JP2015065758A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】トルク脈動を低減させる回転電機を備える圧縮機を提供する。【解決手段】第１回転子８Ａと、第１回転子８Ａ異なるトルク脈動特性を有する第２回転子８Ｂと、固定子９と、からなる回転電機１０を備えることを特徴とする圧縮機Ｓである。また、第２回転子８Ｂは、高速回転時における第１回転子８Ａの振れ回りを低減するようなトルク脈動特性を有する。また、第１回転子８Ａおよび第２回転子８Ｂは、永久磁石が埋め込まれ、第１回転子８Ａの永久磁石と、第２回転子８Ｂの永久磁石とは、駆動電流波形が界磁の位相差を有するように配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機に関し、特に、圧縮機の回転電機（電動機、モータ）に関する。

圧縮機に搭載する電動機の低騒音化の方法として、特許文献１（特開２０１３−２７１５０号公報）が開示されている。この特許文献１には、「電動機の低騒音化の方法としては、ロータ外周部に凹部を設け磁束の変化を緩和させるものが提案されているが、磁石端面部も凹部としているため、磁石幅が制限され、磁束量が減少しトルクが低下してしまう」と記載されている（要約参照）。

また、特許文献２（特開２００４−２７０６５４号公報）が開示されている。この特許文献２には、「運転中に発生する作動媒体の圧縮反力により生じていたアンバランス状態を解消して、騒音及び振動の発生を抑制することができる回転型圧縮機」が記載されている（要約参照）。

特開２０１３−２７１５０号公報 特開２００４−２７０６５４号公報

特許文献１の電動機は、回転子に多極によるフェライト磁石を有して、磁石の厚さに制限がある場合でも、低騒音で高トルク出力可能な電動機とすることができる。

しかしながら、特許文献１の電動機は、モータ単体として、限られた運転範囲（回転速度、トルク）においては高効率とすることができるが、モータを他の構成と組み合わせて用いた場合、例えば、特許文献１の電動機をスクロール圧縮機に搭載した場合、限られた運転範囲（回転速度、トルク）から外れた領域で運転すると、効率が低下し、トルク出力も低下し、回転子の振動もトルク脈動などによって振れ回るおそれがある。

また、特許文献２の圧縮機は、バランスウェイトを設けることにより、圧縮機運転中に発生する圧縮反力が原因で生じていた動的アンバランス状態を抑制することができる。

しかしながら、特許文献２の圧縮機は、バランスウェイトを設けることにより、回転子のシャフト（クランク軸）に掛かる荷重が大きくなるため、圧縮機の軸負荷である始動トルクが増大する。この始動トルクは、圧縮機構部が冷媒を圧縮する際に必要とする圧縮反力のトルクに対して余分なトルクとなるため、始動トルクが増大すると電動機の消費エネルギ（電力）に対する効率が低下し、圧縮機の消費エネルギ（電力）に対する効率が低下する。また、バランスウェイトを設けることにより圧縮機が大型化する。加えて、始動トルクが増大するため、回転力を発生する回転電機１０も大型化し、回転電機１０の放熱機構を含めた圧縮機全体が大型化する。

また、余分なトルクとなるバランスウェイトの荷重は、高回転速度・過負荷運転時においても、必要トルク（圧縮反力のトルク）以上の余分なトルクを加算した状態で運転することとなる。このため、回転子の振れ回りによるトルク脈動も増大するため、トルク対回転速度の圧縮機運転範囲が狭い範囲に制限されることも考えられる。

そこで、本発明は、トルク脈動を低減させる回転電機を備える圧縮機を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために、本発明に係る圧縮機は、第１回転子と、前記第１回転子とは異なるトルク脈動特性を有する第２回転子と、固定子と、からなる回転電機を備えることを特徴とする。

本発明によれば、トルク脈動を低減させる回転電機を備える圧縮機を提供することができる。

本実施形態に係るスクロール圧縮機の縦断面図である。 回転電機の分解斜視図である。 回転電機の断面図である。 回転子、固定子、回転子の各永久磁石の関係を示す部分拡大図である。 回転子、固定子、回転子の各永久磁石の関係を示す部分拡大図であり、図４とは、回転子を反転して配置したものである。 主なる回転子の永久磁石と従なる回転子の永久磁石との配置関係を軸方向にみた図である。 主なる回転子の永久磁石と従なる回転子の永久磁石との配置関係を軸方向にみた図である。 主なる回転子の永久磁石と従なる回転子の永久磁石との配置関係を軸方向にみた図である。 主なる回転子の永久磁石と従なる回転子の永久磁石との配置関係を軸方向にみた図である。 回転子の各角度区分における磁極の組み合わせと、回転子の磁極比と、低温条件および高温条件における磁束に対するトルク脈動率と、の関係を示す表である。 第１実施形態に係る回転電機の断面模式図である。 第２実施形態に係る回転電機の断面模式図である。 第３実施形態に係る回転電機の断面模式図である。 第４実施形態に係る回転電機の断面模式図である。 第５実施形態に係る回転電機の断面模式図である。 第６実施形態に係る回転電機の断面模式図である。 本実施形態に係るスクロール圧縮機のトルク（トルク脈動）を示すグラフである。 振動周波数と音圧レベルとの関係を示すグラフである。 第１変形例に係る回転電機の回転子の分解斜視図である。 第２変形例に係る回転電機の回転子の分解斜視図である。 比較例に係るスクロール圧縮機の縦断面図である。 比較例の回転電機の低速低負荷回転時の断面図である。 比較例の回転電機の高速高負荷運転時の断面図である。 比較例に係るスクロール圧縮機のトルク（トルク脈動）を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

≪スクロール圧縮機≫
本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓについて、比較例に係るスクロール圧縮機Ｓｘ（図２１参照）と対比しつつ、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓの縦断面図である。図２１は、比較例に係るスクロール圧縮機Ｓｘの縦断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓは、密閉容器１と、旋回スクロール２、固定スクロール３およびフレーム４からなる圧縮機構部５と、クランク軸６と、オルダムリング７と、回転子８（主なる回転子８Ａ，従なる回転子８Ｂ）および固定子９からなる回転電機１０と、主軸受１１と、下軸受１２と、を備えている。

本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓは、密閉容器１内の上部に圧縮機構部５が配置され、密閉容器１内の下部に回転電機１０が配置される密閉型の圧縮機である。

圧縮機構部５は、旋回ラップ２ａを有する旋回スクロール２と、固定ラップ３ａを有する固定スクロール３と、固定スクロール３にボルト等で締結され旋回スクロール２を支持するフレーム４と、を備えて構成されている。

旋回スクロール２は、台板から上面側に渦巻状の旋回ラップ２ａが立設され、下面側にはクランク軸６の偏心部６ｂが嵌合する旋回軸受２ｂが設けられている。固定スクロール３は、台板から下面側に旋回ラップ２ａと互いにかみ合う固定ラップ３ａが立設されている。旋回スクロール２は、固定スクロール３と相対向して旋回自在に配置されており、両者によって、吸込室と圧縮室が形成されている。

フレーム４は、その外周側が溶接によって密閉容器１の内壁面に固定されており、クランク軸６の主軸６ａを回転自在に支持する主軸受１１を備えている。また、旋回スクロール２とフレーム４との間には、背圧室（中間圧室）が形成されている。

オルダムリング７は、旋回スクロール２の下面側とフレーム４の間に配置されており、旋回スクロール２の下面側に形成された溝とフレーム４に形成された溝に装着されている。オルダムリング７は、クランク軸６の偏心部６ｂの偏心回転を受けて、旋回スクロール２を自転することなく公転運動をさせる働きをする。

回転電機１０は、回転子８および固定子９を備えている。固定子９は、密閉容器１に圧入、溶接等により固定されている。回転子８は、固定子９内に回転可能に配置されている。また、回転子８にはクランク軸６（主軸６ａ）が固定されている。

クランク軸６は、前記のように主軸６ａと偏心部６ｂとを備えて構成されている。クランク軸６の主軸６ａは、上側がフレーム４に設けた主軸受１１で支持され、下側が下軸受１２で支持されている。クランク軸６の偏心部６ｂは、主軸６ａに対して偏心して一体に形成されており、旋回スクロール２の背面に設けた旋回軸受２ｂに嵌合されている。回転電機１０を駆動して主軸６ａを回転させると、偏心部６ｂは主軸６ａに対して偏心回転運動し、旋回スクロール２を旋回運動させるようになっている。

回転電機１０を駆動してクランク軸６を回転させ旋回スクロール２を旋回運動させると、ガス冷媒は、吸込管１ａから吸込室を通り、旋回スクロール２および固定スクロール３により形成される圧縮室に導かれる。そして、圧縮室のガス冷媒は、旋回スクロール２と固定スクロール３との間で中心方向に移動するにしたがって容積を縮小して圧縮される。圧縮されたガス冷媒は、固定スクロール３の吐出ポートから密閉容器１内の空間である吐出圧室に吐出され、吐出管１ｂを通って、外部へと流出していく。

