(57)【要約】【課題】逆極性磁場を漏洩と減衰で抑制し、ジスプロシウム含有率の低いネオジム磁石を用いる。【解決手段】電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束を周波数に依存せず熱損失なしに分岐、漏洩させるための径方向に長く穿設される磁束短絡防止孔２１、２２の構成と、高い周波数成分の逆極性磁場を熱損失で減衰させるための金属板２９、３０をネオジム磁石１９、２０に配置する構成を合わせることで、ネオジム磁石での逆極性磁場の低減とジュール発熱を抑制し、ジスプロシウム含有率の低いネオジム磁石をハイブリッド自動車などの埋込磁石同期電動機に用いることを可能にする。【選択図】図１
2014087076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された磁性鋼板からなる回転子コアの各磁極に希土類磁石が埋設された埋込磁石同期電動機の回転子において、
希土類磁石が埋設される磁石埋設用孔の周方向端部の近傍から径方向に延長された磁束短絡防止孔が穿設され、前記希土類磁石の磁極面に金属板が配置される、
ことを特徴とする埋込磁石同期電動機の回転子。
【請求項２】
前記金属板が、積層された磁性鋼板からなる磁極頭部コアと前記希土類磁石の外方向磁極面の間に配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載の埋込磁石同期電動機の回転子。
【請求項３】
前記希土類磁石にネオジム磁石が用いられる、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の埋込磁石同期電動機の回転子。
【請求項４】
前記金属板が、軟磁性の金属板である、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の埋込磁石同期電動機の回転子。
【請求項５】
前記磁束短絡防止孔の径方向中心の長さＬ、直交方向の平均間隔Ｄ、前記ネオジム磁石の外方向磁極面の幅をＷ、および前記磁石埋設用孔の間隔と軟磁性の板厚の差分Ｔとし、前記磁極頭部コアに入る電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束の量Φと規定した際の条件、
Φ×｛（Ｄ／２Ｌ）／（Ｄ／２Ｌ＋Ｔ／Ｗ）｝＜（２／３）×Φ
を満たす構成にされる、
ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の埋込磁石同期電動機の回転子。
【請求項６】
前記金属板が前記磁束短絡防止孔に突出される、
ことを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれかに記載の埋込磁石同期電動機の回転子。
【請求項７】
前記磁束短絡防止孔に突出される前記金属板の外縁部に複数のスリットが形成される、
ことを特徴とする請求項６に記載の埋込磁石同期電動機の回転子。
【請求項８】
異なる高さの平坦部を有する弾性変形可能な長方形に近似した軟磁性ばね板が前記ネオジム磁石の内方向磁極面に配置される、
ことを特徴とする請求項３から請求項７までのいずれかに記載の埋込磁石同期電動機の回転子。
【請求項９】
回転子の主たる回転方向に開口部を有する空気取入れ部が、前記回転子コアの端面におけるネオジム磁石周辺の貫通孔の位置に固定される、
ことを特徴とする請求項３から請求項７までのいずれかに記載の埋込磁石同期電動機の回転子。
【請求項１０】
固定子と回転子が外気からケースで閉じられ、前記貫通孔と前記回転子の内側を途中に熱交換部を介して空気が循環される、
ことを特徴とする請求項９に記載の埋込磁石同期電動機の回転子。
【請求項１１】
前記熱交換部が回転軸の中心を回転対称中心とする渦形状の一部からなる複数のフィンを有し、前記回転子の端面に対向して配置される、
ことを特徴とする請求項１０に記載の埋込磁石同期電動機の回転子。
【請求項１２】
電機子巻線の端子間が、回転子の磁極数と回転速度の積の逆数で規定される半周期より短い周期で電気的に断続される、
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の埋込磁石同期電動機の回転子。
【請求項１３】
電機子巻線の端子間が電気的に断続される平均の周期が、埋込磁石同期電動機の所定の位置における温度が高い時に、より短くされる、
ことを特徴とする請求項１２に記載の埋込磁石同期電動機の回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、埋込磁石同期電動機の回転子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁性鋼板（電磁鋼板）が積層された回転子の各磁極に永久磁石が埋め込まれ、マグネットトルクに加え、リラクタンストルクも利用する埋込磁石同期電動機（別称として埋込磁石同期モータ、あるいはＩＰＭモータなど）がハイブリッド自動車や電気自動車などに用いられ、特許文献１や非特許文献１で開示されている。
【０００３】
図１１で示される従来例の埋込磁石同期電動機は、磁性鋼板が積層されて形成された回転子コア１にネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ系焼結磁石）２がＶ字状に浅く埋設され、径方向に浅い磁束短絡防止孔３や、あらかじめネオジム磁石の磁束で磁気飽和されたブリッジ部５、および径方向ブリッジ部６での電機子電流による逆極性磁場にともなう同方向の磁束の漏洩が比較的少ないため、多くがネオジム磁石２に加わり、渦電流損による温度上昇も大きくなる。耐熱性の確保には大きい保磁力Ｈｃｊのネオジム磁石が必要とされる。
【０００４】
ハイブリッド自動車などでは、エンジンからの熱や、固定子や回転子での銅損や鉄損で摂氏２００度ほどにもなる温度環境下においても、ネオジム磁石に不可逆減磁を生じさせないことが必須になる。ネオジム磁石の耐熱性のために大きい保磁力Ｈｃｊを持たせるには、重希土類元素であるジスプロシウム（Ｄｙ）の含有率が８ｗｔ％（重量パーセント）から１０ｗｔ％ほどにされたネオジム磁石が用いられる。しかし、残留磁束密度Ｂｒは低下し、産地と入手が制約されて高価なジスプロシウムを多く用いることになる。
【０００５】
ジスプロシウムを避けるため、ジスプロシウム添加とほぼ同様の耐熱性と磁気特性の変化を示すテルビウム（Ｔｂ）添加のネオジム磁石を用いることもできる。テルビウムはジスプロシウムより資源量がさらに希少であり、産地もジスプロシウムと重なる。他には、サマリウム・コバルト磁石が用いられることもある。サマリウム・コバルト磁石は耐熱性に優れ、温度による磁気特性の変化が小さく、鉄の含有率を高くしてジスプロシウム含有率の高いネオジム磁石に近似するエネルギー積も可能である。サマリウム（Ｓｍ）はネオジムに較べて資源量が少ない。コバルト（Ｃｏ）は鉄（Ｆｅ）に較べて高価格である。
【０００６】
回転子コア（ロータコア）の外周と永久磁石の間に非磁性部（磁束短絡防止孔に相当）を設けて、減磁界（逆極性磁場に相当）を漏らして永久磁石の端部で生じる減磁を抑える方法が特許文献２に開示されている。永久磁石に加わる着磁磁化と反対方向の逆極性磁場を大きく低減するには、径方向に長く、ある程度幅狭の空隙で漏洩を大きくすることが必要である。永久磁石の磁束漏洩を増加することは、マグネットトルクの低下をもたらす。
【０００７】
非特許文献２、３で示されるように、結晶粒微細化や粒界面制御によって、ジスプロシウムの添加なしで１．６ＭＡ／ｍ（２０ｋＯｅ）ほどの保磁力Ｈｃｊを確保できることが報告されている。しかし、高い温度環境下に晒されるハイブリッド自動車などでは、図１０のような従来の回転子の構成のままで、ネオジム磁石を入れ替えるだけでは不可逆減磁に耐えられる保証はない。
【０００８】
永久磁石の上下に導電板が密着して配置され、加わる磁場を導電板の誘導電流による誘導磁場で打ち消す構成が、特許文献３に開示されている。回転子鉄心（コア）の各磁極に２個の固定磁力磁石と、間に可変磁力磁石が埋設され、固定磁力磁石の上下に導電板が配置される。可変磁力磁石の磁化電流による磁場が導電板を貫通すると、導電板に誘導電流が流れて磁場が発生する。この磁場が固定磁力磁石を通る磁化電流による磁場と打ち消し合い、磁化電流により発生する磁場を可変磁力磁石に集中し、効率的に磁化を行う。永久磁石の着磁磁化と反対方向の電機子電流による逆極性磁場を減衰させるものではない。
【０００９】
永久磁石のがたつきを抑えるため、板ばねを永久磁石の内方向磁極面と磁石支持孔（磁石埋設用孔）の内周面の間に配置する方法が、特許文献４で開示されている。放熱やパーミアンス係数が考慮されてないため、軟磁性の板ばねで接触面積を大きくし、磁気空隙を小さくする工夫がなされていない。
【００１０】
ケースに収められて外気から閉ざされた回転子と固定子が空気流で直接冷却される方法がある。特許文献５では、回転子と固定子の何れにも貫通された通風穴を通して空気が循環され、特許文献６では、外部に設けられた熱交換器と回転子の内側を通して空気が循環される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−２３８５５３号公報
【特許文献２】特開２０００−０５０５４３号公報
【特許文献３】特開２０１０−１４８１７９号公報
【特許文献４】特開２００４−３５７４１８号公報
【特許文献５】特開平１１−１４６５８５号公報
【特許文献６】特開２００８−１２５２３４号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】ＴＯＹＯＴＡ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｖｏｌ．５４  Ｎｏ．１  Ａｕｇ．２００５
