JP3635912B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子鉄心の内部に複数個の永久磁石を埋め込んだ回転子を備えた永久磁石式回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石式回転電機は、界磁極の磁束を永久磁石から得られ、誘導電動機に比べて高効率で制御も比較的容易であるので、１ｋＷ以下のブラシレス直流電動機として多く採用されている。
【０００３】
永久磁石式回転電機においては、特開平6−339240 号公報に記載されているように、高トルク化及び高効率化を図った電動機が開発されている。これは次のような構成となっている。
【０００４】
固定子は複数個のスロットを有し、これらのスロットに三相の固定子巻線が巻かれている。回転子は回転軸に回転子鉄心を嵌合固着したものである。回転子鉄心には、回転軸の垂直な断面が円弧状である永久磁石が複数個組み込まれている。固定子は回転子を取り囲み、固定子と回転子との間には所定のギャップがある。
【０００５】
各永久磁石は凸部が回転軸側（中心側）に向くように配置されている。また、永久磁石はＮ極とＳ極が交互になるように着磁されている。この永久磁石の着磁は磁気異方性（磁気配向）を持たせ、磁気は１点に集中する。すなわち、磁気中心は１つである。この電動機は可変速運転を行うために１２０度通電のインバータで回転数制御を行っている。
【０００６】
さらに、この永久磁石形回転機では、回転子鉄心は永久磁石を挿入するための打抜穴を開けた鋼板を多数積層して作られている。鋼板は、打抜穴が一致するように積層される。永久磁石回転子では、永久磁石を鉄心内部に確実に固定する必要がある。
【０００７】
特開平7−322538 号は、回転子鉄心の内部に、弧状の永久磁石が凹部を回転軸側に向けて配置され、永久磁石と回転軸の間に永久磁石を回転子鉄心に固定するための押圧部が設けられている永久磁石式回転電機を記載する。この永久磁石式回転電機においては、永久磁石を回転子鉄心に固定するための押圧力が全て遠心力と同方向である。したがって、遠心力を支える回転子鉄心の部位は、永久磁石間のブリッジ部のみとなるため、回転数が数千回転の場合、ブリッジ部を厚くする必要があり、その分永久磁石が小さくなって、永久磁石から得られる磁束量が減少するという欠点がある。
【０００８】
特開平9−9537 号は、回転子鉄心の内部に、磁石をＶ字型に配置した永久磁石形回転機を記載する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような従来の永久磁石式回転電機においては、永久磁石の磁気の配列によって様々なギャップ磁束分布が得られる。電動機のトルクは、固定子巻線に電流が流れている間だけ発生し、次の（１）式で表せる。
【００１０】
Ｔ＝ｍ×Ｋ×Ｂ×Ｉq＋(Ｌq−Ｌd)Ｉq×Ｉd …（１）
Ｔ：電動機のトルク，ｍ：電動機の相数，Ｋ：固定子巻線の巻線などに関係する定数，Ｂ：ギャップの磁束密度，Ｌq：ｑ軸インダクタンス，Ｌd：ｄ軸インダクタンス，Ｉq：ｑ軸巻線電流，Ｉd：ｄ軸巻線電流
（１）式においてトルクを増大させるためには、固定子と回転子との間のギャップにおける磁束密度を大きくし、磁石の磁束を集中させることが必要である。
また、１２０度（電気角）通電する方式では、永久磁石が１極分として発生する磁束の１２０度（電気角）分だけがトルクとして作用するため、特開平6− 339240号の図３の斜線部で示される非通電区間、すなわち０度〜３０度及び150度〜１８０度（電気角）の領域の磁束は無駄になっている。
【００１１】
本発明の目的は、固定子と回転子との間のギャップ中に作用する永久磁石による磁束がより増加されて、駆動トルクがより大きい永久磁石式回転電機を提供することである。
【００１２】
また、従来の構成の永久磁石式回転電機においては、磁束変化が連続的な表面磁石型と比較し、鉄部の補助磁極が存在するため磁束の変化が激しく、誘起電圧波形に高調波成分が存在し、波形が正弦波と比較し歪み波形となる。歪み波形は特にセンサレス制御を困難とするため、制御上の制約が多かった。
【００１３】
本発明の他の目的は、誘起電圧の波形を正弦波に近くし、センサレス制御を容易にすると共に、電動機の駆動トルクを大きくし、小型化あるいは駆動効率向上を可能とする永久磁石式回転電機を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の特徴は、回転子鉄心の内部に埋め込まれた永久磁石が、回転軸に垂直な断面において弧状の形状を有し、複数の磁気中心を有し、かつ、弧状の凹部が固定子方向に向くように配置されていることにある。ここで、弧状の凹部が固定子方向に向くとは、内側回転型の永久磁石式回転電機においては、固定子は回転子の外側にあるから、弧状の凹部が外側方向を向く（凸部が回転軸方向を向く）ことであり、外側回転型の永久磁石式回転電機においては、固定子は内側にあるから、弧状の凹部が内側方向を向く（凸部が径方向外側を向く）ことである。
【００１５】
本発明によれば、永久磁石の面積を大きくでき、固定子と回転子との間のギャップ中に作用する永久磁石による磁束密度を大きくすることができるので、駆動トルクをより大きくすることができる。また、ギャップ中に作用する永久磁石による磁束密度を大きくすることにより、永久磁石式回転電機を小型化あるいは駆動効率向上を可能とする。
【００１６】
また、通電区間に対応する部分で、固定子と回転子との間のギャップ中に作用する永久磁石による磁束密度をより大きくすれば、非通電区間に対応する部分の磁束をより減らすことができ、駆動トルクをより大きくすることができる。
【００１７】
本発明の他の特徴は、固定子のスロットピッチ角度をτs ，前記固定子のスリット幅角度をＳとしたとき、回転子のポールピース角度θが、ほぼ、
θ＝ｎ×τs ＋Ａ×Ｓ
（ｎは整数、Ａはスロット部の磁束の流れに依存する０≦Ａ≦１の定数、角度θ，τs およびＳは機械角）
で示されることにある。
【００１８】
この特徴によれば、誘起電圧波形が正弦波に近くなり、センサレス制御を容易とし、電動機効率を向上させることができる。
【００１９】
スロットとは固定子巻線を巻くために固定子に設けられた溝であり、スロットピッチ角度とは、スロットピッチが回転軸を中心にして作る中心角である。スリットとはスロットの開口部であり、スリット幅角度とはスリットが回転軸を中心にして作る中心角である。ポールピースとは、回転子の鉄心のうち、永久磁石と回転子の外周との間の鉄心部分であり、ポールピース角度とは、ポールピースと永久磁石との境界が回転軸を中心にして作る中心角である。
【００２０】
