JP2006090539A - Magnetic bearing - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は磁気吸引力によって浮上させる磁気浮上装置の制御に関するものであって磁気軸受と総称する支持装置の制御方法を改良して磁気軸受の性能を向上させる技術に関わる。 The present invention relates to control of a magnetic levitation device that is levitated by a magnetic attractive force, and relates to a technique for improving the performance of a magnetic bearing by improving a control method of a support device generally called a magnetic bearing.
従来から磁気軸受や、磁気吸引力によって浮上させる磁気浮上装置の制御は、支持体と浮上体との間の相対距離を検出する位置検出装置を備え、位置検装置の出力信号を微分して速度信号を得た上で位置検出装置の出力信号と、速度信号を帰還増幅器に入力して軸受装置である電磁石の磁化力を調節して磁気浮上力を安定に浮上させるべく制御する負帰還ループで構成されている。 Conventionally, the control of a magnetic bearing or a magnetic levitation device that is levitated by a magnetic attraction force has been provided with a position detection device that detects the relative distance between the support and the levitation body, and the output signal of the position detection device is differentiated to speed. In the negative feedback loop that controls the magnetic levitation force stably by obtaining the signal and adjusting the magnetizing force of the electromagnet that is the bearing device by inputting the output signal of the position detection device and the speed signal to the feedback amplifier. It is configured.
位置検出装置の出力信号を微分する際に高域ノイズが含まれ易く,ローパスフィルターを用いている。また、処理速度の高いコンピューターを使用して数値計算を行っても、高域ノイズを除去しようとすると時間遅れが避けられず、制御ループが不安定になり易いので位置検出装置の出力を微分して変化速度計測に替えて予測制御なども用いられている。 When differentiating the output signal of the position detection device, high-frequency noise is likely to be included, and a low-pass filter is used. In addition, even if numerical calculation is performed using a computer with high processing speed, a time delay is unavoidable when trying to remove high-frequency noise, and the control loop tends to become unstable, so the output of the position detection device is differentiated. Therefore, predictive control is also used instead of change rate measurement.
従来技術による距離検装置の出力の微分操作は、原理的には正しい手段であるが、磁気軸受や磁気吸引力によって浮上させる磁気浮上式搬送装置などに適用する場合で、特に高速回転する磁気軸受に適用する場合には、回転体の加工精度誤差や、表面粗さや回転に伴う遠心力による回転体の弾性歪による変位や振動、更に軸受制御に伴う漏洩磁束変動などの影響が位置検装置の出力信号に混入しやすく、距離検出器の出力を微分する際にそれらがノイズとして出力されて、磁気軸受などを良好に制御することを妨げている。 The differential operation of the output of the distance measuring device according to the prior art is a correct means in principle, but when applied to a magnetic bearing or a magnetic levitation transport device that is levitated by a magnetic attractive force, especially a magnetic bearing that rotates at high speed. When applied to the position detection device, the positioning accuracy is affected by the processing accuracy error of the rotating body, the displacement and vibration due to the elastic distortion of the rotating body due to the surface roughness and the centrifugal force accompanying the rotation, and the fluctuation of the leakage magnetic flux accompanying the bearing control. They are easily mixed into the output signal, and when the output of the distance detector is differentiated, they are output as noise, preventing good control of the magnetic bearing and the like.
また、微分操作は原理的に高域利得が大きくなるので、正確な微分出力信号波形を得ることが困難であり、軸の回転角度に同期して相対位置検出器の出力に修正を加えるなどの対策が採られていたが、抜本的な解決には至らず、DSPなどを用いた対症療法的な手段によって磁気浮上を実現していた。 In addition, since the high frequency gain is increased in principle in the differential operation, it is difficult to obtain an accurate differential output signal waveform, and the output of the relative position detector is corrected in synchronization with the rotation angle of the shaft. Countermeasures have been taken, but no radical solution has been achieved, and magnetic levitation has been realized by means of symptomatic treatment using DSP or the like.
