JP2004260972A - 永久磁石回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】効率を十分に向上させることができる永久磁石回転機を提供する。
【解決手段】回転子２０の主磁極部ａには、永久磁石４１ａ、４２ａが収容される磁石収容孔３１ａが設けられている。回転子２０の外周部は、第１の外周部分２２ａと第２の外周部分２３ａが交互に接続されて構成されている。第１の外周部分２２ａは、回転子２０の中心Ｏと主磁極部ａの周方向中心とを結ぶ線（ｄ軸）と交差し、回転子２０の中心Ｏを中心とする半径Ｒの円弧形状に形成されている。第２の外周部分２３ａは、回転子２０の中心Ｏと、主磁極部間に設けられている補助磁極部の周方向中心とを結ぶ線（ｑ軸）に交差し、ｑ軸上の補助磁極部が設けられている側と反対方向に所定距離だけずれた位置Ｑを中心とする半径Ｒｑの円弧形状に形成されている。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石回転機、特に、回転子に設けられた磁石収容孔に永久磁石が収容された永久磁石回転機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エアコン（空調装置）や冷蔵庫等の圧縮機を駆動する電動機、車両や車載装置等を駆動する電動機等として、磁石収容孔に永久磁石が収容された（埋め込まれた）回転子、すなわち永久磁石埋込構造の回転子を備える永久磁石電動機（「永久磁石埋込型電動機」）が用いられている。
永久磁石埋込型電動機は、ティース部が設けられている固定子と、ティース先端部と間隙を介して配置される回転子を備え、回転子の軸方向に直角な断面において、永久磁石を収容する磁石収容孔が設けられている主磁極部と補助磁極部が周方向に交互に配置されている。これにより、永久磁石の磁束によるマグネットトルクと、補助磁極部の突極性によるリラクタンストルクの両方を利用することができる。
【０００３】
永久磁石埋込型電動機として、回転子の軸方向に直角な断面において、外周部が円形形状に形成された回転子を用いたものが知られている。このような回転子を用いた永久磁石埋込型電動機では、主磁極部と補助磁極部の境界部がティース部を通過する時に、ティース部を通る磁束が急激に変化するため、音や振動等が発生することがある。
そこで、ティース部を通る磁束の急激な変化を防止して音や振動等の発生を防止するために、例えば、図１５及び図１６に示されているような構造の回転子を用いた永久磁石埋込型電動機が提案されている。
図１５に示す永久磁石埋込型電動機は、ティース部５１２ａが設けられている固定子５１０と、ティース先端部と所定の間隙（ギャップ）を介して配置されている回転子５２０を備え、回転子５２０の主磁極部には、永久磁石５４１ａを収容する磁石収容孔５３１ａが設けられている。そして、回転子５２０の外周部は、回転子５２０の軸方向に直角な断面において、回転子５２０の中心Ｏと主磁極部の周方向中央部とを結ぶ線（ｄ軸という）上であって、中心Ｏより磁石収容孔５３１ａ側にずれた位置Ｋを中心とし、回転子５２０の中心Ｏと補助磁極部の周方向中央部とを結ぶ線（ｑ軸という）間に形成された半径Ｒ１の円弧形状の外周部分５２２ａを有している。（特許文献１参照）
図１６に示す永久磁石埋込型電動機は、ティース部５５２ａが設けられている固定子５５０と、ティース先端部と所定の間隙（ギャップ）を介して配置されている回転子５６０を備え、回転子５６０の主磁極部には、永久磁石５８１ａ及び５８２ａを収容する磁石収容孔５７１ａ及び５７２ａが設けられている。そして、回転子５６０の外周部は、回転子５６０の軸方向に直角な断面において、ｄ軸箇所に形成された、回転子５６０の中心Ｏを中心とする半径Ｒの円弧形状の外周部分５６２ａと、ｑ軸箇所に形成され、半径Ｒの円弧形状からＶ字状に切り欠かれた形状の外周部分５６３ａを有している。（特許文献２参照）
なお、固定子のティース部により形成されるスロットには、固定子巻線が収納されている。そして、インバータ等の電源装置から固定子巻線に電力を供給することにより、回転子が回転する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２２２３８４号公報
【特許文献２】
特開２００２−７８２５５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１５に示す回転子５２０では、回転子５２０の中心Ｏと主磁極部の周方向中心部とを結ぶ線（ｄ軸）付近から少しでも離れると、回転子５２０の中心Ｏから回転子５２０の外周部までの距離が短くなり、回転子５２０の外周部とティース先端部との間の間隙（ギャップ）が増大する。このため、回転子５２０の外周部とティース先端部との間の間隙が短いｄ軸付近に磁束が集中し、磁気飽和し易い。ｄ軸付近が磁気飽和すると、回転子５２０の外周部とティース先端部との間の間隙（ギャップ）がｄ軸付近より長い箇所を磁束が流れなければならなくなり、ティース部５１２ａを通る磁束が減少し、固定子巻線に誘起される起電力が低下する。この場合、固定子巻線に誘起される起電力を増大させるために、固定子巻線の巻数を増加させる必要がある。固定子巻線の巻数を増加させると、固定子巻線による銅損が増大する。したがって、電動機の効率を十分に向上させることができない。
