特許 7584682 ロータリ圧縮機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-07

(45)【発行日】2024-11-15

(54)【発明の名称】ロータリ圧縮機

(51)【国際特許分類】

   F04C 29/00 20060101AFI20241108BHJP

   F04C 18/356 20060101ALI20241108BHJP

   H02K 21/16 20060101ALI20241108BHJP

【ＦＩ】

F04C29/00 T

F04C18/356 G

H02K21/16 M

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023574897

(86)(22)【出願日】2022-01-18

(86)【国際出願番号】 JP2022001568

(87)【国際公開番号】W WO2023139637

(87)【国際公開日】2023-07-27

【審査請求日】2023-11-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002941

【氏名又は名称】弁理士法人ぱるも特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】水田 貴裕

(72)【発明者】

【氏名】枦山 盛幸

【審査官】大瀬 円

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－０４８９１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０６５７５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１８４８３６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｃ ２９／００

Ｆ０４Ｃ １８／３５６

Ｈ０２Ｋ ２１／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

密閉容器と、
前記密閉容器内に設置された回転軸を有する電動機部と、
前記密閉容器内に設置され、前記回転軸の回転に連動して冷媒ガスを吸入および圧縮する圧縮機構部とを備えたロータリ圧縮機であって、
前記電動機部は、円筒状の固定子と、前記固定子の内周側に配置され前記回転軸と共に前記固定子に対して回転可能に支持された円柱状の回転子とを有し、前記回転子には径方向外側に向けて磁束を発生させる磁石と、径方向内側に向けて磁束を発生させる磁石とが周方向に交互に配置されており、
前記圧縮機構部は、円環状のシリンダと、前記回転軸の回転に連動して前記シリンダの内周面に接触しながら偏心回転するピストンと、前記ピストンを前記シリンダの内周面に向かって押さえつけるベーンとを有し、
前記回転軸と直交する方向の断面において、
前記固定子の一方向の形状異方性および前記固定子の一方向の磁気異方性の少なくとも一方に起因する前記固定子と前記回転子との間の周方向のパーミアンス分布に空間２次成分が存在すると共に、複数の前記磁石の配置に起因する前記固定子と前記回転子との間の周方向の起磁力分布に空間１次成分が存在しており、
前記回転軸の中心と前記ベーンの中心とを結ぶ直線と、前記回転軸の中心から前記パーミアンス分布の最も小さい方向に向かう直線とのなす角をαとし、前記回転軸の中心と前記起磁力分布の径方向外側に向かう磁束を発生させる前記磁石の中心とを結ぶ直線と、前記回転軸の中心と前記回転軸の中心から最も遠い前記ピストンの外径部の点とを結ぶ直線とのなす角をβとし、ｋを自然数としたときに、
１３５°＋ｋ×１８０°＜α＋β＜２０５°＋ｋ×１８０°
が成り立つことを特徴とするロータリ圧縮機。

【請求項2】

前記固定子は固定子コアと固定子コイルとを有し、前記固定子コアの内径が楕円形状であることを特徴とする請求項１に記載のロータリ圧縮機。

【請求項3】

前記固定子は固定子コアと固定子コイルとを有し、前記固定子コアは同じ向きに圧延された電磁鋼板が積層されて構成されていることを特徴とする請求項１に記載のロータリ圧縮機。

【請求項4】

前記固定子コアは、円筒状のコアバックとこのコアバックの内周側から径方向内側に突出する複数のティースとを備えており、前記ティースの径方向内側の端部には、周方向に突出した鍔部が設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載のロータリ圧縮機。

【請求項5】

前記回転子は、極数が２であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機。

【請求項6】

前記回転子は、極数が６であり、１８０°対向した位置にある２つの前記磁石の起磁力が同じであり、少なくとも１つの前記磁石の起磁力が他の前記磁石の起磁力と異なることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、ロータリ圧縮機に関する。

【背景技術】

【0002】

ロータリ圧縮機は、回転機構を有する電動機部と、電動機部の回転に同期して冷媒の吸入、圧縮および吐出を行う圧縮機構部とで構成されている。圧縮機構部に必要なトルクは、冷媒の吸入時においては零に近く、冷媒の圧縮から吐出にかけて最大となる。電動機部は、圧縮機構部の負荷トルクの最大値で設計されている。そのため、電動機部が大型になる。

【0003】

電動機部の大型化の問題に対処した従来のロータリ圧縮機として、補助磁気回路を備えたロータリ圧縮機が開示されている。この補助磁気回路は、１回転中の平均トルクが零で圧縮機構部の負荷トルクが最大となるときに正トルクが最大となるように構成されている（例えば、特許文献１参照）。このように構成されたロータリ圧縮機においては、圧縮機構部の負荷トルクと補助磁気回路のトルクとをキャンセルさせることで電動機部に必要な最大トルクを低減させている。また、別のロータリ圧縮機として、圧縮機構部を２シリンダ型としたロータリ圧縮機が開示されている（例えば、特許文献２および３参照）。このロータリ圧縮機においては、２つのシリンダで発生する負荷トルクの脈動を互いにキャンセルさせることで電動機部に必要な最大トルクを低減させている。さらに、別のロータリ圧縮機として、電動機部の回転子の磁石磁力および固定子コイルの巻き数を非対称にすることで意図的にトルク脈動を発生させるロータリ圧縮機が開示されている（例えば、特許文献４参照）。このロータリ圧縮機においては、電動機部で発生させたトルク脈動と圧縮機構部の負荷トルクの脈動とをキャンセルさせることで電動機部に必要な最大トルクを低減させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００４－２１５４２９号公報

