JPH02217615A - 磁気軸受制御装置 - 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、ターが分子ポンプや、コンプレッサ、タービ
ン、工作機械用スピンドル等の高速回転体用の磁気軸受
に関する。

〔従来の技術〕

回転体や走行物を浮上保持する手段として電磁石を用い
た磁気軸受がある。この磁気軸受は従来の流体潤滑軸受
よシもロスが小さく、軸受のドライ化、雰囲気のクリー
ン化がはかれ、特に真空状態では有用な軸受である。

この磁気軸受において、回転体や走行物の浮上位置を設
定する手段として、浮上物の浮上位置を計測し、その計
測信号に基いて電磁石に流す電流値を決め、電磁石から
発生する磁力の大きさを定める手段がある。

第８図はその手段の制御系の構成を示すブロック線図で
ある。第８図において、位置センサ１は浮上物の位ｆ（
変位）を測るためのセンサであシ、渦電流変位計などが
その一例である。位置フィードパツクゲイン２は、位置
上ンサ１で得られた信号の大きさを必要な大きさに比例
倍する丸めのものである。制御回路３は位置フィードバ
ックゲイン２で得られた信号を、電磁石４に適切な形に
して入力する丸めの信号処理回路からなる。この信号処
理回路としては、例えばＰＩＤ（比例−積分−微分）回
路や位相補償回路、さらＫはその組み合わせ回路などが
ある。電磁石４は鉄心にコイルが巻かれたものであシ、
制御回路３から供給された電流に応じて、浮上用の磁力
を発生するものである。

制御回路３が比例要素（Ｐ要Ｘ）だけで構成された最も
簡単な位置フィードバック系を考えると、電磁石４０入
力Ｉと出力である磁力Ｆとの伝達関数は、コイル、鉄心
等の抵抗やインダクタンスによシ以下の１次遅れ系にな
る。

Ｆ／Ｉ　−に、／（１＋Ｔｗ　−８）　　　　　　　　
　　　　　　　・・・（１ンここで、ＫＭは′電磁石４
のゲイン、ＴＭは電磁石４の時定数、Ｓはラグラス演算
子である。よって、位置フィードバック系の計測変位り
から浮上物への力Ｆに至る伝達関数は以下の通りとなる
。

Ｆ／Ｄ−１ら・Ｋ、　−ＫＭ／（１＋ＴＭ−８）　　　
　　　　・・・（２）ここで、Ｋ、は位置フィードバッ
クゲイン２の比例ゲイン、Ｋ、は制御回路３の比例グイ
／をそれぞれ示す。位置フィードパ、り系の（力Ｆ）／
（変位Ｄ）の周波数特性を見るため、ラグラス演算子Ｓ
−１２にｆとおき、（２）式に代入する。ここでｆは周
波数（Ｈｚ　）でｊ−ｆｌ−である。（力Ｆ）／（変位
Ｄ）は複素数となシ次のようにおく。

Ｆ／Ｄ”Ｋｍ（ｆ）＋ｊ　−Ｋｔ（ｆ）　　　　　　・
・・（３）（３）式における（力Ｆ）／（変位Ｄ）の実
部は周波数ｆに依存した剛性を意味し、虚部は周波数ｆ
に依存した減衰を意味する。（２）式のような１次遅れ
は虚部が常に負となル、浮上物に対し減衰とは反対の不
安定化力になる。

Ｉ＠９図は（力Ｆ）／（変位Ｄ）、すなわち（３）式の
虚部の値と周波数ｆとの関係を示す図である。

第９図に示す点線人が（２）式に対応するものであり、
上述の状態を示している。浮上物と位置フィードバック
系からなる固有振動数ｆｃがもつ減衰、特に浮上物の減
衰より、第９図に示す周波数ｆ−ｆｅの所の値が大きい
と、その固有振動数は発散的に撮動し、運転できなくな
る。

そこで、位置フィードパ、り系の（力Ｆ）／（変位Ｄ）
に減衰効果をもたすために、制御回路３に比例要素（Ｐ
要素）と並列に微分要素（Ｄ要素）または位相補償要素
を設ける。ここでは代表して微分要素（Ｄ要素）に例を
とる。微分要素（Ｄ要素）を制御回路３に回路として実
現すると、以下の１次遅れ系が付加され丸形となる。

