JP2023151657A - 永久磁石電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の減磁を防止しながら、永久磁石の厚さを低減する永久磁石電動機を提供する。【解決手段】３６スロットの固定子１１０と、６極の回転子１２０により構成され、回転子１２０の直径Ｌは、［８３ｍｍ≦Ｌ≦１０１ｍｍ］に設定される。第１の外周面部分１２０ａと固定子内周面１１５との間の距離Ｇは、［０．５ｍｍ≦Ｇ≦０．６ｍｍ］に設定される。ティース１１２の幅Ｗｔは、［０．３６×（Ｌ＋２×Ｇ）×π／３６＜Ｗｔ＜０．４２×（Ｌ＋２×Ｇ）×π／２４］に設定される。第１の外周面部分１２０ａの開角Ｋ１（機械角）は、［１４．９度≦Ｋ１≦１５．７度］に設定される。第１の外周面部分１２０ａと第２の外周面部分１２０ｂとの間の径方向に沿った間隔Ｈは、［０．６ｍｍ≦Ｈ≦０．９６ｍｍ］に設定される。永久磁石１４１、１４２の厚さは、［２×Ｇ×１．３＜Ｗｐ＜２×Ｇ×２．０］に設定される。【選択図】図１

Description

本出願は、回転子に形成された磁石挿入孔に永久磁石が挿入されている永久磁石電動機に関し、特に、永久磁石の厚さを低減する技術に関する。

圧縮機駆動電動機、車両駆動電動機、車載機器駆動電動機等として、固定子と、永久磁石が配置されている回転子を有する永久磁石電動機が用いられている。固定子は、周方向に沿って延在するヨークと、ヨークから径方向内側に延在する複数のティースを有している。複数のティースは、周方向に離間して配置されている。また、固定子は、周方向に隣接する２つのティースによって形成される複数のスロットを有している。回転子は、固定子の内側空間内に回転可能に配置される。回転子は、主磁極と補助磁極が周方向に交互に配置されている。主磁極には、磁石挿入孔が形成されているとともに、磁石挿入孔に永久磁石が挿入されている。磁石挿入孔や永久磁石の形状、数、配置位置等は、適宜設定される。
永久磁石としては、フェライト磁石や希土類磁石等が用いられる。希土類磁石は、フェライト磁石より高価であるが、残留磁束密度や保持力が大きい。希土類磁石としては、例えば、ネオジウム（Ｎｄ）と鉄（Ｆｅ）を含むネオジウム磁石が用いられる。ネオジウム磁石は、保持力が周囲温度の上昇とともに低下する。このため、ジスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）を外周面から拡散（粒界拡散）させたネオジウム磁石も用いられている。
永久磁石電動機として、６個の主磁極を有する固定子（極数が６あるいは極対数が３である固定子）と、３６個のティース（あるいは３６個のスロット）を有する回転子により構成される永久磁石電動機（以下、「６極３６スロットの永久磁石電動機」という）が用いられている。６極３６スロットの永久磁石電動機は、例えば、特許文献１に開示されている。
このような永久磁石電動機のトルクＴｒは、永久磁石による磁束をΦ、ｑ軸電流をＩｑ、ｄ軸電流をＩｄ、ｑ軸インダクタンスをＬｑ、ｄ軸インダクタンスをＬｄ、回転子の極対数をＰ（＝極数／２）とすると、以下の式で表される。
Ｔｒ＝Ｐ［Φ×Ｉｑ＋（Ｌｄ－Ｌｑ）×Ｉｄ×Ｉｑ］
上式の右辺の第１項は、永久磁石の磁束Φによるマグネットトルクを示し、第２項は、回転子の突極性（Ｌｄ－Ｌｑ）によるリラクタンストルクを示している。
通常、ｑ軸インダクタンスＬｑは、ｄ軸インダクタンスＬｄより大きい。すなわち、（Ｌｄ－Ｌｑ）は、負である。この場合、負のｄ軸電流Ｉｄが流れると、リラクタンストルクが正となる。このため、マグネットトルクとリラクタンストルクとの和であるトルクＴｒを増加させる方法として、ｄ軸電流Ｉｄを負に制御する方法が用いられている。ｄ軸電流を負に制御する方法としては、通常、固定子巻線を流れる電流の位相角を進める方法（「進角制御」あるいは「弱め界磁制御」と呼ばれている）が用いられている。

特開２０２１－１６４３２５号公報

特許文献１に開示されている永久磁石電動機では、通電進み角を制御する進角制御を行うことによりトルクＴｒを増加させることができる。
一方、固定子のティースを介して回転子に流れ込む磁束によって、永久磁石が減磁することがある。永久磁石が減磁すると、永久磁石の磁束密度が低下し、永久磁石電動機の特性が変化する（例えば、トルクが低下する）。
このため、永久磁石の減磁を防止する（「減磁耐力を高める」）必要がある。従来の永久磁石電動機では、永久磁石の減磁を防止する方法として以下の方法が用いられている。第１の方法は、同じ永久磁石を用いるとともに、永久磁石の厚さを増加させる（厚くする）方法である。永久磁石の厚さを増加することにより、保持力が増加して、減磁耐力が増加する。第２の方法は、厚さを増加させないで、保持力が高い永久磁石を用いる方法である。例えば、ネオジウム磁石を用いている場合には、ジスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）を外周面から拡散（粒界拡散）させたネオジウム磁石を用いる。第３の方法は、永久磁石が減磁する可能性が高い電流を流す必要がある場合に電流を高速で遮断することができる高速電流遮断スイッチを用いる方法である。
しかしながら、第１の方法は、永久磁石の使用量が増大するため、永久磁石のコストが上昇する。また、第２の方法は、高価な永久磁石を用いる必要がある。また、第３の方法は、高価な高速電流遮断スイッチを用いる必要がある。このように、第１～第３の方法を用いた場合、永久磁石電動機のコストが上昇する。

