磁轴承的制作方法

本发明涉及一种以非接触状态支承驱动轴的磁轴承。

背景技术：

磁轴承作为压缩机等的驱动轴的轴承已为人所知(参照例如专利文献1)。在专利文献1的示例中示出了一种轴向磁轴承，该轴向磁轴承包括：旋转部件(驱动轴)、与该驱动轴同心布置的支承部(tab)、包围该支承部布置的C形部件、以N极与支承部的半径方向端面相向的方式安装在C形部件中心处的永久磁铁、以及布置在C形部件内的线圈部。就该磁轴承而言，适当调节在线圈部中流动的电流来调节作用在旋转部件上的轴向磁力，从而以非接触状态支承驱动轴。

就这样的磁轴承而言，当驱动轴的负荷过大时，就有必要增大在电磁铁中流动的电流来加大电磁力。

专利文献1：日本公开专利公表特表平10-501326号公报

技术实现要素：

－发明所要解决的技术问题－

不过，电磁铁具有下述特性，即：若电磁铁所产生的磁通的大小超过某一界限值，磁通的个体差就会增大。因而，在超过上述界限值的区域，很难对驱动轴进行位置控制，即使按照驱动轴的负荷，增大在电磁铁中流动的电流来加大电磁力，对于驱动轴的位置控制也会被限制在上述界限值以下的控制区域内。相对于此，虽然可以想到使电磁铁大型化来扩大控制区域的方法，不过这将引起磁轴承的尺寸增大、成本增加这样的问题。

本发明正是鉴于上述问题而完成的，其目的在于：即使在磁通(电磁力)的个体差较大的区域，也能够利用磁轴承进行位置控制。

－用以解决技术问题的技术方案－

为了解决上述课题，第一方面的特征在于：磁轴承包括定子21和控制部30，所述定子21具有向驱动轴13施加电磁力的多个电磁铁27，所述控制部30按照在所述电磁铁27之间关于下述变量中的两个以上变量间的相关关系的个体差的大小将控制区域分为两个，在所述个体差较小的控制区域即第一控制区域A1中使用各个电磁铁27共通的控制模型对所述驱动轴13进行位置控制，在所述个体差较大的控制区域即第二控制区域A2中利用针对各个电磁铁27或者规定数量的每组电磁铁组设置的控制模型对所述驱动轴13进行位置控制，所述变量为在所述电磁铁27中流动的电流i、在所述电磁铁27中通过的磁通匝链数ψ、所述定子21与所述驱动轴13之间的间隙G、所述电磁铁27的磁能Wm、所述电磁铁27中的磁共能Wm’、所述电磁铁27产生的电磁力、以及利用所述电流i、所述磁通匝链数ψ、所述间隙G、所述磁能Wm、所述磁共能Wm’、所述电磁力导出的变量。

在该结构下，按照电磁铁27的个体差将控制区域分为两个，在个体差较大的控制区域即第二控制区域A2中利用针对各个电磁铁27或者规定数量的每组电磁铁组设置的控制模型对所述电磁力进行控制。

此外，第二方面是这样的，在第一方面中，其特征在于：所述相关关系是在所述电磁铁27中流动的电流i、所述间隙G及所述电磁力的相关关系，所述控制部30按照在所述电磁铁27之间关于在所述电磁铁27中流动的电流i、所述间隙G及所述电磁力的关系的个体差的大小将控制区域分为两个，在所述个体差较小的控制区域即第一控制区域A1中使用各个电磁铁27共通的控制模型控制所述电磁力来对所述驱动轴13进行位置控制，在所述个体差较大的控制区域即第二控制区域A2中利用针对各个电磁铁27或者规定数量的每组电磁铁组设置的控制模型控制所述电磁力来对所述驱动轴13进行位置控制。

在该结构下，在关于电流、间隙、电磁力的关系的个体差较大的控制区域即第二控制区域A2中，利用针对各个电磁铁27或者规定数量的每组电磁铁组设置的控制模型对所述电磁力进行控制。

此外，第三方面是这样的，在第二方面中，其特征在于：所述磁轴承包括电磁力计算部41和控制模型建立部40，在多个所述电磁铁27中的一部分电磁铁27在所述第二控制区域A2中受到控制，且其它规定的电磁铁27在所述第一控制区域A1中受到控制，由此来进行了所述位置控制的状态下，所述电磁力计算部41根据所述第一控制区域A1的控制模型计算在该第一控制区域A1中受到控制的电磁铁27所产生的电磁力的合力，并且以该合力为基准，计算在所述第二控制区域A2中受到控制的电磁铁27所产生的电磁力，所述控制模型建立部40根据所述电磁力计算部41算出的、在所述第二控制区域A2中受到控制的电磁铁27的电磁力，建立在所述第二控制区域A2中使用的控制模型。

