JP2014087143A

JP2014087143A - 永久磁石同期電動機

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Publication number: JP2014087143A
Application number: JP2012233408A
Authority: JP
Inventors: Eri Maruyama; 恵理丸山; Akifumi Takahashi; 暁史高橋
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2014-05-12
Also published as: CN103795164B; CN103795164A

Abstract

【課題】残留磁束密度が約０．３Ｔ〜０．５Ｔの磁石、好ましくはフェライト磁石、を使用することを前提に、銅損を効果的に低減することができる永久磁石同期電動機を提供することにある。
【解決手段】回転子に埋め込まれる永久磁石の残留磁束密度を０．３Ｔ〜０．５Ｔの範囲に設定すると共に、回転子を収納する固定子の内径（直径）Ｓｔ１と固定子の外径（直径）Ｓｔ２との比Ｓｔ１/Ｓｔ２を０．５３〜０．６９の範囲に設定する。残留磁束密度が０．３Ｔ〜０．５Ｔの範囲の永久磁石を用いた永久磁石同期電動機の銅損を効果的に低減して永久磁石同期電動機の高効率化が図れるようになる。
【選択図】図２

Description

本発明は永久磁石同期電動機に係り、特に回転子鉄心に永久磁石を埋設した埋込構造型の永久磁石同期電動機に関するものである。

一般に、電気自動車、ハイブリッドカー等の自動車分野や、エアコンディショナ、冷蔵庫、ヒートポンプを用いた給湯器等の家電分野等で使用される電動機としては永久磁石同期電動機が比較的多く使用されている。この永久磁石同期電動機は回転子の界磁(磁極)に永久磁石を使用した同期電動機である。

そして、このような永久磁石同期電動機では回転子鉄心に永久磁石を埋設した埋込構造型の永久磁石同期電動機(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)が広く採用されている。この埋込構造型の永久磁石同期電動機は、界磁に永久磁石を埋め込んだ回転子を使用することにより、永久磁石によるトルクだけではなく、界磁の磁気抵抗の非対称性によるトルク（リラクタンストルク）をも利用できるものである。

ところで永久磁石同期電動機の性能を向上するためには、使用されている永久磁石の磁力を強くすれば良いことが知られており、このため磁力の強い磁石としてネオジム磁石に代表される希土類磁石を使用することが多くなってきている。これによって、小形、高出力、高効率な永久磁石同期電動機を得ることができる。

また、一般にこの種の永久磁石同期電動機は取り付けられる機器(例えば、エアコンディショナ、給湯器のヒートポンプ、冷蔵庫等)によってその体格（いわゆる大きさ）が制限される。このため永久磁石同期電動機の対策すべき課題に対応する最適構造の探索は、外形、或いは固定子側の外径を変えないで、電動機を構成する構成要素(例えば、回転子、固定子、巻線等)の寸法や材料の物性、特性等を変更して行なっていた。

そして、このような最適構造の探索によってコギングトルクを小さくする永久磁石同期電動機を得る例として、例えば、特開２００６−１０１６０６号公報（得許文献１)に記載の技術によれば、回転子の界磁に希土類磁石であるネオジム磁石を使用することを前提として、スロットの形状を特殊化すると共に、固定子の内径(直径)Ｓｔ１と固定子の外径(直径)Ｓｔ２の関係をＳｔ１/Ｓｔ２＝０．５〜０．６と設定することで永久磁石同期電動機のコギングトルクの低減と騒音を小さくすることが提案されている。

特開２００６−１０１６０６号公報

ところで、このような希土類磁石を使用した永久磁石同期電動機においては希土類磁石の材料コストが高く、また保磁力の向上を目的としてディスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）のような産生量が少ない重希土類を添加する必要があることから、材料調達の観点で課題があった。このため、希土類磁石を使用せずにフェライト磁石に代表されるような安定供給が可能な永久磁石を使用することが望まれている。

