JP2008131693A - 界磁子、回転電機及び圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】界磁磁束の短絡を阻害する空隙を設けても、界磁子の機械的強度の低下を防止できる構成を提供する。
【解決手段】界磁子１は、回転軸Ｑに沿った方向に軟磁性体薄板を積層された柱状の積層磁芯１１と、積層磁芯１１の側面１１０よりも回転軸Ｑ側に埋設され、回転軸Ｑに沿って延在する界磁発生部１２と、界磁発生部１２の両端から側面１１０側に設けられた空隙（１３）とを備える。界磁発生部１２の各々は、板状の永久磁石１２ｄと、永久磁石１２ｄに固着され、それぞれ永久磁石１２ｄと共に鋭角の入隅を形成する圧粉磁芯１２ａ，１２ｂとを有する。圧粉磁芯１２ａは永久磁石１２ｄよりも回転軸Ｑ側に設けられ、圧粉磁芯１２ｂは永久磁石１２ｄよりも側面１１０側に設けられる。
【選択図】図１

Description

この発明は回転電機に採用される界磁子において、永久磁石を埋設する技術に関する。当該回転電機は、例えば冷媒を圧縮する圧縮機に採用することができる。

回転電機の構成の一つとして、界磁磁束を発生する界磁子と、電機子巻線を有してこれに流れる電機子電流によって回転磁界を発生する電機子と、を備えるものがある。そして通常、界磁子は柱状であって回転子として機能し、その外周側には固定子として機能する電機子が設けられている。

このような構成において、界磁磁束を発生させる永久磁石がロータコアと呼ばれる磁性体に埋設された界磁子が提案されている。このような界磁子では、永久磁石がロータコアの表面に配置されたタイプとは異なり、永久磁石の飛散を防止するための環状体（磁石飛散防止管）が不要となる。よって電機子と界磁子との間のいわゆるエアギャップを小さくでき、磁石飛散防止管における渦電流損が無く、従って効率が高まることとなる。

更に、界磁子が逆突極性を有することとなるので、リラクタンストルクを有効に利用でき、以てトルクも向上する。

しかも永久磁石の埋設位置を工夫することにより、例えばＶ字方に埋設することにより、永久磁石の量を増加できる。これは磁気装荷を高め、よりトルクが向上することとなる。

しかしながら永久磁石を埋設するためにロータコアには孔（永久磁石埋設用孔）を設ける必要がある。そして埋設すべき永久磁石の量を大きくするためには永久磁石埋設用孔をも大きくする必要がある。よってロータコアは、その外周側において永久磁石埋設用孔近傍で薄肉となる。そしてこの薄肉が、永久磁石及びこれよりも外周側のロータコアを、これらにかかる遠心力に抗して保持しなければならない。そこでロータコアの強度を高めるためには薄肉部分の幅を広げることも考えられるが、それは界磁磁束を、その発生源たる永久磁石に対して短絡的に流すことを助長してしまうこととなる。

かかる観点から種々の考案がなされており、下記特許文献１〜５に例示する。

特開平９−１６３６４８号公報 特開平１０−２８５８４７号公報 特開２０００−１８８８３７号公報 特開平９−２１９９４４号公報 特開２００５−２０９９１号公報

特許文献１に開示された技術では、二つの永久磁石の間に形成された径方向の孔にダンパーバー（特許文献１において符号４が付与されている要素）を設けており、これによって細い繋ぎ部（特許文献１において符号２６が付与されている要素）の破壊を回避している。しかしながら当該ダンパーバーを磁性体で構成するならば、界磁磁束の短絡的な流れを助長してしまうこととなる。

特許文献２に開示された技術では、連結キー（特許文献２において符号１３が付与されている要素）によって積層鋼板（特許文献２において符号４が付与されている要素）を連結している。しかしながら連結キーという別部品を設ける必要がある。これは工程数を増加させる嫌いがある。連結キーに磁性体を採用すれば界磁磁束の短絡的な流れを助長してしまうこととなる。また非磁性体を採用すれば、強度の観点からその幅を広げれば、永久磁石の埋設量が減少する。しかも二つの永久磁石で一つの磁極を構成する場合にしか適用できない。

特許文献３に開示された技術では、永久磁石を境界としてロータコアを内周側と外周側とに分割し（特許文献３において符号１２，１３が付与されている要素）、磁束の短絡を防いでいる。しかしながら外周側にロータコア飛散防止用の管（特許文献３において符号１４が付与されている要素）が必要となり、渦電流損が増大する。特にＰＷＭ制御を行う場合には損失の増大は影響が大きい。またエアギャップが増大するので磁気抵抗が増大する。

特許文献４に開示された技術では、永久磁石たる低透磁率体（特許文献４において符号６が付与されている要素）を鉄の高硬化質材（特許文献４において符号５が付与されている要素）で挟み、これらをロータコア（特許文献４において符号３３が付与されている要素）に埋設している。しかしこれはロータの強度を向上させる点で効果的ではない。

特許文献５に永久磁石と軟磁性粉末との結合が得られるものの、透磁率及び飽和磁束密度が低く、モータの小型化や高効率化の観点で望ましくない。またヒステリシス損が増大するので、回転数が低い運転領域では効率が低下する嫌いがある。

この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、界磁磁束の短絡を阻害する空隙を設けても、界磁子の機械的強度の低下を防止できる構成を提供することを目的とする。

この発明にかかる界磁子の第１の態様（１；６）は、回転軸（Ｑ）に沿った方向に軟磁性体薄板を積層された柱状の積層磁芯（１１）と、前記積層磁芯の側面（１１０）よりも前記回転軸側に埋設され、前記方向に延在する複数の界磁発生部（１２；１２０）と、前記界磁発生部の少なくとも一端から前記回転軸とは反対側に設けられた空隙（１３）とを備える。そして前記界磁発生部（１２；１２０）の各々は、板状の永久磁石（１２ｄ；１２３）と、前記永久磁石に固着され、それぞれ前記永久磁石と共に鋭角の入隅を形成する第１及び第２の圧粉磁芯（１２ａ，１２ｂ；１２１，１２２）とを有し、前記第１の圧粉磁芯（１２ａ；１２１）は前記永久磁石よりも前記回転軸側に設けられ、前記第２の圧粉磁芯（１２ｂ；１２２）は前記永久磁石よりも前記側面側に設けられる。

