CN113557367A - 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

副定子磁极面(64)包括交替设置的、第一定子面(65)和第二定子面(66)。副转子磁极面(53)包括交替设置的、第一转子面(54)和第二转子面(55)。将在转子径向上彼此相对的第一定子面(65)和第一转子面(54)的对数设为Nr，且将在转子轴向上彼此相对的第二定子面(66)和第二转子面(55)的对数设为Nt，则Nr≥1且Nt≥2成立、或者Nr≥2且Nt≥1成立。

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
迄今为止，推力磁轴承已为人所知(例如专利文献1)。该文献的推力磁轴承通过在结构上进行减小径向上相对的部分的磁位差这一改进，从而缩小了整体外径。上述结构上的改进是指：将定子的一个磁极部和定子的其他磁极部布置在轴向上不同的位置处。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本公开专利公报特开2000－283162号公报
发明内容
－发明要解决的技术问题－
然而，就专利文献1的推力磁轴承而言，进行上述结构改进的缺点是有可能存在轴向尺寸变大，进而导致推力磁轴承大型化的问题。
本公开的目的在于：使推力磁轴承实现小型化。
－用以解决技术问题的技术方案－
本公开的第一方面以一种推力磁轴承50为对象，所述推力磁轴承50包括定子57和转子51。所述定子57具有主定子磁极面61和副定子磁极面64。所述转子51具有在转子轴向上与所述主定子磁极面61相对的主转子磁极面52、以及与所述副定子磁极面64相对的副转子磁极面53。所述副定子磁极面64包括交替设置的、一个以上的第一定子面65和一个以上的第二定子面66，所述第一定子面65沿转子轴向延伸，所述第二定子面66沿转子径向延伸。所述副转子磁极面53包括交替设置的、一个以上的第一转子面54和一个以上的第二转子面55，所述第一转子面54沿转子轴向延伸，所述第二转子面55沿转子径向延伸。将在转子径向上彼此相对的所述第一定子面65和所述第一转子面54的对数设为Nr，且将在转子轴向上彼此相对的所述第二定子面66和所述第二转子面55的对数设为Nt，则Nr≥1且Nt≥2成立、或者Nr≥2且Nt≥1成立。
在第一方面中，在主定子磁极面61与主转子磁极面52之间，至少产生转子轴向上的电磁力。关于副定子磁极面64和副转子磁极面53，在第一定子面65与第一转子面54之间产生转子径向上的电磁力，另一方面，在第二定子面66与第二转子面55之间产生转子轴向上的电磁力。副定子磁极面64和副转子磁极面53分别形成为阶梯状。通过将上述阶梯状的副定子磁极面64和副转子磁极面53布置为彼此啮合，从而使得磁通路径在两者之间分散开。这样一来，就能够缩短推力磁轴承50的转子轴向上的长度，进而能够使推力磁轴承50实现小型化。
需要说明的是，所谓主定子磁极面61与主转子磁极面52“在转子轴向上相对”是指，当电流在推力磁轴承50的线圈68中流动时，主定子磁极面61与主转子磁极面52相对，使得在这两者之间产生主要包含转子轴向分量的电磁力。
此外，所谓第一定子面65与第一转子面54“在转子径向上相对”是指，当电流在推力磁轴承50的线圈68中流动时，第一定子面65与第一转子面54相对，使得在这两者之间产生主要包含转子径向分量的电磁力。
此外，所谓第二定子面66与第二转子面55“在转子轴向上相对”是指，当电流在推力磁轴承50的线圈68中流动时，第二定子面66与第二转子面55相对，使得在这两者之间产生主要包含转子轴向分量的电磁力。
本公开的第二方面在上述第一方面的基础上，其特征在于：Nr＝Nt成立。
本公开的第三方面在上述第一或第二方面的基础上，其特征在于：所述第一定子面65与所述第一转子面54之间的转子径向上的距离δr比所述第二定子面66与所述第二转子面55之间的转子轴向上的距离δa长。
在第三方面中，在副定子磁极面64与副转子磁极面53之间产生的转子径向上的电磁力减小。其结果是，当转子51的轴心从中心位置沿转子径向产生位移时，难以促进该位移。在转子径向上容易控制转子51的位置，从而能够提高对推力磁轴承50的控制性。
需要说明的是，在本说明书中所谓“中心位置”是指，在推力磁轴承50中定子57与转子51之间的径向距离在整个圆周的范围内实质上恒定的转子51的轴心位置。
