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JP2016031369A - アクティブ磁気軸受の改良された位置検出装置 - Google Patents

アクティブ磁気軸受の改良された位置検出装置 Download PDF

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Abstract

【課題】減らされた電力消費および更なる集積化の利点を可能にする、アクティブ磁気軸受の改良された位置検出装置を提供する。【解決手段】2つの検知インダクタンスコイル(12A, 12B)を備えている、回転軸の位置を維持するアクティブ磁気軸受の位置検出装置(10)において、前記位置検出装置は、さらに、25KHz方形波形信号を発生するためのプログラム可能なデジタル素子(16)と、25KHz方形波形信号を受信して、2つの検知インダクタンスコイルに2つの同一の制御電流を注入する電流増幅器(18; 20A, 20B)と、回転軸の転位に応じて、2つの検知インダクタンスコイルにおいて結果として生じる電圧の間の電圧差を増幅するための差動増幅器(22)と、電圧差からの位置値を送出するためのＡ／Ｄ変換器(24)とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気軸受に関し、より詳細には、磁気軸受システムにおける回転軸の半径方向または／および軸方向の位置を得るために用いられる位置検出装置に関する。
磁気軸受は、機械のロータに作用する磁場によって回転軸の軸方向または／および半径方向の位置を維持するために、様々な回転機械、例えば電気モータ、コンプレッサ、タービン等に用いられる。
磁気軸受は、しばしば、タービンまたはコンプレッサのロータの挙動に、リミットサイクル（limit cycles）、振動、不安定性のような望ましくない影響を及ぼし得る産業環境から来る外乱（圧力波および振動）を阻止するために用いられる。
軸受力は、電力切換増幅器に接続された一対の電磁石（古典的には電磁石につき１つの電力切換増幅器）を用いて造られる。そのために、制御電圧が、修正（correction）ネットワークを通してコントローラによって適合され、電流が設定値を追跡することを可能にする。アクティブ磁気軸受（AMB）の制御ループは、ロータアセンブリの位置の検出器を備えている。
図3は、検知コイル34A、34Bを有するAMB32のロータアセンブリの位置を検出するための位置検出装置30の古典的解決策を示している。信号発生器36は、400KHzの周波数で2つのPWM信号を送出し、そのデューティサイクルは、25KHz正弦波信号を発生する正弦波発振器38のために、湾曲（sinus）波形のように変化する。この正弦波信号およびその逆相信号は、プッシュプルパワートランジスタ40に送出され、その2つの出力は、並列に配置されたタンクキャパシタ42を介して検知コイル34A、34Bと接続されている。
位置情報を含む検知コイル34A、34Bから受信された信号は、回転軸の転位（displacement）に応じる振幅変調信号である。この信号は、まずフィルタ44に通され、次に同期復調器46で復調され、そして低減通過フィルタ48に通される。回転軸の位置は、最終的に、低減通過フィルタから復調信号を受信するＡ／Ｄ変換器50によって送出される。
前述したように、この種の古典的解決策は、発振器として湾曲（sinus）波形を用い、インダクタンスコイルを流れる電流を減らすためにタンクキャパシタが調整されていたとしても、それは高い電力消費を発生させる。さらに、電子機器は、容易に集積することができないので、非常に高価な解決策となる。
本発明は、改良された位置検出装置を用いることにより、上記の不利点を除去することを目的とし、これは、減らされた電力消費および更なる集積化の利点を可能にする。
このため、本発明による、2つの検知インダクタンスコイルを備えている、回転軸の位置を維持するアクティブ磁気軸受の位置検出装置は、
25KHz方形波形信号を発生するためのプログラム可能なデジタル素子と、
前記25KHz方形波形信号を受信して、2つの検知インダクタンスコイルに2つの同一の制御電流を注入する電流増幅器と、
回転軸の転位（displacement）に応じて、前記2つの検知インダクタンスコイルにおいて結果として生じる電圧の間の電圧差を増幅するための差動増幅器と、
前記電圧差からの位置値を送出するためのＡ／Ｄ変換器とを備えている。
好ましくは、前記25KHz方形波形信号は、50%のデューティサイクルを有する。
好都合にも、前記電流増幅器は、ダーリントントランジスタと、前記2つの検知インダクタンスコイルと直列に接続された2つの抵抗器とを有している。
好ましくは、前記Ａ／Ｄ変換器は、前記プログラム可能なデジタル素子に接続され、前記電圧差の最大値に対応する位置値を得るために、変換を前記25KHz方形波形信号と同期させる。
好都合にも、前記プログラム可能なデジタル素子は、DSP、マイクロコントローラまたはFGPAである。
本発明の実施形態を示している添付図面を参照する以下の記載の中で、本発明は、より良く理解され、かつその更なる詳細および利点が、より明らかになるであろう。
本発明によるAMBの改良された位置検出装置の概略図を示している。 図1の改良された位置検出装置の様々な波形信号を示している。 図1の改良された位置検出装置の様々な波形信号を示している。 従来技術によるAMBの位置検出装置の概略図を示している。
図1は、本発明による、回転軸の位置を維持するAMBの改良された位置検出装置のブロック図を示している。
位置検出装置10は、接続されている電流増幅器のために（50%のデューティサイクルの）25KHz方形波形信号を発生するためのプログラム可能なデジタル素子16を備えている。優先的に、プログラム可能なデジタル素子は、DSPまたはFGPAであり、電流増幅器は、ダーリントントランジスタ18と、AMB14の2つの検知インダクタンスコイル12A、12Bと直列に接続された2つの抵抗器20A、20Bとを有していて、2つの検知インダクタンスコイルに2つの同一の制御電流を注入する。2つの検知インダクタンスコイルの端子は、利得Kの差動増幅器22の2つの入力を構成し、その出力は、回転軸の位置に対応する位置値を送出しているＡ／Ｄ変換器24の入力を形成している。
以下、検出装置の動作が、最初の25KHz方形波形信号と、検知インダクタンスコイルにおける信号および差動増幅器の出力での信号とを表す図2Aおよび2Bを参照して記載される。
プログラム可能なデジタル素子16によって生成された25KHz方形波形信号（図2Aおよび2Bの曲線60）は、電流増幅器18、20を介して検知インダクタンスコイル12A、12Bに直接注入される。
図2Aの残りの検知コイル電圧は、曲線62で示すように「パルス」波形を有していて、2つの検知インダクタンスコイルにおいて同一である（それに応じて適合された抵抗器12Aおよび12Bを想定する）。それで、差動増幅器22によって精密に作られる差はゼロに等しい（除去される連続成分を考慮する）。従って、Ａ／Ｄ変換器24によって送出される位置値もゼロに等しい（または、もしあれば基準位置に等しい）。
図2Bの動作において、回転軸の転位に応じて、コイルとロータ間のエアギャップの変化に従って、差動増幅器22で、2つの検知インダクタンスコイル12A、12Bにおいて結果として生じる電圧VA、VBの間の電圧差が生成され、かつ増幅される（K(VA-VB)）。曲線64は、例えば正の転位に対する電圧差を示していて、曲線66は、負の転位に対する電圧差を示している。この差は、Ａ／Ｄ変換器24で位置値に変換される。より詳しくは、この位置値（図示したV1またはV2）は、検知コイル電圧がその最大値である時に測定される。これは、例えば、Ａ／Ｄ変換器を、プログラム可能なデジタル素子16と接続することによって可能にされる。これは、変換を、最初の25KHz方形波形信号と同期させることを可能にする。
本発明は、1mmまで回転軸の転位を測定するために、典型的に数十μHの検知インダクタンスコイルを有するAMBにおいて成功裡にテストされた。ダーリントントランジスタは、好都合にも、NXP semiconductors CompanyのBCV46であったし、差動増幅器は、利得が5のAnalog Devices CompanyのAD8421であった。それは、0から3.3Vの偏位（excursion）範囲を有する古典的なＡ／Ｄ変換器（例えばAD7685）と適合させるために十分だった。抵抗器の値（典型的には数百Ω）は、検知インダクタンスコイルの感度に応じて調整される。これらの条件下で、-600μmから600μmまでの位置値範囲が測定された。
本発明は、冷却装置またはターボエキスパンダのような重要な機械のアクティブ磁気軸受に特に適している。例えば、車またはトラックのためのHVACのような、より小さいシステム内のアクティブ磁気軸受に特に適している。
好ましい実施形態が示されかつ記載されたが、添付の請求項の中で定義された本発明の範囲から逸脱することなく、任意の変更および修正が、その中でなされ得ることに留意すべきである。
10 位置検出装置
12A、12B 検知インダクタンスコイル
14 AMB
16 プログラム可能なデジタル素子
18 ダーリントントランジスタ
20A、20B 抵抗器
22 差動増幅器
24 Ａ／Ｄ変換器

