(57)【要約】【課題】非対称な熱伝導を行う金属板で、磁石のジスプロシウム含有率低下を可能にする。【解決手段】同方向に複数の突起が成形された非対称な熱伝導を行う金属板２９、３０が磁極頭部コア２５とネオジム磁石１９、２０の間に配置され、金属板の平坦な面と磁極頭部コア側との接触面積が、金属板の突起３７とネオジム磁石側との接触面積よりも大きくされることで、電機子電流による逆極性磁場が減衰され、金属板で生じる熱がネオジム磁石側より磁極頭部コア側へ多く伝導されて磁極頭部コアから放熱される。【選択図】図１
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【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、
積層された磁性鋼板からなる磁極頭部コアと希土類磁石の外方向磁極面の間に配置される金属板が、前記磁極頭部コアへの熱伝導が前記希土類磁石への熱伝導より大きい非対称な熱伝導を行う構成にされる、
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に記載の埋込磁石同期電動機の回転子。
【請求項３】
前記金属板が前記磁極頭部コア側に大きい面積で、前記ネオジム磁石側に小さい面積で当接される、
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】
前記金属板が複数の突起部を同方向に有する形状に成形され、前記突起部が前記ネオジム磁石側に当接される、
ことを特徴とする請求項３に記載の埋込磁石同期電動機の回転子。
【請求項５】
前記金属板が一定厚さのパターン形状を片面に有し、前記パターン形状が前記ネオジム磁石側に当接される、
ことを特徴とする請求項３に記載の埋込磁石同期電動機の回転子。
【請求項６】
前記金属板の複数箇所に形成される片持ち弾性部が、他の部分の突出量より大きく同方向に突出される、
ことを特徴とする請求項３から請求項５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】
前記金属板に軟磁性の金属板が用いられる、
ことを特徴とする請求項１から請求項６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８】
前記ネオジム磁石が埋め込ま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を有する、
ことを特徴とする請求項２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】
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、前記磁極頭部コアに入る電機子電流による磁束量Φと規定し、
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８に記載の埋込磁石同期電動機の回転子。
【請求項１０】
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８に記載の埋込磁石同期電動機の回転子。
【請求項１１】
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８に記載の埋込磁石同期電動機の回転子。
【請求項１２】
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２から請求項１１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】
回転子の主たる回転方向に開口部を有する空気取り入れ部が、前記回転子コアの端面における前記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７から請求項１１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１４】
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前記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１３に記載の埋込磁石同期電動機の回転子。
【請求項１５】
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１４に記載の埋込磁石同期電動機の回転子。
【請求項１６】
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１７】
電機子巻線の端子間の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１６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ため、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（Ｎｄ）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、減磁界を通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。また、磁極頭部コアの質量増加に対応できる耐遠心力強度を確保することは、永久磁石の磁束漏洩を増加し、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すること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１１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固定子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。永久磁石の内周面との間の熱伝導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、回転子と固定子のいず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。熱発生量と熱容量の大きい固定子も冷やしている。
【００１１】
回転子コアに埋め込まれた永久磁石の浅い部分が電機子電流による局所磁場で不可逆減磁されないため、特許文献７のように、永久磁石の浅く埋め込まれた部分を厚さ方向に対して傾斜した異方性を形成する構成や、特許文献８のように、磁石厚を大きくする方法がある。いずれも各磁極に埋め込まれる永久磁石の必要な部分に実効的に高い保磁力を持たせる方法であるが、効果が少なく、構成が複雑になる。
【００１２】
回転子コアに浅く埋め込まれた永久磁石での渦電流損を少なくする構成が、特許文献９で開示されている。埋め込まれる深さに応じて幅を変えて断面積を小さくし、渦電流損と、それによる発熱を抑制しようとする構成であるが、磁石の断面積の低減には制約があるため製造し難く、効果も少ない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【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
【特許文献７】特開２００９−２５４１４３号公報
【特許文献８】特開２００９―０５３２４０号公報
【特許文献９】ＵＳ６７０７４３Ｂ２
【非特許文献】
【００１４】
【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．Ｋｏｂｅ，Ｐ．Ｊ．ＭａｃＧｕｉｎｅｓ，  ｐｐ．２５３−２５６（２０１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