【０００６】
一方、図１６に示す回転子５６０では、外周部分５６２ａが、回転子５６０の中心Ｏを中心とする半径Ｒの円弧形状に形成されている。このため、図１６に示す回転子のように、回転子５６０の中心Ｏと主磁極部の周方向中心部とを結ぶ線（ｄ軸）付近の箇所に磁束が集中することはない。
しかしながら、円弧形状に形成されている外周部分５６２ａとＶ字状に切り欠かれている外周部分５６３ａとの境界付近の箇所における磁束量の変化が大きくなる。このため、起電力波形に含まれる高調波成分が多くなる。
近年、永久磁石埋込型電動機の制御方式として、エンコーダやレゾルバ等の回転子の回転位置を検出するための回転子位置検出センサを用いないセンサレス制御方式が普及している。このセンサレス制御方式では、例えば、起電力波形が正弦波形であると仮定し、入力電圧と入力電流を用いて回転子の回転位置を算出している。このようなセンサレス制御方式を用いている場合、起電力波形に高調波成分が多く含まれるようになると、回転子の回転位置の算出精度が低下し、最適な制御を行うことができなくなって効率が低下する。
【０００７】
以上のように、回転子の特定箇所への磁束の集中及び磁束量の変化が大きくなることによって、効率が低下する。
また、スロットに固定子巻線を収容する方式として、分布巻方式と集中巻方式が知られている。集中巻方式は、分布巻方式に比べて、固定子巻線をスロット内に効率よく収容することができ、また、スロットからの固定子巻線のはみ出し量を少なくすることができる。スロットからの固定子巻線のはみ出し量が少ないと、固定子巻線の長さが短くなって固定子巻線による銅損が少なくなり、電動機の効率が向上する。一方、集中巻方式を用いて固定子巻線をスロットに収容する場合、分布巻方式を用いる場合に比べて、長い幅を有するティース端部を用いる必要がある。このティース端部は、ティース本体部に比べて磁気飽和し易い。
このため、固定子巻線をスロットに収容する方法として集中巻方式を用いる場合には、回転子の特定箇所への磁束集中と磁束量の変化をより考慮する必要がある。
そこで、本発明は、磁束が回転子の特定箇所に集中することを防止するとともに、磁束量の変化を小さくして起電力波形に含まれる高調波成分を低減し、効率を十分に向上させることができる永久磁石回転機を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりの永久磁石回転機である。
請求項１に記載の永久磁石回転機では、回転子の外周部は、軸方向に直角な断面において、それぞれｄ軸及びｑ軸と交差し、凸部側が外周方向を向いた第１及び第２の曲線部分が交互に接続されて形成され、第２の曲線部分の曲率が第１の曲線部分の曲率より大きく設定されている。これにより、回転子の特定箇所に磁束が集中するのを防止することができるとともに、磁束量の変化を小さくして起電力波形に含まれる高調波成分を低減することができ、効率を十分に向上させることができる。
なお、第１及び第２の曲線部分の形状は、凸型の曲線形状であればよい。
第１発明に記載された永久磁石回転機の各部の値を適切な範囲に設定することによって、より効率を向上させることができる。
例えば、請求項２に記載されている第２発明のように、第１の曲線部分の開角（機械角）をθ、回転子の極対数をＰとした時、開角θが条件［（３８／Ｐ）度≦θ≦（８２／Ｐ）度］を満足するように構成する。
あるいは、請求項３に記載されている第３発明のように、回転子の中心から外周部までの距離の中で最も長い距離Ｒを半径とする外周線と、第２の曲線部分との間の距離の中で最も長い距離をＤ、スロット数をＮとした時、距離Ｄが条件［（３．４８／Ｎ）ｍｍ≦Ｄ≦（６．０６／Ｎ）ｍｍ］を満足するように構成する。
あるいは、請求項４に記載されている第４発明のように、ティース先端部の端部に、回転子の回転方向に沿って傾斜している切欠部を設け、回転子の中心から外周部までの距離の中で最も長い距離Ｒを半径とする外周線と、第２の曲線部分との間の距離の中で最も長い距離をＤ１、切欠部の最大切欠長をＤ２とした時、条件［（３．４８／Ｎ）ｍｍ≦（Ｄ１＋Ｄ２）≦（６．０６／Ｎ）ｍｍ］を満足するように構成する。
あるいは、請求項５に記載されている第５発明のように、回転子の中心から外周部までの距離の中で最も長い距離をＲ、回転子の中心と第１の曲線部分の曲率中心との間の距離をｈ、スロット数をＮとした時、ずれ量［ｈ／２Ｒ×１００］が条件［（−６．３／Ｎ）％≦（ｈ／２Ｒ×１００）≦（６．３／Ｎ）％］を満足するように構成する。
あるいは、請求項６に記載されている第６発明のように、第１の曲線部分の開角（機械角）をθ、回転子の外周部とティース先端部との間隙の中で最も短い間隙をｇ、回転子の中心から外周部までの距離の中で最も長い距離Ｒを半径とする外周線と、第２の曲線部分との間の距離の中で最も長い距離をＤ、回転子の極対数をＰとした時、［０．５ｍｍ≦Ｄ≦｛（ｇ／１０）×Ｐ×（θ／２）−ｇ｝ｍｍ］、［（２４／Ｐ）度≦θ≦（８０／Ｐ）度］を満足するように構成する。
あるいは、請求項７に記載されている第７発明のように、ティース先端部の端部に、回転子の回転方向に沿って傾斜している切欠部を設け、第１の曲線部分の開角をθ、回転子の外周部とティース先端部との間隙の中で最も短い間隙をｇ、回転子の中心から外周部までの距離の中で最も長い距離Ｒを半径とする外周線と、第２の曲線部分との間の距離の中で最も長い距離をＤ１、回転子の極対数をＰ、切欠部の最大切欠長をＤ２とした時、［０．５ｍｍ≦（Ｄ１＋Ｄ２）≦｛（ｇ／１０）×Ｐ×（θ／２）−ｇ｝ｍｍ］、［（２４／Ｐ）度≦θ≦（８０／Ｐ）度］を満足するように構成する。
