JP2016142407A - ターボ圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の小型化を図れ、利用範囲が広いターボ圧縮機の提供。
【解決手段】電動機２０と、電動機２０の出力軸２１に接続された増速機と、増速機を介して回転するインペラ１３，１４と、を備え、増速機は、磁気歯車装置３０であり、磁気歯車装置３０は、永久磁石４２Ｎ，４２Ｓを複数有するステータ４０と、永久磁石５２Ｎ，５２Ｓを複数有する高速ロータ５０と、磁極片６１を複数有する低速ロータ６０と、が同心状に配置された磁気波動歯車３１を含み、低速ロータ６０が、電動機２０の出力軸２１に接続されている、ターボ圧縮機１を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボ圧縮機に関するものである。

インペラを回転させて流体を圧縮するターボ圧縮機として、下記特許文献１に記載のターボ圧縮機が知られている。このターボ圧縮機は、電動機に接続されるブルギヤ（大歯車）にピニオンギヤ（小歯車）が噛合して電動機の回転を増速する増速機を備える。増速機は、例えば毎分数千回転の汎用の電動機を増速させ、インペラを毎分数万回転で高速回転させる。これにより、高速回転可能な高価な電動機を用いずとも、流体を高圧に圧縮することができる。

特開２０１２−７２６９０号公報

しかしながら、上記従来技術には、次のような問題がある。
上記従来技術の増速機は、ブルギヤにピニオンギヤが噛合する機械式の歯車装置であるため、潤滑油が必要となる。潤滑油を使用するには、潤滑油タンク、潤滑油を循環させるポンプ等を設ける必要があり、装置が大型化する。また、シールが不十分であると、ターボ圧縮機から吐出される圧縮流体に潤滑油が混じり、環境面の問題や、クリーンな空気を必要とする食品関係や医療関係への利用が難しくなる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、装置の小型化を図れ、利用範囲が広いターボ圧縮機の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、電動機と、前記電動機の出力軸に接続された増速機と、前記増速機を介して回転するインペラと、を備え、前記増速機は、磁気歯車装置であり、前記磁気歯車装置は、永久磁石を複数有するステータと、永久磁石を複数有する高速ロータと、磁極片を複数有する低速ロータと、が同心状に配置された磁気波動歯車を含み、前記低速ロータが、前記電動機の出力軸に接続されている、ターボ圧縮機を採用する。

また、本発明においては、前記インペラは、同一の回転軸に背面合せで固定された第１インペラ及び第２インペラを含み、前記磁気歯車装置は、永久磁石を複数有する第２高速ロータと、前記第２高速ロータよりも多くの永久磁石を有する第２低速ロータと、を有する磁気歯車を含み、前記第２高速ロータは、前記第１インペラと前記第２インペラとの間において、前記回転軸の周面に設けられ、前記第２低速ロータは、前記磁気波動歯車の前記高速ロータに接続されると共に、前記第２高速ロータに対向する、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記磁気歯車は、平歯型である、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記第２低速ロータは、前記第２高速ロータの径方向両側に対となって設けられている、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記磁気歯車は、傘歯型である、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記第２高速ロータは、前記回転軸に間隔をあけて対となって設けられており、前記第２低速ロータは、前記対となった前記第２高速ロータの一方に対向する第１永久磁石列と、前記対となった前記第２高速ロータの他方に対向する第２永久磁石列と、を有する、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記磁気歯車は、前記対となった前記第２高速ロータの回転方向を揃える中間ロータを有し、前記中間ロータは、前記対となった前記第２高速ロータのいずれか一方と前記第２低速ロータとの間に配置される、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記第１永久磁石列及び前記第２永久磁石列は、前記第２低速ロータの周方向において異なる位相で設けられている、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記磁気波動歯車は、前記ステータの極対数をＮｓとし、前記高速ロータの極対数をＮｈとし、前記低速ロータの磁極数をＮｌとしたときに、Ｎｓ＝Ｎｌ±Ｎｈの関係を満足する、という構成を採用する。

本発明によれば、増速機を磁気歯車装置とし、磁気的な噛み合いによって非接触で電動機の回転数を増加させることができる。また、磁気歯車装置は、電動機の出力軸に低速ロータが接続された磁気波動歯車を備える。この磁気波動歯車は、低速ロータと高速ロータが同心状に配置されており、トルク伝達に寄与する領域が広いため、トルク伝達密度が高く、小型化し易い。このため、潤滑油を使用する必要がなく、装置を小型化できる。
したがって、本発明では、装置の小型化を図れ、利用範囲が広いターボ圧縮機が得られる。

