JP6627706B2

JP6627706B2 - 回転電機

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Publication number: JP6627706B2
Application number: JP2016198251A
Authority: JP
Inventors: 徳永　政男; 政男徳永; 真範安田; 伊藤　功治; 伊藤　　功治; 牧田　真治; 真治牧田; 淳一朝間
Original assignee: Shizuoka University NUC; Denso Corp
Current assignee: Shizuoka University NUC; Denso Corp
Priority date: 2016-10-06
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2020-01-08
Anticipated expiration: 2036-10-06
Also published as: WO2018066288A1; JP2018061375A

Description

本発明は、ロータの回転軸を磁力により支持する機能を有する回転電機に関するものである。

従来、コイルへの通電により生じる磁力を用いてロータの回転軸を支持する機能を有する回転電機が知られている。この種の回転電機は、コイルへの通電量の制御によりロータの回転軸を支持する力を変えることで、回転電機およびその回転電機が設置される部材の固有振動数と、ロータの回転軸の振動とが一致したときに生じる共振を抑えることが可能である。

ところで、特許文献１に記載の回転電機は、ステータが有するティースのうち径方向内側の部位に回転磁界を発生するためのコイルを巻き、ティースのうち径方向外側の部位に軸を支持する磁界を発生するためのコイルを巻いている。これにより、この回転電機は、コイルの数に対するティースの数を少なくしている。

特開昭５９−６９５２２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の回転電機は、１つのティースに対し、回転磁界を発生するためのコイルと、軸を支持する磁界を発生するためのコイルを巻いているので、ステータのティースが径方向に長くなり、回転電機の体格が大型化するおそれがある。また、コイルの部品点数が多くなり、ステータにコイルを巻く工程が複雑化すると共に、製造コストが増大することが懸念される。

本発明は上記点に鑑みて、回転磁界を生じるコイルと、回転軸を支持する磁界を生じるコイルとを共用化し、体格を小型化することの可能な回転電機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、駆動電源回路（８）および支持電源回路（９）から電流が供給される回転電機であって、
周方向に回転可能なロータ（５）と、
ロータの径方向内側または径方向外側に設けられ、周方向に配置された複数のティース（６２）を有するステータ（６）と、
複数のティースに巻かれ、Ｙ結線を構成するＵ相、Ｖ相およびＷ相のコイル（７）と、を備え、
Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のコイルはいずれも、
駆動電源回路から電流が供給されるように電気的に並列接続された複数の駆動電源側コイル（７１、７２）と、
複数の駆動電源側コイルのうち駆動電源回路とは反対側の部位から延びる配線同士を接続する接続部（７５）と、
支持電源回路から電流が供給されるように支持電源回路と接続部との間に電気的に接続された支持電源側コイル（７３）と、
Ｙ結線の中性点（Ｎ）と接続部との間に電気的に接続される中性点側コイル（７４）と、を有する構成である。

これによれば、駆動電源回路から供給される電流は、複数の駆動電源側コイル→接続部→支持電源側コイル→支持電源回路に流れると共に、複数の駆動電源側コイル→接続部→中性点側コイル→中性点→他の相のコイルに流れる。また、支持電源回路から供給される電流は、支持電源側コイル→接続部→中性点側コイル→中性点→他の相のコイルに流れる。そのため、複数の駆動電源側コイル、支持電源側コイルおよび中性点側コイルに発生する磁界によりロータを回転させることが可能であると共に、支持電源側コイルおよび中性点側コイルに発生する磁界によりロータの回転軸の支持力を可変することが可能である。したがって、ロータを回転させるためのコイルと、ロータの回転軸を支持するためのコイルとを共用することで、コイルの数を少なくし、回転電機の体格を小型化することができる。また、コイルの数を少なくすることにより、ステータのティースにコイルを巻く工程を簡素化すると共に、製造コストを低減することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態にかかる回転電機とファンの断面構成を示す図である。第１実施形態にかかる回転電機の模式図である。第１実施形態にかかる回転電機のコイル配線の等価回路である。第１実施形態にかかる回転電機の駆動電源回路に対する誘起電圧の波形である。第１実施形態にかかる回転電機の支持電源回路に対する誘起電圧の波形である。第１実施形態にかかる回転電機の支持電源回路の構成図である。第２実施形態にかかる回転電機の模式図である。第３実施形態にかかる回転電機の模式図である。第３実施形態にかかる回転電機のコイル配線の等価回路である。比較例の回転電機のコイル配線の等価回路である。比較例の回転電機の模式図である。比較例の回転電機の模式図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、本実施形態の回転電機１は、例えば車両の空調装置が備えるファン２を回転させるための電動機として用いられる。このファン２は、例えば遠心ファンであり、図示していない空調装置が備える空調ケース内に設けられ、その空調ケース内の通風路に気流を発生させるものである。なお、回転電機１の用途は、これに限るものではない。

本実施形態の回転電機１は、アウターロータ型のブラシレスモータであり、センターピース３、シャフト４、ロータ５、ステータ６およびコイル７などを備えている。

センターピース３は、シャフト４を収容する筒部３１、および、その筒部３１の一端から径方向外側に延びるベース３２を有している。ベース３２は、例えば、空調ケースが有するプレート３３などに取り付けられる。

