JP2003106333A - Magnetic bearing device - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は磁気軸受装置に関
し、特に、特殊ガス環境や水中などの特殊環境で使用さ
れる磁気軸受装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic bearing device, and more particularly to a magnetic bearing device used in a special environment such as a special gas environment or water.
【０００２】[0002]
【従来の技術】エキシマレーザ装置では、フッ素ガス雰
囲気中で還流ファンを回転させてフッ素ガス還流させて
電極からレーザ光を発生させるために、還流ファンは回
転軸に固定されており、回転軸は磁気軸受装置により非
接触で支持されている。ところが、磁気軸受ステータは
金属材料で形成されており、フッ素ガス雰囲気中に晒さ
れると腐食するという問題がある。このため、磁気軸受
ステータとロータの間の磁気軸受ギャップ部に薄肉金属
パイプなどからなるキャンを挿入し、電磁石や位置検出
センサなどの磁気軸受部品が特殊環境に晒されることを
防止している。そのような例は、たとえば特許第２９８
１２１０号において知られている。2. Description of the Related Art In an excimer laser device, a reflux fan is fixed to a rotary shaft in order to rotate the reflux fan in a fluorine gas atmosphere to reflux the fluorine gas and generate laser light from an electrode. It is supported by a magnetic bearing device in a non-contact manner. However, since the magnetic bearing stator is made of a metal material, there is a problem that it is corroded when exposed to a fluorine gas atmosphere. Therefore, a can made of a thin metal pipe or the like is inserted in the magnetic bearing gap portion between the magnetic bearing stator and the rotor to prevent the magnetic bearing parts such as the electromagnet and the position detection sensor from being exposed to a special environment. Such an example is disclosed, for example, in Japanese Patent No. 298.
No. 1210.
【０００３】図４は従来のキャン構造を持った磁気軸受
装置の要部断面図である。図４において、磁気軸受ロー
タ１に対向するように電磁石２と位置検出センサ３とが
配置されており、これらの電磁石２と位置検出センサ３
とによって磁気軸受４が構成されている。磁気軸受ロー
タ１には電磁石２，位置検出センサ３のためのターゲッ
ト５が取付けられており、位置検出センサ３は磁気軸受
ロータ１とのギャップ６を検出し、その検出出力信号に
基づいて図示しないコントローラにより電磁石２が制御
され、電磁石２の磁気力により磁気軸受ロータ１が磁気
浮上し、非接触で磁気軸受ロータ１が支持される。この
とき、電磁石２と位置検出センサ３はガスなどの特殊環
境８に晒されないように、磁気軸受ロータ１と電磁石２
および位置検出センサ３との間には、キャン７が挿入さ
れている。FIG. 4 is a sectional view of a main part of a conventional magnetic bearing device having a can structure. In FIG. 4, an electromagnet 2 and a position detection sensor 3 are arranged so as to face the magnetic bearing rotor 1, and these electromagnet 2 and position detection sensor 3 are arranged.
The magnetic bearing 4 is constituted by and. A target 5 for an electromagnet 2 and a position detection sensor 3 is attached to the magnetic bearing rotor 1, and the position detection sensor 3 detects a gap 6 with the magnetic bearing rotor 1 and is not shown based on the detection output signal. The electromagnet 2 is controlled by the controller, the magnetic bearing rotor 1 is magnetically levitated by the magnetic force of the electromagnet 2, and the magnetic bearing rotor 1 is supported in a non-contact manner. At this time, the electromagnet 2 and the position detection sensor 3 are protected from being exposed to the special environment 8 such as gas so that the magnetic bearing rotor 1 and the electromagnet 2 are not exposed.
A can 7 is inserted between the position detecting sensor 3 and the position detecting sensor 3.
【０００４】図４に示した位置検出センサ３は誘導型セ
ンサが用いられており、図５に示すように、センサコア
３１にセンサコイル３２が巻回されて構成されている。
そして、センサコイル３２に発振器１０から数十ｋＨｚ
以下の励磁電圧が与えられると、センサコア３１内に発
生した磁束がキャン７，ギャップ６を貫通し、ターゲッ
ト５内の磁性材料を通り、センサコア３１に戻る磁気ル
ープが形成される。センサコア３１とターゲット５間の
距離はセンサコイル３２のインダクタンス変化によって
検出できる。An inductive sensor is used as the position detecting sensor 3 shown in FIG. 4, and a sensor coil 32 is wound around a sensor core 31 as shown in FIG.
