JP6447662B2 - 電動機システムおよびそれを備えたターボ圧縮機 - Google Patents

電動機システムおよびそれを備えたターボ圧縮機 Download PDF

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Description

本発明は、電動機システムおよびそれを備えたターボ圧縮機に関するものである。
従来より、負荷を回転駆動する駆動軸と、この駆動軸を回転駆動するための電動機とを備えた電動機システムが知られている（例えば、特許文献１）。同文献の電動機システムは、ターボ圧縮機に設けられるものであって、駆動軸のラジアル荷重を電磁力によって非接触で支持する２つのラジアル磁気軸受と、駆動軸の軸方向位置を電磁力によって非接触で制御する１つのスラスト磁気軸受とを備えている。２つのラジアル磁気軸受は、電動機の両側に１つずつ配置されている。
一方で、近年、「磁気軸受機能を磁気的に一体化したモータ」として定義されるベアリングレスモータが研究および実用化されてきている（例えば、特許文献２）。このベアリングレスモータは、例えば補助人工心臓などに応用されている。
特開２０１６−１１４１１４号公報 特開２０１４−２４１７２５号公報
ところで、上記電動機システムにおける電動機と２つのラジアル磁気軸受とに代えて、ベアリングレスモータを用いることが考えられる。その場合、駆動軸のチルト方向における位置制御が実行可能となるように、複数のベアリングレスモータを駆動軸の軸方向に並べて設けることがさらに考えられる。
ここで、複数のベアリングレスモータに作用するラジアル荷重の最大値は不均一である。具体的には、駆動軸のラジアル荷重の最大値は、例えば負荷に近いほど大きい。そのため、複数のベアリングレスモータの全てを同じように設計しようとすると、ラジアル荷重の最大値が最も大きいベアリングレスモータにあわせて設計することになり、ラジアル荷重の最大値が最大ではないベアリングレスモータ（特に、ラジアル荷重の最大値が最も小さいベアリングレスモータ）が不必要に大型化してしまうおそれがある。ベアリングレスモータの大型化は、電動機システムにおける負荷および駆動軸を含む回転系の大型化につながる。
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、電動機システムにおいて負荷および駆動軸を含む回転系を小型化することにある。
第１の発明は、電動機システム（2）を対象とする。この電動機システム（2）は、負荷（20）を回転駆動する駆動軸（30）と、上記駆動軸（30）の軸方向に並んで配置され、それぞれが一対の回転子（61,71）と固定子（64,74）を有して電磁力によって上記駆動軸（30）を回転駆動しかつ上記駆動軸（30）のラジアル荷重を非接触で支持する複数のベアリングレスモータ（60,70）とを備え、上記駆動軸（30）のラジアル荷重が、上記複数のベアリングレスモータ（60,70）のみによって支持されるように構成され、上記複数のベアリングレスモータ（60,70）のそれぞれに作用する上記ラジアル荷重の最大値が不均一であり、作用する上記ラジアル荷重の最大値が最も大きい上記ベアリングレスモータ（60）は、作用する上記ラジアル荷重の最大値が最も小さい上記ベアリングレスモータ（70）に比べて、上記駆動軸（30）のラジアル荷重を支持する支持力の最大値が大きい。
上記第１の発明では、複数のベアリングレスモータ（60,70）のみによって駆動軸（30）のラジアル荷重が支持される。また、作用するラジアル荷重の最大値が最も大きいベアリングレスモータ（60）は、作用するラジアル荷重の最大値が最も小さいベアリングレスモータ（70）に比べて、駆動軸（30）のラジアル荷重を支持する支持力の最大値が大きいため、当該ラジアル荷重に対する大きな支持力を発生させることができる。
つまり、駆動軸（30）のうちラジアル荷重の最大値が大きな部分に、大きな支持力を発生できるベアリングレスモータ（60）が配置され、よって駆動軸（30）におけるラジアル荷重分布に最適なベアリングレスモータ（60,70）の配置が得られる。また、駆動軸（30）のラジアル荷重を支持するために従来用いられてきたラジアル磁気軸受が不要となる。したがって、負荷（20）および駆動軸（30）を含む回転系が小型化され得る。
また、第１の発明は、上記複数のベアリングレスモータ（60,70）の上記回転子（61,71）が、それぞれ複数の永久磁石（63,73）を有し、上記ラジアル荷重の最大値が最も小さい上記ベアリングレスモータ（70）が、上記ラジアル荷重の最大値が最も大きい上記ベアリングレスモータ（60）に比べて、上記回転子（61,71）の有する永久磁石（63,73）の数が多いことを特徴とする。
これは、回転子（61,71）の有する永久磁石（63,73）の数が多いほど、当該永久磁石（63,73）によって生じる磁石磁束の磁束密度が大きくなり、よって大きな駆動トルクを発生させられることを利用したものである。つまり、回転子（71）の有する永久磁石（73）の数が多いベアリングレスモータ（70）は負荷（20）および駆動軸（30）の回転駆動に適したものとなり、回転子（61）の有する永久磁石（63）の数が少ないベアリングレスモータ（60）は駆動軸（30）のラジアル荷重の支持に適したものとなる。
第２の発明は、上記第１の発明において、作用する上記ラジアル荷重の最大値が最も大きい上記ベアリングレスモータ（60）は、作用する上記ラジアル荷重の最大値が最も小さい上記ベアリングレスモータ（70）に比べて、上記ラジアル荷重を支持する電磁力を発生させるために生じる支持用磁束の最大値が大きいことを特徴とする。
上記第２の発明では、作用するラジアル荷重の最大値が最も大きいベアリングレスモータ（60）を、支持用磁束の最大値が大きくなるように設計することで、当該ベアリングレスモータ（60）が生じる駆動軸（30）のラジアル荷重を支持する支持力を大きくしている。
