JP2017158428A - 電動機及び圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】使用する希土類磁石に含有されるＤｙ（ディスプロシウム）量を少なくしても減磁耐力がある電動機を提供する。
【解決手段】この発明に係る電動機は、鉄、ネオジウム、ボロン及び３重量％以下のディスプロシウム含むネオジウム希土類磁石を用いる回転子を有する８極の電動機であることを特徴とする。
【選択図】図２３

Description

この発明は、永久磁石を使用する電動機に関する。

空気調和機の省エネ性を向上させるため、圧縮機に搭載される電動機の永久磁石には、エネルギー密度の高い希土類磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ（ネオジム・鉄・ボロン））が一般に用いられている。圧縮機のような高温雰囲気中で希土類磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）を用いる場合、磁石の保磁力は温度上昇により劣化する。そのため、固定子が発生する反磁界が永久磁石の減磁界以下になるような設計、駆動を行う必要性があった。

高温雰囲気中での減磁による駆動制約を拡大するために、希土類磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）にＤｙ（ディスプロシウム）元素を添加して保磁力の向上を図る手法が一般的に用いられている（例えば、特許文献１参照）。

Ｄｙ元素を添加した場合、永久磁石の保磁力は向上するが、相反して、残留磁束密度は低下するという性質を持つ。また、Ｄｙは貴重なレアアース資源であるため、価格が高く、その使用量には制約がある。

特許第４２４１９００号公報 特開平２−１３０２８６号公報 国際公開２００７／１０２３９１号 中村元（ほか３名）、高性能耐熱性Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石の開発、まぐね、日本、日本磁気学会、２００８年８月１日、第３巻、第８号、ｐ．３７２−３７６ 特開２００７−１７４７７６号公報 特開２０１０−２０６８８２号公報 特開２００２−２９１２０９号公報 特開２００２−２６２４８５号公報 特開２００１−１２３９５３号公報

トルクの発生を損なわずに、電動機の構成で減磁に強くするためには、磁石の厚さを厚くする、もしくは、極数を増やすという方法がある。

磁石の厚さを増す方法は、磁石体積を増加させ、レアアースであるＤｙ使用量を増加させてしまうため好ましくない。

また、極数を増やした設計においては、駆動周波数が極数に比例して大きくなるため，電動機のコアに発生する鉄損が増加する。鉄損には、ヒステリシス損と渦電流損があり、いずれも、駆動周波数の関数で表される。

ヒステリシス損は、鉄心の磁区が交番磁界によって磁界の向きを変えるときの損失である。次のスタインメッツの実験式で表される。
Ｐ_ｈ＝ｋ_ｈｆＢ_ｍ ^１．６ （１）
ここで、
Ｐ_ｈ：ヒステリシス損
ｋ_ｈ：比例定数
ｆ：周波数
Ｂ_ｍ：最大磁束密度

渦電流損は、鉄心の中に生じる渦電流によって生じる。高周波になるほど渦電流損の比率が大きくなる。
Ｐ_ｅ＝ｋ_ｅ（ｔｆＢ_ｍ）^２／ρ （２）
ここで、
Ｐ_ｅ：渦電流損
ｋ_ｅ：比例定数
ｔ：鉄板の厚さ
ｆ：周波数
Ｂｍ：最大磁束密度
ρ：磁性体の抵抗率

渦電流を流れにくくするために、透磁率が高いが、導電率の低い材料を使ったり、また渦電流の大きさは板厚の２乗に比例することから、両面に絶縁加工を施した薄い材料を重ねて使うなどの対策がとられる。

また、極数を増やした設計においては、駆動周波数が極数に比例して大きくなるため、ＰＷＭ駆動を行う場合、スイッチングのキャリア周波数を一定とすると、正弦波電流の波形生成が悪化し、高効率な駆動ができない。そのため、極数を増やす場合は、インバータのキャリア周波数を極数に比例させて増加させるが、インバータのスイッチング損失が増加し、効率が悪化する課題がある。

この発明は、使用する希土類磁石に含有されるＤｙ（ディスプロシウム）量を少なくしても減磁耐力がある電動機を提供する。

この発明に係る電動機は、
鉄、ネオジウム、ボロン及びディスプロシウムを含むネオジウム希土類磁石であって、ディスプロシウムの含有量が３重量％以下のネオジウム希土類磁石を用いる回転子を有する８極の電動機である。

この発明に係る電動機は、鉄、ネオジウム、ボロン及び３重量％以下のディスプロシウム含むネオジウム希土類磁石を用いる回転子を有する８極の電動機である。そのため、小型で高効率にすることが可能である。