Then, from the oscillator 10 to the sensor coil 32, several tens of kHz
When the following excitation voltage is applied, the magnetic flux generated in the sensor core 31 penetrates the can 7 and the gap 6, passes through the magnetic material in the target 5, and returns to the sensor core 31 to form a magnetic loop. The distance between the sensor core 31 and the target 5 can be detected by the change in the inductance of the sensor coil 32.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】図５に示した従来の誘
導型センサでは、センサコア３１の材質に鉄，珪素鋼
板，パーマロイなどの金属磁性材料を用いるため、セン
サコア３１内で多くの渦電流が発生し、センサ感度が低
下する欠点があった。また、通常磁気軸受では図６に示
すように、位置検出センサ３は電磁石２や図示しないモ
ータと隣接して配置され、ターゲット５は位置検出セン
サ３に対向する部分と、電磁石２に対向する部分とが同
じ磁性材料で構成されており、電磁石２から発生する磁
束の漏れが位置検出センサ３のセンシングに悪影響を及
ぼす可能性があった。In the conventional inductive sensor shown in FIG. 5, a large amount of eddy current is generated in the sensor core 31 because the sensor core 31 is made of a metal magnetic material such as iron, silicon steel plate, and permalloy. However, there is a drawback that the sensor sensitivity is lowered. Further, in the normal magnetic bearing, as shown in FIG. 6, the position detection sensor 3 is arranged adjacent to the electromagnet 2 and a motor (not shown), and the target 5 is a portion facing the position detection sensor 3 and a portion facing the electromagnet 2. And are made of the same magnetic material, and the leakage of the magnetic flux generated from the electromagnet 2 may adversely affect the sensing of the position detection sensor 3.
【０００６】また、他の位置検出センサとして図７に示
すような渦電流センサ３０がある。渦電流センサ３０は
センサコア３３として非金属材料または空芯コアが用い
られる。このセンサコア３３にセンサコイル３２を巻回
して位置検出センサ３０が構成される。センサコイル３
２には発振器１０から数ＭＨｚ程度の励磁電圧が供給さ
れる。この励磁電圧によりセンサコア３３内に磁束が発
生し、この磁束がキャン７，センサターゲット５に到達
する。このとき、センサターゲット５表面で生じる渦電
流により磁束が発生する。この磁束はセンサコア３３で
発生する磁束と逆向きになっている。渦電流によって発
生した磁束により、センサコイル３２のインダクタンス
が変化する。このインダクタンス変化量によってセンサ
コア３３とセンサターゲット５との間の距離を検出でき
る。渦電流センサ３０では図４〜図６に示した誘導セン
サ３のように磁気ループを形成する必要がないため、タ
ーゲット５として磁性材料を用いる必要がない。しか
し、渦電流センサ３０は、キャン７で多くの渦電流が発
生し、大きなセンサ感度が得られず実用的でないという
問題があった。Another position detecting sensor is an eddy current sensor 30 as shown in FIG. The eddy current sensor 30 uses a non-metal material or an air core as the sensor core 33. The position detection sensor 30 is constructed by winding the sensor coil 32 around the sensor core 33. Sensor coil 3
An excitation voltage of about several MHz is supplied to the oscillator 2 from the oscillator 10. A magnetic flux is generated in the sensor core 33 by this excitation voltage, and this magnetic flux reaches the can 7 and the sensor target 5. At this time, a magnetic flux is generated by the eddy current generated on the surface of the sensor target 5. This magnetic flux is in the opposite direction to the magnetic flux generated in the sensor core 33. The magnetic flux generated by the eddy current changes the inductance of the sensor coil 32. The distance between the sensor core 33 and the sensor target 5 can be detected by the amount of change in the inductance. Unlike the inductive sensor 3 shown in FIGS. 4 to 6, the eddy current sensor 30 does not need to form a magnetic loop, so that it is not necessary to use a magnetic material as the target 5. However, the eddy current sensor 30 has a problem that a large amount of eddy current is generated in the can 7 and a large sensor sensitivity cannot be obtained, which is not practical.