また、本発明の永久磁石式回転電機は、固定子の回りに回転子を配置した外側回転の永久磁石式回転電機としてもよく、上述した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明の第１の実施例である三相４極の永久磁石式回転電機を説明する。図２は、永久磁石式回転電機の回転軸に垂直な断面図である。図１は、図２の永久磁石式回転電機の４極のうち、１極の部分を拡大して示したものである。図２において、固定子１は、２４個のスロット３が形成された固定子鉄心２と、スロット３に挿入されたＵ相の固定子巻線Ｕ+ ，Ｕ- 、及びＶ相の固定子巻線Ｖ+ ，Ｖ- 、並びにＷ相の固定子巻線Ｗ+ ，Ｗ- とで構成されている。各スロット３は開口部４をもつ。開口部４はスリットとも呼ばれる。
【００２２】
回転子６は、回転軸９と、回転軸９に嵌合固着された回転子鉄心７と、回転子鉄心７に挿入して組み込まれたフェライト製の永久磁石８を４個とで主に構成される。固定子１は回転子６を取り囲み、固定子１と回転子６との間には所定のギャップ５がある。
【００２３】
回転子鉄心７のうち、永久磁石８と回転子６の外周との間の鉄心部分はポールピースと呼ばれる。
【００２４】
回転軸９に垂直な永久磁石８の断面の形状は弧状で、弧の中心は、図１に示すようにａ及びｂ点の２点である。永久磁石８は凹部が固定子方向を向くように回転子鉄心７に配置されている。隣り合う永久磁石８の極性が逆になるように、つまり４つの永久磁石８はＮ極とＳ極とが交互になるようにそれぞれ着磁されている。
【００２５】
永久磁石８は図１に示すように、磁束がａ，ｂの２カ所に集中するよう着磁されている。
【００２６】
図５に示す永久磁石８は、曲率中心のずれた２つの弧状の断面を有する。隣り合う永久磁石８との間の距離、すなわち補助磁極の幅は、径方向の中間部で最小となり、中間部から外周側に向かってその距離が大きくなっている。
【００２７】
例えば、出力１ｋｗ，半径１１２mmの電動機においては、２つの磁気中心点間の距離（図５でｄ１で示す）は１mm、隣り合う永久磁石との最小距離（図５でｄ２で示す）は２mm、中間半径部から離れるに従ってその距離が大きくなり最大値(図５でｄ４で示す）は約６mmとなっている。また、回転軸９の表面とは０.５mmの距離（図５でｄ３で示す）である。
【００２８】
図２の回転子鉄心７は、硅素鋼板を多数枚積層して作られている。硅素鋼板には、永久磁石８を挿入するための孔７ａと硅素鋼板を連結するリベットを押し入れる穴７ｂが形成されている。穴７ｂは、永久磁石８ａよりも外周側に設けられている。
【００２９】
図３に示すように、穴７ａにリベットを押し入れると、穴７ａより同心円状に押圧力Ｆが加わる。この押圧力Ｆは回転子６が回転することにより発生する遠心力Ｇと反対向きの力であり、永久磁石８ａを強固に固定することができる。
【００３０】
更に、図４に示すように、リベット１２は端板１３で固定されるので、遠心力Ｇを端板１３で支えることができる。従って、遠心力を支える部位として、ブリッジ部以外にリベット及び端板でも支える構造であるので、強固に永久磁石を固定することができる。
【００３１】
ここで、穴７ｂが永久磁石８よりも外周側にある回転子６について、永久磁石８が作る磁束の変化及び効率の変化を検討した。
【００３２】
検討に用いた電動機は出力１ｋｗ，トルク０.１９kg−ｍ(一定）、定格回転数５０００rpm の電動機である。図５に本実施例の電動機における磁束密度分布を示す。図６に磁性体のリベットを用いた場合の本実施例の電動機とリベットを永久磁石よりも回転軸側で押し入れた従来型の電動機（特開平7−322538 号の図６を参照）との回転数−効率特性の違いを示す。
【００３３】
図５から、穴７ａを永久磁石８よりも外周側に設けても磁束密度分布には余り影響ないことがわかる。図６から、磁性体のリベットを用いても、効率が劣化することはないことが明らかである。
【００３４】
ただし、リベット１２が回転子鉄心７と電気的に絶縁されていないと、回転子６の回転軸方向に大きな渦電流のループができるので、効率が低下する。従って、リベット１２は回転子鉄心７と電気的に絶縁されているほうがよい。リベット１２は絶縁体か、もしくは絶縁された磁性体がよい。
【００３５】
図７に示す回転子６は、４つのポールピースに、それぞれ２つずつ穴７ｂを設け、磁性体のリベット１２と非磁性体のリベット１４を対にして用いたものである。回転子６は１極の範囲では非対称であるが、回転子６の全周ではバランスがとれた回転電機である。
【００３６】
次に、回転子６のポールピース、固定子１のスロットピッチおよびスリットのそれぞれの中心角の関係を図１を用いて説明する。
【００３７】
回転子６のポールピースが回転軸を中心にして作る中心角（以下ポールピース角度と呼ぶ）θを、スロットピッチが回転軸を中心にして作る中心角（以下、スロットピッチ角度と呼ぶ）τs 、及びスリットが回転軸を中心にして作る中心角(以下、スリット幅角度と呼ぶ)Ｓで表すと、
θ＝ｎ×τs ＋Ａ×Ｓ
（ｎは整数、Ａはスロット部の磁束の流れに依存する０≦Ａ≦１の定数、角度は機械角）
で示すような関係に設定されている。スロットピッチ角度τs が１５度、スリット幅角度Ｓが６.７度のときに、特にｎ＝３，Ａ＝０.７とするとポールピース角度θは４９.７度となる。なお、実用的にはポールピース角度をθ＝ｎ×τs＋Ａ×Ｓ±１の範囲内で選択しても良い。
【００３８】
誘起電圧の波形とポールピース角度θとの関係を明らかにするため、とポールピース角度θをθ＝５４.７，４９.７，４４.７ 度と変化させた場合の誘起電圧波形を図８に示す。ただし、永久磁石８が回転軸を中心にして作る中心角φ＝８８.２度とスリット幅角度Ｓ＝６.７度を一定とする。
【００３９】
図８から、誘起電圧波形は、θ＝５４.７ 度の場合は５つの山の凸波形、θ＝４４.７ 度の場合は５つの谷の凹波形である。誘起電圧波形が正弦波に最も近くなるのはθ＝４９.７ 度の場合である。正弦波に近いということを定量的に評価するため、誘起電圧波形が正弦波であれば、電気角９０度におけるピーク電圧が実効値の√２倍であることより、波形狂い率＝電気角９０度における電圧／（電圧実効値×√２）と定義して値を求めた。凸波形は狂い率が１より大きくなり、凹波形は狂い率が１より小さくなる。狂い率が１に近いほど波形は正弦波に近いと言える。その結果を図９に示す。
【００４０】
図９から、波形狂い率が１に近いのはθ＝４９.７ 度の場合であり、本実施例で求めたθ，τs，Ｓの関係を持つ電動機の優位さが定量的に評価できる。
【００４１】
次に、誘起電圧の波形と永久磁石８が回転軸を中心にして作る中心角φとの関係を明らかにするため、φ＝８８.２，７８.２度と変化させた場合の誘起電圧波形を図１０に示す。ただし、ポールピース角度θ＝４９.７ 度とスリット幅角度Ｓ＝６.７度を一定とする。φと波形狂い率との関係を図１１に示す。
【００４２】
図１０から、φが変化しても誘起電圧波形の形はほとんど変化しないことがわかる。図１１から、波形狂い率がほとんど同じことがわかる。従って、φは誘起電圧波形を変化させないことが明らかである。
