JPH0510326A - 磁気軸受の制御装置 - Google Patents
磁気軸受の制御装置Info
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- JPH0510326A JPH0510326A JP3156933A JP15693391A JPH0510326A JP H0510326 A JPH0510326 A JP H0510326A JP 3156933 A JP3156933 A JP 3156933A JP 15693391 A JP15693391 A JP 15693391A JP H0510326 A JPH0510326 A JP H0510326A
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- JP
- Japan
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- control device
- output
- control system
- magnetic bearing
- control
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-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
- F16C32/0451—Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control
- F16C32/0453—Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control for controlling two axes, i.e. combined control of x-axis and y-axis
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 能動制御型磁気軸受装置において、クロスフ
ィードバックによる高速回転時のジャイロ効果補償によ
って回転運動制御系の応答周波数近傍に生ずる制御性能
の劣化を防止する。 【構成】 回転運動2自由度の制御装置において、θX
演算回路42が出力する回転軸のθX 回転変位信号を、
この回転運動の制御系の応答周波数以下の折れ点周波数
を持つローパスフィルタ47に通し、ゲインを乗じたの
ち補償回路40の出力するθY 制御信号と加算器41で
加算し、θY 電流指令iθY として出力する。θX 電流
指令iθX も同様な方法で出力する。
ィードバックによる高速回転時のジャイロ効果補償によ
って回転運動制御系の応答周波数近傍に生ずる制御性能
の劣化を防止する。 【構成】 回転運動2自由度の制御装置において、θX
演算回路42が出力する回転軸のθX 回転変位信号を、
この回転運動の制御系の応答周波数以下の折れ点周波数
を持つローパスフィルタ47に通し、ゲインを乗じたの
ち補償回路40の出力するθY 制御信号と加算器41で
加算し、θY 電流指令iθY として出力する。θX 電流
指令iθX も同様な方法で出力する。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は能動制御型の磁気軸受の
制御装置に関するものである。
制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】磁気軸受は、磁気力により回転体を全く
無接触で空中支持するため、潤滑の問題がなく超高速運
転が可能であるなどの特長がある。しかし、回転軸が超
高速回転する場合、ジャイロ効果により磁気軸受制御系
が不安定になるという問題が生じ、これらの解決策が必
要であった。
無接触で空中支持するため、潤滑の問題がなく超高速運
転が可能であるなどの特長がある。しかし、回転軸が超
高速回転する場合、ジャイロ効果により磁気軸受制御系
が不安定になるという問題が生じ、これらの解決策が必
要であった。
【0003】ジャイロ効果による磁気軸受の不安定化現
象を解決する試みとして従来、回転運動の2自由度の制
御系内でクロスフィードバックを行うという方法が採ら
れている。
象を解決する試みとして従来、回転運動の2自由度の制
御系内でクロスフィードバックを行うという方法が採ら
れている。
【0004】この従来の磁気軸受装置においては図3及
び図4のような構成をとっていた。
び図4のような構成をとっていた。
【0005】即ち、回転軸1の重心Gの並進運動3自由
度(x、y、z)と重心Gまわりの回転運動2自由度
(θX 、θY )を制御するものであり、x方向の変位を
測定する変位センサ2、3、y方向の変位を測定する変
位センサ4、5、z方向の変位を測定する変位センサ6
が、回転軸1の運動状態を検出するために用いられてい
る。また、回転軸1に力を作用させるため、電磁石7、
8、9、10、11、12、13、14が備えられてお
