KR19990064661A - Cylindrical capacitive sensor of magnetic bearing - Google Patents

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Abstract

자기 베어링에 장착되어 변위를 측정하는 정전용량 센서의 분할각도를 개선하여 형상오차를 최소화시킬 수 있도록 하는 자기 베어링의 변위센서에 대해 개시한다. 이러한 자기 베어링의 변위센서는, 자기베어링 모듈에 내장되어 변위를 측정하는 원형판의 정전용량 변위 센서에 있어서, 자기 베어링의 변위를 측정하기 위하여 소정 내경을 가지는 원통형의 몸체와; 몸체의 내측에 서로 일정한 공극이 유지되도록 8개의 분할로 이루어지되, 그 분할 각도가 60도와 30도로 반복적으로 마련되어 각각 상호 병합연산 가능한 센서부를 구비하는데, 센서부는 30도가 중복 사용되어, 두가지의 차동센서 조합을 가지는 120도를 가진 형상을 구현하고, 센서부와 몸체 사이에 마련되어 센서부의 상측이 개방되도록 원주 전체를 감싸는 원통형의 가드를 더 포함하여 이루어진다. 따라서, 축 형상오차를 여러 주기가 합쳐진 주기 함수로 가정하면, 센서의 분할각도가 달라짐에 따라 특정한 주기의 형상오차를 제거할 수 있게 되는데, 특히 상술된 8개의 분할 각도를 갖게 될 때, 가장 안정적으로 회전축의 변위를 측정할 수 있으며, 형상오차로 인한 측정잡음을 줄일 수 있게 된다.Disclosed is a displacement sensor of a magnetic bearing mounted on a magnetic bearing to minimize a shape error by improving a dividing angle of a capacitive sensor measuring displacement. Such a displacement sensor of a magnetic bearing, the capacitive displacement sensor of the circular plate which is embedded in the magnetic bearing module for measuring the displacement, comprising: a cylindrical body having a predetermined inner diameter for measuring the displacement of the magnetic bearing; It is composed of eight divisions so as to maintain a constant gap with each other inside the body, and the division angle is repeatedly provided at 60 degrees and 30 degrees, and each has a sensor unit that can be combined with each other. Realizing a shape having a combination of 120 degrees, and is provided between the sensor portion and the body further comprises a cylindrical guard surrounding the entire circumference to open the upper side of the sensor portion. Therefore, assuming that the axial shape error is a periodic function in which several cycles are combined, it is possible to eliminate the shape error of a specific period as the dividing angle of the sensor is changed, particularly when the above-mentioned eight division angles are obtained. The displacement of the rotating shaft can be measured and the measurement noise due to the shape error can be reduced.

Description

자기 베어링의 변위센서{Cylindrical capacitive sensor of magnetic bearing}Displacement sensor of magnetic bearing {Cylindrical capacitive sensor of magnetic bearing}

본 발명은 자기 베어링에 장착되어 변위를 측정하는 원통형 정전용량 변위 센서의 분할각도를 개선하여 형상오차를 최소화시킬 수 있도록 하는 자기 베어링의 변위센서에 관한 것이다.The present invention relates to a displacement sensor of a magnetic bearing to minimize the shape error by improving the divided angle of the cylindrical capacitance displacement sensor mounted on the magnetic bearing to measure the displacement.

일반적으로 축의 회전시 발생하는 변위를 측정하기 위하여 사용되는 비접촉 변위센서는, 위치측정에 이용되는 매체에 따라 반사된 빛의 간섭 효과를 이용하는 광학센서, 레이저빔의 반사파를 이용하는 레이저 센서, 도전성 금속 대상물의 표면에서 발생하는 와동전류에 의한 센서 코일내의 임피던스 변화를 변위로 환산하는 와동전류형 센서, 그리고 도전성 대상물과 센서판 사이에 형성되는 정전용량의 크기로부터 거리를 측정하는 캐패시턴스 센서등으로 구분된다.In general, the non-contact displacement sensor used to measure the displacement generated during rotation of the shaft is an optical sensor using the interference effect of the reflected light according to the medium used for position measurement, a laser sensor using the reflected wave of the laser beam, conductive metal object The eddy current sensor converts the impedance change in the sensor coil due to the eddy current generated from the surface into a displacement, and the capacitance sensor that measures the distance from the magnitude of the capacitance formed between the conductive object and the sensor plate.

그러나, 이와같은 여러 종류의 비접촉 변위센서들중 자기 베어링에 장착되어 회전축의 변위를 측정할 수 있는 센서는 매우 한정되어 있으며, 이는 자기 베어링의 설치공간, 센서의 형상 및 자기 베어링에서 발생된 자장의 영향 등에 기인하여 그 사용이 제한된다.However, among these kinds of non-contact displacement sensors, a sensor mounted on a magnetic bearing and capable of measuring the displacement of the rotating shaft is very limited. This is because the installation space of the magnetic bearing, the shape of the sensor, and the Its use is limited due to influence and the like.

자기 베어링에서 회전축의 변위 측정에는 와전류 구동형 변위센서가 가장 일반적으로 사용되며 이는 와전류 구동형 변위센서가 가격이 저렴하고 설치 및 사용이 용이하기 때문이다.Eddy current-driven displacement sensors are most commonly used for displacement measurement of rotating shafts in magnetic bearings because they are inexpensive and easy to install and use.

그러나, 와전류 구동형 변위센서는 자장의 영향을 받기 때문에 스테이터코어의 폴로부터 최소한 25.4mm 이상을 띄워 설치해야만 하며, 그에 따라 자기 베어링의 작동위치와 측정위치가 불일치하게 되어 연성축의 고차 모우드에서 자기 베어링이 불안정하게 되는 문제점이 있었다.However, because the eddy current driven displacement sensor is affected by the magnetic field, it should be installed at least 25.4mm from the pole of the stator core. Therefore, the working position and the measuring position of the magnetic bearing are inconsistent and the magnetic bearing in the higher order mode of the flexible shaft There was a problem of this becoming unstable.

