JP5548986B2 - Vibration control mechanism in superconducting magnetic bearings and magnetic levitation equipment - Google Patents
Vibration control mechanism in superconducting magnetic bearings and magnetic levitation equipment Download PDFInfo
- Publication number
- JP5548986B2 JP5548986B2 JP2010055765A JP2010055765A JP5548986B2 JP 5548986 B2 JP5548986 B2 JP 5548986B2 JP 2010055765 A JP2010055765 A JP 2010055765A JP 2010055765 A JP2010055765 A JP 2010055765A JP 5548986 B2 JP5548986 B2 JP 5548986B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- magnetic bearing
- rotating shaft
- superconducting magnetic
- permanent magnet
- control mechanism
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000005339 levitation Methods 0.000 title claims description 25
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 51
- 230000001629 suppression Effects 0.000 claims description 34
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 claims description 33
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910001172 neodymium magnet Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- QGZKDVFQNNGYKY-NJFSPNSNSA-N nitrogen-16 Chemical compound [16NH3] QGZKDVFQNNGYKY-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Description
本発明は、超電導磁気軸受・磁気浮上装置における制振制御機構に関し、より詳しくは、例えば電力貯蔵用超電導フライホイール等の超電導磁気軸受装置や非接触搬送装置等に使用することができる制振制御機構に関する。 The present invention relates to a vibration suppression control mechanism in a superconducting magnetic bearing / magnetic levitation device, and more particularly, a vibration suppression control that can be used for a superconducting magnetic bearing device such as a superconducting flywheel for power storage, a non-contact conveyance device, or the like. Regarding the mechanism.
磁気軸受・磁気浮上機構は、対象物を非接触で支持できるため、機械的な接触がなく塵埃が発生しないこと、また軸の回転損失が極めて少ないことが利点として挙げられる。従って、磁気軸受機構は回転損失を防止することが必要なフライホイール蓄電装置等に利用され、磁気浮上機構は半導体製造、バイオテクノロジー、材料製造等の分野におけるクリーン環境での非接触搬送装置に利用されている。 Since the magnetic bearing / magnetic levitation mechanism can support the object in a non-contact manner, there are advantages that there is no mechanical contact and no dust is generated, and that the rotational loss of the shaft is extremely small. Therefore, the magnetic bearing mechanism is used for flywheel power storage devices that need to prevent rotational loss, and the magnetic levitation mechanism is used for non-contact transfer devices in clean environments in the fields of semiconductor manufacturing, biotechnology, material manufacturing, etc. Has been.
浮上体支持、或いは回転軸支持のために常電導磁石(永久磁石)を用いた場合、その制振制御機構は永久磁石の吸引力を制御することにより行われる。しかしながら、浮上体及び回転体の位置決め精度が悪いため、装置の大型化や回転速度の高速化に問題があった。
これに対して、特許文献1及び特許文献2は、スラスト方向及びラジアル方向を超伝導体で支持することにより、回転損失を低減すると共に高速回転を可能とする超電導磁気軸受を開示している。超電導体を利用した磁気軸受は、磁束によるピン止め効果が高いことから、従来の能動的な磁気軸受(永久磁石磁気軸受)とは異なり、無制御で、磁界内での安定浮上が得られる。従って、従来の能動的な磁気軸受では難しい装置の大型化、回転速度の高速化及び低消費電力化が可能となる。
When a normal conducting magnet (permanent magnet) is used to support the floating body or the rotating shaft, the vibration suppression control mechanism is performed by controlling the attractive force of the permanent magnet. However, since the positioning accuracy of the floating body and the rotating body is poor, there are problems in increasing the size of the apparatus and increasing the rotational speed.
On the other hand,
しかしながら、超電導磁気軸受及び浮上機構は、外力に対するラジアル方向への制御が十分でないため、高速回転する回転軸の振れ回りや外力を加えられた際の浮上体の振動を十分に抑制することができない。特に超電導磁気軸受が使用されるフライホイール蓄電器の場合は、回転軸の傾きが発生しやすく、安定性が悪いことから、振れ回りが起こりやすい。この振れ回りは、回転軸が軸受部分に接触するいわゆるタッチダウンを発生させたり、振れ回りが長く続くと回転損失を発生させることが大きな問題となっている。また、超電導浮上機構を使用するリニアモータカー等の非接触搬送装置の場合は、外力による振動が長く続くと、物を搬送させる能力が著しく減損するという問題が発生する。
ここで、振れ回りとは、図11で示されるように、回転体の重心に遠心力が加わることにより、回転体が回転中心軸からぶれてしまう現象をいい、回転速度が速いと振れ回りが発生しやすくなる。
However, since the superconducting magnetic bearing and the levitation mechanism are not sufficiently controlled in the radial direction with respect to the external force, it is not possible to sufficiently suppress the swing of the rotating shaft that rotates at a high speed and the vibration of the levitation body when an external force is applied. . In particular, in the case of a flywheel battery using a superconducting magnetic bearing, the rotation axis tends to be inclined and the stability is poor, so that the swing is likely to occur. This swinging causes a serious problem that a so-called touchdown in which the rotating shaft comes into contact with the bearing portion or a rotation loss occurs when the swinging continues for a long time. Further, in the case of a non-contact conveyance device such as a linear motor car using a superconducting levitation mechanism, there is a problem that the ability to convey an object is significantly impaired if vibration due to an external force continues for a long time.
