专利名称：永磁式旋转电机及使用该电机的压缩机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在转子上具有形成磁场用的永磁铁的永磁式旋转电机，尤其涉及一种搭载在空调器、冷藏库及冷冻库等压缩机中的永磁式旋转电机。
背景技术：
以前，在这种永磁式旋转电机中，采用多种多样的形状。例如，在特开2000-175389号公报所述的永磁式旋转电机中，通过设定对转子铁芯的磁极的一侧进行切削后的外周面形状并将其沿轴方向反转进行层叠，而形成模拟倾斜，减少与产生噪音有关的齿槽转矩(cogging torque)。在特开2002-84693号公报所述的永磁式旋转电机中，通过设定距永磁铁的转子轴心的有效磁极开度θ2与其间隙长g2、使两种间隙长与磁极开度的关系最佳化，而减少关系到噪音的发生的齿槽转矩。
另外，驱动压缩机的旋转电机，如特开2000-175389号公报(参照图7)所公开的，为了得到制造简单、小型的旋转电机，而集中缠绕定子绕组，使用在转子中采用永磁铁的永磁式旋转电机。
另外，为了减少永磁式旋转电机的运转过程中的脉动转矩和随之产生的噪音，例如特开平5-103453号公报(参照图1)所公开的，在被安装的永磁铁的外径侧的转子铁芯上沿层叠方向形成空间。
在上述现行技术中，着眼于减少齿槽转矩，但作为旋转电机影响噪音问题的是伴随包含齿槽转矩的旋转电机结构而产生的脉动转矩的大小。
尤其是在定子铁芯上所形成的多个槽内以绕在T形部上的方式进行集中绕组的电枢绕组的情况，因为电枢绕组自身与分布绕组的180度线圈不相同、为120度线圈，所以含有5次、7次、11次、13次、17次、19次……的多个高次谐波磁势，对转子来说，为6次、12次、18次……的脉动转矩，齿槽转矩也基本上为6次成分，因此在运转过程中的脉动转矩变大，常常成为引起噪音问题的原因。为了减少这些问题，虽然可以在转子或定子铁芯上实施倾斜，但是即使只减小齿槽转矩，有也不能大幅度降低实际的脉动转矩的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减小齿槽转矩及脉动转矩，并可解决噪音问题的永磁式旋转电机。
为了实现上述目的，本发明提出一种永磁式旋转电机，具有在定子铁芯上所形成的多个槽内、以绕在T形部上的方式实行集中绕组的电枢绕组的定子，于在转子铁芯上所形成的多个永磁铁插孔中收纳有永磁铁的转子、被间隔开间隙地并可自由转动地支撑在定子的内周上；在将永磁铁的磁通轴取作d轴、与其垂直的轴取作q轴时，将设在转子铁芯上的永磁铁插孔配置在轴方向同一位置上，并且为了将永磁铁的磁通进行集束而形成使q轴侧的间隙长大于d轴侧的间隙长的磁极铁芯，在磁极铁芯外周面上设置多个间隙面，并将磁极铁芯位置以相对轴方向呈阶梯状错开的方式进行配置。
本发明另提出一种永磁式旋转电机，具有在定子铁芯上所形成的多个槽内、以绕在T形部上的方式实行集中绕组的电枢绕组的定子，于在转子铁芯上所形成的多个永磁铁插孔中收纳有永磁铁的转子、被间隔开间隙地并可自由转动地支撑在定子的内周上；在将永磁铁的磁通轴取作d轴、与其相垂直的轴取作q轴时，将设在转子铁芯上的永磁铁插孔配置在轴方向同一位置上，并且为了将永磁铁的磁通进行集束而形成使q轴侧的间隙长大于d轴侧的间隙长的磁极铁芯，在磁极铁芯外周面上设置多个间隙面，将间隙长小的磁极铁芯的开度处于电角度大致为90度到120度的范围内，并将磁极铁芯以相对轴方向呈阶梯状错开的方式进行配置。
本发明进一步提出一种永磁式旋转电机，具有在定子铁芯上所形成的多个槽内、以绕在T形部上的方式实行集中绕组的电枢绕组的定子，于在转子铁芯上所形成的多个永磁铁插孔中收纳有永磁铁的转子、被间隔开间隙地并可自由转动地支撑在定子的内周上；在将永磁铁的磁通轴取作d轴、与其相垂直的轴取作q轴时，将设在转子铁芯上的永磁铁插孔配置在轴方向同一位置上，并且为了将永磁铁的磁通进行集束而形成q轴侧的间隙长比d轴侧的间隙长大的磁极铁芯，将磁极铁芯的圆弧状部分相对d轴中心设置成左右不对称、并在磁极铁芯外周面上设置多个间隙面，将磁极铁芯位置以相对轴方向呈V字形错开的方式进行配置。
本发明进一步提出一种永磁式旋转电机，具有在定子铁芯上所形成的多个槽内、以绕在T形部上的方式实行集中绕组的电枢绕组的定子，于在转子铁芯上所形成的多个永磁铁插孔中收纳有永磁铁的转子、被间隔开间隙地并可自由转动地支撑在定子的内周上；在将永磁铁的磁通轴取作d轴、与其垂直的轴取作q轴时，将设在转子铁芯上的永磁铁插孔配置在轴方向同一位置上，并且为了将永磁铁的磁通进行集束而形成使q轴侧的间隙长大于d轴侧的间隙长的磁极铁芯，将磁极铁芯的圆弧状部分相对d轴中心设置成左右不对称、并在该磁极铁芯外周面上设置多个间隙面，将间隙长小的该磁极铁芯的开度处于电角度大致为90度到120度的范围内，并将磁极铁芯位置以相对轴方向呈V字形错开的方式进行配置。
