JP2023149001A - 圧縮機及び冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受に加わる荷重を回転軸の回転中に調整可能な圧縮機の提供。【解決手段】軸受と、前記軸受に直接又は油を介して接触する回転軸と、前記回転軸に締結されたロータと、前記ロータと径方向で対向するように配置されたステータとを有し、前記回転軸を回転させるモータと、前記回転軸の回転により駆動される圧縮機構と、前記モータから前記回転軸に対して軸方向に加えるスラスト荷重を、前記回転軸の回転中に変更する変更部と、備える、圧縮機。【選択図】図５

Description

本開示は、圧縮機及び冷凍装置に関する。

圧縮機では、回転子に圧入されたクランク軸の上下振動によって、異常音が発生することがある。この異常音の発生を防止する技術として、回転子の上端部をステータコアの上端面よりも上方へ突出させる方法がある。回転子の上端部をステータコアの上端面よりも上方へ突出させることで、回転子とクランク軸を下方へ付勢するプルフォースが発生するので、クランク軸の上下振動を抑制でき、異常音の発生を防止できる（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０－８９２５２号公報

ロータに締結された回転軸を支持する軸受は、半径方向と軸方向の荷重を支持できるように構成され、回転軸の軸方向の荷重が大きいと、損失を発生させる。従来の圧縮機では、異常音を抑制できる大きさのプルフォースを与えるようにモータの位置が製造時に設定される。そのため、製造時に予め設定されたモータの位置によっては、回転軸の回転中に軸受に加わる荷重が大きすぎ、軸受の損失が増加する場合がある。

圧縮機では、ロータの上部空間と下部空間の圧力差が大きくなり、冷媒ガスの脈動に合わせてロータが変動すると異音が発生する。圧力差は回転トルクに比例して大きくなるので、トルクが大きいほど異音が発生しやすい。また、脈動が多くなると異音が発生しやすくなるため、回転数が大きい場合にも異音が発生しやすい。

本開示は、軸受に加わる荷重を回転軸の回転中に調整可能な圧縮機及び冷凍装置を提供する。

本開示の一態様として、
軸受と、
前記軸受に直接又は油を介して接触する回転軸と、
前記回転軸に締結されたロータと、前記ロータと径方向で対向するように配置されたステータとを有し、前記回転軸を回転させるモータと、
前記回転軸の回転により駆動される圧縮機構と、
前記モータから前記回転軸に対して軸方向に加えるスラスト荷重を、前記回転軸の回転中に変更する変更部と、備える、圧縮機が提供される。

この構成によれば、軸受に加わる荷重を回転軸の回転中に調整可能な圧縮機を提供できる。

上記の圧縮機において、
前記変更部は、前記圧縮機構を駆動する回転トルクに応じて、前記スラスト荷重を変更してもよい。

この構成によれば、圧縮機構を駆動する回転トルクの大きさ等に応じて、軸受に加わる荷重を回転軸の回転中に調整できる。

上記の圧縮機において、
前記変更部は、前記回転トルクが相対的に大きい時に、前記回転トルクが相対的に小さい時よりも、前記スラスト荷重を大きくしてもよい。

この構成によれば、前記回転トルクが相対的に大きい時、前記回転トルクが相対的に小さい時よりも、前記軸受に加わる荷重を大きく調整できる。これにより、例えば、前記回転トルクが相対的に小さい時に軸受に発生する損失を低減でき、前記回転トルクが相対的に大きい時に回転軸の軸方向の振動に伴って発生する異常音を抑制できる。

上記の圧縮機において、
前記変更部は、前記ロータに設けられた永久磁石によって、前記スラスト荷重を変更してもよい。

この構成によれば、前記ロータに設けられた永久磁石の磁力等よって、軸受に加わる荷重を回転軸の回転中に調整できる。

上記の圧縮機において、
前記変更部は、前記永久磁石の残留磁束密度を変更する手段を含み、
前記永久磁石は、前記変更部により残留磁束密度を変更可能な第１永久磁石を含んでもよい。

この構成によれば、前記変更部は、前記第１永久磁石の残留磁束密度を変更できる。

上記の圧縮機において、
前記変更部は、前記第１永久磁石の残留磁束密度を変更することで、前記スラスト荷重を変更してもよい。

この構成によれば、前記第１永久磁石の残留磁束密度の変更によって、軸受に加わる荷重を回転軸の回転中に調整できる。

上記の圧縮機において、
前記永久磁石は、前記第１永久磁石と、前記第１永久磁石に対して前記圧縮機構の側とは反対側に設けられて前記変更部により残留磁束密度を変更できない第２永久磁石とを含み、
前記変更部は、前記第１永久磁石の残留磁束密度を変更することで、前記スラスト荷重を変更してもよい。

この構成によれば、例えば、前記変更部は、前記第１永久磁石の残留磁束密度を減少させることで、軸受に加わる荷重を回転軸の回転中に大きな値に調整でき、前記第１永久磁石の残留磁束密度を増加させることで、軸受に加わる荷重を回転軸の回転中に小さな値に調整できる。

上記の圧縮機において、
前記永久磁石は、前記第１永久磁石と、前記第１永久磁石に対して前記圧縮機構の側に設けられて前記変更部により残留磁束密度を変更できない第２永久磁石とを含み、
前記変更部は、前記第１永久磁石の残留磁束密度を変更することで、前記スラスト荷重を変更してもよい。

この構成によれば、例えば、前記変更部は、前記第１永久磁石の残留磁束密度を増加させることで、軸受に加わる荷重を回転軸の回転中に大きな値に調整でき、前記第１永久磁石の残留磁束密度を減少させることで、軸受に加わる荷重を回転軸の回転中に小さな値に調整できる。

