JPS62155326A - Magnetic bearing device - Google Patents
Magnetic bearing deviceInfo
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- JPS62155326A JPS62155326A JP29330685A JP29330685A JPS62155326A JP S62155326 A JPS62155326 A JP S62155326A JP 29330685 A JP29330685 A JP 29330685A JP 29330685 A JP29330685 A JP 29330685A JP S62155326 A JPS62155326 A JP S62155326A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
(技術分野)
この発明は磁気軸受装置、よシ詳細には高い軸受剛性を
低い出力パワーアンプで提・共する磁気軸受装置に関す
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Technical Field) The present invention relates to a magnetic bearing device, and more particularly to a magnetic bearing device that provides high bearing rigidity with a low output power amplifier.
(従来技術)
従来、磁気軸受装置としては永久磁石を使用する受動型
、永久磁石と電磁石を併用するハイブリッド型、そして
電磁石を使用する能動型と3種類のものが知られている
。中でも可動体のアンバランスや圧力の変動などのよう
な外力の変化に対して打ち勝つ必要がある場合には能動
型磁気軸受装置が必要となってくる。通常この能動型磁
気軸受装置は、可動体(以下ロータと称する。)、軸受
部(以下ステータと称する。)、ステータに設けられた
電磁石と変位センサ、及び制御部とからなっており、ロ
ータのステータに対する空間的位置の変位tを変位セン
サで検出した結果を制御部を介して電磁石へ伝えること
によシロータをその周囲から磁気力によって所定の位置
に吸引支持するようになっている。尚、このn目動型磁
気軸受については雑誌「機械設計」第29巻第3号(1
985年3月号)にその原理等が詳細に述べられている
。(Prior Art) Conventionally, three types of magnetic bearing devices are known: a passive type that uses permanent magnets, a hybrid type that uses a combination of permanent magnets and electromagnets, and an active type that uses electromagnets. Among these, an active magnetic bearing device is required when it is necessary to overcome changes in external forces such as unbalance of a movable body or fluctuations in pressure. Generally, this active magnetic bearing device consists of a movable body (hereinafter referred to as the rotor), a bearing section (hereinafter referred to as the stator), an electromagnet and a displacement sensor provided on the stator, and a control section. By transmitting the result of detecting the displacement t of the spatial position relative to the stator by the displacement sensor to the electromagnet via the control section, the rotor is attracted and supported at a predetermined position by magnetic force from around the rotor. Regarding this n-type magnetic bearing, please refer to the magazine "Mechanical Design", Volume 29, No. 3 (1
The principle etc. are described in detail in the March 1985 issue).
ロータの停止時にはロータは重力によってステータの一
部と接触しており、ロータの変位量はロータが軸受動作
中に保持されるべき位置である設定基準位置からみて最
大となっている。起動時に、この最大変位量が例えばう
ずt流式非接触型変位計などの変位センサによって検出
され、その変位量に対応したセンサ出力が、ロータが設
定基準位置にある場合の変位量に相当する電圧指令値と
比較される。従って、コイルなどの電磁石へ重力を供給
する際のパワーアンプの最大定格出力は、このロータの
変位波が最大のときの比較値(差)に対応するように設
定されなければならない。一方、軸受動作中の設定基準
位置近傍においてのロータの微少変位t−極力防止する
ため、即ち軸受剛性を高めるためにはその微少変位に対
してパワーアンプからの出力をかなシ大きなものにし°
なければならない。そのため最大変位に対する出力全定
格出力とするには増幅器としてはかなり大型のものを使
用しなければならないという問題があった。When the rotor is at rest, the rotor is in contact with a portion of the stator due to gravity, and the amount of displacement of the rotor is maximum relative to the set reference position, which is the position at which the rotor should be held during bearing operation. At startup, this maximum displacement is detected by a displacement sensor such as a eddy-flow type non-contact displacement meter, and the sensor output corresponding to the displacement corresponds to the displacement when the rotor is at the set reference position. It is compared with the voltage command value. Therefore, the maximum rated output of the power amplifier when supplying gravity to an electromagnet such as a coil must be set to correspond to the comparison value (difference) when the displacement wave of the rotor is at its maximum. On the other hand, in order to prevent minute displacements of the rotor near the set reference position during bearing operation as much as possible, that is, to increase bearing rigidity, the output from the power amplifier should be made large enough to respond to minute displacements.
