(57)【要約】【課題】回転機械の回転子シャフトの軸線方向位置を検出するためのデバイスを提供すること。【解決手段】回転機械の回転子シャフト（１６）の軸線方向位置を検出するためのデバイス（３０）であって、デバイスのセンサ固定子リング（３１）が、回転子シャフト（１６）の一端部（１６ｂ）に対して対向し、軸線方向エアギャップ（ｅ０＋ｘ）を形成するようにして配置され、回転子シャフト（１６）の一端部（１６ｂ）が、ターゲット表面として機能し、このターゲット表面の軸線方向位置が、センサ固定子リング（３１）による測定対象をなす。【選択図】図２
2017106899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機械の回転子シャフト（１６）の軸線方向位置を検出するためのデバイスであって、
前記回転機械が、固定子（１２）と、回転軸線（Ｘ−Ｘ）を有した回転子（１４）と、を具備している場合に、
前記デバイスが、センサ固定子リング（３１）を備え、
前記センサ固定子リング（３１）が、前記固定子に対して固定されているとともに、強磁性材料から形成され、さらに、前記回転子シャフト（１６）の一端部（１６ｂ）に対して対向しており、さらに、前記回転子シャフト（１６）の前記一端部（１６ｂ）に対して軸線方向エアギャップ（ｅ０＋ｘ）を形成するようにして配置され、
前記センサ固定子リング（３１）が、環状誘導コイル（３４，３５）を受領する少なくとも１つの環状スロット（３２，３３）を有し、
前記回転子シャフト（１６）が、固体磁気的スチールから形成され、これにより、前記回転子シャフト（１６）の前記一端部（１６ｂ）が、ターゲット表面として機能し、このターゲット表面の軸線方向位置が、前記センサ固定子リング（３１）による測定対象をなす、
ことを特徴とするデバイス。
【請求項２】
請求項１記載のデバイスにおいて、
前記センサ固定子リング（３１）が、互いに並置された少なくとも２つの環状スロット（３２，３３）を有し、
前記環状スロット（３２，３３）が、同一の径方向平面内に配置され、
前記環状スロット（３２，３３）の各々が、環状誘導コイル（３４，３５）を受領し、
前記環状誘導コイル（３４，３５）が、電気的には互いに直列に接続されるとともに、互いに逆向きに巻回されている、
ことを特徴とするデバイス。
【請求項３】
請求項１または２記載のデバイスにおいて、
前記デバイスが、さらに、前記環状誘導コイル（３４，３５）に対して電力を供給するための電気回路（４０）を具備し、
前記電気回路（４０）が、
互いに直列に接続された前記環状誘導コイル（３４，３５）の第１端部（４２）と、参照電位のところに配置されたポイント（４３）と、の間に対して接続された第１ＡＣ電圧源（４１）と、
前記環状誘導コイル（３４，３５）に対して並列に、なおかつ、前記環状誘導コイル（３４，３５）の前記第１端部（４２）と第２端部（４５）との間に、接続されたキャパシタ（４４）と、
前記環状誘導コイル（３４，３５）の前記第２端部（４５）と、前記参照電位と、の間に配置されたＡＣ電流検出デバイス（４７）と、
を備え、
前記ＡＣ電流検出デバイス（４７）が、前記環状誘導コイル（３４，３５）の前記第２端部（４５）と、前記参照電位と、の間を流れる電流の大きさに関する情報を伝達することができ、
前記情報が、前記エアギャップ（ｅ０）の長さ内における変位（ｘ）の値を表す、
ことを特徴とするデバイス。
【請求項４】
請求項３記載のデバイスにおいて、
前記電気回路（４０）が、第２ＡＣ電圧源（４９）と、前記ＡＣ電流検出デバイス（４７）に対して並列に接続されたライン（５１）上において直列に接続された第１抵抗器（５０）と、を備えている、
ことを特徴とするデバイス。
【請求項５】
請求項３または４記載のデバイスにおいて、
前記参照電位が、グラウンド電位とされている、
ことを特徴とするデバイス。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のデバイスにおいて、
前記センサ固定子リング（３１）が、圧縮鉄粉末から形成されている、
ことを特徴とするデバイス。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のデバイスにおいて、
前記センサ固定子リング（３１）が、フェライト材料から形成されている、
ことを特徴とするデバイス。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のデバイスにおいて、
