JP3533209B2

JP3533209B2 - 永久磁石電動機

Info

Publication number: JP3533209B2
Application number: JP2002226488A
Authority: JP
Inventors: 光彦佐藤; 清一金子; 勲伊藤
Original assignee: アイチエレック株式会社
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2004-05-31
Anticipated expiration: 2022-08-02
Also published as: JP2004072845A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固定子巻線を有す
る固定子と、磁石収容孔に収容された永久磁石を有する
回転子とを備える永久磁石電動機に関する。

【０００２】

【従来の技術】エアコン（空調装置）や冷蔵庫等の圧縮
機を駆動する電動機として、磁石収容孔に永久磁石が収
容された（埋め込まれた）回転子、すなわち永久磁石埋
込構造の回転子を備える永久磁石電動機（以下、「永久
磁石埋込型電動機」という）が用いられている。永久磁
石埋込型電動機は、永久磁石の磁束によるマグネットト
ルクと、回転子の突極性によるリラクタンストルクの両
方を利用するモータである。従来の永久磁石埋込型電動
機では、回転子コアを有する回転子と、固定子コアを有
する固定子を備えている。回転子コアには、例えば、軸
方向に直角な断面形状が、半径方向に略直角な長方形形
状に形成された磁石収容孔、あるいは、軸方向に直角な
断面形状が、凸部側が中心側を向いた円弧形状等の凸形
状の磁石収容孔が各磁極に設けられている。そして、各
磁極の磁石収容孔には、軸方向に直角な断面形状が長方
形形状や円弧形状等に形成された永久磁石が収容されて
いる（埋め込まれている）。永久磁石としては、フェラ
イト磁石や希土類磁石が用いられている。また、固定子
コアには、先端部が回転子コアの外周部と間隙（エアギ
ャップ）を介して配置されるティース部が設けられてい
る。そして、ティース部によって形成されるスロット内
に固定子巻線が配設されている。インバータ等の電源供
給源から固定子巻線に電源を供給することにより、回転
子が回転する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年、エアコンや冷蔵
庫等の小型化が要望されており、それにともなって圧縮
機を駆動する電動機の小型化が要望されている。例え
ば、外径が９０ｍｍの大きさの永久磁石電動機が要望さ
れている。この場合、永久磁石電動機の性能を維持しな
がら小型化する必要がある。ここで、フェライト磁石
は、温度が高くなると磁束密度が低下する特性を有して
いる。これに対し、希土類磁石は、温度が高くなっても
磁束密度の低下が少ない特性を有している。そこで、永
久磁石電動機を小型化する方法として、例えば、永久磁
石として希土類磁石を用いることにより永久磁石電動機
の効率を向上させる方法や永久磁石の配置状態を変更す
ることによって永久磁石電動機の効率を向上させる方法
が考えられる。しかしながら、このような方法を用いて
も、実際の効率は思ったほど向上しない。これは、電源
供給源としてＰＷＭ制御方式のインバータを用いること
にも起因する。本発明者らは、種々検討した結果、回転
子や固定子の形状、寸法等を所定の条件が満足されるよ
うに構成することによって、電源供給源としてＰＷＭ制
御方式のインバータを用いた場合でも、永久磁石電動機
の効率を向上させることができることを見出した。そこ
で、本発明は、電源供給源としてＰＷＭ制御方式のイン
バータを用いた場合でも効率を向上させることができ、
もって、所定の性能を維持しながら小型化を図ることが
できる永久磁石電動機を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりの
永久磁石電動機である。請求項１に記載の永久磁石電動
機では、磁石収容孔の端部壁と回転子の外周部との間に
空隙部が設けられており、隣接する磁極に設けられてい
る空隙部の距離Ｂ、隣接するティース部の側面間の最短
距離Ａ、ティース部の幅Ｃ、空隙部の周方向の長さＤ
が、［Ｂ≧Ａ］及び［Ｄ≧Ｃ］を満足するように構成さ
れている。これにより、充分なリラクタンストルクを得
ることができるため、効率が向上する。また、磁石収容
孔に収容されている永久磁石の端部での磁束短絡量を低
減することができるため、有効磁束量を増加させること
ができ、効率が向上する。さらに、リラクタンストルク
の変動の低減によってトルク脈動が低減し、あるいは、
永久磁石の端部での磁束短絡量の低減によって回転子と
固定子との間のラジアル方向の磁気吸引力が低減するた
め、騒音や振動を低減することができる。なお、磁石収
容孔と回転子の外周部との間に空隙部を設けて永久磁石
を回転子の外周部から離れて配設することにより、永久
磁石の端部がＰＷＭ制御等による高調波磁束の影響を受
けることがなく、永久磁石の端部発熱を減少させて、鉄
損を減少させることができる。この点においても、効率
を向上させることができる。なお、「磁石収容孔の端部
壁」は、回転子の外周部近傍の端部壁を意味する。例え
ば、各磁極の磁石収容孔が複数の磁石収容孔部を列状に
配置して構成されている場合には、「磁石収容孔の端部
壁」は、回転子の外周部側に配置されている磁石収容孔
部の端部壁のうち、回転子の外周部近傍の端部壁を示
す。また、請求項１に記載の永久磁石電動機では、回転
子の外周部とティース先端部との間の間隙ｇ、空隙部の
周方向の各位置における半径方向の長さの最短長Ｌが、
［ｇ×０．２≦Ｌ≦ｇ×０．５］を満足するように構成
されている。［ｇ×０．２≦Ｌ］を満足することによ
り、短絡磁束が減少し、効率が向上する。さらに、ラジ
アル方向の磁気吸引力の低減によって、騒音や振動を低
減することができる。［Ｌ≦ｇ×０．５］を満足するこ
とにより、例えば、回転子の外周部に形成した凹部を空
隙部として用いる場合に、熱交換媒体に対する凹部の抵
抗力の増大を低減し、凹部での損失の増大を抑制するこ
とができるため、効率の低下を抑制することができる。
また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとお
りの永久磁石電動機である。請求項２に記載の永久磁石
電動機では、空隙部の周方向の長さＤ、ティース先端部
の周方向の長さＨが、［Ｄ≧Ｈ］を満足するように構成
されている。これにより、永久磁石の端部での磁束短絡
量を一層低減して、有効磁束層をさらに増加させること
ができるため、効率がより向上する。また、本発明の第
３発明は、請求項３に記載されたとおりの永久磁石電動
機である。請求項３に記載の永久磁石電動機では、回転
子の外周部に形成された凹部により空隙部を構成する。
これにより、回転子を容易に構成することができる。な
お、固定子の外径を９０ｍｍとすることにより永久磁石
電動機を小型化することができる。さらに、本発明の永
久磁石電動機を、空調装置や冷蔵庫等の圧縮機駆動用電
動機として、あるいは、車載装置の駆動電動機として用
いることにより、各装置を小型化することができる。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面を参照して説明する。本発明の永久磁石電動機の概略
構成を図１、図２に示す。なお、図１は、断面図であ
り、図２は図１の部分拡大図である。本発明の永久磁石
電動機は、回転子１０と固定子３０により構成されてい
る。回転子１０は、回転子コア１１を有している。回転
子コア１１は、例えば、電磁鋼板等の鋼板を積層して略
円筒状に形成される。固定子３０は、固定子コア（ヨー
ク部）３１を有している。固定子コア１１は、例えば、
電磁鋼板等の鋼板を積層して略円筒状に形成される。

