WO2023189920A1 - 駆動システム、ターボ圧縮機、冷凍装置 - Google Patents

駆動システム、ターボ圧縮機、冷凍装置 Download PDF

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WO2023189920A1
WO2023189920A1 PCT/JP2023/011162 JP2023011162W WO2023189920A1 WO 2023189920 A1 WO2023189920 A1 WO 2023189920A1 JP 2023011162 W JP2023011162 W JP 2023011162W WO 2023189920 A1 WO2023189920 A1 WO 2023189920A1
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WO
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shaft
rotation angle
angle sensor
sensor
measured
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PCT/JP2023/011162
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English (en)
French (fr)
Inventor
翔太 黒田
篤 阪脇
裕介 入野
Original Assignee
ダイキン工業株式会社
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08Structural association with bearings
    • H02K7/09Structural association with bearings with magnetic bearings
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/14Structural association with mechanical loads, e.g. with hand-held machine tools or fans
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor

Definitions

  • the present disclosure relates to a drive system, a turbo compressor, and a refrigeration device.
  • Patent Document 1 discloses a motor system including a motor, a controller, and a current sensor.
  • the electric motor constitutes a bearingless motor that levitates and supports a rotor having a rotating shaft in a non-contact manner.
  • Patent Document 1 does not disclose or suggest anything about detecting the rotation angle of the shaft before supporting the shaft in a non-contact manner.
  • a first aspect of the present disclosure relates to a drive system, and this drive system includes a shaft (20) having a part to be measured (25), and a support part (11) that supports the shaft (20) in a non-contact manner by electromagnetic force. ), a drive unit (12) that rotationally drives the shaft (20) by electromagnetic force, and a drive unit (12) that rotates the shaft (20) when the support unit (11) does not support the shaft (20) in a non-contact manner.
  • a touchdown bearing (50) that rotatably supports the shaft (20) in contact with the shaft (20); and a startup process before the shaft (20) is supported in a non-contact manner by the support section (11).
  • a control unit (80) configured to control the rotation angle of the shaft (20) in a state where the shaft (20) is in contact with the touchdown bearing (50) in the startup process. Detect.
  • a second aspect of the present disclosure is the drive system of the first aspect, including a rotation angle sensor (60) that outputs a signal according to the rotation angle of the part to be measured (25), and the control unit (80) In the start-up process, controls the drive unit (12) so that the shaft (20) rotates while in contact with the touchdown bearing (50), and controls the rotation angle sensor (60) to This is a drive system that detects the rotation angle of the shaft (20) based on a signal.
  • the rotation angle of the shaft (20) can be detected before the shaft (20) is supported in a non-contact manner.
  • a third aspect of the present disclosure is that in the drive system of the second aspect, the rotation angle sensor (60) is a gap sensor that outputs a signal according to a distance from the part to be measured (25);
  • the part to be measured (25) is a drive system configured such that the distance from the rotation angle sensor (60) changes according to changes in the rotation angle of the shaft (20).
  • the rotation angle of the shaft (20) when the rotation angle of the shaft (20) changes, the distance between the measured part (25) of the shaft (20) and the rotation angle sensor (60) changes, and as a result, the rotation angle sensor The signal output from (60) changes. Therefore, the rotation angle of the shaft (20) can be detected based on the signal output from the rotation angle sensor (60).
  • a fourth aspect of the present disclosure is the drive system according to the third aspect, in which the control unit (80) is configured to move the shaft (20) by the electromagnetic force in the start-up process so that the measured part (25) ) is a drive system that controls the support part (11) so that it approaches the rotation angle sensor (60).
  • the distance between the rotation angle sensor (60) and the measured part (25) of the shaft (20) is determined by the distance between the rotation angle sensor (60) and the shaft (25) at the start of the startup process. 20) and the part to be measured (25).
  • the signal change according to the distance change of the rotation angle sensor (60) can be increased, and the rotation angle of the shaft (20) can be detected based on the output signal of the rotation angle sensor (60). Processing accuracy can be improved.
  • a fifth aspect of the present disclosure is that in the drive system of the fourth aspect, the control unit (80) is configured to control a state in which the part to be measured (25) approaches the rotation angle sensor (60) in the startup process.
  • the drive system controls the drive unit (12) so that the shaft (20) rotates while controlling the support unit (11) so that the shaft (20) is maintained.
  • the distance between the rotation angle sensor (60) and the measured part (25) of the shaft (20) is determined as "the distance between the rotation angle sensor (60) and the shaft at the start of the start-up process".
  • (20) can be maintained to be shorter than the distance between the part to be measured (25) and the part to be measured (25).
  • the shaft (20) is adjusted based on the output signal of the rotation angle sensor (60).
  • the accuracy of the process of detecting the rotation angle can be continuously improved.
  • a sixth aspect of the present disclosure is that in the drive system of the third aspect, when the rotation angle sensor (60) is not supported by the support portion (11) in a non-contact manner, the shaft (20) is The distance (G1) between the rotation angle sensor (60) and the part to be measured (25) is such that the position of the shaft (20) supported in a non-contact manner by the support part (11) is a reference position.
  • the drive system is arranged so that the distance (G0) between the rotation angle sensor (60) and the measured part (25) is equal to or less than the distance (G0) at a certain time.
  • the rotation angle sensor (60) and the measured part (25) of the shaft (20) in the startup process in which the shaft (20) is in a touchdown state (a state in which it is in contact with the touchdown bearing (50)), the rotation angle sensor (60) and the measured part (25) of the shaft (20) The distance between the rotation angle sensor (60) and the measured part (25) of the shaft (20) when the position of the shaft (20) supported without contact by the support part (11) is the reference position. (G0) or less.
  • a seventh aspect of the present disclosure includes a position sensor (70) that is a gap sensor that outputs a signal according to a distance from the shaft (20) in the drive system according to any one of the third to sixth aspects. and a driving system in which the dynamic range of the rotation angle sensor (60) is the same as the dynamic range of the position sensor (70).
  • the type of gap sensor serving as the rotation angle sensor (60) and the type of gap sensor serving as the position sensor (70) can be unified. This makes it possible to reduce sensor procurement costs.
  • the measured portion (25) includes a plurality of cylindrical portions arranged at predetermined intervals in the circumferential direction of the shaft (20).
  • a plurality of first step portions (201) are provided, one of the plurality of first step portions (201) also serving as a second step portion (202) for detecting a rotation reference of the shaft (20). It has a drive system.
  • the number of rotation angle sensors (60) is increased compared to the case where the first step part (201) and the second step part (202) are separately provided on the measured part (25) of the shaft (20). can be reduced. Thereby, the cost required for the sensor can be reduced.
  • a ninth aspect of the present disclosure is a drive system according to any one of the first to eighth aspects, comprising a bearingless motor (30) having a support winding (35) and a drive winding (36),
  • the support winding (35) is a winding that generates an electromagnetic force to support the shaft (20) in a non-contact manner when energized, functions as the support part (11), and serves as the drive winding (36).
  • ) is a winding that generates an electromagnetic force for rotationally driving the shaft (20) when energized, and is a drive system that functions as the drive section (12).
  • a tenth aspect of the present disclosure relates to a turbo compressor including the drive system according to any one of the first to ninth aspects.
  • An eleventh aspect of the present disclosure relates to a refrigeration system including the turbo compressor of the tenth aspect.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the configuration of a turbo compressor according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the first shaft portion of the portion to be measured of the shaft.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the second shaft portion of the portion to be measured of the shaft.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the configuration of a bearingless motor.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating the configuration of a radial magnetic bearing.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a touchdown state of the shaft in the embodiment.
  • FIG. 7 is a graph illustrating the output signal of the rotation angle sensor and the change in the rotation angle of the shaft in the embodiment.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating the startup process of the embodiment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating the arrangement of the rotation angle sensor.
  • FIG. 10 is a graph illustrating the output characteristics of the gap sensor.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating the configuration of a turbo compressor according to modification 2 of the embodiment.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a state in which the shafts are close to each other in Modification 2 of the embodiment.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating the startup process of modification 2 of the embodiment.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating the configuration of a turbo compressor according to modification 3 of the embodiment.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating a touchdown state of the shaft in Modification 3 of the embodiment.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating a state in which the shafts are close to each other in Modification 3 of the embodiment.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the first shaft portion of the measured portion of the shaft in Modification 4 of the embodiment.
  • FIG. 18 is a graph illustrating the output signal of the rotation angle sensor and the change in the rotation angle of the shaft in Modification 4 of the embodiment.
  • FIG. 19 is a schematic diagram illustrating the configuration of the refrigeration device.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view illustrating a modification of the measured portion of the shaft.
  • FIG. 1 illustrates the configuration of a turbo compressor (1) according to an embodiment.
  • the turbo compressor (1) sucks in fluid, compresses it, and discharges the compressed fluid.
  • the turbo compressor (1) comprises a casing (2), an impeller (3) and a drive system (10).
  • the drive system (10) includes a shaft (20), a bearingless motor (30), a magnetic bearing (40), and a touchdown bearing (50).
  • the direction of the axis of a member will be referred to as the "axial direction” of the member.
  • the direction perpendicular to the axis of a member is referred to as the "radial direction” of the member.
  • the direction around the axis of a member is referred to as the "circumferential direction” of the member.
  • the axial direction of the shaft (20) is the direction of the rotational axis of the shaft (20).
  • the radial direction of the shaft (20) is a direction perpendicular to the axis of rotation of the shaft (20).
  • the circumferential direction of the shaft (20) is the direction around the axis of rotation of the shaft (20).
  • the casing (2) is formed into a cylindrical shape with both ends closed.
  • the space within the casing (2) is divided into two spaces by the wall (2a), one space forming an impeller room (S1) and the other space forming a motor room (S2).
  • the impeller (3) is housed in the impeller chamber (S1).
  • the motor chamber (S2) accommodates a bearingless motor (30), a magnetic bearing (40), and a touchdown bearing (50), which are fixed to the inner peripheral wall of the motor chamber (S2).
  • the casing (2) is arranged so that the axis (cylindrical axis) of the casing (2) is oriented horizontally.
  • the shaft (20) is housed within the casing (2).
  • the shaft (20) extends from the impeller chamber (S1) to the motor chamber (S2) through the wall (2a).
  • An impeller (3) is fixed to one end of the shaft (20).
  • the shaft (20) is made of a magnetic material such as iron.
  • the shaft (20) has a disk portion (21), a recessed portion (22), and a portion to be measured (25).
  • the disk portion (21) is provided at the other end of the shaft (20).
  • the recess (22) is provided near the other end of the shaft (20).
  • the recess (22) is formed around the entire circumference of the shaft (20).
  • the measured portion (25) is provided between one end of the shaft (20) and the recess (22).
  • the measured portion (25) is configured such that the distance from the rotation angle sensor (60), which will be described later, changes in accordance with changes in the rotation angle of the shaft (20).
  • the part to be measured (25) is formed into a shaft shape.
  • the portion to be measured (25) is provided with a plurality of first step portions (201) and a second step portion (202).
  • the plurality of first step portions (201) are arranged at predetermined intervals in the circumferential direction of the shaft (20).
  • the plurality of first step portions (201) are provided to detect changes in the rotation angle of the shaft (20).
  • first step portions (201) are provided at equal intervals in the circumferential direction of the shaft (20).
  • the first step portion (201) is a recess (groove).
  • the shaft part hereinafter referred to as "first shaft part" provided with the first step part (201) is a first rotation angle sensor (61) which will be described later. will be measured.
  • the second stepped portion (202) is provided on a shaft portion adjacent to the first shaft portion (the shaft portion provided with the plurality of first stepped portions (201)) in the axial direction of the shaft (20).
  • the second step portion (202) is provided to detect the rotation reference of the shaft (20).
  • the second step portion (202) is a recess (groove).
  • the shaft part hereinafter referred to as "second shaft part" provided with the second step part (202) is a second rotation angle sensor (62) to be described later. will be measured.
  • the impeller (3) has a plurality of blades and is formed to have a substantially conical outer shape.
  • the impeller (3) is housed in the impeller chamber (S1) while being fixed to one end of the shaft (20).
  • a suction pipe (P1) and a discharge pipe (P2) are connected to the impeller chamber (S1).
  • the suction pipe (P1) is provided to guide fluid from the outside to the impeller chamber (S1).
  • the discharge pipe (P2) is provided to guide the high pressure fluid compressed within the impeller chamber (S1) to the outside.
  • the impeller (3) and the impeller chamber (S1) constitute a compression mechanism.
  • the bearingless motor (30) has a rotor (31) and a stator (32), supports the shaft (20) in a non-contact manner by electromagnetic force, and rotationally drives the shaft (20).
  • the rotor (31) is fixed to the shaft (20)
  • the stator (32) is fixed to the inner peripheral wall of the casing (2).
  • the bearingless motor (30) is arranged between one end of the shaft (20) (the end to which the impeller (3) is fixed) and the part to be measured (25).
  • the bearingless motor (30) has a support winding (35) and a drive winding (36).
  • a support winding (35) and a drive winding (36) are provided on the stator (32).
  • the support winding (35) is a winding that generates electromagnetic force to support the shaft (20) in a non-contact manner when energized.
  • the support winding (35) functions as a support part (11) that supports the shaft (20) in a non-contact manner using electromagnetic force.
  • the support winding (35) is an example of the support portion (11).
  • the drive winding (36) is a winding that generates electromagnetic force to rotate the shaft (20) when energized.
  • the drive winding (36) functions as a drive unit (12) that rotates the shaft (20) using electromagnetic force.
  • the drive winding (36) is an example of the drive section (12).
  • the bearingless motor (30) is a consequent pole type bearingless motor.
  • the rotor (31) has a rotor core (310) and a plurality of permanent magnets (311).
  • the rotor core (310) is made of a magnetic material and has a cylindrical shape.
  • the rotor core (310) is constituted by a laminated core in which disc-shaped electromagnetic steel plates are laminated.
  • a shaft hole for inserting the shaft (20) is provided in the center of the rotor core (310).
  • the plurality of permanent magnets (311) are arranged at predetermined angular pitches in the circumferential direction of the rotor (31).
  • the rotor (31) is provided with four permanent magnets (311).
  • the four permanent magnets (311) are arranged at an angular pitch of 90° in the circumferential direction of the rotor (31) and are embedded in the outer peripheral portion (near the outer peripheral surface) of the rotor core (310). Further, the four permanent magnets (311) are formed in an arc shape along the outer circumferential surface of the rotor core (310), and the outer circumferential surface side is the north pole.
  • the portion of the outer circumference of the rotor core (310) located between the four permanent magnets (311) in the circumferential direction of the rotor (31) becomes a pseudo S pole.
  • the outer peripheral surface side of the four permanent magnets (311) may serve as the S pole.
  • a portion of the outer circumference of the rotor core (310) located between the four permanent magnets (311) in the circumferential direction of the rotor (31) becomes a pseudo N pole.
  • the stator (32) faces the rotor (31) with a predetermined air gap in between.
  • the stator (32) has a stator core (320), a support winding (35), and a drive winding (36).
  • the stator core (320) is made of magnetic material.
  • the stator core (320) is constituted by a laminated core in which annular electromagnetic steel sheets are laminated.
  • the stator core (320) includes a cylindrical back yoke and a plurality of teeth (not shown) provided on the inner peripheral surface of the back yoke.
  • the support winding (35) is wound around the radially outer portion of the teeth of the stator core (320).
  • the bearingless motor (30) is provided with three types of support windings (35). Specifically, the support winding (35) surrounded by a thick solid line in FIG. 4 constitutes a U-phase support winding. The support winding (35) surrounded by a thick broken line in FIG. 4 constitutes a V-phase support winding. The support winding (35) surrounded by a thin solid line in FIG. 4 constitutes a W-phase support winding.
  • the drive winding (36) is wound around the radially inner portion of the teeth of the stator core (320).
  • the bearingless motor (30) is provided with three types of drive windings (36). Specifically, the drive winding (36) surrounded by a thick solid line in FIG. 4 constitutes a U-phase drive winding. The drive winding (36) surrounded by a thick broken line in FIG. 4 constitutes a V-phase drive winding. The drive winding (36) surrounded by a thin solid line in FIG. 4 constitutes a W-phase drive winding.
  • the magnetic bearing (40) has a plurality of electromagnets, and supports the shaft (20) in a non-contact manner by the electromagnetic force of the plurality of electromagnets.
  • the magnetic bearing (40) controls the position of the shaft (20) by electromagnetic force.
  • the magnetic bearing (40) functions as a support portion (11) that supports the shaft (20) in a non-contact manner using electromagnetic force.
  • the magnetic bearing (40) is an example of the support portion (11).
  • a radial magnetic bearing (41) and a thrust magnetic bearing (42) are provided as the magnetic bearing (40).
  • the radial magnetic bearing (41) non-contactly controls the radial position of the shaft (20) by electromagnetic force.
  • the radial magnetic bearing (41) is arranged between the bearingless motor (30) and the measured portion (25) of the shaft (20).
