(57)【要約】【課題】磁気軸受によって支持されたロータの変位を、極低温環境下で、簡素な構造のセンサによって計測可能な回転機を提供する。【解決手段】磁気軸受１１で回転自在に支持されたロータ１２、及び、ロータ１２の基準位置からの位置ずれを計測する変位検出センサ１３、１３ａを備える回転機１０において、変位検出センサ１３、１３ａは、ロータ１２を間に挟み、ロータ１２まで距離を有する位置に固定されたコイル４２、４３、４４、４５を具備し、コイル４２、４３、４４、４５それぞれからロータ１２までの距離の変化に伴って変わるコイル４２、４３、４４、４５それぞれのインダクタンスの変化を、ロータ１２の基準位置からの位置ずれを示す電気信号として出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気軸受で回転自在に支持されたロータ、及び、前記ロータの基準位置からの位置ずれを計測する変位検出センサを備える回転機において、
前記変位検出センサは、前記ロータを間に挟み、該ロータまで距離を有する位置に固定されたコイルＡ、Ｂを具備し、該コイルＡ、Ｂそれぞれから前記ロータまでの距離の変化に伴って変わる前記コイルＡ、Ｂそれぞれのインダクタンスの変化を、前記ロータの基準位置からの位置ずれを示す電気信号として出力することを特徴とする回転機。
【請求項２】
請求項１記載の回転機において、前記ロータは磁性部を有し、前記磁気軸受は、異なる位置から前記磁性部を引き付ける磁力をそれぞれ発生させる複数の電磁石部を具備し、該複数の電磁石部には、前記変位検出センサが出力する前記電気信号を基に該各電磁石部の磁化を制御して、前記ロータを前記基準位置の近傍に保つ制御手段が接続されていることを特徴とする回転機。
【請求項３】
請求項１記載の回転機において、それぞれ異なる位置から、前記ロータに設けられた磁性部を引き付ける磁力を発生させる複数の電磁石部を具備する位置調整手段を更に備え、前記複数の電磁石部には、前記変位検出センサが出力する前記電気信号を基に該各電磁石部の磁化を制御して、前記ロータを前記基準位置の近傍に保つ制御手段が接続されていることを特徴とする回転機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転機において、前記変位検出センサは複数あって、前記複数の変位検出センサの前記コイルＡ、Ｂはそれぞれ異なる位置に配されていることを特徴とする回転機。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転機において、前記コイルＡ、Ｂは空芯であることを特徴とする回転機。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転機において、該回転機はポンプであることを特徴とする回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータが磁気軸受によって回転自在に支持された回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気軸受によって支持されたロータを有するポンプ（以下、「磁気浮上型ポンプ」とも言う）には様々な用途があり、例えば、タンカーやタンクローリから液体窒素、液体水素等の極低温液体を移送するのもその一つである（磁気浮上型ポンプについては特許文献１〜４参照）。磁気浮上型ポンプでは、ロータの位置ずれの検出に渦電流式変位センサが用いられ、これは、室温用の磁気浮上型ポンプであっても低温用の磁気浮上型ポンプであっても同じである（渦電流式変位センサについては特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２３３７０８号公報
【特許文献２】特開平１０−６１５８４号公報
【特許文献３】特開２００３−１４８３９１号公報
【特許文献４】特開２０１５−６１９７８号公報
