CN116783801A - 电动机系统、涡轮压缩机以及制冷装置 - Google Patents

电动机系统、涡轮压缩机以及制冷装置 Download PDF

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Abstract

电动机系统(101)包括驱动负载(120)旋转的驱动轴(130)、以及沿着驱动轴(130)的轴向并排设置的无轴承电机(170)及径向磁轴承(180)。驱动轴(130)的径向载荷由无轴承电机(170)以及径向磁轴承(180)以非接触的方式支承。在无轴承电机(170)与径向磁轴承(180)之间布置有推力磁轴承(150)。

Description

电动机系统、涡轮压缩机以及制冷装置
技术领域
本公开涉及一种电动机系统、涡轮压缩机以及制冷装置。
背景技术
迄今为止，已知有包括驱动轴和电动机(马达)的电动机系统，其中，驱动轴驱动负载使该负载旋转，电动机(马达)驱动该驱动轴使该驱动轴旋转。电动机系统用于例如将叶轮用作负载的涡轮压缩机中。现有的电动机系统包括两个径向磁轴承，上述两个径向磁轴承利用电磁力以非接触的方式支承驱动轴的径向载荷。就两个径向磁轴承而言，在马达的两侧中的每一侧分别布置有一个径向磁轴承。
近年来，为了简化电动机系统的构造，而使用了无轴承电机(bearing-lessmotor)(例如专利文献1)，所述无轴承电机被定义为“使磁力轴承功能实现磁性一体化而成的马达”。在专利文献1的电动机系统(马达装置)中，由一个无轴承电机和一个径向磁轴承支承驱动轴的径向载荷。
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平7-184345号公报
发明内容
－发明要解决的技术问题－
然而，在专利文献1的电动机系统中，与在马达的两侧中的每一侧分别布置有一个径向磁轴承的现有结构相比，径向载荷的支承点之间的距离(轴承跨距)会变短。因此，例如在应用于涡轮压缩机中的情况下，相对于围绕驱动轴重心的转矩(叶轮负载)而言，无轴承电机、径向磁轴承所承受的负载(轴承负载)比现有结构更大。其结果是，例如，会发生无轴承电机驱动驱动轴使驱动轴旋转的效率降低的问题。
此外，当在马达的两侧中的每一侧分别布置有一个径向磁轴承的现有结构实现了小型化的情况下，也会发生因轴承跨距减小而导致轴承负载增大的问题。
本公开的目的在于：在电动机系统中抑制无轴承电机或径向磁轴承所承受的负载。
－用以解决技术问题的技术方案－
本公开的第一方面涉及一种电动机系统，其包括：驱动轴130，所述驱动轴130驱动负载120旋转；以及无轴承电机170及径向磁轴承180，所述无轴承电机170及所述径向磁轴承180沿着所述驱动轴130的轴向并排设置。所述驱动轴130的径向载荷由所述无轴承电机170及所述径向磁轴承180以非接触的方式支承。在所述无轴承电机170与所述径向磁轴承180之间布置有推力磁轴承150、153A。
在第一方面中，在无轴承电机170与径向磁轴承180之间布置有推力磁轴承150、153A。因此，即使实现小型化，也容易确保无轴承电机170与径向磁轴承180之间的轴承跨距，因此能够抑制无轴承电机170、径向磁轴承180所承受的负载。
本公开的第二方面是在第一方面的基础上，包括：第一推力磁轴承153A，所述第一推力磁轴承153A布置在以所述无轴承电机170为基准时的所述径向磁轴承180一侧；以及第二推力磁轴承153B，所述第二推力磁轴承153B布置在以所述无轴承电机170为基准时的所述径向磁轴承180的相反侧。在所述无轴承电机170与所述径向磁轴承180之间布置有所述第一推力磁轴承153A。
在第二方面中，与将第一推力磁轴承153A及第二推力磁轴承153B都布置在无轴承电机170与径向磁轴承180之间的情况相比，转子组装性提高，并且能够降低由于无轴承电机170发热而引起的热膨胀对第二推力磁轴承153B产生的影响。
本公开的第三方面是在第二方面的基础上，所述第一推力磁轴承153A使磁力朝着第一方向作用于所述驱动轴130，所述第一方向是从所述第二推力磁轴承153B朝向所述第一推力磁轴承153A的方向，所述第二推力磁轴承153B使磁力朝着第二方向作用于所述驱动轴130，所述第二方向是从所述第一推力磁轴承153A朝向所述第二推力磁轴承153B的方向。在所述驱动轴130旋转时，平均值比所述第二方向上的外力的平均值大的所述第一方向上的外力作用于所述驱动轴130，所述第二推力磁轴承153B能够作用于所述驱动轴130的磁力的大小大于所述第一推力磁轴承153A能够作用于所述驱动轴130的磁力的大小。
在第三方面中，通过对难以受到热膨胀的影响的第二推力磁轴承153B进行使用了位置传感器的控制，由此能够精度良好地控制轴向位置。
本公开的第四方面是在第一到第三方面中任一方面的基础上，在所述无轴承电机170与所述负载120之间布置有所述径向磁轴承180。
在第四方面中，相比在所述无轴承电机170与所述径向磁轴承180之间布置所述负载120的情况，能够减小所述无轴承电机170所承受的轴承负载。
本公开的第五方面涉及一种涡轮压缩机100，涡轮压缩机100包括第一到第四方面中任一方面的电动机系统101，所述负载120是叶轮。
在第五方面中，能够使电动机系统101实现小型化，因此能够使涡轮压缩机100实现小型化。
