JP2005006484A

JP2005006484A - Ｉｐｍ回転電機

Info

Publication number: JP2005006484A
Application number: JP2003307860A
Authority: JP
Inventors: Kenji Fujiwara; 謙二藤原; Takatoshi Kogure; 孝敏小暮; Yoshiki Kato; 義樹加藤; Masayuki Morimoto; 雅之森本; Shinichi Kobayashi; 真一小林; Isao Baba; 功馬場
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】ＩＰＭ回転電機の界磁を構成する永久磁石を、一層に浅くロータ鉄心
に埋め込むことを可能にする技術を提供する。
【解決手段】本発明によるＩＰＭ回転電機（１０）は、ロータ（１２）と、同
一円周上に等間隔（又は、等角度間隔）に配置された複数のスロット（１４）を
有するステータ（１１）とを備えている。ロータ（１２）は、ロータ鉄心（１７
）と、界磁（１８）とを含む。界磁（１８）の１極は、ロータ鉄心（１７）の１
スロットピッチに対応する領域の中に、ロータ（１２）の円周方向に隣接して埋
め込まれた複数の永久磁石（１９、２０、２１）で構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータ及びＩＰＭ発電機の
ような、ＩＰＭ回転電機に関する。

ＩＰＭモータは、ロータ鉄心の内部に永久磁石が埋め込まれたブラシレスモータである。ＩＰＭモータは、体積あたりの出力トルクが大きく、且つ、入力電圧が小さいという特長を有している。このような特長を有するＩＰＭモータは、電気自動車の駆動用モータへの応用が好適である。

ＩＰＭモータは、外部から動力を供給することにより発電機としても機能する。ＩＰＭモータが発電機として機能することは、電気自動車への応用において特に重要である。以下においてＩＰＭモータとＩＰＭ発電機とを区別する必要がない場合、これらはＩＰＭ回転電機と記述される。

ＩＰＭ回転電機は、大きな出力トルクが得られることが望ましい。大きな出力トルクを得るためのＩＰＭモータの構造が、特許文献１に開示されている。公知のそのＩＰＭモータは、界磁を構成する永久磁石がロータ鉄心に浅く埋められている。このような構造は、大きなマグネットトルクを得ることを可能にする上に、補助的なリラクタンストルクを得ることを可能にし、ＩＰＭモータの出力トルクを有効に増大する。

更に、ＩＰＭ回転電機は、ロータの機械的強度が高いことが望ましい。ロータが高速に回転すると、ロータには、大きな力が加えられる。したがって、ＩＰＭ回転電機のロータは、強度が充分に大きくなければならない。ロータの機械的強度を高くする構造が、特許文献２に開示されている。公知のそのＩＰＭモータのロータは、ロータコアと突極部と界磁とを含んでいる。一の界磁は、２つの永久磁石で構成されている。永久磁石は、ロータコアのステータの側の面に接合され、突極部は、永久磁石のステータの側の面に接合されている。突極部とロータコアとは、２つの永久磁石の間を通過するブリッジによって連結されている。このブリッジは、ロータの機械的強度を有効に向上する。
特開２０００−１５３０３３号公報実開平７−１１８５９号公報

本発明の目的は、ＩＰＭ回転電機の界磁を構成する永久磁石を、一層に浅くロータ鉄心に埋め込むことを可能にする技術を提供することにある。

本発明の他の目的は、界磁を構成する永久磁石が浅くロータ鉄心に埋め込まれたＩＰＭ回転電機の出力トルクを、一層に増加することを可能にする技術を提供することにある。

以下に、上記の目的を達成するための手段を説明する。その手段に含まれる技術的事項には、「特許請求の範囲」の記載と「発明を実施するための最良の形態」の記載との対応関係を明らかにするために、「発明を実施するための最良の形態」で使用される番号・符号が付加されている。但し、付加された番号・符号は、「特許請求の範囲」に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明によるＩＰＭ回転電機（１０，３０）は、ロータ（１２，３２）と、同一円周上に等間隔（又は、等角度間隔）に配置された複数のスロット（１４，３４）を有するステータ（１１，３１）とを備えている。ロータ（１２，３２）は、ロータ鉄心（１７）と、界磁（１８）とを含む。界磁（１８）の１極は、ロータ鉄心（１７）の１スロットピッチに対応する領域の中に、ロータ（１２）の円周方向に隣接して埋め込まれた永久磁石（１９、２０、２１）で構成される。一極を構成する永久磁石（１９、２０、２１）が、１スロットピッチに対応する領域の中に埋め込まれる程度に小型化されことは、スペース的に、永久磁石（１９、２０、２１）をロータ鉄心（１７）に一層に浅く埋め込むことを可能にする。

また、本発明によるＩＰＭ回転電機（１０，３０）は、ロータ（１２，３２）と、同一円周上に等間隔（又は、等角度間隔）に配置された複数のスロット（１４，３４）を有するステータ（１１，３１）とを備えている。ロータ（１２，３２）は、ロータ鉄心（１７）と、界磁（１８）とを含む。界磁（１８）の１極は、ロータ鉄心（１７）の１スロットピッチに対応する領域の中に、ロータ（１２）の円周方向に隣接して埋め込まれた複数の永久磁石（１９、２０、２１）で構成される。

