JP2008187863A - アキシャルギャップ型回転電機及び圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸方向における回転子の一方側に巻線固定子を配設すると共に、他方側に非巻線固定子を配設したアキシャルギャップ型回転電機において、回転子の永久磁石に作用する減磁界の影響をなるべく緩和すること。
【解決手段】回転軸２８ａ方向に沿って１つの回転子２０の両側に、巻線固定子３０及び非巻線固定子４０が配設されている。回転子２０は、実質的に、各永久磁石２２の巻線固定子３０側だけに配設された回転子磁心２４を有しており、各永久磁石２２の非巻線固定子４０側には、回転子磁心を設けていない。
【選択図】図１

Description

この発明は、アキシャルギャップ型回転電機に関する。

アキシャルギャップ型モータは、固定子と回転子とが回転軸に沿ってギャップを隔てて設けられた構成とされている。このようなアキシャルギャップ型モータは、回転軸方向に薄型化しても、界磁用永久磁石の磁極面を広くすることができ、また、巻線の高占積率化も容易であり、大きさに比してトルクないし出力を大きくできる形態として、研究が進められている。

しかしながら、アキシャルギャップ型モータでは、回転軸方向に沿って、固定子と回転子との間で吸引力が作用してしまうため、軸受損失が大きくなったり、軸受寿命が短くなってしまうという問題がある。

なお、本発明に関連する従来技術として、特許文献１〜３がある。

特許文献１には、回転軸方向に沿って、コイルを有する固定子の両側に第１のヨーク及び第２のヨークを配設し、その第１のヨークに永久磁石を設けた構成が開示されている。

また、特許文献２には、単相インダクションモータにおいて、回転軸方向に沿って、ロータの両側に第１のステータ及び第２のステータを設け、第１のステータに主巻線を設けると共に、第２のステータに補助巻線を設けた構成が開示されている。

また、特許文献３には、ステータに、エアギャップを挟んでロータを対向配置し、ローラの反対側にエアギャップを挟んで補助ヨークを設けたアキシャルギャップ型回転電機が開示されている。

特開昭６１−１８５０４０号公報 特開平１−１７４２４８号公報 特開２００６−３５３０７８号公報

アキシャルギャップ型モータにおいて、軸方向に作用する力を防止するためには、例えば、回転軸方向に沿って、１つの巻線固定子の両側に回転子を２つ設けるか、又は、同じく回転軸方向に沿って、１つの回転子の両側に２つの巻線固定子を設ける等して、複数箇所で作用する吸引力をキャンセルするように相互作用させて、軸方向における全体吸引力を低減させるような構成が提案される。

しかしながら、前者のように２つの回転子を２つ設ける構成では、軸受構成が複雑化する上、回転軸が長くなり、ねじり振動を生じ易いという問題がある。

なお、特許文献１は、一方の回転子だけに永久磁石を設けた構成を開示しているが、２つの回転子を有する構成であるため、上記問題を解決することはできない。

また、後者のように、２つの巻線固定子を設けた構成では、コイルを２つの巻線固定子に分けて設ける必要があるため、コイル数が２倍必要となり、組立工数増加及び各コイル間の結線によるデッドスペースが増大するという問題があった。

ちなみに、特許文献２に開示の技術では、第１のステータに主巻線を設けると共に、第２のステータに補助巻線を設けている。しかしながら、単相インダクションモータでは、主巻線に流れる電流は、補助巻線に流れる電流よりも大きいため、それぞれによる磁気吸引力は十分にはキャンセルされない。つまり、特許文献２は、そもそも軸方向に作用する力を防止するための技術を開示ないし示唆するものではない。また、両方のステータに巻線を設けているため、結局は、上記２つの巻線固定子を設けた構成と同じと評価でき、上記問題の解決手段を提示するものではない。

ここで、特許文献３には、ロータの一方側に、コイルを有するステータを、他方側に補助ヨークを配設している。このため、コイル数の増加を抑制しつつ、軸方向に作用する磁気吸引力をなるべくキャンセルすることができる。

しかしながら、特許文献３では、ロータの永久磁石が、コイルを有するステータに直接的に対向しているため、励磁されたステータの外部磁界によって、ロータの永久磁石に作用する減磁界の影響が大きいという問題がある。

そこで、本発明は、回転軸方向における回転子の一方側に巻線固定子を配設すると共に、他方側に非巻線固定子を配設したアキシャルギャップ型回転電機において、必要最小限の磁心を追加することで、回転子の永久磁石に作用する減磁界の影響をなるべく緩和することを目的とする。

上記課題を解決するため、このアキシャルギャップ型回転電機は、回転軸（２８ａ）を中心として回転自在に配設され、前記回転軸方向における両面に前記回転軸周りに磁極面（２１ａ，２１ｂ）を呈する回転子（２０、５２０）と、前記回転軸方向における前記回転子の一方側にギャップを隔てて配設され、略円盤状の第１バックヨーク磁心（３２、７３２）と、前記バックヨーク磁心の前記回転子（２０，５２０）側に前記回転軸周りに沿って配設された複数の巻芯磁心（３４）と、前記巻芯磁心の回転子（２０，５２０）に対向する面に回転磁界を発生させるべく、前記前記巻芯磁心または前記バックヨーク磁心（３２，７３２）に巻回されたコイル（３６）とを有する巻線固定子（３０、７３０）と、前記バックヨーク磁心に前記回転軸周りに沿って配設された複数の巻芯磁心（３４）と、前記巻芯磁心に巻回されたコイル（３６）とを有する巻線固定子（３０、７３０）と、前記回転軸方向における前記回転子の他方側にギャップを隔てて配設され、実質的に、略円盤状の第２バックヨーク磁心（４２、６４２、７４２）のみ有する非巻線固定子（４０、６４０、７４０）と、を備え、前記回転子は、永久磁石（２２、１２２、２２２、３２２、４２２、５２２）と、その永久磁石の前記巻線固定子側だけに配設された回転子磁心（２４、５２４）とを有するものである。