上記の圧縮機において、
前記変更部は、前記永久磁石の位置を変更することで、前記スラスト荷重を変更してもよい。

この構成によれば、前記ロータに設けられた永久磁石の位置の変更によって、軸受に加わる荷重を回転軸の回転中に調整できる。

上記の圧縮機において、
前記軸受は、滑り軸受であり、
前記スラスト荷重は、前記回転軸から前記滑り軸受に向かう向きに加わってもよい。

この構成によれば、滑り軸受に加わる荷重を回転軸の回転中に調整できる。

上記の圧縮機において、
前記軸受は、転がり軸受でもよい。

この構成によれば、転がり軸受に加わる荷重を回転軸の回転中に調整できる。

本開示の一態様として、
上記の圧縮機を備える冷凍装置が提供される。

この構成によれば、軸受に加わる荷重を回転軸の回転中に調整可能な圧縮機を備える冷凍装置を提供できる。

空気調和装置の一例を示す図である。 本実施形態の圧縮機の一例を示す断面図である。 モータの断面形状の一例を模式的に示す図である。 電力変換装置と制御装置の構成例を示す図である。 モータの第１構成例を部分的に示す断面図である。 モータの第２構成例を部分的に示す断面図である。 モータの第３構成例を部分的に示す断面図である。 モータの第４構成例を部分的に示す断面図である。 モータの第５構成例を部分的に示す断面図である。 モータの第６構成例を部分的に示す断面図である。 モータの第７構成例を部分的に示す断面図である。 モータの第８構成例を部分的に示す断面図である。

以下、本開示の圧縮機及び冷凍装置を適用した実施形態について説明する。

＜実施形態＞
実施形態として、室内の冷房及び暖房を行う空気調和装置の例を説明する。図１は、空気調和装置１の配管系統図である。図１に示すように、空気調和装置１は、電力変換装置１０、制御装置１５０、及び冷媒回路５０を含む。空気調和装置１は冷凍装置の一例である。冷媒回路５０は、モータ１００Ａを備える圧縮機２００を含む。電力変換装置１０と、制御装置１５０と、モータ１００Ａとは、モータ装置１００を構成する。

＜冷媒回路＞
冷媒回路５０は、冷媒が充填された閉回路である。冷媒回路５０には、圧縮機２００、四方切換弁６０、室外熱交換器７０、膨張弁８０、及び室内熱交換器９０が設けられている。

圧縮機２００には、種々の圧縮機を採用できる。圧縮機２００の一例としては、スクロール型圧縮機やロータリ型圧縮機などが挙げられる。圧縮機２００は、モータ１００Ａを含む。モータ１００Ａは、例えば、ＩＰＭモータ(Interior Permanent Magnet Motor)である。モータ１００Ａには、電力変換装置１０から三相の交流電力が供給される。

室外熱交換器７０は、室外空気と冷媒とを熱交換させる熱交換器である。室内熱交換器９０は、室内空気と冷媒とを熱交換させる熱交換器である。膨張弁８０は、いわゆる電子膨張弁である。

四方切換弁６０は、第１～第４のポートを有した弁である。四方切換弁６０は、第１状態（図１に実線で示す状態）と第２状態（図１に破線で示す状態）とに切り換えることができる。第１状態では、第１のポートが第３のポートと連通し且つ第２のポートが第４のポートと連通する。第２状態では、第１のポートが第４のポートと連通し且つ第２のポートが第３のポートと連通する。

冷媒回路５０では、圧縮機２００の吐出ポートが四方切換弁６０の第１のポートに接続され、吸入ポートが四方切換弁６０の第２のポートに接続されている。冷媒回路５０では、四方切換弁６０の第３のポートから第４のポートへ向かって順に、室外熱交換器７０、膨張弁８０、及び室内熱交換器９０が配置されている。空気調和装置１では、冷房運転と暖房運転とを切り換える場合には、四方切換弁６０を切り換える。

図２に本実施形態の圧縮機２００を断面図で示す。圧縮機２００は、空気調和装置１の冷媒回路５０に設けられる（図１参照）。圧縮機２００は、冷媒回路５０において、冷媒を圧縮する。圧縮機２００は、図２に示すように、モータ１００Ａ、圧縮機構３、及びケーシング４を含む。

ケーシング４は、圧縮機構３とモータ１００Ａを収容する容器である。ケーシング４は、モータ１００Ａのステータ１１０を支持する支持部材である。モータ１００Ａの回転軸１０１は鉛直方向に延びるように配置され、圧縮機構３に連結されている。回転軸１０１の一方の端部である第１端部（図示の例では、下端）は、圧縮機構３に設けられた軸受３ａによって回転自在に保持されている。回転軸１０１の他方の端部である第２端部（図示の例では、上端）には、軸受は設けられていない。言い換えれば、第２端部は、軸受によって保持されていない。

軸受３ａは、回転軸１０１の一方の端部である第１端部を回転自在に支持する。回転軸１０１の第１端部は、軸受３ａに直接又は油を介して接触する。軸受３ａは、例えば、滑り軸受である。しかし、軸受３ａは、回転軸１０１に直接又は油を介して接触する軸受であれば、転がり軸受等の他の形式の軸受でもよい。

ケーシング４は、密閉容器である。ケーシング４は、鉄等の金属によって形成されている。ケーシング４は、例えば、金属板（鉄等の板材）に、いわゆるロール加工を施して円筒状の部材を形成し、その円筒状部材の両端に鏡板（鉄等の金属）を溶接することで形成できる。

圧縮機構３は、流体（この例では冷媒）を圧縮する。圧縮機構３には、種々の流体機械を採用可能である。例えば、圧縮機構３には、ロータリ式圧縮機構、スクロール式圧縮機構等を採用することができる。この例では、圧縮機構３は、ケーシング４の側面に設けられた吸入管３ｂから流体を吸入し、圧縮した流体をケーシング４内に吐出する。ケーシング４内に吐出された流体冷媒は、吐出管３ｃを介して吐出される。圧縮機構３は、回転軸１０１の回転により駆動されることで、流体を圧縮する。

＜モータ１００Ａの構成＞
モータ１００Ａは、回転電気機械の一例である。モータ１００Ａは、圧縮機構３を駆動する。図３にモータ１００Ａの断面形状を模式的に示す。モータ１００Ａは、磁石埋込型の回転電気機械である。モータ１００Ａは、図３に示すように、ステータ１１０及びロータ１２０を有し、回転軸１０１を回転させる。図３では、ケーシング４を省くが、ケーシング４もモータ１００Ａの一部と見なしてよい。

