磁性轴承装置及真空泵的制作方法

磁性轴承装置及真空泵的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种可谋求提高移位信息的S/N比的磁性轴承装置以及真空泵。在本发明的磁性轴承装置中，以相对于施加至X1轴的传感器(71x)的第一载波信号相位存在(π/2+θ)弧度的差异的方式设定施加至Y1轴的传感器(71y)的第二载波信号，且在从第一载波信号成为波峰的时点偏移相位θ后的取样时点，对从第一传感器(71x)输出的第一调制信号进行取样，并且在从第二载波信号成为波峰的时点偏移相位(-θ)后的取样时点，对从第二传感器(71y)输出的第二调制信号进行取样。其结果为，可去除因邻接轴的干涉而产生的噪声成分。
【专利说明】磁性轴承装置及真空泵

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种磁性轴承装置、及具备磁性轴承装置的真空泵（pump)。

【背景技术】
[0002] 在如磁性轴承型涡轮（turbo)分子泵那样利用磁性轴承装置非接触支持旋转体 (转子（rotor))的装置中，为了将转子悬浮维持在规定的目标位置，而基于转子的悬浮位 置与目标位置的偏差（移位）实时（real time)地对电磁铁的磁吸引力（电磁铁电流）进 行反馈控制（feedback control)。关于移位的检测，利用专用的移位传感器（sensor)进行 检测的方式占主流，但近年来，为了实现小型（compact)化、低价化及提高可靠性，无传感 器类型（sensor less type)(也称为自传感类型（self-sensing type))的装置正不断被 实用化，所述无传感器类型的装置省略专用传感器，并且使产生悬浮控制力的电磁铁不仅 具备现有的致动器（actuator)功能，而且也兼具传感（sensing)功能（电感（inductance) 方式）。
[0003] 电感方式是对专用传感器或电磁铁线圈（coil)施加高频载波（传感器载波 (sensor carrier))，利用悬浮间隙（gap)所引起的电感变化对传感器载波进行振幅调制， 并对其进行解调，由此获得悬浮间隙信号（移位信号）。在解调处理时，多考虑应用数字 (digital)技术并利用模数（Analog to Digital, AD)转换器（converter)对调制波信号 进行同步取样来获取的方式、即无需导致产生延迟的平滑处理的直接（direct)方式。
[0004] [【背景技术】文献]
[0005] [专利文献]
[0006] [专利文献1]日本专利特开2006-308074号公报
[0007] [专利文献2]日本专利特开2000-60169号公报 [0008][专利文献3]日本专利特开2001-177919号公报
[0009] 专利文献1所记载的技术为具备专用传感器的构成，将对调制波信号进行取样时 的传感器载波频率fc与取样频率fs的关系设为fs = 2fc或fs = fc/n(n为自然数）。由 于对专用传感器只施加传感器载波信号电压，因此，通常信号的信噪比（Signal to Noise ratio, S/N)良好。然而，例如，在如为了使搭载着磁性轴承的装置小型化而将电磁铁与专 用传感器配置得极为接近等那样、因对电磁铁进行激磁的控制电流而产生的磁通对专用传 感器线圈的信号产生影响的情况下，担心因磁通的影响而导致在利用转子移位而经调制的 信号成分中混入控制电流成分（噪声（noise)成分）。因此，通常利用设置在AD转换器正 前方的带通滤波器（band-pass filter)(以传感器载波频率fc为中心的带通滤波器）过滤 (filtering)大部分噪声成分，但为了完全去除噪声成分，必须进一步增大带通滤波器的Q 值而窄频带化。然而，如果使带通滤波器窄频带化，那么经解调的移位信号会自本来的信号 大幅延迟，而使磁性轴承控制本身恶化，所以应用存在限度。因此，噪声成分会残留在AD转 换器的输入信号中，从而也对解调信号产生噪声的影响。因此，在经解调的转子移位信号中 会混入实际上未移位（振动）的振动成分，其移位信息直接被反馈而进行悬浮控制。其结果 为，存在如下情况：因噪声成分导致转子强制振动，其反作用力被传递到定子（stator)侧 而导致装置产生振动。
[0010] 专利文献2所记载的技术涉及专用传感器及无传感器这两种类型。关于包含专用 传感器的类型，利用数字处理产生在fs = 2fc的条件下的每个取样时间使符号反转所得的 方波信号并从数模（Digital to Analog，DA)转换器输出，将该方波信号设为传感器载波信 号而利用传感器以移位信号（转子移位）进行调制，使其调制波以相同频率fs( = 2fc)与 波峰时点（peak timing)同步地获取。在解调处理中，由于将利用AD转换器获取的信号数 据在每次取样时使符号反转（在传感器载波的最小波峰时符号反转）而进行处理，因此与 专利文献1所记载的发明的情况相同，存在产生振动的问题。
[0011] 另外，在无传感器类型的情况下，将传感器载波信号与电磁铁驱动电流信号重叠 后从DA转换器输出，且经由功率放大器（power amp Iifier)对电磁铁进行激磁。在电磁铁 线圈中对经重叠的传感器载波信号进行振幅调制。因此，提取包含移位信号成分的振幅调 制信号，与有专用传感器的情况同样地进行与传感器载波同步的解调处理。然而，在无传感 器类型的情况下，由于代替专用传感器而利用电磁铁传感移位信号，因此不仅以同等以上 的信号电平（level)混合着要重叠的传感器载波信号的调制信号，而且也以同等以上的信 号电平混合着控制电流信号。因此，混入到振幅调制信号的控制电流成分（噪声成分）变 得比专用传感器类型的情况更多。
[0012] 专利文献3所记载的技术涉及无传感器类型，使用于传感的传感器载波成分重叠 于对电磁铁进行激磁的驱动电流。基本信号处理与专利文献2所记载的处理相同，但在以 下方面不同。即，以反相位关系对以隔着转子的方式对向而相对的一对电磁铁分别施加重 叠的传感器载波（载波）。由此，可高效率地从控制电流成分中分离并提取包含移位信号成 分的振幅调制信号。然而，所述一对电磁铁各自的特性及周边环境不可能始终完全相同，即 便存在一定程度的差，因与专利文献2的无传感器类型的情况相同的原因，也存在噪声混 入到移位调制信号的问题。


【发明内容】

[0013] 本发明的优选实施方式的磁性轴承装置包括：第一径向电磁铁，在第一径向方 向上非接触支持旋转轴；第二径向电磁铁，在第二径向方向上非接触支持旋转轴；第一 载波产生部，产生第一载波信号；第二载波产生部，产生相对于第一载波信号相位存在 (n/2+θ)弧度的差异的第二载波信号；第一移位传感器，根据第一径向方向的旋转轴位 置移位对第一载波信号进行调制，且输出第一调制信号；第二移位传感器，根据第二径向方 向的旋转轴位置移位对第二载波信号进行调制，且输出第二调制信号；第一解调部，在从第 一载波信号成为波峰的时点偏移相位Θ后的取样时点，对第一调制信号进行取样而进行 解调；第二解调部，在从第二载波信号成为波峰的时点偏移相位（-Θ)后的取样时点，对第 二调制信号进行取样而进行解调；及控制部，基于第一解调部及第二解调部的解调结果控 制第一径向电磁铁及第二径向电磁铁的电流。
[0014] 本发明的优选实施方式的磁性轴承装置包括：第一径向电磁铁，在第一径向方向 上非接触支持旋转轴；第二径向电磁铁，在第二径向方向上非接触支持旋转轴；第一激磁 放大器，将第一电磁铁电流供给到第一径向电磁铁，所述第一电磁铁电流重叠着用来检测 第一径向方向的旋转轴位置移位的第一载波信号；第二激磁放大器，将第二电磁铁电流供 给到第二径向电磁铁，所述第二电磁铁电流重叠着用来检测第二径向方向的旋转轴位置移 位的第二载波信号；第一电流传感器，检测第一电磁铁电流；第二电流传感器，检测第二电 磁铁电流；第一解调部，对第一电流传感器的检测信号进行取样而提取旋转轴位置移位信 息；第二解调部，对第二电流传感器的检测信号进行取样而提取旋转轴位置移位信息；及 控制部，基于第一解调部及第二解调部的解调结果，控制第一激磁放大器及第二激磁放大 器；且第二载波信号相对于第一载波信号相位存在（π/2+Θ)弧度的差异，第一解调部在 从第一载波信号成为波峰的时点偏移相位Θ后的取样时点，对第一电流传感器的检测信 号进行取样，第二解调部在从第二载波信号成为波峰的时点偏移相位（-Θ)后的取样时 点，对第二电流传感器的检测信号进行取样。
