JP2018191456A - 負荷運転制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】サージングが生じる可能性のある圧縮機等の負荷において、その負荷の運転の幅を広げる。【解決手段】駆動軸（20）は、負荷を回転駆動する。駆動支持部（50）は、所定の電流範囲内の電流が流れることによって生じる電磁力により駆動軸（20）を回転駆動し且つ駆動軸（20）のラジアル荷重を非接触で支持する。制御部（91a）は、駆動支持部（50）で生じる総磁束量と駆動支持部（50）において予め定められている総磁束限界量との差で表される磁束余裕度、に基づいて、負荷の運転を制御す。総磁束量は、負荷の所定の運転領域における、駆動軸（20）を回転駆動するために駆動支持部（50）で生じる駆動用磁束及び駆動軸（20）のラジアル荷重を支持するために駆動支持部（50）で生じる支持用磁束を含む。【選択図】図９

Description

本発明は、駆動軸が駆動支持部によって回転駆動及び非接触で支持される構成において、当該駆動軸に連結された負荷の運転条件を制御するシステムに関するものである。

圧縮機には、ターボ圧縮機と呼ばれるものがある。ターボ圧縮機は、空気調和装置などの様々な用途に使用されている。

ターボ圧縮機には、特許文献１に開示されているように、サージングという課題が存在する。サージングとは、例えば運転している圧縮機の負荷が高負荷から急に無負荷となった際に、圧縮機を含む流路全体の流体（冷媒）の流量が不安定となり、圧縮機及び流路を構成する配管等が共振を起こして、圧力及び流量が周期的に変動する現象である。サージングは、圧縮機の運転状態の不安定化のみならず、圧縮機の破損を招く要因となる。

特開２０１３−１２７２２１号公報

サージングは、圧縮機の運転状態がサージング領域に入った時に生じる。これに対し、上記特許文献１では、圧縮機の負荷状態の移行前後における急激な流量の減少を抑えることにより、圧縮機の運転状態がサージング領域に入らないようにする制御を行っている。

即ち、上記特許文献１の圧縮機は、定常運転領域のみで運転する。そのため、上記特許文献１では、圧縮機の使用用途は限定され、圧縮機が運転できる幅は狭くなる。

使用用途が限定される問題点は、圧縮機のみに限られず、例えばポンプ等のサージングを生じる負荷であれば同様に生じ得る。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、サージングが生じる可能性のある圧縮機等の負荷において、その負荷の運転の幅を広げることである。

第１の発明は、負荷を回転駆動する駆動軸（20）と、所定の電流範囲内の電流が流れることによって生じる電磁力により上記駆動軸（20）を回転駆動し且つ上記駆動軸（20）のラジアル荷重を非接触で支持する駆動支持部（50）と、上記負荷の所定の運転領域において上記駆動軸（20）を回転駆動するために上記駆動支持部（50）で生じる駆動用磁束及び上記駆動軸（20）のラジアル荷重を支持するために上記駆動支持部（50）で生じる支持用磁束を含む総磁束量と、上記駆動支持部（50）において予め定められている総磁束限界量と、の差で表される磁束余裕度に基づいて、上記負荷の運転条件を制御する制御部（91a）とを備えることを特徴とする負荷運転制御システムである。

ここでは、駆動支持部（50）の磁束余裕度に応じて負荷の運転条件を変更させることにより、負荷の運転領域を可能な限り拡大することができる。具体的に、負荷の運転領域が定常運転領域から旋回失速の生じる領域にまで拡大すると、ラジアル荷重が増大することが考えられるが、上記制御部（91a）は、駆動支持部（50）の磁束余裕度に応じて負荷の運転条件を変更するため、制御可能な最大限まで運転領域を拡大できるようになる。

第２の発明は、第１の発明において、駆動支持部（50）は、一対の回転子（61,71）と固定子（64,74）とを有して上記駆動軸（20）を回転駆動しかつ上記駆動軸（20）のラジアル荷重を非接触で支持するベアリングレスモータ（60,70）を、少なくとも１つ有することを特徴とする負荷運転制御システムである。

このベアリングレスモータ（60,70）は、支持用磁束及び駆動用磁束の比率を、例えば負荷の運転状態と磁束余裕度に応じて変化させることができる。つまり、負荷の運転領域が拡大した際、サージングの現象に耐えうるように、一定の磁束余裕度を確保する範囲内でベアリングレスモータ（60,70）に発生する駆動用磁束を減少させて支持用磁束を増加させる等の制御が可能となる。従って、負荷は、より多様な運転状態で問題なく運転することができる。

第３の発明は、第２の発明において、上記制御部（91a）は、上記固定子（64,74）に形成された複数のスロットのうち、上記駆動用磁束と上記支持用磁束との合計値が最大となる上記スロットでの磁束量を、上記総磁束量として算出することを特徴とする負荷運転制御システムである。

第４の発明は、第３の発明において、上記制御部（91a）は、上記駆動用磁束及び上記支持用磁束に更に上記回転子（61,71）が有する永久磁石（63,73）の磁束を足し合わせた結果を上記合計値として、上記総磁束量を算出することを特徴とする負荷運転制御システムである。

これにより、ベアリングレスモータ（60,70）に生じる総磁束量を、より正確に把握することができる。

第５の発明は、第１の発明から第４の発明のいずれか１つにおいて、上記負荷は、冷凍サイクルを行う冷媒回路（110）内の冷媒を圧縮するターボ圧縮機（1）であって、上記制御部（91a）は、上記磁束余裕度が所定値を超える場合、上記ターボ圧縮機（1）から吐出される上記冷媒の温度が上昇するように、上記ターボ圧縮機（1）の回転数及び冷媒の流量の少なくとも１つを運転させ、上記磁束余裕度が上記所定値を下回る場合、上記ターボ圧縮機（1）から吐出される上記冷媒の温度が低下するように、上記ターボ圧縮機（1）の回転数及び冷媒の流量の少なくとも１つを運転させることを特徴とする負荷運転制御システムである。

磁束余裕度が所定値を超える場合、磁束の観点からは駆動支持部（50）には余裕があると判断できる。この場合、ターボ圧縮機（1）から吐出される冷媒の温度を上昇させることにより、ターボ圧縮機（1）のヘッド（圧縮仕事）を上昇させることができる。ターボ圧縮機（1）がヘッドの高い領域でも運転可能となることは、例えば高温な室外の環境においても冷媒回路（110）は冷凍サイクルを行うことができることとなるため、これは負荷の運転領域が拡大されたことを意味する。

一方で、磁束余裕度が所定値を下回る場合、磁束の観点からは駆動支持部（50）に余裕がないと判断できる。この場合、ターボ圧縮機（1）から吐出される冷媒の温度を低下させることにより、ターボ圧縮機（1）のヘッド（圧縮仕事）を下げるようにする。これにより、ターボ圧縮機（1）においてサージング及び旋回失速が生じることを回避することができる。

第６の発明は、第５の発明において、上記制御部（91a）が上記ターボ圧縮機（1）から吐出する上記冷媒の温度を上昇させた際の上記ターボ圧縮機（1）の運転状態に基づいて、上記所定の運転領域を更新する更新部（91b）、を更に備えることを特徴とする負荷運転制御システムである。

これにより、ターボ圧縮機（1）が次に運転を行う際、拡大された運転領域を基準として運転することができる。

第７の発明は、第１から第４の発明のいずれか１つにおいて、上記負荷は、冷凍サイクルを行う冷媒回路（110）内の冷媒を圧縮するターボ圧縮機（1）であって、上記制御部（91a）は、上記磁束余裕度が所定値を超える場合、上記冷媒回路（110）を有する空気調和装置（100）の出力が低下するように、上記ターボ圧縮機（1）の回転数及び冷媒の流量の少なくとも１つを運転させ、上記磁束余裕度が上記所定値を下回る場合、上記空気調和装置（100）の出力が上昇するように、上記ターボ圧縮機（1）の回転数及び冷媒の流量の少なくとも１つを運転させることを特徴とする負荷運転制御システムである。