回転軸１０１は、ロータ１２０を支持する支持部材である。回転軸１０１は、鉄等の金属で形成されている。回転軸１０１は、圧縮機構３にも連結されている。

以下の説明においては、軸方向とは回転軸１０１の軸心の方向を意味する。径方向とは軸方向と直交する方向を意味する。外周側とは軸心から遠離する側を意味する。内周側とは軸心に近接する側をそれぞれ意味する。また、軸方向視とは、軸方向において視ることをいう。

＜ステータ１１０＞
ステータ１１０は、ロータ１２０と径方向で対向するように配置されている。ステータ１１０は、ステータコア１１１及び巻線１１２を含む。

ステータコア１１１は、多数のプレート部材が、軸方向に積層されて構成されている。ステータコア１１１は、いわゆる積層コアである。ステータコア１１１を構成する多数のプレート部材は、例えば電磁鋼板によって構成されている。各プレート部材は、例えば、電磁鋼板をプレス加工することで製造できる。ステータコア１１１を製造する際には、多数のプレート部材同士は、例えば、カシメによって、互いに固定される。

ステータコア１１１は、１つのバックヨーク部１１１Ａと、複数のティース部１１１Ｂとを含む。バックヨーク部１１１Ａは、ヨークの一例である。

バックヨーク部１１１Ａは、ステータコア１１１の外周側の部分であり、円筒状の部材である。バックヨーク部１１１Ａは、軸方向から見た平面形状が環状である。

ティース部１１１Ｂは、バックヨーク部１１１Ａの内周側に突出して径方向に伸びる直方体状の部分である。この例では、ティース部１１１Ｂは、６つある。各々のティース部１１１Ｂには、例えば、集中巻方式で巻線１１２が巻回される。相互に隣接するティース部１１１Ｂ間の空間は、巻線１１２を収容するためのコイル用スロット１１１Ｃである。

＜ロータ１２０＞
ロータ１２０は、回転軸１０１に締結されている。ロータ１２０は、ロータコア１２１及び永久磁石１２２を含む。ロータコア１２１は、回転軸１０１が挿入される貫通孔１２１Ａと、永久磁石１２２を収容するスロット１２１Ｂとを含む。スロット１２１Ｂは、磁石収容部の一例である。この例では、ロータ１２０は、４つの永久磁石１２２を含む。なお、ここでは、一例として、ステータ１１０が６つのティース部１１１Ｂを含み、ロータ１２０が４つの永久磁石１２２を含む、４極６スロット型のモータ１００Ａについて説明するが、ティース部１１１Ｂと永久磁石１２２の数は、これらに限定されない。モータ１００Ａは、集中巻き方式の場合、ティース部１１１Ｂと永久磁石１２２の数が異なっていればよい。

ロータコア１２１は、多数のプレート部材が、軸方向に積層されて構成されている。ロータコア１２１は、いわゆる積層コアである。プレート部材は、電磁鋼板によって構成されている。プレート部材は、例えば、電磁鋼板をプレス加工することで製造できる。ロータコア１２１を製造する際には、多数のプレート部材同士は、例えば、カシメによって、互いに固定される。ロータコア１２１は、軸方向視における中心部を軸方向に貫通する貫通孔１２１Ａを有する。貫通孔１２１Ａには、回転軸１０１が圧入される。

永久磁石１２２は、ロータ１２０に設けられている。この例では、永久磁石１２２は、ロータ１２０に形成されたスロット１２１Ｂに収容されている。ここでは、一例として、永久磁石１２２が直方体状であり、４つの永久磁石１２２が軸方向視でロータコア１２１の貫通孔１２１Ａを囲む正方形の四辺に沿って配置される形態について説明する。４つの永久磁石１２２は、貫通孔１２１Ａの中心軸に対して点対称に配置される。しかしながら、永久磁石１２２は、このような配置に限られず、例えば、Ｖ字状等の配置であってもよい。

なお、図３は、永久磁石１２２がロータコア１２１に埋め込まれた構成を例示し、モータ１００Ａは、いわゆる埋め込み磁石型同期電動機として例示されている。しかし、本実施形態の圧縮機に適用可能なモータは、表面磁石型同期電動機であってもよい。また、図３は、モータ１００Ａがいわゆるインナーロータ型の構成を採用する場合を例示する。しかし、本実施形態の圧縮機に適用可能なモータは、アウターロータ型の構成を採用した電動機でもよい。また、図３は、巻線１１２が集中巻でティース部１１１Ｂに設けられている構成を例示する。しかし、本実施形態の圧縮機に適用可能なモータは、巻線１１２の構成として分布巻を採用した電動機でもよい。

＜電力変換装置＞
図４は、電力変換装置１０と制御装置１５０の構成を示す図である。電力変換装置１０は、図４に示すように、コンバータ回路１１、直流リンク部１２、及びインバータ回路１３を含む。電力変換装置１０は、単相の交流電源２０から供給された電圧（以下、電源電圧ｖｉｎ）を所定の交流電圧に変換する。電力変換装置１０は、変換によって得た交流電圧をモータ１００Ａに供給する。

コンバータ回路１１は、ブリッジ状に結線された４個のダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を含む。コンバータ回路１１は、リアクトルＬを介して交流電源２０に接続されている。コンバータ回路１１は、電源電圧ｖｉｎを全波整流する。

直流リンク部１２は、コンデンサＣを有している。コンデンサＣは、コンバータ回路１１の出力ノードに接続されている。

インバータ回路１３は、６つのスイッチング素子Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗ，Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚと、６つの還流ダイオードＤｕ，Ｄｖ，Ｄｗ，Ｄｘ，Ｄｙ，Ｄｚとを有している。スイッチング素子Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗ，Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚは、互いにブリッジ結線されている。詳しくは、インバータ回路１３は、３つのスイッチングレグを含む。

