JP2009011131A - アキシャルギャップ型回転機及び圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】減磁を防止するアキシャルギャップ型回転機を提供する。
【解決手段】回転軸Ｐを中心とした周方向で隣り合う前記巻線磁心３２同士の間の第１等価エアギャップ（ｂ；２×ａ）は、回転軸Ｐの延在方向における巻線磁心１２，３２の間の第２等価エアギャップの２倍の値よりも小さい。より具体的には、第１等価エアギャップは、固定子３０と回転子２０との間の第１エアギャップの２倍程度である。第２等価エアギャップは、第１エアギャップの２倍と、固定子１０と回転子２０との間の第２エアギャップの２倍と、回転軸Ｐに平行な方向における永久磁石２１の厚みとの和と同程度である。よって、電機子巻線３３が呈する磁束は、第１等価エアギャップを介して隣接する巻線磁心３２へと伝達し、以って永久磁石２１を貫通する磁束を低減できる。ひいては、永久磁石２１の減磁を防止できる。
【選択図】図２

Description

本発明はアキシャルギャップ型回転機及び圧縮機に関し、特に一の回転子の両側に固定子が設けられたアキシャルギャップ型回転機に関する。

特許文献１には回転子の両側に固定子が配置されたアキシャルギャップ型回転機が開示されている。一方の固定子には電気子巻線が巻回され、他方の固定子には電機子巻線が巻回されていない。このようなアキシャルギャップ型回転機においては、磁束は、一方の固定子、回転子、他方の固定子からなる閉回路を通る。

なお、本発明に関連する技術として特許文献２，３が開示されている。

特開２００６−３５３０７８号公報 特開平１−１７２４２８号公報 特開昭６１−１８５０４０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、例えば回転子がロックして電機子巻線に大電流が流れた場合、磁束が永久磁石を貫通して減磁する可能性があった。

そこで、本発明は減磁を防止するアキシャルギャップ型回転機を提供することを目的とする。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第１の態様は、所定の軸（Ｐ）の周囲で環状に配される複数の第１磁心（３２）と、前記軸の延在方向を軸として前記第１磁心の周りで巻回される第１巻線（３３）と、前記延在方向において前記第１磁心と対向し、前記延在方向において相互に対向して互いに異なる磁極面を呈する第１表面及び第２表面を有する永久磁石（２１）と、前記延在方向において前記第１磁心とは反対側で前記永久磁石と対向する第２磁心（１２）と、前記延在方向を軸として前記第２磁心の周りで巻回され、前記第１巻線の巻数よりも少ない巻数を有する第２巻線（１３）とを備え、前記軸を中心とした周方向で隣り合う前記第１磁心同士の間の第１等価エアギャップ（ｂ；ａ１＋ａ２）は、前記延在方向における前記第１磁心と第２磁心との間の第２等価エアギャップの２倍の値よりも小さい。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第２の態様は、第１の態様に係るアキシャルギャップ型回転機であって、前記第１巻線（３３）および前記第２巻線（１３）は多相巻線であって、同一の相を呈する前記第１巻線及び前記第２巻線に流れる電流は互いに等しい。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第３の態様は、第１又は第２の態様に係るアキシャルギャップ型回転機であって、前記延在方向における前記第１磁心（３２）側で前記永久磁石（２１）に設けられた第１磁性体コア（２２）を更に備える。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第４の態様は、第１乃至第３のいずれか一つの態様に係るアキシャルギャップ型回転機であって、前記周方向において隣り合う前記永久磁石（２１）同士の間で、前記永久磁石とは隔たって配置された第２磁性体コア（２３）を更に備える。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第５の態様は、第４の態様に係るアキシャルギャップ型回転機であって、前記第２磁性体コア（２３）において、前記第１磁心（３２）側における前記周方向の長さが、前記第２磁心（１２）側における前記周方向の長さより長い。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第６の態様は、第４又は第５の態様に係るアキシャルギャップ型回転機であって、前記第２磁性体コア（２３）を、前記軸（Ｐ）側において前記周方向で相互に連結する連結部（２６）を更に備える。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第７の態様は、第１乃至第６のいずれか一つの態様に係るアキシャルギャップ型回転機であって、前記延在方向において前記第２磁心（１２）側で前記永久磁石（２１）に設けられる第３磁性体コア（２４）を更に備える。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第８の態様は、第７の態様に係るアキシャルギャップ型回転機であって、前記延在方向における前記第１磁性体コア（２２）の厚みと、前記延在方向における前記第３磁性体コアの厚み（２４）との比は、前記第１巻線（１３）の巻数と前記第２巻線（３３）の巻数の比と同一である。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第９の態様は、第１乃至第８のいずれか一つの態様に係るアキシャルギャップ型回転機であって、前記第１磁心（３２）は前記延在方向において前記永久磁石（２１）側に一端を有し、前記一端は周方向において広がる鍔形状を有している。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第１０の態様は、第１乃至第９のいずれか一つの態様に係るアキシャルギャップ型回転機であって、前記第１巻線（３３）および前記第２巻線（１３）は同一の線径を有する導線からなり、前記延在方向における前記第１磁心（３２）の長さは、前記延在方向における前記第２磁心（１２）の長さよりも長く、前記軸に垂直な面における前記第１磁心の面積は、前記面における前記第２磁心の面積よりも広い。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第１１の態様は、第１乃至第１０のいずれか一つの態様に係るアキシャルギャップ型回転機であって、前記永久磁石（２１）とは反対側で前記第１磁心（１２）を前記周方向に連結し、電磁鋼板が前記延在方向に積層されたバックヨーク（１１）を更に備える。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第１２の態様は、第１乃至第１１のいずれか一つの態様に係るアキシャルギャップ型回転機であって、前記第１巻線（３３）及び前記第２巻線（１３）はそれぞれ第１乃至第３相からなる巻線であって、前記第１巻線及び前記第２巻線は、前記延在方向において前記永久磁石（２１）からみて、互いに同一方向に電流が流れ、前記第１相を呈する前記第１巻線が巻回された前記第１磁心（３２）は、それぞれ前記第２相及び前記第３相を呈する前記第２巻線が巻回された隣り合う前記第２磁心（１２）同士の間と前記延在方向において対向する。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第１３の態様は、第１乃至１１のいずれか一つの態様に係るアキシャルギャップ型回転機であって、前記第１巻線（３３）及び前記第２巻線（１３）は前記延在方向において前記永久磁石（２１）からみて、互いに反対方向に電流が流れ、同一の相を呈する前記第１磁心（３２）及び前記第２磁心（１３）は、前記延在方向において相互に対向する。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第１４の態様は、第２乃至第１１のいずれか一つの態様に係るアキシャルギャップ型回転機であって、前記永久磁石（２１）は、前記軸（Ｐ）を中心として前記第１磁芯（３２）及び前記第２磁心（１２）に対して所定の方向に回転し、一の相を呈する前記第１巻線（３３）が巻回された前記第１磁芯（３２）の前記周方向における中心位置は、前記一の前記相を呈する前記第２巻線（１３）が巻回された一の前記第２磁心（１２）の周方向における中心位置と、前記一の前記第２磁心と前記所定の方向側で隣り合う前記第２磁心との間の前記周方向における中心位置と、の間の何れかの位置と対向する。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第１５の態様は、第１乃至第１４のいずれか一つの態様に係るアキシャルギャップ型回転機であって、前記軸方向における前記第１磁心（３２）の長さは前記軸方向における前記第２磁心（１２）の長さよりも長く、前記第１巻線（３３）及び前記第２巻線（１３）は相毎に結線されており、前記第１巻線及び前記第２巻線の結線は前記第１磁心（３２）側に設けられる。

