(57)【要約】【課題】電流が小さい低トルク運転時におけるｑ軸インダクタンスを低減した永久磁石電動機を提供する。【解決手段】固定子１１０のスロット１１５の数が２４、回転子１２０の極対数Ｐが２、回転子１２０の直径Ｋが［４５ｍｍ≦Ｋ≦９０ｍｍ］を満足するように設定されている。回転子１２０の第２外周面部分１２０ｄと、第１外周面部分１２０ａの延在線との間の径方向に沿った最短距離Ｈが、回転子１２０の第１外周面部分１２０ａと固定子１１０のティース先端面１１４ａとの間の最短距離Ｇの２．５倍以上に設定されている。回転子１２０の回転中心Ｏに対する回転子１２０の第１外周面部分１２０ａの開角度θ（機械角度）が、［３９．５度≦θ≦４５．５度］を満足するように設定されている。スロット数が３６、極対数Ｐが３の場合には、［（３９．５度×２／３）≦θ≦（４５．５度×２／３）］を満足するように設定される。【選択図】図２
2020167912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、前記固定子に対して回転可能に支持されている回転子を備え、
前記固定子は、周方向に沿って延在するヨークと、前記ヨークから径方向内側に延在し、径方向内側に周方向に沿って延在するティース先端面が形成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、前記各ティースに分布巻き方式で巻き付けられている固定子巻線を有し、
前記回転子は、周方向に沿って主磁極と補助磁極が交互に配置され、前記主磁極に磁石挿入孔が形成されているとともに、前記磁石挿入孔に永久磁石が挿入され、また、前記主磁極のｄ軸と交差する第１外周面部分と、前記補助磁極のｑ軸と交差し、前記第１外周面部分より径方向内側に形成されている第２外周面部分を含む回転子外周面を有している永久磁石電動機であって、
前記固定子のスロットの数が２４に設定され、
前記回転子の極対数Ｐが２に設定され、
前記回転子の直径Ｋが、［４５ｍｍ≦Ｋ≦９０ｍｍ］を満足するように設定され、
前記回転子の前記第２外周面部分と前記回転子の前記第１外周面部分の延在線との間の径方向に沿った最短距離Ｈが、前記回転子の前記第１外周面部分と前記固定子の前記ティース先端面との間の径方向に沿った最短距離Ｇの２．５倍以上に設定され、
前記回転子の回転中心に対する前記回転子の前記第１外周面部分の中心角θ（機械角度）が、［３９．５度≦θ≦４５．５度］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。
【請求項２】
固定子と、前記固定子に対して回転可能に支持されている回転子を備え、
前記固定子は、周方向に沿って延在するヨークと、前記ヨークから径方向内側に延在し、径方向内側に周方向に沿って延在するティース先端面が形成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、前記各ティースに分布巻き方式で巻き付けられている固定子巻線を有し、
前記回転子は、周方向に沿って主磁極と補助磁極が交互に配置され、前記主磁極に磁石挿入孔が形成されているとともに、前記磁石挿入孔に永久磁石が挿入され、また、前記主磁極のｄ軸と交差する第１外周面部分と、前記補助磁極のｑ軸と交差し、前記第１外周面部分より径方向内側に形成されている第２外周面部分を含む回転子外周面を有している永久磁石電動機であって、
前記固定子のスロットの数が３６に設定され、
前記回転子の極対数Ｐが３に設定され、
前記回転子の直径Ｋが、［４５ｍｍ≦Ｋ≦９０ｍｍ］を満足するように設定され、
前記回転子の前記第２外周面部分と前記回転子の前記第１外周面部分の延在線との間の径方向に沿った最短距離Ｈが、前記回転子の前記第１外周面部分と前記固定子の前記ティース先端面との間の径方向に沿った最短距離Ｇの２．５倍以上に設定され、
前記回転子の回転中心に対する前記回転子の前記第１外周面部分の中心角θ（機械角度）が、［（３９．５度×２／３）≦θ≦（４５．５度×２／３）］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。
【請求項３】
請求項１または２に記載の永久磁石電動機であって、
前記回転子の外周面は、前記第１外周面部分と前記第２外周面部分との間に、直線状に延在する接続部分を有することを特徴とする永久磁石電動機。
【請求項４】
請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載に永久磁石電動機であって、
前記磁石挿入孔は、Ｖ字状、直線状、台形状、円弧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永久磁石電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機、空調器、車載機器等の駆動装置として永久磁石電動機が用いられている。永久磁石としては、安価なフェライト磁石や、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、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。
永久磁石電動機としては、例えば、特許文献１や非特許文献１に開示されている永久磁石電動機が知られている。特許文献１や非特許文献１に開示されている永久磁石電動機は、固定子と回転子を備えている。回転子は、主磁極と補助磁極を有し、主磁極には、磁石挿入孔が形成され、磁石挿入孔には永久磁石が挿入されている。このような永久磁石電動機のトルクＴは、永久磁石による磁束量を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とすると、以下の式で表される。