比較のために示す図で、一般的な電動機１００の横断面図。 比較のために示す図で、一般的な電動機１００の固定子１０１の横断面図。 比較のために示す図で、一般的な電動機１００の固定子鉄心１０１ａの横断面図。 比較のために示す図で、一般的な電動機１００の回転子１０２の横断面図。 比較のために示す図で、一般的な電動機１００の回転子鉄心１０２ａの横断面図。 ネオジウム希土類磁石のＤｙ含有量と保磁力・残留磁束密度との関係図。 電動機１００の極数と永久磁石の減磁力・インバータの駆動周波数との関係図。 実施の形態１を示す図で、電動機２００の横断面図。 実施の形態１を示す図で、固定子２０１の横断面図。 実施の形態１を示す図で、固定子鉄心２０１ａの横断面図。 実施の形態１を示す図で、絶縁材にＰＥＴフィルムを用いた固定子２０１の横断面図。 実施の形態１を示す図で、漏洩電流対策を施した固定子２０１の横断面図。 実施の形態１を示す図で、漏洩電流対策を施した固定子鉄心２０１ａの横断面図。 実施の形態１を示す図で、回転子２０２の横断面図。 実施の形態１を示す図で、回転子鉄心２０２ａの横断面図。 実施の形態１を示す図で、各磁極の永久磁石２０２ｂを二分割した回転子２０２の横断面図。 実施の形態１を示す図で、永久磁石の厚さ及びＤｙ含有量を一定とし、極数を変えた場合の減磁率と相起磁力との関係図。 実施の形態１を示す図で、６極の電動機２００の横断面図。 実施の形態１を示す図で、１０極の電動機２００の横断面図。 実施の形態１を示す図で、１．５％減磁率を確保するために必要なＤｙ含有量と極数との関係図。 実施の形態１を示す図で、モータ効率と極数との関係図。 実施の形態１を示す図で、電動機２００の駆動回路１の回路図。 実施の形態１を示す図で、図２１の破線に示したＤｙ含有量を低減した場合の電動機をインバータ素子がＳｉとＳｉＣ場合で駆動した総合効率の比較図。 実施の形態１を示す図で、電動機２００を搭載するロータリ圧縮機３００の縦断面図。

実施の形態１．
図１は比較のために示す図で、一般的な電動機１００の横断面図である。図１に示す一般的な電動機１００は、例えばブラシレスＤＣモータである。電動機１００は、固定子１０１と、この固定子１０１の内側に空隙１２０を介して配置される回転子１０２とを備える。

電動機１００のスロット数と極数との組合せは、６スロット４極である。電動機１００は、駆動回路のインバータによるＰＷＭ制御により可変速駆動を行うことにより、要求の製品負荷条件に合わせた高効率な運転を行っている。インバータのスイッチングキャリアは、例えば４．５ｋＨｚで波形生成されておりインバータなどのＰＷＭ制御で可変速駆動される。

図２は比較のために示す図で、一般的な電動機１００の固定子１０１の横断面図である。固定子１０１は、少なくとも固定子鉄心１０１ａと、巻線１０１ｂ（図示しない絶縁材で固定子鉄心と絶縁される）とを備える。巻線１０１ｂは、ティース１０１ａ−１（図３）に巻回される集中巻であるが、分布巻の場合もある。巻線１０１ｂは、三相巻線であり、結線方式はＹ結線（星形結線、スター結線）である。但し、結線方式は、三角結線の場合もある。

図３は比較のために示す図で、一般的な電動機１００の固定子鉄心１０１ａの横断面図である。固定子鉄心１０１ａは、略リング状（円筒状）で、外周側にリング状のコアバック１０１ａ−２が形成されている。ティース１０１ａ−１が、コアバック１０１ａ−２から回転子１０２側に放射状に６個形成される。６個のティース１０１ａ−１は、周方向に略等間隔に配置される。ティース１０１ａ−１の周方向の幅は、径方向に略一定である。

隣接するティース１０１ａ−１の間の空間をスロット１０１ａ−３と呼ぶ。スロット１０１ａ−３の数も、ティース１０１ａ−１の数と同じ６個である。ティース１０１ａ−１の周方向の幅は、径方向に略一定であるので、スロット１０１ａ−３の周方向の幅は、内側から外側（コアバック１０１ａ−２側）に向かって徐々に大きくなる構成である。

固定子鉄心１０１ａは、厚さ０．７ｍｍ以下の薄い電磁鋼板を所定の形状に形成されて、所定の枚数を積層することで構成される。

図４、図５は比較のために示す図で、図４は一般的な電動機１００の回転子１０２の横断面図、図５は一般的な電動機１００の回転子鉄心１０２ａの横断面図である。回転子１０２は永久磁石埋込型（埋め込磁石型）であり、少なくとも回転子鉄心１０２ａと、回転子鉄心１０２ａの磁石挿入孔１０２ａ−１に挿入される、平板形状の永久磁石１０２ｂを備える。

４個の永久磁石１０２ｂは、回転子鉄心１０２ａの外周縁に沿って形成された磁石挿入孔１０２ａ−１に挿入され、４極の回転子１０２を構成する。

回転子１０２の永久磁石１０２ｂは、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ（ネオジウム・鉄・ボロン）を主成分とするネオジウム希土類磁石で構成され、厚さ２ｍｍ程度の平板形状である。

回転子鉄心１０２ａは、略円筒状であり、外周縁に沿って断面形状が略長方形の磁石挿入孔１０２ａ−１が、４個形成されている。横断面において、４個の磁石挿入孔１０２ａ−１で略四角形を形成している。回転子鉄心１０２ａの略中心部に、回転軸（図示せず）が挿入される軸孔１０２ａ−２を備える。

回転子鉄心１０２ａも、固定子鉄心１０１ａと同様に、厚さ０．７ｍｍ以下の薄い電磁鋼板を所定の形状に形成されて、所定の枚数を積層することで構成される。

永久磁石１０２ｂに反磁界を印加した場合、反磁界が小さいと印加後に磁気特性は回復するが（可逆減磁）、反磁界がある大きさを超えると磁気特性が低下して回復しなくなる不可逆減磁と呼ばれる現象が起こる。不可逆減磁する難しさの程度を表す数値を保磁力と呼ぶ。不可逆減磁を起こすと電動機の特性が低下するため、電機子反作用による反磁界により、磁石が不可逆減磁を起こさないような負荷設計、及び、保持力の磁石を選定する。

Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂを主成分とするネオジウム希土類磁石の保磁力は、温度により低下する性質を持つ。圧縮機のような１００℃以上の高温雰囲気中でネオジウム希土類磁石を用いた電動機を使用する場合、磁石の保磁力は温度により劣化（約−０．５〜−０．６％／ΔＫ）するため、Ｄｙ（ディスプロシウム）元素を添加して保磁力の向上を図る必要性がある。

図６はネオジウム希土類磁石のＤｙ含有量と保磁力・残留磁束密度との関係図である。ネオジウム希土類磁石の保磁力は、図６に示すように、Ｄｙ含有量にほぼ比例して向上する。

一般的な圧縮機では電動機の雰囲気温度上限は１５０℃程度である。一般的な圧縮機では電動機は、常温２０℃から常温２０℃に対して１３０℃程度の温度上昇した上限（１５０℃程度）の範囲で使用される。従って、例えば、−０．５％／ΔＫの温度係数では、永久磁石の保磁力は６５％低下することになる。

圧縮機の最大負荷で減磁しないようにするためには、１１００〜１５００Ａ／ｍ程度の保磁力が必要であり、１５０℃の雰囲気温度中で前記保磁力（１１００〜１５００Ａ／ｍ程度）を保証するためには、常温保磁力を１８００〜２３００Ａ／ｍ程度に設計する必要がある。

Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂを主成分とするネオジウム希土類磁石のＤｙ元素を添加していない状態での常温保磁力は１０００Ａ／ｍ程度であり、前記必要保磁力（１１００〜１５００Ａ／ｍ程度）を得るために、６〜８重量％のＤｙ元素を添加していた。

Ｄｙ元素は２０１０年の生産量は中国に一極集中しており、価格の不安定、調達リスクを伴うため、添加量を削減したいという要求がある。

また、図６に示すよう、Ｄｙ元素を添加すると、保磁力特性は向上するが、残留磁束密度特性が低下するというデメリットがある。残留磁束密度が低下すると、電動機のマグネットトルクが低下し、通電電流が増加するため、銅損が増加する。そのため、効率面でもＤｙ添加量を低減したいという要求は大きい。

図７は電動機１００の極数と永久磁石にかかる減磁力・インバータの駆動周波数との関係図である。永久磁石にかかる減磁力は、巻線起磁力に比例し、磁石厚さ、及び、極数に反比例する。トルクの発生を損なわずに、減磁に強い電動機を構成するためには、磁石厚さを厚くする、もしくは極数を大きく設計することが好ましい。

磁石厚さを厚くした場合、磁石体積そのものが大きくなるため、Ｄｙ使用量が多くなり好ましくない。

極数を増やした設計においては、駆動周波数が極数に比例して大きくなる。そのため、電動機のコアに発生する鉄損の増加、及び、インバータのスイッチング損失が増加し、効率が悪化する課題がある。

本実施の形態の電動機は、６極以上の極数で構成され，希土類磁石に含有されるＤｙ含有量を４重量％以下に抑制し、インバータ主回路のスイッチング部にＳｉＣを用いるデバイスを使用する駆動回路により駆動することで、上記課題を解決するものである。

図８は実施の形態１を示す図で、電動機２００の横断面図である。図８に示す電動機２００は、例えばブラシレスＤＣモータである。電動機２００は、固定子２０１と、この固定子２０１の内側に空隙２２０を介して配置される回転子２０２とを備える。

電動機２００のスロット数と極数との組合せは、１２スロット８極である。

図９は実施の形態１を示す図で、固定子２０１の横断面図である。固定子２０１は、少なくとも固定子鉄心２０１ａと、巻線２０１ｂ、固定子鉄心２０１ａと巻線２０１ｂとを絶縁する絶縁材２０１ｃとを備える。

巻線２０１ｂは、ティース２０１ａ−１（図１０）に巻回される集中巻であるが、分布巻の場合もある。巻線２０１ｂは、三相巻線であり、結線方式はＹ結線（星形結線、スター結線）である。但し、結線方式は、三角結線の場合もある。

図１０は実施の形態１を示す図で、固定子鉄心２０１ａの横断面図である。固定子鉄心２０１ａは略リング状（円筒状）で、外周側にリング状のコアバック２０１ａ−２が形成されている。ティース２０１ａ−１が、コアバック２０１ａ−２から回転子２０２側に放射状に１２個形成される。１２個のティース２０１ａ−１は、周方向に略等間隔に配置される。ティース２０１ａ−１の周方向の幅は、径方向に略一定である。

隣接するティース２０１ａ−１の間の空間をスロット２０１ａ−３と呼ぶ。スロット２０１ａ−３の数も、ティース２０１ａ−１の数と同じ１２個である。ティース２０１ａ−１の周方向の幅は、径方向に略一定であるので、スロット２０１ａ−３の周方向の幅は、内側から外側（コアバック２０１ａ−２側）に向かって徐々に大きくなる構成である。

固定子鉄心２０１ａは、厚さ０．７ｍｍ以下の薄い電磁鋼板を所定の形状に形成されて、所定の枚数を積層することで構成される。

１２スロットの場合、６スロットに比べ、巻線作業が倍になる。また、固定子２０１のスロットオープニング２０１ａ−４の総和を同じにした場合、６スロットに比べ、スロットオープニング２０１ａ−４の幅は小さくなる。固定子鉄心２０１ａが一体でできている場合は、巻線２０１ｂを挿入する作業が非常に困難になる。