ここで、請求項８に記載されている第８発明のように、第１の曲線部分を、ｄ軸上に曲率中心を有する円弧形状に形成し、第２の曲線部分を、ｑ軸上に曲率中心を有する円弧形状に形成することにより、回転子の第１及び第２の曲線部分を容易に形成することができる。
また、請求項９に記載されている第９発明のように、主磁極部の中央部にブリッジ部が設けられるように磁石収容孔を構成するのが好ましい。この場合には、回転子の強度が増大し、音や振動等の発生を防止することができる。
また、請求項１０に記載されている第１０発明のように、集中巻方式でスロットに固定子巻線を収容することにより、さらに効率を向上させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
本発明の第１の実施の形態を図１及び図２に示す。第１の実施の形態は、本発明を、回転子の主磁極部に設けられている磁石収容孔に永久磁石が収容された（埋め込まれた）永久磁石埋込型電動機として構成したものである。なお、図１は、第１の実施の形態を軸方向に直角な方向から見た断面図であり、図２は、図１のＸ部の部分拡大図である。
本実施の形態の永久磁石埋込型電動機は、固定子１０と回転子２０により構成されている。
固定子１０は、固定子コア１１、ティース部１２ａ〜１２ｆを有している。固定子コア１１とティース部１２ａ〜１２ｆによって、固定子巻線を収容するスロット１６ａ〜１６ｆが形成される。スロット１６ａ〜１６ｆには、固定子巻線が集中巻方式によって収容されている。前述したように、固定子巻線を集中巻方式によってスロットに収容する場合には、ティース部１２ａ〜１２ｆのティース先端部の長さが分布巻方式を用いる場合に比べて長い。図１に示す固定子１０は、スロット数が６の場合を示している。
回転子２０には、回転軸が嵌合される嵌合孔２１が設けられているとともに、主磁極部と補助磁極部が周方向に交互に配置されている。主磁極部には、永久磁石が収容される永久磁石収容孔３１ａ〜３１ｄが設けられている。また、回転子２０の外周部は、第１の外周部分２２ａ〜２２ｄと第２の外周部分２３ａ〜２３ｄが交互に接続されて構成されている。図１に示す回転子２０は、磁極数が４（極対数が２）の場合を示している。
【００１０】
次に、本実施の形態を図２により詳述する。なお、固定子１０及び回転子の各部の構成は同じであるため、以下では、固定子１０のティース部１２ａ、回転子２０の磁石収容孔３１ａが設けられている主磁極部ａの構成について説明する。固定子１０のティース部１２ａは、回転子２０の回転方向の両端部側にティース端部１３ａ及び１４ａが設けられ、回転子２０と対向する側にティース先端部１５ａが設けられている。
回転子２０の主磁極部ａには、磁石収容孔３１ａが設けられている。磁石収容孔３１ａは、内壁３２ａ、３３ａ、外壁３４ａ、３５ａ、端部壁３６ａ、３７ａにより形成され、回転子２０の中心Ｏと主磁極部ａの周方向中心部とを結ぶ線（ｄ軸）を中心に、略Ｖ字状に形成されている。内壁３２ａ、３３ａ、外壁３４ａ、３５ａは、略直線状に形成され、端壁３６ａ、３７ａは、対向する第２の外周部分２３ａ、２３ｄと略平行に形成されている。
磁石収容孔３１ａには、軸方向に直角な断面形状が略長方形形状に形成されている永久磁石４１ａ、４２ａが収容される（埋め込まれる）。この時、磁石収容孔３１ａの周方向端部（永久磁石４１ａ、４２ａの端部と端部壁３６ａ、３７ａとの間）及び中央部（永久磁石４１ａと４２ａの間）に、空隙４３ａ、４４ａ、４５ａが設けられる。永久磁石は、周方向に配置された隣接する主磁極部の極性が逆極性となるように配置される。
なお、永久磁石４１ａ、４２ａを磁石収容孔３１ａ、３２ａ内に位置決めするための係止部３８ａ、３９ａが、内壁３２ａ、３３ａから磁石収容孔側に突出して設けられている。
【００１１】
また、回転子２０の外周部は、第１の外周部分２２ａと第２の外周部分２３ａ、２３ｄにより構成されている。
第１の外周部分２２ａは、回転子２０の中心Ｏと主磁極部ａの周方向中心部とを結ぶ線（ｄ軸）と交差し、凸部側が外周方向を向いた曲線形状に形成されている。また、第２の外周部分２３ａは、回転子２０の中心Ｏと、主磁極部間に設けられている補助磁極部の周方向中心部とを結ぶ線（ｑ軸）と交差し、凸部側が外周方向を向いた曲線形状に形成されている。そして、第２の外周部分２３ａの曲率半径Ｒｑは、第１の外周部分２２ａの曲率半径Ｒｄより大きく設定されている。第１の外周部分２２ａ、第２の外周部分２３ａ、２３ｄは、接続点ａ１、ａ２で接続されている。
本実施の形態では、第１の外周部分２２ａは、回転子２０の中心Ｏを中心とする半径Ｒの円弧形状に形成されている。また、第２の外周部分２３ａは、ｑ軸上の回転子Ｏより第２の外周部分２３ａと反対方向にずれた位置Ｑを中心とする半径Ｒｑの円弧形状に形成されている。
なお、第１の外周部分２２ａや第２の外周部分２３ａの曲線形状は、円弧形状や楕円形状等の凸型形状であればよい。また、第１の外周部２２ａの曲率中心Ｏや第２の外周部２３ａの曲率中心Ｑの位置は、適宜変更可能である。例えば、第１の外周部２２ａの曲率中心Ｏを、ｄ軸上の回転子２０の中心Ｏより第１の外周部２２ａ側に所定距離ｈだけずれた曲率中心Ｓの位置に設定してもよい。
