JP5972607B2 - 電動機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石を有する回転子を備える電動機に関する。

機器（例えば、冷蔵庫やエアコン等に設けられている圧縮機、車両、車両に搭載されている車載機器）を駆動する駆動装置は電動機を備えている。このような電動機として、特開２００４−３５０３４５号公報に開示されているような、永久磁石を有する回転子を備える電動機が用いられている。図１２に、特開２００４−３５０３４５号公報に開示されている電動機が示されている。図１２は、軸方向に直角な断面図である。
図１２に示されている電動機７００は、固定子７２０と回転子７５０を備えている。固定子７２０は、軸方向に直角な断面でみて、周方向に沿って配置されている複数のティース７３２、隣接するティース７３２により形成される複数のスロット７３５、スロット７３５に挿入されている各相の固定子巻線７４０を有している。回転子７５０は、軸方向に直角な断面でみて、周方向に沿って交互に配置されている主磁極部と補助磁極部を有している。主磁極部には、磁石挿入孔７６１が設けられ、磁石挿入孔７６１には、永久磁石７７１が挿入されている。図１２では、磁石挿入孔７６１と永久磁石７７１は、主磁極部の外周面の周方向中心と回転子７５０の回転中心Ｏを結ぶｄ軸に直交する方向に延びている。永久磁石７７１としては、好適には、フェライト磁石より保持力が大きい希土類磁石が用いられる。図１２に示されている電動機７００は、永久磁石埋込型電動機と呼ばれている。

特開２００４−３５０３４５号公報

近年、このような電動機（永久磁石埋込型電動機）に電力を供給する電力供給装置として、インバータ装置が用いられている。インバータ装置は、回転子７５０が回転方向Ｒの方向に回転するように、回転子７５０の位置に基づいて制御される。さらに、電動機のトルクを高めるために、各相の固定子巻線７４０に誘起される誘起電圧より設定角度αだけ進んだ時点で各相の固定子巻線７４０に電圧が印加されるように制御される（「進角制御」と呼ばれている）。例えば、図１２に示されているように、回転子７５０のｄ軸が、固定子巻線７４０により形成される磁極の中心Ｔより設定角度（「進角」と呼ばれている）αだけ進んだ位置に達した時点で固定子巻線７４０に電圧が印加されるようにインバータ装置が制御される。
ここで、電動機７００を進角制御する場合、図１２に矢印で示されているように、固定子巻線７４０により発生する磁界が、回転子７５０の永久磁石７７１に、永久磁石７７１の着磁方向と逆向きに印加される。このように、永久磁石７７１の着磁方向と逆向きの外部磁界が永久磁石７７１に印加されると、永久磁石７７１が減磁されて電動機の特性が低下する。
永久磁石７７１の減磁を抑制する方法としては、永久磁石７７１の厚さを大きくする方法が考えられる。しかしながら、永久磁石７７１の厚さを大きくすると、永久磁石の使用量が増大する。
このため、永久磁石の減磁を抑制しながら永久磁石の使用量を低減することができる技術が要望されている。特に、希土類磁石は価格が高いため、永久磁石として希土類磁石を使用する場合には強く要望される。
なお、特開２００４−３５０３４５号公報には、最大トルクの低下を抑制しながらトルク脈動を抑制するために、永久磁石と回転子の外周面の間に、径方向に沿って延びているスリットを設ける技術が開示されている。しかしながら、特開２００４−３５０３４５号公報には、永久磁石の減磁を抑制しながら永久磁石の使用量を抑制するための技術は開示されていない。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、永久磁石の減磁を抑制しながら永久磁石の使用量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。

本発明は、固定子、回転子を備え、固定子は、回転子収容空間を形成するティース先端面を有するティースと、ティースにより形成されるスロットと、スロットに挿入されている固定子巻線を有し、回転子は、回転子の外周面とティース先端面との間に間隙を有する状態で回転子収容空間内に配置され、また、軸方向に直角な断面で見て、主磁極部と補助磁極部が周方向に沿って交互に配置され、主磁極部には、磁石挿入孔が設けられ、磁石挿入孔には、永久磁石が挿入されている電動機である。
なお、「軸方向」は、回転子が固定子に対して回転可能に支持されている状態において、回転子の回転中心線の方向を示す。また、「周方向」は、回転子が固定子に対して回転可能に支持されている状態において、軸方向（回転中心線の方向）に直角な断面でみて、回転子の回転中心を中心とする円周方向を示す。
磁石挿入孔は、第１の磁石挿入孔と第２の磁石挿入孔により構成されている。そして、軸方向に直角な断面でみて、第１の磁石挿入孔と第２の磁石挿入孔は、内壁と外壁が周方向に沿って平行に延びており、第２の磁石挿入孔は、第１の磁石挿入孔より回転子の回転方向側に設けられているとともに、第１の磁石挿入孔と第２の磁石挿入孔の間に内周側ブリッジ部が形成されている。「磁石挿入孔が周方向に沿って延びている」という記載は、磁石挿入孔の両端部が周方向に沿って離れている態様を表している。内周側ブリッジ部によって、回転子の強度が向上する。
永久磁石は、第１の磁石挿入孔に挿入されている第１の磁石部と、第２の磁石挿入孔に挿入されている第２の磁石部により構成されている。そして、軸方向に直角な断面でみて、第１の磁石部は、幅Ｗ１で周方向に沿って延び、第２の磁石部は、幅Ｗ２で周方向に沿って延びているとともに、第２の磁石部の厚さＷ２は、第１の磁石部の厚さＷ１より小さく設定されている。「磁石部の厚さ」は、磁石部が延びている方向に直交する方向の長さである。
さらに、軸方向に直角な断面でみて、内周側ブリッジ部と回転子の外周面の間に、径方向に沿って延びているスリットが設けられ、スリットの幅は、回転子の外周面とティース先端面との間の空隙の最大間隔以上に設定されている。「スリットの幅」は、スリットが延びている方向に直交する方向の長さである。
なお、「径方向」は、回転子が固定子に対して回転可能に支持されている状態において、軸方向に直角な断面でみて、回転子の回転中心を通る方向を示す。
本発明では、スリットによって、周方向に沿った磁束の流れが抑制される。このため、例えば、各相の固定子巻線を進角制御する際に、スリットより回転方向側に配置されている第２の磁石部に、第２の磁石部の着磁方向と逆向きの外部磁界が印加されるのを抑制することができる。すなわち、第２の磁石部の厚さを第１の磁石部の厚さより小さく設定しても、各相の固定子巻線により発生する磁束によって第２の磁石部が減磁されるのを抑制することができる。なお、第２の磁石部の厚さを第１の磁石部の厚さより小さく設定しても、総磁束量の低下は小さい。したがって、永久磁石の使用量を抑制しながら永久磁石の減磁を抑制することができる。
本発明の異なる形態では、回転子の外周面は、軸方向に直角な断面でみて、主磁極部のｄ軸と交差している第１の外周面と補助磁極部のｑ軸と交差している第２の外周面が交互に接続されて形成されている。第１の外周面は、ｄ軸上に曲率中心を有する円弧形状に形成されている。また、第２の外周面は、ｑ軸上に曲率中心を有し、第１の外周面の曲率半径より大きい曲率半径を有する円弧形状に形成されている。なお、第１および第２の外周面は、外周方向に凸状に形成されている。好適には、第１の外周面は、ｄ軸上の回転中心を中心とする円弧形状に形成される。
本形態では、回転子の特定箇所に磁束が集中するのを防止することができるとともに、磁束量の変化を小さくして、固定子巻線に誘起される誘起電圧の波形に含まれる高調波成分を低減することができる。これにより、固定子巻線に誘起される誘起電圧を用いて回転子の位置を検出し、検出した回転子の位置に基づいてインバータを制御する場合に、インバータを正確に制御することができ、効率を向上させることができる。
本発明の他の異なる形態では、永久磁石は、軸方向に直角な断面でみて、直線形状、円弧形状およびＶ字形状のいずれかの形状に配置されている。
本発明のさらに他の異なる形態では、第２の磁石部は、第１の磁石部と異なる磁石特性を有している。
本形態では、例えば、第１の磁石部より保持力が大きい第２の磁石部を用いることができる。この場合、第２の磁石部の厚さを小さくしても、総磁束量の低下を抑制することができる。