【文献】特開２００６－２９９８０９号公報

【文献】特許４１１８２８２号公報

【文献】特開２０１８－１８３０２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来のロータリ圧縮機は、電動機部の大型化を抑制することができる。しかしながら、補助磁気回路を備えたロータリ圧縮機においては、補助磁気回路を追加する必要があるためロータリ圧縮機全体が大型になるという問題がある。また、圧縮機構部を２シリンダ型としたロータリ圧縮機においては、圧縮機構部が大型になるためロータリ圧縮機全体が大型になるという問題がある。さらに、電動機部の回転子の磁石磁力および固定子コイルの巻き数を非対称にしたロータリ圧縮機においては、ロータリ圧縮機全体は大型にはならないが、電動機部の回転子が偏心した回転となるために振動および騒音が大きいという問題がある。

【0006】

本願は、上述のような課題を解決するためになされたもので、振動および騒音の発生を抑制すると共に、電動機部に必要なトルクを低減できる小型なロータリ圧縮機を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本願のロータリ圧縮機は、密閉容器と、密閉容器内に設置された回転軸を有する電動機部と、密閉容器内に設置され、回転軸の回転に連動して冷媒ガスを吸入および圧縮する圧縮機構部とを備えている。そして、電動機部は、円筒状の固定子と、固定子の内周側に配置され回転軸と共に固定子に対して回転可能に支持された円柱状の回転子とを有し、回転子には径方向外側に向けて磁束を発生させる磁石と、径方向内側に向けて磁束を発生させる磁石とが周方向に交互に配置されており、圧縮機構部は、円環状のシリンダと、回転軸の回転に連動してシリンダの内周面に接触しながら偏心回転するピストンと、ピストンをシリンダの内周面に向かって押さえつけるベーンとを有している。そして、回転軸と直交する方向の断面において、固定子の一方向の形状異方性および固定子の一方向の磁気異方性の少なくとも一方に起因する固定子と回転子との間の周方向のパーミアンス分布に空間２次成分が存在すると共に、複数の磁石の配置に起因する固定子と回転子との間の周方向の起磁力分布に空間１次成分が存在しており、回転軸の中心とベーンの中心とを結ぶ直線と、回転軸の中心からパーミアンス分布の最も小さい方向に向かう直線とのなす角をαとし、回転軸の中心と起磁力分布の径方向外側に向かう磁束を発生させる磁石の中心とを結ぶ直線と、回転軸の中心と回転軸の中心から最も遠いピストンの外径部の点とを結ぶ直線とのなす角をβとし、ｋを自然数としたときに、１３５°＋ｋ×１８０°＜α＋β＜２０５°＋ｋ×１８０°が成り立つように構成されている。

【発明の効果】

【0008】

本願のロータリ圧縮機においては、上記の式が成り立つように構成されているので、振動および騒音の発生を抑制すると共に、電動機部に必要なトルクを低減することができる。また、本願のロータリ圧縮機においては、電動機部に必要なトルクを低減するための追加の部品を必要としないので装置が小型になる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態１に係るロータリ圧縮機の縦断面図である。

【図2】実施の形態１に係るロータリ圧縮機の圧縮機構部の横断面図である。

【図3】実施の形態１における回転軸の回転角度を定義するための説明図である。

【図4】実施の形態１に係るロータリ圧縮機における負荷トルクを示す特性図である。

【図5】実施の形態１に係るロータリ圧縮機の電動機部の横断面図である。

【図6】実施の形態１に係るロータリ圧縮機における固定子と回転子との間のパーミアンス波形の説明図である。

【図7】実施の形態１に係るロータリ圧縮機における電動機部と圧縮機構部とを重ねて示した説明図である。

【図8】実施の形態１に係るロータリ圧縮機における電動機部と圧縮機構部とを重ねて示した説明図である。

【図9】実施の形態１に係るロータリ圧縮機の定常運転における負荷トルク波形を示す特性図である。

【図10】実施の形態１に係るロータリ圧縮機の負荷トルク、コギングトルクおよび負荷トルクからコギングトルクを差し引いたトルクを示す特性図である。

【図11】実施の形態１に係る比較例のロータリ圧縮機の電動機部の横断面図である。

【図12】実施の形態１に係る比較例のロータリ圧縮機の電動機部の横断面図である。

【図13】実施の形態２に係るロータリ圧縮機の電動機部の横断面図である。

【図14】実施の形態２に係るロータリ圧縮機における磁石の起磁力を示した特性図である。

【図15】実施の形態３に係るロータリ圧縮機の電動機部の横断面図である

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本願を実施するための実施の形態に係るロータリ圧縮機について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしくは相当部分を示している。

【0011】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るロータリ圧縮機の縦断面図である。本実施の形態のロータリ圧縮機１００は、密閉容器１と、この密閉容器１の内部に配置された電動機部１０と、この電動機部１０で駆動される圧縮機構部２０とを備えている。このロータリ圧縮機１００は、運転動作時に密閉容器１の内部空間が圧縮された高圧の冷媒で満たされる、いわゆる高圧シェル型のロータリ圧縮機である。

【0012】

電動機部１０は、密閉容器１の内部に固定された円環状の固定子１１と、固定子１１の内周側に配置された円柱状の回転子１２と、回転子１２の中心に締結された回転軸１３とを有している。回転子１２は、固定子１１に対して回転自在に配置されている。回転軸１３は、電動機部１０から圧縮機構部２０まで延伸されている。これ以降、回転軸１３の長手方向を軸方向、軸方向に直交する方向を径方向、回転軸１３の回転する方向を周方向と称する。

