JPS61286610A - 制御式ラジアル磁気軸受の制御装置 - 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〕 この発明は、回転軸の半径方向の位置を位置センサによ
り検出し、その信号をフィードバック信号として制御回
路に入力して電磁石の電磁力を制御し、軸の半径方向位
置を定位置に保持する制御式ラジアル磁気軸受の制御装
置に関する。

〔従来の技術〕

最近の工作機械用主軸、あるいはターボファン等では性
能向上若しくは小型化のための７駆動部等の軸の回転速
度として数百乃至１０数万回転／分のものが使用される
ようになっており、今後さらに高速化が望まれているっ
このような高速回転に使用される軸受の１つとして非接
触式の磁気軸受装置がある。

か＼る磁気軸受装置の制御回路は、一般に回転軸に垂直
な同一平面内で回転中心に対して互いに直交する２つの
軸方向の各々の制御方向に対して独立に、回転軸の半径
方向の位置を検出する位置センブと、その検出信号の回
転軸基準位置信号からの偏差信号を増幅する偏差増幅器
と、その出力信号の位相を補償するＰＩＤ調節器と、こ
のＰＩＤ調節器の出力信号により電磁石への電流を制御
する電力増幅器とを設けて成る。

上記構成の制御回路を有する磁気軸受の制御装置は、軸
の機械的な固有振動数以下、例えば固有振動数の約７５
〜８０％付近の回転数で使用される場合が多い。従って
、従来の磁気軸受装置は、例えば約３万乃至４万回転／
分を上限の使用回転数として使用されることが多い。

〔発明が解決しようとする問題点〕

かＮる従来の磁気軸受装置を軸の曲げ固有振動数を超え
てさらに高回転数、例えば数１０万回転／分の高速で使
用したい場合、軸の固有振動を通過する際に問題が生じ
る。即ち、軸の回転速度が軸の曲げ固有振動数付近に上
昇し、危険速度に近づくと、軸は軸の固有振動数で共振
する。しがるに、前述したように従来の磁気軸受装置は
一般に軸の固有振動数の７５〜８０％以下の回転数で使
用するように設計されているため、その制御回路の一巡
伝達関数におけるクロスオーバ周波数は軸の曲げ固有振
動に対してかなり低く設定されており、このクロスオー
バ周波数において所定の位相余有が得られるように制御
系のゲイン、位相が設定がされている。従って、軸の曲
げ固有振動数又はこれを超える周波数に対しては位相余
有がなく、減衰力を持たない。そのため軸の曲げ固有振
動数を超えて軸を回転させることができない。

この発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は軸の曲げ固有振動数を越えてさらに高速度で回
転し得る磁気軸受の制御装置を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するための手段として、この発明では
回転軸に垂直な同一面内で回転中心に対して互いに直交
するＸ軸方向及びＹ軸方向における同軸方向の電磁石に
対してそれぞれ制御回路を設け、各制御回路が位置セン
サと、その出力信号の設定位置信号からの偏差信号を増
幅し１位相補償してこれをもう一万の制御回路からの入
力信号と加算した後その合出力を増幅する回路と、前記
位置センサの偏差増幅信号を回転軸の機械的な固有振動
数よりも中心周波数がわずかに高く設定された帯域通過
フィルタを介して出力する回路とから成り、一方の制御
回路の上記位置センサの検知信号を前記帯域通過フィル
タを有する回路を介して各電磁石の同軸方向に対して回
転方向に９０°位相の進んだ位置にあるもう一万の制御
回路に加算し、このもう一方の制御回路の位置センサの
検知信号を前記一方の制御回路に同様に加算するという
構成を採用したのである。

〔作用〕

上記構成の制御装置では、軸の回転数が軸の曲げ固有振
動数の７５〜８０チ以下である間は、各制御回路の位置
センサによる検知信号の所定位置からの偏差増幅信号は
、もう一方の制御回路の蓄域通過フィルタの特性により
その出力信号がこのフィルタでしゃ断されるから、その
出力は号と加算されることなくその制御回路を通ら電磁
石の励磁力を制御する。

