JP3790883B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁気軸受装置、さらに詳しくは、複数組の磁気軸受で回転体を互いに直交するアキシアル方向および２つのラジアル方向に非接触支持して磁気浮上させる磁気軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の磁気軸受装置として、５つの制御軸（アキシアル方向の制御軸およびアキシアル方向の２箇所の各々における２つのラジアル方向の制御軸）を有する５軸制御型磁気軸受装置が知られている。
【０００３】
５軸制御型磁気軸受装置は、回転体をアキシアル制御軸方向に非接触支持するアキシアル磁気軸受、回転体をアキシアル方向の２箇所においてそれぞれ互いに直交する２つのラジアル制御軸方向に非接触支持する２組のラジアル磁気軸受、ならびに回転体のアキシアル方向およ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。アキシアル磁気軸受は、回転体をアキシアル制御軸方向の両側から挟むように配置されて回転体を磁気吸引する１対の電磁石を備えている。各ラジアル磁気軸受は、２つの各ラジアル制御軸方向の各々について、回転体を該制御軸方向の両側から挟むように配置されて回転体を磁気吸引する１対の電磁石を備えている。また、磁気軸受装置は、５つの制御軸の各々について、回転体の該制御軸方向の位置を検出する位置検出手段としての位置検出装置、および位置検出装置による位置の検出結果に基づいて該制御軸の１対の電磁石を制御する電磁石制御手段としての電磁石制御装置を備えている。アキシアル制御軸方向の位置検出装置は、回転体の位置検出端面にアキシアル制御軸方向の一方から対向する１個のアキシアル位置センサを備えている。各ラジアル制御軸方向の位置検出装置は、回転体を該制御軸方向の両側から挟んで対向する１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、比例動作部、微分動作部および積分動作部を備えている。
【０００４】
上記のような磁気軸受装置には、各制御軸方向について、保護軸受による可動範囲に対する機械的中心位置と、磁気軸受の電磁石の位置に対する磁気的中心位置と、位置センサの位置に対する対センサ中心位置とがある。各制御軸方向の機械的中心位置は、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。各制御軸方向の磁気的中心位置は、該制御軸方向に対をなす２個の電磁石の中心の位置である。アキシアル制御軸方向の対センサ中心位置は、回転体の位置検出端面とアキシアル位置センサとのギャップ（空隙）の大きさがあらかじめ設定された所定値になるような位置である。また、各ラジアル制御軸方向の対センサ中心位置は、該制御軸方向に対をなす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が、実際には、製作誤差や組立誤差のためにこれらの間に誤差が生じることがある。
【０００５】
従来の磁気軸受装置では、回転体が設計上の中心位置である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、各磁気軸受の電磁石が制御される。このため、対センサ中心位置が機械的中心位置と一致していない場合は、回転体を機械的中心位置に保持することができない。この場合、回転体の機械的中心位置と対センサ中心位置との誤差が大きいと、回転体を対センサ中心位置に保持したときに、回転体と保護軸受との間隙が部分的に小さくなって、種々の不具合が生じる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、回転体を容易にほぼ機械的中心位置に磁気浮上させることができ、かつ必要な場合に回転体を磁気的中心位置に磁気浮上させることができる磁気軸受装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明による磁気軸受装置は、複数対の電磁石の磁気吸引力により回転体が互いに直交するアキシアル方向および２つのラジアル方向に非接触支持されて磁気浮上させられ、機械的規制手段により上記回転体の上記３つの支持方向の可動範囲が規制されている磁気軸受装置であって、上記３つの支持方向の各制御軸について、上記回転体を該制御軸方向の両側から挟むように配置された１対の電磁石、上記回転体の該制御軸方向の位置を検出する位置検出手段、および上記位置検出手段による位置の検出結果に基づいて上記電磁石を制御する少なくとも積分動作部を有する電磁石制御手段を備えており、上記回転体、電磁石、機械的規制手段および位置検出手段の位置センサが機械本体に設けられ、位置検出手段のセンサ回路および電磁石制御手段がコントローラに設けられている磁気軸受装置において、上記電磁石制御手段が、上記回転体を上記機械的規制手段により規制される該制御軸方向の一方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの上記積分動作部の出力である積分出力と上記回転体を該制御軸方向の他方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの同積分出力との中央値に対応する上記回転体の位置を上記回転体の該制御軸方向の目標浮上位置として設定する目標浮上位置設定手段を備えており、上記回転体を磁気的中心位置に磁気浮上できるように、機械的中心位置に対する磁気的中心位置のずれを記憶するメモリが上記機械本体に設けられていることを特徴とするものである。
【０００８】
各制御軸について、通常、１対の電磁石には同じ特性のものが使用され、各電磁石に、電磁石制御装置から、一定の定常電流と回転体の該制御軸方向の位置によって変わる制御電流とを合わせた励磁電流が供給される。１対の電磁石において、定常電流の値は互いに等しい。また、制御電流の絶対値は互いに等しく、符号が逆である。
【０００９】
制御軸が水平な場合など、回転体に電磁石の磁気吸引力以外の力が作用しない場合は、回転体が該制御軸方向のある位置に非接触支持されているとき、回転体に対する２つの電磁石の磁気吸引力は互いに等しい。また、各電磁石の磁気吸引力は、該電磁石の励磁電流の大きさの二乗に比例し、該電磁石と回転体とのギャップの大きさに反比例する。回転体が磁気的中心位置に支持されているとき、各電磁石における回転体とのギャップの大きさは互いに等しく、したがって、各電磁石における励磁電流は互いに等しい。すなわち、各電磁石における制御電流の値は互いに０である。回転体が磁気的中心位置からいずれかの方向にずれた位置に支持されたときは、各電磁石における回転体とのギャップの大きさが互いに異なるため、各電磁石における励磁電流の値が互いに異なるものになり、したがって、各電磁石における制御電流の値も互いに異なるものになる。各電磁石における制御電流の値は、回転体の位置の磁気的中心位置からのずれの大きさに比例する。また、一方の電磁石における制御電流の値は、電磁石制御装置の積分動作部の出力である積分出力に比例する。したがって、回転体を支持する位置を一方の極限位置から他方の極限位置まで変化させると、積分出力は直線的に変化する。このため、回転体を一方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの積分出力と他方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの積分出力との中央値に対応する位置は、ほぼ機械的中心位置となり、したがって、上記中央値に対応する位置を目標浮上位置とすることにより、回転体はほぼ機械的中心位置に磁気浮上させられる。
【００１０】
制御軸が鉛直な場合など、回転体に電磁石の磁気吸引力以外に重力が作用する場合は、回転体が該制御軸方向のある位置に非接触支持されているとき、上側の電磁石による上向きの磁気吸引力が、下側の電磁石による下向きの磁気吸引力と重力を合わせた力と釣り合っている。このため、回転体が磁気的中心位置に支持されているとき、上側の電磁石の制御電流は正の値で、下側の電磁石の制御電流は負の値であり、したがって、積分出力は０ではない。しかし、この場合も、回転体を支持する位置を一方の極限位置から他方の極限位置まで変化させると、積分出力は直線的に変化し、上記同様、回転体を一方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの積分出力と他方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの積分出力との中央値に対応する位置を目標浮上位置とすることにより、回転体はほぼ機械的中心位置に磁気浮上させられる。
【００１１】
制御軸が斜めの場合についても同様であり、回転体の設置姿勢に関係なく、回転体をほぼ機械的中心位置に磁気浮上させることができる。
【００１２】
磁気軸受装置は、通常、回転体、磁気軸受の電磁石、保護軸受および位置検出装置のうちの位置センサなどを含む機械本体と、電磁石制御装置および位置検出装置のうち位置センサを駆動し位置センサの出力に基づいて回転体の位置を演算するセンサ回路などを含むコントローラとに分けられ、これらがケーブルによって接続される。また、磁気軸受装置の使用中に、コントローラを同一機種の他のものと取り替える必要が生じることがある。複数の機械本体について、同一機種であっても、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の関係は必ずしも同じではない。しかし、各機械本体において、これら３つの位置の関係は不変である。したがって、機械本体とコントローラの組合せが変わらない限り、最初に磁気軸受装置の運転を開始する際に、上記のように目標浮上位置を設定すれば、後は、この目標浮上位置を用いて回転体をほぼ機械的中心位置に磁気浮上させることができる。ところが、機械本体とコントローラの組合せが変更されると、新しいコントローラには目標浮上位置は設定されていないので、そのままでは、回転体を機械的中心位置に磁気浮上させることができない。しかし、このような場合でも、上記のようにして目標浮上位置を設定することにより、回転体をほぼ機械的中心位置に磁気浮上させることができる。
【００１３】
この発明の磁気軸受装置によれば、最初に磁気軸受装置の運転を開始する際あるいは機械本体とコントローラの組合せを変更した際などに、回転体の設置姿勢に関係なく、回転体を制御軸の一方の極限位置から他方の極限位置に移動させるだけの簡単な操作で、回転体をほぼ機械的中心位置に磁気浮上させることができる。したがって、従来のように回転体と機械的規制手段との間隙が部分的に小さくなって、種々の不具合が生じるようなことがない。
しかも、機械的中心位置に対する磁気的中心位置のずれを記憶するメモリが機械本体に設けられているので、回転体を磁気的中心位置に磁気浮上させることが必要な場合に、回転体をその設置姿勢に関係なく磁気的中心位置に磁気浮上させることができる。
【００１４】
たとえば、上記目標位置設定手段が、上記回転体を一方の極限位置に位置させた後にその近傍に磁気浮上させ、そのときの上記積分出力を求めて第１の極限位置積分出力として記憶し、上記回転体の磁気浮上位置を他方の極限位置側に徐々に移動させて、その都度、上記回転体の位置と上記積分出力を求めて中間位置および中間位置積分出力として記憶し、上記回転体を他方の極限位置まで移動させた後にその近傍に磁気浮上させ、そのときの上記積分出力を求めて第２の極限位置積分出力とし、第１の極限位置積分出力と第２の極限位置積分出力の中央値を求め、記憶されている中間位置積分出力の中からこの中央値に最も近いものを求めて、この中間位置積分出力に対応する中間位置を目標浮上位置とするものである。
