(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁用磁石（３１〜３４）と磁性体（１００）とを備える回転子（１０１）であって、
前記磁性体はいずれも環状である外周（１００ａ）及び内周（１００ｂ）を備え、
前記磁性体は周方向において交互に、第１部分（１１〜１４）及び第２部分（１５〜１８）に区分され、前記第１部分の各々は略前記周方向に延在する孔（４１〜４４）を有し、
前記磁性体は前記外周と前記内周との間で、前記孔の前記周方向の両端に設けられ、前記孔（４１〜４４）の前記外周側から前記内周側へと延在する空隙（２１〜２８；２４１，２５１）を更に備え、
前記空隙によって前記第１部分と前記第２部分とは前記周方向において磁気的に分離され、
前記界磁用磁石は前記孔（４１〜４４）に貫挿され、前記外周側と前記内周側とにそれぞれ異なる磁極面を呈し、
前記空隙には前記界磁用磁石は設けられない、回転子。
【請求項２】
前記孔（４１〜４４）は前記第１部分（１１〜１４）毎に一つ設けられる、請求項１記載の回転子（１０１）。
【請求項３】
前記第２部分（１５〜１８）に穴（５１〜５４）を更に有する、請求項１記載の回転子（１０１）。
【請求項４】
前記穴（５１〜５４）は円形である、請求項３記載の回転子（１０１）。
【請求項５】
界磁用磁石（３１〜３４）と磁性体（１００）とを有する回転子（１０１）と、内周側固定子（２００）及び外周側固定子（３００）とを備える電動機であって、
前記磁性体はいずれも環状である外周（１００ａ）及び内周（１００ｂ）を備え、
前記磁性体は周方向において交互に、第１部分（１１〜１４）及び第２部分（１５〜１８）とに区分され、前記第１部分の各々は略前記周方向に延在する孔（４１〜４４）を有し、
前記磁性体は前記外周と前記内周との間で、前記孔の前記周方向の両端に設けられた空隙（２１〜２８；２４１，２５１）を更に備え、
前記空隙によって前記第１部分と前記第２部分とは前記周方向において磁気的に分離され、
前記界磁用磁石は前記孔（４１〜４４）に貫挿され、前記外周側と前記内周側とにそれぞれ異なる磁極面を呈し、
前記内周側固定子は前記回転子に対して前記内周側に設けられ、
前記外周側固定子は前記回転子に対して前記外周側に設けられ、
前記空隙の幅（δ１）は、前記内周と前記内周側固定子との間の第１の間隔（δ２）及び前記外周と前記外周側固定子との間の第２の間隔（δ３）の大きい方の２倍よりも大きい、電動機。
【請求項６】
界磁用磁石（３１〜３４）と磁性体（１００）とを有する回転子（１０１）と、内周側固定子（２００）及び外周側固定子（３００）とを備える電動機であって、
前記磁性体はいずれも環状である外周（１００ａ）及び内周（１００ｂ）を備え、
前記磁性体は周方向において交互に、第１部分（１１〜１４）及び第２部分（１５〜１８）とに区分され、前記第１部分の各々は略前記周方向に延在する孔（４１〜４４）を有し、
前記第１部分と前記第２部分とは前記周方向において磁気的に分離され、
前記界磁用磁石は前記孔に貫挿され、前記外周側と前記内周側とにそれぞれ異なる磁極面を呈し、
前記内周側固定子は前記回転子に対して前記内周側に設けられ、
前記外周側固定子は前記回転子に対して前記外周側に設けられ、
前記内周側固定子が有する歯部（２０１）の前記周方向についての中心と、前記外周側固定子が有する歯部（３０１）の前記周方向についての中心とは、前記周方向についての相対的な位置関係が可変である、電動機。
【請求項７】
前記内周側固定子（２００）が有する歯部（２０１）の前記周方向についての中心と、前記外周側固定子（３００）が有する歯部（３０１）の前記周方向についての中心とは、前記周方向についての相対的な位置関係が可変である、請求項５記載の電動機。
【請求項８】
前記磁性体は前記外周（１００ａ）と前記内周（１００ｂ）との間で、前記孔（４１〜４４）の前記周方向の両端に設けられた空隙（２１〜２８；２４１，２５１）を更に備え、
前記空隙によって前記第１部分（１１〜１４）と前記第２部分（１５〜１８）とが磁気的に分離された請求項６記載の電動機。
【請求項９】
前記空隙（２１〜２８；２４１，２５１）は、前記孔（４１〜４４）の前記外周（１００ａ）側から前記内周（１００ｂ）側へと延在する、請求項７記載の電動機。
【請求項１０】
前記孔（４１〜４４）は前記第１部分（１１〜１４）毎に一つ設けられる、請求項５又は請求項６に記載の電動機。
【請求項１１】
前記第２部分（１５〜１８）に穴（５１〜５４）を更に有する、請求項５又は請求項６に記載の電動機。
【請求項１２】
前記穴（５１〜５４）は円形である、請求項１１記載の電動機。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の回転子（１０１）と、
前記回転子に対して前記内周（１００ｂ）側に設けられた内周側固定子（２００）と、
前記回転子に対して前記外周（１００ａ）側に設けられた外周側固定子（３００）と
を備える電動機。
【請求項１４】
前記空隙（２１〜２８；２４１，２５１）の幅（δ１）は、前記内周（１００ｂ）と前記内周側固定子（２００）との間の第１の間隔（δ２）及び前記外周（１００ａ）と前記外周側固定子（３００）との間の第２の間隔（δ３）の大きい方の２倍よりも大きい、請求項１３記載の電動機。
【請求項１５】
請求項５乃至１４のいずれか一つに記載の電動機を搭載したことを特徴とする圧縮機。