【特許文献５】特開２００３−１４８９０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、極低温（例えば、−１９０℃以下の）環境下で使用可能な渦電流式変位センサは、常温用のもの（−５０℃〜１００℃程度で使用されることを前提としたセンサ）に比べ、複雑な構造を要し、その結果、磁気浮上型ポンプ全体の製造費が高額になるという課題があった。
また、ロータが磁気軸受に支持された回転機には、ポンプ以外にモータやタービン等が存在し、上記の課題はポンプだけでなく回転機全般に共通する。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、磁気軸受によって支持されたロータの変位を、極低温環境下で、簡素な構造のセンサによって計測可能な回転機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的に沿う本発明に係る回転機は、磁気軸受で回転自在に支持されたロータ、及び、前記ロータの基準位置からの位置ずれを計測する変位検出センサを備える回転機において、前記変位検出センサは、前記ロータを間に挟み、該ロータまで距離を有する位置に固定されたコイルＡ、Ｂを具備し、該コイルＡ、Ｂそれぞれから前記ロータまでの距離の変化に伴って変わる前記コイルＡ、Ｂそれぞれのインダクタンスの変化を、前記ロータの基準位置からの位置ずれを示す電気信号として出力する。
【０００６】
本発明に係る回転機において、前記ロータは磁性部を有し、前記磁気軸受は、異なる位置から前記磁性部を引き付ける磁力をそれぞれ発生させる複数の電磁石部を具備し、該複数の電磁石部には、前記変位検出センサが出力する前記電気信号を基に該各電磁石部の磁化を制御して、前記ロータを前記基準位置の近傍に保つ制御手段が接続されているのが好ましい。
【０００７】
本発明に係る回転機において、それぞれ異なる位置から、前記ロータに設けられた磁性部を引き付ける磁力を発生させる複数の電磁石部を具備する位置調整手段を更に備え、前記複数の電磁石部には、前記変位検出センサが出力する前記電気信号を基に該各電磁石部の磁化を制御して、前記ロータを前記基準位置の近傍に保つ制御手段が接続されているのが好ましい。
【０００８】
本発明に係る回転機において、前記変位検出センサは複数あって、前記複数の変位検出センサの前記コイルＡ、Ｂはそれぞれ異なる位置に配されているのが好ましい。これによって、コイルＡ、Ｂの特性の差を検出できる位置に各コイルＡ、Ｂを配置するようにしている。
【０００９】
本発明に係る回転機において、前記コイルＡ、Ｂは空芯であるのが好ましい。
【００１０】
本発明に係る回転機において、該回転機はポンプとすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る回転機は、ロータの基準位置からの位置ずれを計測する変位検出センサが、ロータを間に挟み、ロータまで距離を有する位置に固定されたコイルＡ、Ｂを具備し、コイルＡ、Ｂそれぞれからロータまでの距離の変化に伴って変わるコイルＡ、Ｂそれぞれのインダクタンスの変化を、ロータの基準位置からの位置ずれを示す電気信号として出力するので、磁気軸受によって支持されたロータの変位を、渦電流を利用することなく検出できる。そして、実験的検証により、このタイプの変位検出センサは、簡素な構造で、極低温環境下でのロータの安定的な計測が可能であることを確認している。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る回転機の側断面図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ図１のＡ−Ａ’線断面図、Ｂ−Ｂ’線断面図である。
【図３】図１のＣ−Ｃ’線断面図である。
【図４】変位検出センサ、制御手段及び電磁石部の接続を示すブロック図である。
【図５】変位検出センサの回路図である。
【図６】コイルＡ、Ｂを極低温環境下で使用した場合の変位検出センサの計測結果を示すグラフである。
