(57)【要約】      （修正有）【課題】永久磁石の発熱を抑えて永久磁石の熱減磁を防ぎ、さらに高効率で低コストな永久磁石式同期電動機を提供する。【解決手段】ロータコアの内部に永久磁石１を保持する永久磁石式同期電動機において、永久磁石１を囲んで永久磁石１の渦電流を減少させる永久磁石１よりも導電率の高い導体２を備えた。【選択図】図１
2008125242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータコアにより永久磁石を保持する永久磁石式同期電動機において、
前記永久磁石を囲んで前記永久磁石の渦電流を減少させる前記永久磁石よりも導電率の高い導体を備える
ことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
【請求項２】
前記導体の表面を覆うことで該導体の熱が前記永久磁石や前記ロータコアに伝わることを防ぐ断熱材を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式同期電動機。
【請求項３】
前記断熱材は、前記導体の熱を外部に放出し該導体の温度上昇を抑制すべく前記ロータコア端部の前記導体端部表面には設置しない
ことを特徴とする請求項２に記載の永久磁石式同期電動機。
【請求項４】
前記導体は、導線で形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式同期電動機。
【請求項５】
前記導体は、前記永久磁石及び前記ロータコアよりも熱伝導率が高く、前記導体端部表面での放熱量が該導体の発熱量より大きい
ことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式同期電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石式同期電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、永久磁石式同期電動機（ＰＭモータ）の永久磁石２０（図８参照）には、モータの高効率化や小型化を図るため、高性能なネオジウム・鉄・ボロン（ＮｄＦｅＢ）等の希土類焼結磁石が採用されている。ネオジウム系の永久磁石２０は、以前に用いられていたフェライト永久磁石等に比べ、温度変化に弱く、導電率がはるかに高いという性質がある。図８は永久磁石の渦電流を示した図である。図８に示すように、永久磁石２０には、スロット高調波やインバータのキャリア高調波等による磁場変動Ｂによって渦電流Ｊが発生し、これによる渦電流損失が無視できなくなっている。永久磁石２０の渦電流損失が大きくなると、永久磁石２０の温度が高くなり、弱め界磁制御時等の永久磁石２０に反磁界が加わる条件下では熱減磁を起こしやすくなる。そこで、ロータコア２１に保持された永久磁石２０を、図９（ａ）に示すように軸方向、又は、図９（ｂ）に示すように周方向（回転方向）に分割して各永久磁石２０間に絶縁層２２を設けることにより、永久磁石２０の渦電流損失を低減し減磁しにくくする方法や、温度変化に強い永久磁石２０（例えば、サマリウム・コバルト（ＳｍＣｏ）系の磁石）を使用するなどの対策が採られている。このような技術の一例が下記特許文献１〜４に開示されている。なお、下記特許文献１には、永久磁石２０を軸方向において複数に分割し、渦電流の発生を低減するものが開示されている。下記特許文献２には、永久磁石２０を軸方向おいて２分割以上し、渦電流損失を低減するものが開示されている。下記特許文献３には、永久磁石２０の幅をロータコア２１の反回転方向に進むにつれて短くなるようにして、弱め界磁制御の際に発生する渦電流損失を低減するものが開示されている。下記特許文献４には、永久磁石２０を円周方向に分割し、渦電流損失を低減するものが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３５４８９９号公報
【特許文献２】特開２００５−２０４４６１号公報
【特許文献３】特開２００４−９６８６８号公報
【特許文献４】特開２０００−２２８８３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、図９に示すように、永久磁石２０を軸方向又は周方向に分割する方法の場合、永久磁石２０の分割数を多くすればするほど渦電流損失は減少し、熱減磁する危険性は少なくなるが、永久磁石２０の分割数の増大に伴い永久磁石式同期電動機の製作に要する手間（時間）が増え、コストが増大してしまう。
