JP2015061446A

JP2015061446A - キャンドモータの軸方向変位検出装置

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Publication number: JP2015061446A
Application number: JP2013194602A
Authority: JP
Inventors: 允謙木村; Tadaaki Kimura; 英二大竹; Eiji Otake
Original assignee: Teikoku Electric Mfg Co Ltd
Current assignee: Teikoku Electric Mfg Co Ltd
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2015-03-30
Anticipated expiration: 2033-09-19
Also published as: JP6033749B2

Abstract

【課題】温度が変化しても回転子の位置を正確に検出できるキャンドモータの軸方向変位検出装置を提供する。
【解決手段】演算部63の第１の演算手段により、一次コイル41の電流の初期値に対する変化率を求め、この変化率で二次コイル42，43の電流値を補正し、補正した電流値に基づいて回転子の位置を求める。演算部63の第２の演算手段により、回転子の温度による寸法変化量の補正定数を温度検出手段によって検出される温度に応じて求め、この補正定数で第１の演算手段で求めた回転子の位置を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、キャンドモータの静止部に対して軸受を介して回転する回転子の軸方向変位を検出するキャンドモータの軸方向変位検出装置に関する。

従来、キャンドモータの回転子の軸受摩耗の管理を行うために、回転子の軸方向位置を検出する差動トランス式の軸方向変位検出装置が提案されている。

この軸方向変位検出装置では、差動トランスの磁性体が回転子に固着され、差動トランスの一次コイルと二次コイルとを有するコイル部が磁性体の外周を囲繞してキャンドモータの静止部に固着されている。そして、一次コイルに一定周波数でかつ一定電圧の交流電圧を印加し、回転子とともに磁性体が軸方向に移動することにより、回転子の軸方向移動距離に比例する電圧信号が二次コイルより出力される。この二次コイルより出力された電圧信号に応じた軸方向軸受摩耗量が指示計で指示される（例えば、特許文献１参照。）。

特許第３０２３２８３号公報

キャンドモータは、回転子とステータとの間を通じて仕様液（キャンドモータがポンプと組み合わされる場合のポンプの取扱液など）を循環させて軸受の潤滑および冷却をしているが、高温または低温の仕様液の場合には、差動トランスや回転子を含むキャンドモータの温度が変化する。

従来の軸方向変位検出装置では、温度変化に対する影響が考慮されていないため、回転子の位置の検出にずれが生じ、正確な軸受摩耗の管理ができない問題がある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、温度が変化しても回転子の位置を正確に検出できるキャンドモータの軸方向変位検出装置を提供することを目的とする。

請求項１記載のキャンドモータの軸方向変位検出装置は、キャンドモータの静止部に対して軸受を介して回転する回転子の軸方向変位を検出するキャンドモータの軸方向変位検出装置において、励磁用の一次コイルと軸方向に一対の検出用の二次コイルとを有するコイル部およびこのコイル部の内側に配置される磁性体を備え、前記磁性体が前記回転子に固着され、前記コイル部が前記磁性体の外周を囲繞して前記静止部に固着された差動トランスと、前記一次コイルを励磁する発振回路と、前記発振回路によって励磁される前記一次コイルに流れる電流および前記二次コイルに発生する電圧を検出する検出回路と、前記キャンドモータの内部の温度を検出する温度検出手段と、前記一次コイルに流れる電流値の初期値に対する変化率を求め、この変化率で前記二次コイルに発生する電流値を補正し、補正した電流値に基づいて前記回転子の位置を求める第１の演算手段、および、前記回転子の温度による寸法変化量の補正定数を前記温度検出手段によって検出される温度に応じて求め、この補正定数で前記第１の演算手段で求められた前記回転子の位置を補正する第２の演算手段を有する演算部と、前記演算部で求められた前記回転子の位置を出力する出力部とを具備しているものである。

請求項２記載のキャンドモータの軸方向変位検出装置は、請求項１記載のキャンドモータの軸方向変位検出装置において、前記演算部は、温度と前記回転子の寸法変化量の補正定数との関係を予め記憶しており、前記温度検出手段によって検出される温度に応じて補正定数を選択して求めるものである。

請求項３記載のキャンドモータの軸方向変位検出装置は、請求項１または２記載のキャンドモータの軸方向変位検出装置において、前記温度検出手段は、温度と前記一次コイルに流れる電流との関係に基づいて前記一次コイルに流れる電流に応じた温度を検出するものである。

