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JP3600261B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents

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JP3600261B2
JP3600261B2 JP01868594A JP1868594A JP3600261B2 JP 3600261 B2 JP3600261 B2 JP 3600261B2 JP 01868594 A JP01868594 A JP 01868594A JP 1868594 A JP1868594 A JP 1868594A JP 3600261 B2 JP3600261 B2 JP 3600261B2
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Japan
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rotor
rotation speed
magnetic bearing
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gain
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良弘 榎本
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Seiko Instruments Inc
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Seiko Instruments Inc
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/44—Centrifugal pumps
    • F16C2360/45—Turbo-molecular pumps

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  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、磁気軸受装置に係り、特にロータの振動を防止するようにした磁気軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩＣの製造等の高度のクリーン環境が要求される場所で使用される例えばターボ分子ポンプ等では、ロータを電磁石の磁力によって浮上させ、これを非接触で保持する磁気軸受装置が用いられている。
【０００３】
ところで、磁気軸受を使用した回転装置では、ロータの回転数に対応する周波数の振動を除去するために、オートバランシングシステム（以下、ＡＢＳと記す。）回路等を使用している。ＡＢＳ回路は、例えば特公昭６０−１４９２９号公報や特開昭６２−１２４３１９号公報に示されるように、ロータの回転数に対応する周波数のゲインを著しく下げることにより、振動を除去し、安定な磁気浮上を実現するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前述のＡＢＳ回路は、一般に最高回転数（目標回転数）で安定に動作するように調整されるので、軸受の共振周波数のように比較的低い周波数は使用できない。これは、軸受の共振周波数におけるゲインを著しく下げると、ロータを磁気浮上させることができなくなってしまうためである。
【０００５】
そこで本発明の第１の目的は、ロータの回転数が磁気軸受の共振周波数に対応する回転数を通過する際に発生するロータの振動を低減できるようにした磁気軸受装置を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、ロータの回転数が磁気軸受の共振周波数に対応する回転数を通過する際に発生するロータの振動およびモータの回転数が目標回転数のときのロータの振動を低減できるようにした磁気軸受装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の磁気軸受装置は、ロータを磁力によって浮上させる電磁石、ロータの位置を検出する位置検出手段、およびこの位置検出手段で検出したロータの位置情報に基づいて電磁石を制御してロータの浮上位置を所定位置に制御する位置制御手段を有するフィードバック系と、磁気軸受の共振周波数近傍におけるフィードバック系のゲインを増加させるゲイン制御手段とを備えたものである。
