JP2019219047A - 軸位置検出装置、回転機械、軸位置検出方法、及び磁気軸受システム - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸のアキシャル方向における位置の検出精度を向上させつつ、設計の自由度を向上させること。【解決手段】軸位置検出装置５１は、アキシャル方向に延びる回転軸線を有するモータの回転軸の位置を検出する装置であって、変位センサ４２によって検出された回転軸のアキシャル方向における変位量を取得し、モータの誘起電圧を取得し、変位量及び誘起電圧に基づいて、回転軸に設定された基準点のアキシャル方向における位置を算出する。【選択図】図３

Description

本発明は、軸位置検出装置、回転機械、軸位置検出方法、及び磁気軸受システムに関する。

高速回転モータのオイルフリー化及び省エネ化を実現するために、回転軸を非接触で支持する磁気軸受（Active Magnetic Bearing：ＡＭＢ）が用いられることがある。このような磁気軸受では、回転軸の位置（ラジアル方向の位置及びアキシャル方向の位置）を検出し、検出された位置に応じて磁気の強さを調節することが行われている。例えば、特許文献１には、中心点から軸方向に等距離の位置に設けられた２つのセンサ用円盤と、各センサ用円盤の外周部に設けられた２つの軸方向センサ（変位センサ）と、を備える磁気軸受装置が記載されている。この磁気軸受装置では、熱膨張による位置ずれを低減するために、２つの変位センサによって検出される変位量が互いに等しくなるように、ロータの位置制御が行われる。

特開平８−１５９１５７号公報

特許文献１に記載の磁気軸受装置では、中心点からの距離が互いに等しくなるように、２つのセンサ用円盤が設けられる必要があり、それに対応して変位センサも設けられる。このため、変位センサ等が設けられる位置には制約がある。本技術分野では、回転軸のアキシャル方向における位置を精度よく検出しつつ、設計の自由度を向上させることが望まれている。

本発明は、回転軸のアキシャル方向における位置の検出精度を向上させつつ、設計の自由度を向上可能な軸位置検出装置、回転機械、軸位置検出方法、及び磁気軸受システムを提供する。

本発明の一側面に係る軸位置検出装置は、一方向に延びる回転軸線を有するモータの回転軸の位置を検出する装置である。この軸位置検出装置は、変位センサによって検出された回転軸の一方向における変位量を取得し、モータの誘起電圧を取得し、変位量及び誘起電圧に基づいて、回転軸に設定された基準点の一方向における位置を算出する。

この軸位置検出装置では、変位センサによって検出された回転軸の一方向における変位量と、モータの誘起電圧と、に基づいて回転軸に設定された基準点の一方向における位置が算出される。モータの誘起電圧と回転軸の温度とは相関関係を有し、回転軸の熱膨張量は、回転軸の温度に応じて定まるので、モータの誘起電圧から回転軸の熱膨張量が算出され得る。このため、変位センサによって検出された回転軸の一方向における変位量を熱膨張量で補正することで、熱膨張による基準点の位置ずれを低減することができる。また、変位センサによって検出された変位量と、モータの誘起電圧と、に基づいて基準点の位置が算出されるので、変位センサは、回転軸の一方向における変位量を検出可能な位置に設けられればよい。したがって、変位センサの配置の自由度が高い。その結果、回転軸に設定された基準点の一方向における位置の検出精度を向上させつつ、設計の自由度を向上させることが可能となる。

上記軸位置検出装置は、誘起電圧に基づいて、回転軸の熱膨張量を算出してもよく、変位量及び熱膨張量に基づいて、基準点の位置を算出してもよい。モータの誘起電圧と回転軸の温度とは相関関係を有し、回転軸の熱膨張量は、回転軸の温度に応じて定まるので、モータの誘起電圧から回転軸の熱膨張量を算出することができる。そして、変位センサによって検出された回転軸の一方向における変位量を熱膨張量で補正することにより、熱膨張による基準点の位置ずれを低減することができる。

上記軸位置検出装置は、誘起電圧に基づいて、回転軸の温度を算出してもよく、温度に基づいて、熱膨張量を算出してもよい。モータの誘起電圧と回転軸の温度とは相関関係を有するので、モータの誘起電圧から回転軸の温度を算出することができる。回転軸の熱膨張量は、回転軸の温度に応じて定まる。このため、回転軸の温度から回転軸の熱膨張量を算出することができる。

本発明の別の側面に係る回転機械は、回転軸と、変位センサと、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、上記軸位置検出装置と、を備える。軸位置検出装置は、基準点の位置を得る。

この回転機械は、上記軸位置検出装置を備える。したがって、回転軸に設定された基準点の一方向における位置の検出精度を向上させつつ、設計の自由度を向上させることが可能となる。これにより、回転機械の状態をより安定化することができる。