この場合に、前記回転子は、前記回転軸方向に沿う磁化容易軸を持つ異方性を有する前記永久磁石（１２２）を含む構成であってもよい。

または、前記回転子は、前記回転軸周りに沿って複数の永久磁石（２２２）を有し、前記永久磁石（２２２）は、前記回転軸を中心とする周方向に沿って、前記非巻線側のギャップに向けて、または前記非巻線側のギャップよりも非巻線固定子側に向けて、略中央に集中する磁化容易軸を持つ異方性を有していてもよい。

また、前記回転子は、前記回転軸周りに沿って複数の永久磁石（３２２）を有し、前記永久磁石は、前記回転軸を中心とする周方向に沿って略中央で厚みが大で、その両端部に向うに従って厚みが小になるものであってもよい。

さらに、前記回転子は、前記回転軸周りに沿って複数の永久磁石（４２２）を有し、前記回転軸に対する径方向における前記永久磁石の寸法は、前記永久磁石の周方向略中央部で大きく、その両端部に向けて小さいものであってもよい。

また、前記回転子は、前記回転軸周りに間隔を有して配設された永久磁石（５２２）を複数有しており、前記各永久磁石間に、その各永久磁石とは磁気的に独立する、介在磁心（５２８）が介在していてもよい。

また、上記したいずれかのアキシャルギャップ型回転電機を備えた圧縮機（８０）として構成してもよい。

この場合、前記アキシャルギャップ型回転電機の回転駆動を受けて圧縮動作を行う圧縮機構部（９０）を備え、前記回転子の回転軸部（２８）は、実質的に、前記圧縮機構部だけで支持されており、前記非巻線固定子（４０）は、前記回転子（２０）に対して前記圧縮機構部側に設けられていてもよい。

また、前記回転子の回転軸部（２８）の前記巻線固定子側端部は、前記巻線固定子（３０）を非貫通な位置に設けられており、前記各コイルのわたり配線部（３７）は、前記巻芯磁心（３４）の内側に設けられていてもよい。

また、前記巻線固定子（７３０）の第１バックヨーク磁心（７３２）の内径は、前記非巻線固定子（７４０）の第２バックヨーク磁心（７４２）の内径よりも小さく、前記巻線固定子（７３０）の第１バックヨーク磁心（７３２）の前記回転軸方向の厚みは、前記非巻線固定子（７４０）の第２バックヨーク磁心（７４２）の前記回転軸方向の厚みより小さくてもよい。

このアキシャルギャップ型回転電機によると、回転軸方向における回転子の一方側にギャップを隔てて配設された巻線固定子と、前記回転軸方向における前記回転子の他方側にギャップを隔てて配設された非巻線固定子を備えているため、コイル数の増加を抑制しつつ、軸方向に作用する磁気吸引力をなるべくキャンセルすることができる。また、このようなアキシャルギャップ型回転電機において、前記回転子は、永久磁石と、その永久磁石の前記巻線固定子側だけに配設された回転子磁心とを有しているため、励磁された巻線固定子の外部磁界によって回転子に減磁界が作用したとしても、回転子磁心によって永久磁石に作用する減磁界の影響を緩和することができる。一方、非巻線固定子は励磁されないため、非巻線固定子側には回転子磁心を設けなくとも、減磁界の影響は問題とならない。

また、前記回転子が、前記回転軸方向に沿う磁化容易軸を持つ異方性を有する前記永久磁石を含むと、回転軸方向に沿って強く着磁できる上、巻線固定子側及び非巻線固定子側の双方のギャップで磁束の漏れを少なくすることができる。

また、永久磁石が、前記回転軸を中心とする周方向に沿って、前記非巻線側のギャップに向けて、または前記非巻線側のギャップよりも非巻線固定子側に向けて、略中央に集中する磁化容易軸を持つ異方性を有していると、非巻線固定子側のギャップで磁束密度分布を正弦波化して、非巻線固定子での鉄損を低減することができる。

また、永久磁石は、前記回転軸を中心とする周方向に沿って略中央で厚みが大で、その両端部に向うに従って厚みが小になっていると、非巻線固定子側のギャップで磁束密度分布を正弦波化して、非巻線固定子での鉄損を低減することができると共に、前記巻線固定子との間に発生するコギングを低減することができる。

また、前記回転軸に対する径方向における前記永久磁石の寸法が、前記永久磁石の周方向略中央部で大きく、その両端部に向けて小さくなるようにしても、非巻線固定子側のギャップで磁束密度分布を正弦波化して、非巻線固定子での鉄損を低減することができる共に、前記巻線固定子との間に発生するコギングを低減することができる。

