【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気軸受装置の変位を計測する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、回転体を非接触で支持するために磁気軸受が適用されるようになってきつつある。回転体を非接触支持することにより、下記（１） 〜（４） 等の利点が生じる。
（１） 摩擦や摩耗の問題が極めて少なくなる。
（２） 高速回転が可能となる。
（３） 振動や騒音が極めて少なくなる。
（４） 潤滑油を使用しないですむため、特殊な雰囲気中で使用できる。
【０００３】
一般に回転体を剛体と考えると、６つの自由度を持つ。即ち、重心の位置（ｘ，ｙ，ｚ）の３つと、重心周りの回転（ピッチング，ヨーイング，ローリング）の３つの計６つである。通常、回転体は回転するので、ローリングは自由に指せることになり、従って、５つの自由度を制御することになる。
【０００４】
図１に、５軸制御型の磁気軸受の構造例を示す。図１において、中心部分に回転子１があり、回転子１の左右にラジアル磁気軸受２を配置して４軸を制御し、例えば右側にスラスト磁気軸受３を配置して１軸を制御するようになっている。図１中、４はタッチダウン用補助軸受、５ギャップセンサである。
【０００５】
ラジアル磁気軸受２では、図２に示すように、円筒型積層鉄心の回転子１を、固定子６に置いた電磁石７で放射状に引き合う形で軸を中心に保つようにする。このためには、回転子１各部の変位を非接触で検出する位置センサ８が必要である。非接触型で微小な位置センサ８としては、渦電流式センサが広く用いられている。渦電流式センサは、その先端にある数十ターンの検出コイルが発信回路の一部となっており、発信に伴って高周波電流が流れると、高周波の交流耳介が発生する。この交流磁界が測定対象の金属（回転子１）を貫くと、この磁界を打ち消すように渦電流が流れる。この渦電流による損失のため、発信振幅が減少する。この発信振幅の減少量は金属体と検出コイルとの間の距離と、金属体の導電率とによって、変化する。従って、検波回路によって発信振幅の変化を測定することにより、金属体の変位量を測定することができる。
【０００６】
図１では、ギャップセンサ５として、上述したような渦電流式位置センサ８が用いられている。
【０００７】
図３（ａ）（ｂ）に、従来のギャップセンサの取付構造例を示す。図３中、９はラジアル磁気軸受２の電磁石鉄心であり、この電磁石鉄心９の凸部９ａにコイル１０が巻回され、コイル１０に流す電流を調節することによって、回転子のシャフト１１に対する磁気吸引力の調整が行われる。ここで、１２はラジアル磁気軸受２のロータ側コアであり、磁気軸受２により非接触支持を行っている際のシャフト１１の回転による渦電流損失を低減するために設けられた、積層鋼板からなるものである。ギャップセンサ５は、非接触支持されているシャフト１１の変位を検出するための位置センサであり、センサ取付台１３により、電動機等の固定子６側に取り付けられている。
【０００８】
ここで、図３（ｂ）に示すように、ギャップセンサ５は従来、ラジアル磁気軸受２の電磁石部分（鉄心凸部９ａやコイル１０）との物理的な干渉を避けて、別個に設置されている。言い換えれば、ギャップセンサ５は、回転子１あるいはシャフト１１の軸方向に関して、ラジアル磁気軸受５の電磁石部分に対してずれて配置されている。このことは、図１、図２からも判る。
【０００９】
図４に、従来の磁気軸受用制御装置のブロック線図を示す。図４中、１４はロータ側の伝達関数、１５はギャップセンサなどの周波数特性、１６は制御系の補償回路である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図３（ａ）に示した個別配置は、磁気軸受の浮上制御上の要請により、力発生方向である電磁石部分の配置軸とシャフト１１（回転子１）の変位検出の座標軸とを一致させるためである。このため、センサ取付台１３の長さに相当する分、シャフト１１が長くなってしまうという問題がある。また、シャフト１１が長くなると、電動機等の回転機器全体のサイズが長くなるのみならず、シャフト１１の固有振動値が低くなってしまうという問題を生じる。