【００４３】
最後に、誘起電圧の波形とスリット幅角度Ｓとの関係を明らかにするため、スリット幅角度Ｓ＝８.７，６.７，２.７ 度と変化させた場合の誘起電圧波形を図１２に示す。ただし、ポールピース角度θ＝４９.７度とφ＝８８.２度を一定とする。Ｓと波形狂い率との関係を図１３に示す。
【００４４】
図１２から、Ｓが変化すると誘起電圧波形の形が変化することがわかる。図１３から、波形狂い率が大きく変化することがわかる。従って、Ｓは誘起電圧波形と密接な関係があることが分かる。
【００４５】
なお、スロットピッチτsが変化すると誘起電圧波形が変化する。確認のためスロットピッチτs＝１５，３０で、他の条件は一定の場合の誘起電圧波形を図１４に示す。図１４から、スロットピッチτｓが変化すると誘起電圧波形が変化することがわかる。
【００４６】
以上より、誘起電圧波形を正弦波に近くするためには、ポールピース角度θが、スロットピッチ角度τs 及びスリット幅角度Ｓに対し、ほぼ、
θ＝ｎ×τs＋Ａ×Ｓ …（２）
（ｎは整数、Ａはスロット部の磁束の流れに依存する０≦Ａ≦１の定数、角度θ，τs およびＳは機械角）
で示す関係を持つことが必要である。
【００４７】
更に、スリット幅角度Ｓの誘起電圧波形変化への有効度を示す定数Ａは、磁石の強さや、スロット形状により変化するが、磁石がフェライトの場合はＡ＝0.7程度となる。
【００４８】
一方、ｎであるが、誘起電圧波形とｎは、
２ｎ×τs＋Ａ×Ｓ＜θ＜(２ｎ＋１)×τs＋Ａ×Ｓ （ｎは整数）
の場合には、凹波形となり、他方、
(２ｎ＋１)×τs＋Ａ×Ｓ＜θ＜(２ｎ＋２)×τs＋Ａ×Ｓ （ｎは整数）
の場合には、凸波形となる。
【００４９】
上記実施例において、τs ＝１５度，Ａ＝０.７，Ｓ＝６.７度として具体的に示すと、
４.７＜θ＜１９.７ ・・・凹波形
１９.７＜θ＜３４.７ ・・・凸波形
３４.７＜θ＜４９.７ ・・・凹波形
４９.７＜θ＜６４.７ ・・・凸波形となる。
【００５０】
誘起電圧のピーク値は、凹波形から凸波形に変化するときに階段状に増加するので、θが凹波形から凸波形に変化する条件、すなわちｎが奇数の場合が有効である。
【００５１】
このように構成された電動機は、従来と同様に、インバータ電源により給電される。Ｕ相が、Ｖ相及びＷ相の各相の隣接する固定子巻線（たとえば、Ｕ相のＵ１とＵ２，Ｖ相のＶ１とＶ２，Ｗ相のＷ１とＷ２）に１２０度位相をずらして通電する、いわゆる１２０度通電を行うことにより、固定子１による回転磁界が発生し、磁気的な吸引力及び反発力により回転子６が回転する。
【００５２】
このとき、ギャップ５に作用する永久磁石８の磁束密度分布は、従来例よりも大きくかつ１２０度通電区間に集中するので、電動機効率が向上する。本実施例の電送機の磁束密度分布を図５に示す。
【００５３】
本実施例と永久磁石の磁気中心が１点である従来例との、ギャップ５部の磁束密度分布の違いを図１５に示す。
【００５４】
図１５から、本発明のギャップ５部の磁束密度の最大値は、０.４８５ テスラであり、永久磁石の持つ磁束密度０.３７５テスラの約１.３倍であることがわかる。しかし、従来例では約１.１ 倍であり、本発明のほうが従来例よりも優れていることが分かる。また、本実施例の電動機の非通電区間の磁束密度は、従来例の非通電区間の磁束密度よりも小さく、磁束が１２０度の通電区間（図１５の電気角３０度〜１５０度）に集中していることが明らかである。
【００５５】
図６に、本実施例と従来例との電動機効率の比較を示す。図６では本実施例，従来例とも電動機効率が最大となるような転流位相に制御する。図６から、本実施例は、特に低回転数において効率向上効果が大きいことがわかる。
【００５６】
（実施例２）
図１６に、本発明の第２の実施例である永久磁石式回転電機を示す。本実施例では、２つの磁気中心を持つＶ字型の永久磁石８ａを用いている。永久磁石８ａの凹部が固定子１側になるように配置している。
【００５７】
この場合も、ギャップ５に作用する永久磁石８の磁束密度分布は、従来例よりも大きくかつ１２０度通電区間に集中しており、電動機効率が向上する。図６に、本実施例と従来例との電動機効率の比較を示す。図６から、第１の実施例（図１）の場合と同様に、特に低回転数において効率向上の効果が大きいことがわかる。すなわち、決められた回転子外径，軸長の中で、永久磁石の発生磁束量を最大にとれる形状が高効率となる。
【００５８】
なお本発明は、１２０度通電以外の場合、たとえば１８０度通電でもよく、永久磁石の個数（極数）は４極以外でもよい。また、固定子のスロット数も２４個以外でもよい。さらに永久磁石８はフェライト磁石以外でもよく、また、弧状であれば楕円の一部でもよいなど、本発明は要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施できることは言うまでもない。
【００５９】
ここで、第１の実施例で説明した弧状の永久磁石８を用いた電動機と、本実施例のＶ字型の永久磁石８ａを用いた電動機を比較する。
【００６０】
回転子鉄心７の内部に永久磁石が埋め込まれた永久磁石式回転電機のトルクは（１）式以外に次式（１′）でも表すことができる。
【００６１】
Ｔ＝ψＩq＋(Ｌq−Ｌd)Ｉq×Ｉd …（１′）
Ｔ：電動機のトルク，ψ：永久磁石による磁束，Ｌq：ｑ軸インダクタンス、 Ｌd：ｄ軸インダクタンス，Ｉq：ｑ軸巻線電流，Ｉd：ｄ軸巻線電流
（１）式において第１項は永久磁石の主磁束によるトルクで、永久磁石の回転軸側の表面積に比例する。第２項は隣り合う磁石との間の鉄心部の補助磁極によるリラクタンストルクで、隣り合う磁石との間の距離に比例する。回転子鉄心７の表面に永久磁石を配置した表面磁石型電動機のトルクは、第１項だけで、第２項を持たない。第１の実施例および本実施例のような磁石埋め込み型電動機のトルクは、第１項と第２項の両方を持つので、表面磁石型電動機よりも高効率となる。
【００６２】
回転子鉄心のポールピース角度θを同じにして、弧状の永久磁石８を用いた電動機と、Ｖ字型永久磁石８ａを用いた電動機とを比較すると、Ｖ字型永久磁石８ａよりも永久磁石８の回転軸側の表面積が広い。従って、弧状の永久磁石８を用いた電動機のほうが、永久磁石が作る主磁束が大きいので、第１項によるトルクが大きい。
【００６３】
隣り合う磁石との間の距離は、Ｖ字型永久磁石８ａを用いた電動機の方が大きい。従って、Ｖ字型永久磁石８ａを用いた電動機のほうが第２項によるリラクタンストルクが大きい。しかし、１２０度通電を行う場合、リラクタンストルクは発生しにくい。従って、１２０通電を行う場合は、弧状の永久磁石８を用いた電動機のほうがトルクが大きい。
【００６４】