前記回転子シャフトすなわちターゲットが、フェライト材料から形成されている、
ことを特徴とするデバイス。
【請求項９】
回転機械であって、
前記回転機械が、
固定子（１２）と、
鉛直方向の回転軸線（Ｘ−Ｘ）まわりに回転する少なくとも１つの回転子シャフト（１６）を有した回転子（１４）であるとともに、少なくとも２つの径方向磁気的ベアリング（１８，２０）によって前記固定子内に支持された回転子（１４）と、
請求項１〜８のいずれか１項に記載されたデバイス（３０）と、
を具備している、
ことを特徴とする回転機械。
【請求項１０】
請求項９記載の回転機械において、
前記回転機械が、前記固定子（１２）に対して固定された軸線方向アクチュエータ（２２）を具備し、
前記軸線方向アクチュエータ（２２）が、前記回転子（１４）の前記回転子シャフト（１６）のうちの、前記固定子（１２）に向けて径方向に突出しているショルダ部分（１６ａ）に対して軸線方向の引力を生成することができる、
ことを特徴とする回転機械。
【請求項１１】
請求項９または１０記載の回転機械において、
前記回転機械が、上側の径方向タッチダウンベアリング（２４）と、下側の径方向タッチダウンベアリング（２６）と、下側の軸線方向タッチダウンベアリング（２８）と、を具備している、
ことを特徴とする回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界に基づく動的な磁気的ベアリングによって回転機械の回転子の重量および負荷を支持するための磁気的ベアリングを備えた回転機械の分野に関するものである。
【０００２】
特に、本発明は、回転機械の回転子シャフトの軸線方向位置を検出するためのデバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
様々なタイプの誘導センサが存在する。いくつかのものは、インダクタンス変化の測定をベースとし、いくつかのものは、渦電流をベースとしている。
【０００４】
回転子シャフトの一端部に固定された強磁性材料ターゲットを有した回転子シャフトの中心の軸線方向位置を検出するためのデバイスを設けることが、公知である。静止した磁気回路に関連した誘導コイルが、回転機械の固定子に対して固定され、ターゲットに対して、エアギャップを形成した状態で、対向して配置される。さらに、誘導コイルに対して電力を供給するための電源が設けられる。
【０００５】
特許文献１を参照することができる。特許文献１は、回転子シャフトの一端部に固定された強磁性材料ターゲットを有した回転子シャフトの中心の軸線方向位置を検出するためのデバイスを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＥＰ ２ ５１１ ６６５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、そのようなデバイスは、回転子シャフトの中心に対してあるいは少なくとも回転子シャフトの一端部の中心に対してアクセスする必要がある用途において使用されるような、中空の回転子シャフトに対しては適していない。そのようなデバイスは、また、回転子シャフトの端部の中心に対してツールあるいはタービンホイールを取り付けるような用途に対しては適していない。
【０００８】
さらに、そのようなデバイスは、特定のターゲットを使用する。このことは、コストを増大させるとともに、脱着デバイスの複雑さを増大させる。
【０００９】
その中心が利用できない回転子シャフトの場合には、回転子シャフトのうちの、固定子に向けて径方向に突出したショルダ部分の軸線方向位置を検出することができる、あるいは、軸線方向のリラクタンス変化を検出することができる。そのような時間通りの検出手法は、大きな直径の回転子においては、満足のいくものではない。さらに、回転ハーモニクスが、センサ信号上に発生して、振動を引き起こしかねない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の目的は、何らの特定のターゲットを使用することなく、回転機械の回転子シャフトのショルダ部分の軸線方向位置を検出するためのデバイスを提供することである。
【００１１】
本発明の格別の目的は、回転機械が固定子と回転軸線を有した回転子とを具備している場合に、この回転機械の回転子シャフトの軸線方向位置を検出するためのデバイスを提供することである。
【００１２】