Here, as shown in FIG. 11, the whirling refers to a phenomenon in which the rotating body is shaken from the center axis of rotation due to the centrifugal force applied to the center of gravity of the rotating body. It tends to occur.
本発明は、上記課題を解決するために、超電導磁気軸受・磁気浮上装置の振れ回りや振動を能動的に制御して、振れ回りや振動を低減又は抑制することができる制振制御機構を提供することを目的とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a vibration suppression control mechanism that can actively control the swing and vibration of a superconducting magnetic bearing / magnetic levitation device to reduce or suppress the swing and vibration. The purpose is to do.
この目的を達成するために、本発明は以下の構成からなる。
請求項1に係る発明は、超電導体により非接触支持される浮上体及び/又は回転体からなる被支持体の振れ回り及び振動を抑制する制振制御機構であって、前記被支持体の変位を検知する変位センサーと、前記超電導体を駆動させる駆動手段と、前記駆動手段の駆動を制御する制御手段とを有し、前記変位センサーは、検知した前記被支持体の変位量に基づく変位信号を前記制御手段に伝達し、前記制御手段は、前記変位信号に基づいて前記駆動装置の駆動を制御することにより、前記被支持体の振れ回り及び振動を抑制し、前記回転体が超電導磁気軸受装置の回転体であり、前記超電導磁気軸受装置が前記超電導体を備える超電導磁気軸受と、永久磁石磁気軸受とを備え、前記超電導磁気軸受及び前記永久磁石磁気軸受が前記回転軸を囲繞するようにリング状に形成され、前記永久磁石磁気軸受は前記回転軸の上端部をラジアル方向に支持し、前記超電導磁気軸受は前記回転軸の中間部をラジアル方向に支持し、前記駆動手段は、前記超電導磁気軸受と前記永久磁石磁気軸受を互いに逆方向のラジアル方向に駆動することを特徴とする制振制御機構に関する。
In order to achieve this object, the present invention has the following configuration.
The invention according to
請求項2に係る発明は、前記制御手段がノイズカットフィルターとPID調節器を有することを特徴とする請求項1記載の制振制御機構に関する。
The invention according to
請求項3に係る発明は、前記浮上体が超電導磁気浮上装置の浮上体であることを特徴とする請求項1又は2に記載の制振制御機構に関する。
The invention according to
請求項1に係る発明によれば、超電導体により非接触支持される浮上体及び/又は回転体からなる被支持体の振れ回り及び振動を抑制する制振制御機構であって、前記被支持体の変位を検知する変位センサーと、前記超電導体を駆動させる駆動手段と、前記駆動手段の駆動を制御する制御手段とを有し、前記変位センサーが検知した前記被支持体の変位量に基づく変位信号を前記制御手段に伝達し、前記制御手段は、前記変位信号に基づいて前記駆動装置の駆動を制御することにより、前記被支持体の振れ回り及び振動を抑制することができるため、浮上体を安定して浮上させることができるとともに、回転体の場合は、高速回転が可能となるとともに回転損失を低減することもできる。
また、前記回転体が超電導磁気軸受装置の回転体であることから、回転軸は、上下左右方向に位置決めされ、回転軸の振れ回り及び振動の制御をさらに確実なものとすることができる。
更に、前記超電導磁気軸受装置が前記超電導体を備える超電導磁気軸受と、永久磁石磁気軸受とを備え、前記超電導磁気軸受及び前記永久磁石磁気軸受が前記回転軸を囲繞するようにリング状に形成され、前記永久磁石磁気軸受は前記回転軸の上端部をラジアル方向に支持し、前記超電導磁気軸受は前記回転軸の中間部をラジアル方向に支持し、前記駆動手段は、前記超電導磁気軸受と前記永久磁石磁気軸受を互いに逆方向のラジアル方向に駆動することとなる。従って、永久磁石磁気軸受と超電導軸受が互いに回転軸に対して反発力を発生させることとなり、回転軸の復元力が効果的に発生し、回転軸の振れ回りを確実に抑制することができる。
According to the first aspect of the present invention, there is provided a vibration suppression control mechanism for suppressing swinging and vibration of a supported body made up of a floating body and / or a rotating body supported in a non-contact manner by a superconductor. Displacement based on the displacement amount of the supported body detected by the displacement sensor, including a displacement sensor for detecting the displacement of the superconductor, a drive means for driving the superconductor, and a control means for controlling the drive of the drive means. Since the signal is transmitted to the control means, and the control means controls the driving of the driving device based on the displacement signal, the swinging and vibration of the supported body can be suppressed. Can be stably levitated, and in the case of a rotating body, high-speed rotation is possible and rotation loss can be reduced.
Further, since the rotating body is a rotating body of the superconducting magnetic bearing device, the rotating shaft is positioned in the vertical and horizontal directions, and the control of the swinging and vibration of the rotating shaft can be further ensured.
Further, the superconducting magnetic bearing device includes a superconducting magnetic bearing provided with the superconductor and a permanent magnet magnetic bearing, and the superconducting magnetic bearing and the permanent magnet magnetic bearing are formed in a ring shape so as to surround the rotating shaft. The permanent magnet magnetic bearing supports the upper end of the rotating shaft in the radial direction, the superconducting magnetic bearing supports the intermediate portion of the rotating shaft in the radial direction, and the driving means includes the superconducting magnetic bearing and the permanent magnet. The magnet magnetic bearing is driven in the radial direction opposite to each other. Accordingly, the permanent magnet magnetic bearing and the superconducting bearing generate a repulsive force with respect to the rotating shaft, and the restoring force of the rotating shaft is effectively generated, so that the swinging of the rotating shaft can be reliably suppressed.