【０００６】回転子コア１１には、回転軸を挿通するた
めの軸孔１２が中心に設けられている。また、永久磁石
を収容する（埋め込む）ための複数の磁石収容孔が軸孔
１２と平行に設けられている。磁石収容孔は、各磁極毎
に設けられている。本実施の形態では、９０度間隔で４
個の磁石収容孔２１ａ〜２１ｄが軸線方向に設けられて
いる。磁石収容孔２１ａ〜２１ｄは同じ構造であるた
め、磁石収容孔２１ａについて説明する。なお、磁石収
容孔２１ｂ〜２１ｄの要素符号は、磁石収容孔２１ａの
対応する要素の要素符号のアルファベットａをｂ〜ｄに
置き換えて用いる。磁石収容孔２１ａは、回転子コア１
１の半径方向中心側に設けられている直線状の内壁２２
ａ、回転子コア１１の半径方向外周側に設けられている
直線状の外壁２３ａ、外壁２３ａが回転子コア１１の外
周部に近接する位置から回転子コア１１の外周部に略平
行して延びる（略同じ形状）端部壁２４ａ、２５ａ、端
部壁２４ａと内壁２２ａ、端部壁２５ａと内壁２２ａと
の間に延び、磁極間の磁束通路の幅を決定する通路壁２
６ａ、２７ａにより形成されている。なお、通路壁２６
ａ、２７ａは省略される場合もある。磁石収容孔２１ａ
の端部壁２４ａ、２５ａと回転子コア１１の外周部との
間には空隙部が設けられている。本実施の形態では、回
転子コア１１の外周部に設けた凹部（切欠部）１４ａ、
１６ａを空隙部として用いている。凹部１４ａは、側壁
１４ａ１、１４ａ３と、底壁１４ａ２により形成されて
いる。凹部１６ａも同様の形状である。本実施の形態で
は、凹部１４ａ、１６ａの底壁１４ａ２、１６ａ２と端
部壁２４ａ及び端部壁２５ａは略平行に設けられている
（ほぼ同じ形状を有している）。すなわち、凹部１４ａ
〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄは、周方向に沿った各位置に
おける半径方向の長さ（深さ）が略等しくなるように形
成されている。