그리고, 일반적으로 변위센서들은 저어널 표면의 한 점만을 측정하므로 저어널의 가동오차 및 표면조도등이 측정된 변위신호에 혼합되어 저어널 기하학적 중심의 정확한 위치 변화를 측정할 수 없다.In addition, since displacement sensors generally measure only one point of the journal surface, the movement error and surface roughness of the journal are mixed with the measured displacement signal, and thus the exact position change of the journal geometric center cannot be measured.

이와같은 위치측정오차는 자기 베어링 제어기의 제어 연산에 그대로 유입되어 교란 요소로 작용하므로 자기 베어링의 정확한 위치제어를 어렵게 하는 문제점이 초래되었다.This position measurement error is introduced into the control operation of the magnetic bearing controller as it acts as a disturbing factor, which causes a problem of making it difficult to accurately control the magnetic bearing.

또한, 비접촉 변위측정센서를 이용하는 변위측정 시스템은 고가의 장비일 뿐만 아니라 그 설치 및 사용이 불편한 문제점이 있다.In addition, the displacement measuring system using a non-contact displacement measuring sensor is not only expensive equipment, but also has a problem in that its installation and use is inconvenient.

따라서, 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여, 자기 베어링 내부에 캐패시턴스 센서를 내장한 '자기베어링 및 그 제조방법'이, 특허 출원번호 제94-33038호에 기재되어 있다.Therefore, in order to solve the conventional problems as described above, the 'magnetic bearing and its manufacturing method' in which the capacitance sensor is embedded in the magnetic bearing is described in Patent Application No. 94-33038.

이러한 자기 베어링 및 그 제조방법은 도1을 참조하면 다음과 같다.Such a magnetic bearing and its manufacturing method are as follows with reference to FIG.

부호 10은 스테이터코어로서, 이스테이터 코어(10)는 와전류 발생에 기인한 열발생을 방지하기 위하여 얇은 규소판을 프레스 가공한 코어판을 대략 40~60장 정도로 적층시켜 제작한다.Reference numeral 10 denotes a stator core, and the stator core 10 is manufactured by stacking about 40 to 60 sheets of core plates press-processed with thin silicon plates in order to prevent heat generation due to eddy current generation.

부호 30은 황동으로 이루어지는 실린더 형태의 캐패시턴스 센서로서, 이 캐패시턴스 센서(30)는 폴(Pole;미도시)들의 상측면에 전기적인 절연이 이루어지도록 접착된다.Reference numeral 30 denotes a cylindrical capacitance sensor made of brass, and the capacitance sensor 30 is adhered to the upper surface of the poles (not shown) to be electrically insulated.

여기에서, 스테이터코어(10)의 폴들과 캐패시턴스센서(30)의 사이에는 전기적인 절연을 위하여 대략 1mm정도의 두께를 갖는 절연링(12)이 개재된다.Here, an insulating ring 12 having a thickness of about 1 mm is interposed between the poles of the stator core 10 and the capacitance sensor 30 for electrical insulation.

캐패시턴스센서(30)는 서로 일정한 공극이 유지되어 각각 분리되어 있는 4개의 센서판(31) 및 가드판(32)으로 이루어진다.The capacitance sensor 30 is composed of four sensor plates 31 and guard plates 32, each of which has a constant gap therebetween and is separated from each other.

캐패시턴스 센서(30)의 센서판(31) 및 가드판(32)은 수직 및 수평의 2방향에 대하여 90도의 각도로 배치되고, 센서판(31) 및 가드판(32)들의 면적은 서로 동일하도록 되어 있다.The sensor plate 31 and the guard plate 32 of the capacitance sensor 30 are disposed at an angle of 90 degrees with respect to two directions of vertical and horizontal, and the areas of the sensor plate 31 and the guard plate 32 are equal to each other. It is.

부호 40,41은 캐패시턴스 센서(30)의 센서선 및 가드선들이며, 센서선(40)들은 센서판(31)들에 각각 배선되고, 가드선(41)들은 가드판(32)들에 각각 배선된다.Reference numerals 40 and 41 denote sensor wires and guard wires of the capacitance sensor 30, the sensor wires 40 are respectively wired to the sensor plates 31, and the guard wires 41 are wired to the guard plates 32, respectively. do.

이 센서 및 가드선(40,41)들은 모두 쉬일드된 형태로 사용되며 서로 반대방향으로 엇갈리게 망사형태로 꼬여 권선된다.These sensors and guard wires 40 and 41 are all used in a shielded form and are twisted and twisted in a mesh form to cross in opposite directions.

이에 따라, 센서 및 가드선(40,41)들은 서로 반대 방향으로 돌면서 노이즈를 서로 상쇄시키며, 센서 및 가드판(31,32)으로부터 센서증폭기(미도시) 까지의 전 구간에서 8개의 센서 및 가드선(40,41)들이 모두 동일한 접지수준 및 잡음수준을 유지할 수 있게 된다.Accordingly, the sensor and guard wires 40 and 41 cancel each other by turning in opposite directions, and eight sensors and guards in all sections from the sensor and guard plates 31 and 32 to the sensor amplifiers (not shown). Lines 40 and 41 can both maintain the same ground level and noise level.

그런데, 이러한 자기 베어링 및 그 제조방법은 다음과 같은 문제점이 있다.However, such a magnetic bearing and its manufacturing method have the following problems.

