JPH099569A - 磁気軸受のセンシング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 回転速度センサを不要にした磁気軸受のセン
シング方法を提供する。 【構成】 磁気軸受に支承される回転軸１の少なくとも
ギャップセンシング部に、少なくとも１対の同一断面形
状の切欠き形状の凹部１ａ、１ｂを軸対称に形成し、１
対のギャップセンサ３ａ、３ｂの出力値を減算機能によ
って偏差値を求め、この偏差値の極性と絶対値の大小に
よって、回転軸の上下偏位量を求めるようにした。この
場合、上記の凹部の切欠き形状の底部は回転軸に対して
同心円状に形成するのが望ましい。また、減算機能の後
段に、所定の周波数減衰特性を備えた高域除去用フィル
タリング機能を設けるのが望ましい。さらに、加算機能
によって１対のギャップセンサ３ａ、３ｂの出力値の加
算値を求め、この加算値の出力ピッチによって、この回
転軸１の回転速度を求めるようにするのが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、磁気ラジアル軸受
（以下磁気軸受と略記する）のセンシング方法に係り、
特に１対のセンサによって、回転軸の偏位量と回転速度
を計測できるようにした磁気軸受のセンシング方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】磁気軸受用電磁石の駆動用制御機能は、
軸受と回転軸とのギャップを０．１ｍｍ程度の高精度に
維持するために、ギャップセンサ（以下センサと略記す
ることがある）を備えている。また、対象回転軸の回転
速度に対応して電磁石の制御信号を作成する場合のパラ
メータを制御するために、回転速度センサを備えてい
る。これらのセンサは、例えば図５及び図６に示すよう
に構成されている。図５は回転軸の磁気軸受部の断面を
示し、図６はセンシング機能の構成を示している。図５
及び図６において、１１は回転軸であって、磁気軸受用
電磁石（以下軸受と略記する）１２ａ、１２ｂによって
回転自在に支承されている。回転軸と軸受との間のギャ
ップは１対の、例えば渦電流式等ギャップ計測用のセン
サ１３ａ、１３ｂで形成するギャップセンサによって計
測し、制御機能１６によって各軸受１２ａ、１２ｂに供
給する励磁電流を制御している。即ち、第１のセンサ１
３ａの検出信号は第１のセンサ信号処理部１４ａで増幅
成形して偏差量検出機能１５に入力している。また、第
２のセンサ１３ｂの検出信号は第２のセンサ信号処理部
１４ｂで増幅成形して偏差量検出機能１５に入力してい
る。偏差量検出機能１５は入力する第１のセンサ信号処
理部１４ａの出力信号と、第２のセンサ信号処理部１４
ｂの出力信号の偏差を算出する。従って、偏差量検出機
能１５は軸受に対する回転軸の上下方向の変位に比例す
る変位値と極性を検出して軸受の制御機能１６に入力し
ている。また、２１は回転軸１１の回転速度を計測する
回転速度センサであって、例えば回転軸１１の周囲に等
間隔で形成した目盛りを検出し、この検出信号を信号処
理部２２で増幅成形した後、回転速度検出機能２３で、
この検出信号の検出間隔時間又は一定時間中に出力する
検出信号数を計測するようにし、回転軸１１の回転速度
に比例する回転速度値を算出して、軸受の制御機能１６
に入力している。制御機能１６において、１対のギャッ
プセンサ１３ａ、１３ｂの計測した検出信号を用いて、
所定の処理を実行するためのパラメータの変更を回転速
度センサ２１の検出信号によって実行することにより、
回転速度に対応して回転軸１１を軸受の中心に維持する
ように電磁石励磁電流の制御を行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うなセンサの構成であると、ギャップセンサと回転速度
センサを備えることが必要である。即ち、回転軸に回転
速度センサを装着するための場所と構造を確保すると共
に、回転速度センサの部品費と装着費用が必要である。
従って、このような問題点を除いて、磁気軸受の生産価
格の低減と、回転軸の構成制限をなくすことが要望され
ていた。本発明は従来のものの上記課題（問題点）を解
決し、回転速度センサを不要にした磁気軸受のセンシン
グ方法を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明に基づく磁気軸受のセンシング方法において
は、磁気軸受に支承される回転軸の少なくともギャップ
センシング部に少なくとも１対の同一断面形状の切欠き
形状の凹部を軸対称に形成し、１対のギャップセンサ出
力値を減算機能に入力することによって偏差値を求め、
この偏差値の極性と絶対値の大小によって回転軸の上下
偏位量を求めるようにした。この場合、上記の凹部の切
欠き形状の底部は回転軸の中心に対して同心円状に形成
するのが望ましい。また、減算機能の後段に所定の周波
数減衰特性を備えた高域除去用フィルタリング機能を設
けるのが望ましい。さらに、加算機能によって１対のギ
ャップセンサ出力値の加算値を求め、この加算値の出力
ピッチによって、この回転軸の回転速度を求めるように
するのが望ましい。

