JP2019152593A - 軸位置検出装置及び回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】アキシャル方向の検出感度を向上する。【解決手段】軸位置検出装置４０は、ラジアルターゲット５２と、ラジアルコア５１と、アキシャルターゲット６２と、アキシャルコア６１と、を備える。ラジアルターゲット５２は、第１の透磁率（ＲＴ）を有する材料により形成される。ラジアルコア５１は、第２の透磁率（ＲＣ）を有する材料により形成される。アキシャルターゲット６２は、第３の透磁率（ＡＴ）を有する材料により形成される。アキシャルコア６１は、第４の透磁率（ＡＣ）を有する材料により形成される。第３の透磁率（ＡＴ）は、第１の透磁率（ＲＴ）よりも大きい、及び／又は、第４の透磁率（ＡＣ）は、第２の透磁率（ＲＣ）よりも大きい。【選択図】図２

Description

本発明は、軸位置検出装置及び回転機械に関する。

特許文献１は、磁気軸受用位置センサを開示する。特許文献１の磁気軸受用位置センサは、センサコイルが設けられたステータと、ステータの内側に配置されたリング状のロータと、を備える。そして、磁気軸受用位置センサは、センサコイルのインダクタンスの変化を利用して、ラジアル方向及びスラスト方向の変位を計測する。

特開２００９−２４４１２４号公報

位置センサは、回転軸とセンサコイルとの相対的な位置関係に起因するインダクタンスの変化を利用する。例えば、回転軸に対するセンサコイルの相対的な位置が回転軸線に対して直交する方向（ラジアル方向）に沿って変化したとき、インダクタンスは変位量に反比例する。また、回転軸に対するセンサコイルの相対的な位置が回転軸線の方向（アキシャル方向）に沿って変化したとき、インダクタンスは変位量に比例する。そうすると、単位変位量あたりのインダクタンスの変化量は、ラジアル方向とアキシャル方向とで互いに異なる。さらに具体的には、単位変位量あたりのインダクタンスの変化量は、アキシャル方向がラジアル方向より小さい。単位変位量あたりのインダクタンスの変化量は、センサの検出感度に影響する。従って、アキシャル方向の検出感度は、ラジアル方向の検出感度より小さくなる傾向にある。

そこで、本発明は、アキシャル方向の検出感度を向上する軸位置検出装置及び回転機械を提供する。

本発明の一形態は、磁気軸受に対する回転軸の相対位置を得る軸位置検出装置であって、回転軸に設けられるラジアルターゲットと、ラジアルターゲットに対面するように、回転軸の円周方向に配置されるラジアルコアと、回転軸に設けられるアキシャルターゲットと、アキシャルターゲットと一部が対面するように、軸受の円周方向に配置されるアキシャルコアと、を備え、ラジアルターゲットは、第１の透磁率（ＲＴ）を有する材料により形成され、ラジアルコアは、第２の透磁率（ＲＣ）を有する材料により形成され、アキシャルターゲットは、第３の透磁率（ＡＴ）を有する材料により形成され、アキシャルコアは、第４の透磁率（ＡＣ）を有する材料により形成され、第３の透磁率（ＡＴ）は、第１の透磁率（ＲＴ）よりも大きい、及び／又は第４の透磁率（ＡＣ）は、第２の透磁率（ＲＣ）よりも大きい。

この軸位置検出装置は、ラジアル方向における軸位置を検出すると共にアキシャル方向における軸位置を検出する。この軸位置の検出は、ラジアルターゲットとラジアルコアとの相対的な位置関係と、アキシャルターゲットとアキシャルコアとの相対的な位置関係と、に基づくインダクタンスの変化を利用する。ここで、ラジアルターゲットとラジアルコアとの相対的な位置関係がインダクタンスに与える影響と、アキシャルターゲットとアキシャルコアとの相対的な位置関係がインダクタンスに与える影響と、は互いに異なる。具体的には、アキシャルターゲットとアキシャルコアとの相対的な位置関係に起因するインダクタンスの変化量は、ラジアルターゲットとラジアルコアとの相対的な位置関係に起因するインダクタンスの変化量より小さい。また、これらのインダクタンスは、ラジアルターゲット、ラジアルコア、アキシャルターゲット及びアキシャルコアの透磁率の影響を受ける。つまり、透磁率が高いほど相対的な位置変化に起因するインダクタンスの変化量が大きくなる。そこで、上記の軸位置検出装置では、第３の透磁率（ＡＴ）を第１の透磁率（ＲＴ）よりも大きくする、及び／又は、第４の透磁率（ＡＣ）を第２の透磁率（ＲＣ）よりも大きくする。この構成によれば、アキシャルターゲットとアキシャルコアとの相対的な位置関係に起因するインダクタンスの変化量を大きくし、ラジアルターゲットとラジアルコアとの相対的な位置関係に起因するインダクタンスの変化量に近づけることができる。従って、アキシャル方向の検出感度を向上することができる。

