JP3517846B2 - 磁気軸受制御装置 - Google Patents
磁気軸受制御装置Info
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- JP3517846B2 JP3517846B2 JP29455593A JP29455593A JP3517846B2 JP 3517846 B2 JP3517846 B2 JP 3517846B2 JP 29455593 A JP29455593 A JP 29455593A JP 29455593 A JP29455593 A JP 29455593A JP 3517846 B2 JP3517846 B2 JP 3517846B2
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- JP
- Japan
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- bearing
- controller
- signal
- stator
- levitation
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- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- 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
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、磁気吸引力で高速モー
タを非接触支持する磁気軸受制御装置に関するものであ
る。
タを非接触支持する磁気軸受制御装置に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】モータを高速回転すると同一体格でも高
い出力が得られるため、近年モータの高速化が行われて
いる。しかし、回転速度が上昇していくと回転体を支持
する軸受の回転摩擦が大きくなって温度が上昇したり振
動が大きくなったりするため、従来のころがり軸受や流
体軸受では回転速度をさらに大きくすることが困難であ
った。そこで磁気吸引力を利用して非接触支持する磁気
軸受が開発された。ラジアル軸受に適用した例を図３に
より説明する。１は回転軸であり、外周部に磁性材料か
らなる鉄心部を形成している。その外周には、エアギャ
ップを介して、フレームなど固定側に固定された磁性材
の鉄心にコイルを巻回した電磁石で構成された固定子２
１、２２を対向させて設けてある。固定子２１、２２
は、回転軸１を互いに逆方向に吸引できるようになって
いる。３は回転軸１の径方向変位を検出する変位検出器
であり、固定子２１或いは２２の近傍に固定されてい
る。４１、４２は入力信号に応じた電流を増幅して出力
し、それぞれの固定子２１、２２に励磁電流を供給する
電流増幅器である。５はＰＩＤ補償要素等からなり電流
増幅器４１、４２に指令を送る浮上制御器である。６１
は、浮上位置指令と変位検出器３の信号を比較して、浮
上制御器５に偏差信号を送る比較器である。この構成に
おいて、浮上位置の指令と変位検出器３で検出した回転
軸１の浮上位置を比較器６１で比較し、差があれば浮上
制御器５が電流増幅器４１或いは４２に指令を送り、固
定子２１或いは２２に励磁電流を与える。そして固定子
２１或いは２２と回転軸１間に働く磁気吸引力で回転軸
１が所定の位置に来るよう保持される。図の固定子２
１、２２で支持する方向と直交する方向にも同じ構成の
浮上系が設けられており、２つの制御系により回転軸１
のラジアル軸受を構成する。このラジアル軸受を２組、
両軸端部近傍に設け、回転軸１を完全に非接触支持する
ことができ、回転軸１にモータの回転子を一体に設ける
と高速回転することができる。このように２組のラジア
ル磁気軸受、１つのアキシャル磁気軸受とモータの回転
子で構成する高速モータは、高周波インバータでモータ
の固定子を励磁すると支持部の摩擦が小さいため従来の