請求項2に係る発明によれば、前記制御手段がノイズカットフィルターとPID調節器を有することから、被支持体の振れ回り及び振動の抑制をさらに確実なものとすることができる。
According to the invention which concerns on
請求項3に係る発明によれば、前記浮上体が超電導磁気浮上装置の浮上体であることから、浮上体は、上下左右方向に位置決めされ、浮上体の振動制御をさらに確実なものとすることができる。
According to the invention of
本発明は、電力貯蔵用超電導フライホイール等の超電導磁気軸受装置やリニアモータ等の磁気浮上装置に使用することができる超電導磁気軸受・磁気浮上装置における制振制御機構である。
以下に、本発明に係る制御機構を利用した超電導磁気軸受装置を詳述する。
The present invention is a vibration suppression control mechanism in a superconducting magnetic bearing / magnetic levitation device that can be used in a superconducting magnetic bearing device such as a superconducting flywheel for power storage and a magnetic levitation device such as a linear motor.
The superconducting magnetic bearing device using the control mechanism according to the present invention will be described in detail below.
以下、超電導磁気軸受装置について図面を参照しつつ説明する。
図1は本発明の一実施例に係る制振制御機構を利用する超電導磁気軸受装置の構造の概略を示す断面図であり、図2は本発明に係る制振制御機構を利用する超電導磁気軸受装置のラジアル方向及びスラスト方向の軸受けの内容を説明する概略断面図であり、図3は本発明に係る制振制御機構を利用する超電導磁気軸受装置に超電導体を使用した場合のピン止め効果を説明した概略断面図であり、図4は本発明に係る制振制御機構を利用する超電導磁気軸受装置の構成を示した概略断面図であり、図5は本発明に係る制振制御機構の変位センサー、制御手段及び駆動手段の制御の関係を示した図であり、図6は回転軸の振れ回りが発生した際に本発明に係る制振制御機構の制御方法の概略を説明した図であり、図7は本発明に係る制振制御機構の超電導磁気浮上に関する試験例の制振機構の構成を示した概略図であり、図8は本発明に係る制振制御機構の超電導磁気浮上に関する試験例の制振制御方法を説明した概略図であり、図9は本発明に係る制振制御機構の超電導磁気浮上に関する試験例の浮上体及び超電導体の動きを示したグラフであり、図10は本発明に係る制振制御機構に関する試験例の試験結果を示したグラフである。
A superconducting magnetic bearing device will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a superconducting magnetic bearing device using a vibration suppression control mechanism according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a superconducting magnetic bearing using the vibration suppression control mechanism according to the present invention. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining the contents of bearings in the radial direction and thrust direction of the device, and FIG. 3 shows the pinning effect when a superconductor is used in a superconducting magnetic bearing device using the vibration suppression control mechanism according to the present invention. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view, FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a superconducting magnetic bearing device using the vibration suppression control mechanism according to the present invention, and FIG. 5 is a displacement of the vibration suppression control mechanism according to the present invention. FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between the control of the sensor, the control unit, and the drive unit, and FIG. 6 is a diagram illustrating an outline of the control method of the vibration suppression control mechanism according to the present invention when the rotation of the rotating shaft occurs. FIG. 7 shows a vibration suppression control mechanism according to the present invention. FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a configuration of a vibration suppression mechanism of a test example relating to superconducting magnetic levitation, and FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a vibration suppression control method of a test example relating to superconducting magnetic levitation of the vibration suppression control mechanism according to the present invention. FIG. 9 is a graph showing the movement of the levitation body and the superconductor in the test example regarding the superconducting magnetic levitation of the vibration suppression control mechanism according to the present invention, and FIG. 10 is the test of the test example regarding the vibration suppression control mechanism according to the present invention. It is the graph which showed the result.
図1に示す磁気軸受(1)は、回転軸(2)をラジアル方向(R)に支持するラジアル磁気軸受手段及び回転軸(2)をスラスト方向(S)に支持するスラスト磁気軸受手段により構成されている。ラジアル磁気軸受手段は、回転軸(2)の上端部をラジアル方向(R)に支持する永久磁石磁気軸受(3)と、回転軸(2)をラジアル方向(R)に支持する位置決め用超電導磁気軸受(4)とで構成されている。スラスト磁気軸受手段は、回転軸(2)の下端部をスラスト方向(S)に支持する浮上用の永久磁石磁気軸受(5)により構成されている。これら磁気軸受手段によりラジアル方向(R)及びスラスト方向(S)に対する回転軸(2)の安定化を図っている。図1は、磁気軸受装置の断面図であることから、ラジアル磁気軸受手段は四角く図示されているが、実際のラジアル磁気軸受手段は、回転軸を囲繞するようにリング状に形成されている。 The magnetic bearing (1) shown in FIG. 1 is composed of radial magnetic bearing means for supporting the rotating shaft (2) in the radial direction (R) and thrust magnetic bearing means for supporting the rotating shaft (2) in the thrust direction (S). Has been. The radial magnetic bearing means includes a permanent magnet magnetic bearing (3) that supports the upper end of the rotating shaft (2) in the radial direction (R), and a superconducting magnet for positioning that supports the rotating shaft (2) in the radial direction (R). It is comprised with a bearing (4). The thrust magnetic bearing means is constituted by a levitation permanent magnet magnetic bearing (5) that supports the lower end of the rotating shaft (2) in the thrust direction (S). These magnetic bearing means stabilize the rotary shaft (2) in the radial direction (R) and the thrust direction (S). Since FIG. 1 is a cross-sectional view of a magnetic bearing device, the radial magnetic bearing means is shown in a square shape, but the actual radial magnetic bearing means is formed in a ring shape so as to surround the rotating shaft.