【非特許文献２】Ｓ．Ｓｕｇｉｍｏｔｏ  ：  ｔｈｅ  ２１ｓｔ  Ｉｎｔ．Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｒａｒｅ  Ｅａｒｔｈ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ  ＆  ｔｈｅｉｒ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，（２０１０．９．１  Ｂｌｅｄ−Ｓｌｏｖｅｎｉａ）
【非特許文献３】Ｃ．Ｍｉｓｈｉｍａ  ｅｔ  ａｌ．  ：Ｐｒｏｃ．  ｔｈｅ  ２１ｓｔ  Ｉｎｔ．Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｒａｒｅ  Ｅａｒｔｈ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｓ  ａｎｄ  ｔｈｅｉｒ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，（Ｂｌｅｄ−Ｓｌｏｖｅｎｉａ）  ｅｄ．  Ｓ．ＫｏｂｅＰ．Ｊ．ＭｃＧｕｉｎｅｓｓ，  ｐｐ．２５３−２５６（２０１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の埋込磁石同期電動機の回転子の主たる課題は、希土類磁石、特にネオジム磁石の着磁磁化と反対方向の電機子電流による低い周波数から幅広い周波数成分からなる逆極性磁場、および逆極性磁場にともなう磁束を、ネオジム磁石に加わる前に漏洩と減衰で低減させる二つの手段を同時に採用することで、ネオジム磁石（希土類磁石）に加わる逆極性磁場とネオジム磁石（希土類磁石）での温度上昇を抑制することである。
【００１４】
具体的には、ネオジム磁石の周方向端部の近傍から径方向に延長して穿設された磁束短絡防止孔で、電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束を、周波数に無関係に熱損失なく漏洩させる１の手段と、ネオジム磁石の磁極面に配置される金属板で逆極性磁場の高い周波数成分を熱損失で減衰させる２の手段を用いて、ネオジム磁石に加わる逆極性磁場を小さくし、ネオジム磁石での温度上昇を抑制する。
【００１５】
径方向に長く穿設された磁束短絡防止孔と、耐遠心力強度を維持するためにブリッジ部などで磁束漏洩が大きくなる１の手段の制約、および周波数に依存する減衰で着磁が不十分になる可能性を有する２の手段の制約を前提に、両手段の利点を合わせてネオジム磁石に加わる電機子電流による逆極性磁場を小さくする。
【００１６】
追加手段として、ネオジム磁石周辺の貫通孔を通して回転子の内側で熱交換部を介して空気を循環させることにより、ネオジム磁石での温度上昇をさらに抑制し、ジスプロシウム含有率の低いネオジム磁石をハイブリッド自動車などの埋込磁石同期電動機に用いることを可能にする。
【００１７】
磁束短絡防止孔やブリッジ部におけるネオジム磁石の磁束の漏洩増加分を、ジスプロシウム含有率の低減による残留磁束密度Ｂｒの増加と、温度上昇の抑制による残留磁束密度Ｂｒ低下の抑制で補償し、マグネットトルクを大きめに維持する。
【００１８】
大きくされる磁極頭部コアでの鉄損低減とｑ軸インダクタンス低下の緩和と、磁束短絡防止孔での熱損失なしの逆極性磁場にともなう磁束の漏洩によるネオジム磁石と近傍での熱損失の減少で、高効率の運転領域を広くする。
【００１９】
特に発電機として用いる場合は、回転子の磁極数（対極数×２）と回転速度（回転数／秒）の積の逆数で規定される半周期より短い周期で電機子巻線の端子間を電気的に断続することで、電機子電流による逆極性磁場の高い周波数成分を多くし、金属板での逆極性磁場の減衰を多くする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
希土類磁石（ネオジム磁石）の着磁磁化と反対方向の電機子電流による周波数帯域が広い逆極性磁場を大きく低減し、希土類磁石（ネオジム磁石）での温度上昇を抑制するため、請求項１では、電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束を、希土類磁石（ネオジム磁石）を埋設する磁石埋設用孔の周方向両端の近傍から径方向に延長された磁束短絡防止孔で、周波数に無関係に熱損失なく分岐、漏洩させる手段と、希土類磁石（ネオジム磁石）の磁極面に配置される金属板で、逆極性磁場の高い周波数成分を熱損失で減衰させる手段を合わせた構成にする。
【００２１】
逆極性磁場をより効果的に減衰させるため、請求項２では、積層された磁性鋼板からなる磁極頭部コアと前記希土類磁石の外方向磁極面の間に減衰用の金属板が配置される。
【００２２】
資源豊富なネオジム（Ｎｄ）を用いて、大きいエネルギー積の磁石を利用するため、請求項３では、希土類磁石にネオジム磁石が用いられる。
【００２３】
逆極性磁場の高い周波数成分を表皮効果で大きく減衰させるため、請求項４では、減衰用の金属板に高い透磁率の軟磁性の金属板を用いる。
【００２４】
従来の埋込磁石同期電動機の実績をもとづいて、磁束短絡防止孔での漏洩の比率を適正にすることで、金属板での逆極性磁場の減衰を考慮せず、請求項５では、ジスプロシウム含有率が５ｗｔ％より低いネオジム磁石を不可逆減磁しない可能性に導く磁束短絡防止孔を用いた磁極周辺の形状を決める。
【００２５】
金属板の熱を回転子の外へ放散するため、請求項６のように、金属板を磁束短絡防止孔に突出させて、磁束短絡防止孔を通る空気流で冷却する。
【００２６】
軟磁性の金属板を直接通してネオジム磁石の磁束が漏洩するのを抑えるため、請求項７のように、磁束短絡防止孔に突出される金属板の外縁部に複数のスリットが形成される。
【００２７】
ネオジム磁石の内方向磁極面から熱を回転子コアに伝導で放散するため、同時にパーミアンス係数を大きめに維持するため、請求項８のように、長方形に近似した外形を有し、一定幅を有する外縁部と内部の平坦部が異なる高さに成形された軟磁性ばね板が、ネオジム磁石の内方向磁極面に配置される。
【００２８】
ネオジム磁石を空気流で冷却できるようにするため、請求項９では、回転子の主たる回転方向に開口部を有する空気取入れ部が、ネオジム磁石（希土類磁石）周辺の貫通孔を覆う位置に固定される。
【００２９】
防水、防塵、防音のために外気から閉じられたケース内で、回転子に埋め込まれたネオジム磁石（希土類磁石）を効果的に冷却するため、請求項１０のように、空気取入れ部で空気が貫通孔に流し込まれ、回転子の内側を途中に熱交換部を介して循環される。
【００３０】
空気の熱交換と径方向の流動を強調するため、請求項１１のように、回転軸の中心を回転対称中心とする渦形状の一部からなる複数のフィンを有する熱交換部が回転子の端面に対向して配置される。
【００３１】
発電機として用いられる場合、誘起電流による不可逆減磁を避けるため、請求項１２のように、（磁極数×回転速度）の逆数で規定される半周期より短い周期で電機子巻線の端子間が電気的に断続される。
【００３２】
スイッチング損失を小さくするため、請求項１３では、電機子巻線の端子間が電気的に断続される平均の周期が、埋込磁石同期電動機の所定の温度が高い時に、より短くされる。
【００３３】
本発明の構成において、埋め込まれるエネルギー積の大きいネオジム磁石にテルビウム（Ｔｂ）添加のネオジム磁石を用いてもよい。
【００３４】
本発明の構成において、ネオジム磁石の代わりにサマリウム・コバルト系磁石を用いてもよい。
【発明の効果】
【００３５】
磁束短絡防止孔での漏洩と金属板での減衰の２つの手段を用いて、低い周波数から広い周波数成分を有する電機子電流による逆極性磁場をネオジム磁石（希土類磁石）に加わる前に小さくし、ネオジム磁石（希土類磁石）の温度上昇を抑制する。
【００３６】
追加手段として、ネオジム磁石周辺の貫通孔と回転子の内側で熱交換部を介して空気を循環させ、ネオジム磁石を冷却することで、ジスプロシウム含有率の低いネオジム磁石を高い温度環境下で使用できる。
【００３７】
鉄損とｑ軸インダクタンス低下の抑制で、高効率の運転領域が広くされる。
【００３８】
ジスプロシウム含有率の低減と温度上昇の抑制で残留磁束密度Ｂｒを大きめに保つことで、マグネットトルクの大きさを維持できる。
【００３９】
電機子巻線の端子間を短い周期で電気的に断続することで、発電用途でのネオジム磁石の不可逆減磁が回避されやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の埋込磁石同期電動機の回転子の実施例１を、一部拡大した端面で示す。
【図２】実施例１を端面の全体図で示す。
【図３】実施例１の構成図を示す。
【図４】実施例１の磁束経路を説明する図である。
【図５】実施例１の拡大断面を示す。
【図６】実施例１の冷却構成の一部を示す。
【図７】実施例１の冷却構成を断面で示す。
【図８】実施例１の他の冷却構成の一部を示す。
【図９】本発明の埋込磁石同期電動機の回転子の実施例２を、一部拡大した端面で示す。
【図１０】本発明の埋込磁石同期電動機の回転子の実施例３を、一部拡大した端面で示す。
【図１１】従来の埋込磁石同期電動機の回転子を示す。
【図１２】ネオジム磁石の温度による磁気特性を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