【請求項１６】
請求項５乃至１４のいずれか一つに記載の電動機を搭載したことを特徴とする送風機。
【請求項１７】
請求項１５記載の圧縮機を備えた空気調和機。
【請求項１８】
請求項１６記載の送風機を備えた空気調和機。
【請求項１９】
請求項６記載の電動機を搭載した圧縮機を備える、車載用空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電動機、中でも埋込磁石型の回転子に関する。当該電動機は圧縮機や送風機の駆動源として搭載することができる。
【背景技術】
【０００２】
小型で高効率な電動機を実現するにあたっては、永久磁石を用いた永久磁石励磁電動機が最有力である。永久磁石励磁の同期系電動機の一般的な指標は、下掲の非特許文献１に紹介されている。【０００３】
冷却条件が揃えられ、寸法が同一の電動機であれば、温度上昇と放熱の関係から許容損失Ｗｃがほぼ同一と考えることができる。トルクＴと許容損失Ｗｃは式（１）の関係にあり、係数Ｋｍはモータコンスタントと呼ばれる。【０００４】
Ｔ＝Ｗｃ・√Ｋｍ…（１）【０００５】
よって、許容損失Ｗｃが一定である場合には、モータコンスタントＫｍが大きいほどトルクＴが大きくなる。よってモータコンスタントＫｍを、許容トルク（通常は連続定格トルク）の指標値として用いることができる。【０００６】
モータコンスタントＫｍは式（２）で表すことができる。ここで極対数ｐ、巻き線最大鎖交磁束Φ、占積率ｆｓ、巻線スロットの全断面積Ｓｔ、巻線の固有抵抗ρ、単位コイルの平均長ｌを導入した。また電流波形は正弦波であり、磁束が正弦波状に交番すると仮定した。また電動機の損失は、特に電動機が小型の場合には銅損が大部分であり、鉄損を省略して考慮している。【０００７】
Ｋｍ＝（１／２）ｐΦ√（ｆｓＳｔ／ρｌ）…（２）【０００８】
従って、電動機の体積当たりの電動機効率を高めるためにはモータコンスタントＫｍを高める必要があり、式（２）から以下の諸方針が有効である。
(i)巻き線の占積率ｆｓを大きくする
(ii)単位コイルの平均長ｌを短くする
(iii)巻線の固有抵抗ρを小さくする
(iv)巻線最大鎖交磁束Φを大きくする
(v)極対数ｐを大きくする
(vi)巻線スロットの全断面積Ｓｔを大きくする。【０００９】
方針(i)についてはスロット形状の工夫が、例えば特許文献１及び特許文献２に提案されている。方針(ii)については、分布巻きの採用から集中巻きの採用へと移行することで、実現されている。方針(iii)については、固有抵抗が銅よりも低い材料は銀しか現存せず、コスト的、工業的に望ましくない。【００１０】
方針(iv)については、永久磁石に希土類磁石を採用する他、電動機の単位体積当たりでの磁極面の表面積の増大が挙げられる。しかしながら、磁極面の表面積の増大は二つの観点から望ましくない。【００１１】
その一つは、固定子として巻線が巻回された電機子を採用し、回転子には永久磁石を界磁用磁石として採用することが望ましく、更に回転子は固定子に囲まれていることが望ましい点にある。電機子を回転子として採用すれば、巻き線電流の整流のための機械的整流子が必要となり、高耐久性、高信頼性、耐塵性等の観点から望ましくないため、永久磁石を界磁用磁石に用いて回転子を構成することが望ましい。更に電動機を、例えば圧縮機等の内部へと挿入する観点から、回転子を外側から囲む固定子が存在することが望ましい。してみれば、磁極面の表面積の増大は電動機の小型化を阻害する要因となり得る。【００１２】
もう一つの観点は、方針(vi)とも関連する。電動機を小型化にするために回転子を囲む固定子の外径をそのままにしておきながら、磁極面の表面積を増大させると、当該固定子の内径も大きくなってしまう。これでは当該固定子のスロットが径方向に短くなってしまい、巻線スロットの全断面積Ｓｔが小さくなってしまう。これは方針(vi)で望まれる方針とは逆である。【００１３】
また方針(v)に基づいて極対数ｐを増大させた場合にも巻線スロットの全断面積Ｓｔが小さくなってしまう。【００１４】
一方、下掲の非特許文献２に紹介されるように、界磁用磁石を回転子の内部に埋め込んだ、埋込磁石型の回転子では、マグネットトルクのみならず、リラクタンストルクをも利用することができる。回転子の固定子に対する鉄部の磁気抵抗の回転角度依存性を持たせることにより、通電時の電機子電流位相を進角側にずらすことができ、磁気抵抗の突極性から生じるリラクタンストルクを利用することでトルクを増大するのである。【００１５】
即ち極対数Ｐｎ、鎖交磁束Φａ、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑを導入すると、トルクＴは式（３）で表される。【００１６】
Ｔ＝Ｐｎ（ΦａＩｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ＩｄＩｑ）…（３）【００１７】
方針(iv)(v)と同様に、鎖交磁束Φａ、極対数Ｐｎを増大させることも望ましい。しかし更に、ｑ軸インダクタンスＬｑを増大させることがトルクの増大に寄与する。電機子電流位相を進角側にずらすことでｄ軸電流Ｉｄは負となるからである。【００１８】
一方、回転子に流れる磁束はその周辺近傍に多く流れるため、回転子の内側にも電機子を設ければ巻線スロットの全断面積Ｓｔを増大させることができる。回転子の内外に電機子を設ける技術は、例えば特許文献３乃至特許文献６に紹介されている。【００１９】