本発明にかかる圧縮機の第１の態様は、第１乃至第１５のいずれか一つの態様にかかるアキシャルギャップ型回転機（１）と、前記軸（Ｐ）を含む領域に配され前記アキシャルギャップ型回転機によって前記軸を中心として回転されるシャフト（８０）と、前記シャフトを介して前記アキシャルギャップ型回転機によって駆動される圧縮機構（４０）とを備える。

本発明にかかる圧縮機の第２の態様は、第１の態様に係る圧縮機であって、前記圧縮機構（４０）は、前記シャフトの回転によって偏芯して回転し、前記延在方向において前記第２磁心（１２）に対して前記永久磁石（２１）とは反対側に配されており、前記永久磁石は所定の部材（２２，２３，２７）によって前記シャフト（８０）に固定されており、前記部材に設けられ、前記軸を中心とした径方向において前記軸を中心とした前記永久磁石の重量の対称性を崩す主バランサと、前記延在方向において前記圧縮機構とは反対側の前記シャフト（８０）の一端に設けられ、前記径方向において前記軸を中心とした前記シャフトの重量の対称性を崩す副バランサとを備える。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第１の態様によれば、励起された一の第１巻線が呈する磁束は、励起された第２巻線が呈する磁束よりも大きい。また第２等価エアギャップの２倍の値よりも第１等価エアギャップの方が小さい。よって、当該一の第１巻線が呈する磁束は、第２等価エアギャップを介して、つまり永久磁石を貫通して、第２磁心へと伝達するよりも、第１等価エアギャップを介して、当該一の第１巻線が巻回された第１磁心の隣の第１磁心へと伝達される。ひいては、永久磁石の減磁を防止できる。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第２の態様によれば、第１の態様にかかるアキシャルギャップ型回転機の実現に寄与する。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第３の態様によれば、第１等価エアギャップを容易に第２等価エアギャップよりも小さくできる。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第４の態様によれば、ｑ軸インダクタンスを向上でき、以ってリラクタンストルクを有効に活用できる。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第５の態様によれば、巻数の多い第１巻線側において第２磁性体コアの磁路を大きくでき、以って、第１巻線側においてリラクタンストルクをより有効に活用できる。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第６の態様によれば、励磁された第１巻線が呈する磁束は第２磁性体コアを介して連結部へと伝達されて、周方向において隣接する第２磁性体コアを介して第１磁芯へと伝達される。よって、当該磁束が第２磁芯を介さないので、当該磁束が通る磁路の磁気抵抗を低減することができる。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第７の態様によれば、第２巻線が呈する磁束が永久磁石を貫通することを抑制でき、以って永久磁石の減磁を防止できる。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第８の態様によれば、第３磁性体コアの厚みを低減できる。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第９の態様によれば、永久磁石の減磁を更に抑制できるとともに、第１磁心のパーミアンス係数を向上でき、以って永久磁石の動作点を向上できる。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第１０の態様によれば、第１磁心と第２磁心の磁気抵抗を同一にできる。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第１１の態様によれば、バックヨークの磁気抵抗を向上できる。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第１２及び第１３の態様によれば、励起された第１巻線及び第２巻線が永久磁石に対して呈する磁界は、互いに約１８０度位相がずれる。永久磁石は、第１巻線側の面及び第２巻線側の面で互いに異なる磁極性を呈すので、これらの磁界によって永久磁石に生じるトルクを同一とすることができ、以って効率のよいアキシャルギャップ型回転機を提供できる。また、第１磁心と第２磁心は延在方向において同一相が巻回された磁心同士がロータを介して相対しないため、より減磁に対して強くなる。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機の第１４の態様によれば、第１巻線を第２巻線よりも進んだ電流位相で励起できる。よって、第１巻線側でリラクタンストルクを有効に活用できる。言い換えれば、第１磁心側のマグネットトルクとリラクタンストルクの合計が最大となる位置と、第２磁心側のマグネットトルクとリラクタンストルクの合計が最大となる位置とを両立させることができる。

本発明にかかる圧縮機の第１の態様によれば、永久磁石の減磁を防止できる圧縮機を提供できる。

本発明にかかる圧縮機の第２の態様によれば、圧縮機構の偏芯によるアンバランスを補正するために、副バランサと主バランサを設けることができる。また、巻数の少ない第２磁心側で圧縮機構が配設されるので、副バランサと圧縮機構とを近くに配置でき、以って副バランサの重量の絶対値を低減できる。