り、z軸方向に力を作用させるため、電磁石15、16
が備えられている。
度(x、y、z)と重心Gまわりの回転運動2自由度
(θX 、θY )を制御するものであり、x方向の変位を
測定する変位センサ2、3、y方向の変位を測定する変
位センサ4、5、z方向の変位を測定する変位センサ6
が、回転軸1の運動状態を検出するために用いられてい
る。また、回転軸1に力を作用させるため、電磁石7、
8、9、10、11、12、13、14が備えられてお
り、z軸方向に力を作用させるため、電磁石15、16
が備えられている。
【0006】変位センサで測定された回転軸1の運動挙
動は、5つの制御装置、つまり並進運動3自由度と回転
運動2自由度の制御装置にフィードバックされ、5つの
制御装置ではそのフィードバック信号を基に回転軸1を
一定の浮上状態に保つための電磁石の電流指令信号を1
0台のアンプA〜Jに出力する。アンプA〜Jでは、こ
の電流指令信号を電流増幅し、電磁石7〜16に電流を
流し、回転軸1に力を作用させるものである。
動は、5つの制御装置、つまり並進運動3自由度と回転
運動2自由度の制御装置にフィードバックされ、5つの
制御装置ではそのフィードバック信号を基に回転軸1を
一定の浮上状態に保つための電磁石の電流指令信号を1
0台のアンプA〜Jに出力する。アンプA〜Jでは、こ
の電流指令信号を電流増幅し、電磁石7〜16に電流を
流し、回転軸1に力を作用させるものである。
【0007】磁気軸受の構成は概ね以上の通りである
が、次に従来のジャイロ効果補償、つまりクロスフィー
ドバックを説明するために、図3中のθY 軸制御装置と
θX 軸制御装置について詳述する。
が、次に従来のジャイロ効果補償、つまりクロスフィー
ドバックを説明するために、図3中のθY 軸制御装置と
θX 軸制御装置について詳述する。
【0008】図4に2つの回転運動θY とθX の制御装
置のブロック図を示す。17は、x方向変位センサ2、
3の出力信号より回転軸1の重心まわりの回転変位θY
を演算し偏差回路18に出力する。偏差回路18は、θ
Y 軸位置基準器19の出力するθY 軸位置基準信号と回
転変位θY との差をとり、偏差信号を補償回路20に出
力する。補償回路20では、偏差信号にP.I.D.補
償や位相補償を施した制御信号を加算器21に出力す
る。
置のブロック図を示す。17は、x方向変位センサ2、
3の出力信号より回転軸1の重心まわりの回転変位θY
を演算し偏差回路18に出力する。偏差回路18は、θ
Y 軸位置基準器19の出力するθY 軸位置基準信号と回
転変位θY との差をとり、偏差信号を補償回路20に出
力する。補償回路20では、偏差信号にP.I.D.補
償や位相補償を施した制御信号を加算器21に出力す
る。
【0009】同様にθX 軸制御装置においても、22
は、y方向変位センサ4、5の出力信号より回転軸1の
重心まわりの回転変位θX を演算し偏差回路23に出力
する。
は、y方向変位センサ4、5の出力信号より回転軸1の
重心まわりの回転変位θX を演算し偏差回路23に出力
する。
【0010】偏差回路23は、θX 軸位置基準器24の
出力するθX 軸位置基準信号と回転変位θX との差をと
り、偏差信号を補償回路25に出力する。補償回路25
では、偏差信号にP.I.D.補償や位相補償を施した
制御信号を加算器26に出力する。
出力するθX 軸位置基準信号と回転変位θX との差をと
り、偏差信号を補償回路25に出力する。補償回路25
では、偏差信号にP.I.D.補償や位相補償を施した
制御信号を加算器26に出力する。
【0011】以上の制御で、回転運動2自由度は安定化
されるが、回転軸1が超高速で回転すると不安定となっ
ていく。この影響を除くため回転2自由度間にクロスフ
ィードバックが行われている。つまり、加算器21はθ
Y 制御信号とθX 回転変位にゲイン(−G2 )を乗算し
た信号を加算し、電流指令iθY を出力する。また、加
算器26はθX 制御信号とθY 回転変位にゲインG1 を
乗算した信号を加算し、電流指令iθX を出力する。こ
のクロスフィードバックの効果を回転運動制御系のゲイ
ン線図によって説明する。
されるが、回転軸1が超高速で回転すると不安定となっ
ていく。この影響を除くため回転2自由度間にクロスフ
ィードバックが行われている。つまり、加算器21はθ
Y 制御信号とθX 回転変位にゲイン(−G2 )を乗算し
た信号を加算し、電流指令iθY を出力する。また、加
算器26はθX 制御信号とθY 回転変位にゲインG1 を
乗算した信号を加算し、電流指令iθX を出力する。こ
のクロスフィードバックの効果を回転運動制御系のゲイ
ン線図によって説明する。
【0012】図5は、従来のクロスフィードバックを行
った場合とそうでない場合の回転運動制御系のゲイン線
図を比較したものである。実線で示した周波数応答は回
転軸1の回転数ω=0の場合の回転運動制御系の閉ルー
プ伝達関数であり、ピーク値は10dB(f=200Hz)
である。この制御系において回転軸1をω=50000