[0015] 在更优选的实施方式中，第一解调部以相对于第一载波信号的频率fc满足fc =(m+l/2)Xfsl(其中，m为0以上的整数）的频率fsl进行取样，且将根据数据dll、及 数据dl2算出的值dl3 = (dll-dl2)/2作为解调结果而输出，所述数据dll是在从第一 载波信号成为最大波峰的时点偏移相位Θ后的时点对第一调制信号进行取样而获得，所 述数据dl2是在从第一载波信号成为最小波峰位置附近的时点偏移相位Θ后的时点对 第一调制信号进行取样而获得；第二解调部以相对于第二载波信号的频率fc满足fc = (n+1/2) Xfs2(其中，η为0以上的整数）的频率fs2进行取样，且将根据数据d21、及数据 d22算出的值d23 = (d21-d22) /2作为解调结果而输出，所述数据d21是在从第二载波信号 成为最大波峰的时点偏移相位（-Θ)后的时点对第二调制信号进行取样而获得，所述数据 d22是在从第二载波信号成为最小波峰位置附近的时点偏移相位（-Θ)后的时点对第二调 制信号进行取样而获得。
[0016] 在更优选的实施方式中，相位Θ设定为-Ji/4< Θ < Ji/4的范围。
[0017] 本发明的优选实施方式的真空泵包括：泵转子；电动机，旋转驱动泵转子；及根据 本发明的第1至4项中任一项所述的磁性轴承装置，磁悬浮支持泵转子。
[0018] [发明的效果]
[0019] 根据本发明，可谋求提高磁性轴承控制中的移位信息的S/N比。

【专利附图】

【附图说明】
[0020] 图1是表示具备移位传感器方式的磁性轴承装置的磁性轴承型涡轮分子泵的概 略构成的图。
[0021] 图2是表示控制单元（control unit)的概略构成的框图（block diagram)。
[0022] 图3是表示五轴控制型磁性轴承的构成的框图。
[0023] 图4是表示与径向传感器71的Yl轴传感器71y相关的控制区块的图。
[0024] 图5是表示径向传感器71的外观的图。
[0025] 图6(a)、图6(b)是定性地表示用来去除第一噪声成分的取样及解调处理的图。
[0026] 图7(a)、图7(b)是表示用来去除第一噪声成分的取样及解调处理的另一例的图。
[0027] 图8(a)、图8(b)是表示用来去除第一噪声成分的取样及解调处理的另一例的图。
[0028] 图9(a)、图9(b)是表示无干涉的情况下的差分信号Aixs、差分信号Aiys的曲 线图（graph)。
[0029] 图10是表示受到Y轴干涉的差分信号Λ ixs的图。
[0030] 图11是表示受到X轴干涉的差分信号Λ iyS的图。
[0031] 图12 (a)、图12(b)是表示无邻接轴的干涉的情况下的差分信号Λ ixs、差分信号 Δ iys的图。
[0032] 图13是表示有邻接轴的干涉的情况下的差分信号Λ ixs的图。
[0033] 图14是表示有邻接轴的干涉的情况下的差分信号Λ iys的图。
[0034] 图15是表示无传感器方式的磁性轴承型涡轮分子泵的控制单元的概略构成的框 图。
[0035] 图16是控制部44中的磁性轴承控制的功能框图。
[0036] 图17是表示激磁放大器36的构成的图。
[0037] 图18 (a)、图18 (b)是分别表不实施了噪声对策的情况及未实施噪声对策的情况 下的X轴移位、Y轴移位、X轴移位解调输出及Y轴移位解调输出的图。
[0038] 图19是表示无传感器方式的情况下的另一构成的图。
[0039] 【主要元件符号说明】
[0040] 1 :泵单元 3 :转子
[0041] 3a:旋转翼 3b:圆筒部
[0042] 4 :转子轴 4a :推力盘
[0043] 12 :齿 13a?13h :传感器线圈
[0044] 14 :磁芯 20 :基座
[0045] 21 :泵外壳 21a:进气口
[0046] 21c:固定法兰 22:固定翼
[0047] 23 :垫圈 24 :螺纹定子
[0048] 25 :排气埠 26a、26b :机械轴承
[0049] 27:电动机 28:旋转传感器
[0050] 29:传感器靶 30:数字控制电路
[0051] 31、35、413p、413m :DA 转换器
[0052] 32、205 :滤波器
[0053] 33、33a?33e :传感器电路
[0054] 34、400、400p、400m :AD 转换器
[0055] 36、36p、36m :激磁放大器
[0056] 37A?37D :相位偏移滤波器
[0057] 40 :DC电源 41 :反相器
[0058] 44 :控制部 51?53 :磁性轴承
[0059] 51χ:Χ1轴电磁铁 51y:Yl轴电磁铁
[0060] 52x :X2轴电磁铁 52y :Y2轴电磁铁
[0061] 53ζ:电磁铁
[0062] 71、71xm、71xp、71ym、71yp、72 :径向传感器
[0063] 71x :X1轴传感器 7Iy :Yl轴传感器
[0064] 72x :X2轴传感器 72y :Y2轴传感器
[0065] 73:轴向传感器 101AU01B :电流传感器
[0066] 203:差动放大器 301:PWM控制信号
[0067] 302 :电流信号 303 :PWM栅驱动信号
[0068] 304:电磁铁电流信号 305 :传感器载波信号
[0069] 306 :传感器信号 310、406 :解调运算部
[0070] 311 :控制运算部 312 :相位偏移运算部
[0071] 313 :正弦波离散值产生部 401p、401m:闸极信号产生部
[0072] 403p、403m :低通滤波器 405 :带通滤波器
[0073] 406 :解调运算部 407 :磁悬浮控制器
[0074] 409p、409m :信号处理运算部 410p、410m :放大器控制器
[0075] 411 :传感器载波产生电路 412p、412m :PWM运算部
[0076] 414:加法运算部 500 :磁性轴承电磁铁
[0077] chi ?ch5 :输入部 X、XI、X2、Y、Yl、Y2 :轴
[0078] d:固定值 dl、d2:取样数据值
[0079] d3 :运算结果 fc :载波频率
[0080] fs:取样频率 ib:偏压电流
[0081] r:噪声成分 DKKDll :二极管
[0082] Im、Ip :电流信号 Ll ?L14、L21 ?L24 :线
[0083] Sll、S12、S13、S14 :最大波峰时点
[0084] S21、S22、S23、S24 :最小波峰时点
[0085] S31、S32、S33、S34、S35、S36、S37、S38 :输出时点
[0086] SW10、SW11 :开关元件 R:电阻
[0087] W :振动波形 Θ :相位偏移

【具体实施方式】
[0088] 以下，参照附图对用来实施本发明的方式进行说明。
[0089] -第一实施方式_
[0090] 图1是表示具备移位传感器方式的磁性轴承装置的磁性轴承型涡轮分子泵的概 略构成的图。涡轮分子泵包括泵单元1、及驱动控制泵单元1的控制单元。此外，在图1中， 省略了控制单元的图示。
[0091] 设置在转子3的转子轴（rotor shaft)4由径向方向的磁性轴承51、磁性轴承52 轴向（axial)方向的磁性轴承53非接触支持。磁性轴承53是以在轴方向上夹着固定在转 子轴4的下部的推力盘（thrust disc)4a的方式配置。转子轴4的悬浮位置的移位由作为 移位传感器的径向传感器71、径向传感器72及轴向传感器73检测。对于传感器71?传感 器73使用在传感器磁芯（sensor core)上卷绕着线圈的构成的电感式移位传感器。
[0092] 利用磁性轴承而旋转自如地磁悬浮的转子3由电动机27高速旋转驱动。对于电 动机27使用无刷直流电动机（brushless direct current motor)等。此外，在图1中，示 意性地记载为电动机27,但更详细来说，以符号27表示的部分构成电动机定子，且在转子 轴4侧设置着电动机转子。
[0093] 转子3的旋转由旋转传感器28检测。在由电动机27旋转驱动的转子轴4的下端 设置着传感器IE (sensor target) 29。传感器祀29与转子轴4 一体地旋转。所述轴向传感 器73及旋转传感器28配置在与传感器靶29的下表面对向的位置。当磁性轴承未进行动 作时，转子轴4由紧急用机械轴承（mechanical bearing) 26a、紧急用机械轴承26b支持。
[0094] 在转子3形成着构成旋转侧排气功能部的多段旋转翼3a与圆筒部3b。另一方面， 在固定侧设置着作为固定侧排气功能部的固定翼22与螺纹定子（thread stator) 24。多段 固定翼22在轴方向上与旋转翼3a交替地配置。螺纹定子24隔开规定的间隙而设置在圆 筒部3b的外周侧。
