JP4652448B2

JP4652448B2 - 軸の偏心を検出するための装置

Info

Publication number: JP4652448B2
Application number: JP2008518828A
Authority: JP
Inventors: ブラウン、マチアス; フォルマー、ロルフ
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-07-01
Filing date: 2006-06-28
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2026-06-28
Also published as: JP2009500991A; WO2007003547A1; DE102005030878A1; DE102005030878B4; US7709984B2; US20080164777A1

Description

本発明は、軸の偏心を検出するための装置および軸の偏心を検出するための方法に関する。

磁気軸受は受動磁気軸受と能動磁気軸受とに分けられる。受動磁気軸受は永久磁石間に発生する反発力または吸引力か、永久磁石と強磁性材料との間の吸引力かのいずれかが使用される。能動磁気軸受の場合には必要とされる磁界が電磁石により発生させられる。電磁石のコイル中の電流変化によって磁界を変化させることができ、それにより作用する力を変化させることができる。機械部分をこのやり方で支持することを可能にするためには、必要とされる支持力を意のままになるように制御する制御動作が絶えず必要である。制御量は、支持すべき部分もしくは支持すべき軸の偏心である。偏心位置は無接触にてセンサを介して測定される。

センサを、交流電圧を供給される励磁巻線システムが組み込まれている固定子からなるように構成することは公知である。支持すべき軸の一部が固定子の中に突出している。固定子内に設けられたホールセンサによって磁界が測定され、それから軸の偏心が決定される。

しかし、ホールセンサは製造がむずかしく、したがって高価であること、そしてセンサの使用開始前に零点調整が行なわれなければならないことが欠点である。しかし、場合によっては、センサ材料が経年変化をするために、或る動作時間後に零点調整が繰り返されなければならない。それに応じて、ホールセンサの使用は、軸の偏心の検出時に不正確さをもたらす。

したがって、本発明の課題は、より低コストかつより正確な軸の偏心を検出するための装置を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、対極数Ｐｅｒｒを有する励磁巻線システムとそれぞれ対極数Ｐａｕｓを有する２つの出力巻線システムとが存在する静止した固定子を備えた軸の偏心を検出するための装置において、
２つの出力巻線システムが互いにずらされて固定子内に配置されていて、
軸が偏心し得るように、軸が固定子内に移動可能に配置されていて、
｜Ｐｅｒｒ−Ｐａｕｓ｜＝１が当てはまり、
固定子と軸との間に空隙が存在し、
この装置に、励磁巻線システムに交流電圧を供給する電圧源が付設されていて、
この装置に、出力巻線システムに誘起された電圧から軸の偏心を決定する評価ユニットが付設されていることによって解決される。

それにより、装置がコスト的に有利に構成され、かつ非常に高い精度を有することが達成される。更に、零点調整が必要でなく、材料の経年変化が測定精度に影響しない。この場合に、｜Ｐｅｒｒ−Ｐａｕｓ｜＝１は、ＰｅｒｒおよびＰａｕｓが正確に１だけ異なることを意味する。軸は、固定子と少なくとも同じ長さでなければならず、他の要素の少なくとも一端に固定されているか、もしくは他の要素に移行するとよい。要素は、他の材料からなっていてよく、他の形状を有していてよい。

固定子は、絶縁された鋼板か高い電気抵抗を有する強磁性材料かのいずれかからなる。それにより、装置の性能を低下させるうず電流が発生しないことが保証される。強磁性であって高い電気抵抗を有する材料は、例えば焼結材料である。

少なくとも１つの巻線システムが空隙巻線からなるとよい。この場合に巻線は固定子の歯の周りに置かれなく、場合によっては、固定子はこの場合に歯も持たない。これは非常に多くの導体を固定子内に取り付けようとする場合に特に有利である。

代替として、固定子が巻線システムを挿入するためのＮ個のスロットを有する。その場合、巻線システムの巻線を固定子の歯の周りに置くことが好ましく、それにより固定子における磁界に有利な影響を及ぼすことができる。固定子がＮ個のスロットを有する場合、２つの出力巻線システムはＮ／（Ｐａｕｓ＊４）またはＮ＊３／（Ｐａｕｓ＊４）スロットだけずらされて配置される。それにより、出力巻線システムに誘起される電圧から偏心を算定することができる。このために各出力巻線システムは少なくとも２つの端子を有し、誘起された電圧Ｕ１およびＵ２がこれらの端子で測定可能である。

評価ユニットが、固定子の中心からの軸のずれを、出力巻線システムに誘起された両電圧Ｕ１およびＵ２の二乗の和の平方根と定数Ｋ１との積から決定する手段を有すると有利である。この関係は、
軸のずれ＝Ｋ１・√（Ｕ１²＋Ｕ２²）
と表すことができる。