これに対し、図２１に示すように、比較例に係るスクロール圧縮機Ｓｘは、密閉容器１と、旋回スクロール２、固定スクロール３およびフレーム４からなる圧縮機構部５と、クランク軸６と、オルダムリング７と、回転子８ｘおよび固定子９ｘからなる回転電機１０ｘと、主軸受１１と、下軸受１２と、バランスウェイト１３Ａ，１３Ｂと、を備えている。

このように、本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓ（図１参照）は、比較例に係るスクロール圧縮機Ｓｘ（図２１参照）と比較して、回転電機１０，１０ｘの構成が異なっている。即ち、比較例に係るスクロール圧縮機Ｓｘ（図２１参照）の回転電機１０ｘの回転子８ｘは、１つの回転子で構成されている。これに対し、本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓ（図１参照）の回転電機１０の回転子８は、主なる回転子８Ａと、主なる回転子８Ａが受ける（または、発生する）トルク脈動とは異なるトルク脈動特性を有する従なる回転子８Ｂと、で構成されている。なお、主なる回転子８Ａおよび従なる回転子８Ｂについての詳細は、後述する。

また、本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓ（図１参照）は、比較例に係るスクロール圧縮機Ｓｘ（図２１参照）と比較して、バランスウェイト１３Ａ，１３Ｂが省略されている。これにより、本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓ（図１参照）は、比較例に係るスクロール圧縮機Ｓｘ（図２１参照）と比較して、スクロール圧縮機Ｓの全長（クランク軸６の回転軸方向長さ、図１の紙面において上下方向の長さ）を短くすることができ、小型の圧縮機とすることができる。また、クランク軸６の主軸６ａの長さを短くすることができ、クランク軸６とともに回転する回転体の質量を低減することができるので、回転子８の振れ回りによるトルク脈動を低減させることができる。

≪回転電機≫
次に、本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓ（図１参照）が備える回転電機１０について図２および図３を用いて説明する。図２は、回転電機１０の分解斜視図である。図３は、回転電機１０の断面図である。なお、図３は、回転電機１０の回転軸方向を法線とする断面図である。なお、図２および図３において、回転電機１０は、４極６スロットとして図示しているが、回転子８の磁極数および固定子９のスロット数はこれに限定されるものではない。

図２に示すように、回転電機１０は、主なる回転子８Ａと、従なる回転子８Ｂと、固定子９と、を備えている。そして、図２に示す回転電機１０では、従なる回転子８Ｂとして、主なる回転子８Ａの一方側（図１の上側、図２の手前側）に上部バランス用回転子８Ｂ１を備え、主なる回転子８Ａの他方側（図１の下側、図２の奥側）に下部バランス用回転子８Ｂ２を備えている。なお、後述するように、従なる回転子８Ｂは、主なる回転子８Ａの上下両方に備えていてもよく（図２および後述する図１５から図１６参照）、どちらか一方のみであってもよい（後述する図１１から図１４参照）。

回転電機１０の回転子８および固定子９の構成について、図３を用いてさらに説明する。なお、ここでは、回転子８として、図２の従なる回転子８Ｂを例に説明する。

図３に示すように、回転電機１０は、回転子８（従なる回転子８Ｂ（図１、図２参照））と、固定子９と、を備えている。なお、回転子８の中心位置Ｐ０と、固定子９の中心位置Ｑ０は、同じ位置に配置される。

回転子８は、ロータコア８１と、第１永久磁石８２と、第２永久磁石８３と、を備えている。また、ロータコア８１には、永久磁石８２，８３が配置される磁石挿入孔と、リベット挿入孔８４と、潤滑油孔８５と、主軸挿入孔８６が設けられている。

リベット挿入孔８４は、積厚して構成されるロータコア８１を固定するリベットが挿入される。リベットは、例えば、漏れ磁束の影響を受けにくい非磁性体材料、または、磁化されても漏れ磁束の影響が少ない材料やフェライト系の磁性体材料に挟まれていれば、磁束密度が低いため、漏れ磁束は生じにくく、低振動な回転子８とすることができる。なお、リベット挿入孔８４の位置は図３の位置に限定されるものではない。潤滑油孔８５は、スクロール圧縮機Ｓの潤滑油を流すことにも用いられており、潤滑油孔８５の位置は図３の位置に限定されるものではない。主軸挿入孔８６には、クランク軸６の主軸６ａ（図１参照）が挿入され、回転子８がクランク軸６の主軸６ａに固定されている。

第１永久磁石８２は、回転子８のロータコア８１の磁石挿入孔に埋め込まれている。磁性体材料からなる第１永久磁石８２は、例えば、希土類磁石（例えば、ネオジム、鉄、ホウ素を主成分とした磁石や、サマリウム、鉄、窒素を主成分とした磁石）を用いる。

第２永久磁石８３は、回転子８のロータコア８１の磁石挿入孔に埋め込まれている。第２永久磁石８３は、第１永久磁石８２の磁性体材料とは異なる磁性体材料からなる永久磁石であり、例えば、フェライト磁石（例えば、酸化鉄を主成分としたセラミックス磁石）を用いる。なお、このような構成とすることにより、高価な希土類磁石（第１永久磁石８２）の使用量を少なくすることができる。

また、図３に示すように、回転子８に埋め込んだ異なる磁極において、ある磁極の第１永久磁石８２（希土類磁石）と、それに隣接する磁極の第１永久磁石８２（希土類磁石）とが、回転子８の中心側において、第２永久磁石８３（フェライト磁石）で厚めに仕切る構成となっている。これにより、回転中に発生する渦電流損失を低減することができ、回転子８全体の発熱も低減することができるため、熱減磁などによる永久磁石８２，８３の磁力損失も抑制することができる。

なお、第１永久磁石８２と第２永久磁石８３とは、別体として形成して、ロータコア８１の磁石挿入孔に挿入してもよい。また、第１永久磁石８２として錆びやすく表面処理を要する希土類磁石を用いる場合、第２永久磁石８３の磁性体材料であるフェライト磁性体粉で第１永久磁石８２（希土類磁石）を表面処理し、薄い被膜で覆うようにして、第１永久磁石８２と第２永久磁石８３とを一体に形成し、強固な単体品としてもよい。従来、防錆対策として、ネオジム磁石（希土類磁石）の表面にニッケル等のメッキを施している。このため、メッキ工程のコストが高いという問題がある。これに対し、第１永久磁石８２と第２永久磁石８３とを一体に形成することにより、錆びやすい希土類磁石（第１永久磁石８２）の表面を、酸化に強く錆びにくい特性を有するフェライト磁石（第２永久磁石８３）で覆うことができ、ニッケル等のメッキ工程を省略することができる。

また、第１永久磁石８２の表面を覆うように一体に形成する第２永久磁石８３は、フェライト磁性体粉だけでなく、樹脂をバインダとして有し、第１永久磁石８２の磁性体材料とは異なる磁性体材料からなる永久磁石を用いてもよい。また、永久磁石８２，８３とロータコア８１との固定用リベット、永久磁石８２，８３の飛び出し防止用端板などを一体に形成した単体品としてもよい。

また、ロータコア８１の永久磁石８２，８３が挿入される磁石挿入孔およびリベット挿入孔８４に、加工が容易であるフェライト系以外の、比抵抗が大きく、強固なボンド磁性体を用いることにより、ロータコア８１、第１永久磁石８２および第２永久磁石８３を一体に形成し、固定用リベットや飛び出し防止用端板を省略してもよい。

なお、第２永久磁石８３の着磁方法は、磁石単体による外部磁界からの着磁であってもよく、第２永久磁石８３を回転子８のロータコア８１に埋め込んだ状態による巻線着磁であってもよい。

異なる磁性材料と磁極からなる各永久磁石８２，８３は、回転子８の中心位置Ｐ０の周りで環状に配置し、例えば４極の場合は同極磁石を回転子８の中心位置Ｐ０の点対称として配置する。

固定子９は、コアバック９１と、延在部９２ａ，９２ｂおよび鍔部９３ａ，９３ｂからなるティース９４ａ，９４ｂと、電機子巻線９５と、を備えている。

積厚して構成されるコアバック９１は、中空円筒状に形成され、その外周が密閉容器１（図１参照）に圧入等により固定される。回転電機１０の駆動中に生じる電機子巻線９５の銅損と固定子９の鉄損による発熱は、コアバック９１を介して密閉容器１（図１参照）に放熱する。

中空円筒状のコアバック９１の内周側には、ティース９４ａ，９４ｂが形成される。ここで、本実施形態の固定子９のティースは、非対称な形状を有しており、一方側をティース９４ａとし、他方側をティース９４ｂとする。一方側のティース９４ａは延在部９２ａおよび鍔部９３ａで形成され、他方側のティース９４ｂは延在部９２ｂおよび鍔部９３ｂで形成され、電機子巻線９５が巻き回しされている。