第１の実施の形態．
図１は、本発明にかかる第１の実施の形態のアキシャルギャップ型回転機（以下、単に回転機と呼ぶ）の一例を、回転軸に沿って分解した概念的な斜視図である。図２は、図１に示す回転機のＡ−Ａ断面図である。Ａ−Ａ断面は、回転軸Ｐを中心とした周方向（以下、単に周方向と呼ぶ）における断面である。

回転機１は、固定子１０，３０と、回転子２０とを備えている。固定子１０、回転子２０及び固定子３０は回転軸Ｐに沿ってこの順で配置されている。

固定子１０はバックヨーク磁心１１と、巻線磁心１２と、電機子巻線１３とを備えている。巻線磁心１２は回転軸Ｐの周囲で環状に配されている。バックヨーク磁心１１は回転軸Ｐの延在方向（以下、単に軸方向と呼ぶ）において回転子２０とは反対側で巻線磁心１２を連結している。

電機子巻線１３は、回転軸Ｐと平行な方向を軸として、巻線磁心１２の周りで巻回されている。また電機子巻線１３は例えば多相巻線（例えば三相巻線）から構成されている。より具体的には、例えば１２個の巻線磁心１２の各々に三相の電機子巻線１３が巻回される。

なお、本願で特に断らない限り、電機子巻線は、これを構成する導線の一本一本を指すのではなく、導線が一纏まりに巻回された態様を指す。これは図面においても同様である。また、巻き始め及び巻き終わりの引き出し線、及びそれらの結線も図面においては省略した。また、電機子巻線の各々が一つの巻線磁心に巻回された、いわゆる集中巻が例示されているがこれに限らず、例えば分布巻であってもよい。本実施の形態においては、集中巻を例にとって説明する。

固定子３０はバックヨーク磁心３１と、巻線磁心３２と、電機子巻線３３とを備えている。巻線磁心３２は回転軸Ｐの周囲で環状に配されている。なお、巻線磁心１２，３２は軸方向において互いに反対側で永久磁石２１と対向していると把握できる。バックヨーク磁心３１は軸方向において回転子２０とは反対側で巻線磁心３２を連結している。

電機子巻線３３は、回転軸Ｐと平行な方向を軸として、巻線磁心３２の周りで巻回されている。また電機子巻線３３は例えば多相巻線（例えば三相巻線）から構成されている。より具体的には、例えば１２個の巻線磁心３２に三相の電機子巻線３３が巻回されている。

電機子巻線３３の巻数は電機子巻線１３の巻数よりも多い。例えば電機子巻線３３の巻数は、電機子巻線１３の２倍、若しくはそれ以上あってもよい。

また同一の相を呈する電機子巻線１３，３３を流れる電流は互いに等しい。具体的な接続としては、同一の相を呈する電機子巻線１３，３３をそれぞれ直列で接続し、各相の直列の一端同士を中性点で接続すればよい。

また図３に示すような接続であってもよい。図３は電機子巻線１３，３３の接続の一例を示す概念的な回路図である。図３においては、電機子巻線１３が呈するＵ相巻線を電機子巻線１３Ｕ１〜１３Ｕ４として、Ｖ相巻線を１３Ｖ１〜１３Ｖ４として、Ｗ相巻線を１３Ｗ１〜１３Ｗ４としてそれぞれ付記している。電機子巻線３３についても同様である。

より具体的には、直列接続された電機子巻線１３Ｕ１，１３Ｕ２，３３Ｕ１，３３Ｕ２の一組と、直列接続された電機子巻線１３Ｕ３，１３Ｕ４，３３Ｕ３，３３Ｕ４の一組とが並列に接続されている。Ｖ相、Ｗ相を呈する電機子巻線１３，３３の接続も同様である。そして、これら並列接続されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各々の一端が中性点Ｎで接続されている。このような接続であっても、同一の相を呈する電機子巻線１３，３３には互いに同一の電流が流れる。

なお、直列接続された電機子巻線１３Ｕ１，３３Ｕ１の一組と、同じく直列接続された電機子巻線１３Ｕ２，３３Ｕ２の一組と、電機子巻線１３Ｕ３，３３Ｕ３の一組と、電機子巻線１３Ｗ４，３３Ｗ４の一組とが互いに並列に接続されていてもよい。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。言い換えると、直列接続される一組の各々において、電機子巻線１３の構成数と電機子巻線３３の構成数が同一であればよい。つまり、互いに並列に接続される巻線の組が同一抵抗であることにより、同一電流を流すことができる。

このような構成の固定子１０，３０において、電機子巻線３３の巻数は電機子巻線１３の巻数よりも多く、電機子巻線１３，３３に流れる電流は等しいので、電機子巻線３３が呈する磁束は、電機子巻線１３が呈する磁束よりも多くなる。

なお、電機子巻線１３，３３の引き出し線や中性点といった結線は固定子３０に設けることが望ましい。電機子巻線１３，３３を構成する導線の線径が互いに同等であって、電機子巻線１３，３３の占積率が互いに同等であれば、巻線磁心１２，３２の軸方向における長さの比は、電機子巻線１３，３３の巻数の比と同等である。よって、軸方向における長さが長い巻線磁心３２側において結線を設けることで、容易に結線を行うことができる。

より具体的には、例えば図３に示すように、電機子巻線３３Ｕ１，１３Ｕ１，１３Ｕ２，３３Ｕ２をこの順で直列に接続し、電機子巻線３３Ｕ３，１３Ｕ３，１３Ｕ４，３３Ｕ４をこの順で直列に接続することで、このような結線を固定子３０に設けることができる。

また、軸方向における巻線磁心３２の長さが軸方向における巻線磁心１２の長さよりも長ければ、巻線磁心３２の磁気抵抗は巻線磁心１２の磁気抵抗よりも大きい。この点に鑑みて、回転軸Ｐに垂直な面における巻線磁心３２の面積は、当該面における巻線磁心１２の面積よりも大きくしてもよい。この場合、巻線磁心１２，３２の磁気抵抗を同等にすることができる。

回転子２０は、永久磁石２１と、回転子磁心２２，２３とを備えている。永久磁石２１は回転軸Ｐの周囲で環状に配されている。永久磁石２１は、軸方向で相互に対面し、互いに異なる磁極面を呈する表面を有している。

