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磁気浮上装置 新技術説明会

国内特許コード P100000258
掲載日 2009年6月26日
出願番号 特願2009-116185
公開番号 特開2010-268552
登録番号 特許第5236571号
出願日 平成21年5月13日(2009.5.13)
公開日 平成22年11月25日(2010.11.25)
登録日 平成25年4月5日(2013.4.5)
発明者
  • 水野 毅
出願人
  • 国立大学法人埼玉大学
発明の名称 磁気浮上装置 新技術説明会
発明の概要

【課題】小型化及び低コスト化が可能な磁気浮上装置を提供する。
【解決手段】浮上対象物11、12、13に磁気力を作用する複数の電磁石21、22、23を備えた磁気浮上装置であって、直列または並列に接続された複数の電磁石21、22、23と、複数の電磁石に対する励磁を一台で行う電力増幅器60と、この電力増幅器の出力を制御するコントローラとを有することを特徴とする。この磁気浮上装置では、電磁石が複数あっても、それらを励磁する電力増幅器は一台で足りる。このように、電力増幅器の数を減らすことで、小型化及び低コスト化が可能となる。
【選択図】図1

従来技術、競合技術の概要


磁気力を利用して物体(浮上対象物)を非接触支持する磁気浮上は、支持に伴う摩擦や騒音が無く、また、潤滑材を使わないので、潤滑材の飛散や、温度による潤滑性能の劣化も生じない。このような特性を持つ磁気浮上装置は、無塵環境や真空中、高温・低温雰囲気などの特殊環境での使用に適しており、真空空間を形成するターボ分子ポンプの軸受や、クリーンルームでの搬送装置などに広く用いられている。その他、ジャイロセンサの回転体の支持や、除振装置における除振対象の支持などにも使用されている。



図19は、電磁石20の吸引力を利用して浮上対象物10を磁気浮上させる従来の磁気浮上装置の典型例を示している。この装置では、浮上対象物10を安定的に磁気浮上させるため、センサ30が浮上対象物10の変位を検出し、センサ30の検出結果に基づいてコントローラ40が電磁石20の吸引力を制御し、コントローラ40の制御信号に基づいて電力増幅器50が電磁石20を励磁する。



また、この装置のハードウエアを単純化・小型化し、低コスト化を図るため、図20に示すように、センサを省略したセンサレス磁気浮上装置が考案されている(下記非特許文献1参照)。これは、スイス連邦工科大学のVischer等によって提案されたものであり、電磁石20のコイル電流だけを観測して電磁石20の吸引力を制御する。



このセンサレス磁気浮上系により浮上対象物10の浮上制御が可能であることを示す理論的根拠は、次の通りである。
図20において、浮上対象物10は強磁性体(鉄)とする。浮上対象物10に作用する重力と永久磁石による吸引力とが釣合っている状態からの浮上対象物10の垂直方向の変位をxで表すと、この系の運動方程式は次式(数1)のようになる。
【数式1】


m:浮上対象物10の質量
s:電磁石20の特性係数(=力/変位)
i:電磁石20の特性係数(=力/電流)
i:電磁石20のコイル電流
また、電磁石20の電気回路に関する方程式は次式(数2)のようになる。
【数式2】


L:電磁石コイルの自己インダクタンス
R:電磁石コイルの抵抗
b:逆起電力係数
v:電磁石コイルの端子電圧の変動分



電磁石20を励磁する電力増幅器50として電圧出力形アンプ(入力した電圧に比例した電圧を出力するアンプ)を用いる制御系の状態方程式は、次式(数3)のように表される。
【数式3】


ここで、Xv、Av、bvは次のように定義している。
【数式4】


【数式5】


【数式6】


また、a23、a32、a33、b0は(数7)~(数10)のように定義している。これらの値は一般に零ではない。
【数式7】


【数式8】


【数式9】


【数式10】




また、この制御系では、コイル電流i(励磁電流)だけを検出するので、出力方程式は次式(数11)(数12)のように表される。
【数式11】


【数式12】




ところで、制御系の状態方程式が、
dx/dt=Ax(t)+Bu(t)
であり、出力方程式が、
y(t)=Cx(t)
であるとき、制御系が“可制御”(即ち、制御入力によって有限時間内にシステムの初期状態から、任意の最終状態に到達できる)であるか否かは、ベクトルxの次元をnとして、次式で表される可制御行列
c=[B|AB|A2B|・・・|An-1B]
の階数(rank Mc)を求めることにより判別可能であり、rank Mc=nであれば可制御であり、rank Mc<nであれば不可制御である。また、Mcが正方行列の場合は、その行列式(det)が非零かどうかで判定することができ、非零であれば可制御、零であれば不可制御となる。また、制御系が“可観測”(即ち、出力を有限時間の間、観測することにより、時刻0におけるすべての状態を求めることができる)であるか否かは、次式(数13)で表される可観測行列
【数式13】


