JP6320098B2 - 可変インダクタンス型位置センサシステムおよび可変インダクタンス型方法 - Google Patents

可変インダクタンス型位置センサシステムおよび可変インダクタンス型方法 Download PDF

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Description

本発明は、可変インダクタンス型半径方向位置センサ(variable inductance type radial position sensor)システム、およびロータの半径方向位置を検知するための方法に関する。本発明は、詳細には、磁気軸受を備えたロータの半径方向位置を検出するために適用可能である。
半径方向シャフト位置センサは、詳細には、シャフトと固定フレームとの間に機械的な接触なしに、能動型磁気軸受を備えた固定フレームに対して吊るされたシャフトまたはロータの半径方向位置を検知するために使用される。半径方向シャフト位置センサは、制御システムの性能に関する重要な要素である。半径方向位置センサを含む制御システムの主な要件は、低ドリフト、高安定性、高線形、高信号対雑音比、高帯域幅、電磁気汚染に対する頑強さおよび耐性、アクチュエータと、スイッチング増幅器と、センサ信号との間の最低限の結合、ならびに機械的頑強さである。
当技術分野で知られている半径方向センサシステムのある例が図16に例示される。そのような誘導型半径方向センサ(inductive type radial sensor)システムは、ホイートストーンブリッジ(Wheatstone bridge)内に取り付けられた誘導型ギャップセンサを使用する。図16は、一般に、薄いフェロシリコン積層(thin silicon iron laminations)(典型的な厚さ:0.1mmから0.35mm)のスタックである固定磁気回路によって構成されるセンサステータ3を概略的に示す。リング型のロータターゲット4は、やはり、シャフト10上に焼き嵌めまたは接着された薄積層のスタックである。スケッチされた、2つの互いに直交する軸X-X'およびY-Y'に沿ってセンサステータ3に対するロータターゲット4の半径方向位置を検知する2軸システムの場合、4つの検知要素31から34が必要とされる。
それぞれの検知要素31から34は、2つの極片を含み、少なくとも1つのコイル5を含むべきである。図16に示される例では、4つの検知要素のそれぞれの極の周囲に、スケッチされたような8つのセンサコイル5が配列される。したがって、この例では、それぞれの検知要素は、2つの極片の周囲に巻かれた2つのコイル5を備える。それぞれの変位軸(displacement axis)X-X'およびY-Y'は、それぞれ、ブリッジ内に配列された2つの検知要素31、32ならびに33、34をそれぞれ有する。このブリッジは、固定周波数および固定振幅(典型的には、20kHzから100kHz、5Vから50V)の第1のAC電圧源1と第2のAC電圧源2とを含むスプリットキャリア式電圧源(split carrier voltage source)によって励起される。
戻されたブリッジ電圧Usx6およびUsy7は、所望の振幅変調されたロータ変位情報を含む。電圧6はX-X'軸の検知要素31および32に共通の共通接続点61と、第1のAC電圧源および第2のAC電圧源1、2に共通の、接地に接続された接続点81との間で必要とされる。電圧7は、Y-Y'軸の検知要素33および34に共通の共通接続点71と、第1のAC電圧源および第2のAC電圧源1、2に共通の、接地に接続された接続点81との間で必要とされる。ロータが中央位置にあるとき、同期復調の後に取得される位置情報はゼロである。
図17は、軸X-X'に関する図16の最新半径方向検知デバイス概念の動作の原理を例示し、この原理は、第2の軸Y-Y'に関しても同じである。検知要素31および32のエアギャップは以下の方程式によって与えられる。
g1=g0+x
g2=g0-x
式中、g0は、シャフト10の変位がないときのエアギャップの公称値であり、xは、検知要素31および32によって検知されることになるX-X'軸に沿ったシャフト10の変位であり、接続点61および81間で検出された電圧us(t)6から導出可能である。
図18は、対応する電気モデルを示す。
少なくとも1つのインダクタンスコイル5を有する、それぞれの誘導センサ要素31、32は、2のインダクタンスの直列接続によって表される。Lσは、センサギャップが変化しているときに変化しない漏れインダクタンスである。
インダクタンス値L1(x)=L0 *1/(1+x/g0)およびL2(x)=L0 *1/(1-x/g0)は、示されるように変位xに依存する。L0は、変位xがゼロのときのインダクタンスの可変部分の値に対応する。この場合、センサギャップは公称値g0を有する。
ブリッジ電圧に関する方程式は、比率Lσ/L0がシステムの感度および線形性に重要な影響を及ぼすことを示す。すなわち、漏れが高ければ高いほど、感度および線形性が低くなる。実際のシステムでは、この比率はゼロより大きい場合があり、およそ1でありうる。典型的には、この比率はおよそ0.5から最高で1.5まで異なりうる。
上記のシステムは多くの技術的要件を満たす。しかし、実際には、解決すべき、いくつかの雑音問題、結合問題、および線形性問題が存在する。良好な信号対雑音比を得るためには、高励起電圧振幅(high excitation voltage amplitudes)で動作する必要があり、これは、一般に、高コストおよび高電力消費につながる。多くの雑音問題は、センサと電子機器との間の「検知ワイヤ」が接地に対して高いインピーダンスを有することから生じる。高周波数スイッチングノイズは、この「フローティング」ワイヤに結合される。したがって、システムは検知ワイヤの注意深い遮蔽を必要とし、これはコストを増大させる。
