JPH07101051B2 - 磁気軸受の制御方法 - Google Patents
磁気軸受の制御方法Info
- Publication number
- JPH07101051B2 JPH07101051B2 JP62315249A JP31524987A JPH07101051B2 JP H07101051 B2 JPH07101051 B2 JP H07101051B2 JP 62315249 A JP62315249 A JP 62315249A JP 31524987 A JP31524987 A JP 31524987A JP H07101051 B2 JPH07101051 B2 JP H07101051B2
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- Japan
- Prior art keywords
- magnetic bearing
- spring constant
- speed
- critical
- rotating body
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- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、磁気軸受により支持された回転体を安全に危
険速度を通過させることができる磁気軸受の制御方法に
関する。
険速度を通過させることができる磁気軸受の制御方法に
関する。
［従来の技術］ 非接触型の軸受として、回転軸を電磁石の磁気力によっ
て吸引して保持する磁気軸受が知られている。磁気軸受
では回転軸の位置を位置センサで検出し、回転軸が中心
位置から変位したときには位置センサからの信号に基づ
いてサーボシステムによって電磁石の電流を変え、回転
軸を元の位置に戻すように制御している。
て吸引して保持する磁気軸受が知られている。磁気軸受
では回転軸の位置を位置センサで検出し、回転軸が中心
位置から変位したときには位置センサからの信号に基づ
いてサーボシステムによって電磁石の電流を変え、回転
軸を元の位置に戻すように制御している。
磁気軸受は非接触で摩擦損失が少ないので、タービン、
ポンプ、コンプレッサー、膨張機、遠心分離機、モータ
ー、発電機などの回転機械のうち、特に高速の回転機械
の軸受として用いられている。また、磁気軸受は潤滑油
やガスが不要であることから、分子ポンプ、原子力用や
極低温用の回転機械などの特殊な用途に使用される。
ポンプ、コンプレッサー、膨張機、遠心分離機、モータ
ー、発電機などの回転機械のうち、特に高速の回転機械
の軸受として用いられている。また、磁気軸受は潤滑油
やガスが不要であることから、分子ポンプ、原子力用や
極低温用の回転機械などの特殊な用途に使用される。
［発明が解決しようとする問題点］ ところで、一般にばね要素で支持された高速の回転体で
は、共振を引き起こす危険速度をどのようにして通過す
ればよいかということが大きな問題となっている。
は、共振を引き起こす危険速度をどのようにして通過す
ればよいかということが大きな問題となっている。
従来の磁気軸受では、危険速度の回転数近傍で磁気軸受
の減衰定数を増大させて危険速度を通過させる方法が採
られている。しかし、この方法では高次の危険速度を越
えることは困難であり、３次の危険速度を越えるために
は、回転体の回転数に応じて磁気軸受のばね定数を変え
て、第１図中、破線で示すような危険速度を無事に通過
できる経路Ｂを発見する必要があった。
の減衰定数を増大させて危険速度を通過させる方法が採
られている。しかし、この方法では高次の危険速度を越
えることは困難であり、３次の危険速度を越えるために
は、回転体の回転数に応じて磁気軸受のばね定数を変え
て、第１図中、破線で示すような危険速度を無事に通過
できる経路Ｂを発見する必要があった。
このようなチューニングは試行錯誤によって手動でばね
定数を調整するものであり、大変な手間と時間がかか
る。更に回転体が異なれば別のチューニングを実施しな
ければならず、統一的に採り扱うことができない。ま
た、回転体の回転速度を上昇（または下降）させながら
危険速度を通過する経路Ｂでは、回転体には慣性がある