請求項１記載のキャンドモータの軸方向変位検出装置によれば、第１の演算手段によって差動トランスの温度による出力特性の変動を補正し、第２の演算手段によって回転子の温度による寸法変化すなわち回転子の位置の変動を補正することにより、温度が変化しても回転子の位置を正確に検出することができる。

請求項２記載のキャンドモータの軸方向変位検出装置によれば、請求項１記載のキャンドモータの軸方向変位検出装置の効果に加えて、キャンドモータの機種に応じて温度と回転子の寸法変化量の補正定数との関係を予め記憶させておくことで、温度に応じて適切な補正定数を選択し、回転子の位置を正確に検出することができる。

請求項３記載のキャンドモータの軸方向変位検出装置によれば、請求項１または２記載のキャンドモータの軸方向変位検出装置の効果に加えて、一次コイルに流れる電流に応じた温度を検出できるため、別の温度センサなどを省略できる。

本発明の一実施の形態を示すキャンドモータの軸方向変位検出装置の回路図である。同上キャンドモータの軸方向変位検出装置の断面図である。同上キャンドモータを用いたキャンドモータポンプの断面図である。同上軸方向変位検出装置の差動トランスの一次コイルの電流と二次コイルの電圧との関係を示すグラフである。同上軸方向変位検出装置の差動トランスの温度と一次コイルの電流との関係を示すグラフである。

以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。

図３にキャンドモータを用いたキャンドモータポンプの断面図を示す。キャンドモータポンプ10は、キャンドモータ11とポンプ12とを液密に一体に結合して構成されている。

キャンドモータ11は、固定子鉄心13に固定子巻線14を巻回してなる固定子15を固定子枠16に挿着し、固定子15の内周面に薄肉円筒状の固定子キャン17を密着挿入してその両端縁を固定子枠16に液密に溶着し、回転子鉄心18に回転子導体19を装着してなる回転子20に回転軸21を挿着し、回転子20の外周面に薄肉円筒状の回転子キャン22を被着し、固定子15に回転子20を固定子キャン17と回転子キャン22とのキャン隙間23を介して対向配設し、回転軸21を軸受箱24，25に装着した軸受26，27にてスリーブ28，29およびスラストカラ30，31を介して軸支して構成されている。

ポンプ12は、インペラ32を回転軸21に取着し、このインペラ32を囲繞してポンプケーシング33を固定子枠16に液密に取着している。

そして、キャンドモータポンプ10は、ポンプ吐出側34の取扱液の一部を循環パイプ35を経てキャンドモータ11内に導き、後部の軸受27を潤滑し、固定子キャン17と回転子キャン22とのキャン隙間23を流して固定子15と回転子20とを冷却し、前部の軸受26を潤滑した後、インペラ32のバランスホールからポンプ吸込側36へと戻して循環させる構成が採られている。また、固定子15、軸受箱24，25、ポンプケーシング33などから静止部37が構成され、回転子20、回転軸21、スリーブ28，29、スラストカラ30，31およびインペラ32などにより回転部38が構成されている。

次に、キャンドモータ11に適用される軸方向変位検出装置40を、図２を参照して説明する。励磁用の一次コイル41と軸方向に一対の検出用の二次コイル42，43とからなるコイル部44とこのコイル部44の内側に配置される磁性体45とによって差動トランス46が構成されている。

コイル部44は差動トランスケース47内に装着し、この差動トランスケース47の配線引込口48よりシール部材49を介してリード線50が引き出され、非耐蝕性鋼からなる検出体キャン51がコイル部44の内周面に挿入されてその両端縁が差動トランスケース47に液密に溶着されて検出部52が構成されている。検出部52は中空状に形成された後部の軸受箱25にシール部材53を介してボルト54にて液密に締結固定され、検出部52とポンプ吐出側34との間に循環パイプ35が接続されている。

磁性体45は雄ねじ部55aを形成した非磁性耐蝕性鋼からなる補助軸55に一体に溶接され、磁性体45の外周部に非磁性耐蝕性鋼からなる被検出体キャン56が液密に溶着されて被検出体57が構成されている。この被検出体57は回転軸21の後端部に螺合固着され、前記コイル部44に対応して検出部52の内側に配設される。

