JP4110305B2

JP4110305B2 - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JP4110305B2
Application number: JP24825498A
Authority: JP
Inventors: 訓之井出
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 1998-09-02
Filing date: 1998-09-02
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2018-09-02
Also published as: JP2000074062A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、たとえばターボ分子ポンプなどに使用され、回転体を制御型磁気軸受により非接触支持して回転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、回転体を対をなす電磁石の磁気吸引力により軸方向および径方向に非接触支持する複数組の制御型磁気軸受と、回転体の軸方向および径方向の変位を検出する変位検出装置と、回転体を回転駆動する電動モータと、回転体の回転数を検出する回転センサと、変位検出装置からの変位信号に基づいて磁気軸受の各電磁石に供給する励磁電流を制御するとともに回転センサの出力信号に基づいて電動モータを制御する制御装置とを備えたものが知られている。
【０００３】
この種の磁気軸受装置においては、回転体の回転数、変位信号、電磁石の制御電流の値、外乱信号などの種々の異常の有無など、装置の運転状況を把握する必要があり、従来は、制御装置に運転状況判別手段や表示手段を設け、運転状況を判別して、これを表示手段に表示するようにしていた。
【０００４】
したがって、運転状況を表示するために特別な表示手段が必要であった。また、運転状況を把握するには、表示手段の前にいることが必要であり、装置から離れた位置で運転状況を把握することはできなかった。
【０００５】
運転状況以外の磁気軸受装置に関する情報についても、同様である。
【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、装置から離れた位置でも装置に関する情報を得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、複数組の制御型磁気軸受により回転体を非接触支持する磁気軸受装置において、前記磁気軸受を制御することにより前記回転体を加振して装置に関する情報を表わす音を発生させる音発生手段を備えており、前記音発生手段が、人間の音声に近い音を発生させて、装置に関する情報を言葉で表わさせるものであることを特徴とするものである。
【０００８】
音発生手段が発生させる音を聞くことにより、装置から離れた位置においても、装置に関する情報を把握することができる。また、磁気軸受装置に元々備わっている磁気軸受を制御して回転体を加振することにより音を発生させるので、装置に関する情報を表示するための特別な表示手段を必要としない。さらに、音発生手段が、人間の音声に近い音を発生させて、装置に関する情報を言葉で表わさせるものであるから、言葉によって装置の情報を直接的に表わすことができ、音発生手段が発生させる音（言葉）を聞くだけで、誰でも簡単に装置に関する情報を把握することができる。
【０００９】
この発明による磁気軸受装置は、また、複数組の制御型磁気軸受により回転体を非接触支持する磁気軸受装置において、装置の運転状況の異常の有無を判別する判別手段と、前記判別手段の判別結果に基づいて前記磁気軸受を制御することにより前記回転体を加振して前記判別結果に応じた装置に関する情報を表わす音を発生させる音発生手段とを備えており、前記音発生手段が、人間の音声に近い音を発生させて、装置に関する情報を言葉で表わさせるものであることを特徴とするものである。
【００１０】
この場合も、上記同様、音発生手段が発生させる音を聞くことにより、装置から離れた位置においても、装置の運転状況などの装置に関する情報を把握することができ、しかも装置に関する情報を表示するための特別な表示手段を必要としない。さらに、音発生手段が、人間の音声に近い音を発生させて、装置に関する情報を言葉で表わさせるものであるから、言葉によって装置の情報を直接的に表わすことができ、音発生手段が発生させる音（言葉）を聞くだけで、誰でも簡単に装置に関する情報を把握することができる。
【００１２】
たとえば、前記各磁気軸受が、複数の電磁石の磁気吸引力によって前記回転体を非接触支持するものであり、前記音発生手段が、前記電磁石のうちの所定の電磁石に対する制御信号に所定の加振信号を加算することにより前記回転体を加振するものである。
【００１３】
このようにすれば、簡単に回転体を加振することができる。
【００１４】
磁気軸受装置は、通常、１組のアキシアル磁気軸受と２組のラジアル磁気軸受を備えている。アキシアル磁気軸受は、回転体を軸方向（アキシアル方向）の制御軸方向の両側に吸引するための１対の電磁石を備えている。各ラジアル磁気軸受は、回転体を互いに直交する２つの径方向（ラジアル方向）の制御軸方向の両側に吸引するための２対の電磁石を備えている。このような場合、たとえば、２つのラジアル磁気軸受の１つのラジアル方向の制御軸方向の１対の電磁石について、制御信号に加振信号を加算することにより、回転体をこの制御軸方向に加振する。
【００１５】
また、制御装置は、通常、各磁気軸受の各１対の電磁石の励磁電流を次のように制御する。すなわち、まず、１対の電磁石に対応する変位センサの出力信号から、その１対の電磁石の制御軸方向の回転体の変位を求め、この変位に基づいて、その１対の電磁石に対する制御電流値を求める。そして、一定の定常電流値に上記の制御電流値を加えた値を１対の電磁石のうちの一方の電磁石に対する励磁電流値とし、上記の定常電流値から上記の制御電流値を減じた値を他方の電磁石に対する励磁電流値とする。このような場合は、たとえば、最初に求めた制御電流値に加振信号を加算することにより、回転体をその１対の電磁石の制御軸方向に加振する。
【００１６】
