特許 7514087 能動型磁気軸受と共に使用するための改善された信号調整回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-02

(45)【発行日】2024-07-10

(54)【発明の名称】能動型磁気軸受と共に使用するための改善された信号調整回路

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/245 20060101AFI20240703BHJP

   F16C 32/04 20060101ALI20240703BHJP

   G01B 7/30 20060101ALI20240703BHJP

【ＦＩ】

G01D5/245 E

F16C32/04 A

G01B7/30 M

【請求項の数】 25

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2020037549

(22)【出願日】2020-03-05

(65)【公開番号】P2020169978

(43)【公開日】2020-10-15

【審査請求日】2023-01-16

(31)【優先権主張番号】1903224.2

(32)【優先日】2019-03-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】520077458

【氏名又は名称】ウォーキショー ベアリングス エルティーディー

【氏名又は名称原語表記】Ｗａｕｋｅｓｈａ Ｂｅａｒｉｎｇｓ ＬＴＤ

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】弁理士法人ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】デービス、ナイジェル ジョージ

(72)【発明者】

【氏名】レオン、チウ ホン

【審査官】藤澤 和浩

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－０９１３７８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｄ ５／００ ～ ５／２５２

Ｆ１６Ｃ ３２／００ ～ ３２／０６

Ｇ０１Ｂ ７／００ ～ ７／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

誘導性検出回路であって、
駆動信号を生成するように構成された信号発生器と、
１つまたは複数の検出配置であって、該１つまたは複数の検出配置の各々は、
ハーフブリッジ配置で構成された１つまたは複数の誘導性検出素子の２つの組であって、該１つまたは複数の誘導性検出素子の２つの組は、該駆動信号によって駆動される、
１つまたは複数の誘導性検出素子の２つの組と、
補正信号を生成するように構成された補正信号回路であって、該補正信号は、該駆動信号の調節可能にスケーリングされたバージョンである、補正信号回路と、
該１つまたは複数の誘導性検出素子の２つの組の出力信号を該補正信号と加算するように構成された加算回路と、
を備える、１つまたは複数の検出配置と、
該１つまたは複数の検出配置の各々の該加算回路の出力を復調するように構成された復調回路と、
を備える、誘導性検出回路。

【請求項2】

前記復調回路は、前記１つまたは複数の検出配置の各々の前記加算回路の出力を対応するデジタル出力信号に変換するように構成されたアナログ／デジタル変換器を備える、請求項１に記載の誘導性検出回路。

【請求項3】

前記１つまたは複数の検出配置の各々は、前記補正信号の前記スケーリングを調整するように構成された信号調節手段を更に備える、請求項１または２に記載の誘導性検出回路。

【請求項4】

前記１つまたは複数の検出配置のうちの第１の検出配置の前記誘導性検出素子の２つの組は、ロータの外周の周りに配置される、請求項１から３のいずれかに記載の誘導性検出回路。

【請求項5】

前記１つまたは複数の検出配置のうちの第１の検出配置の前記誘導性検出素子の２つの組は、ロータの軸に沿って配置される、請求項１から４のいずれかに記載の誘導性検出回路。

【請求項6】

前記１つまたは複数の検出配置の各々は、前記加算回路の出力と前記復調回路との間に結合された増幅器回路を更に備える、請求項１から５のいずれかに記載の誘導性検出回路。

【請求項7】

前記１つまたは複数の検出配置の各々の前記補正信号回路から前記信号発生器を分離するための変換器を更に備える、請求項１から６のいずれかに記載の誘導性検出回路。

【請求項8】

前記駆動信号は正弦波信号である、請求項１から７のいずれかに記載の誘導性検出回路。

【請求項9】

前記駆動信号のＤＣ成分を除去するための手段を更に備える、請求項１から８のいずれかに記載の誘導性検出回路。

【請求項10】

前記１つまたは複数の検出配置の各々の前記１つまたは複数の誘導性検出素子の２つの組を駆動するように構成された平衡電圧駆動部を更に備える、請求項１から９のいずれかに記載の誘導性検出回路。

【請求項11】

前記復調回路は、アナログ／デジタル変換器の１つまたは複数の出力に結合された１つまたは複数の同期復調回路を更に備える、請求項１から１０のいずれかに記載の誘導性検出回路。

【請求項12】

前記１つまたは複数の同期復調回路は、前記アナログ／デジタル変換器の前記１つまたは複数の出力から雑音を除去するように構成される、請求項１１に記載の誘導性検出回路。

【請求項13】

レシオメトリック機能を行うための手段を更に備える、請求項１１または１２に記載の
誘導性検出回路。

【請求項14】

前記信号発生器は、前記同期復調回路のうちの１つまたは複数に同期信号を提供するように構成される、請求項１１から１３のいずれかに記載の誘導性検出回路。

【請求項15】

前記誘導性検出素子は渦電流センサ素子である、請求項１から１４のいずれかに記載の誘導性検出回路。

【請求項16】

請求項１から１５のいずれかに記載の誘導性検出回路を備える能動型磁気軸受。

【請求項17】

１つまたは複数の誘導性センサ素子の２つの組の出力信号を補正するための方法であって、該方法は、
駆動信号を生成することと、
該駆動信号を適用することによって、該１つまたは複数の誘導性センサ素子の２つの組を駆動することと、
補正信号を生成することであって、該補正信号は、該駆動信号の調節可能にスケーリングされたコピーであることと、
該１つまたは複数の誘導性センサ素子の２つの組の該出力信号を該補正信号と加算することと、
該加算された信号を復調することと、
を含む、方法。