本発明の第１実施形態におけるターボ圧縮機を示す構成図である。 本発明の第１実施形態における磁気波動歯車の構成を示す縦断面図である。 本発明の第１実施形態における磁気歯車の構成を示す縦断面図である。 本発明の第２実施形態におけるターボ圧縮機の構成を示す全体図である。 本発明の第２実施形態における第２低速ロータの構成を示す底面図である。 本発明の第２実施形態における第２高速ロータの構成を示す側面図である。 本発明の第２実施形態におけるもう一つの第２高速ロータ及び中間ロータの構成を示す側面図である。 本発明の第２実施形態における第２高速ロータのトルク脈動と合成トルクを示すグラフである。 本発明の一変形例におけるターボ圧縮機の構成を示す全体図である。 本発明の一変形例におけるターボ圧縮機の構成を示す全体図である。 図１０（ｂ）の矢視Ｄ図である。 本発明の一変形例におけるターボ圧縮機の構成を示す全体図である。 本発明の一変形例における第２低速ロータの構成を示す斜視図である。 本発明の一変形例におけるターボ圧縮機の構成を示す全体図である。 本発明の一変形例における第２低速ロータの構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態におけるターボ圧縮機１の構成を示す全体図である。
ターボ圧縮機１は、図１に示すように、圧縮機本体１０と、電動機２０と、磁気歯車装置３０（増速機）と、を有する。本実施形態の圧縮機本体１０は、第１圧縮段１１と、第２圧縮段１２と、を有する二段圧縮機である。圧縮機本体１０は、圧縮する流体を第１圧縮段１１から第２圧縮段１２に導く不図示の流路を備えている。

圧縮機本体１０は、インペラ１３，１４と、ディフューザー流路１５，１６と、スクロール流路１７，１８と、回転軸１９と、を有する。インペラ１３（第１インペラ）、ディフューザー流路１５、およびスクロール流路１７は、第１圧縮段１１を構成する。インペラ１４（第２インペラ）、ディフューザー流路１６、スクロール流路１８は、第２圧縮段１２を構成する。インペラ１３，１４は、回転軸１９に背面合せで固定されている。

インペラ１３，１４は、ラジアルインペラであり、軸方向で吸気した流体を半径方向に導出する不図示の３次元的ねじれを含むブレードを有する。インペラ１３，１４の周りには、それぞれディフューザー流路１５，１６が設けられており、半径方向に導出した流体を、当該流路において圧縮・昇圧する。また、ディフューザー流路１５，１６の周りには、それぞれスクロール流路１７，１８が設けられており、当該流路を介して次の圧縮段に流体を供給するようになっている。

電動機２０は、ターボ圧縮機１の駆動源であり、磁気歯車装置３０を介してインペラ１３，１４を回転させる構成となっている。電動機２０は、出力軸２１を有する。出力軸２１の一端部は、電動機２０内部に設けられた不図示のロータに接続されている。出力軸２１の他端部には、磁気歯車装置３０に接続するためのフランジ２２が設けられている。
磁気歯車装置３０は、磁気波動歯車３１と、磁気歯車３２と、を含む。

図２は、本発明の第１実施形態における磁気波動歯車３１の構成を示す縦断面図である。なお、図２は、図１のＡ−Ａ断面に対応する。
磁気波動歯車３１は、図２に示すように、ステータ４０と、高速ロータ５０と、低速ロータ６０と、を有する。ステータ４０、高速ロータ５０、低速ロータ６０は、回転中心軸Ｒを中心とした同心状に設けられている。

ステータ４０は、高速ロータ５０及び低速ロータ６０の外側に配置されている。ステータ４０は、ヨーク４１と、複数の永久磁石４２Ｎ，４２Ｓと、を有する。ヨーク４１は、磁性体から形成された略円筒状の部材である。複数の永久磁石４２Ｎ，４２Ｓは、低速ロータ６０の外周面と微小ギャップを隔てて対向する。複数の永久磁石４２Ｎ，４２Ｓは、周方向においてＮ極とＳ極とが交互に並ぶように、ヨーク４１の内周面にそれぞれ設けられている。

複数の永久磁石４２Ｎは、低速ロータ６０に対向する側が同一極、例えばＮ極である。また、複数の永久磁石４２Ｓは、低速ロータ６０に対向する側が同一極、例えばＳ極である。本実施形態のステータ４０は、２２個の永久磁石４２Ｎと、２２個の永久磁石４２Ｓと、を備える。すなわち、ステータ４０の極対数は、２２となる。

高速ロータ５０は、ステータ４０及び低速ロータ６０の内側に配置されている。高速ロータ５０は、コア５１と、複数の永久磁石５２Ｎ，５２Ｓと、を有する。コア５１は、磁性体から形成された略円柱状の部材である。複数の永久磁石５２Ｎ，５２Ｓは、低速ロータ６０の内周面と微小ギャップを隔てて対向する。複数の永久磁石５２Ｎ，５２Ｓは、周方向においてＮ極とＳ極とが交互に並ぶように、コア５１の内周面にそれぞれ設けられている。

