JP2003520949A

JP2003520949A - 電気機械のロータの位置を決定する方法および位置センサ

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Publication number: JP2003520949A
Application number: JP2001554015A
Authority: JP
Inventors: ランット，エルッキ
Original assignee: ハイスピードテックオイリミテッド
Priority date: 2000-01-20
Filing date: 2001-01-16
Publication date: 2003-07-08
Anticipated expiration: 2021-01-16
Also published as: FI112278B; JP4578045B2; FI20000112A; CN1173152C; WO2001053774A1; CA2395580A1; EP1252478B8; FI20000112A0; CN1395675A; EP1252478A1; US20030122541A1; EP1252478B1; US6737861B2; AU2001228537A1

Abstract

(57)【要約】ラジアル方向（Ｘ，Ｙ）および軸方向（Ｚ）における電気機械のロータ（５）の位置を測定する方法は、歯付きリング（２）を使用し、これを通してロータ（５）のシャフト（５ａ）が取付けられる。シャフト（５ａ）は、実質的に歯付きリング（２）において取付けられる補助リング（６）を備える。歯付きリングは、少なくとも３組の歯を備え、第１組（３ａ１，３ａ２，…，３ａ８）の歯は、ラジアル方向（Ｘ，Ｙ）のシャフト（５ａ）の移動を測定するために使用され、第２組（３ｂ１，３ｂ２，３ｂ３，３ｂ４）および第３組（３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４）の歯は、軸方向（Ｚ）のシャフト（５ａ）の移動を測定するために使用され、第２組（３ｂ１，３ｂ２，３ｂ３，３ｂ４）および第３組（３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４）の歯が、軸方向（Ｚ）において少なくとも部分的に相互に対して異なる位置に取付けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、ラジアル方向および軸方向における電気機械のロータの位置を決定
する方法に関し、該方法は歯付きリングを使用し、該歯付きリングはロータのシ
ャフトの周囲に取付けられる。本発明はまた、ラジアル方向および軸方向におけ
る電気機械のロータの位置を決定する位置センサに関し、該位置センサは歯付き
リングを含み、該歯付きリングを通してロータのシャフトが取付けられるために
配置される。

【０００２】磁気軸受において、ロータの位置は、通常、軸方向と、ロータの両端部におけ
る２つのラジアル方向とにおいて、すなわち全部で５つの座標を用いて測定され
る。この測定データに基づいて、ロータが所望の位置に浮遊されるように、磁気
の流れが制御される。位置センサは、磁気軸受システムの重要な部品である。位
置センサは、充分に正確で、かつ、実質的に線形でなければならない。位置セン
サは、良好なシグナル／ノイズ比、および高い内在感度を有していなければなら
ない。位置センサは信頼性があり、製造が安価で、かつできるだけ容易に取付け
られるべきである。さらに、それぞれの座標は、差分測定を得るために異なる方
向から、少なくとも２つのセンサ部品によって測定されることが重要である。こ
れは、熱膨張および汚れによって生じる歪みを効率よく除去するであろう。

【０００３】ドイツ特許出願ＤＥ２８４８１７３は、ラジアル方向のみならず軸方向におけ
るシャフトの偏り測定のためのセンサ構成を示している。最も重要な特徴として
、該構成は、シャフトに関連して配置された歯付きリングを含む。リングの外側
には、固定されたさらなるリングが存在し、該リングに関して測定が行われる。
この歯付きリングにおける歯の幅は、ロータの軸方向における補助リングの幅よ
りも広い。ロータに接続された歯付きリングにおいて、全ての歯はロータの軸方
向に対して同じ位置に存在せず、該歯は、２組に分類され、第１組の歯は、軸方
向に対して実質的に同じ位置に相互に取付けられ、第２組の歯は、実質的に同じ
位置に、かつ、軸方向において見て、第１組の歯よりも少なくとも部分的に異な
る位置に相互に取付けられる。リングの歯には、磁束を生成し、測定するための
巻線が備えられる。第１組および第２組の歯に形成される巻線は、それぞれ、ラ
ジアルおよび軸方向における偏りを測定することに意図されている。ロータが所
望の位置に存在するとき、補助リングに対してラジアル方向に測定している巻線
の位置は、補助リングが第１組の歯において存在するような位置である。軸方向
における測定は、第２組の歯が補助リングにおいて単に部分的に存在するように
して準備される。したがって、軸方向における移動は、リラクタンスの変化とし
て検出される。しかしながら、ドイツ出願公開公報ＤＥ２８４８１７３において
示されるこの解決手段は、磁気軸受に関する使用の点から見ていくつかの不都合
を有する。第１に、センサは、区別をつけて軸方向を測定しておらず、あるリラ
クタンスの変化として測定しているだけである。したがって、ロータおよびステ
ータ間の熱膨張は、軸方向の測定結果において明らかにされる。したがって、適
切な軸方向測定を実現するためには、平行に置かれた２つのこのようなセンサが
必要とされる。全ての必要な自由度を測定するために、類似の１組のセンサがま
た、ロータの他端部に取付けられなければならない。差分測定が、ロータの各端
部に１つのセンサだけを取付けることによって実行される場合、これはセンサを
取付けるために高い精度が要求されるという結果になるであろう。さらに、この
ような解決手段は、未だ熱膨張の影響を受け易い。第２に、示された解決手段に
おいては、歯およびコイルがロータに存在する。歯付ロータは高速度で空気抵抗
の原因となり、機械的強度が乏しい。さらに、高速度で回転するロータにおいて
、ロータ側のコイルに電力供給を用意することは困難である。