上記の形態において、第３の透磁率（ＡＴ）は、第１の透磁率（ＲＴ）よりも大きくてもよい（ＡＴ＞ＲＴ）。この構成によれば、アキシャルターゲットとアキシャルコアとの相対的な位置関係に起因するインダクタンスの変化量がさらに大きくなる。従って、アキシャル方向の検出感度をさらに向上することができる。

上記の形態において、第４の透磁率（ＡＣ）は、第２の透磁率（ＲＣ）よりも大きくてもよい（ＡＣ＞ＲＣ）。この構成によれば、アキシャルターゲットとアキシャルコアとの相対的な位置関係に起因するインダクタンスの変化量がさらに大きくなる。従って、アキシャル方向の検出感度をさらに向上することができる。

上記の形態において、第４の透磁率（ＡＣ）は、第２の透磁率（ＲＣ）以上であってもよい（ＡＣ≧ＲＣ）。この構成によれば、アキシャルターゲットとアキシャルコアとの相対的な位置関係に起因するインダクタンスの変化量がさらに大きくなる。従って、アキシャル方向の検出感度をより確実に向上することができる。

上記の形態において、第３の透磁率（ＡＴ）は、第１の透磁率（ＲＴ）以上であってもよい（ＡＴ≧ＲＴ）。この構成によれば、アキシャルターゲットとアキシャルコアとの相対的な位置関係に起因するインダクタンスの変化量がさらに大きくなる。従って、アキシャル方向の検出感度をより確実に向上することができる。

上記の形態において、第３の透磁率（ＡＴ）は、第１の透磁率（ＲＴ）よりも大きく（ＡＴ＞ＲＴ）、且つ、第４の透磁率（ＡＣ）は、第２の透磁率（ＲＣ）よりも大きくてもよい（ＡＣ＞ＲＣ）。この構成によれば、アキシャルターゲットとアキシャルコアとの相対的な位置関係に起因するインダクタンスの変化量がさらに大きくなる。従って、アキシャル方向の検出感度を確実に向上することができる。

本発明の別の形態である回転機械は、回転軸と、回転軸を回転軸線のまわりに回転可能に支持する磁気軸受と、上記の軸位置検出装置と、を備え、軸位置検出装置は、磁気軸受に対する回転軸のラジアル方向及びアキシャル方向の相対位置を得る。この回転機械は、上記の軸位置検出装置を備える。従って、アキシャル方向の検出感度を確実に向上することができる。従って、回転機械における回転軸の位置を精度良く制御できるので、回転機械の状態をより安定化することができる。

本発明によれば、アキシャル方向の検出感度を向上できる軸位置検出装置及び回転機械が提供される。

図１は、本開示に係る軸位置検出装置を備える回転機械の構成を示す概略図である。 図２は、軸位置検出装置の構成を拡大して示す斜視図である。 図３は、軸位置検出装置の構成を拡大して示す断面図である。 図４は、ラジアル検出部の検出原理を説明するための図である。 図５は、ラジアル検出部をモデル化した回路図である。 図６は、アキシャル検出部の検出原理を説明するための図である。 図７の（ａ）部及び図７の（ｂ）部は、アキシャル検出部の特性を説明するための図である。 図８の（ａ）部は変形例１に係る軸位置検出装置を示す図であり、図８の（ｂ）部は変形例２に係る軸位置検出装置を示す図であり、図８の（ｃ）部は変形例３に係る軸位置検出装置を示す図であり、図８の（ｄ）部は変形例４に係る軸位置検出装置を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、モータ１（回転機械）は、モータ部１０と、ラジアル磁気軸受２０（磁気軸受）と、アキシャル磁気軸受３０（磁気軸受）と、軸位置検出装置４０と、を備える。モータ部１０は、回転軸１１と、回転軸１１に取り付けられたロータ１２と、ロータ１２を囲むように設けられたステータ１３とを備える。回転軸１１は、ロータ１２とステータ１３との間で作用する磁気によって回転させられる。

ラジアル磁気軸受２０は、回転軸１１を回転可能に非接触で支持する。ラジアル磁気軸受２０は、コイルから発生させた磁力を用いる等、周知の手法によって回転軸１１のラジアル方向における支持位置を制御する。アキシャル磁気軸受３０は、回転軸１１のアキシャル方向の位置を非接触で制御する。アキシャル磁気軸受３０は、コイルから発生させた磁力を用いる等、周知の手法によって回転軸１１のアキシャル方向の位置を制御する。

軸位置検出装置４０は、回転軸１１のラジアル方向及びアキシャル方向の位置を検出する。軸位置検出装置４０は、回転軸１１の外周面を囲むように配置されたセンサ部４１と、センサ部４１に接続されてセンサ部４１の出力に基づいて回転軸１１のラジアル方向及びアキシャル方向の位置を検出する回路部４２とを備える。軸位置検出装置４０が２つ設けられ、ロータ１２を挟み込むようにして２つのセンサ部４１が設けられている。なお、軸位置検出装置４０が２つ設けられていることに限定されず、１つのみ設けられていてもよい。また、回転軸１１のラジアル方向及びアキシャル方向の位置を検出可能な軸位置検出装置４０と、回転軸１１のラジアル方向の位置のみを検出可能な軸位置検出装置とが設けられていてもよい。