本发明进一步提出一种永磁式旋转电机，具有在定子铁芯上所形成的多个槽内、以绕在T形部上的方式实行集中绕组的电枢绕组的定子，于在转子铁芯上所形成的多个永磁铁插孔中收纳有永磁铁的转子、被间隔开间隙地并可自由转动地支撑在定子的内周上；在将永磁铁的磁通轴取作d轴、与其相垂直的轴取作q轴时，将设在转子铁芯上的永磁铁插孔配置在轴方向同一位置上，并且为了将永磁铁的磁通进行集束而形成使q轴侧的间隙长大于d轴侧的间隙长的磁极铁芯，将磁极铁芯的圆弧状部分相对d轴中心设置成左右不对称并在磁极铁芯外周面上设置多个间隙面，将磁极铁芯位置相对轴方向呈阶梯状错开，并且磁极铁芯的轴方向上下部为同一形状。
本发明进一步提出一种永磁式旋转电机，具有在定子铁芯上所形成的多个槽内、以绕在T形部上的方式实行集中绕组的电枢绕组的定子，在转子铁芯上所形成的多个永磁铁插孔中收纳有永磁铁的转子、被间隔开间隙地并可自由转动地支撑在定子的内周上；在将永磁铁的磁通轴取作d轴、与其垂直的轴取作q轴时，将设在转子铁芯上的永磁铁插孔配置在轴方向同一位置上，并且为了将永磁铁的磁通进行集束而形成使q轴侧的间隙长大于d轴侧的间隙长的磁极铁芯，将该磁极铁芯的圆弧状部分相对d轴中心设置成左右不对称、并在磁极铁芯外周面上设置多个间隙面，将间隙长小的磁极铁芯的开度处于电角度大致为90度到120度的范围内，将磁极铁芯位置相对轴方向呈阶梯状错开，并且磁极铁芯的轴方向上下部为同一形状。
本发明进一步提出一种永磁式旋转电机，具有在定子铁芯上所形成的多个槽内、以绕在T形部上的方式实行集中绕组的电枢绕组的定子，于在转子铁芯上所形成的多个永磁铁插孔中收纳有永磁铁的转子、被间隔开间隙地并可自由转动地支撑在定子的内周上；在将永磁铁的磁通轴取作d轴、与其相垂直的轴取作q轴时，将设在转子铁芯上的永磁铁插孔配置在轴方向同一位置上，并且为了将永磁铁的磁通进行集束而形成使q轴侧的间隙长大于d轴侧的间隙长的磁极铁芯，将磁极铁芯的圆弧状部分相对d轴中心设置成左右不对称、并在磁极铁芯外周面上设置多个间隙面，将磁极铁芯位置相对轴方向呈阶梯状错开，并且磁极铁芯的轴方向上下部为不同的形状。
本发明进一步提出一种永磁式旋转电机，具有在定子铁芯上所形成的多个槽内、以绕在T形部上的方式实行集中绕组的电枢绕组的定子，于在转子铁芯上所形成的多个永磁铁插孔中收纳有永磁铁的转子、被间隔开间隙地并可自由转动地支撑在定子的内周上；在将永磁铁的磁通轴取作d轴、与其相垂直的轴取作q轴时，将设在转子铁芯上的永磁铁插孔配置在轴方向同一位置上，并且为了将永磁铁的磁通进行集束而形成使q轴侧的间隙长大于d轴侧的间隙长的磁极铁芯，将磁极铁芯的圆弧状部分相对d轴中心设置成左右不对称、并在磁极铁芯外周面上设置多个间隙面，将磁极铁芯位置相对轴方向呈阶梯状错开，并且将间隙长小的磁极铁芯的开度处于电角度大致为90度到120度的范围内，磁极铁芯的轴方向上下部为不同的形状。
本发明进一步提出一种永磁式旋转电机，具有在定子铁芯上所形成的多个槽内、以绕在T形部上的方式实行集中绕组的电枢绕组的定子，于在转子铁芯上所形成的多个永磁铁插孔中收纳有永磁铁的转子、被间隔开间隙地并可自由转动地支撑在该定子的内周上；在将永磁铁的磁通轴取作d轴、与其相垂直的轴取作q轴时，将设在转子铁芯上的永磁铁插孔配置在轴方向同一位置上，并且为了将该永磁铁的磁通进行集束而形成使q轴侧的间隙长大于d轴侧的间隙长的磁极铁芯，将磁极铁芯的圆弧状部分相对d轴中心设置成左右不对称、并在磁极铁芯外周面上设置多个间隙面，还设置有将磁极铁芯位置相对轴方向呈阶梯状错开的磁极铁芯I、和在该磁极铁芯外周面设置单一的间隙面的磁极铁芯II，且在磁极铁芯I的大致中间处配置磁极铁芯II。
可知为了减小将在转子铁芯中嵌入磁铁的嵌入磁铁结构和在形成于定子铁芯上的多个槽内、以绕在T形部上的方式实行集中绕组的电枢绕组的定子结构进行组合的永磁式旋转电机的噪音，而只要降低由定子与转子结构产生齿槽转矩即可，并针对其提出了多种方法。在本发明中，转子的转矩是电磁转矩，这同样是由定子与转子的结构引起的，但因为集中绕组的电枢绕组与现行的分布绕组的180线圈不相同，为120度线圈，所以即使供给正弦波电流，在线圈的磁势中也含有5次、7次、11次、13次、17次、19次……的多个高次谐波磁势成分，对转子来说，为6次、12次、18次……的脉动转矩，齿槽转矩也基本上为6次成分，因此在运转过程中的脉动转矩变大，常常成为引起噪音问题的原因。在此，在本发明中没有降低齿槽转矩，而使齿槽转矩发生，并将与基于电枢绕组的脉动转矩的相位差成为180度来有效地抵消齿槽转矩与基于电枢绕组的脉动转矩，以降低成为运转过程中产生噪音的原因的转子的脉动转矩。其结构是，在具有在定子铁芯上所形成的多个槽内、以绕在T形部上的方式实行集中绕组的电枢绕组的定子，于在转子铁芯上所形成的多个永磁铁插孔中收纳有永磁铁的转子、被间隔开间隙地并可自由转动地支撑在定子的内周上的永磁式旋转电机中，在将永磁铁的磁通轴取作d轴、与其垂直的轴取作q轴时，将设在转子铁芯上的永磁铁插孔配置在轴方向同一位置上，并且为了将永磁铁的磁通进行集束而形成使q轴侧的间隙长大于d轴侧的间隙长的磁极铁芯，在磁极铁芯外周面上设置多个间隙面，并将磁极铁芯位置以相对轴方向呈阶梯状错开的方式进行配置，据此，齿槽转矩与基于电枢绕组的脉动转矩的相位差成为180度，使齿槽转矩与基于电枢绕组的脉动转矩有效地进行抵消，以降低成为动转中产生噪音的原因的转子的脉动转矩。另外，遵照该原理，必须按各旋转电机来齿槽转矩的大小，但对于此可通过在固定铁芯的T形部内周面的磁极片上施以斜切来进行调整。因而，能够提供一种确保旋转电机的必要输出且噪音小的永磁式旋转电机。