また、アナログ演算による直接微分、デジタルプロセッサーによる数値微分はともに原理的にハイパスフィルターであるので、位置検出装置の出力からローパスフィルターで除去した位置検出装置の出力を微分すると、微分操作によってノイズが再生されて正常な制御を損なうなど、磁気軸受を構成する上での問題があった。 In addition, both direct differentiation by analog computation and numerical differentiation by digital processor are high-pass filters in principle, so if you differentiate the output of the position detector removed by the low-pass filter from the output of the position detector, noise will be reproduced by the differentiation operation As a result, there are problems in configuring the magnetic bearing, such as impairing normal control.
本発明はノイズによる障害の問題を解決しようとしてなされたもので、磁気吸引力で浮上している回転軸の状態を検知する検出装置が受けるノイズのレベルを下げるとともに、より正確な情報を得るために、磁気軸受電磁石の漏洩磁束のレベルが低く、且つ、磁気軸受の作動力の力学的な中心近傍に位置検出装置、または速度検出装置、または位置検出装置と速度検出装置の両方を配置することが課題となっている。 The present invention has been made in order to solve the problem of disturbance caused by noise. In order to reduce the level of noise received by a detection device that detects the state of a rotating shaft that is levitated by magnetic attraction, and to obtain more accurate information. In addition, the position of the position detecting device, the speed detecting device, or both the position detecting device and the speed detecting device is arranged near the dynamic center of the operating force of the magnetic bearing, and the leakage magnetic flux level of the magnetic bearing electromagnet is low. Has become an issue.
磁気力により浮揚支持されている対象物の軸受側からの距離の変化速度を検出する相対速度検出装置と、該相対速度検出装置の出力信号を磁気軸受の磁束を制御する回路の速度信号として磁気軸受の磁化力を制御する装置を備える磁気軸受においては原理的に相対速度を検出する速度検出装置を設けることによって相対速度信号を直接的に出力して,微分操作を経ないで軸受制御を行い安定な磁気軸受制御を実現した. A relative speed detection device that detects the speed of change of the distance from the bearing side of an object that is levitated and supported by a magnetic force, and uses the output signal of the relative speed detection device as a speed signal of a circuit that controls the magnetic flux of the magnetic bearing. In a magnetic bearing equipped with a device for controlling the magnetizing force of the bearing, in principle, a relative speed signal is directly output by providing a speed detection device that detects the relative speed, and the bearing control is performed without performing a differential operation. Stable magnetic bearing control was realized.
微分操作による高域ノイズが再生される問題を解決すべく、相対速度を理学上の原理に基づいて検出する速度検出器を設けることによって、相対速度信号を直接的に出力して磁気軸受の制御を行い、磁気軸受などの制御型磁気浮上装置の安定な制御を実現するように構成した。 In order to solve the problem that high frequency noise due to differential operation is reproduced, a relative speed signal is directly output to control the magnetic bearing by providing a speed detector that detects the relative speed based on the theoretical principle. To achieve stable control of a control type magnetic levitation device such as a magnetic bearing.
請求項1に記載の速度検装置が浮揚支持されている前記回転軸または前記回転軸に取り付けられた導電性部分と、導電性部分に対向して軸受側に設けた電極によって形成された蓄電器と、蓄電器に直流電圧を印加する回路と蓄電器の電極間距離の変化速度に従って蓄電電器の電極に出入する電流または蓄電器の電極間の電圧を検出する回路を備えることを特徴とする請求項1に記載の磁気軸受において、相対速度検出装置として公知の静電容量の変化を利用する方法があるが、工学上の原理的な速度電気変換手段であって構造が簡単であるとともに出力の忠実度が高く原理的にS/N比が高いという特徴を備える. The accumulator formed by the rotating shaft on which the speed detecting device according to
公知の速度検出装置の一例としては、静電容量を利用する方法では静電マイクロフォンが広く知られており、検出装置としての性能の高さと、S/N比の高さはすでに実証されている。 As an example of a known speed detection device, an electrostatic microphone is widely known as a method using capacitance, and the high performance as a detection device and the high S / N ratio have already been demonstrated. .
