JPS62258221A - 磁気軸受の制御方式 - 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〕 本発明はターボ分子ポンプや、コンプレッサ。

タービン、工作機械用スピンドル等の高速回転体の磁気
軸受に適用される磁気軸受の制御方式に関する。

〔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
かれ、特に真空状態では有用な軸受である。この磁気軸
受において、回転体のｌｆ、上位置を設定する手段とし
て、浮上物の位置を計ａ？Ｉ　Ｌ、その計測信号に基い
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。

第４図はその手段を示すブロック線図である。

第４図において、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、過電流変位計などがその１
例である。位置フィードバックゲイン２は位置センサ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た
めのものである。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
するための処理回路であり、例としてはＰＩＤ（比例−
積分一徹分）回路や位相補償回路、その組み合わせなど
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。

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。

電磁石４の入力Ｉ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。

Ｆ／　Ｉ　−ＫＭ　／　（１＋ＴＩ４　・Ｓ）・・・（
１）ここで、ＫＭは電磁石４のゲイン、ＴＩ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する変位りから浮４−物への力Ｆ
の伝達関数は以下の通りとなる。

Ｆ／Ｄ−Ｋｐ−ＫｐΦＫＭ ／（１＋ＴＭ−８）・・・（２） ここで、ＫＦは位置フィードバックゲイン２゜ＫＰは制
御回路３の比例ゲインを示す。位置フィードバック系の
（力Ｆ）／（変位Ｄ）の周波数特性を見るため、ラプラ
ス演算子５−ｊ２πｆとおき、（２）に代入する。ここ
でｆは周波数（Ｈｚ　）で　」−ｆ二重である。（力Ｆ
）／（変位Ｄ）は複素数となり次のようにおく。

Ｆ／Ｄ−ＫＲ・　（ｆ）＋ｊ−に１　・　（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、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
。

第５図は（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。

第５図に示す点線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がもつ減衰、特に浮上物の減
衰より、第５図に示す周波数ｆ−ｆＣの所の値が大きい
と、その固を振動数は発散的に振動し、運転できなくな
る。

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。ここでは代表して微分要素を例とする。

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１次遅れ系となる。

（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。

Ｆ／Ｄ−Ｋｒ−Ｋｏ・ＫＭ−３ ／　［（１＋Ｔｏ　＠　５）（１＋ＴＭ−Ｓ）１・・・
（５） （５）の分子はＳの１次で分母はＳの２次になるため、
（５）の虚部は第６図に示す点さ線のようになる。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、
（５）式の分子はＳの１次で分母はＳの２次になるため
、（５）式の虚部は第５図に示す一点鎖線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、高い領域では不安定化作用をもつ。浮上物の位
置を保持するため、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　＝　Ｋ　Ｆ ・　ｆＫｐ　十ＫＤ−３／　（１＋ＴＤ−Ｓ）１・ＫＭ
／　（１＋ＴＭ−Ｓ） ・・・　（６） となり、第５図に示した実線Ｃのようになり、上述と同
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。

このような特性を有する磁気軸受を第６図（ａ）に示す
回転体５の軸受６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。回転体５は
第６図（ｂ）（−ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）〜に示すよう
に無限側′の固有振動数を釘する。回転体５自体の材料
等の減衰は回転数以下の固有振動数に対しては不安定化
に働き、回転数以上の固有振動数に対しては減衰作用と
して働く。

したがって、磁気軸受の位置フィードバック系の（力Ｆ
）／（変位Ｄ）の減衰効果ををする周波数頭域に回転数
以下の固有振動数をもってくる必要がある。しかし、回
転体５の固有振動数は第６図（ｂ）（Ｃ）（ｄ）（ｅ）
（ｆ）〜に示すように無限にあるため、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。したがって、回転体５自体による固有振動
数が宵する減衰よりも磁気軸受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になり、振動が発
散的に大きくなり、回転させることかできなくなる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述したように、従来のものでは、浮上物すなわち回転
体の位置を保持するために浮上物の位置を計測し、その
信号をフィードバックし、電磁石から力を発生させるよ
うにしているが、この力は淫」−物を振動させる不安定
化力となる。そして制御回路３にＰＩＤ等の処理を行な
っても、低周波数領域では安定化（減衰）力になるが、
中高周波数領域では依然として大きな不安定化を有して
いる。したがって、無限側の固有振動数を有する浮上物
すなわち回転体では、不安定化力となる領域に固釘振動
数が必ず有り、磁気軸受〜により発散的な振動を発生す
ることになる。