軸受で到達することができなかった領域の高速回転がで
きるのである。
い出力が得られるため、近年モータの高速化が行われて
いる。しかし、回転速度が上昇していくと回転体を支持
する軸受の回転摩擦が大きくなって温度が上昇したり振
動が大きくなったりするため、従来のころがり軸受や流
体軸受では回転速度をさらに大きくすることが困難であ
った。そこで磁気吸引力を利用して非接触支持する磁気
軸受が開発された。ラジアル軸受に適用した例を図３に
より説明する。１は回転軸であり、外周部に磁性材料か
らなる鉄心部を形成している。その外周には、エアギャ
ップを介して、フレームなど固定側に固定された磁性材
の鉄心にコイルを巻回した電磁石で構成された固定子２
１、２２を対向させて設けてある。固定子２１、２２
は、回転軸１を互いに逆方向に吸引できるようになって
いる。３は回転軸１の径方向変位を検出する変位検出器
であり、固定子２１或いは２２の近傍に固定されてい
る。４１、４２は入力信号に応じた電流を増幅して出力
し、それぞれの固定子２１、２２に励磁電流を供給する
電流増幅器である。５はＰＩＤ補償要素等からなり電流
増幅器４１、４２に指令を送る浮上制御器である。６１
は、浮上位置指令と変位検出器３の信号を比較して、浮
上制御器５に偏差信号を送る比較器である。この構成に
おいて、浮上位置の指令と変位検出器３で検出した回転
軸１の浮上位置を比較器６１で比較し、差があれば浮上
制御器５が電流増幅器４１或いは４２に指令を送り、固
定子２１或いは２２に励磁電流を与える。そして固定子
２１或いは２２と回転軸１間に働く磁気吸引力で回転軸
１が所定の位置に来るよう保持される。図の固定子２
１、２２で支持する方向と直交する方向にも同じ構成の
浮上系が設けられており、２つの制御系により回転軸１
のラジアル軸受を構成する。このラジアル軸受を２組、
両軸端部近傍に設け、回転軸１を完全に非接触支持する
ことができ、回転軸１にモータの回転子を一体に設ける
と高速回転することができる。このように２組のラジア
ル磁気軸受、１つのアキシャル磁気軸受とモータの回転
子で構成する高速モータは、高周波インバータでモータ
の固定子を励磁すると支持部の摩擦が小さいため従来の
軸受で到達することができなかった領域の高速回転がで
きるのである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、そのような
構成の高速モータを、インバータで励磁して高速回転す
ると、次のような問題があった。モータの固定子巻線に
励磁電流を供給して回転磁界を生じさせると、軸対称の
磁束分布が生じ、その磁束分布が励磁に同期して回転す
る。モータが２極の誘導電動機の場合、Ｎ極とＳ極の２
つの主磁束が軸対称に分布して励磁周波数に従って回転
する。ところが、この磁束は、固定子の鉄心材料に磁気
的な異方性があったり、機械加工や組立時の影響で磁気
回路の磁気抵抗が回転位置によって不均一となったりす
るので、必ずしも軸対称とはなっていない。スイッチン
グ素子を用いてモータを駆動する高周波インバータもそ
の原因の一つと考えられる。これらの因果関係はよく分
かっているわけではないが、磁束分布が軸対称とならな
いため次のような不具合点が生じることになる。すなわ
ち、前記の磁気軸受形高速モータの回転速度を上げてゆ
くと、ラジアル軸受で非接触支持して回転軸１を軸受の
中心に保持する制御をしていても、図４に示すように次
第に中央から周辺へとアンバランスプルが働く方向へシ
フトしていき、その偏差が回転速度とともに大きくなっ
てゆくのである。磁気軸受の浮上制御器に完全な積分機
能がある場合は、図のように浮上位置がシフトすること
はないが、モータのアンバランスプルが次第に大きくな
るため、それに対抗して回転中心位置に保持しようと軸
受の固定子に大きな励磁電流が供給される。積分機能が
完全でなく、回転軸に偏心がある場合は、偏心すればす
るほどアンバランスプルが大きくなるので固定子電流の
増加が一層大きくなる。何れにしても、回転軸の浮上位