このような構造は、永久磁石（１９、２０、２１）を配置するスペースとロータ（１２）の機械的強度との両方の観点から、永久磁石（１９、２０、２１）をロータ鉄心（１７）に浅く埋め込むことを可能にする。即ち、一極を構成する複数の永久磁石（１９、２０、２１）が、１スロットピッチに対応する領域の中に埋め込まれる程度に小型化されことは、スペース的に、永久磁石（１９、２０、２１）をロータ鉄心（１７）に一層に浅く埋め込むことを可能にする。更に、界磁（１８）の一極を構成する永久磁石（１９、２０、２１）が複数であることは、ロータ側面（１２ａ）と永久磁石（１９、２０、２１）との間に位置する磁力線誘導部分（１７ａ）とロータ鉄心本体（１７ｂ）とをブリッジするブリッジ部分（１７ｃ）を、複数の永久磁石（１９、２０、２１）の間を通過して設けることを可能にする。ブリッジ部分（１７ｃ）を設けることは、磁力線誘導部分（１７ａ）がロータ鉄心本体（１７ｂ）に結合する機械的強度を高め、永久磁石（１９、２０、２１）を浅く埋め込むことを可能にする。

永久磁石（１９、２０、２１）をロータ鉄心（１７）に浅く埋め込むことは、横軸インダクタンスを低減して電機子電流を増加させ、当該ＩＰＭ回転電機（１０，３０）の出力トルクを増大する点で好ましい。

永久磁石（１９、２０、２１）は、ロータ鉄心（１７）の半径をｒとし、界磁（１８）の極数をｎ_１としたとき、永久磁石（１９、２０、２１）の半径方向外側の磁極面（１９ａ、２０ａ、２１ａ）の上の点からロータ側面（１２ａ）の距離の最大値ｘが、下記式：
ｘ≦Ｄ／１０，
Ｄ＝２πｒ／ｎ_１
を満足する程度に浅く埋め込まれることが好適である。

前記ステータ（１１）は、更に、同一円周上に等間隔に配置された電機子コイル（１５）を含み、電機子コイル（１５）を流れる電機子電流の進み位相をθとしたとき、永久磁石（１９、２０、２１）は、磁力線誘導部分（１７ａ）が０°＜θ＜９０°の範囲において常に飽和するように配置されていることが好適である。

前記ステータ（１１）に、３相電流が供給される場合には、前記極数ｎ_１と、前記スロット（１４）の数ｎ_２とは、下記組み合わせ：
ｎ_１＝１２，ｎ_２＝９，
ｎ_１＝１４，ｎ_２＝１２，
ｎ_１＝１６，ｎ_２＝１２，
ｎ_１＝１６，ｎ_２＝１８，
ｎ_１＝２０，ｎ_２＝１５，
ｎ_１＝２０，ｎ_２＝１８，
ｎ_１＝２０，ｎ_２＝２１，
ｎ_１＝２２，ｎ_２＝２４，
ｎ_１＝２４，ｎ_２＝１８，
ｎ_１＝２４，ｎ_２＝２７，
ｎ_１＝２６，ｎ_２＝２４，
ｎ_１＝２８，ｎ_２＝２４，
ｎ_１＝３０，ｎ_２＝２７，
のいずれかであることが好適である。これらの組み合わせは、永久磁石（１９、
２０、２１）がロータ鉄心（１７）に浅く埋め込まれたＩＰＭ回転電機（１０）
の特性を特異的に向上させる。

前記ステータ（３１）に、５相電流が供給される場合には、
前記極数ｎ_１と、前記スロット（３４）の数ｎ_２とは、下記組み合わせ：
ｎ_１＝１２，ｎ_２＝１０，
ｎ_１＝１４，ｎ_２＝１０，
ｎ_１＝２２，ｎ_２＝１０，
ｎ_１＝１８，ｎ_２＝２０，
ｎ_１＝２４，ｎ_２＝２０，
ｎ_１＝２６，ｎ_２＝２０，
ｎ_１＝２８，ｎ_２＝２０，
ｎ_１＝２６，ｎ_２＝３０，
ｎ_１＝２８，ｎ_２＝３０，
のいずれかであることが好適である。これらの組み合わせは、永久磁石（１９、
２０、２１）がロータ鉄心（１７）に浅く埋め込まれたＩＰＭ回転電機（３０）
の特性を特異的に向上させる。

前記界磁（１８）の前記１極を構成する前記永久磁石（１９、２０、２１）の数が３以上であり、ブリッジ部分（１７ｃ）は、前記１極を構成する前記永久磁石（１９、２０、２１）の間の空間のそれぞれを通過するように設けられていることは、磁力線誘導部分（１７ａ）がロータ鉄心本体（１７ｂ）に結合する機械的強度を一層に高めることを可能にする。

