JP3351310B2 - 回転軸の位置測定システム、それを備えた磁気軸受及び同期モータ - Google Patents

回転軸の位置測定システム、それを備えた磁気軸受及び同期モータ

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JP3351310B2 JP25026297A JP25026297A JP3351310B2 JP 3351310 B2 JP3351310 B2 JP 3351310B2 JP 25026297 A JP25026297 A JP 25026297A JP 25026297 A JP25026297 A JP 25026297A JP 3351310 B2 JP3351310 B2 JP 3351310B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は回転軸の角度位置と
径方向位置を計測するためのセンサを備えた測定システ
ム及びそれを備えた磁気軸受、同期モータに係わり、特
に能動形磁気軸受を使用する高速回転機に好適な測定シ
ステム及びそれを備えた磁気軸受、同期モータに関す
る。
【0002】
【従来の技術】能動形磁気軸受を有し、同期モータで駆
動される高速回転機には回転軸の6つの自由度に対応し
て、6つのセンサが必要である。一つは同期モータのた
めの回転角センサであり、残りの5つは磁気軸受のため
の変位センサである。通常、磁気軸受用の変位センサと
しては渦電流式、あるいは誘導形のギャップセンサが用
いられる。同期モータ用の回転角センサとしては、リゾ
ルバ、光学センサ、誘導センサ、容量センサ、磁気抵抗
センサが用いられる。特開平4-366716号公報に記載のも
のでは零回転から超高速まで対応する誘導センサを提案
している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】特開平4-366716号に記
載されている回転角センサは、2つの偏心したセンサタ
ーゲットと2つのステータコイルユニットから構成され
ており、磁気軸受用の誘導センサと比べると2倍の部品
点数になっている。本発明の目的は回転角センサに磁気
軸受用の径方向変位センサの機能を同時に持たせること
により、部品点数の低減、省スペース化を実現するもの
である。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するために、回転軸に対し互いに反対方向に偏心して
取り付けられた第1のリングと第2のリングと、該リン
グとステータ間のギャップを測定するためのギャップ検
出器より構成される回転軸の位置センサ装置において、
回転軸に偏心して取り付けられた第1のセンサターゲッ
トと該第1のセンサターゲットの径方向位置を測定する
ための第1のステータコイルユニットと、前記第1のセ
ンサターゲットとは反対の方向に偏心して取り付けられ
た第2のセンサターゲットと該第2のセンサターゲット
の径方向位置を測定するための第2のステータコイル
と、前記第1、第2のステータコイルユニットにキャリ
ア信号を供給する発振器と、前記第1、第2ののステー
タコイルの誘導電圧を検出する手段とを設け、前記第
1、第2のステータコイルの誘導電圧の和を求める手段
と、該第1、第2のステータコイルの誘導電圧の差を求
める手段、とを設けるものである。
【0005】センサターゲットが偏心しているので、セ
ンサターゲットの径方向位置を測定することで回転軸の
回転角が得られることになり、さらに、第1、第2のス
テータコイルユニットの誘導電圧の和をとることで回転
軸の径方向変位とは無関係に回転角が測定できることに
なる。特開平4-366716号では第1、第2のステータコイ
ルユニットを直列につないだ回路を構成することで誘導
電圧の和を得るものであるが、差は得られない。本発明
では各ステータコイルユニット毎に誘導電圧が得られる
ようにコイルを結線し、それぞれの誘導電圧を加算器、
減算器を通すことで和と差を同時に求めることができる
ようにするものである。
【0006】第1、第2のステータコイルユニットはい
ずれも角度的に90度のオフセットを有する2組のステー
タコイルユニットから構成され、これら2組のステータ
コイルユニットのそれぞれの誘導電圧から互いに直角で
ある方向の径方向変位を得ることができる。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図1な
いし図3に基づいて説明する。ロータ(回転軸)1には
該ロータ1の軸心に対して互いに反対の半径方向に偏心
した2つのセンサーターゲット12と22が固定されて
いる。そして、該センサターゲット12(第1のリン
グ)の周囲には90度間隔に一対のステータコイルユニ
ット13,14,23,24が配置され、センサターゲッ
ト22(第2のリング)の周囲には同様にステータコイ
ルユニット33,34,43,44が配置され径方向変位
を検出するように合計8対のステータコイルユニットが
固定されている。また、30は発信器で互いに向かい合
う一対の前記ステータコイルユニットと直列に接続して
いる。50は加算器、60は減算器で前記ステータコイ
ルユニットと直列に接続している。70はセンサ復調器