そこで、本発明者は、永久磁石の厚さを増加させることなく、永久磁石の減磁を防止することができる技術について検討した。
図１４、図１５に、特許文献１に開示されている永久磁石電動機４００が示されている。永久磁石電動機４００は、固定子４１０と回転子４２０により構成されている。
固定子４１０は、ヨーク４１１と、２４個のティース４１２を有している。ティース４１２は、ティース基部４１３と、ティース先端部４１４を有している。ティース基部４１３は、先端側（径方向内側）にティース先端面４１５を有している。
回転子４２０は、６個の主磁極と補助磁極が周方向に交互に配置されている。主磁極には、永久磁石４４１と４４２が挿入される磁石挿入孔４３１と４３２が形成されている。回転子４２０の外周面は、第１の外周面部分４２０ａ、第２の外周面部分４２０ｂ、接続部分４２０ｃおよび４２０ｄにより形成されている。第１の外周面部分４２０ａは、ｄ軸と交差し、回転中心を中心点とする半径Ｒ１の円弧状に形成されている。第２の外周面部分４２０ｂは、ｑ軸と交差し、回転中心を中心点とし、半径Ｒ１より小さい半径Ｒ２（Ｒ２＜Ｒ１）の円弧状に形成されている。接続部分４２０ｃは、第１の外周面部分４２０ａの周方向他方側（反時計方向）の接続部Ｍ１と第２の外周面部分４２０ｂを接続している。接続部分４２０ｄは、第１の外周面部分４２０ａの周方向一方側（時計方向）の接続部Ｍ２と第２の外周面部分４２０ｂを接続している。第２の外周面部分４２０ｂと接続部分４２０ｃおよび４２０ｄは、直径Ｌの円形の外周を切欠いた切欠き部を形成する。

図１４に示されている状態では、ティースＪ１～Ｊ６のうちのティースＪ２～Ｊ４が、主磁極［Ａ］の第１の外周面部分４２０ａに対向する位置に配置されている。図１４では、接続部Ｍ１（中心点と接続部Ｍ１を通る線ｍ１）は、ティースＪ２の周方向一方側（時計方向）の側壁ＪＢ（側壁ＪＢの延在線ｊｂ）より周方向他方側（反時計方向）に位置している。また、接続部Ｍ２（中心点と接続部Ｍ２を通る線ｍ２）は、ティースＪ４の周方向他方側（反時計方向）の側壁ＪＡ（側壁ＪＡの延在線ｊａ）より周方向一方側（時計方向）に位置している。
図１４に示されている状態では、Ｎ極のティースＪ３、Ｊ４から、第１の外周面部分４２０ａを介して永久磁石４４２のＳ極に向かって磁束が流れ込む。この磁束は、第１の外周面部分４２０ａとティース先端面４１５との間の空隙ｇを通るため、多い。また、Ｎ極のティースＪ５、Ｊ６から、第２の外周面部分４２０ｂを介して永久磁石４４２のＳ極に向かって磁束が流れ込む。この磁束は、空隙ｇと切欠き部を通るため、少ない。

図１５は、図１４に示されている状態から、周方向一方側（時計方向）に５度（＝３６０度／３６の１／２）回転した状態を示している。
図１５に示されている状態では、ティースＪ１～Ｊ６のうちのティースＪ２～Ｊ５が、主磁極［Ａ］の第１の外周面部分４２０ａに対向する位置に配置されている。図１５では、接続部Ｍ１（中心点と接続部Ｍ１を通る線ｍ１）は、ティースＪ３の周方向他方側（反時計方向）の側壁ＪＡ（側壁ＪＡの延在線ｊａ）より周方向他方側（反時計方向）に位置している。また、接続部Ｍ２（中心点と接続部Ｍ２を通る線ｍ２）は、ティースＪ４の周方向一方側（時計方向）の側壁ＪＢ（側壁ＪＢの延在線ｊｂ）より周方向一方側（時計方向）に位置している。
図１５に示されている状態では、Ｎ極のティースＪ３、Ｊ４、Ｊ５から、第１の外周面部分４２０ａを介して永久磁石４４２のＳ極に向かって磁束が流れ込む。この磁束は、空隙ｇを通るため、多い。また、Ｎ極のティースＪ６から、第２の外周面部分４２０ｂを介して永久磁石４４２のＳ極に向かって磁束流れ込む。この磁束は、空隙ｇと切欠き部を通るため、少ない。
図１４、図１５に示されているように、従来の永久磁石電動機４００では、回転子４２０の第１の外周面部分４２０ａに対向する位置に、４個のティース４１２と３個のティース４１２が交互に配置される。

そして、図１４、図１５に示されている解析結果から、従来の永久磁石電動機では、複数のティースから回転子の永久磁石に多くの磁束が流れ込んで、磁束密度が増加することが、永久磁石の減磁の原因の一つであることが分かった。すなわち、ティースから回転子の永久磁石に多くの磁束が流れ込むことを防止することにより、永久磁石の減磁を防止することができることを見出した。
本発明は、６極３６スロットの永久磁石において、永久磁石の減磁を防止しながら、永久磁石の厚さを低減することができる技術を提供することを目的とする。

第１発明は、固定子と回転子を備える永久磁石電動機に関する。
固定子は、周方向に沿って離間して配置されている複数のティースと、周方向に隣接するティースによって形成される複数のスロットと、各ティースに巻き付けられている固定子巻線と、固定子内側空間を形成する固定子内周面と、を有している。
回転子は、固定子内側空間内に回転可能に配置されている。回転子は、周方向に沿って主磁極と補助磁極が交互に配置されているとともに、主磁極に形成されている磁石挿入孔に永久磁石が挿入されている。
本発明では、固定子巻線は、複数のティースに分布巻き方式で巻き付けられている。また、主磁極は、６個設けられ、ティースは、３６個設けられている。すなわち、６極３６スロットの永久磁石電動機として構成されている。
回転子の外周面は、複数の第１の外周面部分、複数の第２の外周面部分および複数の接続部分により形成されている。第１外周面部分は、ｄ軸と交差し、回転中心を中心点とする半径Ｒ１の円弧状に形成されている。第２の外周面部分は、ｑ軸と交差し、回転中心を中心点とする半径Ｒ２の円弧形状に形成されている。半径Ｒ２は、半径Ｒ１より小さく設定されている（Ｒ２＜Ｒ１）。接続部分は、第１の外周面部分と第２の外周面部分を接続している。
そして、回転子の直径Ｌは、［８３ｍｍ≦Ｌ≦１０１ｍｍ］を満足するように設定されている。また、第１の外周面部分と前記固定子内周面との間の空隙ｇの距離Ｇは、［０．５ｍｍ≦Ｇ≦０．６ｍｍ］を満足するように設定されている。また、ティースの幅Ｗｔは、［０．３６×（Ｌ＋２×Ｇ）×π／３６＜Ｗｔ＜０．４２×（Ｌ＋２×Ｇ）×π／３６］を満足するように設定されている。また、回転中心に対する第１の外周面部分の開角Ｋ１（機械角）は、［１４．９度≦Ｋ１≦１５．７度］を満足するように設定されている。また、第１の外周面部分と第２の外周面部分との間の径方向に沿った間隔Ｈは、［０．６ｍｍ≦Ｈ≦０．９６ｍｍ］を満足するように設定されている。
本発明では、ティースによって、永久磁石を減磁するおそれがある磁束が永久磁石に流れ込むのが規制される。このため、永久厚さを低減することができる。
第１発明では、永久磁石の減磁を防止しながら、永久磁石の厚さを低減することができる。
第１発明の異なる形態では、永久磁石として、残留磁束密度が１．３４テスラと１．５２テスラの範囲内、保持力が１５５０ｋＡ／ｍと２１００ｋＡ／ｍの範囲内の永久磁石が用いられている。
第１発明の異なる形態では、固定子および回転子は、磁束密度が１．７５テスラと１．９テスラの範囲内で線形領域から被線形領域に移行する電磁鋼板により構成されている。
第２発明は、圧縮機に関する。第２発明の圧縮機は、圧縮機構部と、圧縮機構部を駆動する電動機を備えている。そして、電動機として前述した永久磁石電動機のいずれかが用いられている。
第２発明は、前述した永久磁石電動機と同様の効果を有している。