回転子磁心２２は、例えば軟磁性体であって、軸方向における固定子３０側で永久磁石２１に設けられている。回転子磁心２２は、少なくとも磁束の流れに直交する方向に対して高い抵抗率を有することが望ましい。より具体的には例えば圧粉鉄心で構成されてもよい。これにより渦電流を低減することができ、ひいては渦電流損によるブレーキトルクの発生を防止できる。

回転子磁心２３は、周方向で隣り合う永久磁石２１同士の間で永久磁石２１とは隔たって配置されている。周方向における磁極の中心の位置、すなわち、永久磁石２１の中心を通る径方向をｄ軸とすると、回転子磁心２３は、当該ｄ軸と電気的に直交するｑ軸に設けられることになる。つまり、ｄ軸インダクタンスに対してｑ軸インダクタンスを向上できるので、ｑ軸インダクタンスとｄ軸インダクタンスの差に起因して発生するリラクタンストルクを、マグネットトルクにあわせて利用することができる。なお、回転子磁心２３は設けられていなくても構わない。

なお、図１，２においては回転子２０として永久磁石２１、回転子磁心２２，２３のみが示されているが、実際は、非磁性体によってこれらを相互に固定するとともに図示せぬシャフトと締結されている。

このような構成の回転機１によれば、例えば回転子２０がロックして電機子巻線１３，３３に大電流が流れた場合であっても、永久磁石２１の減磁を抑制することができる。以下、具体的に説明する。

なお、電機子巻線１３は電機子巻線３３よりも巻数が少ないので、電機子巻線１３によって永久磁石２１へ印加し得る逆磁界は小さく、その影響は無視できるものとする。

電機子巻線３３が呈する磁束は、回転子磁心２２、永久磁石２１、巻線磁心１２、バックヨーク磁心１１、隣接する巻線磁心１２、回転子磁心２３をこの順で通って巻線磁心３２へと伝達する第１磁路、若しくは回転子磁心２２を介して隣接する巻線磁心３２へと伝達する第２磁路の何れかを通り得る（図２を参照）。

第１磁路は、巻線磁心３２と回転子２０との間の第１エアギャップ（図においてａ１で示す）および巻線磁心１２と回転子２０との第２エアギャップ（図においてｃで示す）をそれぞれ２回通っている。また、永久磁石２１の透磁率（例えば１．０５程度）は回転子磁心２２，２３の透磁率に比べて空気の透磁率に十分に近いので、永久磁石２１はエアギャップとみなすことができる。よって、第１磁路の等価エアギャップは、第１エアギャップの２倍と第２エアギャップの２倍と永久磁石２１の軸方向における厚み（図においてｄで示す）との和と同程度である。

なお、より正確に等価エアギャップを考慮するには、例えば軸方向における永久磁石２１の厚みに、永久磁石２１の比透磁率を掛けた値を、永久磁石２１にかかる等価エアギャップとして用いてもよい。

他方、第２磁路は、巻線磁心３２と回転子２０との間の第１エアギャップと、隣接する巻線磁心３２と回転子磁心２２との間の第３エアギャップ（図においてａ２で示す）とを通り、その等価エアギャップは第１エアギャップと第３エアギャップの和と同程度である。

本回転機１においては、第２磁路の等価エアギャップが第１磁路の等価エアギャップに比べて小さくなるように、固定子１０，３０と回転子２０との相互の位置関係が設定されている。電機子巻線３３が呈する磁束は電機子巻線１３が呈する磁束よりも大きく、第２磁路の等価エアギャップが第１磁路の等価エアギャップよりも小さいので、電機子巻線３３が呈する磁束の大部分は第２磁路を通って隣接する巻線磁心３２へと伝達される。

従って、例えば回転子２０がロックされて電機子巻線３３に大電流が流れたとしても、電機子巻線３３による磁束が永久磁石２１を貫通することを抑制し、ひいては永久磁石２１の減磁を抑制できる。

なお、周方向における回転子磁心２２の長さＷ１は、隣接する回転子磁心２３と接しない程度で長いほうが好ましい。当該長さを短くすると第３エアギャップが長くなるので、第２磁路の等価エアギャップが長くなるからである。

長さＷ１が十分に長い場合、例えば長さＷ１が周方向において一つ飛ばしで隣り合う巻線磁心３２の間の最小長さＷ２と同程度の場合、第３エアギャップ（ａ２）を第１エアギャップ（ａ１）と同程度まで小さくできる。この場合、第２磁路の等価エアギャップ（２・ａ１＋２・ｃ＋ｄ）と第１磁路の等価エアギャップ（ａ１＋ａ２）の差は、第２エアギャップの２倍と永久磁石２１の厚み（２・ｃ＋ｄ）と同程度である。

従って、第１磁路と第２磁路の等価エアギャップの大小関係は、第１エアギャップと第２エアギャップの間隔にほとんど依存しない。言い換えるならば、固定子１０，３０、回転子２０の相互の間の間隔を厳密に決定する必要がなく、容易に第２磁路の等価エアギャップを第１磁路の等価エアギャップよりも小さくできる。

また、第１エアギャップおよび第２エアギャップの間隔にほとんど依存しないので、これらを機械加工精度上の最小値まで小さくできる。よって、第１エアギャップ及び第２エアギャップにかかる磁気抵抗を小さくでき、以って永久磁石２１の動作点磁束密度を上昇させることができる。ひいては、永久磁石２１のエネルギーを有効に利用することができる。

また、回転子磁心２２と回転子磁心２３との間隙が十分に小さければ、回転子磁心２２，２３を介して巻線磁心３２へ伝達する磁路を形成でき、以って第１磁路を通る磁束を更に低減できる。当該間隙は例えば軸方向における永久磁石２１の厚みよりも小さくするとよい。