以下、図２を参照しつつ、回転軸１１のラジアル方向及びアキシャル方向の位置を検出する軸位置検出装置４０の詳細について説明する。図２に示されるように、軸位置検出装置４０は、ラジアル方向の位置を検出するラジアルセンサ５０と、アキシャル方向の位置を検出するアキシャルセンサ６０と、を有する。

ラジアルセンサ５０は、ラジアルコア５１と、ラジアルターゲット５２と、を含む。ラジアルターゲット５２及びラジアルコア５１は、協働してラジアル磁気回路Ｃ（図５参照）を構成する。このラジアル磁気回路Ｃに流れる電流の変化を検出することにより、ラジアル方向への変位量を得る。ラジアル磁気回路Ｃに流れる電流は、ラジアル磁気回路Ｃのインダクタンスに起因する。インダクタンスは、ラジアルターゲット５２に対するラジアルコア５１の相対的な位置に起因する。

ラジアルターゲット５２は、回転軸１１と一体化された円筒形状の部品である。ラジアルターゲット５２は、その中心軸線が回転軸１１の回転軸線Ａと重複する。ラジアルターゲット５２の外径は、回転軸１１の外径と同じである。ラジアルターゲット５２の外周面は、ラジアルコア５１と対面するラジアルターゲット面５２ａである。ラジアルターゲット５２は、第１の透磁率（ＲＴ）を有する材料により形成される。例えば、ラジアルターゲット５２の材料として、炭素鋼を採用し得る。

ラジアルコア５１は、回転軸１１を囲む環状の部品である。ラジアルコア５１には、回転軸１１が通される。ラジアルコア５１は、ラジアルコイル５４を設置するためのコアとして機能する。ラジアルコア５１は、例えば、複数の鋼板の積層構造を有する。このような構造を有するラジアルコア５１は、第２の透磁率（ＲＣ）を有する。ラジアルコア５１は、回転軸１１が通される環状のラジアルコア本体５１ａと、ラジアルコア本体５１ａの内周面に設けられたティース５１ｂとを有する。ティース５１ｂは、ラジアルコア本体５１ａの内周面から、ラジアルコア本体５１ａに通された回転軸１１側に向かって延びる。ティース５１ｂのそれぞれには、ラジアルコイル５４が設けられる。ティース５１ｂは、ラジアルターゲット５２のラジアルターゲット面５２ａと対面するラジアルコア面５１ｃ（図３参照）を有する。

ここで、図３に示されるように、ラジアルコア面５１ｃは、ラジアルターゲット面５２ａから所定の距離だけ離間する。そして、ラジアルターゲット面５２ａの幅（回転軸線Ａに沿う長さ）は、ラジアルコア面５１ｃの幅よりも大きい。そして、ラジアルコア面５１ｃは、その全面がラジアルターゲット面５２ａと対面する。例えば、回転軸線Ａに沿ったラジアルコア５１の中心は、回転軸線Ａに沿ったラジアルターゲット５２の中心と一致する。

再び図２に示されるように、アキシャルセンサ６０は、スリップセンサとも呼ばれ、回転軸線Ａ側のターゲットに対してティースが部分的に重複するように配置される。この重複の大きさ（重なり長さ、又は、重なり面積）の増減に基づいて、アキシャル方向の変位を得る。スリップセンサによれば、ラジアルセンサ５０及びアキシャルセンサ６０の形状を共通化できる。そして、回転軸線Ａの方向に沿って並置することができるので、回転軸１１を含む構造体の長さを短くすることができる。

アキシャルセンサ６０は、アキシャルコア６１と、アキシャルターゲット６２と、を含む。アキシャルターゲット６２及びアキシャルコア６１は、協働してアキシャル磁気回路を構成する。このアキシャル磁気回路に流れる電流の変化を検出することにより、アキシャル方向への変位量を得る。

アキシャルターゲット６２は、ラジアルターゲット５２と略同じ形状をなす。一方、アキシャルターゲット６２は、ラジアルターゲット５２とは異なる材料により形成される。例えば、アキシャルターゲット６２の材料として、電磁鋼板を採用し得る。つまり、アキシャルターゲット６２は、第３の透磁率（ＡＴ）を有する材料により形成される。この第３の透磁率（ＡＴ）は、第１の透磁率（ＲＴ）及び第２の透磁率（ＲＣ）とは異なる値である。具体的には、第３の透磁率（ＡＴ）は、第１の透磁率（ＲＴ）及び第２の透磁率（ＲＣ）より大きい。

アキシャルコア６１は、ラジアルコア５１と略同じ構成をなす。つまり、アキシャルコア６１は、アキシャルコア本体６１ａと、アキシャルコイル６４と、を有する。そして、アキシャルコア本体６１ａは、複数のティース６１ｂを有し、当該ティース６１ｂにはそれぞれアキシャルコイル６４が設けられる。一方、アキシャルコア６１は、ラジアルターゲット５２とは異なる材料により形成される。例えば、アキシャルコア６１の材料として、電磁鋼板を採用し得る。つまり、アキシャルコア６１は、第４の透磁率（ＡＣ）を有する材料により形成される。この第４の透磁率（ＡＣ）は、第１の透磁率（ＲＴ）及び第２の透磁率（ＲＣ）とは異なる値である。具体的には、第４の透磁率（ＡＣ）は、第１の透磁率（ＲＴ）及び第２の透磁率（ＲＣ）より大きい。なお、第４の透磁率（ＡＣ）は、第３の透磁率（ＡＴ）と等しくてもよい。

