(57)【要約】【課題】  分布巻永久磁石同期機において、効率向上を可能にすることである。【解決手段】  複数のティースを有する分布巻の固定子と、前記固定子に対して径方向にギャップを介して配置される回転子と、を備え、前記回転子は、磁石収容孔を形成するとともに、前記磁石収容孔に挿入された永久磁石で構成される磁極を周方向に複数配置し、前記固定子の巻線係数が０．９６６以上でかつ、固定子コアの軸長ＬＦｅ（ｍｍ）と、固定子コア外径Ｄｓｏ（ｍｍ）と、極数Ｐとが、ＬＦｅ＞1.635・Ｄｓｏ／Ｐ＋50.705の関係を満足することを特徴とする永久磁石同期機。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のティースを有する分布巻の固定子と、
前記固定子に対して径方向にギャップを介して配置される回転子と、を備え、
前記回転子は、磁石収容孔を形成するとともに、前記磁石収容孔に挿入された永久磁石で構成される磁極を周方向に複数配置し、
前記固定子の巻線係数が０．９６６以上でかつ、固定子コアの軸長ＬＦｅ（ｍｍ）と、固定子コア外径Ｄｓｏ（ｍｍ）と、極数Ｐとが、
2014204646.tif 000025
の関係を満足することを特徴とする永久磁石同期機。
【請求項２】
請求項１に記載の永久磁石同期機であって、
前記固定子の毎極毎相スロット数ｑが、固定子スロット数Ｑｓ、固定子相数ｍ、極数Ｐを用いて、
2014204646.tif 000026
の関係を満足することを特徴とする永久磁石同期機。
【請求項３】
請求項１または２のいずれか１項に記載の永久磁石同期機であって、
前記分布巻固定子の巻線方式が、同心巻であることを特徴とする永久磁石同期機。
【請求項４】
請求項３に記載の永久磁石同期機であって、
前記分布巻固定子の巻線方式が、全節巻であることを特徴とする永久磁石同期機。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の永久磁石同期機であって、
前記永久磁石がフェライト磁石であることを特徴とする永久磁石同期機。
【請求項６】
請求項５に記載の永久磁石同期機であって、
前記回転子の前記磁石収容孔は，内部に複数の極を構成するように径方向内側に凸となるよう構成されることを特徴とする永久磁石同期機。
【請求項７】
請求項６に記載の永久磁石同期機であって、
１極を構成する前記フェライト磁石は、周方向に２つの屈曲点と、それぞれの屈曲点を始端として径方向外周側に向けて伸びる２つの直線部分と、を有し、
前記２つの直線部分は、径方向外周側に向けて前記２つの直線部分の間隔が広がるように、前記中央線に対して傾斜して設けられていることを特徴とする永久磁石同期機。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の永久磁石同期機であって、
最高回転数Ｎｍａｘで外部駆動されたときに発生する一相誘導起電力の基本波実効値Ｅ０，ｍａｘが、インバータからモータに供給される相電圧の基本波実効値の上限値Ｖｍａｘに対して、
2014204646.tif 000027
の関係を満足することを特徴とする永久磁石同期機。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の永久磁石同期機と、
前記永久磁石同期機により駆動され、かつ冷媒を吸い込んで圧縮し吐出する圧縮機構部と、を備える圧縮機。
【請求項１０】
請求項９に記載の圧縮機にであって、
前記圧縮機にはＲ３２冷媒が封入されていることを特徴とする圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は永久磁石同期機、およびこれを用いた圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばエアコン圧縮機では現在、集中巻ネオジム磁石モータが広く採用されている。図７に示すように，集中巻の巻線軸方向端部（以下，コイルエンドと呼称する）の周回距離Ｌａ、Ｌｂは、分布巻の周回距離Ｌａ、Ｌｂと比較して大幅に縮小する。このため，ネオジム磁石と組み合わせることで巻線抵抗と電流を同時に低減でき，大幅な銅損低減が可能となる。また，銅線使用量低減とモータ小形化が可能となるので，コスト面でも良好な組合せと言える。