回転軸(2)は、図2に示されるように地面(G)に対して垂直に配置されている。回転軸(2)方向の下端側に取付けられた浮上用の永久磁石磁気軸受(5)は、回転軸(2)の下端部に設けられた永久磁石(6a)と、回転軸(2)の下端と軸方向に対して対向して地面(G)上に配される永久磁石(6a)とで構成され、その反発力により回転軸(2)はスラスト方向に浮上する。回転軸(2)方向の上端側に取付けられた位置決め用永久磁石磁気軸受(3)は、回転軸の上端部に設けられた永久磁石(6b)と、回転軸(2)の上端とラジアル方向に対向して配される永久磁石(6b)とで構成されている。
超電導磁気軸受(4)は、図3に示されるように、回転軸(2)の中間部に設けられている永久磁石(6c)と、これに対向して設けられた超電導体(7)によって構成されている。超電導体(7)は、そのマイナス効果及びピン止め効果により、回転軸(2)をラジアル方向及びスラスト方向に安定させて浮上させることができる。
The rotating shaft (2) is arranged perpendicular to the ground (G) as shown in FIG. The permanent magnet magnetic bearing for levitation (5) attached to the lower end side in the direction of the rotating shaft (2) includes a permanent magnet (6a) provided at the lower end portion of the rotating shaft (2) and the rotating shaft (2). It consists of a permanent magnet (6a) arranged on the ground (G) opposite to the lower end and the axial direction, and the rotating shaft (2) floats in the thrust direction by the repulsive force. The permanent magnet magnetic bearing for positioning (3) mounted on the upper end side in the direction of the rotating shaft (2) includes a permanent magnet (6b) provided at the upper end portion of the rotating shaft, the upper end of the rotating shaft (2) and the radial direction. And a permanent magnet (6b) disposed opposite to the magnet.
As shown in FIG. 3, the superconducting magnetic bearing (4) is composed of a permanent magnet (6c) provided at an intermediate portion of the rotating shaft (2) and a superconductor (7) provided opposite to the permanent magnet (6). It is configured. The superconductor (7) can float stably with the rotating shaft (2) in the radial direction and the thrust direction due to the minus effect and the pinning effect.
超電導磁気軸受(4)の回転軸(2)は、平衡状態である中心軸(2)からずれると磁力線がピン止めされているため、復元力で元の中心軸に戻ろうとする。しかし、この受動的な復元力の制御のみでは、振れ回りが発生した際に、回転軸(2)が軸受部分に接触するいわゆるタッチダウンが発生したり、振れ回りにより振動が長く続いて回転損失が発生したりする。従って、本発明は、ラジアル磁気軸受手段を能動制御して、回転軸(2)の振れ回りを能動的に制御し、振動を速やかに抑制するものである。 When the rotational axis (2) of the superconducting magnetic bearing (4) deviates from the central axis (2) in an equilibrium state, the magnetic lines of force are pinned, so that it tries to return to the original central axis with a restoring force. However, only with this passive restoring force control, when a whirling occurs, a so-called touchdown in which the rotating shaft (2) contacts the bearing portion occurs, or the vibration continues for a long time due to the whirling and rotation loss. May occur. Therefore, according to the present invention, the radial magnetic bearing means is actively controlled to actively control the swing of the rotary shaft (2), thereby quickly suppressing the vibration.
本発明に係る制振制御機構を応用可能な磁気軸受装置は、図4に示されるように、回転軸(2)のラジアル方向への振れ回り(変位)を検出するための変位センサー(8)と、回転軸(2)の振れ回りを抑制するラジアル磁気軸受手段とを備えている。 As shown in FIG. 4, the magnetic bearing device to which the vibration damping control mechanism according to the present invention can be applied is a displacement sensor (8) for detecting the rotation (displacement) of the rotating shaft (2) in the radial direction. And radial magnetic bearing means for suppressing the swinging of the rotating shaft (2).
変位センサー(8)は、回転軸(2)の変位を検出し、回転軸(2)との距離に比例した変位信号を、後述する制御手段に出力する。
変位センサー(8)の設置位置は、ラジアル磁気軸受手段の近傍であって、回転軸(2)の外周外側に位置するように配置することができるが、回転軸(2)がフライホイールを備える場合、変位センサー(8)は、フライホイールの外周の上面及び下面に対向するように配置しても良い(図示せず)。これにより変位センサー(8)は、フライホイールの変位を検出することができる。
The displacement sensor (8) detects the displacement of the rotating shaft (2), and outputs a displacement signal proportional to the distance from the rotating shaft (2) to the control means described later.
The installation position of the displacement sensor (8) is in the vicinity of the radial magnetic bearing means and can be arranged so as to be located outside the outer periphery of the rotating shaft (2). The rotating shaft (2) includes a flywheel. In this case, the displacement sensor (8) may be disposed so as to face the upper and lower surfaces of the outer periphery of the flywheel (not shown). Thereby, the displacement sensor (8) can detect the displacement of the flywheel.
