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JP2001132747A - 磁気軸受装置 - Google Patents

磁気軸受装置

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JP2001132747A
JP2001132747A JP36404399A JP36404399A JP2001132747A JP 2001132747 A JP2001132747 A JP 2001132747A JP 36404399 A JP36404399 A JP 36404399A JP 36404399 A JP36404399 A JP 36404399A JP 2001132747 A JP2001132747 A JP 2001132747A
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JP
Japan
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magnetic bearing
bearing device
electromagnet
sensor
displacement sensor
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JP36404399A
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JP3901897B2 (ja
Inventor
Toshiharu Nakazawa
敏治 中澤
Toshimitsu Ibarada
敏光 茨田
Atsushi Oyama
敦 大山
Masashi Inoue
正史 井上
Shinichi Sekiguchi
信一 関口
Hiroyuki Shinozaki
弘行 篠崎
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Ebara Corp
Ebara Densan Ltd
Original Assignee
Ebara Corp
Ebara Densan Ltd
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Publication date
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Priority to US09/643,950 priority patent/US6326712B1/en
Priority to EP00117398A priority patent/EP1079122B1/en
Priority to TW089117044A priority patent/TW464734B/zh
Priority to KR1020000049193A priority patent/KR100757529B1/ko
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 少なくとも変位センサを非磁性体金属材で保
護した構成の磁気軸受を使用し、該非磁性体金属材で発
生する渦電流によりセンサ検出信号の感度が低下（Ｓ／
Ｎ比が悪くなる）することなく、更に電磁石を駆動する
電流により発生する磁気の影響をセンサが受けることが
なく精度の良い浮上制御ができる磁気軸受装置を提供す
ること。 【解決手段】 被浮上体５を支持する電磁石（コイル１
０）と該浮上体の被浮上体位置を検出する変位センサＺ
１、Ｚ２と該変位センサＺ１、Ｚ２及び電磁石にケーブ
ルＣＢを介して信号及び励磁電流を供給するコントロー
ラを具備する磁気軸受装置であって、少なくとも変位セ
ンサＺ１、Ｚ２と浮上体５の間に非磁性体金属材からな
る保護板を配置した構成の磁気軸受装置において、コン
トローラの浮上制御系内に非磁性体金属材からなる保護
板を配置したことにより発生する変位センサへの異常信
号混入を防止するノイズ除去フィルタ部１６を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は制御対象体である被