本公开的第四方面在上述第一到第三方面中任一方面的基础上，其特征在于：所述转子51在转子轴向上与所述主转子磁极面52相反一侧的端部具有突出环部56，所述突出环部56包括在转子轴向上与所述第二定子面66相对的所述第二转子面55和不与所述定子57相对的外周面，并且该突出环部56朝着外径方向突出，所述突出环部56的基端部的转子径向上的截面积为所述第二定子面66中在转子轴向上与所述突出环部56的所述第二转子面55相对的部分的面积以上。
在第四方面中，流入突出环部56的磁通在突出环部56的基端部56a与下述部分之间流动，该部分为第二定子面66中在转子轴向上与突出环部56的第二转子面55相对的部分。由于前者的转子径向上的截面积在后者的面积以上，因此流入突出环部56的磁通的量被后者的面积限制。这样被限制的磁通量难以达到让突出环部56磁饱和的磁通量。因此，能够抑制在突出环部56产生磁饱和。
本公开的第五方面在上述第一到第四方面中任一方面的基础上，其特征在于：在所述副定子磁极面64的阴角部和所述副转子磁极面53的阴角部，在所述第一定子面65和所述第一转子面54中的至少一者上形成有沿转子径向凹陷的径向槽54a、65a。
在第五方面中，在转子51沿转子轴向朝着接近定子57的方向产生了位移的情况下，在第一转子面54与第一定子面65之间产生阻碍该位移的磁阻力。其结果是，能够抑制转子51与定子57接触。
本公开的第六方面在上述第五方面的基础上，其特征在于：所述径向槽54a、65a的宽度为所述第二定子面66与所述第二转子面55之间的转子轴向上的距离δa以下。
本公开的第七方面在上述第一到第六方面中任一方面的基础上，其特征在于：在所述副定子磁极面64的阴角部和所述副转子磁极面53的阴角部，在所述第二定子面66和所述第二转子面55的至少一者上形成有沿着转子轴向凹陷的轴向槽55a、66a。
在第七方面中，在转子51沿转子径向位移的情况下，在第二转子面55与第二定子面66之间产生阻碍该位移的磁阻力。其结果是，能够抑制转子51与定子57接触。
本公开的第八方面在上述第七方面的基础上，其特征在于：所述轴向槽55a、66a的宽度为所述第一定子面65与所述第一转子面54之间的转子径向上的距离δr以下。
在第八方面中，能够在确保第二转子面55与第二定子面66之间的磁路面积的同时产生所述磁阻力，从而抑制转子51与定子57接触。
本公开的第九方面以一种涡轮压缩机10为对象。涡轮压缩机10包括上述第一到第八方面中任一方面的推力磁轴承50、和驱动轴21，所述推力磁轴承50的所述转子51和用于压缩流体的叶轮30固定在所述驱动轴21上，所述驱动轴21驱动该叶轮30旋转。
在第九方面中，通过使推力磁轴承50实现小型化，而能够缩短包括驱动轴21和叶轮30在内的旋转系统的轴向长度。其结果是，能够提高该旋转系统的共振频率，从而能够使涡轮压缩机10更适于高速旋转。
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是放大示出第一实施方式的推力磁轴承的主要部分的放大剖视图；
图4是第二实施方式的推力磁轴承的局部剖视图；
图5是放大示出第二实施方式的推力磁轴承的主要部分的放大剖视图；
图6是放大示出第二实施方式的变形例的推力磁轴承的主要部分的放大剖视图；
图7是第三实施方式的推力磁轴承的局部剖视图；
图8是放大示出其他实施方式的推力磁轴承的主要部分的放大剖视图。
具体实施方式
(第一实施方式)
下面说明第一实施方式。需要说明的是，在各图中，将右侧(换言之，叶轮30侧)设为“前侧”，将左侧设为“后侧”。
－涡轮压缩机的结构－
如图1所示，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(touchdown bearing)81以及壳体11。壳体11形成为两端封闭的圆筒状，且布置为圆筒轴线朝向水平方向。壳体11内的空间被壁部14隔开。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以及推力磁轴承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包括驱动轴21、转子22以及定子23。转子22以与驱动轴21同轴的方式被固定在驱动轴21上。转子22布置成该转子22的外周面与定子23的内周面隔着规定距离相对。定子23固定在壳体11的内周面上。在该例中，电动机20是所谓的永磁同步电机。电动机20收纳在驱动机构空间15内，且驱动轴21的轴心O方向成为水平方向。
