JP3109023B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は磁気軸受装置に係わ
り、特に回転子の加速の際に生じ易いコニカルモードや
パラレルモードの共振による弊害を安定して防止する磁
気軸受装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図９に、３軸制御型磁気軸受を有するタ
ーボ分子ポンプの概略構成図を示す。３軸制御型磁気軸
受では、回転子２を磁気浮上させるのに半径方向電磁石
４と軸方向電磁石６を使用している。そして、回転子２
の回転数は回転数センサ７で検出される。図１０は、従
来の磁気軸受装置の半径方向位置制御のブロック図を示
す。回転子２の半径方向の位置制御は半径方向位置セン
サ８で回転子２の位置を検出し、変位演算回路１０で位
置の変位を演算する。その後、ＰＩＤ調節機能を有する
ＰＩＤ制御回路１２を介し、電力増幅器駆動回路１４及
び電力増幅器１６で電力増幅後、半径方向電磁石４を駆
動することで能動的に行っている。従って、回転子２の
位置制御は半径方向位置センサ８で検出した振れのみを
頼りに行われている。半径方向位置センサ８は回転子２
の重心位置（図示略）より上側に配置されるため、回転
子２の上側振れを監視していることになる。一方、回転
子２の重心位置より下側の振れの制御は、軸方向電磁石
６、金属ディスク１８、永久磁石２０による受動的なも
のである。このため、回転子２を加速し、ターボ分子ポ
ンプに固有に存在する共振点を通過する際には、下側の
振れが大きくなり（回転子２の重心位置付近を中心とし
て上側の振れ及び下側の振れが共に円錐運動をする）保
護ベアリング２２と接触する現象を生ずることがある。
これによりベアリングを消耗したり、一時的に振動を発
生する。かかる共振点は回転子２の回転数に応じて変動
する性質があるが、一般的には静止状態を同一起点とし
て回転数に応じて２方向の運動に分離される。即ち、回
転方向とは逆の後回り運動（歳差）と、回転方向と同方
向の前回り運動（章動）である。ここに、歳差の共振が
回転子２の回転数と重なる点を第１のコニカルモードの
共振点と、また章動の共振が回転子２の回転数と重なる
点を第２のコニカルモードの共振点と定義する。更に、
コニカルモードの共振とは別にターボ分子ポンプでは回
転子２の並進運動によるパラレルモードの共振を生ずる
ことがある。そして、このパラレルモードの共振によっ
ても同様に保護ベアリング２２との接触や一時的な振動
を生ずることがある。現実には、コニカルモードの共振
とパラレルモードの共振が複雑に混在している場合が多
い。かかるコニカルモード若しくはパラレルモードの共
振点で生ずる不都合を回避するため、図１１の様に複数
のバンドパスフィルタ２４をＰＩＤ制御回路１２と並列
に接続し、低周波領域における剛性を向上させる方法が
開示されている（特開平７−２４８０２１）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
複数のバンドパスフィルタ２４をＰＩＤ制御回路１２と
並列に接続した場合、コニカルモードの共振点等の通過
には所定の効果はあるものの、より安定して共振点を通
過させるにはより一層の低周波領域における剛性の向上
が望まれる。この点、従来の様に位相進み要素からなる
バンドパスフィルタ２４をＰＩＤ制御回路１２と並列に
接続する場合には、直列に接続する場合と比べて次に述
べる様な問題点がある。図１２にバンドパスフィルタを
ＰＩＤ制御回路に直列に接続した場合と並列に接続した
場合を比較するボード線図を示す。図中、実線は直列接
続を示し、破線は並列接続を示す。図１２によれば、同
一のバンドパスフィルタを用いる場合、並列接続は直列
接続に比べゲインの増大や位相を進める効果が小さいこ
とが分かる。また、並列接続の場合には伝達関数等の解
析も直列接続に比べ複雑になる。本発明はこのような従
来の課題に鑑みてなされたもので、回転子の加速の際に
生じ易いコニカルモードやパラレルモードの共振による
弊害を安定して防止する磁気軸受装置を提供することを
目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】このため本発明（請求項
１）は、回転子の半径方向位置を計測する位置センサ
と、該位置センサにより計測した位置の変位を演算する
変位演算手段と、前記回転子の回転数を計測する回転数
センサと、各々が異なる周波数領域を含み、各々の周波
数特性を重ね合わせたとき少なくとも第１のコニカルモ
ードの共振周波数及び第２のコニカルモードの共振周波
数を含む帯域を有する複数の補償手段と、前記回転数セ
ンサにより計測された回転数が予め定めた設定回転数と
一致したとき導線又は前記複数の補償手段の何れかを前
記変位演算手段の次段に切替え接続する補償切替手段
と、該補償切替手段による切替え後の出力を補償する第
２の補償手段と、該第２の補償手段の出力を電力増幅す
る電力増幅手段と、該電力増幅手段の出力に基づき回転
子の半径方向の位置を制御する半径方向電磁石を備え、
前記設定回転数は第１のコニカルモードの共振周波数の
前後及び第２のコニカルモードの共振周波数の前後を含
む複数の回転数であることを特徴とする。

