(57)【要約】【課題】スラスト磁気軸受を小型化する。【解決手段】ステータ（57）は、主ステータ磁極面（61）と、副ステータ磁極面（64）とを有する。ロータ（51）は、主ステータ磁極面（61）と対向する主ロータ磁極面（52）と、副ステータ磁極面（64）と対向する副ロータ磁極面（53）とを有する。副ステータ磁極面（64）は、交互に設けられた、第１ステータ面（65）と、第２ステータ面（66）とを含む。副ロータ磁極面（53）は、交互に設けられた、第１ロータ面（54）と、第２ロータ面（55）とを含む。互いにロータ径方向に対向する第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）とのペア数をＮｒとし、かつ互いにロータ軸方向に対向する第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）とのペア数をＮｔとして、Ｎｒ≧１かつＮｔ≧２またはＮｒ≧２かつＮｔ≧１が成り立つ。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ（57）およびロータ（51）を備えたスラスト磁気軸受（50）であって、
上記ステータ（57）は、主ステータ磁極面（61）と、副ステータ磁極面（64）とを有し、
上記ロータ（51）は、ロータ軸方向において上記主ステータ磁極面（61）と対向する主ロータ磁極面（52）と、上記副ステータ磁極面（64）と対向する副ロータ磁極面（53）とを有し、
上記副ステータ磁極面（64）は、交互に設けられた、ロータ軸方向に延びる１つ以上の第１ステータ面（65）と、ロータ径方向に延びる１つ以上の第２ステータ面（66）とを含み、
上記副ロータ磁極面（53）は、交互に設けられた、ロータ軸方向に延びる１つ以上の第１ロータ面（54）と、ロータ径方向に延びる１つ以上の第２ロータ面（55）とを含み、
互いにロータ径方向に対向する上記第１ステータ面（65）と上記第１ロータ面（54）とのペア数をＮｒとし、かつ互いにロータ軸方向に対向する上記第２ステータ面（66）と上記第２ロータ面（55）とのペア数をＮｔとして、Ｎｒ≧１かつＮｔ≧２またはＮｒ≧２かつＮｔ≧１が成り立つ
ことを特徴とするスラスト磁気軸受。
【請求項２】
請求項１において、
Ｎｒ＝Ｎｔが成り立つ
ことを特徴とするスラスト磁気軸受。
【請求項３】
請求項１または２において、
上記第１ステータ面（65）と上記第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）は、上記第２ステータ面（66）と上記第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）よりも長い
ことを特徴とするスラスト磁気軸受。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項において、
上記ロータ（51）は、ロータ軸方向において上記主ロータ磁極面（52）とは反対側の端部に、上記第２ステータ面（66）にロータ軸方向に対向する上記第２ロータ面（55）と、上記ステータ（57）に対向しない外周面とを含んで外径方向に突出する突出リング部（56）を有し、
上記突出リング部（56）の基端部のロータ径方向の断面積は、上記第２ステータ面（66）における上記突出リング部（56）の上記第２ロータ面（55）とロータ軸方向に対向する部分の面積以上である
ことを特徴とするスラスト磁気軸受。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項において、
上記副ステータ磁極面（64）および上記副ロータ磁極面（53）における入隅部において、上記第１ステータ面（65）および上記第１ロータ面（54）の少なくとも一方は、ロータ径方向に窪む径方向溝（54a,65a）が形成されている
ことを特徴とするスラスト磁気軸受。
【請求項６】
請求項５において、
上記径方向溝（54a,65a）の幅は、上記第２ステータ面（66）と上記第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）以下である
ことを特徴とするスラスト磁気軸受。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項において、
上記副ステータ磁極面（64）および上記副ロータ磁極面（53）における入隅部において、上記第２ステータ面（66）および上記第２ロータ面（55）の少なくとも一方は、ロータ軸方向に窪む軸方向溝（55a,66a）が形成されている
ことを特徴とするスラスト磁気軸受。
【請求項８】
請求項７において、
上記軸方向溝（55a,66a）の幅は、上記第１ステータ面（65）と上記第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）以下である
ことを特徴とするスラスト磁気軸受。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のスラスト磁気軸受（50）と、
上記スラスト磁気軸受（50）の上記ロータ（51）、および流体を圧縮するためのインペラ（30）が固定され、該インペラ（30）を回転駆動する駆動軸（21）とを備える
ことを特徴とするターボ圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、スラスト磁気軸受およびそれを備えたターボ圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、スラスト磁気軸受が知られている（例えば、特許文献１）。同文献のスラスト磁気軸受は、径方向で対向する部分の磁位差を小さくする構造上の工夫によって全体外径を小さくしている。その構造上の工夫とは、ステータの一の磁極部と、ステータの他の磁極部とを軸方向に異なる位置に配置することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２８３１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のスラスト磁気軸受は、上記構造上の工夫のデメリットとして、その軸方向寸法が大きくなり、ひいてはスラスト磁気軸受が大型化するおそれがある。
【０００５】
本開示の目的は、スラスト磁気軸受を小型化することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の第１の態様は、ステータ（57）およびロータ（51）を備えたスラスト磁気軸受（50）を対象とする。上記ステータ（57）は、主ステータ磁極面（61）と、副ステータ磁極面（64）とを有する。上記ロータ（51）は、ロータ軸方向において上記主ステータ磁極面（61）と対向する主ロータ磁極面（52）と、上記副ステータ磁極面（64）と対向する副ロータ磁極面（53）とを有する。上記副ステータ磁極面（64）は、交互に設けられた、ロータ軸方向に延びる１つ以上の第１ステータ面（65）と、ロータ径方向に延びる１つ以上の第２ステータ面（66）とを含む。上記副ロータ磁極面（53）は、交互に設けられた、ロータ軸方向に延びる１つ以上の第１ロータ面（54）と、ロータ径方向に延びる１つ以上の第２ロータ面（55）とを含む。互いにロータ径方向に対向する上記第１ステータ面（65）と上記第１ロータ面（54）とのペア数をＮｒとし、かつ互いにロータ軸方向に対向する上記第２ステータ面（66）と上記第２ロータ面（55）とのペア数をＮｔとして、Ｎｒ≧１かつＮｔ≧２またはＮｒ≧２かつＮｔ≧１が成り立つ。
【０００７】
第１の態様では、主ステータ磁極面（61）と主ロータ磁極面（52）との間で、少なくともロータ軸方向の電磁力が発生する。副ステータ磁極面（64）と副ロータ磁極面（53）については、第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）との間でロータ径方向の電磁力が発生する一方、第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）との間でロータ軸方向の電磁力が発生する。副ステータ磁極面（64）と副ロータ磁極面（53）とは、それぞれ階段状になっている。そのような階段状の副ステータ磁極面（64）と副ロータ磁極面（53）とが互いに噛み合うように配置されることで、両者の間で磁束経路が分散される。これにより、スラスト磁気軸受（50）のロータ軸方向の長さを短くすることができ、ひいてはスラスト磁気軸受（50）を小型化できる。
【０００８】
なお、主ステータ磁極面（61）と主ロータ磁極面（52）とが「ロータ軸方向において対向する」とは、スラスト磁気軸受（50）のコイル（68）に電流が流れる場合に、主ステータ磁極面（61）と主ロータ磁極面（52）との間でロータ軸方向の成分を主に含む電磁力が発生するように両者が対向していることをいう。
【０００９】
また、第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）とが「ロータ径方向において対向する」とは、スラスト磁気軸受（50）のコイル（68）に電流が流れる場合に、第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）との間でロータ径方向の成分を主に含む電磁力が発生するように両者が対向していることをいう。
【００１０】
また、第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）とが「ロータ軸方向において対向する」とは、スラスト磁気軸受（50）のコイル（68）に電流が流れる場合に、第２ステータ面（66）と第2ロータ面（55）との間でロータ軸方向の成分を主に含む電磁力が発生するように両者が対向していることをいう。
【００１１】
本開示の第２の態様は、上記第１の態様において、Ｎｒ＝Ｎｔが成り立つことを特徴とする。
【００１２】
本開示の第３の態様は、上記第１または第２の態様において、上記第１ステータ面（65）と上記第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）は、上記第２ステータ面（66）と上記第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）よりも長いことを特徴とする。
【００１３】
第３の態様では、副ステータ磁極面（64）と副ロータ磁極面（53）との間で発生するロータ径方向の電磁力が低減される。このため、ロータ（51）の軸心が中心位置からロータ径方向に変位したときに当該変位が助長されにくくなる。ロータ径方向におけるロータ（51）の位置制御が容易になり、スラスト磁気軸受（50）の制御性を向上させることができる。
【００１４】
なお、本明細書において「中心位置」とは、スラスト磁気軸受（50）において、ステータ（57）とロータ（51）との間の径方向距離が全周にわたって実質的に一定であるロータ（51）の軸心の位置のことである。
【００１５】
本開示の第４の態様は、上記第１〜第３の態様のいずれか１つにおいて、上記ロータ（51）は、ロータ軸方向において上記主ロータ磁極面（52）とは反対側の端部に、上記第２ステータ面（66）にロータ軸方向に対向する上記第２ロータ面（55）と、上記ステータ（57）に対向しない外周面とを含んで外径方向に突出する突出リング部（56）を有し、上記突出リング部（56）の基端部のロータ径方向の断面積は、上記第２ステータ面（66）における上記突出リング部（56）の上記第２ロータ面（55）とロータ軸方向に対向する部分の面積以上であることを特徴とする。
【００１６】
第４の態様では、突出リング部（56）に流入する磁束は、突出リング部（56）の基端部（56a）と、第２ステータ面（66）における突出リング部（56）の第２ロータ面（55）とロータ軸方向に対向する部分との間を流れる。前者のロータ径方向の断面積が後者の面積以上であるため、突出リング部（56）に流入する磁束の量は、後者の面積に拘束される。そのように拘束される磁束量は、突出リング部（56）を磁気飽和させる磁束量に達しにくい。したがって、突出リング部（56）で磁気飽和が生じるのを抑止することができる。
【００１７】
本開示の第５の態様は、上記第１〜第４の態様のいずれか１つにおいて、上記副ステータ磁極面（64）および上記副ロータ磁極面（53）における入隅部において、上記第１ステータ面（65）および上記第１ロータ面（54）の少なくとも一方は、ロータ径方向に窪む径方向溝（54a,65a）が形成されていることを特徴とする。
【００１８】
第５の態様では、ロータ軸方向においてロータ（51）がステータ（57）に近づく方向に変位した場合に、第１ロータ面（54）と第１ステータ面（65）との間で当該変位を妨げるリラクタンス力が発生する。このため、ロータ（51）とステータ（57）とが接触するのを抑止することができる。