但し特許文献３乃至特許文献５に示された構造では磁気抵抗の突極性を利用できないと考えられ、また特許文献６に示された構造では界磁用磁石を有する回転子の内側の電機子も回転子であり、界磁用磁石を有する回転子のリラクタンストルクを有効に利用することは困難であると考えられる。【００２０】
なお特許文献７には弱め界磁電流を流すことなく弱め界磁を行う技術が提案されている。【００２１】
【特許文献１】特開２０００−３２４７２８号公報
【特許文献２】特開２００４−１８７３７０号公報
【特許文献３】特開２００２−３３５６５８号公報
【特許文献４】特開２００２−３６９４６７号公報
【特許文献５】特開２００２−８４７２０号公報
【特許文献６】特開平９−５６１２６号公報
【特許文献７】特開平０９−２３３８８７号公報
【非特許文献１】大西和夫、「永久磁石モータのトルク評価と最適構造の検討」、電気学会論文誌Ｄ産業応用部門部門誌、平成７年、第１１５巻、第７号、第９３０頁〜第９３５頁
【非特許文献２】特定用途指向型リラクタンストルク応用電動機の高性能化調査専門委員会、「特定用途指向型リラクタンストルク応用電動機の高性能化」、電気学会技術報告第９２０号、２００３年３月  ｑ軸インダクタンスＬｑを増大させるために、永久磁石の埋設位置を回転子の中心軸に近づけることも可能である。これにより永久磁石よりも外側に位置する回転子コアの体積が増大し、ｑ軸インダクタンスＬｑが増大するのである。
【００２２】
しかし永久磁石の埋設位置を回転子の中心軸に近づけると、回転子の外径を一定とした場合、磁極の表面積が小さくなってしまい、方針(iv)と反してしまう。また回転子の内側にも固定子を設けることで電動機の体積当たりの効率を高める工夫も採用しにくい。
【発明の開示】
【００２３】
本発明は、電動機の体積当たりの効率を高める技術を提供する。
【００２４】
この発明にかかる回転子（１０１）の第１の態様は、界磁用磁石（３１〜３４）と磁性体（１００）とを備える。そして前記磁性体（１００）は、いずれも環状の外周（１００ａ）及び内周（１００ｂ）を備え、周方向において交互に、第１部分（１１〜１４）及び第２部分（１５〜１８）とに区分され、前記第１部分の各々は、略前記周方向に延在する孔（４１〜４４）を有し、前記第１部分と前記第２部分とは前記周方向において磁気的に分離される。
【００２５】
そして前記磁性体（１００）は、前記外周（１００ａ）と前記内周（１００ｂ）との間で、前記孔（４１〜４４）の前記周方向の両端に設けられた空隙（２１〜２８；２４１，２５１）を更に備える。そして、前記空隙によって前記第１部分（１１〜１４）と前記第２部分（１５〜１８）とが磁気的に分離される。
【００２６】
そして前記空隙（２１〜２８；２４１，２５１）は、前記孔（４１〜４４）の前記外周（１００ａ）側から前記内周（１００ｂ）側へと延在する。
そして前記界磁用磁石は、前記孔（４１〜４４）に貫挿され、前記外周側と前記内周側とにそれぞれ異なる磁極面を呈する。前記空隙には前記界磁用磁石は設けられない。
【００２７】
この発明にかかる回転子の第２の態様は、その第１の態様であって、前記孔（４１〜４４）は前記第１部分（１１〜１４）毎に一つ設けられる。
【００２８】
この発明にかかる回転子の第３の態様は、その第１の態様であって、前記第２部分（１５〜１８）に穴（５１〜５４）を更に有する。
【００２９】
この発明にかかる回転子の第４の態様は、その第３の態様であって、前記穴（５１〜５４）は円形である。
【００３１】
この発明にかかる電動機の第１の態様は、界磁用磁石（３１〜３４）と磁性体（１００）とを有する回転子（１０１）と、内周側固定子（２００）及び外周側固定子（３００）とを備える。前記磁性体はいずれも環状である外周（１００ａ）及び内周（１００ｂ）を備え、前記磁性体は周方向において交互に、第１部分（１１〜１４）及び第２部分（１５〜１８）とに区分され、前記第１部分の各々は略前記周方向に延在する孔（４１〜４４）を有し、前記磁性体は前記外周と前記内周との間で、前記孔の前記周方向の両端に設けられた空隙（２１〜２８；２４１，２５１）を更に備え、前記空隙によって前記第１部分と前記第２部分とは前記周方向において磁気的に分離される。前記界磁用磁石は前記孔（４１〜４４）に貫挿され、前記外周側と前記内周側とにそれぞれ異なる磁極面を呈する。前記内周側固定子は前記回転子に対して前記内周側に設けられ、前記外周側固定子は前記回転子に対して前記外周側に設けられる。前記空隙の幅（δ１）は、前記内周と前記内周側固定子との間の第１の間隔（δ２）及び前記外周と前記外周側固定子との間の第２の間隔（δ３）の大きい方の２倍よりも大きい。
【００３３】
この発明にかかる電動機の第２の態様は、界磁用磁石（３１〜３４）と磁性体（１００）とを有する回転子（１０１）と、内周側固定子（２００）及び外周側固定子（３００）とを備える。前記磁性体はいずれも環状である外周（１００ａ）及び内周（１００ｂ）を備え、前記磁性体は周方向において交互に、第１部分（１１〜１４）及び第２部分（１５〜１８）とに区分され、前記第１部分の各々は略前記周方向に延在する孔（４１〜４４）を有し、前記第１部分と前記第２部分とは前記周方向において磁気的に分離される。前記界磁用磁石は前記孔に貫挿され、前記外周側と前記内周側とにそれぞれ異なる磁極面を呈する。前記内周側固定子は前記回転子に対して前記内周側に設けられ、前記外周側固定子は前記回転子に対して前記外周側に設けられ、前記内周側固定子が有する歯部（２０１）の前記周方向についての中心と、前記外周側固定子が有する歯部（３０１）の前記周方向についての中心とは、前記周方向についての相対的な位置関係が可変である。