另外，本发明为实现上述目的，作为永磁式旋转电机，设有具有集中缠绕定子绕组的定子铁芯的定子、和沿轴方向安装永磁铁而形成磁极并具有在周方向间隔开间隙地与上述定子铁芯相对向的转子铁芯的转子，将第1转子铁芯与第2转子铁芯层叠而构成上述转子铁芯，且在上述第2转子铁芯的上述永磁铁的外径侧，沿转子铁芯层叠方向形成有相对磁极中心对称的空间。
在上述结构中，通过在上述第2转子铁芯上形成空间，转子铁芯由沿层叠方向存在空间的部分与不存在空间的部分构成。其结果，因脉动转矩及感应电动势的主要高次谐波成分的相位差大致为180度而能够抵消高次谐波。这样，因为抵消产生振动噪音的主要原因的高次谐波并使感应电动势接近正弦波，所以能够抑制电磁激振力的发生。
另外，因为第1转子铁芯与第2转子铁芯的磁极位置相同、及在第2转子铁芯上存在有层叠方向的空间，所以在各磁极截面的感应电动势的基波上不产生相位差，其结果，不会降低发生转矩，同时又可减少脉动转矩和伴随其产生的噪音。
图1是表示本发明的永磁式旋转电机的实施例1的径向截面形状的剖视图。
图2是表示本发明的实施例1的定子的径向截面形状的剖视图。
图3是将图1的转子放大、表示转子径向截面形状的剖视图。
图4是表示本发明的永磁式旋转电机的实施例1的转子的立体图。
图5是表示本发明的永磁式旋转电机的实施例1的脉动转矩的示意图。
图6是表示本发明的永磁式旋转电机的实施例2的转子的径向截面形状的剖视图。
图7是本发明的永磁式旋转电机的实施例2的转子的立体图。
图8是本发明的永磁式旋转电机的实施例3的转子的放大立体图。
图9是本发明的永磁式旋转电机的实施例4的转子的放大立体图。
图10是本发明的永磁式旋转电机的实施例5的转子的放大立体图。
图11是本发明的永磁式旋转电机的实施例6的转子的放大立体图。
图12是本发明的永磁式旋转电机的实施例7的转子的放大立体图。
图13是本发明的永磁式旋转电机的实施例8的转子的放大立体图。
图14是本发明的压缩机的截剖面形状。
图15是本发明的压缩机的截面面形状。
图16是表示本发明的永磁式旋转电机的实施例9的径向剖视图。
图17是表示图16所示的永磁式旋转电机的转子的放大立体图。
图18是表示图16所示的永磁式旋转电机的脉动转矩的测定结果的波形图。
图19是表示图16所示的永磁式旋转电机的感应电动势的测定结果的波形图。
图20是表示本发明的永磁式旋转电机的实施例10的与图17相当的示意图。
图21是表示本发明的永磁式旋转电机的实施例11的与图16相当的示意图。
图22是表示本发明的永磁式旋转电机的实施例12的与图16相当的示意图。
图中1、103-永磁式旋转电机，2、108-定子，3、107-转子，4-T形部，5、120-磁轭(yoke)，6、116-定子铁芯，7、118-槽部，8-电枢绕组，9-T形部圆弧状部分，10-斜切部，11、109-转子铁芯，12、20-永磁铁插孔，13、21、112、112A、112B-永磁铁，14-轴孔，15、22-凹部，16、19、25、26-磁极铁芯，17、23-圆弧凹部，18、24-磁极部，27-静涡盘部件，28、31-端板，29、32-卷板，30-动涡盘部件，33-轴，34-压缩室，35-排出口，36-机架，37-压缩容器，38-排出管，39-油孔，40-储油部，41-滑动轴承，42-轴承，110A-第1转子铁芯，110B-第2转子铁芯，110a-第1转子铁芯单元，110b-第2转子铁芯单元，114、114A、114B-空间，117(117U～117W)-定子绕组，119-齿部，121-曲面，122A、122B-平坦面。
具体实施例方式
以下，参照图1～图15对本发明的实施例进行详细说明。在各图中，通用的符号表示同一部件。另外，在此出示了4极的永磁式旋转电机，并且转子的极数与定子的槽数的比为2∶3。
图1表示了本发明的永磁式旋转电机的实施例1的径向截面形状，图2表示了本发明的实施例1的定子的径向截面形状的放大图，图3表示了本发明的实施例1的转子的径向截面形状的放大图。在图1(a)、图2中，永磁式旋转电机1由定子2与转子3构成。定子2由以T形部4与磁轭5组成的定子铁芯6、和在T形部4之间的槽部7内、以绕在T形部4上的方式被缠绕的集中绕组的电枢绕组8(由三相线圈的U相线圈8a、V相线圈8b、W相线圈8c组成)构成。在此，因为永磁式旋转电机1是4极6槽，所以槽间距是120度电角度。在与T形部4的转子3相对置的内周面上，设有圆弧状部分9和以渐渐地自转子3的外周面离开的方式形成的斜切部10。
