JP5720445B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は回転電機に関し、特に回転電機が有する回転子用コアの形状に関する。

特許文献１には回転子が記載されている。当該回転子は回転子鉄心と永久磁石とを有している。回転子鉄心は複数種類の鉄心部によって形成されている。複数種類の鉄心部は軸方向に並んで配置されて回転子鉄心を形成する。鉄心部の外周表面には第１及び第２の溝が形成されている。当該第１及び第２の溝は鉄心部の外周表面において磁極ごとに配置される。つまり、第１の溝は磁極の数と同じ数だけ設けられ、これらは周方向で等間隔の位置に配置される。第２の溝も同様である。またこれらの第１及び第２の溝によってスキューを形成すべく、各鉄心部において第１の溝が周方向で互いにずれた位置に設けられ、第２の溝も周方向で互いにずれた位置に設けられる。これによってコギングトルクを低減している。

特許文献２においても、回転子鉄心の外周表面に溝が形成されている。かかる溝は磁極ごと設けられている。つまり、かかる溝も磁極の数と同じ数だけ設けられ、これらは周方向で等間隔の位置に配置される。また特許文献２においても、一つの磁極につき、第１乃至第３の溝が形成された回転子鉄心が記載されているものの、第１乃至第３の溝の各々は周方向で等間隔に配置される。

特許文献３においても、回転子鉄心の外周面に溝が形成されているものの、これらの溝は磁極面ごとに形成されている。

その他、本発明に関連する技術として特許文献４〜８が開示されている。

特開２００５−１７６４２４号公報 特許３６５５２０５号公報 特開２００８−２０６３０８号公報 特開２００２−７８２６０号公報 特開２０１０−１６１８３２号公報 特開２００７−９７３８７号公報 特開２０１１−５０２０５号公報 特開２００２−７８２６０号公報

特許文献１乃至３においては磁極毎に溝が形成されている。一方で、電磁加振力は回転子の振れ回りによって影響を受けるところ、回転子の振れ回りに関連して溝を設けることは考慮されていない。

そこで、本発明は、適切な位置に磁気障壁を設けることで、ある次数の電磁加振力を効率的に低減できる回転電機を提供することを目的とする。

本発明にかかる回転電機の第１の態様は、所定の回転軸(P)の周りを回転する回転子(1)と、前記回転子に対して前記回転軸とは反対側でエアギャップを介して前記回転子と対向する固定子(3)とを備え、前記回転子は、前記固定子と対向する外周面(11)と、複数の磁気障壁部(13,131〜133)とを有する回転子用コア(10)と、前記回転子用コアにおいて前記回転軸の周りで環状に配置され、前記回転軸を中心とした周方向で交互に異なる磁極を発生する２ｐ個の磁極面(11a〜11d)を前記外周面に形成する、複数の永久磁石(20)とを備え、前記複数の磁気障壁部は、前記回転軸に垂直な所定の断面において、前記周方向で前記回転子用コアを前記磁極面ごとに区分して得られる２ｐ個のコア部(R1〜R4)のうち、前記固定子の中心(Q3)に対して前記回転子の中心(Q1)側に位置する第一のコア部(R1)の、前記永久磁石に対して前記回転軸とは反対側に位置する部分に設けられ、かつ前記第一のコア部の前記外周面の前記周方向における中心(PC1)と前記回転軸とを結ぶ直線(A1)に対して対称な位置に設けられ、前記回転軸を中心とした径方向における前記複数の磁気障壁部(13)の幅は、前記断面における前記エアギャップの最大値(G1)と最小値(G2)との差(W)の２倍よりも小さく、前記第一のコア部の形状と、前記２ｐ個のコア部のうち前記回転軸に対して前記第一のコア部と反対側に位置する第二のコア部(R3)の形状とは、前記回転軸に対して非対称である。

本発明にかかる回転電機の第２の態様は、第１の態様にかかる回転電機であって、前記複数の磁気障壁部(13,131〜133)のいずれもが前記直線(A1)を避けて設けられる。