在该结构下，以在第一控制区域A1中受到控制的电磁铁27的合成电磁力为基准，求出在第二控制区域A2中受到控制的电磁铁27的电磁力。由此，建立在第二控制区域A2中使用的控制模型。

此外，第四方面是这样的，在第三方面中，其特征在于：所述电磁力计算部41根据第一控制区域A1的控制模型预先算出当使所述驱动轴13在低负荷状态下悬浮时的电磁力后，再求出已预先算出的电磁力和所述合力之差作为在所述第二控制区域A2中受到控制的电磁铁27所产生的电磁力。

在该结构下，预先求出低负荷状态下的电磁力，再利用该值，求出第二控制区域A2中的电磁力。

此外，第五方面是这样的，在第三或第四方面中，其特征在于：在多个所述电磁铁27中的一部分电磁铁27在所产生的电磁力比所述第二控制区域A2大的第三控制区域A3中受到控制，且其它规定的电磁铁27在所述第二控制区域A2或所述第一控制区域A1中受到控制，由此来进行了所述位置控制的状态下，所述电磁力计算部41根据所述第二控制区域A2或所述第一控制区域A1的控制模型计算在所述第二控制区域A2或所述第一控制区域A1中受到控制的电磁铁27所产生的电磁力，并且以算出的电磁力为基准，计算在所述第三控制区域A3中受到控制的电磁铁27所产生的电磁力，所述控制模型建立部40根据所述电磁力计算部41算出的计算值，建立在所述第三控制区域A3中使用的控制模型。

在该结构下，使电磁铁27在由于建立控制模型而能对电磁铁27进行控制的第二控制区域A2或第一控制区域A1中工作，以该电磁力为基准，求出在第三控制区域A3中受到控制的电磁铁27的电磁力。由此，建立在第三控制区域A3中使用的控制模型。

此外，第六方面是这样的，在第一方面中，其特征在于：所述相关关系是所述磁通匝链数ψ、所述间隙G及所述电磁力的相关关系，所述控制部30按照在所述电磁铁27之间关于所述磁通匝链数ψ、所述间隙G及所述电磁力的关系的个体差的大小将控制区域分为两个，在所述个体差较小的控制区域即第一控制区域A1中使用各个电磁铁27共通的控制模型控制所述电磁力来对所述驱动轴13进行位置控制，在所述个体差较大的控制区域即第二控制区域A2中利用针对各个电磁铁27或者规定数量的每组电磁铁组设置的控制模型控制所述电磁力来对所述驱动轴13进行位置控制。

在该结构下，在关于磁通匝链数、间隙、电磁力的关系的个体差较大的控制区域即第二控制区域A2中，利用针对各个电磁铁27或者规定数量的每组电磁铁组设置的控制模型对所述电磁力进行控制。

此外，第七方面是这样的，在第六方面中，其特征在于：所述控制部30根据施加在所述电磁铁27的线圈25上的电压的时间积分值，求出所述磁通匝链数ψ。

此外，第八方面是这样的，在第六方面中，其特征在于：所述控制部30根据从施加在所述电磁铁27的线圈25上的电压中减去该线圈25的压降后所得到的电压的时间积分值，求出所述磁通匝链数ψ。

此外，第九方面是这样的，在第一至第八方面的任一方面中，其特征在于：构成所述定子21的铁芯部22是将多个铁芯块22a结合起来构成的。

在该结构下，通过分割成铁芯块22a，而能够在例如缠绕线圈时采用多种方法。

－发明的效果－

根据第一方面、第二方面，在电磁力的个体差较大的区域(例如后述的饱和区域)中，也能够利用磁轴承进行位置控制。

根据第三方面，当建立第二控制区域A2的控制模型时，将磁轴承内的电磁铁用作测量电磁力的基准，因而没有必要为了建立控制模型准备特别的测量器。

根据第四方面，能够更加准确地求出第二控制区域A2中的电磁力。

根据第五方面，能够谋求扩大控制区域。

根据第六方面，在电磁力的个体差较大的区域(例如后述的饱和区域)中，也能够利用磁轴承进行位置控制。

根据第七方面、第八方面能够计算出磁通匝链数。

根据第九方面，很容易制造定子(例如缠绕线圈)。

附图说明

图1是示出第一实施方式的涡轮压缩机的结构的略图。

图2是第一实施方式的磁轴承的横向剖视图。

图3示出由各个电磁铁作用在驱动轴上的力。

图4示出电磁铁的电流与磁通的大小的相关关系。

图5示出电流与电磁力的关系。

图6以电流和间隙为参数举例示出饱和区域和不饱和区域的界线。

图7是第一实施方式的控制部及控制模型建立部的方框图。

图8是建立控制模型的流程图。

图9举例示出当建立控制模型时各个电磁铁的电磁力的关系。

图10示出第二实施方式的磁轴承的电磁力。

图11示出铁芯部的分割示例。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是，以下实施方式为本质上优选的示例，并没有意图对本发明、本发明的应用对象、或其用途的范围加以限制。