【０００７】それゆえに、この発明の主たる目的は、キ
ャンを隔てたセンシングにおいても十分な感度が得ら
れ、また隣接する電磁石の影響を受けることのない位置
検出センサを備えた磁気軸受装置を提供することであ
る。Therefore, a main object of the present invention is to provide a magnetic bearing device having a position detection sensor which can obtain sufficient sensitivity even in sensing with a can separated and which is not affected by an adjacent electromagnet. That is.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】この発明は、被支持部材
と、被支持部材に対向して配置され、支持部材を非接触
で支持する制御型磁気軸受とを有する磁気軸受装置であ
って、制御型磁気軸受は、磁力により吸引力を発生する
電磁石と、センサコアに巻きつけたコイルに交流電圧を
印加して被支持部材の位置を検出する位置センサとを備
え、センサコアがフェライト材からなることを特徴とす
る。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a magnetic bearing device having a supported member and a control type magnetic bearing which is arranged to face the supported member and supports the supporting member in a non-contact manner. The control type magnetic bearing includes an electromagnet that generates an attractive force by a magnetic force and a position sensor that applies an AC voltage to a coil wound around a sensor core to detect the position of a supported member, and the sensor core is made of a ferrite material. Is characterized by.
【０００９】このようにセンサコアをフェライト材で構
成することにより、フェライトの内部で発生する渦電流
が小さくなり、この渦電流は磁束の流れを妨げるように
働くものなので、センサコア内での磁束の減衰が少な
く、十分な大きさのセンサ感度を得ることができる。By thus forming the sensor core with the ferrite material, the eddy current generated inside the ferrite becomes small, and this eddy current acts so as to obstruct the flow of the magnetic flux, so that the magnetic flux is attenuated in the sensor core. Is small, and a sufficiently large sensor sensitivity can be obtained.
【００１０】また、位置センサは、誘導型または渦電流
型であることを特徴とする。さらに、フェライト材は、
Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトであることを特徴とする。Further, the position sensor is of an inductive type or an eddy current type. Furthermore, the ferrite material is
It is characterized by being a Ni-Zn ferrite.
【００１１】これらのフェライト材は体積抵抗率が非常
に大きいため、絶縁処理を施すことなくセンサコイルを
巻回できるので製作性が良好となる。Since these ferrite materials have a very high volume resistivity, the sensor coil can be wound without applying an insulation treatment, so that the manufacturability becomes good.
【００１２】また、制御型磁気軸受は、被支持部材に対
して薄肉の金属部材を介して対向することを特徴とす
る。Further, the controllable magnetic bearing is characterized in that it faces the supported member via a thin metal member.
【００１３】この薄肉の金属部材により、位置センサが
特殊環境に晒されることがない。さらに、位置検出セン
サが位置を検出する被支持部材の被検出面は、オーステ
ナイト系ステンレスから形成されたものであることを特
徴とする。The thin metal member prevents the position sensor from being exposed to a special environment. Furthermore, the detected surface of the supported member whose position is detected by the position detection sensor is formed of austenitic stainless steel.
【００１４】このオーステナイト系材料は腐食性ガスな
どに強いため、特殊環境での使用に有利となる。Since this austenitic material is resistant to corrosive gases and the like, it is advantageous for use in a special environment.
【００１５】さらに、センサコアを覆う磁性材料からな
る磁気遮蔽板を設けたことを特徴とする。Further, a magnetic shield plate made of a magnetic material for covering the sensor core is provided.
【００１６】この磁気遮蔽板により位置検出センサをシ
ールドすることができ、外部からのノイズに対して誤動
作することがない。The position detecting sensor can be shielded by this magnetic shield plate, and malfunction does not occur due to noise from the outside.