なお、本実施の形態においては、回転子磁心２２，２３を設けた態様で説明したが必ずしもこれに限らない。回転子磁心２２，２３が設けられていない場合は、第２磁路の等価エアギャップが第１磁路の等価エアギャップよりも小さくなるように、軸方向における固定子１０，３０の間の長さを決定すればよい。より具体的には、第２磁路の等価エアギャップとして機能し得る、隣接する巻線磁心３２同士の間の周方向における長さｂが、第１磁路の等価エアギャップとして機能し得る、固定子１０，３０の間の長さの２倍の値よりも小さくすればよい。この内容は、周方向で隣り合う巻線磁心３２同士の間の等価エアギャップは、延在方向における巻線磁心１２と巻線磁心３２との間の等価エアギャップの２倍の値よりも小さいと把握できる。

なお、回転子磁心２２を設けない場合、隣接する巻線磁心３２の間には電機子巻線３３が存在するため、長さｂを小さくすることは困難である。つまり第２磁路の等価エアギャップを小さくすることが困難であり、ひいては第１磁路の等価エアギャップを小さくすることも困難である。そこで、後述するように、巻線磁心の先端の幅を大きくする鍔部をもうけることが望ましい。

次に、巻線磁心１２，３２と電機子巻線１３，３３について更に詳述する。同一の相を呈する巻線磁心１２，３２は軸方向において互いに対向している。電機子巻線１３，３３は軸方向において永久磁石２１から見て、互いに反対方向となる電流が流れる。

よって、励起された電機子巻線１３，３３が永久磁石２１に対して呈する磁界は、互いに１８０度位相がずれる。永久磁石２１は、固定子１０，３０側において互いに異なる磁極面を呈すので、これらの磁界によって永久磁石２１に生じるトルクを同一とすることができ、以って効率のよい回転機１を提供できる。

また、軸方向において互いに反対方向となるスラスト力を生じさせることができるので、回転子に働くスラスト力を低減することができる。ひいては、シャフト（図示せず）を回転可能に支持する軸受（図示せず）の軸受損失を低減し、また軸受寿命を延ばすことができる。なお、固定子３０側では、電機子巻線３３による磁束が大きいので、特に電流を進角させて制御すれば、永久磁石２１の磁束が弱められてスラスト力が減少する。従って、この場合は第１エアギャップを第２エアギャップよりも小さくしてもよい。

図４は本回転機１の変形例を示している。図４における断面図では、固定子１０と回転子２０との間および固定子３０と回転子２０との間を誇張して示している。以下の図面においても同様である。図２と比較して、バックヨーク磁心１１，３１が軸方向に積層された電磁鋼板によって構成されている。そして、巻線磁心１２，３２がそれぞれバックヨーク磁心１１，３１に埋め込まれて固定されている。若しくは軸方向に貫通して固定されてもよい。

このようなバックヨーク磁心１１，３１においては、電磁鋼板の皮膜や積層間の隙間がエアギャップとなるので、バックヨーク磁心１１，３１の内部を通る磁束の流れに対して垂直な方向で磁気抵抗を増大することができる。よって、渦電流損の発生を抑制し、以って渦電流損によるブレーキトルクを低減することができる。

また、巻線磁心１２，３２をバックヨーク磁心１１，３１とは別に設けるので、バックヨーク磁心１１，３１において、電磁鋼板の相互間を固定するカラマセの突起を回転子２０側に設けることができる。よって、軸方向における回転機１のサイズを低減できる。

図５は本回転機１の他の変形例を示している。図５における斜視図では、固定子１０と回転子２０との間および固定子３０と回転子２０との間を誇張して示している。以下の図面においても同様である。

図１と比較して、巻線磁心３２は、回転子２０側の一端で周方向において幅広となる鍔形状を有している。当該鍔形状により、軸方向において回転子磁心２２と対向する巻線磁心３２の面積が増える、若しくは、第３エアギャップ（ａ２）が小さくなるので、第２磁路を通る磁束が増える。よって、永久磁石２１の減磁を更に抑制できる。また、当該鍔形状によってパーミアンス係数を向上でき、以って永久磁石２１の動作点を向上させることができる。言い換えると、永久磁石２１が呈する磁束のより多くを電機子巻線３３に鎖交させることができる。

なお、巻線磁心３２は幅広の鍔形状を有しているので、スラスト力が働く面積が増える。この点を鑑みて第１エアギャップをより長くしてもよい。この場合、スラスト力を低減できる。

図６は本回転機１の他の変形例を示している。図１と比較して、回転子２０は、回転軸Ｐ側および回転軸Ｐとは反対側で周方向において回転子磁心２２，２３を相互に連結する薄肉部２５を更に備えている。なお、回転子２０は例えば非磁性体のボス（図示せず）を介してシャフト（図示せず）に固定される。

薄肉部２５は径方向における長さが十分に小さく容易に磁気飽和する。これは永久磁石２１の漏れ磁束を防止するためである。永久磁石２１の漏れ磁束を防止するという観点では、薄肉部２５は永久磁石２１から一定距離離れていることが望ましい。

他方、薄肉部２５が磁気飽和したとしても、回転子磁心２２の周りは、磁気飽和した薄肉部２５よりも透磁率の低い、永久磁石２１やエアギャップによって囲まれているので、電機子巻線３３が呈する磁束によって一の永久磁石２１へ印加される逆磁界は、当該薄肉部２５を通りやすい。よって、更に永久磁石２１の減磁を抑制できる。なお、薄肉部２５は永久磁石と一定の距離を設けることが望ましい。

図７，８は、本回転機１の他の変形例を示している。図１と比較して、回転子磁心２３は固定子３０側における周方向の長さが、固定子１０側における周方向の長さよりも長い。電機子巻線３３の巻数は電機子巻線１３よりも多いので、固定子３０側で回転子２０に生じるトルクにおいては、固定子１０側で回転子２０に生じるトルクにおけるよりも、マグネットトルクに対するリラクタンストルクの割合が大きい。マグネットトルクは電流の１乗に、リラクタンストルクは電流の２乗に比例するからである。

回転子磁心２３は巻線磁心３２側における周方向の長さが比較的長いので、巻線磁心３２側のリラクタンストルクの発生に寄与するｑ軸インダクタンスを比較的に大きくできる。ひいては、固定子３０側においてリラクタンストルクを更に有効に活用できる。なお、電機子巻線１３側からのリラクタンストルクを期待しないのであれば、回転子磁心２３と固定子１０との間の軸方向における長さは、回転子磁心２３と固定子３０との間の軸方向における長さに比べて十分に長くてもよい。