【０００７】
請求項２記載の発明の磁気軸受装置は、ロータを磁力によって浮上させる電磁石、ロータの位置を検出する位置検出手段、およびこの位置検出手段で検出したロータの位置情報に基づいて前記電磁石を制御してロータの浮上位置を所定位置に制御する位置制御手段を有するフィードバック系と、磁気軸受の共振周波数近傍におけるフィードバック系のゲインを増加させる第１のゲイン制御手段と、ロータの目標回転数に対応する周波数におけるフィードバック系のゲインを低下させる第２のゲイン制御手段とを備えたものである。
【０００８】
【作用】
請求項１記載の発明では、磁気軸受の共振周波数近傍におけるフィードバック系のゲインを増加させることによって、ロータの回転数が磁気軸受の共振周波数に対応する回転数を通過する際のゲインの低下が抑制され、磁気軸受の剛性が増してロータの振動が低減される。
【０００９】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明と同様にしてロータの回転数が磁気軸受の共振周波数に対応する回転数を通過する際のロータの振動が低減されると共に、ロータの目標回転数に対応する周波数におけるフィードバック系のゲインを低下させることによって、ロータの回転数が目標回転数のときのロータの振動が低減される。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の磁気軸受装置における好適な実施例を図１ないし図５を参照して詳細に説明する。
図１は本実施例における磁気軸受装置の構成を示すブロック図である。この磁気軸受装置は、磁気軸受の基本的な構成として、ロータ１１を磁力によって浮上させる電磁石１２と、ロータ１１の浮上位置を検出する位置センサ１３と、この位置センサ１３で検出したロータの位置情報に基づいて、比例動作、積分動作および微分動作等の演算処理を行うＰＩＤ制御部１４と、このＰＩＤ制御部１４の出力信号を増幅して電磁石１２に供給するアンプ１５とを備え、これらによってフィードバック系を構成している。
【００１１】
磁気軸受装置は、さらに、磁気軸受の共振周波数におけるＰＩＤ制御部１４のゲインを著しく増加させるピークオブゲイン（以下、ＰＧと記す。）回路１７と、ロータ１１の目標回転数に対応する周波数におけるＰＩＤ制御部１４のゲインを著しく低下させるＡＢＳ回路１８と、ＰＧ回路１７をＰＩＤ制御部１４に接続した状態とＡＢＳ回路１８をＰＩＤ制御部１４に接続した状態とＰＧ回路１７およびＡＢＳ回路１８のいずれもＰＩＤ制御部１４に接続しない状態とを切り換えるための切換スイッチ１９と、回転数センサ１６で検出された回転数に応じて切換スイッチ１９を制御する切換回路２０とを備えている。
【００１２】
ここで、図２、図３を参照してＰＧ回路１７とＡＢＳ回路１８の構成の一例について説明する。なお、以下のＰＧ回路１７およびＡＢＳ回路１８を用いる場合、ＰＩＤ制御部１４の入力部に加算器２１を設ける。この加算器２１は位置センサ１３の出力信号とＰＧ回路１７またはＡＢＳ回路１８の出力信号とを加算してＰＩＤ制御部１４へ出力するものである。
【００１３】
図２に示すＰＧ回路１７は、位置センサ１３の出力信号から磁気軸受の共振周波数に対応する周波数成分を抽出するバンドパスフィルタ２２と、このバンドパスフィルタ２２の出力信号のレベルを調整するアンプ２３とを備え、このアンプ２３の出力信号がＰＧ回路１７の出力信号として加算器２１に入力されるようになっている。
【００１４】
このＰＧ回路１７では、バンドパスフィルタ２２によって、位置センサ１３の出力信号から磁気軸受の共振周波数に対応する周波数成分が抽出され、この信号がアンプ２３によってレベル調整されて、加算器２１によって位置センサ１３からの元の信号に加算される。これにより、磁気軸受の共振周波数に対応する周波数成分のゲインが増加する。
【００１５】
図３はＡＢＳ回路１８の構成の一例を示すブロック図である。このＡＢＳ回路１８は、位置センサ１３の出力信号からロータ１１の目標回転数に対応する周波数成分を抽出するバンドパスフィルタ２５と、このバンドパスフィルタ２５の出力信号を極性反転する極性反転回路２６と、この極性反転回路２６の出力信号のレベルを調整するアンプ２７とを備え、このアンプ２７の出力信号がＡＢＳ回路１８の出力信号として加算器２１に入力されるようになっている。