複数の永久磁石５２Ｎは、低速ロータ６０に対向する側が同一極、例えばＮ極である。また、複数の永久磁石５２Ｓは、低速ロータ６０に対向する側が同一極、例えばＳ極である。本実施形態の高速ロータ５０は、４個の永久磁石５２Ｎと、４個の永久磁石５２Ｓと、を備える。すなわち、高速ロータ５０の極対数は、４となる。

低速ロータ６０は、ステータ４０と高速ロータ５０との間に配置されている。低速ロータ６０は、複数の磁極片６１（ポールピース）を有する。磁極片６１は、磁性体として周知の電磁鋼板を回転中心軸Ｒが延びる軸方向に複数積層した積層鋼板によって形成されている。磁極片６１は、回転中心軸Ｒ周りに等間隔で複数配置されている。

本実施形態の低速ロータ６０は、２６個の磁極片６１を備える。すなわち、低速ロータ６０の磁極数は、２６である。
上記構成の磁気波動歯車３１は、ステータ４０の極対数をＮｓとし、高速ロータ５０の極対数をＮｈとし、低速ロータ６０の磁極数をＮｌとしたときに、関係式（１）を満足するように構成されている。
Ｎｓ ＝ Ｎｌ ± Ｎｈ …（１）

本実施形態のステータ４０の極対数（Ｎ極、Ｓ極の組数、すなわち永久磁石４２Ｎ，５２Ｓの組数）は２２であり、高速ロータ５０の極対数（Ｎ極、Ｓ極の組数、すなわち永久磁石５２Ｎ，５２Ｓの組数）は４であり、低速ロータ６０の磁極数（磁極片６１の数）は２６であり、上記関係式（１）を満たす。

上記構成の磁気波動歯車３１の動作原理については、公知文献（特開２０１０−１０６９４０号公報）に詳述されているので、ここでは詳細な説明を省略するが、本実施形態に係る磁気波動歯車３１では、上記関係式（１）を満足するので、高速ロータ５０と低速ロータ６０は、下式（２）で示されるギヤ比Ｇｒ１で回転する。
Ｇｒ１ ＝ Ｎｌ ／ Ｎｈ …（２）

すなわち、高速ロータ５０の永久磁石５２Ｎ，５２Ｓから発生する磁束は、低速ロータ６０の磁極片６１によって変調され、（Ｎｌ±Ｎｈ）次の高調波磁束を低速ロータ６０とステータ４０との間に生成する。このとき、ステータ４０の永久磁石４２Ｎ，４２Ｓから発生する磁束が（Ｎｌ＋Ｎｈ）次若しくは（Ｎｌ−Ｎｈ）次であれば、高速ロータ５０と低速ロータ６０がギヤ比Ｇｒ１に従って回転する。

図１に戻り、ステータ４０は、ステータホルダ４３と、軸受４４と、を有する。ステータホルダ４３は、略円環状に形成されており、ヨーク４１の軸方向両側に固定されている。軸受４４は、低速ロータ６０を回転自在に支持するものであり、ステータホルダ４３の内径側に設けられている。軸受４４には、潤滑剤としてグリスを使用している。

低速ロータ６０は、ロータホルダ６２と、回転軸６３と、フランジ６４と、軸受６５と、を有する。ロータホルダ６２は、略円筒状に形成されており、複数の磁極片６１の軸方向両側に固定されている。回転軸６３の一端部は、電動機２０側のロータホルダ６２に接続されている。回転軸６３の他端部には、フランジ６４が設けられている。

フランジ６４は、ボルト・ナットによってフランジ２２と連結される。すなわち、低速ロータ６０は、フランジ２２，６４を介して電動機２０の出力軸２１に接続されている。軸受６５は、高速ロータ５０を回転自在に支持するものであり、ロータホルダ６２の内径側に設けられている。軸受６５には、潤滑剤としてグリスを使用している。

高速ロータ５０は、回転軸５３と、カップリング５４と、を有する。回転軸５３は、コア５１の内周面に嵌合しており、回転軸６３が突出する電動機２０側と反対側に突出している。カップリング５４は、電動機２０側と反対側に突出した回転軸５３の端部に設けられている。

磁気歯車３２は、第２低速ロータ７０と、第２高速ロータ８０と、を有する。本実施形態の磁気歯車３２は、平歯型の磁気歯車である。第２低速ロータ７０は、磁気波動歯車３１の高速ロータ５０に接続されている。第２高速ロータ８０は、背面合せで固定されたインペラ１３，１４の間において、回転軸１９の周面に設けられている。

図３は、本発明の第１実施形態における磁気歯車３２の構成を示す縦断面図である。なお、図３は、図１のＢ−Ｂ断面に対応する。
第２低速ロータ７０は、図３に示すように、コア７１と、複数の永久磁石７２Ｎ，７２Ｓと、を有する。コア７１は、磁性体から形成された略円筒状の部材である。複数の永久磁石７２Ｎ，７２Ｓは、周方向においてＮ極とＳ極とが交互に並ぶように、コア７１の外周面にそれぞれ設けられている。本実施形態の第２低速ロータ７０は、８個の永久磁石７２Ｎと、８個の永久磁石７２Ｓと、を備える。