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外方向磁極面と磁極頭部コアの間に配置される非対称な熱伝導を行う金属板で、電機子電流による逆極性磁場の高い周波数成分が渦電流損で減衰され、生じる熱がネオジム磁石側より磁極頭部コア側へ多く非対称に熱伝導されることで、ネオジム磁石に加わる電機子電流による逆極性磁場を低減し、ネオジム磁石での温度上昇を抑制することである。
【００１６】
具体的には、磁極頭部コア側に大きい面積で、ネオジム磁石側に小さい面積で当接する金属板の構成、例として、複数の突起部が成形された金属板を用いて、小さい面積の突起部をネオジム磁石側に、大きい面積の平面を磁極頭部コア側に当てることで、金属板で生じる熱を非対称に熱伝導することを可能にする。
【００１７】
追加手段として、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分岐、漏洩させることで、ネオジム磁石に加わる逆極性磁場とネオジム磁石での温度上昇をさらに抑制する。
【００１８】
さらに追加手段として、ネオジム磁石周辺の回転子コアに設けられた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により、ネオジム磁石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。
【００１９】
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、特に発電機として用いる場合、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て金属板での逆極性磁場の減衰を大きくし、発生する熱のネオジム磁石側への伝導を少なくする。。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の埋込磁石同期電動機の回転子の主たる課題は、低い周波数から広い周波数成分からなる電機子電流による逆極性磁場の高い周波数成分を低減し、希土類磁石の温度上昇を抑制するために、請求項１では、希土類磁石の外方向磁極面と磁性鋼板が積層された磁極頭部コアの間に配置される金属板が電機子電流による逆極性磁場を減衰させ、金属板で発生する熱を希土類磁石側より磁極頭部コア側へ多く非対称な熱伝導を行う構成にされる。
【００２１】
資源豊富な軽希土類元素のネオジム（Ｎｄ）を用いて、大きいエネルギー積の磁石として利用するため、請求項２では、希土類磁石にネオジム磁石が用いられる。
【００２２】
非対称な熱伝導を行う金属板の構成にするため、請求項３では、金属板が磁極頭部コア側に大きい面積で、ネオジム磁石側に小さい面積で当接する形状にされる。また、高回転速度時のネオジム磁石に作用する遠心力による金属板の変形を抑えるため、請求項４のように、加圧変形し難い同一方向に突出された複数の突起部を有する形状に成形され、ネオジム磁石の外方向磁極面側に相対的に小さい面積の突起部で当接するようにして配置される。あるいは、請求項５のように、金属板の片面に印刷や貼り付けなどで形成された円形状などの相対的に小面積で一定厚さのパターン部がネオジム磁石側に当接される。
【００２３】
非対称な熱伝導を行う金属板が磁極頭部コア側に常に当接されるようにするため、請求項６のように、金属板の複数箇所に形成される片持ち弾性部が、金属板の面から突出部と同じ方向に、他の突出部より大きく出されてネオジム磁石の外方向磁極面に最初に当接され、片持ち弾性部の変形にともなう反発力で金属板の大きい面積の平坦状の部分が磁極頭部コア側に当てられる。
【００２４】
ネオジム磁石に加わる電機子電流による逆極性磁場の高い周波数成分を大きく減衰させるため、請求項７のように、非対称な熱伝導を行う金属板に軟磁性の金属板が用いられる。
【００２５】
追加手段を用いて、電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束を熱損失なく周波数に無関係に分岐、漏洩させてネオジム磁石に加わる前に逆極性磁場をさらに小さくするため、請求項８のように、ネオジム磁石が埋め込ま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設けられる。
【００２６】
図１１の従来の埋込磁石同期電動機の実績に基づいて、金属板による減衰分は考慮せず、磁束短絡防止孔での逆極性磁場にともなう磁束の漏洩比率を適正にすることで、ジスプロシウムの含有率が５ｗｔ％より低いネオジム磁石を高い温度環境下で用いることを可能にするため、請求項９では、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量が、磁極頭部コアの入口から入る磁束量の３分の２より小さくなる構成にされる。
【００２７】
非対称な熱伝導を行う金属板の熱を回転子の外へ放散するため、請求項１０のように、金属板を磁束短絡防止孔に突出させて空気流で冷却する。さらに、軟磁性の金属板を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１１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。
【００２８】
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し、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１２のように、長方形に近似した外形で異なる高さの平坦部を有して弾性変形可能な軟磁性ばね板が、ネオジム磁石の内方向磁極面に配置される。
【００２９】
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１３のように、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、ネオジム磁石周辺の複数の貫通孔を覆う位置に固定される。
【００３０】
防水、防塵、防音のたに外気から閉ざされたケース内で、回転子に埋め込まれたネオジム磁石を効果的に冷却するため、請求項１４のように、空気が貫通孔と回転子の内側を途中に熱交換部を介して循環される。
【００３１】
空気の熱交換と径方向の流動を促進するため、請求項１５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。
【００３２】
主に発電に用いられる場合、誘起電流による不可逆減磁を避けるため、請求項１６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。
【００３３】
スイッチング損失を少なくしながら逆極性磁場の減衰を効果的に行うため、請求項１７では、埋込磁石同期電動機の所定の位置での温度が高い時に、電機子巻線の端子間の電気的な断続の平均の周期がより短くされる。
【００３４】
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。
【００３５】
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】
【００３６】
非対称な熱伝導を行う電機子電流による逆極性磁場を大きく減衰させ、金属板で発生する渦電流損の熱を磁極頭部コア側に多く熱伝導することで、ネオジム磁石での逆極性磁場と温度上昇が抑制される。
【００３７】
追加手段として、磁束短絡防止孔で逆極性磁場にともなう磁束を漏洩させ、空気の循環による冷却構成を採用することで、ネオジム磁石での温度上昇をより抑える。