本公开的第六方面涉及一种电动机系统，所述电动机系统包括：驱动轴230，所述驱动轴230驱动负载220旋转；马达270，所述马达270布置在所述驱动轴230上；第一径向磁轴承280A及第二径向磁轴承280B；以及第一推力磁轴承253A及第二推力磁轴承253B。第一径向磁轴承280A及第二径向磁轴承280B在所述驱动轴230的轴向上夹住所述马达270而分别布置在所述负载220一侧以及所述负载220的相反侧。第一推力磁轴承253A布置在以所述第二径向磁轴承280B为基准时的所述马达270一侧。第二推力磁轴承253B布置在以所述第二径向磁轴承280B为基准时的所述马达270的相反侧。所述驱动轴230的径向载荷由所述第一径向磁轴承280A及所述第二径向磁轴承280B以非接触的方式支承。在所述第一径向磁轴承280A与所述第二径向磁轴承280B之间布置有所述第一推力磁轴承253A。
在第六方面中，在第一径向磁轴承280A与第二径向磁轴承280B之间布置有第一推力磁轴承253A。因此，即使实现小型化，也容易确保第一径向磁轴承280A与第二径向磁轴承280B之间的轴承跨距，因而能够抑制第一径向磁轴承280A及第二径向磁轴承280B所承受的负载。
本公开的第七方面是在第六方面的基础上，在所述马达270与所述第一径向磁轴承280A之间布置有所述第一推力磁轴承253A。
在第七方面中，由于在马达270与第二径向磁轴承280B之间没有布置推力磁轴承，因此能够扩大在与第二径向磁轴承280B相对的区域的驱动轴230上所设置的转子部分的外径，因而容易确保第二径向磁轴承280B的输出。
本公开的第八方面涉及一种涡轮压缩机200，所述涡轮压缩机200包括第六或第七方面的电动机系统201，所述负载220是叶轮。
在第八方面中，能够使电动机系统201实现小型化，因此能够使涡轮压缩机200实现小型化。
本公开的第九方面涉及一种制冷装置，所述制冷装置包括第五或第八方面的涡轮压缩机100、200。
在第九方面中，能够使涡轮压缩机100、200实现小型化，因此能够使制冷装置实现小型化。
附图说明
图1是示出第一实施方式所涉及的电动机系统以及涡轮压缩机的构成示例的主视图。
图2是示出在图1中所示出的电动机系统的无轴承电机的构成示例的横向剖视图。
图3是示出在图1中所示出的电动机系统的径向磁轴承的构成示例的横向剖视图。
图4是示出比较例所涉及的电动机系统以及涡轮压缩机的构成示例的主视图。
图5是示出第一实施方式的变形例所涉及的电动机系统以及涡轮压缩机的构成示例的主视图。
图6是示出第二实施方式所涉及的电动机系统以及涡轮压缩机的构成示例的主视图。
图7是示出第三实施方式所涉及的空调装置(包括第一实施方式所涉及的涡轮压缩机的制冷装置之一例)的结构简图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。需要说明的是，以下的实施方式为本质上优选的示例，并没有意图限制本发明、其应用对象或其用途的范围。
(第一实施方式)
〈涡轮压缩机以及电动机系统的构成〉
本实施方式的涡轮压缩机100例如设置在进行制冷循环的制冷剂回路中而对制冷剂进行压缩。如图1所示，涡轮压缩机100包括机壳110、叶轮120、驱动轴130、触底轴承140、141、推力磁轴承150、无轴承电机170、径向磁轴承180、控制部190以及电源部191。这里，主要由驱动轴130、推力磁轴承150、无轴承电机170以及径向磁轴承180构成本实施方式的电动机系统101。在电动机系统101中，叶轮120构成负载，不过电动机系统101的负载的种类并不限于叶轮120。
需要说明的是，在本实施方式中，“轴向”是指旋转轴方向，是驱动轴130的轴心线的方向，“径向”是指与驱动轴130的轴向正交的方向。此外，"外周侧"是指更加远离驱动轴130的轴心线的一侧，“内周侧”是指更加接近驱动轴130的轴心线的一侧。
在电动机系统101中，无轴承电机170和径向磁轴承180沿着驱动轴130的轴向排列布置。驱动轴130的径向载荷由无轴承电机170以及径向磁轴承180以非接触的方式支承。
－机壳－
机壳110形成为两端封闭的圆筒状，且布置成圆筒轴线沿水平方向延伸。机壳110内的空间由壁部111划分为叶轮室112和电动机室114。叶轮室112收纳叶轮120。电动机室114主要收纳推力磁轴承150、无轴承电机170、以及径向磁轴承180。驱动轴130沿着轴向在机壳110内延伸，并将叶轮120和无轴承电机170连结起来。无轴承电机170以及径向磁轴承180构成驱动支承部。
在本实施方式中，径向磁轴承180布置在电动机室114中靠近叶轮120的那一侧，无轴承电机170布置在电动机室114中远离叶轮120的那一侧。也就是说，径向磁轴承180布置在无轴承电机170与叶轮120之间。需要说明的是，也可以是：在电动机室114中靠近叶轮120的那一侧布置有无轴承电机170，在电动机室114中远离叶轮120的那一侧布置有径向磁轴承180。也就是说，也可以是：无轴承电机170布置在径向磁轴承180与叶轮120之间。
－叶轮－
叶轮120由多个叶片形成为外形呈近似圆锥形状。叶轮120以固定在驱动轴130的一端的状态收纳在叶轮室112内。在叶轮室112，连接有吸入口115以及喷出口116，在叶轮室112的外周部，形成有压缩空间113。吸入口115是用以将制冷剂从外部引入叶轮室112内而设置的，喷出口116是用以使在叶轮室112内被压缩后的高压制冷剂返回外部而设置的。叶轮120的靠近喷出口116的一侧是高压侧且靠近吸入口115的一侧是低压侧，因此，在轴向上产生与差压成正比的制冷剂压力，该制冷剂压力朝向吸入口115的方向。此外，压缩空间113构成为涡旋状，根据运转条件不同，而会出现压力不均匀的情况，因此在径向上产生制冷剂压力。
－触底轴承－
在涡轮压缩机100中，设置有两个触底轴承140、141。一个触底轴承140设置在驱动轴130的一端部(靠近叶轮120侧的端部)附近，另一个触底轴承141设置在驱动轴130的另一端部附近。上述触底轴承140、141构成为：在无轴承电机170以及径向磁轴承180处于非通电的状态时，换言之，在驱动轴130未悬浮时，支承驱动轴130。