第２高速ロータ８０は、コア８１と、複数の永久磁石８２Ｎ，８２Ｓと、を有する。コア７１は、磁性体から形成された略円筒状の部材である。複数の永久磁石８２Ｎ，８２Ｓは、周方向においてＮ極とＳ極とが交互に並ぶように、コア８１の外周面にそれぞれ設けられている。本実施形態の第２高速ロータ８０は、４個の永久磁石８２Ｎと、４個の永久磁石８２Ｓと、を備える。

第２低速ロータ７０に設けられた永久磁石７２Ｎ，７２Ｓは、第２高速ロータ８０に設けられた永久磁石８２Ｎ，８２Ｓよりも多い。第２低速ロータ７０の極数をＮｉ、第２高速ロータ８０の極数をＮｊとすると、第２低速ロータ７０と第２高速ロータ８０は、下式（３）で示されるギヤ比Ｇｒ２で回転する。
Ｇｒ２ ＝ Ｎｉ ／ Ｎｊ …（３）

図１に戻り、第２低速ロータ７０は、回転軸７３と、カップリング７４と、軸受７５と、を有する。回転軸７３は、回転軸１９と平行に設けられている。回転軸７３の一端部は、平歯車型の第２低速ロータ７０の中央部に嵌合している。回転軸７３の他端部には、カップリング７４が設けられている。

カップリング７４は、カップリング５４と連結される。すなわち、第２低速ロータ７０は、カップリング５４，７４を介して磁気波動歯車３１の高速ロータ５０に接続されている。軸受７５は、圧縮機本体２に対して回転軸７３を回転自在に支持するものである。軸受７５には、潤滑剤としてグリスを使用している。

上記構成の第２低速ロータ７０は、第２高速ロータ８０の径方向両側に対となって設けられている。なお、もう一方の第２低速ロータ７０の構成の説明は、上記説明と重複するため割愛するが、もう一方の第２低速ロータ７０側にも、同構成の磁気波動歯車３１及び電動機２０が設けられている。

続いて、上記構成のターボ圧縮機１の動作について説明する。

電動機２０が駆動すると、出力軸２１が回転する。出力軸２１が回転すると、出力軸２１に接続された磁気波動歯車３１の低速ロータ６０が回転する。低速ロータ６０が回転すると、高速ロータ５０がギヤ比Ｇｒ１で増速回転する。高速ロータ５０が回転すると、高速ロータ５０に接続された磁気歯車３２の第２低速ロータ７０が回転する。第２低速ロータ７０が回転すると、第２高速ロータ８０がギヤ比Ｇｒ２で増速回転する。

第２高速ロータ８０は、回転軸１９に固定されており、回転軸１９と共にインペラ１３，１４が回転する。すなわち、インペラ１３，１４は、電動機２０の出力軸２１の回転数にギヤ比Ｇｒ１及びギヤ比Ｇｒ２を積算した回転数で増速回転することとなる。インペラ１３，１４が回転すると、軸方向で吸気した流体が半径方向に導出され、ディフューザー流路１５，１６において圧縮・昇圧された後、スクロール流路１７，１８を介して次の圧縮段若しくは別の設備に吐出される。

このように、本実施形態によれば、増速機を磁気歯車装置３０とし、磁気的な噛み合いによって非接触で電動機２０の回転数を増加させることができる。したがって、潤滑油が不要であり、圧縮空気に潤滑油が混入することなく、クリーンな圧縮空気が得られる。また、磁気歯車装置３０は、電動機２０の出力軸２１に低速ロータ６０が接続された磁気波動歯車３１を備える。この磁気波動歯車３１は、図２に示すように、低速ロータ６０と高速ロータ５０が同心状に配置されており、トルク伝達に寄与する領域が広いため、トルク伝達密度が高く、小型化し易い。このため、本実施形態によれば、潤滑油を使用する必要がなく、装置を小型化できる。

また、本実施形態のターボ圧縮機１は、図１に示すように、回転軸１９に背面合せで固定されたインペラ１３，１４を有する。この構成の場合、磁気波動歯車３１は、構造上、回転軸１９に直接接続することができない。このため、磁気歯車装置３０は、磁気波動歯車３１の他に、平歯型の磁気歯車３２を備える。磁気歯車３２は、インペラ１３，１４の間において回転軸１９の周面に設けられた第２高速ロータ８０と、第２高速ロータ８０に磁気的に噛み合うと共に磁気波動歯車３１の高速ロータ５０に接続された第２低速ロータ７０と、を有する。この構成によれば、同一の回転軸１９にインペラ１３，１４を固定したタイプのターボ圧縮機１を駆動することができる。したがって、同タイプの既存のターボ圧縮機への適用も容易になる。