【請求項18】

前記加算された信号を復調することは、前記１つまたは複数の誘導性センサ素子の２つの組の前記加算された出力信号を、対応するデジタル出力信号に変換することを含む、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

信号調節手段を介して前記補正信号の前記スケーリングを調節することを更に含む、請求項１７または１８に記載の方法。

【請求項20】

前記１つまたは複数の誘導性センサ素子の２つの組の前記加算された出力信号を増幅することを更に含む、請求項１７から１９のいずれかに記載の方法。

【請求項21】

前記補正信号を生成する際に用いるために前記駆動信号のコピーを分離することを更に含む、請求項１７から２０のいずれかに記載の方法。

【請求項22】

前記駆動信号のＤＣ成分を除去することを更に含む、請求項１７から２１のいずれかに記載の方法。

【請求項23】

前記加算された信号を復調することは、デジタル出力信号を同期して復調することを更に含む、請求項１７から２２のいずれかに記載の方法。

【請求項24】

前記デジタル出力信号を同期して復調することは、前記デジタル出力信号から雑音を除去することを含む、請求項２３に記載の方法。

【請求項25】

レシオメトリック機能を実行することを更に含む、請求項２３または２４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に、電子機器の分野に関する。特に、本発明は、能動型磁気軸受と共に使用するための改善された信号調整回路に関する。

【背景技術】

【0002】

ロータを支持するための能動型磁気軸受は、従来から、電子サーボ回路を用いた変位センサによって制御される可変励起を用いた電磁石を含む。変位センサは、基準位置に対するロータの位置の変化に感応する。変位センサは、光学型、静電容量型、渦電流型または誘導型とすることができる。

【0003】

誘導性位置センサは、ステータに固定され、ロータと一体の基準リングまたは「ターゲット」と協働する、可変ギャップを有する誘導性素子の組を含む。基準リングは、従来から、磁気シートで構成されるかまたはフェライトから作製されたリングを含む。製造欠陥および構築公差により誘導性センサ素子の性能が限定されるため、基準リングは、細心の注意を払って製造されなくてはならない。

【0004】

磁気軸受用途で使用されるブリッジ型の誘導性位置センサは、従来から、アナログ電子回路を用いて実施された位相感応（同期）復調回路を用いる。同期復調回路の性能を最適化するために、基準波形の位相は、ロータが中央位置から変位されるとき、センサからの出力信号の位相に整合するように調節されるべきである。アナログ同期復調回路を用いる場合、この移相は、従来から、システムが最終設置状態にあるときに、設置されたフィールドケーブルと整合されるＲＣフィルタネットワークを用いて実行される。

【0005】

磁気軸受システムの自動化された遠隔コミッショニングに向けた動きにより、コントローラ回路部内のこのタイプの調節は不都合であり、復調回路の位相を遠隔でまたは自動的に最適化する方法が望ましい。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

したがって、磁気軸受と共に使用するための改善された信号調整回路が望ましい。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、誘導性検出回路であって、駆動信号を生成するように構成された信号発生器と、１つまたは複数の検出配置であって、１つまたは複数の検出配置の各々は、ハーフブリッジ配置で構成された１つまたは複数の誘導性検出素子の２つの組であって、この１つまたは複数の誘導性検出素子の２つの組は駆動信号によって駆動される、１つまたは複数の誘導性検出素子の２つの組と、補正信号を生成するように構成された補正信号回路であって、補正信号は、駆動信号の調節可能にスケーリングされたバージョンである、補正信号回路と、１つまたは複数の誘導性検出素子の２つの組の出力信号を補正信号と加算するように構成された加算回路とを備える、１つまたは複数の検出配置と、１つまたは複数の検出配置の各々の加算回路の出力を復調するように構成された復調回路とを備える、誘導性検出回路を提供する。

【0008】

本発明はまた、１つまたは複数の誘導性センサ素子の２つの組の出力信号を補正するための方法であって、方法は、駆動信号を生成することと、駆動信号を適用することによって、１つまたは複数の誘導性センサ素子の２つの組を駆動することと、補正信号を生成することであって、補正信号は、駆動信号の調節可能にスケーリングされたコピーであることと、１つまたは複数の誘導性センサ素子の２つの組の出力信号を補正信号と加算することと、加算された信号を復調することとを含む、方法を提供する。

【0009】

本発明はまた、本明細書において開示される誘導性検出回路を備える能動型磁気軸受を提供する。

【0010】

本発明の更なる詳細、態様および実施形態は、図面を参照して単なる例として説明される。図面において、類似の参照符号が、同様の、または機能的に似た要素を識別するのに用いられる。図面における要素は、単純かつ明確にするために示され、必ずしも縮尺どおりに描かれていない。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】典型的な径方向の誘導性位置センサ配置のハイレベル・ブロック図である。

【0012】

【図2】誘導性位置センサ素子配置の典型的なデジタル実装のブロック図である。

【0013】

【図3】理想的なシステムについて、ロータが１つの運動軸において、一方の側でタッチダウン軸受に接触する状態から、機械的中心位置を通って、他方の側でタッチダウン軸受に接触する状態に横断する際に、誘導性センサ素子の対向する対によって形成されるハーフブリッジの出力信号の例を示す図である。

