JPH01116318A - 能動形磁気軸受 - Google Patents

能動形磁気軸受

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JPH01116318A
JPH01116318A JP62270352A JP27035287A JPH01116318A JP H01116318 A JPH01116318 A JP H01116318A JP 62270352 A JP62270352 A JP 62270352A JP 27035287 A JP27035287 A JP 27035287A JP H01116318 A JPH01116318 A JP H01116318A
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axis
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signal
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和英 渡辺
Atsushi Nakajima
厚 中島
Tsutomu Murakami
力 村上
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National Aerospace Laboratory of Japan
Ebara Research Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は磁気軸受に関し、より詳細には電子回路で磁気
力を制御する能動形磁気軸受に関する。
［従来技術］ 磁気軸受は、磁気力を用いて物体を完全非接触で支承す
ることが可能なため、様々な特徴をもっている。まず、
機械的接触がないため次のような利点がある。
（１）　摩耗がなく寿命が半永久的。
（２）　摩擦がなく低ｔ！ｌＪ、低騒音。
（３）　回転ドラグ（回転に伴う損失）が少なく高速回
転が可能。
（４）　真空、高温、低温、放射線雰囲気中などの特種
環境で使用可能。
（５）　潤滑剤が不要なため完全オイルフリーシステム
が可能。
さらに、磁気力を制御する制御形磁気軸受では、次のよ
うな利点がある。
（１）　　軸受の剛性、減衰特性を自由に設定可能。
（２）　軸受すきまを広くとれるので、ロータの姿勢を
微少移動可能。
（３）　変位センサを内蔵するので運転監視が容易。
電子回路で磁気力を制御して回転体の半径方向位置を制
御する従来の能動形磁気軸受装置においてｉ、回転体の
回転数が増加するにつれて回転体の不安定性が強くなる
。そして低い周波数の範囲内における剛性および減衰の
小さい範囲では振れ回りの方向が回転方向と逆方向とな
るコニカルモードの振れ回り（不安定振動）が生じるこ
とがある。又、高い周波数の範囲においても、内部減衰
あるいは他の原因で減衰力が減少した場合に振れ回りの
方向が回転方向と同方向となるコニカルモードの振れ回
りが生ビることがある。これらの不安定振動は、磁気軸
受の固定子を装着したステータを介してケーシングに伝
わり構造物と共振する場合があり、その結果、磁気軸受
の制御電流が増大して発熱を引き起こす、更に、この不
安定振動が急激に発散して、制御不可能な状態に陥るこ
とがある。
このような不安定振動は、制御系のゲインを上げて軸受
の剛性を増加し且つ減衰を増加することにより防止でき
る。しかし、ゲインを上げるためには制御回路の容量を
上げなければならず、そして制御回路の容量を上げると
回転中の振動が増大したり構造物との共振を励起すると
言う問題が生ずる。
また、上記の不安定振動は、ロータの自励振動であるこ
とに基づき、設計に際して不安定となる固有振動数を適
当な範囲に設定すれば、その不安定振動を回避出来る。
しかし、回転体等の構造において各種制約がある場合に
は、上記固有振動数を任意に設定することは不可能であ
ることが多い。
［発明の目的］ 本発明は上記した従来技術の欠点に鑑み提案されたもの
で、回転体の不安定振動を効果的に減衰し或いは防止す