また、各永久磁石間に、その各永久磁石とは磁気的に独立する、介在磁心が介在していると、その介在磁心を利用して、リラクタンストルクを併用できる。

また、上記のいずれかのアキシャルギャップ型回転電機を備えた圧縮機によって、コイル数の増加を抑制しつつ、軸方向に作用する磁気吸引力をなるべくキャンセルすることができる。また、永久磁石に作用する減磁界の影響を有効に緩和することができる。

また、前記非巻線固定子は、前記回転子に対して前記圧縮機構部側に設けられていると、前記巻線固定子のコイルの結線やリード線の引出しを容易にすることができる。

また、前記回転子の回転軸部の前記巻線固定子側端部は、前記巻線固定子を非貫通な位置に設けられており、前記各コイルのわたり配線部は、前記巻芯磁心の内側に設けられていると、わたり線の短寸化、コンパクト化等を図ることができる。

また、前記巻線固定子の第１バックヨーク磁心の内径は、前記非巻線固定子の第２バックヨーク磁心の内径よりも小さく、前記巻線固定子の第１バックヨーク磁心の前記回転軸方向の厚みは、前記非巻線固定子の第２バックヨーク磁心の前記回転軸方向の厚みより小さくすることで、両バックヨーク磁心の磁路断面積を同じようにすることができる。

｛第１実施形態｝
以下、第１実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機について説明する。図１は第１実施形態に係る回転電機を示す分解斜視図であり、図２は同回転電機を示す側面図であり、図３は同回転電機を示す斜視図である。また、図４は同回転電機を概念的に示す断面図である。

このアキシャルギャップ型回転電機１０は、１つの回転子２０と、２つの固定子３０，４０とを備えている。回転子２０は略円盤状に形成されており、固定子３０，４０も略円盤状に形成されている。２つの固定子３０，４０は、回転子２０の両面側に配設されている。これらの固定子３０，４０のうちの一方は、コイル３６を有する巻線固定子３０であり、他方は巻線を有さない非巻線固定子４０である。

各部についてより詳細に説明する。

回転子２０は、回転軸部２８（図４参照）を介して所定の回転軸２８ａ周りに回転自在に配設されている。なお、回転軸２８ａは軸受２９（図４参照）によって回転自在に支持されている。また、この回転子２０は、前記回転軸２８ａにおける両面において、前記回転軸２８ａ周りに交互の磁性を持つ磁極面２１ａ，２１ｂを呈している。

より具体的には、回転子２０は、複数の永久磁石２２を有している。より具体的には、回転軸２８ａ周りに、間隔をあけて複数の永久磁石２２を有している。各永久磁石２２は、回転軸２８ａ周りのドーナツ板状部材を複数（ここでは８つ）に分割した形状、即ち、回転軸２８ａ周りに延びる弧状かつ帯状の板形状に形成されている。また、各永久磁石２２は、回転軸２８ａに沿った方向、即ち、永久磁石２２の厚み方向に着磁されている。また、これらの永久磁石２２は、回転軸２８ａの周囲で環状かつ交互の磁極を呈するように配設されている。これらの永久磁石２２によって、回転子２０の両面に、固定子３０，４０に対して磁極を呈する磁極面２１ａ，２１ｂが形成される。

また、各永久磁石２２の一方面、つまり、巻線固定子３０側の面だけに、それぞれ回転子磁心２４が設けられている。各回転子磁心２４は、各永久磁石２２の形状に対応する弧状かつ帯状の板形状に形成されており、永久磁石２２の一方面に重ね合せ状に配設されている。

これにより、励磁された巻線固定子３０の外部磁界によって回転子２０に減磁界が作用した場合に、各回転子磁心２４によって、各永久磁石２２に作用する減磁界の影響を緩和し、もって、各永久磁石２２が減磁するのを防止している。

一方、非巻線固定子４０は励磁されないので、非巻線固定子４０からの減磁界を考慮する必要はないので、回転子２０のうち非巻線固定子４０側では、永久磁石２２が直接露出していても問題はない。このため、ここでは、各永久磁石２２の他方面である非巻線固定子４０側には、回転子磁心を設けていない。

なお、上記回転子磁心２４は、抵抗率が高い材質、例えば、圧粉鉄心で形成されていることが好ましい。これは次の理由による。つまり、各永久磁石２２が焼結の希土類磁石等、抵抗率が小さい材質で形成され、さらに、回転子磁心２４も抵抗率が小さい材質で形成されていると、これら永久磁石２２や回転子磁心２４で生じた渦電流の減少効果はあまり期待できない。ところが、回転子磁心２４が高抵抗率の材料で形成されていると、回転子磁心２４で生じた渦電流の減少効果を期待できる。特に、例えば、ＰＷＭインバータ駆動によって巻線固定子３０が発生させるキャリア高周波数成分の磁束は、永久磁石２２まで作用し難く、その磁束による渦電流は表皮効果によって回転子磁心２４の表面近傍で発生し易い。そこで、回転子磁心２４を高抵抗率の材料で形成することで、そのような高周波数成分の渦電流を有効に減少させることができる。永久磁石の渦電流損の低減は、鉄損の低減に加え、永久磁石の発熱による熱減磁を防止できるという効果を有する。

なお、これらの各永久磁石及び各回転子磁心２４は、非磁性体によって形成されるホルダ２６によって上記配設形態で保持されると共に、回転軸部２８に固定されている（図４参照）。図１〜図３ではホルダ２６及び回転軸部２８の図示を省略している。

２つの固定子３０，４０は、回転軸２８ａ方向における回転子２０の両側に、当該回転子２０に対してギャップ（ここでは僅かなギャップ）を隔てて対向するように配設されている。各固定子３０，４０は、図示省略のケーシング等に固定されている。