(发明的第一实施方式)

在本发明的第一实施方式中，对使用了磁轴承的涡轮压缩机进行说明。该涡轮压缩机连接在使制冷剂循环而进行制冷循环运转动作的制冷剂回路(省略图示)中，来压缩制冷剂。

＜整体结构＞

图1是示出涡轮压缩机1的结构的略图。该涡轮压缩机1包括壳体2、轴承机构8、叶轮9及电动机10。

壳体2为两端封闭的圆筒状，且以圆筒的轴线朝向水平的方式布置好。壳体2的内部空间由壁部3划分开。壁部3的右侧空间是收纳叶轮9的叶轮室4，比壁部3靠左侧的空间是收纳电动机10的空间。在叶轮室4的外周侧，形成有与该叶轮室4连通的压缩空间4a。并且，在壳体2上，连接有用以将制冷剂回路中的制冷剂引向叶轮室4的吸入管6、和用以使已在叶轮室4内被压缩了的压缩制冷剂再次返回制冷剂回路的喷出管7。

叶轮9的外形由于多个叶片而形成为近似圆锥形状。叶轮9以固定于电动机10的驱动轴13的一端的状态被收纳在叶轮室4内。

电动机10布置在壳体2内，并驱动叶轮9。该电动机10包括定子11、转子12及驱动轴13。电动机10采用了例如内置式永磁电机(所谓的IPM电机)。驱动轴13在壳体2内呈水平布置好，并被固定在转子12中。

轴承机构8包括两个安全轴承(touchdown bearing)14、14及两个磁轴承20、20。安全轴承14及磁轴承20用以在径向上支承驱动轴13。需要说明的是，轴承机构8有时也包括在推力方向上支承驱动轴13的安全轴承。

安全轴承14及磁轴承20都被固定在壳体2内。两个磁轴承20以支承驱动轴13的左右两端侧的方式分别布置在驱动轴13的一端侧和另一端侧。而且，安全轴承14以支承驱动轴13的两端部的方式分别布置在比磁轴承20、20更靠外侧的位置上。

安全轴承14由例如滚珠轴承构成。当磁轴承20没有工作时，安全轴承14便支承驱动轴13，以防止该驱动轴13与磁轴承20相接触。需要说明的是，安全轴承14并不局限于滚珠轴承。

＜磁轴承20的结构＞

在磁轴承20中设有多个电磁铁27，将各个电磁铁27的电磁力的合力(合成电磁力)施加在驱动轴13上，从而在非接触状态下支承驱动轴13。

图2是第一实施方式的磁轴承20的横向剖视图。如图1及图2所示，磁轴承20是所谓的异极型径向轴承。磁轴承20包括定子21、间隙传感器26、电磁铁27、控制部30、控制模型建立部40以及电源部50。

－间隙传感器26－

间隙传感器26安装于壳体2内，对驱动轴13相对于磁轴承20的径向位置进行检测。更加具体而言，间隙传感器26对驱动轴13相对于磁轴承20的径向距离(间隙G)进行检测。

－定子21－

定子21包括铁芯部22和线圈25。铁芯部22是将电磁钢板叠层起来构成的，包括背轭部23和多个齿部24。背轭部23是在定子21中呈近似筒状的部分。齿部24是从背轭部23的内周面朝径向内侧突出来的部分。在该示例中，铁芯部22具有十二个齿部24，这些齿部24沿着背轭部23的内周以等间隔(30度间距)设置。

就定子21而言，在每对相邻的齿部24上缠绕有线圈25，由一对齿部24、24及线圈25形成了一个电磁铁27。也就是说，在定子21中，形成了六个电磁铁27。电源部50与各个线圈25相连，从该电源部50向各个线圈25供电。需要说明的是，在图2中，为了对各个电磁铁27加以识别，在符号后面标注了分支编号1～6(例如，27-1、27-2……)。