【0014】

【図4】センサ素子の電気的または機械的中心を、タッチダウン軸受の機械的中心からオフセットさせる、構築公差の結果として生じるオフセット波形の例を示す図である。

【0015】

【図5】能動型磁気軸受システム内で用いられる径方向の誘導性位置センサのための典型的な配列を示す図である。

【0016】

【図6】能動型磁気軸受システム内で用いられる軸方向の誘導性位置センサのための典型的な配列を示す図である。

【0017】

【図7】能動型磁気軸受システム内で用いられる軸方向の誘導性位置センサのための基準リングとしてディスクを用いる典型的な配列を示す図である。

【0018】

【図8】本開示の実施形態による、誘導性位置センサ配置のための改善されたセンサ設計を示す図である。

【0019】

【図9】改善されたセンサ設計を用いて得られた図４等における未加工センサ信号から導出された例示的な補正波形を、補正波形の同相成分と共に示す図である。

【0020】

【図10】誘導性センサ配置からの出力信号を調整するための方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本明細書に開示される本発明の実施形態は、基準リングまたは誘導性センサ素子の製造公差からの誤差に耐性があるのみでなく、対向する誘導性検出素子のインピーダンスの不一致にも耐性がある誘導性位置検出装置および方法を提供する。

【0022】

以下の開示全体を通じて、「誘導性センサ素子」に言及する。各誘導性センサ素子は、単一の誘導性センサ素子でなくてもよく、代わりに、直列構成の１つまたは複数の誘導性センサ素子であってもよいことを理解されたい。

【0023】

図１は、典型的な径方向の誘導性位置センサ配置の概略ブロック図を示す。通常、信号の「同相」成分の同期復調を用いて、センサ出力から雑音および／または干渉信号を除去する。図１は、ロータ１０２の外周の周りに配置された複数の誘導性センサ素子１３２ａ、１３２ｂ、１３４ａおよび１３４ｂを示す。誘導性センサ素子１３２ａおよび１３２ｂは第１の対を形成する。誘導性センサ素子１３４ａおよび１３４ｂは第２の対を形成する。誘導性センサ素子１３２ａおよび１３２ｂの第１の対は、周方向に、ロータ１０２の回転軸に対して互いに正反対に配置される。同様に、誘導性センサ素子１３４ａおよび１３４ｂの第２の対は、周方向に、ロータ１０２の回転軸に対して互いに正反対に配置される。信号発生器１１０は、正弦波駆動信号１１２を生成するように構成される。いくつかの実施形態では、駆動信号は、非正弦波である場合があり、例えば、方形波であり得る。信号発生器１１０は、平衡電圧駆動部１２０に作動的に結合される。また、信号発生器１１０は、第１のおよび第２の同期復調回路部１５２および１５４に同期信号を提供する。この同期信号は、第１のおよび第２の同期復調回路部１５２および１５４において同期復調を行うのに用いられる畳み込みアルゴリズムへの１つの入力を提供することができる。

【0024】

誘導性センサ素子１３２ａおよび１３２ｂは第１の対は、第１のハーフブリッジ配置で接続される。誘導性センサ素子１３４ａおよび１３４ｂの第２の対は、第２のハーフブリッジ配置で接続される。平衡電圧駆動部１２０の第１の出力１２２は、第１および第２のハーフブリッジ配置の各々の第１の入力に結合される。平衡電圧駆動部１２０の第２の出力１２４は、第１および第２のハーフブリッジ配置の各々の第２の入力に結合される。任意選択で、平衡電圧駆動部１２０は、信号発生器１１０からの正弦波駆動信号１１２を増幅させるように構成された回路部を含むことができる。本明細書における例および実施形態は平衡電圧駆動部１２０の使用を参照するが、いくつかの代替的な実施形態において、代わりに、シングルエンド電圧駆動部が用いられてもよいことを理解されたい。第１のハーフブリッジ配置からの出力１４２は、第１のオプションの信号調整回路部１８０の第１の入力に作動的に結合される。第１のオプションの信号調整回路部１８０の第１の出力１４２’は、第２の同期復調回路部１５４の第１の入力に結合される。第２のハーフブリッジ配置からの出力１４４は、第１のオプションの信号調整回路部１８０の第２の入力に作動的に結合される。第１のオプションの信号調整回路部１８０の第２の出力１４４’は、第２の同期復調回路部１５４の第２の入力に結合される。第２の同期復調回路部１５４は、第１の（１３２ａ、１３２ｂ）および第２の（１３４ａ、１３４ｂ）ハーフブリッジ誘導性センサ素子配置またはオプションの信号調整回路部１８０の出力１４２’および１４４’の各々から、雑音および／または干渉信号を除去し、それぞれのセンサ出力（すなわち、特定の軸に沿ったロータ１０２の位置を示す信号）のみが残るようにするように構成される。

【0025】

素子１５８は、平衡電圧駆動部１２０の出力１２２および１２４（一方または双方）のコピーを、シングルエンド信号１５９に変換する。素子１５８からのシングルエンド信号１５９は、第２のオプションの信号調整回路部１８１の入力に作動的に結合される。第２のオプションの信号調整回路部１８１の出力１５９’は、第１の同期復調回路部１５２の入力に結合される。第１の同期復調回路部１５２は、シングルエンド信号１５９から雑音および／または干渉信号を除去するように構成される。第２の同期復調回路部１５４の第１および第２の出力１６２および１６４は、レシオメトリックブロック１５６の第１および第２の入力に作動的に結合される。第１の同期復調回路部１５２の出力１６６は、レシオメトリックブロック１５６の第３の入力に作動的に結合される。図１では、第１および第２の同期復調回路部１５２および１５４が別個のブロックとして示されているが、これらは、単一の回路として、または２つ以上の別個の回路として実施されてもよい。同様に、第１および第２のオプションの信号調整回路部１８０および１８１は、単一の回路または複数の独立回路として実施されてもよい。レシオメトリックブロック１５６は、センサ信号１６２および１６４を、能動型磁気軸受のアクチュエータおよび／または電磁石を制御する際に用いるための意味のある出力信号に変換するように構成される。信号１６６は、平衡電圧駆動部１２０の出力における変動によって生じる任意の影響を排除するために信号１６２および１６４を変換する際の基準信号として用いられる。同期復調は、アナログ実装またはデジタル実装のいずれを用いても行うことができる。