この発明にかかる界磁子の第２の態様（１；６）は、その第１の態様であって、前記第１の圧粉磁芯（１２ａ；１２１）は、隣接する一対の前記空隙（１３）の間の中央に設けられる。

この発明にかかる界磁子の第３の態様（１）は、その第２の態様であって、一の前記界磁発生部（１２）の両端に一対の隣接する前記空隙（１３）が設けられ、前記第１の圧粉磁芯（１２ａ；１２１）は、前記一の前記界磁発生部の中央に設けられる。

この発明にかかる界磁子の第４の態様（１）は、その第２乃至第３の態様のいずれかであって、一の前記界磁発生部（１２）の両端に一対の隣接する前記空隙（１３）が設けられ、前記第２の圧粉磁芯（１２ｂ；１２１）は、前記一の前記界磁発生部の中央に設けられる。

この発明にかかる界磁子の第５の態様は、その第２乃至第３の態様のいずれかであって、一の前記界磁発生部（１２）の両端に一対の隣接する前記空隙（１３）が設けられ、前記第２の圧粉磁芯（１２ｂ）は、前記一の前記界磁発生部の中央よりも界磁子の回転方向と反対側に寄って設けられる。

この発明にかかる界磁子の第６の態様（６）は、その第２の態様であって、前記第２の圧粉磁芯（１２２）は、前記空隙（１３）寄りに設けられる。

この発明にかかる界磁子の第７の態様（１；６）は、その第１の態様であって、前記第１及び第２の圧粉磁芯（１２ａ，１２ｂ；１２１，１２２）は、前記永久磁石（１２ｄ，１２３）から離れるほどその断面積が広くなる。

この発明にかかる界磁子の第８の態様（１）は、その第１の態様であって、前記空隙（１３）は前記側面よりも前記回転軸側に設けられ、前記界磁発生部（１２；１２０）よりも前記側面側に位置する前記積層磁芯の部分である側面部分（１１ｂ）同士は、前記空隙よりも前記側面側の前記積層磁芯の薄肉部によって相互に連結される。

この発明にかかる界磁子の第９の態様（１）は、その第８の態様であって、前記界磁発生部（１２；１２０）よりも前記回転軸（Ｑ）側に位置する前記積層磁芯の部分（１１ａ）は、前記側面部分（１１ｂ）と前記薄肉部によって相互に連結される。

この発明にかかる界磁子の第１０の態様（６）は、その第１の態様であって、前記空隙（１３）は前記側面側で開口し、前記界磁発生部（１２）よりも前記回転軸側に位置する前記積層磁芯の部分（６１ａ）は、前記界磁発生部よりも前記側面側に位置する前記積層磁芯の部分である側面部分（６１ｂ）と、前記空隙（１３）によって分離されつつ前記界磁発生部によって連結される。

この発明にかかる界磁子の第１１の態様（６）は、その第１０の態様であって、前記側面部分（６１ｂ）同士は前記空隙（１３）によって分離される。

この発明にかかる界磁子の第１２の態様（６）は、その第１１の態様であって、第１の前記側面部分（６１ｂ）は他の前記側面部分よりも、前記方向の一端において突出する。

この発明にかかる界磁子の第１３の態様（６）は、その第１２の態様であって、第２の前記側面部分（６１ｂ）は他の前記側面部分よりも、前記方向の他端において突出する。

この発明にかかる界磁子の第１４の態様（１；６）は、その第１乃至第１１の態様のいずれかであって、前記方向において、前記積層磁芯（１１）の長さが前記第１及び第２の圧粉磁芯の長さよりも短い。

この発明にかかる界磁子の第１５の態様（６）は、その第１０至第１１の態様のいずれかであって、前記方向において、前記側面部分（６１ｂ）の長さが、前記第１及び第２の圧粉磁芯の長さ、前記界磁発生部（１２）よりも前記回転軸側に位置する前記積層磁芯の部分（６１ａ）の長さのいずれよりも長い。

この発明にかかる界磁子の第１６の態様は、その第１乃至第１５の態様のいずれかであって、前記界磁発生部（１２）は、前記永久磁石（１２ｄ；１２３）の磁極面と前記第１及び第２の圧粉磁芯（１２ａ，１２ｂ）との間に介在する第３の圧粉磁芯（１２ｃ）を更に有する。

この発明にかかる界磁子の第１７の態様は、その第１乃至第１６の態様のいずれかであって、前記永久磁石（１２ｄ；１２３）は少なくとも希土類元素を含む焼結磁石である。

この発明にかかる界磁子の第１８の態様は、その第１乃至第１６の態様のいずれかであって、前記永久磁石（１２ｄ；１２３）はバインダにより磁石粉末を集めたボンド磁石であり、前記第１及び第２の圧粉磁芯（１２ａ，１２ｂ）と共に一体化される。

第１乃至第１８の態様のいずれかの界磁子と、側面と対向して配置される電機子３とを含んで回転電機を構成することができる。当該回転電機と、これによって駆動される圧縮機構とを備えて圧縮機を構成することができる。

この発明にかかる界磁子の第１の態様によれば、第１及び第２の圧粉磁芯は、永久磁石に固着される一方で、これらが永久磁石と形成する入隅によって積層磁芯と係合する。従って永久磁石と積層磁芯との機械的結合を確保できる。これにより、界磁発生部から発生する界磁磁束の短絡を阻害する空隙を設けても、界磁子の機械的強度の低下を防止できる。

この発明にかかる界磁子の第２の態様において、界磁発生部よりも回転軸側で積層磁芯を流れる磁束は、積層磁芯の側面に現れる界磁子の磁極の中央で分岐して流れやすい。そして当該磁極は隣接する空隙によって挟まれる。従ってこの態様にかかる発明によれば、磁束密度が低い個所に第１の圧粉磁芯が配置されるので、ヒステリシス損を小さくできる。

この発明にかかる界磁子の第３の態様によれば、界磁発生部と積層磁芯とを結合する力が、界磁発生部において対称性がよいので、界磁発生部の強度が優れる。

この発明にかかる界磁子の第４の態様において、積層磁芯の側面に現れる界磁子の磁極は隣接する空隙によって挟まれ、リラクタンストルクを大きくするためには、永久磁石は当該磁極の中央で最も側面から離れる。従ってこの態様にかかる発明によれば、透磁率や飽和磁束密度が低い第２の圧粉磁芯の影響が、界磁子の磁極に及びにくい。しかも界磁発生部と積層磁芯とを結合する力が、界磁発生部において対称性がよいので、界磁発生部の強度が優れる。

