JPS60245443A - 制御式ラジアル磁気軸受装置 - Google Patents

制御式ラジアル磁気軸受装置

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JPS60245443A
JPS60245443A JP59101506A JP10150684A JPS60245443A JP S60245443 A JPS60245443 A JP S60245443A JP 59101506 A JP59101506 A JP 59101506A JP 10150684 A JP10150684 A JP 10150684A JP S60245443 A JPS60245443 A JP S60245443A
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名波　昌治
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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】 （１）産業上の利用分野 この発明は磁気軸受装置に関し、特に制御式ラジアル磁
気軸受装置に関するものである。
（２）従来の技術 近年、制御式磁気軸受を用いて３万ないし４万ｒｐｍあ
るいはそれ以上の高速回転を行なわせる工作機械やター
ボ分子ポンプ等のスピンドルが実用化されて来ている。
これらのスピンドルに使用される制御式ラジアル磁気軸
受は、一般に、スピンドルの軸線に直角なＸＹ平面のＸ
軸周およびＹ軸周の２組の電磁石とＸ軸位置センサおよ
びＹ軸位置センサとからなり、これらの各位置センサで
Ｘ軸方向およびＹ軸方向におけるスピンドルの変位を検
出し、設定値との偏差を増幅し、位相補償をした後電力
増幅することによりＸ軸周およびＹ軸周電磁石の電磁力
をそれぞれ制御するようになっている。
（３）発明が解決しようとする問題点 上記のような従来の制御式磁気軸受は、たとえばターボ
分子ポンプ用スピンドルの場合のように、フィンロータ
等の取付けによって慣性モーメントが大きくなると、ス
ピンドルの回転に伴なってジャイロモーメントが発生し
、スピンドルの回転と逆方向の後まわり歳差運動（第２
図参照）が生じることが多い。このような歳差運動は制
御系のゲインを増加し、動剛性を大きくすることによっ
ても抑え得るが、ゲインを増加すると、制御のためによ
り大きな電圧が必要となり、回転時の振動が増すという
問題がある。
この発明は上記のような事情に鑑みなされたもので、そ
の目的は、制御系のゲインや動剛性を増加することなく
スピンドルの歳差運動を効果的に防止することのできる
制御式ラジアル磁気軸受装置を提供することにある。
（４）問題点を解決するための手段 上記の問題点を解決するために、この発明は、回転軸体
の軸線に直角なｘｙ平面のＸ軸方向およびＹ軸方向にお
いて、この回転軸体を磁気により軸受けするためのＸ軸
周電磁石およびＹ軸周電磁石と、回転軸体の基準位置か
らのＸ軸方向およびＹ軸方向の変位をそれぞれ検出する
ためのＸ軸上およびＹ軸上に配置されたＸ軸圧位置セン
サおよびＹ軸周位置センサと、これらの各センサの出力
をフィードバック入力としてそれぞれ上記各電磁石の出
力を制御するＸ軸周制御回路およびＹ軸周制御回路とよ
りなる制御式ラジアル磁気軸受装置において、Ｘ軸（あ
るいはＹ軸）方向位置を制御するのに９０°　回転位置
の異るＹ軸（あるいはＸ軸）方向位置センサ出力からバ
ンド、Ｎ６スフイルタを通して後まわり歳差運動周波数