需要说明的是，在以下的说明中，“轴向”是旋转轴方向，是驱动轴21的轴心O的方向。“径向”是与驱动轴21的轴向正交的方向。“外周侧”是更远离驱动轴21的轴心O的一侧。“内周侧”是更接近驱动轴21的轴心O的一侧。“周向”是以驱动轴21的轴心O为基准的圆周方向。
＜叶轮＞
叶轮30由多个叶片形成为外形呈大致圆锥形状。叶轮30在固定于驱动轴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。叶轮空间16与吸入管12及喷出管13相连。在叶轮空间16的外周部形成有压缩空间17。吸入管12是为了将气体从外部引导到叶轮空间16内而设置的。喷出管13是为了将在叶轮空间16内被压缩后的高压气体送回外部而设置的。
＜径向磁轴承＞
径向磁轴承40构成为利用电磁力以非接触方式对驱动轴21进行支承。在该例中，两个径向磁轴承40布置为在轴向上隔着电动机20而彼此相对。各径向磁轴承40包括固定在驱动轴21上的转子41、以及与转子41隔着规定距离布置的定子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构成为利用电磁力以非接触方式对驱动轴21的轴向位置进行控制。在该例中，一个推力磁轴承50在轴向上布置于叶轮30与靠前侧的径向磁轴承40之间，另一个推力磁轴承50在轴向上布置于靠后侧的径向磁轴承40的后侧。各推力磁轴承50包括固定在驱动轴21上的转子51、以及与转子51隔着规定距离布置的定子57。定子57固定在壳体11的内周壁上。关于推力磁轴承50的结构在下文中详述。
＜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57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)，使得驱动轴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和推力磁轴承50供电。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接触、以及推力磁轴承50中的定子57与转子51接触而设置的。在该例中，在划分出叶轮空间16和驱动机构空间15的壁部14、以及靠后侧的推力磁轴承50的后侧，各设置一个保护轴承81。不过，保护轴承81的数量和布置情况并不限于此。保护轴承81与驱动轴21之间的径向距离比推力磁轴承50中的定子57与转子51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。
－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的转子的直径彼此实质上相等。在径向磁轴承40的转子41与推力磁轴承50的转子51之间，布置有直径与各转子22、41、51实质上相等的圆筒状的非磁性环80。通过如上所述的那样使各转子22、41、51和非磁性环80的直径彼此实质上相等，从而能够将各转子22、41、51和驱动轴21作为一个单元来进行处理，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示出靠后侧的推力磁轴承50的一半部分。图3示出靠后侧的推力磁轴承50的主要部分。推力磁轴承50构成为相对于驱动轴21的轴心O呈轴对称。
如图2和图3所示，推力磁轴承50的定子57包括固定在壳体11的内周壁上的铁心部58和布置在铁心部58内的线圈68。铁心部58具有外筒部59、内筒部60、连接部62以及凸缘部63。铁心部58由磁性材料形成。
外筒部59形成为沿轴向延伸的圆筒状。外筒部59的外周面固定在壳体11的内周壁上。
内筒部60形成为沿轴向延伸的圆筒状。内筒部60布置在外筒部59的内周侧，且与外筒部59保持规定间距。内筒部60具有主定子磁极面61。主定子磁极面61是内筒部60的前侧(图2中的右侧)端面。
连接部62形成为以驱动轴21的轴心O为中心的环状。连接部62将外筒部59的内周面的后侧部与内筒部60的外周面的后侧部连接起来。