Ｔ＝Ｐ［Φ×Ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）×Ｉｄ×Ｉｑ］
上式の右辺の第１項は、永久磁石の磁束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（ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとの差）によるリラクタンストルクを示している。
ここで、（Ｌｑ＞Ｌｄ）に設定するとともに、固定子巻線の電流を進角制御する（負のｄ軸電流Ｉｄを流す）ことにより、リラクタンストルクが正となり、マグネットトルクとリラクタンストルクの和であるトルクＴが増加する。
このため、従来の永久磁石電動機では、リラクタンストルクを有効に利用して永久磁石電動機のトルクＴを増加させるために、ｑ軸インダクタンスＬｑがｄ軸インダクタンスＬｄより十分に大きくなるように構成されている。なお、リラクタンストルクを有効に利用することにより、固定子のティースに巻き付ける固定子巻線の巻数を低減することができる。その結果、固定子巻線の抵抗値が低減され、銅損が低減される。
固定子のティースには、永久磁石による磁束と固定子巻線に電流が流れることによって発生する磁束が流れる。固定子巻線に電流が流れることによって発生する磁束は、電流が増大するにしたがって増加する。すなわち、ティースを流れる磁束は、固定子巻線に流れる電流の増加とともに増加する。このため、固定子巻線に流れる電流が増大すると、ティースの磁束密度が飽和し、ｑ軸インダクタンスＬｑが低下する。
従来の永久磁石電動機は、高効率で、高トルクを発生することを目的としている。すなわち、電流が大きい領域において、ｑ軸インダクタンスＬｑがｄ軸インダクタンスＬｄより大きくなるように設定される。このため、従来の永久磁石電動機では、ｄ軸インダクタンスＬｄおよびｑ軸インダクタンスＬqは、図９に示されている電流特性を有する。すなわち、ｄ軸インダクタンスＬｄは、電流が増減してもほぼ同じである。一方、ｑ軸インダクタンスＬｑは、電流が小さい時は大きく、電流の増加にともなって、ティースの磁束密度の飽和により低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１３６０１１号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】電気学会論文集、Ｖｏｌ．１１３−Ｄ、Ｎｏ．１１、頁１３３０−１３３１、１９９３年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の永久磁石電動機は、高トルクを得ることが求められていたため、低電流領域において、ｑ軸インダクタンスＬｑがｄ軸インダクタンスＬｄより十分大きくなるように構成されていた。また、従来の永久磁石電動機は、高トルクで運転されることが多かったため、銅損が多く、ｑ軸インダクタンスによる鉄損は問題とされていなかった。
ここで、近年の省エネルギー化の進展にともない、永久磁石電動機は、電流が小さい低トルクで運転される期間が長くなっている。永久磁石電動機を低トルクで運転する場合には、固定子巻線に小さい電流が流れる。この場合、固定子巻線に流れる電流による銅損は少なくなる。一方、従来の永久磁石電動機のｑ軸インダクタンスＬｑは、図９に示されているように、電流が小さいと大きい。ｑ軸インダクタンスＬｑが大きいと、ｑ軸インダクタンスＬｑによる鉄損も多くなる。このため、電流が大きい高トルクでの運転では問題とされていなかった、ｑ軸インダクタンスＬｑによる鉄損の問題が顕在化している。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、ｑ軸インダクタンス、特に、電流が小さい低トルクで運転する際におけるｑ軸インダクタンスを低減した永久磁石電動機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の永久磁石電動機は、固定子と回転子を備えている。
固定子は、周方向に沿って延在するヨークと、ヨークから径方向に沿って径方向内側に延在し、径方向内側に周方向に沿って延在するティース先端面が形成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、各ティースに分布巻き方式で巻き付けられている固定子巻線を有している。ティース先端面によって、固定子内周面が形成される。
回転子は、固定子内側空間内に回転可能に支持されている。また、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、主磁極には、軸方向に沿って延在する磁石挿入孔が形成されている。そして、磁石挿入孔に永久磁石が挿入されている。永久磁石としては、種々の永久磁石を用いることができるが、好適には、ネオジウム系磁石が用いられる。より好適には、ディスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）が拡散されたネオジウム磁石が用いられる。磁石挿入孔に挿入された永久磁石によって、主磁極と補助磁極が規定され、また、主磁極のｄ軸と補助磁極のｑ軸が規定される。なお、ｄ軸は、回転子の回転中心と主磁極の周方向中央を結ぶ線として規定され、ｑ軸は、回転子の回転中心と補助磁極の周方向中央を結ぶ線として規定される。
回転子の外周面は、主磁極のｄ軸と交差する第１外周面部分と、補助磁極のｑ軸と交差する第２外周面部分を有している。第２外周面部分は、第１外周面部分より径方向内側に配置されている。第１外周面部分と第２外周面部分は、好適には、回転子の回転中心を中心点とする、異なる半径の円弧形状を有している。もちろん、第１外周面部分や第２外周面部分の形状は、これに限定されない。
