特許 7595813 回転機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-28

(45)【発行日】2024-12-06

(54)【発明の名称】回転機

(51)【国際特許分類】

   H02K 7/09 20060101AFI20241129BHJP

   H02K 1/22 20060101ALI20241129BHJP

【ＦＩ】

H02K7/09

H02K1/22 B

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2024529226

(86)(22)【出願日】2023-12-15

(86)【国際出願番号】 JP2023045095

【審査請求日】2024-05-15

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100118762

【弁理士】

【氏名又は名称】高村 順

(72)【発明者】

【氏名】三好 将仁

(72)【発明者】

【氏名】中村 雄一朗

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 治之

(72)【発明者】

【氏名】元吉 研太

【審査官】服部 俊樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１６３４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０５５６４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１７２７４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－３４７２２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－３２５８５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０３６４９０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ７／０９

Ｈ０２Ｋ １／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸を中心に回転する回転子と、
前記回転子の外周または内周に前記回転子とギャップ部を隔てて配置される固定子と、
少なくとも前記回転子のうち前記回転軸に沿った軸方向の片方に配置されて、軸方向および傾き方向への前記回転子の変位を制限するように前記回転子を支持する支持部材と、
前記回転子、前記固定子および前記支持部材を収容するフレームと、
を備え、
前記回転子および前記固定子のうち少なくとも一方は、鉄心を有し、
前記回転子および前記固定子のうち少なくとも他方は、磁力発生部材を有し、
前記固定子が前記回転子を磁気的に吸引する力によって前記回転子の軸方向および傾き方向への変位を復元するように、前記鉄心と前記磁力発生部材とが配置され、
前記回転子は、前記固定子に対して軸方向に変位した位置で、前記支持部材に支持され、
前記支持部材は、前記フレームに直接固定または他部材を介して間接的に固定され、
前記回転子の軸方向および傾き方向は、前記固定子が前記回転子を非接触で磁気的に吸引する力と、前記回転子を支持する前記支持部材と、によって受動的に安定であり、
前記回転子の半径方向は、前記固定子の巻線に通電することで発生させられる前記固定子に対して前記回転子を非接触で支持する半径方向の支持力によって能動的に安定であることを特徴とする回転機。

【請求項2】

回転軸を中心に回転する回転子と、
前記回転子の外周または内周に前記回転子とギャップ部を隔てて配置される固定子と、
少なくとも前記回転子のうち前記回転軸に沿った軸方向の片方に配置されて、軸方向および傾き方向への前記回転子の変位を制限するように前記回転子を支持する支持部材と、
前記回転子、前記固定子および前記支持部材を収容するフレームと、
を備え、
前記回転子および前記固定子のうち少なくとも一方は、鉄心を有し、
前記回転子および前記固定子のうち少なくとも他方は、磁力発生部材を有し、
前記固定子が前記回転子を磁気的に吸引する力によって前記回転子の軸方向および傾き方向への変位を復元するように、前記鉄心と前記磁力発生部材とが配置され、
前記回転子は、前記固定子に対して軸方向に変位して、前記ギャップ部に面する前記回転子の外周面または内周面のうち軸方向の片側のみに前記固定子と非対向である面が設けられる位置で、前記支持部材に支持され、
前記支持部材は、前記フレームに直接固定または他部材を介して間接的に固定され、
軸方向における前記固定子の位置を基準位置としたときに、前記支持部材は、軸方向のうち前記回転子に働く重力の方向または回転中の前記回転子に働く反作用の力が発生する方向に前記回転子が前記基準位置から変位した位置で前記回転子を支持し、
前記支持部材で発生する支持力は、前記回転子が前記基準位置から軸方向に変位しない位置で支持される場合と比較して、前記固定子と前記回転子との間で非接触で磁気的に発生する軸方向の復元力の負担によって、低下し、
前記回転子の半径方向は、前記固定子の巻線に通電することで発生させられる前記固定子に対して前記回転子を非接触で支持する半径方向の支持力によって能動的に安定であることを特徴とする回転機。

【請求項3】

前記支持部材は、前記回転子に円周状に接触し、
前記支持部材は、前記回転子との摩擦力を低下させる低摩擦部を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転機。

【請求項4】

前記回転子は、周方向に互いに離れた３つ以上の前記支持部材により支持されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転機。

【請求項5】

前記回転軸に沿った軸方向は、鉛直方向に平行であり、
前記支持部材は、前記回転子に対して鉛直方向下方に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転機。

【請求項6】

軸方向における前記固定子の位置を基準位置としたときに、前記支持部材は、軸方向のうち前記回転子に働く重力の方向または回転中の前記回転子に働く反作用の力が発生する方向に前記回転子が前記基準位置から変位した位置で前記回転子を支持し、
前記支持部材で発生する支持力は、前記回転子が前記基準位置から軸方向に変位しない位置で支持される場合と比較して、前記固定子と前記回転子との間で発生する軸方向の復元力の負担によって、低下することを特徴とする請求項１に記載の回転機。

【請求項7】

軸方向における前記支持部材の位置を調整可能な調整部材を備え、
前記支持部材は、前記他部材である前記調整部材を介して、前記フレームに間接的に固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転機。

【請求項8】

前記支持部材の内部には、流体が流れる流路が形成され、
前記支持部材のうち前記回転子の方を向く面には、前記流路から前記回転子に向かって前記流体を流出させるための流出口が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転機。

【請求項9】

前記支持部材のうち前記回転子の方を向く面および前記回転子のうち前記支持部材の方を向く面のいずれか一方には、他方に向かって開口する溝が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転機。

【請求項10】

前記固定子と前記回転子とを半径方向と周方向とに沿って周回する磁路における、前記ギャップ部と前記鉄心とのうち少なくとも一方の、磁束の通りやすさを表す量であるパーミアンスは、軸方向の一方から他方へ向かって一方向に小さくなることを特徴とする請求項１または２に記載の回転機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、回転子が固定子に対して非接触で支持される回転機に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、回転子が固定子に対して非接触で支持される磁気軸受、ベアリングレスモータなどの回転機が知られている。磁気軸受は、固定子に対して回転子を非接触で支持するための支持力を発生させる機能を有する。ベアリングレスモータは、トルクを発生させる電動機としての機能と、固定子に対して回転子を非接触で支持するための支持力を発生させる磁気軸受としての機能と、を同一の磁気回路上に有する。固定子に対して回転子を非接触で支持するためには、回転子の回転軸周りの回転方向を除く５自由度をすべて能動的に制御するか、または、回転子の回転軸周りの回転方向を除く５自由度のうちの一部を能動的に制御せず受動的に安定な構造にする必要がある。

【0003】

５自由度とは、軸方向の１自由度と、半径方向の２自由度と、傾き方向の２自由度とを意味する。軸方向は、回転子の回転軸に平行な方向（Ｚ軸に沿った方向）である。半径方向は、回転子の回転軸に直交する方向であり、Ｚ軸と直交するＸ軸に沿った方向と、Ｚ軸およびＸ軸に直交するＹ軸に沿った方向との２つの方向を含んでいる。傾き方向は、Ｘ軸周りの回転方向（θ_x）と、Ｙ軸周りの回転方向（θ_y）との２つの方向である。受動的に安定とは、回転子の位置を検出して電流の値を制御しなくても、回転子が特定の位置に戻ろうとすることを意味する。

【0004】

一般的に、２自由度制御型の回転機は、上記した５自由度のうち半径方向（Ｘ軸に沿った方向およびＹ軸に沿った方向）の２自由度のみについて、センサで回転子の位置を検出し、かつ、検出した位置と目標の位置とが一致するように、半径方向への回転子の支持力を調整する。つまり、２自由度制御型の回転機は、半径方向のみについて能動的に制御し、軸方向および傾き方向の３自由度については能動的に制御せず受動的に安定な構造にしている。

【0005】

軸方向および傾き方向の３自由度について受動的に安定な構造にするための技術として、回転子の永久磁石と固定子の鉄心との間に発生する吸引力を利用する技術が知られている。例えば、特許文献１には、軸方向の１自由度において回転子が理想的な位置から変位する場合には、回転子の永久磁石と固定子の鉄心との間で流れる磁束により、固定子が回転子を磁気的に吸引する力が発生し、回転子の軸方向の変位を戻す復元力が回転子に働く技術が記載されている。また、特許文献１には、傾き方向の２自由度において回転子が理想的な位置から傾く場合には、回転子の永久磁石と固定子の鉄心との間で流れる磁束により、固定子が回転子を磁気的に吸引する力が発生し、回転子の傾きを戻す復元トルクが回転子に働く技術が記載されている。復元力は、回転子の軸方向の変位に比例して大きくなる。復元トルクは、回転子のＸ軸周りの変位およびＹ軸周りの変位に比例して大きくなる。以下、回転子の軸方向の変位、回転子のＸ軸周りの変位および回転子のＹ軸周りの変位を、回転子の変位と総称する場合もある。