電機子巻線９５は、例えば、比抵抗の小さい銅線やアルミ線などが用いられ、スロット内において巻き崩れしないように固定されている。なお、電機子巻線９５は、例えば、集中巻きや分布巻きで巻き回しされており、これに限定するものではない。また、巻き始めと巻き終りが同方向になるように巻き回ししてもよく、巻き始めと巻き終りを別方向になるように巻き回ししてもよく、限定するものではない。

固定子９の磁極面９６は、例えば、回転子８が多極の磁極を有するときは、周方向において交互に異なる磁極を発生するように配置され、電機子巻線９５に駆動電流を流すことで、固定子９は回転子８へと回転磁界を印加する。

回転子８の中心位置Ｐ０が固定子９の中心位置Ｑ０と一致して回転子８が回転している場合、回転子８と固定子９のエアギャップ（空隙）８８（図４参照）は、等しい間隔となる。一方、圧縮室の圧縮反力、回転速度、トルクによって、クランク軸６（主軸６ａ）を介して、回転子８に振れ回りが生じた場合、回転子８の中心位置Ｐ０が固定子９の中心位置Ｑ０から変移することで、エアギャップ８８（図４参照）の間隔も変化する。特に、高速高負荷運転時では、回転子８が大きく振れ回るので、回転子８と固定子９とが接触しないようにエアギャップ８８（図４参照）が設計される。

次に、回転子８、固定子９、回転子８の各永久磁石８２，８３の関係について、図４を用いて更に説明する。図４は、回転子８、固定子９、回転子８の各永久磁石８２，８３の関係を示す部分拡大図である。

回転子８と、固定子９と、第１永久磁石８２と、第２永久磁石８３とは、軸方向に対して、重心を等しくするように、回転子８の中心位置Ｐ０および固定子９中心位置Ｑ０を配置する。なお、エアギャップ８８は、例えば、低速低負荷運転時の回転子８の外周方向の半径ｒ１と、固定子９との間隔で図示する。

固定子９のティース９４ａ，９４ｂは、固定子９の中心位置Ｑ０と、その中心位置Ｑ０を垂直に交差する直線Ｂ１に対して、非対称形状となるように設けられている。直線Ｂ１とティース９４ａの延在部９２ａとの距離をＬ１１とし、直線Ｂ１とティース９４ｂの延在部９２ｂとの距離をＬ１２とすると、Ｌ１１＞Ｌ１２の関係を満たす構成となる。

ティース９４ａ側の電機子巻線９５（図３参照）の巻き始めと巻き終わりの位置は、固定子９の中心位置Ｑ０から距離Ｌ１３の位置と、固定子９の外周方向のコアバック９１からの距離Ｌ１４との交点位置となる。そして、この交点位置から、延在部９２ａを通り、鍔部９３ａまで巻き回しされる。また、ティース９４ｂ側の電機子巻線９５（図３参照）の巻き始めと巻き終わりの位置は、固定子９の中心位置Ｑ０から（距離Ｌ１３＋距離Ｌ１５）の位置と、固定子９の外周方向のコアバック９１からの距離Ｌ１４との交点位置となる。そして、この交点位置から、延在部９２ｂを通り、鍔部９３ｂまで巻き回しされる。

固定子９の側からの回転磁界の印加は、図４において、延在部９２ａ（または、延在部９２ｂ）から距離（Ｌ１１＋Ｌ１２）／２の中心位置側に向かって引きつける力が作用する。このため、回転子８の側からは、中心位置Ｐ０＝中心位置Ｑ０とした設置状態に対し、中心位置Ｑ０から水平に距離Ｌ１６ずれた点Ｑ１に中心位置がずれた分に相当する印加力が発生することになる。

つまり、回転子８に埋め込んだ永久磁石８２，８３の位相角を、進相角や遅延角として働くように配置することで、複雑なトルク制御を行わなくとも、駆動電流波形が界磁の位相差（弱め界磁）で振れ回る固有振動に近似したトルク脈動を発生できる効果がある点Ｑ１を回転子８と固定子９との関係から設定することができることを示している。なお、点Ｑ１と距離（Ｌ１１＋Ｌ１２）／２の中心位置は、同じ位置でなくてもよい。

＜モータトルク（トルク脈動）と慣性モーメント＞
ここで、回転子８と、磁極数（極対数）の位相角との関係から、モータ単体で発生するモータトルクＴ_ｍ（トルク脈動）について説明する。

モータトルクＴ_ｍは、式（１）により、大括弧内の１項の磁石トルクと、大括弧内の２項のリラクタンストルクとの和で求められる。ここで、Ｐ_ｍは回転子８の極対数であり、φ_ａは固定子９に流す電流で回転子８に埋め込んだ永久磁石８２，８３（磁極面）が回転中に電磁鋼板を通る磁束の変化量（誘起電圧）であり、Ｉ_ａは電機子電流であり、Ｌ_ｑはｑ軸成分のインダクタンスであり、Ｌ_ｄはｄ軸成分のインダクタンス（磁気抵抗の大きな磁石とする）であり、βは電流によって回転子８が周方向に進む位相角である。

なお、式（１）の１項である磁石トルクとは、回転子８に埋め込んだ異なる磁極を有する永久磁石８２，８３の磁極面（回転子８の外周面）とエアギャップ８８を介して、固定子９の内周面で働く電磁力を示すものである。

また、式（１）の２項であるリラクタンストルクとは、回転子８の磁気突極に働く電磁力であり、回転子８に埋め込んだ永久磁石８２，８３とその間にある電磁鋼板のインダクタンス差（Ｌ_ｑ−Ｌ_ｄ）により、磁気突極を得て発生させる吸引・反発力である。

式（１）により、固定子９側の電機子巻線９５に流れる電機子電流Ｉ_ａである駆動電流（モータ駆動電流）を制御することにより、モータトルクＴ_ｍの大きさを調整したり、ある特定の高調波成分を合成した駆動電流を位相角βに合わせて通電して回転子８を回転させたりすることで、回転子８が振れ回りに近似したモータトルクＴ_ｍのトルク脈動を発生させることができる。

なお、回転電機１０に駆動電流（電機子電流Ｉ_ａ）を供給する駆動装置は、１２０度通電、１５０度通電、１８０度通電や、最大モータ効率となるモータトルクにおける最適電流と位相通電や、また、モータ設計点よりも更に高速域で誘起電圧が飽和して回転できない高速回転領域でも回転できるように、界磁を弱める位相通電などを用いた制御方法で、モータトルクＴ_ｍに比例した駆動電流（電機子電流Ｉ_ａ）で回転電機１０を運転できる駆動装置としてもよい。

次に、軸負荷からの回転子８のトルク脈動となる回転電機１０の振動について説明する。回転子８は、固定子９によって印加される回転磁界に応じて回転する。このとき、回転子８の軸方向の中心位置と円柱形状または中空円柱形状である回転子８の重心位置が同じである場合、軸トルクＴは、次の式（２）で表わされる。

回転子８の軸トルクＴは、式（２）に示すように、固定子９からのモータトルクの吸引・反発力や圧縮反力を無視した場合、バランス状態での遠心力Ｆと回転子８の半径ｒとの積となる。また、軸トルクＴは、回転運動の運動方程式から慣性モーメントＩと角加速度αとの積となる。

そして、式（２）の中空円柱形状の回転子８の中心位置と軸方向の重心位置が同じであり、かつ、中心位置に対し対称的に配置している埋め込み磁石を含んだ慣性モーメントＩは、次の式（３）となる。

中空円柱形状でバランス状態の回転子８の慣性モーメントＩは、式（３）に示すように、シャフト（主軸６ａ）を圧入して挿入する部分（主軸挿入孔８６）の半径ｒと、回転子８の半径Ｒと、回転子８の質量Ｍと、の式になる。このとき、埋め込み磁石や固定リベットなどは、回転子８の中心位置と軸方向の重心位置が同じ質点とみなすことができるので、質点を回転させた慣性モーメントは、回転子８の慣性モーメントと同等になる。なお、円柱の軸方向に対して、高さの影響はないため、式を省略する。

一方、例えば、中空円柱形状の回転子８の端部面に回転子８の中心位置とは異なる重心位置をもつ部品（例えば、図２１のバランスウェイト１３Ａ，１３Ｂ）を付加した慣性モーメントＩ’は、次の式（４）となる。

式（４）の１項は、軸方向の中心位置と重心位置が一致する回転子８の慣性モーメント（式（３）参照）である。式（４）の２項は、付加した部品の慣性モーメントであり、付加した部品の重心位置が回転子８の中心から半径Ｌにあり、付加した部品の半径をｒ_２とし、その質量をｍ_２とする。回転子８の端部面に部品を付加した慣性モーメントＩ’は、式（４）に示すように、１項と２項の和となる。

