JPH02142380A - 磁気軸受用駆動装置 - Google Patents

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、たとえば、ターボ分子ポンプ用磁気軸受スピ
ンドル等を駆動回転するための磁気軸受用駆動装置に関
し、詳しくは、磁気軸受により回転自在に支持されたス
ピンドルを交流電動機により回転させる磁気軸受用駆動
装置に関する。

［従来の技術］ この種の磁気軸受用駆動装置において、従来から一般的
に知られているものに、たとえば、第４図に示す回転数
制御方式を採用したものがあった。

第４図において、１２はスピンドル駆動用の交流電動機
９の回転速度を変更するための手動操作装置であり、操
作レバーをＨ方向に揺動させることにより前記交流電動
機９を加速させ、操作レバー１２ａをＬ方向に回動させ
ることにより前記交流電動機９を減速させるよう構成さ
れている。この手動操作装置１２からの制御出力が可変
周波数パルス発生器１３に入力され、前記手動操作装置
１２の操作に応じた周波数のパルスが可変周波数パルス
発生器１３からサイリスクインバータ１４に出力される
。一方、交流電源に接続されている整流装置１５により
、交流が整流されて直流の状態となって前記サイリスク
インバータ１４に与えられる。そしてサイリスクインバ
ータ１４では、入力された直流電流を、前記入力された
パルスの周波数に応じた周波数を有する交流電流に変換
し、交流電動機９に供給する。これにより、交流電動機
９は、供給された交流電流の周波数に応じた回転磁界を
発生し、その回転磁界の周波数に応じた回転数でスピン
ドル１を回転させんとする。なお、図中、２は永久磁石
であり、４０は電磁石であり、これら永久磁石２と電磁
石４０とによりスピンドル１が磁気的に無接触の状態で
支持されている。

第５図は、前記第４図に示した従来の磁気軸受用駆動装
置の回転磁界とモータの回転数との時間的変化を示した
グラフを表わした図である。

モータ９が完全に停止している状態で、手動操作装置１
２の操作レバー１２ａをＬから徐々にＨ側に揺動させれ
ば、交流電動機９の滑り量Ｓを見込んだだけ高い周波数
の回転磁界が発生するように可変周波数パルス発生器１
３から所定周波数のパルスが出力される。そして、回転
磁界は、第５図の二点鎖線で示すように徐々に周波数（
モータ周波数）を上げていく。それに伴って、交流電動
機９の回転速度も第５図の実線で示すように滑り量だけ
遅れて徐々に周波数を上げていく。次に、手動操作装置
１２の操作レバー１２ａをＨからＬ側に徐々に操作する
ことにより、第５図の二点鎖線で示すように交流電動機
の回転磁界の周波数が徐々に減少する。これに伴って、
交流電動機９の回転周波数も滑り量Ｓだけ遅れて徐々に
減少する。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、この種の従来の磁気軸受用駆動装置においては
、磁気軸受を含むスピンドル１の支持系の自由振動時の
固有周波数ｎを、回転磁界の周波数が横切ることとなる
。その結果、回転磁界に伴ってスピンドルに加えられる
強制振動力の周波数がそのスピンドルの支持系の固有周
波数ｎと一致する時点が生じ、その−散点付近において
共振現象が発生しスピンドルの振動が非常に大きくなっ
てしまい、回転数をそれ以上上げることができないとい
う不都合な事態が生じる欠点があった。

特に、たとえば特公昭４９−８９９０号公報に示されて
いるようなラジアル方向には非制御のいわゆる一軸制御
方式の磁気軸受においては、前記回転磁界に起因した共
振現象に伴う振動の発生が顕著になるのである。この特
公昭４９−８９９０号公報に記載のものにおいては、ラ
ジアル方向の振動を減衰するために導電性の良い金属を
磁気ループ内に入れ、軸振動に伴うこの金属部分に発生
する渦電流により、振動を減衰させるよう配慮されてい
るが、こ渦電流による振動の減衰のみでは、前記回転磁
界に伴う共振発生時の大きな振動に対してはほとんど減
衰効果が期待し得ないのである。

本発明は、かかる実状に鑑み、回転磁界に伴う共振現象
の発生を回避し、振動を極力抑えることのできる磁気軸
受用駆動装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段〕 本発明に係る磁気軸受用駆動装置は、磁気軸受により回
転自在に支持されたスピンドルと、供給電流の周波数に
応じた周波数の回転磁界を発生し前記スピンドルを回転
させるための交流電動機と、該交流電動機への供給電流
の周波数を制御することにより前記交流電動機の回転数
を制御可能な周波数制御手段とを含み、該周波数制御手
段は、前記スピンドルの回転数を検出するための回転数
検出手段と、該回転数検出手段からの検出出力が入力さ
れ、前記回転磁界に伴って前記スピンドルに加えられる
強制振動力の周波数が、少なくとも、前記スピンドルの
支持系が保有する固有周波数を含む共振範囲を回避して
変化するように前記電源周波数を制御するための共振範
囲周波数回避制御手段とを含むことを特徴とする。

