JP5644317B2 - 回転子 - Google Patents

Description

本発明は回転子に関し、特に回転子用コアの形状に関する。

特許文献１にはコギングトルクを低減するとともに、誘起電圧の高調波含有率を低減し、振動と騒音を低減した回転子が記載されている。当該回転子は、回転子コアと、複数の永久磁石とを有している。複数の永久磁石は回転軸の周りで環状に配置されている。これらの複数の永久磁石は回転子コアに埋設されている。回転子コアの外周側面の径は永久磁石の両端で小さくなっている。

特開２００５−５２８２５号公報

しかしながら、回転子の振れ回りに起因する電磁力の（２Ｎ＋１）次の高調波成分については記載も示唆もなく、またバランスウェイトも設けられていない。よって、仮に特許文献１において、外周側面のうち径が小さくなっている部分を磁気障壁部と把握したとしても、次のような磁気障壁部の位置についての記載や示唆はない。即ち、バランスウェイトの位置に関連した磁気障壁部の位置であって、電磁力の高調波成分のピークに対応する磁気障壁部の位置については記載も示唆もない。

本発明は固定子と共に回転電機を構成する回転子であって、当該固定子に流れる電流の位相（電流位相）として、磁気障壁部の位置に電磁力の（２Ｎ＋１）次の高調波成分のピークの位相を対応させる位相が必ず存在する回転子を提供することを目的とする。このような回転子を、例えば当該位相の付近に電流位相を設定して駆動することにより、当該ピークは低減する。

本発明にかかる回転子の第１の態様は、所定の軸（Ｐ）の周りで環状に配置される複数の永久磁石（２０）と、前記軸を中心とした周方向に沿って交互に異なる極性の磁極が、前記複数の永久磁石によって、前記軸を中心とした径方向に向かってそれぞれ発生する２Ｎ（Ｎは自然数）個の磁極面（１１ａ〜１１ｄ）と、前記複数の永久磁石に対して前記磁極面側に設けられた（２Ｎ＋１）個の磁気障壁部（１１１）とを有する回転子用コア（１０）と、前記軸に沿う軸方向の一方側で前記回転子用コアに取り付けられるバランスウェイト（３０）とを備え、前記磁極面の前記周方向における中心のうち前記周方向において前記バランスウェイトの重心（ＢＰ）に最も近い一つを基準位置（ＣＰ）とし、前記基準位置から前記周方向の一方側へと向かう方向を正の方向とし、前記重心（ＢＰ）が前記周方向において前記基準位置に対してなす角度を第１角度φとし、０以上２Ｎ以下の整数をＭとすると、前記（２Ｎ＋１）個の磁気障壁部の一つの前記周方向における中心（１１１ｃ）が前記周方向において前記基準位置に対してなす第２角度αは、−２８／Ｎ＋φ／（２Ｎ＋１）＋３６０・Ｍ／（２Ｎ＋１）≦α≦２８／Ｎ＋φ／（２Ｎ＋１）＋３６０・Ｍ／（２Ｎ＋１）を満たす。

本発明にかかる回転子の第２の態様は、第１の態様にかかる回転子であって、前記（２Ｎ＋１）個の磁気障壁部はそれぞれ前記周方向において等間隔に配置される。

本発明にかかる回転子の第３の態様は、第１又は第２の態様にかかる回転子であって、前記第１角度φは零である。

本発明にかかる回転子の第４の態様は、第１乃至第３のいずれか一つの態様にかかる回転子であって、前記磁気障壁部（１１１）は前記磁極面に設けられる溝部（１１２）である。

本発明にかかる回転子の第５の態様は、第１乃至第３のいずれか一つの態様にかかる回転子であって、前記磁気障壁部（１１１）は前記複数の永久磁石と前記磁極面との間に設けられた非磁性体（１１３）である。

本発明にかかる回転子の第６の態様は、第１乃至第３のいずれか一つの態様にかかる回転子であって、前記回転子用コア（１０）は前記軸方向に積層された複数の電磁鋼板を有し、前記複数の電磁鋼板の少なくとも複数枚には前記軸方向で相互に嵌合する凹凸（１１４）が設けられ、当該凹凸は前記磁気障壁部（１１１）として機能する。

本発明にかかる回転子の第７の態様は、第１乃至第６の何れか一つの態様にかかる回転子であって、前記固定子用コア（１０）に固定されて前記軸方向に延在するシャフトを備え、前記シャフトは前記軸方向の前記一方側又は他方側のみにおいて支持される。

本発明にかかる回転子の第１の態様によれば、径方向においてエアギャップを介して磁極面と対面するように固定子を配置することで回転電機を実現できる。回転子が有するコイルに電流を流すことで回転子に接続される負荷を駆動することができる。

またバランスウェイトを設けているので、回転子と接続される負荷の偏芯を抑制することができる。一方で、かかるバランスウェイトに起因して回転子が振れ回り、これによって電磁力の（２Ｎ＋１）次の高調波成分が発生する。

この（２Ｎ＋１）次の高調波成分のピークの位相角は、コイルに流れるｄ軸電流位相に影響して変動する。位相角は、ｄ軸電流位相の全範囲において、基準位置を０として｛−２８／Ｎ＋φ／（２Ｎ＋１）＋３６０・Ｍ／（２Ｎ＋１）｝度以上かつ｛２８／Ｎ＋φ／（２Ｎ＋１）＋３６０・Ｍ／（２Ｎ＋１）｝度の範囲に属する。