本発明にかかる回転電機の第３の態様は、第１の態様にかかる回転電機であって、前記複数の磁気障壁部(13,131〜133)の一つが前記直線(A1)上に設けられる。

本発明にかかる回転電機の第４の態様は、第１から第４の何れか一つの態様にかかる回転電機であって、前記第１のコア部(R1)における前記中心(PC1)を、前記回転軸(P)を中心として±３６０／（２ｐ＋１）度回転させた位置において、前記永久磁石(20)に対して前記回転軸とは反対側に設けられる第２の磁気障壁部(14)を更に備える。

本発明にかかる回転電機の第５の態様は、第１から第４の何れか一つの態様にかかる回転電機であって、前記回転軸(P)に沿う軸方向の一方側から他方側へと向かって、前記第一のコア部と前記固定子との間の前記エアギャップが増大するように前記回転子(1)および前記固定子(3)とが配置されており、前記複数の磁気障壁部(13)の前記幅は、前記軸方向において前記一方側から前記他方側へと向かって低減する。

本発明にかかる回転電機の第６の態様は、第１から第５の何れか一つの態様にかかる回転電機であって、前記複数の磁気障壁部(131)は前記磁極面に設けられる溝部である。

本発明にかかる回転電機の第７の態様は、第１から第５の何れか一つの態様にかかる回転電機であって、前記磁気障壁部(132)は前記永久磁石(20)と前記磁極面(11a)との間に設けられた非磁性体である。

本発明にかかる回転電機の第８の態様は、第１から第５の何れか一つの態様にかかる回転電機であって、前記回転子用コア(10)は、前記回転軸(P)に沿う方向に積層された複数の電磁鋼板を更に有し、前記複数の電磁鋼板の少なくとも複数枚には相互に嵌合して前記回転軸に沿った軸方向における固定のために複数の凹凸（１１４）が設けられ、当該凹凸は前記複数の磁気障壁部(133)として機能する。

本発明にかかる回転電機の第１の態様によれば、電磁加振力は第一のコア部における中心（いわゆる磁極中心）に対してほぼ対称に存在するところ、複数の磁気障壁部は磁極中心に対称な位置に設けられる。よって、電磁加振力を効率的に低減できる次数が存在する。しかも、第一のコア部における回転子用コアの形状と第二のコア部における回転子用コアの形状とが非対称である。したがって、当該次数の電磁加振力のうち第一のコア部と第二のコア部とで非対称となる次数、即ち奇数次の電磁加振力を効率的に低減できる。

本発明にかかる回転電機の第２の態様によれば、第１のコア部の中心において谷となる次数の電磁加振力を低減できる。

本発明にかかる回転電機の第３の態様によれば、第１のコア部の中心において山となる次数の電磁加振力を低減できる。

本発明にかかる回転電機の第４の態様によれば、（２ｐ＋１）次の電磁加振力の周期に対応する位置に第２の磁気障壁部が設けられることとなる。よって（２ｐ＋１）次の電磁加振力を効率的に低減できる。

本発明にかかる回転電機の第５の態様によれば、軸方向における各位置における磁気障壁部の磁気抵抗とエアギャップの磁気抵抗との和を均一にすることができる。

本発明にかかる回転電機の第６の態様によれば、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電機の第７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。

本発明にかかる回転電機の第８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。

回転子の概念的な構成の一例を示す断面図である。 回転電機の概念的な構成の一例を示す断面図である。 回転電機の概念的な構成の一例を示す断面図である。 回転子が振れ回りを伴って回転する様子を示す図である。 回転子が振れ回りを伴って回転する様子を示す図である。 回転子が振れ回りを伴って回転する様子を示す図である。 回転子が振れ回りを伴って回転する様子を示す図である。 電磁加振力の一例を示す図である。 磁気障壁部の径方向における幅と電磁加振力の（２ｐ＋１）次の高調波成分との関係の一例を示す図である。 回転子の概念的な構成の一例を示す断面図である。 回転子の概念的な構成の一例を示す断面図である。 回転電機の概念的な構成の一例を示す断面図である。 回転子の概念的な構成の一例を示す断面図である。 回転子の概念的な構成の一例を示す断面図である。 圧縮機の概念的な構成の一例を示す断面図である。