この発明にかかる界磁子の第５の態様において、積層磁芯の側面に現れる界磁子の磁極は隣接する空隙によって挟まれ、磁束分布は当該磁極の中央よりも回転方向側に多く偏る。従ってこの態様にかかる発明によれば、磁束密度が低い個所に第２の圧粉磁芯が配置されるので、ヒステリシス損を小さくできる。

この発明にかかる界磁子の第６の態様によれば、第２の圧粉磁芯が空隙と同様に、界磁発生部から発生する界磁磁束の短絡を阻害する。また界磁発生部の端部において第２の圧粉磁芯が積層磁芯と係合するので、永久磁石と積層磁芯との機械的に結合する効果が高い。

この発明にかかる界磁子の第７の態様によれば、第１及び第２の圧粉磁芯と永久磁石との接触面積を小さくすることにより、永久磁石から見た磁気抵抗を低減できる。

この発明にかかる界磁子の第８の態様によれば、軟磁性体薄板を打ち抜く精度で、界磁子の外径の精度を制御できる。

この発明にかかる界磁子の第９の態様によれば、積層磁芯の取り扱いが容易である。

この発明にかかる界磁子の第１０の態様によれば、積層磁芯の回転軸方向における長さを、側面部分と、回転軸側に位置する部分とで、異ならせることができる。

この発明にかかる界磁子の第１１の態様によれば、積層磁芯の側面部分をバランサとして機能させることができる。また軟磁性体薄板の面積を有効に利用して打ち抜くことができる。

この発明にかかる界磁子の第１２の態様によれば、第１の側面部分をバランサとして機能させることができる。

この発明にかかる界磁子の第１３の態様によれば、第２の側面部分をもバランサとして機能させることができるので、界磁子が支持するシャフトにバランサを設ける必要がない。

この発明にかかる界磁子の第１４の態様によれば、飽和磁束密度が低い第１及び第２の圧粉磁芯の磁気飽和を小さくする。この際、第１及び第２の圧粉磁芯を通る磁束は回転軸方向成分が大きくなるが、圧粉磁芯が等方性であるので好適である。また大きな永久磁石を採用することができ、鎖交磁束を増大させる観点で望ましい。

この発明にかかる界磁子の第１５の態様によれば、界磁子の磁極に対するバックヨークとして機能する部分を大きくすることにより、界磁子が支持するシャフトに磁束が流れ込むことを防ぐ。またシャフトを支持しやすい。また隣接する側面部分同士の間の積層磁芯がｑ軸磁路として機能する場合、その飽和も緩和する。

この発明にかかる界磁子の第１６の態様によれば、永久磁石と第１及び第２の圧粉磁芯との固着を強固にできる。

この発明にかかる界磁子の第１７の態様によれば、永久磁石の磁気エネルギー積が高いので出力トルクが向上する。また永久磁石のヒステリシスカーブの角形比が大きいので、第１及び第２の圧粉磁芯を固着させるときの発熱による熱減磁の影響が小さい。また高温環境下での駆動に適している。

この発明にかかる界磁子の第１８の態様によれば、永久磁石と第１及び第２の圧粉磁芯とが固着する強度が高い。また第１及び第２の圧粉磁芯の厚さを低減し、以て界磁磁束の短絡を低減できる。

第１の実施の形態．
図１はこの発明の第１の実施の形態にかかる界磁子１の構造を示す断面図である。当該断面図は界磁子１の回転軸Ｑに垂直な断面を示している。

界磁子１は積層磁芯１１及びこれに埋設されて界磁磁束を発生させる界磁発生部１２を備えている。積層磁芯１１は回転軸Ｑに沿った柱状を呈しており、例えば円柱状を呈する。但しその側面１１０は当該断面において必ずしも真円でなくてもよく、たとえばコギングトルクを低減する等の目的のため、回転軸Ｑからの側面１１０までの距離が周方向の位置に依存していてもよい。積層磁芯１１は回転軸Ｑに沿った方向に軟磁性体薄板を積層されて構成される。

界磁発生部１２は、積層磁芯１１の側面１１０よりも回転軸Ｑ側に埋設され、回転軸Ｑに沿った方向に延在し、複数設けられる。

界磁子１は積層磁芯１１において空隙１３を備えている。空隙１３は界磁発生部１２の少なくとも一端、ここでは両端から回転軸Ｑとは反対側に設けられる。空隙１３によって積層磁芯１１は回転軸Ｑ側の部分１１ａと、側面１１０側の部分１１ｂとに区分される。当該空隙１３は、界磁発生部１２から発生する界磁磁束が短絡的に流れることを防止する。

ここでは空隙１３は積層磁芯１１の側面１１０よりも回転軸Ｑ側に設けられ、薄肉部を残している。そして部分１１ｂ同士は薄肉部によって相互に連結されている。このように側面１１０が周方向のいずれの位置においても連続していることは、軟磁性体薄板を打ち抜く精度で、界磁子１の外径の精度を制御できる観点から望ましい。

また部分１１ａ，１１ｂ同士も薄肉部によって相互に連結されることは、積層磁芯１１の取り扱いが容易となる観点から望ましい。

但し、後述するようにして部分１１ａ，１１ｂが連結されるので、当該薄肉部がなくてもよい。より具体的には空隙１３が回転軸Ｑとは反対側で開口していてもよい。空隙１３がこのように開口することによる利点は後に第４の実施の形態において詳述する。

部分１１ａは空隙１３を介して部分１１ｂに挟まれる部分１４を有している。部分１４はいわゆるｑ軸磁路として機能し、リラクタンストルクに寄与することになる。

界磁発生部１２の各々は、圧粉磁芯１２ａ，１２ｂ及び板状の永久磁石１２ｄを有している。圧粉磁芯１２ａ，１２ｂはそれぞれ永久磁石１２ｄに回転軸Ｑ側及び側面１１０側で固着する。そして圧粉磁芯１２ａ，１２ｂはいずれも永久磁石１２ｄと共に鋭角の入隅を形成する。永久磁石１２ｄは回転軸Ｑ側及び側面１１０側に、相互に極性が異なる磁極面を呈する。