で磁気軸受支持同期モーターシステム88の出力側に接
続されている。71,72,73,74は乗算器で前記セ
ンサ復調器70の出力側に接続されている。87は加法
演算器で前記センサ復調器70の出力側に接続されてい
る。83,84,85,86はローパスフィルタで前記各
乗算器の出力側に接続されている。75,76,77,7
8は他の乗算器で前記加法演算器87とローパスフィル
タの各出力側の両方に接続されている。79,80は加
算器で、該加算器79の入力側には前記乗算器75,7
6の出力側が接続され、加算器80の入力側には前記乗
算器77,78の出力側が接続されている。81,82は
ゲインで入力側は前記加算器79,80の出力側に接続
され、出力側は前記磁気軸受支持同期モーターシステム
88の入力側に接続されている。
【0008】前記ステータコイルユニットに交流電流を
流すと誘導電圧が発生する。誘導電圧は一対のセンサタ
ーゲットとステータコイルユニット間のエアギャップの
大きさにより変化するので、誘導電圧を検出することで
エアギャップを知ることができる。このエアギャップを
感度良く測定するにはステータコイルユニットとセンサ
ターゲット間に磁路が漏れなく形成されなければならな
いのでセンサターゲットおよびステータコイルユニット
の鉄心は強磁性体の積層板で作られる。Z方向を回転軸
方向にとったXYZ座標系を採用すると、前記ステータ
コイルユニット13は第1のセンサターゲット12のX
軸プラス側とステータコイルユニット13間のエアギャ
ップを測定し、ステータコイルユニット14は第1のセ
ンサターゲット12のX軸マイナス側とステータコイル
ユニット14間のエアギャップを測定し、ステータコイ
ルユニット23は第1のセンサターゲット12のY軸プ
ラス側とテータコイルユニット23間のエアギャップを
測定し、ステータコイルユニット24は第1のセンサタ
ーゲット12のY軸マイナス側とステータコイルユニッ
ト24間のエアギャップを測定し、ステータコイルユニ
ット33は第2のセンサターゲット22のX軸プラス側
とステータコイルユニット33間のエアギャップを測定
し、ステータコイルユニット34は第2のセンサターゲ
ット22のX軸マイナス側とステータコイルユニット3
4間のエアギャップを測定し、ステータコイルユニット
43は第2のセンサターゲット22のY軸プラス側とス
テータコイルユニット43間のエアギャップを測定し、
ステータコイルユニット44は第2のセンサターゲット
22のY軸マイナス側とステータコイルユニット44間
のエアギャップを測定するように配置される。さらにス
テータコイルユニット13とステータコイルユニット1
4、ステータコイルユニット23とステータコイルユニ
ット24、ステータコイルユニット33とステータコイ
ルユニット34、ステータコイルユニット43とステー
タコイルユニット44が直列結線され、単一キャリア信
号U(t)=U・sinωtを出力する発振器30で駆動される。
【0009】第1のセンサターゲット12とステータコ
イルユニット13部のエアギャップの大きさをε13、第
1のセンサターゲット12とステータコイルユニット1
4部のエアギャップの大きさをε14、第1のセンサター
ゲット12とステータコイルユニット23部のエアギャ
ップの大きさをε23、第1のセンサターゲット12とス
テータコイルユニット24部のエアギャップの大きさを
ε24、第2のセンサターゲット22とステータコイルユ
ニット33部のエアギャップの大きさをε33、第2のセ
ンサターゲット22とステータコイルユニット34部の
エアギャップの大きさをε34、第2のセンサターゲット
22とステータコイルユニット43部のエアギャップの
大きさをε43、第2のセンサターゲット22とステータ
コイルユニット44部のエアギャップの大きさをε44と
し、前記両センサターゲット12、22の偏心量eは該
センサターゲットの径よりも十分小さいとするならば、 ε13=ε0−e・cosΩt−x ε14=ε0+e・cosΩt+x ε23=ε0−e・sinΩt−y ε24=ε0+e・sinΩt+y ε33=ε0+e・cosΩt−x ε34=ε0−e・cosΩt+x ε43=ε0+e・sinΩt−y ε44=ε0−e・sinΩt+y ここで、ε0は平均ギャップ、xは回転軸のX軸方向の
変位、yは回転軸のY軸方向の変位、Ωは回転軸の角速
度である。
【0010】エアギャップの変化はステータコイルユニ
ット部のインダクタンスの変化を引き起こす。漏れイン
ダクタンス等が無視できる理想的な場合、インダクタン
スはエアギャップに反比例するので、ステータコイルユ
ニット13とステータコイルユニット14の結線部の電
圧をUX1、ステータコイルユニット23とステータコイ
ルユニット24の結線部の電圧をUY1、ステータコイル
ユニット33とステータコイルユニット34の結線部の
電圧をUX2、ステータコイルユニット43とステータコ
イルユニット44の結線部の電圧をUY2とすると、
【0011】
【数1】
【0012】加算器50、減算器60によって、UX1+UX2、
UX2−UX1、UY1+UY2、UY1−UY2を演算すると、
【0013】
【数2】
【0014】上記の信号はキャリア信号U・sinωtを変
