JP2005086955A - 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、２３ｄ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、２３ｄ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。スロット１６ａ〜１６ｘには固定子巻線が分布巻方式で収納されている。
【選択図】 図２

Description

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。

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、ティース部の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。

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１２及び図１３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１２に示す永久磁石埋込型電動機は、ティース部５１２ａ〜５１２ｘが設けられている固定子５１０と、ティース部５１２ａ〜５１２ｘの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を備えている。回転子５２０の主磁極部には、永久磁石５４１ａ〜５４１ｄを収容する磁石収容孔５３１ａ〜５３１ｄが設けられている。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〜５３１ｄ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）
固定子５１０のティース部５１２ａ〜５１２ｘにより形成されるスロット５１６ａ〜５１６ｘには、固定子巻線が分布巻方式で収納されている。
図１３に示す永久磁石埋込型電動機は、ティース部５５２ａ〜５５２ｘが設けられている固定子５５０と、ティース部５５２ａ〜５５２ｘの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を備えている。回転子５６０の主磁極部には、永久磁石５８１ａ〜５８１ｄ、５８２ａ〜５８２ｄを収容する磁石収容孔５７１ａ〜５７１ｄ、５７２ａ〜５７２ｄが設けられている。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、主磁極部のｄ軸箇所に設けられ、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〜５６２ｄと、補助磁極部のｑ軸箇所に設けられ、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〜５６３ｄを有している。（特許文献２参照）
固定子のティース部５５２ａ〜５５２ｘにより形成されるスロット５５６ａ〜５５６ｘには、固定子巻線が分布巻方式で収納されている。
なお、図１２及び図１３に示す永久磁石埋込型電動機では、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って、回転子５２０及び５６０が回転する。
特開平７−２２２３８４号公報 特開２００２−７８２５５号公報

図１２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の外周部と各ティース部の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の外周部と各ティース部のティース先端部との間の間隙が短いｄ軸付近（図１２では、ティース部５１２ａと対向する箇所）に磁束が集中し（磁束Ａ１）、磁気飽和し易い。このため、ティース部５１２ｂ、５１２ｘ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。しかしながら、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。

一方、図１３に示す回転子５６０では、外周部分５６２ａ〜５６２ｄ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１２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〜５６２ｄとＶ字状に切り欠かれている外周部分５６３ａ〜５６３ｄ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。

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。
集中巻方式を用いた場合、分布巻方式を用いた場合に比べて、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、固定子巻線による銅損が少なくなる。
一方、分布巻方式を用いた場合、集中巻方式を用いた場合に比べてスロットからの固定子巻線のはみ出し量が多い。しかしながら、分布巻方式を用いた場合、回転子の１極当たりに対向する固定子のティースは複数になるため固定子ティース部から回転子、或いは回転子から固定子ティース部に流出入する磁束が、集中巻方式と比べて分散し、ティース端部における磁束の集中が減少する。これにより集中巻方式を用いた固定子のティース端部より分布巻方式を用いた固定子のティース端部の方が磁束の疎密差が小さくなり、音、振動を低くすることができる（例えば、１０ｄＢ程度低い）。また、分布巻方式を用いた場合、前述したように固定子のティース端部における磁束の集中が減少することにより、永久磁石の局部的な減磁を考慮しなくてもよくなり、磁化方向の磁石の厚みを薄くすることができる。これにより永久磁石の使用量も低減することができる。
そこで、本発明は、固定子巻線をスロットに収容する方法として分布巻方式を用いた場合に、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。

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は、固定子のスロットに分布巻方式で固定子巻線を収容し、回転子の外周部を、それぞれ主磁極部のｄ軸及び補助磁極部のｑ軸と交差し、凸部側が外周方向を向いた第１及び第２の曲線部分を交互に接続して形成し、第２の曲線部分の曲率半径を第１の曲線部分の曲率半径より大きく設定するとともに、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、［（４４／Ｐ）度≦θ≦（９０／Ｐ）］を満足するように構成されている。
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。
また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりの永久磁石回転機である。
請求項２に記載の永久磁石回転機では、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とした時、［{１／ｓｉｎ（Ｐ×θ）}×ｇ^２］mm≦Ｄ≦［（ｇ／１０）×Ｐ×（θ／２）−ｇ］mmを満足するように構成されている。
また、本発明の第３発明は、請求項３に記載されたとおりの永久磁石回転機である。
請求項３に記載の永久磁石回転機では、第１の曲線部分及び第２の曲線部分を、其々ｄ軸上及びｑ軸上に曲率中心を有する円弧形状に形成している。
また、本発明の第４発明は、請求項４に記載されたとおりの永久磁石回転機である。
請求項４に記載の永久磁石回転機は、磁石収容孔が、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。