需要说明的是，为了扩大无轴承电机170与径向磁轴承180之间的轴承跨距，也可以将触底轴承140布置在推力磁轴承150与径向磁轴承180之间。
－推力磁轴承－
在本实施方式中，推力磁轴承150布置在无轴承电机170与径向磁轴承180之间。推力磁轴承150具有使磁力沿着轴向上的两个方向作用于驱动轴130的结构。具体而言，推力磁轴承150具有第一电磁铁151及第二电磁铁152，第一电磁铁151及第二电磁铁152分别布置在圆盘部(推力圆盘)131的轴向上的两侧，圆盘部131设置在驱动轴130上。由此，推力磁轴承150能够利用电磁力以非接触的方式支承圆盘部131。此外，推力磁轴承150能够通过控制在第一电磁铁151及第二电磁铁152中流动的电流，从而来控制圆盘部131(即驱动轴130)在第一电磁铁151及第二电磁铁152的相对方向(即轴向)上的位置。
－无轴承电机－
无轴承电机170构成为：利用电磁力驱动驱动轴130旋转且以非接触的方式支承驱动轴130的径向载荷。无轴承电机170具有转子171和定子174。转子171固定在驱动轴130上。定子174固定在机壳110的内周壁上。
如图2所示，无轴承电机170也可以是例如交替极式无轴承电机。需要说明的是，无轴承电机170也可以是其他形式的电机，例如BPM式电机、同步磁阻(SynchronousReluctance)式电机等。无轴承电机170的定子174具有背轭部175、多个齿部(省略图示)、卷绕在各齿部上的驱动用线圈176a～176c以及支承用线圈177a～177c。无轴承电机170的转子171具有铁芯部172、以及埋设在铁芯部172中的多个(在本示例中为四个)永久磁铁173。
定子174由磁性材料(例如电磁铜板)形成。定子174的背轭部175形成为圆筒状。定子174的齿部形成为从背轭部175朝向径向内侧突出。驱动用线圈176a～176c以及支承用线圈177a～177c以分布绕组方式卷绕在各齿部上。需要说明的是，驱动用线圈176a～176c以及支承用线圈177a～177c也可以以集中绕组方式卷绕在各齿部上。
驱动用线圈176a～176c是卷绕在齿部的内周侧的线圈。驱动用线圈176a～176c也可以由在图2中用粗实线围起来表示的U相驱动用线圈176a、用粗虚线围起来表示的V相驱动用线圈176b、和用细实线围起来表示的W相驱动用线圈176c构成。
支承用线圈177a～177c是卷绕在齿部的外周侧的线圈。支承用线圈177a～177c也可以由在图2中用粗实线围起来表示的U相支承用线圈177a、用粗虚线围起来表示的V相支承用线圈177b、和用细实线围起来表示的W相支承用线圈177c构成。
转子171的铁芯部172形成为圆筒状。在铁芯部172的中央部，形成有用于挿通驱动轴130的轴孔(省略图示)。铁芯部172由磁性材料(例如电磁铜板)形成。在铁芯部172的外周面附近，在圆周方向上以90°角间距AP1埋设有四个永久磁铁173，上述四个永久磁铁173具有沿着该外周面延伸的形状。上述四个永久磁铁173各自的形状相同。各永久磁铁173的外周面侧为N极，各永久磁铁173之间的铁芯部172的外周面为类似S极。需要说明的是，各永久磁铁173的外周面侧也可以为S极。
在由各永久磁铁173生成的磁铁磁通、为了驱动叶轮120以及驱动轴130进行旋转而生成的驱动用磁通、以及为了以非接触的方式支承驱动轴130的径向载荷而生成的支承用磁通的相互作用下，无轴承电机170使驱动扭矩以及支承力同时产生。这里，由于支承力是因转子171与定子174之间的间隙的磁通密度产生不均衡而得到的，因此使支承力越大，则该间隙的磁通密度就会越不均衡。因此，在互相相对的转子171的铁芯部172、永久磁铁173与定子174的齿部前端，涡流损耗变大，其结果是无轴承电机170的效率降低。
－径向磁轴承－
径向磁轴承180构成为以非接触的方式支承驱动轴130的径向载荷。径向磁轴承180固定在机壳110的内周壁上。
如图3所示，径向磁轴承180例如是异极型径向磁轴承。径向磁轴承180具有定子181和多个线圈184，定子181具有背轭部182以及多个齿部183，多个线圈184卷绕在齿部183上。径向磁轴承180利用电磁力，以非接触的方式支承驱动轴130的径向载荷，上述电磁力是由从电源部191流向各线圈184的电流产生的。在各线圈184中流动的电流的方向例如被设定为：所生成的支承用磁通BS1的方向为图3的箭头方向。
在本实施方式中，支承驱动轴130的径向载荷的磁通是径向磁轴承180的支承用磁通BS1与上述的无轴承电机170的支承用磁通之和。
需要说明的是，在本实施方式中，在无轴承电机170与叶轮120之间布置了径向磁轴承180，不过也可以取代这种方式，而将径向磁轴承180布置在驱动轴130的一端侧且将叶轮120布置在无轴承电机170与径向磁轴承180之间。然而，如本实施方式所述，将径向磁轴承180布置在无轴承电机170与叶轮120之间时，能够减小无轴承电机170所承受的轴承负载。
－控制部－
为了使驱动轴130的位置位于所期望的位置上，控制部190根据各种传感器(省略图示)的检测值、以及叶轮120及驱动轴130的目标转速，输出对向推力磁轴承150供给的电压进行控制的指令值、对向无轴承电机170及径向磁轴承180供给的电压进行控制的指令值。各种传感器例如是能够检测圆盘部131与推力磁轴承150之间的间隙的间隙传感器、能够检测无轴承电机170中的定子174与转子171之间的间隙的间隙传感器、以及能够检测驱动轴130与径向磁轴承180之间的间隙的间隙传感器。
控制部190例如能够由微型计算机(省略图示)、和使微型计算机工作的程序构成。
－电源部－
电源部191根据来自控制部190的指令值，分别向推力磁轴承150、无轴承电机170、以及径向磁轴承180供给电压。电源部191例如能够由PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)放大器构成。电源部191构成电路。