圧粉磁芯１２ａ，１２ｂは、永久磁石１２ｄに固着される一方で、これらが永久磁石１２ｄと形成する入隅によって積層磁芯１１と係合する。従って永久磁石１２ｄと積層磁芯１１との機械的結合を確保できる。より詳細には圧粉磁芯１２ａ，１２ｂが、それぞれ部分１１ａ，１１ｂと係合することにより、界磁発生部１２を介して部分１１ａ，１１ｂ同士が連結する。これにより、界磁発生部１２から発生する界磁磁束の短絡を阻害する空隙１３を設けても、界磁子１の機械的強度の低下を防止できる。しかも圧粉磁芯１２ａ，１２ｂは磁性体であるのでロータコアとしての機能を損ないにくい。

一般的に永久磁石は、焼結工程においてその形状の自由度が低く、また機械的強度が弱い。よって永久磁石のみで鋭角の入隅を形成することは困難であり、また部分１１ａ，１１ｂを連結する機能も低い。よって形状の自由度が高く、かつ磁性体でもある圧粉磁芯１２ａ，１２ｂを用いて永久磁石と共に鋭角の入隅を形成することが望ましい。

しかも圧粉磁芯１２ａ，１２ｂが設けられる位置は磁束密度の変動が小さく、ヒステリシス損が大きな圧粉磁芯１２ａ，１２ｂを採用してもヒステリシス損が顕著な悪影響を与えることはない。他方、側面１１０は積層磁芯１１によって形成されるので、透磁率が高く、また鉄損（特にヒステリシス損）が小さい。よってロータコア全体に圧粉磁芯を採用する場合と比較して、透磁率低下による銅損の増加やヒステリシス損増加による鉄損の増加が抑制される。積層磁芯１１を構成する軟磁性体薄板は、ヒステリシス損が小さい、電磁鋼板や珪素鋼板を採用することが望ましい。特に駆動周波数が数百Ｈｚ以下の低速回転をする場合、一般に積層磁芯（電磁鋼板）は圧粉磁芯（鉄系）に比べて鉄損が小さいからである。

永久磁石１２ｄは少なくとも希土類元素を含む焼結磁石であることが望ましい。具体的には例えばネオジ・鉄・ボロン系材料を採用することが望ましい。このような焼結磁石は、その磁気エネルギー積が高いので出力トルクが向上する。また永久磁石のヒステリシスカーブの角形比が大きいので、圧粉磁芯１２ａ，１２ｂを固着させるときの発熱による熱減磁の影響が小さい。また高温環境下での駆動に適している。なお、永久磁石の周囲を積層磁芯ではなく比抵抗の高い圧粉磁芯で覆うことにより、永久磁石を介して積層磁芯が発生する渦電流による鉄損の増加が防がれる。

永久磁石１２ｄはバインダにより磁石粉末を集めたボンド磁石であって圧粉磁芯１２ａ，１２ｂと共に一体化されることも好適である。当該一体化については例えば特許文献５に例示されている。永久磁石１２ｄと圧粉磁芯１２ａ，１２ｂとが固着する強度が高くなるからである。また圧粉磁芯１２ａ，１２ｂの厚さを低減し、以て界磁磁束の短絡を低減できる。

図２は界磁子１から一つの界磁発生部１２を抜き取った構成を示す断面図であり、当該断面も図１と同様に回転軸Ｑに対して垂直である。積層磁芯１１には界磁発生部１２を貫挿する貫通孔１２ｅが設けられる。貫通孔１２ｅへの界磁発生部１２の貫挿は、圧入や焼き填めを採用することができる。

図２では貫通孔１２ｅが空隙１３と連通する態様が例示されているが、両者は界磁磁束の短絡が抑制できる程度に近接して離れて配置されてもよい。

積層磁芯１１には貫通孔１２ｅの他、積層された軟磁性体薄板を締結するための締結具（図示せず）が貫挿される締結用孔１５や、回転シャフト（図示せず）が貫通されるシャフト孔１０が設けられている。

締結具を使用することなく、例えば軟磁性体薄板に凹凸を設け、隣接する軟磁性体薄板同士の間で当該凹凸を絡み合わせる、いわゆるカラマセを採用してもよい。この場合にはもちろん、締結用孔１５は不要である。但し締結具とカラマセを併用してもよい。

図３は界磁発生部１２の詳細を示す図であり、回転軸Ｑに垂直な面における構造を示している。界磁発生部１２は、永久磁石１２ｄの磁極面と圧粉磁芯１２ａ，１２ｂとの間に介在する圧粉磁芯１２ｃをも有することが望ましい。永久磁石１２ｄと圧粉磁芯１２ａ，１２ｂとの固着を強固にできるからである。

図４は永久磁石１２ｄと圧粉磁芯１２ａ，１２ｂ，１２ｃと貫通孔１２ｅとの位置関係を示す斜視図である。但し、永久磁石１２ｄが圧粉磁芯１２ａ，１２ｂ，１２ｃに貫挿するよりは、上述のように永久磁石１２ｄへ圧粉磁芯１２ａ，１２ｂ，１２ｃが固着することが望ましい。

図５は界磁発生部１２の詳細の他例を示す図であり、回転軸Ｑに垂直な面における構造を示している。界磁発生部１２は、永久磁石１２ｄの磁極面でない端部には圧粉磁芯１２ｃを設けていない。かかる構成は界磁磁束が短絡的に流れる要因を除く観点から望ましい。このとき例えば、永久磁石１２ｄと圧粉磁芯１２ａ，１２ｂとは接着により固定される。

圧粉磁芯１２ａ，１２ｂは、永久磁石１２ｄから離れるほどその断面積が広くなる。ここでいう断面積とは径方向に垂直な面の面積である。上述のような鋭角の入隅を形成でき、また圧粉磁芯１２ａ，１２ｂと永久磁石１２ｄとの接触面積を小さくすることにより、永久磁石１２ｄから見た磁気抵抗を低減できる。

ここでは圧粉磁芯１２ａ，１２ｂは楔形状を呈しているが、Ｔ字型など、係合する機能を有していれば他の形状でもよい。

回転軸Ｑに沿った方向に、図１で示された構造を周方向にずらしつつ重ねて設けることもできる。界磁子にいわゆるスキューを設けることにより、トルクリプルを軽減することができる。図６は図１で示された構造を二段に重ねた構造を例示しており、破線で示された構造は紙面奥側に配置されていることを示している。界磁発生部１２Ａ，１２Ｂ及び空隙１３Ａ，３Ｂは、それぞれ図１の界磁発生部１２及び空隙１３と対応している。