【００１１】
本発明は、係る問題点を解決した磁気軸受変位測定装置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】
第１発明は上記課題を解決する磁気軸受変位測定装置であり、磁気軸受の電磁石部分の取付位置と変位を検出する位置センサの取付位置とが回転体の周方向に関してずれていることを特徴とする。この場合、好ましくは、位置センサを電磁石部分の取付位置どうしの隙間に取り付けると良い。
【００１３】
第２発明は、第１発明の磁気軸受変位測定装置において、前記取付位置のずれに伴う回転体支持力発生方向と磁気浮上制御上の座標系とのずれを補償するずれ補償手段を具備することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係るる磁気軸受変位測定装置の実施の形態を説明する。図５〜図７中で、図１〜図４と同じ機能の部分には同じ符号を付し、説明の重複を省く。
【００１５】
［第１実施例］
図５（ａ）（ｂ）に、本発明の実施の形態の一例として、位置センサの取付構造を示す。ギャップセンサ５及びこれを取り付けるセンサ取付台１３の位置は、ラジアル磁気軸受の電磁石鉄心凸部９ａ及びコイル１０からなる電磁石部分と干渉しないように、取付角度をシャフト１１（あるいは回転子）からずらして配置している。つまり、ギャップセンサ５とラジアル磁気軸受の電磁石部分との取付方向がシャフト１１（あるいは回転子）の周方向に関してずれている。従って、ラジアル磁気軸受の電磁石部分の取付位置と、ラジアル磁気軸受が非接触支持する回転体との変位を検出するギャップセンサ５の取付位置とがシャフト１１（あるいは回転子）の周方向に関してずれている。これにより、シャフト１１（あるいは回転子）の長さが、従来に比べて短くすることができる。
【００１６】
また、シャフト１１（あるいは回転子）のアキシャル方向（軸方向）については、センサ取付台１３とラジアル磁気軸受の電磁石部分とは互いに重なり合う位置に配置去れている。つまり、ギャップセンサ５がラジアル磁気軸受の電磁石部分の取付位置どうしの隙間に取り付いている。これにより、シャフト１１（あるいは回転子）の長さが、従来に比べて短くなるとともに、ラジアル磁気軸受の電磁石部分とギャップセンサ５の部分で必要とされる軸方向の厚みを小さくすることができる。
【００１７】
［第２実施例］
図６に、本発明の実施の形態の他の例として、ずれ補償手段を備えた磁気軸受変位測定装置の制御系を示す。
【００１８】
図４に示した制御系では、計測されている変位は、補償回路１６によって生じる力の発生方向と同じ方向の変位である。そのため、図５に示したようにギャップセンサ５の取付角度がずれて、電磁力の発生方向とギャップセンサ５の計測軸とが異なっている場合は、図４の制御系では制御性能が低下する。
【００１９】
そこで、図６の制御系では、取付位置のずれに伴う力発生方向と磁気浮上制御上の座標系とのずれを補償するずれ補償手段として、センサ傾き補償器１７を用いて、補償回路１６に入力されるギャップセンサ２からの変位を、ラジアル磁気軸受の力発生方向と同じ方向の成分とする補償を行っている。ここで、ロータ側の伝達関数１４は外乱に起因するシャフト１１（あるいは回転子）の変位を表し、周波数特性１５はギャップセンサ２などに起因する変位計測の周波数特性を表し、補償回路１６は外乱を打ち消すように、計測した変位から補償量を計算してラジアル磁気軸受の電磁石電流をフィードバック制御により調整する。
【００２０】
次に、センサ傾き補償器を、図６、図７を参照して説明する。図７はセンサ傾き補償器の動作のフローチャートである。
【００２１】
図６に示すように、ギャップセンサ５は、ラジアル磁気軸受の電磁石コイル１０とは周方向にずれているが、これと同様、縦横の対向する向きに計４個配置されており、各ギャップセンサ５の出力をそれぞれ、ｘ１、ｘ２、ｙ１、ｙ２とする。これらのギャップセンサ２によるシャフト１１の位置計測結果を（ｘ，ｙ）、各ギャップセンサ５のオフセットによる誤差を（ｘ０，ｙ０）、ギャップセンサ２の計測軸とラジアル磁気軸受の電磁石による力発生方向とのずれ角をΘ、電磁石の力発生方向を基準とした座標系でのシャフト１１の位置を（Ｘ，Ｙ）とする。