＜第一实施方式的特征＞
本实施方式的电动机系统101包括驱动叶轮120旋转的驱动轴130、以及沿着驱动轴130的轴向并排设置的无轴承电机170和径向磁轴承180。驱动轴130的径向载荷由无轴承电机170以及径向磁轴承180以非接触的方式支承。
根据本实施方式，推力磁轴承150布置在无轴承电机170与径向磁轴承180之间。因此，即使使电动机系统101实现小型化，也容易确保无轴承电机170与径向磁轴承180之间的轴承跨距。因此，能够抑制无轴承电机170、径向磁轴承180所承受的负载。由此，能够抑制：无轴承电机170驱动驱动轴130使驱动轴130旋转的效率因涡流损耗而降低。此外，能够在抑制电动机系统101的效率降低的同时使电动机系统101实现小型化，因此能够使包括电动机系统101的涡轮压缩机100实现小型化。
图4是示出比较例所涉及的电动机系统101A以及涡轮压缩机100A的构成示例的主视图。需要说明的是，在图4中，对于与图1所示的本实施方式的电动机系统101以及涡轮压缩机100相同的构成要素标注相同的符号。
图4所示的比较例的电动机系统101A以及涡轮压缩机100A与本实施方式的不同之处在于，在图4所示的比较例的电动机系统101A以及涡轮压缩机100A中，推力磁轴承150布置在驱动轴130的另一端部(与固定有叶轮120的一端部相反一侧的端部)。换言之，推力磁轴承150并没有布置在无轴承电机170与径向磁轴承180之间。因此，在比较例的电动机系统101A中，与本实施方式相比，无轴承电机170与径向磁轴承180之间的轴承跨距变短。因此，无轴承电机170、径向磁轴承180所承受的负载则大于本实施方式，因而导致无轴承电机170驱动驱动轴130使驱动轴130旋转的效率降低。
(第一实施方式的变形例)
图5是示出第一实施方式的变形例所涉及的电动机系统101以及涡轮压缩机100的构成示例的主视图。需要说明的是，在图5中，对于与图1所示的第一实施方式的电动机系统101以及涡轮压缩机100相同的构成要素标注相同的符号。
图5所示的本变形例的电动机系统101以及涡轮压缩机100与第一实施方式的不同之处在于，在本变形例的电动机系统101以及涡轮压缩机100中，作为推力磁轴承，包括第一推力磁轴承153A以及第二推力磁轴承153B。第一推力磁轴承153A布置在以无轴承电机170为基准时的径向磁轴承180一侧，更详细而言，布置在无轴承电机170与径向磁轴承180之间。第二推力磁轴承153B布置在以无轴承电机170为基准时的径向磁轴承180的相反侧，更详细而言，布置在驱动轴130的另一端部(与固定有叶轮120的一端部相反的一侧的端部)。
第一推力磁轴承153A以及第二推力磁轴承153B分别具有使磁力朝着轴向的一个方向而作用于驱动轴130的结构。具体而言，第一推力磁轴承153A使磁力朝着第一方向而作用于驱动轴130，其中，上述第一方向是从第二推力磁轴承153B朝向第一推力磁轴承153A的方向(即，第一方向是从无轴承电机170朝向径向磁轴承180的方向)。此外，第二推力磁轴承153B使磁力朝着第二方向而作用于驱动轴130，其中，上述第二方向是从第一推力磁轴承153A朝向第二推力磁轴承153B的方向(即，第二方向是从径向磁轴承180朝向无轴承电机170的方向)。
需要说明的是，在本变形例中，由于叶轮120的制冷剂压力，而使得平均值比第二方向上的外力的平均值大的第一方向上的外力作用于旋转时的驱动轴130上。因此，第二推力磁轴承153B能够作用于驱动轴130的磁力的大小被设定为大于第一推力磁轴承153A能够作用于驱动轴130的磁力的大小。
第一推力磁轴承153A以及第二推力磁轴承153B构成为：没有在驱动轴130上设置像第一实施方式那样的推力圆盘(圆盘部131)。具体而言，在无轴承电机170的转子171的轴向上的两侧形成有台阶部171a、171b，第一推力磁轴承153A使磁力朝着第一方向而作用于所述台阶部171a、171b的轴向侧面，并且第二推力磁轴承153B使磁力朝着第二方向而作用于所述台阶部171a、171b的轴向侧面。需要说明的是，当在驱动轴130上设置与径向磁轴承180相对的转子部分的情况下，如果使转子171的外径大于该转子部分的外径，则能够在径向磁轴承180侧设置台阶部171a，对此省略了图示。
本变形例的各推力磁轴承153A、153B构成为相对于驱动轴130的轴心线形成轴对称。各推力磁轴承153A、153B具有：固定在机壳110的内周壁上的铁心部156A、156B；以及布置在铁心部156A、156B内的线圈157A、157B。铁心部156A、156B具有彼此形成为一体的第一凸缘部154A、154B以及第二凸缘部155A、155B。例如可以通过切削构造用钢来构成铁心部156A、156B，当在意铁损耗的情况下，也可以通过层叠电磁铜板来构成铁心部156A、156B或由压粉磁芯等其他磁性材料构成铁心部156A、156B。
第一凸缘部154A、154B形成为：铁心部156A、156B的远离无轴承电机170的那一侧的轴向端部朝向径向内侧伸出。第一凸缘部154A、154B的径向内侧面与驱动轴130的外周面隔开规定的距离。在第一凸缘部154A、154B的径向内侧部，构成有定子磁极面，定子磁极面与转子171的各台阶部171a、171b的轴向侧面分开且彼此相对。
第二凸缘部155A、155B形成为：铁心部156A、156B的靠近无轴承电机170的那一侧的轴向端部朝向径向内侧伸出。第二凸缘部155A、155B的径向内侧面与转子171的各台阶部171a、171b的外周面隔开规定的距离。