平歯型の磁気歯車３２は、磁気波動歯車３１と比べて、トルク伝達に寄与する領域が限られており、トルク伝達密度が低い。このため、本実施形態においては、第２低速ロータ７０が、第２高速ロータ８０の径方向両側に対となって設けられている。この構成によれば、第２高速ロータ８０を２軸の第２低速ロータ７０で回転させることができ、第２高速ロータ８０を１軸の第２低速ロータ７０で回転させる場合に比べてトルク伝達に寄与する領域を増やし、トルク伝達密度を高めることができる。このように、本実施形態では、電動機２０の大トルクを磁気波動歯車３１で伝達し、平歯型の磁気歯車３２の第２低速ロータ７０を２軸として、トルク伝達に寄与する領域を広く確保している。

以上のように、本実施形態によれば、電動機２０と、電動機２０の出力軸２１に接続された増速機と、増速機を介して回転するインペラ１３，１４と、を備え、増速機は、磁気歯車装置３０であり、磁気歯車装置３０は、永久磁石４２Ｎ，４２Ｓを複数有するステータ４０と、永久磁石５２Ｎ，５２Ｓを複数有する高速ロータ５０と、磁極片６１を複数有する低速ロータ６０と、が同心状に配置された磁気波動歯車３１を含み、低速ロータ６０が、電動機２０の出力軸２１に接続されている、ターボ圧縮機１を採用することによって、装置の小型化を図れ、食品関係や医療関係へ利用範囲を広げることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図４は、本発明の第２実施形態におけるターボ圧縮機１Ａの構成を示す全体図である。なお、圧縮機本体１０、電動機２０、磁気波動歯車３１の構成は、上述の実施形態と同一であるため、図４では簡略化している。
第２実施形態では、図４に示すように、磁気波動歯車３１Ａが、傘歯型の磁気歯車３２Ａを有する点で、上記実施形態と異なる。

傘歯型の磁気歯車３２Ａは、第２低速ロータ７０Ａと、第２高速ロータ８０ａ，８０ｂと、中間ロータ９０と、を有する。第２低速ロータ７０Ａは、回転軸１９に対して直交する方向に配置された磁気波動歯車３１の高速ロータ５０の回転軸５３に接続されている。第２高速ロータ８０ａ，８０ｂは、回転軸１９に間隔をあけて対となって設けられている。第２低速ロータ７０Ａは、第２高速ロータ８０ａに対向する第１永久磁石列７３ａと、第２高速ロータ８０ｂに対向する第２永久磁石列７３ｂと、を有する。

図５は、本発明の第２実施形態における第２低速ロータ７０Ａの構成を示す底面図である。なお、図５は、図４に示す矢視Ｃ図に対応する。
第２低速ロータ７０Ａは、円盤状に形成されており、第２高速ロータ８０ａ，８０ｂに対向する面に、第１永久磁石列７３ａ及び第２永久磁石列７３ｂが配置されている。第１永久磁石列７３ａは、第２低速ロータ７０Ａの外径側に交互に並ぶ複数の永久磁石７２Ｎ，７２Ｓによって形成されている。第１永久磁石列７３ａは、４個の永久磁石７２Ｎと、４個の永久磁石７２Ｓと、を備える。

第２永久磁石列７３ｂは、第１永久磁石列７３ａよりも内径側に配置されている。第２永久磁石列７３ｂは、第２低速ロータ７０Ａの内径側に交互に並ぶ複数の永久磁石７２Ｎ，７２Ｓによって形成されている。第２永久磁石列７３ｂは、４個の永久磁石７２Ｎと、４個の永久磁石７２Ｓと、を備える。図５に示すように、第１永久磁石列７３ａ及び第２永久磁石列７３ｂは、第２低速ロータ７０の周方向において異なる位相で設けられている。具体的に、第１永久磁石列７３ａ及び第２永久磁石列７３ｂは、位相がπ／２（電気角で９０ｄｅｇ）ずれている。

図６は、本発明の第２実施形態における第２高速ロータ８０ａの構成を示す側面図である。
第２高速ロータ８０ａは、外周面に交互に並ぶ複数の永久磁石８２Ｎ，８２Ｓを有する。第２高速ロータ８０ａは、２個の永久磁石８２Ｎと、２個の永久磁石８２Ｓと、を備える。第２高速ロータ８０ａは、もう一方の第２高速ロータ８０ｂの約３倍の半径を有している（図４参照）。

図７は、本発明の第２実施形態におけるもう一つの第２高速ロータ８０ｂ及び中間ロータ９０の構成を示す側面図である。
第２高速ロータ８０ｂは、外周面に交互に並ぶ複数の永久磁石８２Ｎ，８２Ｓを有する。第２高速ロータ８０ｂは、２個の永久磁石８２Ｎと、２個の永久磁石８２Ｓと、を備える。第２高速ロータ８０ｂ及び中間ロータ９０は、それぞれ第２高速ロータ８０ａの約１／３の半径を有している。