第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記ラジアル荷重の最大値が最も大きい上記ベアリングレスモータ（60）は、上記ラジアル荷重の最大値が最も小さい上記ベアリングレスモータ（70）に比べて、上記ラジアル荷重を支持する支持力を発生させるための磁路の磁気抵抗が小さいことを特徴とする。
上記第３の発明は、ラジアル荷重を支持する支持力を発生させるための磁路の磁気抵抗が小さいほど、大きな支持力を発生させられることを利用したものである。つまり、ラジアル荷重を支持する支持力を発生させるための磁路の磁気抵抗が小さいベアリングレスモータ（60）は、当該磁気抵抗が大きいベアリングレスモータ（70）よりも大きなラジアル支持力を発生させることができる。これにより、駆動軸（30）のうちラジアル荷重の最大値が大きな部分に大きなラジアル支持力を発生させられるベアリングレスモータ（60）が配置され、駆動軸（30）のラジアル荷重分布に最適なベアリングレスモータ（60,70）の配置が得られる。
第４の発明は、上記第１または第２の発明において、上記複数のベアリングレスモータ（60,70）のそれぞれに対応して設けられ、該ベアリングレスモータ（60,70）に上記ラジアル荷重の支持に寄与する磁束を発生させる電流を流すための電気回路（91,92）を備え、上記ラジアル荷重の最大値が最も大きい上記ベアリングレスモータ（60）に対応する上記電気回路（91）は、上記ラジアル荷重の最大値が最も小さい上記ベアリングレスモータ（70）に対応する上記電気回路（92）に比べて、上記ラジアル荷重の支持に寄与する磁束を発生させる電流の最大値が大きいことを特徴とする。
上記第４の発明は、ベアリングレスモータ（60,70）に流れるラジアル荷重の支持に寄与する磁束を発生させる電流が大きいほど、大きな支持力を発生させられることを利用したものである。つまり、ラジアル荷重の支持に寄与する磁束を発生させる電流の最大値が大きい電気回路（91）に対応するベアリングレスモータ（60）は、当該電流の最大値が小さい電気回路（92）に対応するベアリングレスモータ（70）よりも大きなラジアル支持力を発生させることができる。これにより、駆動軸（30）のうちラジアル荷重の最大値が大きな部分に大きなラジアル支持力を発生させられるベアリングレスモータ（60）が配置され、駆動軸（30）のラジアル荷重分布に最適なベアリングレスモータ（60,70）の配置が得られる。
第５の発明は、上記第１または第２の発明において、上記複数のベアリングレスモータ（60,70）のそれぞれの上記固定子（64,74）は、上記ラジアル荷重の支持に寄与する磁束を生じさせるためのコイル（66a〜66c,67a〜67c,76a〜76c,77a〜77c）を有し、上記ラジアル荷重の最大値が最も大きい上記ベアリングレスモータ（60）は、上記ラジアル荷重の最大値が最も小さい上記ベアリングレスモータ（70）に比べて、上記コイル（66a〜66c,67a〜67c,76a〜76c,77a〜77c）の巻数が大きいことを特徴とする。
上記第５の発明は、ラジアル荷重の支持に寄与する磁束を生じさせるためのコイル（66a〜66c,67a〜67c,76a〜76c,77a〜77c）の巻数が大きいほど、大きな支持力を発生させられることを利用したものである。つまり、ラジアル荷重の支持に寄与する磁束を発生させるためのコイル（66a〜66c,67a〜67c,76a〜76c,77a〜77c）の巻数が大きいベアリングレスモータ（60）は、当該コイル（66a〜66c,67a〜67c,76a〜76c,77a〜77c）の巻数が小さいベアリングレスモータ（70）よりも大きなラジアル支持力を発生させることができる。これにより、駆動軸（30）のうちラジアル荷重の最大値が大きな部分に大きなラジアル支持力を発生させられるベアリングレスモータ（60）が配置され、駆動軸（30）のラジアル荷重分布に最適なベアリングレスモータ（60,70）の配置が得られる。
第６の発明は、上記第１〜第５の発明のいずれか１つにおいて、上記ラジアル荷重の最大値が最も小さい上記ベアリングレスモータ（70）の全ての上記永久磁石（73）と、上記ラジアル荷重の最大値が最も大きい上記ベアリングレスモータ（60）の全ての上記永久磁石（63）とは、互いに同形状であることを特徴とする。
上記第６の発明では、少なくとも２つのベアリングレスモータ（60,70）の全ての永久磁石（63,73）を同形状とすることにより、電動機システム（2）の低コスト化が図られる。
第７の発明は、上記第６の発明において、上記ラジアル荷重の最大値が最も小さい上記ベアリングレスモータ（70）の上記永久磁石（73）の数は、上記ラジアル荷重の最大値が最も大きい上記ベアリングレスモータ（60）の上記永久磁石（63）の数の２倍であって、上記ラジアル荷重の最大値が最も小さい上記ベアリングレスモータ（70）における上記回転子（71）の周方向に隣り合う上記永久磁石（73）間の角度ピッチ（AP2）は、上記ラジアル荷重の最大値が最も大きい上記ベアリングレスモータ（60）における上記回転子（61）の周方向に隣り合う上記永久磁石（63）間の角度ピッチ（AP1）の半分であることを特徴とする。
上記第７の発明では、ベアリングレスモータ（60,70）の回転子（61,71）を打抜き加工された積層鋼板で構成する場合に、ラジアル荷重の最大値が最も大きいベアリングレスモータ（60）の回転子（63）の製造とラジアル荷重の最大値が最も小さいベアリングレスモータ（70）の回転子（73）の製造とに共通の金型が使用され得る。なぜなら、同形状の永久磁石（63,73）を収容するための同形状の貫通孔が、ラジアル荷重の最大値が最も大きいベアリングレスモータ（60）の回転子（61）とラジアル荷重の最大値が最も小さいベアリングレスモータ（70）の回転子（71）との両方において、同じ位置に配置されるためである。
