WO2022202543A1 - 電動機システム、ターボ圧縮機、及び冷凍装置 - Google Patents

電動機システム、ターボ圧縮機、及び冷凍装置 Download PDF

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裕介 入野
裕 付
勇二 中澤
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Definitions

  • the present disclosure relates to electric motor systems, turbo compressors, and refrigerators.
  • an electric motor system that includes a drive shaft that rotates a load and an electric motor that rotates the drive shaft.
  • the electric motor system is used, for example, in a turbocompressor with an impeller as a load.
  • a conventional electric motor system includes two radial magnetic bearings that non-contactly support the radial load of the drive shaft by electromagnetic force. Two radial magnetic bearings are arranged, one on each side of the motor.
  • the purpose of the present disclosure is to suppress the load that a bearingless motor or radial magnetic bearing receives in an electric motor system.
  • a first aspect of the present disclosure is a drive shaft (130) that rotationally drives a load (120), a bearingless motor (170) and a radial magnetic bearing (180) juxtaposed in the axial direction of the drive shaft (130). and a motor system.
  • the radial load of the drive shaft (130) is non-contact supported by the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180).
  • a thrust magnetic bearing (150, 153A) is arranged between the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180).
  • a thrust magnetic bearing (150, 153A) is arranged between the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180). Therefore, even if the size is reduced, it becomes easier to secure the bearing span between the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180). can be suppressed.
  • a second aspect of the present disclosure is, in the first aspect, a first thrust magnetic bearing (153A) arranged on the radial magnetic bearing (180) side when viewed from the bearingless motor (170); and a second thrust magnetic bearing (153B) located on the opposite side of the radial magnetic bearing (180) when viewed from the motor (170).
  • the first thrust magnetic bearing (153A) is arranged between the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180).
  • the rotor assemblability is improved.
  • the influence of thermal expansion caused by heat generation of the bearingless motor (170) on the second thrust magnetic bearing (153B) can be reduced.
  • the first thrust magnetic bearing (153A) is configured to rotate the drive shaft (130) from the second thrust magnetic bearing (153B) to the first thrust magnetic bearing (153B).
  • a magnetic force acts in a first direction toward the bearing (153A)
  • the second thrust magnetic bearing (153B) acts on the drive shaft (130) from the first thrust magnetic bearing (153A) to the second thrust magnetic bearing (153A).
  • a magnetic force acts in a second direction toward the thrust magnetic bearing (153B).
  • an external force acting on the drive shaft (130) in the first direction on average rather than in the second direction acts on the second thrust magnetic bearing (153B).
  • the magnetic force that can act on the drive shaft (130) is greater than the magnetic force that the first thrust magnetic bearing (153A) can act on the drive shaft (130).
  • the axial position can be accurately controlled by controlling the second thrust magnetic bearing (153B), which is less susceptible to thermal expansion, using a position sensor.
  • a fourth aspect of the present disclosure is any one of the first to third aspects, wherein the radial magnetic bearing (180) is arranged between the bearingless motor (170) and the load (120). be done.
  • the bearing load received by the bearingless motor (170) is reduced compared to when the load (120) is arranged between the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180). can be reduced.
  • a fifth aspect of the present disclosure is a turbocompressor (100) comprising the electric motor system (101) of any one of the first to fourth aspects, wherein the load (120) is an impeller.
  • the electric motor system (101) can be downsized, so the turbo compressor (100) can be downsized.
  • a sixth aspect of the present disclosure includes a drive shaft (230) that rotationally drives a load (220), a motor (270) arranged on the drive shaft (230), a first radial magnetic bearing (280A) and a An electric motor system comprising two radial magnetic bearings (280B), a first thrust magnetic bearing (253A) and a second thrust magnetic bearing (253B).
  • the first radial magnetic bearing (280A) and the second radial magnetic bearing (280B) are arranged on the load (220) side and the load (220) side with the motor (270) interposed in the axial direction of the drive shaft (230). placed on opposite sides.
  • the first thrust magnetic bearing (253A) is arranged on the motor (270) side when viewed from the second radial magnetic bearing (280B).
  • a second thrust magnetic bearing (253B) is located on the opposite side of the motor (270) from the second radial magnetic bearing (280B).
  • the radial load of the drive shaft (230) is supported in a non-contact manner by the first radial magnetic bearing (280A) and the second radial magnetic bearing (280B).
  • the first thrust magnetic bearing (253A) is arranged between the first radial magnetic bearing (280A) and the second radial magnetic bearing (280B).
  • the first thrust magnetic bearing (253A) is arranged between the first radial magnetic bearing (280A) and the second radial magnetic bearing (280B). Therefore, even if the size is reduced, it becomes easier to secure the bearing span between the first radial magnetic bearing (280A) and the second radial magnetic bearing (280B). ) can be suppressed.
  • the first thrust magnetic bearing (253A) is arranged between the motor (270) and the first radial magnetic bearing (280A).
  • the drive shaft (230) in the region facing the second radial magnetic bearing (280B) Since the outer diameter of the provided rotor portion can be increased, it becomes easier to secure the output of the second radial magnetic bearing (280B).
  • An eighth aspect of the present disclosure is a turbocompressor (200) comprising the electric motor system (201) of the sixth or seventh aspect, wherein the load (220) is an impeller.
  • the electric motor system (201) can be downsized, so the turbo compressor (200) can be downsized.
  • a ninth aspect of the present disclosure is a refrigeration system comprising the turbocompressor (100, 200) of the fifth or eighth aspect.
  • the turbo compressor (100, 200) can be downsized, so the refrigeration system can be downsized.
  • FIG. 1 is a front view showing a configuration example of an electric motor system and a turbo compressor according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration example of a bearingless motor of the electric motor system shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration example of a radial magnetic bearing of the electric motor system shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a front view showing a configuration example of an electric motor system and a turbo compressor according to a comparative example.
  • 5 is a front view showing a configuration example of an electric motor system and a turbo compressor according to a modification of the first embodiment;
  • FIG. FIG. 6 is a front view showing a configuration example of an electric motor system and a turbo compressor according to Embodiment 2.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram of an air conditioner according to Embodiment 3 (an example of a refrigeration system including a turbocompressor according to Embodiment 1).
  • the turbo compressor (100) of the present embodiment is provided in, for example, a refrigerant circuit that performs a refrigeration cycle to compress refrigerant.
  • the turbo compressor (100) includes a casing (110), an impeller (120), a drive shaft (130), touchdown bearings (140, 141), a thrust magnetic bearing (150), It comprises a bearingless motor (170), a radial magnetic bearing (180), a control section (190) and a power supply section (191).
  • the electric motor system (101) of the present embodiment is mainly composed of the drive shaft (130), the thrust magnetic bearing (150), the bearingless motor (170), and the radial magnetic bearing (180).
  • the impeller (120) constitutes a load, but the type of load of the electric motor system (101) is not limited to the impeller (120).
  • the "axial direction” means the direction of the rotation axis and the direction of the axis of the drive shaft (130), and the “radial direction” means the direction of the drive shaft (130).
  • the direction perpendicular to the axial direction of means the side farther from the axis of the drive shaft (130), and the “inner peripheral side” means the side closer to the axis of the drive shaft (130).
  • the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180) are arranged side by side in the axial direction of the drive shaft (130).
  • the radial load of the drive shaft (130) is supported without contact by the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180).
  • the casing (110) is formed in a cylindrical shape with both ends closed, and is arranged so that the axis of the cylinder is horizontal.
  • the space within the casing (110) is partitioned into an impeller chamber (112) and a motor chamber (114) by a wall (111).
  • the impeller chamber (112) houses the impeller (120).
  • the motor room (114) mainly houses a thrust magnetic bearing (150), a bearingless motor (170) and a radial magnetic bearing (180).
  • the drive shaft (130) extends axially within the casing (110) and connects the impeller (120) and the bearingless motor (170).
  • a bearingless motor (170) and a radial magnetic bearing (180) constitute the drive support.
  • the radial magnetic bearing (180) is located in the motor room (114) on the side closer to the impeller (120), and the bearingless motor (170) is positioned closer to the impeller (120) in the motor room (114). placed on the far side from the That is, the radial magnetic bearing (180) is located between the bearingless motor (170) and the impeller (120).
  • the bearingless motor (170) is arranged in the motor room (114) on the side closer to the impeller (120), and the radial magnetic bearing (180) is arranged in the motor room (114) on the far side from the impeller (120). may be That is, the bearingless motor (170) may be positioned between the radial magnetic bearing (180) and the impeller (120).
  • the impeller (120) is formed with a plurality of blades so as to have a substantially conical outer shape.
  • the impeller (120) is housed in the impeller chamber (112) while being fixed to one end of the drive shaft (130).
  • a suction port (115) and a discharge port (116) are connected to the impeller chamber (112), and a compression space (113) is formed around the outer periphery of the impeller chamber (112).
  • the suction port (115) is provided to guide the refrigerant into the impeller chamber (112) from the outside, and the discharge port (116) is provided to return the high-pressure refrigerant compressed in the impeller chamber (112) to the outside. be provided.
  • the impeller (120) Since the impeller (120) has a discharge port (116) on the high pressure side and a suction port (115) on the low pressure side, a refrigerant force proportional to the differential pressure is generated in the axial direction toward the suction port (115).
  • the compression space (113) is configured in a spiral shape, a pressure imbalance may occur depending on the operating conditions, so a refrigerant force is generated in the radial direction.
  • the turbo compressor (101) is provided with two touchdown bearings (140, 141).
  • One touchdown bearing (140) is provided near one end (the end on the impeller (120) side) of the drive shaft (130), and the other touchdown bearing (141) is provided in addition to the drive shaft (130). It is provided near the end.
  • These touchdown bearings (140, 141) operate when the bearingless motor (170) and radial magnetic bearing (180) are de-energized, in other words, when the drive shaft (130) is not levitated. 130).
  • the touchdown bearing (140) is placed between the thrust magnetic bearing (150) and the radial magnetic bearing (180). can be placed in
  • the thrust magnetic bearing (150) is located between the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180).
  • the thrust magnetic bearing (150) is configured to exert a magnetic force in both axial directions on the drive shaft (130).
  • the thrust magnetic bearing (150) has first and second electromagnets (151, 152), which are provided on both axial sides of a disk (thrust disk) (131) provided on the drive shaft (130).
  • First and second electromagnets (151, 152) are arranged. Thereby, the thrust magnetic bearing (150) can support the disk portion (131) without contact by electromagnetic force.
  • the thrust magnetic bearing (150) controls the current flowing through the first and second electromagnets (151, 152) to control the movement of the disk portion (131) in the opposing direction (that is, the axial direction) of the first and second electromagnets (151, 152). ) (ie drive shaft (130)) can be controlled.
  • the bearingless motor (170) is configured to rotationally drive the drive shaft (130) by electromagnetic force and support the radial load of the drive shaft (130) without contact.
  • a bearingless motor (170) has a rotor (171) and a stator (174).
  • the rotor (171) is fixed to the drive shaft (130).
  • the stator (174) is fixed to the inner peripheral wall of the casing (110).
  • the bearingless motor (170) may be, for example, a consequent pole type bearingless motor, as shown in FIG.
  • the type of the bearingless motor (170) may be other types such as BPM type or synchronous reluctance type.
  • the stator (174) of the bearingless motor (170) includes a back yoke (175), a plurality of teeth (not shown), driving coils (176a to 176c) wound around the teeth, and supporting and coils (177a to 177c).
  • the rotor (171) of the bearingless motor (170) has a core (172) and a plurality (four in this example) of permanent magnets (173) embedded in the core (172).
  • the stator (174) is made of a magnetic material (for example, an electromagnetic steel plate).
  • the back yoke portion (175) of the stator (174) is cylindrical.
  • the teeth of the stator (174) protrude radially inward from the back yoke (175).
  • the drive coils (176a to 176c) and the support coils (177a to 177c) are wound on each tooth by a distributed winding method.