【0013】

図２は、本実施の形態に係るロータリ圧縮機の横断面図である。図２は、図１のＡ－Ａにおける圧縮機構部２０の断面図である。圧縮機構部２０は、密閉容器１の内部に固定された円環状のシリンダ２１と、シリンダ２１の内周側に配置された偏心軸部２２と、偏心軸部２２の外周に摺動自在に嵌め合わされた円環状のピストン２３と、上軸受２４と、下軸受２５とを有している。シリンダ２１の上面に接触して配置された上軸受２４と、シリンダ２１の下面に接触して配置された下軸受２５とによりシリンダ２１の内部に圧縮室２６が形成されている。圧縮室２６の内部には、偏心軸部２２とピストン２３とが配置されている。偏心軸部２２は回転軸１３に締結されており、回転軸１３の回転で圧縮室２６の内部を回転する。ピストン２３は、偏心軸部２２と一体で圧縮室２６の内部を回転する。ピストン２３は、回転軸１３の中心から最も遠い位置のピストン２３の外周面がシリンダ２１の内周面と常に接した状態で回転する。

【0014】

密閉容器１の側面には、冷媒ガスを吸入するための吸入管２の一方の端部が接続されている。吸入管２の他方の端部は、吸入マフラー３に接続されている。冷媒ガスは、吸入マフラー３および吸入管２を経由して圧縮機構部２０の圧縮室２６に吸入される。密閉容器１の上部には、密閉容器１の内部で圧縮された冷媒ガスを吐出するための吐出管４が接続されている。

【0015】

上軸受２４は、図１に示すように、断面が逆Ｔ字形状であり圧縮室２６の上部開口を閉塞すると共に、回転軸１３を回転自在に支持している。この上軸受２４には、圧縮された高温高圧の冷媒ガスを圧縮室２６から外部に吐出する吐出ポート２４ａが設けられている。また、上軸受２４の上部には吐出ポート２４ａを覆う吐出マフラー２７が取り付けられている。この吐出マフラー２７は吐出ポート２４ａから間欠的に吐出される冷媒ガスの脈動音を低減させるために設けられている。この吐出マフラー２７には、吐出マフラー２７と上軸受２４との間に形成された空間と密閉容器１内とを連通する吐出穴が設けられている。さらに、吐出ポート２４ａの吐出マフラー２７側の出口には、開閉自在に吐出ポート２４ａを閉塞する吐出弁２４ｂが設けられている。圧縮室２６から吐出ポート２４ａを介して吐出される冷媒ガスは、吐出マフラー２７と上軸受２４との間に形成された空間に一旦吐出された後に、吐出穴から密閉容器１内へ放出される。下軸受２５は、図１に示すように、圧縮室２６の下部開口を閉塞すると共に、回転軸１３を回転自在に支持している。

【0016】

シリンダ２１には、図２に示すように、吸入管２から圧縮室２６に冷媒ガスを吸入するための吸入口２１ａと、密閉容器１内の冷媒が流入する背圧室２１ｂと、背圧室２１ｂと圧縮室２６とを連通するベーン溝部２１ｃとが設けられている。ベーン溝部２１ｃにはバネ部材で構成されたベーン２８がシリンダ２１の径方向に往復自在に挿入されている。ベーン２８の圧縮室２６側の端部は、バネ部材のピストン２３側への押圧力と背圧室２１ｂに流入する高温高圧の冷媒ガスの圧力とによって、ピストン２３の外周面に押さえつけられている。このベーン２８によって、圧縮室２６が低圧側圧縮室２６ａと高圧側圧縮室２６ｂとに分けられる。

【0017】

このように構成されたロータリ圧縮機の動作について説明する。
電動機部１０が駆動され回転軸１３が回転する。回転軸１３の回転によって偏心軸部２２が回転すると、圧縮室２６内のピストン２３が自転運動する。図２において矢印で示すように、ピストン２３の自転運動は反時計回りとする。このピストン２３の自転運動に伴って、ベーン２８で仕切られた低圧側圧縮室２６ａの容積と高圧側圧縮室２６ｂの容積とがそれぞれ増加または減少する。初めに低圧側圧縮室２６ａと吸入口２１ａとが連通し、低圧の冷媒ガスが低圧側圧縮室２６ａに吸入される。次に、ピストン２３の自転運動により高圧側圧縮室２６ｂの容積が減少し、それに伴い高圧側圧縮室２６ｂの冷媒ガスが圧縮されて冷媒ガスの温度およびガス圧が上昇する。そして、高圧側圧縮室２６ｂの高温高圧の冷媒ガスが所定の圧力に達したときに、上軸受２４の吐出弁２４ｂが開く。このとき、高温高圧となった冷媒ガスが吐出ポート２４ａから吐出マフラー２７側に吐出され、吐出マフラー２７の吐出穴を介して密閉容器１内に放出される。高圧側圧縮室２６ｂの冷媒ガスが吐出されると、高圧側圧縮室２６ｂと密閉容器１内との圧力差および吐出弁２４ｂの弾性力によって吐出弁２４ｂが閉じられる。密閉容器１内に放出された高温高圧の冷媒ガスは、密閉容器１内を上昇し、密閉容器１の上部に設けられた吐出管４から外部に吐出される。