【００３８】
ジスプロシウム含有率の低下と温度上昇の抑制で残留磁束密度を大きめに保ち、マグネットトルクを大きめに維持できる。
【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、発電用途においてネオジム磁石が不可逆減磁が回避される。
【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の拡大断面図を示す。
【図６】実施例１の別の拡大断面図を示す。
【図７】実施例１の冷却構成の一部を示す。
【図８】実施例１の冷却構成を断面で示す。
【図９】実施例１の他の冷却構成を示す。
【図１０】本発明の埋込磁石同期電動機の回転子の実施例２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は、ネオジム磁石の磁極面と磁極頭部コアの間に配置される非対称な熱伝導を行う金属板を、電機子電流による逆極性磁場を減衰し、金属板で生じる熱のネオジム磁石側への伝導を少なくする実施の形態を、（００４２）から（００５７）の項を前提にして、示す。
【００４２】
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、加えられる磁場Ｈと磁石の磁気分極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Ｂを示すＢ−Ｈ減磁曲線がある。
【００４３】
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に、磁気分極Ｊ＝０になる磁場の値が保磁力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、パーミアンス係数が負の傾きの動作線と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Ｈｃｊと残留磁束密度Ｂｒ（あるいは残留磁気分極）が低下する。
【００４４】
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束は、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。
【００４５】
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、ハイブリッド自動車などに用いられるための耐熱性向上が必要である。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。しかし、ジスプロシウムの高価格や入手の制約、および残留磁束密度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、ネオジム磁石の着磁方向と反対方向の逆極性磁場を小さくし、ネオジム磁石の温度上昇を抑制することが必要になる。
【００４６】
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を選択できる。
【００４７】
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。
【００４８】
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）
【００４９】
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に依存する電機子電流の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軸電気子反作用磁束-Ｌｄ・ｉｄがネオジム磁石を減磁する。この電機子電流による逆極性磁場のネオジム磁石に加わる量を小さくする対応が、不可逆減磁を生じさせないジスプロシウム含有率の範囲を主に決める。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、より深くネオジム磁石が磁極頭部コアに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。
【００５３】
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、保磁力Ｈｃｊを向上するためには重希土類元素のジスプロシウムが添加される。
【００５４】
しかし、ジスプロシウムの高価格や入手の制約、および残留磁束密度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、ネオジム磁石の温度上昇を抑制することが必要になる。
【００５５】
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場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、その分、ジスプロシウム含有率や保磁力Ｈｃｊに余裕が生じる。
【００５６】
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ｍｍ（ミリメートル）ほどに厚いため、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。
【００５７】
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、容易に冷やされる。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ことは簡単ではない。
【００５８】
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９までは本発明の実施例１を、図１０は実施例２を、図１１は従来の埋込磁石同期電動機を、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】
【００５９】
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軸方向の端面で示すものである。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、浅い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。
【００６０】
磁石埋設用孔１７、１８の周方向の端から連続して、磁束短絡防止孔２１、２２が外周部のブリッジ部２３、２４まで径方向に延長されて、回転子コア１２の磁気的短絡を一部で断つために形成されるが、同時に、磁束を適量漏洩させる。磁極頭部コア２５は、磁束短絡防止孔２１、２２を両端に、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。
【００６１】
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非対称な熱伝導を行う金属板２９、３０が配置され、磁束短絡防止孔２１、２２に突出される。電機子電流による逆極性磁場をネオジム磁石１９、２０に入る前に多く減衰させるため、金属板２９、３０に高透磁率を有する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ほどの軟磁性ばね板３５、３６が厚めに断面で示されている。
【００６２】
非対称な熱伝導を行う金属板２９、３０に一様に成形された複数の突起部３７が、小さい面積でネオジム磁石１９、２０の外方向磁極面側に当てられ、広い面積の平坦部が磁極頭部コア２５側に当てられる。電機子電流による逆極性磁場が金属板２９、３０で減衰されることで生じる熱が、ネオジム磁石側より磁極頭部コア側に多く伝導される非対称な熱伝導によって、ネオジム磁石１９、２０での温度上昇が抑制される。