筒部３１の内側には軸受３４が設けられている。軸受３４は、シャフト４の軸方向の一端を回転可能に支持している。これにより、シャフト４は、センターピース３に対し回転可能に設けられる。なお、シャフト４の軸方向の他端には軸受が設けられていない。そのため、シャフト４は、軸受３４を支点として径方向に傾くことが可能である。シャフト４のうち軸受３４が設けられた箇所を除く部位は、ステータ６に巻かれたコイル７への通電により発生する磁界により支持される。すなわち、コイル７への通電制御により、支持力の調整を行うことが可能である。

筒部３１の内側のうち軸受３４から離れた位置には、シャフト４が傾くことを抑えるための抑え部３５が設けられている。抑え部３５とシャフト４との間には隙間が形成されている。抑え部３５は、シャフト４が径方向に大きく傾いたときに、シャフト４を支えるものである。なお、抑え部３５は、潤滑性を有する樹脂材料により構成することが好ましい。

シャフト４のうち軸受３４とは反対側の端部には、上述したファン２が固定されている。これにより、ファン２はシャフト４と共に回転する。

シャフト４のうち筒部３１とファン２との間の部位には、ロータケース５１が固定されている。ロータケース５１は、シャフト４に固定された部位から径方向外側に延びる蓋部５２と、その蓋部５２の外縁から筒状に延びる外筒部５３とを有している。図１および図２に示すように、外筒部５３の内壁に、ロータ５を構成する磁石が固定されている。本実施形態のロータ５は、周方向に１０の磁極を有する永久磁石により構成されている。なお、図２では、ロータ５を構成する磁石のうち、Ｎ極またはＳ極の一方の磁極がステータ６側に向いている磁石に対し断面ではないが説明のためにハッチを付しており、Ｎ極またはＳ極の他方の磁極がステータ６側に向いている磁石を白抜きにしている。また、図２では、センターピース３およびシャフト４などを省略している。ロータ５を構成する磁石は、ロータケース５１、シャフト４およびファン２と共に、周方向に回転可能である。

ロータ５およびシャフト４の回転角は、シャフト４に設けられた回転角検出用磁石４１と、筒部３１の内壁に設けられた磁束密度検出素子４２により検出される。磁束密度検出素子４２は、シャフト４に設けられた回転角検出用磁石４１の磁界を検出し、その信号を駆動電源回路８と支持電源回路９に伝送する。駆動電源回路８は、磁束密度検出素子４２から伝送される信号に基づいてロータ５およびシャフト４の回転角を検出し、ロータ５を回転駆動するための三相交流をコイル７に供給する。

また、ロータ５およびシャフト４の傾きは、ロータケース５１の径方向外側に設けられたギャップセンサ４３により検出される。ギャップセンサ４３は、ロータケース５１とギャップセンサ４３との隙間に応じた信号を支持電源回路９に伝送する。支持電源回路９は、ギャップセンサ４３から伝送される信号に基づいてロータ５およびシャフト４の傾きを検出し、さらに磁束密度検出素子４２から伝送される信号に基づいてロータ５およびシャフト４の回転角を検出し、シャフト４を支持するための三相交流をコイル７に供給する。

ロータ５の径方向内側にステータ６が固定されている。ステータ６は、磁性材料から形成され、リング部６１、およびそのリング部６１から径方向外側に延びる複数のティース６２を有している。リング部６１は、センターピース３が有する筒部３１の外壁に固定されている。複数のティース６２は、リング部６１から径方向外側に延び、リング部６１の周方向に等間隔で配置されている。本実施形態のステータ６は、周方向に１２の磁極を形成するティース６２を有している。複数のティース６２とティース６２との間には、スロット６３が形成されている。各スロット６３には、コイル７が配置されている。複数のコイル７は、それぞれが対応するティース６２に巻かれている。図２では、各ティース６２に巻かれたコイル７に対し、所定の位置から周方向に順にＣ１〜Ｃ１２の符号を付している。以下の説明において、適宜、各コイル７をコイルＣ１〜Ｃ１２と呼ぶことがある。

本実施形態では、ステータ６の周方向に並ぶ複数のティース６２のいずれにも、１つの磁極を形成するティース６２に対し、１つのコイル７が巻かれている。すなわち、複数のティース６２のいずれにも、１つの磁極を形成するティース６２に対し、同じ数のコイル７が巻かれているといえる。なお、図２では、コイル７の１巻のみを模式的に記載しているが、いずれのコイル７も複数回巻かれているものである。

図３は、第１実施形態にかかる回転電機１のコイル配線の等価回路を示したものである。図３に示すコイルに付したＣ１〜Ｃ１２の符号は、図２に示した１２極のティース６２に巻かれているコイルＣ１〜Ｃ１２に対応したものであることを示している。例えば、図３の紙面上方に記載されているコイルＣ６とコイルＣ１２は、図２に示すようにロータ５の回転軸５５を挟んで対向配置されている。また、コイルＣ１とコイルＣ７も、ロータ５の回転軸５５を挟んで対向配置されている。

