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    公开号:WO1985005417A1
    申请号:PCT/JP1985/000158
    申请日:1985-04-02
    公开日:1985-12-05
    发明作者:Tsugito Nakazeki；Shoji Nanami；Koichi Okada
    申请人:Ntn Toyo Bearing Co., Ltd.；
    IPC主号:F16C32-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書 制御式ラ ジ ア ル磁気軸受装置 技術分野
    [0002] こ の発明 は磁気軸受装置 特に制御式 ラ ジ ア ル磁 気軸受装置 に関する 。
    [0003] 背景技術
    [0004] 最近、 3 万乃至 4 万 p. m.あ る い はそれ J¾上の髙 速回転で駆動 さ れる 工作機械ゃ タ ー ボ分子ポ ン プ等 の ス ピ ン ド ル 軸 ：） に制御式磁気軸受が使用 さ れて お り 、 か 、 る磁気軸'受の 1 つ と して制御式 ラ ジ ア ル 磁気軸受が公知であ る。
    [0005] こ の よ う な制御式 ラ ジ ア ル磁気軸受は一般 に 、 回 転軸の軸線に直角 な平面 内で互いに直交す る X —軸 及び Y軸方向 に設けた、 回転軸を磁気軸受す る た め の X軸用 電磁石及び Y軸用電磁石 と 基準位置か ら
    [0006] X -軸及 び Y —軸方向への回転軸の変位をそれぞれ 検出す る ため X —軸及び Y —軸上に配設さ れた X軸 用及び γ軸用位置セ ン サ と こ れ ら..セ ン サ の各 出力 を フ ィ 一 ドバ ッ ク 入力 と して入力す る こ と に よ り 上 記各電磁石の出力を制御する X軸及び Y軸用制御回 路とを備えている 。
    [0007] 該磁気軸受装置では、 各位置セ ン サ で X —軸及び Y -軸方向への回転軸の変位を検出 し 制御回路内 に予め設定 した基準値と の偏差を増幅 し、 位相補償 を した後その出力を増幅する こ とによって X軸用及 び γ軸用電磁石の電磁力をそれぞれ制御 している。
    [0008] 上記のよ う な従来の制御式磁気軸受装置では 例 えばタ ーボ分子ポ ンプ用 の ス ピ ン ド ル の場合の よう に、 ス ピ ン ドノレ に フ ィ ン ロ ー タ等を付加 して取 り付 ける こ と に よ って慣性モ ー メ ン 卜 が大き k そ の ためス ピ ン ド ルを高速回転させる につ れて ジ ャ ィ 口 モ ー メ ン 卜 が発生 し、 ス ピ ン ド ル の回転と逆方向 の後ま わ り歳差運動 第 2 図参照 ） が生 じる こ とが あ る 。
    [0009] こ のよ う な歳差運動—は制御系のゲイ ンを増加 し 動剛性を大き く する こ と によって抑える こ と もでき る が、 しか しゲイ ンを増加する と制御のためによ り 大き な電圧が必要とな り 回転時の振動が増す と い う不都合が生 じる。 こ の発明の目 的は 制御系のゲイ ンゃ動剛性を増 加する こ と な く 回転軸の歳差運動を効果的に防止す る こ と のでき る 制御式 ラ ジ アル磁気軸受装置を提供 する にある。
    [0010] こ の発明のさ らに も う 1 つの目 的は、 回転軸の軸 心位置を制御する制御回路に対 して、 X軸及び γ軸 用位置セ ン サ の 2 つの出力を一方が他方に対 して 9 0°位相が進んだ出力 と な る よ う に構成 した補正回路 を設ける こ と に よ っ て電気的に回転軸の歳差運動を 減衰せ しめ る磁気軸受装置を提供する にあ る 。
    [0011] 発明の開示
    [0012] こ の発明によ る と 、 回転軸の軸線に直角な平面内 で互い に直交する X —軸及び Y —軸方向に設けた 回転軸を磁気軸受する ため の X軸用及び γ軸用電磁 石と、 基準位置か ら X —軸及び Y —軸方向への回転 軸の変位をそれぞれ検出する ため X —軸及び Y —軸 上に配設さ れた X軸及び γ軸用位置セ ン サ と 、 こ れ らセ ン サ の各出力をフ ィ ー ドバッ ク 入力 と して入力 する こ と によ り 上記各電磁石の出力を制御する X軸 及び Y軸用制御回路 とを備えた制御式ラ ジアル磁気 T 軸受装置において、 上該両制御回路に対 してさ ら に 