置または固定子の励磁電流が制限を越えるところまでア
ンバランスプルが大きくなると、正常な浮上制御が行わ
れなくなり回転軸が固定側に接触したりして様々なトラ
ブルを引き起こすのである。そこで、本発明はそのよう
なモータ部の径方向のアンバランスプルによる諸問題を
回避する磁気軸受制御装置を提供することを目的とす
る。
構成の高速モータを、インバータで励磁して高速回転す
ると、次のような問題があった。モータの固定子巻線に
励磁電流を供給して回転磁界を生じさせると、軸対称の
磁束分布が生じ、その磁束分布が励磁に同期して回転す
る。モータが２極の誘導電動機の場合、Ｎ極とＳ極の２
つの主磁束が軸対称に分布して励磁周波数に従って回転
する。ところが、この磁束は、固定子の鉄心材料に磁気
的な異方性があったり、機械加工や組立時の影響で磁気
回路の磁気抵抗が回転位置によって不均一となったりす
るので、必ずしも軸対称とはなっていない。スイッチン
グ素子を用いてモータを駆動する高周波インバータもそ
の原因の一つと考えられる。これらの因果関係はよく分
かっているわけではないが、磁束分布が軸対称とならな
いため次のような不具合点が生じることになる。すなわ
ち、前記の磁気軸受形高速モータの回転速度を上げてゆ
くと、ラジアル軸受で非接触支持して回転軸１を軸受の
中心に保持する制御をしていても、図４に示すように次
第に中央から周辺へとアンバランスプルが働く方向へシ
フトしていき、その偏差が回転速度とともに大きくなっ
てゆくのである。磁気軸受の浮上制御器に完全な積分機
能がある場合は、図のように浮上位置がシフトすること
はないが、モータのアンバランスプルが次第に大きくな
るため、それに対抗して回転中心位置に保持しようと軸
受の固定子に大きな励磁電流が供給される。積分機能が
完全でなく、回転軸に偏心がある場合は、偏心すればす
るほどアンバランスプルが大きくなるので固定子電流の
増加が一層大きくなる。何れにしても、回転軸の浮上位
置または固定子の励磁電流が制限を越えるところまでア
ンバランスプルが大きくなると、正常な浮上制御が行わ
れなくなり回転軸が固定側に接触したりして様々なトラ
ブルを引き起こすのである。そこで、本発明はそのよう
なモータ部の径方向のアンバランスプルによる諸問題を
回避する磁気軸受制御装置を提供することを目的とす
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本発明は、モータの回転子を備えた回転軸と、回転
軸に固着された磁気軸受の回転子と、この回転子とエア
ギャップを介して対向させて設けた２つの磁気軸受の固
定子と、この固定子に対する前記回転子の浮上位置を検
出する変位検出器と、この変位検出器の信号と浮上位置
指令信号を受ける浮上制御器と、この浮上制御器の指令
を受けて前記固定子に励磁電流を供給する２つの電流増
幅器より磁気軸受制御装置において、前記変位検出器と
前記２つの電流増幅器の出力電流から軸受の支持力を演
算する演算器と、回転前・浮上直後の空隙がバランスす
る前記演算器の支持力指令信号を出力する支持力指令器
と、該支持力指令器と前記演算器の信号を受けて比較す
る比較器と、この比較器の信号を受けて浮上位置指令を
前記浮上制御器に送る支持力制御器を付加し、回転中の
軸受の支持力が回転前の支持力で支持されるよう制御す
るようにしたのである。
め、本発明は、モータの回転子を備えた回転軸と、回転
軸に固着された磁気軸受の回転子と、この回転子とエア
ギャップを介して対向させて設けた２つの磁気軸受の固
定子と、この固定子に対する前記回転子の浮上位置を検
出する変位検出器と、この変位検出器の信号と浮上位置
指令信号を受ける浮上制御器と、この浮上制御器の指令
を受けて前記固定子に励磁電流を供給する２つの電流増
幅器より磁気軸受制御装置において、前記変位検出器と
前記２つの電流増幅器の出力電流から軸受の支持力を演
算する演算器と、回転前・浮上直後の空隙がバランスす
る前記演算器の支持力指令信号を出力する支持力指令器
と、該支持力指令器と前記演算器の信号を受けて比較す
