JP2010538281A - 磁気軸受に支承されたシャフトのためのセンサ構造 - Google Patents

Abstract

本発明は、磁気軸受（２）に支承されたシャフト（１）のためのセンサ構造に関するものであり、磁気的にシールドされた領域を形成しながら磁気軸受（２）をシールドする磁気シールドと、磁気シールドされた領域でシャフト（１）に配置された磁気コーディング（１０）と、磁気コーディング（１０）の磁界の少なくとも１つの変化を検出する少なくとも１つの受信器（１１）とを含んでいる。上述したセンサ構造は、本発明によると、シャフト（１）の磁気コーディング（１０）を用いてシャフト（１）の位置をできるだけ磁気軸受（２）の近傍で検出することを可能にする、磁気軸受（２）に支承されたシャフト（１）のためにセンサ構造を提供するという課題を解決する。

Description

本発明は、請求項１に記載されている磁気軸受に支承されたシャフトのためのセンサ構造に関する。

磁気軸受に支承されたシャフトの実際の取扱から、軸受での軸方向または半径方向におけるシャフトの位置を判定するにあたって問題が生じることが知られており、それは、特にシャフトに磁気マーキングが付属していてその運動が検出され、シャフトの磁気マーキングの運動から、シャフトの位置または回転数やトルクといったその他の動作特性を推定する場合である。その場合、特に磁気軸受の近傍では、その磁界が磁気マーキングの磁界と重なり合うために、その結果として生じる磁界から、磁気マーキングの寄与分だけを一義的に取りだすことがまず不可能になってしまう。

特許文献１は、支承されたシャフトのためのセンサ構造を記載しており、このセンサ構造は、シャフトの本体に構成された磁化領域として構成されている信号発生器としての磁気コーディングと、コイルとして構成された受信器とを含んでおり、コイルは磁気コーディングの磁界の変化を検出する。シャフトの本体における機械的な応力は、磁気ひずみ効果に基づいて磁気コーディングの磁界の変化を引き起こし、この変化が受信器によって検出され、軸受におけるシャフトの位置を間接的に推定することができる。このような種類の構造は、磁気軸受に支承されたシャフトについては容易に適用できるわけではない。磁気軸受の磁界が、磁気コーディングの磁化の変化と重なり合うからである。特に問題となるのは、磁気支承部の磁界が時間的に変化するために、磁気軸受が、コイルで測定される磁界に、時間依存的な信号を重なり合わせることである。さらに欠点なのは、上述した測定構造は、本体が磁化可能な材料でできているシャフトにしか適していないが、他ならぬそうしたシャフトこそが、磁気支承部の磁界によって影響をうけることにある。

特許文献２は、導電性で磁化可能な材料で本体ができている支承されたシャフトのためのセンサ構造を記載している。このセンサ構造は、本体の側方でそのほぼ中心に配置された磁石を含んでいる。シャフトの本体を通って電流が流れ、本体で磁界が誘導されて、この磁界が磁石の場所で磁石の磁界と重なり合い、それにより、シャフトの本体では磁石の場所で、磁気ひずみ効果に基づいてシャフトの本体に機械的な応力が発生し、この応力がシャフトの本体に沿って伝搬し、シャフトの端部で検出することができる。最初の電流パルスと機械的応力の発生との間の時間から、シャフトに電流パルスが導入された位置から磁石のある場所までの間隔を間接的に推定することができ、それにより、磁石に対して相対的なシャフトの位置も間接的に検出可能となる。この構造は全体として高いコストがかかり、また、磁気軸受に支承されたシャフトにはほとんど適用可能ではない。磁気軸受の磁界はシャフトの本体でたえず変化する機械的応力を引き起こし、そうした応力が本来の測定量に重なり合うからである。また、シャフトの軸方向の位置決めしか検出することができず、軸受におけるシャフトの半径方向の位置は検出することができない。

国際公開第２００６／０１３０９２Ａ１号パンフレット ドイツ特許出願公開第１０２００４０２５３８７Ａ１号明細書

本発明の課題は、磁気軸受に支承されたシャフトのために、シャフトの磁気コーディングを用いてシャフトの位置をできるだけ磁気軸受の近傍で検出することを可能にするセンサ構造を提供することにある。

