JPH07127640A - 磁気軸受制御装置 - Google Patents

磁気軸受制御装置

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JPH07127640A
JPH07127640A JP5294555A JP29455593A JPH07127640A JP H07127640 A JPH07127640 A JP H07127640A JP 5294555 A JP5294555 A JP 5294555A JP 29455593 A JP29455593 A JP 29455593A JP H07127640 A JPH07127640 A JP H07127640A
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Kiyoshi Ishida
精 石田
Akihiko Maemura
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Yaskawa Electric Corp
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406Magnetic bearings
    • F16C32/044Active magnetic bearings
    • F16C32/0444Details of devices to control the actuation of the electromagnets

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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】高速モータを非接触支持する磁気軸受の制御装
置に関し、モータ部の径方向アンバランスを回避する磁
気軸受の制御装置を提供する。 【構成】モータの回転軸と、回転軸に固着された磁気軸
受の回転子と、この回転子とエアギャップを介して設け
た2つの磁気軸受の固定子と、前記回転子の浮上位置を
検出する変位検出器と、該変位検出器の浮上位置指令信
号を受ける浮上制御器と、該浮上制御器の指令を受けて
前記固定子に励磁電流を供給する2つの電流増幅器とで
なる磁気軸受の制御装置において、変位検出器と2つの
電流増幅器の出力電流から軸受の支持力を演算する演算
器と、該演算器の信号とモータの回転指令信号を受けて
非回転時の演算器の信号を保持し出力する支持力指令器
と、該支持力指令器と演算器の信号を比較する比較器
と、この比較器の信号から浮上位置指令を浮上制御器に
送る支持力制御器を付加する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、磁気吸引力で高速モー
タを非接触支持する磁気軸受制御装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】モータを高速回転すると同一体格でも高
い出力が得られるため、近年モータの高速化が行われて
いる。しかし、回転速度が上昇していくと回転体を支持
する軸受の回転摩擦が大きくなって温度が上昇したり振
動が大きくなったりするため、従来のころがり軸受や流
体軸受では回転速度をさらに大きくすることが困難であ
った。そこで磁気吸引力を利用して非接触支持する磁気
軸受が開発された。ラジアル軸受に適用した例を図3に
より説明する。1は回転軸であり、外周部に磁性材料か
らなる鉄心部を形成している。その外周には、エアギャ
ップを介して、フレームなど固定側に固定された磁性材
の鉄心にコイルを巻回した電磁石で構成された固定子2
1、22を対向させて設けてある。固定子21、22
は、回転軸1を互いに逆方向に吸引できるようになって
いる。3は回転軸1の径方向変位を検出する変位検出器
であり、固定子21或いは22の近傍に固定されてい
る。41、42は入力信号に応じた電流を増幅して出力
し、それぞれの固定子21、22に励磁電流を供給する
電流増幅器である。5はPID補償要素等からなり電流
増幅器41、42に指令を送る浮上制御器である。61
は、浮上位置指令と変位検出器3の信号を比較して、浮
上制御器5に偏差信号を送る比較器である。この構成に
おいて、浮上位置の指令と変位検出器3で検出した回転
軸1の浮上位置を比較器61で比較し、差があれば浮上
制御器5が電流増幅器41或いは42に指令を送り、固
定子21或いは22に励磁電流を与える。そして固定子
21或いは22と回転軸1間に働く磁気吸引力で回転軸
1が所定の位置に来るよう保持される。図の固定子2
1、22で支持する方向と直交する方向にも同じ構成の
浮上系が設けられており、2つの制御系により回転軸1
のラジアル軸受を構成する。このラジアル軸受を2組、
両軸端部近傍に設け、回転軸1を完全に非接触支持する
ことができ、回転軸1にモータの回転子を一体に設ける
と高速回転することができる。このように2組のラジア
ル磁気軸受、1つのアキシャル磁気軸受とモータの回転
子で構成する高速モータは、高周波インバータでモータ
の固定子を励磁すると支持部の摩擦が小さいため従来の
軸受で到達することができなかった領域の高速回転がで
きるのである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところが、そのような
構成の高速モータを、インバータで励磁して高速回転す
ると、次のような問題があった。モータの固定子巻線に
励磁電流を供給して回転磁界を生じさせると、軸対称の
磁束分布が生じ、その磁束分布が励磁に同期して回転す
る。モータが2極の誘導電動機の場合、N極とS極の2
つの主磁束が軸対称に分布して励磁周波数に従って回転
する。ところが、この磁束は、固定子の鉄心材料に磁気
的な異方性があったり、機械加工や組立時の影響で磁気
回路の磁気抵抗が回転位置によって不均一となったりす
るので、必ずしも軸対称とはなっていない。スイッチン
グ素子を用いてモータを駆動する高周波インバータもそ
の原因の一つと考えられる。これらの因果関係はよく分
かっているわけではないが、磁束分布が軸対称とならな
いため次のような不具合点が生じることになる。すなわ
ち、前記の磁気軸受形高速モータの回転速度を上げてゆ
くと、ラジアル軸受で非接触支持して回転軸1を軸受の
中心に保持する制御をしていても、図4に示すように次
第に中央から周辺へとアンバランスプルが働く方向へシ
フトしていき、その偏差が回転速度とともに大きくなっ
てゆくのである。磁気軸受の浮上制御器に完全な積分機
能がある場合は、図のように浮上位置がシフトすること
はないが、モータのアンバランスプルが次第に大きくな