上記第７の発明では、例えば、ラジアル荷重の最大値が最も大きいベアリングレスモータ（60）が有する永久磁石（63）の数が４つである場合、ラジアル荷重の最大値が最も小さいベアリングレスモータ（70）が有する永久磁石（73）の数は８つである。そして、前者の４つの永久磁石（63）は回転子（61）の周方向において９０°の角度ピッチ（AP1）で配置される一方、後者の８つの永久磁石（73）は回転子（71）の周方向において４５°の角度ピッチ（AP2）で配置される。４５°の角度ピッチ（AP2）で配置された８つの永久磁石（73）の中には、９０°の角度ピッチ（AP1）で配置された４つの永久磁石（63）の組が互いに４５°だけずれて２組含まれる。よって、この例では、ラジアル荷重の最大値が最も大きいベアリングレスモータ（60）の回転子（61）を構成する積層鋼板を打ち抜くときと、ラジアル荷重の最大値が最も小さいベアリングレスモータ（70）の回転子（71）を構成する積層鋼板を打ち抜くときとの両方において、９０°の角度ピッチ（AP1）で配置された所定形状の貫通孔を形成することのできる一種類の金型を共通に使用することができる。
第８の発明は、ターボ圧縮機（1）を対象とする。このターボ圧縮機（1）は、上記第１〜第７の発明のいずれか１つに係る電動機システム（2）と、インペラ（20）とを備え、上記インペラ（20）は、上記駆動軸（30）によって回転駆動される負荷（20）である。
上記第８の発明では、上記第１〜第７の発明のいずれか１つに係る作用効果を奏するターボ圧縮機（1）が提供される。
第９の発明は、上記第８の発明において、上記インペラ（20）は、上記駆動軸（30）の一端のみに設けられ、作用する上記ラジアル荷重の最大値が最も大きい上記ベアリングレスモータ（60）は、上記複数のベアリングレスモータ（60,70）の中で最も上記インペラ（20）寄りに配置されていることを特徴とする。
上記第９の発明では、大きなラジアル支持力を発生させることのできるベアリングレスモータ（60）が、複数のベアリングレスモータ（60,70）の中で最もインペラ（20）寄り（すなわち、駆動軸（30）のラジアル荷重が大きい箇所）に配置される。このため、駆動軸（30）のラジアル荷重分布に最適なベアリングレスモータ（60,70）の配置が得られる。
上記第１〜第５の発明によれば、従来用いられてきたラジアル磁気軸受が不要となるので、負荷（20）および駆動軸（30）を含む回転系を小型化することができ、よって電動機システム（2）を小型化することができる。
また、上記第１の発明によれば、ラジアル荷重の最大値が最も大きいベアリングレスモータ（60）を駆動軸（30）のラジアル荷重の支持に適した設計とすると同時に、ラジアル荷重の最大値が最も小さいベアリングレスモータ（70）を負荷（20）および駆動軸（30）の回転駆動に適した設計とすることができる。
また、上記第６の発明によれば、少なくとも２つのベアリングレスモータ（60,70）に対して同形状の永久磁石（63,73）を用いることで、電動機システム（2）の低コスト化を図ることができる。
また、上記第７の発明によれば、ラジアル荷重の最大値が最も大きいベアリングレスモータ（60）の回転子（61）とラジアル荷重の最大値が最も小さいベアリングレスモータ（70）の回転子（71）とを積層鋼板で構成する場合に、打抜き加工に用いる金型を両ベアリングレスモータ（60,70）に対して共通化することができる。
図１は、本発明の実施形態のターボ圧縮機の構成例を示す正面図である。 図２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３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、磁石磁束と支持用磁束とを示してある。 図５は、第１ベアリングレスモータの横断面図であって、磁石磁束と駆動用磁束と支持用磁束とを示してある。 図６は、第２ベアリングレスモータの構成例を示す横断面図であって、磁石磁束と駆動用磁束と支持用磁束とを示してある。
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。
〈ターボ圧縮機の構成〉
本実施形態のターボ圧縮機（1）は、冷凍サイクルを行う冷媒回路（図示せず）に設けられて冷媒を圧縮するものである。図１に示すように、ターボ圧縮機（1）は、ケーシング（10）と、インペラ（20）と、駆動軸（30）と、タッチダウン軸受（40,41）と、スラスト磁気軸受（50）と、制御部（90）と、第１〜第３電源部（91〜93）と、第１ベアリングレスモータ（60）と、第２ベアリングレスモータ（70）とを備えている。第１ベアリングレスモータ（60）と第２ベアリングレスモータ（70）とは、駆動軸（30）の軸方向に並んで配置されている。
駆動軸（30）と第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）とは電動機システム（2）を構成している。インペラ（20）は負荷を構成しているが、負荷の種類はインペラ（20）に限られるものではない。
なお、本明細書の説明において、「軸方向」とは、回転軸方向のことであって、駆動軸（30）の軸心の方向のことであり、「径方向」とは、駆動軸（30）の軸方向と直交する方向のことである。また、「外周側」とは、駆動軸（30）の軸心からより遠い側のことであり、「内周側」とは、駆動軸（30）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（10）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（10）内の空間は、壁部（11）によって区画され、壁部（11）よりも右側の空間がインペラ（20）を収容するインペラ室（12）を構成し、壁部（11）よりも左側の空間が第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）を収容する電動機室（14）を構成している。そして、ケーシング（10）内を軸方向に延びる駆動軸（30）がインペラ（20）と第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）とを連結している。第１ベアリングレスモータ（60）は作用するラジアル荷重の最大値が最も大きいベアリングレスモータ（この例では、インペラ（20）に最も近いベアリングレスモータ）を構成し、第２ベアリングレスモータ（70）は作用するラジアル荷重の最大値が最も小さいベアリングレスモータ（この例では、インペラ（20）から最も遠いベアリングレスモータ）を構成している。