【0006】

上記したいずれの場合でも、回転子は、理想的な位置に整列した状態へ向けて動くことになる。その結果、軸方向および傾き方向の３自由度については、永久磁石から発生する磁束により、回転子の剛性を確保することができる。このように軸方向および傾き方向に対して回転子を正剛性とすることで、軸方向および傾き方向の３自由度については受動的に安定な構造にすることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２００５－１２１１５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

特許文献１に開示された技術では、回転子の軸方向および傾き方向の安定性を、永久磁石から発生する磁束による復元力および復元トルクのみに依存している。しかしながら、特許文献１に開示された技術のように、回転子の変位に比例した復元力および復元トルクが発生するだけでは、軸方向および傾き方向への回転子の振動が発生した場合に、回転子の振動を抑制することができないという問題がある。

【0009】

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、回転子の軸方向および傾き方向の３自由度について受動的に安定な構造にしつつ、軸方向および傾き方向への回転子の振動を抑制することができる回転機を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかる回転機は、回転軸を中心に回転する回転子と、回転子の外周または内周に回転子とギャップ部を隔てて配置される固定子と、少なくとも回転子のうち回転軸に沿った軸方向の片方に配置されて、軸方向および傾き方向への回転子の変位を制限するように回転子を支持する支持部材と、回転子、固定子および支持部材を収容するフレームと、を備えている。回転子および固定子のうち少なくとも一方は、鉄心を有している。回転子および固定子のうち少なくとも他方は、磁力発生部材を有している。固定子が回転子を磁気的に吸引する力によって回転子の軸方向および傾き方向への変位を復元するように、鉄心と磁力発生部材とが配置されている。回転子は、固定子に対して軸方向に変位した位置で、支持部材に支持されている。支持部材は、フレームに直接固定または他部材を介して間接的に固定されている。回転子の軸方向および傾き方向は、固定子が回転子を非接触で磁気的に吸引する力と、回転子を支持する支持部材と、によって受動的に安定である。回転子の半径方向は、固定子の巻線に通電することで発生させられる固定子に対して回転子を非接触で支持する半径方向の支持力によって能動的に安定である。

【発明の効果】

【0011】

本開示にかかる回転機は、回転子の軸方向および傾き方向の３自由度について受動的に安定な構造にしつつ、軸方向および傾き方向への回転子の振動を抑制することができる、という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施の形態１にかかる回転機の構成を示した斜視図

【図2】実施の形態１にかかる回転機の構成を示した断面図であって、回転子に働く半径方向の支持力を説明するための図

【図3】実施の形態１にかかる回転機の構成を示した断面図であって、回転子に働く軸方向の力を説明するための図

【図4】実施の形態１の第１の変形例にかかる回転機の構成を示した断面図

【図5】実施の形態１の第２の変形例にかかる回転機の構成を示した断面図

【図6】実施の形態２にかかる回転機の構成を示した斜視図

【図7】実施の形態３にかかる回転機の構成を示した断面図

【図8】実施の形態３の変形例にかかる回転機の構成を示した断面図

【図9】実施の形態４にかかる回転機の支持部材の構成を示した斜視図

【図10】実施の形態４の変形例にかかる回転機の回転子の構成を示した図であって、回転子を軸方向に沿って見たときの図

【図11】実施の形態５にかかる回転機の固定子鉄心の一部の構成を示した斜視図

【図12】実施の形態５にかかる回転機の構成を示した断面図であって、回転子に働く軸方向の力を説明するための図

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下に、実施の形態にかかる回転機を図面に基づいて詳細に説明する。

【0014】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる回転機１００の構成を示した斜視図である。図１では、理解の容易化のために、回転機１００を軸方向に沿って半分に切った状態を示している。図１では、断面ハッチングを省略している。図１に示すように、回転機１００は、回転子１と、固定子２と、支持部材３とを備えている。図示は省略するが、回転機１００は、回転子１、固定子２および支持部材３を収容するフレーム、回転子１の中心に設けられるシャフトなどを備えている。回転子１は、回転軸ＡＸを中心に固定子２に対して回転する。

【0015】

以下、回転機１００の各構成要素について方向を説明するときには、回転軸ＡＸに平行な方向を軸方向、回転軸ＡＸに直交する方向を半径方向、回転軸ＡＸを中心とする回転方向を周方向とする。各図に示されるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに垂直な３軸である。Ｚ軸は、回転軸ＡＸに平行である。Ｚ軸に沿った方向（Ｚ軸方向）は、軸方向に平行である。Ｘ軸およびＹ軸は、回転軸ＡＸに直交する。Ｘ軸に沿った方向（Ｘ軸方向）は、軸方向に直交する１つの方向であり、半径方向に含まれる方向である。Ｙ軸に沿った方向（Ｙ軸方向）は、軸方向に直交する１つの方向であり、半径方向に含まれる方向である。以下、Ｘ軸方向とＹ軸方向とを区別しない場合には、ＸＹ軸方向と総称する。また、Ｘ軸周りの回転方向θ_xとＹ軸周りの回転方向θ_ｙとを区別しない場合には、傾き方向と総称する。各軸のうち、矢印の方向をプラス向き、矢印とは逆の方向をマイナス向きとする。本実施の形態では、回転軸ＡＸに沿った方向が鉛直方向に平行な場合を例示する。本実施の形態では、Ｚ軸のうちプラス向きを鉛直方向上方、Ｚ軸のうちマイナス向きを鉛直方向下方とする。

【0016】

回転子１は、回転軸ＡＸを中心に回転する。回転子１は、回転子鉄心１ａと、複数の永久磁石１ｂとを有している。回転子鉄心１ａの形状は、本実施の形態では円筒形状である。回転子鉄心１ａの中心には、軸方向に延びる貫通孔１ｃが形成されている。貫通孔１ｃには、図示しないシャフトが配置される。

【0017】

複数の永久磁石１ｂは、回転子鉄心１ａの外周に配置されている。複数の永久磁石１ｂは、周方向に等角度で配置されている。磁力発生部材である永久磁石１ｂは、磁力により回転子鉄心１ａに固定されてもよいし、接着剤などの固定部材により回転子鉄心１ａに固定されてもよい。永久磁石１ｂは、本実施の形態では回転子鉄心１ａの表面に貼り付けられているが、回転子鉄心１ａの内部に埋め込まれてもよい。

【0018】

固定子２は、回転子１の外周に回転子１とギャップ部４を隔てて配置されている。固定子２は、鉄心である固定子鉄心２ａと、複数の巻線２ｂとを有している。固定子鉄心２ａと巻線２ｂとは、磁力発生部材である電磁石を構成している。

【0019】

固定子鉄心２ａの形状は、本実施の形態では円筒形状である。固定子鉄心２ａは、周方向に並べられて配置された複数のティース２ｃと、複数のティース２ｃを各ティース２ｃの外周部で連結するバックヨーク部２ｄとを有している。複数のティース２ｃは、回転軸ＡＸを中心に放射状に配置されている。複数のティース２ｃは、周方向に等角度で配置されている。バックヨーク部２ｄは、円筒形状に形成されている。

【0020】

巻線２ｂは、複数のティース２ｃのそれぞれに巻回されている。巻線２ｂは、回転子１を周方向に回転させるための磁界を発生させる。

【0021】

支持部材３は、少なくとも回転子１のうち回転軸ＡＸに沿った軸方向の片方に配置されて、軸方向および傾き方向への回転子１の変位を制限するように回転子１を支持する部材である。本実施の形態では、回転軸ＡＸに沿った軸方向が鉛直方向に平行であり、支持部材３は、回転子１に対して鉛直方向下方に配置されている。支持部材３の形状は、本実施の形態では円筒形状であるが、回転子１を支持可能であれば特に制限されない。支持部材３の形状は、本実施の形態では中空形状であるが、中実形状であってもよい。支持部材３は、図示しないフレームに固定されている。図１では、支持部材３と回転子１との違いを明確にするため、支持部材３の内径を回転子１の内径よりも小さくした状態を示しているが、図示の例に限定されない。支持部材３の内径が回転子１の内径より大きくてもよいし、支持部材３の内径が回転子１の内径と同径であってもよい。