回転軸の回転速度を検出する た め の回転数検出器と 回転軸の X軸方向位置を制御する ため これと 9 0°位 相の異な る Y軸甩位置セ ン サ の出力か ら後まわ り歳 差運動周波数成分を取 り 出す作用をするパ ン ドパ ス フ ィ ル タ 該フ ィ ル タ の出力を該検出器の出力 に応 じて変化させる手段及び該手段の岀カを後ま わ り歳 差運動周波数出力の位相が 9 0°進んだ出力 と して X 軸用位置セ ン サ出力に加算する加算器手段か ら成る X軸方向の制御回路のフ ィ ー ドバッ ク入力を供給す る ための X軸用補正回路と k Y軸方向への制御のた め上記 X軸用補正回路と同様な構成でかつ X軸用位 置セ ン サ出力の位相を Y軸用位置セ ン サ に対 して 9 0 °進ませる よ う に した Y軸用補正回路とを備えてい る こ とを特徵とする制御式 ラ ジ ア ル磁気軸受を提供 する ものである 。
    [0013] 上述 した制御式ラ ジ ア ル磁気軸受装置は 回転数 が数へル ツ と い う よ う な非常に低い周波数で歳差運 動を始め る と 、 低い周波数での偏心回転運動、 即ち 歳差違動を示す成分を上記各 セ ンサ の出力か ら X軸 用補正回路及び γ軸用補正回路 c ロ ー パ ス フ ィ ル タ 一 に よ り 代用 さ せ る こ と も で き る ） に よ って検出 し 位相が進んでい る 側のセ ン サ の出力 の一部を上記フ ィ ル タ 回路を経な い位相が遅れて いる 側の セ ン サ の 出力 に ま た位相が遅れてい る 側 のセ ン サ の出力 は 反転させ位相を 9 0°進ま せた上出力 の一部を上記フ ィ ル タ 回路を経な い位相が進んでい る 側 のセ ン サ の 出力 にそれぞれ加え k こ れ ら の各 セ ン サ に よ る 偏心 検出量を歳差運動の周波数成分に対 し てべ ク ト ル的 ; に進ま せた補正偏心検出量に変換 し、 こ れをそれぞ れ制御回路 にフ ィ 一 ドバ ッ ク 入力 させ る よ う に なつ てい る 。
    [0014] なお 、 互い に他方のセ ン サ の出力 に加え る各 セ ン サ の 出力 の一部を回転軸の回転速度に応 じ て増減す る の は k 回転速度が大 き い ほ どジ ャ ィ 口効果が大 き く な る か ら であ る 。
    [0015] その他 の本発明の特徴 、 目 的、 及び利点 につ いて は添付図 面を参照 して説明す る 下記の好ま し い実施 例につ いて の記述か ら 明 ら か と な る であ ろ う 。
    [0016] 図面の簡単 な説明 第 1 図はこ の発明の制御式ラ ジア ル磁気軸受装置 の一実施例の斜視図であ り 、 制御系はブロ ッ ク で示 さ れてい る 。
    [0017] 第 2 図は回転軸の後まわ り歳差運動を示す概略斜 視図であ る 。
    [0018] 第 3 図はこ の発明に用 いる補正回路の一実施例の 構成を示すブロ ッ ク 図である 。
    [0019] 発明を実施する ための最良の形態 第 1 図につ いて説明する と 、 回転軸 1 はその軸線 に直角な平面内で互いに直交する X —軸及び Y —軸 上に配置された X軸用電磁石 2 X及び Y軸甩電磁石 2 Yを有する ラ ジ ア ル磁気軸受 2に よって半径方向 に軸受けされ、 モータ 3 によ り矢印 B の方向に回転 する。 図中の符号 4 は回転軸 1 の軸方向変位 z 方 向 ） を阻止する ための ス ラ ス ト磁気軸受で あ る 。 ラ ジア ル磁気軸受 2 は一般に回転軸 1 の端部近辺等の 軸方向の適宜位置に 2 つ も し く はそれ 1上が用 い ら
    [0020] -れ る o
    [0021] 上記磁気軸受 2が配置さ れた平面内の X -軸及び Y 一軸上には X軸用位置セ ン サ 5 X及び Y軸用位置 セ ン サ 5 Y がそれぞれ配置さ れてお り 、 こ れに よ つ て基準位置に対する X -軸及び Υ —軸方向への回転 軸の変位を検出 し、 変位量に応 じ た出力を発生する こ れ ら電磁石 2 X及び 2 Υ はそれぞれ電磁力を増減 する た め の制御卷線 6 Χ及び 6 Υを有 し、 こ れ ら制 御巻線の励磁電流はそれぞれ X軸用制御回路 7 Χ及 び Υ軸用制御回路 7 Υ 第 3 図参照 ：） に よ って制御 さ れる 。