浮上体を電磁石が発する電磁気力で浮上支持する磁気軸
受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来この種の磁気軸受装置の被浮上体の
位置変位を検出する変位センサには、渦電流型センサ、
誘導型センサ、静電容量型センサ、レーザ等オプト系の
センサがある。このようなセンサの中で、ターボ分子ポ
ンプの変位センサには、主として渦電流型センサ、誘導
型センサが用いられている。
【０００３】腐食環境下においては、変位センサを含め
磁気軸受を保護するためにこれらを何らかの保護材で覆
う必要がある。渦電流型センサ、誘導型センサ、静電容
量型センサを用いた磁気軸受装置は、テフロン等の樹脂
又はセラミック等の保護材で覆う構造も可能である。レ
ーザ等オプト系のセンサは、レーザ等が透過するガラス
のようなもので覆う必要がある。金属材で変位センサを
保護した場合は、上記渦電流型センサ、静電容量型セン
サ、レーザ等オプト系センサは使用できない。金属でも
非磁性体金属であれば誘導型センサは使用可能である。
【０００４】このような磁気軸受装置において、変位セ
ンサを含め磁気軸受をテフロン、セラミック、ガラス等
で保護するには製作、コスト、強度等の問題がある。ま
た、特殊な環境でガスコンタミが問題となる環境では、
テフロン、セラミック、ガラス等が使用できない場合も
ある。
【０００５】従って、このような場合は、非磁性体金属
材で保護する誘導型センサを用いることになるが、従来
方式では、誘導型センサ自身のキャリア周波数により発
生する磁界により、非磁性体金属隔壁表面で渦電流が発
生し、誘導型センサの検出信号の感度が低下（Ｓ／Ｎ比
が悪くなる）してしまう。
【０００６】また、磁気軸受は電磁石に電流を流し、そ
れによって発生する電磁力で制御対象を浮上制御する
が、その際、磁気軸受ユニットも非磁性体金属で覆う構
造とした場合、電磁石と誘導型センサが同一の非磁性体
金属隔壁で覆われてしまう構造になるため、電磁石が発
生する電磁ノイズ及び、この電磁ノイズで発生する非磁
性体金属隔壁表面の渦電流が非磁性体金属隔壁を通じて
誘導型センサに影響を与えてしまう。従って、非磁性体
金属隔壁で誘導型センサ及び、磁気軸受を保護する構造
を採用すると、誘導型センサに磁気的、電気的ノイズが
混入するため、磁気浮上制御が困難になる。
【０００７】図１は従来の磁気軸受装置の制御装置の回
路構成を示す図である。図１において、１は発振器であ
り、該発振器１の出力は演算増幅器２−１、２−２及び
電流制限抵抗器３−１、３−２、ケーブルＣＢを磁気軸
受ＭＣの浮上体５の位置変位（例えばＸ方向の位置変
位）を検出する直列に接続された一対の変位センサＺ
１、Ｚ２に出力される。変位点である変位センサＺ１と
Ｚ２の接続点の電位（センサ信号）Ｅｇを差動増幅器６
の−端子に入力すると共に、基準抵抗器Ｒａ、Ｒｂで設
定される基準点電位Ｅｓを＋端子に入力する。該差動増
幅器６の出力は同期検波回路７、位相補償回路８を通し
てドライブ回路９に入力される。
【０００８】ドライブ回路９は図２に示すように、コン
トロール部９−１とドライブ部９−２から構成され、コ
ントロール部９−１でドライブ部９−２のＰＷＭ制御を
する。ドライブ部９−２の出力は電磁石のコイル１０に
供給される。なお、４はコンデンサであり、該コンデン
サ４は変位センサＺ１、Ｚ２と並列共振させるためのコ
ンデンサである。
【０００９】上記構成の制御回路及び電磁石ドライブ部
において、変位センサＺ１、Ｚ２と浮上体５の間に非磁
性体金属からなる保護板を配置し、変位センサＺ１、Ｚ
２に誘導型センサを用いると上記のような問題、即ち非
磁性体金属材からなる保護板で発生する渦電流によるセ
ンサ検出信号の感度の低下、電磁石を駆動する電流によ
り発生する磁気による影響をセンサが受けてしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の点に鑑
みてなされたもので、少なくとも変位センサを非磁性体
金属材で保護した構成の磁気軸受を使用し、該非磁性体
金属材で発生する渦電流によりセンサ検出信号の感度が
