JPH08303461A - 磁気軸受制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 固有振動数範囲での安定化を図った磁気軸受
制御装置をえる。 【構成】 対象軸の浮上位置を検出する位置センサと、
同位置センサの出力を受けるゲイン回路と、同ゲイン回
路の出力を受け上記対象軸の浮上用の電磁石へ励磁信号
を送る制御回路とを有する磁気軸受制御装置において、
上記ゲイン回路および制御回路間に遅相フィルタ７を設
けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はターボ分子ポンプ，ター
ビン等の高速回転体に用いる磁気軸受に適用される磁気
軸受制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】回転体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
潤滑軸受よりもロスが小さく、軸受のドライ化、雰囲気
のクリーン化がはがれ、特に真空状態では有用な軸受で
ある。

【０００３】この磁気軸受において、回転体の浮上位置
を設定する手段として、浮上物の浮上位置を計測し、そ
の計測信号に基づ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。

【０００４】図６は、その手段の制御系のブロック線図
である。スラスト位置センサ１は浮上物の位置（変位）
を測るためのセンサであり、渦電流変位計等がその一例
である。ゲイン回路（位置フィードバックゲイン）２
は、スラスト位置センサ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為のものである。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た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、さらにはその組合わ
せ回路等がある。電磁石４は鉄心にコイルが巻かれたも
のであり、制御回路３から入力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。

【０００５】制御回路３が比例要素（Ｐ要素）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４の入力１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り以下の１
次遅れ系になる。

【０００６】 Ｆ／Ｉ＝Ｋｍ／（１＋Ｔｍ・Ｓ） …………（１） ここで、Ｋｍは電磁石４のゲイン、Ｔｍは電磁石４の時
定数、Ｓはラプラス演算子である。よって、位置フィー
ドバック系の計測変位Ｄから浮上物への力Ｆに至る伝達
関数は以下のようになる。

【０００７】 Ｆ／Ｄ＝Ｋｆ・Ｋｐ・Ｋｍ／（１＋Ｔｍ・Ｓ） …………（２） ただし Ｉ＝Ｋｆ・Ｋｐ・Ｄである。

【０００８】ここで、Ｋｆは位置フィードバックゲイン
２の比例ゲイン、Ｋｐは制御回路３の比例ゲインをそれ
ぞれ示す。位置フィードバック系（力Ｆ）／（変位Ｄ）
の周波数特性を見るため、ラプラス演算子ＳをＳ＝ｊ２
πｆとおき、（２）式に代入する。ここで、ｆは周波数
でｊ＝√−１である。（力Ｆ）／（変位Ｄ）は複素数と
なり、次のようにおく。

【０００９】 Ｆ／Ｄ＝Ｋｒ（ｆ）＋ｊ・Ｋｉ（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
に負となり、浮上物に対し減衰とは反対の不安定化力に
なる。

【００１０】図７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。点線Ａ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が持つ減衰、特に浮上物の材料減衰よ
り、図に示す周波数ｆ＝ｆｃの所の値が大きいと、その
固有振動数は発散的に振動し、運転できなくなる。

【００１１】そこで位置フィードバック系の（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。静的な位置保持ということから、
これらの要素は位相を時間方向に対し進ませるものであ
る。ここでは代表として微分要素に例をとる。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
のように１次遅れが加わった形となる。

【００１２】 （微分要素）＝Ｋｄ・Ｓ／（１＋Ｔｄ・Ｓ） ………（４） ここで、Ｋｄは微分要素のゲイン、Ｔｄは時定数であ
る。微分要素だけの位置フィードバック系の（力Ｆ）／
（変位Ｄ）は以下の式となる。

【００１３】 Ｆ／Ｄ＝Ｋｆ・Ｋｄ・Ｋｍ・Ｓ ／｛（１＋Ｔｄ・Ｓ）・（１＋Ｔｍ・Ｓ）｝ ………（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）式の虚部は一点鎖線Ｂのようになる。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持つ。浮上物の位置を
保持するためには、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
ィードバック系の（力Ｆ）／（変位Ｄ）は Ｆ／ｄ＝Ｋｆ・｛Ｋｐ＋Ｋｄ・Ｓ／（１＋Ｔｄ・Ｓ）｝ ・Ｋｍ／（１＋Ｔｍ・Ｓ） ………（６） となり、実線Ｃの様になり、上述した一点鎖線Ｂとほぼ
と同じ特性をもつ。浮上物と位置フィードバック系から
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。

【００１４】このような特性を有する磁気軸受を、図８
に示す寸法諸元が異なる複数段のブレードを持つ回転体
５の軸受として使用し、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。

【００１５】回転体５は（ａ）〜（ｃ）に示すようなス
ラスト方向に複数個のブレード固有振動数を持つため、
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。従って、この固有振動数を
持つブレードの材料減衰よりも、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とな
り、その固有振動数が一度加振または共振されると振動
が発散的に大きくなり、浮上させることができなくな
る。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、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
置をスラスト位置センサ１で計測し、その信号をフィー
ドバックし、電磁力４から力を発生させることにしてい
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ＰＩＤ，位相補償等の処理を
行なっても、高周波数領域では依然として大きな不安定
化力を有している。

【００１７】従って寸法諸元が異なる複数段のブレード
を持つ回転体のような複数個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数領域に固有振動数が必
ず存在しているため、その固有振動数が一度加振または
共振されると、磁気軸受６により発散的な振動を発生す
ることになるという問題点があった。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため次の手段を講ずる。