しかしながら、一般に永久磁石の性能は残留磁束密度と保磁力という２つの物理量で表され、例えばフェライト磁石の場合は、希土類磁石の代表であるネオジム磁石に対して残留磁束密度、保磁力がそれぞれ約１/３程度である。このため、ネオジム磁石をフェライト磁石に単純に置き換えた永久磁石同期電動機では、残留磁束密度の低下が銅損の増加へとつながり、巻線の電気抵抗（巻線抵抗）によって失われる電気エネルギーが多くなって、著しい性能低下を招くことになる。

尚、上記した特許文献１に記載の技術は、回転子の界磁に希土類磁石であるネオジム磁石を使用することを前提としたコギングトルクを低減するための最適構造の探索であり、フェライト磁石を用いた永久磁石同期電動機の銅損を低減するものとは異なる課題に対する最適構造の探索である。

一般にネオジム磁石の残留磁束密度は約１．２Ｔと高いが、フェライト磁石の残留磁束密度は約０．３Ｔ〜０．５Ｔである。このため上述したようにネオジム磁石を使用した永久磁石同期電動機に対してフェライト磁石を使用した永久磁石同期電動機では残留磁束密度の低下によって結果的に銅損が増える傾向に繋がり、またその変化の傾向も異なっている。

一方、フェライト磁石を使用した永久磁石同期電動機はネオジム磁石を使用した永久磁石同期電動機に対して、残留磁束密度が約１．２Ｔから約０．３Ｔ〜０．５Ｔと小さくなっていることから鉄損は小さくなる。しかしながら、永久磁石同期電動機の目標とするトルクを同一とすると、フェライト磁石を使用した永久磁石同期電動機はネオジム磁石を使用した永久磁石同期電動機に対して必要な電流値は増加することになる。電流値が増えるということは銅損の更なる増加にも繋がる。

このため、フェライト磁石を使用した永久磁石同期電動機は、磁石の相違による銅損の増加、及び目標とするトルクを得るための電流の増加によって損失が大きくなる。したがって、同一体格のネオジム磁石を用いた永久磁石同期電動機に比べて、フェライト磁石を使用した永久磁石同期電動機は大幅に効率の低下を招くという課題がある。

ネオジム磁石の調達が不安定であるという社会的な背景からフェライト磁石を使用することが強く要請されているが、上述した理由からフェライト磁石を使用した永久磁石同期電動機においては銅損を低減できる最適構造の探索が重要なことがわかる。

尚、ここで安定供給できる磁石としてフェライト磁石を示したが、これは安定的に供給できる代表的な磁石を例示したものであり、この他にもこれに代わる磁石を採用することができ、その磁石として残留磁束密度が約０．３Ｔ〜０．５Ｔの磁石を採用することができる。

本発明の目的は、残留磁束密度が約０．３Ｔ〜０．５Ｔの磁石、好ましくはフェライト磁石、を使用することを前提に、銅損を効果的に低減することができる永久磁石同期電動機を提供することにある。

本発明の特徴は、回転子に埋め込まれる永久磁石の残留磁束密度を０．３Ｔ〜０．５Ｔの範囲に設定すると共に、回転子を収納する固定子の内径（直径）Ｓｔ１と固定子の外径（直径）Ｓｔ２との比Ｓｔ１/Ｓｔ２を０．５３〜０．６９の範囲に設定する、ところにある。

本発明によれば、残留磁束密度が０．３Ｔ〜０．５Ｔの範囲の永久磁石を用いた永久磁石同期電動機の銅損を効果的に低減して高効率化が図れるようになる。

本発明の一実施例になる永久磁石同期電動機の固定子の縦断面図である。図１に示した固定子の内径と外径の比である内外径比とフェライト磁石及びネオジム磁石を使用した永久磁石同期電動機の銅損の関係を示す特性図である。固定子の内外径比と巻線の抵抗値、及びこれに流れる電流の二乗値の関係を示す特性図である。固定子の内外径比と、ティース幅の総和と固定子の外径の比である総和外径比と、銅損の関係を測定した測定図である。固定子の内外径比とティース幅の総和と、固定子の外径の比である総和外径比と、銅損の関係を測定した測定図である。本発明の他の実施になる永久磁石同期電動機の固定子の縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。