したがって本回転子によれば、磁気障壁部１１１の位置が高調波成分のピークに対応する電流位相が少なくとも一つある。

本発明にかかる回転子の第２の態様によれば、電磁力の（２Ｎ＋１）次の高調波成分のピークの全てを低減することができる。

本発明にかかる回転子の第３の態様によれば、バランスウェイトの周方向における中心を磁極面の周方向における中心の一つと一致させることができる。

本発明にかかる回転子の第４の態様によれば、溝部が設けられた位置における、回転子と固定子とのエアギャップを増大できるので、溝部を磁気障壁部として機能させることができる。

本発明にかかる回転子の第５の態様によれば、磁気障壁部が磁極面から離れて設けられているので、磁気障壁部は、回転子の側面（磁極面）と固定子との間のエアギャップの測定を阻害しない。よって、磁気障壁部の位置によらずエアギャップを測定できる。

本発明にかかる回転子の第６の態様によれば、磁気障壁部は電磁鋼板を固定する機能と、磁気障壁の機能とを発揮するので、それぞれの機能を発揮する専用の固定部、磁気障壁部を設ける場合に比べて、製造コストを低減できる。

本発明にかかる回転子の第７の態様によれば、回転子が振れ回りやすいので振動低減の抑制が効率的である。

第１の実施の形態に係る回転子の概念的な構成の一例を示す図である。 軸方向に沿って見た回転子の概念的な構成を示す図である。 振れ回りを説明するための図である。 振れ回りを説明するための図である。 振れ回りを説明するための図である。 振れ回りを説明するための図である。 磁束密度の二乗を示すグラフである。 電流位相と、磁極中心とピークとの間の角度差との関係を示す図である。 磁束密度の二乗を示すグラフである。 回転子の概念的な構成の他の一例を示す図である。 第２の実施の形態に係る回転子の概念的な構成の一例を示す図である。 第３の実施の形態に係る回転子の概念的な構成の一例を示す図である。 本回転子を有する圧縮機の概念的な構成の一例を示す図である。

第１の実施の形態．
＜回転子の構成＞
図１は回転子１の軸Ｐに垂直な断面を示す。ここに例示されるように、回転子１は回転子用コア１０と複数の永久磁石２０とバランスウェイト３０とを備えている。なおバランスウェイト３０は実際には当該断面には表れないものの、図１においては軸Ｐに沿う方向（以下、軸方向と呼ぶ）から見たバランスウェイト３０が仮想線で示されている。

複数の永久磁石２０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希土類磁石）であって、所定の軸Ｐの周りで環状に並んで配置される。図１の例示では、各永久磁石２０は直方体状の板状形状を有している。各永久磁石２０は、軸Ｐを中心とした周方向（以下、単に周方向と呼ぶ）における自身の中央において、その厚み方向が、軸Ｐを中心とした径方向（以下、単に径方向と呼ぶ）に沿う姿勢で配置されている。なお、各永久磁石２０は必ずしも図１に示す形状で配置される必要はない。各永久磁石２０は、例えば軸方向から見て、軸Ｐとは反対側（以下、外周側とも呼ぶ）若しくは軸Ｐ側（以下、内周側とも呼ぶ）へと開口するＶ字形状、又は外周側若しくは内周側へと開口する円弧状の形状を有していてもよい。

また図１の例示では、周方向で隣り合う任意の一対の永久磁石２０は外周側へと互いに異なる極性の磁極面２０ａを向けて配置される。これにより各永久磁石２０は、回転子１と共に回転電機を構成する固定子（不図示）へと界磁磁束を供給する、いわゆる界磁磁石として機能する。

なお図１の例示では４つの永久磁石２０（いわゆる４極の回転子１）が例示されているが、回転子１は２個の永久磁石２０を有していてもよく、６個以上の永久磁石２０を有していてもよい。また図１の例示では、４つの永久磁石２０の各々が一つの界磁磁極を構成しているが、例えば一つの界磁磁極が複数の永久磁石２０によって構成されていてもよい。言い換えれば、例えば図１における各永久磁石２０がそれぞれ複数の永久磁石に分割されていてもよい。

回転子用コア１０は軟磁性体（例えば鉄）で構成されている。図１の例示では、回転子用コア１０は例えば軸Ｐを中心とした略円柱状の形状を有している。

回転子用コア１０には複数の永久磁石２０が格納される複数の磁石格納孔１２が穿たれている。各磁石格納孔１２は各永久磁石２０の形状及び配置に合わせた形状を有している。図１の例示では、４つの磁石格納孔１２が穿たれている。

各永久磁石２０によって、回転子用コア１０の外周側面１１には、軸Ｐの周りで交互に異なる極性の磁極が径方向に向かって発生する２Ｎ（Ｎは１以上の整数）個の磁極面１１ａ〜１１ｄが形成される。図１の例示では、正極の磁極面２０ａを有する２つの永久磁石２０がそれぞれ外周側面１１に正極の磁極面１１ａ，１１ｃを形成し、負極の磁極面２０ａを有する２つの永久磁石２０がそれぞれ外周側面１１に負極の磁極面１１ｂ，１１ｄを形成する。よって図１の例示では外周側面１１には４個の磁極面１１ａ〜１１ｄが形成される。なおＮは磁極の対の数（いわゆる極対数）である。

回転子用コア１０は例えば軸方向に積層された電磁鋼板で構成されてもよい。これにより回転子用コア１０の軸方向における電気抵抗を高めることができ、以って回転子用コア１０を流れる磁束に起因した渦電流の発生を低減することができる。また回転子用コア１０は、意図的に電気的絶縁物（例えば樹脂）を含んで形成される圧粉磁心によって構成されてもよい。絶縁物が含まれているので圧粉磁心の電気抵抗は比較的高く、以って渦電流の発生を低減できる。