＜回転電機＞
図１は回転軸Ｐに垂直な断面における回転子１の概念的な構成の一例を示す。図２は、当該断面における回転電機の概念的な構成の一例を示す。以下では、回転軸Ｐを中心とした径方向を単に径方向と呼び、回転軸Ｐを中心とした周方向を単に周方向と呼び、回転軸Ｐ１に沿う方向を軸方向と呼ぶ。

回転電機は回転子１と固定子３とを備える。回転子１と固定子３とは径方向においてエアギャップを介して互いに対面する。固定子３は回転子１に対して回転軸Ｐとは反対側において、所定のエアギャップを介して回転子１と対向する。なおここでは、回転軸Ｐは固定子３の中心Ｑ３に相当すると把握する。

固定子３は固定子用コア３０と電機子巻線３１とを備えている。固定子用コア３０は複数（例えば６個）のティースと、環状のバックヨークとを備えている。複数のティースは固定子３の中心Ｑ３（バックヨークの中心と見なすことができる）を中心として、放射状に配置される。バックヨークは、複数のティースの径方向における両端のうち中心Ｑ３とは反対側の一端同士を連結する。

電機子巻線３１は径方向を軸としてティースに巻回される。なお、本願では特に断らない限り、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。図２の例示では、電機子巻線３１はいわゆる集中巻き方式でティースに巻回される。

かかる固定子３において電機子巻線３１に適切に電流を流すことで、固定子３は回転子１に回転磁界を印加することができる。回転子１はかかる回転磁界に応じて回転軸Ｐの周りを回転する。以下、回転子１の構成の一例について説明する。

図１を参照して、回転子１は回転子用コア１０と複数の永久磁石２０とを備えている。回転子用コア１０は軟磁性体（例えば鉄）で構成され、固定子３と対向する外周面１１を有している（図２も参照）。図１，２の例示では、回転子用コア１０は例えば回転軸Ｐを中心とした略円柱状の形状を有している。よって図１，２の例示では外周面１１は略円形状を有する。

また回転子用コア１０には複数の磁石格納孔１２が穿たれている。複数の磁石格納孔１２は複数の永久磁石２０を格納する。各磁石格納孔１２は以下に詳述する各永久磁石２０の形状及び配置に合わせた形状を有している。

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、回転子用コア１０において回転軸Ｐの周りで環状に並んで配置される。より詳細には、回転子用コア１０の磁石格納孔１２に格納される。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、回転軸Ｐを中心とした周方向（以下、単に周方向と呼ぶ）における自身の中央において、その厚み方向が、径方向に沿う姿勢で配置される。なお、各永久磁石２０は必ずしも図１，２に示す形状で配置される必要はない。各永久磁石２０は、例えば回転軸Ｐに沿う方向（以下、単に軸方向と呼ぶ）に見て、回転軸Ｐとは反対側（以下、外周側とも呼ぶ）若しくは回転軸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では４つの永久磁石２０が例示されており、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を向けて配置される。これにより複数の永久磁石２０はいわゆる界磁磁石として機能する。言い換えれば、複数の永久磁石２０は外周面１１に２ｐ（ｐは１以上の整数であり、図１，２の例示では２）個の磁極面１１ａ〜１１ｄを形成する。磁極面１１ａ〜１１ｄは周方向において交互に異なる磁極を発生する。例えば、正極の磁極面を外周面１１に向けて配置された２つの永久磁石２０が、それぞれ外周面１１に正極の磁極面１１ａ，１１ｃを形成し、負極の磁極面を外周面１１に向けて配置された２つの永久磁石２０がそれぞれ外周面１１に負極の磁極面１１ｂ，１１ｄを形成する。

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。

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の周方向における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の外周側の磁極面と内周側の磁極面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（以下、極間とも呼ぶ）には回転子用コア１０の一部としてのリブ部１６が介在している。かかるリブ部１６はいわゆるｑ軸インダクタンスを向上することができる。よって、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダ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１６と、永久磁石２０に対して外周側に存する回転子用コア１０とは、空隙１２１の外周側にて連結部１５を介し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の磁束が、永久磁石２０に対して外周側の回転子用コア１０、連結部１５、リブ部１６、及び永久磁石２０に対して内周側の回転子用コア１０を経由して短絡することを防止できる。