【００１９】
本開示の第６の態様は、上記第５の態様において、上記径方向溝（54a,65a）の幅は、上記第２ステータ面（66）と上記第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）以下であることを特徴とする。
【００２０】
本開示の第７の態様は、上記第１〜第６の態様のいずれか１つにおいて、上記副ステータ磁極面（64）および上記副ロータ磁極面（53）における入隅部において、上記第２ステータ面（66）および上記第２ロータ面（55）の少なくとも一方は、ロータ軸方向に窪む軸方向溝（55a,66a）が形成されていることを特徴とする。
【００２１】
第７の態様では、ロータ径方向においてロータ（51）が変位した場合に、第２ロータ面（55）と第２ステータ面（66）との間で当該変位を妨げるリラクタンス力が発生する。このため、ロータ（51）とステータ（57）とが接触するのを抑止することができる。
【００２２】
本開示の第８の態様は、上記第７の態様において、上記軸方向溝（55a,66a）の幅は、上記第１ステータ面（65）と上記第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）以下であることを特徴とする。
【００２３】
第８の態様では、第２ロータ面（55）と第２ステータ面（66）との間の磁路面積を確保しつつ上記リラクタンス力を発生させ、ロータ（51）とステータ（57）とが接触するのを抑止することができる。
【００２４】
本開示の第９の態様は、ターボ圧縮機（10）を対象とする。ターボ圧縮機（10）は、上記第１〜第８の態様のいずれか１つのスラスト磁気軸受（50）と、上記スラスト磁気軸受（50）の上記ロータ（51）、および流体を圧縮するためのインペラ（30）が固定され、該インペラ（30）を回転駆動する駆動軸（21）とを備える。
【００２５】
第９の態様では、スラスト磁気軸受（50）の小型化を通じて、駆動軸（21）およびインペラ（30）を含む回転系の軸方向長さを短くすることができる。このため、当該回転系の共振周波数を高めることができ、ターボ圧縮機（10）を高速回転により一層適したものにできる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、実施形態１のターボ圧縮機の構成例を示す図である。
【図２】図２は、実施形態１のスラスト磁気軸受の一部断面図である。
【図３】図３は、実施形態１のスラスト磁気軸受の要部を拡大して示す拡大断面図である。
【図４】図４は、実施形態２のスラスト磁気軸受の一部断面図である。
【図５】図５は、実施形態２のスラスト磁気軸受の要部を拡大して示す拡大断面図である。
【図６】図６は、実施形態２の変形例のスラスト磁気軸受の要部を拡大して示す拡大断面図である。
【図７】図７は、実施形態３のスラスト磁気軸受の一部断面図である。
【図８】図８は、その他の実施形態のスラスト磁気軸受の要部を拡大して示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
《実施形態１》
実施形態１について説明する。なお、各図において、右側（換言すると、インペラ（30）側）を「前側」とし、左側を「後側」とする。
【００２８】
−ターボ圧縮機の構成−
図１に示すように、ターボ圧縮機（10）は、電動機（20）と、インペラ（30）と、ラジアル磁気軸受（40）と、スラスト磁気軸受（50）と、制御部（91）と、電源部（92）と、タッチダウン軸受（81）と、ケーシング（11）とを備える。ケーシング（11）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（11）内の空間は、壁部（14）によって区画される。壁部（14）よりも後側の空間は、電動機（20）、ラジアル磁気軸受（40）、およびスラスト磁気軸受（50）を収容するための駆動機構空間（15）である。壁部（14）よりも前側の空間は、インペラ（30）を収容するためのインペラ空間（16）である。
【００２９】
〈電動機〉
電動機（20）は、駆動軸（21）と、ロータ（22）と、ステータ（23）とを備える。ロータ（22）は、駆動軸（21）と同軸状となるように駆動軸（21）に固定される。ロータ（22）は、当該ロータ（22）の外周面が所定の距離を隔ててステータ（23）の内周面に対向するように配置される。ステータ（23）は、ケーシング（11）の内周面に固定される。この例では、電動機（20）は、いわゆる永久磁石同期モータである。電動機（20）は、駆動軸（21）の軸心（O）の方向が水平向きとなるように、駆動機構空間（15）に収容される。
【００３０】
なお、以下の説明において、「軸方向」とは、回転軸方向のことであって、駆動軸（21）の軸心（O）の方向のことである。「径方向」とは、駆動軸（21）の軸方向と直交する方向のことである。「外周側」とは、駆動軸（21）の軸心（O）からより遠い側のことである。「内周側」とは、駆動軸（21）の軸心（O）により近い側のことである。「周方向」とは、駆動軸（21）の軸心（O）を基準とした周方向のことである。
【００３１】
〈インペラ〉
インペラ（30）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（30）は、駆動軸（21）の一端部（この例では、前側端部）に固定された状態で、インペラ空間（16）に収容される。インペラ空間（16）には、吸入管（12）および吐出管（13）が接続される。インペラ空間（16）の外周部には、圧縮空間（17）が形成される。吸入管（12）は、気体を外部からインペラ空間（16）内に導くために設けられる。吐出管（13）は、インペラ空間（16）内で圧縮された高圧の気体を外部へ戻すために設けられる。
【００３２】
〈ラジアル磁気軸受〉
ラジアル磁気軸受（40）は、電磁力により駆動軸（21）を非接触で支持するように構成される。この例では、ラジアル磁気軸受（40）は、軸方向において電動機（20）を挟んで互いに対向するように２つ配置される。各ラジアル磁気軸受（40）は、駆動軸（21）に固定されたロータ（41）と、ロータ（41）と所定の距離を隔てて配置されたステータ（42）とを備える。ステータ（42）は、ケーシング（11）の内周壁に固定される。
【００３３】
〈スラスト磁気軸受〉
スラスト磁気軸受（50）は、電磁力により駆動軸（21）の軸方向位置を非接触で制御するように構成される。この例では、スラスト磁気軸受（50）は、一方が軸方向においてインペラ（30）と前側のラジアル磁気軸受（40）との間に配置され、他方が軸方向において後側のラジアル磁気軸受（40）の後側に配置される。各スラスト磁気軸受（50）は、駆動軸（21）に固定されたロータ（51）と、ロータ（51）と所定の距離を隔てて配置されたステータ（57）とを備える。ステータ（57）は、ケーシング（11）の内周壁に固定される。スラスト磁気軸受（50）の構造については後に詳述する。
【００３４】
〈制御部〉
制御部（91）は、駆動軸（21）の位置が所望の位置となるように、ラジアル磁気軸受（40）におけるロータ（41）とステータ（42）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）の検出値や、スラスト磁気軸受（50）におけるロータ（51）とステータ（57）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）の検出値に基づいて、ラジアル磁気軸受（40）に供給する電力を制御するための電力指令値（ラジアル電力指令値）や、スラスト磁気軸受（50）に供給する電力を制御するための電力指令値（スラスト電力指令値）を出力する。例えば、制御部（91）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。
【００３５】
〈電源部〉
電源部（92）は、制御部（91）からのラジアル電力指令値およびスラスト電力指令値に基づいて、ラジアル磁気軸受（40）およびスラスト磁気軸受（50）に電力をそれぞれ供給する。例えば、電源部（92）は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）アンプによって構成することが可能である。
【００３６】
〈タッチダウン軸受〉
タッチダウン軸受（81）は、ラジアル磁気軸受（40）におけるステータ（42）とロータ（41）との接触、およびスラスト磁気軸受（50）におけるステータ（57）とロータ（51）との接触を防止するために設けられる。この例では、タッチダウン軸受（81）は、インペラ空間（16）と駆動機構空間（15）とを区画する壁部（14）と、後側のスラスト磁気軸受（50）の後側とに１つずつ設けられる。ただし、タッチダウン軸受（81）の数および配置は、これに限られない。タッチダウン軸受（81）と駆動軸（21）との間の径方向距離は、スラスト磁気軸受（50）におけるステータ（57）とロータ（51）との間の径方向距離よりも短い。例えば、タッチダウン軸受（81）は、アンギュラ玉軸受によって構成することが可能である。
【００３７】
−各ロータの直径−
図１に示すように、電動機（20）のロータ（22）と、ラジアル磁気軸受（40）のロータ（41）と、スラスト磁気軸受（50）のロータとは、互いの直径が実質的に等しい。ラジアル磁気軸受（40）のロータ（41）とスラスト磁気軸受（50）のロータ（51）との間には、各ロータ（22,41,51）と実質的に等しい直径を有する円筒状の非磁性リング（80）が配置される。このように各ロータ（22,41,51）や非磁性リング（80）の直径が互いに実質的に等しいことにより、各ロータ（22,41,51）および駆動軸（21）を１つのユニットとして取り扱うことができ、よってターボ圧縮機（10）の組立工数を削減することができる。
【００３８】
−スラスト磁気軸受の構成−
図２は、後側のスラスト磁気軸受（50）をその半部について示している。図３は、後側のスラスト磁気軸受（50）の要部を示している。スラスト磁気軸受（50）は、駆動軸（21）の軸心（O）に関して軸対称に構成される。
【００３９】
図２および図３に示すように、スラスト磁気軸受（50）のステータ（57）は、ケーシング（11）の内周壁に固定された鉄心部（58）と、鉄心部（58）内に配置されたコイル（68）とを備える。鉄心部（58）は、外筒部（59）と、内筒部（60）と、接続部（62）と、鍔部（63）とを有する。鉄心部（58）は、磁性材料で構成される。
【００４０】
外筒部（59）は、軸方向に延びる円筒状に形成される。外筒部（59）の外周面は、ケーシング（11）の内周壁に固定される。
【００４１】
内筒部（60）は、軸方向に延びる円筒状に形成される。内筒部（60）は、外筒部（59）と所定の間隔を隔てて外筒部（59）の内周側に配置される。内筒部（60）は、主ステータ磁極面（61）を有する。主ステータ磁極面（61）は、内筒部（60）の前側（図２における右側）の端面である。
【００４２】
接続部（62）は、駆動軸（21）の軸心（O）を中心とするリング状に形成される。接続部（62）は、外筒部（59）の内周面の後側部と、内筒部（60）の外周面の後側部とを接続する。
【００４３】
鍔部（63）は、外筒部（59）の内周面の前側部から内径方向に張り出すように形成される。鍔部（63）は、副ステータ磁極面（64）を有する。副ステータ磁極面（64）は、鍔部（63）の内周面（換言すると、径方向内側面）である。副ステータ磁極面（64）は、階段状になっている。好ましくは、鍔部（63）のロータ軸方向の長さ（図３にＺで示す）は、ターボ圧縮機（10）の運転中にスラスト磁気軸受（50）全体で生じる磁束が磁気飽和を伴わずに当該鍔部（63）を流れ得るように設定される。
【００４４】
副ステータ磁極面（64）は、第１ステータ面（65）および第２ステータ面（66）を含む。第１ステータ面（65）は、副ステータ磁極面（64）のうちロータ軸方向に延びる部分である。第２ステータ面（66）は、副ステータ磁極面（64）のうちロータ径方向に延びる部分である。この例では、副ステータ磁極面（64）は、３つの第１ステータ面（65）と、２つの第２ステータ面（66）とを含む。第１ステータ面（65）と第２ステータ面（66）とは、交互に連続して設けられる。具体的には、第１ステータ面（65）と第２ステータ面（66）とは、後側から前側に向かって、１番目の第１ステータ面（65）、１番目の第２ステータ面（66）、２番目の第１ステータ面（65）、２番目の第２ステータ面（66）、および３番目の第１ステータ面（65）の順に設けられる。換言すると、副ステータ磁極面（64）は、第１ステータ面（65）、第２ステータ面（66）、第１ステータ面（65）の順に設けられたステータ面の組と、第２ステータ面（66）、第１ステータ面（65）、第２ステータ面（66）の順に設けられたステータ面の組との、少なくとも一方を有する。あるいは、副ステータ磁極面（64）は、第２ステータ面（66）が前側と後側にそれぞれ隣接する第１ステータ面（65）と、第１ステータ面（65）が前側と後側にそれぞれ隣接する第２ステータ面（66）との、少なくとも一方を有する。３つの第１ステータ面（65）の内径は、後側（図２および図３における左側）から前側に向かうにつれて階段状に大きくなっている。３つの第１ステータ面（65）のロータ軸方向の長さの和は、鍔部（63）の軸方向の長さＺと実質的に等しい。
