磁気浮上装置

【課題】磁気浮上装置を特殊な構造としたり、特殊な加工を施すことなく、且つ特別なメンテナンスを必要とせず、制御対象体の温度を検出できる、装置の安全な運転を確保できる磁気浮上装置を提供すること。
【解決手段】相対向して配置された一対の電磁石１１、１３と、該一対の電磁石１１、１３の間に配置された制御対象体１５と、相対向して配置され該制御対象体１５の位置変位を検出する位置変位検出センサ１２、１４を具備し、該位置変位検出センサ１２、１４の検出信号を位相補償及びゲイン調整する制御回路部２０に入力し、該制御回路部２０からの制御出力で、一対の電磁石１１、１３の磁気吸引力或いは磁気反発力を制御し、制御対象体１５を該一対の電磁石１１、１３間の任意の位置に非接触で浮上支持制御する磁気浮上装置において、位置変位検出センサ１２、１４の検出信号により、制御対象体１５の外形寸法を検出し該制御対象体の温度を検出する温度演算回路部３０を設けた。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は磁化可能な制御対象体を電磁石により発生する磁力の磁気吸引力或いは磁気反発力を利用し、任意の位置に非接触で浮上支持制御する磁気浮上装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図１はこの種の磁気浮上装置の概略構成を示す図であり、図２は磁気浮上装置の浮上支持制御を行う制御装置の回路構成を示す図である。図示するように、磁気浮上装置は、相対向して配置された一対の電磁石１１、１３と、該一対の電磁石の間に配置された磁化可能な制御対象体１５と、相対向して配置され該制御対象体１５の位置変位を検出する位置変位検出センサ１２、１４を具備する。
【０００３】位置変位検出センサ１２、１４の検出信号を位相補償及びゲイン調整する制御回路部２０に入力し、制御回路部２０からの制御出力で、一対の電磁石１１、１３の磁気吸引力或いは磁気反発力を制御し、制御対象体１５を該一対の電磁石１１、１３の間の任意の位置に非接触で浮上支持制御する。
【０００４】制御回路部２０は負荷抵抗２１、２２、センサ信号処理回路部２３、オフセット調整回路部２４、位相補償回路部２５、ゲイン調整回路部２６、メインアンプ部２７及び閾値出力部２８を具備し、位置変位検出センサ１２、１４の検出信号を負荷抵抗２１、２２、センサ信号処理回路部２３及びオフセット調整回部路２４を通して位相補償回路部２５及びゲイン調整回路部２６に導き位相補償及びゲイン調整してメインアンプ部２７を通して電磁石１１、１３にフィードバックしている。
【０００５】上記のような閉ループ制御を用いた磁気浮上装置において、一対の電磁石１１、１３の磁気吸引力或いは磁気反発力により浮上支持された制御対象体１５は磁気浮上制御を実施している間、常に電磁石１１、１３により、或いは図示しない回転駆動用電磁石等の強力な電磁力を受けている。このため制御対象体１５には電磁石１１、１３より受けた電磁力を打ち消す向きの二次電流が発生し、該二次電流と制御対象体１５自身の電気抵抗によって二次損失熱が発生する。
【０００６】上記磁気浮上装置は磁気軸受装置として利用されるが、制御対象体１５に発生した二次損失熱は、磁気浮上装置の構造上、制御対象体１５が非接触の状態でのみ発生するため、熱伝導による放熱・冷却を行うことが困難である。特に、真空雰囲気等で使用される磁気軸受装置の場合、制御対象体１５とこれを囲む電磁石１１、１３の間には気体等の熱伝導可能な物質は特に少ないため、制御対象体１５が熱伝導により冷却される量はごく僅かで、長時間の運転や磁気軸受装置の周囲環境から受ける輻射熱等によって制御対象体１５自身が異常に温度上昇した場合等装置外部へ放熱することが困難である。
【０００７】上記のように制御対象体１５自身の温度が異常に上昇した場合、制御対象体１５を構成する各部品の塑性変形や脆性破壊発生の原因となり、装置として致命的な故障の原因となってしまう。
【０００８】このような故障を未然に防ぐため、制御対象体１５の温度を計測し、制御対象体１５の温度を監視することによって制御対象体１５を構成する各部品が安全に使用できる温度範囲内で磁気浮上装置が運転されるような保護手段が開発されている。従来、この種の保護手段としては、放射温度計などの光学的な手段によって制御対象体１５の温度を測定し、測定温度が所定の温度以上となったら磁気浮上装置の制御装置を停止する手段がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、制御対象体１５の温度測定を放射温度計によって計測する場合は、制御対象体１５から発せられる赤外線によって直接検出する必要がある。しかしながら、制御対象体１５を真空雰囲気やガス雰囲気中等外部より隔離する必要がある場合等、制御対象体１５から発せられる赤外線が透過する計測窓を磁気浮上装置本体に設けたり、赤外線が外部に漏れること無く装置内部を所定経路を経て放射温度計測部に達するようにする必要がある。そのため、光ファイバー等の赤外線抽出経路を設ける等、磁気浮上装置に特殊な加工や、磁気浮上装置自体を特殊な構造とする必要があり、製作の煩わしさやコスト低減に不利になるという問題があった。
