JP6930366B2

JP6930366B2 - 変位検出装置

Info

Publication number: JP6930366B2
Application number: JP2017207080A
Authority: JP
Inventors: 朋浩松田; 武弘軸丸
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2021-09-01
Anticipated expiration: 2037-10-26
Also published as: JP2019078683A

Description

本発明は、変位検出装置に関する。

下記特許文献１には、一つの変位センサで、磁気軸受により支持される回転軸のラジアル方向及びスラスト方向の変位を検出する構成が開示されている。この変位センサは、スラストにおいては一方向及び他方向の両方向の変位を検出する構成を備えている。

特許第４５７８０４５号公報

しかしながら、磁気軸受で支持される回転軸の変位を精度良く検出するには、上記変位センサを回転軸の両端に一対で設ける必要がある。そのため、回転軸の軸長が長くなり、高速回転が難しくなる場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、回転軸の軸長の短縮化に寄与する変位検出装置を提供することである。

本発明の一態様は、磁気軸受により支持される回転軸の変位を検出する変位検出装置であって、前記回転軸におけるスラスト方向の両側に設けられた一対の変位センサを備え、前記変位センサは、前記スラスト方向の回転軸の変位を検出するスラスト変位センサを一組のみ備えることを特徴とする変位検出装置である。

本発明の一態様は、上述の変位検出装置であって、前記変位センサは、円環状のヨークの周方向にティース部が設けられたコアが第１層、第２層、及び第３層の順に積層されている。

本発明の一態様は、上述の変位検出装置であって、前記第１層のティース部と前記第３層のティース部とは、前記スラスト方向において互いに重ならない位置に設けられ、前記第２層のティース部は、前記第１層のティース部と前記第３層のティース部とのそれぞれに対して前記スラスト方向において重なる位置に設けられている。

本発明の一態様は、上述の変位検出装置であって、前記第１層のティース部と、前記第１層のティース部と重なる位置に設けられた前記第２層のティース部とのそれぞれに巻回された第１のセンサコイルと、前記第３層のティース部と、前記第３層のティース部と重なる位置に設けられた前記第２層のティース部とのそれぞれに巻回された第２のセンサコイルと、を備え、前記第１のセンサコイルが巻回された第１層のティース部と前記第２層のティース部とは、それぞれラジアル方向における回転軸の変位を検出するラジアル変位センサとして構成され、前記第２のセンサコイルが巻回された第３層のティース部と前記第２層のティース部とは、それぞれ前記スラスト変位センサとして構成される。

本発明の一態様は、上述の変位検出装置であって、前記第３層のティース部と、前記第３層のティース部と重なる位置に設けられた前記第２層のティース部との少なくともいずれかのティース部の断面積は、他のティース部の断面積以上である。

以上説明したように、本発明によれば、回転軸の軸長の短縮することができる。

本発明の一実施形態に係る変位検出装置を備えた磁気軸受システムＡの概略構成の一例を示す図である。本発明の一実施形態に係るスラスト方向から見た場合の変位センサ５の平面図である。本発明の一実施形態に係るコア部６の構成を説明する図である。本発明の一実施形態に係るコア部６の展開図である。本発明の一実施形態に係る変位センサ５の変形例を示す図である。本発明の一実施形態に係るコア部６の変形例の構成を説明する図である。本発明の一実施形態に係るコア部６の変形例の展開図である。

以下、本発明の一実施形態に係る変位検出装置を、図面を用いて説明する。なお、図面において、同一又は類似の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省く。また、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張して描いている。

図１は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置を備えた磁気軸受システムＡの概略構成の一例を示す図である。
本発明の一実施形態に係る磁気軸受システムＡ（又は磁気軸受（後述のラジアル磁気軸受１又はスラスト磁気軸受２））は、電動機Ｍの回転軸Ｒを非接触で支持するものである。例えば、磁気軸受システムＡは、高速で羽根車や軸を回転させるターボ分子ポンプ、圧縮機、ガスタービン、電力貯蔵用フライホイール等に利用される。