凸缘部63形成为从外筒部59的内周面的前侧部朝着内径方向突出。凸缘部63具有副定子磁极面64。副定子磁极面64是凸缘部63的内周面(换言之，径向内侧面)。副定子磁极面64形成为阶梯状。优选的是，凸缘部63的在转子轴向上的长度(在图3中用Z表示)被设定为：保证当处于涡轮压缩机10的运转过程中在整个推力磁轴承50产生的磁通能够在没有发生磁饱和的状态下流经该凸缘部63。
副定子磁极面64包括第一定子面65和第二定子面66。第一定子面65是副定子磁极面64中沿转子轴向延伸的部分。第二定子面66是副定子磁极面64中沿转子径向延伸的部分。在该例中，副定子磁极面64包括三个第一定子面65和两个第二定子面66。第一定子面65和第二定子面66交替地连续而设。具体而言，第一定子面65和第二定子面66从后侧朝着前侧按照第一个第一定子面65、第一个第二定子面66、第二个第一定子面65、第二个第二定子面66以及第三个第一定子面65的顺序设置。换言之，副定子磁极面64具有：按照第一定子面65、第二定子面66、第一定子面65的顺序设置的定子面组、以及按照第二定子面66、第一定子面65、第二定子面66的顺序设置的定子面组中的至少一者。或者，副定子磁极面64具有：在前侧和后侧分别与第二定子面66相邻的第一定子面65、和在前侧和后侧分别与第一定子面65相邻的第二定子面66中的至少一者。三个第一定子面65的内径随着从后侧(图2和图3中的左侧)靠近前侧而呈阶梯状地变大。三个第一定子面65的在转子轴向上的长度之和与凸缘部63的轴向长度Z实质上相等。
线圈68布置于形成在外筒部59、内筒部60、连接部62和凸缘部63之间的空间中。线圈68与电源部92连接。线圈68构成为：电流流经线圈68，从而在定子57和转子51构成的磁路中产生磁通。
推力磁轴承50的转子51形成为沿轴向延伸的圆筒状。驱动轴21插通并固定于转子51。转子51由磁性材料形成。
转子51具有主转子磁极面52和副转子磁极面53。主转子磁极面52是转子51的转子轴向上的一端面(具体而言是定子57侧的面)中在转子轴向上与主定子磁极面61相对的部分。主转子磁极面52与主定子磁极面61在转子轴向上隔着规定距离相对。
副转子磁极面53是转子51的外周面中与副定子磁极面64相对的部分。副转子磁极面53以与副定子磁极面64啮合的方式形成为阶梯状。副转子磁极面53包括第一转子面54和第二转子面55。第一转子面54是副转子磁极面53中沿转子轴向延伸的部分。第二转子面55是副转子磁极面53中沿转子径向延伸的部分。在该例中，副转子磁极面53包括三个第一转子面54和两个第二转子面55。第一转子面54和第二转子面55交替地连续而设。具体而言，第一转子面54和第二转子面55从后侧朝着前侧按照第一个第一转子面54、第一个第二转子面55、第二个第一转子面54、第二个第二转子面55以及第三个第一转子面54的顺序设置。换言之，副转子磁极面53具有：按照第一转子面54、第二转子面55、第一转子面54的顺序设置的转子面组、以及按照第二转子面55、第一转子面54、第二转子面55的顺序设置的转子面组中的至少一者。或者，副转子磁极面53具有：在前侧和后侧分别与第二转子面55相邻的第一转子面54、以及在前侧和后侧分别与第一转子面54相邻的第二转子面55中的至少一者。三个第一转子面54的外径随着从后侧(图2和图3中的左侧)靠近前侧而呈阶梯状地变大。
三个第一转子面54与三个第一定子面65在转子径向上相对。假设将在转子径向上彼此相对的第一定子面65和第一转子面54的对数设为Nr，则在该例中Nr＝3。两个第二转子面55与两个第二定子面66在转子轴向上相对。假设将在转子轴向上彼此相对的第二定子面66和第二转子面55的对数设为Nt，则在该例中Nt＝2。因此，在该例中，Nr＝Nt+1成立。需要说明的是，第二转子面55和第二定子面66彼此相对的方向与主转子磁极面52和主定子磁极面61彼此相对的方向相同。
如图3所示，第一定子面65与第一转子面54之间的转子径向上的距离δr比第二定子面66与第二转子面55之间的转子轴向上的距离δa长(δr＞δa)。
在副定子磁极面64的阴角部(换言之，相对于副转子磁极面53呈凹状的部分)，在第二定子面66上形成有沿转子轴向凹陷的轴向槽66a。第二定子面66的轴向槽66a的宽度(图3中的上下方向长度)和第一定子面65与第一转子面54之间的转子径向上的距离δr实质上相等。需要说明的是，该轴向槽66a的宽度既可以比第一定子面65与第一转子面54之间的转子径向上的距离δr大，也可以比其小。第二定子面66的轴向槽66a优选在整个圆周上沿转子周向延伸。
