JP3565894B2

JP3565894B2 - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JP3565894B2
Application number: JP05409594A
Authority: JP
Inventors: 雅之山本
Original assignee: セイコーインスツルメンツ株式会社
Priority date: 1994-03-24
Filing date: 1994-03-24
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2019-09-15
Also published as: JPH07259854A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、磁気軸受装置に係り、例えば、回転体の不釣合により発生する振動を抑制する磁気軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転体を磁気軸受で支持するシステムにおいては、「回転体の回転軸」と「重心」とのずれに基づく不釣り合いが、回転体に生じる場合がある。このような場合に磁気軸受は、前記不釣り合いに起因する「回転体の振れ回り」を抑えつけようとするため、回転周波数に同期した周期的な制御力を発生する。この周期的な制御力により磁気軸受電磁石が配置されたステータ側に、回転周波数成分の振動が発生する。
【０００３】
一方、磁気軸受は、例えばターボ分子ポンプに使用される場合がある。ターボ分子ポンプは、振動を極度に嫌う電子顕微鏡や半導体製造装置等に使用されるため、前述の不釣り合いによって生じるステータ側の振動は、好ましくない。
従来、前述のような振動を防ぐ手段として「磁気懸垂方式ロータに於ける同期妨害補償装置」（特公昭６０−１４９２９号公報）が知られている。
【０００４】
この特公昭では、センサで検出した回転体と電磁石とのギャップに基づくギャップ変位信号の内、回転体の回転周波数成分の信号をフィルタで除去することにより、電磁石が前記回転周波数に同期した周期的な制御力を発生しないようにしている。
【０００５】
その結果、回転体は慣性中心（重心中心）で回転を行う。このようにすれば、回転体の振れ回りは残るが、回転周波数に同期した周期的な制御力によって発生するステータ側の振動を減少させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特公昭によっては、ステータ側の振動を大幅に減少させることができず、前述の振動を極度に嫌う用途で磁気軸受を使用する場合には、その残留分の振動が問題点となっていた。
【０００７】
ここで、前記特公昭では、ステータ側の振動を大幅に減少させることができない理由を、数式を用いて詳細に説明する。
図６に示すように、一般に、磁気軸受に使用される電磁石Ｍが発生する吸引力Ｆは、（１）式で表される。
【０００８】
Ｆ＝Ｋ（Ｉ／ｘ）^２ …（１）
ここに、Ｋは電磁石の形状や巻数で決まる係数、Ｉは電磁石電流、ｘは電磁石部のギャップである。
通常、磁気軸受では電磁石Ｍの吸引力を線形化するために、直流バイアス電流Ｉ０を重畳しており、また、回転体Ｒの位置制御信号による電磁石電流Ｉの変動分をΔＩとすると、電磁石電流Ｉは（２）式で表される。
【０００９】
Ｉ＝Ｉ０＋ΔＩ …（２）
一方、電磁石部のギャップの定常値をｘ０、ギャップの変動分をΔｘとすると、電磁石部のギャップｘは（３）式で表される。
ｘ＝ｘ０＋Δｘ …（３）
従って、（２）、（３）式を（１）式に代入すると、（４）式となる。
【００１０】
Ｆ＝Ｋ｛（Ｉ０＋ΔＩ）／（ｘ０＋Δｘ）｝^２ …（４）