この場合、ＩＰＭ回転電機（１０）の出力トルクを増大するためには、界磁（１８）の前記１極を構成する前記永久磁石（１９、２０、２１）のうち、両端に位置しない第１永久磁石（２１）の磁極面（２１ａ）は、両端に位置する第２永久磁石（１９、２０）の磁極面（１９ａ、２０ａ）よりも、ロータ（１２）の半径方向の外側に飛び出していることが好適である。

一方、磁力線誘導部分（１７ａ）がロータ鉄心本体（１７ｂ）に結合する機械的強度を高めるためには、前記界磁（１８）の前記１極を構成する永久磁石（１９、２０、２１）のうち、両端に位置しない第１永久磁石（２１）の前記磁極面（２１ａ）は、両端に位置する第２永久磁石（１９、２０）の磁極面（１９ａ、２０ａ）よりも、前記半径方向の内側に飛び出していることが好適である。

本発明により、ＩＰＭ回転電機の界磁を構成する永久磁石を、一層に浅くロータ鉄心に埋め込むことを可能にする技術が提供される。
また、本発明により、界磁を構成する永久磁石が浅くロータ鉄心に埋め込まれたＩＰＭ回転電機の出力トルクを、一層に増加することを可能にする技術が提供される。

以下、添付図面を参照しながら、本発明によるＩＰＭ回転電機の実施の形態を説明する。

（実施の第１形態）
本発明の実施の第１形態では、図１に示されているように、ＩＰＭモータ１０は、ステータ１１とロータ１２とを含む。ステータ１１は、ロータ１２のロータ側面１２ａに対向する。ステータ１１は、電磁的作用によってロータ１２にトルクを与え、ロータ１２を中心軸１２ｂの周りに回転させる。ＩＰＭモータ１０は、外部から動力を供給することにより発電機としても機能する。

ロータ１２に与えられるトルク、即ち、ＩＰＭモータ１０から出力される出力トルクは、マグネットトルクとリラクタンストルクとの両方の成分を含む。後述されるように、マグネットトルクがＩＰＭモータ１０の出力トルクの主成分であり、リラクタンストルクは、補助的な成分である。ＩＰＭモータ１０は、ステータ１１とロータ１２との構造の最適化により、マグネットトルクとリラクタンストルクとの和（即ち、出力トルク）が大きくなるように設計されている。ステータ１１とロータ１２との構造が、以下に詳細に説明される。

ステータ１１は、電機子歯１３_１〜１３_１２を含む。以下において、電機子歯１３_１〜１３_１２は、互いに区別される必要がない場合には電機子歯１３と表記される。電機子歯１３は、同一円周上に等間隔に配置されている。隣接する２つの電機子歯１３の間には、スロット１４が形成されている。スロット１４は、同一円周上に等間隔に配置されることになる。ロータ１２の中心軸１２ｂに垂直な断面において、隣接する２つの電機子歯１３の中心がロータ１２の中心軸１２ｂを見込む角（即ち、隣接する２つのスロット１４の中心がロータ１２の中心軸１２ｂを見込む角）は、スロットピッチと呼ばれる。本実施の形態では、スロットの数ｎ_２は、１２であり、スロットピッチは、３０°である。

電機子歯１３_１〜１３_１２には、それぞれ、電機子コイル１５_１〜１５_１２が巻かれている。ステータ１１の内側に回転磁界を発生するために、電機子コイル１５_１〜１５_１２には、三相の電機子電流が供給される。詳細には、電機子コイル１５_１、１５_２、１５_７、１５_８には、Ｕ相電流が供給され、電機子コイル１５_３、１５_４、１５_９、１５_１０には、Ｖ相電流が供給され、電機子コイル１５_５、１５_６、１５_１１、１５_１２には、Ｗ相電流が供給される。電機子巻線１５_１、１５_４、１５_５、１５_８、１５_９、１５_１２は、第１方向に（例えば、時計周りに）電機子電流が流れるように巻かれており、電機子巻線１５_２、１５_３、１５_６、１５_７、１５_１０、１５_１１は、第１方向と逆の第２方向に（例えば、反時計周りに）電機子電流が流れるように巻かれている。電機子コイル１５_１〜１５_１２は、互いに区別される必要がない場合には、電機子コイル１５と表記される。

電機子コイル１５は、集中巻きで電機子歯１３に巻かれている。電機子コイル１５が集中巻きで巻かれることは、体積あたりのＩＰＭモータ１０のトルクを大きくし、好適である。

ロータ１２は、シャフト１６とロータ鉄心１７とを含む。シャフト１６は、図示されない軸受によって回転可能に支持されている。ロータ鉄心１７は、シャフト１６に固定的に接合され、シャフト１６と同体に回転する。ロータ鉄心１７は、珪素鋼板のような磁性材料で形成されている。

ロータ鉄心１７には、界磁磁石１８が挿入されている。界磁磁石１８のそれぞれは、ロータ１２の界磁の一極を構成し、ロータ１２の半径方向に磁力線を発生する。隣接する２つの界磁磁石１８は、互いに逆の方向の磁力線を発生する、即ち、隣接する２つの界磁磁石１８の極性は逆である。本実施の形態では、界磁磁石１８の数、即ち、界磁の極数ｎ_１は１４である。