空気調和装置（100）の出力が低い程、ターボ圧縮機（1）は、サージング領域に入り易くなり、逆に空気調和装置（100）の出力が高い程、ターボ圧縮機（1）は、サージング領域に入りにくくなる。

そこで、磁束余裕度が所定値を超えており磁束の観点からは駆動支持部（50）に余裕がある場合には、磁束の余裕分を支持用磁束の発生に費やす制御が可能となるため、空気調和装置（100）の出力を低下させて、ターボ圧縮機（1）の運転状態を旋回失速及びサージングが発生する領域に、積極的に遷移させるようにした。これは、負荷の運転領域が拡大されたことを意味する。

磁束余裕度が所定値を下回っており磁束の観点からは駆動支持部（50）は余裕がない場合、支持用磁束の発生に費やすことのできる磁束が乏しいため、空気調和装置（100）の出力を上昇させて、旋回失速及びサージングが発生する領域に入りにくい領域にてターボ圧縮機（1）を運転させるようにした。これにより、ターボ圧縮機（1）においてサージング及び旋回失速が生じることを回避することができる。

第８の発明は、第７の発明において、上記制御部（91a）が上記空気調和装置（100）の出力を低下させた際の上記ターボ圧縮機（1）の運転状態に基づいて、上記所定の運転領域を更新する更新部（91b）、を更に備えることを特徴とする負荷運転制御システムである。

これにより、ターボ圧縮機（1）が次に運転を行う際、拡大された運転領域を基準として運転することができる。

本発明によれば、制御可能な最大限まで負荷の運転領域が拡大するため、駆動支持部（50）によって駆動される負荷は、より多様な運転状態で運転することができるようになる。

図１は、空気調和装置の配管系統図である。 図２は、圧縮機の構成例を示す図である。 図３は、第１ベアリングレスモータの構成例を示す横断面図である。 図４は、第１ベアリングレスモータの横断面図であって、磁石磁束と駆動用磁束とを示している。 図５は、第１ベアリングレスモータの横断面図であって、磁石磁束と支持用磁束とを示している。 図６は、第１ベアリングレスモータの横断面図であって、磁石磁束、駆動用磁束、及び支持用磁束を示している。 図７は、第２ベアリングレスモータの横断面図であって、磁石磁束、駆動用磁束、及び支持用磁束を示している。 図８は、ターボ圧縮機の運転領域について説明するための図である。 図９は、運転領域の拡大制御を説明するための図である。 図１０は、サージングが生じるメカニズムを説明するための図である。 図１１は、実施形態１に係る運転領域の拡大制御の動作の流れを表す図である。 図１２は、実施形態２に係る運転領域の拡大制御の動作の流れを表す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

≪実施形態１≫
以下では、磁気軸受装置を有した圧縮機を空気調和装置に用いた例について説明する。

＜全体構成＞
図１は、本発明の実施形態１に係る空気調和装置（100）の配管系統図である。同図に示すように、空気調和装置（100）は、室内の空気を調和するための装置であって、冷媒が充填された閉回路である冷媒回路（110）を有する。冷媒回路（110）は、ターボ圧縮機（1）、凝縮器（120）、膨張弁（130）及び蒸発器（140）が冷媒配管によって接続されることで構成されている。本実施形態１に係るターボ圧縮機（1）には、ベアリングレスモータ（60,70）によって駆動される。

図示していないが、冷媒回路（110）には、冷媒圧力を検出するセンサ及び冷媒温度を検出するセンサも設けられている。

本実施形態１では、凝縮器（120）及び蒸発器（140）が、冷媒と水媒体との熱交換を行う構成である場合を例示する。即ち、本実施形態１に係る空気調和装置（100）は、室内を水媒体によって冷却する、所謂チラー装置である。

具体的に、凝縮器（120）には、冷媒回路（110）のみならず、水媒体が循環する室外側水回路（150）が接続されている。凝縮器（120）では、冷媒は、室外から循環してきた室外側水回路（150）の水媒体（循環水）に放熱し、自らは冷却され凝縮する。凝縮器（120）から流出した水媒体は、室外にて放熱する。

蒸発器（140）には、冷媒回路（110）のみならず、水媒体が循環する室内側水回路（160）が接続されている。蒸発器（140）では、冷媒は、室内から循環してきた室内側水回路（160）の水媒体（循環水）から吸熱し、自らは蒸発する。蒸発器（140）から流出した水媒体は、室内に設けられた室内側水回路を循環することで、室内を冷却する。

＜ターボ圧縮機の構成＞
図２は、本実施形態１に係るターボ圧縮機（1）の構成例を示す。図２に示すように、ターボ圧縮機（1）は、ケーシング（2）と、圧縮機構（3）と、駆動軸（20）と、タッチダウン軸受（30,31）と、スラスト磁気軸受（40）と、駆動支持部（50）とを備える。

このうち、駆動軸（20）、タッチダウン軸受（30,31）、スラスト磁気軸受（40）及び駆動支持部（50）は、後述する制御器（90）等と共に、負荷運転制御システムに相当する負荷運転制御装置（10）の構成要素でもある。先ずは、ケーシング（2）と、圧縮機構（3）とについて説明する。

なお、以下の説明において、「軸方向」とは、回転軸方向のことであって、駆動軸（20）の軸心の方向のことである。「径方向」とは、駆動軸（20）の軸方向と直交する方向のことである。「外周側」とは、駆動軸（20）の軸心からより遠い側のことであり、「内周側」とは、駆動軸（20）の軸心により近い側のことである。

−ケーシング−
ケーシング（2）は、両端が閉塞された円筒状に形成され、円筒軸線が水平向きとなるように配置されている。ケーシング（2）内の空間は、壁部（2a）によって区画され、壁部（2a）よりも右側の空間が圧縮機構（3）のインペラ（3a）を収容するインペラ室（S1）を構成し、壁部（2a）よりも左側の空間が負荷運転制御装置（10）に含まれる第１及び第２ベアリングレスモータ（60,70）を収容する電動機室（S3）を構成している。そして、ケーシング（2）内を軸方向に延びる駆動軸（20）がインペラ（3a）と第１及び第２ベアリングレスモータ（60,70）とを連結している。

これにより、駆動軸（20）は、ターボ圧縮機（1）のインペラ（3a）を回転駆動させることができる。

−圧縮機構−
圧縮機構（3）は、流体（この例では冷媒）を圧縮するように構成されており、主にインペラ（3a）を有する。インペラ（3a）は、複数の羽根によって外形が略円錐形状となるように形成されている。インペラ（3a）は、駆動軸（20）の一端に連結され固定された状態で、インペラ室（S1）に収容されている。インペラ室（S1）には、吸入管（4）および吐出管（5）が接続され、インペラ室（S1）の外周部には、圧縮空間（S2）が形成されている。吸入管（4）は、冷媒を外部からインペラ室（S1）内に導くために設けられ、吐出管（5）は、インペラ室（S1）内で圧縮された高圧の冷媒を外部へ戻すために設けられている。

＜負荷運転制御装置の構成＞
負荷運転制御装置（10）は、上述したターボ圧縮機（1）のインペラ（3a）の運転を制御するための装置である。負荷運転制御装置（10）は、既に述べたように、上記駆動軸（20）に加えて、タッチダウン軸受（30,31）と、スラスト磁気軸受（40）と、第１ベアリングレスモータ（60）及び第２ベアリングレスモータ（70）を含む駆動支持部（50）と、制御器（90）と、電源部（93）とを備える。

−タッチダウン軸受−
タッチダウン軸受（30,31）は、駆動軸（20）の軸方向において、２つのベアリングレスモータ（60,70）を挟むようにして２箇所に設けられている。一方のタッチダウン軸受（30）は、駆動軸（20）の一端部（図２の右側端部）近傍に設けられ、他方のタッチダウン軸受（31）は駆動軸（20）の他端部近傍に設けられている。これらのタッチダウン軸受（30,31）は、第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）が非通電であるとき（すなわち、駆動軸（20）が浮上していないとき）に、駆動軸（20）を支持するように構成されている。

