CN111936754B - 推力磁轴承及包括该推力磁轴承的涡轮压缩机 - Google Patents

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Abstract

推力磁轴承(50)包括具有线圈(71)的定子(59)、以及转子(51)。定子(59)具有主定子磁极面(64)和副定子磁极面(70)。转子(51)具有与主定子磁极面(64)相对的主转子磁极面(52)、以及与副定子磁极面(70)相对的副转子磁极面(58)。当转子(51)沿径向位移时，在主定子磁极面(64)与主转子磁极面(52)之间作用于转子(51)的径向力沿着与位移的方向相反的方向增加。其结果是，在推力磁轴承中，对转子的径向位置的控制性提高。

Description

推力磁轴承及包括该推力磁轴承的涡轮压缩机
技术领域
本公开涉及一种推力磁轴承及包括该推力磁轴承的涡轮压缩机。
背景技术
一直以来，已知有一种推力磁轴承，该推力磁轴承包括与轴一起旋转的转子、以及与该转子隔开规定距离而配置的定子，该推力磁轴承以非接触的形式对轴的轴向负载进行支承(例如专利文献1)。另外，如该文献的图8(a)所示，为了减小转子直径，提出了在定子和转子上分别设置在径向上相对的磁极面的方案。
专利文献1：日本公开专利公报特开平7-317766号公报
发明内容
－发明要解决的技术问题－
但是，在设置有上述的磁极面的情况下，存在如下问题：在转子从中心位置沿径向位移了时，在定子的磁极面与转子的磁极面之间，吸引力作用于增大该位移的方向上，导致对转子的径向位置的控制性下降。
本公开的目的在于，在推力磁轴承中，提高对转子的径向位置的控制性。
－用以解决技术问题的技术方案－
本公开的第一方面以推力磁轴承50为对象，该推力磁轴承50包括具有线圈71的定子59、以及转子51。上述定子59具有主定子磁极面64和副定子磁极面70。上述转子51具有与上述主定子磁极面64相对的主转子磁极面52、以及与上述副定子磁极面70相对的副转子磁极面58。上述推力磁轴承50构成为：当电流在上述线圈71中流动时，在上述主定子磁极面64与上述主转子磁极面52之间产生轴向的电磁力，另一方面，在上述副定子磁极面70与上述副转子磁极面58之间产生径向的电磁力。当上述转子51沿径向位移时，在上述副定子磁极面70与上述副转子磁极面58之间作用于上述转子51的径向力沿着上述位移的方向增加，另一方面，在上述主定子磁极面64与上述主转子磁极面52之间作用于上述转子51的径向力沿着与上述位移的方向相反的方向增加。
在第一方面中，当电流在线圈71中流动时，通过在主定子磁极面64与主转子磁极面52之间产生的轴向的电磁力，定子59以非接触的形式对转子51进行支承。另外，推力磁轴承50除了主定子磁极面64及主转子磁极面52之外还包括副定子磁极面70及副转子磁极面58，因此，能够充分地确保用于产生轴向的电磁力的磁极面积，并且能够使转子51的直径变得比较小，该轴向的电磁力用于以非接触的形式对转子51进行支承。
另一方面，第一方面的推力磁轴承50构成为：在主定子磁极面64与主转子磁极面52之间作用于转子51的径向力沿着与转子51的径向位移方向相反的方向增加。这将减少转子51的径向上的位移，提高对转子51的径向位置的控制性。因此，根据第一方面，在推力磁轴承50中，能够提高对转子51的径向位置的控制性。
本公开的第二方面在上述第一方面的基础上，其特征在于，上述推力磁轴承50构成为：当上述转子51沿径向位移时，上述主定子磁极面64与上述主转子磁极面52之间的彼此相对的面积的大小变化。
在第二方面中，当转子51沿径向位移时，主定子磁极面64与主转子磁极面52之间的彼此相对的面积的大小发生变化，由此在主定子磁极面64与主转子磁极面52之间作用于转子51的径向力沿着与转子51的径向位移方向相反的方向增加。
本公开的第三方面在上述第二方面的基础上，其特征在于，上述推力磁轴承50构成为：随着上述转子51在径向上的可动范围的至少一部分范围内从径向中心侧向外侧方向位移，上述主定子磁极面64与上述主转子磁极面52之间的彼此相对的面积变小。
