JP2004204939A

JP2004204939A - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JP2004204939A
Application number: JP2002374270A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Shoji; 安男庄司; Hironori Kameno; 浩徳亀野
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】設計の自由度が大きく、かつ速度検出装置の感度変化の小さい磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】磁気軸受装置は、回転体2を非接触支持する複数組の制御型磁気軸受3,4,5と、回転体2を回転させる電動モータ9と、回転体2の軸方向および径方向の位置を検出する位置検出装置7,8と、回転体2の回転速度を検出する速度検出装置10とを備えている。速度検出装置10が、回転体2の中心を通る径方向の線上の両側から回転体2の外周に対向するように配置されたセンサ部20,21を備えており、センサ部20,21に対向する回転体2の外周の周方向の２箇所において、センサ部20,21から回転体2の外周までの距離が他の箇所と異なっている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回転体が複数組の制御型磁気軸受により非接触支持されて電動モータにより回転させられる制御型磁気軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の磁気軸受装置では、磁気軸受を制御するための回転体の位置検出装置の他に、電動モータを制御するための回転体の回転速度検出装置が設けられる（たとえば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２１４９３４号公報
このような従来の磁気軸受装置では、回転体の一端面に凹凸を形成し、凹凸に軸方向に対向するように金属探知センサを配置して、回転速度を検出している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
磁気軸受装置をターボ分子ポンプに適用した場合には、回転体にインペラを取り付ける必要があるなど、磁気軸受装置の回転体に種々の部品を取り付ける必要のある場合がある。
【０００５】
ところが、前記のように、回転体の端面の凹凸に対向するようにセンサを配置すると、その回転体の端面には部品を取り付けることができなくなり、設計の自由度が小さくなる。また、熱による回転体の膨張により、センサと回転体端面との距離が変わり、センサの感度が変化するという問題もある。
【０００６】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、設計の自由度が大きく、かつ速度検出装置の感度変化の小さい磁気軸受装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明による磁気軸受装置は、回転体を非接触支持する複数組の制御型磁気軸受と、回転体を回転させる電動モータと、回転体の軸方向および径方向の位置を検出する位置検出装置と、回転体の回転速度を検出する速度検出装置とを備えている磁気軸受装置において、速度検出装置が、回転体の中心を通る径方向の線上に回転体の外周に対向するように配置されたセンサ部を備えており、センサ部に対向する回転体の外周の周方向の少なくとも１箇所において、センサ部から回転体の外周までの距離が他の箇所と異なっていることを特徴とするものである。
【０００８】
センサ部には、たとえば、磁気式インダクタンス型センサが用いられる。
【０００９】
センサ部から回転体までの距離が変わると、センサ部の出力が変化する。そして、センサ部から回転体までの距離が、回転体の周方向の少なくとも１箇所において他の箇所と異なっているので、センサ部の出力の変化から回転体の回転速度を検出することができる。
【００１０】
回転体の外径は、熱膨張により大きくなり、それによってセンサ部の感度が変化するが、通常、回転体の直径は長さに比べて小さいので、熱による直径変化は小さく、したがって、感度の変化も小さい。
【００１１】