低下（Ｓ／Ｎ比が悪くなる）することなく、更に電磁石
を駆動する電流により発生する磁気の影響を変位センサ
が受けることがなく精度の良い浮上制御ができる磁気軸
受装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
請求項１に記載の発明は、被浮上体を支持する電磁石と
該浮上体の被浮上体位置を検出する誘導型の変位センサ
と該変位センサ及び電磁石にケーブルを介して信号及び
励磁電流を供給するコントローラを具備する磁気軸受装
置であって、少なくとも変位センサと浮上体の間に非磁
性体金属材からなる保護板を配置した構成の磁気軸受装
置において、コントローラの浮上制御系内に非磁性体金
属材からなる保護板を配置したことにより発生する変位
センサへの異常信号混入を防止するフィルタ回路又はフ
ィルタ回路と位相補償回路を設けたことを特徴とする。
【００１２】上記のように、変位センサへの異常信号混
入を防止するフィルタ回路又はフィルタ回路と位相補償
回路を設けたことにより、変位センサに誘導型変位セン
サを用い、浮上体の間に非磁性体金属材からなる保護板
を配置しても、変位センサのＳ／Ｎ比を向上させ、変位
センサの機能を充分に発揮させることができる。
【００１３】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載の磁気軸受装置において、変位センサのヨークが
非磁性体金属材からなる保護板を貫通するか又は該保護
板のヨークが対向する部位に該ヨークと同一又は同質の
磁性体材を埋め込んでいることを特徴とする。
【００１４】上記のように変位センサのヨークが非磁性
体金属材からなる保護板を貫通するか又は該保護板のヨ
ークが対向する部位に該ヨークと同一又は同質の磁性体
材を埋め込むことにより、ヨークと被浮上体の間隔が保
護板の厚さだけ小さくなる。これによりセンサ感度が向
上し、浮上体の変位を精度良く検知できる。
【００１５】また、請求項３に記載の発明は、請求項１
又は２に記載の磁気軸受装置において、変位センサを構
成する変位を検出するセンサ素子の駆動をパワードライ
ブ化させることを特徴とする。
【００１６】上記のように変位センサを構成する変位を
検出するセンサ素子の駆動をパワードライブ化させるこ
とにより、変位センサの浮上体位置変位量に対する検出
信号の変化率が向上する。
【００１７】また、請求項４に記載の発明は、請求項１
乃至３のいずれか１項に記載の磁気軸受装置において、
電磁石の駆動部にＰＷＭドライバを用い、該ＰＷＭドラ
イバの出力部にコモンモードコイル又はノーマルモード
コイルのいずれか、又はその両方を設けたことを特徴と
する。
【００１８】上記のように、電磁石の駆動部にＰＷＭド
ライバを用い、該ＰＷＭドライバの出力部にコモンモー
ドコイル又はノーマルモードコイルのいずれか、又はそ
の両方を設けたことにより、磁気軸受を構成する電磁石
から発生する電磁ノイズを減少させることが可能とな
る。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態例を図
面に基づいて説明する。図３は本発明に係る磁気軸受装
置を構成する変位センサ及び電磁石の部分の断面構成例
を示す図である。図示するように、浮上体５と該浮上体
５を支持する電磁石１１及び該浮上体５の変位を検出す
る誘導型の変位センサ１３の間に非磁性体金属材からな
る保護板（キャン）１４を配置し、該非磁性体金属材か
らなる保護板１４で変位センサ１３と電磁石１１を保護
している。なお、変位センサ１３はセンサヨーク（コ
ア）１３ａの外周にセンサコイル１３ｂを装着した構成
であり、電磁石１１は電磁石ヨーク１１ａの外周に電磁
石コイル１０を装着した構成である。
【００２０】図４は本発明に係る磁気軸受装置の浮上制
御系統の構成を示す図である。発振器１の出力はパワー
ドライブ部１５の演算増幅器１５−１及びパワーブース
ト回路１５−２、演算増幅器１５−３、パワーブースト
回路１５−４及びケーブルＣＢを通して磁気軸受ＭＣの
浮上体５の位置変位を検出する直列に接続された一対の
変位センサＺ１、Ｚ２に出力される。変位点である変位
センサＺ１とＺ２の接続点の電位（センサ信号）Ｅｇは
