 17 and 18, the distance between the two bearings 17 and 18 is increased. It is possible to realize a structure in which the rotating body 15 is not easily inclined by vibration. Therefore, it is possible to realize a structure suitable for use as an energy storage device during deceleration of an electric vehicle, in which complicated vibrations are easily applied during use.

本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置を備えるフライホイールエネルギ貯蔵装置の構成例を示す回転体の中心軸を含む面での断面図である。It is sectional drawing in the surface containing the central axis of the rotary body which shows the structural example of the flywheel energy storage apparatus provided with the magnetic bearing apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す回転体のアキシアル方向（鉛直方向）の断面図である。It is sectional drawing of the axial direction (vertical direction) of the rotary body which shows the principal part of the mechanical part of the magnetic bearing apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す回転体のラジアル方向（水平方向）の断面図である。It is sectional drawing of the radial direction (horizontal direction) of the rotary body which shows the principal part of the mechanical part of the magnetic bearing apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る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。It is a block diagram which shows an example of the electrical constitution of the magnetic bearing apparatus which concerns on embodiment of this invention. コントローラの構成のうち、ラジアル方向の磁気軸受における１対のラジアル電磁石の制御に関する部分だけを示した部分ブロック図である。It is the partial block diagram which showed only the part regarding control of a pair of radial electromagnet in the radial direction magnetic bearing among the structures of a controller. 回転体がシフトした状態を示すラジアル方向（水平方向）の断面図である。It is sectional drawing of the radial direction (horizontal direction) which shows the state which the rotary body shifted. 浮上位置を磁気的中心位置に固定した場合のラジアル電磁石の制御電流値等の変化を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the change of the control current value etc. of a radial electromagnet when a floating position is fixed to a magnetic center position. 本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置におけるラジアル電磁石の制御電流値等の変化を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows changes, such as a control current value of a radial electromagnet in a magnetic bearing device concerning an embodiment of the invention.

符号の説明Explanation of symbols

９ 位置検出部（位置検出手段）
１５ 回転体
１６ フライホイール
２１、２２ ラジアル磁気軸受
２３ モータ
２７、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ、２８、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ ラジアル電磁石
３４ ＤＳＰボード（電磁石制御信号出力手段）
３２ 電磁石駆動回路（電磁石駆動手段）
３５ ＤＳＰ 9 Position detector (position detector)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Rotating body 16 Flywheel 21, 22 Radial magnetic bearing 23 Motor 27, 27a, 27b, 27c, 27d, 28, 28a, 28b, 28c, 28d Radial electromagnet 34 DSP board (electromagnet control signal output means)
32 Electromagnet drive circuit (electromagnet drive means)
35 DSP

Claims (2)

フライホイールを備える回転体を、複数対の電磁石の磁力により、前記回転体の中心軸方向及び前記回転体の中心軸のラジアル方向に非接触支持して、磁気浮上するよう構成してある磁気軸受装置において、
前記ラジアル方向で、前記回転体を両側から挟むように配置された複数組の電磁石に対する前記回転体の位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出手段と、
該位置検出手段が出力した位置検出信号に基づいて少なくとも積分出力を含む電磁石制御信号を出力する電磁石制御信号出力手段と、
該電磁石制御信号出力手段が出力した電磁石制御信号に基づいて前記電磁石を駆動する電磁石駆動手段とを備え、
前記電磁石制御信号出力手段は、前記回転体に前記ラジアル方向の外力が作用した場合、該外力に抗する電磁石による磁力を作用させるために前記回転体の浮上位置を移動させる電磁石制御信号を出力するよう構成してあることを特徴とする磁気軸受装置。 A magnetic bearing configured to magnetically levitate by supporting a rotating body including a flywheel in a non-contact manner in a central axis direction of the rotating body and a radial direction of the central axis of the rotating body by the magnetic force of a plurality of pairs of electromagnets. In the device
Position detecting means for detecting a position of the rotating body with respect to a plurality of sets of electromagnets arranged so as to sandwich the rotating body from both sides in the radial direction and outputting a position detection signal;
Electromagnet control signal output means for outputting an electromagnet control signal including at least an integral output based on the position detection signal output by the position detection means;
Electromagnet drive means for driving the electromagnet based on the electromagnet control signal output by the electromagnet control signal output means,
The electromagnet control signal output means outputs an electromagnet control signal for moving the floating position of the rotating body in order to apply a magnetic force by the electromagnet against the external force when an external force in the radial direction is applied to the rotating body. A magnetic bearing device characterized by being configured as described above. 請求項１記載の磁気軸受装置を備え、前記回転体の中間部分に発電機を兼ねたモータを備えることを特徴とするフライホイールエネルギ貯蔵装置。   A flywheel energy storage device comprising: the magnetic bearing device according to claim 1, and a motor serving as a generator at an intermediate portion of the rotating body.
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