  • the drive coils (176a to 176c) and the support coils (177a to 177c) may be wound around each tooth by a concentrated winding method.
  • the drive coils (176a to 176c) are coils wound on the inner peripheral side of the teeth.
  • the driving coils (176a to 176c) are a U-phase driving coil (176a) indicated by a thick solid line in FIG. 2, a V-phase driving coil (176b) indicated by a thick broken line, and a W-phase drive coil (176c) shown.
  • the supporting coils (177a to 177c) are coils wound around the outer periphery of the teeth.
  • the supporting coils (177a to 177c) are a U-phase supporting coil (177a) indicated by a thick solid line in FIG. 2, a V-phase supporting coil (177b) indicated by a thick broken line, and a W-phase support coil (177c) shown.
  • a core portion (172) of the rotor (171) is formed in a cylindrical shape.
  • a shaft hole (not shown) for inserting the drive shaft (130) is formed in the central portion of the core portion (172).
  • the core portion (172) is made of a magnetic material (for example, an electromagnetic steel plate).
  • four permanent magnets (173) having a shape along the outer peripheral surface are embedded at an angular pitch (AP1) of 90° in the circumferential direction. These four permanent magnets (173) have the same shape.
  • the outer peripheral surface side of each permanent magnet (173) serves as an N pole, and the outer peripheral surface of the core portion (172) between the permanent magnets (173) serves as a pseudo S pole.
  • the outer peripheral surface side of each permanent magnet (173) may serve as the S pole.
  • the bearingless motor (170) consists of magnet magnetic flux generated by each permanent magnet (173), driving magnetic flux generated to rotationally drive the impeller (120) and drive shaft (130), and radial load of the drive shaft (130).
  • a driving torque and a supporting force are generated at the same time by interacting with the supporting magnetic flux generated to support the non-contact.
  • the supporting force is obtained by imbalanced magnetic flux density in the gap between the rotor (171) and the stator (174). equilibrium will increase. For this reason, eddy current loss increases between the core (172) and permanent magnet (173) of the rotor (171) facing each other and the tips of the teeth of the stator (174), resulting in a bearingless motor (170). becomes less efficient.
  • the radial magnetic bearing (180) is configured to contactlessly support the radial load of the drive shaft (130).
  • a radial magnetic bearing (180) is fixed to the inner peripheral wall of the casing (110).
  • the radial magnetic bearing (180) is, for example, a heteropolar radial magnetic bearing, as shown in FIG.
  • a radial magnetic bearing (180) has a stator (181) having a back yoke (182) and a plurality of teeth (183), and a plurality of coils (184) wound around the teeth (183).
  • the radial magnetic bearing (180) supports the radial load of the drive shaft (130) without contact by electromagnetic force generated by current flowing from the power supply (191) to each coil (184).
  • the direction of the current flowing through each coil (184) is set, for example, so that the supporting magnetic flux BS1 is generated in the direction of the arrow in FIG.
  • the magnetic flux supporting the radial load of the drive shaft (130) is the sum of the supporting magnetic flux BS1 of the radial magnetic bearing (180) and the supporting magnetic flux of the bearingless motor (170).
  • the radial magnetic bearing (180) is arranged between the bearingless motor (170) and the impeller (120).
  • the impeller (120) may be arranged between the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180).
  • disposing the radial magnetic bearing (180) between the bearingless motor (170) and the impeller (120) as in the present embodiment can reduce the bearing load on the bearingless motor (170).
  • the control unit (190) adjusts the position of the drive shaft (130) to a desired position based on the detection values of various sensors (not shown) and the target rotational speeds of the impeller (120) and the drive shaft (130).
  • Various sensors include, for example, a gap sensor capable of detecting the gap between the disc (131) and the thrust magnetic bearing (150), a sensor for detecting the gap between the stator (174) and the rotor (171) in the bearingless motor (170). and a gap sensor capable of detecting a gap between the drive shaft (130) and the radial magnetic bearing (180).
  • the control unit (190) can be composed of, for example, a microcomputer (not shown) and a program that operates the microcomputer.
  • the power supply section (191) supplies voltages to the thrust magnetic bearing (150), the bearingless motor (170), and the radial magnetic bearing (180) based on command values from the control section (190).
  • the power supply unit (191) can be composed of, for example, a PWM (Pulse Width Modulation) amplifier.
  • the power supply (191) constitutes an electric circuit.
  • the electric motor system (101) of the present embodiment includes a drive shaft (130) that rotationally drives an impeller (120), a bearingless motor (170) and a radial magnetic bearing (180) that are juxtaposed in the axial direction of the drive shaft (130). ).
  • the radial load of the drive shaft (130) is supported without contact by the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180).
  • the thrust magnetic bearing (150) is arranged between the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180). Therefore, even if the electric motor system (101) is downsized, it is easy to secure a bearing span between the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180). Therefore, the load applied to the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180) can be suppressed. As a result, it is possible to suppress a decrease in the efficiency with which the bearingless motor (170) rotationally drives the drive shaft (130) due to eddy current loss. Moreover, since the electric motor system (101) can be downsized while suppressing a decrease in the efficiency of the electric motor system (101), the turbo compressor (100) including the electric motor system (101) can be downsized.
  • FIG. 4 is a front view showing a configuration example of an electric motor system (101A) and a turbo compressor (100A) according to a comparative example.
  • the same components as those of the electric motor system (101) and the turbo compressor (100) of the present embodiment shown in FIG. 1 are given the same reference numerals.
  • the electric motor system (101A) and the turbo compressor (100A) of the comparative example shown in FIG. (120) is located at the end opposite to the fixed end).
  • the thrust magnetic bearing (150) is not arranged between the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180). Therefore, in the electric motor system (101A) of the comparative example, the bearing span between the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180) is shorter than that of the present embodiment. Therefore, the load received by the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180) is greater than in the present embodiment, and the efficiency of the bearingless motor (170) rotating the drive shaft (130) is reduced. Resulting in.
  • FIG. 5 is a front view showing a configuration example of an electric motor system (101) and a turbo compressor (100) according to a modification of the first embodiment.
  • the same components as those of the electric motor system (101) and the turbo compressor (100) of Embodiment 1 shown in FIG. 1 are given the same reference numerals.
  • the electric motor system (101) and the turbo compressor (100) of this modified example shown in FIG. It is provided with a bearing (153B).
  • the first thrust magnetic bearing (153A) is arranged on the radial magnetic bearing (180) side when viewed from the bearingless motor (170), more specifically, between the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180). be done.
  • the second thrust magnetic bearing (153B) is located on the opposite side of the radial magnetic bearing (180) when viewed from the bearingless motor (170). at the end opposite to the one end where the
  • Each of the first thrust magnetic bearing (153A) and the second thrust magnetic bearing (153B) has a configuration that applies a magnetic force to the drive shaft (130) in one axial direction.
  • the first thrust magnetic bearing (153A) is arranged in a first direction (that is, a bearingless A magnetic force is applied in a first direction from the motor (170) to the radial magnetic bearing (180).
  • the second thrust magnetic bearing (153B) is arranged in a second direction (that is, radial magnetic bearing (180 ) toward the bearingless motor (170)).
  • the first thrust magnetic bearing (153A) and the second thrust magnetic bearing (153B) are configured without providing the thrust disk (disk portion (131)) as in the first embodiment on the drive shaft (130). Specifically, the first thrust magnetic bearing (153A) and the second thrust magnetic bearing (153A) are attached to the axial side surfaces of the stepped portions (171a, 171b) formed on both axial sides of the rotor (171) of the bearingless motor (170). The magnetic bearing (153B) applies a magnetic force in the first direction or the second direction.
  • the drive shaft (130) is provided with a rotor portion facing the radial magnetic bearing (180)
  • the outer diameter of the rotor (171) should be larger than the outer diameter of the rotor portion.
  • the stepped portion (171a) can be provided on the radial magnetic bearing (180) side.
  • Each of the thrust magnetic bearings (153A, 153B) of this modified example is configured axisymmetrically with respect to the axis of the drive shaft (130).
  • Each thrust magnetic bearing (153A, 153B) consists of an iron core (156A, 156B) fixed to the inner peripheral wall of the casing (110) and coils (157A, 157B) arranged in the iron core (156A, 156B).
  • the iron core (156A, 156B) has first flanges (154A, 154B) and second flanges (155A, 155B) integrally formed with each other.
  • the iron core (156A, 156B) may be made of machined structural steel, or if iron loss is a concern, it may be made of laminated magnetic steel sheets, or other magnetic material such as a dust core. may be configured.
  • the first flanges (154A, 154B) are formed so that axial ends of the iron cores (156A, 156B) on the side away from the bearingless motor (170) protrude radially inward.
  • the radially inner side surface of the first collar (154A, 154B) is separated from the outer peripheral surface of the drive shaft (130) by a predetermined distance.
  • the radially inner portion of the first collar portion (154A, 154B) is formed with stator pole faces facing the axial side surfaces of the stepped portions (171a, 171b) of the rotor (171) with a gap therebetween.
  • the second flanges (155A, 155B) are formed such that the axial ends of the iron cores (156A, 156B) closer to the bearingless motor (170) protrude radially inward.
  • the radially inner surface of the second flange (155A, 155B) is separated from the outer peripheral surface of each step (171a, 171b) of the rotor (171) by a predetermined distance.
  • the coils (157A, 157B) are arranged in a ring shape in the space between the first flanges (154A, 154B) and the second flanges (155A, 155B).
  • the coils (157A, 157B) are connected to the power supply (191) and generate magnetic flux when current flows from the power supply (191).
  • an axial electromagnetic force is generated between the axial side surfaces of the stepped portions (171a, 171b) of the rotor (171) and the stator pole surfaces of the thrust magnetic bearings (153A, 153B).
  • the axial electromagnetic force supports the axial load applied to the rotating system including the drive shaft (130).
  • control unit (190) of this modification uses the values of the gaps between the disc portion (131) and the thrust magnetic bearing (150) detected by the sensors in the first embodiment, instead of the values detected by the sensors. 171b) and the stator pole faces of the thrust magnetic bearings (153A, 153B).
  • the first thrust magnetic bearing (153A) is arranged between the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180). Therefore, even if the electric motor system (101) is downsized, it is easy to secure a bearing span between the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180). Therefore, the load applied to the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180) can be suppressed. As a result, it is possible to suppress a decrease in the efficiency with which the bearingless motor (170) rotationally drives the drive shaft (130). In addition, the reduction in efficiency of the electric motor system (101) can be suppressed and the size of the turbo compressor (100) provided with the electric motor system (101) can be reduced.
  • the second thrust magnetic bearing (153B) is arranged on the opposite side of the radial magnetic bearing (180) when viewed from the bearingless motor (170).
  • the second thrust magnetic bearing (153B) is not arranged between the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180). Therefore, compared to the case where both the first and second thrust magnetic bearings (153A, 153B) are arranged between the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180), rotor assembly is improved.
  • the radial magnetic bearing (180) and bearingless motor (170) are typically shrink-fitted to the casing (110) to support the radial load of the drive shaft (130).
  • the rotor can be inserted after the radial magnetic bearing (180) and the bearingless motor (170) have been shrink-fitted, so demagnetization of the permanent magnets in the rotor can be avoided.
  • the radial magnetic bearing (180) needs to be shrink-fitted after the rotor is inserted, so there is a risk that the permanent magnets in the rotor will be demagnetized.
  • the second thrust magnetic bearing (153B) since the second thrust magnetic bearing (153B) is not arranged between the bearingless motor (170) and the radial magnetic bearing (180), heat generated by the bearingless motor (170) The influence of thermal expansion on the second thrust magnetic bearing (153B) can be reduced. Specifically, it is as follows.
