JP3463218B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents
磁気軸受装置Info
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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
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
- F16C32/0451—Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control
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- Physics & Mathematics (AREA)
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- Mechanical Engineering (AREA)
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- Control Of Position Or Direction (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、磁気軸受装置に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】磁気軸受装置として、回転軸（回転体）
をラジアル方向に非接触支持する複数の電磁石を有する
ラジアル磁気軸受、回転軸のラジアル方向の変位を検出
する変位検出装置、および変位検出装置からの変位信号
に基づいてラジアル磁気軸受の電磁石への駆動電流を制
御するＰＩＤ制御回路を備えた制御形磁気軸受装置が知
られている。 【０００３】このような磁気軸受装置は工作機械の主軸
などに用いられるが、その場合、切削加工時の外乱によ
り回転軸が振動し、磁気軸受が制御不能となる問題があ
るため、回転軸の固有振動数に関係なく、定常回転数で
の軸受剛性を向上させる必要があった。 【０００４】そのため、たとえば特開昭６０−１４６１
９号公報に示されているように、ＰＩＤ制御回路に帯域
通過フィルタを並列に接続し、局所的に位相を進ませ、
かつゲインも大きくすることによって、上記の問題を解
決することが提案されている。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のように
しただけでは、定常回転数では局所的に軸受剛性が改善
されたとしても、定常回転数になる前に、逆に、位相遅
れとゲイン低下が発生し、理想的な改善とはなっていな
い（特開昭６０−１４６１９号公報参照）。 【０００６】この発明の目的は、上記の問題を解決し、
定常回転数の近傍で位相を進ませて、軸受剛性を向上さ
せることができる磁気軸受装置を提供することにある。 【０００７】 【課題を解決するための手段】この発明による磁気軸受
装置は、回転体をラジアル方向に非接触支持する複数の
電磁石を有するラジアル磁気軸受、上記回転体のラジア
ル方向の変位を検出する変位検出装置、および上記変位
検出装置からの変位信号に基づいて上記ラジアル磁気軸
受の電磁石への駆動電流を制御するＰＩＤ制御回路を備
えた磁気軸受装置において、上記ＰＩＤ制御回路の出力
信号をノッチフィルタを通して上記ＰＩＤ制御回路の入
力に負帰還するようにしたことを特徴とするものであ
る。 【０００８】 【作用】ＰＩＤ制御回路の出力信号をノッチフィルタを
通してＰＩＤ制御回路の入力に負帰還するようにしたの
で、定常回転数の近傍で位相を進ませることができ、し
たがって、軸受剛性が向上し、工作機械の主軸などに使
用したときに、振動によって磁気軸受が制御不能になる
というような問題が解決される。 【０００９】 【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例に
ついて説明する。 【００１０】図１は、磁気軸受装置の主要部の電気的構
成の１例を示している。 【００１１】この磁気軸受装置は、回転軸（回転体）
(1) をラジアル方向に非接触支持する複数のラジアル電
磁石(2) を有するラジアル磁気軸受(3) 、回転軸(1) の
ラジアル方向の変位を検出するラジアル変位検出装置
(4) 、および変位検出装置(4) からの変位信号Ｓ1 に基
づいてラジアル電磁石(2) への駆動電流を制御するラジ
アル用ＰＩＤ制御回路(5) を備えている。変位検出装置
(4) は、回転軸(1) のラジアル方向の位置を検出する複
数のラジアル位置センサー(6) 、およびこれらのセンサ
ー(6) の出力から回転軸(1) のラジアル方向の変位を求
めるラジアル変位演算回路(7) より構成されている。な
お、磁気軸受装置には、ラジアル磁気軸受(3) およびこ
れを構成するラジアル電磁石(2) 、ならびにラジアル変
位検出装置(4) のラジアル位置センサー(6) はそれぞれ
複数設けられているが、図１にはこれらがそれぞれ１つ