图3示出由各个电磁铁27作用在驱动轴13上的力。就磁轴承20而言，如图3所示，利用将六个电磁铁27-1～电磁铁27-6各自产生的力F₁、F₂、F₃、F₄、F₅、F₆合起来的支承力F使驱动轴13悬浮。也就是说，就磁轴承20而言，利用六个电磁铁27-1～电磁铁27-6对驱动轴13进行位置控制(也称作悬浮控制)。

－电源部50－

电源部50向各个线圈25供电。该电源部50能对施加在各个线圈25上的电压的大小进行个别控制。因为磁轴承20具有六个线圈25，所以电源部50的输出为六个。控制部30对电源部50供向各个线圈25的电压的大小进行控制。具体而言，电源部50按照控制部30所输出的电压指令值V^*使输出电压产生变化。由此，在各个线圈25中流动的电流i产生变化。电源部50采用了例如PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)放大器，利用PWM控制来控制电压。需要说明的是，本实施方式的电源部50构成为使电流朝正反两方向流动。

－控制部30－

控制部30包括微型计算机、和存储了使该微型计算机工作的程序的存储装置(也可以内置于微型计算机中)(省略图示)。如下文所详细叙述的那样，控制部30将控制区域分为两个来对各个电磁铁27进行控制，这两个控制区域为：用共通的控制模型对驱动轴13进行位置控制的控制区域、和用针对每个电磁铁27设置的控制模型进行位置控制的控制区域。

图4示出电磁铁的电流与磁通的大小的相关关系。一般而言，就电磁铁来说，磁通相对于电流单调递增，并且相对于间隙单调递减。特别是，当磁通较小时，电流、间隙及磁通的大小为下述(A)式所示的关系。

磁通＝α×(电流/间隙)···(A)

其中，α为常数。

此外，不管磁通的大小如何，各个电磁铁的磁通与电磁力都成为下述(B)式所示的关系。

电磁力＝β×(磁通)²···(B)

其中，β为常数。

当磁通的大小没有超过由电磁铁的形状和其材料的物性所决定的界限值φ_S时，根据(A)式和(B)式，各个电磁铁的电流、间隙及电磁力成为下述(C)式所示的关系。

电磁力＝k×(电流/间隙)²···(C)

其中，k为常数。需要说明的是，图5示出电流i与电磁力f的关系。

(A)式、(B)式及(C)式中的常数α、β及k在每个电磁铁之间的偏差较小，因而电流、间隙、电磁力的关系在电磁铁间的个体差(偏差)较小。

另一方面，若磁通超过界限值φ_S，电流、间隙及电磁力的关系(相关关系曲线)就成为非线性关系。而且，每个电磁铁的相关关系曲线不同(个体差增大)。在下文中，将磁通不超过界限值φ_S的、电磁力、电流、间隙的范围称作不饱和区域，将磁通超过界限值φ_S的、电磁力、电流、间隙的范围称作饱和区域。需要说明的是，在图6中，以电流和间隙为参数举例示出饱和区域和不饱和区域的界线。

鉴于电磁铁的上述特性，控制部30按照在电磁铁27之间关于在电磁铁27中流动的电流、定子21与驱动轴13之间的间隙G以及电磁铁27产生的电磁力的关系的个体差，将控制区域分为两个，在个体差较小的控制区域即不饱和区域中，使用各个电磁铁27共通的控制模型对上述电磁力进行控制。并且，在上述个体差较大的控制区域(个体差比上述不饱和区域大的控制区域)即饱和区域中，使用针对各个电磁铁27而设的控制模型对上述电磁力进行控制。需要说明的是，在下文中，还将不饱和区域称作第一控制区域A1，将饱和区域称作第二控制区域A2。

图7是第一实施方式的控制部30、及控制模型建立部40的方框图。如图7所示，控制部30包括位置控制器31、第一转换器32、第二转换器33、电流控制器34、以及转子位置指令部35。

转子位置指令部35生成驱动轴13的径向位置(具体而言，是驱动轴13相对于磁轴承20的径向距离)的指令值(转子位置指令值X^*)。转子位置指令部35在正常工作时为了控制驱动轴13的位置生成转子位置指令值X^*，在建立后述的控制模型时，适当地生成建立控制模型所需范围的转子位置指令值X^*。

位置控制器31按照驱动轴13的径向目标位置(即，转子位置指令值X^*)与间隙传感器26所检测到的驱动轴13的径向位置之间的偏差，将用以使驱动轴13悬浮的支承力的指令值(支承力指令值F_total^*)向第一转换器32输出。需要说明的是，支承力是所有电磁铁27的电磁力的合力。

第一转换器32根据支承力指令值F_total^*求出各个电磁铁27所应产生的电磁力(以下，称作悬浮电磁力f_L)，将各个电磁铁27的悬浮电磁力f_L的指令值(悬浮电磁力指令值f_L^*)向第二转换器33输出。