デバイスは、センサ固定子リングを備え、センサ固定子リングは、固定子に対して固定されているとともに、強磁性材料から形成され、さらに、回転子シャフトの一端部に対して対向しており、さらに、回転子シャフトの一端部に対して軸線方向エアギャップを形成するようにして静止的な態様で配置されている。センサ固定子リングは、環状誘導コイルを受領する少なくとも１つの環状スロットを有している。
【００１３】
回転子シャフトは、固体磁気的スチールから形成され、これにより、回転子シャフトの一端部は、ターゲット表面として機能し、このターゲット表面の軸線方向位置は、センサ固定子リングによる測定対象をなす。よって、センサ固定子リングは、追加的なターゲットを使用することなく、回転子シャフトの軸線方向位置を直接的に検出することができる。センサ固定子リングは、磁気回路として機能し、固定子に対して固定されている。
【００１４】
一実施形態においては、センサ固定子リングは、互いに並置された少なくとも２つの環状スロットを有し、環状スロットは、同一の径方向平面内に配置され、環状スロットの各々は、環状誘導コイルを受領し、環状誘導コイルは、電気的には互いに直列に接続されるとともに、互いに逆向きに巻回されている。
【００１５】
２つのコイルのおかげで、磁気的励起磁束は、回転子シャフトのターゲット表面に向けて集中する。
【００１６】
一実施形態においては、デバイスは、さらに、環状誘導コイルに対して電力を供給するための電気回路を具備し、電気回路は、互いに直列に接続された環状誘導コイルの第１端部と、参照電位のところに配置されたポイントと、の間に対して接続された第１ＡＣ電圧源と、環状誘導コイルに対して並列に、なおかつ、環状誘導コイルの第１端部と第２端部との間に、接続されたキャパシタと、環状誘導コイルの第２端部と、参照電位と、の間に配置されたＡＣ電流検出デバイスと、を備え、ＡＣ電流検出デバイスは、環状誘導コイルの第２端部と、参照電位と、の間を流れる電流の大きさに関する情報を伝達することができる。情報は、エアギャップの長さ内における変位の値を表す。
【００１７】
一実施形態においては、電気回路は、第２ＡＣ電圧源と、ＡＣ電流検出デバイスに対して並列に接続されたライン上において直列に接続された第１抵抗器と、を備えている。第２ＡＣ電圧源と第１抵抗器とにより、回転子のターゲットの損失に起因する結果としての抵抗電流を補償することができる。
【００１８】
参照電位は、例えば、グラウンド電位とされる。
【００１９】
センサ固定子リングは、圧縮鉄粉末から形成することができる、あるいは、圧縮されたフェライト材料から形成することができる。
【００２０】
回転子シャフトは、標準的な、固体磁気的スチールから形成することができる。
【００２１】
他の見地においては、本発明は、回転機械であって、固定子と、鉛直方向の回転軸線まわりに回転する少なくとも１つの回転子シャフトを有した回転子であるとともに、少なくとも２つの径方向磁気的ベアリングによって固定子内に支持された回転子と、上述したような回転機械の回転子シャフトの軸線方向位置を検出するためのデバイスと、を具備している回転機械に関するものである。
【００２２】
一実施形態においては、回転機械は、固定子に対して固定された軸線方向アクチュエータを具備し、軸線方向アクチュエータは、回転子の回転子シャフトのうちの、固定子に向けて径方向に突出しているショルダ部分に対して軸線方向の引力を生成することができる。
【００２３】
一実施形態においては、回転機械は、さらに、上側の径方向タッチダウンベアリングと、下側の径方向タッチダウンベアリングと、下側の軸線方向タッチダウンベアリングと、を具備している。
【００２４】
本発明およびその利点は、添付図面を参照しつつ、本発明を何ら限定することのない単なる例示としてのいくつかの特定の実施形態に関する以下の詳細な説明を読むことにより、明瞭に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に基づき、回転子シャフトの軸線方向位置を検出するためのデバイスを備えた回転機械を示す軸線方向に沿った断面図である。
【図２】図１における軸線方向位置検出デバイスの一部を示す斜視図である。
【図３】図２の軸線方向位置検出デバイスを詳細に示す図である。
【図４】軸線方向位置検出デバイスに関連した電源および測定回路を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
回転機械１０が、図１に示されている。この回転機械１０は、例えば、フライホイールや、鉛直方向の回転子構成を有した任意の回転機械、とすることができる。
【００２７】