請求項1に記載の速度検装置が浮揚支持されている前記回転軸、または回転軸に取り付けられた磁性体と、磁性体と電磁的に結合する状態で軸受側に設けたサーチコイルと、サーチコイルにバイアス磁界を与える手段と、サーチコイルと前記回転体の距離の変化速度に従ってサーチコイルに誘導された電流または電圧を検出する回路を備えることを特徴とする請求項1に記載の磁気軸受けにおいて、相対速度検出装置として公知の電磁誘導を利用する方法が知られているが、何れも工学上で原理的な速度電気変換手段であって構造が簡単であるとともに速度に対応する出力の忠実度が高く原理的にS/N比が高いという特徴を備える。 The rotating shaft on which the speed detecting device according to
公知の速度検出装置の一例としては、電磁誘導を利用する方法は電話等に広く利用されていた受話器と送話器が広く知られており、感度と忠実度が高いので長期に亘って独占的に電話に利用されていた。この技術を磁気軸受の速度検出装置に利用している。 As an example of a known speed detection device, the method using electromagnetic induction is widely known for handsets and transmitters widely used for telephones, etc., and has high sensitivity and fidelity, so it is exclusive for a long time. It was used for telephone. This technology is used in a magnetic bearing speed detection device.
明細書10乃至13項に記載の本発明において、検出装置を構成する要素として用いた速度検出手段には既に充分に性能が実証されている公知の手段であるか、または、それらを組み合わせて利用できるので磁気軸受等の浮上制御安定化を実現するためにそれらを利用した。 In the present invention described in the
明細書10乃至14項に記載の様に,本発明における速度検出手段には,既に充分に性能が実証されている公知の手段またはそれらを組み合わせるか、新たに発明される速度検出装置、新たに発見される原理を利用した速度検出装置などを利用する事によって,これらの原理及び構造を磁気軸受の浮上体と支持体との間の相対速度検出手段として用いることができる。 As described in the
請求項1乃至3に記載の磁気軸受において検出軸毎に複数個の速度検出器を設け、出力回路を差動接続して奇数次歪を減少させる機能を備える速度検出装置を構成して、理学原理による相対速度検出器の位置によって検出感度が変化するという原理的な欠陥を補正して磁気浮上制御に応用することを可能にする。 A magnetic bearing according to any one of
請求項1乃至3に記載の磁気軸受において位置検出信号によって相対速度検出器の感度を補正する手段を備えて、位置の如何を問わず速度検出信号の出力を速度に比例するように補正することを可能にする. 4. The magnetic bearing according to
請求項1乃至5に記載の磁気軸受において出力される相対速度に相当する信号を微分する装置を備え、相対速度を微分することによって磁気浮上系の相対的な加速度を知ることができ設計当上明らかな磁気軸受を構成する各部分の質量や剛性と、軸受電磁石と検出器との位置関係などから、電磁石が吸引して浮上させている力を直接的に検出することができる。 A device for differentiating a signal corresponding to the relative speed output in the magnetic bearing according to
明細書18項に記載の手段で磁気軸受の動作している力を検出が可能となり、磁気軸受などで軸受部分と浮上部分の一方か両方の剛性が低い場合や、軸受支持点が多数にのぼる場合に、装置全体の応力歪を検出できるので、良好な制御が可能になて、大型の磁気浮上装置や高速回転の磁気軸受の性能向上に利用できる。 It is possible to detect the operating force of the magnetic bearing with the means described in the
明細書18項に記載の相対速度を微分する操作は、相対速度検出器が原理的検出法による検出器であることによって初めて成立する。位置出器の出力の2階微分は理論上では可能であるが、ノイズの障害を受けやすく殆ど実現できないが、相対速度検出器の出力を微分して、明細書19項に記載の制御を行うことは容易である。 The operation for differentiating the relative speed described in the
請求項1乃至5に記載の磁気軸受において、速度検出装置の出力信号を積分する装置を備え,不定積分された出力の積分定数に位置測定装置の出力の時間平均値を与えれば,前記不定積分の出力に積分定数として回転軸の現在位置の平均値を与えることができて、速度信号積分により位置出力が得られるので、位置検出器の出力に代るか、それと複合して制御を行うことができる。 6. The magnetic bearing according to
請求項1乃至7に記載の磁気軸受において回転軸の位置と位置の変化速度の検出器または、いずれかを浮上用電磁石の磁化が作用する面の反対側を代表とする電磁石の磁化が作用する面以外の面に配置して前記電磁石の漏洩磁束または励磁電流を供給する給電線からの静電及び電磁ノイズを遮ることができる場所に検出器を装着する。 8. The magnetic bearing according to
請求項1乃至7に記載の磁気軸受において回転軸の位置と位置の変化速度の検出器または、いずれかを浮上用電磁石の磁化が作用する面の反対側を代表とする電磁石の磁化が作用する面以外の面で、前記磁気軸受電磁石の吸引力の力学的中心に近づくように配置した請求項1乃至7に記載の磁気軸受により、磁気軸受で支持する場合に磁気軸受の機能上の中心位置に検出器を装着することを可能にする。 8. The magnetic bearing according to