需要说明的是，当建立控制模型之际，磁铁号码T从选择部43被输入第一转换器32。此时，第一转换器32将和除了与所输入的磁铁号码T相对应的电磁铁(称作控制模型建立对象磁铁)以外的电磁铁27相关的悬浮电磁力指令值f_L^*向第二转换器33输出。

第二转换器33根据悬浮电磁力指令值f_L^*生成在各个电磁铁27的线圈25中流动的电流(称作悬浮电流i_L)的指令值(悬浮电流指令值i_L^*)后，向电流控制器34输出。当求悬浮电流指令值i_L^*时，第二转换器33使用了事先存储在控制部30内的控制模型(具体而言，为程序内的函数、存储在存储装置中的表格等)。需要说明的是，当建立控制模型时，第二转换器33输出和除了作为控制模型建立对象的电磁铁以外的电磁铁27相关的悬浮电流指令值i_L^*。

电流的指令值(线圈电流指令值i^*)与各个电磁铁27相对应地被输入电流控制器34中，电流控制器34生成电压指令值V^*后向电源部50输出，以便使与各自的线圈电流指令值i^*相应的电流在各个线圈25中流动。具体而言，当正常工作时，与全部磁铁相对应的悬浮电流指令值i_L^*被输入电流控制器34。而且，当建立控制模型时，与后述悬浮电磁铁相对应的悬浮电流指令值i_L^*被输入电流控制器34，并且与控制模型建立对象磁铁相对应的电流指令值i_T^*被输入电流控制器34。

由此，当正常工作时，电流控制器34生成电压指令值V^*，以便使与悬浮电流指令值i_L^*相应的电流在全部电磁铁27的线圈25中流动。另一方面，当建立控制模型时，电流控制器34针对悬浮电磁铁生成电压指令值V^*，以便使与悬浮电流指令值i_L^*相应的电流在各个线圈25中流动，并且针对控制模型建立对象磁铁生成电压指令值V^*，以便使与电流指令值i_T^*相应的电流在各个线圈25中流动。

－控制模型建立部40－

控制模型建立部40包括微型计算机、和存储了使该微型计算机工作的程序的存储装置(也可以内置于微型计算机中)(省略图示)。控制模型建立部40可以与控制部30共用该微型计算机及存储装置，也可以针对控制部30和控制模型建立部40分别设置微型计算机及存储装置。

本实施方式的控制模型建立部40使饱和区域(第二控制区域A2)中的、在电磁铁27中流动的电流、定子21与驱动轴13之间的间隙G以及电磁铁27所产生的电磁力的关系模型化。具体而言，控制模型建立部40创建示出电流、间隙及电磁力的关系的函数或者表格。已建立的控制模型存储在控制部30内，供第二转换器33生成悬浮电流指令值i_L^*时使用。需要说明的是，就不饱和区域(第一控制区域A1)的控制模型而言，例如在设计阶段等，控制模型建立部40通过实验等创建示出电流、间隙及电磁力的关系的函数或者表格后，当制造磁轴承时预先将该函数或者表格存储到控制部30中。在第一控制区域A1中，上述个体差比较小，因而第一控制区域A1的控制模型对于各个电磁铁27而言是共通的。

如图7所示，本实施方式的控制模型建立部40包括电磁力计算部41、电流指令部42、选择部43及相关性计算部45。

选择部43选择作为控制模型建立对象的一个电磁铁27后，将所选出的电磁铁27的信息即磁铁号码T向第一转换器32输出。

电流指令部42生成在作为控制模型建立对象的电磁铁27的线圈25中流动的电流的指令值(电流指令值i_T^*)后向电流控制器34输出。需要说明的是，电流指令部42对电流指令值i_T^*进行设定，使得作为控制模型建立对象的电磁铁27的磁通落入饱和区域内。

电磁力计算部41计算在建立控制模型时电磁铁27所产生的电磁力。为了计算电磁力，各个电磁铁27的线圈25中的电流值被输入电磁力计算部41。需要说明的是，电磁力的计算方法详见下文所述。

相关性计算部45根据电磁力计算部41的计算结果，将饱和区域中电磁铁27的电流、电磁力及间隙G的相关关系曲线建立成函数或表格。需要说明的是，相关性计算部45通过经由转子位置指令部35改变驱动轴13的位置，从而将饱和区域中控制模型建立对象的相关关系曲线建立成能够与所希望范围的间隙G相对应。