【００１０】更に、光学的な手法で制御対象体１５の温度を測定する場合は、赤外線を透過し磁気浮上装置の外部に設けた放射温度計の検出部に達するまでの経路で、計測窓の汚れや光ファイバーの経時変化による透過率の変化が発生した場合、制御対象の温度を正確に検出することができなくなり、放射温度計の再調整や、赤外線の透過経路となっている部分を交換する等のメンテナンスが必要となる。
【００１１】本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、磁気浮上装置を特殊な構造としたり、磁気浮上装置に特殊な加工を施すことなく、且つ特別なメンテナンスを必要とせず、制御対象体の温度を検出でき、装置の安全な運転を確保できる磁気浮上装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、相対向して配置された一対の電磁石と、該一対の電磁石の間に配置された磁化可能な制御対象体と、相対向して配置され該制御対象体の位置変位を検出する位置変位検出センサを具備し、該位置変位検出センサの検出信号を位相補償及びゲイン調整する制御回路に入力し、該制御回路からの制御出力で、一対の電磁石の磁気吸引力或いは磁気反発力を制御し、制御対象体を該一対の電磁石間の任意の位置に非接触で浮上支持制御する磁気浮上装置において、位置変位検出センサの検出信号により、制御対象体の外形寸法を検出し該制御対象体の温度を検出する温度演算回路を設けたことを特徴とする。
【００１３】制御対象体を構成する物体は所定の線膨張係数を有しているから、温度が上昇するとその体積は増大し、制御対象体と位置変位検出センサとの間の間隙が小さくなるから、それが位置変位検出センサの出力として現れる。上記温度演算回路は、この位置変位検出センサの出力から制御対象体の温度を検出する。
【００１４】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の磁気浮上装置において、温度演算回路は制御回路にて処理する磁気浮上制御系とは別系の変位検出回路系として設け、該磁気浮上制御系に何等の影響を及ぼすことなく制御対象体と位置変位検出センサの間の隙間寸法を検出し、該隙間寸法の変動により制御対象体の温度を検出することを特徴とする磁気浮上装置。
【００１５】上記のように、温度演算回路は制御回路にて処理する磁気浮上制御系とは別系の変位検出回路系として設けることにより、位置変位検出センサの出力を分岐して温度演算回路に入力しても、磁気浮上制御系に影響を与えることなく、制御対象体の温度を検出できる。
【００１６】請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の磁気浮上装置において、温度演算回路で検出された制御対象体の温度が所定の温度以上になった場合、外部への警報及び／又は当該磁気浮上装置の磁気浮上制御を停止させる保護回路を設けたことを特徴とする。
【００１７】上記のように保護回路を設けることにより、制御対象体の温度が異常に上昇し、該制御対象体を構成する各部品の塑性変形や脆性破壊が発生する前に、外部へ警報を発したり、当該磁気浮上装置の磁気浮上制御を停止できるから、装置として致命的な故障の原因を除去することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図３は本発明に係る磁気浮上装置の制御装置の構成を示す図である。図３において、図１R>１及び図２と同一符号を付した部分は同一又は相当部分を示す。また、他の図面においても同様とする。位置変位検出センサ１２、１４の検出信号を位相補償及びゲイン調整する制御回路部２０に入力し、制御回路部２０からの制御出力で、一対の電磁石１１、１３の磁気吸引力或いは磁気反発力を制御し、制御対象体１５を該一対の電磁石１１、１３の間の任意の位置に非接触で浮上支持制御する点は、図２の制御装置と同一である。
