JP3565894B2

JP3565894B2 - Magnetic bearing device

Info

Publication number: JP3565894B2
Application number: JP05409594A
Authority: JP
Inventors: 雅之山本
Original assignee: セイコーインスツルメンツ株式会社
Priority date: 1994-03-24
Filing date: 1994-03-24
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2019-09-15
Also published as: JPH07259854A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、磁気軸受装置に係り、例えば、回転体の不釣合により発生する振動を抑制する磁気軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転体を磁気軸受で支持するシステムにおいては、「回転体の回転軸」と「重心」とのずれに基づく不釣り合いが、回転体に生じる場合がある。このような場合に磁気軸受は、前記不釣り合いに起因する「回転体の振れ回り」を抑えつけようとするため、回転周波数に同期した周期的な制御力を発生する。この周期的な制御力により磁気軸受電磁石が配置されたステータ側に、回転周波数成分の振動が発生する。
【０００３】
一方、磁気軸受は、例えばターボ分子ポンプに使用される場合がある。ターボ分子ポンプは、振動を極度に嫌う電子顕微鏡や半導体製造装置等に使用されるため、前述の不釣り合いによって生じるステータ側の振動は、好ましくない。
従来、前述のような振動を防ぐ手段として「磁気懸垂方式ロータに於ける同期妨害補償装置」（特公昭６０−１４９２９号公報）が知られている。
【０００４】
この特公昭では、センサで検出した回転体と電磁石とのギャップに基づくギャップ変位信号の内、回転体の回転周波数成分の信号をフィルタで除去することにより、電磁石が前記回転周波数に同期した周期的な制御力を発生しないようにしている。
【０００５】
その結果、回転体は慣性中心（重心中心）で回転を行う。このようにすれば、回転体の振れ回りは残るが、回転周波数に同期した周期的な制御力によって発生するステータ側の振動を減少させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特公昭によっては、ステータ側の振動を大幅に減少させることができず、前述の振動を極度に嫌う用途で磁気軸受を使用する場合には、その残留分の振動が問題点となっていた。
【０００７】
ここで、前記特公昭では、ステータ側の振動を大幅に減少させることができない理由を、数式を用いて詳細に説明する。
図６に示すように、一般に、磁気軸受に使用される電磁石Ｍが発生する吸引力Ｆは、（１）式で表される。
【０００８】
Ｆ＝Ｋ（Ｉ／ｘ）^２ …（１）
ここに、Ｋは電磁石の形状や巻数で決まる係数、Ｉは電磁石電流、ｘは電磁石部のギャップである。
通常、磁気軸受では電磁石Ｍの吸引力を線形化するために、直流バイアス電流Ｉ０を重畳しており、また、回転体Ｒの位置制御信号による電磁石電流Ｉの変動分をΔＩとすると、電磁石電流Ｉは（２）式で表される。
【０００９】
Ｉ＝Ｉ０＋ΔＩ …（２）
一方、電磁石部のギャップの定常値をｘ０、ギャップの変動分をΔｘとすると、電磁石部のギャップｘは（３）式で表される。
ｘ＝ｘ０＋Δｘ …（３）
従って、（２）、（３）式を（１）式に代入すると、（４）式となる。
【００１０】
Ｆ＝Ｋ｛（Ｉ０＋ΔＩ）／（ｘ０＋Δｘ）｝^２ …（４）
この（４）式から明らかなように、「回転浮上時」における吸引力Ｆには、ギャップの変動分Δｘと電磁石電流の変動分ΔＩとが含まれ、「回転浮上時」における電磁石が発生する吸引力Ｆは変動することが分かる。
【００１１】
また、直流バイアス電流Ｉ０および電磁石部の定常値のギャップｘ０は、予め設定可能な値である。前記電流Ｉ０およびギャップｘ０の条件が与えられた場合に、回転体Ｒの「静止浮上時」における電磁石Ｍが発生する力Ｆ０は、（５）式で表される。
【００１２】
Ｆ０＝Ｋ（Ｉ０／ｘ０）^２ …（５）
この（５）式から明らかなように、「静止浮上時」における吸引力Ｆ０には、前述の変動分Δｘ、ΔＩが含まれておらず、吸引力Ｆ０は変動しないことが分かる。
