JP2014217189A - 永久磁石同期機およびこれを用いた圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】リラクタンストルクの活用が困難な場合においても、トルク向上、効率向上を可能にする。
【解決手段】複数のティース１１及び固定子コイル１２を有する固定子９と、固定子に対して径方向にギャップを介して配置されかつ磁石収容孔４を形成する回転子１とを備え、磁石収容孔に挿入された永久磁石を周方向に複数配置した永久磁石同期機において、永久磁石による固定子コイル一相分の鎖交磁束Ψｐ（Ｗｂ）と、電流実効値Ｉｒｍｓ（Ａｒｍｓ）を固定子コイルに通電した時の直軸インダクタンスＬｄ（Ｈ）および横軸インダクタンスＬｑ（Ｈ）と、電流実効値Ｉｒｍｓ（Ａｒｍｓ）とがＩｒｍｓ＜０.２９３・（√２・Ψｐ）／（Ｌｑ−Ｌｄ）の関係を満足すると同時に、駆動時の固定子鎖交磁束Ψ（Ｗｂ）とΨpとがΨ／Ψp＜１の関係を満足する永久磁石同期機。
【選択図】図１

Description

本発明は永久磁石同期機、およびこれを用いた圧縮機に関するものである。

永久磁石同期機では、回転子に永久磁石を埋設するＩｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ（以下、ＩＰＭ）構造が広く採用されている。ＩＰＭ構造では、直軸インダクタンスＬｄと横軸インダクタンスＬｑの比、いわゆる突極比が大きくなるので、磁石トルクに加えリラクタンストルクの活用が可能であるとされてきた。

リラクタンストルクを活用する永久磁石同期機の背景技術として、特開２００１−１１９８７５号公報（特許文献１）に記載された同期機がある。この公報には、ロータ１００が、磁気突極型ロータ部１０２とマグネット型ロータ部１０１とを軸方向に直列に結合した構造をもち、磁気突極型ロータ部１０２の磁気突極型界磁極の磁束とマグネット型ロータ部１０１永久磁石型界磁極の磁束とは、共通の多層電機子コイルと鎖交する。このように構成することにより、磁気突極型界磁極によるリラクタンストルクと永久磁石型界磁極によるマグネットトルクの合成トルクを発生する同期機と比較して、両ロータ部の相対角度を最適に設定することができ、永久磁石量あたりの合成トルクを増大させている。

特開２００１−１１９８７５号公報

特許文献１の同期機では、ＩＰＭ構造とすることで突極比を大きくして、リラクタンストルクを活用している。しかしながら、用途や出力、およびモ−タ体格によっては、仮にＩＰＭ構造としても、すなわち突極比を大きくしてもリラクタンストルクを活用しにくいものがある。これは、リラクタンストルクの大きさが突極比の大小のみに依存するのではなく、磁石トルクとの相対関係にも依存することによる。

しかし、従来の設計理論ではこのような観点が見逃されていた。このため、リラクタンストルクが活用できず出力向上や効率向上が図れない一方で、突極比が大きいゆえにインダクタンスが大きくなり、鉄損増加を招いたり、高速化が困難となったりする場合があった。

本発明の目的は、永久磁石同期機において、リラクタンストルクの活用が困難な場合においても、トルク向上、効率向上、高速回転化を可能にすることである。

上記目的を達成するために、本発明では、複数極を構成するよう配備された永久磁石で構成される回転子を有する永久磁石同期機において，前記永久磁石による固定子コイル鎖交磁束Ψpと、電流I Arms 通電時の直軸インダクタンスLdおよび横軸インダクタンスLqとが、数１の関係を満足するとともに、

駆動時の固定子鎖交磁束Ψと前記Ψpとが数２の関係を満足することにより、固定子鉄心の磁気飽和を緩和する。

本発明によればトルクおよび効率が向上するとともに、高速回転化が可能となる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施例における永久磁石同期機について、固定子と回転子とを回転軸に垂直な横断面で示す図。 本発明に係る数３の関係を示す図。 本発明の第１の実施例におけるトルク特性の説明図。 永久磁石モータのベクトル図。 本発明の第１の実施例における永久磁石同期機について、回転子を回転軸に垂直な横断面で示す図。 本発明の第１の実施例における永久磁石同期機について、回転子を回転軸に垂直な横断面で示す図。 本発明の第２の実施例におけるモータ特性の一例。 ６極９スロット三相モータの固定子コイル接続図。 磁石トルクとリラクタンストルクの原理説明図。 永久磁石モータのベクトル図。 本発明との比較例である永久磁石同期機の回転子を回転軸に垂直な横断面で示す部分断面図。 本発明の第３の実施例における圧縮機の断面構造図。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。以下の説明では、同一の構成要素には同一の記号を付してある。それらの名称および機能は同じであり、重複説明は避ける。また、以下の説明では内転型回転子を対象としているが、本発明の効果は内転型回転子に限定されるものではなく、同様の構成を有する外転型回転子にも適用可能である。