尚、以下に説明する実施例では永久磁石としてフェライト磁石を例に挙げているが、本発明は残留磁束密度が約０．３Ｔ〜０．５Ｔの磁石を使用することを前提としており、その代表がフェライト磁石である。

図１には永久磁石同期電動機を構成する固定子の縦断面図を示している。尚、図１においては巻線の表示は省略している。固定子１０Ａは磁性体からなるコア本体１２Ａと、コア本体１２Ａの内周側に形成された巻線収納用の複数のスロット１４Ａと、各スロット１４Ａの間に形成されたティース１６Ａと、コア本体１２Ａの外周側に形成された円環状で断面が波形の形状を持つコアバック１８Ａとより構成されている。

ティース１６Ａはコアバック１８Ａとは反対側で断面が変形Ｔ字状の端部１６Ａ-１を有し、この変形Ｔ字状の端部１６Ａ-１は全体で固定子１０Ａの内周部を形成している。したがって、端部１６Ａ-１で形成される内周部内に回転子(図示せず)が挿入配置されるものである。回転子は固定子１０の内周部に所定の隙間を介して収納されるようになっている。コアバック１８Ａはスロット１４Ａ部分で外側に膨らむ径大部１８Ａ-１と、ティース１６Ａ部分で内側に萎む径小部１８Ａ-２を有しており、その外周断面が波形の円環とされている。スロット１４Ａには集中巻された集中巻線が収納されるようになっており、この固定子１０Ａは集中巻による固定子１０Ａとなっている。

このような構成の固定子１０Ａにおいて、回転子に埋め込まれる磁石として残留磁束密度が約０．３Ｔ〜０．５Ｔの永久磁石(以下、代表してフェライト磁石という)を使用した永久磁石同期電動機の銅損を低減できる最適構造の探索を行なった。

図２にフェライト磁石を用いた永久磁石同期電動機とネオジム磁石を用いた永久磁石同期電動機の固定子１０Ａの内径Ｓｔ１と外径Ｓｔ２の内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２と、銅損の変化の関係を示している。ここで、内径Ｓｔ１は変形Ｔ字状の端部１６Ａで形成される固定子１０Ａの内周部の直径を示しており、外径Ｓｔ２はコアバック１８Ａの径大部１８Ａ-１で形成される固定子１０Ａの外周部の直径を示している。

図２において、横軸を固定子１０Ａの内径Ｓｔ１と外径Ｓｔ２の内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２とし、縦軸を永久磁石同期電動機の銅損の大きさとしている。尚、本実施例においては永久磁石同期電動機の最適構造の探索は固定子の外径を変更しないで、内径を変更することで行なった。図２には比較のためにフェライト磁石を使用した場合の永久磁石同期電動機とネオジム磁石を使用した場合の永久磁石同期電動機の銅損を示している。

図２からわかるように、フェライト磁石を使用した場合の永久磁石同期電動機の銅損は下に凸の特性を示して銅損の低い領域が存在し、ネオジム磁石を使用した場合の永久磁石同期電動機の銅損は概ね平坦な特性を有している。したがって、フェライト磁石を使用した場合には銅損を可及的に低くする特異な領域が存在し、ネオジム磁石を使用した場合には内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２を探索しても銅損に対してさほど有効な領域が存在しないことがわかる。

そして、この結果、図２からわかるようにコアの径方向厚さ（Ｓｔ２−Ｓｔ１）が厚い領域（図２において、おおよそ内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２が０．５２以下の領域）と、コアの径方向厚さが薄い領域（図２において、おおよそ内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２が０．７０以上の領域）では銅損が大きく増加し、内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２が０．５３≦Ｓｔ１/Ｓｔ２≦０．６９の特定の領域で銅損が低くなっている。尚、以下ではＳｔ１/Ｓｔ２が０．５３〜０．６９と記載する。したがって、この内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２が０．５３〜０．６９の範囲に入るように固定子の内径Ｓｔ１と外径Ｓｔ２を決めれば銅損を少なくできることがわかる。また、内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２＝０．５３〜０．６９の範囲であっても、望ましくは内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２が０．５７≦Ｓｔ１/Ｓｔ２≦０．６４（Ｓｔ１/Ｓｔ２＝０．５７〜０．６４）の範囲を使用すると更に銅損が低減することを見い出した。