【０００５】
また、温度変化に弱いネオジウム系の永久磁石２０ではなく、温度変化に強い永久磁石２０（例えば、サマリウム・コバルト系の永久磁石）を使用する方法の場合、ネオジウム系の永久磁石２０よりも性能が劣り（磁力が弱い）、高価であるため、永久磁石式同期電動機の高効率化や小型化、コストに関してある程度の妥協をしなくてはならない。
【０００６】
以上のことから、本発明は、永久磁石２０の発熱を抑えて永久磁石２０の熱減磁を防ぎ、さらに高効率で低コストな永久磁石式同期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】
【０００７】
上記の課題を解決するための第１の発明（請求項１に対応）に係る永久磁石式同期電動機は、
ロータコアにより永久磁石を保持する永久磁石式同期電動機において、
前記永久磁石を囲んで前記永久磁石の渦電流を減少させる前記永久磁石よりも導電率の高い導体を備える
ことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
【０００８】
上記の課題を解決するための第２の発明（請求項２に対応）に係る永久磁石式同期電動機は、第１の発明に係る永久磁石式同期電動機において、前記導体の表面を覆うことで該導体の熱が前記永久磁石や前記ロータコアに伝わることを防ぐ断熱材を備えることを特徴とする。
【０００９】
上記の課題を解決するための第３の発明（請求項３に対応）に係る永久磁石式同期電動機は、第２の発明に係る永久磁石式同期電動機において、前記断熱材は、前記導体の熱を外部に放出し該導体の温度上昇を抑制すべく前記ロータコア端部の前記導体端部表面には設置しないことを特徴とする。
【００１０】
上記の課題を解決するための第４の発明（請求項４に対応）に係る永久磁石式同期電動機は、第１の発明に係る永久磁石式同期電動機において、前記導体は、導線で形成することを特徴とする。
【００１１】
上記の課題を解決するための第５の発明（請求項５に対応）に係る永久磁石式同期電動機は、第１の発明に係る永久磁石式同期電動機において、前記導体は、前記永久磁石及び前記ロータコアよりも熱伝導率が高く、前記導体端部表面での放熱量が該導体の発熱量より大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本願発明によれば、永久磁石式同期電動機の永久磁石を導体で囲むことにより、永久磁石の渦電流損失を大幅に減少させることができる。また、渦電流損失減少により、永久磁石の発熱量が小さくなり、永久磁石（永久磁石式同期電動機）の性能の低下及び熱減磁を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係る永久磁石式同期電動機の実施形態について、図１〜図７を用いて説明する。図１は第１の実施形態に係る導体の斜視図、図２は第２の実施形態に係る断熱材の斜視図、図３は第３の実施形態に係る導線で形成した導体の斜視図、図４は第４の実施形態に係る導体の斜視図、図５は本発明に係る永久磁石式同期電動機の平面図、図６は図５中のＡ点の時間変化における磁束密度を示した図、図７は永久磁石の周囲を導体で囲んだ導体あり場合と、導体で囲んでいない導体なし場合の磁石渦電流損失を示した図である。
【００１４】
［第１の実施形態］
始めに、本発明に係る永久磁石式同期電動機について説明する。図５に示すように、本発明に係る永久磁石式同期電動機は、１２極１８スロットの集中巻き機であり、ロータコア６内部に永久磁石１を埋め込んだＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ）構造となっている。永久磁石１の側方には、永久磁石１の磁束の短絡を防止するため空間であるフラックスバリア７が形成されている。ロータコア６の周方向外側には、ロータコア６と対向するようにステータコア８が設置されており、ステータコア８の内部には巻線９が配置されている。なお、図５では、ロータコア６及びステータコア８共に一部についてのみ示しているが、実際にはロータコア６及びステータコア８は円筒状になるよう形成されている。また、本実施形態では、ロータコア６内部に永久磁石１を埋め込んで永久磁石１を保持する構造としたが、このような構造以外にも、例えばロータコア６の表面などに永久磁石１を設置する構造とすることも可能である。