【0018】

図３は、本実施の形態における回転軸の回転角度を定義するための説明図である。図３に示すように、回転軸１３の中心１３ｃと回転軸１３の中心１３ｃから最も遠いピストン２３の外径部の点２３ｃとを結ぶ直線と、回転軸１３の中心１３ｃとベーン２８の中心２８ｃとを結ぶ直線とのなす角を回転軸の回転角度と定義する。また、回転軸１３の中心１３ｃと、回転軸１３の中心１３ｃから最も遠いピストン２３の外径部の点２３ｃと、ベーン２８の中心２８ｃとが一直線上に並んだ位置における回転軸の回転角度を０°と定義する。回転軸の回転角度が０°の状態は、圧縮室２６は低圧側圧縮室と高圧側圧縮室２６ｂとに分けられていない状態である。これ以降、図３における回転軸１３の回転角度は反時計回りを正とする。

【0019】

図４は、一般的なロータリ圧縮機における負荷トルクを示す特性図である。図４において、横軸は回転軸の回転角度、縦軸は圧縮機構部を駆動させるために電動機部に必要とされる負荷トルクである。負荷トルクは、回転軸を時計回りに回転させる向きを正としている。ロータリ圧縮機の動作について説明したとおり、ピストンの自転運動に伴って低圧側圧縮室への冷媒ガスの吸入と高圧側圧縮室の冷媒ガスの圧縮および吐出とが繰り返される。図４に示すように、冷媒ガスの吸入時は電動機部に必要な負荷トルクはほとんど零であるのに対し、高圧側圧縮室の冷媒ガスの圧縮過程に伴い電動機部に必要な負荷トルクは増加する。冷媒ガスの圧力が所定の圧力に到達すると吐出弁が開き、高温高圧の冷媒ガスが放出されるため、電動機部に必要な負荷トルクは減少する。このように、吸入、圧縮および吐出に伴い電動機部に必要な負荷トルクがピストンの回転に伴って大きく増減する。従来のロータリ圧縮機においては、電動機部は負荷トルクの最大値に合わせて設計されるため、負荷トルクの脈動がない場合に比べて電動機部が大型になる。

【0020】

図５は、本実施の形態に係るロータリ圧縮機の横断面図である。図５は、図１のＢ－Ｂにおける電動機部１０の断面図である。電動機部１０は、密閉容器１の内部に固定された円環状の固定子１１と、固定子１１の内周側に隙間を介して配置された円柱状の回転子１２と、回転子１２の中心に締結された回転軸１３とを有している。回転子１２は、電磁鋼板が軸方向に積層されて構成された磁性体の回転子コア１２ａと、回転子コア１２ａに埋設された複数の磁石１２ｂとを有している。回転子コア１２ａは、焼き嵌めあるいは圧入などの方法で回転軸１３に締結されている。図５において、白色矢印は磁石１２ｂの着磁方向を示している。本実施の形態の回転子１２においては、径方向外側に向けて磁束が発生するように着磁された磁石１２ｂと、径方向内側に向けて磁束が発生するように着磁された磁石１２ｂとが周方向に交互に配置されている。このような磁石の配置に起因する固定子と回転子との間の周方向の起磁力分布には空間１次成分が存在する。

【0021】

固定子１１は、電磁鋼板が軸方向に積層されて構成された磁性体の固定子コア１１ａと、固定子コイル１１ｂとを有している。固定子コア１１ａは、円筒状のコアバック１１ｃとコアバック１１ｃの内周側から径方向内側に突出する複数のティース１１ｄとで構成されている。ティース１１ｄの間には固定子コア１１ａの径方向内側に開放された空間である固定子スロット１１ｅが形成されている。固定子スロット１１ｅには固定子コイル１１ｂが配置されている。固定子コイル１１ｂはティース１１ｄに集中巻きで巻かれている。それぞれのティース１１ｄの径方向内側の端部には、周方向に突出した鍔部１１ｆが設けられている。この鍔部１１ｆを設けることでティース１１ｄに起因する固定子１１のパーミアンスの脈動を小さくすることができ、後述する２山成分以外のパーミアンス脈動を低減することができる。

【0022】

図５に示す固定子１１の内径は、紙面の横方向を長軸とする楕円形状である。つまり、固定子１１は、一方向の形状異方性をもつ。また、図５に示す回転子１２の外径は真円形状である。したがって、回転子１２の外周面と固定子１１の内周面との径方向の距離である磁気ギャップは、周方向の位置で変化している。図５に示すように、磁石１２ｂの着磁方向と、図３における回転軸１３の中心１３ｃとベーン２８の中心２８ｃを結ぶ直線とのなす角を回転子の回転角度と定義する。これ以降、反時計回りの方向を回転子１２の回転角度を正とする。

【0023】

図６は、固定子と回転子との間のパーミアンス波形の説明図である。図６において、横軸は回転子の回転角度であり、縦軸はパーミアンスである。図６において、実線は図５に示す電動機部における固定子と回転子との間のパーミアンスである。パーミアンスは磁束の通り易さである。固定子の内径が楕円形状となっているために固定子と回転子との距離が短くなる位置においてパーミアンスは大きくなり、固定子と回転子との距離が長くなる位置においてパーミアンスは小さくなる。そのため、回転子の１回転の間に２つの山をもつパーミアンス波形となる。図６の破線は、固定子の内径が楕円形状であることに起因する２山成分の波形を示している。一方、固定子のティースが存在する位置においてパーミアンスは小さくなり、固定子のティースが存在しない位置においてパーミアンスは大きくなる。したがって、固定子のティースは３つであるため、回転子の１回転の間にティースに起因するパーミアンス波形は３つの山をもつことになる。したがって、固定子と回転子との間のパーミアンス波形は、２つの山をもつ波形と３つの山をもつ波形とが合成された波形となる。