【００３４】
この発明にかかる電動機の第３の態様は、電動機の第１の態様であって、前記内周側固定子（２００）が有する歯部（２０１）の前記周方向についての中心と、前記外周側固定子（３００）が有する歯部（３０１）の前記周方向についての中心とは、前記周方向についての相対的な位置関係が可変である。
この発明にかかる電動機の第４の態様は、電動機の第２の態様であって、前記磁性体は前記外周（１００ａ）と前記内周（１００ｂ）との間で、前記孔（４１〜４４）の前記周方向の両端に設けられた空隙（２１〜２８；２４１，２５１）を更に備え、前記空隙によって前記第１部分（１１〜１４）と前記第２部分（１５〜１８）とが磁気的に分離される。
この発明にかかる電動機の第５の態様は、電動機の第３の態様であって、前記空隙（２１〜２８；２４１，２５１）は、前記孔（４１〜４４）の前記外周（１００ａ）側から前記内周（１００ｂ）側へと延在する。
この発明にかかる電動機の第６の態様は、電動機の第１の態様又は第２の態様であって、前記孔（４１〜４４）は前記第１部分（１１〜１４）毎に一つ設けられる。
この発明にかかる電動機の第７の態様は、電動機の第１の態様又は第２の態様であって、前記第２部分（１５〜１８）に穴（５１〜５４）を更に有する。
この発明にかかる電動機の第８の態様は、電動機の第７の態様であって、前記穴（５１〜５４）は円形である。
この発明にかかる電動機の第９の態様は、回転子の第１乃至第４の態様と、前記回転子に対して前記内周（１００ｂ）側に設けられた内周側固定子（２００）と、前記回転子に対して前記外周（１００ａ）側に設けられた外周側固定子（３００）とを備える。
この発明にかかる電動機の第１０の態様は、電動機の第９の態様であって、前記空隙（２１〜２８；２４１，２５１）の幅（δ１）は、前記内周（１００ｂ）と前記内周側固定子（２００）との間の第１の間隔（δ２）及び前記外周（１００ａ）と前記外周側固定子（３００）との間の第２の間隔（δ３）の大きい方の２倍よりも大きい。
【００３６】
この発明にかかる圧縮機は、電動機の第１の態様乃至第１０の態様のいずれかを搭載したことを特徴とする。
【００３７】
この発明にかかる送風機は、電動機の第１の態様乃至第１０の態様のいずれかを搭載したことを特徴とする。
【００３８】
この発明にかかる空気調和機は、この発明にかかる圧縮機及びこの発明にかかる送風機の、少なくともいずれか一方を備える。
【００３９】
この発明にかかる車載用空気調和機は、電動機の第２の態様を搭載した圧縮機を備える。
【００４０】
この発明にかかる回転子の第１の態様によれば、当該磁性体単体で、あるいは複数を積層して、孔に界磁用磁石を貫挿し、以て埋込磁石型の回転子を構成することができる。第２部分は第１部分に対して、周方向に磁気的に分離されつつ交互に設けられるので、いわゆるｑ軸インダクタンスを大きくすることができる。また内周側及び外周側にそれぞれ固定子を設けることができるので、巻線スロットの全面積が増大し、体積当たりの効率が高い電動機の構成に資することができる。
【００４１】
そして空隙は磁気抵抗が高いため、第１部分と第２部分との磁気的な分離に資すると共に、孔に貫挿される界磁用磁石が呈する一対の磁極面の間での磁束の短絡を防止し、以て外周及び内周を経由した外部との磁束の流入出を増大できる。
【００４２】
この発明にかかる回転子の第２の態様、電動機の第６の態様によれば、第１部分毎に孔を複数設けた構造と比較して、機械的強度を損なわずに磁性体を小さく形成でき、当該磁性体の孔に界磁用磁石を貫挿して得られる回転子を採用した電動機の小型化に資する。また第１部分毎に複数設けられた孔のそれぞれに界磁用磁石を貫挿する場合と比較して、着磁が容易であり、減磁の問題も少ない。
【００４３】
この発明にかかる回転子の第３の態様、電動機の第７の態様によれば、穴に例えばボルトやリベットなどの締結具を貫挿し、これらを用いて簡易且つ安価に磁性体同士あるいは更に端板をも締結することができる。しかも第１部分に穴を設けてしまうと、これに貫挿する締結具に磁性体を用いたとしても、リラクタンストルクに寄与するｑ軸方向の磁束のみならず、マグネットトルクに寄与するｄ軸方向の磁束についても、その流れを阻害する。これに対し、第２部分に穴を設けることにより、ｑ軸方向の磁束の流れを阻害することはあっても、ｄ軸方向の磁束の流れを阻害しにくい。
【００４４】
この発明にかかる回転子の第４の態様、電動機の第８の態様によれば、所望の機械強度を得るために必要な穴の寸法が小さいため、当該穴による磁束の流れの阻害が小さい。また第２部分において外周及び内周のいずれに向かっても磁性体が広がる形状が得られるので、固定子と第２部分との間でのｑ軸方向の磁束を流れやすくする。
【００４５】
この発明にかかる回転子の第１の態様、電動機の第１の態様又は第２の態様によれば、第２部分は第１部分に対して、磁気的に分離されつつ周方向に交互に設けられるので、いわゆるｑ軸インダクタンスを大きくすることができる。また内周側及び外周側にそれぞれ固定子を設けることができるので、巻線スロットの全面積が増大した電動機の構成に資することができる。
【００４６】