回転機械１０は、固定子１２と、回転子１４と、を具備している。回転子１４は、鉛直方向軸線Ｘ−Ｘまわりに回転する回転子シャフト１６を備えている。
【００２８】
回転子１４の回転子シャフト１６は、固定子１２に対して、能動的な磁気的ベアリングシステムによって回転可能に支持されている。能動的な磁気的ベアリングシステムは、２つの径方向の磁気的ベアリング１８，２０、すなわち、上側の磁気的ベアリング１８および下側の磁気的ベアリング２０を備えている。回転子１４の回転子シャフト１６は、さらに、固定子１２に対して、軸線方向アクチュエータ２２によって、回転可能に支持されている。軸線方向アクチュエータ２２は、固定子１２に対して固定されているものであって、回転子１４の回転子シャフト１６のうちの、固定子１２に向けて径方向に突出しているショルダ部分１６ａに対して軸線方向の引力を生成することができる。
【００２９】
２つの径方向の磁気的ベアリング１８，２０は、互いに同じものとすることができ、回転子シャフト１６の両端部１６ａ，１６ｂのところに配置されている。
【００３０】
回転子１４の回転子シャフト１６は、さらに、固定子１２に対して、上側の径方向タッチダウンベアリング２４によって、下側の径方向タッチダウンベアリング２６によって、および、下側の軸線方向タッチダウンベアリング２８によって、回転可能に支持されている。タッチダウンベアリングは、例えば、機械的な補助ベアリングとされ、磁気的ベアリングの故障時には、回転子を支持することができる。
【００３１】
各々の径方向の磁気的ベアリング１８，２０は、環状電機子１８ａ，２０ａと、固定子電機子１８ｂ，２０ｂと、を有している。環状電機子１８ａ，２０ａは、強磁性材料からなるものであって、回転子シャフト１６の円筒形外表面１６ｄ上に取り付けられている。固定子電機子１８ｂ，２０ｂは、固定子１２に対して固定されている。固定子電機子１８ｂ，２０ｂの各々は、従来的な態様で、固定子磁気回路を有している。固定子磁気回路は、１つまたは複数の環状コイルと強磁性ボディとを有してなるものであって、回転子電機子１８ａ，２０ａに対して対向して配置されており、径方向のエアギャップを形成している。固定子電機子の詳細については、詳細な図示が省略されている。能動的な磁気的ベアリングシステムのおかげで、回転子１４は、固定子１２内において機械的に接触することなく、回転する。
【００３２】
図１および図２に示すように、回転子シャフト１６は、この例においては、中空とされている。
【００３３】
図１〜図３に示すように、回転機械１０は、さらに、回転子シャフト１６の軸線方向位置を検出するためのデバイス３０を具備している。そのようなデバイスは、「軸線方向センサ」と称される。
【００３４】
軸線方向センサ３０は、センサ固定子リング３１を備えている。このセンサ固定子リング３１は、回転子シャフト１６の一端部１６ｂに対して対向しているとともに、静止的な態様で配置されている。これにより、このセンサ固定子リング３１は、回転子シャフト１６の一端部１６ｂに対して、軸線方向のエアギャップｅ０＋ｘを形成している。
【００３５】
センサ固定子リング３１は、例えば圧縮された鉄粉末やフェライト材料といったような強磁性材料から形成される。センサ固定子リング３１は、回転子１４の対称平面に関して、対称である。センサ固定子リング３１は、Ｅ字形状の横断面を有しており、互いに平行とされた２つの環状スロット３２，３３を形成している。これら２つの環状スロット３２，３３は、同一の径方向平面内に位置している。各々の環状スロット３２，３３は、それぞれ対応する環状誘導コイル３４，３５を収容することができる。センサ固定子リング３１は、磁気回路として機能するものであって、固定子１２に対して固定されている。
【００３６】
環状誘導コイル３４，３５は、図４に示すように、電気的には互いに直列に接続されている。コイルの巻回方向は、互いに逆向きとされている。そのため、外部から流入するいかなる擾乱磁束（図２における符号３７）も、センサ固定子リング３１の直列接続された両コイルの両端においては、全く電圧を誘起しない。
【００３７】
回転子１４の回転子シャフト１６は、固体磁気スチールから形成されている。回転子シャフト１６の端部１６ｂは、ターゲット表面として機能し、このターゲット表面の軸線方向位置が、軸線方向位置検出デバイスによる測定対象となる。よって、センサ固定子リング３１は、追加的なターゲットを一切使用することなく、回転子シャフトのその端部の軸線方向位置を直接的に検出することができる。２つのコイル３４，３５のおかげで、磁気的な励起磁束は、回転子シャフト１６のターゲット表面１６ｂに向けて集中する。
