(57)【要約】【課題】回転主軸が高速回転等に伴う温度上昇により熱膨張した場合であっても、該回転主軸が他の部位に接触することなく安定した動作が確保される磁気軸受装置、及び、該磁気軸受装置を用いて安定した動作が実現される燃料電池用コンプレッサを提供すること。【解決手段】ロータを軸方向に非接触状態で支持する前後一対のアキシャル磁気軸受２１，２２を備えた磁気軸受装置である。ロータの表面温度を推定する温度推定手段としてのサーミスタ温度センサ２０と、該温度センサ２０によって推定された表面温度に基づき、前記アキシャル磁気軸受２１，２２の各電磁石に通電する励磁電流を調節することでロータの軸方向の位置を制御する電磁石制御手段としてのコントローラ２０２をさらに備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転主軸を軸方向に非接触状態で支持する一対の磁気軸受を備えた磁気軸受装置において、
前記回転主軸の表面温度を推定する温度推定手段と、
該温度推定手段によって推定された表面温度に基づき、前記一対の磁気軸受の各電磁石に通電する励磁電流を調節することで前記回転主軸の軸方向の位置を制御する電磁石制御手段と、をさらに備えることを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気軸受装置において、
前記温度推定手段が、前記回転主軸を回転駆動するステータコイルの温度を測定する温度センサである磁気軸受装置。
【請求項３】
請求項１に記載の磁気軸受装置において、
前記温度推定手段が、前記回転主軸の軸方向の位置を検出する位置センサの温度補償に用いられる温度補償用センサである磁気軸受装置。
【請求項４】
請求項３に記載の磁気軸受装置において、
前記位置センサ及び温度補償用センサは、いずれもフェライトコアにコイルが巻回された過電流型フェライトコア位置センサからなる磁気軸受装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の磁気軸受装置において、
前記電磁石制御手段が、前記回転主軸の温度上昇に伴って該回転主軸が目標浮上位置からシフトするシフト量に基づいて前記一対の磁気軸受に通電する励磁電流を調節し、前記回転主軸の軸方向の位置を制御する磁気軸受装置。
【請求項６】
請求項５に記載の磁気軸受装置において、
前記電磁石制御手段が、前記回転主軸の温度上昇に伴って該回転主軸が目標浮上位置からシフトするシフト量が０になるように前記回転主軸の軸方向の位置を制御する磁気軸受装置。
【請求項７】
燃料電池に圧縮空気を供給するインペラを先端部で支持する回転主軸を備えた燃料電池用コンプレッサにおいて、
前記回転主軸を非接触状態で支持するべく、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の磁気軸受装置を用いることを特徴とする燃料電池用コンプレッサ。
【請求項８】
外部に圧縮空気を供給するインペラを先端部で支持する回転主軸を備えたターボ型コンプレッサにおいて、
前記回転主軸を非接触状態で支持するべく、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の磁気軸受装置を用いることを特徴とするターボ型コンプレッサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数対の磁気軸受を備え、回転主軸を軸方向又は径方向に非接触状態で支持して磁気浮上させる磁気軸受装置、及び、該磁気軸受装置を使用した燃料電池用コンプレッサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁気軸受装置として、フランジ部を一体的に備えるロータ（回転主軸）を、該ロータの軸方向（アキシャル方向）に非接触状態で支持する複数対のアキシャル電磁石又は径方向（ラジアル方向）に非接触状態で支持する複数対のラジアル電磁石を備える磁気軸受（軸方向又は径方向について、それぞれ一対の磁気軸受が備えられる。）、ロータの軸方向や径方向の位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出手段、並びに該位置検出信号に基づいて磁気軸受の各電磁石を制御する電磁石制御手段を備えたものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
このような磁気軸受装置は、軸方向の位置を検出する位置検出手段として、ロータの軸方向の端面に対向した１個のアキシャル位置センサを備えており、径方向の位置を検出する位置検出手段として、ロータを互いに直交する２つの径方向の両側から挟むように配置された複数対のラジアル位置センサを備えている。
【０００４】
また、前記電磁石制御手段は、ロータの目標浮上位置信号と前記位置検出信号とに基づき電磁石制御信号を出力する電磁石制御信号出力部、及び該電磁石制御信号出力部から出力された電磁石制御信号に基づき電磁石を駆動する電磁石駆動部を備えている。
【０００５】