本実施の形態の固定子鉄心２０１ａは、ティース２０１ａ−１毎にコアを分割して巻線を行い、巻線後に分割されたコアを円環状に固定する。多極構成にする場合、スロット数も増加するため、分割コア方式を用いた方が、巻線の占積率が高くなり、生産性も良い。

また、スロット２０１ａ−３内には巻線２０１ｂと固定子鉄心２０１ａを絶縁するための絶縁材２０１ｃが介在している。一般的に絶縁材２０１ｃは樹脂を成型して構成されており、成型強度を確保するために厚さは１ｍｍ程度である。多極構成でスロット数が増えた場合、絶縁材２０１ｃの量が増えるため、巻線面積が低減し、銅損が増加して好ましくない。

図１１は実施の形態１を示す図で、絶縁材にＰＥＴフィルムを用いた固定子２０１の横断面図である。スロット２０１ａ−３内の絶縁に図１１に示すようにＰＥＴフィルム２０１ｃ−１を用いることにより、スロット数増加による絶縁材の増加を抑制でき、多極多スロット構成にした場合でも高効率な電動機を構成することができる。

図１２、図１３は実施の形態１を示す図で、図１２は漏洩電流対策を施した固定子２０１の横断面図、図１３は漏洩電流対策を施した固定子鉄心２０１ａの横断面図である。

多極にしてインバータキャリア周波数を大きくした場合、巻線とコア（固定子鉄心）の間の浮遊容量による漏洩電流が流れやすくなる。

そこで、図１３に示すように、スロット２０１ａ−３のコアバック２０１ａ−２部分をえぐるような構成とし、切欠き部２０１ａ−５が形成される。切欠き部２０１ａ−５は、各ティース２０１ａ−１の両側に形成される。

このように構成することにより、巻線２０１ｂと固定子鉄心２０１ａ間の静電容量を低減させ、漏洩電流を低減することができる。

図１４、図１５は実施の形態１を示す図で、図１４は回転子２０２の横断面図、図１５は回転子鉄心２０２ａの横断面図である。

回転子２０２は永久磁石埋込型であり、少なくとも回転子鉄心２０２ａと、回転子鉄心２０２ａの磁石挿入孔２０２ａ−１に挿入される、平板形状の永久磁石２０２ｂを備える。

８個の永久磁石２０２ｂは、回転子鉄心２０２ａの外周縁に沿って形成された磁石挿入孔２０２ａ−１にされ、８極の回転子２０２を構成する。

永久磁石２０２ｂは、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ（ネオジウム・鉄・ボロン）を主成分とするネオジウム希土類磁石を搭載しており、厚さ２ｍｍ程度の平板形状である。本実施の形態では、Ｄｙ含有量を３重量％としている。

永久磁石２０２ｂについて別の表現をすると、Ｆｅ（鉄）、Ｎｄ（ネオジウム）、Ｄｙ（ディスプロシウム）、Ｂ（ボロン）を含むネオジウム希土類磁石である。その他に、微量の不純物を含む。

回転子鉄心２０２ａは、略円筒状であり、外周縁に沿って断面形状が略長方形の磁石挿入孔２０２ａ−１が、８個形成されている。横断面において、８個の磁石挿入孔２０２ａ−１で略八角形を形成している。回転子鉄心２０２ａの略中心部に、回転軸（図示せず）が挿入される軸孔２０２ａ−２を備える。

回転子鉄心２０２ａは、厚さ０．７ｍｍ以下の薄い電磁鋼板を所定の形状に形成されて、所定の枚数を積層することで構成される。

図１６は実施の形態１を示す図で、各磁極の永久磁石２０２ｂを二分割した回転子２０２の横断面図である。電動機を多極にした場合、駆動周波数が大きくなるため、永久磁石２０２ｂに流れる渦電流による損失が大きくなる。図１６では、各磁極の永久磁石２０２ｂを幅方向（周方向）に二分割している。それにより、永久磁石２０２ｂの固有抵抗を大きくすることで渦電流が流れにくくなり、損失（渦電流損）による永久磁石２０２ｂの発熱を抑制している。

図１７は実施の形態１を示す図で、永久磁石の厚さ及びＤｙ含有量を一定とし、極数を変えた場合の減磁率と相起磁力との関係図である。図１７において、減磁率は、永久磁石と逆位相の磁束が発生するように固定子と回転子を固定して通電を行い、通電前後の誘起電圧の比を通電前を基準として低下率で表している。横軸は通電電流と相の巻数の積をとった相起磁力を指標としている。圧縮機では製品の性能保証値として、例えば、減磁率１．５％以内となるように設計を行っている。

図１８、図１９は実施の形態１を示す図で、図１８は６極の電動機２００の横断面図、図１９は１０極の電動機２００の横断面図である。

図１８に示す６極の電動機２００は、固定子２０１のスロット２０１ａ−３が９個、回転子２０２の永久磁石２０２ｂが６個の、９スロット６極の電動機である。

図１９に示す１０極の電動機２００は、固定子２０１のスロット２０１ａ−３が１２個、回転子２０２の永久磁石２０２ｂが６個の、１２スロット１０極の電動機である。

図１７より、極数が大きくなるにつれ、１．５％減磁する相起磁力が大きくなっていることがわかる。４極を基準とした場合、１．５％減磁する相起磁力は６極の場合で約１．５倍、８極の場合で約２倍、１０極の場合で約２．５倍に向上している。電動機の雰囲気温度、及び、発生する負荷トルクが一定の場合、極数が大きいほど保磁力の低い、すなわち、Ｄｙ含有量の少ない磁石を使用することができる。多極にすることで固定子が発生する反磁界が分散されるため、減磁力が低減するためである。