在第三方面中，当转子51从径向中心侧向外侧方向位移时，主定子磁极面64与主转子磁极面52之间的彼此相对的面积变小，由此在主定子磁极面64与主转子磁极面52之间作用于转子51的径向力沿着与转子51的径向位移方向相反的方向增加。
本公开的第四方面在上述第一方面到第三方面中任一方面的基础上，其特征在于，上述主定子磁极面64具有定子磁性边缘区域68，该定子磁性边缘区域68是磁阻在径向上变化的区域，上述主转子磁极面52具有转子磁性边缘区域57，该转子磁性边缘区域57是磁阻在径向上变化的区域。
在第四方面中，当转子51沿径向位移时，定子磁性边缘区域68与转子磁性边缘区域57的位置关系发生变化，由此在主定子磁极面64与主转子磁极面52之间作用于转子51的径向力沿着与转子51的径向位移方向相反的方向增加。
本公开的第五方面在上述第四方面的基础上，其特征在于，上述定子磁性边缘区域68与上述转子磁性边缘区域57在轴向上彼此相对。
在第五方面中，当转子51沿径向位移时，定子磁性边缘区域68与转子磁性边缘区域57在径向上彼此错开。因此，在主定子磁极面64与主转子磁极面52之间，在欲返回到定子磁性边缘区域68和转子磁性边缘区域57在轴向上彼此相对的位置的方向上产生径向力。
本公开的第六方面在上述第一方面到第五方面中任一方面的基础上，其特征在于，上述转子51形成为圆筒状，圆筒状的上述转子51的轴向的一端面在径向内侧端部具有环状凹部53，并且，比该环状凹部53靠径向外侧的部分构成上述主转子磁极面52，上述定子59具有环状突出部63，该环状突出部63在轴向上向上述转子51侧突出，该环状突出部63的径向内侧端与上述主转子磁极面52的径向内侧端在轴向上相对，并且，该环状突出部63的径向外侧端与上述主转子磁极面52的径向外侧端在轴向上相对，该环状突出部63的突端面构成上述主定子磁极面64。
在第六方面中，在转子51处于中心位置的情况下，主定子磁极面64与主转子磁极面52在各自的径向外侧端在轴向上彼此相对且各自的径向内侧端在轴向上彼此相对的状态下，彼此相对。另一方面，在转子51在径向上从中心位置位移了的情况下，主定子磁极面64与主转子磁极面52在径向上彼此错开，由此在主定子磁极面64与主转子磁极面52之间作用于转子51的径向力沿着与该位移的方向相反的方向增加。
本公开的第七方面在上述第六方面的基础上，其特征在于，上述主转子磁极面52由与轴向正交的一个平面构成，上述主定子磁极面64由与轴向正交的一个平面构成。
在第七方面中，主转子磁极面52及主定子磁极面64分别由与轴向正交的一个平面构成。因此，能够做到：在主转子磁极面52与主定子磁极面64之间不产生径向力，该径向力起作用而增大转子51的位移，并且，在主转子磁极面52与主定子磁极面64之间高效地产生轴向的电磁力。
本公开的第八方面在上述第一方面到第五方面中任一方面的基础上，其特征在于，在上述主定子磁极面64上形成有定子凹部68，在上述主转子磁极面52中的与上述定子凹部68在轴向上相对的位置处，形成有转子凹部57。
在第八方面中，在转子51处于中心位置的情况下，定子凹部68与转子凹部57在轴向上彼此相对。另一方面，在转子51在径向上从中心位置位移了的情况下，定子凹部68与转子凹部57在径向上彼此错开，由此在主定子磁极面64与主转子磁极面52之间作用于转子51的径向力沿着与该位移的方向相反的方向增加。
本公开的第九方面以涡轮压缩机10为对象。该涡轮压缩机10包括：安装有叶轮30且被驱动而旋转的轴21；以及上述第一方面至第八方面中任一方面所述的推力磁轴承50，该推力磁轴承50以非接触的形式对上述轴21进行支承。
在第九方面中，在涡轮压缩机10运转时，被推力磁轴承50支承的轴21及叶轮30进行旋转。
附图说明
图1是示出第一实施方式的涡轮压缩机的结构例的图。
图2是第一实施方式的推力磁轴承的局部剖视图。
图3是第一实施方式的变形例1的推力磁轴承的局部剖视图。
图4是第一实施方式的变形例2的推力磁轴承的局部剖视图。
图5是第一实施方式的变形例3的推力磁轴承的局部剖视图。
图6是第一实施方式的变形例4的推力磁轴承的剖视图。
图7是第二实施方式的推力磁轴承的局部剖视图。
图8是其他实施方式的推力磁轴承的局部剖视图。
图9是其他实施方式的推力磁轴承的局部剖视图。
具体实施方式
(第一实施方式)