一方の巻線固定子３０は、第１バックヨーク磁心３２と、複数の巻芯磁心３４と、複数のコイル３６とを有している。

第１バックヨーク磁心３２は、磁性体によって構成されており、略中央部に孔部３２ｈが形成された略円盤板状に形成されている。孔部３２ｈは、後述のように回転軸部２８の端部が、巻線固定子の非貫通な位置に設けられている場合は必須ではない。第１バックヨーク磁心３２は、圧粉鉄心、積層鋼板等のいずれで形成されていてもよい。この第１バックヨーク磁心３２は、巻芯磁心３４を、上記回転子２０とは反対側で支持している。

各巻芯磁心３４は、第１バックヨーク磁心３２の回転子２０側の面に、回転軸２８ａ周りの周方向に沿って間隔をあけて環状に配設されている。各巻芯磁心３４は、回転軸２８ａと略直交する平面において、２等辺三角形状の各頂点を丸めた形状を有する板状に形成されており、回転軸２８ａから外方向に向けて順次幅広になる姿勢で配設されている。この巻芯磁心３４は、圧粉鉄心、積層鋼板等のいずれで形成されていてもよい。なお、互いに周方向に隣接する各巻芯磁心３４間は、略等間隔である。

各コイル３６は、上記各巻芯磁心３４に巻回されている。なお、各コイル３６同士を結線するわたり配線部３７は、第１バックヨーク磁心３２の略中央部であって回転子２０側の部分に設けられている。また、このわたり配線部３７からの外部配線３７ａは、孔部３２ｈを通って外部に引き出されている。回転軸部２８は、非巻線固定子４０の軸挿通孔部４２ｈに挿通されて、回転子２０を回転自在に支持しており、巻線固定子３０に達しない程度の長さに形成されているため、第１バックヨーク磁心３２の略中央部であって回転子２０側の部分に結線用の空間を設けることができる。
なお、各コイル３６同士を結線するわたり配線部３７は、各巻芯磁心３４及びコイル３６の外周側に設けられてもよく、このわたり配線部３７からの外部配線３７ａも、第１バックヨーク磁心３２の外側または、第１バックヨーク磁心３２の外側に設けられた切り欠き等を通して外部に引き出されてもよい。

また、この巻線固定子３０では、各巻芯磁心３４の回転子２０側の面に幅広磁心３８がそれぞれ設けられている。各幅広磁心３８は、回転軸２８ａと略直交する平面において、巻芯磁心３４よりも大きい（ここでは一回り大きな）広がりを有する板状部材に形成されており、本巻線固定子３０と回転子２０との対向面積を増す機能を果す。なお、各幅広磁心３８は、巻線固定子３０の内周側と外周側で連結部３８ａにより連結されており、全ての幅広磁心３８を一体物として取扱えるようになっている。もっとも、連結部３８ａは、各幅広磁心３８間で容易に磁気飽和するように、薄肉に仕上げる等、十分に断面積が小さくなるように形成されており、各幅広磁心３８は、実質的には、磁気的に独立している。この幅広磁心３８によって、回転子２０と巻線固定子３０との間で、磁束密度の向上を図ることができる。また、回転子２０に対する巻線固定子３０の平面度を高めることで、回転子２０と巻線固定子３０との間の実質的なギャップ長をより小さくできる。なお、連結部３８ａは必須ではなく、また、各幅広磁心３８も必ずしも必要とはしない。

非巻線固定子４０は、実質的に、略円盤状の第２バックヨーク磁心４２のみ有している。ここで、非巻線固定子４０が、実質的に、第２バックヨーク磁心４２のみ有しているとは、コイル等の電気的な磁界発生に係る要素を持たないことを意味している。

第２バックヨーク磁心４２は、略円板板状に形成され、その略中央部に回転軸部２８を挿通可能な軸挿通孔部４２ｈが形成されている。第２バックヨーク磁心４２は、圧粉鉄心、積層鋼板等のいずれで形成されていてもよい。なお、軸受が、軸挿通孔部４２ｈにまで伸びていてもよく、軸挿通孔部４２ｈにて軸受を保持しても良い。

このアキシャルギャップ型回転電機１０は、例えば、３相のインバータにより駆動される。

このように構成されたアキシャルギャップ型回転電機１０は、回転軸２８ａ方向に沿って１つの回転子２０の両側に２つの固定子３０，４０を設けた構成であるため、従来のように、回転子を２つ設けた構成と比べて、軸受構成の簡易化、及び、回転軸部の短尺化を図ることができ、また、回転軸部のねじり振動を防止できる。

また、かかる構成を前提として、回転軸２８ａ方向における回転子２０の両側に、巻線固定子３０及び非巻線固定子４０が配設されており、巻線固定子３０及び非巻線固定子４０は、回転子２０を介して共通の磁気回路を形成しているため、回転子２０の両側のギャップを通過する磁束量はほぼ同じとなる。これにより、両ギャップで働く磁気吸引力がなるべくキャンセルされ、回転子２０及び回転軸部２８に作用するストラス力を小さくすることができる。これにより、軸受損失を低減し、また、軸受寿命を延すこともできる。

また、２つの固定子３０，４０のうち、一方の巻線固定子３０だけがコイル３６を有し、非巻線固定子４０は、実施的に、第２バックヨーク磁心４２のみを有しているため、コイル数の増加を抑制することもできる。