図１７に、磁気中心がａ，ｂ，ｃの３点の場合を、図１８にａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅの５点の場合の例を示す。本実施例では磁気中心を多くすることにより、磁束を発生する永久磁石の面積を増加させることができ、磁束の集磁効果が上昇し、ギャップ部の磁束密度を磁石の持つ磁束密度よりも高くすることができる。ただし、鉄損が増加するので、ギャップ磁束密度／磁石磁束密度の値には有効な区間が存在する。
【００６５】
図１９に、回転数が１０００，３０００，５０００rpm の場合のギャップ磁束密度／磁石磁束密度と効率の関係を示す。図１９から、ギャップ磁束密度／磁石磁束密度が１.２ より大きくなると、５０００rpm の場合よりも３０００rpm の場合の方が高くなって、鉄損の増加による効率悪化の傾向が現れ始める。ギャップ磁束密度／磁石磁束密度が１.５ より大きくなると、回転数が大きいにも関わらず、効率が低下し始める。したがって、ギャップ磁束密度／磁石磁束密度の比は１.２〜１.５が良い。
【００６６】
回転数が１０００，３０００，５０００rpm の場合の磁気中心の数と効率の関係を図２０に示す。図２０から、磁気中心が多いほど磁石の表面積が広くなって磁束が集中するので、効率が増加することがわかる。ただし、同じ固定子１を用いているので、鉄損の影響によって、高回転数の場合は磁気中心が２点のときが最も高効率となる。
【００６７】
（実施例３）
図２１に、本発明の永久磁石式電動機をエアコンディショナー用のスクロール圧縮機に適用した例を示す。まず全体構成を説明する。
【００６８】
図２１に示すスクロール圧縮機は、密閉容器２１内の上部にポンプ部（圧縮機構部），下部に電動機部が収納されている。ポンプ部は、固定スクロール２２，旋回スクロール２３，フレーム２４，オルダムリング３１を主要構成要素としている。固定スクロール２２の吸込口２７には、外部サイクルに接続する吸込パイプ３２が圧入されている。
【００６９】
固定スクロール２２と旋回スクロール２３とで圧縮室２６を形成している。
【００７０】
旋回スクロールのボス部には、クランク軸２５の偏心部２５ａが回転自在に嵌入されている。台板部の溝およびフレーム２４の溝（図示せず）には、オルダムリング３１が摺動自在に配設されている。フレーム２４には、旋回スクロール２３の台板を支持するための座面、オルダムリング３１が摺動する面、およびクランク軸２５を支えるスラスト面および主軸受けが設けられる。
【００７１】
更に、フレーム外周部は固定スクロール２２とボルト３３により締結され、外周側面は、スポット溶接により密閉客器２１に固定されている。クランク軸２５には、電動機を構成するロータ３０が嵌着されている。電動機を構成するステータ２９は密閉客器２１内に固定されている。３６は、クランク軸２５の下部を支持する軸受けである。
【００７２】
本発明の永久磁石式電動機をスクロール圧縮機に適用すると、電動機効率がよいので、高い電力効率で熱交換を行うことができる。
【００７３】
以上の実施例で説明した永久磁石式回転電機は、いずれも、固定子が回転子を取り囲む内側回転の永久磁石式回転電機である。しかし、回転子が固定子を取り囲む外側回転の永久磁石式回転電機に本発明を適用してもよい。ポールピース角度θ，スロットピッチ角度τsおよびスリット幅角度Ｓがθ＝ｎ×τs＋Ａ×Ｓの関係になるように、外側回転子に永久磁石を配置すると、外側回転の永久磁石式回転電機は、誘起電圧の波形を正弦波に近くし、センサレス制御を容易にすると共に、駆動トルクを大きくすることができる。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、永久磁石の面積を大きくでき、固定子と回転子との間のギャップ中に作用する永久磁石による磁束密度を大きくすることができるので、駆動トルクをより大きくすることができる。また、ギャップ中に作用する永久磁石による磁束密度を大きくすることにより、永久磁石式回転電機を小型化あるいは駆動効率向上を可能とする。
【００７５】
また、通電区間に対応する部分で、固定子と回転子との間のギャップ中に作用する永久磁石による磁束密度をより大きくすれば、非通電区間に対応する部分の磁束をより減らすことができ、駆動トルクをより大きくすることができる。
【００７６】
本発明の永久磁石式回転電機によれば、回転子の各永久磁石のポールピース角度θが、スロットピッチ角度τs 及びスリット幅角度Ｓとほぼ、
θ＝ｎ×τs＋Ａ×Ｓ
（ｎは整数、Ａはスロット部の磁束の流れに依存する０≦Ａ≦１の定数、角度θ，τs およびＳは機械角）
で示す関係とすることにより、誘起電圧波形が正弦波に近くなり、センサレス制御を容易とし、電動機効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例の永久磁石式回転電機の一部の断面図。
【図２】第１の実施例の永久磁石式回転電機の断面図。
【図３】回転子鉄心７における押圧力Ｆと遠心力Ｇを示す図。
【図４】回転子鉄心７を連結するリベット１２を示す図。
【図５】回転子鉄心７の磁束密度分布を示す図。
【図６】実施例１，実施例２および従来例の効率を比較する図。
【図７】回転子鉄心７を連結する８本のリベット１２を示す図。
【図８】ポールピース側角度θを変えた場合の誘起電圧波形を示す図。
【図９】永久磁石のポールピース側角度θと波形狂い率との関係を示す図。
【図１０】φを変えた場合の誘起電圧波形を示す図。
【図１１】φと波形狂い率との関係を示す図。
【図１２】スリット幅角度Ｓを変えた場合の誘起電圧波形を示す図。
【図１３】スリット幅角度Ｓと波形狂い率との関係を示す図。
【図１４】スロットピッチτsを変えた場合の誘起電圧波形を示す図。
【図１５】実施例１と従来例のギャップ部の磁束密度を比較した図。
【図１６】第２の実施例である永久磁石式回転電機を示す図。
【図１７】磁気中心が３点の２の永久磁石式回転電機を示す図。
【図１８】磁気中心が５点の２の永久磁石式回転電機を示す図。
【図１９】ギャップ磁束密度／磁石磁束密度と効率の関係を示す図。
【図２０】磁気中心数と効率の関係を示す図。
【図２１】本発明の電動機を利用したスクロール圧縮機の縦断面図。
【符号の説明】
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ…磁束集中点、１…固定子、２…固定子鉄心、３…固定子スロット、４…固定子開口部、５…ギャップ、６…回転子、７…回転子鉄心、
８ａ…永久磁石、９…回転軸、θ…ポールピース角度、Ｓ…スリット幅角度、
τs …スロットピッチ角度。
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子鉄心の内部に複数個の永久磁石を埋め込んだ回転子を備えた永久磁石式回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石式回転電機は、界磁極の磁束を永久磁石から得られ、誘導電動機に比べて高効率で制御も比較的容易であるので、１ｋＷ以下のブラシレス直流電動機として多く採用されている。