また、固定子の巻線方式は集中巻でも良いし分布巻でも良い。また、回転子の極数、固定子コイルの相数も、実施例の構成に限定されるものではない。また、以下の説明ではインバータ駆動の永久磁石モータを対象としているが、本発明の効果は自己始動型永久磁石モータにも適用可能である。

以下、図１乃至６を用いて、本発明の第１の実施例について説明する。また、本実施例の説明に当たり、図８乃至１１を参照する。

図１は、本発明の第１の実施例における永久磁石同期機について、固定子と回転子とを回転軸に垂直な横断面で示す図である。

図２は、本発明に係る数３の関係を示す図である。

図３は、本発明の第１の実施例におけるトルク特性の説明図である。

図４は、永久磁石モータのベクトル図である。

図５及び図６は、本発明の第１の実施例における永久磁石同期機について、回転子を回転軸に垂直な横断面で示す図である。

図８は、６極９スロット三相モータの固定子コイル接続図である。

図９は、磁石トルクとリラクタンストルクの原理説明図である。

図１０は、永久磁石モータのベクトル図である。

図１１は、本発明との比較例である永久磁石同期機の回転子を回転軸に垂直な横断面で示す部分断面図である。

本実施例の永久磁石同期機について、図１を用いて説明する。

本実施例の永久磁石同期機では、固定子９の内周側に回転子１を備えている。回転子１は固定子９に対してギャップＧを介して、図示しない軸受けによって回転自在に保持される。

固定子９は、ティース１１を有する固定子鉄心１０と、ティース１１に巻回された固定子巻線１２とで構成される。固定子巻線１２は、三相の巻線Ｕ、Ｖ、Ｗを順に周方向に配置する。Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各相は３つのコイルが直列に接続されている（図８参照）。全部で９つのコイル１２ｕ１、１２ｕ２、１２ｕ３、１２ｖ１、１２ｖ２、１２ｖ３、１２ｗ１、１２ｗ２、１２ｗ３が各ティース１１に分かれて巻き付けられており、集中巻きの永久磁石同期機を構成している。

このために、固定子９には、ティース１１及びスロットが９つ設けられている。回転子１は永久磁石収容孔４を備えた回転子鉄心２と、６極（極対数ｐ＝３）を構成するよう配置された永久磁石３とで構成される。回転子１の中心部には、シャフト（回転軸、出力軸）６が貫通する貫通孔６ａが形成され、貫通孔６ａにシャフト６が挿通されている。

本実施例の永久磁石同期機は、図１に示すように、回転子１が方形状の磁石収容孔４を有し、磁石収容孔４には永久磁石３が埋設されている。永久磁石３は、磁石収容孔４に挿入され、永久磁石３と磁石収容孔４とが周方向に沿って複数設けられることにより、回転子１の内部に周方向に沿って複数の極８が構成される。

永久磁石３による固定子コイル一相分の鎖交磁束Ψｐ（Ｗｂ）と、相電流実効値Ｉｒｍｓ（Ａｒｍｓ）を固定子コイルに通電した時の直軸インダクタンスＬｄ（Ｈ）および横軸インダクタンスＬｑ（Ｈ）とは、下記の数３の関係を有する。

また、駆動時の固定子鎖交磁束Ψと前記Ψpとが数４の関係を満足する。

ここでまず、数３の物理量ならびにリラクタンストルクの発生原理に関して、図３、図８及び図９を用いて説明する。本実施例では、６極９スロットの三相モータについて説明するが、４極６スロット、或いは他の極数及びスロット数を有する三相モータであってもよい。

例えば図８に示すように、直列に接続されたＵ相巻線１２ｕ１、１２ｕ２、１２ｕ３には、インバータから波高値Ｉ（このときの実効値をＩｒｍｓとする）の交流電流iuが供給される。Ｖ相巻線１２ｖ１、１２ｖ２、１２ｖ３、Ｗ相巻線１２ｗ１、１２ｗ２、１２ｗ３に関しても同様であるが、各相の電流位相は電気角で１２０°ずつずれている。ＩやＩｒｍｓの大きさは、ワットメータ等の機器を用いることで求めることができる。或いは、オシロスコープなどで電流波形を取得してフーリエ解析することでも求めることができる。

回転子１と機械的に結合されたシャフト６は負荷に連結され、電流Ｉの大きさと位相を適当に選定することで、負荷と釣り合うような回転トルクＭｅが発生する。固定子コイル一相分の鎖交磁束Ψｐは、図８に示すＵ、Ｖ、Ｗの端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗを開放した状態で回転子１を外部駆動し、その時の相電圧波高値Ｅ０、または線間電圧波高値Ｅ０×√3を測定することで求めることができる。具体的には、毎分当たりの回転数Ｎ［ｒｐｍ］で外部駆動した時の角周波数ω［ｒａｄ／ｓ］を数５から求め、それを数６に代入して得られる。ただし、ｐは極対数である。

ところで、磁石モータのトルクＭｅは一般に、固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗ各相の通電電流が生成する回転磁界と，回転子磁極との吸引・反発によって発生する。回転子磁極とは、磁石モータの場合、磁石によって形成される磁界を指すことが多いが、リラクタンストルクを考慮するときには、回転磁界の影響により回転子鉄心が磁化することで形成される磁界も磁極の一種として考えるとわかりやすい。