この課題は本発明によると、請求項１の構成要件を備えるセンサ構造によって解決される。

磁気シールドに基づき、および、磁気的にシールドされた領域への受信器の配置に基づき、受信器は磁気支承部の磁界からさほど影響をうけることがない。そして磁気コーディングを適切に構成することで、磁気支承部からほぼ影響をうけることなく、シャフトの位置を判定することができる。シャフトの本体の磁化に影響を及ぼす磁気支承部の効果は、受信器に付属する電子装置によって認識して取り除くことができる。

磁気コーディングはシャフトの本体の磁化区域によって形成されており、それにより、シャフトが構造上の変更を必要としないことが意図されているのが好ましい。

その別案として、磁気コーディングは、シャフトの本体に取り付けられたコーディング部材によって構成されることが意図されているのが好ましい。コーディング部材に基づき、磁化可能でない材料からなるシャフトにも磁気コーディングを設けることができる。しかも、このコーディング部材の構成では、磁気コーディングを軸方向にも半径方向にも設けることが可能であり、それにより、受信器は軸方向と半径方向で同時にシャフトの位置を判定することができる。

磁気コーディングの構成に関して、磁気コーディングが振動回路を含んでおり、受信器は振動回路から放出される電磁放射の磁気割合を検出することが意図されるのが好ましい。このとき、振動回路から放出される電磁放射は、磁気ひずみ効果を考慮に入れる必要なく、受信器による磁気コーディングの検出を可能にする。さらに、放出される電磁放射の周波数は、受信器によって検出してさらに評価することのできる追加情報を供給することができる。電磁放射の周波数ないし周波数応答を前提としたうえで、受信器は、たとえば地磁気や完全にシールドされていない磁気支承部の磁界の割合のような外乱の影響を認識し、後置された評価部のためにこれを抑圧することができる。

振動回路による磁気コーディングの構成に関して、受信器がコイルを含んでおり、このコイルは振動回路と誘導式に結合されており、コイルは振動回路を励起して電磁放射を放出させることが意図されるのが特別に好ましい。このように、受信器は振動回路に無接触の方式で電気エネルギーを供給し、ケーブルによる接続を必要とすることがない。振動回路が受信器に対して相対的に動いたとき、振動回路の平面が、コイルによって定義される方向に対して実質的に平行に位置している場合に限り、誘導式の結合が生じる。したがって、シャフトの円周に沿って配分されて配置されたさまざまな振動回路が、受信器の特定のコイルにそれぞれ短時間だけ反応するので、複数の振動回路ないし複数のコイルを設けることによって、いっそう高い半径方向または軸方向の解像度を位置測定にあたって実現することができる。

磁気シールドはシールド板によって構成されるのが好ましい。その代替または追加として、磁気シールドは導電性コーティングによって構成することもでき、当然ながら、導電性コーティングは追加的にシールド板に設けられている。磁気シールドは受信器とは構造的に分離されていてよいが、受信器はハウジングの中に配置されていてよく、さらにハウジングは磁気的なシールド作用を有している。磁気的なシールドをする受信器のハウジングは、シールド板に基づく磁気シールドないし導電性コーティングに基づく磁気シールドの代替または補完をすることができ、それはたとえばハウジングが、シールド板ないし導電性コーティングによって完全にシールドされない磁気支承部の磁界の割合を、受信器から遠ざけることによってである。

受信器は、磁気コーディングを半径方向で覆う２つの半円筒を含んでいるのが好ましい。両方の半円筒は、磁気コーディングをその円周に沿って覆い、それによってシールドするハウジングを形成する。半円筒は磁気コーディングを軸方向で少なくとも部分的に覆い、特に両側で覆うことが意図されるのが特別に好ましい。それにより、各々の半円筒は実質的にＵ字型の断面を有している。半円筒としての受信器のハウジングの構成は、Ｕ字の両方の脚部が磁気コーディングを軸方向で覆うように、各々の半円筒を磁気コーディングに取り付けることを可能にし、このとき半円筒は磁気コーディングの近傍にまで達することができ、磁気コーディングに対して２ｍｍまたはこれ以下の間隔を有することができる。