【００４５】
コイル（68）は、外筒部（59）と内筒部（60）と接続部（62）と鍔部（63）との間に形成される空間に配置される。コイル（68）は、電源部（92）に接続される。コイル（68）は、電流が流れることによってステータ（57）およびロータ（51）が構成する磁路中に磁束を発生させるように構成されている。
【００４６】
スラスト磁気軸受（50）のロータ（51）は、軸方向に延びる円筒状に形成される。ロータ（51）は、駆動軸（21）が挿通および固定される。ロータ（51）は、磁性材料で構成される。
【００４７】
ロータ（51）は、主ロータ磁極面（52）と、副ロータ磁極面（53）とを有する。主ロータ磁極面（52）は、ロータ（51）のロータ軸方向の一端面（具体的には、ステータ（57）側の面）のうち主ステータ磁極面（61）とロータ軸方向に対向する部分である。主ロータ磁極面（52）は、主ステータ磁極面（61）とロータ軸方向に所定の距離を隔てて対向する。
【００４８】
副ロータ磁極面（53）は、ロータ（51）の外周面のうち副ステータ磁極面（64）と対向する部分である。副ロータ磁極面（53）は、副ステータ磁極面（64）と噛み合うように階段状になっている。副ロータ磁極面（53）は、第１ロータ面（54）および第２ロータ面（55）を含む。第１ロータ面（54）は、副ロータ磁極面（53）のうちロータ軸方向に延びる部分である。第２ロータ面（55）は、副ロータ磁極面（53）のうちロータ径方向に延びる部分である。この例では、副ロータ磁極面（53）は、３つの第１ロータ面（54）と、２つの第２ロータ面（55）とを含む。第１ロータ面（54）と第２ロータ面（55）とは、交互に連続して設けられる。具体的に、第１ロータ面（54）と第２ロータ面（55）とは、後側から前側に向かって、１番目の第１ロータ面（54）、１番面の第２ロータ面（55）、２番目の第１ロータ面（54）、２番目の第２ロータ面（55）、および３番目の第１ロータ面（54）の順に設けられる。換言すると、副ロータ磁極面（53）は、第１ロータ面（54）、第２ロータ面（55）、第１ロータ面（54）の順に設けられたロータ面の組と、第２ロータ面（55）、第１ロータ面（54）、第２ロータ面（55）の順に設けられたロータ面の組との、少なくとも一方を有する。あるいは、副ロータ磁極面（53）は、第２ロータ面（55）が前側と後側にそれぞれ隣接する第１ロータ面（54）と、第１ロータ面（54）が前側と後側にそれぞれ隣接する第２ロータ面（55）との、少なくとも一方を有する。３つの第１ロータ面（54）の外径は、後側（図２および図３における左側）から前側に向かうにつれて階段状に大きくなっている。
【００４９】
３つの第１ロータ面（54）は、３つの第１ステータ面（65）とロータ径方向に対向している。互いにロータ径方向に対向する第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）とのペア数をＮｒとすると、この例ではＮｒ＝３である。２つの第２ロータ面（55）は、２つの第２ステータ面（66）とロータ軸方向に対向している。互いにロータ軸方向に対向する第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）とのペア数をＮｔとすると、この例ではＮｔ＝２である。したがって、この例では、Ｎｒ＝Ｎｔ＋１が成り立つ。なお、第２ロータ面（55）と第２ステータ面（66）とが互いに対向する方向は、主ロータ磁極面（52）と主ステータ磁極面（61）とが互いに対向する方向と同じである。
【００５０】
図３に示すように、第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）は、第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）よりも長い（δr＞δa）。
【００５１】
副ステータ磁極面（64）における入隅部（換言すると、副ロータ磁極面（53）に対して凹状になっている部分）において、第２ステータ面（66）には、ロータ軸方向に窪む軸方向溝（66a）が形成されている。第２ステータ面（66）の軸方向溝（66a）の幅（図３における上下方向長さ）は、第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）と実質的に等しい。なお、当該軸方向溝（66a）の幅は、第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）よりも大きくても小さくてもよい。第２ステータ面（66）の軸方向溝（66a）は、好ましくは全周にわたって、ロータ周方向に延びている。
【００５２】
副ロータ磁極面（53）における入隅部（換言すると、副ステータ磁極面（64）に対して凹状になっている部分）において、第２ロータ面（55）には、ロータ軸方向に窪む軸方向溝（55a）が形成されている。第２ロータ面（55）の軸方向溝（55a）の幅（図３における上下方向長さ）は、第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）と実質的に等しい。なお、当該軸方向溝（55a）の幅は、第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）よりも大きくても小さくてもよい。第２ロータ面（55）の軸方向溝（55a）は、好ましくは全周にわたって、ロータ周方向に延びている。
【００５３】
−ターボ圧縮機の運転動作−
ターボ圧縮機（10）の運転動作について説明する。電動機（20）に電力が供給されると、電動機（20）のロータ（22）が回転し、これにより駆動軸（21）およびインペラ（30）が回転する。インペラ（30）が回転することで吸入管（12）からインペラ空間（16）へ気体が吸入されて圧縮される。圧縮された気体は、吐出管（13）を通ってインペラ空間（16）から吐出される。
【００５４】
−スラスト磁気軸受の動作−
スラスト磁気軸受（50）の動作について説明する。スラスト電力指令値に基づいて電源部（92）からコイル（68）に電力が供給されると、ステータ（57）およびロータ（51）が構成する磁路において磁束が生じる。これにより、主ステータ磁極面（61）と主ロータ磁極面（52）との間、および副ステータ磁極面（64）の第２ステータ面（66）と副ロータ磁極面（53）の第２ロータ面（55）との間ではロータ軸方向の電磁力が発生し、当該電磁力によって駆動軸（21）を含む回転系が受ける軸方向の負荷を支える。なお、主ステータ磁極面（61）と主ロータ磁極面（52）との間で発生するロータ軸方向の電磁力の向きと、副ステータ磁極面（64）の第２ステータ面（66）と副ロータ磁極面（53）の第２ロータ面（55）との間で発生するロータ軸方向の電磁力の向きとは、互いに同じである。具体的に、図１において、前側のスラスト磁気軸受（50）では右向きのロータ軸方向の電磁力のみが発生し、後側のスラスト磁気軸受（50）では左向きのロータ軸方向の電磁力のみが発生する。一方、副ステータ磁極面（64）の第１ステータ面（65）と副ロータ磁極面（53）の第１ロータ面（54）との間ではロータ径方向の電磁力が発生する。
【００５５】
−実施形態１の効果−
本実施形態のスラスト磁気軸受（50）は、ステータ（57）およびロータ（51）を備え、上記ステータ（57）は、主ステータ磁極面（61）と、副ステータ磁極面（64）とを有し、上記ロータ（51）は、ロータ軸方向において上記主ステータ磁極面（61）と対向する主ロータ磁極面（52）と、上記副ステータ磁極面（64）と対向する副ロータ磁極面（53）とを有し、上記副ステータ磁極面（64）は、交互に設けられた、ロータ軸方向に延びる１つ以上の第１ステータ面（65）と、ロータ径方向に延びる１つ以上の第２ステータ面（66）とを含み、上記副ロータ磁極面（53）は、交互に設けられた、ロータ軸方向に延びる１つ以上の第１ロータ面（54）と、ロータ径方向に延びる１つ以上の第２ロータ面（55）とを含み、互いにロータ径方向に対向する上記第１ステータ面（65）と上記第１ロータ面（54）とのペア数をＮｒとし、かつ互いにロータ軸方向に対向する上記第２ステータ面（66）と上記第２ロータ面（55）とのペア数をＮｔとして、Ｎｒ≧１かつＮｔ≧２またはＮｒ≧２かつＮｔ≧１が成り立つ。したがって、主ステータ磁極面（61）と主ロータ磁極面（52）との間で、少なくともロータ軸方向の電磁力が発生する。副ステータ磁極面（64）と副ロータ磁極面（53）については、第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）との間でロータ径方向の電磁力が発生する一方、第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）との間でロータ軸方向の電磁力が発生する。副ステータ磁極面（64）と副ロータ磁極面（53）とは、それぞれ階段状になっている。そのような階段状の副ステータ磁極面（64）と副ロータ磁極面（53）とが互いに噛み合うように配置されることで、両者の間で磁束経路が分散される。これにより、スラスト磁気軸受（50）のロータ軸方向の長さを短くすることができ、ひいてはスラスト磁気軸受（50）を小型化できる。
【００５６】
また、本実施形態のスラスト磁気軸受（50）は、上記第１ステータ面（65）と上記第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）が、上記第２ステータ面（66）と上記第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）よりも長い。したがって、副ステータ磁極面（64）と副ロータ磁極面（53）との間で発生するロータ径方向の電磁力が低減される。このため、ロータ（51）の軸心が中心位置からロータ径方向に変位したときに当該変位が助長されにくくなる。ロータ径方向におけるロータ（51）の位置制御が容易になり、スラスト磁気軸受（50）の制御性を向上させることができる。
【００５７】
また、本実施形態のスラスト磁気軸受（50）は、上記副ステータ磁極面（64）および上記副ロータ磁極面（53）における入隅部において、上記第２ステータ面（66）および上記第２ロータ面（55）の少なくとも一方は、ロータ軸方向に窪む軸方向溝（55a,66a）が形成されている。したがって、ロータ径方向においてロータ（51）が変位した場合に、第２ロータ面（55）と第２ステータ面（66）との間で当該変位を妨げるリラクタンス力が発生する。このため、ロータ（51）とステータ（57）とが接触するのを抑止することができる。
【００５８】
また、本実施形態のスラスト磁気軸受（50）は、上記軸方向溝（55a,66a）の幅が、上記第１ステータ面（65）と上記第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）以下である（具体的には、当該ロータ径方向の距離（δr）と実質的に等しい）。したがって、第２ロータ面（55）と第２ステータ面（66）との間の磁路面積を確保しつつ上記リラクタンス力を発生させ、ロータ（51）とステータ（57）とが接触するのを抑止することができる。
【００５９】
本実施形態のターボ圧縮機（10）は、上記スラスト磁気軸受（50）と、上記スラスト磁気軸受（50）の上記ロータ（51）、および流体を圧縮するためのインペラ（30）が固定され、該インペラ（30）を回転駆動する駆動軸（21）とを備える。したがって、スラスト磁気軸受（50）の小型化を通じて、駆動軸（21）およびインペラ（30）を含む回転系の軸方向長さを短くすることができる。このため、当該回転系の共振周波数を高めることができ、ターボ圧縮機（10）を高速回転により一層適したものにできる。
【００６０】
《実施形態２》
実施形態２について説明する。本実施形態のスラスト磁気軸受（50）は、副ステータ磁極面（64）および副ロータ磁極面（53）の構成が上記実施形態１と異なる。以下、上記実施形態１と異なる点について主に説明する。
【００６１】
図４および図５に示すように、副ステータ磁極面（64）は、２つの第１ステータ面（65）と、２つの第２ステータ面（66）とを有する。副ロータ磁極面（53）は、２つの第１ロータ面（54）と、２つの第２ロータ面（55）とを有する。
【００６２】