【０００３】
特許文献１では、集中巻ネオジム磁石モータを圧縮機容器内に固定する際の固定力を強化する技術について開示している。このように、上述した性能・コスト以外の面でも、生産性向上や信頼性向上の観点で技術開発が進められており、これは集中巻ネオジム磁石モータが広範に適用されていることを示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１５２０４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ネオジム磁石に代表される希土類磁石は材料コストが高く、また保持力向上を目的としてディスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）のような希少価値の高い重希土類を添加する必要があることから、調達保全の観点で課題がある。したがって、フェライト磁石に代表される安価でかつ安定供給が可能な永久磁石を使用することが望ましい。
【０００６】
しかしながら，近年の高出力密度モータにフェライト磁石を適用する場合には，必ずしも集中巻との組合せが有効とは言えない。フェライト磁石適用時はその低磁力を補うためにコア軸長増加が必須となり，巻線周長全体に占めるコイルエンド部の割合が相対的に低下する。このため，分布巻と集中巻の抵抗差が縮小する。すなわち、先述した集中巻のメリットである「大幅な銅損低減」や「銅線使用量低減」といった効果が薄れてしまう。この他にも，集中巻の原理的な課題として，磁石磁束の利用率（実施例にて詳述）が低くトルクが出にくいことが挙げられる。以上より，軸長が大きくなるフェライト磁石モータでは分布巻と集中巻の優劣分岐点が存在すると考えられる。
【０００７】
本発明の目的は、分布巻永久磁石同期機において、効率向上を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明では、分布巻永久磁石同期機の固定子外径Ｄｓｏ（ｍｍ）と、回転子に具備された永久磁石の磁極の極数Ｐと、固定子コア軸長ＬＦｅ（ｍｍ）とが数（１）の関係を満足するよう構成することで、当該同期機の銅損を、同一コア軸長の集中巻永久磁石同期機の銅損よりも小さくする。
（数１）  ＬＦｅ＞1.635・Ｄｓｏ／Ｐ＋50.705   
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば分布巻永久磁石同期機の効率が向上する。
【００１０】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施例における永久磁石同期機について、固定子と回転子とを回転軸に垂直な横断面で示す図。
【図２】本発明に係る数（１）の関係を示す図。
【図３（Ａ）】本発明の第１の実施例における永久磁石同期機について、分布巻の磁束利用率を示す図。
【図３（Ｂ）】本発明の第１の実施例における永久磁石同期機について、集中巻の磁束利用率の比較を示す図。
【図４】本発明の第１の実施例における永久磁石同期機について、集中巻固定子コイルの軸方向端部を示す図。
【図５】永久磁石モータのベクトル図。
【図６】本発明の第３の実施例における圧縮機の断面構造図。
【図７】４極モータの分布巻と集中巻の構造比較。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。以下の説明では、同一の構成要素には同一の記号を付してある。それらの名称および機能は同じであり、重複説明は避ける。また、以下の説明では内転型回転子を対象としているが、本発明の効果は内転型回転子に限定されるものではなく、同様の構成を有する外転型回転子にも適用可能である。また、回転子の極数も実施例の構成に限定されるものではない。また、以下の説明ではギャップ磁束が径方向に透過するラジアルギャップ型を対象としているが、本発明の効果はラジアルギャップ型に限定されるものではなく、ギャップ磁束が軸方向に透過するアキシャルギャップ型にも適用可能である。
【実施例１】
【００１３】