【図７】コイルＡ、Ｂを極低温環境下で使用した場合のロータの変位を検出した結果を示すグラフである。
【図８】コイルＡ、Ｂを室温で使用した場合のロータの変位を検出した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１、図２（Ａ）に示すように、本発明の一実施の形態に係るポンプ（回転機の一例）１０は、磁気軸受１１で回転自在に支持されたロータ１２、及び、ロータ１２の基準位置からの位置ずれを計測する変位検出センサ１３、１３ａを備えている。以下、詳細に説明する。
【００１４】
ポンプ１０は、図１、図２（Ａ）に示すように、磁気軸受１１が固定された円筒状のステータ１４と、ステータ１４の内側で磁気軸受１１により磁気浮上状態にされて非接触支持された円柱状のロータ１２と、ロータ１２に連結された回転翼１５と、回転翼１５が内側に収容され、液体の流出口１６が形成された有底円環状の液吹出部１７を備えている。液吹出部１７はステータ１４に連続して設けられ、液吹出部１７には、外部から内側に液体が流入する有底円環状の液流入部１８が連結されている。
【００１５】
以下、特に記載しない限り、ステータ１４の軸心及びロータ１２の軸心が鉛直に配置され、液吹出部１７がステータ１４の直下に配されているものとして記載する。
液流入部１８は、図１に示すように、液吹出部１７の直下に設けられており、外側に複数の開口１９が形成されている。液吹出部１７の底の中央には、液流入部１８の内側に連通した開口２０が形成され、開口２０内には、大半が液流入部１８内に配された支持ベース２１の上端が開口２０の外周に非接触な状態で配置されている。
回転翼１５は、ロータ１２の下端の中央に連結された回転軸２２、及び、回転軸２２に放射状に取り付けられた複数の板材２３を有している。回転軸２２はロータ１２の軸心と同一線上に軸心を有しており、液吹出部１７の流出口１６にはパイプ２４が接続されている。
【００１６】
ロータ１２は、図１、図３に示すように、下側の外周に永久磁石部２５を具備している。永久磁石部２５には、図３に示すように、極数が４つであり、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極のセグメントが周方向に順に並んでいる。なお、極数は４つに限定されず、例えば、６つでもよいし、８つでもよい。
ステータ１４の内周側には、図１、図３に示すように、永久磁石部２５と同高さに、等間隔で設けられた４つの電磁石部２６、２７、２８、２９と、回転するロータ１２の位相を検出する位相検出センサ（本実施の形態ではホールセンサ）３０とが取り付けられている。
【００１７】
位相検出センサ３０は、図４に示すように、Ａ／Ｄ変換器３１及び補正回路３７を介してマイクロプロセッサ３２に接続され、マイクロプロセッサ３２は、Ｄ／Ａ変換器３３及びアンプ３４を経由して、電磁石部２６、２７、２８、２９に接続された電気回路３５に接続されている。電気回路３５は、マイクロプロセッサ３２から発信された信号を、Ｄ／Ａ変換器３３及びアンプ３４を経由して受信し、電磁石部２６、２７、２８、２９を通電させて磁化させる。
【００１８】
マイクロプロセッサ３２は、Ａ／Ｄ変換器３１及び補正回路３７を介して位相検出センサ３０が検出するロータ１２の位相を検知し、電磁石部２６、２７、２８、２９の磁極を切り替えるための信号を発信して、ロータ１２に回転力が与えられるようにする。回転翼１５は、ロータ１２の回転により、ロータ１２と一体となって回転する。なお、電磁石部は４つである必要はなく、例えば、５つであってもよいし、６つであってもよく、電磁石部を増やすことによってロータ１２の回転精度を上昇させることが可能である。
回転翼１５がロータ１２と共に回転することによって、開口１９から液流入部１８内に液体（例えば、液体窒素）が流入し、その液体は、液流入部１８内から開口２０を通って液吹出部１７内に入り、流出口１６からパイプ２４に送り出される。なお、本実施の形態では、回転軸２２の下端が支持ベース２１に上方から接しているが、永久磁石や磁気軸受を設けて発生する磁力によって、回転軸２２を非接触状態にしてもよい。