る比較器と、この比較器の信号を受けて浮上位置指令を
前記浮上制御器に送る支持力制御器を付加し、回転中の
軸受の支持力が回転前の支持力で支持されるよう制御す
るようにしたのである。
【０００５】
【作用】上記手段により、モータを励磁して回転速度を
上げていきモータの径方向のアンバランスプルが大きく
なっても、支持力制御器が働いて浮上位置をアンバラン
スプルの方向と反対の方向に、回転子を偏位させるの
で、アンバランスプルが解消されて回転前の支持力で支
持することができ、浮上位置や励磁電流が飽和すること
なく安定して支持することができるのである。
上げていきモータの径方向のアンバランスプルが大きく
なっても、支持力制御器が働いて浮上位置をアンバラン
スプルの方向と反対の方向に、回転子を偏位させるの
で、アンバランスプルが解消されて回転前の支持力で支
持することができ、浮上位置や励磁電流が飽和すること
なく安定して支持することができるのである。
【０００６】
【実施例】以下、本発明の実施例を図に基づいて説明す
る。図１は本発明の磁気軸受制御装置のブロック図であ
り、図２は図１中の演算器の詳細図である。図におい
て、８は、電流増幅器４１、４２が固定子２１、２２に
与える励磁電流を検出する電流検出器４３、４４で検出
された２つの電流信号ｉ１１、ｉ２１と変位検出器３の
信号Ｘｆを受けて、軸受の支持力を演算する演算器であ
る。９は、回転前・浮上直後の空隙がバランスする演算
器８の支持力指令信号ｆｓ ０を保持して出力する支持
力指令器である。６２は、演算器８の出力信号ｆｆと支
持力指令器９の出力信号ｆｓを受けて、比較する比較器
である。７は、比較器６２の出力信号を受けて比較器６
１に信号を送る支持力制御器であり、少なくとも積分補
償要素を備えている。その積分補償要素の時定数は、支
持力制御が回転速度の上昇に応答する程度でよいため、
浮上制御器５の時定数よりかなり大きく設定されてい
る。
る。図１は本発明の磁気軸受制御装置のブロック図であ
り、図２は図１中の演算器の詳細図である。図におい
て、８は、電流増幅器４１、４２が固定子２１、２２に
与える励磁電流を検出する電流検出器４３、４４で検出
された２つの電流信号ｉ１１、ｉ２１と変位検出器３の
信号Ｘｆを受けて、軸受の支持力を演算する演算器であ
る。９は、回転前・浮上直後の空隙がバランスする演算
器８の支持力指令信号ｆｓ ０を保持して出力する支持
力指令器である。６２は、演算器８の出力信号ｆｆと支
持力指令器９の出力信号ｆｓを受けて、比較する比較器
である。７は、比較器６２の出力信号を受けて比較器６
１に信号を送る支持力制御器であり、少なくとも積分補
償要素を備えている。その積分補償要素の時定数は、支
持力制御が回転速度の上昇に応答する程度でよいため、
浮上制御器５の時定数よりかなり大きく設定されてい
る。
【０００７】図２は、演算器８の詳細図である。８１１
は、変位検出器３の出力信号Ｘf と軸中心位置信号Ｘ0
の差をとって、固定子２１と回転軸１間のエアギャップ
を求める比較器である。８１２は、変位検出器３の出力
信号Ｘf と軸中心位置信号Ｘ0 の和を演算して、固定子
２２と回転軸１間のエアギャップを求める加算器であ
る。８２１は電流検出器４３の信号を増幅する増幅器、
８２２は電流検出器４４の信号を増幅する増幅器であ
る。８３１は、比較器８１１の出力信号Ｘ0 −Ｘf と増
幅器８２１の出力信号ｉ1を受けてｉ1 ／（Ｘ0 −
Ｘf ）を除算する除算器である。８３２は、加算器８１
２の出力信号Ｘ0 ＋Ｘf と増幅器８２２の出力信号ｉ2
を受けてｉ2 ／（Ｘ0 ＋Ｘf ）を演算する除算器であ
る。８４１は、除算器８３１の出力信号を受けて（ｉ1
／（Ｘ0 −Ｘf ））2 を演算する乗算器、８４２は除算
器８３２の出力信号を受けて（ｉ2 ／（Ｘ0 ＋Ｘf ））
2 を演算する乗算器である。８１３は、乗算器８４１の
出力信号と乗算器８４２の出力信号を受けて比較する比
較器、８５は比較器８１３の出力信号を受けて信号レベ
ルを調整する増幅器である。すなはち、演算器８は、電