この発明にかかる電動機の第１の態様、第２の態様又は第９の態様によれば、ｑ軸インダクタンスを大きく、かつ巻線スロットの全断面積を増大させることができる。
【００４７】
この発明にかかる電動機の第１の態様又は第１０の態様によれば、空隙を渡って回転子内部で磁束が流れるよりも、内周側固定子や外周側固定子へと磁束が流れやすいため、マグネットトルクを増大させることができる。
【００４８】
この発明にかかる電動機の第２の態様又は第３の態様によれば、界磁用磁石から得られる磁束のうち、内周側固定子の歯部の回転子側、あるいは外周側固定子の歯部の回転子側を経由して周方向に流れる成分を増大させることができるので、固定子の電機子電流を制御することなく、弱め界磁を等価的に実現することができる。従って弱め磁束電流による銅損の上昇や、負のｄ軸電流による界磁用磁石の減磁も発生しない。当該相対的な位置関係の調整は巻線の巻回数の調整と比較すると微調整がし易いので、設定されるべき回転数が異なる電動機に共通して採用できる。
この発明にかかる電動機の第４の態様又は第５の態様によれば、空隙は磁気抵抗が高いため、第１部分と第２部分との磁気的な分離に資すると共に、孔に貫挿される界磁用磁石が呈する一対の磁極面の間での磁束の短絡を防止し、以て外周及び内周を経由した外部との磁束の流入出を増大できる。
【００４９】
この発明にかかる圧縮機、送風機、空気調和機によれば、それぞれ圧縮、送風、空調の効率が高い。
【００５０】
この発明にかかる車載用空気調和機によれば、低電圧で動作する場合でも、回転数を容易に微調整できる。
【００５１】
この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる磁性体の構成を示す平面図である。
【図２】第１の実施の形態にかかる回転子の構成を示す断面図である。
【図３】空隙を例示する部分的な断面図である。
【図４】本発明にかかる電動機の構成を例示する断面図である。
【図５】電動機の構成を部分的に示す断面図である。
【図６】回転子にｄ軸磁束が流れる様子を概念的に示す図である。
【図７】回転子にｑ軸磁束が流れる様子を概念的に示す図である。
【図８】電動機の構成を示す断面図である。
【図９】電機子巻線が接続される態様を示す回路図である。
【図１０】電機子巻線が接続される態様を示す回路図である。
【図１１】電機子巻線が接続される態様を示す回路図である。
【図１２】電機子巻線が接続される態様を示す回路図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態にかかる磁性体の構成を示す平面図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態にかかる電動機の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
第１の実施の形態．
以下では簡単のため、回転子の極対数が２であり、固定子の相数が３である場合を例にとって説明するが、その他の極対数や相数にも本発明を適用することができる。【００５４】
図１は本発明の第１の実施の形態にかかる磁性体１００の構成を示す平面図である。但し、当該磁性体１００は、後述のように、埋込磁石型の回転子に資することができる。また磁性体１００は紙面に垂直な方向に延在してもよいし、紙面に垂直な方向に薄くてもよい。前者の場合は、例えば圧粉鉄心で形成して回転子のコアとして採用することができる。後者の場合には、例えば鋼板を採用して形成し、相互に積層して回転子のコアとして採用することができる。その場合、図1は当該コアの断面図として把握できる。【００５５】
磁性体１００は外周１００ａ及び内周１００ｂを備え、これらはいずれも環状を呈する。ここでは両者は同心円を呈しているが、必ずしも真円である必要はなく、設計上の変更は適宜に可能である。【００５６】
内周１００ｂ側及び外周１００ａ側にそれぞれ固定子を設けることが可能であるので、磁性体１００は、固定子の巻線スロットの全断面積を増大させた電動機の構成に資することができる。【００５７】
磁性体１００はその周方向において交互に、第１部分１１〜１４及び第２部分１５〜１８に区分される。第１部分１１〜１４と第２部分１５〜１８とは周方向において磁気的に分離されている。ここでは空隙２１〜２８によって磁気的に分離されている態様が例示されており、例えば第１部分１１と第２部分１５との間で周方向に磁束が流れることが阻害される。【００５８】
第１部分１１〜１４は、それぞれ略周方向に延在する孔４１〜４４を有している。上記の空隙２１〜２８は、外周１００ａと内周１００ｂとの間で、孔４１〜４４の周方向の両端に設けられている。具体的には空隙２１，２２が孔４１の端部に、空隙２３，２４が孔４２の端部に、空隙２５，２６が孔４３の端部に、空隙２７，２８が孔４４の端部に、それぞれ設けられている。【００５９】
第１部分１１は孔４１よりも外周１００ａに近い側の外周部１１ａと、内周１００ｂに近い側の内周部１１ｂとに区分される。同様にして、第１部分１２は孔４２よりも外周１００ａに近い側の外周部１２ａと、内周１００ｂに近い側の内周部１２ｂとに区分され、第１部分１３は孔４３よりも外周１００ａに近い側の外周部１３ａと、内周１００ｂに近い側の内周部１３ｂとに区分され、第１部分１４は孔４４よりも外周１００ａに近い側の外周部１４ａと、内周１００ｂに近い側の内周部１４ｂとに区分される。【００６０】
