JP2000506248A - 軸線方向の変位割合変換器を含むロータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 特に、能動的な軸方向磁気軸受（１２）を有する、磁気軸受装置に懸垂されたシャフトであるロータ装置（１０）は、軸線方向のシャフトの変位センサ（２６）と、シャフトあるいは該シャフトに担持された機能要素の強磁性の肩形状部（３０）の軸線方向に露出された面と協働する変位割合変換器（３２）とを含む。変換器（３２）は、一対の環状の永久磁石の磁極片（３５、３６）の間の溝（３４）に配置された環状のピックアップコイルを含む環状の永久磁石の芯を含み、一方の対の極（３７’、３８’）が環状のキーパによって接合され、他方の極（３７、３８）が、肩形状部を通る磁束の通路を画成するエアギャップ（３９、４０）によって肩の面から分離されている。シャフトの変位によりエアギャップの長さが変動することによって生じる磁束密度の変動が変位の割合に関連したコイル電圧を誘発する。表面が高速で磁極片を通して並進する場合、コイルは回転軸線（１６）から半径方向外方に配置されるものの、環状の磁石はその他の変換器と相違してエアギャップを局部的に変動させる不規則があってもそれによって影響されない。

Description

【発明の詳細な説明】 軸線方向の変位割合変換器を含むロータ装置 本発明はロータ装置（rotor arrangement）に関し、特に磁気誘導によりその 回転軸に沿ったロータの運動を検出することに関する。本発明は、限定的ではな いが、特に、その軸線方向位置に関して能動的に制御される回転体の運動であっ て、その運動とその検出（determination）とがその制御の要素であるところの 運動を検出することに関する。 そのように制御されるロータはしばしば単純に磁気軸受（magmetic bearing） と称される電磁石磁気軸受装置の一部として支持される、高速のターボ機械等の シャフトを含む。 軸方向磁気軸受（axial magnetic bearing）においては、シャフトに固定され た半径方向に延びるカラーの各側に配置された電磁石は、電流に関連する軸線方 向に向いた力を加えることが可能で、外方向に加えられた力による所定位置から の回転シャフトの変位が検出されて一方あるいは双方の電磁石における電流がそ れによって変動する制御信号を提供する。更に、より良好な制御応答性を提供す るためにシャフトの変位割合を測定することが知られている。軸線方向の制御が 変位やその変動割合の検出を伴うものである、磁気的に懸垂されたシャフトの例 が米国特許公報第3473852号（US-A-3473852）に記載されている。しかしながら 、そのような装置においては、変位割合検出器（rate sensor）はシャフトの回 転軸に装着されることを要するが、そのような位置は、例えばシャフトがその端 部においてインペラブレード、工具ホルダ等のような機能要素を担持している場 合は、必ずしも利用可能とはいえない。更に、そのような装置は、もしもシャフ トが、特に変換器（transducer）の磁気部分に加えられる応力の故に、時には旋 回と称せられることであるが幾何学的軸線から僅かにずれた慣性軸線の周りを回 転する回転モードに入ることが可能であるとすれば、満足には使用出来ない。 永久磁石を囲む永久ピックアップコイルを含み、磁石の磁束が強磁性体（ferr omagnetic body）とエアギャップを通して延び、エアギャップの長さが変 動する速度に比例してコイルに亘って電圧が発生するようにエアギャップだけ強 磁性体から離隔配置されているコンパクトな速度検出変換器プローブに対する強 磁性体の変位割合を測定することが知られている。そのような変換器はシャフト の端部に隣接して配置し得るが、もしもそのような変換器がシャフトの回転軸線 と正確に整合しないとすれば問題が発生する。 そのような形態の変換器は回転軸線に対するいずれかの半径方向位置における シャフトの軸線方向の変位によるエアギャップの長さの変動に応答して機能する ものの、（磁気軸受を採用した機械に対しては典型的である）２０、０００ｒｐ ｍを超える速度で回転するシャフトに対しては、７５ミリ程度回転軸線からずれ て装着された変換器は高度の並進速度（translational speed）でそれを通過す るシャフトの端部の回転面を有するために、０．０1mm程度エアギャップの長さ が簡単に変動する表面の不規則性が、磁気軸受の制御帯域内でのシャフトの軸線 方向の変位から生じる信号と同じ程度の大きさのピックアップコイルにおける信 号を発生しうることが見い出された。 このように、磁気で懸垂された装置のシャフト（あるいはその他のロータ形態 ）と関連した高回転速度は、軸線方向の変位割合を検出する目的のためにいずれ かの軸線をはずれた軸線方向に面した面（off-axis，axially facing surface） の使用を減ずるものと考えられてきた実際の回転軸からの著しいずれにおいてシ ャフトの端部において高度の並進速度を発生する。 本発明の目的は、これまで知られているものよりも単純で、より用途が多く、 かつより使用が安定したロータの軸線方向の変位割合を検出する変換器手段（tr ansducer means）を含む、ロータ装置を提供することである。 本発明の第1の局面によれば、ロータ装置は（ｉ）ハウジングと、（ｉｉ）ロ ータを通りハウジングの長手方向軸線と実質上一致する長手方向軸線の周りを回 転するようにハウジング内で支持されたロータであって、ロータの長手方向に対 して半径方向外方向に延びており、軸線方向に露出されている面を有する強磁性 材料の肩形状部（shoulder feature）を有するロータと、（ｉｉｉ）（ａ）ハ ウジングの長手方向軸線の周りで、かつ前記肩形状部の前記面に隣接して延びて いる環状の永久磁石芯であって、前記面に向かって開放しており、前記面からエ ア ギャップによって離隔された反対極性の極において終わる半径方向に離隔された 環状極片の間で画成された少なくとも一つの環状溝を有し、エアギャップおよび 肩形状部によって極の間で磁束が延びている磁気回路を画成している芯と、（ｂ ）各溝に収納された環状のピックアップコイルを含む、ピックアップコイル手段 と、を含む変換器手段と、（ｉｖ）エアギャップの変動に応答してピックアップ コイルに亘って現れるよう誘発される電圧レベルを検出するよう作動可能な検出 手段とを含む。 本発明の第２の局面によれば、能動的な軸方向軸受装置（axial active beari ng arrangement）は、先行の節において述べたロータ装置と、所望の位置に対す るロータの軸線方向位置を検出するよう作動する軸線方向変位検出手段と、軸線 方向位置検出手段とロータ装置の変換器手段とに応答し位置エラー信号を発生さ せる制御手段と、ロータを前記所望位置に向かって移動させるよう作動する復帰 手段とを含む。 本明細書において、「実質上一致する」という用語は、構造公差あるいは懸垂 の性質に応じて、ロータが、回転が行われると思われる幾何学的軸線から変位し た回転軸線の周り、および／または不一致の程度がロータを支持している軸受手 段の制御内の範囲でハウジングの通常一致している軸線の周りを、回転しうると いうことに基づいて使用されている。 本発明の実施例を添付図面を参照して例としてここに説明する。 図１は、磁気的に懸垂されたシャフトと、軸線方向の変位を検出する変換器と 、シャフトと協働する軸線方向変位割合検出変換器とを含む、本発明によるロー タ装置の正面断面図、 図２は、図１に示すものと類似であるが軸線方向変位割合検出変換器の異った 形式を有しているロータ装置の一部の正面断面図、 図３（ａ）から図３（ｄ）は各々、全てシャフトの軸線に対して垂直方向に延 びる、種々の形状および位置を有する肩形状部に対して作動的に配置された、図 １に示す変位割合変換器装置を示す、シャフトの一部の概略正面断面図、 図４（ａ）から図４（ｃ）は各々、シャフトの軸線に対して垂直でないシャフ トの肩と作動可能に整合し、かつ一致した変位変換器装置を示すシャフトの一部 の概略正面断面図である。 図１を参照すれば、ロータ装置１０は全体的に１２で示す能動性軸方向磁気軸 受装置（active axial magnetic bearing arrangement）の一部を含む。ロータ 装置はハウジング１４と、ロータを通して延び、ハウジングの長手方向軸線１７ と実質上一致する長手方向軸線１６の周りで回転するようにハウジング内で支持 され、鋼あるいは強磁性材料製の細長いシャフトの形態のロータ１５と、シャフ トの軸線方向運動を検出する、以下説明する変換器手段とを含む。 軸方向磁気軸受１２は、ハウジングに対するシャフト（およびその軸線１６） の位置の変動に応答して接触することなくシャフトをハウジングにおいて懸垂す るよう機能する半径方向の電磁軸受（electromagnetic bearings）１８、１８’ をまた含むシャフト用の能動性電磁軸受装置の一部である。 シャフトを半径方向および軸方向磁気軸受によって懸垂すること自体は周知で あり、本発明は以下詳述する軸方向軸受１２を専ら扱うが、半径方向磁気軸受（ radial magnetic bearing）の性質とシャフトの位置での変動を制御するその能 力とはたとえ十分バランスをとったシャフトと言えども、軸線１６と１７との間 の整合性には小さなずれが考えられることを意味していることが特筆される。 軸方向軸受装置１２は、シャフトによって担持され、あるいはシャフトと一体 に形成され、半径方向外方に延び、軸線方向に向いた面２１および２２を備えた 、強磁性材料製のカラー２０を含む。前記の面の各々に隣接して、カラーに誘引 力を軸線方向に付与しうる環状の電磁石２３、２４がある。対向する電磁石の間 の力は均衡し、各電磁石に対して付与された電流のレベルを指示する制御手段２ ５によって、シャフトに作用する外部から加えられた力を上回るよう変動する。 制御手段２５は基本的には、典型的には電磁石２３および２４の間の中間にカラ ー２０が位置した所定位置からのシャフトの軸線方向の変位に応答して電磁石の 電流を変えてその位置を復元する。 変位変換器２６がシャフトの一端に向かって肩２７に隣接して配置されたハウ ジングに装着されており、その肩は変換器が離隔された半径方向に延びた面２７ ’を有している。変換器は、長手方向の軸線１７を囲み、かつ必要に応じてシャ フトの延長部分１５’がそこを貫通しうるように離隔された環状のコイル２ ８を含む。変換器のコイル２８は、２６’で個別に示し制御手段２５に組み込み 可能な同調検出回路（tuned detection circuit）の一部を形成し、周知の要領 で肩を通して延びる振動磁界（oscillating magneticfield）を発生させるため に変換器のコイルに振動信号（oscillating signal）を供給する手段を含んでお り、コイルに向かって、あるいはそこからシャフトの軸線方向位置が変動すると 同調状態を変え、そのような変化が検出されシャフトを位置決めし直すための基 準として使用される。これまで説明してきた装置は全体的に、例えば米国特許第 ５０２７２８０号（US 5027280）から既知である。 しかしながら、従来の閉鎖ループ制御方法によれば、制御手段２５は、制御の 安定性を改善するために軸線方向の変位の変動割合を利用したＰＩＤ（比例−積 分一微分）伝達機能（transfer function）を有している。 シャフト１５の軸線方向位置の変動割合を表わす微分項を得るために、シャフ トは他端に対して、半径方向外方向に延び、長手方向軸線１６に対して実質上垂 直である肩形状部３０を有しており、肩は軸線方向に露出された面３１を有して いる。 全体的に３２で示す変換器手段はハウジング１４に装着され、ハウジングの軸 線１７の周りを延びかつシャフトの延長部１５”が貫通しうるように離隔されて いる環状の永久磁石芯３３を含む。芯３３は肩の面３１に隣接して配置され、ま た前記面に対して開いている環状の溝３４を有しており、該溝は肩の面３１から 離隔され極性がそれぞれ互いに反対の極３７、３８で終わる環状の永久磁石の極 片３５、３６を半径方向に分離させている。前記芯の永久磁極片は、磁束がエア ギャップ３９、４０および肩３０を介して極の間で延びている磁気回路を画成す る。 芯の磁極片は共軸線の円筒形磁石からなれば都合よく、各磁石の一方の円形の 端部は極３７または３８を画成し、他方の円形の端部３７’あるいは３８’は、 隣接する磁石の間で半径方向に延びる環状の強磁性キーパ（ferromagnetic keep er）４２に結合されている。 変換器手段は環状の溝３４に収められた環状のピックアップコイル４４の形態 のピックアップコイル手段を含み、該コイルは制御手段２５によって提供される 検出手段に接続されている。 肩３０およびエアギャップ３９、４０を含む磁気回路が極片３６を実際上囲む ピックアップコイル４４に磁気的に結合され、そのためエアギャップの全体の軸 線方向長さを変更するシャフト（および肩３０）の軸線方向変位はコイルを結合 する磁束レベルを変え、その結果エアギャップの長さの変動割合、すなわちシャ フト変位の変動割合に比例したレベルでコイルに亘って電圧を発生させ、それを 制御手段２５が検出して軸線方向磁石２３および２４に対する復帰電流の供給を 制御することが認められる。 本発明により肩形状部の回転面と協働する環状の変換器装置は、回転軸にアク セスする必要なく、面の不規則によって他の変換器において生じるにせの信号(s purious signals）を受けるおそれがなく、回転軸線が幾何学的軸線と一致する 、しないには関係なく該変換器装置が中心におかれているハウジングの長手方向 軸線とシャフトの実際の回転軸線との間の何らかのずれや、半径方向電磁軸受を 能動的に制御することから生じる回転軸線位置からの何らかの動的変動に対して も実質上影響されないことが分かる。 本発明の範囲内で変更が可能なことが認められる。 例えば、シャフト１５の一部と、軸線方向に面した面３１を備えた肩形状部３ ０とを含むロータ装置１０’の一部を示す図２を参照すれば、変換器５１は、極 ５７−５９が肩の面にそれぞれ隣接し、隣接した極が相互に対して反対の極性を 有する３個の同心状の円筒形の永久磁石５４、５５、５６がそこから延びている 環状のキーパ５３を有する磁芯５２を含む。これら磁石はそれらの間で２個の共 軸線の溝６０、６１を画成し、各溝においてそれぞれピックアップコイル手段を 画成するピックアップコイル６２、６３が配置されている。このように、磁芯は 、より大きな磁束を受け入れるように周辺の磁石よりも断面積が大きいことが好 ましい、共有の磁石５５を介して広がっている２個の磁気回路を提供する。ピッ クアップコイルは全体のエアギャップの長さの変動による磁気回路における磁束 レベルの変動に応答する点に関しては直列助成形態に（in series-aiding confi guration）接続され、懸垂された電磁石から発生する可能性のあるコイルと交差 するそれた磁界（stray magnetic fields）に対する応答に関しては直列 対向で（series-opposing）接続される。 変換器の磁芯がとる形態は変動しうることが認められる。例えば、前述したケ ーパ４２または５３は、その極が半径方向に交替し、かつ磁極片が適当な強磁性 材料から作られ軸線方向に延びている環状の磁石から構成しうる。更に別の構造 においては、各溝と関連した個々の磁石の磁極片は溝の周りに形成された単一の 本体部から構成しうる。代替的に、芯５２において、磁極片５５のみは永久磁石 で、周辺の部材は強磁性本体から、あるいはその逆に構成してもよい。 変換器手段は協働すべき肩形状部の半径方向の大きさに応じて２個以上の半径 方向に配置した溝を含むことが可能で、および／またはそのような溝は磁極片を 共用しない、すなわち磁気回路を個別のものにしてよいことが認められる。 また、肩形状部は、強磁性材料製であるとすれば、例えば図３（ａ）から図３ （ｄ）に概略的に示すように、シャフトの一端に向かって形成する以外の要領で 形成しうることが認められる。 図３（ａ）においては、肩形状部はシャフト１５の端部７１において示され、 図３（ｂ）においては、肩形状部は軸方向軸受として使用することが可能な、シ ャフトと一体か、あるいはそれに固定されている半径方向に延びているカラー７ ２によって形成されており、図３（ｃ）においては、肩形状部はシャフトの環状 くぼみ７４の一方の壁７３によって形成され、図３（ｄ）においては、肩形状部 はシャフト１５によって担持されたインペラのような機能要素（functional ele ment）７５によって提供される。但し、前記機能要素は半径方向に延び、軸線方 向に露出された面７６を提供する。後者の図面はまた、磁極片や変換器３２の何 らかの溝の方向は選択の問題であって、肩形状部の露出された面の方向によって 決まることを示している。 図４（ａ）から図４（ｃ）に概略図示しているように、結果としてシャフトの 軸線方向の移動が変換器の磁極芯と肩形状部との間のエアギャップの変動の最大 の軸線方向成分以下のものとなるにもかかわらず、肩形状部はシャフトの長手方 向軸線に対して垂直に延びた面を有する必要は無く、直線的にあるいは湾曲して 傾斜させてよい。そのような場合、環状の変換器は図４（ａ）において８１で示 すように円錐形とすればよく、断面で示すように肩形状部の面８２に対して平行 に留まり、あるいは図４（ｂ）において８３で示すように半径方向に平坦である キーパに基づけば、軸線方向長さの異なる磁極片８４、８５を有してもよい。ま た、永久磁石の磁極片の極８７、８８は肩形状部の隣接する面に対して平行とな るようにそれらの軸線方向長さを斜めに切断してもよい。更に、図４（ｃ）に示 すように、肩形状部の面８９はシャフトの軸線１６から離れる方向に湾曲させて もよい。 前述の説明はシャフト、あるいはそのようなシャフトに担持され、磁気軸受手 段によって懸垂された要素の形態のロータを含む装置に集中してきたが、ロータ はシャフト以外の形態をとり、および／またはその他の軸受手段によって支持し うることが認められる。同様に軸線方向変位の割合が検出され、実際に制御され た軸方向軸受装置における位置を回復すること以外の目的に対して使用すること が可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. ハウジング（１４）と、ハウジングの長手方向軸線と実質上同一のロータ を通る長手方向軸線（１６）の周りを回転するようにハウジングに支持されたロ ータ（１５）であって、該ロータの長手方向軸線に対して半径方向外方に延び、 軸線方向に露出された面（３１；７３；８２；８９）を有する強磁性材料で作ら れた肩形状部（３０；７１；７２；７４；７５）を有するロータ（１５）と、前 記ロータの軸線方向変位の割合を検出する手段（３２、３５）とを含むロータ装 置（１０、１０’）において、 （ｉ）（ａ）ハウジングの長手方向軸線の周りで、かつ肩形状部の前記面に隣 接して延びる環状の永久磁石の磁芯であって、前記面に向かって開き、半径方向 に分離された環状の磁極片（３５、３６；５４−５６；８４、８５）の間で画成 された少なくとも１個の環状の溝（３４；６０、６１）を有し、前記環状の磁極 片がエアギャップ（３９、４０）によって前記面から離隔された反対の極性の極 （３７、３８；５７−５９；８７、８８）で終わり、エアギャップと肩形状部と によって極の間で磁束が延びている磁気回路を画成している環状の永久磁石の芯 （３３；５２）と、（ｂ）各溝に収められた環状のピックアップコイルからなる ピックアップコイル手段（４４；６２、６３）とを含む変位割合変換器手段と、 （ｉｉ）エアギャップの変動に応答してピックアップコイル手段に亘って現れ るよう誘発された電圧のレベルを検出するよう作動する検出手段（２５）とを含 むことを特徴とするロータ装置（１０、１０’）。 2. 前記肩形状部（３０；７１；７４；７５）の前記面（３１；７３；７６） がロータの長手方向軸線（１６）に対して実質上垂直の平面において半径方向に 延びていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のロータ装置。 3. 前記肩形状部（７１）の面がロータの端部によって画成され、長手方向軸 線を通して延び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 ロータ装置。 4. 前記肩形状部がシャフト（１５）に固定され、該シャフトを囲んでいる機 能要素（７５）によって画成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項に記載のロータ装置。 5. 変換器手段（５１）が少なくとも２個の環状の溝（６０、６１）を含み、 これら溝の間にある磁極片（５５）が各前記溝によって画成される磁気回路に共 通であることを特徴とする請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１項に記 載のロータ装置（１０’）。 6. 各対の隣接する溝（６０、６１）が、磁気回路の磁束レベルの変動に応答 することに関しては直列助成形態に巻かれかつ接続され、ピックアップコイルを 交差する磁界に応答することに関しては直列対向形態に巻かれかつ接続されてい るピックアップコイル（６２、６３）を収容していることを特徴とする請求の範 囲第５項に記載のロータ装置。 7. 磁芯（３５、３６；５４−５６）の磁極片が、各々の円形の一端部が前記 磁極（３７、３８；５７−５９）を画成し、他方の円形の端部（３７’、３８’ ）が隣接する磁石の間を半径方向に延びる環状の強磁性キーパ（４２、５３）に 結合されている複数の共軸線関係の環状の永久磁石からなることを特徴とする請 求の範囲第１項から第６項までのいずれか１項に記載のロータ装置。 8. ハウジングと、該ハウジングの長手方向軸線の周りで回転するように該ハ ウジングに支持されたロータとを有するロータ装置（１０）と、所望の位置に対 するロータの軸線方向位置を検出するように作動する軸線方向変位検出手段と、 ロータ装置の軸線方向変位検出手段に応答して位置復帰信号を発生する制御手段 と、前記制御手段に応答してロータを前記所望の位置に向かって変位させる復帰 手段とを含む能動的な軸方向軸受装置（１２）において、前記ロータ装置が前記 請求の範囲の第１項から第７項までのいずれか１項に記載のものであり、前記制 御手段が前記位置復帰信号を発生させるために前記変位割合変換器手段に対して も応答することを特徴とする軸方向軸受装置（１２）。