−インペラ−
インペラ（20）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（20）は、駆動軸（30）の一端に固定された状態で、インペラ室（12）に収容されている。インペラ室（12）には、吸入管（15）および吐出管（16）が接続され、インペラ室（12）の外周部には、圧縮空間（13）が形成されている。吸入管（15）は、冷媒を外部からインペラ室（12）内に導くために設けられ、吐出管（16）は、インペラ室（12）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。
−タッチダウン軸受−
ターボ圧縮機（1）には２つのタッチダウン軸受（40,41）が設けられている。一方のタッチダウン軸受（40）は駆動軸（30）の一端部（図１の右側端部）近傍に設けられ、他方のタッチダウン軸受（41）は駆動軸（30）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（40,41）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（30）が浮上していないとき）に駆動軸（30）を支持するように構成されている。
−スラスト磁気軸受−
図１に示すように、スラスト磁気軸受（50）は、第１および第２電磁石（51,52）を有していて、駆動軸（30）の他端部（すなわち、インペラ（20）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（31））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。そして、スラスト磁気軸受（50）は、第１および第２電磁石（51,52）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（51,52）の対向方向（すなわち、軸方向、図１では左右方向）における駆動軸（30）の被支持部（円板部（31））の位置を制御することができる。
−制御部−
制御部（90）は、駆動軸（30）の位置が所望の位置となるように、円板部（31）とスラスト磁気軸受（50）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、およびインペラ（20）および駆動軸（30）の目標回転速度の情報に基づいて、スラスト磁気軸受（50）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）や、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）を出力する。例えば、制御部（90）は、マイクロコンピュータ（図示せず）と、マイクロコンピュータを動作させるプログラムとによって構成することが可能である −電源部−
第１電源部（91）は、制御部（90）からのモータ電圧指令値に基づいて、第１ベアリングレスモータ（60）に電圧を供給する。第２電源部（92）は、制御部（90）からのモータ電圧指令値に基づいて、第２ベアリングレスモータ（70）に電圧を供給する。第３電源部（93）は、制御部（90）スラスト電圧指令値に基づいて、スラスト磁気軸受（50）に電圧を供給する。第１電源部（91）は、第２電源部（92）に比べて、駆動軸（30）のラジアル荷重を支持に寄与する磁束（すなわち、駆動用磁束および支持用磁束）を発生させる電流の最大値が大きい。例えば、第１〜第３電源部（91〜93）は、それぞれＰＷＭ（Pulse Width Modulation）アンプによって構成することが可能である。第１電源部（91）は第１ベアリングレスモータ（60）に対応する電気回路を構成し、第２電源部（92）は第２ベアリングレスモータ（70）に対応する電気回路を構成している。
−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（14）のうちインペラ（20）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、電磁力によって駆動軸（30）を回転駆動しかつ駆動軸（30）のラジアル荷重を非接触で支持するように構成されている。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（30）に固定され、固定子（64）はケーシング（10）の内周壁に固定されている。
図２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。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２において太実線で囲んで示す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、細実線で囲んで示すＷ相駆動用コイル（66c）とから構成されている。第１ベアリングレスモータ（60）の駆動用コイル（66a〜66c）の巻数は、後述する第２ベアリングレスモータ（70）の駆動用コイル（76a〜76c）の巻数よりも大きい。駆動用コイル（66a〜66c,76a〜76c）によって生じる駆動用磁束の一部は駆動軸（30）のラジアル荷重を支持する支持力の発生に寄与するため（すなわち、駆動用磁束はラジアル荷重の支持に寄与する磁束であるため）、この巻数の大小関係が満たされる場合、第１ベアリングレスモータ（60）が第２ベアリングレスモータ（70）よりも大きなラジアル支持力を発生させやすくなる。なお、第１ベアリングレスモータ（60）の駆動用コイル（66a〜66c）の巻数は、第２ベアリングレスモータ（70）の駆動用コイル（76a〜76c）の巻数以下であってもよい。