【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３８、３９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。
【００６４】
磁石埋込用孔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、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４０、４１、および４２、４３、４４、４５が生じ、積層方向に貫通孔として形成される。
【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にともなう磁場を適度に分岐、漏洩させるために穿設されるが、大きいマグネットトルクを得るためには、ネオジム磁石１９、２０から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１６は、０．５ｍｍから０．６ｍｍほどが小さ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がる。
【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弱められ、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場が発生し易く、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４６、４７が径方向に異なる着磁極性にされる。回転子コア１２は、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に嵌合されることで固定され、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、非対称な熱伝導を行う金属板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】
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、断面積が大きくされるため、電機子電流による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。
【００７１】
磁極間コア５３、５４において、隣接する磁極のネオジム磁石から逆向きの磁束で互いに打ち消し合い、ｑ軸電流（電機子電流のｑ軸成分）による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。
【００７２】
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大きい出力を得ることが難しくなる。
【００７３】
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の積層方向の幅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、突起部３７が一様に成形された非対称な熱伝導を行う金属板２９、３０が配置され、磁極頭部コア２５側へ広い面積で当たり、ネオジム磁石１９、２０側に突起部３７の小さい面積で当たる。電機子電流による逆極性磁場を減衰させる程度に応じて、非対称な熱伝導を行う金属板２９、３０に重ねて平坦金属板５６、５７が磁極頭部コア側に配置されてもよい。金属板２９、３０と平坦金属板５６、５７に軟磁性の金属板が用いられ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が多く減衰され、パーミアンス係数の低下も生じにくい。
【００７４】
複数の突起部３７が成形された非対称な熱伝導を行う金属板２９、３０の代わりに、例えば、厚さ０．１ｍｍから０．２ｍｍほどの円形状のパターンが片面印刷、あるいは、貼り付けられた金属板を用いて、小さい面積のパターン側をネオジム磁石側に当てて用いることで磁極頭部コア２５側へ多く、ネオジム磁石１９、２０側に少ない熱伝導を行うようにしてもよい。あるいは、片方の面に熱伝導率の小さい層が形成された非対称な熱伝導を行う金属板を用いてもよい。
【００７５】
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面が異なる高さに成形されて弾性変形が可能にされ、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。あるいは、弾性変形可能で、平坦面を有する片持ち弾性部が複数箇所に突出して形成された軟磁性ばね板が配置されてもよい。
【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、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、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３１、３２に到る第１の磁束経路、
【００７７】
金属板２９、３０を横切り、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３１、３２に到る第２の磁束経路、さらには、金属板２９、３０を横切り、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３１、３２に到る第３の磁束経路、の３つの磁束経路に分岐される。
【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、金属板２９、３０の突起部３７や軟磁性ばね板３５、３６によってネオジム磁石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。
【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を跨いで漏れる磁束と、金属板２９、３０を横切り、ネオジム磁石１９、２０に入る磁束とに分岐される。他には、磁極頭部コア２５に入りながら減衰する磁束と、回転子コア１２の外へ漏れる磁束であるが、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、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ではネオジム磁石１９、２０による磁束と同じ極性の向きになり、各ブリッジ部の飽和状態にプラスされる余地はなく、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く、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、空間的な寸法のみによる磁気抵抗の比に応じ、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が、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は保磁力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基づいて、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、磁束を磁束短絡防止孔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が、複数の固定子歯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の径方向の長さと、直交方向の平均の幅で決まる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（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などの軟磁性の板厚の差分で決まる２の磁束経路での磁気抵抗の比で決まる。また、磁気抵抗の比に反比例して、１の磁束経路である磁束短絡防止孔２１、２２から漏れる磁束量と、２の磁束経路である金属板２９、３０とネオジム磁石１９、２０に入る磁束量の比率が決まる。