在图1(a)、图3(a)中，转子3在转子铁芯11上所形成的一字形的永磁铁插孔12中收纳永磁铁13、并由用于与旋转轴(未图示)相嵌合的轴孔14组成。在此，将沿转子3的磁极中心方向延伸的轴取作d轴，将沿与磁极中心方向间隔90度电角度的磁极之间的方向延伸的轴取作q轴。通过在转子铁芯11的外周面的极之间(q轴)侧设置组合2个沿直线状切削的略V字形的形状的凹部15，而形成起到使永磁铁13的磁通向磁极侧集束的作用的磁极铁芯16。该磁极铁芯16，取与槽间距大致相等的磁极开度θ1，并且通过大致被切削成圆弧状的圆弧凹部17形成比磁极开度θ1窄的磁极开度θ2的磁极部18。其结果，转子3的磁极面的最外周为磁极开度θ2的磁极部18，接着为磁极开度θ1，再为凹部15，因为在磁极开度θ2与磁极开度θ1之间使一侧相同，所以用○标记表示的A部的阶梯被形成在磁极部18的右侧(从转子3的中心O观察)。另外，设置有多个空隙，该多个空隙，从d轴观察，相对于到阶梯A部的角度θ3、到磁极铁芯16的端部的角度为θ4时呈θ4＞θ3，并且磁极部18为非对称，磁极部18与定子2的T形部4间的间隙长g1较短，当把圆弧凹部17与定子2的T形部4之间的间隙长设为g2时，呈g2＞g1的关系。
图1(b)、图3(b)是表示在另一轴方向位置的截面的径向截面形状，在图1(b)图3(b)中，与图1(a)、图3(a)不同的是，在转子铁芯11的d轴侧外周面上，形成与槽间距大致相等的磁极角度θ1的磁极铁芯16，并且，在其两侧通过切削成圆弧状的圆弧凹部17形成比磁极开度θ1窄的磁极开度θ2的磁极部18。在此，因为将磁极开度θ2配置在磁极中心，所以在磁极开度θ1与磁极开度θ2之间用○标记表示的A部与B部的阶梯、被形成在磁极部18的两侧。从d轴看，若到阶梯A、B部的角度为θ5，则呈θ4＜θ5＜θ3的关系。
图1(c)、图3(c)是表示在又一轴方向位置的截面的径向截面形状，在图1(c)、图3(c)中，与图1(a)、图3(a)不同的是，在转子铁芯11的d轴侧外周面上，形成与槽间距大致相等的磁极角度θ1的磁极铁芯16，并且，通过大致切削成圆弧状的圆弧凹部17形成比磁极开度θ1窄的磁极开度θ2的磁极部18。其结果，因为在磁极开度θ2与磁极开度θ1之间使一侧相同，所以用○标记表示的B部的阶梯被形成在磁极部18的左侧(从转子3的中心O观察)。
此外，实施例1中的用○标记所表示的A、B阶梯，以锐角进行图示，但自制作面起即使坡度小也没有关系。
实施例1的定子2的轴方向截面，无论在哪个位置都是相同的截面，但转子3的轴方向截面因位置不同而各不相同。图4表示了本发明的实施例1的转子的立体图。在图4中，一字形永磁铁13被收纳在沿轴方向连续于同一位置的永磁铁插孔12中，根据轴方向仅磁极部18的圆周方向位置不同。换言之，转子的磁极铁芯的位置相对于轴方向错开阶梯状进行配置。
但是，在作为本发明的对象的压缩机驱动用永磁式旋转电机1中，常常存在产生噪音的问题。作为增大永磁式旋转电机1的噪音的主要原因是脉动转矩，但脉动转矩只要简单地增大间隙长、减小间隙的磁通量密度即可。但是，因为若加宽间隙长减小间隙的磁通量密度，则那部分的输出变小，所以，其结果要维持相同输出必须加大体积。因此，通过各种实验找出了一种不减少产生电磁转矩的永磁铁的磁通量，就可减少作为产生噪音的主要原因的脉动转矩的方法。
图5表示本发明的实施例1的脉动转矩。图5(a)将转子角度取作为横轴，在纵轴上表示基于在向集中绕组的电枢绕组8供给正弦波电流时所发生的根据线圈产生的脉动转矩、和由定子与转子的结构产生的齿槽转矩(cogging torque)，在图5(b)中将转子角度取作横轴，在纵轴上将作为永磁式旋转电机进行运转时的转矩用p.u.进行表示。从图5(a)可知，由于基于线圈产生的脉动转矩、是根据因采用集中绕组使转子角度不同、而发生转矩的增减，其±峰值最大为21p.u.。与此相对，由定子与转子的结构产生的齿槽转矩也根据转子角度不同而变化，其±峰值最大为16p.u.，但所谓基于线圈的脉动转矩相位相差180度。其结果，如图5(b)所示，作为永磁式旋转电机1进行运转时的转矩的±峰值可约减半到10p.u.。
如上所述可知，因为在采用集中绕组的定子2的T形部4的内周面、施加有斜切部10，并通过将转子3的磁极部18在轴方向上沿圆周方向错开而能够使运转时的脉动转矩减半，所以可实现低噪音化。
此外，要将运转时的脉动所知降低到零附近，只要增大齿槽转矩即可，但在作为运转条件有多种转数、负荷转矩时，只要着眼整体决定齿槽转矩的大小即可。齿槽转矩的大小可由斜切部10的大小进行调整。
另外，为了使基于线圈的脉动转矩与齿槽转矩的相位相差180度，θ1、θ2的角度是重要的，虽然确认θ1大致为120度的电角度、θ2大致为90度的电角度为好，但根据状况不同，在90～120度的范围内存在着最佳值。