［作用コ 周波数制御手段の働きにより、交流電動機への供給電流
の周波数が制御されて回転磁界が制御され、その結果交
流電動機の回転数が制御可能となる。また、回転数検出
手段によって検出されたスピンドルの回転数が共振範囲
周波数回避制御手段に入力され、その共振範囲周波数回
避制御手段の働きにより、前記回転磁界に伴って前記ス
ピンドルに加えられる強制振動力の周波数が、少なくと
も、前記スピンドルの支持系が保有する固有周波数を含
む共振範囲を回避して変化するように前記電源周波数が
制御される。

つまり、回転磁界に伴ってスピンドルに加えられる強制
振動力の周波数が、少なくともスピンドル支持系の固有
周波数を含む共振範囲を回避して変化するため、共振現
象が生じない。

［発明の実施例］ 次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は、本発明の一例を示し、磁気軸受の縦断面およ
び駆動制御用の回路を示す図である。

ケース４１内には、スピンドル１が挿入されており、こ
のスピンドル１に磁石取付用円板４２゜４３が設けられ
ている。この磁石取付用円板４２゜４３には、永久磁石
２ａが埋込まれており、この永久磁石２ａに対向するよ
う永久磁石２ｂがケース４１側に固定された状態で配設
されている。さらに、磁石取付用円板４３の下方に、ス
ラスト電磁石コアラが設けられており、このスラスト電
磁石コア５内にスラストコイル４が設けられている。

前記永久磁石２ａ、２ｂおよびスラストコイル４による
磁力によって、スピンドル１を無接触で磁気的に支持で
きるよう構成されている。また、図中６はスラストセン
サターゲットであり、スラストセンサ７によりこのスラ
ストセンサターゲット６を感知し、スピンドル１のスラ
スト方向の変位を検出し、その検出出力に基づいて前記
スラストコイル４を流れる電流の大きさを制御し、スピ
ンドル１のスラスト方向の位置を制御し得るように構成
されている。

図中９は交流電動機であり、コイル８に電流を流すこと
によりモータステータ３に回転磁界を発生させ、その回
転磁界の周波数に応じた回転速度でスピンドル１を回転
駆動するように構成されている。

外部交流電流Ｖが整流装置１５に供給されると、整流装
置１５の働きにより外部交流電流Ｖが整流されて直流に
変換され、その直流電流がサイリスクインバータ１５に
供給される。このサイリスクインバータ１５では、可変
周波数パルス発生器１３から与えられるパルスの周波数
に基づいて前記入力された直流電流を所定数の周波数を
有する交流電流に変換し、その交流電流を前記交流電動
機９に供給する。交流電動機９では、サイリスクインバ
ータ１４から供給された交流電流の周波数に対応する周
波数の回転磁界を発生し、その回転磁界の周波数に対応
する回転数でスピンドル１を回転させんとする。一方、
手動操作装置１２からの操作信号が前記可変周波数パル
ス発生器１３に入力される。つまり、操作者が手動操作
装置１２の手動操作レバー１２ａをＨ側に揺動すること
により、交流電動機９の回転速度を加速させるための信
号が出力され、手動操作レバー１２ａをＬ側に揺動する
ことにより交流電動機９を減速させるための信号が出力
される。前記可変周波数パルス発生器１３では、この手
動操作装置１２からの信号を受けて、操作者の操作に応
じた周波数を有するパルスをサイリスクインバータ１４
に出力するよう構成されている。

さらに、前記磁石取付円板４３の円周面の１カ所に永久
磁石１０が設けられているとともに、その永久磁石１０
の通過を検出するための磁気センサ１１がケース４１側
に設けられており、この磁気センサ１１による検出出力
が前記可変周波数パルス発生器１３に入力され、後述す
る制御に利用される。この永久磁石１０と磁気センサ１
１とにより、スピンドル１の回転数を検出するための回
転数検出手段が構成されている。また、前記整流装置１
５．サイリスクインバータ１４．可変周波数パルス発生
器１３１手動操作装置１２ならびに、前記回転数検出手
段により、交流電動機への供給電流の周波数を制御する
ことにより前記交流電動機の回転数を制御可能な電波周
波数制御手段が構成されている。