また、回転子２０は、各永久磁石２２の巻線固定子３０側だけに配設された回転子磁心２４を有しているため、最小限の磁心を回転子に設けることで、巻線固定子３０の減磁界による各永久磁石２２への影響を緩和することができる。

一方、非巻線固定子４０は励磁されないので、各永久磁石２２の他方面である非巻線固定子４０側には、回転子磁心を設けていない。このため、回転子２０の薄型化を図ることができる。

本アキシャルギャップ型回転電機の基本的構成は上記の通りである。以下では、上記構成を前提にして、好ましい具体的構成、又は、好ましい変形例について説明する。なお、以下の説明では、上記したものと同様要素については同一符号を付してその説明を省略する。

まず、回転軸２８ａ方向において回転子２０の両側のギャップ長について説明する。両側のギャップ長については、機械加工上可能な最小の寸法を採用して、両ギャップ長を略同一とすることで、磁気抵抗を当該両ギャップでの磁気抵抗を最小とすることができる。これにより、動作点磁束密度を向上させ、永久磁石２２のエネルギーを有効に利用することができる。しかしながら、非巻線固定子４０は、実質的に第２バックヨーク磁心４２のみ有する構成であるため、巻線固定子３０と比べると、加工精度や組立精度上、少ない誤差で最終的に仕上げられる。従って、実際には、非巻線固定子４０と回転子２０との間のギャップ長を、巻線固定子３０と回転子２０との間のギャップ長よりも小さくすることができ、そのような構成であっても構わない。

もっとも、巻線固定子３０では、各巻芯磁心３４間の磁束漏洩防止のため、幅広磁心３８間にスリットが形成されている。このため、巻線固定子３０が回転子２０と対向する面積は、非巻線固定子４０が回転子２０と対向する面積よりも小さくなっている。

このため、各ギャップでのパーミアンスを考慮すると、巻線固定子３０側のギャップ長を、非巻線固定子４０側のギャップ長よりも小さくするのが好ましいことになる。

また、両ギャップでの磁気吸引力に着目しても、両ギャップ長が同一であれば、上記対向面積の相違により、巻線固定子３０と回転子２０との間に作用する磁気吸引力は、非巻線固定子４０と回転子との間に作用する磁気吸引力よりも小さくなる傾向にある。このため、両ギャップでの磁気吸引力をなるべく同じにするためには、上記と同様に、巻線固定子３０側のギャップ長を、非巻線固定子４０側のギャップ長よりも小さくするのが好ましいことになる。

これらの理由により、両ギャップでの磁気吸引力をなるべくキャンセルして、回転子２０及び回転軸部２８のストラス力を低減するためには、巻線固定子３０側のギャップ長を、非巻線固定子４０側のギャップ長よりも小さくするということがより好ましいということになる。

次に、回転子２０の形態について説明する。図５は回転子に設けられる１つの永久磁石及びこの一方面に設けられた回転子磁心を示す平面図であり、図６は図５において回転軸を中心とする円の周方向に沿って切断したＶＩ−ＶＩ線断面図である。

上記永久磁石２２に対応する永久磁石１２２は、回転軸２８ａ方向に沿った磁化容易軸を持つ異方性の磁性材料を、当該回転軸２８ａ方向に沿って着磁して形成されている。

これにより、前記永久磁石１２２を、回転軸２８ａ方向に沿って強く着磁できる上、巻線固定子３０及び非巻線固定子４０側の双方のギャップで磁束の漏れを少なくすることができるという利点がある。

図７は永久磁石の変形例を示す図である。図７は、図６と同様の周方向に沿って切断した部分を示す断面図である。

図７では、永久磁石２２に対応する永久磁石２２２は、回転軸２８ａを中心とする円の周方向に沿って、前記非巻線固定子４０側のギャップに向けて略中央に集中する磁化容易軸を持つ異方性の磁性材料を、回転軸２８ａ方向に沿って着磁して形成されている。なお、ここで、基準となる円は、回転軸２８ａを中心とし、かつ、全ての永久磁石２２２を通過する円であればよく、例えば、永久磁石２２２の径方向中心を通過する円である。なお、集中する点は必ずしもギャップ内に無くともよく、つまり、磁化容易軸は非巻線側のギャップよりも非巻線固定子４０側部分に向けて略中央に集中していてもよい。

この図７に示す例では、非巻線固定子４０側のギャップで磁束密度分布を、回転軸２８ａを中心とする円の周方向に沿って正弦波化することができる。これにより、非巻線固定子４０の第２バックヨーク磁心４２内での磁束密度の変化を正弦波化して、高調波磁束を減らすことで鉄損を低減することができる。

図８は、永久磁石の他の変形例を示す図である。図８は、図６と同様の周方向に沿って切断した部分を示す断面図である。

図８では、永久磁石２２に対応する永久磁石３２２は、回転軸２８ａを中心とする円の周方向に沿って、その周方向略中央で厚みが大で、その両端部に向うに従って厚みが小になるように形成されている。同時に、永久磁石３２２と非巻線固定子との間のエアギャップ長が、その周方向略中央で小で、その両端部に向うに従って大になる。