本発明のさらに別の側面に係る軸位置検出方法は、一方向に延びる回転軸線を有するモータの回転軸の位置を検出する方法である。この軸位置検出方法は、変位センサによって検出された回転軸の一方向における変位量を取得するステップと、モータの誘起電圧を取得するステップと、変位量及び誘起電圧に基づいて、回転軸に設定された基準点の一方向における位置を算出するステップと、を備える。

この軸位置検出方法では、変位センサによって検出された回転軸の一方向における変位量と、モータの誘起電圧と、に基づいて回転軸に設定された基準点の一方向における位置が算出される。モータの誘起電圧と回転軸の温度とは相関関係を有し、回転軸の熱膨張量は、回転軸の温度に応じて定まるので、モータの誘起電圧から回転軸の熱膨張量が算出され得る。このため、変位センサによって検出された回転軸の一方向における変位量を熱膨張量で補正することで、熱膨張による基準点の位置ずれを低減することができる。また、変位センサによって検出された変位量と、モータの誘起電圧と、に基づいて基準点の位置が算出されるので、変位センサは、回転軸の一方向における変位量を検出可能な位置に設けられればよい。したがって、変位センサの配置の自由度が高い。その結果、回転軸に設定された基準点の一方向における位置の検出精度を向上させつつ、設計の自由度を向上させることが可能となる。

本発明のさらに別の側面に係る磁気軸受システムは、モータに搭載され、一方向に延びる回転軸線を有する回転軸を非接触で支持するためのシステムである。この磁気軸受システムは、回転軸の一方向における変位量を検出する変位センサと、一方向に沿った回転軸の支持位置を制御するアキシャル磁気軸受と、変位量及びモータの誘起電圧に基づいて、アキシャル磁気軸受に支持位置を制御させる制御装置と、を備える。

この磁気軸受システムは、変位センサによって検出された回転軸の一方向における変位量と、モータの誘起電圧と、に基づいて、アキシャル磁気軸受によって一方向に沿った回転軸の支持位置が制御される。モータの誘起電圧と回転軸の温度とは相関関係を有し、回転軸の熱膨張量は、回転軸の温度に応じて定まるので、モータの誘起電圧から回転軸の熱膨張量が算出され得る。このため、変位センサによって検出された回転軸の一方向における変位量を熱膨張量で補正することで、熱膨張による支持位置の位置ずれを低減することができる。また、変位センサによって検出された変位量と、モータの誘起電圧と、に基づいて、回転軸の一方向における支持位置が制御されるので、変位センサは、回転軸の一方向における変位量を検出可能な位置に設けられればよい。したがって、変位センサの配置の自由度が高い。その結果、回転軸の一方向における支持位置を精度よく制御しつつ、設計の自由度を向上させることが可能となる。

本発明によれば、回転軸のアキシャル方向における位置の検出精度を向上させつつ、設計の自由度を向上させることができる。

図１は、実施形態に係る軸位置検出装置を備えるモータの概略構成を示す図である。 図２は、変位量と検出電圧との関係の一例を示す図である。 図３は、図１に示される制御装置の機能ブロック図である。 図４は、図３に示される制御装置が行う軸位置制御方法の一連の処理を示すフローチャートである。 図５は、図４の位置算出処理を詳細に示すフローチャートである。 図６は、比較例に係る軸位置検出装置を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、実施形態に係る軸位置検出装置を備えるモータの概略構成を示す図である。図１に示されるように、モータ１は、磁気軸受システム５と、モータ部１０と、を備える。磁気軸受システム５は、モータ１に搭載された回転軸１１を非接触で支持するためのシステムである。磁気軸受システム５は、ラジアル磁気軸受２０と、アキシャル磁気軸受３０と、検出部４０と、制御装置５０と、を備える。

モータ部１０は、一方向（アキシャル方向）に延びる回転軸線ＡＸを有する回転軸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。回転軸１１は、例えば、高い熱伝導率を有する金属で構成されている。回転軸１１には、コンプレッサインペラ等が設けられる。

モータ部１０は、不図示のモータ制御回路によって回転制御される。モータ制御回路は、モータ部１０を駆動するインバータと、インバータの電圧を検出するための電圧センサ１４（図３参照）と、を有する。電圧センサ１４は、検出した電圧を誘起電圧Ｖｅｍｆ（図３参照）として制御装置５０に出力する。