成分を検出し、Ｘ軸（あるいはＹ軸）方向センサ出力に
対して後まわり歳差運動周波数出力の位相が９０°　進
んだ出力として、これを回転軸体の回転速度に応じてＸ
軸方向（あるいはＹ軸方向）のセンサ出力に加算して上
記Ｘ軸（あるいはＹ軸−）方向の制御回路のフィードバ
ック入力とするための補正回路をＸ。
Ｙ両軸の制御回路として有するものである。
（５）　作用 上記の構成を有するこの発明の制御式ラジアル磁気軸受
は、回転軸体が数ヘルツというような非常に低い周波数
で歳差運動を始めると、低い周波数での偏心回転運動、
すなわち歳差運動を示す成分を上記各センサの出力から
Ｘ軸用補正回路およびＹ軸周補正回路に備えられている
バンドパスフィｔ！＋−回路（ローパスフィルターによ
り代用させることも可能）によって検出し、位相が進ん
でいる側のセンサの出力の一部を上記フィルタ回路を経
ない位相が遅れている側のセンサの出力に、また位相が
遅れている側のセンサの出力は反転させ位相を９０°進
ませた主出力の一部を上記フィルタ回路を経ない位相が
進んでいる側のセンサの出力にそれぞれ加え、これらの
各センサによる偏心検出量を歳差運動周波数成分に対し
てベクトル的に進ませた補正偏心検出量に変換し、これ
をそれぞれ制御回路にフィードバック入力させるように
なっている。
なお、互いに他方のセンサの出力に加える各センサの出
力の一部を回転軸体の回転速度に応じて増減するのは、
回転速度が大きいほどジャイロ効果が大きくなるためで
ある。
（６）実施例 第１図において、回転軸体１はその軸線に直角なＸＹ平
面内に互いに９０度の角を隔てて配置されたＸ軸周電磁
石２ＸおよびＹ軸周電磁石２Ｙを有するラジアル磁気軸
受２によって半径方向に軸受けされ、モータ３によって
矢印Ｂの方向に回転する。図中、符号４は回転軸体１の
軸方向（Ｚ方向）の変位を阻止するためのスラスト磁気
軸受である。なお、ラジアル磁気軸受２は、通常、軸体
１の端部近傍等、軸方向適宜の位置に２つ以上用いられ
る。
上記磁気軸受２が配置された平面のＸ軸上およびＹ軸上
には、回転軸体１の基準位置に対するＸ軸方向およびＹ
軸方向の変位を検出し、変位量に応じた出力を発生する
Ｘ靴用位置センサ５ＸおよびＹ軸周位置センサ５Ｙがそ
れぞれ配置されている。上記Ｘ軸周電磁石２ＸおよびＹ
軸層電磁石２Ｙはそれぞれ電磁力を加減するための制御
巻線６Ｘおよび６ｙを有し、これらの制御巻線の励磁電
流はそれぞれＸ軸周制御回路７ＸおよびＹ軸周制御回路
７Ｙ（第３図参照）によって制御される。
上記Ｘ軸周制御回路７Ｘは、軸体１のＸ軸方向の基準位
置を示す一定の基準電圧を供給する基準電圧発生回路８
、位置センサ５Ｘの出力と上記基準電圧との差を増幅す
る偏差増幅器９、制御系の位相遅れを補償するための位
相補償回路１０および位相補償回路１ｏの出力を制御巻
線６Ｘの動作に必要な適宜のレベルに増幅するための電
力増幅器１１で構成されており、位置センサ５Ｘの出力
はその差引き点Ｐにフィードバック入力されている。
また、上記Ｘ軸周制御回路７Ｘの差引き点Ｐには、第２
図に矢印Ｃで示すような回転軸体１の後まわり歳差運動
を防止するために、この後まわり歳差運動の方向に位相
が９０度進んでいるＹ軸周位置センサ５Ｙの出力が、た
とえば第３図に示すような構成のＸ軸周補正回路１３に
よって適宜の比率に減じられかつ、歳差運動周波数帯域
以外の出力をバンドパスフィルタにより除かれた後、上
記Ｘ軸用位置センサ５Ｘの出力に加算する形で供給され
る。この加算量、すなわち上記の比率は回転軸体１の回
転速度を検出するためのパルス発生器、タコジェネレー
タ等の回転速度検出器１４の出力と共に増加するが、回