对第一实施方式进行说明。需要说明的是，在各图中，将右侧(即，叶轮30侧)设为“前侧”，将左侧设为“后侧”。
－涡轮压缩机的结构－
图1示出第一实施方式的涡轮压缩机10的结构例。该涡轮压缩机10包括电动机20、叶轮30、径向磁轴承40、推力磁轴承50、控制部91、电源部92、保护轴承(touchdownbearing)81以及壳体11。壳体11形成为两端封闭的圆筒状，并且配置为圆筒轴线沿着水平方向延伸。壳体11内的空间被壁部14划分，比壁部14靠后侧的空间是用于收纳电动机20、径向磁轴承40及推力磁轴承50的驱动机构空间15，比壁部14靠前侧的空间是用于收纳叶轮30的叶轮空间16。
＜电动机＞
电动机20包括轴21、转子22及定子23。转子22以与轴21呈同轴状的方式固定于轴21。另外，转子22配置为该转子22的外周面隔开规定距离而与定子23的内周面相对。定子23固定在壳体11的内周面上。在该例中，电动机20是所谓的永磁铁同步马达，以轴21的轴心O的方向沿着水平方向延伸的方式被收纳在驱动机构空间15内。
需要说明的是，在以下的说明中，“轴向”是指旋转轴向，即轴21的轴心O的方向，“径向”是指与轴21的轴向正交的方向。另外，“外周侧”是指离轴21的轴心O较远的一侧，“内周侧”是指离轴21的轴心O较近的一侧。
＜叶轮＞
叶轮30通过多个叶片以外形呈大致圆锥形状的方式形成。另外，叶轮30在固定于轴21的一端部(在该例中为前侧端部)的状态下被收纳在叶轮空间16内。在叶轮空间16连接有吸入管12及排出管13，在叶轮空间16的外周部形成有压缩空间17。吸入管12是为了从外部向叶轮空间16内引导气体而设置的，排出管13是为了使在叶轮空间16内压缩后的高压的气体返回外部而设置的。
＜径向磁轴承＞
径向磁轴承40分别构成为通过电磁力以非接触的形式对轴21进行支承。在该例中，径向磁轴承40配置为在轴向上隔着电动机20而彼此相对。各径向磁轴承40包括固定于轴21的转子41、以及与该转子41隔开规定距离而配置的定子42。定子42固定在壳体11的内周壁上。
＜推力磁轴承＞
推力磁轴承50构成为通过电磁力以非接触的形式对轴21的轴向位置进行控制。在该例中，一个推力磁轴承50在轴向上配置于叶轮30与前侧的径向磁轴承40之间，另一个推力磁轴承50在轴向上配置于后侧的径向磁轴承40的后侧。各推力磁轴承50包括固定于轴21的转子51、以及与该转子51隔开规定距离而配置的定子59。定子59固定在壳体11的内周壁上。之后详细叙述推力磁轴承50的构造。
需要说明的是，在本说明书中，“中心位置”在推力磁轴承50中是指定子59与转子51之间的径向距离(具体而言，后述的第二凸缘部69的内周面与转子51的外周面之间的径向距离)在整周范围内实质上固定不变的位置。
＜控制部＞
控制部91基于能够检测径向磁轴承40中的转子41与定子42之间的间隙的间隙传感器(未图示)的检测值、能够检测推力磁轴承50中的转子51与定子59之间的间隙的间隙传感器(未图示)的检测值，输出用于控制向径向磁轴承40供给的电力的电力指令值(径向电力指令值)、用于控制向推力磁轴承50供给的电力的电力指令值(推力电力指令值)，使得轴21的位置成为所希望的位置。例如，控制部91能够由微型计算机(未图示)、以及使微型计算机工作的程序构成。
＜电源部＞
电源部92基于来自控制部91的径向电力指令值及推力电力指令值，分别向径向磁轴承40及推力磁轴承50供给电力。例如，电源部92能够由脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)放大器构成。
＜保护轴承＞
保护轴承81是为了防止径向磁轴承40中的定子42与转子41的接触及推力磁轴承50中的定子59与转子51的接触而设置的。在该例中，保护轴承81在划分叶轮空间16与驱动机构空间15的壁部14以及后侧的推力磁轴承50的后侧各设置一个，但保护轴承81的数量及配置不限于此。保护轴承81与轴21之间的径向距离比推力磁轴承50中的定子59与转子51之间的径向距离(具体而言，后述的第二凸缘部69的内周面与转子51的外周面之间的径向距离)短。例如，保护轴承81能够由角接触球轴承构成。