ここで、本実施例における探索において、コアバック１８Ａの径大部１８Ａ-１の外周径Ｓｔ２とスロット１４Ａの最外周部の直径Ｓｔ３の差であるコアバック１８Ａのコアバック幅Ｌｃｂは、０．８×２Ｔ・ｐ≦Ｌｃｂ≦１．６×２Ｔ・ｐの範囲に決められている。ここでＴはティース１６Ａの周方向の断面幅の長さであり、ｐは毎相毎極スロット数である。このコアバック１８Ａのコアバック幅Ｌｃｂも銅損を少なくする上で考慮すべきパラメータである。

このように、本実施例においてはフェライト磁石を用いた永久磁石同期電動機の固定子１０の内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２によって銅損がどのように変化するかを探索し、内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２が特定の範囲である０．５３〜０．６９の領域で銅損が低い状態が存在することを見い出したものである。銅損が低減する領域として、更に望ましくは内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２が０．５７〜０．６４の範囲ではより銅損が低減できることを見い出したものである。したがって、安定して供給ができるフェライト磁石を使用した永久磁石同期電動機の銅損を可及的に低減できるようになって、効率の良い永久磁石同期電動機を提供できるようになるものである。

次に目標トルクと電流値の関係から銅損について説明する。

例えば、ネオジム磁石からフェライト磁石に変更した場合、永久磁石の残留磁束密度は約１/３となる。永久磁石同期電動機の磁石トルク式は次の数１で表される。

(τ_ｍ：トルク、Ｅ_０：無負荷誘導起電力、ω：回転周波数、ｉｑ：ｑ軸電流、Ψ_Ｐ：磁石磁束量)
これからわかるように、磁石磁束量Ψ_Pは磁石の残留磁束密度に比例するので、ネオジム磁石からフェライト磁石へと変更した場合では磁石磁束量Ψ_Pは約１/３になり、同一トルクを出力するために必要なｑ軸電流の電流値はフェライト磁石を使用したほうが約３倍必要となる。したがって、銅損(ジュール熱)は以下の数２で表されるため電流値の増加は好ましいものではない。

（Ｐ_ＣＵ：銅損、Ｉ：巻線に流れる電流、Ｒ:巻線の抵抗）
つまり、同一トルクを出すためにｑ軸電流の電流値が約３倍にされたことにより、抵抗値が変わらないとすると電流値の二乗によって銅損は約９倍になる。この銅損が９倍になることによってフェライト磁石を用いた永久磁石同期電動機の効率は低下することがわかる。

このようにフェライト磁石を用いた場合、損失の構成割合は銅損が大部分を占めることから、同一体格にて永久磁石同期電動機を高効率化するには磁石表面積を増加させて磁石磁束量Ψ_Pを確保して銅損を低減する必要がある。磁石表面積及び磁石磁束量Ψ_Pを増加するにはフェライト磁石を埋め込む回転子の直径を大きくすることで対応できる。すなわち、回転子の直径は固定子１０の内径Ｓｔ１と相関しているので、固定子１０Ａの内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２を０．５７〜０．６９から適切に選択することによって適切な電流値が設定でき、電流値の低減は可能である。

一方、銅損Ｐｃｕを構成する巻線の抵抗Ｒは以下の数３で表される。

(ρ：抵抗率、Ｌ：巻線の長さ、Ａ：巻線の断面積)
ここで、巻線の断面積Ａとは巻線が巻き回される領域のスロット部１４Ａの断面積と巻線の占積率との積であり、固定子１０Ａの外径Ｓｔ２を変更しないとすると、回転子の直径の増加、すなわち、固定子１０Ａの内径Ｓｔ１の増加により、スロット１４の断面積は小さくなることから巻線の断面積Ａも減少することになる。

図３に内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２を横軸にとり、縦軸に巻線の抵抗値と巻線に流れる電流の二乗値を示している。この場合も固定子１０の外径を変更しないで内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２を振ったものである。電流の二乗値は内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２の増加、つまりコアの径方向厚さＳｔ２−Ｓｔ１が薄くなるにつれてより減少していき、逆に抵抗値は内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２の増加と共に増大して行くようになり、これらの抵抗値と電流の二乗値の積が図２に示す銅損の変化特性として表れている。また、図３にあるようにコアバック幅Ｌｃｂの厚さによっても抵抗値が変化するので、これによる管理も重要である。