磁石の磁気吸引力が( 電流/ エアギャップ)2に比例する
ことから、２つの電磁石の吸引力を求めその差から軸受
の支持力を演算していることになる。
は、変位検出器３の出力信号Ｘf と軸中心位置信号Ｘ0
の差をとって、固定子２１と回転軸１間のエアギャップ
を求める比較器である。８１２は、変位検出器３の出力
信号Ｘf と軸中心位置信号Ｘ0 の和を演算して、固定子
２２と回転軸１間のエアギャップを求める加算器であ
る。８２１は電流検出器４３の信号を増幅する増幅器、
８２２は電流検出器４４の信号を増幅する増幅器であ
る。８３１は、比較器８１１の出力信号Ｘ0 −Ｘf と増
幅器８２１の出力信号ｉ1を受けてｉ1 ／（Ｘ0 −
Ｘf ）を除算する除算器である。８３２は、加算器８１
２の出力信号Ｘ0 ＋Ｘf と増幅器８２２の出力信号ｉ2
を受けてｉ2 ／（Ｘ0 ＋Ｘf ）を演算する除算器であ
る。８４１は、除算器８３１の出力信号を受けて（ｉ1
／（Ｘ0 −Ｘf ））2 を演算する乗算器、８４２は除算
器８３２の出力信号を受けて（ｉ2 ／（Ｘ0 ＋Ｘf ））
2 を演算する乗算器である。８１３は、乗算器８４１の
出力信号と乗算器８４２の出力信号を受けて比較する比
較器、８５は比較器８１３の出力信号を受けて信号レベ
ルを調整する増幅器である。すなはち、演算器８は、電
磁石の磁気吸引力が( 電流/ エアギャップ)2に比例する
ことから、２つの電磁石の吸引力を求めその差から軸受
の支持力を演算していることになる。
【０００８】比較器６２は、回転前・浮上直後の空隙が
バランスする演算器８の支持力指令信号ｆs0と回転中の
支持力に相当する支持力指令信号ｆf を出力する演算器
８の信号を受けて比較するため、モータが高速回転して
アンバランスプルが生じたときは、それにより回転軸が
偏心するかどうかに関わらず比較器６２によって支持力
の偏差が出力される。この信号を受けた支持力制御器７
は前記偏差を低減するよう働いて指令信号Ｘs を出力す
る。この指令信号Ｘs は浮上制御系の浮上位置指令とし
て比較器６１に入力される。そして、この指令を受けた
浮上制御系はモータのアンバランスプルが作用している
方向と逆の方向に浮上位置を偏位させるので、ついには
回転前の支持力と同じ支持力となる浮上位置まで偏位す
るのである。こうして、モータに生じたアンバランスプ
ルに対抗して浮上位置を偏位すると、アンバランスプル
が磁気吸引力と同様に(1／エアギャップ）2 に比例する
ため、僅かの偏位でアンバランスプルを低減することが
できるのである。
バランスする演算器８の支持力指令信号ｆs0と回転中の
支持力に相当する支持力指令信号ｆf を出力する演算器
８の信号を受けて比較するため、モータが高速回転して
アンバランスプルが生じたときは、それにより回転軸が
偏心するかどうかに関わらず比較器６２によって支持力
の偏差が出力される。この信号を受けた支持力制御器７
は前記偏差を低減するよう働いて指令信号Ｘs を出力す
る。この指令信号Ｘs は浮上制御系の浮上位置指令とし
て比較器６１に入力される。そして、この指令を受けた
浮上制御系はモータのアンバランスプルが作用している
方向と逆の方向に浮上位置を偏位させるので、ついには
回転前の支持力と同じ支持力となる浮上位置まで偏位す
るのである。こうして、モータに生じたアンバランスプ
ルに対抗して浮上位置を偏位すると、アンバランスプル
が磁気吸引力と同様に(1／エアギャップ）2 に比例する
ため、僅かの偏位でアンバランスプルを低減することが
できるのである。
【０００９】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、駆
動用モータで回転するときに不平衡磁気吸引力によるア
ンバランスプルが生じても、その方向と逆の方向に浮上
位置を偏位させてアンバランスプルを解消するため、固
定子の電流が飽和することがなく、高速回転まで安定し
た支持状態を得ることができて高速モータの実用性を高
めうるという効果がある。
動用モータで回転するときに不平衡磁気吸引力によるア