なお、磁石モータの同期運転時における電流や磁束は交流量であるため、ｄｑ軸座標系（回転座標系）に変換し直流量として扱う方法が一般的である。一般に、ｄｑ軸座標系では回転子の磁極中心軸をｄ軸とし、ｄ軸に対して反時計回りに電気角で９０°進んだ軸、すなわち極性の異なる永久磁石間の中心軸をｑ軸とする。この場合、回転子位置によらず、ｄｑ軸と回転磁界との相対的な位置関係のみでトルク等の諸物理量を考察することが可能となる。

図９を用いて、磁石モータのトルク発生原理を説明する。図において、反時計回りを正方向としている。（ａ）は磁石トルクを示す。（ｂ）はｄ軸電流が負の場合に生じるリラクタンストルクを示しており、回転子ｑ軸の磁化によるものである。（ｃ）はｄ軸電流が負の場合に生じるリラクタンストルクを示しており、回転子ｄ軸の磁化によるものである。

（ａ）に示すように、磁石トルクはｄ軸に発生する磁石磁束とｑ軸電流により形成される磁界との吸引および反発によって生じるトルクである。このとき、磁石磁束とｄ軸電流磁界との間には径方向の反発力が発生するが、回転力は生じない。

一方で、（ｂ）に示すように、ｑ軸電流磁界により回転子ｑ軸が磁化される場合、回転子ｑ軸の磁化とｄ軸電流磁界との間に吸引力および反発力が生じる。これがリラクタンストルクであり、ｄ軸電流が負の場合、すなわち弱め界磁運転時には正のトルクが得られ、増磁作用時には負のトルクとなる。

同様にして、（ｃ）に示すように回転子ｄ軸が磁化されやすい場合も、ｑ軸電流磁界との関係でリラクタンストルクが発生し、こちらは弱め界磁運転時に負のトルク、増磁作用時には正のトルクとなる（一般的には（ｂ）と（ｃ）との和をリラクタンストルクと呼ぶ）。

磁石トルクはｑ軸電流一定の下であれば磁石の発生する磁束量に比例する。すなわち、磁石トルクを増加させるには磁石量を増やしたり、強力な磁石を用いたりする必要があり、コスト増を招く。これに対し、リラクタンストルクはｑ軸とｄ軸のインダクタンスの差に比例するため、両者の差が大きくなるように回転子磁気回路を構成することでトルクの増加を図ることができると考えられてきた。

さて、数３の構成物理量のうち、Ψｐ、Ｉｒｍｓは上述の要領で求められるのに対し、Ｌｄ、Ｌｑの求め方に関しては、ダルトン・カメロン法などのような回転子静止法か、または以下で述べるようなベクトル図から逆算する方法がある。

図１０のｄｑ軸座標系のベクトル図を用いて、磁石モータの同期運転時における電流、電圧及び磁束について説明する。

永久磁石による固定子コイル一相分の鎖交磁束Ψｐの位相を基準として、これをｄ軸とみなし、Ψｐの時間微分である誘導起電力Ｅ０は位相が９０°進んだｑ軸に発生する。モータに印加される相電圧Ｖとモータに通電される相電流Ｉが、Ｅ０に対してそれぞれθ、βの位相差をもつとき、Ｖ，Ｉは数７及び数８に示すようにｄ軸成分、ｑ軸成分に分解できる。

なお、図１０の抵抗Ｒはホイートストーンブリッジなどの抵抗測定器を用いることで計測可能である。また、電圧位相差角θ、電流位相差角βに関しては、Ｅ０、Ｖ、Ｉの波形を取得し、各基本波成分の位相関係を割り出すことで求めることができる。図１０では相電圧、相電流の波形を用いた場合を表しているが、例えば相電圧の代わりに線間電圧を取得している場合でも、相電圧と線間電圧の位相差を考慮することで、同様にしてθ、βを求めることができる。

上記で得られた物理量を用いて、Ｌｄ，Ｌｑは数９の電圧方程式から求めることができる。

以上、数３の物理量ならびにリラクタンストルクの発生原理に関して説明した。

次に、本発明の基本原理、すなわち、数３の関係を満足し、かつ数４の関係を満足することで、トルク向上、効率向上、高速回転化を図ることができる原理を説明する。

一般に発生トルクＭｅは、極対数ｐ、永久磁石による固定子コイル一相分の鎖交磁束Ψｐ、直軸電流Ｉｄ、横軸電流Ｉｑを用いて数１０で示される次式で表される。

ただし、Ｉｄ、Ｉｑ、Ψｐは波高値である。

数１０において、｛ ｝内第一項が磁石トルクを、第二項がリラクタンストルクを表している。この式から明らかなように、リラクタンストルクはＬｑ−Ｌｄ、Ｉｄ、Ｉｑにそれぞれ比例する。このため、従来はリラクタンストルクの大きさの指標として突極比Ｌｑ／Ｌｄ、またはＬｑ−Ｌｄが用いられていた。しかしながら、リラクタンストルクが発生トルクＭｅにどれだけ寄与するかは、磁石トルクとの相対関係で決まる。例えば、リラクタンストルクがマグネットトルクに対して極端に小さい場合は、リラクタンストルクが僅かに変動（増減）しても、発生トルクＭｅにはほとんど影響しない。したがって、リラクタンストルクの大きさを表す指標には、従来の突極比に加え、磁石トルクとの相対関係を加味できる別の物理量を新たに導入する必要がある。