rpm で回転させた場合、回転運動制御系の閉ループ伝達
関数は図中破線のようになり、ピーク値は20dB(f=
85Hz)となり、不安定化されてくる。そこで、図4に
示した従来のクロスフィードバックを施すと、図中一点
鎖線の周波数応答が得られる。ピーク値20dB(f=8
5Hz)は改善されている。
った場合とそうでない場合の回転運動制御系のゲイン線
図を比較したものである。実線で示した周波数応答は回
転軸1の回転数ω=0の場合の回転運動制御系の閉ルー
プ伝達関数であり、ピーク値は10dB(f=200Hz)
である。この制御系において回転軸1をω=50000
rpm で回転させた場合、回転運動制御系の閉ループ伝達
関数は図中破線のようになり、ピーク値は20dB(f=
85Hz)となり、不安定化されてくる。そこで、図4に
示した従来のクロスフィードバックを施すと、図中一点
鎖線の周波数応答が得られる。ピーク値20dB(f=8
5Hz)は改善されている。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような構成では比較的高い周波数において、例えば図5
におけるf=400Hzにおいてピーク値が15dBとなっ
ているように制御性能が劣化するという問題点を有して
いた。
ような構成では比較的高い周波数において、例えば図5
におけるf=400Hzにおいてピーク値が15dBとなっ
ているように制御性能が劣化するという問題点を有して
いた。
【0014】本発明は上記従来の問題点を解決し、制御
系の応答周波数の広い範囲で高い制御性能を保持できる
磁気軸受の制御装置を提供することを目的とする。
系の応答周波数の広い範囲で高い制御性能を保持できる
磁気軸受の制御装置を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明の磁気軸受の制御
装置は、回転軸の重心の変位偏差と重心回りの振れ角が
0になるように電磁石を制御して電磁石の磁気吸引力に
よって回転軸を空中支持する磁気軸受の制御装置におい
て、重心回りの互いに直交する2自由度の回転運動の振
れ角をそれぞれθX 、θYとして、回転角θX のフィー
ドバック信号と回転角θY のフィードバック信号をそれ
ぞれ回転角θY の制御装置と回転角θX の制御装置に対
してもクロスフィードバックし、かつそのクロスフィー
ドバック信号に対して回転運動の制御系全体の応答周波
数以下の折れ点周波数を有するローパスフィルタを挿入
したことを特徴とする。
装置は、回転軸の重心の変位偏差と重心回りの振れ角が
0になるように電磁石を制御して電磁石の磁気吸引力に
よって回転軸を空中支持する磁気軸受の制御装置におい
て、重心回りの互いに直交する2自由度の回転運動の振
れ角をそれぞれθX 、θYとして、回転角θX のフィー
ドバック信号と回転角θY のフィードバック信号をそれ
ぞれ回転角θY の制御装置と回転角θX の制御装置に対
してもクロスフィードバックし、かつそのクロスフィー
ドバック信号に対して回転運動の制御系全体の応答周波
数以下の折れ点周波数を有するローパスフィルタを挿入
したことを特徴とする。
【0016】
【作用】本発明によれば、ジャイロ効果によって回転運
動制御系の応答が劣化する場合、その応答の劣化は回転
運動の制御系の応答周波数よりかなり低い周波数で顕著
となり、逆にジャイロ効果補償のためのクロスフィード
バックによる若干の応答劣化は、回転運動の制御系の応
答周波数の近傍で生じるので、クロスフィードバックに
折れ点周波数を適正に定めたローパスフィルタを挿入す
ることにより、ジャイロ効果補償は従来と同等に行わ
れ、回転運動の制御系の応答周波数近傍ではクロスフィ
ードバックが行われず、クロスフィードバックによる応
答の劣化を防止できる。
動制御系の応答が劣化する場合、その応答の劣化は回転
運動の制御系の応答周波数よりかなり低い周波数で顕著
となり、逆にジャイロ効果補償のためのクロスフィード
バックによる若干の応答劣化は、回転運動の制御系の応
答周波数の近傍で生じるので、クロスフィードバックに
折れ点周波数を適正に定めたローパスフィルタを挿入す
ることにより、ジャイロ効果補償は従来と同等に行わ
れ、回転運動の制御系の応答周波数近傍ではクロスフィ
ードバックが行われず、クロスフィードバックによる応
答の劣化を防止できる。
【0017】
【実施例】以下、本発明の一実施例における磁気軸受の
制御装置について、図1、図2を参照しながら説明す
る。
制御装置について、図1、図2を参照しながら説明す
る。
【0018】磁気軸受の制御装置の全体構成は、図3を
参照して説明した従来例と同様であり、その説明を援用
してここでは説明を省略する。
参照して説明した従来例と同様であり、その説明を援用
してここでは説明を省略する。
【0019】図1に2つの回転運動θY とθX の制御装
置のブロック図を示す。37は、x方向変位センサ2、
3の出力信号より回転軸1の重心まわりの回転変位θY
を演算し偏差回路38に出力する。偏差回路38は、θ