この（４）式から明らかなように、「回転浮上時」における吸引力Ｆには、ギャップの変動分Δｘと電磁石電流の変動分ΔＩとが含まれ、「回転浮上時」における電磁石が発生する吸引力Ｆは変動することが分かる。
【００１１】
また、直流バイアス電流Ｉ０および電磁石部の定常値のギャップｘ０は、予め設定可能な値である。前記電流Ｉ０およびギャップｘ０の条件が与えられた場合に、回転体Ｒの「静止浮上時」における電磁石Ｍが発生する力Ｆ０は、（５）式で表される。
【００１２】
Ｆ０＝Ｋ（Ｉ０／ｘ０）^２ …（５）
この（５）式から明らかなように、「静止浮上時」における吸引力Ｆ０には、前述の変動分Δｘ、ΔＩが含まれておらず、吸引力Ｆ０は変動しないことが分かる。
【００１３】
一方、回転体Ｒの回転中におけるギャップの変動分Δｘは、主に回転体Ｒの振れ回りによって生じる。ギャップの変動分Δｘは、ギャップ変位センサで検出され、磁気軸受制御回路にフィードバックされる。フィードバックされたギャップの変動分Δｘは、ＰＩＤ（比例積分微分）補償器などを通して電流指令値が得られ、この電流指令値によって電磁石電流の変動分ΔＩが決定される。
【００１４】
そして、通常、ギャップの変動分Δｘを「０」に近づけるように電磁石電流の変動分ΔＩが変化するようにしている。
しかしながら、前記特公昭では、図６に示すように、振れ回り信号（ギャップの変動分）Δｘのパワースペクトラム中で回転体の回転周波数の成分に注目し、回転周波数に同期したトラッキング式帯域除去フィルタ５１を用いて電流指令値の回転周波数成分を除去し、更にＰＩＤ補償器５２を介して電流指令値〔Δｉ〕を生成している。
【００１５】
従って、回転周波数成分のみを考えると、（４）式は（６）式で表される。
Ｆ＝Ｋ｛Ｉ０／（ｘ０＋Δｘ）｝^２ …（６）
この（６）式から明らかなように、回転体Ｒの位置制御電流による電磁石電流の変動分ΔＩに基づく吸引力変動はなくなるが、振れ回り信号（ギャップの変動分）Δｘによる吸引力変動は残り、ステータ側の振動を大幅に減少させることができなかった。
【００１６】
そのため、例えば、電子顕微鏡にターボ分子ポンプを使う場合など、用途によっては振動減衰用の機械的なダンパーを別に設ける必要があった。
そこで、本発明の目的は、ステータ側の振動を大幅に減少させる磁気軸受装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、回転体と、この回転体を所定位置で磁気支持する電磁石と、前記回転体と電磁石とのギャップの変位を検出する変位検出手段と、前記変位検出手段で検出された回転体と電磁石とのギャップの変動分信号の内、回転体の回転周波数成分を抽出する周波数抽出手段と、この周波数抽出手段で抽出した回転周波数成分に、前記電磁石に供給する電磁石電流の一部をなす直流バイアス電流を乗算すると共に、前記回転体が所定位置に存在する場合におけるギャップの定常値で除算する第１演算手段と、前記直流バイアス電流に対して、前記第１演算手段の出力結果を加算または減算する第２演算手段とを備えて、前記目的を達成する。
【００１８】
請求項２記載の発明では、前記周波数抽出手段を、帯域通過フィルタで構成して、前記目的を達成する。
請求項３記載の発明では、前記周波数抽出手段は、前記ギャップの変動分信号の内、回転体の回転周波数成分を除去する帯域除去フィルタと、前記ギャップの変動分信号から、前記帯域除去フィルタの出力信号を減算する減算器とを備えて、前記目的を達成する。
【００１９】
【作用】
請求項１記載の磁気軸受装置では、周波数抽出手段は、変位検出手段で検出した回転体と電磁石とのギャップの変動分信号の内、回転体の周波数成分を抽出する。第１演算手段は、周波数抽出手段で抽出された回転体周波数成分に、電磁石に供給する電流を形成する直流バイアス電流を乗算すると共に、前記回転体が所定位置に存在する場合におけるギャップの定常値で除算を行う。第２演算手段は、前記直流バイアス電流に対して、前記第１演算手段の出力結果を加算または減算する。