【０００４】ラジアル方向および軸方向における偏り測定のための他の周知のセンサ構成は
、ロータシャフトが円錐部分を備えるものである。位置センサは、円錐部分に関
連して配置される。したがって、軸方向およびラジアル方向の両方向における偏
りは、ロータにおいて検出され得る。このセンサ構成は、たとえばロータをこの
ような円錐に機械加工することが余計な作業段階を要求し、充分な精度をもって
機械加工することが難しいという不都合を伴う。このような円錐に対して取付け
られた位置センサによるラジアル方向測定と軸方向測定との間には、いわゆるク
ロスコネクションが存在する。すなわち、たとえば軸方向におけるロータの位置
ずれがラジアル方向における測定においても明らかにされ、ラジアル方向におけ
るロータの位置ずれが軸方向における測定においても明らかにされるということ
である。したがって、クロスコネクションを除去するために、測定結果は、比較
的複雑な方法で数的処理されなければならない。また、この解決手段は装着に高
い精度要求を伴い、熱膨張の影響を受け易い。

【０００５】本発明の目的は、１つのセンサを使用することによって、ラジアル方向および
軸方向における電気機械のロータの位置を決定する方法を提供することであり、
該センサは、差分測定を得るために、センサの歯のいくつかがラジアル方向にお
いて測定するために使用され、いくつかが軸方向において測定するために使用さ
れるように形成される。本発明の他の目的は、上述の欠点が大幅に取除かれた位
置センサを提供することである。本発明に従う方法は、補助リングが実質的にシ
ャフト上の歯付きリングの位置に備えられ、歯付きリングは少なくとも３組の歯
を備え、第１組の歯はラジアル方向におけるシャフトの移動を測定するために使
用され、第２組および第３組の歯は軸方向におけるシャフトの移動を測定するた
めに使用され、第２組および第３組の歯は、軸方向において、少なくとも部分的
に相互に対して異なる位置に取付けられることを特徴とする。本発明に従う位置
センサは、シャフトが実質的に歯付きリングの位置に取付けられた補助リングを
含み、歯付きリングが少なくとも３組の歯を含み、第１組の歯は、ラジアル方向
におけるシャフトの移動を測定するために使用されるために配置され、第２組お
よび第３組の歯が軸方向におけるシャフトの移動を測定するために使用されるた
めに配置され、第２組および第３組の歯が、軸方向において、少なくとも部分的
に相互に対し異なる位置に取付けられることを特徴とする。本発明は、位置セン
サがロータの周囲に取付けられる歯付きリングから成り、ロータが電気的特性お
よび／または磁気特性がロータシャフトの残りの構造と異なる部分を備え、軸方
向において測定するための歯が差分測定を可能にするために、軸方向に少なくと
も２つの位置に配置される、というアイデアに基づく。

【０００６】本発明は、先行技術の解決手段と比較して、注目に値する利点を示す。本発明
の位置センサを使用するとき、単一のセンサが、ラジアルおよび軸方向における
信頼性のある測定を達成するために使用されることができ、温度の影響が先行技
術の位置センサ以上に勘案され得る。本発明に従う２つの位置センサは、軸方向
における差分情報、すなわちロータの各端部における差分情報の２つの別個の項
目を出すために使用されることができる。したがって、ロータおよびステータ間
の熱膨張が検出され得る。さらに、本発明に従う位置センサは、特定の方法で、
歯が付けられた薄板を複数の薄板の組として結合させて使用することによって容
易に製造される。さらに、本発明に従う位置センサを使用するために、特定の円
錐形状がローターシャフトにおいて形成される必要はなく、真っ直ぐなシャフト
が使用され得る。

