JPH0112970B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は対向式制御形磁気軸受装置における磁
気吸引力を制御する方法に関するものである。 〔従来技術とその問題点〕 対向式制御形磁気軸受装置とは、第１図に例示
したような回転物体１あるいは被制御体を挾むよ
うに対向して配置した２個の電磁石２と３，４と
５，６と７，８と９，１０と１１の磁気吸引力に
よつて回転物体１又は被制御体を浮遊させ、空中
に支持する装置であつて、摩耗を生じないので長
寿命になること、潤滑油を必要としないこと等の
すぐれた特色を有する反面、安定した空中支持が
むずかしいという問題がある。 なお、対向式というのは磁石一個による釣り下
げ式に対して用いる。また制御形というのは永久
磁石による無制御形に対して各々区別するために
使われる。 従来の対向式制御形磁気軸受装置は、釣り下げ
式制御形磁気軸受を単純に２つ組み合せただけの
もので、釣り下げ式においても従来技術では安定
した空中支持性能が得られていなかつたので、対
向式でも当然良好な制御性能は得られていなかつ
た。 理解を容易にするため、従来例を第２図に示し
て説明する。 図は被制御体２１（回転しているか否か、又、
回転している場合は軸方向支持型（スラスト型）
か半径方向支持型（ジヤーナル型）かは問わな
い）を挾むように電磁石２２，２３を設けてその
磁気吸引力によつて空中支持している様子を概念
的に示したものである。 この制御系の目標ギヤツプx₀に、ギヤツプ検出
器２４で検出した検出ギヤツプx₁が一致するよう
に制御される系であり、ギヤツプ偏差Δxは、
PID調節計２５をへて電流交換部２６，２７に入
力され、電磁石２２，２３へ流すべき電流I₁、I₂
に変換されるよう構成されている。 第２図において、電流変換部２７と電磁石２３
を除去して、電磁石２２を被制御体２１の鉛直上
方に配置すれば釣り下げ式となるので、従来の対
向式は単純に釣り下げ式を２つ組み合わせただけ
であることがわかる。 ところで、電磁石が物体を吸引する力は次の(1)
式にて表わされることは周知である。 Ｆ≒B²A／2μ₀≒μ₀A／８〔NI／ｘ〕²≡K_F〔Ｉ／ｘ〕²
……(1) 但し Ｆ：電磁吸引力 Ｂ：磁束密度 Ａ：磁極面積 μ₀：真空透磁率 Ｎ：巻き数 Ｉ：電流 ｘ：ギヤツプ（電磁石と物体の距離） K_F＝μ₀AN²／８ 上記(1)式の部分もブロツク線図化して表現した
のが第３図である。 ブロツク２８は、被制御体２１の質量をｍと
し、入力をＦ、出力をΔxとすると伝達関数、ブ
ロツク２９，３０は乗算器（この場合、同一入力
を乗算しているので自乗器となる。）、ブロツク３
１，３２のx₁、x₂は、それぞれx₀＋Δx、x₀−Δx
によつて定まることを点線矢印にて示している。 すなわち、PID調節計２５の出力Fs（これが力
の指令となる）と電磁吸引力F₁、F₂とはそれぞ
れ非線形関係になつている。この非線形特性が制
御を不安定にする大きな原因であることも周知の
事実である。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、以上述べた従来の問題点を解消する
ことを目的としてなされたもので、対向式磁気軸
受装置の特徴である被制御体に働く力は２個の電
磁石の電磁吸引力の和になるということをたくみ
に利用して非線形特性を除去するようにしたもの
である。 即ち、本発明は、ギヤツプ偏差を入力とする
PID調節計を備えた対向式制御形磁気軸受装置に
おいて、それぞれの電磁石に与える電流は、それ
ぞれの電磁石と被制御体とのギヤツプ（すきま）
値に、それぞれの磁束指令Bs₁，Bs₂を乗じたも
のとし、前記磁束指令は、次式 −100％≦Fs^*≦−ａ％のとき Bs₁ ^*＝０、Bs₂ ^*＝10√−^*％ −ａ％≦Fs^*≦＋ａ％のとき ａ％≦Fs^*≦100％のとき Bs₁ ^*＝10√^*、Bs₂ ^*＝０ 但し、Fs^*はPID調節計の出力の大きさを％で
表わしたもの、ａは０より大きく100より小さい
任意の定数 によつて得られるようにしたものである。 〔実施例〕 以下第４図に本発明の具体的実施例を示して説
明する。 第２図に示した従来方式と、第４図に示した本
発明の実施例との相違点は、第１表に示す関数発
生機能を有する関数発生器３３，３４と乗算器３
５，３６とを設け、ギヤツプ偏差を入力とする
PID調節計２５の出力Fs（力の指令）を前記関数
発生器３３，３４に夫々入力し、その出力Bs₁、
Bs₂（磁石指令）にギヤツプ検出値x₁、x₂をそれ
ぞれ乗算した信号Is₁、Is₂を電流変換部２６，２
７にそれぞれ入力するようにした点である。