在副转子磁极面53的阴角部(换言之，相对于副定子磁极面64呈凹状的部分)，在第二转子面55上形成有沿转子轴向凹陷的轴向槽55a。第二转子面55的轴向槽55a的宽度(图3中的上下方向长度)和第一定子面65与第一转子面54之间的转子径向上的距离δr实质上相等。需要说明的是，该轴向槽55a的宽度既可以比第一定子面65与第一转子面54之间的转子径向上的距离δr大，也可以比其小。第二转子面55的轴向槽55a优选在整个圆周上沿转子周向延伸。
－涡轮压缩机的运转情况－
下面说明涡轮压缩机10的运转情况。当向电动机20供电时，电动机20的转子22旋转，由此驱动轴21和叶轮30旋转。由于叶轮30旋转，使得气体从吸入管12被吸入到叶轮空间16后被进行压缩。压缩后的气体通过喷出管13从叶轮空间16排出。
－推力磁轴承的动作－
下面说明推力磁轴承50的动作。当基于推力电力指令值从电源部92向线圈68供电时，在定子57和转子51所构成的磁路中产生磁通。这样一来，在主定子磁极面61与主转子磁极面52之间、以及副定子磁极面64的第二定子面66与副转子磁极面53的第二转子面55之间产生转子轴向上的电磁力，利用该电磁力支承包括驱动轴21在内的旋转系统所承受的轴向负荷。需要说明的是，在主定子磁极面61与主转子磁极面52之间产生的转子轴向上的电磁力的方向、和在副定子磁极面64的第二定子面66与副转子磁极面53的第二转子面55之间产生的转子轴向上的电磁力的方向彼此相同。具体而言，在图1中，在靠前侧的推力磁轴承50中仅产生朝右的转子轴向上的电磁力，在靠后侧的推力磁轴承50中仅产生朝左的转子轴向上的电磁力。另一方面，在副定子磁极面64的第一定子面65与副转子磁极面53的第一转子面54之间产生转子径向上的电磁力。
－第一实施方式的效果－
本实施方式的推力磁轴承50包括定子57和转子51，所述定子57具有主定子磁极面61和副定子磁极面64，所述转子51具有在转子轴向上与所述主定子磁极面61相对的主转子磁极面52、以及与所述副定子磁极面64相对的副转子磁极面53，所述副定子磁极面64包括交替设置的、一个以上的第一定子面65和一个以上的第二定子面66，所述第一定子面65沿转子轴向延伸，所述第二定子面66沿转子径向延伸，所述副转子磁极面53包括交替设置的、一个以上的第一转子面54和一个以上的第二转子面55，所述第一转子面54沿转子轴向延伸，所述第二转子面55沿转子径向延伸，将在转子径向上彼此相对的所述第一定子面65和所述第一转子面54的对数设为Nr，且将在转子轴向上彼此相对的所述第二定子面66和所述第二转子面55的对数设为Nt，则Nr≥1且Nt≥2成立、或者Nr≥2且Nt≥1成立。因此，在主定子磁极面61与主转子磁极面52之间，至少产生转子轴向上的电磁力。关于副定子磁极面64和副转子磁极面53，在第一定子面65与第一转子面54之间产生转子径向上的电磁力，另一方面，在第二定子面66与第二转子面55之间产生转子轴向上的电磁力。副定子磁极面64和副转子磁极面53分别形成为阶梯状。通过将上述阶梯状的副定子磁极面64和副转子磁极面53布置为彼此啮合，从而使得磁通路径在两者之间分散开。这样一来，就能够缩短推力磁轴承50的转子轴向上的长度，进而能够使推力磁轴承50实现小型化。
在本实施方式的推力磁轴承50中，所述第一定子面65与所述第一转子面54之间的转子径向上的距离δr比所述第二定子面66与所述第二转子面55之间的转子轴向上的距离δa长。因此，在副定子磁极面64与副转子磁极面53之间产生的转子径向上的电磁力减小。其结果是，当转子51的轴心从中心位置沿转子径向产生位移时，难以促进该位移。在转子径向上容易控制转子51的位置，从而能够提高对推力磁轴承50的控制性。
在本实施方式的推力磁轴承50中，在所述副定子磁极面64的阴角部和所述副转子磁极面53的阴角部，在所述第二定子面66和所述第二转子面55中的至少一者上形成有沿转子轴向凹陷的轴向槽55a、66a。因此，在转子51沿转子径向位移的情况下，在第二转子面55与第二定子面66之间产生阻碍该位移的磁阻力。其结果是，能够抑制转子51与定子57接触。