ここで、再び図３に示されるように、アキシャルコア面６１ｃは、アキシャルターゲット面６２ａから所定の距離だけ離間する。そして、アキシャルターゲット面６２ａの幅（回転軸線Ａに沿う長さ）は、アキシャルコア面６１ｃの幅よりも大きい。一方、ラジアルセンサ５０とは異なり、アキシャルコア面６１ｃは、その一部分がアキシャルターゲット面６２ａと対面する。例えば、回転軸線Ａに沿ったアキシャルコア６１の中心は、回転軸線Ａに沿ったアキシャルターゲット６２の中心に対して回転軸線Ａの方向にずれている。換言すると、初期状態において、アキシャルコア面６１ｃは、アキシャルターゲット面６２ａに対面する部分と、回転軸１１の外周面に対面する部分と、を有する。

要するに、ラジアルセンサ５０及びアキシャルセンサ６０は、それらを構成する部品の形状は共通である。一方、ラジアルセンサ５０及びアキシャルセンサ６０は、それらを構成する材料の特性（透磁率）が異なる。さらに、ラジアルセンサ５０及びアキシャルセンサ６０は、コアとターゲットとの相対的な位置関係が互いに異なる。

次に、ラジアルセンサ５０及びアキシャルセンサ６０の原理について詳細に説明する。

＜ラジアルセンサ＞
図４は、ラジアルセンサ５０の構成要素を拡大して模式的に示す斜視図である。図４に示されるように、ラジアル磁気回路Ｃを形成するラジアル磁路Ｍは、ラジアルコア５１と、ラジアルターゲット５２と、第１エアギャップＡＧ_１と、第２エアギャップＡＧ_２と、第１コイル５４Ａと、第２コイル５４Ｂと、により構成される。

ラジアルコア５１は、いわゆるＣコアと呼ばれる一体の形状を呈し、一対のティース５６Ａ、５６Ｂと、ラジアルコア連結部５７と、を含む。ラジアルコア連結部５７は、ラジアルコア本体５１ａの一部分である。ティース５６Ａ、５６Ｂのそれぞれの基端は、ラジアルコア連結部５７に連結される。そして、ティース５６Ａ、５６Ｂのそれぞれの先端は、ラジアルターゲット５２に対面する。つまり、ティース５６Ａ、５６Ｂの先端面は、ラジアルコア面５１ｃである。そして、ティース５６Ａ、５６Ｂは、長さＬ_１を有し、ラジアルコア連結部５７は、長さＬ_２を有する。この長さＬ_１、Ｌ_２及び後述するＬ_３の合計は、ラジアルコア５１を通る磁路長であるとも言える。

ティース５６Ａと対面するラジアルターゲット面５２ａの一部領域と、ティース５６Ｂと対面するラジアルターゲット面５２ａの一部領域と、の間の長さは、ラジアルコア連結部５７の長さＬ_３と一致する。従って、ラジアル磁路Ｍを構成するラジアルターゲット５２の長さは、長さＬ_３である。

第１エアギャップＡＧ_１は、ティース５６Ａのラジアルコア面５１ｃとラジアルターゲット面５２ａとの間に形成される。従って、第１エアギャップＡＧ_１の長さＧ_Ｘは、ラジアルコア面５１ｃ又はラジアルターゲット面５２ａの法線方向における、ラジアルコア面５１ｃからラジアルターゲット面５２ａまでの長さである。第２エアギャップＡＧ_２は、ティース５６Ｂのラジアルコア面５１ｃとラジアルターゲット面５２ａとの間に形成される。従って、第２エアギャップＡＧ_２の長さＧ_Ｘは、ラジアルコア面５１ｃ又はラジアルターゲット面５２ａの法線方向における、ラジアルコア面５１ｃからラジアルターゲット面５２ａまでの長さである。その結果、第１エアギャップＡＧ_１の長さＧ_Ｘ及び第２エアギャップＡＧ_２の長さＧ_Ｘは、等しい。

図５は、ラジアル磁気回路Ｃをモデル化して示す回路図である。ラジアル磁気回路Ｃは、磁気抵抗Ｒ_Ｓ、Ｒ_Ｉ、Ｒ_Ｇ１、Ｒ_Ｇ２と、起電要素Ｓ_ＣＡ、Ｓ_ＣＢと、により構成される。磁気抵抗Ｒ_Ｓは、ラジアルコア５１に対応する。つまり、ティース５６Ａ、５６Ｂ及びラジアルコア連結部５７に対応する。磁気抵抗Ｒ_Ｉは、ラジアルターゲット５２に対応する。磁気抵抗Ｒ_Ｇ１は、第１エアギャップＡＧ_１に対応する。磁気抵抗Ｒ_Ｇ２は、第２エアギャップＡＧ_２に対応する。起電要素Ｓ_ＣＡは、第１コイル５４Ａに対応する。起電要素Ｓ_ＣＢは、第２コイル５４Ｂに対応する。