【0022】

支持部材３は、回転子１を支持する支持面３ａを有している。支持面３ａは、回転子１の軸方向の片面に円周状に接触している。支持部材３は、回転子１との摩擦力を低下させる低摩擦部を備えている。支持部材３の材料が回転子１と比較して摩擦係数の低い材料であることにより、支持部材３の全体または一部（支持部材３のうち回転子１に接触する部分）に低摩擦部が形成されてもよいし、支持部材３のうち回転子１に接触する部分に塗布された潤滑剤が低摩擦部を構成してもよい。摩擦係数の低い材料としては、例えば、テフロン（登録商標）が挙げられる。潤滑剤としては、例えば、グリスが挙げられる。

【0023】

回転子１は、固定子２に対して軸方向に変位した位置で、支持部材３に支持されている。回転子１は、本実施の形態では、固定子２に対して鉛直方向下方に沈み込んだ位置で、支持部材３に支持されている。固定子２が回転子１を磁気的に吸引する力によって回転子１の軸方向および傾き方向への変位を復元するように、固定子鉄心２ａと永久磁石１ｂとが配置されている。また、固定子２が回転子１を磁気的に吸引する力によって回転子１の軸方向および傾き方向への変位を復元するように、回転子鉄心１ａと電磁石とが配置されている。すなわち、回転子１の永久磁石１ｂによる磁束が、固定子２の電磁石による磁束に置き換わった場合でも、同様に、回転子１の軸方向および傾き方向への変位を復元しようとする力が回転子１に働く。

【0024】

ここで、図２を参照して、回転子１に働く半径方向（ＸＹ軸方向）の支持力について説明する。図２は、実施の形態１にかかる回転機１００の構成を示した断面図であって、回転子１に働く半径方向の支持力を説明するための図である。図２を含む各断面図は、軸方向に沿った断面図である。Ｎ極の永久磁石１ｂとＳ極の永久磁石１ｂとを回転子鉄心１ａの表面に周方向に交互に配置する場合の極数をｐとする。固定子２の巻線２ｂに通電すること、すなわち固定子２の巻線２ｂに変動電流ｉを流すことにより、極数ｐの磁界が発生する。通電する電流の位相を変えて極数ｐの磁界を回転させると、極数ｐの磁界の回転に引き付けられて回転子１も回転する。これにより、トルクが発生して、回転子１の回転速度および角度を制御することができる。また、極数ｐ±２の磁界を発生させると、ギャップ部４において磁束７ａの密度が増加する角度と磁束７ａの密度が減少する角度とが発生する。この磁束７ａの密度の差により、回転子１が固定子２に対して半径方向に磁気的に吸引される力である半径方向（ＸＹ軸方向）の支持力が発生する。これにより、固定子２に対して回転子１を非接触で支持することができる。

【0025】

回転機１００が表面磁石型ベアリングレスモータなどの一般的なベアリングレスモータであれば、上記したように、極数ｐ±２の磁界を発生させると、ギャップ部４において磁束７ａの密度が増加する角度と磁束７ａの密度が減少する角度とが発生して、半径方向（ＸＹ軸方向）の支持力が発生する。一方で、回転機１００が、Ｎ極またはＳ極のうち一方だけの永久磁石１ｂが突極の回転子鉄心１ａの間に貼り付けられたコンシクエントポール型のベアリングレスモータ、突極の回転子鉄心１ａと軸方向に着磁された永久磁石１ｂとが使用されるホモポーラ型のベアリングレスモータなどであれば、極数２の磁界を発生させると、ギャップ部４において磁束７ａの密度が増加する角度と磁束７ａの密度が減少する角度とが発生して、半径方向（ＸＹ軸方向）の支持力が発生する。

【0026】

次に、図３を参照して、回転子１に働く軸方向の力について説明する。図３は、実施の形態１にかかる回転機１００の構成を示した断面図であって、回転子１に働く軸方向の力を説明するための図である。図３では、重力ｍｇが回転子１に働く場合を示している。

【0027】

回転子１は、重力ｍｇによって固定子２に対して鉛直方向下方、すなわち軸方向に変位している。このため、回転子１と固定子２との一部同士は半径方向に向かい合わず、回転子１と固定子２との間を斜めに通過する磁束７ｂが発生する。図３では、回転子１が固定子２に対して鉛直下方に変位しているため、回転子１から出て固定子２のティース２ｃの先端部の下面に斜めに入る磁束７ｂを示している。ここで、固定子２に対する回転子１の軸方向変位をｚ(ｚ＜０)とし、回転子１の軸方向の剛性をｋｚとする。

【0028】

回転子１が固定子２に対して軸方向に変位している場合には、回転子１の軸方向変位ｚとは逆方向に復元力ｆ１が発生する。詳しくは、回転子１と固定子２との間を斜めに通過する磁束７ｂにより、回転子１を軸方向の磁気的な中心、すなわち回転子１をｚ＝０の位置に戻そうとする復元力ｆ１が発生する。復元力ｆ１は、回転子１の軸方向変位ｚに比例して大きくなる。上記したように、回転子１の軸方向の剛性をｋｚとすると、ｆ１＝－ｋｚ×ｚとなる。回転子１の軸方向の剛性ｋｚに負の符号がつくことは、回転子１の変位方向とは逆方向に回転子１が固定子２に吸引されることを意味する。復元力ｆ１は、回転子１を軸方向に支持する磁気的な力であり、図示の例では回転子１を鉛直方向上方に移動させようとする力である。

【0029】

また、支持部材３によっても回転子１が軸方向に支持されている。回転子１が支持部材３により軸方向に支持される力を支持力ｆ２とする。支持力ｆ２は、重力ｍｇのうち復元力ｆ１で支持しきれなかった残りの成分と等しいため、下記式（１）が成り立つ。
ｆ２＝ｍｇ－ｆ１・・・（１）

【0030】

一方、回転子１が固定子２に対して軸方向に変位していない場合、すなわちｚ＝０の場合を想定すると、復元力ｆ１＝０となる。このとき、下記式（２）が成り立つ。
ｆ２＝ｍｇ・・・（２）

【0031】

したがって、上記式（１），（２）より、固定子２に対する回転子１の軸方向変位ｚを負の値にして、その絶対値をより大きくすることにより、すなわち回転子１に働く重力ｍｇの方向への（Ｚ軸方向のマイナス向きへの）回転子１の変位量を大きくすることにより、復元力ｆ１を増加させることができる。これにより、復元力ｆ１で重力ｍｇの大半を支持でき、残りの成分である支持力ｆ２を減少させることができる。なお、支持力ｆ２は、回転子１が支持部材３により傾き方向に支持される力でもある。すなわち、支持力ｆ２は、回転子１が支持部材３により軸方向および傾き方向に支持される力である。

【0032】

図示は省略するが、回転子１が固定子２に対して傾き方向に変位している場合には、回転子１の傾き方向の変位とは逆方向に復元トルクが発生する。詳しくは、回転子１と固定子２との間を斜めに通過する磁束７ｂにより、回転子１を傾き方向の磁気的な中心に戻そうとする復元トルクが発生する。復元トルクは、回転子１の傾き方向の変位に比例して大きくなる。本実施の形態では、回転子１の軸方向および傾き方向の３自由度については、回転子１の位置を検出して電流の値を制御しなくても、軸方向および傾き方向に変位した回転子１が軸方向および傾き方向の磁気的な中心に戻ろうとする復元力および復元トルクがギャップ部４にて発生するため、受動的に安定な構造にすることができる。ギャップ部４にて、トルクや半径方向の支持力と、復元力ｆ１および復元トルクとが発生するため、トルクや半径方向の支持力が発生する部位と復元力ｆ１および復元トルクが発生する部位とを分けた場合よりも、回転機１００の小型化および軽量化を図ることができる。

【0033】

次に、本実施の形態にかかる回転機１００の効果について説明する。

【0034】

本実施の形態では、図３に示すように、固定子２が回転子１を磁気的に吸引する力によって回転子１の軸方向および傾き方向への変位を復元するように、固定子鉄心２ａと磁力発生部材である永久磁石１ｂとが配置されている。また、本実施の形態では、固定子２が回転子１を磁気的に吸引する力によって回転子１の軸方向および傾き方向への変位を復元するように、回転子鉄心１ａと磁力発生部材である電磁石とが配置されている。また、本実施の形態では、回転機１００は、少なくとも回転子１のうち回転軸ＡＸに沿った軸方向の片方に配置されて、軸方向および傾き方向への回転子１の変位を制限するように回転子１を支持する支持部材３を備えている。これらの構成により、回転子１の変位に比例して発生する復元力および復元トルクに加えて、支持部材３で回転子１を軸方向および傾き方向に支持することができる。このため、軸方向への回転子１の更なる変位および傾き方向への回転子１の変位が抑制される。これにより、軸方向および傾き方向への回転子１の振動を抑制することができる。

