JPH0741063U - 磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 装置の取付け姿勢にかかわらず、回転体を所
定の位置に磁気浮上させる。 【構成】 ロータ２１は、電磁石２２ａ、２２ｂが発生
する磁力により磁気浮上される。この浮上位置は、比較
器２６にＣＰＵ１０から基準位置信号が供給されること
により、位置センサ２３ａ、２３ｂ、位置検出回路２
４、位相補償回路２７及び増幅回路２８ａ、２８ｂ等に
よって所定位置になるように制御される。一方、この時
電磁石２２ａ、２２ｂに供給される励磁電流の値は、Ｃ
ＰＵ１０によって測定される。ＣＰＵ１０は、この測定
した電流値とＲＯＭ１１に格納される各姿勢毎の電流値
データとから磁気軸受装置の姿勢を判断し、この判断に
応じて基準位置信号を基準位置信号Ｓｘ，Ｓｙに変更す
る。これにより、ロータ２１は磁気軸受装置の取付け姿
勢を考慮した位置制御をされて、自重により下方にずれ
ることなく所定の浮上位置に保持される。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、磁気軸受装置に係り、例えば、ターボ分子ポンプやスピンドル等に 用いられる磁気軸受装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

近年、ＩＣの製造等の高度のクリーン環境が要求される場所で使用される例え ば、ターボ分子ポンプ等では、ロータを電磁石の磁力によって浮上させ、これを 非接触で保持する磁気軸受装置が用いられている。

【０００３】 図４は、従来の磁気軸受装置の構成の一部を表したものである。 この図４では、ロータ２１に対するＹ軸方向の制御回路を示しており、磁気軸 受装置は、Ｙ軸方向にロータ２１を挟んで相対向して配置された電磁石２２ａ、 ２２ｂ、および、これら両電磁石２２ａ、２２ｂに対応して配置された位置セン サ２３ａ、２３ｂを備えている。

【０００４】 また、磁気軸受装置は、位置センサ２３ａ、２３ｂの検出信号からロータ２１ の位置を検出する位置検出回路２４、この位置検出回路２４の出力信号とロータ ２１の浮上位置を指令する基準位置信号２５とを比較する比較器２６を備えてい る。さらに、比較器２６の出力信号の位相を進める等の処理を行う位相補償回路 ２７、この位相補償回路２７の出力信号を増幅して電磁石２２ａ、２２ｂに励磁 電流を与える増幅回路２８ａ、２８ｂを備えている。

【０００５】 磁気軸受装置は、図４に示すロータ２１に対するＹ軸方向の各制御回路と同様 に、図示しないＸ軸方向の各制御回路を備えている。 この磁気軸受装置では、Ｙ軸、Ｘ軸方向の各電磁石に通電することによって、 ロータ２１に磁力（引力）が作用し、これによって、ロータ２１が浮上保持され るようになっている。磁気浮上されたロータ２１は、図示しないモーターによっ て高速回転するようになっている。従って、安定な回転を確保するためには、ロ ータ２１の浮上位置を相対向する各電磁石の中心（制御中心）に保つ必要があり 、このために、制御中心を浮上位置として指令する基準位置信号２５を基準とし た位置検出回路２４や位相補償回路２７等による位置制御が行われる。

【０００６】 すなわち、Ｙ軸方向の位置制御を例に説明すると、ロータ２１のＹ軸方向の位 置が、位置センサ２３ａ、２３ｂの検出信号から位置検出回路２４で検出され、 検出位置に応じた値の位置信号が比較器２６に供給される。比較器２６では、こ の位置信号と基準位置信号２５とを比較し、その差に応じた値の信号を出力する 。この信号は位相補償回路２７で処理された後に増幅回路２８ａ、２８ｂで増幅 され、励磁電流として各電磁石２２ａ、２２ｂに供給される。これにより電磁石 ２２ａ、２２ｂは、それぞれロータ２１を制御中心に位置させるための磁力を発 生させ、ロータ２１に対するＹ軸方向の浮上位置が制御される。

【０００７】 ロータ２１のＸ軸方向に対しても同様に位置制御が行われ、全体として、ロー タは制御中心に浮上保持される。

【０００８】

【考案が解決しようとする課題】

しかし、従来の磁気軸受装置では、位置制御の基準位置信号２５は、装置の取 り付け姿勢に関わらず常に一定値であった。また、その値は、通常各電磁石の中 心（制御中心）に設定されていた。すなわち、従来の磁気軸受装置において、ロ ータ２１の位置制御を行う場合、ロータ２１の自重は考慮されていなかった。