本発明の電動機を用いることにより、永久磁石の減磁を抑制しながら永久磁石の使用量を抑制することができる。

第１の実施の形態の電動機の断面図である。 図１に示されている回転子の部分拡大図である。 第１の実施の形態の電動機を用いた駆動装置の概略構成図である。 第１の実施の形態の電動機の効果を説明する図である。 進角の最適範囲を定めるパラメータを説明する図である。 進角と減磁電流との関係を示す図である。 第２の実施の形態の電動機で用いられる回転子の断面図である。 第３の実施の形態の電動機で用いられる回転子の断面で図である。 第４の実施の形態の電動機で用いられる回転子の断面で図である。 第５の実施の形態の電動機で用いられる回転子の断面で図である。 第６の実施の形態の電動機で用いられる回転子の断面で図である。 従来の電動機の断面図である。

以下に、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
なお、以下で説明する各実施の形態では、固定子と、固定子の内側に回転可能に支持されている回転子を備えている回転子内転型の電動機について説明する。また、スロット数が２４で、３相４極の固定子巻線が分布巻き方式で各スロットに挿入されている固定子と、極数が４（極対数Ｐが２）となるように永久磁石が配置されている回転子を有する電動機について説明する。勿論、本発明は、これ以外の種々の構成の回転子と固定子を備える電動機として構成することができる。
また、本明細書では、「軸方向」は、回転子が固定子に対して回転可能に支持されている状態において、回転子の回転中心を通る回転中心線の方向を示す。また、「周方向」は、回転子が固定子に対して回転可能に支持されている状態において、軸方向（回転中心線の方向）に直角な断面でみて、回転子の回転中心を中心とする円周方向を示す。また、「径方向」は、回転子が固定子に対して回転可能に支持されている状態において、軸方向（回転中心線の方向）に直角な断面でみて、回転子の回転中心を通る方向を示す。

第１の実施の形態の電動機１００を、図１と図２を参照して説明する。なお、図１は、第１の実施の形態の電動機１００を、軸方向に直角な方向から見た断面図であり、図２は、図１に示されている回転子１５０の部分拡大図である。

本実施の形態の電動機１００は、固定子１２０と回転子１５０により構成されている。
固定子１２０は、固定子コア１３０と、固定子巻線１４０を有している。
固定子コア１３０は、薄板状の電磁鋼板を軸方向に積層し、オートクランプ（カシメピン）等で一体化することによって構成されている。固定子コア１３０は、ヨーク１３１、複数のティース１３２、複数のスロット１３５を有している。
ヨーク１３１は、軸方向に直角な断面でみて、周方向に沿って延びている。本実施の形態では、ヨーク１３１は、環状（略環状を含む）に形成されている。
ティース１３２は、軸方向に直角な断面でみて、ヨーク１３１から径方向に沿って延びている。ティース１３２は、図５に示されているように、ヨーク１３１から径方向内側に延びているティース基部１３３と、ティース基部１３３の先端側に設けられ、周方向に沿って延びているティース先端部１３４を有している。ティース先端部１３４には、回転子１５０と対向する箇所にティース先端面１３２ａが形成されている。本実施の形態では、ティース先端面１３２ａは、軸方向に直角な断面でみて、回転子１５０の回転中心Ｏを中心とする円弧形状に形成されている。そして、回転子１５０は、ティース先端面１３２ａによって形成される回転子収容空間内に、回転子１５０の外周面１５０ａとティース先端面１３２ａとの間に空隙（ギャップ）ｇを有するように回転可能に支持される。
スロット１３５は、ヨーク１３１と周方向に隣接する２つのティース１３２とによって形成される。スロット１３５は、隣接する２つのティース１３２のティース先端部１３４の間にスロット開口部を有している。
固定子巻線１４０は、各スロット１３５に分布巻き方式で挿入されている。本実施の形態では、固定子巻線１４０は、周方向に隣接する３つのティース１３２によって１つの磁極が形成されるように各スロット１３５に挿入されている。