なお、両者の構造が相まって界磁子を構成すべきであるので、締結具用孔１５及びシャフト孔１０の断面図上での位置は両者で一致している。また一方の構造における界磁磁束が、他方の構造におけるロータコアを介して短絡的に流れることを回避すべく、両者間には非磁性体のスペーサを介在させることが望ましい。もちろん、短絡的に流れる界磁磁束の量が回転電機の性能上で差し支えない程度であれば、当該スペーサは不要である。

このように二段に重ねた構造におけるスキューの角度は、キャンセルしたいトルクリプルの一周期の１／２に相当する角度が最適である。トルクリプルのうち、コギングトルクについてみれば、図１や図６で例示されたように界磁子の磁極数が４個の場合、電機子（図示せず）のスロット数が１２，２４，３６であれば、コギングトルクの一周期はそれぞれ３０度、１５度、１０度である。よってスキューはそれぞれ１５度、７．５度、５度に選定することが望ましい。なお形状によっては上記の値よりもコギングトルクの周期が短い場合もある。

スロット高調波を低減するのであれば、スロットピッチの半分をスキューの角度に選定する。三相の回転磁界を用いたときのトルクリプルは、界磁子の磁極数が４の場合には、３０度となる。よってこの場合のトルクリプルを低減するためには、スキューの角度を１５度に選定することが望ましい。

もちろん、スキューの角度は上記の選定値に対して若干ずれてもよい。また図１の構造を重ねる段数をＮ段とすると、二つの段の間のスキューの角度は上記のようにして求めた二段の場合の選定値に２／Ｎを乗じた値に選定すればよい。

図示は省略するが、界磁発生部１２が積層磁芯１１から回転軸Ｑに沿って抜けないように、界磁子１はその回転軸Ｑについての端に端板を設けてもよい。あるいは界磁発生部１２と積層磁芯１１とが接触する部位に段差を設けて、界磁発生部１２が回転軸Ｑに沿って抜けないようにしてもよい。

第２の実施の形態．
図７及び図８は、界磁子１と電機子２との間に流れる磁束をシミュレーションした磁束線図であり、回転方向は図上で反時計回り方向である。ここでは界磁子１と電機子２の構成の１／４のみ示している。部分１１ａにおいてはほぼ永久磁石１２ｄの中心を境界として、両側に磁束が分岐して流れやすい。ここでは永久磁石１２ｄが隣接する空隙１３に挟まれており、永久磁石１２ｄの中心が界磁子１の磁極の中央となっているからである。

よって図１に示されたように、隣接する一対の空隙１３の間の中央という、磁束密度が低い個所に圧粉磁芯１２ａを配置することにより、圧粉磁芯１２ａに、ひいては界磁子１に発生するヒステリシス損を小さくできる。

特に図１に示されたように、一つの界磁発生部１２の両端に一対の隣接する空隙１３が設けられており、圧粉磁芯１２ａが当該界磁発生部１２の中央に設けられることは、界磁発生部１２の強度が優れる点で望ましい。界磁発生部１２と積層磁芯１１とを結合する力は、界磁子発生部１２において対称性がよいからである。

側面１１０に現れる界磁子１の磁極は、隣接する空隙１３によって挟まれる。そしてリラクタンストルクを大きくするためには、永久磁石１２ｄは当該磁極の中央で最も側面１１０から離れることになる。従って圧粉磁芯１２ｂも界磁発生部１２の中央に設けられることが望ましい。透磁率や飽和磁束密度が低い圧粉磁芯１２ｂの影響が、界磁子１の磁極に及びにくいからである。しかも界磁発生部１２と積層磁芯１１とを結合する力が、界磁子発生部１２において対称性がよいので、界磁発生部１２の強度が優れる。

このように圧粉磁芯１２ｂを界磁発生部１２の中央に設けることは、特に無負荷時や回転磁界が小さい場合に望ましい。しかし電機子電流による磁束が大きい場合には圧粉磁芯１２ｂを下記のように配置することが望ましい。

図９はこの発明の第２の実施の形態にかかる界磁子１の構造を示す断面図であり、図１に相当する断面を示している。界磁子１は回転軸Ｑの周りで図上の反時計回り方向に回転する。

第２の実施の形態では第１の実施の形態と比較して、圧粉磁芯１２ｂが界磁発生部１２の中央よりも界磁子２の回転方向と反対側（後進側）に寄って設けられる点で異なっている。図８から分かるように、磁束分布は界磁子１の磁極の中央よりも回転方向側（前進側）に多く偏る。従って圧粉磁芯１２ｂを磁束密度が低い個所に配置することにより、圧粉磁芯１２ｂに、ひいては界磁子１に発生するヒステリシス損を小さくできる。

第３の実施の形態．
図１０はこの発明の第３の実施の形態にかかる界磁子１の構造を示す断面図であり、図１に相当する断面を示している。第３の実施の形態では、第１の実施の形態にかかる界磁発生部１２を界磁発生部１２０に置換している。但し第３の実施の形態では、界磁子１の磁極は一対の界磁磁束発生部１２０から供給される界磁磁束によって、側面１１０に形成される。

図１１は積層磁芯１１の構成を示す断面図であり、図１２は対となって採用される界磁発生部１２０の構成を示す。積層磁芯１１には界磁発生部１２０を貫挿する貫通孔１２４が設けられ、その回転軸Ｑ側は空隙１６を介して相互に連通している。また側面１１０側には空隙１３が連通している。但し空隙１３と貫通孔１２４とは必ずしも連通している必要はなく、両者は界磁磁束の短絡が抑制できる程度に近接して離れて配置されてもよい。空隙１６と貫通孔１２４との位置関係についても同様である。

