JP5194436B2 - 回転電機、圧縮機、送風機、空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は回転電機に関し、特に二つの電機子を有する回転電機に関する。

電動機などの回転電機は、小型化され、効率が高められることが望ましい。例えば、磁束を磁石で励磁する電動機は、サイズが小さくすることが可能である。

一方、回転電機で発生するトルクは、電機子に配置された巻線の巻数、巻線に流れる電流、及び巻線に鎖交する磁束の量に比例する。回転電機のサイズは大きい程、巻線の巻数を増やすことができ、以って磁束の量を増やすことができる。また、回転電機のサイズは大きい程、界磁子に設けられる磁石の磁極面積を大きくすることができ、以って巻線に鎖交する磁束の量を増やすことができる。よって、トルクを高めるという観点からは、回転電機のサイズは大きい方が望ましい。

すなわち、発生するトルクの増大と、回転電機の小型化とはトレードオフの関係にある。

磁石で励磁する電動機において、トルクＴと許容損失Ｗｃとの関係は、式（１）で表される。ここで、係数Ｋｍはモータコンスタントと通称される。かかる関係は、例えば下掲の非特許文献１に紹介されている。

温度上昇と放熱の関係を考慮すれば、寸法が同一の電動機であって冷却条件が同じである場合には、許容損失Ｗｃはほぼ一定であると考えることができる。この場合、係数Ｋｍが大きい程、トルクＴが大きくなる。

係数Ｋｍは式（２）で表すことができる。ここで符号ｐは極対数、符号Φは巻線に鎖交する磁束の量の最大値Φ、符号ｆｓは巻線の占積率、符号Ｓｔは巻線用スロットの全断面積、符号ρは巻線の固有抵抗、符号ｌはコイルの平均長を、それぞれ表す。電流及び磁束の波形はそれぞれ正弦波状とした。また、回転電機のサイズが小さい場合には、回転電機の損失のほとんどは銅損であるため、鉄損を無視した。

係数Ｋｍを大きくするためには、以下の手段（i）〜（vi）のいずれか少なくとも一つが有効であることが、式（２）からわかる。

(i)巻線の占積率ｆｓを大きくすること、
(ii)コイルの平均長ｌを小さくすること、
(iii)巻線の固有抵抗ρを小さくすること、
(iv)巻線に鎖交する磁束量の最大値Φを大きくすること、
(v)極対数ｐを大きくすること、
(vi)巻線用スロットの全断面積Ｓｔを大きくすること。

全断面積Ｓｔを大きくするという観点から（手段vi）、二つの電機子を有するモータが提案されている。具体的には、環状を呈する界磁子に対して、内周側及び外周側のそれぞれに電機子が設けられる。当該電動機は、「ダブルアマチュア電動機」と通称されている。かかる技術は、例えば特許文献１に開示されている。

その他、本発明に関連する技術が特許文献２及び非特許文献２に開示されている。

特開２００２−３６９４６７号公報 特開２００２−３３５６５８号公報 大西和夫、「永久磁石モータのトルク評価と最適構造の検討」、電気学会論文誌Ｄ産業応用部門誌、平成７年、第１１５巻、第７号、第９３０頁〜第９３５頁 大川光吉、「永久磁石磁気回路入門」、総合電子出版社、第３２頁〜第３４頁

しかし、従来の技術では、回転電機を小型化すればトルクが小さくなるおそれがあった。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、回転電機のトルクを大きくしつつも、当該回転電機を小型化することが目的とされる。

この発明の請求項１にかかる回転電機は、所定の軸（９２）の周りで環状を呈する界磁子（２）と、前記界磁子の外周側に配置される第１の電機子（１１）と、前記界磁子の内周側に配置される第２の電機子（１２）とを備え、前記第１の電機子は、前記所定の軸の周りで環状に配置され、それぞれ界磁子に外周側から対向する第１のティース（１１１）の複数と、前記第１のティースのそれぞれに巻回される第１の巻線（１１３）とを有し、前記第１のティースは、前記所定の軸に沿う一方向（９１）を向き、前記一方向へと順に配置される第１及び第２の端面（１１１ａ，１１１ｂ）を含み、前記第２の電機子は、前記所定の軸の周りで環状に配置され、それぞれ界磁子に内周側から対向する第２のティース（１２１）の複数と、前記第２のティースのそれぞれに巻回される第２の巻線（１２３）とを有し、前記第２のティースは、前記一方向を向き、前記一方向へと順に配置される第３及び第４の端面（１２１ａ，１２１ｂ）を含み、前記第１の端面は、前記第３の端面に対して前記一方向へと退き、前記第２の端面は、前記第４の端面に対して前記一方向とは反対方向へと退き、前記一方向について、前記第１の巻線の外周側の端（１１３ａ，１１３ｂ）のうち前記第１のティースに対して前記第１の端面（１１１ａ）と同じ側にある第１の端（１１３ａ）と、当該第１の端面との間の距離である第１の距離（Ｗ１ａ）は、前記第２の巻線の外周側の端（１２３ａ，１２３ｂ）のうち前記第２のティースに対して前記第３の端面（１２１ａ）と同じ側にある第２の端（１２３ａ）と、当該第３の端面との間の距離である第２の距離（Ｗ２ａ）よりも大きい。