るため、それに対抗して回転中心位置に保持しようと軸
受の固定子に大きな励磁電流が供給される。積分機能が
完全でなく、回転軸に偏心がある場合は、偏心すればす
るほどアンバランスプルが大きくなるので固定子電流の
増加が一層大きくなる。何れにしても、回転軸の浮上位
置または固定子の励磁電流が制限を越えるところまでア
ンバランスプルが大きくなると、正常な浮上制御が行わ
れなくなり回転軸が固定側に接触したりして様々なトラ
ブルを引き起こすのである。そこで、本発明はそのよう
なモータ部の径方向のアンバランスプルによる諸問題を
回避する磁気軸受制御装置を提供することを目的とす
る。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本発明は、モータの回転子を備えた回転軸と、回転
軸に固着された磁気軸受の回転子と、この回転子とエア
ギャップを介して対向させて設けた2つの磁気軸受の固
定子と、この固定子に対する前記回転子の浮上位置を検
出する変位検出器と、この変位検出器の信号と浮上位置
指令信号を受ける浮上制御器と、この浮上制御器の指令
を受けて前記固定子に励磁電流を供給する2つの電流増
幅器より磁気軸受制御装置において、前記変位検出器と
前記2つの電流増幅器の出力電流から軸受の支持力を演
算する演算器と、該演算器の信号とモータの回転指令信
号を受けて非回転時の前記演算器の信号を保持し出力す
る支持力指令器と、該支持力指令器と前記演算器の信号
を受けて比較する比較器と、この比較器の信号を受けて
浮上位置指令を前記浮上制御器に送る支持力制御器を付
加し、回転中の軸受の支持力が回転前の支持力で支持さ
れるよう制御するようにしたのである。
【0005】
【作用】上記手段により、モータを励磁して回転速度を
上げていきモータの径方向のアンバランスプルが大きく
なっても、支持力制御器が働いて浮上位置をアンバラン
スプルの方向と反対の方向に、回転子を偏位させるの
で、アンバランスプルが解消されて回転前の支持力で支
持することができ、浮上位置や励磁電流が飽和すること
なく安定して支持することができるのである。
【0006】
【実施例】以下、本発明の実施例を図に基づいて説明す
る。図1は本発明の磁気軸受制御装置のブロック図であ
り、図2は図1中の演算器の詳細図である。図におい
て、8は、電流増幅器41、42が固定子21、22に
与える励磁電流を検出する電流検出器43、44で検出
された2つの電流信号i11、i21と変位検出器3の信号
f を受けて、軸受の支持力を演算する演算器である。
9は、回転前・浮上直後の空隙がバランスする演算器8
の支持力指令信号fs0を保持し、演算器8の出力信号f
f とインバータからモータに与える回転指令信号f0
受けて、支持力指令信号fs を出力する支持力指令器で
ある。62は、演算器8の出力信号ff と支持力指令器
9の出力信号fs を受けて、比較する比較器である。7
は、比較器62の出力信号を受けて比較器61に信号を
送る支持力制御器であり、少なくとも積分補償要素を備
えている。その積分補償要素の時定数は、支持力制御が
回転速度の上昇に応答する程度でよいため、浮上制御器
5の時定数よりかなり大きく設定されている。
【0007】図2は、演算器8の詳細図である。811
は、変位検出器3の出力信号Xf と軸中心位置信号X0
の差をとって、固定子21と回転軸1間のエアギャップ
を求める比較器である。812は、変位検出器3の出力
信号Xf と軸中心位置信号X0 の和を演算して、固定子
22と回転軸1間のエアギャップを求める加算器であ
る。821は電流検出器43の信号を増幅する増幅器、
822は電流検出器44の信号を増幅する増幅器であ
る。831は、比較器811の出力信号X0 −Xf と増
幅器821の出力信号i1を受けてi1 /(X0
f )を除算する除算器である。832は、加算器81
2の出力信号X0 +Xf と増幅器822の出力信号i2
を受けてi2 /(X0 +Xf )を演算する除算器であ
る。841は、除算器831の出力信号を受けて(i1
/(X0 −Xf ))2 を演算する乗算器、842は除算
器832の出力信号を受けて(i2 /(X0 +Xf ))
2 を演算する乗算器である。813は、乗算器841の
出力信号と乗算器842の出力信号を受けて比較する比
較器、85は比較器813の出力信号を受けて信号レベ
ルを調整する増幅器である。すなはち、演算器8は、電
磁石の磁気吸引力が( 電流/ エアギャップ)2に比例する
ことから、2つの電磁石の吸引力を求めその差から軸受
の支持力を演算していることになる。
【0008】比較器62は、回転前・浮上直後の空隙が
バランスする演算器8の支持力指令信号fs0と回転中の
支持力に相当する支持力指令信号ff を出力する演算器
8の信号を受けて比較するため、モータが高速回転して
アンバランスプルが生じたときは、それにより回転軸が
偏心するかどうかに関わらず比較器62によって支持力
の偏差が出力される。この信号を受けた支持力制御器7
は前記偏差を低減するよう働いて指令信号Xs を出力す
る。この指令信号Xs は浮上制御系の浮上位置指令とし
て比較器61に入力される。そして、この指令を受けた
浮上制御系はモータのアンバランスプルが作用している
方向と逆の方向に浮上位置を偏位させるので、ついには
回転前の支持力と同じ支持力となる浮上位置まで偏位す
るのである。こうして、モータに生じたアンバランスプ
ルに対抗して浮上位置を偏位すると、アンバランスプル
が磁気吸引力と同様に(1/エアギャップ)2 に比例する
ため、僅かの偏位でアンバランスプルを低減することが
できるのである。
【0009】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、駆
動用モータで回転するときに不平衡磁気吸引力によるア
ンバランスプルが生じても、その方向と逆の方向に浮上
位置を偏位させてアンバランスプルを解消するため、固
定子の電流が飽和することがなく、高速回転まで安定し
た支持状態を得ることができて高速モータの実用性を高
めうるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示すブロック図
【図2】本発明の演算器の詳細図
【図3】従来の磁気軸受制御装置を示すブロック図
【図4】アンバランスプルを示すベクトル図
【符号の説明】
1 回転軸 21、22 固定子 3 変位検出器 41、42 電流増幅器 43、44 電流検出器 5 浮上制御器 61、62、811、813 比較器 7 支持力制御器 8 演算器 812 加算器 821、822 増幅器 831、832 除算器 841、842 乗算器 85 増幅器 9 支持力指令器