【０００９】 図５は、自重によるロータ２１の位置ずれを説明するためのもので、図４に示 すロータ２１を矢印Ｚ方向から見た場合のものである。 従来の磁気軸受装置では、ロータ２１が水平方向となるように取付けた場合、 Ｘ軸方向に対しては、自重が影響しないので、両電磁石２２ｃ、２２ｄによって ロータ２１を制御中心に保持することができる。しかし、Ｙ軸方向に対しては、 電磁石２２ａ、２２ｂの電磁力以外に自重による下方の力Ｆがロータ２１に加わ るため、ロータ２１の中心Ｏは、磁気軸受装置の制御中心Ｏ′からｙだけ下方に ずれてしまっていた。

【００１０】 このように制御中心Ｏ′からずれた状態でロータ２１を回転させると、制御中 心Ｏ′を中心としてロータ２１が振れ回るようになる。ロータ２１が振れ回ると 電磁石に非常に接近する場合がある。ロータ２１と電磁石との隙間が小さくなる と、電磁石の吸引力は隙間の２乗に反比例するので、ロータ２１に負の復元力が 働き回転が不安定となる。

【００１１】 これに対して、軸受の電磁石による剛性を上げることによって、制御中心から のずれをある程度抑えることが可能である。しかし、剛性を上げると、その反面 発振が起こりやすくなる。すなわち、磁気軸受装置では、装置の固有振動に起因 する不安定成分をフィルタや位相進みで減衰させて発振を防いでいるが、剛性を 上げると、フィルタや位相進みの減衰能力が相対的に低下し、不安定成分を十分 に減衰させることができなくなって、発振を起こしてしまう。

【００１２】 そこで本考案は、以上説明した課題を解決し、ロータが自重によって制御中心 からずれることを防止し、安定した回転制御を行うことが可能な磁気軸受装置を 提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】

請求項１記載の考案では、装置本体と、この装置本体に固定され、回転体を磁 力によって浮上させる電磁石と、前記回転体の位置を検出する位置検出手段と、 この位置検出手段で検出した検出値により所定の基準位置信号に応じて前記回転 体の位置を所定位置に制御する位置制御手段と、前記装置本体の取付け姿勢を判 断する姿勢判断手段と、この姿勢判断手段による判断に応じて前記基準位置信号 を設定する基準位置信号設定手段とを磁気軸受装置に具備させて上記目的を達成 する。

【００１４】

【作用】

請求項１記載の磁気軸受装置では、電磁石を固定する装置本体の姿勢を姿勢判 断手段で判断し、この判断に基づいて基準位置信号設定手段が基準位置信号を設 定する。一方、回転体は、電磁石により磁気浮上されると共に、その位置が位置 検出手段によって検出される。位置制御手段は、この位置検出手段で検出した検 出値により基準位置信号設定手段で設定した基準位置信号に応じて回転体の位置 を所定位置に制御する。

【００１５】

【実施例】

以下、本考案の磁気軸受装置における一実施例を図１ないし図３を参照して詳 細に説明する。 図１は、本実施例による磁気軸受装置の構成を表したものである。なお、図４ に示す従来の磁気軸受装置と同様の構成については同一の符号を付し、その説明 を適宜省略することとする。

【００１６】 磁気軸受装置は、いわゆるＸ、Ｙ、Ｚ軸の３軸制御型のものである。すなわち 、従来と同様にＸ及びＹ軸方向に設けられた４つの電磁石と、ロータ２１に対し て軸方向に磁力を作用させるＺ軸方向の電磁石とを備えると共に、各軸毎に制御 回路を備えている。但し、各軸とも同様の構成を有するので、図１ではＹ軸方向 の制御回路を中心に図示している。

【００１７】 磁気軸受装置は、ＣＰＵ（中央処理装置）１０を備えている。このＣＰＵ１０ には、ＣＰＵ１０による各種制御を行うためのプログラムや各種データが格納さ れているＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）１１、ワーキングメモリとしてのＲ ＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）１２が、データバス等のバスラインを介し て接続されている。

【００１８】 ＣＰＵ１０には、ディジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器１５ を介して比較器２６が接続されており、比較器２６に対して、磁気軸受装置の姿 勢に応じた基準位置信号Ｓｙを供給するようになっている。各姿勢に対応する基 準位置信号Ｓｙのデータは、ＲＯＭ１１に格納されている。