  • the radial magnetic bearing (41) includes a first radial electromagnet (41a), a second radial electromagnet (41b), a third radial electromagnet (41c), and a fourth radial electromagnet. (41d).
  • the first radial electromagnet (41a) and the second radial electromagnet (41b) face each other with the shaft (20) in between.
  • the third radial electromagnet (41c) and the fourth radial electromagnet (41d) face each other with the shaft (20) in between.
  • the direction in which the third radial electromagnet (41c) and the fourth radial electromagnet (41d) face each other is orthogonal to the direction in which the first radial electromagnet (41a) and the second radial electromagnet (41b) face each other.
  • the radial magnetic bearing (41) has a core (410) and a plurality of windings (415).
  • the core (410) is made of a magnetic material and has a cylindrical shape.
  • the core (410) includes a cylindrical back yoke (411) and a plurality of teeth (412) provided on the inner peripheral surface of the back yoke (411).
  • the plurality of windings (415) are wound around the plurality of teeth (412).
  • a radial electromagnet is configured by winding the winding (415) around the teeth (412).
  • the third radial electromagnet (41c) and the fourth radial electromagnet (41d) can be opposed to each other.
  • the position of the shaft (20) in the direction is controlled.
  • the radial magnetic bearing (41) is arranged so that the axis of the radial magnetic bearing (41) coincides with the axis of the stator (32) of the bearingless motor (30).
  • the thrust magnetic bearing (42) non-contactly controls the axial position of the shaft (20) using electromagnetic force.
  • the thrust magnetic bearing (42) includes a first thrust electromagnet (42a) and a second thrust electromagnet (42b).
  • the first thrust electromagnet (42a) and the second thrust electromagnet (42b) face each other with the disk portion (21) of the shaft (20) in between.
  • the first thrust electromagnet (42a) has a core formed in an annular shape and a winding wire wound in an annular shape.
  • an annular groove is formed in the core of the first thrust electromagnet (42a), and the coil of the first thrust electromagnet (42a) is accommodated in the groove of the core of the first thrust electromagnet (42a).
  • the configuration of the second thrust electromagnet (42b) is similar to that of the first thrust electromagnet (42a).
  • the support part (11) is controlled so that the position of the shaft (20) is at a predetermined reference position.
  • the reference position is the shaft when the rotational axis of the shaft (20) coincides with a predetermined reference axis and the axial position of the shaft (20) reaches the predetermined reference axial position. (20) is the position.
  • the reference axis is the axis of the stator (32) of the bearingless motor (30).
  • the reference axial position is the center position of the disk portion (21) of the shaft (20) between the first thrust electromagnet (42a) and the second thrust electromagnet (42b) of the thrust magnetic bearing (42).
  • the touchdown bearing (50) contacts the shaft (20) and rotatably supports the shaft (20) when the support portion (11) does not support the shaft (20) in a non-contact manner.
  • a radial touchdown bearing (51) and a radial thrust touchdown bearing (52) are provided as the touchdown bearing (50).
  • the radial touchdown bearing (51) is formed in an annular shape.
  • the shaft (20) is inserted into the radial touchdown bearing (51).
  • the radial touchdown bearing (51) is arranged between one end of the shaft (20) (the end to which the impeller (3) is fixed) and the bearingless motor (30).
  • the radial touchdown bearing (51) is arranged on the wall (2a) of the casing (2).
  • the radial touchdown bearing (51) is configured such that the axis of the radial touchdown bearing (51) is the same as the reference axis (specifically, the axis of the stator (32) of the bearingless motor (30) and the axis of the radial magnetic bearing (41)). arranged to match.
  • the inner diameter of the radial touchdown bearing (51) is smaller than the inner diameter of the radial magnetic bearing (41) (the diameter of the imaginary cylindrical surface in contact with the tips of the teeth (412)).
  • the gap between the radial thrust touchdown bearing (52) and the shaft (20) is the same as the gap between the radial magnetic bearing (41) and the shaft (20). ” and “the gap between the rotor (31) and the stator (32) of the bearingless motor (30).”
  • the radial touchdown bearing (51) is configured such that the inner circumferential surface of the radial touchdown bearing (51) is in contact with the shaft (20) that moves in the radial direction of the radial touchdown bearing (51), and the shaft (20) rotatably supported.
  • the shaft (20) and the inner peripheral surface of the radial touchdown bearing (51) due to contact between the shaft (20) and the inner peripheral surface of the radial touchdown bearing (51), "contact between the rotor (31) and stator (32) of the bearingless motor (30)" and “shaft (20) contact with the radial magnetic bearing (41) can be avoided.
  • the radial thrust touchdown bearing (52) is formed in an annular shape.
  • the shaft (20) is inserted into the radial thrust touchdown bearing (52).
  • the radial thrust touchdown bearing (52) is arranged between the measured portion (25) of the shaft (20) and the thrust magnetic bearing (42).
  • the radial thrust touchdown bearing (52) is arranged to face the recess (22) of the shaft (20).
  • the axis of the radial thrust touchdown bearing (52) is the reference axis (specifically, the axis of the stator (32) of the bearingless motor (30) and the axis of the radial magnetic bearing (41) ) are arranged to match.
  • the radial thrust touchdown bearing (52) faces the recess (22) of the shaft (20).
  • the inner circumferential surface of the radial thrust touchdown bearing (52) faces the bottom surface of the recess (22) of the shaft (20), and both end surfaces of the radial thrust touchdown bearing (52) in the axial direction It faces both sides of the recess (22) of the shaft (20).
  • the gap between the radial thrust touchdown bearing (52) and the bottom of the recess (22) of the shaft (20) is the same as that between the radial magnetic bearing (41) and the shaft ( 20) and the rotor (31) and stator (32) of the bearingless motor (30).
  • the gap between the radial thrust touchdown bearing (52) and one side of the recess (22) of the shaft (20) is the same as that of the thrust magnetic bearing (42). It is narrower than the gap between the first thrust electromagnet (42a) and the disk portion (21) of the shaft (20).
  • the gap between the radial thrust touchdown bearing (52) and the other side of the recess (22) of the shaft (20) is the gap between the second thrust electromagnet (42b) of the thrust magnetic bearing (42) and the disc part of the shaft (20). narrower than the gap between (21) and
  • the radial thrust touchdown bearing (52) has a recess (22) in the shaft (20) where the inner peripheral surface of the radial thrust touchdown bearing (52) moves in the radial direction of the radial thrust touchdown bearing (52).
  • the shaft (20) is rotatably supported by contacting the bottom surface of the shaft (20). Also, due to the contact between the bottom surface of the recess (22) of the shaft (20) and the inner peripheral surface of the radial thrust touchdown bearing (52), "the rotor (31) and stator (32) of the bearingless motor (30) "contact” and “contact between the shaft (20) and the radial magnetic bearing (41)" can be avoided.
  • the radial thrust touchdown bearing (52) has a recess in the shaft (20) in which the axial end face of the radial thrust touchdown bearing (52) moves in the axial direction of the radial thrust touchdown bearing (52). (22) to rotatably support the shaft (20).
  • contact between the disk portion (21) of the shaft (20) and the thrust magnetic bearing (42) is avoided by contact between the side surface of the recess (22) of the shaft (20) and the radial thrust touchdown bearing (52). be able to.
  • the state in which the shaft (20) is in contact with the touchdown bearing (50) will be referred to as a "touchdown state.”
  • the touchdown state is such that the shaft (20) is in contact with the radial touchdown bearing (51), and the bottom surface of the recess (22) of the shaft (20) is in the radial thrust touchdown state. It is in contact with the bearing (52).
  • the drive system (10) includes various sensors such as a rotation angle sensor (60), a position sensor (70), and a current sensor (not shown).
  • the rotation angle sensor (60) outputs a signal according to the rotation angle of the measured portion (25) of the shaft (20).
  • the rotation angle sensor (60) is a gap sensor that outputs a signal according to the distance from the part to be measured (25).
  • this gap sensor is an eddy current type gap sensor.
  • a first rotation angle sensor (61) and a second rotation angle sensor (62) are provided as the rotation angle sensor (60).
  • Each of the first rotation angle sensor (61) and the second rotation angle sensor (62) is a gap sensor that outputs a signal according to the distance to the measurement target. The longer the distance between the gap sensor and the measurement target, the higher the level (amplitude value) of the signal output from the gap sensor.
  • the first rotation angle sensor (61) is arranged to face the first shaft part (the shaft part provided with the first step part (201)) of the measured part (25) of the shaft (20), and (20) outputs a signal according to the distance from the first shaft part of the part to be measured (25).
  • the distance (D11) between the first step part (201) of the first shaft part and the first rotation angle sensor (61) is longer than the distance (D10) between the first rotation angle sensor (61) and the remaining portion of the first shaft portion excluding the first step portion (201). Therefore, the level (amplitude value) of the signal output from the first rotation angle sensor (61) becomes high when the first rotation angle sensor (61) and the first stepped portion (201) face each other.
  • the second rotation angle sensor (62) is arranged so as to face the second shaft part (the shaft part provided with the second step part (202)) of the measured part (25) of the shaft (20), and (20) outputs a signal according to the distance from the second shaft part of the part to be measured (25).
  • the distance (D21) between the second step part (202) of the second shaft part and the second rotation angle sensor (62) is longer than the distance (D20) between the second rotation angle sensor (62) and the remaining portion of the second shaft portion excluding the second step portion (202). Therefore, the level (amplitude value) of the signal output from the second rotation angle sensor (62) becomes high when the second rotation angle sensor (62) and the second stepped portion (202) face each other.
  • first rotation angle sensor (61) and the second rotation angle sensor (62) are arranged vertically below the shaft (20). Further, the first rotation angle sensor (61) and the second rotation angle sensor (62) are arranged to face the reference axis.
  • the position sensor (70) outputs a signal according to the position of the shaft (20).
  • the position sensor (70) is a gap sensor that outputs a signal according to the distance from the shaft (20).
  • a radial position sensor (71) and a thrust position sensor (72) are provided as the position sensor (70).
  • Each of the radial position sensor (71) and the thrust position sensor (72) is a gap sensor that outputs a signal according to the distance to the measurement target. The longer the distance between the gap sensor and the measurement target, the higher the level (amplitude value) of the signal output from the gap sensor.
  • the radial position sensor (71) outputs a signal according to the radial position of the shaft (20).
  • the radial position sensor (71) is configured to detect a shaft portion of the measured portion (25) of the shaft (20) in which neither the first step portion (201) nor the second step portion (202) is provided. (hereinafter referred to as "cylindrical surface portion")", and outputs a signal according to the distance from the cylindrical surface portion of the measured portion (25) of the shaft (20).
  • the first radial position sensor (71) outputs a signal according to the position of the shaft (20) in the opposing direction between the first radial electromagnet (41a) and the second radial electromagnet (41b) of the radial magnetic bearing (41). .
  • the second radial position sensor (71) outputs a signal according to the position of the shaft (20) in the opposing direction of the third radial electromagnet (41c) and fourth radial electromagnet (41d) of the radial magnetic bearing (41).
  • the radial position sensor (71) is arranged to face the reference axis.
  • the thrust position sensor (72) outputs a signal according to the axial position of the shaft (20).
  • the thrust position sensor (72) is arranged to face the other end surface of the shaft (20), and outputs a signal according to the distance from the other end surface of the shaft (20).
  • the drive system (10) also includes a control section (80).
  • the control unit (80) is connected to various sensors provided in the drive system (10) through signal lines, and receives signals output from the various sensors.
  • the control unit (80) is connected to the components of the drive system (10) by signal lines, and controls the components of the drive system (10).
  • the control unit (80) includes a bearingless motor (30), a radial magnetic bearing (41), a thrust magnetic bearing (42), a first rotation angle sensor (61), a second rotation angle sensor (62), It is connected to the radial position sensor (71) and thrust position sensor (72) by a signal line.
  • control unit (80) receives various instructions such as a startup instruction to start operation.
  • the control unit (80) performs various processes based on various instructions and signals output from various sensors.
  • control unit (80) includes a processor, a memory that is electrically connected to the processor and stores a program for operating the processor, a power supply unit that supplies power according to instructions from the processor, and the like.
  • the control unit (80) performs floating position control when the shaft (20) is supported by the support unit (11) in a non-contact manner.
  • the control unit (80) detects the position of the shaft (20) based on the signal output from the position sensor (70), and the position of the shaft (20) becomes a predetermined reference position. Control the support part (11) so that.
  • control unit (80) detects the radial position (rotational axis position) of the shaft (20) based on the signal output from the radial position sensor (71), and adjusts the position of the shaft (20).
  • Current flows through the support winding (35) of the bearingless motor (30) and the winding of the radial magnetic bearing (41) so that the radial position is at a predetermined reference radial position (reference axis position). (415).
  • the control unit (80) also detects the axial position of the shaft (20) based on the signal output from the thrust position sensor (72), and determines the axial position of the shaft (20) based on a predetermined standard.
  • the current flowing through the winding of the thrust magnetic bearing (42) is controlled so that the thrust magnetic bearing (42) is positioned in the axial direction.
  • the control unit (80) detects a change in the rotation angle of the shaft (20) based on the signal output from the first rotation angle sensor (61). Below, the signal output from the first rotation angle sensor (61) will be referred to as a “first sensor signal (SS1)."
  • the control unit (80) compares the level (amplitude value) of the first sensor signal (SS1) with a predetermined first threshold (Th1), and performs the comparison.
  • a first result signal (PP1) is generated according to the result.
  • the control unit (80) causes the level of the first result signal (PP1) to transition from low level to high level, and the first sensor signal
  • the level of (SS1) falls below the first threshold (Th1), the level of the first result signal (PP1) is transitioned from high level to low level.
  • the first threshold value (Th1) is determined, for example, when the first step part (201) of the first shaft part of the measured part (25) of the shaft (20) and the first rotation angle sensor (61) face each other. lower than the level of the first sensor signal (SS1) when The level is set to be higher than the level of the first sensor signal (SS1) when the first rotation angle sensor (61) is facing the first rotation angle sensor (61).
  • the control unit (80) also detects the rotation reference (rotation angle reference) of the shaft (20) based on the signal output from the second rotation angle sensor (62).
  • the signal output from the second rotation angle sensor (62) will be referred to as a "second sensor signal (SS2)."
  • the control unit (80) compares the level (amplitude value) of the second sensor signal (SS2) with a predetermined second threshold (Th2), and performs the comparison.
  • a second result signal (PP2) is generated according to the result.
  • the control unit (80) causes the level of the second result signal (PP2) to transition from low level to high level, and the second sensor signal
  • the level of (SS2) falls below the second threshold (Th2), the level of the second result signal (PP2) is transitioned from high level to low level.
  • the second threshold value (Th1) is determined, for example, when the second step portion (202) of the second shaft portion of the measured portion (25) of the shaft (20) and the second rotation angle sensor (62) face each other. lower than the level of the second sensor signal (SS2) when The level is set to be higher than the level of the second sensor signal (SS2) when the second rotation angle sensor (62) is facing the second rotation angle sensor (62).
  • the control unit (80) then controls the "change in the rotation angle of the shaft (20)" detected based on the first sensor signal (SS1) and the “change in the shaft rotation angle” detected based on the second sensor signal (SS2).
  • the rotation angle of the shaft (20) is detected based on the rotation reference of (20).
  • the control unit (80) sets the rotation angle of the shaft (20) to "0°". Make it.
  • the control unit (80) increases the rotation angle of the shaft (20) by a predetermined amount (45° in this example) every time the level of the first result signal (PP1) transitions from low level to high level. . In this way, the rotation angle of the shaft (20) is detected.
  • the control unit (80) performs a startup process before the support unit (11) supports the shaft (20) in a non-contact manner.
  • the control unit (80) controls the drive unit (12) so that the shaft (20) rotates in contact with the touchdown bearing (50), and outputs the output from the rotation angle sensor (60).
  • the rotation angle of the shaft (20) is detected based on the detected signal.
  • control unit (80) upon receiving a startup instruction to start operation, performs the following operations.
  • control unit (80) supplies current to the drive winding (36) of the bearingless motor (30).
  • the shaft (20) rotates in the touchdown state.
  • the control unit (80) then controls the current supplied to the drive winding (36) of the bearingless motor (30) so that the rotational speed of the shaft (20) is constant.
  • the control unit (80) detects the rotation angle of the shaft (20) based on the signal output from the rotation angle sensor (60).
  • the control unit (80) receives the first sensor signal (SS1) output from the first rotation angle sensor (61) and the second sensor signal (SS2) output from the second rotation angle sensor (62). ), the rotation angle of the shaft (20) is detected.
  • control unit (80) ends the startup process.
  • control section (80) controls the support section (11) so that the support section (11) supports the shaft (20) in a non-contact manner.
  • the control unit (80) performs the activation process before the support unit (11) supports the shaft (20) in a non-contact manner.
  • the control unit (80) detects the rotation angle of the shaft (20) while the shaft (20) is in contact with the touchdown bearing (50).
  • the control unit (80) controls the drive unit (12) so that the shaft (20) rotates in contact with the touchdown bearing (50), and controls the drive unit (12) to ) detects the rotation angle of the shaft (20) based on the signal output from the shaft (20).