の階数(rank Mo)を求めることにより判別可能であり、rank Mo=nであれば可観測であり、rank Mo<nであれば不可観測である。また、Moが正方行列の場合は、その行列式が非零であれば可観測、零であれば不可観測となる。



状態方程式が(数3)で表される制御系の可制御行列MCvの階数は、次式(数14)のように算出される。
【数式14】


従って、この制御系は可制御である。



また、出力方程式が(数11)及び(数12)で表される制御系の可観測行列MOvの階数は、次式(数15)のように算出される。
【数式15】


従って、この制御系は、可制御、且つ、可観測である。



このように可制御なシステムは、状態フィードバックにより安定化することができ、可観測なシステムの状態は、オブザーバ(状態推定器)を用いて推定することができる。
図20のセンサレス磁気浮上系は、以下のように設計すれば、安定な磁気浮上が達成できる。
まず、次式(数16)で与えられる閉ループ系
【数式16】


が安定になるように、フィードバック行列Kvを定める。即ち、行列(Av-bvv)の固有値がすべて負の実部を持つようにKvを定める。可制御なので、このようなKvは必ず存在する。
次に、オブザーバにより、観測出力であるコイル電流iから、状態変数xvを推定する。オブザーバとして同一次元オブザーバを用いる場合、オブザーバは、次式(数17)で与えられる。
【数式17】


ここで、^は推定値を表し、^を付したxv(t)は、状態ベクトルxv(t)の推定値である。
行列(Av-Evv)の固有値がすべて負の実部を持つようにEvを定める。可観測なので、このようなEvは必ず存在する。このとき、状態変数xvの推定値は、次式に示すように、真値に収束する。
【数式18】


従って、制御入力v(t)を次式(数19)のように定めれば、安定な磁気浮上を達成できる。
【数式19】




図22は、センサレス磁気浮上を実現するコントローラ40の構成を示している。このコントローラ40は、電流センサ34により検出されたコイル電流iと電力増幅器50への制御入力vとから浮上対象物10の位置の変位xの推定値、xの微分値(速度)の推定値及びコイル電流iの推定値を推定して出力するオブザーバ(状態推定手段)46と、変位xの推定値に比例した値Pdを出力する変位比例動作手段41と、速度の推定値に比例した値Pvを出力する速度比例動作手段43と、コイル電流iの推定値に比例した値Piを出力する電流比例動作手段45と、Pd、Pv及びPiを加算して電力増幅器50に出力する加算手段44とを備えている。
この図の場合、フィードバック行列Kvの各要素は
【数式20】


で表される。
なお、実際にフィードバック制御を行う場合には、iの推定値の代わりに観測値iを用いることが多い。

産業上の利用分野


本発明は、磁気浮上装置に関し、複数の磁気浮上用電磁石を励磁する電力増幅器(アンプ)の数を減らして低コスト化を図るものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
浮上対象物に磁気力を作用する複数の電磁石を備えた磁気浮上装置であって、
直列または並列に接続された前記複数の電磁石と、
前記複数の電磁石に対する励磁を一台で行う電力増幅器と、
前記電力増幅器の出力を制御するコントローラと、
を有し、
浮上対象物の質量をmとし、前記浮上対象物に作用する前記電磁石の磁気力と前記浮上対象物の変位との比をksとするとき、ks/mの値が各電磁石で異なっている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であって、前記浮上対象物が単一であることを特徴とする磁気浮上装置。

【請求項3】
請求項1に記載の磁気浮上装置であって、前記浮上対象物が前記電磁石と同数か、あるいはそれより少ない数であることを特徴とする磁気浮上装置。

【請求項4】
請求項1からのいずれかに記載の磁気浮上装置であって、前記電力増幅器が電流出力形増幅器であり、前記複数の電磁石が直列に接続されていることを特徴とする磁気浮上装置。

【請求項5】
請求項1からのいずれかに記載の磁気浮上装置であって、前記電力増幅器が電圧出力形増幅器であり、前記複数の電磁石が直列に接続されていることを特徴とする磁気浮上装置。

【請求項6】
請求項1からのいずれかに記載の磁気浮上装置であって、前記電力増幅器が電圧出力形増幅器であり、前記複数の電磁石が並列に接続されていることを特徴とする磁気浮上装置。

