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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Rotationsmaschine mit Magnetschwebesystem
welche eine Schwebe- oder Tragsteuerung eines Rotors ausführt, und
zwar versehen mit einem Magnetmaterial als ein zu steuerndes Objekt,
so dass der Rotor in einem Schwebezustand auf einer gewünschten
Position gehalten wird, und zwar durch die Verwendung magnetischer
Anziehungskraft oder magnetischer Abstoßkraft, erzeugt durch einen
Elektromagneten oder einen permanenten Magneten. Insbesondere bezieht
sich die Erfindung auf einen Detektionsmechanismus, um eine Axialversetzung
oder Axialverschiebung und auch die Drehzahl des Rotors zu bestimmen.
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Beschreibung
verwandter Technik
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10 zeigt
ein Diagramm, welches ein allgemeines Beispiel der Konstruktion
eines konventionellen Magnetlagermechanismus lehrt, und 11 ist
ein Diagramm, welches ein Beispiel der Konstruktion einer Steuereinheit
zur Durchführung
der Schwebelagersteuerung eines Magnetlagers veranschaulicht. Bei
einer Rotations- oder Drehmaschine mit magnetischer Levitation bzw.
magnetischem Schwebezustand, wird ein Rotor R durch einen Motor
angetrieben und gedreht, und zwar ohne diesen zu kontaktieren, wobei
zusätzlich
die Halterung oder Lagerung in einem Schwebezustand durch ein Radialmagnetlager
und ein Schubmagnetlager erfolgt. Der Rotor R ist mit einem Target-
oder Zielglied 21 aus einem Magnetmaterial versehen, und
wird in einem Schwebezustand auf einer Radialzielschwebeposition
durch Steuerung der magnetischen Anziehungskraft erzeugt, von einem
Radialtrag- oder Lagermagnet 20 gehalten. Ein Radialversetzungs-
oder Radialverschiebungssensor 11 ist nahe dem Elektromagnet 20 angeordnet.
Der Radialversetzungssensor 11 misst die Radialversetzung
(den Ort) eines Zielmagnetmaterials 19, vorgesehen im Rotor
bzw. Rotator R. Ferner ist der Rotor R mit einer Schubscheibe 18,
gebildet aus einem Magnetmaterial, versehen und ein Axialschwebehalterungs-
oder Lagerelektromagnet 15 für den Rotor R ist derart vorgesehen,
dass die Schubscheibe 18 dadurch sandwichartig umfasst
ist. Der mit der Schubscheibe 18 versehene Rotor R wird in
dem Schwebezustand auf einer axialen Zielschwebeposition durch Steuerung
der magnetischen Anzugskraft gehalten, welche von dem Axialschwebelager
oder Tragelektromagneten 15 erzeugt wird.
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Ein
Ziel 16, ausgebildet aus einem Magnetmaterial für einen
Positionssensor, ist an dem Wellenende des Rotors R vorgesehen,
und ein Axialversetzungs- oder
Verschiebungssensor 13 für den Rotor R ist auf der festen
Seite vorgesehen, um die Axialverschiebung des Rotors R zu messen.
Der Rotor ist mit einer Rotationsgeschwindigkeits- oder Rotationsdrehzahldetektionsscheibe 17 versehen,
und ein Drehzahldetektionssensor 14 ist auf der festen
Seite in Position nahe der Rotationsdrehzahldetektionsscheibe 17 angeordnet.
Alle Versetzungs- oder Verschiebungssensoren 11, 12 und 13 sind
Sensoren, die ein Phänomen
ausnutzen, das darin besteht, dass die magnetischen Eigenschaften
sich ändern, ansprechend
auf die Verschiebung oder Versetzung eines Ziel-(Magnet-)Materials,
wie beispielsweise einen Wirbelstromsensor oder einen Induktivitätssensor.
Die Drehzahldetektionsscheibe 17 ist konkav oder konvex
und der Durchgang durch die konkave oder konvexe Scheibe wird durch
einen Versetzungssensor detektiert, und zwar unter Verwendung der gleichen
Magneteigenschaften wie sie oben beschrieben wurden, um die Drehzahl
zu detektieren. Ein Konstruktionsbeispiel des konventionellen Magnetlagermechanismus
gemäß 10 weist
zwei Sensoren 11, 12 auf, um die Radialversetzung
zu detektieren. Tatsächlich
sind jedoch zwei zusätzliche Sensoren
in einer Richtung senkrecht zur Papieroberfläche angeordnet. Die Sensoren
können
eine Koordinatenposition innerhalb einer Ebene detektieren, die
senkrecht zur Drehwelle des Rotors verläuft.