【００１９】
また、ロータ１２は、図１、図２（Ｂ）に示すように、軸心方向中央に磁性部３６を有し、ステータ１４の内周側には、磁性部３６と同高さに、磁気軸受１１が設けられている。磁性部３６は、強磁性体（本実施の形態では、鉄）を主成分とするもので、ロータ１２は、永久磁石部２５及び磁性部３６以外の部分が主として常磁性体（本実施の形態では、アルミニウム）によって形成されている。
磁気軸受１１は、ステータ１４の内周に等間隔で配置された複数の電磁石部３８、３９、４０、４１を具備している。本実施の形態では、電磁石部３８、３９、４０、４１が０°位置、９０°位置、１８０°位置、２７０°位置にそれぞれ配置されている。なお、磁気軸受が具備している電磁石部は４つである必要はなく、例えば、６つであってもよいし、８つであってもよく、電磁石部を増やすことによってロータ１２を基準位置で保持する精度が向上する。
【００２０】
電磁石部３８、３９、４０、４１は、図４に示すように、電気回路３５に接続されており、電気回路３５は、マイクロプロセッサ３２から発信された信号を、Ｄ／Ａ変換器３３及びアンプ３４を経由して受信し、電磁石部３８、３９、４０、４１を磁化する。電磁石部３８、３９、４０、４１は、通電により磁化されて、磁性部３６を引き付ける磁力をそれぞれ発生させる。
【００２１】
ステータ１４の内側には、図１、図２（Ａ）に示すように、磁気軸受１１より高い位置に、変位検出センサ１３、１３ａが固定されている（即ち、ポンプ１０は複数の変位検出センサ１３、１３ａを備えている）。
変位検出センサ１３は、ロータ１２を間に挟んで、対向して配置された対となるコイル４２（コイルＡ）及びコイル４３（コイルＢ）を具備し、変位検出センサ１３ａは、ロータ１２を間に挟んで、対向して配置された対となるコイル４４（コイルＡ）及びコイル４５（コイルＢ）を具備している。本実施の形態では、コイル４２、４３、４４、４５は銅を素材としているが、これに限定されない。
【００２２】
コイル４２、４３、４４、４５は、図２（Ａ）に示すように、ロータ１２まで距離を有する同高さの位置に固定された空芯のコイルであり、コイル４４、４３、４５、４２の順に等間隔で配置されている。本実施の形態では、コイル４４、４３、４５、４２が０°位置、９０°位置、１８０°位置、２７０°位置にそれぞれ配置されている。即ち、変位検出センサ１３のコイル４２、４３及び変位検出センサ１３ａのコイル４４、４５はそれぞれ異なる位置に配されている。コイル４２、４３、４４、４５は、巻き数及び長さが同じである。
ロータ１２が基準位置に配されている際、コイル４２からロータ１２までの距離（コイル４２が対向するロータ１２の表面までの距離、他のコイル４３〜４５も同様）、コイル４３からロータ１２までの距離、コイル４４からロータ１２までの距離及びコイル４５からロータ１２までの距離は等しい。
【００２３】
変位検出センサ１３は、図５に示すように、コイル４２が、コンデンサ４６に並列接続され、抵抗４７に直列接続され、コイル４３が、コンデンサ４８に並列接続され、抵抗４９に直列接続されている。コイル４２、コンデンサ４６及び抵抗４７と、コイル４３、コンデンサ４８及び抵抗４９とによって、交流電源５０に接続されたブリッジ回路が構成されており、コイル４２、４３には、交流電源５０による交流電流（本実施の形態では、１００ＫＨｚ）の通電によって、一定の周期で起電力が生じ、コイル４２、４３の周辺には磁界が発生する。
【００２４】
変位検出センサ１３には、交流を直流に変換する整流回路５１及びノイズ除去用のローパスフィルタ５２を介して、オペアンプ５３が接続されている。オペアンプ５３には、感度調整用の抵抗５４が並列接続され、オペアンプ５３の出力側には、Ａ／Ｄ変換器３１に接続された出力端子部５５が設けられている。
コイル４２からロータ１２までの距離とコイル４３からロータ１２までの距離が等しいとき、コイル４２周辺の磁界とコイル４３周辺の磁界は同じ状態であり、コイル４２のインダクタンスとコイル４３のインダクタンスは等しい。