[0095] 各固定翼22隔着垫圈（spacer ring) 23而载置在基座（base) 20上。当利用螺 钉（bolt)将泵外壳（pump casing) 21的固定法兰（flange) 21c固定在基座20时，积层的 垫圈23被夹持在基座20与泵外壳21之间，固定翼22便被定位。在基座20设置着排气埠 (port) 25,在该排气埠25连接增压泵（back pump)。通过使转子3 -边磁悬浮一边由电动 机27高速旋转驱动，而将进气口 21a侧的气体分子向排气埠25侧排出。
[0096] 图2是表示控制单元的概略构成的框图。来自外部的交流电（Alternating Current, AC)输入通过设置在控制单元的直流电（Direct Current, DC)电源40而由交流 转换为直流。DC电源40分别产生反相器（inverter) 41用电源、激磁放大器36用电源、及 控制部44用电源。
[0097] 对电动机27供给电流的反相器41中包括多个开关（switching)元件。通过利用 控制部44控制这些开关元件的接通断开（on/off)，而驱动电动机27。
[0098] 图2所不的十个磁性轴承电磁铁500表不设置在各磁性轴承51、磁性轴承52、磁 性轴承53的磁性轴承电磁铁。图1所示的涡轮分子泵中所使用的磁性轴承为五轴控制型 磁性轴承，径向方向的磁性轴承51、磁性轴承52分别为双轴磁性轴承，且分别包括两对（四 个）磁性轴承电磁铁500。另外，轴向方向的磁性轴承53为单轴磁性轴承，且包括一对（两 个）磁性轴承电磁铁500。对磁性轴承电磁铁500供给电流的激磁放大器36分别设置在十 个磁性轴承电磁铁500,控制单元中合计包括十个激磁放大器36。
[0099] 控制电动机27的驱动及磁性轴承的驱动的控制部44例如包含现场可编程门阵列 (Field Programmable Gate Array,FPGA)等数字运算器及其周边电路。关于电动机控制， 从控制部44向反相器41输入用来对设置在反相器41的多个开关元件进行接通断开控制 的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM)控制信号301，从旋转传感器28向控制部 44输入与旋转速度相关的信号302。关于磁性轴承控制，从控制部44向各激磁放大器36 输入用来对激磁放大器36中包含的开关元件进行接通断开控制的PWM控制信号303,从各 激磁放大器36对控制部44输入与各磁性轴承电磁铁500相关的电磁铁电流信号304。另 夕卜，从控制部44对各传感器电路33输入传感器载波信号（载波信号）305,从各传感器电路 33对控制部44输入通过移位而调制的传感器信号306。
[0100] 图3是表示五轴控制型磁性轴承的构成的框图。在图3中，数字控制电路30、DA 转换器31、滤波器（filter) 32、AD转换器34、DA转换器35及相位偏移滤波器（phase shift filter) 37A?相位偏移滤波器37D与图2的控制部44对应。图1的径向磁性轴承51包括 Xl轴电磁铁51x与Yl轴电磁铁51y，径向磁性轴承52包括X2轴电磁铁52x与Y2轴电磁 铁52y。各电磁铁51x、电磁铁51y、电磁铁52x、电磁铁52y包含夹着转子轴4而对向的一 对磁性轴承电磁铁500 (参照图2)。轴向磁性轴承53的电磁铁53z也包含一对磁性轴承 电磁铁500。另一方面，图1的径向传感器71与Xl轴电磁铁51x及Yl轴电磁铁51y相对 应地包括Xl轴传感器71x及Yl轴传感器71y。同样地，径向传感器72与X2轴电磁铁52x 及Y2轴电磁铁52y相对应地包括X2轴传感器72x及Y2轴传感器72y。
[0101] 如上所述，径向传感器71(71x、71y)、径向传感器72(72x、72y)及轴向传感器73为 电感式的移位传感器，利用因间隙移位的变化所致的传感器部阻抗（impedance)的变化， 将间隙移位转换为电信号。数字控制电路30中所产生的频率fc的传感器载波信号由DA 转换器31转换为模拟信号，并经由滤波器32及相位偏移滤波器37A?相位偏移滤波器37D 而施加至各传感器71x、传感器71y、传感器72x、传感器72y及传感器73。
[0102] 施加至各传感器71X、传感器71y、传感器72x、传感器72y及传感器73的传感器载 波信号（载波信号）根据因间隙移位而产生的传感器部阻抗变化而被振幅调制。该经振幅 调制的传感器载波信号（以下称为移位调制波信号）经由各传感器电路33a?传感器电路 33e而输入至AD转换器34。来自各传感器电路33a?传感器电路33e的模拟信号通过AD 转换器34而依序被转换为数字值，并输入至数字控制电路30。此外，AD转换器34中的取 样的详细情况将在下文叙述。
[0103] 在数字控制电路30中，基于预先存储的磁悬浮控制常数与已转换为数字值的位 置信息，算出应流到各电磁铁51x、电磁铁51y、电磁铁52x、电磁铁52y、电磁铁53的电磁铁 电流，并输出电磁铁电流控制信号。电磁铁电流控制信号在通过DA转换器35而被转换为 模拟值后输入至激磁放大器36。此外，在图3中只记载了一个激磁放大器36,但实际上如 图2所示那样设置着与磁性轴承电磁铁500的数量（十个）相当数量的激磁放大器36,从 各激磁放大器36对各磁性轴承电磁铁500供给电磁铁电流。
[0104] 图4表示与径向传感器71的Yl轴传感器71y (参照图3)相关的控制区块的一例。 Yl轴传感器71y包含夹着转子轴4而对向配置的一对传感器71yp、传感器71ym。由数字控 制电路30的正弦波离散值产生部313产生的正弦波离散值通过DA转换器31而被转换为 模拟信号，该模拟信号被输出至滤波器32。输出的传感器载波信号包含高次谐波而变为阶 梯状，因此通过利用包含低通滤波器（low-pass filter)或带通滤波器等的滤波器32进行 滤波而获得平滑的传感器载波信号。
[0105] 从滤波器32输出的传感器载波信号在相位偏移滤波器37A中进行使传感器载波 信号的相位偏移的处理。从相位偏移滤波器37A输出的传感器载波信号被施加至与电阻R 串联连接的传感器71yp、传感器71ym。由各传感器71yp、传感器71ym进行振幅调制后的传 感器载波信号（移位调制波信号）被输入至差动放大器203。从差动放大器203输出这些 移位调制波信号的差分信号。从差动放大器203输出的差分信号在滤波器205中被实施以 载波频率fc为中心频率的带通处理。
[0106] 从滤波器205输出的信号通过同步取样而从AD转换器34被数字控制电路30获 取。此时，基于由正弦波离散值产生部313产生的正弦波离散值进行取样，但在本实施方式 中，利用相位偏移部312使正弦波离散值相位偏移规定量，基于该相位偏移后的正弦波离 散值进行取样。其后，基于取样的数据，利用解调运算部310进行解调运算。该运算结果被 输入至控制运算部311，在控制运算部311中进行电磁铁电流控制量的运算。
[0107] 此外，在图3中，从DA转换器31输出与AD转换器34同步地输出的传感器载波信 号，但并不限定于此。例如，也能够以数字的形式对传感器载波正弦波信号暂时进行PWM调 制而以高/低（High/Low)信号的形式进行数字输出，并利用模拟低通滤波器去除PWM成分 而获得传感器载波信号。
[0108] 另外，传感器71?传感器73中所使用的电感式移位传感器是通过检测互连于传 感器线圈的磁通的变化而检测移位。因此，会受到电磁铁所形成的磁通或邻接的移位传感 器所形成的磁通的影响，他们作为移位检测的噪声而造成不良影响。
[0109] 图5是表示径向传感器71的外观的图。图5的径向传感器71是沿着z轴方向观 察的俯视图，构成两轴大小（图3的71x、71y)的径向传感器。径向传感器71包括在内周 突设着多个齿（teeth) 12的由电磁钢板制造的环（ring)状磁芯（core) 14、及卷绕在规定的 齿12的传感器线圈13a?传感器线圈13h。
[0110] -对传感器线圈13a、传感器线圈13b构成径向传感器71xp的传感器线圈。一对 线圈13e、线圈13f构成径向传感器71xm的传感器线圈。一对线圈13c、线圈13d构成径向 传感器71ym的传感器线圈。一对线圈13g、线圈13h构成径向传感器71yp的传感器线圈。
[0111] 例如,从传感器线圈13a的齿发出的磁力线进入成对的线圈13b的齿12,并通过 磁芯而返回到传感器线圈13a的齿12。然而，由于是环状的磁芯，因此磁力线的一部分也 会泄漏到邻接的径向传感器、在该情况下为径向传感器71yp、径向传感器71ym的齿，并与 这些传感器线圈互连。其他径向传感器71xm、径向传感器71yp、径向传感器71ym的情况也 相同。这样一来，由于将传感器线圈13a?传感器线圈13h设置在一个环状磁芯，所以径向 传感器71xp?径向传感器71ym受到邻接的径向传感器的泄漏磁通（即传感器电流）的影 响。即，该泄漏磁通的影响对于受到影响的径向传感器的传感器载波信号而言，作为噪声发 挥作用。