【００８５】
磁束短絡防止孔２１、２２の径方向中心におけるブリッジ部２３、２４から近似する間隔が終わる位置までの長さＬ、径方向中心と直交方向の平均間隔Ｄ、ネオジム磁石１９、２０の外方向磁極面の合計の幅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、磁極頭部コア２５の入り口である磁束短絡防止孔２１、２２の最外周部の間隔Ｓとする。
【００８６】
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、電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束のうち、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（積層方向の単位長を乗じて面積）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を横切りネオジム磁石１９、２０に入る。
【００８７】
磁極頭部コア２５の入り口に入る磁束量の３分の２より小さくするためには、
Φ×｛（Ｄ／２Ｌ）／（Ｄ／２Ｌ＋Ｔ／Ｗ）｝＜（２／３）×Φ
の条件を満たすことで、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の実績から、保磁力Ｈｃｊが３分の２より小さい、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の磁束短絡防止孔３での電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束の漏洩はネオジム磁石２の端部に入った磁束の一部で、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、磁極頭部コア４の入り口の間隔と回転軸の中心で決まる磁石開き角、およびネオジム磁石の厚さ、回転子の径は近似しているとする。
【００８８】
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が磁束短絡防止孔２１、２２を跨いで漏れる比率は大きくされる。
【００８９】
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の間隔から軟磁性の金属板２９、３０と軟磁性ばね板３５、３０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１：０．６３となる。電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束は、磁束短絡防止孔２１、２２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の入り口の間隔Ｓに入る磁束量の３分の２より小さい６３％ほどになる。
【００９０】
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、０．８９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場にともなう磁束の減衰を考えず、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、０．６１×（０．９４／０．８９）で、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０．６６倍で、３分の２ほどになる。図１１の従来例と図４の実施例１での磁束短絡防止孔の最外周部の間隔と回転軸の中心で決まる磁石開き角、ネオジム磁石の厚さ、および回転子の径が近似していることを前提にする。
【００９１】
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２．４×０．６６＝１．５８ＭＡ／ｍほどの保磁力を有するネオジム磁石を、また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。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と残留磁束密度Ｂｒ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。
【００９２】
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含有率を含まないネオジム磁石を不可逆減磁されないで使用できるようにするには、本発明の主たる構成である非対称な熱伝導を行う金属板をネオジム磁石の磁極面に配置することに加え、穿設された磁束短絡防止孔から逆極性磁場にともなう磁束を漏洩すること、また、ネオジム磁石の周辺を直接冷却すること、さらに、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。
【００９３】
電機子電流による逆極性磁場は、モータ駆動の際に、ＰＷＭキャリア周波数を基本波とする高い周波数成分を多く含む。図５は、本発明の実施例１の図１の断面を拡大して示す。図５（ａ）は、図１の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が複数の突起部３７を有し、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。非対称な熱伝導を行う金属板２９の表皮効果で、電機子電流による逆極性磁場をネオジム磁石１９に加わる前に減衰させ、ネオジム磁石１９でのジュール熱の発生を少なくする。また、金属板２９の突起部３７がネオジム磁石１９側に相対的に小さい面積で当接し、磁極頭部コア２５側と大きい面積で接することで、金属板２９に生じるジュール熱を磁極頭部コア２５に多く非対称に熱伝導させる。突起部３７は、比較的剛性を有する厚さの金属板２９に、高速回転時にネオジム磁石１９に作用する遠心力で変形を受けない形状、個数に成形される。
【００９４】
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以上で頭打ちになる。
【００９５】
非対称な熱伝導を行う金属板２９に、軟磁性の金属板で厚さ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である。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以下にされるが、表皮効果の渦電流による損失でネオジム磁石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。軟磁性の鉄板である金属板２９が配置されることで、電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束は、磁束短絡防止孔で周波数に関係なく、熱損失もなく一部が分岐されて小さくされ、さらに非対称な熱伝導を行う金属板２９で高い周波数成分が減衰され、非対称に放熱されることでネオジム磁石１９での温度上昇が少なくされる。