本発明の埋込磁石同期電動機の回転子では、ネオジム磁石の着磁磁化と反対方向の電機子電流による逆極性磁場を低減するために、磁束短絡防止孔で周波数に依存せずに漏洩させる手段と、金属板で高い周波数成分を減衰させる手段を組み合わせて採用することで、ジスプロシウム含有率の低いネオジム磁石を用いる実施の形態を、（００４２）の項から（００５８）の項までを前提にして、示す。
【００４２】
埋込磁石同期電動機はインバータでＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）駆動される。電気角周期の逆数に対して相対的に高いキャリア周波数で、電流ベクトル制御の自由度の大きい正弦波電流駆動が一般的に用いられる。ネオジム磁石に加わる電機子電流による磁場は、電機子巻線のインダクタンスや抵抗などの影響でキャリア周波数以外の周波数成分を含むが、１ｋＨｚ近傍を主な成分とするＰＷＭキャリア周波数を基本波として有している。
【００４３】
ネオジム磁石の着磁磁化と反対方向の逆極性磁場は、電機子電流によるｄ軸成分（ｄ軸電流）による逆極性磁場と、回転時の誘起電流による逆極性磁場を主に意味する。ＰＷＭ駆動の電機子電流によるｄ軸成分（ｄ軸電流）による逆極性磁場は、１ｋＨｚ以上の周波数成分を多く有するが、誘起電流による逆極性磁場の周波数は５００Ｈｚより低い。ネオジム磁石に加わる前に逆極性磁場を漏洩、減衰させるには、周波数を考慮する必要がある。
【００４４】
磁石の磁気特性は磁化曲線（ヒステリシスループ）で示され、磁束密度Ｂは、加えられた磁場Ｈと磁気分極Ｊの和で表される。
Ｂ＝μＨ＋Ｊ
Ｂ：磁束密度（Ｔ、テスラ）、Ｈ：磁場（Ａ／ｍ）、Ｊ：磁気分極（Ｔ）、
μ：真空の透磁率
磁化曲線の第２象限の部分で示される減磁曲線は、磁場Ｈにより変化する磁気分極Ｊの大きさを示すＪ−Ｈ減磁曲線と、磁場Ｈに磁石の磁気分極Ｊを加えた全体の磁束密度を示すＢ−Ｈ減磁曲線がある。
【００４５】
Ｊ−Ｈ減磁曲線における磁場Ｈ＝０での磁気分極Ｊが残留磁気分極Ｊｒ、磁気分極Ｊ＝０になる磁場Ｈの値が保磁力Ｈｃｊとなる。また、Ｂ−Ｈ減磁曲線における磁場Ｈ＝０での磁束密度Ｂが残留磁束密度Ｂｒとなる。第２象限の部分で、負の傾きのパーミアンス係数の動作線とＢ−Ｈ減磁曲線との交点である動作点での磁束密度はＢｄで示される。ネオジム磁石は、保磁力Ｈｃｊが大きいほど耐熱性があり、温度が上昇するほど保磁力と残留磁束密度Ｂｒ（あるいは残留磁気分極Ｊｒ）が低下する。
【００４６】
埋込磁石同期電動機の小型化にはエネルギー積の大きいネオジム磁石が有利であり、ハイブリッド自動車などに用いられるためには耐熱性の向上が必要で、高い保磁力Ｈｃｊを持たせるために、重希土類元素のジスプロシウムが添加される。ジスプロシウムの高価格や入手の制約、および残留磁化束密度Ｂｒ低下の理由でジスプロシウム含有率を低減するためには、ネオジム磁石に加わる着磁磁化と反対方向の電機子電流による逆極性磁場を小さくし、ネオジム磁石での温度上昇を抑制することが必要になる。
【００４７】
埋込磁石同期電動機は、永久磁石と電機子電流による電機子鎖交磁束の変化によってエネルギー変換が行われることによるマグネットトルクと、磁気的な突極性で回転位置による電機子巻線のインダクタンスの変化で空隙に貯えられる磁気エネルギーが機械エネルギーに変換されることによるリラクタンストルクを、電機子電流でベクトル制御することでトルクや効率の大きさを選択できる。
【００４８】
ネオジム磁石に加わる逆極性磁場を小さくするには、ネオジム磁石に入る前にジュール熱として減衰させるか、他に分岐、漏洩させることが必要になる。減衰で小さくされるのは高い周波数成分の逆極性磁場で、漏洩で小さくするのは周波数に関係なくできる。
【００４９】
磁気抵抗が最も大きい方向で、永久磁石によって発生する巻線鎖交磁束の方向をｄ軸に、磁気抵抗が最小でｄ軸と電気角で直交する磁極間の方向をｑ軸にすることで、固定子に静止していた３相巻線は、永久磁石が埋設された回転子に同期して回転する２つのｄ、ｑ巻線に変換されて静止しているのと等価となり、それぞれ抵抗とインダクタンスを有する電気的に独立した２つの直流回路とみなされることで、電流ベクトル制御が容易になる。
【００５０】
トルクは電流ベクトルと電機子鎖交磁束ベクトルの外積より求まる。トルクＴを示す式は、永久磁石によって発生するマグネットトルクを第１項、インダクタンスの差によって発生するリラクタンストルクを第２項にして、以下の式で表される。
Ｔ＝Ｐｎ・ψａ・ｉｑ＋Ｐｎ・（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄ・ｉｑ
＝Ｐｎ｛ψａ・Ｉａ・ｃｏｓβ＋１／２・（Ｌｑ−Ｌｄ）Ｉａ・Ｉａ・ｓｉｎ２β｝
Ｐｎ：対極数
ψａ：永久磁石による電機子鎖交磁束の実効値
ｉｄ、ｉｑ：電機子電流のｄ、ｑ軸成分
Ｌｄ：ｄ軸電機子巻線の自己インダクタンス（ｄ軸インダクタンス）
Ｌｑ：ｑ軸電機子巻線の自己インダクタンス（ｑ軸インダクタンス）
Ｉａ：電機子電流の振幅（電流ベクトルの大きさ）
β  ：電機子電流のｑ軸からの進み角（電流位相）
【００５１】
埋込磁石同期電動機（モータ）の電機―機械変換の効率は、負荷と回転数に対応した電流ベクトル制御で高めに確保される必要がある。弱め磁束制御で誘起電圧を抑えながら、高回転速度まで定出力の領域を広げ、高い効率で運転するためには、リラクタンストルクに大きく依存することになる。また、最大トルク制御の定トルク領域のように、低い回転速度においても大きいトルクを得るためにはリラクタンストルクが用いられる。結果、電機子電流の電流位相βに依存する電気子電流のｄ軸成分（ｄ軸電流）を流すことでネオジム磁石の着磁磁化と反対方向の負のｄ軸電機子反作用磁束−Ｌｄ・ｉｄがネオジム磁石を減磁する。ネオジム磁石に加わる電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束、あるいは逆極性磁場を小さくする対応が、不可逆減磁を生じないネオジム磁石のジスプロシウム含有率の選択の範囲を主に決める。
【００５２】
電機子巻線に流れる電流による銅損は、高負荷で運転する場合には全体の損失においての比率が大きくなる。低負荷では渦電流損を主とした鉄損の比率が大きい。鉄損は、固定子においては固定子歯で多く生じ、回転子においては、回転子コアのｑ軸磁路（ｑ軸磁束の磁路）における断面積の小さい部分で多く生じる。固有抵抗の小さいネオジム磁石においては、ｄ軸電流（電機子電流のｄ軸成分）による逆極性磁場で渦電流損が生じる。
【００５３】
リラクタンストルクを大きくするためには、電機子電流のｑ軸からの電流位相（進み角）βを大きくするが、効率が最大となる電流位相βは、電機子電流が最小で銅損が最小となる電流位相と、総合の電機子鎖交磁束が最小で鉄損が最小となる電流位相の間に存在する。結果、電流位相方向の電機子電流の振幅Ｉａ（電流ベクトルの大きさ）のｄ軸成分であるｉｄが対応して大きくなり、電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束と等価であるｄ軸電機子反作用磁束−Ｌｄ・ｉｄも相応に大きくなる。
【００５４】
ネオジム磁石の着磁磁化と反対方向の逆極性磁場には、電機子巻線に生じる誘起電流による逆極性磁場もある。高回転速度ほど誘起電流にともなう誘起電圧が高くなるため、一定電圧を超えないように−Ｌｄ・ｉｄを大きくすることで誘起電圧を抑える弱め磁束制御で高回転速度まで対応できるようにされる。
【００５５】
ネオジム磁石には他の逆極性磁場が加わる可能性がある。駆動しているインバータの保護機能の作動でシャットダウンしたときに発生する誘起電圧や、スイッチング素子のオフ時のスパイク電圧などであるが、高い周波数成分が多く、図１１で示される従来の埋込磁石同期電動機での実績から、ネオジム磁石が磁極頭部コアに深く埋め込まれる本発明の実施例では、ネオジム磁石の不可逆減磁は生じないとして扱う。逆極性磁場の記述は、電機子電流のｄ軸成分（ｄ軸電流）による逆極性磁場と、回転時の誘起電流による逆極性磁場を意味し、電機子電流による逆極性磁場としてまとめて記述される。誘起電流による逆極性磁場の主な周波数成分は、５００Ｈｚより低いことが一般的である。
【００５６】
表面が絶縁処理され、導電率が相対的に低く、高い透磁率を有する磁性鋼板である硅素鋼板が積層された回転子コアや、その一部である磁極頭部コアにおいては、電機子電流による逆極性磁束の減衰は少ないとして扱う。減衰があるとする場合には、ネオジム磁石に加わる電機子電流による逆極性磁場をさらに小さくでき、ジスプロシウム含有率や保磁力Hｃｊに余裕が生じる。
【００５７】
磁極頭部コアに深めに埋め込まれたネオジム磁石は、透磁率が空気と同じほどであっても固有抵抗が小さく、磁石厚は数ミリメートルほどに厚くされるため、比較的低い周波数の逆極性磁場でも渦電流として大きく減衰されるまでジュール熱に変換され、自らの温度を上げることになる。ネオジム磁石の温度をできるだけ上げないためには、ネオジム磁石に加わる高い周波数成分を中心とした逆極性磁場を小さくする必要がある。
【００５８】
固定子は、電機子巻線での銅損や固定子歯などでの鉄損で発熱量が大きくなりやすいが、外側で固定されているため、容易に冷やすことができる。回転子は回転軸に支えられているだけで、エアギャップを相対的に高速流動する空気を介して回転子と固定子の間で熱が伝導されるが、積層された回転子コアは積層方向の熱伝導はよくないため、回転子に埋め込まれたネオジム磁石の温度を固定子歯の温度より低くするのは簡単ではない。
【００５９】
以下、図に基づいて本発明の埋込磁石同期電動機の回転子について説明する。図１から図８までは本発明の実施例１を、図９は実施例２を、図１０は実施例３を、図１１は従来の埋込磁石同期電動機の回転子を、図１２は従来のネオジム磁石の温度による磁気特性を示す図である。異なる図において、対応する部分は原則的に同じ符号で示される。
