JP3525220B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents

磁気軸受装置

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JP3525220B2 JP30702992A JP30702992A JP3525220B2 JP 3525220 B2 JP3525220 B2 JP 3525220B2 JP 30702992 A JP30702992 A JP 30702992A JP 30702992 A JP30702992 A JP 30702992A JP 3525220 B2 JP3525220 B2 JP 3525220B2
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】この発明は、5自由度制御形磁気
軸受装置に関する。 【0002】 【従来の技術】5自由度制御形磁気軸受装置では、並進
運動と傾斜運動を分離して制御する方式が知られてい
る。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、5自由
度制御形磁気軸受装置の回転体には特有のジャイロ効果
が発生するため、種々の複雑さが発生する。その1例と
して、1次、2次、3次の固有振動数の分岐が挙げられ
る。このため、各固有振動数に対し、広い周波数範囲で
の位相補償を必要とし、制御系の複雑化を招くなどの不
具合があった。 【0004】この発明の目的は、上記の問題を解決し、
制御系を簡単にかつ安価に構成できる磁気軸受装置を提
供することにある。 【0005】 【課題を解決するための手段】この発明による磁気軸受
装置は、回転体を非接触支持する少なくとも1つのアキ
シアル方向磁気軸受と少なくとも2つのラジアル方向磁
気軸受とを有する磁気軸受装置において、回転体の並進
運動と傾斜運動を分離した制御を行う制御手段を備え、
回転体の傾斜運動の前回り固有振動数または後回り固有
振動数と並進運動の固有振動数とが回転体の定格回転数
近傍において共通の周波数領域の位相補償を行えばよい
程度に接近させられていることを特徴とするものであ
る。 【0006】 【作用】回転体の並進運動と傾斜運動を分離した制御を
行うことにより、並進運動の固有振動数が分岐しないよ
うにすることができる。そして、このように分岐しない
並進運動の固有振動数と傾斜運動の前回り固有振動数ま
たは後回り固有振動数とが回転体の定格回転数近傍にお
いて共通の周波数領域の位相補償を行えばよい程度に
近させられているので、回転体の定格回転数近傍におい
て傾斜運動の前回り固有振動数と後回り固有振動数の2
つの周波数領域の位相補償だけを行えばよい。なお、回
転体の極慣性モーメント、傾斜慣性モーメント、軸受剛
性などを適当に設定することにより、回転体の傾斜運動
の前回り固有振動数または後回り固有振動数と並進運動
の固有振動数とを回転体の定格回転数近傍において接近
させることができる。 【0007】 【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例に
ついて説明する。 【0008】図1は、5自由度制御形磁気軸受装置とそ
の制御装置の主要部を示している。なお、以下の説明に
おいて、上下左右は図1についていうものとする。 【0009】磁気軸受装置は、回転体(1) を非接触支持
する1つのアキシアル方向磁気軸受(図示略)と左右2
つのラジアル方向磁気軸受(2)(3)を備えている。 【0010】アキシアル方向磁気軸受は、回転体(1) を
Z軸方向(左右方向)に支持するものである。ラジアル
方向磁気軸受(2)(3)は、回転体(1) をラジアル方向に支
持するものである。各ラジアル方向磁気軸受(2)(3)に
は、回転体(1) をZ軸と直交するX軸方向(上下方向)
に支持する部分(X軸方向磁気軸受)と、Z軸およびX
軸と直交するY軸方向(図1の紙面と直交する方向)に
支持する部分(Y軸方向磁気軸受)とがあり、図1には
X軸方向磁気軸受(4)(5)が示されている。また、ラジア
ル方向磁気軸受(2)(3)の制御装置には、X軸方向磁気軸
受(4)(5)を制御する部分(X軸方向制御装置)とY軸方
向磁気軸受を制御する部分(Y軸方向制御装置)とがあ
り、図1にはX軸方向制御装置(6) が示されている。 【0011】図1に示されているX軸方向磁気軸受(4)
(5)およびX軸方向制御装置(6) は、X−Z平面におけ
る回転体(1) の並進運動と傾斜運動を分離して制御する
ものである。ここで、並進運動とは回転体(1) の重心の
X軸方向の運動であり、傾斜運動とは回転体(1) の重心
を通りY軸と平行な軸を中心とする回転体(1) の回転運
動である。 【0012】各X軸方向磁気軸受(4)(5)は、回転体(1)
をX軸方向の両側から挟むように配置された1対の電磁
石(4a)(4b)(5a)(5b)を備えている。また、各電磁石(4a)
(4b)(5a)(5b)の近傍に、回転体(1) のX軸方向の位置を
検出するための1対の位置センサ(7a)(7b)(8a)(8b)が回
転体(1) をX軸方向の両側から挟むように配置されてい
る。 【0013】左側の1対の位置センサ(7a)(7b)の出力は
第1減算器(10)に入力し、これによって回転体(1) の左
側部分のX軸方向変位が演算される。右側の1対の位置
センサ(8a)(8b)の出力は第2減算器(11)に入力し、これ
によって回転体(1) の右側部分のX軸方向変位が演算さ
れる。第1および第2減算器(10)(11)の出力は、第1加
算器(12)の2つの入力端子にそれぞれ入力し、これによ
って回転体(1) の並進運動量が演算される。第1および
第2減算器(10)(11)の出力は、また、第3減算器(13)の
2つの入力端子にそれぞれ入力し、これによって回転体
(1) の傾斜運動量が演算される。第1加算器(12)の出力