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２において太実線で囲んで示す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、細実線で囲んで示すＷ相支持用コイル（67c）とから構成されている。第１ベアリングレスモータ（60）の支持用コイル（67a〜67c）の巻数は、後述する第２ベアリングレスモータ（70）の支持用コイル（77a〜77c）の巻数よりも大きい。これにより、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（30）のラジアル荷重を支持するための支持用磁束（すなわち、駆動軸（30）のラジアル荷重の支持に寄与する磁束）をより大きく発生させることができる。
また、第１ベアリングレスモータ（60）における駆動用コイル（66a〜66c）の巻数と支持用コイル（67a〜67c）の巻数との積は、第２ベアリングレスモータ（70）における駆動用コイル（76a〜76c）の巻数と支持用コイル（77a〜77c）の巻数との積よりも大きい。これにより、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（30）のラジアル荷重を支持する支持力の最大値が大きくなる。なお、このような積の大小関係が満たされるのであれば、第１ベアリングレスモータ（60）の支持用コイル（67a〜67c）の巻数は、第２ベアリングレスモータ（70）の支持用コイル（77a〜77c）の巻数以下であってもよい。
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（30）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３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（20）および駆動軸（30）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（30）を図３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、駆動軸（30）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（30）を図４の右方向に押す力）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４からわかるように、駆動軸（30）のラジアル荷重の支持に寄与する支持用磁束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（30）のラジアル荷重を支持に寄与する磁束が流れる磁路中に永久磁石（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（30）のラジアル荷重を支持する支持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（30）のラジアル荷重を支持するためのラジアル支持力をより大きく発生させることができる。つまり、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（30）のラジアル荷重を支持する支持力の最大値が大きい。
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、インペラ（20）および駆動軸（30）を回転駆動するために生じる駆動用磁束ＢＭ１と、駆動軸（30）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ＩＭ２，ＩＳ２が示されている。
−第２ベアリングレスモータ−
第２ベアリングレスモータ（70）は、電動機室（14）のうちインペラ（20）から遠い側に配置されている。第２ベアリングレスモータ（70）は、電磁力によって駆動軸（30）を回転駆動しかつ駆動軸（30）のラジアル荷重を非接触で支持するように構成されている。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（30）に固定され、固定子（74）はケーシング（10）に固定されている。
図６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、各コイル（76a〜76c，77a〜77c）の巻数を除いて、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。具体的には、第２ベアリングレスモータ（70）の駆動用コイル（76a〜76c）の巻数は、第１ベアリングレスモータ（60）の駆動用コイル（66a〜66c）の巻数よりも大きい。これにより、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（20）および駆動軸（30）を回転駆動するための駆動用磁束をより大きく発生させることができる。また、第２ベアリングレスモータ（70）の支持用コイル（77a〜77c）の巻数は、第１ベアリングレスモータ（60）の支持用コイル（67a〜67c）の巻数よりも小さい。