図２は第１の実施の形態にかかる回転子１０１の構成の、回転軸に垂直な断面を示す断面図である。回転子１０１は、外周１００ａ側と内周１００ｂ側とにそれぞれ異なる磁極面を呈する界磁用磁石３１〜３４を孔４１〜４４に貫挿して構成されている。また、極対数が２である構成が例示されているので、界磁用磁石３１〜３４のうち、隣接するもの同士は、外周１００ａ側に向けて異なる極性の磁極面を呈している。【００６１】
以上のようにして、磁性体１００で、あるいはその複数を積層して、孔４１〜４４に界磁用磁石３１〜３４を貫挿し、以て埋込磁石型の回転子１０１を構成することができる。第２部分１５〜１８は第１部分１１〜１４に対して、周方向において磁気的に分離されつつ交互に設けられるので、回転子１０１の内側に設けられる固定子（後述する）を経由して第２部分１５〜１８に磁束が流れ、また第２部分１５〜１８の周方向の幅Ｗを大きくすることができる。これによりｑ軸インダクタンスＬｑを大きくすることができる。【００６２】
図１及び図２では、空隙２１〜２８の周方向の幅が内周１００ｂ側よりも外周１００ａ側で拡がる態様が示されているが、必ずしも拡げる必要はない。図３は空隙２４，２５の変形として空隙２４１，２５１を例示する、部分的な断面図である。空隙２４１，２５１は屈曲してもよい。【００６３】
空隙２１〜２８は外周１００ａ、内周１００ｂのいずれの間にも薄肉部を有しているが、回転子１０１の機械的強度が許せば、空隙２１〜２８は外周１００ａ、内周１００ｂのいずれに貫通してもよい。たとえ両方に貫通しても、別途に端板を設けて第１部分１１〜１４及び第２部分１５〜１８を連結すればよい。【００６４】
逆に、空隙２１〜２８は必ずしも外周１００ａと内周１００ｂとの間で連続して設けられる必要はない。第２部分１５〜１８が第１部分１１〜１４に対して周方向において磁気的に分離される程度の薄肉を残して、空隙２１〜２８が分断されていてもよい。【００６５】
空隙２１〜２８は磁気抵抗が高いため、第１部分１１〜１４と第２部分１５〜１８との磁気的な分離に資すると共に、孔４１〜４４に貫挿される界磁用磁石３１〜３４が呈する一対の磁極面の間での磁束の短絡を防止する。よって外周１００ａ及び内周１００ｂを経由した外部、即ち固定子との間での磁束の流入出を増大できる。このため、空隙２１〜２８，２４１，２５１は、孔４１〜４４の外周１００ａ側から内周１００ｂ側へと延在することが望ましい。【００６６】
孔４１〜４４は第１部分１１〜１４毎に一つ設けられることが望ましい。第１部分１１〜１４毎に孔を複数設けた構造と比較して、機械的強度を損なわずに磁性体１００を小さく形成でき、当該孔に界磁用磁石を貫挿して得られる回転子を採用した電動機の小型化に資する。また第１部分１１〜１４毎に孔が複数設けられ、当該孔のそれぞれに界磁用磁石を貫挿する場合と比較して減磁の問題も少ない。また当該孔に磁石材料を埋め込んでからこれを着磁して界磁用磁石を得ることも可能であるが、当該孔が第１部分１１〜１４に複数存在する構成と比較して、着磁が容易である。【００６７】
図４は回転子１０１を用いた電動機の構成を例示する断面図である。回転子１０１の内周１００ｂ側には内周側固定子２００が、外周１００ａ側には外周側固定子３００が、それぞれ設けられた構成を有している。上述の通り、回転子１０１の内外に固定子を設けることにより、巻線スロットの全断面積を増大させることができる。【００６８】
外周側固定子３００は径方向に延在する歯部３０１を有しており、その先端（回転子１０１側）は周方向に広がって幅広部３０２を形成している。同様に、内周側固定子２００は径方向に延在する歯部２０１を有しており、その先端（回転子２０１側）は周方向に広がって幅広部２０２を形成している。【００６９】
図４では簡単のため、電機子巻線は省略して描画している。回転子１０１と外周側固定子３００とは主としてその歯部３０１を介して、磁束が流入出し、回転子１０１と内周側固定子２００とは主としてその歯部２０１を介して、磁束が流入出する。【００７０】
図４では界磁用磁石３１，３３がＳ極の磁極面を、界磁用磁石３２，３４がＮ極の磁極面を、それぞれ外周側固定子３００に向けて呈している場合の、界磁用磁石３１〜３４による磁束の流れを例示している。【００７１】
図５は回転子１０１、内周側固定子２００、外周側固定子３００の間を拡大して部分的に示す断面図である。内周１００ｂとの間には第１の間隔δ２を空けて、外周１００ａとの間には第２の間隔δ３を空けて、それぞれ回転子１００に対して内周側固定子２００、外周側固定子３００が設けられている。【００７２】
空隙２１〜２８，２４１，２５１の幅δ１は第１の間隔δ２と第２の間隔δ３との大きい方の２倍よりも大きいことが望ましい。回転子１０１と内周側固定子２００、外周側固定子３００の間での磁気抵抗よりも、第１部分１１〜１４と第２部分１５〜１８との間の周方向の磁気抵抗を高め、以て回転子と固定子との間での磁束の流入出を促進するためである。【００７３】
図６は回転子１０１にｄ軸磁束φｃが流れる様子を概念的に示す図であり、図７は回転子１０１にｑ軸磁束φａ，φｂが流れる様子を概念的に示す図であり、いずれも図２の断面図に対応している。【００７４】
ｄ軸磁束φｃは界磁用磁石３１，３３と、界磁用磁石３２，３４との間を流れる。よってｄ軸磁束φｃはほぼ第１部分１１〜１４のみを流れることになる。【００７５】