回転子１５０は、回転子コア１６０と永久磁石を有している。
回転子コア１６０は、薄板状の電磁鋼板を軸方向に積層し、オートクランプ（カシメピン）等で一体化することによって構成されている。回転子コア１６０には、回転軸１８０が挿入される回転軸挿入孔１６８が形成されている。回転軸１８０は、圧入方法や焼きバメ方法等によって回転軸挿入孔１６８に挿入される。
また、回転子コア１６０は、周方向に沿って交互に配置されている主磁極部Ａ〜Ｄと補助磁極部ＡＢ〜ＤＡを有している。主磁極部Ａ〜Ｄには、永久磁石が挿入される磁石挿入孔が形成されている。
本実施の形態では、回転子コア１６０は、円筒形状に形成されている。すなわち、軸方向に直角な断面でみて、回転子１５０（回転子コア１６０）の外周面１５０ａは、回転中心Ｏを中心とする円形形状を有している。そして、回転子１５０の外周面１５０ａは、主磁極部Ａ〜Ｄに対応する第１の曲線部分と補助磁極部ＡＢ〜ＤＡに対応する第２の曲線部分により構成されている。第１の曲線部分は、軸方向に直角な断面でみて、回転子１５０の回転中心Ｏと主磁極部Ａ〜Ｄの周方向中心点を結ぶ線（「ｄ軸」と呼ばれている）と交差している。また、第２の曲線部分は、軸方向に直角な断面でみて、回転子１５０の回転中心Ｏと補助磁極部ＡＢ〜ＤＡの周方向中心点とを結ぶ線（「ｑ軸」と呼ばれている）と交差している。

主磁極部Ａ〜Ｄは同じ構成であり、また、補助磁極部ＡＢ〜ＤＡも同じ構成であるため、以下では、図２を参照して、主磁極部Ａについて説明する。
本実施の形態では、主磁極部Ａには、第１の磁石挿入孔１６１と第２の磁石挿入孔１６２が形成されている。すなわち、主磁極部Ａに設けられる磁石挿入孔は、第１の磁石挿入孔１６１と第２の磁石挿入孔１６２により構成されている。
第１の磁石挿入孔１６１と第２の磁石挿入孔１６２は、軸方向に直角な断面でみて、ｄ軸に直交する方向に沿って直線状に延びている。また、第２の磁石挿入孔１６２は、第１の磁石挿入孔１６１より回転子１５０の回転方向Ｒ側に配置されている。本実施の形態では、第１の磁石挿入孔１６１と第２の磁石挿入孔１６２は、ｄ軸を挟んで周方向両側に配置されている。
第１の磁石挿入孔１６１は、内周側に配置されている内壁１６１ａ、外周側に配置されている外壁１６１ｂ、外周部１５０ａに対向する箇所に配置されている外周側端壁１６１ｃ、第２の磁石挿入孔１６２に対応する箇所に配置されている内周側端壁１６１ｄにより形成されている。内壁１６１ａと外壁１６１ｂは、平行（略平行を含む）に、ｄ軸に直角な方向に沿って直線状に延びている。第２の磁石挿入孔１６２は、内周側に配置されている内壁１６２ａ、外周側に配置されている外壁１６２ｂ、外周面１５０ａに対向する箇所に配置されている外周側端壁１６２ｃ、第１の磁石挿入孔１６１に対向する箇所に配置されている内周側端壁１６２ｄにより形成されている。内壁１６２ａと外壁１６２ｂは、平行（略平行を含む）に、ｄ軸に直角な方向に沿って直線状に延びている。なお、磁石挿入孔１６１の内周側端壁１６１ｄと磁石挿入孔１６２の内周側端壁１６２ｄの間には、内周側ブリッジ部１６３が形成されている。また、磁石挿入孔１６１の外周側端壁１６１ｃと回転子１５０の外周面１５０ａの間には、外周側ブリッジ部１６４が形成されている。また、磁石挿入孔１６２の外周側端壁１６２ｃと回転子１５０の外周面１５０ａの間には、外周側ブリッジ部１６５が形成されている。内周側ブリッジ部１６３、外周側ブリッジ部１６４および１６５によって、回転子コア１６０（回転子１５０）の強度が向上する。
第１の磁石挿入孔１６１の幅（内壁１６１ａと外壁１６１ｂの間隔）と第２の磁石挿入孔１６２の幅（内壁１６２ａと外壁１６２ｂの間隔）は、後述する第１の永久磁石１７１の厚さＷ１と第２の永久磁石１７２の厚さＷ２に対応して設定される。
第１の磁石挿入孔１６１（内周側端壁１６１ｄ）と第２の磁石挿入孔１６２（内周側端壁１６２ｄ）の間の内周側ブリッジ部１６３が、本発明の「第１の磁石挿入孔と第２の磁石挿入孔の間の境界部」に対応する。

そして、第１の磁石挿入孔１６１に第１の永久磁石１７１が挿入され、第２の磁石挿入孔１６２に第２の永久磁石１７２が挿入されている。すなわち、主磁極部Ａに設けられる永久磁石は、第１の永久磁石１７１と第２の永久磁石１７２により構成されている。
第１の永久磁石１７１と第２の永久磁石１７２は、軸方向に直角な断面でみて、ｄ軸に直交する方向に沿って直線状に延びている。また、第２の永久磁石１７２は、第２の永久磁石１７１より回転子１５０の回転方向Ｒ側に配置されている。第１の永久磁石１７１および第２の永久磁石１７２は、隙間嵌め等によって第１の磁石挿入孔１６１および第２の磁石挿入孔１６２に挿入される。
永久磁石（第１の永久磁石１７１と第２の永久磁石１７２）は、周方向に隣接する主磁極部Ａ〜Ｄの極性が逆極性となるように配置される。
本実施の形態では、第１の永久磁石１７１より回転方向Ｒ側に配置されている第２の永久磁石１７２の厚さＷ２が、第１の永久磁石１７１の厚さＷ１より小さく設定されている。すなわち、［Ｗ２＜Ｗ１］を満足するように設定されている。また、第２の永久磁石１７２が挿入される第２の磁石挿入孔１６２の幅が、第１の永久磁石１７１が挿入される第１の磁石挿入孔１６１の幅より小さく設定されている。「永久磁石の厚さ」は、軸方向に直角な断面でみて、永久磁石が延びている方向に直角な方向の長さである。また、「磁石挿入孔の幅」は、軸方向に直角な断面でみて、磁石挿入孔が延びている方向に直角な方向の間隔である
第１の永久磁石１７１が、本発明の「第１の磁石部」に対応する。また、第２の永久磁石１７２が、本発明の「第２の磁石部」に対応する。

