WO2018096887A1 - 永久磁石式回転電機及びそれを用いる圧縮機 - Google Patents

Abstract

小形、高効率で低騒音な永久磁石式回転電機を得る。　永久磁石式回転電機は、複数のティースとスロットを有する固定子鉄心と、電機子巻線を有する固定子と、回転子鉄心と、これに埋設された複数の永久磁石とを有する回転子を備える。固定子は、フレームに固定される円弧部と、外周側に形成された固定子凹部を備え、該固定子凹部は、円弧部と接続されティースの幅方向に平行な第１、第２の直線部と、径方向内側に設けられティースの幅方向に平行な第３の直線部と、この第３の直線部と第１、第２の直線部を接続する第４、第５の直線部を有して略台形形状に形成され、ティース先端部のスロット内側の両端の距離をＬ１、ティースの幅をＬ２、固定子凹部を挟んで両側に設けられた前記円弧部と前記固定子凹部とが交わる点どうしを結ぶ直線距離をＬ３としたとき、「Ｌ２＜Ｌ１＜Ｌ３」の関係に構成されている。

Description

永久磁石式回転電機及びそれを用いる圧縮機

　本発明は、界磁用の永久磁石を回転子に備えている永久磁石式回転電機に係り、特に、エアコン、冷蔵庫、冷凍庫、或いは食品ショーケースなどにおける圧縮機に使用するのに好適な永久磁石式回転電機及びそれを用いる圧縮機に関する。

　従来、この種の永久磁石式回転電機においては、電機子巻線となる固定子巻線に集中巻が採用されると共に、界磁には希土類のネオジムの永久磁石が採用され、小形・高効率化が図られている。しかし、小形・高効率化による出力密度の増加に伴い、鉄心の非線形磁気特性（ヒステリシス）の影響が顕著になり、集中巻の採用と相俟って、空間高調波磁束が増大している。

　これに対し、実開平３－１０６８６９号公報（特許文献１）に記載の従来技術のものでは、固定子鉄心におけるティース先端部（回転子鉄心との対向面）の形状を、中央部は回転子鉄心の外周面と同心円に形成し、円周方向両端部は直線状（平坦面）に形成することで回転子鉄心外周面から遠ざけるようにしたものが記載されている。これにより、ギャップ面における高調波磁束を低減させている。

実開平３－１０６８６９号公報

　固定子巻線に集中巻が採用され且つ界磁に高磁束密度の永久磁石が採用されることにより、永久磁石式回転電機の効率は飛躍的に向上した。その反面、固定子巻線を分布巻としたものに対し集中巻としたものでは、原理的に高調波磁束が増加することに加え、その高調波磁束を高磁束密度の永久磁石が助長する結果となる。つまり、小形・高効率化による出力密度の増加に伴い鉄心の非線形磁気特性が増加し、更に高磁束密度の永久磁石は磁力が大きくなるため、永久磁石式回転電機そのものの振動や騒音も増加し易く、特に、圧縮機に組み込んだ場合に最も耳障りとされている中域の周波数帯が顕在化する課題がある。

　上記特許文献１のものでは、固定子鉄心におけるティース先端部の形状を、中央部は回転子鉄心と同心円とし、円周方向両端部は直線状にして回転子鉄心外周面から遠ざけることで、ギャップ面における高調波磁束を低減させている。これにより、誘導起電力波形を正弦波化して電機子電流を正弦波化でき、誘導起電力と電機子電流との相互作用によって生じる高調波磁束を低減するようにしている。この結果、永久磁石式回転電機に発生する脈動トルクや径方向電磁加振力を低減できるので、振動や騒音を低減できる。

　しかし、上記特許文献１のものでは、比較的低域の周波数帯と比較的高域の周波数帯に生じている騒音は低減できるものの、最も耳障りとされている中域の周波数帯の騒音に対しては十分に低減できていない。

　この理由は、特許文献１の場合、ティース先端部の両端部を回転子鉄心外周面から遠ざけるほど、固定子のスロット断面積が減少し、スロットに挿入する電機子巻線が少なくなってしまうため、永久磁石式回転電機の効率などの性能を低下させることなく、電動機内の磁束の高調波成分を低減するのには限界があったためである。

　また、圧縮機の低騒音化のためには、電動機自体から発生する振動を小さくするか、電動機の振動が圧縮機のフレーム（例えば密閉容器）に伝わらないようにする必要がある。電動機の振動を小さくするためには、上述したように、永久磁石式回転電機（電動機）内に発生する磁束の高調波成分を低減して、脈動トルクや径方向電磁加振力を小さくすること等が有効である。

　一方、電動機の振動が圧縮機のフレームに伝わらないようにするためには、電動機の振動を減衰させる機能を持たせた電動機構造や固定方法が有効である。

　従って、圧縮機の高効率・低騒音化のためには、電動機内に発生する磁束の高調波成分を十分に低減して脈動トルク及び径方向電磁加振力を小さくし、且つ圧縮機のフレームに電動機の振動が伝わり難い構造にすることが重要である。

　本発明の目的は、小形、高効率で低騒音な永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機を得ることにある。

