JP2003090340A

JP2003090340A - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JP2003090340A
Application number: JP2001286155A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kubo; 厚久保
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2003-03-28

Abstract

(57)【要約】【課題】主軸の軸方向寸法を短縮することができると
ともに、主軸の両端にインペラ等の構造物を容易に取付
けることができ、しかも主軸の熱膨張が回転センサに与
える影響を抑えることができるコンパクトで回転数検出
精度に優れた磁気軸受装置を提供する。【解決手段】回転体１の主軸２の外周に回転センサタ
ーゲット１０を設けるとともに、この回転センサターゲ
ット１０に対向する位置で、回転体１の周方向で互いに
異なる位置に第１及び第２の回転センサ５、６を配置す
る。そして、検出回路１２が第１及び第２の回転センサ
５、６からの出力信号を用いて、回転体１の回転数を検
出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気浮上させた回
転体を非接触支持する磁気軸受装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気軸受装置では、制御型磁気軸受によ
って磁気浮上させた回転体の回転制御を行うために、当
該回転体の回転数を検出する必要があり、従来、例えば
図５（ａ）及び（ｂ）に示すターゲット円盤５２及び回
転センサ５３を用いて回転数を検出していた。図におい
て、従来の磁気軸受装置では、回転体５０の主軸５１の
一端部５１ａに導電性材料からなるターゲット円盤５２
を一体回転可能に取付け、さらにこのターゲット円盤５
２に対向するよう回転体５０の軸方向に回転センサ５３
を配置している。上記ターゲット円盤５２は、上記の軸
方向に段差を形成したものであり、図示のように中央の
端面５２ａと、これより低くなるように切り欠かれた一
対の端面５２ｂとを有している。

【０００３】上記回転センサ５３は、フェライトコア
と、このフェライトコアに巻回されたコイルとを備えた
渦電流式のものであり、そのセンサ出力はターゲット円
盤５２との距離に応じて変化する。つまり、この回転セ
ンサ５３がターゲット円盤５２の回転に伴って上記端面
５２ａ、５２ｂと交互に対向すると、回転センサ５３は
端面５２ａ、５２ｂとの距離の差に応じたパルス列状の
信号を出力する。そして、この信号における所定時間内
のパルス数をカウントすることにより、回転体５０の回
転数が検出される。尚、回転体５０が所定の回転数で回
転している定常状態においては、回転体５０は図示を省
略した磁気軸受によって正確に位置制御されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の磁気軸受装置では、主軸５１の一端部５１
ａにターゲット円盤５２を取付けていたので、主軸５１
の軸方向寸法が長くなるという問題があった。さらに、
ターゲット円盤５２に対向するよう回転センサ５３を上
記軸方向に配置していたので、装置の軸方向寸法を短く
し難く、当該装置を小型化することが難しいという問題
があった。また、主軸５１の両端にインペラ等の構造物
を取付ける膨張機や圧縮機などでは、このようなターゲ
ット円盤５２及び回転センサ５３を取付けることが困難
であった。また、主軸５１は、一般的にそのラジアル方
向の寸法（直径）よりも軸方向寸法の方が大きいもので
あり、温度上昇に伴う当該主軸５１の熱膨張寸法もまた
ラジアル方向に比べて軸方向の方が大きいものであっ
た。このため、主軸５１の軸方向での熱膨張により、タ
ーゲット円盤５２と回転センサ５３とのギャップが短く
なって回転センサ５３による回転体５０の回転数検出精
度が低下したり、最悪の場合ターゲット円盤５２と回転
センサ５３とが接触するおそれがあった。

【０００５】上記のような従来の問題点に鑑み、本発明
は、主軸の軸方向寸法を短縮することができるととも
に、主軸の両端にインペラ等の構造物を容易に取付ける
ことができ、しかも主軸の熱膨張が回転センサに与える
影響を抑えることができるコンパクトで回転数検出精度
に優れた磁気軸受装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、主軸を有する
回転体を磁気浮上させる複数の電磁石を備え、前記回転
体を非接触支持する磁気軸受装置であって、前記主軸の
外周に設けられた回転センサターゲットと、前記回転セ
ンサターゲットに対向する位置で、前記回転体の周方向
で互いに異なる位置に配置された２つの回転センサと、
前記２つの回転センサからの出力信号を用いて、前記回
転体の回転数を検出する検出回路とを備えたことを特徴
とするものである（請求項１）。