【００１５】
【発明の実施形態】
以下、図面を参照して、この発明を５軸制御型磁気軸受装置に適用した実施形態について説明する。
【００１６】
図１は５軸制御型磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す縦断面図、図２は同横断面図、図３はその電気的構成の１例を示すブロック図である。
【００１７】
磁気軸受装置は、ケーブルにより接続された機械本体(1)およびコントローラ(2)を備えている。この磁気軸受装置は、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)が回転する縦型のものである。以下の説明において、回転体(5)のアキシアル方向（鉛直方向）の軸を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軸およびＹ軸とする。
【００１８】
機械本体(1)には、回転体(5)をＺ軸方向に非接触支持する１組のアキシアル磁気軸受(6)、回転体(5)をアキシアル方向の２箇所においてそれぞれＸ軸方向およびＹ軸方向に非接触支持する上下２組のラジアル磁気軸受(7)(8)、回転体(5)のアキシアル方向の変位および上記２箇所におけるＸ軸方向およびＹ軸方向の位置をそれぞれ検出するための位置検出部(9)、回転体(5)を高速回転させるためのビルトイン型電動モータ(10)、ならびに回転体(5)のアキシアル方向およびラジアル方向の可動範囲を規制して回転体(5)を磁気軸受(6)(7)(8)で支持できなくなったときなどに可動範囲の極限位置において回転体(5)を機械的に支持する規制手段としての上下２組の保護軸受(11)(12)が設けられている。Ｚ軸は、アキシアル方向の制御軸となっている。また、上部磁気軸受(7)の部分におけるＸ軸方向の制御軸を上部Ｘ軸、Ｙ軸方向の制御軸を上部Ｙ軸とし、下部磁気軸受(8)の部分におけるＸ軸方向の制御軸を下部Ｘ軸、Ｙ軸方向の制御軸を下部Ｙ軸とする。
【００１９】
コントローラ(2)には、センサ回路(13)、磁気軸受駆動回路(14)、インバータ(15)およびＤＳＰボード(16)が設けられ、ＤＳＰボード(16)には、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ＤＳＰ(18)、ＲＯＭ(31)、記憶手段としてのフラッシュメモリ(19)、ＡＤ変換器(20)およびＤＡ変換器(21)が設けられている。ＤＳＰはディジタル信号処理プロセッサの略で、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指す。
【００２０】
位置検出部(9)は、回転体(5)のＺ軸方向の位置を検出するための１個のアキシアル位置センサ(23)、ならびに回転体(5)のＸ軸方向および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。
【００２１】
アキシアル磁気軸受(6)は、回転体(5)の下部に一体に形成されたフランジ部(5a)をＺ軸方向の両側から挟むように配置されて回転体(5)を磁気吸引する１対のアキシアル電磁石(26a)(26b)を備えている。アキシアル電磁石は、符号(26)で総称する。１対のアキシアル電磁石(26)には、同じ特性のものが使用される。
【００２２】
アキシアル位置センサ(23)は、回転体(5)の下端面にＺ軸方向の下側から対向するように配置され、回転体(5)の下端面とのギャップの大きさに比例する距離信号を出力する。
【００２３】
２組のラジアル磁気軸受(7)(8)は、アキシアル磁気軸受(6)の上側において上下方向に所定の間隔をおいて配置されており、これらの間にモータ(10)が配置されている。上部ラジアル磁気軸受(7)は、回転体(5)をＸ軸方向の両側から挟むように配置されて回転体(5)を磁気吸引する１対の上部ラジアル電磁石(27a)(27b)、および回転体(5)をＹ軸方向の両側から挟むように配置されて回転体(5)を磁気吸引する１対の上部ラジアル電磁石(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、下部ラジアル電磁石(8)も、２対の下部ラジアル電磁石(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。ラジアル軸受(27)(28)についても、少なくとも同一制御軸の１対の電磁石には、同じ特性のものが使用される。好ましくは、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。
【００２４】
上部ラジアル位置センサユニット(24)は、上部ラジアル磁気軸受(7)の近傍に配置されており、Ｘ軸方向の電磁石(27a)(27b)の近傍においてＸ軸方向の両側から回転体(5)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)、およびＹ軸方向の電磁石(27c)(27d)の近傍においてＹ軸方向の両側から回転体(5)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、下部ラジアル位置センサユニット(25)は、下部ラジアル磁気軸受(8)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。各ラジアル変位センサ(29)(30)は、回転体(5)の外周面とのギャップの大きさに比例する距離信号を出力する。
【００２５】
電磁石(26)(27)(28)および位置センサ(23)(29)(30)は、ケーシング(4)に固定されている。
【００２６】
上部保護軸受(11)は、たとえば深みぞ玉軸受などの転がり軸受よりなり、ラジアル荷重を受けられるようになっている。軸受(11)の外輪(11a)はケーシング(4)に固定され、内輪(11b)は回転体(5)の外周面に適当なギャップをあけて対向するように配置されている。下部保護軸受(12)は、たとえば深みぞ玉軸受などの転がり軸受よりなり、アキシアル荷重とラジアル荷重の両方を受けられるようになっている。この軸受(12)の外輪(12a)はケーシング(4)に固定され、内輪(12b)が回転体(5)の外周面に形成された環状みぞ(17)の部分にアキシアル方向およびラジアル方向に適当なギャップをあけて臨ませられている。そして、下部軸受(12)の内輪(12b)と回転体(4)との間のアキシアル方向のギャップの大きさにより、回転体(5)のアキシアル方向の可動範囲が規制され、各軸受(11)(12)の内輪(11b)(12b)と回転体(5)との間のラジアル方向のギャップの大きさにより、回転体(5)のラジアル方向の可動範囲が規制される。そして、回転体(2)が可動範囲の極限位置において保護軸受(11)(12)により支持されている状態でも、回転体(5)と電磁石(26)(27)(28)および位置センサ(23)(29)(30)との間にはギャップがあり、回転体(5)は電磁石(26)(27)(28)および位置センサ(23)(29)(30)に接触することはない。
【００２７】
コントローラ(2)のセンサ回路(13)は、位置検出部(9)の各位置センサ(23)(29)(30)を駆動し、各位置センサ(23)(29)(30)の出力である距離信号に基づいて、回転体(5)のＺ軸方向の位置、ならびに上下のラジアル位置センサユニット(24)(25)の部分におけるＸ軸方向および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(20)を介してＤＳＰ(18)に出力する。位置検出部(9)およびセンサ回路(13)により、回転体(5)の各制御軸方向の位置を検出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。
【００２８】
ＲＯＭ(31)には、ＤＳＰ(18)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(19)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、後述するバイアス電流値を記憶したバイアス電流値テーブルなどが設けられている。ＤＳＰ(18)は、各制御軸について、ＡＤ変換器(20)から入力する回転体(5)の位置を表わすディジタル位置信号に基づいて、各磁気軸受(6)(7)(8)の各電磁石(26)(27)(28)に対する励磁電流信号をＤＡ変換器(21)を介して磁気軸受駆動回路(14)に出力する。そして、駆動回路(14)は、ＤＳＰ(18)からの励磁電流信号に基づく励磁電流を対応する磁気軸受(6)(7)(8)の電磁石(26)(27)(28)に供給し、これにより、回転体(5)が後述する目標浮上位置に非接触支持される。ＤＳＰ(18)により、上記位置検出手段による位置の検出結果に基づいて各磁気軸受(6)(7)(8)の電磁石(26)(27)(28)に供給する励磁電流を制御する電磁石制御手段としての電磁石制御装置が構成されている。
【００２９】
ＤＳＰ(18)は、また、モータ(10)に対する回転数指令信号をインバータ(15)に出力し、インバータ(15)は、この信号に基づいて、モータ(10)の回転数を制御する。そして、その結果、回転体(5)が、磁気軸受(6)(7)(8)により目標浮上位置に非接触支持された状態で、モータ(10)により高速回転させられる。
【００３０】
図４は、コントローラ(2)の構成のうち、アキシアル磁気軸受(6)における１対のアキシアル電磁石(26a)(26b)の制御に関する部分だけを示したものである。次に、図４を参照して、コントローラ(2)による上記の１対のアキシアル電磁石(26a)(26b)の制御について説明する。
【００３１】
まず、センサ回路(13)は、アキシアル変位センサ(23)の出力信号より、回転体(5)のＺ軸方向の位置を求め、この位置に比例した位置信号Ｚsを出力する。センサ回路(13)からの位置信号Ｚsは、ＡＤ変換器(20)によりディジタル値に変換されて、ＤＳＰ(18)に入力する。ＤＳＰ(18)は、後述するように、ディジタル位置信号Ｚsより回転体(5)の目標浮上位置に対する変位を演算し、この変位に基づいて、１対の電磁石(26)にそれぞれ対応する制御信号としての１対の励磁電流信号をＤＡ変換器(21)に出力する。第１の励磁電流信号（Ｉo＋Ｉc）はＤＡ変換器(21)によりアナログ信号に変換されて、第１の励磁電流信号（Ｉo＋Ｉc）として磁気軸受駆動回路(14)の第１の電力増幅器(35)に供給され、第１の電力増幅器(35)は第１の励磁電流信号（Ｉo＋Ｉc）を増幅し、これに比例する励磁電流を第１の電磁石(26a)に供給する。第２の励磁電流値（Ｉo−Ｉc）はＤＡ変換器(21)によりアナログ信号に変換されて、第２の励磁電流信号（Ｉo−Ｉc）として磁気軸受駆動回路(14)の第２の電力増幅器(36)に供給され、第２の電力増幅器(36)は第２の励磁電流信号（Ｉo−Ｉc）を増幅し、これに比例する励磁電流を第２の電磁石(26a)に供給する。その結果、回転体(5)が、Ｚ軸方向の目標浮上位置に支持される。
【００３２】