【００１３】
一方、回転体Ｒの回転中におけるギャップの変動分Δｘは、主に回転体Ｒの振れ回りによって生じる。ギャップの変動分Δｘは、ギャップ変位センサで検出され、磁気軸受制御回路にフィードバックされる。フィードバックされたギャップの変動分Δｘは、ＰＩＤ（比例積分微分）補償器などを通して電流指令値が得られ、この電流指令値によって電磁石電流の変動分ΔＩが決定される。
【００１４】
そして、通常、ギャップの変動分Δｘを「０」に近づけるように電磁石電流の変動分ΔＩが変化するようにしている。
しかしながら、前記特公昭では、図６に示すように、振れ回り信号（ギャップの変動分）Δｘのパワースペクトラム中で回転体の回転周波数の成分に注目し、回転周波数に同期したトラッキング式帯域除去フィルタ５１を用いて電流指令値の回転周波数成分を除去し、更にＰＩＤ補償器５２を介して電流指令値〔Δｉ〕を生成している。
【００１５】
従って、回転周波数成分のみを考えると、（４）式は（６）式で表される。
Ｆ＝Ｋ｛Ｉ０／（ｘ０＋Δｘ）｝^２ …（６）
この（６）式から明らかなように、回転体Ｒの位置制御電流による電磁石電流の変動分ΔＩに基づく吸引力変動はなくなるが、振れ回り信号（ギャップの変動分）Δｘによる吸引力変動は残り、ステータ側の振動を大幅に減少させることができなかった。
【００１６】
そのため、例えば、電子顕微鏡にターボ分子ポンプを使う場合など、用途によっては振動減衰用の機械的なダンパーを別に設ける必要があった。
そこで、本発明の目的は、ステータ側の振動を大幅に減少させる磁気軸受装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、回転体と、この回転体を所定位置で磁気支持する電磁石と、前記回転体と電磁石とのギャップの変位を検出する変位検出手段と、前記変位検出手段で検出された回転体と電磁石とのギャップの変動分信号の内、回転体の回転周波数成分を抽出する周波数抽出手段と、この周波数抽出手段で抽出した回転周波数成分に、前記電磁石に供給する電磁石電流の一部をなす直流バイアス電流を乗算すると共に、前記回転体が所定位置に存在する場合におけるギャップの定常値で除算する第１演算手段と、前記直流バイアス電流に対して、前記第１演算手段の出力結果を加算または減算する第２演算手段とを備えて、前記目的を達成する。
【００１８】
請求項２記載の発明では、前記周波数抽出手段を、帯域通過フィルタで構成して、前記目的を達成する。
請求項３記載の発明では、前記周波数抽出手段は、前記ギャップの変動分信号の内、回転体の回転周波数成分を除去する帯域除去フィルタと、前記ギャップの変動分信号から、前記帯域除去フィルタの出力信号を減算する減算器とを備えて、前記目的を達成する。
【００１９】
【作用】
請求項１記載の磁気軸受装置では、周波数抽出手段は、変位検出手段で検出した回転体と電磁石とのギャップの変動分信号の内、回転体の周波数成分を抽出する。第１演算手段は、周波数抽出手段で抽出された回転体周波数成分に、電磁石に供給する電流を形成する直流バイアス電流を乗算すると共に、前記回転体が所定位置に存在する場合におけるギャップの定常値で除算を行う。第２演算手段は、前記直流バイアス電流に対して、前記第１演算手段の出力結果を加算または減算する。
【００２０】
この加算または減算結果を電磁石に供給すると、電磁石に供給する電流の変動分およびギャップの変動分がキャンセルされ、電磁石の吸引力は、直流バイアス電流とギャップの定常値等の一定値によって決定される。
従って、回転体に振れ回りが発生したとしても、電磁石の吸引力は一定なので、ステータ側には振動が発生しない。
【００２１】
請求項２記載の磁気軸受装置では、前記周波数抽出手段を帯域通過フィルタで構成し、周波数抽出を行う。
請求項３記載の磁気軸受装置では、帯域除去フィルタが、ギャップの変動分信号の内、回転体の回転周波数成分を除去する。減算器は、ギャップの変動分信号から、前記帯域除去フィルタの出力信号を減算する。従って、ギャップの変動信号の内、回転体の周波数成分を抽出する場合と等価的な処理がなされる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の磁気軸受装置の実施例を図１ないし図５を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施例の磁気軸受装置の１軸分の構成図である。
【００２３】