中間ロータ９０は、対となった第２高速ロータ８０ａ，８０ｂの回転方向を揃えるものである。中間ロータ９０は、第２低速ロータ７０Ａ（第２永久磁石列７３ｂ）と第２高速ロータ８０ｂとの間に配置される。中間ロータ９０は、複数の永久磁石９１Ｎ，９１Ｓを有する。複数の永久磁石９１Ｎ，９１Ｓは、周方向においてＮ極とＳ極とが交互に並ぶように、中間ロータ９０の外周面にそれぞれ設けられている。中間ロータ９０は、２個の永久磁石９１Ｎと、２個の永久磁石９１Ｓと、を備える。

図４に示すように、第２高速ロータ８０ａ，８０ｂは、同一の回転軸１９に固定されているため、それぞれ等速で回転する必要がある。第２高速ロータ８０ａ，８０ｂが等速で回転するには、第１永久磁石列７３ａと第２高速ロータ８０ａのギヤ比Ｇｒ３（式（３）と同一の式）と、第２永久磁石列７３ｂと第２高速ロータ８０ｂのギヤ比Ｇｒ４（式（３）と同一の式）とが等しければよい。第２実施形態では、第１永久磁石列７３ａの極数と第２永久磁石列７３ｂの極数とが等しいため、第２高速ロータ８０ａの極数と第２高速ロータ８０ｂの極数を等しくしている（図６及び図７参照）。

上記構成の第２実施形態によれば、図４に示すように、電動機２０が駆動すると、磁気波動歯車３１の回転軸５３がギヤ比Ｇｒ１で増速回転する。回転軸５３が回転すると、傘歯型の磁気歯車３２Ａの第２低速ロータ７０Ａが回転する。第２低速ロータ７０Ａが回転すると、第２高速ロータ８０ａがギヤ比Ｇｒ３で増速回転する。また、第２低速ロータ７０Ａが回転すると、中間ロータ９０を介して第２高速ロータ８０ｂがギヤ比Ｇｒ４で増速回転する。

ギヤ比Ｇｒ３とギヤ比Ｇｒ４は等しいため、第２高速ロータ８０ａ，８０ｂは、等速で回転する。第２高速ロータ８０ａ，８０ｂは、回転軸１９に固定されており、回転軸１９と共にインペラ１３，１４が回転する。すなわち、インペラ１３，１４は、電動機２０の出力軸２１の回転数にギヤ比Ｇｒ１及びギヤ比Ｇｒ３（＝ギヤ比Ｇｒ４）を積算した回転数で増速回転することとなる。

第２実施形態では、磁気歯車３２Ａが傘歯型であるため、回転軸１９と直交する方向に磁気波動歯車３１及び電動機２０を配置できる。また、第２実施形態では、第１実施形態のように磁気波動歯車３１及び電動機２０を対で備えていないため、第１実施形態よりも装置の小型化を図ることができる。

また、第２実施形態においては、第２高速ロータ８０ａ，８０ｂは、回転軸１９に間隔をあけて対となって設けられており、第２低速ロータ７０は、第２高速ロータ８０ａに対向する第１永久磁石列７３ａと、第２高速ロータ８０ｂに対向する第２永久磁石列７３ｂと、を有する。この構成によれば、回転軸１９に２つの第２高速ロータ８０ａ，８０ｂが設けられるため、トルク伝達に寄与する領域を増やし、トルク伝達密度を高めることができる。また、２つの第２高速ロータ８０ａ，８０ｂを、１つの第２低速ロータ７０Ａで回転させることができるため、装置の小型化に寄与できる。

また、第２実施形態においては、磁気歯車３２Ａは、第２高速ロータ８０ａ，８０ｂの回転方向を揃える中間ロータ９０を有する。この構成によれば、１つの第２低速ロータ７０Ａで回転する第２高速ロータ８０ａ，８０ｂが互いに逆方向に回転することを防止することができる。また、中間ロータ９０があることで、第２高速ロータ８０ａ，８０ｂを共に第２低速ロータ７０Ａの一方側（例えば図４の回転軸５３を基準とした紙面左側）に配置する必要がなくなり、第２低速ロータ７０Ａ及び回転軸５３が受けるトルク反力の偏りを低減できる。