図５は、図４に示されているコントローラ(2)の部分において、ＤＳＰ(18)の動作を機能ブロックで表わしたものである。ＤＳＰ(18)は、機能的には、減算手段(22)、目標浮上位置設定手段(32)、制御電流演算手段(37)および励磁電流演算手段(38)を備えている。減算手段(22)は、ＡＤ変換器(20)から入力する位置信号Ｚsより後述するように目標浮上位置設定手段(32)から入力する目標浮上位置Ｚoを減算することにより、回転体(5)の目標浮上位置からの変位値ΔＺを求め、これを制御電流演算手段(37)に出力する。制御電流演算手段(37)は、減算手段(22)からの変位値ΔＺに基づいて、たとえばＰＩＤ演算により、電磁石(26a)(26b)に対する制御電流値Ｉcを演算するものであり、積分演算部（積分動作部）(40)、比例・微分演算部（比例・微分動作部）(41)および加算部(42)より構成されている。積分演算部(40)は、フラッシュメモリ(19)のテーブルに記憶されている積分演算制御パラメータを用い、変位値ΔＺに基づいて制御電流値Ｉcの積分成分Ｉciを演算する。比例・微分演算部(41)は、フラッシュメモリ(19)のテーブルに記憶されている比例演算制御パラメータおよび微分演算制御パラメータを用い、変位値ΔＺに基づいて制御電流値Ｉcの比例・微分成分Ｉcpdを演算する。加算部(42)は、上記の積分成分Ｉciと比例・微分成分Ｉcpdを加算することによって制御電流値Ｉcを求め、これを励磁電流演算手段(38)に出力する。なお、比例・微分演算部(41)を比例演算部と微分演算部とに分け、比例演算部の出力である比例成分と、微分演算部の出力である微分成分と、上記の積分演算部(40)の出力である積分成分Ｉciとを加算することにより制御電流値Ｉcを求めるようにしてもよい。励磁電流演算手段(38)は、フラッシュメモリ(19)のテーブルに記憶されているバイアス電流値Ｉoに制御電流演算手段(37)からの制御電流値Ｉcを加算し、その結果得られた値（Ｉo＋Ｉc）を第１の励磁電流値としてＤＡ変換器(21)に出力するとともに、上記バイアス電流値Ｉoから上記制御電流値Ｉcを減算し、その結果得られた値（Ｉo−Ｉc）を第２の励磁電流値としてＤＡ変換器(21)に出力する。目標浮上位置設定手段(32)は、後述する目標浮上位置の設定を行う。
【００３３】
図６は、コントローラ(2)の構成のうち、上部ラジアル磁気軸受(7)におけるＸ軸方向の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ものである。この場合、センサ回路(13)は、上部ラジアル位置センサユニット(24)のＸ軸方向の１対のラジアル位置センサ(29a)(29b)のうちの一方の出力信号から他方の出力信号を減算することにより、上部ラジアル磁気軸受(7)の部分における回転体(5)のＸ軸方向の位置を求め、この位置に比例した位置信号Ｘsを出力する。センサ回路(13)からの位置信号Ｘsは、ＡＤ変換器(20)によりディジタル値（ディジタル変位信号Ｘs）に変換されて、ＤＳＰ(18)に入力する。後は、図４の場合と同様であり、対応する部分には同一の符号を付している。
【００３４】
上部ラジアル磁気軸受(7)におけるＹ軸方向の１対のラジアル電磁石(27c)(27d)の制御に関する部分、下部ラジアル磁気軸受(8)におけるＸ軸方向の１対のラジアル電磁石(28a)(28b)の制御に関する部分およびＹ軸方向の１対のラジアル電磁石(28c)(28d)の制御に関する部分についても、同様である。
【００３５】
上記の磁気軸受装置には、機械的中心位置、磁気的中心位置および対センサ中立位置がある。機械的中心位置は、保護軸受(11)(12)により規制される可動範囲の中心の位置であり、アキシアル方向については、下部保護軸受(12)の内輪(12b)が回転体(5)のみぞ(17)のアキシアル方向の中央にきて、内輪(12b)の端面とこれに対向するみぞ(17)の側面とのアキシアル方向のギャップの大きさが両側において互いに等しくなる位置であり、ラジアル方向については、回転体(5)の中心が２組の保護軸受(11)(12)の中心に一致して、回転体(5)と保護軸受(11)(12)の内輪(12b)とのラジアル方向のギャップの大きさが全周にわたって等しくなる位置である。磁気的中心位置は、各磁気軸受(6)(7)(8)の対向する各対の電磁石(26)(27)(28)の中心の位置である。対センサ中立位置は、アキシアル方向については、回転体(5)の下端面とアキシアル位置センサ(23)とのアキシアル方向のギャップの大きさが予め設定された所定値になるような位置であり、ラジアル方向については、各ラジアル位置センサユニット(24)(25)の対向する各対のラジアル位置センサ(29)(30)の中心の位置である。
【００３６】
上記の磁気軸受装置において、最初に運転を開始する際に、ＤＳＰ(18)により、各制御軸について目標浮上位置が設定され、以後は、回転体(5)がこの目標浮上位置に支持されるように磁気軸受(6)(7)(8)が制御される。
【００３７】
最初に磁気軸受装置の運転を開始する前は、磁気軸受(6)(7)(8)およびモータ(10)は駆動されておらず、回転体(5)は保護軸受(11)(12)の内輪(11b)(11a)に支持されて、停止している。
【００３８】
最初に磁気軸受装置の運転を開始する際に、ＤＳＰ(18)により、たとえば、次に説明するように、Ｚ軸方向、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の順に目標浮上位置が設定される。
【００３９】
最初に、次のようにして、Ｚ軸方向の目標浮上位置が設定される。
【００４０】
まず、回転体(5)がＸ軸方向およびＹ軸方向の所定の仮浮上位置に支持される。これは、Ｘ軸およびＹ軸の各制御軸の目標浮上位置設定手段が仮浮上位置を減算手段に出力することにより行われる。Ｘ軸方向およびＹ軸方向の仮浮上位置は、たとえば、各制御軸方向の対センサ中心位置とされる。
【００４１】
回転体(5)がＸ軸方向およびＹ軸方向の仮浮上位置に支持されたとき、アキシアル電磁石(26)は駆動されていないので、回転体(5)は、アキシアル方向には、保護軸受(12)の内輪(12b)により支持されて、下端極限位置に位置している。このような状態で、Ｚ軸の目標浮上位置設定手段(32)により、Ｚ軸方向の位置信号Ｚsが読み取られ、これよりわずかに上方の位置が最初の仮浮上位置として減算手段(22)に出力される。これにより、回転体(5)は、Ｚ軸方向の最初の仮浮上位置に浮上させられる。そして、このときの積分演算部(40)の出力（積分出力）が読み取られ、第１の極限位置積分出力としてフラッシュメモリ(19)に記憶される。
【００４２】
次に、目標浮上位置設定手段(32)により、Ｚ軸方向の仮浮上位置が、予め定められた一定の間隔で上方に移されて、減算手段(22)に出力される。これにより、回転体(5)の仮浮上位置が徐々に上方に移動するので、移動の都度、位置信号Ｚsと積分出力が読み込まれ、対応する中間位置および中間位置積分出力としてフラッシュメモリ(19)に記憶される。
【００４３】
回転体(5)の仮浮上位置が上端極限位置まで移動すると、位置信号Ｚsおよび積分出力が変化しなくなるので、それが検知され、上端極限位置よりわずかに下方の位置が最後の仮浮上位置として減算手段(22)に出力されことにより、回転体(5)がＺ軸方向の最後の仮浮上位置に浮上させられる。そして、このときの積分出力が読み取られ、第２の極限位置積分出力としてフラッシュメモリ(19)に記憶される。
【００４４】
次に、第１の極限位置積分出力と第２の極限位置積分出力の中央値が演算され、フラッシュメモリ(19)に記憶されている中間位置積分出力の中からこの中央値に最も近いものが求められ、この求められた中間位置積分出力に対応して記憶されている中間位置の値が目標浮上位置として設定される。これでＺ軸方向の目標浮上位置の設定が終了し、以後は、このようにして設定された目標浮上位置が目標浮上位置設定手段(32)から減算手段(22)に出力される。
【００４５】
回転体(5)がＺ軸方向のある位置に浮上させられているとき、上部アキシアル電磁石(26a)による上向きの磁気吸引力が、下部アキシアル電磁石(26b)による下向きの磁気吸引力と重力を合わせた力と釣り合っている。つまり、上部電磁石(26a)による磁気吸引力は、常に、下部電磁石(26b)による磁気吸引力より重力分だけ大きい。また、各電磁石(26)の磁気吸引力は、該電磁石(26)の励磁電流の大きさの二乗に比例し、該電磁石(26)と回転体(5)とのギャップの大きさに反比例する。このため、Ｚ軸方向の磁気的中心位置よりも上方に、上下の電磁石(26)の励磁電流が互いに等しくなる位置すなわち制御電流が０になる位置が存在する。そして、回転体(5)の浮上位置がこの制御電流０の位置から上下にずれると、制御電流の値が変化し、制御電流の値は、回転体(5)の位置の制御電流０の位置からのずれの大きさに比例する。また、一方の電磁石(26)における制御電流の値は、積分演算部(40)の出力である積分出力に比例する。したがって、回転体(5)の浮上位置を一方の下端極限位置から他方の上方極限位置まで変化させると、積分出力は直線的に変化する。このため、上記のように、回転体(5)を一方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの積分出力と他方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの積分出力との中央値に対応する位置は、ほぼ機械的中心位置となり、したがって、上記中央値に対応する位置を目標浮上位置とすることにより、回転体(5)はほぼ機械的中心位置に磁気浮上させられる。
【００４６】
Ｚ軸方向の目標浮上位置の設定が終了すると、次のようにして、上下のＸ軸方向の目標浮上位置が同時に設定される。
【００４７】
まず、回転体(5)がＹ軸方向の仮浮上位置とＺ軸方向の目標浮上位置に支持された状態で、上下両ラジアル磁気軸受(7)(8)において、Ｘ軸方向のラジアル電磁石(27)(28)の一方により、回転体(5)が上下のＸ軸方向の一方の第１の極限位置に吸引される。このような状態で、上下各Ｘ軸の目標浮上位置設定手段により、各Ｘ軸方向の位置信号Ｘsが読み取られ、これよりわずかに他方の第２の極限位置側の位置が最初の仮浮上位置として各Ｘ軸の減算手段に出力される。これにより、回転体(5)は、Ｘ軸方向の最初の仮浮上位置に浮上させられる。そして、このときの各Ｘ軸の積分出力が読み取られ、第１の極限位置積分出力としてフラッシュメモリ(19)に記憶される。
【００４８】
次に、目標浮上位置設定手段により、各Ｘ軸方向の仮浮上位置が、予め定められた一定の間隔で第２の極限位置側に移されて、各Ｘ軸の減算手段に出力される。これにより、回転体(5)の各Ｘ軸方向の仮浮上位置が徐々に第２の極限位置側に移動するので、移動の都度、各Ｘ軸の位置信号Ｘsと積分出力が読み込まれ、対応する中間位置および中間位置積分出力としてフラッシュメモリ(19)に記憶される。
【００４９】
回転体(5)の仮浮上位置が第２の極限位置まで移動すると、各Ｘ軸の位置信号Ｘsおよび積分出力が変化しなくなるので、それが検知され、各Ｘ軸について第２の極限位置よりわずかに第１の極限位置側の位置が最後の仮浮上位置として減算手段に出力されことにより、回転体(5)がＸ軸方向の最後の仮浮上位置に浮上させられる。そして、このときの各Ｘ軸の積分出力が読み取られ、第２の極限位置積分出力としてフラッシュメモリ(19)に記憶される。
【００５０】
次に、各Ｘ軸について、第１の極限位置積分出力と第２の極限位置積分出力の中央値が演算され、フラッシュメモリ(19)に記憶されている中間位置積分出力の中からこの中央値に最も近いものが求められ、この求められた中間位置積分出力に対応して記憶されている中間位置の値が目標浮上位置として設定される。これで、両Ｘ軸方向について、目標浮上位置の設定が終了し、以後は、このようにして設定された目標浮上位置が目標浮上位置設定手段から減算手段に出力される。
【００５１】