この発明の請求項２にかかる回転電機は、請求項１記載の回転電機であって、前記一方向（９１）について、前記第１の端（１１３ａ）の位置と前記第２の端（１２３ａ）の位置とは略一致する。

この発明の請求項３にかかる回転電機は、請求項１または請求項２記載の回転電機であって、前記一方向について、前記第１の巻線の外周側の前記端（１１３ａ，１１３ｂ）のうち前記第１のティース（１１１）に対して前記第２の端面（１１１ｂ）と同じ側にある第３の端（１１３ｂ）と、当該第２の端面との間の距離である第３の距離（Ｗ１ｂ）は、前記第２の巻線の外周側の前記端（１２３ａ，１２３ｂ）のうち前記第２のティース（１２１）に対して前記第４の端面（１２１ｂ）と同じ側にある第４の端（１２３ｂ）と、当該第４の端面との間の距離である第４の距離（Ｗ２ｂ）よりも大きい。

この発明の請求項４にかかる回転電機は、請求項３記載の回転電機であって、前記一方向（９１）について、前記第３の端（１１３ｂ）の位置と前記第４の端（１２３ｂ）の位置とは略一致する。

この発明の請求項５にかかる回転電機は、請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の回転電機であって、前記第１のティース（１１１）の、内周側から外周側へと向かう方向に対する断面の面積のうち最小である第１の面積（Ｓ１）は、前記第２のティース（１２１）の、内周側から外周側へと向かう方向に対する断面の面積のうち最小である第２の面積（Ｓ２）よりも大きい。

この発明の請求項６にかかる回転電機は、請求項５記載の回転電機であって、前記第１の面積（Ｓ１）の前記第２の面積（Ｓ２）に対する比率は、前記所定の軸（９２）から前記界磁子（２）の外周までの距離（Ｒ１）の、前記所定の軸から前記界磁子の内周までの距離（Ｒ２）に対する比率と略同一である。

この発明の請求項７にかかる回転電機は、請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載の回転電機であって、前記界磁子（２）は、前記一方向（９１）に延在する磁石（２１）を有し、前記一方向について、前記磁石の長さ（Ｌ２１）は前記第２のティース（１２１）の長さ（Ｌ１２１）よりも大きい。

この発明の請求項８にかかる回転電機は、請求項１乃至請求項７のいずれか一つに記載の回転電機であって、前記界磁子（２）は、前記所定の軸（９２）の周りで環状を呈するコア（２２）を有し、前記一方向について、前記コアの長さ（Ｌ２２）は前記第２のティース（１２１）の長さ（Ｌ１２１）よりも大きい。

この発明の請求項９にかかる回転電機は、請求項８記載の回転電機であって、前記界磁子（２）は、前記コア（２２）に設けられ、前記一方向（９１）に延在する磁石（２１）を更に有し、前記一方向について、前記磁石の長さ（Ｌ２１）は前記コアの長さ（Ｌ２２）よりも大きい。

この発明の請求項１０にかかる回転電機は、請求項１乃至請求項９のいずれか一つに記載の回転電機であって、前記界磁子（２）は、前記所定の軸（９２）の周りで環状を呈するコア（２２）と、前記コアに埋設される磁石（２１）とを有し、前記コアは、前記一方向（９１）について、前記第１または前記第２のティース（１１１，１２１）の界磁子側から見た中心の位置（ｒ１１，ｒ１２）と同じ位置（ｒ２）からの、前記コアの一端（２２ａ）までの距離（Ｌ２２ａ）と、他端（２２ｂ）までの距離（Ｌ２２ｂ）とが異なる。

この発明の請求項１１にかかる回転電機は、請求項１乃至請求項１０のいずれか一つに記載の回転電機であって、前記第１のティース（１１１）の前記一方向（９１）における幅は、外周側から内周側に向かう方向（９３）に行くに従って拡がる。

この発明の請求項１２にかかる回転電機は、請求項１乃至請求項１１のいずれか一つに記載の回転電機であって、前記第２のティース（１２１）の前記一方向（９１）における幅は、内周側から外周側へと向かう方向（９４）に行くに従って拡がる。