−スラスト磁気軸受−
図２に示すように、スラスト磁気軸受（40）は、第１および第２電磁石（41,42）を有しており、駆動軸（20）の他端部（すなわち、インペラ（3a）が固定された一端部とは反対側の端部）に設けられた円板状の部分（以下、円板部（21））を電磁力によって非接触で支持するように構成されている。スラスト磁気軸受（40）は、第１および第２電磁石（41,42）に流れる電流を制御することにより、第１および第２電磁石（41,42）の対向方向（すなわち、軸方向、図２では左右方向）における駆動軸（20）の被支持部（円板部（21））の位置を制御することができる。

なお、図２では図示を省略しているが、上記タッチダウン軸受（30,31）付近及び上記スラスト磁気軸受（40）付近には、ギャップセンサが複数設けられている。ギャップセンサは、例えば渦電流式の変位センサで構成され、円板部（21）とスラスト磁気軸受（40）との間のギャップ、第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）における固定子（64,74）と回転子（61,71）との間のギャップを検出する。ギャップセンサの検出結果は、制御器（90）に入力され、各種制御に利用される。

−駆動支持部−
駆動支持部（50）は、所定の電流範囲内の電流が流れることによって生じる電磁力により、駆動軸（20）を回転駆動し且つ駆動軸（20）のラジアル荷重を非接触で支持するものである。既に述べたように、駆動支持部（50）には、第１ベアリングレスモータ（60）及び第２ベアリングレスモータ（70）が含まれる。第１ベアリングレスモータ（60）及び第２ベアリングレスモータ（70）は、駆動軸（20）の軸方向に沿って並んで配置されている。

−第１ベアリングレスモータ−
第１ベアリングレスモータ（60）は、電動機室（S3）のうちインペラ（3a）に近い側に配置されている。第１ベアリングレスモータ（60）は、一対の回転子（61）と固定子（64）を有する。回転子（61）は駆動軸（20）に固定され、固定子（64）はケーシング（2）の内周壁に固定されている。

図３は、第１ベアリングレスモータ（60）の構成例を示す横断面図である。同図に示すように、第１ベアリングレスモータ（60）は、コンセクエントポール型のベアリングレスモータである。第１ベアリングレスモータ（60）の固定子（64）は、バックヨーク部（65）と、図示を省略する複数のティース部と、ティース部に巻回された駆動用コイル（66a〜66c）および支持用コイル（67a〜67c）とを有する。第１ベアリングレスモータ（60）の回転子（61）は、コア部（62）と、このコア部（62）に埋設された複数（この例では、４つ）の永久磁石（63）とを有する。

固定子（64）は、磁性材料（例えば、積層鋼板）で構成されている。固定子（64）のバックヨーク部（65）は、円筒状に形成されている。駆動用コイル（66a〜66c）および支持用コイル（67a〜67c）は、各ティース部に分布巻方式で巻回されている。これにより、固定子（64）には、スロット（図示せず）が複数形成されている。なお、駆動用コイル（66a〜66c）および支持用コイル（67a〜67c）は、各ティース部に集中巻方式で巻回されていてもよい。

駆動用コイル（66a〜66c）は、ティース部のうち内周側に巻回されたコイルである。駆動用コイル（66a〜66c）は、図３において太線で囲んで示すＵ相駆動用コイル（66a）と、太破線で囲んで示すＶ相駆動用コイル（66b）と、細線で囲んで示すＷ相駆動用コイル（66c）とから構成されている。

支持用コイル（67a〜67c）は、ティース部のうち外周側に巻回されたコイルである。支持用コイル（67a〜67c）は、図３において太線で囲んで示すＵ相支持用コイル（67a）と、太破線で囲んで示すＶ相支持用コイル（67b）と、細線で囲んで示すＷ相支持用コイル（67c）とから構成されている。

回転子（61）のコア部（62）は、円筒状に形成されている。コア部（62）の中央部には駆動軸（20）を挿通するためのシャフト孔（図示せず）が形成されている。コア部（62）は、磁性材料（例えば、積層鋼板）で構成されている。コア部（62）の外周面近傍には、この外周面に沿った形状を有する４つの永久磁石（63）が、回転子（61）の周方向において９０°の角度ピッチ（AP1）で埋設されている。これら４つの永久磁石（63）は、互いに同形状である。各永久磁石（63）の外周面側はＮ極となっており、各永久磁石（63）の間のコア部（62）の外周面は擬似的にＳ極となっている。なお、各永久磁石（63）の外周面側がＳ極となっていてもよい。

図４には、第１ベアリングレスモータ（60）において、各永久磁石（63）によって生じる磁石磁束φ１と、インペラ（3a）および駆動軸（20）を回転駆動するために生じる駆動用磁束ＢＭ１とが示されている。第１ベアリングレスモータ（60）は、これら磁石磁束φ１と駆動用磁束ＢＭ１との相互作用によって、同図に示す駆動トルクＴ１（すなわち、駆動軸（20）を図４の反時計回り方向に回転させるトルク）を発生させるように構成されている。なお、同図中には、駆動用コイル（66a〜66c）に流れる電流と等価の電流ＩＭ１が示されている。

図５には、第１ベアリングレスモータ（60）において、各永久磁石（63）によって生じる磁石磁束φ１と、駆動軸（20）のラジアル荷重を非接触で支持するために生じる支持用磁束ＢＳ１とが示されている。第１ベアリングレスモータ（60）は、これら磁石磁束φ１と支持用磁束ＢＳ１との相互作用によって、同図に示す支持力Ｆ１（すなわち、駆動軸（20）を図５で右方向に押す力）を発生させるように構成されている。なお、同図中には、支持用コイル（67a〜67c）に流れる電流と等価の電流ＩＳ１が示されている。

図５からわかるように、支持用磁束ＢＳ１の磁路は、固定子（64）のバックヨーク部（65）およびティース部と、エアギャップと、回転子（61）のコア部（62）とを通る経路である。バックヨーク部（65）、ティース部およびコア部（62）の磁気抵抗は、永久磁石（63）の磁気抵抗よりも小さい。したがって、第１ベアリングレスモータ（60）は、後述するように回転子（71）の外周面の略全体に永久磁石（73）が配置される第２ベアリングレスモータ（70）（すなわち、駆動軸（20）のラジアル荷重を支持する磁力を発生させるための磁路中に永久磁石（73）が含まれる第２ベアリングレスモータ（70））に比べて、駆動軸（20）のラジアル荷重を支持する磁力を発生させるための磁路の磁気抵抗が小さい。よって、第１ベアリングレスモータ（60）は、第２ベアリングレスモータ（70）に比べて、駆動軸（20）のラジアル荷重を支持するための支持力をより大きく発生させることができる。

図６には、第１ベアリングレスモータ（60）において、各永久磁石（63）によって生じる磁石磁束φ１と、インペラ（3a）および駆動軸（20）を回転駆動するために生じる駆動用磁束ＢＭ１と、駆動軸（20）のラジアル荷重を非接触で支持するために生じる支持用磁束ＢＳ１とが示されている。第１ベアリングレスモータ（60）は、これら磁石磁束φ１と駆動用磁束ＢＭ１と支持用磁束ＢＳ１との相互作用によって、同図に示す駆動トルクＴ１および支持力Ｆ１を同時に発生させるように構成されている。なお、同図中には、駆動用コイル（66a〜66c）および支持用コイル（67a〜67c）に流れる電流と等価の電流ＩＭ１，ＩＳ１が示されている。

−第２ベアリングレスモータ−
図２に示すように、第２ベアリングレスモータ（70）は、電動機室（S3）のうちインペラ（3a）から遠い側に配置されている。図７に示すように、第２ベアリングレスモータ（70）は、一対の回転子（71）と固定子（74）を有する。回転子（71）は駆動軸（20）に固定され、固定子（74）はケーシング（2）に固定されている。