线圈157A、157B呈环状地布置在第一凸缘部154A、154B与第二凸缘部155A、155B之间的空间内。线圈157A、157B与电源部191连接，电流从电源部191流向线圈157A、157B，由此产生磁通。因此，在转子171的各台阶部171a、171b的轴向侧面与各推力磁轴承153A、153B的定子磁极面之间，产生轴向的电磁力，利用该轴向的电磁力，对包括驱动轴130在内的旋转系统所承受的轴向负载进行支承。
需要说明的是，本变形例的控制部190并不是根据通过传感器检测出第一实施方式中的圆盘部131与推力磁轴承150之间的间隙而得到的值，而是根据通过传感器检测出各台阶部171a、171b的轴向侧面与各推力磁轴承153A、153B的定子磁极面之间的间隙而得到的值，来输出各种指令值。
＜第一实施方式的变形例的特征＞
根据本变形例，第一推力磁轴承153A布置在无轴承电机170与径向磁轴承180之间。因此，即使使电动机系统101实现小型化，也容易确保无轴承电机170与径向磁轴承180之间的轴承跨距。因此，能够抑制无轴承电机170、径向磁轴承180所承受的负载。由此，能够抑制：无轴承电机170驱动驱动轴130使驱动轴130旋转的效率降低。此外，能够在抑制电动机系统101的效率降低的同时使电动机系统101实现小型化，因此能够使包括电动机系统101的涡轮压缩机100实现小型化。
此外，根据本变形例，第二推力磁轴承153B布置在以无轴承电机170为基准时的径向磁轴承180的相反侧。换言之，第二推力磁轴承153B并没有布置在无轴承电机170与径向磁轴承180之间。因此，与将第一推力磁轴承153A以及第二推力磁轴承153B都布置在无轴承电机170与径向磁轴承180之间的情况相比，转子组装性提高。例如，为了支承驱动轴130的径向载荷，径向磁轴承180、无轴承电机170通常热装在机壳110内。在本变形例的情况下，能够在径向磁轴承180以及无轴承电机170的热装结束之后再插入转子，因此能够避免存在于转子处的永久磁铁出现消磁的现象。然而，在采用第一实施方式的构造的情况下，需要在插入转子之后再热装径向磁轴承180，因此位于转子处的永久磁铁存在消磁的风险。
此外，根据本变形例，在无轴承电机170与径向磁轴承180之间不布置第二推力磁轴承153B，由此，能够降低因无轴承电机170发热而引发的热膨胀对第二推力磁轴承153B产生的影响。具体而言，如下所述。第一推力磁轴承153A使磁力朝着从第二推力磁轴承153B向第一推力磁轴承153A的第一方向作用于驱动轴130，第二推力磁轴承153B使磁力朝着从第一推力磁轴承153A向第二推力磁轴承153B的第二方向作用于驱动轴130。这里，在驱动轴130旋转时，平均值比第二方向上的外力的平均值大的第一方向上的外力作用于驱动轴130，第二推力磁轴承153B能够作用于驱动轴130的磁力的大小大于第一推力磁轴承153A能够作用于驱动轴130的磁力的大小。因此，通过对于难以受到热膨胀的影响的第二推力磁轴承153B使用位置传感器(间隙传感器)，由此，在对第二推力磁轴承153B进行了间隙长度管理的情况下对第二推力磁轴承153B进行控制，相对于此，在没有对第一推力磁轴承153A进行间隙长度管理的情况下对第一推力磁轴承153A进行控制，由此能够精度良好地控制轴向位置。
此外，根据本变形例，第一推力磁轴承153A的支承力(能够作用于驱动轴130的磁力的大小)较小，因而能够减小无轴承电机170的转子171的阶梯差(台阶部171a)。因此，能够扩大与径向磁轴承180相对的转子部分(省略图示)的外径，因而容易确保径向磁轴承180的输出。
＜对于第一实施方式及其变形例的轴承负载的评价＞
在图5所示的第一实施方式的变形例的涡轮压缩机100中，以不将第一推力磁轴承153A布置在无轴承电机170与径向磁轴承180之间而是将其布置在径向磁轴承180与叶轮120之间时的轴承负载为基准，通过模拟来评价了第一实施方式及其变形例的轴承负载。
其结果是，在第一实施方式中，径向磁轴承180的轴承负载减少了约23％，无轴承电机170的轴承负载减少了约41％。此外，在第一实施方式的变形例中，径向磁轴承180的轴承负载减少了约20％，无轴承电机170的轴承负载减少了约29％。
需要说明的是，在模拟中，将涡轮压缩机100的各构成部件的数量、尺寸、包括驱动轴130的驱动系统的重量、旋转速度都设定为相等。
(第二实施方式)
〈涡轮压缩机以及电动机系统的构成〉
本实施方式的涡轮压缩机200设置在例如进行制冷循环的制冷剂回路中而对制冷剂进行压缩。如图6所示，涡轮压缩机200包括机壳210、叶轮220、驱动轴230、触底轴承240、241、第一推力磁轴承253A及第二推力磁轴承253B、马达270、第一径向磁轴承280A及第二径向磁轴承280B、控制部290以及电源部291。这里，主要由驱动轴230、第一推力磁轴承253A及第二推力磁轴承253B、马达270、以及第一径向磁轴承280A及第二径向磁轴承280B构成本实施方式的电动机系统201。在电动机系统201中，叶轮220构成负载，然而电动机系统201的负载的种类并不限于叶轮220。
需要说明的是，在本实施方式中，“轴向”是指旋转轴方向，是指驱动轴230的轴心线的方向，“径向”是指与驱动轴230的轴向正交的方向。此外，“外周侧”是指更加远离驱动轴230的轴心线的一侧，“内周侧”是指更加接近驱动轴230的轴心线的一侧。
在电动机系统201中，第一径向磁轴承280A以及第二径向磁轴承280B在驱动轴230的轴向上夹住马达270而分别布置在靠近叶轮220的那一侧以及叶轮220的相反侧。由第一径向磁轴承280A以及第二径向磁轴承280B以非接触的方式支承驱动轴230的径向载荷。第一推力磁轴承253A布置在以第二径向磁轴承280B为基准时的马达270一侧，更详细而言，布置在马达270与第一径向磁轴承280A之间。第二推力磁轴承253B布置在以第二径向磁轴承280B为基准时的马达270的相反侧，更详细而言，布置在驱动轴230的另一端部(与固定有叶轮220的一端部相反的一侧的端部)。