（微分要素）　””Ｋｏ−８／（１＋ＴＤ−８）　　　
　　　・・・（４）ここで、Ｋ、は微分要素のゲイン、
ＴＤは時定数である。微分要素だけの位［７４−ドパツ
ク系の（力Ｆ）／（変位Ｄ）は以下の式となる。

Ｆ／Ｄ　−Ｋ、・ＫＤ−ＫＭ−８／（（１＋ＴＤ−８）
　（１＋ＴＭ−３）　）・・・（５）（５）式の分子は
Ｓの１次で分母はＳの２次になるため、（５）式の虚部
は第９図に示す一点鎖線ＢのようＫなる。すなわち、周
波数の低い領域では浮上物に対し減衰効果をもち、高い
領域では不安定化作用をもつ、浮上物の位置を保持する
丸めには、制御回路３には比例要素と微分要素との併存
が必要となる。このような制御回路３の位置フィードパ
、り系の（力Ｆ）／（変位Ｄ）は Ｆゆ−に、・（ＫＰ＋ＫＤ−Ｖ（１＋ＴＤ−８））・Ｋ
、／（１＋ＴＭ−８）　　　　　　　　・・・（６）と
なり、第９図に示した実線Ｃのようになシ、上述した一
点鎖線Ｂとほぼ同じ特性をもつ。浮上物と位置フィード
パ、り系からなる固有振動数ｆｃを、減衰効果を有する
周波数の低い領域に置くと、安定性が確保でき、振動を
発生することなく運転できる。

このような特性を有する磁気軸受を、第１０図（ａ）に
示す回転体５の軸受６として使用し、回転体５を浮上さ
せる場合を考えると、次のような現象を呈する。回転体
５は、第１０図（ｂ）　（Ｃ）（ｄ）　（・）（ｆ）〜
に示すように無限側の固有振動数を有する。回転体ｓ自
体の材料等による減衰は、回転数以下の固有撮動数に対
しては不安定化に働き、回転数以上の固有振動数に対し
ては減衰作用として動く。

したがって、磁気軸受６の位置フィードバック系の（力
Ｆ）／（変位Ｄ）の減衰効果を有する周波数領域に、回
転数以下の固有振動数をもってくる必要がある。しかし
、回転体５の固有振動数は第１０図（ｂＪ　（ｅ）　（
ｄ）　（・）（ｆ）〜に示すように無限にあるため、必
ず（力Ｆ）／（変位Ｄ）の不安定化作用を有する周波数
領域に固有振動数がある。したがって、回転体５自体に
よる固有振動数が有する減衰よシも、磁気軸受６の位置
フィードバック系の不安定化作用が大きくなると不安定
になシ、振動が発散的に大きくなり、回転させることが
できなくなる。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述のように、従来のものでは浮上物の位置を保持する
ために、浮上物の位置を位置センサＪで計測し、その信
号をフィードバックし、電磁石４から力を発生させるよ
うにしているが、この力は浮上物を振動させる不安定化
力となる。そして制御回路３においてＰｒＤ　、位相補
償等の処理を行なっても、低周波数帯域は安定化（減衰
）力になるが、中高周波数帯域では依然として大きな不
安定化力を有している。しかるに回転体のような無限側
の固有振動数を有する浮上物では、不安定化力となる周
波ａ帯域に固有振動数が必ず存在しているため、磁気軸
受６により発散的な振動を発生することＫなる。

特に回転体５の最高回転数よりも通常高い第３次固有振
動数が有する減衰能は小さく、磁気軸受の位置フィード
バック系の不安定化作用によシ発敗的に振動され易い。

その対策として、第３次固有振動数まで磁気軸受によシ
減衰作用領域を伸ばしても、それ以上の周波数領域では
よシ大きい不安定化作用をもたらし、第４次固有振動数
がつぎに発散的な振動を起こすこととなる。