だけ図示されている。また、磁気軸受装置には、回転軸
(1) をアキシアル方向に非接触支持する２つのアキシア
ル電磁石を有するアキシアル磁気軸受、回転軸(1) のア
キシアル方向の変位を検出するアキシアル変位検出装
置、およびこの変位検出装置からの変位信号に基づいて
アキシアル電磁石への駆動電流を制御するアキシアル用
ＰＩＤ制御回路も設けられているが、これらの図示も省
略されている。 【００１２】変位検出装置(4) からの変位信号Ｓ1 は、
抵抗(8) （抵抗値Ｒ1 ）および抵抗(9) （抵抗値Ｒ2 ）
を介して演算増幅器(10)の非反転入力端子に入力し、演
算増幅器(10)の出力信号がＰＩＤ制御回路(5) に入力す
る。ＰＩＤ制御回路(5) の出力信号Ｓ2 は磁気軸受(3)
の電力増幅器(11)に入力し、この電力増幅器(11)により
電磁石(2) の駆動電流が制御される。ＰＩＤ制御回路
(5) の出力信号Ｓ2 は、また、ノッチフィルタ(12)なら
びに抵抗(13)（抵抗値Ｒ3 ）および抵抗(14)（抵抗値Ｒ
4 ）を介して演算増幅器(10)の反転入力端子に入力し、
これにより、ＰＩＤ制御回路(5) の出力信号Ｓ2 がノッ
チフィルタ(12)を通してＰＩＤ制御回路(5) の入力に負
帰還するようになっている。ノッチフィルタ(12)の出力
信号すなわち負帰還信号をＳ3 とすると、ＰＩＤ制御回
路(5) の出力信号Ｓ2 は次の式のように表わされる。 【００１３】Ｓ2 ＝Ｓ1 −α・Ｓ3 α（＝Ｒ4 ／（Ｒ3 ＋Ｒ4 ））は、帰還量である。 【００１４】上記の磁気軸受装置の周波数特性は、たと
えば図５あるいは図６のようになる。上記の磁気軸受装
置では、ＰＩＤ制御回路(5) の出力信号Ｓ2 をノッチフ
ィルタ(12)を通してＰＩＤ制御回路(5) の入力に負帰還
するようにしているので、定常回転数の近傍で位相を進
ませることができ、軸受剛性が向上する。したがって、
上記の磁気軸受装置を工作機械の主軸などに使用したと
きに、振動によって磁気軸受が制御不能になるというよ
うな問題が解決される。 【００１５】上記の帰還量αは、０．０９〜０．２程度
が適している。帰還量αが０．０９より小さいと、位相
遅れが生じ、帰還量αが０．２より大きいと、ゲインが
大きくなって、振動が生じやすくなる。図２〜図８は、
帰還量αを変えたときの周波数特性の実験結果を示して
おり、これからも上記のことがわかる。αが０、０．０
２あるいは０．０５の場合は、図２〜図４に示すよう
に、定常回転数近傍での位相進みが十分でなく、軸受剛
性を十分に向上させることができない。αが０．０９あ
るいは０．２の場合は、図５および図６に示すように、
定常回転数近傍で位相進みが生じて、軸受剛性が向上
し、しかも定常回転数近傍でゲインが大きくなりすぎて
発振が生じることもない。αが０．５になると、図７に
示すように、定常回転数近傍でゲインがかなり大きくな
って、発振気味になる。さらにαが１になると、定常回
転数近傍でのゲインがさらに大きくなって、発振が生じ
る。なお、シミュレーションによっても、上記とほぼ同
じ結果が得られている。 【００１６】 【発明の効果】この発明の磁気軸受装置によれば、上述
のように、定常回転数の近傍で位相を進ませることがで
き、軸受剛性が向上する。したがって、工作機械の主軸
などに使用したときに、振動によって磁気軸受が制御不
能になるというような問題が解決される。
る。 【０００２】 【従来の技術】磁気軸受装置として、回転軸（回転体）
をラジアル方向に非接触支持する複数の電磁石を有する
ラジアル磁気軸受、回転軸のラジアル方向の変位を検出
する変位検出装置、および変位検出装置からの変位信号
に基づいてラジアル磁気軸受の電磁石への駆動電流を制
御するＰＩＤ制御回路を備えた制御形磁気軸受装置が知
られている。 【０００３】このような磁気軸受装置は工作機械の主軸
などに用いられるが、その場合、切削加工時の外乱によ
り回転軸が振動し、磁気軸受が制御不能となる問題があ
るため、回転軸の固有振動数に関係なく、定常回転数で
の軸受剛性を向上させる必要があった。 【０００４】そのため、たとえば特開昭６０−１４６１
９号公報に示されているように、ＰＩＤ制御回路に帯域
通過フィルタを並列に接続し、局所的に位相を進ませ、
かつゲインも大きくすることによって、上記の問題を解
決することが提案されている。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のように
しただけでは、定常回転数では局所的に軸受剛性が改善
されたとしても、定常回転数になる前に、逆に、位相遅
れとゲイン低下が発生し、理想的な改善とはなっていな
い（特開昭６０−１４６１９号公報参照）。 【０００６】この発明の目的は、上記の問題を解決し、
定常回転数の近傍で位相を進ませて、軸受剛性を向上さ
せることができる磁気軸受装置を提供することにある。 【０００７】 【課題を解決するための手段】この発明による磁気軸受
装置は、回転体をラジアル方向に非接触支持する複数の
電磁石を有するラジアル磁気軸受、上記回転体のラジア
ル方向の変位を検出する変位検出装置、および上記変位