【実施例１】
【００６０】
図１は、本発明の埋込磁石同期電動機の回転子の実施例１を、固定子とともに拡大した一部を端面で示す。回転子１１は、磁性鋼板が積層された回転子コア１２が回転子ハブ１３に嵌合されて構成される。固定子１４の固定子歯１５と回転子１１の間にエアギャップ１６が設けられる。回転子コア１２の各磁極に相当する位置には、Ｖ字状に穿設された磁石埋設用孔１７、１８にエネルギー積の大きい永久磁石であるネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ系磁石）１９、２０が深めに埋設されて配置される。
【００６１】
回転子コア１２での磁気的短絡を一部で断つための磁束短絡防止孔２１、２２は、電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束をネオジム磁石１９、２０に加わる前に適量漏洩させるため、磁石埋設用孔１７、１８の周方向端部の近傍から連続して外周部のブリッジ部２３、２４まで径方向に延長されて穿設される。磁極頭部コア２５は、両端に磁束短絡防止孔２１、２２が配置され、浅いＶ字状配置のネオジム磁石１９、２０に対向し、ブリッジ部２３、２４および径方向ブリッジ部２６で保持される。
【００６２】
磁石埋設用孔１７、１８の外周側端部２７、２８、あるいは磁極頭部コア２５と、ネオジム磁石１９、２０の外方向磁極面の間に金属板２９、３０が配置される。電機子電流による逆極性磁場をネオジム磁石１９、２０に入る前により多く減衰させるため、金属板２９、３０に高透磁率の軟磁性の金属板を用いるとよい。ネオジム磁石１９、２０の内方向磁極面３１、３２と磁石埋設用孔１７、１８の内周側端部３３、３４の間に軟磁性ばね板３５、３６が配置される。厚さが０．３ｍｍ（ミリメートル）ほどの軟磁性ばね板３５、３６が厚めに断面で示される。
【００６３】
回転子１１の回転時にネオジム磁石１９、２０に作用する遠心力は、外周側端部２７、２８で殆どが、磁石埋設用孔１７、１８の側端部近傍の凸部３７、３８で一部が保持され、
ネオジム磁石１９、２０と磁極頭部コア２５は、ブリッジ部２３、２４と径方向ブリッジ部２６で遠心力から支持される。ネオジム磁石１９、２０が接着剤で固定されている場合にはこの限りでないが、大きい遠心力が作用した時や、経時変化で接着がとれる場合もあり、外周側端部２７、２８で保持することを前提に設計すべきである。
【００６４】
磁石埋設用孔１７、１８は、角部を有するネオジム磁石１９、２０を回転子コア１２に埋設するためには、ネオジム磁石１９、２０の角部と同じ鋭利な形状に打ち抜き加工できない。結果、ネオジム磁石１９、２０の周辺には隙間３９、４０、および４１、４２、４３、４４が生じ、積層方向に複数の貫通孔が形成される。
【００６５】
回転子コア１２に穿設された磁束短絡防止孔２１、２２は、磁気的短絡を一部で断ち、電機子電流による逆極性磁場を適度に分岐、漏洩させるために穿設されるが、回転子コア１２における磁極頭部コア２５などを保持する耐遠心力強度が得られることが必要になる。マグネットトルクを得る観点では、ネオジム磁石１９、２０の磁束をあまり多く漏洩しないことが求められる。エアギャップは０．５ｍｍから０．６ｍｍほどが狭くされる限度であるため、ネオジム磁石１９、２０の厚さが大きいほど磁束短絡防止孔２１、２２の形状選択の範囲が広くなる。
【００６６】
ネオジム磁石１９、２０は、磁極頭部コア２５によって深めに埋設され、固定子１４の複数の固定子歯１５の先端から大きく離される。複数の固定子歯１５を跨いで分布巻された電機子巻線（図示されず）に流れる電流で、固定子歯１５の先端部近傍で生じる局所磁場は、深めに埋め込まれたネオジム磁石１９、２０に加わる際には小さくされる。集中巻の構成では、隣接する固定子歯の間における先端部近傍では大きい局所磁界が発生し易く、対策として永久磁石が深く埋められることよって不可逆減磁が生じにくくされることは既知である。
【００６７】
図２は、本発明の実施例１の埋込磁石同期電動機を、固定子とともに積層方向の端面で示す。回転子１１は、４対極数に対応する数のネオジム磁石が埋め込まれ、浅いＶ字状にネオジム磁石が配置された各磁極において、隣接する磁極のネオジム磁石１９、２０とネオジム磁石４５、４６が径方向に異なる着磁極性にされる。回転子１１は、回転子コア１２の突出した複数のキー４８の部分がキー溝４９に合わされ、回転子ハブ１３に嵌合されて、回転軸５０で回転自在にされる。
【００６８】
固定子１４は形状が簡略化して示され、電機子巻線が省いてある。ひとつの磁極において、浅いＶ字状配置のネオジム磁石１９、２０の外方向磁極面から出る磁束の多くは、金属板２９、３０を横切り、磁極頭部コア２５からエアギャップ１６を跨いで複数の固定子歯１５に入り、固定子１４を回り込んで複数の固定子歯５１、５２を通り、エアギャップ１６を再度跨いで磁極間コア５３、５４に入り、バックコア５５から軟磁性ばね板３５、３６を横切り、ネオジム磁石１９、２０の内方向磁極面に戻る。磁極頭部コア２５に対向する複数の固定子歯１５を鎖交するネオジム磁石１９、２０の磁束の流れは電機子鎖交磁束としてマグネットトルクに寄与する。
【００６９】
ネオジム磁石１９、２０の外方向磁極面から金属板２９、３０を横切り、磁極頭部コア２５に入る磁束の一部は、外周部のブリッジ部２３、２４、および径方向ブリッジ部２６を磁気飽和に近い状態まで通る磁束と、打ち抜かれた部分が空気のために透磁率が小さい磁束短絡防止孔２１、２２を跨いで漏れる磁束とで、回転子コア１２の内部で閉じた経路を形成する。これらはいずれもトルクには寄与しない。
【００７０】
積層される磁性鋼板には、硅素の含有率が３％ほどの硅素鋼板が、透磁率、導電率、および打ち抜き性のバランスにおいて適当であるが、引張強度を求めるあまり硅素の含有率を大きくして打ち抜き加工での金型消耗が激しい材料を選択する必要はない。
【００７１】
磁極頭部コア２５は磁性鋼板を打ち抜いて形成され、周方向の両端に設けられた幅の狭いブリッジ部２３、２４、および径方向ブリッジ部２６によって回転時の遠心力や磁気力から保持され、磁極間コア５３、５４を介して幅広で環状に連続するバックコア５５と一体化される。
【００７２】
磁極頭部コア２５は、周方向の両端の部分が大きい傾斜で磁束短絡防止孔２１、２２に沿って径方向に深く、断面が大きくされるため、電機子電流のｑ軸成分（ｑ軸電流）によるｑ軸磁束による磁気飽和が生じにくくなる。また、磁束短絡防止孔２１、２２の幅は比較的狭くされるため、固定子１４からの磁束が邪魔されずに外周から入りやすい。
【００７３】
磁極間コア５３、５４においては、隣接する磁極のネオジム磁石からの逆向きの磁束で互いに打ち消し合い、電機子電流のｑ軸成分だけではｑ軸磁束の飽和は生じにくいため、ｑ軸インダクタンスの低下が抑制され、高回転速度までリラクタンストルクの大きさを確保できる。マグネットトルクが確保できている前提で、広い運転領域で大きい出力と高効率な特性を得ることができる。
【００７４】
対照として、図１１で示される従来の埋込磁石同期電動機の回転子での磁極頭部コア４は、Ｖ字状に配置されたネオジム磁石２に沿った傾斜がそれほど大きくなく、周方向の両端部が浅いため、断面積が小さく、ネオジム磁石２の磁束で磁気飽和にされるブリッジ部５に近接している部分は、特にｑ軸磁束で磁気飽和されやすく、ｑ軸インダクタンスの低下が生じることによるリラクタンストルクの低下で、高回転速度において大きい出力を得ることが難しくなる。
【００７５】
図３は、本発明の実施例１を構成図で示す。回転子コア１２の磁石埋設用孔１７、１８に埋め込まれるネオジム磁石１９、２０は、それぞれ２つに分割されて示され、回転子コア１２の積層方向の厚さに近い長さにされる。磁石埋設用孔１７、１８に挿入されるネオジム磁石１９、２０の外方向磁極面と磁極頭部コア２５の間には、金属板２９、３０が配置される。ネオジム磁石１９、２０の内方向磁極面と磁石埋設用孔１７、１８の間に軟磁性ばね板３５、３６が配置される。軟磁性ばね板３５、３６は、異なる高さの平坦部を有する弾性変形可能な長方形に近似した外形に成形され、ネオジム磁石１９、２０の内方向磁極面と磁石埋設用孔１７、１８に必ず当接するようにされる。軟磁性ばね板３５、３６は、複数の箇所が同一方向に突出された片持ち弾性部が形成されたものでもよい。
【００７６】
図４は、本発明の実施例１におけるネオジム磁石の磁束の経路、あるいは電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束と等価な電機子電流のｄ軸成分（ｄ軸電流）によるｄ軸磁束の経路を説明するためのものである。ネオジム磁石１９、２０の外方向磁極面から出る磁束は、磁極頭部コア２５からエアギャップ１６を跨いで、磁極頭部コア２５に対向する複数の固定子歯１５を鎖交し、固定子１４を回り込み、磁極間コア５３、５４に対向する固定子歯５１、５２を鎖交し、エアギャップ１６を再度跨いで、磁極間コア５３、５４に入り、バックコア５５からネオジム磁石１９、２０の内方向磁極面３１、３２に到る第１の磁束経路、
【００７７】
磁極頭部コア２５から磁束短絡防止孔２１、２２で漏れて磁極間コア５３、５４に入り、バックコア５５からネオジム磁石１９、２０の内方向磁極面３１、３２に到る第２の磁束経路、さらには磁極頭部コア２５からブリッジ部２３、２４、および、径方向ブリッジ部２６を磁気飽和の状態まで流れて、バックコア５５からネオジム磁石１９、２０の内方向磁極面３１、３２に到る第３の磁束経路、の３つの磁束経路に主に分岐される。
【００７８】