さらに、回転子８が質量ｍ_２でアンバランス状態である時の遠心力Ｆ’は、次の式（５）となる。なお、ωは回転角速度を示す。

よって、式（２）、式（４）、式（５）の関係から、回転軸を中心とした質量Ｍ（回転子８）の末端部に、中心位置と異なる重心位置にある質量ｍ_２（付加した部品）を付加させると、質量分配が不均一な状態となり、アンバランス状態となる。

そのアンバランス状態による回転子８の遠心力Ｆ’の大きさは、式（５）に示すように、回転子８の回転速度ωの２乗に比例するため、高速回転になるほど、回転子８がシャフト（主軸６ａ）を介して、無視できない弾性変形するような振動が発生する。

そして、バランス状態でスクロール圧縮機Ｓが必要とする一定な平均トルクによる回転運動とは別に、加速する回転速度ωの振動によって瞬時にアンバランスな遠心力が働き、回転子８とシャフト（主軸６ａ）を偏心するトルク脈動が、固定子９の電機子巻線９５の駆動電流（電機子電流Ｉ_ａ）として、著しく乱れた周期による相電流波形で各Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に表れる。

さらに、圧縮室の圧縮反力からなる回転子８の振れ回りの振動の影響も、回転速度やトルクに応じてトルク脈動の発生要因となるため、アンバランス状態をバランス状態に釣り合わせるように低減させるには、少なくとも回転子８の末端部に回転子８の中心位置からずれた重心位置を持つ慣性モーメントとなる部品（即ち、図２１のバランスウェイト１３Ａ，１３Ｂ）を付加させないようにする。

以上のように、モータトルク式と慣性モーメント式の関係から、圧縮室が保証できる最大圧縮反力と最高回転速度で主なる回転子８Ａが振れ回るようなトルク脈動の振動（振幅や周期）を、収束または減衰するように打ち消すトルクを発生させる従なる回転子８Ｂ（８Ｂ１，８Ｂ２）を備えることにより、主なる回転子８Ａの末端部に別途バランスウェイト１３Ａ，１３Ｂ（図２１参照）を備えなくても、中空円柱形状の回転子８が振れ回るトルク脈動を低減することができる。

＜回転子８：第１永久磁石８２および第２永久磁石８３の配置＞
そこで、図４に戻り、本実施形態の固定子９に対する回転子８（従なる回転子８Ｂ）の構造について更に説明する。なお、本実施形態の固定子９に対する回転子８（主なる回転子８Ａ）の構造については、図５を用いて後述する。

回転子８は、固定子９の中心位置Ｑ０と同等の中心位置Ｐ０から、半径ｒ１の円柱形状（または、中空円柱形状）で設け、重心と等しくしている。

次に、第１永久磁石８２および第２永久磁石８３の配置について説明する。
中心位置Ｐ０から距離Ｌ１だけ水平にずれた位置を点Ｐ１とし、さらに、点Ｐ１に対して、垂直な直線Ｂ２を引く。この直線Ｂ２を通り、点Ｐ１から距離Ｌ２の点を仮想点Ｘ０とする。この仮想点Ｘ０は、回転子８に埋め込まれる第１永久磁石８２および第２永久磁石８３の境界を示し、モータトルクＴ_ｍからみると、ｄ軸インダクタンス成分の磁束は、負の方向の極性に対して最大値となる位相角の位置を表す。

そして、仮想点Ｘ０から、直線Ｂ２とのなす角が角度θ１となる線を引き、その線と回転子８の外周半径ｒ１との交点位置を仮想点Ｘ１とする。さらに、直線Ｂ１を基準線として、仮想点Ｘ１と対称な点を仮想点Ｘ２とする。

次に、中心位置Ｐ０を中心に半径ｒ２（ただし、ｒ２＞ｒ１とする。）の軌跡を描き、仮想点Ｘ１を中心に仮想点Ｘ０を通るように半径ｒ３で軌跡を描き、仮想点Ｘ２を中心に半径ｒ４で軌跡を描く。

半径ｒ３の軌跡のうち仮想点Ｘ０から半径ｒ２の軌跡との交点までと、半径ｒ２の軌跡のうち半径ｒ３の軌跡との交点から半径ｒ４の軌跡との交点までと、半径ｒ４の軌跡のうち半径ｒ２の軌跡との交点から第１永久磁石８２（例えば、第１永久磁石８３の厚さを厚さＨ１とし、仮想点Ｘ０から直線Ｂ２とのなす角が角度θ２となるように配置する。）との交点までと、第１永久磁石８２の辺のうち半径ｒ４の軌跡との交点から仮想点Ｘ０までと、で囲まれた領域が第２永久磁石８３を挿入する孔および第２永久磁石８３を備える位置となる。

なお、第２永久磁石８３の磁石厚さ（即ち、半径ｒ４を決定することに相当）は、次の位置関係から決定することができる。

例えば、残留磁束密度の関係から磁石厚さを求める場合、第１永久磁石８２を希土類磁石とし、第２永久磁石８３をフェライト磁石（例えば、ボンド磁石）として、スクロール圧縮機Ｓを吐出温度１００℃になるように圧縮運転をする場合、例えば、磁化した希土類磁石（第１永久磁石８２）の残留磁束密度Ｂｒ_100℃＝１．１８１［Ｔ］相当に対して、磁化したフェライト磁石（第２永久磁石８３）の残留磁束密度Ｂｒ_100℃＝０．３９５［Ｔ］相当となり、第２永久磁石８３の磁束密度を磁石厚さで補うためには、磁石形状などにもよるが、例えば、第１永久磁石８２の厚さＨ１の約３倍以上の磁石厚さとすればよいことになる。

また、第２永久磁石８３の最大磁石厚さは、例えば、回転子８の中心位置Ｐ０と直線Ｂ１から角度θ３（例えば、回転子８の極対数：固定子９のスロット数が比２：３の場合、３６０°／１２＝３０°）の点線を二等分線として、ｒ４≒１．４３５・ｒ３の関係で、隣り合う異なる磁極（例えば極対数）に接触しないように配置する。

ただし、第２永久磁石８３の磁石厚さが、回転子８の中心に向かって厚みを増し過ぎると、磁性体を着磁した時に、必要な残留磁束密度が得られず、効率が低下する。そして、発生トルクも低い磁束に対して弱くなり、所定値以上の駆動電流を流さないと必要トルクを得ることができなくなるという問題がある。一方、駆動電流を大きくすることにより、永久磁石が外部磁界による不可逆減磁に至るおそれがある。また、電機子巻線９５の銅損から生じる発熱や、高速回転で振れ回るトルク脈動によって軸摩擦の熱が回転子８に埋め込んだ永久磁石８２，８３を加熱することにより、熱減磁に至るおそれがある。特に、不可逆減磁に至る場合、再度着磁を行わないと所定の磁束を得られないため、回転電機１０の機能を損なうおそれがある。

したがって、本実施形態の回転子８に埋め込む永久磁石は、スクロール圧縮機Ｓの最大圧縮反力である必要モータトルクを満足できる第１永久磁石８２および第２永久磁石８３を備えればよい。例えば、残留磁束密度が所定量だけあれば、第２永久磁石８３は磁化しない領域があってもよく、第１永久磁石８２の防錆による表面処理と、回転子８を含む一体成形を兼ねる構造に用いてもよい。また、リベット挿入孔８４に第２永久磁石８３を備えてリベットとして代用してもよい。

＜第１永久磁石８２および第２永久磁石８３のリラクタンストルク＞
次に、回転子８に埋め込む第１永久磁石８２および第２永久磁石８３によって発生するリラクタンストルク（界磁による位相差）について説明する。

第１永久磁石８２（例えば、希土類磁石）と第２永久磁石８３（例えば、フェライト磁石）が交わる仮想点Ｘ０のｄ軸インダクタンスＬ_ｄと、異なる磁極が隣り合う間に磁束が通ったときに、第１永久磁石８２と第２永久磁石８３におけるｑ軸インダクタンスＬ_ｑと、が発生し、各々異なる磁性体材料と残留磁束密度などから、ｑ軸インダクタンスＬ_ｑとｄ軸インダクタンスＬ_ｄのインダクタンス差（Ｌ_ｑ−Ｌ_ｄ）を大きくできる。

このインダクタンス差（Ｌ_ｑ−Ｌ_ｄ）は、式（１）の２項に相当し、例えば、４極の回転子８の場合、回転時に発生するモータトルクは機械角４５°（１／４Ｔ時間）ごとに磁束が変化する。

例えば、比較例のスクロール圧縮機Ｓｘ（図２１参照）において、回転電機１０ｘ単体運転時のモータトルク（トルク脈動）は、低速低負荷運転時において、後述する図２４（ｂ）に示すように、一定の振幅からなる正弦波形に近似している。

一方、高速高負荷運転時の圧縮反力によるトルク脈動が発生した場合、回転子８ｘは振れ回るため、後述する図２４（ａ）に示すように、機械角４５°周期でトルク脈動の振幅が最大（Ｌ_ｑ）、最小（Ｌ_ｄ）となるゆがんだ正弦波形となる。このため、後述する図１８に示すように、比較例のスクロール圧縮機Ｓｘの騒音は、振動周波数に対する音圧レベルＳＰｘとなって表れる。