ラジアル磁気軸受２０は、回転軸１１を回転軸線ＡＸのまわりに回転可能に非接触で支持する。ラジアル磁気軸受２０は、回転軸１１のラジアル方向における支持位置を制御する。言い換えると、ラジアル磁気軸受２０は、ロータ１２のラジアル方向における位置を制御する。ラジアル磁気軸受２０は、磁極２１を備える。磁極２１は、ラジアル方向において回転軸１１を挟むように設けられ、不図示のケーシングに固定されている。磁極２１は、例えばコイルである。ラジアル磁気軸受２０は、磁極２１に駆動電流を流すことにより磁極２１から発生した磁力によって、回転軸１１のラジアル方向における支持位置を制御する。ラジアル磁気軸受２０は、他の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してもよい。

アキシャル磁気軸受３０は、回転軸１１のアキシャル方向における支持位置を非接触で制御する。言い換えると、アキシャル磁気軸受３０は、ロータ１２のアキシャル方向における位置を制御する。アキシャル磁気軸受３０は、スラストディスク３１と、磁極３２と、を備える。スラストディスク３１は、回転軸１１に設けられた円盤状の部材である。スラストディスク３１は、電磁鋼板等によって構成されている。磁極３２は、アキシャル方向においてスラストディスク３１を挟むように設けられ、不図示のケーシングに固定されている。スラストディスク３１と磁極３２とは、互いに離間している。磁極３２は、例えばコイルである。アキシャル磁気軸受３０は、磁極３２に駆動電流を流すことにより磁極３２から発生した磁力によって、スラストディスク３１を吸引し、回転軸１１のアキシャ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、他の周知の手法によって回転軸１１のアキシャル方向における支持位置を制御してもよい。

検出部４０は、回転軸１１のアキシャル方向における変位量を検出する。検出部４０は、ターゲット４１と、変位センサ４２と、を備える。ターゲット４１は、回転軸１１に設けられる。ターゲット４１は、電磁鋼板等によって構成されている。本実施形態では、ターゲット４１は、ラジアル磁気軸受２０とアキシャル磁気軸受３０との間に設けられる。ターゲット４１は、アキシャル方向と交差する（ここでは、直交する）面４１ａ，４１ｂを有する。面４１ａは、ロータ１２とは反対側を向いており、面４１ｂは、ロータ１２と対向している。

変位センサ４２は、ターゲット４１のアキシャル方向における変位量Δｘ１を検出する。変位センサ４２は、例えば、回転軸１１の外周面を囲むように配置される。初期状態において、ターゲット４１の面４１ａは、基準位置Ｐ１に位置しており、変位量Δｘ１は０である。面４１ａが基準位置Ｐ１からロータ１２に向かう方向に移動した（ずれた）場合に、変位量Δｘ１は正の値となり、面４１ａが基準位置Ｐ１からロータ１２に対し離れる方向に移動した場合に、変位量Δｘ１は負の値となる。つまり、変位量Δｘ１は、基準位置Ｐ１とターゲット４１の面４１ａとのアキシャル方向に沿った距離である。変位センサ４２は、変位量Δｘ１に対応する検出電圧Ｖｄｅｔ１を出力する。

図２は、変位量と検出電圧との関係の一例を示す図である。図２に示されるように、変位量Δｘ１と検出電圧Ｖｄｅｔ１とは、変位量Δｘ１が大きくなるにつれて検出電圧Ｖｄｅｔ１が大きくなる関係（図２に示される例では、比例関係）を有する。変位センサ４２は、ターゲット４１が基準位置Ｐ１に位置する場合に電圧値Ｖ０の検出電圧Ｖｄｅｔ１を出力する。ターゲット４１が基準位置Ｐ１に対してロータ１２に向かう方向に移動した場合（変位量Δｘ１が正の値である場合）、検出電圧Ｖｄｅｔ１の電圧値は、電圧値Ｖ０よりも大きくなる。一方、ターゲット４１が基準位置Ｐ１に対してロータ１２から離れる方向に移動した場合（変位量Δｘ１が負の値である場合）、検出電圧Ｖｄｅｔ１の電圧値は、電圧値Ｖ０よりも小さくなる。なお、変位量Δｘ１は、回転軸１１自体がアキシャル方向に移動した移動量と、基準位置Ｐ１における回転軸１１の熱膨張量（熱伸び）と、を含む。

つまり、式（１）に示されるように、変位センサ４２は、電圧値Ｖ０と、変位量Δｘ１に略比例した電圧値ΔＶ１と、を加算することで得られる電圧値の検出電圧Ｖｄｅｔ１を制御装置５０に出力する。電圧値ΔＶ１は、回転軸１１自体がアキシャル方向に移動した移動量に対応する成分ΔＶｍと、基準位置Ｐ１における回転軸１１の熱膨張量に対応する成分ΔＶｔｈ１と、を含む。なお、成分ΔＶｍは、ターゲット４１がロータ１２に向かう方向に回転軸１１が移動した場合に正の値となり、ターゲット４１がロータ１２から離れる方向に回転軸１１が移動した場合に負の値となる。成分ΔＶｔｈ１は、回転軸１１が伸びた場合に負の値となり、回転軸１１が縮んだ場合に正の値となる。