そこで本発明は、指定された周波数帯域において、磁気
軸受が発生する不安定化力を安定化力に変更し得、発散
的な振動発生を防止でき、浮上物を安定に浮上保持し得
る磁気軸受制御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制御装置は浮上物に対する位置セ
ンサからの信号を磁気軸受へフィードバックし、磁気軸
受を能動的に用いるようにした磁気軸受制御装置におい
て、位置センサと位置フィードバックゲインと制御回路
と電磁石と帯域通過フィルタと比例回路と加算器からな
る磁気軸受を２組具備し、１方の磁気軸受を構成する位
置センサからの信号をその−２ま第１の信号とし、前記
磁気軸受位置に対し固有振動数の振動モードのノード点
を奇数個はさんだ他方の磁気軸受の位置センサからの信
号をその固有振動数近辺に中心周波数をもつ帯域通過フ
ィルタ及び比例回路を直列に通過させて、第２の信号と
し、前記第１の信号と第２の信号を加算した信号を前記
磁気軸受の位Ｒフィードバックゲインと制御回路を経由
して電磁石へフィードバックするようにしたことを特徴
とする。

〔作用〕

前述のような手段を講じたことにより、次のような作用
を呈する。すなわち磁気軸受の位置フィードバック系が
有する高周波数帯域の不安定化力に対し、不安定化力と
なる固有振動数成分のみが位相反転された状態で帯域通
過フィルタによシ抽出され、これが比例回路によシ増幅
された後、磁気軸受の構成要素の位置センサの信号に加
算されるので、フィードバックされる信号は不安定化力
となる固有振動数成分のみが、極性が反転（位相が１８
０°異なる）されたものとなる。その結果、磁気軸受が
発生する力はすべて安定化力に変更される。

なお、先行技術との比較を表１に示す。

（その１） （その３） 表 （その２） 〔実施例〕 本発明の実施例を第１図〜第７図に示す。

第１図は本発明の第１実施例すなわち曲げ２次固有振動
数による不安定化力の安定化に関する制御系の構成を示
すブロック線図である。

第１図において、７は不安定化力となる固有振動数成分
を通過させる帯域通過フィルタであシ、８は信号増幅を
行なう比例回路であシ、９は加算回路である。６Ｌ及び
６Ｒは２組の磁気軸受（第１及び第２の磁気軸受）を示
す。

磁気軸受６Ｌを構成する位置センサ７Ｌからの信号は２
つに分離され、その一方の信号はそのまま第１の信号ａ
Ｌとして加算回路９Ｌの（＋）入力端へ供給され、他方
の信号は帯域通過フィルタ７Ｌによシネ安定化力となる
固有振動数成分が抽出され、かつα倍のゲインを有する
比例回路８Ｌによシ増幅された後、もう一方の磁気軸受
６Ｒに対する第２の信号ｂＬとして刀！］算回路９Ｒの
（＋〕入力端へ供給される。磁気軸受６Ｒを構成する位
置センサＪＲからの信号も同様に２つに分離され、一方
は加算回路９Ｒへ、もう一方は帯域通過フィルタ７Ｒ及
び比例回路８Ｒを経て、もう一方の磁気軸受の加算回路
９Ｌへ供給される。加算が行われたのちの信号Ｃは位置
フィードバックゲイン２を経由して制御回路３に入力す
る。

簡単の々め２つの磁気軸受の伝達関数が同じ場合につい
て作用を以下に説明する。

第２図は第１実施例の帯域通過フィルタ７の代表的なゲ
イン特性を示す図である。第２図に示すように、帯域通
過フィルタ７は、安定化すべき固有振動数近辺に中心周
波数ｆ。をもち周波数ｆがｆｏのとき通過特性（ゲイン
Ｊ）を有している。

第３図は回転体と、軸受配置及び振動モードの関係を示
す囚である。第３図（ａ）は、回転体５と軸受（６Ｌ及
び６Ｒ）の配置関係を示し、ｔｉ４３図（ｂ）は回転体
５の曲げ２次振動モードを示す。位置センサＩＬ及びＪ
Ｒはノード点をそのセンサ間に奇数個（図示の例ではＱ
Ｌ、　ＱＭ及びＱ８の３個）含むように配置されている
ため、これら位置センサからの信号は互いに位相反転し
ている。