そこで本発明は、中高周波数領域に発生する不安定化力
を低減し得、回転体を安定に浮上回転させ得る磁気軸受
の制御方式を提供することを目的とする。

ｃ問題点を解決するための手段〕 本発明は上記問題点を解決し目的を達成するために、次
のような手段を講じた。すなわち、回転体の軸変位をフ
ィードバックし、磁気軸受を能動的に用いるようにした
磁気軸受の制御方式において、制御回路から出た信号を
、回転数信号に比例してカットオフ周波数が移動する低
域通過フィルタを通過させたのち、電磁石に人力させる
ようにした。

〔作用〕

このような手段をｉｌｌじたことにより、回転数よりも
高い周波数領域ではゲインが低下し、回転体に対する磁
気軸受効果がなくなり、回転体の安定性が保持されるこ
とになる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例の構成を示すブロック線図で
ある。なお磁気軸受は回転体のラジアル方向に設けてい
る。

上図において、第４図と同一部分には同一符号を付しで
ある。第１図において、７は低域通過フィルタ、８はタ
コメータのような回転体５の回転数を示す回転数計、９
は回転体５が通過する最大の危険速度の１．３倍以上の
値を示す設定値発生器、１０は回転数計８と設定値発生
器９の２つの信号が人力され、大きい方の値を出力する
比較器である。

回転体５の内部にある減衰は回転数より高い固釘振動数
には安定側に、そして回転数より低い固ｑ振動数には不
安定側に働く。そこで、最高回転数より低い固有振動数
に対しては安定性を保証するように磁気軸受が減衰（安
定化）を与えるように制御回路３が構成されている。す
なわち、磁気軸受が第５図における実線に対応する減衰
特性をもつように制御回路３は作動する。

一方、低域通過フィルタ７は、比較器１０の出力に応じ
て低域通過フィルタフのカットオフ周波数ｆｃが決まる
ものとなっている。

第６図は低域通過フィルタ７のゲインと周波数との関係
を示す図である。第６図に示すように、比較器１０の出
力で決まるカットオフ周波数ｆＣ以上で低域通過フィル
タフのゲインが小さくなる。

かくして低域通過フィルタフにより制御回路３からの出
力信号のうちカットオフ周波数ｆＣ以上のものは消され
る。

したがって、第１図に示す方式の磁気軸受の減衰特性は
第３図に示すようにカットオフ周波数ｆＣ以下の周波数
ではもとの特性が保持され、【Ｃ以上の周波数では安定
化（減衰）効果も不安定化効果をもたないものとなる。

回転体５が完全にすべての危険速度を通過するまでは低
域通過フィルタフのカットオフ周波数ｆｃは設定値発生
器９の値に対応するので、磁気軸受５はアンバランス力
による振動を止めるように働く。

危険速度とは回転数と固有振動数とが一致する回転数で
ある。このため、それ以上の回転数になると低域通過フ
ィルタフのカットオフ周波数ｆｃは回転数の値を示す。

したがって、回転数より高い固を振動数では磁気軸受は
何ら力を作用しないので内部の減衰により安定であり、
低い固有振動数では磁気軸受に減衰作用が働き安定であ
る。よって、回転体５は多大な振動を発生することなく
最高回転数まで安定に運転される。

なお本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本
発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である
のは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、回転数に一致したカットオフ特性をも
つ低域通過フィルタを制御系に入れ、磁気軸受を回転数
より低い周波数では安定化させ、高い周波数では何の作
用力も生じさせずロータ独自の減衰力で安定化させるよ
うにしたので、中高周波数領域に発生する不安定化力を
低減し得、回転体を安定にｉｌ上回転させ得る磁気軸受
の制御方式を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としての制御方式のブロック
線図、第２図は同実施例のフィルタのゲイン−周波数特
性を示す図、第３図は同実施例における磁気軸受の減衰
特性、第４図は従来の制御方式のブロック線図、第５図
は従来の方式による磁気軸受の減衰特性、第６図は回転
体と固荷娠動数である。 １・・・位置センサ、２・・・位置フィードバックゲイ
ン、３・・・制御回路、４・・・電磁石、５・・・回転
体、６・・・軸受、７・・・低域通過フィルタ、８・・
・回転数計、９・・・設定値発生器、１０・・・比較器
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 回転体の軸変位をフィードバックし、磁気軸受を能動的
   に用いるようにした磁気軸受の制御方式において、制御
   回路から出た信号を、回転数信号に比例してカットオフ
   周波数が移動する低域通過フィルタを通過させたのち、
   電磁石に入力させるようにしたことを特徴とする磁気軸
   受の制御方式。