図３に示すように、コイルＣ１、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ１２はＵ相コイルを構成している。コイルＣ２、Ｃ３、Ｃ８、Ｃ９はＶ相コイルを構成している。コイルＣ４、Ｃ５、Ｃ１０、Ｃ１１はＷ相コイルを構成している。Ｕ相コイルＣ１、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ１２、Ｖ相コイルＣ２、Ｃ３、Ｃ８、Ｃ９、およびＷ相コイルＣ４、Ｃ５、Ｃ１０、Ｃ１１は、Ｙ結線を構成している。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を構成するコイルＣ１〜Ｃ１２には、駆動電源回路８と支持電源回路９から電流が供給される。

ここで、各相を構成するコイルのうち、駆動電源回路８側の端子ＵＤ、ＶＤ、ＷＤから他のコイルを介することなく電気的に接続されるコイルを駆動電源側コイル７１、７２と称する。また、支持電源回路９側の端子ＵＳ、ＶＳ、ＷＳから他のコイルを介することなく電気的に接続されるコイルを支持電源側コイル７３と称する。そして、中性点に電気的に接続されるコイルを中性点側コイル７４と称する。

なお、駆動電源側コイル７１、７２、支持電源側コイル７３、中性点側コイル７４は、回路上の配置に応じた呼称であり、コイルの巻数などはいずれも実質的に同一である。

Ｕ相を構成するコイルＣ１、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ１２の配線方法について、具体的に説明する。複数の駆動電源側コイルＣ１２、Ｃ６は、駆動電源回路８側の端子ＵＤから枝分かれした配線により電気的に並列接続されている。複数の駆動電源側コイルＣ１２、Ｃ６のうち駆動電源回路８とは反対側の部位から延びる配線同士は、接続部７５によって統合されている。支持電源側コイルＣ１は、その接続部７５と支持電源回路９側の端子ＵＳとの間に電気的に接続されている。中性点側コイルＣ７は、その接続部７５と中性点Ｎとの間に電気的に接続されている。

Ｖ相を構成するコイルＣ２、Ｃ３、Ｃ８、Ｃ９と、Ｗ相を構成するコイルＣ４、Ｃ５、Ｃ１０、Ｃ１１も同様の配線方法で接続され、複数の駆動電源側コイル７１、７２、接続部、支持電源側コイル７３および中性点側コイル７４として構成されている。

駆動電源回路８は、端子ＵＤ、端子ＶＤ、端子ＷＤに電流を供給する。一方、支持電源回路９は、端子ＵＳ、端子ＶＳ、端子ＷＳに電流を供給する。ここで、駆動電源回路８から所定の相に電流を供給するとき、その２分の１の電流をその所定の相に接続する支持電源回路９に引き込むように制御する。すなわち、駆動電源回路８から端子ＵＤに供給するロータ５の回転駆動に必要な電流が２・Ｉ_ＵＤであり、支持電源回路９から端子ＵＳに供給する軸支持に必要な電流がＩ_ＵＳであった場合、駆動電源回路８から端子ＵＤに供給する電流は２・Ｉ_ＵＤであり、支持電源回路９から端子ＵＳに供給する電流はＩ_ＵＳ−Ｉ_ＵＤとなる。

なお、駆動電源回路８は三相交流を供給するものであるので、所定時刻において駆動電源回路８から端子ＵＤ、端子ＶＤ、端子ＷＤのそれぞれに供給する電流の和は０である。また、支持電源回路９も三相交流を供給するものであるので、所定時刻において支持電源回路９から端子ＵＳ、端子ＶＳ、端子ＷＳのそれぞれに供給する電流の和は０である。

これにより、駆動電源回路８から端子ＵＤに供給される回転駆動用の電流は、駆動電源側コイルＣ６と駆動電源側コイルＣ１２に流れた後に接続部７５で統合され、その接続部７５から電流の一部が分岐して支持電源側コイルＣ１→端子ＵＳ→支持電源回路９に流れる。また、接続部７５から分岐した電流の他の一部が中性点側コイルＣ７→中性点Ｎ→他の相のコイルに流れる。

また、支持電源回路９から端子ＵＳに供給される軸支持用の電流は、支持電源側コイルＣ１→中性点側コイルＣ７→中性点Ｎ→他の相のコイルに流れる。このとき、駆動電源回路８は、端子ＵＤに供給する電流値が２・Ｉ_ＵＤとなるように制御している。そのため、接続部７５に流れる電流も２・Ｉ_ＵＤである。したがって、支持電源回路９から供給される軸支持用の電流は、接続部７５から駆動電源側コイルＣ６、Ｃ１２に流れることなく、その全てが支持電源側コイルＣ１と中性点側コイルＣ７に流れた後、中性点Ｎを経由して他の相のコイルに流れる。したがって、駆動電源側コイルＣ６、Ｃ１２等には、駆動電源回路８から供給される回転駆動用の電流が流れるが、支持電源回路９から供給される軸支持用の電流は流れない。