在本实施方式的推力磁轴承50中，所述轴向槽55a、66a的宽度为所述第一定子面65与所述第一转子面54之间的转子径向上的距离δr以下(具体而言，与该转子径向上的距离δr实质上相等)。因此，能够在确保第二转子面55与第二定子面66之间的磁路面积的同时产生所述磁阻力，从而抑制转子51与定子57接触。
本实施方式的涡轮压缩机10包括所述推力磁轴承50和驱动轴21，所述推力磁轴承50的所述转子51和用于压缩流体的叶轮30固定在所述驱动轴21上，所述驱动轴21驱动该叶轮30旋转。因此，通过使推力磁轴承50实现小型化，而能够缩短包括驱动轴21和叶轮30在内的旋转系统的轴向长度。其结果是，能够提高该旋转系统的共振频率，从而能够使涡轮压缩机10更适于高速旋转。
(第二实施方式)
下面说明第二实施方式。本实施方式的推力磁轴承50的副定子磁极面64和副转子磁极面53的结构与上述第一实施方式不同。下面，主要说明与上述第一实施方式的不同点。
如图4和图5所示，副定子磁极面64包括两个第一定子面65和两个第二定子面66。副转子磁极面53包括两个第一转子面54和两个第二转子面55。
两个第一定子面65和两个第一转子面54在转子径向上相对。假设将在转子径向上彼此相对的第一定子面65和第一转子面54的对数设为Nr，则在该例中Nr＝2。两个第二定子面66与两个第二转子面55在转子轴向上相对。假设将在转子轴向上彼此相对的第二定子面66和第二转子面55的对数设为Nt，则在该例中Nt＝2。因此，在该例中，Nr＝Nt成立。
在副定子磁极面64的阴角部，在第一定子面65上形成有沿着转子径向凹陷的径向槽65a。第一定子面65的径向槽65a的宽度(图5中的左右方向长度)和第二定子面66与第二转子面55之间的转子轴向上的距离δa实质上相等。需要说明的是，该径向槽65a的宽度既可以比第二定子面66与第二转子面55之间的转子轴向上的距离δa大，也可以比其小。第一定子面65的径向槽65a优选在整个圆周上沿转子周向延伸。
在副转子磁极面53的阴角部，在第一转子面54上形成有沿着转子径向凹陷的径向槽54a。第一转子面54的径向槽54a的宽度(图5中的左右方向长度)和第二定子面66与第二转子面55之间的转子轴向上的距离δa实质上相等。需要说明的是，该径向槽54a的宽度既可以比第二定子面66与第二转子面55之间的转子轴向上的距离δa大，也可以比其小。第一转子面54的径向槽54a优选在整个圆周上沿转子周向延伸。
转子51包括突出环部56。突出环部56是位于转子轴向的一端部(具体而言是与主转子磁极面52相反一侧的端部)且朝着外径方向突出的部分。突出环部56具有一个所述第二转子面55和不与定子57相对的外周面。突出环部56的基端部的转子径向上的截面积(具体而言，沿转子周向的整个一周延伸的图5中用细虚线表示的部分的截面积)为第二定子面66中在转子轴向上与突出环部56的第二转子面55相对的部分的面积(具体而言，沿转子周向的整个一周延伸的图5中用粗虚线表示的部分的面积)以上。
－第二实施方式的效果－
采用本实施方式的推力磁轴承50，也能获得与上述第一实施方式的推力磁轴承50相同的效果。
在本实施方式的推力磁轴承50中，所述转子51在转子轴向上与所述主转子磁极面52相反一侧的端部具有突出环部56，所述突出环部56包括在转子轴向上与所述第二定子面66相对的所述第二转子面55和不与所述定子57相对的外周面，并且该突出环部56朝着外径方向突出，所述突出环部56的基端部的转子径向上的截面积为所述第二定子面66中在转子轴向上与所述突出环部56的所述第二转子面55相对的部分的面积以上。此处，流入突出环部56的磁通在突出环部56的基端部56a与下述部分之间流动，该部分为第二定子面66中在转子轴向上与突出环部56的第二转子面55相对的部分。由于前者的转子径向上的截面积在后者的面积以上，因此流入突出环部56的磁通量被后者的面积限制。这样被限制的磁通量难以达到让突出环部56磁饱和的磁通量。因此，能够抑制在突出环部56产生磁饱和。
在本实施方式的推力磁轴承50中，在所述副定子磁极面64的阴角部，在所述第一定子面65上形成有沿转子径向凹陷的径向槽65a，并且在所述副转子磁极面53的阴角部，在所述第一转子面54上形成有沿转子径向凹陷的径向槽54a。因此，在转子51沿转子轴向朝着接近定子57的方向产生了位移的情况下，在第一转子面54与第一定子面65之间产生阻碍该位移的磁阻力。其结果是，能够抑制转子51与定子57接触。