ここで、磁石トルクは電流位相差角β＝０のときに最大となり、その最大値Ｍｐ，ｍａｘは数８、数１０より次式で表せる。

一方、リラクタンストルクはβ＝π／４（電気角で４５ ｄｅｇ．）のときに最大となり、その最大値Ｍｒ，ｍａｘは数８、数１０より次式で表せる。

数１１と数１２の比が、リラクタンストルクの大きさを表す指標に他ならないので、この比をリラクタンストルク比αと定義する。電流波高値Ｉを用いる場合は、

となり、電流実効値Ｉｒｍｓを用いる場合は、

となる。本発明では電流実効値Ｉｒｍｓを用いた数１４を使用する。

数１４から明らかなように、リラクタンストルクの大きさを表す指標として、従来のＬｄ、Ｌｑに加え、Ψｐ、Ｉｒｍｓが新たに導入されていることがわかる。このうち、Ψｐは永久磁石の物性と形状、固定子巻線仕様、モ−タ断面形状によって決定され、一般的な誘導起電力測定試験から求めることができる。同様に、Ｌｄ、Ｌｑもモ−タ構成と通電電流Ｉｒｍｓによって決定され、一般的なモ−タインダクタンス測定法によって求めることができる。したがって、Ψｐ、Ｌｄ、Ｌｑはモ−タ毎に決まる定数であり、数１４はαとＩｒｍｓの線形関数として扱うことができる。

リラクタンストルク比αは、数１４の右辺、特に電流値を変化させることで任意の値を採ることができるが、発生トルク向上、効率向上の観点から言えば、図３に示すようにリラクタンストルクＭｒが最大となるβ＝４５ ｄｅｇ．において、発生トルクＭｅが磁石トルク最大値Ｍｐ，ｍａｘと同等かそれ以上となることが望ましい。もう少し詳しく説明すると、永久磁石同期機は、効率最大化制御を行う場合、電流位相差角が０〜４５°の範囲で駆動される。発生トルクＭｅは電流位相差角が０°と４５°のときに最小値となる。そこで、電流位相差角が０°と４５°のときに、発生トルクＭｅが磁石トルク最大値Ｍｐ，ｍａｘと同等かそれ以上となるようにすることにより、リラクタンストルクを活用できるようにしている。すなわち、

の関係が成り立てば良い。数１５を整理すると、

となり、さらに数１４を用いて変形すると次式を得る。

以上より、リラクタンストルクの大きさを表す指標として、従来のＬｄ、Ｌｑに加え、Ψｐ、Ｉｒｍｓを導入する必要があること、リラクタンストルクを有効活用するためには数１７の関係式を満足する必要があることを示した。

しかしながら、数１７が成立しない場合、すなわち数３の関係が成立する場合は、リラクタンストルクの活用が困難である。このような状況で、図１１に示すようなＩＰＭ構造としても、出力向上や効率向上が図れない一方で、突極比が大きいゆえにｑ軸インダクタンスが大きいため、鉄損増加を招いたり、高速回転化が困難となってしまう。

そこで、駆動時の固定子鎖交磁束Ψと前記Ψpとが数４の関係を満足することが重要となる。この理由について図４を用いて説明する。図４はモータ駆動状態における諸物理量をｄｑ軸上で表したものであり、図１０と重複する記号に関しては、その物理的な意味は同義であるため説明を割愛する。

まず、駆動時の固定子鎖交磁束Ψは、永久磁石３による固定子コイル一相分の鎖交磁束Ψｐ（Ｗｂ）を起点として、ｄ軸電流Ｉｄによって発生する反作用磁束ＬｄＩｄと、ｑ軸電流Ｉｑによって発生する反作用磁束ＬｑＩｑとのベクトル和で表される。

図４に示すｄｑ軸上では、Ψは直流量であるが、任意の固定子コイルから見た場合は交流量であり、固定子コイルが巻回されたティースには、Ψの交流変化によってヒステリシス損と渦電流損、すなわち鉄損が発生する。一般に、ヒステリシス損はΨの波高値に比例し、渦電流損はΨの波高値の２乗に比例するので、鉄損を低減するためには、Ψを小さくすることが望ましい。しかしながら、従来のＩＰＭ構造では、リラクタンストルクの活用を狙ってＬｑを大きくすることが一般的であったため、図４からも明らかなように、ＬｑＩｑベクトルの伸長に伴って、ΨがΨpよりも大きくなりやすかった。