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Im
Stand der Technik gemäß 11 sind
der Axialversetzungssensor 13, der Drehzahldetektionssensor 14 und
der Axialschwebetragelektromagnet 15 in einer hierarchischen
Struktur angeordnet, und zwar auf der festen Seite des Magnetlagermechanismus
entlang der Axialrichtung des Rotors R. Wie in 11 gezeigt,
wird ein Signal auf der Axialposition (Versetzung) des Rotors R
erhalten durch den Axialversetzungssensor 13, durch einen
Sensorsignalprozessor 23 und eine Kompensationsschaltung 24,
vorgesehen innerhalb der Steuereinheit gesendet, und zwar zu einem
Erregungsstromausgangsverstärker 25,
der einen Erregungsstrom abgibt, der sodann an den Axialhub- oder
Schwebetragmagneten 15 geliefert wird, um die Erregung
auszuführen,
wodurch der Rotor R derart gesteuert wird, dass er auf einer axialen
vorbestimmen Position angehoben und getragen wird. In gleicher Weise
wird die Ausgangsgröße des Drehzahldetektionssensors 14 in
einen Rotations- oder Drehsensorsignalprozessor 26, vorgesehen
innerhalb der Steuereinheit, eingegeben, wo die Drehzahl berechnet
wird. Der Drehzahlwert, der auf diese Weise erhalten wird, wird
mit einer Zieldrehzahl in einer Drehzahlsteuereinheit 27 verglichen,
und ein Strom zum Betrieb des Motors wird von einem Inverter 28 an
den Motor (nicht in 10 gezeigt) geliefert, um so
die Drehzahl auf einen vorbestimmten Wert zu bringen.
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Ein
wichtiges Merkmal der magnetischen Schweberotations- oder Drehmaschine
besteht darin, dass dann, wenn ein Rotor in einem Schwebezustand
durch die oben beschriebene Serie von magnetischen Hubsteuerungen
gehalten wird, der Rotor selbst dann, wenn er in irgendeiner Position
sich befindet, in einem Schwebezustand gehalten ist und rotiert
wird, und zwar in einer nicht kontaktierenden Art und Weise. Daher
sollte auch ein nicht kontaktierendes Drehzahldetektionssystem in
den Drehzahldetektionsmitteln verwendet werden, und zwar zu der Zeit
des Anlegens der Drehkraft durch eine Induktionsmaschine oder eine
Synchronmaschine.
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Speziell
gilt Folgendes: zusätzlich
zu einem Versetzungssensorelement für die Schwebepositionsdetektion
zur Durchführung
der Schwebelagersteuerung des Rotors sollte ein Drehzahlsensorelement
eingebaut sein. Bei konventionellen Verfahren, wie beispielsweise
bei dem Versetzungssensor zur Positionsdetektierung für die magnetische
Schwebesteuerung wurden jedoch Drehzahldetektionssensoren der Wirbelstrombauart,
der Induktionsbauart oder der Induktivitätsbauart verwendet, wobei es
sich hier um ein elektromagnetisches Detektionsverfahren handelt.
Wenn jedoch der elektromagnetische Sensor der konventionellen Bauart
verwendet wird, und zwar für
einige mechanische Anordnungen der Sensoren, so tritt ein Phänomen der
gegenseitigen elektromagnetischen Interferenz auf. Daher sollten
das Drehzahldetektionssensorelement und das Versetzungssensorelement
zur Positionsdetektion derart vorgesehen sein, dass ein Raum dazwischen
verbleibt.
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Das
bedeutet Folgendes: um den obigen Aufbau ohne irgendwelche elektromagnetischen
Probleme zu betreiben, sollte gemäß 10 ein
bestimmter Raum zwischen dem Axialversetzungssensor 13 und
dem Drehzahldetektionssensor 14 vorgesehen sein, und zwischen
dem Drehzahldetektionssensor 14 und dem Axialschwebehalterungs-
oder Lagerungselektromagneten 15. Es besteht daher eine
Begrenzung hinsichtlich einer Größenverminderung
des Wellenendteils in dem Magnetlagermechanismus.
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Ferner
gilt für
ein konventionelles System, wie in 10 gezeigt,
Folgendes: bei der Detektion der Drehzahl wird ein Verfahren verwendet,
wo die Drehzahldetektionsscheibe 17 partiell mit einer
Nut versehen ist, und zwar am Wellenende des Rotors und wobei ferner
die Scheibe zusammen mit dem Rotor verdreht wird, und in diesem
Falle wird dann, wenn die Nut die Vorderseite des Drehzahldetektionssensors
passiert hat, ein Impulssignal synchronisiert mit der Drehzahl erzeugt.