【0026】

いくつかの例において、誘導性センサ素子１３２ａ、１３２ｂ、１３４ａおよび１３４ｂは、ロータ１０２の外周の周りで等間隔に離間することができる（すなわち、誘導性センサ素子１３２ａ、１３２ｂ、１３４ａおよび１３４ｂの各々の間が９０°）。いくつかの実施形態では、誘導性センサ素子１３２ａ、１３２ｂ、１３４ａおよび１３４ｂ間の間隔は等しくない場合がある。しかしながら、誘導性センサ素子１３２ａおよび１３２ｂは依然として正反対にあることができ、誘導性センサ素子１３４ａおよび１３４ｂは依然として正反対にあることができる。

【0027】

図２は、誘導性位置センサ素子出力信号の同期復調のデジタル実装と共に使用するための典型的なセンサ設計を示す。図２の回路は、ボックス１７０内の図１の素子の実装を提供する。図２は、要求される周波数の正弦波駆動信号１１２を生成するのに用いられる信号発生器１１０を示す。図２の実施形態において、信号発生器１１０は、信号をデジタルで生成するが、代替的な実施形態は、代わりに、アナログ信号生成段を用いてもよい。信号発生器１１０は、デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）２１２に作動的に結合される。デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）２１２の出力は、交流（ＡＣ）結合２１４に作動的に結合される。ＡＣ結合２１４は、正弦波駆動信号１１２の任意の直流（ＤＣ）成分を排除するように構成される。ＡＣ結合２１４は、例えば、適切な大きさのコンデンサとすることができる。ＡＣ結合２１４の出力は、電力増幅器２１６に作動的に結合される。電力増幅器２１６は、平衡電圧駆動部１２０に結合される。図２の実施形態において、平衡電圧駆動部１２０は、複数の二次巻線を有する変換器を用いて実施されるが、他の実施形態では、平衡電圧駆動部を実施する代替的な手段が用いられてもよい。平衡電圧駆動部１２０からの基準信号は、レシオメトリックブロック１５６のレシオメトリック機能を実行するための基準信号を提供するために、増幅器２４０に結合される。平衡電圧駆動部１２０の第１の出力１２２は、第１の（１３２ａ、１３２ｂ）および第２の（１３４ａ、１３４ｂ）ハーフブリッジ誘導性センサ素子配置の各々の第１の入力に結合される。平衡電圧駆動部１２０の第２の出力１２４は、第１の（１３２ａ、１３２ｂ）および第２の（１３４ａ、１３４ｂ）ハーフブリッジ誘導性センサ素子配置の各々の第２の入力に結合される。誘導性センサ素子１３２ａ、１３２ｂの第１の対からの検出信号１４２は、増幅器２４２に結合される。誘導性センサ素子１３４ａ、１３４ｂの第２の対からの検出信号１４４は、増幅器２４４に結合される。いくつかの実施形態では、増幅器段２４０、２４２および２４４は、調節可能な利得を有することができる。増幅器段２４０、２４２および２４４のそれぞれの出力２４１、２４３および２４５は、各々、１つまたは複数のアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）２５０の入力に結合される。アナログ／デジタル変換器２５０は、アナログ信号２４１、２４３および２４５を、それぞれ、デジタル信号１５９’、１４２’および１４４’に変換するように構成される。アナログ／デジタル変換器２５０の出力１５９’は、図１の第１の同期復調回路部１５２の入力に結合される。アナログ／デジタル変換器２５０の出力１４２’および１４４’は、図１の第２の同期復調回路部１５４の第１および第２の出力に結合される。増幅器段２４０、２４２および２４４ならびにアナログ／デジタル変換器２５０は、図１の信号調整要素１８０および１８１に対応することができる。第１および第２の同期復調回路部１５２および１５４は、図１と同じ方式でレシオメトリックブロック１５６に結合される。図２の実施形態において、同期復調回路部１５２および１５４、ならびに／またはレシオメトリックブロック１５６はデジタルで実施される。

【0028】

同期復調回路部１５２および１５４のいくつかのデジタル実装、ならびにレシオメトリックブロック１５６は、同期復調を行うために用いられる移相および乗算機能を扱うためのフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または他の制御ロジックと、レシオメトリック機能を扱うためのデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）または他の制御処理とを組み合わせることができる。また、ＤＳＰを用いて、能動型磁気軸受サーボ制御機能を行うことができる。いくつかの実施形態では、出力信号のデジタル同期復調は、要求される周波数で正弦波駆動信号１１２を構築するのに用いられるプログラム可能な信号発生器１１０を含むことができる。正弦波駆動信号１１２に加えて、信号発生器１１０は、第１および第２の同期復調回路部１５２および１５４、ならびに／またはレシオメトリックブロック１５６によって使用するための同期パルスを出力するように構成することができる。信号発生器１１０は、データ通信も担当することができる監督ＦＰＧＡもしくは他の制御ロジック、および／またはアクチュエータ素子もしくは電磁素子を含むことができる能動型磁気軸受制御システム全体の優先順位付けを制御する監督ステートマシンもしくは他の制御ロジックの制御下におくことができる。所与の設備において使用するための各能動型磁気軸受は、独自の制御ロジックおよび／もしくは処理を有することができるか、または制御ロジックおよび／もしくは処理は所与の設備において複数の能動型磁気軸受間で共有することができる。