そうすると、各磁気抵抗Ｒ_Ｓ、Ｒ_Ｉ、Ｒ_Ｇは、下記式によって示される。

Ｒ_Ｓ：ラジアルコア５１の磁気抵抗、Ｌ_１：ティース５６Ａ、５６Ｂの長さ、Ｌ_２：ラジアルコア連結部５７の長さ、μ_ＣＲ：ラジアルコア５１の透磁率、Ｓ_Ｒ：ラジアル磁路Ｍの断面積である。なお、ラジアル磁路Ｍの断面積（Ｓ_Ｒ）は、ラジアルコア面５１ｃとラジアルターゲット面５２ａとが互いに対面する面積であるとする。

Ｒ_Ｉ：ラジアルターゲット５２の磁気抵抗、Ｌ_３：ラジアルターゲット５２の長さ、μ_ＴＲ：ラジアルターゲット５２の透磁率、Ｓ_Ｒ：磁路の断面積である。

Ｒ_Ｇ１：第１エアギャップＡＧ_１の磁気抵抗、Ｒ_Ｇ２：第２エアギャップＡＧ_２の磁気抵抗、Ｇ_Ｘ：ギャップＡＧ_１、ＡＧ_２の長さ、μ_０：空気の透磁率、Ｓ_Ｒ：磁路の断面積である。

そして、第１コイル５４Ａ及び第２コイル５４Ｂは、巻き数（Ｎ）であるとし、ラジアル磁気回路Ｃには磁束（φ）が流れるとする。そうすると、磁気抵抗Ｒ_Ｓ、Ｒ_Ｉ、Ｒ_Ｇ１、Ｒ_Ｇ２と、巻き数（Ｎ）と、磁束（φ）と、の関係は、下記式によって示される。

上記式を磁束（φ）について解くと、下記式を得る。

一方、ラジアル磁気回路Ｃは、インダクタンス（Ｌ_Ｒ）を有し、ラジアル磁気回路Ｃには電流（ｉ）が流れるとする。そうすると、インダクタンス（Ｌ_Ｒ）と、巻き数（Ｎ）と、電流（ｉ）と、磁束（φ）との関係は、下記式によって示される。

式（６）の磁束（φ）に、式（５）を代入すると、下記式を得る。

そして、上記式（７）の磁気抵抗に式（１）、（２）、（３）をそれぞれ代入すると、下記式を得る。

上記式は、ギャップ長（Ｇ_Ｘ）を含む。回転軸１１がラジアル磁気軸受２０及びアキシャル磁気軸受３０に対してラジアル方向に相対的に移動すると、このギャップ長（Ｇ_Ｘ）が変化する。そうすると、上記式は、ギャップ長（Ｇ_Ｘ）を独立変数とし、インダクタンス（Ｌ_Ｒ）を従属変数とする反比例の関係を示す関数である。従って、ラジアルセンサ５０は、ギャップ長（Ｇ_Ｘ）に対してインダクタンス（Ｌ_Ｒ）が反比例するという関係を有する。なお、ラジアルセンサ５０では、ラジアル方向への変位が生じたとしても面積（Ｓ_Ｒ）は変化しない。

＜アキシャルセンサ＞
図６は、アキシャルセンサ６０の構成要素を拡大して模式的に示す斜視図である。図６に示されるように、アキシャル磁気回路は、アキシャルコア６１と、アキシャルターゲット６２と、第３エアギャップＡＧ_３と、第４エアギャップＡＧ_４と、第３コイル６４Ａと、第４コイル６４Ｂと、により構成される。

ラジアル磁気回路Ｃのモデル化にならって、アキシャル磁気回路をモデル化する。そうすると、各磁気抵抗Ｒ_Ｓ、Ｒ_Ｉ、Ｒ_Ｇは、下記式により示される。

Ｒ_Ｓ：アキシャルコア６１の磁気抵抗、Ｌ_１：ティース６６Ａの長さ、Ｌ_２：アキシャルコア連結部６７の長さ、μ_ＣＡ：アキシャルコア６１の透磁率（ＡＣ）、Ｓ_Ａ：磁路の断面積である。なお、磁路の断面積（Ｓ_Ａ）は、アキシャルコア面６１ｃとアキシャルターゲット面６２ａとが互いに対面する面積であるとする。

Ｒ_Ｉ：アキシャルターゲット６２の磁気抵抗、Ｌ_３：アキシャルターゲット６２の長さ、μ_ＴＡ：アキシャルターゲット６２の透磁率（ＡＴ）、Ｓ_Ａ：磁路の断面積である。

ここで、アキシャル磁気回路のモデル化において、ラジアル磁気回路Ｃと相違する点は、重なり面積（Ｓ_Ａ）が変数となる点である。この重なり面積（Ｓ_Ａ）は、ティース５１ｂの一辺の長さ（Ｌ_Ｗ）と、重なり長さ（Ｌ_Ｄ＋ｘ）との積である。なお、長さ（Ｌ_Ｄ）は、初期状態における重なり長さを示し、長さ（ｘ）は初期位置からの移動した長さを示す。