変位センサ４２は、ターゲット４１のアキシャル方向の変位量Δｘ１のみを検出可能なセンサであってもよい。この場合、モータ１は、回転軸１１のラジアル方向の変位量のみを検出可能なセンサをさらに備える。変位センサ４２は、回転軸１１のラジアル方向の変位量とターゲット４１のアキシャル方向の変位量Δｘ１とを検出可能なセンサでもよい。

制御装置５０は、回転軸１１の位置を検出し、回転軸１１の位置に応じて回転軸１１の位置を制御する装置（コントローラ）である。回転軸１１は熱膨張するので、回転軸１１の各地点のアキシャル方向における変位量は、互いに異なる場合がある。このため、制御装置５０は、回転軸１１に設定された基準点の位置を用いて回転軸１１のアキシャル方向の位置を制御する。

制御装置５０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサと、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）等の主記憶装置と、半導体メモリ等の補助記憶装置と、他の機器との間の通信を行う通信モジュールと、を備えるコンピュータとして構成される。これらの構成要素が動作することにより、制御装置５０の各機能が発揮される。

次に、図３を参照して、制御装置５０の機能を説明する。図３は、図１に示される制御装置の機能ブロック図である。図３に示されるように、制御装置５０は、軸位置検出装置５１と、位置制御装置５２と、を備える。

軸位置検出装置５１は、回転軸１１に設定された基準点のアキシャル方向における位置を検出する。本実施形態では、基準点として、ロータ１２のアキシャル方向における中心点１２ａが用いられる。なお、中心点１２ａの位置は、アキシャル磁気軸受３０に対する中心点１２ａのアキシャル方向における相対位置である。中心点１２ａの位置は、中心点１２ａの位置がステータ１３のアキシャル方向の中心点から移動した変位量で表されてもよい。軸位置検出装置５１は、変位センサ４２から検出電圧Ｖｄｅｔ１を受け取り、電圧センサ１４から誘起電圧Ｖｅｍｆを受け取る。軸位置検出装置５１は、検出電圧Ｖｄｅｔ１と誘起電圧Ｖｅｍｆとに基づいて、中心点１２ａの位置を検出（算出）する。軸位置検出装置５１は、機能的には、取得部５３と、取得部５４と、算出部５５と、を備える。

取得部５３は、変位センサ４２によって検出された変位量Δｘ１を取得する部分である。具体的には、取得部５３は、変位センサ４２から検出電圧Ｖｄｅｔ１を受け取り、検出電圧Ｖｄｅｔ１を変位量Δｘ１に変換することで、変位量Δｘ１を取得する。取得部５３は、変位量Δｘ１を算出部５５に出力する。

取得部５４は、モータ部１０（モータ１）の誘起電圧Ｖｅｍｆを取得する部分である。誘起電圧Ｖｅｍｆは、逆起電力（Back Electromotive Force：バックＥＭＦ）とも呼ばれる。取得部５４は、電圧センサ１４から誘起電圧Ｖｅｍｆを受け取り、誘起電圧Ｖｅｍｆを算出部５５に出力する。

算出部５５は、変位量Δｘ１及び誘起電圧Ｖｅｍｆに基づいて、中心点１２ａのアキシャル方向における位置Ｐｘを算出する部分である。位置Ｐｘの算出方法の詳細は、後述する。算出部５５は、中心点１２ａのアキシャル方向における位置Ｐｘを示す位置情報を位置制御装置５２に出力する。

位置制御装置５２は、位置情報に基づいて、回転軸１１のアキシャル方向の位置を制御する。位置制御装置５２は、回転軸１１に設けられたインペラがケーシングに接触しないようにするとともに、アキシャル磁気軸受３０のスラストディスク３１が磁極３２に接触しないように回転軸１１のアキシャル方向の位置を制御する。例えば、位置制御装置５２は、中心点１２ａのアキシャル方向における変位量が０になるように、回転軸１１のアキシャル方向の位置を制御する。位置制御装置５２は、アキシャル磁気軸受３０の磁極３２に供給される駆動電流を制御することで、回転軸１１のアキシャル方向の位置を制御する。

次に、図４及び図５を参照して、制御装置が行う軸位置制御方法を説明する。図４は、図３に示される制御装置が行う軸位置制御方法の一連の処理を示すフローチャートである。図５は、図４の位置算出処理を詳細に示すフローチャートである。図４に示される軸位置制御方法の一連の処理は、モータ１の動作開始から所定の時間ごとに繰り返し実施される。例えば、軸位置制御方法の一連の処理は、前回の処理から所定時間が経過したことを契機として開始される。