【００９６】
回転時に、ネオジム磁石１９が磁石埋設用孔の内周側端部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が配置される。軟磁性ばね板３５の異なる高さの平坦部がネオジム磁石１９の内周側端部３３と回転子コアに接するように弾性変形することで、互いの間で放熱される。また、埋め込まれたネオジム磁石１９のがたつきが抑制される。
【００９７】
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。金属板２９に珪素鋼板を用いてもよい。導電率が小さいが透磁率が大きいため、表皮効果による逆極性磁場の低減の効果が大きい。また、ヒステリシス損が少なく、熱損失も小さい。
【００９８】
本発明の埋込磁石同期電動機の回転子を発電機に用いる場合、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。電機子巻線の端子間が、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る。結果、ネオジム磁石１９に加わる逆極性磁場が小さくされ、非対称な熱伝導を行う金属板２９でのジュール熱が磁極頭部コア２５側に多く伝導されて、ネオジム磁石１９での温度上昇が抑制される。
【００９９】
埋込磁石同期電動機の温度が高い時に、発電用途でなくても、電機子巻線の端子間の電気的な断続をより短い平均周期で行うことで、例えばＰＷＭ駆動の基本周波数についても同様に、電機子電流による逆極性磁場が、より高い周波数成分が主となり、非対称な熱伝導を行う金属板２９での減衰を大きくでき、より多く生じる熱も効果的に放熱される。
【０１００】
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が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５８が形成される。スリット５８の先端部５９が貫通孔を形成する磁束短絡防止孔２１に突出される。スリット５８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。
【０１０１】
図６は、本発明の実施例１の断面を、図５の金属板２９と異なる構成で、一部拡大して示す。図６（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断面図である。複数の突起部６１を有する非対称な熱伝導を行う金属板６０がネオジム磁石１９の外方向磁極面と磁極頭部コア２５の間に配置されて、電機子電流による逆極性磁場を減衰させることは図５の場合と同じである。また、金属板６０の突起部６１がネオジム磁石１９側に相対的に小さい面積で当接し、金属板６０で生じる熱を大きい面積で接する磁極頭部コア２５側に多く非対称に熱伝導させることも同じである。
【０１０２】
組立後、特にネオジム磁石１９が着時された後に、ネオジム磁石１９と磁石埋設用孔の内周側端部３３との吸着力によって軟磁性ばね板３５で形成される空隙が潰される結果、金属板６０が磁極頭部コア２５から離れた熱伝導の悪い状態を避ける必要がある。金属板６０の複数箇所に形成される片持ち弾性部６２が、金属板の面から突起部６１と同じ方向に出る構成にされ、突起部６１より大きく出されることで、組立時に最初にネオジム磁石１９の外方向磁極面に当たり、また組立後は片持ち弾性部６２の弾性で金属板６０が磁極頭部コア２５側と常に当接されることになる。
【０１０３】
図６（ｂ）は、軟磁性の鉄板である金属板６０が、端部が切り欠かれて中央が短縮された平面図で示される。金属板６０の複数箇所に片持ち弾性部６２が形成される。片持ち弾性部６２が屈曲変形され、その一部である先端部６３の近傍が適当な弾性で金属板６１の面と直交方向に変位できるようにされる。
【０１０４】
電機子電流による逆極性磁場を、あるいは逆極性磁場にともなう磁束を漏洩させる手段、非対称な熱伝導を行う金属板を用いて減衰させ、温度を下げる手段を基本にして、他の手段でジスプロシウム含有率を、零にすることを含めて、よりジスプロシウム含有率を低くしたネオジム磁石１９、２０を使用できるようにするためには、ネオジム磁石での温度上昇を少なくする構成を追加することを１の手段に、保磁力Hｃｊの向上を磁石材料で可能にすることを２の手段として、１と２の手段を追加手段にすることが望ましい。
【０１０５】
１の手段としては、空気の循環によって回転子を冷却する構成を追加することである。２の手段としては、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を用いることである。
【０１０６】
図７は、本発明の実施例１での空気循環による冷却構成の一部を示す。実施例１の図３までの回転子１１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、外気から閉じら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および、ネオジム磁石周辺の隙間４０などで積層方向に形成される複数の貫通孔に空気を強制的に流し込むため、主たる回転方向に開口部６４を有する空気取入れ部６５が、回転子１１の一方の端面６７の複数箇所に固定される。
【０１０７】
空気取入れ部６５は複数の貫通孔を覆う位置に配置され、回転子１１の回転にともない開口部６４から取り込まれた空気は、複数の貫通孔へ強制的に流し込まれる。複数の貫通孔に乱流として流れる空気が、熱を有するネオジム磁石１９、２０の周辺から熱を吸収する。空気取入れ部６４は、厚いエンドプレート６５の一部でなく、薄い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。
【０１０８】
回転子１１の他方の端面６８に対向して熱交換部６９が配置される。回転子１１と熱交換部６９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６８にある複数の貫通孔の口から排出される熱を帯びた空気が熱交換部６９に当たることで熱交換される。
【０１０９】
熱交換部６９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７０を有する。高速回転する複数の貫通孔から排出される空気は、回転方向に運動量を有すことで、複数のフィン７０、および溝７１に沿って中心方向に流れ込む。外周部に円形状の壁面７２が配置されることで、回転子１１より外側の固定子の方へ、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７２は、回転子１１と接触しない程度に複数のフィン７０より高くされてもよい。
【０１１０】
熱交換部６９は、ケース７３に一体化して設けられる。ケース７３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７３には熱交換部６９の反対側に水冷や液冷、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７３に密着して取り付けられてもよい。
【０１１１】
図８は、本発明の実施例１の冷却構成を断面で示す。図１での磁束短絡防止孔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。回転子１１と固定子１４は防水、防塵、防音のため密閉されたケース７３、７４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６５から磁束短絡防止孔や隙間などから成る貫通孔７５などの複数の貫通孔に流し込まれた空気が、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。