受信器それ自体は、磁気コーディングの磁界を検出することができる、特に磁気コーディングの磁界の変化を検出することができる、少なくとも１つのコイルを含んでいるのが好ましい。コイルは、ホールセンサやリードセンサといった他の磁界センサに比べて、特に磁気コーディングが誘導結合された振動回路で構成されている場合に、電磁放射の送信器としても作用できるという利点がある。

磁気コーディングは、シャフトの側面にもシャフトの端面にも配置されていてよい。

本発明の上記以外の利点や構成要件は、実施例の説明ならびに従属請求項から明らかとなる。

次に、添付の図面を参照しながら好ましい実施例を用いて本発明を詳しく説明、解説する。

本発明によるセンサ構造の実施例を示す分解図である。 図１の実施例の個々の部分を示す４つの部分図である。

図１は、磁気支承部２に支承されたシャフト１を示している。磁気支承部２は、溝４を有する軸受リング３を含んでいる。溝４の中にシールド板５の一区域を挿入可能である。

シャフト１の本体６は磁化可能ではない材料でできており、たとえば少量の割合のクロムを含む鋼材でできている。シャフト１の本体６には円環状のコーディング部材７を取付可能であり、コーディング部材７は図１の図面では２部分で図示されている。組み付けられた位置のとき、コーディング部材７はシャフト１の本体６にプレス嵌めによって取り付けられる。

コーディング部材７は、シャフト１の本体６から離れるほうを向く周回する半径方向の円周面８と、軸受リング３から離れるほうを向く軸方向の端面９とを有している。コーディング部材７には、異なる磁化の区域の連続として端面９にも円周面８にも構成された磁気コーディング１０が設けられている。

さらに図１は、２つの半円筒１３で構成されたハウジング１２を備える受信器１１を示している。各々の半円筒１３はＵ字型の断面を有しており、Ｕ字の脚部は、組み付けられた位置のとき、コーディング部材７の端面９およびもう一方の端面に上から係合し、それに対してＵ字の底面はコーディング部材の円周面８を覆う。

ハウジング１２の中には、コーディング部材７がコイルに対して相対的に動くとただちに、コーディング部材７の磁化の磁界の変化を検出するコイルがさらに配置されている。さらに、各々の半円筒１３に通じていて、半円筒１３の内部に配置されたコイルに作用する、ないしは、コーディング部材７の磁界によってコイルで誘導される電圧が端部での電圧降下を生起する、電気引込線１４を見ることができる。

組み付けられた位置のとき、シールド板５は軸受リング３の溝４へ区域的に収容され、それにより、シールド板５は磁気軸受２の軸受リング３に取り付けられる。シールド板５に対して軸方向で間隔をおきながら、コーディング部材７がプレス嵌めによってシャフト１の本体６に接合されており、受信器１１はコーディング部材７を円周方向では完全に覆い、軸方向では少なくとも部分的に覆う。

磁気シールドは、部分的にはシールド板５によって、また部分的にはコーディング部材７とシールド板５との間の距離によって、ならびに部分的には受信器のハウジング１２によって惹起され、ハウジング１２では特に、コーディング部材の端面９への部分的な上からの係合によって、ないしはハウジング１２によるコーディング部材の円周面８の覆いによって惹起される。両方のハウジング半体１３は、磁気的な外乱場の影響を抑制するために、コーディング部材７に対して２ｍｍよりも短い間隔を有している。

