JPH07506655A - 磁気軸受の調整器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 磁気軸受の調整器 この発明は、固定子の磁界中に無接触で支承される本体を安定に支える磁気軸受 の調整器に関し、固定子中の磁化可能な部品が前記本体と作用する。

軸受部材としては、直列に接続された少なくとも二つのコイルが使用される。

コイル対である両方のコイルは同時に位置センサとして、また電磁駆動部として 働く。この場合、予備磁化として表せる前記本体に作用する固定子の磁界はコイ ルの磁化方向に平行に向いている。

本体を無接触で支える磁気軸受は、例えばＧ、　Ｓｃｈｗｅｉｔｚｅｒ　（編集 者）の”Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｂｅａｒｉｎｇｓ”、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏ ｆ　ｔｈｅ　Ｆｉｒｓｔ　Ｉｎｔ、Ｓｙｍｐ、ＥＴＨ−Ｚ口ｒｉｃ■B Ｓｃｈｗｅｉｚ、　１９８８に記載されている。回転子の軸あるいは磁界中で浮 上する測定本体に対して、磁気軸受かドイツ特許第ＰＳ　２４４４０９９号明細 書およびドイツ特許第ＰＳ　３８０８３３１号明細書により知られている。これ 等の軸受には永久磁石があり、この磁石の磁界中に磁性部品あるいは磁化可能な 部品を有する支承すべき本体か導入される。支承を安定化するため、電気調整器 が使用される。電気コイルで発生する磁界がこの調整器の出力信号を変える。調 整器により、磁化可能な磁気軸受部品の間にある磁界強度が位置センサの出力信 号に応じて影響され、この位置センサは無接触に支承されている本体と磁気固定 子の間のその時の間隔を測定する。

ｌ・イツ特許第ＯＳ　２５３７５９７号明細書によれば、直列に接続されたコイ ル対を備え、支承されている回転子の運動に関して二つの自由度に対する電磁軸 受要素か知られていて、これ等のコイルは位置センサとしても、また電気駆動部 としても働く。この装置では、全ての個別コイルが共通のコアに装着され、時期 的に結合している。このような軸受要素ては、センサの電流か支承電流によって 電磁的に大きく影響され、この逆も生し、両方の自由度でそのようになる。それ ぞれ一つの自由度に対して多重配置するコイルのような大きな回路経費により、 コイルの分割あるいは中間タップを設けることやそれに応した電気結線により、 これ等の望ましくない影響を低減できる。

未だ公開されていない特許出願第４２１０７４１．５　（ＰＴ　１．１１２６） では、磁気軸受の部品を低減するため、高周波測定ブリッジ回路か開示されてい る。この回路では、永久磁石の磁気軸受にあって、無接触で支承される本体の中 心位置を調整するためドイツ特許第２５３７５９７号明細書と同じ方法で電気コ イルか、同時に位置センサとしてまた電磁駆動部として働く。

この発明の課題は、簡単でコスト的に望ましい構成にあって使用上高い信頼性を 有する、調整器の部品点数の少ない軸受用の調整器を提供することにある。

上記の課題は、この発明により、冒頭の述へた種類の磁気軸受の調整器にあって 、コイル対が電気的に直列に接続されているが、磁気的に逆に配置され、コイル の二つの外端部がそれぞれ一つの増幅器の出力端に接続し、両方の増幅器の一方 が他方の増幅器の反転された出力信号を出力することによって解決されている。

増幅器の出力端には、周知のように、発振器の高周波信号、主に正弦波高周波発 振信号が出力する。この高周波発振信号は二つの増幅器を介してコイル対に供給 され、二つのコイルの間で高域フィルタを介して、発振器の高周波信号でタイミ ング駆動される位相に敏感な整流器（同期整流器）により取り出せる。位相に敏 感な整流器は二つのコイルの間の電気的な「中点」に接続し、この点で両方のコ イルに供給される二つの反転高周波信号が加算され、コイルのインダクタンスか 同じ場合、零になる。しかし、磁界中に支承されている本体がコイル対の間で移 動すると、コイル対のインダクタンスを変え、両方のコイルの間の前記中点での 交流電圧の電位を移動させる。コイル対はこのように位置センサとして働く。電 位のずれは位相に敏感な整流器中で本体の移動方向に応じた極性の距離に比例す る制御信号に変換される。この制御信号は調整器の回路網を介して増幅器に導入 され、これ等の増幅器は電磁駆動部としてのコイル対に電力を供給するので制御 ループを形成する。コイル対を流れる二つの増幅器の出力電流は支承すべき本体 のその時の位置に依存する磁界の変化を発生する。この場合、本体を目標位置に 安定化するように磁界を調整している。これにより、コイル対では位置を検出す る高周波信号が駆動信号として働く距離と方向に比例する直流電流に重畳する。