There must be. Therefore, there is a problem in that a considerably large amplifier must be used in order to achieve the full rated output for the maximum displacement.
(発明の目的)
本発明は上述の従来技術における問題点に鑑みてなされ
たものであり、特に定格出力の大きいパワーアンプを使
用しないでも通常の軸受動作におけるロータの設定基準
位置近傍での術少変位の防止性及び回復性の高い、即ち
軸受剛性の高い磁気軸受装置を提供するものである。(Object of the Invention) The present invention has been made in view of the above-mentioned problems in the prior art, and it is possible to reduce the amount of mechanical damage near the set reference position of the rotor during normal bearing operation without using a power amplifier with a particularly large rated output. The present invention provides a magnetic bearing device that has high displacement prevention and recovery performance, that is, high bearing rigidity.
(発明の概要)
上述の課題は、ロータと、ロータを磁気的に支持するた
めの磁界を発生する電磁石を含むステータと1.ロータ
の変位量を検出する変位センサと、変位センサの出力に
応じて′電磁石t−駆動する駆動制御系を有する磁気軸
受装置により達成される。(Summary of the Invention) The above-mentioned problems are solved by: a rotor; a stator including an electromagnet that generates a magnetic field for magnetically supporting the rotor; This is achieved by a magnetic bearing device having a displacement sensor that detects the amount of displacement of the rotor, and a drive control system that drives an electromagnet according to the output of the displacement sensor.
(実施例)
第1図は本発明の実施例である磁気軸受装置の制御系を
示すブロック図である。磁気軸受装ff 1はその中心
でロータ(可動体)2を保持するステータ3、ロータ2
を浮かせるための磁気吸引力を発生する電磁石4,4′
及びローダ2とステータ3との間のギャップのtを検出
する変位センサ5,5′とを有している。変位センサ5
,5′としては従来から知られているインダクタンスタ
イプのものを使用すればよく、これによりギャップが変
化するとセンサコイルのインダクタンスが変化すること
を利用して例えば500μmの広い範囲にわたってf#
度よく変位tを検出することができる。変位センサ5,
5′による検出結果は位置信号発生回路6からレベルd
の位置信号として出力され、ノイズ除去等のためのロー
パスフィルタγ及び位相補償回路8を継で変位信号発生
回路9に入力される。センサ出力レベルdは変位信号発
生回路9において、設定基準位置に対応する基準レベル
v8との差Δd(=vs−d)をとられる。ここで設定
基準位置とは、ロータ2がステータ3中で軸受動作中に
保持されなければならない空間的な位置、通常中心位置
のことをいう。(Embodiment) FIG. 1 is a block diagram showing a control system of a magnetic bearing device that is an embodiment of the present invention. Magnetic bearing device ff 1 includes a stator 3 that holds a rotor (movable body) 2 at its center, and a rotor 2
Electromagnets 4, 4' that generate magnetic attraction to float
and displacement sensors 5, 5' for detecting the gap t between the loader 2 and the stator 3. displacement sensor 5
, 5' may be of the conventionally known inductance type, and by utilizing the fact that the inductance of the sensor coil changes when the gap changes, f# can be determined over a wide range of, for example, 500 μm.
The displacement t can be detected with high accuracy. displacement sensor 5,
5' is output from the position signal generating circuit 6 at level d.
The signal is output as a position signal, and is input to a displacement signal generation circuit 9 via a low-pass filter γ for noise removal and the like and a phase compensation circuit 8. A difference Δd (=vs−d) between the sensor output level d and the reference level v8 corresponding to the set reference position is calculated in the displacement signal generation circuit 9. The predetermined reference position here refers to the spatial position, usually the central position, in which the rotor 2 must be held in the stator 3 during bearing movement.
次にこのレベルΔdは比較回路10においてしきい値電
圧Voと比較される。ここで、しきい値とは高い軸受剛
性を保持していなければならない基準位置からのズレの
範囲を意味する。即ち、この範囲内では高す軸受剛性が
保証されるものであり、本実施例では10μmに対応す
るレベルのものである。Next, this level Δd is compared with the threshold voltage Vo in the comparator circuit 10. Here, the threshold value means the range of deviation from the reference position within which high bearing rigidity must be maintained. That is, within this range, high bearing rigidity is guaranteed, and in this example, it is at a level corresponding to 10 μm.