転速度に対するその増加率は必ずしも線形にする必要は
なく、むしろ低速回転時の増加率は大きく、高速回転と
なるほど増加率が小さくなるようにすることが望ましい
。
すなわち、この増加率を回転速度に従って連続的にある
いは段階的に減少させることが望ましい。
なお、第２図において、符号１２は回転軸体１に取付け
られたフィンロータを示す。また、Ｙ軸層電磁石２Ｙに
もＹ軸用制御回路およびＹ軸周補正回路が備えられてい
るが、これらは上記Ｘ軸周制御回路７Ｘおよび補正回路
１３Ｘと全く同様であるので、詳細な説明は省略する。
第３図において、上記Ｘ軸周補正回路１３Ｘは、パルス
発生器１５および周波数−電圧（ＦＶ）変換器１６より
なる回転速度検出器１４の出方が所定の回転速度（たと
えば６．００Ｏｒｐｍと１５．０００ｒｐｍ）に対応す
る所定の設定電圧に達した時、論理出力か変化する第１
比較器１７、および第２比較器１８、Ｙ軸周位置センサ
５Ｙの出力の数」０ヘルツ以上の成分および直流成分を
しゃ断するＸ軸用バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）ｉ’９
Ｘ、上記第１比較器１７および第２比較器１８のいずれ
がの論理出力によってＢＰＦｉ９Ｘの出力を２段階で変
化させるＸ軸片アナログスイッチ回路２０Ｘ、およびＸ
靴用位置センサ５Ｘの出力とアナログスイッチ回路２０
Ｘの出力を加算してＸ軸周制御回路７Ｘにフィードバッ
ク入力するＸ軸周加算器２１Ｘで構成されている。
また、Ｙ軸周補正回路も、これと全く同様に、上記第１
比較器１７および第２比較器１８、Ｙ軸周ＢＰＦ　１９
Ｙ、アナログスイッチ回路２０Ｙ、加算器２１Ｙで構成
されている。ただし、Ｙ軸周ＢＰＦ　１９Ｙ　に供給さ
れるＸ靴用位置センサ５Ｘの出力は反転回路２２によっ
て位相反転後Ｙ軸周ＢＰＦ　１９Ｙに入力される。これ
は、回転軸体１の後まわり歳差運動の方向に見て（第１
図、第２図参照）、Ｘ靴用位置センサ５Ｘに検出される
後まわり歳差運動の位相がＹ軸周位置センサ５Ｙより９
０度遅れており、Ｙ軸周位置センサ５Ｙの出力にこれよ
り９０度進んだ位相位置にＸ靴用位置センサ５Ｘがある
ものとしてその出力を加算しなければならないためであ
る。従って、Ｘ靴用位置センサ５Ｘの位相がＹ軸周位置
センサ５Ｙより進んでいる場合は、この反転回路２２を
Ｙ軸周位置センサ５ＹとＸ軸周ＢＰＦ１９Ｘとの間に接
続すればよい。なお、Ｘ軸周制御回路７ＸおよびＹ軸用
制御回路７Ｙの出力はそれぞれＸ軸周電磁石２Ｘの制御
巻線６ＸおよびＹ軸周電磁石２Ｙの制御巻線２Ｙに接続
されている。なお、磁気軸受制御状態において電磁石の
直流成分が少ない場合はバンドパス・フィルタをローパ
ス・フィルタで代用すせることも可能である。
この実施例において、回転軸体１が第１図および第２図
に示す方向に振幅Ａの後まわり歳差運動を起こしている
とすると、Ｘ軸用位置センサ５ｘおよびＹ軸用位置セン
サ５Ｙの出力は、後まわり歳差運動周波数成分のみに着
目した場合、それぞれＸ＝＝Ａｃｏｓω［およびＹ　＝
　Ａ　ｃｏｓ　（ω【＋９０°）＝−Ａｓｉｎω（で表
わすことができる。ただし、ωは歳差運動の角周波数で
ある。また、Ｘ軸片バンドパスフィルタ１９ＸおよびＹ
軸用バンドパスフィルタ１９Ｙを経、かつ各アナログス
イッチ２０Ｘおよび２０Ｙを経て上記センサ５Ｘおよび
５Ｙの出力が元の振幅のに倍にゲイン調整されるとする
−と、ゲイン調整後の各センサの出力はそれぞれＸ’　
＝　ｋＡ　ＣＯ５ωｔおよびＹ’　＝−ｋＡＢｉｎ　ω
ｔとなる。
従って、Ｘ軸周電磁石２ＸおよびＹ軸周電磁石２Ｙの各