調した信号であるから、これらを復調することにより、
回転軸のX軸方向の変位x、Y軸方向の変位y、および
回転軸の回転角度Ωtに対応した信号であるcosΩt、s
inΩtが得られる。Ωtを得るには、 arc tan(sinΩt/cosΩt) という演算をすれば良い。
【0015】回転速度に同期した信号であるcosΩt、s
inΩtは同期モータを駆動するために必要となる信号で
あるが、これらの信号は軸振動の能動的制御に対しても
非常に有用な信号となる。磁気軸受システムでは回転軸
の径方向の振動はラジアル軸受によって抑制されるもの
である。図3においてセンサ復調器70からは各センサ信
号が出力される。フーリエ変換の原理によれば、図3の
ように径方向の変位信号x,yにcosΩt、sinΩtを掛
け算し、その結果をローパスフィルタ83、84、8
5、86を通してDC成分を得、それに加法演算器87に
よって位相シフトしたcosΩt、sinΩtを掛け算する
と、回転速度に同期した振動成分に適当な位相シフトを
施した信号が抽出される。これに適当なゲイン881、
82をかけて、磁気軸受システム88にフィードバック
することにより、回転速度に同期した振動を抑制するこ
とができる。これと同様にして軸のねじり振動を抽出
し、モータのトルクにフィードバックすればねじり振動
の抑制もできる。
【0016】
【発明の効果】本発明の回転軸の位置センサ装置は上記
のように構成したので、簡単な一つのユニットで回転角
と径方向変位を得ることができるため、装置全体が小型
にできる。特に装置の軸方向寸法を短くすることで回転
軸の剛性が増加し、信頼性の高い機械とすることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のブロック図。
【図2】本発明の他の実施例のブロック図。
【図3】フーリエ変換の原理に基づいて抽出した信号を
磁気軸受システムにフィードバックする図。
【符号の説明】
1…ロータ、12,22…センサターゲット、 13,14,23,24,33,34,43,44…ステータ
コイルユニット、 30…発振器、50…加算器、60…減算器、70…セ
ンサ復調器、 71,71,73,74,75,76,77,78…乗算器、 79,80…加算器、81,82…ゲイン、 83,84,85,86…ローパスフィルタ、 87…加法演算器、88…磁気軸受支持同期モータシス
テム。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 一樹 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所 土浦工場内 (56)参考文献 特開 平4−366716(JP,A) 特開 昭61−79105(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01D 5/00 - 5/62 G01B 7/00 - 7/34

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】回転軸に対し互いに反対方向に偏心して取
    り付けられた第1のリングと第2のリングと、該リング
    とステータ間のギャップを測定するためのギャップ検出
    器を備えた回転軸の位置測定システムにおいて、第1の
    リングの径方向変位と第2のリングの径方向変位を加算
    することにより、回転軸の径方向を検出し、第1のリン
    グの径方向変位と第2のリングの径方向変位の差を算出
    することにより、回転軸の回転角を検出することを特徴
    とする回転軸の位置測定システム。
  2. 【請求項2】偏心したリングの径方向変位を測定するこ
    とによって得られる回転軸の回転速度に同期した正弦波
    信号をトラッキングフィルタのフーリエ変換の基本波と
    して使用するトラッキングフィルタ装置を備えたことを
    特徴とする請求項1に記載の回転軸の位置測定システ
    ム。
  3. 【請求項3】前記トラッキングフィルタ装置の出力をフ
    ィードバックすることにより、軸振動の抑制を行うこと
    特徴とする請求項2に記載の回転軸の位置測定システム
    を備えた磁気軸受。
  4. 【請求項4】前記トラッキングフィルタ装置の出力をフ
    ィードバックすることにより、軸ねじり振動を抑制する
    請求項2に記載の回転軸の位置測定システムを備えた同
    期モータ。
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CN100398996C (zh) * 2006-12-14 2008-07-02 北京航空航天大学 一种一体化、五自由度电涡流传感器
CZ2013205A3 (cs) 2013-03-22 2014-10-22 Rieter Cz S.R.O. Zařízení pro snímání polohy otáčejícího se pracovního prostředku v aktivním magnetickém ložisku
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