センサ部は回転体の周囲に配置されているので、従来のようにセンサを回転体の端面に対向するように配置する必要がなく、したがって、たとえば磁気軸受装置をターボ分子ポンプに適用した場合のインペラなど、任意の部品を回転体の端面に取り付けることができ、設計の自由度が高い。
【００１２】
たとえば、センサ部に対向する回転体の外周の周方向の少なくとも１箇所が取り除かれている。
【００１３】
回転体のある箇所の外周を取り除くことにより、その箇所において、センサ部から回転体までの距離を他の箇所と簡単に異ならせることができる。
【００１４】
たとえば、センサ部に対向する回転体の外周の２箇所が対称に取り除かれている。
【００１５】
この場合、好ましくは、２つのセンサ部が、回転体の中心を通る径方向の線上の両側から回転体の外周に対向するように配置され、２つのセンサ部から回転体までの距離の合計に対応する信号が出力される。
【００１６】
回転体の２箇所が対称に取り除かれていることにより、センサ部から回転体までの距離を、他の箇所に比べて大きくすることができ、速度検出装置の感度を高めることができる。また、回転体の周囲に２つのセンサ部が対称に配置されていると、回転体に振れ回りが生じても、回転体の各箇所におけるセンサ部からの距離の合計が変動することがなく、したがって、感度変化も生じない。
【００１７】
たとえば、回転体の周囲に同心状に配置された環状部材の径方向の対称２箇所に、回転体の外周に向かって突出した突出部が設けられ、少なくとも一方の突出部にコイルが巻かれてセンサ部が形成されている。
【００１８】
この場合、好ましくは、対称２箇所の突出部にコイルが巻かれて、２つのセンサ部が形成される。
【００１９】
環状部材の対称２箇所の突出部のうちの少なくとも一方にコイルが巻かれてセンサ部が形成されることにより、回転体を通る磁気ループを形成することができる。また、対称２箇所の突出部にコイルが巻かれて、２つのセンサ部が形成されることにより、上記同様、回転体に振れ回りが生じても、感度変化が生じない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明を５軸制御型磁気軸受装置に適用した実施形態について説明する。
【００２１】
図１は５軸制御型磁気軸受装置の主要部を概略的に示す縦断面図であり、図２はその拡大底面図である。
【００２２】
この磁気軸受装置は、鉛直筒状のケーシング(1)の内部で同心状に配置された鉛直軸状の回転体(2)が回転する縦型のものである。以下の説明において、回転体(2)の軸方向（鉛直方向）の制御軸をＺ軸、Ｚ軸と直交するとともに互いに直交する２つの径方向（水平方向）の制御軸をＸ軸およびＹ軸とする。
【００２３】
ケーシング(1)内に、回転体(2)をＺ軸方向に非接触支持する１組のアキシアル磁気軸受(3)、回転体(2)を軸方向の２箇所においてそれぞれＸ軸方向およびＹ軸方向に非接触支持する上下２組のラジアル磁気軸受(4)(5)、回転体(2)のＺ軸方向の位置を検出するためのアキシアル位置センサ(27)、回転体(2)のＸ軸方向およびＹ軸方向の位置を検出するための上下２組のラジアル位置センサユニット(7)(8)、回転体(2)を高速回転させるためのビルトイン型電動モータ(9)、ならびに回転体(2)の回転速度を検出するための回転速度検出装置(10)が設けられている。図示は省略したが、ケーシング(1)内には、回転体(2)の軸方向および径方向の可動範囲を規制して、回転体(2)を磁気軸受(3)(4)(5)で支持できなくなったときなどに可動範囲の極限位置において回転体(2)を機械的に支持する上下２組のタッチダウン軸受（保護軸受）が設けられている。
【００２４】
アキシアル磁気軸受(3)は、回転体(2)の下部に一体に形成されたフランジ部(2a)をＺ軸方向の両側から挟むように配置されて回転体(2)を磁気吸引する１対のアキシアル電磁石(11a)(11b)を備えている。アキシアル電磁石は、符号(11)で総称する。
【００２５】
２組のラジアル磁気軸受(4)(5)は、アキシアル磁気軸受(3)の上方において上下方向に所定の間隔をおいて配置されており、これらの間にモータ(9)が配置されている。上部ラジアル磁気軸受(4)は、回転体(2)をＸ軸方向の両側から挟むように配置されて回転体(2)を磁気吸引する１対の上部ラジアル電磁石(12a)(12b)、および回転体(2)をＹ軸方向の両側から挟むように配置されて回転体(2)を磁気吸引する１対の上部ラジアル電磁石(12c)(12d)を備えている。これらのラジアル電磁石は、符号(12)で総称する。同様に、下部ラジアル磁気軸受(5)も、２対の下部ラジアル電磁石(13a)(13b)(13c)(13d)を備えている。これらのラジアル電磁石も、符号(13)で総称する。