ることができる回転体の不安定振動減衰装置を提供する
ことを目的としている。
［発明の原理］ 発明者等は種々検討の結果、回転軸の不安定振動（前回
り章動運動、後回り歳差運動）に対して大きな減衰を与
えるには、不安定振動のモードを判別し、不安定振動の
振れ回り方向に関して９００進んだ位置の信号、即ち回
転軸の不安定振動の変位に対して位相が９０°進んだ信
号を基本制御回路に印加して加算すれば良いことを見出
した。
不安定振動変位に対して９０’位相が進んだ信号は速度
に比例した信号に相当するので、この信号に比例する制
御力は減衰力となり、結果的に、位相が９０’進んだ信
号を制御回路に印加して加算すれば振れ回りに対する減
衰が増加したことになるのである。
［発明の構成］ 本発明の能動形磁気軸受によれば、回転軸に垂直な平面
の２つの制御軸のそれぞれに、変位センサと、変位セン
サの信号をフィードバック入力とする制御回路と、アク
チュエータとして機能する電磁石とを備え、回転体の半
径方向位置の制御を行う能動形磁気軸受において、変位
センサの信号を制御回路に入力して、回転体の回転中に
発生した不安定振動に対する減衰力を回転体に対して付
与し、且つ回転軸方向における位置が異なる２点の変位
センサの信号から回転体の傾き角を検出する検出回路を
有している。
また本発明において、検出回路から出力される信号に基
づいて、回転体の不安定振動の振れ回り方向が回転体の
回転方向と同方向かあるいは逆方向かを判定する判定回
路を有するのが好ましい。
そして本発明において、前記２つの制御軸のうちの一方
の制御軸の方向の変位を検出する変位センナの出力を判
定回路に入力し、その判定回路からの出力信号を不安定
振動の振れ回り方向について９０゛位相の進んだ信号と
して他方の制御軸に設けた制御回路へ加算する回路を有
するのが好ましい。
更に本発明において、制御回路へ加算される出力信号を
回転速度に応じて段階的に増減させる回路を有するのが
好ましい。
［発明の作用効果］ 本発明の能動形磁気軸受によれば、回転体の回転中に振
れ回り、即ち不安定振動が発生した場合に、先ず、回転
軸の方向で異なった位置に設けられた２つの変位センサ
の出力から、回転体の振れ回りの傾き角を検出する０発
生した不安定振動がパラレルモードであるか或いはコニ
カルモードであるかを判断するためである。ここで、発
生した不安定振動がパラレルモードであれば振れ回りの
傾き角は０゛であ、す、傾き角を検出する検出回路の出
力もゼロとなることにより、上記判断がなされる。
前記検出回路の出力信号がゼロでなければ（振れ回りが
コニカルモートである場合）、その出力信号をローパス
フィルタおよびバンドパスフィルタに通して、不安定振
動の振れ回りの方向が回転体の回転方向と同一方向（前
回り）であるか或いは逆方向（１１回り）であるかが判
定される。前記検出回路の出力信号のうち、高周波帯域
には回転体の回転方向と同一方向（前回り）の振れ回り
のＢ勤数が包含され、また低周波帯域には逆方向（後回
り）の振れ回りの振動数が包含されることにより、上記
判定が行われるのである。そして、上記判定により、不
安定振動が前回りのコニカルモードの振れ回りであるか
、或いは後回りのコニカルモードの振れ回りであるかが
分るのである。
次に、振れ回りの判定を行う回路の出力信号を、振れ回
り方向に対して９０゛進行した位置の信号、即ち軸の振
動変位に対して位相が９０４進んだ信号として、一方の
制御軸の制御回路に印加して加算する。これによって変
位に対して９０’位相の進んだ速度に比例する力を加算
増加したことになるので、振れ回りに対する減衰力が増
大するのである。
また、回転体の回転数の増減に伴い不安定性も増減する
ので、本発明においては回転数の増減に応答して制御回
路へ印加して加算される信号が調節器で適当に増減され
る。これにより、回転数の変化に対応して最適な制御が
可能となる。
［実施例コ 以下、本発明の実施例を第１図、第２図、第３図によっ
て説明する。
第１図は本願発明の磁気軸受の構成全体を示す図である
。モータ等の回転体１を軸方向の２箇所に設けた磁気軸
受１１２．１１３が支持しており、この磁気軸受１１２