－机壳－
机壳210形成为两端封闭的圆筒状，且布置成圆筒轴线沿水平方向延伸。机壳210内的空间由壁部211划分为叶轮室212和电动机室214。叶轮室212收纳叶轮220。电动机室214主要收纳第一推力磁轴承253A及第二推力磁轴承253B、马达270、以及第一径向磁轴承280A及第二径向磁轴承280B。驱动轴230在机壳210内沿轴向延伸，并将叶轮220与马达270连结起来。第一径向磁轴承280A及第二径向磁轴承280B构成驱动支承部。
－叶轮－
叶轮220由多个叶片形成为外形呈近似圆锥形状。叶轮220以固定在驱动轴230的一端的状态收纳在叶轮室212内。在叶轮室212，连接有吸入口215以及喷出口216，在叶轮室212的外周部，形成有压缩空间213。吸入口215是用以将制冷剂从外部引入叶轮室212内而设置的，喷出口216是用以使在叶轮室212内被压缩后的高压制冷剂返回外部而设置的。叶轮220的靠近喷出口216的一侧是高压侧且靠近吸入口215的一侧是低压侧，因此，在轴向上产生与差压成正比的制冷剂压力，该制冷剂压力朝向吸入口215的方向。此外，压缩空间213构成为涡旋状，根据运转条件不同，而会出现压力不均匀的情况，因此在径向上产生制冷剂压力。
－触底轴承－
在涡轮压缩机201中，设置有两个触底轴承240、241。一个触底轴承240设置在驱动轴230的一端部(靠近叶轮220侧的端部)附近，另一个触底轴承241设置在驱动轴230的另一端部附近。上述触底轴承240、241构成为：在第一径向磁轴承280A以及第二径向磁轴承280B处于非通电的状态时，换言之，在驱动轴230未悬浮时，支承驱动轴230。
需要说明的是，为了扩大马达270与第一径向磁轴承280A之间的轴承跨距，也可以将触底轴承240布置在第一推力磁轴承253A与第一径向磁轴承280A之间。
－推力磁轴承－
第一推力磁轴承253A以及第二推力磁轴承253B分别具有使磁力朝向轴向的一个方向而作用于驱动轴230的结构。具体而言，第一推力磁轴承253A使磁力朝着第一方向而作用于驱动轴230，其中，上述第一方向是从第二推力磁轴承253B朝向第一推力磁轴承253A的方向(即，第一方向是从马达270朝向第一径向磁轴承280A的方向)。此外，第二推力磁轴承253B使磁力朝着第二方向而作用于驱动轴230，其中，上述第二方向是从第一推力磁轴承253A朝向第二推力磁轴承253B的方向(即，第二方向是从马达270朝向第二径向磁轴承280B的方向)。
需要说明的是，在本实施方式中，由于叶轮220的制冷剂压力，而使得平均值比第二方向上的外力的平均值大的第一方向上的外力作用于旋转时的驱动轴230上。因此，第二推力磁轴承253B能够作用于驱动轴230的磁力的大小被设定为大于第一推力磁轴承253A能够作用于驱动轴230的磁力的大小。
第一推力磁轴承253A以及第二推力磁轴承253B构成为：没有在驱动轴230上设置像第一实施方式那样的推力圆盘(圆盘部131)。具体而言，在马达270的转子271的轴向上的两侧形成有台阶部271a、271b，第一推力磁轴承253A使磁力朝着第一方向而作用于所述台阶部271a、271b的轴向侧面，并且第二推力磁轴承253B使磁力朝着第二方向作用于所述台阶部271a、271b的轴向侧面。需要说明的是，当在驱动轴230上设置与第一径向磁轴承280A相对的转子部分的情况下，如果使转子271的外径大于该转子部分的外径，则能够在第一径向磁轴承280A侧设置台阶部271a，对此省略了图示。
本实施方式的各推力磁轴承253A、253B构成为相对于驱动轴130的轴心线形成轴对称。各推力磁轴承253A、253B具有：固定在机壳210的内周壁上的铁心部256A、256B；以及布置在铁心部256A、256B内的线圈257A、257B。铁心部256A、256B具有彼此形成为一体的第一凸缘部254A、254B以及第二凸缘部255A、255B。例如可以通过层叠电磁铜板来构成铁心部256A、256B，或者也可以用压粉磁芯等其他磁性材料构成铁心部256A、256B。
第一凸缘部254A、254B形成为：铁心部256A、256B的远离马达270的那一侧的轴向端部朝向径向内侧伸出。第一凸缘部254A、254B的径向内侧面与驱动轴230的外周面隔开规定的距离。在第一凸缘部254A、254B的径向内侧部，构成有定子磁极面，定子磁极面与转子271的各台阶部271a、271b的轴向侧面分开且彼此相对。
第二凸缘部255A、255B形成为：铁心部256A、256B的靠近马达270的那一侧的轴向端部朝向径向内侧伸出。第二凸缘部255A、255B的径向内侧面与转子271的各台阶部271a、271b的外周面隔开规定的距离。
线圈257A、257B呈环状地布置在第一凸缘部254A、254B与第二凸缘部255A、255B之间的空间内。线圈257A、257B与电源部291连接，电流从电源部291流向线圈257A、257B，由此产生磁通。由此，在转子271的各台阶部271a、271b的轴向侧面与各推力磁轴承253A、253B的定子磁极面之间，产生轴向的电磁力，利用该轴向的电磁力，对包括驱动轴230在内的旋转系统所承受的轴向负载进行支承。
－马达－
马达270构成为：利用电磁力驱动驱动轴230旋转。马达270具有转子271和定子274。转子271固定在驱动轴230上。定子274固定在机壳210的内周壁上。转子271具有铁芯部和多个(例如四个)永久磁铁，对此省略了图示。定子274具有背轭部、多个齿部和卷绕在各齿部上的线圈。
－径向磁轴承－