２つの第１ステータ面（65）と２つの第１ロータ面（54）とは、ロータ径方向に対向している。互いにロータ径方向に対向する第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）とのペア数をＮｒとすると、この例ではＮｒ＝２である。２つの第２ステータ面（66）と２つの第２ロータ面（55）とは、ロータ軸方向に対向している。互いにロータ軸方向に対向する第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）とのペア数をＮｔとすると、この例ではＮｔ＝２である。したがって、この例では、Ｎｒ＝Ｎｔが成り立つ。
【００６３】
副ステータ磁極面（64）における入隅部において、第１ステータ面（65）には、ロータ径方向に窪む径方向溝（65a）が形成されている。第１ステータ面（65）の径方向溝（65a）の幅（図５における左右方向長さ）は、第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）と実質的に等しい。なお、当該径方向溝（65a）の幅は、第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）よりも大きくても小さくてもよい。第１ステータ面（65）の径方向溝（65a）は、好ましくは全周にわたって、ロータ周方向に延びている。
【００６４】
副ロータ磁極面（53）における入隅部において、第１ロータ面（54）には、ロータ径方向に窪む径方向溝（54a）が形成されている。第１ロータ面（54）の径方向溝（54a）の幅（図５における左右方向長さ）は、第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）と実質的に等しい。なお、当該径方向溝（54a）の幅は、第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）よりも大きくても小さくてもよい。第１ロータ面（54）の径方向溝（54a）は、好ましくは全周にわたって、ロータ周方向に延びている。
【００６５】
ロータ（51）は、突出リング部（56）を備える。突出リング部（56）は、ロータ軸方向の一端部（具体的には、主ロータ磁極面（52）とは反対側の端部）にあり外径方向に突出する部分である。突出リング部（56）は、１つの上記第２ロータ面（55）と、ステータ（57）に対向しない外周面とを有する。突出リング部（56）の基端部のロータ径方向の断面積（具体的に、ロータ周方向の全周にわたって延びる図５に細破線で示す部分の断面積）は、第２ステータ面（66）における突出リング部（56）の第２ロータ面（55）とロータ軸方向に対向する部分の面積（具体的に、ロータ周方向の全周にわたって延びる図５に太破線で示す部分の面積）以上である。
【００６６】
−実施形態２の効果−
本実施形態のスラスト磁気軸受（50）によっても、上記実施形態１のスラスト磁気軸受（50）と同様の効果が得られる。
【００６７】
また、本実施形態のスラスト磁気軸受（50）は、上記ロータ（51）が、ロータ軸方向において上記主ロータ磁極面（52）とは反対側の端部に、上記第２ステータ面（66）にロータ軸方向に対向する上記第２ロータ面（55）と、上記ステータ（57）に対向しない外周面とを含んで外径方向に突出する突出リング部（56）を有し、上記突出リング部（56）の基端部のロータ径方向の断面積が、上記第２ステータ面（66）における上記突出リング部（56）の上記第２ロータ面（55）とロータ軸方向に対向する部分の面積以上である。ここで、突出リング部（56）に流入する磁束は、突出リング部（56）の基端部（56a）と、第２ステータ面（66）における突出リング部（56）の第２ロータ面（55）とロータ軸方向に対向する部分との間を流れる。前者のロータ径方向の断面積が後者の面積以上であるため、突出リング部（56）に流入する磁束の量は、後者の面積に拘束される。そのように拘束される磁束量は、突出リング部（56）を磁気飽和させる磁束量に達しにくい。したがって、突出リング部（56）で磁気飽和が生じるのを抑止することができる。
【００６８】
また、本実施形態のスラスト磁気軸受（50）は、上記副ステータ磁極面（64）および上記副ロータ磁極面（53）における入隅部において、上記第１ステータ面（65）および上記第１ロータ面（54）は、ロータ径方向に窪む径方向溝（54a,65a）が形成されている。したがって、ロータ軸方向においてロータ（51）がステータ（57）に近づく方向に変位した場合に、第１ロータ面（54）と第１ステータ面（65）との間で当該変位を妨げるリラクタンス力が発生する。このため、ロータ（51）とステータ（57）とが接触するのを抑止することができる。
【００６９】
−実施形態２の変形例−
実施形態２の変形例について説明する。本変形例のスラスト磁気軸受（50）は、副ステータ磁極面（64）の構成が上記実施形態２と異なる。以下、上記実施形態２と異なる点について主に説明する。
【００７０】
図６に示すように、副ステータ磁極面（64）の２つの第１ステータ面（65）のうち、主ステータ磁極面（61）に近い方（後側、または図６の左側）の第１ステータ面（65）は、副ロータ磁極面（53）の第１ロータ面（54）から大きく離れている。後側の第１ステータ面（65）とこれに対向する第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr1）は、前側の第１ステータ面（65）とこれに対向する第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr2）よりも長い（δr1＞δr2）。
【００７１】
−実施形態２の変形例の効果−
本変形例のスラスト磁気軸受（50）によっても、上記実施形態２と同様の効果が得られる。
【００７２】
また、本変形例のスラスト磁気軸受（50）は、上記副ステータ磁極面（64）が、複数の上記第１ステータ面（65）を有し、上記主ステータ磁極面（61）に最も近い上記第１ステータ面（65）とこの第１ステータ面（65）に対向する上記第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr1）が、他の上記第１ステータ面（65）とこの第１ステータ面（65）に対向する上記第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr2）よりも長い。したがって、主ステータ磁極面（61）と副ステータ磁極面（64）との間で直接的に磁束が流れにくい。このため、コイル（68）に電流が流れる場合にスラスト磁気軸受（50）で生じる磁束がステータ（57）内で短絡するのを抑止できる。
【００７３】
《実施形態３》
実施形態３について説明する。本実施形態のスラスト磁気軸受（50）は、副ステータ磁極面（64）および副ロータ磁極面（53）の構成が上記実施形態１と異なる。以下、上記実施形態１と異なる点について主に説明する。
【００７４】
図７に示すように、副ステータ磁極面（64）は、１つの第１ステータ面（65）と、２つの第２ステータ面（66）とを有する。副ロータ磁極面（53）は、１つの第１ロータ面（54）と、２つの第２ロータ面（55）とを有する。
【００７５】
１つの第１ステータ面（65）と１つの第１ロータ面（54）とは、ロータ径方向に対向している。互いにロータ径方向に対向する第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）とのペア数をＮｒとすると、この例ではＮｒ＝１である。２つの第２ステータ面（66）と２つの第２ロータ面（55）とは、ロータ軸方向に対向している。互いにロータ軸方向に対向する第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）とのペア数をＮｔとすると、この例ではＮｔ＝２である。したがって、この例では、Ｎｒ＝Ｎｔ−１が成り立つ。
【００７６】
−実施形態３の効果−
本実施形態のスラスト磁気軸受（50）によっても、上記実施形態１と同様の効果が得られる。
【００７７】
《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
【００７８】
例えば、副ステータ磁極面（64）が有する第１ステータ面（65）および第２ステータ面（66）の数と、副ロータ磁極面（53）が有する第１ロータ面（54）および第２ロータ面（55）の数とは、Ｎｒ≧１かつＮｔ≧２またはＮｒ≧２かつＮｔ≧１が成り立つ限りにおいて任意に変更されてもよい。
【００７９】
また、例えば、第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）は、第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）以下であってもよい。
【００８０】
また、例えば、図８に示すように、副ステータ磁極面（64）および副ロータ磁極面（53）における相手方に対して凹状になった入隅部において、各軸方向溝（55a,66a）および各径方向溝（54a,65a）の機能を併せ持つ、ロータ軸方向およびロータ径方向に窪む二方向溝（67）が形成されていてもよい。
【００８１】
また、例えば、各軸方向溝（55a,66a）、各径方向溝（54a,65a）、および二方向溝（67）は、ステータ（57）およびロータ（51）のいずれか一方のみに設けられてもよい。各軸方向溝（55a,66a）、各径方向溝（54a,65a）、および二方向溝（67）は、副ステータ磁極面（64）および副ロータ磁極面（53）に入隅部が複数ある場合に、全ての入隅部に設けられてもよいし、一部の入隅部のみに設けられてもよい。
【００８２】
また、例えば、各上記実施形態では、主ステータ磁極面（61）および主ロータ磁極面（52）は、ロータ径方向に延びているが、これ以外の方向であってロータ軸方向と交差する方向に延びていてもよい。具体例として、主ステータ磁極面（61）および主ロータ磁極面（52）は、図２において上下方向に延びているが、同図において左または右に傾いて延びていてもよい。
【００８３】
また、例えば、各上記実施形態では、第１ステータ面（65）および第１ロータ面（54）は、ロータ軸方向に延びているが、これ以外の方向であってロータ径方向と交差する方向に延びていてもよい。具体例として、第１ステータ面（65）および第１ロータ面（54）は、図２において左右方向に延びているが、同図において上または下に傾いて延びていてもよい。
【００８４】
また、例えば、各上記実施形態では、第２ステータ面（66）および第２ロータ面（55）は、ロータ径方向に延びているが、これ以外の方向であってロータ軸方向と交差する方向に延びていてもよい。具体例として、第２ステータ面（66）および第２ロータ面（55）は、図２において上下方向に延びているが、同図において左または右に傾いて延びていてもよい。
【００８５】
また、例えば、前側のスラスト磁気軸受（50）のロータ（51）と、後側のスラスト磁気軸受（50）のロータ（51）とは、互いに一体に形成されていてもよい。換言すると、前側および後側のスラスト磁気軸受（50）に代えて、両者の機能を併せ持つ１つのスラスト磁気軸受（図示せず）が設けられてもよい。当該１つのスラスト磁気軸受は、軸方向において駆動軸（21）の任意の位置に配置され得る。もちろん、前側および後側のスラスト磁気軸受（50）も、軸方向において駆動軸（21）の任意の位置に配置され得る。
【００８６】
また、各上記実施形態のスラスト磁気軸受（50）は、ターボ圧縮機（10）に適用されているが、スラスト磁気軸受（50）の用途はこれに限られない。
【００８７】
以上、実施形態および変形例を説明したが、特許請求の範囲の趣旨およ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、以上の実施形態および変形例は、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。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
以上説明したように、本開示は、スラスト磁気軸受およびそれを備えたターボ圧縮機について有用である。
【符号の説明】
【００８９】
10  ターボ圧縮機
21  駆動軸
30  インペラ
50  スラスト磁気軸受
51  ロータ
52  主ロータ磁極面
53  副ロータ磁極面
54  第１ロータ面
54a  径方向溝
55  第２ロータ面
55a  軸方向溝
56  突出リング部
57  ステータ
61  主ステータ磁極面
64  副ステータ磁極面
65  第１ステータ面
65a  径方向溝
66  第２ステータ面
66a  軸方向溝
δr  ロータ径方向の距離
δa  ロータ軸方向の距離
【図１】
2020159538.tif 000003
【図２】
2020159538.tif 000004