図２に示すように、Ｕ相を構成する支持電源側コイルＣ１と中性点側コイルＣ７とは、ロータ５の回転軸５５を挟んで対向配置されている。また、Ｖ相を構成する支持電源側コイルＣ９と中性点側コイルＣ３とは、ロータ５の回転軸５５を挟んで対向配置されている。また、Ｗ相を構成する支持電源側コイルＣ５と中性点側コイルＣ１１とは、ロータ５の回転軸５５を挟んで対向配置されている。そのため、各相を構成するそれぞれのコイル７において、支持電源側コイル７３で発生する誘起電圧と中性点側コイル７４で発生する誘起電圧とが打ち消しあうので、支持電源回路９に対し、誘起電圧が発生しない構成となる。さらに、ロータ５が１０極の場合、回転軸５５を挟んで対向するロータ５の磁極は異なる磁極となる。そのため、支持電源回路９から電流が供給されるとき、支持電源側コイルＣ１が巻かれたティース６２の径外側に発生する磁極と、中性点側コイルＣ７が巻かれたティース６２の径外側に発生する磁極とは同じ磁極とすることが好ましい。これにより、支持電源側コイルＣ１と中性点側コイルＣ７うちの一方のコイルが巻かれたティース６２がロータ５と反発し、他方のコイルが巻かれたティース６２がロータ５に吸引される。

図４は、回転電機１に外部からトルクを印加したときに駆動電源回路８側の端子ＵＤ、ＶＤ、ＷＤそれぞれに発生する誘起電圧の波形である。駆動電源回路８側の端子ＵＤ、ＶＤ、ＷＤそれぞれに発生する誘起電圧の波形は三相交流波形になっている。したがって、駆動電源回路８側の端子ＵＤ、ＶＤ、ＷＤそれぞれに回転駆動用の三相交流を供給すれば、その電流によってコイルに発生する回転磁界によりロータ５が回転駆動する。

また、図５は、回転電機１に外部からトルクを印加したときに支持電源回路９側の端子ＵＳ、ＶＳ、ＷＳそれぞれに発生する誘起電圧の波形である。支持電源回路９側の端子ＵＳ、ＶＳ、ＷＳそれぞれに発生する誘起電圧はいずれも０になっている。したがって、支持電源回路９側の端子ＵＳ、ＶＳ、ＷＳそれぞれに軸支持用の三相交流を供給しても、その電流によってコイルに発生する磁界は回転電機１のトルクに影響を与えない。

続いて、支持電源回路９による電流制御について、図６を参照して説明する。

支持電源回路９は、軸支持制御部９１と電流制御部９２とを備えている。

上述したように、ロータ５およびシャフト４の傾きは、ギャップセンサ４３により検出される。図６では、ロータ５の目標回転軸をＺ軸とした三次元直交座標系においてＸ軸側への傾きがギャップセンサ４３Ｘにより検出され、Ｙ軸側への傾きがギャップセンサ４３Ｙにより検出されるものとしている。２つのギャップセンサ４３Ｘ、４３Ｙから出力された信号ｘ、ｙは、減算部９３、９４伝送される。減算部９３、９４では、目標とされるギャップ量Ｘ^＊、Ｙ^＊と、ギャップセンサ４３Ｘ、４３Ｙから出力された信号ｘ、ｙとの差である軸ずれ量が検出され、その軸ずれ量が軸支持制御部９１が有するＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御部９５に入力される。ＰＩＤ制御部９５は、その軸ずれ量に対し、ＰＩＤ制御を行い、振動抑制力指令値Ｉｘ^＊、Ｉｙ^＊を生成し、それを変調部９６に出力する。また、変調部９６には、上述した磁束密度検出素子４２からロータ５の回転角に相当する信号θが入力される。変調部９６は、振動抑制力指令値Ｉｘ^＊、Ｉｙ^＊と、ロータ５の回転角に相当する信号θとに基づいて変調を行い、二相電流指令値ｉａ^＊、ｉｂ^＊を演算する。この二相電流指令値ｉａ^＊、ｉｂ^＊は、電流制御部９２が有する減算部９７、９８に出力される。その減算部９７、９８では、電流制御部９２のインバータ回路１０１から回転電機１のコイルに供給されている電流実測値ｉａ、ｉｂと、二相電流指令値ｉａ^＊、ｉｂ^＊との電流値のずれ量が検出され、その電流値のずれ量がＰＩ（Proportional-Integral）制御部９９に入力される。ＰＩ制御部９９は、二相電流指令値を生成して二相三相変換部１００に出力する。二相三相変換部１００は、二相電流指令値に相当する三相交流電流を生成するための三相交流指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊を演算し、それをインバータ回路１０１に出力する。インバータ回路１０１は、車両のバッテリなどから供給される直流電流を三相交流指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊に基づく三相交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗに変換し、回転電機１のコイルに供給する。これにより、支持電源回路９は、ロータ５の回転角に応じた軸支持を行い、その軸支持力を可変することが可能である。したがって、回転電機１は、支持電源回路９からコイル７への通電制御により、回転電機１およびその回転電機１が設置される部材の固有振動数と、ロータ５およびシャフト４の振動とが一致したときに生じる共振を抑え、静粛性を高めることが可能である。