  • the first thrust magnetic bearing (153A) exerts a magnetic force on the drive shaft (130) in a first direction from the second thrust magnetic bearing (153B) toward the first thrust magnetic bearing (153A),
  • the magnetic bearing (153B) applies a magnetic force in a second direction from the first thrust magnetic bearing (153A) to the second thrust magnetic bearing (153B).
  • the second thrust magnetic bearing (153B) is driven.
  • the magnitude of the magnetic force that can act on the shaft (130) is greater than the magnitude of the magnetic force that the first thrust magnetic bearing (153A) can act on the drive shaft (130). Therefore, by using a position sensor (gap sensor) for the second thrust magnetic bearing (153B), which is less susceptible to thermal expansion, the second thrust magnetic bearing (153B) is controlled by managing the gap length.
  • the first thrust magnetic bearing (153A) without managing the gap length, it is possible to accurately control the axial position.
  • the rotor of the bearingless motor (170) ( 171) can be made smaller (stepped portion (171a)). Therefore, the outer diameter of the rotor portion (not shown) facing the radial magnetic bearing (180) can be increased, making it easier to secure the output of the radial magnetic bearing (180).
  • Embodiment 1 the bearing load of the radial magnetic bearing (180) was reduced by approximately 23%, and the bearing load of the bearingless motor (170) was reduced by approximately 41%. Further, in the modified example of Embodiment 1, the bearing load of the radial magnetic bearing (180) was reduced by approximately 20%, and the bearing load of the bearingless motor (170) was reduced by approximately 29%.
  • the turbo compressor (200) of the present embodiment is provided, for example, in a refrigerant circuit that performs a refrigeration cycle to compress refrigerant.
  • the turbo compressor (200) includes a casing (210), an impeller (220), a drive shaft (230), touchdown bearings (240, 241), first and second thrust magnetic bearings (253A, 253B), a motor (270), first and second radial magnetic bearings (280A, 280B), a control section (290), and a power supply section (291).
  • the present embodiment electric motor system (201) is configured.
  • the impeller (220) constitutes a load, but the type of load of the electric motor system (201) is not limited to the impeller (220).
  • the "axial direction” means the direction of the rotation axis and the direction of the axis of the drive shaft (230), and the “radial direction” means the direction of the drive shaft (230).
  • the first radial magnetic bearing (280A) and the second radial magnetic bearing (280B) are arranged on the impeller (220) side and the impeller ( 220), respectively.
  • the radial load of the drive shaft (230) is supported in a non-contact manner by the first radial magnetic bearing (280A) and the second radial magnetic bearing (280B).
  • the first thrust magnetic bearing (253A) is arranged on the motor (270) side when viewed from the second radial magnetic bearing (280B), more specifically, between the motor (270) and the first radial magnetic bearing (280A). be done.
  • the second thrust magnetic bearing (253B) is located on the opposite side of the motor (270) as viewed from the second radial magnetic bearing (280B). at the end opposite to the one end where the
  • the casing (210) is formed in a cylindrical shape with both ends closed, and is arranged so that the axis of the cylinder is horizontal.
  • a space in the casing (210) is partitioned into an impeller chamber (212) and an electric motor chamber (214) by a wall (211).
  • the impeller chamber (212) houses the impeller (220).
  • the motor room (214) mainly houses first and second thrust magnetic bearings (253A, 253B), a motor (270), and first and second radial magnetic bearings (280A, 280B).
  • the drive shaft (230) extends axially within the casing (210) and connects the impeller (220) and the motor (270).
  • the first and second radial magnetic bearings (280A, 280B) constitute a driving support.
  • the impeller (220) is formed with a plurality of blades so as to have a substantially conical outer shape.
  • the impeller (220) is housed in the impeller chamber (212) while being fixed to one end of the drive shaft (230).
  • a suction port (215) and a discharge port (216) are connected to the impeller chamber (212), and a compression space (213) is formed around the outer periphery of the impeller chamber (212).
  • the suction port (215) is provided to guide the refrigerant into the impeller chamber (212) from the outside, and the discharge port (216) is provided to return the high-pressure refrigerant compressed in the impeller chamber (212) to the outside. be provided.
  • the impeller (220) Since the impeller (220) has a discharge port (216) on the high pressure side and a suction port (215) on the low pressure side, a refrigerant force proportional to the differential pressure is generated in the axial direction toward the suction port (215).
  • the compression space (213) is configured in a spiral shape, pressure imbalance may occur depending on operating conditions, so that refrigerant force is generated in the radial direction.
  • the turbo compressor (201) is provided with two touchdown bearings (240, 241).
  • One touchdown bearing (240) is provided near one end (the end on the impeller (220) side) of the drive shaft (230), and the other touchdown bearing (241) is provided in addition to the drive shaft (230). It is provided near the end.
  • These touchdown bearings (240, 241) are activated when the first radial magnetic bearing (280A) and the second radial magnetic bearing (280B) are de-energized, in other words, when the drive shaft (230) is not levitated. , configured to support a drive shaft (230).
  • the touchdown bearing (240) is connected to the first thrust magnetic bearing (253A) and the first radial magnetic bearing (280A). ) may be placed between
  • Each of the first thrust magnetic bearing (253A) and the second thrust magnetic bearing (253B) is configured to apply a magnetic force in one axial direction to the drive shaft (230).
  • the first thrust magnetic bearing (253A) is arranged in a first direction (that is, the motor ( 270) toward the first radial magnetic bearing (280A)).
  • the second thrust magnetic bearing (253B) is arranged in a second direction from the first thrust magnetic bearing (253A) to the second thrust magnetic bearing (253B) with respect to the drive shaft (230) (that is, from the motor (270).
  • a magnetic force is applied in a second direction toward the second radial magnetic bearing (280B).
  • the drive shaft (230) during rotation receives an average larger external force in the first direction than in the second direction. Therefore, the magnitude of the magnetic force that the second thrust magnetic bearing (253B) can act on the drive shaft (230) is equal to the magnetic force that the first thrust magnetic bearing (253A) can act on the drive shaft (230). is set to be greater than the size of
  • the first thrust magnetic bearing (253A) and the second thrust magnetic bearing (253B) are configured without providing the thrust disk (disk portion (131)) as in the first embodiment on the drive shaft (230). Specifically, the first thrust magnetic bearing (253A) and the second thrust magnetic bearing (253A) are attached to the axial side surfaces of the stepped portions (271a, 271b) formed on both axial sides of the rotor (271) of the motor (270). (253B) applies a magnetic force in the first or second direction.
  • the drive shaft (230) is provided with a rotor portion facing the first radial magnetic bearing (280A)
  • the outer diameter of the rotor (271) should be larger than the outer diameter of the rotor portion. If it is increased, the stepped portion (271a) can be provided on the side of the first radial magnetic bearing (280A).
  • the thrust magnetic bearings (253A, 253B) of the present embodiment are axially symmetrical with respect to the axis of the drive shaft (230).
  • Each thrust magnetic bearing (253A, 253B) consists of an iron core (256A, 256B) fixed to the inner peripheral wall of the casing (210) and coils (257A, 257B) arranged in the iron core (256A, 256B).
  • the iron core (256A, 256B) has first flanges (254A, 254B) and second flanges (255A, 255B) integrally formed with each other.
  • the iron core portions (256A, 256B) may be configured by, for example, laminating electromagnetic steel sheets, or may be configured by other magnetic materials such as dust cores.
  • the first flanges (254A, 254B) are formed so that axial ends of the iron cores (256A, 256B) on the side away from the motor (270) protrude radially inward.
  • the radially inner side surface of the first flange (254A, 254B) is separated from the outer peripheral surface of the drive shaft (230) by a predetermined distance.
  • the radially inner portion of the first collar portion (254A, 254B) is provided with stator pole faces facing the axial side surfaces of the stepped portions (271a, 271b) of the rotor (271) with a gap therebetween.
  • the second flanges (255A, 255B) are formed so that the axial ends of the iron cores (256A, 256B) closer to the motor (270) protrude radially inward.
  • the radially inner side surfaces of the second flanges (255A, 255B) are separated from the outer peripheral surfaces of the stepped portions (271a, 271b) of the rotor (271) by a predetermined distance.
  • the coils (257A, 257B) are arranged in a ring shape in the space between the first flanges (254A, 254B) and the second flanges (255A, 255B).
  • the coils (257A, 257B) are connected to the power source (291) and generate magnetic flux when current flows from the power source (291).
  • an axial electromagnetic force is generated between the axial side surfaces of the stepped portions (271a, 271b) of the rotor (271) and the stator pole surfaces of the thrust magnetic bearings (253A, 253B).
  • the axial electromagnetic force supports the axial load applied to the rotating system including the drive shaft (230).
  • the motor (270) is configured to rotationally drive the drive shaft (230) by electromagnetic force.
  • the motor (270) has a rotor (271) and a stator (274).
  • the rotor (271) is fixed to the drive shaft (230).
  • the stator (274) is fixed to the inner peripheral wall of the casing (210).
  • the rotor (271) has a core and a plurality of (for example, four) permanent magnets.
  • the stator (274) has a back yoke, a plurality of teeth, and coils wound around the teeth.
  • the first and second radial magnetic bearings (280A, 280B) are configured to support the radial load of the drive shaft (230) without contact.
  • the first and second radial magnetic bearings (280A, 280B) are fixed to the inner peripheral wall of the casing (210).
  • the first and second radial magnetic bearings (280A, 280B) each have the same configuration as the radial magnetic bearing (180) of Embodiment 1 shown in FIG.
  • the magnetic flux supporting the radial load of the drive shaft (230) is the sum of the supporting magnetic fluxes of the first and second radial magnetic bearings (280A, 280B).
  • the first radial magnetic bearing (280A) is arranged between the motor (270) and the impeller (220). 230), and the impeller (220) may be arranged between the motor (270) and the first radial magnetic bearing (280A). However, as in this embodiment, placing the first radial magnetic bearing (280A) between the motor (270) and the impeller (220) reduces the bearing load received by the second radial magnetic bearing (280B). can.
  • the first thrust magnetic bearing (253A) is arranged between the motor (270) and the first radial magnetic bearing (280A). In other words, no thrust magnetic bearing was arranged between the motor (270) and the second radial magnetic bearing (280B). Therefore, the outer diameter of the rotor portion provided on the drive shaft (230) in the region facing the second radial magnetic bearing (280B) can be increased, making it easier to ensure the output of the second radial magnetic bearing (280B).
  • the first thrust magnetic bearing (253A) may be arranged between the motor (270) and the second radial magnetic bearing (280B). In other words, no thrust magnetic bearing need be arranged between the motor (270) and the first radial magnetic bearing (280A). With this configuration, the outer diameter of the rotor portion provided on the drive shaft (230) in the region facing the first radial magnetic bearing (280A) can be increased, making it easier to secure the output of the first radial magnetic bearing (280A). .
  • Control part - The control unit (290) adjusts the position of the drive shaft (230) to a desired position based on the detection values of various sensors (not shown) and the target rotational speeds of the impeller (220) and the drive shaft (230). command values for controlling voltages supplied to the thrust magnetic bearings (253A, 253B) and command values for controlling voltages supplied to the motor (270) and the radial magnetic bearings (280A, 280B).
  • Various sensors include, for example, a gap sensor capable of detecting the gap between the axial side surface of each stepped portion (271a, 271b) and the stator magnetic pole surface of each thrust magnetic bearing (253A, 253B), and a drive shaft (230 ) and each radial magnetic bearing (280A, 280B).
  • the control unit (290) can be composed of, for example, a microcomputer (not shown) and a program that operates the microcomputer.
  • the power supply unit (291) supplies voltage to each thrust magnetic bearing (253A, 253B), motor (270), and each radial magnetic bearing (280A, 280B) based on the command value from the control unit (290). do.
  • the power supply unit (291) can be composed of, for example, a PWM (Pulse Width Modulation) amplifier.
  • the power supply (291) constitutes an electric circuit.