検出部52のリード線50は指示計58に接続されている。

図１に示すように、指示計58は、差動トランス46の一次コイル41を一定周波数でかつ一定電圧の交流電源で励磁する励磁回路としての発振回路61と、この発振回路61によって励磁される一次コイル41に流れる電流および一対の二次コイル42，43に発生する電圧を検出する検出回路62と、この検出回路62の出力に基づいて回転子20の位置すなわち軸方向軸受摩耗量を演算する演算部63と、演算部63で求められた軸方向軸受摩耗量に応じた指示値を出力する出力部64とを備えている。

そして、発振回路61により一次コイル41を励磁すると、磁性体45を磁気回路の中心とする交番磁束が発生するため、一対の二次コイル42，43にそれぞれ交流誘導電圧が発生する。この２つの交流誘導電圧は図１において磁性体45が上下に移動すれば、一方が増え、他方が減る。検出回路62では、一対の二次コイル42，43からの交流電圧を各々半波整流して整流後の両電圧の差に応じた検出信号を演算部63に出力する。演算部63では、検出信号に基づいて回転子20の位置すなわち軸方向軸受摩耗量を演算し、この軸方向軸受摩耗量に応じた指示値を出力部64に出力する。

また、演算部63は、差動トランス46の温度による出力特性の変動を補正して回転子20の位置を演算する第１の演算手段（第１の補正手段）、回転子20の温度による寸法変化すなわち回転子20の位置の変動を補正して回転子20の位置を演算する第２の演算手段（第２の補正手段）、およびキャンドモータ11の内部の温度であって仕様液（ポンプ12の取扱液）の温度を検出する温度検出手段の機能を有する。

ここで、演算部63の第１の演算手段について説明する。差動トランス46は、一定温度下では磁性体45の位置が不変の場合、その出力は一定である。しかし、キャンドモータ11の内部を流れる仕様液の温度によって差動トランス46の温度が変化した場合、一次コイル41の抵抗値が変化するため、一次コイル41に流れる電流が増減し、しいては二次コイル42，43に発生する電圧の変動につながる。

差動トランス46の構造上、一次コイル41に流れる電流がｋ倍になったとき、二次コイル42，43に発生する電圧もｋ倍となる。すなわち、図４に示すように、一次コイル41に流れる電流の変化率と二次コイル42，43に発生する電圧の変化率とが略等しいことから、一次コイル41に流れる電流の変化率を基に二次コイル42，43に発生する電圧の補正値を求めることが可能となる。

よって、温度変化により一次コイル41に流れる電流が初期値のｋ倍となったとき、二次コイル42，43に発生する電圧もｋ倍となっているため、二次コイル42，43に発生する電圧の検出値をｋ倍することで補正することができる。

したがって、演算部63の第１の演算手段では、一次コイル41に流れる電流値の初期値に対する変化率を求め、この変化率で二次コイル42，43に発生する電流値を補正し、補正した電流値に基づいて回転子20の位置を求める。

また、演算部63の第２の演算手段について説明する。キャンドモータ11の内部を流れる仕様液の温度が変化すると、回転子20が熱膨張により伸縮するため、差動トランス46に対する磁性体45の軸方向における移動範囲が相対的に変化し、回転子20の位置の計算結果にずれが生じてしまう。

したがって、演算部63の第２の演算手段では、回転子20の温度による寸法変化量の補正定数を温度検出手段によって検出される温度に応じて求め、この補正定数で第１の演算手段で求められた回転子20の位置を補正する。

例えば、キャンドモータ11の機種毎に、温度と回転子20の寸法変化量との関係から、各温度毎の回転子20の寸法変化量の補正定数を計算し、キャンドモータ11の機種毎の温度と補正定数との関係を演算部63が有する記憶部のテーブルに予め記憶しておく。そして、そのテーブルを参照し、温度検出手段によって検出される温度に応じて補正定数を選択して求めることができる。

また、演算部63の温度検出手段は、図５に示すように、差動トランス46の温度と一次コイル41の電流とは線形関係にあるため、一次コイル41に流れる電流から差動トランス46の温度すなわち仕様液の温度を計算によって検出することができる。なお、温度検出手段としては、一次コイル41に流れる電流から温度を検出する場合に限らず、温度センサなどを用いて検出するようにしてもよい。