【００１７】[0017]
【発明の実施の形態】図１はこの発明の一実施形態の位
置検出センサが設けられた磁気軸受装置の要部を示す断
面図である。図１において、この実施形態に用いられる
磁気軸受装置において、電磁石は図４に示したものと同
じものが用いられるが、位置検出センサ２０に特徴があ
る。すなわち、位置検出センサ２０はフェライト材から
なるセンサコア２１にセンサコイル２２が巻回して構成
される。この位置検出センサ２０は磁気軸受ロータ１に
取付けられているターゲット５に、所定のギャップ６を
有して対向するように配置されている。1 is a cross-sectional view showing a main part of a magnetic bearing device provided with a position detection sensor according to an embodiment of the present invention. 1, in the magnetic bearing device used in this embodiment, the same electromagnet as that shown in FIG. 4 is used, but the position detection sensor 20 is characterized. That is, the position detection sensor 20 is configured by winding a sensor coil 22 around a sensor core 21 made of a ferrite material. The position detection sensor 20 is arranged so as to face the target 5 attached to the magnetic bearing rotor 1 with a predetermined gap 6.
【００１８】フェライトは従来の金属磁性材料に比べて
電気抵抗（体積抵抗率）が著しく大きいため、電流を流
しにくいという特徴がある。このため、フェライトとそ
の他の金属磁性材料に同じ電圧を与えた場合、他の金属
磁性材料に比べてフェライトの内部で発生する渦電流が
小さくなる。この渦電流は磁束の流れを妨げるように働
くものなので、センサコア２１内での磁束の減衰が少な
く、十分な大きさのセンサ感度を得ることができる。な
お、フェライトコアを用いた位置検出センサ２０でもキ
ャン７で渦電流が発生するが、ターゲット５まで十分な
量の磁束が到達し、ターゲット５の位置検出が容易にな
る。Since ferrite has a remarkably large electric resistance (volume resistivity) as compared with the conventional metal magnetic material, it has a characteristic that it is difficult to pass an electric current. Therefore, when the same voltage is applied to the ferrite and the other metal magnetic material, the eddy current generated inside the ferrite becomes smaller than that of the other metal magnetic materials. Since this eddy current acts so as to obstruct the flow of the magnetic flux, the magnetic flux is less attenuated in the sensor core 21 and a sufficient sensor sensitivity can be obtained. Even in the position detection sensor 20 using the ferrite core, an eddy current is generated in the can 7, but a sufficient amount of magnetic flux reaches the target 5, which facilitates the position detection of the target 5.
【００１９】この発明の位置検出センサに用いられる使
用するフェライト材は、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトまたは
Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトを使用できる。特に、Ｎｉ−Ｚ
ｎ系フェライトは体積抵抗率（電気抵抗）が非常に大き
いため、絶縁処理を施すことなくセンサコイル２２を巻
回することが可能であり、製作性が良好になる。The ferrite material used in the position detecting sensor of the present invention may be Ni-Zn type ferrite or Mn-Zn type ferrite. Especially Ni-Z
Since the n-type ferrite has a very large volume resistivity (electrical resistance), it is possible to wind the sensor coil 22 without performing insulation treatment, and the manufacturability is improved.
【００２０】また、ターゲット５としては、オーステナ
イト系ステンレス鋼が用いられる。一般に、オーステナ
イト系ステンレス鋼は腐食性ガスなどの特殊ガスに強い
材料であり、特殊環境での使用に有利である。具体的に
は、ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３０４Ｌ，ＳＵＳ３１６，Ｓ
ＵＳ３１６Ｌ，ＳＵＳ３１０Ｓなどが使用可能である。As the target 5, austenitic stainless steel is used. In general, austenitic stainless steel is a material resistant to a special gas such as a corrosive gas and is advantageous for use in a special environment. Specifically, SUS304, SUS304L, SUS316, S
US316L, SUS310S, etc. can be used.