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（30）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６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（20）および駆動軸（30）を回転駆動するために生じる駆動用磁束ＢＭ２と、駆動軸（30）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（30）を図６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（30）を図６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６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（図３を参照）、永久磁石（73）によって生じる磁石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（20）および駆動軸（30）を回転駆動するための駆動トルクをより大きく発生させることができる。
〈回転子の製造方法〉
次に、本実施形態の第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）の回転子（61,71）の製造方法について説明する。ここでは、両ベアリングレスモータ（60,70）の回転子（61,71）を製造するために、一例として、１つの回転子（61,71）ごとに５０枚、合計で１００枚のコアシート（図示せず）が必要となる場合について説明する。
まず、第１ステップでは、鋼板材料を所定の金型（図示せず）によって打ち抜くことによって複数（この例では、１００枚）のコアシートを形成する。第１ステップで使用される金型は、９０°の角度ピッチ（AP1）で配置される４つの永久磁石（63）に対応する貫通孔を少なくとも形成することのできる金型である。また、第１ステップで使用される金型は、上記貫通孔に加えて、上記シャフト孔をも同時に形成できる金型であることが好ましい。
次に、第２ステップでは、第１ステップで形成した複数のコアシートの一部（この例では、５０枚）を積層することによって、第１ベアリングレスモータ（60）の回転子（61）のコア部（62）を形成する。
次に、第３ステップでは、第２ステップで形成したコア部（62）の貫通孔に永久磁石（63）を挿入する。これら第１〜第３ステップにより、第１ベアリングレスモータ（60）の回転子（61）が製造され得る。
次に、第４ステップでは、第１ステップで形成した複数のコアシートの残部（この例では、５０枚）に、さらに４つの貫通孔を、第１ステップで形成された４つの貫通孔の間に位置するように、例えば打抜き加工によって形成する。この第４ステップでは、第１ステップのものと同じ金型を周方向に４５°回転させて再利用してもよいし、第１ステップのものとは異なる金型を利用してもよい。第４ステップにより、４５°の角度ピッチ（AP2）で８つの貫通孔が配置された複数（この例では、５０枚）のコアシートが形成される。
次に、第５ステップでは、第４ステップで形成した複数のコアシートを積層することによって、第２ベアリングレスモータ（70）の回転子（71）のコア部（72）を形成する。
次に、第６ステップでは、第５ステップで形成したコア部（72）の貫通孔に永久磁石（73）を挿入する。これら第１および第４〜第６ステップにより、第２ベアリングレスモータ（70）の回転子（71）が製造され得る。
上述のように、本実施形態では、第１ベアリングレスモータ（60）の回転子（61）のコアシートと、第２ベアリングレスモータ（70）の回転子（71）のコアシートとを形成するために、少なくとも第１ステップにおいて共通の金型を利用することができる。これにより第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）の製造コストを低減することができ、ひいてはターボ圧縮機（1）の製造コストを低減することができる。
なお、第２〜第６ステップの実行順序は、回転子（61,71）を製造することができるのであれば、適宜入れ替えられてもよい。例えば、第４ステップを第２ステップの前に実行してもよい。
−実施形態の効果−
上記実施形態では、駆動軸（30）のラジアル荷重が、２つのベアリングレスモータ（60,70）のみによって非接触で支持される。よって、従来のターボ圧縮機（において用いていた２つのラジアル磁気軸受を省略することができ、インペラ（20）および駆動軸（30）を含む回転系を小型化することができる。
また、インペラ（20）および駆動軸（30）を含む回転系は、その軸方向長さが短くなるほど共振周波数が高くなる。よって、本実施形態では、従来に比べてインペラ（20）および駆動軸（30）を含む回転系が小型化され、その軸方向長さが短くなって共振周波数が高くなる。それにより、ターボ圧縮機（1）を安全に運転できる運転領域を広めることができる。
また、上記実施形態では、第１ベアリングレスモータ（60）が大きなラジアル荷重を支持するのに適するように設計されると共に、第２ベアリングレスモータ（70）が大きな駆動トルクを発生するのに適するように設計されている。つまり、駆動軸（30）において比較的大きなラジアル荷重が生じるインペラ（20）に近い側に、大きなラジアル荷重を支持できる第１ベアリングレスモータ（60）が配置されると共に、駆動軸（30）において比較的小さなラジアル荷重が生じるインペラ（20）から遠い側に、大きなラジアル荷重を支持することにはあまり適さない一方で大きな駆動トルクを発生させることのできる第２ベアリングレスモータ（70）が配置されている。
このように、上記実施形態では、第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）を、駆動軸（30）の一端にインペラ（20）が取り付けられたタイプのターボ圧縮機（1）の負荷特性に適した設計および配置にすることができる。よって、インペラ（20）および駆動軸（30）を含む回転系の一層の小型化を図ることができる。