本発明の永久磁石電動機を用いることにより、６極３６スロットの永久磁石電動機におい、永久磁石の減磁を防止しながら、永久磁石の厚さを低減することができる。

第１実施形態の永久磁石電動機の断面図である。 図１の要部拡大図である。 第１の電流が流れている状態において、通電進み角を変えて解析した、磁石厚さＷｐと永久磁石における磁束密度との関係を示すグラフである。 図３に示されている、磁石厚さＷｐと永久磁石における磁束密度との関係を、異なる方法で示したグラフである。 第２の電流が流れている状態において、通電進み角を変えて解析した、磁石厚さＷｐと永久磁石における磁束密度との関係を示すグラフである。 図５に示されている、磁石厚さＷｐと永久磁石における磁束密度との関係を、異なる方法で示したグラフである。 第１の外周面部分の開角Ｋ１とコギングトルクとの関係を示すグラフである。 第１の外周面部分と固定子内周面との間の距離Ｇと効率との関係を示す図である。 切欠部深さ（第１の外周面部分と第２の外周面部分との間の間隔）Ｈとティースを流れる磁束の磁束密度との関係を示すグラフである。 第１実施形態の永久磁石電動機における磁束を説明する図である。 第１実施形態の永久磁石電動機における磁束を説明する図である。 第２実施形態の永久磁石電動機を構成する回転子の断面図である。 第３実施形態の永久磁石電動機を構成する回転子の断面図である。 従来の永久磁石電動機における磁束を説明する図である。 従来の永久磁石電動機における磁束を説明する図である。

以下に、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
なお、本明細書中では、「軸方向」という記載は、回転子が固定子に対して回転可能に配置されている状態において、回転子の回転中心Ｏ（図１参照）を通る回転中心線の延在方向を示す。軸方向に沿って一方側を、「軸方向一方側」あるいは「軸方向第１側」といい、軸方向に沿って他方側を、「軸方向他方側」あるいは「軸方向第２側」という。
また、「周方向」という記載は、回転子が固定子に対して回転可能に配置されている状態において、軸方向一方側（あるいは軸方向他方側）から見て、回転子の回転中心Ｏを中心点とする円周方向を示す。そして、軸方向一方側から見て（図１参照）、時計方向（矢印Ｙ方向）を「周方向一方側」あるいは「周方向第１側」といい、反時計方向（矢印Ｙ方向と反対側）を「周方向他方側」あるいは「周方向第２側」という。
また、「径方向」という記載は、回転子が固定子に対して回転可能に配置されている状態において、軸方向一方側（あるいは軸方向他方側）から見て、回転子の回転中心Ｏを通る線の延在方向を示す。そして、径方向に沿って回転中心Ｏ側を「径方向内側」といい、回転中心Ｏと反対側を「径方向外側」という。

本発明の永久磁石電動機の第１実施形態１００を、図１、図２を参照して説明する。図１は、第１実施形態の永久磁石電動機１００の断面図であり、図２は、図１の要部拡大図である。
永久磁石電動機１００は、固定子１１０と回転子１２０により構成されている。

固定子１１０は、板状の電磁鋼板を複数枚積層して形成された筒状の固定子コアにより構成されている。
固定子１１０は、周方向に延在するヨーク１１１と、ヨーク１１１から径方向内側に延在する複数のティース１１２を有している。複数のティース１１２は、周方向に離間して配置されている。
ティース１１２は、ティース基部１１３とティース先端部１１４を有している。ティース基部１１３は、ヨーク１１１から径方向内側に延在している。ティース先端部１１４は、ティース基部１１３の径方向内側に連設され、周方向に延在している。ティース先端部１１４の径方向内側には、ティース先端面１１５が形成されている。ティース先端面１１５は、回転中心Ｏを中心点とする円弧形状に形成されている。各ティース１１２のティース先端面１１５によって、固定子１１０の内側に固定子内側空間が形成される。
ティース先端面１１５が、本発明の「固定子内周面」に対応する。

周方向に隣接する２つのティース１１２によってスロット１１６が形成されている。
本実施形態の永久磁石電動機１００は、３６個のティース１１２（３６個のスロット１１６）を有している。すなわち、永久磁石電動機１００は、３６スロットの固定子１１０を有している。
そして、固定子巻線（図示省略）は、分布巻き方式で各ティース１１２（詳しくは、ティース基部１１３）に巻き付けられている。
固定子巻線を分布巻き方式で巻き付ける方法としては、種々の方法を用いることができる。
固定子巻線を分布巻き方式で巻き付けることにより、集中巻き方式で巻き付ける場合に比べて、銅損は多いが、高出力を得ることができるとともに、振動や騒音を低減することができる。