需要说明的是，关于本说明书中的“推力磁轴承50的转子51的径向上的可动范围”，在存在保护轴承81的情况下，是指从该转子51的中心位置到轴21与保护轴承81接触的位置为止的范围，在不存在保护轴承81的情况下，是指从该转子51的中心位置到该转子51与定子59接触的位置为止的范围。
－各转子的直径－
如图1所示，电动机20的转子22、径向磁轴承40的转子41、以及推力磁轴承50的转子51彼此的直径实质上相等。另外，在径向磁轴承40的转子41与推力磁轴承50的转子51之间，配置有直径与各转子22、41、51实质上相等的圆筒状的非磁性环80。通过像这样使各转子22、41、51和非磁性环80的直径彼此实质上相等，能够将各转子22、41、51及轴21作为一个单元来处理，因此，能够削减涡轮压缩机10的组装工时。
－推力磁轴承的结构－
图2是第一实施方式的推力磁轴承50的局部剖视图。该图示出前侧的推力磁轴承50的一半部分，推力磁轴承50构成为相对于轴21的轴心O呈轴对称。这在图3～图5及图7、8中也相同。
如图2所示，推力磁轴承50也如上述那样包括定子59及转子51。
定子59具有固定于壳体11的内周壁的铁心部60、以及配置在该铁心部60内的线圈71。而且，铁心部60具有外筒部61、第一凸缘部62以及第二凸缘部69，它们相互成为一体。铁心部60例如可以通过层叠电磁钢板而构成，或者也可以由压粉磁心等其他磁性材料构成。
外筒部61形成为沿水平方向延伸的圆筒状，其外周面固定于壳体11的内周壁。
第一凸缘部62在前侧的推力磁轴承50中形成为从外筒部61的靠前侧的内周部向径向内侧伸出。第一凸缘部62的突端面(即，径向内侧面)与轴21的外周面分离了规定距离。在第一凸缘部62的径向内侧部形成有在轴向上向转子51侧(在图2中为左侧)突出的环状突出部63。该环状突出部63的突端面(即，图2中的靠左侧的面)由与轴向正交的一个平面构成，构成主定子磁极面64。
第二凸缘部69在前侧的推力磁轴承50中形成为从外筒部61的靠后侧的内周部向径向内侧伸出。第二凸缘部69的突端面(即，径向内侧面)与转子51的外周面分离了规定距离，构成圆筒状的副定子磁极面70。
线圈71呈环状配置在形成于第一凸缘部62与第二凸缘部69之间的空间。线圈71与电源部92连接，构成为通过电流流动而在定子59及转子51构成的磁路中产生磁通。
转子51形成为沿水平方向延伸的圆筒状，供轴21穿插固定。转子51例如可以通过层叠电磁钢板而构成，或者也可以由压粉磁心等其他的磁性材料构成。在转子51的轴向的一端面(即，靠定子59侧的面)的径向内侧端部形成有环状凹部53，比该环状凹部53靠径向外侧的部分构成主转子磁极面52。另一方面，转子51的外周面中的与上述第二凸缘部69的突端面相对的部分构成副转子磁极面58。
定子59的主定子磁极面64与转子51的主转子磁极面52在轴向上彼此隔开规定距离而相对。主定子磁极面64的径向长度与主转子磁极面52的径向长度实质上彼此相等。定子59的环状突出部63的径向内侧端(即，主定子磁极面64的径向内侧端)与转子51的主转子磁极面52的径向内侧端在轴向上彼此相对。定子59的环状突出部63的径向外侧端(即，主定子磁极面64的径向外侧端)与转子51的主转子磁极面52的径向外侧端在轴向上彼此相对。
－涡轮压缩机的动作－
对涡轮压缩机10的运转情况进行说明。当向电动机20供给电力时，电动机20的转子22进行旋转，由此轴21及叶轮30进行旋转。然后，通过叶轮30旋转而从吸入管12向叶轮空间16吸入气体并将其压缩。压缩后的气体通过排出管13从叶轮空间16排出。
－推力磁轴承的动作－
对推力磁轴承50的动作进行说明。当基于推力电力指令值从电源部92向线圈71供给电力时，在定子59及转子51所构成的磁路中产生磁通。由此在主定子磁极面64与主转子磁极面52之间产生轴向的电磁力，通过该轴向的电磁力，对包括轴21的旋转系统受到的轴向的负载进行支承。另一方面，在副定子磁极面70与副转子磁极面58之间产生径向的电磁力。
此处，当转子51实质上处于中心位置时(即，当转子51的外周面与定子59的第二凸缘部69的突端面之间的距离在整周范围内实质上固定不变时)，在副定子磁极面70与副转子磁极面58之间产生的径向的电磁力在整周范围内平衡。另一方面，当转子51从中心位置沿径向位移了时，在副定子磁极面70与副转子磁极面58之间产生的径向的电磁力变得不平衡，且作用于增大该位移的方向上。电磁力起作用而增大该径向的位移的特性越显著，对转子51的径向位置的控制性越下降(即，难以将转子51维持在中心位置)。