は並進運動用PID制御回路(14)に入力し、この回路(1
4)から並進運動用制御信号が出力される。第3減算器(1
3)の出力は傾斜運動用PID制御回路(15)に入力し、こ
の回路(15)から傾斜運動用制御信号が出力される。2つ
の制御回路(14)(15)の出力は、第2加算器(16)の2つの
入力端子にそれぞれ入力し、この加算器(16)から左側の
X軸方向磁気軸受(4) の制御信号が出力される。第2加
算器(16)の出力は電力増幅器(17)を介して左側の一方の
電磁石(4a)のコイルに入力するとともに、インバータ(1
8)および電力増幅器(19)を介して左側の他方の電磁石(4
b)のコイルに入力し、これによってこれらの電磁石(4a)
(4b)のコイルに流れる電流値が制御される。2つの制御
回路(14)(15)の出力は、また、第4減算器(20)の2つの
入力端子にそれぞれ入力し、この減算器(20)から右側の
X軸方向磁気軸受(5) の制御信号が出力される。第4減
算器(20)の出力は電力増幅器(21)を介して右側の一方の
電磁石(5a)のコイルに入力するとともに、インバータ(2
2)および電力増幅器(23)を介して右側の他方の電磁石(5
b)のコイルに入力し、これによってこれらの電磁石(5a)
(5b)のコイルに流れる電流値が制御される。そして、こ
のように左右のX軸方向磁気軸受(4)(5)の電磁石(4a)(4
b)(5a)(5b)のコイルに流れる電流値を制御することによ
り、回転体(1) の並進運動と傾斜運動が分離して制御さ
れる。 【0014】図2〜図5は、回転体(1) の回転数とその
固有振動数との関係を示している。 【0015】回転体(1) の並進運動と傾斜運動とを分離
した制御を行わない場合、図2に示すように、並進運動
の固有振動数Aは前回り固有振動数A1と後回り固有振動
数A2に分岐し、傾斜運動の固有振動数Bは前回り固有振
動数B1と後回り固有振動数B2に分岐する。そして、回転
体(1) の定格回転数N1近傍では4つの固有振動数が現
れ、これら各固有振動数に対して広い周波数範囲での位
相補償が必要となるため、制御装置が複雑化する。 【0016】これに対し、上記実施例のX軸方向制御装
置(6) は回転体(1) の並進運動と傾斜運動を分離して制
御しているので、図3に示すように、並進運動の固有振
動数Aは分岐しなくなる。並進運動と傾斜運動の分離が
完全な場合は並進運動の固有振動数Aは全く分岐せず、
並進運動と傾斜運動の分離がある程度不完全であっても
並進運動の固有振動数Aはほとんど分岐しない。 【0017】上記実施例の磁気軸受装置では、上記のよ
うにX軸方向制御装置(6)により回転体(1)の並進運動と
傾斜運動を分離して、並進運動の固有振動数Aを分岐し
ないようにした上に、図4に示すように、回転体(1)の
定格回転数N1近傍において、並進運動の固有振動数Aを
共通の周波数領域の位相補償を行えばよい程度に傾斜運
動の前回り固有振動数B1に接近させている。このため、
回転体(1)の定格回転数N1近傍において、傾斜運動の前
回り固有振動数B1と後回り固有振動数B2の2つの周波数
領域の位相補償だけを行えばよく、X軸方向制御装置
(6) を簡単にすることができる。なお、回転体(1)の極
慣性モーメント、傾斜慣性モーメント、軸受剛性などを
予め適当な値に設定しておくことにより、回転体(1)の
定格回転数N1近傍において並進運動の固有振動数Aを傾
斜運動の前回り固有振動数B1に接近させることができ
る。 【0018】回転体(1)の並進運動の固有振動数Aが並
進運動の後回り固有振動数B2より小さい場合は、図5に
示すように、回転体(1)の定格回転数N1近傍において並
進運動の固有振動数Aを共通の周波数領域の位相補償を
行えばよい程度に傾斜運動の後回り固有振動数B2に接近
させることができる。 【0019】Y軸方向磁気軸受およびY軸方向制御装置
についても、制御方向がX軸方向からY軸方向に変わる
だけで、上記のX軸方向磁気軸受(4)(5)およびX軸方向
制御装置(6) と同様に構成される。 【0020】 【発明の効果】この発明の磁気軸受装置によれば、上述
のように、回転体の定格回転数近傍において傾斜運動の
前回り固有振動数と後回り固有振動数の2つの周波数領
域の位相補償だけを行うだけでよく、制御系を簡単にか
つ安価に構成することができる。
【図面の簡単な説明】 【図1】この発明の実施例を示す磁気軸受装置とその制
御装置の主要部の電気ブロック図である。 【図2】回転体の回転数とその固有振動数との関係を示
すグラフである。 【図3】回転体の回転数とその固有振動数との関係を示
すグラフである。 【図4】回転体の回転数とその固有振動数との関係を示
すグラフである。 【図5】回転体の回転数とその固有振動数との関係を示
すグラフである。 【符号の説明】 (1) 回転体 (2)(3) ラジアル方向磁気軸受 (4)(5) X軸方向磁気軸受 (6) X軸方向制御装置
───────────────────────────────────────────────────── 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 (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】回転体を非接触支持する少なくとも1つの
    アキシアル方向磁気軸受と少なくとも2つのラジアル方
    向磁気軸受とを有する磁気軸受装置において、 回転体の並進運動と傾斜運動を分離した制御を行う制御
    手段を備え、回転体の傾斜運動の前回り固有振動数また
    は後回り固有振動数と並進運動の固有振動数とが回転体
    の定格回転数近傍において共通の周波数領域の位相補償
    を行えばよい程度に接近させられていることを特徴とす
    る磁気軸受装置。
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