なお、内壁１６１ａ（１６２ａ）には、第１の永久磁石１７１（第２の永久磁石１７２）の周方向に沿った位置を規制するための凸部１６１ｅ（１６２ｅ）が第１の永久磁石１７１（第２の永久磁石１７２）側に突出して形成されている。これにより、第１の永久磁石１７１（第２の永久磁石１７２）が第１の磁石挿入孔１６１（第２の磁石挿入孔１６２）内に挿入された状態で、第１の磁石挿入孔１６１の外周側端壁１６１ｃ（第２の磁石挿入孔１６２の外周側端壁１６２ｃ）と第１の永久磁石１７１の外周側端壁１７１ｃ（第２の永久磁石１７２の外周側端壁１７２ｃ）の間に空隙部１６１ｆ（１６２ｆ）が形成される。
磁石挿入孔の外周側端壁と永久磁石の外周側端壁の間に空隙部を形成して永久磁石を回転子の外周面から離れて配置することにより、永久磁石の端部がインバータのＰＷＭ制御等による高調波磁界の影響を防止することができる。これにより、永久磁石の端部発熱を減少させて、鉄損を減少させることができる。
なお、空隙部１６１ｆ（１６２ｆ）に非磁性体を充填することもできる。本発明の「空隙部」には、「空隙部に非磁性体が充填されている」構成も包含される。

また、軸方向に直角な断面でみて、第１の磁石挿入孔１６１（第１の永久磁石１７１）と第２の磁石挿入孔１６２（第２の永久磁石１７２）の間の内周側ブリッジ部１６３と回転子１５０の外周面１５０ａの間に、径方向に沿って直線状に延びているスリット１６６が形成されている。
スリット１６６は、軸方向に直角な断面でみて、平行（略平行を含む）に、径方向に沿って直線状に延びている側壁１６６ａおよび１６６ｂ、内周側端壁１６６ｃ、外周側端壁１６６ｄによって形成される。スリット１６６の幅Ｈは、側壁１６６ａと１６６ｂの間隔である。

次に、冷蔵庫やエアコン等に設けられている圧縮機、車両、車両に搭載されている車載機器等の機器を駆動する駆動装置の概略構成を、図３を参照して説明する。
駆動装置は、電動機１００、インバータ装置１０、制御装置２０により構成されている。なお、電動機としては、第１の実施の形態の電動機１００に限定されず、他の実施の形態の電動機を含む本発明の電動機を用いることができる。
インバータ装置１０は、ＦＥＴ等のスイッチング素子を用いて、電動機１００の固定子１２０の各相の固定子巻線１４０に順次電圧を印加可能になるように構成されている。インバータ装置１０としては、交流電圧を直流電圧に変換し、直流電圧を各相の固定子巻線に順次印加可能なインバータ装置や、直流電圧を各相の固定子巻線に順次印加可能なインバータ装置が用いられる。インバータ装置１０としては、公知の種々の構成のものを用いることができる。
制御装置２０は、電動機１００の回転子１５０が定められた回転方向Ｒに回転するように、回転子１５０の位置に基づいてインバータ装置１０を制御する。本実施の形態では、制御装置２０は、各相の固定子巻線１４０が順次１２０度（電気角）の期間電圧が印加されるようにインバータ装置１０を制御する。また、制御装置２０は、各相の固定子巻線１４０に誘起される誘起電圧を用いて回転子１５０の位置を検出している（「センサレス方式」と呼ばれている）。さらに、制御装置２０は、電動機１００のトルクを高めるために、各相の固定子巻線１４０に誘起される誘起電圧より、定められた設定角度α（「進角」と呼ばれている）だけ進んだ時点で各相の固定子巻線１４０に電圧が印加されるようにインバータ装置１０を制御する（「進角制御」と呼ばれている）。
なお、センサレス方式を用いる場合には、停止時における回転子の位置が分らない。このため、始動時には、固定子巻線１４０に微小電流を流して回転子１５０の位置を所定の位置に設定した後に、インバータ装置１０を始動制御する。勿論、回転子１５０の位置を検出する位置検出器（例えば、ホール素子）を用いることもできる。この場合には、始動時の位置設定処理は不要である。

本実施の形態の作用を、図４を参照して説明する。
図１２に示されているように、従来の電動機では、各相の固定子巻線に電力を供給するインバータ装置を進角制御する場合、固定子巻線から発生する、永久磁石の着磁方向と逆向きの磁束が永久磁石に印加される。このため、永久磁石の減磁を抑制するために、永久磁石の厚さを大きくする必要があった。
これに対し、本実施の形態の電動機１００では、主磁極部に設けられる永久磁石を、周方向に沿って延びている第１の永久磁石１７１と第２の永久磁石１７２により構成している。そして、第２の永久磁石１７２を、第１の永久磁石１７１より回転子の回転方向Ｒ側に配置するとともに、第２の永久磁石１７２の厚さＷ２を第１の永久磁石１７１の厚さＷ１より小さく設定している。さらに、第１の磁石挿入孔１６１（第１の永久磁石１７１）と第２の磁石挿入孔１６２（第２の永久磁石１７２）の間の内周側ブリッジ部１６３と、回転子１５０（回転子コア１６０）の外周面１５０ａの間に、径方向に沿って延びているスリット１６６が設けられている。
これにより、本実施の形態の電動機１００の各相の固定子巻線１４０に電力を供給するインバータ装置１０を進角制御する場合、固定子巻線１４０から発生する、永久磁石の着磁方向と逆向きの磁束は、第１の永久磁石１７１には印加されるが、スリット１６６より回転方向Ｒ側に配置されている第２の永久磁石１７２への印加は抑制される。この場合、第１の永久磁石１７１の厚さＷ１が大きく設定されているため、第１の永久磁石１７１の減磁は抑制される。また、第２の永久磁石１７２の厚さＷ２がＷ１より小さく設定されていても、第２の永久磁石１７２への減磁磁束の印加が抑制されているため、第２の永久磁石の減磁は抑制される。
ここで、スリット１６６が設けられてなく、厚さＷ１が２ｍｍの第１の永久磁石１７１と厚さＷ２が２ｍｍの第２の永久磁石１７２を用いた回転子を有する電動機（比較例の電動機）を進角制御した場合には、第１の永久磁石１７１および第２の永久磁石１７２の減磁を抑制することができた。また、スリット１６６が設けられ、厚さＷ１が２ｍｍの第１の永久磁石１７１と厚さＷ２が１ｍｍの第２の永久磁石１７２を用いた回転子を有する電動機（本実施の形態の電動機）を進角制御した場合には、第１の永久磁石１７１および第２の永久磁石１７２の減磁を抑制することができた。この場合、（本実施の形態の電動機）の永久磁石の使用量は、（比較例の電動機）の永久磁石の使用量の７５％である。また、（本実施の形態の電動機）の総磁束量は、（比較例の電動機）の総磁束量の９３％である。したがって、本実施の形態の電動機１００は、総磁束量を大きく低下させることなく、また、永久磁石の減磁を抑制しながら、永久磁石の使用量を低下させることができる。