回転子１２０は、板状の電磁鋼板を複数枚積層して形成された回転子コアにより構成されている。
回転子１２０は、固定子内周面（ティース先端面１１５）により形成される固定子内側空間内に回転可能に配置される。本実施形態では、回転子１２０は、第１の外周面部分１２０ａ（後述する）とティース先端面１１５（固定子内周面）との間に空隙（エアギャップ）ｇが保持されるように配置されている。
回転子１２０は、回転子内周面１２１により形成される回転子内側空間１２２を有している。回転子内側空間１２２内には、回転軸が挿入、例えば、圧入される。

回転子１２０は、主磁極［Ａ］～［Ｆ］と補助磁極［ＡＢ］～［ＦＡ］を有している。主磁極［Ａ］～［Ｆ］と補助磁極［ＡＢ］～［ＦＡ］は、周方向に沿って交互に配置されている。
本実施形態の永久磁石電動機１００は、６個の主磁極を有する回転子１２０を有している。すなわち、永久磁石電動機１００は、６極の回転子１２０を有している。なお、回転子の極数は、極対数Ｐ（＝極数／２）で表されることもある。
３６スロットの固定子１１０と６極の（極対数Ｐが３である）回転子１２０を有する永久磁石電動機１００は、６極３６スロットの永久磁石電動機１００と呼ばれる。
各主磁極［Ａ］～［Ｆ］には、１または複数の磁石挿入孔が形成されている。そして、各磁石挿入孔には、永久磁石が挿入されている。
各磁石挿入孔に挿入されている永久磁石によって、主磁極［Ａ］～［Ｆ］の領域と主磁極［Ａ］～［Ｆ］のｄ軸が規定されるとともに、補助磁極［ＡＢ］～［ＦＡ］の領域と補助磁極［ＡＢ］～［ＦＡ］のｑ軸が規定される。
なお、ｄ軸は、回転中心Ｏと主磁極［Ａ］～［Ｆ］の領域の周方向中心を結ぶ線として規定される。また、ｑ軸は、回転中心Ｏと補助磁極［ＡＢ］～［FＡ］の領域の周方向中心を結ぶ線として規定される。

本実施形態では、主磁極［Ａ］～［Ｆ］には、それぞれ第１の磁石挿入孔１３１と第２の磁石挿入孔１３２が形成されている。また、第１の磁石挿入孔１３１と第２の磁石挿入孔１３２は、ｄ軸を挟んで両側に、回転中心Ｏ側が飛び出ている（回転中心Ｏと反対側が開いている）Ｖ字状に配置されている。
第１の磁石挿入孔１３１は、内周側壁部１３１ａ、外周側壁部１３１ｂ、内周側端壁部１３１ｃ、外周側端壁部１３１ｄ、端壁部１３１ｅにより形成されている。
第２の磁石挿入孔１３２は、内周側壁部１３２ａ、外周側壁部１３２ｂ、内周側端壁部１３２ｃ、外周側端壁部１３２ｄ、端壁部１３２ｅにより形成されている。
第１の磁石挿入孔１３１の内周側端壁部１３１ｃと第２の磁石挿入孔１３２の内周側端壁部１３２ｃの間には、ｄ軸に平行（「略平行」を含む）に延在する中央ブリッジ部１２５が形成される。第１の磁石挿入孔１３１の外周側端壁部１３１ｄと回転子１２０の外周面（後述する、第２の外周面部分１２０ｂ）の間には、周方向に延在する外周ブリッジ部１２６が形成される。第２の磁石挿入孔１３２の外周側端壁部１３２ｄと回転子１２０の外周面（後述する、第２の外周面部分１２０ｂ）の間には、周方向に延在する外周ブリッジ部１２７が形成される。
また、隣接する２つの主磁極のうちの、一方の主磁極の第１の磁石挿入孔１３１の端壁部１３１ｅと、他方の主磁極の第２の磁石挿入孔１３２の端壁部１３２ｅの間に、ｑ軸に平行（「略平行」を含む）に延在する磁束通路が形成される。

第１の磁石挿入孔１３１と第２の磁石挿入孔１３２には、永久磁石が挿入される。本実施形態では、第１の磁石挿入孔１３１と第２の磁石挿入孔１３２に、直線状に延在する第１の永久磁石１４１と第２の永久磁石１４２が挿入されている。
第１の永久磁石１４１は、内周側外壁面１４１ａ、外周側外壁面１４１ｂ、内周側端壁面１４１ｃ、外周側端壁面１４１ｄにより形成される長方形断面を有している。
第２の永久磁石１４２は、内周側外壁面１４２ａ、外周側外壁面１４２ｂ、内周側端壁面１４２ｃ、外周側端壁面１４２ｄにより形成される長方形断面を有している。
第１の永久磁石１４１（第２の永久磁石１４２）が第１の磁石挿入孔１３１（第２の磁石挿入孔１３２）に挿入された状態において、両端壁面側に空隙が形成されるように構成されている。
第１の永久磁石１４１、第２の永久磁石１４２としては、種々の永久磁石を用いることができる。本実施形態では、ネオジウム系磁石が用いられている。なお、ディスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）が拡散（粒界拡散）されたネオジウム磁石が用いられることもある。

回転子１２０の外周面（回転子外周面）は、複数の第１の外周面部分１２０ａ、複数の第２の外周面部分１２０ｂ、複数の接続部分１２０ｃおよび１２０ｄにより形成されている。
第１の外周面部分１２０ａは、ｄ軸と交差している。第２の外周面部分１２０ｂは、ｑ軸と交差し、第１の外周面部分１２０ａより径方向内側に形成されている。接続部分１２０ｃおよび１２０ｄは、第１の外周面部分１２０ａと第２の外周面部分１２０ｂを接続している。第1の外周面部分１２０ａは、周方向他方側に、接続部分１２０ｃと接続されている接続部Ｍ２を有し、周方向一方側に、接続部分１２０ｄと接続されている接続部Ｍ２を有している。
第２の外周面部分１２０ｂ、接続部分１２０ｃおよび１２０ｄは、第１の外周面部分１２０ａを延在した外周面を有する円（半径Ｒ１）の外周を切欠いた切欠部を形成する。第２の外周面部分１２０ｂ、接続部分１２０ｃおよび１２０ｄは、切欠部の底面、周方向一方側（時計方向側）の側面および周方向他方側（反時計方向側）の側面を形成する。
本実施形態では、第１の外周面部分１２０ａは、回転中心Ｏを中心点とする半径Ｒ１ｍｍの円弧形状を有している。半径Ｒ１は、回転子１２０の直径（外径）Ｌの（１／２）である。第２の外周面部分１２０ｂは、回転中心Ｏを中心点とする、半径Ｒ１より小さい半径Ｒ２ｍｍ（Ｒ２＜Ｒ１）の円弧形状を有している。また、接続部分１２０ｃと１２０ｄは、ｄ軸に平行（「略平行」を含む）に直線状に延在している。接続部分１２０ｃと１２０ｄの形状は、回転中心Ｏを通り、径方向に延在する線に平行（「略平行」を含む）に延在するように形成することもできる。なお、第１の外周面部分１２０ａ、第２の外周面部分１２０ｂ、接続部分１２０ｃおよび１２０ｄの形状は、これに限定されない。