図１に示すように、回転体（ロータ）Ｒの上下にはギャップｘを隔てて一対の第１電磁石（＋側電磁石）１ａおよび第２電磁石（−側電磁石）１ｂが配置されている。第１電磁石１ａには第１コイル２ａが巻回され、第１コイル２ａは、第１パワーアンプ３ａに接続されている。
【００２４】
また、第２電磁石１ｂには第２コイル２ｂが巻回され、第２コイル２ｂは、第２パワーアンプ３ｂに接続されている。
第１と第２パワーアンプ３ａ、３ｂは、電磁石の吸引力変動を「０」に抑える動作を行う磁気軸受制御回路４（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ）に接続されている。なお、磁気軸受制御回路４Ａは第１実施例であり、磁気軸受制御回路４Ｂは第２実施例であり、磁気軸受制御回路４Ｃは第３実施例である。第１〜第３実施例については、それぞれ図２ないし図５に基づいて、その構成を後述する。
【００２５】
また、ロータＲの近傍には、ロータＲと第１電磁石１ａとのギャップｘの変位を検出する変位センサ５が配置されている。変位センサ５で検出された変位信号は、変位検出回路６に送られて所定の処理が行われ、振れ回り信号（ギャップの変動分）Δｘとして磁気軸受制御回路４に送出される。
【００２６】
▲１▼第１実施例
次に、図２および図３（ａ）、（ｂ）に基づいて、第１実施例の磁気軸受制御回路４Ａの構成および動作を説明する。
図２に示すように、変位検出回路６から出力されたギャップの変動分Δｘは、帯域通過フィルタ４１と帯域除去フィルタ４２とに入力される。
【００２７】
図３（ａ）は、帯域通過フィルタ４１の周波数特性図であり、図３（ｂ）は帯域除去フィルタ４２の周波数特性図である。
図３（ｂ）に示すように、帯域除去フィルタ４２は、回転体Ｒの回転周波数ｆｒの信号成分を除去し、また、図３（ａ）に示すように、帯域通過フィルタ４１は、ゲイン０ｄＢ（１倍）で回転周波数ｆｒの信号成分を通過させる。
【００２８】
帯域通過フィルタ４１を通過したゲイン０ｄＢの回転周波数ｆｒの信号成分は、乗算器４３でＩ０／ｘ０倍され、回転周波数成分のみに着目した変動電流成分〔ΔＩ２〕が生成される。ここに、Ｉ０は、電磁石に流す直流バイアス電流であり、ｘ０は、ギャップの定常値である。この変動電流成分〔ΔＩ２〕は、（７）式のように表される。
【００２９】
〔ΔＩ２〕≒（Ｉ０／ｘ０）Δｘ …（７）
一方、回転周波数ｆｒの信号成分は、帯域除去フィルタ４２で除去され、ＰＩＤ補償器４４を通過する。ＰＩＤ補償器４４の出力である回転周波数成分のみに着目した変動電流成分〔ΔＩ１〕は、（８）式で表される。
【００３０】
〔ΔＩ１〕≒０ …（８）
従って、〔ΔＩ１〕と〔ΔＩ２〕とが加算器４５で加算された変動電流指令値〔ΔＩ〕は、（９）式で表される。
〔ΔＩ〕＝〔ΔＩ１〕＋〔ΔＩ２〕≒（Ｉ０／ｘ０）Δｘ …（９）
従って、加算器４６で直流バイアス電流Ｉ０に変動電流指令値〔ΔＩ〕が加算されて生成される＋側電磁石電流指令値〔Ｉ＋〕と、減算器４７で直流バイアス電流Ｉ０から変動電流指令値〔ΔＩ〕が減算されて生成される−側電磁石電流指令値〔Ｉ−〕とは、それぞれ（１０）、（１１）式のようになる。
【００３１】

（９）式よりロータＲがΔｘだけ変位（ギャップの変動分）した場合に、実際の電磁石電流の変動分ΔＩは、（１２）式で表される。
【００３２】
ΔＩ＝（Ｉ０／ｘ０）Δｘ …（１２）
従って、（１２）式を（４）式に代入すると、「＋側電磁石の吸引力Ｆ＋」と「−側電磁石の吸引力Ｆ−」とは、それぞれ（１３）、（１４）式で表される。

これら（１３）、（１４）式から明らかなように、ロータＲに振れ回りが発生していても、「＋側電磁石の吸引力Ｆ＋」および「−側電磁石の吸引力Ｆ−」がそれぞれ一定となるので、ステータ側には振動が発生しない。
【００３３】
▲２▼第２実施例
図４は、磁気軸受制御回路４の第２実施例のブロック図である。
図４に示すように、第２実施例の磁気軸受制御回路４Ｂは、前述の帯域除去フィルタ４２（図２参照）を用いる代わりに、帯域通過フィルタ４１の出力を乗算器４３に供給すると共に、ギャップの変動分Δｘから帯域通過フィルタ４１の出力を減算し、ＰＩＤ補償器４４に入力するようにしたものである。
【００３４】
このように構成すると、ＰＩＤ補償器４４の入力側には、図３（ｂ）に示した特性の帯域除去フィルタを通過し、回転周波数ｆｒが除去された場合とほぼ等価な信号が供給される。
このように構成しても、ＰＩＤ補償器４４の出力は〔ΔＩ１〕となる。
【００３５】