速度検出装置を備えて位置変化速度を直接的に検出するので、磁気浮上制御ループの安定化に必要な位置変化速度を、位置出器の出力を微分して作り出す必要がなく、速度信号に、微分に際して発生するノイズによる影響と、ノイズを除去しようとすると避けられない信号の伝達遅延による影響を除去して、磁気軸受の制御特性を改善して磁気浮上制御ループの動作を安定化できる。 Since the position change speed is detected directly with the speed detection device, it is not necessary to create the position change speed necessary for stabilizing the magnetic levitation control loop by differentiating the output of the positioner. By removing the influence of noise generated during differentiation and the influence of signal transmission delay that cannot be avoided when removing the noise, the control characteristics of the magnetic bearing can be improved and the operation of the magnetic levitation control loop can be stabilized.
非接触で電気信号を得ることを目的とする相対速度検出器は物理現象として古くから知られて居り、原理的に良質の出力信号が得られるので磁気浮上制御ループの速度帰還入力として用いれば、磁気軸受等の浮上安定化に効果的である。 Relative speed detectors aimed at obtaining electrical signals without contact have long been known as a physical phenomenon, and in principle a good quality output signal can be obtained, so if used as a speed feedback input for a magnetic levitation control loop, It is effective for stabilization of levitation of magnetic bearings.
しかし物理現象を直接的に利用する速度検出器は検出対象物との距離によって検出感度が変化し、一般に近づくと感度が高くなり、遠ざかると感度が低くなる傾向を示すので回転体の直径上に相対速度検出器気を回転体の直径上の2箇所に配置して両者の検出出力を加算することによって位置による検出感度の変化を著しく軽減する効果が得られる。 However, speed detectors that use physical phenomena directly change the detection sensitivity depending on the distance to the object to be detected. In general, the sensitivity increases when approaching, and the sensitivity decreases when moving away. By arranging the relative velocity detectors at two positions on the diameter of the rotating body and adding the detection outputs of both, the effect of remarkably reducing the change in detection sensitivity due to the position can be obtained.
また,相対位置検出器の出力によって相対速度検出器の検出感度を修正する方法でも効果が得られる. An effect can also be obtained by correcting the detection sensitivity of the relative velocity detector based on the output of the relative position detector.
位置検出器の出力の2階微分を行えば、理論的に加速度が算出されて、上記の軸受力を求められるが、微分ノイズなどが原因となって現実的には困難であり、現在までは試みられていないが、相対速度検出器の出力は原理的にノイズが少ないので微分するのに都合がよい上に、加速度を得るために2階微分の必要がなくなる。 If the second-order differentiation of the output of the position detector is performed, the acceleration is theoretically calculated and the above bearing force can be obtained. However, it is actually difficult due to differential noise, etc. Although not tried, the output of the relative velocity detector is low noise in principle, so that it is convenient to differentiate and there is no need for second order differentiation to obtain acceleration.