　上記目的を達成するため、本発明は、円環形状のコアバックと、該コアバックから径方向内側へ向けて突出し周方向に配列された複数のティースと、該ティース間に形成された複数のスロットを有する固定子鉄心と、前記スロット内に配設され前記ティースに巻装された電機子巻線とを有し、フレームに固定された固定子と、回転子鉄心と、該回転子鉄心に埋設され周方向に複数配設された永久磁石とを有し、前記固定子と空隙を介して回転自在に配置されている回転子と、を備える永久磁石式回転電機において、前記固定子は、前記コアバックにおける前記スロットの外周側に形成され前記フレームに固定される円弧部と、前記コアバックにおける前記ティースの外周側に形成された固定子凹部とを備え、前記固定子凹部は、前記円弧部の１つと接続され前記ティースの幅方向に平行な第１の直線部と、前記円弧部とは前記ティースを挟んで他方側に設けられた円弧部と接続され前記ティースの幅方向に平行な第２の直線部と、前記第１、第２の直線部の間で且つ径方向内側に設けられ前記ティースの幅方向に平行な第３の直線部と、この第３の直線部の一端と前記第１の直線部を接続する第４の直線部と、前記第３の直線部の他端と前記第２の直線部を接続する第５の直線部とを有して略台形形状に形成され、前記ティースにおけるティース先端部のスロット内側の両端の距離をＬ１、前記ティースの幅をＬ２、前記固定子凹部を挟んで両側に設けられた前記円弧部と前記固定子凹部とが交わる点どうしを結ぶ直線距離をＬ３とした場合、
　　　　　Ｌ２＜Ｌ１＜Ｌ３
の関係になるように構成したことを特徴とする。

　本発明の他の特徴は、作動流体である気体の容積を縮小する圧縮機構部と、この圧縮機構部を駆動する永久磁石式回転電機と、を備える圧縮機において、前記永久磁石式回転電機は、上述した永久磁石式回転電機を搭載していることを特徴とする圧縮機。

　本発明によれば、小形、高効率で低騒音な永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機を得ることができる効果がある。

本発明の永久磁石式回転電機の実施例１を示す断面図である。 図１に示す永久磁石式回転電機の回転子の形状を示す断面図である。 図１に示す永久磁石式回転電機の固定子の固定子鉄心形状を示す要部断面図である。 永久磁石式回転電機の参考例を示す断面図である。 本発明の実施例２を示す図で、永久磁石式回転電機を用いた圧縮機の縦断面図である。 本発明の実施例３を示す図で、永久磁石式回転電機の回転子の形状を示す断面図で、図２に相当する図である。

　以下、本発明の永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機の具体的実施例を、図面を用いて説明する。各図において、同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。

　本発明の永久磁石式回転電機の実施例１を、図１～図４を用いて説明する。図１は本発明の永久磁石式回転電機の実施例１を示す断面図、図２は図１に示す永久磁石式回転電機の回転子の形状を示す断面図、図３は図１に示す永久磁石式回転電機の固定子の固定子鉄心形状を示す要部断面図、図４は永久磁石式回転電機の参考例を示す断面図である。

　本実施例１の説明では、６極の回転子と９スロットの固定子（６極９スロット）から構成された永久磁石式回転電機に本発明を適用した場合について説明する。なお、回転子の極数と固定子のスロット数との比は２：３としているが、他の極数やスロット数、他の回転子の極数と固定子のスロット数との比としたものに対しても同様に適用でき、ほぼ同様の効果を得ることができる。例えば、回転子の極数は、４極や８極などにしても良い。なお、図４に示す永久磁石式回転電機は、４極の回転子と６スロットの固定子から構成されている。また、本実施例における永久磁石式回転電機は、永久磁石が回転子鉄心に埋設される、いわゆる埋込磁石型の回転電機である。

　以下の説明において、「軸方向」とは回転子の回転軸方向を示し、「径方向」とは回転子の径方向を示し、「周方向」とは回転子の周方向を示す。　
　図１に示す本実施例の永久磁石式回転電機の断面図は、回転軸に垂直な方向の断面を示している（後述する図２～４、６も同様）。なお、本実施例１は、永久磁石式同期電動機として動作する。

　図１に示すように、永久磁石式回転電機１は、固定子２と、該固定子２の内側に所定のギャップ（空隙）を介して配置され、且つシャフト（図示せず）と共に回転する回転子３とから構成される。　
　前記固定子２は、円環形状のコアバック５と、該コアバック５から径方向内側へ向けて突出し周方向に沿って略等間隔に配列された９つのティース４とからなる固定子鉄心６、及び周方向に隣接する前記ティース４間のスロット７内において前記ティース４を取り囲むように巻装される集中巻の電機子巻線８等により構成され、この固定子２はフレーム（例えば、圧縮機の密閉容器など）に焼き嵌め或いは圧入等により固定されている。

　即ち、電機子巻線８は、径方向に放射状に配される前記ティース４の軸心周りに巻装され、周方向に、三相巻線のＵ相巻線８ａ、Ｖ相巻線８ｂ、Ｗ相巻線８ｃが相互に空隙を介して配される。
  なお、前記固定子２は、前記固定子鉄心６（電磁鋼板）が軸方向に積層されて構成されており、また前記スロット７は隣り合う前記ティース４間に９つ（９スロット）形成されている。

　前記回転子３は、回転子鉄心１２と、この回転子鉄心１２の外周部側に埋設され周方向に略等間隔に配設された６個の永久磁石１４等により構成されており、極数が６極の回転子となっている。この回転子３の回転中心部にはシャフト孔１５が形成されており、このシャフト孔１５には円柱状のシャフト（図示せず）が一体に固定され、回転子３は前記固定子２の内周面側に空隙を介して回転自在に配置されている。

　本実施例の永久磁石式回転電機１は、前記回転子３の極数が６極、前記固定子２のスロット数が９スロット（６極９スロット）であるから、スロット７のピッチθsは電気角で１２０度（機械角で４０度）である。