前記電磁石制御信号出力部は、磁気軸受の各電磁石に対する電磁石制御信号としての励磁電流信号を出力し、電磁石駆動部は、前記磁気軸受の各電磁石に対して、前記励磁電流信号に比例した励磁電流を供給する。ここで、各電磁石に対する励磁電流信号は、定常電流信号と制御電流信号を合わせたものであり、各電磁石に供給する励磁電流は、定常電流と制御電流を合わせたものである。定常電流値（定常電流信号値）は、ロータの軸方向及び径方向の位置にかかわらず一定であり、制御電流値（制御電流信号値）は、ロータの軸方向及び径方向の位置によって変化する。そして、軸方向及び径方向における各一対の磁気軸受について、制御電流値（制御電流信号値）の絶対値は互いに等しく、その符号は互いに逆である。
【０００６】
上記した磁気軸受装置には、ロータの可動範囲に対する軸方向及び径方向の機械的中心位置と、磁気軸受の各電磁石の位置に対する軸方向及び径方向の磁気的中心位置と、位置センサの位置に対する対センサ中心位置とがある。
【０００７】
ここで、機械的中心位置は、所謂タッチダウン軸受等の保護軸受により規制される可動範囲の中心の位置である。軸方向及び径方向の磁気的中心位置は、軸方向及び径方向に対をなす２個の電磁石の中心の位置である。軸方向の対センサ中心位置は、ロータの位置を検出する端面とアキシャル位置センサとの距離があらかじめ設定された所定値になる基準位置である。また、径方向の対センサ中心位置は、径方向に対をなす２個のラジアル位置センサの中心の位置となる。
【０００８】
一般に、磁気軸受装置は、上記した機械的中心位置、磁気的中心位置、及び対センサ中心位置が全て一致するように設計される。そして、磁気軸受装置では、ロータが対センサ中心位置に保持されるように、即ち、ロータの中心が対センサ中心位置に一致するように、前記した電磁石制御手段によって、磁気軸受の各電磁石を制御するため、ロータは、磁気的中心位置に保持されるようになる。このようにロータが磁気的中心位置に保持される場合、軸方向又は径方向における一対の磁気軸受とロータとの離間距離は互いにほぼ同一となる。
【０００９】
また、燃料電池を利用した自動車等の車両に搭載され、圧縮空気を当該燃料電池に供給するべく、インペラと、該インペラを軸支するロータ（回転主軸）とを有する磁気軸受装置を備えた燃料電池用コンプレッサが知られている（特許文献２）。この燃料電池用コンプレッサでは、インペラの先端近傍に、該インペラの回転により加圧されて内部に圧縮空気を生成するとともに該圧縮空気を外部に排出する通路にもなる加圧ボリュートが設けられている。
【特許文献１】特開２０００−１４５７７５号公報、図１等
【特許文献２】特開２００４−３０１２２５号公報、図５等
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
こうした燃料電池用コンプレッサでは、磁気軸受装置のロータの高速回転に伴い、主としてロータを回転駆動するステータコイルが発熱し、ロータ及びステータコイルを収容するハウジング内の空気を伝達してロータが加熱される。そして、該ロータが、その温度上昇による熱膨張によって軸方向にインペラ側で伸張し、インペラと加圧ボリュートとの離間距離が次第に縮まり、ついには両者が接触してインペラが大きな損傷を受けるという問題があった。
【００１１】
また、このような燃料電池用コンプレッサ用途以外にも、上述した磁気軸受装置では、ロータの熱膨張による軸方向の伸張によって、当該ロータ（ロータのフランジ部）が、ハウジングやアキシャル電磁軸受等の他の部位に接触し、該部位やロータが損傷する問題があった。
【００１２】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、回転主軸が高速回転等に伴う温度上昇により熱膨張した場合であっても、該回転主軸が他の部位に接触することなく安定した動作が確保される磁気軸受装置、及び、該磁気軸受装置を用いて安定した動作が実現される燃料電池用コンプレッサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、回転主軸を軸方向に非接触状態で支持する一対の磁気軸受を備えた磁気軸受装置において、前記回転主軸の表面温度を推定する温度推定手段と、該温度推定手段によって推定された表面温度に基づき、前記一対の磁気軸受の各電磁石に通電する励磁電流を調節することで前記回転主軸の軸方向の位置を制御する電磁石制御手段と、をさらに備えること、を要旨とする。
【００１４】
同構成によれば、温度推定手段によって推定された回転主軸の表面温度に基づき、電磁石制御手段によって調節された励磁電流を軸方向の一対の磁気軸受に通電することで回転主軸の軸方向における位置を制御することができる。これにより、該回転主軸が熱膨張により軸方向に伸張することによって、ハウジングや磁気軸受等の他の部位へ接触することを効果的に回避することができる。また、これにより、回転主軸とハウジングや磁気軸受等の他の部位の隙間を可能な限り小さくできるので、磁気軸受装置が適用される燃料電池用コンプレッサ等の小型化が実現される。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の磁気軸受装置において、前記温度推定手段が、前記回転主軸を回転駆動するステータコイルの温度を測定する温度センサであること、を要旨とする。
【００１６】