ゼロ位置周辺で、最新システムの線形性は満たされるが、要求される変位検出範囲が公称センサギャップに近いとき、比率Lσ/L0の異なる値0.5、1、および1.5に関する変位x/g0に応じた検知デバイスの出力信号(曲線21から23)を示す図12に例示されるように、非線形性が問題になる。
解決されるべき技術的問題は、上述の欠点を改善する半径方向可変インダクタンス型センサシステムを提供することである。
より詳細には、本発明は、線形性および信号対雑音比を改善することを目的とする。
本発明は、遮蔽ケーブルを何も必要とせずに、大きなケーブル長を使用する可能性を可能にすることをさらに目的とする。
本発明の別の目的は、より低い電力消費とより低いコストとを可能にする、簡素化された電子回路を有することである。
本発明は、添付の請求項において定義される。
本発明は、より詳細には、可変インダクタンス型半径方向位置センサシステムに関し、この可変インダクタンス型半径方向位置センサシステムは、回転軸上に固定されたリングを構成する強磁性体のロータターゲットと、前記ロータターゲットの周囲に配置された固定磁気回路とを備え、前記固定磁気回路が、第1の検知要素とロータターゲットとの間にエアギャップを残しながら、ロータターゲットの前面に事前定義された第1の軸X-X'に沿って配置された少なくとも前記第1の検知要素を備え、前記第1の検知要素が少なくとも1つのインダクションコイルを受ける可変インダクタンス型半径方向位置センサシステムであって、前記第1の検知要素の前記少なくとも1つのインダクションコイルの第1の端部が第1のAC電圧源の第1の端部に接続され、前記第1の検知要素の前記少なくとも1つのインダクションコイルの第2の端部が前記第1のAC電圧源の第2の端部に接続された第1の接続点に接続され、前記第1のAC電圧源の前記第2の端部が基準電圧に接続され、前記第1の接続点と前記第1のAC電圧源の前記第2の端部との間を流れる電流の大きさに関する情報を配信するために、前記第1の接続点と前記第1のAC電圧源の前記第2の端部との間に検出器デバイスが挿入され、前記情報が、前記第1の軸X-X'に沿った所定の公称値g0を表す、前記エアギャップの幅に対する修正の値xを表し、このシステムは、第1の接続点と第1の検知要素の少なくとも1つのインダクションコイルの第2の端部との間に直列接続されたキャパシタC1を備え、それにより、線形効果を提供することを特徴とする。
ロータターゲットは、フェライトで作られることが可能であるか、または強磁性積層によって、もしくは強磁性積層のスタックによって構成可能である。
固定磁気回路は、フェライトで作られることが可能であるか、または強磁性積層のスタックによって構成可能である。
好ましい実施形態によれば、基準電圧は0ボルトに等しい。
本発明による可変インダクタンス型位置センサシステムは、第1のAC電圧源の第1の端部に接続された方形形成器(square former)と、90°移相器と、前記検出器デバイスに接続された同期整流回路と、ローパスフィルタとを備えた復調回路をさらに備えることが可能である。
本発明のある実施形態によれば、可変インダクタンス型位置センサシステムは、第1のAC電圧源の第1の端部と第1の接続点との間で並列接続されたキャパシタC2をさらに備える。
本発明による可変インダクタンス型半径方向位置センサシステムの別の実施形態によれば、固定磁気回路は、第2の検知要素132とロータターゲットとの間にエアギャップを残しながら、第1の検知要素131に対してロータターゲット104の反対側の事前定義された第1の軸X-X'に沿って配置された第2の検知要素を備え、第2の検知要素は少なくとも1つのインダクションコイルを受け、第2の検知要素の少なくとも1つのインダクションコイルの第1の端部は第2のAC電圧源の第1の端部に接続され、第2の検知要素の少なくとも1つのインダクションコイルの第2の端部は、第1の共通接続点を構成し、かつ基準電圧に接続されている第1のAC電圧源の第2の端部に共通の第2の共通接続点を構成する、第2のAC電圧源の第2の端部に接続された第1の接続点に接続される。
第1のAC電圧源および第2のAC電圧源は、固定周波数および固定振幅を有し、異符号(opposite signs)の正弦波搬送波を生成するスプリット基準電圧発振器(split reference voltage oscillator)によって構成可能である。
別の実施形態によれば、固定磁気回路は、第3の検知要素および第4の検知要素とロータターゲットとの間にエアギャップを残しながら、ロータターゲットの反対側に第1の軸X-X'と直角な事前定義された第2の軸Y-Y'に沿って配置された第3の検知要素および第4の検知要素をさらに備え、第3の検知要素および第4の検知要素は、それぞれ、少なくとも1つのインダクションコイルを受け、第3の検知要素の少なくとも1つのインダクションコイルの第1の端部は第1のAC電圧源の第1の端部に接続され、第4の検知要素の少なくとも1つのインダクションコイルの第1の端部は第2のAC電圧源の第1の端部に接続され、第3の検知要素および第4の検知要素の第2の端部は、基準電圧に接続された第2の共通接続点を自ら有する、第1のAC電圧源および第2のAC電圧源の第2の端部に接続された第3の共通接続点に接続され、第2の接続点および第3の接続点の間を流れる電流の大きさに関する情報を配信するために、第2の共通接続点および第3の共通接続点の間に第2の検出器デバイスが挿入され、この情報は、第2の軸Y-Y'に沿った所定の公称値g0を表す、前記エアギャップの幅に対する修正の値を表す。