また、図９は永久磁石のさらに他の変形例を示す斜視図であり、図１０はその変形例に係る永久磁石及びその一方面に設けられた回転子磁心を示す平面図である。

この図９及び図１０で示す変形例では、永久磁石２２に対応する永久磁石４２２は、回転軸２８ａに対する径方向における永久磁石４２２の寸法ａ１，ａ２が、永久磁石４２２の周方向略中央部で大きく（ａ１）、その両端部に向けて小さく（ａ２）なっている。

これら図８で示される変形例や、図９及び図１０で示される変形例によっても、非巻線固定子４０側のギャップで磁束密度分布を、回転軸２８ａを中心とする円の周方向に沿って正弦波化して、非巻線固定子４０での鉄損を低減することができると共に、回転子の巻線固定子側に発生する磁束密度分布をも正弦波化することで、コギングも低減することができる。コギングトルクのみを考えれば、回転子磁心２４も永久磁石２２と同じような形状または相似形状とすることもできる。

なお、上記各変形例が適宜組合われることで、ギャップでの磁束密度分布をより正弦波に近づけるように設定してもよい。

次に、永久磁石及び回転子磁心を固定する構成について説明する。

すなわち、ホルダ２６としては、一定位置に配設された永久磁石２２及び回転子磁心２４を樹脂等のホルダ材料でモールドする構成や、別途形成されたホルダに収容の凹部を形成しておき、ここに永久磁石２２や回転子磁心２４を嵌め込むようにして固定する構成等が考えられる。

図１１は永久磁石及び回転子磁心を固定するホルダの変形例を示す図である。

上記ホルダ２６に対応するホルダ１２６は、例えば、非磁性金属で形成されており、上記回転軸部２８に結合されると共に、永久磁石２２及び回転子磁心２４を埋設状に保持している。また、ホルダ１２６の保持孔１２６ｈには、永久磁石２２又は回転子磁心２４の周縁部に当接可能な段部１２６ｈａ，１２６ｈｂが形成されている。そして、永久磁石２２及び回転子磁心２４を段違い状（ここでは回転軸２８ａを中心とする円の径方向に沿って段違い状）にして保持孔１２６ｈ内に配設して、一方の段部１２６ｈａを永久磁石２２の内側面の周縁部に当接させると共に、他方の段部１２６ｈｂを回転子磁心２４の内側面の周縁部に当接させて保持している。これにより、永久磁石２２や回転子磁心２４を精度よく一定位置で保持できる。

図１２は、回転子に介在磁心を設けた例を示す図である。

すなわち、この回転子５２０は、回転軸２８ａ周りに間隔を有して配設された永久磁石５２２を複数（ここでは４つ）有している。なお、各永久磁石５２２の巻線固定子３０側の面には回転子磁心５２４が設けられている。また、回転子５２０は、各永久磁石５２２間に、各永久磁石５２２とは磁気的に独立する介在磁心５２８を有している。この介在磁心５２８は、巻線固定子３０及び非巻線固定子４０の双方に面している。つまり、各永久磁石５２２と介在磁心５２８とは、回転軸２８ａ周りで環状かつ交互に配置されている。これらの各永久磁石５２２と介在磁心５２８とは、非磁性体によって形成されたホルダ５２６によって磁気的に独立した状態で保持されている。上記介在磁心５２８としては、例えば、圧粉鉄心のように、等方性の軟磁性材料を用いることが好ましい。なお、図２では理解を容易にするため、ホルダ５２６を部分的に切り欠いている。

上記介在磁心５２８を設けることで、永久磁石２２の中心を示すｄ軸のインダクタンスＬｄよりも、極間を示すｑ軸のインダクタンスＬｑを大きくすることができ、逆突極性（Ｌｑ＞Ｌｄ）を示す。このため、電流位相をｑ軸に対して適当な進み角をもって制御することで、いわゆるマグネットトルクに対して、いわゆるリラクタンストルクを更に加えて、トルクやエネルギー効率を高めることができる。

なお、回転電機１０は、電動機（モータ）としてだけではなく、発電機としても適用し得る。

｛第２実施形態｝
以下、第２実施形態に係る圧縮機について説明する。図１３は、上記アキシャルギャップ型回転電機としてのモータを適用した圧縮機を示す断面図である。

この圧縮機８０は、いわゆる高圧ドーム型の圧縮機であり、ケーシングとしての略筒状の密閉容器８２内に、回転電機１０及び圧縮機構部９０を備えている。密閉容器８２の下部には、油溜部８３が設けられている。

圧縮機構部９０は、吸入管９１から供給された冷媒を、上記回転電機１０の駆動を受けて圧縮動作を行い、圧縮した高圧冷媒を吐出管９２から吐出する。

回転電機１０は、上記第１実施形態で、図１〜図４を参照して説明したものと同様構成である。この回転電機１０は、回転軸部２８（シャフト）を介して圧縮機構部９０を駆動する。なお、第１バックヨーク磁心は、外周部において、密閉容器８２内側に溶接等により固定される。また、第２バックヨークも同様に、外周部において、密閉容器８２内側に溶接等により固定されるが、圧縮機構部の上端面からピン等を解して固定されても良い。

この回転電機１０は、上記密閉容器８２内で高圧の冷媒ガスが満たされる高圧領域Ｈ、ここでは、圧縮機構部９０の上側に設けられられている。つまり、この圧縮機８０は、縦置きの形態である。

回転電機１０の設置構成について説明する。この回転電機１０は、回転軸部２８を、密閉容器８２の中心軸に沿わせた姿勢で配設されている。また、巻線固定子３０は、回転子２０に対して圧縮機構部９０よりも遠い側に配設され、非巻線固定子４０は、回転子２０に対して圧縮機構部９０に近い側に配設されている。