同構成によれば、通常、電動モータ部の保護のためにステータコイルに配設されるサーミスタ温度センサ（過電流保護用ＰＴＣサーミスタ）等を回転主軸の表面温度の温度推定手段として利用でき、新たに温度推定手段を設ける必要がなくなり、磁気軸受装置の構造が簡単化される。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の磁気軸受装置において、前記温度推定手段が、前記回転主軸の軸方向の位置を検出する位置センサの温度補償に用いられる温度補償用センサであること、を要旨とする。
【００１８】
同構成によれば、例えば、温度補償用センサによる常温（２０℃）での出力を基準値とし、温度上昇に伴う基準値に対する出力の変化量から回転主軸の表面温度を推定することができる。また、このように、位置センサの温度補償に用いられる温度補償用センサを温度推定手段として用いることから、新たに温度推定手段を設ける必要がなくなり、磁気軸受装置の構造が簡単化される。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の磁気軸受装置において、前記位置センサ及び温度補償用センサは、いずれも過電流型フェライトコア位置センサからなること、を要旨とする。
【００２０】
同構成によれば、過電流型フェライトコア位置センサのコイルに近接した導体が変位すると導体表面に流れる渦電流が変化して変わるコイルのインピーダンスが、さらに環境温度に対応して変化する性質を利用して過電流型フェライトコア位置センサからなる温度補償用センサを温度推定手段として用いることができるようになる。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の磁気軸受装置において、前記電磁石制御手段が、前記回転主軸の温度上昇に伴って該回転主軸が目標浮上位置からシフトするシフト量に基づいて前記一対の磁気軸受に通電する励磁電流を調節し、前記回転主軸の軸方向の位置を制御すること、を要旨とする。
【００２２】
同構成によれば、電磁石制御手段によって、回転主軸の温度上昇に伴って該回転主軸が目標浮上位置からシフトするシフト量に応じた制御電流を定常電流に合わせることで一対の磁気軸受に通電する励磁電流を調節し、これにより回転主軸の軸方向の位置を制御し、回転主軸の他の部位への接触を回避することができる。
【００２３】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の磁気軸受装置において、前記電磁石制御手段が、前記回転主軸の温度上昇に伴って該回転主軸が目標浮上位置からシフトするシフト量が０になるように前記回転主軸の軸方向の位置を制御すること、を要旨とする。
【００２４】
同構成によれば、電磁石制御手段によって、回転主軸の温度上昇に伴って該回転主軸が目標浮上位置からシフトするシフト量に応じた制御電流を定常電流に合わせることで一対の磁気軸受に通電する励磁電流を調節し、回転主軸の軸方向の位置を制御し、制御回転主軸の熱膨張による軸方向の伸張分、当該回転主軸を軸方向にオフセット（移動）させることができる。これにより、該回転主軸が熱膨張により軸方向に伸張することによって、それ自体を収容するハウジングや磁気軸受等の他の部位への接触を確実に回避することができる。
【００２５】
請求項７に記載の発明は、燃料電池に圧縮空気を供給するインペラを先端部で支持する回転主軸を備えた燃料電池用コンプレッサにおいて、前記回転主軸を非接触状態で支持するべく、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の磁気軸受装置を用いること、を要旨とする。
【００２６】
同構成によれば、燃料電池用コンプレッサにおいて、磁気軸受装置の温度推定手段によって推定された回転主軸の表面温度に基づき、磁気軸受装置の電磁石制御手段によって調節された励磁電流を軸方向の一対の磁気軸受に通電することで回転主軸の軸方向における位置を制御することができる。これにより、該回転主軸が熱膨張により軸方向に伸張することによって、同回転主軸に軸支されたインペラと、加圧ボリュートとの離間距離が温度上昇とともに縮まり、ついには該インペラが加圧ボリュートに接触する不具合を効果的に回避することができる。また、これにより、燃料電池用コンプレッサにおいて、インペラと加圧ボリュート等の他の部位の隙間を可能な限り小さくできるので、小型化が実現される。
【００２７】
請求項８に記載の発明は、外部に圧縮空気を供給するインペラを先端部で支持する回転主軸を備えたターボ型コンプレッサにおいて、前記回転主軸を非接触状態で支持するべく、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の磁気軸受装置を用いること、を要旨とする。
【００２８】