【００２１】図７に示した従来の渦電流センサでは発振
器１０の励磁周波数は渦電流を多く発生させるため、数
ＭＨｚ程度が使用された。しかし、このような高い周波
数はキャン７をほとんど貫通できないため、ターゲット
の検出は不可能であった。これに対して、この実施形態
では、発振器１０の励磁周波数を５０ｋＨｚ程度まで低
下させて使用される。このように励磁周波数を下げるこ
とにより、キャン７での渦電流発生を小さくできるた
め、磁束がターゲット７まで容易に到達でき、ターゲッ
ト７の位置検出が可能となる。In the conventional eddy current sensor shown in FIG. 7, the exciting frequency of the oscillator 10 is about several MHz because a large amount of eddy current is generated. However, since such a high frequency hardly penetrates the can 7, it is impossible to detect the target. On the other hand, in this embodiment, the excitation frequency of the oscillator 10 is lowered to about 50 kHz before use. Since the eddy current generation in the can 7 can be reduced by lowering the excitation frequency in this way, the magnetic flux can easily reach the target 7 and the position of the target 7 can be detected.
【００２２】図２はこの発明の他の実施形態の位置検出
センサを示す断面図である。この実施形態は図２に示し
た位置検出センサ２０を構成するセンサコア２１とセン
サコイル２２の周囲を遮蔽するように磁性材料２３を配
置したものである。この磁性材料２３は磁気シールドの
役割をするため、外部からのノイズに対して位置検出セ
ンサ２０の誤動作を減らすことができる。FIG. 2 is a sectional view showing a position detecting sensor according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, a magnetic material 23 is arranged so as to shield the periphery of a sensor core 21 and a sensor coil 22 which form the position detection sensor 20 shown in FIG. Since the magnetic material 23 functions as a magnetic shield, it is possible to reduce malfunctions of the position detection sensor 20 against external noise.
【００２３】図３はこの発明のさらに他の実施形態の位
置検出センサを示す断面図である。この実施形態は、セ
ンサコア２４を軸方向に伸ばし、その先端部が磁性材料
２３の内壁と接触するように構成したものである。ま
た、磁性材料２３とセンサコア２１とを一体に形成して
もよい。この例ではセンサコア２４からターゲット５に
向かう磁束の漏れ成分を磁性材料２３により拾い上げ
て、センサコア２４内部に戻すことができ、より大きな
磁束をターゲット５に導くことが可能となる。そして、
磁性材料２３としてフェライト材を用いればより大きな
効果が得られる。FIG. 3 is a sectional view showing a position detecting sensor according to still another embodiment of the present invention. In this embodiment, the sensor core 24 is extended in the axial direction, and the tip end portion thereof is in contact with the inner wall of the magnetic material 23. Further, the magnetic material 23 and the sensor core 21 may be integrally formed. In this example, the leakage component of the magnetic flux from the sensor core 24 toward the target 5 can be picked up by the magnetic material 23 and returned to the inside of the sensor core 24, and a larger magnetic flux can be guided to the target 5. And
A larger effect can be obtained by using a ferrite material as the magnetic material 23.
【００２４】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。The embodiments disclosed this time are to be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description but by the claims, and is intended to include meanings equivalent to the claims and all modifications within the scope.
【００２５】[0025]
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、磁力
により吸引力を発生する電磁石と、センサコアに巻きつ
けたコイルに交流電圧を印加して被支持部材の位置を検
出する位置センサとによって制御型磁気軸受を構成し、
センサコアを従来の金属磁性材料に比べて電気抵抗（体
積抵抗率）が著しく大きく、電流を流しにくいフェライ
ト材で構成したので、フェライトの内部で発生する渦電
流が小さくなり、この渦電流は磁束の流れを妨げるよう
に働くものなので、センサコア内での磁束の減衰が少な
く、十分な大きさのセンサ感度を得ることができる。As described above, according to the present invention, an electromagnet that generates an attractive force by a magnetic force, and a position sensor that applies an AC voltage to a coil wound around a sensor core to detect the position of a supported member. Controlled magnetic bearing is constructed by
Since the sensor core is made of a ferrite material that has a significantly higher electric resistance (volume resistivity) than conventional metal magnetic materials and does not allow current to flow easily, the eddy current generated inside the ferrite is reduced, and this eddy current Since it works so as to obstruct the flow, there is little attenuation of the magnetic flux in the sensor core, and a sufficiently large sensor sensitivity can be obtained.