【０１１２】
貫通孔７５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６９の渦形状のフィン７０に当たり、溝７１に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７６で勢いを付加されて、回転子１１の一方の端面６７の方に戻される。
【０１１３】
回転子１１の一方の端面６７側に戻された空気は、ケース７４と一体化された熱交換部７７の内側から外へフィン７９と溝８０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６５に再び取り込まれて貫通孔７５などに流し込まれ、回転子１１の内側を循環される。熱交換部７７と反対側に、外に突出した複数の放熱フィン８１がケース７４に設けられる。あるいは、熱電変換素子が密着して取り付けられてもよい。
【０１１４】
熱交換部６９、７７を途中に介して、貫通孔７５と回転子１１の内側で空気が循環され、発熱量と熱容量の大きい固定子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６９、７７でもネオジム磁石２０を冷やすことができる。
【０１１５】
図９は、熱交換部７７が、回転子１１の一方の端面６７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７７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７９と、間に溝８０が形成される。回転子１１の内側を通り、熱交換部７７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７９および溝８０に沿って熱を放出しながら流される。
【０１１６】
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１１と固定子の間のエアギャップが存在し、相対的に高速流動する空気で熱伝導できるが、回転子１１の温度を固定子歯の温度より低くするのは難しい。回転子コア１２は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ム磁石２０の温度上昇を抑制するには、複数の貫通孔２１、４０などで直接ネオジム磁石１９、２０を、あるいはネオジム磁石１９、２０の周辺を空気で冷却することによる効果は大きい。
【０１１７】
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力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。
【０１１８】
保磁力Ｈｃｊに関しては、常温で＊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％（１／３）に小さくなる。
【０１１９】
残留磁束密度Ｂｒに関しては、常温で＊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。
【０１２０】
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％の含有率では、それぞれのネオジム磁石の保磁力は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保磁力は大きく、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。
【０１２１】
ジスプロシウムの含有率が高くなると、その分だけ軽希土類元素のネオジウム（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相はネオジウムとジスプ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、ジスプロシウム含有率を大幅に低くし、ネオジム磁石の温度上昇を抑制して残留磁束密度Ｂｒのを大きめに保持することを前提にしないと、マグネットトルクを大きく維持できない。
【０１２２】
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での漏洩の、全体の磁束に対する３％ほどの増加と、磁束短絡防止孔２１、２２からの漏洩の１３％ほどの増加があってもマグネットトルクを同じ大きさに保つためには、実施例１の構成例でジスプロシウム含有率５ｗｔ％のネオジム磁石を用いて、図１１の従来例でジスプロシウム含有率が１０ｗｔ％のネオジム磁石が用いられるのと比較で、残留磁束密度Ｂｒの１５％ほど増大で相殺する。
【０１２３】
本発明の実施例１では、ネオジム磁石の外方向磁極面と磁極頭部コアの間に非対称な熱伝導を行う金属板が配置されることで、電機子電流による逆極性磁場の高い周波数成分を熱損失で減衰させ、金属板での渦電流損で生じるジュール熱の多くをネオジム磁石側でなく磁極頭部コア側に多く伝導させる。その分、熱的制約が少なくなり、金属板での減衰を大きくできる。追加手段として、磁束短絡防止孔を設けて電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束を分岐、漏洩させ、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て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用いることができる。さらには、結晶粒微細化や粒界面制御で保持力Ｈｃｊの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】
【０１２４】
図１０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、ひとつのネオジム磁石８１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、ネオジム磁石８１に加わる電機子電流による逆極性磁場とネオジム磁石８１での温度上昇を抑制することは同じである。
【０１２５】
回転子８２は、固定子８３の固定子歯８４との間にエアギャップ８５を有している。磁性鋼板が積層された回転子コア８６に穿設された磁石埋設用孔８７にエネルギー積の大きいネオジム磁石８１が埋設される。磁束短絡防止孔８８、８９は磁石埋設用孔８７から連続し、外周部に位置するブリッジ部９０、９１まで径方向に延長されて形成される。磁束短絡防止孔８８、８９は、回転子コア８６の磁気的短絡を一部で断つために形成されるが、同時に電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束を適量漏洩させることにも使われる。しかし、ネオジム磁石８１からの磁束があまり多く漏洩しないことが求められる。
【０１２６】
ネオジム磁石８１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８７の外周側端部９２と凸部９３、９４で位置決めされ、保持される。ネオジム磁石８１の外方向磁極面と磁極頭部コア９５の間に、複数の突起部９６が成形されて非対称な熱伝導を行う金属板９７が配置される。ネオジム磁石８１の内方向磁極面と磁石埋設用孔８７の内周側端部の間には軟磁性ばね板９８が配置される。
【０１２７】
磁石埋込用孔８７におけるネオジム磁石８１の周辺には、磁性鋼板を打ち抜く結果として、隙間９９、１００などが生じ、磁束短絡防止孔８８、８９とともに回転子コア８６の積層方向に貫通した複数の貫通孔が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が流されるようにされる。