図２に示されているように、界磁磁石１８のそれぞれは、ロータ１２の円周方向に並んだ同一極性を有する２つの永久磁石１９、２０から構成されている。即ち、界磁の一極は、２つの永久磁石１９、２０から構成されている。永久磁石１９、２０は、ロータ１２の半径方向の外側に磁極面１９ａ、２０ａを有し、半径方向の内側に磁極面１９ｂ、２０ｂを有する。永久磁石１９、２０が発生する磁力線は、磁極面１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂから半径方向に放射される。一の界磁磁石１８に含まれる一組の永久磁石１９、２０は、同一の方向に磁力線を発生する、即ち、同一の極性を有する。

永久磁石１９の、永久磁石２０と反対側の端を端１９ｃと表記し、永久磁石２０の、永久磁石１９と反対側の端を端２０ｃと表記したとき、永久磁石１９は、端１９ｃにおいてロータ側面１２ａに最近接し、永久磁石２０は、端２０ｃにおいてロータ側面１２ａに最近接するように配置される。このような構造は、永久磁石１９、２０が発生する磁力線のうちロータ側面１２ａと端１９ｃの間を通る成分、及びロータ側面１２ａと端２０ｃとの間を通る成分を好適に少なくする。これは、永久磁石１９、２０が発生する磁力線をより多くステータ１２に鎖交させ、マグネットトルクを大きくする。

ロータ鉄心１７には、永久磁石１９、２０の半径方向外側に位置する部分１７ａ（磁力線誘導部分１７ａ）が設けられる。この磁力線誘導部分１７ａの存在は、リラクタンストルクを発生させる点で重要である。磁力線誘導部分１７ａの体積は、所望のリラクタンストルクが得られるように選ばれる。

一般的なＩＰＭモータとは異なり、本実施の形態のＩＰＭモータ１０では、永久磁石１９、２０のロータ側面１２ａからの埋め込み深さ（即ち、半径方向外側の磁極面１９ａ、２０ａの上の点からロータ側面１２ａへの距離）が浅い。定量的に表現すれば、永久磁石１９、２０は、ロータ１２の半径ｒと極数ｎ_１とを用いて、その埋め込み深さの最大値ｘが、下記式：
ｘ≦Ｄ／１０，
Ｄ＝２πｒ／ｎ_１，
を満足するような浅い位置に埋め込まれる。

永久磁石１９、２０の埋め込み深さが浅いことは、ＩＰＭモータ１０の出力トルクを大きくするために重要である。永久磁石１９、２０の埋め込み深さが浅いことは、横軸インダクタンスを低減させる。一般には、横軸インダクタンスの低減は、ＩＰＭモータの出力トルクを減少させるように思われるかもしれない。しかし、永久磁石１９、２０の埋め込み深さが浅い場合には、これは正しくない。埋め込み深さが浅いことは、ＩＰＭモータ１０の出力トルクのうちマグネットトルクによる成分が、リラクタンストルクによる成分よりも大きいことを意味する。このような場合、横軸インダクタンスの低減によるリラクタンストルクの減少の効果よりも、横軸インダクタンスの低減によって電機子電流が増大し、電機子電流の増大によってマグネットトルクとリラクタンストルクとの両方が大きくなる効果の方が大きい。

永久磁石１９、２０は、電機子電流の進み位相に関わらず、磁力線誘導部分１７ａの円周方向の端部が飽和する程度に浅く埋め込まれることが好適である。即ち、電機子コイル１５の端子電圧からの電機子電流の進み位相をθとして、永久磁石１９、２０の埋め込み深さは、０＜θ＜９０°の範囲全体で磁力線誘導部分１７ａの端部が飽和する程度に浅いことが好適である。

電機子電流の進み位相に関わらず磁力線誘導部分１７ａの端部が飽和することは、ＩＰＭモータ１０が高い回転数で運転されたときの出力トルクの減少を抑制するために有効である。当業者に周知であるように、ＩＰＭモータを高い回転数で運転する場合には、電機子電流の位相を進めて界磁を弱める弱め界磁制御が行われる。弱め界磁制御が行われると、図３に示されているように、電機子歯１３と、界磁の１極を構成する永久磁石１９、２０とが正対しなくなる。これは、磁力線誘導部分１７ａの円周方向の２つの端部のうち、電機子歯１３から離れて位置する端部に印加される磁界を小さくする。永久磁石１９、２０の埋め込み深さが充分に浅くない場合、磁力線誘導部分１７ａの端部に印加される磁界の減少により、磁力線誘導部分１７ａの端部が磁気的に飽和しなくなる。磁力線誘導部分１７ａの端部が磁気的に飽和しなくなると、横軸インダクタンスが増大する。マグネットトルクによる成分がリラクタンストルクによる成分よりも大きい本実施の形態のＩＰＭモータ１０については、既述のように、横軸インダクタンスの増大は、電機子電流の減少につながり好ましくない。電機子電流の進み位相θに関わらず磁力線誘導部分１７ａの端部が飽和するように、永久磁石１９、２０の埋め込み深さを充分に浅くすることは、ＩＰＭモータ１０が高い回転数で運転されたときの横軸インダクタンスの増大を防止し、これにより、出力トルクの減少を防止する。