磁気軸受で支持する回転体の回転数数が極めて高い場合、歳差運動を伴う場合、剛性の低い回転体の場合、多数の軸受を備える回転体の場合などに適用する磁気軸受などの磁気浮揚装置に制御の安定化の可能性をもたらした。 Magnetic levitation such as magnetic bearings applied to rotating bodies supported by magnetic bearings when the number of rotations is extremely high, accompanying precession, rotating bodies with low rigidity, or rotating bodies with multiple bearings The device brought the possibility of control stabilization.
請求項1乃至5に記載の磁気軸受において出力される相対速度に相当する信号を積分する装置を備える請求項1乃至5に記載の磁気軸受けを用いれば、位置検出信号を創生することができ、位置検出装置の出力を積分定数の決定に用いれば、位置検出装置の出力よりも質の高い位置検出信号が得られる。 A position detection signal can be created by using the magnetic bearing according to any one of
請求項1乃至6に記載の磁気軸受において出力される相対速度に相当する信号を微分する装置を備える請求項1乃至6に記載の磁気軸受を用いれば、速度検出装置の出力を微分して力を求めることができるので、柔軟な回転体の場合や、磁気軸受の支持点が多数に上る場合に、制御を容易にする効果が得られる。 The magnetic bearing according to
請求項1乃至7に記載の磁気軸受において浮上対象物の位置や位置の変化速度の検出器を浮上用電磁石の磁化が作用する面の反対側を代表とする前記電磁石の磁化が作用する面以外の面に配置して検出器の出力にノイズが混入することを防止できる。 8. The magnetic bearing according to
図1は本発明の相対速度検出器を適用して成る磁気軸受の概念を説明する実施例であって、回転軸に相当する磁性円柱1を、その両端部に吸引電磁石2,2aを配置して吊り上げる形態の磁気浮上システムを説明している。なを、実用に供する磁気軸受では、円柱を挟んで吸引電磁石2,2aの反対側にも吸引電磁石を設けて、それぞれ両者が必要に応じて吸引する構造になっていて、一対の吸引電磁石で1制御軸を形成する。更に、直交方向と、円柱の軸方向にも制御軸を設けて円柱の位置と姿勢を制御するのを基本形として一般に5軸制御と呼ばれている。本説明では1軸の半分を重力加速度にゆだねて、半軸を2組示して説明する。 FIG. 1 is an embodiment for explaining the concept of a magnetic bearing to which a relative speed detector according to the present invention is applied, in which a
位置検出装置3,3aは磁性円柱1の位置に相当する電気信号を出力する。4,4aは従来の磁気軸受では使用されていなかった速度検出装置であって、磁気軸受に対する円柱の相対速度に相当する電気信号を出力する。 The
出力増幅器を兼ねる演算増幅器5,5aを加算器として用いて位置と速度による制御、即ち、PD制御を行って円柱1を安定に静止状態で浮上させる。詳細な説明は省くが、それぞれの検出装置3,4、3a,4aの加算抵抗6,7、6a,7aを介して演算増幅器に入力され、帰還抵抗8,8aを介して帰還される帰還入力と平衡してリファレンス電圧と同じ値を保って円柱1を、それぞれの磁気軸受2,2aによって安定に浮上させる。なを、リファレンス電圧は図1でref.の記号で示した。 The operational amplifiers 5 and 5a that also serve as output amplifiers are used as adders to perform control based on position and speed, that is, PD control, so that the
図2は従来から実施されている磁気軸受の概念を説明する実施例であって、図1の説明図から、更に一方の磁気軸受が省略されている。従来技術では、速度検出措置を備えないで、位置検出装置の円柱1の位置に相当する電気信号を微分して 位置検出装置の出力信号に替えている。演算増幅器9及び、抵抗11,12,13の機能は図1の実施例の説明と同じである。演算増幅器9、キャパシタ14、抵抗15で微分回路を構成して、位置の変化速度として演算増幅器10に入力している。説明は省くが、微分回路の動作には実務上の問題が多く、応答周波数大域幅やノイズの発生などが障害になって、磁気軸受が技術的に困難を伴うものとされてきた。 FIG. 2 is an embodiment for explaining the concept of a conventional magnetic bearing, in which one of the magnetic bearings is omitted from the explanatory view of FIG. In the prior art, an electric signal corresponding to the position of the