この磁気軸受システムＡは、５自由度制御磁気浮上系を構成する。すなわち、磁気軸受システムＡは、ラジアル方向が４軸、スラスト方向が１軸の計５軸を制御する。ここで、ラジアル方向とは、回転軸Ｒと直交する方向である。スラスト方向とは、回転軸Ｒの軸方向（ラジアル方向と直交する方向）である。以下に、磁気軸受システムＡの構成について、説明する。

図１に示すように、磁気軸受システムＡは、ラジアル磁気軸受１、スラスト磁気軸受２、変位検出装置３、及び制御装置４を備える。

ラジアル磁気軸受１は、回転軸Ｒの両端にそれぞれ配置されている。ラジアル磁気軸受１は、回転軸Ｒに対してラジアル方向の支持力を磁気的に作用させる。このラジアル方向の支持力（磁気吸引力）は、制御装置４により制御される。

スラスト磁気軸受２は、回転軸Ｒの一端に配置されている。スラスト磁気軸受２は、回転軸Ｒに対してスラスト方向ＴＤの支持力を磁気的に作用させる。このスラスト方向の支持力は、制御装置４により制御される。

例えば、ラジアル方向ＲＤの移動をｘ方向，ｙ方向とし、スラスト方向の移動をｚ方向とすると、ラジアル磁気軸受１は、回転軸Ｒにおいて、ｘ，ｙ方向の２軸を制御する。そして、ラジアル磁気軸受１は、回転軸Ｒの両端にそれぞれ設けられ、それぞれ独立して回転軸Ｒを制御するため、２軸×２の４軸で回転軸Ｒを制御することになる。一方、スラスト磁気軸受２は、回転軸Ｒにおいて、ｚ方向の１軸を制御する。したがって、上述したように、磁気軸受システムＡは、回転軸Ｒにおいて、全体として計５軸を制御することになる。

変位検出装置３は、回転軸Ｒに設けられた変位センサ用ターゲットＴ_１，Ｔ_２の位置を検出することで、その回転軸Ｒの変位を非接触で検出する。
以下に、変位検出装置３の構成を説明する。

図１に示すように、変位検出装置３は、スラスト方向における回転軸Ｒの両側に設けられた一対の変位センサ５ａ、５ｂを備える。なお、変位センサ５ａ、５ｂのそれぞれを区別しない場合には、単に「変位センサ５」と標記する。

変位センサ５ａは、回転軸Ｒの一端側に設けられている。変位センサ５ａは、変位センサ用ターゲットＴ_１の位置を検出することで、ラジアル方向における回転軸Ｒの変位と、スラスト方向の回転軸の変位を検出する。そして、変位センサ５ａは、その検出結果を制御装置４に出力する。

変位センサ５ｂは、回転軸Ｒの他端側に設けられている。変位センサ５ｂは、変位センサ用ターゲットＴ_２の位置を検出することで、ラジアル方向における回転軸Ｒの変位と、スラスト方向の変位を検出する。そして、変位センサ５ｂは、その検出結果を制御装置４に出力する。

以下に、変位センサ５の具体的に構造について、図２〜図４を用いて説明する。図２は、スラスト方向から見た場合の変位センサ５の平面図である。図３は、本発明の一実施形態に係るコア部６の構成を説明する図である。図４は、本発明の一実施形態に係るコア部６の展開図である。

変位センサ５は、コア部６及びセンサコイル７を備える。
図３に示すように、コア部６は、第１のコア１０ａ（第１層のコア）、第２のコア１０ｂ（第２層のコア）、及び第３のコア１０ｃ（第３層のコア）の３枚のコアを備える。そして、コア部６は、第１のコア１０ａ、第２のコア１０ｂ、第３のコア１０ｃの順に、回転軸Ｒのスラスト方向に沿って積層された、例えば、三層の積層鋼板である。

第１のコア１０ａは、コア部６の１層目のコアである。第１のコア１０ａは、ヨーク１１ａと４つのティース部１２ａ１〜１２ａ４（以下、総称して「ティース部１２ａ」という。）を備える。
ヨーク１１ａは、円環状に形成された磁性材料である。