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】モータの回転子を備えた回転軸と、この回
    転軸に固着された磁気軸受の回転子と、この回転子とエ
    アギャップを介して対向させて設けた、2つの磁気軸受
    の固定子と、この固定子に対する前記回転子の浮上位置
    を検出する変位検出器と、この変位検出器の信号と浮上
    位置指令信号を受ける浮上制御器と、この浮上制御器の
    指令を受けて前記固定子に励磁電流を供給する2つの電
    流増幅器よりなる磁気軸受制御装置において、 前記変位検出器と前記2つの電流増幅器の出力電流から
    軸受の支持力を演算する演算器と、この演算器の出力信
    号とモータの回転指令信号を受けて支持力指令信号を出
    力する支持力指令器と、この支持力指令器と前記演算器
    の出力信号を受けて比較する比較器と、この比較器の出
    力信号を受けて浮上位置指令を前記浮上制御器に送る支
    持力制御器を備えたことを特徴とする磁気軸受制御装
    置。
  2. 【請求項2】前記支持力制御器の積分補償要素の時定数
    が浮上制御器の時定数より大きい請求項1の磁気軸受制
    御装置。
JP29455593A 1993-10-29 1993-10-29 磁気軸受制御装置 Expired - Lifetime JP3517846B2 (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113623239A (zh) * 2021-09-16 2021-11-09 北京航空航天大学宁波创新研究院 一种不平衡磁拉力控制方法、装置、***、设备和介质

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113623239A (zh) * 2021-09-16 2021-11-09 北京航空航天大学宁波创新研究院 一种不平衡磁拉力控制方法、装置、***、设备和介质

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