Bei diesem Verfahren wird jedoch Leakmagnetfluss des magnetischen
Hubelektromagnetens in einen Teil um die Drehzahldetektionsscheibe 17 eingeführt, und
dies verschlechtert das S/N-Verhältnis
(Signal-/Rauschverhältnis) des
Drehzahldetektionssensorsignals. Aus diesem Grunde ist es im Hinblick
auf den Aufbau von einer nicht vermeidbaren Notwendigkeit, einen
gewissen Raum vorzusehen zwischen der Drehzahldetektionsscheibe 17,
dem Axialversetzungssensorziel oder -target 16 und der
Schubscheibe 18.
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Wie
oben beschrieben, sollte infolge der oben beschriebenen Einschränkungen
der Drehzahldetektionssensor der nicht kontaktierenden Bauart, basierend
auf einem elektromagnetischen Prinzip, der innerhalb des Magnetlager mechanismus
zum Anheben und Tragen des Rotors vorgesehen ist, derart vorgesehen
sein, dass weil ein gewisser Raum verbleibt, und zwar beispielsweise
gegenüber
dem Elektromagneten und dem Versetzungssensor für die Positionsdetektion, und
zwar den Magnetlagermechanismus bildend. Dies bildet ein Hindernis
hinsichtlich der Reduktion der Größe des gesamten Magnetlagermechanismus.
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In
dem Drehzahldetektionssystem des Drehzahldetektionssensors wird
die Aufnahme eines Systems unter Verwendung eines optischen oder
anderen Halbleitersensors, die keine elektromagnetischen Mittel
sind, als effektiv angesehen, um einige der obigen Einschränkungen
zu vermeiden. Halbleitersensoren sind jedoch nicht geeignet für die Anwendungen
bei magnetischen Schwebedrehmaschinen, da sie Probleme zeigen, und
zwar einschließlich
der Probleme, dass Halbleitersensoren teuer sind und somit die Kosten
erhöhen,
da sie ferner einen geringen Wärmewiderstand
aufweisen, und an einer komplizierten Aufbaustruktur leiden.
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Weiterhin
sei auf Patent Abstracts of Japan, Band 2000, Nr. 10 vom 17. November
2000,
JP 2000 205259
A hingewiesen. Dieses Dokument beschreibt eine Drehzahldetektionsvorrichtung
für einen
magnetischen Schweberotor. Das Ausgangssignal einer Rotationssensorschaltung
wird hier auf der Basis von zwei Rotations- oder Drehsensoren und
dem Ausgangssignal einer Versetzungssensorschaltung auf der Basis
von einem Axialversetzungssensor und einem Radialversetzungssensor
einer Differentialverstärkung
unterworfen, und dadurch entbehrt das Ausgangssignal der Drehsensorschaltung
des Einflusses der Vibration erzeugt im Rotor. Weiterhin sei auf
Patent Abstracts of Japan, Band 1997, Nr. 05 vom 30, Mai 1997,
JP 09 009569 A hingewiesen,
wo ein Sensorverfahren für
ein Magnetlager beschrieben ist. Hier wird mindestens ein Paar von
Kerbausnehmungen identischen Querschnitts symmetrisch zur Achse
vorgesehen, und zwar mindestens in dem Spaltabfühlteil einer Drehwelle, die
durch Magnetlager getragen ist. Die Differenz zwischen den Ausgangswerten
von einem Paar von Spaltsensoren wird durch eine Subtraktionsfunktion
bestimmt, und die Vertikalverschiebung einer Drehwelle wird ba sierend
auf der Polarität
des Absolutwerts der Differenz bestimmt. Ferner wird die Summe der
Ausgangswerte von dem Paar von Spaltsensoren durch eine Addierfunktion
bestimmt, und sodann wird die Drehzahl der Drehwelle, basierend
auf der Ausgangssteigung der Summe, bestimmt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Rotationsmaschine mit Magnetschwebesystem gemäß Anspruch
1 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der oben gemachten
Umstände
gemacht, und ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine magnetgelagerte
Schweberotationsmaschine vorzusehen, die eine stabile Versetzungsdetektion
und Drehzahldetektion des Rotors ermöglicht, und wobei zudem die
Größe des Gesamtsystems
vermindert werden kann, so dass das Gesamtsystem kompakt wird.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Rotationsmaschine mit
magnetischen Schwebeeigenschaften vorgesehen, um einen Rotor in
einem Schwebezustand zu halten, und zwar durch Magnetkraft eines
Elektromagneten oder eines Permanentmagneten, wobei die Rotationsmaschine der
Magnetschwebebauart Folgendes aufweist: eine Positionsdetektionsebene,
vorgesehen in dem Rotor und eine Konkavität und/oder eine Konvexität, vorgesehen
in der Ebene; einen Versetzungssensor, vorgesehen auf der festen
Seite zum Detektieren der Positionsversetzung der Ebene einschließlich der konkaven
oder konvexen Bereiche; und einen Detektionsmechanismus zum Detektieren
der Versetzung des Rotors und der Drehzahl des Rotors aus der Ausgangsgröße des Versetzungssensors.