ラジアル磁気軸受手段は、位置決め用の永久磁石磁気軸受(3)及び超伝導磁気軸受(4)と、位置決め用の磁気軸受(3)(4)をラジアル方向に駆動させる駆動手段(9)と、変位センサー(8)からの回転軸(2)の変位信号に基づいて駆動手段(9)を駆動させる制御手段(10)(図5参照)を備えている。 The radial magnetic bearing means includes a permanent magnet magnetic bearing (3) and a superconducting magnetic bearing (4) for positioning, and a driving means (9) for driving the positioning magnetic bearings (3) and (4) in the radial direction, Control means (10) (see FIG. 5) for driving the drive means (9) based on the displacement signal of the rotating shaft (2) from the displacement sensor (8) is provided.
駆動手段(9)は、永久磁石磁気軸受(3)及び超伝導磁気軸受(4)をラジアル方向に駆動させるものであり、一次元的に(一方向に)駆動させるものでも良いが、複数個の駆動手段を用いて回転軸(2)に対してラジアル方向の垂直面上に永久磁石磁気軸受(3)及び超伝導磁気軸受(4)を駆動させることが好ましい。これにより、回転軸(2)の振れ回りを効果的に抑制することができる。
本発明に係る回転軸(2)の制御方法は、回転軸(2)の振れ回りに対して、永久磁石磁気軸受(3)及び超伝導磁気軸受(4)の反発力を利用して回転軸(2)の復元力を発生させ、回転軸(2)が中心軸に戻るように永久磁石磁気軸受(3)及び超伝導磁気軸受(4)を駆動手段(9)により駆動させることである。
The driving means (9) drives the permanent magnet magnetic bearing (3) and the superconducting magnetic bearing (4) in the radial direction, and may drive them one-dimensionally (in one direction). It is preferable to drive the permanent magnet magnetic bearing (3) and the superconducting magnetic bearing (4) on the vertical plane in the radial direction with respect to the rotating shaft (2) using the driving means. Thereby, the whirling of a rotating shaft (2) can be suppressed effectively.
The method for controlling the rotating shaft (2) according to the present invention uses the repulsive force of the permanent magnet magnetic bearing (3) and the superconducting magnetic bearing (4) with respect to the swing of the rotating shaft (2). The restoring force of (2) is generated, and the permanent magnet magnetic bearing (3) and the superconducting magnetic bearing (4) are driven by the driving means (9) so that the rotating shaft (2) returns to the central axis.
制御手段(10)は、図5に示されるように、ノイズカットフィルター(11)と、PID調節器(12)を備える。ノイズカットフィルター(11)は、変位センサー(8)から出力された変位信号から回転軸(2)の変位信号以外の信号をカットするものである。PD調節器(12)は、変位センサー(8)により検出された回転軸(2)の変位信号を変位量に演算し、回転軸(2)の変位量が0となるように永久磁石磁気軸受(3)及び超伝導磁気軸受(4)を駆動させるための制御値を演算し、更に、永久磁石磁気軸受(3)と超伝導磁気軸受(4)各々の制御値を算出してそれぞれの駆動手段(9)に出力する。これにより、駆動手段(9)は、回転軸(2)の変位量が0となるように永久磁石磁気軸受(3)及び超伝導磁気軸受(4)を駆動させる。従って、回転軸(2)は、磁気軸受との反発力により復元力が発生し、中心軸に戻り、高速回転が維持される。 As shown in FIG. 5, the control means (10) includes a noise cut filter (11) and a PID adjuster (12). The noise cut filter (11) cuts a signal other than the displacement signal of the rotary shaft (2) from the displacement signal output from the displacement sensor (8). The PD adjuster (12) calculates the displacement signal of the rotating shaft (2) detected by the displacement sensor (8) to the displacement amount, and the permanent magnet magnetic bearing so that the displacement amount of the rotating shaft (2) becomes zero. The control values for driving (3) and the superconducting magnetic bearing (4) are calculated, and further, the control values of the permanent magnet magnetic bearing (3) and the superconducting magnetic bearing (4) are calculated to drive each of them. Output to means (9). Thereby, the drive means (9) drives the permanent magnet magnetic bearing (3) and the superconducting magnetic bearing (4) so that the displacement amount of the rotating shaft (2) becomes zero. Therefore, the rotating shaft (2) generates a restoring force due to the repulsive force with the magnetic bearing, returns to the central axis, and maintains high speed rotation.
図6は、回転軸(2)に振れ回りが発生した際の制御方法を示した概念図であり、回転軸(2)の中心軸(A)を破線で示している。図面の説明の便宜上、図面に対して右側を右方向と、左側を左方向とする。
回転軸(2)が右に傾いた場合、変位センサー(8)が回転軸の変位を検出し、制御手段(10)に変位信号を出力する。制御手段(10)は、変位信号に基づいて制御値を算出し、駆動手段(9)に出力して、制御を行う。駆動手段(9)は、ラジアル方向の永久磁石磁気軸受(3)を左方向に駆動させるとともに超電導磁気軸受(4)を右方向に駆動させる。これにより、回転軸(2)と、永久磁石磁気軸受(3)及び超電導磁気軸受(4)の間に反発力が発生し、回転軸(2)に、中心軸(A)への復元力が発生する。
FIG. 6 is a conceptual diagram showing a control method when a swing occurs on the rotating shaft (2), and the central axis (A) of the rotating shaft (2) is indicated by a broken line. For convenience of description of the drawings, the right side is the right direction and the left side is the left direction with respect to the drawing.