この発明の請求項１３にかかる圧縮機は、請求項１乃至請求項１２のいずれか一つに記載の回転電機を電動機として搭載する。

この発明の請求項１４にかかる送風機は、請求項１乃至請求項１２のいずれか一つに記載の回転電機を電動機として搭載する。

この発明の請求項１５にかかる空気調和機は、請求項１３に記載の圧縮機、及び請求項１４に記載の送風機の少なくともいずれか一方を搭載する。

この発明の請求項１または請求項３にかかる回転電機によれば、第１の端面は第３の端面に対して一方向へと退き、第２の端面は第４の端面に対して一方向とは反対方向へと退いているので、第１の電機子の一方向についての長さが大きくなることを抑制できる。よって、第１の巻線の巻数を第２の巻線の巻数よりも大きくしたり、第１の巻線を第２の巻線よりも太くしたりしても、回転電機は大型化しない。すなわち、回転電機の大型化を抑制しつつも、第２の巻線に比べて第１の巻線において多くの磁束を発生させて、回転電機のトルクを大きくすることができる。

この発明の請求項２にかかる回転電機によれば、回転電機が大型化することを抑制しつつも、回転電機のトルクを大きくすることができる。

この発明の請求項４にかかる回転電機によれば、第１の電機子の一方向についての長さと、第２の電機子の一方向についての長さとをほぼ同じすることができる。よって、回転電機が大型化することを抑制しつつも、回転電機のトルクを大きくすることができる。

この発明の請求項５または請求項６にかかる回転電機によれば、界磁子の磁束について、第１のティースに流れる磁束の磁束密度と、第２のティースに流れる磁束の磁束密度とをほぼ同じにすることができる。そして、磁石を設けて得た界磁子においては、第１及び第２の電機子のそれぞれの磁気抵抗をほぼ等しくすることで、磁石の動作点が同じときに第１及び第２の電機子のそれぞれに流れる磁束の量を最大にすることができる。よって、回転電機のトルクを大きくすることができる。

この発明の請求項７にかかる回転電機によれば、磁石の磁極面積を大きくすることで、第１及び第２の巻線に多くの磁束を鎖交させることができる。よって、回転電機のトルクを大きくすることができる。

この発明の請求項８にかかる回転電機によれば、第２の電機子と界磁子との間のエアギャップの面積が増大するので、当該エアギャップの磁気抵抗が低減する。そして、磁石を設けて得た界磁子においては、磁石のパーミアンス係数を大きくする（以下では、「動作点を高める」という。）ことで発生する磁束を増大させ、第１及び第２の巻線に多くの磁束を鎖交させることができる。よって、回転電機のトルクを大きくすることができる。

この発明の請求項９にかかる回転電機によれば、磁石の磁極面積が大きくなるのでより多くの磁束を発生させることができるので、第１及び第２の巻線に鎖交する磁束の量が増える。しかも、磁石の一方向についての端の少なくとも一方がコアから突出し、磁石の突出した部分で生じた磁束は、磁気抵抗の低いコアへと導かれる。よって、磁石の当該端での磁束の短絡が防止される。これにより、第１及び第２の巻線に磁石の磁束の多くを鎖交させることができ、以って回転電機のトルクを大きくすることができる。

この発明の請求項１０にかかる回転電機によれば、回転電機を駆動する際に必要なスラスト力を発生させることができる。

この発明の請求項１１にかかる回転電機によれば、第１の電機子と界磁子との間のエアギャップの面積が増大するので、当該エアギャップの磁気抵抗が低減する。磁石を設けて得た界磁子においては、磁石の動作点を高めることで発生する磁束を増大させ、第１及び第２の巻線に多くの磁束を鎖交させることができる。よって、回転電機のトルクを大きくすることができる。

この発明の請求項１２にかかる回転電機によれば、第２の電機子と界磁子との間のエアギャップの面積が増大するので、当該エアギャップの磁気抵抗が低減する。磁石を設けて得た界磁子においては、磁石の動作点を高めることで発生する磁束を増大させ、第１及び第２の巻線に多くの磁束を鎖交させることができる。よって、回転電機のトルクを大きくすることができる。

この発明の請求項１３にかかる圧縮機によれば、効率良く冷媒を圧縮することができる。

この発明の請求項１４にかかる送風機によれば、効率よく風を送り出すことができる。

この発明の請求項１５にかかる空気調和機によれば、効率良く温度を調節することができる。

１．回転電機の構造
図１及び図２は、本発明にかかる回転電機１を概念的に示す。図１では、回転電機１の中心軸である所定の軸９２に直交する断面が、図２では、図１に示される位置Ａ−Ａでの断面が、それぞれ示されている。