変位信号発生回路9の出力は可変利得増幅a11へ入力
されまた比較回路10における比較結果も参照レベルと
して増#A器11へ入力され利得制御された後、後段の
PI制呻回路12、D制御回路13、加算回路14、処
理回路15、及びパワーアンプ16.16’f!I:継
て電磁石4,4′の磁気力の制御に供される。The output of the displacement signal generating circuit 9 is input to the variable gain amplifier a11, and the comparison result in the comparator circuit 10 is also input as a reference level to the amplifier 11, where the gain is controlled. Circuit 13, addition circuit 14, processing circuit 15, and power amplifier 16.16'f! I: Used to control the magnetic force of the electromagnets 4, 4'.
42図は、第1図におけるブロックのうち可変利得増幅
器11についての詳細図である。FIG. 42 is a detailed diagram of the variable gain amplifier 11 among the blocks in FIG.
OTf利得増幅器11はCMOSスイッチとして公知の
アナログスイッチ17、抵抗klとi2からなる切換抵
抗器18、及び抵抗ROをMする差動増幅器19から構
成されている。The OTf gain amplifier 11 is composed of an analog switch 17 known as a CMOS switch, a switching resistor 18 made up of resistors kl and i2, and a differential amplifier 19 with a resistor RO.
尚、本実施例においてはアナログスイッチ1Tとして例
えばアナログ・デバイセズ社製のAD7510DI、A
D7511DI又はAD7512DIなどを使用してい
る。また、切換抵抗器18における抵抗りと島との関係
は且、〉u2である。In this embodiment, the analog switch 1T is, for example, AD7510DI, A manufactured by Analog Devices, Inc.
D7511DI or AD7512DI is used. Further, the relationship between the resistance and the island in the switching resistor 18 is 〉u2.
工作機砿などに使用されるとの植の磁気軸受においては
ロータ2を設定基準位置で振動させないことが最も重要
なことでアフ、その許容される変位量の最大値は10μ
mである。For magnetic bearings that are used in machine tools, etc., it is most important that the rotor 2 not vibrate at the set reference position, and the maximum allowable displacement is 10μ.
It is m.
従って比較回路10で参照されるしきい値電圧Vo
はこの最大変位!10μmに対応するように設定される
。ここで可変利得増幅器11に戻ってその動作を説明す
る。ロータ2の変位量が10μmを越えるような場合、
即ち変位信号発生回路9の出力レベルΔdがしきい値電
圧Voよりも大きいという比較結果が比較回路10から
可変利得増幅611のアナログスイッチ17に入力され
ると、アナログスイッチ11は切換抵抗第18の抵抗を
抵抗値の大きいitの方に切#)換える。一方、ロータ
2の変位量が10μm未満であるときはΔdはVoよシ
も低くなるので、アナログスイッチ17の抵抗値は小さ
い且2の方に切シ遺えられる。ここで、差動増幅器19
の抵抗はR,なので可変利得増幅器11としての利得G
はG=Ro7vts (tはl又は2)で表わすことが
できる。従って、抵抗R1と互!との関係では抵抗値の
小さい瓦2が導通した方が利得Gは高くなる。言い換え
れば、可変利得増幅器11としての利得Gはロータ2の
変位量が10μm以上である方がそれ未満であるよりも
低くなるように構成されている。Therefore, the threshold voltage Vo referenced by the comparison circuit 10
is this maximum displacement! It is set to correspond to 10 μm. Now, returning to the variable gain amplifier 11, its operation will be explained. If the displacement of rotor 2 exceeds 10 μm,
That is, when the comparison result that the output level Δd of the displacement signal generation circuit 9 is larger than the threshold voltage Vo is input from the comparison circuit 10 to the analog switch 17 of the variable gain amplifier 611, the analog switch 11 Change the resistor to one with a higher resistance value. On the other hand, when the amount of displacement of the rotor 2 is less than 10 .mu.m, .DELTA.d is lower than Vo, so the resistance value of the analog switch 17 is small and remains on the 2 side. Here, the differential amplifier 19
Since the resistance of is R, the gain G of the variable gain amplifier 11 is
can be expressed as G=Ro7vts (t is l or 2). Therefore, it is mutually equal to resistor R1! In relation to this, the gain G becomes higher when the roof tile 2 having a smaller resistance value is conductive. In other words, the gain G of the variable gain amplifier 11 is configured to be lower when the amount of displacement of the rotor 2 is 10 μm or more than when it is less than that.