【0029】

本開示による能動型磁気軸受システムによってサポートされるロータ１０２の動きは、通常、機械的「タッチダウン軸受」（ロータ１０２の各端部に１つ）によって制約される場合がある。これらは、一般的には、空隙を有して動作可能であるが、ロータが適所を外れて移動すると、ロータはタッチダウン軸受に接触する場合がある。能動型磁気軸受システムは、一般的には、センサ空隙の機械的中心またはアクチュエータの空隙の機械的中心ではなく、タッチダウン軸受空隙の機械的中心によって定義される「中心」位置を用いて構成される。

【0030】

図３は、理想的なシステムについて、（例えば、図１または図２の信号発生器１１０によって生成される正弦波駆動信号１１２とすることができる）正弦波駆動信号波形３１０と、ロータ１０２が（１つの運動軸において）一方の側でタッチダウン軸受に接触する状態（波形３２０）から、機械的中心位置を通って（波形３２４）、反対側でタッチダウン軸受に接触する状態（波形３２２）に横断する際の、ハーフブリッジ誘導性センサ素子配置（例えば、ハーフブリッジ誘導性センサ素子配置１３２ａ、１３２ｂ、またはハーフブリッジ誘導性センサ素子配置１３４ａ、１３４ｂとすることができる）の理想的な出力信号とを示す。

【0031】

アナログ／デジタル変換器２５０における入力利得は、（一方の側でタッチダウン軸受に接触する状態と、他方の側でタッチダウン軸受に接触する状態との間の）許容可能な運動範囲についての利用可能なアナログ／デジタル変換器２５０の入力範囲の使用を最適化するように設定することができる。これは、信号対雑音比を最大にし、量子化雑音（すなわち、ＡＤＣ２５０への信号入力の実際のアナログ値と、入力信号に関連付けられたサンプリングされた出力値との間の誤差によって生じる雑音）の影響を最小限にするために行われる。同様の入力範囲の検討が、同調復調回路およびレシオメトリックブロックのアナログ実装に当てはまる。

【0032】

しかしながら、構築公差に起因して、ハーフブリッジ誘導性センサ素子配置の機械的中心は、タッチダウン軸受の機械的中心からオフセットされる場合がある（すなわち、ハーフブリッジ誘導性センサ素子配置の機械的中心と、タッチダウン軸受の機械的中心との間の不整合）。この場合、ロータ１０２が（１つの運動軸において）一方の側でタッチダウン軸受に接触する状態（波形４２０）から、タッチダウン軸受の機械的中心位置を通って（波形４２４）、反対側でタッチダウン軸受に接触する状態（波形４２２）に横断する際の、センサの出力信号は、例えば図４に示す通りとなり得る。

【0033】

更に、誘導性センサ素子の構造的公差および材料公差に起因して、誘導性センサ素子は、必ずしも完全に整合されていない場合があり、結果として、ハーフブリッジ誘導性センサ素子配置からのヌル（最小）出力が、ハーフブリッジ配置の機械的中心からオフセットされることになる。このヌルは、ハーフブリッジ誘導性センサ素子配置の電気的中心と呼ばれる。

【0034】

図４の特定の事例において、アナログ／デジタル変換器２５０のための入力利得は、ロータ１０２が横断するときに観測される最も大きな信号（例えば、図４における振幅３Ａを有し、ここでＡは、信号の振幅を表す任意の値である）がアナログ／デジタル変換器２５０（または、同調復調がアナログ成分を用いて実施される場合、アナログ回路のフロントエンド）によって正しくサンプリングすることができるように設定することができる。図４に示す特定の事例において、この影響は、同期復調回路１５２、１５４（またはアナログ／デジタル変換器２５０）の入力における感度が１／３だけ低減することであり、信号対雑音比がこれに対応して減少する。

【0035】

図５は、図１のように能動型磁気軸受システム内で用いられる径方向の誘導性センサ配置の典型的構造の例を示す。図５は、積層された基準リング５１０を有するロータ軸５０２を示す。誘導性センサ素子Ｒ１＋は、積層されたコア５２０ならびにコイル５２２および５２４を有する。誘導性センサ素子Ｒ２＋は、積層されたコア５３０ならびにコイル５３２および５３４を有する。誘導性センサ素子Ｒ１－は、積層されたコア５４０ならびにコイル５４２および５４４を有する。誘導性センサ素子Ｒ２－は、積層されたコア５５０ならびにコイル５５２および５５４を有する。誘導性センサ素子Ｒ１＋は、誘導性センサ素子Ｒ１－の正反対に配置される。誘導性センサ素子Ｒ２＋は、誘導性センサ素子Ｒ２－の正反対に配置される。誘導性センサ素子Ｒ１＋およびＲ１－は、第１のハーフブリッジ配置において電気的に接続される。誘導性センサ素子Ｒ２＋およびＲ２－は、第２のハーフブリッジ配置において電気的に接続される。図５は、能動型磁気軸受システムのアクチュエータ部またはタッチダウン軸受のいずれも示しておらず、単に、センサ素子の１つの例示的な配置を示す役割を果たす。