【００１２】
本実施の形態では、第１の外周部分２２ａ〜２２ｄが本発明の第１の曲線部分に対応し、第２の外周部分２３ａ〜２３ｄが本発明の第２の曲線部分に対応する。
【００１３】
以上のように、本実施の形態では、回転子２０の外周部は、ｄ軸と交差し、凸部側が外周方向に向いた曲線形状の第１の外周部分２２ａと、ｑ軸と交差し、第１の外周部より曲率半径が大きい第２の外周部分２３ａが交互に接続されて構成されているため、磁束が回転子２０の特定の箇所に集中することがない。
これにより、十分な起電力が発生するため、固定子巻線の巻数を増加させる必要がなくなり、固定子巻線の銅損による効率の低下を防止することができる。
また、第１の外周部分と第２の外周部分の接続部における磁束量の変化が大きくなることを防止することができるため、起電力波形に含まれる高調波成分が増大するのを防止することができる。これにより、センサレスの制御装置を用いた場合でも、精度よく回転子の位置を検出することができ、最適な制御を行うことができる。したがって、回転子の位置検出精度の低下による効率の低下を防止することができる。
また、第２の外周部分を凸部側が外周方向を向いた曲線形状に形成しているため、第２の外周部分とティース先端部との間の間隙の中の最も長い間隙（例えば、ｑ軸に沿った間隙）の長さ従来例に比べて短くすることができるため、リラクタンストルクを有効に利用することができる。
さらに、本実施の形態で用いている回転子を、固定子巻線を集中巻方式によりスロットに収容する固定子を組み合わせた場合でも、前記した効果を得ることができる。この場合には、集中巻方式を用いることによる効率の向上も期待することができるため、より効率を向上させることができる。すなわち、本実施の形態で用いている回転子は、集中巻方式を用いて固定子巻線をスロットに収容する固定子と好適に組み合わせることができる。
【００１４】
次に、本実施の形態で用いている回転子の各値を適切な範囲に設定することによって、効率をより向上させることができることを説明する。
第１の外周部分２２ａの開角θについて検討する。なお、開角θは、回転子２０の中心Ｏと第１の外周部分２２ａの両端の接続点ａ１及びａ２を結んだ線により形成される角度（機械角）である。
第１の外周部分２２ａの開角θと効率との関係を図３に示す。なお、図３に示すグラフは、ティース先端部１５ａと回転子の外周部との間の間隙（ギャップ）の中で最も短い間隙ｇを０．６ｍｍ、回転子２０の中心Ｏから回転子２０の外周部までの長さの中で最も長い長さを半径とする外周線と第２の外周部分２３ａまでの距離の中で最も長い距離Ｄを０．８ｍｍに設定した場合のものである。
本実施の形態では、第１の外周部分２２ａが回転子２０の中心Ｏを曲率中心とする円弧形状に形成されているため、間隙ｇは、第１の外周部分２２ａがティース先端部１５ａと対向した時の第１の外周部分２２ａとティース先端部１５ａとの間の距離である。また、第２の外周部分２３ａがｑ軸上の点Ｑを曲率中心とする円弧形状に形成されているため、距離Ｄは、ｑ軸に沿った、回転子２０の中心Ｏを中心とする半径Ｒの外周線と第２の外周部分２３ａとの間の距離である。
図３に示されているように、［１９度≦開角θ≦４１度］の範囲内の時に効率が点線で示す所定値（９４％）以上となっていることがわかる。
なお、間隙（ギャップ）ｇが０．５ｍｍ〜０．７ｍｍの範囲内、距離Ｄが０．６ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内であれば、第１の外周部分２２ａの開角θに対する効率のグラフは図３に示すグラフと略等しい。
【００１５】
ここで、回転子２０の極対数が２の場合の条件［１９度≦開角θ≦４１度］は、回転子２０の極対数に応じて変更される。
例えば、回転子２０の極対数が１の場合には、極対数が２の場合の条件の２倍、すなわち、［３８度≦開角θ≦８２度］に対応する。また、回転子２０の極対数が３の場合には、極対数が２の場合の条件の２／３倍、すなわち、［３８／３度≦開角θ≦８２／３度］に対応する。
したがって、回転子２０の極対数をＰとした場合、第１の外周部分２２ａの開角θが、条件［（３８／Ｐ）度≦開角θ≦（８２／Ｐ）度］を満足するように構成することにより、効率を向上させることができる。
【００１６】
次に、回転子２０の中心Ｏから回転子２０の外周部までの長さの中で最も長い長さを半径とする外周線と第２の外周部分２３ａまでの距離の中で最も長い距離Ｄについて検討する。
距離Ｄと効率との関係を図４に示す。なお、図４に示すグラフは、第１の外周部分２２ａの開角θを３０度（機械角）、ティース先端部１５ａと回転子２０の外周部との間の間隙（ギャップ）の中で最も短い間隙ｇを０．６ｍｍに設定した場合のものである。
本実施の形態では、第１の外周部分２２ａが回転子２０の中心Ｏを曲率中心とする円弧形状に形成されているため、間隙（ギャップ）ｇは、第１の外周部分２２ａがティース先端部１５ａに対向した時の第１の外周部分２２ａとティース先端部１５ａとの間の間隙である。また、第２の外周部分２３ａがｑ軸上の点Ｑを曲率中心とする円弧形状に形成されているため、距離Ｄは、ｑ軸に沿った、回転子２０の中心Ｏを中心とする半径Ｒの外周線と第２の外周部分２３ａとの間の距離である。