Ｘ軸は水平であるから、Ｘ軸方向に関しては、回転体(5)にラジアル電磁石(27)(28)の磁気吸引力以外の力は作用しない。そして、回転体(5)がＸ軸方向のある位置に浮上させられているとき、片側の電磁石(27a)(28a)による磁気吸引力が、反対側の電磁石(27b)(28b)による磁気吸引力と釣り合っている。このため、各電磁石(27)(28)における回転体(5)とのギャップの大きさが互いに等しい磁気的中心位置に回転体(5)が支持されているとき、各電磁石(27)(28)における励磁電流が互いに等しく、制御電流が０になる。そして、回転体(5)の浮上位置が磁気的中心位置からＸ軸方向にずれると、制御電流の値が変化し、制御電流の値は、回転体(5)の位置の磁気的中心位置からのずれの大きさに比例する。したがって、前記同様、回転体(5)を一方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの積分出力と他方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの積分出力との中央値に対応する位置は、ほぼ機械的中心位置となり、したがって、上記中央値に対応する位置を目標浮上位置とすることにより、回転体(5)はほぼ機械的中心位置に磁気浮上させられる。
【００５２】
Ｚ軸方向およびＸ軸方向の目標浮上位置の設定が終了すると、Ｘ軸方向の場合と同様に、上下のＹ軸方向の目標浮上位置が同時に設定される。これにより、目標浮上位置の設定が全て終了し、以後は、回転体(5)は全ての制御軸について、上記のようにして設定された機械的中心位置に近い目標浮上位置に支持される。
【００５３】
磁気軸受装置の運転を停止する場合は、まず、モータ(10)の駆動を停止して、回転体(5)の回転を停止させ、次に、磁気軸受(6)(7)(8)の電磁石(26)(27)(28)の駆動を停止する。これにより、磁気軸受(6)(7)(8)による支持力がなくなるため、回転体(5)は保護軸受(11)(12)によって支持される。
【００５４】
磁気軸受装置の運転を再開する場合は、まず、磁気軸受(6)(7)(8)の電磁石(26)(27)(28)を駆動して、回転体(5)を上記の目標浮上位置に浮上させる。そして、モータ(10)を駆動し、回転体(5)を回転させる。
【００５５】
機械本体(1)とコントローラ(2)の組合せを変更した場合など、上記のようにして目標浮上位置を設定することにより、後は、その目標浮上位置を用いて回転体(5)をほぼ機械的中心位置に磁気浮上させることができる。
【００５６】
なお、磁気軸受装置を最初に運転するときや機械本体(1)とコントローラ(2)の組合せを変更したときだけでなく、必要に応じ、改めて上記のように目標浮上位置を設定することができる。
【００５７】
上記の磁気軸受装置において、機械的中心位置と磁気的中心位置とが一致していない場合、上記のようにして回転体の目標浮上位置を設定しても、回転体を磁気的中心位置に磁気浮上させることはできない。そして、回転体が磁気的中心位置からずれていると、磁気軸受の各１対の電磁石に供給される励磁電流とこれらによる磁気吸引力との関係が線形にならず、制御が不安定になることがある。これが問題になる場合は、磁気軸受装置を最初に運転する際に、磁気的中心位置を求めて、この磁気的中心位置に回転体を磁気浮上させる必要がある。磁気的中心位置を求める方法として、たとえば特開平９−１６６１３９号公報に記載されているものが知られている。これは、回転体を対センサ中心位置などの所定の仮浮上位置に仮浮上させて、そのときに各磁気軸受の１対の電磁石に流れる励磁電流から回転体の設置姿勢と磁気的中心位置を推定するものである。回転体の設置姿勢には、回転体すなわちＺ軸が鉛直になった縦置姿勢と、Ｚ軸が水平になった横置姿勢がある。縦置姿勢には、Ｚ軸正方向が上になった正立姿勢と、Ｚ軸正方向が下になった倒立姿勢がある。横置姿勢には、Ｘ軸が垂直になってＸ軸正方向が上になったＸ軸正立姿勢およびＸ軸正方向が下になったＸ軸倒立姿勢、ならびにＹ軸が垂直になってＹ軸正方向が上になったＹ軸正立姿勢およびＹ軸正方向が下になったＹ軸倒立姿勢がある。そして、磁気軸受装置の用途などに応じて、適当な設置姿勢が選ばれる。設置姿勢と磁気的中心位置の推定は、コントローラによって行われる。このため、コントローラは、各制御軸について、１対の電磁石に流れる励磁電流と回転体の該制御軸方向の位置との関係を表すデータ（推定用データ）をメモリに記憶しておき、電磁石の励磁電流から、この推定用データに基づいて磁気的中心位置を推定するようになっている。ところが、上記の推定用データは回転体の設置姿勢によって変わるため、コントローラは全ての設置姿勢についての推定用データを記憶しておく必要があり、また、たとえばＺ軸が斜めに設置された場合など、推定用データが記憶されていない姿勢に回転体が設置された場合には、磁気的中心位置を求めることができない。磁気的中心位置が一旦求められると、機械本体とコントローラの組合せが変わらない限り、たとえ回転体の設置姿勢が変わっても、回転体を磁気的中心位置に磁気浮上させることができる。ところが、機械本体とコントローラの組合せが変更されると、新しいコントローラにはその機械本体における磁気的中心位置は設定されていないので、そのままでは、回転体を磁気的中心位置に磁気浮上させることができない。したがって、改めて磁気的中心位置を求める必要があるが、その際にも、推定用データが記憶されていない姿勢に回転体が設置されれば、やはり、磁気的中心位置を求めることができない。
【００５８】
しかし、上記の磁気軸受装置では、回転体(5)を磁気的中心位置に磁気浮上させることが必要な場合に、次のようにすることにより、回転体(5)をその設置姿勢に関係なく磁気的中心位置に磁気浮上させることができる。
【００５９】
この場合、機械本体(1)に、機械的中心位置に対する磁気的中心位置のずれを記憶するための記憶手段たとえばメモリを設けておく。一方、コントローラ(2)のフラッシュメモリ(19)に、少なくとも１つの設置姿勢に対する推定用データを記憶させておく。そして、まず、機械本体(1)を推定用データが記憶されている姿勢に設置する。次に、機械的中心位置を推定し、これを仮浮上位置として、回転体(5)を仮浮上させる。これは、たとえば、前記の目標浮上位置の設定方法を用いて行うことができる。これにより、回転体(5)がほぼ機械的中心位置に磁気浮上させられるので、各磁気軸受(6)(7)(8)の１対の電磁石について、励磁電流の値を検出し、この励磁電流の値から、推定用データに基づいて、各制御軸における磁気的中心位置を推定する。これは、前記の特開平９−１６６１３９号公報に記載されている方法を用いて行うことができる。このようにして磁気的中心位置の推定が終了すると、各制御軸における磁気的中心位置の値をコントローラ(2)に記憶させるとともに、各制御軸のおける機械的中心位置に対する磁気的中心位置のずれの値を機械本体(1)のメモリに記憶させる。
【００６０】
後は、そのままの組合せで磁気軸受を運転することもできるし、機械本体(1)とコントローラ(2)の組合せを変えて磁気軸受装置を運転することもできる。また、必要に応じて、機械本体(1)の設置姿勢を変えることができる。
【００６１】
機械本体(1)とコントローラ(2)の組合せを変更しない場合は、機械本体(1)の設置姿勢に関係なく、そのまま、コントローラ(2)に記憶されている磁気的中心位置の値を用いて、回転体(5)を磁気的中心位置に磁気浮上させることができる。この場合、コントローラ(2)には、少なくとも１つの設置姿勢に対する推定用データを記憶させておけばよく、必ずしも全ての設置姿勢に対する推定用データを記憶させておく必要はない。
【００６２】
機械本体(1)とコントローラ(2)の組合せを変更した場合は、最初に、次のように、磁気的中心位置を推定し、後は、その磁気的中心位置の値を用いて、回転体(5)を磁気的中心位置に磁気浮上させる。すなわち、まず、機械本体(1)を使用状態の姿勢に設置する。そして、前記の目標浮上位置の設定方法と同じようにして、機械的中心位置を求め、各制御軸における機械的中心位置をコントローラ(2)に記憶させる。次に、各制御軸について、上記のようにして求めた機械的中心位置に機械本体(1)のメモリに記憶されているずれの値を加算することにより、磁気的中心位置を求め、後は、この磁気的中心位置を目標浮上位置として、回転体(5)を磁気浮上させる。この場合、前記の目標浮上位置の設定方法を用いて機械的中心位置を求めることは、機械本体(1)の設置姿勢に関係なく行うことができる。また、機械的中心位置から磁気的中心位置を求めることも、簡単な加算演算だけで行うことができる。したがって、機械本体(1)とコントローラ(2)の組合せを変更した場合でも、機械本体(1)の設置姿勢に関係なく、簡単に磁気的中心位置を求めて、その磁気的中心位置に回転体(5)を磁気浮上させることができる。また、新しいコントローラ(2)は、前記のような電磁石の励磁電流に基づく磁気的中心位置の推定を行う必要がないので、前記のような推定用データを記憶させておく必要がない。
【００６３】
上記実施形態には、回転体が固定部分であるケーシングの内側で回転するインナロータ型の磁気軸受装置を示したが、この発明は、回転体が固定部分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できる。
【００６４】
また、上記実施形態には、回転体が鉛直に配置された縦型の磁気軸受装置を示したが、この発明は回転体が水平に配置された横型の磁気軸受装置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の実施形態を示す磁気軸受装置の機械的部分の主要部の縦断面図である。
【図２】図２は、同横断面図である。
【図３】図３は、同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。
【図４】図４は、図３のコントローラの１対のアキシアル電磁石に関する部分を示すブロック図である。
【図５】図５は、図４のＤＳＰの部分の機能を示すブロック図である。
【図６】図６は、図３のコントローラの１対のラジアル電磁石に関する部分を示すブロック図である。
【符号の説明】
(5) 回転体
(6) アキシアル磁気軸受
(11)(12) 保護軸受
(13) センサ回路
(18) ディジタル信号処理プロセッサ（ＤＳＰ）
(19) フラッシュメモリ
(23) アキシアル位置センサ
(26a)(26b) アキシアル電磁石
(27a)(27b)(27c)(27d) ラジアル電磁石
(28a)(28b)(28c)(28d) ラジアル電磁石
(29a)(29b)(29c)(29d) ラジアル位置センサ
(30a)(30b)(30c)(30d) ラジアル位置センサ
(32) 目標浮上位置設定手段
(40) 積分演算部
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁気軸受装置、さらに詳しくは、複数組の磁気軸受で回転体を互いに直交するアキシアル方向および２つのラジアル方向に非接触支持して磁気浮上させる磁気軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の磁気軸受装置として、５つの制御軸（アキシアル方向の制御軸およびアキシアル方向の２箇所の各々における２つのラジアル方向の制御軸）を有する５軸制御型磁気軸受装置が知られている。
【０００３】