固定子歯１５を鎖交する第１の磁束経路での磁束は電機子鎖交磁束となり、トルクに寄与する。回転子コア１２の内で閉じる第２の磁束経路、および第３の磁束経路はトルクに寄与しない経路である。ネオジム磁石１９、２０にとって、磁束短絡防止孔２１、２２はエアギャップ面積の拡大と等価と見なされ、ネオジム磁石１９、２０の磁極面と磁石埋設用孔１７、１８との隙間の拡大で小さくなるパーミアンス係数を補完する。ネオジム磁石１９、２０の磁束で無駄に減少した分を補償しないとマグネットトルクは低下する。
【００７９】
複数の固定子歯１５から磁極頭部コア２５に入る電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束は、磁束短絡防止孔２１、２２で漏れる磁束と、ネオジム磁石１９、２０に入る磁束とに主に分岐される。他には、磁極頭部コア２５に深く入るほど減衰する磁束と、回転子コア１２の外へ漏れる磁束であるが、これら２種類の磁束の減衰と漏洩はないとして扱う。後でその影響を考慮することにしても、ネオジム磁石のジスプロシウム含有率を低くすることはあっても、高くすべき結論にはならない。
【００８０】
ブリッジ部２３、２４、および径方向ブリッジ部２６は、あらかじめネオジム磁石１９、２０からの磁束でほぼ磁気飽和の状態にされているため、ネオジム磁石１９、２０の着磁磁化を減磁する方向の磁束である電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束は、ブリッジ部２３、２４、および径方向ブリッジ部２６での磁気飽和の磁化の向きと同じ極性の向きになるため、各ブリッジ部の飽和状態にプラスされる余地は少なく、ほとんど通らない。
【００８１】
磁極頭部コア２５は、高透磁率で、導電率が相対的に低く、薄い硅素鋼板のような磁性鋼板が絶縁されて積層されているため、電機子電流による逆極性磁場の減衰は小さい。磁極頭部コア２５の内で、ブリッジ部２３、２４、および径方向ブリッジ部２６の近傍を除いた磁極頭部コア２５の周方向端部、および、磁石埋設用孔１７、１８の外周側端部２７、２８での磁位は近似的に等しいとする。
【００８２】
ネオジム磁石１９、２０の透磁率は空気とほぼ同じであるため、構成の寸法のみによる磁気抵抗の比に応じ、複数の電機子歯１５から磁極頭部コア２５に入る電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束は、磁束短絡防止孔２１、２２で漏れて磁極間コア５３、５４に入る１の磁束経路と、ネオジム磁石１９、２０に入り、バックコア５５に到る２の磁束経路に分岐される。
【００８３】
意図することは、ハイブリッド自動車に用いられている図１１の従来の埋込磁石同期電動機に、保磁力Ｈｃｊが２．４ＭＡ／ｍ（３０ｋＯｅ）ほどで、ジスプロシウム含有率が８ｗｔ％から１０ｗｔ％のネオジム磁石が用いられている実績にもとづいて、金属板２９、３０での減衰はないものとして、ネオジム磁石１９、２０に加わる逆極性磁場を低減するために、逆極性磁場にともなう磁束を周波数に関係なく磁束短絡防止孔２１、２２から漏洩させ、１．６ＭＡ／ｍ（２０ｋＯｅ）より小さい保磁力の、あるいは、ジスプロシウム含有率が５ｗｔ％より低いネオジム磁石を使えるようにすることである。
【００８４】
電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束が、複数の電機子歯１５から磁極頭部コア２５に入り、磁束短絡防止孔２１、２２で漏れて磁極間コア５３、５４に入り込み、再び磁極間コア５３、５４に対向する複数の固定子歯５１、５２から固定子１４に入る磁束の経路において、磁束短絡防止孔２１、２２から磁束が漏れるほど、金属板２９、３０とネオジム磁石１９、２０に入る逆極性磁場が小さくなる。結果、ネオジム磁石１９、２０を不可逆減磁する可能性が低くなる。
【００８５】
電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束のうち、複数の電機子歯１５から磁極頭部コア２５に入った後、磁束短絡防止孔２１、２２を跨いで漏れる磁束の量と、金属板２９、３０を横切りネオジム磁石１９、２０に入る磁束の量の比率は、磁束短絡防止孔２１、２２の径方向中心の長さと、直交する方向の平均の幅の関係で決まる１の磁束経路での並列の磁気抵抗と、ネオジム磁石１９、２０の外方向磁極面の（合計の）幅と、ネオジム磁石１９、２０を挟む磁性鋼板の間隔である磁石埋設用孔１７、１８の間隔から軟磁性の金属板２９、３０および軟磁性ばね板３５、３６の合計の板厚の差分で決まる２の磁束経路での磁気抵抗の比に反比例する。
【００８６】
磁束短絡防止孔２１、２２の径方向中心でのブリッジ部２３、２４から近似する間隔が終わる位置までの長さＬ、直交方向の平均間隔Ｄ、ネオジム磁石１９、２０の外方向磁極面の幅の和Ｗ、磁石埋設用孔１７、１８の間隔と軟磁性の金属板２９、３０および軟磁性ばね板３５、３６を合計した板厚の差分Ｔ、さらに磁束短絡防止孔２１、２２の最外周部の間隔Ｓ（積層方向の単位長を乗じて面積）とする。磁極頭部コア２５の入り口の間隔Ｓのから入る電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束の量をФとする。
【００８７】
磁束短絡防止孔２１、２２を跨ぐ並列の磁気抵抗と、ネオジム磁石１９、２０を跨ぐ磁気抵抗の比は、（Ｄ／２Ｌ）：（Ｔ／Ｗ）となり、磁極頭部コア２５の入り口の間隔Ｓから入る電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束量のうち、磁束短絡防止孔２１、２２を跨ぐ磁束量と、金属板２９、３０を横切りネオジム磁石１９、２０に入る磁束量の比は、
（Ｔ／Ｗ）：（Ｄ／２Ｌ）になる。
その結果、磁極頭部コア２５の入り口である間隔Ｓから入る電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束量Φのうち、
Φ×｛（Ｄ／２Ｌ）／（Ｄ／２Ｌ＋Ｔ／Ｗ）｝
の磁束量が金属板２９、３０とネオジム磁石１９、２０に入る。
【００８８】
磁極頭部コア２５の入り口の間隔Ｓに入る磁束量Φの３分の２より小さくするためには、
Φ×｛（Ｄ／２Ｌ）／（Ｄ／２Ｌ＋Ｔ／Ｗ）｝＜（２／３）×Ф
を満たすことで、保磁力２．４ＭＡ／ｍ（３０ｋＯｅ）、あるいはジスプロシウム含有率が８ｗｔ％から１０ｗｔ％のネオジム磁石を用いる図１１の従来の埋込磁石同期電動機の実績から、２．４ＭＡ／ｍ（３０ｋＯｅ）の３分の２の保磁力、あるいはジスプロシウム含有率が５ｗｔ％より低いネオジム磁石をハイブリッド自動車に用いる可能性に導く。図１１の従来の埋込磁石同期電動機では、ネオジム磁石２の端に入った磁束が磁束短絡防止孔３で漏れ、磁極頭部コア４から入った逆極性磁場にともなう磁束のほぼ全てがネオジム磁石２に入ることを前提にしている。また、ネオジム磁石の厚さ、回転子の径、磁石開き角は近似したものとする。
【００８９】
実施例１の図４では、ネオジム磁石１９、２０の厚さは５．８ｍｍほどにされる。ネオジム磁石１９、２０が厚いほどパーミアンス係数を大きくでき、パーミアンス係数を負の傾きとする動作線とＢ−Ｈ減磁曲線との交点である動作点での磁束密度Ｂｄを大きく導きだせ、不可逆減磁されにくくなる。固定子１４と回転子１１の間のエアギャップ１６が０．６ｍｍの場合、ネオジム磁石１９、２０の厚さを５．８ミリメートルほどにすることで、ネオジム磁石１９、２０の磁束の磁束短絡防止孔２１、２２から漏れる比率が比較的小さくされ、電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束の磁束短絡防止孔２１、２２を跨いで漏れる比率は大きくされ易い。
【００９０】
磁束短絡防止孔２１、２２の径方向中心の長さＬを４．２ｍｍ、直交方向の平均間隔Ｄを２．５ｍｍ、ネオジム磁石１９、２０の（合計の）幅Ｗを３５ｍｍ、磁石埋設用孔１７、１８の間隔と軟磁性の金属板２９、３０および軟磁性ばね板３５、３６の厚さの差分Ｔを６．３ｍｍにすると、磁束短絡防止孔２１、２２を跨ぐ並列の磁気抵抗と、ネオジム磁石１９、２０を跨ぐ磁気抵抗の比は（２．５／４．２）÷２：（６．３／３５）、簡単にして１：０．６２となる。電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束は、磁極頭部コア２５で分岐され、金属板２９、３０とネオジム磁石１９、２０を通る磁束量は、磁極頭部コア２５に入る磁束量の３分の２より小さい、６２％ほどになる。
【００９１】
図１１で示される従来の埋込磁石同期電動機の回転子において、磁極頭部コア４の入り口の幅Sに相当する幅に対して、ネオジム磁石２の外方向磁極面の幅Ｗに相当する長さは０．９４倍ほどにされ、本発明の実施例１の図４の構成では、０．８９倍ほどにされている。図１１の従来例の磁極頭部コア４、および図４の実施例１の磁極頭部コア２５における電機子電流による逆極性磁場の減衰を考えず、金属板２９、３０での減衰も考慮しない場合、実施例１のネオジム磁石１９、２０での電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束の密度は、図１１の従来例のネオジム磁石２での磁束密度の
０．６２×（０．９４／０．８９）＝０．６５倍で、磁束密度でも３分の２より小さくなる。また、深く埋め込まれることによる磁極頭部コア２５での逆極性磁場の減衰を考慮すると、さらに磁束密度は小さくなる。
【００９２】
図１１の従来例で、保磁力Ｈｃｊが２．４ＭＡ／ｍ（３０ｋＯｅ）ほどのネオジム磁石が使用されると、実施例１では２．４×０．６５＝１．５６ＭＡ／ｍ（約１９ｋＯｅ）ほどの保磁力を有するネオジム磁石を、あるいは５ｗｔ％よりジスプロシウム含有率の低いネオジム磁石を用いる可能性に導く。また、磁束密度の自乗と磁石面積を乗じた発熱量の比較では４０％ほどになる。図１２で示されるネオジム磁石の特性から、ジスプロシウム含有率の低いネオジム磁石ほど温度上昇による保磁力Ｈｃｊと残留磁化Ｊｒの低下率が大きくなることを避けるため、低温側の動作にすることで不可逆減磁やマグネットトルクの低下を避けることができる。