また、回転子２０に連結された回転軸部２８は、非巻線固定子４０を貫通して圧縮機構部９０に連結されている。そして、回転子２０の回転運動を、回転軸部２８を介して圧縮機構部９０に伝達する。なお、回転軸部２８は、巻線固定子３０を貫通しておらず、つまり、回転軸部２８及び回転子２０は、実質的に、圧縮機構部９０側だけで保持される片側支持構造とされている。第１実施形態で説明したように、回転軸部２８の短尺化が図られているため、このように片側支持構造としても、回転軸部２８の傾斜等による影響は小さい。

また、この圧縮機８０では、回転軸部２８の端部は、巻線固定子３０を非貫通な位置、つまり、巻線固定子３０よりも回転子２０側にあるため、巻線固定子３０のうち、各コイル３６の中央よりの部分に、配線用のスペースを確保できる。そこで、各コイル３６同士を結線するわたり配線部３７を、巻芯磁心３４の内側に設けている。また、わたり配線部３７からの外部配線３７ａは、巻線固定子３０の略中央の孔部３２ｈを通って外部に引出されている（図４も参照）。

このように構成された圧縮機８０では、上記第１実施形態と同様の効果を奏する。

しかも、回転子２０の回転軸部２８は、実質的に、圧縮機構部９０だけで維持されており、非巻線固定子４０は、回転子２０に対して圧縮機構部９０側に設けられているため、回転子２０をより短尺化することができる。

さらに、わたり配線部３７を、巻芯磁心３４の内側に設けているので、わたり線の短尺化、及び、回転電機１０のコンパクト化を図ることができる。また、外部への配線を、巻線固定子３０から集中して引出すことができるので、配線作業の容易化、及び、外部配線のコンパクト化を図ることができる。

本圧縮機の基本的構成は上記の通りである。以下では、上記構成を前提にして、好ましい変形例について説明する。なお、以下の説明では、上記したものと同様要素については同一符号を付してその説明を省略する。

図１４は非巻線固定子の変形例を示す図である。この変形例に係る非巻線固定子６４０（上記非巻線固定子４０に対応する）は、積層鋼板部６４２ａと圧粉鉄心リング部６４２ｂとを有する第２バックヨーク磁心６４２（上記第２バックヨーク磁心４２に対応する）とを備えている。

積層鋼板部６４２ａは、十分に強度のある鋼板を回転軸２８ａ方向に積層した積層鋼板により形成されている。また、積層鋼板部６４２ａは、第２バックヨーク磁心４２と同様の外周形状を有する略円板状に形成されると共に、回転子２０の各永久磁石２２と対向する環状部分に環状凹部６４２ａｈが形成されている。

圧粉鉄心リング部６４２ｂは、圧粉鉄心により形成されており、環状凹部６４２ａｈに嵌め込み可能なリング状に形成されている。この圧粉鉄心リング部６４２ｂは、環状凹部６４２ａｈに、焼きばめや溶接等により嵌め込んで固定されている。

この変形例では、積層鋼板部６４２ａによって、非巻線固定子６４０を密閉容器８２内に固定保持するために必要な強度を得ることができる。一方、積層鋼板が回転子２０に対向していると、回転子２０との磁束のやりとりの際に、積層間の隙間や絶縁皮膜によって磁気抵抗が大きくなってしまう。そこで、上記のように、圧粉鉄心リング部６４２ｂを用いることで、磁気抵抗の増加を防止している。

図１５は圧縮機の変形例を示す断面図である。ここでは、巻線固定子７３０（巻線固定子３０に対応する）の第１バックヨーク磁心７３２（第１バックヨーク磁心３２に対応する）の内径ｂ１を、非巻線固定子７４０（非巻線固定子４０に対応する）の第２バックヨーク磁心７４２（第２バックヨーク磁心４２に対応する）の内径ｂ２よりも小さくしている。また、巻線固定子７３０の第１バックヨーク磁心７３２の厚み寸法ｃ１を、非巻線固定子７４０の第２バックヨーク磁心７４２の厚み寸法ｃ２よりも小さくしている。

つまり、非巻線固定子７４０は、コイルを有していないため、形状に対する制約が少ないので、上記のように軸挿通孔部７４２ｈの内径を大きくすることができる。このように軸挿通孔部７４２ｈの内径を大きくすると、第２バックヨーク磁心７４２での磁路断面積が減少してしまう。そこで、第２バックヨーク磁心７４２の厚みを比較的大きく、つまり、第１バックヨーク磁心７３２の厚みよりも大きくするようにすればよい。これにより、第１バックヨーク磁心７３２を必要以上に厚くして使用材料を増加させることなく、両バックヨーク磁心７３２，７４２で磁路断面積を同じようにすることができる。なお、非巻線固定子７４０の軸挿通孔部７４２ｈの内径を大きくすることは、負荷（圧縮機構部）と回転子を繋ぐのに必要な太い回転軸部２８を挿通する必要性があることからも必然的に要求されることとなる。 また、非巻線固定子７４０の第２バックヨーク磁心７４２は、径方向に積層、例えば巻回した電磁鋼板を用いても良い。その場合、巻回数を減らすためにも、上記寸法ｂ１を寸法ｂ２よりも小さくし、寸法ｃ１を寸法ｃ２よりも小さくする構成は望ましい。