第一径向磁轴承280A及第二径向磁轴承280B构成为：以非接触的方式支承驱动轴230的径向载荷。第一径向磁轴承280A及第二径向磁轴承280B固定在机壳210的内周壁上。第一径向磁轴承280A及第二径向磁轴承280B分别具有与图3所示的第一实施方式的径向磁轴承180相同的结构。
在本实施方式中，支承驱动轴230的径向载荷的磁通是第一径向磁轴承280A及第二径向磁轴承280B各自的支承用磁通之和。
需要说明的是，在本实施方式中，在马达270与叶轮220之间布置了第一径向磁轴承280A，不过也可以取代这种方式，而将第一径向磁轴承280A布置在驱动轴230的一端侧，且将叶轮220布置在马达270与第一径向磁轴承280A之间。然而，如本实施方式所述，在将第一径向磁轴承280A布置在马达270与叶轮220之间时，能够减小第二径向磁轴承280B所承受的轴承负载。
此外，在本实施方式中，在马达270与第一径向磁轴承280A之间布置了第一推力磁轴承253A。换言之，在马达270与第二径向磁轴承280B之间并没有布置推力磁轴承。因此，能够扩大在与第二径向磁轴承280B相对的区域的驱动轴230上所设置的转子部分的外径，因而容易确保第二径向磁轴承280B的输出。然而，也可以取代上述方式，而在马达270与第二径向磁轴承280B之间布置第一推力磁轴承253A。换言之，也可以在马达270与第一径向磁轴承280A之间不布置推力磁轴承。这样一来，能够扩大在与第一径向磁轴承280A相对的区域的驱动轴230上所设置的转子部分的外径，因而容易确保第一径向磁轴承280A的输出。
－控制部－
为了使驱动轴230的位置位于所期望的位置上，控制部290根据各种传感器(省略图示)的检测值、以及叶轮220及驱动轴230的目标转速，输出对向各推力磁轴承253A、253B供给的电压进行控制的指令值、对向马达270及各径向磁轴承280A、280B供给的电压进行控制的指令值。各种传感器例如是能够检测各台阶部271a、271b的轴向侧面与各推力磁轴承253A、253B的定子磁极面之间的间隙的间隙传感器、以及能够检测驱动轴230与各径向磁轴承280A、280B之间的间隙的间隙传感器。
控制部290例如能够由微型计算机(省略图示)、和使微型计算机工作的程序构成。
－电源部－
电源部291根据来自控制部290的指令值，分别向各推力磁轴承253A、253B、马达270、以及各径向磁轴承280A、280B供给电压。电源部291例如能够由PWM(Pulse WidthModulation)放大器构成。电源部291构成电路。
＜第二实施方式的特征＞
本实施方式的电动机系统201包括驱动负载220旋转的驱动轴230、布置在驱动轴230上的马达270、第一径向磁轴承280A及第二径向磁轴承280B、以及第一推力磁轴承253A及第二推力磁轴承253B。第一径向磁轴承280A以及第二径向磁轴承280B在驱动轴230的轴向上夹住马达270而分别布置在靠近负载220的那一侧以及负载220的相反侧。第一推力磁轴承253A布置在以第二径向磁轴承280B为基准时的马达270一侧。第二推力磁轴承253B布置在以第二径向磁轴承280B为基准时的马达270的相反侧。由第一径向磁轴承280A以及第二径向磁轴承280B以非接触的方式支承驱动轴230的径向载荷。
根据本实施方式，在第一径向磁轴承280A与第二径向磁轴承280B之间布置有第一推力磁轴承253A。因此，即使实现小型化，也容易确保第一径向磁轴承280A与第二径向磁轴承280B之间的轴承跨距，因而能够抑制第一径向磁轴承280A及第二径向磁轴承280B所承受的负载。因此，能够使第一径向磁轴承280A及第二径向磁轴承280B实现小型化来使电动机系统201实现小型化，因而能够使包括电动机系统201的涡轮压缩机200实现小型化。
(第三实施方式)
以下，参照图7，对包括由第一实施方式的电动机系统101驱动的涡轮压缩机(以下，简称为压缩机)100的制冷装置之一例即空调装置1进行说明。
空调装置1是通过蒸气压缩式制冷循环来对对象空间进行空气调节的装置。空调装置1能够执行制冷运转，空调装置1主要包括压缩机100、热源侧热交换器3、膨胀机构4、和利用侧热交换器5。
压缩机100经由吸入口115吸入在吸入管6中流动的低压制冷剂，将经由吸入口115吸入的制冷剂压缩而使其成为高压制冷剂后，再经由喷出口116向喷出管7喷出高压制冷剂。需要说明的是，吸入管6是向压缩机100的吸入侧(吸入口115)引导从利用侧热交换器5流出来的制冷剂的制冷剂管，喷出管7是向热源侧热交换器3的入口引导从压缩机100经由喷出口116喷出的制冷剂的制冷剂管。
如第一实施方式中所述的那样，压缩机100主要包括无轴承电机170、驱动轴130和叶轮120。从驱动轴130向叶轮120传递无轴承电机170的驱动力，叶轮120以驱动轴130为轴心进行旋转。由此，压缩机100压缩经由吸入口115流进来的吸入制冷剂。
热源侧热交换器3发挥制冷剂的散热器的作用，其通过使制冷剂与作为冷却源的水或空气进行热交换，来使从压缩机100喷出的制冷剂放热。热源侧热交换器3的一端经由喷出管7与压缩机100的喷出口116连接。热源侧热交换器3的另一端与膨胀机构4连接。
膨胀机构4是对在热源侧热交换器3中放热后的制冷剂进行减压的机构，膨胀机构4例如由电动膨胀阀构成。膨胀机构4的一端与热源侧热交换器3连接。膨胀机构4的另一端与利用侧热交换器5连接。
利用侧热交换器5发挥制冷剂的加热器的作用，其通过使制冷剂与作为加热源的水或空气进行热交换，来对在膨胀机构4中减压后的制冷剂进行加热。利用侧热交换器5的一端与膨胀机构4连接。利用侧热交换器5的另一端经由吸入管6与压缩机100的吸入口115连接。