【００９３】
ジスプロシウム含有率が５ｗｔ％より大幅に少ない、あるいはジスプロシウムを含まないネオジム磁石１９、２０を不可逆減磁されないで使用できるようにするには、磁束短絡防止孔２１、２２が穿設された構成に加え、図４で示したネオジム磁石１９、２０の磁極面に配置された金属板２９、３０での減衰の効果を考慮すること、また、ネオジム磁石周辺を直接空冷する手段に加え、保磁力Hｃｊが向上されたネオジム磁石に変える対応が有効である。
【００９４】
実施例１の図４でも示されているように、金属板２９、３０は、電機子電流による逆極性磁場の高い周波数成分をネオジム磁石１９、２０に加わる前に減衰させる。ネオジム磁石１９、２０の周辺を直接冷やす手段としては、ネオジム磁石１９、２０周辺の貫通孔と回転子の内側で熱交換部を介して空気を循環させること、さらに保磁力Hｃｊを向上したネオジム磁石は、非特許文献の一部で示されるように、結晶粒微細化や粒界面制御などでジスプロシウムを含まずに１．６ＭＡ／ｍほどの保磁力Ｈｃｊを有するネオジム磁石で、この磁石を用いることである。
【００９５】
図５は、本発明の実施例１を拡大した断面図で示す。図５（ａ）は、回転軸方向に平行でネオジム磁石１９の磁極面に対して直交方向に切断された図１の断面図である。電機子電流による逆極性磁場を減衰させる金属板２９がネオジム磁石１９の外方向磁極面と磁極頭部コア２５の間に配置される。金属板２９の表皮効果による減衰で、電機子電流による逆極性磁場をネオジム磁石１９に加わる前に小さくし、ネオジム磁石１９でのジュール熱の発生を少なくする。
【００９６】
表皮効果は、無限近似の導体に垂直方向から交番磁場が加わった際、表面で多く、内部に行くにしたがって指数関数的に減少する誘導電流が、加わる交番磁場を打ち消す方向に流れ、この誘導電流が表面における電流密度の０．３６８倍に減少するまでの深さは、電流浸透深さδと呼ばれ、１／（π×μ×σ×ｆ）の平方根で表される。
μ：透磁率    σ：導電率    ｆ：周波数
また、導体表面から電流浸透深さδまでの間で、発熱量の８６パーセントが発熱する。透磁率μの大きい軟鉄を用いると、５００Ｈｚで１．４ｍｍ、１ｋＨｚで０．８４ｍｍ、３ｋＨｚで０．４ｍｍ、１０ｋＨｚで０．１９ｍｍほどのδになり、導電率σは大きいが透磁率が１で小さい銅のδより大きい値になる。ただし、透磁率は数ｋＨｚ以上で頭打ちになり、ネオジム磁石の大きい磁束密度Ｂｄが加わることで小さくなることもある。
【００９７】
金属板２９に、軟磁性の金属板である、厚さ０．３ｍｍほどの軟磁性の鉄板を用いる。リラクタンストルクを用いて高回転速度で運転する場合には、大きい逆極性磁場が必然的に生じるため、ネオジム磁石１９に加わる前に逆極性磁場の高い周波数成分を金属板２９でフィルター的に減衰させることが効果的になる。パーミアンス係数を負の傾きとする動作線とＢ−Ｈ減磁曲線との交点である動作点での磁束密度Ｂｄによって軟磁性の鉄板の透磁率μは最大透磁率の数分の１以下ほどにされるが、表皮効果の渦電流でネオジム磁石１９に加わる前に、電機子電流による逆極性磁場は１ｋＨｚにおいて２５％ほど、３ｋＨｚで４０％ほど低減される。周波数に関係なく、熱損失もない磁束短絡防止孔での漏洩と、金属板２９での高い周波数成分の減衰で、ネオジム磁石１９に加わる逆極性磁場は小さくされ、ネオジム磁石１９での温度上昇が少なくされる。
【００９８】
本発明の実施例１の埋込磁石同期電動機の回転子を発電に用いる場合、電機子巻線での誘起電圧の周波数成分は通常５００Ｈｚより低く、金属板２９での減衰は少ない。金属板２９での減衰を大きくするには、電機子電流による逆極性磁場が高い周波数成分を主とするものにされる必要がある。回転子の磁極数と回転速度（回転数／秒）の積の逆数で規定される半周期に較べて短い周期の電気的な断続を行い、誘起電圧の波形を細分化することで相対的に高い周波数成分が多くされ、金属板２９での減衰が大きくされて、ネオジム磁石１９に加わる逆極性磁場を小さくされる。ネオジム磁石１９の周辺、特に磁極頭部コアでの放熱をよくすることで、金属板２９で生じる熱を放散することでネオジム磁石１９での温度上昇が抑制される。
【００９９】
回転子と回転子の間のエアギャップは、０．５ｍｍから０．６ｍｍを下限に、小さくできない。また、発電に用いられる埋込磁石同期電動機のネオジム磁石１９の厚さは、モータとして用いられる場合に較べて薄くされるのが一般的である。磁束短絡防止孔２１、２２で電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束の漏洩を大きくするほど、ネオジム磁石１９の磁束の漏洩がさらに大きくなる。したがって、金属板２９での減衰を大きくし、磁束短絡防止孔２１、２２にあまり依存しないのがよい。磁束短絡防止孔２１、２２は、空気を流す冷却用の貫通孔として用いられるのが適当である。
【０１００】
発電機として、あるいはモータとして電機子巻線の端子間を断続する場合、短い周期であるほどスイッチング損失が大きくなる。埋込磁石同期電動機の所定の場所での温度が高い時には、金属板での減衰を大きくしてネオジム磁石が不可逆減磁されないように、平均の周期をより短くして高い周波数にすることが効果的である。ＰＷＭ駆動する場合は、基本周波数の中心が高いものにされる。
【０１０１】
ネオジム磁石１９を着磁器で着磁する場合、金属板２９で着磁磁場の多くが遮られると十分な着磁ができなくなる。着磁磁場は金属板２９で適度に遮蔽されない低い周波数成分を含み、ネオジム磁石１９が十分に着磁されるためには、ジスプロシウム含有率が低くされる結果として保磁力Ｈｃｊが小さくなることも効果的である。
【０１０２】
回転時に、ネオジム磁石１９が磁石埋設用孔における内周側端部３３から浮いた熱伝導の悪い状態を避けるため、ネオジム磁石１９の内方向磁極面３１と内周側端部３３の間に軟磁性ばね板３５を配置して、ネオジム磁石１９の熱を内周側端部３３から回転子コアに放熱する。また、埋め込まれる磁石埋設用孔でのネオジム磁石１９のがたつきが抑制される。厚みのある軟磁性ばね板３５や軟磁性の金属板２９は、大きい透磁率を有するため、それ自身の厚みによってパーミアンス係数は低下されない。
【０１０３】
図５（ｂ）は、端部が切り欠かれて中央が短縮された金属板２９を平面図で示すものである。金属板２９の外縁部には、スリット５６が形成される。スリット５６の先端部５７が貫通孔を形成する磁束短絡防止孔に突出される。スリット５６があることで、貫通孔に流れる空気で金属板２９が効果的に冷やされ、また、軟磁性の金属板２９を通るネオジム磁石からの磁束の漏洩が抑制される。
【０１０４】
図６は、実施例１の埋込磁石同期電動機の回転子を冷却する構成の一部を示す。実施例１の図３までの回転子における回転軸周りの構成と異なるが、回転子コアが共通構成であるため、対応する箇所には同じ符号が付与される。防水、防塵、防音のため、外気から閉されたケースの中に固定子と回転子が収められる。図１で示された回転子コア１２の各磁極における磁束短絡防止孔２１、２２および、ネオジム磁石周辺の隙間３９から４４などで積層方向に形成される複数の貫通孔５８、５９などを覆う位置に、主たる回転方向に開口部６０を有する空気取入れ部６１がエンドプレート６２の複数箇所に設けられて回転子１１の一方の端面に固定され、回転時に強制的に空気が複数の貫通孔５８、５９などに取り込まれるようにされる。
【０１０５】
空気取入れ部６１の開口部６０から取り込まれた空気は貫通孔５８、５９などへ強制的に押し込まれる。貫通孔５８、５９などに乱流として流れる空気で熱を有するネオジム磁石１９、２０の周辺が効率よく冷やされる。空気取入れ部６１は、厚いエンドプレート６２の一部を変形させず、厚くない別の板材を用いて形成されることで、風損や風切り音を低減してもよい。
【０１０６】
回転子１１の他方の端面６３に対向して熱交換部６４が配置される。回転子１１と熱交換部６４は実際より平行に離されて示されている。回転子１１の他方の端面６３にある複数の貫通孔５８、５９などの口から排出される熱を帯びた空気が熱交換部６４に当たることで熱交換される。
【０１０７】
熱交換部６４は、回転軸の中心を回転対称中心として、回転子１１の主たる回転方向に外から回転軸の中心方向に収斂する渦形状の一部で形成される複数のフィン６５を有する。高速回転する複数の貫通孔５８、５９などから回転方向に排出される空気は、回転方向に運動量を有すことで、複数のフィン６５、および溝６６に沿って中心方向に流れ込む。外周部に円形状の壁面６７が配置されることで、回転子１１より外側の固定子へ、あるいは固定子の方から流れる空気の量が少なくされる。壁面６７は、回転子１１と接触しない程度に、フィン６５より高くされるとよい。
【０１０８】
熱交換部６４は、ケース６８に一体化して設けられる。ケース６８は図示された形状に限定されず、埋込磁石同期電動機の全体を覆う形状のケースの一部、あるいは、他の機構部との境を成すケースの一部でもよい。ケース６８には熱交換部６４の反対側に水冷、液冷、あるいは空冷の構成が設けられる。さらには、熱電変換素子がケース６８に密着して取り付けられてもよい。
【０１０９】
図７は、本発明の実施例１の冷却構成を断面で示す。図１の磁束短絡防止孔２２のほぼ中心を通り、回転軸方向に平行な切断面での断面である。固定子１４と回転子１１は、防水、防塵、防音のために閉されたケース６８、６９の内に配置される。回転子１１の回転によって空気取入れ部６１から磁束短絡防止孔や隙間などから成る複数の貫通孔に流し込まれる空気が、乱流となってネオジム磁石２０や磁極頭部コア２５、あるいは回転子コア１２を冷やす。