【００１５】
永久磁石式同期電動機を駆動した場合、永久磁石１には巻線９の巻溝であるスロットに起因する磁場変動が生じて、その磁場変動を打ち消すように渦電流が流れるため渦電流損失となり、この渦電流損失が熱となって永久磁石１の温度が上昇する。図５中Ａ点で示す位置の磁束密度の時間変化を図６に示す。図６に示すように、Ａ点では、電流の１周期に対して、スロットによる３倍の周期の磁場変動が永久磁石１に生じていることが分かる。渦電流損失により永久磁石１の温度が上昇すると、永久磁石１の残留磁束密度や保持力が減少するため、永久磁石１の性能が悪化し、永久磁石式同期電動機の効率悪化に繋がる。また、永久磁石式同期電動機の弱め界磁制御駆動時には、永久磁石１の磁化方向と逆向きの磁界が永久磁石１に加わるため、発熱により保持力が減少し、その保持力を上回る磁界が永久磁石１に加わると最悪の場合には永久磁石１が減磁することとなる。
【００１６】
次に、本実施形態に係る永久磁石式同期電動機の要部の構成について説明する。図１に示すように、永久磁石１の周囲を永久磁石１よりも導電率の高い導体２（例えば、アルミニウム製の薄板３）で囲むことにより、永久磁石１の磁場変動を小さくし、渦電流損失による発熱を低減する。なお、導体２にはアルミニウムの他にも銅などを用いることもできる。
【００１７】
ここで、有限要素法による磁界解析で算出した永久磁石１の周囲を導体２で囲んだ導体２ありの場合と、導体２で囲んでいない導体２なし場合の磁石渦電流損失の比較を図７に示す。なお、ここでは渦電流損失の値は導体２なしの場合の磁石渦電流損失を１として正規化している。図７から、永久磁石１の周囲を導体２で囲んだ場合、導体２なしの場合に比べ永久磁石１の渦電流損失が約１／１０に低減することが分かる。
【００１８】
このように、本実施形態に係る永久磁石式同期電動機によれば、永久磁石式同期電動機の永久磁石１を導体２で囲むことにより、永久磁石１の渦電流損失を大幅に減少させることができる。また、渦電流損失減少により、永久磁石１の発熱量が小さくなり、永久磁石１（永久磁石式同期電動機）の性能の低下及び熱減磁を防止することができる。
【００１９】
［第２の実施形態］
本実施形態に係る永久磁石式同期電動機の要部の構成について説明する。図７に示すように、第１の実施形態では、永久磁石１における渦電流損失が小さくなる代わりに、導体２における渦電流損失が発生してしまうため、導体２の熱が永久磁石１に伝わり、永久磁石１が加熱される虞がある。
【００２０】
このため、本実施形態では、図２に示すように、導体２の表面を熱伝導率の小さい断熱材４等で覆うこととした。その際、永久磁石式同期電動機端部に位置する導体２が空気に触れる導体２の端部面２ａには断熱材４を設置せず導体２を剥き出しにし、熱を外部に放出することにより、導体２の温度上昇を小さくすることができる。
【００２１】
ここで、断熱材４とは、熱を伝えにくい材料のことで、熱伝導率λがλ＝０．０６Ｗ／ｍＫ（０．０５ｋｃａｌ／ｍｈ℃）以下の材料のことを意味する。断熱材４の例としては、発砲プラスチック系断熱材として、押出法ポリスチレンフォーム、ビーズ法ポリスチレンフォーム、硬質ポリウレタンフォーム、ポリエチレンフォーム、ポリプロピレンフォーム、イソシアヌレートフォーム、フェノールフォームがあり、無機繊維系断熱材として、グラスウール、ロックウールがある。
【００２２】
このように、本実施形態に係る永久磁石式同期電動機によれば、導体２の表面を熱伝導率の小さい断熱材４などで覆うことにより、導体２で発熱する熱を永久磁石１に伝えにくくすることができる。また、永久磁石式同期電動機端部の導体２が空気に触れる導体２の端部面２ａには断熱材４を設置せず、導体２を剥き出しにすることにより、導体２の熱を外部に放出し、導体２の温度上昇を抑えることができる。
【００２３】
［第３の実施形態］
本実施形態に係る永久磁石式同期電動機の要部の構成について説明する。図５に示すように、通常、ＩＰＭ構造の永久磁石式同期電動機の永久磁石１の側方には、永久磁石１の磁束の短絡を防止するためフラックスバリア７と呼ばれる溝が形成されている。第１の実施形態に係る導体２として例示したアルミニウム製の薄板３（図１参照）の場合、アルミニウム製の薄板３は硬いため、ロータコア６に永久磁石１を挿入する段階でアルミニウム製の薄板３も一緒に挿入するか、もしくは、薄板３をコ字状にして永久磁石１の挿入後に薄板３と同材質の板状導体で蓋をしなければならず、ロータコア６へ永久磁石１を固定する作業の効率が低くなってしまう。