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Gemäß dieser
Konstruktion kann die Detektion der Versetzung des Rotors und die
Detektion der Drehzahl unter Verwendung eines einzigen Ziel- oder Targetgliedes
ausgeführt
werden. Daher wird die Struktur bzw. der Aufbau des Magnetlagers
vereinfacht und die Größe an dieser
Stelle kann reduziert werden. Zudem wird die Anzahl notwendiger
Komponenten reduziert, was zu einer Kostenreduktion führt.
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Vorzugsweise
gilt Folgendes: die Versetzung des Rotors wird detektiert durch
Extrahieren aus der Ausgangsgröße des Versetzungssensors,
die Ausgangsgröße der Versetzung
der Ebene mit der Komponente, die den konkaven oder konvexen Bereich daraus
entfernt, repräsentiert.
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Vorzugsweise
wird die Drehzahl des Rotors detektiert durch Extrahieren aus der
Ausgangsgröße des Versetzungssensors,
einer Impulsausgangsgröße, entsprechend
dem konkaven oder dem konvexen Bereich.
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Bei
der Magnetschwebedrehmaschine ist vorzugsweise Folgendes vorgesehen:
mindestens ein Paar der Versetzungssensoren ist unter einem willkürlichen
Winkel gegenüber
dem Drehmittelpunkt des Rotors angeordnet, die Detektionsebene ist
derart angeordnet, dass sie zu den Versetzungssensoren hinweist,
die konkaven und konvexen Bereiche sind derart angeordnet, dass
sie den Positionen der Versetzungssensoren mit dem gleichen Winkel
wie der willkürliche
Winkel entsprechen, unter den die Versetzungssensoren angeordnet
sind, und zwar gegenüber
der Drehmitte der Ebene, und die Positionsversetzung und die Drehzahl
der Detektionsebene werden aus den Ausgangsgrößen von mindestens einem Paar
der Versetzungssensoren berechnet und ausgegeben, um die Detektion
von sowohl der Versetzung des Rotors als auch der Drehzahl des Rotors zu
ermöglichen.
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Das
Vorsehen der konkaven und konvexen Bereiche in der Detektionsebene
gestattet die Axialversetzung und die Drehzahl des Rotors gesondert voneinander
zu detektieren, und zwar ohne gegenseitige Interferenz.
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Vorzugsweise
ist die Detektionsebene in der Schubscheibe aus Magnetmaterial angeordnet,
die ein zu steuerndes Objekt ist, und zwar durch einen Elektromagneten
für die
Axialpositionssteuerung. Diese Konstruktion kann die Notwendigkeit
eliminieren, eine am Rotor befestigte Scheibe vorzusehen, um die
Drehzahl zu detektieren und auf diese Weise kann die Länge der
gesamten Maschine verkürzt werden,
und die Größe der gesamten
Maschine kann verringert werden.
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Zusammenfassend
gilt gemäß der Erfindung Folgendes:
der Drehzahldetektionssensor, der bislang ein Hindernis bezüglich der
Größenreduktion war,
kann vereinfacht werden. Daher kann die Größe des Magnetlagermechanismus
vermindert werden, und die Kosten können infolge der verminderten
Anzahl von Komponenten vermindert werden, die notwendig sind um
den Magnetlagermechanismus zu bilden.
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Die
obigen, sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den
Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
beispielhaft dargestellt sind.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Querschnitt eines Magnetlagermechanismus gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2A bzw. 2B bzw. 2C sind
eine Draufsicht bzw. Ansicht bzw. Seitenansicht einer Detektionsscheibe
gemäß 1;
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3 ist
ein Blockdiagramm der Steuereinheit für die Axialversetzung und Drehzahl
des Magnetlagermechanismus gemäß 1;
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4A und 4B sind
jeweils ein Diagramm, welches ein Versetzungssensorausgangssignal
zeigt, wobei 4C ein Diagramm darstellt, welches
eine Additionssignalausgangsgröße der zwei Versetzungssensoren
zeigt, und wobei ferner 4D ein
Diagramm darstellt, welches ein Subtraktionsausgangssignal darstellt;
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5 ist
ein Querschnitt der Magnetlagervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
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6A bzw. 6B bzw. 6C sind
eine Draufsicht bzw. eine Ansicht bzw. eine Seitenansicht einer
Schubscheibe gemäß 5;
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7 ist
ein Blockdiagramm einer Steuereinheit für die Axialverschiebung und
die Drehzahl des Magnetlagermechanismus gemäß 5;
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8 ist
ein Diagramm, welches eine Abwandlung des Magnetlagermechanismus
gemäß 5 zeigt;
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9A bzw. 9B bzw. 9C zeigen
ein Diagramm des Hauptteils der Schubscheibe, gezeigt in 8;
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10 ist
ein Querschnitt eines konventionellen Lagermechanismus; und
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11 ist
ein Blockdiagramm einer Steuereinheit für die Axialverschiebung und
die Drehzahl bei einem Magnetlagermechanismus gemäß 10.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Rotationsmaschine mit Magnetlagerung oder Magnetschwebeanordnung
werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
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1 ist
ein Diagramm, welches den Aufbau eines Wellenendes des Magnetlagermechanismus gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt, während 2 ein
Diagramm darstellt, welches den Aufbau einer Detektionsscheibe veranschaulicht
und schließlich
ist 3 ein Blockdiagramm, welches den Aufbau einer
Steuereinheit veranschaulicht.