図９は、本回転機１の他の変形例を示している。図７と比較して、回転子２０は、連結部２６を更に備えている。連結部２６は磁性体であって、回転軸Ｐ側において回転子磁心２３を周方向相互に連結する。連結部２６は径方向および軸方向に十分な長さを有している。なお、回転子磁心２３、連結部２６と、永久磁石２１、回転子磁心２２との間は図示せぬ非磁性体によって相互に固定されている。

固定子３０から回転子磁心２３へとわたった磁束は、一部は固定子１０、回転子磁心２３をこの順で介して固定子３０へと戻る第３磁路をとるが、大部分は連結部２６を介して固定子３０へと戻る第４磁路をとる。第３磁路においては第１エアギャップ及び第２エアギャップをそれぞれ２回通るが、第４磁路においては第１エアギャップのみを２回通る。よって、回転子磁心２３へとわたった磁束が通る磁路の磁気抵抗を小さくできる。

図１０は、本回転機１の他の変形例を示している。回転子２０は、回転子磁心２４を更に備えている。回転子磁心２４は回転子磁心２２と同様であるので繰り返し説明することを避ける。

図１０に示す回転機１によれば、電機子巻線１３が呈する磁束により永久磁石２１への逆磁界が生じて永久磁石２１が減磁しうる場合であっても、当該磁束は回転子磁心２４を介して隣接する巻線磁心１２へと伝達されるので、永久磁石２１の減磁を抑制できる。

なお、電機子巻線１３が呈する磁束は電機子巻線３３に比べて小さいので、軸方向における回転子磁心２４の厚みは、回転子磁心２３に比べて薄くてよい。より具体的には、回転子磁心２４の厚みは回転子磁心２３の厚みとの比が、電機子巻線１３の巻数と電機子巻線３３の巻数の比と同一程度であればよい。よって、軸方向における回転子磁心２４の厚みを低減できる。

図１１，１２は本回転機１の他の変形例を示している。固定子３０は回転子２０の回転方向において、固定子１０に比べてより進んだ位置にある。なお、一の相（例えばＵ相）を呈する巻線磁心３２の周方向における中心位置は、当該一の相（例えばＵ相）を呈する一の巻線磁心１２の周方向における中心位置と、当該一の巻線磁心１２と回転方向側で隣り合う巻線磁心１２との間の周方向における中心位置と、の間の何れかの位置と相互に対向する、と把握できる。

電機子巻線３３の巻数は電機子巻線１３よりも多いので、固定子３０側で回転子２０に生じるトルクにおいては、固定子１０側で回転子２０に生じるトルクにおけるよりも、マグネットトルクに対するリラクタンストルクの割合が大きくなる。よって、固定子３０は固定子１０に比べてより進んだ位置にあることが望ましい。マグネットトルクとリラクタンストルクの和が最大になる点は、電気角で０度より大きく４５度未満の範囲内であり、固定子３０は固定子１０に比べて当該範囲で進めるとよい。なお、マグネットトルクを減少させないために、回転子磁心２２も永久磁石２１より進めることもできる。

また、図１１，１２に例示する回転機１においては、巻線磁心３２と永久磁石２１の設置数の最大公倍数が２４であるので、コギングトルク周期は機械角で３６０°÷２４＝１５°である。電気角でいうと、６０度である。よって、固定子３０は固定子１０に比べて電気角で３０度進めるのとよい。これにより、コギングトルクを低減することができる。なお、トルクの最大を期待する場合は、異なった値になる。

図１３は本回転機１の他の変形例を示している。所定の相（例えばＷ相）を呈する電機子巻線３３が巻回された巻線磁心３２は、その他の２相（例えばＵ相、Ｖ相）を呈する電機子巻線１３がおのおの巻回された隣り合う巻線磁心１２同士の間と軸方向において対向する。

電機子巻線１３，３３は軸方向において永久磁石２１からみて、互いに同一方向に電流が流れる。

電機子巻線１３Ｕ１が呈する磁界ＨＵと電機子巻線１３Ｖ１が呈する磁界ＨＶの合成磁界は、３相平衡である限り、電機子巻線１３Ｗ１が呈する磁界ＨＷと強さが同一であり方向が反対となる。他方、固定子３０側においては、これに対向して、電機子巻線３３Ｗ１が配されているので、固定子１０，３０は回転子２０に対して同一方向のトルクを発生させることができる。

言い換えると、励起された電機子巻線１３，３３が永久磁石２１に対して呈する磁界は、互いに１８０度位相がずれる。永久磁石２１は、固定子１０，３０へと互いに異なる磁極性を呈すので、これらの磁界によって永久磁石２１に生じるトルクを同一とすることができ、以って効率のよい回転機１を提供できる。また、巻線磁心１２，３２は軸方向において同一相が巻回された巻線磁心同士が回転子２０を介して対向しないため、より減磁に対して強くなる。

なお、実際の製造においては、電機子巻線を単体で巻線磁心に巻回したものを、それぞれバックヨーク磁心に設ける点を鑑みると、電機子巻線１３，３３は軸方向において永久磁石２１からみて同一方向かつ回転軸Ｐに垂直な方向からみて反対方向に巻回していることが望ましい。この場合、電機子巻線１３，３３を流れる電流を、回転軸Ｐに垂直な方向からみて同一方向に流せばよい。

第２の実施の形態．
第２の実施の形態にかかる圧縮機について説明する。図１４は、上記の何れかの回転機１を適用した圧縮機の断面を示す概念的な構成図である。

圧縮機１００は、いわゆる高圧型の圧縮機であり、ケーシングとしての略筒状の密閉型容器６０内に、回転機１と、圧縮機構４０とを備えている。回転機１と圧縮機構４０とは回転軸Ｐに沿って配されている。また密閉型容器６０の下部には、油留部５１が設けられている。