【図３】
2020159538.tif 000005
【図４】
2020159538.tif 000006
【図５】
2020159538.tif 000007
【図６】
2020159538.tif 000008
【図７】
2020159538.tif 000009
【図８】
2020159538.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】令和2年8月7日(2020.8.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、スラスト磁気軸受およびそれを備えたターボ圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、スラスト磁気軸受が知られている（例えば、特許文献１）。同文献のスラスト磁気軸受は、径方向で対向する部分の磁位差を小さくする構造上の工夫によって全体外径を小さくしている。その構造上の工夫とは、ステータの一の磁極部と、ステータの他の磁極部とを軸方向に異なる位置に配置することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２８３１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のスラスト磁気軸受は、上記構造上の工夫のデメリットとして、その軸方向寸法が大きくなり、ひいてはスラスト磁気軸受が大型化するおそれがある。
【０００５】
本開示の目的は、スラスト磁気軸受を小型化することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の第１の態様は、コイル（68）を有するステータ（57）と、ロータ（51）とを備えたスラスト磁気軸受（50）を対象とする。上記コイル（68）に電流が流れることで、上記ステータ（57）および上記ロータ（51）が構成する磁路において磁束が生じ、この磁束によって該ロータ（51）が非接触で支持され、上記ステータ（57）は、主ステータ磁極面（61）と、副ステータ磁極面（64）とを有し、ロータ軸方向から見て、上記コイル（68）と上記副ステータ磁極面（64）とが重なり合い、上記ロータ（51）は、ロータ軸方向において上記主ステータ磁極面（61）と対向する主ロータ磁極面（52）と、上記副ステータ磁極面（64）と対向する副ロータ磁極面（53）とを有し、上記副ステータ磁極面（64）は、交互に設けられた、ロータ軸方向に延びる１つ以上の第１ステータ面（65）と、ロータ径方向に延びる１つ以上の第２ステータ面（66）とを含み、上記副ロータ磁極面（53）は、交互に設けられた、ロータ軸方向に延びる１つ以上の第１ロータ面（54）と、ロータ径方向に延びる１つ以上の第２ロータ面（55）とを含み、互いにロータ径方向に対向する上記第１ステータ面（65）と上記第１ロータ面（54）とのペア数をＮｒとし、かつ互いにロータ軸方向に対向する上記第２ステータ面（66）と上記第２ロータ面（55）とのペア数をＮｔとして、Ｎｒ≧１かつＮｔ≧２が成り立つ。
【０００７】
第１の態様では、主ステータ磁極面（61）と主ロータ磁極面（52）との間で、少なくともロータ軸方向の電磁力が発生する。副ステータ磁極面（64）と副ロータ磁極面（53）については、第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）との間でロータ径方向の電磁力が発生する一方、第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）との間でロータ軸方向の電磁力が発生する。副ステータ磁極面（64）と副ロータ磁極面（53）とは、それぞれ階段状になっている。そのような階段状の副ステータ磁極面（64）と副ロータ磁極面（53）とが互いに噛み合うように配置されることで、両者の間で磁束経路が分散される。これにより、スラスト磁気軸受（50）のロータ軸方向の長さを短くすることができ、ひいてはスラスト磁気軸受（50）を小型化できる。
【０００８】
なお、主ステータ磁極面（61）と主ロータ磁極面（52）とが「ロータ軸方向において対向する」とは、スラスト磁気軸受（50）のコイル（68）に電流が流れる場合に、主ステータ磁極面（61）と主ロータ磁極面（52）との間でロータ軸方向の成分を主に含む電磁力が発生するように両者が対向していることをいう。
【０００９】
また、第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）とが「ロータ径方向において対向する」とは、スラスト磁気軸受（50）のコイル（68）に電流が流れる場合に、第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）との間でロータ径方向の成分を主に含む電磁力が発生するように両者が対向していることをいう。
【００１０】
また、第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）とが「ロータ軸方向において対向する」とは、スラスト磁気軸受（50）のコイル（68）に電流が流れる場合に、第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）との間でロータ軸方向の成分を主に含む電磁力が発生するように両者が対向していることをいう。
【００１１】
本開示の第２の態様は、上記第１の態様において、Ｎｒ＝Ｎｔが成り立つことを特徴とする。
【００１２】
本開示の第３の態様は、上記第１または第２の態様において、上記第１ステータ面（65）と上記第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）は、上記第２ステータ面（66）と上記第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）よりも長いことを特徴とする。
【００１３】
第３の態様では、副ステータ磁極面（64）と副ロータ磁極面（53）との間で発生するロータ径方向の電磁力が低減される。このため、ロータ（51）の軸心が中心位置からロータ径方向に変位したときに当該変位が助長されにくくなる。ロータ径方向におけるロータ（51）の位置制御が容易になり、スラスト磁気軸受（50）の制御性を向上させることができる。
【００１４】
なお、本明細書において「中心位置」とは、スラスト磁気軸受（50）において、ステータ（57）とロータ（51）との間の径方向距離が全周にわたって実質的に一定であるロータ（51）の軸心の位置のことである。
【００１５】
本開示の第４の態様は、上記第１〜第３の態様のいずれか１つにおいて、上記ロータ（51）は、ロータ軸方向において上記主ロータ磁極面（52）とは反対側の端部に、上記第２ステータ面（66）にロータ軸方向に対向する上記第２ロータ面（55）と、上記ステータ（57）に対向しない外周面とを含んで外径方向に突出する突出リング部（56）を有し、上記突出リング部（56）の基端部のロータ径方向の断面積は、上記第２ステータ面（66）における上記突出リング部（56）の上記第２ロータ面（55）とロータ軸方向に対向する部分の面積以上であることを特徴とする。
【００１６】
第４の態様では、突出リング部（56）に流入する磁束は、突出リング部（56）の基端部（56a）と、第２ステータ面（66）における突出リング部（56）の第２ロータ面（55）とロータ軸方向に対向する部分との間を流れる。前者のロータ径方向の断面積が後者の面積以上であるため、突出リング部（56）に流入する磁束の量は、後者の面積に拘束される。そのように拘束される磁束量は、突出リング部（56）を磁気飽和させる磁束量に達しにくい。したがって、突出リング部（56）で磁気飽和が生じるのを抑止することができる。
【００１７】
本開示の第５の態様は、上記第１〜第４の態様のいずれか１つにおいて、上記副ステータ磁極面（64）および上記副ロータ磁極面（53）における入隅部において、上記第１ステータ面（65）および上記第１ロータ面（54）の少なくとも一方は、ロータ径方向に窪む径方向溝（54a,65a）が形成されていることを特徴とする。
【００１８】
第５の態様では、ロータ軸方向においてロータ（51）がステータ（57）に近づく方向に変位した場合に、第１ロータ面（54）と第１ステータ面（65）との間で当該変位を妨げるリラクタンス力が発生する。このため、ロータ（51）とステータ（57）とが接触するのを抑止することができる。
【００１９】
本開示の第６の態様は、上記第５の態様において、上記径方向溝（54a,65a）の幅は、上記第２ステータ面（66）と上記第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）以下であることを特徴とする。
【００２０】
本開示の第７の態様は、上記第１〜第６の態様のいずれか１つにおいて、上記副ステータ磁極面（64）および上記副ロータ磁極面（53）における入隅部において、上記第２ステータ面（66）および上記第２ロータ面（55）の少なくとも一方は、ロータ軸方向に窪む軸方向溝（55a,66a）が形成されていることを特徴とする。
【００２１】
第７の態様では、ロータ径方向においてロータ（51）が変位した場合に、第２ロータ面（55）と第２ステータ面（66）との間で当該変位を妨げるリラクタンス力が発生する。このため、ロータ（51）とステータ（57）とが接触するのを抑止することができる。
【００２２】
本開示の第８の態様は、上記第７の態様において、上記軸方向溝（55a,66a）の幅は、上記第１ステータ面（65）と上記第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）以下であることを特徴とする。
【００２３】
第８の態様では、第２ロータ面（55）と第２ステータ面（66）との間の磁路面積を確保しつつ上記リラクタンス力を発生させ、ロータ（51）とステータ（57）とが接触するのを抑止することができる。
【００２４】
本開示の第９の態様は、ターボ圧縮機（10）を対象とする。ターボ圧縮機（10）は、上記第１〜第８の態様のいずれか１つのスラスト磁気軸受（50）と、上記スラスト磁気軸受（50）の上記ロータ（51）、および流体を圧縮するためのインペラ（30）が固定され、該インペラ（30）を回転駆動する駆動軸（21）とを備える。
【００２５】
第９の態様では、スラスト磁気軸受（50）の小型化を通じて、駆動軸（21）およびインペラ（30）を含む回転系の軸方向長さを短くすることができる。このため、当該回転系の共振周波数を高めることができ、ターボ圧縮機（10）を高速回転により一層適したものにできる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、実施形態１のターボ圧縮機の構成例を示す図である。
【図２】図２は、実施形態１のスラスト磁気軸受の一部断面図である。
【図３】図３は、実施形態１のスラスト磁気軸受の要部を拡大して示す拡大断面図である。
【図４】図４は、実施形態２のスラスト磁気軸受の一部断面図である。
【図５】図５は、実施形態２のスラスト磁気軸受の要部を拡大して示す拡大断面図である。
【図６】図６は、実施形態２の変形例のスラスト磁気軸受の要部を拡大して示す拡大断面図である。
【図７】図７は、実施形態３のスラスト磁気軸受の一部断面図である。
【図８】図８は、その他の実施形態のスラスト磁気軸受の要部を拡大して示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
《実施形態１》
実施形態１について説明する。なお、各図において、右側（換言すると、インペラ（30）側）を「前側」とし、左側を「後側」とする。
【００２８】
−ターボ圧縮機の構成−
図１に示すように、ターボ圧縮機（10）は、電動機（20）と、インペラ（30）と、ラジアル磁気軸受（40）と、スラスト磁気軸受（50）と、制御部（91）と、電源部（92）と、タッチダウン軸受（81）と、ケーシング（11）とを備える。ケーシング（11）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（11）内の空間は、壁部（14）によって区画される。壁部（14）よりも後側の空間は、電動機（20）、ラジアル磁気軸受（40）、およびスラスト磁気軸受（50）を収容するための駆動機構空間（15）である。壁部（14）よりも前側の空間は、インペラ（30）を収容するためのインペラ空間（16）である。
【００２９】
〈電動機〉
電動機（20）は、駆動軸（21）と、ロータ（22）と、ステータ（23）とを備える。ロータ（22）は、駆動軸（21）と同軸状となるように駆動軸（21）に固定される。ロータ（22）は、当該ロータ（22）の外周面が所定の距離を隔ててステータ（23）の内周面に対向するように配置される。ステータ（23）は、ケーシング（11）の内周面に固定される。この例では、電動機（20）は、いわゆる永久磁石同期モータである。電動機（20）は、駆動軸（21）の軸心（O）の方向が水平向きとなるように、駆動機構空間（15）に収容される。