【００２４】
このため、本実施形態では、図３に示すように、導体２に薄板３ではなく導線５を使用することで、永久磁石１挿入後に導線５をフラックスバリア７に通して永久磁石１を囲い導体２を短絡させることにより、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、この方法を用いれば、既存の永久磁石式同期電動機にも第１の実施形態を適用することが可能である。
【００２５】
このように、本実施形態に係る永久磁石式同期電動機によれば、ＩＰＭ構造の永久磁石式同期電動機の場合、永久磁石１を囲む導体２に導線５を用いることで、フラックスバリア７に導線５を通して永久磁石１を囲んで導体２を短絡させることにより、既存の永久磁石式同期電動機にも第１の実施形態を適用することが可能である。
【００２６】
［第４の実施形態］
本実施形態に係る永久磁石式同期電動機の要部の構成について説明する。本実施形態では、図４に示すように、断熱材４を用いずに、永久磁石１を囲む導体２に熱伝導率の高い材料を用いることにより、永久磁石１で発生する熱と導体２で発生する熱を導体２の端部面２ａから図４中に矢印で示すように外部へ放出する。ここで、熱伝導率の高い材料として、例えば、純アルミニウムＡｌ（Ａ１１００）：２２２Ｗ／（ｍ・Ｋ）や純銅Ｃｕ（Ｃ１１００）：３８４Ｗ／（ｍ・Ｋ）などがある。なお、本実施形態では、永久磁石１及び導体２を磁石オサエ板１０でロータコア６に固定する構造を適用することもできる。
【００２７】
また、導体２の端部面２ａからの放熱量が小さく導体２の発熱量が大きい場合は、導体２の熱が永久磁石１に伝わり永久磁石１が熱減磁する虞があるため、導体２の発熱量よりも導体２の端部面２ａでの放熱量の方が大きくなるよう設計する。
【００２８】
すなわち、永久磁石１よりも導電率の高い導体２を永久磁石１の周囲に固定することで永久磁石１の磁場変動を減らして永久磁石１の発熱を減らすと共に、永久磁石１を囲む導体２に熱伝導率の高い材料（永久磁石１、ロータコア６、磁石オサエ板１０に比べて熱伝導率が高い材料）を用いる。さらに、導電率が高く、且つ、熱伝導率が高い導体２の端部面２ａの方熱量が大きくなる設計の例として、導体２の端部面２ａにフィン構造を設けるなどして放熱面積を増やすことが挙げられる。
【００２９】
このように、本実施形態に係る永久磁石式同期電動機によれば、永久磁石１よりも導電率の高い導体２を永久磁石１の周囲に固定することで永久磁石１の磁場変動を減らして永久磁石１の発熱を減らすと共に、永久磁石１を囲む導体２を熱伝導率の高い材料とすることにより、永久磁石１で発生する熱と導体２で発生する熱を導体２の端部面２ａから外部へ放出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１の実施形態に係る導体の斜視図である。
【図２】第２の実施形態に係る断熱材の斜視図である。
【図３】第３の実施形態に係る導線で形成した導体の斜視図である。
【図４】第４の実施形態に係る導体の斜視図である。
【図５】本発明に係る永久磁石式同期電動機の平面図である。
【図６】図５中のＡ点の時間変化における磁束密度を示した図である。
【図７】永久磁石の周囲を導体で囲んだ場合と、導体で囲んでいない場合の磁石渦電流損失を示した図である。
【図８】永久磁石の渦電流を示した図である。
【図９】従来の永久磁石式同期電動機の透視斜視図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  永久磁石
２  導体
３  薄板
４  断熱材
５  導線
６  ロータコア
７  フラックスバリア
８  ステータコア
９  巻線
１０  磁石オサエ板
【図１】
2008125242.tif 000003
【図２】
2008125242.tif 000004
【図３】
2008125242.tif 000005
【図４】
2008125242.tif 000006
【図５】
2008125242.tif 000007
【図６】
2008125242.tif 000008
【図８】
2008125242.tif 000009
【図９】
2008125242.tif 000010
【図７】
2008125242.tif 000011