ｑ軸磁束φａは第１部分１１〜１４、より具体的には外周部１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａを流れる。しかし更にｑ軸磁束φｂが第２部分１５〜１８をも流れる。よって第２部分１５〜１８の周方向の幅Ｗを拡げることが、ｑ軸インダクタンスＬｑを増大させる観点から望ましい。【００７６】
ここでもし、第２部分１５〜１８は第１部分１１〜１４に対して、周方向において磁気的に分離されていなければ、例えば内周１００ｂ側での分離がなければ、第２部分１５〜１８は第１部分１１〜１４と共に外周側固定子３００に対する界磁用磁石３１〜３４のヨークとして機能してしまい、内周側固定子２００への鎖交磁束数を減少させてしまうことになる。これでは第２部分１５〜１８の周方向の幅Ｗを大きくとってｑ軸インダクタンスＬｑを増大させることができ、リラクタンストルクを大きくすることができても、マグネットトルクを減少させてしまうことになる。【００７７】
しかし本発明では第２部分１５〜１８は第１部分１１〜１４に対して、周方向において磁気的に分離されつつ交互に設けられるので、この幅Ｗを増大させても、図４に示されるように界磁用磁石３１〜３４が発生する磁束が回転子１０１内部で短絡することが回避される。つまり内周側固定子２００や外周側固定子３００へ鎖交する磁束を低減させることなく、第２部分１５〜１８の周方向の幅Ｗを大きくとってｑ軸インダクタンスＬｑを増大させることができる。【００７８】
もちろん、本実施の形態において、特許文献１や特許文献２に紹介されたようなスロット形状の工夫を伴って、更に巻線スロットの全断面積を増大させてもよい。【００７９】
なお、上記内周側固定子２００は巻線（図示省略）が巻回される電機子であるが、これを回転子としない方が望ましい。もし回転子１０１の内側の電機子を回転子とすると、上述のように機械的整流子が必要となる他、外側の電機子である外周側固定子３００と相対的に回転することになる。この相対的な回転はいずれかの電機子の、回転子１０１の界磁に対する相対回転数を減少させ、電動機の効率の低下を招来してしまう。またこの相対的な回転はｑ軸磁束φｂの経路を乱し、リラクタンストルクの変動を増大させ、その利用が困難となる。【００８０】
図８は回転子１０１、内周側固定子２００、外周側固定子３００を備えた電動機の断面図であり、回転中心を含む断面を概念的に示している。回転子１０１は端板１０２を介して回転軸１０３に連結されており、回転軸１０３は軸受け１０４，１０５によって支持されている。内周側固定子２００、外周側固定子３００はそれぞれ支持部２０４，３０４によって支持されている。また内周側固定子２００、外周側固定子３００には、それぞれ電機子巻線２０３，３０３が巻回されている。図４は、図８中の位置ＩＶ−ＩＶにおいて、支持部２０４，３０４及び電機子巻線２０３，３０３を省略した断面図に相当する。【００８１】
図９及び図１０は電機子巻線２０３，３０３（図８）が接続される態様を例示する回路図である。図９及び図１０に示されたコイル２０３Ｕ，２０３Ｖ，２０３Ｗは、それぞれ電機子巻線２０３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルであり、コイル３０３Ｕ，３０３Ｖ，３０３Ｗは、それぞれ電機子巻線３０３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルである。【００８２】
図９及び図１０は、各相において電機子巻線２０３，３０３がそれぞれ直列及び並列に接続されている場合を示した。本実施の形態ではこのような直列結線及び並列結線のいずれの態様をも採用できる。【００８３】
図９及び図１０は、スター結線を採用し、各相において電機子巻線２０３，３０３がそれぞれ直列及び並列に接続されている場合を示した。本実施の形態ではこのような直列結線及び並列結線のいずれの態様をも採用できる。もちろん、図１１及び図１２のように、デルタ結線を採用し、各相において電機子巻線２０３，３０３がそれぞれ直列及び並列に接続してもよい。但し、デルタ結線を採用すると誘起電圧の不均衡による環状電流は銅損を大きくするので、スター結線を採用して電機子巻き線２０３，３０３は各相毎に直列に接続されていることが望ましい。【００８４】
第２の実施の形態．
図１３は本発明の第２の実施の形態にかかる磁性体１００の構成を示す平面図である。図１に示された磁性体１００に対して、第２部分１５〜１８にそれぞれ穴５１〜５４が更に設けられている。【００８５】
穴５１〜５４に例えばボルトやリベットなどの締結具を貫挿し、これらを用いて簡易且つ安価に磁性体１００同士あるいは更に端板１０２（図８参照）をも締結することができる。もし接着剤を用いて磁性体１００同士を連結しようとすると、接着硬化時間を必要とし、電動機の使用環境、特に温度環境が制約される。しかし本実施の形態ではそのような問題は回避される。【００８６】
もし第１部分１１〜１４に穴を設けてしまうと、これに貫挿する締結具に磁性体を用いたとしても、リラクタンストルクに寄与するｑ軸磁束φａ（図７）のみならず、マグネットトルクに寄与するｄ軸磁束φｃ（図６）についても、その流れを阻害する。これに対し、第２部分１５〜１８に穴５１〜５４を設けることにより、ｑ軸磁束φｂの流れを阻害することはあっても、ｄ軸磁束φｃの流れを阻害しにくい。【００８７】