Ｍ４図（ａ）　（ｂ）　（ｅＪは、各４５号経路におけ
る（力Ｆ）／（変位Ｄ）、すなわち（３）式の虚部の値
と周波数ｆとの関係を示す図である。

第４図（ａ）は一方の磁気軸受６Ｌの４５号ａＬの経路
における（力Ｆ）／（変位Ｄ）と周波数ｆとの関係を示
す図で第９図の実線Ｃのように低周波領域で減衰を呈す
る如く位相補償を与えうるものを用いるものとする。か
くして回転体５の第１次第２次、第３次固有振動数は減
衰を与えうる周波数領域に置かれ、第４次固有振動数は
不安定化力を与える周波数領域に置かれる。

磁気軸受θＬの（力Ｆ）／（ｆ位置）が（３）式で表さ
れるものとすると、ＷＪｌの信号ａＬの経路では周波数
ｆの全帯域で Ｆ／Ｄ−ＫＲ（ｆ　）　＋　ｊ・Ｋｘ（ｆ）　　　　　
　・・・（７）となる。

第４図（ｂ）　ｉ−ｔ　、信号ｂＲの経路における磁気
軸受６Ｌに対する（力Ｆ）／（変位Ｄ）と周波数ｆとの
関係を示す図である。

第２の信号ｂＲｆ′ｉ磁気軸受６Ｌに対して不安定化力
となる固有去動数成分子４の信号が位相反転しており、
ｆ４近辺に中心周波数ｆ０がセットされた帯域通過フィ
ルタ７と比例回路８を通過する九めｆ±ｆ４近傍で の＝−α・ＫＲ（ｆ）　ｊα・Ｋ、（ｆ）　　　　　・
・・（８−１）とな９、その他の周波数帯域では Ｆ／Ｄ　−０・・・（８−２） となる。

かくして第２の信号ｂＲの経路において回転体６の第４
次固有振動数について減衰を与えその他の周波ａ帯域に
ついては減衰及び不安定化力のいずれの作用も生じない
。

第４図（Ｃ）は第１の信号ａＬと第２の信号ｂＲを加算
した信号ｅＬの経路における（力Ｆ）／（変位Ｄ）と周
波ａｆとの関係を示す図である。

最終的には第１の信号ＩＬに第２の信号ｂＲが加算され
るので、信号ｅＬの経路では、ｆ−ｆ４近傍のみＦ／Ｄ
−（１−α）・Ｋｌ（ｆン＋ｊ（１−α）・Ｋｘ（０・
・・（９−１） となシ、その他の周波数帯域においては、Ｆ／Ｄ−ＫＢ
（ｆ）＋ｊ−に１（ｆ）　　　　　　　　・・・（９−
２）となる。上記（９−１）式の値は、比例回路８Ｒの
ゲインαが「１」以上であれは、符号の極性が反転する
ことになる。

本実施例では、２つの位置センサを曲げ２次固有振動数
の振動モードの損幅値が互いに同じになる位置に設置し
た例で示したが、異なる場合もαを適宜調整することに
よシ極性を反転させることができる。

かくして磁気軸受６Ｌの減衰特性は第４図（Ｃ）の実線
で示すようになυ、曲げ２次固有振動数ｆ４も波及を与
える領域に置かれる。

もう一方の磁気軸受６Ｒについても同様に曲げ２次固有
振動数ｆ４か減衰を与える領域におかれる。

したがって曲げ２次固有振動数による不安定化力は安定
化力に変更される。

かくしで本実施例によれば、第１次、第２次。

第３次固有振動数にのみ、減衰を与える制御回路を用い
るものであシながら、第４次固有振動数における不安定
化力を減衰力（安定化力）に変更できる。従って、回転
体５の中高周波ハンティング問題が減少し、かつ曲げ２
次危険速度（第４次固有振動数に対応〕まで運転可能と
なる。なお第５次以上の固有振動数については、不安定
化力が小さい周波数領域になるので、はとんど問題がな
い。