【０００７】以下において、本発明は添付図面に関連してより詳細に記載されるであろう。以下において、本発明は、磁束の変化の測定に基づく位置センサの実施例によ
ってより詳細に記載されるであろう。まず歯付きリングおよびシャフトに関する
いくつかの用語を定義づけ、異なった観点を記載するために本明細書において以
下に使用されるであろう。シャフトに形成される歯付きリングおよび補助リング
の厚さはシャフトの軸方向Ｚにおいて測定される。次に、歯の幅は歯付きリング
の周方向Ｒにおいて測定された歯の寸法を表す。さらに、歯の幅および厚さに実
質的に垂直な方向、すなわち、円周の法線Ｎ方向における歯の高さを定義づける
であろう。ラジアル方向におけるシャフト位置は２つの異なる方向Ｘ、Ｙにおい
て行われる測定によって決定される。

【０００８】添付の図１は、本発明の有利な実施形態に従う位置センサの歯付きリング２を
斜視図で示す。また、上述の異なる方向のすべては、上述の用語の意味を明らか
にするために図１に示される。この歯付きリング２は、好ましくは、変圧器の薄
板のように、複数の薄板から成る。充分な数のこれらの薄板が、歯付きリングの
所望の厚さを達成するために、それぞれの上に積み重ねられる。この板は、好ま
しくは、（周方向における）歯の幅が実質的に同一であるが、（周方向に実質的
に垂直方向における）歯の高さは異なるように、実質的に２つの異なる寸法の歯
を備えるような、実質的に板である。したがって、一部の薄板は、同じ位置にそ
れぞれの上に取付けられ、その他の薄板は、３つのタイプの歯を形成するために
薄板が別の位置に回転されるようにして、それぞれの上に取付けられる。続いて
、さらに図１を参照して、これらの異なる歯のタイプをより詳細に記載する。第
１組の歯は、図１の参照符３ａ１，３ａ２，…，３ａ８で示される、実質的に歯
付きリングの厚さを備えた歯からなる。これに対して、第２組の歯は、幅が、好
ましくは、歯付きリングの実質的に半分の厚さであり、かつ歯付きリングの第１
面４ａの側面の一部に取付けられる歯からなる。これらの歯は、参照符３ｂ１，
３ｂ２，３ｂ３，３ｂ４で示される。さらに、第３組の歯は、幅が、好ましくは
、実質的に歯付きリングの厚さが半分であり、かつ歯付きリングの第２面４ｂの
側面の一部に取付けられる歯からなる。この第３組の歯は、添付の図１に３ｃ１
，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４で示される。図１の有利な実施形態においては、これ
らの組の異なる歯が、歯１つおきに第１組の歯３ａ１，３ａ２，…，３ａ８が存
在し、これらの間に、第２組の歯３ｂ１，３ｂ２，３ｂ３，３ｂ４と、第３組の
歯３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４が交互に存在するように、好ましくは、交互
にされる。しかしながら、本発明の範囲内で、ここで示されるグループ分けとは
別のグループ分けを使用することも可能であることは明らかである。１つの代替
例は、第１組の２つの歯３ａ１，３ａ２，…，３ａ８が順に存在し、第２組の１
つの歯３ｂ１，３ｂ２，３ｂ３，３ｂ４および第３組の１つの歯３ｃ１，３ｃ２
，３ｃ３，３ｃ４が続くものである。別の代替例は、それぞれの組の歯が、たと
えば第２組、第１組、第３組の順（３ｂ１，３ａ１，３ｃ１，３ｂ２，３ａ２，
３ｃ２，…）で交互にされるものである。この後者の代替例は、たとえば位置セ
ンサが分割され得るという点で有利である。これは、ロータ周囲の所定位置に取
付けられる２またはそれ以上の部分からなる位置センサに言及する。したがって
、このようなセンサはその位置に装着される必要はなく、また、ロータは、位置
センサの取外しまたは取付けに関連して取外される必要はない。分割可能な位置
センサ２において、分離されるそれぞれの部分は、好ましくは、１つまたは２つ
の第１組の歯３ａ１，３ａ２，…，３ａ８、同数の第２組３ｂ１，３ｂ２，３ｂ
３，３ｂ４および第３組３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４の両組の歯を、好まし
くは、含む。

【０００９】図２はまた、歯付きリングの円周面の法線方向において歯付きリングの中心か
ら見た、かつ中心の周りを３６０°回転された、図１の歯付きリングの歯の位置
を示す。