従って、第１実施例と同様に、「＋側電磁石の吸引力Ｆ＋」と、「−側電磁石の吸引力Ｆ−」とは（１５）、（１６）式のようになる。
Ｆ＋＝Ｋ（Ｉ０／ｘ０）^２ …（１５）
Ｆ−＝Ｋ（Ｉ０／ｘ０）^２ …（１６）
よって、ロータＲに振れ回りが発生していても、「＋側電磁石の吸引力Ｆ＋」および「＋側電磁石の吸引力Ｆ−」がそれぞれ一定となるので、ステータ側には振動が発生しない。
【００３６】
▲３▼第３実施例
図５は、磁気軸受制御回路４の第３実施例のブロック図である。
図５に示すように、第３実施例の磁気軸受制御回路４Ｃは、前述の帯域通過フィルタ４１（図２参照）を用いる代わりに、帯域除去フィルタ４２の出力をＰＩＤ補償器４４に供給すると共に、減算器４８でギャップの変動分Δｘから帯域除去フィルタ４２の出力を減算し、乗算器４３に入力するようにしたものである。
【００３７】
このように構成すると、乗算器４３の入力側には、図３（ａ）に示した特性の帯域通過フィルタを通過し、回転周波数ｆｒが抽出された場合とほぼ等価な信号が供給される。
このように構成しても、乗算器４３の出力は〔ΔＩ２〕となる。
【００３８】
従って、第１実施例と同様に、「＋側電磁石の吸引力Ｆ＋」と、「−側電磁石の吸引力Ｆ−」とは（１７）、（１８）式のようになる。
Ｆ＋＝Ｋ（Ｉ０／ｘ０）^２ …（１７）
Ｆ−＝Ｋ（Ｉ０／ｘ０）^２ …（１８）
よって、ロータＲに振れ回りが発生していても、「＋側電磁石の吸引力Ｆ＋」および「＋側電磁石の吸引力Ｆ−」がそれぞれ一定となるので、ステータ側には振動が発生しない。
【００３９】
以上、第１実施例ないし第３実施例で説明したように、回転体の不釣り合いによってステータ側に発生する回転周波数成分の不釣り合い振動を著しく減少させることができるため、例えば、ターボ分子ポンプを電子顕微鏡などに装着する際に必要とされていた機械式のダンパなどを省略することが可能となり、装置全体の小型化、コストダウンを行える。
【００４０】
また、従来、振れ回りによる振動を抑えるために行っていたロータの精密なバランス取が不要となるため、バランス取工程の時間が大幅に短縮される。
なお、帯域除去フィルタ４１、帯域通過フィルタ４２は、フィルタの中心周波数が回転周波数に同期して変化するトラッキング方式でもよいし、定常回転周波数に設定された固定方式でもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、変位検出手段が検出した回転体と電磁石とのギャップの変位に伴う信号の内、周波数抽出手段が抽出した回転体の回転周波数成分を取り出し、所定の処理をした後、電磁石に供給しているので、ギャップ変動分および電磁石に供給する電流の変動分がキャンセルされ、電磁石の吸引力は一定となる。従って、回転体の振れ回りがあっても、電磁石の吸引力は一定なので、ステータ側には振動が発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の磁気軸受装置を適用する磁気軸受制御システムの１軸分の構成図である。
【図２】同上、磁気軸受制御回路の第１実施例のブロック図である。
【図３】同上、第１実施例に用いるフィルタの周波数特性図であって、（ａ）は帯域通過フィルタ、（ｂ）は帯域除去フィルタである。
【図４】同上、磁気軸受制御回路の第２実施例のブロック図である。
【図５】同上、磁気軸受制御回路の第３実施例のブロック図である。
【図６】一般的な電磁石における電磁石電流の変動とギャップの変動との関係を説明する図である。
【図７】従来の磁気軸受制御回路の例を示すブロック図である。
【符号の説明】
Ｒロータ（回転体）
１ａ、１ｂ電磁石
３ａ、３ｂパワーアンプ
４磁気軸受制御回路
４Ａ第１実施例の磁気軸受制御回路
４Ｂ第２実施例の磁気軸受制御回路
４Ｃ第３実施例の磁気軸受制御回路
４１帯域通過フィルタ（周波数抽出手段）
４２帯域除去フィルタ（周波数抽出手段）
４３乗算器（第１演算手段）
４４ＰＩＤ補償器
４６加算器（第２演算手段）
４７減算器（第２演算手段）[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a magnetic bearing device, for example, to a magnetic bearing device that suppresses vibration generated due to unbalance of a rotating body.