  • the rotation angle of the shaft (20) can be detected before the shaft (20) is supported without contact.
  • a bearingless motor (30) is used to initiate non-contact support of the shaft (20), based on the rotation angle of the shaft (20), the rotor ( 31) The position of the magnetic pole can be detected. This allows the bearingless motor (30) to generate electromagnetic force to support the shaft (20) without contact (electromagnetic force that can move the shaft (20) toward the reference position).
  • the current flowing through the support winding (35) can be appropriately controlled.
  • the current flowing through the drive winding (36) of the bearingless motor (30) is controlled so that the electromagnetic force for rotating the shaft (20) is generated. Can be properly controlled.
  • control for supporting the shaft (20) without contact (levitation control) and control for rotationally driving the shaft (20) (rotation control) can be stably performed.
  • the rotation angle sensor (60) is a gap sensor that outputs a signal according to the distance between the shaft (20) and the part to be measured (25).
  • the measured portion (25) of the shaft (20) is configured such that the distance from the rotation angle sensor (60) changes according to changes in the rotation angle of the shaft (20).
  • the turbo compressor (1) of Modification 1 of the embodiment differs from the turbo compressor (1) of the embodiment in the arrangement and performance of the rotation angle sensor (60). Other configurations and processing of the turbo compressor (1) of Modification 1 of the embodiment are similar to those of the turbo compressor (1) of the embodiment.
  • the rotation angle sensor (60) is a rotation angle sensor ( 60) and the part to be measured (25) of the shaft (20) (G1) when the position of the shaft (20) supported without contact by the support part (11) is the reference position.
  • the rotation angle sensor (60) and the measured portion (25) of the shaft (20) are arranged so as to be less than or equal to the distance (G0).
  • the first rotation angle sensor (61) and the first rotation angle sensor (61) are arranged as follows.
  • the first rotation angle sensor (61) is the first rotation angle sensor (61) and the measured part of the shaft (20) when the shaft (20) is not supported by the support part (11) in a non-contact manner.
  • the distance (G1) between the shaft (25) and the first shaft part (shaft part provided with the first step part (201)) is "shaft (20) supported by the support part (11) in a non-contact manner"
  • the distance between the first rotation angle sensor (61) and the first shaft portion of the measured part (25) of the shaft (20) when the position is the reference position (G0) or less. Ru.
  • the second rotation angle sensor (62) is the second rotation angle sensor (62) and the measured part of the shaft (20) when the shaft (20) is not supported by the support part (11) in a non-contact manner. (25) and the second shaft portion (the shaft portion provided with the second step portion (202))” is “the position of the shaft (20) supported without contact by the support portion (11)”.
  • the distance between the second rotation angle sensor (62) and the second shaft portion of the measured portion (25) of the shaft (20) at the reference position is equal to or less than the distance between the second rotation angle sensor (62) and the second shaft portion of the measured portion (25) of the shaft (20).
  • the dynamic range of the rotation angle sensor (60) is the same as the dynamic range of the position sensor (70).
  • the dynamic range of the gap sensor that is each of the first rotation angle sensor (61) and the second rotation angle sensor (62) is the same as the dynamic range of the gap sensor that is the radial position sensor (71). .
  • FIG. 10 illustrates the output characteristics of the gap sensor.
  • the horizontal axis indicates the distance (gap) between the gap sensor and the measurement target, and the vertical axis indicates the level (amplitude value) of the signal output from the gap sensor.
  • a change in the distance between the gap sensor and the measurement target will be referred to as a “distance change”
  • a change in the level of the signal output from the gap sensor will be referred to as a "signal change”.
  • the shorter the distance between the gap sensor and the object to be measured the greater the signal change in response to the distance change of the gap sensor.
  • first distance change the distance change when the distance between the gap sensor and the measurement target is relatively short
  • first distance change the distance change when the distance between the gap sensor and the measurement target is relatively long
  • first distance change the distance change when the distance between the gap sensor and the measurement target is relatively long
  • first distance change the distance change when the distance between the gap sensor and the measurement target is relatively long.
  • the distance change is "second distance change ( ⁇ GB)
  • the first signal change ( ⁇ SA) corresponding to the first distance change ( ⁇ GA) is equal to the second signal change ( ⁇ SB) corresponding to the second distance change ( ⁇ GB).
  • ⁇ GB the amount of change in the second distance change ( ⁇ GB) is the same as the amount of change in the first distance change ( ⁇ GA).
  • the shorter the distance between the gap sensor and the measurement target the greater the signal change in response to the distance change of the gap sensor. Therefore, the shorter the distance between the rotation angle sensor (60), which is a gap sensor, and the measured part (25) of the shaft (20), the greater the signal change in response to the distance change of the rotation angle sensor (60). As a result, the accuracy of detecting the rotation angle of the shaft (20) based on the signal output from the rotation angle sensor (60) is improved.
  • the rotation angle sensor (60) is a rotation angle sensor (60) when the shaft (20) is not supported by the support portion (11) in a non-contact manner.
  • the rotation angle when the distance (G1) between the shaft (20) and the measured part (25) of the shaft (20) is the reference position of the shaft (20) supported without contact by the support part (11).
  • the distance between the sensor (60) and the part to be measured (25) of the shaft (20) is less than or equal to the distance (G0).
  • the rotation angle sensor (60) and the measured part (25) of the shaft (20) are the reference position.
  • the distance between them can be less than or equal to (G0). This makes it possible to prevent the signal change according to the distance change of the rotation angle sensor (60) from becoming too small during the startup process, so that the shaft (20) It is possible to suppress a decrease in the accuracy of the process of detecting the rotation angle of the rotation angle.
  • the dynamic range of the rotation angle sensor (60) is the same as the dynamic range of the position sensor (70).
  • the type of gap sensor that serves as the rotation angle sensor (60) and the type of gap sensor that serves as the position sensor (70) can be unified.
  • the rotation angle sensor (60) and the position sensor (70) can be configured using the same type of gap sensor. This makes it possible to reduce sensor procurement costs.
  • FIG. 11 illustrates the configuration of a turbo compressor (1) according to modification 2 of the embodiment.
  • the turbo compressor (1) of Modification 2 of the embodiment differs from the turbo compressor (1) of the embodiment in the arrangement of the rotation angle sensor (60) and the startup process.
  • the other configuration and processing of the turbo compressor (1) of Modification 2 of the embodiment are the same as those of the turbo compressor (1) of the embodiment. Note that in FIG. 11, the shaft (20) is in a touchdown state.
  • the distance between the rotation angle sensor (60) and the measured portion (25) of the shaft (20) when the shaft (20) is in the touchdown state is The distance is longer than the distance between the rotation angle sensor (60) and the measured portion (25) of the shaft (20) when the position is the reference position.
  • the first rotation angle sensor (61) and the second rotation angle sensor (62) are arranged vertically above the shaft (20).
  • control unit (80) causes the shaft (20) to move due to electromagnetic force in the startup process so that the measured portion (25) of the shaft (20) is connected to the rotation angle sensor (60).
  • the support part (11) is controlled so that it approaches .
  • control unit (80) supports the part to be measured (25) of the shaft (20) to maintain a state close to the rotation angle sensor (60) during the startup process.
  • the drive unit (12) is controlled so that the shaft (20) rotates while controlling the drive unit (11).
  • Proximity state a state in which the measured portion (25) of the shaft (20) approaches the rotation angle sensor (60) will be referred to as a "proximity state.” Note that the shaft (20) is in contact with the touchdown bearing (50) in the close state.
  • the close state of the shaft (20) is such that the shaft (20) moves vertically upward due to the electromagnetic force of the support part (11), and the measured part (25) of the shaft (20) moves vertically upward. ) is closer to the rotation angle sensor (60) than in the touchdown state at the start of the startup process.
  • the radial touchdown bearing (51) is in contact with the shaft (20)
  • the radial thrust touchdown bearing (52) is in contact with the bottom surface of the recess (22) of the shaft (20).
  • the distance between the rotation angle sensor (60) and the measured part (25) of the shaft (20) is determined by the support part (11) without contact.
  • the first rotation angle sensor (61) and the first shaft part (first step part (201)) of the measured part (25) of the shaft (20) The distance between the first rotation angle sensor (61) and the shaft (20) when the position of the shaft (20) supported without contact by the support part (11) is the reference position. ) and the first shaft part of the part to be measured (25) (G0) or less.
  • a second rotation angle sensor (62) and a second shaft portion (second step portion (202)) of the measured portion (25) of the shaft (20) are provided when the shaft (20) is in a close state.
  • the distance between the second rotation angle sensor (62) and the shaft (20) when the position of the shaft (20) supported without contact by the support part (11) is the reference position.
  • the distance between the measuring section (25) and the second shaft section is less than or equal to the distance between the measuring section (25) and the second shaft section.
  • control unit (80) supplies current to the winding (415) of the radial magnetic bearing (41) so as to generate an electromagnetic force to move the shaft (20) vertically upward. Controls the current supplied to the winding (415) of the magnetic bearing (41). As a result, the shaft (20) moves vertically upward and enters the close state (see FIG. 12).
  • the control unit (80) controls the support unit (11) so that the measured part (25) of the shaft (20) is maintained close to the rotation angle sensor (60) in the startup process.
  • the drive unit (12) is controlled so that the shaft (20) rotates.
  • the control unit (80) also controls the drive unit (12) so that the rotational speed of the shaft (20) that rotates while in contact with the touchdown bearing (50) is constant.
  • control unit (80) supplies current to the drive winding (36) of the bearingless motor (30) while continuing to supply current to the winding (415) of the radial magnetic bearing (41). do.
  • the shaft (20) rotates while remaining in the close state.
  • the control unit (80) then controls the current supplied to the drive winding (36) of the bearingless motor (30) so that the rotational speed of the shaft (20) is constant.
  • Step (S22)> similarly to step (S12), the control unit (80) detects the rotation angle of the shaft (20) based on the signal output from the rotation angle sensor (60). When the detection of the rotation angle of the shaft (20) is completed, the control unit (80) ends the startup process. When the startup process is completed, the control section (80) controls the support section (11) so that the support section (11) supports the shaft (20) in a non-contact manner.
  • control unit (80) moves the shaft (20) by electromagnetic force in the startup process, and the measured part (25) of the shaft (20) is connected to the rotation angle sensor.
  • the support part (11) is controlled so that it approaches (60).
  • the distance between the rotation angle sensor (60) and the measured part (25) of the shaft (20) is set to ) can be made shorter than the distance between the measured part (25) and the measured part (25).
  • the signal change according to the distance change of the rotation angle sensor (60) can be increased, and the rotation angle of the shaft (20) can be detected based on the output signal of the rotation angle sensor (60). Processing accuracy can be improved.
  • control unit (80) supports the part to be measured (25) of the shaft (20) to maintain a state close to the rotation angle sensor (60) during the startup process.
  • the drive unit (12) is controlled so that the shaft (20) rotates while controlling the drive unit (11).
  • the distance between the rotation angle sensor (60) and the measured part (25) of the shaft (20) is "at the start of the startup process". ) and the part to be measured (25).
  • the shaft (20) is adjusted based on the output signal of the rotation angle sensor (60).
  • the accuracy of the process of detecting the rotation angle can be continuously improved.
  • the dynamic range of the rotation angle sensor (60) may be the same as the dynamic range of the position sensor (70).
  • the dynamic range of the gap sensor which is each of the first rotation angle sensor (61) and the second rotation angle sensor (62), is the same as the dynamic range of the gap sensor, which is the radial position sensor (71). It's okay.
  • FIG. 14 illustrates the configuration of a turbo compressor (1) according to modification 3 of the embodiment.
  • the turbo compressor (1) of the third modified example of the embodiment has the following characteristics: ⁇ the orientation of the turbo compressor (1)'', ⁇ the measured part (25) of the shaft (20)'', and ⁇ the second rotation angle sensor (62)''.
  • the turbo compressor (1) is different from the turbo compressor (1) of the embodiment in terms of "location" and "start-up process.”
  • Other configurations and processes of the turbo compressor (1) of Modification 3 of the embodiment are similar to those of the turbo compressor (1) of the embodiment.
  • the casing (2) is arranged such that the axis (cylindrical axis) of the casing (2) is oriented vertically.
  • the casing (2) is arranged so that one end of the shaft (20) (the end to which the impeller (3) is fixed) is on the upper side.
  • the measured portion (25) of the shaft (20) includes a first measured portion (26) and a second measured portion (27).
  • the first measured portion (26) is provided between one end of the shaft (20) and the recess (22).
  • the second measured portion (27) is provided between one end of the shaft (20) and the first measured portion (26).
  • the first measured portion (26) is provided between the radial magnetic bearing (41) and the recess (22) of the shaft (20).
  • the second measured portion (27) is provided between the bearingless motor (30) and the radial magnetic bearing (41).
  • the first measured part (26) is configured such that the distance from the first rotation angle sensor (61) changes according to changes in the rotation angle of the shaft (20). Specifically, the first measured portion (26) is formed into a shaft shape. The first measured portion (26) is provided with a plurality of first step portions (201). Of the first measured portion (26) of the shaft (20), the shaft portion provided with the first stepped portion (201) is a measurement target of the first rotation angle sensor (61).
  • the second measured portion (27) is configured such that the distance from the second rotation angle sensor (62) changes according to changes in the rotation angle of the shaft (20). Specifically, the second measured portion (27) is formed into a disk shape. A second stepped portion (202) is provided on one end surface (upper side surface) in the axial direction of the second measured portion (27). The second measured portion (27) becomes a measurement target of the second rotation angle sensor (62).
  • the second rotation angle sensor (62) is arranged to face one end surface (upper side surface) in the axial direction of the second measured part (27), and (27) Outputs a signal according to the distance from one end surface in the axial direction.
  • the distance between the second step part (202) and the second rotation angle sensor (62) on one end surface in the axial direction of the second measured part (27) is longer than the distance (D20) between the second rotation angle sensor (62) and the remaining part of the end surface of the second measured part (27) in the axial direction excluding the second step part (202). . Therefore, the level (amplitude value) of the signal output from the second rotation angle sensor (62) becomes high when the second rotation angle sensor (62) and the second stepped portion (202) face each other.
  • the touchdown state of the shaft (20) is such that one side (upper side) of the recess (22) of the shaft (20) is connected to the radial thrust touchdown bearing (52). ) is in contact with.
  • the close state of the shaft (20) is such that the shaft (20) moves vertically upward due to the electromagnetic force of the support part (11), and This is a state in which the second measured part (27) is closer to the second rotation angle sensor (62) than in the touchdown state at the start of the startup process.
  • the thrust magnetic bearing (42) functions as a support portion (11) that supports the shaft (20) in a non-contact manner using electromagnetic force.
  • the thrust magnetic bearing (42) is an example of the support portion (11).
  • the startup process of the third modification of the embodiment is similar to the startup process of the second modification of the embodiment (see FIG. 13).
  • the control unit (80) moves the support unit (11) so that the shaft (20) moves by electromagnetic force so that the measured part (25) of the shaft (20) approaches the rotation angle sensor (60). Control.
  • the control unit (80) controls the support unit (11) so that the measured part (25) of the shaft (20) is maintained close to the rotation angle sensor (60). , controls the drive unit (12) so that the shaft (20) rotates.
  • step (S20) the control unit (80) applies a force to the winding of the thrust magnetic bearing (42) so as to generate electromagnetic force to move the shaft (20) vertically upward. supplies current and controls the current supplied to the windings of the thrust magnetic bearing (42). As a result, the shaft (20) moves vertically upward and enters the close state (see FIG. 16).
  • step (S21) the control unit (80) supplies current to the drive winding (36) of the bearingless motor (30) while continuing to supply current to the winding of the thrust magnetic bearing (42). supply.
  • the shaft (20) rotates while remaining in the close state.
  • the control unit (80) then controls the current supplied to the drive winding (36) of the bearingless motor (30) so that the rotational speed of the shaft (20) is constant.
  • step (S22) the control unit (80) detects the rotation angle of the shaft (20) based on the signal output from the rotation angle sensor (60). When the detection of the rotation angle of the shaft (20) is completed, the control unit (80) ends the startup process. When the startup process is completed, the control section (80) controls the support section (11) so that the support section (11) supports the shaft (20) in a non-contact manner.
  • the dynamic range of the rotation angle sensor (60) may be the same as the dynamic range of the position sensor (70).
  • the dynamic range of the gap sensor that is the first rotation angle sensor (61) may be the same as the dynamic range of the gap sensor that is the radial position sensor (71).
  • the dynamic range of the gap sensor that is the second rotation angle sensor (62) may be the same as the dynamic range of the gap sensor that is the thrust position sensor (72).
  • step (S20) of the third modification of the embodiment the control unit (80) controls the thrust magnetic bearing (42) to generate an electromagnetic force for vertically moving the shaft (20) upward.
  • the radial magnetic bearing (41) is controlled so as to generate an electromagnetic force to move the shaft (20) toward the first rotation angle sensor (61) (to the left in the example of FIG. 16), good.