　本実施例の永久磁石式回転電機１においては、三相の前記巻線８ａ～８ｃからなる電機子巻線８に三相交流電流を流すと、回転磁界が発生する。この回転磁界によって、前記回転子３に埋設されている前記永久磁石１４及び前記回転子鉄心１２に働く電磁力により、回転子３が回転する。

　なお、永久磁石式回転電機１が動作する時に固定子鉄心６及び回転子鉄心１２に発生する渦電流損などの鉄損を低減するために、前記固定子鉄心６及び前記回転子鉄心１２は、珪素鋼板などの磁性鋼板からなる薄板を複数積層した積層体によって構成することが好ましい。

　図２は本発明の実施例１による永久磁石式回転電機の回転子の断面図である。
  図２において、回転子３は、その回転中心部にシャフト孔１５が形成された前記回転子鉄心１２を有する。この回転子鉄心１２内の外周側表面の近傍には、断面が細長い長方形状の永久磁石挿入孔１３が複数（本実施例１では極数分である６個）形成されている。これらの複数の永久磁石挿入孔１３には、それぞれ、磁石材料、例えば希土類のネオジムからなる、平板状で一文字状の前記永久磁石１４が挿入されている。

　ここで、図２の回転子断面において、前記永久磁石１４の磁極がつくる磁束の方向、つまり永久磁石１４の長手方向中心（断面中央）と回転中心とを結ぶ仮想軸をｄ軸（磁束軸）と定義し、ｄ軸と電気的に、即ち電気角で直交する軸（永久磁石間の軸）をｑ軸と定義する。

　図２に示すように、本実施例では、前記回転子３には、一磁極当たり一枚の永久磁石１４が設けられている。前記永久磁石１４の断面形状は、前記永久磁石挿入孔１３と同様に細長い長方形状であり、前記永久磁石１４の長手方向はｄ軸に対して幾何的に直角方向に伸びている。

　回転子３の回転子鉄心１２には、隣接する永久磁石１４の極間のｑ軸上において、内周側に凹む回転子凹部１１が設けられている。この回転子凹部１１は、後述するようにｑ軸磁束を抑制する。

　また、回転子３、即ち回転子鉄心１２は、前記回転子凹部１１よりも外周側に位置し、固定子２のティース４とのギャップ長（空隙）が最短のｇ１となる円弧状の最外周部、即ち前記回転子鉄心１２における磁極面を構成する円弧状部１２ａを有する。

　本実施例では、前記回転子鉄心１２における磁極面は、前記円弧状部１２ａの端部に接続するカット部１２ｂを有し、前記円弧状部１２ａは前記カット部１２ｂを介して前記回転子凹部１１に接続されている。前記カット部１２ｂと固定子２のティース４との間のギャップ長ｇ２は、前記円弧状部１２ａと固定子２のティース４とのギャップ長ｇ１よりも広く構成されている。なお、本実施例では前記カット部１２ｂを直線状に形成しているが、必ずしも直線状に限るものではなく、曲面状としても良い。

　また、本実施例では、回転子３の回転中心Ｏの周りにおける前記円弧状部１２ａの角度θｐ３、即ち前記円弧状部１２ａの両端と回転中心Ｏを結ぶ２つの直線が交わる角度θｐ３は、電気角で９０°～１２０°となるように構成されている。

　前記回転子凹部１１は、前記永久磁石１４の径方向厚み方向と略平行に形成された二つの直線部１１ｂ，１１ｃと、これら二つの直線部１１ｂ，１１ｃにおける回転子内周側端部を滑らかに接続する曲線部１１ａとを有し、この曲線部１１ａは、ｑ軸の両側に位置して隣り合う二つの永久磁石の内周側磁極面におけるｑ軸に対向する各端部間、即ち最近接部間を結ぶ仮想直線９より、回転子内周側に位置している。また、本実施例では、前記曲線部１１ａの開始位置は、ほぼ前記仮想直線９の部分に位置する構成としているが、前記仮想直線９の回転子内周側に位置する構成としても良い。なお、前記曲線部１１ａの少なくとも一部が前記仮想直線９よりも内周側に位置する構成であれば、前記曲線部１１ａの開始位置は、前記仮想直線９の外周側に位置する構成としても良い。

　上述したように、本実施例では、前記回転子凹部１１の径方向の底部が、永久磁石１４の内周側磁極面よりも深くなるように構成されている。このように回転子凹部１１に曲線部１１ａを設けることにより、高速域において回転子遠心力に伴う応力の影響を緩和することができる。即ち、回転子凹部１１内における回転子遠心力に伴う応力の集中が緩和されるので、遠心力に対する回転子３の強度が向上する。

　また、前記ｑ軸に対して幾何的直角方向において、前記二つの直線部１１ｂ，１１ｃの間隔が、回転子内周側から回転子外周側へ向かって広がるように構成されている。更に、前記回転子凹部１１の断面積は、前記カット部１２ｂの断面積よりも大きくなるように構成されている。

　また、前記回転子３の回転中心Ｏの周りにおいて、回転子３の一つの磁極を構成する永久磁石１４の外周側磁極面の端部間の角度をθｐ１、回転子凹部１１の二つの直線部１１ｂ，１１ｃの回転子外周側の各端部間の角度をθｐ２としたとき、本実施例では、前記角度θｐ１及びθｐ２は、
　　　　　０．１８≦θｐ２/θｐ１≦０．５
の関係を満たすように設定されている。