まず、取得部５３が変位量Δｘ１を取得する（ステップＳ１１）。具体的には、取得部５３は、変位センサ４２から検出電圧Ｖｄｅｔ１を受け取り、検出電圧Ｖｄｅｔ１を変位量Δｘ１に変換することで、変位量Δｘ１を取得する。取得部５３は、例えば、図２に示される変位量Δｘ１と検出電圧Ｖｄｅｔ１との関係を規定する関係式又はテーブルを用いて、検出電圧Ｖｄｅｔ１を変位量Δｘ１に変換する。変位量Δｘ１と検出電圧Ｖｄｅｔ１との関係を規定する関係式又はテーブルは、軸位置検出装置５１に予め設定されている。そして、取得部５３は、変位量Δｘ１を算出部５５に出力する。

続いて、取得部５４は、誘起電圧Ｖｅｍｆを取得する（ステップＳ１２）。具体的には、取得部５４は、電圧センサ１４から誘起電圧Ｖｅｍｆを受け取り、誘起電圧Ｖｅｍｆを算出部５５に出力する。

続いて、位置算出処理が行われる（ステップＳ１３）。位置算出処理では、算出部５５は、変位量Δｘ１及び誘起電圧Ｖｅｍｆに基づいて、回転軸１１の中心点１２ａのアキシャル方向における位置Ｐｘを算出する。位置Ｐｘは、例えば、基準位置Ｐ１を原点（Ｘ＝０）とした位置であり、基準位置Ｐ１からモータ部１０に向かう方向に沿って位置Ｐｘの値が大きくなる。

図５に示されるように、位置算出処理では、まず算出部５５が、誘起電圧Ｖｅｍｆに基づいて、回転軸１１（ロータ１２）の温度を算出する（ステップＳ３１）。ここで、モータ１の動作中においてロータ１２には渦電流損等によって熱が生じ、ロータ１２の温度が上昇する。ロータ１２の温度が上昇するにつれて、ロータ１２の磁力は弱くなり、誘起電圧Ｖｅｍｆも低下する。回転軸１１は高い熱伝導率を有するので、回転軸１１の温度はロータ１２の温度と略等しくなる。つまり、モータ１の誘起電圧Ｖｅｍｆと回転軸１１の温度とは相関関係を有する。算出部５５は、例えば、誘起電圧Ｖｅｍｆと回転軸１１の温度との関係を規定する関係式又はテーブルを用いて、誘起電圧Ｖｅｍｆから回転軸１１の温度を算出する。誘起電圧Ｖｅｍｆと回転軸１１の温度との関係を規定する関係式又はテーブルは、予め計測されて軸位置検出装置５１に設定されている。

そして、算出部５５は、回転軸１１の温度に基づいて、回転軸１１の熱膨張量ΔＬを算出する（ステップＳ３２）。算出部５５は、例えば、式（２）に示されるように、線膨張係数αと、長さＬと、温度上昇ΔＴと、を用いて熱膨張量ΔＬを算出する。

線膨張係数αは、単位長さあたりにおける、温度による回転軸１１の長さの変化率である。線膨張係数αは、回転軸１１の材料によって決まる値であり、軸位置検出装置５１に予め設定されている。長さＬは、基準温度における面４１ａ（基準位置Ｐ１）と位置Ｐｘとのアキシャル方向に沿った距離の２倍であり、軸位置検出装置５１に予め設定されている。なお、ターゲット４１が回転軸１１の一端に設けられる場合には、長さＬは、基準温度における回転軸１１のアキシャル方向の長さである。温度上昇ΔＴは、基準温度からの温度の増加分であり、回転軸１１の温度から基準温度を減算することで求められる。

そして、算出部５５は、変位量Δｘ１及び熱膨張量ΔＬに基づいて、中心点１２ａのアキシャル方向における位置Ｐｘを算出する（ステップＳ３３）。算出部５５は、例えば、式（３）に示されるように、変位量Δｘ１と長さＬと熱膨張量ΔＬとを用いて位置Ｐｘを算出する。なお、回転軸１１は浮上体であるので、回転軸１１のアキシャル方向における中心（中心点１２ａ）を基準として熱膨張する。つまり、回転軸１１自体がアキシャル方向に移動していない場合には、位置Ｐｘは変わらない。また、回転軸１１の熱膨張量に対応する変位量は、中心点１２ａからの距離に比例する。そして、算出部５５は、位置Ｐｘを示す位置情報を位置制御装置５２に出力する。