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Gemäß diesen
Ausführungsbeispielen
ist eine Versetzungs- bzw. Verschiebungsdetektions-Rotationsdrehzahl-Detektionsscheibe 30 am Wellenende
eines Rotors R vorgesehen, um die Axialverschiebung bzw. die Axialversetzung
und die Drehzahl des Rotors R zu detektieren. Axialdetektionsverschiebungssensoren 31, 32 sind
an der festen Seite des Magnetlagermechanismus derart befestigt, dass
sie zu dieser Detektionsscheibe 30 hinweisen. Die Versetzungsdetektions-Rotationsdrehzahl-Detektionsscheibe 30,
vorgesehen am Wellenende des Rotors R, besitzt wie in 2 gezeigt, eine flache Detektionsebene 33 und
konvexe Elemente oder Gebiete 34, und konkave Elemente
oder Gebiete 35, und zwar angeordnet auf der Detektionsebene
radialsymmetrisch bezüglich
der Mitte der Scheibe. In gleicher Weise sind Axialdetektionsverschiebungssensoren 31, 32 auf
der festen Seite an den entsprechenden Positionen vorgesehen, die
radial symmetrisch bezüglich
der Wellenmitte angeordnet sind. Der weitere Aufbau ist der Gleiche
wie bei dem Stand der Technik gemäß 10. Das
heißt,
ein Radialtragelektromagnet 20, ein Radialpositions-Detektionsversetzungssensor 11 und
ein Axialtrageelektromagnet 15 sind auf der festen Seite
angeordnet und Zielglieder 21, 19, gebildet aus
einem Magnetmaterial und eine Schubscheibe 18 sind auf
der Rotorseite vorgesehen.
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3 ist
ein Blockdiagramm, welches eine Steuereinheit in der Magnetschwebe-Rotationsmaschine
zeigt. Das von dem Axialversetzungsdetektionssensor 31 (axial
detection sensor A) abgegebene Signal und das von dem Axialversetzungsdetektionssensor 32 (axial
detection sensor B) ausgegebene Signal werden in einen Positionsversetzungssignalextraktor
bzw. -ermittler 41 und einen Drehzahlsignalextraktor bzw.
-ermittler 42 eingegeben. Hierbei ist der Positionsversetzungssignalextraktor
bzw. -ermittler 41 eine Additionsschaltung und der Rotationsdrehzahlsignalextraktor
bzw. -ermittler 42 ist eine Substraktionsschaltung. Die
von den Axialversetzungsdetektionssensoren 31, 32 ausgegebenen
Signalausgangsgrößen werden
in dem Positionsversetzungssignalextraktor bzw. -ermittler 31 addiert
und in dem Rotationsdrehzahlsignalextraktor bzw. -ermittler 42 subtrahiert.
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Das
Signal wird durch den Positionsversetzungssignalextraktor bzw. ermittler 41 und
den Rotationsdrehzahlsignalextraktor bzw. -ermittler 42 innerhalb
der Steuereinheit, gezeigt in 3, in Drehzahldetektionssignal
und Positionsdetektionssignal geteilt. Wenn der Rotor R in einem
Schwebezustand verdreht wird, und zwar auf einer bestimmten Position
in Axialrichtung, wie dies in 4A und 4B gezeigt
ist, so sind die durch die Axialversetzungssensoren 31, 32 detektierten
Signale Impulssignale, die entgegengesetzt zueinander oder in Phase
auf einer Zeitachse verlaufen und die Breite in Umfangsrichtung
angeben, und die Tiefe in dickenweiser Richtung der konkaven und
konvexen Elemente 34, 35, vorgesehen in der Detektionsscheibe 30.
Für die Gleichstromkomponente
jedes Signals wird ein Signal ausgegeben, welches den Abstand (Spaltlänge) zwischen
der flachen Detektionsebene 33 und dem Axialversetzungsdetektionssensor
anzeigt.
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Im
Inneren der Steuereinheit gemäß 3 werden
die von den Axialversetzungsdetektionssensoren 31, 32 ausgegebenen
Signale jeweils in den Positionsversetzungssignalextraktor bzw.