以上説明したように、第１実施形態の回転電気は、次の作用効果を奏する。

（１）第１実施形態では、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルはいずれも、複数の駆動電源側コイル７１、７２と、接続部７５と、支持電源側コイル７３と、中性点側コイル７４とを有している。複数の駆動電源側コイル７１、７２は、電気的に並列接続され、駆動電源回路８から電流が供給される。接続部７５は、複数の駆動電源側コイル７１、７２のうち駆動電源回路８とは反対側の部位から延びる配線同士を接続する。支持電源側コイル７３は、支持電源回路９と接続部７５との間に電気的に接続され、支持電源回路９から電流が供給される。中性点側コイル７４は、Ｙ結線の中性点Ｎと接続部７５との間に電気的に接続される。

これによれば、駆動電源回路８と支持電源回路９から電流を供給することで、複数の駆動電源側コイル７１、７２、支持電源側コイル７３および中性点側コイル７４に発生する磁界によりロータ５を回転させることが可能であると共に、支持電源側コイル７３および中性点側コイル７４に発生する磁界により回転軸５５の支持力を可変することが可能である。したがって、ロータ５を回転させるためのコイル７と、ロータ５の回転軸５５を支持するためのコイル７とを共用することで、コイル７の数を少なくし、回転電機１の体格を小型化することができる。また、コイル７の数を少なくすることにより、ステータ６のティース６２にコイル７を巻く工程を簡素化すると共に、製造コストを低減することができる。

（２）第１実施形態では、ステータ６の周方向に並ぶ複数のティース６２のいずれにも、１つの磁極を形成するティース６２に対し、同じ数のコイル７が巻かれている。

これによれば、ティース６２の径方向の長さを小さくして、回転電機１の体格を小型化することができる。

（３）第１実施形態では、ステータ６の周方向に並ぶ複数のティース６２のいずれにも、１つの磁極を形成するティース６２に対し、１つのコイル７が巻かれている。

（４）第１実施形態では、支持電源側コイル７３と中性点側コイル７４とは、ロータ５の回転軸５５を挟んで対向配置されている。

これによれば、支持電源側コイル７３で発生する誘起電圧と中性点側コイル７４で発生する誘起電圧とが打ち消しあうので、支持電源回路９に対し、誘起電圧が発生しない構成となる。そのため、支持電源回路９から供給する電流によって発生する磁界は、トルクに影響を与えることがない。したがって、この回転電機１は、トルク変動を抑制し、静粛性を高めることができる。

（５）第１実施形態では、支持電源回路９から電流が供給されるとき、支持電源側コイル７３または中性点側コイル７４のうちの一方のコイルが巻かれたティース６２がロータ５と反発し、他方のコイルが巻かれたティース６２がロータ５に吸引される。

これにより、支持電源回路９から供給する電流値に対し、ロータ５の軸を支持する力を大きくすることが可能である。

（６）第１実施形態では、駆動電源回路８から所定の相に電流を供給するとき、その２分の１の電流をその所定の相に接続する支持電源回路９に引き込むように制御される。

これによれば、駆動電源回路８から所定の相に供給された電流は、複数の駆動電源側コイル７１、７２から接続部７５に流れた後、その約半分の電流が接続部７５から支持電源側コイル７３を経由してその所定の相の支持電源回路９に流れる。一方、残りの約半分の電流が接続部７５から中性点側コイル７４を経由して中性点Ｎに流れる。そのため、すべてのコイル７をロータ５の駆動力発生に使用することが可能となる。したがって、この回転電機１は、トルク変動を抑制し、静粛性を高めることができる。

また、駆動電源回路８と支持電源回路９の両方から電流を流した場合、支持電源側コイル７３では駆動電源回路８からの電流に対し、支持電源回路９からの電流を減算した差分電流に応じた磁界が発生し、中性点側コイル７４では両電流が加算された電流に応じた磁界が発生する。支持電源回路９から中性点Ｎまでを見た時、支持電流側コイル７３と中性点側コイル７４それぞれの誘起電圧を打消し合う構成のため、ここでの両コイルの磁界変化は回転駆動には影響せず、支持力発生にのみ寄与するため、ロータ５の軸支持力を発生させることが可能である。したがって、この回転電機１は、ロータ５の回転機能と軸支持機能とを両立することができる。

（７）第１実施形態では、ロータ５は、周方向に１０の磁極を有し、ステータ６は、周方向に１２の磁極を有するものである。

これにより、ロータ５は、回転軸５５を挟んで対向配置された磁石が異なる極性となる。そのため、支持電源回路９から電流が供給されるとき、支持電源側コイル７３または中性点側コイル７４のうちの一方のコイルが巻かれたティース６２がロータ５と反発し、他方のコイルが巻かれたティース６２がロータ５に吸引される構成とすることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態に対して、ステータ６のティース６２にコイルを巻く向きを変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図７に示すように、各ティース６２に巻かれたコイル７のうち、コイルＣ１、２、５、６、９、１０は、第１実施形態において図２に示したコイルＣ１、２、５、６、９、１０に対し、反対向きに電流が流れるように巻かれている。なお、第２実施形態のコイル配線の等価回路は、第１実施形態において図３に示したものと同一である。