以下、図１乃至図４を用いて、本発明の第１の実施例について説明する。また、本実施例の説明に当たり、図７を参照する。図１は、本発明の第１の実施例における永久磁石同期機について、固定子と回転子とを回転軸に垂直な横断面で示す図である。図２は、本実施形態に係る数（１）の関係を示す図である。
【００１４】
（数１）          ＬＦｅ＞1.635・Ｄｓｏ／Ｐ＋50.705
【００１５】
図３Ａは、本発明の第１の実施例における永久磁石同期機について、分布巻の磁束利用率を示す図である。図３Ｂは本発明の第１の実施例における永久磁石同期機について、集中巻の磁束利用率の比較を示す図である。図４は、本発明の第１の実施例における永久磁石同期機について、集中巻固定子コイルの軸方向端部を示す図である。図７は、４極モータの分布巻と集中巻の構造比較である。
【００１６】
本実施例の永久磁石同期機について、図１を用いて説明する。
【００１７】
本実施例の永久磁石同期機では、固定子９の内周側に回転子１を備えている。回転子１は固定子９に対してギャップＧを介して、図示しない軸受けによって回転自在に保持される。固定子９は固定子鉄心１０とティース１１に巻回された図示しない固定子巻線１２とで構成される。固定子巻線１２は三相の巻線Ｕ、Ｖ、Ｗを順に周方向に配置する。
【００１８】
各巻線は複数のティースに跨って巻回される分布巻方式で構成される。インサータ（自動巻線機）によって製造される分布巻では、一般に毎極毎相スロット数（以下、ＮＳＰＰと呼称、ＮＳＰＰ：Ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｓｌｏｔｓ ｐｅｒ ｐｏｌｅ ａｎｄ ｐｈａｓｅ）ｑが整数であり、ｑは相数ｍ，固定子スロット数Ｑｓ，極対数ｐを用いて次式で表される。
【００１９】
【数２】
2014204646.tif 000003
【００２０】
図１に示す永久磁石同期機では、ｍ＝３、Ｑｓ＝３６、ｐ＝３なので、ｑ＝２となる。
【００２１】
また、本実施例の永久磁石同期機は、図１に示すように、回転子１が径方向内側に凸となるよう構成された磁石収容孔４を有し、磁石収容孔４には永久磁石３が埋設されている。永久磁石３は磁石収容孔４に挿入され、永久磁石３と磁石収容孔４とが周方向に沿って複数設けられることにより、回転子１の内部に周方向に沿って複数の極３０が構成される。
【００２２】
本実施例では、固定子外径Ｄｓｏ（ｍｍ）と、極数Ｐと、固定子コア軸長ＬＦｅ（ｍｍ）とが数（１）の関係を満足するよう構成することで、当該同期機の銅損を、同一コア軸長の集中巻永久磁石同期機の銅損よりも小さくする。
（数１）
ＬＦｅ＞1.635・Ｄｓｏ／Ｐ＋50.705
以下では、本実施形態の基本原理、すなわち、分布巻の銅損が集中巻の銅損よりも小さくなる理由を説明する。
【００２３】
ここでまず、分布巻の磁石磁束利用率について、図３Ａを用いて説明する。図３Ａの上図は、ＮＳＰＰ＝１の分布巻固定子と回転子磁極２極分の構成を示しており、Ｕ＋とＵ−、Ｖ＋とＶ−、Ｗ＋とＷ−とがそれぞれ１組のコイルを構成している。
【００２４】
図３Ａの下図は、Ｕ、Ｖ、Ｗ各相のコイルに電流が通電されておらず、永久磁石３のみが磁束を発生する場合のギャップ磁束密度分布を示している。図３Ａでは、磁束密度の最大値をＢｐ，ｍａｘと定義した。なお、以下の説明では、分布巻と集中巻の効率差を大局的に把握することに主眼を置き，ギャップ磁束密度分布の空間基本波成分のみを対象とすることに注意されたい。
【００２５】
磁束利用率の一般的な指標には巻線係数が用いられており，従来の設計理論では、分布巻の巻線係数ｋｗは短節係数ｋｐと分布係数ｋｄとを用いて以下のように表される。
（数３）
ｋｗ＝ｋｐ・ｋｄ
短節係数ｋｐは極ピッチτｐ，一相巻線ピッチ幅Ｗを用いて次式で表され，図３Ａでは，Ｗ＝τｐなので，ｋｐ＝１となる。
【００２６】
【数４】
2014204646.tif 000004
【００２７】
一方，分布係数ｋｗは相数ｍ，毎相毎極スロット数（ＮＳＰＰ）ｑを用いて次式で表され，図３Ａでは，ｍ＝３，ｑ＝１なので，ｋｗ＝１となる。
【００２８】
【数５】
2014204646.tif 000005
【００２９】