そして、上記式（１１）に、磁気抵抗Ｒ_Ｓ、Ｒ_Ｉ、Ｒ_Ｇをそれぞれ代入すると、下記式を得る。

上記式は、変位量（ｘ）を含む。回転軸１１がラジアル磁気軸受２０及びアキシャル磁気軸受３０に対してアキシャル方向に相対的に移動すると、この変位量（ｘ）が変化する。そうすると、上記式は、変位量（ｘ）を独立変数とし、インダクタンス（Ｌ_Ａ）を従属変数とする比例関係を示す関数である。従って、アキシャルセンサ６０は、変位量（ｘ）に対してインダクタンス（Ｌ_Ａ）が比例するという関係を有する。

そうすると、図７の（ａ）部に示されるように、回転軸１１に対してアキシャルコア６１が正（＋）のアキシャル方向へ移動すると、アキシャルコア面６１ｃとアキシャルターゲット面６２ａとが互いに対面する面積が増加する。従って、図７の（ｂ）部におけるグラフＧ７ａに示されるように、インダクタンスは増加する。一方、回転軸１１に対してアキシャルコア６１が負（−）のアキシャル方向へ移動すると、アキシャルコア面６１ｃとアキシャルターゲット面６２ａとが互いに対面する面積が減少する。従って、インダクタンスは減少する。なお、図７の（ｂ）部は、変位とインダクタンスとの関係を示すグラフである。図７の（ｂ）部において、グラフＧ７ａは、ラジアルコア５１及びアキシャルコア６１に高透磁率を有する材料を適用した場合の特性を示す。グラフＧ７ｂは、ラジアルコア５１及びアキシャルコア６１に低透磁率を有する材料を適用した場合の特性を示す。

さらに、上記式（１２）において、各磁気抵抗Ｒ_Ｓ、Ｒ_Ｉ、Ｒ_Ｇは、透磁率μ_０、μ_ＣＡ、μ_ＴＡに反比例する。従って、アキシャルコア６１の透磁率（ＡＣ：μ_ＣＡ）及びアキシャルターゲット６２の透磁率（ＡＴ：μ_ＴＡ）を大きくすると、アキシャルセンサ６０のインダクタンスＬ_Ａも大きくなる。

この軸位置検出装置４０は、ラジアル方向における軸位置を検出すると共にアキシャル方向における軸位置を検出する。この軸位置の検出は、ラジアルターゲット５２とラジアルコア５１との相対的な位置関係と、とアキシャルコア６１との相対的な位置関係と、に基づくインダクタンスの変化を利用する。ここで、ラジアルターゲット５２とラジアルコア５１との相対的な位置関係がインダクタンスに与える影響と、アキシャルターゲット６２とアキシャルコア６１との相対的な位置関係がインダクタンスに与える影響と、は互いに異なる。具体的には、アキシャルターゲット６２とアキシャルコア６１との相対的な位置関係に起因するインダクタンスの変化量は、ラジアルターゲット５２とラジアルコア５１との相対的な位置関係に起因するインダクタンスの変化量より小さい。また、これらのインダクタンスは、ラジアルターゲット５２、ラジアルコア５１、アキシャルターゲット６２及びアキシャルコア６１の透磁率の影響を受ける。つまり、透磁率が高いほど相対的な位置変化に起因するインダクタンスの変化量が大きくなる。そこで、上記の軸位置検出装置４０では、第３の透磁率（ＡＴ）を第１の透磁率（ＲＴ）よりも大きくする、及び／又は、第４の透磁率（ＡＣ）を第２の透磁率（ＲＣ）よりも大きくする。この構成によれば、アキシャルターゲット６２とアキシャルコア６１との相対的な位置関係に起因するインダクタンスの変化量を大きくし、ラジアルターゲット５２とラジアルコア５１との相対的な位置関係に起因するインダクタンスの変化量に近づけることができる。従って、アキシャル方向の検出感度を向上することができる。

上記の形態において、第３の透磁率（ＡＴ）は、第１の透磁率（ＲＴ）よりも大きく（ＡＴ＞ＲＴ）、且つ、第４の透磁率（ＡＣ）は、第２の透磁率（ＲＣ）よりも大きい（ＡＣ＞ＲＣ）。この構成によれば、アキシャルターゲット６２とアキシャルコア６１との相対的な位置関係に起因するインダクタンスの変化量がさらに大きくなる。従って、アキシャル方向の検出感度を確実に向上することができる。

回転機械であるモータ１は、回転軸１１と、回転軸１１を回転軸線のまわりに回転可能に支持するラジアル磁気軸受２０及びアキシャル磁気軸受３０と、軸位置検出装置４０と、を備える。軸位置検出装置４０は、ラジアル磁気軸受２０及びアキシャル磁気軸受３０に対する回転軸１１のラジアル方向及びアキシャル方向の相対位置を得る。このモータ１は、上記の軸位置検出装置４０を備える。従って、アキシャル方向の検出感度を確実に向上することができる。従って、モータ１における回転軸１１の位置を精度良く制御できるので、モータ１の状態をより安定化することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