図４に示されているように、［０．５８ｍｍ≦距離Ｄ≦１．０１ｍｍ］の範囲内の時に効率が点線で示す所定値（９４％）以上となっていることがわかる。これにより、距離Ｄが、条件［０．５８ｍｍ≦距離Ｄ≦１．０１ｍｍ］を満足するように構成することにより、効率を向上させることができる。
なお、固定子１０のスロット数が６の場合には、第１の外周部分２３ａの開角θが２０度〜４０度の範囲内、間隙（ギャップ）ｇが０．５〜０．７の範囲内であれば、距離Ｄに対する効率のグラフは図４に示すグラフと略等しい。
【００１７】
ここで、固定子１０のスロット数が６の場合の条件［０．５８ｍｍ≦距離Ｄ≦１．０１ｍｍ］は、固定子１０のスロット数に応じて変更される。
例えば、固定子１０のスロット数が３の場合には、スロット数が６の場合の条件の２倍、すなわち、条件［１．１６ｍｍ≦距離Ｄ≦２．０２ｍｍ］に対応する。また、固定子１０のスロット数が９の場合には、スロット数が６の場合の条件の２／３倍、すなわち、条件［１．１６／３ｍｍ≦距離Ｄ≦２．０２／３ｍｍ］に対応する。また、固定子１０のスロット数が１２の場合には、スロット数が６の場合の条件の１／２倍、すなわち、条件［０．２９ｍｍ≦距離Ｄ≦０．５０５ｍｍ］に対応する。
したがって、スロット数をＮとした場合、距離Ｄが［（３．４８／Ｎ）ｍｍ≦距離Ｄ≦（６．０６／Ｎ）ｍｍ］を満足するように構成することにより、効率を向上させることができる。
【００１８】
次に、第１の外周部分２２ａの曲率中心Ｓをｄ軸に沿って回転子２０の中心Ｏからずらせた場合のずれ量について検討する。ここで、回転子２０の中心Ｏと第１の外周部分２２ａの曲率中心Ｓとの間の距離をｈとすると、回転子２０の中心Ｏから回転子２０の外周部までの間の距離で最も長い距離Ｒは、距離ｈと第１の外周部分２２ａの曲率半径Ｒｄの和で表される。
ずれ量と効率との関係を図５に示す。なお、図５では、ずれ量として［ｈ／２Ｒ×１００］を用いている。また、図５に示すグラフは、第１の外周部分２２ａの開角θを３０度（機械角）、ティース先端部１５ａと回転子２０の外周部との間の間隙（ギャップ）の中で最も短い間隙ｇを０．６ｍｍ、回転子２０の中心Ｏから回転子２０の外周部までの長さの中で最も長い長さを半径とする外周線と第２の外周部分２３ａまでの距離の中で最も長い距離Ｄを０．８ｍｍに設定した場合のものである。
本実施の形態では、第１の外周部分２２ａがｄ軸に沿って回転子２０の中心Ｏから距離ｈだけずれた位置Ｓを曲率中心とする円弧形状に形成されているため、間隙（ギャップ）ｇは、第１の外周部分２２ａがティース先端部１５ａに対向した時の、ｄ軸に沿った第１の外周部分２２ａとティース先端部１５ａとの間の間隙である。
図５に示されているように、［−１．０５％≦（ｈ／２Ｒ×１００）≦＋１．０５％］の範囲内の時に効率が点線で示す所定値（９４％）以上となっていることがわかる。これにより、ずれ量［ｈ／２Ｒ×１００］が、条件［−１．０５％≦（ｈ／２Ｒ×１００）≦＋１．０５％］を満足するように構成することにより、効率を向上させることができる。この場合、［−２．１％≦（ｈ／Ｒ×１００）≦＋２．１％］の条件を用いても同一である。
なお、固定子１０のスロット数が６の場合には、第１の外周部分２２ａの開角θが２０度〜４０度の範囲内、間隙（ギャップ）ｇが０．５ｍｍ〜０．７ｍｍの範囲内、距離Ｄが０．６ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内であれば、ずれ量に対する効率のグラフは図５に示すグラフと略等しい。
【００１９】
ここで、固定子１０のスロット数が６の場合の条件［−１．０５％≦（ｈ／２Ｒ×１００）≦＋１．０５％］は、固定子１０のスロット数に応じて変更される。
例えば、固定子１０のスロット数が３の場合には、スロット数が６の場合の条件の２倍、すなわち、条件［−２．１％≦（ｈ／２Ｒ×１００）≦＋２．１％］に対応する。また、固定子１０のスロット数が９の場合には、スロット数が６の場合の条件の２／３倍、すなわち、条件［−０．７％≦（ｈ／２Ｒ×１００）≦＋０．７％］に対応する。また、固定子１０のスロット数が１２の場合には、スロット数が６の場合の条件の１／２倍、すなわち、条件［−０．５２５％≦（ｈ／２Ｒ×１００）≦＋０．５２５％］に対応する。
したがって、スロット数をＮとした場合、ずれ量［ｈ／２Ｒ×１００］が、条件［（−６．３／Ｎ）％≦（ｈ／２Ｒ×１００）≦（＋６．３／Ｎ）％］を満足するように構成することにより、効率を向上させることができる。
【００２０】
次に、第１の外周部分２２ａの開角θと、回転子２０の中心Ｏから回転子２０の外周部までの長さの中で最も長い長さを半径とする外周線と第２の外周部分２３ａまでの距離の中で最も長い距離Ｄについて検討する。
永久磁石埋込型電動機の発生トルクＴは、（１）式で表される。
Ｔ＝φＩｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ＩｄＩｑ （１）
ここで、φは磁束量、Ｉｑはｑ軸電流、Ｉｄはｄ軸電流、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｌｄはｄ軸インダクタンスである。