第１発明では、固定子のスロットの数が２４に設定され、回転子の極対数Ｐが２（極数が４）に設定され、回転子の直径Ｋが［４５ｍｍ≦Ｋ≦９０ｍｍ］を満足するように設定されている。
また、回転子の第２外周面部分と第１外周面部分の延在線との間の径方向に沿った最短距離Ｈが、回転子の第１外周面部分と固定子のティース先端面（固定子内周面）との間の径方向に沿った最短距離Ｇの２．５倍以上に設定されている（［Ｈ≧２．５×Ｇ］）。なお、回転子の第２外周面部分と第１外周面部分の延在線との間の径方向に沿った最短距離Ｈが長くなると、磁石挿入孔、すなわち、磁石挿入孔に挿入される永久磁石の配置スペースが狭くなり、十分な磁束を確保することができなくなる。このため、好適には、［Ｈ≦３．５×Ｇ］を満足するように設定される。
また、回転子の回転中心に対する回転子の第１外周面部分の中心角θ（機械角度）が、［３９．５度≦θ≦４５．５度］を満足するように設定されている。
第２発明では、固定子のスロットの数が３６に設定され、回転子の極対数Ｐが３（極数が６）に設定され、回転子の直径Ｋが［４５ｍｍ≦Ｋ≦９０ｍｍ］を満足するように設定されている。
また、回転子の第２外周面部分と第１外周面部分の延在線との間の径方向に沿った最短距離Ｈが、回転子の第１外周面部分と固定子のティース先端面（固定子内周面）との間の径方向に沿った最短距離Ｇの２．５倍以上に設定されている（［Ｈ≧２．５×Ｇ］）。なお、回転子の第２外周面部分と第１外周面部分の延在線との間の径方向に沿った最短距離Ｈが長くなると、磁石挿入孔、すなわち、磁石挿入孔に挿入される永久磁石の配置スペースが狭くなり、十分な磁束を確保することができなくなる。このため、好適には、［Ｈ≦３．５×Ｇ］を満足するように設定される。
また、回転子の回転中心に対する回転子の第１外周面部分の中心角θ（機械角度）が、［（３９．５度×２／３）≦θ≦（４５．５度×２／３）］を満足するように設定されている。
第１発明および第２発明では、ｑ軸インダクタンス、特に、電流が小さい低トルクで運転する際におけるｑ軸インダクタンスを、従来の永久磁石電動機のｑ軸インダクタンスに比べて大幅に低減することができる。これにより、低トルクで運転する際におけるｑ軸インダクタンスによる鉄損を大幅に低減することができ、効率を向上させることができる。
第１発明および第２発明の異なる形態では、回転子の外周面は、第１外周面部分と第２外周面部分との間に、直線状に延在する接続部分を有する。接続部分は、好適には、ｄ軸に平行（「略平行」を含む）に直線状に延在するように形成されるが、径方向（回転中心線を通る方向）に平行（「略平行」を含む）に直線状に延在するように形成することもできる。接続部分が直線状に延在していると、第１外周面部分と第２外周面部分との間の磁気抵抗が大きく変化する。これにより、磁束が第１外周面部分に集中し、効率が向上する。
本形態では、第２外周面部分を容易に形成することができる。
第１発明および第２発明の異なる形態では、磁石挿入孔は、Ｖ字状、直線状、台形状、円弧状のいずれかの形状に配置されている。
本形態では、種々の構成の回転子を有する永久磁石電動機を得ることができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の永久磁石電動機では、ｑ軸インダクタンス、特に、低回転数、低トルクで運転する際におけるｑ軸インダクタンスを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態の永久磁石電動機の断面図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】第１外周面部分の中心角θ（機械角度）と、効率およびコギングトルクとの関係を示すグラフである。
【図４】第１実施形態の永久磁石電動機のｄ軸インダクタンスＬｄおよびｑ軸インダクタンスの電流特性を示すグラフである。
【図５】第２実施形態の永久磁石電動機の回転子の断面図である。
【図６】第３実施形態の永久磁石電動機の回転子の断面図である。
【図７】第４実施形態の永久磁石電動機の回転子の断面図である。
【図８】第５実施形態の永久磁石電動機の回転子の断面図である。
【図９】従来の永久磁石電動機のｄ軸インダクタンスＬｄおよびｑ軸インダクタンスの電流特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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、回転子の回転中心を通る回転中心線の延在方向を示す。「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、軸方向に直交する方向から見て、回転子の回転中心を中心点とする円周方向を示す。「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、軸方向に直交する方向から見て、回転子の回転中心を通る方向を示す。
【００１０】
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固定子コアにより構成されている。固定子１１０は、周方向に沿って延在するヨーク１１１と、ヨーク１１１から径方向内側に延在するティース１１２を有している。ティース１１２は、ヨークから径方向に沿って径方向内側に延在するティース基部１１３と、ティース基部１１３の径方向内側に連設され、周方向に沿って延在するティース先端部１１４により形成されている。ティース先端部１１４の径方向内側には、ティース先端面１１４ａが形成されている。ティース先端面１１４ａ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１１４ａ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１１４ａが、本発明の「固定子内周面」に対応する。