同構成によれば、汎用のターボ型コンプレッサにおいて、磁気軸受装置の温度推定手段によって推定された回転主軸の表面温度に基づき、磁気軸受装置の電磁石制御手段によって調節された励磁電流を軸方向の一対の磁気軸受に通電することで回転主軸の軸方向における位置を制御することができる。これにより、該回転主軸が熱膨張により軸方向に伸張することによって、同回転主軸に軸支されたインペラと、加圧ボリュートとの離間距離が温度上昇とともに縮まり、ついには該インペラが加圧ボリュートに接触する不具合を効果的に回避することができる。また、これにより、汎用のターボ型コンプレッサにおいて、インペラと加圧ボリュート等の他の部位の隙間を可能な限り小さくできるので、小型化が実現される。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、回転主軸が高速回転等に伴う温度上昇により熱膨張した場合であっても、該回転主軸が他の部位に接触することなく安定した動作が確保される磁気軸受装置、及び、該磁気軸受装置を用いて安定した動作が実現される燃料電池用コンプレッサを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
＜第１実施形態＞
本実施形態の磁気軸受装置は、自動車等の車両に搭載され、該車両の動力源としての燃料電池に主として空気を圧縮状態として供給する燃料電池用コンプレッサに適用されるものである。
【００３１】
図１に示すように、前記燃料電池用コンプレッサ１は、燃料電池に圧縮された空気を供給するインペラ１１と、該インペラ１１を回転駆動するための電動モータ部１０とを備えている。この燃料電池用コンプレッサ１は、車両内において、図１に示す水平状態で使用される（図１においては、ロータ１２の軸方向と直交する方向が鉛直方向となる）。
【００３２】
前記電動モータ部１０は、インペラ１１を先端部１２ｔで軸支するロータ１２（回転主軸）及び該ロータ１２を回転駆動するステータコイル１３を備えている。該ステータコイル１３のコイル巻線部１３ａには、過電流保護用のサーミスタ温度センサ２０が配設されている。そして、該インペラ１１と電動モータ部１０とは、有底円筒状のハウジング１５内に収容されている。
【００３３】
前記インペラ１１は、ハウジング１５の一部を構成する加圧ボリュート１６内に回転可能に収容されている。ここで、加圧ボリュート１６には、空気を燃料電池用コンプレッサ１内部に導入する空気導入路１６ａと、圧縮空気を燃料電池用コンプレッサ１外部に排出する空気排出路１６ｂとが設けられている。そして、ロータ１２の回転駆動によるインペラ１１の回転により、空気が空気導入路１６ａを通って矢印ａ１の方向に導入されて加圧され、さらに圧縮状態にて空気排出路１６ｂを通って矢印ａ２の方向に排出され、図示しない加湿機を経由して車両の燃料電池に供給されるようになっている。
【００３４】
前記ロータ１２は、その中央部位が径方向外方に膨出して大径部１２ｃを形成しており、その先端側（インペラ１１側）及び後端側には、前記大径部１２ｃを挟み込むように、鉄等の磁性体からなる前後一対の円盤状のフランジ部１２ａ，１２ｂが相対回転不能に設けられている。そして、該ロータ１２は、それぞれ、前記フランジ部１２ａ，１２ｂを、ハウジング１５に固設された前後一対のアキシャル磁気軸受２１，２２（該アキシャル磁気軸受２１，２２の鉄製のヨーク部には、コイル巻線２１ａ，２２ａが巻回され、複数の電磁石を構成している。）に対面させて軸方向（アキシャル方向）に非接触状態で支持されるとともに、同ハウジング１５に前記アキシャル磁気軸受２１，２２に挟まれる位置にて固設された前後一対のラジアルフォイル軸受１７ａ，１７ｂによって径方向（ラジアル方向）に非接触状態で支持される。尚、図１に示す電動モータ部１０においては、前記ロータ１２の軸方向の位置（変位）を検出して位置検出信号を出力するアキシャル位置センサ２３ｐがセンサブロック２３に固設された状態でハウジング１５の底部１５ａの中央位置に配設されている。
【００３５】
本実施形態の磁気軸受装置２は、図１及び図２を参照して、前記したアキシャル磁気軸受２１，２２、位置検出手段としてのアキシャル位置センサ２３ｐ、ロータ１２の表面温度を推定する温度推定手段としてのサーミスタ温度センサ２０、及び、以下に説明する機械本体２０１と、前記アキシャル位置センサ２３ｐより出力された位置検出信号に基づいて前記アキシャル磁気軸受２１，２２の各電磁石を制御する電磁石制御手段としてのコントローラ２０２とを備えている。以下、ロータ１２の軸方向をＺ軸、Ｚ軸と直交するとともに互いに直交する２つの径方向をＸ軸、Ｙ軸とする。また、Ｚ軸に沿った数値（位置又は距離）をＺ０、Ｚ、ΔＺ、ΔＬ０、ΔＬ、ΔＬｍａｘで表記する。
【００３６】
前記機械本体２０１は、図２を参照して、ロータ１２をＺ軸方向に非接触状態で支持する前後一対のアキシャル磁気軸受２１，２２、ロータ１２をＺ軸方向に離間した２箇所において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に非接触状態で支持するラジアルフォイル軸受１７ａ，１７ｂ、ロータ１２のＺ軸方向の位置を検出して位置検出信号を出力するアキシャル位置センサ２３ｐ、ロータ１２の表面温度を推定する温度推定手段として用いられるサーミスタ温度センサ２０、及びロータ１２を高速回転させる電動モータ部１０を備えている。
【００３７】