【００１９】 ＣＰＵ１０には、アナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１３ を介して、例えばブリッジ回路等で構成された位置検出回路２４と接続されてい る。ＣＰＵ１０は、位置検出回路２４から出力された位置信号によって、ロータ ２１のＹ軸方向の位置を確認するようになっている。

【００２０】 また、ＣＰＵ１０には、それぞれＡ／Ｄ変換器１７ａ、１７ｂを介して増幅回 路２８ａ、２８ｂが接続されており、電磁石２２ａ、２２ｂに供給される励磁電 流を測定するようになっている。 なお、ＣＰＵ１０には、図示しないが、Ｙ軸制御用と同様にＸ軸制御用の各回 路が接続されており、位置検出回路から検出信号１４、各増幅回路からの励磁電 流値１８ａ、１８ｂがそれぞれ供給されるようになっている。また、ＣＰＵ１０ からは、Ｘ軸用の基準位置信号Ｓｘが、図示しない比較器に供給されるようにな っている。

【００２１】 図２は、磁気軸受装置をロータ２１が水平となる方向で取付けた場合の、各取 付け姿勢と、励磁電流との関係を表したものである。 この図２に示す各励磁電流は、各姿勢（Ａ）〜（Ｈ）毎に測定したもので、姿 勢（Ａ）はＹ軸方向を鉛直方向としたものである。姿勢（Ｂ）は、姿勢（Ａ）の 状態から反時計回りに４５度磁気軸受装置を回転させた状態を示す。以下同様に 、姿勢（Ｃ）〜（Ｈ）は、それぞれ１つ前の姿勢に対して４５度づつ回転させて いった状態を表している。

【００２２】 各姿勢（Ａ）〜（Ｈ）に対応して示される式において、＋Ｉ_Y は電磁石２２ａ に供給される励磁電流、−Ｉ_Y は電磁石２２ｂに供給される励磁電流、＋Ｉ_X は Ｘ軸の＋側に配置された電磁石（図５における電磁石２２ｄに相当）に供給され る励磁電流、−Ｉ_X はＸ軸の−側に配置された電磁石（図５における電磁石２２ ｃに相当）に供給される励磁電流を表している。

【００２３】 また、Ｉ_B は各電磁石に供給されるバイアス電流、Ｉ_MAX はロータ２１の自重 分の磁力を発生させる電流値を表している。但し、ここで示した各励磁電流は、 各姿勢毎に一定の関係のみを示したもので、具体的な値は、各装置によって適切 な値が選択されるものである。

【００２４】 図２から理解されるように、ロータ２１の位置制御において各電磁石に流れる 励磁電流の値は、磁気軸受装置の取る姿勢によって異なる。これは、ロータ２１ に対する重力の作用方向が磁気軸受装置の姿勢によって異なるからである。この ような各姿勢毎の電磁石の励磁電流の値が予め測定され、その値がＲＯＭ１１に 格納されている。また、ＲＯＭ１１には、各励磁電流値で特定される各姿勢に対 応して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の各基準位置信号Ｓｘ、Ｓｙのデータが格納さ れている。磁気軸受装置の各姿勢に対する各軸方向の基準位置信号データは、ロ ータ２１の自重による力Ｆ（図５）に対応した−Ｆの力が各電磁石の発生する電 磁力の合力として追加されるように、各姿勢毎の値として予め設定されている。 なお、ＲＯＭ１１には、Ｘ軸用、Ｙ軸用の区別なく出力される、従来と同一の基 準位置信号２５（図４）のデータも格納されており、また、後述する基準位置信 号Ｓｘ、Ｓｙの微調整を行うためのプログラムも格納されている。

【００２５】 次に、このように構成された実施例の動作について説明する。 図３は、本実施例の磁気軸受装置によるロータ２１の位置制御の動作を表した ものである。なお、Ｘ軸制御用の制御回路も同様に行われるので、Ｙ軸制御用の 回路２４、２６、２７等に関する動作を中心に説明することとする。

【００２６】 磁気軸受装置の電源がＯＮされると（ステップ１）、ＣＰＵ１０は、Ｘ軸用、 Ｙ軸用として同一の基準位置信号２５（図５）を、従来と同様にＲＯＭ１１から 読み込んでＲＡＭ１２に格納すると共に、この基準位置信号２５を比較器２６へ と出力する（ステップ２）。

【００２７】 基準位置信号２５に基づいて増幅された励磁電流が増幅回路２８ａ、２８ｂか ら電磁石２２ａ、２２ｂに供給され、ロータ２１は磁気浮上する（ステップ３） 。一方、位置センサ２３ａ、２３ｂはロータ２１の位置を検出し、その位置検出 信号をＣＰＵ１０は受信する（ステップ４）。