[0002]
[Prior art]
In a system in which a rotating body is supported by magnetic bearings, an imbalance may occur in the rotating body based on a difference between a “rotation axis of the rotating body” and a “center of gravity”. In such a case, the magnetic bearing generates a periodic control force synchronized with the rotation frequency in order to suppress “whirl of the rotating body” due to the unbalance. Due to this periodic control force, vibration of a rotational frequency component is generated on the stator side on which the magnetic bearing electromagnet is arranged.
[0003]
On the other hand, a magnetic bearing may be used for a turbo-molecular pump, for example. Since the turbo-molecular pump is used in an electron microscope or a semiconductor manufacturing apparatus which extremely dislikes vibration, the vibration on the stator side caused by the above-described imbalance is not preferable.
Hitherto, as a means for preventing the above-mentioned vibration, a "synchronous disturbance compensator for a magnetic suspension rotor" (Japanese Patent Publication No. 60-14929) is known.
[0004]
In this special publication, the filter of the rotation frequency component of the rotating body is removed by a filter out of the gap displacement signal based on the gap between the rotating body and the electromagnet detected by the sensor, so that the electromagnet is periodically synchronized with the rotation frequency. Control force is not generated.
[0005]
As a result, the rotating body rotates around the center of inertia (center of gravity). By doing so, the whirling of the rotating body remains, but the vibration on the stator side generated by the periodic control force synchronized with the rotation frequency can be reduced.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the above-mentioned Japanese Patent Publication, the vibration on the stator side cannot be reduced significantly, and when a magnetic bearing is used in applications where the aforementioned vibration is extremely disliked, the residual vibration becomes a problem. I was
[0007]
Here, in the above-mentioned Japanese Patent Publication No. Sho, the reason why the vibration on the stator side cannot be greatly reduced will be described in detail using mathematical expressions.
As shown in FIG. 6, in general, an attractive force F generated by an electromagnet M used for a magnetic bearing is expressed by the following equation (1).
[0008]
F = K (I / x) ² (1)
Here, K is a coefficient determined by the shape and the number of turns of the electromagnet, I is the electromagnet current, and x is the gap of the electromagnet portion.
Normally, in the magnetic bearing, a DC bias current I0 is superimposed to linearize the attraction force of the electromagnet M, and when a variation of the electromagnet current I due to the position control signal of the rotating body R is ΔI, the electromagnet current I is represented by equation (2).
[0009]
I = I0 + ΔI (2)
On the other hand, assuming that the steady value of the gap of the electromagnet portion is x0 and the variation of the gap is Δx, the gap x of the electromagnet portion is expressed by the equation (3).
x = x0 + Δx (3)
Therefore, when the equations (2) and (3) are substituted into the equation (1), the equation (4) is obtained.
[0010]
F = K {(I0 + ΔI) / (x0 + Δx)} ² (4)
As is apparent from the equation (4), the attraction force F at the time of “rotational levitating” includes the gap variation Δx and the electromagnet current variation ΔI, and the electromagnet is generated at “rotational floating”. It can be seen that the suction force F varies.
[0011]
The gap x0 between the DC bias current I0 and the steady value of the electromagnet unit is a value that can be set in advance. When the conditions of the current I0 and the gap x0 are given, the force F0 generated by the electromagnet M when the rotating body R is "at the time of stationary levitation" is expressed by Expression (5).
[0012]
F0 = K (I0 / x0) ² (5)
As is apparent from the equation (5), the suction force F0 in “at the time of stationary floating” does not include the above-mentioned fluctuations Δx and ΔI, and it is understood that the suction force F0 does not change.
[0013]
On the other hand, the gap variation Δx during rotation of the rotating body R is mainly caused by whirling of the rotating body R. The gap variation Δx is detected by the gap displacement sensor and fed back to the magnetic bearing control circuit. A current command value is obtained from the fed gap variation Δx through a PID (proportional-integral-derivative) compensator or the like, and the electromagnet current variation ΔI is determined by the current command value.
[0014]
Then, usually, the variation ΔI of the electromagnet current is changed so that the variation Δx of the gap approaches “0”.