続いて、位置制御装置５２は、回転軸１１のアキシャル方向における位置制御を行う（ステップＳ１４）。位置制御装置５２は、アキシャル磁気軸受３０の磁極３２に供給される駆動電流を制御することで、回転軸１１のアキシャル方向の位置を制御する。具体的には、位置制御装置５２は、位置情報に基づいて、中心点１２ａのアキシャル方向における変位量が０になるように、回転軸１１のアキシャル方向の位置を制御する。

以上のようにして、制御装置５０が行う軸位置制御方法の一連の処理が終了する。なお、図４の軸位置制御方法の一連の処理は、一例であって、制御装置５０が行う軸位置制御方法はこれに限られない。例えば、ステップＳ１１よりもステップＳ１２が先に行われてもよく、ステップＳ１１及びステップＳ１２は並行して行われてもよい。

上述のように、回転軸１１は熱膨張するので、中心点１２ａのアキシャル方向における変位量は、変位量Δｘ１とは異なることがある。制御装置５０は、変位量Δｘ１を熱膨張量ΔＬで補正することによって、中心点１２ａのアキシャル方向における変位量を求めている。

次に、図６を参照して、モータ１、軸位置検出装置５１、及び軸位置検出方法の作用効果を説明する。図６は、比較例に係る軸位置検出装置を説明するための図である。図６に示されるように、比較例に係るモータ１００は、検出部４０に加えて検出部４０Ａを備える点、及び軸位置検出装置５１に代えて軸位置検出装置１５１を備える点において、モータ１と主に相違する。検出部４０Ａは、ターゲット４３と、変位センサ４４と、を備える。

ターゲット４３は、回転軸１１に設けられている。ターゲット４３は、ロータ１２に対してターゲット４１とは反対側に位置する。ターゲット４１とターゲット４３との中間に中心点１２ａが位置する。つまり、ターゲット４１（面４１ａ）と中心点１２ａとの距離は、ターゲット４３（面４３ｂ）と中心点１２ａとの距離と等しい。ターゲット４３は、ターゲット４１と同様に電磁鋼板等によって構成されている。ターゲット４３は、アキシャル方向と交差する（ここでは、直交する）面４３ａ，４３ｂを有する。面４３ａは、ロータ１２と対向しており、面４３ｂは、ロータ１２とは反対側を向いている。

変位センサ４４は、ターゲット４３のアキシャル方向における変位量Δｘ２を検出する。変位センサ４４は、例えば、回転軸１１の外周面を囲むように配置される。初期状態において、ターゲット４３の面４３ｂは、基準位置Ｐ２に位置しており、変位量Δｘ２は０である。面４３ｂが基準位置Ｐ２からロータ１２に向かう方向に移動した場合に、変位量Δｘ２は正の値となり、面４３ｂが基準位置Ｐ２からロータ１２から離れる方向に移動した場合に、変位量Δｘ２は負の値となる。つまり、変位量Δｘ２は、基準位置Ｐ２とターゲット４３の面４３ｂとのアキシャル方向に沿った距離である。変位センサ４４は、変位量Δｘ２に対応する検出電圧Ｖｄｅｔ２を出力する。変位量Δｘ２と検出電圧Ｖｄｅｔ２との関係は、変位量Δｘ１と検出電圧Ｖｄｅｔ１との関係と同様である。

式（４）に示されるように、変位センサ４４は、電圧値Ｖ０と、変位量Δｘ２に略比例した電圧値ΔＶ２と、を加算することで得られる電圧値の検出電圧Ｖｄｅｔ２を出力する。電圧値ΔＶ２は、回転軸１１自体がアキシャル方向に移動した移動量に対応する成分ΔＶｍと、基準位置Ｐ２における回転軸１１の熱膨張量に対応する成分ΔＶｔｈ２と、を含む。なお、成分ΔＶｔｈ２は、回転軸１１が伸びた場合に負の値となり、回転軸１１の長さが縮んだ場合に正の値となる。

軸位置検出装置１５１は、変位センサ４２から検出電圧Ｖｄｅｔ１を受け取り、変位センサ４４から検出電圧Ｖｄｅｔ２を受け取る。そして、軸位置検出装置１５１は、式（５）に示されるように、検出電圧Ｖｄｅｔ１と検出電圧Ｖｄｅｔ２との差分を計算する。なお、基準温度において、面４１ａ（基準位置Ｐ１）と位置Ｐｘとのアキシャル方向に沿った距離と、面４３ｂ（基準位置Ｐ２）と位置Ｐｘとのアキシャル方向に沿った距離とは、互いに等しい。このため、成分ΔＶｔｈ２は、成分ΔＶｔｈ１の大きさと同じ大きさを有する。これにより、中心点１２ａのアキシャル方向における変位量Δｘｍ（成分ΔＶｍに対応する変位量）が得られる。