回転子用コア１０には例えば軸Ｐを中心とした略円柱状のシャフト用貫通孔１３が設けられていてもよい。シャフト用貫通孔１３を形成する側面は、外周側面１１に対して内周側側面と把握できる。かかるシャフト用貫通孔１３に不図示のシャフトを嵌合させて回転子用コア１０とシャフトとが固定される。またシャフト用貫通孔１３が設けられない場合は、例えば軸方向における回転子用コア１０の両側に端板（不図示）を設け、当該端板にシャフトを取り付ければよい。

図１の例示では、回転子用コア１０には一の界磁磁極を形成する永久磁石２０の周方向における両側で空隙１２１が穿たれている。空隙１２１は永久磁石２０の両側から外周側へと延在している。空隙１２１によって、永久磁石２０の外周側の磁極面２０ａと内周側の磁極面２０ｂとの間で磁束が短絡することを抑制できる。

図１の例示では空隙１２１は磁石格納孔１２と連結されているが、磁石格納孔１２と離間していてもよい。この場合、空隙１２１と磁石格納孔１２との間には回転子用コア１０の一部が介在するので、回転子用コア１０の強度を向上できる。

図１の例示では、周方向で隣り合う永久磁石２０同士の間には回転子用コア１０の一部としてのリブ部１４が介在している。かかるリブ部１４はいわゆるｑ軸リラクタンスを向上することができる。よって、ｄ軸リラクタンスとｑ軸リラクタンスとの差を増大でき、ひいてはリラクタンストルクを向上できる。

図１の例示では、リブ部１４と、永久磁石２０の外周側に存するコア部（回転子用コア１０の一部）とは、空隙１２１の外周側にて相互に連結されている。かかる連結部１５も回転子用コア１０の一部として形成される。これにより、回転子用コア１０の強度を向上することができる。なお、この連結部１５の径方向における厚みは、当該連結部１５を通る磁束によって容易に磁気飽和する程度に小さいことが望ましい。これにより、永久磁石２０の磁極面２０ａ，２０ｂの間で磁束が、永久磁石２０の外周側のコア部、連結部１５、リブ部１４、及び永久磁石２０の内周側のコア部（回転子用コア１０の一部）を経由して短絡することを防止できる。

バランスウェイト３０は軸方向における一方側において回転子用コア１０に取り付けられる。なお軸方向における一方側において回転子用コア１０の端板が設けられる場合にはバランスウェイト３０は当該端板に取り付けられてもよい。また図１の例示では、バランスウェイト３０は軸方向から見てＣ字状且つ板状の形状を有している。バランスウェイト３０はＣ字状の外周縁が外周側面１１に沿う姿勢で配置されている。

このような回転子１に対して、径方向においてエアギャップを介して外周側面１１と対面するように固定子（不図示）を配置することで回転電機を実現できる。そして例えば固定子が有するコイルへと電流を流すことで回転子１を回転させることができる。本回転電機はシャフトに取り付けられる負荷（例えば圧縮機構）を駆動することができる。

バランスウェイト３０は、例えばシャフトに取り付けられて回転電機によって駆動される負荷の偏芯を防止するために設けられる。一方で、回転子１のうち軸方向の一方側に位置する部分に着目すれば、バランスウェイト３０に起因して回転子１は軸Ｐを中心とした回転動作と並行して振れ回りをも行う。なおここでいう回転動作とは軸Ｐを中心とした自転運動であり、ここでいう振れ回りとは回転子１の中心が軸Ｐの周りで回転する公転動作である。

このような振れ回りによって磁束密度は高調波成分を有する。かかる磁束密度の高調波成分は電磁力の高調波成分を招き、ひいては回転子１の振動を招く。この点については後に詳述する。

さて回転子用コア１０には磁気障壁部１１１が設けられている。磁気障壁部１１１は永久磁石２０に対して外周側面１１側に設けられる。図１の例示では磁気障壁部１１１は外周側面１１に形成された溝部１１２として示されている。図１の例示では、溝部１１２は、周方向に沿った面１１２ａと、当該面１１２ａの周方向における両端から径方向の外周側へと延在する面１１２ｂとを有し、面１１２ｂは面１１２ａと反対側で溝部１１２以外の外周側面１１と連結している。

なお図１の例示では（２Ｎ＋１）（＝５）個の磁気障壁部１１１が設けられているものの、少なくとも一つの磁気障壁部１１１が設けられていれば良い。以下では磁気障壁部１１１の一つの周方向における位置について述べ、次に電磁力の高調波成分について述べ、続いて電磁力の高調波成分と磁気障壁部１１１との関連について述べる。

＜磁気障壁部１１１の位置＞
磁気障壁部１１１の位置を説明するために、まず基準位置ＣＰを決定する。基準位置ＣＰは、２Ｎ個の磁極面の周方向における中心（以下、磁極中心とも呼ぶ）のうち、周方向においてバランスウェイト３０の重心ＢＰに最も近い磁極中心に決定される。図１，２に例示では、バランスウェイト３０の重心ＢＰの周方向における位置と磁極中心の一つの周方向における位置とが互いに一致する。よって基準位置ＣＰはこの磁極中心の一つに決定され、基準位置ＣＰの周方向における位置は重心ＢＰの周方向における位置と一致する。