リラクタンストルクが活用できる場合は、必然的に負のＩｄが流れるため、ＬｄＩｄベクトルによってΨは抑制されやすいが、リラクタンストルクが活用できない場合は、負のＩｄを流す必要がなくなるため、Ψが抑制できず鉄損増加を招いてしまう。したがって、数３の関係が成立する場合、すなわちリラクタンストルクが活用できない場合には、鉄損低減の観点から数４の関係を同時に満足することが極めて重要となる。

続いて、数４の重要性について高速回転化の観点からも説明する。駆動時において、固定子コイルの電気抵抗による電圧降下分を無視すると、モータ端子電圧Ｖは固定子鎖交磁束Ψの時間微分と等価とみなすことができ、次式で近似できる。なお、図４に示すように、ＶはΨに対して９０ｄｅｇ．進んだベクトルで表される。

いま、モータ端子電圧の上限値をＶｍａｘとすると、数１８から明らかなように、Ψを小さくした分だけ、ωを大きくすることができる、すなわち高速回転化が可能となる。

以上より、数３の関係を満足し、かつ数４の関係を満足することで、トルク向上、効率向上、高速回転化を図ることができる原理を説明した。

ところで、数３の関係を満足し、かつ数４の関係を満足するような具体的な構成としては、図１に示すような回転子構造がある。

図１では、回転子１には、永久磁石３の径方向外周部（外周側）に非磁性体で構成されるスリット７が配置されている。また、隣接する極８の磁極間の回転子鉄心２は、前記永久磁石収容孔４の周方向端部よりも内周側に凹となるよう構成されている。このような構成とすることでｑ軸インダクタンスを低減し、固定子鉄心の磁気飽和を緩和する。特に、磁極間の回転子鉄心２を内周側に凹となるよう構成することで、永久磁石３の径方向内周部（内周側）を透過しようとするｑ軸磁束を大幅に低減することができる。以上の構成によって、トルク向上、鉄損低減、効率向上、ならびに高速回転化が可能になる。

ところで、上述した永久磁石同期機を駆動する場合、電流位相差角βは制御ソフトの構成によって任意に設定できるが、数３を満足するような構成においては、発生トルクが最大となる制御動作点は０ｄｅｇ．≦β≦２２．５ｄｅｇ．の範囲に存在する。したがって、前記の位相となるように制御することで、より確実にトルク向上、効率向上を図ることができる。

なお、永久磁石３は１極につき周方向に分割されることなく一体で構成しても良いし、複数個を周方向に分割して配置しても良い。

また、１極を構成する永久磁石３及び磁石収容孔４は、１つに限定されるわけではない。例えば、１極を構成する永久磁石３を周方向に分割し、それぞれの磁石に合わせて磁石収容孔４を設け、隣接する収容孔の境界にリブを設けるなどしてもよい。

また、永久磁石３及び磁石収容孔４は、回転軸方向に複数個を分割して構成しても良いし、分割することなく一体で構成しても良い。

回転子鉄心２は軸方向に積み重ねた積層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し、アモルファス金属などで構成しても良い。

本実施例では、磁石収容孔４は１極を構成する永久磁石の磁極中心軸に対して、直交するように形成され、また、回転軸方向からみて平板状である。磁石収容孔４に収容される永久磁石３も、磁石収容孔４の形状に合わせ平板上に形成されている。このような構成とすることで、磁石の成形プロセスを最小限に抑えることができるほか、磁石の挿入工程も簡易となるので、製造コストを抑制できる。

また、磁石収容孔を平板状とすることで、Ｖ字状の収容孔などと比べ、回転子鉄心の１極あたりの外周部コア面積を小さくできるので、それに伴いｑ軸インダクタンスを小さくすることができる。なお、回転子鉄心の１極あたりの外周部コア面積を小さくするためには、磁石収容孔を平板状ではなく、径方向外側に凸となるような形状で構成してもよい。

スリット７は磁石磁束の透過を妨げないと同時に、ｑ軸磁束の透過を妨げるように配置すればよく、直線状に設けても良いし、円弧状にしても良い。また、一続きで構成しても良いし、リブ等で分割して構成しても良い。また、図１では一極あたり４本を配置しているが、製作可能な範囲で有れば何本であっても良い。また、各スリット７の幅は均一でも良いし、不均一でも良い。

スリット７は、上述したように、磁石磁束の透過を妨げず、ｑ軸磁束の透過を妨げる。このため、スリット７は、スリット７が設けられていない状態で回転子鉄心２の永久磁石３の外周側に生じる磁石磁束とｑ軸磁束とに対して、ｑ軸磁束を横切るように設けられ、磁石磁束をできるだけ横切らず磁石磁束に沿うように設けられる。この条件に適うようにスリット７を設けると、スリット７はｑ軸磁束を横切る方向（磁石磁束に沿う方向）に長く（寸法が大きく）、磁石磁束を横切る方向（ｑ軸磁束に沿う方向）に短い（寸法が小さい、或いは幅が薄い）形状になる。

スリット７について、図５を参照してさらに詳細に説明する。図５の構成が図１と異なる点は、永久磁石３の径方向外周部（外周側）にスリット７ａを設けるだけでなく、径方向内周部（内周側）にもスリット７ｂを設けている点である。