図２は、図１に示す実施例をそれぞれ詳細に図示しており、ここでは同じ構成部品または匹敵する構成部品には同じ符号が付されている。図２の左上の部分図には、ハウジング１２の半円筒１３のうちの１つとコーディング部材７とともに、シャフト１の平面図が模式的に示されており、ハウジングの中に受信器１１が配置されている。図２は、右上の部分図に、シールド板５の上側区域を示している。ここで当然ながら、図１に一体的に示しているシールド板５は、２部分で構成されていてもよい。図２は、左下の部分図に、シャフト１と、半円筒１３を有するハウジング１２の中に配置された受信器１１と、受信器１１への供給をするための引込線１４と、シールド板５と、シャフト１の本体６を収容する軸受リング３を備えた磁気支承部２とを含む側面図を示している。シールド板５が縁部側の折り返しによって収容される、軸受リング３の溝４を見ることができる。図２の右下の部分図にはコーディング部材７の半分が示されており、半径方向の円周面８と軸方向の端面９には磁気コーディング１０があり、この磁気コーディングは、磁化の異なる周回する領域の連続で構成されており、ないしは、磁化のある領域とない領域との連続で構成されている。

上に説明した実施例では、コーディング部材７は中空円筒状に構成されており、シャフト１の本体６の側面に取り付けられていた。当然ながら、コーディング部材はシャフト１の端面に配置されていてもよく、たとえば円形であってよく、このとき磁化区域は円切片状に構成される。さらに当然ながら、円形部分と中空円筒部分の組み合わせからなるコーディング部材が設けられていてもよく、このようなコーディング部材はシャフト１の端部区域に取り付けられる。

上に説明した実施例では、シールド板５、コーディングリング７、および受信器１１を備えるセンサ構造が、磁気軸受２の外部で軸受リング３にすぐ接するように配置されていた。当然ながら、センサ構造は磁気軸受２の内部で、たとえば磁気軸受２の軸受リング２と他方の軸受リングとの間に配置されていてもよい。その場合、両方の軸受リングに向かって両側に磁気シールドが設けられる。

１ シャフト
２ 磁気軸受
３ 軸受リング
４ 溝
５ シールド板
６ シャフト１の本体
７ コーディング部材
８ 半径方向の円周面
９ 軸方向の端面
１０ 磁気コーディング
１１ 受信器
１２ ハウジング
１３ 半円筒
１４ 引込線

Claims (12)

1. 磁気軸受（２）に支承されたシャフト（１）のためのセンサ構造において、
   磁気的にシールドされた領域を形成しながら前記磁気軸受（２）をシールドする磁気シールドと、
   磁気シールドされた前記領域で前記シャフト（１）に配置された磁気コーディング（１０）と、
   前記磁気コーディング（１０）の磁界の少なくとも１つの変化を検出する少なくとも１つの受信器（１１）とを含んでいるセンサ構造。
2. 前記磁気コーディングは前記シャフト（１）の本体（６）の磁化区域によって形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ構造。
3. 前記磁気コーディング（１０）は前記シャフト（１）の本体（６）に取り付けられたコーディング部材（７）によって構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ構造。
4. 前記磁気コーディングは振動回路を含んでおり、前記受信器は前記振動回路から放出される電磁放射の磁気割合を検出することを特徴とする、請求項３に記載のセンサ構造。
5. 前記受信器はコイルを含んでおり、前記コイルは前記振動回路と誘導式に結合されており、前記コイルは前記振動回路を励起して電磁放射を放出させることを特徴とする、請求項４に記載のセンサ構造。
6. 前記磁気シールドはシールド板（５）によって構成されていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載のセンサ構造。
7. 前記磁気シールドは導電性コーディングによって構成されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のセンサ構造。
8. 前記受信器（１１）は２つの半円筒（１３）を含むハウジング（１２）を含んでおり、両方の前記半円筒（１３）は前記磁気コーディング（１０）を半径方向で覆っていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサ構造。
9. 前記半円筒（１３）は前記磁気コーディング（１０）を軸方向で少なくとも部分的に覆っていることを特徴とする、請求項８に記載のセンサ構造。
10. 前記受信器（１１）は少なくとも１つのコイルを含んでいることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のセンサ構造。
11. 前記磁気コーディング（１０）は前記シャフト（１）の側面に配置されていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のセンサ構造。
12. 前記磁気コーディング（１０）は前記シャフト（１）の端面に配置されていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のセンサ構造。

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