　本実施例では、上述したように、集中巻の巻線を有する固定子２における前記スロット７のピッチは電気角で１２０°である。また、１磁極当たり１．５スロット（＝９スロット／６極）であるから、ｑ軸間の角度は電気角で１８０°である。このため、電気角で、「１２０°≦θｐ１＜１８０°」、「０°＜θｐ２≦６０°」である。従って、「０＜θｐ２/θｐ１≦０．５（＝６０°／１２０°）」である。

　更に、本発明者の検討によれば、本実施例のように、曲線部１１ａを有する回転子凹部１１が設けられる回転子３の場合、「０．１８≦θｐ２/θｐ１」とすることにより、ｑ軸磁束を抑制して電機子反作用を抑制し、高速域におけるトルク向上効果が得られることが分かった。

　また、本実施例においては、前記回転子３には、永久磁石挿入孔１３（または永久磁石１４）の外周側（回転子鉄心１２における前記円弧状部１２ａと前記永久磁石１４の外周側磁極面との間）に、ｄ軸から所定の距離だけ離れた左右両側に、複数のスリット１０ａ～１０ｄがｄ軸を挟むように対称に設けられている。また、ｄ軸上及びｄ軸近傍にはスリットを設けないようにして、ｄ軸近傍を磁束が通過し易いように構成している。

　ここで、前記スリット１０ａと１０ｂはｄ軸に対して対称に配置され、前記スリット１０ｃと１０ｄは、前記スリット１０ａ，１０ｂの間であって前記ｄ軸に対して対称に配置されている。本実施例では、前記スリット１０ａ～１０ｄの内、ｄ軸に最も近く配置されている前記スリット１０ｃと１０ｄの距離が、概ねティース４の最小幅に設定されている。

　具体的には、本実施例において、スリット１０ａ～１０ｄの内、平板状の永久磁石１４の磁極平面に沿う方向、即ちｄ軸に対して幾何的に直角方向で、ｄ軸に最も近いスリット１０ｃと１０ｄの端部間の距離が、概ねティース４の最小幅に設定されている。

　また、前記スリット１０ａ～１０ｄは、前記永久磁石１４の磁束がティース４に集まるように傾けて配置されている。即ち、前記スリット１０ａ～１０ｄが外周側へ向かう方向が、ｄ軸に対して平行な方向から内側に傾き、ｄ軸と鋭角を為すようにしている。このようなスリット１０ａ～１０ｄにより、誘導起電力波形を正弦波化できるので、これに伴い電機子電流も正弦波化でき、誘導起電力と電機子電流との相互作用によって生じる高調波磁束を低減することができる。即ち、前記スリット１０ａ～１０ｄにより、電機子反作用が抑制され、回転電機内の磁束の高調波成分を低減できる。

　ところで、本実施例が対象とする圧縮機用の永久磁石式回転電機１では、振動・騒音が問題になることが多い。特に、集中巻の電機子巻線８は電気角で１２０度間隔で配置されている巻線であるため、機内磁束の５次や７次などの高調波成分が大きく、振動・騒音の原因となる脈動トルクや径方向電磁加振力も大きくなる。

　ここで、前述した特許文献１に類似する参考例を図４に示す。この図４に示す参考例では、固定子２におけるティース４の先端部（ティース先端部）１６を、その中央部は回転子鉄心１２と同心円とし、前記ティース先端部１６の両端側を直線状、即ち回転子鉄心１２から遠ざけるようにしている。

　このような構造にすると、誘導起電力波形を正弦波化して電機子電流を正弦波化できるので、誘導起電力と電機子電流との相互作用によって生じる高調波磁束を小さくでき、この結果、脈動トルクや径方向電磁加振力を低減できる。

　しかし、前記ティース先端部１６の両端側を回転子３から遠ざけるほど、スロット７の断面積が小さくなるため、このスロット７に設ける電機子巻線８の素線の径を小さくするか、或いは電機子巻線８のターン数（巻数）を減らさなければならない等の問題が生じる。従って、効率低下を防止するためには、ティース先端部１６の両端側を回転子鉄心１２から十分に遠ざけることはできず、このため振動・騒音を十分に低減できないという課題がある。

　上記課題を解決するため、本実施例１では、固定子２の形状を、図３に示す構成としている。即ち、本実施例では、図３に示すように、固定子鉄心６のティース４の外周側に固定子凹部１７を設けたものである。前記固定子２は、焼き嵌め或いは圧入等により、圧縮機のフレーム（密閉容器）等に固定される（後述する図５参照）が、この場合、フレームと固定子２の当接部は、固定子鉄心６のコアバック５外周の円弧部５ａとなり、この円弧部５ａで前記固定子２は前記フレームに固定される。

　更に詳しく説明すると、前記固定子鉄心６の前記コアバック５外周には、前記フレームに固定される前記円弧部５ａと、前記ティース４の外周側に形成された前記固定子凹部１７が設けられている。

　前記固定子凹部１７は、前記ティース４の幅方向に沿う（平行な）３つの直線部（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）と、その３つの直線部の各端部をそれぞれ結ぶ２つの直線部（１７ｄ，１７ｅ）とで形成されている。即ち、前記固定子凹部１７は、前記円弧部５ａの１つと接続され前記ティース４の幅方向に平行な第１の直線部１７ａと、前記円弧部とは前記ティースを挟んで他方側に設けられた円弧部と接続され前記ティースの幅方向に平行な第２の直線部１７ｂと、前記第１、第２の直線部の間で且つ径方向内側に設けられ前記ティースの幅方向に平行な第３の直線部１７ｃと、この第３の直線部１７ｃの一端と前記第１の直線部１７ａを接続する第４の直線部１７ｄと、前記第３の直線部１７ｃの他端と前記第２の直線部１７ｂを接続する第５の直線部１７ｅとを有して略台形形状に形成されている。