【０００７】各磁石収容孔２１ａ〜２１ｄには、軸方向
に直角な断面形状が略長方形形状に形成されている永久
磁石２０ａ〜２０ｄが収容され（埋め込まれ）ている。
ここで、隣接する磁極の磁石収容孔には、異なる極性の
永久磁石が収容される。例えば、磁石収容孔２１ａには
Ｎ極の永久磁石２０ａが収容され（外壁２３ａ側がＮ
極、内壁２２ａ側がＳ極）、磁石収容孔２１ｂにはＳ極
の永久磁石２０ｂが収容される（外壁２３ｂ側がＳ極、
内壁２２ｂ側がＮ極）。本実施の形態では、軸方向に対
して直角な断面形状が略長方形形状に形成されている永
久磁石２０ａ〜２０ｄを用いているため、磁石収容孔２
１ａ〜２１ｄの回転子コア１１の外周部側の両端部には
間隙２８ａ〜２８ｄ、２９ａ〜２９ｄが設けられてい
る。間隙２８ａ〜２８ｄ、２９ａ〜２９ｄは、空隙であ
ってもよいし、樹脂等の非磁性絶縁体を充填してもよ
い。凹部１４ａ〜１４ｄと端部壁２４ａ〜２４ｄとの
間、凹部１６ａ〜１６ｄと端部壁２５ａ〜２５ｄとの間
には、永久磁石２０ａ〜２０ｄを磁石収容孔２１ａ〜２
１ｄ内に保持するための連結部（ブリッジ部）１７ａ〜
１７ｄ、１８ａ〜１８ｄが形成されている。各磁極の凹
部１４ａ〜１４ｄと１６ａ〜１６ｄとの間に主磁極部
（有効磁極部）１５ａ〜１５ｄが形成される。また、隣
接する磁極の凹部１４ａ〜１４ｄと１６ａ〜１６ｄとの
間に磁極間部１３ａ〜１３ｄが形成される。

【０００８】固定子コア３１には、回転子コア１１と対
向する方向に突出する複数のティース部（磁極部）３２
ａ〜３２ｎが設けられている。ティース部３２ａ〜３２
ｎの回転子コア１１と対向する部分には、先端部（ティ
ース先端部）３３ａ〜３３ｎが回転子コア１１と間隙を
有して設けられている。ティース部３２ａ〜３２ｎによ
って形成されるスロット３４ａ〜３４ｎには、固定子巻
線が、例えば、分布巻方式で配設される。また、固定子
コア３１には、冷媒ガス等を通す通路が軸方向に貫通し
て設けられている。図１では、固定子コア３１の外周部
を切り欠いた切欠部３５ａ〜３５ｎを通路として用いて
いる。孔を通路として用いることもできる。

【０００９】次に、本発明の第１の実施の形態の構成を
具体的に説明する。いま、図３及び図４に示す永久磁石
埋込型電動機を考える。図３、図４に示す永久磁石埋込
型電動機では、回転子２１０の回転子コア２１１には、
永久磁石２２０ａ〜２２０ｄが収納される磁石収納孔２
２１ａ〜２２１ｄが各磁極毎に設けられている（図３、
図４では、９０度毎）。また、固定子２３０の固定子コ
ア２３１には、スロット２３４ａ〜２３４ｎを形成する
ティース部２３２ａ〜２３２ｎが設けられている。ティ
ース部２３２ａ〜２３２ｎには、回転子コア２１１と間
隙を有して対向配置されるティース先端部２３３ａ〜２
３３ｎが設けられている。ここで、隣接する磁極の磁石
収容孔の間隔（例えば、磁石収容孔２２１ａと２２１ｂ
との間の最短距離）をＢ、隣接するティース部２３２ａ
〜２３２ｎの側面間の最短距離をＡとした時、［Ｂ＜
Ａ］の関係に設定されている場合を考える。