増幅器として二つの反転増幅器を使用し、二つの増幅器の一方の入力端が他方の 増幅器の出力端に接続していると効果的である、請求の範囲第２項。

低周波の駆動信号を高周波検出信号から分離するため、請求の範囲第３項により 、位相に敏感な整流器の出力端と調整器の回路網の入力端の間に低域フィルタが 中間接続されている。

磁気的に支承される本体をその運動の多くの自由度で安定化するため、請求の範 囲第４項により、前記第一コイル対に他のコイル対が補足されている。

その場合、各コイル対に対して請求の範囲第１〜３項に提示するタイプの回路装 置を備えた制御回路を使用し、全ての制御回路に対して共通の一つの高。

周波発振器を特徴する 請求の範囲第５項により、回転子を半径方向に支承するため、磁気的に結合し、 二つのコイルがそれぞれ半径面内の本体の反対側で本体からの距離を保って配置 されている二つのコイル対か互いに９００ずらして配置で互いに接続さていて、 各コイル対がその特性にあって駆動としての他方のコイル対の駆動信号を発生さ せる位置センサとして働く。

以下、この発明を実施例に基づきより詳しく説明する。図面には、それぞれ、 第１図、磁界の半径方向に配置されたコイルを有するコイル対を備えた磁気的に 支承された本体に対する磁気軸受の調整器、第２図、半径面内で本体の周りに配 設されたコイルを有する二つのコイル対を備えた磁気軸受の調整器、 第３図、正または負の駆動電流の永久磁石による予備磁化に対する作用、が示し である。

第１図には、磁気的に支承される本体ｌの磁気軸受の調整器が示しである。

この本体は磁化可能な部品を有する固定子の磁界中に無接触で支承されている。

磁界の磁化方向、つまり所謂予備磁化ＭＶは第３図に示しである。磁界を発生す る磁化可能な部品を有する固定子と本体ｌの磁化可能な部品は図面に示していな い。磁気磁石調整器の全ての回路要素を示す。

磁界の強度に影響を与えるため、第１図の磁気軸受の調整器にあっては、二つの コイル２．３が使用される。これ等のコイルは半径面内で本体ｌの周りに軸方向 に、しかも互いに本体の反対側に配置されている。これ等のコイル２．３は、コ イル対として直列に接続され、この実施例ではそれぞれコイルの巻き始めである コイルの外端部（コイルの巻き始めを図面では黒塗りの正方形で示す）で二つの 増幅器４，５の出力端に接続している。この実施例では、二つの増幅器として反 転増幅器を使用する。両方の増幅器４，５は直列に接続されているのて、増幅器 ５には増幅器４０反転出力信号が供給される。

コイル対には電磁駆動部として距離と方向に比例する直流が流れ、第３図にはコ イルにより発生する磁界が矢印２ａ、３ａで示してあり、反対の制御電流方向で は矢印２ｂ、３ｂで示しである。こうして、コイル２．３は電気的に直列に配置 されているが、磁気的には逆向きにされている。この場合、コイルの磁界方向は 、二つの制御電流方向にあって、予備磁化ＭＶに平行に向いている。

コイル対２．３は同時にセンサコイルとして高周波の検出電圧が印加されている 。これには、増幅器４０入力端６に高周波発振器７と、位相に敏感な整流器８に 後続する調整器の回路網９が接続している。整流器８の入力端は、電気導線１０ を介して測定点１１．つまり二つのコイル２．３の間の電気的な「中心点」に接 続している。整流器８０入力端の前には、磁界中に支承された本体の位置に対し て一義的な高周波差信号を整流器の入力端で得るため、高域フィルタ１２もある 。

この実施例では、位相に敏感な整流器８と調整器の回路網９の間に位置に比例す る制御信号を平滑化する低域フィルタ１３が挿入されている。このフィルタはコ イル２．３を介して本体１の目標位置を電磁的に安定化するために使用されてい る。浮上する本体が目標位置からずれている方向を検出するため、位相に敏感な 整流器８が高周波発振器７によってタイミング駆動されている。これには、発振 器７の出力端が増幅器４の入力端６への接続部の外に導線１４を介して平行に位 相に敏感な整流器８に接続している。

位相に敏感な整流器８により発生する本体の目標位置を調整する制御信号は本体 が磁界中で運動する時に変化する二つのコイル２．３のインダクタンスの差に依 存する。これ等のコイルのインダクタンスは磁気軸受内で浮上している本体の位 置と同じように変化する。目標位置からずれと、コイル２゜３の間の測定点１１ てずれに比例する電気信号が発生する。この信号は高域フィルタＩ２を通して低 周波信号成分を抑制して整流器８中て接続された発振器７の高周波信号により、 目標位置からのずれの値と方向が把握されるように処理される。整流器８の対応 する出力信号は低域フィルタ１３を通過した後、調整器の回路網９に接続される 。この回路網は増幅器４の出力電流と増幅器５の出力電流がコイル２．３を介し て本体ｌと固定子の間の磁界を変えて、本体１が目障位置に戻すように増幅器４ を制御する。

本体の目標位置で反転した高周波信号がコイルの同じインダクタンスの場合に測 定点１１で零に加算される。この目標位置から位置が変わると、本体ｌは、上に 既に説明したように、コイル対のインダクタンスの変化を与え、従って、測定点 １１での交流電圧の電位のずれを与える。この電位は整流器８により移動方向に より極性が決まり距離に比例する電圧信号に変換される。

変換された信号は低域フィルタ１３を介して次の調整器の回路ｍ９と共に再び増 幅器４に導入されるので、制御ループは閉じている。コイル対２．３を流れる増 幅器４．５の出力電流は、支承すべき本体のその時の位置に依存する磁界を発生 する。この磁界は、本体の位置か目障位置で安定化するようにその都度影響を受 ける。この場合、位置を検出するための高周波信号は距離と方向に比例する直流 、つまり駆動量に重畳している。

高周波信号としては、主に正弦波の高周波信号が発振器７により発生する。

調整器の回路網９はＰＤ特性を有すると効果的である。

説明した回路装置は、磁気的に支承された本体を多軸で位置安定化するのにも適 している。その時、運動の各自由度に対して、それぞれ一つのコイル対と適当な 予備磁化を有する個別磁気軸受の調整器が必要である。その場合、全ての磁気軸 受の調整器に対する検出信号を発生するためただ一つの高周波発振器を使用する ことができる。

この発明による磁気軸受の調整器の他の応用が第２図に示しである。この場合は 、主に磁気的なラジアル軸受を調整するために使用される２軸磁気軸受制御であ る。第２図の磁気軸受の調整器では、コイル対１５．１６と１７゜１８がそれぞ れ９０°互いにずらして配設され、支承すべき本体ｌを磁界中で本体に対して間 隔を置き、半径面内でこの回転軸に同芯状に取り囲む（第１図の実施例ではコイ ル２，３は、既に説明したように、回転軸に対して半径方向を向いている）。コ イル１５．１６および１７．１８は磁気的に分離し例えば、これ等のコイルは共 通なコイルのコアを有していない）、第１図と同じように、コイル対として直列 に互いに結線されている。付属する二つの磁気軸受の調整器ａとｂは第１図の磁 気軸受の調整器と同じ電気部品を有する。それ故、第２図の構成部品には第１図 の対応する構成部品と同じ参照符号が付けてあり、区別するため、ただ文字ｒａ Ｊと「ｂ」が付けてあり、磁気軸受の調整器の一方の構成部品にマークを付ける 。

これ等のコイル対は、第２図の実施例の場合、二つの磁気軸受の調整器を介して 、各コイル対が一方の座標で駆動部として、それぞれ多方の座標てセンサとして 働くように互いに接続されている。これには、一方のコイル対のセンサ信号を他 方のコイル対の駆動信号として使用し、またこの逆にして使用する。コイル１５ ．１６は、駆動部として本体の位置を安定化するコイル１７．１８用のセンサと して働き、コイル１７．１８はコイル１５．１６を駆動部として導入すべき駆動 信号のセンサとして重要である。これに応じて、二つのコイル１５．１６の間の 測定点１１ａに位相に敏感な整流器８ａの前に接続される高域フィルタ１２ａが 接続し、整流器８ａの出力が低域フィルタ１３ａと調整器の回路網９ａを介して 増幅器４ａの入力端６ａに導入される。この増幅器の出力端は一方でコイル１７ に、また他方でコイル１８の信号を出力する反転増幅器５ａの入力端に並列に接 続している。コイル１７．１８の間の測定点１１ｂには磁気軸受の調整器すが嵌 まっている。この磁気軸受の調整器すは、磁気軸受の調整器ａと同じように、高 域フィルタ１２ｂ。

位相に敏感な整流器８ｂ、低域フィルタ１３ｂ、調整器回路網９ｂおよび増幅器 ４ｂ、５ｂを装備している。その場合、増幅器４ｂ、５ｂの出力は今度はコイル １５．１６に往き、磁気軸受の調整器ａ、ｂは閉じた電流回路となるように相互 に接続されている。この実施例では、二つの磁気軸受の調整器か同じ高周波発振 器７から電力を供給されると効果的である。高周波発振器の出力はこれに対して 増幅器４ａ、４ｂの入力端６ａ、６ｂに並列に接続し、位相に敏感な整流器８ａ 、８ｂをタイミング駆動するため導線＋４ａ、＋４ｂを介して二つの整流器に接 続している。

第２図の回路装置は、主に例えばシリンダ状の本体を二つの半径方向の支持面内 で支承するために使用される。当然、この磁気軸受調整は二つの運動の自由度で 磁気支承される本体の位置を安定化するものとして、更に例えば第三の自由度で 本体の位置を安定化する第１図の磁気軸受の調整器にも関連している。第１図の 回路装置と組み合わせて、能動的な三軸磁気支承が得られる。磁気軸受の調整器 のこのような組み合わせにも、全ての磁気軸受の調整器に共通に作用する高周波 発振器のみが必要である。

説明した磁気軸受調整の部品に対して、市販の集積回路を使用でき、例えばラジ オ装置、例えば自動ラジオにも採用されているような、コイルを駆動する出力増 幅器を使用できる。信号処理の構成に、所謂ＬＶＤＴ信号調整、つまり線形可変 差動変圧器を駆動する回路を使用することが適している。これ等の変圧器は、実 質上組み込み正弦波発振器と同期整流器と復調器を有する電磁誘導距離変換器と しても知られている。

第３図は、予備磁化に使用される二つの永久磁石に関連して、所定のコイル装置 での正の制ｉｔ流がコイル３の領域で同時に永久磁石の磁界を強める場合コイル ２の領域で永久磁石の磁界をどのように弱めるかを示す（矢印２ａ、２ｂはコイ ルで発生する磁界の方向）。これに反して、第３図に括弧で括った電流方向の符 号の負の制ｉＩｌ電流は、コイル３の領域で永久磁石の磁界を同時に弱める場合 、コイル２の領域の永久磁石の磁界を逆に強める作用をする。

国際調査報告

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．固定子中の磁化可能な部品が本体の磁化可能な部品、つまり位置センサとし ても、電磁調整部材としても働くコイル対としての軸受部材として直列に接続さ れた二つの電気コイルと協働し、予備磁化として表せる固定子の磁界がコイルの 磁化方向に平行に向いている、固定子の磁界中に無接触に支承された本体を安定 に支承する磁気軸受の調整器において、コイル対（２．３；１５，１６；１７， １８）が電気的に直列に接続され、磁気的に反対方向に配置され、両方の外端を それぞれ増幅器（４，５；４ａ，５ａ；４ｂ，５ｂ）の出力端に接続し、両方の 増幅器の一方（５，５ａ，５ｂ）が他方の増幅器（４，４ａ，４ｂ）の反転出力 信号を供給し、増幅器（４，５；４ａ，５ａ；４ｂ，５ｂ）の入力端に発振器（ ７）の高周波信号が入力し、コイル対（２，３；１５，１６；１７，１８）の二 つのコイルの間に高域フィルタ（１２，１２ａ，１２ｂ）を介して発振器（７） の高周波信号でタイミング駆動される位相に敏感な整流器（８，８ａ，８ｂ）が 接続し、整流器（８，８ａ，８ｂ）の出力端が次の調整器の回路網（９，９ａ， ９ｂ）を介して増幅器（４，５；４ａ，５ａ；４ｂ，５ｂ）に接続していること を特徴とする磁気軸受の調整器。
2. ２．増幅器（４，５；４ａ，５ａ；４ｂ，５ｂ）としては、二つの反転増幅器を 使用し、二つの増幅器の一方（４，４ａ，４ｂ）の入力端が他方の増幅器（５， ５ａ，５ｂ）の出力端に接続することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の磁 気軸受の調整器。
3. ３．位相に敏感な整流器（８，８ａ，８ｂ）の出力端と調整器の回路網（９，９ ａ，９ｂ）の入力端の間に低域フィルタ（１３，１３ａ，１３ｂ）が中間接続さ れていることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の磁気軸受の調 整器。
4. ４．多数の自由度を安定化するため、多数のコイル対（１５，１６；１７，１８ ）が配設され、各コイル対には前記の制御ループが採用されていることを特徴と する請求の範囲第１〜３項の何れか１項に記載の磁気軸受の調整器。
5. ５．磁気的に分離し、本体（１）の半径平面内で本体に間隔を置いて本体の反対 側に配設されたコイル（１５，１６；１７，１８）を有する二つのコイル対は９ ０°互いにずらした配置で、各コイル対（１５，１６；１７，１８）がそれぞれ 特性として他方のコイル対の位置センサとして、またその特性として駆動部とし て働くことを特徴とする請求の範囲第４項に記載の磁気軸受の調整器。