【0035】

例えば、回転機１００の外部から回転子１に衝撃が加わった場合に回転子１に発生する振動を抑制することができるし、回転子１に発生した振動の持続を抑制することもできる。また、回転子１の剛性と回転子１の質量および慣性モーメントとにより決定される、回転子１の振動が発生しやすい周波数があり、この周波数の値と回転子１の回転数とが一致したときでも、共振現象を回避して回転子１の振動を抑制することができる。従来では、共振現象を回避するように回転子１を回転させることに注意を払う必要があったが、本実施の形態では、支持部材３を用いることによって共振現象を回避することに注意を払うことなく広い運転範囲で回転子１を回転させることができる。以上のように、本実施の形態では、回転子１の軸方向および傾き方向の３自由度について受動的に安定な構造にしつつ、軸方向および傾き方向への回転子１の振動を抑制することができる回転機１００が得られる。

【0036】

本実施の形態では、図３に示すように、回転子１は、固定子２に対して軸方向に変位した位置で、支持部材３に支持されている。この構成により、復元力ｆ１を増加させて、支持力ｆ２を減少させることができる。例えば、図３に示される復元力ｆ１と支持力ｆ２との比を、例えば、９：１、１９：１にして、支持力ｆ２を０に近い値にしてもよい。このように支持力ｆ２を減少させることにより、回転子１の回転時に支持部材３で発生する摩擦熱が大幅に低下する。また、支持力ｆ２を減少させることにより、支持部材３の摩耗が減るため、支持部材３を交換する頻度を減らして、回転機１００を長期間に亘って運転させることができる。また、支持力ｆ２を減少させることにより、回転子１と支持部材３とが物理的に接触することにより発生するトルクの損失を低減させて、回転機１００全体の運転効率を向上させることができる。これにより、支持部材３がない場合と比較して、トルクの損失および回転機１００全体の運転効率をほぼ同等にしながら、軸方向および傾き方向への回転子１の振動を抑制することができる。

【0037】

本実施の形態では、図３に示すように、支持部材３は、回転子１に円周状に接触している。この構成により、支持部材３が回転子１の全周に亘って回転子１を支持するため、軸方向への回転子１の更なる変位および傾き方向への回転子１の変位をより一層抑制することができる。

【0038】

本実施の形態では、図３に示される支持部材３は、回転子１との摩擦力を低下させる低摩擦部を備えている。この構成により、回転子１と支持部材３との間に発生する摩擦力を低下させて、上記段落００３６に記載した支持力ｆ２を減少させた場合の効果と同じ効果を奏することができる。

【0039】

従来、磁気軸受として機能する反発磁石を固定子と回転子とのそれぞれに配置して、反発磁石同士の間に発生する反発力を利用して、回転子の軸方向および傾き方向の３自由度について受動的に安定な構造にする技術が知られている。当該従来技術では、反発磁石の着磁状態、反発磁石の取付精度などによって反発性能が左右される問題、反発磁石による寸法およびコストが増加する問題、温度上昇によって反発磁石の性能劣化、反発磁石の熱減磁などが起こる問題がある。この点、本実施の形態では、図３に示すように、回転子１は、固定子２に対して軸方向に変位した位置で、支持部材３に支持されているため、反発磁石は不要である。すなわち、本実施の形態では、固定子２が回転子１を磁気的に吸引する力を発生させて、回転子１の軸方向および傾き方向の３自由度について受動的に安定な構造にすることができるため、反発磁石は不要である。これにより、本実施の形態では、上記した問題の発生を抑制することができる。

【0040】

図３に示される回転機１００において、反発磁石を用いて回転子１を固定子２に対して鉛直方向下方に反発させ、重力ｍｇと反発力との和を支持力ｆ２で支える方法が考えられる。しかしながら、当該方法では、支持力ｆ２は、回転子１の重力ｍｇを超える力となる。このため、支持部材３で発生する摩擦熱の増加、支持部材３の摩耗の増加、支持部材３の寿命の低下、トルクの損失の増加が起こる問題がある。この点、本実施の形態では、固定子２と回転子１との間で発生する復元力ｆ１により、支持力ｆ２が回転子１の重力ｍｇよりも小さくなるため、上記した問題の発生を抑制することができる。

【0041】

次に、実施の形態１の変形例について説明する。

【0042】

本実施の形態では、図１に示すように、回転子１が固定子２の内周に配置されるインナーロータ型の回転機１００であるが、回転子１が固定子２の外周に配置されるアウターロータ型の回転機１００であってもよい。

【0043】

本実施の形態では、図１に示すように、回転子１の回転軸ＡＸ（Ｚ軸）は、鉛直方向に平行であるが、回転機１００全体を鉛直方向に対して傾かせて、回転子１の回転軸ＡＸと鉛直方向とに角度差があってもよい。すなわち、回転子１の回転軸ＡＸが鉛直方向に対して傾斜してもよい。

【0044】

本実施の形態では、図３に示すように、回転子１に働く重力ｍｇを想定して、回転子１に働く重力ｍｇのうち一部を支持部材３で支持する場合を例示したが、重力ｍｇ以外の力のうち一部を支持部材３で支持することもできる。例えば、ファン、ポンプなどの負荷を回転子１に取り付けることがある。このとき、ファン、ポンプなどの負荷で流体を送り出す際の反作用の力が、回転子１に働く。これにより、固定子２に対する回転子１の軸方向変位ｚが発生する。このため、回転子１に働く反作用の力のうち一部を支持部材３で支持するようにしてもよい。また、重力ｍｇと反作用の力とが回転子１に働く場合には、回転子１に働く重力ｍｇおよび反作用の力のうち一部を支持部材３で支持するようにしてもよい。なお、回転子１の軸方向が水平方向に平行であっても、反作用の力は発生する。つまり、回転子１の回転軸ＡＸが水平方向に平行であっても、固定子２に対する回転子１の軸方向変位ｚが発生する場合があるため、回転子１の回転軸ＡＸは水平方向に平行であってもよい。また、軸方向における固定子２の位置を基準位置としたときに、支持部材３は、軸方向のうち回転子１に働く重力ｍｇの方向または回転中の回転子１に働く反作用の力が発生する方向に回転子１が基準位置から変位した位置で回転子１を支持していればよい。このようにすると、支持部材３で発生する支持力ｆ２は、回転子１が基準位置から軸方向に変位しない位置で支持される場合と比較して、固定子２と回転子１との間で発生する軸方向の復元力ｆ１の負担によって、低下する。

【0045】

本実施の形態では、図１に示すように、回転子１が永久磁石１ｂを有し、固定子２が鉄心である固定子鉄心２ａを有する場合を例示したが、回転子１が鉄心を有し、固定子２が永久磁石を有していてもよい。すなわち、磁気回路上に永久磁石を配置することにより、固定子２が回転子１を磁気的に吸引する力によって回転子１の軸方向および傾き方向への変位を復元する場合には、回転子１および固定子２のうち少なくとも一方は、鉄心を有し、回転子１および固定子２のうち少なくとも他方は、永久磁石を有していればよい。

【0046】

本実施の形態では、回転子１に永久磁石１ｂを設けた回転機１００であるが、回転子１に永久磁石１ｂを設けない回転機１００であってもよい。例えば、回転子鉄心１ａに突極またはスリットを形成することにより、磁束の通りにくさであるリラクタンスが回転子１の回転角度によって変化するシンクロナスリラクタンスモータとなるように回転機１００を変更してもよい。

【0047】

本実施の形態では、図１に示すように、回転子１の形状が中空であるが、中実であってもよい。なお、回転子１の形状が中空である場合には、当該の中空のスペースを、例えば、配線を通す経路として利用してもよいし、流体の流路としてもよい。また、回転子１の形状が中空であることにより、回転機１００全体の軽量化を図ることができる。また、回転子１の形状が中空であることにより、回転子１が発熱した際に中空のスペースに放熱して、回転子１の冷却効果を高めることもできる。

【0048】

本実施の形態では、図２に示すように、半径方向（ＸＹ軸方向）の支持力の増減に寄与する変動電流ｉを巻線２ｂに流すことに加えて、磁気回路上に永久磁石１ｂを配置することにより、回転子１に働く半径方向（ＸＹ軸方向）の支持力を発生させる構成を例示したが、これに限定されない。例えば、図４に示すように、半径方向（ＸＹ軸方向）の支持力の増減に寄与する変動電流ｉを巻線２ｂに流すことに加えて、各巻線２ｂにバイアス電流Ｉを流すことにより、回転子１に働く半径方向（ＸＹ軸方向）の支持力を発生させてもよい。図４は、実施の形態１の第１の変形例にかかる回転機１００Ａの構成を示した断面図である。