次に、演算部63による処理の具体例を説明する。

まず、キャンドモータポンプ10の運転前において、キャンドモータポンプ10の初期状態（キャンドモータポンプ10は停止状態、軸受摩耗は無し、仕様液温度は常温）での各パラメータを指示計58で測定する。各測定値は、例えば、
仕様液の温度：５℃
一次コイル41に流れる電流：Ｉ₀＝６．４７１ｍＡ
二次コイル42，43に発生する電圧（フロント当たり）：Ｖ_F0＝７．３ｍＶ
二次コイル42，43に発生する電圧（リア当たり）：Ｖ_R0＝１３７．３ｍＶ
であったとする。なお、フロント当たりとは回転子20が前部の軸受26に当たった状態、リア当たりとは回転子20が後部の軸受27に当たった状態をいう。また、回転子20の軸方向の遊び値ｄ＝２．６１ｍｍであったとする。

これらの値をもとに、回転子20の位置Ｘは、
フロント当たり：Ｘ_F0＝０．００ｍｍ
リア当たり：Ｘ_R0＝２．６１ｍｍ
と設定される。

そのため、キャンドモータポンプ10の運転中のある時点での回転子20の位置が０．００ｍｍ以下、もしくは２．６１ｍｍ以上であれば、軸受26，27に摩耗が発生していると判定することができる。

ここで、二次コイル42，43に発生する電圧がＶmの場合、回転子20の位置Ｘは、
Ｘ＝｛（Ｖ_m−Ｖ_F0）／（Ｖ_R0−Ｖ_F0）｝ｄ
の式で計算される。

次に、キャンドモータポンプ10を運転し、仕様液の温度が２００℃で安定した時点での差動トランス46の一次コイル41に流れる電流および二次コイル42，43に発生する電圧が、
一次コイル41に流れる電流：Ｉ_m＝５．５６０ｍＡ
二次コイル42，43に発生する電圧：Ｖ_m＝１００．４ｍＶ
であったとする。なお、キャンドモータポンプ10の運転中は、回転子20はフロント当たりの状態となる。

仮に、補正をせずに、回転子20の位置を上記Ｘの式で計算すると、
Ｘ＝０．６８ｍｍ
となる。運転中の回転子20の位置は、フロント当たりのため、リア方向に０．６８ｍｍのずれが生じていることになる。これでは、フロント側に摩耗が発生しても、その摩耗量が０．６８ｍｍ以下であった場合には、摩耗無しと判定されてしまい、正確な摩耗管理ができないことになる。

そこで、演算部63では、第１の演算手段および第２の演算手段による２段階の補正を行って回転子20の正確な位置を求める。

まず、演算部63の第１の演算手段により、差動トランス46の温度による出力特性の変動を補正し、回転子20の位置を求める。

一次コイル41に流れる電流値の初期値に対する変化率ｋは、
ｋ＝Ｉ₀／Ｉ_m＝６．４７１／５．５６０＝１．１６４
であり、このｋの値を二次コイル42，43の電圧に掛けて補正値Ｖ_mlを求めると、
Ｖ_ml＝Ｖ_m・ｋ＝１００．４・１．１６４＝１１６．８５ｍＶ
となる。

この補正値Ｖ_mlを用いて、回転子20の位置を上記Ｘの式で計算すると、
Ｘ＝１．５４３ｍｍ
と求められる。

続いて、演算部63の第２の演算手段により、回転子20の温度による寸法変化すなわち回転子20の位置の変動を補正する。

キャンドモータ11の試験結果により、仕様液の初期状態からの温度変化ΔＴ〔deg〕は次式で求められる。なお、式中の「２０８」および「１３６１」は、軸方向変位検出装置40の固有値であり、軸方向変位検出装置40の仕様が変わると固有値も対応する固有値に変わる。

Ｔ_m＝−２０８・Ｉ_m＋１３６１
初期状態からの温度変化ΔＴは、
ΔＴ＝２０８・│Ｉ_m−Ｉ₀│＝２０８・│５．５６０−６．４７１│＝１９０deg
となる。なお、実際の温度には２００−５＝１９５degである。

補正定数Ａは、次式で求められる。
Ａ＝α・Ｌ・ΔＴ
αは回転子20の回転軸21の材質の線膨張率、Ｌは回転子20のリア側の端面からフロント側の端面までの長さである。