前記コントローラ２０２は、アキシャル位置センサ２３ｐに電気的に接続された位置センサ回路２３ａ、サーミスタ温度センサ２０に電気的に接続された温度センサ回路２０ａ、ロータ１２の目標浮上位置信号とアキシャル位置センサ２３ｐからの位置検出信号とに基づき電磁石制御信号を出力する電磁石制御信号出力部としてのＤＳＰ（ＤＳＰ：Digital Signal Processor；デジタル信号処理装置）ボード２４、該ＤＳＰボード２４から出力された電磁石制御信号に基づきアキシャル磁気軸受２１，２２の各電磁石を駆動する電磁石駆動部としての磁気軸受駆動回路２５、及び前記電動モータ部１０を制御するインバータ回路２６を備えている。ここで、ＤＳＰボード２４には、プログラムが可能なデジタル処理手段としてのＤＳＰ２４ａ、記憶手段としてのＲＯＭ２４ｂ及びフラッシュメモリ２４ｃ、Ａ／Ｄ変換器２４ｄ、並びにＤ／Ａ変換器２５ｅが図２に示す接続状態で配設されている。ここで、ＲＯＭ２４ｂには、ロータ１２の目標浮上位置Ｚ０に関する情報と、ＤＳＰ２４ａで処理されるプログラムが格納されており、フラッシュメモリ２４ｃには、アキシャル磁気軸受２１，２２の制御パラメータを記憶した制御パラメータテーブル、バイアス電流値（定常電流値）を記憶したバイアス電流値テーブルが設けられている。
【００３８】
前記位置センサ回路２３ａは、前記アキシャル位置センサ２３ｐを駆動し、該アキシャル位置センサ２３ｐの出力であるロータ１２の下端面との空隙の大きさに比例する位置検出信号に基づいて、ロータ１２のＺ軸方向の位置を演算し、その演算結果である位置検出信号ＺａｓをＡ／Ｄ変換器２４ｄを介してＤＳＰ２４ａに出力する。
【００３９】
前記温度センサ回路２０ａは、前記サーミスタ温度センサ２０を駆動し、該サーミスタ温度センサ２０の出力である温度信号ｔｓ（ロータ１２の表面温度信号）に基づいて、前記ＲＯＭ２４ｂに記憶されたロータ１２の目標浮上位置Ｚ０から減算するオフセット量ΔＺを演算し、その演算結果である補正浮上位置信号（Ｚ０−ΔＺ）をＡ／Ｄ変換器２４ｄを介してＤＳＰ２４ａに出力し、フラッシュメモリ２４ｃに記憶させる。
【００４０】
前記ＤＳＰ２４ａは、前記ＲＯＭ２４ｂに格納されたプログラムに従い、Ｚ軸方向について、Ａ／Ｄ変換器２４ｄから入力されるロータ１２の位置検出信号Ｚａｓと、前記フラッシュメモリ２４ｃに記憶された補正浮上位置信号（Ｚ０−ΔＺ）とに基づき、ＰＩＤ動作により、前記アキシャル磁気軸受２１，２２の各電磁石に対する電磁石制御信号を計算し、これをＤ／Ａ変換器２５ｅを介して磁気軸受駆動回路２５に出力する。
【００４１】
そして、該磁気軸受駆動回路２５は、ＤＳＰ２４ａからの電磁石制御信号に基づく制御電流を定常状態における定常電流に合わせた励磁電流をアキシャル磁気軸受２１，２２の各電磁石に供給することで、ロータ１２を補正浮上位置に非接触状態で支持するようにフィードバック制御するようになる。即ち、磁気軸受装置２においては、ロータ１２の中心が、機械的中心位置、磁気的中心位置、及び対センサ中心位置に一致するようになる。
【００４２】
一方、ＤＳＰ２４ａは、電動モータ部１０に対する回転数指令信号をインバータ回路２６に出力し、該インバータ回路２６は、回転数指令信号に基づき電動モータ部１０の回転数を制御する。これにより、ロータ１２は、前記アキシャル磁気軸受２１，２２及びラジアルフォイル軸受１７ａ，１７ｂによって目標浮上位置又は補正浮上位置において非接触状態で支持され、電動モータ部１０によって回転駆動される。
【００４３】
尚、本実施形態において、前記したオフセット量ΔＺは、前記温度センサ回路２０ａにおいて、以下のようにして計算される。即ち、図３（ａ）及び図３（ｂ）を参照して、ロータ１２が高速回転し、該ロータ１２を回転駆動するステータコイル１３の発熱等により、ハウジング１５内の空気を伝達してロータ１２が加熱された場合において、ロータ１２が目標浮上位置Ｚ０で回転する定常運転時のロータ１２のインペラ１１側の伸張量、即ち、ロータ１２の目標浮上位置のシフト量をΔＬ０、定常運転時のロータ１２の表面温度をｔ０（℃）、ロータ１２の高速回転時の最大のシフト量をΔＬｍａｘ、そのときのロータ１２の表面温度をｔｍａｘ（℃）とする。
【００４４】
すると、表面温度がｔ（℃）のときのロータ１２のインペラ１１側のシフト量ΔＬは、概ね表面温度差（ｔ−ｔ０）に比例すると考えられるので、下式１で与えられる。
ΔＬ＝ΔＬ０＋（ΔＬｍａｘ−ΔＬ０）・（ｔ−ｔ０）／（ｔｍａｘ−ｔ０）…（式１）
ここで、ロータ１２の表面温度ｔ（℃）は、主としてステータコイル１３の発熱に由来するので、前記したサーミスタ温度センサ２０からの温度信号ｔｓに比例すると考えることができる。よって、比例定数をｋとすると、下式２で与えられる。
【００４５】
ｔ＝ｋ・ｔｓ…（式２）
この式２と上式１より、下式３が得られる。
ΔＬ＝ΔＬ０＋・（ΔＬｍａｘ−ΔＬ０）・（ｋ・ｔｓ−ｔ０）／（ｔｍａｘ−ｔ０）…（式３）
前記オフセット量ΔＺは、表面温度がｔ（℃）のときのロータ１２の浮上位置のシフト量ΔＬから定常運転時のシフト量ΔＬ０を減じた値である（ΔＬ―ΔＬ０）、即ち、前記オフセット量ΔＺは、ロータ１２の温度上昇に伴って該ロータ１２が目標浮上位置Ｚ０からシフトするシフト量と一致させればよい。換言すれば、ロータ１２の温度上昇に伴って該ロータ１２が目標浮上位置Ｚ０からシフトするシフト量である（ΔＬ―ΔＬ０）が結果的に０になるようにオフセット量ΔＺを調節すればよいので、当該オフセット量ΔＺは、上式３より、下式４のとおりに計算される。