更に、評価ユニットが、固定子の中心を通る基準線から測った固定子の中心からのずれの角度を、誘起された両電圧Ｕ１およびＵ２の比のアークタンゼントと定数Ｋ２との和から決定する手段を有する。この関係は
ずれの角度＝Ｋ２＋ａｒｃｔａｎ（Ｕ１／Ｕ２）
と表すことができる。

本発明による装置は、軸が回転可能である場合にも使用することができる。

本発明による装置には、磁気軸受の巻線を制御する調節ユニットが付設されているとよい。この場合に、本発明による装置は、軸の偏心に相当する制御偏差を測定し、磁気軸受の巻線を制御する調節ユニットにデータを転送して、軸を特定の点、例えば軸受の中心に移動させる。

更に、軸の偏心を検出するための装置に、測定された偏心を表示する表示ユニットが付設されている。これにより、本発明による装置は移動可能な測定装置として使用することもできる。この場合に表示ユニットはアナログ的またはディジタル的にＬＣＤディスプレイとして実施することができる。

有利なやり方では、軸の偏心を検出するための装置が、測定された偏心を他の装置に伝達することを可能にする接続手段を有する。他の装置は、例えば表示ユニット、記録装置、または調節または制御装置であってよい。この場合に記録装置は偏心を一緒に記録する。

以下において、図面に概略的に示す実施例に基づいて、本発明ならびに従属請求項の特徴による本発明の他の有利な構成を更に詳細に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。図１は中心にある軸を有する本発明による装置の固定子を示し、図２は中心にない軸を有する本発明による装置の固定子を示し、図３はスロットの割当図を示し、図４は励磁巻線システムの巻線図を示し、図５は第１の出力巻線システムの巻線図を示す。

図１には、中心にある軸３を有する本発明による装置の固定子１が示されている。固定子１はスロット２を有し、スロット２には励磁巻線システムおよび複数の出力巻線システムがはめ込まれている。軸３は、この例では、固定子１内においてちょうど中心にあり、すなわち軸の中心がちょうど固定子の中心４上にある。

図２は、中心にない軸３を有する本発明による装置の固定子１を示す。この例では軸３の中心８が固定子の中心４の横にある。軸３の偏心は、点４から点８へのずれ７と、固定子の中心４を通る基準線５から測った固定子のずれ７の角度６とによって表すことができる。

本発明による装置は、ずれ７および角度６を決定し、それにより固定子１内における軸３の偏心を決定する。これは、例えば２ないし１０ｋＨｚの周波数を有する交流電圧を励磁巻線システムに供給することによって行なわれる。固定子１内における軸３の位置によって、出力巻線システムに誘起される電圧が影響を及ぼされる。

固定子１の中心４からの軸３のずれ７は、出力巻線システムに誘起された両電圧Ｕ１およびＵ２の二乗の和の平方根と定数との積からなる。

角度６は、定数と、誘起された両電圧Ｕ１およびＵ２の比のアークタンゼントとの和からもたらされる。

図３はスロット２の割当図を示す。本例では固定子１におけるスロット２の個数がＮ＝１６である。列９は励磁巻線システムの割り当てを示し、列１０および１１は出力巻線システムの割当図を示す。各段はＮ＝１６の個数のスロット２の１つを表す。各数値は当該スロット２内にある導体個数を示し、符号は電流の通流方向を示す。本例では励磁巻線システムの対極数がＰｅｒｒ＝２である。両出力巻線システムはそれぞれＰａｕｓ＝３の対極数を有する。したがって、｜Ｐｅｒｒ−Ｐａｕｓ｜＝１が当てはまる。更に、出力巻線システムが全く同じであり、Ｎ＊３／（Ｐａｕｓ＊４）スロットだけずらされて配置されている。

図４には、励磁巻線システムの巻線図が模範的に示されている。各線１２はスロット２を象徴している。実線により巻線システムのコイル１３が表され、破線によりコイルの接続１４が示されている。

図５には、出力巻線システムの巻線図が模範的に示されている。各線１２はスロット２を象徴している。実線により巻線システムのコイル１３が示され、破線によりコイルの接続１４が示されている。

中心にある軸を有する本発明による装置の固定子を示す図中心にない軸を有する本発明による装置の固定子を示す図スロットの割当図励磁巻線システムの巻線図第１の出力巻線システムの巻線図