  • the casing (2) may be arranged such that the axis (cylindrical axis) of the casing (2) is oriented horizontally.
  • the control unit (80) controls, in the startup process, the first shaft portion (the shaft portion provided with the first step portion (201)) of the first measured portion (26) of the shaft (20) to The support part (11) may be controlled so that it approaches the rotation angle sensor (61) and the second measured part (27) of the shaft (20) approaches the second rotation angle sensor (62).
  • the control unit (80) controls the radial magnetic bearing so that the first shaft portion of the first measured portion (26) of the shaft (20) approaches the first rotation angle sensor (61). (41), and the thrust magnetic bearing (42) may be controlled so that the second measured portion (27) of the shaft (20) approaches the second rotation angle sensor (62).
  • the turbo compressor (1) of the fourth modification of the embodiment includes a "measured part (25) of the shaft (20)", a “rotation angle sensor (60)", and "for detecting the rotation angle of the shaft (20)". This process is different from the turbo compressor (1) of the embodiment.
  • Other configurations and processes of the turbo compressor (1) of Modification 4 of the embodiment are similar to those of the turbo compressor (1) of the embodiment.
  • one of the plurality of first step portions (201) provided on the measured portion (25) of the shaft (20) also serves as the second step portion (202).
  • the first stepped portion (201) is a recessed portion.
  • the first step portion (201) that also serves as the second step portion (202) is a recess that is deeper than the other first step portions (201) that do not also serve as the second step portion (202).
  • the second shaft portion (the shaft portion in which only the second step portion (202) is provided) of the measured portion (25) of the shaft (20) is omitted.
  • the rotation angle sensor (60) is configured by one rotation angle sensor.
  • the rotation angle sensor (60) is a gap sensor that outputs a signal according to the distance to the measurement target.
  • the rotation angle sensor (60) outputs a signal according to the distance between the measured portion (25) of the shaft (20) and the first shaft portion (the shaft portion where the first step portion (201) is provided).
  • the "first step part (201) that is not also used as the second step part (202)" of the first shaft part and the rotation angle sensor ( 60) is longer than the distance (D10) between the rotation angle sensor (60) and the remaining portion of the first shaft portion excluding the first step portion (201). Further, the distance between the “first step portion (201) that also serves as the second step portion (202)” of the first shaft portion and the rotation angle sensor (60) is It is longer than the distance (D11) between the rotation angle sensor (60) and the first step portion (201) that is not also used as the second step portion (202).
  • the level (amplitude value) of the signal output from the rotation angle sensor (60) becomes high when the rotation angle sensor (60) and the first stepped portion (201) face each other. Further, when the first step portion (201) which also serves as the second step portion (202) and the rotation angle sensor (60) face each other, the level of the signal output from the rotation angle sensor (60) is The level is higher than the level of the signal output from the rotation angle sensor (60) when the first step portion (201) that is not also used as the step portion (202) and the rotation angle sensor (60) face each other.
  • the control unit (80) adjusts the level (amplitude value) of the signal output from the rotation angle sensor (60) and two predetermined thresholds (first threshold) as follows. (Th1) and a second threshold value (Th2)), the rotation angle of the shaft (20) is detected.
  • the second threshold (Th2) is higher than the first threshold (Th1).
  • the signal output from the rotation angle sensor (60) will be referred to as a "sensor signal (SS)."
  • the control unit (80) compares the level of the sensor signal (SS) and the first threshold (Th1), and sets the first result signal (Th1) according to the result of the comparison. Generate PP1). When the level of the sensor signal (SS) exceeds the first threshold (Th1), the control unit (80) transitions the level of the first result signal (PP1) from low level to high level, and changes the level of the sensor signal (SS). When the level falls below the first threshold (Th1), the level of the first result signal (PP1) is transitioned from high level to low level.
  • the first threshold value (Th1) is, for example, the “first step portion (201) that is not also used as the second step portion (202)” of the first shaft portion of the measured portion (25) of the shaft (20).
  • the level of the sensor signal (SS) is lower than the level of the sensor signal (SS) when the rotation angle sensor (60) is facing the rotation angle sensor (60), and the first step part (
  • the sensor signal (SS) is set to a higher level than the level of the sensor signal (SS) when the rotation angle sensor (60) and the remaining portion excluding the rotation angle sensor (201) face each other.
  • the control unit (80) also compares the level of the sensor signal (SS) and the second threshold (Th2), and generates the second result signal (PP2) according to the result of the comparison. When the level of the sensor signal (SS) exceeds the second threshold (Th2), the control unit (80) transitions the level of the second result signal (PP2) from low level to high level, and changes the level of the sensor signal (SS). When the level falls below the second threshold (Th2), the level of the second result signal (PP2) is transitioned from high level to low level.
  • the second threshold (Th2) is, for example, the “first step portion (201) that also serves as the second step portion (202)” in the first shaft portion of the measured portion (25) of the shaft (20).
  • the sensor signal (SS) is set to a level lower than the level of the sensor signal (SS) when the rotation angle sensor (60) and the rotation angle sensor (60) are facing each other, and higher than the first threshold value (Th1).
  • the control unit (80) sets the rotation angle of the shaft (20) to "0°". Further, the control unit (80) increases the rotation angle of the shaft (20) by a predetermined amount (45° in this example) every time the level of the first result signal (PP1) transitions from a low level to a high level. . In this way, the rotation angle of the shaft (20) is detected.
  • one of the plurality of first step portions (201) provided on the measured portion (25) of the shaft (20) has a second step portion (202). Also serves as.
  • the number of rotation angle sensors (60) can be reduced compared to the case where the first step part (201) and the second step part (202) are separately provided on the measured part (25) of the shaft (20). can be reduced. Thereby, the cost required for the sensor can be reduced.
  • FIG. 19 illustrates the configuration of a refrigeration system (RR).
  • the refrigeration system (RR) has a refrigerant circuit (RR1) filled with refrigerant.
  • the refrigerant circuit (RR1) includes a turbo compressor (1), a radiator (RR5), a pressure reduction mechanism (RR6), and an evaporator (RR7).
  • the pressure reduction mechanism (RR6) is an expansion valve.
  • the refrigerant circuit (RR1) performs a vapor compression refrigeration cycle.
  • the refrigerant discharged from the turbo compressor (1) radiates heat in the radiator (RR5).
  • the refrigerant flowing out from the radiator (RR5) is depressurized in the pressure reducing mechanism (RR6) and evaporated in the evaporator (RR7).
  • the refrigerant flowing out from the evaporator (RR7) is then sucked into the turbo compressor (1).
  • the refrigeration equipment (RR) is an air conditioner.
  • the air conditioner may be a cooling-only machine or a heating-only machine.
  • the air conditioner may be an air conditioner that switches between cooling and heating.
  • the air conditioner has a switching mechanism (for example, a four-way switching valve) that switches the refrigerant circulation direction.
  • the refrigeration device (RR) may be a water heater, a chiller unit, a cooling device that cools the air inside the refrigerator, or the like. Cooling devices cool the air inside refrigerators, freezers, containers, etc.
  • the drive system (10) includes a bearingless motor (30) and a magnetic bearing (40) (specifically, a radial magnetic bearing (41) and a thrust magnetic bearing (42)).
  • a bearingless motor (30) and a magnetic bearing (40) (specifically, a radial magnetic bearing (41) and a thrust magnetic bearing (42)).
  • a magnetic bearing (40) specifically, a radial magnetic bearing (41) and a thrust magnetic bearing (42).
  • the drive system (10) may include another bearingless motor (30) instead of the radial magnetic bearing (41).
  • the support winding (35) of this bearingless motor (30) functions as a support portion (11).
  • the drive winding (36) of this bearingless motor (30) functions as a drive section (12).
  • the drive system (10) may include another radial magnetic bearing (41) and a motor that only rotates the shaft (20).
  • This radial magnetic bearing (41) functions as a support portion (11).
  • This motor functions as a drive section (12).
  • the first stepped portion (201) is a recessed portion, but the present invention is not limited to this.