However, in the above-mentioned Japanese Patent Publication, as shown in FIG. 6, the tracking frequency band elimination filter synchronized with the rotation frequency is focused on the rotation frequency component of the rotator in the power spectrum of the whirling signal (gap variation) Δx. The rotation frequency component of the current command value is removed by using 51, and the current command value [Δi] is generated via the PID compensator 52.
[0015]
Therefore, considering only the rotation frequency component, equation (4) is represented by equation (6).
F = K {I0 / (x0 + Δx)} ² (6)
As is apparent from the equation (6), the attraction force fluctuation based on the fluctuation amount ΔI of the electromagnet current due to the position control current of the rotating body R disappears, but the attraction force fluctuation due to the whirling signal (gap fluctuation amount) Δx remains. However, the vibration on the stator side could not be significantly reduced.
[0016]
For this reason, for example, when a turbo-molecular pump is used for an electron microscope, a mechanical damper for damping vibration needs to be separately provided depending on the application.
Therefore, an object of the present invention is to provide a magnetic bearing device that significantly reduces the vibration on the stator side.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In the invention described in claim 1, the rotating body, an electromagnet that magnetically supports the rotating body at a predetermined position, a displacement detecting unit that detects a displacement of a gap between the rotating body and the electromagnet, and the displacement detecting unit that detects the displacement. Frequency extracting means for extracting the rotational frequency component of the rotating body from the fluctuation signal of the gap between the rotating body and the electromagnet, and the rotational frequency component extracted by the frequency extracting means, which includes one of the electromagnet currents supplied to the electromagnet. A first calculating means for multiplying a DC bias current forming a portion and dividing by a steady value of a gap when the rotating body is at a predetermined position; and an output of the first calculating means for the DC bias current. The above object is achieved by providing a second operation means for adding or subtracting a result.
[0018]
According to the second aspect of the present invention, the above-mentioned object is achieved by configuring the frequency extracting means with a band-pass filter.
In the invention according to claim 3, the frequency extracting means includes a band elimination filter for removing a rotation frequency component of a rotating body from the gap variation signal, and a band elimination filter for the band elimination filter based on the gap variation signal. The above object is achieved by providing a subtractor for subtracting an output signal.
[0019]
[Action]
In the magnetic bearing device according to the first aspect, the frequency extracting means extracts the frequency component of the rotating body from the variation signal of the gap between the rotating body and the electromagnet detected by the displacement detecting means. The first calculating means multiplies the rotating body frequency component extracted by the frequency extracting means by a DC bias current forming a current to be supplied to the electromagnet, and further comprises a stationary value of a gap when the rotating body is at a predetermined position. Divide by. The second calculating means adds or subtracts an output result of the first calculating means to or from the DC bias current.
[0020]
When this addition or subtraction result is supplied to the electromagnet, the variation of the current supplied to the electromagnet and the variation of the gap are canceled, and the attraction force of the electromagnet is determined by the DC bias current and a constant value such as a steady value of the gap. .
Therefore, even if whirling occurs in the rotating body, the attracting force of the electromagnet is constant, and no vibration is generated on the stator side.
[0021]
In the magnetic bearing device according to the second aspect, the frequency extracting means is constituted by a band-pass filter to perform frequency extraction.
In the magnetic bearing device according to the third aspect, the band elimination filter removes a rotational frequency component of the rotating body from the gap variation signal. The subtractor subtracts the output signal of the band elimination filter from the gap variation signal. Therefore, processing equivalent to the case of extracting the frequency component of the rotating body from the gap fluctuation signal is performed.
[0022]
【Example】
Hereinafter, an embodiment of a magnetic bearing device of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
FIG. 1 is a configuration diagram of one axis of a magnetic bearing device according to an embodiment of the present invention.
[0023]
As shown in FIG. 1, a pair of first electromagnets (+ -side electromagnets) 1a and second electromagnets (--side electromagnets) 1b are arranged above and below a rotating body (rotor) R with a gap x therebetween. A first coil 2a is wound around the first electromagnet 1a, and the first coil 2a is connected to a first power amplifier 3a.
[0024]
The second coil 2b is wound around the second electromagnet 1b, and the second coil 2b is connected to the second power amplifier 3b.
The first and second power amplifiers 3a, 3b are connected to a magnetic bearing control circuit 4 (4A, 4B, 4C) which performs an operation of suppressing the attraction force fluctuation of the electromagnet to "0". The magnetic bearing control circuit 4A is a first embodiment, the magnetic bearing control circuit 4B is a second embodiment, and the magnetic bearing control circuit 4C is a third embodiment. The configuration of the first to third embodiments will be described later with reference to FIGS.