첫째, 스테이터코어 폴들과 센서가 폴리 코트를 사용하여 일체형으로 함침되므로, 자기 베어링 작동시 발생하는 코일의 진동에 의해 폴리 코트가 변형되면서 이에 함침된 센서도 함께 변형을 일으킬 수 있는 문제점이 있다.First, since the stator core poles and the sensor are integrally impregnated using the polycoat, the polycoat is deformed by the vibration of the coil generated when the magnetic bearing is operated.

둘째, 자기 베어링 모듈의 내경 연삭 및 스테이터 코어의 외경 연삭시에 견고한 기준면이 없으므로, 원하는 동심도를 얻기가 어려운 문제점이 있다.Second, since there is no solid reference plane in the inner diameter grinding of the magnetic bearing module and the outer diameter grinding of the stator core, it is difficult to obtain the desired concentricity.

셋째, 90도의 분할 각도를 가지는 4개의 센서판으로 이루어져 있으므로, 차동배열에 의해 짝수 주기 형상오차를 제거할 수 있기는 하지만, 센서의 분할 각도를 바꿀수 없기 때문에, 특정한 주기의 형상오차를 제거할 수 없으며 특히 축의 회전 정밀도에 큰 영향을 미치는 3주기 형상오차에 아주 취약한 문제점이 있다.Third, since it consists of four sensor plates with a 90 degree dividing angle, even-numbered periodic shape errors can be eliminated by the differential arrangement, but since the dividing angle of the sensor cannot be changed, it is possible to eliminate the shape errors of specific periods. In particular, there is a problem that is very vulnerable to three-cycle shape error, which greatly affects the rotational accuracy of the axis.

넷째, 자기 베어링은 실시간 제어 시스템이므로 동작 중에 문제가 발생했을 때를 대비하여 안정성을 가질 수 있도록 설계하여야 하는데, 4개의 센서판중 하나에만 문제가 발생하여도 불안정해지기 때문에, 자기 베어링 시스템의 안정성에 심각한 문제점을 일으킬 수 있다.Fourth, the magnetic bearing is a real-time control system, so it should be designed to have stability in case of a problem during operation. The stability of the magnetic bearing system is unstable, even if only one of the four sensor plates occurs. Can cause serious problems.

따라서, 상술한 바와 같이 자기베어링에 사용되는 종래의 4조각 원통형 정전용량 변위 센서의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 본 발명의 목적은, 정전용량 변위 센서의 분할각도를 개선하여 변위 측정시 생기는 특정한 주기의 형상오차로 인하여 생기는 측정잡음를 최대한으로 줄임으로써 정밀한 측정이 가능하도록 하는 자기 베어링의 변위센서를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention, which is created to solve the problems of the conventional four-piece cylindrical capacitive displacement sensor used in magnetic bearings as described above, is to improve the division angle of the capacitive displacement sensor and to generate a specific period during displacement measurement. The present invention provides a displacement sensor of a magnetic bearing that enables accurate measurement by reducing the measurement noise caused by the shape error.

또한 본 발명의 다른 목적은, 임의의 분할 각도를 가진 형상을 구현하여 두 가지의 차동센서 조합을 구성하므로 하나의 센서 조합에 이상이 생겨도 여분의 센서조합으로 안정한 동작을 가능하게 하는 자기 베어링의 변위센서를 제공함에 있다.In addition, another object of the present invention, by implementing a shape having an arbitrary division angle to configure the two differential sensor combinations displacement of the magnetic bearing to enable a stable operation with an extra sensor combination even if there is an abnormality in one sensor combination In providing a sensor.

도1은 종래의 자기 베어링에서 정전용량 변위 센서의 결합 및 배선상태를 나타낸 사시도,1 is a perspective view showing a coupling and wiring state of a capacitive displacement sensor in a conventional magnetic bearing;

도2는 본 발명에 따른 자기 베어링의 변위센서를 포함한 자기베어링 모듈에 대한 사시도,2 is a perspective view of a magnetic bearing module including a displacement sensor of a magnetic bearing according to the present invention;

도3은 본 발명에 따른 자기 베어링의 변위센서의 단면도,3 is a cross-sectional view of the displacement sensor of the magnetic bearing according to the present invention;

도4는 본 발명에 따른 자기 베어링의 변위센서의 분해 사시도,4 is an exploded perspective view of a displacement sensor of a magnetic bearing according to the present invention;

도5(a)는 본 발명에 따른 센서부에 대한 사시도,Figure 5 (a) is a perspective view of a sensor unit according to the present invention,

도5(b)는 본 발명에 따른 가드에 대한 사시도,Figure 5 (b) is a perspective view of the guard according to the present invention,

도5(c)는 본 발명에 따른 몸체에 대한 사시도,Figure 5 (c) is a perspective view of the body according to the present invention,

도6(a)는 본 발명에 따른 변위센서의 조립공정을 나타낸 단면도,Figure 6 (a) is a cross-sectional view showing the assembly process of the displacement sensor according to the present invention,

도6(b)는 본 발명에 따른 변위센서의 최종가공형상을 나타낸 단면도,Figure 6 (b) is a cross-sectional view showing the final processing shape of the displacement sensor according to the present invention,

도7은 본 발명을 이용하여 형상오차 측정을 위한 실험장치의 구성도,7 is a configuration diagram of an experimental apparatus for measuring shape errors using the present invention;

도8(a)(b)는 본 발명에 따른 테스트축에 관한 구성도,8 (a) and (b) are schematic views of a test axis according to the present invention;

도9(a)(b)는 본 발명에 따른 테스트축의 형상오차를 각 주기별로 표시한 그래프,Figure 9 (a) (b) is a graph showing the shape error of the test axis according to the present invention for each period,

도10(a)(b)(c)는 종래의 4조각 원통형 센서와 본 발명에 따른 8조각 원통형 센서의 실험 결과 그래프이다.Figure 10 (a) (b) (c) is a graph of the experimental results of the conventional four-piece cylindrical sensor and the eight-piece cylindrical sensor according to the present invention.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings

50...변위센서 51...센서부50 ... displacement sensor 51 ... sensor

52...가드 53...몸체52 ... Guard 53 ... Body

이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자기 베어링의 변위센서는, 자기베어링 모듈에 내장되어 변위를 측정하는 원형판의 정전용량 변위 센서에 있어서, 자기 베어링의 변위를 측정하기 위하여 소정 내경을 가지는 원통형의 몸체와; 몸체의 내측에 서로 일정한 공극이 유지되도록 8개의 분할로 이루어지되, 그 분할 각도가 60도와 30도로 반복적으로 마련되어 각각 상호 병합연산 가능한 센서부를 구비하여 된 것을 특징으로 한다.Displacement sensor of the magnetic bearing according to the present invention for achieving the above object, in the capacitive displacement sensor of the circular plate which is embedded in the magnetic bearing module to measure the displacement, a cylindrical having a predetermined inner diameter for measuring the displacement of the magnetic bearing With the body of; It is made of eight divisions so as to maintain a constant void from each other inside the body, the division angle is characterized in that it is repeatedly provided with a sensor unit capable of performing a mutually merge operation is provided at 60 degrees and 30 degrees.

상술된 센서부는 30도가 중복 사용되어, 두가지의 차동센서 조합을 가지는 120도를 가진 형상을 구현한다.The above-described sensor unit is used by overlapping 30 degrees, thereby realizing a shape having 120 degrees having two differential sensor combinations.

또한, 센서부와 몸체 사이에 마련되어 상기 센서부의 상측이 개방되도록 원주 전체를 감싸는 원통형의 가드를 더 포함하여 이루어진다.In addition, provided between the sensor portion and the body further comprises a cylindrical guard surrounding the entire circumference to open the upper side of the sensor portion.

상기와 같은 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명에 따른 자기 베어링의 변위센서는, 축 형상오차를 여러 주기가 합쳐진 주기 함수로 가정할 때, 센서의 분할각도가 달라짐에 따라 특정한 주기의 형상오차를 제거할 수 있으므로 형상오차로 인한 측정잡음을 줄일 수 있어서, 회전축의 정밀한 측정 및 제어가 가능하게 된다.According to the characteristics of the present invention as described above, the displacement sensor of the magnetic bearing according to the present invention, assuming that the axial shape error as a periodic function of the sum of several cycles, the shape error of a specific period as the split angle of the sensor is changed As it can be removed, the measurement noise due to the shape error can be reduced, thereby enabling precise measurement and control of the rotating shaft.

또한, 2가지의 센서 조합으로 인해 자기 베어링의 안정성을 높일 수 있으므로, 자기 베어링의 성능을 현저히 향상시킬 수 있다.In addition, since the combination of the two sensors can increase the stability of the magnetic bearing, the performance of the magnetic bearing can be significantly improved.

이하, 본 발명에 따른 자기 베어링의 변위센서의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of a displacement sensor of a magnetic bearing according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 자기 베어링의 변위센서는, 도2 내지 도6을 참조하면, 다음과 같다.2 to 6, the displacement sensor of the magnetic bearing according to the present invention is as follows.

먼저, 안정된 성능을 얻기 위해서, 능동형 자기 베어링은 항상 위치측정신호를 이용한 제어를 통해 축을 지지한다.First, in order to obtain stable performance, an active magnetic bearing always supports the shaft through control using a positioning signal.

이러한 자기 베어링의 성능은, 위치 측정센서의 신호가 얼마나 정확하냐에 직접적으로 영향을 받으며, 변위센서의 정확성은 주로 분해능과 축의 형상오차에 의해 결정된다.The performance of these magnetic bearings is directly influenced by how accurate the signal of the position sensor is, and the accuracy of the displacement sensor is mainly determined by the resolution and shape error of the shaft.

고속 정밀 주축과 조정밀 기계에서는 특히, 축의 형상오차에 의한 신호가 자기 베어링 제어시 심각한 진동을 유발시키기 때문에 축의 형상오차를 제거하는 것이 중요하다.In high speed precision spindles and coarse precision machines, it is particularly important to eliminate shaft shape errors because signals caused by shaft shape errors cause severe vibrations in magnetic bearing control.

상술된 형상오차를 제거하기 위한 본 발명에 따른 자기 베어링의 변위센서는 다음과 같다.The displacement sensor of the magnetic bearing according to the present invention for removing the above-described shape error is as follows.

도2는 자기 베어링 모듈(70)에 대한 사시도로서, 자기 베어링 모듈(70)은 크게 센서(50)와 전자석 작동기(60)로 구성되어 있다.2 is a perspective view of the magnetic bearing module 70, which is largely comprised of a sensor 50 and an electromagnet actuator 60. As shown in FIG.

센서부(51)과 가드(52)가 센서 몸체(53)에 에폭시 함침에 의해 조립되어 센서(50)를 이루고, 얇은 규소강판을 적층시켜 만든 마그네틱 코어(61)와 코일(62)이 전자석 작동기 몸체(63)에 결합되어 전자석 작동기(60)를 이룬다.The sensor unit 51 and the guard 52 are assembled by epoxy impregnation to the sensor body 53 to form the sensor 50, and the magnetic core 61 and the coil 62 made of a laminated thin silicon steel sheet are electromagnet actuators. It is coupled to the body 63 to form an electromagnet actuator 60.

따라서, 센서(50)를 전자석 작동기(60)와 분리시킴으로써 코일(62)의 진동에 의한 센서의 변형을 방지할 수 있다.Therefore, the sensor 50 can be prevented from being deformed by the vibration of the coil 62 by separating the sensor 50 from the electromagnet actuator 60.