  • the first stepped portion (201) may be a convex portion.
  • the second step portion (202) is a convex portion.
  • the gap sensor is an eddy current type gap sensor, but the present invention is not limited to this.
  • the gap sensor may be another type of gap sensor such as an ultrasonic type or an optical type.
  • a Hall element may be used as the gap sensor.
  • first shaft portion provided with a plurality of first step portions (201)
  • second shaft portion provided with a plurality of second step portions (202)
  • the present invention is not limited to this.
  • the second shaft portion may be located at a position apart from the first shaft portion.
  • the shaft (20) is moved by electromagnetic force, and the support part (11) is moved so that the measured part (25) of the shaft (20) approaches the rotation angle sensor (60).
  • the drive section (12) is controlled so that the shaft (20) rotates after the shaft (20) is controlled; however, the present invention is not limited to this.
  • the control unit (80) controls the drive unit (12) so that the shaft (20) rotates, and moves the shaft (20) by electromagnetic force to cause the measured part (25) of the shaft (20) to move.
  • the support portion (11) may be controlled so that the rotation angle sensor (60) approaches the rotation angle sensor (60).
  • the first step part (201) that also serves as the second step part (202) is replaced by “another first step part that does not also serve as the second step part (202)". (201)'', but the present invention is not limited to this example.
  • the first step portion (201) that also serves as the second step portion (202) may be a recess that is shallower than other first step portions (201) that do not also serve as the second step portion (202).
  • the portion to be measured (25) may include a curved surface portion (28) and a flat portion (29).
  • the curved surface portion (28) is curved to form an involute curve that goes around the circumferential direction of the shaft (20) in plan view (when viewed from the axial direction of the shaft (20)).
  • the flat portion (29) extends from one end of the curved portion (28) in the radial direction of the shaft (20) to the other end of the flat portion (29).
  • the distance between the curved surface portion (28) of the portion to be measured (25) and the rotation angle sensor (60) can be continuously changed in accordance with changes in the rotation angle of the shaft (20). Thereby, a change in the rotation angle of the shaft (20) can be detected. Further, the distance between the part to be measured (25) and the rotation angle sensor (60) can be changed sharply in the flat part (29) of the part to be measured (25). Thereby, the rotation reference of the shaft (20) can be detected.
  • the present disclosure is useful as a drive system, a turbo compressor, and a refrigeration device.

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Abstract

タッチダウン軸受(50)は、支持部(11)によるシャフト(20)の非接触での支持が行われない場合に、シャフト(20)と接触してシャフト(20)を回転可能に支持する。制御部(80)は、支持部(11)によるシャフト(20)の非接触での支持が行われる前に行われる起動処理において、シャフト(20)がタッチダウン軸受(50)と接触した状態でシャフト(20)の回転角を検出する。

Description

駆動システム、ターボ圧縮機、冷凍装置
 本開示は、駆動システム、ターボ圧縮機、冷凍装置に関する。
 特許文献1には、電動機と制御器と電流センサとを備える電動機システムが開示されている。電動機は、回転軸を有する回転子を浮上させて非接触支持するベアリングレスモータを構成する。
国際公開第2015/019463号
 特許文献1には、シャフトを非接触で支持する前にシャフトの回転角を検出することについて、何ら開示も示唆もない。
 本開示の第1の態様は、駆動システムに関し、この駆動システムは、被測定部(25)を有するシャフト(20)と、電磁力により前記シャフト(20)を非接触で支持する支持部(11)と、電磁力により前記シャフト(20)を回転駆動させる駆動部(12)と、前記支持部(11)による前記シャフト(20)の非接触での支持が行われない場合に、前記シャフト(20)と接触して前記シャフト(20)を回転可能に支持するタッチダウン軸受(50)と、前記支持部(11)による前記シャフト(20)の非接触での支持が行われる前に起動処理を行う制御部(80)とを備え、前記制御部(80)は、前記起動処理において、前記シャフト(20)が前記タッチダウン軸受(50)と接触した状態で前記シャフト(20)の回転角を検出する。
 本開示の第2の態様は、第1の態様の駆動システムにおいて、前記被測定部(25)の回転角に応じた信号を出力する回転角センサ(60)を備え、前記制御部(80)は、前記起動処理において、前記シャフト(20)が前記タッチダウン軸受(50)と接触した状態で回転するように前記駆動部(12)を制御し、前記回転角センサ(60)から出力された信号に基づいて前記シャフト(20)の回転角を検出する駆動システムである。
 第1および第2の態様では、起動処理を行うことにより、シャフト(20)を非接触で支持する前にシャフト(20)の回転角を検出することができる。
 本開示の第3の態様は、第2の態様の駆動システムにおいて、前記回転角センサ(60)は、前記被測定部(25)との距離に応じた信号を出力するギャップセンサであり、前記被測定部(25)は、前記シャフト(20)の回転角の変化に応じて前記回転角センサ(60)との距離が変化するように構成される駆動システムである。
 第3の態様では、シャフト(20)の回転角が変化すると、シャフト(20)の被測定部(25)と回転角センサ(60)との間の距離が変化し、その結果、回転角センサ(60)から出力される信号が変化する。したがって、回転角センサ(60)から出力される信号に基づいてシャフト(20)の回転角を検出することができる。
 本開示の第4の態様は、第3の態様の駆動システムにおいて、前記制御部(80)は、前記起動処理において、前記電磁力により前記シャフト(20)が移動して前記被測定部(25)が前記回転角センサ(60)に近づくように前記支持部(11)を制御する駆動システムである。
 第4の態様では、起動処理において、回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離を、起動処理の開始時における回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離よりも短くすることができる。これにより、起動処理において、回転角センサ(60)の距離変化に応じた信号変化を大きくすることができ、回転角センサ(60)の出力信号に基づいてシャフト(20)の回転角を検出する処理の精度を向上させることができる。
 本開示の第5の態様は、第4の態様の駆動システムにおいて、前記制御部(80)は、前記起動処理において、前記被測定部(25)が前記回転角センサ(60)に近づいた状態が維持されるように前記支持部(11)を制御しながら、前記シャフト(20)が回転するように前記駆動部(12)を制御する駆動システムである。
 第5の態様では、起動処理において、回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離をが「起動処理の開始時における回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離」よりも短くなる状態を維持することができる。これにより、起動処理において、回転角センサ(60)の距離変化に応じた信号変化が大きくなる状態を維持することができるので、回転角センサ(60)の出力信号に基づいてシャフト(20)の回転角を検出する処理の精度を継続的に向上させることができる。
 本開示の第6の態様は、第3の態様の駆動システムにおいて、前記回転角センサ(60)は、前記支持部(11)による前記シャフト(20)の非接触での支持が行われないときの前記回転角センサ(60)と前記被測定部(25)との間の距離(G1)が、前記支持部(11)により非接触で支持された前記シャフト(20)の位置が基準位置であるときの前記回転角センサ(60)と前記被測定部(25)との間の距離(G0)以下となるように、配置される駆動システムである。
 第6の態様では、シャフト(20)がタッチダウン状態(タッチダウン軸受(50)と接触した状態)となる起動処理において、回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離を、支持部(11)により非接触で支持されたシャフト(20)の位置が基準位置であるときの回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離(G0)以下にすることができる。これにより、起動処理において、回転角センサ(60)の距離変化に応じた信号変化が小さくなり過ぎないようにすることができるので、回転角センサ(60)の出力信号に基づいてシャフト(20)の回転角を検出する処理の精度の低下を抑制することができる。
 本開示の第7の態様は、第3~第6の態様のいずれか1つの駆動システムにおいて、前記シャフト(20)との距離に応じた信号を出力するギャップセンサである位置センサ(70)を備え、前記回転角センサ(60)のダイナミックレンジは、前記位置センサ(70)のダイナミックレンジと同一である駆動システムである。
 第7の態様では、回転角センサ(60)となるギャップセンサの種類と位置センサ(70)となるギャップセンサの種類とを統一することができる。これにより、センサの調達コストを削減することができる。
 本開示の第8の態様は、第3~第7の態様のいずれか1つの駆動システムにおいて、前記被測定部(25)には、前記シャフト(20)の周方向に所定間隔で配列された複数の第1段差部(201)が設けられ、前記複数の第1段差部(201)の1つは、前記シャフト(20)の回転基準を検出するための第2段差部(202)を兼ねている駆動システムである。
 第8の態様では、シャフト(20)の被測定部(25)に第1段差部(201)と第2段差部(202)を別々に設ける場合よりも、回転角センサ(60)の数を削減することができる。これにより、センサに要するコストを削減することができる。
 本開示の第9の態様は、第1~第8の態様のいずれか1つの駆動システムにおいて、支持巻線(35)と駆動巻線(36)とを有するベアリングレスモータ(30)を備え、前記支持巻線(35)は、通電により前記シャフト(20)を非接触で支持するための電磁力を発生させる巻線であり、前記支持部(11)として機能し、前記駆動巻線(36)は、通電により前記シャフト(20)を回転駆動させるための電磁力を発生させる巻線であり、前記駆動部(12)として機能する駆動システムである。
 本開示の第10の態様は、第1~第9の態様のいずれか1つの駆動システムを備えるターボ圧縮機に関する。
 本開示の第11の態様は、第10の態様のターボ圧縮機を備える冷凍装置に関する。
図1は、実施形態のターボ圧縮機の構成を例示する断面図である。 図2は、シャフトの被測定部の第1軸部の構成を例示する断面図である。 図3は、シャフトの被測定部の第2軸部の構成を例示する断面図である。 図4は、ベアリングレスモータの構成を例示する断面図である。 図5は、ラジアル磁気軸受の構成を例示する断面図である。 図6は、実施形態におけるシャフトのタッチダウン状態を例示する断面図である。 図7は、実施形態における回転角センサの出力信号とシャフトの回転角の変化とを例示するグラフである。 図8は、実施形態の起動処理を例示するフローチャートである。 図9は、回転角センサの配置を例示する断面図である。 図10は、ギャップセンサの出力特性を例示するグラフである。 図11は、実施形態の変形例2のターボ圧縮機の構成を例示する断面図である。 図12は、実施形態の変形例2におけるシャフトの近接状態を例示する断面図である。 図13は、実施形態の変形例2の起動処理を例示するフローチャートである。 図14は、実施形態の変形例3のターボ圧縮機の構成を例示する断面図である。 図15は、実施形態の変形例3におけるシャフトのタッチダウン状態を例示する断面図である。 図16は、実施形態の変形例3におけるシャフトの近接状態を例示する断面図である。 図17は、実施形態の変形例4におけるシャフトの被測定部の第1軸部の構成を例示する断面図である。 図18は、実施形態の変形例4における回転角センサの出力信号とシャフトの回転角の変化とを例示するグラフである。 図19は、冷凍装置の構成を例示する概略図である。 図20は、シャフトの被測定部の変形例を例示する断面図である。
 以下、図面を参照して実施の形態を詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付しその説明は繰り返さない。
 (ターボ圧縮機)
 図1は、実施形態のターボ圧縮機(1)の構成を例示する。ターボ圧縮機(1)は、流体を吸入して圧縮し、圧縮された流体を吐出する。この例では、ターボ圧縮機(1)は、ケーシング(2)と、インペラ(3)と、駆動システム(10)とを備える。駆動システム(10)は、シャフト(20)と、ベアリングレスモータ(30)と、磁気軸受(40)と、タッチダウン軸受(50)とを備える。
 以下の説明では、部材の軸線の方向を、その部材の「軸方向」と記載する。部材の軸線と直交する方向を、その部材の「径方向」と記載する。部材の軸線周りの方向を、その部材の「周方向」と記載する。例えば、シャフト(20)の軸方向は、シャフト(20)の回転軸線の方向である。シャフト(20)の径方向は、シャフト(20)の回転軸線と直交する方向である。シャフト(20)の周方向は、シャフト(20)の回転軸線周りの方向である。
  〔ケーシング〕
 ケーシング(2)は、両端が閉塞された円筒状に形成される。ケーシング(2)内の空間は、壁部(2a)により2つの空間に区画され、一方の空間がインペラ室(S1)を構成し、他方の空間がモータ室(S2)を構成する。インペラ室(S1)には、インペラ(3)が収容される。モータ室(S2)には、ベアリングレスモータ(30)と磁気軸受(40)とタッチダウン軸受(50)とが収容され、これらがモータ室(S2)の内周壁に固定される。この例では、ケーシング(2)は、ケーシング(2)の軸線(円筒軸線)が水平向きとなるように配置される。
  〔シャフト〕
 シャフト(20)は、ケーシング(2)内に収容される。シャフト(20)は、インペラ室(S1)から壁部(2a)を貫通してモータ室(S2)まで延びる。シャフト(20)の一端部には、インペラ(3)が固定される。例えば、シャフト(20)は、鉄などの磁性材料により構成される。
 この例では、シャフト(20)は、円盤部(21)と、凹部(22)と、被測定部(25)とを有する。円盤部(21)は、シャフト(20)の他端部に設けられる。凹部(22)は、シャフト(20)の他端部の近傍に設けられる。凹部(22)は、シャフト(20)の全周にわたって形成される。被測定部(25)は、シャフト(20)の一端部と凹部(22)との間に設けられる。
 被測定部(25)は、シャフト(20)の回転角の変化に応じて後述する回転角センサ(60)との距離が変化するように構成される。この例では、被測定部(25)は、軸状に形成される。被測定部(25)には、複数の第1段差部(201)と、第2段差部(202)とが設けられる。
 複数の第1段差部(201)は、シャフト(20)の周方向に所定間隔で配列される。複数の第1段差部(201)は、シャフト(20)の回転角の変化を検出するために設けられる。
 図2に示すように、この例では、8つの第1段差部(201)がシャフト(20)の周方向において等間隔に設けられる。第1段差部(201)は、凹部(溝)である。シャフト(20)の被測定部(25)のうち第1段差部(201)が設けられた軸部(以下では「第1軸部」と記載)は、後述する第1回転角センサ(61)の測定対象となる。
 第2段差部(202)は、シャフト(20)の軸方向において第1軸部(複数の第1段差部(201)が設けられた軸部)と隣り合う軸部に設けられる。第2段差部(202)は、シャフト(20)の回転基準を検出するために設けられる。
 図3に示すように、この例では、1つの第2段差部(202)が設けられる。第2段差部(202)は、凹部(溝)である。シャフト(20)の被測定部(25)のうち第2段差部(202)が設けられた軸部(以下では「第2軸部」と記載)は、後述する第2回転角センサ(62)の測定対象となる。
  〔インペラ〕
 インペラ(3)は、複数の羽根を有し、外形が略円錐形状となるように形成される。インペラ(3)は、シャフト(20)の一端部に固定された状態で、インペラ室(S1)に収容される。インペラ室(S1)には、吸入管(P1)と吐出管(P2)とが接続される。吸入管(P1)は、流体を外部からインペラ室(S1)に導くために設けられる。吐出管(P2)は、インペラ室(S1)内で圧縮された高圧の流体を外部に導くために設けられる。この例では、インペラ(3)とインペラ室(S1)とが圧縮機構を構成する。
  〔ベアリングレスモータ〕
 ベアリングレスモータ(30)は、ロータ(31)とステータ(32)とを有し、電磁力によりシャフト(20)を非接触で支持し、且つ、シャフト(20)を回転駆動させる。ロータ(31)は、シャフト(20)に固定され、ステータ(32)は、ケーシング(2)の内周壁に固定される。この例では、ベアリングレスモータ(30)は、シャフト(20)の一端部(インペラ(3)が固定された端部)と被測定部(25)との間に配置される。
 具体的には、ベアリングレスモータ(30)は、支持巻線(35)と駆動巻線(36)とを有する。支持巻線(35)と駆動巻線(36)は、ステータ(32)に設けられる。
 支持巻線(35)は、通電によりシャフト(20)を非接触で支持するための電磁力を発生させる巻線である。支持巻線(35)は、電磁力によりシャフト(20)を非接触で支持する支持部(11)として機能する。支持巻線(35)は、支持部(11)の一例である。