【００４６】
ΔＺ＝ΔＬ―ΔＬ０＝（ΔＬｍａｘ−ΔＬ０）・（ｋ・ｔｓ−ｔ０）／（ｔｍａｘ−ｔ０）…（式４）
以上、本実施形態の磁気軸受装置２によれば、以下のような作用・効果を得ることができる。
【００４７】
（１）本実施形態では、温度推定手段としてのサーミスタ温度センサ２０によって推定されたロータ１２の表面温度ｔ（℃）に基づき、電磁石制御手段としてのコントローラ２０２によって、ロータ１２を収容するハウジング１５に軸方向に配設された前後一対のアキシャル磁気軸受２１，２２に通電する励磁電流が調節される。これにより、ロータ１２のＺ軸方向の位置が制御され、ロータ１２の熱膨張によるＺ軸方向のインペラ１１側の伸張分、当該ロータ１２をＺ軸方向にオフセット（移動）させることができる。これにより、該ロータ１２がハウジング１５やラジアルフォイル軸受１７ａ，１７ｂ等の他の部位へ接触することを確実に回避することができる。
【００４８】
（２）本実施形態では、通常、電動モータ部１０の保護のためにステータコイル１３に配設されるサーミスタ温度センサ２０をロータ１２の表面温度の温度推定手段として利用でき、新たに温度推定手段を設ける必要がなくなり、磁気軸受装置の構造が簡単化される。
【００４９】
（３）本実施形態では、燃料電池用コンプレッサ１において、磁気軸受装置２の温度推定手段であるサーミスタ温度センサ２０によって推定されたロータ１２の表面温度ｔ（℃）に基づき、磁気軸受装置２の電磁石制御手段であるコントローラ２０２によって、ハウジング１５のＺ軸方向に配設された前後一対のアキシャル磁気軸受２１，２２に通電する励磁電流が調節される。これにより、ロータ１２のＺ軸方向の位置が制御され、ロータ１２の熱膨張によるＺ軸方向のインペラ１１側の伸張分、当該ロータ１２をＺ軸方向にオフセットさせることができる。これにより、該ロータ１２が熱膨張によりＺ軸方向に伸張することによって、同ロータ１２に軸支されたインペラ１１と、加圧ボリュート１６との離間距離が温度上昇とともに縮まり、ついには該インペラ１１が加圧ボリュート１６に接触する不具合を効果的に回避することができるようになる。また、これにより、燃料電池用コンプレッサ１において、インペラ１１と加圧ボリュート１６等の他の部位の隙間を可能な限り小さくできるので、設計の自由度が高まり、燃料電池用コンプレッサ１の小型化が実現される。
【００５０】
＜第２実施形態＞
本実施形態では、第１実施形態で温度推定手段として用いた過電流保護用のサーミスタ温度センサ２０に代えて、同温度推定手段としてロータ１２（回転主軸）のＺ軸方向の位置を検出するアキシャル位置センサ２３ｐの温度補償に用いられる温度補償用センサを用いる以外は、第１実施形態と同様の構成であり、以下、特に説明する場合を除いて共通する部分には同一の又は対応する符号を付してその説明を省略する。
【００５１】
本実施形態の機械本体２０１ａは、図４を参照して、ロータ１２のＺ軸方向の位置を検出して位置検出信号を出力するアキシャル位置センサ２３ｐ、該アキシャル位置センサ２３ｐの温度補償に用いられる温度補償用センサ２３ｂを備えている。
【００５２】
尚、図５（ａ）に示すように、アキシャル位置センサ２３ｐ及び温度補償用センサ２３ｂは、ハウジング１５の底部１５ａの中央位置に設けられた円盤状のセンサブロック２３に互いに近接する状態で固設されている。
【００５３】
詳しくは、図５（ａ）を参照して、アキシャル位置センサ２３ｐ及び温度補償用センサ２３ｂは、いずれも過電流型フェライトコア位置センサからなり、フェライトコア２３ｓと、該フェライトコア２３ｓの周囲に巻回されたコイル２３ｃを備えている。図５（ａ）に示すアキシャル位置センサ２３ｐは、ロータ１２の中心軸上に位置しており、ロータ１２との離間距離を正確に検出可能な状態とされている。一方、温度補償用センサ２３ｂには、フェライトコア２３ｓと対向するようにダミーターゲット２３ｇが設けられており、該フェライトコア２３ｓとダミーターゲット２３ｇとの常時一定の離間距離を検出可能な状態とされている。この離間距離は、常温（２０℃）におけるアキシャル位置センサ２３ｐとロータ１２の端面（被検出面）との離間距離と等しくなるように設定している。また、ダミーターゲット２３ｇは、ロータ１２と同種の金属材料により構成されており、温度補償用センサ２３ｂにおいて、前記ダミーターゲット２３ｇとフェライトコア２３ｓとの間には、樹脂からなる厚さが均一のスペーサ２３ｄが介装されている。
【００５４】
また、センサブロック２３は、金属材料からなるセンサブロック本体２３ｈと、アキシャル位置センサ２３ｐ及び温度補償用センサ２３ｂと、位置センサ回路２３ａ及び温度補償用センサ回路２０ｂとを電気的に接続する配線部分を固定する樹脂部分からなる。そして、アキシャル位置センサ２３ｐ及び温度補償用センサ２３ｂは、前記センサブロック本体２３ｈに固定されている。
【００５５】
そして、アキシャル位置センサ２３ｐ及び温度補償用センサ２３ｂにおいては、コイル２３ｃに近接した導体が変位すると導体表面に流れる渦電流が変化してコイル２３ｃのインピーダンスが変わる性質を利用し、導体の変位とアキシャル位置センサ２３ｐ及び温度補償用センサ２３ｂとしての過電流型フェライトコア位置センサによる出力の関係から導体の位置が推定されるように構成されている。