图6是表示本发明的永磁式旋转电机的实施例2的径向截面形状的剖视图，图7是表示本发明的永磁式旋转电机的实施例2的转子的立体图。在图6及图7所示的实施例2中，与图2的实施例1不同点，是在转子铁芯11中形成每1极2个的永磁铁插孔20，在该永磁铁插孔20中插入平板的永磁铁21，相对转子轴构成凸状的V字配置。在此，图6(a)在转子铁芯11的外周面的极间(q轴)侧设置V字形状的凹部23、形成磁极铁芯19，在转子铁芯11的d轴侧外周面上，形成与槽间距大致相等的磁极角度θ1，并且通过切削成圆弧状的圆弧凹部23形成比磁极开度θ1窄的磁极开度θ2的磁极部24。其结果，因为在磁极开度θ2与磁极开度θ1之间使一侧相同，所以用○标记表示的A部的阶梯被形成在磁极部24的右侧(自转子3的中心O观察)。
图6(b)是表示在另一轴方向位置的截面的径向截面形状。在图6(b)中与图6(a)不同点是，在转子铁芯11的d轴侧外周面上设置与槽间距大致相等的磁极角度θ1、形成磁极铁芯19，并且在其两侧通过切削成圆弧状的圆弧凹部23形成比磁极开度θ1窄的磁极开度θ2的磁极部24。在此，因为将磁极开度θ2配置在磁极中心，所以在磁极开度θ2与磁极开度θ1之间用○标记表示的A部与B部的阶梯被形成在磁极部24的两侧。
图6(c)表示在又一轴方向位置的截面的径向截面形状。在图6(c)中，与图6(a)的不同点是，在转子铁芯11的d轴侧外周面上设置与槽间距大致相等的磁极角度θ1、形成磁极铁芯19，并且，通过切削成圆弧状的圆弧凹部23形成比磁极开度θ1窄的磁极开度θ2的磁极部24，因为在磁极开度θ2与磁极开度θ1之间使一侧相同，所以用○标记表示的B部的阶梯被形成在磁极部24的左侧。同时，用○标记表示的阶梯以锐角进行图示，但制作面即使坡度不大也没有关系。
将图6(a)、图6(b)、图6(c)的转子沿轴方向进行层叠的是图7，从图7可知，V字形的永磁铁21被收纳在沿轴方向连续于同一位置的永磁铁插孔20中，根据轴方向不同而仅磁极部24的周方向位置不同。
在本实施例中，与图4不同点是永磁铁21的形状，可得到与实施例1相同的效果。
图8是表示本发明的永磁式旋转电机的实施例3的转子3的放大立体图。在图8所示的实施例3中，与图1的实施例1的不同点是，仅将图1(a)所示的转子铁芯11与图1(c)所示的转子铁芯11沿转子3的轴方向进行层叠，在图1(a)所示的转子11与图1(c)所示的转子铁芯11的配合面上的磁力变化变得陡峭，但总之即使在本实施例3中，也能得到与图1的实施例1相同的效果。
图9是表示本发明的永磁式旋转电机的实施例4的转子3的放大立体图。在图9所示的实施例4中，与图1的实施例1的不同点是，将图1(a)所示的转子铁芯11配置在轴方向两侧，把图1(c)所示的转子铁芯11配置在中央部并沿轴方向进行层叠。据此，磁极部18被配置成V字形的结果，是在转子3上不会产生轴方向的推力，可得到与图1的实施例1相同的效果。在此，因为转子铁芯的磁极的轴方向的上下部为同一形状，所以能够在上下部利用相同的部件，抑制制造成本。
图10是表示本发明的永磁式旋转电机的实施例5的转子的放大立体图。在图10所示的实施例5中，与图7的实施例2的不同点，仅将图6(a)所示的转子铁芯11与图6(c)所示的转子铁芯11沿转子3的轴方向进行层叠，在图6(a)所示的转子11与图6(c)所示的转子铁芯11的配合面上的磁力变化变得陡峭，但总之即使在本实施例5中，也能得到与图1的实施例1相同的效果。
图11是表示本发明的永磁式旋转电机的实施例6的转子3的放大立体图。在图11所示的实施例6中，与图7的实施例2的不同点是，将图6(a)所示的转子铁芯11配置在轴方向两侧，把图6(c)所示的转子铁芯11配置在中央部并沿轴方向进行层叠。据此，磁极部24被配置成V字形的结果，是在转子3上不会产生轴方向的推力，可得到与图1的实施例1相同的效果。
图12是表示本发明的永磁式旋转电机的实施例7的转子3的放大立体图。在图12所示的实施例7中，与图1的实施例1的不同点是，将图1(a)所示的转子铁芯11配置在轴方向两侧，把不形成圆弧凹部17的转子铁芯11的磁极铁芯25配置在中央部并沿轴方向进行层叠。换言之，对图1(a)所示的转子铁芯11与图1(c)所示的转子铁芯11进行层叠(简称为磁极铁芯I)，在其中间配置不形成圆弧凹部17的转子铁芯11的磁极铁芯25(简称为磁极铁芯II)。据此，由于在磁极铁芯I之间存在磁极铁芯II，故磁力变化缓和，总之即使在本实施例7中，也能得到与图1的实施例1相同的效果。
图13是表示本发明的永磁式旋转电机的实施例8的转子3的放大立体图。在图13所示的实施例8中，与图7的实施例2的不同点是，将图6(a)所示的转子铁芯11配置在轴方向两侧，把不形成圆弧凹部17的转子铁芯11的磁极铁芯26配置在中央部并沿轴方向进行层叠。换言之，对图6(a)所示的转子铁芯11与图6(c)所示的转子铁芯11进行层叠(简称为磁极铁芯I)，在其中间配置不形成圆弧凹部17的转子铁芯11的磁极铁芯26(简称为磁极铁芯II)。据此，由于在磁极铁芯I之间存在磁极铁芯II，故磁力变化缓和，总之即使在本实施例8中，也能得到与图1的实施例1相同的效果。