【０００５】また、本発明（請求項２）は、前記補償手
段は第１のコニカルモードの共振周波数Ｆ _１ 、第２の
コニカルモードの共振周波数Ｆ _２ 及び第３の周波数Ｆ
_３ （＝Ｆ _１ ＋２（Ｆ _２ −Ｆ _１ ））を含む帯域の内
所定領域にて剛性を向上させるバンドパスフィルタであ
ることを特徴とする。

【０００６】

【０００７】

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。尚、図１０と同一要素のものについ
ては同一符号を付して説明は省略する。本発明の第１実
施形態を示す図１において、変位検出装置３０は半径方
向位置センサ８と変位演算回路１０を含んでいる。変位
検出装置３０の出力は、切替器３２の入力端子３２ａと
接続されている。切替器３２の出力端子３２ｂは導線３
４の一端と接続されている。切替器３２の他の出力端子
３２ｃはバンドパスフィルタ２４の一端と接続されてい
る。バンドパスフィルタ２４は第１の補償手段に相当す
る。補償器切替判別器２６は、切替器３２のスイッチ３
２ｓを回転数センサ７により計測された回転数の大きさ
に応じて切り替え接続する。結合器３６はバンドパスフ
ィルタ２４の他端及び導線３４の他端と接続されてい
る。結合器３６はバンドパスフィルタ２４の出力と導線
３４の出力を加算するもので、補償器切替判別器２６、
切替器３２と共に補償切替手段を構成する。ＰＩＤ制御
回路１２はＰＩＤ定数に基づき位置補償を行うもので、
第２の補償手段に相当する。電力増幅器駆動回路１４及
び電力増幅器１６はＰＩＤ制御回路１２の出力を電力増
幅するもので電力増幅手段に相当する。磁気軸受３８は
電力増幅器１６と半径方向電磁石４を含んでいる。

【０００９】次に動作を説明する。図１において、バン
ドパスフィルタ２４は従来にも増して剛性を向上させる
ため、ＰＩＤ制御回路１２と直列に接続する。変位検出
装置３０では、回転子２の位置変位が検出される。位置
変位は切替器３２に入力される。一方、回転数センサ７
で回転数が検出され、補償器切替判別器２６はこの回転
数の大きさに応じて切替器３２のスイッチ３２ｓを出力
端子３２ｂ若しくは出力端子３２ｃに切り替え接続す
る。この切り替えのタイミングは、次の様に行う。例え
ば図２に示すような回転数に対するコニカルモード共振
周波数の変化を有する定格回転数が約３２，５００ｒｐ
ｍのターボ分子ポンプを使用した場合に、回転周波数と
一致するコニカルモードの共振は約２，５００ｒｐｍ
（第１のコニカルモードの共振周波数Ｆ１に相当する）
と約４，８００ｒｐｍ（第２のコニカルモードの共振周
波数Ｆ２に相当する）の付近に存在する。この２箇所の
共振点を包含した形でバンドパスフィルタ２４により帯
域をカバーするため、例えば１，０００ｒｐｍ〜６，５
００ｒｐｍで出力端子３２ｃに接続する。そして、０〜
１，０００ｒｐｍと６，５００ｒｐｍ以上で出力端子３
２ｂに接続する。結合器３６は、バンドパスフィルタ２
４の出力と導線３４の出力を加算する。しかし、結合器
３６は切替器３２と同様の機能を有し、切替器３２と連
動するスイッチで構成しても良い。また、出力端子３２
ｂ、３２ｃ間の切替えが確実ならば、バンドパスフィル
タ２４の他端と導線３４の他端を単に接続をしても良
い。バンドパスフィルタ２４及びＰＩＤ制御回路１２を
直列に接続したときの帯域は、図３のボード線図に示す
通りであり、第１のコニカルモード及び第２のコニカル
モードの共振周波数付近で共に剛性を向上させることが
出来る。このとき、一次位相進み要素からなるバンドパ
スフィルタ２４のカットオフ周波数は８０ヘルツと１５
０ヘルツである。即ち、コニカルモードの共振周波数を
含む帯域以外では通常の運転が行え、またコニカルモー
ドの共振周波数を含む帯域ではコニカルモードの共振の
抑制が可能である。しかし、コニカルモードの共振周波
数を含む帯域以外でのゲインの低下や位相の遅れ等が問
題にならなければ、起動時からずっとバンドパスフィル
タ２４を介しても良い。