周方向に隣接するティース１１２によりスロット１１５が形成されている。
本実施形態の永久磁石電動機１００では、ティース１１２（スロット１１５）が、２４個設けられている（２４スロットの永久磁石電動機）。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、銅損が多いが、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。
【００１１】
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、内周面２１０により形成される回転軸挿入孔に回転軸（図示省略）が挿入され、固定子１１０の固定子内側空間内に回転可能に配置されている。本実施形態では、回転子１２０は、第１外周面部分１２０ａ（後述する）とティース先端面１１４ａ（固定子内周面）との間に空隙（エアギャップ）が保持されるように配置されている。
回転子１２０は、周方向に沿って主磁極［Ａ］〜［Ｄ］と補助磁極［ＡＢ］〜［ＤＡ］が交互に配置されている。本実施形態では、回転子１２０の主磁極の数（極数）が４に設定されている。すなわち、４極構造の回転子１２０を有している（４極の永久磁石電動機）。なお、極数が４の回転子は、極対数Ｐが２である回転子と呼ばれる。
各主磁極には第１磁石挿入孔１３１、第２磁石挿入孔１３２が形成され、第１磁石挿入孔１３１、第２磁石挿入孔１３２には第１永久磁石１４１、第２永久磁石１４２が挿入されている。第１永久磁石１４１、第２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が、好適には、ネオジウム系磁石が用いられる。より好適には、ディスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）が拡散されたネオジウム磁石が用いられる。
第１永久磁石１４１、第２永久磁石１４２によって、主磁極［Ａ］〜［Ｄ］と補助磁極［ＡＢ］〜［ＤＡ］が規定され、また、主磁極［Ａ］〜［Ｄ］のｄ軸と補助磁極［ＡＢ］〜［ＤＡ］のｑ軸が規定される。
ｄ軸は、回転中心Ｏと主磁極［Ａ］〜［Ｄ］の周方向中心を結ぶ線として規定され、ｑ軸は、回転中心Ｏと補助磁極［ＡＢ］〜［ＤＡ］の周方向中心を結ぶ線として規定される。
【００１２】
回転子１２０の回転子外周面は、ｄ軸と交差する第１外周面部分１２０ａ、ｑ軸と交差し、第１外周面部分１２０ａより径方向内側に形成されている第２外周面部分１２０ｄ、第１外周面部分１２０ａと第２外周面部分１２０ｄを接続する接続部分１２０ｂおよび１２０ｃを有している。第２外周面部分１２０ｄ、接続部分１２０ｂおよび１２０ｃは、第１外周面部分１２０ａを切欠いた切欠部の底面、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）の側面ということもできる。
本実施形態では、第１外周面部分１２０ａは、回転中心Ｏを中心点とする半径Ｒ１（Ｒ１＝Ｋ／２）の円弧形状を有し、第２外周面部分１２０ｄは、回転中心Ｏを中心点とする、半径Ｒ１より小さい半径Ｒ２（Ｒ２＜Ｒ１）の円弧形状を有している。また、接続部分１２０ｂ、１２０ｃ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１２０ｂ、１２０ｃの形状は、回転中心Ｏを通る径方向に平行（「略平行」を含む）に直線状に延在するように形成することもできる。なお、第１外周面部分１２０ａ、第２外周面部分１２０ｄ、接続部分１２０ｂ、１２０ｃの形状は、これに限定されない。
【００１３】
本実施形態では、主磁極［Ａ］〜［Ｄ］には、直線状に延在する第１磁石挿入孔１３１と第２磁石挿入孔１３２が、ｄ軸を挟んで両側に、回転中心Ｏ側に飛び出ているＶ字状に形成されている。
第１磁石挿入孔１３１の内周側端壁部と第２磁石挿入孔１３２の内周側端壁部の間には、ｄ軸に平行（「略平行」を含む）に延在する中央ブリッジ部１２５が形成されている。また、第１磁石挿入孔１３１の外周側端壁部と第２外周面部分１２０ｂの間には、外周ブリッジ部１２６が形成され、第２磁石挿入孔１３２の外周側端壁部と第２外周面部分１２０ｂの間には、外周ブリッジ部１２７が形成されている。
第１磁石挿入孔１３１と第２磁石挿入孔１３２には、直線状に延在する第１永久磁石１４１と第２永久磁石１４２が挿入されている。第１永久磁石１４１および第２永久磁石１４２の両端には、空隙が設けられている。
【００１４】
次に、本実施形態において、ｑ軸インダクタンスＬｑを低減する構成について説明する。
なお、本実施形態では、回転子１２０の直径Ｋが、［４５ｍｍ≦Ｋ≦９０ｍｍ］の範囲内に設定されている。また、前述したように、固定子１１０のスロット１１５の数が２４に設定され（２４スロット）、回転子１２０の主磁極の数が４に設定されている（４極あるいは極対数Ｐが２）。
【００１５】
図２に示されているように回転子１２０を流れる磁束として、磁束Φ１〜磁束Φ４が考えられる。
磁束Φ１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。磁束Φ１によってｄ軸インダクタンスＬｄが定まる。
磁束Φ２は、第１外周面部分１２０ａを介して流れる磁束である。例えば、第１外周面部分１２０ａの周方向他方側から回転子１２０に流れ込み、同じ第１外周面部分１２０ａの周方向一方側から流れ出る。