第１実施形態に係る回転電機を示す分解斜視図である。 同上の回転電機を示す側面図である。 同上の回転電機を示す斜視図である。 同上の回転電機を概念的に示す断面図である。 回転子に設けられる１つの永久磁石及びこの一方面に設けられた回転子磁心を示す平面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。 永久磁石の変形例を示す断面図である。 永久磁石の他の変形例を示す断面図である。 永久磁石のさらに他の変形例を示す斜視図である。 同上の変形例に係る永久磁石及びその一方面に設けられた回転子磁心を示す平面図である。 永久磁石及び回転子磁心を固定するホルダの変形例を示す図である。 回転子に介在磁心を設けた例を示す図である。 圧縮機を示す断面図である。 非巻線固定子の変形例を示す図である。 圧縮機の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１０ アキシャルギャップ型回転電機
２０，５２０ 回転子
２１ａ，２１ｂ 磁極面
２２，１２２，２２２，３２２，４２２，５２２ 永久磁石
２４，５２４ 回転子磁心
２８ 回転軸部
２８ａ 回転軸
３０，７３０ 巻線固定子
３２，７３２ 第１バックヨーク磁心
３２ｈ 孔部
３４ 巻芯磁心
３６ コイル
３７ わたり配線部
４０，６４０，７４０ 非巻線固定子
４２，６４２，７４２ 第２バックヨーク磁心
４２ｈ，７４２ｈ 軸挿通孔部
８０ 圧縮機
９０ 圧縮機構部
５２８ 介在磁心

Claims (10)

1. 回転軸（２８ａ）を中心として回転自在に配設され、前記回転軸方向における両面に前記回転軸周りに磁極面（２１ａ，２１ｂ）を呈する回転子（２０、５２０）と、
   前記回転軸方向における前記回転子の一方側にギャップを隔てて配設され、略円盤状の第１バックヨーク磁心（３２、７３２）と、前記バックヨーク磁心の前記回転子（２０，５２０）側に前記回転軸周りに沿って配設された複数の巻芯磁心（３４）と、前記巻芯磁心の回転子（２０，５２０）に対向する面に回転磁界を発生させるべく、前記前記巻芯磁心または前記バックヨーク磁心（３２，７３２）に巻回されたコイル（３６）とを有する巻線固定子（３０、７３０）と、
   前記回転軸方向における前記回転子の他方側にギャップを隔てて配設され、実質的に、略円盤状の第２バックヨーク磁心（４２、６４２、７４２）のみ有する非巻線固定子（４０、６４０、７４０）と、
   を備え、
   前記回転子は、永久磁石（２２、１２２、２２２、３２２、４２２、５２２）と、その永久磁石の前記巻線固定子側だけに配設された回転子磁心（２４、５２４）とを有する、アキシャルギャップ型回転電機（１０）。
2. 請求項１記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記回転子は、前記回転軸方向に沿う磁化容易軸を持つ異方性を有する前記永久磁石（１２２）を含む、アキシャルギャップ型回転電機。
3. 請求項１記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記回転子は、前記回転軸周りに沿って複数の永久磁石（２２２）を有し、
   前記永久磁石（２２２）は、前記回転軸を中心とする周方向に沿って、前記非巻線側のギャップに向けて、または前記非巻線側のギャップよりも非巻線固定子側に向けて、略中央に集中する磁化容易軸を持つ異方性を有する、アキシャルギャップ型回転電機。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記回転子は、前記回転軸周りに沿って複数の永久磁石（３２２）を有し、
   前記永久磁石は、前記回転軸を中心とする周方向に沿って略中央で厚みが大で、その両端部に向うに従って厚みが小になる、アキシャルギャップ型回転電機。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記回転子は、前記回転軸周りに沿って複数の永久磁石（４２２）を有し、
   前記回転軸に対する径方向における前記永久磁石の寸法は、前記永久磁石の周方向略中央部で大きく、その両端部に向けて小さい、アキシャルギャップ型回転電機。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記回転子は、前記回転軸周りに間隔を有して配設された永久磁石（５２２）を複数有しており、
   前記各永久磁石間に、その各永久磁石とは磁気的に独立する、介在磁心（５２８）が介在する、アキシャルギャップ型回転電機。
7. 請求項１〜請求項６のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転電機を備えた圧縮機（８０）。
8. 請求項７記載の圧縮機であって、
   前記アキシャルギャップ型回転電機の回転駆動を受けて圧縮動作を行う圧縮機構部（９０）を備え、
   前記非巻線固定子（４０）は、前記回転子（２０）に対して前記圧縮機構部側に設けられている、圧縮機。
9. 請求項８記載の圧縮機であって、
   前記回転子の回転軸部（２８）の前記巻線固定子側端部は、前記巻線固定子（３０）を非貫通な位置に設けられており、前記各コイルのわたり配線部（３７）は、前記巻芯磁心（３４）の内側に設けられた、圧縮機。
10. 請求項７又は請求項８記載の圧縮機であって、
    前記巻線固定子（７３０）の第１バックヨーク磁心（７３２）の内径は、前記非巻線固定子（７４０）の第２バックヨーク磁心（７４２）の内径よりも小さく、
    前記巻線固定子（７３０）の第１バックヨーク磁心（７３２）の前記回転軸方向の厚みは、前記非巻線固定子（７４０）の第２バックヨーク磁心（７４２）の前記回転軸方向の厚みより小さい、圧縮機。

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