【0024】

しかしながら、本実施の形態のロータリ圧縮機においては、固定子のティースに鍔部が設けられているので、ティースに起因する３つの山のパーミアンス脈動を小さくすることができる。その結果、図６の実線に示すように、本実施の形態のロータリ圧縮機においては、固定子の内径が楕円形状であることに起因する２山成分が支配的なパーミアンス波形となる。すなわち、固定子と回転子との間の周方向のパーミアンス分布には、固定子１１の一方向の形状異方性に起因する空間２次成分が存在する。なお、図６において、固定子の内径が楕円形状であることに起因するパーミアンスおよびティースの形状に起因するパーミアンスは、正弦波で近似している。

【0025】

図７は、図１のＢ－Ｂにおける電動機部１０の断面図に、図１のＡ－Ａにおける圧縮機構部２０の偏心軸部、ピストン、背圧室およびベーンを重ねて示した説明図である。また、図８は、図７において固定子の内径が楕円形状であることを強調した説明図である。なお、図８においては、煩雑を避けるために、固定子の固定子コイルおよび固定子スロットは省略されている。図８において、回転軸の中心１３ｃとベーン２８の中心２８ｃとを結ぶ直線を直線Ｃと定義する。直線Ｃは、図３で定義された回転軸の回転角度が０°の方向と一致する。そして、図８において直線Ｃから反時計回りの角度を正の方向とする。次に図６に示したパーミアンス波形において、パーミアンスが最も小さくなる回転角度の方向の直線を直線Ｄと定義する。この直線Ｄの方向は、固定子の内径が楕円形状であることから、その楕円の長軸方向と一致する。直線Ｃを基準として直線Ｃから直線Ｄへ向かう周方向の角度をαとする。

【0026】

次に、径方向外側に向けて磁束を発生する磁石１２ｂの中心と回転軸の中心１３ｃとを結ぶ直線を直線Ｅと定義する。また、回転軸の中心１３ｃから最も遠いピストン２３の外径部の点２３ｃと回転軸の中心１３ｃとを結ぶ直線を直線Ｆと定義する。そして、直線Ｅを基準として直線Ｅから直線Ｆへ向かう周方向の角度をβとする。図８において、直線Ｆは直線Ｅに対して反時計回り側に位置するためβは正の値となる。なお、直線Ｆが直線Ｅに対して時計回り側に位置する場合は、βは負の値となる。

【0027】

本実施の形態のロータリ圧縮機においては、次の式（１）が成り立つことを特徴としている。

【数1】

【0028】

なお、ｋは自然数とする。このような関係とすることで、電動機部のコギングトルクがピークとなる２つの山の回転角度と、圧縮機構部の負荷トルクがピークとなる回転角度とが一致する。そのため、本実施の形態のロータリ圧縮機においては、圧縮機構部の負荷トルクの一部を電動機部のコギングトルクが打ち消すことによって、電動機部に必要な最大トルクが低減される。その結果、本実施の形態のロータリ圧縮機は、振動および騒音の発生を抑制すると共に、電動機部に必要なトルクを低減することができる。

【0029】

これ以降、式（１）を満足することで、電動機部のコギングトルクがピークとなる２つの山の回転角度と圧縮機構部の負荷トルクがピークとなる回転角度とが一致するメカニズムについて説明する。以下の説明においては、コギングトルクの位相と負荷トルクの位相との関係が重要であるため、数式の一部において比例記号の∝を使用している。

【0030】

時刻０のときに直線Ｅと直線Ｃとが一致しているとする。図８において、直線Ｃを０°として反時計回りの方向を正として周方向の位置を角度θで表す。回転子は反時計回りに角速度ωで回転するとする。時刻ｔ、周方向の位置θにおける回転子の磁石による１極対分の起磁力Ｆ（θ、ｔ）は、次の式（２）で表される。

【0031】

【数2】

【0032】

一方、パーミアンスＰ（θ）は、次の式（３）で表される。

【数3】

【0033】

ここで、Ｃ、ＤおよびＥは定数である。磁気ギャップの磁束密度Ｂ（θ、ｔ）は、起磁力とパーミアンスとの積であり、次の式（４）となる。

【数4】

【0034】

磁気エネルギーＥ_ｇ（ｔ）は、次の式（５）で与えられる。

【数5】

【0035】

式（４）を式（５）に代入したときに、式（５）の右辺の中でθの係数が１以上の項は積分した際に零となるのでその項は無視し、θの係数が０の項だけ残して記載すると、磁気エネルギーＥ_ｇ（ｔ）は次の式（６）となる。

【数6】

【0036】

コギングトルクＴ_Ｃ（ｔ）と磁気エネルギーＥ_ｇ（ｔ）との間には次の式（７）の関係がある。

【数7】

【0037】

式（６）を式（７）に代入すると、次の式（８）の関係が得られる。

【数8】

【0038】

なお、コギングトルクについては、電動機部の回転子を反時計回りに回転させる向きを正としている。

【0039】

次に、圧縮機構部で発生する負荷トルクについて説明する。上述のとおり、負荷トルクについては電動機部の回転子を時計回りに回転させる向きを正としている。実際の負荷トルクは図４に示した波形となるが、便宜上負荷トルクの波形をＤＣオフセットを含んだ正弦波の波形で近似する。負荷トルクの大きさは、ベーンとピストンとの位相差、すなわち図８における直線Ｃと直線Ｆとの位相差によって決まるので、負荷トルクＴ_Ｌ（ｔ）は、次の式（９）で近似することができる。