【0036】

図６は、ロータ軸に沿ってロータの位置を検出するのに用いることができる、能動型磁気軸受システム内で用いられる軸方向の誘導性スリップセンサ配置の典型的構造の例を示す。図５の径方向のセンサ配置について、軸方向の配置において、誘導性センサは、対向する誘導性センサ素子の対から形成され、各々が、ハーフブリッジ配置を形成するように配線され、ロータの軸に沿って配置される。図６は、積層された基準リング６１０を有するコアシャフトまたはロータ６０２を示す。積層された基準リング６１０は、非能動型機械支持部６１２および６１４によってサポートすることができ、これらは非磁気材料から構築することができる。非能動型機械支持部６１２および６１４は、積層された基準リング６１０の積層を圧縮された状態に保持する役割を果たすことができる。非能動型機械支持部６１２および６１４は、積層された基準リング６１０の磁気材料と、非能動型機械支持部６１２および６１４との間の境界も提供することができる。誘導性検出素子６２０および６４０（代替的に、軸センサリングと呼ばれる場合もある）は、合わせて、ハーフブリッジ配置の１つの素子を形成する。検出素子６３０および６５０は、合わせて、ハーフブリッジ配置の他の素子を形成する。図６は、能動型磁気軸受システムのアクチュエータ部またはタッチダウン軸受のうちのいずれも示しておらず、単に、センサ素子の１つの例示的な配置を示す役割を果たす。

【0037】

図７は、ディスクをターゲットとして用いた軸方向の誘導性センサ配置の典型的な構造の代替的な例を示す。図７は、ソリッドフェライトディスクまたは積層された基準リング７１０を有するロータ７０２を示す。誘導性検出素子７２０および７４０は、合わせて、ハーフブリッジ配置の一方の素子を形成する。誘導性検出素子７３０および７５０は、ハーフブリッジ配置の他方の素子を形成する。図７は、能動型磁気軸受システムのアクチュエータ部またはタッチダウン軸受のうちのいずれも示しておらず、単に、センサ素子の１つの例示的な配置を示す役割を果たす。

【0038】

本明細書に開示される改善された信号調整回路により、ハーフブリッジ誘導性センサ素子配置（１３２ａ、１３２ｂ；１３４ａ、１３４ｂ）によって出力される信号に対し、駆動回路内で用いられる正弦波駆動信号の制御された量が加算されることになる。加算される信号は、制御された振幅を有し、特定の軸に対するものであり、特定のハーフブリッジセンサ素子配置に必要な補正に依拠して正または負の位相のいずれかを有することができる。

【0039】

図８は、本開示の実施形態による改善されたセンサおよび信号調整回路設計の概略図を示す。図８の改善された信号調整回路は、図２の信号調整回路の改善されたバージョンである。したがって、同じ参照符号を用いて、図２に示すものと同じ要素を示す。図８は、要求される周波数で正弦波駆動信号を生成するのに用いられる信号発生器１１０を示す。信号発生器１１０は、駆動信号１１２のコピーを供給するための接続８１１によって、負の利得回路部８２０（代替的に、単位利得を有する場合も有しない場合もある反転増幅器と呼ばれる場合もある）に、ならびに第１および第２の補正信号調節手段８３２および８３４（ここで、補正信号調節手段８３２および８３４は、例えばポテンショメータとすることができる）の各々の第１の入力に結合される。負の利得回路部８２０は、反転された極性を有する駆動信号１１２のコピーを生成するように構成される。負の利得回路部８２０の出力は、接続８２１によって、第１および第２の補正信号調節ポテンショメータ８３２および８３４の各々の第２の入力に結合される。第１および第２の補正信号調節ポテンショメータ８３２および８３４は各々、８１１および８２１における信号の振幅および／または極性を調整することによって、第１および第２の補正信号をスケーリングするように動作可能である。第１の補正信号調節ポテンショメータ８３２の第１の補正信号出力８３３は、加算ブロック８４２において、誘導性センサ素子１３２ａ、１３２ｂの第１の対からの検出信号１４２と加算される。同様に、第２の補正信号調節ポテンショメータ８３４の第２の補正信号出力８３５は、加算ブロック８４４において、誘導性センサ素子１３４ａ、１３４ｂの第２の対からの検出信号１４４と加算される。加算ブロック８４２および８４４の出力８４３および８４５はそれぞれ、増幅器段２４２および２４４それぞれによって増幅される。図２におけるように、増幅器段２４０、２４２および２４４の出力２４１、２４３および２４５はそれぞれ、１つまたは複数のアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）２５０の入力に結合される。ブロック８０１内の要素は、集合的に、信号補正回路部８０１と呼ばれる場合がある。

【0040】

任意選択で、第１および第２の補正信号８３３および８３５は、第１および第２の補正信号８３３および８３５におけるグランド雑音の影響を低減するために、変換器８１０または他のそのような分離手段の使用により信号発生器１１０から分離することができる。いくつかの実施形態では、別個の分離手段を補正信号８３３および８３５の各々に用いることができる。

【0041】

図８において、第１および第２の補正信号８３３および８３５のスケーリングは、第１および第２の補正信号調節ポテンショメータ８３２および８３４によって制御されるものとして示されるが、補正信号のスケーリングは、代替的に、ポテンショメータ、デジタル制御されたポテンショメータ、選択された固定レジスタ等を含む広範な技法を用いて実施されてもよい。これらの技法は、非限定的な例のみであることが意図される。

【0042】

図８の実施形態は、能動型磁気軸受の２軸検出のための、誘導性センサ素子配置および信号調整回路を提供する。代替的な実施形態は、１つまたは複数の検出軸のためのセンサ素子配置および信号調整回路を提供してもよい。

【0043】

（理想的な回路の場合、）補正信号を適用する効果は、ロータがタッチダウン軸受の機械的中心にあるときに、結果として得られる信号振幅をゼロにし、図３に示す理想的な波形のように、２つの極端な位置において類似の振幅（ただし、２つの極端な位置について反対の位相を有する）を達成することである。

【0044】

いくつかの実施形態では、１つまたは複数のアナログ／デジタル変換器２５０の入力における増幅器段２４２および２４４は、図２に関して上述したように、アナログ／デジタル変換器２５０（または、アナログ実装の場合は、アナログ同期復調回路部）の入力範囲に対する信号増幅器の更なる最適化を容易にするように調整可能であり得る。

