JPH10309051A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】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。 【解決手段】回転軸９に垂直な永久磁石８の断面の形状
は弧状で、磁束がａ，ｂの２カ所に集中するよう着磁さ
れている。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。固定子１のスロットピ
ッチ角度τs ，スリット幅角度Ｓ、および、回転子６の
ポールピース角度θが、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）の関係を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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＝４
９.７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、１
２０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１０００，３０００，５０００rp
m 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２
２，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２
２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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川又 昭一 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 能登原 保夫 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 石井 誠 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所冷熱事業部内 (72)発明者 野間 啓二 千葉県習志野市東習志野七丁目１番１号 株式会社日立製作所産業機器事業部内 (72)発明者 渋川 末太郎 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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たことを特徴
   とする永久磁石式回転電機。
2. 【請求項２】請求項１の永久磁石式回転電機において、
   磁束が電気角度で１２０度区間に集中するように、前記
   永久磁石が配置されている永久磁石式回転電機。
3. 【請求項３】請求項１の永久磁石式回転電機において、
   前記永久磁石により発生する前記固定子と前記回転子と
   の間のギャップにおける磁束密度の最大値が、永久磁石
   の持つ磁束密度の１.２〜１.５倍であることを特徴とす
   る永久磁石式回転電機。
4. 【請求項４】請求項１記載の永久磁石式回転電機におい
   て、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
   される永久磁石式回転電機。
5. 【請求項５】請求項１記載の永久磁石式回転電機におい
   て、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、 θ＝ｎ×τs＋Ａ×Ｓ±１ （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
   される永久磁石式回転電機。
6. 【請求項６】請求項１記載の永久磁石式回転電機におい
   て、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。
7. 【請求項７】請求項１の永久磁石式回転電機において、
   隣り合う前記永久磁石との間の距離は、前記回転子の径
   方向の中間部で最小となり、かつ、前記中間部から前記
   固定子側に向かって大きくなることを特徴とする永久磁
   石式回転電機。
8. 【請求項８】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
   されることを特徴とする永久磁石式回転電機。
9. 【請求項９】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±１ （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
   される範囲である永久磁石式回転電機。
10. 【請求項１０】請求項８記載の永久磁石式回転電機にお
    いて、ｎが奇数で、かつＡが約０.７である永久磁石式
    回転電機。
11. 【請求項１１】請求項８記載の永久磁石式回転電機にお
    いて、前記各相の固定子巻線に電気角で１２０度ずつ通
    電することにより前記回転子を回転させる永久磁石式回
    転電機。