図５では、ｄ軸は回転子１の回転中心（シャフト６の中心）Ｏと磁石収容孔４の中央４ｏとを通る。永久磁石３は、ｄ軸に対して線対称となるように、磁石収容孔４を埋めるように挿入されている。永久磁石３は、磁石収容孔４を完全に埋めるのではなく、隙間を残すように挿入されてもよい。本実施例では、ｄ軸は磁極の中央を通るので、以下、ｄ軸を磁極中央線３０ｃｌと呼ぶ。

スリット７ａは、外周側では磁極中央線３０ｃｌに近づき、内周側では磁極中央線３０ｃｌから遠ざかるように、磁極中央線３０ｃｌに対して傾斜して形成されている。すなわち、スリット７ａは、外周側端部が内周側端部に対して磁極中央線３０ｃｌに近くなるように、磁極中央線３０ｃｌに対して傾斜して形成されている。具体的には、スリット７ａの中心線７ａｃｌの外周側端部７ａｏから磁極中央線３０ｃｌに下ろした垂線の長さ（外周側端部７ａｏと磁極中央線３０ｃｌとの距離）ｄ７ａｏが、スリット７ａの中心線７ａｃｌの内周側端部７ａｉから磁極中央線３０ｃｌに下ろした垂線の長さ（外周側端部７ａｉと磁極中央線３０ｃｌとの距離）ｄ７ａｉよりも短くなるように、スリット７ａは磁極中央線３０ｃｌに対して傾斜している。

スリット７ａは、一つの磁極において、磁極中央線３０ｃｌの少なくとも片側に形成する。本実施例の場合、磁極中央線３０ｃｌの両側にスリット７ａを形成している。また、磁極中央線３０ｃｌの両側に形成したスリット７ａは磁極中央線３０ｃｌに対して線対称に形成している。スリット７ａを磁極中央線３０ｃｌに対して線対称に形成することにより、磁石磁束とｑ軸磁束との透過性に関する設計が容易になる。しかし、必ずしもスリット７ａを磁極中央線３０ｃｌに対して線対称に形成する必要はない。

スリット７ａは、図５では、上述した傾斜を有するように直線状に形成しているが、円弧状に形成してもよい。スリット７ａを円弧状に形成する場合、磁石磁束に沿うように、磁極中央線３０ｃｌに向かって凸形状の曲線を描くようにするとよい。

次に、図５に示すスリット７ｂについて説明する。尚、スリット７ｂを設けない場合もスリット７ａによる効果は得られるため、スリット７ｂは必ずしも設ける必要はない。しかし、スリット７ｂを設けることにより、以下で説明する効果が得られる。

スリット７ｂは永久磁石３の径方向内周部（内周側）に設けられ、スリット７ａと同様に非磁性体で構成される。

このような構成とすることで、ｑ軸インダクタンスの低減効果がより一層高まり、固定子鉄心の磁気飽和をより一層緩和することができる。これによって、永久磁石同期機のさらなる高速回転駆動が可能になると同時に、さらなるトルク向上および効率向上を図ることが可能となる。スリット７ｂは磁石磁束の透過を妨げないと同時に、ｑ軸磁束の透過を妨げるように配置すればよく、直線状に設けても良いし、円弧状にしても良い。また、一続きで構成しても良いし、リブ等で分割して構成しても良い。また、製作可能な範囲で有れば何本であっても良い。また、各スリットの幅は均一でも良いし、不均一でも良い。

ここで、スリット７ｂの別の効果として永久磁石３の減磁耐力向上がある。永久磁石３の不可逆減磁が発生するのは、固定子コイルが永久磁石３の磁化方向とは反対方向に過大な磁界を発生するときである。固定子コイルが発生する磁界の大きさは、電流の大きさと巻線のターン数、すなわちアンペアターンに比例するが、アンペアターンが一定の場合を考えると、永久磁石３に印加される磁界（以下、減磁磁界）の大きさは、ギャップ部分や固定子鉄心や回転子鉄心の磁気抵抗との兼ね合いによって決まる。すなわち、永久磁石３以外の部分の磁気抵抗が大きいほど、減磁磁界（永久磁石３に印加される磁界）は小さくなる。ここで、スリット７ｂが無い場合を考えると、永久磁石３の径方向内周部コア部分には磁束の透過を妨げる要素が無いため、磁気抵抗は非常に小さい。これに対し、スリット７ｂを設けることで、磁束はスリット７ｂに沿って透過することになるので、磁路が限定され磁気抵抗が増加する。これによって、減磁磁界（永久磁石３に印加される磁界）を小さくできるので、永久磁石３の減磁耐力が向上する。