それぞれのスイッチングレグは、２つのスイッチング素子が直列に接続されて形成されている。３つのスイッチングレグの各々は、上アームのスイッチング素子Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗと下アームのスイッチング素子Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚとの中点が、モータ１００Ａの各相ｕ相，ｖ相，ｗ相のコイル（図示を省略）にそれぞれ接続されている。それぞれのスイッチング素子Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗ，Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚには、還流ダイオードＤｕ，Ｄｖ，Ｄｗ，Ｄｘ，Ｄｙ，Ｄｚがひとつずつ逆並列に接続されている。

インバータ回路１３は、入力ノードが直流リンク部１２のコンデンサＣの両端に接続されている。インバータ回路１３では、スイッチング素子Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗ，Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚがスイッチング動作（オンオフ動作）を行うことによって、直流電圧ｖｄｃを所定の交流電圧（三相）に変換する。インバータ回路１３は、前記変換によって得た交流電圧（三相）をモータ１００Ａに供給する。

＜制御装置１５０＞
制御装置１５０は、モータ１００Ａの回転数が、与えられた指令値（以下、回転数指令値ω＊という）に収束するように、インバータ回路１３におけるスイッチング動作を制御する。換言すると、制御装置１５０は、インバータ回路１３の出力電圧を制御する。

制御装置１５０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、入出力インターフェース、及び内部バス等を含むコンピュータによって実現される。制御装置１５０は、座標変換部１５１、電流制御部１５２、ＰＷＭ演算部１５３、及びメモリ１５４を有する。制御装置１５０は、制御部の一例である。座標変換部１５１、電流制御部１５２、及びＰＷＭ演算部１５３は、制御装置１５０が実行するプログラムの機能を機能ブロックとして示したものである。また、メモリ１５４は、制御装置１５０のメモリを機能的に表したものである。

座標変換部１５１は、いわゆるｄｑ変換を行ってモータ１００Ａのｄ軸電流ｉｄ及びｑ軸電流ｉｑを導出する。座標変換部１５１は、ｄｑ変換を行う際に、ｕ相電流ｉｕ、ｗ相電流ｉｗ、及びモータ１００Ａのロータ１２０の電気角（モータ位相θｍ）を用いる。ｕ相電流ｉｕ及びｗ相電流ｉｗは、例えば、電流センサを設けることで検出することができる。座標変換部１５１は、ｄ軸電流ｉｄ及びｑ軸電流ｉｑを電流制御部１５２に出力する。

電流制御部１５２は、モータ１００Ａの回転数の検出値（回転数検出値ωｄ）とモータ２Ａの回転数の指令値（回転数指令値ω＊）との偏差εに基づいて、モータ２Ａの回転トルクの指令値（トルク指令値τ＊）を生成する。電流制御部１５２は、偏差εを零に収束させるトルク指令値τ＊を生成する。トルク指令値τ＊は、圧縮機構３を駆動する回転トルクの指令値である。

電流制御部１５２は、例えば、偏差εに基づくＰＩ制御又はＰＩＤ制御の実行によって（Ｐ：比例、Ｄ：積分、Ｉ：微分）、トルク指令値τ＊を生成する。電流制御部１５２は、トルク指令値τ＊に基づいて、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値ｉｑ＊の生成等の処理を行う。また、電流制御部１５２は、ｕ相電流ｉｕ及びｗ相電流ｉｗに基づいて、ロータ１２０の回転角を検出する。言い換えると、電流制御部１５２は、位置センサを使用せずにモータ１００Ａの回転数を制御する、いわゆる位置センサレス制御を行う。

また、電流制御部１５２は、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊とｄ軸電流ｉｄとの偏差、及びｑ軸電流指令値ｉｑ＊とｑ軸電流ｉｑとの偏差がそれぞれ小さくなるように、ｄ軸電圧指令値ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値ｖｑ＊を導出し、ＰＷＭ演算部１５３に出力する。

ＰＷＭ演算部１５３は、スイッチング素子Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗ，Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚのオンとオフの切り替えを制御する制御信号を生成する。この例では、ＰＷＭ演算部１５３は、モータ位相θｍ、直流電圧ｖｄｃ、ｄ軸電圧指令値ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値ｖｑ＊に基づいて、スイッチング素子Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗ，Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚの各々に供給される制御信号のデューティ比を設定する。

制御信号が出力されると、各スイッチング素子Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗ，Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚは、設定されたデューティ比でスイッチング動作（オンオフ動作）を行い、インバータ回路１３からモータ１００Ａの巻線１１２に電流が流れる。ＰＷＭ演算部１５３は、制御信号を周期的に更新する。

電流制御部１５２は、モータ１００Ａの回転数制御のためにインバータ回路１３からモータ１００Ａの巻線１１２に供給される第１電流（"モータ駆動電流Ｉ１"とも称する）を制御する。交流のモータ駆動電流Ｉ１が巻線１１２に流れることで、ロータ１２０及び回転軸１０１をステータ１１０に対して相対的に回転させる交番磁界Ｈ１が発生する。モータ駆動電流Ｉ１の電流値は、永久磁石１２２の残留磁束密度Ｂｒを変更しない電流値に設定される。

電流制御部１５２は、永久磁石１２２の残留磁束密度Ｂｒを変更するためにインバータ回路１３からモータ１００Ａの巻線１１２に供給される第２電流（"変更電流Ｉ２"とも称する）を制御する。変更電流Ｉ２が巻線１１２に流れることで、永久磁石１２２の残留磁束密度Ｂｒを変更する磁界（変更磁界Ｈ２）が発生する。変更電流Ｉ２の電流値の絶対値は、永久磁石１２２の残留磁束密度Ｂｒを変更しないモータ駆動電流Ｉ１の電流値の絶対値よりも大きい。

メモリ１５４は、座標変換部１５１、電流制御部１５２、及びＰＷＭ演算部１５３が処理を実行するために利用するプログラムやデータ等を格納する。

図５は、モータの第１構成例を部分的に示す断面図である。図５は、回転軸１０１の軸方向に平行な断面であって、回転軸１０１に対して径方向の片側断面を示す。回転軸１０１の一方の端部は、軸受３ａ（図２参照）によって回転自在に支持されている。スラスト荷重Ｆは、図５に示すモータ２Ａから回転軸１０１に対して軸方向に加える力を表す。これらの説明は、後述の他の構成例に援用される。