なお、第２ベアリングレスモータ（70）については、上記図３と同様のため図示を省略しているが、固定子（74）には、複数のティース部に駆動用コイルおよび支持用コイルが巻回され、複数のスロットが形成された構造となっている。

図７は、第２ベアリングレスモータ（70）の構成例を示す横断面図である。同図に示すように、第２ベアリングレスモータ（70）は、実質的には表面磁石型のベアリングレスモータと同様の挙動を示す埋込磁石型のベアリングレスモータである。第２ベアリングレスモータ（70）の固定子（74）の構成は、第１ベアリングレスモータ（60）の固定子（64）の構成と同じである。第２ベアリングレスモータ（70）の回転子（71）は、コア部（72）と、このコア部（72）に埋設された複数（この例では、８つ）の永久磁石（73）とを有する。

回転子（71）のコア部（72）は、円筒状に形成されている。コア部（72）の中央部には駆動軸（20）を挿通するためのシャフト孔（図示せず）が形成されている。コア部（72）は、磁性材料（例えば、積層鋼板）で構成されている。コア部（72）の外周面近傍には、この外周面に沿った形状を有する８つの永久磁石（73）が、回転子（71）の周方向において４５°の角度ピッチ（AP2）（すなわち、第１ベアリングレスモータ（60）における９０°の角度ピッチ（AP1）の半分）で埋設されている。これら８つの永久磁石（73）は、互いに同形状であって、さらに第１ベアリングレスモータ（60）の４つの永久磁石（63）とも互いに同形状である。各永久磁石（73）の外周面側は回転子（71）の周方向においてＮ極とＳ極とが交互に現れるようになっている。

図７には、第２ベアリングレスモータ（70）において、各永久磁石（73）によって生じる磁石磁束φ２と、インペラ（3a）および駆動軸（20）を回転駆動するために生じる駆動用磁束ＢＭ２と、駆動軸（20）のラジアル荷重を非接触で支持するために生じる支持用磁束ＢＳ２とが示されている。第２ベアリングレスモータ（70）は、これら磁石磁束φ２と駆動用磁束ＢＭ２と支持用磁束ＢＳ２との相互作用によって、同図に示す駆動トルクＴ２（すなわち、駆動軸（20）を図７の反時計回り方向に回転させるトルク）および支持力Ｆ２（すなわち、駆動軸（20）を図７の右方向に押す力）を同時に発生させるように構成されている。

図７からわかるように、支持用磁束ＢＳ２の磁路は、固定子（74）のバックヨーク部（75）およびティース部と、エアギャップと、回転子（71）の永久磁石（73）およびコア部（72）とを通る経路である。

一方、第２ベアリングレスモータ（70）における永久磁石（73）の数は、第１ベアリングレスモータ（60）における永久磁石（63）の数よりも多い。このため、第１ベアリングレスモータ（70）は、第１ベアリングレスモータ（60）に比べて（図４を参照）、永久磁石（73）によって生じる磁束の磁束密度が高い。よって、第２ベアリングレスモータ（70）は、第１ベアリングレスモータ（60）に比べて、インペラ（3a）および駆動軸（20）を回転駆動するための駆動トルクＴ２をより大きく発生させることができる。

−制御器−
制御器（90）は、マイクロコンピュータ（91）と、マイクロコンピュータ（91）を動作させるソフトウエア等を格納したメモリ（92）とによって構成される。制御器（90）は、駆動軸（20）の位置が所望の位置となるように、スラスト磁気軸受（40）に供給する電圧を制御するための電圧指令値（スラスト電圧指令値）、及び、第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）に供給する電圧を制御するための電圧指令値（モータ電圧指令値）を生成して出力する。

上記電圧指令値の生成動作には、円板部（21）とスラスト磁気軸受（40）との間のギャップを検出可能なギャップセンサ（図示せず）の検出値、第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）における固定子（64,74）と回転子（61,71）との間のギャップを検出可能なギャップセンサ（図示せず）の検出値、インペラ（3a）および駆動軸（20）の目標回転速度の情報等が用いられる。

特に、本実施形態１に係る制御器（90）のマイクロコンピュータ（91）は、運転制御部（91a）（制御部に相当）として機能する。運転制御部（91a）は、第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）における総磁束の余裕度（以下、磁束余裕度）の演算を行うと共に、演算した磁束余裕度に基づき、第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）の負荷であるターボ圧縮機（1）（具体的には圧縮機構（3）のインペラ（3a））の運転条件を制御する。この運転制御は、ターボ圧縮機（1）の運転領域を拡大する制御と云えるが、詳細は後述する。

また、本実施形態１に係る制御器（90）のマイクロコンピュータ（91）は、更新部（91b）としても機能する。メモリ（92）は、複数の領域から成る所定の運転領域（後述）を格納しているが、更新部（91b）は、当該所定の運転領域が更新された際、これをメモリ（92）に上書きする。

−電源部−
電源部（93）は、制御器（90）からのスラスト電圧指令値およびモータ電圧指令値に基づいて、スラスト磁気軸受（40）ならびに第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）に電圧をそれぞれ供給する。例えば、電源部（93）は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）アンプによって構成することが可能である。

＜ターボ圧縮機の運転領域＞
図８を用いて、ターボ圧縮機（1）の運転領域について説明する。図８において、横軸は冷媒体積流量を、縦軸はヘッドをそれぞれ示す。ターボ圧縮機（1）は、電源部（93）によって所定の電流範囲内の電流が駆動支持部（50）（本実施形態１では、第１および第２ベアリングレスモータ（60,70））に流れることにより、所定の運転領域において運転され得る。

所定の運転領域は、主に、図８に太線の一点鎖線で示すサージラインの内側の定常運転領域（Ａ）、高負荷トルク領域（Ｂ）およびタービュランス領域（Ｃ）と、当該サージラインの外側のサージング領域（Ｄ）とを含む。

定常運転領域（Ａ）は、図８に符号Ａで示す領域であって、インペラ（3a）および駆動軸（20）の負荷トルク（すなわち、インペラ（3a）および駆動軸（20）を回転駆動するための駆動トルクＴ１，Ｔ２）が比較的小さく、かつ駆動軸（20）のラジアル荷重も比較的小さい領域である。

高負荷トルク領域（Ｂ）は、図８に符号Ｂで示す領域であって、インペラ（3a）および駆動軸（20）の負荷トルクが比較的大きく、かつ駆動軸（20）のラジアル荷重も比較的大きい領域である。

タービュランス領域（Ｃ）は、図８に符号Ｃで示す領域であって、インペラ（3a）および駆動軸（20）の負荷トルクは比較的小さい一方、駆動軸（20）のラジアル荷重は比較的大きい領域である。

サージング領域（Ｄ）は、図８に符号Ｄで示す領域であって、インペラ（3a）および駆動軸（20）の負荷トルクは比較的小さい一方、駆動軸（20）のラジアル荷重は比較的大きい領域である。ターボ圧縮機（1）における駆動軸（20）のラジアル荷重は、このサージング領域（Ｄ）中の所定の点において最大となる。この所定の点にてターボ圧縮機（1）を運転するときに、支持用磁束ＢＳの値は最大となり、各ベアリングレスモータ（60,70）の支持用コイル（67a〜67c）に合計で最大支持力電流が流れる。

以下では、定常運転領域（Ａ）および高負荷トルク領域（Ｂ）においてターボ圧縮機（1）を運転する場合を「通常運転時」と云い、通常運転領域（Ａ）及び負荷トルク領域（Ｂ）を、まとめて「第１運転可能領域」と云う。本実施形態では「第１運転可能領域」を、予め設定されている、いわばデフォルト領域とする。また、タービュランス領域（Ｃ）のことを「旋回失速が生じる領域」とも云う。

＜総磁束余裕度の演算処理＞
運転制御部（91a）が磁束余裕度をどのようにして算出するかについて詳述する。

運転制御部（91a）は、各ベアリングレスモータ（60,70）に生じる総磁束量を求める。運転制御部（91a）は、求めた総磁束量を、予め定められている各ベアリングレスモータ（60,70）の総磁束限界量から減算することにより、これらの差（減算結果）で表される磁束余裕度を算出する。