【００１９】図３の制御装置が図２の制御装置と相違する点は、温度演算回路部３０を設け、位置変位検出センサ１２、１４の検出信号を分岐して該温度演算回路部３０に導き、制御対象体１５の温度を非接触で検出するようにした点と、温度演算回路部３０で検出された制御対象体１５の温度が所定の温度値以上となった場合、外部へ警報を発したり、浮上支持制御を停止する保護回路部７０を設けた点である。温度演算回路部３０はプリアンプ部３１、３２及び信号処理部３３で構成される。該信号処理部３３は図４に示すように、加減算回路部３３−１、係数演算部３３−２、初期値設定部３３−３及びアンプ部３３−４で構成される。
【００２０】位置変位検出センサ１２、１４は、図１に示すように一般的に制御対象体１５を中心として対向して配置され、該位置変位検出センサ１２、１４のそれぞれで検出された検出信号を合成することで検出特性を示している。この互いに対向して配置された一対の位置変位検出センサ１２、１４について、それぞれの検出信号に注目して見ると、それぞれの位置変位検出センサ１２、１４は制御対象体１５との距離を図５に示すような特性で検出している。図５において、横軸は制御対象体１５と位置変位検出センサ１２、１４の距離Ｌを示し、縦軸は位置変位検出センサ１２、１４の出力信号を示す。
【００２１】磁気軸受等の磁気浮上装置は制御対象体１５を対向に設置した位置変位検出センサ１２、１４からみて、常に中心位置に位置するように制御が行われている。そのため図６に示すように位置変位センサ１２、１４のそれぞれからみた制御対象体１５までの距離Ｄ１、Ｄ２が略等しくなるか、若しくは図７に示すように制御対象体１５にかかる荷重と制御を行う電磁石１１、１３の磁気吸引力或いは磁気反発力のバランスした位置の距離Ｄ３、Ｄ４が略等しくなる。
【００２２】図５に示すように、位置変位検出センサ１２の距離Ｄ１、Ｄ３の出力をＶＤ１、ＶＤ３とし、位置変位検出センサ１４の距離Ｄ２、Ｄ４の出力をＶＤ２、ＶＤ４とすると、個々の位置変位検出センサ１２、１４から制御対象体１５間の隙間を示す信号の合計は、２×ＶＤ１＝ＶＤ３＋ＶＤ４（ＶＤ１＝ＶＤ２）・・・・・（１）
となり、この式（１）は位置変位検出センサ１２、１４の間で制御対象体１５が移動するいかなる場合も等しくなる。
【００２３】ここで、制御対象体１５自身が何らかの要因で高温になった場合、図９に示すように制御対象体１５を構成する機構部品の熱膨張により制御対象体１５の外形寸法が増加する。その結果、位置変位検出センサ１２、１４と制御対象体１５の間のそれぞれの隙間Ｄ５、Ｄ６は元々の隙間Ｄ１と比較して減少する。このため、位置変位検出センサ１２、１４のそれぞれの出力信号は図８のＶＤ５、ＶＤ６となり、位置変位検出センサ１２、１４の出力の合計は式（１）の条件を逸脱し、２×ＶＤ１＜ＶＤ５＋ＶＤ６（ＶＤ１＝ＶＤ２）・・・・・（２）
となる。
【００２４】また、制御対象体１５が何らかの原因で低温になった場合、図１０に示すように制御対象体１５を構成する機構部品の低温収縮により制御対象体１５の外形寸法が減少する。その結果、位置変位検出センサ１２、１４と制御対象体１５の間のそれぞれの隙間Ｄ７、Ｄ８は元々の隙間Ｄ１と比較して増大する。このため、位置変位検出センサ１２、１４のそれぞれの出力信号は図８のＶＤ７、ＶＤ８となり、位置変位検出センサ１２、１４の出力の合計は式（１）の条件を逸脱し、２×ＶＤ１＞ＶＤ７＋ＶＤ８（ＶＤ１＝ＶＤ２）・・・・・（３）
となる。
【００２５】つまり、制御対象体１５自身の温度変化が発生すると、元々磁気浮上制御に使用している位置変位検出センサ１２、１４と制御対象体１５との隙間の大きさに変化が生じるため、位置変位検出センサ１２、１４の出力の合計が変化する。
【００２６】この変化量を検出するため、図３に示すように制御装置に磁気浮上制御のための制御回路部２０とは別に温度演算回路部３０を設けている。該温度演算回路部３０の信号処理部３３は図４に示すように構成される。加減算回路部３３−１によって式（１）にある、位置変位検出センサ１２、１４のそれぞれの出力ＶＤ３、ＶＤ４を加算（ＶＤ３＋ＶＤ４）し、この加算値より初期値設定部３３−３に予め設定した初期値（ＶＤ１＋ＶＤ２）を減算し隙間変化量を演算する。
【００２７】上記加減算回路部３３−１により求めた隙間変化量から制御対象体１５の膨張率を演算し、更に図１１１１に示すような、膨張率に対する材料温度変化量から制御対象体１５の温度変化量を係数演算部３３−２にて演算する。なお、図１１において、横軸は膨張率を示し、縦軸は温度変化量を示す。
【００２８】保護回路部７０は上記係数演算部３３−２で算出した温度変化量から、制御対象体１５が構成されている機構部品の材料特性上磁気浮上装置の重大な損傷を与えることが想定される所定の温度になった場合、磁気浮上装置の外部へ保守を促す警報表示や、磁気浮上装置の浮上制御自体を停止させる信号を発する。