ことから、問題となるような可成な時間にわたって回転
体は危険速度に近い速度を保つこととなり、回転体のふ
れまわりによって回転体と軸受とが接触して軸受が破損
するおそれがある。
定数を調整するものであり、大変な手間と時間がかか
る。更に回転体が異なれば別のチューニングを実施しな
ければならず、統一的に採り扱うことができない。ま
た、回転体の回転速度を上昇（または下降）させながら
危険速度を通過する経路Ｂでは、回転体には慣性がある
ことから、問題となるような可成な時間にわたって回転
体は危険速度に近い速度を保つこととなり、回転体のふ
れまわりによって回転体と軸受とが接触して軸受が破損
するおそれがある。
本発明の目的は、上記の従来技術の問題点を解消し、回
転体を安全且つ容易に危険速度を通過させることができ
る磁気軸受の制御方法を提供することにある。
転体を安全且つ容易に危険速度を通過させることができ
る磁気軸受の制御方法を提供することにある。
［問題点を解決するための手段］ 本発明の磁気軸受の制御方法は、磁気軸受により支持さ
れた回転体を増速し、その１次,2次,3次危険速度を通過
させるに際し、回転体が、１次危険速度曲線に近付いた
とき磁気軸受のばね定数を急激に減少させてその１次危
険速度曲線を通過させ、その後順次磁気軸受のばね定数
を増加させ、２次危険速度曲線に近付いたとき、ばね定
数を急激に減少させてその２次危険速度曲線を通過さ
せ、３次危険速度曲線に近付くまでばね定数を増加させ
たのち、急激に減少させて３次危険速度曲線を通過させ
るようにしたものである。
れた回転体を増速し、その１次,2次,3次危険速度を通過
させるに際し、回転体が、１次危険速度曲線に近付いた
とき磁気軸受のばね定数を急激に減少させてその１次危
険速度曲線を通過させ、その後順次磁気軸受のばね定数
を増加させ、２次危険速度曲線に近付いたとき、ばね定
数を急激に減少させてその２次危険速度曲線を通過さ
せ、３次危険速度曲線に近付くまでばね定数を増加させ
たのち、急激に減少させて３次危険速度曲線を通過させ
るようにしたものである。
［作用］ 危険速度は、回転体の形状、寸法、比重、弾性係数、ヤ
ング率などの物理量によって決定されるものであり、磁
気軸受のばね定数がある値のときにある特定の値を持
ち、低回転から高回転になるにつれて１次、２次、３次
……など通常いくつかの危険速度が存在する。第１図に
は回転軸の両端を磁気軸受で軸支したときの危険速度曲
線の一例を示す。
ング率などの物理量によって決定されるものであり、磁
気軸受のばね定数がある値のときにある特定の値を持
ち、低回転から高回転になるにつれて１次、２次、３次
……など通常いくつかの危険速度が存在する。第１図に
は回転軸の両端を磁気軸受で軸支したときの危険速度曲
線の一例を示す。
磁気軸受の電磁石に流す電流を制御システムによって制
御することにより、磁気軸受のばね定数、減衰定数等を
任意に変化させることができる。
御することにより、磁気軸受のばね定数、減衰定数等を
任意に変化させることができる。
本発明では、回転体の回転数Ｎに対して磁気軸受のばね
定数Ｋを例えば第２図に示すように制御し、起動・停止
時において回転体が第１図の危険速度線図の経路Ａをた
どるようにする。
定数Ｋを例えば第２図に示すように制御し、起動・停止
時において回転体が第１図の危険速度線図の経路Ａをた
どるようにする。
即ち、回転体の振動系を解析して最適なばね定数、減衰
定数を求め、起動・停止時にはコンピュータ等で回転体
の回転数の増減に伴って磁気軸受のばね定数、減衰定数
を最適値に制御する。そして、１次、２次、などの各次
の危険速度曲線に近付いたときには、磁気軸受のばね定
数を急激に減少（停止時には増加）させる。磁気軸受の
ばね定数は電磁石に流す電流を変えることにより瞬時
（μsecのオーダ）に変えることができるため、回転体
は危険速度において振動が増大するだけの時間もなく速
やかに危険速度曲線を越えてしまう。磁気軸受のばね定
数の変動可能な速度と回転体の回転数の変動可能な速度
とは全くオーダが異なるので、回転体が危険速度曲線を
通過する間には回転体の回転数はほぼ一定であるとみな
せる。なお、危険速度通過時の回転体の回転数を一定に