【００２２】
ギャップセンサ５の出力から、変位（ｘ，ｙ）を求めるには、対向するギャップセンサの出力値の差を求めれば良い。従って、ｘとｙは次式のようにして計算する（図７のステップＳ１）。
ｘ＝ｘ２−ｘ１
ｙ＝ｙ２−ｙ１
【００２３】
実際のギャップセンサ２にはオフセットが生じるため、これを補正した値ｘ’とｙ’を、次式により求める（図７のステップＳ２）。
ｘ’＝ｘ−ｘ０
ｙ’＝ｙ−ｙ０
【００２４】
ここで、ギャップセンサ２の電磁石に対する取付位置の傾きを補償する準備として、媒介変数ｒとθを導入し、直交座標系（ｘ，ｙ）から極座標系（ｒ，θ）への座標変換を行う（図７のステップＳ３）。
ｘ’＝ｒ・ｃｏｓθ
ｙ’＝ｒ・ｓｉｎθ
ここで、ｒ＝（ｘ’２ ＋ｙ’２ ）１／２ 、
θ＝ａｃｏｓ（ｘ’／（ｘ’２ ＋ｙ’２ ）１／２ ）である。
【００２５】
最後に、座標変換後の値（ｘ’，ｙ’）をギャップセンサ５の取付位置のずれ角Θだけ回転させることで、次式のように、求めるべきシャフト１１の変位（Ｘ，Ｙ）を計算する（図７のステップＳ４）。
Ｘ＝ｒ・ｃｏｓ（θ−Θ）
Ｙ＝ｒ・ｓｉｎ（θ−Θ）
【００２６】
補償回路１６は、センサ傾き補償器１７により上述のように補償された変位（Ｘ，Ｙ）から補償量を計算して、補償回路１６は外乱を打ち消すように、ラジアル磁気軸受の電磁石電流をフィードバック制御により調整する。
【００２７】
このように、センサ傾き補償器１７によって取付位置のずれに伴う力発生方向と磁気浮上制御上の座標系とのずれを補償することにより、取付位置の秋芳河野ずれに起因する非接触支持性能の低下を防止することができる。
【００２８】
【発明の効果】
第１発明によれば、磁気軸受装置において、位置センサ取付部の長さを従来よりも短くすることができ、回転機器全体のシャフト長さを従来よりも短くすることができる。これにより、材料費が低減し、機器はコンパクト化し、シャフト固有値が高くなる等の利点が生じる。
【００２９】
第２発明によれば、位置センサを磁気軸受の電磁石の力発生方向とずらしたことに起因する非接触支持性能の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁気軸受の基本的構成を示す図。
【図２】ラジアル磁気軸受の基本的構成を示す図。
【図３】従来のセンサ取付構造を示し、図３（ａ）は軸方向から見た図、図３（ｂ）は図３（ａ）の側面図。
【図４】従来の制御系のブロック線図。
【図５】本発明の第１実施例に係る磁気軸受変位測定装置のセンサ取付構造を示し、図５（ａ）は軸方向から見た図、図５（ｂ）は図５（ａ）の側面図。
【図６】本発明の第２実施例に係る磁気軸受変位測定装置の制御系のブロック線図。
【図７】図６中のセンサ傾き補償器のフローチャート。
【符号の説明】
１ 回転子
２ ラジアル磁気軸受
３ スラスト磁気軸受
４ タッチダウン用補助軸受
５ ギャップセンサ
６ 固定子６
７ 電磁石７
８ 位置センサ
９ ラジアル磁気軸受の電磁石鉄心
９ａ 電磁石鉄心の凸部９ａ
１０ 電磁石コイル
１１ シャフト
１２ ラジアル磁気軸受のロータ側コア
１３ センサ取付台
１４ ロータ側の伝達関数
１５ ギャップセンサなどの周波数特性
１６ 制御系の補償回路
１７ センサ傾き補償器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a device for measuring a displacement of a magnetic bearing device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a magnetic bearing has been applied to support a rotating body in a non-contact manner. The non-contact support of the rotating body has the following advantages (1) to (4).