本開示の軸位置検出装置４０は、アキシャルセンサ６０における単位変位量に対するインダクタンスの変化量を増加させたものである。このインダクタンスの変化量は、ラジアル磁路Ｍにおける合成磁気抵抗（Ｒ_Ｓ＋Ｒ_Ｉ＋Ｒ_Ｇ）に起因する。合成磁気抵抗のうち、磁気抵抗Ｒ_Ｓは、材料の透磁率を要素として含む。従って、材料の透磁率を適宜選択することにより、アキシャルセンサ６０における単位変位に対する合成磁気抵抗の変化量を、ラジアルセンサ５０における単位変位に対する合成磁気抵抗の変化量に近づけることができる。要するに、軸位置検出装置４０は、アキシャルセンサ６０の構成部品が有する透磁率を高めることにより、インダクタンスの変化量を増加させた。その結果、例えば、アキシャルセンサ６０における単位変位に対するインダクタンスの変化量を、ラジアルセンサ５０における単位変位に対するインダクタンスの変化量と同等になる程度まで増加させた。

つまり、軸位置検出装置４０は、アキシャルセンサ６０における単位変位に対するインダクタンスの変化量を増加させ得る構成であればよく、上記実施形態に示した透磁率どうしの関係に限定されない。要するに、単位変位に対するインダクタンスの変化量を増加させ得る関係（変形例１〜４）であってもよい。

＜変形例１＞
図８の（ａ）部に示されるように、アキシャルコア６１Ａの透磁率（ＡＣ１）がラジアルコア５１Ａの透磁率（ＲＣ１）と等しく（ＡＣ１＝ＲＣ１）、且つ、アキシャルターゲット６２Ａの透磁率（ＡＴ１）がラジアルターゲット５２Ａの透磁率（ＲＴ１）より大きくてもよい（ＡＴ１＞ＲＴ１）。この場合、アキシャルコア６１Ａの透磁率（ＡＣ１）、ラジアルコア５１Ａの透磁率（ＲＣ１）、ラジアルターゲット５２Ａの透磁率（ＲＴ１）は、等しいとしてよい（ＡＣ１＝ＲＣ１＝ＲＴ１）。

＜変形例２＞
図８の（ｂ）部に示されるように、アキシャルターゲット６２Ｂの透磁率（ＡＴ２）がラジアルターゲット５２Ｂの透磁率（ＲＴ２）と等しく（ＡＴ２＝ＲＴ２）、且つ、アキシャルコア６１Ｂの透磁率（ＡＣ２）がラジアルコア５１Ｂの透磁率（ＲＣ２）より大きくてもよい（ＡＣ２＞ＲＣ２）。この場合、ラジアルコア５１Ｂの透磁率（ＲＣ２）、ラジアルターゲット５２Ｂの透磁率（ＲＴ２）、アキシャルターゲット６２Ｂの透磁率（ＡＴ２）は、等しいとしてよい（ＡＴ２＝ＲＴ２＝ＲＣ２）。

＜変形例３＞
図８の（ｃ）部に示されるように、アキシャルターゲット６２Ｃの透磁率（ＡＴ３）がラジアルターゲット５２Ｃの透磁率（ＲＴ３）と等しく（ＡＴ３＝ＲＴ３）、且つ、アキシャルコア６１Ｃの透磁率（ＡＣ３）がラジアルコア５１Ｃの透磁率（ＲＣ３）より大きくてもよい（ＡＣ３＞ＲＣ３）。この場合、ラジアルターゲット５２Ｃの透磁率（ＲＴ３）とアキシャルターゲット６２Ｃの透磁率（ＡＴ３）は、互いに等しいとしてよい（ＲＴ３＝ＡＴ３）。また、ラジアルターゲット５２Ｃの透磁率（ＲＴ３）とアキシャルターゲット６２Ｃの透磁率（ＡＴ３）は、アキシャルコア６１Ｃの透磁率（ＡＣ３）と異なってよい（ＲＴ３＝ＡＴ３≠ＡＣ３）。さらに、ラジアルターゲット５２Ｃの透磁率（ＲＴ３）とアキシャルターゲット６２Ｃの透磁率（ＡＴ３）は、ラジアルコア５１Ｃの透磁率（ＲＣ３）と異なってよい（ＲＴ３＝ＡＴ３≠ＲＣ３）。

＜変形例４＞
図８の（ｄ）部に示されるように、アキシャルコア６１Ｄの透磁率（ＡＣ４）がラジアルコア５１Ｄの透磁率（ＲＣ４）より大きく（ＡＣ４＞ＲＣ４）、且つアキシャルターゲット６２Ｄの透磁率（ＡＴ４）がラジアルターゲット５２Ｄの透磁率（ＲＴ４）より大きくてもよい（ＡＴ４＞ＲＴ４）。この場合、ラジアルコア５１Ｄの透磁率（ＲＣ４）と、ラジアルターゲット５２Ｄの透磁率（ＲＴ４）と、アキシャルターゲット６２Ｄの透磁率（ＡＴ４）は、それぞれ互いに異なってよい（ＲＣ４≠ＲＴ４≠ＡＴ４）。