【請求項7】
浮上対象物に磁気力を作用する複数の電磁石を備えた磁気浮上装置であって、
並列に接続された前記複数の電磁石と、
前記複数の電磁石に対する励磁を一台で行う電力増幅器と、
前記電力増幅器の出力を制御するコントローラと、
を有し、
前記電力増幅器が電圧出力形増幅器であり前記電磁石の自己インダクタンスをLとし、前記電磁石の抵抗をRとするとき、各電磁石において、R/Lの値が異なっていることを特徴とする磁気浮上装置。

【請求項8】
請求項に記載の磁気浮上装置であって、浮上対象物の質量をmとし、前記浮上対象物に作用する前記電磁石の磁気力と前記浮上対象物の変位との比をksとするとき、各電磁石において、ks/mの値が等しいことを特徴とする磁気浮上装置。

【請求項9】
請求項に記載の磁気浮上装置であって、前記浮上対象物の位置の変位を検出する位置センサを具備し、前記コントローラは、前記位置センサによって検出された変位に比例した値を出力する変位比例動作手段と、前記変位を微分して速度を出力する微分手段と、前記微分手段から出力された速度に比例した値を出力する速度比例動作手段と、前記変位比例動作手段及び速度比例動作手段の出力を加算して前記電流出力形増幅器に出力する加算手段とを備えることを特徴とする磁気浮上装置。

【請求項10】
請求項に記載の磁気浮上装置であって、前記浮上対象物の位置の変位を検出する位置センサと、前記電磁石に供給される電流を検出する電流センサとを具備し、前記コントローラは、前記位置センサによって検出された変位に比例した値を出力する変位比例動作手段と、前記変位を微分して速度を出力する微分手段と、前記微分手段から出力された速度に比例した値を出力する速度比例動作手段と、前記電流センサによって検出された電流に比例した値を出力する電流比例動作手段と、前記変位比例動作手段、速度比例動作手段及び電流比例動作手段の出力を加算して前記電圧出力形増幅器に出力する加算手段とを備え
ることを特徴とする磁気浮上装置。

【請求項11】
請求項6、7または8に記載の磁気浮上装置であって、前記浮上対象物の位置の変位を検出する位置センサと、前記複数の電磁石のそれぞれに供給される電流を検出する複数の電流センサとを具備し、前記コントローラは、前記位置センサによって検出された変位に比例した値を出力する変位比例動作手段と、前記変位を微分して速度を出力する微分手段と、前記微分手段から出力された速度に比例した値を出力する速度比例動作手段と、前記電流センサのそれぞれによって検出された電流に比例した値を出力する電流比例動作手段と、前記変位比例動作手段、速度比例動作手段及び電流比例動作手段の出力を加算して前記電圧出力形増幅器に出力する加算手段とを備えることを特徴とする磁気浮上装置。

【請求項12】
請求項に記載の磁気浮上装置であって、前記複数の電磁石のそれぞれに供給される電圧を検出する複数の電圧センサを具備し、前記コントローラは、前記電圧センサのそれぞれによって検出された電圧から前記浮上対象物の位置の変位及び速度を推定する状態推定手段と、前記状態推定手段により推定された変位に比例した値を出力する変位比例動作手段と、前記状態推定手段により推定された速度に比例した値を出力する速度比例動作手段と、前記変位比例動作手段及び速度比例動作手段の出力を加算して前記電流出力形増幅器に出力する加算手段とを備えることを特徴とする磁気浮上装置。

【請求項13】
請求項に記載の磁気浮上装置であって、前記電磁石に供給される電流を検出する電流センサを具備し、前記コントローラは、前記電流センサによって検出された電流から前記浮上対象物の位置の変位及び速度並びに前記電磁石に供給する電流を推定する状態推定手段と、前記状態推定手段により推定された変位に比例した値を出力する変位比例動作手段と、前記状態推定手段により推定された速度に比例した値を出力する速度比例動作手段と、前記状態推定手段により推定された電流に比例した値を出力する電流比例動作手段と、前記変位比例動作手段、速度比例動作手段及び電流比例動作手段の出力を加算して前記電
圧出力形増幅器に出力する加算手段とを備えることを特徴とする磁気浮上装置。

【請求項14】
請求項6、7または8に記載の磁気浮上装置であって、前記複数の電磁石のそれぞれに供給される電流を検出する複数の電流センサを具備し、前記コントローラは、前記電流センサのそれぞれによって検出された電流から前記浮上対象物の位置の変位及び速度を推定する状態推定手段と、前記状態推定手段により推定された変位に比例した値を出力する変位比例動作手段と、前記状態推定手段により推定された速度に比例した値を出力する速度比例動作手段と、前記変位比例動作手段及び速度比例動作手段の出力を加算して前記電圧出力形増幅器に出力する加算手段とを備えることを特徴とする磁気浮上装置。
産業区分
  • 鉄道
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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