再び第1図に戻って、可変利得増幅器11からの出力は
、比例・積分制御のためにPI制両回路12へ、又微分
制御のためにD制御回路へそれぞれ入力される。PI制
御回路12で定常偏差をなくされた信号及びD制御回路
13で外乱などにより生じた偏差を急速に回復させられ
た信号は、それぞれ加算回路14に入力される。加算回
路14で加算された信号のレベルはvi であり、その
信号は次に処理回路15に入力される。尚、P工制御回
路12、D制御回路13及び加算回路14については周
知のものであるので、ここではこれ以上詳細な説明は省
略する。例えばこのような回路は雑誌「電子科学J19
73年3月号・、第、19頁〜第28頁、(柳沢博)に
示されている。Returning to FIG. 1 again, the output from the variable gain amplifier 11 is input to the PI control circuit 12 for proportional/integral control, and to the D control circuit for differential control. The signal from which the steady-state deviation has been eliminated by the PI control circuit 12 and the signal from which the deviation caused by disturbance or the like has been quickly recovered by the D control circuit 13 are input to the adder circuit 14, respectively. The level of the signal added by the adding circuit 14 is vi, and the signal is then input to the processing circuit 15. Incidentally, since the P control circuit 12, the D control circuit 13, and the addition circuit 14 are well known, a detailed explanation thereof will be omitted here. For example, such a circuit was published in the magazine "Electronic Science J19
March 1973 issue, No. 19-28, (Hiroshi Yanagisawa).
磁気力によるロータ2の吸引は重力、外力の影響等を考
慮して行なわなければならず、当然電磁石4.4′に供
給する電力は異なったものとなる。処理回路15Fiそ
のための処理を行なう回路で69、その詳細は第3図に
示される。第3図において、処理回路15はアンプAt
とA鵞、定電圧源20.及び図示のように配置される
抵抗RsとROから成シ立っている。加算回路14から
の出力レベルvtの信号は各々アンプA、の正入力及び
アンプA2の負入力に入力され、一方定幅圧源20から
のレベルv3の出力は各々アンプA1の負入力及びアン
プA2の正入力に入力される。゛ここでアンプA、及び
A2の出力v1及びv2は各々次の式で表わされる。Attraction of the rotor 2 by magnetic force must be carried out taking into consideration the influence of gravity, external force, etc., and naturally the electric power supplied to the electromagnets 4, 4' will be different. Processing circuit 15Fi is a circuit 69 that performs processing for this purpose, the details of which are shown in FIG. In FIG. 3, the processing circuit 15 is an amplifier At
and A. Constant Voltage Source 20. and resistors Rs and RO arranged as shown. The output level vt signal from the adder circuit 14 is inputted to the positive input of amplifier A and the negative input of amplifier A2, respectively, while the output level v3 from the constant width pressure source 20 is inputted to the negative input of amplifier A1 and amplifier A2, respectively. input to the positive input of゛Here, the outputs v1 and v2 of the amplifiers A and A2 are respectively expressed by the following equations.
vl = −Ro (Vs +vi ) /Rev
2 ==Ro (Vo −vl ) / Rsこのよ
うにして、ロータ2の変位の大きい方の電磁石に対して
は大きな電圧v’+ (従つて大きな嘔流)が供給さ
れることになシ、一方変位の小さい方の嵯磁石に対して
は小さな゛電圧Vz (従って小さな電流)が供給さ
れることになるので、ロータ2の変位がなくなる方向に
電磁石が相互的に作用することになる。vl = −Ro (Vs +vi) /Rev
2 ==Ro (Vo -vl)/Rs In this way, a large voltage v'+ (and therefore a large current) will be supplied to the electromagnet with the larger displacement of the rotor 2. On the other hand, since a small voltage Vz (therefore, a small current) is supplied to the magnet with the smaller displacement, the electromagnets interact in the direction in which the displacement of the rotor 2 is eliminated.
また、重力・外力の影響を考慮された処理回路15の出
力レベルv1及びV!は、可変利得増幅器11によって
ロータ2のf位置に応じて利得金制仰されているので小
変位に対し大きな利得が得られることになり、それほど
大きなレベルの増幅器を必要としないで、それぞれ小型
のパワーアンプ16.16’によって電力増幅された後
峨磁石4.4′へ供給されて磁気吸引動作に利用され得
る。In addition, the output levels v1 and V! of the processing circuit 15 which take into account the effects of gravity and external forces! Since the gain is controlled by the variable gain amplifier 11 according to the f position of the rotor 2, a large gain can be obtained for a small displacement. After the power is amplified by 16.16', it is supplied to the magnet 4.4' and can be used for magnetic attraction operation.