第３の実施の形態においても、締結用孔１５、シャフト孔１０が設けられている。

界磁発生部１２０は、界磁発生部１２の圧粉磁芯１２ａ，１２ｂ及び永久磁石１２ｄにそれぞれ対応して、圧粉磁芯１２１，１２２及び永久磁石１２３を有している。

圧粉磁芯１２１，１２２はそれぞれ永久磁石１２３に回転軸Ｑ側及び側面１１０側で固着する。固着の仕方や材料は第１の実施の形態で例示した。図１０及び図１２では永久磁石１２３の周りを覆う薄い圧粉磁芯は省略している。そして圧粉磁芯１２１，１２２はいずれも永久磁石１２３と共に鋭角の入隅を形成する。永久磁石１２３は回転軸Ｑ側及び側面１１０側に、相互に極性が異なる磁極面を呈する。圧粉磁芯１２１，１２２は、永久磁石１２３から離れるほどその断面積が広くなる。よって第１の実施の形態と同様にして、空隙１３を設けても界磁子１の機械的強度の低下を低減できる。

しかし、第３の実施の形態では、一対の界磁発生部１２で界磁子１の一つの磁極に対応する。よって回転軸Ｑ側から永久磁石１２３に固着する圧粉磁芯１２１は、当該磁極の中央となる位置、即ち一対の空隙１３で挟まれた中央において配置され、結果的に空隙１６に隣接して配置される。これによって第２の実施の形態で説明された位置に圧粉磁芯１２ａを配置することと同じ効果が得られる。

しかも、圧粉磁芯１２１と部分１１ａとの係合により、磁石１２３が貫通孔１２４内を側面１１０へと向かって移動することが防止される。

なお、空隙１６の代わりに圧粉磁芯１２１を配置することは望ましくない。この位置で界磁磁束が短絡的に流れるからである。よって図１１に示されるように、空隙１６を挟んで圧粉磁芯１２１を配置することが望まれる。

空隙１６よりも空隙１３側に寄って圧粉磁芯１２１を配置することも考えられるが、部分１１ａがバックヨークとして機能することに鑑みれば、図１１に示されるように、空隙１６を挟んで圧粉磁芯１２１を配置することが望まれる。

他方、圧粉磁芯１２２は空隙１３よりに、ここでは空隙１３に隣接して設けられる。圧粉磁芯１２２が空隙１３と同様に、界磁発生部１２０から発生する界磁磁束の短絡を阻害する。また界磁発生部１２０の端部において圧粉磁芯１２２が積層磁芯１１と係合するので、永久磁石１２３と積層磁芯１１との機械的に結合する効果が高い。そして空隙１３よりも側面１１０側の薄肉部によって部分１１ａ，１１ｂが連結しているので、当該薄肉部の破壊を防ぐには空隙１３の近傍で圧粉磁芯１２２が設けられることが望ましい。

第３の実施の形態においても第１の実施の形態と同様にスキューを設けることができる。

第４の実施の形態．
図１３はこの発明の第４実施の形態にかかる界磁子６の構造を示す断面図であり、図１に相当する断面を示している。第４の実施の形態では、第１の実施の形態にかかる積層磁芯１１を、空隙６３を介して分離した積層磁芯６１ａ，６１ｂに置換した構成を有している。つまり積層磁芯６１ｂ同士は空隙１３によって分離されている。

積層磁芯６１ａ，６１ｂも積層磁芯１１と同様に、回転軸Ｑに沿った柱状、例えば円柱状を呈しており、回転軸Ｑに沿った方向に軟磁性体薄板を積層されて構成される。積層磁芯６１ａ，６１ｂにはそれぞれ締結用孔６５，６６が設けられており、積層された軟磁性体薄板を締結するための締結具（図示せず）がこれらに貫挿される。また積層磁芯６１ａにはシャフト孔６０も設けられている。

空隙６３、積層磁芯６１ａ，６１ｂは、それぞれ空隙１３，部分１１ａ，１１ｂ（図１参照）に相当している。より具体的には積層磁芯６１ｂは回転軸Ｑの周りで環状に配置され、積層磁芯６１ａを囲む。積層磁芯６１ａは回転軸Ｑとは反対側（界磁子６の側面側）へと四方に延びる部分６４を有しており、これは空隙６３を介して積層磁芯６１ｂに挟まれる。部分６４は部分１４（図１参照）に対応しており、いわゆるｑ軸磁路として機能する。積層磁芯６１ａ，６１ｂは、界磁発生部１２に対してそれぞれ回転軸Ｑ側及び側面側（回転軸Ｑとは反対側）から係合している。

このように界磁子６は図１に示された界磁子１において空隙１３を回転軸Ｑとは反対側に向けて開口した構成として把握することができる。

図１４は積層磁芯６１ａ，６１ｂと界磁発生部１２とを係合させる前の構成を示す断面図である。簡単のため、積層磁芯６１ｂと界磁発生部１２とは一つしか示していないが、実際にはこれらはいずれも４つ用いられる。

積層磁芯６１ａには圧粉磁芯１２ａと係合する凹部６７が、積層磁芯６１ｂには圧粉磁芯１２ｂと係合する凹部６８が、それぞれ設けられている。

上述のような構造であるので、第３の実施の形態にかかる界磁子６も、第１の実施の形態にかかる界磁子１と同様に奏功する。更に、第２の実施の形態で説明したように、圧粉磁芯１２ａ，１２ｂの位置を工夫しても良い。

本実施の形態に特有の利点の一つとして、空隙１３よりも外側（回転軸Ｑとは反対側）に薄肉部が存在しないので、界磁磁束の短絡的な流れをより一層阻害できることが挙げられる。

また他の利点として、積層磁芯６１ａ，６１ｂを得るために、軟磁性体薄板を打ち抜くに際し、軟磁性体薄板の面積を有効に利用できる点が挙げられる。図１５は界磁子６から界磁発生部１２を取り除き、更に詰め合わせて空隙６３を無くした状態を示す断面図である。このような形状で軟磁性体薄板を打ち抜き、積層して締結用孔６５，６６で締結することにより、積層磁芯６１ａ，６１ｂを得ることができるので、打ち抜きに際して無駄となる軟磁性体薄板の量を低減できる。

なお、本実施の形態に特有な更に他の利点もあるが、説明の都合上、これに関しては第６の実施の形態において説明する。

第５の実施の形態．
第５の実施の形態は界磁子１において回転軸Ｑ方向における各部の長さを工夫したものである。図１６及び図１７のいずれも、図２の位置Ａ−Ａにおいて回転軸Ｑに平行な断面を示す断面図である。当該断面図では締結用孔１５に貫挿する締結具１８と、これと共に積層磁芯１１（当該断面において部分１１ａ，１１ｂとして示されている）を締結する締結具１９も図示している。またシャフト孔１０に貫挿する回転シャフト３も図示している。