軸の回転数が軸の曲げ固有振動数付近に達すると、前記
偏差増幅信号はその制御回路の軸方向から軸の回転方向
に見て９０°位相の進んだもう一万の制御回路の位置セ
ンサの偏差増幅信号がその帯域通過フィルタを介して加
算され、その合出力によって電磁石は励磁される。その
結果一方の制御出力にとっては前記回転数において微分
回路が並列に加わったと類似の効果、即ちダンピング効
果を現わし、振動減衰力が十分確保され、厄除速度を超
えてさらに高速度で回転できるようになる。

〔実施例〕

以下この発明の実施例について添付図を参照して詳細に
説明する。

第１図はこの実施例による制御式ラジアル磁気軸受の制
御装置の全体回路図をブロック線図で示す図である。

図において、１は回転軸、２Ｘ　、２ＹはＸ軸方向、Ｘ
軸方向の位置センサ、３Ｘ　、３ＹはＸ軸方向、Ｘ軸方
向の位置設定部、　４　、４’は加算器、５は偏差増幅
器、６は位相補償回路、７は電力増幅器、８は電磁石、
９はコイル、１０は帯域通過フィルタ、１１は反転回路
である。

Ｘ軸方向及びＸ軸方向位置センサ２Ｘ　、２Ｙは、回転
軸１の軸線と直角な平面内で互いに直交するＸ軸及びＸ
軸方向で軸１の半径方向への変位を検出するように回転
軸１と電磁石８の間の所定位置にそれぞれ配設されてい
る。以下の説明でＸ軸方向の制御回路はＸ軸方向の制御
回路と一部を除きその構成ははゾ同じであるから、主と
してＸ軸方向の制御回路について説明する。

図示の回路図から明らかなように、Ｘ軸方向の制御回路
は、Ｘ軸方向の電磁石８．−ｔ−の励磁力を制御するた
め前記Ｘ軸方向の位置センサ２Ｙと、この位置センサか
らのフィードバック入力とＹ方向位置設定部３Ｙからの
信号の減算をする加算器４と、この加算器による偏差信
号を増幅する偏差増幅器５と、増幅された偏差信号の位
相を補償する位相補償回路と、位相補償された前記信号
を、Ｘ軸方向制御回路の帯域通過フィルタ１０からの入
力信号と加算するもう１つの加算器４′と、この加算器
４′の信号によりＸ軸方向の電磁石８．今助界磁電流を
制御する電力増幅器７とを備え、さらに偏差増幅器５で
増幅された信号を所定周波数帯域について通過させてこ
れをＸ軸方向の制御回路に対してその回路中の位相を調
整するために送る帯域通過フィルタ１０を備えている。

この帯域通過フィルタ１０はその中心周波数が軸の固有
振動数よりわずかに高い周波数に設定されている。

Ｘ軸方向の制御回路は、Ｘ軸方向の制御回路とはゾ同じ
であるが、Ｘ軸方向の制御回路に対する帯域通過フィル
タ１０の回路にその洒号の位相全反転させるための反転
回路１１が設けられている点だけが異なっている。

上記のように構成したこの実施例による磁気軸受の制御
装置の作用について以下説明する。

第１図の回転軸１についてその直交するＸ、Ｙ軸の方向
を図示のようにＸ−Ｘ’、Ｙ−Ｙ’とする。

この図において、軸の固有振動数に等しい回転数で軸を
回転させた場合、軸の振動は軸のふれまわりとして各位
置センサに現われる。このふれまわりはＸ軸方向の位置
センサに対してはＹの位置において９０°位相が進んだ
変位として検出される。

Ｘ軸方向の制御回路に対してはＸ軸方向の位置センサ２
ｘ出力のＸ方向位置設定信号からの偏差分が偏差増幅器
５において増幅されるが、同時に９０゜位相の進んだＸ
軸方向位置センサ２Ｙの偏差増幅信号がＸ軸方向の制御
回路の帯域通過フィルタ１０を介してＸ軸方向制御回路
の加算器４′においてＸ軸方向の出力に加算され、その
合出力が電力増幅器７において電力増幅されてＸ軸方向
の電磁石８゜今を励磁する。