【数9】

【0040】

ここで、Ｇ、Ｈは定数である。γは負荷トルク波形の位相項であり、後述のとおり運転条件によって負荷トルクのピークとなる回転角度がばらつく範囲を示すパラメータである。式（８）と式（９）とを比較して、Ｔ_Ｃ（ｔ）のピークとＴ_Ｌ（ｔ）のピークとが一致するためには、次に示す式（１０）および式（１１）が成り立つことが必要である。

【数10】

【数11】

【0041】

式（１０）と式（１１）とを合わせると、次の式（１２）が得られる。

【数12】

【0042】

ここで、ｎ、ｍ、ｋは自然数である。
図９は、シミュレーションによる定常運転における負荷トルク波形を示す特性図である。図９において、横軸は回転軸の回転角度、縦軸は圧縮機構部の負荷トルクである。定常運転として、定格条件での運転と中間条件での運転との例を示す。例えば、定格条件においては低圧側圧縮室のガス圧に対する高圧側圧縮室のガス圧が３５０％以上であり、中間条件においては低圧側圧縮室のガス圧に対する高圧側圧縮室のガス圧が２００％～３００％である。なお、シミュレーションにおいては、β＝０°としている。

【0043】

図９に示すように、中間条件での運転では比較的小さい回転角度で吐出弁が開口するが、定格条件での運転ではそれより大きい回転角度で吐出弁が開口する。図９からわかるように、負荷トルク波形の位相項であるγは、定常運転においては１８０°より大きく２５０°より小さい範囲となる。したがって、式（１２）で与えられるγの範囲を次の式（１３）のように設定すれば、定常運転において電動機部のコギングトルクと圧縮機構部の負荷トルクとが打ち消し合って、電動機部に必要な最大トルクを低減することができる。

【0044】

【数13】

式（１３）を書き換えると、上述の式（１）となる。

【0045】

図１０は、α＝９０°、β＝６５°としたときの圧縮機構部の負荷トルク、電動機部のコギングトルクおよび負荷トルクからコギングトルクを差し引いたトルクを示す特性図である。図１０において、横軸は回転子の回転角度、縦軸はトルクである。図１０において、破線は圧縮機構部の負荷トルクを、一点破線は電動機部のコギングトルクを、実線は負荷トルクからコギングトルクを差し引いたトルクをそれぞれ示している。負荷トルクからコギングトルクを差し引いたトルクが電動機部に必要なトルクである。α＋β＝１５５°となるので、ｋ＝０であれば式（１）を満足する。図１０に示すように、負荷トルクからコギングトルクを差し引いたトルク波形のピークは、負荷トルクの波形のピークより減少している。すなわち、式（１）の条件を満足することで、電動機部のコギングトルクと圧縮機構部の負荷トルクとが打ち消し合って、電動機部に必要な最大トルクを低減することができる。

【0046】

次に、回転子の磁石磁力および固定子コイルの巻き数を非対称にした電動機部を備えた比較例のロータリ圧縮機との違いについて説明する。
図１１は、本実施の形態に係る比較例のロータリ圧縮機の電動機部の断面図である。図１１に示す比較例の電動機部１０は、極数が６であり、固定子スロット数が９である。図１１において、回転子１２の右側を領域Ａ、左側を領域Ｂとする。また、固定子１１の右側を領域Ｃ、左側を領域Ｄとする。回転子１２の回転によって、領域Ａおよび領域Ｂは回転移動する。この比較例のロータリ圧縮機においては、回転子１２の領域Ａに存在する磁石１２ｂの磁力に対して領域Ｂに存在する磁石１２ｂの磁力が小さくなっている。また、固定子１１の領域Ｃに存在する固定子コイル１１ｂの巻き数に対して、領域Ｄに存在する固定子コイル１１ｂの巻き数が少なくなっている。回転子の磁石磁力および固定子コイルの巻き数を非対称にしたこの電動機部においては、１回転に付き１回のトルク脈動が発生する。このような構成とすることで、電動機部に発生するトルク脈動で圧縮機構部の負荷トルクの脈動を打ち消すことができるので電動機部に必要な最大トルクを低減することができる。

【0047】

しかしながら、この比較例のロータリ圧縮機の電動機部は、騒音および振動が大きいという問題がある。図１１に示す固定子と回転子との位置関係では、回転子の領域Ａと固定子の領域Ｃとが対向しており、回転子の領域Ｂと固定子の領域Ｄとが対向している。この位置関係においては、領域Ａと領域Ｃとの間に働く吸引力または反発力よりも領域Ｂと領域Ｄとの間に働く吸引力または反発力が小さくなる。そのため、この位置関係のときは、回転軸１３に対して紙面の横方向に偏心させる力が発生する。一方、図１２に示すように回転子１２が１８０°回転した場合、回転子の領域Ａと固定子の領域Ｄとが対向しており、回転子の領域Ｂと固定子の領域Ｃとが対向している。この位置関係においては、領域Ａと領域Ｄとの間に働く吸引力または反発力と、領域Ｂと領域Ｃとの間に働く吸引力または反発力とがほぼ同じとなる。そのため、この位置関係のときは、回転軸１３に対して紙面の横方向に偏心させる力はほとんど発生しない。したがって、比較例のロータリ圧縮機の電動機部においては、回転軸を偏心させる力が周期的に発生することになり、これが騒音および振動の発生要因となる。