ンバランスプルが生じても、その方向と逆の方向に浮上
位置を偏位させてアンバランスプルを解消するため、固
定子の電流が飽和することがなく、高速回転まで安定し
た支持状態を得ることができて高速モータの実用性を高
めうるという効果がある。
【図１】本発明の実施例を示すブロック図
【図２】本発明の演算器の詳細図
【図３】従来の磁気軸受制御装置を示すブロック図
【図４】アンバランスプルを示すベクトル図
１ 回転軸
２１、２２ 固定子
３ 変位検出器
４１、４２ 電流増幅器
４３、４４ 電流検出器
５ 浮上制御器
６１、６２、８１１、８１３ 比較器
７ 支持力制御器
８ 演算器
８１２ 加算器
８２１、８２２ 増幅器
８３１、８３２ 除算器
８４１、８４２ 乗算器
８５ 増幅器
９ 支持力指令器
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
F16C 32/04
Claims (2)
- 【請求項１】モータの回転子を備えた回転軸と、この回
転軸に固着された磁気軸受の回転子と、この回転子とエ
アギャップを介して対向させて設けた、２つの磁気軸受
の固定子と、この固定子に対する前記回転子の浮上位置
を検出する変位検出器と、この変位検出器の信号と浮上
位置指令信号を受ける浮上制御器と、この浮上制御器の
指令を受けて前記固定子に励磁電流を供給する２つの電
流増幅器よりなる磁気軸受制御装置において、 前記変位検出器と前記２つの電流増幅器の出力電流から
軸受の支持力を演算する演算器と、回転前・浮上直後の
空隙がバランスする前記演算器の支持力指令信号を出力
する支持力指令器と、この支持力指令器と前記演算器の
出力信号を受けて比較する比較器と、この比較器の出力
信号を受けて浮上位置指令を前記浮上制御器に送る支持
力制御器を備えたことを特徴とする磁気軸受制御装置。 - 【請求項２】前記支持力制御器の積分補償要素の時定数
が浮上制御器の時定数より大きい請求項１の磁気軸受制
御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29455593A JP3517846B2 (ja) | 1993-10-29 | 1993-10-29 | 磁気軸受制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29455593A JP3517846B2 (ja) | 1993-10-29 | 1993-10-29 | 磁気軸受制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07127640A JPH07127640A (ja) | 1995-05-16 |
| JP3517846B2 true JP3517846B2 (ja) | 2004-04-12 |
Family
ID=17809311
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29455593A Expired - Lifetime JP3517846B2 (ja) | 1993-10-29 | 1993-10-29 | 磁気軸受制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3517846B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113623239B (zh) * | 2021-09-16 | 2024-06-25 | 北京航空航天大学宁波创新研究院 | 一种不平衡磁拉力控制方法、装置、***、设备和介质 |
-
1993
- 1993-10-29 JP JP29455593A patent/JP3517846B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07127640A (ja) | 1995-05-16 |
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