【００３０】
なお、以下の説明において、「軸方向」とは、回転軸方向のことであって、駆動軸（21）の軸心（O）の方向のことである。「径方向」とは、駆動軸（21）の軸方向と直交する方向のことである。「外周側」とは、駆動軸（21）の軸心（O）からより遠い側のことである。「内周側」とは、駆動軸（21）の軸心（O）により近い側のことである。「周方向」とは、駆動軸（21）の軸心（O）を基準とした周方向のことである。
【００３１】
〈インペラ〉
インペラ（30）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（30）は、駆動軸（21）の一端部（この例では、前側端部）に固定された状態で、インペラ空間（16）に収容される。インペラ空間（16）には、吸入管（12）および吐出管（13）が接続される。インペラ空間（16）の外周部には、圧縮空間（17）が形成される。吸入管（12）は、気体を外部からインペラ空間（16）内に導くために設けられる。吐出管（13）は、インペラ空間（16）内で圧縮された高圧の気体を外部へ戻すために設けられる。
【００３２】
〈ラジアル磁気軸受〉
ラジアル磁気軸受（40）は、電磁力により駆動軸（21）を非接触で支持するように構成される。この例では、ラジアル磁気軸受（40）は、軸方向において電動機（20）を挟んで互いに対向するように２つ配置される。各ラジアル磁気軸受（40）は、駆動軸（21）に固定されたロータ（41）と、ロータ（41）と所定の距離を隔てて配置されたステータ（42）とを備える。ステータ（42）は、ケーシング（11）の内周壁に固定される。
【００３３】
〈スラスト磁気軸受〉
スラスト磁気軸受（50）は、電磁力により駆動軸（21）の軸方向位置を非接触で制御するように構成される。この例では、スラスト磁気軸受（50）は、一方が軸方向においてインペラ（30）と前側のラジアル磁気軸受（40）との間に配置され、他方が軸方向において後側のラジアル磁気軸受（40）の後側に配置される。各スラスト磁気軸受（50）は、駆動軸（21）に固定されたロータ（51）と、ロータ（51）と所定の距離を隔てて配置されたステータ（57）とを備える。ステータ（57）は、ケーシング（11）の内周壁に固定される。スラスト磁気軸受（50）の構造については後に詳述する。
【００３４】
〈制御部〉
制御部（91）は、駆動軸（21）の位置が所望の位置となるように、ラジアル磁気軸受（40）におけるロータ（41）とステータ（42）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）の検出値や、スラスト磁気軸受（50）におけるロータ（51）とステータ（57）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）の検出値に基づいて、ラジアル磁気軸受（40）に供給する電力を制御するための電力指令値（ラジアル電力指令値）や、スラスト磁気軸受（50）に供給する電力を制御するための電力指令値（スラスト電力指令値）を出力する。例えば、制御部（91）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。
【００３５】
〈電源部〉
電源部（92）は、制御部（91）からのラジアル電力指令値およびスラスト電力指令値に基づいて、ラジアル磁気軸受（40）およびスラスト磁気軸受（50）に電力をそれぞれ供給する。例えば、電源部（92）は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）アンプによって構成することが可能である。
【００３６】
〈タッチダウン軸受〉
タッチダウン軸受（81）は、ラジアル磁気軸受（40）におけるステータ（42）とロータ（41）との接触、およびスラスト磁気軸受（50）におけるステータ（57）とロータ（51）との接触を防止するために設けられる。この例では、タッチダウン軸受（81）は、インペラ空間（16）と駆動機構空間（15）とを区画する壁部（14）と、後側のスラスト磁気軸受（50）の後側とに１つずつ設けられる。ただし、タッチダウン軸受（81）の数および配置は、これに限られない。タッチダウン軸受（81）と駆動軸（21）との間の径方向距離は、スラスト磁気軸受（50）におけるステータ（57）とロータ（51）との間の径方向距離よりも短い。例えば、タッチダウン軸受（81）は、アンギュラ玉軸受によって構成することが可能である。
【００３７】
−各ロータの直径−
図１に示すように、電動機（20）のロータ（22）と、ラジアル磁気軸受（40）のロータ（41）と、スラスト磁気軸受（50）のロータとは、互いの直径が実質的に等しい。ラジアル磁気軸受（40）のロータ（41）とスラスト磁気軸受（50）のロータ（51）との間には、各ロータ（22,41,51）と実質的に等しい直径を有する円筒状の非磁性リング（80）が配置される。このように各ロータ（22,41,51）や非磁性リング（80）の直径が互いに実質的に等しいことにより、各ロータ（22,41,51）および駆動軸（21）を１つのユニットとして取り扱うことができ、よってターボ圧縮機（10）の組立工数を削減することができる。
【００３８】
−スラスト磁気軸受の構成−
図２は、後側のスラスト磁気軸受（50）をその半部について示している。図３は、後側のスラスト磁気軸受（50）の要部を示している。スラスト磁気軸受（50）は、駆動軸（21）の軸心（O）に関して軸対称に構成される。
【００３９】
図２および図３に示すように、スラスト磁気軸受（50）のステータ（57）は、ケーシング（11）の内周壁に固定された鉄心部（58）と、鉄心部（58）内に配置されたコイル（68）とを備える。鉄心部（58）は、外筒部（59）と、内筒部（60）と、接続部（62）と、鍔部（63）とを有する。鉄心部（58）は、磁性材料で構成される。
【００４０】
外筒部（59）は、軸方向に延びる円筒状に形成される。外筒部（59）の外周面は、ケーシング（11）の内周壁に固定される。
【００４１】
内筒部（60）は、軸方向に延びる円筒状に形成される。内筒部（60）は、外筒部（59）と所定の間隔を隔てて外筒部（59）の内周側に配置される。内筒部（60）は、主ステータ磁極面（61）を有する。主ステータ磁極面（61）は、内筒部（60）の前側（図２における右側）の端面である。
【００４２】
接続部（62）は、駆動軸（21）の軸心（O）を中心とするリング状に形成される。接続部（62）は、外筒部（59）の内周面の後側部と、内筒部（60）の外周面の後側部とを接続する。
【００４３】
鍔部（63）は、外筒部（59）の内周面の前側部から内径方向に張り出すように形成される。鍔部（63）は、副ステータ磁極面（64）を有する。副ステータ磁極面（64）は、鍔部（63）の内周面（換言すると、径方向内側面）である。副ステータ磁極面（64）は、階段状になっている。好ましくは、鍔部（63）のロータ軸方向の長さ（図３にＺで示す）は、ターボ圧縮機（10）の運転中にスラスト磁気軸受（50）全体で生じる磁束が磁気飽和を伴わずに当該鍔部（63）を流れ得るように設定される。
【００４４】
副ステータ磁極面（64）は、第１ステータ面（65）および第２ステータ面（66）を含む。第１ステータ面（65）は、副ステータ磁極面（64）のうちロータ軸方向に延びる部分である。第２ステータ面（66）は、副ステータ磁極面（64）のうちロータ径方向に延びる部分である。この例では、副ステータ磁極面（64）は、３つの第１ステータ面（65）と、２つの第２ステータ面（66）とを含む。第１ステータ面（65）と第２ステータ面（66）とは、交互に連続して設けられる。具体的には、第１ステータ面（65）と第２ステータ面（66）とは、後側から前側に向かって、１番目の第１ステータ面（65）、１番目の第２ステータ面（66）、２番目の第１ステータ面（65）、２番目の第２ステータ面（66）、および３番目の第１ステータ面（65）の順に設けられる。換言すると、副ステータ磁極面（64）は、第１ステータ面（65）、第２ステータ面（66）、第１ステータ面（65）の順に設けられたステータ面の組と、第２ステータ面（66）、第１ステータ面（65）、第２ステータ面（66）の順に設けられたステータ面の組との、少なくとも一方を有する。あるいは、副ステータ磁極面（64）は、第２ステータ面（66）が前側と後側にそれぞれ隣接する第１ステータ面（65）と、第１ステータ面（65）が前側と後側にそれぞれ隣接する第２ステータ面（66）との、少なくとも一方を有する。３つの第１ステータ面（65）の内径は、後側（図２および図３における左側）から前側に向かうにつれて階段状に大きくなっている。３つの第１ステータ面（65）のロータ軸方向の長さの和は、鍔部（63）の軸方向の長さＺと実質的に等しい。
【００４５】
コイル（68）は、外筒部（59）と内筒部（60）と接続部（62）と鍔部（63）との間に形成される空間に配置される。コイル（68）は、電源部（92）に接続される。コイル（68）は、電流が流れることによってステータ（57）およびロータ（51）が構成する磁路中に磁束を発生させるように構成されている。
【００４６】
スラスト磁気軸受（50）のロータ（51）は、軸方向に延びる円筒状に形成される。ロータ（51）は、駆動軸（21）が挿通および固定される。ロータ（51）は、磁性材料で構成される。
【００４７】
ロータ（51）は、主ロータ磁極面（52）と、副ロータ磁極面（53）とを有する。主ロータ磁極面（52）は、ロータ（51）のロータ軸方向の一端面（具体的には、ステータ（57）側の面）のうち主ステータ磁極面（61）とロータ軸方向に対向する部分である。主ロータ磁極面（52）は、主ステータ磁極面（61）とロータ軸方向に所定の距離を隔てて対向する。
【００４８】
副ロータ磁極面（53）は、ロータ（51）の外周面のうち副ステータ磁極面（64）と対向する部分である。副ロータ磁極面（53）は、副ステータ磁極面（64）と噛み合うように階段状になっている。副ロータ磁極面（53）は、第１ロータ面（54）および第２ロータ面（55）を含む。第１ロータ面（54）は、副ロータ磁極面（53）のうちロータ軸方向に延びる部分である。第２ロータ面（55）は、副ロータ磁極面（53）のうちロータ径方向に延びる部分である。この例では、副ロータ磁極面（53）は、３つの第１ロータ面（54）と、２つの第２ロータ面（55）とを含む。第１ロータ面（54）と第２ロータ面（55）とは、交互に連続して設けられる。具体的に、第１ロータ面（54）と第２ロータ面（55）とは、後側から前側に向かって、１番目の第１ロータ面（54）、１番面の第２ロータ面（55）、２番目の第１ロータ面（54）、２番目の第２ロータ面（55）、および３番目の第１ロータ面（54）の順に設けられる。換言すると、副ロータ磁極面（53）は、第１ロータ面（54）、第２ロータ面（55）、第１ロータ面（54）の順に設けられたロータ面の組と、第２ロータ面（55）、第１ロータ面（54）、第２ロータ面（55）の順に設けられたロータ面の組との、少なくとも一方を有する。あるいは、副ロータ磁極面（53）は、第２ロータ面（55）が前側と後側にそれぞれ隣接する第１ロータ面（54）と、第１ロータ面（54）が前側と後側にそれぞれ隣接する第２ロータ面（55）との、少なくとも一方を有する。３つの第１ロータ面（54）の外径は、後側（図２および図３における左側）から前側に向かうにつれて階段状に大きくなっている。
【００４９】
３つの第１ロータ面（54）は、３つの第１ステータ面（65）とロータ径方向に対向している。互いにロータ径方向に対向する第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）とのペア数をＮｒとすると、この例ではＮｒ＝３である。２つの第２ロータ面（55）は、２つの第２ステータ面（66）とロータ軸方向に対向している。互いにロータ軸方向に対向する第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）とのペア数をＮｔとすると、この例ではＮｔ＝２である。したがって、この例では、Ｎｒ＝Ｎｔ＋１が成り立つ。なお、第２ロータ面（55）と第２ステータ面（66）とが互いに対向する方向は、主ロータ磁極面（52）と主ステータ磁極面（61）とが互いに対向する方向と同じである。
【００５０】
図３に示すように、第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）は、第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）よりも長い（δr＞δa）。