图14是表示本发明的压缩机的截面结构的剖视图。压缩机将直立在静蜗盘部件27的端板28上的漩涡状卷板29、和直立在动涡盘部件30的端板31上的漩涡状卷板32咬合在一起形成，以使动涡盘部件30通过曲轴33进行旋转运动，而进行压缩动作。通过静涡盘部件27及动涡盘部件30而形成的压缩室34(34a、34b……)中的、位于最外径侧的压缩室，随旋转运动向两涡盘部件27、30的中心移动，容积逐渐减小。在压缩室34a、34b到达两涡盘部件27、30的中心附近时，两压缩室34内的压缩气体从与压缩室34相连通的排出口35排出。被排出的压缩气体，经过设在定涡盘部件27及机架36上的气体通道(未图示)到达机架36下部的压缩容器37内，自被设在压缩容器37的侧壁上的排出管38排出到压缩机外。另外，在本压缩机中，在压力容器37内封闭有永磁式旋转电机1，以由另置的变换器(未图示)控制的转速进行旋转，实现压缩动作。在此，永磁式旋转电机1，由定子2与转子3构成，在曲轴33的内部形成油孔39，通过曲轴33的旋转使处在机架36下部的储油部40的润滑油、经油孔39供给到滑动轴承41、轴承42。
在图14中使定子2与转子3的轴方向位置相同，但如图15所示，但即使错开定子2与转子3的轴方向位置也没有关系。
压缩机作为空调器、冷藏库、或冷冻库等的驱动源使用，但由于成年进行运转，故从地球变暖问题上看是实现节能化的最重要的制品之一。在将永磁式旋转电机使用于该驱动源后，通过旋转电机的高效化而实现节能，但如果不能减小噪音就不能够被应用。但是，在将本发明的永磁式旋转电机作为驱动源时，因为噪音小，并解决了环境问题，所以能够提供一种实现高效且节能化的压缩机。
以下，根据图16～图19所示的压缩机对本发明的实施例9进行说明。
压缩机101具有圆筒状的密封压缩容器102、被设置在该密封压缩容器102内作为驱动电动机的永磁式旋转电机103、和由该永磁式旋转电机103驱动并被设置在密封压缩容器102内的压缩部104。
永磁式旋转电机103，具有被固定在通过轴承105A、105B可自由旋转地支撑在密封压缩容器102内的旋转轴106上的转子107、和在周方向间隔开空隙地与该转子相对向的定子108。
上述转子107具有沿轴方向层叠第1转子铁芯110A与第2转子铁芯110B而构成的转子铁芯109、和分别安装在与旋转轴6平行贯通上述第1转子铁芯110A与上述第2转子铁芯110B形成的4个安装孔111内的永磁铁112。这些永磁铁112的截面呈一字形，这些永磁铁112以一字形的延长线相互垂直相交的方式相邻接。通过这些永磁铁112的安装而在转子铁芯109上形成4个磁极。在此，若将沿径方向延伸转子铁芯109的磁极中心的轴设为d轴，将在该d轴与相隔90度电角度的相邻d轴之间、沿径方向延伸的轴设为q轴，则在该q轴上的转子铁芯109的外周面上，设置有抑制在相邻磁极间流动的短路磁通量的装置、例如设置从外径侧向内径侧切入形成的截面V字形的凹槽113，以将磁通量向磁极中心侧集中。上述截面V字形的凹槽113，由开角α1为90度的第1V槽113A、和开角α2接近180度的第2V槽113B形成。此外，也可取代第2V槽113B而在第1V槽113A的开口端与上述转子铁芯109的外周面之间形成凸曲面。
第2转子铁芯110B，如图16(B)所示，在永磁铁112的外周位置上分别在转子铁芯层叠方向形成沿径方向具有长截面的空间114，这些空间114，被形成在相对上述d轴对称的截面上。
另一方面，在第1转子铁芯110A上，如图16(A)所示，在永磁铁112的外周位置不存在空间。
这样构成的转子铁芯109，具有用于在中心部向旋转轴106进行安装的安装孔115。
上述定子108，具有定子铁芯116与定子绕组117。上述定子铁芯116，具有在内径侧沿圆周方向等间隔形成的6个槽部118、6个齿部119、和与该齿部119一体连结的磁轭120。
上述定子绕组117，是包围上述齿部119进行缠绕的集中绕组方式，具有U相绕组117U、V相绕组117V、W相绕组117W。
这样构成的永磁式旋转电机103，因为是4极6槽，所以槽间距的电角度为120度。另外，齿部中心部形成与旋转轴106同心的曲面121，与齿部119的转子铁芯109相对向的内周面上，形成从齿部中心部越向周方向的两端而与上述转子铁芯109的间隙越宽的平坦面122A、122B。
根据本实施例，通过层叠不存在铁芯层叠方向的空间的第1转子铁芯110A、和存在沿铁芯层叠方向的空间114的第2转子铁芯110B构成转子铁芯109，而使脉动转矩及感应电动势的主要高次谐波成分的相位差大致为180度，所以能够抵消高次谐波。从而，因为抵消产生振动噪音的主要原因的高次谐波并使感应电动势接近正弦波，所以能够抑制电磁激振力的发生。
另外，因为第1转子铁芯110A与第2转子铁芯110B的磁极位置相同，以及在第2转子铁芯110B上存在层叠方向的空间114，所以在各磁极截面上的感应电动势的基波不产生相位差，其结果，不会降低发生转矩，同时又可减少脉动转矩与伴随其产生的噪音。