[0112] 如上所述，作为移位传感器中的噪声，有电磁铁电流等所引起的第一噪声成分、及 与邻接的移位传感器的干涉所引起的第二噪声成分。第二噪声成分为传感器载波频率范围 内的噪声，第一噪声成分的频率范围低于第二噪声成分，为1/10左右的频率。
[0113] (第一噪声成分的去除）
[0114] 如图5所示，径向传感器71的Xl轴传感器71x包含夹着转子轴4而对向配置的一 对传感器71xp、传感器71xm。如果转子轴4与传感器71xp、传感器71xm的齿12之间的间 隙（gap)大，那么传感器线圈的电感值变小，如果间隙小，那么传感器线圈的电感值变大。 因此,如果对向的传感器71xp、传感器71xm中的一个的电感值变大，那么另一个的电感值 变小。也就是说，可根据对向的传感器71xp、传感器71xm的电感变化来获得间隙变化、即转 子轴4的移位信息。
[0115] 在将对向的传感器71xp、传感器71xm的线圈的电感分别设为Lsp、Lsm的情况下， 下式（1)近似成立。此外，Ds为转子轴4位于悬浮中心轴（悬浮目标位置）的情况下的与 传感器71xp、传感器71xm的间隙，式（1)中的ds表示从悬浮目标位置的移位。As为常数。
[0116] 1/Lsp = AsX (Ds-ds)
[0117] 1/Lsm = As X (Ds+ds)... (I)
[0118] 此处，如果近似地忽略线圈电阻，那么施加至传感器线圈的电压vsp、电压vsm与 在传感器线圈中流通的电流isp、电流ism的关系可由下式（2)表示。此外，d(isp)/dt表 示isp的时间微分。
[0119] vsp = Lsp X d (isp)/dt
[0120] vsm = LsmXd(ism)/dt··· (2)
[0121] 如果将施加至传感器线圈的电压vsp、电压vsm表示为"-vsin (ω c X t) "（其中， ω c = 2 π X fc)，_3么根据所述式（I)、式（2)，在传感器线圈中流通的电流isp、电流ism如 下式⑶所示。此外，Bs = vXAs/c〇c。这样一来，利用移位ds的时间变化对电流isp、电 流ism进行振幅调制。在径向传感器的情况下，将这些差分信号用作移位调制波信号，因此 差分信号成为如式（4)所示。
[0122] isp = _vX sin (ω c X t_ π /2) / (ω c X Lsp)
[0123] =-Bs (Ds-ds) X sin (ω c X t_ π/2)
[0124] ism = _νΧ sin (ω c X t_ π /2) / (ω c X Lsm)
[0125] = -Bs (Ds+ds) X sin (ω c X t_ π /2)…（3)
[0126] Δ is = isp-ism
[0127] = 2Bsds X sin (ω c X t_ π /2)…（4)
[0128] 图6(a)、图6(b)是定性地表示用来去除第一噪声成分的取样及解调处理的图。图 6(a)表不本实施方式中的处理，图6(b)表不现有的处理。在图6(a)、图6(b)中，振动波形 W表不输入至AD转换器34的移位调制波信号，r为噪声成分。
[0129] 例如，在电磁铁电流所引起的噪声的情况下，成为频率比取样频率fs低的噪声成 分，此处，为了观察定性的影响而近似地设为直流噪声。另外，移位调制波信号也单纯地考 虑只以直流移位进行调制的情况。因此，噪声成分r固定，且输入信号W的振幅2Bsds也 成为固定值。如果表示为2Bsds = d，那么输入至AD转换器34的信号可表示为（直流调 制）+ (直流噪声）=dXsin(2 3ifcXt)+r。
[0130] 在本实施方式的情况下，当利用同步取样进行获取时，利用fc = (n+1/2) Xfs的 关系，与传感器载波信号的最大波峰时点（S11、S12、S13、S14、…）及最小波峰时点（S21、 522、 523、524、一)同步地进行获取。此外，化为载波频率，€8为取样频率。图6(&)所示 的例子表示fc = (n+1/2) Xfs中η = 0情况（fs = 2fc)。即，在载波频率fc的情况下的 一半的周期lA2Xfc)(即两倍的频率2fc)的波峰时点进行取样。此处，将在最大波峰时 点（S11、S12、S13、S14、…）获取的数据值设为dl( = d+r)，将在最小波峰时点（S21、S22、 523、 S24、…）获取的数据值设为d2 ( = -d+r)。
[0131] 图4的解调运算部310基于在最大波峰时点Sll获取的取样数据值dl与在最小波 峰时点S21获取的取样数据值d2,进行下式（5)所示的运算。图6的箭头S31?箭头S34 表示运算结果的输出时点，在图6所示的例子中，输出时点S31?输出时点S34与最小波峰 时点S21?最小波峰时点S24设定为同一时点。基于最大波峰时点Sll及最小波峰时点 S21的数据值dl、数据值d2所得的运算结果d3在输出时点S31 (与最小波峰时点S21为同 一时点）作为解调运算输出被输出。
[0132] d3 = (dl_d2)/2…（5)
[0133] 同样地，在输出时点S32 (与最小波峰时点S22为同一时点），将基于最大波峰时点 S12的取样数据值dl与最小波峰时点S22的取样数据值d2所得的值d3作为解调运算输出 而输出。如上所述，在输出时点（S33、S34、…），也输出相同的运算结果。输出时点（S31、 S32、S33、S34…）分别与最小波峰时点（S21、S22、S23、S24、…）设定为相同时点。根据式 (5)也可知，在直流噪声的情况下，噪声成分r被完全消除（cancel)。在图6 (a)所示的例 子中，传感器载波信号是由直流移位产生的信号，因此解调运算输出d3与振幅值d相等。
[0134] S卩，解调运算输出d3在载波频率fc(即周期Ι/fc)的信号波形的最小波峰时点 (S21、S22、S23、S24、…）输出。此外，也可以将解调运算输出d3的输出时点（S31、S32、 S33、S34…）设定为与最大波峰时点（S11、S12、S13、S14、…）为同一时点。例如，在最大 波峰时点S12输出解调运算输出d3的情况下，基于最小波峰时点S21的数据值d2与最大 波峰时点S12的数据值dl算出解调运算输出d3。
[0135] 另一方面，在图6(b)中，与本实施方式不同，表示以fs = fc在最小波峰时点 获取、且在最小波峰时点输出解调运算输出d3的情况。在该情况下，将取样的数据值 d2( = -d+r)正负反转后所得的值-d2( = d-r)作为解调运算输出d3而输出。即，解调运 算输出d3中包含由噪声引起的值r作为误差。这样一来，电磁铁电流所引起的低频率的混 合噪声也作为解调信号被获取。其结果为，成为在经解调的转子移位信号（移位信息）中 混入了实际上未移位（振动）的振动成分的状态，该转子移位信号被反馈而进行磁悬浮控 制。因此，转子因噪声成分而强制振动，其反作用力传递到泵外壳21，而导致泵单元1振动。
[0136] 然而，在本实施方式中，如上所述，在算出d3 = (dl_d2)/2时噪声成分r几乎被消 除，因此可降低经解调的转子移位信号中所包含的噪声（第一噪声成分），从而可防止泵振 动。
[0137] 在图6(a)所示的例子中，表示了以fs = 2Xfc的取样频率fs对波峰值（最大波 峰值及最小波峰值）进行取样，且在周期Ι/fc的波峰时点输出解调运算输出d3的情况，但 取样时点及输出时点并不限定于此。图7 (a)、7(b)表示取样周期与解调运算输出d3的输 出周期相等的情况。此外，在7 (a)、7 (b)中，设为噪声成分r = 0而表示输入信号W，输入信 号 W 表示为 dX sin (2 Jifc Xt)。
[0138] 图7(a)表示以fs = 2Xfc对波峰值进行取样，且在与取样周期相同的周期1/ (2Xfc)的波峰时点输出解调运算输出d3的情况。通过以fs = 2Xfc进行波峰值的取样， 而获取传感器载波的最大波峰时点（S11、S12、S13、S14、…）的数据值dl及最小波峰时点 (S21、S22、S23、S24、…）的数据值 d2。然后，在输出时点（S31、S32、S33、S34、S35...)输 出解调运算输出d3(= (dl-d2)/2)。第奇数个输出时点（S31、S33、S35、S37、…）与最大 波峰时点（S11、S12、S13、S14、…）为同一时点，第偶数个输出时点（S32、S34、S36、S38?） 与最小波峰时点（S21、S22、S23、S24、…）为同一时点。