 駆動巻線(36)は、通電によりシャフト(20)を回転駆動させるための電磁力を発生させる巻線である。駆動巻線(36)は、電磁力によりシャフト(20)を回転駆動させる駆動部(12)として機能する。駆動巻線(36)は、駆動部(12)の一例である。
 図4に示すように、この例では、ベアリングレスモータ(30)は、コンセクエントポール型のベアリングレスモータにより構成される。
   〈ロータ〉
 ロータ(31)は、ロータコア(310)と、複数の永久磁石(311)とを有する。ロータコア(310)は、磁性材料により構成され、円柱状に形成される。例えば、ロータコア(310)は、円板状の電磁鋼板が積層された積層コアにより構成される。ロータコア(310)の中央部には、シャフト(20)を挿通するためのシャフト孔が設けられる。複数の永久磁石(311)は、ロータ(31)の周方向において所定の角度ピッチで配置される。
 この例では、ロータ(31)には、4つの永久磁石(311)が設けられる。4つの永久磁石(311)は、ロータ(31)の周方向において90°の角度ピッチで配置されてロータコア(310)の外周部(外周面の近傍)に埋設される。また、4つの永久磁石(311)は、ロータコア(310)の外周面に沿う円弧状に形成され、外周面側がN極となる。
 このような構成により、ロータコア(310)の外周部のうちロータ(31)の周方向において4つの永久磁石(311)の間に位置する部分が擬似的にS極となる。なお、4つの永久磁石(311)の外周面側がS極となってもよい。この場合、ロータコア(310)の外周部のうちロータ(31)の周方向において4つの永久磁石(311)の間に位置する部分が擬似的にN極となる。
   〈ステータ〉
 ステータ(32)は、ロータ(31)と所定のエアギャップを隔てて対向する。ステータ(32)は、ステータコア(320)と、支持巻線(35)と、駆動巻線(36)とを有する。ステータコア(320)は、磁性材料により構成される。例えば、ステータコア(320)は、円環状の電磁鋼板が積層された積層コアにより構成される。ステータコア(320)は、円筒状に形成されたバックヨークと、バックヨークの内周面に設けられる複数のティース(図示省略)とを有する。
 支持巻線(35)は、ステータコア(320)のティースのうち径方向外側の部分に巻回される。この例では、ベアリングレスモータ(30)には、3種類の支持巻線(35)が設けられる。具体的には、図4において太い実線で囲まれた支持巻線(35)は、U相の支持巻線を構成する。図4において太い破線で囲まれた支持巻線(35)は、V相の支持巻線を構成する。図4において細い実線で囲まれた支持巻線(35)は、W相の支持巻線を構成する。
 駆動巻線(36)は、ステータコア(320)のティースのうち径方向内側の部分に巻回される。この例では、ベアリングレスモータ(30)には、3種類の駆動巻線(36)が設けられる。具体的には、図4において太い実線で囲まれた駆動巻線(36)は、U相の駆動巻線を構成する。図4において太い破線で囲まれた駆動巻線(36)は、V相の駆動巻線を構成する。図4において細い実線で囲まれた駆動巻線(36)は、W相の駆動巻線を構成する。
  〔磁気軸受〕
 磁気軸受(40)は、複数の電磁石を有し、その複数の電磁石の電磁力によりシャフト(20)を非接触で支持する。磁気軸受(40)は、電磁力によりシャフト(20)の位置を制御する。磁気軸受(40)は、電磁力によりシャフト(20)を非接触で支持する支持部(11)として機能する。磁気軸受(40)は、支持部(11)の一例である。この例では、磁気軸受(40)として、ラジアル磁気軸受(41)とスラスト磁気軸受(42)とが設けられる。
   〈ラジアル磁気軸受〉
 ラジアル磁気軸受(41)は、電磁力によりシャフト(20)の径方向位置を非接触で制御する。この例では、ラジアル磁気軸受(41)は、ベアリングレスモータ(30)とシャフト(20)の被測定部(25)との間に配置される。
 図5に示すように、この例では、ラジアル磁気軸受(41)は、第1ラジアル電磁石(41a)と、第2ラジアル電磁石(41b)と、第3ラジアル電磁石(41c)と、第4ラジアル電磁石(41d)とを有する。第1ラジアル電磁石(41a)と第2ラジアル電磁石(41b)は、シャフト(20)を挟んで互いに対向する。第3ラジアル電磁石(41c)と第4ラジアル電磁石(41d)は、シャフト(20)を挟んで互いに対向する。第3ラジアル電磁石(41c)と第4ラジアル電磁石(41d)との対向方向は、第1ラジアル電磁石(41a)と第2ラジアル電磁石(41b)との対向方向と直交する。
 具体的には、ラジアル磁気軸受(41)は、コア(410)と、複数の巻線(415)とを有する。コア(410)は、磁性材料により構成され、円筒状に形成される。コア(410)は、円筒状に形成されたバックヨーク(411)と、バックヨーク(411)の内周面に設けられる複数のティース(412)とを有する。複数の巻線(415)は、複数のティース(412)に巻回される。ティース(412)に巻線(415)が巻回されることで、ラジアル電磁石が構成される。
 第1~第4ラジアル電磁石(41a~41d)の巻線(415)を通電することにより、ラジアル磁気軸受(41)の径方向においてシャフト(20)を非接触で支持するための電磁力が発生する。そして、第1ラジアル電磁石(41a)および第2ラジアル電磁石(41b)の巻線(415)を流れる電流を制御することにより、第1ラジアル電磁石(41a)と第2ラジアル電磁石(41b)との対向方向におけるシャフト(20)の位置が制御される。また、第3ラジアル電磁石(41c)および第4ラジアル電磁石(41d)の巻線(415)を流れる電流を制御することにより、第3ラジアル電磁石(41c)と第4ラジアル電磁石(41d)との対向方向におけるシャフト(20)の位置が制御される。
 この例では、ラジアル磁気軸受(41)は、ラジアル磁気軸受(41)の軸線がベアリングレスモータ(30)のステータ(32)の軸線と一致するように配置される。
   〈スラスト磁気軸受〉
 スラスト磁気軸受(42)は、電磁力によりシャフト(20)の軸方向位置を非接触で制御する。図1に示すように、この例では、スラスト磁気軸受(42)は、第1スラスト電磁石(42a)と、第2スラスト電磁石(42b)とを有する。第1スラスト電磁石(42a)と第2スラスト電磁石(42b)は、シャフト(20)の円盤部(21)を挟んで互いに対向する。
 具体的には、第1スラスト電磁石(42a)は、円環状に形成されたコアと、円環状に巻回された巻線とを有する。例えば、第1スラスト電磁石(42a)のコアには、円環状の溝が形成され、第1スラスト電磁石(42a)のコイルは、第1スラスト電磁石(42a)のコアの溝に収容される。第2スラスト電磁石(42b)の構成は、第1スラスト電磁石(42a)の構成と同様である。
 第1スラスト電磁石(42a)および第2スラスト電磁石(42b)の巻線を通電することにより、スラスト磁気軸受(42)の軸方向においてシャフト(20)を非接触で支持するための電磁力が発生する。そして、第1スラスト電磁石(42a)および第2スラスト電磁石(42b)の巻線を流れる電流を制御することにより、第1スラスト電磁石(42a)と第2スラスト電磁石(42b)との対向方向におけるシャフト(20)の位置が制御される。
  〔シャフトの基準位置〕
 例えば、ターボ圧縮機(1)の運転中において、シャフト(20)の位置が予め定められた基準位置となるように、支持部(11)が制御される。この例では、基準位置は、シャフト(20)の回転軸線が予め定められた基準軸線と一致し、且つ、シャフト(20)の軸方向位置が予め定められた基準軸方向位置となるときのシャフト(20)の位置である。基準軸線は、ベアリングレスモータ(30)のステータ(32)の軸線である。基準軸方向位置は、シャフト(20)の円盤部(21)がスラスト磁気軸受(42)の第1スラスト電磁石(42a)と第2スラスト電磁石(42b)との間の中心位置である。
  〔タッチダウン軸受〕
 タッチダウン軸受(50)は、支持部(11)によるシャフト(20)の非接触での支持が行われない場合に、シャフト(20)と接触してシャフト(20)を回転可能に支持する。この例では、タッチダウン軸受(50)として、ラジアルタッチダウン軸受(51)とラジアルスラストタッチダウン軸受(52)とが設けられる。
   〈ラジアルタッチダウン軸受〉
 ラジアルタッチダウン軸受(51)は、円環状に形成される。ラジアルタッチダウン軸受(51)には、シャフト(20)が挿通される。この例では、ラジアルタッチダウン軸受(51)は、シャフト(20)の一端部(インペラ(3)が固定された端部)とベアリングレスモータ(30)との間に配置される。具体的には、ラジアルタッチダウン軸受(51)は、ケーシング(2)の壁部(2a)に配置される。
 ラジアルタッチダウン軸受(51)は、ラジアルタッチダウン軸受(51)の軸線が基準軸線(具体的にはベアリングレスモータ(30)のステータ(32)の軸線およびラジアル磁気軸受(41)の軸線)と一致するように配置される。ラジアルタッチダウン軸受(51)の内径は、ラジアル磁気軸受(41)の内径(ティース(412)の先端と接する仮想の円筒面の径)よりも小さい。
 シャフト(20)の位置が基準位置である場合、ラジアルスラストタッチダウン軸受(52)とシャフト(20)との間の隙間は、「ラジアル磁気軸受(41)とシャフト(20)との間の隙間」および「ベアリングレスモータ(30)のロータ(31)とステータ(32)との間の隙間」の各々よりも狭い。
 この例では、ラジアルタッチダウン軸受(51)は、ラジアルタッチダウン軸受(51)の内周面がラジアルタッチダウン軸受(51)の径方向に移動するシャフト(20)と接触してシャフト(20)を回転可能に支持する。また、シャフト(20)とラジアルタッチダウン軸受(51)の内周面との接触により、「ベアリングレスモータ(30)のロータ(31)とステータ(32)との接触」および「シャフト(20)とラジアル磁気軸受(41)との接触」を回避することができる。
   〈ラジアルスラストタッチダウン軸受〉
 ラジアルスラストタッチダウン軸受(52)は、円環状に形成される。ラジアルスラストタッチダウン軸受(52)には、シャフト(20)が挿通される。この例では、ラジアルスラストタッチダウン軸受(52)は、シャフト(20)の被測定部(25)とスラスト磁気軸受(42)との間に配置される。具体的には、ラジアルスラストタッチダウン軸受(52)は、シャフト(20)の凹部(22)と対向するように配置される。
 ラジアルスラストタッチダウン軸受(52)は、ラジアルスラストタッチダウン軸受(52)の軸線が基準軸線(具体的にはベアリングレスモータ(30)のステータ(32)の軸線およびラジアル磁気軸受(41)の軸線)と一致するように配置される。
 この例では、ラジアルスラストタッチダウン軸受(52)は、シャフト(20)の凹部(22)と対向する。具体的には、ラジアルスラストタッチダウン軸受(52)の内周面は、シャフト(20)の凹部(22)の底面と対向し、ラジアルスラストタッチダウン軸受(52)の軸方向の両端面は、シャフト(20)の凹部(22)の両側面と対向する。
 シャフト(20)の位置が基準位置である場合、ラジアルスラストタッチダウン軸受(52)とシャフト(20)の凹部(22)の底面との間の隙間は、「ラジアル磁気軸受(41)とシャフト(20)との間の隙間」および「ベアリングレスモータ(30)のロータ(31)とステータ(32)との間の隙間」の各々よりも狭い。
 また、シャフト(20)の位置が基準位置である場合、ラジアルスラストタッチダウン軸受(52)とシャフト(20)の凹部(22)の一側面との間の隙間は、スラスト磁気軸受(42)の第1スラスト電磁石(42a)とシャフト(20)の円盤部(21)との間の隙間よりも狭い。ラジアルスラストタッチダウン軸受(52)とシャフト(20)の凹部(22)の他側面との間の隙間は、スラスト磁気軸受(42)の第2スラスト電磁石(42b)とシャフト(20)の円盤部(21)との間の隙間よりも狭い。
 この例では、ラジアルスラストタッチダウン軸受(52)は、ラジアルスラストタッチダウン軸受(52)の内周面がラジアルスラストタッチダウン軸受(52)の径方向に移動するシャフト(20)の凹部(22)の底面と接触してシャフト(20)を回転可能に支持する。また、シャフト(20)の凹部(22)の底面とラジアルスラストタッチダウン軸受(52)の内周面との接触により、「ベアリングレスモータ(30)のロータ(31)とステータ(32)との接触」および「シャフト(20)とラジアル磁気軸受(41)との接触」を回避することができる。
 また、この例では、ラジアルスラストタッチダウン軸受(52)は、ラジアルスラストタッチダウン軸受(52)の軸方向の端面がラジアルスラストタッチダウン軸受(52)の軸方向に移動するシャフト(20)の凹部(22)の側面と接触してシャフト(20)を回転可能に支持する。また、シャフト(20)の凹部(22)の側面とラジアルスラストタッチダウン軸受(52)との接触により、シャフト(20)の円盤部(21)とスラスト磁気軸受(42)との接触を回避することができる。
  〔タッチダウン状態〕
 以下の説明では、シャフト(20)がタッチダウン軸受(50)と接触している状態を「タッチダウン状態」と記載する。図6に示すように、この例では、タッチダウン状態は、シャフト(20)がラジアルタッチダウン軸受(51)と接触し、且つ、シャフト(20)の凹部(22)の底面がラジアルスラストタッチダウン軸受(52)と接触している状態である。
  〔各種センサ〕
 また、駆動システム(10)は、回転角センサ(60)、位置センサ(70)、電流センサ(図示省略)などの各種センサを備える。
  〔回転角センサ〕
 回転角センサ(60)は、シャフト(20)の被測定部(25)の回転角に応じた信号を出力する。この例では、回転角センサ(60)は、被測定部(25)との距離に応じた信号を出力するギャップセンサである。例えば、このギャップセンサは、渦電流式のギャップセンサである。
 具体的には、この例では、回転角センサ(60)として、第1回転角センサ(61)と第2回転角センサ(62)とが設けられる。第1回転角センサ(61)および第2回転角センサ(62)の各々は、測定対象との間の距離に応じた信号を出力するギャップセンサである。ギャップセンサと測定対象との間の距離が長くなるほど、ギャップセンサから出力される信号のレベル(振幅値)が高くなる。
 第1回転角センサ(61)は、シャフト(20)の被測定部(25)の第1軸部(第1段差部(201)が設けられた軸部)と対向するように配置され、シャフト(20)の被測定部(25)の第1軸部との距離に応じた信号を出力する。図2に示すように、シャフト(20)の位置が基準位置である場合、第1軸部のうち第1段差部(201)と第1回転角センサ(61)との間の距離(D11)は、第1軸部のうち第1段差部(201)を除く残りの部分と第1回転角センサ(61)との間の距離(D10)よりも長い。したがって、第1回転角センサ(61)から出力される信号のレベル(振幅値)は、第1回転角センサ(61)と第1段差部(201)とが対向すると高くなる。
 第2回転角センサ(62)は、シャフト(20)の被測定部(25)の第2軸部(第2段差部(202)が設けられた軸部)と対向するように配置され、シャフト(20)の被測定部(25)の第2軸部との距離に応じた信号を出力する。図3に示すように、シャフト(20)の位置が基準位置である場合、第2軸部のうち第2段差部(202)と第2回転角センサ(62)との間の距離(D21)は、第2軸部のうち第2段差部(202)を除く残りの部分と第2回転角センサ(62)との間の距離(D20)よりも長い。したがって、第2回転角センサ(62)から出力される信号のレベル(振幅値)は、第2回転角センサ(62)と第2段差部(202)とが対向すると高くなる。
 なお、この例では、第1回転角センサ(61)および第2回転角センサ(62)は、シャフト(20)の鉛直下方に配置される。また、第1回転角センサ(61)および第2回転角センサ(62)は、基準軸線を向くように配置される。
  〔位置センサ〕
 位置センサ(70)は、シャフト(20)の位置に応じた信号を出力する。この例では、位置センサ(70)は、シャフト(20)との距離に応じた信号を出力するギャップセンサである。
 具体的には、この例では、位置センサ(70)として、ラジアル位置センサ(71)とスラスト位置センサ(72)とが設けられる。ラジアル位置センサ(71)およびスラスト位置センサ(72)の各々は、測定対象との間の距離に応じた信号を出力するギャップセンサである。ギャップセンサと測定対象との間の距離が長くなるほど、ギャップセンサから出力される信号のレベル(振幅値)が高くなる。
 ラジアル位置センサ(71)は、シャフト(20)の径方向位置に応じた信号を出力する。この例では、ラジアル位置センサ(71)は、シャフト(20)の被測定部(25)のうち「第1段差部(201)および第2段差部(202)のどちらも設けられない軸部(以下では「円筒面部分」と記載)」と対向するように配置され、シャフト(20)の被測定部(25)の円筒面部分との距離に応じた信号を出力する。
 なお、ラジアル位置センサ(71)として、2種類のラジアル位置センサ(第1ラジアル位置センサ(71)と第2ラジアル位置センサ(71))とが設けられる。第1ラジアル位置センサ(71)は、ラジアル磁気軸受(41)の第1ラジアル電磁石(41a)と第2ラジアル電磁石(41b)との対向方向におけるシャフト(20)の位置に応じた信号を出力する。第2ラジアル位置センサ(71)は、ラジアル磁気軸受(41)の第3ラジアル電磁石(41c)と第4ラジアル電磁石(41d)との対向方向におけるシャフト(20)の位置に応じた信号を出力する。また、ラジアル位置センサ(71)は、基準軸線を向くように配置される。
 スラスト位置センサ(72)は、シャフト(20)の軸方向位置に応じた信号を出力する。この例では、スラスト位置センサ(72)は、シャフト(20)の他端面と対向するように配置され、シャフト(20)の他端面との距離に応じた信号を出力する。
  〔制御部〕
 また、駆動システム(10)は、制御部(80)を備える。制御部(80)は、駆動システム(10)に設けられた各種センサと信号線により接続され、各種センサから出力された信号を受信する。制御部(80)は、駆動システム(10)の構成要素と信号線により接続され、駆動システム(10)の構成要素を制御する。この例では、制御部(80)は、ベアリングレスモータ(30)、ラジアル磁気軸受(41)、スラスト磁気軸受(42)、第1回転角センサ(61)、第2回転角センサ(62)、ラジアル位置センサ(71)、スラスト位置センサ(72)と信号線により接続される。
 また、制御部(80)は、運転を開始するための起動指示などの各種指示を受ける。そして、制御部(80)は、各種指示および各種センサから出力された信号に基づいて、各種処理を行う。
 例えば、制御部(80)は、プロセッサ、プロセッサと電気的に接続されてプロセッサを動作させるためのプログラムを記憶するメモリ、プロセッサの指令に応じて電力を供給する電源部などを含む。
  〔位置制御〕
 制御部(80)は、支持部(11)によるシャフト(20)の非接触での支持が行われている場合に、浮上位置制御を行う。浮上位置制御では、制御部(80)は、位置センサ(70)から出力された信号に基づいてシャフト(20)の位置を検出し、シャフト(20)の位置が予め定められた基準位置となるように支持部(11)を制御する。
 具体的には、制御部(80)は、ラジアル位置センサ(71)から出力された信号に基づいて、シャフト(20)の径方向位置(回転軸線の位置)を検出し、シャフト(20)の径方向位置が予め定められた基準径方向位置(基準軸線の位置)となるように、ベアリングレスモータ(30)の支持巻線(35)に流れる電流と、ラジアル磁気軸受(41)の巻線(415)に流れる電流とを制御する。また、制御部(80)は、スラスト位置センサ(72)から出力された信号に基づいて、シャフト(20)の軸方向位置を検出し、シャフト(20)の軸方向位置が予め定められた基準軸方向位置となるように、スラスト磁気軸受(42)の巻線に流れる電流を制御する。
  〔回転角検出〕
 また、制御部(80)は、駆動部(12)によるシャフト(20)の回転駆動が行われている場合に、回転角センサ(60)から出力された信号に基づいて、シャフト(20)の回転角を検出する。この例では、制御部(80)は、以下のように、シャフト(20)の回転角を検出する。
 制御部(80)は、第1回転角センサ(61)から出力された信号に基づいて、シャフト(20)の回転角の変化を検出する。以下では、第1回転角センサ(61)から出力された信号を「第1センサ信号(SS1)」と記載する。
 具体的には、図7に示すように、制御部(80)は、第1センサ信号(SS1)のレベル(振幅値)と予め定められた第1閾値(Th1)とを比較し、その比較の結果に応じて第1結果信号(PP1)を生成する。制御部(80)は、第1センサ信号(SS1)のレベルが第1閾値(Th1)を上回ると、第1結果信号(PP1)のレベルをローレベルからハイレベルへ遷移させ、第1センサ信号(SS1)のレベルが第1閾値(Th1)を下回ると、第1結果信号(PP1)のレベルをハイレベルからローレベルへ遷移させる。
 なお、第1閾値(Th1)は、例えば、シャフト(20)の被測定部(25)の第1軸部のうち第1段差部(201)と第1回転角センサ(61)とが対向しているときの第1センサ信号(SS1)のレベルよりも低く、且つ、シャフト(20)の被測定部(25)の第1軸部のうち第1段差部(201)を除く残りの部分と第1回転角センサ(61)とが対向しているときの第1センサ信号(SS1)のレベルよりも高いレベルに設定される。
 また、制御部(80)は、第2回転角センサ(62)から出力された信号に基づいて、シャフト(20)の回転基準(回転角の基準)を検出する。以下では、第2回転角センサ(62)から出力された信号を「第2センサ信号(SS2)」と記載する。