【００１０】また、図４は制御対象を含む閉ループ系の
周波数応答を示す。図中、破線は図５の構成の様に制御
対象４０をＰＩＤ制御回路１２のみで調節した場合であ
り、また実線は図６の構成の様にＰＩＤ制御回路１２に
直列にバンドパスフィルタ２４を接続した場合を示す。
バンドパスフィルタ２４を直列に接続したことで、接続
しなかった場合に比べ回転数と共振周波数が一致する周
波数Ｆ１及びＦ２におけるゲインのピークが抑えられて
おり、一層安定したことが分かる。ここで、図５及び図
６中の目標値とは閉ループ系の加振位置に入る信号を意
味し、ターボ分子ポンプの磁気軸受装置の場合、基本的
には０である。回転子２の振れは半径方向位置センサ８
で検出し、この振幅と位相に応じ、図５のＰＩＤ制御回
路１２又は図６のＰＩＤ制御回路１２及びバンドパスフ
ィルタ２４で制御を行う。

【００１１】なお、コニカルモードの共振点を含む帯域
は、低い方の共振周波数をＦ₁ （第１のコニカルモード
の共振周波数に相当する。）及び高い方の共振周波数を
Ｆ₂（第２のコニカルモードの共振周波数に相当す
る。）とすると、厳密にＦ₁ 〜Ｆ₂ に設定しても良い
が、位相の廻り方によっては安定性を損なう場合が生ず
る。従って、安定化を指向するためバンドパスフィルタ
２４の帯域は共振周波数Ｆ₁ 〜周波数Ｆ₃ （＝Ｆ₁ ＋２
（Ｆ₂ −Ｆ₁ ））を含む帯域の内の所定領域（位相の廻
り込みの大きい部分を避けその分高い周波数側にシフト
させた領域）とする。また、一般にターボ分子ポンプで
は先述した様にコニカルモードの共振の他に並進運動を
伴うパラレルモードの共振も存在するが、バンドパスフ
ィルタ２４により剛性を向上させることで同時にパラレ
ルモードの共振も抑制することが出来る。

【００１２】更に、以上は主として３軸制御型磁気軸受
を対象として述べたが、５軸制御型磁気軸受でもかかる
共振により同様の問題が生ずる場合があり、この場合に
も同様の構成により問題の軽減を図ることが出来る。ま
た、切替器３２の切り替えは前述の様に第１のコニカル
モードの共振周波数及び第２のコニカルモードの共振周
波数を含む帯域の前後で行うが、位相廻りの状況等次第
ではこの内の一方だけで切り替えを行っても良い。

【００１３】次に、図７に本発明の第２実施形態を示
す。尚、図１と同一要素のものについては同一符号を付
して説明は省略する。図７において、本発明の第１実施
形態と異なる点は切替器３２の出力が３点であり、バン
ドパスフィルタ２４が２個並列に切替器３２の各出力端
子３２ｃ，３２ｄと接続されていることである。バンド
パスフィルタ２４の他端は結合器３６に入力されてい
る。

【００１４】次に動作を説明する。バンドパスフィルタ
２４Ａとバンドパスフィルタ２４Ｂとは、図８のボード
線図に示す様にそれぞれ共振周波数Ｆ₁ とＦ₂ を含んだ
形での帯域を有する。即ち、バンドパスフィルタ２４Ａ
とバンドパスフィルタ２４Ｂは、それぞれ第１のコニカ
ルモード、第２のコニカルモード専用の補償器である。
そこで、切替器３２のスイッチ３２ｓは、例えば回転数
が１，０００ｒｐｍ〜３，０００ｒｐｍのとき出力端子
３２ｃに接続する。そして、回転数が３，０００ｒｐｍ
〜６，５００ｒｐｍのとき出力端子３２ｄに接続する。
そして、０〜１，０００ｒｐｍと６，５００ｒｐｍ以上
で出力端子３２ｂに接続する。切替器３２には誤動作を
防止するためインターロック機構を備え、スイッチ３２
ｓは必ずいずれかの出力端子と接続されている様にす
る。第１実施形態の場合には、１次、２次共振点兼用の
補償器であるため剛性の向上に関し折衷的な制御となる
が、第２実施形態の場合には１次、２次共振点のそれぞ
れに対し最適な剛性の向上を図ることが出来る。