第２実施形態も、第１実施形態と同一の作用効果を奏するものである。

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。第３実施形態は、第１、第２実施形態に対して、ロータ５の磁極を８極にしたものである。

図８および図９に示すように、第３実施形態では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を構成するコイル７の配置が異なっている。なお、図８においても、第１実施形態と同様に、各ティース６２に巻かれたコイル７に対し、所定の位置から周方向に順にＣ１〜Ｃ１２の符号を付している。また、図９に示すコイルに付したＣ１〜Ｃ１２の符号は、図８に示した１２極のティース６２に巻かれているコイルＣ１〜Ｃ１２に対応したものであることを示している。例えば、図８に示すように、コイルＣ１とコイルＣ７は、ロータ５の回転軸５５を挟んで対向配置されている。また、コイルＣ４とコイルＣ１０も、ロータ５の回転軸５５を挟んで対向配置されている。なお、コイルＣ４とコイルＣ１０はいずれも、コイルＣ１とコイルＣ７に対し回転方向に９０°ずれた位置に配置されている。

図９に示すように、コイルＣ１、Ｃ４、Ｃ７、Ｃ１０はＵ相コイルを構成している。コイルＣ２、Ｃ５、Ｃ８、Ｃ１１はＶ相コイルを構成している。コイルＣ３、Ｃ６、Ｃ９、Ｃ１２はＷ相コイルを構成している。Ｕ相コイルＣ１、Ｃ４、Ｃ７、Ｃ１０、Ｖ相コイルＣ２、Ｃ５、Ｃ８、Ｃ１１、およびＷ相コイルＣ３、Ｃ６、Ｃ９、Ｃ１２は、Ｙ結線を構成している。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を構成するコイルＣ１〜Ｃ１２には、駆動電源回路８と支持電源回路９から電流が供給される。

Ｕ相を構成するコイルＣ１、Ｃ４、Ｃ７、Ｃ１０の配線方法について、具体的に説明する。複数の駆動電源側コイルＣ４、Ｃ１０は、駆動電源回路８側の端子ＵＤから枝分かれした配線により電気的に並列接続されている。複数の駆動電源側コイルＣ４、Ｃ１０のうち駆動電源回路８とは反対側の部位から延びる配線同士は、接続部７５によって統合されている。支持電源側コイルＣ１は、その接続部７５と支持電源回路９側の端子ＵＳとの間に電気的に接続されている。中性点側コイルＣ７は、その接続部７５と中性点Ｎとの間に電気的に接続されている。

Ｖ相を構成するコイルＣ２、Ｃ５、Ｃ８、Ｃ１１と、Ｗ相を構成するコイルＣ３、Ｃ６、Ｃ９、Ｃ１２についても、複数の駆動電源側コイル７１、７２、接続部７５、支持電源側コイル７３および中性点側コイル７４が同様の配線方法で接続されている。

第３実施形態においても、駆動電源回路８から所定の相に電流を供給するとき、その２分の１の電流をその所定の相に接続する支持電源回路９に引き込むように制御される。すなわち、駆動電源回路８から供給するロータ５の回転駆動に必要な電流が２・Ｉ_ＵＤであり、支持電源回路９から供給する軸支持に必要な電流がＩ_ＵＳであった場合、駆動電源回路８から供給する電流は２・Ｉ_ＵＤであり、支持電源回路９から供給する電流はＩ_ＵＳ−Ｉ_ＵＤとなる。

これにより、駆動電源回路８から端子ＵＤに供給される回転駆動用の電流は、駆動電源側コイルＣ４と駆動電源側コイルＣ１０に流れた後に接続部７５で統合され、その接続部７５から電流の一部が分岐して支持電源側コイルＣ１→端子ＵＳ→支持電源回路９に流れる。また、接続部７５から分岐した電流の他の一部が中性点側コイルＣ７→中性点Ｎ→他の相のコイルに流れる。

また、支持電源回路９から端子ＵＳに供給される軸支持用の電流は、支持電源側コイルＣ１→中性点側コイルＣ７→中性点Ｎ→他の相のコイルに流れる。このとき、駆動電源回路８は、端子ＵＤに供給する電流値が２・Ｉ_ＵＤとなるように制御している。そのため、接続部７５に流れる電流も２・Ｉ_ＵＤである。したがって、支持電源回路９から供給される軸支持用の電流は、接続部７５から駆動電源側コイルＣ４、Ｃ１０に流れることなく、その全てが支持電源側コイルＣ１と中性点側コイルＣ７に流れた後、中性点Ｎを経由して他の相のコイルに流れる。したがって、駆動電源側コイルＣ４、Ｃ１０等には、駆動電源回路８から供給される回転駆動用の電流が流れるが、支持電源回路９から供給される軸支持用の電流は流れない。