エアコン圧縮機用の分布巻モータは大量生産される性質上、ほとんどのものがインサータによる機械巻で製作されると同時に、同心巻方式を採用している。同心巻は一極一相のコイルを複数層に分けて同心的に配列させた巻線方式である。大型機でしばしば採用される二層重ね巻と比較すると、インサータによる製作が可能であることのほかにも、１スロットにコイル一層のみを挿入するため、層間の絶縁が不要となるなどの利点がある。巻線ピッチＷに関しては、生産性の観点からほとんどのものが全節巻、すなわちＷ＝τｐであり、ｋｐ＝１となる。また、ＮＳＰＰも生産性の観点から１〜３のものが大部分を占めており、それぞれの場合のｋｄは以下となる。
【００３０】
・ＮＳＰＰ＝１の場合：  ｋｄ＝１
・ＮＳＰＰ＝２の場合：  ｋｄ＝０．９６６
・ＮＳＰＰ＝３の場合：  ｋｄ＝０．９６６
したがって、以下の説明では、分布巻の巻線係数ｋｗを０．９６６とする。
【００３１】
なお、上述の説明から明らかなように、分布巻の磁束利用率は同心巻や重ね巻といった巻線方式ではなく、巻線係数によって決定される。したがって、本実施形態の効果は、同心全節巻に限定されるものではなく、ｋｗが０．９６６以上の分布巻であれば巻線方式に関わらず同様にして適用可能である。
【００３２】
次に、図３Ａに示す永久磁石３によるギャップ磁束密度分布の空間基本波成分を定式化する。一般に、永久磁石モータのギャップ磁束密度分布は回転子のギャップ対向面の開度、いわゆる極弧度θｐに依存する。θｐは磁石磁束による誘導起電力（Ｅ０）波形を正弦波化する目的などで適宜調整されるが、本報告では簡単のためθｐ＝π（電気角）とした。
【００３３】
図３Ａに示す磁束密度分布Ｂｐ（ｘｒ）をフーリエ級数展開すると、基本波成分は次式で表される。
【００３４】
【数６】
2014204646.tif 000006
【００３５】
ただし、xr は回転子外周部の周方向位置（電気角、ｄｅｇ.）である。
【００３６】
回転子が角速度ωで回転しているとき、固定子座標ｘｓと回転子座標ｘｒとの関係は次式となる。
【００３７】
【数７】
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【００３８】
したがって、固定子座標系から見た磁束密度分布Ｂｐ（ｘｓ）は以下となる。
【００３９】
【数８】
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【００４０】
上記で得られた巻線係数およびギャップ磁束密度分布を基に、一相コイルに鎖交する磁束量Φｄｉｓを導出することで、分布巻の磁束利用率を定式化する。Φｄｉｓは、図３Ａに示す−π／２〜π／２の積分区間に対して次式により算出される。
【００４１】
【数９】
2014204646.tif 000009
【００４２】
ただし，ｌはコア軸長，Ｎｃは一相コイル巻数である。
【００４３】
以上より、分布巻の単位軸長、単位巻数あたりの磁束利用率は、Ｂｐ, ｍａｘを基準に規格化すると以下となる。
【００４４】
【数１０】
2014204646.tif 000010
【００４５】
続いて、集中巻の磁石磁束利用率について、図３Ｂを用いて説明する。図３Ｂの上図は、３スロットの集中巻固定子と回転子磁極２極分の構成、いわゆるスロットコンビ２：３系列の構成を示しており、エアコン圧縮機用の集中巻モータの大半がこの構成を採用している。２：３系列の構成においては、Ｕ＋とＵ−、Ｖ＋とＶ−、Ｗ＋とＷ−とがそれぞれ１組のコイルを構成しており、Ｕ、Ｖ、Ｗ各相を順に周方向に配置する。図３Ｂの下図は、Ｕ、Ｖ、Ｗ各相のコイルに電流が通電されておらず、永久磁石３のみが磁束を発生する場合のギャップ磁束密度分布を示している。図３Ｂでは、磁束密度の最大値をＢｐ，ｍａｘと定義した。
【００４６】
図３Ｂに示すように、スロットコンビ２：３系列の集中巻では、固有のティース配置の影響により磁石磁束の一部がティース先端で短絡ループを形成し漏れ磁束となる。このため、ギャップ磁束密度分布は分布巻のような空間分布とはならない。本発明ではこの現象をギャップ変調と呼称し、以下では図３Ｂに示す「ギャップ変調後」の空間基本波成分を定式化する。なお、分布巻の場合と整合させるため、極弧度θｐ＝π（電気角）とした。
【００４７】
図３Ｂの磁束密度分布Ｂｐ（ｘｒ）をフーリエ級数展開すると、基本波成分は次式で表される。