【表】 なお、第１表中の変数Fs^*、Bs₁ ^*、Bs₂ ^*及び第
５図における変数F₁ ^*、F₂ ^*、F^*は第４図におけ
る変数の基準値をFso、Bs₁₀、Bs₂₀、F₁₀、F₂₀、
F₀とおき、これらを100％とするよう％表示した
ものである。 従つて Fs^*＝a₁Fs…Fs＝Fs₀でFs^*＝100％ Bs₁ ^*＝a₂Bs…Bs₁＝Bs₁₀でBs₁ ^*＝100％ Bs₂ ^*＝a₂Bs…Bs₂＝Bs₂₀でBs₂ ^*＝100％ ……… F₁ ^*＝a₃F₁…F₁＝F₁₀でF₁ ^*＝100％ F₂ ^*＝a₃F₂…F₂＝F₂₀でF₂ ^*＝100％ F^*＝a₃F…Ｆ＝F₀でF^*＝100％ ただしa₁〜a₃は定数 である。 第１表において一実施例としてａの値を25とし
たものを第２表に示す。

【表】 以下、ａの値を25とした場合の実施例について
説明する。 第２表の関係をグラフにしたものが、第５ａ図
である。 以上のような構成とすることによつて力の指令
Fsと被制御体２１に働く力Ｆ（F₁とF₂の合力）が
線形関係になることを次に述べる。 こゝで電流変換部２６，２７の一次おくれ要素
を無視して、電流変換部２６，２７のゲインを
K₁とすると、第４図より I₁＝Kix₁Bs₁ ……(2) I₂＝Kix₂Bs₂ ……(3) となる。 (2)、(3)式を、(1)式に代入して、電磁吸引力F₁、
F₂を求めると、 F₁＝K_F〔I₁／x₁〕²＝K_F〔Kix₁Bs₁／x₁〕²＝K_FKi²Bs₁ ² ……(4) F₂＝K_F〔I₂／x₂〕²＝K_F〔Kix₂Bs₂／x₂〕＝K_FKi²Bs₂ ² ……(5) となる。 (4)、(5)式と第２表と前記関係より、Fs^*、F₁ ^*、
F₂ ^*の関係を示すと第３表のようになる。

【表】 第３表の関係をグラフにしたのが、第５ｂ図で
ある。 最後に、被制御体を動かす力Ｆは、F₁、F₂の
合力であるので、式Ｆ＝F₁−F₂すなわちF^*＝F₁ ^*
−F₂ ^*よりFs^*、F^*の関係を示すと第４表のよう
になる。

【表】 つまりFs^*＝−100％〜＋100％の全範囲にわた
つてF^*＝Fs^*すなわちＦ∝Fsとなり、第５図ｃに
示すように線形形関係になることがわかる。 以上、ａを25とした場合についても説明した
が、それ以外の値についても同様に線形関係にな
ることはいうまでもない。 なお、証明は省略するが、ａの値を大きくすれ
ば、応答性は向上するが、銅損・うず電流損が増
大し、ａの値を小さくすれば、その逆となるの
で、目的によつて設定することが望ましい。 以上、述べたように、本発明によれば、力の指
令と被制御体に働く力を全範囲にわたつて線形関
係化できるので、安定性がきわめて高い磁気軸受
装置の制御方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、磁気軸受装置の一例を示す斜視図、
第２図は従来の制御方法のブロツク図、第３図は
従来例のくわしいブロツク図、第４図は本発明の
具体的実施例のブロツク図、第５ａ〜ｃ図は、本
発明の原理を説明する図である。 ２１……被制御体、２２，２３……電磁石、２
４……ギヤツプ（すきま）検出器、２５……PID
調節計、２６，２７……電流変換部、３３，３４
……関数発生器、３５，３６……乗算器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ギヤツプ偏差を入力とするPID調節計を備え
   た対向式制御形磁気軸受装置において、それぞれ
   の電磁石に与える指令電流は、それぞれの電磁石
   と被制御体とのギヤツプ（すきま）値に、それぞ
   れの磁束指令Bs₁、Bs₂を乗じたものとし、前記
   磁束指令は、次式 −100％≦Fs^*≦−ａ％のとき Bs₁ ^*＝０、Bs₂ ^*＝10√−^*％ −ａ％≦Fs^*≦＋ａ％のとき ａ％≦Fs^*≦100％のとき Bs₁ ^*＝10√^*、Bs₂ ^*＝０ 但し、Fs^*はPID調節計の出力の大きさを％で
   表わしたもの、ａは０より大きく100より小さい
   任意の定数 によつて得ることを特徴とする磁気軸受装置の制
   御方法。