When the rotating shaft (2) is tilted to the right, the displacement sensor (8) detects the displacement of the rotating shaft and outputs a displacement signal to the control means (10). The control means (10) calculates a control value based on the displacement signal and outputs it to the drive means (9) for control. The drive means (9) drives the radial permanent magnet magnetic bearing (3) in the left direction and drives the superconducting magnetic bearing (4) in the right direction. Thereby, a repulsive force is generated between the rotating shaft (2), the permanent magnet magnetic bearing (3) and the superconducting magnetic bearing (4), and the restoring force to the central shaft (A) is generated on the rotating shaft (2). Occur.
永久磁石磁気軸受(3)と超電導磁気軸受(4)は、図6に示されるように、ラジアル方向において互いに逆方向となるように、駆動制御されることが好ましい。特に中心軸(2)が長くなればなるほど、中心軸(2)の上端部を位置決めする永久磁石磁気軸受(3)と下端側を位置決めする超電導磁気軸受(4)とがラジアル方向に対して逆方向に駆動することにより、回転軸(2)を中心軸方向に効果的に復元し、振れ回りを防止することができる。 As shown in FIG. 6, the permanent magnet magnetic bearing (3) and the superconducting magnetic bearing (4) are preferably driven and controlled so as to be opposite to each other in the radial direction. In particular, as the central axis (2) becomes longer, the permanent magnet magnetic bearing (3) for positioning the upper end of the central axis (2) and the superconducting magnetic bearing (4) for positioning the lower end are more opposite to the radial direction. By driving in the direction, the rotating shaft (2) can be effectively restored in the direction of the central axis, and swinging can be prevented.
超電導磁気軸受(4)は、超電導体(7)と対向して設けられている回転軸(2)の永久磁石(6c)の代わりに、超電導バルク体を用いることもできる。これにより、超伝導磁気軸受(4)は、その磁束のピン止め効果がさらに高まり、回転軸(2)の振れ回りをさらに抑制することができる。 The superconducting magnetic bearing (4) can use a superconducting bulk body instead of the permanent magnet (6c) of the rotating shaft (2) provided to face the superconductor (7). Thereby, the superconducting magnetic bearing (4) can further enhance the pinning effect of the magnetic flux, and can further suppress the swing of the rotating shaft (2).
(試験例)
図7は、超電導磁気浮上装置の振動を防止するための試験装置を示している。
永久磁石(浮上体)(13)には、直径25mm、厚み10mmのネオジム磁石を用いた。超電導体は、直径50mm、厚み10mmのものを使用している。試験例では、工業分野で使用されることが多く、比較的安定した浮上が得られる第二種超電導体(14)を使用している。第二種超電導体(14)は、液体窒素(15)で冷却し、スライダ(16)に固定されている。スライダ(16)は、モータ(17)により一軸で制御され、浮上体(13)とスライダの変位量は、変位センサー(18)により変位量(mm)が測定される。
(Test example)
FIG. 7 shows a test apparatus for preventing vibration of the superconducting magnetic levitation apparatus.
As the permanent magnet (floating body) (13), a neodymium magnet having a diameter of 25 mm and a thickness of 10 mm was used. A superconductor having a diameter of 50 mm and a thickness of 10 mm is used. In the test examples, the
浮上体(13)を第二種超電導体(14)上で浮上させ、自由振動を与える。次いで、浮上体(13)の振動を変位センサー(18)で検出し、スライダ(16)を浮上体(13)と逆の方向に制御する。モータ(17)の制御には、デジタルコントローラを用いている(図5参照)。 The levitated body (13) is levitated on the second type superconductor (14) to give free vibration. Next, the vibration of the floating body (13) is detected by the displacement sensor (18), and the slider (16) is controlled in the direction opposite to that of the floating body (13). A digital controller is used to control the motor (17) (see FIG. 5).
図8は、振動が発生した浮上体(13)の制御方法を示した図であり、図を参照しながら説明すると、自由振動を与えられた浮上体(13)が右方向に動いた場合(a)、第二種超電導体(14)を浮上体(13)とは逆の方向である左方向に動かす(b)。すると、浮上体(13)の中心軸への復元力が発生し(c)、元の位置に戻ろうとする(d)。次に、浮上体(13)が左方向に振れた場合(e)、第二種超電導体(14)を浮上体(13)とは逆方向である右方向に動かす(f)。すると、浮上体(13)の中心軸への復元力が発生(g)し、元の位置に戻ろうとする。これを繰り返すことにより浮上体(13)は元の位置に戻る(h)。 FIG. 8 is a diagram showing a control method of the levitated body (13) in which vibration has occurred. Referring to the drawing, when the levitated body (13) given free vibration moves to the right ( a) The second type superconductor (14) is moved in the left direction which is the opposite direction to the levitated body (13) (b). Then, a restoring force to the central axis of the levitated body (13) is generated (c) and tries to return to the original position (d). Next, when the levitated body (13) swings to the left (e), the second type superconductor (14) is moved to the right, which is the opposite direction to the levitated body (13) (f). Then, a restoring force to the central axis of the levitated body (13) is generated (g) and tries to return to the original position. By repeating this, the levitated body (13) returns to the original position (h).