固定子巻線端子間に発生する起電力が大きいと、磁束量φも大きくなる。磁束量φが大きくなると、（１）式から、発生トルクＴが大きくなって電流が小さくなる。電流が小さくなると、固定子巻線の銅損が減少し、効率が向上する。
本実施の形態における、開角θ及び距離Ｄと固定子巻線端子間に発生する起電力の大きさとの関係を図６に示す。図６は、距離Ｄ＝２．０ｍｍ、開角θ＝１０度の時の起電力の大きさを１００％とし、距離Ｄと開角θを変更した場合の起電力の大きさを示している。
図６に示すように、開角θが大きくなるに従って起電力が大きくなる。この時、距離Ｄが０．１と小さい場合には開角θが変化しても起電力は殆ど変化しないが、距離Ｄが大きくなるに従って起電力が大きくなる。前記したように、起電力が大きくなると、磁束量が増加し、電流が小さくなる。これにより、固定子巻線の銅損が減少し、効率が向上する。
図６から、起電力が１０７％以上になる距離Ｄは、（２）式で表される。
Ｄ≦［（ｇ／１０）×Ｐ×（θ／２）−ｇ］ （２）
ここで、Ｐは回転子の極対数である。
【００２１】
ところで、前述したように、センサレス方式の制御装置では、固定子巻線端子間に発生する起電力が正弦波形であると仮定し、入力電圧と入力電流を用いて回転子の回転位置を算出している。このようなセンサレス方式の制御装置では、起電力波形に含まれる高調波成分が多いと、回転子の位置を正確に算出することができなくなり、インバータ等の電源装置の制御精度が低下して効率が低下する。このため、起電力波形に含まれる高調波成分を減少させることが求められている。
本実施の形態における、開角θ及び距離Ｄと起電力波形に含まれる１次成分の大きさとの関係を図７に示す。
図７から、起電力波形に含まれる１次成分が８５％以上である領域は、（３）式で表される。
１２≦［Ｐ×（θ／２）］≦４０ （３）
但し、 Ｄ≧０．５ （４）
（２）式と（４）式から、距離Ｄは、（５）式で表される。
０．５≦Ｄ≦［（ｇ／１０）×Ｐ×（θ／２）−ｇ］ （５）
また、（３）式から、開角θは、（６）式で表される。
（２４／Ｐ）≦θ≦（８０／Ｐ） （６）
【００２２】
以上のことから、（５）式及び（６）式を満足させることによって、起電力を大きくすることができるとともに、起電力波形に含まれる１次成分を８５％以上とすることができる。
起電力を大きくすることにより、電流を減少させることができる。これにより、固定子巻線の銅損を減少させて、効率を向上させることができる。
また、起電力波形に含まれる１次成分を多くし、起電力波形に含まれる高調波成分を少なくすることができる。これにより、センサレス方式の制御装置は、精度よく回転子の位置を検出することができるため、インバータ等の電源装置の制御精度を高めることができ、永久磁石埋込型電動機の効率を向上させることができる。
【００２３】
第１の実施の形態では、距離Ｄを回転子側のみで確保したが、回転子側及び固定子側で確保することもできる。
本発明の第２の実施の形態の部分拡大図を図８に示す。第２の実施の形態では、ティース部１２ａのティース先端部１５ａの、回転子２０が回転する方向の端部に切欠部１８ａが設けられている。切欠部１８ａは、回転子２０の回転方向に沿って、端部側の切欠長（回転子２０の外周部との間の間隙）が大きくなるように傾斜状に形成されている。切欠部１８ａの最大切欠長はＤ２であり、幅はＷｔである。
なお、切欠部１８ａを介して永久磁石のＮ極側からＳ極側へ流れる磁束を低減するために、切欠部１８ａの幅Ｗｔは、磁石収容孔３１ａに収容されている永久磁石４２ａの幅（あるいは磁石収容孔３１ａの幅）より長く設定するのが好ましい。
本実施の形態では、回転子２０の中心Ｏから回転子２０の外周部までの長さの中で最も長い長さを半径とする外周線と第２の外周部分２３ｄまでの距離の中で最も長い距離Ｄ１と、切欠部１８ａの最大切欠長Ｄ２の和（Ｄ１＋Ｄ２）が第１の実施の形態の距離Ｄに対応する。
この距離（Ｄ１＋Ｄ２）を、前記した条件のＤに代えて用いることにより、前記した効果と同用の効果を有する。
【００２４】
以上の実施の形態では、Ｖ字形状の磁石収容孔に断面形状が長方形形状の永久磁石を収容し、磁石収容孔内の端部壁側と中央部に空隙を設けたが、空隙部としては、磁石収容孔の端部壁と外周部との間に設けた孔や外周部に設けた凹部を用いてもよい。空隙部には非磁性材を充填してもよい。
また、磁石収容孔、空隙部（孔や凹部）、永久磁石の形状や数等は種々変更可能である。
以下に、他の実施の形態で用いる回転子を説明する。
【００２５】
図９に示す第３の実施の形態の回転子は、磁石収容孔の中央部にブリッジ部を設けている点が第１の実施の形態の回転子と異なっている。
第３の実施の形態では、主磁極部には、磁石収容孔１３１ａ、１３２ａが、略Ｖ字形状となるようにｄ軸に対称に設けられている。磁石収容孔１３１ａと１３２ａの間には、ブリッジ部１３３ａが設けられている。
磁石収容孔１３１ａ、１３２ａには、それぞれ断面形状が長方形形状を有する永久磁石１４１ａ、１４２ａが収容される。
本実施の形態の回転子では、永久磁石収容孔１４１ａ、１４２ａ内の回転子の中央部側と外周部側に空隙部が設けられている。
【００２６】
図１０に示す第４の実施の形態の回転子は、磁石収容孔と回転子の外周部との間に孔が設けられている点が第３の実施の形態と異なっている。