磁束Φ３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Ｄとの間の補助磁極ＤＡ側から回転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。
磁束Φ４は、主磁極の内周側を流れる磁束である。例えば、主磁極Ａの周方向他方側から回転子１２０に流れ込み、磁石挿入孔１３１の外周側および磁石挿入孔１３２の外周側を介して主磁極Ａの周方向一方側から流れ出る磁束である。
磁束Φ２〜Φ４によってｑ軸インダクタンスＬｑが決まる。
【００１６】
ｑ軸インダクタンスＬｑを減少させるために、磁束Φ３および磁束Φ４が流れ難いように構成する。本実施形態では、第２外周面部分１２０ｄと、第１外周面部分１２０ａを周方向に沿って延ばした線（図２に２点鎖線で示されている延在線）との間の径方向に沿った距離の最小値（最短距離）Ｈを大きくしている。すなわち、切欠部の径方向に沿った深さの最小値（最小深さ）Ｈを大きくしている。
種々検討した結果、第２外周面部分１２０ｄと第１外周面部分１２０ａの延在線との間の径方向に沿った最短距離Ｈを、第１外周面部分１２０ａと固定子内周面（固定子１１０のティース先端面１１４ａ）との間の径方向に沿った距離の最小値（最短距離）Ｇの２．５倍以上に（［Ｈ≧２．５×Ｇ］を満足するように）設定することにより、磁束Φ３および磁束Φ４が流れ難くなることが判明した。なお、回転子の第２外周面部分と第１外周面部分の延在線との間の径方向に沿った最短距離Ｈが長くなると、磁石挿入孔、すなわち、磁石挿入孔に挿入される永久磁石の配置スペースが狭くなり、十分な磁束を確保することができなくなる。このため、好適には、［Ｈ≦３．５×Ｇ］を満足するように設定される。
【００１７】
次に、［Ｈ≧２．５×Ｇ］を満足するように設定し、低トルク（すなわち、小さい電流）で運転した状態で、第１外周面部分１２０ａの回転中心Ｏに対する中心角θ（機械角度）について検討した。なお、第１外周面部分１２０ａの中心角θは、第１外周面部分１２０ａと周方向一方側の接続部分１２０ｃとの接続部Ｎと回転中心Ｏを結ぶ線と、第１外周面部分１２０ａと周方向他方側の接続部分１２０ｂとの接続部Ｍと回転中心Ｏを結ぶ線により形成される角度である。
角度θが変化すると、回転子１２０が回転中に、回転子１２０の第１外周面部分１２０ａと対向するティース１１２の数が変化する。すなわち、第１外周面部分１２０ａを介して流れる磁束量が変化する。
なお、ティース間隔（周方向に隣接する、ティース１１２の中心線の周方向に沿った間隔）の中心角Ｗは、スロット１１５の数Ｓによって一義的に定まる（［Ｗ（度）＝３６０度／Ｓ］）。
【００１８】
角度θに対する電動機の効率とコギングトルクとの関係が、図３に示されている。
図３から、角度θが３５度と５０度の範囲内（［３５度≦θ≦５０度］）で、効率が高いことが理解できる。
また、角度θが３９．５度と４５．５度の範囲内（［３９．５度≦θ≦４５．５度］）で、コギングトルクが小さいことが理解できる。
以上の点から、第２外周面部分１２０ｄと第１外周面部分１２０ａの延在線との間の径方向に沿った最短距離Ｈを、第１外周面部分１２０ａと固定子内周面（ティース先端面１４１ａ）との間の径方向に沿った最短距離Ｇの２．５倍以上（［Ｈ≧２．５×Ｇ］に設定するとともに、第１外周面部分１２０ａの中心角θを３９．５度と４５．５度の範囲内（［３９．５度≦θ≦４５．５度］）に設定することにより、低トルクで運転した場合に、コギングトルクを低減しながら効率を向上させることができることが理解できる。
【００１９】
本実施形態の永久磁石電動機１００、すなわち、固定子１１０のスロット１１５の数が２４、回転子１２０の極対数Ｐが２、回転子１２０の直径Ｋが［４５ｍｍ≦Ｋ≦９０ｍｍ］を満足、回転子１２０の第２外周面部分１２０ｄと第１外周面部分１２０ａの延在線との間の径方向に沿った最短距離Ｈが、第１外周面部分１２０ａと固定子１１０の固定子内周面（ティース先端面１１４ａ）との間の径方向に沿った最短距離Ｇの２．５倍以上、第１外周面部分１２０ａの中心角θが［３９．５度≦θ≦４５．５度］を満足している永久磁石電動機１００におけるｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑの電流特性が、図４に示されている。
図４と図９を比較すると、本実施形態の永久磁石電動機１００におけるｑ軸インダクタンスは、図９に示されている、従来の永久磁石電動機におけるｑ軸インダクタンスより低減していること、特に、電流が小さい領域において大幅に低減していることが理解できる。
なお、永久磁石として、ネオジウム系磁石、より好適には、ディスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）が拡散されたネオジウム磁石が用いられ、回転子の極対数Ｐが２に設定され、回転子の直径Ｋが［４５ｍｍ≦Ｋ≦９０ｍｍ］を満足する範囲内において、磁石挿入孔、すなわち、磁石挿入孔に挿入される永久磁石の形状が、永久磁石電動機で用いられている一般的な形状に設定される場合には、図４に示されているｑ軸インダクタンスの電流特性が得られる。
以上のように、本実施形態の永久磁石電動機は、電流が小さい低トルクでの運転時において、ｑ軸インダクタンスＬｑによる鉄損を大幅に低減することができ、効率を向上させることができる。
【００２０】
第１実施形態の永久磁石電動機１００では、軸方向に直角な断面で見て、４極構造（極対数Ｐ＝２）で、各主磁極Ａ〜Ｄに、直線状に延在する第１磁石挿入孔１３１および第２磁石挿入孔１３２が、回転中心Ｏ側に飛び出ているＶ字状に形成され、第１磁石挿入孔１３１および第２磁石挿入孔１３２それぞれに、直線状に延在する第１永久磁石１４１および第２永久磁石１４２が挿入されている回転子１２０を用いたが、回転子の各主磁極の磁石挿入孔の配置形状等は種々変更可能である。