図１６に示された構造では、回転軸Ｑに沿った方向において、積層磁芯１１の長さが圧粉磁芯１２ａ，１２ｂの長さよりも短い。換言すれば積層磁芯１１の長さよりも圧粉磁芯１２ａ，１２ｂの長さが長い。よって圧粉磁芯１２ａ，１２ｂの飽和磁束密度が低くても、これらにおける磁気飽和を小さくできる。圧粉磁芯１２ａ，１２ｂを通る磁束は回転軸Ｑに沿った成分が大きくなるが、圧粉磁芯は一般的に等方性であるので好適である。また大きな永久磁石１２ｄを採用することができ、鎖交磁束を増大させる観点で望ましい。

図１７に示された構造では、回転軸Ｑに沿った方向において、積層磁芯１１の長さが圧粉磁芯１２ａ，１２ｂの長さよりも長い。これは部分１４（図１参照）の磁路断面積を拡げることとなり、電機子電流による磁束が増大してもリラクタンストルクが飽和しにくくなる点で望ましい。

第６の実施の形態．
第６の実施の形態は界磁子６において回転軸Ｑ方向における各部の長さを工夫したものである。図１８、図１９は、それぞれ図１３の位置Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｑ−Ｃにおいて回転軸Ｑに平行な断面を示す断面図である。

当該断面図では締結用孔６５に貫挿する締結具１８と、これと共に積層磁芯６１ｂを締結する締結具１９も図示している。またシャフト孔６０に貫挿する回転シャフト３も図示している。

図１８に示された構造では、左側に図示された積層磁芯６１ｂが、右側に図示された積層磁芯６１ｂよりも、回転軸Ｑに沿った方向の上側端において突出している。また右側に図示された積層磁芯６１ｂが、左側に図示された積層磁芯６１ｂよりも、回転軸Ｑに沿った方向の下側端において突出している。よって積層磁芯６１ｂは回転シャフト３に対するバランサとして機能する。一つの積層磁芯６１ｂのみが回転軸Ｑに沿った方向の一方端においてのみ突出していてもよい。回転シャフト３にバランサ（図示しない）が設けられている場合には、このバランサに対する補助的なバランサとして当該積層磁芯６１ｂが機能する。また図１８に示されたように突出する部位が二つ存在する場合には、回転シャフト３に別部品としてバランサを設けることなく、主たるバランサ（以下「主バランサ」と仮称）及び補助的なバランサ（以下「副バランサ」と仮称）の両方の機能を積層磁芯６１ｂに担わせることができる。

このようなバランサを設けることは特に、回転シャフト３によって駆動される負荷がアンバランスを有する場合、例えば回転シャフト３が圧縮機を駆動する場合に好適である。

図１９に示された構造では、回転軸Ｑに沿った方向において、積層磁芯６１ｂの長さが、圧粉磁芯１２ａ，１２ｂの長さ、積層磁芯６１ａの長さのいずれよりも短い。

積層磁芯６１ａは界磁子６の磁極に対するバックヨークとして機能するので、これを大きくすることにより、回転シャフト３が磁性体であっても、これに磁束が流れ込むことを防ぐ。また回転シャフト３を支持しやすい。またｑ軸磁路として機能する部分６４の飽和も緩和される。

上述の例では界磁子が４極の場合を例示したが、極数はこれに限定されるものではない。また永久磁石１２ｄ，１２３は板状であるが、必ずしも平板状である必要はなく、断面視上で弧状であってもよい。

圧縮機への応用．
図２０は界磁子６と、その側面に対向する電機子３とを含む回転電機を採用した圧縮機の構成を示す断面図である。当該圧縮機はケーシング４を備えており、その内部には例えば冷媒を圧縮する圧縮機構部４１を収納している。圧縮機構部４１は回転シャフト３の回転によって駆動される。電機子３は電機子巻線３２と、これが巻回されるステータコア３１とを有しており、ステータコア３１はケーシング４の内壁に固定されている。

図２０において二つ現れる積層磁芯６１ｂは、図１８で例示されたように突出しており、それぞれが主バランサ、副バランサの機能を果たしている。よって当該圧縮機には主バランサを設けていない。

圧縮機構部４１、主バランサ、副バランサのそれぞれの重量をＭ１，Ｍ２，Ｍ３とし、それぞれの重心の、回転軸Ｑからの距離（偏心）をＲ１，Ｒ２，Ｒ３とし、ある共通した基準位置からの距離をＺ１，Ｚ２，Ｚ３とすると、静バランスを採る関係からはＭ１・Ｒ１＋Ｍ２・Ｒ２＋Ｍ３・Ｒ３＝０を満足させ、動バランスを採る関係からはＭ１・Ｒ１・Ｚ１＋Ｍ２・Ｒ２・Ｚ２＋Ｍ３・Ｒ３・Ｚ３＝０を満足させることが望ましい。

偏心Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は圧縮機の構造上の観点で決定されるので、重量Ｍ２，Ｍ３を適切に設定すべく、二つの積層磁芯６１ｂの積層厚さを異ならせればよい。

この発明の第１の実施の形態にかかる界磁子の構造を示す断面図である。 界磁子から一つの界磁発生部を抜き取った構成を示す断面図である。 界磁発生部の詳細を示す図である。 永久磁石と圧粉磁芯と貫通孔との位置関係を示す斜視図である。 界磁発生部の詳細の他例を示す図である。 スキューが設けられた界磁子を示す図である。 界磁子と電機子との間に流れる磁束をシミュレーションした磁束線図である。 界磁子と電機子との間に流れる磁束をシミュレーションした磁束線図である。 この発明の第２の実施の形態にかかる界磁子の構造を示す断面図である。 この発明の第３の実施の形態にかかる界磁子の構造を示す断面図である。 積層磁芯の構成を示す断面図である。 対となって採用される界磁発生部の構成を示す断面図である。 この発明の第４実施の形態にかかる界磁子の構造を示す断面図である。 積層磁芯と界磁発生部とを係合させる前の構成を示す断面図である。 界磁子から界磁発生部を取り除き、更に詰め合わせて空隙を無くした状態を示す断面図である。 図２の位置Ａ−Ａにおいて回転軸に平行な断面を示す断面図である。 図２の位置Ａ−Ａにおいて回転軸に平行な断面を示す断面図である。 図１３の位置Ｂ−Ｂにおいて回転軸に平行な断面を示す断面図である。 図１３の位置Ｃ−Ｑ−Ｃにおいて回転軸に平行な断面を示す断面図である。 回転電機を採用した圧縮機の構成を示す断面図である。