ここで、上記実施形態では、駆動軸（30）の大きなラジアル荷重を支持するのに適するように第１ベアリングレスモータ（60）を構成するために（すなわち、ラジアル荷重を支持する電磁力を発生させるために生じる支持用磁束の最大値を大きくするために）、主に次の３つの点を工夫している。
第一に、第１ベアリングレスモータ（60）における駆動軸（30）のラジアル荷重を支持するための支持用磁束が流れる磁路の磁気抵抗を、第２ベアリングレスモータ（70）におけるそれよりも小さくしている。第二に、第１ベアリングレスモータ（60）に対応する第１電源部（91）を、第２ベアリングレスモータ（70）に対応する第２電源部（92）に比べて、駆動用磁束および支持用磁束を発生させる電流の最大値が大きくなるように構成している。そして第三に、第１ベアリングレスモータ（60）の駆動用コイル（66a〜66c）および支持用コイル（67a〜67c）の巻数を、第２ベアリングレスモータ（70）の駆動用コイル（67a〜67c）および支持用コイル（77a〜77c）の巻数よりもそれぞれ大きくしている。なお、これらの工夫点は、単独であるいは任意の組み合わせにおいて適用可能である。
また、上記実施形態では、第１ベアリングレスモータ（60）の全ての永久磁石（63）と、第２ベアリングレスモータ（70）の全ての永久磁石（73）とが、互いに同形状である。これにより、形状の異なる永久磁石を作製する必要がないので、第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）の低コスト化、ひいてはターボ圧縮機（1）の低コスト化を図ることができる。
また、上記実施形態では、全ての永久磁石（63,73）の形状が同じであることに加えて、第２ベアリングレスモータ（70）が有する永久磁石（73）の数（具体的には、８つ）が、第１ベアリングレスモータ（60）が有する永久磁石（63）の数（具体的には、４つ）の２倍である。また、第２ベアリングレスモータ（70）における回転子（71）の周方向に隣り合う永久磁石（73）間の角度ピッチ（AP2）（具体的には、４５°）が、第１ベアリングレスモータ（60）におけるそれ（具体的には、９０°）の半分である。このため、上記「回転子の製造方法」で述べたように、第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）の回転子（61,71）を製造するために用いる金型の少なくとも一部を共通化することで、第１および第２ベアリングレスモータ（60,70）の低コスト化、ひいてはターボ圧縮機（1）の低コスト化を図ることができる。
《その他の実施形態》
上記実施形態では、第１ベアリングレスモータ（60）の電動機タイプ（具体的にはコンセクエントポール型）と第２ベアリングレスモータ（70）の電動機タイプ（具体的には埋込磁石型）とが互いに異なるが、両ベアリングレスモータ（60,70）の電動機タイプが互いに同じであってもよい。この場合、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、固定子（64,74）および回転子（61,71）に用いられる磁性材料の透磁率を高くすればよい。これにより、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（30）のラジアル荷重を支持する支持力を発生させるための磁路の磁気抵抗（すなわち、駆動軸（30）のラジアル荷重の支持に寄与する磁束である駆動用磁束および支持用磁束が流れる磁路の磁気抵抗）が小さくなり、よって当該ラジアル荷重を支持する支持力の最大値が大きくなる。
また、上記実施形態では、ターボ圧縮機（1）は、２つのベアリングレスモータ（60,70）を備えているが、３つ以上のベアリングレスモータを備えていてもよい。
また、上記実施形態では、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が、第１ベアリングレスモータ（60）の種類はこれに限られるものではない。また、第２ベアリングレスモータ（70）の種類も上記実施形態のものに限られるものではない。
また、上記実施形態では、各ベアリングレスモータ（60,70）が駆動用コイル（66a〜66c,76a〜76c）および支持用コイル（67a〜67c,77a〜77c）を備えているが、両コイル（66a〜66c, 67a〜67c, 76a〜76c,77a〜77c）の機能を併せ持つ共通のコイルを備えていてもよい。
また、上記実施形態では、永久磁石（63,73）の数の差異によって、第１ベアリングレスモータ（60）の永久磁石（63）によって生じる磁石磁束φ１と第２ベアリングレスモータ（70）の永久磁石（73）によって生じる磁石磁束φ２との差異が生じるように構成している。しかし、例えば、第１ベアリングレスモータ（60）の永久磁石（63）のサイズや残留磁束密度を第２ベアリングレスモータ（70）の永久磁石（73）のそれらと異なるものにすることで、第１ベアリングレスモータ（60）の永久磁石（63）によって生じる磁石磁束φ１と第２ベアリングレスモータ（70）の永久磁石（73）によって生じる磁石磁束φ２との差異が生じるように構成してもよい。
また、上記実施形態では、第１ベアリングレスモータ（60）の全ての永久磁石（63）と第２ベアリングレスモータ（70）の全ての永久磁石（73）とが互いに同形状であるが、各永久磁石（63,73）の形状が互いに異なっていてもよい。
また、上記実施形態では、回転子（61,71）および固定子（64,74）は積層鋼板で構成されているが、積層鋼板以外の材料で回転子（61,71）および固定子（64,74）を構成してもよい。
また、上記実施形態では、ターボ圧縮機（1）は１つだけのインペラ（20）を備えているが、２つ以上のインペラ（20）を備えていてもよい。例えば、駆動軸（30）の両端にインペラ（20）が１つずつ取り付けられていてもよい。
また、上記実施形態では、電動機システム（2）を備えたターボ圧縮機（1）について説明したが、電動機システム（2）の用途はターボ圧縮機（1）に限られるものではない。