音発生手段、判別手段は、好ましくは、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段により構成される。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は、たとえばＭＰＵ（マイクロプロセッサ）、ディジタル信号処理プロセッサなどが使用される。ディジタル信号処理プロセッサ（Digital Signal Processor）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さす。なお、以下、これを「ＤＳＰ」と略すことにする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
【００１８】
図１は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。
【００１９】
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。
【００２０】
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)の軸方向（鉛直方向）の制御軸（アキシアル制御軸）をＺ軸、Ｚ軸と直交するとともに互いに直交する２つの径方向（水平方向）の制御軸（ラジアル制御軸）をＸ軸およびＹ軸とする。
【００２１】
機械本体(1)には、回転体(5)を軸方向に非接触支持する１組の制御型アキシアル磁気軸受(6)、回転体(5)を径方向に非接触支持する上下２組の制御型ラジアル磁気軸受(7)(8)、回転体(5)の軸方向および径方向の変位を検出するための変位検出部(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)、回転体(5)の回転数を検出するための回転センサ(22)、ならびに回転体(5)の軸方向および径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組のタッチダウン軸受（保護軸受）(11)(12)が設けられている。
【００２２】
コントローラ(2)には、センサ回路(13)、電磁石駆動回路(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)、不揮発性記憶装置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。
【００２３】
変位検出部(9)は、回転体(5)の軸方向の変位を検出するための１個のアキシアル変位センサ(23)、および回転体(5)の径方向の変位を検出するための上下２組のラジアル変位センサユニット(24)(25)を備えている。
【００２４】
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た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。
【００２５】
アキシアル変位センサ(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)の下端面との距離（空隙）に比例する距離信号を出力する。
【００２６】
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。上側のラジアル磁気軸受(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た１対のラジアル電磁石(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た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、下側のラジアル電磁石(8)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。
【００２７】
上側のラジアル変位センサユニット(24)は、上側のラジアル磁気軸受(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対のラジアル変位センサ(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対のラジアル変位センサ(29c)(29d)を備えている。これらのラジアル変位センサは、符号(29)で総称する。同様に、下側のラジアル変位センサユニット(25)は、下側のラジアル磁気軸受(8)の近傍に配置されており、２対のラジアル変位センサ(30a)(30b)(30c)(30d)を備えている。これらのラジアル変位センサも、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)の外周面との距離に比例する距離信号を出力する。
【００２８】
回転センサ(22)は、回転体(5)の回転数に対応する回転数信号Ｎを出力する。
【００２９】
電磁石(26)(27)(28)、変位センサ(23)(29)(30)および回転センサ(22)は、ケーシング(4)に固定されている。
【００３０】
コントローラ(2)の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(6)(7)(8)の制御パラメータを記憶した制御パラメータテーブル、後述する定常電流値（バイアス電流値）を記憶した定常電流値テーブルなどが設けられている。
【００３１】
センサ回路(13)は、変位検出部(9)の各変位センサ(23)(29)(30)を駆動し、各変位センサ(23)(29)(30)の出力に基づいて、回転体(5)のＺ軸方向の変位、ならびに上下のラジアル変位センサユニット(24)(25)の部分におけるＸ軸方向およびＹ軸方向の変位を演算し、その演算結果である変位信号をＡＤ変換器(20)を介してＤＳＰ(18)に出力する。
【００３２】
図４はＤＳＰ(18)の動作を機能ブロックで表わしたものであり、ＤＳＰ(18)は、機能的には、電磁石制御手段(32)、モータ制御手段(33)、判別手段(34)および音発生手段(35)を備えている。
【００３３】
電磁石制御手段(32)は、ＡＤ変換器(20)から入力する回転体(5)の変位を表わすディジタル変位信号に基づいて、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)が所定の目標位置に非接触支持される。
【００３４】
モータ制御手段(33)は、回転センサ(22)からの回転数信号Ｎに基づいて、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。
【００３５】