【０００３】
永久磁石式回転電機においては、特開平6−339240 号公報に記載されているように、高トルク化及び高効率化を図った電動機が開発されている。これは次のような構成となっている。
【０００４】
固定子は複数個のスロットを有し、これらのスロットに三相の固定子巻線が巻かれている。回転子は回転軸に回転子鉄心を嵌合固着したものである。回転子鉄心には、回転軸の垂直な断面が円弧状である永久磁石が複数個組み込まれている。固定子は回転子を取り囲み、固定子と回転子との間には所定のギャップがある。
【０００５】
各永久磁石は凸部が回転軸側（中心側）に向くように配置されている。また、永久磁石はＮ極とＳ極が交互になるように着磁されている。この永久磁石の着磁は磁気異方性（磁気配向）を持たせ、磁気は１点に集中する。すなわち、磁気中心は１つである。この電動機は可変速運転を行うために１２０度通電のインバータで回転数制御を行っている。
【０００６】
さらに、この永久磁石形回転機では、回転子鉄心は永久磁石を挿入するための打抜穴を開けた鋼板を多数積層して作られている。鋼板は、打抜穴が一致するように積層される。永久磁石回転子では、永久磁石を鉄心内部に確実に固定する必要がある。
【０００７】
特開平7−322538 号は、回転子鉄心の内部に、弧状の永久磁石が凹部を回転軸側に向けて配置され、永久磁石と回転軸の間に永久磁石を回転子鉄心に固定するための押圧部が設けられている永久磁石式回転電機を記載する。この永久磁石式回転電機においては、永久磁石を回転子鉄心に固定するための押圧力が全て遠心力と同方向である。したがって、遠心力を支える回転子鉄心の部位は、永久磁石間のブリッジ部のみとなるため、回転数が数千回転の場合、ブリッジ部を厚くする必要があり、その分永久磁石が小さくなって、永久磁石から得られる磁束量が減少するという欠点がある。
【０００８】
特開平9−9537 号は、回転子鉄心の内部に、磁石をＶ字型に配置した永久磁石形回転機を記載する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような従来の永久磁石式回転電機においては、永久磁石の磁気の配列によって様々なギャップ磁束分布が得られる。電動機のトルクは、固定子巻線に電流が流れている間だけ発生し、次の（１）式で表せる。
【００１０】
Ｔ＝ｍ×Ｋ×Ｂ×Ｉq＋(Ｌq−Ｌd)Ｉq×Ｉd …（１）
Ｔ：電動機のトルク，ｍ：電動機の相数，Ｋ：固定子巻線の巻線などに関係する定数，Ｂ：ギャップの磁束密度，Ｌq：ｑ軸インダクタンス，Ｌd：ｄ軸インダクタンス，Ｉq：ｑ軸巻線電流，Ｉd：ｄ軸巻線電流
（１）式においてトルクを増大させるためには、固定子と回転子との間のギャップにおける磁束密度を大きくし、磁石の磁束を集中させることが必要である。
また、１２０度（電気角）通電する方式では、永久磁石が１極分として発生する磁束の１２０度（電気角）分だけがトルクとして作用するため、特開平6− 339240号の図３の斜線部で示される非通電区間、すなわち０度〜３０度及び150度〜１８０度（電気角）の領域の磁束は無駄になっている。
【００１１】
本発明の目的は、固定子と回転子との間のギャップ中に作用する永久磁石による磁束がより増加されて、駆動トルクがより大きい永久磁石式回転電機を提供することである。
【００１２】
また、従来の構成の永久磁石式回転電機においては、磁束変化が連続的な表面磁石型と比較し、鉄部の補助磁極が存在するため磁束の変化が激しく、誘起電圧波形に高調波成分が存在し、波形が正弦波と比較し歪み波形となる。歪み波形は特にセンサレス制御を困難とするため、制御上の制約が多かった。
【００１３】
本発明の他の目的は、誘起電圧の波形を正弦波に近くし、センサレス制御を容易にすると共に、電動機の駆動トルクを大きくし、小型化あるいは駆動効率向上を可能とする永久磁石式回転電機を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の特徴は、回転子鉄心の内部に埋め込まれた永久磁石が、回転軸に垂直な断面において弧状の形状を有し、複数の磁気中心を有し、かつ、弧状の凹部が固定子方向に向くように配置されていることにある。ここで、弧状の凹部が固定子方向に向くとは、内側回転型の永久磁石式回転電機においては、固定子は回転子の外側にあるから、弧状の凹部が外側方向を向く（凸部が回転軸方向を向く）ことであり、外側回転型の永久磁石式回転電機においては、固定子は内側にあるから、弧状の凹部が内側方向を向く（凸部が径方向外側を向く）ことである。
【００１５】
本発明によれば、永久磁石の面積を大きくでき、固定子と回転子との間のギャップ中に作用する永久磁石による磁束密度を大きくすることができるので、駆動トルクをより大きくすることができる。また、ギャップ中に作用する永久磁石による磁束密度を大きくすることにより、永久磁石式回転電機を小型化あるいは駆動効率向上を可能とする。
【００１６】
また、通電区間に対応する部分で、固定子と回転子との間のギャップ中に作用する永久磁石による磁束密度をより大きくすれば、非通電区間に対応する部分の磁束をより減らすことができ、駆動トルクをより大きくすることができる。
【００１７】
本発明の他の特徴は、固定子のスロットピッチ角度をτs ，前記固定子のスリット幅角度をＳとしたとき、回転子のポールピース角度θが、ほぼ、
θ＝ｎ×τs ＋Ａ×Ｓ
（ｎは整数、Ａはスロット部の磁束の流れに依存する０≦Ａ≦１の定数、角度θ，τs およびＳは機械角）
で示されることにある。
【００１８】
この特徴によれば、誘起電圧波形が正弦波に近くなり、センサレス制御を容易とし、電動機効率を向上させることができる。
【００１９】
スロットとは固定子巻線を巻くために固定子に設けられた溝であり、スロットピッチ角度とは、スロットピッチが回転軸を中心にして作る中心角である。スリットとはスロットの開口部であり、スリット幅角度とはスリットが回転軸を中心にして作る中心角である。ポールピースとは、回転子の鉄心のうち、永久磁石と回転子の外周との間の鉄心部分であり、ポールピース角度とは、ポールピースと永久磁石との境界が回転軸を中心にして作る中心角である。
【００２０】
また、本発明の永久磁石式回転電機は、固定子の回りに回転子を配置した外側回転の永久磁石式回転電機としてもよく、上述した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明の第１の実施例である三相４極の永久磁石式回転電機を説明する。図２は、永久磁石式回転電機の回転軸に垂直な断面図である。図１は、図２の永久磁石式回転電機の４極のうち、１極の部分を拡大して示したものである。図２において、固定子１は、２４個のスロット３が形成された固定子鉄心２と、スロット３に挿入されたＵ相の固定子巻線Ｕ+ ，Ｕ- 、及びＶ相の固定子巻線Ｖ+ ，Ｖ- 、並びにＷ相の固定子巻線Ｗ+ ，Ｗ- とで構成されている。各スロット３は開口部４をもつ。開口部４はスリットとも呼ばれる。