検出装置からの変位信号に基づいて上記ラジアル磁気軸
受の電磁石への駆動電流を制御するＰＩＤ制御回路を備
えた磁気軸受装置において、上記ＰＩＤ制御回路の出力
信号をノッチフィルタを通して上記ＰＩＤ制御回路の入
力に負帰還するようにしたことを特徴とするものであ
る。 【０００８】 【作用】ＰＩＤ制御回路の出力信号をノッチフィルタを
通してＰＩＤ制御回路の入力に負帰還するようにしたの
で、定常回転数の近傍で位相を進ませることができ、し
たがって、軸受剛性が向上し、工作機械の主軸などに使
用したときに、振動によって磁気軸受が制御不能になる
というような問題が解決される。 【０００９】 【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例に
ついて説明する。 【００１０】図１は、磁気軸受装置の主要部の電気的構
成の１例を示している。 【００１１】この磁気軸受装置は、回転軸（回転体）
(1) をラジアル方向に非接触支持する複数のラジアル電
磁石(2) を有するラジアル磁気軸受(3) 、回転軸(1) の
ラジアル方向の変位を検出するラジアル変位検出装置
(4) 、および変位検出装置(4) からの変位信号Ｓ1 に基
づいてラジアル電磁石(2) への駆動電流を制御するラジ
アル用ＰＩＤ制御回路(5) を備えている。変位検出装置
(4) は、回転軸(1) のラジアル方向の位置を検出する複
数のラジアル位置センサー(6) 、およびこれらのセンサ
ー(6) の出力から回転軸(1) のラジアル方向の変位を求
めるラジアル変位演算回路(7) より構成されている。な
お、磁気軸受装置には、ラジアル磁気軸受(3) およびこ
れを構成するラジアル電磁石(2) 、ならびにラジアル変
位検出装置(4) のラジアル位置センサー(6) はそれぞれ
複数設けられているが、図１にはこれらがそれぞれ１つ
だけ図示されている。また、磁気軸受装置には、回転軸
(1) をアキシアル方向に非接触支持する２つのアキシア
ル電磁石を有するアキシアル磁気軸受、回転軸(1) のア
キシアル方向の変位を検出するアキシアル変位検出装
置、およびこの変位検出装置からの変位信号に基づいて
アキシアル電磁石への駆動電流を制御するアキシアル用
ＰＩＤ制御回路も設けられているが、これらの図示も省
略されている。 【００１２】変位検出装置(4) からの変位信号Ｓ1 は、
抵抗(8) （抵抗値Ｒ1 ）および抵抗(9) （抵抗値Ｒ2 ）
を介して演算増幅器(10)の非反転入力端子に入力し、演
算増幅器(10)の出力信号がＰＩＤ制御回路(5) に入力す
る。ＰＩＤ制御回路(5) の出力信号Ｓ2 は磁気軸受(3)
の電力増幅器(11)に入力し、この電力増幅器(11)により
電磁石(2) の駆動電流が制御される。ＰＩＤ制御回路
(5) の出力信号Ｓ2 は、また、ノッチフィルタ(12)なら
びに抵抗(13)（抵抗値Ｒ3 ）および抵抗(14)（抵抗値Ｒ
4 ）を介して演算増幅器(10)の反転入力端子に入力し、
これにより、ＰＩＤ制御回路(5) の出力信号Ｓ2 がノッ
チフィルタ(12)を通してＰＩＤ制御回路(5) の入力に負
帰還するようになっている。ノッチフィルタ(12)の出力
信号すなわち負帰還信号をＳ3 とすると、ＰＩＤ制御回
路(5) の出力信号Ｓ2 は次の式のように表わされる。 【００１３】Ｓ2 ＝Ｓ1 −α・Ｓ3 α（＝Ｒ4 ／（Ｒ3 ＋Ｒ4 ））は、帰還量である。 【００１４】上記の磁気軸受装置の周波数特性は、たと
えば図５あるいは図６のようになる。上記の磁気軸受装
置では、ＰＩＤ制御回路(5) の出力信号Ｓ2 をノッチフ
ィルタ(12)を通してＰＩＤ制御回路(5) の入力に負帰還
するようにしているので、定常回転数の近傍で位相を進
ませることができ、軸受剛性が向上する。したがって、
上記の磁気軸受装置を工作機械の主軸などに使用したと
きに、振動によって磁気軸受が制御不能になるというよ
うな問題が解決される。 【００１５】上記の帰還量αは、０．０９〜０．２程度
が適している。帰還量αが０．０９より小さいと、位相
遅れが生じ、帰還量αが０．２より大きいと、ゲインが
大きくなって、振動が生じやすくなる。図２〜図８は、
帰還量αを変えたときの周波数特性の実験結果を示して
おり、これからも上記のことがわかる。αが０、０．０
２あるいは０．０５の場合は、図２〜図４に示すよう
に、定常回転数近傍での位相進みが十分でなく、軸受剛
性を十分に向上させることができない。αが０．０９あ
るいは０．２の場合は、図５および図６に示すように、
定常回転数近傍で位相進みが生じて、軸受剛性が向上
し、しかも定常回転数近傍でゲインが大きくなりすぎて
発振が生じることもない。αが０．５になると、図７に
示すように、定常回転数近傍でゲインがかなり大きくな
って、発振気味になる。さらにαが１になると、定常回
転数近傍でのゲインがさらに大きくなって、発振が生じ
る。なお、シミュレーションによっても、上記とほぼ同
じ結果が得られている。 【００１６】 【発明の効果】この発明の磁気軸受装置によれば、上述
のように、定常回転数の近傍で位相を進ませることがで
き、軸受剛性が向上する。したがって、工作機械の主軸