【００１６】
このＡＢＳ回路１８では、バンドパスフィルタ２５によって、位置センサ１３の出力信号からロータ１１の目標回転数に対応する周波数成分が抽出され、この信号が極性反転回路２６によって極性が反転され、アンプ２７によってレベル調整されて、加算器２１によって位置センサ１３からの元の信号に加算される。これにより、ロータ１１の目標回転数に対応する周波数成分のゲインが低下する。
【００１７】
図４はＰＧ回路１７を用いた場合のゲインの周波数特性を示し、図５はＡＢＳ回路１８を用いた場合のゲインの周波数特性を示すものである。図４に示すように、ＰＧ回路１７は磁気軸受の共振周波数ｆ０ におけるＰＩＤ制御部１４のゲインを著しく増加させる。また、図５に示すように、ＡＢＳ回路１８はロータ１１の目標回転数に対応する周波数ｆ３ におけるＰＩＤ制御部１４のゲインを著しく低下させる。また、切換回路２０は、ロータの回転数に対応する周波数がｆ１ より小さいときはＰＧ回路１７をＰＩＤ制御部１４に接続し、ｆ２ よりも大きいときはＡＢＳ回路１８をＰＩＤ制御部１４に接続し、ロータの回転数に対応する周波数が０〜数１０Ｈｚの間およびｆ１ からｆ２ の間にあるときはＰＧ回路１７およびＡＢＳ回路１８のいずれもＰＩＤ制御部１４に接続しないように切換スイッチ１９を制御する。ただし、ｆ０ ＜ｆ１ ＜ｆ２ ＜ｆ３ の関係がある。ここで、例えば、ｆ０ は数１００Ｈｚ程度、ｆ１ はｆ３ の１／１０程度、ｆ２ はｆ３ の１／５程度である。
【００１８】
次に本実施例の動作について説明する。ロータ１１は図示しないモータによって回転される。このロータ１１の回転数は回転数センサ１６によって検出され、回転数の情報は切換回路２０に送られる。ロータ１１の回転を開始すると、初めはＰＧ回路１７およびＡＢＳ回路１８のいずれもＰＩＤ制御部１４に接続されていないが、ロータ１１の回転数に対応する周波数が数１０Ｈｚを過ぎると切換回路２０および切換スイッチ１９によってＰＧ回路１７がＰＩＤ制御部１４に接続される。そして、このＰＧ回路１７の働きにより、磁気軸受の共振周波数ｆ０ におけるＰＩＤ制御部１４のゲインが著しく増加される。そのため、ロータ１１の回転数が磁気軸受の共振周波数ｆ０ に対応する回転数を通過する際のゲインの低下が抑制され、磁気軸受の剛性が増してロータ１１の振動が低減される。その結果、短い時間で、ロータ１１の回転数が磁気軸受の共振周波数ｆ０ に対応する回転数を通過することができる。
【００１９】
ロータ１１の回転数がさらに増加し、ｆ１ に対応する回転数を越えてからｆ２ に対応する回転数に達するまでは、切換回路２０および切換スイッチ１９によって、ＰＧ回路１７およびＡＢＳ回路１８のいずれもＰＩＤ制御部１４に接続されない状態となる。
【００２０】
ロータ１１の回転数がさらに増加し、ｆ２ に対応する回転数を越えると、切換回路２０および切換スイッチ１９によって、ＡＢＳ回路１８がＰＩＤ制御部１４に接続される。そして、このＡＢＳ回路１８の働きにより、ロータ１１の目標回転数に対応する周波数ｆ３ におけるＰＩＤ制御部１４のゲインが著しく低下される。そのため、ロータ１１の回転数が目標回転数に達したときのロータ１１の振動が低減される。
【００２１】
このように本実施例によれば、ＰＧ回路１７によって磁気軸受の共振周波数ｆ０ におけるＰＩＤ制御部１４のゲインを著しく増加することによって、ロータ１１を安定に磁気浮上させた状態で、ロータ１１の回転数が磁気軸受の共振周波数ｆ０ に対応する回転数を通過する際のロータ１１の振動を低減でき、短い時間でロータ１１の回転数が磁気軸受の共振周波数ｆ０ に対応する回転数を通過することができる。そのため、この磁気軸受を使用した回転装置の立上りに時間が短縮され、回転装置がある製品の製造装置である場合、製品の製造の効率が向上する等の効果を奏する。
【００２２】
また、ＡＢＳ回路１８によって、ロータ１１の回転数が目標回転数に達したときにおけるロータ１１の振動も低減されるので、略全周波数領域において安定したロータ１１の磁気浮上を実現することができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されず、例えば、ＰＧ回路１７とＡＢＳ回路１８は、構成上共通する部分があるため、別個に設けずに、一つの回路を共用しても良い。例えば、図３に示す回路において、バンドパスフィルタの通過帯域を切り換え可能とし、極性反転回路を動作状態と非動作状態とに切り換え可能とすることによって、この回路をＡＢＳ回路としてもＰＧ回路としても使用可能となる。