  • the electric motor system (201) of the present embodiment includes a drive shaft (230) that rotationally drives a load (220), a motor (270) arranged on the drive shaft (230), a first radial magnetic bearing (280A), It comprises a second radial magnetic bearing (280B), a first thrust magnetic bearing (253A) and a second thrust magnetic bearing (253B).
  • the first radial magnetic bearing (280A) and the second radial magnetic bearing (280B) are located on the load (220) side and the opposite side of the load (220) across the motor (270) in the axial direction of the drive shaft (230). placed.
  • the first thrust magnetic bearing (253A) is arranged on the motor (270) side as viewed from the second radial magnetic bearing (280B).
  • the second thrust magnetic bearing (253B) is located on the opposite side of the motor (270) from the second radial magnetic bearing (280B).
  • the radial load of the drive shaft (230) is supported in a non-contact manner by the first radial magnetic bearing (280A) and the second radial magnetic bearing (280B).
  • the first thrust magnetic bearing (253A) is arranged between the first radial magnetic bearing (280A) and the second radial magnetic bearing (280B). Therefore, even if the size is reduced, it becomes easier to secure the bearing span between the first radial magnetic bearing (280A) and the second radial magnetic bearing (280B). ) can be suppressed. Therefore, the first and second radial magnetic bearings (280A, 280B) can be downsized to downsize the electric motor system (201), so that the turbo compressor (200) equipped with the electric motor system (201) can be downsized. can.
  • An air conditioner (1) which is an example of a refrigeration system including a turbo compressor (hereinafter simply referred to as a compressor) (100) driven by the electric motor system (101) of Embodiment 1, will be described below with reference to FIG. while explaining.
  • the air conditioner (1) is a device that air-conditions the target space using a vapor compression refrigeration cycle.
  • the air conditioner (1) is capable of cooling operation, and mainly includes a compressor (100), a heat source side heat exchanger (3), an expansion mechanism (4), and a user side heat exchanger (5). and
  • the compressor (100) sucks the low-pressure refrigerant flowing through the suction pipe (6) through the suction port (115) and compresses the refrigerant sucked through the suction port (115) into high-pressure refrigerant. Afterwards, it is discharged into the discharge pipe (7) through the discharge port (116).
  • the suction pipe (6) is a refrigerant pipe that guides the refrigerant discharged from the user-side heat exchanger (5) to the suction side (suction port (115)) of the compressor (100). is a refrigerant pipe that guides the refrigerant discharged from the compressor (100) through the discharge port (116) to the inlet of the heat source side heat exchanger (3).
  • the compressor (100) mainly includes a bearingless motor (170), a drive shaft (130), and an impeller (120).
  • the driving force of the bearingless motor (170) is transmitted from the drive shaft (130) to the impeller (120), and the impeller (120) rotates around the drive shaft (130).
  • the compressor (100) compresses refrigerant drawn in through the suction port (115).
  • the heat source side heat exchanger (3) functions as a refrigerant radiator that dissipates heat from the refrigerant discharged from the compressor (100) by exchanging heat with water or air as a cooling source.
  • One end of the heat source side heat exchanger (3) is connected to the discharge port (116) of the compressor (100) through the discharge pipe (7).
  • the other end of the heat source side heat exchanger (3) is connected to the expansion mechanism (4).
  • the expansion mechanism (4) is a mechanism that reduces the pressure of the refrigerant radiated by the heat source side heat exchanger (3), and is composed of, for example, an electric expansion valve. One end of the expansion mechanism (4) is connected to the heat source side heat exchanger (3). The other end of the expansion mechanism (4) is connected to the utilization side heat exchanger (5).
  • the user-side heat exchanger (5) functions as a refrigerant heater that heats the refrigerant decompressed by the expansion mechanism (4) by exchanging heat with water or air as a heating source.
  • One end of the utilization side heat exchanger (5) is connected to the expansion mechanism (4).
  • the other end of the utilization side heat exchanger (5) is connected to the suction port (115) of the compressor (100) through the suction pipe (6).
  • the compressor (100), the heat source side heat exchanger (3), the expansion mechanism (4), and the utilization side heat exchanger (5) are connected to the suction pipe (6 ) and a discharge pipe (7) to constitute a path (8) through which the refrigerant circulates.
  • the compressor (100) driven by the electric motor system (101) of the first embodiment is used, so that the size of the refrigeration system can be reduced.
  • the compressor (100) and the electric motor system (101) of the first embodiment are used as the compressor and the electric motor system
  • the compressor (100) and electric motor system (101) of the modified example of Embodiment 1 or the compressor (200) and electric motor system (201) of Embodiment 2 are used as the compressor and electric motor system. Even if it is used, the same effects as in the present embodiment can be obtained.
  • the present disclosure is useful for electric motor systems, turbo compressors, and refrigerators.

Abstract

電動機システム（101）は、負荷（120）を回転駆動する駆動軸（130）と、駆動軸（130）の軸方向に並置されたベアリングレスモータ（170）及びラジアル磁気軸受（180）とを備える。駆動軸（130）のラジアル荷重は、ベアリングレスモータ（170）及びラジアル磁気軸受（180）によって非接触で支持される。ベアリングレスモータ（170）とラジアル磁気軸受（180）との間にスラスト磁気軸受（150）が配置される。

Description

電動機システム、ターボ圧縮機、及び冷凍装置
　本開示は、電動機システム、ターボ圧縮機、及び冷凍装置に関する。
　従来より、負荷を回転駆動する駆動軸と、当該駆動軸を回転駆動する電動機（モータ）とを備えた電動機システムが知られている。電動機システムは、例えばインペラを負荷とするターボ圧縮機に用いられる。従来の電動機システムは、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を備える。２つのラジアル磁気軸受は、モータの両側に１つずつ配置される。
　近年、電動機システムの構造を簡素化するために、「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用いられてきている（例えば特許文献１）。特許文献１の電動機システム（モータ装置）では、１つのベアリングレスモータと、１つのラジアル磁気軸受とによって、駆動軸のラジアル荷重が支持される。