．１１３の上方或いは下方に非接触センサ１１４．１１
５が設けられている。
ここで、符号１１６は発振器を示し、符号２．３．１３
．１４は変位センサを示し、符号１０．１２．２１．２
３は電磁石を示し、符号１１８は制御回路を示している
。
制御回路１１８は変位センサ２．３．１３．１４の出力
信号をフィードバックして静的および動的安定性を得る
ためのものであり、第１図においてその出力は回転体１
の上部Ｘ軸方向に制御力を加えるための電磁石１０へ供
給される。電磁石１０は永久磁石と組合わされており、
永久磁石からバイアス磁束を得ることができる０図示の
磁気軸受１１２．１１３の場合、上記のバイアス磁束を
利用して回転体１の軸方向復元力を得ることができるの
で、回転体１の回転軸２方向は無制御となっている。
第１図の磁気軸受１１２．１１３の回転体１の不安定振
動による振れ回りを簡略化して示すのが第２図である０
回転体１は回転軸２に垂直な２つのＸＹ平面上にそれぞ
れ直交したｘｌ、ＹｌおよびＸ２　、Ｙ２の計４本の制
御軸を持ち、その制御軸上には第１図で示す変位センサ
２．３．１３．１４と磁気軸受１１２．１１３が配置さ
れている。
そして回転体ｌは、モータによって回転角速度ωで矢印
Ａの方向へ回転している。第２図中、符号ωｎｆ、ωｎ
ｂは回転体１の不安定により生ずる振れ回りの回転角速
度を示し、ωｎｆは前回り、即ち回転体の回転方向く矢
印Ａ）と同一方向の振れ回りを示し、ωｎｂは後回り、
即ち回転方向Ａと逆方向の振れ回りを示す。
第３図は、本発明の磁気軸受に備えた制御回路１１８の
ブロック図を示している。この第３図を参照しつつ、以
下において、回転中に不安定振動が発生した際に制御を
行う態様について説明する。
最初に、制御軸のうちＹ軸について制御を行う場合を考
える。
先ず、第３図中符号■で示す傾き角検出回路において、
Ｙ軸と９０°位置の異なるＸ軸の変位センサ２．３の差
動信号から検出回路■によって回転軸の傾き角（θ：第
２図参照）を検出する。ここで、振れ回りのモードがパ
ラレルモードであれば傾き角θ＝０°であり、検出回路
■の出力もゼロである。従って回路■からの検出信号が
ゼロでなければ、振れ回りがコニカルモードであること
が分る０次に検出回路■の出力を、符号■で示す判定回
路において、ローパスフィルタ７およびバンドパスフィ
ルタ６を使って低周波成分帯域（後回りの振れ回りを示
す信号の周波数が含まれている帯域）と高周波成分帯域
（前回りの振れ回りを示す信号の周波数が含まれている
帯域）に分離する。これにより振れ回りの方向が回転体
の回転方向（Ａ：第２図）と同方向の前回りか、あるい
は逆方向の後回りかを判定する。そして判定回路■の出
力信号を回転体の回転速度に応じて処理するために、回
転計２４で回転数を検出しＦ／′Ｖコンバータ２５で回
転数を電圧に変換して回転数検出器２６に入力し、その
回転数検出器２６からの出力信号をゲイン調節器８へ送
出しゲインを調節する。そして、領域■においてゲイン
調節器８からの出力信号、即ち回転速度に応じて調節さ
れた信号を、加算器３０．２７でＹ１軸、Ｙ２軸の位相
補償回路１５．１６からの信号に加算する。加算器３０
．２７の出力信号はそれぞれＹ軸方向電力増幅器２０．
２２において増幅された後、Ｙ軸方向制御のためにＹ１
軸およびＹ２軸の電磁石２１．２３にそれぞれ送出され
る。即ち電磁石２１．２３に加えられる信号は、軸の変
動変位に対して９０°位相が進んだ信号をＹ軸方向制御
回路において加算したものであり、これによって振れ回
りに対する減衰が増加するのである。
なお、後回りの振れ回りに関しては、位相反転器２８に
よって信号の符号を反転させて９０４位相の進んだ信号
に変換し、位相補償回路１５．１６からの信号に加算す
るようになっている。
次にＸ軸に関して制御を行う場合について説明する。Ｘ
軸についての制御とＹ軸についての制御は原理的には同
一である。
Ｘ軸と位置が９０６異なるＹ軸の変位センサ１３．１４
の差動信号から、傾き角検出回路■によって、回転体の
回転軸の傾き角θを検出する。そして検出回路■の出力
信号を判定回路■のバンドパスフィルタ１７およびロー