【0048】

これに対して本実施の形態のロータリ圧縮機の電動機部においては、１８０°対向した位置にある２つの磁石の起磁力は大きさおよび方向が同じである。そして、固定子と回転子との間のパーミアンスは、図６に示したとおり、２つの山の波形となっている。そのため、一方の磁石に吸引力が働いた場合、その１８０°対向した位置にある磁石には同じ力の吸引力が働く。同様に、一方の磁石に反発力が働いた場合、その１８０°対向した位置にある磁石には同じ力の反発力が働く。その結果、本実施の形態のロータリ圧縮機の電動機部においては、回転軸を偏心させる力は発生しないので、騒音および振動の発生を抑制することができる。

【0049】

上述のように、本実施の形態のロータリ圧縮機においては、固定子と回転子との間の周方向のパーミアンス分布に空間２次成分が存在すると共に、磁石によって発生する周方向の起磁力分布に空間１次成分が存在する。そして、本実施の形態のロータリ圧縮機においては、回転軸と直交する方向の断面において、回転軸の中心とベーンの中心とを結ぶ直線と、回転軸の中心からパーミアンス分布の最も小さい方向に向かう直線とのなす角をαとし、回転軸の中心と回転軸の中心から最も遠いピストンの外径部の点とを結ぶ直線と、回転軸の中心と起磁力分布の径方向外側に向かう磁束を発生する磁石の中心とを結ぶ直線とのなす角をβとし、ｋを自然数としたときに、１３５°＋ｋ×１８０°＜α＋β＜２０５°＋ｋ×１８０°が成り立つように構成されている。そのため、本実施の形態のロータリ圧縮機は、振動および騒音の発生を抑制すると共に、電動機部に必要なトルクを低減することができる。その結果、電動機部の大型化を抑制することができる。さらに、本実施の形態のロータリ圧縮機においては、電動機部に必要なトルクを低減するための追加の部品を必要としないので装置が小型になる。

【0050】

なお、本実施の形態のロータリ圧縮機において電動機部の構造は極数が２であり、固定子スロット数が３であるが、この構造に限定されるものではない。また、本実施の形態の回転子は、回転子コアに磁石が埋設されたいわゆる埋め込み磁石型回転子であるが、表面磁石型回転子であってもよい。

【0051】

実施の形態２．
実施の形態２に係るロータリ圧縮機の構成は、実施の形態１で示したロータリ圧縮機の構成と同様であるが、電動機部の構成が異なっている。図１３は、本実施の形態に係るロータリ圧縮機の横断面図である。図１３は、電動機部の断面図である。

【0052】

図１３に示すように、本実施の形態に係るロータリ圧縮機の電動機部１０は、極数が６であり、固定子スロット数は９である。固定子１１の内径は楕円形状であり、回転子１２の外径は真円形状である。したがって、回転子１２の外周面と固定子１１の内周面との径方向の距離である磁気ギャップは、周方向の位置で変化している。６極の磁石１２ｂは周方向に均等に配置されている。それぞれの磁石１２ｂを反時計回りに磁石Ａ、磁石Ｂ、磁石Ｃ、磁石Ｄ、磁石Ｅおよび磁石Ｆとする。また、それぞれの磁石の起磁力をＭ_Ａ、Ｍ_Ｂ、Ｍ_Ｃ、Ｍ_Ｄ、Ｍ_ＥおよびＭ_Ｆとする。図１３において、白色矢印は磁石１２ｂの着磁方向を示している。すなわち、本実施の形態の回転子１２においては、径方向外側に向けて磁束が発生するように着磁された磁石１２ｂと、径方向内側に向けて磁束が発生するように着磁された磁石１２ｂとが周方向に交互に配置されている。そして、磁石Ａの起磁力と磁石Ａと１８０°対向する位置の磁石Ｄの起磁力とが同じであり、それ以外の磁石の起磁力が同じでかつ磁石Ａおよび磁石Ｄの起磁力よりも小さくなっている。すなわち、次の式（１４）の関係が成り立っている。

【0053】

【数14】

【0054】

図１４は、本実施の形態における磁石の起磁力を示した特性図である。図１４において、横軸は周方向の位置、縦軸は磁石の起磁力である。縦軸の起磁力は、起磁力の方向が径方向外側を正としている。図１４において、実線は各磁石による起磁力分布を示している。各磁石の起磁力分布は、矩形波で近似している。磁石Ａおよび磁石Ｄの起磁力は、他の磁石の起磁力より大きくなっている。そのため、各磁石による実際の起磁力分布は２極相当の起磁力分布となる。図１４において、破線は２極相当の起磁力分布を示している。すなわち、各磁石による実際の起磁力分布の形状は、破線に示す２極相当の起磁力分布と同じ形状となる。その結果、本実施の形態の電動機部においても、磁石の配置に起因する固定子と回転子との間の周方向の起磁力分布には空間１次成分が存在する。

【0055】

実施の形態１のロータリ圧縮機においては、極数を２として２極の起磁力分布を発生させていた。本実施の形態のロータリ圧縮機のように、極数を６としても２極相当の起磁力分布を発生させることは可能である。このように構成されたロータリ圧縮機においても、実施の形態１と同様に式（１）の条件を満足することで、電動機部のコギングトルクと圧縮機構部の負荷トルクとが打ち消し合って、電動機部に必要な最大トルクを低減することができる。