図9は、第二種超電導体(14)を動かして制御した場合の浮上体(13)の動き及びスライダ(16)に固定した第二種超伝導体(14)の動きを示したグラフである。浮上体(13)の動きを示すグラフの横軸は、経過時間(秒)を、縦軸は振幅(mm)を表し、スライダ(16)の動きを示すグラフの横軸は、経過時間(秒)を、縦軸は変位量(mm)を表している。
グラフの破線は、浮上体(13)とスライダ(16)の同一時間における動きを表している。浮上体(13)の動きとスライダ(16)の動きを比較すると、浮上体(13)と第二種超電導体(14)を保持しているスライダ(16)が逆方向に動いていることが確認される。
FIG. 9 is a graph showing the movement of the levitated body (13) and the movement of the second type superconductor (14) fixed to the slider (16) when the second type superconductor (14) is moved and controlled. is there. The horizontal axis of the graph showing the movement of the levitated body (13) represents the elapsed time (second), the vertical axis represents the amplitude (mm), and the horizontal axis of the graph showing the movement of the slider (16) is the elapsed time (second). ), And the vertical axis represents the displacement (mm).
The broken line in the graph represents the movement of the levitated body (13) and the slider (16) at the same time. When the movement of the floating body (13) and the movement of the slider (16) are compared, it can be seen that the slider (16) holding the floating body (13) and the second type superconductor (14) is moving in the opposite direction. It is confirmed.
図10は第二種超電導体(14)を用いて振動制御を行った場合の浮上体(13)の動きと(C)、振動制御を行わなかった場合の浮上体(13)の動き(N)をグラフで比較したものである。浮上体(13)の動きを示すグラフの横軸は経過時間(秒)を、縦軸は振幅(mm)を表している。
振動制御を行った場合と振動制御を行わない場合における、浮上体の振動の振れ幅を比較すると、図10に示されるように、振動制御を行った場合(C)は、浮上体(13)の振動を速やかに抑制することが示された。
超電導磁気浮上装置は、外力により発生した振動が超電導体のピン止め効果よりも大きい場合、超電導体上で浮上体の振動が長く続いて非接触搬送等に大きな問題となる。
また、超電導磁気軸受の場合も、振れ回りが超電導体のピン止め効果よりも大きい場合は、回転軸が軸受部分に接触するいわゆるタッチダウン等の問題が発生する。
本試験例で示した制振効果は、大きな振動を速やかに抑制する効果が認められ、上記問題を解決し得るものである。
FIG. 10 shows the movement of the levitated body (13) when vibration control is performed using the second type superconductor (14) and (C), and the movement of the levitated body (13) when vibration control is not performed (N). ) In the graph. The horizontal axis of the graph showing the movement of the levitated body (13) represents elapsed time (seconds), and the vertical axis represents amplitude (mm).
When the vibration amplitude of the floating body is compared between when the vibration control is performed and when the vibration control is not performed, as shown in FIG. 10, when the vibration control is performed (C), the floating body (13) It was shown that the vibration of the slab was quickly suppressed.
In the superconducting magnetic levitation device, when the vibration generated by the external force is larger than the pinning effect of the superconductor, the levitation body continues to vibrate on the superconductor for a long time, causing a serious problem in non-contact conveyance.
Also in the case of a superconducting magnetic bearing, when the swing is greater than the pinning effect of the superconductor, problems such as so-called touchdown in which the rotating shaft contacts the bearing portion occur.
The vibration suppression effect shown in this test example has an effect of quickly suppressing a large vibration, and can solve the above problem.
本発明に係る超電導磁気軸受・磁気浮上装置における制振制御機構は、フライホイール蓄電機等の大型超電導磁気軸受装置や、非接触搬送装置等の超電導浮上装置に好適に利用することができる。 The vibration suppression control mechanism in the superconducting magnetic bearing / magnetic levitation apparatus according to the present invention can be suitably used for a superconducting levitation apparatus such as a large superconducting magnetic bearing apparatus such as a flywheel accumulator or a non-contact transfer apparatus.