次に、本実施の形態の電動機１００に電力を供給するインバータ１０を進角制御する場合に、永久磁石の減磁を抑制することができる進角αの範囲について検討する。
進角αを電気角で０度〜９０度の範囲内で変化させた場合の進角αと減磁電流との関係を測定したグラフが図６に示されている。減磁電流は、永久磁石を減磁させる電流の値であり、小さいほど永久磁石が減磁し易いことを表す。なお、図６に示されているグラフは、回転子の極対数Ｐ（＝極数／２）が２（極数が４）、スリット１６６の外周側の開角度θ１が電気角で約５度（機械角で約２．５度）、隣接するティース１３２間の開角度θ２が電気角で約１２度（機械角で約６度）の場合のものである。
ここで、スリット１６６の外周側の開角度θ１および隣接するティース１３２間の開角度θ２は、図５に示されているように定義される。すなわち、θ１は、軸方向に直角な断面でみて、スリット１６６の側壁１６６ａと１６６ｂの外周側の端点をｎ１とｎ２とした時、回転中心Ｏと端点ｎ１およびｎ２を結ぶ線の間の角度である。θ２は、軸方向に直角な断面でみて、隣接するティース１３２のそれぞれのティース基部１３３とティース先端部１３４との接続点をｍ１とｍ２とした時、回転中心Ｏと接続点ｍ１およびｍ２を結ぶ線の間の角度である。θ２は、隣接するティース１３２間の、回転子側の開角度である。
図６から、進角αを０度〜α_ｍａｘの範囲内に設定することにより、永久磁石の減磁を効果的に抑制することができることが理解される。
進角αの最大値α_ｍａｘは、回転子１５０の極数が４（極対数Ｐ＝２）の場合には、以下のように表される。
（電気角）α_ｍａｘ＝［４５＋２×θ１／２＋２×θ２／２］度
（機械角）α_ｍａｘ＝［２２．５＋θ１／２＋θ２／２］度
また、進角αの最大値α_ｍａｘは、回転子１５０の極数が６（極対数Ｐ＝３）の場合には、以下のように表される。
（電気角）α_ｍａｘ＝［４５＋３×θ１／２＋３×θ２／２］度
（機械角）α_ｍａｘ＝［１５＋θ１／２＋θ２／２］度
以上のことから、永久磁石の減磁を効果的に抑制することができる進角αの最大値α_ｍａｘは、以下のように表される。
（電気角）α_ｍａｘ＝［４５＋Ｐ×θ１／２＋Ｐ×θ２／２］度
（機械角）α_ｍａｘ＝［４５／Ｐ＋θ１／２＋θ２／２］度

なお、スリット１６６の幅Ｈは、好適には、固定子１２０のティース先端面１３２ａと回転子１５０の外周面１５０ａとの間の空隙（ギャップ）ｇの最大値より大きくなるように設定される。この場合、外部磁束が、回転子１５０からティース１３２に流れ、スリット１６６が配置されている箇所を通過し難くなる。これにより、スリット１６６より回転方向Ｒ側に配置されている第２の永久磁石１７２の減磁をより抑制することができる。
スリット１６６の長さは、スリット１６６と回転子１５０の外周面１５０ａおよび内周側ブリッジ部１６３との間に形成されるブリッジ部を通過する磁束の量と回転子１５０の強度等に基づいて適切な値に設定される。

第２の実施の形態の電動機で用いられている回転子２５０が図７に示されている。固定子は、第１の実施の形態と同じ構成である。本実施の形態の回転子では、磁石挿入孔と永久磁石の間の空隙部が最小限に低減されあるいは省略されている。
図７に示されている回転子２５０では、第１の実施の形態の回転子１５０に設けられている位置規制用の凸部１６１ｅと１６２ｅが省略されている。そして、第１の磁石挿入孔２６１（第２の磁石挿入孔２６２）の外周側端壁２６１ｃ（２６２ｃ）と第１の永久磁石２７１（第２の永久磁石２７２）の外周側端壁２７１ｃ（２７２ｃ）の間の空隙部が最小限に形成されあるいは省略されている。他の構成は、第１の実施の形態の回転子１５０と同様である。