などに使用したときに、振動によって磁気軸受が制御不
能になるというような問題が解決される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示す磁気軸受装置の主要部
のブロック図である。 【図２】帰還量に対する周波数特性の１例を示す線図で
ある。 【図３】帰還量に対する周波数特性の他の１例を示す線
図である。 【図４】帰還量に対する周波数特性の他の１例を示す線
図である。 【図５】帰還量に対する周波数特性の他の１例を示す線
図である。 【図６】帰還量に対する周波数特性の他の１例を示す線
図である。 【図７】帰還量に対する周波数特性の他の１例を示す線
図である。 【図８】帰還量に対する周波数特性の他の１例を示す線
図である。 【符号の説明】 (1) 回転軸（回転体） (2) ラジアル電磁石 (3) ラジアル磁気軸受 (4) ラジアル変位検出装置 (5) ラジアル用ＰＩＤ制御回路 (12) ノッチフィルタ
のブロック図である。 【図２】帰還量に対する周波数特性の１例を示す線図で
ある。 【図３】帰還量に対する周波数特性の他の１例を示す線
図である。 【図４】帰還量に対する周波数特性の他の１例を示す線
図である。 【図５】帰還量に対する周波数特性の他の１例を示す線
図である。 【図６】帰還量に対する周波数特性の他の１例を示す線
図である。 【図７】帰還量に対する周波数特性の他の１例を示す線
図である。 【図８】帰還量に対する周波数特性の他の１例を示す線
図である。 【符号の説明】 (1) 回転軸（回転体） (2) ラジアル電磁石 (3) ラジアル磁気軸受 (4) ラジアル変位検出装置 (5) ラジアル用ＰＩＤ制御回路 (12) ノッチフィルタ
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(56)参考文献 特開 平４−302711（ＪＰ，Ａ)
特開 昭57−65415（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−231428（ＪＰ，Ａ)
特開 昭60−14619（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−136767（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−203526（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−141422（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−84216（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−332360（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−140639（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−107814（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−206820（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−286609（ＪＰ，Ａ)
特開 平１−150015（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−333936（ＪＰ，Ａ)
実開 平４−126019（ＪＰ，Ｕ)
実開 平５−75518（ＪＰ，Ｕ)
実開 平１−89622（ＪＰ，Ｕ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
F16C 32/00 - 32/06
G05D 3/00 - 3/20
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】回転体をラジアル方向に非接触支持する複
数の電磁石を有するラジアル磁気軸受、上記回転体のラ
ジアル方向の変位を検出する変位検出装置、および上記
変位検出装置からの変位信号に基づいて上記ラジアル磁
気軸受の電磁石への駆動電流を制御するＰＩＤ制御回路
を備えた磁気軸受装置において、 上記ＰＩＤ制御回路の出力信号をノッチフィルタを通し
て上記ＰＩＤ制御回路の入力に負帰還するようにしたこ
とを特徴とする磁気軸受装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32766193A JP3463218B2 (ja) | 1993-12-24 | 1993-12-24 | 磁気軸受装置 |
| EP94120413A EP0663538B1 (en) | 1993-12-24 | 1994-12-22 | Magnetic bearing device |
| DE69416999T DE69416999T2 (de) | 1993-12-24 | 1994-12-22 | Magnetlager |