また図１の例示では、回転子用コア１０には空隙１２２が形成されている。同じ磁極面に近接して設けられる空隙１２１，１２２についてみれば、空隙１２２は空隙１２１に対して極間とは反対側に設けられている。空隙１２２の径方向における幅は極間から遠ざかるに従って低減している。これによって、外周面１１上の磁束密度の波形をより正弦波に近づけることができる。なお、図１の例示では、空隙１２１，１２２は互いに離間しているが、これに限らず、周方向で連続していても良い。

＜磁気障壁部＞
本回転子用コア１０には複数の磁気障壁部１３が設けられている。以下、複数の磁気障壁部１３が設けられる範囲について説明する。まず周方向における範囲について説明し、次に径方向における範囲について説明する。複数の磁気障壁部１３は、周方向において回転子用コア１０を磁極面１１ａ〜１１ｄで区分したコア部Ｒ１〜Ｒ４のうち、コア部Ｒ１に設けられる。図２も参照して、コア部Ｒ１は固定子３の中心Ｑ３に対して回転子１の中心Ｑ１側に位置する。換言すればコア部Ｒ１は中心Ｑ１に対して中心Ｑ３とは反対側に位置する。なお図１の例示では、コア部Ｒ１の磁極中心ＰＣ１が中心Ｑ１，Ｑ３を通る直線Ａ２上に位置している。ただし、これは必須要件ではなく、図３に例示するように、磁極中心ＰＣ１は中心Ｑ１，Ｑ３を通る直線Ａ２からずれていても良い。

なお、コア部Ｒ１は、少なくとも回転子１が回転しているときに、中心Ｑ３に対して中心Ｑ１側に（換言すれば中心Ｑ１に対して中心Ｑ３とは反対側に）位置する。以下、回転子１が回転しているときの、中心Ｑ１，Ｑ３の位置関係および中心Ｑ１，Ｑ３に対するコア部Ｒ１の位置について説明する。

回転子１は、上述のように固定子３からの回転磁界に応じて回転するところ、実際には振れ回りを伴って回転する。ここでいう振れ回りとは回転子１の中心Ｑ１が固定子３の中心Ｑ３の周りを回転する公転動作を意味する。かかる振れ回りは、回転子１が停止した状態における中心Ｑ１と中心Ｑ３とのずれ、回転子１の重量バランス、回転子１が駆動する負荷（例えば不図示の圧縮機）の重量バランス、不図示のシャフトの剛性などに起因して生じる。

図４〜図７は、回転子１が振れ回りを伴って回転する様子の一例を示している。図４〜図７では、回転子１を簡略して示し、固定子３についてはその内接円（ティースの内接円）のみを示している。また図Ｘ（Ｘは５，６又は７）は、図（Ｘ−１）に対して回転子１が反時計回り方向に９０度回転した場合の様子を示している。図４〜７に示すように、回転子１は、その中心Ｑ１が固定子３の中心Ｑ３の周りを回転しつつ（即ち公転しながら）、中心Ｑ１の周りを自転する。

さて、回転磁界によって回転する回転子１においては、図４〜７に示すように、回転子１が自転すれば回転子１の中心Ｑ１もほぼ同じ角度だけ回転する。つまり、回転子１の自転と公転とがほぼ同期する。例えば図４から図５へと回転子１が９０度自転したときには、中心Ｑ１も中心Ｑ３の周りを９０度回転する。したがって、図４〜図７に示すように、コア部Ｒ１は常に中心Ｑ３に対して中心Ｑ１側に（換言すれば中心Ｑ１に対して中心Ｑ３とは反対側に）位置する。

なお、回転子１の回転中に、コア部Ｒ１が中心Ｑ３に対して中心Ｑ１側に位置しているかどうかは、回転電機の構造および材質などにより、計算で確認することができる。また例えば回転子１の軸方向の一方側にバランスウェイトが設けられている場合、簡易的には、中心Ｑ３から見てバランスウェイトが設けられた方向に中心Ｑ１が位置する、と見なすことができる。