コアバック幅Ｌｃｂによって銅損Ｐ_ＣＵが最小となる内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２の範囲は当然異なることが予想される。本実施例では上述したようにティース１６Ａの幅の長さＴと、毎相毎極スロット数ｐ、及びコアバック幅Ｌｃｂとの関係が０．８×２Ｔ・ｐ≦Ｌｃｂ≦１．６×２Ｔ・ｐであれば、固定子１０の内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２＝０．５３〜０．６９の範囲で銅損Ｐｃｕを可及的に小さくできるようになった。

尚、ネオジム磁石を用いた永久磁石同期電動機の場合に銅損が低くなる領域が明確でないのは磁気飽和による影響が大きく、磁石表面積と磁石磁束量Ψ_Pの比例関係が成り立っていないためと思われる。このように、ネオジム磁石を使用した永久磁石同期電動機では本実施例のような特異領域が明確に現れないという特性を有しているものである。

これに対して、本実施例のように銅損を可及的に低減するというアプローチ（銅損低減の探索）によって、少なくとも固定子１０Ａの内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２を０．５３〜０．６９の特定の範囲にすることによって、フェライト磁石を使用した永久磁石電動機の効率を大きく向上できるようになった。

次に全ティース１６Ａの幅の長さＴの総和Ｔｔと固定子１０Ａの外径Ｓt２の最適な関係、総和外径比Ｔｔ/Ｓｔ２について説明する。ここで、総和Ｔｔは、図１においてティース１６Ａは９個あるので総和Ｔｔ＝９×Ｔとなる。そして、発明者等に検討によると、磁気飽和しやすいネオジム磁石を使用した場合には総和外径比Ｔｔ/Ｓｔ２は大きいほど銅損を低減でき、フェライト磁石を使用した場合には総和外径比Ｔｔ/Ｓｔ２は小さいほど銅損を低減可能であることが判明した。また、Ｔｔ/Ｓｔ２は上述した固定子１０の内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２とも相関をもつことが判明した。したがってフェライト磁石を使用した永久磁石同期電動機では固定子１０Ａの内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２を基に、総和外径比Ｔｔ/Ｓｔ２を所定の範囲に収まるようにしていけば銅損を更に低減できることがわかる。ただし、この総和外径比Ｔｔ/Ｓｔ２は永久磁石同期電動機の体格、つまり目標とする最大トルクとも相関をもつものである。

この最大トルクの大きさによる総和外径比Ｔｔ/Ｓｔ２の銅損を低減できる範囲について説明する。図４に示す銅損実測値は最大トルクτmが１Ｎｍ≦τm＜５Ｎｍの範囲にあるフェライト磁石を使用した永久磁石同期電動機の銅損の測定結果である。尚、この永久磁石同期電動機の出力Ｐｏｕｔは１ｋＷ≦Ｐｏｕｔ≦５ｋＷの範囲である。

図４において横軸は固定子１０Ａの内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２であり、縦軸は総和外径比Ｔｔ/Ｓｔ２である。上記した最大トルクの範囲で稼働される永久磁石同期電動機は固定子１０Ａの内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２が０．５３〜０．６９、及び総和外径比Ｔｔ/Ｓｔ２がＴｔ/Ｓｔ２≦０．７３−２０（Ｓｔ１/Ｓｔ２−０．６４）^２の範囲を中心に振っている。

そして、図４には同じ銅損の値を結んだ線(以下、等銅損線という)を示している。図４からわかるように、固定子１０の内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２が０．５３〜０．６９及び総和外径比Ｔｔ/Ｓｔ２がＴｔ/Ｓｔ２≦０．７３−２０（Ｓｔ１/Ｓｔ２−０．６４）^２で定まる範囲に囲まれた部分で銅損が低減されていることがわかる。例えば、Ｔｔ/Ｓｔ２≦０．７３−２０（Ｓｔ１/Ｓｔ２−０．６４）^２の範囲は最も内側の等銅損線付近の値として読み取ることができる。