第５図は本発明の第２実施例すなわち曲げ１次固有振動
数による不安定化力の安定化に関する制御系の構成を示
すブロック−図である。

第５図において位置センサＩＭは２組の磁気軸受の位置
センサ７ＬＩＪＲとは独立して設けられ、帯域通過フィ
ルタ７Ｍで不安定化力となる周波数成分のみイぎ号が取
シ出され、２つに分離された後比例回路８Ｌ及び８Ｒに
よシ信号増幅され、信号ｂＬ及びｂＲとして、２組の磁
気軸受６Ｌ及び６Ｒの加算回路９Ｌ及び９Ｒの（＋）入
力端へ供給される。帯域通過フィルタ７Ｍのゲイン特性
は第２図に示すとおシであるが、本実施例の中心周波数
ｆ０は曲げ１次固有振動数ｆ３近傍に設定されている。

かくして、磁気軸受６Ｌを構成する位置センサ７Ｌから
の信号は第１の信号ｈＬとして加算回路９Ｌの（＋）入
力端へ供給され、第２の信号ｂＬと第１の信号ａＬが加
算される。加算が行われたのちの信号ａＬは位置フィー
ドバックゲイン２Ｌを経由して制御回路３Ｌに入力する
。

磁気軸受６Ｒでも同様の作用が行われる。

簡単のため２つの磁気軸受の伝達関数が同じ場合につい
て作用を以下に説明する。

第６図は、回転体と、軸受及び振動モードの関係を示す
図である。第６図（ａ）は回転体５と軸受６Ｌ及び６Ｒ
の配ｆｊｋ関係を示し、第６図（ｂ）は回転体５の曲げ
１次振動モードを示す図である。位置センサＩＬ及びＩ
Ｍは、ノード点をそのセンサ間に奇数個（図示の例では
ＰＬｌｌｌｌり含むように配置されているため、これら
の位置センサからの信号は互いに位相反転している。

磁気軸受６Ｌの（力Ｆ）／（変位Ｄ）の伝達関数は曲げ
１次面有振動数ｆ５近傍において（９−１）式その他の
帯域において（９−２）式で表される。

（９−１）式の値は比例回路８０ゲインαが「１」以上
であれば、符号の極性が反転することになる。

ｒインαを適宜調整することＫよシ磁気軸受６Ｌの減衰
特性は第７図の実線に示すようになシ、曲げ１次面有振
動数ｆ３が減衰を与える領域Ｋｉｔかれる。

磁気軸受６Ｒについても同様に曲げ１次面有振動数ｆ３
が減衰を与える領域に置かれる。したがって上記周波数
帯域にある曲げ１次固有蚕動数による不安定化力は安定
化力に変更される。

なお両制御回路ｓＬ、ｓＲとしては、第９図実＠Ｃのよ
うに低周波数領域で減衰を呈する如く位相補償を与え得
るものを用いるものとする。また、回転体５の内部減衰
を強化して曲げ２次固有振動数は安定であるものとする
。かくして回転体６の第１次、第２次固有振動数は減衰
を与える周波数領域に置かれ、第３次固有振動数に対し
ても、上記作用によシ減衰を持つものとなる。

かくして本実施例によれは、第１次、帛２次固有振動数
にのみ減衰を与える制御回路を用いるものであシながら
、第３次固有振動数における不安定化力として働く領域
を減衰力（安定化力）に変更できる。従って、回転体５
の中高周波ハンティング問題が減少し、かつ曲げ１次危
険速度（第３次固有振動数に対応）まで運転可能となる
。なお第４次以上の固有振動数については、回転体６の
内部減衰第で不安定化力を安定化しておシ、はとんど問
題がない。

なお本発明は前記各実施例に限定されるものではない０
例えば前記実施例では、帯域通過フィルタ７、比例回路
８．減算器９からなる回路を、位置センサＪと位置フィ
ードパ、フグイン２との間に設けた場合を例示したが、
磁気軸受制御系内の他の部分に設けるようにしてもよい
。また従来の第８図の経路の中間に、不安定化力を低下
させるため、不安定化力の振動数近傍を中心周波数とす
るノツチフィルタを追加することが一般的に行われてい
るが、その従来法と本発明の組み合わせを用いるように
してもよい。その場合は、本発明の実施例は第１図又は
第５図の信号ａの経路の中間に不安定化力の固有振動数
近傍を中心周波数とするノツチフィルタを追加すること
になる。