図２０は実施の形態１を示す図で、１．５％減磁率を確保するために必要なＤｙ含有量と極数との関係図である。図２０より、極数を大きくすることで、減磁耐力の面からＤｙ含有量を低減した設計が可能となる。６極の場合、Ｄｙ含有量を最大４重量％以下に抑制した永久磁石が使用できる。同様に、８極の場合Ｄｙ含有量を最大３重量％以下、１０極の場合Ｄｙ含有量を最大２重量％以下に抑制した永久磁石が使用可能となる。

電動機の極数を大きくした場合、電動機のコアで発生する磁束密度は低下するが、磁束密度の周波数が増加する。そのため、極数を大きくしすぎると鉄損が増加する。

図２１は実施の形態１を示す図で、モータ効率と極数との関係図である。電動機の極数を大きくした場合、固定子のスロット数が増加するため、スロット内と固定子の巻線を絶縁するための絶縁材の面積が大きくなり、巻線断面積が縮小し、銅損が増加する。そのため、従来と同じ永久磁石（Ｄｙ含有量一定）で設計した場合、図２１の実線に示すように４極の場合のモータ効率が最も良いという結果であった。

しかし、上記のように減磁耐力向上のため、６極の場合Ｄｙ含有量を最大４％以下、８極の場合Ｄｙ含有量を最大３重量％以下、１０極の場合Ｄｙ含有量を最大２重量％以下に低減すると、永久磁石の残留磁束密度が向上する。そのため、電動機のサイズを縮小でき、鉄損、及び、銅損を低減できる。

Ｄｙ含有量を低減した場合のモータ効率を示す図２１の破線のように、Ｄｙ含有量を低減した場合、モータ効率は６極以上でも効率を落とさず設計できることがわかる。

モータ効率は、Ｄｙ含有量を４重量％以下に低減した６極、Ｄｙ含有量を最大３重量％以下に低減した８極、Ｄｙ含有量を最大２重量％以下に低減した１０極が好ましい結果である。１２極以上では残留磁束密度の向上よりも、駆動周波数増加による鉄損増加の影響が大きいため、モータ効率は６〜１０極よりも低下する。なお、圧縮機の電動機は定格回転数が６０ｒｐｓ、最大回転数が１２０ｒｐｓ程度の設計である。

本実施の形態の電動機は、駆動回路のインバータによるＰＷＭ制御により可変速駆動を行うことにより、要求の製品負荷条件に合わせた高効率な運転を行っている。インバータのスイッチングキャリアは、例えば９ｋＨｚで波形生成されておりインバータなどのＰＷＭ制御で可変速駆動される。

次に、電動機２００の駆動回路１について説明する。図２２は実施の形態１を示す図で、電動機２００の駆動回路１の回路図である。外部に設けられた商用交流電源２から交流の電力が駆動回路１に供給される。商用交流電源２から供給される交流電圧は、整流回路３で直流電圧に変換される。整流回路３で変換された直流電圧は、インバータ主回路４で可変周波数の交流電圧に変換されて電動機２００に印加される。電動機２００はインバータ主回路４から供給される可変周波数の交流電力により駆動される。尚、整流回路３には商用交流電源２から印加される電圧を昇圧するチョッパー回路や整流した直流電圧を平滑にする平滑コンデンサなどを有する。

インバータ主回路４は３相ブリッジのインバータ回路であり、インバータ主回路４のスイッチング部はインバータ主素子となる６つのＩＧＢＴ６ａ〜６ｆ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）と６つのフライホイルダイオード（ＦＲＤ）としてシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を用いたＳｉＣ−ＳＢＤ７ａ〜７ｆ（ショットキーバリアダイオード）を備えている。ＦＲＤであるＳｉＣ−ＳＢＤ７ａ〜７ｆはＩＧＢＴ６ａ〜６ｆが電流をＯＮからＯＦＦする時に生じる逆起電力を抑制する逆電流防止手段である。

尚、ここでは、ＩＧＢＴ６ａ〜６ｆとＳｉＣ−ＳＢＤ７ａ〜７ｆは同一リードフレーム上に各チップが実装されエポキシ樹脂でモールドされてパッケージされたＩＣモジュールとする。ＩＧＢＴ６ａ〜６ｆはシリコンを用いたＩＧＢＴ（Ｓｉ−ＩＧＢＴ）に代えてＳｉＣ、ＧａＮ（窒化ガリウム）を用いたＩＧＢＴとしてもよく、またＩＧＢＴに代えてＳｉもしくはＳｉＣ、ＧａＮを用いたＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの他のスイッチング素子を使用してもよい。

整流回路３とインバータ主回路４の間には直列に接続された２つの分圧抵抗８ａ，８ｂが設けられており、この分圧抵抗８ａ，８ｂによる分圧回路にて高圧直流電圧を低圧化した電気信号をサンプリングし保持する直流電圧検出部８が設けられている。

電動機２００のＵ相巻線２０１ｂ−ｕ及びＷ相巻線２０１ｂ−ｗに流れる電流を検出する電流検出素子３０ａ，３０ｃが設けられている。電流検出素子３０ａ，３０ｃは直流電流トランス（ＤＣＣＴ）や交流電流トランス（ＡＣＣＴ）などが用いられ、Ｕ相巻線２０１ｂ−ｕ、Ｗ相巻線２０１ｂ−ｗに流れる電流の瞬時値を検出する。