【００２８】 この受信した位置検出信号から、ＣＰＵ１０は、所定の制御位置、すなわち、 図５で示したような制御中心Ｏ′から距離ｙだけずれた位置に、ロータ２１が磁 気浮上したか否かを判断する（ステップ５）。ロータ２１が制御位置に磁気浮上 したと判断すると（ステップ５；Ｙ）、ＣＰＵ１０は、各電磁石２２ａ、２２ｂ に供給されている励磁電流の値を、増幅回路２８ａ、２８ｂからＡ／Ｄ変換器１ ７ａ、１７ｂを介して供給される信号を基に測定する（ステップ６）。

【００２９】 そして、ＣＰＵ１０は、測定した各電磁石の励磁電流値と、ＲＯＭ１１に格納 されている電流値（図２参照）とを比較し、磁気軸受装置の姿勢を判断する（ス テップ７）。すなわち、各電流値が例えば、＋Ｉ_X ＝Ｉ_MAX ，−Ｉ_X ＝０，＋Ｉ _Y ＝−Ｉ_Y ＝Ｉ_B であった場合は、磁気軸受装置の取付け姿勢は図２の（Ｃ）で 示す姿勢であると判断する。

【００３０】 次にＣＰＵ１０は、判断した姿勢に対応した基準位置信号Ｓｘ、Ｓｙを読み込 み、これをＲＡＭ１２に格納して、基準位置信号２５を変更する（ステップ８） 。 これにより、以後、ＣＰＵ１０は、このＲＡＭ１２に格納した基準位置信号Ｓ ｘ、Ｓｙを新たな基準位置信号として、それぞれを各Ｘ軸、Ｙ軸用の比較器２６ に供給する。そして、比較器２６や位相補償回路２７では、この新たな基準位置 信号Ｓｘ、Ｓｙに基づいて所定の信号処理が行われ、増幅回路２８ａ、２８ｂで は、ロータ２１の自重分を考慮した励磁電流が増幅されて、これが各電磁石２２ ａ、２２ｂに供給される。よって、自重によるずれが解消されて、ロータ２１は 制御中心に浮上保持される。

【００３１】 次に、変更後の基準位置信号Ｓｘ、Ｓｙを更に微調整する処理に移行する。こ れは、装置の構造上の誤差等から、ロータ２１が制御中心からわずかにずれる場 合があり、この場合に、制御中心までの精度を上げるための処理である。 すなわち、基準位置信号の変更処理（ステップ８）後、ＣＰＵ１０は再び位置 検出回路２４から位置検出信号を受信して（ステップ９）、基準位置信号変更後 のロータ２１の位置が制御中心からずれているか否かを判断する（ステップ１０ ）。

【００３２】 ロータ２１が制御中心からずれていた場合には（ステップ１０；Ｎ）、そのず れの方向及び装置の取付姿勢に応じて基準位置信号Ｓｘ、Ｓｙの値を所定幅変化 （増減）させる。そして、変化後の基準位置信号を新たな基準位置信号としてＲ ＡＭ１２に格納し、これを比較器２６に供給する（ステップ１１）。

【００３３】 基準位置信号の微調整が終わると（ステップ１１）、ＣＰＵ１０は、再び位置 検出信号を受信して（ステップ９）、ロータ２１の位置の確認を行い（ステップ １０）、以後、このループ処理をロータ２１の位置が制御中心になるまで繰り返 す。

【００３４】 ロータ２１の制御中心からのずれがなくなった場合には（ステップ１０；Ｙ） 処理を終了し、以後のロータ２１の位置制御においては、ＲＡＭ１２に格納され た微調整後の基準位置信号が比較器２６に供給される。これにより、より精度の 高い制御が可能となる。

【００３５】 以上本考案の一実施例による磁気軸受装置について説明したが、本考案はこれ に限定されず、本考案の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。 例えば、以上の実施例では、磁気軸受装置は、いわゆる３軸制御型のものであ ったが、もちろん、５軸制御型の磁気軸受装置であってもよい。

【００３６】 また、以上の実施例では、磁気軸受装置の電源がＯＮされることにより（ステ ップ１）、所定の処理（ステップ２〜１１）を行うようにしていたが、この磁気 軸受装置を例えばターボ分子ポンプに用いた場合等には、操作者によってポンプ の始動が指示される毎に行うようにしてもよい。