これに対し、本実施形態の回転電機１０は、圧縮反力によって発生したトルク脈動に応じて主なる回転子８Ａが脈動しても、従なる回転子８Ｂでこのトルク脈動を低減するように、永久磁石８２，８３の配置や、磁極数や、磁極比を選定することにより、回転電機１０単体でモータ駆動電流波形が界磁による位相差を変えることができる。

ここで、図６から図９を用いて、主なる回転子８Ａの永久磁石（第１永久磁石８２Ａ、第２永久磁石８３Ａ）と、従なる回転子８Ｂの永久磁石（第１永久磁石８２Ｂ、第２永久磁石８３Ｂ）と、の配置関係を説明する。図６から図９は、主なる回転子８Ａの永久磁石（第１永久磁石８２Ａ、第２永久磁石８３Ａ）と、従なる回転子８Ｂの永久磁石（第１永久磁石８２Ｂ、第２永久磁石８３Ｂ）と、の配置関係を軸方向にみた図である。図６は位相角θａが１２１°〜１４０°の場合の例であり、図７は位相角θｂが１６１°〜１７９°の場合の例であり、図８は位相角θｃが１４１°〜１６０°の場合の例であり、図９は位相角θｄが１０１°〜１２０°の場合の例であり、対称なもの、非対称なものを例示する。

これは、モータ駆動制御の点からみると、比較例の１つの回転子８ｘからなる回転電機１０ｘは、一定の位相角で位相制御している。これに対し、本実施形態の回転電機１０は、図６から図９に示すように、各々異なる永久磁石（８２Ａ，８３Ａ，８２Ｂ，８３Ｂ）の形状や配置によって、広域な位相角（θａ〜θｄ）で位相制御が可能となる。また、例えば、低速回転のみを主とした高効率型の主なる回転子８Ａと、高速回転でもトルク脈動を低減して高トルク出力できる従なる回転子８Ｂと、の両立ができるようになり、後述する図１８に示すように、本実施形態のスクロール圧縮機Ｓの騒音は、振動周波数に対する音圧レベルＳＰとなって表れ、比較例の音圧レベルＳＰｘよりも低減することができる。

図１０は、回転子８の各角度区分における磁極（Ｓ極，Ｎ極）の組み合わせと、回転子８の磁極比（Ｓ極／Ｎ極比）と、低温条件（例えば、−１０℃）および高温条件（例えば、１００℃）における磁束に対するトルク脈動率（トルク脈動率／磁束比）と、の関係を示す表である。なお、図１０において、第１永久磁石８２を希土類磁石（ネオジム磁石）とし、第２永久磁石８３をフェライト磁石とし、各角度区分における磁極（Ｓ極，Ｎ極）の下に、その角度区分における磁石の種類を示す。なお、「希土類磁石＞フェライト磁石」とは、その角度区分において、希土類磁石の大きさがフェライト磁石の大きさよりも大きいことを示す。

図１０に示すように、各角度区分における磁極（Ｓ極，Ｎ極）の組み合わせを変えることにより、磁束に対するトルク脈動率（トルク脈動率／磁束比）が変化する。換言すれば、要求する磁束に対するトルク脈動率（トルク脈動率／磁束比）から、各角度区分における磁極（Ｓ極，Ｎ極）の組み合わせを選択することができる。

＜固定子９：ティース、延在部、鍔部の形状＞
図４に戻り、本実施形態の回転電機１０の固定子９のティース９４ａ，９４ｂ（延在部９２ａ，９２ｂ、鍔部９３ａ，９３ｂ）の形状について説明する。

従来のスクロール圧縮機の振動の要因として、従来の対称形状に配置している固定子のティースおよび鍔部形状にも問題がある。

無通電時に、図４の回転子８の仮想点Ｘ１を中心位置に、半径ｒ３で軌跡を描く領域内に、回転子８に埋め込んだ第１永久磁石８２および第２永久磁石８３と、ロータコア８１の電磁鋼板を介して、固定子９と仮想点Ｘ１側に向かって吸引・反発する磁束が通り、コギングトルクが発生する。このコギングトルクは、回転子８を低速回転させた時には、回転子８は振れ回らずにモータ単体が「コギングトルク＞モータトルク」の関係でトルク脈動して、固定子のティース、延在部、鍔部を介して強く振動する。一方、回転子８を高速回転させた時には、コギングトルクによるモータ単体のトルク脈動は、回転子８の振れ回りによるトルク脈動に抑制されて小さくなる。

なお、従来のコギングトルクを低減する構造として、回転子８のｑ軸インダクタンス成分をカットする技術が知られている。この構造を本実施形態の回転子８に用いてもよいが、従来の方法では、平均トルクと高速回転の運転範囲が低下し、位相制御すると脱調の原因となるという欠点があるため、必要トルクと回転速度範囲に見合った方法を選択する必要があった。

これに対し、本実施形態の回転電機１０は、図４に示すような固定子９のティース９４ａ，９４ｂ（延在部９２ａ，９２ｂ、鍔部９３ａ，９３ｂ）の形状を備えることで、低速から高速回転運転まで、コギングトルクを低減して、トルク脈動による振動も低減できる。

まず、回転子８の仮想点Ｘ１を中心に半径ｒ３が軌跡を描く領域が、回転子８と固定子９の磁束が磁極面で同じ面積となる最大磁束密度の範囲となる。この回転子８の磁極面の面積を固定子９のティース９４ａ，９４ｂ（延在部９２ａ，９２ｂ、鍔部９３ａ，９３ｂ）の同じ面積で磁束が通り、固定子９のコアバック９１を介して磁路を分配できれば、固定子９の鉄損は低減できるが、電機子巻線９５（図３参照）を巻き回すスペースがなくなる問題が生じる。

そこで、本実施形態の回転電機１０は、固定子９の鍔部９３ａ，９３ｂの形状を回転子８の半径ｒ３が描く軌跡に沿った位置とするとともに、その位置を非対称にすることでコギングトルクの均衡を回転方向（図４において、回転子８は反時計回りに回転するものとする。）に対して低減するように、不均衡に配置する。

まず、固定子９の中心位置Ｑ０からＬ１６水平にずれた点Ｑ１を通る垂直な直線Ｂ３上に、点Ｑ１から距離Ｌ１７の仮想点Ｘ３を配置する。回転子８の回転方向と沿う側の鍔部９３ａは、この仮想点Ｘ３から角度θ４に延びた線と半径ｒ３の軌跡が交差する領域で形成される。

回転子８の回転方向と対向する側の鍔部９３ｂは、仮想点Ｘ３から角度θ５に延びた線と、固定子９の中心位置Ｑ０から垂直方向に距離Ｌ１８の位置と、半径ｒ３の軌跡が交差する位置と、半径ｒ３の軌跡と延在部９２ｂから距離Ｌ１９で交差する位置（または、固定子９の中心位置Ｑ０から垂直方向に距離Ｌ１８＋Ｌ２０で半径ｒ３の軌跡が交差する位置としてもよい。）で形成される。

このように、電機子巻線９５を巻き回すティース９４ａ，９４ｂを、延在部９２ａ，９２ｂおよび鍔部９３ａ，９３ｂで構成することにより、コギングトルクを低減することができる。これにより、回転電機１０を備える本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓは、コギングトルクによるトルク脈動を低減し、低速低負荷運転時においてもトルク脈動を低減することができる。

＜第１永久磁石８２および第２永久磁石８３の他の配置＞
図５は、回転子８、固定子９、回転子８の各永久磁石８２，８３の関係を示す部分拡大図であり、図４とは、回転子８を反転して配置したものである。ちなみに、図５に示す回転子８は、図２の回転子８における主なる回転子８Ａに相当する。

図３の場合と同様に、回転電機１０は、回転子８（主なる回転子８Ａ（図１、図２参照））と、固定子９と、を備えている。なお、回転子８の中心位置Ｐ０と、固定子９の中心位置Ｑ０は、同じ位置に配置される。回転子８は、ロータコア８１と、第１永久磁石８２と、第２永久磁石８３と、を備えている。固定子９は、コアバック９１と、延在部９２ａ，９２ｂおよび鍔部９３ａ，９３ｂからなるティース９４ａ，９４ｂと、電機子巻線９５と、を備えている。

固定子９のティース９４ａ，９４ｂは、固定子９の中心位置Ｑ０と、その中心位置Ｑ０を垂直に交差する直線Ｂ１に対して、非対称形状となるように設けられている。直線Ｂ４とティース９４ａの延在部９２ａとの距離をＬ３１とし、直線Ｂ１とティース９４ｂの延在部９２ｂとの距離をＬ３２とすると、Ｌ３１＞Ｌ３２の関係を満たす構成となる。