図５に示すモータ２Ａは、上述のモータ１００Ａの一構成例である。モータ２Ａは、永久磁石１２２（図３参照）として、第１永久磁石４１及び第２永久磁石４２を備える。複数の永久磁石１２２は、それぞれ、第１永久磁石４１及び第２永久磁石４２を備える。第１永久磁石４１及び第２永久磁石４２は、ロータコア１２１に形成されたスロット２２に収容されている。スロット２２は、上述のスロット１２１Ｂ（図３参照）に相当する。ロータ１２０は、ロータコア１２１の一方の端面である第１端面（図示の例では、下面）に設けられた第１端板５２と、ロータコア１２１の他方の端面である第２端面（図示の例では、上面）に設けられた第２端板５１とを有する。

ロータコア１２１の軸方向の長さｄ２は、ステータコア１１１の軸方向の長さｄ１よりも長い。しかし、長さｄ２は、長さｄ１と同じでも長さｄ１よりも短くてもよい。また、ロータ１２０の軸方向の中心位置ｃ２は、ステータコア１１１の軸方向の中心位置ｃ１と同じである。しかし、中心位置ｃ２は、中心位置ｃ１に対して軸受３ａ側に又は軸受３ａ側とは反対側に位置してもよい。

第１永久磁石４１は、可変の残留磁束密度Ｂr１を有する永久磁石である。第１永久磁石４１の残留磁束密度Ｂr１は、変更電流Ｉ２がステータ１１０の巻線１１２に流れることで変化する。

第２永久磁石４２は、第１永久磁石４１に対して圧縮機構３（図２参照）の側とは反対側に設けられ、残留磁束密度Ｂｒ２を有する永久磁石である。第２永久磁石４２は、巻線１１２に流れる変更電流Ｉ２により残留磁束密度Ｂｒ２を変更できない永久磁石である。

初期状態では、第１永久磁石４１及び第２永久磁石４２は、着磁可能な上限値まで着磁されている。また、初期状態では、モータ２Ａから回転軸１０１に対して軸方向に加えるスラスト荷重Ｆが最小となる位置に、ステータ１１０及びロータ１２０の軸方向の位置関係は設定されている。この場合、軸方向において、ロータ１２０の中心から一端までの磁束密度の平均値と、ロータ１２０の中心から他端までの磁束密度の平均値は略等しい。

電流制御部１５２は、トルク指令値τ＊が所定の閾値Ｔｈよりも大きな高負荷回転領域のとき、第１永久磁石４１の残留磁束密度Ｂｒ１が減少するように、変更電流Ｉ２を減少させる。これにより、第１永久磁石４１の磁力が弱まるので、高負荷回転領域でのスラスト荷重Ｆが増大する。スラスト荷重Ｆの増大により、圧力変動に伴う回転軸１０１の軸方向の振動が抑制されるので、高負荷回転領域で発生する異常音を抑制できる。この場合、軸方向において、ロータ１２０の中心から一端までの磁束密度の平均値と、ロータ１２０の中心から他端までの磁束密度の平均値は異なる。

一方、電流制御部１５２は、トルク指令値τ＊が所定の閾値Ｔｈよりも小さな低負荷回転領域のとき、第１永久磁石４１の残留磁束密度Ｂｒ１が増加するように、変更電流Ｉ２を増加させる。これにより、第１永久磁石４１の磁力が強まるので、低負荷回転領域でのスラスト荷重Ｆが減少する。スラスト荷重Ｆの減少により、軸受３ａに加わる荷重が低下するので、低負荷回転領域で軸受３ａに発生する損失を低減できる。この場合、軸方向において、ロータ１２０の中心から一端までの磁束密度の平均値と、ロータ１２０の中心から他端までの磁束密度の平均値は略等しい。

このように、モータ２Ａを備える圧縮機２００は、スラスト荷重Ｆを回転軸１０１の回転中に変更する変更部として、第１永久磁石４１、第２永久磁石４２、電力変換装置１０及び制御装置１５０を備える。変更部は第１永久磁石４１の残留磁束密度Ｂｒ１を変更可能に構成される。言い換えると、変更部は、軸方向において、ロータ１２０の中心から一端までの磁束密度の平均値と、ロータ１２０の中心から他端までの磁束密度の平均値との比率を変更可能に構成される。この変更部によって、圧縮機構３を駆動する回転トルクの大きさ等に応じて、軸受３ａに加わる荷重を回転軸１０１の回転中に調整できる。また、この変更部によれば、回転軸１０１の回転トルクが相対的に大きい時、回転軸１０１の回転トルクが相対的に小さい時よりも、軸受３ａに加わる荷重を大きく調整できる。これにより、変更部は、低負荷回転領域で軸受３ａに発生する損失の低減と高負荷回転領域で回転軸１０１の軸方向の振動に伴って発生する異常音の抑制との両立を実現できる。

また、第１永久磁石４１の残留磁束密度Ｂｒ１は変更電流Ｉ２の値によって複数の値に変更可能なため、スラスト荷重Ｆも運転中に複数の値に調整できる。その結果、異常音の抑制に必要な最低限のプルフォースを運転状況に応じて、与えることが可能になり、過剰な軸受損失の発生を防ぐことができる。

図６は、モータの第２構成例を部分的に示す断面図である。第２構成例において、上述の構成例と同様の構成、作用及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで省略又は簡略する。

図６に示すモータ２Ｂは、上述のモータ１００Ａの一構成例である。モータ２Ｂは、永久磁石１２２（図３参照）として、第１永久磁石４１及び第２永久磁石４２を備える。モータ２Ｂは、第２永久磁石４２が第１永久磁石４１に対して圧縮機構３（図２参照）の側に設けられる点で、モータ２Ａの構成と相違する。

初期状態では、第１永久磁石４１及び第２永久磁石４２は、比較的低い残留磁束密度で着磁されている。また、初期状態では、モータ２Ａから回転軸１０１に対して軸方向に加えるスラスト荷重Ｆが最小となる位置に、ステータ１１０及びロータ１２０の軸方向の位置関係は設定されている。