本発明は、可変インダクタンス型方法にさらに関し、この方法は、第1の検知要素とロータターゲットとの間にエアギャップを残しながら、ロータターゲットの前面に事前定義された第1の軸X-X'に沿って配置された少なくとも第1の検知要素を固定磁気回路内に配列するステップと、第1の検知要素に少なくとも1つのインダクションコイルを提供するステップとを含む、前記ロータターゲットの周囲に配置された固定磁気回路に対して回転軸上に固定されたリングを構成する強磁性体のロータターゲットの半径方向位置を検知するための可変インダクタンス型方法であって、第1の検知要素の少なくとも1つのインダクションコイルの第1の端部を第1のAC電圧源の第1の端部に接続するステップと、第1の検知要素の少なくとも1つのインダクションコイルの第2の端部を第1の接続点に接続するステップと、第1の接続点を第1のAC電圧源の第2の端部に接続するステップと、第1のAC電圧源の第2の端部を基準電圧に接続するステップと、第1の接続点と第1のAC電圧源の第2の端部との間を流れる電流の大きさに関する情報を配信するために、第1の接続点と第1のAC電圧源の第2の端部との間に検出器デバイスを挿入するステップとをさらに含み、前記情報が、第1の軸X-X'に沿った所定の公称値g0を表す、前記エアギャップの幅に対する修正xの値を表し、この方法は、第1の接続点と第1の検知要素の少なくとも1つのインダクションコイルの第2の端部との間にキャパシタC1を直列接続するステップをさらに含むことを特徴とする。
ある特定の実施形態によれば、本発明による可変インダクタンス型方法は、第1のAC電圧源の第1の端部と第1の接続点との間でキャパシタC2を並列接続するステップをさらに含む。
本発明は、さらに、上で定義されたような可変インダクタンス型半径方向位置センサシステムを備えた、回転電気機械、または、半径方向磁気軸受デバイスに関する。
本発明の第1の実施形態による、単一の要素センサを備えた可変インダクタンス型半径方向位置検知システムの概略図である。 図1の検知システムの漏れインダクタンスの異なる値に関する変位に応じた出力信号を示す異なる曲線を示す図である。 本発明の第2の実施形態による、単一の要素センサを備えた可変インダクタンス型半径方向位置検知システムの概略図である。 図3の検知システムの漏れインダクタンスの異なる値に関する変位に応じた出力信号を示す異なる曲線を示す図である。 本発明の第3の実施形態による、単一の要素センサを備えた可変インダクタンス型半径方向位置検知システムの概略図である。 図3および図5の検知システムに関する変位に応じた出力信号を示す異なる曲線を示す図である。 センサ信号を処理するための回路のある例とともに、本発明による、単一の要素センサを備えた可変インダクタンス型半径方向位置検知システムの概略図である。 図7または図9に例示されるシステムによって処理される異なる信号の時間依存性を示す図である。 センサ信号を処理するための回路のある例とともに、本発明の第4の実施形態による、要素センサのブリッジ配列を有する可変インダクタンス型半径方向位置検知システムの概略図である。 図9の可変インダクタンス型半径方向位置検知システムの電気モデルの概略図である。 図10の検知システムに関する変位に応じた出力信号を示す異なる曲線を示す図である。 図16に例示される、先行技術の検知システムに関する変位に応じた出力信号を示す異なる曲線を示す図である。 2つの互いに直交する軸に沿ったセンサ要素を備えた、本発明の第5の実施形態による、要素センサのブリッジ配列を有する可変インダクタンス型半径方向位置検知システムの概略図である。 2つの互いに直交する軸に沿ったセンサ要素と、線形化キャパシタとを備えた、本発明の第6の実施形態による、要素センサのブリッジ配列を有する可変インダクタンス型半径方向位置検知システムの概略図である。 それぞれ、図13および図14の検知システムに関する変位に応じて出力信号を示す2つの曲線を示す図である。 2つの互いに直交する軸に沿ったセンサ要素を備え、従来の電圧検知概念を適用する、要素センサのブリッジ配列を有する、先行技術の可変インダクタンス型半径方向位置検知システムの概略図である。 1つの軸に沿ったセンサ要素を備え、従来の電圧検出概念を適用する、要素センサのブリッジ配列を有する、先行技術の可変インダクタンス型半径方向位置検知システムの概略図である。 図17の知られている可変インダクタンス型半径方向位置検知システムの電気モデルの概略図である。
本発明は、例として示される、好ましい実施形態に関して説明される。
図1は、回転軸110上に固定されたリングを構成する強磁性体のロータターゲット104と、ロータターゲット104の外部に配置された固定磁気回路103とを備えた可変インダクタンス型半径方向位置センサシステムの典型的な配列を示す。固定磁気回路103は、検知要素131とロータターゲット104との間にエアギャップを残しながら、ロータターゲット104の前面に事前定義された第1の軸X-X'に沿って配置された検知要素131を備える。検知要素131は、固定磁気回路103の一部を含み、ロータターゲット104に向けられた2つの極片131a、131bを画定する。したがって、検知要素131は、一般に、U型磁気回路を備え、図1に示されるように、極片131a、131bの間の固定磁気回路の一部の周囲に巻かれた、少なくとも1つのインダクションコイル105をさらに備える。しかし、あるいは、検知要素131は、検知要素131のU型磁気回路の極片131a、131bの周囲に巻かれた、2つの直列接続されたインダクションコイルを備えることが可能である。図1の実施形態では、分かりやすいように、1つのインダクションコイル105だけが使用される。
検知要素131のインダクションコイル105の第1の端部は、AC電圧源101の第1の端部198に接続される。検知要素131のインダクションコイル105の第2の端部は、AC電圧源101の第2の端部181に接続された接続点199に接続される。
AC電圧源101の第2の端部181は、好ましくは接地である基準電圧に接続される。接続点199とAC電圧源101の第2の端部181との間を流れる電流の大きさに関する情報をライン163上で配信するために、接続点199とAC電圧源101の第2の端部181との間に検出器デバイス162が挿入される。この情報は、第1の軸X-X'に沿った所定の公称値g0を表す、エアギャップの幅に対する修正xの値を表す。