【００２６】
アキシアル位置センサ(27)は、回転体(2)の適当箇所に設けられたＺ軸と直交するターゲット面(2b)にＺ軸方向の片側から対向するように配置され、ターゲット面(2b)との距離に対応する距離信号を出力する。
【００２７】
上部ラジアル磁気軸受(4)の近傍の回転体(2)の外周に環状の上部ターゲット(14)が、下部ラジアル磁気軸受(5)の近傍の回転体(2)の外周に環状の下部ターゲット(15)がそれぞれ設けられている。上部ラジアル位置センサユニット(7)は、上部ターゲット(14)をＸ軸方向の両側から挟むように配置された１対の上部ラジアル位置センサ(16a)(16b)、および上部ターゲット(14)をＹ軸方向の両側から挟むように配置された１対の上部ラジアル位置センサ(16c)(16d)を備えている。これらのラジアル位置センサは、符号(16)で総称する。同様に、下部ラジアル位置センサユニット(8)は、下部ターゲット(15)をＸ軸方向およびＹ軸方向の両側から挟むように配置された２対の下部ラジアル位置センサ(17a)(17b)(17c)(17d)を備えている。これらのラジアル位置センサも、符号(17)で総称する。
【００２８】
電磁石(11)(12)(13)、アキシアル位置センサ(27)およびラジアル位置センサ(16)(17)は、ケーシング(1)の内側に固定されている。
【００２９】
図示しない磁気軸受装置の制御部において、アキシアル位置センサ(27)からの距離信号に基づいて、回転体(2)のＺ軸方向の変位が求められ、ラジアル位置センサ(16)(17)からの距離信号に基づいて、回転体(2)のＸ軸方向およびＹ軸方向の変位が求められる。そして、Ｚ軸方向の変位に基づいて、アキシアル電磁石(11)に供給する励磁電流が制御されるとともに、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の変位に基づいて、ラジアル電磁石(12)(13)に供給する励磁電流が制御されることにより、回転体(2)が所定の目標浮上位置に非接触支持される。
【００３０】
アキシアル位置センサ(27)およびラジアル位置センサユニット(7)(8)は、回転体(2)の位置検出装置を構成している。
【００３１】
モータ(9)は、ケーシング(1)の内側に設けられたステータ(18)と、回転体(2)の外周に設けられたロータ(19)とから構成されている。
【００３２】
回転速度検出装置(10)は回転体(2)の下端近傍の周囲に配置されており、その詳細が図２に示されている。
【００３３】
回転速度検出装置(10)は、回転体(2)の中心を通る１つの径方向（この例ではＸ軸方向）の線上の両側から回転体(2)の外周に対向するように対称に配置された２つのセンサ部(20)(21)を備えている。センサ部(20)(21)は磁気式インダクタンス型センサを用いたものであり、回転体(2)の周囲に同心状に配置された磁性体製環状部材(22)のＸ軸上の対称２箇所に、回転体(2)の外周に向かって突出した２つの突出部(22a)が形成され、これらの突出部(22a)にコイル(23)が巻かれて、センサ部(20)(21)が形成されている。
【００３４】
センサ部(20)(21)に対向する回転体(2)の周方向の１箇所において、センサ部(20)(21)から回転体(2)までの距離が他の箇所と異なっている。この例では、回転体(2)の外周の２箇所が対称に取り除かれることにより、除去部分外周面(24)がセンサ部(20)(21)に対向したときのセンサ部(20)(21)から回転体(2)までの距離が、非除去部分外周面(25)がセンサ部(20)(21)に対向したときのセンサ部(20)(21)から回転体(2)までの距離と異なっている。なお、この例では、除去部分外周面(24)は、互いに対称で平行な平坦面となっている。
【００３５】