 具体的には、図7に示すように、制御部(80)は、第2センサ信号(SS2)のレベル(振幅値)と予め定められた第2閾値(Th2)とを比較し、その比較の結果に応じて第2結果信号(PP2)を生成する。制御部(80)は、第2センサ信号(SS2)のレベルが第2閾値(Th2)を上回ると、第2結果信号(PP2)のレベルをローレベルからハイレベルへ遷移させ、第2センサ信号(SS2)のレベルが第2閾値(Th2)を下回ると、第2結果信号(PP2)のレベルをハイレベルからローレベルへ遷移させる。
 なお、第2閾値(Th1)は、例えば、シャフト(20)の被測定部(25)の第2軸部のうち第2段差部(202)と第2回転角センサ(62)とが対向しているときの第2センサ信号(SS2)のレベルよりも低く、且つ、シャフト(20)の被測定部(25)の第2軸部のうち第2段差部(202)を除く残りの部分と第2回転角センサ(62)とが対向しているときの第2センサ信号(SS2)のレベルよりも高いレベルに設定される。
 そして、制御部(80)は、第1センサ信号(SS1)に基づいて検出された「シャフト(20)の回転角の変化」と、第2センサ信号(SS2)に基づいて検出された「シャフト(20)の回転基準」とに基づいて、シャフト(20)の回転角を検出する。
 具体的には、図7に示すように、第2結果信号(PP2)のレベルがローレベルからハイレベルに遷移すると、制御部(80)は、シャフト(20)の回転角を「0°」にする。そして、制御部(80)は、第1結果信号(PP1)のレベルがローレベルからハイレベルに遷移する毎に、シャフト(20)の回転角を所定量(この例では45°)だけ増加させる。このようにして、シャフト(20)の回転角が検出される。
  〔起動処理〕
 また、制御部(80)は、支持部(11)によるシャフト(20)の非接触での支持が行われる前に、起動処理を行う。起動処理では、制御部(80)は、において、シャフト(20)がタッチダウン軸受(50)と接触した状態で回転するように駆動部(12)を制御し、回転角センサ(60)から出力された信号に基づいてシャフト(20)の回転角を検出する。
 次に、図8を参照して、起動処理について説明する。例えば、制御部(80)は、運転を開始するための起動指示を受けると、次の動作を行う。
   〈ステップ(ST11)〉
 まず、制御部(80)は、シャフト(20)がタッチダウン軸受(50)と接触した状態で回転するように、駆動部(12)を制御する。また、制御部(80)は、タッチダウン軸受(50)と接触した状態で回転するシャフト(20)の回転速度が一定となるように、駆動部(12)を制御する。
 この例では、制御部(80)は、ベアリングレスモータ(30)の駆動巻線(36)に電流を供給する。これにより、シャフト(20)は、タッチダウン状態のまま回転する。そして、制御部(80)は、シャフト(20)の回転速度が一定となるように、ベアリングレスモータ(30)の駆動巻線(36)に供給される電流を制御する。
   〈ステップ(ST12)〉
 次に、制御部(80)は、回転角センサ(60)から出力された信号に基づいて、シャフト(20)の回転角を検出する。この例では、制御部(80)は、第1回転角センサ(61)から出力された第1センサ信号(SS1)と、第2回転角センサ(62)から出力された第2センサ信号(SS2)とに基づいて、シャフト(20)の回転角を検出する。
 シャフト(20)の回転角の検出が完了すると、制御部(80)は、起動処理を終了する。起動処理が終了すると、制御部(80)は、支持部(11)によるシャフト(20)の非接触での支持が行われるように、支持部(11)を制御する。
  〔実施形態の効果〕
 以上のように、実施形態では、制御部(80)は、支持部(11)によるシャフト(20)の非接触での支持が行われる前に、起動処理を行う。起動処理では、制御部(80)は、シャフト(20)がタッチダウン軸受(50)と接触した状態でシャフト(20)の回転角を検出する。具体的には、制御部(80)は、起動処理において、シャフト(20)がタッチダウン軸受(50)と接触した状態で回転するように駆動部(12)を制御し、回転角センサ(60)から出力された信号に基づいてシャフト(20)の回転角を検出する。
 上記の構成により、シャフト(20)が非接触で支持される前にシャフト(20)の回転角を検出することができる。
 また、シャフト(20)が非接触で支持される前にシャフト(20)の回転角を検出することにより、支持部(11)によるシャフト(20)の非接触での支持を開始する際に、シャフト(20)の回転角に応じた制御を行うことができる。
 例えば、シャフト(20)の非接触での支持を開始するためにベアリングレスモータ(30)が使用される場合、シャフト(20)の回転角に基づいて、シャフト(20)に固定されたロータ(31)の磁極の位置を検出することができる。これにより、シャフト(20)を非接触で支持するための電磁力(シャフト(20)を基準位置へ向けて移動させることが可能な電磁力)が発生するように、ベアリングレスモータ(30)の支持巻線(35)を流れる電流を適切に制御することができる。
 また、シャフト(20)の回転角を検出することにより、シャフト(20)を回転駆動させるための電磁力が発生するように、ベアリングレスモータ(30)の駆動巻線(36)を流れる電流を適切に制御することができる。
 このように、シャフト(20)を非接触で支持するための制御(浮上制御)と、シャフト(20)を回転駆動させるための制御(回転制御)とを安定して行うことができる。
 また、実施形態では、回転角センサ(60)は、シャフト(20)の被測定部(25)との距離に応じた信号を出力するギャップセンサである。シャフト(20)の被測定部(25)は、シャフト(20)の回転角の変化に応じて回転角センサ(60)との距離が変化するように構成される。
 上記の構成により、シャフト(20)の回転角が変化すると、シャフト(20)の被測定部(25)と回転角センサ(60)との間の距離が変化し、その結果、回転角センサ(60)から出力される信号が変化する。したがって、回転角センサ(60)から出力される信号に基づいてシャフト(20)の回転角を検出することができる。
 (実施形態の変形例1)
 実施形態の変形例1のターボ圧縮機(1)は、回転角センサ(60)の配置と性能が実施形態のターボ圧縮機(1)と異なる。実施形態の変形例1のターボ圧縮機(1)のその他の構成および処理は、実施形態のターボ圧縮機(1)の構成および処理と同様である。
 図9に示すように、実施形態の変形例1では、回転角センサ(60)は、「支持部(11)によるシャフト(20)の非接触での支持が行われないときの回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離(G1)」が「支持部(11)により非接触で支持されたシャフト(20)の位置が基準位置であるときの回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離(G0)」以下となるように、配置される。具体的には、第1回転角センサ(61)および第1回転角センサ(61)は、次のように配置される。
 第1回転角センサ(61)は、「支持部(11)によるシャフト(20)の非接触での支持が行われないときの第1回転角センサ(61)とシャフト(20)の被測定部(25)の第1軸部(第1段差部(201)が設けられた軸部)との間の距離(G1)」が「支持部(11)により非接触で支持されたシャフト(20)の位置が基準位置であるときの第1回転角センサ(61)とシャフト(20)の被測定部(25)の第1軸部との間の距離(G0)」以下となるように配置される。
 第2回転角センサ(62)は、「支持部(11)によるシャフト(20)の非接触での支持が行われないときの第2回転角センサ(62)とシャフト(20)の被測定部(25)の第2軸部(第2段差部(202)が設けられた軸部)との間の距離」が「支持部(11)により非接触で支持されたシャフト(20)の位置が基準位置であるときの第2回転角センサ(62)とシャフト(20)の被測定部(25)の第2軸部との間の距離」以下となるように配置される。
 また、実施形態の変形例1では、回転角センサ(60)のダイナミックレンジは、位置センサ(70)のダイナミックレンジと同一である。具体的には、第1回転角センサ(61)および第2回転角センサ(62)の各々であるギャップセンサのダイナミックレンジは、ラジアル位置センサ(71)であるギャップセンサのダイナミックレンジと同一である。
  〔ギャップセンサの出力特性〕
 図10は、ギャップセンサの出力特性を例示する。横軸は、ギャップセンサと測定対象との間の距離(ギャップ)を示し、縦軸は、ギャップセンサから出力される信号のレベル(振幅値)を示す。以下では、ギャップセンサと測定対象との間の距離の変化を「距離変化」と記載し、ギャップセンサから出力される信号のレベルの変化を「信号変化」と記載する。
 図10に示すように、ギャップセンサと測定対象との間の距離が短くなるほど、ギャップセンサの距離変化に応じた信号変化が大きくなる。例えば、ギャップセンサと測定対象との間の距離が比較的に短いときの距離変化を「第1距離変化(ΔGA)」とし、ギャップセンサと測定対象との間の距離が比較的に長いときの距離変化を「第2距離変化(ΔGB)」とすると、第1距離変化(ΔGA)に応じた第1信号変化(ΔSA)は、第2距離変化(ΔGB)に応じた第2信号変化(ΔSB)よりも大きい。なお、第2距離変化(ΔGB)の変化量は、第1距離変化(ΔGA)の変化量と同一である。
 このように、ギャップセンサと測定対象との間の距離が短くなるほど、ギャップセンサの距離変化に応じた信号変化が大きくなる。したがって、ギャップセンサである回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離が短くなるほど、回転角センサ(60)の距離変化に応じた信号変化が大きくなり、その結果、回転角センサ(60)から出力された信号に基づくシャフト(20)の回転角の検出の精度が向上する。
  〔実施形態の変形例1の効果〕
 以上のように、実施形態の変形例1では、回転角センサ(60)は、「支持部(11)によるシャフト(20)の非接触での支持が行われないときの回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離(G1)」が「支持部(11)により非接触で支持されたシャフト(20)の位置が基準位置であるときの回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離(G0)」以下となるように、配置される。
 上記の構成により、シャフト(20)がタッチダウン状態(タッチダウン軸受(50)と接触した状態)となる起動処理において、回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離を、支持部(11)により非接触で支持されたシャフト(20)の位置が基準位置であるときの回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離(G0)以下にすることができる。これにより、起動処理において、回転角センサ(60)の距離変化に応じた信号変化が小さくなり過ぎないようにすることができるので、回転角センサ(60)の出力信号に基づいてシャフト(20)の回転角を検出する処理の精度の低下を抑制することができる。
 また、実施形態の変形例1では、回転角センサ(60)のダイナミックレンジは、位置センサ(70)のダイナミックレンジと同一である。
 上記の構成により、回転角センサ(60)となるギャップセンサの種類と位置センサ(70)となるギャップセンサの種類とを統一することができる。言い換えると、同種のギャップセンサを用いて回転角センサ(60)と位置センサ(70)とを構成することができる。これにより、センサの調達コストを削減することができる。
 (実施形態の変形例2)
 図11は、実施形態の変形例2のターボ圧縮機(1)の構成を例示する。実施形態の変形例2のターボ圧縮機(1)は、回転角センサ(60)の配置と起動処理とが実施形態のターボ圧縮機(1)と異なる。実施形態の変形例2のターボ圧縮機(1)のその他の構成および処理は、実施形態のターボ圧縮機(1)の構成および処理と同様である。なお、図11では、シャフト(20)は、タッチダウン状態である。
 実施形態の変形例2では、シャフト(20)がタッチダウン状態であるときの回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離は、シャフト(20)の位置が基準位置であるときの回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離よりも長い。この例では、第1回転角センサ(61)および第2回転角センサ(62)は、シャフト(20)の鉛直上方に配置される。
 そして、実施形態の変形例2では、制御部(80)は、起動処理において、電磁力によりシャフト(20)が移動してシャフト(20)の被測定部(25)が回転角センサ(60)に近づくように支持部(11)を制御する。
 また、実施形態の変形例2では、制御部(80)は、起動処理において、シャフト(20)の被測定部(25)が回転角センサ(60)に近づいた状態が維持されるように支持部(11)を制御しながら、シャフト(20)が回転するように駆動部(12)を制御する。
  〔近接状態〕
 以下の説明では、シャフト(20)の被測定部(25)が回転角センサ(60)に近づいた状態を「近接状態」と記載する。なお、シャフト(20)は、近接状態においてタッチダウン軸受(50)と接触している。
 図12に示すように、この例では、シャフト(20)の近接状態は、支持部(11)の電磁力によりシャフト(20)が鉛直上方に移動してシャフト(20)の被測定部(25)が起動処理の開始時のタッチダウン状態よりも回転角センサ(60)に近づいた状態である。シャフト(20)が近接状態である場合、ラジアルタッチダウン軸受(51)は、シャフト(20)と接触し、ラジアルスラストタッチダウン軸受(52)は、シャフト(20)の凹部(22)の底面と接触する。
 なお、この例では、シャフト(20)が近接状態であるときの回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離は、支持部(11)により非接触で支持されたシャフト(20)の位置が基準位置であるときの回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離(G0)(図9参照)以下である。
 具体的には、シャフト(20)が近接状態であるときの第1回転角センサ(61)とシャフト(20)の被測定部(25)の第1軸部(第1段差部(201)が設けられた軸部)との間の距離は、支持部(11)により非接触で支持されたシャフト(20)の位置が基準位置であるときの第1回転角センサ(61)とシャフト(20)の被測定部(25)の第1軸部との間の距離(G0)以下となる。
 また、シャフト(20)が近接状態であるときの第2回転角センサ(62)とシャフト(20)の被測定部(25)の第2軸部(第2段差部(202)が設けられた軸部)との間の距離は、支持部(11)により非接触で支持されたシャフト(20)の位置が基準位置であるときの第2回転角センサ(62)とシャフト(20)の被測定部(25)の第2軸部との間の距離以下となる。
  〔起動処理〕
 次に、図13を参照して、実施形態の変形例2の起動処理について説明する。例えば、制御部(80)は、運転を開始するための起動指示を受けると、次の動作を行う。
   〈ステップ(S20)〉
 まず、制御部(80)は、電磁力によりシャフト(20)が移動してシャフト(20)の被測定部(25)が回転角センサ(60)に近づくように、支持部(11)を制御する。
 この例では、制御部(80)は、シャフト(20)を鉛直上方に移動させるための電磁力が発生するように、ラジアル磁気軸受(41)の巻線(415)に電流を供給し、ラジアル磁気軸受(41)の巻線(415)に供給される電流を制御する。これにより、シャフト(20)が鉛直上方に移動して近接状態(図12参照)となる。
   〈ステップ(S21)〉
 次に、制御部(80)は、起動処理において、シャフト(20)の被測定部(25)が回転角センサ(60)に近づいた状態が維持されるように支持部(11)を制御しながら、シャフト(20)が回転するように駆動部(12)を制御する。また、制御部(80)は、タッチダウン軸受(50)と接触した状態で回転するシャフト(20)の回転速度が一定となるように、駆動部(12)を制御する。
 この例では、制御部(80)は、ラジアル磁気軸受(41)の巻線(415)への電流の供給を継続しながら、ベアリングレスモータ(30)の駆動巻線(36)に電流を供給する。これにより、シャフト(20)は、近接状態のまま回転する。そして、制御部(80)は、シャフト(20)の回転速度が一定となるように、ベアリングレスモータ(30)の駆動巻線(36)に供給される電流を制御する。
   〈ステップ(S22)〉
 次に、ステップ(S12)と同様に、制御部(80)は、回転角センサ(60)から出力された信号に基づいて、シャフト(20)の回転角を検出する。シャフト(20)の回転角の検出が完了すると、制御部(80)は、起動処理を終了する。起動処理が終了すると、制御部(80)は、支持部(11)によるシャフト(20)の非接触での支持が行われるように、支持部(11)を制御する。
  〔実施形態の変形例2の効果〕
 以上のように、実施形態の変形例2では、制御部(80)は、起動処理において、電磁力によりシャフト(20)が移動してシャフト(20)の被測定部(25)が回転角センサ(60)に近づくように支持部(11)を制御する。
 上記の構成により、起動処理において、回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離を、起動処理の開始時における回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離よりも短くすることができる。これにより、起動処理において、回転角センサ(60)の距離変化に応じた信号変化を大きくすることができ、回転角センサ(60)の出力信号に基づいてシャフト(20)の回転角を検出する処理の精度を向上させることができる。
 また、実施形態の変形例2では、制御部(80)は、起動処理において、シャフト(20)の被測定部(25)が回転角センサ(60)に近づいた状態が維持されるように支持部(11)を制御しながら、シャフト(20)が回転するように駆動部(12)を制御する。
 上記の構成により、起動処理において、回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離が「起動処理の開始時における回転角センサ(60)とシャフト(20)の被測定部(25)との間の距離」よりも短くなる状態を維持することができる。これにより、起動処理において、回転角センサ(60)の距離変化に応じた信号変化が大きくなる状態を維持することができるので、回転角センサ(60)の出力信号に基づいてシャフト(20)の回転角を検出する処理の精度を継続的に向上させることができる。
 なお、実施形態の変形例2において、回転角センサ(60)のダイナミックレンジは、位置センサ(70)のダイナミックレンジと同一であってもよい。具体的には、第1回転角センサ(61)および第2回転角センサ(62)の各々であるギャップセンサのダイナミックレンジは、ラジアル位置センサ(71)であるギャップセンサのダイナミックレンジと同一であってもよい。
 (実施形態の変形例3)
 図14は、実施形態の変形例3のターボ圧縮機(1)の構成を例示する。実施形態の変形例3のターボ圧縮機(1)は、「ターボ圧縮機(1)の向き」と「シャフト(20)の被測定部(25)」と「第2回転角センサ(62)の配置」と「起動処理」とが実施形態のターボ圧縮機(1)と異なる。実施形態の変形例3のターボ圧縮機(1)のその他の構成および処理は、実施形態のターボ圧縮機(1)の構成および処理と同様である。
  〔ターボ圧縮機の向き〕
 実施形態の変形例3では、ケーシング(2)は、ケーシング(2)の軸線(円筒軸線)が鉛直向きとなるように配置される。この例では、ケーシング(2)は、シャフト(20)の一端部(インペラ(3)が固定された端部)が上側となるように配置される。
  〔シャフトの被測定部〕
 実施形態の変形例3では、シャフト(20)の被測定部(25)は、第1被測定部(26)と第2被測定部(27)とを含む。第1被測定部(26)は、シャフト(20)の一端部と凹部(22)との間に設けられる。第2被測定部(27)は、シャフト(20)の一端部と第1被測定部(26)との間に設けられる。この例では、第1被測定部(26)は、ラジアル磁気軸受(41)とシャフト(20)の凹部(22)との間に設けられる。第2被測定部(27)は、ベアリングレスモータ(30)とラジアル磁気軸受(41)との間に設けられる。
 第1被測定部(26)は、シャフト(20)の回転角の変化に応じて第1回転角センサ(61)との距離が変化するように構成される。具体的には、第1被測定部(26)は、軸状に形成される。第1被測定部(26)には、複数の第1段差部(201)が設けられる。シャフト(20)の第1被測定部(26)のうち第1段差部(201)が設けられた軸部は、第1回転角センサ(61)の測定対象となる。
 第2被測定部(27)は、シャフト(20)の回転角の変化に応じて第2回転角センサ(62)との距離が変化するように構成される。具体的には、第2被測定部(27)は、円盤状に形成される。第2被測定部(27)の軸方向の一端面(上側の側面)には、第2段差部(202)が設けられる。第2被測定部(27)は、第2回転角センサ(62)の測定対象となる。