上述したように、第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）に生じる磁束としては、図８で示したターボ圧縮機（1）の所定の運転領域における、インペラ（3a）及び駆動軸（20）を回転駆動するために第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）それぞれに生じる駆動用磁束ＢＭ１，ＢＭ２、駆動軸（20）のラジアル荷重を非接触で支持するために第１及び第２ベアリングレスモータ（60,70）それぞれに生じる支持用磁束ＢＳ１，ＢＳ２、永久磁石（63,73）によって生じる磁石磁束φ１，φ２が挙げられる。先ず、運転制御部（91a）は、ベアリングレスモータ（60,70）毎に、固定子（64,74）に形成されたスロット（図示せず）全ての中で、駆動用磁束ＢＭ１，ＢＭ２、支持用磁束ＢＳ１，ＢＳ２及び磁石磁束φ１，φ２の合計値が最大となるスロットでの磁束量を演算する。

具体的に、駆動用磁束ＢＭ１，ＢＭ２の磁束量を“Φ_Ｍ”、支持用磁束ＢＳ１，ＢＳ２の磁束量を“Φ_Ｓ”、磁石磁束φ１，φ２の磁束量を“Φ_Ｐ”とすると、ある瞬間のｎ番目スロットの磁束量Φｎは、以下にて示される。

但し、各引数は瞬間の値である。上式における“ｉ_Ｍ”は駆動等価電流（駆動用コイルに流れる電流と等価の電流）であって、駆動用磁束ＢＭ１，ＢＭ２全体の強さに寄与するパラメータである。“ｉ_Ｓ”は支持等価電流（支持用コイルに流れる電流と等価の電流）であって、支持用磁束ＢＳ１，ＢＳ２全体の強さに寄与するパラメータである。“θ_Ｍ”は、駆動用磁束ＢＭ１，ＢＭ２の電気角であって、駆動用磁束ＢＭ１，ＢＭ２のスロット毎の磁気抵抗に寄与するパラメータである。“θ_Ｓ”は、支持用磁束ＢＳ１，ＢＳ２の電気角であって、支持用磁束ＢＳ１，ＢＳ２のスロット毎の磁気抵抗に寄与するパラメータである。“θ_Ｒ”は、回転子電気角であって、磁気抵抗に寄与するパラメータである。

上記（１）を展開した結果、ある瞬間のｎ番目スロットの磁束量Φｎは、以下にて示される。

上式における“Ｎ_Ｍ”は、各ベアリングレスモータ（60,70）における駆動用コイル（66a〜66c）の巻き数である。“Ｎ_Ｓ”は、各ベアリングレスモータ（60,70）における支持用コイル（67a〜67c）の巻き数である。“Ｒ_Ｍｎ”は、各ベアリングレスモータ（60,70）におけるｎ番目のスロットでの駆動用磁束ＢＭ１，ＢＭ２の磁気抵抗である。“Ｒ_Ｓｎ”は、各ベアリングレスモータ（60,70）におけるｎ番目のスロットでの支持用磁束ＢＳ１，ＢＳ２の磁気抵抗である。“Ｒ_Ｐｎ”は、各ベアリングレスモータ（60,70）におけるｎ番目のスロットでの永久磁石（63,73）の磁気抵抗である。“Ｆ_Ｐ”は、各ベアリングレスモータ（60,70）における永久磁石（63,73）の起磁力である。

すると、各ベアリングレスモータ（60,70）におけるスロット間の最大総磁束量ΦＭａｘ（駆動支持部（50）で生じる磁束の総磁束量に相当）は、以下にて示される。

予め定められている各ベアリングレスモータ（60,70）の総磁束限界量をΦＵＬｉｍとすると、各ベアリングレスモータ（60,70）における磁束余裕度ＭΦは、以下で示される。

従って、（３）式及び（４）式より、磁束余裕度ＭΦは、以下で示される。

なお、上記総磁束限界量ΦＵＬｉｍは、例えば、各ベアリングレスモータ（60,70）の材料特性等によって定まる固有の値である。

以下の説明では、一例として、上式（５）に基づき得られた各ベアリングレスモータ（60,70）の磁束余裕度ＭΦを合算した値が、圧縮機構（3）の運転制御に利用されるとする。

＜磁束余裕度に基づくベアリングレスモータの制御動作＞
−運転領域の拡大制御−
図９は、運転領域の拡大制御を説明するための図である。図９において、横軸は、空気調和装置（100）の出力を示し、縦軸は、室外側水回路（150）において凝縮器（120）に流入する水媒体の温度を示す。なお、図９の横軸“空気調和装置の出力”は、図８の横軸“冷媒体積流量”と相関するパラメータである。空気調和装置（100）の出力とは、具体的には図１の空気調和装置（100）の蒸発器（140）によって水媒体から取り去られる単位時間当たりの熱量を表すものである（水媒体の温度条件）。図９の縦軸“凝縮器に流入する水媒体の温度”は、図８の縦軸“ヘッド”と相関するパラメータである。

図９において、破線と縦軸と横軸とで囲まれた範囲は、図８の通常運転領域（Ａ）及び高負荷トルク領域（Ｂ）を含む、予め定められた「第１運転可能領域」に対応する。図９において、一点鎖線で表されたサージラインと、破線で表された第１運転可能領域の境界線との間に挟まれた範囲は、図８のタービュランス領域（Ｃ）である「旋回失速が生じる領域」に対応する。図９において、一点鎖線で表されたサージラインよりも上側の領域は、図８のサージング領域（Ｄ）に対応する。

ここで、サージングについて説明する。図１０は、サージングが生じるメカニズムを説明するための図である。ターボ圧縮機（1）（具体的にはインペラ（3a））は、回転数が一定である場合、ターボ圧縮機（1）に流入される冷媒体積流量が少ない程ヘッドが高くなる性質を有するように設計される。図１０の予め定められた第１運転可能領域では、外乱によって冷媒体積流量が増加すると、ヘッドは減少する。ヘッドの減少は、吐出圧力が減少することを意味する。逆に、外乱によって冷媒体積流量が減少すると、ヘッドは増加し（即ち吐出圧力が増加）、冷媒体積流量は比較的安定する状態となる。

ところが、ターボ圧縮機（1）（具体的にはインペラ（3a））の回転数が一定の状態にて冷媒体積流量が更に小さくなると、冷媒の流れに対するインペラ（3a）の翼の角度（迎え角）が大きくなりすぎて、一部の翼にて失速現象が発生する。この現象は、インペラ（3a）の翼間を伝播するように旋回的に発生するため、「旋回失速」と呼ばれる（図１０のタービュランス領域（Ｃ））。旋回失速の際、インペラ（3a）付近の圧力分布は不均一となり、インペラ（3a）には脈動的な加振力が加わる。

更に、回転数が一定の状態にて冷媒体積流量が極端に小さくなると、ヘッドは概ね一定値に収束するため（即ち、冷媒体積流量に対するヘッドの勾配はゼロに近づくため）、上述した冷媒体積流量の安定化は損なわれる（図１０のサージング領域（Ｄ））。すると、冷媒回路（110）における蒸発器（140）から凝縮器（120）への流路全体の冷媒体積流量は非常に不安定となり、インペラ（3a）には更に大きな脈動的な加振力が伝達される。この現象が「サージング」である。この加振力は、ターボ圧縮機（1）の振動を引き起こし、ターボ圧縮機（1）の運転を不安定にする。そして、この加振力は、ターボ圧縮機（1）を構成する機械部品に過大な負荷をかける要因となり、最悪の場合これらの機械部品を破損させる。

それ故、このようなサージングが生じないように、一般的には、図９を用いて上述したように、予め設定される第１運転可能領域は、サージラインの内側であって、且つタービュランス領域（Ｃ）を除外した領域（具体的には、定常運転領域（Ａ）及び高負荷トルク領域（Ｂ））に設定される。