【００２１】
第２実施形態の永久磁石電動機の回転子２２０が、図５に示されている。
図５に示されている回転子２２０は、４極構造（極対数Ｐ＝２）で、各主磁極に、直線状に延在する磁石挿入孔２３１が、ｄ軸と交差する方向（好適には、直角な方向）に形成されている。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、ｄ軸と交差する第１外周面部分２２０ａ、ｑ軸と交差する第２外周面部分２２０ｄ、接続部分２２０ｂおよび２２０ｃを有している。
【００２２】
第３実施形態の永久磁石電動機の回転子３２０が、図６に示されている。
図６に示されている回転子３２０は、４極構造（極対数Ｐ＝２）で、各主磁極に、円弧状に延在する磁石挿入孔３３１が、ｄ軸と交差するとともに、回転中心０側に飛び出るように形成されている。そして、磁石挿入孔３３１に、円弧状に延在する永久磁石３４１が挿入されている。
回転子３２０の外周面は、ｄ軸と交差する第１外周面部分３２０ａ、ｑ軸と交差する第２外周面部分３２０ｄ、接続部分３２０ｂおよび３２０ｃを有している。
【００２３】
第４実施形態の永久磁石電動機の回転子４２０が、図７に示されている。
図７に示されている回転子４２０は、４極構造（極対数Ｐ＝２）で、各主磁極に、直線状に延在する第１〜第３磁石挿入孔４３１〜４３３が、回転中心Ｏ側に飛び出る台形状に形成されている。そして、第１〜第３磁石挿入孔４３１〜４３３それぞれに、直線状に延在する第１〜第３永久磁石４４１〜４４３が挿入されている。
回転子４２０の外周面は、ｄ軸と交差する第１外周面部分４２０ａ、ｑ軸と交差する第２外周面部分４２０ｄ、接続部分４２０ｂおよび４２０ｃを有している。
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し、磁石挿入孔に、直線状に延在する第１〜第３の永久磁石を挿入することもできる。
【００２４】
第５実施形態の永久磁石電動機の回転子５２０が、図８に示されている。
図８に示されている回転子５２０は、６極構造（極対数Ｐ＝３）（極対数が２である永久磁石電動機）で、各主磁極に、第１実施形態の回転子１２０と同様に、直線状に延在する第１磁石挿入孔５３１と第２磁石挿入孔５３２が、ｄ軸を挟んで両側に、回転中心Ｏ側に飛び出ているＶ字状に形成されている。そして、第１磁石挿入孔５３１および第２磁石挿入孔５３２それぞれに、直線状に延在している第１永久磁石５４１および第２永久磁石５４２が挿入されている。
なお、第５実施形態の永久磁石電動機では、固定子のスロットが、３６個設けられている（３６スロットの永久磁石電動機）。
また、本実施形態の永久磁石電動機では、回転子の回転中心Ｏに対する回転子５２０の第１外周面部分５２０ａの中心角θ（機械角度）が、［（３９．５度×２／３）≦θ≦（４５．５度×２／３）］を満足するように設定されている。
回転子５２０の直径Ｋは、第１実施形態の永久磁石電動機１００と同様に、［４５ｍｍ≦Ｋ≦９０ｍｍ］を満足するように設定されている。
回転子５２０の第２外周面部分５２０ｄと第１外周面部分５２０ａの延在線との間の径方向に沿った最短距離Ｈは、第１実施形態の永久磁石電動機１００と同様に、第１外周面部分５２０ａと固定子内周面との間の径方向に沿った最短距離Ｇの２．５倍以上（［Ｈ≧２．５×Ｇ］）に設定されている。
本実施形態の永久磁石電動機においても、第１実施形態の永久磁石電動機１００と同様に、低トルクでの運転時における、ｑ軸インダクタンスＬｑを大幅に低減することができる。これにより、低トルクでの運転時における、ｑ軸インダクタンスＬｑによる鉄損を大幅に低減することができ、効率を向上させることができる。
【００２５】
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、
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。
【符号の説明】
【００２６】
１００  永久磁石電動機
１１０  固定子
１１１  ヨーク
１１２  ティース
１１３  ティース基部
１１４  ティース先端部
１１４ａ  ティース先端面（固定子内周面）
１１５  スロット
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０  回転子
１２０ａ、２２０ａ、３２０ａ、４２０ａ、５２０ａ  第１外周面部分
１２０ｂ、１２０ｃ、２２０ｂ、２２０ｃ、３２０ｂ、３２０ｃ、４２０ｂ、４２０ｃ、５２０ｂ、５２０ｃ  接続部分
１２０ｄ、２２０ｄ、３２０ｄ、４２０ｄ、５２０ｄ  第２外周面部分
１２５  中央ブリッジ部
１２６、１２７  外周ブリッジ部
１３１、１３２、２３１、３３１、４３１、４３２、４３３、５３１、５３２  磁石挿入孔
１４１、１４２、２４１、３４１、４４１、４４２、４４３、５４１、５４２  永久磁石
２１０  内周面（回転子内周面）
【図１】
2020167912.tif 000003
【図２】
2020167912.tif 000004
【図３】
2020167912.tif 000005
【図４】
2020167912.tif 000006
【図５】
2020167912.tif 000007
【図６】
2020167912.tif 000008
【図７】
2020167912.tif 000009
【図８】
2020167912.tif 000010
【図９】
2020167912.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】令和1年9月3日(2019.9.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明の永久磁石電動機は、固定子と回転子を備えている。