ノイズ除去フィルタ部１６のバンドパスフィルタ１６−
１、バンドイリミネートフィルタ１６−２を通して差動
増幅器６の−端子に入力され、標準抵抗器Ｒａ、Ｒｂで
設定される基準点電位（基準信号）Ｅｓはノイズ除去フ
ィルタ部１６のバンドパスフィルタ１６−３、バンドイ
リミネートフィルタ１６−４、位相補償部１６−５を通
して差動増幅器６の＋端子に入力される。
【００２１】ドライブ回路９は図５に示すように、コン
トロール部９−１とドライブ部９−２から構成され、ド
ライブ部９−２の出力はコモンモードコイル１９及びケ
ーブルＣＢを通して電磁石１１のコイル１０に供給され
る。また、発振器１の出力は位相補償部１７、比較器
（コンパレータ）１８を通して同期検波回路７に入力さ
れる。
【００２２】上記のように浮上体５と該浮上体５を支持
する電磁石１１及び該浮上体５の変位を検出する変位セ
ンサ１３の間に非磁性体金属材からなる保護板（キャ
ン）１４を配置することにより、変位センサ１３の変位
センサ信号の渦電流ロス、電磁石から発生する磁気の影
響等でＳ／Ｎ比が悪くなる。これらの影響を減らしＳ／
Ｎ比を良くする手法として、変位センサ１３（図１の変
位センサＺ１、Ｚ２）を駆動する電流供給部にパワード
ライブ部１５を用い、センサ信号Ｅｇ、基準信号Ｅｓか
ら十分にノイズを除去するために、バンドパスフィルタ
１６−１、バンドイリミネートフィルタ１６−２、バン
ドパスフィルタ１６−３、バンドイリミネートフィルタ
１６−４及び位相補償部１６−５からなるノイズ除去フ
ィルタ部１６を用いたことにより、磁気軸受を構成する
電磁石１１を駆動する電流により発生する磁気の影響を
少なくし、安定した浮上制御が可能となる。
【００２３】また、センサ信号Ｅｇをバンドパスフィル
タ１６−１及びバンドイリミネートフィルタ１６−２を
通し、基準信号Ｅｓをバンドパスフィルタ１６−３及び
バンドイリミネートフィルタ１６−４を通すことにより
位相ずれが発生し、この位相ずれを補償する為に基準信
号Ｅｓ側に位相補償部１６−５を設けている。なお、こ
の位相補償部はセンサ信号Ｅｇ側にも設けても良い。ま
た、同期検波回路７に入力される発振器１からの信号も
位相補償部１７を通して位相補償している。上記のよう
に位相補償を行うことにより、変位センサ１３の感度の
最適化を行う。
【００２４】ドライブ回路９はコントロール部９−１及
びドライブ部９−２で構成され、コントロール部９−１
でドライブ部９−２をＰＷＭ制御している。図５に示す
ように、ドライブ部９−２の出力をコモンモードコイル
１９を通して電磁石１１のコイル１０に供給するように
構成することにより、ＰＷＭドライブのスイッチングノ
イズを減少させ、変位センサへの影響を減少させること
ができる。
【００２５】また、ドライブ回路９の出力を図６に示す
ようにノーマルモードコイル２０を通して電磁石１１の
コイル１０に供給するように構成することにより、ＰＷ
Ｍドライブに対する電流の過渡的な変化を減少させ、電
流の過渡的変化に起因するノイズを減少させ、変位セン
サ１３等への影響を減少させることができる。
【００２６】また、ドライブ回路９の出力を図７に示す
ように、コモンモードコイル１９及びノーマルモードコ
イル２０を通して電磁石１１のコイル１０に供給するよ
うに構成することにより、上記コモンモードコイル１９
とノーマルモードコイル２０の両作用により、ＰＷＭド
ライブに対するノイズを減少させ、変位センサ１３等へ
の影響を減少させることができる。
【００２７】磁気軸受は、例えば、エキシマレーザのよ
うに、腐食環境で且つ、有機系やＳｉ系のガスコンタミ
を嫌う場合、変位センサや電磁石をキャンで保護するキ
ャン構造が必要となる。キャンの材質としては、例え
ば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等の非磁性体の金属で
構成し、腐食やガスコンタミを押さえ、変位センサ１３
に誘導型変位センサを使用し、上記対応を施しセンサと
しての機能を充分に果たすことができる。
【００２８】図８は磁気軸受の電磁石のコイルに印加さ
れる電圧波形を示す図であり、図８（ａ）は従来の磁気
軸受装置の電圧波形、図８（ｂ）は本発明の磁気軸受装