| US08/838,595 US5736802A (en) | 1993-12-24 | 1997-04-10 | Magnetic bearing device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32766193A JP3463218B2 (ja) | 1993-12-24 | 1993-12-24 | 磁気軸受装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07180724A JPH07180724A (ja) | 1995-07-18 |
| JP3463218B2 true JP3463218B2 (ja) | 2003-11-05 |
Family
ID=18201559
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32766193A Expired - Fee Related JP3463218B2 (ja) | 1993-12-24 | 1993-12-24 | 磁気軸受装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5736802A (ja) |
| EP (1) | EP0663538B1 (ja) |
| JP (1) | JP3463218B2 (ja) |
| DE (1) | DE69416999T2 (ja) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP3109023B2 (ja) * | 1996-07-18 | 2000-11-13 | セイコー精機株式会社 | 磁気軸受装置 |
| JPH11257352A (ja) * | 1998-03-13 | 1999-09-21 | Hitachi Ltd | 磁気軸受及びそれを搭載した回転機械並びに回転機械の運転方法 |
| US6323614B1 (en) * | 1998-09-04 | 2001-11-27 | The Texas A&M University System | System and method for controlling suspension using a magnetic field |
| JP3609645B2 (ja) * | 1999-03-11 | 2005-01-12 | 株式会社東海理化電機製作所 | 回転検出センサ |
| JP2001041237A (ja) * | 1999-07-26 | 2001-02-13 | Seiko Seiki Co Ltd | 磁気軸受装置 |
| DE10022736A1 (de) | 2000-05-10 | 2001-11-15 | Schlafhorst & Co W | Magnetlageranordnung für eine Offenend-Spinnvorrichtung |
| US6590366B1 (en) * | 2000-11-02 | 2003-07-08 | General Dyanmics Advanced Technology Systems, Inc. | Control system for electromechanical arrangements having open-loop instability |
| US6734650B2 (en) * | 2002-01-30 | 2004-05-11 | Honeywell International, Inc. | System and method for controlling an active magnetic bearing using continuous variable compensation |
| CN103174746A (zh) * | 2013-03-28 | 2013-06-26 | 南京工业大学 | 一种主动型磁悬浮轴承系统及控制电路 |
| CN109281863A (zh) * | 2018-11-21 | 2019-01-29 | 珠海格力电器股份有限公司 | 一种新型磁悬浮压缩机结构 |
Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2417797A1 (fr) * | 1978-02-20 | 1979-09-14 | Europ Propulsion | Dispositif de compensation du grain d'un circuit asservi par contre-reaction en courant |
| JPS59212519A (ja) * | 1983-05-14 | 1984-12-01 | Ntn Toyo Bearing Co Ltd | 磁気軸受の制御装置 |
| JPS6014619A (ja) * | 1983-07-05 | 1985-01-25 | Ntn Toyo Bearing Co Ltd | 磁気軸受の制御装置 |
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