回転子20の回転軸21の材質がＳＵＳ３０４で、αが１７．３〔１０^-6／ｋ〕、Ｌが４９１ｍｍであったとすると、補正定数は、
Ａ＝１７．３・１０^-6・４９１・１９０＝１．６１０
となる。

このような補正定数は、温度変化の都度に計算によって求めてもよいが、キャンドモータ11の機種毎の温度と補正定数との関係を演算部63の記憶部のテーブルに予め記憶しておくことにより、温度に応じて補正定数を選択することで容易に求めることができる。

そして、補正後の回転子20の位置Ｘ_cは、
Ｘ_c＝Ｘ−Ａ
＝１．５４３−１．６１０
＝−０．０７ｍｍ
となる。

このように、演算部63の第１の演算手段および第２の演算手段により、回転子20の位置の計算値が０．６８ｍｍから−０．０７ｍｍとなり、回転子20の正しい位置である０．００ｍｍに近い値に補正することができた。

なお、温度補正を考慮した回転子20の位置Ｘ_cの計算式を以下に示す。

Ｉ_mは任意の時間の一次コイル41の電流、Ｖ_mは任意の時間の二次コイル42，43の電圧、Ｉ₀は初期状態の一次コイル41の電流、Ｖ_F0は初期状態のフロント当たりの二次コイル42，43の電圧、Ｖ_R0は初期状態のリア当たりの二次コイル42，43の電圧、ｄは回転子20の軸方向の遊び値、αは回転子20の回転軸21の材質の線熱膨張率、Ｌは回転子20のリア側の端面からフロント側の端面までの長さである。

以上のように、軸方向変位検出装置40によれば、演算部63の第１の演算手段によって差動トランス46の温度による出力特性の変動を補正し、第２の演算手段によって回転子20の温度による寸法変化すなわち回転子20の位置の変動を補正することにより、温度が変化しても回転子20の位置を正確に検出することができる。

また、キャンドモータ11の機種に応じて温度と回転子20の寸法変化量の補正定数との関係を予め記憶させておくことで、温度に応じて適切な補正定数を選択し、回転子20の位置を正確に検出することができる。

また、温度検出手段は一次コイル41に流れる電流に基づいて温度を検出できるため、別の温度センサなどを省略できる。

なお、キャンドモータ11は、キャンドモータポンプ10のほか、キャンドモータ攪拌機、キャンドモータブロワ、キャンドモータ圧縮機などに適用することもできる。

11 キャンドモータ
20 回転子
26，27 軸受
37 静止部
40 軸方向変位検出装置
41 一次コイル
42，43 二次コイル
44 コイル部
45 磁性体
46 差動トランス
61 発振回路
62 検出回路
63 演算部
64 出力部

Claims

キャンドモータの静止部に対して軸受を介して回転する回転子の軸方向変位を検出するキャンドモータの軸方向変位検出装置において、
励磁用の一次コイルと軸方向に一対の検出用の二次コイルとを有するコイル部およびこのコイル部の内側に配置される磁性体を備え、前記磁性体が前記回転子に固着され、前記コイル部が前記磁性体の外周を囲繞して前記静止部に固着された差動トランスと、
前記一次コイルを励磁する発振回路と、
前記発振回路によって励磁される前記一次コイルに流れる電流および前記二次コイルに発生する電圧を検出する検出回路と、
前記キャンドモータの内部の温度を検出する温度検出手段と、
前記一次コイルに流れる電流値の初期値に対する変化率を求め、この変化率で前記二次コイルに発生する電流値を補正し、補正した電流値に基づいて前記回転子の位置を求める第１の演算手段、および、前記回転子の温度による寸法変化量の補正定数を前記温度検出手段によって検出される温度に応じて求め、この補正定数で前記第１の演算手段で求められた前記回転子の位置を補正する第２の演算手段を有する演算部と、
前記演算部で求められた前記回転子の位置を出力する出力部と
を具備していることを特徴とするキャンドモータの軸方向変位検出装置。
前記演算部は、温度と前記回転子の寸法変化量の補正定数との関係を予め記憶しており、前記温度検出手段によって検出される温度に応じて補正定数を選択して求める
ことを特徴とする請求項１記載のキャンドモータの軸方向変位検出装置。
前記温度検出手段は、温度と前記一次コイルに流れる電流との関係に基づいて前記一次コイルに流れる電流に応じた温度を検出する
ことを特徴とする請求項１または２記載のキャンドモータの軸方向変位検出装置。