＜変形例５＞
上記実施形態では、ラジアルターゲット５２とアキシャルターゲット６２との間には、非磁性部材からなる回転軸１１の一部が挟み込まれていた。例えば、ラジアルターゲット５２とアキシャルターゲット６２とは、互いに接触するように配置されてもよい。

１ モータ
１０ モータ部
１１ 回転軸
１２ ロータ
１３ ステータ
２０ ラジアル磁気軸受（磁気軸受）
３０ アキシャル磁気軸受（磁気軸受）
４０ 軸位置検出装置
４１ センサ部
４２ 回路部
５０ ラジアルセンサ
５１、５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ、５１Ｄ ラジアルコア
５１ａ ラジアルコア本体
５１ｂ ティース
５１ｃ ラジアルコア面
５２、５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄ ラジアルターゲット
５２ａ ラジアルターゲット面
５４ ラジアルコイル
５４Ａ 第１コイル
５４Ｂ 第２コイル
５６Ａ、５６Ｂ ティース
５７ ラジアルコア連結部
６０ アキシャルセンサ
６１、６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ、６１Ｄ アキシャルコア
６１ａ アキシャルコア本体
６１ｃ アキシャルコア面
６２、６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄ アキシャルターゲット
６２ａ アキシャルターゲット面
６４ アキシャルコイル
６４Ａ 第３コイル
６４Ｂ 第４コイル
Ａ 回転軸線
ＡＧ_１ 第１エアギャップ
ＡＧ_２ 第２エアギャップ
ＡＧ_３ 第３エアギャップ
ＡＧ_４ 第４エアギャップ
Ｃ ラジアル磁気回路
Ｌ_Ａ インダクタンス
Ｒ_Ｓ、Ｒ_Ｉ、Ｒ_Ｇ、Ｒ_Ｇ１、Ｒ_Ｇ２ 磁気抵抗
Ｓ_ＣＡ、Ｓ_ＣＢ 起電要素
μ_０ 空気の透磁率
ＡＣ、μ_ＣＡ アキシャルコアの透磁率
ＡＴ、μ_ＴＡ アキシャルターゲットの透磁率
ＲＣ、μ_ＣＲ ラジアルコアの透磁率
ＲＴ、μ_ＴＲ ラジアルターゲットの透磁率

Claims (7)

1. 磁気軸受に対する回転軸の相対位置を得る軸位置検出装置であって、
   前記回転軸に設けられるラジアルターゲットと、
   前記ラジアルターゲットに対面するように、前記回転軸の円周方向に配置されるラジアルコアと、
   前記回転軸に設けられるアキシャルターゲットと、
   前記アキシャルターゲットと一部が対面するように、前記回転軸の円周方向に配置されるアキシャルコアと、を備え、
   前記ラジアルターゲットは、第１の透磁率（ＲＴ）を有する材料により形成され、
   前記ラジアルコアは、第２の透磁率（ＲＣ）を有する材料により形成され、
   前記アキシャルターゲットは、第３の透磁率（ＡＴ）を有する材料により形成され、
   前記アキシャルコアは、第４の透磁率（ＡＣ）を有する材料により形成され、
   前記第３の透磁率（ＡＴ）は、第１の透磁率（ＲＴ）よりも大きい、及び／又は、前記第４の透磁率（ＡＣ）は、第２の透磁率（ＲＣ）よりも大きい、軸位置検出装置。
2. 前記第３の透磁率（ＡＴ）は、第１の透磁率（ＲＴ）よりも大きい（ＡＴ＞ＲＴ）、請求項１に記載の軸位置検出装置。
3. 前記第４の透磁率（ＡＣ）は、第２の透磁率（ＲＣ）よりも大きい（ＡＣ＞ＲＣ）、請求項１に記載の軸位置検出装置。
4. 前記第４の透磁率（ＡＣ）は、第２の透磁率（ＲＣ）以上である（ＡＣ≧ＲＣ）、請求項２に記載の軸位置検出装置。
5. 前記第３の透磁率（ＡＴ）は、第１の透磁率（ＲＴ）以上である（ＡＴ≧ＲＴ）、請求項３に記載の軸位置検出装置。
6. 前記第３の透磁率（ＡＴ）は、第１の透磁率（ＲＴ）よりも大きく（ＡＴ＞ＲＴ）、且つ、前記第４の透磁率（ＡＣ）は、第２の透磁率（ＲＣ）よりも大きい（ＡＣ＞ＲＣ）、請求項１に記載の軸位置検出装置。
7. 回転軸と、
   前記回転軸を回転軸線のまわりに回転可能に支持する磁気軸受と、
   請求項１〜６の何れか一項に記載の軸位置検出装置と、を備え、
   前記軸位置検出装置は、前記磁気軸受に対する前記回転軸のラジアル方向及びアキシャル方向の相対位置を得る、回転機械。
   

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