なお、サージングは、例えば、ターボ圧縮機（1）が予め定められた第１運転可能領域の境界線付近で運転している際に、停電によって商用電源（図示せず）から空気調和装置（100）への供給電力が突如として断たれた時に、生じることがある。空気調和装置（100）への供給電力が断たれると、ターボ圧縮機（1）も運転を停止する。すると、ターボ圧縮機（1）のヘッドはさほど変化せずに冷媒体積流量は急激に低下し、その後、ターボ圧縮機（1）のヘッドも低下していく。この、冷媒体積流量が急激に低下してからターボ圧縮機（1）のヘッドが低下するまでの間に、ターボ圧縮機（1）の運転状態は、一時的と云えども予め定められた第１運転可能領域からサージラインを超えてサージング領域（Ｄ）に遷移する可能性があるからである。

これに対し、本実施形態１に係る運転制御部（91a）は、第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）の磁束余裕度の大小から、第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）の総磁束量が総磁束限界量に対して余裕があると判断した際には、あえてターボ圧縮機（1）をタービュランス領域（Ｃ）にて運転させるように、負荷であるターボ圧縮機（1）の運転条件を制御する。即ち、運転制御部（91a）は、ターボ圧縮機（1）の運転が許容される領域を、予め定められた第１運転可能領域（図９の破線より下方）から、図９の斜線に示す“運転拡大領域”の分を第１運転可能領域に追加した「第２運転可能領域」に拡大させる。

運転領域が拡大するということは、予め定められた第１運転可能領域内よりもサージラインにより近い点でターボ圧縮機（1）が運転することとなる。そのため、一時的にターボ圧縮機（1）の運転状態がサージラインを超えてサージング領域（Ｄ）に遷移する可能性も高くなるが、本実施形態１に係る運転制御部（91a）は、上記運転領域の拡大に加えて、旋回失速及びサージングに十分耐えうるような制御を、ターボ圧縮機（1）に対して行う。

具体的には、運転制御部（91a）は、第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）の磁束余裕度に基づいて、第１及び第２ベアリングレスモータ（60,70）の総磁束量の余裕分を、駆動軸（20）の支持力の生成に利用させる。既に述べたように、各ベアリングレスモータ（60,70）は、駆動用磁束ＢＭ１，ＢＭ２と支持用磁束ＢＳ１，ＢＳ２とを生じさせることができるが、このうち、運転制御部（91a）は、第１及び第２ベアリングレスモータ（60,70）の総磁束量の余裕分を駆動用磁束ＢＭ１，ＢＭ２ではなく支持用磁束ＢＳ１，ＢＳ２の発生に使用させるための電圧指令値（モータ電圧指令値）を、生成して出力する。

詳細には、運転制御部（91a）は、ターボ圧縮機（1）をタービュランス領域（Ｃ）で運転する際には、同一回転速度で比較したとき、通常運転時に比べて、駆動用磁束ＢＭ（すなわち、第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）で生じる駆動用磁束の和ＢＭ１＋ＢＭ２）を発生させるための電流ＩＭ（すなわち、第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）の支持用コイル（67a〜67c）に流れる電流の合計）に対する支持用磁束ＢＳを発生させるための電流ＩＳの割合を増加させていくように、電源部（93）にモータ電圧指令値を送信する。そのとき、電源部（93）は、運転制御部（91a）から送信されたモータ電圧指令値に基づいて、第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）における、駆動用コイル（66a〜66c）に流れる電流ＩＭに対する支持用コイル（67a〜67c）に流れる電流ＩＳの割合を増加させていくように、当該第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）に電圧を供給する。

これにより、タービュランス領域（Ｃ）（即ち旋回失速領域）では、旋回失速（更にはサージング）の加振力に耐え得る程度の駆動軸（20）の支持力が第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）にて発生する。そのため、旋回失速及びサージングによってターボ圧縮機（1）を構成する機械部品が破損することを抑制することできる。従って、このような運転領域の拡大制御は、これまで旋回失速やサージングの発生を回避するためにあえて使用を控えていた運転領域（図９における運転拡大領域）でのターボ圧縮機（1）の使用を可能にするため、ターボ圧縮機（1）が使用されるシチュエーションの幅が広がる。

−運転領域の拡大制御の動作の流れ−
以下、上述した運転領域の拡大制御の動作の流れを、図１１を用いて説明する。

先ず、運転制御部（91a）は、運転領域の拡大制御が許可された状態であるか否かを判断する（ステップＳｔ１１）。運転領域の拡大制御の可否は、例えば空気調和装置（100）を設置する施工者やユーザ等によって適宜設定されることができる。

運転領域の拡大制御が許可されていない場合（ステップＳｔ１１のＮｏ）、運転制御部（91a）は、空気調和装置（100）の出力及び凝縮器（120）に流入する水媒体の温度を、ターボ圧縮機（1）が第１運転可能領域内で運転する際の値に設定する（ステップＳｔ１２）。即ちこの場合、運転領域は拡大されることなく、ターボ圧縮機（1）は、図９及び図１０における予め定められた第１運転可能領域内にて運転する。

運転領域の拡大制御が許可されている場合（ステップＳｔ１１のＹｅｓ）、運転制御部（91a）は、現在の第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）における総磁束量を、上式（３）に基づき演算することで推定する（ステップＳｔ１３）。そして、運転制御部（91a）は、第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）の総磁束余裕度を、上式（５）に基づき算出する（ステップＳｔ１４）。運転制御部（91a）は、算出した総磁束余裕度を所定値と比較する（ステップＳｔ１５）。

算出した総磁束余裕度が所定値以上である場合（ステップＳｔ１５のＹｅｓ）、運転制御部（91a）は、空気調和装置（100）の出力を一定として凝縮器（120）に流入する水媒体の温度が現在の水温から上昇するように、ターボ圧縮機（1）から吐出される冷媒の温度（吐出温度）を上昇させるための制御を、ターボ圧縮機（1）及び冷媒回路（110）の構成機器の少なくとも１つに対して行う（Ｓｔ１６）。算出した総磁束余裕度が所定値以上であるということは、その分、第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）が生じることのできる磁束には余裕があるということになる。室内を冷却する場面において、室外の温度が上昇した際、凝縮器（120）に流入する水温は上昇し、これに伴い凝縮器（120）の冷媒温度も高くなり、冷媒圧力も高くなる。この際にも、室内側の水媒体を室外の温度に関わらず常に一定温度まで冷却する（即ち空気調和装置（100）の出力一定）とした場合、運転制御部（91a）は、ターボ圧縮機（1）の吐出圧力を上昇させて冷媒の吐出温度が上昇するように、ターボ圧縮機（1）の回転数及び冷媒回路（110）内の冷媒の流量の少なくとも１つを調整する制御を行う。例えば、運転制御部（91a）は、ターボ圧縮機（1）の吐出圧力を上昇させて冷媒の吐出温度が上昇するように、ターボ圧縮機（1）の回転数を上昇させるか、及び／または、冷媒の流量を減少させる。

ターボ圧縮機（1）の吐出圧力が上昇するということは、ターボ圧縮機（1）のヘッドが上昇することと等価である。つまり、図１１のステップＳｔ１６は、ターボ圧縮機（1）の運転領域が、図９に係る予め定められた第１運転可能領域から、運転拡大領域分が追加された第２運転可能領域に拡大したことを意味する。更に、図１１のステップＳｔ１６は、ターボ圧縮機（1）の限界運転ポイントが、予め定められた第１運転可能領域の境界線付近のポイント（図９の三角印）から、磁束使用量が増える方向へと変更された運転ポイント（図９の丸印）へと遷移したことを意味する。そして、このステップＳｔ１６では、運転領域の拡大に伴い、磁束の余裕分は第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）の支持用磁束ＢＳ１，ＢＳ２の発生に使用され、駆動軸（20）及び圧縮機構（3）に含まれるインペラ（3a）の駆動支持力が増加される。