[0139] 例如，在与最小波峰时点S21为同一时点的输出时点S32输出解调运算输出d3的 情况下，基于最大波峰时点Sll的数据值dl与最小波峰时点S21的数据值d2算出解调运 算输出d3。另一方面，在与最大波峰时点S12为同一时点的输出时点S33输出解调运算输 出d3的情况下，基于最大波峰时点S12的数据值dl与最小波峰时点S21的数据值d2算出 解调运算输出d3。即，基于最近获取的两个数据值dl、数据值d2算出解调运算输出d3。
[0140] 图 7(b)表示 fc = (n+1/2) Xfs 中 η = 1 的情况。在图 7(b)中，以 fs = (2/3) Xfc 对波峰值进行取样，且在与取样周期相同的周期1八(2/3) Xfc)的波峰时点输出解调运算 输出d3。即，在载波频率fc的三个周期中以两次的频度进行取样，获取最大波峰时点的数 据值dl与最小波峰时点的数据值d2。然后，在取得数据值dl、数据值d2后的时点输出解 调运算输出d3。
[0141] 例如，在与最小波峰时点S21为同一时点的输出时点S32,基于最大波峰时点Sll 的数据值dl与最小波峰时点S21的数据值d2输出解调运算输出d3。另外，在与最大波峰 时点S12为同一时点的输出时点S33,基于最大波峰时点S12的数据值dl与最小波峰时点 S21的数据值d2输出解调运算输出d3。
[0142] 在图8 (a)所示的例子中，以fs = 2 X fc对波峰值进行取样，且在周期1/fc的最小 波峰时点输出解调运算输出d3。解调运算输出d3是基于最近获取的两个数据值dl、数据 值d2而算出。如果与图7 (a)所示的例子相比，那么解调运算输出d3的输出频度变为1/2。 因此，在图8(a)所示的情况下，可谋求减轻运算负荷。另一方面，在图7(a)的情况下，可去 除传感器信号中所包含的更高频成分的噪声。
[0143] 在图8(b)所示的例子中，以fs= (2/3)Xfc对波峰值进行取样，且在取样周期的 两倍的周期IAfc/3)的最小波峰时点输出解调运算输出d3。如果与图7(b)所示的例子相 t匕，那么解调运算输出d3的输出频度变为1/2。因此，图8(b)所示的情况下更能谋求运算 负荷的减轻。
[0144] 如图6 (a)、图6 (b)、图7 (a)、图7 (b)、图8 (a)、图8 (b)所示，在本实施方式中，通过 利用fc = (n+1/2) Xfs的关系进行取样，而交替地获取传感器载波的最大波峰时点的数据 值dl与最小波峰时点的数据值d2。然后，藉由基于输出时点的最近所获取的数据值dl、数 据值d2输出解调运算输出d3,而大致消除噪声成分r。通过基于该运算结果d3控制电磁 铁电流，可防止噪声所引起的泵振动。
[0145] (第二噪声成分的去除）
[0146] 由所述式（4)表示的差分信号△ is为与邻接的移位传感器之间不存在干涉的情 况，在存在干涉的情况下，会受到邻接的移位传感器的电流的影响。此处，将受到干涉的轴 设为X轴（Xp侧、Xm侧），将赋予干涉的轴设为Y轴（Yp侧、Ym侧）而进行说明。将X轴的 差分信号设为Λ ixs，将Y轴的差分信号设为Λ iys，简单地如下式（6)、下式（7)的第二项 那样考虑干涉的影响。式（7)中的Φ表不Y轴传感器的传感器载波信号相对于X轴传感 器的传感器载波信号的相位偏移。
[0147] Δ ixs = 2Bsdxs X sin (ω〇Χ?-π/2) + α X Δ iys. . . (6)
[0148] Δ iys = 2Bsdys X sin (ω〇Χ?_π/2+Φ) + α X Δ ixs. · · (7)
[0149] 将式（7)代入到式（6)中，由于α《1，所以如果忽略α2这一项，那么差分信号 Aixs如下式（8)所示。同样地，Aiys如下式（9)所示。即，使信号dxs与Y轴的干涉所 致的噪声ct dys相加，使信号dys与X轴的干涉所致的噪声a dxs相加。
[0150] Δ ixs = 2Bsdxs X sin (ω c X t_ π/2)
[0151] +2Bs α dys X sin (ω c X t_ π /2+ Φ)... (8)
[0152] Δ iys = 2Bsdys X sin (ω〇Χ?-π/2+Φ)
[0153] +2Bs α dxs X sin (ω c X t_ π /2)…（9)
[0154] 在本实施方式中，将Y轴侧的传感器载波信号的相位的偏移Φ设为Φ = 90° +Θ，在取样时使相位从X轴侧及Y轴侧的传感器载波信号的最大波峰、最小波峰偏移 Θ而分别进行数据dl、数据d2的取样。通过在这种时点进行取样，可使式（8)、式（9)的第 二项成为零，从而去除邻接轴的干涉的影响。此外，Θ设为-45° < Θ <45°。
[0155] 例如，对于设为Θ =〇而在最大波峰、最小波峰处对数据dl、数据d2进行取样的 情况，以径向传感器71为例进行说明。以使式（8)、式（9)的相位偏移Φ成为90°的方 式，使相位偏移90°而产生Yl轴用传感器载波信号。即，利用图3、图4的相位偏移滤波器 37Α，使Yl轴用传感器载波信号的相位偏移90°。在该情况下，所述式（8)、式（9)如下式 (10)、下式（11)所示。
[0156] Δ ixs = 2Bsdxs X sin (ω c X t_ π /2) +2Bs a dys X sin (ω c X t)…（10)
[0157] Δ iys = 2Bsdys X sin (ω c X t) +2Bs α dxs Xsin(c〇cXt_3i/2)…（11)
[0158] 首先，对不存在干涉的情况（α =0)进行说明。图9是表示不存在干涉的情况下 的差分信号Λ ixs、差分信号Aiys的曲线图。即，图9(a)表示式（10)中设为a = 0的差 分信号Δ ixs = 2BsdxsXsin(c〇cXt-Ji /2)，图9(b)表示式（11)中设为α = 〇的差分 信号Δ iys = 2Bsdys X sin (ω c X t)。此外，此处设为2Bsdxs = 2Bsdys = 1而进行图不。 可知差分信号Λ ixs与差分信号Λ iys的相位偏移90° (= π /2弧度）。在图9的情况 下，差分信号Aiys成为前进90°的相位。这是因为Y轴用传感器载波信号相对于X轴用 载波信号相位前进了 90°。
[0159] 而且，在从AD转换器34获取数据dl、数据d2的情况下，分别与载波信号的最大 波峰、最小波峰同步地获取。由于Y轴用传感器载波信号相对于X轴用载波信号相位前进 了 90°，因此根据图9也可知，获取差分信号Aiys的数据dl、数据d2的时刻相对于获取 差分信号Λ ixs的数据dl、数据d2的时刻相位早90°。
[0160] 其结果为，在差分信号Λ ixs、差分信号Λ iyS的任一个中均在最大波峰处对数据 dl进行取样，在最小波峰处对数据d2进行取样。在差分信号Λ ixs的情况下成为dl = 2Bsdxs、d2 = _2Bsdxs，因此通过运算d3 = dl_d2/4Bs，可获得X轴直流移位dxs。关于差 分信号Aiys也同样。
[0161] 图10、图11表示存在干涉的情况，此处设为α = 〇. 15而进行图示。图10是表 示受到Y轴干涉的差分信号Λ ixs的图，与表示差分信号Λ ixs的线Ll 一同也图示了表 不 2Bsdxs X sin (ω c X t_ π /2)的线 L2 及表不 2Bsdys X sin (ω c X t)的线 L3。图 11 是表 示受到X轴干涉的差分信号Aiys的图，与表示差分信号Aiys的线L4 一同也图示了表示 2BsdysX sin (cocXt)的线 L5 及表不 2BsdxsX sin (cocXt-π/2)的线 L6。
[0162] 在图10中，数据dl的取样时点是式（10)的第一项（线L2)成为最大波峰的时点 (t= (n+l/2)/fc，n为整数），数据d2的取样时点是线L2成为最小波峰的时点（t = n/fc， η为整数）。如上所述，由于Y轴用传感器载波信号相对于X轴用传感器载波信号相位偏移 了 90°，因此式（10)的第一项与第二项的相位偏移了 90°。因此，在t= (n+l/2)/fc及 t = n/fc中，γ轴干涉所致的噪声成分即式（10)的第二项（即线 L3)成为零。其结果为， 可知解调运算结果d3 = (dl - d2/4Bs)准确地对X轴直流移位dxs进行了解调。
[0163] 同样地，在图11所示的差分信号Λ iys的情况下，也是在表示式（11)的第一项的 线L5的最大波峰处对数据dl进行取样，在线L5的最小波峰处对数据d2进行取样。如上 所述，由于Y轴用载波信号相对于X轴用载波信号相位前进了 90°，因此差分信号Λ iys中 的数据dl、数据d2的取样时刻与差分信号Λ ixs的情况相比，早相当于相位90°的时间。