以上説明したように、本発明は、電動機システムおよびそれを備えたターボ圧縮機について有用である。
1 ターボ圧縮機
2 電動機システム
20 インペラ（負荷）
30 駆動軸
60 第１ベアリングレスモータ
61 回転子
63 永久磁石
64 固定子
67a〜67c 支持用コイル（コイル）
70 第２ベアリングレスモータ
71 回転子
73 永久磁石
74 固定子
77a〜77c 支持用コイル（コイル）
91 第１電源部（電気回路）
92 第２電源部（電気回路）
AP1 角度ピッチ
AP2 角度ピッチ

Claims (9)

  1. 負荷（20）を回転駆動する駆動軸（30）と、
    上記駆動軸（30）の軸方向に並んで配置され、それぞれが一対の回転子（61,71）と固定子（64,74）を有して電磁力によって上記駆動軸（30）を回転駆動しかつ上記駆動軸（30）のラジアル荷重を非接触で支持する複数のベアリングレスモータ（60,70）とを備え、
    上記駆動軸（30）のラジアル荷重が、上記複数のベアリングレスモータ（60,70）のみによって支持されるように構成され、
    上記複数のベアリングレスモータ（60,70）のそれぞれに作用する上記ラジアル荷重の最大値が不均一であり、
    作用する上記ラジアル荷重の最大値が最も大きい上記ベアリングレスモータ（60）は、作用する上記ラジアル荷重の最大値が最も小さい上記ベアリングレスモータ（70）に比べて、上記ラジアル荷重を支持する支持力の最大値が大きく、
    上記複数のベアリングレスモータ（60,70）の上記回転子（61,71）は、それぞれ複数の永久磁石（63,73）を有し、
    上記ラジアル荷重の最大値が最も小さい上記ベアリングレスモータ（70）は、上記ラジアル荷重の最大値が最も大きい上記ベアリングレスモータ（60）に比べて、上記回転子（61,71）の有する永久磁石（63,73）の数が多い
    ことを特徴とする電動機システム。
  2. 請求項１において、
    作用する上記ラジアル荷重の最大値が最も大きい上記ベアリングレスモータ（60）は、作用する上記ラジアル荷重の最大値が最も小さい上記ベアリングレスモータ（70）に比べて、上記ラジアル荷重を支持する電磁力を発生させるために生じる支持用磁束の最大値が大きい
    ことを特徴とする電動機システム。
  3. 請求項１または２において、
    上記ラジアル荷重の最大値が最も大きい上記ベアリングレスモータ（60）は、上記ラジアル荷重の最大値が最も小さい上記ベアリングレスモータ（70）に比べて、上記ラジアル荷重を支持する支持力を発生させるための磁路の磁気抵抗が小さい
    ことを特徴とする電動機システム。
  4. 請求項１または２において、
    上記複数のベアリングレスモータ（60,70）のそれぞれに対応して設けられ、該ベアリングレスモータ（60,70）に上記ラジアル荷重の支持に寄与する磁束を発生させる電流を流すための電気回路（91,92）を備え、
    上記ラジアル荷重の最大値が最も大きい上記ベアリングレスモータ（60）に対応する上記電気回路（91）は、上記ラジアル荷重の最大値が最も小さい上記ベアリングレスモータ（70）に対応する上記電気回路（92）に比べて、上記ラジアル荷重の支持に寄与する磁束を発生させる電流の最大値が大きい
    ことを特徴とする電動機システム。
  5. 請求項１または２において、
    上記複数のベアリングレスモータ（60,70）のそれぞれの上記固定子（64,74）は、上記ラジアル荷重の支持に寄与する磁束を生じさせるためのコイル（66a〜66c,67a〜67c,76a〜76c,77a〜77c）を有し、
    上記ラジアル荷重の最大値が最も大きい上記ベアリングレスモータ（60）は、上記ラジアル荷重の最大値が最も小さい上記ベアリングレスモータ（70）に比べて、上記コイル（66a〜66c,67a〜67c,76a〜76c,77a〜77c）の巻数が大きい
    ことを特徴とする電動機システム。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項において、
    上記ラジアル荷重の最大値が最も小さい上記ベアリングレスモータ（70）の全ての上記永久磁石（73）と、上記ラジアル荷重の最大値が最も大きい上記ベアリングレスモータ（60）の全ての上記永久磁石（63）とは、互いに同形状である
    ことを特徴とする電動機システム。
  7. 請求項６において、
    上記ラジアル荷重の最大値が最も小さい上記ベアリングレスモータ（70）の上記永久磁石（73）の数は、上記ラジアル荷重の最大値が最も大きい上記ベアリングレスモータ（60）の上記永久磁石（63）の数の２倍であって、
    上記ラジアル荷重の最大値が最も小さい上記ベアリングレスモータ（70）における上記回転子（71）の周方向に隣り合う上記永久磁石（73）間の角度ピッチ（AP2）は、上記ラジアル荷重の最大値が最も大きい上記ベアリングレスモータ（60）における上記回転子（61）の周方向に隣り合う上記永久磁石（63）間の角度ピッチ（AP1）の半分である
    ことを特徴とする電動機システム。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の電動機システム（2）と、
    インペラ（20）とを備え、
    上記インペラ（20）は、上記駆動軸（30）によって回転駆動される負荷（20）である
    ことを特徴とするターボ圧縮機。
  9. 請求項８において、
    上記インペラ（20）は、上記駆動軸（30）の一端のみに設けられ、
    作用する上記ラジアル荷重の最大値が最も大きい上記ベアリングレスモータ（60）は、上記複数のベアリングレスモータ（60,70）の中で最も上記インペラ（20）寄りに配置されている
    ことを特徴とするターボ圧縮機。
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