【図１】 この発明の一実施形態の位置検出センサが設
けられた磁気軸受装置の要部を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main part of a magnetic bearing device provided with a position detection sensor according to an embodiment of the present invention.
【図２】 この発明の他の実施形態の位置検出センサを
示す断面図である。FIG. 2 is a sectional view showing a position detection sensor according to another embodiment of the present invention.
【図３】 この発明のさらに他の実施形態の位置検出セ
ンサを示す断面図である。FIG. 3 is a sectional view showing a position detection sensor according to still another embodiment of the present invention.
【図４】 従来のキャン構造を持った磁気軸受装置の要
部断面図である。FIG. 4 is a sectional view of a main part of a conventional magnetic bearing device having a can structure.
【図５】 従来の誘導型センサの断面図である。FIG. 5 is a sectional view of a conventional inductive sensor.
【図６】 従来の誘導型位置検出センサを使用した場合
の不具合を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining a defect when a conventional inductive position detection sensor is used.
【図７】 従来の渦電流型位置検出センサを示す図であ
る。FIG. 7 is a diagram showing a conventional eddy current type position detection sensor.
１ 磁気軸受ロータ、５ ターゲット、６ ギャップ、
７ キャン、１０ 発振器、２０ 位置検出センサ、２
１，２４ センサコア、２２ センサコイル、２３ 磁
性材料。1 magnetic bearing rotor, 5 targets, 6 gaps,
7 can, 10 oscillator, 20 position detection sensor, 2
1, 24 sensor cores, 22 sensor coils, 23 magnetic materials.
フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F063 AA23 BA03 BB05 BC04 BD16 DA14 DA19 DC08 DD02 GA08 GA50 KA01 KA03 PA06 3J102 AA01 CA26 DB01 DB05 FA01 FA19 FA22 GA18 Continued front page F term (reference) 2F063 AA23 BA03 BB05 BC04 BD16 DA14 DA19 DC08 DD02 GA08 GA50 KA01 KA03 PA06 3J102 AA01 CA26 DB01 DB05 FA01 FA19 FA22 GA18
Claims (6)
て配置され、該被支持部材を非接触で支持する制御型磁
気軸受とを有する磁気軸受装置であって、 前記制御型磁気軸受は、 磁力により吸引力を発生する電磁石と、 センサコアに巻きつけたコイルに交流電圧を印加して前
記被支持部材の位置を検出する位置センサとを備え、 前記センサコアがフェライト材からなることを特徴とす
る、磁気軸受装置。1. A magnetic bearing device, comprising: a supported member; and a control type magnetic bearing which is arranged so as to face the supported member and supports the supported member in a non-contact manner. Is equipped with an electromagnet that generates an attractive force by a magnetic force, and a position sensor that applies an AC voltage to a coil wound around a sensor core to detect the position of the supported member, and the sensor core is made of a ferrite material. And a magnetic bearing device.
型であることを特徴とする、請求項１に記載の磁気軸受
装置。2. The magnetic bearing device according to claim 1, wherein the position sensor is an inductive type or an eddy current type.
ライトであることを特徴とする、請求項１または２に記
載の磁気軸受装置。3. The magnetic bearing device according to claim 1, wherein the ferrite material is a Ni—Zn ferrite.
に対して薄肉部材を介して対向することを特徴とする、
請求項１から３のいずれかに記載の磁気軸受装置。4. The control type magnetic bearing is opposed to the supported member via a thin member.
The magnetic bearing device according to claim 1.
記被支持部材の被検出面は、オーステナイト系ステンレ
スから形成されたものであることを特徴とする、請求項
１から４のいずれかに記載の磁気軸受装置。5. The surface to be detected of the supported member, the position of which is detected by the position detection sensor, is made of austenitic stainless steel. Magnetic bearing device.
からなる磁気遮蔽板を設けたことを特徴とする、請求項
１から５のいずれかに記載の磁気軸受装置。6. The magnetic bearing device according to claim 1, further comprising a magnetic shield plate made of a magnetic material that covers the sensor core.
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