第４の実施の形態では、主磁極部には、磁石収容孔１６１ａ、１６２ａが、略Ｖ字形状となるようにｄ軸に対称に設けられている。また、磁石収容孔１６１ａ、１６２ａの端部壁と回転子の外周部との間に孔１６３ａ、１６４ａが設けられている。磁石収容孔１６１ａと１６２ａとの間、磁石収容孔１６１ａと孔１６３ａとの間、磁石収容孔１６２ａと孔１６４ａとの間には、それぞれブリッジ部１６５ａ、１６６ａ、１６７ａが設けられている。
磁石収容孔１６１ａ、１６２ａには、それぞれ断面形状が長方形形状を有する永久磁石１７１ａ、１７２ａが収容される。
本実施の形態の回転子では、永久磁石収容孔１６１ａ、１６２ａ内の回転子の中央部側に空隙部が設けられている。
【００２７】
図１１に示す第５の実施の形態の回転子では、主磁極部には、凸部側が回転子の中央部側を向いた断面形状が円弧形状を有する磁石収容孔２３１ａが設けられている。
磁石収容孔２４１ａには、磁石収容孔と略同じ断面形状を有する永久磁石２４１ａが収容される。
本実施の形態の回転子では、空隙部が設けられていない。
【００２８】
図１２に示す第６の実施の形態の回転子では、主磁極部には、ｄ軸に直角な方向に磁石収容孔２６１ａが設けられている。
磁石収容孔２６１ａの両端部側には、回転際の外周部と略平行に形成されている端部壁２６２ａ、２６３ａ、主磁極部間の磁束の通路を形成するための通路壁２６４ａ、２６５ａが設けられている。
磁石収容孔２６１ａには、断面形状が長方形形状を有する永久磁石２７１ａが収容される。
本実施の形態の回転子では、磁石収容孔２６１ａの両端部側に空隙部が設けられている。
【００２９】
図１３に示す第７の実施の形態の回転子では、主磁極部には、凸部側が回転子の中央部側を向き、断面形状が台形形状を有する磁石収容孔３３１ａが設けられている。
磁石収容孔３３１ａの両端部と回転子の外周部との間には、孔３３２ａ、３３３ａが設けられている。
磁石収容孔３３１ａには、断面形状が長方形形状を有する永久磁石３４１ａ、３４２ａ、３４３ａが収容される。
本実施の形態の回転子では、磁石収容孔３３１ａ内の、永久磁石３４１ａと３４２ａ及び３４３ａとの間に空隙部が設けられている。
【００３０】
図１４に示す第８の実施の形態の回転子では、主磁極部には、凸部側が回転子の中央部側を向き、断面形状が台形形状を有する磁石収容孔３６１ａが設けられている。
磁石収容孔３６１ａの両端部と対向する回転子の外周部には、凹部３６２ａ、３６３ａが設けられている。
磁石収容孔３６１ａには、断面形状が長方形形状を有する永久磁石３７１ａ、３７２ａ、３７３ａが収容される。
本実施の形態の回転子では、磁石収容孔３６１ａ内の、永久磁石３７１ａと３７２ａ及び３７３ａとの間に空隙部が設けられている。
【００３１】
本発明は、実施の形態で説明した構成に限定されることなく、種々の変更、追加、削除が可能である。
例えば、回転子の主磁極部を単層で構成したが、多層で構成してもよい。
また、磁石収容孔の形状や永久磁石の形状は種々変更可能である。さらに、永久磁石の材料も種々変更可能である。
また、固定子のスロット数と回転子の極対数の組み合わせは、例えば、極対数が１でスロット数が３、極対数が２でスロット数が６、極対数が３でスロット数が９．極対数が４でスロット数が１２等の種々の組み合わせが可能である。
また、本発明は、集中巻方式で固定子巻線をスロットに収容する方法と組み合わせるのが好ましいが、分布巻方式で固定子巻線をスロットに収容する方法と組み合わせることもできる。
また、実施の形態で説明した各値を適切な範囲に設定する方法は、個々に用いてもよいし、適宜組み合わせて用いてもよい。
また、永久磁石埋込型電動機について説明したが、本発明は種々の構造の永久磁石電動機等として構成することができる。
また、本発明の永久磁石回転機は、種々の用途に用いることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜１０に記載の永久磁石回転機を用いれば、十分に効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の断面図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】θと効率との関係を示す図である。
【図４】距離Ｄと効率との関係を示す図である。
【図５】ずれ量と効率との関係を示す図である。
【図６】θ及び距離Ｄと起電力の大きさとの関係を示す図である。
【図７】θ及び距離Ｄと起電力波形に含まれる１次成分との関係を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態の部分拡大図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態で用いる回転子の断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態で用いる回転子の断面図である。
【図１１】本発明の第５の実施の形態で用いる回転子の断面図である。
【図１２】本発明の第６の実施の形態で用いる回転子の断面図である。
【図１３】本発明の第７の実施の形態で用いる回転子の断面図である。
【図１４】本発明の第８の実施の形態で用いる回転子の断面図である。
【図１５】従来例の回転子の断面図である。
【図１６】従来例の回転子の断面図である。
【符号の説明】
１０ 固定子
１２ａ〜１２ｆ ティース部
１３ａ、１４ａ ティース端部