【０００７】上記のように構成された磁気軸受装置で
は、回転センサターゲットを主軸の外周に設け、さらに
その回転センサターゲットの外方に回転センサを配置す
ることにより、主軸の軸方向寸法を短縮することができ
るとともに、当該装置の軸方向寸法を短縮することがで
きる。また、上記回転センサターゲットを主軸の両端以
外の外周に設けることにより、インペラ等の構造物を当
該両端に取付けることができる。また、主軸がその温度
上昇によって熱膨張したときでも、そのラジアル方向に
おける熱膨張量は軸方向に比べて小さいことから、回転
センサを軸方向に配置した場合に比べて主軸の熱膨張が
回転センサに与える影響を抑えることができる。しか
も、検出回路が２つの回転センサからの出力信号を用い
て回転体の回転数を検出することにより、回転体の回転
数検出精度を向上することができる。

【０００８】また、上記磁気軸受装置（請求項１）にお
いて、前記検出回路が、前記２つの回転センサからの出
力信号の差動処理を行うことにより、前記回転体の回転
数を検出することが好ましい（請求項２）。この場合、
検出回路が２つの回転センサからの出力信号の差動処理
を行うので、各出力信号に含まれた周囲温度による変動
分を相殺することができ、検出回路は温度ドリフトの影
響を打ち消すことができる。

【０００９】また、上記磁気軸受装置（請求項１または
２）において、前記２つの各回転センサが、ケイ素鋼板
により構成されたコアを有することが好ましい（請求項
３）。この場合、キュリー温度の高いケイ素鋼板をコア
に用いることにより、高温環境で使用できる回転センサ
を構成することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の磁気軸受装置を示
す好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明
する。図１（ａ）は本発明の一実施形態による磁気軸受
装置の要部構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は図１
（ａ）におけるＩｂ−Ｉｂ線断面図である。図におい
て、回転体１は円柱状の主軸２を有するものであり、こ
の回転体１の外方には、ラジアル磁気軸受を構成する電
磁石３と、回転体１のラジアル方向への変位を検出する
ためのラジアルセンサ４と、回転体１の回転数を検出す
るための第１の回転センサ５及び第２の回転センサ６と
が設けられている。上記電磁石３及びラジアルセンサ４
は、それぞれ回転体１の周りに、例えば８個及び４個等
間隔に配置されたものであるが、図面の簡略化のため
に、図１（ａ）では各々１個の電磁石３及びラジアルセ
ンサ４のみを図示し、図１（ｂ）では２個の電磁石３の
みを図示している。

【００１１】また、回転体１の外方には、例えば玉軸受
により構成された保護軸受７が設けられている。この保
護軸受７は、その内輪が回転体１の外周面から所定の離
間寸法（例えば、０．１ｍｍ程度）をおいて回転体１の
周りに配置されたものであり、回転体１のラジアル方向
の可動範囲を規制するとともに、停電等に起因して電磁
石３が回転体１を支持できなくなったときに当該回転体
１を支持して保護する。また、この回転体１では、イン
ペラ等の構造物が必要に応じて主軸２の一端または両端
に取付られている（図示せず）。

【００１２】上記主軸２は、ステンレス等の非磁性材料
により構成されている。この主軸２の外周には、ケイ素
鋼板等からなる円環状のロータコア８及びラジアルセン
サターゲット９と、略円環状の回転センサターゲット１
０とが当該主軸２と一体回転可能に設けられている。こ
れらのロータコア８、ラジアルセンサターゲット９、及
び回転センサターゲット１０は、焼嵌めにより主軸２の
外周に取付られたものであり、ロータコア８及びラジア
ルセンサターゲット９はケイ素鋼板等からなる電磁石３
のコア３ａ及びラジアルセンサ４のコア４ａにそれぞれ
対向するよう主軸２の外周に位置決めされている。ま
た、回転センサターゲット１０は、第１及び第２の回転
センサ５、６の後述のコア５ａ、６ａに対向するよう主
軸２の外周に位置決めされている。尚、主軸２の外周に
は、当該主軸２と同じ非磁性材料により構成された円環
状部材１１が焼嵌めにより取付られており、上記ロータ
コア８、ラジアルセンサターゲット９、及び回転センサ
ターゲット１０の回転体１における位置決めを容易なも
のとしている。