固定子は、周方向に沿って延在するヨークと、ヨークから径方向に沿って径方向内側に延在し、径方向内側に周方向に沿って延在するティース先端面が形成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、各ティースに分布巻き方式で巻き付けられている固定子巻線を有している。ティース先端面によって、固定子内周面が形成される。
回転子は、固定子内側空間内に回転可能に支持されている。また、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、主磁極には、軸方向に沿って延在する磁石挿入孔が形成されている。そして、磁石挿入孔に永久磁石が挿入されている。永久磁石としては、種々の永久磁石を用いることができるが、好適には、ネオジウム系磁石が用いられる。より好適には、ディスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）が拡散されたネオジウム磁石が用いられる。磁石挿入孔に挿入された永久磁石によって、主磁極と補助磁極が規定され、また、主磁極のｄ軸と補助磁極のｑ軸が規定される。なお、ｄ軸は、回転子の回転中心と主磁極の周方向中央を結ぶ線として規定され、ｑ軸は、回転子の回転中心と補助磁極の周方向中央を結ぶ線として規定される。
回転子の外周面は、主磁極のｄ軸と交差する第１外周面部分と、補助磁極のｑ軸と交差する第２外周面部分と、第１外周面部分と第２外周面部分を接続する接続部分を有している。第１外周面部分は、回転子の回転中心を中心点とする半径Ｒ１の円弧形状を有し、第２外周面部分は、回転子の回転中心を中心点とし、半径Ｒ１より小さい半径Ｒ２（Ｒ２＜Ｒ１）の円弧形状を有している。
第１発明では、固定子のスロットの数が２４に設定され、回転子の極対数Ｐが２（極数が４）に設定され、回転子の直径Ｋが［４５ｍｍ≦Ｋ≦９０ｍｍ］を満足するように設定されている。
また、回転子の第２外周面部分と第１外周面部分の延在線との間の径方向に沿った最短距離Ｈが、回転子の第１外周面部分と固定子のティース先端面（固定子内周面）との間の径方向に沿った最短距離Ｇの２．５倍以上に設定されている（［Ｈ≧２．５×Ｇ］）。なお、回転子の第２外周面部分と第１外周面部分の延在線との間の径方向に沿った最短距離Ｈが長くなると、磁石挿入孔、すなわち、磁石挿入孔に挿入される永久磁石の配置スペースが狭くなり、十分な磁束を確保することができなくなる。このため、好適には、［Ｈ≦３．５×Ｇ］を満足するように設定される。
また、回転子の回転中心に対する回転子の第１外周面部分の中心角θ（機械角度）が、［３９．５度≦θ≦４５．５度］を満足するように設定されている。
第２発明では、固定子のスロットの数が３６に設定され、回転子の極対数Ｐが３（極数が６）に設定され、回転子の直径Ｋが［４５ｍｍ≦Ｋ≦９０ｍｍ］を満足するように設定されている。
また、回転子の第２外周面部分と第１外周面部分の延在線との間の径方向に沿った最短距離Ｈが、回転子の第１外周面部分と固定子のティース先端面（固定子内周面）との間の径方向に沿った最短距離Ｇの２．５倍以上に設定されている（［Ｈ≧２．５×Ｇ］）。なお、回転子の第２外周面部分と第１外周面部分の延在線との間の径方向に沿った最短距離Ｈが長くなると、磁石挿入孔、すなわち、磁石挿入孔に挿入される永久磁石の配置スペースが狭くなり、十分な磁束を確保することができなくなる。このため、好適には、［Ｈ≦３．５×Ｇ］を満足するように設定される。
また、回転子の回転中心に対する回転子の第１外周面部分の中心角θ（機械角度）が、［（３９．５度×２／３）≦θ≦（４５．５度×２／３）］を満足するように設定されている。
第１発明および第２発明では、ｑ軸インダクタンス、特に、電流が小さい低トルクで運転する際におけるｑ軸インダクタンスを、従来の永久磁石電動機のｑ軸インダクタンスに比べて大幅に低減することができる。これにより、低トルクで運転する際におけるｑ軸インダクタンスによる鉄損を大幅に低減することができ、効率を向上させることができる。
第１発明および第２発明の異なる形態では、接続部分は、直線状に延在している。接続部分は、好適には、ｄ軸に平行（「略平行」を含む）に直線状に延在するように形成されるが、径方向（回転中心線を通る方向）に平行（「略平行」を含む）に直線状に延在するように形成することもできる。接続部分が直線状に延在していると、第１外周面部分と第２外周面部分との間の磁気抵抗が大きく変化する。これにより、磁束が第１外周面部分に集中し、効率が向上する。
本形態では、第２外周面部分を容易に形成することができる。
第１発明および第２発明の異なる形態では、磁石挿入孔は、Ｖ字状、直線状、台形状、円弧状のいずれかの形状に配置されている。
本形態では、種々の構成の回転子を有する永久磁石電動機を得ることができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、前記固定子に対して回転可能に支持されている回転子を備え、
前記固定子は、周方向に沿って延在するヨークと、前記ヨークから径方向内側に延在し、径方向内側に周方向に沿って延在するティース先端面が形成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、前記各ティースに分布巻き方式で巻き付けられている固定子巻線を有し、
前記回転子は、周方向に沿って主磁極と補助磁極が交互に配置され、前記主磁極に磁石挿入孔が形成されているとともに、前記磁石挿入孔に永久磁石が挿入され、