相对于此，当转子51实质上处于中心位置时，主定子磁极面64与主转子磁极面52实质上在整个面沿轴向彼此相对。另一方面，当转子51从中心位置沿径向位移了时，主定子磁极面64与主转子磁极面52在径向上彼此错开。例如，当转子51从图2的状态向上方位移了时，主转子磁极面52相对于主定子磁极面64向上方错开。在该情况下，在主定子磁极面64与主转子磁极面52之间，产生沿着与径向的位移相反的方向作用于转子51的径向力。这是因为，主定子磁极面64与主转子磁极面52实质上在整个面沿轴向彼此相对的状态为主定子磁极面64与主转子磁极面52之间的磁路的阻力最小的状态，当从该位置位移时，磁路的阻力增加，产生磁阻力(reluctance force)。这样，在本实施方式的推力磁轴承50中，当转子51沿径向位移时，主定子磁极面64与主转子磁极面52之间的彼此相对的面积变小，由此在主定子磁极面64与主转子磁极面52之间作用于转子51的径向力沿着与该位移的方向相反的方向增加。
－第一实施方式的效果－
本实施方式的推力磁轴承50包括具有线圈71的定子59、以及转子51。上述定子59具有主定子磁极面64和副定子磁极面70。上述转子51具有与上述主定子磁极面64相对的主转子磁极面52、以及与上述副定子磁极面70相对的副转子磁极面58。当电流在上述线圈71中流动时，在上述主定子磁极面64与上述主转子磁极面52之间产生轴向的电磁力，另一方面，在上述副定子磁极面70与上述副转子磁极面58之间产生径向的电磁力。当上述转子51沿径向位移时，在上述副定子磁极面70与上述副转子磁极面58之间作用于上述转子51的径向力沿着上述位移的方向增加，另一方面，在上述主定子磁极面64与上述主转子磁极面52之间作用于上述转子51的径向力沿着与上述位移的方向相反的方向增加。
在本实施方式中，当电流在线圈71中流动时，通过在主定子磁极面64与主转子磁极面52之间产生的轴向的电磁力，定子59以非接触的形式对转子51进行支承。另外，推力磁轴承50除了主定子磁极面64及主转子磁极面52之外还包括副定子磁极面70及副转子磁极面58，因此，能够充分地确保用于产生轴向的电磁力的磁极面积，并且能够使转子51的直径变得比较小，该轴向的电磁力用于以非接触的形式对转子51进行支承。
另一方面，在副定子磁极面70与副转子磁极面58之间作用于转子51的径向力沿着与转子51的径向上的位移相同的方向增加。这与专利文献1的推力磁轴承是一样的，成为使对转子51的径向位置的控制性下降的主要原因。相对于此，本实施方式的推力磁轴承50构成为：在主定子磁极面64与主转子磁极面52之间作用于转子51的径向力沿着与转子51的径向位移方向相反的方向增加。这将减少转子51的径向上的位移，提高对转子51的径向位置的控制性。因此，根据本实施方式，在推力磁轴承50中，能够提高对转子51的径向位置的控制性。
另外，本实施方式的推力磁轴承50构成为：随着上述转子51在径向上的可动范围内从中心位置向外侧方向位移，上述主定子磁极面64与上述主转子磁极面52之间的彼此相对的面积变小。因此，当转子51从中心位置向外侧方向位移时，主定子磁极面64与主转子磁极面52之间的彼此相对的面积变小，由此在主定子磁极面64与主转子磁极面52之间作用于转子51的径向力沿着与转子51的径向位移方向相反的方向增加。
另外，在本实施方式的推力磁轴承50中，上述转子51形成为圆筒状，圆筒状的上述转子51的轴向的一端面在径向内侧端部具有环状凹部53，并且，比该环状凹部53靠径向外侧的部分构成上述主转子磁极面52，上述定子59具有环状突出部63，该环状突出部63在轴向上向上述转子51侧突出，该环状突出部63的径向内侧端与上述主转子磁极面52的径向内侧端在轴向上相对，并且，该环状突出部63的径向外侧端与上述主转子磁极面52的径向外侧端在轴向上相对，该环状突出部63的突端面构成上述主定子磁极面64。