【0056】

なお、実施の形態１の図８で説明したβを定義するためには、回転子の構造に係る直線Ｅを定義する必要がある。本実施の形態の回転子においては、図１４に示すように、２極相当の起磁力分布において径方向外側に向かう磁束を発生する磁石Ａの中心と回転軸の中心１３ｃとを結ぶ直線が直線Ｅとなる。

【0057】

本実施の形態のロータリ圧縮機においては、６極の回転子において式（１４）の関係を満足することで２極相当の起磁力分布を発生させている。６極の回転子において２極相当の起磁力分布を発生させるためには、少なくとも１つの極の起磁力が他の極の起磁力と異なっていればよい。例えば、図１３に示す回転子と同様な６極の回転子において、次の式（１５）が成り立っていれば２極相当の起磁力分布を発生させることができる。

【0058】

【数15】

【0059】

また、別の６極の回転子において、次の式（１６）が成り立っていれば２極相当の起磁力分布を発生させることができる。

【0060】

【数16】

【0061】

ただし、２極相当の起磁力分布を発生させるためには、径方向外側に向けて磁束を発生する１つの磁石の起磁力と、１８０°対向する位置に配置された磁石の起磁力とが同じである必要がある。これらの磁石の起磁力が異なる場合、回転子に対して回転軸を偏心させる力が周期的に発生する。また、全ての磁石の起磁力が同じ場合は、２極相当の起磁力分布を発生させることができない。

【0062】

実施の形態３．
実施の形態３に係るロータリ圧縮機の構成は、実施の形態１で示したロータリ圧縮機の構成と同様であるが、電動機部の構成が異なっている。図１５は、本実施の形態に係るロータリ圧縮機の横断面図である。図１５は、電動機部の断面図である。

【0063】

図１５に示すように、本実施の形態に係るロータリ圧縮機の電動機部１０は、極数が２であり、固定子スロット数は３である。固定子１１の内径は真円形状であり、回転子１２の外径も真円形状である。したがって、回転子１２の外周面と固定子１１の内周面との径方向の距離である磁気ギャップは、周方向の位置で一定である。

【0064】

本実施の形態のロータリ圧縮機の固定子コア１１ａは、図１５の紙面横方向の圧延された電磁鋼板が積層されて一体化されている。圧延された電磁鋼板において、圧延方向の比透磁率は、圧延方向と直交する方向の比透磁率に比べて大きいことが知られている。したがって、図１５に示す固定子コア１１ａにおいては、紙面横方向の比透磁率が大きく、紙面縦方向の比透磁率が小さくなっている。つまり、固定子１１は、一方向の磁気異方性をもつ。このように構成されたロータリ圧縮機の電動機部においては、固定子１１と回転子１２との間に２つの山をもつパーミアンス脈動を発生させることができる。すなわち、本実施の形態のロータリ圧縮機の電動機部においては、固定子と回転子との間の周方向のパーミアンス分布には、固定子の一方向の磁気異方性に起因する空間２次成分が存在する。したがって、このように構成されたロータリ圧縮機においても、実施の形態１と同様に式（１）の条件を満足することで、電動機部のコギングトルクと圧縮機構部の負荷トルクとが打ち消し合って、電動機部に必要な最大トルクを低減することができる。

【0065】

なお、実施の形態１の図８で説明したαを定義するためには、固定子の構造に係る直線Ｄを定義する必要がある。直線Ｄは、パーミアンスが最も小さくなる回転角度の方向の直線である。本実施の形態の固定子においては、図１５に示すように、電磁鋼板の圧延方向と直交する方向が直線Ｄとなる。

【0066】

本実施の形態において、固定子コアに用いる電磁鋼板は、無方向性電磁鋼板および方向性電磁鋼板のいずれであってもよい。圧延方向の比透磁率と圧延方向と直交する方向の比透磁率との差は、無方向性電磁鋼板に比べて方向性電磁鋼板の方が大きい。そのため、固定子コアに方向性電磁鋼板を用いた方が２つの山をもつパーミアンス脈動が大きくなり、電動機部に必要な最大トルクを低減する効果が大きくなる。

【0067】

また、本実施の形態において、固定子１１の内径は真円形状としているが、楕円形状でもよい。固定子１１の内径を楕円形状とする場合は、楕円の短軸方向と電磁鋼板の圧延方向とを同じ方向とすることが好ましい。楕円の短軸方向と電磁鋼板の圧延方向とを同じ方向とすることで、２つの山をもつパーミアンス脈動がさらに大きくなり、電動機部に必要な最大トルクを低減する効果が大きくなる。

【0068】

本願は、様々な例示的な実施の形態が記載されているが、１つまたは複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
したがって、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

【符号の説明】

【0069】

１ 密閉容器、２ 吸入管、３ 吸入マフラー、４ 吐出管、１０ 電動機部、１１ 固定子、１１ａ 固定子コア、１１ｂ 固定子コイル、１１ｃ コアバック、１１ｄ ティース、１１ｅ 固定子スロット、１１ｆ 鍔部、１２ 回転子、１２ａ 回転子コア、１２ｂ 磁石、１３ 回転軸、２０ 圧縮機構部、２１ シリンダ、２１ａ 吸入口、２１ｂ 背圧室、２１ｃ ベーン溝部、２２ 偏心軸部、２３ ピストン、２４ 上軸受、２４ａ 吐出ポート、２４ｂ 吐出弁、２５ 下軸受、２６ 圧縮室、２６ａ 低圧側圧縮室、２６ｂ 高圧側圧縮室、２７ 吐出マフラー、２８ ベーン。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】