【００４８】
【数１１】
2014204646.tif 000011
【００４９】
数７の関係を数１１に適用すると、固定子座標系から見た磁束密度分布Ｂｐ（ｘｓ）は次式となる。
【００５０】
【数１２】
2014204646.tif 000012
【００５１】
数１２と数８との比較から明らかなように、集中巻のギャップ磁束密度分布の空間基本波成分は分布巻に対して０．８６６倍となっている。このように、集中巻ではギャップ変調により空間基本波成分が減少してしまう。
【００５２】
さらに、上記で得られたギャップ磁束密度分布を基に、一相コイルに鎖交する磁束量の基本波成分Φｃｏｎを導出することで、集中巻の磁束利用率を定式化する。Φｃｏｎ は，図３Ｂに示す−π／３〜π／３の積分区間に対して次式により算出される。
【００５３】
【数１３】
2014204646.tif 000013
【００５４】
ただし，ｌ：コア軸長，Ｎｃ：一相コイル巻数
数１３より，分布巻の単位軸長，単位巻数あたりの磁束利用率は，Ｂｐ, ｍａｘを基準に規格化すると以下となる。
【００５５】
【数１４】
2014204646.tif 000014
【００５６】
数１０と数１４との比較から明らかなように，集中巻の磁石磁束利用率は分布巻に対して０．７７６となる。すなわち、同一コア軸長の集中巻を分布巻にすることで、Ｅ０が２８．８％増加する一方で電流は２２．４％低減する。
【００５７】
従来の設計理論では、ギャップ変調という現象が考慮されておらず、図３Ｂに示す「ギャップ変調前」の磁束密度分布を基に集中巻の磁石磁束利用率を算出するのが一般的であった。したがって、分布巻と集中巻の磁束利用率の差異は巻線係数ｋｗの差のみに依存し、分布巻のＥ０は集中巻に対して１１．５％の増加に止まると考えられており、分布巻の優位性を過小評価していた。これに対し、本発明ではギャップ変調という現象に新たに着目し、図３Ｂに示す「ギャップ変調後」の磁束密度分布を基に集中巻の磁石磁束利用率を算出する手法を見出しており、その結果を用いて、後述する分布巻と集中巻の優劣分岐点を導出している。
【００５８】
以上より、分布巻と集中巻の磁石磁束利用率の差異について説明した。
【００５９】
続いて、分布巻と集中巻の巻線抵抗の差異について説明し、その結果を基に両者の銅損を算出することで優劣分岐点を定量化する。
【００６０】
銅損Ｐｃｕは，一相巻線抵抗Ｒ，相電流実効値Ｉを用いて次式で表される。
【００６１】
【数１５】
2014204646.tif 000015
【００６２】
【数１６】
2014204646.tif 000016
【００６３】
ただし，ρは抵抗率、Ｌは１ターンコイル長、Ｓは導体断面積である。
【００６４】
分布巻の１ターンコイル長Ｌｄｉｓ（ｍｍ）は図７に示すＬａ、Ｌｂ、ＬＦeを用いて、以下のように定式化できる。
【００６５】
【数１７】
2014204646.tif 000017
【００６６】
ただし，Ｄｓｏは固定子外径、Ｐは極数、ＬＦｅは固定子コア軸長である。
ここで、分布巻に関する数（１８）では次のような前提を設けていることに注意されたい。
【００６７】
第１項の０．９５は、周方向に巻回されたコイルエンド部の直径（図７のＬａを算出するための直径）が固定子外径の９５％であることを意味している。通常、圧縮機チャンバと固定子巻線との絶縁距離を確保する目的で、コイルエンドの最外径は固定子外径の９５％以下に設定されるため、第１項はシビアサイドの定式化と言える。
【００６８】
第２項の２５は，コイルエンドの軸方向直線距離の中央値であり、圧縮機チャンバの軸方向高さの制約から、一般的なモータでは２５ｍｍ程度を上限値としている。
【００６９】
これに対し、集中巻の１ターンコイル長Ｌｃｏｎ（ｍｍ）は，図７に示すＬａ、Ｌｂ、ＬＦeを用いて、以下のように定式化できる。
【００７０】
【数１８】
2014204646.tif 000018
【００７１】
ここで、集中巻に関する式（１９）では次のような前提を設けていることに注意されたい。
【００７２】
第１項は図４に示すモデルを用いて定式化した。図４では固定子内径が固定子外径の１／２と仮定している。このときの固定子ティース先端の周方向距離を算出し，さらに０．７を乗じた値をコイルエンド周回距離の直径とした。