【００３７】 また、以上の実施例では比較器２６とＣＰＵ１０との間にＤ／Ａ変換器１５を 設け、比較器２６はアナログ式のものであったが、これに代えて、デジタル式の ものを用い、この比較器２６と位置検出回路２４の間にＡ／Ｄ変換器を設けると 共に、比較器２６と位相補償回路２７の間にＤ／Ａ変換器１５を設けてもよい。 また、位相補償回路２７もデジタル式のものにして、この位相補償回路と増幅回 路２８ａ、２８ｂとの間にＤ／Ａ変換器１５を設けてもよい。

【００３８】 また、以上の実施例では、ＲＯＭ１１に格納される電流値は、図２に示すよう な４５度毎に異なる姿勢（Ａ）〜（Ｈ）に対応するものであったが、３０度毎あ るいは１０度毎に姿勢を変えた場合等、他の姿勢に対応する各軸の電流値の関係 を予め測定し、対応する基準位置信号Ｓｘ、ＳｙをＲＯＭ１１に格納するように してもよい。これによりＣＰＵ１０は、更に細かく磁気軸受装置の姿勢を判別す ることができる。

【００３９】 また、以上の実施例ではロータ２１が水平になる状態での磁気軸受装置の姿勢 を判断したが、ロータ２１が水平方向から鉛直方向へと所定角度づつ変わる場合 の各姿勢についても判断するようにしてもよい。この場合、各鉛直方向の姿勢に 対応して電磁石に供給される±Ｚ軸方向の励磁電流を予め測定しておき、その電 流値と、対応する基準位置信号ＳｚをＲＯＭ１１に格納しておく。

【００４０】 また、以上の実施例では、基準位置信号の変更処理（図３のステップ８）後に 、微調整処理（ステップ９〜１１）を行うようにしていたが、基準位置信号変更 後におけるロータ２１の制御中心からのずれを充分許容できる範囲内にすること ができる場合には、ステップ１〜８までの処理のみを行うようにしてもよい。

【００４１】 また、以上の実施例では、ＲＯＭ１１に格納された固定値としての基準位置信 号Ｓｘ、Ｓｙを用いて基準位置信号の変更（ステップ８）をしていたが、ステッ プ９〜１１のループ処理のように、ロータ２１の位置を測定しながら基準位置信 号の値を所定値づつ変更していく調整処理によって、基準位置信号を変更するよ うにしてもよい。

【００４２】 この場合、一回のループ処理で基準位置信号を変化させる幅がステップ９〜１ １の微調整処理のように小さいと、処理に時間を要するので、ここでの調整処理 においては、ある程度変化させる幅を大きく取って粗調整とし、ロータ２１が制 御中心から所定の範囲内に位置するようになったら、ステップ９〜１１の微調整 処理に移行するようにする。

【００４３】

【考案の効果】

以上のべたように、本考案の磁気軸受装置は、装置の取付け姿勢を考慮して回 転体の位置制御を行うので、回転体が自重によって所定位置からずれることを防 止し、安定した回転制御が行われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例による磁気軸受装置の構成を
示すブロック図である。

【図２】同磁気軸受装置の各姿勢（Ａ）〜（Ｈ）におけ
る励磁電流の関係を示す説明図である。

【図３】同磁気軸受装置の動作を示すフローチャートで
ある。

【図４】従来の磁気軸受装置の概略構成を示す説明図で
ある。

【図５】同磁気軸受装置によるロータの位置制御におけ
るロータと各電磁石との位置関係を示す説明図である。

【符号の説明】

１０ ＣＰＵ １１ ＲＯＭ １２ ＲＡＭ １３、１７ａ、１７ｂ Ａ／Ｄ変換器 １５ Ｄ／Ａ変換器 ２１ ロータ ２２ａ、２２ｂ 電磁石 ２３ａ、２３ｂ 位置センサ ２４ 位置検出回路 ２６ 比較器 ２７ 位相補償回路 ２８ａ、２８ｂ 増幅回路 Ｓｘ、Ｓｙ 基準位置信号

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 装置本体と、 この装置本体に固定され、回転体を磁力によって浮上さ
   せる電磁石と、 前記回転体の位置を検出する位置検出手段と、 この位置検出手段で検出した検出値により所定の基準位
   置信号に応じて前記回転体の浮上位置を所定位置に制御
   する位置制御手段と、 前記装置本体の取付け姿勢を判断する姿勢判断手段と、 この姿勢判断手段による判断に応じて前記基準位置信号
   を設定する基準位置信号設定手段とを具備することを特
   徴とする磁気軸受装置。