第２高速ロータ８０ａ，８０ｂが回転するとき、それぞれトルク脈動を生じる。このため、第２実施形態においては、図５に示すように、第１永久磁石列７３ａ及び第２永久磁石列７３ｂを、第２低速ロータ７０の周方向において異なる位相で設けている。
図８は、本発明の第２実施形態における第２高速ロータ８０ａ，８０ｂのトルク脈動と合成トルクを示すグラフである。図８において、縦軸はトルク［Ｎｍ］であり、横軸は角度［ｄｅｇ］である。
図８に示すように、第１永久磁石列７３ａ及び第２永久磁石列７３ｂの位相が半位相ずれているため、第２高速ロータ８０ａのトルク脈動と第２高速ロータ８０ｂのトルク脈動が互いに相殺されている。このため、合成トルクを滑らかにすることが可能となる。なお、第１永久磁石列７３ａ及び第２永久磁石列７３ｂの位相は、必ずしも半位相ずらす必要はない。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、以下に示すような変形例が考えられる。なお、以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図９は、本発明の一変形例におけるターボ圧縮機１Ｂ，１Ｃの構成を示す全体図である。
例えば、図９（ａ）に示す磁気歯車装置３０Ｂの磁気歯車３２Ｂは、磁気波動歯車３１の回転軸５３が接続される側と反対側に、磁気波動歯車３１Ｂの回転軸５３Ｂ（高速ロータ）が接続される第２低速ロータ７０Ｂを備える。磁気波動歯車３１Ｂは、電動機２０Ｂの出力軸２１Ｂと接続されている。この構成によれば、１つの第２低速ロータ７０Ｂが、２つの電動機２０，２０Ｂによって回転するため、電動機２０，２０Ｂには、出力が１／２の小型の電動機を使用できる。また、磁気波動歯車３１，３１Ｂも小型化することができる。

例えば、図９（ｂ）に示す磁気歯車装置３０Ｃの磁気歯車３２Ｃは、磁気波動歯車３１の回転軸５３が接続される第２低速ロータ７０と、第２低速ロータ７０とは反対側に、磁気波動歯車３１Ｃの回転軸５３Ｃ（高速ロータ）が接続される第２低速ロータ７０Ｃと、を備える。磁気波動歯車３１Ｃは、電動機２０Ｃの出力軸２１Ｃと接続されている。この構成によれば、インペラ１３，１４の片方にそれぞれスペースが広がるため、配管等の取り回しが行い易くなる。

図１０は、本発明の一変形例におけるターボ圧縮機１Ｄ，１Ｅの構成を示す全体図である。
例えば、図１０（ａ）に示す磁気歯車装置３０Ｄの磁気歯車３２Ｄは、磁気波動歯車３１の回転軸５３が接続される側と反対側に、磁気波動歯車３１Ｄの回転軸６３Ｄ（低速ロータ）が接続される第２低速ロータ７０Ｄを備える。磁気波動歯車３１Ｄの回転軸５３Ｄ（高速ロータ）には、インペラ７７Ｄ（第３インペラ）が接続されている。この構成によれば、２つの電動機２０によって３つのインペラ１３，１４，７７Ｄを回転させることができる。よって、３段以上の圧縮が可能となる。

例えば、図１０（ｂ）に示す磁気歯車装置３０Ｅの磁気歯車３２Ｅは、内接式磁気歯車の第２低速ロータ７０Ｅを備える。第２低速ロータ７０Ｅは、第３高速ロータ１００を回転させる。第３高速ロータ１００は、回転軸７６Ｅを介してインペラ７７Ｅ（第３インペラ）と接続されている。図１１は、図１０（ｂ）の矢視Ｄ図である。図１１に示すように、第２低速ロータ７０Ｅは、磁気的な内歯車として複数の永久磁石列７８Ｎ，７８Ｓを交互に有する。第３高速ロータ１００は、磁気的な内接歯車として複数の永久磁石１００Ｎ，１００Ｓを交互に有する。この構成によれば、２つの電動機２０によって３つのインペラ１３，１４，７７Ｅを回転させることができる。よって、３段以上の圧縮が可能となる。また、図１０（ａ）の変形例のように磁気波動歯車３１Ｄがないため、スペースを広く確保でき、配管等の取り回しが行い易くなる。

図１２は、本発明の一変形例におけるターボ圧縮機１Ｆの構成を示す全体図である。図１３は、本発明の一変形例における第２低速ロータ７０Ｆの構成を示す斜視図である。
例えば、図１２に示す磁気歯車装置３０Ｆの磁気歯車３２Ｆは、第１永久磁石列７３ａと第２永久磁石列７３ｂとの間に段差を有する第２低速ロータ７０Ｆを備える。第２永久磁石列７３ｂは、図１３に示すように、第１永久磁石列７３ａに対し突出して設けられている。この構成によれば、第１永久磁石列７３ａと第２永久磁石列７３ｂとの距離を取ることができ、第１永久磁石列７３ａと第２永久磁石列７３ｂとの間での磁束短絡を減らすことができる。なお、段差は、複数段あってもよく、また、第１永久磁石列７３ａが第２永久磁石列７３ｂに対して突出して設けられていてもよい。