【００７３】
第２項の５は，コイルエンドの軸方向直線距離であり，一般的なモータでは５ｍｍ程度が上限値となっている。
【００７４】
分布巻と集中巻の巻数が同等であると仮定すると、分布巻の銅損Ｐｃｕ，ｄｉｓと集中巻の銅損Ｐｃｕ，ｃｏｎの比/は、先述した両者の磁石磁束利用率の差異から算出した電流低減値，および数１７、数１８を用いて次式で表される。
【００７５】
【数１９】
2014204646.tif 000019
【００７６】
分布巻永久磁石同期機の銅損が、同一コア軸長の集中巻永久磁石同期機の銅損よりも小さくなるのは、次式を満足する場合である。
【００７７】
【数２０】
2014204646.tif 000020
【００７８】
すなわち、固定子コア軸長ＬＦｅ（ｍｍ）が次式の関係を満足する場合である。
【００７９】
【数２１】
2014204646.tif 000021
【００８０】
数１より明らかなように、分布巻と集中巻の優劣分岐点はＤｓｏ／Ｐを変数とする一次関数で表される。図２に数１の関係を図示する。
【００８１】
以上より、分布巻の銅損が集中巻の銅損よりも小さくなる理由を示した。
【００８２】
本実施形態によれば、軸長が大きなモータにおいても、分布巻とすることで効率向上が可能となる。特に、フェライト磁石などの磁力の弱い磁石を使用する場合には、モータ軸長を増加することでトルク増加、効率向上を図る必要があるため、本発明による効果が得られやすい。
【００８３】
なお、永久磁石３をフェライト磁石で構成する場合には、図１に示すように１極につき周方向に２ヶ所の屈曲点を有するとともに、それぞれの屈曲点を始端として磁化方向に対して垂直方向かつ極の端部側に向けて伸びるように構成することが有効である。このような磁石形状とすることで、磁石磁束発生面の表面積を大きくできるので、Ｕ字形のフェライト磁石を使用したものよりも大きな磁石トルクを発生することが可能となる。
【００８４】
ただし、永久磁石３は上記の構成に限定されるものではなく、１極につき周方向に分割されることなく一体で構成しても良いし、複数個を周方向に分割して配置しても良い。また、１極を構成する永久磁石３及び磁石収容孔４は、１つに限定されるわけではない。例えば、１極を構成する永久磁石３を周方向に分割し、それぞれの磁石に合わせて磁石収容孔４を設け、隣接する収容孔の境界にリブを設けるなどしてもよい。また、１極を構成する磁石の配置形状は図１に示すような２ヶ所の屈曲点を有する形状のほか、３カ所以上の屈曲点を有する形状でも良いし、Ｕ字形でも良いし、Ｖ字形でも良いし、平板状でもよい。また、永久磁石３及び磁石収容孔４は、回転軸方向に複数個を分割して構成しても良いし、分割することなく一体で構成しても良い。固定子鉄心１０および回転子鉄心２は軸方向に積み重ねた積層鋼板で構成しても良いし、圧粉磁心などで構成しても良いし、アモルファス金属などで構成しても良い。また、回転子のコア軸長が、固定子のコア軸長よりも大きい構成、いわゆるオーバーハングの構成としてもよい。
【００８５】
また、本発明は、集中巻と分布巻の巻線方式の違いにのみ着目して、その優劣を導出しているため、磁石材はネオジム磁石でもよいしフェライト磁石でもよいし、その他の磁石材でもよい。
【実施例２】
【００８６】
以下、図５を用いて本発明の第２の実施例について説明する。図５は、永久磁石モータのベクトル図である。
【００８７】
本実施例では、実施例１で述べた永久磁石同期機において、当該同期機が最高回転数Ｎｍａｘで外部駆動されたときに発生する一相誘導起電力の基本波実効値Ｅ０，ｍａｘが、インバータからモータに供給される相電圧の基本波実効値の上限値Ｖｍａｘに対して、次式の関係を満足する。
【００８８】
【数２２】
2014204646.tif 000022
【００８９】
このような構成とすることで、効率面における分布巻の優位性を高めることができる。以下にこの理由を説明する。
【００９０】