ここでは、まず図１，２に例示される磁気障壁部１１１のうち、周方向において基準位置ＣＰに最も近い磁気障壁部１１１の位置を説明する。この磁気障壁部１１１の周方向における中心１１１ｃが基準位置ＣＰに対して軸Ｐを中心とした周方向においてなす角度αは次式を満足する。なお基準位置ＣＰの周方向における位置が零度に対応し、回転子１の回転方向（例えば反時計回りの方向）が正の方向である。

−２８／Ｎ≦α≦２８／Ｎ ・・・（１）

＜振れ回りに起因する電磁力＞
回転子１は理想的には回転軸Ｐを中心とした回転動作を行うものの、上述したようにバランスウェイト３０に起因して回転子１は軸Ｐを中心とした振れ回りも並行して行う。そして、この振れ回りにより回転子１と固定子との間のエアギャップが変動する。例えば図３に示すように、回転子１の中心Ｑ１が固定子の中心Ｑ２よりも紙面下方向にずれている場合のエアギャップについて考察する。なお、図３においては回転子１をより簡略化して示し、また固定子の回転子１に対向する面を破線で示している。また回転子１の中心Ｑ１と固定子の中心Ｑ２とのずれは実際には０．１ｍｍ程度であるものの、かかるずれを誇張して示している。

図３に示すように、エアギャップは紙面上側で最も大きく、紙面下側で最も小さく、紙面左右側において、回転子１の中心Ｑ１と固定子の中心Ｑ２とが互いに一致した際のエアギャップとほぼ一致する。

次に、回転子１が回転する場合に、例えば紙面最上に位置する点Ａを通る位置でのエアギャップの変化について考察する。初期的には、点Ａにおけるエアギャップは最大値を採る。そして、回転子１が例えば反時計回りに振れ回りを伴って回転することにより、点Ａにおけるエアギャップは減少する。そして回転子１が９０度回転したときに、図４に示すように、点Ａにおけるエアギャップは、回転子１の中心Ｑ１と固定子の中心Ｑ２とが互いに一致したときのエアギャップと略一致する。

続く回転によっても点Ａにおけるエアギャップは減少する。そして回転子１が１８０度回転したときに図５に示すように、点Ａにおけるエアギャップは最小値を採る。続く回転によって点Ａにおけるエアギャップは増大する。そして回転子１が２７０度回転したときに図６に示すように、点Ａにおけるエアギャップは回転子１の中心Ｑ１と固定子の中心Ｑ２とが互いに一致したときのエアギャップと略一致する。続く回転によっても点Ａにおけるエアギャップが増大し、回転子１が３６０度、回転したときに再び最大値を採る。

かかる点Ａにおけるエアギャップの変動から理解できるように、点Ａにおけるエアギャップは３６０度を１周期とする余弦波成分を多く有する。

またエアギャップが増大するに従って磁気抵抗が増大することに鑑みると、回転子１の振れ回りに起因してパーミアンスはエアギャップの変動と同様に変動する。したがって、点Ａにおけるエアギャップの変動を余弦波成分で把握すると、点Ａを通るパーミアンスＲｍを次式で表すことができる。

Ｒｍ＝１＋ａ・ｃｏｓθ ・・・（２）

ただし、回転子１の中心Ｑ１と固定子の中心Ｑ２とが一致している場合のパーミアンスを１に規格化している。またａは回転子の中心Ｑ１と固定子の中心Ｑ２とのずれに起因する値である。ａは回転子１の中心Ｑ１と固定子の中心Ｑ２とのずれが大きいほど大きくなる。θは回転子１の回転角（いわゆる機械角）である。

回転子１の中心Ｑ１と固定子の中心Ｑ２とが一致している場合の、回転動作に起因する起磁力Ｂ１は次式で表される。

Ｂ１＝ｃｏｓ（Ｎθ） ・・・（３）

なお、簡単のためにパーミアンスＲｍと、起磁力Ｂ１との位相差をゼロとしている。また起磁力Ｂ１は磁束密度の振幅を１に規格化して把握されている。

そして、点Ａにおいて回転子１と固定子との間を流れる磁束密度Ｂ２は、回転動作に起因する起磁力Ｂ１と、振れ回りに起因して変動するパーミアンスＲｍとの積で表される。

Ｂ２＝Ｒｍ・Ｂ１
＝（１＋ａ・ｃｏｓθ）ｃｏｓ（Ｎθ）
＝cos（Ｎθ）＋ａ／２・｛cos（Ｎ＋１）θ＋cos（Ｎ−１）θ｝ ・・・（４）

式（４）の右辺で示すｃｏｓ（Ｎθ）は回転動作に起因する磁束密度である。式（４）の右辺で示すａ／２・｛ｃｏｓ（Ｎ＋１）θ＋ｃｏｓ（Ｎ−１）θ｝は振れ回りに起因する磁束密度である。回転子１が定常的に回転しているとき、回転子と固定子のそれぞれの対称性から、値ａは角度θに依存せずに一定値を採ると考えられるので、磁束密度Ｂ２には振れ回りに起因して、回転角３６０度を１周期とする余弦波を基本波とする（Ｎ±１）次の高調波成分が生じる。

なお、ここではパーミアンスＲｍと起磁力Ｂ１との位相差をゼロと仮定したが、この位相差をφとして計算したとしても磁束密度Ｂ２には（Ｎ±１）次の高調波成分が生じることが導ける。