【００１５】なお、バンドパスフィルタ２４Ａとバンド
パスフィルタ２４Ｂは１次、２次共振点専用の補償器と
したが、複数のバンドパスフィルタを採用し１次、２次
共振点を総合的に見てその全体の帯域の中に含む様に構
成してもよい。この場合には、第１のコニカルモードの
共振周波数の前後及び第２のコニカルモードの共振周波
数の前後を含む複数の回転数の所（例えばバンドパスフ
ィルタのゲイン特性の交差する周波数を含める）で切替
器３２を切り替える。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように本発明（請求項１）
によれば、補償手段は複数並列に配設し回転子の回転数
により導線と各補償手段を切り替える様に構成したの
で、第１のコニカルモードの共振周波数と第２のコニカ
ルモードの共振周波数のそれぞれに対し最も適した剛性
の補償をすることが出来る。

【００１７】

【００１８】

【００１９】また、本発明（請求項２）によれば、補償
手段は第１のコニカルモードの共振周波数Ｆ_１ 、第２
のコニカルモードの共振周波数Ｆ_２ 及び第３の周波数
Ｆ_３を含む帯域の内所定領域にて剛性を向上させるバン
ドパスフィルタにて構成したので、位相廻り等の影響を
回避した形での安定した剛性の補償をすることが出来
る。

【００２０】

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施形態のブロック図

【図２】 回転数に対するコニカルモード共振周波数の
変化を示す図

【図３】 第１、第２のコニカルモードの共振周波数で
剛性を向上させるバンドパスフィルタをＰＩＤ制御回路
に直列接続したときの全補償器のボード線図

【図４】 制御対象を含む閉ループ系の周波数応答を示
す図

【図５】 制御対象を含む閉ループ系の構成図

【図６】 バンドパスフィルタを挿入した閉ループ系の
構成図

【図７】 本発明の第２実施形態のブロック図

【図８】 第１、第２のコニカルモードの共振周波数専
用に剛性を向上させるバンドパスフィルタのボード線図

【図９】 従来の３軸制御型磁気軸受を有するターボ分
子ポンプの概略構成図

【図１０】 従来の３軸制御型磁気軸受の半径方向位置
制御のブロック図

【図１１】 バンドパスフィルタ（並列接続）を用いた
磁気軸受装置の半径方向位置制御のブロック図

【図１２】 バンドパスフィルタをＰＩＤ制御回路に直
列に接続した場合と並列に接続した場合を比較するボー
ド線図

【符号の説明】

２ 回転子 ４ 半径方向電磁石 ８ 半径方向位置センサ １２ ＰＩＤ制御回路 １４ 電力増幅器駆動回路 ２４ バンドパスフィルタ ２６ 補償器切替判別器 ３２ 切替器 ３４ 導線 ３６ 結合器

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転子の半径方向位置を計測する位置セ
   ンサと、 該位置センサにより計測した位置の変位を演算する変位
   演算手段と、前記回転子の回転数を計測する回転数センサと、 各々が異なる周波数領域を含み、各々の周波数特性を重
   ね合わせたとき少なくとも第１のコニカルモードの共振
   周波数及び第２のコニカルモードの共振周波数を含む帯
   域を有する複数の補償手段と、 前記回転数センサにより計測された回転数が予め定めた
   設定回転数と一致したとき導線又は前記複数の補償手段
   の何れかを前記変位演算手段の次段に切替え接続する補
   償切替手段と、 該補償切替手段による切替え後 の出力を補償する第２の
   補償手段と、 該第２の補償手段の出力を電力増幅する電力増幅手段
   と、 該電力増幅手段の出力に基づき回転子の半径方向の位置
   を制御する半径方向電磁石を備え、前記設定回転数は第１のコニカルモードの共振周波数の
   前後及び第２のコニカルモードの共振周波数の前後を含
   む複数の回転数である ことを特徴とする磁気軸受装置。
2. 【請求項２】 前記補償手段は第１のコニカルモードの
   共振周波数Ｆ_１ 、第２のコニカルモードの共振周波数
   Ｆ_２ 及び第３の周波数Ｆ_３ （＝Ｆ_１ ＋２（Ｆ_２
   −Ｆ_１ ））を含む帯域の内所定領域にて剛性を向上さ
   せるバンドパスフィルタであることを特徴とする請求項
   １記載の磁気軸受装置。