【００１３】上記回転センサターゲット１０は、図２
（ａ）及び（ｂ）も参照して、切り欠き部１０ｂが設け
られ、鉄等の磁性材料からなる略円環状のカラー１０ａ
により構成されている。上記切り欠き部１０ｂは、回転
体１の長手方向中心線Ｌに対して線対称となるように、
１８０度位相差で２箇所設けられたものであり、回転体
１の軸方向と切り欠き端面９ｂ１を有している。また、
この切り欠き部１０ｂの回転体１の外周面からの切り欠
き寸法は、上記離間寸法より大きい値を有するよう設定
されており、その最大切り欠き寸法Ｓは、例えば２〜３
ｍｍに設定されている。

【００１４】上記第１の回転センサ５は、ケイ素鋼板に
より構成されたコ字型状の上記コア５ａと、このコア５
ａに巻回されたコイル５ｂとを備えたインダクタンス式
のものであり、回転体１のラジアル方向において隣り合
う２つの電磁石３の間に配置されている。同様に、第２
の回転センサ６は、ケイ素鋼板により構成されたコ字型
状の上記コア６ａと、このコア６ａに巻回されたコイル
６ｂとを備えたインダクタンス式のものであり、回転体
１のラジアル方向において図示しない隣り合う２つの電
磁石３の間に配置されている。また、上記第１及び第２
の回転センサ５、６は、回転体１の周方向に沿って、９
０度位相差で配置されている。また、これら第１及び第
２の回転センサ５、６には、当該センサ５、６の出力信
号を用いて、回転体１の回転数を検出する検出回路１２
が接続されている。

【００１５】上記第１及び第２の回転センサ５、６の各
出力信号は、回転センサターゲット１０との距離に応じ
て変化する。つまり、第１及び第２の回転センサ５、６
が回転体１の回転に伴って回転センサターゲット１０の
外周面１０ａ１と切り欠き端面１０ｂ１と交互に対向す
ると、各回転センサ５、６は外周面１０ａ１と切り欠き
端面１０ｂ１との距離の差に応じたパルス列状の信号を
検出回路１２に出力する。

【００１６】上記検出回路１２は、第１及び第２の回転
センサ５、６からの出力信号の差動処理を行うことによ
り、回転体１の回転数を検出する。具体的には、図３に
示すように、検出回路１２には、第１及び第２の回転セ
ンサ５、６が反転入力端子及び非反転入力端子にそれぞ
れ接続された差動増幅器１２ａと、この差動増幅器１２
ａの出力端子が反転入力端子に接続されたコンパレータ
１２ｂとが設けられている。このコンパレータ１２ｂの
非反転入力端子には、比較値として所定の基準電圧信号
（例えば、０Ｖ）が入力されており、上記差動増幅器１
２ａからの出力信号の差動結果を示す信号と比較して、
その比較結果を示す信号をカウント回路に出力するよう
になっている。そして、検出回路１２では、カウント回
路が上記コンパレータ１２ｂからの比較結果を示す信号
における所定時間内のパルス数をカウントすることによ
り、回転体１の回転数を検出する。