Y 軸位置基準器39の出力するθY 軸位置基準信号と回
転変位θY との差をとり、偏差信号を補償回路40に出
力する。補償回路40では、偏差信号にP.I.D.補
償や位相補償を施した制御信号を加算器41に出力す
る。
置のブロック図を示す。37は、x方向変位センサ2、
3の出力信号より回転軸1の重心まわりの回転変位θY
を演算し偏差回路38に出力する。偏差回路38は、θ
Y 軸位置基準器39の出力するθY 軸位置基準信号と回
転変位θY との差をとり、偏差信号を補償回路40に出
力する。補償回路40では、偏差信号にP.I.D.補
償や位相補償を施した制御信号を加算器41に出力す
る。
【0020】同様にθX 軸制御装置においても、42
は、y方向変位センサ4、5の出力信号より回転軸1の
重心まわりの回転変位θX を演算し偏差回路43に出力
する。
は、y方向変位センサ4、5の出力信号より回転軸1の
重心まわりの回転変位θX を演算し偏差回路43に出力
する。
【0021】偏差回路43は、θX 軸位置基準器44の
出力するθX 軸位置基準信号と回転変位θX との差をと
り、偏差信号を補償回路45に出力する。補償回路45
では、偏差信号にP.I.D.補償や位相補償を施した
制御信号を加算器46に出力する。
出力するθX 軸位置基準信号と回転変位θX との差をと
り、偏差信号を補償回路45に出力する。補償回路45
では、偏差信号にP.I.D.補償や位相補償を施した
制御信号を加算器46に出力する。
【0022】以上の制御で回転運動2自由度は安定化さ
れるが、さらに高速回転時のジャイロ効果補償を行うた
めの制御手段が付加されている。47はローパスフィル
タであり、回転変位θX の信号を低周波数域のみ通過さ
せる。加算器41はローパスフィルタ47の出力信号に
ゲイン(−G2 )を乗じたものと補償回路40が出力し
たθY の制御信号加算し、電流指令iθY を出力する。
また、48はローパスフィルタであり、回転変位θY の
信号を低周波数域のみ通過させる。加算器46はローパ
スフィルタ48の出力信号にゲイン(G1 )を乗じたも
のと補償回路45が出力したθX の制御信号加算し、電
流指令iθX を出力する。
れるが、さらに高速回転時のジャイロ効果補償を行うた
めの制御手段が付加されている。47はローパスフィル
タであり、回転変位θX の信号を低周波数域のみ通過さ
せる。加算器41はローパスフィルタ47の出力信号に
ゲイン(−G2 )を乗じたものと補償回路40が出力し
たθY の制御信号加算し、電流指令iθY を出力する。
また、48はローパスフィルタであり、回転変位θY の
信号を低周波数域のみ通過させる。加算器46はローパ
スフィルタ48の出力信号にゲイン(G1 )を乗じたも
のと補償回路45が出力したθX の制御信号加算し、電
流指令iθX を出力する。
【0023】以上の構成による作用を、回転運動制御系
の伝達関数によって図2を参照して説明する。図2は回
転運動制御系の閉ループ伝達関数におけるゲイン線図で
ある。実線で示した周波数応答は回転軸1の回転数ω=
0の場合の回転運動制御系の閉ループ伝達関数であり、
ピーク値は10dB(f=200Hz)である。この制御系
において回転軸1をω=50000rpm で回転させた場
合、回転運動制御系の閉ループ伝達関数は図中破線のよ
うになり、ピーク値は20dB(f=85Hz)となり、不
安定化されてくる。そこで、図1に示した制御装置にお
いて、ローパスフィルタ47、48の折れ点周波数fC
を120Hzに設定して回転軸1をω=50000rpm で
回転させた場合、回転運動制御系の閉ループ伝達関数は
図中の一点鎖線の如くなる。全周波数帯域においてジャ
イロ効果による不安定化現象が抑制され、従来のクロス
フィードバックのように比較的高い周波数領域において
も制御性能の劣化が生じることもない。
の伝達関数によって図2を参照して説明する。図2は回
転運動制御系の閉ループ伝達関数におけるゲイン線図で
ある。実線で示した周波数応答は回転軸1の回転数ω=
0の場合の回転運動制御系の閉ループ伝達関数であり、
ピーク値は10dB(f=200Hz)である。この制御系
において回転軸1をω=50000rpm で回転させた場
合、回転運動制御系の閉ループ伝達関数は図中破線のよ
うになり、ピーク値は20dB(f=85Hz)となり、不
安定化されてくる。そこで、図1に示した制御装置にお
いて、ローパスフィルタ47、48の折れ点周波数fC
を120Hzに設定して回転軸1をω=50000rpm で
回転させた場合、回転運動制御系の閉ループ伝達関数は
図中の一点鎖線の如くなる。全周波数帯域においてジャ
イロ効果による不安定化現象が抑制され、従来のクロス
フィードバックのように比較的高い周波数領域において
も制御性能の劣化が生じることもない。
【0024】尚、本発明の制御装置におけるローパスフ
ィルタ47、48の折れ点周波数fC は、ジャイロ効果
によって生じるピーク値周波数をf1 (本実施例の場合