如以上所说明的那样，在空调装置1中，压缩机100、热源侧热交换器3、膨胀机构4以及利用侧热交换器5由包括吸入管6以及喷出管7在内的制冷剂管道依次连接起来，由此而构成供制冷剂循环的路径8。
根据本实施方式的制冷装置(空调装置1)，由于使用由第一实施方式的电动机系统101驱动的压缩机100，因此能够实现制冷装置的小型化。
需要说明的是，在本实施方式中，示例性地示出了使用第一实施方式的压缩机100以及电动机系统101作为压缩机以及电动机系统的情况。然而，不采用上述方式，而在使用第一实施方式的变形例的压缩机100以及电动机系统101作为压缩机以及电动机系统、或者使用第二实施方式的压缩机200以及电动机系统201作为压缩机以及电动机系统的情况下，也能够得到与本实施方式相同的效果。
(其他实施方式)
在所述各实施方式(包括变形例。以下相同。)中，对将一级叶轮120、220用作负载的电动机系统101、201以及涡轮压缩机100、200进行了说明，不过，也可以不采用上述方式，而构成在一端上将二级以上的叶轮用作负载的电动机系统以及涡轮压缩机。
以上，对实施方式进行了说明，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，对方式或方案进行各种变更。此外，只要不影响本公开的对象的功能，还可以适当地组合或替换以上的实施方式。以上所述的“第一”、“第二”、……等词语用于区分记载有这些词语的语句，并不用于限定该语句的数量、顺序。
－产业实用性－
综上所述，本公开对于电动机系统、涡轮压缩机以及制冷装置是有用的。
－符号说明－
100、200 涡轮压缩机
101、201 电动机系统
120、220 叶轮(负载)
130、230 驱动轴
150 推力磁轴承
153A、253A第一推力磁轴承
153B、253B第二推力磁轴承
170 无轴承电机
180 径向磁轴承
270 马达
280A第一径向磁轴承
280B第二径向磁轴承

Claims (9)

1.一种电动机系统，其特征在于：
所述电动机系统包括：
驱动轴(130)，所述驱动轴(130)驱动负载(120)旋转；以及
无轴承电机(170)及径向磁轴承(180)，所述无轴承电机(170)及所述径向磁轴承(180)沿着所述驱动轴(130)的轴向并排设置，
所述驱动轴(130)的径向载荷由所述无轴承电机(170)以及所述径向磁轴承(180)以非接触的方式支承，
在所述无轴承电机(170)与所述径向磁轴承(180)之间，布置有推力磁轴承(150、153A)。
2.根据权利要求1所述的电动机系统，其特征在于：
所述电动机系统包括：
第一推力磁轴承(153A)，所述第一推力磁轴承(153A)布置在以所述无轴承电机(170)为基准时的所述径向磁轴承(180)一侧；以及
第二推力磁轴承(153B)，所述第二推力磁轴承(153B)布置在以所述无轴承电机(170)为基准时的所述径向磁轴承(180)的相反侧，
在所述无轴承电机(170)与所述径向磁轴承(180)之间，布置有所述第一推力磁轴承(153A)。
3.根据权利要求2所述的电动机系统，其特征在于：
所述第一推力磁轴承(153A)使磁力朝着第一方向作用于所述驱动轴(130)，所述第一方向是从所述第二推力磁轴承(153B)朝向所述第一推力磁轴承(153A)的方向，
所述第二推力磁轴承(153B)使磁力朝着第二方向作用于所述驱动轴(130)，所述第二方向是从所述第一推力磁轴承(153A)朝向所述第二推力磁轴承(153B)的方向，
在所述驱动轴(130)旋转时，平均值比所述第二方向上的外力的平均值大的所述第一方向上的外力作用于所述驱动轴(130)，
所述第二推力磁轴承(153B)能够作用于所述驱动轴(130)的磁力的大小大于所述第一推力磁轴承(153A)能够作用于所述驱动轴(130)的磁力的大小。
4.根据权利要求1到3中任一项权利要求所述的电动机系统，其特征在于：
在所述无轴承电机(170)与所述负载(120)之间，布置有所述径向磁轴承(180)。
5.一种涡轮压缩机，其特征在于：
所述涡轮压缩机是包括权利要求1到4中任一项权利要求所述的电动机系统(101)的涡轮压缩机(100)，
所述负载(120)是叶轮。
6.一种电动机系统，其特征在于：
所述电动机系统包括：
驱动轴(230)，所述驱动轴(230)驱动负载(220)旋转；
马达(270)，所述马达(270)布置在所述驱动轴(230)上；
第一径向磁轴承(280A)及第二径向磁轴承(280B)，所述第一径向磁轴承(280A)及所述第二径向磁轴承(280B)在所述驱动轴(230)的轴向上夹住所述马达(270)而分别布置在所述负载(220)一侧以及所述负载(220)的相反侧；
第一推力磁轴承(253A)，所述第一推力磁轴承(253A)布置在以所述第二径向磁轴承(280B)为基准时的所述马达(270)一侧；以及
第二推力磁轴承(253B)，所述第二推力磁轴承(253B)布置在以所述第二径向磁轴承(280B)为基准时的所述马达(270)的相反侧，
所述驱动轴(230)的径向载荷由所述第一径向磁轴承(280A)及所述第二径向磁轴承(280B)以非接触的方式支承，
在所述第一径向磁轴承(280A)与所述第二径向磁轴承(280B)之间，布置有所述第一推力磁轴承(253A)。
7.根据权利要求6所述的电动机系统，其特征在于：
在所述马达(270)与所述第一径向磁轴承(280A)之间，布置有所述第一推力磁轴承(253A)。
8.一种涡轮压缩机，其特征在于：
所述涡轮压缩机是包括权利要求6或7所述的电动机系统(201)的涡轮压缩机(200)，
所述负载(220)是叶轮。
9.一种制冷装置，其特征在于：
所述制冷装置包括权利要求5或8所述的涡轮压缩机(100、200)。
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