(1) The problem of friction and wear is extremely reduced.
(2) High-speed rotation becomes possible.
(3) Vibration and noise are extremely reduced.
(4) Use in a special atmosphere because no lubricating oil is required.
[0003]
Generally, when a rotating body is considered as a rigid body, it has six degrees of freedom. In other words, there are a total of three, namely, three positions (x, y, z) of the center of gravity, and three rotations (pitching, yawing, and rolling) around the center of gravity. Usually, since the rotating body rotates, the rolling can be pointed freely, and therefore, five degrees of freedom are controlled.
[0004]
FIG. 1 shows a structural example of a 5-axis control type magnetic bearing. In FIG. 1, a rotor 1 is provided at a central portion, and radial magnetic bearings 2 are arranged on left and right sides of the rotor 1 to control four axes. For example, a thrust magnetic bearing 3 is arranged on the right side to control one axis. It has become. In FIG. 1, reference numeral 4 denotes a touch-down auxiliary bearing and a 5-gap sensor.
[0005]
In the radial magnetic bearing 2, as shown in FIG. 2, the rotor 1 of a cylindrical laminated iron core is kept centered on an axis in a form attracted radially by an electromagnet 7 placed on a stator 6. For this purpose, a position sensor 8 for detecting the displacement of each part of the rotor 1 in a non-contact manner is required. An eddy current sensor is widely used as the non-contact and minute position sensor 8. The eddy current sensor has a detection coil of several tens of turns at its tip as a part of a transmission circuit. When a high-frequency current flows with the transmission, a high-frequency AC pinna is generated. When this alternating magnetic field penetrates the metal (rotor 1) to be measured, an eddy current flows so as to cancel this magnetic field. The transmission amplitude decreases due to the loss due to the eddy current. The amount of decrease in the transmission amplitude changes depending on the distance between the metal body and the detection coil and the conductivity of the metal body. Therefore, the displacement of the metal body can be measured by measuring the change in the transmission amplitude by the detection circuit.
[0006]
In FIG. 1, the eddy current type position sensor 8 as described above is used as the gap sensor 5.
[0007]
FIGS. 3A and 3B show examples of a mounting structure of a conventional gap sensor. In FIG. 3, reference numeral 9 denotes an electromagnet core of the radial magnetic bearing 2. A coil 10 is wound around a convex portion 9 a of the electromagnet core 9. Adjustment of the suction force is performed. Here, reference numeral 12 denotes a rotor-side core of the radial magnetic bearing 2, which is made of a laminated steel plate provided to reduce eddy current loss due to rotation of the shaft 11 when the magnetic bearing 2 performs non-contact support. Things. The gap sensor 5 is a position sensor for detecting a displacement of the shaft 11 which is supported in a non-contact manner, and is attached to a stator 6 such as an electric motor by a sensor mount 13.
[0008]
Here, as shown in FIG. 3 (b), the gap sensor 5 is conventionally provided separately so as to avoid physical interference with the electromagnet portion (the core protrusion 9a and the coil 10) of the radial magnetic bearing 2. I have. In other words, the gap sensor 5 is arranged offset from the electromagnet portion of the radial magnetic bearing 5 in the axial direction of the rotor 1 or the shaft 11. This can be seen from FIGS. 1 and 2.
[0009]
FIG. 4 shows a block diagram of a conventional magnetic bearing control device. In FIG. 4, 14 is a transfer function on the rotor side, 15 is a frequency characteristic of a gap sensor or the like, and 16 is a compensation circuit of a control system.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The individual arrangement shown in FIG. 3A is used in order to make the arrangement axis of the electromagnet portion, which is the force generation direction, coincide with the coordinate axis of the displacement detection of the shaft 11 (rotor 1) in accordance with the requirement for the floating control of the magnetic bearing. It is. For this reason, there is a problem that the shaft 11 becomes longer by an amount corresponding to the length of the sensor mounting base 13. In addition, when the shaft 11 becomes longer, not only the size of the entire rotating device such as an electric motor becomes longer, but also a problem occurs that the natural vibration value of the shaft 11 becomes lower.