５軸制御型磁気軸受装置は、回転体をアキシアル制御軸方向に非接触支持するアキシアル磁気軸受、回転体をアキシアル方向の２箇所においてそれぞれ互いに直交する２つのラジアル制御軸方向に非接触支持する２組のラジアル磁気軸受、ならびに回転体のアキシアル方向およ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。アキシアル磁気軸受は、回転体をアキシアル制御軸方向の両側から挟むように配置されて回転体を磁気吸引する１対の電磁石を備えている。各ラジアル磁気軸受は、２つの各ラジアル制御軸方向の各々について、回転体を該制御軸方向の両側から挟むように配置されて回転体を磁気吸引する１対の電磁石を備えている。また、磁気軸受装置は、５つの制御軸の各々について、回転体の該制御軸方向の位置を検出する位置検出手段としての位置検出装置、および位置検出装置による位置の検出結果に基づいて該制御軸の１対の電磁石を制御する電磁石制御手段としての電磁石制御装置を備えている。アキシアル制御軸方向の位置検出装置は、回転体の位置検出端面にアキシアル制御軸方向の一方から対向する１個のアキシアル位置センサを備えている。各ラジアル制御軸方向の位置検出装置は、回転体を該制御軸方向の両側から挟んで対向する１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、比例動作部、微分動作部および積分動作部を備えている。
【０００４】
上記のような磁気軸受装置には、各制御軸方向について、保護軸受による可動範囲に対する機械的中心位置と、磁気軸受の電磁石の位置に対する磁気的中心位置と、位置センサの位置に対する対センサ中心位置とがある。各制御軸方向の機械的中心位置は、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。各制御軸方向の磁気的中心位置は、該制御軸方向に対をなす２個の電磁石の中心の位置である。アキシアル制御軸方向の対センサ中心位置は、回転体の位置検出端面とアキシアル位置センサとのギャップ（空隙）の大きさがあらかじめ設定された所定値になるような位置である。また、各ラジアル制御軸方向の対センサ中心位置は、該制御軸方向に対をなす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が、実際には、製作誤差や組立誤差のためにこれらの間に誤差が生じることがある。
【０００５】
従来の磁気軸受装置では、回転体が設計上の中心位置である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、各磁気軸受の電磁石が制御される。このため、対センサ中心位置が機械的中心位置と一致していない場合は、回転体を機械的中心位置に保持することができない。この場合、回転体の機械的中心位置と対センサ中心位置との誤差が大きいと、回転体を対センサ中心位置に保持したときに、回転体と保護軸受との間隙が部分的に小さくなって、種々の不具合が生じる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、回転体を容易にほぼ機械的中心位置に磁気浮上させることができ、かつ必要な場合に回転体を磁気的中心位置に磁気浮上させることができる磁気軸受装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明による磁気軸受装置は、複数対の電磁石の磁気吸引力により回転体が互いに直交するアキシアル方向および２つのラジアル方向に非接触支持されて磁気浮上させられ、機械的規制手段により上記回転体の上記３つの支持方向の可動範囲が規制されている磁気軸受装置であって、上記３つの支持方向の各制御軸について、上記回転体を該制御軸方向の両側から挟むように配置された１対の電磁石、上記回転体の該制御軸方向の位置を検出する位置検出手段、および上記位置検出手段による位置の検出結果に基づいて上記電磁石を制御する少なくとも積分動作部を有する電磁石制御手段を備えており、上記回転体、電磁石、機械的規制手段および位置検出手段の位置センサが機械本体に設けられ、位置検出手段のセンサ回路および電磁石制御手段がコントローラに設けられている磁気軸受装置において、上記電磁石制御手段が、上記回転体を上記機械的規制手段により規制される該制御軸方向の一方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの上記積分動作部の出力である積分出力と上記回転体を該制御軸方向の他方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの同積分出力との中央値に対応する上記回転体の位置を上記回転体の該制御軸方向の目標浮上位置として設定する目標浮上位置設定手段を備えており、上記回転体を磁気的中心位置に磁気浮上できるように、機械的中心位置に対する磁気的中心位置のずれを記憶するメモリが上記機械本体に設けられていることを特徴とするものである。
【０００８】
各制御軸について、通常、１対の電磁石には同じ特性のものが使用され、各電磁石に、電磁石制御装置から、一定の定常電流と回転体の該制御軸方向の位置によって変わる制御電流とを合わせた励磁電流が供給される。１対の電磁石において、定常電流の値は互いに等しい。また、制御電流の絶対値は互いに等しく、符号が逆である。
【０００９】
制御軸が水平な場合など、回転体に電磁石の磁気吸引力以外の力が作用しない場合は、回転体が該制御軸方向のある位置に非接触支持されているとき、回転体に対する２つの電磁石の磁気吸引力は互いに等しい。また、各電磁石の磁気吸引力は、該電磁石の励磁電流の大きさの二乗に比例し、該電磁石と回転体とのギャップの大きさに反比例する。回転体が磁気的中心位置に支持されているとき、各電磁石における回転体とのギャップの大きさは互いに等しく、したがって、各電磁石における励磁電流は互いに等しい。すなわち、各電磁石における制御電流の値は互いに０である。回転体が磁気的中心位置からいずれかの方向にずれた位置に支持されたときは、各電磁石における回転体とのギャップの大きさが互いに異なるため、各電磁石における励磁電流の値が互いに異なるものになり、したがって、各電磁石における制御電流の値も互いに異なるものになる。各電磁石における制御電流の値は、回転体の位置の磁気的中心位置からのずれの大きさに比例する。また、一方の電磁石における制御電流の値は、電磁石制御装置の積分動作部の出力である積分出力に比例する。したがって、回転体を支持する位置を一方の極限位置から他方の極限位置まで変化させると、積分出力は直線的に変化する。このため、回転体を一方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの積分出力と他方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの積分出力との中央値に対応する位置は、ほぼ機械的中心位置となり、したがって、上記中央値に対応する位置を目標浮上位置とすることにより、回転体はほぼ機械的中心位置に磁気浮上させられる。
【００１０】
制御軸が鉛直な場合など、回転体に電磁石の磁気吸引力以外に重力が作用する場合は、回転体が該制御軸方向のある位置に非接触支持されているとき、上側の電磁石による上向きの磁気吸引力が、下側の電磁石による下向きの磁気吸引力と重力を合わせた力と釣り合っている。このため、回転体が磁気的中心位置に支持されているとき、上側の電磁石の制御電流は正の値で、下側の電磁石の制御電流は負の値であり、したがって、積分出力は０ではない。しかし、この場合も、回転体を支持する位置を一方の極限位置から他方の極限位置まで変化させると、積分出力は直線的に変化し、上記同様、回転体を一方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの積分出力と他方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの積分出力との中央値に対応する位置を目標浮上位置とすることにより、回転体はほぼ機械的中心位置に磁気浮上させられる。
【００１１】
制御軸が斜めの場合についても同様であり、回転体の設置姿勢に関係なく、回転体をほぼ機械的中心位置に磁気浮上させることができる。
【００１２】
磁気軸受装置は、通常、回転体、磁気軸受の電磁石、保護軸受および位置検出装置のうちの位置センサなどを含む機械本体と、電磁石制御装置および位置検出装置のうち位置センサを駆動し位置センサの出力に基づいて回転体の位置を演算するセンサ回路などを含むコントローラとに分けられ、これらがケーブルによって接続される。また、磁気軸受装置の使用中に、コントローラを同一機種の他のものと取り替える必要が生じることがある。複数の機械本体について、同一機種であっても、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の関係は必ずしも同じではない。しかし、各機械本体において、これら３つの位置の関係は不変である。したがって、機械本体とコントローラの組合せが変わらない限り、最初に磁気軸受装置の運転を開始する際に、上記のように目標浮上位置を設定すれば、後は、この目標浮上位置を用いて回転体をほぼ機械的中心位置に磁気浮上させることができる。ところが、機械本体とコントローラの組合せが変更されると、新しいコントローラには目標浮上位置は設定されていないので、そのままでは、回転体を機械的中心位置に磁気浮上させることができない。しかし、このような場合でも、上記のようにして目標浮上位置を設定することにより、回転体をほぼ機械的中心位置に磁気浮上させることができる。
【００１３】
この発明の磁気軸受装置によれば、最初に磁気軸受装置の運転を開始する際あるいは機械本体とコントローラの組合せを変更した際などに、回転体の設置姿勢に関係なく、回転体を制御軸の一方の極限位置から他方の極限位置に移動させるだけの簡単な操作で、回転体をほぼ機械的中心位置に磁気浮上させることができる。したがって、従来のように回転体と機械的規制手段との間隙が部分的に小さくなって、種々の不具合が生じるようなことがない。
しかも、機械的中心位置に対する磁気的中心位置のずれを記憶するメモリが機械本体に設けられているので、回転体を磁気的中心位置に磁気浮上させることが必要な場合に、回転体をその設置姿勢に関係なく磁気的中心位置に磁気浮上させることができる。
【００１４】
たとえば、上記目標位置設定手段が、上記回転体を一方の極限位置に位置させた後にその近傍に磁気浮上させ、そのときの上記積分出力を求めて第１の極限位置積分出力として記憶し、上記回転体の磁気浮上位置を他方の極限位置側に徐々に移動させて、その都度、上記回転体の位置と上記積分出力を求めて中間位置および中間位置積分出力として記憶し、上記回転体を他方の極限位置まで移動させた後にその近傍に磁気浮上させ、そのときの上記積分出力を求めて第２の極限位置積分出力とし、第１の極限位置積分出力と第２の極限位置積分出力の中央値を求め、記憶されている中間位置積分出力の中からこの中央値に最も近いものを求めて、この中間位置積分出力に対応する中間位置を目標浮上位置とするものである。
【００１５】
【発明の実施形態】
以下、図面を参照して、この発明を５軸制御型磁気軸受装置に適用した実施形態について説明する。
【００１６】
図１は５軸制御型磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す縦断面図、図２は同横断面図、図３はその電気的構成の１例を示すブロック図である。
【００１７】
磁気軸受装置は、ケーブルにより接続された機械本体(1)およびコントローラ(2)を備えている。この磁気軸受装置は、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)が回転する縦型のものである。以下の説明において、回転体(5)のアキシアル方向（鉛直方向）の軸を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軸およびＹ軸とする。
【００１８】