前述したように、帯域通過フィルタ１０はその中心周波
数が軸の固有振動数よりわずかＳこ高い周波数に設定さ
れており、その位相−ゲイン特性を第２図に示す。

上述のような中心周波数及び特性を有する帯域通過フィ
ルタ１０を備えた制御回路では、軸の固有振動数付近の
回転数において、Ｘ軸方向の変位出力の偏差成分はこの
帯域通過フィルタ１０を経ることにより変位の位相が多
少進んだ形で出力される。即ち、Ｘ軸方向位置センサ２
Ｙで検出されたふれまわりは位相が多少進んだ状態で前
記フィルタ１０から出方される。この変位出方がＸ軸方
向に対して９０°位相の遅れているＸ軸制御回路を経た
出力に加算され、その合出方が電力増幅されてＸ軸方向
電磁石８．参を励磁する。その結果、Ｘ軸方向の制御出
力にとっては同上周波数において微分回路が並列に加わ
った場合と類似の効果、即ちダンピング効果を現わすこ
とになる。他の回転数においては、帯域通過フィルタ１
０の特性によりその出力が無視出来、Ｘ軸制御回路を経
た出力のみによって制御されることになる。

Ｙ軸方向の制御回路についてもはゾ同じ構成。

作用をとるが、Ｙ軸に対してＸ軸方向位置センサ２ｘは
９０°位相が遅れているため、帯域通過フィルタ１０を
出たＸ軸方向位置センサ２Ｘの出口は反転回路を通し、
位相を１８００ずらせておく必要がある。このような回
路を構成することにより、軸の固有振動数での回転にお
いて振動減衰力が十分確保され危険速度を通過して回転
させることが可能となる。

〔効果〕

以上説明した通り、この発明による制御式ラジアル磁気
軸受の制御装置では、Ｘ軸及びＹ軸方向の制御回路に互
い１こ９０°位相の進んだ位置センサの信号を重ね合せ
ることによって固有振動数付近における制御力の位相を
進めて位相余有を得ることができるから、固有振動数付
近での回転軸の振れまわりを押えることが出来、固有振
動数を超えてさらに高速度で回転せしめることができ、
超高速用の磁気軸受として極めて広い用途に用いること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例である制御式ラジアル磁気軸
受の制御装置の全体回路図をブロック線図で表わした図
、第２図は帯域通過フィルタの伝達関数を表わす図、第
３図は上記制御装置の−１の制御回路出力効果を、類似
の効果を持つ一巡伝達関数のボード線図で置き代えた図
である。 １・・・回転軸、２ｘ　、２ｙ・・・位置センサ、３・
・・・位置設定部、４，４′・・・加算器、５・・・偏
差増幅器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転軸の半径方向の位置を位置センサにより検出
   し、その信号をフィードバック信号として制御回路に入
   力して電磁石の電磁力を制御し、軸の半径方向位置を定
   位置に保持する制御式ラジアル磁気軸受の制御装置にお
   いて、回転軸に垂直な同一面内で回転中心に対して互い
   に直交するＸ軸方向及びＹ軸方向における同軸方向の電
   磁石に対してそれぞれ制御回路を設け、各制御回路が位
   置センサと、その出力信号の設定位置信号からの偏差信
   号を増幅し、位相補償してこれをもう一方の制御回路か
   らの入力信号と加算した後その合出力を増幅する回路と
   、前記位置センサの偏差増幅信号を回転軸の機械的な固
   有振動数よりも中心周波数がわずかに高く設定された帯
   域通過フィルタを介して出力する回路とから成り、一方
   の制御回路の上記位置センサの検知信号を前記帯域通過
   フィルタを有する回路を介して各電磁石の同軸方向に対
   して回転方向に９０°位相の進んだ位置にあるもう一方
   の制御回路に加算し、このもう一方の制御回路の位置セ
   ンサの検知信号を前記一方の制御回路に同様に加算する
   ことを特徴とする制御式ラジアル磁気軸受の制御装置。
2. （２）各電磁石の同軸方向に対して回転方向に９０°位
   相の進んだ位置にある前記もう一方の制御回路の帯域通
   過フィルタを有する回路にその出力を反転する反転回路
   を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の制御式ラジアル磁気軸受の制御装置。