回転子位置検出部１０は、電流検出素子３０ａ，３０ｃの出力信号から電動機２００の回転子２０２の位置を演算し、回転子２０２の位置情報を出力電圧演算部９に出力する。尚、ここでは、電動機２００のＵ相巻線２０１ｂ−ｕ及びＷ相巻線２０１ｂ−ｗの二相分の電流を検出したが、Ｖ相巻線２０１ｂ−ｖの電流も加えた三相分の電流を検出しても良いし、他の組合せの二相分の電流を検出しても良い。

尚、回転子位置検出部１０は、電動機２００の端子電圧を検出して、電動機２００の回転子２０２の位置を検出するようにしてもよい。

回転子位置検出部１０が検出する回転子２０２の位置情報は、出力電圧演算部９に出力される。この出力電圧演算部９は、駆動回路１の外部から与えられる目標回転数Ｎの指令もしくは装置の運転条件の情報と回転子２０２の位置情報に基づいて、電動機２００に加えられるべき最適なインバータ主回路４の出力電圧を演算する。出力電圧演算部９はその演算した出力電圧をＰＷＭ信号生成部３１に出力する。ＰＷＭは、Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎの略語である。

ＰＷＭ信号生成部３１は、出力電圧演算部９から与えられた出力電圧となるようなＰＷＭ信号をインバータ主回路４のそれぞれのＩＧＢＴ６ａ〜６ｆを駆動する主素子駆動回路４ａに出力し、インバータ主回路４のＩＧＢＴ６ａ〜６ｆはそれぞれ主素子駆動回路４ａによってスイッチングされる。

ここで固定子２０１の反磁界を抑制する制御方法について説明する。固定子２０１の反磁界は誤って巻線２０１ｂ（Ｕ相巻線２０１ｂ−ｕ、Ｖ相巻線２０１ｂ−ｖ及びＷ相巻線２０１ｂ−ｗ）に大電流が流れることによって発生する。

本実施の形態では、巻線２０１ｂに流れる電流の瞬時値を検出しており、検出した瞬時電流値が所定電流値より高くなった場合、出力電圧演算部９はＰＷＭ信号生成部３１への出力を停止するように制御しているため、巻線２０１ｂに大電流が流れることがなくなり、固定子２０１の反磁界による永久磁石２０２ｂの減磁を抑制することができ、信頼性の高い電動機２００を得ることができる。

ここでワイドバンドギャップ半導体について説明する。ワイドバンドギャップ半導体はＳｉよりもバンドギャップが大きい半導体の総称であって、ＳｉＣ−ＳＢＤ７ａ〜７ｆに使用しているＳｉＣはワイドバンドギャップ半導体の一つであり、その他には窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドなどがある。さらにワイドバンドギャップ半導体、特にＳｉＣはＳｉに比べて耐熱温度や絶縁破壊強度や熱伝導率が大きい。尚、ここでは、ＳｉＣをインバータ回路のＦＲＤに用いる構成としているが、ＳｉＣに代えてその他のワイドバンドギャップ半導体を用いてもよい。

ＳｉＣは、絶縁破壊電圧がＳｉの１０倍、バンドギャップがＳｉの３倍といった優れた物性を有している。パワーデバイスの耐圧はエピタキシャル層（ドリフト層）で支えるが、オン時には抵抗にもなってしまう。ＳｉＣは絶縁破壊電圧がＳｉの１０倍であるため、エピタキシャル層の厚さを１／１０に低減でき、オン抵抗を小さくできる。また、バンドギャップが広いことから２００℃以上の高温動作も可能となる。また、Ｓｉはオン抵抗を低くするために正孔注入を行っており、リカバリが遅く、その必要がないＳｉＣはリカバリが早く、リカバリ損失を大幅削減でき、低損失な高速スイッチングが可能となる。

図２３は実施の形態１を示す図で、図２１の破線に示したＤｙ含有量を低減した場合の電動機をインバータ素子がＳｉとＳｉＣ場合で駆動した総合効率の比較図である。前述のように極数が大きくなると、駆動周波数が大きくなるため、インバータのキャリア周波数を上げる必要があり、インバータのスイッチングロスが増加する。そのため、実線で示すＳｉ素子を用いる場合は、４極の総合効率が最も高い結果であった。

一方、破線で示すＳｉＣ素子を用いる場合は、スイッチングロスが大幅に低減できるため、６極以上の場合でも高効率な駆動システムを構成することができる。

本実施の形態の電動機２００は、高速時の誘起電圧が端子電圧を超える領域においては、弱め界磁制御を行う。固定子２０１の巻線２０１ｂに永久磁石２０２ｂと反対の向きに固定子磁界を発生させる電流の進角制御を行うことで、永久磁石２０２ｂにより発生する誘起電圧を抑制し、トルクを増加させる。

弱め界磁制御は、永久磁石２０２ｂに対向する向きに固定子磁界を発生させるため、減磁耐力に大きく影響する。弱め界磁制御の弱め量が小さくなれば、保磁力の小さい（Ｄｙ含有量の少ない）永久磁石２０２ｂをより使用しやすくなる。