各ティース部１２ａ１〜１２ａ４は、ヨーク１１ａの周方向において、回転軸Ｒに向かって突出するよう設けられた磁性材料である。例えば、各ティース部１２ａ１〜１２ａ４は、ヨーク１１ａの周方向に９０°間隔で配置されている。なお、各ティース部１２ａ１〜１２ａ４は、ヨーク１１ａと一体に形成されてもよい。

第２のコア１０ｂは、コア部６の２層目のコアである。第２のコア１０ｂは、ヨーク１１ｂと８つのティース部１２ｂ１〜１２ｂ８（以下、総称して「ティース部１２ｂ」という。）を備える。
ヨーク１１ｂは、円環状に形成された磁性材料である。

各ティース部１２ｂ１〜１２ｂ８は、ヨーク１１ｂの周方向において、回転軸Ｒに向かって突出するよう設けられた磁性材料である。例えば、各ティース部１２ｂ１〜１２ｂ８は、ヨーク１１ｂの周方向に４５°間隔で配置されている。

具体的には、ティース部１２ｂ１，１２ｂ３，１２ｂ５，１２ｂ７は、ティース部１２ａ１〜１２ａ４とスラスト方向において重なる位置に設けられている。一方、ティース部１２ｂ２，１２ｂ４，１２ｂ６，１２ｂ８は、ティース部１２ａ１〜１２ａ４とスラスト方向において重ならない位置に設けられている。

第３のコア１０ｃは、コア部６の３層目のコアである。第３のコア１０ｃは、ヨーク１１ｃと４つのティース部１２ｃ１〜１２ｃ４（ティース部１２ｃ）を備える。
ヨーク１１ｃは、円環状に形成された磁性材料である。

各ティース部１２ｃ１〜１２ｃ４は、ヨーク１１ｃの周方向において、回転軸Ｒに向かって突出するよう設けられた磁性材料である。例えば、各ティース部１２ｃ１〜１２ｃ４は、ヨーク１１ｃの周方向に９０°間隔で配置されている。

具体的には、ティース部１２ｃ１〜１２ｃ４は、ティース部１２ａ１〜１２ａ４とスラスト方向において重ならない位置に設けられている。
また、ティース部１２ｃ１〜１２ｃ４は、ティース部１２ｂ２，１２ｂ４，１２ｂ６，１２ｂ８とスラスト方向において重なる位置に設けられている。すなわち、第３のコア１０ｃは、第１のコア１０ａと同一形状であって、第１のコア１０ａの位置を基準として周方向に９０°回転移動された位置に配置されている。

このように、ティース部１２ａとティース部１２ｃとは、スラスト方向において互いに重ならない位置に設けられている。そして、ティース部１２ｂは、ティース部１２ａとスラスト方向において重なる位置に設けられたティース部１２ｂ１，１２ｂ３，１２ｂ５，１２ｂ７と、ティース部１２ｃとスラスト方向において重なる位置に設けられたティース部１２ｂ２，１２ｂ４，１２ｂ６，１２ｂ８とを備える。

センサコイル７は、ティース部１２ａ，１２ｂ，１２ｃのそれぞれに巻回されている。

ここで、センサコイル７が巻回された、ティース部１２ａ１〜１２ａ４とそのティース部１２ａ１〜１２ａ４と重なる位置に配置されているティース部１２ｂ１，１２ｂ３，１２ｂ５，１２ｂ７とは、それぞれラジアル方向における回転軸Ｒの変位を検出するセンサ（以下、「ラジアル変位センサ」という。）ＲＳとして機能する。
一方、センサコイル７が巻回された、ティース部１２ｃ１〜１２ｃ４とそのティース部１２ｃ１〜１２ｃ４と重なる位置に配置されているティース部１２ｂ２，１２ｂ４，１２ｂ６，１２ｂ８とは、それぞれスラスト方向における回転軸Ｒの変位を検出するセンサ（以下、「スラスト変位センサ」という。）ＴＳとして機能する。これらのスラスト変位センサＴＳは、本発明の「一組のスラスト変位センサ」に相当する。

したがって、第１のコア１０ａと第２のコア１０ｂとには、４つのラジアル変位センサＲＳが形成されており、第２のコア１０ｂと第３のコア１０ｃとには、４つのスラスト変位センサＴＳが形成されている。
なお、第１のコア１０ａと第２のコア１０ｂとは、回転軸Ｒが基準位置（変位ゼロ）である場合において、変位センサ用ターゲットＴと重なるように配置される。一方、第３のコア１０ｃは、回転軸Ｒが基準位置（変位ゼロ）である場合において、変位センサ用ターゲットＴと重ならないように配置される。

変位検出装置３は、ラジアル変位センサＲＳに巻回されたセンサコイル（第１のセンサコイル）７のインダクタンスの変化に基づいて、ラジアル方向における回転軸Ｒの変位を検出する。また、変位検出装置３は、スラスト変位センサＴＳに巻回されたセンサコイル（第２のセンサコイル）７のインダクタンスの変化に基づいて、スラスト方向における回転軸Ｒの変位を検出する。

制御装置４は、変位検出装置３が検出したラジアル方向における回転軸Ｒの変位に基づいて、ラジアル磁気軸受１のコイルに流す電流を制御する。
また、制御装置４は、変位検出装置３が検出したスラスト方向における回転軸Ｒの変位に基づいて、スラスト磁気軸受２のコイルに流す電流を制御する。なお、制御装置４は、回転軸Ｒにおけるスラスト方向の一端側に設けられた１組のスラスト変位センサからの信号と、他端側に設けられた１組のスラスト変位センサからの信号との差分をとることで、スラスト方向における回転軸Ｒの変位を精度よく検出することができる。

次に、本実施形態の変位検出装置３による効果について説明する。
従来の変位検出装置では、回転軸におけるスラスト方向の片側において、そのスラスト方向の両方向における回転軸Ｒの変位を検出する２組のスラスト変位センサが設けられている。
一方、本実施形態の変位検出装置３は、回転軸におけるスラスト方向の片側において、スラスト方向の回転軸の変位を検出するスラスト変位センサを一組のみ備える。そのため、変位センサ５は、従来の変位センサよりも簡易な構成とすることができ、回転軸Ｒの軸長の短縮化に寄与する。

ここで、ラジアル方向やスラスト方向における回転軸Ｒの変位を検出するには、ティース部において十分な厚さ（スラスト方向の長さ）が必要になる。例えば、ラジアル方向やスラスト方向の回転軸Ｒの変位を検出する場合には、ティース部において５ｍｍの厚さが必要であるとする。その場合には、ラジアル方向の変位を検出するための厚さ５ｍｍの鋼板と、スラスト方向の変位を検出するための厚さ５ｍｍの鋼板との２層の積層鋼板を用いることになり、変位センサとして合計１０ｍｍの厚さのコアを用いることになる。

一方、本実施形態の変位センサ５は、ラジアル方向の回転軸Ｒの変位を検出するためのティース部の一部と、スラスト方向の回転軸Ｒの変位を検出するためのティース部の一部とを第２のコア１０ｂに設ける構造を備えている。すなわち、変位センサ５は、第１のコア１０ａ及び第２のコア１０ｂを用いてラジアル方向の回転軸Ｒの変位を検出し、第２のコア１０ｂ及び第３のコア１０ｃを用いてスラスト方向の回転軸Ｒの変位を検出する。この構造により、第１のコア１０ａ、第２のコア１０ｂ、及び第３のコア１０ｃのそれぞれの厚さを２．５ｍｍに設定することが可能となる。その結果、変位センサ５として合計７．５ｍｍの厚さのコア（コア部６）となり、さらなる回転軸Ｒの軸長の短縮化に寄与する。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

（第１変形例）上記実施形態では、変位センサ５は、４つのスラスト変位センサＴＳを備える場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図５に示すように、変位センサ５は、２つのスラスト変位センサＴＳを備えてもよいし（図５（ａ），（ｂ））、１つのスラスト変位センサＴＳを備えてもよい（図５（ｃ））。すなわち、変位センサ５は、少なくとも１つのスラスト変位センサＴＳを備えていればよい。例えば、変位センサ５が２つのスラスト変位センサＴＳを備える場合には（図５（ａ））、図６，７に示すように、第１のコア１０ａ、第２のコア１０ｂ、第３のコア１０ｃはそれぞれ異なる形状の積層鋼板を用いて形成される。

（第２変形例）上記実施形態では、変位センサ５は、４つのラジアル変位センサＲＳを備える場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、変位センサ５は、少なくとも２つのラジアル変位センサＲＳを備えていればよい。

（第３変形例）上記実施形態では、変位センサ５は、ラジアル方向及びスラスト方向において、回転軸Ｒの変位を検出したが、本発明はこれに限定されない。例えば、変位センサ５は、スラスト方向のうち一方向又は他方向の回転軸Ｒの変位のみを検出すればよく、ラジアル方向の回転軸Ｒの変位を検出してもよいし、検出しなくてもよい。

（第４変形例）上記実施形態では、各ティース部１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、２つのティースにより構成されているが、本発明はこれに限定されない。例えば、各ティース部１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、１つのティースから構成されてもよいし、３つ以上のティースから構成されてもよい。

（第５変形例）上記実施形態では、各ティース部１２ａ，１２ｂ，１２ｃの各断面積はそれぞれ同一の場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ティース部１２ｃと、ティース部１２ｃと重なる位置に設けられたティース部１２ｂとのいずれかの断面積は、他のティース部の断面積以上よりも大きくてもよい。これにより、スラスト変位センサは、ティース部と変位センサ用ターゲットＴ_１，Ｔ_２との重なり量が増加し、基準位置（変位ゼロ）でのインダクタンスが大きくなり、且つスラスト方向の変位を検出することができる距離を長くすることができる。その結果、変位検出装置３は、スラスト方向における回転軸の変位をより精度よく検出することができる。ただし、スラスト変位センサのティース部の断面積は、必ずしもラジアル変位センサの断面積以上でなくてもよく、求められるスラスト変位センサの性能が十分に確保できれば、ラジアル変位センサの断面積未満であってもよい。

Ａ磁気軸受システム
Ｒ回転軸
１ラジアル磁気軸受
２スラスト磁気軸受
３変位検出装置
４制御装置
５変位センサ
７センサコイル
１１ａ，１１ｂ，１１ｃヨーク
１２ａ１〜１２ａ４，１２ｂ１〜１２ｂ８，１２ｃ１〜１２ｃ４ティース部
ＲＳラジアル変位センサ
ＴＳスラスト変位センサ
ＴＤスラスト方向
ＲＤラジアル方向

Claims

磁気軸受により支持される回転軸の変位を検出する変位検出装置であって、
前記回転軸におけるスラスト方向の両側に設けられた一対の変位センサを備え、
前記変位センサは、前記スラスト方向の回転軸の変位を検出するスラスト変位センサを一組のみ備え、
前記変位センサは、
円環状のヨークの周方向にティース部が設けられたコアが第１層、第２層、及び第３層の順に積層され、
前記第１層のティース部と前記第３層のティース部とは、前記スラスト方向において互いに重ならない位置に設けられ、
前記第２層のティース部は、前記第１層のティース部と前記第３層のティース部とのそれぞれに対して前記スラスト方向において重なる位置に設けられている変位検出装置。
前記第１層のティース部と、前記第１層のティース部と重なる位置に設けられた前記第２層のティース部とのそれぞれに巻回された第１のセンサコイルと、
前記第３層のティース部と、前記第３層のティース部と重なる位置に設けられた前記第２層のティース部とのそれぞれに巻回された第２のセンサコイルと、
を備え、
前記第１のセンサコイルが巻回された第１層のティース部と前記第２層のティース部とは、それぞれラジアル方向における回転軸の変位を検出するラジアル変位センサとして構成され、
前記第２のセンサコイルが巻回された第３層のティース部と前記第２層のティース部とは、それぞれ前記スラスト変位センサとして構成されることを特徴とする請求項１に記載の変位検出装置。
前記第３層のティース部と、前記第３層のティース部と重なる位置に設けられた前記第２層のティース部との少なくともいずれかのティース部の断面積は、他のティース部の断面積以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の変位検出装置。