【0049】

図４に示される回転子１は、回転子鉄心１ａのみを有しており、永久磁石１ｂを有していない。回転子１には、リラクタンスの差がない。固定子鉄心２ａと巻線２ｂとは、電磁石を構成している。ここでは、Ｘ軸方向の支持力を発生させる場合について説明する。Ｘ軸方向のプラス向きに位置するティース２ｃには、巻線２ｂ１が巻かれている。Ｘ軸方向のマイナス向きに位置するティース２ｃには、巻線２ｂ２が巻かれている。巻線２ｂ１には、バイアス電流Ｉと変動電流ｉとの和であるＩ＋ｉ(Ａ：Ampere)の電流を流し、巻線２ｂ２には、バイアス電流Ｉと変動電流ｉとの差であるＩ－ｉ(Ａ：Ampere)の電流を流す。このとき、ギャップ部４において磁束７ａの密度を増減させることができる。

【0050】

また、電流と磁束７ａの密度とは比例すること、および、力は磁束７ａの密度の２乗に比例することを考慮すれば、定数をｋとすると、回転子１のうちＸ軸方向のプラス向きに位置するギャップ部４に臨む面に働く力は、ｋ（Ｉ＋ｉ）²となり、回転子１のうちＸ軸方向のマイナス向きに位置するギャップ部４に臨む面に働く力は、ｋ（Ｉ－ｉ）²となる。この両者の力の差は、４×ｋ×Ｉ×ｉとなる。したがって、回転子１は、Ｘ軸方向のプラス向きに４×ｋ×Ｉ×ｉの力を受ける。つまり、各巻線２ｂ１，２ｂ２にバイアス電流Ｉを流した上で、各巻線２ｂ１，２ｂ２に流す変動電流ｉを調整すると、変動電流ｉの大きさに比例するＸ軸方向の支持力を発生させることができる。Ｙ軸方向にも支持力を発生させたい場合は、Ｘ軸方向の支持力を発生させる場合と同じように、別の巻線２ｂに流す変動電流ｉを調整すればよい。これにより、回転機１００Ａは、半径方向（ＸＹ軸方向）の支持力を発生させる磁気軸受として機能する。

【0051】

本変形例では、固定子２が回転子１を磁気的に吸引する力によって回転子１の軸方向および傾き方向への変位を復元するように、回転子鉄心１ａと磁力発生部材である電磁石とが配置される。この構成により、本変形例においても、実施の形態１と同じように、回転子１の軸方向および傾き方向の３自由度については、回転子１の位置を検出して電流の値を制御しなくても、軸方向および傾き方向に変位した回転子１が軸方向および傾き方向の磁気的な中心に戻ろうとする復元力および復元トルクが発生するため、受動的に安定な構造にすることができる。また、本変形例においても、実施の形態１と同じように、支持部材３によって軸方向および傾き方向への回転子１の振動を抑制することができる。なお、回転子１および固定子２のうち少なくとも一方は、鉄心を有し、回転子１および固定子２のうち少なくとも他方は、磁力発生部材を有していればよい。また、回転子１は、磁力発生部材として、永久磁石１ｂと電磁石との両方を有していてもよい。当該構成の場合、電磁石は、例えば、回転子鉄心１ａと、回転子鉄心１ａに巻回される巻線とで構成される。

【0052】

図５に示すように、回転機１００Ｂは、軸方向における支持部材３の位置を調整可能な調整部材５を備えていてもよい。図５は、実施の形態１の第２の変形例にかかる回転機１００Ｂの構成を示した断面図である。図５には、フレーム６が図示されている。フレーム６の形状は、軸方向の両端部が開口する筒形状である。フレーム６は、周壁部６ａと、軸端壁６ｂとを有している。周壁部６ａは、周方向に延びる筒形状の部分である。周壁部６ａの軸方向の一端部は、開口している。周壁部６ａの軸方向の他端部は、軸端壁６ｂにより閉塞されている。軸端壁６ｂには、図示しないシャフトが挿入される孔６ｃが形成されている。

【0053】

固定子２は、フレーム６の周壁部６ａの内周面に嵌め込まれて固定されている。支持部材３は、調整部材５を介して、フレーム６の軸端壁６ｂに固定されている。調整部材５は、例えば、ネジである。調整部材５は、フレーム６の軸端壁６ｂの外面から内面に亘って軸端壁６ｂを軸方向に貫通している。調整部材５の先端部は、支持部材３に差し込まれている。調整部材５であるネジを回転させることにより、軸方向における支持部材３の位置が変更される。

【0054】

本変形例では、調整部材５であるネジを回転させることにより、軸方向における支持部材３の位置を調整することができる。このため、支持部材３が回転子１を支持する位置、すなわち回転子１の軸方向変位ｚを調整することができる。これにより、復元力ｆ１と支持力ｆ２との比を容易に変更することができる。例えば、支持力ｆ２の値を、軸方向および傾き方向への回転子１の振動を引き起こしにくい範囲であって、かつ、最も小さい値に変更することができる。また、本変形例では、ファン、ポンプなどの負荷を回転子１に取り付けて回転子１全体の重力ｍｇが変化する場合、または、ファン、ポンプなどの負荷から流体を送り出す際に回転子１に反作用の力が働く場合でも、回転機１００Ｂ全体を分解または交換することなく、復元力ｆ１と支持力ｆ２との比を迅速かつ容易に変更することができる。このため、回転子１全体の重力ｍｇの変化または回転子１に働く反作用の力による回転子１の振動の発生を抑制して、回転子１を回転させることができる。なお、調整部材５を省略してもよい。

【0055】

実施の形態２．
次に、図６を参照して、実施の形態２にかかる回転機１００Ｃについて説明する。図６は、実施の形態２にかかる回転機１００Ｃの構成を示した斜視図である。本実施の形態では、回転機１００Ｃが複数の支持部材３を備えている点が、上記した実施の形態１と相違する。なお、実施の形態２では、上記した実施の形態１と重複する部分については、同一符号を付して説明を省略する。図６では、理解の容易化のために、回転機１００Ｃを軸方向の片方から見た状態を図示している。

【0056】

回転機１００Ｃは、３つの支持部材３を備えている。各支持部材３の形状は、本実施の形態では円柱状であるが、回転子１を支持可能であれば特に制限されない。以下、３つの支持部材３を区別する場合には、支持部材３Ａ、支持部材３Ｂ、支持部材３Ｃと称する。３つの支持部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、周方向に互いに離れて配置されている。３つの支持部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、周方向に等角度で配置されている。３つの支持部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、周方向に１２０度間隔で配置されている。３つの支持部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃのそれぞれは、回転子１を支持している。換言すると、回転子１は、周方向に互いに離れた３つの支持部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃにより支持されている。

【0057】

次に、本実施の形態にかかる回転機１００Ｃの効果について説明する。

【0058】

本実施の形態では、回転子１は、周方向に互いに離れた３つの支持部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃにより支持されている。この構成により、本実施の形態では、３つの支持部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃのそれぞれで、回転子１が支持部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃのそれぞれにより軸方向および傾き方向に支持される力である支持力ｆ２１，ｆ２２，ｆ２３が発生する。このため、軸方向への回転子１の更なる変位および傾き方向への回転子１の変位が抑制される。これにより、軸方向および傾き方向への回転子１の振動を抑制することができる。なお、支持力ｆ２１，ｆ２２，ｆ２３の作用点は、周方向に等角度で位置することが好ましく、本実施の形態では周方向に１２０度間隔で位置する。このようにすると、軸方向への回転子１の更なる変位および傾き方向への回転子１の変位をより一層抑制することができる。

【0059】

本実施の形態では、実施の形態１と同じように、回転子１は固定子２に対して鉛直方向下方に変位しており、回転子１は固定子２に対して鉛直方向下方に沈み込んだ位置で支持部材３に支持されている。このため、回転子１に働く重力ｍｇを支持する力は、固定子２が回転子１を磁気的に吸引する力である復元力ｆ１と、回転子１が各支持部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃのそれぞれにより軸方向に支持される力である支持力ｆ２１，ｆ２２，ｆ２３を足した支持力ｆ２との和になる。支持力ｆ２１，ｆ２２，ｆ２３は、重力ｍｇのうち復元力ｆ１で支持しきれなかった残りの成分と等しいため、下記式（３）が成り立つ。
ｆ２１＋ｆ２２＋ｆ２３＝ｍｇ－ｆ１・・・（３）

【0060】

したがって、上記式（３）より、固定子２に対する回転子１の軸方向変位ｚを負の値にして、その絶対値をより大きくするほど、復元力ｆ１を増加させることができるため、支持力ｆ２を減少させることができる。これにより、上記段落００３６に記載した支持力ｆ２を減少させた場合の効果と同じ効果を奏することができる。