図８にしたように、Ｕ相を構成する支持電源側コイルＣ１と中性点側コイルＣ７とは、ロータ５の回転軸５５を挟んで対向配置されている。また、Ｖ相を構成する支持電源側コイルＣ５と中性点側コイルＣ１１とは、ロータ５の回転軸５５を挟んで対向配置されている。また、Ｗ相を構成する支持電源側コイルＣ３と中性点側コイルＣ９とは、ロータ５の回転軸５５を挟んで対向配置されている。そのため、支持電源側コイル７３で発生する誘起電圧と中性点側コイル７４で発生する誘起電圧とが打ち消しあうので、支持電源回路９に対し、誘起電圧が発生しない構成となる。

ロータ５が８極の場合、回転軸５５を挟んで対向するロータ５の磁極は同一の磁極となる。しかし、図９の矢印で示したように、駆動電源回路８および支持電源回路９から電流が供給されるとき、支持電源側コイルＣ１では駆動電源回路８から供給される電流が流れる方向と、支持電源回路９から供給される電流が流れる方向とが逆向きになる。一方、中性点側コイルＣ７では駆動電源回路８から供給される電流が流れる方向と、支持電源回路９から供給される電流が流れる方向とが同じ向きになる。すなわち、駆動電源回路８と支持電源回路９の両方から電流を流した場合、支持電源側コイル７３では駆動電源回路８からの電流に対し、支持電源回路９からの電流を減算した差分電流に応じた磁界が発生し、中性点側コイル７４では両電流が加算された電流に応じた磁界が発生する。支持電源回路９から中性点Ｎまでを見た時、支持電流側コイル７３と中性点側コイル７４それぞれの誘起電圧を打消し合う構成のため、ここでの両コイルの磁界変化は回転駆動には影響せず、支持力発生にのみ寄与するため、ロータ５の軸支持力を発生させることが可能である。したがって、この回転電機１は、ロータ５の回転機能と軸支持機能とを両立することができる。

以上説明したように、第３実施形態の回転電機１は、ロータ５が周方向に８の磁極を有し、ステータ６が周方向に１２の磁極を有するものである。この構成においても、第３実施形態の回転電機１は、第１、第２実施形態と同一の作用効果を奏することが可能である。

（比較例）
比較例の回転電機１１０について説明する。図１０〜図１２に示すように、比較例の回転電機１１０は、８極１２スロットのインナーロータ型の電動機である。比較例の回転電機１１０は、１２本のティース６２に対し、１８個のコイル７が巻かれている。そのため、ステータ６には、１個のコイル７が巻かれているティース６２と、２個のコイル７が巻かれているティース６２とが存在している。したがって、比較例の回転電機１１０は、１本のティース６２に２個のコイル７を巻くものが存在するために、スロット６３の容積が増大するとともに、すべてのティース６２が径方向に長くなり、回転電機１１０の体格が大型化することとなる。また、コイル７の部品点数が多くなるので、ステータ６にコイル７を巻く工程が複雑化すると共に、製造コストが増大する。

図１１は、比較例のコイル配線の等価回路を示したものである。

Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相はそれぞれ６個のコイル７によって構成されている。１つの相を構成する６個のコイル７は、所定の３個のコイル７ａ，７ｂ，７ｃが直列接続され、他の３個のコイル７ｄ，７ｅ，７ｆが直列接続されている。その所定の３個のコイル７ａ，７ｂ，７ｃと、他の３個のコイル７ｄ，７ｅ，７ｆとは、駆動電源回路８側の端子ＵＤから枝分かれした配線により電気的に並列接続されている。直列接続された一方の３個のコイル７ａ，７ｂ，７ｃのうち駆動電源回路８とは反対側の部位から延びる配線は、支持電源回路９側の端子ＵＳに電気的に接続されている。直列接続された他方の３個のコイル７ｄ，７ｅ，７ｆのうち駆動電源回路８とは反対側の部位から延びる配線は、中性点Ｎに電気的に接続されている。

なお、Ｖ相を構成する６個のコイル７と、Ｗ相を構成する６個のコイル７についても、Ｕ相を構成する６個のコイル７と同様の配線方法で接続されている。

比較例のコイル配線は、第１〜第３実施形態で説明したコイル配線における接続部７５に相当する構成を備えていない。そのため、比較例のコイル７に対し、駆動電源回路８と支持電源回路９の双方から電流を供給した場合、支持電源回路９側で直列接続された一方の３個のコイル７ａ，７ｂ，７ｃに生じる磁界が小さいものとなり、中性点Ｎ側で直列接続された他方の３個のコイル７ｄ，７ｅ，７ｆに生じる磁界が大きいものとなる。したがって、比較例の回転電機１１０は、全体の半分のコイル７に生じる磁界が小さくなり、その他の半分のコイル７に生じる磁界が大きくため、トルク変動が大きくなり、静粛性が悪化することが懸念される。

図１２は、比較例のコイル７に対し、支持電源回路９からＵ相の端子ＵＳに電流を流したときの磁界を模式的に示したものである。なお、図１２では、所定のティース６２に対し、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ６〜８、Ｕ１２の符号を付している。支持電源回路９からＵ相の端子ＵＳに電流を流すと、図１２の紙面右側の３つのティースＵ１、Ｕ２、Ｕ１２にＳ磁極が発生し、紙面右側の３つのティースＵ６〜８にＮ磁極が発生する。