回転電機１は、界磁子２と、電機子１１，１２とを備える。

界磁子２は、所定の軸９２の周りで環状を呈する。界磁子２は、コア２２と磁石２１とを有する。具体的には、コア２２は、所定の軸９２の周りで周方向９５に沿って環状を呈する。磁石２１は、コア２２に設けられ、所定の軸９２に沿って延在する。磁石２１は、コア２２に埋め込まれても良いし（図１及び図２）、コア２２の電機子１１，１２側のそれぞれの表面の少なくともいずれか一方に設けられても良い。なお、界磁子２は、環状の磁石２１のみで構成されても良い。

図１では、界磁子２の極数が４の場合が示されている。具体的には、４つの磁石２１が所定の軸９２の周りで環状に配置されている。磁石２１はいずれも、電機子１１，１２側の表面のそれぞれに異なる極性を呈する。そして、周方向９５に沿って隣接する磁石２１同士は、電機子１１側の表面に異なる極性を呈する。

電機子１１は、ティース１１１の複数、ヨーク１１２及び巻線１１３を有し、界磁子２の外周側に配置される。ヨーク１１２は、所定の軸９２の周りで環状を呈する。

ティース１１１のそれぞれは、所定の軸９２の周りで環状に配置され、ヨーク１１２に対して内周側から連結され、そして界磁子２に対して外周側から対向する。ティース１１１の各々は、端面１１１ａ，１１１ｂを有する。端面１１１ａ，１１１ｂはいずれも、所定の軸９２に沿う方向を向いている。

図２では、所定の軸９２に沿って端面１１１ａから端面１１１ｂへと向かう方向が一方向９１として示されている。一方向９１を用いて、端面１１１ａ，１１１ｂを次のように把握することができる。すなわち、端面１１１ａ，１１１ｂは、所定の軸９２に沿う一方向９１を向き、当該一方向９１へと順に配置される。

巻線１１３は、ティース１１１のそれぞれに巻回され、端１１３ａ，１１３ｂを含む。端１１３ａ，１１３ｂは、一方向９１について巻線１１３の外周側の端である。そして、端１１３ａはティース１１１に対して端面１１１ａと同じ側にあり、端１１３ｂはティース１１１に対して端面１１１ｂと同じ側にある。

電機子１２は、ティース１２１の複数、ヨーク１２２、巻線１２３を有し、界磁子２の内周側に配置される。ヨーク１２２は、所定の軸９２の周辺に位置する。

ティース１２１のそれぞれは、所定の軸９２の周りで環状に配置され、ヨーク１２２に対して外周側から連結され、そして界磁子２に対して内周側から対向する。ティース１２１の各々は、端面１２１ａ，１２１ｂを有する。端面１２１ａ，１２１ｂはいずれも、所定の軸９２に沿う方向を向いている。

端面１１１ａ，１１１ｂと同様に一方向９１（図２）を用いて、端面１２１ａ，１２１ｂを次のように把握することができる。すなわち、端面１２１ａ，１２１ｂは、所定の軸９２に沿う一方向９１を向き、当該一方向９１へと順に配置される。

巻線１２３は、ティース１２１のそれぞれに巻回され、端１２３ａ，１２３ｂを含む。端１２３ａ，１２３ｂは、一方向９１について巻線１２３の外周側の端である。そして、端１２３ａはティース１２１に対して端面１２１ａと同じ側にあり、端１２３ｂはティース１２１に対して端面１２１ｂと同じ側にある。

ティース１１１への巻線１１３の巻き方、及びティース１２１への巻線１２３の巻き方のそれぞれには、集中巻や分布巻が採用できる。巻線１１３，１２３の接続には、直列接続や並列接続が採用できる。巻線１１３，１２３のそれぞれに３相電流が流れる場合には、巻線１１３，１２３の接続には、スター結線やデルタ結線などが採用できる。

ティース１１１とティース１２１とは次のような関係にある。すなわち、端面１１１ａは、端面１２１ａに対して一方向９１へと退いている。端面１１１ｂは、端面１２１ｂに対して一方向９１とは反対方向へと退いている。

巻線１１３と巻線１２３とは次のような関係にある。すなわち、端１１３ａと端面１１１ａとの間の距離Ｗ１ａは、端１２３ａと端面１２１ａとの間の距離Ｗ２ａよりも大きい。また、端１１３ｂと端面１１１ｂとの間の距離Ｗ１ｂは、端１２３ｂと端面１２１ｂとの間の距離Ｗ２ｂよりも大きい。

上述した回転電機１によれば、端面１１１ａが端面１２１ａに対して一方向９１へと退き、端面１１１ｂが端面１２１ｂに対して一方向９１とは反対方向へと退いているので、電機子１１の一方向９１についての長さＬ１１が大きくなることを抑制できる。よって、巻線１１３の巻数を巻線１２３の巻数よりも大きくしたり、巻線１１３を巻線１２３よりも太くしたりしても、回転電機１は大型化しない。すなわち、回転電機１の大型化を抑制しつつも、巻線１２３に比べて巻線１１３において多くの磁束を発生させて、回転電機１のトルクを高めることができる。