請求項１に記載の永久磁石回転機を用いれば、分布巻方式で固定子巻線がスロットに収容されている場合に、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。
また、請求項２に記載の永久磁石回転機を用いれば、起電力が大きくなり、電流が小さくなって固定子巻線の銅損が減少し、より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次成分を多くすることができ、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。
また、請求項３に記載の永久磁石回転機を用いれば、回転子の第１曲線部分及び第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４に記載の永久磁石回転機を用いれば、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。

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〜１２ｘを有している。固定子コア１１とティース部１２ａ〜１２ｘによって、固定子巻線を収容するスロット１６ａ〜１６ｘが形成される。スロット１６ａ〜１６ｘには、固定子巻線が分布巻方式によって収容されている。前述したように、固定子巻線を分布巻方式を用いてスロットに収容する場合には、集中巻方式を用いる場合に比べて、ティース部１２ａ〜１２ｘのティース先端部の、回転子２０の回転方向に沿った長さが短い。図１に示す固定子１０は、スロット数が２４の場合を示している。尚、図中の固定子巻線は便宜上省略して説明する。
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。

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２０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〜１２ｃ、１２ｗ、１２ｘ、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の回転子２０と対向する箇所には、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が設けられている。これにより、ティース部１２ａの回転子２０と対向する箇所に、回転子２０の回転方向に沿って、ティース端部１３ａと１４ａの間に連続するティース先端部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（軸方向に直角な断面形状が、凸部側が中心方向を向いた略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が収容されている（埋め込まれている）。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。

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、２３ｄ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、２３ｄ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と第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（Ｒｄ＝Ｒ）。また、第２の外周部分２３ａは、ｑ軸上の回転子２０の中心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、２３ｄ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だけずれた位置Ｓに設定してもよい。

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。

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〜２２ｄと、ｑ軸と交差し、第１の外周部２２ａ〜２２ｄより曲率半径が大きい第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２２ａ〜２２ｄと第２の外周部分２３ａ〜２３ｄ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（小さく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（低減することができる）。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２３ａ〜２３ｄ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２３ａ〜２３ｄとティース先端部１５ａ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）の長さを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。
従って、本実施の形態で用いている回転子を、固定子巻線が分布巻方式でスロットに収容した固定子と組み合わせることによって、前記した効果を得ることができる。

次に、本実施の形態で用いている回転子の各部の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、［２２度≦開角θ≦４５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〜０．９mm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。

ここで、回転子２０の極対数が２の場合の条件［２２度≦開角θ≦４５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、［４４度≦開角θ≦９０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、［４４／３度≦開角θ≦３０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［（４４／Ｐ）度≦開角θ≦（９０／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。

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４に示す。図４は、距離Ｄ＝０．０mm、開角θ＝０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。なお、図４は、回転子２０の極対数が２、固定子１０のスロット数が２４あるいは３６の場合のものである。
図４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４に示す開角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は、回転子２０の極対数Ｐ、ティース先端部１５ａと回転子２０の外周部との間の間隙の中で最も短い間隙(ギャップ)ｇに応じて変化する。
図４から、起電力が１０２％以上になる距離Ｄは、（２）式で表される。
Ｄ≧［{１／ｓｉｎ（Ｐ×θ）}×ｇ^２］ （２）

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５に示す。なお、図５は、回転子２０の極対数が２、固定子１０のスロット数が２４あるいは３６の場合のものである。
図５に示すように、［０．４≦Ｄ≦［（ｇ／１０）×Ｐ×（θ／２）−ｇ］の範囲では、［２２度≦θ≦４５度］の時に起電力に含まれる１次成分が８５％以上であることがわかる。
ここで、図２に示す回転子２０の極対数Ｐが２の場合の条件［２２度≦θ≦４５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、［４４≦θ≦９０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、［４４／３度≦θ≦３０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、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。
２２≦［Ｐ×（θ／２）］≦４５ （３）
但し、［０．４≦Ｄ≦［（ｇ／１０）×Ｐ×（θ／２）−ｇ］ （４）
（２）式と（４）式から、距離Ｄは、（５）式で表される。
［{１／ｓｉｎ（Ｐ×θ）}×ｇ^２］≦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。
（４４／Ｐ）≦θ≦（９０／Ｐ） （６）

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。

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図６〜図１１を参照して説明する。なお、図６〜図１１は、回転子の軸方向に直角な断面を示している。

図６に示す第２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２の実施の形態では、主磁極部には、磁石収容孔１３１ａ、１３２ａが、凸部側が回転子の中心方向を向いた略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が収容されている。
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。