因此，在转子51处于中心位置的情况下，主定子磁极面64与主转子磁极面52在各自的径向外侧端在轴向上彼此相对且各自的径向内侧端在轴向上彼此相对的状态下，彼此相对。另一方面，在转子51在径向上从中心位置位移了的情况下，主定子磁极面64与主转子磁极面52在径向上彼此错开，由此在主定子磁极面64与主转子磁极面52之间作用于转子51的径向力沿着与该位移的方向相反的方向增加(具体而言，产生在该相反的方向上作用于转子51的磁阻力)。
另外，在本实施方式的推力磁轴承50中，上述主转子磁极面52由与轴向正交的一个平面构成，上述主定子磁极面64由与轴向正交的一个平面构成。因此，能够做到：在主转子磁极面52与主定子磁极面64之间不产生径向力，该径向力起作用而增大转子51的位移，并且，在主转子磁极面52与主定子磁极面64之间高效地产生轴向的电磁力。
－第一实施方式的变形例1－
参照图3对第一实施方式的变形例1进行说明。本变形例的推力磁轴承50的定子59包括非磁性体54且转子51包括非磁性体65。
如图3所示，在推力磁轴承50的定子59中，在环状突出部63的径向外侧面(图3中的上侧面)与外筒部61的内周面(图3中的下侧面)之间设置有扁平环状的非磁性体54。该非磁性体54例如可以由树脂构成。
另外，在推力磁轴承50的转子51中，在环状凹部53内设置有环状的非磁性体65。该非磁性体65例如可以由树脂构成。
其他的结构与上述第一实施方式一样，根据本变形例，也能够得到与上述第一实施方式相同的效果。
－第一实施方式的变形例2－
参照图4对第一实施方式的变形例2进行说明。本变形例的推力磁轴承50中的主定子磁极面64及主转子磁极面52的形状与上述第一实施方式的形状不同。
如图4所示，在推力磁轴承50的定子59中，主定子磁极面64的径向外侧端部(即，与主转子磁极面52相对的区域中的径向外侧端部)越靠近径向外侧越朝向转子51侧(在图4中为左侧)倾斜。
另外，在推力磁轴承50的转子51中，主转子磁极面52的径向外侧端部越靠近径向外侧越朝向与定子59相反的一侧(在图4中为左侧)倾斜。
而且，主定子磁极面64与主转子磁极面52在具有上述倾斜的区域中，在相对于轴向倾斜的方向上彼此相对，并且，在不具有上述倾斜的区域(即，在主定子磁极面64及主转子磁极面52与轴向正交的区域)中，在轴向上彼此相对。
其他的结构与上述第一实施方式一样，根据本变形例，也能够得到与上述第一实施方式相同的效果。
－第一实施方式的变形例3－
参照图5对第一实施方式的变形例3进行说明。本变形例的推力磁轴承50在定子59内形成有空隙66且在转子51内形成有空隙55。
如图5所示，在推力磁轴承50的定子59中，在第一凸缘部62的径向上大致中央部且主定子磁极面64附近，形成有环状的定子空隙66。在径向上，定子空隙66的径向内侧端的位置与转子51的外周面的位置实质上相同。在本变形例中，第一凸缘部62的靠转子51侧的面中的比定子空隙66靠径向内侧的部分构成主定子磁极面64。另外，定子空隙66与主定子磁极面64之间的轴向距离优选被设定为，当在线圈71中流过规定值以上的电流时，在磁性部67产生磁饱和，该磁性部67存在于比该定子空隙66靠转子51侧的位置上。
另外，在推力磁轴承50的转子51中，在径向内侧端部处的主转子磁极面52附近，形成有环状的转子空隙55。在径向上，转子空隙55的径向外侧端的位置与第一凸缘部62的径向内侧端的位置实质上相同。在本变形例中，转子51的一端面(即，靠定子59侧的面)中的比转子空隙55靠径向外侧的部分构成主转子磁极面52。另外，转子空隙55与主转子磁极面52之间的轴向距离优选被设定为，当在线圈71中流过规定值以上的电流时，在磁性部56产生磁饱和，该磁性部56存在于比该转子空隙55靠定子59侧的位置上。
其他的结构与上述第一实施方式一样，根据本变形例，也能够得到与上述第一实施方式相同的效果。
－第一实施方式的变形例4－
参照图6对第一实施方式的变形例4进行说明。在本变形例的推力磁轴承50中，定子59的第一凸缘部62的轴心O’相对于轴21或转子51的轴心O偏心。
如图6所示，在推力磁轴承50的定子59中，第一凸缘部62的轴心O’相对于轴21或转子51的轴心O在规定的方向上(在该例中为上方向)偏心了规定距离。因此，第一凸缘部62的在图6中处于轴21的上方的部分与在图6中处于轴21的下方的部分相比，突端面(即，径向内侧面)与轴21的外周面之间的距离较大。另一方面，第二凸缘部69的轴心O(即，定子59的轴心O)与轴21或转子51的轴心O实质上一致。