特開平７－１８４３４５号公報
　しかしながら、特許文献１の電動機システムでは、モータの両側に１つずつラジアル磁気軸受を配置した従来の構成と比べて、ラジアル荷重の支持点間の距離（軸受スパン）が短くなってしまう。このため、例えばターボ圧縮機に適用した場合、駆動軸の重心周りのモーメント（インペラ負荷）に対して、ベアリングレスモータやラジアル磁気軸受が受ける負荷（軸受負荷）が従来の構成よりも大きくなってしまう。その結果、例えば、ベアリングレスモータが駆動軸を回転駆動させる効率が下がってしまうという問題が生じる。
　また、モータの両側に１つずつラジアル磁気軸受を配置した従来の構成を小型化した場合にも、軸受スパンの減少に起因して軸受負荷が増大してしまう問題が生じる。
　本開示の目的は、電動機システムにおいてベアリングレスモータ又はラジアル磁気軸受が受ける負荷を抑制することである。
　本開示の第１の態様は、負荷（120）を回転駆動する駆動軸（130）と、前記駆動軸（130）の軸方向に並置されたベアリングレスモータ（170）及びラジアル磁気軸受（180）とを備える電動機システムである。前記駆動軸（130）のラジアル荷重は、前記ベアリングレスモータ（170）及び前記ラジアル磁気軸受（180）によって非接触で支持される。前記ベアリングレスモータ（170）と前記ラジアル磁気軸受（180）との間にスラスト磁気軸受（150,153A）が配置される。
　第１の態様では、ベアリングレスモータ（170）とラジアル磁気軸受（180）との間にスラスト磁気軸受（150,153A）が配置される。このため、小型化しても、ベアリングレスモータ（170）とラジアル磁気軸受（180）との間の軸受スパンを確保しやすくなるので、ベアリングレスモータ（170）やラジアル磁気軸受（180）が受ける負荷を抑制できる。
　本開示の第２の態様は、第１の態様において、前記ベアリングレスモータ（170）から見て前記ラジアル磁気軸受（180）側に配置された第１スラスト磁気軸受（153A）と、前記ベアリングレスモータ（170）から見て前記ラジアル磁気軸受（180）の反対側に配置された第２スラスト磁気軸受（153B）とを備える。前記ベアリングレスモータ（170）と前記ラジアル磁気軸受（180）との間に前記第１スラスト磁気軸受（153A）が配置される。
　第２の態様では、第１及び第２スラスト磁気軸受（153A,153B）の両方をベアリングレスモータ（170）とラジアル磁気軸受（180）との間に配置する場合と比べて、ロータ組立性が向上すると共に、ベアリングレスモータ（170）の発熱に起因する熱膨張が第２スラスト磁気軸受（153B）に及ぼす影響を低減できる。
　本開示の第３の態様は、第２の態様において、前記第１スラスト磁気軸受（153A）は、前記駆動軸（130）に対して前記第２スラスト磁気軸受（153B）から前記第１スラスト磁気軸受（153A）へ向かう第１方向に磁力を作用させており、前記第２スラスト磁気軸受（153B）は、前記駆動軸（130）に対して前記第１スラスト磁気軸受（153A）から前記第２スラスト磁気軸受（153B）へ向かう第２方向に磁力を作用させている。前記駆動軸（130）の回転時において、前記駆動軸（130）には前記第２方向よりも前記第１方向に平均的に大きな外力が作用しており、前記第２スラスト磁気軸受（153B）が前記駆動軸（130）に対して作用可能な磁力の大きさは、前記第１スラスト磁気軸受（153A）が前記駆動軸（130）に対して作用可能な磁力の大きさよりも大きい。
　第３の態様では、熱膨張の影響を受けにくい第２スラスト磁気軸受（153B）に対して位置センサーを用いた制御を行うことによって、軸方向位置の制御を精度良く行うことができる。
　本開示の第４の態様は、第１～第３の態様のいずれか１つにおいて、前記ベアリングレスモータ（170）と前記負荷（120）との間に、前記ラジアル磁気軸受（180）が配置される。
　第４の態様では、前記ベアリングレスモータ（170）と前記ラジアル磁気軸受（180）との間に前記負荷（120）を配置する場合と比べて、前記ベアリングレスモータ（170）が受ける軸受負荷を低減できる。
　本開示の第５の態様は、第１～第４の態様のいずれか１つの電動機システム（101）を備えたターボ圧縮機（100）であって、前記負荷（120）は、インペラである。
　第５の態様では、電動機システム（101）を小型化できるので、ターボ圧縮機（100）を小型化することができる。
　本開示の第６の態様は、負荷（220）を回転駆動する駆動軸（230）と、前記駆動軸（230）に配置されたモータ（270）と、第１ラジアル磁気軸受（280A）及び第２ラジアル磁気軸受（280B）と、第１スラスト磁気軸受（253A）及び第２スラスト磁気軸受（253B）とを備える電動機システムである。第１ラジアル磁気軸受（280A）及び第２ラジアル磁気軸受（280B）は、前記駆動軸（230）の軸方向に前記モータ（270）を挟んで前記負荷（220）側及び前記負荷（220）の反対側にそれぞれ配置される。第１スラスト磁気軸受（253A）は、前記第２ラジアル磁気軸受（280B）から見て前記モータ（270）側に配置される。第２スラスト磁気軸受（253B）は、前記第２ラジアル磁気軸受（280B）から見て前記モータ（270）の反対側に配置される。前記駆動軸（230）のラジアル荷重は、前記第１ラジアル磁気軸受（280A）及び前記第２ラジアル磁気軸受（280B）によって非接触で支持される。前記第１ラジアル磁気軸受（280A）と前記第２ラジアル磁気軸受（280B）との間に前記第１スラスト磁気軸受（253A）が配置される。
　第６の態様では、第１ラジアル磁気軸受（280A）と第２ラジアル磁気軸受（280B）との間に第１スラスト磁気軸受（253A）が配置される。このため、小型化しても、第１ラジアル磁気軸受（280A）と第２ラジアル磁気軸受（280B）との間の軸受スパンを確保しやすくなるので、第１及び第２ラジアル磁気軸受（280A,280B）が受ける負荷を抑制できる。
　本開示の第７の態様は、第６の態様において、前記モータ（270）と前記第１ラジアル磁気軸受（280A）との間に前記第１スラスト磁気軸受（253A）が配置される。
　第７の態様では、モータ（270）と第２ラジアル磁気軸受（280B）との間にスラスト磁気軸受が配置されないため、第２ラジアル磁気軸受（280B）と対向する領域の駆動軸（230）に設けるロータ部分の外径を大きくできるので、第２ラジアル磁気軸受（280B）の出力を確保しやすくなる。
　本開示の第８の態様は、第６又は第７の態様の電動機システム（201）を備えたターボ圧縮機（200）であって、前記負荷（220）は、インペラである。
　第８の態様では、電動機システム（201）を小型化できるので、ターボ圧縮機（200）を小型化することができる。
　本開示の第９の態様は、第５又は第８の態様のターボ圧縮機（100,200）を備えた冷凍装置である。
　第９の態様では、ターボ圧縮機（100,200）を小型化できるので、冷凍装置を小型化することができる。
図１は、実施形態１に係る電動機システム及びターボ圧縮機の構成例を示す正面図である。 図２は、図１に示す電動機システムの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、図１に示す電動機システムのラジアル磁気軸受の構成例を示す横断面図である。 図４は、比較例に係る電動機システム及びターボ圧縮機の構成例を示す正面図である。 図５は、実施形態１の変形例に係る電動機システム及びターボ圧縮機の構成例を示す正面図である。 図６は、実施形態２に係る電動機システム及びターボ圧縮機の構成例を示す正面図である。 図７は、実施形態３に係る空気調和装置（実施形態１に係るターボ圧縮機を備える冷凍装置の一例）の概略構成図である。
　以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、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》
　〈ターボ圧縮機及び電動機システムの構成〉
　本実施形態のターボ圧縮機（100）は、例えば、冷凍サイクルを行う冷媒回路に設けられて冷媒を圧縮する。ターボ圧縮機（100）は、図１に示すように、ケーシング（110）と、インペラ（120）と、駆動軸（130）と、タッチダウン軸受（140,141）と、スラスト磁気軸受（150）と、ベアリングレスモータ（170）と、ラジアル磁気軸受（180）と、制御部（190）と、電源部（191）とを備える。ここで、主に、駆動軸（130）、スラスト磁気軸受（150）、ベアリングレスモータ（170）、及びラジアル磁気軸受（180）によって、本実施形態の電動機システム（101）が構成される。電動機システム（101）において、インペラ（120）は負荷を構成するが、電動機システム（101）の負荷の種類は、インペラ（120）に限られるものではない。
　尚、本実施形態において、「軸方向」とは、回転軸方向のことであって、駆動軸（130）の軸心の方向のことであり、「径方向」とは、駆動軸（130）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（130）の軸心からより遠い側のことであり、「内周側」とは、駆動軸（130）の軸心により近い側のことである。
　電動機システム（101）において、ベアリングレスモータ（170）とラジアル磁気軸受（180）とは、駆動軸（130）の軸方向に並んで配置される。駆動軸（130）のラジアル荷重は、ベアリングレスモータ（170）及びラジアル磁気軸受（180）によって非接触で支持される。
　　－ケーシング－
　ケーシング（110）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る。ケーシング（110）内の空間は、壁部（111）によって、インペラ室（112）と電動機室（114）とに区画される。インペラ室（112）は、インペラ（120）を収容する。電動機室（114）は、主に、スラスト磁気軸受（150）、ベアリングレスモータ（170）、及びラジアル磁気軸受（180）を収容する。駆動軸（130）は、ケーシング（110）内を軸方向に延び、インペラ（120）とベアリングレスモータ（170）とを連結する。ベアリングレスモータ（170）及びラジアル磁気軸受（180）は、駆動支持部を構成する。
　本実施形態では、ラジアル磁気軸受（180）は、電動機室（114）のうちインペラ（120）に近い側に配置され、ベアリングレスモータ（170）は、電動機室（114）のうちインペラ（120）から遠い側に配置される。すなわち、ラジアル磁気軸受（180）は、ベアリングレスモータ（170）とインペラ（120）との間に配置される。尚、電動機室（114）のうちインペラ（120）に近い側にベアリングレスモータ（170）が配置され、電動機室（114）のうちインペラ（120）から遠い側にラジアル磁気軸受（180）が配置されてもよい。すなわち、ベアリングレスモータ（170）は、ラジアル磁気軸受（180）とインペラ（120）との間に配置されてもよい。
　　－インペラ－
　インペラ（120）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る。インペラ（120）は、駆動軸（130）の一端に固定された状態で、インペラ室（112）に収容される。インペラ室（112）には、吸入口（115）及び吐出口（116）が接続され、インペラ室（112）の外周部には、圧縮空間（113）が形成される。吸入口（115）は、冷媒を外部からインペラ室（112）内に導くために設けられ、吐出口（116）は、インペラ室（112）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る。インペラ（120）は、吐出口（116）が高圧側で吸入口（115）が低圧側なので、吸入口（115）の方向に向かって、差圧に比例した冷媒力が軸方向に発生する。また、圧縮空間（113）は渦巻状に構成されており、運転する条件によっては圧力不均衡が生じるため、冷媒力が径方向に発生する。
　　－タッチダウン軸受－
　ターボ圧縮機（101）には、２つのタッチダウン軸受（140,141）が設けられる。一方のタッチダウン軸受（140）は、駆動軸（130）の一端部（インペラ（120）側の端部）近傍に設けられ、他方のタッチダウン軸受（141）は、駆動軸（130）の他端部近傍に設けられる。これらのタッチダウン軸受（140,141）は、ベアリングレスモータ（170）及びラジアル磁気軸受（180）が非通電であるときに、言い換えると、駆動軸（130）が浮上していないときに、駆動軸（130）を支持するように構成される。
　尚、ベアリングレスモータ（170）とラジアル磁気軸受（180）との間の軸受スパンを拡げるために、タッチダウン軸受（140）を、スラスト磁気軸受（150）とラジアル磁気軸受（180）との間に配置してもよい。
　　－スラスト磁気軸受－
　本実施形態では、スラスト磁気軸受（150）は、ベアリングレスモータ（170）とラジアル磁気軸受（180）との間に配置される。スラスト磁気軸受（150）は、駆動軸（130）に対して軸方向の双方向に磁力を作用させる構成を有する。具体的には、スラスト磁気軸受（150）は、第１及び第２電磁石（151,152）を有し、駆動軸（130）に設けられた円盤部（スラストディスク）（131）の軸方向両側にそれぞれ第１及び第２電磁石（151,152）が配置される。これにより、スラスト磁気軸受（150）は、円盤部（131）を電磁力によって非接触で支持することができる。また、スラスト磁気軸受（150）は、第１及び第２電磁石（151,152）に流れる電流を制御することにより、第１及び第２電磁石（151,152）の対向方向（つまり軸方向）における円盤部（131）（つまり駆動軸（130））の位置を制御することができる。
　　－ベアリングレスモータ－