【００１７】より詳細にいえば、例えば第１の回転セン
サ５では、そのコイル５ｂに所定の高周波信号（例え
ば、１００ｋＨｚ）が入力されると、上記コ字型状のコ
ア５ａでは、その回転センサターゲット１０に対向する
一方の対向部分から回転センサターゲット１０との間に
介在する空気を経て回転センサターゲット１０に向かっ
て流れ、かつ他方の対向部分に戻る磁束が発生する。こ
のように、コア５ａに発生する磁束は透磁率の小さい空
気中を流れるため、その空気中の距離に比例して流れに
くくなる。それゆえ、コア５ａが切り欠き端面１０ｂ１
と対向している場合では、外周面１０ａ１と対向してい
る場合に比べて、磁束が流れにくくなり、インダクタン
スは小さくなる。この結果、上記コイル５ｂに励起され
る励起電圧、つまり第１の回転センサ５の出力信号も小
さくなる。従って、第１の回転センサ５からの出力信号
は、図４（ａ）に示すように、対向する回転センサター
ゲット１０との距離に応じて変動するパルス列状の信号
となり、第１の回転センサ５はこのパルス列状の信号を
差動増幅器１２ａの反転入力端子に出力する。

【００１８】同様に、第２の回転センサ６からの出力信
号は、図４（ｂ）に示すように、対向する回転センサタ
ーゲット１０との距離に応じて変動するパルス列状の信
号となり、第２の回転センサ６はこのパルス列状の信号
を差動増幅器１２ａの非反転入力端子に出力する。尚、
図１（ｂ）に示したように、１８０度位相差で設けられ
た切り欠き部１０ｂに対して、第１及び第２の回転セン
サ５、６を９０度位相差で配置しているので、第１及び
第２の回転センサ５、６からの出力信号では、図４
（ａ）及び（ｂ）に示すように、位相が９０度異なる。
また、各回転センサ５、６は、回転体１が１回転する毎
に、２つのパルスを含んだ信号を出力する。尚、ここで
は、空気が介在する例を示したが、他の流体を介在する
こと、あるいは真空中で用いることも可能である。

【００１９】そして、差動増幅器１２ａが、入力された
第１及び第２の回転センサ５、６からの出力信号の差動
処理を行うことにより、図４（ｃ）に示すように、各回
転センサ５、６からの出力信号よりも大きい振幅を有す
る、差動結果を示す信号が生成され、コンパレータ１２
ｂの反転入力端子に出力される。その後、コンパレータ
１２ｂが、上記差動結果を示す信号と、非反転入力端子
に入力された上記基準電圧信号とを比較することによ
り、差動結果を示す信号は、図４（ｄ）に示すように、
ハイレベルまたはローレベルからなる２値化信号に整形
され、カウンタ回路に出力される。そして、カウンタ回
路が、例えば信号の立ち上がり時点を検出することによ
ってパルス数をカウントし、回転体１の回転数を検出す
る。

【００２０】尚、検出回路１２では、上記コンパレータ
１２ｂでの上記比較値（基準電圧信号の値）を調整する
ことにより、たとえ回転体１が位置制御不良や地震等に
起因してラジアル方向に振動し、各回転センサ５、６か
らの出力信号が変動したときでも、その振動による影響
を排除して回転数を正確に検出することができる。特
に、本実施形態では、回転体１と保護軸受７との上記離
間寸法より大きい値を有するように上記切り欠き部１０
ｂの切り欠き寸法を設定している点とも相まって、上記
振動による出力信号の変動の影響を容易に排除でき、回
転体１の回転数検出精度が振動によって低下するのを防
ぐことができる。

【００２１】以上のように、本実施形態の磁気軸受装置
では、主軸２の外周に回転センサターゲット１０を設け
ているので、主軸の一端部にターゲット円盤を設けた上
述の従来例のものと異なり、主軸２の軸方向寸法を短縮
することができる。さらには、回転センサターゲット１
０と対向するよう回転体１の外方に第１及び第２の回転
センサ５、６を配置しているので、回転センサを回転体
の軸方向に配置した従来例のものと異なり、当該装置の
軸方向寸法を短縮することができる。また、上記回転セ
ンサターゲット１０を主軸２の両端以外の外周に設けて
いるので、インペラ等の構造物を当該両端に取付けるこ
とができる。また、主軸２のラジアル方向の寸法（直
径）は軸方向寸法に比べて小さいものであり、主軸２が
温度上昇によって熱膨張したときでも、そのラジアル方
向における熱膨張量は軸方向に比べて小さいので、第１
及び第２の各回転センサ５、６のギャップが短くなるこ
とに起因して回転数検出精度が低下するのを抑えること
ができ、さらに各回転センサ５、６が回転センサターゲ
ット１０に接触するのを防止することができる。従っ
て、従来例に比べて主軸２の熱膨張が各回転センサ５、
６に与える影響を抑えることができる。しかも、検出回
路１２が第１及び第２の回転センサ５、６からの出力信
号を用いて回転体１の回転数を検出することにより、回
転体１の回転数検出精度を向上することができる。