第２図は、前記可変周波数パルス発生器１３内に組込ま
れている制御回路を示すブロック図である。

操作者の操作に応じて、手動操作装置１２から加速信号
または減速信号が滑り全加減回路２０に与えられる。な
お滑り量とは、交流電動機を加速させたり減速させたり
するときに必要となる、回転磁界と実際の電動機の回転
数とのずれ量であり、予め設定された所定の量である。

一方、前記磁気センサ１１からの検出パルス信号が、周
波数を電圧に変換するＦ／Ｖ変換器２１に与えられ、パ
ルス信号が電圧に変換される。なお、前記磁気センサ１
１から出力されるパルス信号は、スピンドル１が１回転
する毎に１パルスが出力されるものである。

前記手動操作装置１２からの出力信号が加速信号である
場合には、滑り全加減回路２０から出力された滑り量相
当電圧が、前記Ｆ／Ｖ変換器２１からの出力電圧に加算
される。逆に、前記手動操作装置１２からの出力信号が
減速信号である場合には、前記Ｆ／Ｖ変換器２１からの
出力電圧から、前記滑り全加減回路２０からの滑り量相
当電圧が減算される。

設定値回路２２．２３には、前記スピンドルの支持系の
固有周波数を見込んで算出された所定の値が予め設定さ
れており、その所定値に相当する電圧がそれぞれコンパ
レータ２４，２５に与えられるよう構成されている。こ
の設定値回路２２に設定されているａの値は、前記スピ
ンドル１の支持系の固有周波数ｎを含む共振範囲の下限
値から前記滑り量を減算した値以下の値である必要があ
る。また、設定値回路２３に設定されている設定値すは
、前記固有周波数ｎを含む共振範囲の上限値から前記滑
り量を減算した値よりも大きな値である必要がある。さ
らに、前記設定値回路２２に設定されている設定値Ｃは
、前記固有周波数ｎを含む共振範囲の上限値に前記滑り
量を加算した値以上の値である必要がある。また、前記
設定値回路２３に設定されている設定値ｄは、前記固有
周波数ｎを含む共振範囲の下限値に前記滑り量を加算し
た値以下である必要がある。

コンパレータ２４では、設定値回路２２からの人力信号
と、Ｆ／Ｖ変換器２１からの入力信号と比較し、Ｆ／Ｖ
変換器２１からの入力信号が前記設定値ａと一致した場
合に所定量の電圧銃を出力して加算して、前記Ｆ／Ｖ変
換器２１からの入力信号と前記設定値Ｃとが一致した場
合に、所定量の電圧込を出力して減算するよう構成され
ている。

さらに、コンパレータ２５では、前記Ｆ／Ｖ変換器２１
からの入力信号と設定値回路２３からの入力信号とを比
較し、前記Ｆ／Ｖ変換器２１からの入力信号が設定値す
に一致した場合に、所定の大きさの電圧史を出力して減
算し、Ｆ／Ｖ変換器２１からの入力信号が前記設定値ｄ
と一致した場合に、所定の大きさの電圧（を出力して加
算するよう構成されている。

そして、コンパレータ２４および２５からの出力が加減
算された後の電圧が、電圧を周波数に変換するためのＶ
／Ｆ変換器２６に入力され、電圧を周波数に変換してモ
ータ周波数としてサイリスクインバータ１４に与えられ
る。

第３図は、前記第２図に示した可変周波数パルス発生器
からの出力信号の周波数とスピンドルの回転周波数との
時間的な変化を示したグラフを表わした図である。

まず、スピンドル回転数が０の状態で、手動操作装置１
２を徐々にＨ側に操作すれば、スピンドルの実際の回転
周波数よりも滑りｆｆ１Ｓだけ加算された周波数のモー
タ周波数が出力される（図示−点鎖線参照）。このモー
タ周波数の出力に伴ってスピンドルが回転し始めその回
転速度を徐々に上げていく（図示実線参照）。そして、
スピンドル１の支持系の固有周波数ｎよりも多少低い周
波数にまでモータ周波数が上昇すれば、前記コンパレー
タ２４から所定電圧込が出力されて加算されるために、
モータ周波数が一気に之だけ上昇する。

その後さらにモータ周波数が上昇し、Ｆ／Ｖ変換器２１
からの入力信号が設定値すと一致したときに、コンパレ
ータ２５から所定電圧見が出力されて減算され、モータ
周波数が一気に旦だけ減少する。そしてさらにモータ周
波数が上昇し、最高周波数にまで達する。