次に、本実施形態の永久磁石電動機１００における、永久磁石１４１、１４２の減磁を防止しながら、永久磁石１４１、１４２の厚さ（周方向に沿った幅）を低減する構成について説明する。
なお、本実施形態では、前述したように、固定子１１０は、３６個のスロット１１６（ティース１１２）を有し、回転子１２０は、６個の主磁極Ａ～Ｆを有している。すなわち、永久磁石電動機１００は、６極３６スロットの永久磁石電動機として構成されている。

図２に示されているように回転子１２０には、ｄ軸磁束とｑ軸磁束が流れる。
ｄ軸磁束は、隣接する主磁極間を流れる磁束である。例えば、主磁極Ａのｄ軸側から回転子１２０に流れ込み、主磁極Ａに対して周方向一方側（図２において、時計方向）に隣接する主磁極Ｂのｄ軸側から流れ出る磁束である。ｄ軸磁束によってｄ軸インダクタンスＬｄが定まる。
ｑ軸磁束は、隣接する補助磁極間を流れる磁束である。例えば、主磁極Ａと主磁極Ａに対して周方向他方側（図２において、反時計方向）に隣接する主磁極Ｆとの間の補助磁極ＦＡ側から回転子１２０に流れ込み、主磁極Ａと主磁極Ａに対して周方向一方側に隣接する主磁極Ｂとの間の補助磁極ＡＢ側から流れ出る。
ｑ軸磁束によってｑ軸インダクタンスＬｑが決まる。

次に、永久磁石の減磁を防止しながら、永久磁石の厚さを低減するための構成を以下に説明する。
従来の永久磁石電動機では、ティースを介して流れるｄ軸磁束が飽和しないように設定されているため、ｄ軸インダクタンスＬｄは、電流が増減してもほぼ変わらない電流特性を有している。
これに対し、本実施形態では、ティースを介して流れるｄ軸磁束が飽和するように設定することによって、電流が大きい領域において、ｄ軸インダクタンスＬｄが小さくなる電流特性を有するように構成している。
なお、電流の増加に伴ってティースの磁束密度が飽和するため、ｑ軸インダクタンスＬｑが低下する。
すなわち、ｄ軸インダクタンスＬｄが小さくなっても、［Ｌｄ－Ｌｑ］の絶対値は小さくならない。このため、リラクタンストルクを確保することができる。

回転子１２０の直径（外径）Ｌは、８３ｍｍと１０１ｍｍの範囲内（［８３ｍｍ≦Ｌ≦１０１ｍｍ］）に設定される。
第１の外周面部分１２０ａは、直径Ｌの円形から、第２の外周面部分１２０ｂと接続部分１２０ｃおよび１２０ｄにより形成される切欠き部を除去した部分の外周面部分である。回転子１２０の直径Ｌが８３ｍｍより小さいと、第１の外周面部分１２０ａの周方向に沿った長さが短くなって、十分な磁石を流せる通路を確保することができなくなる。十分な磁石を流せる通路を確保することができなくなると、磁束量が低下して、銅損が増加する。そして、銅損の増加に伴って、効率が低下する。

回転中心Ｏに対する第１の外周面部分１２０ａの開角Ｋ１（機械角）について、図７を参照して説明する。
図７は、第１の外周面部分１２０ａの開角Ｋ１とコギングトルクとの関係を測定した結果をグラフで示したものである。図７において、横軸は、開角Ｋ１（度）を示し、縦軸は、コギングトルク（Ｎ・ｍ）を示している。
図７に示されているグラフでは、開角Ｋ１が１４．９度より小さい領域および１５．７度より大きい領域では、コギングトルクが大きい。
図７に示されているグラフから、開角Ｋ１を、１４．９度と１５．７度の範囲内（［１４．９度≦Ｋ１≦１５．７度］）に設定することにより、コギングトルクを低減することが理解される。
コギングトルクが低減されることにより、騒音や振動の発生を抑制することができる。また、コギングトルクが低減されることにより、トルクの発生に寄与しない磁束の流出入を低減することができる。この場合、トルクに寄与しない磁束の流出入による鉄損を低減することができる。

回転子１２０の第１の外周面部分１２０ａと固定子内周面（ティース先端面１１５）との間の空隙gの距離Ｇについて、図８を参照して説明する。
図８は、空隙ｇの距離Ｇと永久磁石電動機１００の効率との関係を測定した結果をグラフで示したものである。図８において、横軸は、空隙ｇの距離Ｇｍｍを示し、縦軸は、効率（％）を示している。
図８に示されているグラでは、距離Ｇが０.５ｍｍより小さい領域および０．６ｍｍより大きい領域では、効率が低下している。
距離Ｇが０．５ｍｍより小さいと、起電力（誘導起電力）に含まれる高調波成分が増加する。そして、起電力に含まれる高調波成分の増加に伴って、高調波鉄損が増加し、効率が低下する。また、距離Ｇが小さいと、騒音や振動が大きくなる。
距離Ｇが０．６ｍｍより大きいと、起電力に含まれる基本波成分が減少する。そして、起電力の減少に伴って、銅損が増加し、効率が低下する。
図８に示されているグラフから、空隙ｇの距離Ｇを、０．５ｍｍと０．６ｍｍの範囲内（［０．５ｍｍ≦Ｇ≦０．６ｍｍ］）に設定することにより、効率を高めることができることが理解される。