制御しても良い。
定数を求め、起動・停止時にはコンピュータ等で回転体
の回転数の増減に伴って磁気軸受のばね定数、減衰定数
を最適値に制御する。そして、１次、２次、などの各次
の危険速度曲線に近付いたときには、磁気軸受のばね定
数を急激に減少（停止時には増加）させる。磁気軸受の
ばね定数は電磁石に流す電流を変えることにより瞬時
（μsecのオーダ）に変えることができるため、回転体
は危険速度において振動が増大するだけの時間もなく速
やかに危険速度曲線を越えてしまう。磁気軸受のばね定
数の変動可能な速度と回転体の回転数の変動可能な速度
とは全くオーダが異なるので、回転体が危険速度曲線を
通過する間には回転体の回転数はほぼ一定であるとみな
せる。なお、危険速度通過時の回転体の回転数を一定に
制御しても良い。
［実施例］ 以下に本発明の実施例を図面を用いて説明する。
第４図は磁気軸受１の原理的な構成図であって、回転軸
２の外周には上下・左右に４個の電磁石３が設置されて
いる。電磁石３のコイルに流す電流を制御することによ
って、電磁石３が回転軸２を吸引する磁力を変えること
ができる。回転軸２の外周には回転軸２の変位を検出す
るために渦電流形のギャップセンサ４が設けられてい
る。
２の外周には上下・左右に４個の電磁石３が設置されて
いる。電磁石３のコイルに流す電流を制御することによ
って、電磁石３が回転軸２を吸引する磁力を変えること
ができる。回転軸２の外周には回転軸２の変位を検出す
るために渦電流形のギャップセンサ４が設けられてい
る。
第３図には磁気軸受１に流す電流を制御する制御システ
ムを示す。制御システムは回転軸２とギャップセンサ４
との変位ｘを制御量としてPID（比例、積分、微分）制
御を行う。
ムを示す。制御システムは回転軸２とギャップセンサ４
との変位ｘを制御量としてPID（比例、積分、微分）制
御を行う。
比例制御にあっては、変位信号ｘと基準信号x0（回転軸
２が磁気軸受１の中心軸に位置するときの変位）とが比
較され、これらの偏差、即ち、回転軸２の磁気軸受１の
中心軸からの変位Δｘが増幅器５に入力され、変位Δｘ
に変位フィードバックゲインＫ（Ｎ）が掛けられた信号
が出力される。Ｋ（Ｎ）は磁気軸受１のばね定数であ
り、Ｋ・Δｘは変位Δｘに反発するばね力ΔＦである。
増幅器５の出力は更にパワーアンプ６で増幅され、磁気
軸受１の駆動電流として供給される。
２が磁気軸受１の中心軸に位置するときの変位）とが比
較され、これらの偏差、即ち、回転軸２の磁気軸受１の
中心軸からの変位Δｘが増幅器５に入力され、変位Δｘ
に変位フィードバックゲインＫ（Ｎ）が掛けられた信号
が出力される。Ｋ（Ｎ）は磁気軸受１のばね定数であ
り、Ｋ・Δｘは変位Δｘに反発するばね力ΔＦである。
増幅器５の出力は更にパワーアンプ６で増幅され、磁気
軸受１の駆動電流として供給される。
回転軸２にはその回転数Ｎを検出する回転数センサ７が
設けられており、回転数センサ７から回転数Ｎが制御シ
ステムのコンピュータのCPU8に入力される。CPU8には第
２図に示すような回転数Ｎとばね定数Ｋとの関係が予め
入力されており、センサ７からの回転数Ｎに基づいて変
位フィードバックゲインＫ（Ｎ）をコントロールする。
設けられており、回転数センサ７から回転数Ｎが制御シ
ステムのコンピュータのCPU8に入力される。CPU8には第
２図に示すような回転数Ｎとばね定数Ｋとの関係が予め
入力されており、センサ７からの回転数Ｎに基づいて変
位フィードバックゲインＫ（Ｎ）をコントロールする。
即ち、１次、２次、３次の危険速度曲線に近い所定の回
転数となったときに、ゲインＫ（Ｎ）が急激に減少制御
されて磁気軸受１の全ての電磁石３への電流が急速に低
下し、回転軸２は危険速度を通過する。
転数となったときに、ゲインＫ（Ｎ）が急激に減少制御
されて磁気軸受１の全ての電磁石３への電流が急速に低
下し、回転軸２は危険速度を通過する。
また、微分（積分）制御のために、ギャップセンサ４か
らの信号ｘは微分（積分）器９に入力され、更に係数器
10で係数α（β）が掛けられてパワーアンプ６に入力さ
れる。微分成分は磁気軸受１の減衰力を与え、係数αは
磁気軸受１の減衰定数となる。減衰定数αは回転軸系の