  〔第2回転角センサ〕
 実施形態の変形例3では、第2回転角センサ(62)は、第2被測定部(27)の軸方向の一端面(上側の側面)と対向するように配置され、第2被測定部(27)の軸方向の一端面との距離に応じた信号を出力する。シャフト(20)の位置が基準位置である場合、第2被測定部(27)の軸方向の一端面のうち第2段差部(202)と第2回転角センサ(62)との間の距離は、第2被測定部(27)の軸方向の一端面のうち第2段差部(202)を除く残りの部分と第2回転角センサ(62)との間の距離(D20)よりも長い。したがって、第2回転角センサ(62)から出力される信号のレベル(振幅値)は、第2回転角センサ(62)と第2段差部(202)とが対向すると高くなる。
  〔タッチダウン状態〕
 図15に示すように、実施形態の変形例3において、シャフト(20)のタッチダウン状態は、シャフト(20)の凹部(22)の一側面(上側の側面)がラジアルスラストタッチダウン軸受(52)と接触している状態である。
  〔近接状態〕
 図16に示すように、実施形態の変形例3において、シャフト(20)の近接状態は、支持部(11)の電磁力によりシャフト(20)が鉛直上方に移動してシャフト(20)の第2被測定部(27)が起動処理の開始時のタッチダウン状態よりも第2回転角センサ(62)に近づいた状態である。
 なお、実施形態の変形例3では、スラスト磁気軸受(42)は、電磁力によりシャフト(20)を非接触で支持する支持部(11)として機能する。スラスト磁気軸受(42)は、支持部(11)の一例である。
  〔起動処理〕
 実施形態の変形例3の起動処理は、実施形態の変形例2の起動処理(図13参照)と同様である。制御部(80)は、起動処理において、電磁力によりシャフト(20)が移動してシャフト(20)の被測定部(25)が回転角センサ(60)に近づくように支持部(11)を制御する。また、制御部(80)は、起動処理において、シャフト(20)の被測定部(25)が回転角センサ(60)に近づいた状態が維持されるように支持部(11)を制御しながら、シャフト(20)が回転するように駆動部(12)を制御する。
 具体的には、まず、ステップ(S20)において、制御部(80)は、シャフト(20)を鉛直上方に移動させるための電磁力が発生するように、スラスト磁気軸受(42)の巻線に電流を供給し、スラスト磁気軸受(42)の巻線に供給される電流を制御する。これにより、シャフト(20)が鉛直上方に移動して近接状態(図16参照)となる。
 次に、ステップ(S21)において、制御部(80)は、スラスト磁気軸受(42)の巻線への電流の供給を継続しながら、ベアリングレスモータ(30)の駆動巻線(36)に電流を供給する。これにより、シャフト(20)は、近接状態のまま回転する。そして、制御部(80)は、シャフト(20)の回転速度が一定となるように、ベアリングレスモータ(30)の駆動巻線(36)に供給される電流を制御する。
 次に、ステップ(S22)において、制御部(80)は、回転角センサ(60)から出力された信号に基づいて、シャフト(20)の回転角を検出する。シャフト(20)の回転角の検出が完了すると、制御部(80)は、起動処理を終了する。起動処理が終了すると、制御部(80)は、支持部(11)によるシャフト(20)の非接触での支持が行われるように、支持部(11)を制御する。
  〔実施形態の変形例3の効果〕
 実施形態の変形例3では、実施形態の変形例2と同様の効果を得ることができる。
 なお、実施形態の変形例3において、回転角センサ(60)のダイナミックレンジは、位置センサ(70)のダイナミックレンジと同一であってもよい。具体的には、第1回転角センサ(61)であるギャップセンサのダイナミックレンジは、ラジアル位置センサ(71)であるギャップセンサのダイナミックレンジと同一であってもよい。第2回転角センサ(62)であるギャップセンサのダイナミックレンジは、スラスト位置センサ(72)であるギャップセンサのダイナミックレンジと同一であってもよい。
 また、実施形態の変形例3のステップ(S20)において、制御部(80)は、シャフト(20)を鉛直上方に移動させるための電磁力が発生するようにスラスト磁気軸受(42)を制御しながら、シャフト(20)を第1回転角センサ(61)に近づく方向(図16の例では左方)に移動させるための電磁力が発生するようにラジアル磁気軸受(41)を制御してもよい。これにより、起動処理において、シャフト(20)の第1被測定部(26)を第1回転角センサ(61)に近づけることができ、且つ、シャフト(20)の第2被測定部(27)を第2回転角センサ(62)に近づけることができる。
 また、実施形態の変形例3において、ケーシング(2)は、ケーシング(2)の軸線(円筒軸線)が水平向きとなるように配置されてもよい。この場合、制御部(80)は、起動処理において、シャフト(20)の第1被測定部(26)の第1軸部(第1段差部(201)が設けられた軸部)が第1回転角センサ(61)に近づき、且つ、シャフト(20)の第2被測定部(27)が第2回転角センサ(62)に近づくように、支持部(11)を制御してもよい。具体的には、制御部(80)は、起動処理において、シャフト(20)の第1被測定部(26)の第1軸部が第1回転角センサ(61)に近づくようにラジアル磁気軸受(41)を制御し、シャフト(20)の第2被測定部(27)が第2回転角センサ(62)に近づくようにスラスト磁気軸受(42)を制御してもよい。
 (実施形態の変形例4)
 実施形態の変形例4のターボ圧縮機(1)は、「シャフト(20)の被測定部(25)」と「回転角センサ(60)」と「シャフト(20)の回転角を検出するための処理」とが実施形態のターボ圧縮機(1)と異なる。実施形態の変形例4のターボ圧縮機(1)のその他の構成および処理は、実施形態のターボ圧縮機(1)の構成および処理と同様である。
  〔シャフトの被測定部〕
 実施形態の変形例4では、シャフト(20)の被測定部(25)に設けられた複数の第1段差部(201)の1つは、第2段差部(202)を兼ねている。図17に示すように、この例では、第1段差部(201)は、凹部である。第2段差部(202)として兼用される第1段差部(201)は、第2段差部(202)として兼用されない他の第1段差部(201)よりも深い凹部である。なお、実施形態の変形例4では、シャフト(20)の被測定部(25)の第2軸部(第2段差部(202)のみが設けられる軸部)は、省略されている。
  〔回転角センサ〕
 実施形態の変形例4では、回転角センサ(60)は、1つの回転角センサにより構成される。この例では、回転角センサ(60)は、測定対象との間の距離に応じた信号を出力するギャップセンサである。
 回転角センサ(60)は、シャフト(20)の被測定部(25)の第1軸部(第1段差部(201)が設けられた軸部)との距離に応じた信号を出力する。
 図17に示すように、シャフト(20)の位置が基準位置である場合、第1軸部のうち「第2段差部(202)として兼用されない第1段差部(201)」と回転角センサ(60)との間の距離(D11)は、第1軸部のうち第1段差部(201)を除く残りの部分と回転角センサ(60)との間の距離(D10)よりも長い。また、第1軸部のうち「第2段差部(202)として兼用される第1段差部(201)」と回転角センサ(60)との間の距離は、第1軸部のうち「第2段差部(202)として兼用されない第1段差部(201)」と回転角センサ(60)との間の距離(D11)よりも長い。
 したがって、回転角センサ(60)から出力される信号のレベル(振幅値)は、回転角センサ(60)と第1段差部(201)とが対向すると高くなる。また、第2段差部(202)として兼用される第1段差部(201)と回転角センサ(60)とが対向するときに回転角センサ(60)から出力される信号のレベルは、第2段差部(202)として兼用されない第1段差部(201)と回転角センサ(60)とが対向するときに回転角センサ(60)から出力される信号のレベルよりも高い。
  〔回転角検出〕
 実施形態の変形例4では、制御部(80)は、以下のように、回転角センサ(60)から出力された信号のレベル(振幅値)と予め定められた2種類の閾値(第1閾値(Th1)と第2閾値(Th2))との比較の結果に基づいて、シャフト(20)の回転角を検出する。第2閾値(Th2)は、第1閾値(Th1)よりも高い。以下では、回転角センサ(60)から出力された信号を「センサ信号(SS)」と記載する。
 具体的には、図18に示すように、制御部(80)は、センサ信号(SS)のレベルと第1閾値(Th1)とを比較し、その比較の結果に応じて第1結果信号(PP1)を生成する。制御部(80)は、センサ信号(SS)のレベルが第1閾値(Th1)を上回ると、第1結果信号(PP1)のレベルをローレベルからハイレベルへ遷移させ、センサ信号(SS)のレベルが第1閾値(Th1)を下回ると、第1結果信号(PP1)のレベルをハイレベルからローレベルへ遷移させる。
 なお、第1閾値(Th1)は、例えば、シャフト(20)の被測定部(25)の第1軸部のうち「第2段差部(202)として兼用されない第1段差部(201)」と回転角センサ(60)とが対向しているときのセンサ信号(SS)のレベルよりも低く、且つ、シャフト(20)の被測定部(25)の第1軸部のうち第1段差部(201)を除く残りの部分と回転角センサ(60)とが対向しているときのセンサ信号(SS)のレベルよりも高いレベルに設定される。
 また、制御部(80)は、センサ信号(SS)のレベルと第2閾値(Th2)とを比較し、その比較の結果に応じて第2結果信号(PP2)を生成する。制御部(80)は、センサ信号(SS)のレベルが第2閾値(Th2)を上回ると、第2結果信号(PP2)のレベルをローレベルからハイレベルへ遷移させ、センサ信号(SS)のレベルが第2閾値(Th2)を下回ると、第2結果信号(PP2)のレベルをハイレベルからローレベルへ遷移させる。
 なお、第2閾値(Th2)は、例えば、シャフト(20)の被測定部(25)の第1軸部のうち「第2段差部(202)として兼用される第1段差部(201)」と回転角センサ(60)とが対向しているときのセンサ信号(SS)のレベルよりも低く、且つ、第1閾値(Th1)よりも高いレベルに設定される。
 そして、図18に示すように、第2結果信号(PP2)のレベルがローレベルからハイレベルに遷移すると、制御部(80)は、シャフト(20)の回転角を「0°」にする。また、制御部(80)は、第1結果信号(PP1)のレベルがローレベルからハイレベルに遷移する毎に、シャフト(20)の回転角を所定量(この例では45°)だけ増加させる。このようにして、シャフト(20)の回転角が検出される。
  〔実施形態の変形例4の効果〕
 以上のように、実施形態の変形例4では、シャフト(20)の被測定部(25)に設けられた複数の第1段差部(201)の1つは、第2段差部(202)を兼ねている。
 上記の構成により、シャフト(20)の被測定部(25)に第1段差部(201)と第2段差部(202)とを別々に設ける場合よりも、回転角センサ(60)の数を削減することができる。これにより、センサに要するコストを削減することができる。
 (冷凍装置)
 図19は、冷凍装置(RR)の構成を例示する。冷凍装置(RR)は、冷媒が充填された冷媒回路(RR1)を有する。冷媒回路(RR1)は、ターボ圧縮機(1)と、放熱器(RR5)と、減圧機構(RR6)と、蒸発器(RR7)とを有する。この例では、減圧機構(RR6)は、膨張弁である。冷媒回路(RR1)は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う。
 冷凍サイクルでは、ターボ圧縮機(1)から吐出された冷媒は、放熱器(RR5)において放熱する。放熱器(RR5)から流出した冷媒は、減圧機構(RR6)において減圧され、蒸発器(RR7)において蒸発する。そして、蒸発器(RR7)から流出した冷媒は、ターボ圧縮機(1)に吸入される。
 この例では、冷凍装置(RR)は、空気調和機である。空気調和機は、冷房専用機であってもよいし、暖房専用機であってもよい。また、空気調和機は、冷房と暖房とを切り換える空気調和機であってもよい。この場合、空気調和機は、冷媒の循環方向を切り換える切換機構(例えば四方切換弁)を有する。また、冷凍装置(RR)は、給湯器、チラーユニット、庫内の空気を冷却する冷却装置などであってもよい。冷却装置は、冷蔵庫、冷凍庫、コンテナなどの内部の空気を冷却する。
 (その他の実施形態)
 以上の説明では、駆動システム(10)がベアリングレスモータ(30)と磁気軸受(40)(具体的にはラジアル磁気軸受(41)とスラスト磁気軸受(42))とを備える場合を例に挙げたが、これに限定されない。
 例えば、駆動システム(10)は、ラジアル磁気軸受(41)の代わりに、もう1つのベアリングレスモータ(30)を備えてもよい。このベアリングレスモータ(30)の支持巻線(35)は、支持部(11)として機能する。このベアリングレスモータ(30)の駆動巻線(36)は、駆動部(12)として機能する。
 または、駆動システム(10)は、ベアリングレスモータ(30)の代わりに、もう1つのラジアル磁気軸受(41)と、シャフト(20)の回転駆動のみを行うモータとを備えてもよい。このラジアル磁気軸受(41)は、支持部(11)として機能する。このモータは、駆動部(12)として機能する。
 また、以上の説明では、第1段差部(201)が凹部である場合を例に挙げたが、これに限定されない。例えば、第1段差部(201)は、凸部であってもよい。第2段差部(202)についても同様である。
 また、以上の説明では、ギャップセンサが渦電流式のギャップセンサである場合を例に挙げたが、これに限定されない。例えば、ギャップセンサは、超音波式、光学式などの他の方式のギャップセンサであってもよい。また、シャフト(20)の被測定部(25)に磁性体が含まれている場合、ギャップセンサとしてホール素子が使用されてもよい。
 また、実施形態の説明では、シャフト(20)の軸方向において「複数の第1段差部(201)が設けられた第1軸部」と「第2段差部(202)が設けられた第2軸部」とが隣り合う場合を例に挙げたが、これに限定されない。例えば、第2軸部は、第1軸部から離れた位置に配置されてもよい。
 また、実施形態の変形例2の説明では、電磁力によりシャフト(20)が移動してシャフト(20)の被測定部(25)が回転角センサ(60)に近づくように支持部(11)を制御した後に、シャフト(20)が回転するように駆動部(12)を制御する場合を例に挙げたが、これに限定されない。例えば、制御部(80)は、シャフト(20)が回転するように駆動部(12)を制御しながら、電磁力によりシャフト(20)が移動してシャフト(20)の被測定部(25)が回転角センサ(60)に近づくように支持部(11)を制御してもよい。実施形態の変形例3についても同様である。
 また、実施形態の変形例4の説明では、「第2段差部(202)として兼用される第1段差部(201)」が「第2段差部(202)として兼用されない他の第1段差部(201)」よりも深い凹部である場合を例に挙げたが、これに限定されない。第2段差部(202)として兼用される第1段差部(201)は、第2段差部(202)として兼用されない他の第1段差部(201)よりも浅い凹部であってもよい。
 また、以上の説明では、シャフト(20)の被測定部(25)に第1段差部(201)と第2段差部(202)とが設けられる場合を例に挙げたが、これに限定されない。例えば、図20に示すように、被測定部(25)は、曲面部(28)と、平面部(29)とを有してもよい。曲面部(28)は、平面視(シャフト(20)の軸方向から見た場合)において、シャフト(20)の周方向に一周するインボリュート曲線となるように湾曲する。平面部(29)は、曲面部(28)の一端からシャフト(20)の径方向に延びて平面部(29)の他端に至る。このような構成により、シャフト(20)の回転角の変化に応じて被測定部(25)の曲面部(28)と回転角センサ(60)との距離を連続的に変化させることができる。これにより、シャフト(20)の回転角の変化を検出することができる。また、被測定部(25)の平面部(29)において被測定部(25)と回転角センサ(60)との距離を急峻に変化させることができる。これにより、シャフト(20)の回転基準を検出することができる。
 また、実施形態および変形例を説明したが、特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態、変形例、その他の実施形態に係る要素を適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。
 以上説明したように、本開示は、駆動システム、ターボ圧縮機、冷凍装置として有用である。
1     ターボ圧縮機
2     ケーシング
3     インペラ
10    駆動システム
11    支持部
12    駆動部
20    シャフト
25    被測定部
201   第1段差部
202   第2段差部
30    ベアリングレスモータ
31    ロータ
32    ステータ
35    支持巻線
36    駆動巻線
40    磁気軸受
41    ラジアル磁気軸受
42    スラスト磁気軸受
50    タッチダウン軸受
60    回転角センサ
61    第1回転角センサ
62    第2回転角センサ
70    位置センサ
71    ラジアル位置センサ
72    スラスト位置センサ
80    制御部

Claims (11)

  1.  被測定部(25)を有するシャフト(20)と、
     電磁力により前記シャフト(20)を非接触で支持する支持部(11)と、
     電磁力により前記シャフト(20)を回転駆動させる駆動部(12)と、
     前記支持部(11)による前記シャフト(20)の非接触での支持が行われない場合に、前記シャフト(20)と接触して前記シャフト(20)を回転可能に支持するタッチダウン軸受(50)と、
     前記支持部(11)による前記シャフト(20)の非接触での支持が行われる前に起動処理を行う制御部(80)とを備え、
     前記制御部(80)は、前記起動処理において、前記シャフト(20)が前記タッチダウン軸受(50)と接触した状態で前記シャフト(20)の回転角を検出する
    駆動システム。
  2.  請求項1の駆動システムにおいて、
     前記被測定部(25)の回転角に応じた信号を出力する回転角センサ(60)を備え、
     前記制御部(80)は、前記起動処理において、前記シャフト(20)が前記タッチダウン軸受(50)と接触した状態で回転するように前記駆動部(12)を制御し、前記回転角センサ(60)から出力された信号に基づいて前記シャフト(20)の回転角を検出する
    駆動システム。
  3.  請求項2の駆動システムにおいて、
     前記回転角センサ(60)は、前記被測定部(25)との距離に応じた信号を出力するギャップセンサであり、
     前記被測定部(25)は、前記シャフト(20)の回転角の変化に応じて前記回転角センサ(60)との距離が変化するように構成される
    駆動システム。
  4.  請求項3の駆動システムにおいて、
     前記制御部(80)は、前記起動処理において、前記電磁力により前記シャフト(20)が移動して前記被測定部(25)が前記回転角センサ(60)に近づくように前記支持部(11)を制御する
    駆動システム。
  5.  請求項4の駆動システムにおいて、
     前記制御部(80)は、前記起動処理において、前記被測定部(25)が前記回転角センサ(60)に近づいた状態が維持されるように前記支持部(11)を制御しながら、前記シャフト(20)が回転するように前記駆動部(12)を制御する
    駆動システム。
  6.  請求項3の駆動システムにおいて、
     前記回転角センサ(60)は、前記支持部(11)による前記シャフト(20)の非接触での支持が行われないときの前記回転角センサ(60)と前記被測定部(25)との間の距離(G1)が、前記支持部(11)により非接触で支持された前記シャフト(20)の位置が基準位置であるときの前記回転角センサ(60)と前記被測定部(25)との間の距離(G0)以下となるように、配置される
    駆動システム。
  7.  請求項3~6のいずれか1つの駆動システムにおいて、
     前記シャフト(20)との距離に応じた信号を出力するギャップセンサである位置センサ(70)を備え、
     前記回転角センサ(60)のダイナミックレンジは、前記位置センサ(70)のダイナミックレンジと同一である
    駆動システム。
  8.  請求項3~7のいずれか1つの駆動システムにおいて、
     前記被測定部(25)には、前記シャフト(20)の周方向に所定間隔で配列された複数の第1段差部(201)が設けられ、
     前記複数の第1段差部(201)の1つは、前記シャフト(20)の回転基準を検出するための第2段差部(202)を兼ねている
    駆動システム。
  9.  請求項1~8のいずれか1つの駆動システムにおいて、
     支持巻線(35)と駆動巻線(36)とを有するベアリングレスモータ(30)を備え、
     前記支持巻線(35)は、通電により前記シャフト(20)を非接触で支持するための電磁力を発生させる巻線であり、前記支持部(11)として機能し、
     前記駆動巻線(36)は、通電により前記シャフト(20)を回転駆動させるための電磁力を発生させる巻線であり、前記駆動部(12)として機能する
    駆動システム。
  10.  請求項1~9のいずれか1つの駆動システムを備えるターボ圧縮機。
  11.  請求項10のターボ圧縮機を備える冷凍装置。
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