電流制御部１５２は、トルク指令値τ＊が所定の閾値Ｔｈよりも大きな高負荷回転領域のとき、第１永久磁石４１の残留磁束密度Ｂｒ１が増加するように、変更電流Ｉ２を増加させる。これにより、第１永久磁石４１の磁力が強まるので、高負荷回転領域でのスラスト荷重Ｆが増大する。スラスト荷重Ｆの増大により、圧力変動に伴う回転軸１０１の軸方向の振動が抑制されるので、高負荷回転領域で発生する異常音を抑制できる。

一方、電流制御部１５２は、トルク指令値τ＊が所定の閾値Ｔｈよりも小さな低負荷回転領域のとき、第１永久磁石４１の残留磁束密度Ｂｒ１が減少するように、変更電流Ｉ２を減少させる。これにより、第１永久磁石４１の磁力が弱まるので、低負荷回転領域でのスラスト荷重Ｆが減少する。スラスト荷重Ｆの減少により、軸受３ａに加わる荷重が低下するので、低負荷回転領域で軸受３ａに発生する損失を低減できる。

このように、モータ２Ｂを備える圧縮機２００は、スラスト荷重Ｆを回転軸１０１の回転中に変更する変更部として、第１永久磁石４１、第２永久磁石４２、電力変換装置１０及び制御装置１５０を備える。したがって、モータ２Ａの場合と同様に、変更部は、低負荷回転領域で軸受３ａに発生する損失の低減と高負荷回転領域で回転軸１０１の軸方向の振動に伴って発生する異常音の抑制との両立を実現できる。

図７は、モータの第３構成例を部分的に示す断面図である。第３構成例において、上述の構成例と同様の構成、作用及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで省略又は簡略する。

図７に示すモータ２Ｃは、上述のモータ１００Ａの一構成例である。モータ２Ｃは、第１永久磁石４１の少なくとも一部が第２端板５１に埋まっている点で、モータ２Ｂの構成と相違する。モータ２Ｃの場合も、モータ２Ｂの場合と同様に、変更部は、低負荷回転領域で軸受３ａに発生する損失の低減と高負荷回転領域で回転軸１０１の軸方向の振動に伴って発生する異常音の抑制との両立を実現できる。

なお、図７に示すモータ２Ｃにおいて、第２永久磁石４２の少なくとも一部が第１端板５２に埋まっても、モータ２Ｂの場合と同様の効果が得られる。また、図５に示すモータ２Ａにおいて、第１永久磁石４１の少なくとも一部が第１端板５２に埋まっても、又は、第２永久磁石４２の少なくとも一部が第２端板５１に埋まっても、モータ２Ｂの場合と同様の効果が得られる。

図８は、モータの第４構成例を部分的に示す断面図である。第４構成例において、上述の構成例と同様の構成、作用及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで省略又は簡略する。

図８に示すモータ２Ｄは、上述のモータ１００Ａの一構成例である。モータ２Ｄは、スロット２２に埋まる永久磁石が径方向で分割される点で、モータ２Ａの構成と相違する。図８は、第１永久磁石４１が第２永久磁石４２の径方向の外周側に位置する構成を例示する。第１永久磁石４１が第２永久磁石４２の径方向の外周側に位置することで、変更電流Ｉ２が流れる巻線１１２に第１永久磁石４１が近づくので、第１永久磁石４１の残留磁束密度を変更する精度が向上する。モータ２Ｄの場合も、モータ２Ａの場合と同様に、変更部は、低負荷回転領域で軸受３ａに発生する損失の低減と高負荷回転領域で回転軸１０１の軸方向の振動に伴って発生する異常音の抑制との両立を実現できる。

図９は、モータの第５構成例を部分的に示す断面図である。第５構成例において、上述の構成例と同様の構成、作用及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで省略又は簡略する。

図９に示すモータ２Ｅは、上述のモータ１００Ａの一構成例である。モータ２Ｅは、第１永久磁石４１を備えるが第２永久磁石４２を備えない点で、モータ２Ａの構成と相違する。

第１永久磁石４１の軸方向の長さは、ロータコア１２１の軸方向の長さと略等しい。第１永久磁石４１が軸方向に異なる残留磁束密度で着磁されることで、一部のみが減磁した永久磁石が得られる。モータ２Ａは、ステータ１１０の外周側に設けられたコイル１６０を備える。コイル１６０は、ステータ１１０のうち軸方向で軸受３ａ側のステータ部分の外周側に設けられている。コイル１６０の軸方向の長さは、巻線１１２の軸方向の長さよりも短い。

電流制御部１５２は、トルク指令値τ＊が所定の閾値Ｔｈよりも大きな高負荷回転領域のとき、第１永久磁石４１のうち軸方向で軸受３ａ側の磁石部分の残留磁束密度Ｂｒ１が減少するように、コイル１６０に流す変更電流Ｉ２を減少させる。これにより、第１永久磁石４１のうち軸方向で軸受３ａ側の磁石部分の磁力が弱まるので、高負荷回転領域でのスラスト荷重Ｆが増大する。スラスト荷重Ｆの増大により、圧力変動に伴う回転軸１０１の軸方向の振動が抑制されるので、高負荷回転領域で発生する異常音を抑制できる。

一方、電流制御部１５２は、トルク指令値τ＊が所定の閾値Ｔｈよりも小さな低負荷回転領域のとき、第１永久磁石４１のうち軸方向で軸受３ａ側の磁石部分の残留磁束密度Ｂｒ１が増加するように、コイル１６０に流す変更電流Ｉ２を増加させる。これにより、第１永久磁石４１の軸方向で軸受３ａ側の磁石部分の磁力が強まるので、低負荷回転領域でのスラスト荷重Ｆが減少する。スラスト荷重Ｆの減少により、軸受３ａに加わる荷重が低下するので、低負荷回転領域で軸受３ａに発生する損失を低減できる。

このように、モータ２Ｅを備える圧縮機２００は、スラスト荷重Ｆを回転軸１０１の回転中に変更する変更部として、第１永久磁石４１、コイル１６０、電力変換装置１０及び制御装置１５０を備える。したがって、モータ２Ｅの場合も、モータ２Ａの場合と同様に、変更部は、低負荷回転領域で軸受３ａに発生する損失の低減と高負荷回転領域で回転軸１０１の軸方向の振動に伴って発生する異常音の抑制との両立を実現できる。