【0045】

実際には、インダクタンスの不整合、容量性ケーブルの効果および抵抗に起因して、機械的中心位置における補正された出力信号は、非ゼロ直交信号となる場合があるが、同期して復調されると、これは所望のゼロ同相信号を与える。図９Ｂは、機械的中心位置における信号（波形９２４）が非ゼロ直交信号である補正された出力信号の例を示し、ここで、波形９２０は、ロータ１０２の正の最大変位の場合の信号を示し、波形９２２は、ロータ１０２の負の最大変位の場合の信号を示す。機械的中心位置にあるときの不完全な直交信号は、本明細書において開示される改善された信号調整回路によって達成される信号対雑音比の改善に影響を及ぼさない。図９Ｃは、補正波形の同相成分（９３０、９３２、９３４）を示す。ここで、波形９３０は、ロータ１０２の正の最大変位の場合の信号を示し、波形９３２は、ロータ１０２の負の最大変位の場合の信号を示し、波形９３４は、機械的中心位置にあるロータ１０２の信号を示す。

【0046】

図１０は、誘導性センサ素子の対の出力信号を調節するための例示的な方法１０００を示す。ブロック１０１０において、駆動信号が生成される。いくつかの例では、これは、図１の信号発生器１１０等の信号発生器によって実行することができる。いくつかの例では、駆動信号は図１の正弦波駆動信号１１２とすることができる。ブロック１０２０において、駆動信号は、誘導性センサ素子の対を駆動するのに用いられる。いくつかの例では、誘導性センサ素子の対は、ハーフブリッジ配置で接続することができる。誘導性センサ素子の対は、図１の誘導性センサ素子配置１３２ａ、１３２ｂまたは誘導性センサ素子配置１３４ａ、１３４ｂと同じとすることができる。ブロック１０３０において、駆動信号の調節可能にスケーリングされたコピーが生成される。いくつかの例では、駆動信号の調節可能にスケーリングされたコピーは、分離手段を介して駆動信号から分離される。いくつかの例では、分離手段は、１つまたは複数の分離変換器とすることができる。いくつかの例では、駆動信号のスケーリングされたコピーは、ポテンショメータ、デジタル制御されたポテンショメータ、または選択された固定のレジスタのうちの１つまたは複数を介して調整される。ブロック１０４０において、誘導性センサ素子の対の出力信号は、駆動信号の調節可能にスケーリングされたコピーと加算される。ブロック１０５０において、加算された信号は、デジタル信号に変換される。いくつかの例では、加算された信号は、図２または図５のアナログ／デジタル変換器２５０等の１つまたは複数のアナログ／デジタル変換器を用いて変換される。

【0047】

本明細書に開示される改善された信号調整回路の利点は、改善された信号調整回路により、依然として最適な信号対雑音比を維持しながら、タッチダウン軸受間の同心性に対し、より緩い公差が可能となることである。改善された信号調整回路は、各ハーフブリッジ配置を形成する対向する誘導性センサ素子におけるインピーダンスの不整合も許容する。

【0048】

本明細書に開示される改善された信号調整回路は、能動型磁気軸受システムにおいて用いられる径方向および軸方向双方のセンサ配置に適用可能である。

【0049】

軸方向の軸受の場合、改善された信号調整回路の使用により、軸方向におけるハーフブリッジ誘導性センサ配置の電気的中心を軸方向におけるタッチダウン軸受の機械的中心と位置合わせするのに一般的に用いられる機械的シムの必要性を低減することができる。

【0050】

典型的な能動型磁気軸受の場合、典型的には、能動型磁気軸受システムの各軸に１つの信号調整回路が存在する。

【0051】

本明細書における教示は、誘導性位置検出素子を参照して提示される。教示は、渦電流位置検出素子に等しく適用可能であることが理解されるべきである。渦電流センサ素子を実施するいくつかの実施形態では、基準リングは、固体の伝導性材料から構築することができる。渦電流センサ素子を用いるいくつかの実施形態では、正弦波駆動信号の周波数は、誘導性位置検出素子を用いた実装よりも高くすることができる。

【0052】

本開示においていくつかの実施形態が提供されたが、開示されるシステムおよび方法は、本開示の範囲から逸脱することなく、多くの他の特定の形態で実現されてもよいことが理解されるべきである。本例は、限定的ではなく例示とみなされるべきであり、本明細書に与えられる詳細に限定されないことが意図される。例えば、様々な素子または構成要素は組み合わされるかもしくは別のシステムに統合されてもよく、またはいくつかの特徴は省かれるかもしくは実施されなくてもよい。

【0053】

また、様々な実施形態において離散したまたは別個のものとして説明され例示された技法、システム、サブシステムおよび方法は、本開示の範囲から逸脱することなく、他のシステム、モジュール、技法または方法と組み合わされるかまたは統合されてもよい。互いに結合されるかまたは直接結合されるかまたは通信するものとして示されるかまたは論考された他のアイテムは、何らかのインタフェース、デバイス、または中間構成要素を通じて、電気的に、機械的に、または他の形のいずれであろうと、間接的に結合されるかまたは通信してもよい。変更、置換および変形の他の例は、当業者には解明可能であり、本明細書に開示される範囲から逸脱することなく作成することができる。