更に、上述のように、永久磁石１９が端１９ｃにおいてロータ側面１２ａに最近接し、永久磁石２０が端２０ｃにおいてロータ側面１２ａに最近接することは、磁力線誘導部分１７ａの端部を飽和しやすくするため好適である。

永久磁石１９、２０の埋め込み深さをなるべく浅くするために、界磁の１極を構成する永久磁石１９、２０は、ロータ鉄心１７の１スロットピッチに対応する領域の中に埋め込まれ、更に、ロータ鉄心１７には、永久磁石１９、２０の間を通過して磁力線誘導部分１７ａをロータ鉄心本体１７ｂにブリッジするブリッジ部分１７ｃが設けられる。即ち、図４に示されているように、永久磁石１９、２０は、永久磁石１９の端１９ｃと永久磁石２０の端２０ｃとからロータ中心１２ｂを見込む角θ_Ｍがスロットピッチθ_Ｓよりも小さくなるように配置され、更に、図２に示されているように、ブリッジ部分１７ｃにより、磁力線誘導部分１７ａがロータ鉄心本体１７ｂに連結される。

永久磁石１９、２０がロータ鉄心１７の１スロットピッチに対応する領域の中に埋め込まれる程度に小型化されることにより、構造上、永久磁石１９、２０をロータ鉄心１７に浅く埋め込むことが可能になる。

更に、図２に示されているように、磁力線誘導部分１７ａをロータ鉄心本体１７ｂにブリッジするブリッジ部分１７ｃが設けられることにより、機械的な強度の観点からも、永久磁石１９、２０をロータ鉄心１７に浅く埋めることが可能になる。永久磁石１９、２０の埋め込み深さを薄くする上での一つの問題は、磁力線誘導部分１７ａとロータ鉄心本体１７ｂとの間の機械的強度である。永久磁石１９、２０の埋め込み深さが薄くなると、ロータ鉄心１７の、永久磁石１９の端１９ｃと永久磁石２０の端２０ｃとの近傍の部分の機械的強度が弱くなる。このため、磁力線誘導部分１７ａの端部が破断して磁力線誘導部分１７ａがロータ鉄心本体１７ｂから分離しやすくなる。上述のブリッジ部分１７ｃは、磁力線誘導部分１７ａがロータ鉄心本体１７ｂに接合する強度を高め、永久磁石１９、２０の埋め込み深さが薄くても、必要な機械的強度を確保することを可能にする。

永久磁石１９、２０がロータ鉄心１７の１スロットピッチに対応する領域の中に埋め込まれることは、マグネットトルクの増大にも有効である。永久磁石１９、２０がロータ鉄心１７の１スロットピッチに対応する領域の中に埋め込まれることにより、永久磁石１９、２０が一の電機子歯１３と正対しやすくなる。これは、永久磁石１９、２０が発生する磁力線の多くを、一の電機子歯１３に鎖交させることを可能にし、マグネットトルクを有効に増大する。このように、永久磁石１９、２０がロータ鉄心１７の１スロットピッチに対応する領域の中に埋め込まれることは、構造上、永久磁石１９、２０を浅く埋めることを可能にし、更に、マグネットトルクの増大にも有効であり、一石二鳥である。

上述のように、一般的なＩＰＭモータとは異なり、ＩＰＭモータ１０は、マグネットトルクがＩＰＭモータ１０の出力トルクの主成分であり、リラクタンストルクが出力トルクの補助的な成分である。これは、永久磁石１９、２０の埋め込み深さが浅いことに起因している。

このようなＩＰＭモータ１０の特殊性を生かすためには、ロータ１２の極数ｎ_１と、スロット１４の数ｎ_２（即ち、電機子歯１３の数）とが、下記組み合わせ：
ｎ_１＝１２，ｎ_２＝９，
ｎ_１＝１４，ｎ_２＝１２，
ｎ_１＝１６，ｎ_２＝１２，
ｎ_１＝１６，ｎ_２＝１８，
ｎ_１＝２０，ｎ_２＝１５，
ｎ_１＝２０，ｎ_２＝１８，
ｎ_１＝２０，ｎ_２＝２１，
ｎ_１＝２２，ｎ_２＝２４，
ｎ_１＝２４，ｎ_２＝１８，
ｎ_１＝２４，ｎ_２＝２７，
ｎ_１＝２６，ｎ_２＝２４，
ｎ_１＝２８，ｎ_２＝２４，
ｎ_１＝３０，ｎ_２＝２７，
のいずれかであることが好適である。当業者にとって周知であるように、３相のＩＰＭモータは、極数ｎ_１は偶数であり、スロット数ｎ_２は３の倍数であり、且つ、極数ｎ_１とスロット数ｎ_２とは異ならなくてはならない。極数ｎ_１とスロット数ｎ_２は、これらの条件を満たす様々な組み合わせが考えられる。しかし、上述の組み合わせは、永久磁石１９、２０の埋め込み深さが浅いＩＰＭモータ１０において特異的に有利である。その理由が、以下に説明される。