【００１０】ロータ５のシャフト５ａには、シャフト５ａの他の部分とは明確に異なる磁気
伝導率を有する補助リング６（図３ａ〜３ｃ）が設けられる。この補助リング６
は、歯付きリング２と同じ方法で薄板から形成され、または、たとえば粉末金属
もしくはフェライトで形成され得る。軸方向におけるこの補助リングの厚さは、
第１組における歯３ａ１，３ａ２，…，３ａ８の厚さよりも実質的に小さく、好
ましくは、この補助リング６の厚さは、第１組の歯３ａ１，３ａ２，…，３ａ８
の厚さの約半分、すなわち第２組および第３組における歯３ｂ１，３ｂ２，３ｂ
３，３ｂ４，３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４の厚さと実質的に同じである。し
かしながら、補助リング６の厚さは、必ずしも第２組および第３組における歯３
ｂ１，３ｂ２，３ｂ３，３ｂ４，３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４の厚さと実質
的に同じである必要はない。したがって、第１組の歯３ａ１，３ａ２，…，３ａ
８はラジアル方向における偏りを測定するために使用され得る。第２組の歯３ｂ
１，３ｂ２，３ｂ３，３ｂ４は、第１の差分測定結果を達成するために、軸方向
における偏りを測定するために使用されることができる。これに対して、第３組
の歯３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４は第２の差分測定結果を達成するために、
軸方向における偏りを測定するために使用され得る。これらの差分測定およびラ
ジアル測定は、本明細書において以下に示される。

【００１１】歯付きリング２がまた上述の薄板とは別の材料から成っていてもよいことは明
らかである。この文中においては、粉末金属およびフェライトが、歯付きリング
の製造に使用可能な材料として記載されるべきである。

【００１２】補助リング６はまた、それを取り囲んでいる材料よりも乏しい磁気伝導体であ
ってもよい。補助リング６は、たとえば、空気であってもよく、薄い鉄板によっ
て囲まれていてもよく、または補助リングは薄い鉄板からなり、空気によって囲
まれる。少なくとも以下の表において示される組み合わせが可能である。

【００１３】

【００１４】歯付きリング２の歯３ａ１，３ａ２，…，３ａ８，３ｂ１，３ｂ２，３ｂ３，
３ｂ４，３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４には、巻線（添付の図３ａ、図３ｂお
よび図３ｃにおいて参照符８ａ，８ｂ，８ｃで示される）が設けられ、好ましく
は、同じ巻数でそれぞれの歯に巻かれ、実質的に等しい巻ワイヤが各巻線８ａ，
８ｂ，８ｃにおいて使用される。さらにそれぞれの巻線８ａ，８ｂ，８ｃにおい
て使用される巻き方向は、好ましくは、同じ方向であり、その巻きは同じ点から
始められる。測定配置において、巻線８ａ，８ｂ，８ｃが、ラジアル測定におい
て、２つの測定信号がＸ方向およびＹ方向において第１組の歯３ａ１，３ａ２，
…，３ａ８の実質的に反対側に存在する巻線によって形成されるように、好まし
くは、グループ分けされ、第１および第２の測定信号の変化は、それぞれＸ方向
およびＹ方向における偏りの方向および大きさを示す。これに対して、軸方向に
おける測定に関して、第２組の歯３ｂ１，３ｂ２，３ｂ３，３ｂ４の巻線８ｂは
、第１の差分測定値を形成するために相互に結合されることができ、これに対し
て第３組の歯３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４の巻線８ｃは、第２の差分測定値
を形成するために相互に結合されることができる。第１および第２の差分測定値
を組み合わせることによって、軸方向における中心位置からのシャフトの偏りを
示すことが可能である。

【００１５】図３ａは、第１組の歯３ａ１，３ａ２，…，３ａ８の詳細にわたる拡大を断面
図で示す。セクション６の厚さが歯３ａ１，３ａ２，…，３ａ８の幅よりも実質
的に小さいので、補助リング６が歯３ａ１，３ａ２，…，３ａ８に全面的に取付
けられると、測定値はシャフト５ａの位置によって有意に影響されない。しかし
ながら、ラジアル方向における偏りは、測定結果から直接に検出され得る。対応
する方法において、図３ｂは、第２組の歯３ｂ１，３ｂ２，３ｂ３，３ｂ４に関
する状況を示し、図３ｃは、第３組の歯３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４に関す
る対応する状況を示す。それぞれの場合において、補助リング６は、測定歯３ｂ
１，３ｂ２，３ｂ３，３ｂ４，３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４において単に部
分的に取付けられ、シャフトの軸方向における少しの移動でさえも、測定データ
をそれ相応に変化させるであろう。この変化は、第２の歯３ｂ１，３ｂ２，３ｂ
３，３ｂ４および第３の歯３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４の巻線８ｂ，８ｃに
おいて区別をつけて検出される。このことは、第２組の巻線８ｂにおける測定信
号の変化が、第３組の巻線８ｃにおける測定信号の変化の方向と反対であること
を意味する。