【0061】

本実施の形態では、回転子１は、周方向に互いに離れた３つの支持部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃにより支持されている。この構成により、１つの支持部材３を用いる場合と比較して、各支持部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃの小型化および軽量化を図ることができる。また、３つの支持部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃのうちの一部に不具合が発生したときに、不具合が発生したものだけを交換すればよいため、交換にかかる費用を削減することができる。

【0062】

次に、実施の形態２の変形例について説明する。

【0063】

本実施の形態では、支持部材３の数が３つであるが、４つ以上でもよい。すなわち、本実施の形態の回転子１は、周方向に互いに離れた３つ以上の支持部材３により支持されていればよい。軸方向における支持部材３の位置にばらつきがあると、例えば、４つ以上の支持部材３のうち３つが回転子１を支持し、残りの支持部材３が回転子１を支持しない現象が起こることがある。仮に、回転子１を支持している支持部材３のうちいずれかが摩耗または欠損により支持機能を失ったとしても、支持部材３の数が４つ以上あれば、回転子１を支持していなかった支持部材３を含む３つ以上の支持部材３が新たに回転子１を支持するようになる。これにより、支持部材３の冗長性を確保して、回転機１００Ｃの信頼性を高めることができる。

【0064】

３つの支持部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃのそれぞれは、実施の形態１と同じように、回転子１との摩擦力を低下させる低摩擦部を備えていてもよい。このようにすると、回転子１と支持部材３との間に発生する摩擦力を減少させて、上記段落００３６に記載した支持力ｆ２を減少させた場合の効果と同じ効果を奏することができる。

【0065】

実施の形態３．
次に、図７を参照して、実施の形態３にかかる回転機１００Ｄについて説明する。図７は、実施の形態３にかかる回転機１００Ｄの構成を示した断面図である。本実施の形態では、支持部材３が回転子１を支持する静圧軸受として機能する点が、上記した実施の形態１，２と相違する。なお、実施の形態３では、上記した実施の形態１，２と重複する部分については、同一符号を付して説明を省略する。

【0066】

支持部材３は、単一の部材である。支持部材３の内部には、流体が流れる流路３ｂが形成されている。図７の符号８は、流体の流れを模式的に示している。流体は、気体でもよいし、液体でもよい。気体としては、例えば、空気が挙げられる。液体としては、例えば、水、油が挙げられる。支持部材３の形状は、例えば、中空の円板状であるが、流体を回転子１に向かって流出可能であれば特に制限されない。支持部材３の外周面３ｃには、流路３ｂに流体を流入させるための流入口３ｆが形成されている。支持部材３のうち回転子１の方を向く面３ｄには、流路３ｂから回転子１に向かって流体を流出させるための流出口３ｇが形成されている。流出口３ｇの形状は、周方向に延びる円周状である。流出口３ｇから回転子１に向かって流出する流体は、回転子１を軸方向および傾き方向に支持している。流出口３ｇから回転子１に向かって流出する流体は、回転子１を円周状に支持している。換言すると、流出口３ｇから回転子１に向かって流出する流体は、回転子１の全周に亘って回転子１を支持している。本実施の形態では、支持部材３が回転子１を支持する静圧軸受として機能する。

【0067】

次に、本実施の形態にかかる回転機１００Ｄの効果について説明する。

【0068】

本実施の形態では、支持部材３の内部には、流体が流れる流路３ｂが形成され、支持部材３のうち回転子１の方を向く面３ｄには、流路３ｂから回転子１に向かって流体を流出させるための流出口３ｇが形成されている。この構成により、軸方向への回転子１の更なる変位および傾き方向への回転子１の変位が抑制される。これにより、軸方向および傾き方向への回転子１の振動を抑制することができる。また、上記構成により、支持部材３が回転子１を支持する静圧軸受として機能するため、回転子１と支持部材３との間に発生する摩擦力をより一層減少させることができる。

【0069】

本実施の形態では、回転子１は固定子２に対して鉛直方向下方に変位しており、回転子１は固定子２に対して鉛直方向下方に沈み込んだ位置で支持部材３に支持されている。この構成により、回転子１の軸方向変位ｚによって復元力ｆ１を発生させて、支持力ｆ２を減少させることができる。このため、流出口３ｇから回転子１に向かって流出する流体の流量および圧力を減少させることができる。したがって、流入口３ｆから支持部材３の流路３ｂに流入させる流体を用意するための入力エネルギーを低減させることができるとともに、回転子１と支持部材３とが物理的に接触することにより発生するトルクの損失を低減させることができる。

【0070】

次に、実施の形態３の変形例について説明する。

【0071】

図８に示すように、回転機１００Ｅは、複数の支持部材３を備えていてもよい。図８は、実施の形態３の変形例にかかる回転機１００Ｅの構成を示した断面図である。図８には、２つの支持部材３が図示されているが、実際には、回転機１００Ｅは３つの支持部材３を備えている。図８には、回転子１が２つの支持部材３Ａ，３Ｂのそれぞれにより軸方向および傾き方向に支持される力である支持力ｆ２１，ｆ２２が図示されているが、実際には、回転子１が図示しない残り１つの支持部材３により軸方向および傾き方向に支持される図示しない支持力ｆ２３も発生する。３つの支持部材３は、周方向に互いに離れて配置されている。３つの支持部材３は、周方向に等角度で配置されている。３つの支持部材３は、周方向に１２０度間隔で配置されている。

【0072】

３つの支持部材３のそれぞれの内部には、流体が流れる流路３ｂが形成されている。各支持部材３の形状は、例えば、中空の円柱状であるが、流体を回転子１に向かって流出可能であれば特に制限されない。各支持部材３のうち回転子１とは反対側を向く面３ｅには、流路３ｂに流体を流入させるための流入口３ｆが形成されている。各支持部材３のうち回転子１の方を向く面３ｄには、流路３ｂから回転子１に向かって流体を流出させるための流出口３ｇが形成されている。３つの支持部材３のそれぞれの流出口３ｇから回転子１に向かって流出する流体は、回転子１を軸方向および傾き方向に支持している。３つの支持部材３のそれぞれの流出口３ｇから回転子１に向かって流出する流体は、回転子１を点状に支持している。換言すると、回転子１は、周方向に互いに離れた３つの支持部材３のそれぞれの流出口３ｇから流出する流体により支持されている。本変形例でも、各支持部材３が回転子１を支持する静圧軸受として機能する。

【0073】

本変形例でも、実施の形態３と同じ効果を奏することができる。本変形例では、支持部材３の数が３つであるが、４つ以上でもよい。すなわち、本変形例の回転子１は、周方向に互いに離れた３つ以上の支持部材３のそれぞれの流出口３ｇから流出する流体により支持されていればよい。

【0074】

実施の形態４．
次に、図９を参照して、実施の形態４にかかる回転機１００Ｆについて説明する。図９は、実施の形態４にかかる回転機１００Ｆの支持部材３の構成を示した斜視図である。本実施の形態では、支持部材３が回転子１を支持する動圧軸受として機能する点が、上記した実施の形態１と相違する。なお、実施の形態４では、上記した実施の形態１と重複する部分については、同一符号を付して説明を省略する。

【0075】

支持部材３のうち図示しない回転子１の方を向く面３ｄには、回転子１の方に向かって開口する複数の溝３ｈが形成されている。複数の溝３ｈは、周方向に互いに離れて配置されている。複数の溝３ｈは、周方向に等角度で配置されている。溝３ｈの数は、本実施の形態では５つであるが、特に制限されない。溝３ｈは、軸方向において回転子１が存在する側とは反対側に向かって窪んでいる。周方向に隣り合う溝３ｈ同士の間には、平坦部３ｉが形成されている。平坦部３ｉは、軸方向と直交する平坦状の部分である。平坦部３ｉは、軸方向において溝３ｈよりも回転子１に近い位置に配置されている。溝３ｈと平坦部３ｉとは、周方向に交互に配置されている。

【0076】

溝３ｈは、第１の溝面３ｈ１と、第２の溝面３ｈ２と、第３の溝面３ｈ３とを有している。第１の溝面３ｈ１は、軸方向に延びる面である。第１の溝面３ｈ１は、溝３ｈに隣接する２つの平坦部３ｉのうち一方に連続している。第１の溝面３ｈ１は、一方の平坦部３ｉから離れるように軸方向に延びている。第２の溝面３ｈ２は、周方向に延びる面である。第２の溝面３ｈ２は、第１の溝面３ｈ１のうち一方の平坦部３ｉに連続する端部とは反対側の端部から周方向に延びている。第３の溝面３ｈ３は、第２の溝面３ｈ２から離れるように周方向に延びるにつれて回転子１の方に近付くように傾斜する傾斜面である。第３の溝面３ｈ３は、軸方向に対して傾斜している。第３の溝面３ｈ３は、第２の溝面３ｈ２のうち第１の溝面３ｈ１に連続する端部とは反対側の端部から周方向に延びている。第３の溝面３ｈ３のうち第２の溝面３ｈ２に連続する端部とは反対側の端部は、溝３ｈに隣接する２つの平坦部３ｉのうち他方に連続している。