弱め界磁制御を行わないようにするには、誘起電圧を下げた設計、もしくは、コンバータで出力する端子電圧を商用の２００Ｖ電源を昇圧して設計すればよい。誘起電圧を下げて設計することは、巻線の巻数を減らす、もしくは、永久磁石の磁力を下げることとなり、モータ電流が増加し、インバータの通電損失の増加、銅損の増加をもたらすため好ましくない。

コンバータで昇圧する場合、素子の絶縁耐圧の課題があったが、絶縁耐圧の大きいＳｉＣ素子を用いることで、従来に対して大幅な昇圧が可能となる。そのため、コンバータにＳｉＣ素子を用いる回路で、電動機が電圧飽和する電圧の８０〜１００％まで昇圧し、弱め磁界の大きさを小さく駆動することで、従来の制御よりも永久磁石のＤｙ含有量を更に低減することが可能となる。

図２４は実施の形態１を示す図で、電動機２００を搭載するロータリ圧縮機３００の縦断面図である。図２４に示すロータリ圧縮機３００（圧縮機）の一例は、密閉容器７０内が高圧の縦型のものである。密閉容器７０内の下部に圧縮要素４００が収納される。密閉容器７０内の上部で、圧縮要素４００の上方に圧縮要素４００を駆動する電動要素である電動機２００が収納される。

密閉容器７０内の底部に、圧縮要素４００の各摺動部を潤滑する冷凍機油９０が貯留されている。

先ず、圧縮要素４００の構成を説明する。内部に圧縮室が形成されるシリンダ４０１は、外周が平面視略円形で、内部に平面視略円形の空間であるシリンダ室（図示せず）を備える。シリンダ室は、軸方向両端が開口している。シリンダ４０１は、側面視で所定の軸方向の高さを持つ。

シリンダ４０１の略円形の空間であるシリンダ室に連通し、半径方向に延びる平行なベーン溝（図示せず）が軸方向に貫通して設けられる。

また、ベーン溝の背面（外側）に、ベーン溝に連通する平面視略円形の空間である背面室（図示せず）が設けられる。

シリンダ４０１には、冷凍サイクルからの吸入ガスが通る吸入ポート（図示せず）が、シリンダ４０１の外周面からシリンダ室に貫通している。

シリンダ４０１には、略円形の空間であるシリンダ室を形成する円の縁部付近（電動機２００側の端面）を切り欠いた吐出ポート（図示せず）が設けられる。

シリンダ４０１の材質は、ねずみ鋳鉄、焼結、炭素鋼等である。

ローリングピストン４０２が、シリンダ室内を偏心回転する。ローリングピストン４０２はリング状で、ローリングピストン４０２の内周が回転軸５０の偏心軸部５０ａに摺動自在に嵌合する。

ローリングピストン４０２の外周と、シリンダ４０１のシリンダ室の内壁との間は、常に一定の隙間があるように組立られる。

ローリングピストン４０２の材質は、クロム等を含有した合金鋼等である。

ベーン４０３がシリンダ４０１のベーン溝内に収納され、背圧室に設けられるベーンスプリング４０８でベーン４０３が常にローリングピストン４０２に押し付けられている。ロータリ圧縮機３００は、密閉容器７０内が高圧であるから、運転を開始するとベーン４０３の背面（背圧室側）に密閉容器７０内の高圧とシリンダ室の圧力との差圧による力が作用するので、ベーンスプリング４０８は主にロータリ圧縮機３００の起動時（密閉容器７０内とシリンダ室の圧力に差がない状態）に、ベーン４０３をローリングピストン４０２に押し付ける目的で使用される。

ベーン４０３の形状は、平たい（周方向の厚さが、径方向及び軸方向の長さよりも小さい）略直方体である。

ベーン４０３の材料には、高速度工具鋼が主に用いられている。

主軸受け４０４は、回転軸５０の主軸部５０ｂ（偏心軸部５０ａより上の部分で、回転子２０に嵌合する部分）に摺動自在に嵌合するとともに、シリンダ４０１のシリンダ室（ベーン溝も含む）の一方の端面（電動機２００側）を閉塞する。

主軸受け４０４は、吐出弁（図示せず）を備える。但し、主軸受け４０４、副軸受け４０５のいずれか一方、または、両方に付く場合もある。

主軸受け４０４は、側面視略逆Ｔ字状である。

副軸受け４０５が、回転軸５０の副軸部５０ｃ（偏心軸部５０ａより下の部分）に摺動自在に嵌合するとともに、シリンダ４０１のシリンダ室（ベーン溝も含む）の他方の端面（冷凍機油９０側）を閉塞する。

副軸受け４０５は、側面視略Ｔ字状である。

主軸受け４０４、副軸受け４０５の材質は、シリンダ４０１の材質と同じで、ねずみ鋳鉄、焼結、炭素鋼等である。

主軸受け４０４には、その外側（電動機２００側）に吐出マフラ４０７が取り付けられる。主軸受け４０４の吐出弁から吐出される高温・高圧の吐出ガスは、一端吐出マフラ４０７に入り、その後吐出マフラ４０７から密閉容器７０内に放出される。但し、副軸受け４０５側に吐出マフラ４０７を持つ場合もある。

密閉容器７０の横に、冷凍サイクルからの低圧の冷媒ガスを吸入し、液冷媒が戻る場合に液冷媒が直接シリンダ４０１のシリンダ室に吸入されるのを抑制する吸入マフラ５１が設けられる。吸入マフラ５１は、シリンダ４０１の吸入ポートに吸入管５２を介して接続する。吸入マフラ５１本体は、溶接等により密閉容器７０の側面に固定される。