＜控制模型的建立＞

就本实施方式的磁轴承20而言，例如，经由用户指示(用户对操作面板进行操作等)或者程序控制，来建立第二控制区域A2中的控制模型。需要说明的是，可以认为：在程序控制下，例如在磁轴承20启动时、停止时或者在由计时器设定的时间等时建立控制模型。

图8是第一实施方式所涉及的建立控制模型的流程图。如图8所示，控制部30及控制模型建立部40进行从步骤S01到步骤S11的处理。

在步骤S01中，选择部43选择作为控制模型建立对象的电磁铁27后，将所选出的电磁铁27的磁铁号码T向第一转换器32输出。在该示例中，首先，将磁铁号码T＝1的电磁铁(对应图2等中的电磁铁27-1)作为被选出的电磁铁来进行说明。

在步骤S02中，转子位置指令部35选择建立模型所需的间隙G，生成与该间隙G的值相对应的转子位置指令值X^*后向位置控制器31输出。

在步骤S03中，在已将流向作为控制模型建立对象的电磁铁27-1的电流控制在第一控制区域A1内的状态下，使第一控制区域A1的电流流向其它电磁铁(以下，称作悬浮电磁铁)的各个线圈25而使驱动轴13悬浮。在该示例中，除了与磁铁号码T＝1相对应的电磁铁27-1以外的电磁铁27-2～电磁铁27-6为悬浮电磁铁。因此，电流指令部42对作为控制模型建立对象的电磁铁27输出第一控制区域A1内的电流指令值i_T^*。然后，电流控制器34根据从电流指令部42送来的电流指令值i_T^*，对作为控制模型建立对象的电磁铁27-1的线圈25中的电流进行控制。另一方面，第一转换器32将与悬浮电磁铁即电磁铁27-2～电磁铁27-6相关的悬浮电磁力指令值f_L^*向第二转换器33输出。由此，第二转换器33利用事先存储在控制部30内的第一控制区域A1用控制模型生成与悬浮电磁铁相对应的悬浮电流指令值i_L^*后，向电流控制器34输出。

然后，电流控制器34输出与悬浮电流指令值i_L^*相应的电压指令值V^*。其结果是，规定电压V被施加在各个线圈25上，使得电流i在全部电磁铁27的各个线圈25中流动。由此，驱动轴13在低负荷状态下悬浮。此处的低负荷状态指的是在控制模型为已知的区域(在该示例中为第一控制区域A1)中驱动轴13被磁轴承20支承住的状态。

接着，在步骤S04中，电磁力计算部41对低负荷悬浮时在全部电磁铁27的线圈25中流动的电流值进行检测。而且，电磁力计算部41将低负荷悬浮所需的电磁力存储起来。

在步骤S05中，电流指令部42设定关于作为控制模型建立对象的电磁铁27-1的线圈25的电流指令值i_T^*。具体而言，电流指令部42对电流指令值i_T^*进行设定，使得电磁铁27-1的磁通的大小落入饱和区域(第二控制区域A2)中。

接着，在步骤S06中，使电流流向作为控制模型建立对象的电磁铁及悬浮电磁铁。具体而言，第二转换器33对悬浮电磁铁输出悬浮电流指令值i_L^*，电流指令部42对作为控制模型建立对象的电磁铁27输出电流指令值i_T^*。

然后，电流控制器34根据从电流指令部42送来的电流指令值i_T^*，对作为控制模型建立对象的电磁铁27-1的线圈25中的电流进行控制。另一方面，电流控制器34按照悬浮电流指令值i_L^*进行控制，使得不饱和区域的电流在悬浮电磁铁即电磁铁27-2～电磁铁27-6的线圈25中流动。由此，驱动轴13成为强制负荷悬浮状态。图9例举出建立控制模型时各个电磁铁的电磁力的关系。

接着，在步骤S07中，以悬浮电磁铁的电磁力(能够根据已知的控制模型进行计算)为基准，求出作为控制模型建立对象的电磁铁27在饱和区域中的电磁力。具体而言，电磁力计算部41由强制负荷悬浮时悬浮电磁铁的合成电磁力(参照步骤S06)、与低负荷悬浮时的合成电磁力(在步骤S04中存储起来的值)之差，计算出作为控制模型建立对象的电磁铁27-1的电磁力f1。

也就是说，在本实施方式中，预先根据第一控制区域A1的控制模型计算出使驱动轴13在低负荷状态下悬浮时的电磁力，再求出预先计算出的该电磁力与强制负荷悬浮时悬浮电磁铁的合成电磁力之差作为在第二控制区域A2中受到控制的电磁铁27所产生的电磁力。