－第二实施方式的变形例－
下面说明第二实施方式的变形例。本变形例的推力磁轴承50的副定子磁极面64的结构与上述第二实施方式不同。下面，主要说明与上述第二实施方式的不同点。
如图6所示，副定子磁极面64的两个第一定子面65中更靠近主定子磁极面61(后侧或图6的左侧)的第一定子面65大幅度远离副转子磁极面53的第一转子面54。靠后侧的第一定子面65和与其相对的第一转子面54之间的转子径向上的距离δr1比靠前侧的第一定子面65和与其相对的第一转子面54之间的转子径向上的距离δr2长(δr1＞δr2)。
－第二实施方式的变形例的效果－
采用本变形例的推力磁轴承50，也能获得与上述第二实施方式相同的效果。
本变形例的推力磁轴承50的所述副定子磁极面64具有多个所述第一定子面65，最靠近所述主定子磁极面61的所述第一定子面65和与该第一定子面65相对的所述第一转子面54之间的转子径向上的距离δr1比其他的所述第一定子面65和与该第一定子面65相对的所述第一转子面54之间的转子径向上的距离δr2长。因此，磁通难以直接在主定子磁极面61与副定子磁极面64之间流动。其结果是，当电流在线圈68中流动时，能够抑制在推力磁轴承50产生的磁通在定子57内短路。
(第三实施方式)
下面说明第三实施方式。本实施方式的推力磁轴承50的副定子磁极面64和副转子磁极面53的结构与上述第一实施方式不同。下面，主要说明与上述第一实施方式的不同点。
如图7所示，副定子磁极面64包括一个第一定子面65和两个第二定子面66。副转子磁极面53包括一个第一转子面54和两个第二转子面55。
一个第一定子面65和一个第一转子面54在转子径向上相对。假设将在转子径向上彼此相对的第一定子面65和第一转子面54的对数设为Nr，则在该例中Nr＝1。两个第二定子面66与两个第二转子面55在转子轴向上相对。假设将在转子轴向上彼此相对的第二定子面66和第二转子面55的对数设为Nt，则在该例中Nt＝2。因此，在该例中，Nr＝Nt－1成立。
－第三实施方式的效果－
采用本实施方式的推力磁轴承50，也能获得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采用下述结构。
例如，副定子磁极面64所具有的第一定子面65和第二定子面66的数量、副转子磁极面53所具有的第一转子面54和第二转子面55的数量只要使Nr≥1且Nt≥2成立或者使Nr≥2且Nt≥1成立即可以任意进行改变。
此外，例如，第一定子面65与第一转子面54之间的转子径向上的距离δr也可以为第二定子面66与第二转子面55之间的转子轴向上的距离δa以下。
此外，例如，如图8所示，也可以在副定子磁极面64和副转子磁极面53中的一者相对于另一者呈凹状的阴角部，形成有兼具各轴向槽55a、66a和各径向槽54a、65a的功能的、沿转子轴向和转子径向凹陷的双向槽67。
此外，例如，各轴向槽55a、66a、各径向槽54a、65a以及双向槽67也可以仅设置在定子57和转子51中的任一者上。在副定子磁极面64和副转子磁极面53上存在多个阴角部的情况下，各轴向槽55a、66a、各径向槽54a、65a以及双向槽67可以设置于所有阴角部处，也可以仅设置于一部分阴角部处。
此外，例如，在上述各实施方式中，主定子磁极面61和主转子磁极面52沿转子径向延伸，但也可以沿除此之外的与转子轴向交叉的方向延伸。作为具体例，主定子磁极面61和主转子磁极面52在图2中沿上下方向延伸，但也可以在该图中朝左或朝右倾斜地延伸。
此外，例如，在上述各实施方式中，第一定子面65和第一转子面54沿转子轴向延伸，但也可以沿除此之外的方向且与转子径向交叉的方向延伸。作为具体例，第一定子面65和第一转子面54在图2中沿左右方向延伸，但也可以在该图中朝上或朝下倾斜地延伸。
此外，例如，在上述各实施方式中，第二定子面66和第二转子面55沿转子径向延伸，但也可以沿除此之外的与转子轴向交叉的方向延伸。作为具体例，第二定子面66和第二转子面55在图2中沿上下方向延伸，但也可以在该图中朝左或朝右倾斜地延伸。
此外，例如，靠前侧的推力磁轴承50的转子51和靠后侧的推力磁轴承50的转子51也可以彼此形成为一体。换言之，也可以取代靠前侧的推力磁轴承50和靠后侧的推力磁轴承50而设置兼具这两者功能的一个推力磁轴承(未图示)。这一个推力磁轴承能够在轴向上布置在驱动轴21的任意位置上。当然，靠前侧的推力磁轴承50和靠后侧的推力磁轴承50也可以在轴向上布置在驱动轴21的任意位置上。