【００２０】
この加算または減算結果を電磁石に供給すると、電磁石に供給する電流の変動分およびギャップの変動分がキャンセルされ、電磁石の吸引力は、直流バイアス電流とギャップの定常値等の一定値によって決定される。
従って、回転体に振れ回りが発生したとしても、電磁石の吸引力は一定なので、ステータ側には振動が発生しない。
【００２１】
請求項２記載の磁気軸受装置では、前記周波数抽出手段を帯域通過フィルタで構成し、周波数抽出を行う。
請求項３記載の磁気軸受装置では、帯域除去フィルタが、ギャップの変動分信号の内、回転体の回転周波数成分を除去する。減算器は、ギャップの変動分信号から、前記帯域除去フィルタの出力信号を減算する。従って、ギャップの変動信号の内、回転体の周波数成分を抽出する場合と等価的な処理がなされる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の磁気軸受装置の実施例を図１ないし図５を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施例の磁気軸受装置の１軸分の構成図である。
【００２３】
図１に示すように、回転体（ロータ）Ｒの上下にはギャップｘを隔てて一対の第１電磁石（＋側電磁石）１ａおよび第２電磁石（−側電磁石）１ｂが配置されている。第１電磁石１ａには第１コイル２ａが巻回され、第１コイル２ａは、第１パワーアンプ３ａに接続されている。
【００２４】
また、第２電磁石１ｂには第２コイル２ｂが巻回され、第２コイル２ｂは、第２パワーアンプ３ｂに接続されている。
第１と第２パワーアンプ３ａ、３ｂは、電磁石の吸引力変動を「０」に抑える動作を行う磁気軸受制御回路４（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ）に接続されている。なお、磁気軸受制御回路４Ａは第１実施例であり、磁気軸受制御回路４Ｂは第２実施例であり、磁気軸受制御回路４Ｃは第３実施例である。第１〜第３実施例については、それぞれ図２ないし図５に基づいて、その構成を後述する。
【００２５】
また、ロータＲの近傍には、ロータＲと第１電磁石１ａとのギャップｘの変位を検出する変位センサ５が配置されている。変位センサ５で検出された変位信号は、変位検出回路６に送られて所定の処理が行われ、振れ回り信号（ギャップの変動分）Δｘとして磁気軸受制御回路４に送出される。
【００２６】
▲１▼第１実施例
次に、図２および図３（ａ）、（ｂ）に基づいて、第１実施例の磁気軸受制御回路４Ａの構成および動作を説明する。
図２に示すように、変位検出回路６から出力されたギャップの変動分Δｘは、帯域通過フィルタ４１と帯域除去フィルタ４２とに入力される。
【００２７】
図３（ａ）は、帯域通過フィルタ４１の周波数特性図であり、図３（ｂ）は帯域除去フィルタ４２の周波数特性図である。
図３（ｂ）に示すように、帯域除去フィルタ４２は、回転体Ｒの回転周波数ｆｒの信号成分を除去し、また、図３（ａ）に示すように、帯域通過フィルタ４１は、ゲイン０ｄＢ（１倍）で回転周波数ｆｒの信号成分を通過させる。
【００２８】
帯域通過フィルタ４１を通過したゲイン０ｄＢの回転周波数ｆｒの信号成分は、乗算器４３でＩ０／ｘ０倍され、回転周波数成分のみに着目した変動電流成分〔ΔＩ２〕が生成される。ここに、Ｉ０は、電磁石に流す直流バイアス電流であり、ｘ０は、ギャップの定常値である。この変動電流成分〔ΔＩ２〕は、（７）式のように表される。
【００２９】