第１の外周面部分１２０ａと第２の外周面部分１２０ｂとの間の径方向に沿った間隔（切欠き部の深さ）Ｈについて、図９を参照して説明する。
図９は、切欠き部の深さＨとティース１１２の磁束密度との関係および切欠き部の深さＨと起電力の基本波成分との関係を測定した結果をグラフで示したものである。図９において、横軸は、切欠き部の深さＨ（ｍｍ）を示し、左側の縦軸は、ティース１１２の磁束密度（テスラＴ）を示し、右側の縦軸は、起電力の基本波成分（ボルトＶ）を示している。また、図９には、起電力の基本波成分のグラフが実線で示され、ティースの磁束密度のグラフが破線で示されている。
図９に示されているグラフから、切欠き部の深さＨが０．６ｍｍより小さいと、ティース１１２の磁束密度が低下する。また、切欠き部の深さＨが、０．９６ｍｍより大きいと、起電力の基本波成分が低下する。
図９に示されているグラフから、切欠き部の深さＨを、０．６ｍｍと０．９６ｍｍの範囲内（［０．６ｍｍ≦Ｈ≦０．９６ｍｍ］）に設定することにより、ティース１１２の磁束密度を高くすることができるとともに、起電力に含まれる基本波成分を高くすることができる。

本実施形態では、運転電流を超える大きな電流が流れた場合に、ティース１１２の磁束密度が飽和するように構成することにより、永久磁石に過大な磁束が流れ込むのを防止している。
回転子の直径Ｌ、空隙ｇの距離Ｇ、第１の外周面部分１２０ａの開角Ｋ１、切欠き部の深さＨが前述した範囲内に設定されている状態で、運転電流を超える過大な電流が流れた場合にティース１１２の磁束密度を飽和させるには、ティース１１２の幅（詳しくは、ティース基部１１３の幅）Ｗｔを、［０．３６×（Ｌ＋２×Ｇ）×π／３６］と［０．４２×（Ｌ＋２×Ｇ）×π／３６］の範囲内に設定する必要がある。すなわち、［０．３６×（Ｌ＋２×Ｇ）×π／３６＜Ｗｔ＜０．４２×（Ｌ＋２×Ｇ）×π／３６］を満足するように設定する必要がある。
この場合、永久磁石１４２、１４２の磁石厚さＷｐを、［２×Ｇ×１．３］と［２×Ｇ×２．０］の範囲内（［２×Ｇ×１．３＜Ｗｐ＜２×Ｇ×２．０］）に設定することができる。
なお、従来の永久磁石電動機４００において、回転子４２０の直径Ｌ、空隙ｇの距離Ｇ、切欠き部の深さＨが、本実施形態の永久磁石電動機１００と同様に設定されている場合には、永久磁石４４１、４４２の厚さＷｐは、減磁を防止するために、［２×Ｇ×１．８］と［２×Ｇ×２．８］の範囲内に設定する必要がある。

次に、永久磁石１４１、１４２の厚さ（磁石厚さ）とティース１１２の磁束密度との関係を、図３～図６を参照して説明する。
図３～図６は、固定子巻線に所定電流を流している状態において、磁石厚さ（ｍｍ）と永久磁石１４１、１４２の磁束密度（テスラ）との関係を、通電進み角を変えて解析した結果をグラフで示したものである。
永久磁石の磁束密度は、永久磁石の長さ方向に沿った複数個所で測定した磁束密度を平均した平均磁束密度とした。
また、磁石厚さは、磁石挿入孔の圧さ方向の幅から類推できる。通常、磁石挿入孔の圧さ方向の幅は、磁石厚さより０．０３ｍｍ～０．１６ｍｍ程度大きく設定される。このため、磁石挿入孔の圧さ方向の幅を用いて解析し、磁石挿入孔の圧さ方向の幅から磁石厚さを類推した。
図３、図５において、横軸は、磁石厚さＷｐ（ｍｍ）を示し、縦軸は、磁束密度（テスラ）を示している。また、図４、図６において、横軸は、磁石厚さＷｐ（ｍｍ）を示し、縦軸は、磁束密度（％）を示している。

図３、図４は、電流値２Ａのグラフである。
また、図５、図６は、電流値４Ａのグラフである。
なお、図３、図５では、磁束密度を、解析値で示している。また、図４、図６では、磁束密度を、通電進み角０度の時の磁束密度を１００％として正規化した値で示している。

図３～図６から、磁石厚さＷｐが１．７ｍｍ以下でグラフが非線形に曲がっている。
例えば、図４において、磁石厚さＷｐが１．７ｍｍの場合、通電進み角２０度の磁束密度（％）は９８．５％まで低下している。磁束密度が低下すると、磁束量が低下する。磁束量が低下すると、高い回転数まで運転が可能となる。すなわち、「磁石厚さＷｐが１．７ｍｍであり、通電進み角２０度である場合における回転数」は、「磁石厚さＷｐが２．５ｍｍであり、通電進み角３０度である場合における回転数」にほぼ同等となる。
この場合、小さい通電進み角で運転することが可能になる。小さい通電進み角で運転すると、リラクタンストルクが小さくなる。その結果、リラクタンストルクに起因する鉄損を低減することができ、効率が向上する。さらに、永久磁石の厚さを低減することができるため、永久磁石のコストを低減することができる。

ティース１１２の幅（具体的には、ティース基部１１３の最小幅）Ｗｔは、［０．３６×（固定子内周／３６）＜Ｗｔ＜０．４２×（固定子内周／３６）］を満足するように設定される。なお、固定子内周（ｍｍ）は、［固定子内周＝（回転子１２０の直径Ｄ＋距離Ｇ）×π］で表される。
ティース１１２の幅Ｗｔが［０．３９×（固定子内周／３６）］より小さいと、ティース１１２から回転子１２０に十分な磁束が流れない。これにより、銅損が増加して効率が低下する。
ティース１１２の幅Ｗｔが［０．４２×（固定子内周／３６）］より大きいと、ティース１１２と回転子１２０との間で十分な磁束が流れ、ｄ軸磁束が飽和しない。この場合、ｄ軸インダクタンスＬｄは、従来の永久磁石電動機と同じ電流特性を示す。