このように、最大トルクτmが１Ｎｍ≦τm＜５Ｎｍの範囲にあるフェライト磁石を使用した永久磁石同期電動機においては、銅損を低減できる優先順位として（１）固定子１０Ａの内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２が０．５３〜０．６９の範囲であること、（２）総和外径比Ｔｔ/Ｓｔ２がＴｔ/Ｓｔ２≦０．７３−２０（Ｓｔ１/Ｓｔ２−０．６４）^２の範囲であること、（３）コアバック幅Ｌｃｂが０．８×２Ｔ・ｐ≦Ｌｃｂ≦１．６×２Ｔ・ｐの範囲であることの順で決めることができ、これらの条件を適切に組み合わせてフェライト磁石を使用した永久磁石同期電動機の構造を決定すれば良いものである。

次に最大トルクが上記した永久磁石同期電動機より大きい永久磁石同期電動機において、総和外径比Ｔｔ/Ｓｔ２の銅損を低減できる範囲について説明する。図５に示す銅損実測値は最大トルクτmが１０Ｎｍ≦τｍ<２５Ｎｍの範囲にあるフェライト磁石を使用した永久磁石同期電動機の銅損の測定結果である。尚、この永久磁石同期電動機の出力Ｐｏｕｔは６ｋＷ≦Ｐｏｕｔ≦１５ｋＷの範囲である。

図５において、上記した最大トルクの範囲で稼働される永久磁石同期電動機は固定子１０の内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２が０．５３〜０．６９、及び総和外径比Ｔｔ/Ｓｔ２が０．３５＋２０（Ｓｔ１/Ｓｔ２−０．６４)^２≦Ｔｔ/Ｓｔ２≦１．２−２０（Ｓｔ１/Ｓｔ２−０．６４）^２の範囲を中心に振っている。

そして、図５には図４と同様に等銅損線を示している。図５からわかるように、固定子１０Ａの内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２が０．５３〜０．６９及び総和外径比Ｔｔ/Ｓｔ２が０．３５＋２０（Ｓｔ１/Ｓｔ２−０．６４)^２≦Ｔｔ/Ｓｔ２≦１．２−２０（Ｓｔ１/Ｓｔ２−０．６４）^２で定まる範囲に囲まれた部分で銅損が低減されていることがわかる。例えば、０．３５＋２０（Ｓｔ１/Ｓｔ２−０．６４)^２≦Ｔｔ/Ｓｔ２≦１．２−２０（Ｓｔ１/Ｓｔ２−０．６４）^２の範囲は最も内側の等銅損線の外側の等銅損線付近の値として読み取ることができる。

このように、最大トルクτmが１０Ｎｍ≦τｍ<２５Ｎｍの範囲にあるフェライト磁石を使用した永久磁石同期電動機においては、銅損を低減できる優先順位として（１）固定子１０の内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２が０．５３〜０．６９の範囲であること、（２）総和外径比Ｔｔ/Ｓｔ２が０．３５＋２０（Ｓｔ１/Ｓｔ２−０．６４)^２≦Ｔｔ/Ｓｔ２≦１．２−２０（Ｓｔ１/Ｓｔ２−０．６４）^２の範囲であること、（３）コアバック幅Ｌｃｂが０．８×２Ｔ・ｐ≦Ｌｃｂ≦１．６×２Ｔ・ｐの範囲であることの順で決めることができ、これらの条件を適切に組み合わせてフェライト磁石を使用した永久磁石同期電動機の構造を決定すれば良いものである。

図６は固定子の変形例を示しており、この固定子１０Ｂは分布巻を施された例を示している。図６には永久磁石同期電動機を構成する巻線が分布巻された固定子の縦断面図を示している。尚、図６においては巻線の表示は省略している。固定子１０Ｂは磁性体からなるコア本体１２Ｂと、コア本体１２Ｂの内周側に形成された巻線収納用の複数のスロット１４Ｂと、各スロット１４Ｂの間に形成されたティース１６Ｂと、コア本体１２Ｂの外周側に形成された円環状の形状を持つコアバック１８Ｂとより構成されている。