上記の制御部から各センサ部(21)(22)のコイル(23)に電流が供給され、それにより、図２に鎖線で示すように、回転体(2)の中心を通る磁気ループが形成される。センサ部(21)(22)は、ラジアル位置センサ(16)(17)と同一のものであり、その出力電圧は、回転体(2)までの距離に対応して変化する。第１センサ部(20)から回転体(2)までの距離をｄ1、第２センサ部(21)から回転体(2)までの距離をｄ2とする。制御部では、２つのセンサ部(21)(22)の出力電圧を合わせた電圧Ｖを検出し、それに基づいて、回転体(2)の回転速度を検出する。以下、この電圧Ｖを単にセンサ出力電圧ということにする。センサ出力電圧Ｖは、センサ部(20)(21)から回転体(2)までの距離ｄ1、ｄ2の合計（以下「合計距離」という）に対応して変化する。このため、除去部分外周面(24)がセンサ部(20)(21)に対向したときと非除去部分外周面(25)がセンサ部(20)(21)に対向したときとで、センサ出力電圧Ｖが変化する。すなわち、回転体(2)が１回転する間に、センサ出力電圧Ｖが１回変化する。したがって、単位時間当たりのセンサ出力電圧Ｖの変化回数をカウントすることにより、回転体(2)の回転速度を検出することができる。
【００３６】
上記の回転速度検出装置(10)において、センサ出力電圧Ｖは、次の式のようになる。
Ｖ∝ｎ×Ｓ／（ｄ1＋ｄ2）
ここで、ｎはコイル(23)の巻数、Ｓは磁束断面積である。
【００３７】
回転体(2)に振れ回りが生じても、合計距離（ｄ1＋ｄ2）は一定であるため、感度変化は生じない。
【００３８】
上記の磁気軸受装置では、従来のように回転速度検出装置のセンサを回転体(2)の端面に対向するように配置する必要がなく、したがって、回転体(2)の端面に任意の部品を取り付けることができる。たとえば、ターボ分子ポンプに適用された場合には、回転体(2)を下方に延長して、その端面にインペラを取り付けることができる。
【００３９】
図３は、回転速度検出装置(10)に対向する回転体(2)の部分の他の例を示している。
この例では、回転体(2)の除去部分外周面(26)は、互いに対称な凹形の円筒面となっている。他の部分は、上記の例と同じであり、同じ部分には同一の符号を付している。
この場合、回転体(2)の除去部分が円弧状をなしているので、回転体(2)の除去体積を少なくして、センサ出力電圧の変化を上記の例と同等にすることができる。
【００４０】
上記の実施形態では、回転速度検出装置(10)のセンサ部(20)(21)に対向する回転体(2)の部分の外周の対称２箇所が取り除かれているが、回転体の外周の１箇所あるいは３箇所以上を取り除いて、センサ部から回転体までの距離を、センサ部が除去部分に対向したときと非除去部分に対向したときとで異ならせることができる。
【００４１】
磁気軸受装置の各部の構成は、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の実施形態を示す磁気軸受装置の概略縦断面図である。
【図２】図２は、図１の拡大底面図である。
【図３】図３は、回転速度検出装置に対向する回転体の部分の他の例を示す図２相当の図面である。
【符号の説明】
(2) 回転体
(3) アキシアル磁気軸受
(4)(5) ラジアル磁気軸受
(7)(8) ラジアル位置センサユニット
(9) 電動モータ
(10) 回転速度検出装置
(20)(21) センサ部
(22) 環状部材
(23) コイル
(24)(26) 除去部分外周面
(25) 非除去部分外周面
(27) アキシアル位置センサ

Claims

回転体を非接触支持する複数組の制御型磁気軸受と、回転体を回転させる電動モータと、回転体の軸方向および径方向の位置を検出する位置検出装置と、回転体の回転速度を検出する速度検出装置とを備えている磁気軸受装置において、
速度検出装置が、回転体の中心を通る径方向の線上に回転体の外周に対向するように配置されたセンサ部を備えており、センサ部に対向する回転体の外周の周方向の少なくとも１箇所において、センサ部から回転体の外周までの距離が他の箇所と異なっていることを特徴とする磁気軸受装置。
センサ部に対向する回転体の外周の周方向の少なくとも１箇所が取り除かれていることを特徴とする請求項１の磁気軸受装置。
センサ部に対向する回転体の外周の２箇所が対称に取り除かれていることを特徴とする請求項２の磁気軸受装置。
回転体の周囲に同心状に配置された環状部材の径方向の対称２箇所に、回転体の外周に向かって突出した突出部が設けられ、少なくとも一方の突出部にコイルが巻かれてセンサ部が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項の磁気軸受装置。