機械本体(1)には、回転体(5)をＺ軸方向に非接触支持する１組のアキシアル磁気軸受(6)、回転体(5)をアキシアル方向の２箇所においてそれぞれＸ軸方向およびＹ軸方向に非接触支持する上下２組のラジアル磁気軸受(7)(8)、回転体(5)のアキシアル方向の変位および上記２箇所におけるＸ軸方向およびＹ軸方向の位置をそれぞれ検出するための位置検出部(9)、回転体(5)を高速回転させるためのビルトイン型電動モータ(10)、ならびに回転体(5)のアキシアル方向およびラジアル方向の可動範囲を規制して回転体(5)を磁気軸受(6)(7)(8)で支持できなくなったときなどに可動範囲の極限位置において回転体(5)を機械的に支持する規制手段としての上下２組の保護軸受(11)(12)が設けられている。Ｚ軸は、アキシアル方向の制御軸となっている。また、上部磁気軸受(7)の部分におけるＸ軸方向の制御軸を上部Ｘ軸、Ｙ軸方向の制御軸を上部Ｙ軸とし、下部磁気軸受(8)の部分におけるＸ軸方向の制御軸を下部Ｘ軸、Ｙ軸方向の制御軸を下部Ｙ軸とする。
【００１９】
コントローラ(2)には、センサ回路(13)、磁気軸受駆動回路(14)、インバータ(15)およびＤＳＰボード(16)が設けられ、ＤＳＰボード(16)には、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ＤＳＰ(18)、ＲＯＭ(31)、記憶手段としてのフラッシュメモリ(19)、ＡＤ変換器(20)およびＤＡ変換器(21)が設けられている。ＤＳＰはディジタル信号処理プロセッサの略で、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指す。
【００２０】
位置検出部(9)は、回転体(5)のＺ軸方向の位置を検出するための１個のアキシアル位置センサ(23)、ならびに回転体(5)のＸ軸方向および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。
【００２１】
アキシアル磁気軸受(6)は、回転体(5)の下部に一体に形成されたフランジ部(5a)をＺ軸方向の両側から挟むように配置されて回転体(5)を磁気吸引する１対のアキシアル電磁石(26a)(26b)を備えている。アキシアル電磁石は、符号(26)で総称する。１対のアキシアル電磁石(26)には、同じ特性のものが使用される。
【００２２】
アキシアル位置センサ(23)は、回転体(5)の下端面にＺ軸方向の下側から対向するように配置され、回転体(5)の下端面とのギャップの大きさに比例する距離信号を出力する。
【００２３】
２組のラジアル磁気軸受(7)(8)は、アキシアル磁気軸受(6)の上側において上下方向に所定の間隔をおいて配置されており、これらの間にモータ(10)が配置されている。上部ラジアル磁気軸受(7)は、回転体(5)をＸ軸方向の両側から挟むように配置されて回転体(5)を磁気吸引する１対の上部ラジアル電磁石(27a)(27b)、および回転体(5)をＹ軸方向の両側から挟むように配置されて回転体(5)を磁気吸引する１対の上部ラジアル電磁石(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、下部ラジアル電磁石(8)も、２対の下部ラジアル電磁石(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。ラジアル軸受(27)(28)についても、少なくとも同一制御軸の１対の電磁石には、同じ特性のものが使用される。好ましくは、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。
【００２４】
上部ラジアル位置センサユニット(24)は、上部ラジアル磁気軸受(7)の近傍に配置されており、Ｘ軸方向の電磁石(27a)(27b)の近傍においてＸ軸方向の両側から回転体(5)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)、およびＹ軸方向の電磁石(27c)(27d)の近傍においてＹ軸方向の両側から回転体(5)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、下部ラジアル位置センサユニット(25)は、下部ラジアル磁気軸受(8)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。各ラジアル変位センサ(29)(30)は、回転体(5)の外周面とのギャップの大きさに比例する距離信号を出力する。
【００２５】
電磁石(26)(27)(28)および位置センサ(23)(29)(30)は、ケーシング(4)に固定されている。
【００２６】
上部保護軸受(11)は、たとえば深みぞ玉軸受などの転がり軸受よりなり、ラジアル荷重を受けられるようになっている。軸受(11)の外輪(11a)はケーシング(4)に固定され、内輪(11b)は回転体(5)の外周面に適当なギャップをあけて対向するように配置されている。下部保護軸受(12)は、たとえば深みぞ玉軸受などの転がり軸受よりなり、アキシアル荷重とラジアル荷重の両方を受けられるようになっている。この軸受(12)の外輪(12a)はケーシング(4)に固定され、内輪(12b)が回転体(5)の外周面に形成された環状みぞ(17)の部分にアキシアル方向およびラジアル方向に適当なギャップをあけて臨ませられている。そして、下部軸受(12)の内輪(12b)と回転体(4)との間のアキシアル方向のギャップの大きさにより、回転体(5)のアキシアル方向の可動範囲が規制され、各軸受(11)(12)の内輪(11b)(12b)と回転体(5)との間のラジアル方向のギャップの大きさにより、回転体(5)のラジアル方向の可動範囲が規制される。そして、回転体(2)が可動範囲の極限位置において保護軸受(11)(12)により支持されている状態でも、回転体(5)と電磁石(26)(27)(28)および位置センサ(23)(29)(30)との間にはギャップがあり、回転体(5)は電磁石(26)(27)(28)および位置センサ(23)(29)(30)に接触することはない。
【００２７】
コントローラ(2)のセンサ回路(13)は、位置検出部(9)の各位置センサ(23)(29)(30)を駆動し、各位置センサ(23)(29)(30)の出力である距離信号に基づいて、回転体(5)のＺ軸方向の位置、ならびに上下のラジアル位置センサユニット(24)(25)の部分におけるＸ軸方向および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(20)を介してＤＳＰ(18)に出力する。位置検出部(9)およびセンサ回路(13)により、回転体(5)の各制御軸方向の位置を検出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。
【００２８】
ＲＯＭ(31)には、ＤＳＰ(18)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(19)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、後述するバイアス電流値を記憶したバイアス電流値テーブルなどが設けられている。ＤＳＰ(18)は、各制御軸について、ＡＤ変換器(20)から入力する回転体(5)の位置を表わすディジタル位置信号に基づいて、各磁気軸受(6)(7)(8)の各電磁石(26)(27)(28)に対する励磁電流信号をＤＡ変換器(21)を介して磁気軸受駆動回路(14)に出力する。そして、駆動回路(14)は、ＤＳＰ(18)からの励磁電流信号に基づく励磁電流を対応する磁気軸受(6)(7)(8)の電磁石(26)(27)(28)に供給し、これにより、回転体(5)が後述する目標浮上位置に非接触支持される。ＤＳＰ(18)により、上記位置検出手段による位置の検出結果に基づいて各磁気軸受(6)(7)(8)の電磁石(26)(27)(28)に供給する励磁電流を制御する電磁石制御手段としての電磁石制御装置が構成されている。
【００２９】
ＤＳＰ(18)は、また、モータ(10)に対する回転数指令信号をインバータ(15)に出力し、インバータ(15)は、この信号に基づいて、モータ(10)の回転数を制御する。そして、その結果、回転体(5)が、磁気軸受(6)(7)(8)により目標浮上位置に非接触支持された状態で、モータ(10)により高速回転させられる。
【００３０】
図４は、コントローラ(2)の構成のうち、アキシアル磁気軸受(6)における１対のアキシアル電磁石(26a)(26b)の制御に関する部分だけを示したものである。次に、図４を参照して、コントローラ(2)による上記の１対のアキシアル電磁石(26a)(26b)の制御について説明する。
【００３１】
まず、センサ回路(13)は、アキシアル変位センサ(23)の出力信号より、回転体(5)のＺ軸方向の位置を求め、この位置に比例した位置信号Ｚsを出力する。センサ回路(13)からの位置信号Ｚsは、ＡＤ変換器(20)によりディジタル値に変換されて、ＤＳＰ(18)に入力する。ＤＳＰ(18)は、後述するように、ディジタル位置信号Ｚsより回転体(5)の目標浮上位置に対する変位を演算し、この変位に基づいて、１対の電磁石(26)にそれぞれ対応する制御信号としての１対の励磁電流信号をＤＡ変換器(21)に出力する。第１の励磁電流信号（Ｉo＋Ｉc）はＤＡ変換器(21)によりアナログ信号に変換されて、第１の励磁電流信号（Ｉo＋Ｉc）として磁気軸受駆動回路(14)の第１の電力増幅器(35)に供給され、第１の電力増幅器(35)は第１の励磁電流信号（Ｉo＋Ｉc）を増幅し、これに比例する励磁電流を第１の電磁石(26a)に供給する。第２の励磁電流値（Ｉo−Ｉc）はＤＡ変換器(21)によりアナログ信号に変換されて、第２の励磁電流信号（Ｉo−Ｉc）として磁気軸受駆動回路(14)の第２の電力増幅器(36)に供給され、第２の電力増幅器(36)は第２の励磁電流信号（Ｉo−Ｉc）を増幅し、これに比例する励磁電流を第２の電磁石(26a)に供給する。その結果、回転体(5)が、Ｚ軸方向の目標浮上位置に支持される。
【００３２】
図５は、図４に示されているコントローラ(2)の部分において、ＤＳＰ(18)の動作を機能ブロックで表わしたものである。ＤＳＰ(18)は、機能的には、減算手段(22)、目標浮上位置設定手段(32)、制御電流演算手段(37)および励磁電流演算手段(38)を備えている。減算手段(22)は、ＡＤ変換器(20)から入力する位置信号Ｚsより後述するように目標浮上位置設定手段(32)から入力する目標浮上位置Ｚoを減算することにより、回転体(5)の目標浮上位置からの変位値ΔＺを求め、これを制御電流演算手段(37)に出力する。制御電流演算手段(37)は、減算手段(22)からの変位値ΔＺに基づいて、たとえばＰＩＤ演算により、電磁石(26a)(26b)に対する制御電流値Ｉcを演算するものであり、積分演算部（積分動作部）(40)、比例・微分演算部（比例・微分動作部）(41)および加算部(42)より構成されている。積分演算部(40)は、フラッシュメモリ(19)のテーブルに記憶されている積分演算制御パラメータを用い、変位値ΔＺに基づいて制御電流値Ｉcの積分成分Ｉciを演算する。比例・微分演算部(41)は、フラッシュメモリ(19)のテーブルに記憶されている比例演算制御パラメータおよび微分演算制御パラメータを用い、変位値ΔＺに基づいて制御電流値Ｉcの比例・微分成分Ｉcpdを演算する。加算部(42)は、上記の積分成分Ｉciと比例・微分成分Ｉcpdを加算することによって制御電流値Ｉcを求め、これを励磁電流演算手段(38)に出力する。なお、比例・微分演算部(41)を比例演算部と微分演算部とに分け、比例演算部の出力である比例成分と、微分演算部の出力である微分成分と、上記の積分演算部(40)の出力である積分成分Ｉciとを加算することにより制御電流値Ｉcを求めるようにしてもよい。励磁電流演算手段(38)は、フラッシュメモリ(19)のテーブルに記憶されているバイアス電流値Ｉoに制御電流演算手段(37)からの制御電流値Ｉcを加算し、その結果得られた値（Ｉo＋Ｉc）を第１の励磁電流値としてＤＡ変換器(21)に出力するとともに、上記バイアス電流値Ｉoから上記制御電流値Ｉcを減算し、その結果得られた値（Ｉo−Ｉc）を第２の励磁電流値としてＤＡ変換器(21)に出力する。目標浮上位置設定手段(32)は、後述する目標浮上位置の設定を行う。