f1 =85Hz)、従来のクロスフィードバックによっ生
じるピーク値周波数をf2 (本実施例の場合f2 =40
0Hz)とした場合、 f1 ≦fC ≦10A 、A=( logf1 + logf2 )/2 と設定するのが望ましい。
ィルタ47、48の折れ点周波数fC は、ジャイロ効果
によって生じるピーク値周波数をf1 (本実施例の場合
f1 =85Hz)、従来のクロスフィードバックによっ生
じるピーク値周波数をf2 (本実施例の場合f2 =40
0Hz)とした場合、 f1 ≦fC ≦10A 、A=( logf1 + logf2 )/2 と設定するのが望ましい。
【0025】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、従来のジ
ャイロ効果補償法が回転運動の制御系の応答周波数近傍
で制御性能が劣化するのに対して、その劣化もなく、全
周波数帯域においてジャイロ効果による不安定現象を抑
制することができる。
ャイロ効果補償法が回転運動の制御系の応答周波数近傍
で制御性能が劣化するのに対して、その劣化もなく、全
周波数帯域においてジャイロ効果による不安定現象を抑
制することができる。
【図1】本発明の一実施例における回転運動の制御装置
のブロック図である。
のブロック図である。
【図2】本発明の実施例の効果を説明するための回転運
動制御系の閉ループ伝達関数のゲイン線図である。
動制御系の閉ループ伝達関数のゲイン線図である。
【図3】磁気軸受制御系の全体構成を示す斜視図であ
る。
る。
【図4】従来例の回転運動の制御装置のブロック図であ
る。
る。
【図5】従来例のジャイロ効果補償の結果を説明するた
めの回転運動制御系の閉ループ伝達関数のゲイン線図で
ある。
めの回転運動制御系の閉ループ伝達関数のゲイン線図で
ある。
37 θY 演算回路 38 偏差回路 39 θY 軸位置基準器 40 補償回路 41 加算器 42 θX 演算回路 43 偏差回路 44 θX 軸位置基準器 45 補償回路 46 加算器 47 ローパスフィルタ 48 ローパスフィルタ
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項1】 回転軸の重心の変位偏差と重心回りの振
れ角が0になるように電磁石を制御して電磁石の磁気吸
引力によって回転軸を空中支持する磁気軸受の制御装置
において、重心回りの互いに直交する2自由度の回転運
動の振れ角をそれぞれθX 、θY として、回転角θX の
フィードバック信号と回転角θY のフィードバック信号
をそれぞれ回転角θY の制御装置と回転角θX の制御装
置に対してもクロスフィードバックし、かつそのクロス
フィードバック信号に対して回転運動の制御系全体の応
答周波数以下の折れ点周波数を有するローパスフィルタ
を挿入したことを特徴とする磁気軸受の制御装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3156933A JPH0510326A (ja) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | 磁気軸受の制御装置 |
| KR1019920010999A KR950005842B1 (ko) | 1991-06-27 | 1992-06-24 | 자기베어링의 제어장치 |
| US07/904,640 US5247219A (en) | 1991-06-27 | 1992-06-26 | Control apparatus of magnetic bearing |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3156933A JPH0510326A (ja) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | 磁気軸受の制御装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0510326A true JPH0510326A (ja) | 1993-01-19 |
Family
ID=15638527
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3156933A Pending JPH0510326A (ja) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | 磁気軸受の制御装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5247219A (ja) |
| JP (1) | JPH0510326A (ja) |
| KR (1) | KR950005842B1 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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