此外，上述各实施方式的推力磁轴承50适用于涡轮压缩机10，但推力磁轴承50的用途不限于此。
以上对实施方式和变形例进行了说明，但应理解的是：可以在不脱离权利要求书的主旨和范围的情况下，对其方式和具体情况进行各种改变。此外，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 驱动轴
30 叶轮
50 推力磁轴承
51 转子
52 主转子磁极面
53 副转子磁极面
54 第一转子面
54a 径向槽
55 第二转子面
55a 轴向槽
56 突出环部
57 定子
61 主定子磁极面
64 副定子磁极面
65 第一定子面
65a 径向槽
66 第二定子面
66a 轴向槽
δr 转子径向上的距离
δa 转子轴向上的距离

Claims (9)

1.一种推力磁轴承，其为包括定子(57)和转子(51)的推力磁轴承(50)，其特征在于：
所述定子(57)具有主定子磁极面(61)和副定子磁极面(64)，
所述转子(51)具有在转子轴向上与所述主定子磁极面(61)相对的主转子磁极面(52)、以及与所述副定子磁极面(64)相对的副转子磁极面(53)，
所述副定子磁极面(64)包括交替设置的、一个以上的第一定子面(65)和一个以上的第二定子面(66)，所述第一定子面(65)沿转子轴向延伸，所述第二定子面(66)沿转子径向延伸，
所述副转子磁极面(53)包括交替设置的、一个以上的第一转子面(54)和一个以上的第二转子面(55)，所述第一转子面(54)沿转子轴向延伸，所述第二转子面(55)沿转子径向延伸，
将在转子径向上彼此相对的所述第一定子面(65)和所述第一转子面(54)的对数设为Nr，且将在转子轴向上彼此相对的所述第二定子面(66)和所述第二转子面(55)的对数设为Nt，则Nr≥1且Nt≥2成立、或者Nr≥2且Nt≥1成立。
2.根据权利要求1所述的推力磁轴承，其特征在于：
Nr＝Nt成立。
3.根据权利要求1或2所述的推力磁轴承，其特征在于：
所述第一定子面(65)与所述第一转子面(54)之间的转子径向上的距离(δr)比所述第二定子面(66)与所述第二转子面(55)之间的转子轴向上的距离(δa)长。
4.根据权利要求1到3中任一项权利要求所述的推力磁轴承，其特征在于：
所述转子(51)在转子轴向上与所述主转子磁极面(52)相反一侧的端部具有突出环部(56)，所述突出环部(56)包括在转子轴向上与所述第二定子面(66)相对的所述第二转子面(55)和不与所述定子(57)相对的外周面，并且该突出环部(56)朝着外径方向突出，
所述突出环部(56)的基端部的转子径向上的截面积为所述第二定子面(66)中在转子轴向上与所述突出环部(56)的所述第二转子面(55)相对的部分的面积以上。
5.根据权利要求1到4中任一项权利要求所述的推力磁轴承，其特征在于：
在所述副定子磁极面(64)的阴角部和所述副转子磁极面(53)的阴角部，在所述第一定子面(65)和所述第一转子面(54)中的至少一者上形成有沿着转子径向凹陷的径向槽(54a、65a)。
6.根据权利要求5所述的推力磁轴承，其特征在于：
所述径向槽(54a、65a)的宽度为所述第二定子面(66)与所述第二转子面(55)之间的转子轴向上的距离(δa)以下。
7.根据权利要求1到6中任一项权利要求所述的推力磁轴承，其特征在于：
在所述副定子磁极面(64)的阴角部和所述副转子磁极面(53)的阴角部，在所述第二定子面(66)和所述第二转子面(55)中的至少一者上形成有沿着转子轴向凹陷的轴向槽(55a、66a)。
8.根据权利要求7所述的推力磁轴承，其特征在于：
所述轴向槽(55a、66a)的宽度为所述第一定子面(65)与所述第一转子面(54)之间的转子径向上的距离(δr)以下。
9.一种涡轮压缩机，其特征在于：
所述涡轮压缩机包括权利要求1到8中任一项权利要求所述的推力磁轴承(50)、和驱动轴(21)，
所述推力磁轴承(50)的所述转子(51)和用于压缩流体的叶轮(30)固定在所述驱动轴(21)上，所述驱动轴(21)驱动该叶轮(30)旋转。
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