前記回転子の回転子外周面は、前記主磁極のｄ軸と交差する第１外周面部分、前記補助磁極部のｑ軸と交差する第２外周面部分および前記第１外周面部分と前記第２外周面部分を接続する接続部分を有し、前記第１外周面部分は、前記回転子の回転中心を中心点とする半径Ｒ１の円弧形状を有し、前記第２外周面部分は、前記回転子の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）の円弧形状を有している永久磁石電動機であって、
前記固定子のスロットの数が２４に設定され、
前記回転子の極対数Ｐが２に設定され、
前記回転子の直径Ｋが、［４５ｍｍ≦Ｋ≦９０ｍｍ］を満足するように設定され、
前記回転子の前記第２外周面部分と前記回転子の前記第１外周面部分の延在線との間の径方向に沿った最短距離Ｈが、前記回転子の前記第１外周面部分と前記固定子の前記ティース先端面との間の径方向に沿った最短距離Ｇの２．５倍以上に設定され、
前記回転子の回転中心に対する前記回転子の前記第１外周面部分の中心角θ（機械角度）が、［３９．５度≦θ≦４５．５度］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。
【請求項２】
固定子と、前記固定子に対して回転可能に支持されている回転子を備え、
前記固定子は、周方向に沿って延在するヨークと、前記ヨークから径方向内側に延在し、径方向内側に周方向に沿って延在するティース先端面が形成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、前記各ティースに分布巻き方式で巻き付けられている固定子巻線を有し、
前記回転子は、周方向に沿って主磁極と補助磁極が交互に配置され、前記主磁極に磁石挿入孔が形成されているとともに、前記磁石挿入孔に永久磁石が挿入され、
前記回転子の回転子外周面は、前記主磁極のｄ軸と交差する第１外周面部分、前記補助磁極部のｑ軸と交差する第２外周面部分および前記第１外周面部分と前記第２外周面部分を接続する接続部分を有し、前記第１外周面部分は、前記回転子の回転中心を中心点とする半径Ｒ１の円弧形状を有し、前記第２外周面部分は、前記回転子の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）の円弧形状を有している永久磁石電動機であって、
前記固定子のスロットの数が３６に設定され、
前記回転子の極対数Ｐが３に設定され、
前記回転子の直径Ｋが、［４５ｍｍ≦Ｋ≦９０ｍｍ］を満足するように設定され、
前記回転子の前記第２外周面部分と前記回転子の前記第１外周面部分の延在線との間の径方向に沿った最短距離Ｈが、前記回転子の前記第１外周面部分と前記固定子の前記ティース先端面との間の径方向に沿った最短距離Ｇの２．５倍以上に設定され、
前記回転子の回転中心に対する前記回転子の前記第１外周面部分の中心角θ（機械角度）が、［（３９．５度×２／３）≦θ≦（４５．５度×２／３）］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。
【請求項３】
請求項１または２に記載の永久磁石電動機であって、
前記接続部分は、直線状に延在していることを特徴とする永久磁石電動機。
【請求項４】
請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載に永久磁石電動機であって、
前記磁石挿入孔は、Ｖ字状、直線状、台形状、円弧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永久磁石電動機。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
2020167912.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】令和2年3月2日(2020.3.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
第５実施形態の永久磁石電動機の回転子５２０が、図８に示されている。
図８に示されている回転子５２０は、６極構造（極対数Ｐ＝３）（極対数が３である永久磁石電動機）で、各主磁極に、第１実施形態の回転子１２０と同様に、直線状に延在する第１磁石挿入孔５３１と第２磁石挿入孔５３２が、ｄ軸を挟んで両側に、回転中心Ｏ側に飛び出ているＶ字状に形成されている。そして、第１磁石挿入孔５３１および第２磁石挿入孔５３２それぞれに、直線状に延在している第１永久磁石５４１および第２永久磁石５４２が挿入されている。
なお、第５実施形態の永久磁石電動機では、固定子のスロットが、３６個設けられている（３６スロットの永久磁石電動機）。
また、本実施形態の永久磁石電動機では、回転子の回転中心Ｏに対する回転子５２０の第１外周面部分５２０ａの中心角θ（機械角度）が、［（３９．５度×２／３）≦θ≦（４５．５度×２／３）］を満足するように設定されている。
回転子５２０の直径Ｋは、第１実施形態の永久磁石電動機１００と同様に、［４５ｍｍ≦Ｋ≦９０ｍｍ］を満足するように設定されている。
回転子５２０の第２外周面部分５２０ｄと第１外周面部分５２０ａの延在線との間の径方向に沿った最短距離Ｈは、第１実施形態の永久磁石電動機１００と同様に、第１外周面部分５２０ａと固定子内周面との間の径方向に沿った最短距離Ｇの２．５倍以上（［Ｈ≧２．５×Ｇ］）に設定されている。
本実施形態の永久磁石電動機においても、第１実施形態の永久磁石電動機１００と同様に、低トルクでの運転時における、ｑ軸インダクタンスＬｑを大幅に低減することができる。これにより、低トルクでの運転時における、ｑ軸インダクタンスＬｑによる鉄損を大幅に低減することができ、効率を向上させることができる。