またコア部Ｒ１について、次のように表現することもできる。すなわち、固定子３との間のエアギャップが最も小さいコア部がコア部Ｒ１である。ただし、ここでいうエアギャップは、溝部１３１の径方向における幅を無視したものである。なお、エアギャップについては以下の説明でもこの内容が適用される。

次に、複数の磁気障壁部１３の径方向における位置について説明する。図１，２を参照して、複数の磁気障壁部１３は径方向において、永久磁石２０に対して回転軸Ｐとは反対側に設けられる。これは、複数の磁気障壁部１３が、永久磁石２０と固定子３との間の磁束に起因して生じる電磁加振力を低減することを目的とするからである。なお、図１，２の例示では、複数の磁気障壁部１３は外周面１１に形成された溝部１３１として示されている。

また複数の磁気障壁部１３は、回転軸Ｐと磁極中心ＰＣ１とを通る直線Ａ１に対して対称となる位置に設けられる。図１，３の例示では、２つの磁気障壁部１３が直線Ａ１に対して対称となる位置に設けられている。この技術的意義については後に詳述する。

また磁気障壁部１３の径方向における幅は、エアギャップの最大値Ｇ１と最小値Ｇ２との差Ｗの２倍よりも小さい。この点についても後述するが、簡単に言えば、電磁加振力を低減するための要件である。

また図１，３を参照して、コア部Ｒ１の形状と、回転軸Ｐに対してコア部Ｒ１と反対側に位置するコア部Ｒ３の形状とは、回転軸Ｐに対して非対称である。図１，３の例示では、コア部Ｒ３には磁気障壁部１３が形成されていない。この技術的意義についても後に述べる。

＜電磁加振力＞
さて、振れ回りを伴う回転子１の回転によって、回転子１には電磁加振力が生じる。これは次の理由による。即ち、図４〜７に例示する振れ回りを伴った回転によって、エアギャップによる磁気抵抗が不均一となり、これによって回転子１と固定子３との間の磁束密度に高調波成分が生じる。電磁加振力は磁束密度の２乗に基づいて表現されるので、磁束密度の高調波成分によって電磁加振力にも高調波成分が生じる。

さて、かかる電磁加振力の各高調波成分は、図８に例示するように、直線Ａ１に対してほぼ対称となる。この点は、出願人によるシミュレーションによって確認されている。図８の例示では、電磁加振力の（２ｐ＋１）次（ここでは５次）の高調波成分（実線で表示）と、電磁加振力の（６ｐ＋１）次（ここでは１３次）の高調波成分（破線で表示）が示されている。電磁加振力の５次の高調波成分は回転軸Ｐの周りで５個の山と５個の谷を有し、電磁加振力の１３次の電磁加振力は１３個の山と１３個の谷を有する。また電磁加振力の５次の高調波成分は直線Ａ１において山となり、電磁加振力の１３次の高調波成分は直線Ａ１において谷となる。

なお、以下では、電磁加振力のＮ次の高調波成分をＮ次の電磁加振力とも呼ぶ。

また図３に示すように磁極中心ＰＣ１が直線Ａ２に対してずれると、そのずれ方向（周方向）に沿って電磁加振力の高調波成分が回転するものの、その回転量は小さい。例えば磁極中心ＰＣ１が直線Ａ２から最もずれた場合、すなわち磁極中心ＰＣ１が直線Ａ２から４５度ずれた場合に、５次の電磁加振力は３〜４度程度回転する。５次の電磁加振力は７２度の周期を持つので、周期に対する回転量の最大値は５％程度である。よって、５次の電磁加振力は直線Ａ１に対してほぼ対称となる。なお値ｐが増加すると（２ｐ＋１）次の電磁加振力の周期は短くなるが、磁極中心ＰＣ１が直線Ａ２から最もずれる角度も小さくなるので、値ｐに依らずに電磁加振力の高調波成分は直線Ａ１に対してほぼ対称となる。