【００５１】
副ステータ磁極面（64）における入隅部（換言すると、副ロータ磁極面（53）に対して凹状になっている部分）において、第２ステータ面（66）には、ロータ軸方向に窪む軸方向溝（66a）が形成されている。第２ステータ面（66）の軸方向溝（66a）の幅（図３における上下方向長さ）は、第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）と実質的に等しい。なお、当該軸方向溝（66a）の幅は、第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）よりも大きくても小さくてもよい。第２ステータ面（66）の軸方向溝（66a）は、好ましくは全周にわたって、ロータ周方向に延びている。
【００５２】
副ロータ磁極面（53）における入隅部（換言すると、副ステータ磁極面（64）に対して凹状になっている部分）において、第２ロータ面（55）には、ロータ軸方向に窪む軸方向溝（55a）が形成されている。第２ロータ面（55）の軸方向溝（55a）の幅（図３における上下方向長さ）は、第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）と実質的に等しい。なお、当該軸方向溝（55a）の幅は、第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）よりも大きくても小さくてもよい。第２ロータ面（55）の軸方向溝（55a）は、好ましくは全周にわたって、ロータ周方向に延びている。
【００５３】
−ターボ圧縮機の運転動作−
ターボ圧縮機（10）の運転動作について説明する。電動機（20）に電力が供給されると、電動機（20）のロータ（22）が回転し、これにより駆動軸（21）およびインペラ（30）が回転する。インペラ（30）が回転することで吸入管（12）からインペラ空間（16）へ気体が吸入されて圧縮される。圧縮された気体は、吐出管（13）を通ってインペラ空間（16）から吐出される。
【００５４】
−スラスト磁気軸受の動作−
スラスト磁気軸受（50）の動作について説明する。スラスト電力指令値に基づいて電源部（92）からコイル（68）に電力が供給されると、ステータ（57）およびロータ（51）が構成する磁路において磁束が生じる。これにより、主ステータ磁極面（61）と主ロータ磁極面（52）との間、および副ステータ磁極面（64）の第２ステータ面（66）と副ロータ磁極面（53）の第２ロータ面（55）との間ではロータ軸方向の電磁力が発生し、当該電磁力によって駆動軸（21）を含む回転系が受ける軸方向の負荷を支える。なお、主ステータ磁極面（61）と主ロータ磁極面（52）との間で発生するロータ軸方向の電磁力の向きと、副ステータ磁極面（64）の第２ステータ面（66）と副ロータ磁極面（53）の第２ロータ面（55）との間で発生するロータ軸方向の電磁力の向きとは、互いに同じである。具体的に、図１において、前側のスラスト磁気軸受（50）では右向きのロータ軸方向の電磁力のみが発生し、後側のスラスト磁気軸受（50）では左向きのロータ軸方向の電磁力のみが発生する。一方、副ステータ磁極面（64）の第１ステータ面（65）と副ロータ磁極面（53）の第１ロータ面（54）との間ではロータ径方向の電磁力が発生する。
【００５５】
−実施形態１の効果−
本実施形態のスラスト磁気軸受（50）は、ステータ（57）およびロータ（51）を備え、上記ステータ（57）は、主ステータ磁極面（61）と、副ステータ磁極面（64）とを有し、上記ロータ（51）は、ロータ軸方向において上記主ステータ磁極面（61）と対向する主ロータ磁極面（52）と、上記副ステータ磁極面（64）と対向する副ロータ磁極面（53）とを有し、上記副ステータ磁極面（64）は、交互に設けられた、ロータ軸方向に延びる１つ以上の第１ステータ面（65）と、ロータ径方向に延びる１つ以上の第２ステータ面（66）とを含み、上記副ロータ磁極面（53）は、交互に設けられた、ロータ軸方向に延びる１つ以上の第１ロータ面（54）と、ロータ径方向に延びる１つ以上の第２ロータ面（55）とを含み、互いにロータ径方向に対向する上記第１ステータ面（65）と上記第１ロータ面（54）とのペア数をＮｒとし、かつ互いにロータ軸方向に対向する上記第２ステータ面（66）と上記第２ロータ面（55）とのペア数をＮｔとして、Ｎｒ≧１かつＮｔ≧２またはＮｒ≧２かつＮｔ≧１が成り立つ。したがって、主ステータ磁極面（61）と主ロータ磁極面（52）との間で、少なくともロータ軸方向の電磁力が発生する。副ステータ磁極面（64）と副ロータ磁極面（53）については、第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）との間でロータ径方向の電磁力が発生する一方、第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）との間でロータ軸方向の電磁力が発生する。副ステータ磁極面（64）と副ロータ磁極面（53）とは、それぞれ階段状になっている。そのような階段状の副ステータ磁極面（64）と副ロータ磁極面（53）とが互いに噛み合うように配置されることで、両者の間で磁束経路が分散される。これにより、スラスト磁気軸受（50）のロータ軸方向の長さを短くすることができ、ひいてはスラスト磁気軸受（50）を小型化できる。
【００５６】
また、本実施形態のスラスト磁気軸受（50）は、上記第１ステータ面（65）と上記第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）が、上記第２ステータ面（66）と上記第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）よりも長い。したがって、副ステータ磁極面（64）と副ロータ磁極面（53）との間で発生するロータ径方向の電磁力が低減される。このため、ロータ（51）の軸心が中心位置からロータ径方向に変位したときに当該変位が助長されにくくなる。ロータ径方向におけるロータ（51）の位置制御が容易になり、スラスト磁気軸受（50）の制御性を向上させることができる。
【００５７】
また、本実施形態のスラスト磁気軸受（50）は、上記副ステータ磁極面（64）および上記副ロータ磁極面（53）における入隅部において、上記第２ステータ面（66）および上記第２ロータ面（55）の少なくとも一方は、ロータ軸方向に窪む軸方向溝（55a,66a）が形成されている。したがって、ロータ径方向においてロータ（51）が変位した場合に、第２ロータ面（55）と第２ステータ面（66）との間で当該変位を妨げるリラクタンス力が発生する。このため、ロータ（51）とステータ（57）とが接触するのを抑止することができる。
【００５８】
また、本実施形態のスラスト磁気軸受（50）は、上記軸方向溝（55a,66a）の幅が、上記第１ステータ面（65）と上記第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）以下である（具体的には、当該ロータ径方向の距離（δr）と実質的に等しい）。したがって、第２ロータ面（55）と第２ステータ面（66）との間の磁路面積を確保しつつ上記リラクタンス力を発生させ、ロータ（51）とステータ（57）とが接触するのを抑止することができる。
【００５９】
本実施形態のターボ圧縮機（10）は、上記スラスト磁気軸受（50）と、上記スラスト磁気軸受（50）の上記ロータ（51）、および流体を圧縮するためのインペラ（30）が固定され、該インペラ（30）を回転駆動する駆動軸（21）とを備える。したがって、スラスト磁気軸受（50）の小型化を通じて、駆動軸（21）およびインペラ（30）を含む回転系の軸方向長さを短くすることができる。このため、当該回転系の共振周波数を高めることができ、ターボ圧縮機（10）を高速回転により一層適したものにできる。
【００６０】
《実施形態２》
実施形態２について説明する。本実施形態のスラスト磁気軸受（50）は、副ステータ磁極面（64）および副ロータ磁極面（53）の構成が上記実施形態１と異なる。以下、上記実施形態１と異なる点について主に説明する。
【００６１】
図４および図５に示すように、副ステータ磁極面（64）は、２つの第１ステータ面（65）と、２つの第２ステータ面（66）とを有する。副ロータ磁極面（53）は、２つの第１ロータ面（54）と、２つの第２ロータ面（55）とを有する。
【００６２】
２つの第１ステータ面（65）と２つの第１ロータ面（54）とは、ロータ径方向に対向している。互いにロータ径方向に対向する第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）とのペア数をＮｒとすると、この例ではＮｒ＝２である。２つの第２ステータ面（66）と２つの第２ロータ面（55）とは、ロータ軸方向に対向している。互いにロータ軸方向に対向する第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）とのペア数をＮｔとすると、この例ではＮｔ＝２である。したがって、この例では、Ｎｒ＝Ｎｔが成り立つ。
【００６３】
副ステータ磁極面（64）における入隅部において、第１ステータ面（65）には、ロータ径方向に窪む径方向溝（65a）が形成されている。第１ステータ面（65）の径方向溝（65a）の幅（図５における左右方向長さ）は、第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）と実質的に等しい。なお、当該径方向溝（65a）の幅は、第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）よりも大きくても小さくてもよい。第１ステータ面（65）の径方向溝（65a）は、好ましくは全周にわたって、ロータ周方向に延びている。
【００６４】
副ロータ磁極面（53）における入隅部において、第１ロータ面（54）には、ロータ径方向に窪む径方向溝（54a）が形成されている。第１ロータ面（54）の径方向溝（54a）の幅（図５における左右方向長さ）は、第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）と実質的に等しい。なお、当該径方向溝（54a）の幅は、第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）よりも大きくても小さくてもよい。第１ロータ面（54）の径方向溝（54a）は、好ましくは全周にわたって、ロータ周方向に延びている。
【００６５】
ロータ（51）は、突出リング部（56）を備える。突出リング部（56）は、ロータ軸方向の一端部（具体的には、主ロータ磁極面（52）とは反対側の端部）にあり外径方向に突出する部分である。突出リング部（56）は、１つの上記第２ロータ面（55）と、ステータ（57）に対向しない外周面とを有する。突出リング部（56）の基端部のロータ径方向の断面積（具体的に、ロータ周方向の全周にわたって延びる図５に細破線で示す部分の断面積）は、第２ステータ面（66）における突出リング部（56）の第２ロータ面（55）とロータ軸方向に対向する部分の面積（具体的に、ロータ周方向の全周にわたって延びる図５に太破線で示す部分の面積）以上である。
【００６６】
−実施形態２の効果−
本実施形態のスラスト磁気軸受（50）によっても、上記実施形態１のスラスト磁気軸受（50）と同様の効果が得られる。
【００６７】
また、本実施形態のスラスト磁気軸受（50）は、上記ロータ（51）が、ロータ軸方向において上記主ロータ磁極面（52）とは反対側の端部に、上記第２ステータ面（66）にロータ軸方向に対向する上記第２ロータ面（55）と、上記ステータ（57）に対向しない外周面とを含んで外径方向に突出する突出リング部（56）を有し、上記突出リング部（56）の基端部のロータ径方向の断面積が、上記第２ステータ面（66）における上記突出リング部（56）の上記第２ロータ面（55）とロータ軸方向に対向する部分の面積以上である。ここで、突出リング部（56）に流入する磁束は、突出リング部（56）の基端部（56a）と、第２ステータ面（66）における突出リング部（56）の第２ロータ面（55）とロータ軸方向に対向する部分との間を流れる。前者のロータ径方向の断面積が後者の面積以上であるため、突出リング部（56）に流入する磁束の量は、後者の面積に拘束される。そのように拘束される磁束量は、突出リング部（56）を磁気飽和させる磁束量に達しにくい。したがって、突出リング部（56）で磁気飽和が生じるのを抑止することができる。
【００６８】
また、本実施形態のスラスト磁気軸受（50）は、上記副ステータ磁極面（64）および上記副ロータ磁極面（53）における入隅部において、上記第１ステータ面（65）および上記第１ロータ面（54）は、ロータ径方向に窪む径方向溝（54a,65a）が形成されている。したがって、ロータ軸方向においてロータ（51）がステータ（57）に近づく方向に変位した場合に、第１ロータ面（54）と第１ステータ面（65）との間で当該変位を妨げるリラクタンス力が発生する。このため、ロータ（51）とステータ（57）とが接触するのを抑止することができる。