第１に、これらの組み合わせは、いずれも、極数ｎ_１が比較的に大きい。既述の特許文献１に記載されているように、極数ｎ_１が大きいことは、界磁が発生する磁力線のうち電機子コイルに鎖交する成分を多くし、ＩＰＭモータ１０の出力トルクの主成分たるマグネットトルクを増加するために有効である。

第２に、これらの組み合わせは、極数ｎ_１とスロット数ｎ_２との差が小さいため、界磁の１極を構成する永久磁石１９、２０を、単一の電機子歯１３と正対しやすくする。具体的には、上記組み合わせでは、極数ｎ_１とスロット数ｎ_２との差は高々５である。これは、ＩＰＭモータ１０の出力トルクの主成分たるマグネットトルクを増加するために有効である。極数ｎ_１とスロット数ｎ_２との差が小さいことは、巻線係数を大きくするためにも有効である。巻線係数が大きいことは、永久磁石１９、２０が発生する磁力線をより多く電機子コイル１５に鎖交させ、マグネットトルクを増加させる。定量的には、上記組み合わせは、いずれも、巻線係数を０．９４以上にすることを可能にする。

第３に、これらの組み合わせは、ステータ起磁力の基本波成分に対する巻線係数を大きくし、かつ高調波成分にたいする巻線係数を小さく設計することを可能にする。このため、特にこれらの組み合わせは、ＩＰＭモータ１０の出力を大きくする。

上記の極数ｎ_１とスロット数ｎ_２との組み合わせは、これらの有利性を全て具備しており、永久磁石１９、２０の埋め込み深さが浅いＩＰＭモータ１０において有利である。

（実施の第２形態）
図５に示されているように，実施の第２形態では，本発明が５相のＩＰＭモータ３０に適用される。５相のＩＰＭモータは，３相のＩＰＭモータよりも，それを駆動するのに必要なインバータの能力及びキャパシタの容量を小さくできるためで好適である。ＩＰＭモータ３０は，ステータ３１とロータ３２とを備えている。

ステータ３１は，電機子歯３３を含む。電機子歯３３は、同一円周上に等間隔に配置されている。隣接する２つの電機子歯３３の間には、スロット３４が形成されている。スロット１４は、同一円周上に等間隔に配置されることになる。本実施の形態では、スロットの数ｎ_２は、２０であり、スロットピッチは、１８°である。電機子歯３３のそれぞれには，電機子コイル３５が巻かれている。ステータ１１の内側に回転磁界を発生するために、電機子コイル３５には，５相の電機子電流が供給される。

ロータ３２の構造は，界磁磁石１８の数（即ち，永久磁石１９、２０の数）が異なる点以外，実施の第１形態のロータ１２の構造と同一である。永久磁石１９、２０は、ロータ１２の半径ｒと極数ｎ_１とを用いて、その埋め込み深さの最大値ｘが、下記式：
ｘ≦Ｄ／１０，
Ｄ＝２πｒ／ｎ_１，
を満足するような浅い位置に埋め込まれる。図２に示されているように，永久磁石１９、２０の埋め込み深さをなるべく浅くするために、界磁の１極を構成する永久磁石１９、２０は、ロータ鉄心１７の１スロットピッチに対応する領域の中に埋め込まれ、更に、ロータ鉄心１７には、永久磁石１９、２０の間を通過して磁力線誘導部分１７ａをロータ鉄心本体１７ｂにブリッジするブリッジ部分１７ｃが設けられる。永久磁石１９、２０がロータ鉄心１７の１スロットピッチに対応する領域の中に埋め込まれることは、マグネットトルクの増大に有効である。

ロータ３２の極数ｎ_１と、スロット３４の数ｎ_２（即ち、電機子歯３３の数）とは、下記組み合わせ：
ｎ_１＝１２，ｎ_２＝１０，
ｎ_１＝１４，ｎ_２＝１０，
ｎ_１＝２２，ｎ_２＝１０，
ｎ_１＝１８，ｎ_２＝２０，
ｎ_１＝２４，ｎ_２＝２０，
ｎ_１＝２６，ｎ_２＝２０，
ｎ_１＝２８，ｎ_２＝２０，
ｎ_１＝２６，ｎ_２＝３０，
ｎ_１＝２８，ｎ_２＝３０，
のいずれかであることが好適である。当業者にとって周知であるように、５相のＩＰＭモータは、極数ｎ_１は偶数であり、スロット数ｎ_２は１０の倍数であり、且つ、極数ｎ_１とスロット数ｎ_２とは異ならなくてはならない。極数ｎ_１とスロット数ｎ_２は、これらの条件を満たす様々な組み合わせが考えられる。しかし、上述の組み合わせは、永久磁石１９、２０の埋め込み深さが浅いＩＰＭモータ３０において特異的に有利である。