如上所述，对作为压缩机的驱动电动机构成的永磁式旋转电机103的发生转矩进行测定后，得到图18所示的测定结果。
在图18中，横轴表示转子位置，纵轴表示在集中绕组的定子铁芯116上通入正弦波电流时发生的转矩。而且，图18(A)表示仅由第1转子铁芯110A构成转子铁芯109时的测定结果，图18(B)表示仅由具有空间114的第2转子铁芯110B构成转子铁芯109时的测定结果，图18(C)表示组合第1转子铁芯110A与第2转子铁芯110B构成转子铁芯109时的测定结果。
在图18(A)～(C)中，转子铁芯109与定子铁芯116的轴方向长度、即层叠厚度完全相同，但图18(C)所示的转子铁芯109，被设定为第1转子铁芯110A的层叠厚度为整体的60％，第2转子铁芯110B的层叠厚度为整体的40％，另外，在图18(A)～(C)中，纵轴的发生转矩，将图18(A)所示的第1转子铁芯110A的平均转矩作为1p.u.进行相对表示。
测定结果，在图18(A)～(B)中，发生转矩因转子位置不同分别有较大变动，最大值与最小值的差，在图18(A)中约为0.13p.u.，在图18(B)中约为0.21p.u.。而且，从两图的测定波形可知脉动转矩的相位差约为180度。从而，为了使脉动转矩的大小大致相同，只要调整第1转子铁芯110A与第2转子铁芯110B的层叠厚度的组合，就能够减少脉动转矩。
图18(C)，如上所述，因为以使第1转子铁芯110A的层叠厚度为整体的60％，使第2转子铁芯110B的层叠厚度为整体的40％的方式组合进行层叠，所以发生转矩的最大值与最小值的差可减小为0.04p.u.。
图19是表示上述结构的永磁式旋转电机103的感应电动势的测定结果的波形图，横轴表示转子位置，纵轴表示定子绕组117的感应电动势。在图19也是使用与图18相同的条件的转子铁芯109的测定结果，在图19(A)～(C)中，纵轴的感应电动势，将使用的是图19(A)所示的不存在空间的第1转子铁芯110A的时的最大值为1p.u.进行相对表示。
其测定结果，在图19(A)中，波形的基波的有效值为0.73p.u.、波形失真系数为5.6％，在图19(B)中，波形的基波的有效值为0.72p.u.、波形失真系数为4.9％。而且，在图19(C)中，波形的基波的有效值为0.72p.u.、波形失真系数为2.2％，能够将波形失真系数减小到一半以下。
但是，因为作为产生永磁式旋转电机103的运转过程中的噪音的主要原因之一的电磁激振力，与转子107与定子108的圆周方向的间隙的磁通量的密度的二次方成正比，所以只要减小圆周方向间隙的磁通量密度就可降低电磁激振力。但是，因为若减少基波磁通量则使输出降低，所以只减少包含在基波磁通量中的高次谐波磁通量是最重要的。因而，为了实现静音化，只要从120度通电方式改为180度的通电的变换器驱动即可，但因为在定子绕组117中流动的电流是基于加在定子绕组117上的电压(换流器的输出电压)与感应电动势的差电压产生的，所以即使将加在定子绕组117上的电压设为正弦波(180度通电)，但如果永磁式旋转电机103的感应电动势波形不是正弦波，在定子绕组117中流动的电流中就包含高次谐波成分，在旋转电机内就产生高次谐波磁量。从而，为了降低电磁激振力，感应电动势的波形失真系数越小越好。
如上所述，因为通过成为本实施例的转子铁芯109的结构，可减小感应电动势的波形失真系数，所以能够明显减小脉动转矩，同时，又可使感应电动势接近正弦波。其结果，不用降低输出就可减少电磁激振力，能够实现永磁式旋转电机103的低噪音化。
另外，在本实施例中，因为以绕在定子铁芯116的齿部119上的方式集中缠绕定子绕组117，所以感应电动势的大小由流入齿部119的磁通量决定。从而，转子铁芯109的磁极角度θ最好是一槽间距、即电角度为120度以下。另一方面，因为若使磁极角度θ过窄则转子铁芯109的磁饱和极为明显而使磁阻增大，流入齿部119的磁通减少，所以确认电角度最好为90度以上。如上所述可知，转子铁芯109的磁极角度θ，电角度适合在90～120度的范围内。
图20是表示本发明的永磁式旋转电机的实施例10的示意图。因为大概结构与实施例1相同，所以将相同部分用相同符号进行表示。本实施例与实施例1的不同点是第1转子铁芯110A与第2转子铁芯110B的层叠配置。
即，在实施例1中，将第1转子铁芯110A与第2转子铁芯110B简单邻接进行层叠，但在本实施例中，在永磁铁112的外径侧将不具有空间的第1转子铁芯110A分开2部分而形成第1转子铁芯单元110a与第2转子铁芯单元110b，由该第1转子铁芯单元110a与第2转子铁芯单元110b层叠在第2转子铁芯110B的两侧。
这样，即使将转子铁芯109分割成多个并将其进行组合，只要层叠比与实施例9相同，也能够得到相同的效果。
此外，在上述各实施例中，把第1转子铁芯110A与第2转子铁芯110B的层叠比设为3∶2(60％∶40％)，但其层叠比也不是固定的，必须根据使用对象的永磁式旋转电机103的构成部件的形状等而变化为效率最好的比率。