【００５６】
本実施形態のコントローラ２０２ａは、図４を参照して、アキシャル位置センサ２３ｐに電気的に接続された位置センサ回路２３ａ、温度補償用センサ２３ｂに電気的に接続された温度補償用センサ回路２０ｂを備えている。また、ＤＳＰボード２４ｅには、温度補償用センサ２３ｂに接続されたＡ／Ｄ変換器２５ｆ、位置センサ回路２３ａに接続されたＡ／Ｄ変換器２５ｄが配設されている。
【００５７】
前記位置センサ回路２３ａは、第１実施形態と同様に、前記アキシャル位置センサ２３ｐを駆動し、該アキシャル位置センサ２３ｐの出力であるロータ１２の下端面との空隙の大きさに比例する距離信号に基づいて、ロータ１２のＺ軸方向の位置を演算し、その演算結果である位置検出信号ＺａｓをＡ／Ｄ変換器２５ｄを介してＤＳＰ２４ａに出力する。
【００５８】
前記温度補償用センサ回路２０ｂは、前記温度補償用センサ２３ｂを駆動し、該温度補償用センサ２３ｂの出力であるダミーターゲット２３ｇとの離間距離に比例する距離信号に基づいて、ダミーターゲット２３ｇのＺ軸方向の位置を演算し、その演算結果である位置検出信号ＺｃｓをＡ／Ｄ変換器２５ｆを介してＤＳＰ２４ａに出力する。また、位置検出信号Ｚｃｓの一部は、位置センサ回路２３ａの出力側に設けられた比較器２７にも出力され、該比較器２７において位置センサ回路２３ａからの出力である位置検出信号Ｚａｓとの偏差がとられ、さらにその偏差（Ｚａｓ−Ｚｃｓ）に基づく信号がＤＳＰ２４ａに入力され、ＲＯＭ２４ｂに格納されたプログラムにより処理される。
【００５９】
以下、アキシャル位置センサ２３ｐ及び温度補償用センサ２３ｂの動作についてさらに詳細に説明する。アキシャル位置センサ２３ｐに対してロータ１２が変位すると、即ち、アキシャル位置センサ２３ｐとロータ１２との離間距離Ｚａが変わると、アキシャル位置センサ２３ｐから、前記位置センサ回路２３ａを介してＤＳＰ２４ａに前記離間距離Ｚａに応じた位置検出信号Ｚａｓが出力される。
【００６０】
図５（ｂ）に示すように、この位置検出信号Ｚａｓは、アキシャル位置センサ２３ｐとロータ１２との離間距離Ｚａの増加に対して反比例的に減少する。尚、図５（ｂ）において、離間距離Ｚａ＝Ｚａｃ（Ｚａｃ：離間距離Ｚａにおける所定距離）のときの位置検出信号Ｚａｓ＝Ｚａｓ（Ｚａ＝Ｚａｃ）とする。
【００６１】
また、図５（ｃ）に示すように、離間距離Ｚａ＝Ｚａｃのときの位置センサ回路２３ａを介したアキシャル位置センサ２３ｐの出力である位置検出信号Ｚａｓは、アキシャル位置センサ２３ｐの環境温度ｔ（℃）、即ち、センサブロック２３の温度に対して一次関数的に増加する。また、温度補償用センサ２３ｂの温度補償用センサ回路２０ｂを介した出力である位置検出信号Ｚｃｓも同様に、温度補償用センサ回路２０ｂの環境温度ｔ（℃）、即ち、アキシャル位置センサ２３ｐの環境温度ｔ（℃）と等しいセンサブロック２３の温度に対して一次関数的に増加する。
【００６２】
ここで、図４に示す比較器２７により位置検出信号Ｚａｓと位置検出信号Ｚｃｓの差分（偏差）（Ｚａｓ−Ｚｃｓ）をとると、該差分は、位置検出信号Ｚａｓにおいて、環境温度ｔ（℃）の変化による影響（バックグランド）が除外された信号となる、即ち、温度ドリフト分が位置検出信号Ｚｃｓにより相殺されるので、本実施形態では、位置検出信号Ｚａｓそのものではなく、正確にいえば、該差分（Ｚａｓ−Ｚｃｓ）に基づいてロータ１２の浮上位置が制御されることとなる。尚、図５（ｃ）において、環境温度（常温）２０℃のときの温度補償用センサ２３ｂの温度補償用センサ回路２０ｂを介した出力（位置検出信号）をＺｃｓ（ｔ＝２０℃）とする。
【００６３】
そして、図５（ｃ）を参照して、任意の環境温度ｔ１（℃）のときの温度補償用センサ２３ｂによる位置検出信号をＺｃｓ（ｔ＝ｔ１℃）とすると、前述のとおり、位置検出信号Ｚｃｓは、環境温度ｔ（℃）に対して一次関数的に増加するので、ａを線形部分の比例定数として、下式５が成立する。
【００６４】
Ｚｃｓ（ｔ＝ｔ１℃）−Ｚｃｓ（ｔ＝２０℃）＝ａ・（ｔ１−２０）…（式５）
上式５をｔ１について変形すると、下式６が得られる。
ｔ１＝（１／ａ）・（Ｚｃｓ（ｔ＝ｔ１℃）−Ｚｃｓ（ｔ＝２０℃））＋２０
＝（１／ａ）・Ｚｃｓ（ｔ＝ｔ１℃）＋２０−（１／ａ）・Ｚｃｓ（ｔ＝２０℃）…（式６）
ここで、２０−（１／ａ）・Ｚｃｓ（ｔ＝２０℃）≒０、即ち、Ｚｃｓ（ｔ＝２０℃）≒２０ａとなるように、温度補償用センサ２３ｂから入力される位置検出信号のゲイン（増幅率）を温度補償用センサ回路２０ｂにて調節してＺｃｓが得られることとすれば、環境温度ｔ１（℃）は、下式７で表される。
【００６５】
ｔ１＝（１／ａ）・Ｚｃｓ（ｔ＝ｔ１℃）…（式７）
つまり、温度補償用センサ２３ｂによる位置検出信号Ｚｃｓは、温度補償用センサ２３ｂの環境温度ｔ（℃）に比例すると考えることができる。さらに、ロータ１２の表面温度ｔ（℃）は温度補償用センサ２３ｂの環境温度ｔ（℃）、即ち、センサブロック２３の温度とともに上昇し、該温度に比例すると考えることができるので、この比例定数をｋ´とすると、ロータ１２の表面温度ｔ（℃）は、下式８で与えられる。
【００６６】
ｔ＝ｋ´・Ｚｃｓ…（式８）