なお、図１は、極数Ｐと、ティース１１１，１２１のそれぞれの本数Ｙとの組合せ（Ｐ，Ｙ）が（４，６）の回転電機１を示しているが、組合せ（Ｐ，Ｙ）には他の組合せを採用しても良く、上述した回転電機１と同様の効果が得られる。

上述した回転電機１について、次の態様が望ましい。すなわち、一方向９１について、巻線１１３の端１１３ａの位置と、巻線１２３の端１２３ａの位置とは略一致する。

さらには、一方向９１について、巻線１１３の端１１３ｂの位置と、巻線１２３の端１２３ｂの位置とが略一致することが望ましい。

かかる態様によれば、電機子１１の長さＬ１１と、電機子１２の一方向９１についての長さＬ１２とをほぼ同じすることができる。よって、回転電機１が大型化することを抑制しつつも、回転電機１のトルクを大きくすることができる。

例えば、巻線１１３の端１１３ａの位置は、巻線１２３の端１２３ａの位置よりも一方向とは反対方向へとずれていても良い。かかる態様は図３に示されている。

図３に示される回転電機１は、回転軸９９と端板５とを更に備える。端板５は、一方向９１とは反対方向から電機子１２に離間して被さる。界磁子２は、端板５を介して回転軸９９に接続される。

かかる態様によれば、一方向９１について、巻線１１３の端１１３ａの位置が、端板５の界磁子２とは反対側の端面５ａの位置に略一致するまで、巻線１１３をティース１１１に巻回することができる。よって、回転電機１を顕著には大型化させずに、電機子１１で発生する磁束を増大することでき、以って回転電機１のトルクを大きくすることができる。

同様に、巻線１１３の端１１３ｂの位置は、巻線１２３の端１２３ｂの位置よりも一方向へとずれていても良い。

２．ティースについて
図１では、ティース１１１の、内周側から外周側へと向かう方向に対する断面の面積Ｓ１が示されている。面積Ｓ１は、ティース１１１の当該断面の面積のうち最小のものである。また、ティース１２１の、内周側から外周側へと向かう方向に対する断面の面積Ｓ２も示されている。面積Ｓ２は、ティース１２１の当該断面の面積のうち最小のものである。

図１に示されるように、面積Ｓ１は面積Ｓ２よりも大きいことが望ましい。例えば、面積Ｓ１の面積Ｓ２に対する比率が、所定の軸９２から界磁子２の外周までの距離Ｒ１の、所定の軸９２から界磁子２の内周までの距離Ｒ２に対する比率と略同一にされる。

かかる態様によれば、界磁子２の磁束について、ティース１１１に流れる鎖交磁束の磁束密度と、ティース１２１に流れる鎖交磁束の磁束密度とをほぼ同じすることができる。そして、磁石２１を設けて得た界磁子２においては、電機子１１，１２のそれぞれの磁気抵抗をほぼ等しくすることで、磁石２１の動作点が同じときに電機子１１，１２のそれぞれに流れる磁束の量を最大にすることができる。よって、回転電機１のトルクを大きくすることができる。

具体的には、鎖交磁束の磁束密度を、ティース１１１とティース１２１とでほぼ同じにすることで、ティース１１１での磁気抵抗とティース１２１での磁気抵抗とをほぼ同じにすることができる。

例えば、ティース１１１，１２１のいずれか一方の磁気抵抗が他方の磁気抵抗よりも大きくなると、当該一方では磁束の流れが阻害される。これにより、当該他方での磁束の流れも阻害される。

しかし、上述のようにティース１１１，１２１の磁気抵抗をほぼ同じにすることで、磁束の流れが阻害されにくくなる。よって、回転電機１の効率が低下することが防止される。

かかる効果は、コア２２の電機子１１，１２側のそれぞれの表面に磁石２１が設けて得た界磁子２において、特に顕著に現れる。

図４は、図１で示される位置Ａ−Ａでの回転電機１の断面であって、ティース１１１及びティース１２１の形状を概念的に示す。

ティース１１１は、外周側から内周側へと向かう方向９３に対する断面が、当該方向９３に行くに従って拡がる。かかる形状によれば、界磁子２から流れる磁束の多くをティース１１１に導くことができる。

しかも、電機子１１と界磁子２との間のエアギャップの面積が増大するので、当該エアギャップの磁気抵抗が低減する。磁石２１を設けて得た界磁子２においては、磁石２１の動作点を高めることで磁石２１で発生する磁束を増大させ、巻線１１３，１２３に多くの磁束を鎖交させることができる。よって、回転電機１のトルクを大きくすることができる。