【００２２】
回転子６は、回転軸９と、回転軸９に嵌合固着された回転子鉄心７と、回転子鉄心７に挿入して組み込まれたフェライト製の永久磁石８を４個とで主に構成される。固定子１は回転子６を取り囲み、固定子１と回転子６との間には所定のギャップ５がある。
【００２３】
回転子鉄心７のうち、永久磁石８と回転子６の外周との間の鉄心部分はポールピースと呼ばれる。
【００２４】
回転軸９に垂直な永久磁石８の断面の形状は弧状で、弧の中心は、図１に示すようにａ及びｂ点の２点である。永久磁石８は凹部が固定子方向を向くように回転子鉄心７に配置されている。隣り合う永久磁石８の極性が逆になるように、つまり４つの永久磁石８はＮ極とＳ極とが交互になるようにそれぞれ着磁されている。
【００２５】
永久磁石８は図１に示すように、磁束がａ，ｂの２カ所に集中するよう着磁されている。
【００２６】
図５に示す永久磁石８は、曲率中心のずれた２つの弧状の断面を有する。隣り合う永久磁石８との間の距離、すなわち補助磁極の幅は、径方向の中間部で最小となり、中間部から外周側に向かってその距離が大きくなっている。
【００２７】
例えば、出力１ｋｗ，半径１１２mmの電動機においては、２つの磁気中心点間の距離（図５でｄ１で示す）は１mm、隣り合う永久磁石との最小距離（図５でｄ２で示す）は２mm、中間半径部から離れるに従ってその距離が大きくなり最大値(図５でｄ４で示す）は約６mmとなっている。また、回転軸９の表面とは０.５mmの距離（図５でｄ３で示す）である。
【００２８】
図２の回転子鉄心７は、硅素鋼板を多数枚積層して作られている。硅素鋼板には、永久磁石８を挿入するための孔７ａと硅素鋼板を連結するリベットを押し入れる穴７ｂが形成されている。穴７ｂは、永久磁石８ａよりも外周側に設けられている。
【００２９】
図３に示すように、穴７ａにリベットを押し入れると、穴７ａより同心円状に押圧力Ｆが加わる。この押圧力Ｆは回転子６が回転することにより発生する遠心力Ｇと反対向きの力であり、永久磁石８ａを強固に固定することができる。
【００３０】
更に、図４に示すように、リベット１２は端板１３で固定されるので、遠心力Ｇを端板１３で支えることができる。従って、遠心力を支える部位として、ブリッジ部以外にリベット及び端板でも支える構造であるので、強固に永久磁石を固定することができる。
【００３１】
ここで、穴７ｂが永久磁石８よりも外周側にある回転子６について、永久磁石８が作る磁束の変化及び効率の変化を検討した。
【００３２】
検討に用いた電動機は出力１ｋｗ，トルク０.１９kg−ｍ(一定）、定格回転数５０００rpm の電動機である。図５に本実施例の電動機における磁束密度分布を示す。図６に磁性体のリベットを用いた場合の本実施例の電動機とリベットを永久磁石よりも回転軸側で押し入れた従来型の電動機（特開平7−322538 号の図６を参照）との回転数−効率特性の違いを示す。
【００３３】
図５から、穴７ａを永久磁石８よりも外周側に設けても磁束密度分布には余り影響ないことがわかる。図６から、磁性体のリベットを用いても、効率が劣化することはないことが明らかである。
【００３４】
ただし、リベット１２が回転子鉄心７と電気的に絶縁されていないと、回転子６の回転軸方向に大きな渦電流のループができるので、効率が低下する。従って、リベット１２は回転子鉄心７と電気的に絶縁されているほうがよい。リベット１２は絶縁体か、もしくは絶縁された磁性体がよい。
【００３５】
図７に示す回転子６は、４つのポールピースに、それぞれ２つずつ穴７ｂを設け、磁性体のリベット１２と非磁性体のリベット１４を対にして用いたものである。回転子６は１極の範囲では非対称であるが、回転子６の全周ではバランスがとれた回転電機である。
【００３６】
次に、回転子６のポールピース、固定子１のスロットピッチおよびスリットのそれぞれの中心角の関係を図１を用いて説明する。
【００３７】
回転子６のポールピースが回転軸を中心にして作る中心角（以下ポールピース角度と呼ぶ）θを、スロットピッチが回転軸を中心にして作る中心角（以下、スロットピッチ角度と呼ぶ）τs 、及びスリットが回転軸を中心にして作る中心角(以下、スリット幅角度と呼ぶ)Ｓで表すと、
θ＝ｎ×τs ＋Ａ×Ｓ
（ｎは整数、Ａはスロット部の磁束の流れに依存する０≦Ａ≦１の定数、角度は機械角）
で示すような関係に設定されている。スロットピッチ角度τs が１５度、スリット幅角度Ｓが６.７度のときに、特にｎ＝３，Ａ＝０.７とするとポールピース角度θは４９.７度となる。なお、実用的にはポールピース角度をθ＝ｎ×τs＋Ａ×Ｓ±１の範囲内で選択しても良い。
【００３８】
誘起電圧の波形とポールピース角度θとの関係を明らかにするため、とポールピース角度θをθ＝５４.７，４９.７，４４.７ 度と変化させた場合の誘起電圧波形を図８に示す。ただし、永久磁石８が回転軸を中心にして作る中心角φ＝８８.２度とスリット幅角度Ｓ＝６.７度を一定とする。
【００３９】
図８から、誘起電圧波形は、θ＝５４.７ 度の場合は５つの山の凸波形、θ＝４４.７ 度の場合は５つの谷の凹波形である。誘起電圧波形が正弦波に最も近くなるのはθ＝４９.７ 度の場合である。正弦波に近いということを定量的に評価するため、誘起電圧波形が正弦波であれば、電気角９０度におけるピーク電圧が実効値の√２倍であることより、波形狂い率＝電気角９０度における電圧／（電圧実効値×√２）と定義して値を求めた。凸波形は狂い率が１より大きくなり、凹波形は狂い率が１より小さくなる。狂い率が１に近いほど波形は正弦波に近いと言える。その結果を図９に示す。
【００４０】
図９から、波形狂い率が１に近いのはθ＝４９.７ 度の場合であり、本実施例で求めたθ，τs，Ｓの関係を持つ電動機の優位さが定量的に評価できる。
【００４１】
次に、誘起電圧の波形と永久磁石８が回転軸を中心にして作る中心角φとの関係を明らかにするため、φ＝８８.２，７８.２度と変化させた場合の誘起電圧波形を図１０に示す。ただし、ポールピース角度θ＝４９.７ 度とスリット幅角度Ｓ＝６.７度を一定とする。φと波形狂い率との関係を図１１に示す。
【００４２】
図１０から、φが変化しても誘起電圧波形の形はほとんど変化しないことがわかる。図１１から、波形狂い率がほとんど同じことがわかる。従って、φは誘起電圧波形を変化させないことが明らかである。
【００４３】
最後に、誘起電圧の波形とスリット幅角度Ｓとの関係を明らかにするため、スリット幅角度Ｓ＝８.７，６.７，２.７ 度と変化させた場合の誘起電圧波形を図１２に示す。ただし、ポールピース角度θ＝４９.７度とφ＝８８.２度を一定とする。Ｓと波形狂い率との関係を図１３に示す。
【００４４】
図１２から、Ｓが変化すると誘起電圧波形の形が変化することがわかる。図１３から、波形狂い率が大きく変化することがわかる。従って、Ｓは誘起電圧波形と密接な関係があることが分かる。