　ベアリングレスモータ（170）は、電磁力によって駆動軸（130）を回転駆動し且つ駆動軸（130）のラジアル荷重を非接触で支持するように構成される。ベアリングレスモータ（170）は、回転子（171）と固定子（174）とを有する。回転子（171）は、駆動軸（130）に固定される。固定子（174）は、ケーシング（110）の内周壁に固定される。
　ベアリングレスモータ（170）は、図２に示すように、例えばコンセクエントポール型のベアリングレスモータであってもよい。尚、ベアリングレスモータ（170）の形式は、例えばＢＰＭ型やシンクロナスリラクタンス型など他の形式であってもよい。ベアリングレスモータ（170）の固定子（174）は、バックヨーク部（175）と、複数のティース部（図示省略）と、各ティース部に巻回された駆動用コイル（176a～176c）及び支持用コイル（177a～177c）とを有する。ベアリングレスモータ（170）の回転子（171）は、コア部（172）と、コア部（172）に埋設された複数（本例では４つ）の永久磁石（173）とを有する。
　固定子（174）は、磁性材料（例えば電磁鋼板）で構成される。固定子（174）のバックヨーク部（175）は、円筒状に形成される。固定子（174）のティース部は、バックヨーク部（175）から径方向内側に突出して形成される。駆動用コイル（176a～176c）及び支持用コイル（177a～177c）は、各ティース部に分布巻方式で巻回される。尚、駆動用コイル（176a～176c）及び支持用コイル（177a～177c）は、各ティース部に集中巻方式で巻回されてもよい。
　駆動用コイル（176a～176c）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（176a～176c）は、図２において太実線で囲んで示すＵ相駆動用コイル（176a）と、太破線で囲んで示すＶ相駆動用コイル（176b）と、細実線で囲んで示すＷ相駆動用コイル（176c）とから構成されてもよい。
　支持用コイル（177a～177c）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（177a～177c）は、図２において太実線で囲んで示すＵ相支持用コイル（177a）と、太破線で囲んで示すＶ相支持用コイル（177b）と、細実線で囲んで示すＷ相支持用コイル（177c）とから構成されてもよい。
　回転子（171）のコア部（172）は、円筒状に形成される。コア部（172）の中央部には駆動軸（130）を挿通するためのシャフト孔（図示省略）が形成される。コア部（172）は、磁性材料（例えば電磁鋼板）で構成される。コア部（172）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（173）が、周方向に９０°の角度ピッチ（AP1）で埋設される。これら４つの永久磁石（173）は、互いに同形状である。各永久磁石（173）の外周面側はＮ極となり、各永久磁石（173）の間のコア部（172）の外周面は擬似的にＳ極となる。尚、各永久磁石（173）の外周面側がＳ極となってもよい。
　ベアリングレスモータ（170）は、各永久磁石（173）によって生じる磁石磁束と、インペラ（120）及び駆動軸（130）を回転駆動するために生じる駆動用磁束と、駆動軸（130）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との相互作用によって、駆動トルク及び支持力を同時に発生させる。ここで、支持力は、回転子（171）と固定子（174）とのギャップの磁束密度に不均衡を生じさせて得るため、支持力を大きくすればするほど、当該ギャップの磁束密度の不均衡も大きくなる。このため、互いに対向する回転子（171）のコア部（172）や永久磁石（173）と固定子（174）のティース部先端とにおいて渦電流損が大きくなり、結果としてベアリングレスモータ（170）の効率が低下する。
　　－ラジアル磁気軸受－
　ラジアル磁気軸受（180）は、駆動軸（130）のラジアル荷重を非接触で支持するように構成される。ラジアル磁気軸受（180）は、ケーシング（110）の内周壁に固定される。
　ラジアル磁気軸受（180）は、図３に示すように、例えばヘテロポーラ型のラジアル磁気軸受である。ラジアル磁気軸受（180）は、バックヨーク部（182）及び複数のティース部（183）を有する固定子（181）と、ティース部（183）に巻回された複数のコイル（184）とを有する。ラジアル磁気軸受（180）は、電源部（191）から各コイル（184）に流れる電流により生じる電磁力によって、駆動軸（130）のラジアル荷重を非接触で支持する。各コイル（184）に流れる電流の方向は、例えば、図３の矢印の向きに支持用磁束ＢＳ１が生じるように設定される。
　本実施形態では、駆動軸（130）のラジアル荷重を支持する磁束は、ラジアル磁気軸受（180）の支持用磁束ＢＳ１と、前述のベアリングレスモータ（170）の支持用磁束との和である。
　尚、本実施形態では、ベアリングレスモータ（170）とインペラ（120）との間にラジアル磁気軸受（180）を配置したが、これに代えて、ラジアル磁気軸受（180）を駆動軸（130）の一端側に配置し、ベアリングレスモータ（170）とラジアル磁気軸受（180）との間にインペラ（120）を配置してもよい。但し、本実施形態のように、ベアリングレスモータ（170）とインペラ（120）との間にラジアル磁気軸受（180）を配置する方が、ベアリングレスモータ（170）が受ける軸受負荷を低減できる。
　　－制御部－
　制御部（190）は、駆動軸（130）の位置が所望の位置となるように、各種センサ（図示省略）の検出値、並びにインペラ（120）及び駆動軸（130）の目標回転速度に基づいて、スラスト磁気軸受（150）に供給する電圧を制御する指令値や、ベアリングレスモータ（170）及びラジアル磁気軸受（180）に供給する電圧を制御する指令値を出力する。各種センサは、例えば、円盤部（131）とスラスト磁気軸受（150）との間のギャップを検出可能なギャップセンサ、ベアリングレスモータ（170）における固定子（174）と回転子（171）との間のギャップを検出可能なギャップセンサ、及び、駆動軸（130）とラジアル磁気軸受（180）との間のギャップを検出可能なギャップセンサである。
　制御部（190）は、例えば、マイクロコンピュータ（図示省略）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－
　電源部（191）は、制御部（190）からの指令値に基づいて、スラスト磁気軸受（150）、ベアリングレスモータ（170）、及びラジアル磁気軸受（180）に電圧をそれぞれ供給する。電源部（191）は、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）アンプによって構成することが可能である。電源部（191）は、電気回路を構成する。
　＜実施形態１の特徴＞
　本実施形態の電動機システム（101）は、インペラ（120）を回転駆動する駆動軸（130）と、駆動軸（130）の軸方向に並置されたベアリングレスモータ（170）及びラジアル磁気軸受（180）とを備える。駆動軸（130）のラジアル荷重は、ベアリングレスモータ（170）及びラジアル磁気軸受（180）によって非接触で支持される。
　本実施形態によると、スラスト磁気軸受（150）は、ベアリングレスモータ（170）とラジアル磁気軸受（180）との間に配置される。このため、電動機システム（101）を小型化しても、ベアリングレスモータ（170）とラジアル磁気軸受（180）との間の軸受スパンを確保しやすくなる。従って、ベアリングレスモータ（170）やラジアル磁気軸受（180）が受ける負荷を抑制できる。これにより、ベアリングレスモータ（170）が駆動軸（130）を回転駆動させる効率が渦電流損に起因して低下することを抑制できる。また、電動機システム（101）の効率の低下を抑制しつつ電動機システム（101）を小型化できるので、電動機システム（101）を備えたターボ圧縮機（100）を小型化することができる。
　図４は、比較例に係る電動機システム（101A）及びターボ圧縮機(100A)の構成例を示す正面図である。尚、図４において、図１に示す本実施形態の電動機システム（101）及びターボ圧縮機(100)と同じ構成要素には同じ符号を付す。
　図４に示す比較例の電動機システム（101A）及びターボ圧縮機(100A)が、本実施形態と異なっている点は、スラスト磁気軸受（150）が、駆動軸（130）の他端部（インペラ（120）が固定された一端部とは反対側の端部）に配置されることである。言い換えると、スラスト磁気軸受（150）は、ベアリングレスモータ（170）とラジアル磁気軸受（180）との間には配置されない。このため、比較例の電動機システム（101A）では、ベアリングレスモータ（170）とラジアル磁気軸受（180）との間の軸受スパンが、本実施形態と比較して短くなる。従って、ベアリングレスモータ（170）やラジアル磁気軸受（180）が受ける負荷が、本実施形態と比較して大きくなるので、ベアリングレスモータ（170）が駆動軸（130）を回転駆動させる効率が低下してしまう。
　《実施形態１の変形例》
　図５は、実施形態１の変形例に係る電動機システム（101）及びターボ圧縮機(100)の構成例を示す正面図である。尚、図５において、図１に示す実施形態１の電動機システム（101）及びターボ圧縮機(100)と同じ構成要素には同じ符号を付す。
　図５に示す本変形例の電動機システム（101）及びターボ圧縮機(100)が、実施形態１と異なっている点は、スラスト磁気軸受として、第１スラスト磁気軸受（153A）及び第２スラスト磁気軸受（153B）を備えることである。第１スラスト磁気軸受（153A）は、ベアリングレスモータ（170）から見てラジアル磁気軸受（180）側に、より詳しくは、ベアリングレスモータ（170）とラジアル磁気軸受（180）との間に配置される。第２スラスト磁気軸受（153B）は、ベアリングレスモータ（170）から見てラジアル磁気軸受（180）の反対側に、より詳しくは、駆動軸（130）の他端部（インペラ（120）が固定された一端部とは反対側の端部）に配置される。
　第１スラスト磁気軸受（153A）及び第２スラスト磁気軸受（153B）はそれぞれ、駆動軸（130）に対して軸方向の一方向に磁力を作用させる構成を有する。具体的には、第１スラスト磁気軸受（153A）は、駆動軸（130）に対して、第２スラスト磁気軸受（153B）から第１スラスト磁気軸受（153A）へ向かう第１方向（つまりベアリングレスモータ（170）からラジアル磁気軸受（180）へ向かう第１方向）に磁力を作用させる。また、第２スラスト磁気軸受（153B）は、駆動軸（130）に対して、第１スラスト磁気軸受（153A）から第２スラスト磁気軸受（153B）へ向かう第２方向（つまりラジアル磁気軸受（180）からベアリングレスモータ（170）へ向かう第２方向）に磁力を作用させる。
　尚、本変形例では、インペラ（120）の冷媒力に起因して、回転時の駆動軸（130）には、第２方向よりも第１方向に平均的に大きな外力が作用する。このため、第２スラスト磁気軸受（153B）が駆動軸（130）に対して作用可能な磁力の大きさが、第１スラスト磁気軸受（153A）が駆動軸（130）に対して作用可能な磁力の大きさよりも大きくなるように設定される。
　第１スラスト磁気軸受（153A）及び第２スラスト磁気軸受（153B）は、実施形態１のようなスラストディスク（円盤部（131））を駆動軸（130）に設けることなく構成される。具体的には、ベアリングレスモータ（170）の回転子（171）の軸方向両側に生じる段差部（171a,171b）の軸方向側面に対して、第１スラスト磁気軸受（153A）及び第２スラスト磁気軸受（153B）は第１方向又は第２方向に磁力を作用させる。尚、図示は省略しているが、ラジアル磁気軸受（180）と対向するロータ部分を駆動軸（130）に設ける場合、当該ロータ部分の外径よりも回転子（171）の外径を大きくすれば、ラジアル磁気軸受（180）側に段差部（171a）を設けることができる。
　本変形例の各スラスト磁気軸受（153A,153B）は、駆動軸（130）の軸心に関して軸対称に構成される。各スラスト磁気軸受（153A,153B）は、ケーシング（110）の内周壁に固定された鉄心部（156A,156B）と、鉄心部（156A,156B）内に配置されたコイル（157A,157B）とを有する。鉄心部（156A,156B）は、互いに一体に形成された第１鍔部（154A,154B）及び第２鍔部（155A,155B）を有する。鉄心部（156A,156B）は、例えば、構造用鋼の削り出しで構成されてもよいし、鉄損が気になる場合は電磁鋼板の積層で、又は圧粉磁心等の他の磁性材料で構成されてもよい。
　第１鍔部（154A,154B）は、鉄心部（156A,156B）におけるベアリングレスモータ（170）から離れた側の軸方向端部が径方向内側に張り出すように形成される。第１鍔部（154A,154B）の径方向内側面は、駆動軸（130）の外周面から所定の距離だけ離間する。第１鍔部（154A,154B）の径方向内側部には、回転子（171）の各段差部（171a,171b）の軸方向側面と離間して対向するステータ磁極面が構成される。
　第２鍔部（155A,155B）は、鉄心部（156A,156B）におけるベアリングレスモータ（170）に近い側の軸方向端部が径方向内側に張り出すように形成される。第２鍔部（155A,155B）の径方向内側面は、回転子（171）の各段差部（171a,171b）の外周面から所定の距離だけ離間する。
　コイル（157A,157B）は、第１鍔部（154A,154B）と第２鍔部（155A,155B）との間の空間にリング状に配置される。コイル（157A,157B）は、電源部（191）に接続されており、電源部（191）から電流が流れることによって磁束を発生させる。これにより、回転子（171）の各段差部（171a,171b）の軸方向側面と、各スラスト磁気軸受（153A,153B）のステータ磁極面との間に、軸方向の電磁力が発生し、当該軸方向の電磁力によって、駆動軸（130）を含む回転系が受ける軸方向の負荷が支持される。