【0077】

次に、本実施の形態にかかる回転機１００Ｆの効果について説明する。

【0078】

本実施の形態では、支持部材３のうち回転子１の方を向く面３ｄには、回転子１の方に向かって開口する溝３ｈが形成されている。この構成により、回転子１が回転すると、溝３ｈにより流体の通り道がなくなり、流体が支持部材３から回転子１に向かって流れる。このため、支持部材３から回転子１に向かって流れる流体の圧力が発生する。これにより、回転子１は、支持部材３と物理的に接触することなく、回転することができる。したがって、回転子１と支持部材３との間に発生する摩擦熱をより一層低減させることができるとともに、回転子１と支持部材３とが物理的に接触することにより発生するトルクの損失を低減させることができる。なお、図９に示すように、溝３ｈは、軸方向に対して傾斜する傾斜面である第３の溝面３ｈ３を有していることが好ましい。このようにすると、回転子１の回転時に、三次元的な溝３ｈの傾斜により流体の通り道がなくなり、流体が支持部材３から回転子１に向かって流れやすくなる。

【0079】

回転子１と支持部材３とが物理的に非接触になる現象は、回転子１が回転することで発生する。このため、回転子１の静止時には支持部材３が回転子１を支持する動圧軸受として機能しないが、回転子１の回転時に回転子１の回転数がある閾値を超えると、支持部材３が回転子１を支持する動圧軸受として機能する。

【0080】

本実施の形態では、回転子１に働く重力ｍｇのうち一部を復元力ｆ１によって支持するため、回転子１の重力ｍｇのうち残部を支持部材３から回転子１に向かって流れる流体の圧力によって支持すればよい。これにより、支持力ｆ２を減少させることができる。したがって、回転子１と支持部材３とが物理的に非接触になる回転子１の回転数の閾値を低く設定することができ、回転機１００Ｆの広い運転領域で支持部材３が回転子１を支持する動圧軸受として機能する。

【0081】

本実施の形態では、三次元的な溝３ｈの傾斜を減らして、支持部材３から回転子１に向かって流れる流体の圧力を減少させるように設計することもできる。これにより、流体の入力エネルギーを低減させることができるため、回転機１００Ｆ全体の運転効率を向上させることができる。

【0082】

次に、実施の形態４の変形例について説明する。

【0083】

図１０に示すように、回転子１の方に溝１ｅを形成してもよい。図１０は、実施の形態４の変形例にかかる回転機１００Ｇの回転子１の構成を示した図であって、回転子１を軸方向に沿って見たときの図である。図１０では、理解の容易化のために、溝１ｅにドットハッチングを付している。回転子１のうち図示しない支持部材３の方を向く面１ｄには、支持部材３の方に向かって開口する複数の溝１ｅが形成されている。複数の溝１ｅは、周方向に互いに離れて配置されている。複数の溝１ｅは、周方向に等角度で配置されている。溝１ｅの数は、本実施の形態では９つであるが、特に制限されない。溝１ｅは、軸方向において支持部材３が存在する側とは反対側に向かって窪んでいる。周方向に隣り合う溝１ｅ同士の間には、平坦部１ｆが形成されている。平坦部１ｆは、軸方向と直交する平坦状の部分である。平坦部１ｆは、軸方向において溝１ｅよりも支持部材３に近い位置に配置されている。溝１ｅと平坦部１ｆとは、周方向に交互に配置されている。

【0084】

各溝１ｅは、半径方向に延びていて、回転子１の外周面から内周面に亘って形成されている。各溝１ｅは、半径方向の外側から内側に向かうにつれて周方向の一方に位置するように曲がりながら延びている。各溝１ｅの延伸方向を、回転子１の回転軸ＡＸを法線とする平面に投影すると、各溝１ｅの延伸方向は、回転子１の回転軸ＡＸとずれた位置に配置される。各溝１ｅのうち回転子１の外周面に開口する開口部１ｇは、周方向に等角度で離れて配置されている。各溝１ｅのうち回転子１の内周面に開口する開口部１ｈは、周方向に等角度で離れて配置されている。各溝１ｅにおける開口部１ｇと開口部１ｈとは、周方向に互いにずれている。各溝１ｅの溝幅Ｄは、半径方向の外側から内側に向かうにつれて狭くなっている。換言すると、各溝１ｅの溝幅Ｄは、半径方向の外側ほど広く、半径方向の内側ほど狭い。

【0085】

本変形例では、回転子１が回転すると、流体が半径方向の外側から溝１ｅに流入し、溝１ｅ内を半径方向の内側に向かって流れるにつれて行き場がなくなり、流体が回転子１から支持部材３に向かって流れる。このため、回転子１から支持部材３に向かって流れる流体の圧力が発生し、回転子１は軸方向において支持部材３から離れるように反発する。これにより、回転子１は、支持部材３と物理的に接触することなく、回転することができる。したがって、回転子１と支持部材３との間に発生する摩擦熱をより一層低減させることができるとともに、支持部材３が回転子１を物理的に接触することにより発生するトルクの損失を低減させることができる。

【0086】

回転子１と支持部材３とが物理的に非接触になる現象は、回転子１が回転することで発生する。このため、回転子１の静止時には支持部材３が回転子１を支持する動圧軸受として機能しないが、回転子１の回転時に回転子１の回転数がある閾値を超えると、支持部材３が回転子１を支持する動圧軸受として機能する。なお、図９に示される支持部材３のうち回転子１の方を向く面３ｄに図１０に示される溝１ｅと同じ形状の溝３ｈが形成されてもよいし、図１０に示される回転子１のうち支持部材３の方を向く面１ｄに図９に示される溝３ｈと同じ形状の溝１ｅが形成されてもよい。また、支持部材３のうち回転子１の方を向く面３ｄおよび回転子１のうち支持部材３の方を向く面１ｄのいずれか一方に、他方に向かって開口する溝３ｈ，１ｅが形成されていればよい。

【0087】

実施の形態５．
次に、図１１および図１２を参照して、実施の形態５にかかる回転機１００Ｈについて説明する。図１１は、実施の形態５にかかる回転機１００Ｈの固定子鉄心２ａの一部の構成を示した斜視図である。図１２は、実施の形態５にかかる回転機１００Ｈの構成を示した断面図であって、回転子１に働く軸方向の力を説明するための図である。本実施の形態では、パーミアンスが軸方向の一方から他方へ向かって一方向に小さくなる点が、上記した実施の形態１と相違する。なお、実施の形態５では、上記した実施の形態１と重複する部分については、同一符号を付して説明を省略する。

【0088】

図１１および図１２に示すように、各ティース２ｃは、バックヨーク部２ｄから半径方向の内側に突出する複数のティース本体部２ｅと、各ティース本体部２ｅの先端から周方向の両方に突出した複数のティース先端部２ｆとを有している。ティース先端部２ｆの形状は、ティース本体部２ｅの周方向の幅よりも広い鍔状である。これにより、図１２に示される固定子２と回転子１との間で多くの磁束７ｃ，７ｄを通過させることができる。図１２中の破線は、ティース２ｃとバックヨーク部２ｄとの境界を模式的に示している。

【0089】

図１１に示すように、各ティース２ｃにおけるティース本体部２ｅの数およびティース先端部２ｆの数は、特に制限されないが、本実施の形態では２つずつである。２つのティース本体部２ｅは、軸方向に積層されている。２つのティース先端部２ｆは、軸方向に積層されている。以下、軸方向の一方に配置されるティース本体部２ｅおよびティース先端部２ｆのそれぞれを第１のティース本体部２ｅ１および第１のティース先端部２ｆ１と称し、第１のティース本体部２ｅ１および第１のティース先端部２ｆ１を併せて第１のティース部２ｃ１と称する。また、軸方向の他方に配置されるティース本体部２ｅおよびティース先端部２ｆのそれぞれを第２のティース本体部２ｅ２および第２のティース先端部２ｆ２と称し、第２のティース本体部２ｅ２および第２のティース先端部２ｆ２を併せて第２のティース部２ｃ２と称する。本実施の形態では、第１のティース部２ｃ１は、第２のティース部２ｃ２に対して鉛直方向上方に配置されている。