そして、軸位置検出装置１５１は、式（６）に示されるように、変位量Δｘｍと長さＬとを用いて中心点１２ａの位置Ｐｘを算出する。つまり、モータ１００は、回転軸１１のアキシャル方向における熱膨張量を補正するために、２つの変位センサ４２，４４を備えている。

ここで、基準温度において、面４１ａと位置Ｐｘとのアキシャル方向に沿った距離と、面４３ｂと位置Ｐｘとのアキシャル方向に沿った距離とが、互いに等しくなるように、ターゲット４１，４３が設けられ、ターゲット４１，４３に応じて変位センサ４２，４４が設けられる。ターゲット４１，４３の設置位置がずれると、変位量Δｘｍを正確に検出できなくなるので、中心点１２ａの位置Ｐｘの算出精度に影響を及ぼすおそれがある。このように、ターゲット４１，４３及び変位センサ４２，４４の配置には、大きな制約がある。

一方、モータ１、軸位置検出装置５１、及び軸位置検出方法では、変位センサ４２によって検出された変位量Δｘ１と、モータ１（モータ部１０）の誘起電圧Ｖｅｍｆと、に基づいて、中心点１２ａのアキシャル方向における位置Ｐｘが算出される。モータ１の誘起電圧Ｖｅｍｆと回転軸１１の温度とは相関関係を有するので、モータ１の誘起電圧Ｖｅｍｆに基づいて、回転軸１１の温度を算出することができる。また、回転軸１１の熱膨張量ΔＬは、回転軸１１の温度に応じて定まる。このため、回転軸１１の温度から回転軸１１の熱膨張量ΔＬを算出することができる。これにより、１つの変位センサ４２によって検出された変位量Δｘ１を熱膨張量ΔＬで補正することで、中心点１２ａの変位量が求められる。したがって、熱膨張による回転軸１１（中心点１２ａ）の位置ずれを考慮して、位置Ｐｘを精度よく検出することができる。

また、変位センサ４２によって検出された変位量Δｘ１と、モータ１（モータ部１０）の誘起電圧Ｖｅｍｆと、に基づいて、中心点１２ａのアキシャル方向における位置Ｐｘが算出されるので、検出部４０（ターゲット４１及び変位センサ４２）は、ターゲット４１のアキシャル方向における変位量を変位センサ４２が検出可能な位置に設けられればよい。したがって、比較例のモータ１００の検出部４０，４０Ａと比較して、検出部４０（ターゲット４１及び変位センサ４２）の配置の自由度が高い。その結果、位置Ｐｘの検出精度を向上させつつ、モータ１の設計の自由度を向上させることが可能となる。

この位置Ｐｘを用いて回転軸１１の位置制御を行うことで、モータ１における回転軸１１の位置制御の精度を向上させることができる。つまり、磁気軸受システム５では、変位センサ４２によって検出された変位量Δｘ１と、モータ１の誘起電圧Ｖｅｍｆと、に基づいて、アキシャル磁気軸受３０によってアキシャル方向に沿った回転軸１１の支持位置が制御される。上述のように、１つの変位センサ４２によって検出された変位量Δｘ１を熱膨張量ΔＬで補正することで、熱膨張による回転軸１１の支持位置の位置ずれを低減することができる。これにより、回転軸１１のアキシャル方向における支持位置を精度よく制御することが可能となる。その結果、熱膨張による変位変動に対して、安定した磁気軸受機能が保持されるので、モータ１の状態をより安定化することが可能となる。

このように、モータ１では、ターゲット４１及び変位センサ４２がモータ部１０の片側に設置されている。回転軸１１は回転軸１１の温度に応じて伸縮するが、１つの変位センサ４２による変位量Δｘ１だけでは、回転軸１１の熱膨張成分を含めた中心点１２ａの位置を算出することができない。このため、誘起電圧Ｖｅｍｆから回転軸１１の温度を検出することで、熱膨張量ΔＬが算出され、変位量Δｘ１と熱膨張量ΔＬとに基づいて、中心点１２ａの位置が算出される。

なお、本発明に係る軸位置検出装置、回転機械、軸位置検出方法、及び磁気軸受システムは上記実施形態に限定されない。

例えば、ターゲット４１は、ラジアル磁気軸受２０とアキシャル磁気軸受３０との間に限られず、回転軸１１のいずれの地点に設けられてもよい。ターゲット４１は、ロータ１２に対して、アキシャル磁気軸受３０と反対側（例えば、図６のターゲット４３の位置）に設けられてもよい。変位センサ４２は、ターゲット４１に応じた位置に配置される。