また第１実施例と第２実施例を組み合わせて２つの固有
振動数の不安定化力を安定化してもよい。

また第１実施例はその作用から曲げ２次のみならず曲げ
４次、６次、・・・の偶数次固有振動数の不安定化力を
安定化しうるのは自明であるから、帯域通過フィルタの
中心周波数を複数個選べばそのすべてを安定化できる。

同様に第２実施例も曲げ１次のみならず曲げ３次、５次
、・・・の奇数次固有振動数の不安定化力を安定化しう
る。これら複数個の帯域通過フィルタを採用すれば曲げ
３次以上の固有振動数に対して、回転体５の内部波状が
少なく、不安定化力が問題になる場合に有効である。

また回転体５の形状は第３図及び第１０図に示されるも
のに限定されるものではない。このほか、本発明の要旨
を逸脱しない範囲で禎々変形実施も可能である。

なお先行技術の実施例との比較を表１に示す。

〔発明の効果〕

本発明は前述のように構成されているので、本発明によ
れば、磁気軸受を構成する位置センサからの信号を第１
の信号とし、前記磁気軸受位置に対し固有振動数の振動
モードのノード点を奇数個はさんだ他の磁気軸受の位置
センサ、あるいは新たに設けた位置センサからの信号を
その固有振動数近辺に中心周波数を持つ帯域通過フィル
タ及び比例回路を直列に通過させて第２の信号とし、前
記第１の信号と第２の信号を加算した信号を前記磁気軸
受ヘフィードパ、りするようにしたので、指定された周
波数成分について、不安定化力を安定化力（減衰力）に
変更し得、発散的な振動発生を防止でき、浮上物を安定
に浮上保持させ得る磁気軸受制御装置を提供できる。

なお先行技術の効果との比較を表１に示す。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の第１実施例を示す図で、第１
図は制御系の構成を示すブロック線図、第２図は帯域通
過フィルタのゲイン−周波数特性を示す図、第３図は回
転体と磁気軸受配置及び曲げ２次振動モードの関係を示
す概略説明図、第４図は各信号の経路における減衰特性
を示す図である。第５図〜第７図は本発明の第２夾施例
を示す図で、第５図は制御系の構成を示すブロック線図
、第６図は回転体と磁気軸受配置及び曲げ１次振動モー
ドの関係を示す概略説明図、第７図は磁気軸受の減衰特
性を示す図である。第８図〜第１０図は従来例を示す図
で、第８図は制御系の構成を示すブロック線図、第９図
は磁気軸受の減衰特性を示す図、第１０図は回転体とそ
の固有振動数とを示す図である。 ｌ・・・位置センサ、２・・・位置フィードバックゲイ
ン、３・・・制御回路、４・・・ｔａ石、５・・・回転
体、６・・・磁気軸受、７・・・帯域通過フィルタ、８
・・・比例回路、９・・・加算回路、Ｐ、Ｑ・・・撮動
モードのノード点。 出願人ｆｔｆｌｆ１人　弁理士　　鈴　江　武　彦第１
図 （ｂ） ］一一下］■ 〔第１固有振動数〕

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 浮上物に対する位置センサからの信号を磁気軸受へフィ
   ードバックし、磁気軸受を能動的に用いるようにした磁
   気軸受制御装置において、 位置センサと位置フィードバックゲインと制御回路と電
   磁石と帯域通過フィルタと比例回路と加算器からなる磁
   気軸受を２組具備し、一方の磁気軸受を構成する位置セ
   ンサからの信号をそのまま第１の信号とし、前記磁気軸
   受位置に対し固有振動数の振動モードのノード点を奇数
   個はさんだ他方の磁気軸受の位置センサからの信号をそ
   の固有振動数近辺に中心周波数をもつ帯域通過フィルタ
   ー及び比例回路を直列に通過させて第２の信号とし、前
   記第１の信号と第２の信号を加算した信号を前記磁気軸
   受の位置フィードバックゲインと制御回路を経由して電
   磁石へフィードバックするようにしたことを特徴とする
   磁気軸受制御装置。