また式（３）に示すように振れ回りに起因するパーミアンスＲｍをｃｏｓθで表したが、実際には複数の次数の高調波成分を有する。しかしながら、式（３）のようにパーミアンスＲｍの変動の主な成分はｃｏｓθで表すことができる。よって磁束密度Ｂ２は（Ｎ±１）次の高調波成分を他の次数の高調波成分に比べてより多く含む。なお、ｃｏｓ（Ｎθ）はトルクに寄与する成分であり、磁束密度Ｂ２は他の高調波成分に比べてＮ次の高調波成分を最も多く含む。

電磁力は磁束密度Ｂ２の２乗で表されるところ、次式のように電磁力はｃｏｓ（Ｎθ）とｃｏｓ（Ｎ＋１）θとの積を含む。

Ｂ２²＝［cos（Nθ）+a/2・｛cos（N+1）θ＋cos（N-1）θ｝］²
＝cos²(Nθ)＋a²/4・cos²（N+1）θ+a²/4・cos²(N-1)θ+a・cos（Nθ）cos（N+1）θ
+a²/2・cos（N+1）θcos（N-1）θ+a・cos（Nθ）cos（N-1）θ ・・・（５）

式（２）において値ａは１よりも小さいと考えられるから、a²を係数に持つ項を無視し、上式はcos²(Nθ)＋a・｛cos（Nθ）cos（N+1）θ+cos（Nθ）cos（N-1）θ｝で近似される。更に三角関数の積和の公式を適用すれば、電磁力は下式のように近似される。

Ｂ２²＝1/2+cos(2Nθ)/2+a/2｛cos（2N+1）θ+cos（2N-1）θ+2cosθ｝・・・（６）

換言すれば、電磁力は（２Ｎ±１）次の高調波成分を含む。これは上述したように、磁束密度Ｂ２はＮ次、（Ｎ±１）次の高調波成分を他の次数の高調波成分に比べてより多く含むからである。しかも電磁力の（２Ｎ＋１）次の高調波成分は他の次数の電磁力の高調波成分に比べて振動を招きやすい。

図７には、４極の回転子において発生する電磁力の５次の高調波成分の一例が示されている。図７の例示では、磁気障壁部１１１を有さない回転子についての５次の電磁力の高調波成分が示されている。なお図７の例示では基準位置ＣＰが零度である。

本回転子１において、磁気障壁部１１１が電磁力の５次の高調波成分のピークに対応する位置に設けられると、当該ピークを低減することができる。一方で、当該ピークの位置はパーミアンスＲｍと起磁力Ｂ１との位相差Φに依存する。換言すれば、電磁力の５次の高調波成分は式（６）とは異なってｃｏｓ｛（２Ｎ＋１）（θ＋δ）｝で表される。位相δは位相差Φに起因して生じる位相である。つまり位相差Φによって当該ピークの位置が横軸に沿って平行移動する。

また位相差Φは、換言すると、最も小さいエアギャップを与える外周側面１１上の点Ｂ（図３〜７も参照）が、軸Ｐを中心とした周方向において基準位置ＣＰに対してなす角度である。なお図３〜７の例示ではかかる角度は零度である。この位相差Φは回転電機のトルクにも依存する。回転方向のトルクは点Ｂを回転方向に移動させて位相差Φを増大させ、回転方向とは反対の方向のトルクは点Ｂを回転方向とは反対の方向に移動させて位相差Φを低減させる。またトルクは当該固定子のコイルに流れる電流の位相（より詳細にはｄ軸電流又はｑ軸電流の位相）に依存する。よって当該ピークの位置は電流位相βにも依存する。ここでいう電流位相βはｑ軸を基準とした電流の位相である。

図８は、電流位相βと電磁力の５次の高調波成分のピークの位置との関係を示すシミュレーション結果である。なお図８において対象となるピークは、５つのピークのうちその角度が零度に最も近いピークＰＫである（図７も参照）。零度の角度は基準位置ＣＰに対応するので、ピークＰＫは他のピークに比べて基準位置ＣＰにおいて最も近い。図８に示すように、ピークＰＫと基準位置ＣＰとの角度差（つまりピークＰＫの角度θｐｋ）の最大値は１４度であり、その最小値は−１４度である。よってピークＰＫの角度θｐｋは−１４度以上１４度以下である。

なお図１に例示するいわゆる埋込型回転子においては、周知のようにトルクは電流位相βが０度から１８０度である範囲内において最大値及び最小値を採る。したがって、角度θｐｋの最大値および最小値は電流位相βが０度から１８０度の範囲に属する。よって、電流位相βが０度から１８０度である範囲における角度θｐｋの最大値および最小値を確認すれば、電流位相βが０度から３６０度である範囲における角度θｐｋの最大値及び最大値を確認することになる。

以上のように、４極の回転子についてのピークＰＫの角度θｐｋは上述した範囲内にある。一方、２Ｎ極の回転子において、機械角（即ち回転角）は電気角のＮ倍であることを考慮すると、ピークＰＫの角度θｐｋは−２８／Ｎ度以上かつ２８／Ｎ度以下である。

＜磁気障壁部１１１と電磁力の（２Ｎ＋１）の高調波成分との関連＞
磁気障壁部１１１の一つについての角度αは式（１）を満たす。つまり、この磁気障壁部１１１は電磁力の（２Ｎ＋１）の高調波成分のピークＰＫの角度θｐｋと同じ範囲に設けられる。したがって、この磁気障壁部１１１の位置がピークＰＫの角度θｐｋに対応するときの電流位相βが少なくとも一つある。図８の例示では、角度αが１１度であれば磁気障壁部１１１の位置がピークＰＫの角度θｐｋに対応するときの電流位相βは１０度〜２０度の任意の値である。つまり電流位相βとして１０度〜２０度の範囲を採用すれば、磁気障壁部１１１が適切に（２Ｎ＋１）次の電磁力の高調波成分のピークＰＫを低減することができる。