    [0022] X軸用制御回路 7 Χ は 回転軸 1 の X —軸方向の 基準位置を表わす一定の基準電圧を供給す る基準電 圧発生回路 8 と k 位置セ ン サ 5 X の出力 と上記基準 電圧と の差を増幅する偏差増幅器 9 と 、 制御系の位 相遅れを補償する ため の位相補儻回路 1 0 と 、 該補 償回路 1 0の出力を制御巻線 6 Xの動作に必要な適 宜レ ベ ル に増幅する ため の電力増幅器 1 1 とか ら構 成 さ れ、 位置セ ン サ 5 X の出力 は基準電圧発生回路 8 と偏差増幅器 9 と の間で基準電圧と の偏差を比較 す る差引 き点 P に フ ィ ー ドパ ッ ク 入力 さ れる 。
    [0023] 第 2 図に矢印 Cで示 した回転軸 1 の後ま わ り 歳差 運動を防止する ため、 こ の後ま わ り歳差運動の方向 3 に位相が 9 0 度進んだ Y軸用位置セ ン サ 5 Y の出力 を上記 X軸用制御回路 7 X の差引 き点 Ρ に供給する が、 この出力の供給は例えば第 3 図に示すよ う な構 成の X軸用補正回路 1 3 によって適宜の比率に減 じ られ かつ歳差運動周波数帯域以外の出力をパ ン ド パ ス フ ィ ル タ によ り 除いた後該位置セ ン サ 5 X の出 力に加算する よ う に して行なわれる。 こ の加算量 即ち前記比率は回転軸 1 の回転速度を検出するため のパ ル ス発生器 タ コ ジ ェ ネ レ ー タ 等か ら成る回転 速度検出器 1 4 (後述参照 ） の出力と共に増加する が、 回転速度に対するその増加率は必ず し も線形に する必要はな く 、 む しろ低速回転時の増加率は大き く 、 高速回転とな る ほど増加率が小さ く な る よ う に する こ と が望ま しい。 換言する と こ の増加率を回 転速度に従って連続的に あ る いは段階的に減少さ せる こ とが望ま しい。 第 2 図中の符号 1 2 は回転軸 1 に取 り 付けたフ ィ ン ロ ータ を示す。 Y軸用電磁石 2 Y にも Y軸用制御回路及び Y軸用補正回路が備え られているが これら は X軸甩制御回路 7 X及び補 正回路 1 3 X とほ 同 じ構成であ る （補正回路につ いては後述参照 ） 。
    [0024] 次に第 3 図について説明する と 回転軸 1 の回転 速度を検出する ためのパ ル ス発生器 1 5及び周波数 一電圧 F V ：) 変換器 1 6か ら成る回転速度検出器 1 4の出力が後述する第 1 比較器 1 7及び第 2 比較 器 1 8を介 して X軸用補正回路 1 3 Xに接続さ れて い る。 該補正回路 1 3 Xは、 Y軸用位置セ ン サ 5 Y の出力 の数 1 0 ヘ ル ツ以上の成分及び直流成分を遮 断する X軸用バ ン ド パ ス フ イ ノレ タ B P F ) 1 9 x と、 第 1 比較器 1 7及び第 2 比較器 1 8の いずれか の論理出力に よって X軸用 B P F 1 9 Xの出力を 2 段階に変化 させる X軸用 ア ナ ロ グ ス ィ ツ チ回路 20 と 、 X軸用位置セ ン サ 5 Xの出力 と ア ナ ロ グ ス ィ ツ チ回路の出力を加算 して X軸用制御回路 7 X に フ ィ ー ドバッ ク 入力する X軸用加算器 2 1 X とか ら構 成さ れている 。 第 1 比較器 1 7と第 2 比較器 1 8は 該検出器 1 4の出力が所定の回転速度 例えば 6000 rpm と 15,00 Orpmに対応する所定の設定電.圧に達 し た時論理出力が変化 し 、 そのいずれかの論理出力 に よってス ィ ッ チ回路 20 Xの出力を変化させ る。 Y軸用補正回路 も 同様に Υ軸用 B P F 1 9 Υ と 第 1 比較器 1 7及び第 2 比較器 1 8の論理出力 に よ つてその出力が変化す る アナ ロ グス ィ ツ チ回路 2 0
    [0025] ,;Υ と 、 加算器 2 1 Υ とか ら構成さ れて'い る が Y軸 s 用 B P F 1 9 Y に供給 さ れる X軸用位置セ ン サ 5 X の出力 は反転回路 22に よ っ て位相反転後 Y 軸用 B
    [0026] P F 1 9 Y に入力 される 点で若干異な ってい る 。' こ れは 、 回転軸 1 の後ま わ り 歳差運動の方向に見て （ 第 1 図 ， 第 2 図参照 ：） X軸甩位置セ ン サ 5 Xに よ り