まず、磁石モータの同期運転時における電流や磁束は交流量であるため、図５に示すようなｄｑ軸座標系（回転座標系）に変換し直流量として扱う方法が一般的である。一般に、ｄｑ軸座標系では、永久磁石による固定子コイル一相分の鎖交磁束Ψｐの位相を基準として、これをｄ軸とみなし、ｄ軸に対して反時計回りに電気角で９０°進んだ軸、すなわち極性の異なる永久磁石間の中心軸をｑ軸とする。Ψｐの時間微分である誘導起電力Ｅ０は位相が９０°進んだｑ軸に発生する。このような方法をとることで、回転子位置によらず、ｄｑ軸と回転磁界との相対的な位置関係のみでトルク等の諸物理量を考察することが可能となる。
【００９１】
モータに通電される相電流Ｉが、Ｅ０に対してβの位相差をもつとき、Ｉは次式に示すようにｄ軸成分、ｑ軸成分に分解できる。
【００９２】
【数２３】
2014204646.tif 000023
【００９３】
駆動時の固定子鎖交磁束Ψは、Ψｐを起点として、ｄ軸電流Ｉｄによって発生する反作用磁束ＬｄＩｄと、ｑ軸電流Ｉｑによって発生する反作用磁束ＬｑＩｑとのベクトル和で表される。固定子巻線の電気抵抗による電圧降下分を無視すると、モータ端子電圧Ｖは固定子鎖交磁束Ψの時間微分と等価とみなすことができ、次式で近似できる。なお、図５に示すように、ＶはΨに対して９０ｄｅｇ．進んだベクトルで表される。
【００９４】
【数２４】
2014204646.tif 000024
【００９５】
いま、インバータからモータに供給される相電圧の基本波実効値上限をＶｍａｘとすると、式（２３）から明らかなように、Ψを小さくした分だけ、ωを大きくすることができる、すなわち高速回転化が可能となる。
【００９６】
ここで、集中巻のインダクタンスは分布巻に対して原理的に１．５倍となる。すなわち、集中巻のＬｄ、Ｌｑは、同一コア軸長、同一巻数の分布巻に対して１．５倍となる。言い換えれば、分布巻ではＬｄ、Ｌｑが集中巻に対して１／１．５となるので、Ψも１／１．５となり、結果的に、集中巻よりも１．５倍の高速化が可能となる。
【００９７】
エアコン圧縮機用の集中巻永久磁石モータでは、ＶｍａｘとＥ０，ｍａｘとが同等程度となっていること、インダクタンスは巻数の２乗に比例することから、集中巻を分布巻に変更する場合には、巻数を√（１．５）倍とすることが可能と言える。つまり、分布巻永久磁石モータにおいて、Ｅ０，ｍａｘとＶｍａｘとの関係を、式（２１）に示すような関係としても、所望の最高回転数での運転が可能である。
【００９８】
このとき、分布巻モータの巻数は集中巻モータに対して√（１．５）倍となっている。したがって、定格条件での運転電流は１／√（１．５）倍となる。これにより、インバータの通電電流も低減するため、インバータの導通損が減少し、インバータ効率が向上する。
【実施例３】
【００９９】
以下、図６を用いて本発明の第３の実施例について説明する。図６は、本実施例による圧縮機の断面構造図である。
【０１００】
図６において、圧縮機構部は、固定スクロ−ル部材１３の端板１４に直立する渦巻状ラップ１５と、旋回スクロ−ル部材１６の端板１７に直立する渦巻状ラップ１８とを噛み合わせて形成されている。そして、旋回スクロ−ル部材１６をクランクシャフト６によって旋回運動させることで圧縮動作を行う。固定スクロ−ル部材１３及び旋回スクロ−ル部材１６によって形成される圧縮室１９（１９ａ、１９ｂ、……）のうち、最も外径側に位置している圧縮室１９は、旋回運動に伴って両スクロ−ル部材１３、１６の中心に向かって移動し、容積が次第に縮小する。
【０１０１】
両圧縮室１９ａ、１９ｂが両スクロ−ル部材１３、１６の中心近傍に達すると、両圧縮室１９内の圧縮ガスは圧縮室１９と連通した吐出口２０から吐出される。吐出された圧縮ガスは、固定スクロ−ル部材１３及びフレ−ム２１に設けられたガス通路（図示せず）を通ってフレ−ム２１下部の圧力容器２２内に至り、圧力容器２２の側壁に設けられた吐出パイプ２３から圧縮機外に排出される。圧力容器２２内に、固定子９と回転子１とで構成される永久磁石モ−タ１０３が内封されており、回転子１が回転することで、圧縮動作を行う。永久磁石モ−タ１０３の下部には、油溜め部２５が設けられている。油溜め部２５内の油は回転運動により生ずる圧力差によって、クランクシャフト６内に設けられた油孔２６を通って、旋回スクロ−ル部材１６とクランクシャフト６との摺動部、滑り軸受け２７等の潤滑に供される。圧力容器２２の側壁には固定子コイル１２を圧力容器２２の外側に引き出すための端子箱３０が設けられ、例えば、三相永久磁石モ−タの場合は、Ｕ、Ｖ、Ｗ各巻線の端子が計３個、納められている。永久磁石モ−タ１０３に、前述の実施例１又は実施例２記載の永久磁石同期機を適用することで、効率向上を図ることが可能となる。