【０１２８】
突起部９６を有して非対称な熱伝導を行う金属板９７は、表皮効果で電機子電流による逆極性磁場を減衰させてネオジム磁石８１に加わる逆極性磁場を小さくし、ネオジム磁石８１でのジュール熱の発生を少なくする。金属板９７には、厚さ０．３ｍｍほどの軟磁性の鉄板が用いられ、ネオジム磁石８１に加わる電機子電流による逆極性磁場は、外方向磁極面に配置された軟磁性の金属板９７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。
【０１２９】
金属板９７の突起部９６がネオジム磁石８１の外方向磁極面に当接されて、磁極頭部コア９５側に大きい面積で、ネオジム磁石８１側に小さい面積で接することで、逆極性磁場の減衰で金属板９７に生じる熱を磁極頭部コア９５側に多く伝導し、ネオジム磁石８１側に少ない非対称な熱伝導を行うことによってネオジム磁石７６での温度上昇を抑制する。
【０１３０】
磁極頭部コア９５は、周方向の両端の部分が大きい傾斜で磁束短絡防止孔８８、８９に沿って径方向に厚くされ、電機子電流による磁束、特にｑ軸磁束による両端近傍での磁気飽和が遅くなることで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、大きい出力と、広い領域で高効率を得ることができる。
【０１３１】
電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束が磁極頭部コア９５に入った後、磁束短絡防止孔８８、８９を跨いで漏れる磁束量と、金属板９７とネオジム磁石８１に入る磁束量の比率は、磁束短絡防止孔８８、８９を跨ぐ並列の磁気抵抗と、ネオジム磁石８１を跨ぐ磁気抵抗の比に反比例する。
【０１３２】
実施例２の構成例として、図１０での磁束短絡防止孔８８、８９の径方向中心で、ブリッジ部９０、９１から近似する間隔が終わる位置までの長さＬを６．０ｍｍ、直交方向での平均間隔Ｄを３．２ｍｍ、ネオジム磁石８１の外方向磁極面の幅Ｗを３７ｍｍ、磁石埋設用孔８７の間隔と軟磁性の金属板である金属板９７および軟磁性ばね板９８の合計の板厚の差分Ｔを６．３ｍｍ、磁極頭部コア９５の入り口である磁束短絡防止孔８８、８９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９５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Φとする。
【０１３３】
磁束短絡防止孔８８、８９を跨ぐ磁気抵抗と、金属板９７と軟磁性ばね板９８を横切りネオジム磁石８１を跨ぐ磁気抵抗の比（Ｄ／２Ｌ）：（Ｔ／Ｗ）は、１：０．６４となり、電機子電流による逆極性磁場にともなう磁束のうち磁束短絡防止孔８８、８９を跨ぐ磁束量と、金属板９７を横切りネオジム磁石８１に入る磁束量の比（Ｔ／Ｗ）：（Ｄ／２Ｌ）は、１：１．５７になる。その結果、磁極頭部コア９５の入り口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）｝＝０．６１Φ＜（２／３）×Φ
で、ネオジム磁石８１に加わる磁束量が磁極頭部コア９５の入り口の間隔Sに加わる磁束量の３分の２より小さくなる。
【０１３４】
ネオジム磁石８１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、磁極頭部コア９５での磁束密度に較べて３分の２より小さくなる。ジスプロシウム含有率が８ｗｔ％から１０ｗｔ％、あるいは保磁力Ｈｃｊが２．４ＭＡ／ｍほど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％より低い、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。
【０１３５】
ネオジム磁石の温度上昇を抑えるため、実施例１の図７、図８、および図９で示された回転子の冷却構成と同じ構成を採用する。磁束短絡防止孔８８、８９、および隙間９９、１００などが積層されることで形成される複数の貫通孔を覆う位置に空気取入れ部を固定し、空気取入れ部によって複数の貫通孔に流し込まれる空気でネオジム磁石８１と、その周辺を冷却する。貫通孔の出口に対抗して配置される熱交換部に当たることで熱を帯びた空気が冷やされ、回転子８２の径の内側で循環される。
【０１３６】
本発明の実施例２では、ネオジム磁石の外方向磁極面と磁極頭部コアの間に非対称な熱伝導を行う金属板が配置されることで、電機子電流による逆極性磁場の高い周波数成分を減衰させ、金属板で生じる渦電流によるジュール熱の多くをネオジム磁石側でなく、磁極頭部コア側へ伝導させる。熱的制約が少なくなり、その分金属板での減衰を大きくできる。追加手段として、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損失なく分岐、漏洩させ、また、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て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用いることができる。さらには、結晶粒微細化と粒界面制御で保持力Ｈｃｊの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に導く。
【産業上の利用可能性】
【０１３７】
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。
【０１３８】
ジスプロシウム含有率の低減と温度上昇の抑制で、マグネットトルクを大きめに維持する埋込磁石同期電動機を提供する。
【０１３９】
高周波数化による逆極性磁場の減衰で、ジスプロシウム含有率の低いネオジム磁石を用いる発電用途の埋込磁石同期電動機を提供する。
【符号の説明】
【０１４０】
１１、７７    回転子
１２、８１    回転子コア
１３    回転子ハブ
１４、７８    固定子
１５、５１、５２、７９    固定子歯
１６、８０    エアギャップ
１７、１８、８２    磁石埋設用孔
１９、２０、７６    ネオジム磁石
２１、２２、８５、８６    磁束短絡防止孔
２３、２４、８５、８６    ブリッジ部
２５、９０    磁極頭部コア
２６    径方向ブリッジ部
２９、３０、９２    金属板
３５、３６、９３    軟磁性ばね板
３７、９１    突起部
３８、３９、８８、８９    凸部
４０、４１、４２、４３、４４、４５、９４、９５    隙間
４８    キー
４９    キー溝
５３、５４    磁極間コア
５５    バックコア
５８    スリット
６４    開口部
６５    空気取入れ部
６７    熱交換部
６８    フィン
７１    ケース
７４    還流孔
７５    油路
【図１】
2014087074.tif 000003
【図２】
2014087074.tif 000004
【図３】
2014087074.tif 000005
【図４】
2014087074.tif 000006
【図５】
2014087074.tif 000007
【図６】
2014087074.tif 000008
【図７】
2014087074.tif 000009
【図８】
2014087074.tif 000010
【図９】
2014087074.tif 000011
【図１０】
2014087074.tif 000012
【図１１】
2014087074.tif 000013
【図１２】
2014087074.tif 000014