【００２５】
これに対し、ロータ１２が基準位置から変位して、コイル４２からロータ１２までの距離とコイル４３からロータ１２までの距離とが異なった状態となると、コイル４２周辺の磁界とコイル４３周辺の磁界は相違した状態となり、コイル４２のインダクタンスとコイル４３のインダクタンスに差異が生じる。即ち、コイル４２のインダクタンスはコイル４２からロータ１２までの距離の変化に伴って変化し、コイル４３のインダクタンスはコイル４３からロータ１２までの距離の変化に伴って変化する。
【００２６】
そして、コイル４２のインダクタンスとコイル４３のインダクタンスの差異は、コイル４２からロータ１２までの距離とコイル４３からロータ１２までの距離との差が大きくなるほど大きくなり、出力端子部５５から、コイル４２のインダクタンスとコイル４３のインダクタンスの差異の大きさに応じた大きさ（絶対値の大きさ）の電気信号（電圧信号）が出力される。出力端子部５５から出力される電気信号は、コイル４２からロータ１２までの距離がコイル４３からロータ１２までの距離より短いとき、プラス電圧値となり、コイル４２からロータ１２までの距離がコイル４３からロータ１２までの距離より長いとき、マイナス電圧値となる。
【００２７】
従って、変位検出センサ１３は、コイル４２、４３それぞれのインダクタンスの変化を、ロータ１２の基準位置からの位置ずれを示す電気信号として出力することができる。
なお、変位検出センサ１３において、ブリッジ回路構成が採用されていることから、変位検出センサ１３は、ロータ１２の基準位置からの位置ずれを安定的に電気信号として出力可能である。
【００２８】
変位検出センサ１３ａは変位検出センサ１３と同様に設計され、コイル４４のインダクタンスはコイル４４からロータ１２までの距離の変化に伴って変化し、コイル４５のインダクタンスはコイル４５からロータ１２までの距離の変化に伴って変化する。そして、変位検出センサ１３ａは、コイル４４、４５それぞれのインダクタンスの変化を、ロータ１２の基準位置からの位置ずれを示す電気信号として出力する。
【００２９】
マイクロプロセッサ３２は、変位検出センサ１３、１３ａから出力され、Ａ／Ｄ変換器３１でデジタル化され、補正回路３７で補正された電気信号を受信して、基準位置に対するロータ１２の相対位置（ロータ１２の基準位置からの位置ずれ）を検知し、電磁石部３８、３９、４０、４１のいずれを磁化させてロータ１２を引き付ける状態にするかを決定し、その決定に応じた信号をＤ／Ａ変換器３３及びアンプ３４経由で電気回路３５に発信する。電気回路３５は、マイクロプロセッサ３２から発信された信号に応じて、電磁石部３８、３９、４０、４１のうちの１つ又は複数を磁化させ、あるいは、電磁石部３８、３９、４０、４１それぞれの磁化の大小を調整し、ロータ１２を基準位置の近傍（基準位置を含む）に保つようにする。なお、補正回路３７は変位検出センサ１３、１３ａから出力される電気信号がロータ１２の予測位置の対応値から大きく離れた際等に電気信号の値を補正するものである。
【００３０】
ロータ１２は、基準位置の近傍に保たれることによって、ステータ１４及び電磁石部３８、３９、４０、４１に非接触な状態が維持される。実験的検証によって、極低温環境下でロータ１２を基準位置の近傍で保てることを確認しており、ロータ１２は極低温用として基いることが可能である。
本実施の形態では、変位検出センサ１３、１３ａが出力する電気信号を基に電磁石部３８、３９、４０、４１の磁化を制御して、ロータ１２を基準位置の近傍に保つ制御手段５６が、主として、Ａ／Ｄ変換器３１、補正回路３７、マイクロプロセッサ３２、Ｄ／Ａ変換器３３、アンプ３４及び電気回路３５によって構成されている。
【実施例】
【００３１】
次に、本発明の作用効果を確認するために行った２つの実験について説明する。