＜電磁加振力の低減＞
本回転電機によれば、複数の磁気障壁部１３は回転軸Ｐと磁極中心ＰＣ１とを結ぶ直線Ａ１に対して対称に配置される。上述のように、電磁加振力は直線Ａ１に対してほぼ対称となるので、かかる磁気障壁部１３によって電磁加振力を効率的に低減できる次数が存在する。例えば図１，２では、１３次の電磁加振力の、直線Ａ１を挟んで隣り合う２つの山に相当する位置の近傍に、それぞれ２つの磁気障壁部１３が位置する（図８も参照）。磁気障壁部１３は磁気抵抗として機能して当該２つの山を低減することができるので、１３次の高調波成分を効率的に低減することができる。

しかも本回転電機によれば、コア部Ｒ１の形状とコア部Ｒ３の形状とは互いに非対称である。つまり、回転軸Ｐに対して複数の磁気障壁部１３と対称な位置では、磁気障壁部が設けられない。一方、奇数次の電磁加振力は、その山の位置とその谷の位置とが回転軸Ｐに対して対称となる（図８も参照）。例えば１３次の電磁加振力において、上記２つの山とそれぞれ回転軸Ｐに対して対称な位置ではそれぞれ谷が存在する。そして、この谷に相当する位置に磁気障壁部が設けられると、この磁気障壁部によって当該谷が更に低減されて結果として振幅が増大するところ、本回転子１によれば、この谷に相当する位置には磁気障壁部１３が設けられない。よって、この位置に磁気障壁部１３が設けられた場合に比べて、奇数次の電磁加振力を効率的に低減することができる。従来より提案されている手法により、偶数次の電磁加振力は大きく低減されてきており、近年は相対的に奇数次の電磁加振力が大きくなってきているため、本実施の形態にかかる回転電機によれば振動の低減効果が高い。

また図１，２の例示では、２つの磁気障壁部１３のいずれもが直線Ａ１を避けて設けられる。したがって、奇数次の電磁加振力のうち磁極中心ＰＣ１において谷となるものは、磁気障壁部１３によって効率的に低減される。

なお図８に例示するように直線Ａ１上に相当する位置では５次の電磁加振力の山の頂点が存在する。しかしながら、図１の例示では、この２つの磁気障壁部１３は５次の電磁加振力が山となる半周期に相当する範囲Ｗ１内に設けられている（図８も参照）。より詳細には、直線Ａ１を中心として±１８度（＝±３６０／（４（２ｐ＋１））度）の範囲Ｗ１内に、周方向において互いに反対側に位置する２つの磁気障壁部１３の一端１３ａが存在する。したがって、磁気障壁部１３が設けられていない回転子と比較すれば、５次の高調波成分も低減することができる。

図９は磁気障壁部１３の径方向における幅と、電磁加振力の（２ｐ＋１）次の高調波成分との関係を示す図である。当該関係は磁気障壁部１３の幅に対して下に突の形状を有している。そして、磁気障壁部１３の幅がエアギャップの最大値Ｇ１と最小値Ｇ２との差Ｗと一致するときに電磁加振力が最小値を採る。よって、磁気障壁部１３の幅は差Ｗと略等しいこととが望ましい。

一方、磁気障壁部１３の幅が零であるときの電磁加振力と、磁気障壁部１３の幅が当該差Ｗの２倍であるときの電磁加振力とが互いに一致する。なお磁気障壁部１３の幅が零であることは、磁気障壁部１３が設けられていないことを意味する。本磁気障壁部１３の幅は当該差Ｗの２倍よりも小さいので、磁気障壁部１３が設けられていない回転子に比べて適切に電磁加振力を低減することができる。

なお、図２の例示では、電機子巻線３１が集中巻き方式で巻回されている。かかる回転電機においては、電機子巻線が分布巻き方式で巻回された回転電機に比べて、電磁加振力が高い。よって、電磁加振力を低減できる本回転電機は特に有利である。