【００４５】
なお、スロットピッチτsが変化すると誘起電圧波形が変化する。確認のためスロットピッチτs＝１５，３０で、他の条件は一定の場合の誘起電圧波形を図１４に示す。図１４から、スロットピッチτｓが変化すると誘起電圧波形が変化することがわかる。
【００４６】
以上より、誘起電圧波形を正弦波に近くするためには、ポールピース角度θが、スロットピッチ角度τs 及びスリット幅角度Ｓに対し、ほぼ、
θ＝ｎ×τs＋Ａ×Ｓ …（２）
（ｎは整数、Ａはスロット部の磁束の流れに依存する０≦Ａ≦１の定数、角度θ，τs およびＳは機械角）
で示す関係を持つことが必要である。
【００４７】
更に、スリット幅角度Ｓの誘起電圧波形変化への有効度を示す定数Ａは、磁石の強さや、スロット形状により変化するが、磁石がフェライトの場合はＡ＝0.7程度となる。
【００４８】
一方、ｎであるが、誘起電圧波形とｎは、
２ｎ×τs＋Ａ×Ｓ＜θ＜(２ｎ＋１)×τs＋Ａ×Ｓ （ｎは整数）
の場合には、凹波形となり、他方、
(２ｎ＋１)×τs＋Ａ×Ｓ＜θ＜(２ｎ＋２)×τs＋Ａ×Ｓ （ｎは整数）
の場合には、凸波形となる。
【００４９】
上記実施例において、τs ＝１５度，Ａ＝０.７，Ｓ＝６.７度として具体的に示すと、
４.７＜θ＜１９.７ ・・・凹波形
１９.７＜θ＜３４.７ ・・・凸波形
３４.７＜θ＜４９.７ ・・・凹波形
４９.７＜θ＜６４.７ ・・・凸波形となる。
【００５０】
誘起電圧のピーク値は、凹波形から凸波形に変化するときに階段状に増加するので、θが凹波形から凸波形に変化する条件、すなわちｎが奇数の場合が有効である。
【００５１】
このように構成された電動機は、従来と同様に、インバータ電源により給電される。Ｕ相が、Ｖ相及びＷ相の各相の隣接する固定子巻線（たとえば、Ｕ相のＵ１とＵ２，Ｖ相のＶ１とＶ２，Ｗ相のＷ１とＷ２）に１２０度位相をずらして通電する、いわゆる１２０度通電を行うことにより、固定子１による回転磁界が発生し、磁気的な吸引力及び反発力により回転子６が回転する。
【００５２】
このとき、ギャップ５に作用する永久磁石８の磁束密度分布は、従来例よりも大きくかつ１２０度通電区間に集中するので、電動機効率が向上する。本実施例の電送機の磁束密度分布を図５に示す。
【００５３】
本実施例と永久磁石の磁気中心が１点である従来例との、ギャップ５部の磁束密度分布の違いを図１５に示す。
【００５４】
図１５から、本発明のギャップ５部の磁束密度の最大値は、０.４８５ テスラであり、永久磁石の持つ磁束密度０.３７５テスラの約１.３倍であることがわかる。しかし、従来例では約１.１ 倍であり、本発明のほうが従来例よりも優れていることが分かる。また、本実施例の電動機の非通電区間の磁束密度は、従来例の非通電区間の磁束密度よりも小さく、磁束が１２０度の通電区間（図１５の電気角３０度〜１５０度）に集中していることが明らかである。
【００５５】
図６に、本実施例と従来例との電動機効率の比較を示す。図６では本実施例，従来例とも電動機効率が最大となるような転流位相に制御する。図６から、本実施例は、特に低回転数において効率向上効果が大きいことがわかる。
【００５６】
（実施例２）
図１６に、本発明の第２の実施例である永久磁石式回転電機を示す。本実施例では、２つの磁気中心を持つＶ字型の永久磁石８ａを用いている。永久磁石８ａの凹部が固定子１側になるように配置している。
【００５７】
この場合も、ギャップ５に作用する永久磁石８の磁束密度分布は、従来例よりも大きくかつ１２０度通電区間に集中しており、電動機効率が向上する。図６に、本実施例と従来例との電動機効率の比較を示す。図６から、第１の実施例（図１）の場合と同様に、特に低回転数において効率向上の効果が大きいことがわかる。すなわち、決められた回転子外径，軸長の中で、永久磁石の発生磁束量を最大にとれる形状が高効率となる。
【００５８】
なお本発明は、１２０度通電以外の場合、たとえば１８０度通電でもよく、永久磁石の個数（極数）は４極以外でもよい。また、固定子のスロット数も２４個以外でもよい。さらに永久磁石８はフェライト磁石以外でもよく、また、弧状であれば楕円の一部でもよいなど、本発明は要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施できることは言うまでもない。
【００５９】
ここで、第１の実施例で説明した弧状の永久磁石８を用いた電動機と、本実施例のＶ字型の永久磁石８ａを用いた電動機を比較する。
【００６０】
回転子鉄心７の内部に永久磁石が埋め込まれた永久磁石式回転電機のトルクは（１）式以外に次式（１′）でも表すことができる。
【００６１】
Ｔ＝ψＩq＋(Ｌq−Ｌd)Ｉq×Ｉd …（１′）
Ｔ：電動機のトルク，ψ：永久磁石による磁束，Ｌq：ｑ軸インダクタンス、 Ｌd：ｄ軸インダクタンス，Ｉq：ｑ軸巻線電流，Ｉd：ｄ軸巻線電流
（１）式において第１項は永久磁石の主磁束によるトルクで、永久磁石の回転軸側の表面積に比例する。第２項は隣り合う磁石との間の鉄心部の補助磁極によるリラクタンストルクで、隣り合う磁石との間の距離に比例する。回転子鉄心７の表面に永久磁石を配置した表面磁石型電動機のトルクは、第１項だけで、第２項を持たない。第１の実施例および本実施例のような磁石埋め込み型電動機のトルクは、第１項と第２項の両方を持つので、表面磁石型電動機よりも高効率となる。
【００６２】
回転子鉄心のポールピース角度θを同じにして、弧状の永久磁石８を用いた電動機と、Ｖ字型永久磁石８ａを用いた電動機とを比較すると、Ｖ字型永久磁石８ａよりも永久磁石８の回転軸側の表面積が広い。従って、弧状の永久磁石８を用いた電動機のほうが、永久磁石が作る主磁束が大きいので、第１項によるトルクが大きい。
【００６３】
隣り合う磁石との間の距離は、Ｖ字型永久磁石８ａを用いた電動機の方が大きい。従って、Ｖ字型永久磁石８ａを用いた電動機のほうが第２項によるリラクタンストルクが大きい。しかし、１２０度通電を行う場合、リラクタンストルクは発生しにくい。従って、１２０通電を行う場合は、弧状の永久磁石８を用いた電動機のほうがトルクが大きい。
【００６４】
図１７に、磁気中心がａ，ｂ，ｃの３点の場合を、図１８にａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅの５点の場合の例を示す。本実施例では磁気中心を多くすることにより、磁束を発生する永久磁石の面積を増加させることができ、磁束の集磁効果が上昇し、ギャップ部の磁束密度を磁石の持つ磁束密度よりも高くすることができる。ただし、鉄損が増加するので、ギャップ磁束密度／磁石磁束密度の値には有効な区間が存在する。
【００６５】