しかしながら、図１２の紙面右側の３つのティースＵ１、Ｕ２、Ｕ１２のうち、中央のティースＵ１に向き合うロータ５はＮ極であるため吸引力が発生するが、その両隣の２つのティースＵ２およびＵ１２に向き合うロータ５はＳ極が支配的であるため反発力が発生する。そのため、中央のティースＵ１で発生する吸引力を弱めてしまう。

一方、図１２の紙面左側の３つのティースＵ６〜８のうち、中央のティースＵ７に向き合うロータ５はＮ極であるため反発力が発生するが、その両隣の２つのティースＵ６およびＵ８に向き合うロータ５はＳ極が支配的であるため吸引力が発生する。そのため、中央のティースＵ７で発生する反発力を弱めてしまう。

その結果、比較例の回転電機１１０は、各相を構成するコイル７が巻かれたステータ６の中で支持力の打ち消し合いが発生するので、支持電源回路９から供給した電流に対し、発生する支持力が小さいものとなる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

（１）上記各実施形態では、回転電機１を電動機として使用するものについて説明した。これに対し、他の実施形態では、回転電機１は発電機として使用することも可能である。

（２）上記各実施形態では、回転電機１は、空調装置が備えるファン２を回転させるものについて説明した。これに対し、他の実施形態では、回転電機１が回転駆動する対象機器はどのようなものであってもよい。

（３）上記各実施形態では、回転電機１は、ロータ５の径方向内側にステータ６が設けられるアウターロータ型の回転電機１について説明した。これに対し、他の実施形態では、回転電機１は、ロータ５の径方向外側にステータ６が設けられるインナーロータ型としてもよい。

（４）上記各実施形態では、回転電機１は、シャフト４の一方の端部を軸受３４により回転可能に支持し、シャフト４のそれ以外の部位を磁気軸受により非接触支持するものとした。これに対し、他の実施形態では、回転電機１は、軸受３４を廃止し、シャフト４の全体を磁気軸受により非接触支持するものとしてもよい。

（５）上記各実施形態では、コイルＣ１〜１２はそれぞれ１個として説明した。これに対し、他の実施形態では、コイルＣ１〜１２はいずれも複数個として、１つの極を形成するティースに対しそれぞれ同じ数のコイルを巻いてもよい。

１回転電機
５ロータ
６ステータ
７コイル
８駆動電源回路
９支持電源回路
７１、７２駆動電源側コイル
７３支持電源側コイル
７４中性点側コイル
７５接続部
Ｎ中性点

Claims

駆動電源回路（８）および支持電源回路（９）から電流が供給される回転電機であって、
周方向に回転可能なロータ（５）と、
前記ロータの径方向内側または径方向外側に設けられ、周方向に配置された複数のティース（６２）を有するステータ（６）と、
複数の前記ティースに巻かれ、Ｙ結線を構成するＵ相、Ｖ相およびＷ相のコイル（７）と、を備え、
Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の前記コイルはいずれも、
前記駆動電源回路から電流が供給されるように電気的に並列接続された複数の駆動電源側コイル（７１、７２）と、
複数の前記駆動電源側コイルのうち前記駆動電源回路とは反対側の部位から延びる配線同士を接続する接続部（７５）と、
前記支持電源回路から電流が供給されるように前記支持電源回路と前記接続部との間に電気的に接続された支持電源側コイル（７３）と、
Ｙ結線の中性点（Ｎ）と前記接続部との間に電気的に接続される中性点側コイル（７４）と、を有する構成とした回転電機。
前記ステータの周方向に並ぶ複数の前記ティースのいずれにも、１つの磁極を形成する前記ティースに対し、同じ数の前記コイルが巻かれている請求項１に記載の回転電機。
前記ステータの周方向に並ぶ複数の前記ティースのいずれにも、１つの磁極を形成する前記ティースに対し、１つの前記コイルが巻かれている請求項１または２に記載の回転電機。
前記支持電源側コイルと前記中性点側コイルとは、前記ロータの回転軸（５５）を挟んで対向配置されている請求項１ないし３のいずれか１つに記載の回転電機。
前記支持電源回路から電流が供給されるとき、前記支持電源側コイルまたは前記中性点側コイルのうちの一方のコイルが巻かれた前記ティースが前記ロータと反発し、他方のコイルが巻かれた前記ティースが前記ロータに吸引される請求項１ないし４のいずれか１つに記載の回転電機。
前記駆動電源回路から所定の相に電流を供給するとき、その２分の１の電流をその所定の相に接続する前記支持電源回路に引き込むように制御される請求項１ないし５のいずれか１つに記載の回転電機。
前記ロータは、周方向に１０の磁極を有し、
前記ステータは、周方向に１２の磁極を有するものである請求項１ないし６のいずれか１つに記載の回転電機。
前記ロータは、周方向に８の磁極を有し、
前記ステータは、周方向に１２の磁極を有するものである請求項１ないし７のいずれか１つに記載の回転電機。