另外，在上述各实施例中对每1极安装1个截面为一字形的永磁铁112的结构进行了说明，每1极的永磁铁的截面形状及装入数量甚至配置等，并不特定于上述各实施例，例如，也可为图21所示的实施例11的结构。在图21中，因为与所述的实施例相同的符号表示相同部件，所以省略重复说明。
在本实施例中，由2个永磁铁112A、112B构成沿轴方向安装在转子铁芯109上的每1极的永磁铁112，并将该2个永磁铁112A、112B配置成V字形，也能够得到与上述各实施例同等的效果。
进而，在上述各实施例中，形成在第2转子铁芯110B的空间114，为每1极1个，其形状沿径方向长，并且具有相对通过磁极中心的d轴成为对象的截面的形状，每1极的空间的截面形状以及数量甚至配置等也并不特定于上述各实施例，例如，也可为图22所示的实施例12的结构。在图22中，因为与所述的实施例相同的符号表示相同部件，所以省略重复说明。
在本实施例中，将相对磁极中心对称、在径方向长的2个空间114A、114B形成在转子铁芯层叠方向上，能够起到与上述各实施例同等的效果。
(发明效果)如上所述，根据本发明，因为在采用集中绕组的定子的T形部的内周面上施以斜切，并可通过使转子的磁极部在轴方向上沿圆周方向错开而使运转时的脉动转矩减半，所以能够提供一种低噪音的永磁式旋转电机。
另外，根据本发明，不用减小运转时的发生转矩，就能够得到可减小脉动转矩及电磁激振力并减小噪音的永磁式旋转电机。
权利要求
1.一种永磁式旋转电机，具有在定子铁芯上集中缠绕定子绕组的定子、和在周方向间隔开间隙地与该定子相对向、并在转子铁芯上沿轴方向安装永磁铁而形成磁极的转子，其特征在于上述转子铁芯，是沿轴方向层叠第1转子铁芯与第2转子铁芯构成，在上述第2转子铁芯的上述永磁铁的外径侧，沿转子铁芯层叠方向形成有相对磁极中心对称的空间。
2.一种永磁式旋转电机，具有在定子铁芯上集中缠绕定子绕组的定子、和在周方向间隔开间隙地与该定子相对向、并在转子铁芯上沿轴方向安装永磁铁而形成磁极的转子，其特征在于上述转子铁芯，形成有在磁极角度处于电角度为90～120度范围内抑制相邻磁极之间的短路磁通量的结构，并且沿轴方向层叠第1转子铁芯与第2转子铁芯构成，在上述第2转子铁芯的上述永磁铁的外径侧，沿转子铁芯层叠方向形成有相对磁极中心对称的空间。
3.如权利要求2所述的永磁式旋转电机，其特征在于抑制上述短路磁通量的结构，是从外径侧向内径侧切入的V字形的凹槽。
4.一种永磁式旋转电机，具有在定子铁芯上集中缠绕定子绕组的定子、和在周方向间隔开间隙地与该定子相对向、并在转子铁芯上沿轴方向安装永磁铁而形成磁极的转子，其特征在于上述转子铁芯，是沿轴方向层叠第1转子铁芯与第2转子铁芯构成，上述第1转子铁芯由第1转子铁芯单元与第2转子铁芯单元构成，这些第1及第2转子铁芯单元被层叠在上述第2转子铁芯的两侧，在上述第2转子铁芯的上述永磁铁的外径侧，沿转子铁芯层叠方向形成有相对磁极中心对称的空间。
5.如权利要求1、2、3或4中任意一项所述的永磁式旋转电机，其特征在于上述空间，以通过来自转子磁极的磁通量、遮蔽来自定子的磁通量的方式形成。
6.如权利要求1、2、3或4中任意一项所述的永磁式旋转电机，其特征在于集中缠绕上述定子绕组的上述定子铁芯的、与上述转子铁芯相对向的齿部，以越向周方向的两端侧、与上述转子铁芯的间隙越宽的方式形成。
7.一种永磁式旋转电机，具有在定子铁芯上集中缠绕定子绕组的定子、和在周方向间隔开间隙地与该定子相对向、并在转子铁芯上沿轴方向安装永磁铁而形成磁极的转子，其特征在于上述定子铁芯的与上述转子铁芯相对向的齿部，以越向周方向的两端侧、与上述转子铁芯的间隙越宽的方式形成，上述转子铁芯，沿轴方向层叠形成有在磁极角度处于电角度为90～120度范围内抑制相邻磁极之间的短路磁通量的结构的第1转子铁芯和第2转子铁芯而构成，上述第1转子铁芯，由第1转子铁芯单元与第2转子铁芯单元构成，这些第1及第2转子铁芯单元被层叠在上述第2转子铁芯的两侧，上述第2转子铁芯，在上述永磁铁的外径侧位置上，沿转子铁芯层叠方向形成相对磁极中心对称、且在径方向具有长的截面的空间。
8.一种压缩机，其特征在于使用权利要求1～4、或7中任意一项所述的永磁式旋转电机作为驱动电动机。
全文摘要
一种永磁式旋转电机及使用该电机的压缩机，该永磁式旋转电机，在将永磁铁的磁通轴取作d轴、与其垂直的轴取作q轴时，将设在转子铁芯上的永磁铁插孔配置在轴方向同一位置上，并且形成为了将永磁铁的磁通进行集束而形成使q轴侧的间隙长大于d轴侧的间隙长的磁极铁芯，在该磁极铁芯外周面上设置多个间隙面，将磁极铁芯位置以相对轴方向呈阶梯状错开的方式进行配置，从而，使基于绕组的脉动转矩与齿槽转矩的相位相差180度，可将运转时的脉动转矩减半，所以可实现低噪音化。
文档编号F04B39/00GK1808844SQ20051002289
公开日2006年7月26日 申请日期2003年7月11日 优先权日2002年7月12日
发明者湧井真一, 小原木春雄, 菊地聪, 妹尾正治, 野间启二 申请人:株式会社日立产机系统