[0025]
Further, a displacement sensor 5 that detects a displacement of the gap x between the rotor R and the first electromagnet 1a is disposed near the rotor R. The displacement signal detected by the displacement sensor 5 is sent to a displacement detection circuit 6 where a predetermined process is performed, and sent to the magnetic bearing control circuit 4 as a whirling signal (gap variation) Δx.
[0026]
(1) First Embodiment Next, the configuration and operation of the magnetic bearing control circuit 4A of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3A and 3B.
As shown in FIG. 2, the gap variation Δx output from the displacement detection circuit 6 is input to the band-pass filter 41 and the band elimination filter 42.
[0027]
FIG. 3A is a frequency characteristic diagram of the band-pass filter 41, and FIG. 3B is a frequency characteristic diagram of the band elimination filter 42.
As shown in FIG. 3B, the band elimination filter 42 removes a signal component of the rotation frequency fr of the rotator R. As shown in FIG. 3A, the band-pass filter 41 has a gain of 0 dB. The signal component of the rotation frequency fr is passed at (1).
[0028]
The signal component of the rotation frequency fr having a gain of 0 dB that has passed through the band-pass filter 41 is multiplied by I0 / x0 by the multiplier 43, and a fluctuating current component [ΔI2] focusing only on the rotation frequency component is generated. Here, I0 is a DC bias current flowing through the electromagnet, and x0 is a steady value of the gap. This fluctuating current component [ΔI2] is expressed as in equation (7).
[0029]
[ΔI2] ≒ (I0 / x0) Δx (7)
On the other hand, the signal component of the rotation frequency fr is removed by the band elimination filter 42 and passes through the PID compensator 44. The fluctuating current component [ΔI1] focusing only on the rotation frequency component output from the PID compensator 44 is expressed by the equation (8).
[0030]
[ΔI1] ≒ 0 (8)
Therefore, the fluctuating current command value [ΔI] obtained by adding [ΔI1] and [ΔI2] by the adder 45 is expressed by the equation (9).
[ΔI] = [ΔI1] + [ΔI2] ≒ (I0 / x0) Δx (9)
Accordingly, the + side electromagnet current command value [I +] generated by adding the fluctuating current command value [ΔI] to the DC bias current I0 in the adder 46, and the fluctuating current command value [I +] from the DC bias current I0 in the subtractor 47. Δ-I] is subtracted from the minus-side electromagnet current command value [I-], as shown in equations (10) and (11).
[0031]

From equation (9), when the rotor R is displaced by Δx (gap variation), the actual electromagnet current variation ΔI is expressed by equation (12).
[0032]
ΔI = (I0 / x0) Δx (12)
Therefore, when the expression (12) is substituted into the expression (4), the “attraction force F + of the positive electromagnet” and the “attraction force F− of the negative electromagnet” are expressed by the expressions (13) and (14), respectively. You.

As is clear from the expressions (13) and (14), even if whirling occurs in the rotor R, the "attraction force F + of the + -side electromagnet" and the "attraction force F-" of the --side electromagnet are constant. Therefore, no vibration is generated on the stator side.
[0033]
(2) Second Embodiment FIG. 4 is a block diagram of a magnetic bearing control circuit 4 according to a second embodiment.
As shown in FIG. 4, the magnetic bearing control circuit 4B of the second embodiment supplies the output of the band-pass filter 41 to the multiplier 43 instead of using the above-described band elimination filter 42 (see FIG. 2). The output of the band pass filter 41 is subtracted from the gap variation Δx, and the result is input to the PID compensator 44.
[0034]
With this configuration, the input side of the PID compensator 44 is supplied with a signal that passes through the band elimination filter having the characteristic shown in FIG. 3B and is substantially equivalent to the case where the rotation frequency fr is eliminated. .
Even with such a configuration, the output of the PID compensator 44 is [ΔI1].
[0035]
Therefore, similarly to the first embodiment, the “attraction force F + of the + -side electromagnet” and the “attraction force F− of the −-side electromagnet” are represented by Expressions (15) and (16).
F + = K (I0 / x0) ² (15)
F− = K (I0 / x0) ² (16)
Therefore, even if whirling occurs in the rotor R, the “attraction force F + of the positive electromagnet” and the “attraction force F− of the positive electromagnet” are constant, and no vibration is generated on the stator side.
[0036]
(3) Third Embodiment FIG. 5 is a block diagram of a third embodiment of the magnetic bearing control circuit 4.