固定子９の側からの回転磁界の印加は、図５において、延在部９２ａ（または、延在部９２ｂ）から距離（Ｌ３１＋Ｌ３２）／２の中心位置側に向かって引きつける力が作用する。このため、回転子８の側からは、中心位置Ｐ０＝中心位置Ｑ０とした設置状態に対し、中心位置Ｑ０から水平に距離Ｌ３６ずれた点Ｑ１に中心位置がずれた分に相当する印加力が発生することになる。

モータトルクは、回転子８に埋め込む永久磁石８２，８３の配置が図５のような場合であっても、式（１）の関係となる。また、回転子８の軸トルクも軸方向の中心位置と中空円柱形状である重心位置が同等であることから、式（２）の関係となる。同様に、慣性モーメントも式（３）となる。

一方で、図５に示す回転子８と固定子９との磁極面の磁束分布は、図３および図４の場合とは異なる。このため、高速高負荷運転時に回転子８が振れ回るトルク脈動も異なる。

そこで、本実施形態の回転子８について説明する。
回転子８は、固定子９の中心位置Ｑ０と同等の中心位置Ｐ０から、半径ｒ１の円柱形状（または、中空円柱形状）で設け、重心と等しくしている。

回転子８と固定子９の磁極面が同じ面積で磁束が通るための永久磁石８２，８３の配置は、次の位置関係からなる。

中心位置Ｐ０から距離Ｌ２１だけ水平にずれた位置を点Ｐ２とし、さらに、点Ｐ２に対して、垂直な直線Ｂ５を引く。この直線Ｂ５を通り、点Ｐ２から距離Ｌ２２の点を仮想点Ｘ４とする。この仮想点Ｘ４は、回転子８に埋め込まれる第１永久磁石８２および第２永久磁石８３の境界を示し、モータトルクＴ_ｍからみると、ｄ軸インダクタンス成分の磁束は、負の方向の極性に対して最大値となる位相角の位置を表す。

そして、仮想点Ｘ４から直線Ｂ５とのなす角が角度θ７となる位置に厚さＨ２の第１永久磁石８３を配置する。

そして、仮想点Ｘ４から、直線Ｂ５とのなす角が角度θ６となる線を引き、その線と回転子８の外周半径ｒ５との交点位置を仮想点Ｘ５とする。この仮想点Ｘ５を通り直線Ｂ５と平行な線を引き、その線と第１永久磁石８２との交差位置を仮想点Ｘ６とする。この仮想点Ｘ６を通り第１永久磁石８２と垂直な線を引き、その線と回転子８の外周半径ｒ５との交点位置を仮想点Ｘ７とする。

次に、中心位置Ｐ０を中心に半径ｒ６（ただし、ｒ６＞ｒ５とする。）の軌跡を描き、仮想点Ｘ５を中心に仮想点Ｘ４を通るように半径ｒ７で軌跡を描き、仮想点Ｘ７を中心に半径ｒ８で軌跡を描く。

半径ｒ７の軌跡のうち仮想点Ｘ４から半径ｒ６の軌跡との交点までと、半径ｒ６の軌跡のうち半径ｒ７の軌跡との交点から半径ｒ８の軌跡との交点までと、半径ｒ８の軌跡のうち半径ｒ６の軌跡との交点から第１永久磁石８２との交点までと、第１永久磁石８２の辺のうち半径ｒ８の軌跡との交点から仮想点Ｘ４までと、で囲まれた領域が第２永久磁石８３を挿入する孔および第２永久磁石８３を備える位置となる。

なお、第２永久磁石８３の磁石厚さ（即ち、半径ｒ８を決定することに相当）は、図４の場合と同様に、例えば、回転子８の中心位置Ｐ０と直線Ｂ１から角度θ３（例えば、回転子８の極対数：固定子９のスロット数が比２：３の場合、３６０°／１２＝３０°）の点線を二等分線として、ｒ４≒１．４３５・ｒ３の関係で、隣り合う異なる磁極（例えば極対数）に接触しないように配置する。

ここで、第２永久磁石８３の外部磁界による不可逆減磁や、第１永久磁石８２（希土類磁石）と第２永久磁石８３（フェライト磁石）とで異なる特性を有する熱減磁の関係を考慮して、最大圧縮反力である必要モータトルクを満足できる第２永久磁石８３の磁石厚さであればよく、第２永久磁石８３は磁化しない領域が存在するような厚みを設けてもよい。

また、磁化される前の磁性体材料を質量として考えた場合、回転子８の中空円柱形状から見ると、磁性体材料の質点を回転させた慣性モーメントは、軸方向の中心位置と重心位置が同じになる回転子８の慣性モーメントと同等になり、釣り合う均衡状態にある。

しかし、極対数（磁極数）で等比に回転子８に埋め込んだ磁性体材料の質量が同じであっても、着磁で磁化した永久磁石の残留磁束密度が、ある分布帯で磁化する領域と、磁化しない領域と、が存在するような複雑な形状を有するものとする。

この時、シャフト（主軸６ａ）を一回転させて、回転子８の磁極面と固定子９間で面しながら、各磁極面で発生するトルク（吸引・反発する）は、モータトルク（異なる磁束密度による非対称な磁石トルクと、極対数に応じた機械角で異なる磁束密度による非対称なリラクタンストルクの合成）や回転運動中の軸トルクに対して、任意のトルク脈動を生成できることになる。

よって、永久磁石８２，８３を有する回転子８は、例えば、最大圧縮反力に応じた必要トルクを満足する所定量の残留磁束密度と、着磁させる領域を限定して、着磁量および磁束の分布帯も各々最適化することで回転子８のトルク脈動を低減する構成となる。

また、図４の場合と同様に、コギングトルクを低減する固定子９の構造を有している。なお、ティース９４ａおよびティース９４ｂの少なくとも一方が、半径ｒ７の軌跡の領域に収まる構造であればよく、両方のティース９４ａ，９４ｂが半径ｒ７の軌跡の領域に収まる構造であってもよい。

まず、固定子９の中心位置Ｑ０からＬ３６水平にずれた点Ｑ２を通る垂直な直線Ｂ６上に、点Ｑ２から距離Ｌ３７の仮想点Ｘ８を配置する。鍔部９３ａは、この仮想点Ｘ８から角度θ９に延びた線と半径ｒ７の軌跡が交差する領域、または、図５のように半径ｒ７よりも鍔部９３ａが長い領域で形成される。

鍔部９３ｂは、仮想点Ｘ８から角度θ１０に延びた線と、固定子９の中心位置Ｑ０から垂直方向に距離Ｌ３８の位置と、半径ｒ７の軌跡が交差する位置と、半径ｒ７の軌跡と延在部９２ｂから距離Ｌ１９で交差する位置（または、固定子９の中心位置Ｑ０から垂直方向に距離Ｌ３８＋Ｌ４０で半径ｒ７の軌跡が交差する位置としてもよい。）で形成される。

さらに、第１永久磁石８２と仮想点Ｘ８から角度θ９の鍔部９３ａ位置が、互いに平行となるように配置することにより（即ち、θ７＝θ９）、トルク脈動が低減できる効果を大きくすることができる。

≪回転電機≫
次に、本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓ（図１参照）が備える回転電機１０について更に説明する前に、比較例に係るスクロール圧縮機Ｓｘ（図２１参照）が備える回転電機１０ｘについて、図２２および図２３を用いて説明する。図２２は、比較例の回転電機１０ｘの低速低負荷回転時の断面図である。図２３は、比較例の回転電機１０ｘの高速高負荷運転時の断面図である。なお、Ｐ０は回転子中心であり、Ｑ０は固定子中心であり、Ｌ９０は固定子９ｘの軸方向長さ（積厚）である。

図２２に示すように、低速低負荷で回転している状態では、コギングトルクを無視した場合、圧縮機構部５（図２１参照）で冷媒を圧縮する際に生じる圧縮反力からなるトルク脈動は少ないので、クランク軸６（主軸６ａ）および回転子８ｘは、振れ回りせずに、回転子８ｘと固定子９ｘとのエアギャップのギャップ幅δは、等間隔となる。

一方、図２３に示すように、高速高負荷で回転している状態では、圧縮反力により、回転子８ｘの回転子中心Ｐ０の軸が固定子９ｘの固定子中心Ｑ０の軸からずれて（角度θ_PQ ）、クランク軸６（主軸６ａ）および回転子８ｘが振れ回るトルク脈動が発生する。

比較例に係るスクロール圧縮機Ｓｘ（図２１参照）は、バランスウェイト１３Ａ，１３Ｂを備え、旋回運動する旋回スクロール２の遠心力と、バランスウェイト１３Ａ，１３Ｂの遠心力とが、バランスすることにより、クランク軸６（主軸６ａ）の撓みを抑制するようになっている。また、特許文献２のように、圧縮反力によるアンバランスをバランスウェイト１３Ａ，１３Ｂを適切に配置することにより、抑制する。