この状態で、手動操作装置１２をＬ側に徐々に操作すれ
ば、モータ周波数は徐々に減少する。そして、モータ周
波数が、スピンドル支持系の固有周波数ｎよりも多少高
い値の周波数にまで減少した時点で、コンパレータ２４
から所定電圧史が出力されて減算され、モータ周波数が
一気に髪だけ減少する。さらにその後モータ周波数が徐
々に減少し、前記Ｆ／Ｖ変換器２１からの入力信号が前
記設定値ｄに一致した時点で、コンパレータ２５から所
定電圧（が出力されて加算され、モータ周波数が一気に
店だけ上昇する。そしてその後は、モータ周波数が徐々
に減少し続け、それに伴ってスピンドルの回転周波数も
減少する。

以上説明したように、スピンドル１の支持系の固有周波
数ｎを含む共振範囲ｋを回避するようにモータ周波数が
制御される。その結果、交流電動機９の回転磁界に伴っ
てスピンドル１に加えられる強制振動力の周波数が、ス
ピンドル１の支持系の固有周波数を含む共振範囲を回避
することになり、共振現象の発生を防止し得る。前記設
定値回路２２．２３ならびにコンパレータ２４．２５を
含む回路により、前記回転数検出手段からの検出出力が
入力され、前記回転磁界に伴って前記スピンドルに加え
られる強制振動力の周波数が、少なくとも、前記スピン
ドルの支持系が保有する固有周波数を含む共振範囲を回
避して通過するように前記供給電流の周波数を制御する
ための共振範囲周波数回避制御手段２７が構成されてい
る。

なお、本実施例ではスピンドルのスラスト方向の変位の
み制御可能ないわゆる一軸制御方式の磁気軸受を示した
が、本発明はこれに限らず、スラスト方向およびラジア
ル方向のすべての変位が制御できるいわゆる三軸制御の
磁気軸受であってもよい。

［発明の効果］ 前記構成を有する本発明は、回転磁界に伴ってスピンド
ルに加えられる強制振動力の周波数が、少なくともスピ
ンドル支持系の固有周波数を含む共振範囲を回避して変
化するため、共振現象を防止でき、振動を極力抑えるこ
とのできる磁気軸受用駆動装置を提供し得るに至った。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一例を示し、磁気軸受の縦断面およ
び駆動装置の制御回路を示す図である。 第２図は、可変周波数パルス発生器の制御回路を示すブ
ロック図である。 第３図は、第２図に示した可変周波数パルス発生器から
出力されるモータ周波数と実際のスピンドルの回転周波
数との時間的変化を示すグラフを表わした図である。 第４図は、従来例を示し、磁気軸受用駆動装置の制御回
路を示すブロック図である。 第５図は、第４図に示した可変周波数パルス発生器から
出力されるモータ周波数と実際のスピンドルの回転周波
数との時間的変化を示すグラフを表わした図である。 図中、２ａ、　　２ｂは永久磁石、１はスピンドル、９
は交流電動機、８はコイル、３はモータステータ、４は
スラストコイル、５はスラスト電磁石コア、１５は整流
装置、１４はサイリスクインバータ、１３は可変周波数
パルス発生器、１２は手動操作装置、２７は共振範囲周
波数回避制御手段、１０は永久磁石、１１は磁気センナ
である。 特許出願人　エヌ・チー・エヌ東洋ベアリング（ほか２
名） 図面の浄書（内容に変更なし） 第十図 手 続 補 正 書（菰） １、事件の表示 昭和６３年特許願第　２９３１６５　　号２、発明の名
称 磁気軸受用駆動装置 ６、補正の対象 図面および委任状 ７、補正の内容 （１）図面中東２図および第３図を浄書する（内容に変
更なし）。 （２）委任状を別紙のとおり補充する。 以上 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所　大阪市西区京町堀１丁目３番１７号名　称　　エ
ヌ・チー・エヌ東洋ベアリング株式会社代表者　須磨吉
仲 ４、代理人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 磁気軸受により回転自在に支持されたスピンドルと、 供給電流の周波数に応じた周波数の回転磁界を発生し前
   記スピンドルを回転させるための交流電動機と、 該交流電動機への供給電流の周波数を制御することによ
   り前記交流電動機の回転数を制御可能な周波数制御手段
   とを含み、 該周波数制御手段は、 前記スピンドルの回転数を検出するための回転数検出手
   段と、 該回転数検出手段からの検出出力が入力され、前記回転
   磁界に伴って前記スピンドルに加えられる強制振動力の
   周波数が、少なくとも、前記スピンドルの支持系が保有
   する固有周波数を含む共振範囲を回避して変化するよう
   に前記供給電流の周波数を制御するための共振範囲周波
   数回避制御手段とを含む、磁気軸受用駆動装置。