[0011]
An object of the present invention is to provide a magnetic bearing displacement measuring device that solves the above problems.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
A first aspect of the present invention is a magnetic bearing displacement measuring device that solves the above problem, wherein a mounting position of an electromagnet portion of the magnetic bearing and a mounting position of a position sensor for detecting displacement are shifted in a circumferential direction of the rotating body. I do. In this case, it is preferable to mount the position sensor in a gap between the mounting positions of the electromagnet portion.
[0013]
According to a second aspect of the present invention, in the magnetic bearing displacement measuring device of the first aspect, a displacement compensating means for compensating for a displacement between a direction in which a rotating body supporting force is generated and a coordinate system for magnetic levitation control due to the displacement of the mounting position is provided. It is characterized by.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a magnetic bearing displacement measuring device according to the present invention will be described with reference to the drawings. In FIG. 5 to FIG. 7, parts having the same functions as those in FIG. 1 to FIG.
[0015]
[First embodiment]
FIGS. 5A and 5B show a mounting structure of a position sensor as an example of an embodiment of the present invention. The position of the gap sensor 5 and the position of the sensor mounting base 13 for mounting the gap sensor 5 are shifted from the shaft 11 (or the rotor) so that they do not interfere with the electromagnet portion including the electromagnet core projection 9a and the coil 10 of the radial magnetic bearing. Are placed. That is, the mounting directions of the gap sensor 5 and the electromagnet portion of the radial magnetic bearing are shifted with respect to the circumferential direction of the shaft 11 (or the rotor). Therefore, the mounting position of the electromagnet portion of the radial magnetic bearing and the mounting position of the gap sensor 5 for detecting displacement with respect to the rotating body that the radial magnetic bearing supports in a non-contact manner are shifted with respect to the circumferential direction of the shaft 11 (or the rotor). I have. Thereby, the length of the shaft 11 (or the rotor) can be reduced as compared with the related art.
[0016]
Further, in the axial direction (axial direction) of the shaft 11 (or the rotor), the sensor mount 13 and the electromagnet portion of the radial magnetic bearing are disposed at positions overlapping each other. That is, the gap sensor 5 is attached to the gap between the mounting positions of the electromagnet portion of the radial magnetic bearing. Accordingly, the length of the shaft 11 (or the rotor) can be reduced as compared with the related art, and the axial thickness required for the electromagnet portion of the radial magnetic bearing and the gap sensor 5 can be reduced. .
[0017]
[Second embodiment]
FIG. 6 shows, as another example of the embodiment of the present invention, a control system of a magnetic bearing displacement measuring device provided with a displacement compensating means.
[0018]
In the control system shown in FIG. 4, the displacement being measured is a displacement in the same direction as the direction in which the force generated by the compensation circuit 16 is generated. Therefore, as shown in FIG. 5, when the mounting angle of the gap sensor 5 is shifted and the direction of generation of the electromagnetic force is different from the measurement axis of the gap sensor 5, the control performance of the control system of FIG. .
[0019]
Therefore, in the control system shown in FIG. 6, the sensor tilt compensator 17 is used as a displacement compensating means as a displacement compensating means for compensating for the displacement between the force generation direction due to the displacement of the mounting position and the coordinate system for magnetic levitation control. The displacement from the input gap sensor 2 is compensated for as a component in the same direction as the force generation direction of the radial magnetic bearing. Here, the transfer function 14 on the rotor side represents the displacement of the shaft 11 (or the rotor) caused by disturbance, the frequency characteristic 15 represents the frequency characteristic of displacement measurement caused by the gap sensor 2 and the like, and the compensation circuit 16 represents the disturbance. The compensation amount is calculated from the measured displacement so as to cancel out, and the electromagnet current of the radial magnetic bearing is adjusted by feedback control.
[0020]
Next, the sensor tilt compensator will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a flowchart of the operation of the sensor tilt compensator.