　また、前記固定子凹部１７は前記フレームには接していない。このような構成にすることにより、回転電機内の脈動トルクや径方向電磁加振力が圧縮機のフレームに伝わるのを抑制することができる。

　また、ティース先端部１６のスロット７内側の左右両端の距離をＬ１、ティース４の幅をＬ２、前記固定子凹部１７を挟んで両側に設けられた前記円弧部５ａと前記固定子凹部１７とが交わる点どうしを結ぶ直線距離（ティース４裏側のフレームと接していない部分の距離）をＬ３と定義する。前記距離Ｌ３を更に具体的に説明すると、固定子鉄心５外周の前記固定子凹部１７を挟んで両側に設けられた円弧部５ａの一方と前記固定子凹部１７の前記第１の直線部１７ａの交わる点と、円弧部５ａの他方と前記第２の直線部１７ｂの交わる点との距離である。このように前記Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を定義したとき、本実施例では、
　　　　　Ｌ２＜Ｌ１＜Ｌ３
となる関係を満たすように構成されている。
  また、前記固定子凹部１７の深さＬ４は、ティース４の長さやコアバック５の厚みよりも短く構成し、回転電機内の有効磁束の流れをできるだけ損なわないようにしている。

　以上説明したように、本実施例１は、図２で説明した回転子３構造と、図３で説明した固定子２の構造を組み合わせた永久磁石式回転電機とすることにより、電機子反作用の影響による回転電機内磁束の高調波成分を十分に低減することができることから、脈動トルクや径方向電磁加振力の発生を抑制して小形、高効率、低騒音化を図ることができる。また、回転電機内で発生する脈動トルクや径方向電磁加振力がフレームに伝わるのも抑制することができる。

　この結果、小形、高効率で低騒音な優れた永久磁石式回転電機を得ることができ、この永久磁石式回転電機１を、冷凍サイクルを構成する圧縮機に採用すれば、小形、高効率で低騒音な圧縮機を得ることができる。

　即ち、本実施例によれば、固定子のスロット断面積を減少させることなく、磁束の高調波成分を低減することができるから、小形、高効率で低騒音な永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機を得ることができる効果が得られる。

　本発明の実施例２を図５により説明する。図５は本実施例２を示す図で、永久磁石式回転電機を用いた圧縮機の縦断面図である。
  図５に示す圧縮機２０は、冷媒などの作動流体である気体の容積を縮小する圧縮機構部２１と、前記圧縮機構部２１を駆動する電動機部２２とを備え、前記電動機部２２は、上述した実施例１の永久磁石式回転電機１を搭載している。本実施例２における前記圧縮機２０は、空気調和機などの冷凍サイクル装置に使用されるもので、前記圧縮機構部２１と前記電動機部２２は円筒状の密閉容器（フレーム）２３内に収容されている。また、前記密閉容器２３内には作動流体としてＲ３２冷媒が封入されている。

　図５に示す圧縮機２０の構成を詳しく説明する。
  前記密閉容器２３内には、前記圧縮機構部２１と前記電動機部２２が収容されている。
  前記圧縮機構部２１は、本実施例では、固定スクロール２４と旋回スクロール２５を備えるスクロール圧縮機構により構成され、前記固定スクロール２４は前記密閉容器２３の内面に固定されているフレーム２６にボルト等の締結手段で締結されている。

　前記固定スクロール２４は、端板２４ａと、この端板２４ａに直立するように形成された渦巻状の固定スクロールラップ２４ｂ、前記端板２４ａの略中央部に形成された吐出口２４ｃ等により構成されている。前記旋回スクロール２５は、端板２５ａと、この端板２５ａに直立するように形成された渦巻状の旋回スクロールラップ２５ｂ、前記端板２５ａの背面中央に形成されたボス部２５ｃ等により構成されている。

　前記固定スクロール２４に前記旋回スクロール２５が噛み合わされ、前記電動機部（永久磁石式回転電機）２２が回転することにより、クランク軸２７を介して前記旋回スクロール２５が旋回運動されて圧縮動作が行なわれる。

　即ち、前記クランク軸２７は、前記電動機部２２の回転子３に形成されたシャフト孔１５（図１、図２参照）に挿入されて前記回転子３と一体に構成されており、このクランク軸２７上端部にはクランク部（偏心ピン部）２７ａが形成されている。また、クランク軸２７の前記クランク部２７ａは、前記旋回スクロール２５の前記ボス部２５ｃに挿入して係合されている。前記クランク軸２７は、前記フレーム２６に設けられている滑り軸受（主軸受）２８と、前記密閉容器２３内の下部の下フレーム２９に設けられた玉軸受３０とにより回転支持されている。

　従って、前記電動機部２２が駆動され前記回転子３が回転すると、前記クランク軸２７も回転し、前記クランク部２７ａを介して前記旋回スクロール２５を旋回運動させる。旋回スクロール２５が旋回運動を開始すると、冷凍サイクルの冷媒ガスは吸込パイプ３１から前記固定スクロール２４の外周側に形成されている吸込室に吸入され、ここから固定スクロール２４と旋回スクロール２５で形成された圧縮室３２に閉じ込められた後、旋回スクロール２５の旋回運動と共に圧縮されて中央側に移動し、前記吐出口２４ｃから前記密閉容器２３上部の吐出室に吐出される。