【０００５】

【作用】本発明では、上述のように回転軸に軸対称に同
一形状の凹部を設け、この凹部に装着した１対のギャッ
プセンサの出力値の偏差値を減算機能によって求めるの
で、この偏差値の信号は凹部の影響なしに、従来同様、
回転軸と軸受との上下ギャップの偏差値が得られる。こ
の場合、凹部の形状を回転軸の中心に対して同心円状に
すると、加工が容易で加工精度を高めることができるの
で、軸対称に設けた１対の凹部の断面形状の相違が極め
て小さくなる。また、減算機能の後段にフィルタリング
機能を設けると、軸対称に設けた凹部の加工誤差等によ
って１対のセンサ出力値の減算結果に残存するパルス成
分を除去できるので、回転軸に設ける凹部の加工精度を
特に高める必要がなくなる。上述した１対のギャップセ
ンサの出力値の出力ピッチから、この回転軸の回転速度
を求めるようにすると、回転速度センサの装着が不要に
なる。さらに、上述した１対のギャップセンサの出力値
の加算値を求め、この加算値の出力ピッチから、この回
転軸の回転速度を求めるようにすると、微小な凹部であ
っても計数信号値を大きくして計数誤差が減少できる。

【０００６】

【実施例】本発明に基づく磁気軸受のセンシング方法を
図１乃至図４によって、詳細に説明する。図１は本発明
を実行するための基本的な構成例を示し、図２は本発明
を実行するための基本的な信号処理機能を構成した回路
例を示している。また、図３及び図４には本発明に基づ
く信号処理の働きの説明を示している。図１は本発明を
適用した軸受部の断面の概念を示した図であって、必要
構成の理解を容易にするために、磁気軸受を構成する主
体である電磁石は図示を省略している。図１において、
１は支承対象である回転軸であり、２は磁気軸受を構成
するシリンダ構造部の内面である軸受の内壁部を示して
いる。また、３ａ、３ｂは軸受の上下に設けた１対のギ
ャップセンサ（以下センサと略称する）である。センサ
３ａ、３ｂは従来の技術での１対のセンサ１３ａ、１３
ｂと同様、例えば渦電流効果を利用する等の手段を使用
して、センサ先端と対象回転軸の表面とのギャップを計
測する機能を設けている。回転軸１は、例えば底部を同
心円状にした１対の切欠き形状の凹部１ａと１ｂを軸対
称に形成している。この切欠き形状の凹部は通常の機械
加工手段等を詳細を後述する凹部の使用目的に対応して
設定する凹部形状に対応して、適切に選択して加工すれ
ば良い。

【０００７】次に、上述の軸受部の構成に対応させた本
発明を適用する信号処理機能の構成例を図２乃至図４を
参照して詳細に説明する。図２において、１は回転軸、
３ａ、３ｂは１対のセンサである。第１のセンサ３ａの
検出信号は第１のセンサ信号処理部４ａで増幅成形して
減算機能５と加算機能６に入力している。また、第２の
センサ３ｂの検出信号は第２のセンサ信号処理部４ｂで
増幅成形して上述と同様、減算機能５と加算機能６に入
力している。減算機能５で得られた減算値は所定の特性
を備えたフィルタリング機能７を経由して、制御機能８
に入力している。加算機能６で得られた加算値は回転速
度検出機能９に入力し、回転速度検出機能９で得られた
回転速度値は制御機能８に入力している。