[0021]
As shown in FIG. 6, the gap sensors 5 are displaced in the circumferential direction from the electromagnet coil 10 of the radial magnetic bearing, but similarly, a total of four gap sensors 5 are arranged in vertical and horizontal opposing directions. The outputs of No. 5 are x1, x2, y1, and y2, respectively. The position measurement result of the shaft 11 by the gap sensor 2 is (x, y), the error due to the offset of each gap sensor 5 is (x0, y0), the force generation direction by the measurement axis of the gap sensor 2 and the electromagnet of the radial magnetic bearing. And the position of the shaft 11 in a coordinate system based on the force generation direction of the electromagnet is (X, Y).
[0022]
In order to determine the displacement (x, y) from the output of the gap sensor 5, the difference between the output values of the opposing gap sensors may be determined. Therefore, x and y are calculated as follows (step S1 in FIG. 7).
x = x2-x1
y = y2-y1
[0023]
Since an offset occurs in the actual gap sensor 2, the values x 'and y' corrected for the offset are obtained by the following equation (step S2 in FIG. 7).
x '= x-x0
y '= y-y0
[0024]
Here, as a preparation for compensating for the inclination of the mounting position of the gap sensor 2 with respect to the electromagnet, parameters r and θ are introduced, and coordinate transformation from the rectangular coordinate system (x, y) to the polar coordinate system (r, θ) is performed. (Step S3 in FIG. 7).
x '= r · cos θ
y '= r · sin θ
Here, r = (x ′ 2 + y ′ 2 ) 1/2 ,
θ = acos (x ′ / (x ′ 2 + y ′ 2 ) 1/2 ).
[0025]
Finally, by rotating the value (x ′, y ′) after the coordinate conversion by the shift angle の of the mounting position of the gap sensor 5, the displacement (X, Y) of the shaft 11 to be obtained is calculated as in the following equation. The calculation is performed (Step S4 in FIG. 7).
X = r · cos (θ−Θ)
Y = r · sin (θ-Θ)
[0026]
The compensation circuit 16 calculates a compensation amount from the displacement (X, Y) compensated by the sensor tilt compensator 17 as described above, and the compensation circuit 16 feeds back the electromagnetic current of the radial magnetic bearing so as to cancel the disturbance. Adjust by control.
[0027]
As described above, the sensor tilt compensator 17 compensates for the displacement between the force generation direction due to the displacement of the mounting position and the coordinate system for the magnetic levitation control, thereby improving the non-contact support performance due to the displacement of the mounting position. The drop can be prevented.
[0028]
【The invention's effect】
According to the first aspect, in the magnetic bearing device, the length of the position sensor mounting portion can be made shorter than before, and the shaft length of the entire rotating device can be made shorter than before. This has the advantages of reducing material costs, downsizing the equipment and increasing the shaft eigenvalue.
[0029]
According to the second aspect of the invention, it is possible to prevent the non-contact support performance from being reduced due to the position sensor being displaced from the direction in which the force of the electromagnet of the magnetic bearing is generated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a magnetic bearing.
FIG. 2 is a diagram showing a basic configuration of a radial magnetic bearing.
3A and 3B show a conventional sensor mounting structure, wherein FIG. 3A is a view seen from an axial direction, and FIG. 3B is a side view of FIG. 3A.
FIG. 4 is a block diagram of a conventional control system.
5A and 5B show a sensor mounting structure of the magnetic bearing displacement measuring device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5A is a diagram viewed from an axial direction, and FIG. 5B is a diagram of FIG. Side view.
FIG. 6 is a block diagram of a control system of a magnetic bearing displacement measuring device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a flowchart of the sensor tilt compensator in FIG. 6;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Rotor 2 Radial magnetic bearing 3 Thrust magnetic bearing 4 Auxiliary bearing for touchdown 5 Gap sensor 6 Stator 6
7 Electromagnet 7
8 Position sensor 9 Electromagnet core 9a of radial magnetic bearing Protrusion 9a of electromagnet core
REFERENCE SIGNS LIST 10 electromagnet coil 11 shaft 12 rotor-side core of radial magnetic bearing 13 sensor mount 14 transfer function on rotor side 15 frequency characteristics such as gap sensor 16 control system compensation circuit 17 sensor tilt compensator