また、モータ１の誘起電圧Ｖｅｍｆと回転軸１１の温度とは相関関係を有し、回転軸１１の温度と回転軸１１の熱膨張量ΔＬとは相関関係を有するので、算出部５５は、モータ１の誘起電圧Ｖｅｍｆに基づいて、回転軸１１の熱膨張量ΔＬを直接算出してもよい。算出部５５は、例えば、誘起電圧Ｖｅｍｆと回転軸１１の熱膨張量ΔＬとの関係を規定する関係式又はテーブルを用いて、誘起電圧Ｖｅｍｆから回転軸１１の熱膨張量ΔＬを算出する。誘起電圧Ｖｅｍｆと回転軸１１の熱膨張量ΔＬとの関係を規定する関係式又はテーブルは、予め計測されて軸位置検出装置５１に設定されている。この場合も、算出部５５は、１つの変位センサ４２によって検出された変位量Δｘ１を熱膨張量ΔＬで補正することにより、中心点１２ａの位置Ｐｘを算出する。これにより、中心点１２ａにおける熱膨張による位置ずれを低減することができる。

また、基準点は、中心点１２ａに限られず、回転軸１１の他の地点であってもよい。基準点の別の例としては、回転軸１１の端点が挙げられる。この場合も、熱膨張量ΔＬを考慮した上で、回転軸１１の位置制御が行われる。

また、磁気軸受システム５は、２以上の検出部４０を備えていてもよい。つまり、回転軸１１には、複数のターゲット４１が設けられてもよく、各ターゲット４１に対応して、複数の変位センサ４２が設けられてもよい。この場合、算出部５５は、例えば、各変位センサ４２よって検出された変位量Δｘ１を熱膨張量ΔＬでそれぞれ補正し、変位センサ４２ごとに中心点１２ａのアキシャル方向における位置を算出する。そして、算出部５５は、これらの位置の平均値を位置Ｐｘとする。この場合でも、各検出部４０（ターゲット４１及び変位センサ４２）は、互いに独立して配置され得るので、配置の自由度は高い。

また、モータ１は、ロータ１２の内部に設けられた温度センサをさらに備えてもよい。この場合、ロータ１２に設けられた温度センサによって検出された温度が、回転軸１１の温度として用いられてもよい。ロータ１２にスリップリング等が設けられていてもよく、温度センサによって検出された温度を示す温度情報がスリップリングを介して制御装置５０に出力されてもよい。

１ モータ
５ 磁気軸受システム
１０ モータ部
１１ 回転軸
１２ ロータ
１２ａ 中心点
１３ ステータ
１４ 電圧センサ
２０ ラジアル磁気軸受
２１ 磁極
３０ アキシャル磁気軸受
３１ スラストディスク
３２ 磁極
４０ 検出部
４１ ターゲット
４１ａ 面
４１ｂ 面
４２ 変位センサ
５０ 制御装置
５１ 軸位置検出装置
５２ 位置制御装置
５３ 取得部
５４ 取得部
５５ 算出部
ＡＸ 回転軸線

Claims (6)

1. 一方向に延びる回転軸線を有するモータの回転軸の位置を検出する軸位置検出装置であって、
   変位センサによって検出された回転軸の前記一方向における変位量を取得し、
   前記モータの誘起電圧を取得し、
   前記変位量及び前記誘起電圧に基づいて、前記回転軸に設定された基準点の前記一方向における位置を算出する、軸位置検出装置。
2. 前記誘起電圧に基づいて、前記回転軸の熱膨張量を算出し、
   前記変位量及び前記熱膨張量に基づいて、前記基準点の前記位置を算出する、請求項１に記載の軸位置検出装置。
3. 前記誘起電圧に基づいて、前記回転軸の温度を算出し、
   前記温度に基づいて、前記熱膨張量を算出する、請求項２に記載の軸位置検出装置。
4. 前記回転軸と、
   前記変位センサと、
   前記回転軸を前記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〜請求項３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、前記基準点の前記位置を得る、回転機械。
5. 一方向に延びる回転軸線を有するモータの回転軸の位置を検出する軸位置検出方法であって、
   変位センサによって検出された回転軸の前記一方向における変位量を取得するステップと、
   前記モータの誘起電圧を取得するステップと、
   前記変位量及び前記誘起電圧に基づいて、前記回転軸に設定された基準点の前記一方向における位置を算出するステップと、を備える軸位置検出方法。
6. モータに搭載され、一方向に延びる回転軸線を有する回転軸を非接触で支持するための磁気軸受システムであって、
   前記回転軸の前記一方向における変位量を検出する変位センサと、
   前記一方向に沿った前記回転軸の支持位置を制御するアキシャル磁気軸受と、
   前記変位量及び前記モータの誘起電圧に基づいて、前記アキシャル磁気軸受に前記支持位置を制御させる制御装置と、
   を備える、磁気軸受システム。

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