第３の実施の形態の電動機で用いられる回転子３５０が図８に示されている。固定子は、第１の実施の形態と同じ構成である。本実施の形態の回転子では、１つの磁石挿入孔に厚さの異なる永久磁石が挿入されている。
図８に示されている回転子３５０では、主磁極部Ａには、磁石挿入孔３６１が形成されている。
磁石挿入孔３６１は、軸方向に直角な断面でみて、ｄ軸に直交する方向に沿って直線状に延びている。磁石挿入孔３６１は、内周側に配置されている第１の内壁３６１ａ１および第２の内壁３６１ａ２、外周側に配置されている外壁３６１ｂ、外周面３５０ａに対向する箇所に配置されている外周側端壁３６１ｃおよび３６１ｄにより形成されている。そして、第１の内壁３６１ａ１、外壁３６１ｂ、外周側端壁３６１ｃによって第１の挿入部が形成され、第２の内壁３６１ａ２、外壁３６１ｂ、外周側端壁３６１ｄによって第２の挿入部が形成されている。第１の内壁３６１ａ１、第２の内壁３６１ａ２、外壁３６１ｂは、平行（略平行を含む）に、ｄ軸に直角な方向に直線状に形成されている。第１の内壁３６１ａ１と外壁３６１ｂの間隔が第１の挿入部の幅であり、第２の内壁３６１ａ２と外壁３６１ｂの間隔が第２の挿入部の幅である。すなわち、本実施の形態では、主磁極部Ａに設けられる磁石挿入孔３６１は、ｄ軸に直交する方向に沿って直線状に延びている第１の挿入部と第２の挿入部により構成されている。第２の挿入部は、第１の挿入部より回転方向Ｒ側に配置されているとともに、第２の挿入部の幅は、第１の挿入部の幅より小さく設定されている。第１の挿入部の幅および第２の挿入部の幅は、後述する永久磁石３７１の第１の磁石部３７１Ａの幅Ｗ１および第２の磁石部３７１Ｂの幅Ｗ２に対応して設定される。また、本実施の形態では、第１の挿入部と第２の挿入部は、ｄ軸を挟んで周方向両側に配置されている。
なお、磁石挿入孔３６１の外周側端壁３６１ｃと回転子３５０の外周面３５０ａとの間に外周側ブリッジ部３６４が形成され、磁石挿入孔３６１の外周側端壁３６１ｄと回転子３５０の外周面３５０ａとの間に外周側ブリッジ部３６５が形成されている。

そして、磁石挿入孔３６１に永久磁石３７１が挿入されている。
永久磁石３７１は、軸方向に直角な断面でみて、ｄ軸に直交する方向に沿って直線状に延びている第１の磁石部３７１Ａと第２の永久磁石３７１Ｂを有している。第２の磁石部３７１Ｂは、第１の磁石部３７１Ａより回転方向Ｒ側に配置されているとともに、第２の磁石部３７１Ｂの幅Ｗ２は、第１の磁石部３７１Ａの幅Ｗ１より小さく設定されている。すなわち、本実施の形態では、主磁極部Ａに設けられる永久磁石は、幅が異なる第１の磁石部３７１Ａと第２の磁石部３７１Ｂを有する単一の永久磁石３７１により構成されている。第１の磁石部３７１Ａと第２の磁石部３７１Ｂは、ｄ軸を挟んで周方向両側に配置されている。
第１の磁石部３７１Ａが、本発明の「第１の磁石部」に対応する。また、第２の磁石部３７１Ｂが、本発明の「第２の磁石部」に対応する。

なお、第１の内壁３６１ａ１（第２の内壁３６１ａ２）には、永久磁石３７１の周方向に沿った位置を規制するための凸部３６１ｅ（３６１ｆ）が永久磁石３７１側に突出して形成されている。これにより、永久磁石３７１が磁石挿入孔３６１内に挿入された状態で、磁石挿入孔３６１の外周側端壁３６１ｃ（３６１ｄ）と永久磁石３７１の外周側端壁３７１ｃ（３７１ｄ）との間に空隙部３６１ｇ（３６１ｈ）が形成される。
ここで、磁石挿入孔３６１の段差部と永久磁石３７１の段差部の係合によって、永久磁石３７１の外周側端壁３６１ｄ方向への移動が規制される場合には、凸部３６１ｆを省略することができる。

また、軸方向に直角な断面でみて、第１の磁石部３７１Ａ（第１の挿入部）と第２の磁石部３７１Ｂ（第２の挿入部）の間の境界部と回転子３５０の外周面３５０ａの間に、径方向に沿って直線状に延びているスリット３６６が形成されている。スリット３６６は、軸方向に直角な断面でみて、平行（略平行を含む）に、径方向に沿って直線状に延びている側壁３６６ａおよび３６６ｂ、内周側端壁３６６ｃ、外周側端壁３６６ｄによって形成されている。
本実施の形態の回転子３５０を有する電動機は、第１の実施の形態の電動機１００と同様の効果を有している。

第４の実施の形態の電動機で用いられる回転子４５０が図９に示されている。
本実施の形態の回転子４５０は、外周面の形状が第１の実施の回転子１５０と異なっている。
回転子４５０の外周面４５０ａは、軸方向に直角な断面でみて、主磁極部Ａ〜Ｄに対応する第１の曲線部分４５０Ａ〜Ｄと、補助磁極部ＡＢ〜ＤＡに対応する第２の曲線部分４５０ＡＢ〜ＤＡが交互に配置されて構成されている。
第１の曲線部分４５０Ａ〜Ｄは、ｄ軸と交差し、回転子の外周方向に飛び出ている第１の曲線形状に形成されている。また、第２の曲線部分４５０ＡＢ〜ＤＡは、ｑ軸と交差し、外周方向に飛び出ている第２の曲線形状に形成されている。第１の曲線形状は、ｄ軸上の回転中心線Ｏを曲率中心とする半径Ｒｄの円弧形状である。また、第２の曲線形状は、ｑ軸上の、回転中心線Ｏより第２の曲線部分４５０ＡＢ〜ＤＡと反対方向に離れた点Ｅを曲率中心とする半径Ｒｑ（＞Ｒｄ）の円弧形状である。
第１の曲線部分４５０Ａ〜Ｄが、本発明の「第１の曲線部分」に対応する。また、第２の曲線部分４５０ＡＢ〜ＤＡが、本発明の「第２の曲線部分」に対応する。
本実施の形態では、第１の曲線部分と第２の曲線部分の切り換わり部分がティースと対向する箇所を通過する時に、ティースに流れる磁束量の急激な変化を抑制することができる。これにより、ティースを流れる磁束量の急激な変化によって固定子巻線に誘起される誘起電圧の波形に含まれる高調波成分が増大するのを防止することができる。したがって、固定子巻線の誘起電圧に基づいてインバータを正確に制御することができる。