【００１６】さらに、図４ａ、図４ｂおよび図４ｃは、本発明に従う位置センサ１に関して
適用され得る測定に関するいくつかの接続の縮小図を示す。図４ａは、本発明の
有利な実施形態に従う位置センサに関してラジアル方向における有利な測定配列
を縮小図で示し、図４ｂは、本発明の有利な実施形態に従う位置センサに関して
軸方向における有利な測定配列を縮小図で示し、図４ｃは、図４ａおよび４ｂの
測定配列に関して測定ブロック９ｘ，９ｙ，９ｚに関する有利な構造を縮小図で
示す。第１組の歯３ａ１，３ａ２，…，３ａ８の巻線８ａ１，８ａ２，…，８ａ
８には、位置センサにおいて第１組の歯３ａ１，３ａ２，…，３ａ８における磁
束を生成するために、電流などの測定信号を入力する手段ＩＮ＋，ＩＮ−が設け
られる。この磁束は、隣接した歯、好ましくは、第２組３ｂ１，３ｂ２，３ｂ３
，３ｂ４および第３組の歯３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４に伝えられる。この
磁束は、軸方向Ｚにおける第２組３ｂ１〜３ｂ４および第３組３ｃ１〜３ｃ４の
これらの歯に関して、たとえば目下シャフト５ａの補助リング６の位置によって
影響を受け、第２組および第３組のこれらの巻線８ｂ１，８ｂ２，８ｂ３，８ｂ
４，８ｃ１，８ｃ２，８ｃ３，８ｃ４から測定されることができる。さらに、ラ
ジアル方向における偏りは、第１組の歯の巻線８ａを通って測定されるべきＸ方
向成分およびＹ方向成分に影響を及ぼすであろう。したがって、これらのＸ、Ｙ
およびＺの測定値を測定することによって、シャフトの位置がラジアル方向およ
び軸方向の両方向において毎回決定され得る。これを達成するためには、変圧器
７（図４ｃ）が、測定回路からの測定信号のガルバニック分離（galvanic separ
ation）および巻線８ａ１，８ａ２，…，８ａ８，８ｂ１，８ｂ２，８ｂ３，８
ｂ４，８ｃ１，８ｃ２，８ｃ３，８ｃ４の分離のために、これらの測定される変
数Ｘ、ＹおよびＺのそれぞれに、好ましくは、結合される。変圧器の二次コイル
は測定信号に比例した出力信号を生成するが、出力信号は、それぞれの測定信号
のために実行され、好ましくは、増幅器ＡＭＰ、マルチプライヤブロックＭＩＸ
、およびローパスフィルタなどのフィルタＬＰＦを含む測定ブロック９ｘ，９ｙ
，９ｚにおいて増幅される。図４ｃの結合は、図４ａに従うラジアル方向におけ
る測定結合において、および図４ｂに従う軸方向における測定結合において適用
され得る。測定信号ＩＮ＋，ＩＮ−と実質的に同じ周波数を有し、測定信号ＩＮ
＋，ＩＮ−に関する位相差が適切に設定されるマルチプライヤ信号ＭＯＤが、マ
ルチプライヤブロックＭＩＸに送られる。この位相差は、軸方向における測定に
おいてのみならず、ラジアル方向におけるＸ成分およびＹ成分の測定においても
異なり得る。したがって、出力極ＯＸ＋，ＯＸ−，ＯＹ＋，ＯＹ−，ＯＺ＋，Ｏ
Ｚ−における電流を測定することによって、異なる方向におけるシャフトの本当
の位置を計算することができる。上記電流測定の代わりに、電圧測定を利用する
ことも可能であることは明らかであり、当業者にとって周知の対応する変化が、
測定結合においてなされる。

【００１７】巻線の結合に関する、上に示された配列は、有利な解決手段の一例に過ぎず、
本発明に関して、巻線８ａ，８ｂ，８ｃはまた多数の他の方法において実行され
得る。たとえば、巻線８ａ４および８ａ５は相互に交換可能であり、巻線８ａ６
および８ａ７も同様である。また、第２組の巻線８ｂ１，８ｂ２，８ｂ３，８ｂ
４および第３組の巻線８ｃ１，８ｃ２，８ｃ３，８ｃ４は、並列にせず直列に結
合されることができ、または、巻線のいくつかが並列に、いくつかが直列に結合
され得る。