-ermittler 41 als die Additionsschaltung und in den Rotationsdrehzahlsignalextraktor
bzw. -ermittler 42 als die Substraktionsschaltung eingegeben.
In dem Positionsversetzungssignalextraktor 41 werden, wie
in 4C gezeigt, beide Ausgangsgrößen der Sensoren 31, 32 addiert
und dies bewirkt eine Versetzung der Pulssignale entsprechend den
konkaven und konvexen Elementen, wie in den 4A und 4B gezeigt,
und zwar gegeneinander. Daher wird ein Signal von dem Positionsversetzungssignalextraktor bzw.
-ermittler 41 ausgegeben und zwar ein Signal entsprechend
dem Abstand (der Versetzung) der Ebene 33 der Detektionsscheibe 30 gegenüber dem Versetzungssensor 31, 32.
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In
dem Rotationsdrehzahlsignalextraktor 42 werden beide Signalausgangsgrößen der
Versetzungssensoren 31, 32 einer Subtraktionsverarbeitung
unterworfen. Daher ist, wie in 4D gezeigt, der
Abstand von dem Versetzungssensor 31 zur Ebene 33 und
der Abstand von dem Versetzungssensor 32 zur Ebene 33 einer
Subtraktionsverarbeitung unterworfen, um einen Wert von null zu
ergeben, und für die
Impulsausgangsgrößen werden
Signale des konkaven und des konvexen Elements einer Subtraktionsverarbeitung
unterworfen. Daher wird, wie in 4D gezeigt,
eine Impulsausgangsgröße mit der zweifachen
Höhe erhalten.
Daher wird für
die Signalausgangsgröße von dem
Drehzahlsignalextraktor 42 nur die Drehzahlsignalkomponente,
wobei die Versetzungssignalkomponente null ist, als ein Impulssignal
extrahiert.
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Das
in der Positionsversetzungssignalermittlervorrichtung 41 extrahierte
Versetzungssignal wird durch die Versetzungssensorsignalverarbeitungsschaltung
(sensor signal processing circuit) 23, eine Kompensationsschaltung
(compensation circuit) 24 und einen Erregungsstromverstärker (exciting
current amplifier) 25 geleitet, und zwar wie oben in Verbindung
mit der konventionellen Signalverarbeitungsschaltung gemäß 11 beschrieben,
um einen Erregungsstrom des axialen Elektromagnets 5 zu
erhalten, der sodann verwendet wird, um die axiale Schwebeposition
des Rotors zu steuern. In gleicher Weise wird das Drehzahlsignal
extrahiert bzw. ermittelt in dem Drehzahlsignalextraktor bzw. -ermittler,
wie beim Stand der Technik, durch einen Rotationssensorsignalprozessor 26,
einen Drehzahlcontroller oder eine Drehzahlsteuervorrichtung (rotating speed
control unit) 27 und einen Inverter bzw. Wechselrichter
(inverter) 28 geleitet, und verwendet bei der Steuerung
der Drehzahl des Motors.
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Für das Versetzungssignal,
ausgegeben von dem Positionsversetzungssignalextraktor bzw. -ermittler 41,
und das Drehzahlsignal, ausgegeben von dem Drehzahlsignalextraktor
bzw. -ermittler 42, ist der Signalverarbeitungsprozess
nach der Ausgabe der gleiche wie bei einem konventionellen System. Speziell
wird das Versetzungssignal durch den Versetzungssensorsignalprozessor 23,
die Kompensationsschaltung 24 und den Anregungsstromverstärker 25 geleitet,
und in den Axialelektromagneten 15 eingegeben, um die Schwebehalterung
oder die Schwebelagerung des Rotors zu steuern. Das heißt, das
im Positionsversetzungssignalextraktor bzw. -ermittler detektierte
Signal wird der vorbestimmten Signalverarbeitung in der Versetzungssensor-Signalverarbeitungsschaltung 23 ausgesetzt,
und zwar innerhalb der Steuereinheit und dieses Signal wird in die
Phasenkompensationsschaltung 24 eingegeben, wo die Phasenkompensation
derart ausgeführt
wird, um das Steuersystem des gesamten Magnetlagersystems zu stabilisieren,
und zwar gefolgt von einer Eingabe in den Anregungsstromausgangsverstärker 25.