　尚、本変形例の制御部（190）は、実施形態１における円盤部（131）とスラスト磁気軸受（150）との間のギャップをセンサにより検出した値に代えて、各段差部（171a,171b）の軸方向側面と各スラスト磁気軸受（153A,153B）のステータ磁極面との間のギャップをセンサにより検出した値に基づいて、各種指令値を出力する。
　＜実施形態１の変形例の特徴＞
　本変形例によると、第１スラスト磁気軸受（153A）は、ベアリングレスモータ（170）とラジアル磁気軸受（180）との間に配置される。このため、電動機システム（101）を小型化しても、ベアリングレスモータ（170）とラジアル磁気軸受（180）との間の軸受スパンを確保しやすくなる。従って、ベアリングレスモータ（170）やラジアル磁気軸受（180）が受ける負荷を抑制できる。これにより、ベアリングレスモータ（170）が駆動軸（130）を回転駆動させる効率の低下を抑制できる。また、電動機システム（101）の効率の低下を抑制しつつ小型化できるので、電動機システム（101）を備えたターボ圧縮機（100）を小型化することができる。
　また、本変形例によると、第２スラスト磁気軸受（153B）は、ベアリングレスモータ（170）から見てラジアル磁気軸受（180）の反対側に配置される。言い換えると、第２スラスト磁気軸受（153B）は、ベアリングレスモータ（170）とラジアル磁気軸受（180）との間には配置されない。このため、第１及び第２スラスト磁気軸受（153A,153B）の両方をベアリングレスモータ（170）とラジアル磁気軸受（180）との間に配置する場合と比べて、ロータ組立性が向上する。例えば、ラジアル磁気軸受（180）やベアリングレスモータ（170）は、駆動軸（130）のラジアル荷重を支持するために、ケーシング（110）に対して焼嵌めするのが一般的である。本変形例の場合、ラジアル磁気軸受（180）及びベアリングレスモータ（170）の焼嵌めが完了した後に、ロータを挿入することができるため、ロータにある永久磁石が減磁することを回避できる。しかしながら、実施形態１の構造の場合、ロータを挿入後にラジアル磁気軸受（180）を焼嵌めする必要があるため、ロータにある永久磁石が減磁するリスクが発生してしまう。
　また、本変形例によると、ベアリングレスモータ（170）とラジアル磁気軸受（180）との間に第２スラスト磁気軸受（153B）を配置しないことによって、ベアリングレスモータ（170）の発熱に起因する熱膨張が第２スラスト磁気軸受（153B）に及ぼす影響を低減できる。具体的には以下の通りである。駆動軸（130）に対して、第１スラスト磁気軸受（153A）は、第２スラスト磁気軸受（153B）から第１スラスト磁気軸受（153A）へ向かう第１方向に磁力を作用させ、第２スラスト磁気軸受（153B）は、第１スラスト磁気軸受（153A）から第２スラスト磁気軸受（153B）へ向かう第２方向に磁力を作用させる。ここで、駆動軸（130）の回転時において、駆動軸（130）には第２方向よりも第１方向に平均的に大きな外力が作用しており、第２スラスト磁気軸受（153B）が駆動軸（130）に対して作用可能な磁力の大きさは、第１スラスト磁気軸受（153A）が駆動軸（130）に対して作用可能な磁力の大きさよりも大きい。このため、熱膨張の影響を受けにくい第２スラスト磁気軸受（153B）に対して位置センサー（ギャップセンサー）を用いることで、第２スラスト磁気軸受（153B）についてはギャップ長を管理した制御を行うのに対し、第１スラスト磁気軸受（153A）についてはギャップ長を管理せずに制御することによって、軸方向位置の制御を精度良く行うことができる。
　また、本変形例によると、第１スラスト磁気軸受（153A）の支持力（駆動軸（130）に対して作用可能な磁力の大きさ）が小さいため、ベアリングレスモータ（170）の回転子（171）の段差（段差部（171a））を小さくできる。このため、ラジアル磁気軸受（180）と対向するロータ部分（図示省略）の外径を大きくできるので、ラジアル磁気軸受（180）の出力を確保しやすくなる。
　＜実施形態１及びその変形例の軸受負荷の評価＞
　図５に示す実施形態１の変形例のターボ圧縮機（100）において、第１スラスト磁気軸受（153A）を、ベアリングレスモータ（170）とラジアル磁気軸受（180）との間ではなく、ラジアル磁気軸受（180）とインペラ（120）との間に配置した場合の軸受負荷を基準として、実施形態１及びその変形例の軸受負荷をシミュレーションにより評価した。
　その結果、実施形態１では、ラジアル磁気軸受（180）の軸受負荷が約２３％低減し、ベアリングレスモータ（170）の軸受負荷が約４１％低減した。また、実施形態１の変形例では、ラジアル磁気軸受（180）の軸受負荷が約２０％低減し、ベアリングレスモータ（170）の軸受負荷が約２９％低減した。
　尚、シミュレーションにおいては、ターボ圧縮機（100）の各構成部品の数や寸法、駆動軸（130）を含む駆動系の重量や回転速度を全て同じに設定した。
　《実施形態２》
　〈ターボ圧縮機及び電動機システムの構成〉
　本実施形態のターボ圧縮機（200）は、例えば、冷凍サイクルを行う冷媒回路に設けられて冷媒を圧縮する。ターボ圧縮機（200）は、図６に示すように、ケーシング（210）と、インペラ（220）と、駆動軸（230）と、タッチダウン軸受（240,241）と、第１及び第２スラスト磁気軸受（253A,253B）と、モータ（270）と、第１及び第２ラジアル磁気軸受（280A,280B）と、制御部（290）と、電源部（291）とを備える。ここで、主に、駆動軸（230）、第１及び第２スラスト磁気軸受（253A,253B）、モータ（270）、並びに第１及び第２スラスト磁気軸受（253A,253B）によって、本実施形態の電動機システム（201）が構成される。電動機システム（201）において、インペラ（220）は負荷を構成するが、電動機システム（201）の負荷の種類は、インペラ（220）に限られるものではない。
　尚、本実施形態において、「軸方向」とは、回転軸方向のことであって、駆動軸（230）の軸心の方向のことであり、「径方向」とは、駆動軸（230）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（230）の軸心からより遠い側のことであり、「内周側」とは、駆動軸（230）の軸心により近い側のことである。
　電動機システム（201）において、第１ラジアル磁気軸受（280A）及び第２ラジアル磁気軸受（280B）は、駆動軸（230）の軸方向にモータ（270）を挟んでインペラ（220）側及びインペラ（220）の反対側にそれぞれ配置される。駆動軸（230）のラジアル荷重は、第１ラジアル磁気軸受（280A）及び第２ラジアル磁気軸受（280B）によって非接触で支持される。第１スラスト磁気軸受（253A）は、第２ラジアル磁気軸受（280B）から見てモータ（270）側に、より詳しくは、モータ（270）と第１ラジアル磁気軸受（280A）との間に配置される。第２スラスト磁気軸受（253B）は、第２ラジアル磁気軸受（280B）から見てモータ（270）の反対側に、より詳しくは、駆動軸（230）の他端部（インペラ（220）が固定された一端部とは反対側の端部）に配置される。
　　－ケーシング－
　ケーシング（210）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る。ケーシング（210）内の空間は、壁部（211）によって、インペラ室（212）と電動機室（214）とに区画される。インペラ室（212）は、インペラ（220）を収容する。電動機室（214）は、主に、第１及び第２スラスト磁気軸受（253A,253B）、モータ（270）、並びに第１及び第２ラジアル磁気軸受（280A,280B）を収容する。駆動軸（230）は、ケーシング（210）内を軸方向に延び、インペラ（220）とモータ（270）とを連結する。第１及び第２ラジアル磁気軸受（280A,280B）は、駆動支持部を構成する。
　　－インペラ－
　インペラ（220）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る。インペラ（220）は、駆動軸（230）の一端に固定された状態で、インペラ室（212）に収容される。インペラ室（212）には、吸入口（215）及び吐出口（216）が接続され、インペラ室（212）の外周部には、圧縮空間（213）が形成される。吸入口（215）は、冷媒を外部からインペラ室（212）内に導くために設けられ、吐出口（216）は、インペラ室（212）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る。インペラ（220）は、吐出口（216）が高圧側で吸入口（215）が低圧側なので、吸入口（215）の方向に向かって、差圧に比例した冷媒力が軸方向に発生する。また、圧縮空間（213）は渦巻状に構成されており、運転する条件によっては圧力不均衡が生じるため、冷媒力が径方向に発生する。
　　－タッチダウン軸受－
　ターボ圧縮機（201）には、２つのタッチダウン軸受（240,241）が設けられる。一方のタッチダウン軸受（240）は、駆動軸（230）の一端部（インペラ（220）側の端部）近傍に設けられ、他方のタッチダウン軸受（241）は、駆動軸（230）の他端部近傍に設けられる。これらのタッチダウン軸受（240,241）は、第１ラジアル磁気軸受（280A）及び第２ラジアル磁気軸受（280B）が非通電であるときに、言い換えると、駆動軸（230）が浮上していないときに、駆動軸（230）を支持するように構成される。
　尚、モータ（270）と第１ラジアル磁気軸受（280A）との間の軸受スパンを拡げるために、タッチダウン軸受（240）を、第１スラスト磁気軸受（253A）と第１ラジアル磁気軸受（280A）との間に配置してもよい。
　　－スラスト磁気軸受－
　第１スラスト磁気軸受（253A）及び第２スラスト磁気軸受（253B）はそれぞれ、駆動軸（230）に対して軸方向の一方向に磁力を作用させる構成を有する。具体的には、第１スラスト磁気軸受（253A）は、駆動軸（230）に対して、第２スラスト磁気軸受（253B）から第１スラスト磁気軸受（253A）へ向かう第１方向（つまりモータ（270）から第１ラジアル磁気軸受（280A）へ向かう第１方向）に磁力を作用させる。また、第２スラスト磁気軸受（253B）は、駆動軸（230）に対して、第１スラスト磁気軸受（253A）から第２スラスト磁気軸受（253B）へ向かう第２方向（つまりモータ（270）から第２ラジアル磁気軸受（280B）へ向かう第２方向）に磁力を作用させる。
　尚、本実施形態では、インペラ（220）の冷媒力に起因して、回転時の駆動軸（230）には、第２方向よりも第１方向に平均的に大きな外力が作用する。このため、第２スラスト磁気軸受（253B）が駆動軸（230）に対して作用可能な磁力の大きさが、第１スラスト磁気軸受（253A）が駆動軸（230）に対して作用可能な磁力の大きさよりも大きくなるように設定される。
　第１スラスト磁気軸受（253A）及び第２スラスト磁気軸受（253B）は、実施形態１のようなスラストディスク（円盤部（131））を駆動軸（230）に設けることなく構成される。具体的には、モータ（270）の回転子（271）の軸方向両側に生じる段差部（271a,271b）の軸方向側面に対して、第１スラスト磁気軸受（253A）及び第２スラスト磁気軸受（253B）は第１方向又は第２方向に磁力を作用させる。尚、図示は省略しているが、第１ラジアル磁気軸受（280A）と対向するロータ部分を駆動軸（230）に設ける場合、当該ロータ部分の外径よりも回転子（271）の外径を大きくすれば、第１ラジアル磁気軸受（280A）側に段差部（271a）を設けることができる。
　本実施形態の各スラスト磁気軸受（253A,253B）は、駆動軸（230）の軸心に関して軸対称に構成される。各スラスト磁気軸受（253A,253B）は、ケーシング（210）の内周壁に固定された鉄心部（256A,256B）と、鉄心部（256A,256B）内に配置されたコイル（257A,257B）とを有する。鉄心部（256A,256B）は、互いに一体に形成された第１鍔部（254A,254B）及び第２鍔部（255A,255B）を有する。鉄心部（256A,256B）は、例えば、電磁鋼板を積層して構成されてもよいし、又は圧粉磁心等の他の磁性材料で構成されてもよい。
　第１鍔部（254A,254B）は、鉄心部（256A,256B）におけるモータ（270）から離れた側の軸方向端部が径方向内側に張り出すように形成される。第１鍔部（254A,254B）の径方向内側面は、駆動軸（230）の外周面から所定の距離だけ離間する。第１鍔部（254A,254B）の径方向内側部には、回転子（271）の各段差部（271a,271b）の軸方向側面と離間して対向するステータ磁極面が構成される。
　第２鍔部（255A,255B）は、鉄心部（256A,256B）におけるモータ（270）に近い側の軸方向端部が径方向内側に張り出すように形成される。第２鍔部（255A,255B）の径方向内側面は、回転子（271）の各段差部（271a,271b）の外周面から所定の距離だけ離間する。
　コイル（257A,257B）は、第１鍔部（254A,254B）と第２鍔部（255A,255B）との間の空間にリング状に配置される。コイル（257A,257B）は、電源部（291）に接続されており、電源部（291）から電流が流れることによって磁束を発生させる。これにより、回転子（271）の各段差部（271a,271b）の軸方向側面と、各スラスト磁気軸受（253A,253B）のステータ磁極面との間に、軸方向の電磁力が発生し、当該軸方向の電磁力によって、駆動軸（230）を含む回転系が受ける軸方向の負荷が支持される。
　　－モータ－
　モータ（270）は、電磁力によって駆動軸（230）を回転駆動するように構成される。モータ（270）は、回転子（271）と固定子（274）とを有する。回転子（271）は、駆動軸（230）に固定される。固定子（274）は、ケーシング（210）の内周壁に固定される。図示は省略しているが、回転子（271）は、コア部と、複数（例えば４つ）の永久磁石とを有する。固定子（274）は、バックヨーク部と、複数のティース部と、各ティース部に巻回されたコイルとを有する。
