JPS62297533A - 磁気軸受制御装置 - 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】 ３、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、工作礪械用スピンドル等の高速回転体、さら
にはテンター等の走行物浮上用のＥｌ磁気軸受適用され
る磁気軸受制御装置に関する。

〔従来の技術〕

回転体や走行物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、回転体や走行物の浮上位置を設
定する手段として、浮上物の位置を計測し、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５図はその手段を示すブロック線図である。

第５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、渦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Ｎ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−微分）回路や
位相補償回路、その組み合わせなどがある。ＷＪ磁石は
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。

ｆｉ１石４の入力］と出力である磁力Ｆどの伝達関数は
、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　−Ｋ　Ｍ　／　（１＋　Ｔ　Ｍ−８）・・
・（１）ここで、ＫＭはｉｖｉ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りから浮上物への力Ｆ
に至る伝達関数は以下の通りとなる。

Ｆ／Ｄ＝ＫＦ−ＫＰ　−ＫＭ ／（１千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
の比例ゲインをそれぞれ示す。

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）式に代入する。ここでｆは周波数（Ｈｚ）で ｊ−ｆ−＝コーである。（力Ｆ）／（変位Ｄ）は複素数
となり次のようにおく。

Ｆ　／　Ｄ　＝　Ｋ　Ｒ・（ｆ）＋ｊ−ＫＪ・（ｆ）・
・・（３） く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６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６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ｆ０がもつ滅哀、特に浮上物の減
衰より、第６図に示す周波数ｆ＝ｆｃの所の値が大きい
と、その固有撮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。

（ｇ１分要素）＝Ｋｏ　’Ｓ／１＋Ｔｏ　−８・・・（
４） ここで、Ｋｏは微分要素のゲイン、Ｔｏ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く力Ｅ）／（
変位Ｄ）は以下の式となる。

Ｆ／Ｄ＝ＫＦ−ＫＯ−ＫＭ−８ ／（（１＋Ｔｏ−８）（１＋ＴＭ−８））・・・（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）式の虚部は第６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 ”　（Ｋｐ　＋Ｋｏ　−３／　（１＋Ｔｏ　−８））・
ＫＭ／　（１＋ＴＭ−３）　　　　・・・（６）となり
、第６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７図＜ａ）に示す
回転（４５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、次のような現宋を呈する。回転体５
は第７図（ｂ）（ｃ）（ｃｌ）（ｅ）（ｆ）〜に示すよ
うに無限個の固有振ｉｌｌ数を有する。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
安定化に動き、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）の減衰効果を有する周波数領域に、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７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
振動数が有する減衰よりも、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、撮
動が発散的に大きくなり、回転させることができなくな
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の位置を保持す
るため浮上物の位置を計測し、その信号をフィードバッ
クし、！磁石４から力を発生させるようにしているが、
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ＰＩＤ。

位相補償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
大きな不安定化力を有している。したがって、回転体５
のような無限個の固有振動数を有する浮上物では、不安
定化力となる領域に固有振動数が必ず有り、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、指定された周波数領域において磁気軸
受が発生する不安定化力を安定化力（減衰力）に変更し
得、発散的な撮動発生を防止し得、浮上物を安定に浮上
させ得る磁気軸受制′ｎ装置を提供することを目的とす
る。

〔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、位置センサからの信
号を二つに分離し、その一方の信号は安定化したい周波
数帯域が遮断域である第１のフィルタを通し、他方の信
号は陽性反転させると共に上記遮断域が通過帯域である
第２のフィルタを通し、別々の道を通った両信号を再び
加算したものを磁気軸受へフィードバックし、電磁石で
力にかえるようにした。

（作用〕 このような手段を講じたことにより、分離された一方の
信号のうち不安定化力となる周波数帯域部分が第１のフ
ィルタにより遮断され、分離された他方の信号のうち力
性反転されて安定化力になった周波数帯域部分が第２の
フィルタを通過し、両信号の加算信号がフィードバック
さ机るので、磁気軸受に発生する力がすべて安定化力に
変更される。

〔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。なお第１図において、第５図と同一の部分にはそ
れぞれ同一符号を付しである。第１図において、７は信
号の極性を反転させる反転回路であり、８．９は第１．
第２のフィルタ、１０は加算器である。

位置センサ１からの信号は二つに分離され、一方の信号
はそのまま第１のフィルタ８を通り、他方の信号は反転
回路７で極性反転されたのち第２のフィルタ９を通るつ 第１のフィルタ８へ入力する信号をａとし、第２のフィ
ルタ９へ入力する信号をｂとすると、この二つの信号ａ
、ｂは第２図（ａ）（ｂ）に示すように、浮上物の動き
に対し、全く反対の大きさを有する関係、すなわち位相
が１８０°ずれた関係を有する信号となる。したがって
例えば信号ａが＋５を示せば、信号すは−５という値を
示す。