【００２２】また、本実施形態では、検出回路１２が第
１及び第２の回転センサ５、６からの出力信号の差動処
理を行うので、各出力信号に含まれた周囲温度による変
動分を相殺することができ、検出回路１２は温度ドリフ
トの影響を打ち消すことができる。その結果、回転体１
の回転数検出精度が温度ドリフトにより低下するのを防
止することができる。さらに、差動増幅器１２ａが、図
４（ｃ）に示したように、各回転センサ５、６からの出
力信号を用いて、各出力信号よりも大きい振幅を有する
信号を生成するので、各回転センサ５、６の出力信号の
レベルが渦電流損等に起因して小さくなったときでも、
検出回路１２は回転体１の回転数を精度よく検出するこ
とができる。

【００２３】また、本実施形態では、フェライトよりも
キュリー温度の高いケイ素鋼板をコア５ａ、６ａに用い
ているので、高温環境で使用できる回転センサを構成す
ることができる。具体的には、周囲温度が２００℃の場
合でも、第１及び第２の回転センサ５、６は回転センサ
ターゲット１０を検出し出力信号を検出回路１２に出力
することができ、検出回路１２は上記高温環境でも回転
体１の回転数を検出することができる。

【００２４】尚、上記の説明では、１８０度位相差の２
箇所の切り欠き部１０ｂが設けられた回転センサターゲ
ット１０に対して、第１及び第２の回転センサ５、６を
９０度位相差で配置し、さらに検出回路１２が第１及び
第２の回転センサ５、６の出力信号の差動処理を行うこ
とにより、回転体１の回転数を検出する構成について説
明したが、本発明は検出回路１２が第１及び第２の回転
センサ５、６からの出力信号を用いて、回転体１の回転
数を検出するものであれば何等限定されるものではな
い。例えば上記回転センサターゲット１０に対して、第
１及び第２の回転センサ５、６を１８０度位相差で配置
した場合は、上記差動増幅器１２ａに代えて、第１及び
第２の回転センサ５、６からの出力信号を加算処理する
加算器を検出回路１２内に設ける構成でもよい。このよ
うに構成することにより、差動増幅器１２ａを用いた場
合と同様に各出力信号よりも大きい振幅を有する信号を
生成することができ、各回転センサ５、６の出力信号の
レベルが渦電流損等に起因して小さくなったときでも、
検出回路１２は回転体１の回転数を精度よく検出するこ
とができる。また、この場合でも、上記コンパレータ１
２ｂでの比較値を調整することにより、温度ドリフトの
影響を受けることなく回転体１の回転数を検出すること
ができる。

【００２５】また、上記の説明では、切り欠き部１０ｂ
が設けられ、鉄等の磁性材料からなるカラー１０ａによ
り略円環状の回転センサターゲット１０を構成した場合
について説明したが、回転センサターゲット１０は主軸
２の外周に設けられ、回転体１の回転に応じて第１及び
第２の回転センサ５、６の出力信号を変化させるもので
あればよく、回転センサターゲット１０の構成や材質は
主軸２の材質や第１及び第２の回転センサ５、６の検出
方式等により適宜変更することができる。具体的には、
上記切り欠き部１０ｂの箇所に、カラー１０ａと異なる
材質、例えば導電性材料や非磁性材料からなる部材を取
付けて回転センサターゲット１０を完全な円環状に構成
してもよい。また、主軸２が鉄等の磁性材料により構成
される場合には、その主軸２の外周面に、上記切り欠き
部１０ｂのような２箇所の切削部分を周方向に沿って設
け、それらの切削部分を含む主軸２の外周面の一周部分
全体を回転センサターゲット１０としてもよい。また、
切り欠き部１０ｂの設置数及び設置箇所は上記の１８０
度位相差の２箇所に限定されない。但し、回転体１の中
心線Ｌ（図２（ａ））に対して線対称な位置に設けるこ
とが、回転体１の回転バランスを安定させる点で好まし
い。