　　－ラジアル磁気軸受－
　第１及び第２ラジアル磁気軸受（280A,280B）は、駆動軸（230）のラジアル荷重を非接触で支持するように構成される。第１及び第２ラジアル磁気軸受（280A,280B）は、ケーシング（210）の内周壁に固定される。第１及び第２ラジアル磁気軸受（280A,280B）はそれぞれ、図３に示す実施形態１のラジアル磁気軸受（180）と同様の構成を有する。
　本実施形態では、駆動軸（230）のラジアル荷重を支持する磁束は、第１及び第２ラジアル磁気軸受（280A,280B）それぞれの支持用磁束の和である。
　尚、本実施形態では、モータ（270）とインペラ（220）との間に第１ラジアル磁気軸受（280A）を配置したが、これに代えて、第１ラジアル磁気軸受（280A）を駆動軸（230）の一端側に配置し、モータ（270）と第１ラジアル磁気軸受（280A）との間にインペラ（220）を配置してもよい。但し、本実施形態のように、モータ（270）とインペラ（220）との間に第１ラジアル磁気軸受（280A）を配置する方が、第２ラジアル磁気軸受（280B）が受ける軸受負荷を低減できる。
　また、本実施形態では、モータ（270）と第１ラジアル磁気軸受（280A）との間に第１スラスト磁気軸受（253A）を配置した。言い換えると、モータ（270）と第２ラジアル磁気軸受（280B）との間にはスラスト磁気軸受を配置しなかった。このため、第２ラジアル磁気軸受（280B）と対向する領域の駆動軸（230）に設けるロータ部分の外径を大きくできるので、第２ラジアル磁気軸受（280B）の出力を確保しやすくなる。しかし、これに代えて、モータ（270）と第２ラジアル磁気軸受（280B）との間に第１スラスト磁気軸受（253A）を配置してもよい。言い換えると、モータ（270）と第１ラジアル磁気軸受（280A）との間にスラスト磁気軸受を配置しなくてもよい。このようにすると、第１ラジアル磁気軸受（280A）と対向する領域の駆動軸（230）に設けるロータ部分の外径を大きくできるので、第１ラジアル磁気軸受（280A）の出力を確保しやすくなる。
　　－制御部－
　制御部（290）は、駆動軸（230）の位置が所望の位置となるように、各種センサ（図示省略）の検出値、並びにインペラ（220）及び駆動軸（230）の目標回転速度に基づいて、各スラスト磁気軸受（253A,253B）に供給する電圧を制御する指令値や、モータ（270）及び各ラジアル磁気軸受（280A,280B）に供給する電圧を制御する指令値を出力する。各種センサは、例えば、各段差部（271a,271b）の軸方向側面と各スラスト磁気軸受（253A,253B）のステータ磁極面との間のギャップを検出可能なギャップセンサ、及び、駆動軸（230）と各ラジアル磁気軸受（280A,280B）との間のギャップを検出可能なギャップセンサである。
　制御部（290）は、例えば、マイクロコンピュータ（図示省略）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－
　電源部（291）は、制御部（290）からの指令値に基づいて、各スラスト磁気軸受（253A,253B）、モータ（270）、及び各ラジアル磁気軸受（280A,280B）に電圧をそれぞれ供給する。電源部（291）は、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）アンプによって構成することが可能である。電源部（291）は、電気回路を構成する。
　＜実施形態２の特徴＞
　本実施形態の電動機システム（201）は、負荷（220）を回転駆動する駆動軸（230）と、駆動軸（230）に配置されたモータ（270）と、第１ラジアル磁気軸受（280A）及び第２ラジアル磁気軸受（280B）と、第１スラスト磁気軸受（253A）及び第２スラスト磁気軸受（253B）とを備える。第１ラジアル磁気軸受（280A）及び第２ラジアル磁気軸受（280B）は、駆動軸（230）の軸方向にモータ（270）を挟んで負荷（220）側及び負荷（220）の反対側にそれぞれ配置される。第１スラスト磁気軸受（253A）は、第２ラジアル磁気軸受（280B）から見てモータ（270）側に配置される。第２スラスト磁気軸受（253B）は、第２ラジアル磁気軸受（280B）から見てモータ（270）の反対側に配置される。駆動軸（230）のラジアル荷重は、第１ラジアル磁気軸受（280A）及び第２ラジアル磁気軸受（280B）によって非接触で支持される。
　本実施形態によると、第１ラジアル磁気軸受（280A）と第２ラジアル磁気軸受（280B）との間に第１スラスト磁気軸受（253A）が配置される。このため、小型化しても、第１ラジアル磁気軸受（280A）と第２ラジアル磁気軸受（280B）との間の軸受スパンを確保しやすくなるので、第１及び第２ラジアル磁気軸受（280A,280B）が受ける負荷を抑制できる。従って、第１及び第２ラジアル磁気軸受（280A,280B）を小型化して電動機システム（201）を小型化できるので、電動機システム（201）を備えたターボ圧縮機（200）を小型化することができる。
　《実施形態３》
　以下、実施形態１の電動機システム（101）により駆動されるターボ圧縮機(以下、単に圧縮機という)（100）を備える冷凍装置の一例である空気調和装置（1）について、図７を参照しながら説明する。
　空気調和装置（1）は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって、対象空間の空調を行う装置である。空気調和装置（1）は、冷房運転を実行可能であり、主として、圧縮機（100）と、熱源側熱交換器（3）と、膨張機構（4）と、利用側熱交換器（5）とを備える。
　圧縮機（100）は、吸入管（6）を流れる低圧の冷媒を、吸入口（115）を介して吸入し、吸入口（115）を介して吸入した冷媒を圧縮して高圧の冷媒とした後に、吐出口（116）を介して吐出管（7）へと吐出する。尚、吸入管（6）は、利用側熱交換器（5）から出た冷媒を圧縮機（100）の吸入側（吸入口（115））へと導く冷媒管であり、吐出管（7）は、圧縮機（100）から吐出口（116）を介して吐出された冷媒を熱源側熱交換器（3）の入口へと導く冷媒管である。
　圧縮機（100）は、実施形態１で述べたように、主として、ベアリングレスモータ（170）と、駆動軸（130）と、インペラ（120）とを備える。インペラ（120）には、駆動軸（130）からベアリングレスモータ（170）の駆動力が伝達され、駆動軸（130）を軸心としてインペラ（120）は回転する。これにより、圧縮機（100）は、吸入口（115）を介して流入する吸入冷媒を圧縮する。
　熱源側熱交換器（3）は、冷却源としての水又は空気と熱交換させることにより、圧縮機（100）から吐出された冷媒の放熱を行う冷媒の放熱器として機能する。熱源側熱交換器（3）の一端は、吐出管（7）を介して圧縮機（100）の吐出口（116）に接続される。熱源側熱交換器（3）の他端は、膨張機構（4）に接続される。
　膨張機構（4）は、熱源側熱交換器（3）で放熱された冷媒の減圧を行う機構であり、例えば、電動膨張弁から構成される。膨張機構（4）の一端は、熱源側熱交換器（3）に接続される。膨張機構（4）の他端は、利用側熱交換器（5）に接続される。
　利用側熱交換器（5）は、加熱源としての水又は空気と熱交換させることにより、膨張機構（4）で減圧された冷媒の加熱を行う冷媒の加熱器として機能する。利用側熱交換器（5）の一端は、膨張機構（4）に接続される。利用側熱交換器（5）の他端は、吸入管（6）を介して圧縮機（100）の吸入口（115）に接続される。
　以上に説明したように、空気調和装置（1）において、圧縮機（100）、熱源側熱交換器（3）、膨張機構（4）及び利用側熱交換器（5）は、吸入管（6）及び吐出管（7）を含む冷媒配管によって順次接続されることにより、冷媒が循環する経路（8）を構成する。
　本実施形態の冷凍装置（空気調和装置（1））によると、実施形態１の電動機システム（101）により駆動される圧縮機（100）を用いるため、冷凍装置の小型化を図ることができる。
　尚、本実施形態では、圧縮機及び電動機システムとして、実施形態１の圧縮機（100）及び電動機システム（101）を用いる場合を例示した。しかし、これに代えて、圧縮機及び電動機システムとして、実施形態１の変形例の圧縮機（100）及び電動機システム（101）、又は実施形態２の圧縮機（200）及び電動機システム（201）を用いた場合にも、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
　《その他の実施形態》
　前記各実施形態（変形例を含む。以下同じ。）では、１段のインペラ（120,220）を負荷とする電動機システム（101,201）及びターボ圧縮機（100,200）について説明したが、これに代えて、片端に２段以上のインペラを負荷とする電動機システム及びターボ圧縮機を構成してもよい。
　以上、実施形態を説明したが、特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。以上に述べた「第１」、「第２」、・・・という記載は、これらの記載が付与された語句を区別するために用いられており、その語句の数や順序までも限定するものではない。
　以上説明したように、本開示は、電動機システム、ターボ圧縮機、及び冷凍装置について有用である。
　　１００、２００　　ターボ圧縮機
　　１０１、２０１　　電動機システム
　　１２０、２２０　　インペラ（負荷）
　　１３０、２３０　　駆動軸
　　１５０　　スラスト磁気軸受
　　１５３Ａ、２５３Ａ　　第１スラスト磁気軸受
　　１５３Ｂ、２５３Ｂ　　第２スラスト磁気軸受
　　１７０　　ベアリングレスモータ
　　１８０　　ラジアル磁気軸受
　　２７０　　モータ
　　２８０Ａ　　第１ラジアル磁気軸受
　　２８０Ｂ　　第２ラジアル磁気軸受

Claims (9)

  1. 　負荷（120）を回転駆動する駆動軸（130）と、
    　前記駆動軸（130）の軸方向に並置されたベアリングレスモータ（170）及びラジアル磁気軸受（180）とを備え、
    　前記駆動軸（130）のラジアル荷重は、前記ベアリングレスモータ（170）及び前記ラジアル磁気軸受（180）によって非接触で支持され、
    　前記ベアリングレスモータ（170）と前記ラジアル磁気軸受（180）との間にスラスト磁気軸受（150,153A）が配置される電動機システム。
  2. 　請求項１の電動機システムにおいて、
    　前記ベアリングレスモータ（170）から見て前記ラジアル磁気軸受（180）側に配置された第１スラスト磁気軸受（153A）と、
    　前記ベアリングレスモータ（170）から見て前記ラジアル磁気軸受（180）の反対側に配置された第２スラスト磁気軸受（153B）とを備え、
    　前記ベアリングレスモータ（170）と前記ラジアル磁気軸受（180）との間に前記第１スラスト磁気軸受（153A）が配置される電動機システム。
  3. 　請求項２の電動機システムにおいて、
    　前記第１スラスト磁気軸受（153A）は、前記駆動軸（130）に対して前記第２スラスト磁気軸受（153B）から前記第１スラスト磁気軸受（153A）へ向かう第１方向に磁力を作用させており、
    　前記第２スラスト磁気軸受（153B）は、前記駆動軸（130）に対して前記第１スラスト磁気軸受（153A）から前記第２スラスト磁気軸受（153B）へ向かう第２方向に磁力を作用させており、
    　前記駆動軸（130）の回転時において、前記駆動軸（130）には前記第２方向よりも前記第１方向に平均的に大きな外力が作用しており、
    　前記第２スラスト磁気軸受（153B）が前記駆動軸（130）に対して作用可能な磁力の大きさは、前記第１スラスト磁気軸受（153A）が前記駆動軸（130）に対して作用可能な磁力の大きさよりも大きい電動機システム。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項の電動機システムにおいて、
    　前記ベアリングレスモータ（170）と前記負荷（120）との間に、前記ラジアル磁気軸受（180）が配置される電動機システム。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項の電動機システム（101）を備えたターボ圧縮機（100）であって、
    　前記負荷（120）は、インペラであるターボ圧縮機。
  6. 　負荷（220）を回転駆動する駆動軸（230）と、
    　前記駆動軸（230）に配置されたモータ（270）と、
    　前記駆動軸（230）の軸方向に前記モータ（270）を挟んで前記負荷（220）側及び前記負荷（220）の反対側にそれぞれ配置された第１ラジアル磁気軸受（280A）及び第２ラジアル磁気軸受（280B）と、
    　前記第２ラジアル磁気軸受（280B）から見て前記モータ（270）側に配置された第１スラスト磁気軸受（253A）と、
    　前記第２ラジアル磁気軸受（280B）から見て前記モータ（270）の反対側に配置された第２スラスト磁気軸受（253B）とを備え、
    　前記駆動軸（230）のラジアル荷重は、前記第１ラジアル磁気軸受（280A）及び前記第２ラジアル磁気軸受（280B）によって非接触で支持され、
    　前記第１ラジアル磁気軸受（280A）と前記第２ラジアル磁気軸受（280B）との間に前記第１スラスト磁気軸受（253A）が配置される電動機システム。
  7. 　請求項６の電動機システムにおいて、
    　前記モータ（270）と前記第１ラジアル磁気軸受（280A）との間に前記第１スラスト磁気軸受（253A）が配置される電動機システム。
  8. 　請求項６又は７の電動機システム（201）を備えたターボ圧縮機（200）であって、
    　前記負荷（220）は、インペラであるターボ圧縮機。
  9. 　請求項５又は８のターボ圧縮機（100,200）を備えた冷凍装置。
     
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