ティース１２１は、内周側から外周側へと向かう方向９４に対する断面が、当該方向９４に行くに従って拡がる。かかる形状によれば、界磁子２から流れる磁束の多くをティース１２１に導くことができる。しかも、上述したのと同様に、電機子１２と界磁子２との間のエアギャップの磁気抵抗が低減する。

かかる形状を有するティース１１１の構造について、より具体的に図５を用いて説明する。図５は、図４で一点鎖線で囲まれた領域Ｗ１を拡大して示す。なお、ティース１２１についてもティース１１１と同様である。

ティース１１１は、磁性体５１，５２を有する。磁性体５１は、自身が属するティース１１１が突出する方向９３と同じ方向へと、ヨーク１１２から延びる。

磁性体５２は、磁性体５１の方向９１についての一端５１ａに設けられる。磁性体５２は、磁性体５１の方向９１についての他端５１ｂにも設けることができる。

磁性体５２は一体であって、根部５２１と鍔部５２２とを含む。根部５２１は、自身が属するティース１１１が突出する方向９３と同じ方向へとヨークから延びる。

鍔部５２２は、根部５２１のヨーク１１２とは反対側の端から、磁性体５１とは反対側へと延びる。図５では、鍔部５２２は方向９１に沿って延びている。

かかる態様によれば、磁性体５２は一体であるので、例えば板状の磁性体５２を折り曲げるだけで根部５２１と鍔部５２２とを成形することができ、以ってティース１１１の成形が容易である。

磁性体５１は、方向９１に積層された複数の磁性体板５１１を有しても良い。かかる磁性体５１によれば、鉄損を低減できる。

３．界磁子について
図２乃至図４では、磁石２１の一方向９１についての長さＬ２１は、ティース１２１の一方向９１についての長さＬ１２１よりも大きい。

かかる態様によれば、磁石２１の磁極面積を大きくすることで、巻線１１３，１２３に多くの磁束を鎖交させることができ、以って回転電機１のトルクを大きくすることができる。

また、長さＬ２１は、コア２２の一方向９１についての長さＬ２２よりも大きい（図２乃至図４）。かかる態様によれば、磁石２１の一方向９１についての端２１ａ，２１ｂの少なくとも一方がコア２２から突出する。磁石２１の突出した部分で生じた磁束は、磁気抵抗の低いコア２２へと導かれる。よって、突出した端２１ａ，２１ｂで、磁石２１の磁極面の一方から他方へと磁束が短絡することが防止される。なお、図２乃至図４では、端２１ａ，２１ｂのいずれもがコア２２から突出している場合が示されている。

図２乃至図４ではさらに、コア２２の長さＬ２２が、ティース１２１の長さＬ１２１よりも大きい場合が示されている。かかる態様によれば、電機子１２と界磁子２との間のエアギャップの面積が増大するので、当該エアギャップの磁気抵抗が低減する。そして、磁石２１を設けて得た界磁子２においては、磁石の動作点を高めることで、巻線１１３，１２３に磁石２１の磁束の多くを鎖交させることができる。よって、回転電機１のトルクを大きくすることができる。

図６は、図１で示される位置Ａ−Ａでの回転電機１の断面であって、界磁子２の形状を概念的に示す。

ティース１１１は、界磁子２側から見た中心を位置ｒ１１に有する。ティース１２１は、界磁子２側から見た中心を位置ｒ１２に有する。

界磁子２は、一方向９１について、位置ｒ１１または位置ｒ１２と同じ位置ｒ２からの、コア２２の一端２２ａまでの距離Ｌ２２ａと、他端２２ｂまでの距離Ｌ２２ｂとが異なる。具体的に図６では、距離Ｌ２２ｂが距離Ｌ２２ａよりも大きい。なお、図６では、一方向９１について位置ｒ１１と位置ｒ１２とが一致している場合が示されている。

かかる回転子２の形状によれば、回転電機１を駆動する際に必要なスラスト力を発生させることができる。

例えば、一方向９１について、界磁子２の中心の位置を、ティース１１１またはティース１２１の中心の位置ｒ１１，ｒ１２から、一方向９１またはそれとは反対方向へと変位させることでも、界磁子２において位置ｒ２からの距離Ｌ２２ａと距離Ｌ２２ｂとを異ならせることができる。このとき、以下に説明するように、ティース１１１，１２１に対する界磁子２の変位の大きさが小さくても、必要なスラスト力を発生させることができる。