【００３３】
図６は、コントローラ(2)の構成のうち、上部ラジアル磁気軸受(7)におけるＸ軸方向の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ものである。この場合、センサ回路(13)は、上部ラジアル位置センサユニット(24)のＸ軸方向の１対のラジアル位置センサ(29a)(29b)のうちの一方の出力信号から他方の出力信号を減算することにより、上部ラジアル磁気軸受(7)の部分における回転体(5)のＸ軸方向の位置を求め、この位置に比例した位置信号Ｘsを出力する。センサ回路(13)からの位置信号Ｘsは、ＡＤ変換器(20)によりディジタル値（ディジタル変位信号Ｘs）に変換されて、ＤＳＰ(18)に入力する。後は、図４の場合と同様であり、対応する部分には同一の符号を付している。
【００３４】
上部ラジアル磁気軸受(7)におけるＹ軸方向の１対のラジアル電磁石(27c)(27d)の制御に関する部分、下部ラジアル磁気軸受(8)におけるＸ軸方向の１対のラジアル電磁石(28a)(28b)の制御に関する部分およびＹ軸方向の１対のラジアル電磁石(28c)(28d)の制御に関する部分についても、同様である。
【００３５】
上記の磁気軸受装置には、機械的中心位置、磁気的中心位置および対センサ中立位置がある。機械的中心位置は、保護軸受(11)(12)により規制される可動範囲の中心の位置であり、アキシアル方向については、下部保護軸受(12)の内輪(12b)が回転体(5)のみぞ(17)のアキシアル方向の中央にきて、内輪(12b)の端面とこれに対向するみぞ(17)の側面とのアキシアル方向のギャップの大きさが両側において互いに等しくなる位置であり、ラジアル方向については、回転体(5)の中心が２組の保護軸受(11)(12)の中心に一致して、回転体(5)と保護軸受(11)(12)の内輪(12b)とのラジアル方向のギャップの大きさが全周にわたって等しくなる位置である。磁気的中心位置は、各磁気軸受(6)(7)(8)の対向する各対の電磁石(26)(27)(28)の中心の位置である。対センサ中立位置は、アキシアル方向については、回転体(5)の下端面とアキシアル位置センサ(23)とのアキシアル方向のギャップの大きさが予め設定された所定値になるような位置であり、ラジアル方向については、各ラジアル位置センサユニット(24)(25)の対向する各対のラジアル位置センサ(29)(30)の中心の位置である。
【００３６】
上記の磁気軸受装置において、最初に運転を開始する際に、ＤＳＰ(18)により、各制御軸について目標浮上位置が設定され、以後は、回転体(5)がこの目標浮上位置に支持されるように磁気軸受(6)(7)(8)が制御される。
【００３７】
最初に磁気軸受装置の運転を開始する前は、磁気軸受(6)(7)(8)およびモータ(10)は駆動されておらず、回転体(5)は保護軸受(11)(12)の内輪(11b)(11a)に支持されて、停止している。
【００３８】
最初に磁気軸受装置の運転を開始する際に、ＤＳＰ(18)により、たとえば、次に説明するように、Ｚ軸方向、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の順に目標浮上位置が設定される。
【００３９】
最初に、次のようにして、Ｚ軸方向の目標浮上位置が設定される。
【００４０】
まず、回転体(5)がＸ軸方向およびＹ軸方向の所定の仮浮上位置に支持される。これは、Ｘ軸およびＹ軸の各制御軸の目標浮上位置設定手段が仮浮上位置を減算手段に出力することにより行われる。Ｘ軸方向およびＹ軸方向の仮浮上位置は、たとえば、各制御軸方向の対センサ中心位置とされる。
【００４１】
回転体(5)がＸ軸方向およびＹ軸方向の仮浮上位置に支持されたとき、アキシアル電磁石(26)は駆動されていないので、回転体(5)は、アキシアル方向には、保護軸受(12)の内輪(12b)により支持されて、下端極限位置に位置している。このような状態で、Ｚ軸の目標浮上位置設定手段(32)により、Ｚ軸方向の位置信号Ｚsが読み取られ、これよりわずかに上方の位置が最初の仮浮上位置として減算手段(22)に出力される。これにより、回転体(5)は、Ｚ軸方向の最初の仮浮上位置に浮上させられる。そして、このときの積分演算部(40)の出力（積分出力）が読み取られ、第１の極限位置積分出力としてフラッシュメモリ(19)に記憶される。
【００４２】
次に、目標浮上位置設定手段(32)により、Ｚ軸方向の仮浮上位置が、予め定められた一定の間隔で上方に移されて、減算手段(22)に出力される。これにより、回転体(5)の仮浮上位置が徐々に上方に移動するので、移動の都度、位置信号Ｚsと積分出力が読み込まれ、対応する中間位置および中間位置積分出力としてフラッシュメモリ(19)に記憶される。
【００４３】
回転体(5)の仮浮上位置が上端極限位置まで移動すると、位置信号Ｚsおよび積分出力が変化しなくなるので、それが検知され、上端極限位置よりわずかに下方の位置が最後の仮浮上位置として減算手段(22)に出力されことにより、回転体(5)がＺ軸方向の最後の仮浮上位置に浮上させられる。そして、このときの積分出力が読み取られ、第２の極限位置積分出力としてフラッシュメモリ(19)に記憶される。
【００４４】
次に、第１の極限位置積分出力と第２の極限位置積分出力の中央値が演算され、フラッシュメモリ(19)に記憶されている中間位置積分出力の中からこの中央値に最も近いものが求められ、この求められた中間位置積分出力に対応して記憶されている中間位置の値が目標浮上位置として設定される。これでＺ軸方向の目標浮上位置の設定が終了し、以後は、このようにして設定された目標浮上位置が目標浮上位置設定手段(32)から減算手段(22)に出力される。
【００４５】
回転体(5)がＺ軸方向のある位置に浮上させられているとき、上部アキシアル電磁石(26a)による上向きの磁気吸引力が、下部アキシアル電磁石(26b)による下向きの磁気吸引力と重力を合わせた力と釣り合っている。つまり、上部電磁石(26a)による磁気吸引力は、常に、下部電磁石(26b)による磁気吸引力より重力分だけ大きい。また、各電磁石(26)の磁気吸引力は、該電磁石(26)の励磁電流の大きさの二乗に比例し、該電磁石(26)と回転体(5)とのギャップの大きさに反比例する。このため、Ｚ軸方向の磁気的中心位置よりも上方に、上下の電磁石(26)の励磁電流が互いに等しくなる位置すなわち制御電流が０になる位置が存在する。そして、回転体(5)の浮上位置がこの制御電流０の位置から上下にずれると、制御電流の値が変化し、制御電流の値は、回転体(5)の位置の制御電流０の位置からのずれの大きさに比例する。また、一方の電磁石(26)における制御電流の値は、積分演算部(40)の出力である積分出力に比例する。したがって、回転体(5)の浮上位置を一方の下端極限位置から他方の上方極限位置まで変化させると、積分出力は直線的に変化する。このため、上記のように、回転体(5)を一方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの積分出力と他方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの積分出力との中央値に対応する位置は、ほぼ機械的中心位置となり、したがって、上記中央値に対応する位置を目標浮上位置とすることにより、回転体(5)はほぼ機械的中心位置に磁気浮上させられる。
【００４６】
Ｚ軸方向の目標浮上位置の設定が終了すると、次のようにして、上下のＸ軸方向の目標浮上位置が同時に設定される。
【００４７】
まず、回転体(5)がＹ軸方向の仮浮上位置とＺ軸方向の目標浮上位置に支持された状態で、上下両ラジアル磁気軸受(7)(8)において、Ｘ軸方向のラジアル電磁石(27)(28)の一方により、回転体(5)が上下のＸ軸方向の一方の第１の極限位置に吸引される。このような状態で、上下各Ｘ軸の目標浮上位置設定手段により、各Ｘ軸方向の位置信号Ｘsが読み取られ、これよりわずかに他方の第２の極限位置側の位置が最初の仮浮上位置として各Ｘ軸の減算手段に出力される。これにより、回転体(5)は、Ｘ軸方向の最初の仮浮上位置に浮上させられる。そして、このときの各Ｘ軸の積分出力が読み取られ、第１の極限位置積分出力としてフラッシュメモリ(19)に記憶される。
【００４８】
次に、目標浮上位置設定手段により、各Ｘ軸方向の仮浮上位置が、予め定められた一定の間隔で第２の極限位置側に移されて、各Ｘ軸の減算手段に出力される。これにより、回転体(5)の各Ｘ軸方向の仮浮上位置が徐々に第２の極限位置側に移動するので、移動の都度、各Ｘ軸の位置信号Ｘsと積分出力が読み込まれ、対応する中間位置および中間位置積分出力としてフラッシュメモリ(19)に記憶される。
【００４９】
回転体(5)の仮浮上位置が第２の極限位置まで移動すると、各Ｘ軸の位置信号Ｘsおよび積分出力が変化しなくなるので、それが検知され、各Ｘ軸について第２の極限位置よりわずかに第１の極限位置側の位置が最後の仮浮上位置として減算手段に出力されことにより、回転体(5)がＸ軸方向の最後の仮浮上位置に浮上させられる。そして、このときの各Ｘ軸の積分出力が読み取られ、第２の極限位置積分出力としてフラッシュメモリ(19)に記憶される。
【００５０】
次に、各Ｘ軸について、第１の極限位置積分出力と第２の極限位置積分出力の中央値が演算され、フラッシュメモリ(19)に記憶されている中間位置積分出力の中からこの中央値に最も近いものが求められ、この求められた中間位置積分出力に対応して記憶されている中間位置の値が目標浮上位置として設定される。これで、両Ｘ軸方向について、目標浮上位置の設定が終了し、以後は、このようにして設定された目標浮上位置が目標浮上位置設定手段から減算手段に出力される。
【００５１】
Ｘ軸は水平であるから、Ｘ軸方向に関しては、回転体(5)にラジアル電磁石(27)(28)の磁気吸引力以外の力は作用しない。そして、回転体(5)がＸ軸方向のある位置に浮上させられているとき、片側の電磁石(27a)(28a)による磁気吸引力が、反対側の電磁石(27b)(28b)による磁気吸引力と釣り合っている。このため、各電磁石(27)(28)における回転体(5)とのギャップの大きさが互いに等しい磁気的中心位置に回転体(5)が支持されているとき、各電磁石(27)(28)における励磁電流が互いに等しく、制御電流が０になる。そして、回転体(5)の浮上位置が磁気的中心位置からＸ軸方向にずれると、制御電流の値が変化し、制御電流の値は、回転体(5)の位置の磁気的中心位置からのずれの大きさに比例する。したがって、前記同様、回転体(5)を一方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの積分出力と他方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの積分出力との中央値に対応する位置は、ほぼ機械的中心位置となり、したがって、上記中央値に対応する位置を目標浮上位置とすることにより、回転体(5)はほぼ機械的中心位置に磁気浮上させられる。
【００５２】
Ｚ軸方向およびＸ軸方向の目標浮上位置の設定が終了すると、Ｘ軸方向の場合と同様に、上下のＹ軸方向の目標浮上位置が同時に設定される。これにより、目標浮上位置の設定が全て終了し、以後は、回転体(5)は全ての制御軸について、上記のようにして設定された機械的中心位置に近い目標浮上位置に支持される。