パスフィルタ１８に送出し、前回りの振れ回りを示す信
号成分を含む高周波成分帯域と、後回りの振れ回りを示
す信号成分を含む低周波成分帯域として分離する。なお
、ローパスフィルタ１８と位相反転器２９とを直列に設
置し、後回りの振れ回りに関する信号を反転する。そし
て回路■において振れ回りの回転方向が前回りか或いは
後回りかを判定した後、その出力信号をゲイン調節器１
９へ送出する。ゲイン調節器１９には回転数検出器２６
からの出力信号が送出され、回転体の回転数に対応して
判定回路■の出力信号のゲインが調節される。ゲイン調
節器１９からの出力信号は、加算器３１．３２によって
、Ｘ１軸、Ｘ２軸の位相補償回路４．５からの信号に加
算され、そしてＸ軸方向増幅器９．１１で増幅されてＸ
１軸方向電磁石１０およびＸ２軸方向電磁石１２に印加
される。これによりＸ軸方向の制御に必要な減衰力が付
加されるのである。
［まとめ］ 以上説明したように、本発明の能動形磁気軸受によれば
、制御回路の容量を上げたり或いは剛性を高めた場合に
発生する回転中の振動増加や、構造物との共振を起こす
ことなく、振れ回りのモードを検出して効果的に不安定
振動を減衰させ防止することができるのである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の能動形磁気軸受の全体構造を示す斜視
図、第２図は回転体の不安定振動によって生ずる振れ回
りを示す斜視図、第３図は本発明の能動形磁気軸受に用
いられる制御回路のブロック図である。 １・・・回転体　　２．３・・・Ｘ軸の変位センサ　　
４．５・・・Ｘ軸の位相補償回路　　６．１７・・・バ
ンドパスフィルタ　　７．１８・・・ローパスフィルタ
　　８．１９・・・ゲイン調節用器　　９．１１・・・
Ｘ軸の電力増幅器１０．１２・・・Ｘ軸の電磁石　　１
３．１４・・・Ｙ軸の変位センサ　　１５．１６・・・
Ｙ軸の位相補償回路　　２０．２２・・・Ｙ軸の電力増
幅器　　２１．２３・・・Ｙ軸の電磁石　　２４・・・
回転計　　２５・・・Ｆ／Ｖコンバータ２６・・・回転
数検出器　　１１８・・・制御回路　　■、■・・・傾
き角検出回路　　■、■・・・判定回路 特許出願人　　　航空宇宙技術研究所長株式会社荏原総
合研究所

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）回転軸に垂直な平面の２つの制御軸のそれぞれに
    、変位センサと、変位センサの信号をフィードバック入
    力とする制御回路と、アクチュエータとして機能する電
    磁石とを備え、回転体の半径方向位置の制御を行う能動
    形磁気軸受において、変位センサの信号を制御回路に入
    力して回転体の回転中に発生した不安定振動に対する減
    衰力を回転体に対して付与し、且つ回転軸方向における
    位置が異なる２点の変位センサの信号から回転体の傾き
    角を検出する検出回路を有することを特徴とする能動形
    磁気軸受。
  2. （２）検出回路から出力される信号に基づいて、回転体
    の不安定振動の振れ回り方向が回転体の回転方向と同方
    向かあるいは逆方向かを判定する判定回路を有する特許
    請求の範囲第１項記載の能動形磁気軸受。
  3. （３）前記２つの制御軸のうちの一方の制御軸の方向の
    変位を検出する変位センサの出力を判定回路に入力し、
    その判定回路からの出力信号を不安定振動の振れ回り方
    向について９０°位相の進んだ信号として他方の制御軸
    に設けた制御回路へ加算する回路を有する特許請求の範
    囲第２項記載の能動形磁気軸受。
  4. （４）制御回路へ加算される出力信号を回転速度に応じ
    て段階的に増減させる回路を有する特許請求の範囲第３
    項記載の能動形磁気軸受。
JP62270352A 1987-10-28 1987-10-28 能動形磁気軸受 Granted JPH01116318A (ja)

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