【００１０】この場合、回転子２１０と固定子２３０が
図３に示されている位置関係（隣接する磁極の磁石収容
孔２２１ａと２２１ｂとの間の部分（磁極間通路部分）
がティース部２３２ａに対向する）にある時には、磁石
収容孔２２１ａと２２１ｂとの間の磁極間通路部分に
は、ティース先端部２３３ａの中央部を介して磁束φ１
が流れる。この時の磁束φ１は大きいため、大きなリラ
クタンストルクが発生する。一方、回転子２１０と固定
子２３０が図４に示されている位置関係（隣接する磁極
の磁石収容孔２２１ａと２２１ｂとの間の部分（磁極間
通路部分）がティース部２３２ａと２３２ｂの中間の位
置に対向する）にある時には、磁石収容孔２２１ａと２
２１ｂとの間の磁極間通路部分には、ティース先端部２
３３ａの端部を介する磁束φ２と、ティース先端部２３
３ｂの端部を介する磁束φ３が流れる。ここで、ティー
ス先端部２３３ａ〜２３３ｎの端部の断面積が小さいた
め、少量の磁束が流れるだけでティース先端部２３３ａ
〜２３３ｎが磁気飽和し、磁束が流れにくくなる。した
がって、磁束φ２とφ３の和は磁束φ１に比べて小さ
く、発生するリラクタンストルクも小さい。このよう
に、リラクタンストルクが大きくなったり小さくなった
りする（変動する）と、トルク脈動が大きくなり、トル
ク脈動に起因する振動や騒音が大きくなる。

【００１１】これに対し、第１の実施の形態では、図
５、図６に示すように、隣接する磁極に設けられている
凹部１４ａ〜１４ｄと１６ａ〜１６ｄ間の距離（磁極間
部１３ａ〜１３ｎの周方向の長さ）Ｂと、隣接するティ
ース部３２ａ〜３２ｎの側面間の最短距離Ａが、［Ｂ≧
Ａ］を満足するように構成されている。この場合、回転
子１０と固定子３０が図５に示されている位置関係（磁
極間部１３ａがティース部３２ａに対向する）にある時
には、隣接する磁極の磁石収容孔２１ａと２１ｂとの間
の磁極間通路部分には、ティース先端部３３ａの中央部
を介する磁束φ４が流れる。この時の磁束φ４は大きい
ため、大きなリラクタンストルクが発生する。また、回
転子１０と固定子３０が図６に示されている位置関係
（磁極間部１３ａがティース部３２ａと３２ｂの中間部
に対応）にある時には、磁極間部１３ａは、ティース先
端部３３ａ及びティース先端部３３ｂの中央部と対向し
ている。このため、隣接する磁極の磁石収容孔２１ａと
２１ｂとの間の磁極間通路部分には、ティース先端部３
３ａの中央部を介する（ティース先端部３３ａの端部を
介することなく）磁束φ５と、ティース先端部３３ｂの
中央部を介する（ティース先端部３３ｂの端部を介する
ことなく）磁束φ６が流れる。磁束φ５及びφ６はティ
ース先端部３３ａ、３３ｂの端部を通ることなく流れる
ため、磁束φ５とφ６の和は大きく、発生するリラクタ
ンストルクも大きい。

【００１２】このように、第１の実施の形態では、隣接
する磁極に設けられている凹部（空隙部）間の距離（磁
極間部の長さ）Ｂ、隣接するティース部の側面間の最短
距離Ａが、［Ｂ≧Ａ］を満足するように構成されてい
る。これにより、回転子の位置に関係なく常に大きなリ
ラクタンストルクを発生させることができるため、効率
が向上する。さらに、リラクタンストルクの変動が低減
されるため、トルク脈動を低減することができ、トルク
脈動に起因して発生する振動や騒音を低減することがで
きる。

【００１３】また、各磁極の磁石収容孔２２１ａ〜２２
１ｄと回転子コア２１１の外周部との間に空隙部が設け
られていない場合には、各磁石収容孔２２１ａ〜２２１
ｄに収納されている永久磁石２２０ａ〜２２０ｄと固定
子コア２３１に設けられている各ティース先端部２３３
ａ〜２３３ｎとの間に、短絡磁束が流れる経路が形成さ
れることがある。例えば、図７に示すように、磁石収容
孔２２１ａに収納されている永久磁石２２０ａのＮ極か
ら、ティース先端部２３３ａを介して永久磁石２２０ａ
のＳ極に短絡磁束φ７が流れる。磁石収容孔２２１ａ〜
２２１ｄに収容されている永久磁石２２０ａ〜２２０ｄ
とティース先端部２３３ａ〜２３３ｎとの間に短絡磁束
が流れると、有効磁束量が減少する。このため、トルク
が減少し、効率が低下する。