明細書36に記載の欠陥が放置されていた理由の一つには、速度検出装置の適当な物を磁気軸受関係技術者が発見できなかった所にある。以下、公知の理論と公知の技術を用いて成した本発明の、速度検出装置に関して詳細に説明をする。 One of the reasons why the defect described in the
図3のBは速度検出装置を磁気軸受に適用した一実施例の該当部分の斜視図、Aは、同断面図である。円柱1の電極16,16a,17,17a,18,18a,19,19aに対向する部分は連続で導電性表面を備えるものとすると、例えば、電極16と16aののそれぞれの端子20と20aから見ると、キャパシタを形成している。該キャパシタの静電容量はそれぞれ電極16,16aと円柱1の対向面積と、距離と、雰囲気の誘電率とによって決定され、端子20と20aとの間の静電容量は、電極16,16aによってそれぞれ形成されたキャパシタを直列に接続した値となり、円柱1、電極16,16aの電位は無関係である。但し、理論上は対向する電極の面積が充分に大きいか、電極間の距離が充分に小さい場合に限られるが、速度検出装置として考える場合には静電容量を修正する係数を用意すれば充分である。 FIG. 3B is a perspective view of a corresponding portion of an embodiment in which the speed detection device is applied to a magnetic bearing, and FIG. 3A is a sectional view thereof. If the portions of the
ストレイキャパシタンス、リークカレント等を無視して、理想的な状態を仮定すれば、電極20,20a、21,21a、22,22a、23,23a、それぞれの間に同電位差の電圧を与えるべく直流電源に接続して、円柱を半径方向に移動させると各電極間にそれぞれ速度成分に対応する電流が流れる。 If an ideal state is assumed ignoring stray capacitance, leakage current, etc., a direct current power source is used to apply a voltage having the same potential difference between the
図4は前記速度成分に対応する電流を検出して増幅する回路の一施例を示すが、回路に使用する演算増輻器24,25は入力抵抗値が高くバイアス電流の少ない演算増幅器を使用することが好ましい。本実施例では基準電圧端子35を信号接地として、端子36にプラス、37にマイナスの絶対値の等しい直流電圧を印加する。電極16には、演算増幅器24の出力端子から帰還抵抗27を介して充電電流が流れて、端子36に印加された電圧に達する、電極16aの電圧も同様にして端子37の電圧に達する。 FIG. 4 shows an example of a circuit for detecting and amplifying a current corresponding to the speed component. The
円柱の移動によって電極16,16aと円柱1との間の静電容量が変化して、帰還抵抗27,28を介して電流が流れて、円柱の変位速度が演算増幅器24,25の出力電圧に変換される。演算増幅器26によって信号レベルを整えて端子38に変位速度信号を出力する。 The capacitance between the
図5の速度検出装置C,Dは本発明の電磁型速度検出装置の実施例であって、速度検出装置Cはサーチコイル40にバイアス磁界を与えるために永久磁石41を備えてマグネットヨーク39を励磁し、速度検出装置Dはサーチコイル40aにバイアス磁界を与えるために励磁コイル43を備え、励磁コイル43には、記載しない定電流電源によって制御された一定電流を流してマグネットヨーク42を励磁する。その結果、C、D、の速度検出装置は全く同一の速度検出動作を行うことになる。 Speed detectors C and D in FIG. 5 are embodiments of the electromagnetic speed detector of the present invention. The speed detector C includes a
C、Dいずれもマグネットヨーク39,42の磁束は、ほぼ、マグネットヨークの端面と円柱表面との距離、即ち、ギャップ長さで決まり、磁束はギャップの長さの分数関数で表され、明細書39乃至41項に記載の静電型速度検出装置と同じ動作特性を示す。 In both C and D, the magnetic flux of the magnet yokes 39 and 42 is almost determined by the distance between the end surface of the magnet yoke and the cylindrical surface, that is, the gap length, and the magnetic flux is expressed as a fractional function of the gap length. The same operational characteristics as those of the electrostatic speed detection device according to the