なお、図６に示すような構成においても本実施例で述べた効果と同様の効果を得ることができる。図６の構成が図５と異なる点は、回転子鉄心２の外周部の磁極間に、リブ１０２を設け、その内周側にｑ軸空孔１０３を設けた点である。このような構成とした場合にも永久磁石３の径方向内周部（内周側）を透過しようとするｑ軸磁束を大幅に低減することができ、固定子の磁気飽和を緩和できる。また、リブ１０２を設けることで、永久磁石３の外周部コアに働く遠心力荷重に対して強度が向上するため、より一層の高速回転化が可能となる。リブ１０２を設ける位置は、図６では永久磁石３よりも外周側としているが、上記の効果を得られるのであれば、必ずしも永久磁石３の外周側とする必要はなく、永久磁石３と同一円周上近傍に設けても良いし、永久磁石３の内周側に設けてもよい。また、リブ１０２の幅は、永久磁石３の漏れ磁束低減と回転子強度向上の両立を図れる範囲で任意に設定して良い。また、ｑ軸空孔１０３は、図６では半円状の形状としているが、ｑ軸磁束を低減できるのであれば、その形状は必ずしも半円状でなくても良い。また、ｑ軸空孔１０３は、図６では極間1カ所につき１つだけ設けているが、２つまたはそれ以上の複数を設けても良い。

以下、図７を用いて本発明の第２の実施例について説明する。図７は、本発明の第２の実施例におけるモータ特性の一例である。

本実施例では、図７に示すように、最大電流通電状態で最大トルクＭｅ，ｍａｘを発生する永久磁石同期機において、モータ端子電圧がＶｍａｘとなる時の回転数をＮｓａｔとし、一方で、外部駆動によって発生する誘導起電力がＶｍａｘとなる時の回転数をＮｍａｘとし、Ｎｍａｘ＜Ｎｓａｔとなるように構成することで、高速回転化を可能にする。

実施例１で述べたように、電圧は数１８で表されるので、数４の関係が成立する場合には、Ｎｍａｘ＜Ｎｓａｔが成立する。

以下、図１２を用いて本発明の第３の実施例について説明する。図１２は、本実施例による圧縮機の断面構造図である。

図１２において、圧縮機構部は、固定スクロ−ル部材１３の端板１４に直立する渦巻状ラップ１５と、旋回スクロ−ル部材１６の端板１７に直立する渦巻状ラップ１８とを噛み合わせて形成されている。そして、旋回スクロ−ル部材１６をクランクシャフト６によって旋回運動させることで圧縮動作を行う。固定スクロ−ル部材１３及び旋回スクロ−ル部材１６によって形成される圧縮室１９（１９ａ、１９ｂ、……）のうち、最も外径側に位置している圧縮室１９は、旋回運動に伴って両スクロ−ル部材１３、１６の中心に向かって移動し、容積が次第に縮小する。

両圧縮室１９ａ、１９ｂが両スクロ−ル部材１３、１６の中心近傍に達すると、両圧縮室１９内の圧縮ガスは圧縮室１９と連通した吐出口２０から吐出される。吐出された圧縮ガスは、固定スクロ−ル部材１３及びフレ−ム２１に設けられたガス通路（図示せず）を通ってフレ−ム２１下部の圧力容器２２内に至り、圧力容器２２の側壁に設けられた吐出パイプ２３から圧縮機外に排出される。圧力容器２２内に、固定子９と回転子１とで構成される永久磁石モ−タ１０３が内封されており、回転子１が回転することで、圧縮動作を行う。永久磁石モ−タ１０３の下部には、油溜め部２５が設けられている。油溜め部２５内の油は回転運動により生ずる圧力差によって、クランクシャフト６内に設けられた油孔２６を通って、旋回スクロ−ル部材１６とクランクシャフト６との摺動部、滑り軸受け２７等の潤滑に供される。圧力容器２２の側壁には固定子コイル１２を圧力容器２２の外側に引き出すための端子箱３０が設けられ、例えば、三相永久磁石モ−タの場合は、Ｕ、Ｖ、Ｗ各巻線の端子が計３個、納められている。永久磁石モ−タ１０３に、前述の実施例１、又は実施例２記載の永久磁石同期機を適用することで、より高速回転まで駆動することが可能になると同時に、トルク向上および効率向上を図ることが可能となる。

ところで、現在の家庭用・業務用空調機では、圧縮容器２２内にＲ４１０Ａ冷媒が封入されているものが多く、永久磁石モ−タ１０３の周囲温度は８０℃以上となることが多い。今後、地球温暖化係数がより小さいＲ３２冷媒の採用が進むと周囲温度はさらに上昇するため、磁石のＢｒ低下がより顕著となる。このような場合に、前述の実施例１、又は実施例２記載の永久磁石同期機を適用することで、Ｂｒ低下によるトルク低下、効率低下を補うことができる。特に永久磁石３をフェライト磁石で構成する場合には、ネオジウム磁石で問題となる高温減磁が原理的に発生しないので、Ｒ３２冷媒採用に伴う周囲温度上昇に対して有効な対策となる。尚、本実施例の圧縮機に前述の実施例１、又は実施例２記載の永久磁石同期機を適用するにあたり、冷媒の種類が制限されるものではない。