図１０は、モータの第６構成例を部分的に示す断面図である。第６構成例において、上述の構成例と同様の構成、作用及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで省略又は簡略する。

図１０に示すモータ２Ｆは、上述のモータ１００Ａの一構成例である。モータ２Ｆは、第１永久磁石４１及び第３永久磁石４３を備えるが第２永久磁石４２を備えない点で、モータ２Ａの構成と相違する。

第１永久磁石４１は、巻線１１２に流す変更電流Ｉ２が第１電流値で減磁する。第３永久磁石４３は、巻線１１２に流す変更電流Ｉ２が第２電流値（第１電流値よりも高い電流値）で減磁する。この場合、第１電流値の変更電流Ｉ２を巻線１１２に流すと、第１永久磁石４１の残留磁束密度の減少幅は、第３永久磁石４３の残留磁束密度の減少幅よりも大きいので、第３永久磁石４３の磁力が第１永久磁石４１の磁力よりも高くなり、スラスト荷重Ｆが増大する。つまり、モータ２Ｆは、モータ２Ａの変形例である。スロット２２に配置される永久磁石の個数は、２個に限られず、３個以上でもよい。

電流制御部１５２は、トルク指令値τ＊が所定の閾値Ｔｈよりも大きな高負荷回転領域のとき、第１永久磁石４１の残留磁束密度Ｂｒ１が減少するように、第１電流値の変更電流Ｉ２を巻線１１２に流す。これにより、第１永久磁石４１の磁力が弱まるので、高負荷回転領域でのスラスト荷重Ｆが増大する。スラスト荷重Ｆの増大により、圧力変動に伴う回転軸１０１の軸方向の振動が抑制されるので、高負荷回転領域で発生する異常音を抑制できる。

一方、電流制御部１５２は、トルク指令値τ＊が所定の閾値Ｔｈよりも小さな低負荷回転領域のとき、第１永久磁石４１の残留磁束密度Ｂｒ１が増加するように、第１電流値の変更電流Ｉ２を巻線１１２に流すことを停止する。これにより、第１永久磁石４１の磁力が強まるので、低負荷回転領域でのスラスト荷重Ｆが減少する。スラスト荷重Ｆの減少により、軸受３ａに加わる荷重が低下するので、低負荷回転領域で軸受３ａに発生する損失を低減できる。

このように、モータ２Ｆを備える圧縮機２００は、スラスト荷重Ｆを回転軸１０１の回転中に変更する変更部として、第１永久磁石４１、第３永久磁石４３、電力変換装置１０及び制御装置１５０を備える。したがって、モータ２Ａの場合と同様に、変更部は、低負荷回転領域で軸受３ａに発生する損失の低減と高負荷回転領域で回転軸１０１の軸方向の振動に伴って発生する異常音の抑制との両立を実現できる。

図１１は、モータの第７構成例を部分的に示す断面図である。第７構成例において、上述の構成例と同様の構成、作用及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで省略又は簡略する。

図１１に示すモータ２Ｇは、上述のモータ１００Ａの一構成例である。モータ２Ｇは、第２永久磁石４２の位置変更によってスラスト荷重Ｆを変更する点で、モータ２Ａの構成と相違する。

モータ２Ｇは、スロット２２に沿ってスライドする第２永久磁石４２と、第２永久磁石４２のスライド量を調整するスライド調整機構４４とを有する。スライド調整機構４４は、例えば、スプリング等の弾性体である。スロット２２は、回転軸１０１の軸方向に対して傾斜するようにロータコア１２１に形成されている。このような構成により、ロータ１２０の回転数が増加するほど、第２永久磁石４２に作用する遠心力が増大し、第２永久磁石４２は、軸受３ａから離れる方向にスロット２２に沿ってスライドする。一方、ロータ１２０の回転数が減少するほど、第２永久磁石４２に作用する遠心力が減少し、第２永久磁石４２は、軸受３ａに近づく方向にスロット２２に沿ってスライドする。

高負荷回転領域において、第２永久磁石４２が軸受３ａから離れる方向にスロット２２に沿ってスライドすることで、スロット２２のうち軸受３ａに近い側のスロット部分の磁束密度が減少するので、高負荷回転領域でのスラスト荷重Ｆが増大する。スラスト荷重Ｆの増大により、圧力変動に伴う回転軸１０１の軸方向の振動が抑制されるので、高負荷回転領域で発生する異常音を抑制できる。

一方、低負荷回転領域において、第２永久磁石４２が軸受３ａに近づく方向にスロット２２に沿ってスライドすることで、スロット２２のうち軸受３ａに近い側のスロット部分の磁束密度が増加するので、低負荷回転領域でのスラスト荷重Ｆが減少する。スラスト荷重Ｆの減少により、軸受３ａに加わる荷重が低下するので、低負荷回転領域で軸受３ａに発生する損失を低減できる。

このように、モータ２Ｇを備える圧縮機２００は、スラスト荷重Ｆを回転軸１０１の回転中に変更する変更部として、第２永久磁石４２及びスライド調整機構４４を備える。したがって、モータ２Ａの場合と同様に、変更部は、低負荷回転領域で軸受３ａに発生する損失の低減と高負荷回転領域で回転軸１０１の軸方向の振動に伴って発生する異常音の抑制との両立を実現できる。

なお、スライド調整機構４４は、スロット２２に沿って第２永久磁石４２を押す又は引っ張る電磁スイッチでもよい。電流制御部１５２は、トルク指令値τ＊が所定の閾値Ｔｈよりも大きな高負荷回転領域のとき、第２永久磁石４２が軸受３ａから離れる方向にスロット２２に沿ってスライドするように電磁スイッチを動作させる電流を電磁スイッチに流す。これにより、スロット２２のうち軸受３ａに近い側のスロット部分の磁束密度が減少するので、高負荷回転領域でのスラスト荷重Ｆが増大する。スラスト荷重Ｆの増大により、圧力変動に伴う回転軸１０１の軸方向の振動が抑制されるので、高負荷回転領域で発生する異常音を抑制できる。