【００２３】
また、ＰＧ回路１７とＡＢＳ回路１８は、動作する周波数領域が異なるため、切換スイッチ１９によって切り換えずに、常に両方ともＰＩＤ制御部１４に接続した状態としても良い。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、磁気軸受の共振周波数近傍におけるフィードバック系のゲインを増加させるようにしたので、ロータの回転数が磁気軸受の共振周波数に対応する回転数を通過する際のゲインの低下を抑制して、磁気軸受の剛性を増すことができ、ロータの回転数が磁気軸受の共振周波数に対応する回転数を通過する際に発生するロータの振動を低減することができるという効果がある。
【００２５】
また、請求項２記載の発明によれば、磁気軸受の共振周波数におけるフィードバック系のゲインを増加させると共に、ロータの目標回転数に対応する周波数におけるフィードバック系のゲインを低下させるようにしたので、ロータの回転数が磁気軸受の共振周波数に対応する回転数を通過する際に発生するロータの振動およびモータの回転数が目標回転数のときのロータの振動を低減することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における磁気軸受装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１におけるＰＧ回路の構成の一例を示すブロック図である。
【図３】図１におけるＡＢＳ回路の構成の一例を示すブロック図である。
【図４】図１におけるＰＧ回路の特性を示す特性図である。
【図５】図１におけるＡＢＳ回路の特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１１ ロータ
１２ 電磁石
１３ 位置センサ
１４ ＰＩＤ制御部
１５ アンプ
１６ 回転数センサ
１７ ＰＧ回路
１８ ＡＢＳ回路
１９ 切換スイッチ
２０ 切換回路

Claims (5)

  1. ロータを磁力によって浮上させる電磁石、ロータの位置を検出する位置検出手段、およびこの位置検出手段で検出したロータの位置情報に基づいて前記電磁石を制御してロータの浮上位置を所定位置に制御する位置制御手段を有するフィードバック系と、ロータの回転数を検出する回転数検出手段と、磁気軸受の共振周波数近傍における前記フィードバック系のゲインを増加させるゲイン制御手段と、からなる磁気軸受装置において、
    前記回転数検出手段で検出したロータの回転数に基づいて前記ゲイン制御手段を前記位置制御手段に接続する切換手段を具備することを特徴とする磁気軸受装置。
  2. ロータを磁力によって浮上させる電磁石、ロータの位置を検出する位置検出手段、およびこの位置検出手段で検出したロータの位置情報に基づいて前記電磁石を制御してロータの浮上位置を所定位置に制御する位置制御手段を有するフィードバック系と、ロータの回転数を検出する回転数検出手段と、磁気軸受の共振周波数近傍における前記フィードバック系のゲインを増加させる第１のゲイン制御手段と、ロータの目標回転数に対応する周波数における前記フィードバック系のゲインを低下させる第２のゲイン制御手段と、からなる磁気軸受装置において、
    前記回転数検出手段で検出したロータの回転数に基づいて前記第１又は第２のゲイン制御手段を前記位置制御手段に接続する切換手段を具備することを特徴とする磁気軸受装置。
  3. 前記切換手段は、前記回転数検出手段で検出したロータの回転数が磁気軸受の共振周波数に対応する回転数を通過する際に、前記ゲイン制御手段を前記位置制御手段に接続することを特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。
  4. 前記切換手段は、前記回転数検出手段で検出したロータの回転数が磁気軸受の共振周波数に対応する回転数を通過する際に、前記第１のゲイン制御手段を前記位置制御手段に接続することを特徴とする請求項２記載の磁気軸受装置。
  5. 前記切換手段は、前記回転数検出手段で検出したロータの回転数がロータの目標回転数に達する際に、前記第２のゲイン制御手段を前記位置制御手段に接続することを特徴とする請求項２記載の磁気軸受装置。
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