回転機１は、第１の実施の形態で述べた回転機１のいずれでもよいが、例えば図１〜３で示した回転機１と同様の構成である。回転機１は、シャフト８０を介して圧縮機構４０を駆動する。また、回転機１は、固定子１０が圧縮機構４０側に位置するように配置されている。言い換えると、圧縮機構４０は軸方向において固定子１０に対して永久磁石２１とは反対側に配置されている。

なお、バックヨーク磁心１１，３１のいずれもが密閉型容器６０の内側に、例えば溶接等により固定され、固定子１０，３０と密閉型容器６０が固定されている。バックヨーク磁心１１，３１と密閉型容器６０とを焼き嵌めにより固定するためにはバックヨーク磁心１１，３１はある程度の強度が必要である。例えば図４に示すように積層された電磁鋼板で構成されているときは、バックヨーク磁心１１，３１と密閉型容器６０を焼き嵌めにより固定されてもよい。

永久磁石２１、回転子磁心２２，２３は非磁性体２７によって相互に連結されている。そして、非磁性体２７がシャフト８０に締結されて、回転子２０とシャフト８０とが固定される。シャフト８０は回転機１による回転力を圧縮機構４０に伝達する。

圧縮機構４０は、吸入管６１から供給された冷媒を、回転機１の駆動を受けて圧縮動作を行い、圧縮した高圧冷媒を吐出管６２から吐出する。回転機１は圧縮機構４０と吐出管６２の間、つまり高圧領域Ｈに配置されている。

なお、図１４においては、固定子３０を貫通したシャフト８０が示されているが、これに限らず貫通していなくてもよい。

なお、回転子２０はシャフト８０を介して圧縮機構４０と固定されている、いわゆる片持ち構造であるが、回転機１はアキシャルギャップ型回転機であるので、軸方向におけるシャフト８０の長さは短くてもよい。よって、片持ち構造において生じやすいシャフト８０の軸倒れが生じにくい。特に、軸受側に軸長の短い方のステータ（固定子１０）を配置される場合、顕著である。

このような構成の圧縮機１００によれば、永久磁石２１の減磁を防止できる回転機１を備える圧縮機を提供できる。また、固定子３０側で結線を設けることができるので、結線を容易とすることができる。なお、結線は巻線磁心３２に対して回転軸Ｐと反対側に設けてもよく、回転軸Ｐ側に設けてもよい。

また、圧縮機構４０は、回転軸Ｐに対して偏芯して回転することにより、圧縮室４４の容積を変化させて冷媒を圧縮している。そこで、当該偏芯に起因するアンバランスを修正すべく、シャフト８０に副バランサ７１を、回転子２０に主バランサ７２を設けてもよい。

てこの原理より、副バランサ７１は圧縮機構４０から遠いほど、且つ主バランサ７２は圧縮機構４０に近いほど、副バランサ７１及び主バランサ７２の質量を低減することができる。なお、主バランサ７２は、径方向において回転軸Ｐを中心とした永久磁石２１の重量の対称性を崩すと把握でき、副バランサ７１は径方向において回転軸Ｐを中心としたシャフト８０の重量の対称性を崩すと把握できる。

本圧縮機１００によれば、巻数の少ない固定子１０が圧縮機構４０側に位置しているので、固定子３０が圧縮機構４０側に位置する場合に比べて、回転子２０に設けられた主バランサ７２を圧縮機構４０により近づけることができる。また、回転子２０に主バランサ７２を設けることで、径方向においてより遠い位置に主バランサ７２を設けることができ、更に主バランサ７２の質量を低減できる。

図１５はシャフト８０に副バランサ７１を設けた態様の一例を示し、図１６は回転子２０に主バランサ７２を設けた態様の一例を示している。図１６に示すように、例えば回転軸Ｐと反対側に位置する回転子磁心２３の周縁に、孔が設けられている。これにより、回転軸Ｐに対して当該孔と対称な位置に主バランサ７２が設けられたことになる。図１７に示すように、例えば圧縮機構４０と反対側に位置するシャフト８０の先端に切り欠きが設けられている。これにより、回転軸Ｐに対して当該切り欠きと対称な位置に副バランサ７１が設けられたことになる。なお、シャフト８０が固定子３０を貫通して圧縮機構４０と反対側に延在した態様であれば、副バランサ７１を圧縮機構４０から遠ざけることができる。

第１の実施の形態にかかるアキシャルギャップ型回転機の一例を示す概念的な斜視図である。 図１におけるアキシャルギャップ型回転機のＡ−Ａ断面図である。 電機子巻線の接続を示す概念的な回路図である。 アキシャルギャップ型回転機の変形例を示す概念的な断面図である。 アキシャルギャップ型回転機の他の変形例を示す概念的な斜視図である。 アキシャルギャップ型回転機の他の変形例を示す概念的な斜視図である。 アキシャルギャップ型回転機の他の変形例を示す概念的な斜視図である。 図７におけるアキシャルギャップ型回転機の概念的な断面図である。 アキシャルギャップ型回転機の他の変形例を示す概念的な斜視図である。 アキシャルギャップ型回転機の他の変形例を示す概念的な斜視図である。 アキシャルギャップ型回転機の他の変形例を示す概念的な斜視図である。 図１１におけるアキシャルギャップ型回転機の概念的な断面図である。 アキシャルギャップ型回転機の他の変形例を示す概念的な斜視図である。 第２の実施の形態にかかる圧縮機の一例を示す概念的な断面図である。 シャフトに副バランサを設けた態様を示す図である。 回転子に主バランサを設けた態様を示す図である。

符号の説明

１０，３０ 固定子
１１，３１ バックヨーク磁心
１２，３２ 巻線磁心
１３，３３ 電機子巻線
２１ 永久磁石
２２，２３ 回転子磁心

Claims (17)