【0090】

第１のティース先端部２ｆ１の周方向の幅Ｗ１は、第２のティース先端部２ｆ２の周方向の幅Ｗ２よりも広い。つまり、第１のティース先端部２ｆ１が存在する軸方向の一方から、第２のティース先端部２ｆ２が存在する軸方向の他方へ向かって一方向にティース先端部２ｆの周方向の幅が狭くなる。第１のティース部２ｃ１の半径方向の長さＬ１は、第２のティース部２ｃ２の半径方向の長さＬ２よりも長い。つまり、第１のティース部２ｃ１が存在する軸方向の一方から、第２のティース部２ｃ２が存在する軸方向の他方へ向かって一方向にティース２ｃの半径方向の長さが短くなる。これにより、ティース２ｃには、第１のティース部２ｃ１の半径方向の長さＬ１と第２のティース部２ｃ２の半径方向の長さＬ２との差であるティース長差Ｇが生じる。

【0091】

ここで、パーミアンス（Permeance）について説明する。パーミアンスとは、固定子２と回転子１とを半径方向と円周方向とに沿って周回する磁路における、ギャップ部４と鉄心である固定子鉄心２ａとのうち少なくとも一方の、磁束７ｃ，７ｄの通りやすさを表す量を意味する。一般論として、磁束は、空気よりも鉄の方を通りやすいため、磁路が鉄心であればパーミアンスは大きくなる。また、パーミアンスは、磁路の幅が大きいほど増加し、空気の磁路長が短く鉄心の磁路長が長いほど増加する。本実施の形態では、第１のティース先端部２ｆ１の周方向の幅Ｗ１が第２のティース先端部２ｆ２の周方向の幅Ｗ２よりも広く、また、第１のティース部２ｃ１の半径方向の長さＬ１が第２のティース部２ｃ２の半径方向の長さＬ２よりも長い。このため、パーミアンスは、第１のティース部２ｃ１よりも第２のティース部２ｃ２の方が小さくなる。すなわち、固定子２と回転子１とを半径方向と周方向とに沿って周回する磁路における、ギャップ部４と鉄心である固定子鉄心２ａとのうち少なくとも一方の、磁束７ｃ，７ｄの通りやすさを表す量であるパーミアンスは、軸方向の一方から他方へ向かって一方向に小さくなる。

【0092】

次に、回転子１に働く軸方向の力について説明する。図１２では、重力ｍｇが回転子１に働く場合を示している。

【0093】

図１２に示すように、回転子１に働く重力ｍｇを支持する力は、固定子２が回転子１を磁気的に吸引する力である復元力ｆ１と、回転子１が支持部材３により軸方向に支持される力である支持力ｆ２との和になる。ここで、回転子１が重力ｍｇによって固定子２に対して軸方向に変位しているため、回転子１と第２のティース部２ｃ２の先端部の下面との間を斜めに通過する磁束７ｄが発生する。このため、復元力ｆ１には、磁束７ｄにより発生する復元力ｆ１２が含まれる。また、図１１に示される第１のティース先端部２ｆ１の周方向の幅Ｗ１と第２のティース先端部２ｆ２の周方向の幅Ｗ２との差およびティース長差Ｇにより、回転子１と、第１のティース部２ｃ１の先端部の下面のうち第２のティース部２ｃ２から露出する部分との間を斜めに通過する磁束７ｃも発生する。このため、復元力ｆ１には、磁束７ｃにより発生する復元力ｆ１１も含まれる。結果的には、復元力ｆ１は、固定子２のうち複数の軸方向位置で発生し、復元力ｆ１１と復元力ｆ１２との和になる。これにより、回転子１の軸方向変位ｚが実施の形態１と同じであったとしても、実施の形態１と比較して、本実施の形態では復元力ｆ１１の分だけ復元力ｆ１が増加し、復元力ｆ１が増加した分だけ支持力ｆ２が減少する。したがって、下記式（４）が成り立つ。
ｆ２＝ｍｇ－ｆ１１－ｆ１２・・・（４）

【0094】

次に、本実施の形態にかかる回転機１００Ｈの効果について説明する。

【0095】

本実施の形態では、固定子２と回転子１とを半径方向と周方向とに沿って周回する磁路における、ギャップ部４と鉄心である固定子鉄心２ａとのうち少なくとも一方の、磁束７ｃ，７ｄの通りやすさを表す量であるパーミアンスは、軸方向の一方から他方へ向かって一方向に小さくなる。この構成により、軸方向の他方から一方へ向かって一方向に復元力ｆ１を増加させることができる。このため、回転子１と支持部材３との間に発生する摩擦熱をより一層低減させることができるとともに、支持部材３が回転子１を物理的に接触することにより発生するトルクの損失を低減させることができる。これにより、支持部材３の寿命をより一層延ばすことができるとともに、回転機１００Ｈ全体の運転効率をより一層向上させることができる。

【0096】

本実施の形態において、復元力ｆ１１が発生したということは、支持力ｆ２を一定としたとき、回転子１の軸方向変位ｚを０に近づけることができるということを意味する。回転子１の軸方向変位ｚが０に近づくほど、回転子１と固定子２とが半径方向に向かい合う領域が増加し、半径方向（ＸＹ軸方向）の支持力およびトルクが増加する。これにより、同一の半径方向（ＸＹ軸方向）の支持力および同一のトルクを発生させるために必要な電流を小さくして、回転機１００Ｈ全体の運転効率を向上させることができる。

【0097】

次に、実施の形態５の変形例について説明する。

【0098】

本実施の形態では、第１のティース部２ｃ１と第２のティース部２ｃ２とにおいて周方向の幅および半径方向の長さの両方を変えた場合を例示したが、いずれか一方のみを変えてもよい。また、本実施の形態では、第１のティース部２ｃ１と第２のティース部２ｃ２との２つのティース部で周方向の幅および半径方向の長さを変えた場合を例示したが、３つ以上のティース部で周方向の幅および半径方向の長さのいずれか一方を変えてもよい。

【0099】

本実施の形態の支持部材３は、上記した実施の形態３のように回転子１を支持する静圧軸受として機能する構成に変更されてもよいし、上記した実施の形態４のように回転子１を支持する動圧軸受として機能する構成に変更されてもよい。本実施の形態では、復元力ｆ１を増加させることにより、支持部材３が静圧軸受または動圧軸受として機能するときに必要な流体の圧力をより一層低下させることができる。

【0100】

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

【符号の説明】

【0101】

１ 回転子、１ａ 回転子鉄心、１ｂ 永久磁石、１ｃ 貫通孔、１ｄ，３ｄ，３ｅ 面、１ｅ，３ｈ 溝、１ｆ，３ｉ 平坦部、１ｇ，１ｈ 開口部、２ 固定子、２ａ 固定子鉄心、２ｂ，２ｂ１，２ｂ２ 巻線、２ｃ ティース、２ｃ１ 第１のティース部、２ｃ２ 第２のティース部、２ｄ バックヨーク部、２ｅ ティース本体部、２ｅ１ 第１のティース本体部、２ｅ２ 第２のティース本体部、２ｆ ティース先端部、２ｆ１ 第１のティース先端部、２ｆ２ 第２のティース先端部、３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 支持部材、３ａ 支持面、３ｂ 流路、３ｃ 外周面、３ｆ 流入口、３ｇ 流出口、３ｈ１ 第１の溝面、３ｈ２ 第２の溝面、３ｈ３ 第３の溝面、４ ギャップ部、５ 調整部材、６ フレーム、６ａ 周壁部、６ｂ 軸端壁、６ｃ 孔、７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ 磁束、８ 流体の流れ、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆ，１００Ｇ，１００Ｈ 回転機、ＡＸ 回転軸。

【要約】

回転機（１００）は、回転軸（ＡＸ）を中心に回転する回転子（１）と、回転子（１）の外周または内周に回転子（１）とギャップ部（４）を隔てて配置される固定子（２）と、少なくとも回転子（１）のうち回転軸（ＡＸ）に沿った軸方向の片方に配置されて、軸方向および傾き方向への回転子（１）の変位を制限するように回転子（１）を支持する支持部材（３）と、を備えている。回転子（１）および固定子（２）のうち少なくとも一方は、鉄心を有している。回転子（１）および固定子（２）のうち少なくとも他方は、磁力発生部材を有している。固定子（２）が回転子（１）を磁気的に吸引する力によって回転子（１）の軸方向および傾き方向への変位を復元するように、鉄心と磁力発生部材とが配置されている。回転子（１）は、固定子（２）に対して軸方向に変位した位置で、支持部材（３）に支持されている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】