Claims (5)

  1. 2つの検知インダクタンスコイル(12A, 12B)を備えている、回転軸の位置を維持するアクティブ磁気軸受の位置検出装置(10)において、前記位置検出装置は、さらに、
    25KHz方形波形信号を発生するためのプログラム可能なデジタル素子(16)と、
    前記25KHz方形波形信号を受信して、2つの検知インダクタンスコイルに2つの同一の制御電流を注入する電流増幅器(18; 20A, 20B)と、
    回転軸の転位に応じて、前記2つの検知インダクタンスコイルにおいて結果として生じる電圧の間の電圧差を増幅するための差動増幅器(22)と、
    前記電圧差からの位置値を送出するためのＡ／Ｄ変換器(24)とを備えている
    ことを特徴とする位置検出装置。
  2. 前記25KHz方形波形信号は、50%のデューティサイクルを有することを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
  3. 前記電流増幅器は、ダーリントントランジスタ(18)と、前記2つの検知インダクタンスコイルと直列に接続された2つの抵抗器(20A, 20B)とを有していることを特徴とする請求項１または２に記載の位置検出装置。
  4. 前記Ａ／Ｄ変換器は、前記プログラム可能なデジタル素子と接続されていて、前記電圧差の最大値に対応する位置値を得るために、変換を、前記25KHz方形波形信号と同期させることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか一項に記載の位置検出装置。
  5. 前記プログラム可能なデジタル素子は、DSP、マイクロコントローラまたはFGPAであることを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の位置検出装置。
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