第３図（ａ）（ｂ）は第１．第２のフィルタ８゜９の各
ゲイン特性を示す図である。同図（ａ＞に示すように、
第１のフィルタ８は安定化すべき所定の周波数ｆ。ｌか
ら周波数ｆｃ２までのｇＡ域で遮断特性（ゲインが零）
をもち、同図（ｂ）に示すように、第２のフィルタ９は
その逆で周波数ｆ。１から周波ｖｌｆｃｚまでの領域で
通過特性（ゲインが１）をもっている。第１のフィルタ
８および第２のフィルタ９を通過した各信号は、加算器
１０により加算される。この加陣信号は位置フィードバ
ックゲイン２を経由して制御回路３に入力する。

したがって、磁気軸受の（力Ｆ）／（変位Ｄ）を（３）
式であられすと、信号ａの経路では、ｆがｆ引からｆｃ
２までの領域においてはＦ／Ｄ−０・・・（７−１） となり、ｆがその池の領域においては Ｆ／Ｄ＝ＫＲ・（ｆ） ＋ｊ−ＫＩ　・（ｆ）　　　　　・・・（７−２＞とな
る。また信号すの経路では、信号極性が全く反対になる
ので、ｆがｆｃｌからｆＣ２までの領域においては Ｆ／Ｄ＝　　ＫＲ・　（ｆン −ｊ−にゴ　・　（ｆ）　　　・・・　（８−１＞とな
り、ｆがその伯の領域においては Ｆ／Ｄ−〇　・・・（８−２＞ となる。そしてＲ柊的には、両者が加算されるので、ｆ
がｆｃｌからｆ。２までの領域においてはＦ　　／　Ｏ
＝　　−Ｋ　Ｒ・　　（ｆ）−Ｊ−に工・（ｆ）　　・
・・（９−１）となり、ｆがその他の領域においては Ｆ　／　Ｄ　＝　Ｋ　Ｒ・（ｆ） ＋Ｊ−Ｋｘ　　・（ｆ）　　　・・・（９−２）となる
。したがって、磁気軸受の減衰特性は第４図の実Ｉ！Ｄ
に示すようになり、ｆ　Ｃ１〜ｆ　Ｃ２の周波数領域に
おける点線Ｅの部分が安定化力に変更されたものとなる
。よって、その周波数領域にある固有振動数は安定化さ
れ、発散的な振動の発生が防止される。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではない。

例えば前記実施例では、位置センサ１からの信号を二つ
に分けた直後に一つの信号を反転させたが、第２のフィ
ルタ９のあと、つまり加算器１０に入れる前にその信号
を反転させるようにしてもよい。また前記実施例ではｆ
ｃｌからｆｃ２までの一周波数帯域を安定化する例を示
したが、浮上物および磁気軸受の特性等に応じて複数個
の周波数帯域あるいはｆｃＩ以上の全帯域についても同
様に安定化をはかるようにしてもよい。このほか本発明
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、位置センサからの信“号を二つに分離
し、その一方の信号は安定化したい周波数帯域が遮断域
である第１のフィルタを通し、他方の信号は極性反転さ
せると共に上記遮断域が通過帯域である第２のフィルタ
を通し、別々の道を通った両信号を再び加算したものを
磁気軸受へフィードバックし、電磁石で力にかえるよう
にしたので、指定された周波数領域において１ｉｆｔ気
軸受が発生する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し得、浮上物を安定に浮
上させ得る磁気軸受ｔｉｌｌ　ｉ装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の一実施例を示す図で、第１図
は構成を示すブロック線図、第２図（ａ）（ｂ）は二つ
のフィルタ入力信号の波形を示ず図、第３図（ａ）（ｂ
）は第１．第２のフィルタのゲイン−周波数特性を示す
図、第４図は磁気軸受の減衰特性を示す図である。第５
図〜第７図（ａ）〜（ｆ）は従来例を示す図で、第５図
は構成を示すブロック線図、第６図は磁気軸受の減衰特
性を示す図、第７図（ａ＞〜（ｆ）は回転体と固有振動
数とを示す図である。 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・・・反転回路、８・・・第１の
フィルタ、９・・・第２のフィルタ、１０・・・加算器
。 出願人復代理人　弁理士　鈴江武彦 第２図 ｇ　３図 第４Ｉ２１ 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 浮上物に対する位置センサからの信号を磁気軸受へフィ
   ードバックし、ＰＩＤ（比例、積分、微分）や位相補償
   等の制御を行ない、磁気軸受を能動的に用いるようにし
   た磁気軸受制御装置において、前記位置センサからの信
   号を二つに分けて、一方の信号を安定化すべき所定の周
   波数帯域が遮断周波数帯域である第１のフィルタを通過
   させ、他方の信号を極性反転させるとともに上記遮断周
   波数帯域が通過周波数帯域である第２のフィルタを通過
   させ、再び二つの信号を加算して磁気軸受にフィードバ
   ックするようにしたことを特徴とする磁気軸受制御装置
   。