振動特性から最適な値を求めて予めコンピュータに入力
しておくと共に、学習により減衰定数αを最適値に自動
的に調整する。また、積分成分は磁気軸受１の静的な剛
性を高めるように作用する。
らの信号ｘは微分（積分）器９に入力され、更に係数器
10で係数α（β）が掛けられてパワーアンプ６に入力さ
れる。微分成分は磁気軸受１の減衰力を与え、係数αは
磁気軸受１の減衰定数となる。減衰定数αは回転軸系の
振動特性から最適な値を求めて予めコンピュータに入力
しておくと共に、学習により減衰定数αを最適値に自動
的に調整する。また、積分成分は磁気軸受１の静的な剛
性を高めるように作用する。
第１図の危険速度線図上の経路Ａを決定するにあたって
は、ばね定数Ｋがあまり高いところを通らないようにす
る。これは、高いばね定数Ｋとすると、磁気軸受１に大
きな電流を供給するための大きな電源を必要とするから
である。しかし、あまりばね定数Ｋを小さくすると、磁
気軸受１のばねが弱くなって回転軸２の位置制御ができ
なくなるので、位置制御可能なある程度の大きさとしな
ければならない。定格運転においてはばね定数Ｋはでき
るだけ小さくして制御に要するエネルギーを少なくす
る。
は、ばね定数Ｋがあまり高いところを通らないようにす
る。これは、高いばね定数Ｋとすると、磁気軸受１に大
きな電流を供給するための大きな電源を必要とするから
である。しかし、あまりばね定数Ｋを小さくすると、磁
気軸受１のばねが弱くなって回転軸２の位置制御ができ
なくなるので、位置制御可能なある程度の大きさとしな
ければならない。定格運転においてはばね定数Ｋはでき
るだけ小さくして制御に要するエネルギーを少なくす
る。
なお、上記実施例の磁気軸受１は回転軸２の半径方向の
荷重を支えるラジアル軸受であったが、回転軸２の軸方
向の荷重を支えるスラスト軸受にも適用できる。また、
軸状のものに限らず円板あるいは球体状などの回転体に
も適用できる。また、上記実施例においては、１次、２
次、３次の危険速度曲線を１つずつ通過させたが、ばね
定数の急変により１回で例えば１次と２次の危険速度曲
線を通過させるようにしても良い。また、本発明は４次
以上の高次の危険速度通過にも勿論適用できる。
荷重を支えるラジアル軸受であったが、回転軸２の軸方
向の荷重を支えるスラスト軸受にも適用できる。また、
軸状のものに限らず円板あるいは球体状などの回転体に
も適用できる。また、上記実施例においては、１次、２
次、３次の危険速度曲線を１つずつ通過させたが、ばね
定数の急変により１回で例えば１次と２次の危険速度曲
線を通過させるようにしても良い。また、本発明は４次
以上の高次の危険速度通過にも勿論適用できる。
［発明の効果］ 本発明によれば次の効果がある。
（１） 極めて短時間に変化させることができる磁気軸
受のばね定数を危険速度付近で急変させて危険速度曲線
を通過させるようにしているため、回転体をその起動・
停止時等において安全且つ確実に危険速度を通過させる
ことができる。
受のばね定数を危険速度付近で急変させて危険速度曲線
を通過させるようにしているため、回転体をその起動・
停止時等において安全且つ確実に危険速度を通過させる
ことができる。
（２） 危険速度曲線は回転体の形状、比重等の物理量
から計算により求めることができ、この危険速度曲線に
基づいて磁気軸受のばね定数を制御する方式であるた
め、面倒なチューニングが不要となると共に、高次の危
険速度でも容易に通過でき、しかもどのような回転体に
も適用可能な一般性のある制御方法である。
から計算により求めることができ、この危険速度曲線に
基づいて磁気軸受のばね定数を制御する方式であるた
め、面倒なチューニングが不要となると共に、高次の危
険速度でも容易に通過でき、しかもどのような回転体に
も適用可能な一般性のある制御方法である。
第１図、第２図は本発明による磁気軸受のばね定数制御
の一例を示すものであって、第１図は危険速度線図、第
２図は回転数に対するばね定数特性を示す図、第３図は
本発明方法を実施するための制御システムを示す構成
図、第４図は磁気軸受の原理的な構成を示す構成図であ
る。 図中、１は磁気軸受、２は回転軸、３は電磁石、４はギ