一方、電流制御部１５２は、トルク指令値τ＊が所定の閾値Ｔｈよりも小さな低負荷回転領域のとき、第２永久磁石４２が軸受３ａに近づく方向にスロット２２に沿ってスライドするように電磁スイッチを動作させる電流を電磁スイッチに流す。これにより、スロット２２のうち軸受３ａに近い側のスロット部分の磁束密度が増加するので、低負荷回転領域でのスラスト荷重Ｆが減少する。スラスト荷重Ｆの減少により、軸受３ａに加わる荷重が低下するので、低負荷回転領域で軸受３ａに発生する損失を低減できる。

したがって、スライド調整機構４４がスプリングの場合と同様に、変更部は、低負荷回転領域で軸受３ａに発生する損失の低減と高負荷回転領域で回転軸１０１の軸方向の振動に伴って発生する異常音の抑制との両立を実現できる。

図１２は、モータの第８構成例を部分的に示す断面図である。第８構成例において、上述の構成例と同様の構成、作用及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで省略又は簡略する。

図１２に示すモータ２Ｈは、上述のモータ１００Ａの一構成例である。モータ２Ｈは、第２永久磁石４２とスライド調整機構４４との位置関係が入れ替えられた点で、モータ２Ｇの構成と相違する。

スライド調整機構４４は、例えば、スロット２２に沿って第２永久磁石４２を押す又は引っ張る電磁スイッチである。電流制御部１５２は、トルク指令値τ＊が所定の閾値Ｔｈよりも大きな高負荷回転領域のとき、第２永久磁石４２が軸受３ａから離れる方向にスロット２２に沿ってスライドするように電磁スイッチを動作させる電流を電磁スイッチに流す。一方、電流制御部１５２は、トルク指令値τ＊が所定の閾値Ｔｈよりも小さな低負荷回転領域のとき、第２永久磁石４２が軸受３ａに近づく方向にスロット２２に沿ってスライドするように電磁スイッチを動作させる電流を電磁スイッチに流す。

したがって、モータ２Ｇの場合と同様に、変更部は、低負荷回転領域で軸受３ａに発生する損失の低減と高負荷回転領域で回転軸１０１の軸方向の振動に伴って発生する異常音の抑制との両立を実現できる。

以上、実施形態を説明したが、特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。

１ 空気調和装置
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ，２Ｇ，２Ｈ モータ
３ 圧縮機構
３ａ 軸受
３ｂ 吸入管
３ｃ 吐出管
４ ケーシング
１０ 電力変換装置
１１ コンバータ回路
１２ 直流リンク部
１３ インバータ回路
２０ 交流電源
２２ スロット
４１ 第１永久磁石
４２ 第２永久磁石
４３ 第３永久磁石
４４ スライド調整機構
５０ 冷媒回路
５１ 第１端板
５２ 第２端板
６０ 四方切換弁
７０ 室外熱交換器
８０ 膨張弁
９０ 室内熱交換器
１００ モータ装置
１００Ａ モータ
１０１ 回転軸
１１０ ステータ
１１１ ステータコア
１１１Ａ バックヨーク部
１１１Ｂ ティース部
１１２ 巻線
１２０ ロータ
１２１ ロータコア
１２１Ａ 貫通孔
１２１Ｂ スロット
１２２ 永久磁石
１５０ 制御装置
１５１ 座標変換部
１５２ 電流制御部
１５３ ＰＷＭ演算部
１５４ メモリ
１６０ コイル
２００ 圧縮機

Claims (12)

1. 軸受と、
   前記軸受に直接又は油を介して接触する回転軸と、
   前記回転軸に締結されたロータと、前記ロータと径方向で対向するように配置されたステータとを有し、前記回転軸を回転させるモータと、
   前記回転軸の回転により駆動される圧縮機構と、
   前記モータから前記回転軸に対して軸方向に加えるスラスト荷重を、前記回転軸の回転中に変更する変更部と、備える、圧縮機。
2. 前記変更部は、前記圧縮機構を駆動する回転トルクに応じて、前記スラスト荷重を変更する、請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記変更部は、前記回転トルクが相対的に大きい時に、前記回転トルクが相対的に小さい時よりも、前記スラスト荷重を大きくする、請求項２に記載の圧縮機。
4. 前記変更部は、前記ロータに設けられた永久磁石によって、前記スラスト荷重を変更する、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧縮機。
5. 前記変更部は、前記永久磁石の残留磁束密度を変更する手段を含み、
   前記永久磁石は、前記変更部により残留磁束密度を変更可能な第１永久磁石を含む、請求項４に記載の圧縮機。
6. 前記変更部は、前記第１永久磁石の残留磁束密度を変更することで、前記スラスト荷重を変更する、請求項５に記載の圧縮機。
7. 前記永久磁石は、前記第１永久磁石と、前記第１永久磁石に対して前記圧縮機構の側とは反対側に設けられて前記変更部により残留磁束密度を変更できない第２永久磁石とを含み、
   前記変更部は、前記第１永久磁石の残留磁束密度を変更することで、前記スラスト荷重を変更する、請求項５に記載の圧縮機。
8. 前記永久磁石は、前記第１永久磁石と、前記第１永久磁石に対して前記圧縮機構の側に設けられて前記変更部により残留磁束密度を変更できない第２永久磁石とを含み、
   前記変更部は、前記第１永久磁石の残留磁束密度を変更することで、前記スラスト荷重を変更する、請求項５に記載の圧縮機。
9. 前記変更部は、前記永久磁石の位置を変更することで、前記スラスト荷重を変更する、請求項４に記載の圧縮機。
10. 前記軸受は、滑り軸受であり、
    前記スラスト荷重は、前記回転軸から前記滑り軸受に向かう向きに加わる、請求項１から９のいずれか一項に記載の圧縮機。
11. 前記軸受は、転がり軸受である、請求項１から９のいずれか一項に記載の圧縮機。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の圧縮機を備える冷凍装置。

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