　即ち、固定スクロール２４及び旋回スクロール２５により形成される圧縮室３２のうち最も外径側に位置している圧縮室は、旋回運動に伴って両スクロール部材２４，２５の中心に向かって移動し、容積が次第に縮小する。前記圧縮室３２が両スクロール部材２４，２５の中心近傍に達すると、圧縮室３２は吐出口２４ｃと連通し、圧縮ガスは圧縮室３２から吐出口２４ｃを介して前記吐出室に吐出される。

　この吐出された圧縮冷媒ガスは、前記吐出室から、前記固定スクロール２４及び前記フレーム２６の外周側に設けられたガス通路３３を通り、前記フレーム２６下部の電動機室側に流れて冷媒ガス中の油が分離された後、前記密閉容器２３の側壁に設けられた吐出パイプ３４から冷凍サイクルに供給される。分離された油は前記密閉容器２３の下部に形成されている油溜め部３５に溜められる。この油溜め部３５に溜められた油は、前記クランク軸２７の内部に軸方向に形成された油孔３６を介して、前記クランク軸２７の回転による遠心力や、吐出圧力と低圧側の差圧により、前記滑り軸受２８、前記玉軸受３０、及び前記圧縮機構部２１の各摺動部に供給される。

　なお、８は固定子２の電機子巻線、３７はバランスウェイト、３８は電源端子である。永久磁石式回転電機１で構成されている前記電動機部２２は、別置のインバータ（図示せず）によって制御され、圧縮動作に適した回転速度で回転される。

　上述した実施例１の永久磁石式回転電機を搭載した本実施例２の圧縮機の効果を、表１を用いて説明する。表１は、上述した本実施例２の圧縮機２０と、圧縮機の基本構成は同じで、永久磁石式回転電機のみ、種々の回転子形状や固定子形状を有する従来の一般的な永久磁石式回転電機を組み込んだ圧縮機、及び図４に示す参考例の回転電機を搭載した圧縮機による騒音の聴感試験を行った実測結果である。

　表１において、耳障りな騒音の周波数帯域としては、低域、中域、高域の３つに大別される。低域とは周波数帯域が１ｋＨｚ未満、中域は周波数帯域が１ｋＨｚ以上、４ｋＨｚ未満、高域は周波数帯域が４ｋＨｚ以上、１０ｋＨｚ以下である。

　実験によると、従来の一般的な永久磁石式回転電機を搭載した圧縮機（以下従来の圧縮機とも言う）では、聴感で特に問題となる中域の騒音成分がより顕著に現れることが分かった。また、図４に示す参考例の回転電機を搭載した圧縮機（以下参考例の圧縮機とも言う）では、従来の圧縮機に対して、低域及び高域の騒音成分に対しては低減効果を有するが、中域の騒音成分に対しては、聴感に若干の変化はあるものの、十分に低減できていなかった。

　一方、上述した実施例１の回転電機を搭載した本実施例２の圧縮機、即ち、図２に示す回転子形状と図３に示す固定子形状を組み合わせた回転電機を搭載した圧縮機の場合、低域及び高域の騒音成分に対しては、参考例の圧縮機と比較し、同様の騒音低減効果を有することに加え、中域の騒音成分を大幅に低減できることを確認した。

　騒音の発生要因を分析したところ、参考例の圧縮機では、回転電機内磁束の高調波成分として５次、７次といった低次の高調波成分と、２５次や２７次成分といった比較的高次の高調波成分が大きく低減されていることが観測された。しかし、回転電機内磁束の高調波成分として１１次や１３次成分、１５次や１７次成分といった比較的中域の高調波成分についてはほとんど低減されていないことが分かった。

　一方、実施例１の回転電機を搭載した本実施例２の圧縮機の場合、参考例の圧縮機と同様に、回転電機内磁束の低次及び高次の高調波成分を低減できると共に、比較的中域の高調波成分についても、参考例の圧縮機と比べ、大幅に低減できていることが分かった。この理由は、本実施例２の圧縮機の場合、回転電機内磁束の高調波成分を十分に低減することができる上に、回転電機内の脈動トルク及び径方向電磁加振力が圧縮機２０の密閉容器（フレーム）２３に伝わるのも抑制できることによるものである。

　なお、表１に示すように、参考例の圧縮機では、オーバーオールの騒音値が、６７．４ｄＢであったのに対し、本実施例２の圧縮機では、前記騒音値が６４．３ｄＢに低減されている。このように、本実施例２の圧縮機によれば、聴感で特に問題となる中域の騒音成分を大幅に低減できることに加え、オーバーオールの騒音値も低減できる。

　また、本実施例２では、上述したように、圧縮室２０に前述した実施例１の永久磁石式回転電機１を用いているので、小形、高効率で低騒音な圧縮機２０を得ることができる。即ち、前記永久磁石式回転電機１は図２で説明した構造の回転子３を有しているので、永久磁石式回転電機１のトルクを従来のものより大きくでき、特に高速域において大きくできる。また、電機子反作用の影響による力率低下も抑制できるので、高速域でのトルク低下が抑制される。このため、永久磁石式回転電機の高効率化や小形化を図ることが可能になる。

　このような小形・高効率な永久磁石式回転電機を搭載した圧縮機とすることにより、圧縮機の効率向上を図ることができ、省エネ化も可能になる。また、圧縮機の高速運転が可能になるなど、運転範囲を広げることができる。