이러한, 센서(50)와 전자석 작동기(60)는 규소강판 적층시 볼트에 의해 일정한 압력을 가하며 영구 결합되고, 이와같이 견고하게 결합된 일체형 자기 베어링 모듈(70)은 센서(50)와 전자석 작동기(60)가 일체형으로 내경 가공을 거치므로, 측정 및 제어시 문제가 될 수 있는 동심도 오차를 최대한 줄일 수 있다.Such, the sensor 50 and the electromagnet actuator 60 is permanently coupled by applying a constant pressure by the bolt when the silicon steel sheet is laminated, the solid magnetic coupling module 70 is thus firmly coupled to the sensor 50 and the electromagnet actuator 60 ) Is integrated into the inner diameter machining, it can minimize the concentricity error that can be a problem when measuring and controlling.

도3은 본 발명에 따른 정전용량 변위센서(50)의 단면도로서 서로 일정한 공극이 유지되어 각각 분리되어 있는 8개의 센서부(51)와 가드(52)로 이루어진다.Figure 3 is a cross-sectional view of the capacitive displacement sensor 50 according to the present invention is composed of eight sensor parts 51 and the guard 52 are separated from each other to maintain a constant gap.

8개의 센서부(51)의 분할 각도는 각각 60도, 30도, 60도, 30도, 60도, 30도, 60도, 30도로 분할되고, 해당 센서판의 정전용량 측정값을 각각 C1C2...C8로 나타낼 때, 회전축의 변위는 X=(C8+C1+C2)-(C4+C5+C6), Y=(C2+C3+C4)-(C6+C7+C8)으로 측정되어 30도 부분이 중복 사용되므로 실제로는 120도의 센서 크기를 갖는다.The division angles of the eight sensor parts 51 are divided into 60 degrees, 30 degrees, 60 degrees, 30 degrees, 60 degrees, 30 degrees, 60 degrees, and 30 degrees, respectively, and the capacitance measurement values of the corresponding sensor plates are respectively C1C2. When represented by C8, the displacement of the axis of rotation is measured as X = (C8 + C1 + C2)-(C4 + C5 + C6), Y = (C2 + C3 + C4)-(C6 + C7 + C8) and 30 Since the part of the diagram is used redundantly, it actually has a sensor size of 120 degrees.

이러한 8개의 센서판을 가짐으로서 얻게 되는 장점은 우선 센서판의 각도를 조절하여 임의의 분할 각도를 구현할 수 있으며, 변위센서의 분할 각도를 120도로 함으로써 회전축의 형상오차에 의한 영향을 최대한 줄일 수 있다는 점이다.The advantage of having these eight sensor plates is that first, the angle of the sensor plate can be adjusted to realize an arbitrary dividing angle, and the dividing angle of the displacement sensor can be reduced to 120 degrees to minimize the influence of the shape error of the rotating shaft. Is the point.

그리고, 하나의 센서조합을 위해 4개의 센서판이 필요하므로 센서에서는 두개의 센서 조합을 가질 수 있다는 점인데, 이 때 각 센서조합은 C1,C3,C5,C7로 이루어진 센서 조합과 C2,C4,C6,C8으로 이루어진 센서조합이며, 자기 베어링 작동시 임의의 센서판에 문제가 발생하여도 여분의 센서조합으로 안정한 작동을 유지할 수 있게 된다.In addition, since four sensor plates are required for one sensor combination, the sensor can have two sensor combinations. In this case, each sensor combination includes a sensor combination consisting of C1, C3, C5, and C7, and C2, C4, and C6. It is a sensor combination consisting of C8, and it is possible to maintain stable operation with an extra sensor combination even when a problem occurs in any sensor plate during magnetic bearing operation.

아울러 각 센서판들 사이의 절연을 위해 불가피하게 요구되는 공극때문에 이상적인 각도가 120도에서 약간 차이가 생길 수 있지만, 이러한 각도오차는 간단한 식에 의해 보상할 수 있으며, 8개의 센서판을 갖는 구조에 의해 각도오차가 보상된 원하는 분할 각도를 갖는 센서를 구현할 수 있다.In addition, although the ideal angle may be slightly different at 120 degrees due to the inevitably required air gap for insulation between the sensor plates, this angle error can be compensated by a simple equation. It is possible to implement a sensor having a desired dividing angle, the angle error is compensated for.

이러한 8분할의 원통형 정전용량 변위센서의 수학적인 해석은 다음과 같다.The mathematical interpretation of this 8-segment cylindrical capacitive displacement sensor is as follows.

E=sin(mz)/msin(z).....식(1)E = sin (mz) / msin (z) ..... Equation (1)

식(1)은 원통형 정전용량 변위센서의 측정값에 포함되는 형상오차의 특성을 나타낸 식으로서, 여기서 m은 형상오차의 주기를 나타내는데, 짝수 주기는 차동배열에 의해 자연히 없어지므로, 여기서는 홀수(3, 5, 7, ....) 주기만을 나타내며, z는 각도로 표현된 센서의 크기를 나타낸다.Equation (1) shows the characteristics of the shape error included in the measured value of the cylindrical capacitive displacement sensor, where m represents the period of the shape error, and the even period is naturally eliminated by the differential arrangement, and therefore, odd (3) , 5, 7, ....) cycles only, z represents the size of the sensor in degrees.

이러한 식(1)에서 알 수 있듯이 센서면적을 최대한 활용한 센서(z=90도)의 경우 측정오차가 주기의 역수, 즉, 1/3, 1/5, 1/7, 1/9....이 된다.As can be seen from Equation (1), in the case of a sensor (z = 90 degrees) that makes full use of the sensor area, the measurement error is the inverse of the cycle, that is, 1/3, 1/5, 1/7, 1/9 It becomes ...