図７は、ティース１１１，１２１に対する界磁子２の変位の大きさ（以下、単に「変位」という。）ｘ（横軸）と、エアギャップに蓄えられる磁気エネルギーＷｇ（縦軸）との関係を示す。変位ｘを値ｘ１まで大きくしても、磁気エネルギーＷｇはほとんど低下しない。これは、エアギャップの磁束密度がほとんど低下しないからである。変位ｘが値ｘ１から値ｘ２の範囲にある場合には、変位ｘが大きくなるに従って磁気エネルギーＷｇは顕著に低下する。そして、変位ｘが値ｘ２からさらに大きくなるに従って磁気エネルギーＷｇは０に漸近する。

スラスト力は、変位ｘの関数として表された磁気エネルギーＷｇを、変位ｘで微分して得られる。

図７では、電機子が一つだけ設けられた回転電機の、変位ｘと磁気エネルギーＷｇとの関係を破線２０１で示している。当該回転電機では、磁気エネルギーＷｇの変位ｘに対する変化量（変位ｘでの微分）が、回転電機１よりも小さいことがわかる。すなわち、変位ｘが値ｘ１から値ｘ２の間にある場合には、回転電機１の方が、変位ｘの変化量が小さくても磁気エネルギーＷｇの変化量は大きく、以ってスラスト力は顕著に変化する。

スラスト力は、回転電機１の一方向９１についての振動を抑制することができる。例えば、よって、回転電機１を圧縮機などに搭載した場合には振動による騒音が低減できる。また、回転電機１をＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等の再生機やレコーダなどに搭載して、アクチュエータとして用いた場合には、読取りや書込みのエラーを低減することができる。

ただし、図７に示される関係からもわかるように、変位ｘを顕著に大きくすると磁気エネルギーＷｇが小さくなり、以って回転電機１に流れる磁束の量も小さくなる。よって、変位ｘは、回転電機１に必要な磁束量とスラスト力の両方を考慮して選択することが望ましい。

上述した回転電機１はいずれも、例えば冷媒を圧縮する圧縮機や、送風を行う送風機などに搭載することができる。また、かかる圧縮機や送風機は、空気調和機に搭載することができる。特に車載用の空気調和機では、自身に搭載する回転電機を小型化する必要があり、本発明にかかる回転電機１を採用することが望ましい。

回転電機１は、例えば発電機として駆動することもできる。

４．その他の態様
なお、上述した回転電機１とは異なり、例えば端面１１１ａを端面１２１ａに対して一方向９１とは反対方向へと突出させても良いし、端面１１１ｂを端面１２１ｂに対して一方向９１へと突出させても良い。

本発明にかかる回転電機を概念的に示す断面図である。 本発明にかかる回転電機を概念的に示す断面図である。 本発明にかかる回転電機を概念的に示す断面図である。 本発明にかかる回転電機を概念的に示す断面図である。 図４で示される領域Ｗ１を拡大して示す図である。 本発明にかかる回転電機を概念的に示す断面図である。 変位ｘと磁気エネルギーＷｇとの関係を示す図である。

符号の説明

２ 界磁子
１１，１２ 電機子
２１ 磁石
２２ コア
９１ 一方向
９２ 所定の軸
１１１，１１２ ティース
１１１ａ，１１１ｂ，１２１ａ，１２１ｂ 端面
１１３，１２３ 巻線
１１３ａ，１１３ｂ，１２３ａ，１２３ｂ 端
Ｓ１，Ｓ２ 面積
Ｒ１，Ｒ２，Ｌ２２ａ，Ｌ２２ｂ 距離
Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ１２１ 長さ
ｒ１１，ｒ１２，ｒ２ 位置
Ｗ１ａ，Ｗ１ｂ，Ｗ２ａ，Ｗ２ｂ 距離

Claims (15)

