JP2001248640A - 制御型磁気軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転体が安定回転しているときの電力消費を
実質的に０にする制御型磁気軸受を提供する。 【解決手段】 回転体１の回転が安定すると、電磁石２
に供給する制御電流を０にして、相対向する一対の電磁
石２間の中間位置からずれた位置で回転体１を安定回転
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力貯蔵装置に用
いられる制御型磁気軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】フライホイールの回転によって電力を貯
蔵する電力貯蔵装置においては、フライホイールと一体
を成す回転体を非接触支持するために制御型磁気軸受が
用いられている。この制御型磁気軸受におけるラジアル
磁気軸受の電磁石は、例えば、周方向に２軸（Ｘ，Ｙ）
分、計２対配置されており、各電磁石は、所定のバイア
ス電流に制御電流を加減算した電流により制御される。
ところが、この電流による消費電力が比較的大きいこと
から電力貯蔵効率が低下する。そこで、バイアス電流分
の消費電力を節約すべく、永久磁石を用いて一定のバイ
アス電流に相当する磁界を付与することが考えられてい
る。

【０００３】図４の（ａ）は、ホモポーラ型ラジアル磁
気軸受の主要な構成を、回転体１の軸方向端からみた平
面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるｂ-ｂ線断面図で
ある。図において、回転体１の周囲には、周方向に２軸
（Ｘ，Ｙ）分、計４個（Ｘ１，Ｘ１’，Ｙ１，Ｙ１’）
の電磁石２が設けられている。各電磁石２は、馬蹄形の
コア２ａと、コア２ａに巻装されたコイル２ｂとを備え
ている。このコア２ａの中間には、永久磁石３が設けら
れている。このように構成されたラジアル磁気軸受で
は、永久磁石３が、バイアス電流に相当する磁界を生じ
るため、制御電流にのみ基づいて電力が消費される。従
って、理想的には、回転体１の振れ回り量が小さくなっ
て安定回転の状態となると、制御電流が０近くにまで低
下して、消費電力はほとんど０になることが期待され
る。消費電力がほとんど０になれば、高い電力貯蔵効率
を確保することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら実際に
は、上記のような従来の制御型磁気軸受では、例えば図
４の（ｂ）に示す相対向する一対の永久磁石３の磁束密
度Ｂ１，Ｂ１’が、磁石の個体差により、互いに一致し
ない（図示の例では、左の磁束密度Ｂ１の方が大き
い）。また、相対向する一対のコア２ａの仕上がり寸法
が、加工精度範囲で互いに微妙に異なっている。さらに
また、一対のコア２ａの取り付け位置が、浮上位置の回
転体１に対しての厳密な対称位置より組み立ての公差の
範囲でずれる。このような理由があいまって、一対の永
久磁石３が回転体１に及ぼす磁力は、相等しくない。こ
の結果、磁力の差を補正する制御電流が一対の電磁石２
のコイル２ｂに流れる。図４の（ｃ）は、このときの制
御電流のグラフであり、左右のグラフはそれぞれ（ｂ）
の左右のコイル２ｂに流れる制御電流を示している。こ
のように、回転体１が浮上位置で安定回転している場合
においても、制御電流が流れ、電力が消費される。これ
では、高い電力貯蔵効率の確保は困難である。

【０００５】上記のような従来の問題点に鑑み、本発明
は、回転体が安定回転しているときの電力消費を実質的
に０にする制御型磁気軸受を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の制御型磁気軸受
は、回転体を挟んで対向配置された一対の磁石を基本構
成とし、当該磁石は電磁石と永久磁石とを含む磁気軸受
と、前記回転体の変位に基づき前記磁気軸受に制御電流
を供給して前記回転体の位置制御を行うとともに、前記
回転体の回転が安定すると制御電流を０に変化させる制
御装置とを備えたものである。上記のように構成された
制御型磁気軸受においては、磁気軸受によって非接触支
持された回転体の回転が安定すると、制御装置は制御電
流を０に変化させる。これにより回転体は、一対の磁石
の物理的中間位置から永久磁石の磁力に対する中立位置
に移動して安定回転を維持する。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１の（ａ）は、ホモポーラ型ラ
ジアル磁気軸受の主要な構成を、回転体１の軸方向端か
らみた平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるｂ-ｂ線
断面図である。この回転体１は、電力貯蔵装置のフライ
ホイールと一体を成している。図において、回転体１の
周囲には、周方向に２軸（Ｘ，Ｙ）分、計４個（Ｘ１，
Ｘ１’，Ｙ１，Ｙ１’）の電磁石２が設けられている。
各電磁石２は、馬蹄形のコア２ａと、コア２ａに巻装さ
れたコイル２ｂとを備えている。このコア２ａの中間に
は、永久磁石３が設けられている。なお、上記の構成
は、図４に示したものと同一である。

【０００８】図２は、上記ラジアル磁気軸受を含む制御
型磁気軸受の構成を示すブロック図であり、当該制御型
磁気軸受の制御装置は、変位センサ４、Ａ／Ｄコンバー
タ５、ＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッサ）６、Ｄ
／Ａコンバータ７、増幅器８及び回転センサ９を備えて
いる。なお、電磁石２は一対のみを示しているが、他の
一対についても同様である。図において、回転中の回転
体１の変位（振れ回り量）は、変位センサ４によって検
出される。変位センサ４から出力されたアナログ変位信
号は、Ａ／Ｄコンバータ５によってディジタル変位信号
に変換され、ＤＳＰ６に入力される。ＤＳＰ６は、入力
されたディジタル変位信号に基づき、電磁石制御のため
の制御信号を出力する。制御信号は、Ｄ／Ａコンバータ
７によってアナログ値に変換され、増幅器８に与えられ
る。増幅器８はこれを正反転増幅して得た互いに符合の
異なる制御電流を、相対向する一対のコイル２ｂに与え
る。一方、永久磁石３（図１）による磁界は、電磁石２
及び回転体１に対して、バイアス電流による磁界と同様
に作用する。