    [0027] 1 検出 さ れる 後ま わ り 歳差運動の位相が Y軸用 位置セ ン サ 5 Y よ り 9 0 度遅れてお り 、 Y 軸用位-置 セ ン サ 5 Yの出力 に こ れよ り 9 0 度位相の進んだ位置に X 軸甩位置セ ン サ 5 Xの位相があ る も の と考えてその 出力を加算 し な ければな ら な いか らであ る 。 従って X軸用位置 セ ン サ 5 Xの位相が Y軸用位置セ ン サ 5 Y よ り 進んでい る場合人 こ 'の反転回路 2 2は Y軸用 位置セ ン サ 5 Y と X軸用 B P F 1 9 X との間 に接続 すれば よ い。
    [0028] X軸用制御回路 7 X及び Y軸用制御回路 7 Y の 出 20 力 はそれぞれ X軸用電磁石 2 X の制御巻線 6 X及び Y 軸用 電磁石 2 Y の制御巻線 6 Y に接続 さ れてい る 磁気軸受を制御 し て い る 状態で電磁石 の直流成分が 少 な い場合はバ ン ド パ ス ， フ ィ ノレ タ を ロ ー パ ス フ ィ ノレ タ で代用 さ せ る こ と も可能であ る 。
    [0029] 次 に k こ の実施例 にお いて軸の歳差運動が どの よ う に して減衰 さ れる か につ いて説明す る 。 回転軸 1 は第 1 図及び第 2 図 に示す方向 に振幅 A の後 ま わ り 歳差運動を起 し てい る と す る 。 する と X軸用位置 セ ン サ 5 X及び Y軸用位置セ ン サ 5 Yの 出力 は 後 ま わ り 歳差運動周波数成分の み に着目 し た場合、
    [0030] X = A cos ωί
    [0031] Υ = A co s _o)t十 90。 = —A s i n <y t
    [0032] と 表わす こ と がで き る 。 こ 、 で ω は歳差運動の角 周波数であ る 。
    [0033] 位置セ ン サ 5 Χ及び 5 Υ の出 力 が、 それぞれ X軸 用 バ ン ド パ ス フ イ ノレ タ 1 9 X及び Υ軸用 バ ン ド ノヽ。 ス フ イ ノレ タ 1 9 Υ を通 り fc かつ各 アナ ロ グス ィ ッ チ 2 0 X及び 2 0 Y を経て元 の振幅の k 倍に ゲイ ン調整 さ れる と す る と 、 ゲ イ ン調整後の各セ ン サ の 出力 は それぞれ )2
    [0034] X'= k A co s ω t
    [0035] Y7= — kA sin o t
    [0036] と な る 。
    [0037] 従っ て、 X軸.用電磁石 2 x及び Y軸用電磁石 2 Y の各制御回路 7 Χ及び 7 Υへの制御入力 加算器 2 1 X ， 2 1 Υ の出力 ：） F x及び F y はそれぞれ次式 で与えられる。
    [0038] F X =X十 Y'
    [0039] = co s cat 十 (― RA sin cat^)
    [0040] = A^l +R2 cosC<yt 十 θ )
    [0041] F y = Υ - X'
    [0042] =— A sin cat 一 kA co s ω t )
    [0043] = - A^l -j-R2 s in o)t 十 θ' )
    [0044] θ'= tan一1 ft = θ
    [0045] 即ち、 χ軸用位置セ ン サ出力に Υ軸用位置セ ン サ 出力の成分を、 ま た Υ軸用位置セ ン サ出力 に X軸用 位置セ ン サ出力の成分をそれぞれ加え合せる こ とに よ り、 後まわ り歳差運動周波数成分に関 して 0 の位 相進みを与える こ とができ 、 その結果後ま わ り歳差 運動に対して減衰項が付加さ れる 。 産業上の利用可能性
    [0046] 以上説明 し た よ う に 、 こ の発明 の制御式 ラ ジ ア ル 磁気軸受装置は制御系の ゲイ ンゃ動剛性を増加す る こ と な く 、 従って振動増加を伴な う こ と な く 効果的 に歳差運動を制御する こ と ができ る か ら 、 各種工作 機械 ， タ ー ボ分子 ポ ン プ ， 発電用 タ ー ビ ン等の種々 の産業機械の ス ピ ン ド ル用 の磁気軸受 と し て広 く 利 用する こ と ができ る 。
    权利要求:
    Claims

    請求の範囲
    回転軸の軸線に直角 な平面内で互いに直交する