　また、現在の空気調和機では、密閉容器２３内にＲ４１０Ａ冷媒が封入されているものが多く、永久磁石式回転電機の周囲温度は８０℃以上となることが多い。本実施例では、地球温暖化係数がより小さいＲ３２冷媒を採用しているので、周囲温度は更に上昇する。永久磁石１４、特にネオジム磁石は、高温になると残留磁束密度が低下し、同一出力を確保するために電機子電流が増加するが、上記実施例１の高効率な永久磁石式回転電機１を搭載した圧縮機とすることで、効率低下を抑えることができる。

　また、本実施例２では、冷媒としてＲ３２を採用しているが、Ｒ３２やＨｅなどの冷媒は、Ｒ２２、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａなどの冷媒と比べて、圧縮機における隙間からの漏れが大きく、特に低速運転時には、循環量に対する漏れの比率が大きくなり、このため効率が低下する。低循環量（低速運転）時の効率向上のためには、前記圧縮機構部を小形化し、同じ循環量を得るために回転数を上げるようにすれば、漏れ損失を低減することができる。更に、最大循環量を確保するために最大回転数も上げることが好ましい。

　これに対し、上記実施例１の永久磁石式回転電機１を搭載した圧縮機とすることにより、最大トルク及び最大回転数を大きくすることが可能となり、高速域での損失低減も可能となる。このように、本実施例２の圧縮機は、冷媒としてＲ３２やＨｅ等の漏れ易い冷媒を用いる場合に特に有効であり、効率向上を図ることができる。

　また、本実施例によれば、図３に示すように、永久磁石式回転電機１における固定子２の外周に大きな面積の前記固定子凹部１７が設けられているので、密閉容器（フレーム）２３内周面を伝って固定子２の上面に達した潤滑油は、前記固定子凹部１７を通過し易くなる。これにより、高速運転時に圧縮機内部の潤滑油量が不足する油上がりも低減することが可能となる。

　なお、本実施例２においては冷媒としてＲ３２を用いているが、本発明は冷媒の種類が制限されるものではない。また、圧縮機は、図５に示す例ではスクロ－ル圧縮機としているが、ロ－タリ圧縮機など、他の圧縮機構を有する圧縮機でも、本発明を同様に適用することができるものである。

　本発明の実施例３を、図６を用いて説明する。図６は本実施例３を示す図で、永久磁石式回転電機の回転子の形状を示す断面図であり、上述した図２に相当する図である。
  図６において、図２と同一の部分については同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。

　本実施例３は、実施例１の図２に示す回転子３とは異なり、回転子３Ａの磁極一極あたり２枚の永久磁石１４Ａを備えている。また、図６に示す断面において、前記２枚の永久磁石１４Ａは、シャフト孔１５に対して凸のＶ字状に配置されている。即ち、二つの永久磁石１４Ａの断面は、それぞれ実施例１と同様の形状であるが、ｄ軸を対称軸として、回転子３の回転中心Ｏに向って凸のＶ字形に配置されている。これにより、高トルク化を図っている。

　また、本実施例３に回転子３Ａにおける他の構成は、上記実施例１の回転子３と同様に構成されている。即ち、回転子凹部１１を備え、回転子３Ａにおける各角度θｐ１，θｐ２，θｐ３等の値も同様に構成されている。

　この実施例３の回転子３Ａと、実施例１の図３で説明した構造の固定子２と組み合わせた永久磁石式回転電機とすることにより、電機子反作用の影響による回転電機内磁束の高調波成分を十分に低減することができることから、脈動トルクや径方向電磁加振力の発生を抑制して小形、高効率、低騒音化を図ることができる。また、回転電機内で発生する脈動トルクや径方向電磁加振力がフレームに伝わるのも抑制することができる。
  更に、本実施例３においても、実施例１と同様に、高速域でのトルク低下を抑制でき、この点からも永久磁石式回転電機の高効率化や小形化が可能になり、上記実施例１と同様の効果を得ることができる。

　なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

　１…永久磁石式回転電機（駆動用電動機）、２…固定子、３，３Ａ…回転子、４…ティース、５…コアバック、５ａ…円弧部、５ｂ…固定子凹部、６…固定子鉄心、７…スロット、８電機子巻線、８ａ…Ｕ相巻線、８ｂ…Ｖ相巻線、８ｃ…Ｗ相巻線、９…仮想直線、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ…スリット、１１…回転子凹部、１１ａ…曲線部、１１ｂ，１１ｃ…直線部、１２…回転子鉄心、１２ａ…円弧状部、１２ｂ…カット部、１３，１３Ａ…永久磁石挿入孔、１４，１４Ａ…永久磁石、１５…シャフト孔、１６…ティース先端部、１７…固定子凹部、１７ａ…第１の直線部、１７ｂ…第２の直線部、１７ｃ…第３の直線部、１７ｄ…第４の直線部、１７ｅ…第５の直線部、２０…圧縮機、２１…圧縮機構部、２２…電動機部、２３…密閉容器、２４…固定スクロール、２４ａ…端板、２４ｂ…固定スクロールラップ、２４ｃ…吐出口、２５…旋回スクロール、２５ａ…端板、２５ｂ…旋回スクロールラップ、２５ｃ…ボス部、２６…フレーム、２７…クランク軸、２７ａ…クランク部、２８…滑り軸受（主軸受）、２９…下フレーム、３０…玉軸受、３１…吸込パイプ、３２…圧縮室、３３…ガス通路、３４…吐出パイプ、３５…油留め部、３６…油孔、３７…バランスウェイト、３８…電源端子。