【００１８】測定信号ＩＮ＋，ＩＮ−の周波数は、好ましくは、数１０キロヘルツである。使用される増幅器ＡＭＰは、好ましくは、非常に低いインピーダンスを有する
増幅器であり、高いインピーダンスを有するものよりも広い線形測定範囲を達成
することができる。さらに、低いインピーダンスを有する増幅器を使用するとき
、高いインピーダンスを有する増幅器を使用するときよりも、ケーブルの長さが
測定結果に対して与える影響は小さい。

【００１９】さらに、添付の図６は、センサ１の歯付きリング２が軸方向における２つの部
分からなる構成を示す。したがって、第１部分２ａおよび第２部分２ｂは軸方向
において同一のポイントに取付けられる必要はなく、これらの部分２ａ、２ｂは
たとえば、図６の実施例に示されるように、ラジアル軸受１０の異なる側面に取
付けられ得る。本実施形態は、たとえば、歯付きリングの第１部分２ａおよび第
２部分２ｂが相互に同一になり得るという利点を有する。さらに、すべての歯３
ａ１〜３ａ８，３ｂ１〜３ｂ４，３ｃ１〜３ｃ４は相互に等しくなり得る。また
、この解決手段は、使用される補助リング６が、好ましくは、薄鋼板で形成され
るラジアル軸受１０に属するシャフトリングになり得るという利点を有する（図
示せず）。必要であれば、このシャフトリングの厚さは、位置センサ１における
歯付きリングの部分２ａ，２ｂがそれらの位置において取付けられるときに、シ
ャフトリングが部分的に歯３ａ１〜３ａ８，３ｂ１〜３ｂ４，３ｃ１〜３ｃ４に
配置されるように増加される。

【００２０】第１組の歯３ａ１〜３ａ８のそれぞれが、ラジアル方向において実質的に同位
置に配置された、歯付きリングの両部分２ａ，２ｂの少なくとも２つの歯からな
り、すなわち、１組の歯を形成する。これらの歯は、添付図面において参照符３
ａ１＋〜３ａ８＋，３ａ１−〜３ａ８−で示される。各組の歯３ａ１＋，３ａ１
−；３ａ２＋，３ａ２−；…；３ａ８＋，３ａ８−の巻線は、好ましくは、直列
に結合される。したがって、図４ａの結合に適用することができ、各コイル８ａ
１，８ａ２，…，８ａ８は直列に結合されたこれらの組の歯３ａ１＋，３ａ１−
；３ａ２＋，３ａ２−；…；３ａ８＋，３ａ８−のコイルからなる。本実施形態
において、第２組の歯３ｂ１〜３ｂ８は、この好ましい実施形態における数は８
つであるが、たとえば、歯付きリングの第１部分２ａにおいて取付けられ、これ
に応じて、第３組の歯３ｃ１〜３ｃ８は、この好ましい実施形態における数はま
た８つであるが、歯付きリングの第２部分２ｂにおいて配置される。第２組の歯
の巻線８ｂ１〜８ｂ４および第３組の歯の巻線８ｃ１〜８ｃ４は、第１実施形態
の記載に関して上に示されたようになされ得る。歯付きリングの部分２ａ，２ｂ
がまた、ラジアル方向において、２つまたはそれ以上の部分に分割され得ること
は明らかであり、位置センサの取付けは、ロータが取外されることを要求しない
。

【００２１】位置センサ１およびラジアル軸受１０が相互に非常に接近して取付けられる、
このような配置はまた、制御システムの実行を容易にする。このことは、たとえ
ば、位置センサから得られる情報がラジアル軸受における状況に実質的に対応す
るという事実のためである。

【００２２】位置センサ１が少なくとも軸方向において２つの部分に分割される、有利な実
施形態において、両部分２ａ，２ｂはさらに、歯が相互に実質的に一定の間隔を
あけてに配置されるように、歯付き部分と実質的に同一に形成され得る。この場
合においては、１組おきに歯３ａ１＋，３ａ１−；３ａ２＋，３ａ２−；…；３
ａ８＋，３ａ８−が、ラジアル方向において測定する第１組の歯３ａ１〜３ａ８
を形成し、リングの第１部分２ａにおいては、１つおきに歯が第２組の歯３ｂ１
〜３ｂ８を形成し、これに対して、リングの第２部分２ｂにおいては、１つおき
に歯が第３組の歯３ｃ１〜３ｃ８を形成する。

【００２３】本発明に従う位置センサにおいて、ラジアル方向および軸方向におけるクロス
コネクションが測定結果に影響するような程度で生じないという実験が示され、
クロスコネクションの補償は測定信号の後続の処理において行われる必要はない
。