第１に、これらの組み合わせは、いずれも、極数ｎ_１が比較的に大きい。既述の特許文献１に記載されているように、極数ｎ_１が大きいことは、界磁が発生する磁力線のうち電機子コイルに鎖交する成分を多くし、ＩＰＭモータ３０の出力トルクの主成分たるマグネットトルクを増加するために有効である。

第２に、これらの組み合わせは、界磁の１極を構成する永久磁石１９、２０を、単一の電機子歯３３と正対しやすくする。これは、ＩＰＭモータ１０の出力トルクの主成分たるマグネットトルクを増加するために有効である。これらの組み合わせは，永久磁石１９、２０が発生する磁力線をより多く電機子コイル３５に鎖交させ、マグネットトルクを増加させる。

第３に、これらの組み合わせは、ステータ起磁力の基本波成分に対する巻線係数を大きくし、かつ高調波成分にたいする巻線係数を小さく設計することを可能にする。このため、特にこれらの組み合わせは、ＩＰＭモータ３０の出力を大きくする。

上記の極数ｎ_１とスロット数ｎ_２との組み合わせは、これらの有利性を全て具備しており、永久磁石１９、２０の埋め込み深さが浅いＩＰＭモータ３０において有利である。

（変形例）
実施の第１形態及び第２形態のいずれにおいても，図６に示されているように、永久磁石１９、２０の間に一以上の永久磁石２１が追加され、一の界磁磁石１８が３つ以上の永久磁石１９、２０、２１で構成される（即ち、界磁の１極が、３つ以上の永久磁石で構成される）ことが可能である。図５は、一の永久磁石２１が追加されている場合のロータ１２の構成を示している。一の界磁磁石１８が３つ以上の永久磁石で構成される場合にも、永久磁石１９、２０、２１がロータ鉄心１７の１スロットピッチに対応する領域の中に
埋め込まれることに留意されたい。

一の界磁磁石１８が３つ以上の永久磁石１９、２０、２１で構成される場合、永久磁石１９と永久磁石２１との間の空間と、永久磁石２１と永久磁石２０との間の空間と、及び２以上の永久磁石２１が設けられる場合にはそれらの間の空間とを貫通する複数のブリッジ部１７ｃが設けられる。複数のブリッジ部１７ｃが設けられることは、磁力線誘導部分１７ａがロータ鉄心本体１７ｂに接合される機械的強度を高めるために好適である。

一の界磁磁石１８が３つ以上の永久磁石で構成される場合、出力トルクの増大のためには、図６に示されているように、界磁磁石１８の両端に位置しない永久磁石２１の半径方向外側の磁極面２１ａが、永久磁石１９、２０の半径方向外側の磁極面１９ａ、２０ａよりも半径方向外側に飛び出していることが好適である。このような構造は、永久磁石２１の埋め込み深さを浅くする。永久磁石１９、２０と同一の原理により、永久磁石２１の埋め込み深さが浅いことは、出力トルクの増大に有効である。

一方、磁力線誘導部分１７ａがロータ鉄心本体１７ｂに接合される機械的強度を高めるためには、図７に示されているように、界磁磁石１８の両端に位置しない永久磁石２１の半径方向外側の磁極面２１ａが、永久磁石１９、２０の半径方向外側の磁極面１９ａ、２０ａよりも半径方向内側に飛び出していることが好適である。このような構造は、磁力線誘導部分１７ａとブリッジ部１７ｃとの機械的結合の強度と、ブリッジ部１７ｃとロータ鉄心本体１７ｂとの機械的結合の強度を高める。

図１は、本発明によるＩＭＰ回転電機の実施の第１形態を示す。図２は、ロータ１２の拡大図である。図３は、電機子電流の位相が進められたときの電機子歯１３と永久磁石１９、２０の位置を示す図である。図４は、永久磁石１９、２０の配置を説明する図である。図５は、本発明によるＩＭＰ回転電機の実施の第１形態を示す。図６は、本発明によるＩＰＭ回転電機の変形例を示す。図７は、本発明によるＩＰＭ回転電機の他の変形例を示す。図８は、本発明によるＩＰＭ回転電機の更に他の変形例を示す。

符号の説明

１０，３０：ＩＰＭモータ
１１，３１：ステータ
１２，３２：ロータ
１３，３３：電機子歯
１４，３４：スロット
１５，３５：電機子コイル
１６：シャフト
１７：ロータ鉄心
１７ａ：磁力線誘導部分
１７ｂ：ロータ鉄心本体
１７ｃ：ブリッジ部分
１８：界磁磁石
１９、２０、２１：永久磁石
１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂ、２１ａ：磁極面
１９ｃ、２０ｃ：端