【０１１０】
貫通孔７０を含む複数の貫通孔から排出される熱を帯びた空気が、対向して配置される熱交換部６４の渦形状のフィン６５と溝６６を流れることで熱を放出する。回転方向に運動量を有する空気は渦形状に沿って内側方向に流れて方向転換され、回転子ハブ１３の内側に設けられて対向する周方向端面が回転軸方向と周方向に対して傾斜して互いにほぼ平行となる面で形成された還流孔７１で勢いを付加されて、回転子１１の一方の端面７４側に戻される。
【０１１１】
回転子１１の一方の端面７４側に戻された空気は、ケース６９に一体化された熱交換部７５の内側から外へフィン７６と溝７８に沿って流されながら熱交換する。熱交換された空気の多くは、空気取入れ部６１に再び取り込まれて貫通孔７０などに流し込まれ、回転子１１の内側を循環される。発熱量と熱容量の大きい電機子巻線７３を含む固定子１４からほぼ分離して、空気の吸熱、放熱の循環を行うことで、比較的小さい熱交換部６４、７５でもネオジム磁石２０を冷やすことができる。熱交換部７５とは反対側に、外に突出された複数の放熱フィン７７がケース６９に設けられる。あるいは、熱電発電素子をケース６９に密着して取り付けてもよい。
【０１１２】
図８は、熱交換部７５が、回転子１１の一方の端面７４から離され、互いの向きが非平行に開かれた配置で示される。熱交換部７５には、回転軸の中心を回転対称中心として、回転子１１の主たる回転方向に回転軸の中心から外方向に発散する渦形状の一部で複数のフィン７６と、間に溝７８が形成される。回転子１１の内側を通り、熱交換部７５に当たって方向を変えられた空気は、中心から外方向へフィン７６および溝７８に沿って熱を放出しながら流される。
【０１１３】
固定子は、回転子１１の外側に固定して配置されるため、冷却が比較的容易なのに対し、回転子１１、特に埋め込まれたネオジム磁石２０の冷却は容易でない。回転子コア１２と固定子の間のエアギャップでは、相対的に高速流動する空気によって熱伝導されるが、回転子コア１２の積層方向の平均熱伝導率が悪いため、回転子コア１２に埋め込まれたネオジ磁石２０の温度は、固定子の内側の固定子歯の温度より低くされるのは難しい。ネオジム磁石２０での温度を固定子歯の温度より低くするには、複数の貫通孔５８などで直接ネオジム磁石２０を、あるいはネオジム磁石２０の周辺を、回転子の内側で空冷できることによる効果は大きい。
【０１１４】
従来のネオジム磁石の温度による磁気特性を図１２で示す。図１２（ａ）は、温度変化に伴う保磁Ｈｃｊ（単位：ＭＡ／ｍ）の値の変化を、図１２（ｂ）は、残留磁束密度Ｂｒ（単位：Ｔ）の値の変化を表す。ジスプロシウム含有率が、●印は零ｗｔ％、○印は２ｗｔ％、△印は５ｗｔ％、および、＊印は１０ｗｔ％、のネオジム磁石での値を示す。Ｂ−Ｈ減磁曲線で示される磁場Ｈ＝０での残留磁束密度Ｂｒは、Ｊ−Ｈ減磁曲線での残留磁気分極Ｊｒと同じ値と単位になる。
【０１１５】
保磁力Ｈｃｊに関しては、常温では、＊印のジスプロシウム含有率１０ｗｔ％の保磁力に対して、△印の５ｗｔ％の保磁力は６４パーセント（約２／３）、●印の零ｗｔ％の保磁力は３３％（約１／３）に小さくなる。
【０１１６】
残留磁束密度Ｂｒに関しては、常温では、＊印のジスプロシウム含有率１０ｗｔ％の残留磁束密度に対して、△印の５ｗｔ％の残留磁束密度は１５％、また、●印の零ｗｔ％の残留磁束密度は２５％大きくなる。
【０１１７】
ネオジム磁石の保磁力Ｈｃｊを大きくする方法として、重希土類元素であるジスプロシウム（Ｄｙ）を添加して焼結するのが一般的である。ジスプロシウムが零ｗｔ％、５ｗｔ％、および１０ｗｔ％の含有率において、それぞれの保磁力は０．８ＭＡ／ｍ（１０ｋＯｅ）、１．６ＭＡ／ｍ（２０ｋＯｅ）、および２．４ＭＡ／ｍ（３０ｋＯｅ）ほどになる。ジスプロシウム含有率が高いほど、温度が高くなった場合の保磁力の低下率が小さくなる傾向がある。摂氏２００度ほどの温度環境が想定されるハイブリッド自動車では、ジスプロシウム含有率が８ｗｔ％から１０ｗｔ％で、保磁力が２．４ＭＡ／ｍ（３０ｋＯｅ）ほどのネオジム磁石が用いられる。
【０１１８】
ジスプロシウム含有率が高くなると、その分だけ軽希土類元素のネオジム（Ｎｄ）の含有率が低くされる。Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ相のネオジウムの一部をジスプロシウムで置換することにより主相の結晶磁気異方性を高め、それにより保磁力を高めている。ところがジスプロシウム置換した（Ｎｄ、Ｄｙ）２Ｆｅ１４Ｂ相はネオジムとジスポロシウムのスピンが反平行に結合し、フェリ磁性的となり、磁化が下がってしまう。ジスプロシウムが１０ｗｔ％と、含まない場合の残留磁束密度Ｂｒの大きさの違いは、前者は後者に対して２５％ほど小さくなる。実施例１のようにネオジム磁石の磁束の漏洩を大きくする場合、ネオジム磁石のジスプロシウム含有率を低くして残留磁束密度Ｂｒを大きくし、あるいはネオジム磁石の温度上昇を抑制して残留磁束密度Ｂｒの低下を抑制して一定のパーミアンス係数を負の傾きとする動作線とＢ−Ｈ減磁曲線の交点である動作点での磁束密度Ｂｄを大きめに保持して漏洩分を補償することで、マグネットトルクを大きめに維持する。
【０１１９】
磁極頭部コア２５が大きくなることにより幅広にされたブリッジ部２３、２４と径方向ブリッジ部２６での磁束漏洩の、ネオジム磁石１９、２０で生じる磁束量に対する、３％ほどの増加と、磁束短絡防止孔２１、２２からの磁束漏洩での１３％ほどの増加が生じてもマグネットトルクを同じ大きさにするためには、ジスプロシウム含有率が５ｗｔ％以下のネオジム磁石を用いて残留磁束密度Ｂrを１５％以上大きくし、（磁極面積×残留磁束密度Ｂr）の増大で漏洩分を相殺する。
【０１２０】
本発明の実施例１では、ネオジム磁石が磁極頭部コアに深く埋め込まれることで磁気的短絡を一部で断つ必要性から穿設される径方向に長い磁束短絡防止孔で、電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束が周波数に無関係に熱損失なく分岐、漏洩され、また、ネオジム磁石の磁極面に配置される金属板で高い周波数成分が熱損失をともなって減衰されることで、ネオジム磁石での電機子電流による逆極性磁場と発熱量が抑制され、ジスプロシウム含有率が５ｗｔ％より低いネオジム磁石をハイブリッド自動車などの埋込磁石同期電動機に用いることができる。追加手段として、貫通孔と回転子の内側で熱交換部を介して空気を循環させる回転子冷却構成を組み合わせることで、ジスプロシウム含有率をより低くできる。さらに、結晶粒微細化や粒界面制御で保磁力Ｈｃｊを向上したネオジム磁石を用いることで、ジスプロシウムを含まないネオジム磁石をハイブリッド自動車などの埋込磁石同期電動機に用いる可能性を開く。
【実施例２】
【０１２１】
図９は、本発明の埋込磁石同期電動機の回転子の実施例２を、積層方向の端面の一部を拡大して示す。実施例１とは、ネオジム磁石７９がV字状でなく、平行な形状で埋め込まれていることが異なるが、磁束短絡防止孔８６、８７での漏洩と金属板９０による減衰で、ネオジム磁石７９に加わる電機子電流による逆極性磁場を低減し、ネオジム磁石７９での温度上昇を抑制することは同じである。
【０１２２】
回転子８０は、固定子８１の固定子歯８２との間にエアギャップ８３を有している。磁性鋼板が積層された回転子コア８４に穿設された磁石埋設用孔８５にエネルギー積の大きいネオジム磁石７９が埋設される。回転子コア８４の磁気的短絡を一部で断つために、磁束短絡防止孔８６、８７が磁石埋設用孔８５から連続し、外周部に位置するブリッジ部８８、８９まで径方向に延長されて穿設される。磁束短絡防止孔８６、８７は、電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束を意図的に漏洩させるために形成されたものであるが、ネオジム磁石７９からの磁束があまり多く漏洩しないことが求められる。
【０１２３】
ネオジム磁石７９は、回転時に作用する遠心力や加速力から位置を保つために、外方向磁極面と側面が磁石埋設用孔８５の外周側端部９０と凸部９１、９２で位置決めされ、保持される。ネオジム磁石７９の外方向磁極面と磁極頭部コア９３の間に金属板９４が配置される。ネオジム磁石７９の内方向磁極面と磁石埋設用孔８５の内周側端部の間には軟磁性ばね板９５が配置される。
【０１２４】
磁石埋設用孔８５におけるネオジム磁石７９の周辺には、磁性鋼板を打ち抜く結果として、隙間９６、９７が生じ、磁束短絡防止孔８６、８７とともに積層されることにより、回転子コア８４に複数の貫通孔として各磁極に形成される。それぞれの貫通孔には強制的に空気を流すことができる。
【０１２５】
金属板９４は、電機子電流による逆極性磁場を表皮効果で減衰させてネオジム磁石７９に加わる逆極性磁場を小さくし、ネオジム磁石７９でのジュール熱の発生を少なくする。金属板９４は、厚さ０．３ｍｍほどの軟磁性の鉄板が用いられる。ネオジム磁石に加わる前に、電機子電流による逆極性磁場は、ネオジム磁石７９の外方向磁極面に配置された軟磁性の金属板９４によって高い周波数成分ほど熱損失が大きく生じることで、フィルター特性的に減衰される。
【０１２６】
磁極頭部コア９３は、周方向の両端の部分が大きい傾斜で磁束短絡防止孔８６、８７に沿って径方向に厚くされ、電機子電流によるｑ軸磁路での磁気飽和が遅くなり、ｑ軸インダクタンスの低下が抑制される。マグネットトルクが確保できている前提で、広い運転領域で高効率な特性を得ることができる。
【０１２７】