〔ΔＩ２〕≒（Ｉ０／ｘ０）Δｘ …（７）
一方、回転周波数ｆｒの信号成分は、帯域除去フィルタ４２で除去され、ＰＩＤ補償器４４を通過する。ＰＩＤ補償器４４の出力である回転周波数成分のみに着目した変動電流成分〔ΔＩ１〕は、（８）式で表される。
【００３０】
〔ΔＩ１〕≒０ …（８）
従って、〔ΔＩ１〕と〔ΔＩ２〕とが加算器４５で加算された変動電流指令値〔ΔＩ〕は、（９）式で表される。
〔ΔＩ〕＝〔ΔＩ１〕＋〔ΔＩ２〕≒（Ｉ０／ｘ０）Δｘ …（９）
従って、加算器４６で直流バイアス電流Ｉ０に変動電流指令値〔ΔＩ〕が加算されて生成される＋側電磁石電流指令値〔Ｉ＋〕と、減算器４７で直流バイアス電流Ｉ０から変動電流指令値〔ΔＩ〕が減算されて生成される−側電磁石電流指令値〔Ｉ−〕とは、それぞれ（１０）、（１１）式のようになる。
【００３１】

（９）式よりロータＲがΔｘだけ変位（ギャップの変動分）した場合に、実際の電磁石電流の変動分ΔＩは、（１２）式で表される。
【００３２】
ΔＩ＝（Ｉ０／ｘ０）Δｘ …（１２）
従って、（１２）式を（４）式に代入すると、「＋側電磁石の吸引力Ｆ＋」と「−側電磁石の吸引力Ｆ−」とは、それぞれ（１３）、（１４）式で表される。

これら（１３）、（１４）式から明らかなように、ロータＲに振れ回りが発生していても、「＋側電磁石の吸引力Ｆ＋」および「−側電磁石の吸引力Ｆ−」がそれぞれ一定となるので、ステータ側には振動が発生しない。
【００３３】
▲２▼第２実施例
図４は、磁気軸受制御回路４の第２実施例のブロック図である。
図４に示すように、第２実施例の磁気軸受制御回路４Ｂは、前述の帯域除去フィルタ４２（図２参照）を用いる代わりに、帯域通過フィルタ４１の出力を乗算器４３に供給すると共に、ギャップの変動分Δｘから帯域通過フィルタ４１の出力を減算し、ＰＩＤ補償器４４に入力するようにしたものである。
【００３４】
このように構成すると、ＰＩＤ補償器４４の入力側には、図３（ｂ）に示した特性の帯域除去フィルタを通過し、回転周波数ｆｒが除去された場合とほぼ等価な信号が供給される。
このように構成しても、ＰＩＤ補償器４４の出力は〔ΔＩ１〕となる。
【００３５】
従って、第１実施例と同様に、「＋側電磁石の吸引力Ｆ＋」と、「−側電磁石の吸引力Ｆ−」とは（１５）、（１６）式のようになる。
Ｆ＋＝Ｋ（Ｉ０／ｘ０）^２ …（１５）
Ｆ−＝Ｋ（Ｉ０／ｘ０）^２ …（１６）
よって、ロータＲに振れ回りが発生していても、「＋側電磁石の吸引力Ｆ＋」および「＋側電磁石の吸引力Ｆ−」がそれぞれ一定となるので、ステータ側には振動が発生しない。
【００３６】
▲３▼第３実施例
図５は、磁気軸受制御回路４の第３実施例のブロック図である。
図５に示すように、第３実施例の磁気軸受制御回路４Ｃは、前述の帯域通過フィルタ４１（図２参照）を用いる代わりに、帯域除去フィルタ４２の出力をＰＩＤ補償器４４に供給すると共に、減算器４８でギャップの変動分Δｘから帯域除去フィルタ４２の出力を減算し、乗算器４３に入力するようにしたものである。
【００３７】
このように構成すると、乗算器４３の入力側には、図３（ａ）に示した特性の帯域通過フィルタを通過し、回転周波数ｆｒが抽出された場合とほぼ等価な信号が供給される。
このように構成しても、乗算器４３の出力は〔ΔＩ２〕となる。
【００３８】
従って、第１実施例と同様に、「＋側電磁石の吸引力Ｆ＋」と、「−側電磁石の吸引力Ｆ−」とは（１７）、（１８）式のようになる。
Ｆ＋＝Ｋ（Ｉ０／ｘ０）^２ …（１７）
Ｆ−＝Ｋ（Ｉ０／ｘ０）^２ …（１８）
よって、ロータＲに振れ回りが発生していても、「＋側電磁石の吸引力Ｆ＋」および「＋側電磁石の吸引力Ｆ−」がそれぞれ一定となるので、ステータ側には振動が発生しない。
【００３９】