図１０、図１１に、本実施形態の永久磁石電動機１００の磁束の流れが示されている。
図１０に示されている状態では、ティースＪ１～Ｊ６のうちのティースＪ２が、主磁極［Ａ］の第１の外周面部分１２０ａに対向する位置に配置されている。図１０では、接続部Ｍ１（中心点Ｏと接続部Ｍ１を通る線ｍ１）は、ティースＪ１の周方向一方側（時計方向）の側壁ＪＢ（側壁ＪＢの延在線ｊｂ）より周方向一方側（反時計方向）に位置している。また、接続部Ｍ２（中心点Ｏと接続部Ｍ２を通る線ｍ２）は、ティースＪ３の周方向他方側（反時計方向）の側壁ＪＡ（側壁ＪＡの延在線ｊａ）より周方向他方側（反時計方向）に位置している。
図１０に示されている状態では、Ｎ極のティースＪ２から、第１の外周面部分１２０ａを介して永久磁石１４２のＳ極に向かって磁束が流れ込む。この磁束は、第１の外周面部分１２０ａとティース先端面１１５との間の空隙ｇを通るため、多い。また、Ｎ極のティースＪ３～Ｊ５から、第２の外周面部分１２０ｂを介して永久磁石１４２のＳ極に向かって磁束が流れ込む。この磁束は、空隙ｇと切欠き部を通るため、少ない。

図１１は、図１０に示されている状態から、周方向一方側（時計方向）に５度（＝３６０度／３６の１／２）回転した状態を示している。
図１１に示されている状態では、ティースＪ１～Ｊ５のうちのティースＪ２、Ｊ３が、主磁極［Ａ］の第１の外周面部分４２０ａに対向する位置に配置されている。図１１では、接続部Ｍ１（中心点Ｏと接続部Ｍ１を通る線ｍ１）は、ティースＪ２の周方向他方側（反時計方向）の側壁ＪＡ（側壁ＪＡの延在線ｊａ）より周方向他方側（反時計方向）に位置している。また、接続部Ｍ２（中心点Ｏと接続部Ｍ２を通る線ｍ２）は、ティースＪ３の周方向一方側（時計方向）の側壁ＪＢ（側壁ＪＢの延在線ｊｂ）より周方向一方側（時計方向）に位置している。
図１１に示されている状態では、Ｎ極のティースＪ２、Ｊ３から、第１の外周面部分１２０ａを介して永久磁石１４２のＳ極に向かって磁束が流れ込む。この磁束は、第１の外周面部分１２０ａとティース先端面１１５との間の空隙を通るため、多い。また、Ｎ極のティースＪ４、Ｊ５から、第２の外周面部分１２０ｂを介して永久磁石１４２のＳ極に向かって磁束流れ込む。この磁束は、空隙ｇと切欠き部を通るため、少ない。

本実施形態では、図１１に示す状態において、２つのティースＪ２、Ｊ３から、第１の外周面部分１２０ａを介して磁束が回転子１２０に流れ込む。
本実施形態では、ティースＪ２、Ｊ３の磁束密度が飽和するように構成されている。このため、ティースｊ２、Ｊ３が、磁束リミッターとして機能し、それ以上の磁束が流れない。
これにより、永久磁石１４１、１４２の減磁を防止しながら、永久磁石１４１、１４２の厚さを低減することができる。また、ヨーク１１１を流れる磁束が少なくなるため、鉄損を低減することができる。さらに、ヨーク１１１の寸法（固定子１１０の寸法を小さくすることができる。あるいは、固定子１１０に、開口面積が大きい冷媒通路を形成することができる。

従来の永久磁石電動機４００では、図１４、図１５に示されているように、回転子４２０の第１の外周面部分４２０ａに対向する位置に、４個のティース４１２と３個のティース４１２が交互に配置されるように構成されている。
これに対し、本実施形態の永久磁石電動機１００では、図１０、図１１に示されているように、回転子１２０の第１の外周面部分１２０ａに対向する位置に、２個のティース１１２と１個のティース１１２が交互に配置されるように構成されている。

なお、主磁極に形成されている磁石挿入孔の長さは、ティース１１２が飽和した状態でティース１１３に流れている磁束に維持されるように設定される。
例えば、主磁極に形成されている磁石挿入孔の長さの総和が、ティース１１２の幅Ｗｔの５倍以上に設定される。
本実施形態では、主磁極に形成されている磁石挿入孔１３１、１３２の幅がＹ（図２参照）であるので、（Ｙ＋Ｙ）がＷｔの５倍以上に設定される。例えば、Ｗｔが３．１ｍｍ、Ｙが１９ｍｍに設定される。この場合、［３８ｍｍ（＝２×１９ｍｍ）／３．１ｍｍ＝１２．２５倍］となる。

永久磁石１４１、１４２としては、好適には、飽和磁束密度が１．４テスラと１．６テスラの範囲内である永久磁石が用いられる。
また、好適には、固定子１１０（固定子コア）や回転子１２０（回転子コア）を構成する電磁鋼板として、磁束密度が、１．７５テスラと１．９テスラの範囲内で線形領域から補遺線形領域に移行する電磁鋼板が用いられる。

第１実施形態の永久磁石電動機１００では、直線状に延在する第１の磁石挿入孔１３１と第２の磁石挿入孔１３２が、回転中心Ｏ側が飛び出ているＶ字状に配置されている回転子１２０を用いたが、磁石挿入孔の形状、数、配置位置が異なる回転子を用いることもできる。

第２実施形態の永久磁石電動機の回転子２２０が、図１２に示されている。
図１２に示されている回転子２２０は、６個（極対数Ｐ＝３）の主磁極それぞれに、直線状に延在する１つの磁石挿入孔２３１が形成されている。磁石挿入孔２３１は、ｄ軸と交差する方向（図１２では、ｄ軸と直交する方向）に延在するように配置されている。そして、磁石挿入孔２３１に、直線状に延在する永久磁石２４１が挿入されている。
回転子２２０の外周面は、第１実施形態の永久磁石電動機１００を構成する回転子１２０と同様に、ｄ軸と交差する第１の外周面部分２２０ａ、ｑ軸と交差する第２の外周面部分２２０ｂ、接続部分２２０ｃおよび２２０ｄにより形成されている。