[0164] 在该取样时点，式（11)的第二项成为零，因此取样的数据dl、数据d2中不含Y轴 干涉所致的噪声成分。其结果为，解调运算结果d3= (dl-d2/4Bs)准确地对Y轴直流移位 dy s进行了解调。
[0165] 在图10、图11中，在式（10)、式（11)的第一项成为最大波峰、最小波峰的时点进 行取样，但以下对在相位从第一项的最大波峰、最小波峰偏移Θ后的时点进行取样的情况 进行说明。通常的控制型磁性轴承如图3所示那样包含五轴。这样一来，在控制轴的轴数 多的情况下，就方便利用AD转换器34进行获取来说，多应用使相位从最大波峰、最小波峰 偏移而进行获取的情况。
[0166] 将Y轴用传感器载波信号相对于X轴用传感器载波信号的相位差Φ设为Φ = 90° +θ。Θ表示从最大波峰、最小波峰的相位偏移。此外，Θ设为-45° < Θ <45°。 而且，对于X轴侧的差分信号△ ixs，在相位从X轴用传感器载波信号的最大波峰、最小波峰 偏移Θ后的时点同步地对数据dl、数据d2进行取样。另一方面，对于Y轴侧的差分信号 Λ iys，在相位从Y轴用传感器载波信号的最大波峰、最小波峰偏移Θ后的时点同步地对数 据dl、数据d2进行取样。此处，差分信号Λ ixs、差分信号Aiys如下式（12)、下式（13)所 /Jn 〇
[0167] Δ ixs = 2Bsdxs X sin (ω c X t_ π /2) +2Bs a dys Xsin(c〇cXt+ Θ )... (12)
[0168] Δ iys = 2Bsdys Xsin(c〇cXt+0) +2Bs α dxs X sin (ω c X t_ π /2)…（13)
[0169] 相位从式（12)的第一项的最大波峰偏移（前进）Θ后的时点的时刻成为t = (n+l/2)/fC-0A2Jifc)。另外，相位从最小波峰偏移（前进）Θ后的时点的时刻成为t = n/fc-0A2 π fc)。其中，n为整数。通过以这种方式设定差分信号Aixs的取样时点，而 使式（12)的Y轴噪声成分即第二项成为零。
[0170] 另一方面，在式（13)中，相位从第一项的最大波峰偏移（延迟）Θ后的时点的时 刻成为t= (n+l/4)/fc。另外，相位从第一项的最小波峰偏移（延迟）Θ后的时点的时刻 成为t= (n-l/4)/fc。通过以这种方式设定差分信号Aiys的取样时点，而使式（12)的Y 轴噪声成分即第二项成为零。
[0171] 图12(a)是表示不存在邻接轴的干涉的情况（α = 0, Θ = 45° )下的差分信号 Δ ixs( = 2BsdxsXsin(c〇cXt-3i/2))的图。同样地，图12(b)是表示不存在邻接轴的干 涉的情况（α = 〇，Θ = 45° )下的差分信号 Δ iys( = 2BsdysXsin(c〇cXt+Θ ))的图。 在差分信号Λ ixs的情况下，以圆形记号表示的数据dl、数据d2的取样时点从表示Λ ixs 的第一项的线的最大波峰、最小波峰向负（minus)方向偏移了相当于相位Θ的时刻At =0/23ifc。另一方面，在差分信号Aiys的情况下，数据dl、数据d2的取样时点从表示 Aiys的第一项的线的最大波峰、最小波峰向正（plus)方向偏移了相当于相位Θ的时刻 Λ t = Θ /2 π fc。这样一来，由于取样时点从最大波峰、最小波峰发生偏移，因此所获得的 值变得略小于X轴直流移位。
[0172] 图13、图14是表示α = 〇. 15、Θ = 45°的情况下的差分信号Λ ixs、差分信号 Λ iys、数据dl、数据d2的取样时点、及数据d3的输出时点的图。在图13中，线L7表示差 分信号Λ ixs，线L8表示式（12)的第一项，线L9表示式（12)的第二项（除α以外）。以 圆形记号表示的数据dl、数据d2的取样时点从与X轴用传感器载波信号对应的线L7的最 大波峰、最小波峰向相位前进Θ侧（+Θ)偏移。在该取样时点，式（12)的第二项、即Y轴 干涉所致的噪声成分成为零。
[0173] 在图14中，线LlO表不差分信号Δ iys，线Lll表不式（13)的第一项，线L12表不 式（13)的第二项（除α以外）。以圆形记号表示的数据dl、数据d2的取样时点从与Y轴 用传感器载波信号对应的线Lll的最大波峰、最小波峰向相位延迟Θ侧（-θ )偏移。在该 取样时点，式（13)的第二项、即X轴干涉所致的噪声成分成为零。
[0174] 在如图3所示的五轴控制型磁性轴承的情况下，在Xl轴、Yl轴、X2轴、Y2轴及Z 轴分别设置着移位传感器。在利用一个AD转换器34对这些传感器输出信号进行AD转换 的情况下，将这些传感器输出信号分别输入至输入部chi?输入部ch5,而依序获取。因此， 在获取时点产生时间偏差，而使五个传感器载波信号的相位一致的情况下，无法在各个传 感器载波信号的最大波峰、最小波峰处获取所述数据dl、数据d2。因此，通过使用相位偏移 滤波器37A?相位偏移滤波器37D使传感器载波信号的相位分别错开，而能够在传感器载 波信号的最大波峰、最小波峰处获取数据dl、数据d2。
[0175] S卩，以如Θ a、Θ b、Θ c、Θ d般互不重叠的方式设定相位偏移滤波器37A?相位偏 移滤波器37D的相位偏移量Θ。此时，Yl轴传感器71y的传感器载波信号相对于Xl轴传 感器7Ix的传感器载波信号的相位偏移Θ 1 = Θ a、Y2轴传感器72y的传感器载波信号相 对于X2轴传感器72x的传感器载波信号的相位偏移Θ 2 = Θ C- Θ b设定为大于等于-45° 且小于等于45°的范围。通过以这种方式设定各传感器载波信号的相位，可在Xl轴传感器 71x与Yl轴传感器71y之间、及X2轴传感器72x与Y2轴传感器72y之间应用所述内容。
[0176] 此外，在去除所述第二噪声成分的说明中，通过取得最大波峰或其附近的数据dl 与最小波峰或其附近的数据d2的差，也进行第一噪声成分的去除。然而，如图6(b)所示， 在只使用数据dl或数据d2进行解调的情况下，也能去除第二噪声成分。即，可与第一噪声 的去除分开进行第二噪声的去除。另一方面，上文中，对应用依序获取信号的方式的AD转 换器的情况进行了说明，但在应用与其为不同方式的在同一时点总括地获取chi?ch5的 信号的方式的AD转换器的情况下，只要在邻接的X、Y间将载波相位差设为90°、即设为Θ =0°便可。
[0177] -第二实施方式-
[0178] 在所述第一实施方式中，对具备移位传感器方式的磁性轴承装置的磁性轴承型涡 轮分子泵进行了说明。在第二实施方式中，对具备除具有本来的轴支持功能以外还具有位 置传感功能的磁性轴承装置的磁性轴承型涡轮分子泵进行说明。此处，将具备位置传感功 能的自传感方式的磁性轴承装置称为无传感器方式的磁性轴承装置。以下，对在无传感器 方式的磁性轴承装置中应用第一实施方式中所说明的噪声去除方法的情况进行说明。此 夕卜，在具备无传感器方式的磁性轴承装置的磁性轴承型涡轮分子泵中，省略图1所示的径 向传感器71、径向传感器72及轴向传感器73。
[0179] 图15是表示无传感器方式的磁性轴承型涡轮分子泵的控制单元的概略构成的框 图，且是与第一实施方式的图2对应的图。在具备无传感器方式的磁性轴承装置的磁性轴 承型涡轮分子泵的情况下，省略移位传感器用传感器电路，取而代之将重叠着传感用电流 成分的电磁铁电流供给到各磁性轴承电磁铁500。
[0180] 图16是控制部44中的磁性轴承控制的功能框图，且表示控制轴五轴中的一个轴 (例如Xl轴）。如上所述，在控制轴的一个轴设置着一对（Ρ侧及M侧）磁性轴承电磁铁 500,对各磁性轴承电磁铁500分别设置着激磁放大器36 (36p、36m)。
[0181] 图17是表不与各磁性轴承电磁铁500相对应地设置的激磁放大器36的构成的 图。激磁放大器36是将串联连接开关元件与二极管（diode)而成者进而并联连接两个而 成的放大器。磁性轴承电磁铁500连接在开关元件SWlO及二极管DlO的中间、与开关元件 SWll及二极管Dll的中间之间。
[0182] 开关元件SWlO、开关元件SWll基于来自控制部44的PWM栅（gate)驱动信号303 而被接通断开（导通、切断）控制。使开关元件SW10、开关元件SWll同时接通断开，在两者 均接通的情况下，电磁铁电流如实线箭头所示那样流动，在两者均断开的情况下，电磁铁电 流如虚线箭头所示那样流动。接通时的电流值由电流传感器IOlA计测，断开时的电流值由 电流传感器IOlB计测。对于电流传感器101A、电流传感器IOlB例如使用分路电阻（shunt resistance)，将分路电阻的电压用作电流检测信号。