以上の実施の形態では、軸方向に直角な断面でみて、磁石挿入孔および永久磁石が、ｄ軸に直角な方向に直線状に延びている磁石挿入孔および永久磁石を用いたが、磁石挿入孔および永久磁石は、周方向に沿って延びている形状であればよい。
第５の実施の形態の電動機で用いられる回転子５５０が図１０に示されている。
本実施の形態の回転子５５０では、主磁極部Ａに、周方向に沿って延びている第１の磁石挿入孔５６１と第２の磁石挿入孔５６２が形成されているとともに、第１の磁石挿入孔５６１と第２の磁石挿入孔５６２それぞれに、周方向に沿って延びている第１の永久磁石５７１と第２の永久磁石５７２が挿入されている。第１の永久磁石５７１（第１の磁石挿入孔５６１）と第２の永久磁石５７２（第２の磁石挿入孔５６２）は、ｄ軸上の点を中心とし、内周側に飛び出ている円弧形状に沿って延びている。第２の永久磁石５７２は、第１の永久磁石５７１より回転方向Ｒ側に配置されているとともに、第２の永久磁石５７２の幅Ｗ２は、第１の永久磁石５７１の幅Ｗ１より小さく設定されている。本実施の形態では、第１の永久磁石５７１（第１の磁石挿入孔５６１）と第２の永久磁石５７２（第２の磁石挿入孔５６２）は、ｄ軸を挟んで周方向両側に配置されている。

第６の実施の形態の電動機で用いられる回転子６５０が図１１に示されている。
本実施の形態の回転子６５０では、主磁極部Ａに、周方向に沿って延びている第１の磁石挿入孔６６１と第２の磁石挿入孔６６２が形成されているとともに、第１の磁石挿入孔６６１と第２の磁石挿入孔６６２それぞれに、周方向に沿って延びている第１の永久磁石６７１と第２の永久磁石６７２が挿入されている。第１の永久磁石６７１（第１の磁石挿入孔６６１）と第２の永久磁石６７２（第２の磁石挿入孔６６２）は、内周側に飛び出ているＶ字形状に沿って延びている。第２の永久磁石６７２は、第１の永久磁石６７１より回転方向Ｒ側に配置されているとともに、第２の永久磁石６７２の幅Ｗ２は、第１の永久磁石６７１の幅Ｗ１より小さく設定されている。本実施の形態では、第１の永久磁石６７１（第１の磁石挿入孔６６１）と第２の永久磁石６７２（第２の磁石挿入孔６６２）は、ｄ軸を挟んで周方向両側に配置されている。

本発明は、実施の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。
第１の永久磁石と第２の永久磁石としては、同じ特性を有する永久磁石を用いることもできるし、異なる特性を有する永久磁石を用いることもできる。例えば、第２の永久磁石として、第１の永久磁石より保持力が大きい永久磁石を用いることができる。この場合、第１の永久磁石より厚さが小さい第２の永久磁石を用いても、総保持力の低下を抑制することができる。
実施の形態では、軸方向に直角な断面でみて、径方向に沿って直線状に延びているスリットを形成したが、スリットの形状は、径方向に沿って延びていればよく、直線状に限定されない。すなわち、スリットの両端部が径方向に沿って離れた箇所に配置されていればよい。例えば、径方向に対して傾斜して延びている直線状の側壁により形成されるスリットや曲線状の側壁により形成されるスリットを用いることができる。
磁石挿入孔および永久磁石の形状や数は、適宜変更可能である。例えば、幅が異なる複数の磁石挿入口それぞれに幅が異なる永久磁石を挿入する態様、幅が異なる挿入部を有する１つの磁石挿入孔に幅が異なる磁石部を有する１つの永久磁石を挿入する態様、幅が異なる挿入部を有する１つの磁石挿入口に幅が異なる複数の永久磁石を挿入する態様等を用いることができる。
実施の形態で説明した各構成は、単独で用いてもよいし、適宜選択した複数を組み合わせて用いてもよい。
実施の形態では電動機について説明したが、本発明は、電動機に用いられる回転子として構成することもできる。

本発明は、以下のように構成することもできる。
（態様１）
「軸方向に直角な断面で見て、主磁極部と補助磁極部が周方向に沿って交互に配置されているとともに、前記主磁極部には、磁石挿入孔が設けられ、前記磁石挿入孔には、永久磁石が挿入されている回転子であって、
前記磁石挿入孔は、第１の磁石挿入孔と第２の磁石挿入孔により構成され、軸方向に直角な断面でみて、前記第２の磁石挿入孔は、前記第１の磁石挿入孔より回転子の回転方向側に設けられており、
前記永久磁石は、前記第１の磁石挿入孔に挿入されている第１の磁石部と前記第２の磁石挿入孔に挿入されている第２の磁石部により構成され、軸方向に直角な断面でみて、前記第１の磁石部と前記第２の磁石部は、周方向に沿って延びているとともに、前記第２の磁石部の厚さは、前記第１の磁石部の厚さより小さく設定されており、
また、軸方向に直角な断面でみて、前記第１の磁石挿入孔と前記第２の磁石挿入孔の間の境界部と回転子の外周面の間には、径方向に沿って延びているスリットが設けられていることを特徴とする回転子。」
(態様２)
「軸方向に直角な断面で見て、主磁極部と補助磁極部が周方向に沿って交互に配置されているとともに、前記主磁極部には、磁石挿入孔が設けられ、前記磁石挿入孔には、永久磁石が挿入されている回転子であって、
前記永久磁石は、軸方向に直角な断面でみて、周方向に沿って延びている第１の磁石部と、周方向に沿って延びているとともに、前記第１の磁石部より回転子の回転方向側に設けられている第２の磁石部により構成され、前記第２の磁石部の厚さは、前記第１の磁石部の厚さより小さく設定されており、
また、軸方向に直角な断面でみて、前記第１の磁石部と前記第２の磁石部の間の境界部と回転子の外周面の間には、径方向に沿って延びているスリットが設けられていることを特徴とする回転子。」
（態様３）
「態様１または２の回転子であって、回転子の外周面は、軸方向に直角な断面でみて、主磁極部のｄ軸と交差している第１の外周面と補助磁極部のｑ軸と交差している第２の外周面が交互に接続されて形成されており、前記第１の外周面は、ｄ軸上に曲率中心を有する円弧形状に形成され、前記第２の外周面は、ｑ軸上に曲率中心を有し、前記第１の外周面の曲率半径より大きい曲率半径を有する円弧形状に形成されていることを特徴とする回転子。」
（態様４）
「態様１〜３のいずれかの回転子であって、前記永久磁石は、軸方向に直角な断面でみて、直線形状、円弧形状およびＶ字形状のいずれかの形状に配置されていることを特徴とする回転子。」
（態様５）
「態様１〜４のいずれかの回転子であって、前記第２の磁石部は、前記第１の磁石部と異なる磁石特性を有していることを特徴とする回転子。」
（態様６）
「固定子と、回転子を備え、前記固定子は、回転子収容空間を形成するティース先端面を有するティースと、前記ティースにより形成されるスロットに挿入されている固定子巻線により構成され、前記回転子は、前記回転子の外周面と前記ティース先端面との間に間隙を有する状態で前記回転子収容空間内に配置されている電動機であって、
前記回転子として態様１〜５のいずれかの回転子が用いられていることを特徴とする電動機。」
（態様７）
「態様６の電動機であって、前記スリットの幅は、前記回転子の外周面と前記ティース先端面との間の空隙の最大間隔以上に設定されていることを特徴とする電動機。」