ロータターゲット104は、フェライトで作られることが可能であり、または強磁性積層によって、もしくは強磁性積層のスタックによって構成されることが可能である。
同様に、固定磁気回路103は、フェライトで作られることが可能であり、または強磁性積層のスタックによって構成されることが可能である。
図1では、u(t)=u*sinωtは、AC電圧源101の正弦波励起電圧を指定する。
検出器デバイス162によって検知される電流はis(t)である。
センサエアギャップgはg=g0+xと定義され、g0は公称センサエアギャップであり、xは公称センサエアギャップに対応する位置に対するロータ変位である。
検知要素131のコイル105のインダクタンスは、ロータ変位xの公称センサエアギャップg0に応じて定義されるインダクタンスL(x)の漏れインダクタンスLσおよび公称ギャップ(x=0)でのインダクタンスL0の和と定義される。
図2で、3本の曲線は、比率Lσ/L0の3つの異なる値に関する(公称センサギャップg0で除算された)変位xに応じた、検出器デバイス162の(変位x=0のとき、公称出力i0で除算された)出力信号isを表す。したがって、曲線111、112、および113は、それぞれ、比率Lσ/L0の値1.5、1、および0.5に対応する。
本発明によれば、接続点199とAC電圧源101の第2の端部181との間を流れる電流が検出器デバイス162によって検知されるが、図16から図18で例示される先行技術によれば、電圧が検知される。
電流検知概念により、半径方向位置検出システムを構築するための単純な可変インダクタンス型単一の要素センサ131を容易に設計することができる。
図2を考慮する場合、検知電流振幅は変位xの線形関数ではなく、漏れインダクタンスはオフセット、感度、および線形性に強い影響を及ぼすことが分かる。検出器デバイスの出力信号をデジタル信号に変換することができ、デジタル信号は、次いで、オフセットを補償することになり、かつセンサを線形化することになるデジタルプロセッサに印加される。
いずれの場合も、図1の実施形態は、遮蔽ケーブルの必要を回避し、より低い電力消費を暗示し、これは、先行技術の検知デバイスに対する改善である。
図3に示される、好ましい実施形態によれば、本発明による可変インダクタンス型半径方向位置センサシステムは、第1のAC電圧源101の第1の端部198と第1の接続点199との間で並列接続されたキャパシタC2 171を備える。この場合、公称センサギャップにおける誘導センサ電流(90°位相遅延)は、キャパシタC2 171(90°位相進み)の定容量性電流によって補償される。
この目標はC2=1/ω2(Lσ+L0)に関して達成される。
公称位置(x=0)では、発振器電流および検知電流はゼロである。
ゼロ前後の小さな変位の場合、比率Lσ/L0の3つの異なる値に関する(公称センサギャップg0で除算された)変位xに応じた、検出器デバイス162の(変位x=0のとき、公称出力i0で除算された)出力信号isを表す、3本の曲線を示す図4で分かるように、図3のシステムはすでに非常に良好な線形性を有する。曲線141、142、および143は、したがって、それぞれ、比率Lσ/L0の値1.5、1、および0.5に対応する。
図5の実施形態は、より大きな変位の場合ですら、システムの線形性を依然として改善することを目的とする。図5による可変インダクタンス型半径方向位置センサシステムは、第1の接続点199と第1の検知要素131の少なくとも1つのインダクションコイル105の第2の端部との間で直列接続されたキャパシタC1 172を備える。キャパシタC1 172のキャパシタンスは、励起周波数におけるインピーダンスが(励起周波数における)漏れインダクタンスのインピーダンスと整合するように選ばれる。
キャパシタC1およびC2に関する値の選択は、センサ特性に従って行われなければならない。すなわち、C1に関する値は、以下のように、励起周波数におけるセンサの漏れインダクタンスによって求められる。
C1=1/ω2Lσ。
C2の値は、以下のように、インダクタンスL0によって求められる。
C2=1/ω2L0。
L0は、公称ギャップにおけるセンサインダクタンスから漏れインダクタンスを差し引いたものに対応する。
C1およびC2に関する値が適切に選択された場合、図5にスケッチされたような単一の要素センサ概念は、最高で+/-90%の公称センサギャップの動作範囲に対して完全な線形性を有する。
図6のグラフに示されるように、キャパシタC1を有するシステム(曲線191)の感度は、キャパシタC1なしのシステム(曲線192)と比較して、およそ4倍(12dB)だけ高まる。
曲線191および192は、キャパシタ171および172を含む、図5のシステムに関する、かつキャパシタ171だけを含む、図4のシステムに関する、それぞれ、(公称センサギャップg0で除算された)変位xに応じた、検出器デバイス162の(変位x=0のとき、公称出力i0で除算された)出力信号isを表す。
キャパシタ171および172は、電子回路側に配置されてよく、ならびに検知要素131に近接して配置されてよく、または検知要素ハウジング内に配置されてもよい。
検知要素131に近接してキャパシタ171および172を配列することは、単純で、コンパクトな、線形検知モジュールをもたらす。
構成要素の数およびシステムコストは最小限まで低減される。必要とされる電子回路は非常に単純である。1つの単純な基準発振器だけが必要であり、基準発振器の出力電圧が大きなDCオフセットを有することが可能であるのは、キャパシタC1 172がDC経路を「切断する」ためである。
加えて、破損したワイヤの検出を容易に実施することが可能である。センサワイヤが破損した場合(開回路)、検知電流は高振幅を伴って容量性になる。この状況は、追加の努力なしに、電子回路によって検出可能である。
電気雑音に対する耐性は良好であり、一般に、いかなる特別な遮蔽ワイヤも必要としない。
図7に示されるように、本発明の好ましい実施形態による可変インダクタンス型半径方向位置センサシステムは、第1のAC電圧源101の第1の端部198に接続された方形形成器202と、90°移相器203と、検出器デバイス162とに接続された同期整流回路201と、ローパスフィルタ204とを備えた復調回路を備えることが可能である。オプションで、抵抗器179を第1のAC電圧源101の第1の端部198に接続することができる。その出力が同期整流回路201に接続された演算増幅器205に、この抵抗器179のもう一方の端部と、検出器デバイス162に接続されたライン163とが加えられる。この抵抗器179は、磁気検知回路内の鉄損の影響を補償する。ローパスフィルタ204によって出力された位置情報は、次いで、図7に示されないアナログ/デジタル変換器を介してデジタル情報に変換される。
図7の配列内で処理される信号が、詳細には、第1のAC電圧源101によって出力されたAC信号u(t)151と、検出器デバイス162によって出力された検知電流is(t)152と、方形形成器202および90°移相器203によって出力された信号ustと、同期整流回路201によって出力された整流信号ux155と、ローパスフィルタ204によって出力された信号uposition157とを示す図8に例示される。
図8では、破線内の曲線153および156は負の変位x<0に対応し、一方、曲線152および155は、それぞれ、正の変位x>0に対応する。
図7の復調回路の代わりに、代替の実施形態として、デジタル信号プロセッサによって、検知電流振幅is(t)を直接サンプリングすることが可能である。
本発明のこの実装には実際的な制限は存在せず、上で述べられた本発明の特徴は、どんなサイズであれ、すべてのタイプの可変インダクタンス型誘導センサに適用可能である。
実際的な例として、本発明による電流検知システムは、以下の特徴を有する実際的なセットアップに適用可能である。
u=10Vpeak、f=20kHz、Lσ=280uH、L0=280μH、g0=500μm
この例では、必要とされるキャパシタ値はおよそ220nFである。
本発明の別の実施形態による可変インダクタンス型半径方向位置センサシステムが図9に例示される。図1の実施形態に示された要素に加えて、図9の可変インダクタンス型位置センサシステムは以下の特徴を含む。
固定磁気回路103の一部は、ロータターゲット104に向けられた第2の検知要素132の2つの極片132a、132bを画定する。したがって、第2の検知要素132は、第1の検知要素131同様、一般に、U型磁気回路を備え、図9に示されるように、極片132a、132bの間の固定磁気回路の一部の周囲に巻かれた、少なくとも1つのインダクションコイル105をさらに備える。
しかし、あるいは、検知要素131、132は、検知要素131、132のU型磁気回路のそれぞれ極片131a、131bおよび132a、132bの周囲に巻かれた、2つの直列接続されたインダクションコイルを備えることが可能である。そのような特徴は、後に説明される図13および図14の実施形態に表されている。図9の実施形態では、分かりやすいように、それぞれの検知要素131、132に関して、1つのインダクションコイル105だけが使用される。
第2の検知要素132とロータターゲット104との間にエアギャップを残したまま、第1の検知要素131に対してロータターゲット104の反対側に事前定義された第1の軸X-X'に沿って第2の検知要素132が配置される。
第2の検知要素132のインダクションコイル105の第1の端部は、第2のAC電圧源102の第1の端部197に接続される。第2の検知要素132のインダクションコイル105の第2の端部は、第1の共通接続点161を構成し、かつ第1のAC電圧源101の第2の端部に共通であり、かつ好ましくは接地である基準電圧に接続された第2の共通接続点181を構成する、第2のAC電圧源102の第2の端部に接続された第1の接続点に接続される。
図9に例示された一軸ブリッジ配列に適用される電流検知概念では、第1のAC電圧源および第2のAC電圧源101、102は、固定周波数および固定振幅を有し、接続点181における信号用接地に対して、第1の検知要素および第2の検知要素131、132のコイル105内で異符号の正弦波搬送波を生成するスプリット基準電圧発振器によって構成される。
スプリット基準電圧発振器の典型的な周波数は数kHzであり、振幅は(センサのサイズおよびアプリケーションに応じて)2Vから50Vの範囲である。誘導センサ要素131および132によって形成されるブリッジの中心点161は、接続点181において信号用接地に直接接続される。ブリッジの中心点161から接続点181における信号用接地に流れるAC電流は検出器デバイス162によって測定される。
ロータが中央位置(x=0)にある場合、測定電流はゼロである。ロータが、これは、好ましくは、能動型磁気軸受である軸受内の中央に位置する場合の普通の状態である。
ロータがx(x>0)の正の方向に移動している場合、電流i1の振幅は増大し、電流i2の振幅は減少し、結果として生じる接地電流振幅is=i1-i2も増大する。
ロータがx(x<0)の負の方向に移動している場合、電流i1の振幅は減少し、電流i2の振幅は増大し、結果として生じる接地電流振幅は負符号とともに増大する。
したがって、ロータ変位xは、検出器デバイス162によって検知される接地電流の振幅を変調する。この電流検知概念では、励起電圧u(t)と測定電流is(t)との間に90°の一定位相遅延が常に存在する(図8を参照されたい)。復調回路においてこの点を考慮に入れなければならない。
復調回路は励起電圧によって同期される。電流検知モードの典型的な特性は、図8に示されるように、基準発振器電圧に関して制御信号ustが90°位相遅延されるということである。
図7の実施形態のように、図9の実施形態による可変インダクタンス型半径方向位置センサシステムは、好ましくは、第1のAC電圧源101の第1の端部198に接続された方形形成器202と、90°移相器203と、検出器デバイス162とに接続された同期整流回路201と、ローパスフィルタ204とを備えた復調回路を備える。
図9の配列に関する電気モデルが図10に示される。それぞれの誘導センサ要素は、2つのインダクタンスの直列接続によって表される。
Lσは、センサギャップが変化しているときに変化しない漏れインダクタンスである。
インダクタンス値L1(x)=L0 *1/(1+x/g0)およびL2=L0 *1/(1-x/g0)は、示されるように、変位xに依存する。
L0は、変位xがゼロのときのインダクタンスの可変部分の値に対応する。この場合、センサギャップは公称値g0を有する。
いくつかの事例では、センサ積層の損失は著しい。必要な場合、L(x)に対して並行な抵抗によってこれらの損失を表すことが可能である。しかし、ブリッジ配列の場合、これらの損失を考慮する必要はなく、図10の単純なモデルは実際の動きを非常によく説明する。
図10の方程式(2)はこのモデルから導出されている。この方程式はロータ変位xに応じた出力信号を定量化する。
図11は、従来の電圧検知に関して、図12に例示された類似のグラフと比較した、対応する感度/線形性グラフを示す。グラフは両方とも同じ電気センサモデルを使用して生成されている。
これらのグラフは(公称センサギャップg0で除算された)変位に応じた(励起振幅で除算された)出力信号を示す。
最大変位0.9は公称センサギャップの90%に対応する。
図11および図12のグラフは、大きな変位に関して、先行技術の電圧検知概念よりも、この電流検知概念はより良好な線形性を有することを明瞭に示している。
図11では、3本の曲線は、比率Lσ/L0の3つの異なる値に関する(公称センサギャップg0で除算された)変位xに応じた、検出器デバイス162の(変位x=0のとき、公称出力i0で除算された)出力信号isを表す。曲線121、122、および123は、したがって、それぞれ、比率Lσ/L0の値1.5、1、および0.5に対応する。
先行技術の電圧検知概念に関する図12では、3本の曲線は、比率Lσ/L0の3つの異なる値に関する(公称センサギャップg0で除算された)変位xに応じた(図16および図17に示されない)検出器デバイスの(変位x=0のとき、公称出力u0で除算された)の電圧出力信号usを表す。曲線21、22、および23は、したがって、それぞれ、比率Lσ/L0の値0.5、1、および1.5に対応する。
改善された線形性に加えて、本発明による電流検知概念は、他の潜在的な問題を解決する。したがって、インピーダンスがない(かつ、フローティングがない)状態で「検知ワイヤ」が接地に接続されていることは、このワイヤに結合した電気雑音に対する耐性を高める。これは、産業環境における電流ループと電圧ループとの間の信号/雑音比の差と比較可能である。実際的なシステムの場合、特に、センサと電子機器との間のケーブル長がより長い(10mを超える)とき、これは非常に重要な利点である。したがって、実際には(かつ、比較可能な雑音性能に関して)、励起電圧振幅をだけ減少させて、いずれのケーブル遮蔽も回避することが可能である。低励起電圧振幅はコストおよび電力損失を削減する。遮蔽ケーブルがないことは、やはり、コストを削減し、接続性が非常に単純である。
図13に例示される本発明の別の実施形態によれば、固定磁気回路(103)は、第3の検知要素および第4の検知要素133、134とロータターゲット104との間のエアギャップを残しながら、ロータターゲット104の反対側に第1の軸X-X'と直角な事前定義された第2の軸Y-Y'に沿って配置された第3の検知要素および第4の検知要素133、134をさらに画定する。第3の検知要素および第4の検知要素133、134は、それぞれ、少なくとも1つのインダクションコイル105を受ける。第3の検知要素133の少なくとも1つのインダクションコイル105の第1の端部は、第1のAC電圧源101の第1の端部198に接続される。第4の検知要素134の少なくとも1つのインダクションコイル105の第1の端部は第2のAC電圧源102の第1の端部197に接続され、第3の検知要素および第4の検知要素133、134の第2の端部は、好ましくは接地である基準電圧に接続された第2の共通接続点181を自ら有する第1のAC電圧源および第2のAC電圧源101、102の第2の端部に接続された第3の共通接続点196に接続される。第2の接続点および第3の接続点181、196の間を流れる電流の大きさに関する情報をライン上で配信するために、第2の共通接続点および第3の共通接続点181、196の間に第2の検出器デバイス182が挿入される。この情報は、第2の軸Y-Y'に沿った所定の公称値g0を表す、エアギャップの幅に対する修正の値を表す。
図13では、例示のために、それぞれの検知要素131から134は、対応する検知要素の磁気回路を画定する固定磁気回路103のU型部分の極の周囲に巻かれた、2本の直列接続コイル105のセットを有する。
図14は、図13のシステムに類似するが、図5および図7のキャパシタ172に類似し、かつ、それぞれ、検知要素131から134のコイル105と直列接続されたキャパシタ172から175をさらに備えた、本発明のある実施形態を例示する。キャパシタ172から175は線形化効果を提供する。
図15のグラフに示されるように、比率Lσ/L0=1に関して、キャパシタ172から175がない、図14のシステム(曲線194)と比較して、キャパシタ172から175を有する、図13のシステムの感度(曲線195)はおよそ4倍(12dB)だけ増大する。
曲線195および194は、したがって、それぞれ、キャパシタ172から175を含む、図14のシステムに関する、かつキャパシタ172から175を含まない、図13のシステムに関する、(公称センサギャップg0で除算された)変位xに応じた、検出器デバイス162の(変位x=0のとき、公称出力i0で除算された)出力信号isを表す。
図14の実施形態は感度を改善し、大きな変位に関する線形性は完全である。
概して、本発明は、簡素化を実現し、性能を高め、電力損失およびコストを低減する。
本発明は、やはり、ロータターゲット104の周囲に配置された固定磁気回路103に対して回転軸110上に固定されたリングを構成する強磁性体の前記ロータターゲット104の半径方向位置を検知するための可変インダクタンス型方法に関する。図1に例示されるような方法は、第1の検知要素131とロータターゲット104との間にエアギャップを残しながら、ロータターゲット104の前面に事前定義された第1の軸X-X'に沿って配置された少なくとも第1の検知要素131を固定磁気回路103内に配列するステップと、第1の検知要素131に少なくとも1つのインダクションコイル105と提供するステップとを含む。この方法は、第1の検知要素131の少なくとも1つのインダクションコイル105の第1の端部を第1のAC電圧源101の第1の端部198に接続するステップと、第1の検知要素131の少なくとも1つのインダクションコイル105の第2の端部を第1の接続点199に接続するステップと、第1の接続点199を第1のAC電圧源101の第2の端部181に接続するステップと、第1のAC電圧源101の第2の端部181を基準電圧に接続するステップと、第1の接続点199と第1のAC電圧源101の第2の端部181との間を流れる電流の大きさに関する情報をライン163上で配信するために、第1の接続点199と第1のAC電圧源101の第2の端部181との間に検出器デバイス162を挿入するステップとをさらに含むことを特徴とする。この情報は、第1の軸X-X'に沿った所定の公称値g0を表す、エアギャップの幅に対する修正xの値を表す。
図3に示されるように、この方法は、第1のAC電圧源101の第1の端部198と第1の接続点199との間でキャパシタC2 171を並列接続するステップをさらに含むことが可能である。
図5および図7に示されるように、本発明による可変インダクタンス型方法は、第1の接続点199と第1の検知要素131の少なくとも1つのインダクションコイル105の第2の端部との間でキャパシタC1 172を直列接続するステップをさらに含む。
この方法は、図9、図13、および図14の実施形態に関しても同様に適用される。
電流検知方法に基づく本発明は、すべてのタイプの可変インダクタンス型センサ要素に適用可能である。この検知方法は、シャフトまたはロータが吊るされる様式に依存しないが、この検知方法は、能動型磁気軸受によって浮揚(levitation)の形で吊るされたロータに特に適している。
好ましい実施形態が示され、説明されてきたが、添付の請求項で定義される、本発明の範囲から逸脱せずに、それらの実施形態に任意の変更および修正を行うことが可能であることを理解されたい。したがって、様々な実施形態の特徴を組み合わせることが可能である。
101 AC電圧源、第1のAC電圧源
102 第2のAC電圧源
103 固定磁気回路
104 ロータターゲット
105 インダクションコイル
110 回転軸

Claims (11)

  1. 回転軸(110)上に固定されたリングを構成する強磁性体のロータターゲット(104)と、前記ロータターゲット(104)の周囲に配置された固定磁気回路(103)とを備え、前記固定磁気回路(103)が、第1の検知要素(131)と前記ロータターゲット(104)との間にエアギャップを残しながら、前記ロータターゲット(104)の前面に事前定義された第1の軸X-X'に沿って配置された少なくとも前記第1の検知要素(131)を備え、前記第1の検知要素(131)が少なくとも1つのインダクションコイル(105)を収容する、可変インダクタンス型半径方向位置センサシステムであって、前記第1の検知要素(131)の前記少なくとも1つのインダクションコイル(105)の第1の端部が第1のAC電圧源(101)の第1の端部(198)に接続され、前記第1の検知要素(131)の前記少なくとも1つのインダクションコイル(105)の第2の端部が前記第1のAC電圧源(101)の第2の端部(181)に接続された第1の接続点(199)に接続され、前記第1のAC電圧源(101)の前記第2の端部(181)が基準電圧に接続され、前記第1の接続点(199)と前記第1のAC電圧源(101)の前記第2の端部(181)との間を流れる電流の大きさに関する情報を配信するために、前記第1の接続点(199)と前記第1のAC電圧源(101)の前記第2の端部(181)との間に検出器デバイス(162)が挿入され、前記情報が、前記第1の軸X-X'に沿った所定の公称値g0を表す、前記エアギャップの幅に対する修正xの値を表し、さらに前記第1の接続点(199)と前記第1の検知要素(131)の前記少なくとも1つのインダクションコイル(105)の前記第2の端部との間に直列接続されたキャパシタC1(172)と、前記第1のAC電圧源(101)の前記第1の端部(198)と前記第1の接続点(199)との間で並列接続されたキャパシタC2(171)と、を備えることを特徴とする、可変インダクタンス型半径方向位置センサシステム。
  2. 前記ロータターゲット(104)がフェライトで作られた、請求項1に記載の可変インダクタンス型半径方向位置センサシステム。
  3. 前記ロータターゲット(104)が強磁性積層によって、または強磁性積層のスタックによって構成された、請求項1に記載の可変インダクタンス型半径方向位置センサシステム。
  4. 前記固定磁気回路(103)が、フェライトで作られるか、または強磁性積層のスタックによって構成された、請求項1に記載の可変インダクタンス型半径方向位置センサシステム。
  5. 前記基準電圧が0ボルトに等しい、請求項1に記載の可変インダクタンス型半径方向位置センサシステム。
  6. 前記第1のAC電圧源(101)の前記第1の端部(198)に接続された方形形成器(202)と、90°移相器(203)と、前記検出器デバイス(162)に接続された同期整流回路(201)と、ローパスフィルタ(204)とを備えた復調回路を備える、請求項1から5のいずれか一項に記載の可変インダクタンス型半径方向位置センサシステム。
  7. 前記固定磁気回路(103)が、第2の検知要素(132)と前記ロータターゲット(104)との間にエアギャップを残しながら、前記第1の検知要素(131)に対して前記ロータターゲット(104)の反対側に前記事前定義された第1の軸X-X'に沿って配置された前記第2の検知要素(132)を備え、前記第2の検知要素(132)が少なくとも1つのインダクションコイル(105)を受け、前記第2の検知要素(132)の前記少なくとも1つのインダクションコイル(105)の第1の端部が第2のAC電圧源(102)の第1の端部(197)に接続され、前記第2の検知要素(132)の前記少なくとも1つのインダクションコイル(105)の第2の端部が、第1の共通接続点(161)を構成し、かつ前記基準電圧に接続されている前記第1のAC電圧源(101)の前記第2の端部に共通の第2の共通接続点(181)を構成する、前記第2のAC電圧源(102)の第2の端部に接続された前記第1の接続点に接続された、請求項1から6のいずれか一項に記載の可変インダクタンス型半径方向位置センサシステム。
  8. 前記第1のAC電圧源および前記第2のAC電圧源(101、102)が、固定周波数および固定振幅を有し、異符号の正弦波搬送波を生成するスプリット基準電圧発振器によって構成された、請求項7に記載の可変インダクタンス型半径方向位置センサシステム。
  9. 前記固定磁気回路(103)が、第3の検知要素および第4の検知要素(133、134)と前記ロータターゲット(104)との間にエアギャップを残しながら、前記ロータターゲット(104)の反対側に前記第1の軸X-X'と直角な事前定義された第2の軸Y-Y'に沿って配置された前記第3の検知要素および前記第4の検知要素(133、134)をさらに備え、前記第3の検知要素および前記第4の検知要素(133、134)が、それぞれ、少なくとも1つのインダクションコイル(105)を受け、前記第3の検知要素(133)の前記少なくとも1つのインダクションコイル(105)の第1の端部が前記第1のAC電圧源(101)の第1の端部(198)に接続され、前記第4の検知要素(134)の前記少なくとも1つのインダクションコイル(105)の第1の端部が第2のAC電圧源(102)の第1の端部(197)に接続され、前記第3の検知要素および前記第4の検知要素(133、134)の第2の端部が、前記基準電圧に接続された前記第2の共通接続点(181)を自ら有する、前記第1のAC電圧源および第2のAC電圧源(101、102)の前記第2の端部に接続された第3の共通接続点(196)に接続され、前記第2の接続点および前記第3の接続点(181、196)の間を流れる電流の大きさに関する情報を配信するために、前記第2の共通接続点および前記第3の共通接続点(181、196)の間に第2の検出器デバイス(182)が挿入され、前記情報が、前記第2の軸Y-Y'に沿った所定の公称値g0を表す、前記エアギャップの幅に対する修正の値を表す、請求項7または8に記載の可変インダクタンス型半径方向位置センサシステム。
  10. 第1の検知要素(131)とロータターゲット(104)との間にエアギャップを残しながら、前記ロータターゲット(104)の前面に事前定義された第1の軸X-X'に沿って配置された少なくとも前記第1の検知要素(131)を固定磁気回路(103)内に配列するステップと、前記第1の検知要素(131)に少なくとも1つのインダクションコイル(105)を提供するステップとを含む、前記ロータターゲット(104)の周囲に配置された前記固定磁気回路(103)に対して回転軸(110)上に固定されたリングを構成する強磁性体の前記ロータターゲット(104)の半径方向位置を検知するための可変インダクタンス型方法であって、前記第1の検知要素(131)の前記少なくとも1つのインダクションコイル(105)の第1の端部を第1のAC電圧源(101)の第1の端部(198)に接続するステップと、前記第1の検知要素(131)の前記少なくとも1つのインダクションコイル(105)の第2の端部を第1の接続点(199)に接続するステップと、前記第1の接続点(199)を前記第1のAC電圧源(101)の第2の端部(181)に接続するステップと、前記第1のAC電圧源(101)の前記第2の端部(181)を基準電圧に接続するステップと、前記第1の接続点(199)と前記第1のAC電圧源(101)の前記第2の端部(181)との間を流れる電流の大きさに関する情報を配信するために、前記第1の接続点(199)と前記第1のAC電圧源(101)の前記第2の端部(181)との間に検出器デバイス(162)を挿入するステップを含み、前記情報が、前記第1の軸X-X'に沿った所定の公称値g0を表す、前記エアギャップの幅に対する修正xの値を表し、前記第1の接続点(199)と前記第1の検知要素(131)の前記少なくとも1つのインダクションコイル(105)の前記第2の端部(181)との間でキャパシタCl(172)を直列接続するステップと、前記第1のAC電圧源(101)の前記第1の端部(198)と前記第1の接続点(199)との間にキャパシタC2(171)を並列接続するステップと、をさらに含むことを特徴とする、可変インダクタンス型方法。
  11. 請求項1から9のいずれか一項に記載の可変インダクタンス型半径方向位置センサシステムを備えることを特徴とする、回転電気機械、または、半径方向磁気軸受デバイス。
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