なお、圧縮機構成は図１２記載のスクロ−ル圧縮機でも良いし、ロ−タリ圧縮機でも良いし、その他の圧縮機構を有する構成でも良い。また、本発明によれば、以上に説明したように小形で高出力のモータが実現できる。すると高速運転が可能になるなど、運転範囲を広げることが可能となり、さらには、ＨｅやＲ３２などの冷媒においては、Ｒ２２、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａなどの冷媒に比べ、隙間からの漏れが大きく、特に低速運転時には循環量に対する漏れの比率が顕著に大きくなるため、効率低下が大きい。低循環量（低速運転）時の効率向上のため、圧縮機構部を小型化し、同じ循環量を得るために回転数を上げることで、漏れ損失を低減させることが有効な手段となりうるが、最大循環量を確保するために最大回転数も上げる必要がある。本発明に係る永久磁石同期機を備えた圧縮機によれば、最大回転数を上げることが可能となり、ＨｅやＲ３２などの冷媒における効率向上に有効な手段となる。

１…回転子、２…回転子鉄心、３…永久磁石、４…永久磁石収容孔、５…カシメ用リベット、６…シャフト又はクランクシャフト、７ａ，７ｂ…スリット、８…極、９…固定子、１０…固定子鉄心、１１…ティース、１２（１２ｕ１，１２ｕ２，１２ｖ１，１２ｖ２，１２ｗ１，１２ｗ２）…固定子コイル、１３…固定スクロ−ル部材、１４…端板、１５…渦巻状ラップ、１６…旋回スクロ−ル部材、１７…端板、１８…渦巻状ラップ、１９（１９ａ，１９ｂ）…圧縮室、２０…吐出口、２１…フレ−ム、２２…圧力容器、２３…吐出パイプ、２４…バランスウェイト、２５…油溜部、２６…油孔、２７…滑り軸受け、３０…端子箱、１０１…リブ、１０２…ｑ軸空孔、１０３…永久磁石モ−タ。
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Claims (11)

1. 複数のティース及び固定子コイルを有する固定子と、
   前記固定子に対して径方向にギャップを介して配置されかつ磁石収容孔を形成する回転子と、を備え、
   前記磁石収容孔に挿入された永久磁石と、を備え、前記永久磁石を周方向に複数配置した永久磁石同期機において、
   前記永久磁石による固定子コイル一相分の鎖交磁束Ψｐ（Ｗｂ）と、電流実効値Ｉｒｍｓ（Ａｒｍｓ）を前記固定子コイルに通電した時の直軸インダクタンスＬｄ（Ｈ）および横軸インダクタンスＬｑ（Ｈ）と、前記電流実効値Ｉｒｍｓ（Ａｒｍｓ）とが、
   の関係を満足すると同時に、駆動時の固定子鎖交磁束Ψ（Ｗｂ）と前記Ψpとが
   の関係を満足することを特徴とする永久磁石同期機。
2. 請求項１に記載の永久磁石同期機において、
   前記回転子は、前記磁石収容孔に挿入された永久磁石とで構成された磁極を周方向に複数配置し、
   前記磁極の径方向外周部に非磁性体で構成されるスリットを配置することを特徴とする永久磁石同期機。
3. 請求項１に記載の永久磁石同期機において、
   前記磁石収容孔は、１極を構成する前記永久磁石の磁極中心軸に対して直行するように形成され、また、回転軸方向からみて平板状であるとともに、
   前記磁極の径方向外周部に非磁性体で構成されるスリットを配置することを特徴とする永久磁石同期機。
4. 請求項２又は請求孔３に記載の永久磁石同期機において、
   前記回転子は、隣接する磁極間のコアが前記永久磁石収容孔の周方向端部よりも内周側に凹となることを特徴とする永久磁石同期機。
5. 請求項２又は請求項３に記載の永久磁石同期機において、
   前記回転子は、隣接する磁極間において、周方向に延びるリブを有するとともに、前記リブの径方向内周側に設けられた空孔を形成することを特徴とする永久磁石同期機。
6. 請求項２乃至５のいずれか１項に記載の永久磁石同期機において、
   前記スリットは、前記回転子の回転中心と前記磁極の磁極中央とを通る中央線の少なくとも片側に設けられ、外周側端部が内周側端部に対して前記中央線に近くなるように、前記中央線に対して傾斜して形成されていることを特徴とする永久磁石同期機。
7. 請求項６に記載の永久磁石同期機において、
   前記スリットは、前記中央線の両側に前記中央線に対して線対称に形成されていることを特徴とする永久磁石同期機。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の永久磁石同期機において、
   前記磁極の径方向内周部に非磁性体で構成されるスリットを配置したことを特徴とする永久磁石同期機。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の永久磁石同期機において、
   インバ−タから前記永久磁石同期機に供給される電流の位相が、前記永久磁石による固定子コイル一相分の誘導起電力の位相に対して、０°〜２２．５°の進み位相となるように制御されることを特徴とする永久磁石同期機。
10. 冷媒を吸い込んで圧縮し吐出する圧縮機構部と、この圧縮機構部を駆動する永久磁石モ−タを備えた圧縮機において、
    前記永久磁石モ−タは、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の永久磁石同期機であることを特徴とする圧縮機。
11. 請求項１０に記載の圧縮機において、
    前記圧縮機にはＲ３２冷媒が封入されていることを特徴とする圧縮機。