磁極頭部コア９３に入る電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束の量のうち、磁束短絡防止孔８６、８７を跨いで漏れる磁束の量と、金属板９４とネオジム磁石７９に入る磁束の量の比率は、磁束短絡防止孔８６、８７の並列の磁気抵抗と、ネオジム磁石７９を跨ぐ磁気抵抗の比に反比例する。
【０１２８】
実施例２の構成例として、図９で、磁束短絡防止孔８６、８７の径方向中心でブリッジ部８８、８９から近似する間隔が終わる位置までの長さＬを４．２ｍｍ、直交方向の平均間隔Ｄを２．５ｍｍ、およびネオジム磁石７９の外方向磁極面の合計の幅Ｗを３６ｍｍ、磁石埋設用孔８５の間隔と軟磁性の金属板９４および軟磁性ばね板９５の合計の板厚の差分Ｔを６．３ｍｍ、磁束短絡防止孔８６、８７の最外周部の間隔Ｓ（積層方向の単位長さを乗ずると面積）を４０ｍｍとして、磁極頭部コア９３の間隔Ｓの入り口に入る電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束量をΦとする。
【０１２９】
磁束短絡防止孔８６、８７を跨ぐ並列の磁気抵抗と、ネオジム磁石７９を跨ぐ磁気抵抗の比（Ｄ／２Ｌ）：（Ｔ／Ｗ）は、１．５９：１となり、電機子電流による逆極性磁場による磁束で、磁束短絡防止孔８６、８７を跨ぐ磁束量と、金属板９４を横切りネオジム磁石７９に入る磁束量の比（Ｔ／Ｗ）：（Ｄ／２Ｌ）は、逆の比になる。その結果、電機子電流による逆極性磁場による磁束量Φのうち、金属板９４を横切りネオジム磁石７９を跨ぐ磁束量が、
Φ×｛（Ｄ／２Ｌ）／（Ｄ／２Ｌ＋Ｔ／Ｗ）｝＝０．６３×Φ
となり、磁極頭部コア２５の入り口での磁束量の３分の２より少なくする条件
Φ×｛（Ｄ／２Ｌ）／（Ｄ／２Ｌ＋Ｔ／Ｗ）｝＜（２／３）×Ф  
を満たす。
金属板９４での減衰を考慮しなくても、ジスプロシウム含有率が８ｗｔ％から１０ｗｔ％のネオジム磁石を用いる図１１の従来の埋込磁石同期電動機の実績から、保磁力Ｈｃｊが３分の２より小さい、ジスプロシウム含有率が５ｗｔ％より少ないネオジム磁石をハイブリッド自動車に用いる可能性に導く。実施例２では、図１１の従来の埋込磁石同期電動機のネオジム磁石の厚さ、回転子の径、および磁石開き角は近似したものとする。また、磁束短絡防止孔３に漏れる磁束は、ネオジム磁石２の端部に入ったものである。
【０１３０】
図１１で示される従来の埋込磁石同期電動機の回転子において、磁極頭部コア４の入り口の幅S（積層方向に単位長を乗じた面積）に対し、ネオジム磁石２（の合計）の幅Ｗは０．９４倍ほどにされ、本発明の実施例１の図４の構成では、０．９２倍ほどにされている。図１１の従来例の磁極頭部コア４、および図９の実施例２の磁極頭部コア９３における電機子電流による逆極性磁場の減衰を考えず、金属板９４での減衰も考慮しない場合、実施例２のネオジム磁石７９での電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束の密度は、図１１の従来例での磁極頭部コア４の入り口の間隔Sでの磁束密度の
０．６１×（０．９４／０．９２）＝０．６２倍で、磁束密度でも３分の２より小さくなる。
【０１３１】
ネオジム磁石７９と金属板９４に加わる逆極性磁場を磁束短絡防止孔８６、８７での漏洩によって小さくするばかりでなく、金属板９４での逆極性磁場の高い周波数成分の減衰を考慮すると、ネオジム磁石７９に加わる逆極性磁場とネオジム磁石７９でのジュール発熱量は少なくされる。さらに、ネオジム磁石での温度上昇を抑えるため、実施例１の図６、図７、および図８で示された回転子冷却構成を採用する。磁束短絡防止孔８６、８７、および隙間９６、９７などからなる複数の貫通孔を覆う位置に固定された空気取入れ部によって複数の貫通孔に流し込まれた空気が、熱交換部を介して回転子の内側を循環されることで、ネオジム磁石７９と、その周辺が冷却される。ネオジム磁石７９での温度上昇が抑制されることで、ジスプロシウム含有率の低いネオジム磁石の使用が可能になる。
【０１３２】
本発明の実施例２では、ネオジム磁石を磁極頭部コアで深く埋め込むことで、磁気的短絡を一部で断つために形成される径方向に長い磁束短絡防止孔で、電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束が周波数に無関係に熱損失なく分岐、漏洩される。また、ネオジム磁石の磁極面に配置される金属板で高い周波数成分の電機子電流による逆極性磁場が熱損失をともなって減衰され、ネオジム磁石での電機子電流による逆極性磁場と発熱量が低減されることで、ジスプロシウム含有率の低いネオジム磁石をハイブリッド自動車などの埋込磁石同期電動機に用いることができる。追加手段として、熱交換部を介して貫通孔と回転子の内側で空気を循環させる回転子冷却構成を組み合わせることで、ジスプロシウム含有率をより低くできる。さらに、結晶粒微細化や粒界面制御で保磁力Ｈｃｊを向上したネオジム磁石を用いることで、ジスプロシウムを含まないネオジム磁石をハイブリッド自動車などの埋込磁石同期電動機に用いる可能性も開く。
【実施例３】
【０１３３】
図１０は、本発明の埋込磁石同期電動機の回転子の実施例３を、積層方向の端面の一部を拡大して示す。実施例１とは、浅いV字状配置のネオジム磁石９８、９９の他に、磁極頭部コア１００の中央部にネオジム磁石１０１が平行な形状で埋め込まれていることが異なる。磁束短絡防止孔１０２、１０３が穿設され、金属板１０４、１０５、および１０６がネオジム磁石９８、９９、および１０１の外方向磁極面に配置されることで、ネオジム磁石９８、９９、および１０１に加わる電機子電流による逆極性磁場を低減し、ネオジム磁石９８、９９、および１０１での温度上昇を抑制する目的は同じである。ネオジム磁石９８、９９、１０１の内方向磁極面には、軟磁性ばね板１０７、１０８、１０９が配置される。
【０１３４】
磁極頭部コア１００の中央部に埋め込まれたネオジム磁石１０１は、浅いV字状配置のネオジム磁石９８、９９とほぼ同じ径方向に着磁される。固定子１１０の固定子歯１１１での鎖交磁束を多くしてマグネットトルクを大きくすることを主な目的とし、ネオジム磁石全体の厚みが増加することによる不可逆減磁を生じさせ難くすることで耐熱性の向上にも役立てようとするものである。
【０１３５】
ネオジム磁石１０１が埋め込まれることで磁極頭部コア１００におけるｑ軸磁路の断面積が小さくなり、ｑ軸磁路で磁気飽和が生じやすくなる。ｑ軸インダクタンスの低下をともなうことで、リラクタンストルクの低下や高効率な運転領域の低減が生じる。また、磁極頭部コア１００の断面積が小さくなることは鉄損の増加もともなう。
【０１３６】
ネオジム磁石１０１の両端に隙間１１２、１１３が生じることで、ネオジム磁石９８、９９の周辺の磁束短絡防止孔１０２、１０３や隙１１４から１１９によって複数の貫通孔が形成され、複数の貫通孔を通し、回転子１２０の内側で熱交換部を介して空気が循環され、ネオジム磁石９８、９９、およびネオジム磁石１０１が冷やされることで耐熱性が向上される。
【０１３７】
本発明の実施例３でも、実施例１と実施例２と同様の複数の手段を組み合わせることで、ジスプロシウム含有率の低いネオジム磁石をハイブリッド自動車などの埋込磁石同期電動機に用いることができる。また、保磁力Ｈｃｊを大きくしたジスプロシウムを含まないネオジム磁石を用いる可能性にも導く。
【産業上の利用可能性】
【０１３８】
逆極性磁場と温度上昇の抑制で、ジスプロシウム含有率の低いネオジム磁石を搭載した埋込磁石同期電動機をハイブリッド自動車用途などに提供する。
【０１３９】
鉄損の低減とｑ軸インダクタンス低下の抑制で、高効率な運転領域の広い埋込磁石同期電動機を提供する。
【０１４０】
高周波数化による逆極性磁場の低減で、ジスプロシウム含有率の低いオジム磁石を用いた発電用途の埋込磁石同期電動機を提供する。
【符号の説明】
【０１４１】
１１、８０、１１７    回転子
１２、８４    回転子コア
１３    回転子ハブ
１４、８１、１０７    固定子
１５、５１、５２、８２、１０８    固定子歯
１６、８３    エアギャップ
１７、１８、９４    磁石埋設用孔
１９、２０、７９、９８、９９、１０１    ネオジム磁石
２１、２２、８６、８７、１０２、１０３    磁束短絡防止孔
２３、２４、８８、８９    ブリッジ部
２５、９３、１００    磁極頭部コア
２６    径方向ブリッジ部
２９、３０、９４、１０４、１０５、１０６    金属板
３５、３６、９５    軟磁性ばね板
３７、３８、９１、９２    凸部
３９、４０、４１、４２、４３、４４、９６、９７、１０９、１１０    隙間
４８    キー
４９    キー溝
５３、５４    磁極間コア
５５    バックコア
５６    スリット
５８、５９    貫通孔
６０    開口部
６１    空気取入れ部
６２    エンドプレート
６４、７５    熱交換部
６５、７６    フィン
６６、７８    溝
６８、６９    ケース
７１    還流孔
７２    油路
７７    外フィン
【図１】
2014087076.tif 000003
【図２】
2014087076.tif 000004
【図３】
2014087076.tif 000005
【図４】
2014087076.tif 000006
【図５】
2014087076.tif 000007
【図６】
2014087076.tif 000008
【図７】
2014087076.tif 000009
【図８】
2014087076.tif 000010
【図９】
2014087076.tif 000011
【図１０】
2014087076.tif 000012
【図１１】
2014087076.tif 000013
【図１２】
2014087076.tif 000014