以上、第１実施例ないし第３実施例で説明したように、回転体の不釣り合いによってステータ側に発生する回転周波数成分の不釣り合い振動を著しく減少させることができるため、例えば、ターボ分子ポンプを電子顕微鏡などに装着する際に必要とされていた機械式のダンパなどを省略することが可能となり、装置全体の小型化、コストダウンを行える。
【００４０】
また、従来、振れ回りによる振動を抑えるために行っていたロータの精密なバランス取が不要となるため、バランス取工程の時間が大幅に短縮される。
なお、帯域除去フィルタ４１、帯域通過フィルタ４２は、フィルタの中心周波数が回転周波数に同期して変化するトラッキング方式でもよいし、定常回転周波数に設定された固定方式でもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、変位検出手段が検出した回転体と電磁石とのギャップの変位に伴う信号の内、周波数抽出手段が抽出した回転体の回転周波数成分を取り出し、所定の処理をした後、電磁石に供給しているので、ギャップ変動分および電磁石に供給する電流の変動分がキャンセルされ、電磁石の吸引力は一定となる。従って、回転体の振れ回りがあっても、電磁石の吸引力は一定なので、ステータ側には振動が発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の磁気軸受装置を適用する磁気軸受制御システムの１軸分の構成図である。
【図２】同上、磁気軸受制御回路の第１実施例のブロック図である。
【図３】同上、第１実施例に用いるフィルタの周波数特性図であって、（ａ）は帯域通過フィルタ、（ｂ）は帯域除去フィルタである。
【図４】同上、磁気軸受制御回路の第２実施例のブロック図である。
【図５】同上、磁気軸受制御回路の第３実施例のブロック図である。
【図６】一般的な電磁石における電磁石電流の変動とギャップの変動との関係を説明する図である。
【図７】従来の磁気軸受制御回路の例を示すブロック図である。
【符号の説明】
Ｒロータ（回転体）
１ａ、１ｂ電磁石
３ａ、３ｂパワーアンプ
４磁気軸受制御回路
４Ａ第１実施例の磁気軸受制御回路
４Ｂ第２実施例の磁気軸受制御回路
４Ｃ第３実施例の磁気軸受制御回路
４１帯域通過フィルタ（周波数抽出手段）
４２帯域除去フィルタ（周波数抽出手段）
４３乗算器（第１演算手段）
４４ＰＩＤ補償器
４６加算器（第２演算手段）
４７減算器（第２演算手段）

Claims

回転体と、
この回転体を所定位置で磁気支持する電磁石と、
前記回転体と電磁石とのギャップの変位を検出する変位検出手段と、
この変位検出手段で検出された回転体と電磁石とのギャップの変動分信号の内、回転体の回転周波数成分を抽出する周波数抽出手段と、
この周波数抽出手段で抽出した回転周波数成分に、前記電磁石に供給する電磁石電流の一部をなす直流バイアス電流を乗算すると共に、前記回転体が所定位置に存在する場合におけるギャップの定常値で除算する第１演算手段と、
前記直流バイアス電流に対して、前記第１演算手段の出力結果を加算または減算し、この結果を前記電磁石に供給する第２演算手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
前記周波数抽出手段は、帯域通過フィルタであることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。
前記周波数抽出手段は、前記ギャップの変動分信号の内、回転体の回転周波数成分を除去する帯域除去フィルタと、前記ギャップの変動分信号から、前記帯域除去フィルタの出力信号を減算する減算器とを備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。