また上述した内容を次のように把握することができる。即ち、なんら角度αについての規定なしに磁気障壁部１１１を設ければ、磁気障壁部１１１が（２Ｎ＋１）次の高調波成分のボトムに対応した位置に設けられ得る。一方で、本実施の形態では、ピークＰＫの角度θｐｋの範囲に応じて、磁気障壁部１１１の一つはその角度αが式（１）を満たすように設けられる。したがって、この磁気障壁部１１１の位置は周方向においてピークＰＫと比較的近い。これにより、より適切に（２Ｎ＋１）次の電磁力の高調波成分のピークＰＫを低減することができる。

また図１の例示では（２Ｎ＋１）（＝５）個の磁気障壁部１１１が設けられている。これら磁気障壁部１１１のうちの一つは上述した範囲に設けられる。また（２Ｎ＋１）個の磁気障壁部１１１は周方向において互いに略等間隔に配置される。言い換えると、他の磁気障壁部１１１は当該一つの磁気障壁部１１１の位置を、それぞれ周方向に沿って３６０／（２Ｎ＋１）度、３６０・２／（２Ｎ＋１）度、・・・、３６０・２Ｎ／（２Ｎ＋１）度、回転させた位置に設けられる。これによって、各磁気障壁部１１１は電磁力の（２Ｎ＋１）次の高調波成分のピークの各々に対応して設けられる。したがって、電磁力の（２Ｎ＋１）次の高調波成分のピークのそれぞれを低減させることができる。

なお、式（１）は基準位置ＣＰに最も近い磁気障壁部１１１についての角度αを規定している。磁気障壁部１１１が周方向において略等間隔に配置されることを考慮すれば、各磁気障壁部１１１についての角度αは次式で表される。

-28/N+360・M/(2N+1)≦α≦28/N+360・M/(2N+1) ・・・（７）

ここで、Ｍは０以上２Ｎ以下の整数である。例えばＭが０であれば式（７）は基準位置ＣＰに最も近い磁気障壁部１１１についての角度αを規定し、Ｍが１であれば式（７）は基準位置ＣＰに最も近い磁気障壁部１１１の隣の磁気障壁部１１１についての角度αを規定する。

図９には電磁力の５次の高調波成分の一例が示されている。図９の例示では、磁気障壁部１１１を有さない回転子についての電磁力の５次の高調波成分が実線で示され、図１の回転子１についての電磁力の５次の高調波成分が破線で示されている。磁気障壁部１１１を有する回転子１によれば、電磁力の５次の高調波成分が約１割強、低減されている。

次に、図１０に例示するように、バランスウェイト３０の重心ＢＰが基準位置ＣＰよりも周方向にずれている場合について説明する。なお基準位置ＣＰは磁極中心のうち周方向において最も重心ＢＰに近い磁極中心である。

バランスウェイト３０の重心ＢＰと基準位置ＣＰの間の角度φが零度の場合のピークＰＫの範囲は既に上述された。よって、この角度φに起因するピークＰＫの角度θｐｋの変動を当該範囲に加算することで、ピークＰＫの範囲を算出することができる。

さて、バランスウェイト３０の重心ＢＰが基準位置ＣＰから角度φずれると、この角度φは式（２）におけるパーミアンスＲｍの余弦波成分の位相に影響する。より詳細にはこの角度φが位相差Φに加算される。トルクの変動を考慮した位相差ΦによるピークＰＫの角度θｐｋは既に上述されているので、トルクの変動を無視して角度φによる位相差Φへの影響のみを考慮する。つまり角度φを位相差Φとして考慮する。したがって、パーミアンスＲｍの余弦波成分の位相は（θ＋φ）となる。パーミアンスＲｍの余弦波成分の位相を（θ＋φ）として式（２）〜（４）と同様に計算すると、電磁力の（２Ｎ＋１）次の高調波成分はｃｏｓ［（２Ｎ＋１）｛θ＋φ／(２Ｎ＋１)｝］で表される。

つまり、バランスウェイト３０の重心ＢＰが基準位置ＣＰより角度φずれると、電磁力の（２Ｎ＋１）次の高調波成分は角度φ／（２Ｎ＋１）、平行移動する。よってピークＰＫも角度φ／（２Ｎ＋１）、平行移動し、その範囲は−２８／Ｎ＋φ／（２Ｎ＋１）以上かつ２８／Ｎ＋φ／（２Ｎ＋１）以下となる。

したがって、角度αが次式を満足するように、磁気障壁部１１１の一つが設けられる。

−２８／Ｎ＋φ／（２Ｎ＋１）≦α≦２８／Ｎ＋φ／（２Ｎ＋１） ・・・（８）

これによって、この磁気障壁部１１１の位置がピークＰＫの角度θｐｋに対応するときの電流位相βが少なくとも一つ存在する。また任意の電流位相βを採用してもこの磁気障壁部１１１の位置は周方向においてピークＰＫと近い。したがって、効率的にピークＰＫを低減できる。

なお、式（８）は基準位置ＣＰに最も近い磁気障壁部１１１についての角度αを規定している。磁気障壁部１１１が周方向において略等間隔に配置されることを考慮すれば、各磁気障壁部１１１についての角度αは次式で表される。