【００２９】なお、上記実施形態例では、保護機能について式（１）〜（３）に示す位置変位検出センサ１２、１４のそれぞれの出力信号を加減算回路部３３−１で加算処理しているが、位置変位検出センサ１２、１４のそれぞれの出力信号を減算回路により減算処理した場合も同様の効果が得られることは当然である。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように各請求項に記載の発明によれば下記のような優れた効果が得られる。
【００３１】請求項１に記載の発明によれば、温度演算回路を設け、該位置変位検出センサの検出信号により制御対象体の温度を検出するので、磁気浮上装置を特殊な構造としたり、磁気浮上装置に特殊な加工を施すことなく、且つ特別なメンテナンスを必要とせず、常に制御対象体の温度を検出でき、装置の安全な運転を確保できる。
【００３２】請求項２に記載の発明によれば、温度演算回路を制御回路にて処理する磁気浮上制御系とは別系の変位検出回路系として設けたので、位置変位検出センサの出力を分岐して温度演算回路に入力しても、磁気浮上制御系に影響を与えることなく、制御対象体の温度を検出できる。
【００３３】請求項３に記載の発明によれば、保護回路を設け、温度演算回路で検出された制御対象体の温度が所定の温度以上になったら、外部へ警報を発したり、当該磁気浮上装置の磁気浮上制御を停止させるから、制御対象体の温度が異常に上昇し、該制御対象体を構成する各部品の塑性変形や脆性破壊が発生する前に、磁気浮上装置の運転を停止できるから、装置として致命的な故障の原因を除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁気浮上装置の概略構成を示す図である。
【図２】従来の磁気浮上装置の浮上支持制御を行う制御装置の回路構成を示す図である。
【図３】本発明の磁気浮上装置の浮上支持制御を行う制御装置の回路構成を示す図である。
【図４】本発明の磁気浮上装置の制御装置の温度演算回路部の信号処理部の構成を示す図である。
【図５】磁気浮上装置の磁気浮上制御時における制御対象体と位置変位検出センサの隙間距離と出力信号との関係を示す図である。
【図６】磁気浮上装置の磁気浮上制御時における制御対象体と位置変位検出センサの関係を示す図である。
【図７】磁気浮上装置の磁気浮上制御時における制御対象体と位置変位検出センサの関係を示す図である。
【図８】磁気浮上装置の磁気浮上制御時温度変化における制御対象体と位置変位検出センサの隙間距離と出力信号の関係を示す図である。
【図９】磁気浮上装置の磁気浮上制御時温度上昇における制御対象体と位置変位検出センサの関係を示す図である。
【図１０】磁気浮上装置の磁気浮上制御時温度低下における制御対象体と位置変位検出センサの関係を示す図である。
【図１１】制御対象体の構成材料の膨張率と温度の関係を示す図である。
【符号の説明】
１１電磁石
１２位置変位検出センサ
１３電磁石
１４位置変位検出センサ
１５制御対象体
２０制御回路部
２１負荷抵抗
２２負荷抵抗
２３センサ信号処理回路部
２４オフセット調整回路部
２５位相補償回路部
２６ゲイン調整回路部
２７メインアンプ部
３０温度演算回路部
３１プリアンプ部
３２プリアンプ部
３３信号処理部
３３−１加減算回路部
３３−２係数演算部
３３−３初期値設定部
３３−４アンプ部
７０保護回路部

【特許請求の範囲】
【請求項１】相対向して配置された一対の電磁石と、該一対の電磁石の間に配置された磁化可能な制御対象体と、相対向して配置され該制御対象体の位置変位を検出する位置変位検出センサを具備し、該位置変位検出センサの検出信号を位相補償及びゲイン調整する制御回路に入力し、該制御回路からの制御出力で、前記一対の電磁石の磁気吸引力或いは磁気反発力を制御し、前記制御対象体を該一対の電磁石間の任意の位置に非接触で浮上支持制御する磁気浮上装置において、前記位置変位検出センサの検出信号により、前記制御対象体の外形寸法を検出し該制御対象体の温度を検出する温度演算回路を設けたことを特徴とする磁気浮上装置。
【請求項２】請求項１に記載の磁気浮上装置において、前記温度演算回路は前記制御回路にて処理する磁気浮上制御系とは別系の変位検出回路系として設け、該磁気浮上制御系に何等の影響を及ぼすことなく制御対象体と前記位置変位検出センサの間の隙間寸法を検出し、該隙間寸法の変動により制御対象体の温度を検出することを特徴とする磁気浮上装置。
【請求項３】請求項１又は２に記載の磁気浮上装置において、前記温度演算回路で検出された制御対象体の温度が所定の温度以上になった場合、外部への警報及び／又は当該磁気浮上装置の磁気浮上制御を停止させる保護回路を設けたことを特徴とする磁気浮上装置。

【図１】