Der Anregungsstromausgangsverstärker
liefert einen Anregungsstrom an den Elektromagneten derart, dass eine
elektromagnetische Kraft erzeugt wird, um den Rotor in einem Schwebezustand
zu halten. Das Rotationsgeschwindigkeitssignal bzw. Drehzahlsignal wird
durch den Rotationssensorsignalprozessor 26 geleitet, und
ferner durch die Drehzahlsteuereinheit 27 und wird in den
Inverter 28 eingegeben, um den Motor zu erregen, wodurch
die Drehzahl des Rotators bzw. Rotors gesteuert wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wurde der Detektionsmechanismus zum Detektieren der Drehzahl
und zum Detektieren der Schwebeposition (Versetzung) des Rotors
vereinfacht, um so gebildet zu werden durch zwei Axialdetektionsversetzungssensoren 31, 32,
eine Versetzungsdetektionsdrehzahldetektionsscheibe 30 und
Signalverarbeitungsschaltung 41, 42. Anders als
das konventionelle System wird auf diese Weise die Notwendigkeit
eliminiert auf der festen Seite des Magnetlagermechanismus in einer
hierarchischen Struktur den Axialpositionsdetektionsversetzungssensor
und den Drehzahldetektionssensor und Zielmaterialien entsprechend
dafür vorzusehen.
Die Detektionsscheibe 30 und die Versetzungssensoren 31, 32 können für diese
Funktionen verantwortlich sein. Daher kann die Axiallänge auf
der festen Seite des Magnetlagermechanismus verkürzt werden und auch für den Rotor
kann die Notwendigkeit des Vorsehens von sowohl der Drehzahldetektionsscheibe
als auch des Axialpositionsversetzungssensorziels eliminiert werden.
Daher wird die Axiallänge
des Rotors an sich verkürzt.
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Wenn
das obige Verfahren verwendet wird, kann das Versetzungssignal und
das Drehzahlsignal durch Änderung
der Konstruktion der Signalverarbeitungsschaltung berechnet werden,
und zwar bezüglich
der konkaven und konvexen Stellen in der Detektionsscheibe 30,
selbst in dem Falle des Vorsehens von nur dem einen der konkaven
oder konvexen Elemente, anstelle des Vorsehens einer Kombination der
konkaven und konvexen Elemente.
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5 ist
ein Diagramm, welches den Magnetlagermechanismus gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung darstellt. 6 ist eine vergrößerte Ansicht
einer Schubscheibe 40 als Hauptteil der 5.
In diesem Ausführungsbeispiel ist
eine Ebene 33 zum Detektieren der Axialversetzung in der
Schubscheibe 40, ausgebildet aus Magnetmaterial, vorgesehen.
Ferner ist ein konkaves Element oder ein konkaves Gebiet 35 vorgesehen, und
zwar zur Bildung einer Impulsausgangsgröße für die Drehzahldetektion, und
zwar in der Ebene 33 der Schubscheibe 40. Axialdetektionsversetzungssensoren 41, 42 sind
symmetrisch an der Axialposition entsprechend dem konkaven Element 35 angeordnet.
In dem in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel ist der konkave
Teil vorgesehen. Alternativ kann statt des konkaven Teils ein konvexer
Teil vorgesehen sein. Gemäß dem obigen
Ausführungsbeispiel
sind die Versetzungssensoren 41, 42 innerhalb
des axialen Elektromagneten 15 angeordnet.
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7 ist
ein Diagramm, welches ein Ausführungsbeispiel
der Konstruktion einer Steuereinheit in dem Magnetlagermechanismus
gemäß 5 zeigt. Beispielsweise
gilt Folgendes: das Ausgangssignal von einem Axialversetzungssensor
(axial displacement sensor) 36 wird in einen Wechselstromkomponentenextraktor
bzw. -ermittler (AC component extractor) 45 eingegeben.
Der Wechselstromkomponentenextraktor bzw. -ermittler 45 kann
beispielsweise ein Filter sein, um die Gleichstromkomponente abzuschneiden.
Daher wird die Wechselstromkomponente aus dem Versetzungssensorausgangssignal
in dem Wechselstromkomponentenextraktor bzw. -ermittler 45 extrahiert,
und der Signalausgangsgröße von einem
weiteren Axialversetzungssensor (axial displacement sensor) 37 hinzugefügt, um die
Impulssignalkomponente entsprechend der Drehzahl auszugleichen,
und dabei wird nur die Versetzungssignalkomponente in dem Versetzungssignalformabschnitt
(displacement signal shaping section) 46 extrahiert. Wie
bei dem obigen Ausführungsbeispielen,
wird die Schwebeposition des Rotors in Axialrichtung durch dieses
Signal gesteuert. In gleicher Weise wird das Impulssignal entsprechend
der Drehzahl extrahiert in dem Wechselstromkomponentenextraktor 45 durch
den Rotationssensorsignalprozessor (rotation sensor signal processor) 26,
die Drehzahlsteuereinheit (rotating speed control unit) 27 und den
Inverter 28 geleitet, und verwendet zur Steuerung der Drehzahl
des Motors.
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8 ist
ein Diagramm, welches eine Abwandlung des Magnetlagermechanismus
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt, und 9 ist eine
vergrößerte Ansicht
des Hauptteils des Magnetlagermechanismus gemäß 8. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel,
wie beim zweiten Ausführungsbeispiel,
ist eine Ebene 33 zum Detektieren der Axialversetzung in
der Schubscheibe 42 vorgesehen. Ferner ist eine Nut (ein
konkaves Element) 35 zum Detektieren der Drehzahl in dem
Umfangsteil der Schubscheibe vorgesehen. Wegen der Verwendung dieser
Konstruktion sind die Axialversetzungssensoren 38, 39 auf
der Außenseite des
Wickelabschnitts des Axialelektromagneten 15 angeordnet.
Die Konstruktion der Steuereinheit, die die Ausgangsgröße der Versetzungssensoren 38, 39 empfängt, ist
ebenfalls die gleiche wie diejenige in 7. In dem
in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel
ist ein konkaves Element vorgesehen. Alternativ kann ein konvexes
Element vorgesehen sein, und zwar anstelle des konkaven Elements.
Wie bei den obigen Ausführungsbeispielen,
gestattet die Ausgangsgröße der Versetzungssensoren 38, 39 die Axialversetzung
des Rotors zu bestimmen, und zwar aus der Detektionsposition der
Ebene 33 und gestattet ferner, dass ein Impulssignal entsprechend
der Drehzahl aus dem konkaven Element 35 extrahiert wird.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
wo die Axialversetzungssensoren 38, 39 in dem
festen Teil auf der Wellenendseite des Magnetlagermechanismus vorgesehen
sind, und die Ebene 33 und das konkave Element 35 in
der Schubscheibe 40 vorgesehen sind, geben die Versetzungssensoren 38, 39 Signale
aus, und zwar erhalten durch die gleichzeitige Detektion der Schwebeposition
(Versetzung) und der Drehzahl des Rotors, wobei diese dann in Signalverarbeitungsschaltungen
verarbeitet werden, die innerhalb der Steuereinheit vorgesehen sind,
wodurch ein Positionsversetzungssignal und ein Drehzahlsignal des Rotors
extrahiert oder entnommen werden können. Die Verwendung dieser
Signale bei der Steuerung der Magnetlagervorrichtung eliminiert
die Notwendigkeit, die Positionsdetektionsscheibe vorzusehen. Dies
kann die Axiallänge
des Magnetlagermechanismus verkürzen,
und zudem kann diese Bauänderung die
Anzahl der Komponenten reduzieren, die zur Bildung des Magnetlagermechanismus
erforderlich ist.
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Die
obigen Ausführungsbeispiele
veranschaulichen Beispiele der vorliegenden Erfindung und für die Anzahl
der Versetzungssensoren für
die Axialpositionsdetektion, vorgesehen auf der gleichen Ebene,
und die Anzahl der konkaven Elemente und konvexen Elemente, vorgesehen
in der Detektionsebene, vorgesehen an der Wellenendseite des Rotors, sind
verschiedene Kombinationen möglich,
und es braucht nicht darauf hingewiesen werden, dass selbst dann,
wenn die Anzahl derselben geändert wurde,
der gleiche Effekt, wie beschrieben, erhalten werden kann.
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Wie
oben erläutert,
kann dadurch, dass erfindungsgemäß ein Versetzungssensor
zur Positionsdetektion an der festen Seite vorgesehen wird, dass eine
auf diesen Sensor an der Drehseite hinweisende Detektionsebene vorgesehen
wird, und dass konkave und/oder konvexe Elemente in dieser Ebene
vorgesehen werden, kann eine gleichzeitige Messung von sowohl der
Versetzung vom Versetzungssensor zu der Ebene, die auf den Sensor
hinweist, und der Drehzahl des Rotors vorgenommen werden. Der Aufbau
des Magnetlagermechanismus, insbesondere in dem Wellenende, kann
dadurch vereinfacht werden. Dies reduziert die Anzahl der Komponenten
und kann auch eine Größenreduktion
vorsehen.
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Die
vorliegende Erfindung wurde unter besonderer Bezugnahme auf bevorzugte
Ausführungsbeispiele
beschrieben, es ist jedoch zu erkennen, dass verschiedene Abwandlungen
und Modifikationen innerhalb des Rahmens der Erfindung ausgeführt werden
können.
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Gemäß ihrem
breitesten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Drehmaschine
der Magnetschwebebauart, und zwar zum Tragen eines Rotors in einem
Schwebezustand durch Magnetkraft eines Elektromagneten oder eines
Permanentmagneten, wobei die Drehmaschine mit magnetischer Lagerung
oder mit Magnetschwebeeinrichtung Folgendes aufweist: einen Detektionsmechanismus
zum Detektieren der Versetzung des Rotors und einer Drehzahl des
Rotors aus einer Ausgangsgröße des 19010
Versetzungssensors.