Claims (14)

1. 　円環形状のコアバックと、該コアバックから径方向内側へ向けて突出し周方向に配列された複数のティースと、該ティース間に形成された複数のスロットを有する固定子鉄心と、前記スロット内に配設され前記ティースに巻装された電機子巻線とを有し、フレームに固定された固定子と、
   　回転子鉄心と、該回転子鉄心に埋設され周方向に複数配設された永久磁石とを有し、前記固定子と空隙を介して回転自在に配置されている回転子と、
   　を備える永久磁石式回転電機において、
   　前記固定子は、前記コアバックにおける前記スロットの外周側に形成され前記フレームに固定される円弧部と、前記コアバックにおける前記ティースの外周側に形成された固定子凹部とを備え、
   　前記固定子凹部は、前記円弧部の１つと接続され前記ティースの幅方向に平行な第１の直線部と、前記円弧部とは前記ティースを挟んで他方側に設けられた円弧部と接続され前記ティースの幅方向に平行な第２の直線部と、前記第１、第２の直線部の間で且つ径方向内側に設けられ前記ティースの幅方向に平行な第３の直線部と、この第３の直線部の一端と前記第１の直線部を接続する第４の直線部と、前記第３の直線部の他端と前記第２の直線部を接続する第５の直線部とを有して略台形形状に形成され、
   　前記ティースにおけるティース先端部のスロット内側の両端の距離をＬ１、前記ティースの幅をＬ２、前記固定子凹部を挟んで両側に設けられた前記円弧部と前記固定子凹部とが交わる点どうしを結ぶ直線距離をＬ３とした場合、
   　　　　　Ｌ２＜Ｌ１＜Ｌ３
   の関係になるように構成したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 　請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
   　前記永久磁石の磁束軸をｄ軸、前記ｄ軸と電気角で直交する軸をｑ軸とする場合、
   　前記回転子鉄心は、前記ｑ軸上において内周側に凹む回転子凹部を有し、
   　前記回転子凹部は、前記永久磁石の厚み方向に沿う二つの直線部と、前記二つの直線部の回転子内周側の各端部に接続する曲線部とから構成され、
   　前記回転子の回転中心Ｏの周りにおいて、前記永久磁石の外周側の磁極面の端部間の角度θｐ１とし、前記二つの直線部の回転子外周側の各端部間の角度θｐ２とした場合、前記角度θｐ１と前記角度θｐ２との関係が、
   　　　　　０．１８≦θｐ２/θｐ１≦０．５
   となるように構成していることを特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 　請求項２に記載の永久磁石式回転電機において、
   　前記曲線部は、前記ｑ軸の両側に位置する二つの永久磁石の内周側磁極面の前記ｑ軸に対向する各端部間を結ぶ仮想直線よりも回転子内周側に位置することを特徴とする永久磁石式回転電機。
4. 　請求項２に記載の永久磁石式回転電機において、
   　前記ｑ軸に対して幾何的直角方向において、前記二つの直線部の間隔が、回転子内周側から回転子外周側へ向かって広がっていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
5. 　請求項２に記載の永久磁石式回転電機において、
   　前記回転子鉄心における磁極面は円弧状部を有することを特徴とする永久磁石式回転電機。
6. 　請求項５に記載の永久磁石式回転電機において、
   　前記円弧状部と前記永久磁石の外周側磁極面との間に、複数のスリットが前記ｄ軸に対して対称に設けられていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
7. 　請求項５に記載の永久磁石式回転電機において、
   　前記回転子鉄心における磁極面は、前記円弧状部の端部に接続するカット部を有し、前記円弧状部は前記カット部を介して前記回転子凹部に接続され、且つ前記カット部と前記固定子との間の空隙は、前記円弧状部と前記固定子との空隙よりも広く構成されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
8. 　請求項７に記載の永久磁石式回転電機において、
   　前記カット部は、前記円弧状部の両側に形成され、これらのカット部は、それぞれ前記回転子凹部を形成している二つの直線部のうち近い方の直線部の回転子外周側端部にそれぞれ接続され且つ直線状に形成されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
9. 　請求項７に記載の永久磁石式回転電機において、
   　前記回転子凹部の断面積は、前記カット部の断面積よりも大きいことを特徴とする永久磁石式回転電機。
10. 　請求項５に記載の永久磁石式回転電機において、
    　前記回転子の回転中心Ｏの周りにおいて、前記円弧状部の角度θｐ３が電気角で９０°以上１２０°以下であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
11. 　請求項２に記載の永久磁石式回転電機において、
    　前記回転子の極数と前記固定子のスロット数との比が２：３であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
12. 　請求項２に記載の永久磁石式回転電機において、
    　前記回転子鉄心に埋設される永久磁石は、前記回転子の磁極一極あたり２枚の永久磁石で構成され、前記２枚の永久磁石は、前記ｄ軸を対称軸とし、回転子の回転中心Ｏに向かって凸のＶ字形に配置されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
13. 　作動流体である気体の容積を縮小する圧縮機構部と、この圧縮機構部を駆動する永久磁石式回転電機と、を備える圧縮機において、
    　前記永久磁石式回転電機は、請求項１～１２の何れか一項に記載の永久磁石式回転電機を搭載していることを特徴とする圧縮機。
14. 　請求項１３に記載の圧縮機において、
    　前記圧縮機にはＲ３２冷媒が封入されていることを特徴とする圧縮機。

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