しかし、バランスウェイト１３Ａ，１３Ｂだけでは、高速高負荷運転時におけるトルク脈動を低減することができない。また、バランスウェイト１３Ａ，１３Ｂを備えることによる軸荷重の増加に伴い、始動トルクが増加し、軸トルクも圧縮反力に対する余分なトルクも増加し、駆動電流が大きくなり、モータ単体および圧縮機性能を低下させると考えられる。

これに対し、本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓ（図１参照）の回転電機１０は、主なる回転子８Ａと、主なる回転子８Ａが受ける（または、発生する）トルク脈動とは異なるトルク脈動特性を有する従なる回転子８Ｂと、固定子９と、を備え、回転時におけるクランク軸６（主軸６ａ）および回転子８（８Ａ，８Ｂ）の振れ回り運動を低減するようになっている。そこで、本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓ（図１参照）が備える回転電機１０の一例について、図１１から図１６を用いて説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る回転電機１０について、図１１を用いて説明する。図１１は、第１実施形態に係る回転電機１０の断面模式図である。図１１に示すように、第１実施形態に係る回転電機１０は、主なる回転子８Ａと、従なる回転子８Ｂである上部バランス用回転子８Ｂ１と、固定子９と、を備えている。そして、主なる回転子８Ａおよび上部バランス用回転子８Ｂ１が、固定子９と磁極面で向かい合うようになっている。

ここで、主なる回転子８Ａの軸方向長さ（積厚）をＬ８０とし、上部バランス用回転子８Ｂ１の軸方向長さ（積厚）をＬ８１とし、固定子９の軸方向長さ（積厚）をＬ９０とした場合、振れ回りを低減する条件は、「Ｌ９０＝（Ｌ８０＋Ｌ８１）かつＬ８１＜Ｌ８０」を満たす関係、または、「Ｌ９０＝（Ｌ８０＋Ｌ８１）かつＬ８１≒Ｌ８０」を満たす関係にあることが望ましい。

（第２実施形態）
第１実施形態に係る回転電機１０（図１１参照）よりも、さらに振れ回りを低減させる一例として、第２実施形態に係る回転電機１０について、図１２を用いて説明する。図１２は、第２実施形態に係る回転電機１０の断面模式図である。図１２に示すように、第２実施形態に係る回転電機１０は、第１実施形態に係る回転電機１０（図１１参照）と同様に、主なる回転子８Ａと、従なる回転子８Ｂである上部バランス用回転子８Ｂ１と、固定子９と、を備えている。そして、主なる回転子８Ａおよび上部バランス用回転子８Ｂ１の一部（図１２における下側）が固定子９と磁極面で向かい合い、上部バランス用回転子８Ｂ１の残部（図１２における上側）が固定子９と磁極面で向かい合わないようになっている。

ここで、主なる回転子８Ａの軸方向長さ（積厚）をＬ８０とし、上部バランス用回転子８Ｂ１の軸方向長さ（積厚）をＬ８１とし、固定子９の軸方向長さ（積厚）をＬ９０とした場合、振れ回りを低減する条件は、「Ｌ９０＜（Ｌ８０＋Ｌ８１）かつＬ８１＜Ｌ８０」を満たす関係にあることが望ましい。

（第３実施形態）
別の振れ回りを低減できる一例として、第３実施形態に係る回転電機１０について、図１３を用いて説明する。図１３は、第３実施形態に係る回転電機１０の断面模式図である。図１３に示すように、第３実施形態に係る回転電機１０は、主なる回転子８Ａと、従なる回転子８Ｂである下部バランス用回転子８Ｂ２と、固定子９と、を備えている。そして、主なる回転子８Ａおよび下部バランス用回転子８Ｂ２が、固定子９と磁極面で向かい合うようになっている。

ここで、主なる回転子８Ａの軸方向長さ（積厚）をＬ８０とし、下部バランス用回転子８Ｂ２の軸方向長さ（積厚）をＬ８２とし、固定子９の軸方向長さ（積厚）をＬ９０とした場合、振れ回りを低減する条件は、「Ｌ９０＝（Ｌ８０＋Ｌ８２）かつＬ８２＜Ｌ８０」を満たす関係、または、「Ｌ９０＝（Ｌ８０＋Ｌ８２）かつＬ８２≒Ｌ８０」を満たす関係にあることが望ましい。

（第４実施形態）
第３実施形態に係る回転電機１０（図１３参照）よりも、さらに振れ回りを低減させる一例として、第４実施形態に係る回転電機１０について、図１４を用いて説明する。図１４は、第４実施形態に係る回転電機１０の断面模式図である。図１４に示すように、第４実施形態に係る回転電機１０は、第３実施形態に係る回転電機１０（図１３参照）と同様に、主なる回転子８Ａと、従なる回転子８Ｂである下部バランス用回転子８Ｂ２と、固定子９と、を備えている。そして、主なる回転子８Ａおよび下部バランス用回転子８Ｂ２の一部（図１４における上側）が固定子９と磁極面で向かい合い、下部バランス用回転子８Ｂ２の残部（図１４における下側）が固定子９と磁極面で向かい合わないようになっている。

ここで、主なる回転子８Ａの軸方向長さ（積厚）をＬ８０とし、下部バランス用回転子８Ｂ２の軸方向長さ（積厚）をＬ８２とし、固定子９の軸方向長さ（積厚）をＬ９０とした場合、振れ回りを低減する条件は、「Ｌ９０＜（Ｌ８０＋Ｌ８２）かつＬ８２＜Ｌ８０」を満たす関係にあることが望ましい。

（第５実施形態）
第１〜第４実施形態に係る回転電機１０（図１１〜図１４参照）よりも、さらに振れ回りを低減できる一例として、第５実施形態に係る回転電機１０について、図１５を用いて説明する。図１５は、第５実施形態に係る回転電機１０の断面模式図である。図１５に示すように、第５実施形態に係る回転電機１０は、主なる回転子８Ａと、従なる回転子８Ｂである上部バランス用回転子８Ｂ１および下部バランス回転子８Ｂ２と、固定子９と、を備えている。そして、主なる回転子８Ａ、上部バランス用回転子８Ｂ１および下部バランス回転子８Ｂ２が、固定子９と磁極面で向かい合うようになっている。

ここで、主なる回転子８Ａの軸方向長さ（積厚）をＬ８０とし、上部バランス用回転子８Ｂ１の軸方向長さ（積厚）をＬ８１とし、下部バランス用回転子８Ｂ２の軸方向長さ（積厚）をＬ８２とし、固定子９の軸方向長さ（積厚）をＬ９０とした場合、振れ回りを低減する条件は、「Ｌ９０＝（Ｌ８０＋Ｌ８１＋Ｌ８２）かつＬ８２＜Ｌ８１＜Ｌ８０」を満たす関係、または、「Ｌ９０＝（Ｌ８０＋Ｌ８１＋Ｌ８２）かつＬ９０／３≒Ｌ８１≒Ｌ８２」を満たす関係にあることが望ましい。

（第６実施形態）
第５実施形態に係る回転電機１０（図１５参照）よりも、さらに振れ回りを低減できる一例として、第６実施形態に係る回転電機１０について、図１６を用いて説明する。図１６は、第６実施形態に係る回転電機１０の断面模式図である。図１６に示すように、第６実施形態に係る回転電機１０は、第５実施形態に係る回転電機１０（図１５参照）と同様に、主なる回転子８Ａと、従なる回転子８Ｂである上部バランス用回転子８Ｂ１および下部バランス回転子８Ｂ２と、固定子９と、を備えている。そして、主なる回転子８Ａ、上部バランス用回転子８Ｂ１の一部（図１６における下側）および下部バランス用回転子８Ｂ２の一部（図１６における上側）が、固定子９と磁極面で向かい合い、上部バランス用回転子８Ｂ１の残部（図１６における上側）および下部バランス用回転子８Ｂ２の残部（図１６における下側）が固定子９と磁極面で向かい合わないようになっている。

ここで、主なる回転子８Ａの軸方向長さ（積厚）をＬ８０とし、上部バランス用回転子８Ｂ１の軸方向長さ（積厚）をＬ８１とし、下部バランス用回転子８Ｂ２の軸方向長さ（積厚）をＬ８２とし、固定子９の軸方向長さ（積厚）をＬ９０とした場合、振れ回りを低減する条件は、「Ｌ９０＜（Ｌ８０＋Ｌ８１＋Ｌ８２）、Ｌ９０＜（Ｌ８１＋Ｌ８２）かつＬ８２＜Ｌ８１＜Ｌ８０」を満たす関係にあることが望ましい。

このような構成を有することにより、回転電機１０（図１１〜図１６参照）を備える本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓ（図１参照）は、従なる回転子８Ｂ（上部バランス用回転子８Ｂ１および下部バランス用回転子８Ｂ２）が主なる回転子８Ａだけでは低減できない高速高負荷運転時におけるクランク軸６（主軸６ａ）および回転子８（８Ａ，８Ｂ）の振れ回り運動を低減して、トルク脈動を低減することができる。