図6は、本発明の電磁型速度検出装置を磁気軸受けに適用する場合の一回路例であって、演算増幅器44によってサーチコイルに誘導された速度に対応する誘導電流を帰還抵抗46で電圧に変換して端子47に出力する。入力抵抗45はゲインの設定と温度補償などの機能を持ち、端子48は信号接地線である。 FIG. 6 is an example of a circuit when the electromagnetic speed detecting device of the present invention is applied to a magnetic bearing, and an induced current corresponding to the speed induced in the search coil by the
静電型速度検出装置、電磁誘導型速度検出装置のいずれも明細書43項に記載のように円柱1の表面からの距離の分数関数として速度検出感度が変化するので、磁気軸受けを制御する上で不都合な場合が多い。図7に図3Bを再掲するが、電極16,16a、17,17aと、18,18a、19,19aを、それぞれ一対にして磁気軸受制御の一軸の速度検出装置を構成すれば速度検出出力の位置による変化を減少させることができる。 Since both the electrostatic speed detection device and the electromagnetic induction speed detection device change the speed detection sensitivity as a fractional function of the distance from the surface of the
図9は、図7の電極16,16a,17,17aと、18,18a、19,19aを、を一対として位置による感度の変化を減少させて、特性を改善する回路の一例であって、図4の回路を2組、位相を反転して加算するものである。49は信号設置、端子50は正直流電圧、端子51は負の直流電圧、端子52は速度検出出力である。 FIG. 9 is an example of a circuit that improves the characteristics by reducing the change in sensitivity depending on the position of a pair of the
図8は誘導型検出装置を各制御軸に一対ずつ設けたものであって、Eは検出装置のバイアス磁界の励磁を直列に配置した例で、Fは励磁を並列に行い、戻りの磁路は拡散さた例であるが、磁気軸受周辺の構造によって、いずれかの方法を選択する。 FIG. 8 shows a pair of inductive detection devices provided on each control axis. E is an example in which the excitation of the bias magnetic field of the detection device is arranged in series, F is the excitation in parallel, and the return magnetic path. Is a diffused example, but either method is selected depending on the structure around the magnetic bearing.
図10は、図8の誘導型速度検出装置の一対を接続した例であって、位置による速度検出の感度変化を除去する効果は大きく、回路は極めて簡単である。演算増幅器54、抵抗55,56で構成する増幅器で所定の電圧に整えられて端子58に出力する。端子57は信号設置である。 FIG. 10 shows an example in which a pair of the inductive speed detection devices of FIG. 8 are connected, and the effect of removing the sensitivity change in speed detection due to the position is great, and the circuit is very simple. An amplifier composed of an
図11は、速度検出装置の特性を評価するために、図4に示した回路と位置検出装置を併設して、円柱1に偏心量を与えて回転させた時の位置検出装置の出力59と、速度検出装置の出力60を同時に記録したものであって、速度検出装置の出力60に著しい波形歪が認められるが、図9の回路を用いると、速度検出波形は、図12の波形62になり、図11の出力波形60に比べて著しく改善された。図12の波形61は、併設した位置検出装置の出力波形である。 FIG. 11 shows an
図13は、図10の回路に位置検出装置を併設して、明細書49項に記載の説明と同様に円柱1に偏心量を与えて回転させた時の併設された位置検出装置の出力63と、速度検出装置の出力64を同時に記録したもので、速度検出装置の出力56に、殆ど波形歪が認められず、図10の回路による効果が明らかに認められる。 FIG. 13 shows an
図14は、円柱1の軸方向に相当する、図17に示す検出装置102aまたは、図18の検出装置109aのように、速度検出装置を対にして装着することが困難な場合などに用いる手段であって、位置検出装置3の出力を用いて速度検出装置4の出力の非直線性を補正する回路の一例である。演算増幅器67の帰還ループに制御非線形素子71を配置したが、補正は順方向回路で行うこともできる。端子72は位置検出出力、端子73は補正された速度検出出力、端子74は信号接地端子である。 14 corresponds to the axial direction of the