[0183] 回到图16,栅信号产生部401p基于PWM运算部412p中所产生的PWM控制信号，产 生用来驱动P侧的激磁放大器36p的开关元件的栅驱动电压（栅信号）。同样地，栅信号产 生部401m基于PWM运算部412m中所产生的PWM控制信号，产生用来驱动M侧的激磁放大 器36m的开关兀件的栅信号。
[0184] 当基于栅信号对各激磁放大器36 (36p、36m)的开关元件进行接通断开控制时，对 磁性轴承电磁铁500的电磁铁线圈施加电压，而使电流Ip、电流Im流通。从P侧的激磁放 大器36p的电流传感器101A、电流传感器IOlB输出流到P侧的磁性轴承电磁铁500的电流 Ip的电流检测信号（以与电流相同的符号Ip表不）。另一方面，从M侧的激磁放大器36m 的电流传感器101A、电流传感器IOlB输出流到M侧的磁性轴承电磁铁500的电流Im的电 流检测信号（以与电流相同的符号Im表示）。
[0185] 流到各磁性轴承电磁铁500的电磁铁电流如果按功能来划分成分，那么包含偏压 (bias)电流ib、悬浮控制电流ic及位置检测用传感器载波成分的电流is(p侧的isp、M侧 的ism)。此处，就磁悬浮控制的必要性及良好地检测出位置信号（移位信号）的必要性来 说，流到对向的磁性轴承电磁铁500的电磁铁电流的各成分是以偏压电流成为相同符号、 悬浮控制电流及传感器载波成分成为相反符号的方式构成。因此，电流Ip及电流Im如下 式（14)所示。其中，式（14)中isp与ism的振幅成为相反符号，因此isp及ism的系数为 正。
[0186] Ip = ib+ic+isp
[0187] Im = ib-ic+ism... (14)
[0188] 偏压电流ib为直流或极低的频带，用作与作用于旋转体的重力均衡的力、悬浮力 的直线性改善、用来进行移位传感的偏压用。
[0189] 悬浮控制电流ic是用作使转子轴4悬浮在规定位置的控制力用的电流。悬浮控 制电流ic根据悬浮位置的变动而变化，因此其频带成为直流至IkHz级（order)。
[0190] 传感器载波成分is是用来检测转子轴4的悬浮位置移位的电流成分。为了尽量抑 制悬浮控制力的影响，传感器载波成分is通常使用数kHz?数十kHz (IkHz《fc《IOOkHz) 的频带中的频率。
[0191] 一般来说，工业用途的磁性轴承中，应用利用反馈的电流信号与目标电流值的偏 差量进行电压控制的PWM放大器作为激磁放大器36 (36p、36m)。即，通过控制施加至磁性轴 承电磁铁500的电磁铁线圈的电压，而进行电磁铁电流的控制。因此，偏压电流、悬浮控制 电流及传感器载波成分的符号的决定是利用电压施加前的电压控制信号来产生符号关系。
[0192] 施加至电磁铁线圈的电压Vp、电压Vm中的传感器载波成分vsp、传感器载波成分 vsm是分别以反相位施加，因此如下式（15)所示。其中，coc = 2 π fc，fc为传感器载波频 率。另外，t为时间，V为固定振幅值。
[0193] vsp = -V X sin (ω c X t)
[0194] vsm = vX sin (ω cX t)…（15)
[0195] 如果转子轴4与磁性轴承电磁铁500之间的间隙（gap)大，那么电磁铁线圈的电 感值变小，如果间隙小，那么电感值变大。因此，如果对向的电磁铁线圈中的一个的电感值 变大，那么另一个电磁铁线圈的电感值变小。也就是说，可利用对向的电磁铁线圈的电感变 化而获得间隙变化、即转子轴4的移位信息。
[0196] 关于对向的P侧电磁铁线圈及M侧电磁铁线圈的电感Lp、电感Lm，与第一实施方 式的移位传感器的情况相同的式（16)成立。此外，D为转子轴4位于悬浮中心轴（悬浮目 标位置）的情况下的间隙，式（16)中的d表示从悬浮目标位置的移位。A为常数。
[0197] 1/Lp = AX (D-d)
[0198] 1/Lm = AX (D+d)…（16)
[0199] 此处，如果近似地忽略线圈电阻，那么关于传感器载波成分，施加至电磁铁线圈的 电压与在电磁铁线圈中流通的电流的关系可由下式（17)表示。
[0200] vsp = LpXd(isp)/dt
[0201] vsm = LmXd(ism)/dt... (17)
[0202] 根据所述式（15)、式（16)、式（17)，在电磁铁线圈中流通的电流的传感器载波成 分isp、传感器载波成分ism如下式（18)所示。此外，B = νΧΑ/coc。这样一来，传感器载 波成分isp、传感器载波成分ism是通过移位d的时间变化被振幅调制，因此只要对该载波 成分进行检波便可获得移位信息。
[0203] isp = -vXsin(c〇cXt_3i/2)/ (cocX Lp)
[0204] = -B (D-d) X sin (ω c X t- π /2)
[0205] ism = vXsin(c〇cXt_3i/2)/ (cocX Lm)
[0206] = B (D+d) X sin (ω c X t_ π /2)…（18)
[0207] 在P侧的磁性轴承电磁铁500及M侧的磁性轴承电磁铁500中流通的合计（total) 电流Ip、电流Im如下式（19)所示。
[0208] Ip = ib+ic-B (D_d) X sin (ω c X t_ π /2)
[0209] Im = ib-ic+B (D+d) X sin (ω c X t_ π /2)…（19)
[0210] 如图15所示，在激磁放大器36ρ、激磁放大器36m中检测到的电流信号Ιρ、电流 信号Im经由低通滤波器403p、低通滤波器403m而由分别对应的AD转换器400p、AD转换 器400m获取。另外，通过低通滤波器403p、低通滤波器403m的电流信号Ip、电流信号Im 由加法运算部414进行加法运算，并从加法运算部414输出和信号（Ip+Im)。其后，和信号 (Ip+Im)经由以传感器载波频率fc为中心频率的带通滤波器405而输入至AD转换器400， 由AD转换器400获取。
[0211] (第一噪声成分的去除）
[0212] AD转换器400基于传感器载波产生电路411中所产生的传感器载波信号（传感器 载波成分），利用同步取样而获取数据。然后，以与第一实施方式的情况相同的方式，以对于 传感器载波信号的频率fc满足fc = (n+l/2)fs的取样频率fs在最大波峰位置及最小波 峰位置（或最大波峰位置附近及最小波峰位置附近）进行取样。
[0213] 由AD转换器400获取的和信号（Ip+Im)被输入至解调运算部406。然后，解调运 算部406基于通过取样而获取的最大波峰位置的数据值dl与最小波峰位置的数据值d2,运 算解调运算输出d3 = (dl-d2)/2。在磁悬浮控制器407中，基于来自解调运算部406的移 位信息，通过比例控制、积分控制及微分控制、相位修正等产生悬浮控制电流设定。然后，在 P侧的控制中，使用从偏压电流设定量减去悬浮控制电流设定所得的值，在M侧的控制中， 使用使偏压电流设定量加上悬浮控制电流设定所得的值。
[0214] 另一方面，由AD转换器400p、AD转换器400m获取的电流检测信号Ip、电流检测 信号Im被输入至分别对应的信号处理运算部409p、信号处理运算部409m。信号处理运算 部409p、信号处理运算部409m基于取样数据，对与有助于悬浮控制力的电流成分（偏压电 流ib、悬浮控制电流ic)相关的信息进行运算。例如，在AD转换器400p、AD转换器400m中 以fs = fc进行获取，将该获取的信号数据在信号处理运算部409p、信号处理运算部409m 中以频率fs进行移动平均处理。
[0215] 信号处理运算部409p的运算结果在通过放大器控制器410p后，对从偏压电流设 定量减去悬浮控制电流设定所得的结果进行减法运算处理。进而，对该减法运算处理结果 减去来自传感器载波产生电路411的传感器载波成分（V X sin (cocXt)),基于该减法运算 结果，在PWM运算部412p中产生PWM控制信号。栅信号产生部401p基于PWM运算部412p 中所产生的PWM控制信号而产生栅驱动电压（PWM栅信号）。
[0216] 另外，信号处理运算部409m的运算结果在通过放大器控制器410m后，对使偏压电 流设定量与悬浮控制电流设定相加所得的结果进行减法运算处理。进而，对该减法运算处 理结果加上来自传感器载波产生电路411的传感器载波成分（VXsin(CocXt))，基于该加 法运算结果在PWM运算部412m中产生PWM控制信号。栅信号产生部401m基于PWM运算部 412m中所产生的PWM控制信号而产生栅驱动电压。
[0217] 另外，由于在各轴的对向的磁性轴承电磁铁500中存在特性差异或在直角方向轴 (例如相对于Xl轴的Yl轴）间存在磁通的干涉，因此悬浮控制电流ic不可能完全相同。 尤其是，认为随着频率变得越高不一致会变得越大。考虑到这种情况，如果以将P侧的悬浮 控制电流表示为icp、将M侧的悬浮控制电流表示为icm的方式单独表示，那么所述式（19) 如下式（20)所示。