この式８を用いて、第１実施形態と同様な方法によって、第１実施形態にいうオフセット量ΔＺを求めると、下式９のとおりとなる。
【００６７】
ΔＺ＝（ΔＬｍａｘ−ΔＬ０）・（ｋ´・Ｚｃｓ−ｔ０）／（ｔｍａｘ−ｔ０）…（式９）
以上、本実施形態の磁気軸受装置２によれば、第１実施形態で得られる作用・効果と同等の作用・効果に加えて、さらに以下のような作用・効果を得ることができる。
【００６８】
（４）本実施形態では、温度補償用センサ２３ｂによる常温（２０℃）での出力である位置検出信号Ｚｃｓ（ｔ＝２０℃）を基準値とし、温度上昇に伴う当該基準値Ｚｃｓ（ｔ＝２０℃）に対する出力である位置検出信号Ｚｃｓの変化量（Ｚｃｓ（ｔ＝ｔ１℃）−Ｚｃｓ（ｔ＝２０℃））からロータ１２の表面温度ｔ（℃）を推定することができる。また、このように、アキシャル位置センサ２３ｐの温度補償に用いられる温度補償用センサ２３ｂを温度推定手段として用いることから、新たに温度推定手段を設ける必要がなくなり、磁気軸受装置２の構造が簡単化される。
【００６９】
（５）本実施形態では、過電流型フェライトコア位置センサのコイル２３ｃに近接した導体が変位すると導体表面に流れる渦電流が変化して変わるコイル２３ｃのインピーダンスが、さらに環境温度ｔ（℃）に対応して変化する性質を利用して過電流型フェライトコア位置センサからなる温度補償用センサ２３ｂを温度推定手段として用いることができるようになる。
【００７０】
尚、上記実施形態は、以下のように変形してもよい。
・上記各実施形態では、ロータ１２の径方向の軸受として、ラジアルフォイル軸受１７ａ，１７ｂを用いたが、ロータ１２を径方向に非接触状態で支持するラジアル磁気軸受を用いることも可能である。
【００７１】
・上記各実施形態では、演算処理にＤＳＰ２４ａを用いたが、これに限定されるものではなく、例えばパーソナルコンピュータ、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等、ＤＳＰ以外のものでもよい。
【００７２】
・上記各実施形態では、ロータ１２が固定部分であるハウジング１５の内側で回転するインナロータ型の磁気軸受装置について説明したが、本発明の技術的思想は、ロータ１２が固定部分であるハウジング１５の外側で回転するアウタロータ型の磁気軸受装置にも適用可能である。
【００７３】
・上記第１実施形態では、温度推定手段としてロータ１２を回転駆動するステータコイル１３の温度を測定するサーミスタ温度センサ２０を用いたが、他の実施例として、ロータ１２（回転主軸）の表面温度を測定する非接触式の温度計を適宜配置してもよい。また、コンプレッサの場合は、圧縮空気の排出路に熱電対などを配置して排気温度を測定した結果からロータ１２の表面温度を推定する（温度推定手段を設ける）ことも可能である。
【００７４】
・上記各実施形態では、磁気軸受装置を燃料電池用コンプレッサに適用した例を示したが、本発明の磁気軸受装置は、その他のターボ分子ポンプなどの圧縮空気を製造する汎用のターボ型コンプレッサにも同様にして適用することができる。
【００７５】
・上記第２実施形態では、温度補償用センサ２３ｂをハウジング１５の底部１５ａの中央位置に配置したセンサブロック２３に固設したが、位置検出信号Ｚａｓの温度ドリフト分が位置検出信号Ｚｃｓにより相殺できる限り、その他にも温度上昇が高いインペラ１１側のハウジング１５や、アキシャル磁気軸受２１，２２のいずれかに配設することも可能である。
【００７６】
・上記第２実施形態では、温度補償用センサ２３ｂのダミーターゲット２３ｇは、ロータ１２と同種の金属材料により構成したが、位置検出信号Ｚａｓの温度ドリフト分が位置検出信号Ｚｃｓにより相殺できる限り、その他の材料、例えば、アルミニウムや電磁鋼板により構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池用コンプレッサの軸方向断面図。
【図２】図１の燃料電池用コンプレッサに適用される第１実施形態に係る磁気軸受装置のブロック図。
【図３】（ａ）は、ロータが加熱された場合の伸張状態及びロータの位置制御状態を示す模式図、（ｂ）は、ロータの表面温度ｔとロータのインペラ側のシフト量ΔＬとの関係を示すグラフ図。
【図４】図１の燃料電池用コンプレッサに適用される第２実施形態に係る磁気軸受装置のブロック図。
【図５】（ａ）は、第２実施形態に係るセンサブロックの断面図、（ｂ）は、アキシャル位置センサとロータとの離間距離Ｚａと位置検出信号Ｚａｓとの関係を示すグラフ図、（ｃ）は、アキシャル位置センサの環境温度ｔと位置検出信号Ｚｓとの関係を示すグラフ図。
【符号の説明】
【００７８】
１…燃料電池用コンプレッサ、２…磁気軸受装置、１１…インペラ、１２…ロータ（回転主軸）、１３…ステータコイル、２０…サーミスタ温度センサ（温度推定手段）、２１，２２…アキシャル磁気軸受、２３…センサブロック、２３ｂ…温度補償用センサ、２３ｐ…アキシャル位置センサ、２０１，２０１ａ…機械本体、２０２，２０２ａ…コントローラ（電磁石制御手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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