＜作用・効果＞
本実施形態に係るスクロール圧縮機の作用・効果について、図１７、図１８および図２４を用いて説明する。

図２４は、比較例に係るスクロール圧縮機Ｓｘのモータトルク（トルク脈動）を示すグラフであり、（ａ）は圧縮反力による回転電機１０ｘのモータトルク（トルク脈動）であり、（ｂ）は回転電機１０ｘの単体運転時のモータトルク（トルク脈動）である。なお、縦軸がモータトルク（トルク脈動）を示し、横軸が時間を示す。

図２４（ｂ）に示すように、比較例の回転電機１０ｘ単体運転時のモータトルク（トルク脈動）は、一定の振幅からなる正弦波形に近似している。しかし、図２４（ａ）に示すように、回転電機１０ｘをスクロール圧縮機Ｓｘに搭載した場合、高速高負荷運転時において、圧縮室の圧縮反力により、回転電機１０ｘモータトルク（トルク脈動）は、バランスウェイト１３Ａ，１３Ｂを用いても、トルク脈動を十分に抑制することは困難であった。

図１７は、本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓのモータトルク（トルク脈動）を示すグラフであり、（ａ）は圧縮反力によるモータトルク（トルク脈動）であり、（ｂ）は回転電機１０のうち、主なる回転子８Ａと固定子９の単体運転時のモータトルク（トルク脈動）であり、（ｂ）は回転電機１０のうち、従なる回転子８Ｂと固定子９の単体運転時のモータトルク（トルク脈動）であり、（ｃ）は回転電機１０のモータトルク（トルク脈動）である。なお、縦軸がモータトルク（トルク脈動）を示し、横軸が時間を示す。

図１７（ｂ）に示すように、回転電機１０の主なる回転子８Ａと固定子９の単体運転時のモータトルク（トルク脈動）は、一定の振幅からなる正弦波形に近似している。しかし、図１７（ａ）に示すように、回転電機１０をスクロール圧縮機Ｓに搭載した場合、高速高負荷運転時において、圧縮室の圧縮反力により、トルク脈動が生じる。

これに対し、本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓの回転電機１０は、回転子８として、主なる回転子８Ａに加え、主なる回転子８Ａが受ける（または、発生する）トルク脈動特性（図１７（ｂ）参照）とは異なるトルク脈動（図１７（ｃ）参照）特性を有する従なる回転子８Ｂを備えている。従なる回転子８Ｂは、主なる回転子８Ａ（回転子８）が振れ回るようなトルク脈動の振動（振幅や周期）を収束、もしくは、減衰するように打ち消すトルクを発生させる。これにより、図１７（ｄ）に示すように、本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓ（図１参照）は、回転子８の振れ回りによるトルク脈動を低減させることができる。

図１８は、本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓおよび比較例に係るスクロール圧縮機Ｓｘの振動周波数と音圧レベルとの関係を示すグラフである。なお、縦軸は音圧レベルを示し、横軸は振動周波数を示す。

図１８に示すように、振動している固有の周波数成分は、（回転速度／６０／磁極数）に依存しているため、比較例に係るスクロール圧縮機Ｓｘの音圧レベルＳＰｘは、圧縮反力によるトルク脈動が回転子８ｘを振れ回りさせて成長振動しているので、固有振動成分が低い領域から高い振動周波数帯域まで一定の音圧レベルで振動している。

これに対し、本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓは、主なる回転子８Ａおよび従なる回転子８Ｂを備えることで、圧縮反力によるトルク脈動が低減したトルク脈動を発生させるので、（回転速度／６０／（磁極数／（磁極数×２）））の条件で、図１８の本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓの音圧レベルＳＰのように、音圧レベルを低減することができる。

また、図２から図５に示す回転電機１０の回転子８（主なる回転子８Ａ、従なる回転子８Ｂ）のロータコア８１に埋め込まれる永久磁石８２，８３の配置は、図６から図９に示すように、広域な位相角（θａ〜θｄ）で位相制御が可能となる。また、図１０に示すように、各角度区分における磁極（Ｓ極，Ｎ極）の組み合わせを選択することにより、要求する磁束に対するトルク脈動率（トルク脈動率／磁束比）を選択ことができる。これにより、従なる回転子８Ｂを、主なる回転子８Ａ（回転子８）が振れ回るようなトルク脈動の振動（振幅や周期）を収束、もしくは、減衰するように打ち消すトルクを発生させるように、永久磁石８２，８３を配置することができる。

また、本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓは、バランスウェイト１３Ａ，１３Ｂを備えていなくてもよい。これにより、主軸受１１から下軸受１２までのクランク軸６の主軸６ａの長さを短くすることができ、高速高負荷運転時における回転子８の振れ回りを低減させ、回転子８の振れ回りによるトルク脈動を低減させることができる。また、クランク軸６（主軸６ａ）に掛かる荷重を軽くすることができるので、高速高負荷運転時における回転子８の振れ回りを低減させ、回転子８の振れ回りによるトルク脈動を低減させることができる。

また、クランク軸６の主軸６ａの長さを短くすることにより、スクロール圧縮機Ｓを小型化することができる。加えて、クランク軸６（主軸６ａ）に掛かる荷重を軽くすることができるので、比較例よりも小型・低出力の回転電機１０を用いることができ、回転電機１０を搭載するスクロール圧縮機Ｓも小型化することができる。

また、本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓに搭載する回転電機１０の固定子９のティース９４ａ，９４ｂの形状は、コギングトルクを低減することができるようになっている。これにより、低速低負荷運転時におけるコギングトルクによるトルク脈動を低減させることができる。

≪変形例≫
なお、本実施形態に係るスクロール圧縮機Ｓは、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

図２から図５を用いて、主なる回転子８Ａおよび従なる回転子８Ｂに埋め込まれる永久磁石８２，８３の配置を説明したが、これに限られるものではない。図１９は、第１変形例に係る回転電機の回転子の分解斜視図である。図２０は、第２変形例に係る回転電機の回転子の分解斜視図である。図１９および図２０に示すように、永久磁石の形状（ブロック型、Ｖ字型、アーク型、Ｕ字型、凹型など）や磁極数は、図２の例に限定されるものではない。

また、圧縮機としてスクロール圧縮機を例に説明したが、本発明に係る圧縮機はスクロール圧縮機に限られるものではない。例えば、本発明に係る圧縮機の回転電機を、その他の方式の圧縮機構部を備える圧縮機の回転電機に適用してもよい。

Ｓ スクロール圧縮機
１ 密閉容器
２ 旋回スクロール
３ 固定スクロール
４ フレーム
５ 圧縮機構部
６ クランク軸
６ａ 主軸
６ｂ 偏心部
７ オルダムリング
８ 回転子
８Ａ 主なる回転子（第１回転子）
８Ｂ 従なる回転子（第２回転子）
８Ｂ１ 上部バランス用回転子
８Ｂ２ 下部バランス用回転子
９ 固定子
１０ 回転電機
１１ 主軸受
１２ 下軸受
８１ ロータコア
８２ 第１永久磁石
８３ 第２永久磁石
８４ リベット挿入孔
８５ 潤滑油孔
８６ 主軸挿入孔
８８ エアギャップ
９１ コアバック
９２ａ，９２ｂ 延在部
９３ａ，９３ｂ 鍔部
９４ａ，９４ｂ ティース
９５ 電機子巻線
９６ 磁極面

Claims (10)

1. 第１回転子と、
   前記第１回転子とは異なるトルク脈動特性を有する第２回転子と、
   固定子と、からなる回転電機を備える
   ことを特徴とする圧縮機。
2. 前記第２回転子は、
   高速回転時における前記第１回転子の振れ回りを低減するようなトルク脈動特性を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記第１回転子および前記第２回転子は、永久磁石が埋め込まれ、
   前記第１回転子の永久磁石と、前記第２回転子の永久磁石とは、駆動電流波形が界磁の位相差を有するように配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
4. 前記第１回転子および前記第２回転子に埋め込まれる永久磁石は、
   磁性体材料からなる第１永久磁石と、
   前記第１永久磁石の磁性体材料とは異なる磁性体材料からなる第２永久磁石と、を有する
   ことを特徴とする請求項３に記載の圧縮機。
5. 前記第１永久磁石は、前記第２永久磁石の磁性体材料で覆われ、一体に形成される
   ことを特徴とする請求項４に記載の圧縮機。
6. 前記第１永久磁石は、希土類磁石であり、
   前記第２永久磁石は、フェライト磁石である
   ことを特徴とする請求項５に記載の圧縮機。
7. 前記固定子のティースは、
   非対称な形状を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
8. 前記固定子のティースは、
   前記固定子のコアバックから延在する延在部と、
   該延在部の先端に形成される鍔部と、を有し、
   該鍔部の形状は、
   前記回転子の回転方向と対向する側が、前記回転子の回転方向と沿う側よりも短い
   ことを特徴とする請求項７記載の圧縮機。
9. 前記圧縮機は、密閉型圧縮機である
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
10. 前記圧縮機は、スクロール圧縮機である
    ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。

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