1. 所定の軸（Ｐ）の周囲で環状に配される複数の第１磁心（３２）と、
   前記軸の延在方向を軸として前記第１磁心の周りで巻回される第１巻線（３３）と、
   前記延在方向において前記第１磁心と対向し、前記延在方向において相互に対向して互いに異なる磁極面を呈する第１表面及び第２表面を有する永久磁石（２１）と、
   前記延在方向において前記第１磁心とは反対側で前記永久磁石と対向する第２磁心（１２）と、
   前記延在方向を軸として前記第２磁心の周りで巻回され、前記第１巻線の巻数よりも少ない巻数を有する第２巻線（１３）と
   を備え、
   前記軸を中心とした周方向で隣り合う前記第１磁心同士の間の第１等価エアギャップ（ｂ；ａ１＋ａ２）は、前記延在方向における前記第１磁心と第２磁心との間の第２等価エアギャップの２倍の値よりも小さい、アキシャルギャップ型回転機。
2. 前記第１巻線（３３）および前記第２巻線（１３）は多相巻線であって、同一の相を呈する前記第１巻線及び前記第２巻線に流れる電流は互いに等しい、請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転機。
3. 前記延在方向における前記第１磁心（３２）側で前記永久磁石（２１）に設けられた第１磁性体コア（２２）
   を更に備える、請求項１又は２に記載のアキシャルギャップ型回転機。
4. 前記周方向において隣り合う前記永久磁石（２１）同士の間で、前記永久磁石とは隔たって配置された第２磁性体コア（２３）
   を更に備える、請求項１乃至３の何れか一つに記載のアキシャルギャップ型回転機。
5. 前記第２磁性体コア（２３）において、前記第１磁心（３２）側における前記周方向の長さが、前記第２磁心（１２）側における前記周方向の長さより長い、請求項４に記載のアキシャルギャップ型回転機。
6. 前記第２磁性体コア（２３）を、前記軸（Ｐ）側において前記周方向で相互に連結する連結部（２６）を更に備える、請求項４又は５に記載のアキシャルギャップ型回転機。
7. 前記延在方向において前記第２磁心（１２）側で前記永久磁石（２１）に設けられる第３磁性体コア（２４）
   を更に備える、請求項１乃至６の何れか一つに記載のアキシャルギャップ型回転機。
8. 前記延在方向における前記第１磁性体コア（２２）の厚みと、前記延在方向における前記第３磁性体コアの厚み（２４）との比は、前記第１巻線（１３）の巻数と前記第２巻線（３３）の巻数の比と同一である、請求項７に記載のアキシャルギャップ型回転機。
9. 前記第１磁心（３２）は前記延在方向において前記永久磁石（２１）側に一端を有し、
   前記一端は周方向において広がる鍔形状を有している、請求項１乃至８の何れか一つに記載のアキシャルギャップ型回転機。
10. 前記第１巻線（３３）および前記第２巻線（１３）は同一の線径を有する導線からなり、
    前記延在方向における前記第１磁心（３２）の長さは、前記延在方向における前記第２磁心（１２）の長さよりも長く、前記軸に垂直な面における前記第１磁心の面積は、前記面における前記第２磁心の面積よりも広い、請求項１乃至９の何れか一つに記載のアキシャルギャップ型回転機。
11. 前記永久磁石（２１）とは反対側で前記第１磁心（１２）を前記周方向に連結し、電磁鋼板が前記延在方向に積層されたバックヨーク（１１）
    を更に備える、請求項１乃至１０の何れか一つに記載のアキシャルギャップ型回転機。
12. 前記第１巻線（３３）及び前記第２巻線（１３）はそれぞれ第１乃至第３相からなる巻線であって、
    前記第１巻線及び前記第２巻線は、前記延在方向において前記永久磁石（２１）からみて、互いに同一方向に電流が流れ、
    前記第１相を呈する前記第１巻線が巻回された前記第１磁心（３２）は、それぞれ前記第２相及び前記第３相を呈する前記第２巻線が巻回された隣り合う前記第２磁心（１２）同士の間と前記延在方向において対向する、請求項１乃至１１の何れか一つに記載のアキシャルギャップ型回転機。
13. 前記第１巻線（３３）及び前記第２巻線（１３）は前記延在方向において前記永久磁石（２１）からみて、互いに反対方向に電流が流れ、
    同一の相を呈する前記第１磁心（３２）及び前記第２磁心（１３）は、前記延在方向において相互に対向する、請求項１乃至１１の何れか一つに記載のアキシャルギャップ型回転機。
14. 前記永久磁石（２１）は、前記軸（Ｐ）を中心として前記第１磁芯（３２）及び前記第２磁心（１２）に対して所定の方向に回転し、
    一の相を呈する前記第１巻線（３３）が巻回された前記第１磁芯（３２）の前記周方向における中心位置は、前記一の前記相を呈する前記第２巻線（１３）が巻回された一の前記第２磁心（１２）の周方向における中心位置と、前記一の前記第２磁心と前記所定の方向側で隣り合う前記第２磁心との間の前記周方向における中心位置と、の間の何れかの位置と相互に対向する、請求項２乃至１１の何れか一つに記載のアキシャルギャップ型回転機。
15. 前記延在方向における前記第１磁心（１３）の長さは前記周方向における前記第２磁心の長さよりも長く、前記第１巻線（３３）及び前記第２巻線（１３）は相毎に結線されており、前記第１巻線及び前記第２巻線の結線は前記第１磁心（３２）側に設けられる、請求項１乃至１４の何れか一つに記載のアキシャルギャップ型回転機。
16. 請求項１乃至１５の何れか一つに記載のアキシャルギャップ型回転機（１）と、
    前記軸（Ｐ）を含む領域に配され前記アキシャルギャップ型回転機によって前記軸を中心として回転されるシャフト（８０）と、
    前記シャフトを介して前記アキシャルギャップ型回転機によって駆動される圧縮機構（４０）と
    を備える、圧縮機。
17. 前記圧縮機構（４０）は、前記シャフトの回転によって偏芯して回転し、前記延在方向において前記第２磁心（１２）に対して前記永久磁石（２１）とは反対側に配されており、
    前記永久磁石は所定の部材（２２，２３，２７）によって前記シャフト（８０）に固定されており、
    前記部材に設けられ、前記軸を中心とした径方向において前記軸を中心とした前記永久磁石の重量の対称性を崩す主バランサと、
    前記延在方向において前記圧縮機構とは反対側の前記シャフト（８０）の一端に設けられ、前記径方向において前記軸を中心とした前記シャフトの重量の対称性を崩す副バランサとを備える、請求項１６に記載の圧縮機。

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