[0218] Ip = ib+icp-B (D_d) X sin (ω c X t_ π /2)
[0219] Im = ib-icm+B (D+d) X sin (ω c X t_ π /2)…（20)
[0220] 通过电流/[目号Ιρ、电流/[目号Im的和运算而获得的和信号（Ip+Im)可由下式（21) 表示。此夕卜，式（21)中的Aicpm为Aicpm= icp-icm。
[0221] ID+Im = 2X ib+ Δ icpm+2XBX dX sin (ω cX t_ π /2)…（21)
[0222] 如上所述，和信号（Ip+Im)是经由以传感器载波频率fc为中心频率的带通滤波器 405被输入。然而，如果考虑到滤波器所致的信号延迟的影响，那么带通滤波器405的窄频 带化也自然存在界限。因此，即便使和信号（Ip+Im)通过带通滤波器405,由重叠的控制电 流成分引起的噪声也会残留在AD转换器400的输入信号中。
[0223] 因此，AD转换器400以与第一实施方式中的AD转换器34相同的方式构成，进行 与图6 (a)、图6 (b)、图7 (a)、图7 (b)、图8 (a)、图8 (b)所不的处理相同的取样处理。然后， 解调运算部406基于通过取样而获取的最大波峰位置的数据值dl与最小波峰位置的数据 值d2,运算解调运算输出d3 = (dl-d2)/2。
[0224] AD转换器400的输入信号为使式（21)所示的信号（Ip+Im)通过带通滤波器405 所得的信号，理想的是除调制波信号以外均应被截止（cut)，但如上所述，因与悬浮控制中 必不可少的防止信号延迟的折中（trade off)而导致无法充分地过滤。因此，此处，方便起 见将式（21)的信号设为AD转换器400的输入信号。
[0225] 在式（21)中，可认为偏压电流ib固定（直流），在磁性轴承型涡轮分子泵的情 况下，通常，悬浮控制电流ic是对移位信号进行比例积分微分（Proportion Integration Differentiation, PID)运算所得的信号，因此，Δ icpm的频带为直流至与控制响应相关的 2kHz左右的宽频带。另外，转子移位（转子轴4的移位）也取决于转子尺寸，但在普通的磁 性轴承型涡轮分子泵中，通常为直流?IkHz左右，成为与悬浮控制电流ic的频带同等或比 悬浮控制电流ic的频带窄的频带。与这些相比，传感器载波频率fc高达IOkHz左右。因 此，相对于传感器载波频率fc，悬浮控制电流ic及移位d的频率低至传感器载波频率fc的 1/10左右，相对于传感器载波信号的变化，悬浮控制电流ic及移位缓慢地变化。
[0226] 另一方面，由AD转换器400获取时的取样频率fs相对于悬浮控制电流ic或移位 d频率足够高，因此在相邻的取样时点，移位d及Λ icpm的值的变化量小，另外，偏压电流 ib固定。因此，最大波峰位置上的数据值dl及最小波峰位置上的数据值d2可如下式（22) 所示。其结果为，与第一实施方式的情况同样地，当根据这些数据值dl、数据值d2算出解调 运算输出d3 = (dl-d2)/2时，成为d3 = d，因此通过使用解调运算输出d3,也可包含直流 以外的交流成分在内消除悬浮控制电流成分。

【权利要求】
1. 一种磁性轴承装置，其特征在于包括： 第一径向电磁铁，在第一径向方向上非接触支持旋转轴； 第二径向电磁铁，在第二径向方向上非接触支持所述旋转轴； 第一载波产生部，产生第一载波信号； 第二载波产生部，产生相对于所述第一载波信号相位存在n/2+0弧度的差异的第二 载波信号； 第一移位传感器，根据所述第一径向方向的旋转轴位置移位而调制所述第一载波信 号，且输出第一调制信号； 第二移位传感器，根据所述第二径向方向的旋转轴位置移位而调制所述第二载波信 号，且输出第二调制信号； 第一解调部，在从所述第一载波信号成为波峰的时点偏移相位9后的取样时点，对所 述第一调制信号进行取样并进行解调； 第二解调部，在从所述第二载波信号成为波峰的时点偏移相位-e后的取样时点，对 所述第二调制信号进行取样并进行解调；及 控制部，基于所述第一解调部及所述第二解调部的解调结果控制所述第一径向电磁铁 及所述第二径向电磁铁的电流。
2. 根据权利要求1所述的磁性轴承装置，其特征在于： 所述第一解调部以相对于所述第一载波信号的频率fc满足fc = (m+l/2) Xfsl的频 率fsl进行取样，其中，m为0以上的整数，并将根据数据dll、及数据dl2算出的值dl3 = (dll-dl2)/2作为解调结果而输出，所述数据dll是在从所述第一载波信号成为最大波峰 的时点偏移相位9后的时点对所述第一调制信号进行取样而获得，所述数据dl2是在从所 述第一载波信号成为最小波峰位置附近的时点偏移相位9后的时点对所述第一调制信号 进行取样而获得；且 所述第二解调部以相对于所述第二载波信号的频率fc满足fc = (n+1/2) Xfs2的频 率fs2进行取样，其中，n为0以上的整数，并将根据数据d21、及数据d22算出的值d23 = (d21-d22)/2作为解调结果而输出，所述数据d21是在从所述第二载波信号成为最大波峰 的时点偏移相位_ 9后的时点对所述第二调制信号进行取样而获得，所述数据d22是在从 所述第二载波信号成为最小波峰位置附近的时点偏移相位_ 9后的时点对所述第二调制 信号进行取样而获得。
3. -种磁性轴承装置，其特征在于包括： 第一径向电磁铁，在第一径向方向上非接触支持旋转轴； 第二径向电磁铁，在第二径向方向上非接触支持所述旋转轴； 第一激磁放大器，将第一电磁铁电流供给到所述第一径向电磁铁，所述第一电磁铁电 流重叠着用来检测所述第一径向方向的旋转轴位置移位的第一载波信号； 第二激磁放大器，将第二电磁铁电流供给到所述第二径向电磁铁，所述第二电磁铁电 流重叠着用来检测所述第二径向方向的旋转轴位置移位的第二载波信号； 第一电流传感器，检测所述第一电磁铁电流； 第二电流传感器，检测所述第二电磁铁电流； 第一解调部，对所述第一电流传感器的检测信号进行取样而提取旋转轴位置移位信 息； 第二解调部，对所述第二电流传感器的检测信号进行取样而提取旋转轴位置移位信 息；及 控制部，基于所述第一解调部及所述第二解调部的解调结果，控制所述第一激磁放大 器及所述第二激磁放大器；且 所述第二载波信号相对于所述第一载波信号相位存在n/2+0弧度的差异； 所述第一解调部在从所述第一载波信号成为波峰的时点偏移相位9后的取样时点， 对所述第一电流传感器的检测信号进行取样； 所述第二解调部在从所述第二载波信号成为波峰的时点偏移相位-e后的取样时点， 对所述第二电流传感器的检测信号进行取样。
4. 根据权利要求3所述的磁性轴承装置，其特征在于： 所述第一解调部以相对于所述第一载波信号的频率fc满足fc = (m+1/2) Xfsl的频 率fsl进行取样，其中，m为0以上的整数，并将根据数据dll、及数据dl2算出的值dl3 = (dll-dl2)/2作为解调结果而输出，所述数据dll是在从所述第一载波信号成为最大波峰 的时点偏移相位9后的时点对所述第一电流传感器的检测信号进行取样而获得，所述数 据dl2是在从所述第一载波信号成为最小波峰位置附近的时点偏移相位0后的时点对所 述第一电流传感器的检测信号进行取样而获得；且 所述第二解调部以相对于所述第二载波信号的频率fc满足fc = (n+1/2) Xfs2的频 率fs2进行取样，其中，n为0以上的整数，并将根据数据d21、及数据d22算出的值d23 = (d21-d22)/2作为解调结果而输出，所述数据d21是在从所述第二载波信号成为最大波峰 的时点偏移相位_ 9后的时点对所述第二电流传感器的检测信号进行取样而获得，所述数 据d22是在从所述第二载波信号成为最小波峰位置附近的时点偏移相位-0后的时点对所 述第二电流传感器的检测信号进行取样而获得。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的磁性轴承装置，其特征在于： 所述相位Q设定为-n /4彡0彡？! /4的范围。
6. -种真空泵，其特征在于包括： 泵转子； 电动机，旋转驱动所述泵转子；及 根据权利要求1至5中任一项所述的磁性轴承装置，磁悬浮支持所述泵转子。
【文档编号】F04D29/058GK104373372SQ201410348452
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年7月21日 优先权日:2013年8月14日
【发明者】小崎纯一郎 申请人:株式会社岛津制作所