-28/N+φ/(2N+1)+360・M/(2N+1)≦α≦28/N+φ/(2N+1)+360・M/(2N+1) ・・・（９）

なお、図１，２の例示では、（２Ｎ＋１）個の磁気障壁部１１１の全てが溝部１１２であるが、これに限らない。例えば空隙１２１の周方向における位置が磁気障壁部１１１の周方向における位置と一致していれば、その磁気障壁部１１１が空隙１２１であってもよい。

第２の実施の形態．
図１１に示す回転子１は、磁気障壁部１１１という点で図１に示す回転子１と相違している。

磁気障壁部１１１は孔１１３として示されている。孔１１３はその内部を流体、例えば空気や冷媒が充填されているので磁気障壁として機能することができる。孔１１３は、回転子用コア１０の外周側面１１と永久磁石２０との間（より具体的には、永久磁石２０を通る円環と外周側面１１との間）に設けられる。なお磁気障壁部１１１は孔１１３に限らず、孔１１３に非磁性体（例えば樹脂、非磁性金属など）が充填されていてもよい。非磁性体が充填されていれば回転子１の強度を向上できる。

図１１の例示では、磁気障壁部１１１（孔１１３）は軸方向に沿って見て長尺状の形状を有し、その長辺が周方向に接するように配置されている。回転子用コア１０に空隙１２１が穿たれる場合であれば、図１１に示すように例えば一つ磁気障壁部１１１の機能を空隙１２１が果たしても良い。

かかる磁気障壁部１１１であっても第１の実施の形態と同様の効果を招来する。なお、磁気障壁部１１１の径方向の位置は回転子用コア１０の外周側面１１に近いことが望ましい。当該外周と磁気障壁部１１１との間で磁束が流れることによって、電磁力の（２Ｎ＋１）次の高調波成分のピークを低減する効果が緩和されるからである。

また本磁気障壁部１１１は外周側面１１と永久磁石２０との間に設けられるので、外周側面１１には溝が形成される必要がない。よって、外周側面１１の周方向のいずれの位置においてもエアギャップを測定することができる。換言すれば、磁気障壁部１１１がエアギャップの測定を阻害しない。よって、エアギャップ測定の作業性を向上することができる。

第３の実施の形態．
図１２に示す回転子１は、磁気障壁部１１１という点で図１に示す回転子１と相違している。

回転子用コア１０は軸方向に積層された複数の電磁鋼板により構成されている。複数の電磁鋼板は、それぞれに設けられた凹凸が軸方向で嵌合しあって相互に固定される。かかる凹凸は、軸方向に沿って所定の部材を電磁鋼板に押し込むことで一方の面に凹部を形成するとともに同じ位置の他方の面に凸部を形成して、設けられる。このように凹凸は電磁鋼板の変形によって形成される。よって凹凸の磁気特性は劣化する。また、一の電磁鋼板の凸部とこれと軸方向で接する凹部とは完全に連続しないので、この境界でも磁気特性が劣化する。

かかる磁気特性の劣化を考慮して、図１２に示す回転子１では、磁気障壁部１１１として電磁鋼板を相互に固定する凹凸１１４を採用している。凹凸１１４は、その周方向における位置が第１の実施の形態で説明したように設けられる。また、その径方向における位置が第２の実施の形態と同様に、回転子用コア１０の外周に近いことが望ましい。

これにより、第１の実施の形態と同様の効果を招来するとともに、第２の実施の形態と同様にエアギャップ測定の作業性を向上することができる。しかも、磁気障壁部１１１は複数の電磁鋼板同士を固定する機能と、振動低減のための磁気障壁の機能とを発揮するので、それぞれの機能を発揮する専用の固定部、磁気障壁部を設ける場合に比べて、製造コストを低減できる。

第４の実施の形態．
第１乃至第３の実施の形態で説明した回転子１は例えば片持ち支持される。より詳細には回転子１が有するシャフトの軸方向の一端が例えば軸受けなどによって支持され、その他端は支持されない。かかる構造によれば、回転子１が振れ回りやすいので電磁力の（２Ｎ＋１）次の高調波成分のピークが高い。したがって、（２Ｎ＋１）次の高調波成分のピークを抑制する磁気障壁部１１１の技術的な意義が相対的に高まる。

以下では、片持ち支持される回転子１の例示として、密閉型圧縮機用のモータに用いられる構造について説明する。図１３は、上記のモータが適用される圧縮機の縦断面図である。図１３に示された圧縮機は高圧ドーム型のロータリ圧縮機であって、その冷媒には例えば二酸化炭素が採用される。なお図１１においてはアキュムレータＫ１００も図示されている。

この圧縮機は、密閉容器Ｋ１と、圧縮機構部Ｋ２と、モータＫ３とを備えている。圧縮機構部Ｋ２は密閉容器Ｋ１内に配置されている。モータＫ３は密閉容器Ｋ１内かつ圧縮機構部Ｋ２の上側に配置される。ここで、上側とは密閉容器Ｋ１の中心軸が水平面に対して傾斜しているか否かに関わらず、密閉容器Ｋ１の中心軸に沿った上側をいう。

モータＫ３は回転シャフトＫ４を介して圧縮機構部Ｋ２を駆動する。モータＫ３は回転子１と固定子３とを備えている。

密閉容器Ｋ１の下側側方には吸入管Ｋ１１が接続され、密閉容器Ｋ１の上側には吐出管Ｋ１２が接続される。アキュムレータＫ１００からの冷媒ガス（図示省略）が吸入管Ｋ１１を経由して密閉容器Ｋ１へと供給され、圧縮機構部Ｋ２の吸込側に導かれる。このロータリ圧縮機は縦型であって、少なくともモータＫ３の下部に油溜めを有する。