密閉容器７０には、電力の供給源である電源に接続する端子７４（ガラス端子という）が、溶接により固定されている。図２４の例では、密閉容器７０の上面に端子７４が設けられる。端子７４には、電動要素である電動機２００からのリード線７３が接続される。

密閉容器７０の上面に、両端が開口した吐出管７５が嵌挿されている。圧縮要素４００から吐出される吐出ガスは、密閉容器７０内から吐出管７５を通って外部の冷凍サイクルへ吐出される。

ロータリ圧縮機３００の一般的な動作について説明する。端子７４、リード線７３から電動要素である電動機２００の固定子２０１に電力が供給されることにより、回転子２０２が回転する。すると回転子２０２に固定された回転軸５０が回転し、それに伴いローリングピストン４０２はシリンダ４０１のシリンダ室内で偏心回転する。シリンダ４０１のシリンダ室とローリングピストン４０２との間の空間は、ベーン４０３によって２分割されている。回転軸５０の回転に伴い、それらの２つの空間の容積が変化し、片側はだんだん容積が広がることにより吸入マフラ５１より冷媒を吸入し、他側は容積が除々に縮小することにより、中の冷媒ガスが圧縮される。圧縮された吐出ガスは、吐出マフラ４０７から密閉容器７０内に一度吐出され、更に電動要素である電動機２００を通過して密閉容器７０の上面にある吐出管７５より密閉容器７０外へ吐出される。

電動要素である電動機２００を通過する吐出ガスは、例えば、図示しない電動機２００の回転子２０２の風穴部（貫通孔）、固定子２０１のスロット開口部（図示せず）含む空隙２２０（図８参照）、固定子２０１の外周に配置された切欠き（図９参照）等を通る。冷媒はＲ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ等である。

１ 駆動回路、２ 商用交流電源、３ 整流回路、３ａ リアクトル、３ｂ 整流ダイオード、３ｃ 平滑コンデンサ、４ インバータ主回路、４ａ 主素子駆動回路、６ａ〜６ｆ ＩＧＢＴ、７ａ〜７ｆ ＳｉＣ−ＳＢＤ、８ 直流電圧検出部、８ａ 分圧抵抗、８ｂ 分圧抵抗、９ 出力電圧演算部、１０ 回転子位置検出部、３０ａ 電流検出素子、３０ｃ 電流検出素子、３１ ＰＷＭ信号生成部、５０ 回転軸、５０ａ 偏心軸部、５０ｃ 副軸部、５１ 吸入マフラ、７０ 密閉容器、７３ リード線、７４ 端子、７５ 吐出管、９０ 冷凍機油、１００ 電動機、１０１ 固定子、１０１ａ 固定子鉄心、１０１ｂ 巻線、１０１ａ−１ ティース、１０１ａ−２ コアバック、１０１ａ−３ スロット、１０２ 回転子、１０２ａ 回転子鉄心、１０２ａ−１ 磁石挿入孔、１０２ａ−２ 軸孔、１０２ｂ 永久磁石、１２０ 空隙、２００ 電動機、２０１ 固定子、２０１ａ 固定子鉄心、２０１ａ−１ ティース、２０１ａ−２ コアバック、２０１ａ−３ スロット、２０１ａ−４ スロットオープニング、２０１ａ−５ 切欠き部、２０１ｂ 巻線、２０１ｂ−ｕ Ｕ相巻線、２０１ｂ−ｖ Ｖ相巻線、２０１ｂ−ｗ Ｗ相巻線、２０１ｃ 絶縁材、２０１ｃ−１ ＰＥＴフィルム、２０２ 回転子、２０２ａ 回転子鉄心、２０２ａ−１ 磁石挿入孔、２０２ａ−２ 軸孔、２０２ｂ 永久磁石、２２０ 空隙、３００ ロータリ圧縮機、４００ 圧縮要素、４０１ シリンダ、４０２ ローリングピストン、４０３ ベーン、４０４ 主軸受け、４０５ 副軸受け、４０７ 吐出マフラ、４０８ ベーンスプリング。

圧縮機の最大負荷で減磁しないようにするためには、１１００〜１５００ｋＡ／ｍ程度の保磁力が必要であり、１５０℃の雰囲気温度中で前記保磁力（１１００〜１５００ｋＡ／ｍ程度）を保証するためには、常温保磁力を１８００〜２３００ｋＡ／ｍ程度に設計する必要がある。

Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂを主成分とするネオジウム希土類磁石のＤｙ元素を添加していない状態での常温保磁力は１０００ｋＡ／ｍ程度であり、前記必要保磁力（１８００〜２３００ｋＡ／ｍ程度）を得るために、６〜８重量％のＤｙ元素を添加していた。

Claims (5)

1. 鉄、ネオジウム、ボロン及びディスプロシウムを含むネオジウム希土類磁石であって、ディスプロシウムの含有量が３重量％以下のネオジウム希土類磁石を用いる回転子を有する８極の電動機。
2. 鉄、ネオジウム、ボロン及びディスプロシウムを含むネオジウム希土類磁石であって、ディスプロシウムの含有量が２重量％以下のネオジウム希土類磁石を用いる回転子を有する１０極の電動機。
3. 前記電動機の固定子鉄心は、分割コアにより構成される請求項１又は２に記載の電動機。
4. 前記電動機の固定子の巻線絶縁は、ＰＥＴフィルムにより構成される請求項１又は２に記載の電動機。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の電動機を備えた圧縮機。

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