置の電圧波形を示す。図から明らかなように、本発明の
磁気軸受装置では電磁石コイルに印加される電圧波形に
混入するノイズが大幅に減少する。
【００２９】図９は磁気軸受の位置センサのセンサ信号
の波形を示す図で、図９（ａ）は従来の磁気軸受装置の
センサ信号波形、図９（ｂ）は本発明の磁気軸受装置の
センサ信号波形を示す。図から明らかなように、本発明
の磁気軸受装置では電磁石からの電磁気ノイズの影響が
大幅に減少する。
【００３０】図１０は本発明に係る磁気軸受装置を構成
する変位センサ及び電磁石の部分の他の構成例を示す図
で、図１０（ａ）は断面図、図１０（ｂ）は（ａ）のＡ
−Ａ矢視図である。図示するように、変位センサ１３の
センサヨーク（センサコア）１３ａは非磁性体金属材か
らなる保護板１４を貫通して浮上体５に対向している。
また、電磁石１１の電磁石ヨーク（電磁石コア）１１ａ
も保護板１４を貫通して浮上体５に対向している。な
お、センサヨーク１３ａ及び電磁石ヨーク１１ａの保護
板１４の貫通部には溶接等による接合シール部１３ｃ及
び１１ｂを設ける。
【００３１】このようにセンサヨーク１３ａを保護板１
４を貫通させることにより、センサヨーク１３ａ及び電
磁石ヨーク１１ａと浮上体の間隔が保護板１４の厚さ分
小さくなる。これによりセンサ感度が向上し、浮上体５
の変位を精度良く検知できる。また、電磁石ヨーク１１
ａと浮上体５の間隔も保護板１４の厚さ分小さくなるの
で、浮上体５に作用する磁気力が大きくなり、その分電
磁石を小型化できる。
【００３２】なお、上記例では、センサヨーク１３ａ及
び電磁石ヨーク１１ａが保護板１４を貫通して浮上体５
に対向する構成としているが、この貫通部分にセンサヨ
ーク１３ａ及び電磁石ヨーク１１ａと同一又は同質の磁
性体材を埋め込む構成としても同一の作用効果が得られ
る。
【００３３】なお、上記構成の磁気軸受を腐食環境で使
用する場合には、センサヨーク１３ａ及び電磁石ヨーク
１１ａにはこの腐食環境に耐え得る磁性体材料を選択し
て用いる。
【００３４】
【発明の効果】以上、説明したように各請求項に記載の
発明によれば、下記のような優れた効果が期待できる。
【００３５】請求項１に記載の発明によれば、少なくと
も変位センサと浮上体の間に非磁性体金属材を配置して
該非磁性体金属材で保護した構成の磁気軸受装置におい
て、コントローラの浮上制御系内に非磁性体金属材から
なる保護板を配置したことにより発生する変位センサへ
の異常信号混入を防止するフィルタ回路又はフィルタ回
路と位相補償回路を設けたので、変位センサのＳ／Ｎ比
を向上させ、変位センサの機能を充分に発揮させること
ができ、安定した浮上制御が可能になる。
【００３６】また、請求項２に記載の発明によれば、変
位センサのヨークが非磁性体金属材からなる保護板を貫
通するか又は該保護板の前記ヨークが対向する部位に該
ヨークと同一又は同質の磁性体材を埋め込んでいるの
で、ヨークと被浮上体の間隔が保護板の厚さだけ小さく
なり、センサ感度が向上し、浮上体の変位を精度良く検
知できる。
【００３７】また、請求項３に記載の発明によれば、変
位センサを構成する変位を検出するセンサ素子の駆動を
パワードライブ化させるので、変位センサの浮上体位置
変位量に対する検出信号の変化率を向上させることがで
きる。
【００３８】また、請求項４に記載の発明によれば、電
磁石の駆動部にＰＷＭドライバを用い、該ＰＷＭドライ
バの出力部にコモンモードコイル又はノーマルモードコ
イルのいずれか、又はその両方を設けたので、磁気軸受
を構成する電磁石から発生する電磁ノイズの発生を減少
させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の磁気軸受装置の制御装置の回路構成を示
す図である。
【図２】従来の磁気軸受装置の電磁石ドライブ部の構成
を示す図である。
【図３】本発明に係る磁気軸受装置を構成する変位セン
サ及び電磁石の部分の断面構成例を示す図である。
【図４】本発明に係る磁気軸受装置の浮上制御系統の構
成例を示す図である。
【図５】本発明に係る磁気軸受装置の電磁石ドライブ部
の構成例を示す図である。
【図６】本発明に係る磁気軸受装置の電磁石ドライブ部
の構成例を示す図である。