【0054】

本発明の例は、誘導性検出回路であって、駆動信号を生成するように構成された信号発生器と、１つまたは複数の検出配置であって、１つまたは複数の検出配置の各々は、ハーフブリッジ配置で構成された１つまたは複数の誘導性検出素子の２つの組であって、この１つまたは複数の誘導性検出素子の２つの組は駆動信号によって駆動される、１つまたは複数の誘導性検出素子の２つの組と、補正信号を生成するように構成された補正信号回路であって、補正信号は、駆動信号の調節可能にスケーリングされたバージョンである、補正信号回路と、１つまたは複数の誘導性検出素子の２つの組の出力信号を補正信号と加算するように構成された加算回路とを備える、１つまたは複数の検出配置と、１つまたは複数の検出配置の各々の加算回路の出力を復調するように構成された復調回路とを備える、誘導性検出回路を提供する。

【0055】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例において、復調回路は、１つまたは複数の検出配置の各々の加算回路の出力を対応するデジタル出力信号に変換するように構成されたアナログ／デジタル変換器を備える。

【0056】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例において、１つまたは複数の検出配置の各々は、補正信号のスケーリングを調整するように構成された信号調節手段を更に備える。

【0057】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例において、信号調節手段はポテンショメータである。

【0058】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例において、１つまたは複数の検出配置のうちの第１の検出配置の誘導性検出素子の２つの組は、ロータの外周の周りに配置される。

【0059】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例において、１つまたは複数の検出配置のうちの第１の検出配置の誘導性検出素子の２つの組は、ロータの軸に沿って配置される。ロータの軸に沿って配置された誘導性検出素子の２つの組は、ロータの回転軸に沿って配置されてもよく、またはロータの外周の周りでロータの回転軸に対し直交する角度で配置されてもよい。いくつかの例では、第１の検出配置の誘導性検出素子の２つの組は、第１の検出配置の誘導性検出素子の２つの組に対し、ロータの外周の周りで或る角度を成して位置決めされた第２の検出配置の誘導性検出素子の２つの組と組み合わせて、第３の検出配置の誘導性検出素子の２つの組の実際の位置角に直交する仮想位置角を生成することができる。

【0060】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例において、１つまたは複数の検出配置の各々は、加算回路の出力と復調回路との間に結合された増幅器回路を更に備える。

【0061】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例は、１つまたは複数の検出配置の各々の補正信号回路から信号発生器を分離するための変換器を更に備える。

【0062】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例において、駆動信号は正弦波信号である。いくつかの例では、駆動信号は、代わりに方形波信号とすることができる。正弦波駆動信号は、誘導性センサ素子を駆動するための「よりクリーンな」信号を提供するという利点を与えることができる。正弦波駆動信号は、方形波駆動信号と比較して、高調波に起因した望ましくない影響をより引き起こさないという利点を与えることができる。

【0063】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例において、駆動信号はデジタルで生成される。

【0064】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例は、信号発生器の出力に結合されたデジタル／アナログ変換器を更に備える。

【0065】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例は、駆動信号のＤＣ成分を除去するための手段を更に備える。

【0066】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例は、１つまたは複数の検出配置の各々の１つまたは複数の誘導性検出素子の２つの組を駆動するように構成された平衡電圧駆動部を更に備える。いくつかの例では、電圧駆動部は、代わりにシングルエンドであってもよい。

【0067】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例において、平衡電圧駆動部は、複数の二次巻線を有する変換器を備える。

【0068】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例において、復調回路は、アナログ／デジタル変換器の１つまたは複数の出力に結合された１つまたは複数の同期復調回路を更に備える。

【0069】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例において、１つまたは複数の同期復調回路は、アナログ／デジタル変換器の１つまたは複数の出力から雑音を除去するように構成される。

【0070】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例は、レシオメトリック機能を行うための手段を更に備える。

【0071】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例において、信号発生器は、同期復調回路のうちの１つまたは複数に同期信号を提供するように構成される。

【0072】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例において、誘導性センサ素子は渦電流センサ素子である。

【0073】

本発明の例は、本明細書における任意の例または実施形態の誘導性検出回路を備える能動型磁気軸受を提供する。

【0074】

例は、１つまたは複数の誘導性センサ素子の２つの組の出力信号を補正するための方法であって、方法は、駆動信号を生成することと、駆動信号を適用することによって、１つまたは複数の誘導性センサ素子の２つの組を駆動することと、補正信号を生成することであって、補正信号は、駆動信号の調節可能にスケーリングされたコピーであることと、１つまたは複数の誘導性センサ素子の２つの組の出力信号を補正信号と加算することと、加算された信号を復調することとを含む、方法を提供する。

【0075】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例において、加算された信号を復調することは、１つまたは複数の誘導性センサ素子の２つの組の加算された出力信号を、対応するデジタル出力信号に変換することを含む。

【0076】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例は、信号調節手段を介して補正信号のスケーリングを調節することを更に含む。

【0077】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例において、信号調節手段はポテンショメータである。

【0078】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例は、１つまたは複数の誘導性センサ素子の２つの組の加算された出力信号を増幅することを更に含む。

【0079】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例は、補正信号を生成する際に用いるために駆動信号のコピーを分離することを更に含む。

【0080】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例において、駆動信号は正弦波信号である。

【0081】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例において、駆動信号はデジタルで生成される。

【0082】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例は、デジタルで生成された駆動信号をアナログ駆動信号に変換することを更に含む。

【0083】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例は、駆動信号のＤＣ成分を除去することを更に含む。

【0084】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例において、加算された信号を復調することは、デジタル出力信号を同期して復調することを更に含む。

【0085】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例において、デジタル出力信号を同期して復調することは、デジタル出力信号から雑音を除去することを含む。

【0086】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例は、レシオメトリック機能を実行することを更に含む。

【0087】

いくつかの例または本明細書に開示される任意の他の実施形態もしくは例において、誘導性センサ素子は渦電流センサ素子である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】