１５ａ ティース先端部
１６ａ〜１６ｆ スロット
１８ａ 切欠部
２０ 回転子
２２ａ〜２２ｄ、１２２ａ、１５２ａ、２２２ａ、２５２ａ、３２２ａ、３５２ａ 第１の曲線部分
２３ａ〜２３ｄ、１２３ａ、１２３ｄ、１５３ａ、１５３ｄ、２２３ａ、２２３ｄ、２５３ａ、２５３ｄ、３２３ａ、３２３ｄ、３５３ａ、３５３ｄ 第２の曲線部分
３１ａ〜３１ｄ、１３１ａ、１３２ａ、１６１ａ、１６２ａ、２３１ａ、２６１ａ、３３１ａ、３６１ａ 磁石収容孔
３２ａ、３３ａ 内壁
３４ａ、３５ａ 外壁
３６ａ、３７ａ、２６２ａ、２６３ａ 端部壁
３８ａ、３９ａ 係止部
４１ａ、４２ａ、１４１ａ、１４２ａ、１７１ａ、１７２ａ、２４１ａ、２７１ａ、３４１ａ、３４２ａ、３４３ａ、３７１ａ、３７２ａ、３７３ａ 永久磁石
１６３ａ、１６４ａ、３３２ａ、３３３ａ 空隙部
１３３ａ、１６５ａ、１６６ａ、１６７ａ、３３４ａ、３３５ａ、３６４ａ、３６５ａ ブリッジ部
２６４ａ、２６５ａ 仕切壁

Claims (10)

1. 固定子巻線を収容するスロットを形成するティース部が設けられている固定子と、ティース先端部と間隙を介して配置されている回転子とを備え、回転子には、回転子の軸方向に直角な断面において、永久磁石が収容される磁石収容孔が設けられている主磁極部と補助磁極部が周方向に交互に配置されている永久磁石回転機であって、
   回転子の外周部は、主磁極部のｄ軸と交差し、凸部側が外周方向を向いた第１の曲線部分と、補助磁極部のｑ軸と交差し、凸部側が外周方向を向いた第２の曲線部分が交互に接続されて形成され、第２の曲線部分の曲率が第１の曲線部分の曲率より大きく設定されている、
   永久磁石回転機。
2. 請求項１に記載の永久磁石回転機であって、第１の曲線部分の開角（機械角）をθ、回転子の極対数をＰとした時、
   ［３８／Ｐ］度≦θ≦［８２／Ｐ］度
   を満足するように構成されている、永久磁石回転機。
3. 請求項１または２に記載の永久磁石回転機であって、回転子の中心から外周部までの距離の中で最も長い距離Ｒを半径とする外周線と、第２の曲線部分との間の距離の中で最も長い距離をＤ、スロット数をＮとした時、
   ［３．４８／Ｎ］ｍｍ≦Ｄ≦［６．０６／Ｎ］ｍｍ
   を満足するように構成されている、永久磁石回転機。
4. 請求項１または２に記載の永久磁石回転機であって、ティース先端部の端部には、回転子の回転方向に沿って傾斜している切欠部が設けられており、回転子の中心から外周部までの距離の中で最も長い距離Ｒを半径とする外周線と、第２の曲線部分との間の距離の中で最も長い距離をＤ１、切欠部の最大切欠長をＤ２とした時、
   ［３．４８／Ｎ］ｍｍ≦［Ｄ１＋Ｄ２］≦［６．０６／Ｎ］ｍｍ
   を満足するように構成されている、永久磁石回転機。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の永久磁石回転機であって、回転子の中心から外周部までの距離の中で最も長い距離をＲ、回転子の中心と第１の曲線部分の曲率中心との間の距離をｈ、スロット数をＮとした時、
   ［−６．３／Ｎ］％≦［ｈ／２Ｒ×１００］≦［６．３／Ｎ］％
   を満足するように構成されている、永久磁石回転機。
6. 請求項１に記載の永久磁石回転機であって、第１の曲線部分の開角（機械角）をθ、回転子の外周部とティース先端部との間隙の中で最も短い間隙をｇ、回転子の中心から外周部までの距離の中で最も長い距離Ｒを半径とする外周線と、第２の曲線部分との間の距離の中で最も長い距離をＤ、回転子の極対数をＰとした時、
   ０．５ｍｍ≦Ｄ≦［（ｇ／１０）×Ｐ×（θ／２）−ｇ］ｍｍ
   ［２４／Ｐ］度≦θ≦［８０／Ｐ］度
   を満足するように構成されている、永久磁石回転機。
7. 請求項１に記載の永久磁石回転機であって、ティース先端部の端部には、回転子の回転方向に沿って傾斜している切欠部が設けられており、第１の曲線部分の開角をθ、回転子の外周部とティース先端部との間隙の中で最も短い間隙をｇ、回転子の中心から外周部までの距離の中で最も長い距離Ｒを半径とする外周線と、第２の曲線部分との間の距離の中で最も長い距離をＤ１、回転子の極対数をＰ、切欠部の最大切欠長をＤ２とした時、
   ０．５ｍｍ≦［Ｄ１＋Ｄ２］≦［（ｇ／１０）×Ｐ×（θ／２）−ｇ］ｍｍ
   ［２４／Ｐ］度≦θ≦［８０／Ｐ］度
   を満足するように構成されている、永久磁石回転機。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の永久磁石回転機であって、第１の曲線部分はｄ軸上に曲率中心を有する円弧形状に形成され、第２の曲線部分はｑ軸上に曲率中心を有する円弧形状に形成されている、永久磁石回転機。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の永久磁石回転機であって、磁石収容孔は、主磁極部の中央部にブリッジ部が形成されるように設けられている、永久磁石回転機。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の永久磁石回転機であって、スロットには、固定子巻線が集中巻方式により収容されている、永久磁石回転機。

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