ステップＳｔ１６の後、更新部（91b）は、メモリ（92）に現在保存されている所定の運転領域を、ステップＳｔ１６にて運転領域が拡大された後の所定の運転領域に再設定する（ステップＳｔ１７）。つまり、拡大された後の第２運転可能領域を含む所定の運転領域は、次回の運転領域拡大制御時にはデフォルト値として使用される。

算出した総磁束余裕度が所定値を下回る場合（ステップＳｔ１５のＮｏ）、運転制御部（91a）は、空気調和装置（100）の出力を一定として凝縮器（120）に流入する水媒体の温度が現在の水温から下降するように、ターボ圧縮機（1）から吐出される冷媒の温度（吐出温度）を低下させるための制御を、ターボ圧縮機（1）及び冷媒回路（110）の構成機器の少なくとも１つに対して行う（Ｓｔ１８）。算出した総磁束余裕度が所定値を下回るということは、第１及び第２ベアリングレスモータ（60,70）が生じることのできる磁束には余裕がないということになる。そこで、運転制御部（91a）は、ターボ圧縮機（1）の吐出圧力を下降させて冷媒の吐出温度が下降するように、ターボ圧縮機（1）の回転数及び冷媒回路（110）内の冷媒の流量の少なくとも１つを調整する制御を行う。例えば、運転制御部（91a）は、ターボ圧縮機（1）から吐出される冷媒の温度が低下するように、ターボ圧縮機（1）の回転数を低下させるか、及び／または、冷媒の流量を増加させる。この場合、ヘッドは減少するため、ターボ圧縮機（1）の運転領域は拡大しない。

＜効果＞
本実施形態１では、駆動支持部（50）の磁束余裕度に応じてターボ圧縮機（1）の運転条件を変更させることにより、制御可能な最大限までターボ圧縮機（1）の運転領域を可能な限り拡大することができる。具体的に、運転制御部（91a）は、駆動支持部（50）の磁束余裕度に応じて旋回失速の生じる領域では磁束の余裕分を支持用磁束の発生に費やす制御等を行う。そのため、ターボ圧縮機（1）は、図９の第１運転可能領域のみならず、旋回失速の生じる領域（タービュランス領域（Ｃ）、つまり運転拡大領域）等でも問題なく運転を行うことが可能となる。従って、より多様な運転状態で運転することができるようになる。

特に、上記駆動支持部（50）は、第１ベアリングレスモータ（60）及び第２ベアリングレスモータ（70）を有する。これらのベアリングレスモータ（60,70）は、支持用磁束及び駆動用磁束の比率を、負荷の運転状態と磁束余裕度に応じて変化させることができる。つまり、ターボ圧縮機（1）の運転領域が拡大した際、サージング現象に耐えうるように、一定の磁束余裕度を確保する範囲内で各ベアリングレスモータ（60,70）に発生する駆動用磁束を減少させて支持用磁束を増加させる等の制御が可能となる。従って、ターボ圧縮機（1）は、より多様な運転状態で問題なく運転することができる。

また、運転制御部（91a）は、固定子（64,74）に形成された複数のスロットのうち、駆動用磁束ＢＭ１，ＢＭ２と支持用磁束ＢＳ１，ＢＳ２と回転子（61,71）が有する永久磁石（63,73）の磁石磁束φ１，φ２との合計値が最大となるスロットでの磁束量を、総磁束量として算出する。これにより、ベアリングレスモータ（60,70）に生じる総磁束量を正確に把握することができ、よって、磁気飽和が生じなくなり、駆動支持部（50）の制御精度を維持したまま運転領域を最大限に拡大できる。

図１１のステップＳｔ１６に示すように、磁束余裕度が所定値を超える場合、磁束の観点からは駆動支持部（50）には余裕があると判断できるため、運転制御部（91a）は、ターボ圧縮機（1）のヘッド（圧縮仕事）を上昇させる（即ち、ターボ圧縮機（1）から吐出される冷媒の温度を上昇させる）ことにより、凝縮器（120）に流入する水媒体の温度を上昇させる。凝縮器（120）に流入する水媒体の温度が上昇することは、例えば高温な室外の環境においても冷媒回路（110）は冷凍サイクルを行うことができることとなるため、これは負荷の運転領域が拡大されたことを意味する。

一方で、図１１のステップＳｔ１８に示すように、磁束余裕度が所定値を下回る場合、磁束の観点からは駆動支持部（50）に余裕がないと判断できるため、運転制御部（91a）は、ターボ圧縮機（1）から吐出される冷媒の温度を低下させることにより、ターボ圧縮機（1）のヘッド（圧縮仕事）を下げるようにする。これにより、ターボ圧縮機（1）においてサージング及び旋回失速が生じることを回避することができる。

図１１のステップＳｔ１７に示すように、更新部（91b）は、制御部（91a）がターボ圧縮機（1）から吐出する冷媒の温度を上昇させた際のターボ圧縮機（1）の運転状態に基づいて、所定の運転領域を更新する。これにより、ターボ圧縮機（1）が次に運転を行う際、拡大された運転領域を基準として運転することができる。

≪実施形態２≫
上記実施形態１では、図１１のステップＳｔ１６，Ｓｔ１８に示すように、磁束余裕度に基づいて冷媒の温度（吐出温度）を低下させる制御において、空気調和装置（100）の出力を一定とすると説明した。本実施形態２では、上記実施形態１とは異なり、磁束余裕度に基づいて冷媒の温度（吐出温度）を低下させる制御において、空気調和装置（100）の出力を変更するものである。

なお、本実施形態２では、図１２に示した運転領域の拡大制御の動作の流れの一部分が、上記第１実施形態に係る図１１と異なるのみであり、ターボ圧縮機（1）、空気調和装置（100）、負荷運転制御装置（10）の構成は、上記実施形態１と同様である。それ故、以下では、図１２が図１１と異なる部分のみ説明する。

−運転領域の拡大制御の動作の流れ−
図１２のステップＳｔ１１〜Ｓｔ１５は、図１１と同様である。

図１２のステップＳｔ１５において、算出した総磁束余裕度が所定値以上である場合（ステップＳｔ１５のＹｅｓ）、運転制御部（91a）は、凝縮器（120）に流入する水媒体の温度を一定として空気調和装置（100）の出力が低下するように、ターボ圧縮機（1）の回転数及び冷媒回路（110）に流れる冷媒の流量の少なくとも１つを調整する（Ｓｔ２６）。

ステップＳｔ２６の後、更新部（91b）は、メモリ（92）に現在保存されている所定の運転領域を、ステップＳｔ２６にて運転領域が拡大された後の所定の運転領域に再設定する（ステップＳｔ２７）。つまり、拡大された後の第２運転可能領域を含む所定の運転領域は、次回の運転領域拡大制御時にはデフォルト値として使用される。

総磁束余裕度が所定値を下回る場合（ステップＳｔ１５のＮｏ）、運転制御部（91a）は、凝縮器（120）に流入する水媒体の温度を一定として空気調和装置（100）の出力が上昇するように、ターボ圧縮機（1）の回転数及び冷媒回路（110）に流れる冷媒の流量の少なくとも１つを調整する（Ｓｔ２８）。

＜効果＞
図９に基づけば、空気調和装置（100）の出力が低い（即ち、空気調和装置（100）の出力が低い）程、ターボ圧縮機（1）は、タービュランス領域（Ｃ）に入り易くなる。逆に、空気調和装置（100）の出力が高い（即ち、空気調和装置（100）の出力が高い）程、ターボ圧縮機（1）は、タービュランス領域（Ｃ）に入りにくくなる。

Ｓｔ２６のように、磁束余裕度が所定値を超えており磁束の観点からは駆動支持部（50）には余裕がある場合には、余裕のある磁束分を支持用磁束ＢＳ１，ＢＳ２の発生に費やす制御が可能となる。そのため、本実施形態２では、空気調和装置（100）の出力を低下させて、ターボ圧縮機（1）の運転状態をタービュランス領域（Ｃ）に積極的に遷移させている。これは、負荷の運転領域が拡大されたことを意味する。