【００６９】
−実施形態２の変形例−
実施形態２の変形例について説明する。本変形例のスラスト磁気軸受（50）は、副ステータ磁極面（64）の構成が上記実施形態２と異なる。以下、上記実施形態２と異なる点について主に説明する。
【００７０】
図６に示すように、副ステータ磁極面（64）の２つの第１ステータ面（65）のうち、主ステータ磁極面（61）に近い方（後側、または図６の左側）の第１ステータ面（65）は、副ロータ磁極面（53）の第１ロータ面（54）から大きく離れている。後側の第１ステータ面（65）とこれに対向する第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr1）は、前側の第１ステータ面（65）とこれに対向する第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr2）よりも長い（δr1＞δr2）。
【００７１】
−実施形態２の変形例の効果−
本変形例のスラスト磁気軸受（50）によっても、上記実施形態２と同様の効果が得られる。
【００７２】
また、本変形例のスラスト磁気軸受（50）は、上記副ステータ磁極面（64）が、複数の上記第１ステータ面（65）を有し、上記主ステータ磁極面（61）に最も近い上記第１ステータ面（65）とこの第１ステータ面（65）に対向する上記第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr1）が、他の上記第１ステータ面（65）とこの第１ステータ面（65）に対向する上記第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr2）よりも長い。したがって、主ステータ磁極面（61）と副ステータ磁極面（64）との間で直接的に磁束が流れにくい。このため、コイル（68）に電流が流れる場合にスラスト磁気軸受（50）で生じる磁束がステータ（57）内で短絡するのを抑止できる。
【００７３】
《実施形態３》
実施形態３について説明する。本実施形態のスラスト磁気軸受（50）は、副ステータ磁極面（64）および副ロータ磁極面（53）の構成が上記実施形態１と異なる。以下、上記実施形態１と異なる点について主に説明する。
【００７４】
図７に示すように、副ステータ磁極面（64）は、１つの第１ステータ面（65）と、２つの第２ステータ面（66）とを有する。副ロータ磁極面（53）は、１つの第１ロータ面（54）と、２つの第２ロータ面（55）とを有する。
【００７５】
１つの第１ステータ面（65）と１つの第１ロータ面（54）とは、ロータ径方向に対向している。互いにロータ径方向に対向する第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）とのペア数をＮｒとすると、この例ではＮｒ＝１である。２つの第２ステータ面（66）と２つの第２ロータ面（55）とは、ロータ軸方向に対向している。互いにロータ軸方向に対向する第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）とのペア数をＮｔとすると、この例ではＮｔ＝２である。したがって、この例では、Ｎｒ＝Ｎｔ−１が成り立つ。
【００７６】
−実施形態３の効果−
本実施形態のスラスト磁気軸受（50）によっても、上記実施形態１と同様の効果が得られる。
【００７７】
《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
【００７８】
例えば、副ステータ磁極面（64）が有する第１ステータ面（65）および第２ステータ面（66）の数と、副ロータ磁極面（53）が有する第１ロータ面（54）および第２ロータ面（55）の数とは、Ｎｒ≧１かつＮｔ≧２またはＮｒ≧２かつＮｔ≧１が成り立つ限りにおいて任意に変更されてもよい。
【００７９】
また、例えば、第１ステータ面（65）と第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）は、第２ステータ面（66）と第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）以下であってもよい。
【００８０】
また、例えば、図８に示すように、副ステータ磁極面（64）および副ロータ磁極面（53）における相手方に対して凹状になった入隅部において、各軸方向溝（55a,66a）および各径方向溝（54a,65a）の機能を併せ持つ、ロータ軸方向およびロータ径方向に窪む二方向溝（67）が形成されていてもよい。
【００８１】
また、例えば、各軸方向溝（55a,66a）、各径方向溝（54a,65a）、および二方向溝（67）は、ステータ（57）およびロータ（51）のいずれか一方のみに設けられてもよい。各軸方向溝（55a,66a）、各径方向溝（54a,65a）、および二方向溝（67）は、副ステータ磁極面（64）および副ロータ磁極面（53）に入隅部が複数ある場合に、全ての入隅部に設けられてもよいし、一部の入隅部のみに設けられてもよい。
【００８２】
また、例えば、各上記実施形態では、主ステータ磁極面（61）および主ロータ磁極面（52）は、ロータ径方向に延びているが、これ以外の方向であってロータ軸方向と交差する方向に延びていてもよい。具体例として、主ステータ磁極面（61）および主ロータ磁極面（52）は、図２において上下方向に延びているが、同図において左または右に傾いて延びていてもよい。
【００８３】
また、例えば、各上記実施形態では、第１ステータ面（65）および第１ロータ面（54）は、ロータ軸方向に延びているが、これ以外の方向であってロータ径方向と交差する方向に延びていてもよい。具体例として、第１ステータ面（65）および第１ロータ面（54）は、図２において左右方向に延びているが、同図において上または下に傾いて延びていてもよい。
【００８４】
また、例えば、各上記実施形態では、第２ステータ面（66）および第２ロータ面（55）は、ロータ径方向に延びているが、これ以外の方向であってロータ軸方向と交差する方向に延びていてもよい。具体例として、第２ステータ面（66）および第２ロータ面（55）は、図２において上下方向に延びているが、同図において左または右に傾いて延びていてもよい。
【００８５】
また、例えば、前側のスラスト磁気軸受（50）のロータ（51）と、後側のスラスト磁気軸受（50）のロータ（51）とは、互いに一体に形成されていてもよい。換言すると、前側および後側のスラスト磁気軸受（50）に代えて、両者の機能を併せ持つ１つのスラスト磁気軸受（図示せず）が設けられてもよい。当該１つのスラスト磁気軸受は、軸方向において駆動軸（21）の任意の位置に配置され得る。もちろん、前側および後側のスラスト磁気軸受（50）も、軸方向において駆動軸（21）の任意の位置に配置され得る。
【００８６】
また、各上記実施形態のスラスト磁気軸受（50）は、ターボ圧縮機（10）に適用されているが、スラスト磁気軸受（50）の用途はこれに限られない。
【００８７】
以上、実施形態および変形例を説明したが、特許請求の範囲の趣旨およ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、以上の実施形態および変形例は、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。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
以上説明したように、本開示は、スラスト磁気軸受およびそれを備えたターボ圧縮機について有用である。
【符号の説明】
【００８９】
10  ターボ圧縮機
21  駆動軸
30  インペラ
50  スラスト磁気軸受
51  ロータ
52  主ロータ磁極面
53  副ロータ磁極面
54  第１ロータ面
54a  径方向溝
55  第２ロータ面
55a  軸方向溝
56  突出リング部
57  ステータ
61  主ステータ磁極面
64  副ステータ磁極面
65  第１ステータ面
65a  径方向溝
66  第２ステータ面
66a  軸方向溝
δr  ロータ径方向の距離
δa  ロータ軸方向の距離
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイル（68）を有するステータ（57）と、ロータ（51）とを備えたスラスト磁気軸受（50）であって、
上記コイル（68）に電流が流れることで、上記ステータ（57）および上記ロータ（51）が構成する磁路において磁束が生じ、この磁束によって該ロータ（51）が非接触で支持され、
上記ステータ（57）は、主ステータ磁極面（61）と、副ステータ磁極面（64）とを有し、
ロータ軸方向から見て、上記コイル（68）と上記副ステータ磁極面（64）とが重なり合い、
上記ロータ（51）は、ロータ軸方向において上記主ステータ磁極面（61）と対向する主ロータ磁極面（52）と、上記副ステータ磁極面（64）と対向する副ロータ磁極面（53）とを有し、
上記副ステータ磁極面（64）は、交互に設けられた、ロータ軸方向に延びる１つ以上の第１ステータ面（65）と、ロータ径方向に延びる１つ以上の第２ステータ面（66）とを含み、
上記副ロータ磁極面（53）は、交互に設けられた、ロータ軸方向に延びる１つ以上の第１ロータ面（54）と、ロータ径方向に延びる１つ以上の第２ロータ面（55）とを含み、
互いにロータ径方向に対向する上記第１ステータ面（65）と上記第１ロータ面（54）とのペア数をＮｒとし、かつ互いにロータ軸方向に対向する上記第２ステータ面（66）と上記第２ロータ面（55）とのペア数をＮｔとして、Ｎｒ≧１かつＮｔ≧２が成り立つ
ことを特徴とするスラスト磁気軸受。
【請求項２】
請求項１において、
Ｎｒ＝Ｎｔが成り立つ
ことを特徴とするスラスト磁気軸受。
【請求項３】
請求項１または２において、
上記第１ステータ面（65）と上記第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）は、上記第２ステータ面（66）と上記第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）よりも長い
ことを特徴とするスラスト磁気軸受。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項において、
上記ロータ（51）は、ロータ軸方向において上記主ロータ磁極面（52）とは反対側の端部に、上記第２ステータ面（66）にロータ軸方向に対向する上記第２ロータ面（55）と、上記ステータ（57）に対向しない外周面とを含んで外径方向に突出する突出リング部（56）を有し、
上記突出リング部（56）の基端部のロータ径方向の断面積は、上記第２ステータ面（66）における上記突出リング部（56）の上記第２ロータ面（55）とロータ軸方向に対向する部分の面積以上である
ことを特徴とするスラスト磁気軸受。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項において、
上記副ステータ磁極面（64）および上記副ロータ磁極面（53）における入隅部において、上記第１ステータ面（65）および上記第１ロータ面（54）の少なくとも一方は、ロータ径方向に窪む径方向溝（54a,65a）が形成されている
ことを特徴とするスラスト磁気軸受。
【請求項６】
請求項５において、
上記径方向溝（54a,65a）の幅は、上記第２ステータ面（66）と上記第２ロータ面（55）との間のロータ軸方向の距離（δa）以下である
ことを特徴とするスラスト磁気軸受。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項において、
上記副ステータ磁極面（64）および上記副ロータ磁極面（53）における入隅部において、上記第２ステータ面（66）および上記第２ロータ面（55）の少なくとも一方は、ロータ軸方向に窪む軸方向溝（55a,66a）が形成されている
ことを特徴とするスラスト磁気軸受。
【請求項８】
請求項７において、
上記軸方向溝（55a,66a）の幅は、上記第１ステータ面（65）と上記第１ロータ面（54）との間のロータ径方向の距離（δr）以下である
ことを特徴とするスラスト磁気軸受。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のスラスト磁気軸受（50）と、
上記スラスト磁気軸受（50）の上記ロータ（51）、および流体を圧縮するためのインペラ（30）が固定され、該インペラ（30）を回転駆動する駆動軸（21）とを備える
ことを特徴とするターボ圧縮機。