符号の説明

１固定子
２スロット
３軸
４固定子の中心
５基準線
６角度
７ずれ
８点
９列
１０列
１１列
１２線
１３コイル
１４コイルの接続

Claims

対極数Ｐｅｒｒを有する励磁巻線システムとそれぞれ対極数Ｐａｕｓを有する２つの出力巻線システムとが存在する静止した固定子（１）を備えた軸（３）の偏心を検出するための装置において、
２つの出力巻線システムが互いにずらされて固定子（１）内に配置されていて、
軸（３）が偏心し得るように、軸（３）が固定子（１）内に移動可能に配置されていて、
｜Ｐｅｒｒ−Ｐａｕｓ｜＝１が当てはまり、
固定子（１）と軸（３）との間に空隙が存在し、
装置に、励磁巻線システムに交流電圧を供給する電圧源が付設されていて、
装置に、出力巻線システムに誘起された電圧から軸（３）の偏心を決定する評価ユニットが付設されていて、
各出力巻線システムが、誘起された電圧Ｕ１およびＵ２の測定を可能にする少なくとも２つの端子を有し、
評価ユニットが、固定子（１）の中心（４）からの軸（３）のずれ（７）を、出力巻線システムに誘起された両電圧Ｕ１およびＵ２の二乗の和の平方根と定数Ｋ１との積から、
軸のずれ＝Ｋ１・√（Ｕ１ ² ＋Ｕ２ ² ）
にしたがって決定する手段を有することを特徴とする軸の偏心を検出するための装置。
固定子（１）が積層鋼板から構成されていることを特徴とする請求項１記載の軸（３）の偏心を検出するための装置。
固定子（１）が、例えば焼結材料のような高い電気抵抗を有する強磁性材料から形成されていることを特徴とする請求項１記載の軸（３）の偏心を検出するための装置。
少なくとも１つの巻線システムが空隙巻線からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の軸（３）の偏心を検出するための装置。
固定子（１）が、巻線システムが挿入されているＮ個のスロット（２）を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の軸（３）の偏心を検出するための装置。
２つの出力巻線システムが、Ｎ／（Ｐａｕｓ＊４）またはＮ＊３／（Ｐａｕｓ＊４）スロット（２）だけずらされて配置されていることを特徴とする請求項５記載の軸（３）の偏心を検出するための装置。
評価ユニットが、固定子（１）の中心（４）を通る基準線（５）から測った固定子（１）の中心（４）からのずれの角度を、誘起された両電圧Ｕ１およびＵ２の比のアークタンゼントと定数Ｋ２との和から、
ずれの角度＝Ｋ２＋ａｒｃｔａｎ（Ｕ１／Ｕ２）
にしたがって決定する手段を有することを特徴とする請求項１記載の軸（３）の偏心を検出するための装置。
軸（３）が回転可能であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の軸（３）の偏心を検出するための装置。
装置に、磁気軸受の巻線を制御する調節ユニットが付設されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載の軸（３）の偏心を検出するための装置。
装置に、測定された偏心を指示する指示ユニットが付設されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１つに記載の軸（３）の偏心を検出するための装置。
装置は、測定された偏心を他の装置に伝達することを可能にする接続手段を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の軸（３）の偏心を検出するための装置。
対極数Ｐｅｒｒを有する励磁巻線システムとそれぞれ対極数Ｐａｕｓを有する２つの出力巻線システムとが存在する静止した固定子（１）を備えた軸（３）の偏心を検出するための方法において、
２つの出力巻線システムが互いにずらされて固定子内に配置されていて、
軸（３）が偏心を有し得るように、軸（３）が固定子（１）内に移動可能に配置されていて、
｜Ｐｅｒｒ−Ｐａｕｓ｜＝１が当てはまり、
固定子と軸との間に空隙が存在し、
装置に、励磁巻線システムに交流電圧を供給する電圧源が付設されていて、
出力巻線システムに誘起された電圧から軸（３）の偏心が決定され、
各出力巻線システムが、誘起された電圧Ｕ１およびＵ２が測定される少なくとも２つの端子を有し、
固定子（１）の中心（４）からの軸（３）のずれ（７）が、出力巻線システムに誘起された両電圧Ｕ１およびＵ２の二乗の和の平方根と定数Ｋ１との積から、
軸のずれ＝Ｋ１・√（Ｕ１ ² ＋Ｕ２ ² ）
にしたがって決定されることを特徴とする軸（３）の偏心を検出するための方法。
固定子（１）の中心（４）の中心を通る基準線（５）から測った固定子（１）の中心（４）からのずれの角度が、誘起された両電圧Ｕ１およびＵ２の比のアークタンゼントに定数Ｋ２を、
ずれの角度＝Ｋ２＋ａｒｃｔａｎ（Ｕ１／Ｕ２）
にしたがって加算することによって決定されることを特徴とする請求項１２記載の軸（３）の偏心を検出するための方法。