制御回路７Ｘおよび７Ｙへの制御入力（加算器２１Ｘ、
２１Ｙの出力）　Ｆｘ　およびＦｙはそれぞれ次式で与
えられる。
ＦＸ−Ｘ＋Ｙ′ ＝　Ａ　ｃｏｓ　ωｔ　−４−（−ｋＡ　ｓｉｎ　ωｔ
　）＝　Ａ？　ｃｏｓ　（ｃｎ　（＋θ）、θ＝ｊａｎ
ｌｋ Ｆ＝Ｙ−Ｘ’ ＝　−Ａ　ｓ　ｉｎ　ωｔ　−（ｋＡ　ｃｏｓ　ωｔ　
）＝−Ａ　、／１０＜”５ｉｎ（ω【＋θ′）、θゝ＝
　ｊａｎ　’　ｋ−θ すなわち、Ｘ軸周位置センサ出力にＹ軸片位置センサ出
力の成分を、またＹ軸片位置センサ出力にＸ軸、用位置
センサ出力の成分をそれぞれ加え合わせることにより、
後まわり歳差運動周波数成分に関してθの位相進みを与
えることができ、その結果後回わり歳差運動に対して減
衰項が付加される。
（７）効果 以上に説明したように、この発明の制御式ラジアル磁気
軸受においては、制御系のゲインや動剛性を増加するこ
となく、従って振動増加を伴なうことなく効果的に歳差
運動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の制御式ラジアル磁気軸受の一実施例
の斜視図で、制御系はブロック図で示されている。第２
図は回転軸体の後回わり歳差運動を示す概略斜視図であ
る。第３図はこの発明に用いる補正回路の一実施例の構
成を示すブロック図である。 １・・・回転軸体、２・・・ラジアル磁気軸受、２Ｘ・
・・Ｘ軸周電磁石、２Ｙ・・・Ｙ軸用電磁石、５Ｘ・・
・Ｘ軸片位置センサ、５Ｙ・・・Ｙ軸周位置センサ、７
Ｘ・・・Ｘ軸周制御回路、７Ｙ・・・Ｙ軸周制御回路、
１３Ｘ・・・Ｘ軸周補正回路、１３Ｙ・・・Ｙ軸用補正
回路、１４・・・回転速度検出器、１７・・・第１比較
器、１８・・・第２比較器、２０Ｘ　、２０Ｙ・・・ア
ナログスイッチ、２１Ｘ、２１Ｙ・・・加算器 同　代理人　鎌　１）　文　二

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 は）　回転軸体の軸線に直角なＸＹ平面のＸ軸方向およ
    びＹ軸方向においてこの回転軸体を磁気により軸受けす
    るためのＸ軸周電磁石およびＹ軸用電磁石と、回転軸体
    の基準位置からのＸ軸方向およびＹ軸方向の変位をそれ
    ぞれ検出するためのＸ軸上およびＹ軸上に配置されたＸ
    軸周位置センサおよびＹ軸周位置センサと、これらの各
    センサの出力をフィードバック入力としてそれぞれ上記
    各電磁石の出力を制御するＸ軸周制御回路およびＹ軸用
    制御回路とよりなる制御式ラジアル磁気軸受装置におい
    て、Ｘ軸（あるいはＹ軸）方向位置を制御するのに、９
    ０°回転位置の異るＹ軸（あるいはＸ軸）方向位置セン
    サ出力から、バンドパスフィルターを介して後まわり歳
    差運動周波数成分を取り出し、Ｘ軸（あるいはＹ軸）方
    向センサ出力に対して後まわり歳差運動周波数出力の位
    相が９０’進んだ出力として、これを回転軸体の回転速
    度に応じてＸ軸方向（あるいはＹ軸方向）のセンサ出力
    に加算して、Ｘ軸（あるいはＹ軸）方向の制御回路のフ
    ィードバック入力とするための補正回路を、Ｘ、Ｙ両軸
    の制御回路として有することを特徴とする制御式ラジア
    ル磁気軸受装置。 （２）前記各センサの出力にそれぞれ加算される前記出
    力の一部を回転軸体の回転速度範囲に応じて段階的に増
    加させるための手段を備えた特許請求の範囲第１項記載
    の制御式ラジアル磁気軸受装置。
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