ティース１６Ｂはコアバック１８Ｂとは反対側で断面が変形Ｔ字状の端部１６Ｂ-１を有し、この変形Ｔ字状の端部１６Ｂ-１は全体で固定子の内周部を形成している。したがって、端部１６Ｂ-１で形成される内周部内に回転子(図示せず)が挿入配置されるものである。コアバック１８Ｂはその外周断面が円環とされている。

スロット１４Ｂには分布巻された分布巻線が収納され、各巻線が端部で重なるようになっている。この種の分布巻による固定子１０Ｂは良く知られた構造である。そして、この分布巻された固定子１０Ｂにおいても上述したように、銅損を可及的に低減することができるものである。すなわち、銅損を低減できる優先順位として（１）固定子１０の内外径比Ｓｔ１/Ｓｔ２が０．５３〜０．６９の範囲であること、（２）総和外径比Ｔｔ/Ｓｔ２がＴｔ/Ｓｔ２≦０．７３−２０（Ｓｔ１/Ｓｔ２−０．６４）^２、或いは総和外径比Ｔｔ/Ｓｔ２が０．３５＋２０（Ｓｔ１/Ｓｔ２−０．６４)^２≦Ｔｔ/Ｓｔ２≦１．２−２０（Ｓｔ１/Ｓｔ２−０．６４）^２の範囲であること、（３）コアバック幅Ｌｃｂが０．８×２Ｔ・ｐ≦Ｌｃｂ≦１．６×２Ｔ・ｐの範囲であることの順で決めることができる。

以上の説明において、図１に示した固定子１０Ａではスロット１４Ａの数を９スロットとしたが、基本的には３スロット以上であればよいので、これに限定されるものではない。また、固定子は図１では集中巻の固定子１０Ａとしたが、図６に示すように分布巻の固定子１０Ｂとしても差し支えないものである。

また、本実施例では説明していないが回転子に埋め込まれる永久磁石の埋め込み方式としては様々のものがあるが、本実施例においてはＵ字型、或いはＶ字形の埋め込み方式を採用するのが良い。

以上に説明したフェライト磁石を使用した永久磁石同期電動機は多くの電気機器に採用できるが、特に最大トルクτmが１Ｎｍ≦τm＜５Ｎｍの範囲にある永久磁石同期電動機は家庭用のエアコンディショナ装置に使用される圧縮機の動力源として適しており、更に、最大トルクτmが１０Ｎｍ≦τｍ<２５Ｎｍの範囲にある永久磁石同期電動機は業務用のエアコンディショナ装置に使用される圧縮機の動力源として適している。

更に、実施例においては永久磁石をフェライト磁石としたが、磁石の残留磁束密度が０．３Ｔ〜０．５Ｔの間の磁石であれば安定的に手に入れることができるので、フェライト磁石に限ることなく他の永久磁石でも差し支えないものである。ただ、フェライト磁石は過去にも多く使用されているので、その特性、物性等も良く知られて扱いやすいという効果がある。

また、固定子の材料は渦電流損を低減するため軸方向に積み重ねた積層ケイ素鋼板で構成しても良いし、圧粉磁心などで構成しても良い。更に、アモルファス金属などで構成しても良いものである。

以上説明した通り、本発明によれば、回転子に埋め込まれる永久磁石の残留磁束密度を０．３Ｔ〜０．５Ｔの範囲に設定すると共に、回転子を収納する固定子の内径（直径）Ｓｔ１と固定子の外径（直径）Ｓｔ２との比Ｓｔ１/Ｓｔ２を０．５３〜０．６９の範囲に設定するようにしたものである。

このように、固定子の内径（直径）Ｓｔ１と固定子の外径（直径）Ｓｔ２との比Ｓｔ１/Ｓｔ２を０．５３〜０．６９に設定すると、フェライト磁石を使用した場合の永久磁石同期電動機の銅損は下に凸の特性を示して銅損の低い特異領域が存在する。