1. 所定の軸（９２）の周りで環状を呈する界磁子（２）と、
   前記界磁子の外周側に配置される第１の電機子（１１）と、
   前記界磁子の内周側に配置される第２の電機子（１２）と
   を備え、
   前記第１の電機子は、
   前記所定の軸の周りで環状に配置され、それぞれ界磁子に外周側から対向する第１のティース（１１１）の複数と、
   前記第１のティースのそれぞれに巻回される第１の巻線（１１３）と
   を有し、
   前記第１のティースは、
   前記所定の軸に沿う一方向（９１）を向き、前記一方向へと順に配置される第１及び第２の端面（１１１ａ，１１１ｂ）
   を含み、
   前記第２の電機子は、
   前記所定の軸の周りで環状に配置され、それぞれ界磁子に内周側から対向する第２のティース（１２１）の複数と、
   前記第２のティースのそれぞれに巻回される第２の巻線（１２３）と
   を有し、
   前記第２のティースは、
   前記一方向を向き、前記一方向へと順に配置される第３及び第４の端面（１２１ａ，１２１ｂ）
   を含み、
   前記第１の端面は、前記第３の端面に対して前記一方向へと退き、
   前記第２の端面は、前記第４の端面に対して前記一方向とは反対方向へと退き、
   前記一方向について、前記第１の巻線の外周側の端（１１３ａ，１１３ｂ）のうち前記第１のティースに対して前記第１の端面（１１１ａ）と同じ側にある第１の端（１１３ａ）と、当該第１の端面との間の距離である第１の距離（Ｗ１ａ）は、前記第２の巻線の外周側の端（１２３ａ，１２３ｂ）のうち前記第２のティースに対して前記第３の端面（１２１ａ）と同じ側にある第２の端（１２３ａ）と、当該第３の端面との間の距離である第２の距離（Ｗ２ａ）よりも大きい、
   回転電機。
2. 前記一方向（９１）について、前記第１の端（１１３ａ）の位置と前記第２の端（１２３ａ）の位置とは略一致する、請求項１記載の回転電機。
3. 前記一方向について、前記第１の巻線の外周側の前記端（１１３ａ，１１３ｂ）のうち前記第１のティース（１１１）に対して前記第２の端面（１１１ｂ）と同じ側にある第３の端（１１３ｂ）と、当該第２の端面との間の距離である第３の距離（Ｗ１ｂ）は、前記第２の巻線の外周側の前記端（１２３ａ，１２３ｂ）のうち前記第２のティース（１２１）に対して前記第４の端面（１２１ｂ）と同じ側にある第４の端（１２３ｂ）と、当該第４の端面との間の距離である第４の距離（Ｗ２ｂ）よりも大きい、請求項１または請求項２記載の回転電機。
4. 前記一方向（９１）について、前記第３の端（１１３ｂ）の位置と前記第４の端（１２３ｂ）の位置とは略一致する、請求項３記載の回転電機。
5. 前記第１のティース（１１１）の、内周側から外周側へと向かう方向に対する断面の面積のうち最小である第１の面積（Ｓ１）は、前記第２のティース（１２１）の、内周側から外周側へと向かう方向に対する断面の面積のうち最小である第２の面積（Ｓ２）よりも大きい、請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の回転電機。
6. 前記第１の面積（Ｓ１）の前記第２の面積（Ｓ２）に対する比率は、前記所定の軸（９２）から前記界磁子（２）の外周までの距離（Ｒ１）の、前記所定の軸から前記界磁子の内周までの距離（Ｒ２）に対する比率と略同一である、請求項５記載の回転電機。
7. 前記界磁子（２）は、前記一方向（９１）に延在する磁石（２１）を有し、
   前記一方向について、前記磁石の長さ（Ｌ２１）は前記第２のティース（１２１）の長さ（Ｌ１２１）よりも大きい、
   請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載の回転電機。
8. 前記界磁子（２）は、前記所定の軸（９２）の周りで環状を呈するコア（２２）を有し、
   前記一方向について、前記コアの長さ（Ｌ２２）は前記第２のティース（１２１）の長さ（Ｌ１２１）よりも大きい、
   請求項１乃至請求項７のいずれか一つに記載の回転電機。
9. 前記界磁子（２）は、前記コア（２２）に設けられ、前記一方向（９１）に延在する磁石（２１）を更に有し、
   前記一方向について、前記磁石の長さ（Ｌ２１）は前記コアの長さ（Ｌ２２）よりも大きい、
   請求項８記載の回転電機。
10. 前記界磁子（２）は、前記所定の軸（９２）の周りで環状を呈するコア（２２）と、前記コアに埋設される磁石（２１）とを有し、
    前記コアは、前記一方向（９１）について、前記第１または前記第２のティース（１１１，１２１）の界磁子側から見た中心の位置（ｒ１１，ｒ１２）と同じ位置（ｒ２）からの、前記コアの一端（２２ａ）までの距離（Ｌ２２ａ）と、他端（２２ｂ）までの距離（Ｌ２２ｂ）とが異なる、
    請求項１乃至請求項９のいずれか一つに記載の回転電機。
11. 前記第１のティース（１１１）の前記一方向（９１）における幅は、外周側から内周側に向かう方向（９３）に行くに従って拡がる、請求項１乃至請求項１０のいずれか一つに記載の回転電機。
12. 前記第２のティース（１２１）の前記一方向（９１）における幅は、内周側から外周側へと向かう方向（９４）に行くに従って拡がる、請求項１乃至請求項１１のいずれか一つに記載の回転電機。
13. 請求項１乃至請求項１２のいずれか一つに記載の回転電機を電動機として搭載する、圧縮機。
14. 請求項１乃至請求項１２のいずれか一つに記載の回転電機を電動機として搭載する、送風機。
15. 請求項１３に記載の圧縮機、及び請求項１４に記載の送風機の少なくともいずれか一方を搭載する、空気調和機。

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