【０００８】上述の構成において、回転軸１が所定の回
転速度で回転していると、第１のセンサ３ａの計測結
果、第１のセンサ信号処理部４ａからは図３（Ａ）に示
すような信号が得られ、第２のセンサ３ｂの計測結果、
第２のセンサ信号処理部４ｂからは同図（Ｂ）に示すよ
うな信号が得られる。図３は第１のセンサ信号処理部４
ａ及び第２のセンサ信号処理部４ｂを含む上述した各要
素機能の出力信号値のレベルを縦軸に示し、横軸には時
間推移を示している。図３（Ａ）において、第１のセン
サ３ａの前を回転軸１の凹部１ａ又は１ｂが通過してい
ない間は、第１のセンサ３ａと回転軸１の表面とのギャ
ップを示す信号値ａが、第１のセンサ信号処理部４ａか
ら出力される。第１のセンサ３ａの前を回転軸１の凹部
１ａ又は１ｂが通過するタイミングＧにおいては、第１
のセンサ３ａと回転軸１の凹部１ａ又は凹部１ｂの表面
とのギャップを示す信号値ａ′が第１のセンサ信号処理
部４ａから出力される。信号値ａ′は凹部１ａ及び１ｂ
の深さによって定まる値であって、凹部１ａと凹部１ｂ
の底部は同心円に形成されているので、回転軸１の凹部
の底面と磁気軸受内壁部２を構成するシリンダ構造部の
内面とのギャップは全周に亙って均一である。即ち、回
転軸１が軸受の中央部に維持されている状況において
は、凹部１ａ部で得られる信号値ａ′も凹部１ｂ部で得
られる信号値ａ′も等しい。同様に、第２のセンサ信号
処理部４ｂからは図３（Ｂ）に示すように、回転軸１の
凹部１ａ又は１ｂが、第２のセンサ３ｂの前を通過して
いない間は、第２のセンサ３ｂと回転軸１の表面とのギ
ャップを示す信号値ｂが出力され、第２のセンサ３ｂの
前を回転軸１の凹部１ａ又は１ｂが通過するタイミング
Ｇにおいては、第２のセンサ３ｂと回転軸１の凹部１ａ
又は凹部１ｂの底面とのギャップを示す信号値ｂ′から
出力される。回転軸１が軸受の中央部に維持されている
状況においては、凹部１ａ部で得られる信号値ｂ′も凹
部１ｂ部で得られる信号値ｂ′も等しい。

【０００９】第１のセンサ信号処理部４ａ及び第２のセ
ンサ信号処理部４ｂ夫々の出力信号が入力した減算機能
５においては、第１のセンサ信号処理部４ａの出力値と
第２のセンサ信号処理部４ｂの出力値を相互に減算す
る。凹部１ａ及び凹部１ｂは回転軸に対して軸対称に形
成されているので、第１のセンサ信号処理部４ａから信
号値ａ′を出力するタイミングＧと第２のセンサ信号処
理部４ｂから信号値ｂ′を出力するタイミングＧとは完
全に一致している。従って、減算機能５においては、信
号値ａと信号値ｂの偏差値とその極性が得られる。即
ち、極性は信号値ａと信号値ｂのいずれを減算値にし、
いずれを被減算値にするかによって変化する。従って、
この減算値を入力して制御信号を作成する制御機能８
を、この極性に対応させておけば良い。同様に、信号値
ａ′と信号値ｂ′の偏差値とその極性が得られる。上記
した各センサとセンサ信号処理部の直線性が満足されれ
ば、信号値ａと信号値ｂとの偏差値と信号値ａ′と信号
値ｂ′との偏差値は等しい。しかし、切欠きの加工精度
等の原因によっては、第１のセンサ３ａの前を、例えば
凹部１ａが完全に通過するタイミングと第２のセンサ３
ｂの前を、例えば凹部１ｂａが完全に通過するタイミン
グとが一致しない場合が発生し得る。このような状況に
おいては、減算機能５の出力信号は図３（Ｃ）のように
示される。即ち、図３（Ｃ）は図３（Ａ）、同図（Ｂ）
に対応していて、横軸に時間推移を示し、ｃは信号値ａ
と信号値ｂとの偏差値と信号値ａ′と信号値ｂ′との偏
差値を示している。また、図３（Ｃ）に示すｃ′、ｃ″
は上述したように第１のセンサ３ａの前を凹部が通過す
るタイミングと第２のセンサ３ｂの前を凹部が通過する
タイミングとが一致しない状態で減算する結果生じる微
小な時間幅のパルスである。減算機能５を出力する図３
（Ｃ）に示す信号はフィルタリング機能７を通過させる
ことによって図３（Ｄ）に示すようにパルスｃ′、ｃ″
を除いて平滑な第１のセンサ信号処理部４ａの出力値と
第２のセンサ信号処理部４ｂの出力値との減算値（偏差
値）ｃが得られる。即ち、第１のセンサ信号処理部４ａ
の出力値と第２のセンサ信号処理部４ｂの出力値とが等
しい場合は、減算値ｃはゼロになり、第１のセンサ信号
処理部４ａの出力値と第２のセンサ信号処理部４ｂの出
力値とが等しくない場合は、減算値ｃはその偏差値と極
性を示す。即ち、減算値ｃは、回転軸と軸受内面とのギ
ャップ状態を示している。従って、減算値ｃを制御機能
８に入力し、従来と同様の所定の信号処理を行って軸受
を構成する電磁石の励磁電流を制御する。上述したフィ
ルタリング機能７は、この制御機能８を構成する回路条
件に対応してディジタル処理でもアナログ処理でも所望
されるフィルタリング特性が得られれば良い。いずれに
しても、出力されるパルスｃ′、ｃ″の時間幅は、信号
処理に必要な周波数帯域に比して影響しない高周波領域
になるように極めて狭く構成できるので、必要なフィル
タリング特性を容易に得ることができる。また、上述し
た軸受と信号処理機能の構成条件によってはフィルタリ
ング機能を除いても良いことは言うまでもない。

【００１０】次に、加算機能６以降の働きを説明する。
図３（Ａ）に示す第１のセンサ信号処理部４ａの出力値
と第２のセンサ信号処理部４ｂの出力値とが、加算機能
６で加算されると図４に示すようなパルス信号（以下パ
ルスと略記する）Ｅが得られる。図４において、横軸は
時間推移を示し、縦軸は加算機能６の出力信号値のレベ
ルを示している。即ち、図４において、図３（Ａ）に示
した信号値ａと同図（Ｂ）に示した信号値ｂの加算値を
ｅで示し、図３（Ａ）に示したタイミングＧの信号値
ａ′と同図（Ｂ）に示したタイミングＧの信号値ｂ′の
加算値をｅ′で示している。図４に示すＥは、加算値
ｅ′の存在部であるタイミングＧに発生するパルスを示
している。図４に示す加算機能６の出力信号は回転速度
検出機能９に入力して、パルスＥの出力時間関係を計測
する。即ち、例えば、２個のパルスＥの夫々の立上がり
部の間に出力される所定高周波数のパルス発振機能のパ
ルス数を計数することによって、この周波数からパルス
Ｅの出力間隔時間を計測できる。回転軸１には軸対称に
２個の凹部が形成されているので、回転軸１が１回転す
る間にパルスＥは２個出力される。従って、上述のよう
に計測された出力間隔時間をＴとすると、回転軸の回転
速度ＲＶは下記式で示される。 ＲＶ＝（１／２）Ｔ また、所定の単位時間の間に出力されるパルスＥを計数
して計数値Ｐが得られると、Ｐ／２は単位時間中に回転
軸が回転する回転速度を示している。上述のようにして
得られた回転軸の回転速度値を制御機能８に入力して所
定の信号処理を実行する。即ち、例えば信号処理に使用
するパラメータの選択に使用する。

【００１１】上述の説明は本発明の技術思想を実現する
ための基本方法と構成例を示したものであって、このセ
ンシング方法を使用する磁気ラジアル軸受の条件に対応
して上述した方法を実現する適切な構成をすれば良い。
例えば、回転軸に設ける凹部は、上述の計測に対応でき
れば、回転軸の強度特性や軸受本来の特性に影響しない
ように極微小で良い。図１に示した凹部１ａ、１ｂは説
明の便宜上深さを誇張して示しており、上述した方法に
おける計測に支障がないように適切な深さにすれば良
い。回転速度を計測するのに、１対の凹部の加算値を用
いるように説明したが、凹部形状によっては加算機能を
除き、１個の凹部の計測信号を使用しても良いことは当
然である。また、１対で２個の凹部を設けるように説明
したが、軸対称に形成し、上述した処理機能を対数に対
応させれば何対でも良く、夫々の凹部の形状も回転軸の
強度特性に影響しないように適切な形状にすれば良い。

【００１２】

【発明の効果】本発明は上述のような方法にしたので、
次のような優れた効果を有する。 回転軸に軸対称に同一形状の凹部を設け、この凹部に
装着した１対のギャップセンサの出力値の偏差値を減算
機能によって求めるため、この偏差値の信号は凹部の影
響なしに、回転軸と軸受との上下ギャップの偏差量が的
確に検出される。 凹部形状の底部を回転軸中心に対して同心円状にする
と、加工が容易で加工精度を高めることができるので、
軸対称に設けた１対の凹部の断面形状の相違が極めて小
さくなる。 減算機能の後段にフィルタリング機能を設けると、軸
対称に設けた凹部の加工誤差によって１対のギャップセ
ンサ出力値の減算結果に残存するパルス成分を除去でき
るので、回転軸に設ける凹部の加工精度を特に高める必
要がなくなる。 ギャップセンサによる凹部検出ピッチから、この回転
軸の回転速度を求めるようにすると、回転速度センサの
装着なしに回転速度が計測できる。 １対のギャップセンサの出力値の加算値を求め、この
加算値の出力ピッチからこの回転軸の回転速度を求める
ようにすると、回転速度センサの装着なしに確実に回転
速度が計測できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく磁気軸受のセンシング方法を説
明する軸受部を示した縦断正面図である。

【図２】本発明に基づく磁気軸受のセンシング方法を実
現する信号処理機能の構成例を示す概要ブロック図であ
る。

【図３】図１に示す１対のギャップセンサによる検出信
号とその減算処理を説明する図で、同図（Ａ）は１個の
ギャップセンサの出力波形図、同図（Ｂ）は他の１個の
ギャップセンサの出力波形図、同図（Ｃ）は１対のギャ
ップセンサ出力の減算信号の波形図、同図（Ｄ）は同図
（Ｃ）に示す信号をフィルタリング機能によってフィル
タリング処理した後の信号波形図である。

【図４】図１に示す１対のギャップセンサによる検出信
号を加算した結果を示す信号波形図である。

【図５】従来の磁気軸受のセンシング方法を説明する軸
受部を示した縦断側面図である。

【図６】従来の磁気軸受のセンシング方法を説明する信
号処理機能の構成例を示す概要ブロック図である。

【符号の説明】

１：回転軸 １ａ、１ｂ：凹部（切欠き） ２：軸受内壁部 ３ａ、３ｂ：センサ（ギャップセンサ） ４ａ、４ｂ：センサ信号処理部 ５：減算機能 ６：加算機能 ７：フィルタリング機能 ８：制御機能 ９：回転速度検出機能

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気軸受に支承される回転軸の少なくと
   もギャップセンシング部に、少なくとも１対の同一断面
   形状の切欠き形状の凹部を軸対称に形成し、当該ギャッ
   プセンシング部に設けた１対のギャップセンサ出力値の
   偏差値を減算機能によって求め、該偏差値の極性と絶対
   値の大小によって当該回転軸の上下偏位量を求めるよう
   にしたことを特徴とする磁気軸受のセンシング方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の凹部の切欠き形状は底部
   を回転軸の中心に対して同心円状に形成した磁気軸受の
   センシング方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の減算機能の後段に、所定
   の周波数減衰特性を備えた高域除去用フィルタリング機
   能を設けるようにした磁気軸受のセンシング方法。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３記載の磁気軸受のセンシ
   ング方法において、加算機能によって１対のギャップセ
   ンサ出力値の加算値を求め、該加算値の出力ピッチによ
   って当該回転軸の回転速度を求めるようにした磁気軸受
   のセンシング方法。