【００２４】さらに、添付の図５は、本発明に従う２つの位置センサ１がシャフト５ａの熱
膨張を検出するために使用可能な構成を示す。本発明に従う位置センサを使用す
るとき、信頼性のある軸方向の測定結果が、ロータの両端部、すなわちステータ
およびロータの共通する位置の両端部から得られ得る。これら２つの情報の項目
によって、ロータの軸方向の位置が、ロータとステータとの間の比較的小さいク
リアランス、たとえばケーシングとコンプレッサホイールとの間のクリアランス
ラビリンス（図示せず）およびアクシャル軸受間の空隙（図示せず）が、所望の
バランスで維持され得るように制御され得る。この情報から、ロータの温度を見
積もることも可能である。

【００２５】磁束の測定の利用が本発明に従う位置センサ１に関して上に示されたが、たと
えば容量性測定が本発明に関して適用され得ることは明らかである。したがって
、巻線８ａ，８ｂ，８ｃは必要とされず、測定は電気容量の変化を検出すること
によって行われる。歯付きリングの歯３ａ１，３ａ２，…，３ａ８，３ｂ１，３
ｂ２，３ｂ３，３ｂ４，３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４がコンデンサの１つの
プレートを形成し、補助リング６はコンデンサの第２のプレートを形成する。補
助リング６の電気的特性はシャフト５ａの電気的特性とは異なり、ラジアル方向
および軸方向におけるシャフトの位置ずれは電気容量の変化として検出され得る
。電気容量の変化は、それ自体では、たとえば電界における変化によって測定さ
れ得る。

【００２６】本発明は、上に示された実施形態だけに限定される訳ではなく、添付の特許請
求の範囲内において変更可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の有利な実施形態に従う位置センサの歯付きリングを斜視図で示す。

【図２】歯付きリングの円周面の法線方向において、歯付きリングの中央から見た、か
つ３６０°回転された図１の歯付きリングの歯を示す。

【図３】図３ａは、ラジアル方向を測定するための歯の場合において、シャフトおよび
歯付きリングの部分に関する詳細を断面図で示し、図３ｂは、第１の差分方向に
おいて測定する歯の詳細を断面図で示し、図３ｃは、第２の差分方向において測
定する歯の詳細を断面図で示す。

【図４】図４ａは、本発明の有利な実施形態に従う位置センサに関してラジアル方向を
測定するための有利な配列を縮小図で示し、図４ｂは、本発明の有利な実施形態
に従う位置センサに関して軸方向を測定するための有利な配列を縮小図で示し、
図４ｃは、図４ａおよび図４ｂに従う測定配列に関してブロックを測定するため
の有利な構造を縮小図で示す。