根据以上的结构，在本变形例的推力磁轴承50中，即便在转子51处于径向上的中心位置的情况下，在主定子磁极面64与主转子磁极面52之间，也朝第一凸缘部62的偏心方向(在该例中为上方向)的径向力(例如，包括磁阻力的径向力)作用于转子51。因此，例如能够通过让电流在线圈71中流动而产生用于支承重力的力，该重力作用于包括转子51的旋转系统。
其他的结构与上述第一实施方式一样，根据本变形例，也能够得到与上述第一实施方式相同的效果。
(第二实施方式)
参照图7对第二实施方式进行说明。本实施方式的推力磁轴承50在主定子磁极面64包括作为磁性边缘区域68的凹部68且在主转子磁极面52包括作为磁性边缘区域57的凹部57，该磁性边缘(magnetic edge)区域68、57是磁阻在径向上变化的区域。
如图7所示，在本实施方式的推力磁轴承50中，定子59的第一凸缘部62中的与转子51的一端面(在该例中为靠前侧的面)在轴向上相对的部分构成主定子磁极面64，转子51的一端面中的与主定子磁极面64在轴向上相对的部分构成主转子磁极面52。
而且，在主定子磁极面64上形成有作为定子磁性边缘区域68的环状的定子凹部68。另一方面，在主转子磁极面52上形成有作为转子磁性边缘区域57的环状的转子凹部57。定子凹部68与转子凹部57的彼此的径向位置实质上相同，在轴向上彼此相对。但是，定子凹部68与转子凹部57的彼此的径向位置也可以不同。
根据以上的结构，在本实施方式的推力磁轴承50中，当转子51在径向上从中心位置向外侧位移时，定子凹部68与转子凹部57的位置关系发生变化，由此在主定子磁极面64与主转子磁极面52之间，产生沿着与该位移相反的方向作用于转子51的径向力(例如，包括磁阻力的径向力)。
其他结构与上述第一实施方式一样，根据本实施方式，也能够得到与上述第一实施方式相同的效果。
(其他实施方式)
上述实施方式也可以如下那样构成。
例如，如图8所示，主定子磁极面64及主转子磁极面52各自的一部分也可以由高磁导率材料构成，该高磁导率材料是磁导率比构成定子59或转子51的磁性材料的磁导率高的材料。在该例中，主定子磁极面64的径向内侧端部以及主转子磁极面52中的与主定子磁极面64的径向内侧端部在轴向上相对的部分由高磁导率材料构成(在图8中，以浓密的阴影线示出由高磁导率材料构成的部分)。根据这样的结构，在转子51在径向上从中心位置向外侧位移了的情况下，定子59的由高磁导率材料构成的部分和转子51的由高磁导率材料构成的部分的位置关系发生变化，在主定子磁极面64与主转子磁极面52之间，产生沿着与该位移的方向相反的方向作用于转子51的径向力(例如，包括磁阻力的径向力)。
另外，在各上述实施方式中，随着推力磁轴承50的转子51在径向上从中心位置向外侧位移，在主定子磁极面64与主转子磁极面52之间作用于转子51的径向力沿着与该位移的方向相反的方向增加，但推力磁轴承50也可以构成为：仅在该转子51的沿径向的位移量超过规定的阈值(即，比零大且比可动范围的长度小的值)的情况下，该径向力沿着与该位移的方向相反的方向增加。例如，能够想到将主定子磁极面64及主转子磁极面52设计为：当转子51的位移量在该阈值以下的范围内时，主定子磁极面64与主转子磁极面52之间的彼此相对的面积实质上不变，另一方面，当转子51的位移量超过该阈值时，该彼此相对的面积变小。
另外，主定子磁极面64及主转子磁极面52的形状也可以不必为平面状，而为其他任意的形状。
另外，例如，如图9所示，副定子磁极面70与副转子磁极面58也可以不必在径向上彼此相对，而在相对于径向倾斜的方向上彼此相对。
需要说明的是，推力磁轴承50的用途不限定于涡轮压缩机10。
以上对实施方式和变形例进行了说明，但应理解为：可以在不脱离权利要求范围的主旨和范围的情况下，对其形态和详情进行各种变更。只要不影响本公开的对象的功能，还可以对上述实施方式和变形例适当地进行组合和替换。
－产业实用性－
综上所述，本公开对于推力磁轴承及包括该推力磁轴承的涡轮压缩机是有用的。
－符号说明－
10 涡轮压缩机
21 轴
30 叶轮
50 推力磁轴承
51 转子
52 主转子磁极面