第３実施形態の永久磁石電動機の回転子３２０が、図１３に示されている。
図１３に示されている回転子３２０は、６個（極対数Ｐ＝３）の主磁極それぞれに、直線状に延在する第１の磁石挿入孔３３１、第２の磁石挿入孔３３２、第３の磁石挿入孔３３３が形成されている。磁石挿入孔３３１～３３３は、ｄ軸と交差し、回転中心Ｏ側が飛び出ている（回転中心Ｏと反対側が開いている）台形に沿って配置されている。すなわち、磁石挿入孔３３１～３３３は、台形状に配置されている。図１３では、磁石挿入孔３３２が、台形の上底の位置に配置され、磁石挿入孔３３１と３３３が、台形の脚の位置に配置されている。そして、磁石挿入孔３３１～３３３それぞれに、直線状に延在する永久磁石３４１～３４３が挿入されている。
回転子３２０の外周面は、第１実施形態の永久磁石電動機１００を構成する回転子１２０と同様に、ｄ軸と交差する第１の外周面部分３２０ａ、ｑ軸と交差する第２の外周面部分３２０ｂ、接続部分３２０ｃおよび３２０ｄにより形成されている。
なお、各主磁極に、回転中心Ｏ側に飛び出ている台形状の磁石挿入孔を形成することもできる。この場合、台形状の磁石挿入孔に、直線状に延在する第１～第３の永久磁石が挿入される。

本発明は、実施形態で説明した構成に限定されず、種々の変更、追加、削除が可能である。
永久磁石電動機については説明したが、本発明は、永久磁石電動機を駆動電動機として用いた種々の装置として構成することができる。例えば、永久磁石電動機により圧縮機構部を駆動する圧縮機として構成することができる。
回転子の各主磁極に形成される磁石挿入孔の形状、数や配置位置、磁石挿入孔に挿入される永久磁石の形状、数や挿入位置等は適宜変更可能である。
実施形態で説明した各構成は、単独で用いることもできるし、適宜選択した複数の構成を組み合わせて用いることもできる。

１００、４００ 永久磁石電動機
１１０、４１０ 固定子
１１１、４１１ ヨーク
１１２、４１２ ティース
１１３、４１３ ティース基部
１１４、４１４ ティース先端部
１１５、４１５ ティース先端面（固定子内周面）
１１６、４１６ スロット
１２０、２２０、３２０、４２０ 回転子
１２０ａ、２２０ａ、３２０ａ、４２０ａ 第１の外周面部分
１２０ｂ、２２０ｂ、３２０ｂ、４２０ｂ 第２の外周面部分
１２０ｃ、１２０ｄ、２２０ｃ、２２０ｄ、３２０ｃ、３２０ｄ、４２０ｃ、４２０ｄｃ 接続部分
１２１、２２１、３２１、４２１ 内周面
１２２、２２２、３２２ 内側空間
１２５ 中央ブリッジ部
１２６、１２７ 外周ブリッジ部
１３１、１３２、２３１、３３１、３３２、３３３、４３１、４３２ 磁石挿入孔
１３１ａ、１３２ａ 内周側壁部
１３１ｂ、１３２ｂ 外周側壁部
１３１ｃ、１３２ｃ 内周側端壁部
１３１ｄ、１３２ｄ 外周側端壁部
１３１ｅ、１３２ｅ 端壁部
１４１、１４２、２４１、３４１、３４２、３４２、４４１、４４２ 永久磁石
１４１ａ、１４２ａ 内周側外壁面
１４１ｂ、１４２ｂ 外周側外壁面
１４１ｃ、１４２ｃ 内周側端壁面
１４１ｄ、１４２ｄ 外周側端壁面

Claims (4)

1. 固定子と回転子を備え、
   前記固定子は、周方向に沿って離間して配置されている複数のティースと、周方向に隣接するティースによって形成される複数のスロットと、各ティースに巻き付けられている固定子巻線と、固定子内側空間を形成する固定子内周面と、を有し、
   前記回転子は、前記固定子内側空間内に回転可能に配置され、また、周方向に沿って主磁極と補助磁極が交互に配置されているとともに、前記主磁極に形成されている磁石挿入孔に永久磁石が挿入されている、
   永久磁石電動機であって、
   前記固定子巻線は、前記複数のティースに分布巻き方式で巻き付けられており、
   前記主磁極は、６個設けられ、
   前記ティースは、３６個設けられ、
   前記回転子の外周面は、前記主磁極のｄ軸と交差し、回転中心を中心点とする半径Ｒ１の円弧状に形成された第１の外周面部分と、前記補助磁極のｑ軸と交差し、前記回転中心を中心点とし、前記半径Ｒ１より小さい半径Ｒ２（Ｒ２＜Ｒ１）の円弧状に形成された第２の外周面部分と、前記第１の外周面部分と前記第２の外周面部分を接続する接続部分と、を有し、
   前記回転子の直径Ｌは、［８３ｍｍ≦Ｌ≦１０１ｍｍ］を満足するように設定され、
   前記第１の外周面部分と前記固定子内周面との間の距離Ｇは、［０．５ｍｍ≦Ｇ≦０．６ｍｍ］を満足するように設定され、
   前記ティースの幅Ｗｔは、［０．３６×（Ｌ＋２×Ｇ）×π／３６＜Ｗｔ＜０．４２×（Ｌ＋２×Ｇ）×π／３６］を満足するように設定され、
   前記回転中心に対する前記第１の外周面部分の開角Ｋ１（機械角）は、［１４．９度≦Ｋ１≦１５．７度］を満足するように設定され、
   前記第１の外周面部分と前記第２の外周面部分との間の径方向に沿った間隔Ｈは、［０．６ｍｍ≦Ｈ≦０．９６ｍｍ］を満足するように設定されていることを特徴とする永久磁石電動機。
2. 請求項１に記載の永久磁石電動機であって、
   前記永久磁石として、残留磁束密度が１．３４テスラと１．５２テスラの範囲内、保持力が１５５０ｋＡ／ｍと２１００ｋＡ／ｍの範囲内の永久磁石が用いられていることを特徴とする永久磁石電動機。
3. 請求項１または２に記載の永久磁石電動機であって、
   前記固定子および前記回転子は、磁束密度が１．７５テスラと１．９テスラの範囲内で線形領域から非線形領域に移行する電磁鋼板により構成されていることを特徴とする永久磁石電動機。
4. 圧縮機構部と、前記圧縮機構部を駆動する電動機を備える圧縮機であって、前記電動機として請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の永久磁石電動機が用いられていることを特徴とする圧縮機。

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