固定子３は、回転シャフトＫ４に対して回転子１よりも外周側に配置され、密閉容器Ｋ１に固定されている。

圧縮機構部Ｋ２は、シリンダ状の本体部Ｋ２０と、上端板Ｋ８および下端板Ｋ９を備える。上端板Ｋ８および下端板Ｋ９はそれぞれ本体部Ｋ２０の上下の開口端に取り付けられる。回転シャフトＫ４は、上端板Ｋ８および下端板Ｋ９を貫通し、本体部Ｋ２０の内部に挿入されている。回転シャフトＫ４は上端板Ｋ８に設けられた軸受Ｋ２１と、下端板Ｋ９に設けられた軸受Ｋ２２により回転自在に支持されている。一方で、回転シャフトＫ４の圧縮機構部Ｋ２とは反対側では支持されていない。つまり回転子１は片持ち支持される。

回転シャフトＫ４には本体部Ｋ２０内でクランクピンＫ５が設けられる。ピストンＫ６はクランクピンＫ５に嵌合されて駆動される。ピストンＫ６と、これに対応するシリンダとの間には圧縮室Ｋ７が形成される。ピストンＫ６は偏芯した状態で回転し、または、公転運動を行い、圧縮室Ｋ７の容積を変化させる。

次に、上記ロータリ圧縮機の動作を説明する。アキュムレータＫ１００から吸入管Ｋ１１を経由して圧縮室Ｋ７に冷媒ガスが供給される。モータＫ３により圧縮機構部Ｋ２が駆動されて、冷媒ガスが圧縮される。圧縮された冷媒ガスは冷凍機油（図示省略）と共に、吐出孔Ｋ２３を経由して圧縮機構部Ｋ２から圧縮機構部Ｋ２の上側へ運ばれ、更にモータＫ３を経由して吐出管Ｋ１２から密閉容器Ｋ１の外部に吐出される。

冷媒ガスは冷凍機油と共にモータＫ３の内部を上側へと移動する。冷媒ガスはモータＫ３よりも上側に導かれるが、冷凍機油は回転子１の遠心力で密閉容器Ｋ１の内壁へと向かう。冷凍機油は密閉容器Ｋ１の内壁に微粒子の状態で付着することで液化した後、重力の作用によって、モータＫ３の冷媒ガスの流れの上流側に戻る。

かかる密閉型圧縮機において、モータＫ３の回転子１として第１乃至第３の実施の形態で説明した回転子１を採用することで、回転子１の振動ひいては密閉型圧縮機の振動を低減することができる。

１ 回転子
１０ 回転子用コア
２０ 永久磁石
３０ バランスウェイト
１１１ 磁気障壁部
１１２ 溝部
１１３ 孔
１１４ 凹凸
１２１ 空隙

Claims (7)

1. 所定の軸（Ｐ）の周りで環状に配置される複数の永久磁石（２０）と、
   前記軸を中心とした周方向に沿って交互に異なる極性の磁極が、前記複数の永久磁石によって、前記軸を中心とした径方向に向かってそれぞれ発生する２Ｎ（Ｎは自然数）個の磁極面（１１ａ〜１１ｄ）と、前記複数の永久磁石に対して前記磁極面側に設けられた（２Ｎ＋１）個の磁気障壁部（１１１）とを有する回転子用コア（１０）と、
   前記軸に沿う軸方向の一方側で前記回転子用コアに取り付けられるバランスウェイト（３０）と
   を備え、
   前記磁極面の前記周方向における中心のうち前記周方向において前記バランスウェイトの重心（ＢＰ）に最も近い一つを基準位置（ＣＰ）とし、前記基準位置から前記周方向の一方側へと向かう方向を正の方向とし、前記重心（ＢＰ）が前記周方向において前記基準位置に対してなす角度を第１角度φとし、０以上２Ｎ以下の整数をＭとすると、前記（２Ｎ＋１）個の磁気障壁部の一つの前記周方向における中心（１１１ｃ）が前記周方向において前記基準位置に対してなす第２角度αは、
   −２８／Ｎ＋φ／（２Ｎ＋１）＋３６０・Ｍ／（２Ｎ＋１）≦α≦２８／Ｎ＋φ／（２Ｎ＋１）＋３６０・Ｍ／（２Ｎ＋１）
   を満たす、回転子。
2. 前記（２Ｎ＋１）個の磁気障壁部はそれぞれ前記周方向において等間隔に配置される、請求項１に記載の回転子。
3. 前記第１角度φは零である、請求項１又は２に記載の回転子。
4. 前記磁気障壁部（１１１）は前記磁極面に設けられる溝部（１１２）である、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の回転子。
5. 前記磁気障壁部（１１１）は前記複数の永久磁石と前記磁極面との間に設けられた非磁性体（１１３）である、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の回転子。
6. 前記回転子用コア（１０）は前記軸方向に積層された複数の電磁鋼板を有し、
   前記複数の電磁鋼板の少なくとも複数枚には前記軸方向で相互に嵌合する凹凸（１１４）が設けられ、当該凹凸は前記磁気障壁部（１１１）として機能する、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の回転子。
7. 前記固定子用コア（１０）に固定されて前記軸方向に延在するシャフトを備え、
   前記シャフトは前記軸方向の前記一方側又は他方側のみにおいて支持される、請求項１乃至６の何れか一つに記載の回転子。

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