したがって、固定子の内径（直径）Ｓｔ１と固定子の外径（直径）Ｓｔ２との比Ｓｔ１/Ｓｔ２を０．５３〜０．６９の範囲に設定することによって、残留磁束密度が０．３Ｔ〜０．５Ｔの範囲の永久磁石を用いた永久磁石同期電動機の銅損を効果的に低減して永久磁石同期電動機の高効率化が図れるようになるものである。

１０Ａ、１０Ｂ…固定子、１２Ａ、１２Ｂ…コア本体、１４Ａ、１４Ｂ…スロット、１６Ａ、１６Ｂ…ティース、１８Ａ、１８Ｂ…コアバック、Ｓｔ１…固定子の内径、Ｓｔ２…固定子の外径、Ｔ…ティースの幅、Ｌｃｂ…コアバック幅。

Claims

少なくとも、複数極を構成するように配置された永久磁石を備える回転子と、この回転子が収納される固定子より構成された永久磁石同期電動機において、
前記永久磁石の残留磁束密度を０．３Ｔ〜０．５Ｔの範囲に設定すると共に、前記固定子の内径（直径）Ｓｔ１と前記固定子の外径（直径）Ｓｔ２の比Ｓｔ１/Ｓｔ２を０．５３≦Ｓｔ１/Ｓｔ２≦０．６９の範囲に設定することによって銅損を低減するようにしたことを特徴とする永久磁石同期電動機。
請求項１に記載の永久磁石同期電動機において、
前記永久磁石にフェライト磁石が使用されていることを特徴とする永久磁石同期電動機。
請求項１に記載の永久磁石同期電動機において、
前記固定子は巻線が集中巻された集中巻固定子、或いは巻線が分布巻された分布巻固定子のいずれかであることを特徴とする永久磁石同期電動機。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の永久磁石同期電動機において、
前記固定子の内径（直径）Ｓｔ１と前記固定子の外径（直径）Ｓｔ２の比Ｓｔ１/Ｓｔ２を０．５７≦Ｓｔ１/Ｓｔ２≦０．６４の範囲に設定することを特徴とする永久磁石同期電動機。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の永久磁石同期電動機において、
前記永久磁石同期電動機の最大トルクτmが１Ｎｍ≦τm＜５Ｎｍの範囲にある場合、前記固定子のティースの幅の長さＴの周方向の総和であるＴｔと前記固定子の外径（直径）Ｓｔ２の比Ｔｔ/Ｓｔ２が、Ｔｔ/Ｓｔ２≦０．７３−２０（Ｓｔ１/Ｓｔ２−０．６４)^２の範囲に決められていることを特徴とする永久磁石同期電動機。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の永久磁石同期電動機において、
前記永久磁石同期電動機の最大トルクτmが１０Ｎｍ≦τm＜２５Ｎｍの範囲にある場合、前記固定子のティースの幅の長さＴの周方向の総和であるＴｔと前記固定子の外径（直径）Ｓｔ２の比Ｔｔ/Ｓｔ２が、０．３５＋２０（Ｓｔ１/Ｓｔ２−０．６４)^２≦Ｔｔ/Ｓｔ２≦１．２−２０（Ｓｔ１/Ｓｔ２−０．６４)^２の範囲に決められていることを特徴とする永久磁石同期電動機。
請求項５或いは請求項６に記載の永久磁石同期電動機において、
前記ティースの幅の長さＴと、毎相毎極スロット数ｐ、及び前記固定子の外径（直径）Ｓｔ２と前記固定子のスロットの最外周との間のコアバック幅Ｌｃｂとの関係が、０．８×２Ｔ・ｐ≦Ｌｃｂ≦１．６×２Ｔ・ｐの範囲に決められていることを特徴とする永久磁石同期電動機。
請求項５或いは請求項６に記載の永久磁石同期電動機において、
前記永久磁石同期電動機はエアコンディショナ装置に設けられた圧縮機を駆動することを特徴とする永久磁石同期電動機。
請求項１乃至請求項８に記載の永久磁石同期電動機において、
前記回転子に埋め込まれた前記永久磁石の埋め込み方式は、Ｕ字形、或いはＶ字形であることを特徴とする永久磁石同期電動機。