【００２６】また、上記の説明では、第１及び第２の回
転センサ５、６としてインダクタンス式のセンサを用い
た場合について説明したが、第１及び第２の回転センサ
５、６はこれに限定されるものではなく、渦電流式のセ
ンサでもよい。

【００２７】

【発明の効果】以上のように構成された本発明は以下の
効果を奏する。請求項１の磁気軸受装置によれば、上記
主軸及び当該装置の軸方向寸法を短縮することができる
ので、コンパクトな磁気軸受装置を提供することができ
る。また、主軸の両端以外の外周に回転センサターゲッ
トを設けているので、インペラ等の構造物を当該主軸の
両端に取付けることができる。また、主軸がその温度上
昇によって熱膨張したときでも、そのラジアル方向にお
ける熱膨張寸法は軸方向に比べて小さいので、回転セン
サを軸方向に配置した場合に比べて、主軸の熱膨張が回
転センサに与える影響を抑えることができる。しかも、
検出回路が２つの回転センサからの出力信号を用いて回
転体の回転数を検出するので、回転体の回転数検出精度
を向上することができる。

【００２８】請求項２の磁気軸受装置によれば、検出回
路は上記２つの回転センサからの出力信号での温度ドリ
フトの影響を打ち消すことができるので、回転体の回転
数検出精度が温度ドリフトにより低下するのを防止する
ことができる。

【００２９】請求項３の磁気軸受装置によれば、キュリ
ー温度の高いケイ素鋼板をコアに用いているので、高温
環境で使用できる回転センサを構成することができる。
その結果、検出回路は高温環境でも回転体の回転数を検
出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は本発明の一実施形態による磁気軸
受装置の要部構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は図
１（ａ）におけるＩｂ−Ｉｂ線断面図である。

【図２】図２（ａ）は図１に示した回転センサターゲッ
トの構成を示す構造図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）
のIIｂ−Ｏ−IIｂ’線における断面図である。

【図３】図１に示した検出回路の要部構成例を示す回路
図である。

【図４】図４は図３に示した検出回路の各部における信
号波形を示す波形図であり、図４（ａ）〜（ｄ）はそれ
ぞれ第１及び第２の回転センサ、差動増幅器、及びコン
パレータからの出力信号の波形を示す波形図である。

【図５】図５（ａ）は従来の磁気軸受装置の要部構成を
示す断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＶｂ−Ｖ
ｂ線側からみたターゲット円盤の底部を示す構造図であ
る。

【符号の説明】

１回転体２主軸３電磁石５第１の回転センサ６第２の回転センサ１０回転センサターゲット１０ａカラー１０ｂ切り欠き部１２検出回路１２ａ差動増幅器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F063 AA35 BA03 BD16 CA09 CA35 CB01 CB02 DA05 DC08 DD03 GA07 GA08 KA02 LA23 NA07 2F077 AA13 AA14 PP06 VV01 3J102 AA01 BA03 CA33 DA03 DA09 DB08 DB38

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主軸を有する回転体を磁気浮上させる複数
の電磁石を備え、前記回転体を非接触支持する磁気軸受
装置であって、前記主軸の外周に設けられた回転センサターゲットと、前記回転センサターゲットに対向する位置で、前記回転
体の周方向で互いに異なる位置に配置された２つの回転
センサと、前記２つの回転センサからの出力信号を用いて、前記回
転体の回転数を検出する検出回路とを備えていることを
特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】前記検出回路が、前記２つの回転センサか
らの出力信号の差動処理を行うことにより、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記載の磁
気軸受装置。
【請求項３】前記２つの各回転センサが、ケイ素鋼板に
より構成されたコアを有していることを特徴とする請求
項１または２記載の磁気軸受装置。