一方、磁束余裕度が所定値を下回っており磁束の観点からは駆動支持部（50）に余裕がない場合、支持用磁束ＢＳ１，ＢＳ２の発生に費やすことのできる磁束が乏しい。そのため、本実施形態２では、空気調和装置（100）の出力を上昇させて、ターボ圧縮機（1）の運転状態をタービュランス領域（Ｃ）に遷移しにくくなるようにしている。これにより、ターボ圧縮機（1）においてサージング及び旋回失速が生じることを回避することができる。

≪その他の実施形態≫
負荷運転制御装置（10）は、２つのベアリングレスモータ（60,70）に代えて、駆動軸の駆動支持力を発生するラジアル磁気軸受と、ベアリングレスモータ以外であって駆動軸の回転駆動力を発生する回転電気機械とを備える駆動支持部（50）においても、適用することができる。

また、負荷運転制御装置（10）は、１つのラジアル磁気軸受と１つのベアリングレスモータとを備える駆動支持部（50）においても、適用することができる。

駆動支持部（50）が複数のベアリングレスモータで構成される場合、ベアリングレスモータの数は、２つに限定されず、１であってもよいし、３つ以上であってもよい。

ベアリングレスモータ（60,70）の種類は、コンセクエントポール型等に限定されない。

ベアリングレスモータ（60,70）は、駆動用と支持用のコイルを別々に有する構成ではなく、両機能を併せ持つコイルを有する構成であってもよい。

回転子（61,71）および固定子（64,74）は、積層鋼板以外の材料で構成されていてもよい。

ターボ圧縮機（1）のインペラ（3a）の数は１つに限定されることなく、２以上であってもよい。例えば、駆動軸（20）の両端にインペラが１つずつ取り付けられていてもよい。

負荷運転制御装置（10）の負荷は、サージングが生じる可能性のあるものであれば良い。負荷は、ターボ圧縮機（1）に限定されることなく、ポンプ等であってもよい。

ベアリングレスモータが永久磁石を有さない構造の場合、ベアリングレスモータ（60,70）に生じる総磁束量は、磁石磁束φ_Ｐは足さずに、駆動用磁束φ_Ｍ及び支持用磁束φ_Ｓの合計値で求められる。

また、上式（１）〜上式（５）を用いた磁束余裕度の算出方法は一例である。磁束余裕度の算出方法は、上式（１）〜上式（５）を用いた方法以外であってもよい。例えば、上記磁束余裕度ＭΦの所定時間ごとのピーク値及び／または、磁束余裕度ＭΦを、ローパスフィルタ処理した値でもって改めて磁束余裕度ＭΦとしても良い。

上記実施形態１，２では、空気調和装置（100）がチラー装置である場合を例示したが、空気調和装置（100）は、チラー装置に限定されない。

図１１のステップＳｔ１７及び図１２のステップＳｔ２７では、所定の運転領域が更新される旨を表しているが、ステップＳｔ１７，Ｓｔ２７は必須ではない。

図１１のステップＳｔ１６，Ｓｔ１８では、空気調和装置（100）の出力を一定として凝縮器（120）に流入する水媒体の温度を現在の水温から変更させる場合を例示した。しかし、凝縮器（120）に代えて、蒸発器（140）に流入する水媒体の温度を現在の水温から変更させてもよい。具体的に、ステップＳｔ１６では、運転制御部（91a）は、空気調和装置（100）の出力を一定として、蒸発器（140）に流入する水媒体の温度を現在の水温から下降させてもよい。ステップＳｔ１８では、運転制御部（91a）は、空気調和装置（100）の出力を一定として、蒸発器（140）に流入する水媒体の温度を現在の水温から上昇させてもよい。

以上説明したように、本発明は、負荷がサージングを生じる可能性のある機器であり、この負荷を駆動させる駆動軸を駆動支持部が回転駆動及び非接触で支持する構成において、当該負荷の運転を制御するシステムとして有用である。

１ ターボ圧縮機
１０ 負荷運転制御装置（負荷運転制御システム）
２０ 駆動軸
５０ 駆動支持部
６０ 第１ベアリングレスモータ
６１ 回転子
６４ 固定子
７０ 第２ベアリングレスモータ
７１ 回転子
７４ 固定子
９１ａ 運転制御部（制御部）
９１ｂ 更新部

Claims (8)

1. 負荷を回転駆動する駆動軸（20）と、
   所定の電流範囲内の電流が流れることによって生じる電磁力により上記駆動軸（20）を回転駆動し且つ上記駆動軸（20）のラジアル荷重を非接触で支持する駆動支持部（50）と、
   上記負荷の所定の運転領域において上記駆動軸（20）を回転駆動するために上記駆動支持部（50）で生じる駆動用磁束及び上記駆動軸（20）のラジアル荷重を支持するために上記駆動支持部（50）で生じる支持用磁束を含む総磁束量と、上記駆動支持部（50）において予め定められている総磁束限界量と、の差で表される磁束余裕度に基づいて、上記負荷の運転条件を制御する制御部（91a）と
   を備えることを特徴とする負荷運転制御システム。
2. 上記請求項１において、
   上記駆動支持部（50）は、一対の回転子（61,71）と固定子（64,74）とを有して上記駆動軸（20）を回転駆動しかつ上記駆動軸（20）のラジアル荷重を非接触で支持するベアリングレスモータ（60,70）を、少なくとも１つ有する
   ことを特徴とする負荷運転制御システム。
3. 請求項２において、
   上記制御部（91a）は、上記固定子（64,74）に形成された複数のスロットのうち、上記駆動用磁束と上記支持用磁束との合計値が最大となる上記スロットでの磁束量を、上記総磁束量として算出する
   ことを特徴とする負荷運転制御システム。
4. 請求項３において、
   上記制御部（91a）は、上記駆動用磁束及び上記支持用磁束に更に上記回転子（61,71）が有する永久磁石（63,73）の磁束を足し合わせた結果を上記合計値として、上記総磁束量を算出する
   ことを特徴とする負荷運転制御システム。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項において、
   上記負荷は、冷凍サイクルを行う冷媒回路（110）内の冷媒を圧縮するターボ圧縮機（1）であって、
   上記制御部（91a）は、
   上記磁束余裕度が所定値を超える場合、上記ターボ圧縮機（1）から吐出される上記冷媒の温度が上昇するように、上記ターボ圧縮機（1）の回転数及び上記冷媒の流量の少なくとも１つを運転させ、
   上記磁束余裕度が上記所定値を下回る場合、上記ターボ圧縮機（1）から吐出される上記冷媒の温度が低下するように、上記ターボ圧縮機（1）の回転数及び上記冷媒の流量の少なくとも１つを運転させる
   ことを特徴とする負荷運転制御システム。
6. 請求項５において、
   上記制御部（91a）が上記ターボ圧縮機（1）から吐出する上記冷媒の温度を上昇させた際の上記ターボ圧縮機（1）の運転状態に基づいて、上記所定の運転領域を更新する更新部（91b）、
   を更に備えることを特徴とする負荷運転制御システム。
7. 請求項１から請求項４のいずれか１項において、
   上記負荷は、冷凍サイクルを行う冷媒回路（110）内の冷媒を圧縮するターボ圧縮機（1）であって、
   上記制御部（91a）は、
   上記磁束余裕度が所定値を超える場合、上記冷媒回路（110）を有する空気調和装置（100）の出力が低下するように、上記ターボ圧縮機（1）の回転数及び冷媒の流量の少なくとも１つを運転させ、
   上記磁束余裕度が上記所定値を下回る場合、上記空気調和装置（100）の出力が上昇するように、上記ターボ圧縮機（1）の回転数及び冷媒の流量の少なくとも１つを運転させる
   ことを特徴とする負荷運転制御システム。
8. 請求項７において、
   上記制御部（91a）が上記空気調和装置（100）の出力を低下させた際の上記ターボ圧縮機（1）の運転状態に基づいて、上記所定の運転領域を更新する更新部（91b）、
   を更に備えることを特徴とする負荷運転制御システム。

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