＜回転子用コア１０の他の例＞
図１０に例示する回転子１は、磁気障壁部１４の有無を除いて図１の回転子１と同様である。図１０の回転子用コア１０には２つの磁気障壁部１４が設けられている。２つの磁気障壁部１４はそれぞれ、磁極中心ＰＣ１を回転軸Ｐの周りで、３６０／（２ｐ＋１）度（ここでは７２度）回転させた位置において、永久磁石２０よりも回転軸Ｐとは反対側に設けられている。図１０の例示では、磁気障壁部１４は外周面１１に形成された溝部として例示されている。

かかる２つの磁気障壁部１４は、（２ｐ＋１）次の電磁加振力の周期に対応して設けられる（図８も参照）。より詳細には、２つの磁気障壁部１４は、（２ｐ＋１）次の電磁加振力の山に相当する位置に設けられる。したがって、（２ｐ＋１）次の電磁加振力を効率的に低減することができる。

図１１では複数の磁気障壁部１３として３個の磁気障壁部１３が例示されている。３個の磁気障壁部１３は直線Ａ１に対して対称な位置に設けられるので、一つの磁気障壁部１３が直線Ａ１上に設けられる。かかる一つの磁気障壁部１３によって、磁極中心ＰＣ１において山となる奇数次の電磁加振力を効率的に低減することができる。特に、３個の磁気障壁部１３の各々が設けられる位置において山となる電磁加振力であって、奇数次の電磁加振力を効率的に低減することができる。

また図１１の例示では、磁気障壁部１４が形成されているので、図１０と同様に（２ｐ＋１）次の電磁加振力を効率的に低減することができる。

＜軸方向の各位置における磁気障壁部１３の幅＞
図１２は、回転軸Ｐを含み磁気障壁部１３を通る断面における回転電機の概念的な構成の一例を示す図である。なお図１２の例示では、回転子１に取り付けられる回転シャフト５も示されている。回転シャフト５は例えば回転子用コア１０に設けられたシャフト孔に貫挿配置される。

図１２の例示では、コア部Ｒ１と固定子３との間のエアギャップが、軸方向の一方側（紙面上方側）から他方側へと向かって、増大するように、回転子１および固定子３が配置されている。即ち、回転子１が固定子３に対して傾斜して配置されている。このような配置は、特に回転シャフト５が片持ち支持される場合に顕著となる。なお図１２に例示するように、回転軸Ｐにおける任意の位置において、回転軸Ｐに対して紙面左側のエアギャップは回転軸Ｐに対して紙面右側のエアギャップよりも大きい。

そして、図１２に例示するように、磁気障壁部１３の幅は、エアギャップの増大に反して軸方向における一方側から他方側へと向かって低減している。これによって、軸方向の各位置での回転軸Ｐに垂直な断面において、磁気障壁部１３による磁気抵抗とエアギャップによる磁気抵抗の和を均一にすることができる。したがって、電磁加振力の低減量の軸方向におけるばらつきを低減することができる。

＜磁気障壁部の他の例＞
図１３に示す回転子１は、図１に示す回転子１と比較して磁気障壁部１３が相違している。

複数の磁気障壁部１３はコア部Ｒ１に属する磁極面１１ａと永久磁石２０との間に設けられた非磁性体１３２として例示されている。非磁性体１３２は例えば軸方向で回転子用コア１０を貫通する孔である。図１３の例示では、磁気障壁部１３は軸方向に沿って見て長尺状の形状を有し、その長辺が当該長辺の位置における周方向に接するように配置されている。当該孔はその内部を流体、例えば空気や冷媒によって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。なお磁気障壁部１３が固体の非磁性体であってもよい。磁気障壁部１３が固体の非磁性体であれば、回転子１の強度を向上できる。

かかる磁気障壁部１３であっても図１の回転子１と同様に電磁加振力を低減する次数が存在する。また本磁気障壁部１３は磁極面１１ａと永久磁石２０との間に設けられるので、磁極面１１ａには溝が形成される必要がない。よって、磁極面１１ａ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１３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。

図１４に示す回転子１は、図１に示す回転子１と比較して磁気障壁部１３が相違している。

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１４に示す回転子１では、磁気障壁部１３として電磁鋼板を相互に固定する凹凸１３３を採用している。

これにより、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１３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。