図１４は、本発明の一変形例におけるターボ圧縮機１Ｇの構成を示す全体図である。図１５は、本発明の一変形例における第２低速ロータ７０Ｇの構成を示す斜視図である。
例えば、図１４に示す磁気歯車装置３０Ｇの磁気歯車３２Ｇは、第１永久磁石列７３ａが傾斜して設けられた第２低速ロータ７０Ｇを備える。第１永久磁石列７３ａは、図１５に示すように、突出して設けられた第２永久磁石列７３ｂに向かって、第２低速ロータ７０Ｇの縁部から中央部に向かって傾斜している。これにより、第２低速ロータ７０Ｇは、円錐台形状となっている。また、磁気歯車３２Ｇは、図１４に示すように、周面が傾斜して第１永久磁石列７３ａと略平行に対向する第２高速ロータ８０ａ１を備える。第２高速ロータ８０ａ１と第２低速ロータ７０Ｇは、傘歯型の磁気歯車構造を形成する。この構成によれば、第２高速ロータ８０ａ１と第２低速ロータ７０Ｇとの向かい合う領域が広がり、トルク伝達密度を上げることができる。なお、第２低速ロータ７０Ｇは、円錐形状としてもよい。

また、例えば、上記実施形態では、磁気波動歯車３１において、ステータ４０の極対数が２２であり、高速ロータ５０の極対数は４であり、低速ロータ６０の磁極数は２６である構成について例示したが、本発明はこの構成に限定されることなく、上記関係式（１）を満足するものであればよい。

また、例えば、上記実施形態では、磁気波動歯車３１において、低速ロータ６０がステータ４０と高速ロータ５０との間に配置される構成について例示したが、本発明はこの構成に限定されることなく、磁気波動歯車３１は、原理的に低速ロータ６０と高速ロータ５０との配置を入れ替えてもよい。

１（１Ａ〜１Ｇ） ターボ圧縮機
１３ インペラ（第１インペラ）
１４ インペラ（第２インペラ）
１９ 回転軸
２０ 電動機
２１ 出力軸
３０（３０Ａ〜３０Ｇ） 磁気歯車装置（増速機）
３１ 磁気波動歯車
３２（３２Ａ〜３２Ｇ） 磁気歯車
４０ ステータ
４２Ｎ，４２Ｓ 永久磁石
５０ 高速ロータ
５２Ｎ，５２Ｓ 永久磁石
６０ 低速ロータ
７０（７０Ａ〜７０Ｇ） 第２低速ロータ
７２Ｎ，７２Ｓ 永久磁石
７３ａ 第１永久磁石列
７３ｂ 第２永久磁石列
８０（８０ａ（８０ａ１），８０ｂ） 第２高速ロータ
８２Ｎ，８２Ｓ 永久磁石
９０ 中間ロータ

Claims (9)

1. 電動機と、
   前記電動機の出力軸に接続された増速機と、
   前記増速機を介して回転するインペラと、を備え、
   前記増速機は、磁気歯車装置であり、
   前記磁気歯車装置は、永久磁石を複数有するステータと、永久磁石を複数有する高速ロータと、磁極片を複数有する低速ロータと、が同心状に配置された磁気波動歯車を含み、
   前記低速ロータが、前記電動機の出力軸に接続されている、ことを特徴とするターボ圧縮機。
2. 前記インペラは、同一の回転軸に背面合せで固定された第１インペラ及び第２インペラを含み、
   前記磁気歯車装置は、永久磁石を複数有する第２高速ロータと、前記第２高速ロータよりも多くの永久磁石を有する第２低速ロータと、を有する磁気歯車を含み、
   前記第２高速ロータは、前記第１インペラと前記第２インペラとの間において、前記回転軸の周面に設けられ、
   前記第２低速ロータは、前記磁気波動歯車の前記高速ロータに接続されると共に、前記第２高速ロータに対向する、ことを特徴とする請求項１に記載のターボ圧縮機。
3. 前記磁気歯車は、平歯型である、ことを特徴とする請求項２に記載のターボ圧縮機。
4. 前記第２低速ロータは、前記第２高速ロータの径方向両側に対となって設けられている、請求項３に記載のターボ圧縮機。
5. 前記磁気歯車は、傘歯型である、ことを特徴とする請求項２に記載のターボ圧縮機。
6. 前記第２高速ロータは、前記回転軸に間隔をあけて対となって設けられており、
   前記第２低速ロータは、前記対となった前記第２高速ロータの一方に対向する第１永久磁石列と、前記対となった前記第２高速ロータの他方に対向する第２永久磁石列と、を有する、ことを特徴とする請求項５に記載のターボ圧縮機。
7. 前記磁気歯車は、前記対となった前記第２高速ロータの回転方向を揃える中間ロータを有し、
   前記中間ロータは、前記対となった前記第２高速ロータのいずれか一方と前記第２低速ロータとの間に配置される、ことを特徴とする請求項６に記載のターボ圧縮機。
8. 前記第１永久磁石列及び前記第２永久磁石列は、前記第２低速ロータの周方向において異なる位相で設けられている、ことを特徴とする請求項６または７に記載のターボ圧縮機。
9. 前記磁気波動歯車は、前記ステータの極対数をＮｓとし、前記高速ロータの極対数をＮｈとし、前記低速ロータの磁極数をＮｌとしたときに、
   Ｎｓ ＝ Ｎｌ ± Ｎｈ
   の関係を満足する、ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のターボ圧縮機。
   

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