【０００９】このようにして、回転体１は、変位を減少
させるように位置制御される。なお、回転体１の回転速
度は、回転センサ９によって検出され、回転速度に応じ
たパルス信号がＤＳＰ６に入力される。位置制御によ
り、回転体１は、図４の（ａ）及び（ｂ）に示される所
定の位置で浮上して、安定回転する。このとき回転体１
は、所定の回転速度で回転し、かつ、所定値以下の振れ
回り量で回転している。

【００１０】従来の技術として前述したように、このと
きの制御電流は０ではなく、図４の（ｃ）に示す値とな
る。この状態から、ＤＳＰ６は、回転体１の回転軸のラ
ジアル方向への移動に関する処理を実行する。図３は、
この処理内容を示すフローチャートである。

【００１１】図３において、ＤＳＰ６はまず、回転体１
が安定回転しているかどうかを、変位センサ４及び回転
センサ９の出力に基づいて判断する（ステップ１０
１）。ここで、判断結果がノーの場合、ＤＳＰ６は、ラ
ジアル方向への移動に関する処理を行うことなく、通常
の位置制御等の処理に戻る。一方、イエスの場合には、
ＤＳＰ６はステップ１０２に進み、制御電流が流れてい
るか、すなわちＤＳＰ６自身が制御電流の信号を出力し
ているか否かを判断する。ここでノーの場合、ＤＳＰ６
は、ラジアル方向への移動に関する処理を行うことな
く、通常の位置制御等の処理に戻る。一方、イエスの場
合には、ステップ１０３へ進み、Ｘ方向（又はＹ方向）
へ回転体１を移動させるべく、制御電流を０に近づける
方向に一定量変化させる。これにより回転体１は、相対
向する一対の磁石（電磁石２及び永久磁石３）の磁力の
強弱に応じて一方に接近するように移動する。ステップ
１０４において、ＤＳＰ６は、制御電流が０になったか
否かを判断し、ノーであればさらにステップ１０３によ
る移動を行う。

【００１２】ステップ１０３及び１０４が繰り返し実行
されることによって制御電流は０になり、回転体１は図
１の（ａ）及び（ｂ）に示すように一方の電磁石２に接
近する（なお、実際にはわずかな移動量であるが、図で
は移動量を誇張して表現している。）。このようにし
て、回転体１を、一対の磁石（電磁石２及び永久磁石
３）間の物理的中間位置から永久磁石３の磁力に対する
中立位置に移動させることにより、制御電流を滅失させ
ることができる。図１の（ｃ）は、このときの制御電流
のグラフであり、左右のグラフはそれぞれ（ｂ）の左右
のコイル２ｂに流れる制御電流を示している。このよう
に制御電流が０になることにより、増幅器８における消
費電力が発生しなくなる。増幅器８以外の制御装置の各
要素における消費電力は非常に少ないため、この状態で
は実質的に電力の消費がないことになり、フライホイー
ルと一体の回転体１が所定の回転速度を維持しながら回
転しつづける。従って、電力貯蔵効率が良い。その後、
ＤＳＰ６は、ステップ１０５に進み、回転体１の振れ回
り量を監視する。回転体１の振れ回り量が増大して所定
値を越えた場合、ＤＳＰ６は本来の位置制御等の処理に
戻る。

【００１３】なお、上記の実施形態は、ホモポーラ型の
電磁石２について説明したが、ヘテロポーラ型電磁石に
ついても、同様の構成を採り入れることができる。

【００１４】

【発明の効果】以上のように構成された本発明は以下の
効果を奏する。請求項１の制御型磁気軸受によれば、回
転体の回転が安定すると制御電流が０に変化して、回転
体は、一対の磁石の物理的中間位置から永久磁石の磁力
に対する中立位置に移動して安定回転を維持するので、
制御電流による電力を消費することなく回転体の安定回
転を維持することができる。従って、当該制御型磁気軸
受を電力貯蔵装置に用いることにより、高い電力貯蔵効
率を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態による制御型磁
気軸受のラジアル磁気軸受の構成を、回転体の軸方向端
から見た図である。また、（ｂ）は（ａ）におけるｂ-
ｂ線断面図、（ｃ）は（ｂ）に示す左右の電磁石のコイ
ルにそれぞれ流れる制御電流を示すグラフである。

【図２】上記ラジアル磁気軸受を含む本発明の一実施形
態による制御型磁気軸受の構成を示すブロック図であ
る。

【図３】上記制御型磁気軸受のＤＳＰによって実行され
る回転体の回転軸の移動に関する処理のフローチャート
である。

【図４】図１と同様の図であるが、回転体が相対向する
磁石の物理的中間位置にある場合の状態を示している。

【符号の説明】

１ 回転体 ２ 電磁石 ３ 永久磁石 ４ 変位センサ ５ Ａ／Ｄコンバータ ６ ＤＳＰ ７ Ｄ／Ａコンバータ ８ 増幅器 ９ 回転センサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転体を挟んで対向配置された一対の磁石
   を基本構成とし、当該磁石は電磁石と永久磁石とを含む
   磁気軸受と、 前記回転体の変位に基づき前記磁気軸受に制御電流を供
   給して前記回転体の位置制御を行うとともに、前記回転
   体の回転が安定すると制御電流を０に変化させる制御装
   置とを備えたことを特徴とする制御型磁気軸受。