なお上述した磁気障壁部１４（図１０，１１参照）として、外周面１１と永久磁石２０との間に設けられる非磁性体、或いは電磁鋼板を固定するための凹凸を採用してもよい。これによっても、磁気障壁部１３と同様に回転子１と固定子３との間のエアギャップの測定を阻害しない。

＜本回転電機が設けられる圧縮機＞
上述した回転子１は例えば密閉型圧縮機用のモータに用いられる。図１５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１５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１５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。

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として本実施の形態にかかる回転子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
３ 固定子
１０ 回転子用コア
２０ 永久磁石
１３ 磁気障壁部
１３１ 溝部
１３２ 孔
１３３ 凹凸
ＣＰ１ 磁極中心
Ｐ 回転軸
Ｑ１，Ｑ２ 中心

Claims (8)

1. 所定の回転軸(P)の周りを回転する回転子(1)と、
   前記回転子に対して前記回転軸とは反対側でエアギャップを介して前記回転子と対向する固定子(3)と
   を備え、
   前記回転子は、
   前記固定子と対向する外周面(11)と、複数の磁気障壁部(13,131〜133)とを有する回転子用コア(10)と、
   前記回転子用コアにおいて前記回転軸の周りで環状に配置され、前記回転軸を中心とした周方向で交互に異なる磁極を発生する２ｐ個の磁極面(11a〜11d)を前記外周面に形成する、複数の永久磁石(20)と
   を備え、
   前記複数の磁気障壁部は、前記回転軸に垂直な所定の断面において、前記周方向で前記回転子用コアを前記磁極面ごとに区分して得られる２ｐ個のコア部(R1〜R4)のうち、前記固定子の中心(Q3)に対して前記回転子の中心(Q1)側に位置する第一のコア部(R1)の、前記永久磁石に対して前記回転軸とは反対側に位置する部分に設けられ、かつ前記第一のコア部の前記外周面の前記周方向における中心(PC1)と前記回転軸とを結ぶ直線(A1)に対して対称な位置に設けられ、
   前記回転軸を中心とした径方向における前記複数の磁気障壁部(13)の幅は、前記断面における前記エアギャップの最大値(G1)と最小値(G2)との差(W)の２倍よりも小さく、
   前記第一のコア部の形状と、前記２ｐ個のコア部のうち前記回転軸に対して前記第一のコア部と反対側に位置する第二のコア部(R3)の形状とは、前記回転軸に対して非対称である、回転電機。
2. 前記複数の磁気障壁部(13,131〜133)のいずれもが前記直線(A1)を避けて設けられる、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記複数の磁気障壁部(13,131〜133)の一つが前記直線(A1)上に設けられる、請求項１に記載の回転電機。
4. 前記第１のコア部(R1)における前記中心(PC1)を、前記回転軸(P)を中心として±３６０／（２ｐ＋１）度回転させた位置において、前記永久磁石(20)に対して前記回転軸とは反対側に設けられる第２の磁気障壁部(14)を更に備える、請求項１から３の何れか一つに記載の回転電機。
5. 前記回転軸(P)に沿う軸方向の一方側から他方側へと向かって、前記第一のコア部と前記固定子との間の前記エアギャップが増大するように前記回転子(1)および前記固定子(3)とが配置されており、
   前記複数の磁気障壁部(13)の前記幅は、前記軸方向において前記一方側から前記他方側へと向かって低減する、請求項１から４の何れか一つに記載の回転電機。
6. 前記複数の磁気障壁部(131)は前記磁極面に設けられる溝部である、請求項１から５の何れか一つに記載の回転電機。
7. 前記磁気障壁部(132)は前記永久磁石(20)と前記磁極面(11a)との間に設けられた非磁性体である、請求項１から５の何れか一つに記載の回転電機。
8. 前記回転子用コア(10)は、
   前記回転軸(P)に沿う方向に積層された複数の電磁鋼板
   を更に有し、
   前記複数の電磁鋼板の少なくとも複数枚には相互に嵌合して前記回転軸に沿った軸方向における固定のために複数の凹凸（１１４）が設けられ、当該凹凸は前記複数の磁気障壁部(133)として機能する、請求項１から５の何れか一つに記載の回転電機。

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