Claims

ロータと、
同一円周上に等間隔に配置された複数のスロットを有するステータ
とを備え、
前記ロータは、
ロータ鉄心と、
界磁
とを含み、
前記界磁の１極は、前記ロータ鉄心の１スロットピッチに対応する領域の中に、前記ロータの円周方向に隣接して埋め込まれた永久磁石で構成される
ＩＰＭ回転電機。
ロータと、
同一円周上に等間隔に配置された複数のスロットを有するステータ
とを備え、
前記ロータは、
ロータ鉄心と、
界磁
とを含み、
前記界磁の１極は、前記ロータ鉄心の１スロットピッチに対応する領域の中に、前記ロータの円周方向に隣接して埋め込まれた複数の永久磁石で構成される
ＩＰＭ回転電機。
請求項２に記載のＩＰＭ回転電機において、
前記ロータは、前記ステータに対向するロータ側面を有し、
前記永久磁石は、前記ロータの半径方向の外側に磁極面を有し、
前記ロータ鉄心は、
ロータ鉄心本体と、
前記ロータ側面と前記磁極面との間に位置する磁力線誘導部分と、
前記界磁の１極を構成する前記複数の永久磁石の間を通過して前記磁力線誘導部分と前記ロータ鉄心本体とをブリッジするブリッジ部分
とを含む
ＩＰＭ回転電機。
請求項１から請求項３のいずれかに記載のＩＰＭ回転電機において、
前記ロータは、前記ステータに対向するロータ側面を有し、
前記永久磁石は、前記ロータの半径方向の外側に磁極面を有し、
前記ロータ鉄心の半径をｒとし、前記界磁の極数をｎ_１としたとき、前記磁極面の上の点から前記ロータ側面の距離の最大値ｘは、下記式：
ｘ≦Ｄ／１０，
Ｄ＝２πｒ／ｎ_１
を満足する
ＩＰＭ回転電機。
請求項１から請求項３のいずれかに記載のＩＰＭ回転電機において、
前記ステータは、更に、同一円周上に等間隔に配置された電機子コイルを含み、
前記ロータは、前記ステータに対向するロータ側面を有し、
前記永久磁石は、前記ロータの半径方向の外側に磁極面を有し、
前記電機子コイルを流れる電機子電流の進み位相をθとしたとき、前記永久磁石は、前記ロータ鉄心の前記ロータ側面と前記磁極面との間に位置する磁力線誘導部分が０°＜θ＜９０°の範囲において常に飽和するように配置された
ＩＰＭ回転電機。
請求項４又は請求項５に記載のＩＰＭ回転電機において、
前記ステータには、３相電流が供給され、
前記極数ｎ_１と、前記スロットの数ｎ_２とは、下記組み合わせ：
ｎ_１＝１２，ｎ_２＝９，
ｎ_１＝１４，ｎ_２＝１２，
ｎ_１＝１６，ｎ_２＝１２，
ｎ_１＝１６，ｎ_２＝１８，
ｎ_１＝２０，ｎ_２＝１５，
ｎ_１＝２０，ｎ_２＝１８，
ｎ_１＝２０，ｎ_２＝２１，
ｎ_１＝２２，ｎ_２＝２４，
ｎ_１＝２４，ｎ_２＝１８，
ｎ_１＝２４，ｎ_２＝２７，
ｎ_１＝２６，ｎ_２＝２４，
ｎ_１＝２８，ｎ_２＝２４，
ｎ_１＝３０，ｎ_２＝２７，
のいずれかである
ＩＰＭ回転電機。
請求項４又は請求項５に記載のＩＰＭ回転電機において，
前記ステータには，５相電流が供給され，
前記極数ｎ_１と、前記スロットの数ｎ_２とは、下記組み合わせ：
ｎ_１＝１２，ｎ_２＝１０，
ｎ_１＝１４，ｎ_２＝１０，
ｎ_１＝２２，ｎ_２＝１０，
ｎ_１＝１８，ｎ_２＝２０，
ｎ_１＝２４，ｎ_２＝２０，
ｎ_１＝２６，ｎ_２＝２０，
ｎ_１＝２８，ｎ_２＝２０，
ｎ_１＝２６，ｎ_２＝３０，
ｎ_１＝２８，ｎ_２＝３０，
のいずれかである
ＩＰＭ回転電機。
請求項２又は請求項３に記載のＩＰＭ回転電機において、
前記界磁の前記１極を構成する前記永久磁石の数は、３以上であり、
前記ブリッジ部分は、前記１極を構成する前記永久磁石の間の空間のそれぞれを通過するように設けられた
ＩＰＭ回転電機。
請求項８に記載のＩＰＭ回転電機において、
前記界磁の前記１極を構成する前記永久磁石のうち、両端に位置しない第１永久磁石の前記磁極面は、両端に位置する第２永久磁石の磁極面よりも、前記半径方向の外側に飛び出している
ＩＰＭ回転電機。
請求項８に記載のＩＰＭ回転電機において、
前記界磁の前記１極を構成する前記永久磁石のうち、両端に位置しない第１永久磁石の前記磁極面は、両端に位置する第２永久磁石の磁極面よりも、前記半径方向の内側に飛び出している
ＩＰＭ回転電機。