【００１９】すなわち、対象軸の浮上位置を検出する位
置センサと、同位置センサの出力を受けるゲイン回路
と、同ゲイン回路の出力を受け上記対象軸受の浮上用の
電磁石へ励磁信号を送る制御回路とを有する磁気軸受制
御装置において、上記ゲイン回路および制御回路間に遅
相フィルタを設けた。

【００２０】

【作用】上記発明において、位置センサ出力にゲインが
かけられた後遅相フィルタで、ＰＤＩ，またはＰＩ制御
回路等のみでは不安定化となる周波数帯域のうち、ある
帯域のみ遅相フィルタにより位相が遅れていき、この帯
域にある信号が元の状態から１８０°程度遅延される。
そして制御回路に送られ、ＰＤＩまたはＰＩ処理され出
力される。

【００２１】従って、不安定部で極性が反転させられ
る。すなわち不安定化力する周波数帯域で安定化する。

【００２２】このようにして、従来不安定化していた帯
域でも対象軸の浮上位置を安定に維持できる。

【００２３】

【実施例】

（１） 上記本発明の第１実施例を図１〜図４により説
明する。

【００２４】なお、従来例で説明した部分は、同一の番
号をつけ説明を省略し、この発明に関する部分を主体に
説明する。

【００２５】図１にて、スラスト軸位置センサ１の出力
は、ゲイト回路（位置フィードバックゲイン）２，遅相
フィルタ７，ＰＩＤ制御回路３を順次経て電磁石４へ送
られる。

【００２６】遅相フィルタ７は図２に示すように増幅素
子８とＲ，Ｃを組合せた１次ローパスフィルタである。

【００２７】図３は遅相フィルタ７のゲイン−位相特性
を示す図である。図に示すように、フィルタ７のゲイン
は全周波数領域で一定であり、位相のみが０°から−２
π（３６０°）へと周波数に対し徐々に遅れているもの
である。位相が−π（−１８０°）となる周波数ｆ₀ が
中心周波数であり、中心周波数と位相変化量は抵抗Ｒと
コンデンサＣを調整することにより変化する。この中心
周波数ｆ₀ を軸受６により不安定化される固有振動数近
辺に設定する。

【００２８】次にこのように構成された本実施例装置の
作用を説明する。位置センサ１からの信号はゲイン回路
２を経由して遅相フィルタ７に入り、位相のみ遅らされ
て制御回路３に入力する。

【００２９】磁気軸受の（力Ｆ）／（変位Ｄ）は（３）
式で表わされ、かつ遅相フィルタ７は次式で表わされ
る。

【００３０】 Ｖ２／Ｖ１＝ｅｘｐ〔−ｊθ（ｆ）〕 ………（７） ここでＶ１は入力電圧，Ｖ２は出力電圧であり、ｅｘｐ
は指数関数，θは位相である。

【００３１】かくしてこの新しい磁気軸受の（力Ｆ）／
（変位Ｄ）は（８）式で表わされる。

【００３２】 Ｆ／Ｄ＝｛Ｋ_R （ｆ）＋ｊ・Ｋ_I （ｆ）｝・ｅｘｐ〔−ｊθ（ｆ）〕 ＝｛Ｋ_R （ｆ）ｃｏｓθ（ｆ）＋Ｋ_I （ｆ）ｓｉｎθ（ｆ）｝ ＋ｊ｛Ｋ_I （ｆ）ｃｏｓθ（ｆ） −Ｋ_R （ｆ）ｓｉｎθ（ｆ）｝ ………（８） θ（ｆ）が−π近辺となる周波数ｆ₀ 近辺ではＦ／Ｄの
虚部は負であったのが遅相することにより正となる。

【００３３】かくして磁気軸受の減衰特性は図４の実線
Ｄで示すようになり、ｆ_c1〜ｆ_c2の周波数帯域の部分が
安定化力に変更されたものとなる。したがって、軸５の
固有振動数〔（ａ）〜（ｃ）部〕を上記周波数帯域に含
むように設定すると、固有振動数は安定化され、固有振
動数が加振または共振されても発散的な振動の発生が防
止される。

【００３４】（２） 本発明の第２実施例を図５に示
す。本例は遅相フィルタ７として、図５に示すような増
幅素子８と、Ｒ，Ｃを組合せた２次ローパスフィルタを
用いたものである。作用効果は前記とほぼ同様である。

【００３５】なお、以上はスラスト軸受６に用いたが、
ラジアル軸受６ａに用いてもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、スラスト位置センサの信号の位相を遅相フィルタで
遅らせ、制御回路へ入力するようにしたので、指定され
た周波数帯域において、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、対象軸
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成ブロック線図であ
る。

【図２】同実施例の遅相フィルタの回路図である。

【図３】同実施例の作用説明図である。

【図４】同実施例の作用説明図である。

【図５】本発明の第２実施例の遅相フィルタの回路図で
ある。

【図６】従来例の構成ブロック線図である。

【図７】同従来例の作用説明図である。

【図８】同従来例の軸受部の説明図である。

【符号の説明】

１ スラスト位置センサ ２ ゲイン回路 ３ 制御回路 ４ 電磁石 ５ 回転軸 ６ スラスト磁気軸受 ６ａ ラジアル磁気軸受 ７ 遅相フィルタ ８ 増幅素子 Ｃ コンデンサ素子 Ｒ 抵抗素子 Ｖ１，Ｖ２ フィルタの入力電圧および出力電圧

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象軸の浮上位置を検出する位置センサ
   と、同位置センサの出力を受けるゲイン回路と、同ゲイ
   ン回路の出力を受け上記対象軸の浮上用の電磁石へ励磁
   信号を送る制御回路とを有する磁気軸受制御装置におい
   て、上記ゲイン回路および制御回路間に遅相フィルタを
   設けたことを特徴とする磁気軸受制御装置。