【図７】本発明に係る磁気軸受装置の電磁石ドライブ部
の構成例を示す図である。
【図８】図８（ａ）は従来例の磁気軸受装置の電磁石コ
イルに印加される電圧波形、図８（ｂ）は本発明の磁気
軸受装置の電磁石コイルに印加される電圧波形を示す図
である。
【図９】図９（ａ）は従来の磁気軸受装置のセンサ信号
波形、図９（ｂ）は本発明の磁気軸受装置のセンサ信号
波形を示す図である。
【図１０】本発明に係る軸受装置を構成する変位センサ
及び電磁石の部分の構成例を示す図で、図１０（ａ）は
断面図、図１０（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。
【符号の説明】
１ 発振器 ４ コンデンサ ５ 浮上体 ６ 差動増幅器 ７ 同期検波回路 ８ 位相補償回路 ９ ドライブ回路 １０ 電磁石のコイル １１ 電磁石 １４ 保護板 １５ パワードライブ部 １６ ノイズ除去フィルタ部 １７ 位相補償部 １８ 比較器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 茨田 敏光 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原電産内 (72)発明者 大山 敦 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原電産内 (72)発明者 井上 正史 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原電産内 (72)発明者 関口 信一 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 篠崎 弘行 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 Ｆターム(参考） 2F063 AA02 AA06 BA03 DA01 DA05 DD03 GA13 3J102 AA01 BA03 BA17 CA10 CA27 DA03 DA09 DA16 DB05 DB24 DB27 DB37 GA06

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 被浮上体を支持する電磁石と該浮上体の
    被浮上体位置を検出する誘導型の変位センサと該変位セ
    ンサ及び電磁石にケーブルを介して信号及び励磁電流を
    供給するコントローラを具備する磁気軸受装置であっ
    て、少なくとも変位センサと前記浮上体の間に非磁性体
    金属材からなる保護板を配置した構成の磁気軸受装置に
    おいて、 前記コントローラの浮上制御系内に前記非磁性体金属材
    からなる保護板を配置したことにより発生する前記変位
    センサへの異常信号混入を防止するフィルタ回路又はフ
    ィルタ回路と位相補償回路を設けたことを特徴とする磁
    気軸受装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の磁気軸受装置におい
    て、 前記変位センサのヨークが前記非磁性体金属材からなる
    保護板を貫通するか又は該保護板の前記ヨークが対向す
    る部位に該ヨークと同一又は同質の磁性体材を埋め込ん
    でいることを特徴とする磁気軸受装置。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の磁気軸受装置に
    おいて、 前記変位センサを構成する変位を検出するセンサ素子の
    駆動をパワードライブ化させることを特徴とする磁気軸
    受装置。
  4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の
    磁気軸受装置において、 前記電磁石の駆動部にＰＷＭドライバを用い、該ＰＷＭ
    ドライバの出力部にコモンモードコイル又はノーマルモ
    ードコイルのいずれか、又はその両方を設けたことを特
    徴とする磁気軸受装置。
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