図15は、速度検出装置4の出力を積分する回路を備える本発明の一実施例であって、演算増幅器77、速度信号入力抵抗80、積分キャパシタ81で構成する積分器に位置信号入力抵抗82と、直流ゲインを設定する帰還抵抗83を付加してあり、積分器の出力は円柱1の速度が零の時に位置検出出力に相当する値を出力し、速度を積分した位置に相当する信号を重畳して出力することができる。この方法を用いれば位置検出信号の周波数応答特性に対する制約が無くなり、高い精度の磁気軸受の制御が可能になる。端子84は直接の位置検出出力であり、端子85が速度検出出力、端子86が積分回路による高精度位置検出出力、端子87が信号接地である。 FIG. 15 shows an embodiment of the present invention provided with a circuit for integrating the output of the
図16は、速度検出装置4の出力を微分する回路を備える本発明の一実施例であって、演算増幅器90、微分キャパシタ93、帰還抵抗94で微分器を構成している。端子95は位置検出出力であり、端子96は速度検出出力、端子97は速度を微分した出力、端子98が信号接地である。 FIG. 16 shows an embodiment of the present invention provided with a circuit for differentiating the output of the
明細書53項に記載の速度を微分した出力は円柱1の加速度であって、速度微分回路を備えることによって、円柱1が吸引電磁石2を初めとする磁気軸受電磁石から受けている力の他に、円柱1の撓み、ジャイロモーメントなどによる力の総和を知ることができ、例えば円柱1の撓み量が大きい場合や、慣性モーメントが大きい場合、回転角速度が大きい場合、軸受が多数設けられている場合、磁気軸受を据え付ける架台の剛性が低い場合などの、従来技術による磁気軸受では困難とされていた種類の回転体などの磁気浮揚が容易に実現できる。 The output obtained by differentiating the speed described in the
図17は、円柱1に同心状に空洞部分99を設けて、空洞部分99の内面100の位置または速度、または、位置と速度を検出するべく、空洞部分99に検出装置102,102aを設けて、磁気軸受電磁石103及び励磁コイル104から漏洩する磁束が、検出装置102,102aに影響するのを遮蔽する構造の本発明の一実施例を示す図である。磁気軸受電磁石をスイッチング制御する場合には、軸受部分から発生するノイズのレベルが高くなるので、図17に示す構造並びに検出装置の配置は検出器の誘導ノイズ低減のために有効である。101は円柱1に嵌装された円筒状の磁性体、105は検出装置を支持する構造体を示す。 In FIG. 17, a
図18は、図17に示す磁気軸受の構造を半径方向において反転した構造の本発明の一実施例を示す図である。円柱1に同心状に空洞部分107を設けて、空洞部分107に磁気軸受電磁石110及び励磁コイル111を配置した構造の本発明の一実施例を示す図である。108は円柱1の空洞部分107の内面に嵌装された円筒状の磁性体、112は磁気軸受電磁石と検出装置を支持する構造体である。 FIG. 18 is a view showing an embodiment of the present invention having a structure in which the structure of the magnetic bearing shown in FIG. 17 is inverted in the radial direction. FIG. 3 is a view showing an embodiment of the present invention having a structure in which a
この様に、磁気軸受電磁石と同心上で、異なる半径上に検出装置を配置することによって、軸受電磁石が発生する吸引力の軸方向の分布の中心部分に検出装置を配置することが可能になって、磁気軸受制御回路または制御プログラムの単純化が可能になる。 In this manner, by arranging the detection devices concentrically with the magnetic bearing electromagnet and on different radii, it becomes possible to arrange the detection device in the central portion of the axial distribution of the attractive force generated by the bearing electromagnet. Thus, the magnetic bearing control circuit or the control program can be simplified.
明細書34乃至57に記載の実施例では制御手段を示す場合にはアナログ技術を以って表現したが、簡単に説明を行うことが目的であって、制御手段を限定するものではなく、ディタルプロセッサーを用いてソフトウェアによって本発明を実施してもよい。 In the embodiments described in the
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