ャップセンサ、５は増幅器、６はパワーアンプ、７は回
転数センサ、８はCPU、９は微分（積分）器、10は係数
器である。
の一例を示すものであって、第１図は危険速度線図、第
２図は回転数に対するばね定数特性を示す図、第３図は
本発明方法を実施するための制御システムを示す構成
図、第４図は磁気軸受の原理的な構成を示す構成図であ
る。 図中、１は磁気軸受、２は回転軸、３は電磁石、４はギ
ャップセンサ、５は増幅器、６はパワーアンプ、７は回
転数センサ、８はCPU、９は微分（積分）器、10は係数
器である。
Claims (1)
- 【請求項１】磁気軸受により支持された回転体を増速
し、その１次,2次,3次危険速度を通過させるに際し、回
転体が、１次危険速度曲線に近付いたとき磁気軸受のば
ね定数を急激に減少させてその１次危険速度曲線を通過
させ、その後順次磁気軸受のばね定数を増加させ、２次
危険速度曲線に近付いたとき、ばね定数を急激に減少さ
せてその２次危険速度曲線を通過させ、３次危険速度曲
線に近付くまでばね定数を増加させたのち、急激に減少
させて３次危険速度曲線を通過させるようにしたことを
特徴とする磁気軸受の制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62315249A JPH07101051B2 (ja) | 1987-12-15 | 1987-12-15 | 磁気軸受の制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62315249A JPH07101051B2 (ja) | 1987-12-15 | 1987-12-15 | 磁気軸受の制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01158215A JPH01158215A (ja) | 1989-06-21 |
| JPH07101051B2 true JPH07101051B2 (ja) | 1995-11-01 |
Family
ID=18063163
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62315249A Expired - Fee Related JPH07101051B2 (ja) | 1987-12-15 | 1987-12-15 | 磁気軸受の制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07101051B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2605692C1 (ru) * | 2015-12-09 | 2016-12-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Способ прохождения критических частот вращения в электромеханическом преобразователе энергии |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS4842237A (ja) * | 1971-10-04 | 1973-06-20 | ||
| JPS5134352A (ja) * | 1974-09-17 | 1976-03-24 | Mitsubishi Electric Corp | Rajiarujikijikukesochi |
| JPS5977126A (ja) * | 1982-10-21 | 1984-05-02 | Seiko Instr & Electronics Ltd | 低振動低消費電力制御型径方向磁気軸受 |
-
1987
- 1987-12-15 JP JP62315249A patent/JPH07101051B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01158215A (ja) | 1989-06-21 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |