JP7327243B2 - Displacement sensor for bearing - Google Patents
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Description
本発明は、軸受用変位センサに関する。 The present invention relates to a displacement sensor for bearings.
特許文献1は、磁気軸受を開示する。磁気軸受は、磁力によって回転軸を浮上させることにより、非接触で回転可能に回転軸を支持する。磁気軸受は、磁力を発生させるアクチュエータを有する。アクチュエータは、コアに巻き回されたコイルに提供される電流を制御することによって回転軸に提供する磁力を制御する。さらに、磁気軸受は、回転軸の位置に関する情報を得るための軸受用変位センサを有する。軸受用変位センサは、コイルが巻き回されたコアから回転軸までの距離に応じるインダクタンスの変化を、コイルから出力される電圧の変化として取得する。
磁気軸受を用いた回転機械の高出力化が望まれている。高出力化のためには、回転軸の回転数をさらに高める必要がある。回転数を高めるためには、回転に伴う回転軸の位置の変動を抑制する必要がある。従って、回転軸の位置の検出精度をさらに高める必要があった。 It is desired to increase the output of rotary machines using magnetic bearings. In order to increase the output, it is necessary to further increase the rotational speed of the rotating shaft. In order to increase the number of rotations, it is necessary to suppress the positional fluctuation of the rotating shaft that accompanies the rotation. Therefore, it was necessary to further improve the detection accuracy of the position of the rotating shaft.
そこで、本発明は、回転軸の位置の検出精度を高めることが可能な軸受用変位センサを提供する。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention provides a bearing displacement sensor capable of enhancing the detection accuracy of the position of a rotating shaft.
本発明の一形態は、回転軸の位置を得る軸受用変位センサである。軸受用変位センサは、磁性材料により形成されたコアと、コアに巻き回されるコイルと、温度に基づいて回転軸に対してコアを移動させることによって、回転軸からコアまでの距離を制御するコア位置制御部と、を備える。 One aspect of the present invention is a bearing displacement sensor that obtains the position of a rotating shaft. The bearing displacement sensor controls the distance from the rotating shaft to the core by moving the core with respect to the rotating shaft based on a core made of a magnetic material, a coil wound around the core, and temperature. and a core position control unit.
軸受用変位センサは、回転軸の位置の変化量を、コアに生じるインダクタンスの変化量として得る。インダクタンスの変化量は、コアから回転軸までの距離の変化量に加えて、変位センサの温度変化に起因する変化量を含むことがある。そこで、コア位置制御部は、温度変化に起因するインダクタンスの変化量を打ち消すように、コアから回転軸までの距離を制御する。従って、温度変化に起因する影響を排除することが可能になる。その結果、回転軸の位置の検出精度を高めることができる。 The bearing displacement sensor obtains the amount of change in the position of the rotating shaft as the amount of change in the inductance generated in the core. The amount of change in inductance may include the amount of change due to the temperature change of the displacement sensor in addition to the amount of change in the distance from the core to the rotation axis. Therefore, the core position control unit controls the distance from the core to the rotating shaft so as to cancel the amount of change in inductance caused by temperature change. Therefore, it is possible to eliminate the influence caused by temperature change. As a result, it is possible to improve the detection accuracy of the position of the rotating shaft.
一形態において、コア位置制御部は、温度の上昇に伴ってコアから回転軸までの距離を縮小し、温度の低下に伴ってコアから回転軸までの距離を拡大してもよい。温度が上昇するとコアのインダクタンスが減少する。そこで、インダクタンスの減少分を相殺するように、コアを回転軸に近づける。一方、温度が低下するとコアのインダクタンスが増加する。そこで、インダクタンスの増加分を相殺するように、コアを回転軸から遠ざける。従って、温度の変化に起因するインダクタンス変動の影響を好適に排除することができる。 In one form, the core position control unit may reduce the distance from the core to the rotation axis as the temperature rises and expand the distance from the core to the rotation axis as the temperature drops. As the temperature increases, the inductance of the core decreases. Therefore, the core is moved closer to the rotating shaft so as to offset the decrease in inductance. On the other hand, as the temperature decreases, the inductance of the core increases. Therefore, the core is moved away from the rotating shaft so as to offset the increase in inductance. Therefore, it is possible to preferably eliminate the influence of inductance fluctuations caused by temperature changes.
一形態において、コア位置制御部は、回転軸の径方向に沿った第1付勢力を生じる第1バネと、回転軸の径方向に沿った第2付勢力を生じ、第1バネに対して直列に配置された第2バネと、を有し、第1バネのバネ定数と温度との関係を示す第1バネ温度係数は、第2バネのバネ定数と温度との関係を示す第2バネ温度係数と異なってもよい。この構成によれば、温度が上昇するとコアを回転軸に近づけるような付勢力をコアに提供することができる。さらに、温度が低下するとコアを回転軸から遠ざけるような付勢力をコアに提供することができる。 In one aspect, the core position control unit generates a first spring that generates a first biasing force along the radial direction of the rotating shaft and a second biasing force that extends along the radial direction of the rotating shaft. and a second spring arranged in series, wherein the first spring temperature coefficient indicating the relationship between the spring constant of the first spring and temperature is the second spring indicating the relationship between the spring constant of the second spring and temperature. It may be different from the temperature coefficient. According to this configuration, it is possible to provide the core with an urging force that brings the core closer to the rotating shaft when the temperature rises. Additionally, a biasing force can be provided to the core that moves the core away from the axis of rotation as the temperature drops.
一形態の軸受用変位センサは、回転軸を囲むように配置されるハウジングをさらに備え、第1バネは、コアと第2バネとの間に配置されており、第2バネは、第1バネとハウジングとの間に配置されてもよい。この構成によれば、簡易な構成によって、温度に応じてコアの位置を制御する付勢力を生じさせることができる。 One form of the bearing displacement sensor further comprises a housing arranged to surround the rotating shaft, the first spring being arranged between the core and the second spring, the second spring and the housing. According to this configuration, it is possible to generate an urging force for controlling the position of the core according to the temperature with a simple configuration.
一形態において、第1バネ温度係数は、第2バネ温度係数よりも小さくてもよい。この構成によれば、温度が上昇するとコアを回転軸に近づけ、温度が低下するとコアを回転軸から離間させるような付勢力を好適にコアに提供することができる。 In one form, the first spring temperature coefficient may be less than the second spring temperature coefficient. According to this configuration, it is possible to suitably provide the core with an urging force that brings the core closer to the rotating shaft when the temperature rises and separates the core from the rotating shaft when the temperature drops.
本発明によれば、回転軸の位置の検出精度を高めることが可能な軸受用変位センサが提供される。 According to the present invention, there is provided a bearing displacement sensor capable of increasing the detection accuracy of the position of the rotating shaft.
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
図1に示すように、磁気軸受1は、モータ100に用いられる。モータ100は、圧縮機といった回転機械200に用いられる。回転機械200は、例えば、図示しないインペラを備えており、当該インペラはモータ100の回転軸であるモータ軸101の端部に固定されている。モータ100は、モータ軸101に固定された回転子102と、回転子102を囲む固定子103と、を有する。このモータ100は、大容量且つ高速回転が可能である。磁気軸受1は、このような大容量且つ高速回転のモータ100に好適に利用できる。
As shown in FIG. 1,
モータ軸101は、一対の磁気軸受1によって回転可能且つ非接触で支持されている。磁気軸受1は、モータ100を挟むように配置されている。換言すると、磁気軸受1は、モータ100とインペラとの間に配置されている。なお、モータ100とインペラとの間には、玉軸受104が配置されてもよい。この玉軸受104は、磁気軸受1によるモータ軸101の支持に不備が生じたときにモータ軸101を回転可能に支持する。
A
磁気軸受1は、モータ軸101を非接触且つ回転可能に支持する。さらに、磁気軸受1は、モータ軸101の位置が所定の位置に止まるように制御する。この制御は、モータ軸101を囲むように互いに異なる複数の方向から磁力をモータ軸101に作用させることによりなされる。磁気軸受1は、コントローラ10(図2参照)と、磁力を生じさせるアクチュエータ20と、モータ軸101の位置に関する情報を得る軸受用変位センサ(以下「変位センサ30」と称する)と、を有する。なお、図1では、アクチュエータ20と変位センサ30とは、単なる直方体として簡易に図示している。
The
アクチュエータ20は、磁性部材に巻き回された導線に電流を提供することにより磁力を発生させる。また、変位センサ30は、モータ軸101と変位センサ30との間の距離の変化に応じるインダクタンスの変化を利用して、モータ軸101の位置に関する情報を得る。
磁気軸受1は、アクチュエータ20及び変位センサ30に加えて、さらにハウジング2を有する。ハウジング2は、モータ軸101を囲む円環形状の部材である。ハウジング2は、磁性材料により形成されていてもよい。ハウジング2は、アクチュエータ20及び変位センサ30をそれぞれ所定の位置に保持する。アクチュエータ20はモータ軸101の周りに90度ごとに配置されている。変位センサ30もモータ軸101の周りに90度ごとに配置されている。
The
図2に示すように、磁気軸受1は、コントローラ10を有する。コントローラ10は、変位センサ30から得られる電圧を用いてモータ軸101の位置に関する情報を得る。この情報を用いて、コントローラ10は、アクチュエータ20を制御する。
As shown in FIG. 2, the
より詳細には、磁気軸受1は、4個の変位センサ30A、30B、30C、30Dを有する。以下の説明では、4個の変位センサをそれぞれ区別する必要がある場合には、「変位センサ30A、30B、30C、30D」の参照番号を付す。4個の変位センサをそれぞれ区別する必要がない場合には、単に「変位センサ30」との参照番号を付す。
More specifically, the
変位センサ30A、30Bは、X軸方向に沿ったモータ軸101の変位を得るための電圧をコントローラ10に出力する。そして、コントローラ10は、X軸方向の保持力を発生するアクチュエータ20Aに電流を提供する。磁気軸受1は、Y軸方向についても、同様の構成を有する。つまり、変位センサ30C、30Dは、Y軸方向に沿ったモータ軸101の変位を得るための電圧をコントローラ10に出力する。そして、コントローラ10は、Y軸方向の保持力を発生するアクチュエータ20Bに電流を提供する。
The
コントローラ10は、差動アンプ11A、11Bと、PID制御器12A、12Bと、パワーアンプ13A、13Bと、を有する。差動アンプ11A、PID制御器12A、及びパワーアンプ13Aは、X軸方向の制御に用いる。差動アンプ11B、PID制御器12B、及びパワーアンプ13Bは、Y軸方向の制御に用いる。
The
差動アンプ11Aは、変位センサ30A、30Bから電圧を受け、電圧の差分を出力する。例えば、差動アンプ11Aの出力では、出力信号の符号の正負が反転されていてもよい。差動アンプ11Aの出力は、目標位置を示す信号が加算された後に、PID制御器12Aに入力される。PID制御器12Aは、入力値に応じて制御信号を生成する。PID制御器12Aは、制御信号をパワーアンプ13Aに出力する。パワーアンプ13Aは、制御信号に応じた電流をアクチュエータ20Aに出力する。
The
なお、Y軸方向の制御のための差動アンプ11B、PID制御器12B及びパワーアンプ13Bは、制御対象とする方向が異なるだけであるので、詳細な説明は省略する。
The
図3を参照しながら変位センサ30について、詳細に説明する。変位センサ30は、コアユニット40と、コア位置制御ユニット50(コア位置制御部)と、を有する。コアユニット40は、コアユニット40からモータ軸101までの距離に応じた電圧を得る。コア位置制御ユニット50は、コアユニット40からモータ軸101までの距離を温度に応じて制御する。
The
コア位置制御ユニット50の基端は、ハウジング2の内周面2aに固定されている。コア位置制御ユニット50は、ハウジング2と一体化されていてもよい。また、コア位置制御ユニット50は、ハウジング2とは別体であってもよい。図3では、コア位置制御ユニット50は、ハウジング2と一体化されたものとして図示している。コア位置制御ユニット50の先端側には、コアユニット40が配置されている。つまり、コアユニット40は、コア位置制御ユニット50とモータ軸101との間に配置されている。コア位置制御ユニット50は、コアユニット40を移動可能に保持する。具体的には、コアユニット40は、回転軸線RLと直交する方向にコア位置制御ユニット50に対して移動することができる。換言すると、コアユニット40は、モータ軸101に近づくように移動できるし、モータ軸101から離れるように移動することができる。
A proximal end of the core
図4は、図3に図示された変位センサ30を拡大して示す。
FIG. 4 shows an enlarged view of the
コアユニット40は、コア41と、コイル42と、を有する。コア41は、コイル42に流れる電流に起因して生じる磁路の向きを規定する。コア41は、一体の部品であり、コア本体41aと、コイル巻付部41bと、を含む。コア本体41aは、モータ軸101を中心とする仮想円の接線方向に延びており、その両端にコイル巻付部41bがそれぞれ設けられている。また、コア本体41aの中央にはコア位置制御ユニット50が連結されている。コイル巻付部41bには、導線が巻き付けられており、巻き付けられた導線がコイル42を形成する。つまり、コイル巻付部41b及びコイル42は、巻線部43を構成する。この構成によれば、一方の巻線部43からコア本体41aを介して他方の巻線部43に到る磁路が形成される。
The
コア位置制御ユニット50は、ケース51と、軸体52と、可変バネ53(第1バネ)と、固定バネ54(第2バネ)と、を有する。ここでいう「可変」とは、バネ定数が温度によって変化することを意味する。また、「固定」とは、バネ定数が温度によらず一定であることを意味する。
The core
ケース51は、軸体52、可変バネ53及び固定バネ54を収容する。ケース51の基端は、ハウジング2の内周面2aに固定されている。ケース51は、ハウジング2からモータ軸101に向かって延びている。換言すると、ケース51は、ハウジング2の内周面2aからハウジング2の中心に向かって延びている。ケース51の内部には、隔離壁51aが設けられており、この隔離壁51aによって外側室51Sと、内側室51Tと、が形成されている。外側室51Sには、軸体52の基端が配置される。内側室51Tには、軸体52の一部、可変バネ53及び固定バネ54が収容される。隔離壁51a及びケース51の先端壁51bには、同軸の貫通穴が設けられている。この貫通穴には、軸体52が配置される。
軸体52は、ケース51の先端壁51bから突出する軸先端と、ケース51の外側室51Sに配置された軸基端と、軸先端及び軸基端の間であって内側室51Tに配置された軸間部と、を含む。
The
軸先端には、コアユニット40が連結されている。具体的には、軸先端は、コアユニット40のコア本体41aに連結されている。軸基端は、外側室51Sに配置されており、より詳細には軸基端の端部は、ケース51の底面から離間している。
A
軸間部には、フランジ56が固定されている。つまり、フランジ56は、内側室51Tに配置されている。フランジ56は、内側室51Tを可変バネ領域51Ta及び固定バネ領域51Tbに区切っている。可変バネ領域51Taは、隔離壁51aとフランジ56との間である。この可変バネ領域51Taには、可変バネ53が配置される。一方、固定バネ領域51Tbは、フランジ56と先端壁51bとの間である。この固定バネ領域51Tbには、固定バネ54が配置される。
A
可変バネ53は、隔離壁51aからフランジ56を離間させる向きの可変付勢力(第1付勢力)を発生させる。この可変付勢力Faは、フックの法則によれば、可変バネ53の可変バネ定数kaと可変バネ53の自然長Laからの変位xaとによって決まる。
The
固定バネ54は、先端壁51bからフランジ56を離間させる向きの固定付勢力Fm(第2付勢力)を発生させる。この固定付勢力Fmは、フックの法則によれば、固定バネ54の固定バネ定数kmと固定バネ54の自然長Lmからの変位xmとによって決まる。
The fixed
隔離壁51aと先端壁51bとは、ケース51の一部である。従って、隔離壁51aから先端壁51bまでの距離は、不変である。一方、フランジ56は、軸体52に固定されている。そして、軸体52は、ケース51に対して移動可能である。つまり、隔離壁51aからケース51までの距離及び先端壁51bからケース51までの距離は、可変である。
The
以下、図4~図7を適宜参照しながら、コア位置制御ユニット50の動作について詳細に説明する。
The operation of the core
図7(a)に示すように、フランジ56の位置は、可変バネ定数kaと固定バネ定数kmとの関係によって決まる。フランジ56が静止しているとき、可変付勢力Fa1と固定付勢力Fm1とは釣り合っている。このとき、可変バネ53の変位xa1は、可変付勢力Fa1と、可変バネ定数ka1とによって決まる。可変バネ53の変位xa1が決まると、可変バネ53の長さLa1が決まる。その結果、可変バネ53の長さLa1と等価である隔離壁51aからフランジ56までの距離が決まる。
As shown in FIG. 7(a), the position of the
同様に、固定バネ54の変位xm1は、固定付勢力Fm1と、固定バネ定数km1とによって決まる。固定バネ54の変位xm1が決まると、固定バネ54の長さLm1が決まる。その結果、固定バネ54の長さLm1と等価であるフランジ56から先端壁51bまでの距離が決まる。
Similarly, the displacement xm1 of the fixed
そうすると、可変バネ定数kaと固定バネ定数kmとの大小関係が調整可能であれば、フランジ56の位置を制御できる。つまり、フランジ56が固定された軸体52の位置が制御できる。その結果、ケース51からの軸体52の突出長さが制御できるので、軸体52の先端に固定されたコアユニット40の位置が制御できる。つまり、コアユニット40からモータ軸101までの距離L1が制御できる。
Then, if the magnitude relationship between the variable spring constant ka and the fixed spring constant km can be adjusted, the position of the
本実施形態では、可変バネ定数kaと固定バネ定数kmとの大小関係は、温度に基づいて決まる。つまり、可変バネ定数kaと固定バネ定数kmの少なくとも一方は、温度の関数であり、温度変化に応じてバネ定数が変化する。この温度とは、可変バネ53の温度である。以下の説明では、可変バネ定数kaは温度変化に応じて変化するものとする。一方、固定バネ定数kmは温度変化に応じて不変(一定)であるとする。
In this embodiment, the magnitude relationship between the variable spring constant ka and the fixed spring constant km is determined based on the temperature. That is, at least one of the variable spring constant ka and the fixed spring constant km is a function of temperature, and the spring constant changes as the temperature changes. This temperature is the temperature of the
図5は、可変バネ定数kaと固定バネ定数kmとの関係の一例を示す。横軸は、温度を示す。縦軸は、バネ定数を示す。グラフG5aは、可変バネ定数kaを示し、グラフG5bは、固定バネ定数kmを示す。グラフG5a、G5bは、本実施形態のコア位置制御ユニット50の動作を説明するためのものであり、グラフG5a、G5bが示す傾向は例示である。
FIG. 5 shows an example of the relationship between the variable spring constant ka and the fixed spring constant km. The horizontal axis indicates temperature. The vertical axis indicates the spring constant. Graph G5a shows the variable spring constant ka and graph G5b shows the fixed spring constant km. Graphs G5a and G5b are for explaining the operation of the core
可変バネ定数kaを示すグラフG5aは、温度が上昇するにしたがって、バネ定数の大きさが上昇することを示している。このような特性を有する可変バネ53として、例えば形状記憶合金を用いたバネが挙げられる。一方、固定バネ定数kmを示すグラフG5bは、温度によらず、バネ定数が一定であることを示している。このような特性を有する可変バネ53として、例えば一般的なバネ材料であるピアノ線、バネ用ステンレス鋼線などを用いたバネが挙げられる。
A graph G5a showing the variable spring constant ka shows that the magnitude of the spring constant increases as the temperature rises. As the
<室温時>
まず、室温T1に注目する。この室温時とは、モータ100が動作していない状態であるともいえる。図5のグラフG5a、G5bに示されるように、室温T1であるとき可変バネ定数ka1は、固定バネ定数km1よりも小さい。
<At room temperature>
First, attention is paid to the room temperature T1. It can be said that the room temperature is a state in which the motor 100 is not operating. As shown in the graphs G5a and G5b of FIG. 5, the variable spring constant ka1 is smaller than the fixed spring constant km1 at room temperature T1.
この状態では、図7(a)に図示するように、圧縮バネである可変バネ53は、自然長Laから変位xa1だけ縮んだ状態である。つまり、可変バネ53は、自然長Laから大きい変位xa1を生じている。一方、固定バネ54は、ほぼ自然長Lmの状態である。つまり、固定バネ54は、自然長Lmからの変位xm1はわずかであり、実質的な変位xm1はゼロとしてもよい。その結果、可変バネ53は、比較的大きい変位xa1と比較的小さい可変バネ定数ka1とに基づく可変付勢力Fa1を生じる。一方、固定バネ54は、比較的小さい変位xm1と可変バネ定数ka1よりも大きい固定バネ定数km1とにより固定付勢力Fm1を生じる。可変付勢力Fa1は、固定付勢力Fm1と釣り合っている。この状態では、フランジ56は、ハウジング2側に寄っているので、コア41からモータ軸101までの間隔は、所定の距離L1に保たれている。
In this state, as shown in FIG. 7A, the
例えば、可変バネ53が変位xa1だけ縮んだとすると、この可変バネ53が発生する可変付勢力Fa1はフックの法則によれば、下記式により示される。
Fa1=ka1×xa1…(1)
この可変付勢力Fa1が固定バネ54に作用する。固定バネ54の変位xm1は、下記式により示される。
xm1=Fa1/km1=xa1×(ka1/km1)…(2)
上記式(2)において、ka1がkm1より極めて小さいとすれば(ka1<<km1)、ka1/km1はほぼ0となることがわかる。その結果、固定バネ54は実質的に伸縮せず、自然長Lmを維持する。つまり、コアユニット40からモータ軸101までの距離L1は初期状態から変化しない。そして、室温T1では、温度変化によるインダクタンスの変化はほぼ無視できる。したがって、コアユニット40の位置は元の位置を維持する必要がある。本実施形態のコア位置制御ユニット50は、その要件を満たすことができる。
For example, if the
Fa1=ka1×xa1 (1)
This variable biasing force Fa1 acts on the fixed
xm1=Fa1/km1=xa1×(ka1/km1) (2)
In the above equation (2), if ka1 is much smaller than km1 (ka1<<km1), it can be seen that ka1/km1 is almost zero. As a result, the fixed
<動作温度時>
次に、動作温度T2に注目する。この動作温度T2とは、モータ100が運転中であるときの状態であるといえる。図5のグラフG5bに示すように、動作温度T2は、室温T1よりも高い。動作温度T2であるとき、可変バネ定数ka2は、固定バネ定数km2よりも大きい。つまり、室温T1と動作温度T2との間で、可変バネ定数kaと固定バネ定数kmとの大小関係が逆転する温度が存在する。
<At operating temperature>
Next, attention is paid to the operating temperature T2. It can be said that this operating temperature T2 is the state when the motor 100 is in operation. As shown in graph G5b of FIG. 5, operating temperature T2 is higher than room temperature T1. At the operating temperature T2, the variable spring constant ka2 is greater than the fixed spring constant km2. That is, there exists a temperature between the room temperature T1 and the operating temperature T2 at which the magnitude relationship between the variable spring constant ka and the fixed spring constant km is reversed.
このような関係は、可変バネ定数kaの可変バネ温度係数(第1バネ温度係数)と、固定バネ定数kmの固定バネ温度係数(第2バネ温度係数)と、の関係によって定義してよい。これらのバネ温度係数は、バネ定数と温度との関係を示す。バネ定数と温度との関係は、図5のグラフG5aに示すように、一次関数であってもよいし、さらに高次の関数であってもよい。本実施形態では、バネ定数と温度との関係は、一次関数によって示すこととする。この場合には、バネ温度係数は、グラフG5a、G5bの傾きである。 Such a relationship may be defined by the relationship between the variable spring temperature coefficient (first spring temperature coefficient) of the variable spring constant ka and the fixed spring temperature coefficient (second spring temperature coefficient) of the fixed spring constant km. These spring temperature coefficients show the relationship between spring constant and temperature. The relationship between the spring constant and temperature may be a linear function or a higher-order function, as shown in the graph G5a of FIG. In this embodiment, the relationship between spring constant and temperature is represented by a linear function. In this case, the spring temperature coefficient is the slope of the graphs G5a and G5b.
上述したように固定バネ定数kmは、温度によらず一定であるとした。従って、固定バネ定数kmは、室温T1から動作温度T2に亘って略一定の値を維持する。この場合には、グラフG5bの傾きである固定バネ温度係数は、1である。一方、可変バネ定数kaは、温度の関数であるとした。そして、可変バネ53は、温度の上昇に伴って可変バネ定数kaが上昇する。この場合には、グラフG5aの傾きである可変バネ温度係数は、1より大きい正の値である。
As described above, the fixed spring constant km is assumed to be constant regardless of the temperature. Therefore, the fixed spring constant km maintains a substantially constant value from the room temperature T1 to the operating temperature T2. In this case, the fixed spring temperature coefficient, which is the slope of the graph G5b, is one. On the other hand, the variable spring constant ka was assumed to be a function of temperature. The
図6及び図7(b)に示すように、動作温度T2のとき、可変バネ53は、ほぼ自然長Laの状態である。つまり、可変バネ53は、自然長Laからわずかな変位xa2を生じている。一方、固定バネ54は、自然長Lmから変位xm2だけ縮んだ状態である。つまり、固定バネ54は、自然長Lmからの大きい変位xm2を生じている。その結果、可変バネ53は、比較的小さい変位xa2と比較的大きい可変バネ定数ka2とにより可変付勢力Fa2を生じる。一方、固定バネ54は、比較的大きい変位xm2と可変バネ定数ka2よりも小さい固定バネ定数km2とにより固定付勢力Fm2を生じる。可変付勢力Fa2は、固定付勢力Fm2と釣り合っている。この状態では、フランジ56は、モータ軸101側に寄っているので、コア41からモータ軸101までの間隔は、所定の距離L1よりも短い距離L2に保たれている。つまり、温度上昇に伴って、コアユニット40からモータ軸101までの距離が縮まる。
As shown in FIGS. 6 and 7B, at the operating temperature T2, the
式(1)及び式(2)は、動作温度時において成立する。動作温度T2の時には、可変バネ53の可変バネ定数ka2が固定バネ定数km2よりも大きくなる。その結果、式(1)によれば、固定バネ54が縮む。このとき、互いに一体である軸体52とフランジ56はモータ軸101に近づく。変位センサ30のコアユニット40もモータ軸101に近づく。一般的には、温度の上昇により、コアユニット40の磁気特性が変化する。より詳細には、インダクタンスが減少する。コア位置制御ユニット50は、温度上昇時にモータ軸101とコアユニット40と間の間隔が短くなる。その結果、インダクタンスは増加する。すなわち、温度変化に起因するインダクタンスの変化を打ち消すことができる。
Equations (1) and (2) hold at the operating temperature. At the operating temperature T2, the variable spring constant ka2 of the
ところで、コア位置制御ユニット50による補正の対象は、コア41の温度変化に起因するインダクタンスの変化である。従って、コアユニット40の位置制御は、厳密には、コア41の温度に基づくことが望ましい。これに対して、本実施形態では、コアユニット40の位置制御は、温度を利用するものであるが、その温度は、可変バネ53の温度に基づいている。つまり、本実施形態では、可変バネ53の温度をコア41の温度とみなして、コアユニット40の位置制御を行う。例えば、コア41の温度変動幅は、可変バネ53の温度変動幅と等価であるとみなしてよい。従って、コア41の温度変化を直接的に利用することなしに、コア41の温度変化に起因するインダクタンスの変化を打ち消す制御を行うことができる。
By the way, the correction target by the core
<作用効果>
モータ軸101の位置を得る変位センサ30は、磁性材料により形成されたコア41と、コア41に巻き回されるコイル42と、温度に基づいてモータ軸101に対してコア41を移動させることによって、モータ軸101からコア41までの距離を制御するコア位置制御ユニット50と、を備える。
<Effect>
A
例えば、図9に示す比較例の変位センサ300は、コイル342が巻き回されたコア341がハウジング302に対して固定されている。つまり、コア341は、モータ軸101に対して移動することができない。この構成では、コア341から出力される電圧には、コア341からモータ軸101までの距離に基づくインダクタンスの影響に加えて、コア341の温度が変化したときに生じるインダクタンスの影響が含まれてしまう。コア341の温度変化に起因するインダクタンスの影響は、ノイズ成分となる。
For example, in a
変位センサ30は、モータ軸101の位置の変化量を、コア41に生じるインダクタンスの変化量として得る。インダクタンスの変化は、コア41からモータ軸101までの距離の変化量に加えて、変位センサ30の温度変化に起因するインダクタンスの変化量を含むことがある。そこで、変位センサ30のコア位置制御ユニット50は、温度変化に起因するインダクタンスの変化を打ち消すように、コアユニット40からモータ軸101までの距離を調整する。従って、コアユニット40からモータ軸101までの距離の変化から、温度変化に起因する影響を排除することが可能になる。その結果、モータ軸101の位置の検出精度を高めることができる。
The
つまり、変位センサ30は、コアユニット40の温度変化によって磁気特性が変化した場合であっても、コア位置制御ユニット50によって磁気特性の変化を打ち消すように、コアユニット40が移動する。その結果、変位センサ30を備える磁気軸受1は、広い温度範囲において、安定した軸受機能を発揮することができる。
That is, even if the magnetic characteristics of the
コア位置制御ユニット50は、温度の上昇に伴ってコアユニット40とモータ軸101との距離を縮小し、温度の低下に伴ってコアユニット40とモータ軸101との距離を拡大する。温度が上昇するとインダクタンスが減少する。そこで、インダクタンスの減少分を相殺するように、コアユニット40をモータ軸101に近づける。一方、温度が低下するとインダクタンスが増加する。そこで、インダクタンスの増加分を相殺するように、コアユニット40をモータ軸101から遠ざける。従って、温度の変化に起因するインダクタンス変動の影響を好適に排除することができる。
The core
コア位置制御ユニット50は、モータ軸101の径方向に沿った可変付勢力Faを生じる可変バネ53と、モータ軸101の径方向に沿った固定付勢力Fmを生じ、可変バネ53に対して直列に配置された固定バネ54と、を有する。可変バネ定数kaと可変バネ53の温度との関係を示す可変バネ温度係数は、固定バネ定数kmと固定バネ54の温度との関係を示す固定バネ温度係数と異なる。この構成によれば、温度が上昇するとコアユニット40をモータ軸101に近づけるような付勢力をコアユニット40に提供することができる。さらに、温度が低下するとコアユニット40をモータ軸101から遠ざけるような付勢力をコアユニット40に提供することができる。
The core
変位センサ30は、モータ軸101を囲むように配置されるハウジング2をさらに備える。可変バネ53は、コアユニット40と固定バネ54との間に配置されている。固定バネ54は、可変バネ53とハウジング2との間に配置されている。この構成によれば、簡易な構成によって、温度に応じてコアユニット40の位置を制御する付勢力を生じさせることができる。
可変バネ温度係数は、固定バネ温度係数よりも小さい。この構成によれば、温度が上昇するとコアユニット40をモータ軸101に近づけるような付勢力をコアユニット40に提供することができる。また、温度が低下するとコアユニット40をモータ軸101から遠ざけるような付勢力をコアユニット40に提供することができる。
The variable spring temperature coefficient is less than the fixed spring temperature coefficient. According to this configuration, it is possible to provide the
<変形例>
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
<Modification>
The present invention has been described in detail based on its embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiments. Various modifications are possible for the present invention without departing from the gist thereof.
コア位置制御ユニット50の動作においては、室温時の可変バネ定数kaが固定バネ定数kmより小さく、動作温度時の固定バネ定数kmが固定バネ定数kmより大きければよい。従って、このような関係が実現できるバネ定数の温度特性であれば特に制限はない。
In the operation of the core
例えば、図8(a)のグラフG8aに示す第1バネの第1可変バネ定数kaは、符号が正であって所定値の傾きを示す。グラフG8bに示す第2バネの第2可変バネ定数kmも、符号が正であって所定値の傾きを示す。この場合において、第1可変バネ温度係数は、第2バネ温度係数よりも大きい。このような温度特性であっても、室温T1のときに第1可変バネ定数ka1が第2バネ定数km1より小さく、動作温度T2のときに第1可変バネ定数ka2が第2可変バネ定数km2より大きいという条件が満たされている。 For example, the first variable spring constant ka of the first spring shown in the graph G8a of FIG. 8A has a positive sign and a slope of a predetermined value. The second variable spring constant km of the second spring shown in graph G8b also has a positive sign and a slope of a predetermined value. In this case, the first variable spring temperature coefficient is greater than the second spring temperature coefficient. Even with such temperature characteristics, the first variable spring constant ka1 is smaller than the second spring constant km1 at the room temperature T1, and the first variable spring constant ka2 is smaller than the second variable spring constant km2 at the operating temperature T2. The condition of being large is satisfied.
例えば、図8(b)のグラフG8cに示す第1バネの第1可変バネ温度係数は、符号が正であって所定値の傾きを示す。また、グラフG8dに示す第2バネの第2可変バネ温度係数は、符号が負であって所定値の傾きを示す。このような温度特性であっても、室温T1のときに第1可変バネ定数ka1が第2バネ定数km1より小さく、動作温度T2のときに第1可変バネ定数ka2が第2可変バネ定数km2より大きいという条件が満たされている。 For example, the first variable spring temperature coefficient of the first spring shown in graph G8c of FIG. 8B has a positive sign and a slope of a predetermined value. The second variable spring temperature coefficient of the second spring shown in graph G8d has a negative sign and a slope of a predetermined value. Even with such temperature characteristics, the first variable spring constant ka1 is smaller than the second spring constant km1 at the room temperature T1, and the first variable spring constant ka2 is smaller than the second variable spring constant km2 at the operating temperature T2. The condition of being large is satisfied.
1 磁気軸受
2 ハウジング
10 コントローラ
11A,11B 差動アンプ
12A,12B PID制御器
13A,13B パワーアンプ
20,20A,20B アクチュエータ
30,30A,30B,30C,30D 変位センサ(軸受用変位センサ)
40 コアユニット
41 コア
41b コイル巻付部
42 コイル
43 巻線部
50 コア位置制御ユニット(コア位置制御部)
51 ケース
52 軸体
53 可変バネ(第1バネ)
54 固定バネ(第2バネ)
56 フランジ
100 モータ
101 モータ軸
102 回転子
103 固定子
104 玉軸受
200 回転機械
1
40
51
54 fixed spring (second spring)
56 flange 100
Claims (5)
磁性材料により形成されたコアと、
前記コアに巻き回されるコイルと、
温度に基づいて前記回転軸に対して前記コアを移動させることによって、前記回転軸から前記コアまでの距離を制御するコア位置制御部と、を備える、軸受用変位センサ。 A bearing displacement sensor for obtaining the position of a rotating shaft,
a core made of a magnetic material;
a coil wound around the core;
A displacement sensor for bearings, comprising: a core position control section that controls a distance from the rotating shaft to the core by moving the core with respect to the rotating shaft based on temperature.
前記温度の上昇に伴って前記コアから前記回転軸までの距離を縮小し、
前記温度の低下に伴って前記コアから前記回転軸までの距離を拡大する、請求項1に記載の軸受用変位センサ。 The core position control unit is
reducing the distance from the core to the rotating shaft as the temperature rises;
2. The displacement sensor for a bearing according to claim 1, wherein the distance from said core to said rotating shaft is increased as said temperature decreases.
前記回転軸の径方向に沿った第1付勢力を生じる第1バネと、
前記回転軸の径方向に沿った第2付勢力を生じ、前記第1バネに対して直列に配置された第2バネと、を有し、
第1バネのバネ定数と温度との関係を示す第1バネ温度係数は、前記第2バネのバネ定数と温度との関係を示す第2バネ温度係数と異なる、請求項1又は2に記載の軸受用変位センサ。 The core position control unit is
a first spring that produces a first biasing force along the radial direction of the rotating shaft;
a second spring that generates a second biasing force along the radial direction of the rotating shaft and is arranged in series with the first spring;
3. The method according to claim 1, wherein a first spring temperature coefficient indicating the relationship between the spring constant and temperature of the first spring is different from a second spring temperature coefficient indicating the relationship between the spring constant and temperature of the second spring. Displacement sensor for bearings.
前記第1バネは、前記コアと前記第2バネとの間に配置されており、
前記第2バネは、前記第1バネとハウジングとの間に配置されている、請求項3に記載の軸受用変位センサ。 further comprising a housing arranged to surround the rotating shaft;
The first spring is arranged between the core and the second spring,
4. The bearing displacement sensor according to claim 3, wherein the second spring is arranged between the first spring and the housing.
5. The bearing displacement sensor according to claim 3, wherein said first spring temperature coefficient is smaller than said second spring temperature coefficient.
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