１つ目の実験は、コイルＡ、Ｂを極低温環境下に配置した際の変位検出センサの計測精度を調査すべく行ったものであり、コイルＡ、Ｂを室温環境下に配置した場合の計測結果とコイルＡ、Ｂを液体窒素に接触する環境下に配置した場合の計測結果を比較した。実験結果を図６に示す。図６において、「Ｒｏｏｍ  ｔｅｍｐ．」はコイルＡ、Ｂを室温環境下に配置した場合の計測結果を示し、「Ｌｏｗ  ｔｅｍｐ．」はコイルＡ、Ｂを液体窒素に接触する環境下に配置した場合の計測結果を示し、横軸の「Ｇａｐ」はロータの基準位置からの位置ずれ量を示している。
実験結果より、コイルＡ、Ｂを液体窒素に接触する環境下に配置した場合、コイルＡ、Ｂを室温環境下に配置した場合に比べて、計測精度がやや低下するが、出力される電気信号値は線形成を保っていることから、当該変位検出センサは極低温環境下で用いることが可能であることが確認された。
【００３２】
２つ目の実験は、ロータの下側が液体窒素に浸漬した状態でロータを回転させた場合、及び、ロータを室温で回転させた場合に、ロータを基準位置の近傍に保てるか否かを調べたものである。ロータの基準位置からの変位が０．５ｍｍより小さいとロータがステータに非接触な状態（磁気浮上した状態）であることから、本実験では、ロータが基準位置からＸ軸又はＹ軸に沿って０．５ｍｍ以上変位しなければ、ロータが基準位置の近傍に保たれたと判定した。ロータの下側を液体窒素に浸漬した実験結果及び室温の実験結果を図７、図８にそれぞれ示す。図７、図８において、「Ｘ」及び「Ｙ」はそれぞれロータの基準位置からの変位のＸ成分及びＹ成分を示す。実験では、異なるロータの回転数で、ロータの変位を計測した。
いずれの実験においても、ロータの基準位置からの変位のＸ成分及びＹ成分は共に０．５ｍｍより小さく、ロータを基準位置の近傍に保てたとの結果を得られた。
【００３３】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、回転機はポンプに限定されない。回転機は、磁気軸受で回転自在に支持されたロータと、コイルＡ、Ｂそれぞれのインダクタンスの変化をロータの基準位置からの位置ずれを示す電気信号として出力する変位検出センサを備えている機構や装置であればよく、例えば、回転機はモータやタービンであってもよいし、フライホイール等のそれ自体が駆動源を有さないものであってもよい。
【００３４】
また、ロータは磁性部を有さなくてもよく、磁気軸受は、ロータの磁性部を引き付けることが可能な複数の電磁石部を具備していなくてもよい。
そして、ロータが磁性部を有し、磁性部に磁力を作用させてロータを基準位置の近傍に保つ場合、それぞれ異なる位置から磁性部を引き付ける磁力を発生させる複数の電磁石部を具備する位置調整手段を、磁気軸受とは別に設け、複数の電磁石部に、変位検出センサが出力する電気信号を基に当該各電磁石部の磁化を制御して、ロータを基準位置の近傍で保つ制御手段が接続されているように回転機を設計してもよい。
更に、コイルＡ、Ｂは有芯であってもよい。そして、変位検出センサは２つである必要なく、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１０：ポンプ、１１：磁気軸受、１２：ロータ、１３、１３ａ：変位検出センサ、１４：ステータ、１５：回転翼、１６：流出口、１７：液吹出部、１８：液流入部、１９、２０：開口、２１：支持ベース、２２：回転軸、２３：板材、２４：パイプ、２５：永久磁石部、２６、２７、２８、２９：電磁石部、３０：位相検出センサ、３１：Ａ／Ｄ変換器、３２：マイクロプロセッサ、３３：Ｄ／Ａ変換器、３４：アンプ、３５：電気回路、３６：磁性部、３７：補正回路、３８、３９、４０、４１：電磁石部、４２、４３、４４、４５：コイル、４６：コンデンサ、４７：抵抗、４８：コンデンサ、４９：抵抗、５０：交流電源、５１：整流回路、５２：ローパスフィルタ、５３：オペアンプ、５４：抵抗、５５：出力端子部、５６：制御手段
【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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