在步骤S08中，判断是否已经针对建立控制模型所需的所有电流值求出了作为控制模型建立对象的电磁铁27-1的电磁力。当已针对所需的所有电流值求出了电磁力时就移向步骤S09。另一方面，若有必要针对其它电流值求电磁力，就返回步骤S05。在步骤S05中，对所希望的电流指令值i_T^*进行设定后，使作为控制模型建立对象的电磁铁27-1的电流产生变化。

在步骤S09中，判断是否已经针对建立控制模型所需的所有间隙G求出了作为控制模型建立对象的电磁铁27-1的电磁力。若针对所需的所有间隙G获得了电流与电磁力之间的关系，就移向步骤S10；若未获得电流与电磁力之间的关系就返回步骤S02，设定转子位置指令值X^*，以便成为所需的间隙G。

在步骤S10中，相关性计算部45针对作为控制模型建立对象的电磁铁27-1求出电流、间隙及电磁力的相关关系曲线。相关性计算部45将相关关系曲线作为例如函数或者表格存储在控制部30内。

然后，在步骤S11中，判断是否已经针对所有电磁铁27建立了饱和区域的控制模型。若已针对所有电磁铁27建立了饱和区域的控制模型，就结束控制模型的建立。另一方面，当存在未建立饱和区域的控制模型的电磁铁27时就返回步骤S01，适当地选择剩下的电磁铁27作为控制模型建立对象用电磁铁27。

＜磁轴承进行的位置控制＞

就磁轴承20而言，各个电磁铁27所共通的控制模型作为不饱和区域(第一控制区域A1)用控制模型被预先存储在控制部30中。而且，通过上述控制模型的建立，使得每个电磁铁27的控制模型作为饱和区域(第二控制区域A2)用控制模型被存储在控制部30中。

在磁轴承20启动后，例如，当由第一转换器32生成的悬浮电磁力指令值f_L^*与第一控制区域A1相对应时，第二转换器33就使用各个电磁铁27共通的控制模型生成悬浮电流指令值i_L^*。而且，当由第一转换器32生成的悬浮电磁力指令值f_L^*与第二控制区域A2相对应时，第二转换器33便使用针对每个电磁铁27设定的控制模型生成悬浮电流指令值i_L^*。由此，在不饱和区域(第一控制区域A1)及饱和区域(第二控制区域A2)的任一区域中都能够对驱动轴13进行位置控制。

＜本实施方式的效果＞

如上所述，根据本实施方式，在电磁力的个体差较大的区域(饱和区域)中，也能够由磁轴承进行位置控制。也就是说，根据本实施方式，在不使电磁铁大型化的情况下就能够谋求扩大控制区域。

而且，因为利用已预先求出的低负荷状态下的电磁力求出了作为控制模型建立对象的电磁铁27所产生的电磁力的计算值，所以能够更加准确地求出饱和区域中的电磁力。

而且，当建立第二控制区域A2的控制模型时，将磁轴承20内的电磁铁27用作测量电磁力的基准，因而没有必要为了建立控制模型准备特别的测量器。

而且，因为本实施方式的磁轴承20包括控制模型建立部40，所以若例如在设置了包括磁轴承20的装置后，再次建立控制模型，则即使电磁铁27的电磁力随时间产生了变化，也能够准确地进行位置控制。

而且，就针对每个电磁铁建立控制模型的饱和区域而言，与建立不饱和区域的模型相比，需要更多电磁力的数据。由此，若使用测量器测量饱和区域的电磁力，则需要花费很多工时。不过，在本实施方式中，能够利用控制模型建立部40基本上自动地建立控制模型。也就是说，在本实施方式中，能够比使用测量器测量饱和区域的电磁力更容易地建立控制模型。

(第一实施方式的变形例)

需要说明的是，为了建立控制模型能够利用悬浮电磁铁，还能够利用已知的干扰(例如重力)。

具体而言，第一转换器32生成悬浮电磁力指令值f_L^*，使得悬浮电磁铁的悬浮电磁力f_L和已知的成为干扰的力(以下，称作干扰力)的合力与支承力F_total等效。而且，就电磁力计算部41而言，当计算作为控制模型建立对象的电磁铁27在饱和区域中的电磁力时，从悬浮电磁铁的合成电磁力中减去利用悬浮电磁铁使驱动轴13悬浮所需的电磁力及上述干扰力。

由此，能够将重力等已知的干扰力用于建立控制模型，从而能够针对更广的电流范围、更广的间隙范围建立控制模型。

(发明的第二实施方式)