図１９に、回転数が１０００，３０００，５０００rpm の場合のギャップ磁束密度／磁石磁束密度と効率の関係を示す。図１９から、ギャップ磁束密度／磁石磁束密度が１.２ より大きくなると、５０００rpm の場合よりも３０００rpm の場合の方が高くなって、鉄損の増加による効率悪化の傾向が現れ始める。ギャップ磁束密度／磁石磁束密度が１.５ より大きくなると、回転数が大きいにも関わらず、効率が低下し始める。したがって、ギャップ磁束密度／磁石磁束密度の比は１.２〜１.５が良い。
【００６６】
回転数が１０００，３０００，５０００rpm の場合の磁気中心の数と効率の関係を図２０に示す。図２０から、磁気中心が多いほど磁石の表面積が広くなって磁束が集中するので、効率が増加することがわかる。ただし、同じ固定子１を用いているので、鉄損の影響によって、高回転数の場合は磁気中心が２点のときが最も高効率となる。
【００６７】
（実施例３）
図２１に、本発明の永久磁石式電動機をエアコンディショナー用のスクロール圧縮機に適用した例を示す。まず全体構成を説明する。
【００６８】
図２１に示すスクロール圧縮機は、密閉容器２１内の上部にポンプ部（圧縮機構部），下部に電動機部が収納されている。ポンプ部は、固定スクロール２２，旋回スクロール２３，フレーム２４，オルダムリング３１を主要構成要素としている。固定スクロール２２の吸込口２７には、外部サイクルに接続する吸込パイプ３２が圧入されている。
【００６９】
固定スクロール２２と旋回スクロール２３とで圧縮室２６を形成している。
【００７０】
旋回スクロールのボス部には、クランク軸２５の偏心部２５ａが回転自在に嵌入されている。台板部の溝およびフレーム２４の溝（図示せず）には、オルダムリング３１が摺動自在に配設されている。フレーム２４には、旋回スクロール２３の台板を支持するための座面、オルダムリング３１が摺動する面、およびクランク軸２５を支えるスラスト面および主軸受けが設けられる。
【００７１】
更に、フレーム外周部は固定スクロール２２とボルト３３により締結され、外周側面は、スポット溶接により密閉客器２１に固定されている。クランク軸２５には、電動機を構成するロータ３０が嵌着されている。電動機を構成するステータ２９は密閉客器２１内に固定されている。３６は、クランク軸２５の下部を支持する軸受けである。
【００７２】
本発明の永久磁石式電動機をスクロール圧縮機に適用すると、電動機効率がよいので、高い電力効率で熱交換を行うことができる。
【００７３】
以上の実施例で説明した永久磁石式回転電機は、いずれも、固定子が回転子を取り囲む内側回転の永久磁石式回転電機である。しかし、回転子が固定子を取り囲む外側回転の永久磁石式回転電機に本発明を適用してもよい。ポールピース角度θ，スロットピッチ角度τsおよびスリット幅角度Ｓがθ＝ｎ×τs＋Ａ×Ｓの関係になるように、外側回転子に永久磁石を配置すると、外側回転の永久磁石式回転電機は、誘起電圧の波形を正弦波に近くし、センサレス制御を容易にすると共に、駆動トルクを大きくすることができる。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、永久磁石の面積を大きくでき、固定子と回転子との間のギャップ中に作用する永久磁石による磁束密度を大きくすることができるので、駆動トルクをより大きくすることができる。また、ギャップ中に作用する永久磁石による磁束密度を大きくすることにより、永久磁石式回転電機を小型化あるいは駆動効率向上を可能とする。
【００７５】
また、通電区間に対応する部分で、固定子と回転子との間のギャップ中に作用する永久磁石による磁束密度をより大きくすれば、非通電区間に対応する部分の磁束をより減らすことができ、駆動トルクをより大きくすることができる。
【００７６】
本発明の永久磁石式回転電機によれば、回転子の各永久磁石のポールピース角度θが、スロットピッチ角度τs 及びスリット幅角度Ｓとほぼ、
θ＝ｎ×τs＋Ａ×Ｓ
（ｎは整数、Ａはスロット部の磁束の流れに依存する０≦Ａ≦１の定数、角度θ，τs およびＳは機械角）
で示す関係とすることにより、誘起電圧波形が正弦波に近くなり、センサレス制御を容易とし、電動機効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例の永久磁石式回転電機の一部の断面図。
【図２】第１の実施例の永久磁石式回転電機の断面図。
【図３】回転子鉄心７における押圧力Ｆと遠心力Ｇを示す図。
【図４】回転子鉄心７を連結するリベット１２を示す図。
【図５】回転子鉄心７の磁束密度分布を示す図。
【図６】実施例１，実施例２および従来例の効率を比較する図。
【図７】回転子鉄心７を連結する８本のリベット１２を示す図。
【図８】ポールピース側角度θを変えた場合の誘起電圧波形を示す図。
【図９】永久磁石のポールピース側角度θと波形狂い率との関係を示す図。
【図１０】φを変えた場合の誘起電圧波形を示す図。
【図１１】φと波形狂い率との関係を示す図。
【図１２】スリット幅角度Ｓを変えた場合の誘起電圧波形を示す図。
【図１３】スリット幅角度Ｓと波形狂い率との関係を示す図。
【図１４】スロットピッチτsを変えた場合の誘起電圧波形を示す図。
【図１５】実施例１と従来例のギャップ部の磁束密度を比較した図。
【図１６】第２の実施例である永久磁石式回転電機を示す図。
【図１７】磁気中心が３点の２の永久磁石式回転電機を示す図。
【図１８】磁気中心が５点の２の永久磁石式回転電機を示す図。
【図１９】ギャップ磁束密度／磁石磁束密度と効率の関係を示す図。
【図２０】磁気中心数と効率の関係を示す図。
【図２１】本発明の電動機を利用したスクロール圧縮機の縦断面図。
【符号の説明】
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ…磁束集中点、１…固定子、２…固定子鉄心、３…固定子スロット、４…固定子開口部、５…ギャップ、６…回転子、７…回転子鉄心、
８ａ…永久磁石、９…回転軸、θ…ポールピース角度、Ｓ…スリット幅角度、
τs …スロットピッチ角度。
Claims (1)
- 固定子と、回転子鉄心の内部に複数個の永久磁石が埋め込まれた回転子とを備える永久磁石式回転電機において、
前記永久磁石はそれぞれ、回転軸に垂直な断面において弧状の形状を有し、複数の磁気中心を有し、かつ、弧状の凹部が固定子方向に向くように配置され、前記固定子のスロットピッチ角度をτｓ，前記固定子のスリット幅角度をＳとしたとき、前記回転子のポールピース角度θが、ほぼ、
θ＝ｎ×τｓ＋Ａ×Ｓ
（ｎは整数、Ａはスロット部の磁束の流れに依存する０≦Ａ≦１の定数、角度θ，τｓおよびＳは機械角）
で示され、かつ、前記回転子の各永久磁石の断面形状が、磁気中心が少なくとも２点であるような線状となるように形成すると共に、これら永久磁石が磁気的に連続である永久磁石式回転電機。
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-
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