    X —軸及び Y —軸方向に設けた、 回転軸を磁気軸 受けする ための X軸用及び Y軸甩電磁石 と、 基準 位置か ら X -軸及び Y -軸方向への回耘軸の変位 をそれぞれ検出する ため X —軸及び Y —軸上に配 設さ れた X軸及び Y軸用位置セ ン サ と 、 これ らセ ン サ の各出力をフ ィ ー ドバッ ク入力と して入力す る こ と に よ り 上記各電磁石の出力を制御する X軸 及び Y軸用制御回路とを備えた制御式ラ ジア ル磁 気軸受装置において、 上該両制御回路に对 して、 さ ら に、 回転軸の回転速度を検出する ための回転 数検出器と 、 回耘軸の X軸方向位置を制御する た め こ れと 9 0。位相の異な る Y軸用位置セ ン サ の出 力か ら後まわ り歳差違動周波数成分を取り 出す作 用をするバ ン ドノ、0 ス フ ィ ル タ 、 該フ ィ ル タ の出力 を該検出器の出力に応 じて変化させる手段及び該 手段の出力を後まわ り歳差運動周波数出力の位相 が 9 0°進んだ出力と して X軸用位置セ ン サ出力 に 加算する加算器手段か ら成る 、 X軸方向の制御回 I 路の フ ィ ー ドバ ッ ク 入力を供給す る た め の X軸用 補正回路 と 、 Y軸方向への制御の ため上記 X軸用 補正回路 と 同様な構成でかつ X軸用位置セ ン サ 出 力 の位相を Y 軸用位置 セ ン サ に対 し て 9 0°進ま せ る よ う に し た Y軸用補正回路 とを備え てい る こ と を特徴 と する 制御式 ラ ジ ア ル磁気軸受。
    2. 前記フ ィ ル タ の 出力を前記検出器の 出力 に応 じ て変 化 さ せ る 手段が該検出器に よ り 検出 さ れ る 回 耘速度範囲 に応 じ てその 出力を段階的 に増加 さ せ る こ とを特徵 と する 請求の範囲第 1 項に記載の磁 気軸受装置。
    3. 前記出力を変 化さ せ る 手段がア ナ ロ グ ス ィ ツ チ 回路であ る こ と を特徵 と す る 請求の範囲第 2 項に 記載の磁気軸受装置。
    4. 前記検出器 と前記ア ナ ロ グス ィ ッ チ 回路 と の間 に第 1 比較器及び第 2 比較器手段を設け、 該検出 器の出力 が所定の回転速度 例えば 6 0 0 0 r p m と 1 5,0 0 0 r p m に対応す る いずれか の設定電圧に達 し た時論理出力が変化す る 該第 1 比較器又 は第 2 比較器の いずれか の論理出力 によ っ て バ ン ドパ ス フ ィ ル タ の出力を 2 段階で変化させる こ とを特徵 とする請求の範囲第 3 項に記載の磁気軸受装置。
    5. 前記検出器がパ ル ス発生器及び周波数 -電圧 F V ) 変換器か ら成る こ とを特徵とする 請求の範 囲第 1 項に記載の磁気軸受装置。
    6. 前記 Y軸用補正回路が、 X軸用位置セ ン サ の出 力を Y軸用位置セ ン サ の出力に対 して 9 0 °位相が 進んだ出力と して供給する ためその位相を反転さ せる反転回路を備えている こ とを特徵とする請求 の範囲第 1項に記載の磁気軸受装置。
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    法律状态:
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    1985-12-05| AL| Designated countries for regional patents|Designated state(s): FR |
    1986-01-13| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1985901586 Country of ref document: EP |
    1986-07-02| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1985901586 Country of ref document: EP |
    1990-10-10| WWG| Wipo information: grant in national office|Ref document number: 1985901586 Country of ref document: EP |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP59/101506||1984-05-18||
    JP59101506A|JPH0572177B2|1984-05-18|1984-05-18||GB08600809A| GB2171540B|1984-05-18|1985-04-02|Controlled radial magnetic bearing device|
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