따라서, 3주기 형상오차가 포함된 축에 대해서는 형상오차에 가장 취약하다.Therefore, it is the most vulnerable to the shape error for the axis containing the three-cycle shape error.

하지만, 센서의 크기(ζ)가 60도이면 측정오차가 각 주기에 대해서 0, 1/5, 1/7, 0...으로 나타나므로, 가장 영향이 큰 3주기 형상오차를 없앨 수 있으며, 또한, 3의 배수가 되는 다른 주기들도 제거되어, 측정정밀도를 현저히 높일 수 있다.However, if the sensor size (ζ) is 60 degrees, the measurement error appears as 0, 1/5, 1/7, 0 ... for each period, so that the most influential three-cycle shape error can be eliminated. In addition, other periods of multiples of three can also be eliminated, significantly increasing measurement accuracy.

따라서, 도3과 같은 새로운 배열을 사용하면 측정오차를 최소화할 수 있다.Therefore, the measurement error can be minimized by using the new arrangement as shown in FIG.

센서로 원주면적 전체 180도를 사용했을 때 보다 좀더 적은 면적 120도를 사용했을 때 형상오차 배제 효과가 크게 된다.When the sensor uses a smaller area of 120 degrees than the total circumference of 180 degrees, the shape error elimination effect is increased.

도4는 변위센서의 분해 사시도로서 황동으로 이루어지는 센서부(51)와 몸체(53)에 내장되어 센서부(51)를 감싸는 가드(52), 그리고 가드(52)를 감싸고 있는 몸체(53)으로 구성되며, 센서부(51)와 가드(52), 몸체(53)는 모두 동심을 유지하며 결합된다.4 is an exploded perspective view of the displacement sensor, a guard 52 made of brass and a guard 53 embedded in the body 53, and a body 53 surrounding the guard 52. It is configured, the sensor unit 51 and the guard 52, the body 53 are all coupled while maintaining concentricity.

부호 50a,50b는 정전용량 센서(50)의 센서선(50a) 및 가드선(50b)들이며, 센서선(50b)들은 센서부(51)들에 각각 배선되고, 가드선(50b)은 가드(52)에 배선된다.Reference numerals 50a and 50b denote sensor lines 50a and guard lines 50b of the capacitive sensor 50, the sensor lines 50b are wired to the sensor portions 51, respectively, and the guard lines 50b are guards ( 52).

센서부(51)의 센서판이 8개이므로 각 센서판에 하나씩 배선이 되고 이렇게 배선된 8가닥을 망사형으로 꼬아서 하나의 선으로 만든다.Since there are eight sensor plates of the sensor unit 51, one is wired to each sensor plate, and the eight strands thus wired are twisted into a mesh to form a single wire.

이 센서선(50b)들은 서로 반대 방향으로 엇갈리게 망사형태로 꼬여 권선되며, 기생정전용량에 의한 영향을 줄여 주기 위하여 가드선(50a)에 의해 쉬일드되어 몸체(53)의 배선공(53a)에 위치한 연결잭(미도시)에 결합된다.The sensor wires 50b are twisted in a mesh shape to be alternately twisted in opposite directions, and are shielded by the guard wires 50a in order to reduce the influence of parasitic capacitance to the wiring holes 53a of the body 53. It is coupled to a connection jack (not shown) located.

이 연결잭(미도시)은 몸체(52)와 전기적으로 연결되어 외부 전원의 접지선(미도시)과 연결되며, 이 접지선은 다시 가드선을 둘러싸면서 쉬일드 시키므로, 변위센서의 배선은 모두 10개의 3동축선의 형태를 가진다.This connecting jack (not shown) is electrically connected to the body 52 and connected to a ground wire (not shown) of an external power source. Since the ground wire is shielded while surrounding the guard wire, the wiring of the displacement sensor is totally 10 3 It has the form of a coaxial line.

도5a 내지 도5c는 변위센서의 구조를 나타낸 도면이다.5A to 5C are views showing the structure of the displacement sensor.

도5a에 의하면, 센서부(51)는 가드(52)에 동심을 이루면서 결합되도록 한 쪽 방향에 원통형 보조면(51a)이 형성되어 있고, 그 아래에는 가드(52)와의 절연을 위한 걸림턱(51b)이 형성되어 있으며, 센서판들(51c)은 이 걸림턱(51b) 아래에 위치하고 있다.According to FIG. 5A, the sensor part 51 has a cylindrical auxiliary surface 51a formed in one direction to be coupled concentrically to the guard 52, and below the locking jaw for insulation from the guard 52. 51b is formed, and the sensor plates 51c are located below the locking step 51b.

센서면에는 센서판(51c)이 8개로 분리되어 서로 절연을 이루도록 하기 위해 일자형 절연홈(51d)들이 외주면과 수직으로 형성되어 있으며, 각 센서선들(50b)의 위치를 잡아주기 위하여 외주면을 따라 원주방향으로도 배선홈(51e)이 형성되어 있다.On the sensor surface, in order to separate the sensor plate 51c into eight and to insulate each other, the linear insulating grooves 51d are formed perpendicular to the outer circumferential surface, and the circumference along the outer circumferential surface to hold the positions of the respective sensor lines 50b. The wiring groove 51e is formed also in the direction.

도5b는 일체형으로 된 가드(52)를 나타내며, 조립이 용이하도록 상측이 개방되어 있고, 몸체(53)와 조립될 때 동심을 유지하도록 한 쪽 방향에 원통형 보조면(52a)이 형성되어 있으며, 그 아래에는 몸체(53)절연을 유지하도록 걸림턱(52b)이 형성되어 있다.Fig. 5B shows the integrated guard 52, the upper side of which is open for easy assembly, and a cylindrical auxiliary surface 52a formed in one direction to maintain concentricity when assembled with the body 53, Underneath, the locking jaw 52b is formed to maintain the insulation of the body 53.

또한, 가드선(50a)을 배선하고 센서선들(50b)이 지나갈 자리를 마련해 주기 위해 배출홈(52c)이 형성되어 있다.In addition, a discharge groove 52c is formed to wire the guard wire 50a and to provide a place for the sensor wires 50b to pass through.

도5c는 센서부(51)와 가드(52)가 결합되는 몸체(53)를 나타내는데, 한 쪽 면에 배선을 위한 연결잭(미도시)이 결합되도록 배선공(53a)을 갖추고 있다.FIG. 5C shows a body 53 to which the sensor unit 51 and the guard 52 are coupled, and has a wiring hole 53a on one side so that a connection jack (not shown) for wiring is coupled.

이러한 구성요소들로 이루어진 본 발명의 조립 과정 및 최종가공방법을 도6a 및 도6b의 도면을 통해 설명하면 다음과 같다.The assembly process and final processing method of the present invention made up of these components will be described with reference to FIGS. 6A and 6B.

우선 도6a에 도시된 바와 같이 센서부(51)와 가드(52)를 몸체(53)에 안착시키고 에폭시로 함침한 후, 조립된 센서(50)를 전자석 작동기(60)와 다시 영구 결합한다.First, as shown in FIG. 6A, the sensor unit 51 and the guard 52 are seated on the body 53 and impregnated with epoxy, and then the assembled sensor 50 is permanently coupled with the electromagnet actuator 60 again.

그 후 도6b에 도시된 바와 같이 그 내경을 일정한 깊이까지 가공하면, 센서부(51)와 가드(52), 그리고 몸체(53)가 분리되고 서로 절연된다.Thereafter, when the inner diameter is processed to a certain depth as shown in FIG. 6B, the sensor unit 51, the guard 52, and the body 53 are separated and insulated from each other.

이러한 센서의 형상오차를 측정하기 위한 실험장치는, 도7을 참조하면, 축의 한쪽은 정수압베어링(Hydrostatic Bearing;400)으로 지지하였고, 반대편은 위치 이동이 가능하도록 오일리스(Oilless) 베어링(100)으로 지지하였으며, 축의 회전반경은 베어링의 위치와 회전속도를 변화시켜서 조절한다.In the experimental apparatus for measuring the shape error of such a sensor, referring to FIG. 7, one side of the shaft was supported by a hydrostatic bearing (400), and the other side was an oilless bearing (100) to move a position. The rotation radius of the shaft is adjusted by changing the position and rotation speed of the bearing.

또한, 원통형 정전용량 변위센서(CCS)가 장착된 실험용 하우징(200)에 8조각 원통형 정전용량 변위센서(CCS; Cylindrical Capacitive Sensor)와 4조각 원통형 정전용량 변위센서(CCS)를 나란히 합침하였으며, 원통형 센서의 형상오차제거 성능을 프로브형 센서와 비교하기 위하여 프로브형 센서(300)를 장착하였다.In addition, an eight-piece cylindrical capacitive displacement sensor (CCS) and a four-piece cylindrical capacitive displacement sensor (CCS) were combined side by side in an experimental housing 200 equipped with a cylindrical capacitive displacement sensor (CCS). In order to compare the shape error removal performance of the sensor with the probe-type sensor, a probe-type sensor 300 was mounted.

형상오차가 센서측정값에 미치는 형향과 새로운 센서의 성능을 입증하기 위해 특정한 주기의 형상오차를 지닌 축을 사용해야 하는데, 실제 정밀도로 형상 오차를 구현하는 것은 거의 불가능하므로 도8과 같은 새로운 형태의 테스트 축들을 마련하였다.In order to prove the shape error of the sensor and the performance of the new sensor, the axis with a certain period of shape error should be used. Since it is almost impossible to realize the shape error with real precision, a new type of test axis as shown in FIG. Prepared.

도8(a)는 3의 배수주기를 구현하기 위한 테스트 축이고, 도8(b)는 4의 배수주기, 즉 짝수주기의 형상오차를 구현하기 위한 테스트 축이다.8 (a) is a test axis for implementing a drainage period of 3, and FIG. 8 (b) is a test axis for implementing a shape error of the drainage period of 4, that is, an even period.

이러한 테스트 축만으로도 센서의 성능을 확인할 수 있는 근거는 실제 해석결과를 확인할 때 중요한 것은 형상오차나 축의 회전반경의 절대치가 아니라 그 비이기 때문에, 형상오차가 클 때는 그만큼 축의 회전반경을 늘려서 실험을 수행하여 그 때의 특성을 조사하면 되기 때문이다.The reason for verifying the performance of the sensor with only these test axes is not the absolute value of the shape error or the rotation radius of the axis, but the ratio when the actual analysis results are important. Therefore, when the shape error is large, increase the rotation radius of the axis. This is because the characteristics at that time may be investigated.

단, 수학적인 해석식이 유효하기 위한 가정에서 δh이어야 하므로, δ=0.5mm를 고려하여 h는 50㎛이내여야 한다.However, since the equation must be δh in the assumption that the mathematical equation is valid, h must be within 50 μm in consideration of δ = 0.5 mm.

도9(a)(b)는 상술된 도8의 테스트 축들의 형상오차를 각 주기별로 표시한 것이다.9 (a) and 9 (b) show the shape errors of the test axes of FIG. 8 described above for each period.

이러한 도9에서 알 수 있듯이 테스트 축들에는 여러 주기가 모두 포함되어 있으므로 이러한 테스트 축에서의 형상오차를 없앨 수 있다면, 이와 관련된 모든 주기의 형상오차를 제거할 수 있다는 것을 의미한다.As can be seen in FIG. 9, since the test axes include all the cycles, if the shape errors in the test axes can be eliminated, it means that the shape errors of all the cycles can be eliminated.

이러한 실험에 의해 4조각 원통형 센서와 8조각 원통형 센서를 비교하면, 도10(a)(b)(c)와 같다.Comparing the four-piece cylindrical sensor and the eight-piece cylindrical sensor by this experiment, it is as shown in Fig. 10 (a) (b) (c).

도10(a)는 축이 20㎛로 회전할 때이고, 도10(b)는 축이 10㎛로 회전할 때이고, 도10(c)는 축이 5㎛로 회전할 때를 각각 나타낸다.Fig. 10 (a) shows when the axis rotates at 20 μm, Fig. 10 (b) shows when the axis rotates at 10 μm, and Fig. 10 (c) shows when the axis rotates at 5 μm.

따라서, 상용화된 프로브형 센서에 비해 원통형 센서가 평균화 효과에 의해 형상오차를 없앨 수 있고, 기존의 4조각 원통형 센서 보다 새로이 설계된 8조각 센서가 형상오차를 더욱더 민감하게 제거할 수 있게 된다,Accordingly, the cylindrical sensor can eliminate the shape error due to the averaging effect, and the newly designed eight-piece sensor can remove the shape error more sensitively than the conventional four-piece cylindrical sensor.

한 점에서 거리를 측정하는 프로브형 센서의 경우 형상오차가 그대로 남게 되어 실제 축중심의 위치를 잘 알 수 없지만, 원통형센서의 경우에는 형상오차와 무관하게 실제 축중심의 회전궤적을 그대로 나타내고 있다.In the case of the probe type sensor measuring the distance at one point, the shape error remains as it is, so the position of the actual axis center cannot be known well, but in the case of the cylindrical sensor, the rotational trajectory of the actual axis center is shown as it is regardless of the shape error.

90도로 면불할된 4조각센서의 경우, 회전 궤적이 정밀해질수록 3주기 형상오차 때문에 회전궤적이 왜곡되지만, 새로 설계된 8조각센서의 경우에는 실제 궤적에 가깝게 측정신호가 나타나게 된다.In the case of four-piece sensor that is payable at 90 degrees, the more accurate the rotation trajectory is, the more the rotational trajectory is distorted due to the three-cycle shape error. However, in the case of the newly designed eight-piece sensor, the measurement signal appears closer to the actual trajectory.

따라서, 축의 형상오차 이상의 정밀도를 요구하는 초정밀주축의 경우에도 적용이 가능하게 된다.Therefore, the present invention can be applied even in the case of an ultra-precision spindle which requires more than the shape error of the axis.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 자기 베어링의 변위센서는, 다음과 같은 효과를 갖는다.As described above, the displacement sensor of the magnetic bearing according to the present invention has the following effects.

첫째, 정전용량 번위 센서의 분할각도를 개선하여 변위 측정시 생기는 특정한 주기의 형상오차로 인하여 생기는 측정잡음를 최대한으로 줄임으로써 정밀한 측정이 가능하도록 하는 효과가 있다.First, by improving the split angle of the capacitive displacement sensor, it is possible to precisely measure by reducing the measurement noise caused by the shape error of a specific period generated during the displacement measurement to the maximum.

둘째, 임의의 분할 각도를 가진 형상을 구현하여 두 가지의 차동센서 조합을 구성하므로 하나의 센서 조합에 이상이 생겨도 여분의 센서조합으로 안정한 동작을 가능하게 한다.Second, since two differential sensor combinations are configured by implementing a shape having an arbitrary dividing angle, even if an error occurs in one sensor combination, an extra sensor combination enables stable operation.

셋째, 임의의 각도를 가진 형상을 구현할 수 있으므로, 센서 간격에 의한 오차를 고려하고자 할 때, 간단한 식에 의해 오차를 보상할 수 있게 된다.Third, since a shape having an arbitrary angle can be implemented, when the error due to the sensor interval is considered, the error can be compensated by a simple equation.

Claims (3)

자기베어링 모듈에 내장되어 변위를 측정하는 원형판의 정전용량 변위 센서에 있어서,In the capacitive displacement sensor of the circular plate which is embedded in the magnetic bearing module to measure the displacement, 상기 자기 베어링의 변위를 측정하기 위하여 소정 내경을 가지는 원통형의 몸체와,A cylindrical body having a predetermined inner diameter for measuring displacement of the magnetic bearing; 상기 몸체의 내측에 서로 일정한 공극이 유지되도록 8개의 분할로 이루어지되, 그 분할 각도가 60도와 30도로 반복적으로 마련되어 각각 상호 병합연산 가능한 센서부를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 자기 베어링의 변위 센서.Comprising eight divisions so as to maintain a constant void from each other inside the body, the displacement angle of the magnetic bearing, characterized in that the divided angle is repeatedly provided with a sensor unit capable of mutually combined operation is provided at 60 degrees and 30 degrees. 제1항에 있어서, 상기 센서부는 30도가 중복 사용되어, 두가지의 차동센서 조합을 가지는 120도를 가진 형상을 구현하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링의 변위 센서.The displacement sensor of a magnetic bearing according to claim 1, wherein the sensor unit is overlapped with 30 degrees to realize a shape having 120 degrees having a combination of two differential sensors. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 센서부와 상기 몸체 사이에 마련되어 상기 센서부의 상측이 개방되도록 원주 전체를 감싸는 원통형의 가드를 더 포함하여 된 것을 특징으로 하는 자기 베어링의 변위 센서.The displacement sensor of a magnetic bearing according to claim 1 or 2, further comprising a cylindrical guard provided between the sensor unit and the body and surrounding the entire circumference such that an upper side of the sensor unit is opened.
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