53 环状凹部
57 转子磁性边缘区域、转子凹部
58 副转子磁极面
59 定子
63 环状突出部
64 主定子磁极面
68 定子磁性边缘区域、定子凹部
70 副定子磁极面
71 线圈

Claims (9)

1.一种推力磁轴承(50)，包括定子(59)以及转子(51)，其特征在于，
上述转子(51)的轴向的一端面在径向内侧端部具有环状凹部(53)，并且，比该环状凹部(53)靠径向外侧的整体构成主转子磁极面(52)，上述主转子磁极面(52)由与轴向正交的一个平面构成，
上述定子(59)具有铁心部(60)、以及配置在上述铁心部(60)内的线圈(71)，
铁心部(60)具有圆筒状的外筒部(61)、第一凸缘部(62)以及第二凸缘部(69)，
上述第一凸缘部(62)从上述外筒部(61)的一端侧的内周部向径向内侧伸出，在上述第一凸缘部(62)的径向内侧形成有在轴向上向上述转子(51)侧突出的环状突出部(63)，在上述环状突出部(63)的突端面上构成主定子磁极面(64)，上述主定子磁极面(64)由与轴向正交的一个平面构成，
第二凸缘部(69)从上述外筒部(61)的另一端侧的内周部向径向内侧伸出，上述第二凸缘部(69)的突端面与上述转子(51)的外周面分离了规定距离，构成副定子磁极面(70)，
上述转子(51)的外周面中的与上述副定子磁极面(70)相对的区域构成副转子磁极面(58)，
上述推力磁轴承(50)构成为：
当电流在上述线圈(71)中流动时，因在上述线圈(71)周围产生的磁通而导致在上述主定子磁极面(64)与上述主转子磁极面(52)之间产生轴向的电磁力，另一方面，同样因在上述线圈(71)周围产生的磁通而导致在上述副定子磁极面(70)与上述副转子磁极面(58)之间产生径向的电磁力，
当上述转子(51)沿径向位移时，因在上述线圈(71)周围产生的磁通而导致在上述副定子磁极面(70)与上述副转子磁极面(58)之间作用于上述转子(51)的径向力沿着上述位移的方向增加，另一方面，同样因在上述线圈(71)周围产生的磁通而导致在上述主定子磁极面(64)与上述主转子磁极面(52)之间作用于上述转子(51)的径向力沿着与上述位移的方向相反的方向增加。
2.根据权利要求1所述的推力磁轴承，其特征在于，
在上述定子(59)中，在上述环状突出部(63)的径向外侧面与上述外筒部(61)的内周面之间设置有非磁性体(65)。
3.根据权利要求1或2所述的推力磁轴承，其特征在于，
上述推力磁轴承(50)构成为：当上述转子(51)沿径向位移时，上述主定子磁极面(64)与上述主转子磁极面(52)之间的彼此相对的面积的大小变化。
4.根据权利要求3所述的推力磁轴承，其特征在于，
上述推力磁轴承(50)构成为：随着上述转子(51)在径向上的可动范围的至少一部分范围内从径向中心侧向外侧方向位移，上述主定子磁极面(64)与上述主转子磁极面(52)之间的彼此相对的面积变小。
5.根据权利要求1、2、4中任一项权利要求所述的推力磁轴承，其特征在于，
上述主定子磁极面(64)具有定子磁性边缘区域(68)，该定子磁性边缘区域(68)是磁阻在径向上变化的区域，
上述主转子磁极面(52)具有转子磁性边缘区域(57)，该转子磁性边缘区域(57)是磁阻在径向上变化的区域。
6.根据权利要求3所述的推力磁轴承，其特征在于，
上述主定子磁极面(64)具有定子磁性边缘区域(68)，该定子磁性边缘区域(68)是磁阻在径向上变化的区域，
上述主转子磁极面(52)具有转子磁性边缘区域(57)，该转子磁性边缘区域(57)是磁阻在径向上变化的区域。
7.根据权利要求5所述的推力磁轴承，其特征在于，
上述定子磁性边缘区域(68)与上述转子磁性边缘区域(57)在轴向上彼此相对。
8.根据权利要求6所述的推力磁轴承，其特征在于，
上述定子磁性边缘区域(68)与上述转子磁性边缘区域(57)在轴向上彼此相对。
9.一种涡轮压缩机，其特征在于，包括：
安装有叶轮(30)且被驱动而旋转的轴(21)；以及
权利要求1至8中任一项权利要求所述的推力磁轴承(50)，该推力磁轴承(50)以非接触的形式对上述轴(21)进行支承。
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