【図５】本発明の２つの位置センサがシャフトの熱膨張を補うために使用可能な構成を
示す。

【図６】本発明の第２の有利な実施形態に従う位置センサの歯付きリングを斜視図で示
す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷＦターム(参考） 2F063 AA04 AA10 AA37 BA03 BD02 BD16 CA08 CA29 CB01 CC04 DA01 DA05 DD06 GA05 GA06 GA08 GA30 GA36 GA43 GA50 2F077 AA13 AA14 AA21 AA25 AA41 AA43 FF04 FF13 FF31 VV02 VV11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ラジアル方向（Ｘ，Ｙ）および軸方向（Ｚ）における電気機械
のロータ（５）の位置を決定する方法であって、ロータ（５）のシャフト（５ａ
）の周囲に取付けられる歯付きリング（２）を使用する、電気機械のロータ（５
）の位置を決定する方法において、補助リング（６）が実質的にシャフト（５ａ）における歯付きリング（２）の
位置に備えられ、歯付きリングが少なくとも３組の歯を備え、第１組の歯（３ａ
１，３ａ２，…，３ａ８）はラジアル方向（Ｘ，Ｙ）におけるシャフトの移動を
測定するために使用され、第２組（３ｂ１，３ｂ２，３ｂ３，３ｂ４）および第
３組（３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４）の歯は軸方向（Ｚ）におけるシャフト
（５ａ）の移動を測定するために使用され、第２組（３ｂ１，３ｂ２，３ｂ３，
３ｂ４）および第３組（３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４）の歯が軸方向（Ｚ）
に、少なくとも部分的に相互に対して異なる位置に取付けられることを特徴とす
る方法。
【請求項２】軸方向における補助リング（６）の厚さが軸方向における歯付
きリング（２）の厚さよりも実質的に小さいことを特徴とする請求項１に記載の
方法。
【請求項３】第２組（３ｂ１，３ｂ２，３ｂ３，３ｂ４）および第３組（３
ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４）の歯の厚さが、軸方向において第１組（３ａ１
，３ａ２，…，３ａ８）の歯の厚さの実質的に半分であることを特徴とする請求
項１または２に記載の方法。
【請求項４】第２組（３ｂ１，３ｂ２，３ｂ３，３ｂ４）および第３組（３
ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４）の歯の厚さが、軸方向において補助リング（６
）の厚さと実質的に同一であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の
方法。
【請求項５】第２組（３ｂ１，３ｂ２，３ｂ３，３ｂ４）および第３組（３
ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４）の歯の厚さが、軸方向において補助リング（６
）の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１、２または３に記載の方法。
【請求項６】歯付きリングが磁束を生成し、磁束の変化を測定するための巻
線（８ａ，８ｂ，８ｃ）を備え、補助リング（６）の磁気特性がシャフト（５ａ
）の磁気特性と実質的に異なることを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか
に記載の方法。
【請求項７】ラジアル方向（Ｘ，Ｙ）および軸方向（Ｚ）における電気機械
のロータ（５）の位置を測定するための位置センサ（１）であって、ロータ（５
）のシャフト（５ａ）の周囲に取付けられるために配置された歯付きリング（２
）を含む位置センサ（１）において、シャフト（５ａ）が実質的に歯付きリング
（２）の位置に取付けられる補助リング（６）を含み、歯付きリングが少なくと
も３組の歯を含み、第１組の歯（３ａ１，３ａ２，…，３ａ８）はラジアル方向
（Ｘ，Ｙ）におけるシャフト（５ａ）の移動を測定するために使用されるために
配置され、第２組（３ｂ１，３ｂ２，３ｂ３，３ｂ４）および第３組（３ｃ１，
３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４）の歯は軸方向（Ｚ）におけるシャフト（５ａ）の移動
を測定するために使用されるために配置され、第２組（３ｂ１，３ｂ２，３ｂ３
，３ｂ４）および第３組（３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４）の歯が軸方向（Ｚ
）において、少なくとも部分的に相互に対して異なる位置に取付けられることを
特徴とする位置センサ（１）。
【請求項８】軸方向における補助リング（６）の厚さが、軸方向における歯
付きリング（２）の厚さよりも実質的に小さいことを特徴とする請求項７に記載
の位置センサ（１）。
【請求項９】第２組（３ｂ１，３ｂ２，３ｂ３，３ｂ４）および第３組（３
ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４）の歯の厚さが、軸方向における第１組（３ａ１
，３ａ２，…，３ａ８）の歯の厚さの実質的に半分であることを特徴とする請求
項７または８に記載の位置センサ（１）。
【請求項１０】第２組（３ｂ１，３ｂ２，３ｂ３，３ｂ４）および第３組（
３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４）の歯の厚さが、軸方向における補助リング（
６）の厚さと実質的に同一であることを特徴とする請求項７、８または９に記載
の位置センサ（１）。
【請求項１１】第２組（３ｂ１，３ｂ２，３ｂ３，３ｂ４）および第３組（
３ｃ１，３ｃ２，３ｃ３，３ｃ４）の歯の厚さが、軸方向における補助リング（
６）の厚さよりも実質的に大きいことを特徴とする請求項７，８または９に記載
の位置センサ（１）。
【請求項１２】歯付きリングが磁束を生成し、磁束の変化を測定するための
巻線（８ａ，８ｂ，８ｃ）を備え、補助リング（６）がシャフト（５ａ）の磁気
特性と実質的に異なる磁気特性を有するように配置されることを特徴とする請求
項７〜１１のうちのいずれかに記載の位置センサ（１）。
【請求項１３】歯付きリングが少なくとも第１部分（２ａ）と第２部分（２
ｂ）とから成り、第１組の歯は第１部分（２ａ）のいくつかの歯（３ａ１−〜３
ａ８−）および第２部分（２ｂ）のいくつかの歯（３ａ１＋〜３ａ８＋）から成
り、歯（３ｂ１〜３ｂ８）が歯付きリングの第１部分（２ａ）に形成され、第３
組の歯（３ｃ１〜３ｃ８）が歯付きリングの第２部分（２ｂ）に形成されること
を特徴とする請求項７〜１２のうちのいずれかに記載の位置センサ（１）。
【請求項１４】ラジアル軸受（１０）が、歯付きリングの第１部分（２ａ）
および第２部分（２ｂ）間に取付けられて、ロータの軸受のために用いられるこ
とを特徴とする請求項１３に記載の位置センサ（１）。