图10示出第二实施方式的磁轴承20的电磁力。该示例是具有二十四个电磁铁27的磁轴承，在饱和区域(第二控制区域A2)中利用针对每组电磁铁(以下，称作电磁铁组)设置的控制模型来控制上述电磁力，一组电磁铁是构成磁轴承20的电磁铁27中的一部分电磁铁27，由两个以上的电磁铁27构成。在该示例中，将两个电磁铁作为一组，并使一个控制模型对应一组电磁铁。

如图10所示，就本实施方式的控制模型建立部40而言，进行位置控制，使得作为控制模型建立对象的电磁铁组中的一个电磁铁即电磁铁27-1的电磁力1、和与该电磁铁27-1成对的电磁铁27-4的电磁力2的矢量和等于悬浮电磁铁的电磁力的合成电磁力，并求出电磁力1和电磁力2的矢量和。

此时，让电流在作为控制模型建立对象的电磁铁组的各个电磁铁27-1、27-4中流动，使得磁通落入饱和区域(第二控制区域A2)内。而且，让电流在悬浮电磁铁中流动，使得磁通落入不饱和区域(第一控制区域A1)内。并且，与第一实施方式相同，相关性计算部45针对每组电磁铁组建立控制模型。由此，即使在电磁力的个体差较大的控制区域(饱和区域)，也能利用磁轴承20进行位置控制。

需要说明的是，构成电磁铁组的电磁铁的数量为示例，并不局限于两个。

(发明的第三实施方式)

像第一实施方式那样，若将已在不饱和区域中受到了控制的电磁铁(悬浮电磁铁)的电磁力作为基准，则能够建立模型的电磁力的最大值就会受悬浮电磁铁的电磁力的合成电磁力的制约。

不过，若像第一实施方式那样建立了饱和区域的控制模型后利用该饱和区域用控制模型，就能进一步扩大所能建立模型的电磁力的范围、即控制范围。具体而言，首先，利用已建立的饱和区域(第二控制区域A2)或者不饱和区域(第一控制区域A1)的控制模型在第二控制区域A2或者第一控制区域A1中对悬浮电磁铁进行控制，同时让作为控制模型建立对象的电磁铁27在产生比第二控制区域A2更大的磁通的控制区域(设为第三控制区域A3)中工作。

然后，控制模型建立部40像第一实施方式那样进行位置控制，使得间隙G成为所希望的值，并求出第三控制区域A3中作为控制模型建立对象的电磁铁27的电磁力。若针对建立第三控制区域A3的模型所需的、所有电流值及间隙G而言，对各个电磁铁27或者规定数量的每组电磁铁组进行上述的电磁力测量，就能获得已扩大了的控制区域的控制模型。

(其它实施方式)

需要说明的是，也可以是这样的，即：例如在工厂出货时等建立第二控制区域A2所涉及的控制模型，再让控制部30将已建立的控制模型存储起来。在这种情况下，也可以是这样的，即：不是在磁轴承20内设置控制模型建立部40，而是例如使控制模型建立部40成为制造装置(或生产线)的一部分。

此外，构成磁轴承20的电磁铁的数量为一个示例。

此外，磁轴承20的应用范围并不局限于涡轮压缩机。

此外，用于控制模型的相关关系并不局限于在电磁铁27中流动的电流i、间隙G及电磁力这三个参数的组合。作为相关关系的示例，能够列举出：在电磁铁27中流动的电流i、在电磁铁27中通过的磁通匝链数ψ、定子21与驱动轴13之间的间隙G、电磁铁27的磁能Wm、电磁铁27中的磁共能Wm’、电磁铁27所产生的电磁力、以及利用上述变量导出的变量中的两个以上变量之间的相关关系。

在具有相关关系的这些参数中，能够基于从施加在电磁铁27的线圈25上的电压中减去该线圈25的压降后所得到的电压的时间积分值求出磁通匝链数ψ。需要说明的是，当线圈25的压降小于施加在线圈25上的电压时，也可以基于施加在电磁铁27的线圈25上的电压的时间积分值求出磁通匝链数ψ。

此外，也可以将多个块结合起来形成定子21的铁芯部22。图11示出铁芯部22的分割示例。在图11的示例中，铁芯部22是六个铁芯块22a在背轭部23结合起来而构成的。在上述分割结构下，虽然电磁铁27的特性偏差容易变大，不过通过上述各个实施方式的控制，能够可靠地进行位置控制。也就是说，若将上述控制应用于具有分割型铁芯部22的磁轴承20中，则该控制是很有用的。

－产业实用性－

本发明对于以非接触状态支承驱动轴的磁轴承是很有用的。

－符号说明－

13 驱动轴

20 磁轴承

21 定子

27 电磁铁

30 控制部

40 控制模型建立部

41 电磁力计算部