１０ インバータ装置
２０ 制御装置
１００、７００ 電動機
１２０、７２０ 固定子
１３０ 固定子コア
１３１ ヨーク
１３２、７３２ ティース
１３２ａ ティース先端面
１３３ ティース基部
１３４ ティース先端部
１３５、７３５ スロット
１４０、７４０ 固定子巻線
１５０、２５０、３５０、４５０、５５０、６５０、７５０ 回転子
１５０ａ、２５０ａ、３５０ａ、４５０ａ、５５０ａ、６５０ａ 外周面
１６０、２６０、３６０ 回転子コア
１６１、１６２、２６１、２６２、３６１、５６１、５６２、６６１、６６２、７６１ 磁石挿入孔
１６１ａ、１６２ａ、２６１ａ、２６２ａ、３６１ａ１、３６１ａ２ 内壁
１６１ｂ、１６２ｂ、２６１ｂ、２６２ｂ、３６１ｂ 外壁
１６１ｃ、１６２ｃ、２６１ｃ、２６２ｃ、３６１ｃ、３６１ｄ 外周側端壁
１６１ｄ、１６２ｄ、２６１ｄ、２６２ｄ 内周側端壁
１６１ｅ、１６２ｅ、３６１ｅ、３６１ｆ 凸部
１６１ｆ、１６２ｆ 空隙部
１６３、１６４、１６５、２６２、２６４、２６５、３６４、３６５ ブリッジ部
１６６、２６６、３６６ スリット
１６６ａ、１６６ｂ、３６６ａ、３６６ｂ 側壁
１６６ｃ、３６６ｃ 内周側端壁
１６６ｄ、３６６ｄ 外周側端壁
１６８、２６８、３６８ 回転軸挿入孔
１７１、１７２、２７１、２７２、３７１、５７１、５７２、６７１、６７２、７７１ 永久磁石
１７１ｃ、１７２ｃ、３７１ｃ、３７１ｄ 外周側端壁
１８０、２８０、３８０ 回転軸

Claims (4)

1. 固定子と、回転子を備え、前記固定子は、回転子収容空間を形成するティース先端面を有するティースと、前記ティースにより形成されるスロットと、前記スロットに挿入されている固定子巻線を有し、前記回転子は、当該回転子の外周面と前記ティース先端面との間に間隙を有する状態で前記回転子収容空間内に配置され、また、軸方向に直角な断面で見て、主磁極部と補助磁極部が周方向に沿って交互に配置され、前記主磁極部には、磁石挿入孔が設けられ、前記磁石挿入孔には、永久磁石が挿入されている電動機であって、
   前記磁石挿入孔は、第１の磁石挿入孔と第２の磁石挿入孔により構成され、軸方向に直角な断面でみて、前記第１の磁石挿入孔と前記第２の磁石挿入孔は、内壁と外壁が周方向に沿って平行に延びており、前記第２の磁石挿入孔は、前記第１の磁石挿入孔より前記回転子の回転方向側に設けられているとともに、前記第１の磁石挿入孔と前記第２の磁石挿入孔の間に内周側ブリッジ部が形成されており、
   前記永久磁石は、前記第１の磁石挿入孔に挿入されている第１の磁石部と、前記第２の磁石挿入孔に挿入されている第２の磁石部により構成され、軸方向に直角な断面でみて、前記第１の磁石部は、幅Ｗ１で周方向に沿って延び、前記第２の磁石部は、幅Ｗ２で周方向に沿って延びているとともに、前記第２の磁石部の厚さＷ２は、前記第１の磁石部の厚さＷ１より小さく設定されており、
   また、軸方向に直角な断面でみて、前記内周側ブリッジ部と前記回転子の外周面の間に、径方向に沿って延びているスリットが設けられ、前記スリットの幅は、前記回転子の外周面と前記ティース先端面との間の空隙の最大間隔以上に設定されていることを特徴とする電動機。
2. 請求項１に記載の電動機であって、
   前記回転子の外周面は、軸方向に直角な断面でみて、主磁極部のｄ軸と交差している第１の外周面と補助磁極部のｑ軸と交差している第２の外周面が交互に接続されて形成されており、前記第１の外周面は、ｄ軸上に曲率中心を有する円弧形状に形成され、前記第２の外周面は、ｑ軸上に曲率中心を有し、前記第１の外周面の曲率半径より大きい曲率半径を有する円弧形状に形成されていることを特徴とする電動機。
3. 請求項１または２に記載の電動機であって、
   前記永久磁石は、軸方向に直角な断面でみて、直線形状、円弧形状およびＶ字形状のいずれかの形状に配置されていることを特徴とする電動機。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の電動機であって、
   前記第２の磁石部は、前記第１の磁石部と異なる磁石特性を有していることを特徴とする電動機。
   

Images