1・・・・磁気軸受
2・・・・回転軸
3・・・・永久磁石磁気軸受
4・・・・超電導磁気軸受
5・・・・浮上用の永久磁石磁気軸受
6・・・・永久磁石
7・・・・超電導体
8・・・・変位センサー
9・・・・駆動手段
10・・・制御手段
11・・・ノイズカットフィルター
12・・・PID調節器
13・・・浮上体
14・・・第二種超電導体
15・・・液体窒素
16・・・スライダ
17・・・モータ
18・・・変位センサー
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記被支持体の変位を検知する変位センサーと、
前記超電導体を駆動させる駆動手段と、
前記駆動手段の駆動を制御する制御手段とを有し、
前記変位センサーは、検知した前記被支持体の変位量に基づく変位信号を前記制御手段に伝達し、
前記制御手段は、前記変位信号に基づいて前記駆動装置の駆動を制御することにより、前記被支持体の振れ回り及び振動を抑制し、
前記回転体が超電導磁気軸受装置の回転体であり、
前記超電導磁気軸受装置が前記超電導体を備える超電導磁気軸受と、永久磁石磁気軸受とを備え、
前記超電導磁気軸受及び前記永久磁石磁気軸受が前記回転軸を囲繞するようにリング状に形成され、
前記永久磁石磁気軸受は前記回転軸の上端部をラジアル方向に支持し、
前記超電導磁気軸受は前記回転軸の中間部をラジアル方向に支持し、
前記駆動手段は、前記超電導磁気軸受と前記永久磁石磁気軸受を互いに逆方向のラジアル方向に駆動することを特徴とする制振制御機構。 A vibration suppression control mechanism for suppressing swinging and vibration of a supported body made of a floating body and / or a rotating body supported in a non-contact manner by a superconductor,
A displacement sensor for detecting the displacement of the supported body;
Driving means for driving the superconductor;
Control means for controlling the drive of the drive means,
The displacement sensor transmits a displacement signal based on the detected displacement amount of the supported body to the control means,
The control means controls the driving of the driving device based on the displacement signal, thereby suppressing the swinging and vibration of the supported body ,
The rotating body is a rotating body of a superconducting magnetic bearing device;
The superconducting magnetic bearing device comprises a superconducting magnetic bearing comprising the superconductor, and a permanent magnet magnetic bearing;
The superconducting magnetic bearing and the permanent magnet magnetic bearing are formed in a ring shape so as to surround the rotating shaft,
The permanent magnet magnetic bearing supports the upper end of the rotating shaft in a radial direction,
The superconducting magnetic bearing supports an intermediate portion of the rotating shaft in a radial direction,
The said drive means drives the said superconducting magnetic bearing and the said permanent magnet magnetic bearing to the mutually opposite radial direction, The damping control mechanism characterized by the above-mentioned.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010055765A JP5548986B2 (en) | 2010-03-12 | 2010-03-12 | Vibration control mechanism in superconducting magnetic bearings and magnetic levitation equipment |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010055765A JP5548986B2 (en) | 2010-03-12 | 2010-03-12 | Vibration control mechanism in superconducting magnetic bearings and magnetic levitation equipment |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2011190837A JP2011190837A (en) | 2011-09-29 |
| JP5548986B2 true JP5548986B2 (en) | 2014-07-16 |
Family
ID=44795977
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010055765A Expired - Fee Related JP5548986B2 (en) | 2010-03-12 | 2010-03-12 | Vibration control mechanism in superconducting magnetic bearings and magnetic levitation equipment |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5548986B2 (en) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6446039B2 (en) * | 2014-05-19 | 2018-12-26 | 国立大学法人埼玉大学 | Magnetic levitation device and control method thereof |
| CN113217540B (en) * | 2021-06-08 | 2023-01-03 | 北京泓慧国际能源技术发展有限公司 | Magnetic bearing axial suspension position self-correction system and method |
| CN114013695B (en) * | 2021-12-07 | 2024-05-24 | 北京航空航天大学 | Sub-mN-level superconducting plane suspension type vacuum attitude and orbit control test system |
| CN115929678B (en) * | 2023-02-17 | 2025-07-18 | 北京航空航天大学 | Magnetic bearing stable control system of magnetic suspension molecular pump |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0694030A (en) * | 1992-09-10 | 1994-04-05 | Koyo Seiko Co Ltd | Superconductive bearing device |
| JP4729702B2 (en) * | 2005-02-28 | 2011-07-20 | 国立大学法人九州工業大学 | Non-contact bearing device using superconducting bearing |
| JP4929208B2 (en) * | 2008-02-29 | 2012-05-09 | 三菱重工業株式会社 | Magnetic bearing device |
-
2010
- 2010-03-12 JP JP2010055765A patent/JP5548986B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2011190837A (en) | 2011-09-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6268674B1 (en) | Magnetic bearing apparatus | |
| KR100644001B1 (en) | Drive mechanism having a gas bearing operable under a negative pressure environment | |
| JP5548986B2 (en) | Vibration control mechanism in superconducting magnetic bearings and magnetic levitation equipment | |
| KR101166854B1 (en) | Magnetic bearing structure and turbo machine having the same | |
| JP5504532B2 (en) | High speed rotating device | |
| JP2008254114A (en) | Magnetic bearing spindle device for machine tools | |
| KR20130032607A (en) | Magnetic bearing and ball bearing combined type flywheel energy storage device | |
| KR100701550B1 (en) | Bearingless Step Motor | |
| KR101562054B1 (en) | Active Hybrid Magnetic - Air Thrust Bearing | |
| JP4513458B2 (en) | Magnetic bearing device and flywheel energy storage device including the same | |
| CN107792397B (en) | Full non-contact double-frame magnetic suspension control moment gyroscope | |
| CN107040082B (en) | A magnetic levitation reaction flywheel device | |
| JP2004003572A (en) | Magnetic bearing and bearing device provided with it | |
| JP4729702B2 (en) | Non-contact bearing device using superconducting bearing | |
| JP2004132513A (en) | Magnetic bearing device and magnetic levitation motor using the same | |
| JP2006069361A (en) | Flying object with attitude control device | |
| JP4528974B2 (en) | Vibration suppression device | |
| JP4406357B2 (en) | Magnetic bearing device | |
| JP2006022944A (en) | Magnetic bearing | |
| JP2003269452A (en) | Magnetic bearing device | |
| JP3632101B2 (en) | Power storage device | |
| JPH08200470A (en) | Flywheel device | |
| US20250256393A1 (en) | Actuator and workpiece transfer robot equipped with same | |
| KR101287057B1 (en) | Turbo machine having | |
| JP3385771B2 (en) | Superconducting magnetic bearing device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20130311 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20130903 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130930 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20131127 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20140409 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140430 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5548986 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |