(57)【要約】【課題】複数の軸パラメータを非接触測定する方法（６００）を提供すること。【解決手段】この方法は、パルス化された電流を用いて軸（１２、５２、１０２、３０２）の複数の部分を磁気的に符号化するステップ（６０２）を含む。方法はまた、軸の周りに円周方向に配置された複数のセンサを用いて、軸の符号化された部分の磁界を検出するステップ（６０４）を含む。さらに方法は、回転中の軸の符号化された部分（６４、６６、６８、７０）の検出された磁界に基づいて周期的変化のスペクトルを生成するステップ（６０６）と、スペクトルのパターンの繰り返しに基づいて複数のパラメータを求めるステップ（６０８）とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の軸パラメータを非接触測定する方法（６００）であって、
パルス化された電流を用いて前記軸の複数の部分を磁気的に符号化するステップ（６０２）と、
前記軸の周りに円周方向に配置された複数のセンサを用いて前記軸の前記符号化された部分の磁界を検出するステップ（６０４）と、
回転中の前記軸の前記符号化された部分の検出された磁界に基づいて周期的変化のスペクトルを生成するステップ（６０６）と、
前記スペクトルのパターンの繰り返しに基づいて複数のパラメータを求めるステップ（６０８）と
を含む方法。
【請求項２】
前記符号化するステップ（６０２）が、前記軸の一部分の周りの極く近傍に少なくとも１つの導電性部材を配置するステップを含み、前記導電性部材が第１の端部および第２の端部を有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記符号化するステップ（６０２）が、前記第１の端部および前記第２の端部に近接して前記軸上に電極を配置するステップであって、前記第２の端部電極が前記導電性部材の前記第２の端部に結合される、ステップと、前記第１の端部電極を電流源に電気的に結合するステップと、前記電流源を前記導電性部材の前記第１の端部に結合するステップとを含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記複数のパラメータが、角速度、角加速度、回転周波数スペクトル、前記軸のトルク、および回転異常を含み、前記回転異常は前記軸の振動、衝撃、芯ずれ、およびアンバランスを含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
軸（１２、５２、１０２、３０２）の複数の動作パラメータを測定するためのシステム（１００、２００、３００）であって、
軸（１２、５２、１０２、３０２）の周りに円周方向に配置された複数の磁気符号化領域（６４、６６、６８、７０）と、
前記軸（１２、５２、１０２、３０２）および少なくともいくつかの前記符号化された領域（６４、６６、６８、７０）に近接した１つまたは複数のセンサ（１０４、３０６）であって、前記符号化された領域（６４、６６、６８、７０）の磁界特性の測定を可能にするセンサと、
前記磁界特性を処理し、軸パラメータを算出するためのプロセッサと
を備えるシステム。
【請求項６】
前記センサ（１０４、３０６）が、ホール効果センサならびに、フラックスゲート磁力計、サーチコイル、光ファイバ磁力計、光ポンピング磁力計、ＳＱＵＩＤ、およびプロトン磁力計からなる群から選択された磁界センサを含む、請求項５記載のシステム（１００、２００、３００）。
【請求項７】
センサのアレイと、センサスロットを提供しさらに外部磁界成分を遮蔽する金属センサホルダとを備えるセンサリング組立体を含む、請求項５記載のシステム（１００、２００、３００）。
【請求項８】
前記軸上の磁気分極領域またはチャネルの部分的符号化のための磁気符号化サブシステムをさらに備え、前記磁気符号化サブシステムが、第１の端部および第２の端部を有する少なくとも１つの導電性部材を備え、前記磁気符号化サブシステムが、前記部材と前記軸の間に間隙を有して前記軸に近接して配置され、１対の電極が、前記導電性部材の各端部に近接し、前記軸に電気的に結合され、前記電極の一方が前記導電体部材の前記第２の端部に電気的に結合される、請求項５記載のシステム（１００、２００、３００）。
【請求項９】
前記磁気符号化サブシステムが、前記導電性部材の前記第１の端部に電気的に結合され、前記電極の他方に電気的に結合された符号化供給源を備え、前記符号化供給源からの単極性電流パルスが前記電極および前記導電性部材に印加され、それによって軸内に部分的に符号化された領域を生成する、請求項８記載のシステム（１００、２００、３００）。
【請求項１０】
軸（１２、５２、１０２、３０２）を符号化する方法であって、
前記軸（１２、５２、１０２、３０２）の一部分の周りの極く近傍に少なくとも１つの導電性部材（１８、２０）を配置するステップであって、前記導電性部材（１８、２０）が第１の端部および第２の端部を有する、ステップと、
前記第１の端部および前記第２の端部に近接して前記軸上に電極を配置するステップであって、前記電極が、前記導電性部材（１８、２０）の前記第２の端部に結合される、ステップと、
前記第１の端部電極を電流源に電気的に結合するステップ、および前記電流源を前記導電性部材（１８、２０）の前記第１の端部に結合するステップと、
単極性電流パルスを前記導電性部材（１８、２０）に印加し、それによって部分的符号化領域を誘起するステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に回転軸パラメータの非接触測定に関し、より詳細には部分的磁気符号化の方法およびシステム、ならびに軸パラメータを測定するためのセンサ構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に産業界では、何らかの形の仕事またはエネルギー変換を達成するために、数多くの回転軸の応用例がある。回転軸は現在の風力および水力発電所で依然として用いられているが、それらは先進の技術および処理を取り入れている。回転軸はまた、コンピュータディスクドライブ、メディアレコーダ／プレーヤ、および家庭電化製品などの電子機器に用いられ、一般に長さおよび幅が小さく、それによりトルクは比較的小さい。より大きな回転軸はより大きなトルクを受け、いくつか例を挙げると機関車、飛行機、船舶、およびエネルギー変換を含む応用例で展開される。大きな回転軸を利用する機器の現代の使用法は、典型的には、安全かつ効率的な動作を得るために検出および処理機能を取り入れている。これにより、回転軸を利用する機器の設計および動作に対処するために、角速度、加速度、トルク、および回転異常などの様々な軸パラメータを測定することが必然的に求められる。従来の技術は、歪みゲージシステム、エンコーダ／歯システム、弾性波システム、弾性システム、磁歪システム、および磁気弾性システムなど、軸パラメータを検出または測定するいくつかの異なるシステムを使用する。これらのシステムのそれぞれは、いくつかの特徴および用途を有する。
【０００３】
歪みゲージは、軸の局部的な歪み測定を可能にし、通常は回転軸への何らかの形態の結合を必要とし、その結合は物理的接続（たとえば、スリップリング）、または遠隔計測を介したものとすることができる。一般にゲージは安定性が低いという難点があり、帯域に制限があり、較正および環境補正の要件を有する傾向がある。歪みゲージの限られた動作温度範囲により、過酷な環境でのそれらの使用は制限される。
【０００４】
エンコーダ／歯車ピックアップ形式の軸パラメータ検出は、通常、磁気歯車などにより回転軸に少なくとも何らかの形で部分的に接続する。歯車の設計はコストが高くなりやすく、多くの実装に対して非実用的である。このような設計は高速応用例には実用的ではなく、安定ではあるが高分解能でなく、過酷な環境では信頼性の問題を引き起こし得る。
【０００５】
弾性波システムは表面弾性波（ＳＡＷ）およびバルク弾性波（ＢＡＷ）デバイスなどのセンサを利用するものであり、これらのデバイスは、弾性波を使用し、トランスデューサを軸に接続した状態で遠隔計測を介して、歪みにより誘起された軸への変化を検出する。軸パラメータ検出への弾性波技術の応用は比較的新しく、現在のシステムは、高い製造公差を有する小型の軸用に用いられている。
【０００６】
弾性トルクシステムは、軸の長さ全体にわたるマーカを用い、角変位を測定することによって軸のねじれを測定する。このシステムは、大きな直径の軸に適用されたとき精度の問題を有し、実際の実装の問題がある。さらに、強磁性材料において軸パラメータを測定するために磁歪効果を直接利用するのは、複雑なセンサ構成、難しい較正手順を必要とし、通常は精度が制限を受ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７２４３５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、回転軸を使用した機器の設計および動作に対処するために、過酷な環境での高分解能の回転軸パラメータの効率的な非接触測定が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態によれば、複数の軸パラメータを非接触測定する方法が提供される。この方法は、パルス化された電流を用いて軸の複数の部分を磁気的に符号化するステップを含む。この方法はまた、軸の周りに円周方向に配置された複数のセンサを用いて、軸の符号化された部分の磁界を検出するステップを含む。さらにこの方法は、回転中の軸の符号化された部分の検出された磁界に基づいて周期的変化のスペクトルを生成するステップと、スペクトルのパターンの繰り返しに基づいて複数のパラメータを求めるステップとを含む。
【００１０】
本発明の他の実施形態によれば、軸の複数の動作パラメータを測定するためのシステムが提供される。システムは、軸の周りに円周方向に配置された複数の磁気符号化領域を含む。システムはまた、軸および少なくともいくつかの符号化された領域に近接した１つまたは複数のセンサを含み、センサは符号化された領域の磁界特性の測定を可能にする。さらにシステムは、磁界特性を処理し、軸パラメータを算出するためのプロセッサを含む。
【００１１】
本発明の他の実施形態によれば、軸内の磁気部分を符号化する方法が提供される。この方法は、軸の一部分の周りの極く近傍に少なくとも１つの導電性部材を配置するステップを含む。この方法はさらに、導電性部材の第１の端部および第２の端部に近接して軸上に電極を配置するステップを含む。この方法は、導電性部材の第２の端部に結合された第２の端部電極を設けるステップを含む。この方法はまた、第１の端部電極を電流源に電気的に結合するステップと、さらに電流源を導電性部材の第１の端部に結合するステップとを含む。最後にこの方法は、単極性電流パルスを導電性部材に印加し、それによって部分的符号化領域を誘起するステップを含む。
【００１２】
本発明の上記その他の特徴、態様、および利点は、各図面を通して同様な文字は同様な部分を表す添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態による符号化システムを示す図である。
【図２】一実施形態に関連する軸内の磁束密度を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による軸内の磁気符号化部分、および軸の周りのセンサの構成を有する測定システムを示す図である。
【図４】本発明の他の実施形態による軸内の磁気符号化部分、および軸の周りのセンサの構成を有する測定システムを示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態による磁気符号化された軸の周りのセンサ構成を有する測定システムを示す図である。
【図６】本発明の一実施形態による磁気的に符号化された回転軸の測定された磁束密度を示すスペクトルの図である。
【図７】本発明の一実施形態により構成された磁気部分を符号化するためのフローチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による回転軸パラメータを非接触測定するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に詳細に述べるように、本発明の実施形態は、回転軸パラメータの非接触測定を対象とする。本明細書で用いられる「磁気符号化」という語句は、軸の軸方向に流れる電流による軸の一部分の磁化を指す。本発明は、軸の回転中の様々な軸パラメータを測定するための、部分的磁気符号化および磁気符号化された軸の周りのセンサ構成のシステムおよび方法に対処する。
【００１５】
本発明の様々な実施形態の要素を参照するときの、冠詞「ａ」「ａｎ」「ｔｈｅ」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、１つまたは複数の要素があることを意味するためのものである。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は包含的なものであり、列挙された要素以外の追加の要素もあり得ることを意味する。動作パラメータのいずれの例も、開示された実施形態の他のパラメータを除くものではない。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態による、軸１２上の磁気分極領域またはチャネルの部分的符号化のための磁気符号化システム１０を示す。一実施形態では軸１２は、強磁性材料とすることができる。他の実施形態では軸１２は、非強磁性の軸に取り付けられた少なくとも一部分の強磁性材料を含む非強磁性材料とすることができる。この一部分の非限定的な例は、非強磁性の軸に取り付けられた薄い環状部を含むことができる。磁気符号化システム１０は、軸１２の少なくとも一部分の周りに配置された符号化構造体１４を含む。符号化構造体１４はさらに、１組または複数組の導電性部材１８および２０を有するフレーム１６を含む。一実施形態では図示のように、符号化構造体１４は、導電性部材１８、２０が軸１２の少なくとも一部に沿って延びるように、符号化時に軸１２に近接して結合されたユニットである。導電性部材１８、２０は、導電性部材１８が正の符号化を生じ、導電性部材２０が負の符号化を生じるように配置される。導電体１８、２０は共に、符号化供給源２６のそれぞれ正端子および負端子に接続される。一実施形態では符号化供給源２６は、数十アンペアから数キロアンペアで約１０マイクロ秒から数十ミリ秒の範囲のパルス幅を有する単極性電流パルスを生成する。符号化供給源の一例は、所望の単極性電流波形を生成するコンデンサバンクまたは電力用電子デバイスをベースとする。符号化供給源の他の例は、パルス発生器である。一実施形態では電流パルスは短く、高周波成分を特徴とすることができる。さらに、符号化構造体１４のフレーム１６は典型的には、導電性部材１８、２０が絶縁されるように非導電性材料である。
【００１７】
符号化は、軸１２の製造時または取り付け後に行うことができ、正しいタイプの材料に適用され高電流密度で生成された場合は永久的である。一実施形態では図示のように、符号化構造体１４は、軸１２を取り囲むように示され、軸１２の周りにその方向および位置を維持するために追加のフレーム要素（図示せず）を含むことができる。これは、導電性部材１８、２０が正しくかつ符号化動作にとって十分なように配置されることを確実にするように、フレーム支持体（図示せず）を含むことができる。符号化構造体１４は軸１２の周りを一周しているが、符号化構造体１４が軸を導電性部材によって取り囲む必要はない。他の実施形態では符号化構造体１４は、軸１２の一部に近接して位置し、軸の周りに配置された複数の符号化構造体を含むことができ、それにより符号化構造体１４のそれぞれが磁気分極領域を生成することができる。
【００１８】
導電性部材１８、２０は、部材１８、２０と軸１２の外面との間に間隙を有して、軸１２に近接して配置される。導電性部材１８、２０の非限定的な例は、補強され絶縁された銅棒を含む。導電性部材１８、２０のために他の任意の導電体を用いることも、符号化システム１０の範囲内に包含される。さらに導電性部材１８、２０の非限定的な例は、円形、楕円形、正方形、または矩形とし得る形状を有する棒とすることができる。導電性部材１８、２０の長さは、設計基準に応じて変えることができる。導電性部材１８、２０は長いほど、検出のための表面積を大きくすることができる。導電性部材１８、２０の直径は、十分な剛性を有して所望の電流パルスを生じるようにするべきである。
【００１９】
導電性部材１８、２０は、第１の端部１９および第２の端部２１を含む。第１の端部１９および第２の端部２１のそれぞれは、符号化供給源２６および軸１２にそれぞれ結合される。導電性部材１８、２０を符号化供給源２６に電気的に結合するために、導電性部材１８、２０の第１の端部１９に電気コネクタ２２、２４、２８、３０が設けられる。符号化システム１０は、軸１２から符号化供給源２６への電気的接続を確立するために用いられる複数の第１の端部電極３２を含む。システム１０はまた、導電性部材の第２の端部２１から軸１２への電気的接続を確立するために用いられる複数の第２の端部電極３４を含む。第１および第２の端部電極３２、３４は、軸１２への電気的結合のことを指す。一実施形態では第１の端部電極３２は、軸１２に接触する非導電性フレーム１６の周りに結合された導電性要素である。他の実施形態では第２の端部電極３４は、導電性部材１８、２０の第２の端部２１から軸１２に延びる導電性要素のことを指す。電極はまた、軸１２に接続するジャンパまたは導線との接触点とすることができる。
【００２０】
さらに、正の導電性部材１８の第１の端部１９は、正の電気コネクタ２２を通って符号化供給源２６の正端子に結合される。符号化供給源２６の負端子は、電気コネクタ２４を通じて電極３２および軸１２に結合される。負の導電性部材２０に対しては、符号化供給源２６の負端子は、電気コネクタ３０を通って負の導電性部材２０の第１の端部１９に結合される。符号化供給源２６の正端子は、導電性部材２０に関して電気コネクタ２８を通じて電極３２および軸１２に接続される。
【００２１】
一実施形態では図示のように電流３６は、軸１２を通過し、それにより軸１２上に磁化された領域が生成される。符号化システム１０の特徴の１つは、軸１２内にチャネルまたは磁気分極領域を磁気的に符号化することができることである。具体的には強磁性鋼の軸は、高い比透磁率を有し、鋼の軸を通過する電流は明瞭な符号化されたチャネルを生成する。図示のように電気コネクタ２２での正極性電流パルスは、導電性部材１８に結合され、電流パルスは、第２の端部２１の周りの軸１２に接触する電極３４まで、導電性部材に沿って進む。第２の端部電極３４によって放電された電流は、軸１２に沿って第１の端部電極３２に戻り、電気コネクタ２４を通じて符号化供給源２６の負接続に戻る。軸１２に沿って流れる電流３６は、軸１２上に分極された磁気チャネルを生成する。符号化構造体１４内の隣接する導電性部材のそれぞれは交互の極性を有し、パルス符号化は導電性部材を一時にすべてを同時に、またはグループ別に、または個別に符号化するために用いることができる。たとえば、正の導電性部材１８の最初の組を同時に符号化することができ、続いて負の組の導電性部材２０を符号化することができる。
【００２２】
一実施形態では導電性部材１８、２０は、軸１２に沿って長手方向、円周方向、または斜めの電流の流れの経路を定義する剛性または半剛性の棒を含む。一実施形態によれば、符号化プロセスのためにこのような導電性部材を軸の周りに安定に位置決めするように、ケージ組立体が使用される。他の実施形態では導電性部材を有するケージは、符号化が完了するまで軸１２とケージが互いに固定された関係にあるように、軸１２の周りに取り付けられる。
【００２３】
一実施形態では、符号化システムは、約９０°離れて均一に分配された４つの導電性部材を使用する。軸を含むこのような符号化システムは、４つのセグメントをもつことができる。１つの符号化供給源を用いて、交互の極性を有する４つの電流符号化供給源のそれぞれに電流パルスを印加することができる。他の実施形態では４つの別々の符号化供給源があり、それによって符号化プロセス時の異なる符号化電流の間の短絡を避ける。他の例では、スイッチング方式を使用して交互の極性を有する電流パルス信号を印加することができる。
【００２４】
従来の技法は円周方向全体の軸の磁化に依存するが、本明細書のシステムの一実施形態は、戻り電流を用いて軸内の磁気チャネルを符号化する。部分的磁気符号化は、非対称表皮効果、および電流は常にインピーダンスの最も小さな経路をとるという事実を利用する。インピーダンスは、電流の周波数が十分高い場合はインダクタンスが主要部分を占める。短い電流パルスの場合は、軸内を流れる戻り電流は、長いパルスの場合よりも局所化されるようになり、分極された輪郭のはっきりした／狭い磁気パターンが可能になる。この効果は軸の諸部分を、検出時により速い磁界の変化となる、より局所化されたチャネルで磁化するために用いられる。したがって符号化時のパルス幅は、検出用途時に観察される信号周波数に影響を与える。
【００２５】
図２は、本発明の一実施形態に関連する軸５２内の磁束密度を示す、磁気符号化された軸５２の断面図５０である。図示の実施形態によれば、符号化は、符号化パルスを印加する、軸５２に近接した４つの導電性部材５４、５６、５８、６０を必要とし、軸５２を通って流れる戻り電流を用いて軸５２を符号化する。４つの導電性部材５４、５６、５８、６０は、約９０°だけ間隔をおいて軸５２の周りに配置される。導電性部材５４、５６、５８、６０と軸５２の間の間隙６２は典型的には小さく、それにより強い磁界が生成され、必要なエネルギーが小さくなる。一実施形態では間隙６２は、１ｍｍ未満であり、導電性部材５４、５６、５８、６０と軸表面の間に絶縁シート（図示せず）を含むことができる。これは符号化プロセス時のみで用いられ、軸の動作時には用いられないので、公差は一般に問題にはならない。導電性部材５４、５６、５８、６０は、符号化供給源（図示せず）によって符号化プロセス時に用いられる交互の反対の極性を示しており、それにより正極性部材５４、５８、および負極性部材５６、６０が存在する。符号化は、部分的に分極された磁気領域６４、６６、６８、７０を生成する。分かりやすく示すために、図２に示される磁力線は、ＤＣ電流での磁化のものである。磁気符号化をＤＣ電流パルスを用いて行うと、表皮効果により磁力線が軸断面全体に浸透するのが妨げられる。その代わりに磁力線は軸表面付近に集中する。電流の浸透、すなわち軸５２内の電流密度の深さは、一実施形態では電流パルスの持続時間によって制御される。この例では電流パルスは単極性であり、負の半波をもたない正電流パルスであり、または負電流パルスが印加される場合は正の半波をもたない。
【００２６】
一実施形態では電流パルスは、コンデンサバンクを放電することによって生成され、放電抵抗器の大きさによって放電時定数が決まり、したがって電流の浸透の深さが決まる。他の実施形態では、一例での部分的符号化方法は、それぞれのパルス幅が約５ｍｓの５つの連続する５００Ａの電流パルスを用いて、直径が６０ｍｍの工業用の鋼軸を符号化するために用いられる約５ガウスの永久磁束密度を生成する。ＤＣ電流パルス幅が短いほど、軸表面付近の電流および磁束密度は高くなる。これは、最も高い磁束密度が軸表面の近くの、磁界センサまで約１ミリメートル以上の半径方向距離に生成されるので、磁界測定に基づいて軸パラメータを測定するのに有利である。
【００２７】
一実施形態での簡単な符号化手法によれば、磁化部分は一時に１つの回路ずつで符号化される。たとえば正極性電流パルスを印加して第１の符号化部分を符号化することができ、続いて負極性を有する第２の回路を適用することによって別の部分が磁化される。後続の部分は、交互の極性の電流パルスを用いて符号化される。
【００２８】
交互の極性の電流パルスを用いたこのような順次符号化プロセスは、複数のほとんど同一の符号化された部分を生成する。磁化されるべき各部分に１つの電流パルスのみが印加される場合は、第２の部分を磁化すると第１の磁化された部分にも影響を及ぼすので、諸部分は一般には同一にならない。この望ましくない干渉は、電極が軸と接触する符号化ツールの始端および終端よりも中央部で大きくなる。ほとんど同一の符号化された部分は、順次電流パルスにて、磁化の際に諸部分を交互とし、電極が軸に接触する領域の近くでの磁界測定を行うことによって達成される。軸内に磁化された区域を順次生成するための他の例は、各セグメントまたは区域内に生成された磁界強度を測定し、後続の符号化ステップのための電流パルスの振幅を適合化する。次の磁化による１つの部分の順次磁化の影響を避けるために、他の符号化の実施形態は、同じ電流振幅をすべての導電性部材に印加し、すべての部分を一度に符号化する。一実施形態では導電性部材は、別々のまたは分割された符号化供給源を用いて複数の導電性部材に適応する。一例では、各導電性部材に対して別々のコンデンサバンクが用いられる。
【００２９】
図３は、本発明の一実施形態による、軸１０２の周りに円周方向に配置された複数のセンサ１０４と共に、断面図にて磁気符号化された軸１０２を有する簡略化された測定システム１００を示す。複数のセンサ１０４は、接線方向、すなわち軸１０２の表面に平行に配置される。動作時には複数のセンサ１０４は、回転軸１０２の複数の磁気的符号化分極領域１０６の磁界の周期、周波数、勾配、またはそれらの組合せを捕捉するように構成される。センサの非限定的な例は、ホール効果センサ、磁界センサ、空芯を有するセンサコイル、フラックスゲートセンサ、異方性磁歪センサ、および巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサを含むことができる。磁界センサの他の非限定的な例は、フラックスゲート磁力計、サーチコイル、光ファイバ磁力計、光ポンピング磁力計、ＳＱＵＩＤ、およびプロトン磁力計を含む。一実施形態では、測定システムは、軸の異なる軸方向位置に設けられた複数の永久磁気符号化速度センサを使用する。複数のセンサ１０４は、したがって回転軸１０２のすべての周波数成分を捕捉する。
【００３０】
図示のように、磁気的符号化分極領域１０６の数は、軸１０２の直径などの、符号化および設計基準に依存する。しかし磁気符号化された軸１０２の周りに配置されたセンサ１０６の数は、測定された磁界を処理するためのサンプルレートを得るための必要に応じて変わり得る。一実施形態では図３に示されるように、軸１０２の１回転当たりに２０個の測定サンプル値を得るために、磁気的符号化分極領域および配置されるセンサの数はそれぞれ５個および４個である。他の実施形態の測定システム２００では、図４に示されるように、軸２０２の１回転当たりに４０個の測定サンプル値を得るために、磁気的符号化分極領域２０４および配置されるセンサ２０６の数はそれぞれ５個および８個である。
【００３１】
さらに、測定された磁界の処理は、典型的にはプロセッサ（図示せず）を用いて実行される。プロセッサはさらに、軸の角速度、角加速度、回転周波数スペクトル、およびトルクなどの様々な軸パラメータを算出するように構成される。回転軸における振動、衝撃、芯ずれ、アンバランスなどの様々な回転異常も、プロセッサによって算出することができる。したがってプロセッサは、センサ出力を算出して、高い長期安定性を有して軸パラメータを測定することができる。本発明の実施形態は、本発明の処理タスクを行うためには特定のプロセッサに限定されないことに留意されるべきである。用語「プロセッサ」は本明細書で用いられる用語としては、本発明のタスクを行うのに必要な計算または算出を行うことができる任意の機械を意味するものとする。用語「プロセッサ」は、構造化された入力を受け取り、規定された規則に従って入力を処理して出力を生じることができる任意の機械を意味するものとする。また、本明細書で用いられる「するように構成される（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ  ｔｏ）」という語句は、当業者によって理解されるように、プロセッサが本発明のタスクを行うためのハードウェアおよびソフトウェアの組合せを備えることを意味することに留意されるべきである。
【００３２】
図５は、本発明の他の実施形態による、磁気符号化された軸３０２の周りのセンサ構成を有する測定システム３００を示す。測定システム３００は、軸３０２の部分的磁気符号化部３０７の周りに円周方向に配置されたセンサリング組立体３０４を含む。センサリング組立体３０４は、センサ３０６のアレイを有する。センサリング組立体３０４は、軸３０２の円周の一部とすることができ、または円周全体の周りに配置することができる。いくつかの実施形態では複数のセンサ３０６は、既存の金属センサホルダ３１０内に統合化することができ、それにより別個のセンサ組立体は不要となり、統合化された構造体はセンサリング組立体３０４の機能を行う。金属センサホルダ３１０は、複数のセンサスロット３０８を提供することができ、それにより任意の数のセンサ３０６を配置することができる。金属センサホルダ３１０の１つの利点は、外部磁界成分を遮蔽することである。
【００３３】
他の実施形態によれば測定システム３００は、検出コイルなどのセンサを配置し、それにより高い読み取り周波数および高い信頼性が得られる。検出コイルは比較的安価であり、センサホルダ３１０内に容易に複数のコイルを配置することができる。一例では、センサリング組立体３０４内に配置された複数のセンサ３０６がある。一実施形態によれば、より頻繁な測定を可能にすることによって高い信頼性をもたらすように複数のセンサ３０６が用いられる。複数のセンサ３０６はまた、冗長性をもたらすために用いることができ、それにより一部のセンサの故障があっても検出機能は動作可能となる。他の例では、様々なタイプのセンサが配置され、それにより様々なタイプのデータを測定することができる。複数のセンサのタイプは、特定のセンサの検出特性を利用することができ、あるいは向上された検出機能が可能になる。他の実施形態では部分的符号化プロセスは、異なる符号化特性を有する異なる符号化部分を含み、それによりセンサは複数の形のデータを得ることができる。
【００３４】
図６は、本発明の一実施形態による磁気的に符号化された回転軸の測定された磁束密度を示すスペクトル４００である。Ｘ軸４０２は、度の単位での測定された磁気符号化された軸の回転角度を表す。Ｙ軸４０４は、ミリテスラの単位での測定された磁界を表す。例としてスペクトル４００は、１回転当たり２つの正および負の磁気分極領域を有する回転軸の測定された磁束密度を示す。スペクトル４００は、輪郭のはっきりした検出された磁束４０５の形状、および軸の磁気符号化分極領域の最大磁界のピーク４０６を示す。特定の実施形態では、角速度などの回転軸パラメータは、磁気的符号化分極領域の最大磁界の生成を判定することによって測定することができる。ピーク４０６によって表される最大磁界は、センサリング組立体のセンサ素子によって検出される。センサリング組立体の２つのセンサ素子に対する時間差は、角速度を測定するために用いることができる。
【００３５】
図７は、本発明の一実施形態により軸内に磁気部分を符号化するためのフローチャート５００を示す。この方法は、ステップ５０２にて軸の一部分の周りの極く近傍に少なくとも１つの導電性部材を配置するステップを含む。この方法はさらにステップ５０４にて、導電性部材の第１の端部および第２の端部に近接して軸上に電極を配置するステップを含む。ステップ５０６では、第２の端部電極は導電性部材の第２の端部に結合される。さらにこの方法はステップ５０８にて、第１の端部電極を電流源に電気的に結合するステップと、電流源を導電性部材の第１の端部に結合するステップとを含む。最後にこの方法はステップ５１０にて、単極性電流パルスを導電性部材に印加し、それによって部分的符号化領域を誘起するステップを含む。一実施形態では、この方法は、互いに隣接して方向付けられた少なくとも２つの導電性部材を配置し、符号化は反対の極性を用いて実行され、それにより結果としての分極された磁気チャネルはドメイン境界を有する。
【００３６】
図８は、本発明の一実施形態による回転軸パラメータを非接触測定するためのフローチャート６００を示す。ステップ６０２にて、この方法は、パルス化された電流を用いて軸の複数の部分を磁気的に符号化するステップを含む。この方法はまたステップ６０４にて、軸の周りに円周方向に配置された複数のセンサを用いて、軸の符号化された部分の磁界を検出するステップを含む。一実施形態ではセンサは、ホール効果センサを含むことができる。他の実施形態ではセンサは、磁界センサを含むことができる。磁界センサの非限定的な例は、フラックスゲート磁力計、サーチコイル、光ファイバ磁力計、光ポンピング磁力計、ＳＱＵＩＤ、およびプロトン磁力計を含む。さらにこの方法はステップ６０８にて、回転中の軸の符号化された部分の検出された磁界に基づいて周期的変化のスペクトルを生成するステップを含む。最後にステップ６１０にてこの方法は、スペクトルのパターンの繰り返しに基づいて複数のパラメータを診断するステップを含む。複数のパラメータの非限定的な例は、角速度、角加速度、回転周波数スペクトル、トルク、および軸の振動、衝撃、芯ずれ、アンバランスなどの回転異常を含む。
【００３７】
有利には、一実施形態による符号化方法およびシステムは、回転機械に対する、角速度、角加速度、回転周波数スペクトル、直接電力、トルク、および／または曲げモーメントの高精度の測定を可能にする。本発明は、センサ電子回路をセンサからある距離に、過酷な環境（油、グリース、塵埃、約３００°の温度など）での測定が可能になるようにセンサ据え付けから数メートルまで離して配置することを可能にする。軸内の磁気符号化は、したがって汚染による影響を受けないままとなる。また磁界センサは、外部磁界成分を遮蔽するための封止または金属センサホルダを有することができる。さらに、本明細書において詳述されたシステムの１つの特徴は、軸に関するＡＣ磁界成分の検出に基づいて速度、加速度、軸動力、トルク、および／または回転異常の非接触測定である。高サンプルレートは、たとえば回転子への取り付けが望ましくない高速電気機械（たとえば、２００００ｒｐｍ）など、高速で回転する軸において簡単に達成することができる。さらに本発明は、高分解能の速度の測定に適用可能である。
【００３８】
さらに本発明はまた、動作時に回転軸には何も取り付けられていないので、非接触測定システムを提供する。この非接触システムは、大型タービントレインなどの軸システムの様々な部分での効率低下の検出に極めて関連がある軸動力の直接監視を可能にする。
【００３９】
本明細書では本発明のいくつかの特徴のみを示し説明してきたが、当業者には多くの修正および変更を思いつくであろう。したがって添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨に含まれるものとしてこのような修正および変更のすべてを包含するものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４０】
１０  磁気符号化システム
１２  軸
１４  符号化構造体
１６  フレーム
１８  導電性部材
１９  導電性部材の第１の端部
２０  導電性部材
２１  導電性部材の第２の端部
２２  電気コネクタ
２４  電気コネクタ
２６  符号化供給源
２８  電気コネクタ
３０  電気コネクタ
３２  複数の第１の端部電極
３４  第２の端部電極
３６  電流
５０  磁気符号化された軸の断面図
５２  磁気符号化された軸
５４  導電性部材
５６  導電性部材
５８  導電性部材
６０  導電性部材
６２  間隙
６４  部分的に分極された磁気領域
６６  部分的に分極された磁気領域
６８  部分的に分極された磁気領域
７０  部分的に分極された磁気領域
１００  測定システム
１０２  磁気符号化された軸
１０４  磁気的符号化分極領域
１０６  複数のセンサ
２００  測定システム
２０２  磁気符号化された軸
２０４  磁気的符号化分極領域
２０６  複数のセンサ
３００  測定システム
３０２  磁気符号化された軸
３０４  センサリング組立体
３０６  センサのアレイ
３０７  部分的磁気符号化部
３０８  センサスロット
４００  磁気的に符号化された回転軸の測定された磁束密度を示すスペクトル
４０２  磁気符号化された軸の回転角度を表すＸ軸
４０４  磁界を表すＹ軸
４０５  検出された磁束
４０６  ピーク
５００  軸内に磁気部分を符号化するためのフローチャート
５０２  軸の一部分の周りの極く近傍に少なくとも１つの導電性部材を配置するステップ
５０４  導電性部材の第１の端部および第２の端部に近接して軸上に電極を配置するステップ
５０６  第２の端部電極を導電性部材の第２の端部に結合するステップ
５０８  第１の端部電極を電流源に電気的に結合し、電流源を導電性部材の第１の端部に結合する
５１０  単極性電流パルスを導電性部材に印加し、それによって部分的符号化領域を誘起する
６００  回転軸パラメータを非接触測定するためのフローチャート
６０２  パルス化された電流を用いて軸の複数の部分を磁気的に符号化するステップ
６０４  軸の周りに円周方向に配置された複数のセンサを用いて、軸の符号化された部分の磁界を検出するステップ
６０６  回転中の軸の符号化された部分の検出された磁界に基づいて周期的変化のスペクトルを生成するステップ
６０８  スペクトルのパターンの繰り返しに基づいて複数のパラメータを診断するステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
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