コントローラ(2)により、変位センサ(23)(29)(30)の出力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とともに回転センサ(22)の出力に基づいてモータ(10)を制御する制御手段が構成されている。
【００３６】
図５は、図４の電磁石制御手段(32)の機能のうち、上側のラジアル磁気軸受(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を示したものである。次に、図５を参照して、電磁石制御手段(32)による上記の１対のラジアル電磁石(27a)(27ba)の制御について説明する。
【００３７】
まず、センサ回路(13)は、上側の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、上側のラジアル磁気軸受(7)の部分における回転体(5)のＸ軸方向の目標位置に対する変位を求め、この変位に比例した変位信号ΔＸを出力する。センサ回路(13)からの変位信号ΔＸは、ＡＤ変換器(20)によりディジタル値に変換されて、電磁石制御手段(32)の制御電流演算手段(36)に入力する。制御電流演算手段(36)は、変位信号ΔＸに基づいて、たとえばＰＩＤ演算により、電磁石(27a)(27b)に対する制御電流値Ｉcを演算し、これを第１の加算手段(37)に出力する。この加算手段(37)の出力は第２の加算手段(38)および減算手段(39)に送られる。第２の加算手段(38)は、フラッシュメモリ(19)に記憶されている定常電流値Ｉoと第１の加算手段(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。減算手段(39)は、上記定常電流値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。第１の励磁電流値（Ｉo＋Ｉc）はＤＡ変換器(21)によりアナログ値に変換されて、第１の励磁電流信号（Ｉo＋Ｉc）として電磁石駆動回路(14)の第１の電力増幅器(40)に供給され、第１の電力増幅器(40)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(27a)に供給する。第２の励磁電流値（Ｉo−Ｉc）はＤＡ変換器(21)によりアナログ値に変換されて、第２の励磁電流信号（Ｉo−Ｉc）として電磁石駆動回路(14)の第２の電力増幅器(41)に供給され、第２の電力増幅器(41)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(27b)に供給する。その結果、回転体(5)の上側のラジアル磁気軸受(7)の部分が、Ｘ軸方向の目標位置に支持される。
【００３８】
図４および図５において、判別手段(34)には、回転センサ(22)からの回転数信号Ｎ、ＡＤ変換器(20)の出力、制御電流演算手段(36)の出力などが入力する。判別手段(34)はこれらの入力や他の必要な情報に基づいて、回転体(5)の回転数、回転体(5)の変位、電磁石(26)(27)(28)に対する制御電流値、外乱信号などの種々の異常の有無など、装置の運転状況を判別し、その判別結果を音発生手段(35)に出力する。
【００３９】
音発生手段(35)は、判別手段(34)による判別結果に基づき、まず、その判別結果を装置に関する情報として音で出力する必要があるかどうかを判断し、必要があると判断したときには、電磁石制御手段(32)を介して所望の磁気軸受(6)(7)(8)の電磁石(26)(27)(28)を制御することにより、判別結果に応じた装置の情報を表わす音を発生させる。この音は、人間の音声に近い音で、装置の情報を言葉で表わす。たとえば、２つのラジアル磁気軸受(7)(8)のＸ軸方向の電磁石(27a)(27b)(28a)(28b)を制御することにより、回転体(5)をＸ軸方向に加振する。その場合、たとえば、図５に示すように、音発生手段(35)からの加振信号を電磁石制御手段(32)の第１の加算手段(37)に入力する。そうすると、制御電流値Ｉcに加振信号が加算され、その結果、通常の励磁電流（Ｉo＋Ｉc）、（Ｉo−Ｉc）に加振信号が加算された電流が電磁石(27a)(27b)に供給され、回転体(5)がＸ軸方向に加振される。
同様に、回転体(5)をＹ軸方向あるいはＺ軸方向に加振することも可能である。
【００４０】
磁気軸受装置の各部の構成は、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。
【００４１】
磁気軸受装置には、上記のように回転体(5)が鉛直に支持される縦型のものと、回転体が水平に支持される横型のものとがあるが、この発明は、横型の磁気軸受装置にも適用できる。
【００４２】
上記実施形態には、回転体(5)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。
【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ＤＳＰの部分の機能を示すブロック図である。
【図５】図５は、図４の電磁石制御手段のうちの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
(7)(8) ラジアル磁気軸受
(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
(34) 判別手段
(35) 音発生手段

Claims

複数組の制御型磁気軸受により回転体を非接触支持する磁気軸受装置において、前記磁気軸受を制御することにより前記回転体を加振して装置に関する情報を表わす音を発生させる音発生手段を備えており、前記音発生手段が、人間の音声に近い音を発生させて、装置に関する情報を言葉で表わさせるものであることを特徴とする磁気軸受装置。
複数組の制御型磁気軸受により回転体を非接触支持する磁気軸受装置において、装置の運転状況の異常の有無を判別する判別手段と、前記判別手段の判別結果に基づいて前記磁気軸受を制御することにより前記回転体を加振して前記判別結果に応じた装置に関する情報を表わす音を発生させる音発生手段とを備えており、前記音発生手段が、人間の音声に近い音を発生させて、装置に関する情報を言葉で表わさせるものであることを特徴とする磁気軸受装置。
前記各磁気軸受が、複数の電磁石の磁気吸引力によって前記回転体を非接触支持するものであり、前記音発生手段が、前記電磁石のうちの所定の電磁石に対する制御信号に所定の加振信号を加算することにより前記回転体を加振するものであることを特徴とする請求項１または２の磁気軸受装置。