【０１０２】
ところで、現在の家庭用・業務用空調機では、圧縮容器２２内にＲ４１０Ａ冷媒が封入されているものが多く、永久磁石モ−タ１０３の周囲温度は８０℃以上となることが多い。今後、地球温暖化係数がより小さいＲ３２冷媒の採用が進むと周囲温度はさらに上昇するため、磁石の残留磁束密度（Ｂｒ）の低下がより顕著となる。このような場合に、前述の実施例１又は実施例２記載の分布巻永久磁石同期機を適用することで、Ｂｒ低下によるトルク低下、効率低下を補うことができる。特に永久磁石３をフェライト磁石で構成する場合には、ネオジウム磁石で問題となる高温減磁が原理的に発生しないので、Ｒ３２冷媒採用に伴う周囲温度上昇に対して有効な対策となる。しかしその一方で、フェライト磁石のＢｒの温度係数はネオジム磁石の２倍以上であるため、高温になるほどＢｒの低下、すなわち磁石トルクの低下が顕著となる。具体的には、ネオジム磁石の温度係数が−０．１１％／Ｋ程度であるのに対し、フェライト磁石は−０．２６％／Ｋ程度である。したがって、周囲温度が８０℃以上の場合にはフェライト磁石のＢｒの低下傾向が顕著化する。このような場合において、前述の実施例１又は実施例２記載の分布巻永久磁石同期機を適用することで、Ｂｒ低下によるトルク低下、効率低下を補うことができる。なお、本実施例の圧縮機に前述の実施例１又は実施例２記載の永久磁石同期機を適用するにあたり、冷媒の種類が制限されるものではない。
【０１０３】
圧縮機構成は図６記載のスクロ−ル圧縮機でも良いし、ロ−タリ圧縮機でも良いし、その他の圧縮機構を有する構成でも良い。また、本発明によれば、以上に説明したように小形で高出力のモータが実現できる。すると高速運転が可能になるなど、運転範囲を広げることが可能となり、さらには、ＨｅやＲ３２などの冷媒においては、Ｒ２２、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａなどの冷媒に比べ、隙間からの漏れが大きく、特に低速運転時には循環量に対する漏れの比率が顕著に大きくなるため、効率低下が大きい。低循環量（低速運転）時の効率向上のため、圧縮機構部を小型化し、同じ循環量を得るために回転数を上げることで、漏れ損失を低減させることが有効な手段となりうるが、最大循環量を確保するために最大回転数も上げる必要がある。本発明に係る分布巻永久磁石同期機を備えた圧縮機によれば、最大トルクを大きくすることが可能となるため、最大回転数を上げることが可能となり、ＨｅやＲ３２などの冷媒における効率向上に有効な手段となる。
【０１０４】
なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【０１０５】
１…回転子、２…回転子鉄心、３…永久磁石、４…永久磁石収容孔、５…カシメ用リベット、６…シャフト又はクランクシャフト、７…固定子スロット、８…固定子コアバック、９…固定子、１０…固定子鉄心、１１…ティース、１２…固定子コイル、１３…固定スクロ−ル部材、１４…端板、１５…渦巻状ラップ、１６…旋回スクロ−ル部材、１７…端板、１８…渦巻状ラップ、１９（１９ａ，１９ｂ）…圧縮室、２０…吐出口、２１…フレ−ム、２２…圧力容器、２３…吐出パイプ、２４…バランスウェイト、２５…油溜部、２６…油孔、２７…滑り軸受け、３０…端子箱、１０３…永久磁石モ−タ。
【図１】
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【図２】
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【図３（Ａ）】
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【図３（Ｂ）】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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