(効果)
以上説明したように、本発明によればロータの変位置が
任意に設定された基準値よりも大きいとき、例えば起動
時などは制御系における利得が低くなるように、また変
位置が上述の基準値よりも小さいとき、例えば微少振動
時などは制御系における利得が高くなるように自動切侠
割御がOT組な磁気軸受装置が提供される。従って高い
軸受剛性t−得るのに従来のように過大なパワーアンプ
を必要としない磁気軸受装置が実現できる。(Effects) As explained above, according to the present invention, when the displacement position of the rotor is larger than an arbitrarily set reference value, such as during startup, the gain in the control system is lowered, and the displacement is A magnetic bearing device is provided in which automatic cut-off control is set to OT so that the gain in the control system is high when the value is smaller than the above-mentioned reference value, for example, when there is minute vibration. Therefore, it is possible to realize a magnetic bearing device that does not require an excessively large power amplifier as in the prior art in order to obtain a high bearing rigidity t-.
第1図は不発明による磁気軸受装置の制御系を示すブロ
ック図、
第2図は第1図のブロックのうち可変利得増幅器の詳細
図、
第3図は、21図のブロックのうち処理回路及びパワー
アンプの詳細図である。
〔主要部分の符号の説明〕
可動部・・・・・・・・・2
軸受部・・・・・・・・・3
検出手段・・・・・・5,5′
駆動手段・・・・・・7,8.9,10.11,12゜
13.14,15.16.16’
乙dFigure 1 is a block diagram showing the control system of the magnetic bearing device according to the invention, Figure 2 is a detailed diagram of the variable gain amplifier of the blocks in Figure 1, and Figure 3 is a block diagram of the processing circuit and the blocks of Figure 21. It is a detailed diagram of a power amplifier. [Explanation of symbols of main parts] Movable part...2 Bearing part...3 Detection means...5, 5' Drive means...・・7, 8.9, 10.11, 12゜13.14, 15.16.16' Otsu d
Claims (1)
て、 該検出手段の出力が所定値以上のときに 該駆動手段の利得を小さくし、所定値未満 のときに該駆動手段の利得を大きくするよ うにしたことを特徴とする磁気軸受装置。 3、特許請求の範囲第1項に記載の磁気軸受装置におい
て、 該駆動手段は該検出手段の出力と該所定 値との比較結果に応答して利得を切換える 手段を含むことを特徴とする磁気軸受装置。[Claims] 1. A bearing section including a movable part and a means for generating a magnetic field to magnetically support the movable part, a detection means for detecting the amount of displacement of the movable part, and an output of the detection means. What is claimed is: 1. A magnetic bearing device comprising means for driving the magnetic field generating means in accordance with the output of the detecting means, wherein the driving means changes its gain in accordance with the output of the detecting means. 2. In the magnetic bearing device according to claim 1, the gain of the driving means is reduced when the output of the detection means is greater than or equal to a predetermined value, and the gain of the driving means is reduced when the output of the detection means is less than a predetermined value. A magnetic bearing device characterized in that it is made larger. 3. The magnetic bearing device according to claim 1, wherein the drive means includes means for switching the gain in response to a comparison result between the output of the detection means and the predetermined value. Bearing device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29330685A JPS62155326A (en) | 1985-12-27 | 1985-12-27 | Magnetic bearing device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29330685A JPS62155326A (en) | 1985-12-27 | 1985-12-27 | Magnetic bearing device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS62155326A true JPS62155326A (en) | 1987-07-10 |
Family
ID=17793124
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP29330685A Pending JPS62155326A (en) | 1985-12-27 | 1985-12-27 | Magnetic bearing device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS62155326A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPS63195413A (en) * | 1987-02-04 | 1988-08-12 | Ntn Toyo Bearing Co Ltd | Magnetic bearing device |
CN105351357A (en) * | 2015-11-18 | 2016-02-24 | 珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 | Control method, device and system for hybrid magnetic levitation bearing |
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JPS5989820A (en) * | 1982-11-11 | 1984-05-24 | Seiko Instr & Electronics Ltd | Variable rigidity magnetic bearing device |
-
1985
- 1985-12-27 JP JP29330685A patent/JPS62155326A/en active Pending
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