符号の説明

１，６ 界磁子
１１，６１ａ，６１ｂ 積層磁芯
１１ａ，１１ｂ，１４ 部分
１２，１２０ 界磁発生部
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２１，１２２ 圧粉磁芯
１２ｄ，１２３ 永久磁石
１３ 空隙
３ 電機子
４ 圧縮機

Claims (20)

1. 回転軸（Ｑ）に沿った方向に軟磁性体薄板を積層された柱状の積層磁芯（１１）と、
   前記積層磁芯の側面（１１０）よりも前記回転軸側に埋設され、前記方向に延在する複数の界磁発生部（１２；１２０）と、
   前記界磁発生部の少なくとも一端から前記回転軸とは反対側に設けられた空隙（１３）と
   を備え、
   前記界磁発生部（１２；１２０）の各々は、
   板状の永久磁石（１２ｄ；１２３）と、
   前記永久磁石に固着され、それぞれ前記永久磁石と共に鋭角の入隅を形成する第１及び第２の圧粉磁芯（１２ａ，１２ｂ；１２１，１２２）とを有し、
   前記第１の圧粉磁芯（１２ａ；１２１）は前記永久磁石よりも前記回転軸側に設けられ、
   前記第２の圧粉磁芯（１２ｂ；１２２）は前記永久磁石よりも前記側面側に設けられる、界磁子（１；６）。
2. 前記第１の圧粉磁芯（１２ａ；１２１）は、隣接する一対の前記空隙（１３）の間の中央に設けられる、請求項１記載の界磁子（１；６）。
3. 一の前記界磁発生部（１２）の両端に一対の隣接する前記空隙（１３）が設けられ、
   前記第１の圧粉磁芯（１２ａ；１２１）は、前記一の前記界磁発生部の中央に設けられる、請求項２記載の界磁子（１）。
4. 一の前記界磁発生部（１２）の両端に一対の隣接する前記空隙（１３）が設けられ、
   前記第２の圧粉磁芯（１２ｂ；１２１）は、前記一の前記界磁発生部の中央に設けられる、請求項２乃至請求項３のいずれか一つに記載の界磁子（１）。
5. 一の前記界磁発生部（１２）の両端に一対の隣接する前記空隙（１３）が設けられ、
   前記第２の圧粉磁芯（１２ｂ）は、前記一の前記界磁発生部の中央よりも界磁子の回転方向と反対側に寄って設けられる、請求項２乃至請求項３のいずれか一つに記載の界磁子（１）。
6. 前記第２の圧粉磁芯（１２２）は、前記空隙（１３）寄りに設けられる、請求項２記載の界磁子（６）。
7. 前記第１及び第２の圧粉磁芯（１２ａ，１２ｂ；１２１，１２２）は、前記永久磁石（１２ｄ，１２３）から離れるほどその断面積が広くなる、請求項１記載の界磁子（１；６）。
8. 前記空隙（１３）は前記側面よりも前記回転軸側に設けられ、
   前記界磁発生部（１２；１２０）よりも前記側面側に位置する前記積層磁芯の部分である側面部分（１１ｂ）同士は、前記空隙よりも前記側面側の前記積層磁芯の薄肉部によって相互に連結される、請求項１記載の界磁子（１）。
9. 前記界磁発生部（１２；１２０）よりも前記回転軸（Ｑ）側に位置する前記積層磁芯の部分（１１ａ）は、前記側面部分（１１ｂ）と前記薄肉部によって相互に連結される、請求項８記載の界磁子（１）。
10. 前記空隙（１３）は前記側面側で開口し、
    前記界磁発生部（１２）よりも前記回転軸側に位置する前記積層磁芯の部分（６１ａ）は、前記界磁発生部よりも前記側面側に位置する前記積層磁芯の部分である側面部分（６１ｂ）と、前記空隙（１３）によって分離されつつ前記界磁発生部によって連結される、請求項１記載の界磁子（６）。
11. 前記側面部分（６１ｂ）同士は前記空隙（１３）によって分離される、請求項１０記載の界磁子（６）。
12. 第１の前記側面部分（６１ｂ）は他の前記側面部分よりも、前記方向の一端において突出する、請求項１１記載の界磁子（６）。
13. 第２の前記側面部分（６１ｂ）は他の前記側面部分よりも、前記方向の他端において突出する、請求項１２記載の界磁子（６）。
14. 前記方向において、前記積層磁芯（１１）の長さが前記第１及び第２の圧粉磁芯の長さよりも短い、請求項１乃至請求項１１のいずれか一つに記載の界磁子（１；６）。
15. 前記方向において、前記側面部分（６１ｂ）の長さが、前記第１及び第２の圧粉磁芯の長さ、前記界磁発生部（１２）よりも前記回転軸側に位置する前記積層磁芯の部分（６１ａ）の長さのいずれよりも長い、請求項１０乃至請求項１１のいずれか一つに記載の界磁子（６）。
16. 前記界磁発生部（１２）は、前記永久磁石（１２ｄ；１２３）の磁極面と前記第１及び第２の圧粉磁芯（１２ａ，１２ｂ）との間に介在する第３の圧粉磁芯（１２ｃ）を更に有する、請求項１乃至請求項１５のいずれか一つに記載の界磁子。
17. 前記永久磁石（１２ｄ；１２３）は少なくとも希土類元素を含む焼結磁石である、請求項１乃至請求項１６のいずれか一つに記載の界磁子。
18. 前記永久磁石（１２ｄ；１２３）はバインダにより磁石粉末を集めたボンド磁石であり、前記第１及び第２の圧粉磁芯（１２ａ，１２ｂ）と共に一体化される、請求項１乃至請求項１６のいずれか一つに記載の界磁子。
19. 請求項１乃至請求項１８のいずれか一つに記載の界磁子と、前記側面と対向して配置される電機子（３）とを含む回転電機。
20. 請求項１９記載の回転電機と、前記回転電機によって駆動される圧縮機構（４１）とを備える圧縮機（４）。

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