【００３８】
図３に示すように、結果的な励起磁束経路３８，３９は、各々の環状誘導コイル３４，３５に関連している。
【００３９】
言い換えれば、軸線方向センサ３０は、より大径の回転子シャフトのショルダ部分上における誘導的な軸線方向シャフト位置センサである。
【００４０】
図４は、２つの誘導コイル３４，３５に対して電力を供給するための回路４０の一実施形態を示している。
【００４１】
図４に示すように、電気回路４０は、第１ＡＣ電圧源４１を有している。第１ＡＣ電圧源４１は、例えば、互いに直列に接続された一組をなすコイル３４，３５の第１端部４２に対して接続された単純な発振器とされており、変換器を有していない。ポイント４３は、例えばグラウンド電位といったような参照電位のところに配置されている。電気回路４０は、さらに、キャパシタ４４を有している。キャパシタ４４は、一組をなすコイル３４，３５に対して並列に接続されたものであって、コイル３４，３５の第１端部４２および第２端部４５に対して接続されている。抵抗器４６は、交互的な励起磁束によって固体ターゲット１６ｂ内に誘起された損失を示している。
【００４２】
ＡＣ電流測定デバイス４７が、一組をなすコイル３４，３５の第２端部４５とグラウンド４３との間に、配置されている。検出されたＡＣ電流は、エアギャップｅ０の幅内における変位ｘの値を表す。損失抵抗器４６の抵抗電流が、検出されたＡＣ電流４８に対して重ね合わされる。
【００４３】
図４に示すように、電気回路４０は、さらに、付加的な第２ＡＣ電圧源４９と、ライン５１上において直列に接続された付加的な第１抵抗器５０と、を有している。ライン５１は、ＡＣ電流検出デバイス４７に対して並列に接続されている。必要であれば、第２ＡＣ電圧源４９と第１抵抗器５０とにより、回転子の鉄損失に起因する抵抗電流を補償することができる。提案された電流検出コンセプトにおいては、誘導電流成分のみをまたは容量電流成分のみを検出する位相検出回路が使用される。これにより、抵抗損失電流は、結果に影響しない。しかしながら、損失に起因する抵抗電流の振幅は、位置情報を含有した誘導電流または容量電流よりも大きなものであり得る。測定回路内における状況効果を回避するために、付加的な第２ＡＣ電圧源４９および付加的な第１抵抗器５０を、有利には使用することができる。
【００４４】
本発明により、回転子シャフトの軸線方向位置は、追加的なターゲットを使用することなく、固体磁気的スチール製の回転子シャフト上において直接的に検出される。
【００４５】
本発明による軸線方向センサにより、例えば５０ｍｍを超えるものといったような大径の回転子シャフトの中心に対して自由にアクセスすることができる。
【００４６】
軸線方向センサの軸線方向長さが短いことにより、回転機械を、よりコンパクトなものとすることができる。
【００４７】
そのような軸線方向センサは、外部磁界によって影響されることがなく、センサ信号内に回転ハーモニクスは存在しない。
【００４８】
最後に、センサ信号の品質は、回転子のターゲット表面の品質によって影響されることがない。
【符号の説明】
【００４９】
１０    回転機械
１２    固定子
１４    回転子
１６    回転子シャフト
１６ａ  ショルダ部分
１６ｂ  一端部
１８    径方向磁気的ベアリング
２０    径方向磁気的ベアリング
２２    軸線方向アクチュエータ
２４    上側の径方向タッチダウンベアリング
２６    下側の径方向タッチダウンベアリング
２８    下側の軸線方向タッチダウンベアリング
３０    回転子シャフトの軸線方向位置を検出するためのデバイス
３１    センサ固定子リング
３２    環状スロット
３３    環状スロット
３４    環状誘導コイル
３５    環状誘導コイル
４０    電気回路
４１    第１ＡＣ電圧源
４２    第１端部
４３    ポイント
４４    キャパシタ
４５    第２端部
４７    ＡＣ電流検出デバイス
４９    第２ＡＣ電圧源
５０    第１抵抗器
５１    ライン
Ｘ−Ｘ    回転軸線
【図１】
2017106899.tif 000003
【図２】
2017106899.tif 000004
【図３】
2017106899.tif 000005
【図４】
2017106899.tif 000006
【外国語明細書】
2017106899000001.pdf