【００５３】
磁気軸受装置の運転を停止する場合は、まず、モータ(10)の駆動を停止して、回転体(5)の回転を停止させ、次に、磁気軸受(6)(7)(8)の電磁石(26)(27)(28)の駆動を停止する。これにより、磁気軸受(6)(7)(8)による支持力がなくなるため、回転体(5)は保護軸受(11)(12)によって支持される。
【００５４】
磁気軸受装置の運転を再開する場合は、まず、磁気軸受(6)(7)(8)の電磁石(26)(27)(28)を駆動して、回転体(5)を上記の目標浮上位置に浮上させる。そして、モータ(10)を駆動し、回転体(5)を回転させる。
【００５５】
機械本体(1)とコントローラ(2)の組合せを変更した場合など、上記のようにして目標浮上位置を設定することにより、後は、その目標浮上位置を用いて回転体(5)をほぼ機械的中心位置に磁気浮上させることができる。
【００５６】
なお、磁気軸受装置を最初に運転するときや機械本体(1)とコントローラ(2)の組合せを変更したときだけでなく、必要に応じ、改めて上記のように目標浮上位置を設定することができる。
【００５７】
上記の磁気軸受装置において、機械的中心位置と磁気的中心位置とが一致していない場合、上記のようにして回転体の目標浮上位置を設定しても、回転体を磁気的中心位置に磁気浮上させることはできない。そして、回転体が磁気的中心位置からずれていると、磁気軸受の各１対の電磁石に供給される励磁電流とこれらによる磁気吸引力との関係が線形にならず、制御が不安定になることがある。これが問題になる場合は、磁気軸受装置を最初に運転する際に、磁気的中心位置を求めて、この磁気的中心位置に回転体を磁気浮上させる必要がある。磁気的中心位置を求める方法として、たとえば特開平９−１６６１３９号公報に記載されているものが知られている。これは、回転体を対センサ中心位置などの所定の仮浮上位置に仮浮上させて、そのときに各磁気軸受の１対の電磁石に流れる励磁電流から回転体の設置姿勢と磁気的中心位置を推定するものである。回転体の設置姿勢には、回転体すなわちＺ軸が鉛直になった縦置姿勢と、Ｚ軸が水平になった横置姿勢がある。縦置姿勢には、Ｚ軸正方向が上になった正立姿勢と、Ｚ軸正方向が下になった倒立姿勢がある。横置姿勢には、Ｘ軸が垂直になってＸ軸正方向が上になったＸ軸正立姿勢およびＸ軸正方向が下になったＸ軸倒立姿勢、ならびにＹ軸が垂直になってＹ軸正方向が上になったＹ軸正立姿勢およびＹ軸正方向が下になったＹ軸倒立姿勢がある。そして、磁気軸受装置の用途などに応じて、適当な設置姿勢が選ばれる。設置姿勢と磁気的中心位置の推定は、コントローラによって行われる。このため、コントローラは、各制御軸について、１対の電磁石に流れる励磁電流と回転体の該制御軸方向の位置との関係を表すデータ（推定用データ）をメモリに記憶しておき、電磁石の励磁電流から、この推定用データに基づいて磁気的中心位置を推定するようになっている。ところが、上記の推定用データは回転体の設置姿勢によって変わるため、コントローラは全ての設置姿勢についての推定用データを記憶しておく必要があり、また、たとえばＺ軸が斜めに設置された場合など、推定用データが記憶されていない姿勢に回転体が設置された場合には、磁気的中心位置を求めることができない。磁気的中心位置が一旦求められると、機械本体とコントローラの組合せが変わらない限り、たとえ回転体の設置姿勢が変わっても、回転体を磁気的中心位置に磁気浮上させることができる。ところが、機械本体とコントローラの組合せが変更されると、新しいコントローラにはその機械本体における磁気的中心位置は設定されていないので、そのままでは、回転体を磁気的中心位置に磁気浮上させることができない。したがって、改めて磁気的中心位置を求める必要があるが、その際にも、推定用データが記憶されていない姿勢に回転体が設置されれば、やはり、磁気的中心位置を求めることができない。
【００５８】
しかし、上記の磁気軸受装置では、回転体(5)を磁気的中心位置に磁気浮上させることが必要な場合に、次のようにすることにより、回転体(5)をその設置姿勢に関係なく磁気的中心位置に磁気浮上させることができる。
【００５９】
この場合、機械本体(1)に、機械的中心位置に対する磁気的中心位置のずれを記憶するための記憶手段たとえばメモリを設けておく。一方、コントローラ(2)のフラッシュメモリ(19)に、少なくとも１つの設置姿勢に対する推定用データを記憶させておく。そして、まず、機械本体(1)を推定用データが記憶されている姿勢に設置する。次に、機械的中心位置を推定し、これを仮浮上位置として、回転体(5)を仮浮上させる。これは、たとえば、前記の目標浮上位置の設定方法を用いて行うことができる。これにより、回転体(5)がほぼ機械的中心位置に磁気浮上させられるので、各磁気軸受(6)(7)(8)の１対の電磁石について、励磁電流の値を検出し、この励磁電流の値から、推定用データに基づいて、各制御軸における磁気的中心位置を推定する。これは、前記の特開平９−１６６１３９号公報に記載されている方法を用いて行うことができる。このようにして磁気的中心位置の推定が終了すると、各制御軸における磁気的中心位置の値をコントローラ(2)に記憶させるとともに、各制御軸のおける機械的中心位置に対する磁気的中心位置のずれの値を機械本体(1)のメモリに記憶させる。
【００６０】
後は、そのままの組合せで磁気軸受を運転することもできるし、機械本体(1)とコントローラ(2)の組合せを変えて磁気軸受装置を運転することもできる。また、必要に応じて、機械本体(1)の設置姿勢を変えることができる。
【００６１】
機械本体(1)とコントローラ(2)の組合せを変更しない場合は、機械本体(1)の設置姿勢に関係なく、そのまま、コントローラ(2)に記憶されている磁気的中心位置の値を用いて、回転体(5)を磁気的中心位置に磁気浮上させることができる。この場合、コントローラ(2)には、少なくとも１つの設置姿勢に対する推定用データを記憶させておけばよく、必ずしも全ての設置姿勢に対する推定用データを記憶させておく必要はない。
【００６２】
機械本体(1)とコントローラ(2)の組合せを変更した場合は、最初に、次のように、磁気的中心位置を推定し、後は、その磁気的中心位置の値を用いて、回転体(5)を磁気的中心位置に磁気浮上させる。すなわち、まず、機械本体(1)を使用状態の姿勢に設置する。そして、前記の目標浮上位置の設定方法と同じようにして、機械的中心位置を求め、各制御軸における機械的中心位置をコントローラ(2)に記憶させる。次に、各制御軸について、上記のようにして求めた機械的中心位置に機械本体(1)のメモリに記憶されているずれの値を加算することにより、磁気的中心位置を求め、後は、この磁気的中心位置を目標浮上位置として、回転体(5)を磁気浮上させる。この場合、前記の目標浮上位置の設定方法を用いて機械的中心位置を求めることは、機械本体(1)の設置姿勢に関係なく行うことができる。また、機械的中心位置から磁気的中心位置を求めることも、簡単な加算演算だけで行うことができる。したがって、機械本体(1)とコントローラ(2)の組合せを変更した場合でも、機械本体(1)の設置姿勢に関係なく、簡単に磁気的中心位置を求めて、その磁気的中心位置に回転体(5)を磁気浮上させることができる。また、新しいコントローラ(2)は、前記のような電磁石の励磁電流に基づく磁気的中心位置の推定を行う必要がないので、前記のような推定用データを記憶させておく必要がない。
【００６３】
上記実施形態には、回転体が固定部分であるケーシングの内側で回転するインナロータ型の磁気軸受装置を示したが、この発明は、回転体が固定部分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できる。
【００６４】
また、上記実施形態には、回転体が鉛直に配置された縦型の磁気軸受装置を示したが、この発明は回転体が水平に配置された横型の磁気軸受装置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の実施形態を示す磁気軸受装置の機械的部分の主要部の縦断面図である。
【図２】図２は、同横断面図である。
【図３】図３は、同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。
【図４】図４は、図３のコントローラの１対のアキシアル電磁石に関する部分を示すブロック図である。
【図５】図５は、図４のＤＳＰの部分の機能を示すブロック図である。
【図６】図６は、図３のコントローラの１対のラジアル電磁石に関する部分を示すブロック図である。
【符号の説明】
(5) 回転体
(6) アキシアル磁気軸受
(11)(12) 保護軸受
(13) センサ回路
(18) ディジタル信号処理プロセッサ（ＤＳＰ）
(19) フラッシュメモリ
(23) アキシアル位置センサ
(26a)(26b) アキシアル電磁石
(27a)(27b)(27c)(27d) ラジアル電磁石
(28a)(28b)(28c)(28d) ラジアル電磁石
(29a)(29b)(29c)(29d) ラジアル位置センサ
(30a)(30b)(30c)(30d) ラジアル位置センサ
(32) 目標浮上位置設定手段
(40) 積分演算部
Claims (2)
- 複数対の電磁石の磁気吸引力により回転体が互いに直交するアキシアル方向および２つのラジアル方向に非接触支持されて磁気浮上させられ、機械的規制手段により上記回転体の上記３つの支持方向の可動範囲が規制されている磁気軸受装置であって、上記３つの支持方向の各制御軸について、上記回転体を該制御軸方向の両側から挟むように配置された１対の電磁石、上記回転体の該制御軸方向の位置を検出する位置検出手段、および上記位置検出手段による位置の検出結果に基づいて上記電磁石を制御する少なくとも積分動作部を有する電磁石制御手段を備えており、上記回転体、電磁石、機械的規制手段および位置検出手段の位置センサが機械本体に設けられ、位置検出手段のセンサ回路および電磁石制御手段がコントローラに設けられている磁気軸受装置において、
上記電磁石制御手段が、上記回転体を上記機械的規制手段により規制される該制御軸方向の一方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの上記積分動作部の出力である積分出力と上記回転体を該制御軸方向の他方の極限位置の近傍に磁気浮上させたときの同積分出力との中央値に対応する上記回転体の位置を上記回転体の該制御軸方向の目標浮上位置として設定する目標浮上位置設定手段を備えており、上記回転体を磁気的中心位置に磁気浮上できるように、機械的中心位置に対する磁気的中心位置のずれを記憶するメモリが上記機械本体に設けられていることを特徴とする磁気軸受装置。 - 上記目標位置設定手段が、上記回転体を一方の極限位置に位置させた後にその近傍に磁気浮上させ、そのときの上記積分出力を求めて第１の極限位置積分出力として記憶し、上記回転体の磁気浮上位置を他方の極限位置側に徐々に移動させて、その都度、上記回転体の位置と上記積分出力を求めて中間位置および中間位置積分出力として記憶し、上記回転体を他方の極限位置まで移動させた後にその近傍に磁気浮上させ、そのときの上記積分出力を求めて第２の極限位置積分出力とし、第１の極限位置積分出力と第２の極限位置積分出力の中央値を求め、記憶されている中間位置積分出力の中からこの中央値に最も近いものを求めて、この中間位置積分出力に対応する中間位置を目標浮上位置とするものであることを特徴とする請求項１の磁気軸受装置。
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