図７に示す第３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２の実施の形態と異なっている。
第３の実施の形態では、主磁極部には、磁石収容孔１７１ａ、１７２ａが、凸部側が回転子の中心方向を向いた略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１７１ａ、１７２ａの端部壁と回転子の外周部との間に孔１７３ａ、１７４ａが設けられている。磁石収容孔１７１ａと１７２ａとの間、磁石収容孔１７１ａと孔１７３ａとの間、磁石収容孔１７２ａと孔１７４ａとの間には、それぞれブリッジ部１７５ａ、１７６ａ、１７７ａが設けられている。
磁石収容孔１７１ａ、１７２ａには、それぞれ断面形状が長方形形状を有する永久磁石１８１ａ、１８２ａが収容されている。
本実施の形態の回転子では、永久磁石収容孔１７１ａ、１７２ａ内の回転子の中央部側に空隙部が設けられている。

図８に示す第４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心方向を向いた円弧形状の断面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２３１ａには、磁石収容孔２３１ａと略同じ断面形状を有する永久磁石２４１ａが収容されている。
本実施の形態の回転子では、空隙部が設けられていない。

図９に示す第５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２７１ａが設けられている。
磁石収容孔２７１ａの両端部側には、回転子の外周部と略平行に形成されている端部壁２７２ａ、２７３ａ、主磁極部間の磁束の通路を形成するための通路壁２７４ａ、２７５ａが設けられている。
磁石収容孔２７１ａには、断面形状が長方形形状を有する永久磁石２８１ａが収容される。
本実施の形態の回転子では、磁石収容孔２７１ａの両端部側に空隙部が設けられている。

図１０に示す第６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心方向を向いた台形形状の断面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が収容されている。
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。

図１１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心方向を向いた台形形状の断面形状を有する磁石収容孔３７１ａが設けられている。
磁石収容孔３７１ａの両端部と対向する回転子の外周部には、凹部３７２ａ、３７３ａが設けられている。
磁石収容孔３７１ａには、断面形状が長方形形状を有する永久磁石３８１ａ、３８２ａ、３８３ａが収容されている。
本実施の形態の回転子では、磁石収容孔３７１ａ内の、永久磁石３８１ａと３８２ａ及び３８３ａとの間に空隙部が設けられている。

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としては、種々の組み合わせが可能である。
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。

本発明の第１の実施の形態の断面図である。 図１の部分拡大図である。 θと効率との関係を示す図である。 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。 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。 本発明の第２の実施の形態で用いる回転子の断面図である。 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。 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。 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。 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。 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。 従来例の回転子の断面図である。 従来例の回転子の断面図である。

符号の説明

１０ 固定子
１２ａ〜１２ｘ ティース部
１３ａ、１４ａ ティース端部
１５ａ ティース先端部
１６ａ〜１６ｘ スロット
２０ 回転子
２２ａ〜２２ｄ、１２２ａ、１６２ａ、２２２ａ、２６２ａ、３２２ａ、３６２ａ 第１の曲線部分
２３ａ〜２３ｄ、１２３ａ、１２３ｄ、１６３ａ、１６３ｄ、２２３ａ、２２３ｄ、２６３ａ、２６３ｄ、３２３ａ、３２３ｄ、３６３ａ、３６３ｄ 第２の曲線部分
３１ａ〜３１ｄ、１３１ａ、１３２ａ、１７１ａ、１７２ａ、２３１ａ、２７１ａ、３３１ａ、３７１ａ 磁石収容孔
３２ａ、３３ａ 内壁
３４ａ、３５ａ 外壁
３６ａ、３７ａ、２７２ａ、２７３ａ 端部壁
３８ａ、３９ａ 係止部
４１ａ、４２ａ、１４１ａ、１４２ａ、１８１ａ、１８２ａ、２４１ａ、２８１ａ、３４１ａ、３４２ａ、３４３ａ、３８１ａ、３８２ａ、３８３ａ 永久磁石
４３ａ、４４ａ、４５ａ 空隙部
１７３ａ、１７４ａ、３３２ａ、３３３ａ 孔
３７２ａ、３７３ａ 切欠部
１３３ａ、１７５ａ、１７６ａ、１７７ａ、３３４ａ、３３５ａ、３７４ａ、３７５ａ ブリッジ部
２７４ａ、２７５ａ 仕切壁

Claims (4)

1. 固定子巻線を収容するスロットを形成し、回転子の外周部と対向する部分にティース先端部を有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おり、スロットには、固定子巻線が分布巻方式により収容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の曲線部分の曲率半径が第１の曲線部分の曲率半径より大きく設定されているとともに、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、
   ［４４／Ｐ］度≦θ≦［９０／Ｐ］度
   を満足するように構成されている、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、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とした時、
   ［{１／ｓｉｎ（Ｐ×θ）}×ｇ^２］mm≦Ｄ≦
   ［（ｇ／１０）×Ｐ×（θ／２）−ｇ］mm
   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、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。
4. 請求項１〜３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。

Images