As shown in FIG. 5, the magnetic bearing control circuit 4C of the third embodiment supplies the output of the band elimination filter 42 to the PID compensator 44 instead of using the above-described band-pass filter 41 (see FIG. 2). The subtractor 48 subtracts the output of the band elimination filter 42 from the gap variation Δx and inputs the result to the multiplier 43.
[0037]
With this configuration, the input side of the multiplier 43 is supplied with a signal that passes through a band-pass filter having the characteristics shown in FIG. 3A and is substantially equivalent to the case where the rotation frequency fr is extracted.
Even with such a configuration, the output of the multiplier 43 is [ΔI2].
[0038]
Therefore, similarly to the first embodiment, the “attraction force F + of the + -side electromagnet” and the “attraction force F− of the −-side electromagnet” are expressed by equations (17) and (18).
F + = K (I0 / x0) ² (17)
F− = K (I0 / x0) ² (18)
Therefore, even if whirling occurs in the rotor R, the “attraction force F + of the positive electromagnet” and the “attraction force F− of the positive electromagnet” are constant, and no vibration is generated on the stator side.
[0039]
As described above, as described in the first to third embodiments, the unbalanced vibration of the rotational frequency component generated on the stator side due to the unbalance of the rotating body can be significantly reduced. It is possible to omit a mechanical damper and the like required for mounting on an electron microscope or the like, and it is possible to reduce the size and cost of the entire apparatus.
[0040]
In addition, since it is not necessary to perform precise balancing of the rotor, which has been conventionally performed to suppress vibration due to whirling, the time of the balancing step is greatly reduced.
Note that the band elimination filter 41 and the band-pass filter 42 may be a tracking method in which the center frequency of the filter changes in synchronization with the rotation frequency, or a fixed method set to a steady rotation frequency.
[0041]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the rotational frequency component of the rotating body extracted by the frequency extracting means is extracted from the signal accompanying the displacement of the gap between the rotating body and the electromagnet detected by the displacement detecting means, and the predetermined processing is performed. After that, since the gap is supplied to the electromagnet, the gap fluctuation and the fluctuation of the current supplied to the electromagnet are canceled, and the attraction force of the electromagnet becomes constant. Therefore, even if the rotating body whirls, the attraction force of the electromagnet is constant, and no vibration is generated on the stator side.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of one axis of a magnetic bearing control system to which a magnetic bearing device according to an embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is a block diagram of a first embodiment of the magnetic bearing control circuit.
FIGS. 3A and 3B are frequency characteristic diagrams of a filter used in the first embodiment, in which FIG. 3A is a band-pass filter and FIG. 3B is a band elimination filter.
FIG. 4 is a block diagram of a second embodiment of the magnetic bearing control circuit.
FIG. 5 is a block diagram of a third embodiment of the magnetic bearing control circuit.
FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between a change in electromagnet current and a change in gap in a general electromagnet.
FIG. 7 is a block diagram showing an example of a conventional magnetic bearing control circuit.
[Explanation of symbols]
R rotor (rotating body)
1a, 1b Electromagnets 3a, 3b Power amplifier 4 Magnetic bearing control circuit 4A Magnetic bearing control circuit 4B of first embodiment Magnetic bearing control circuit 4C of second embodiment Magnetic bearing control circuit 41 of third embodiment 41 Band-pass filter (frequency Extraction means)
42 band rejection filter (frequency extraction means)
43 Multiplier (first operation means)
44 PID compensator 46 Adder (second operation means)
47 subtractor (second operation means)

Claims

A rotating body,
An electromagnet for magnetically supporting the rotating body at a predetermined position;
Displacement detection means for detecting the displacement of the gap between the rotating body and the electromagnet,
Frequency extracting means for extracting a rotation frequency component of the rotating body from the variation signal of the gap between the rotating body and the electromagnet detected by the displacement detecting means;
The rotational frequency component extracted by the frequency extracting means is multiplied by a DC bias current forming a part of the electromagnet current supplied to the electromagnet, and is divided by a steady value of a gap when the rotating body is at a predetermined position. First computing means;
The DC relative bias current, the output result of addition or subtraction of the first calculating means, the magnetic bearing device characterized by this result and a second computing means for supplying to the electromagnet.

The magnetic bearing device according to claim 1, wherein the frequency extracting means is a band-pass filter.

The frequency extracting means includes a band elimination filter that removes a rotation frequency component of a rotator from the gap variation signal, and a subtractor that subtracts an output signal of the band elimination filter from the gap variation signal. The magnetic bearing device according to claim 1, further comprising: