JP2002089560A - 磁気浮上回転機械 - Google Patents

磁気浮上回転機械

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JP2002089560A JP2000278815A JP2000278815A JP2002089560A JP 2002089560 A JP2002089560 A JP 2002089560A JP 2000278815 A JP2000278815 A JP 2000278815A JP 2000278815 A JP2000278815 A JP 2000278815A JP 2002089560 A JP2002089560 A JP 2002089560A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 安定した回転体の変位検出及び回転数検出が
行えると共に、装置全体を小型コンパクト化することが
できる磁気浮上回転機械を提供する。 【解決手段】 回転体を電磁石又は永久磁石の磁気力に
より浮上支持する磁気浮上回転機械において、回転体Ｒ
に位置検出用平面３３と該平面に設けた凹部３５及び／
又は凸部３４を備え、固定側に凹部又は凸部を含めた平
面の変位を検出する変位センサ３１，３２を備え、該変
位センサの出力から回転体の変位を検出すると共に、回
転体の回転数を検出する検出機構を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、制御対象となる磁
性材料を備えた回転体を、電磁石又は永久磁石により発
生する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回転機械に係
り、特にその回転体の軸方向変位及び回転数を検出する
検出機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】図１０は従来の磁気軸受機構部の一般的
な構成例を示す図であり、図１１はその磁気軸受の浮上
支持制御を行なう制御装置の構成例を示す図である。磁
気浮上回転機械は、回転体Ｒがモータにより非接触で回
転駆動されると共に、ラジアル磁気軸受及びスラスト磁
気軸受により浮上支持される。回転体Ｒには、磁性材料
のターゲット部材２１を備え、半径方向支持用電磁石２
０から発生する磁気吸引力を制御することにより半径方
向目標浮上位置に浮上支持される。電磁石２０の近傍に
は、半径方向変位センサ１１を備え、回転体Ｒに備えら
れたターゲット磁性材１９の半径方向変位（位置）を該
変位センサ１１により計測する。又、回転体Ｒには、磁
性材料からなるスラストディスク１８を備え、そのディ
スクを挟むように回転体Ｒの軸方向浮上支持用電磁石１
５が配置されており、軸方向浮上支持用電磁石１５から
発生する磁気吸引力を制御することにより、スラストデ
ィスク１８を備えた回転体Ｒは軸方向目標浮上位置に浮
上支持される。
【０００３】又、回転体Ｒの軸端部には、磁性材からな
る位置センサ用ターゲット１６を備え、固定側には回転
体Ｒの軸方向変位センサ１３を備え、回転体Ｒの軸方向
変位を計測する。又、回転体Ｒには回転数検出用ディス
ク１７を備え、その近傍の固定側に回転数検出センサ１
４を備えている。ここで変位センサ１１，１２，１３は
いずれも渦電流センサ又はインダクタンスセンサ等のタ
ーゲット（磁性）材の変位に対応して磁気的特性が変化
することを利用したセンサである。回転数検出用ディス
ク１７には、凹部又は凸部を備え、上述と同様な磁気的
性質を利用した変位センサを用いて、凹部又は凸部の通
過を検出することで回転数の検出を行っている。尚、図
示の例では半径方向の変位を検出するセンサ１１，１２
が２箇所図示されているが、実際には紙面の垂直方向に
も２箇所配置され、これにより回転体の回転軸に垂直な
面内の座標位置を検出することができる。
【０００４】従来技術では、図１１に示すように磁気軸
受機構部固定側は、回転体Ｒの軸方向に沿って階層構造
的に、軸方向変位センサ１３、回転数検出センサ１４、
軸方向浮上支持用電磁石１５が配置されている。軸方向
変位センサ１３により得られた回転体Ｒの軸方向位置
（変位）信号を、図１１に示すように、制御装置内にあ
るセンサ信号処理部２３、補償回路部２４を経て、励磁
電流出力アンプ部２５により励磁電流が出力され、軸方
向浮上支持用電磁石１５に供給されて励磁されることに
より、回転体Ｒが軸方向の所定の位置に浮上支持制御さ
れる。同様に回転数検出センサ１４の出力は、制御装置
内の回転センサ信号処理部２６に入力され、回転数が演
算処理される。得られた回転数は、回転数制御部２７で
目標回転数と比較され、所定の回転数となるようにイン
バータ部２８よりモータの駆動電流がモータ（図１０で
は図示しない）に供給される。
【０００５】前記のような一連の磁気浮上制御により回
転体が浮上支持される磁気浮上回転機械は、回転体がい
ずれの箇所においても非接触で浮上支持され、回転する
ことが大きな特徴である。このため、誘導機あるいは同
期機によって回転力が加えられた際の回転数検出手段も
非接触の回転数検出方式が用いられる必要がある。
【０００６】すなわち、回転体の浮上支持制御を行うた
めの浮上位置検出用変位センサ素子の他にも、回転数検
出センサ素子を設置する必要があるが、これまでの技術
では一般的に磁気浮上制御用の位置検出用変位センサと
同様、電磁気学的な検出手法である渦電流型や誘導型、
インダクタンス型の各方式を用いた回転数検出センサが
使われてきた。しかしながら、従来方式の電磁気的なセ
ンサを用いた場合、各センサの機械的配置によっては、
お互いに電磁気学的な干渉現象が発生するため、回転数
検出センサ素子と位置検出用変位センサ素子はお互いの
間隔を開けて設置する必要があった。
【０００７】即ち、このような構造を電磁気学的に支障
無く動作させるため、図１０中の軸方向変位センサ１３
と回転数検出センサ１４の間、及び回転数検出センサ１
４と軸方向浮上支持用電磁石１５の間は有る程度の間隔
をあけて設置する必要があり、磁気軸受機構部の軸端部
を小型化するためには限界があった。
【０００８】さらに従来方式の場合、図１０に示すよう
に、回転数検出は回転体の軸端に一部切り欠きを設けた
回転数検出ディスク１７を設置し、前記ディスクが回転
体とともに回転し切り欠き部が回転数検出センサの前を
通過することで回転数に同期したパルス信号を生成する
方法が用いられてきた。しかしながらこの方法である
と、前記回転数検出ディスク１７に対して磁気浮上用電
磁石の漏洩磁束が回り込み、回転数検出センサ信号のＳ
／Ｎ比を悪化させるため、構造上回転数検出ディスク１
７、軸方向変位センサターゲット１６、スラストディス
ク１８は一定の間隔を持って配置することを余儀なくさ
れてきた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、回転体
を浮上支持する磁気軸受機構の内部に設置される非接触
型の電磁気学的原理による回転数検出センサは、前述の
制約事項から磁気軸受機構を構成する電磁石や位置検出
用変位センサなどとは一定の間隔を開けて設置する必要
があり、磁気軸受機構全体の形状を小型化する障害とな
っていた。
【００１０】さらに前記制約事項の幾つかを回避するた
め、回転数検出センサの回転数検出方式を光学式などの
半導体センサを利用した電磁気学的手段ではない方式に
変更することも考えられる。しかしながら、半導体セン
サは、コスト面で高価になること、熱に弱いという問題
があること、組込みの構造が複雑になることなどの問題
があり磁気浮上回転機械の用途には好適ではない。
【００１１】本発明は上述した事情に鑑みて為されたも
ので、安定した回転体の変位検出及び回転数検出が行え
ると共に、装置全体を小型コンパクト化することができ
る磁気浮上回転機械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】本発明は、回転体を電磁
石又は永久磁石の磁気力により浮上支持する磁気浮上回
転機械において、前記回転体に位置検出用平面と該平面
に設けた凹部及び／又は凸部を備え、固定側に前記凹部
又は凸部を含めた平面の位置変位を検出する変位センサ
を備え、該変位センサの出力から前記回転体の変位を検
出すると共に、前記回転体の回転数を検出する検出機構
を備えたことを特徴とする。
【００１３】これにより、回転体の変位の検出と回転数
の検出とを一個のターゲット部材で行える。従って、磁
気軸受部の構造が簡素化され該当部位を小型化できると
共に、部品点数が削減され、コスト低減につながる。
【００１４】又、前記回転体の変位は、前記変位センサ
出力から凹部又は凸部をあらわす成分を除いた平面の変
位出力を抽出して検出されることを特徴とする。
【００１５】又、前記回転体の回転数は、前記変位セン
サ出力から凹部又は凸部に対応したパルス出力を抽出し
て検出されることを特徴とする。
【００１６】又、前記変位センサは、前記回転体の回転
中心に対して任意の配置角度で、少なくとも１対配置さ
れ、前記検出用平面は、前記変位センサに対面するよう
に配置され、前記凹部及び凸部は前記平面の回転中心に
対して前記変位センサが配置された任意の角度と同一の
角度で、前記変位センサ位置に対応して配置され、前記
１対の変位センサ出力から前記検出平面の位置変位と回
転数を各々演算出力し、前記回転体の変位と回転数のい
ずれをも検出可能とすることを特徴とする。これによ
り、検出用平面に凹部及び凸部を設けることで、回転体
の軸方向変位と回転数とを相互に干渉することなく分離
して検出することが可能となる。
【００１７】又、前記検出用平面は、軸方向位置制御用
電磁石の制御対象であるスラストディスクに配置したこ
とを特徴とする。これにより、回転数検出のための回転
体に固定するディスクが不要となり、機械全体の長さを
短縮でき、小型化が図れる。
【００１８】総じて本発明によれば、従来、小型化の支
障となっていた回転数検出センサの簡略化が図れ、磁気
軸受機溝部の小型化と構成部品削減によるコスト低減が
可能になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明の第
１の実施形態による磁気軸受機構部の軸端部構造を示す
図であり、図２は検出ディスクの構成を示す図であり、
図３は制御装置の構成を示すブロック図である。
【００２０】この実施形態によれば、回転体Ｒの軸方向
変位と回転数検出を行うために回転体Ｒ軸端に変位検出
兼回転数検出ディスク３０を設置している。そして、こ
の検出ディスク３０に対面するように磁気軸受機構部固
定側に軸方向検出用変位センサ３１，３２を配置してい
る。回転体Ｒ軸端に設置された変位検出兼回転数検出用
ディスク３０には、図２に示すように平板状の検出用平
面３３と、その検出用平面にディスク中心に対して半径
方向で対称に凸部３４及び凹部３５が配置されている。
固定側に設置された軸方向検出用変位センサ３１，３２
は同じく軸中心に対して径方向に対称な位置に設置され
ている。その他の構成、即ち、固定側に半径方向支持用
電磁石２０、半径方向位置検出用変位センサ１１、軸方
向支持用電磁石１５を備え、回転体側に磁性材のターゲ
ット部材２１，１９及びスラストディスク１８を備えた
点は、図１０に示す従来技術と同様である。
【００２１】図３は、磁気浮上回転機械の制御装置を示
すブロック図である。軸方向検出用変位センサ３１，３
２の出力信号は、それぞれ位置変位信号抽出部４１と回
転数信号抽出部４２とに入力される。ここで位置変位信
号抽出部４１は加算回路であり、回転数信号抽出部４２
は減算回路であり、センサ３１，３２の信号出力を各々
加算又は減算する。
【００２２】そして、図３に示す制御装置内の位置変位
信号抽出部４１、回転数信号抽出部４２により回転数検
出信号と、位置変位検出信号に分割される。回転体Ｒが
軸方向に一定の位置で浮上して回転している場合に、軸
方向変位センサ３１，３２で検出される信号は、図４
（ａ）（ｂ）に示すように時間軸上逆位相で、検出ディ
スク３０に設置された凹凸部３４，３５の円周方向幅及
び厚み方向深さを示すパルス信号が発生する。各々の信
号の直流成分は、回転数検出ディスク３０の平板状の検
出用平面３３と軸方向検出用変位センサ間の間隔（隙間
長さ）を示す信号が出力されている。
【００２３】図３に示す制御装置内部では、軸方向検出
用変位センサ３１、３２から出力される信号は、それぞ
れ加算回路である位置変位信号抽出部４１と、減算回路
である回転数信号抽出部４２とに入力される。位置変位
信号抽出部４１では、図４（ｃ）に示すようにセンサ３
１，３２の両出力が加算され、これにより図４（ａ）
（ｂ）に示す凹凸部に対応したパルス状の信号が相殺さ
れる。従って、位置変位信号抽出部４１からは検出ディ
スク３０の平面３３の変位センサ３１，３２からの距離
（変位）に対応した信号が出力される。
【００２４】回転数信号抽出部４２では、変位センサ３
１，３２の両信号出力が減算処理される。従って、図４
（ｄ）に示すように、それぞれの変位センサ３１，３２
から平面３３に対応した距離が減算処理されて０とな
り、パルス状の出力はそれぞれ凹凸部の信号が減算処理
されるので、図４（ｄ）に示すように２倍のパルス状出
力が得られる。これにより、回転数信号抽出部４２から
の出力信号は、変位信号成分が０となった回転数信号成
分のみがパルス状信号として取り出される。
【００２５】位置変位信号抽出部４１で抽出された変位
信号は、上述した図１１の従来の信号処理回路と同様な
変位センサ信号処理回路部２３、補償回路部２４、励磁
電流アンプ部２５を介して軸方向電磁石１５の励磁電流
を調整して回転体の軸方向浮上位置制御に用いられる。
又、回転数信号抽出部で抽出された回転数信号も従来技
術と同様に回転センサ信号処理部２６、回転数制御部２
７、インバータ部２８を介してモータの回転数制御に用
いられる。
【００２６】位置変位信号抽出部４１から出力される変
位信号と、回転数信号抽出部４２から出力される回転数
信号について、以後の信号処理過程は従来方式と同様で
ある。即ち、変位信号は変位センサ信号処理部２３、補
償回路部２４、励磁電流アンプ部２５を経て軸方向電磁
石１５に出力され、回転体を軸方向に浮上支持制御す
る。即ち、位置変位信号抽出部で検出された信号は、制
御装置内の変位センサ信号処理回路部２３により所定の
信号処理が施され、その信号は位相補償回路部２４に入
力され磁気軸受装置全体の制御系を安定せしめるような
位相補償が行われ、励磁電流出力アンプ部２５に入力さ
れる。そして、励磁電流出力アンプ部は回転体を浮上支
持するための電磁力を発生させるように電磁石に励磁電
流を供給する。回転数信号については、回転センサ信号
処理部２６、回転数制御部２７を経て、インバータ部２
８によってモータを励磁することで回転体の回転数制御
に利用される。
【００２７】本発明により、回転数検出と回転体の浮上
位置（変位）を検出するための検出機構を２つの軸方向
検出用変位センサ３１，３２と変位検出兼回転数検出デ
ィスク３０と信号処理回路４１，４２に集約した。この
ため、磁気軸受機構固定側において従来方式のように階
層構造的に軸方向位置検出用変位センサと回転数検出セ
ンサとこれらに対応したそれぞれのターゲット材を設置
する必要が無くなり、これらの機能を検出ディスク３０
と変位センサ３１，３２に集約できる。従って、磁気軸
受機構部固定側の軸方向長さが短くなり、且つ回転体に
ついても、回転数検出ディスクと軸方向位置変位センサ
ターゲット部の両方を設置する必要が無くなるため、回
転体自体の軸方向長さも短くすることが可能となる。
【００２８】上記方法を用いることにより、検出ディス
ク３０に設けた凹部及び凸部は、凹凸の組合わせではな
く、凹又は凸構造の一方で構成された場合にも、信号処
理回路の構成を変更することで変位信号及び回転数信号
を演算処理することが同様に可能である。
【００２９】図５は、本発明の第２の実施形態の磁気軸
受機構部を示す。図６は、図５の要部であるスラストデ
ィスク４０の拡大図である。この実施形態においては、
軸方向変位を検出する平面３３を、磁性材からなるスラ
ストディスク４２に持たせている。そして、回転数検出
用のパルス状出力を形成するための凹部３５を同様にス
ラストディスク４０の平面３３に形成している。そし
て、軸方向検出用変位センサ４１，４２を上述した凹部
３５に対応する半径方向位置に対称に配置している。
尚、図示の例は凹部であるが、凸部であってもよい。こ
の実施形態では、変位センサ４１，４２は軸方向電磁石
１５の内部に配置される。
【００３０】図７は、図５に対応した磁気軸受機構部の
制御装置の構成例を示す。例えば一方の軸方向変位セン
サ３６の出力信号が、交流成分抽出部４５に入力され
る。交流成分抽出部４５は例えば直流成分をカットする
フィルタである。従って、変位センサ出力信号のうちの
交流成分を交流成分抽出部４５にて抽出する。そして、
もう一方の軸方向変位センサ３７の信号出力に加算する
ことで、回転数に対応したパルス信号成分を相殺し、変
位信号成分のみを変位信号成形部４６で抽出する。この
信号により軸方向の回転体浮上位置制御を行うことは上
述の各実施形態と同様である。同様に交流成分抽出部４
５で抽出された回転数に対応するパルス状信号は、回転
センサ信号処理部２６，回転数制御部２７，インバータ
部２８を介してモータの回転数制御に利用される。
【００３１】図８は、上記第２の実施形態の磁気軸受機
構部の変形例を示し、図９はその要部の拡大図である。
この実施形態では、軸方向変位を検出する平面３３をス
ラストディスク４２に配置することは同様であるが、回
転数を検出するための切欠部（凹部）３５をスラストデ
ィスクの周辺部に配置している。これに対応して、軸方
向変位センサ３８，３９を軸方向電磁石１５の巻線部の
外部に配置している。又、変位センサ３８，３９の出力
を受ける制御装置の構成も、図７に示したものと同一で
ある。尚、図示の例は凹部を設けた例を示しているが、
凸部にしてもよい。これにより、変位センサ３８，３９
の出力を用いて平面３３の検出位置から回転体の軸方向
変位を検出し、凹部３５から回転数に対応したパルス状
信号を抽出できることは上述の各実施形態と同様であ
る。
【００３２】この実施形態によれば、磁気軸受機構部の
軸端側固定部に設置した軸方向変位センサ３８，３９
と、スラストディスク４０に設置した平面３３と凹部３
５とにより、変位センサ３８，３９が回転体の浮上位置
（変位）と回転数を同時に検出した信号を出力し、制御
装置内部に設置された各々の信号処理回路部によって信
号処理することにより、回転体の位置変位信号と回転数
信号を抽出することができる。これらの信号を磁気軸受
装置の制御に使用することで、位置検出用ディスクが不
要となるので、磁気軸受機構部の軸方向長さを短くする
ことと、この構造変更により磁気軸受機構部を構成する
部品を削減することが可能となる。
【００３３】又、上記実施形態は、本発明についての実
施例を示したものであり、同一平面上に設置した軸方向
位置検出用変位センサの個数と回転体の軸端側に設置し
た検出用平面に設ける凹凸部の本数については、各種の
組合わせが存在し、数量を変えた場合においても上述と
同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、固
定側に位置検出用変位センサと、回転側にこのセンサに
対面する検出用平面と、この平面に設けられた凹部及び
又は凸部とを配置することで、変位センサから対面する
平面までの変位と、回転体の回転数とを両方同時に計測
することが可能になる。従って、磁気軸受機構部の特に
軸端部の構造を簡素なものとすることができ、これによ
り部品点数の削減及び形状の小型化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の磁気軸受機構部を示
す断面図である。
【図２】図１における検出ディスクの平面図、立面図、
側面図である。
【図３】図１の磁気軸受機構部における軸方向変位及び
回転数の制御装置のブロック図である。
【図４】（ａ）（ｂ）はそれぞれ変位センサ出力信号を
示す図であり、（ｃ）は２個の変位センサの加算信号出
力を示し、（ｄ）は減算出力信号を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の磁気軸受機構部を示
す断面図である。
【図６】図５におけるスラストディスクの平面図、立面
図、側面図である。
【図７】図５の磁気軸受機構部における軸方向変位及び
回転数の制御装置のブロック図である。
【図８】図５に示す磁気軸受機構部の変形例を示す図で
ある。
【図９】図８のスラストディスクの要部を示す図であ
る。
【図１０】従来の磁気軸受機構部を示す断面図である。
【図１１】図１０の磁気軸受機構部における軸方向変位
及び回転数の制御装置のブロック図である。
【符号の説明】
１１ 半径方向変位センサ １３ 回転数センサ １４，３１，３２，３８，３９ 軸方向変位センサ １５ 軸方向電磁石 １７ 回転数検出ディスク １８ スラストディスク １９ 半径方向変位センサターゲット ２０ 半径方向電磁石 ２１ 半径方向電磁石ターゲット ２３ 変位センサ信号処理部 ２４ 補償回路部 ２５ 励磁電流アンプ部 ２６ 回転センサ信号処理部 ２７ 回転数制御部 ２８ インバータ部 ３０ 変位検出兼回転数検出ディスク ３３ 検出用平面 ３４ 凸部 ３５ 凹部 ４１ 位置変位信号抽出部 ４２ 回転数信号抽出部 ４５ 交流成分抽出部 ４６ 変位信号成形部
フロントページの続き (72)発明者 中澤 敏治 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目１番１号 株 式会社荏原電産内 (72)発明者 宮本 松太郎 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 Ｆターム(参考） 3J102 AA01 BA03 BA19 CA16 CA17 CA19 DA02 DA03 DA09 DB05 DB08 DB10 DB11 GA13 5H607 AA12 BB01 BB14 BB25 CC01 DD16 DD19 GG01 GG02 GG09 GG21 HH01 5H611 AA01 BB01 PP05 QQ03 UA01

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 回転体を電磁石又は永久磁石の磁気力に
    より浮上支持する磁気浮上回転機械において、前記回転
    体に位置検出用平面と該平面に設けた凹部及び／又は凸
    部を備え、固定側に前記凹部又は凸部を含めた平面の変
    位を検出する変位センサを備え、該変位センサの出力か
    ら前記回転体の変位を検出すると共に、前記回転体の回
    転数を検出する検出機構を備えたことを特徴とする磁気
    浮上回転機械。
  2. 【請求項２】 前記回転体の変位は、前記変位センサ出
    力から前記凹部又は凸部を除いた平面の変位を抽出して
    検出することを特徴とする請求項１記載の磁気浮上回転
    機械。
  3. 【請求項３】 前記回転体の回転数は、前記変位センサ
    出力から前記凹部又は凸部に対応したパルス出力を抽出
    して検出することを特徴とする請求項１記載の磁気浮上
    回転機械。
  4. 【請求項４】 前記変位センサは、前記回転体の回転中
    心に対して任意の配置角度で、少なくとも１対配置さ
    れ、前記検出用平面は、前記変位センサに対面するよう
    に配置され、前記凹部及び／又は凸部は前記平面の回転
    中心に対して前記変位センサが配置された任意の角度と
    同一の角度で、前記変位センサ位置に対応して配置さ
    れ、前記少なくとも１対の変位センサ出力から、前記検
    出用平面の位置変位と回転数を各々演算出力し、前記回
    転体の変位と前記回転体の回転数を検出することを特徴
    とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気浮上回転
    機械。
  5. 【請求項５】 前記検出用平面は、回転体に備えられた
    軸方向浮上位置制御用電磁石の制御対象であるスラスト
    ディスクに配置したことを特徴とする請求項１乃至４の
    いずれかに記載の磁気浮上回転機械。
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