既述のように、第２部分１５〜１８は第１部分１１〜１４に対して、周方向において磁気的に分離されつつ交互に設けられるので、この幅Ｗを増大させ易い。よって穴５１〜５４を設けるための面積に余裕があり、穴５１〜５４を大きくすることができる。また穴５１〜５４を設けても、ｑ軸磁束φｂの流れは阻害されるものの、ある程度は確保し易い。【００８８】
望ましくは、穴５１〜５４は円形である。この場合、応力が集中する角がなく、また穴以外のリブとして機能する部分も太くできるので、所望の機械強度を得るために必要な穴５１〜５４の寸法が小さくなり、穴５１〜５４によるｑ軸磁束φｂの阻害を小さくできる。【００８９】
また第２部分１５〜１８においては、外周１００ａ及び内周１００ｂのいずれに向かっても磁性体が広がる形状が得られるので、固定子２００，３００（図４参照）と第２部分１５〜１８との間でのｑ軸磁束φｂを流れ易くする。【００９０】
もちろん、上記磁束の阻害を低減するためには、穴５１〜５４に貫挿する締結具は、磁性材料を採用することが望ましい。【００９１】
第３の実施の形態．
図１４は本発明の第３の実施の形態にかかる電動機の構成を例示する断面図である。図４に示された構成と比較して、内周側固定子２００の歯部２０１の周方向の中心と、外周側固定子２３０の歯部３０１の周方向の中心とが、周方向についての相対的な位置がずれている。図１４では機械角として３０度ずれている場合が例示されており、電気角として６０度のずれに相当する。なお、簡単のため、電機子巻線２０３，３０３は一部の歯部２０１，３０１に巻回されているもののみを描いている。【００９２】
このような位置ずれは、電動機の使用前に、もしくは使用中において、機械的に行うことができる。例えば電動機の使用前にマニュアルで位置ずれを起こさせてもよいし、使用中にはサーボモータ等のアクチュエータで位置ずれを起こさせてもよい。このアクチュエータは、例えば図８に示された支持部２０４において設けることができる。【００９３】
磁束Ψａは磁石３２の外周側の磁極面（ここではＮ極）から発生する磁束を、磁束Ψｂは磁石３３の外周側の磁極面（ここではＳ極）から発生する磁束を、それぞれ示している。【００９４】
上記の位置ずれが生じているので、磁束Ψａが磁石３２の内周側の磁極面へ戻るに際して、外周側固定子３００のヨークまで歯部３０１を経由して電機子巻線３０３に鎖交するが、内周側固定子２００の歯部２０１においては、電機子巻線２０３に鎖交することなく、その幅広部２０２を経由する経路が存在する。同様にして、磁束Ψｂが磁石３３の内周側の磁極面へ戻るに際して、内周側固定子２００の歯部２０１を経由して電機子巻線２０３に鎖交するが、外周側固定子３００の歯部３０１においては、電機子巻線３０３に鎖交することなく、その幅広部３０２を経由する経路が存在する。【００９５】
これらの経路は実質的には磁石３２，３３の界磁を弱めることとなる。つまり上述の位置ずれは、実質的な弱め界磁制御である弱め磁束制御を機械的に実現している。このようにして、弱め磁束電流を流すことなく弱め磁束制御が実現でき、高出力領域での効率向上が達成できる。図１４では電気角として６０度に相当する位置ずれが示されており、弱め磁束を最大限利用している場合が例示されている。【００９６】
この実施の形態によれば、弱め磁束電流による銅損の上昇や、負のｄ軸電流による界磁用磁石の減磁も発生しない。しかも相対的な位置関係の調整は巻線の巻回数の調整と比較すると微調整がし易いので、設定されるべき回転数が異なる電動機に共通して採用できる。【００９７】
なお、弱め磁束制御の際には歯部の幅広部２０２，３０２の磁束密度が上昇するので、幅広部２０２，３０２での鉄損は上昇する。しかし幅広部２０２，３０２以外の歯部２０２，３０２を通過する磁束密度は減少するので、より長い磁路における鉄損を低減できるため、電動機の総鉄損は低減する。【００９８】
このように、内外の電機子の相互の位置関係を調整することで弱め磁束制御を行うことは、特に電動機を小型化する場合に好適である。例えば特許文献７には方向性電磁鋼板の圧延方向による透磁率異方性を利用し、固定子に調整用のプラグを埋め込んでいる。しかしこれは固定子自体の磁束密度を損なってしまうため、電動機の小型化の観点からは望ましくない。【００９９】
また本実施の形態にかかる電動機では、同一の電流を用いても回転数を微調整することが容易であるので、電動機が低圧で動作する使用である場合に好適である。低圧で動作する電動機では巻線の巻回数が小さくなるため、巻回数を変更して微調整を行うことは容易ではない。巻回数の変更は離散的な数値の制御であるからである。【０１００】
本実施の形態にかかる電動機では巻回数に依存せずに、回転数の微調整を行うことができるので、例えば４２Ｖ以下等の、低電圧で動作する車載用の空調機の圧縮機に適している。【０１０１】
もちろん、通常の空調機の圧縮機や送風機に、本発明にかかる電動機を搭載し、圧縮や送風の効率を向上させることができる。よって当該圧縮機や送風機の少なくともいずれか一方を備えた空気調和機は、空調効率を高めることができる。【０１０２】
なお、弱め磁束制御を行う場合、誘起電圧の不均衡による環状電流による損失を誘発するため、図９に示されるような直列結線の方が望ましい。【０１０３】
また、第２の実施の形態に示されたように磁性体１００が穴５１〜５４を有していてもよい。【０１０４】
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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