【００１４】これに対し、本実施の形態では、図８に示
すように、磁石収容孔２１ａ〜２１ｄの端部壁２４ａ〜
２４ｄ、２５ａ〜２５ｄと回転子コア１１の外周部との
間に凹部１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄが空隙部とし
て設けられている。さらに、本実施の形態では、凹部１
４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄの周方向の長さをＤ、テ
ィース部３２ａ〜３２ｎの幅（側面間の距離）をＣとし
た時、［Ｄ≧Ｃ］を満足するように構成されている。こ
こで、［Ｄ≧Ｃ］を満足するように構成した場合、図８
に示すように、ティース先端部３３ａの端部を介して短
絡磁束φ８が流れることがある。しかしながら、前述し
たように、ティース先端部３３ａ〜３３ｎの端部の断面
積が小さいため、少量の磁束が流れるだけでティース先
端部３３ａ〜３３ｎが磁気飽和する。このため、［Ｄ≧
Ｃ］を満足するように構成されていれば、ティース先端
部３３ａ〜３３ｎを介して流れる短絡磁束の量を低減す
ることができる。

【００１５】以上のように、第１の実施の形態では、磁
石収容孔の端部壁と回転子コアの外周部との間に凹部が
空隙部として設けられており、さらに、凹部の半径方向
の長さＤ、ティース部の幅（側面間の距離）Ｃが、［Ｄ
≧Ｃ］を満足すように構成されている。これにより、固
定子コアに設けられているティース先端部を介して、磁
石収容孔に収容されている永久磁石のＮ極とＳ極との間
に流れる短絡磁束量を低減することができるため、有効
磁束量を増加させて効率を向上させることができる。ま
た、短絡磁束量が低減することによって、固定子コアと
回転子コアの間のラジアル方向の磁気吸引力が低減す
る。これにより、ラジアル方向の磁気吸引力に起因して
発生する振動や騒音を低減することができる。

【００１６】第１の実施の形態では、凹部の周方向の長
さＤ、ティース部の幅（側面間の距離）Ｃが、［Ｄ≧
Ｃ］を満足すように構成することによって、永久磁石の
短絡磁束量を低減したが、短絡磁束量をさらに低減する
ことができる。永久磁石の短絡磁束量をさらに低減する
ことができる第２の実施の形態の構成を、図９に示す。
第２の実施の形態の基本的な構成は、図１、図２に示し
た構成と同様であるため、第１の実施の形態と異なる構
成についてのみ説明する。本実施の形態では、磁石収容
孔２１ａ〜２１ｄの端部壁２４ａ〜２４ｄ、２５ａ〜２
５ｄと回転子コア１１の外周部との間に設けられている
凹部１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄの周方向の長さを
Ｄ、ティース先端部３３ａ〜３３ｎの周方向の長さ（回
転子コア１１の移動方向の長さ）をＨとした時、［Ｄ≧
Ｈ］を満足するように構成されている。この場合、図８
に示した場合よりも更にティース先端部３３ａの端部を
介して流れる短絡磁束も減少させることができる。これ
により、有効磁束量をより増大させることができ、効率
を一層向上させることができる。

【００１７】次に、第３の実施の形態について説明す
る。第３の実施の形態では、空隙部の半径方向の長さ
（深さ）を所定範囲に設定することによって効率を向上
させる方法を用いている。ここで、図１２に示すよう
に、回転子コア１１の外周部とティース先端部３３ａと
の間の間隙（エアギャップ）をｇ、凹部１４ａ〜１４ｄ
や１６ａ〜１６ｄの半径方向の長さ（深さ）をＬとす
る。凹部１４ａ〜１４ｄや１６ａ〜１６ｄの半径方向の
長さ（深さ）は、例えば、磁極間部１３ａあるいは有効
磁極部１５ａと、凹部１４ａの底壁１４ａ２との間の距
離）で示される（図２参照）。なお、空隙部の半径方向
の長さ（深さ）が周方向の各位置において等しくない場
合（例えば、図２０〜図２３に示す空隙部）には、空隙
部の半径方向の長さ（深さ）のうち最も短い長さ（最も
浅い部分の長さ）を空隙部の長さ（深さ）Ｌとする。

【００１８】通常、圧縮機等に電動機を組み込む時、組
み付け公差等により回転子１０は中心がわずかであるが
ずれて取り付けられることがある。回転子１０の中心が
ずれて取り付けられると、回転子１０と固定子３０との
間の間隙（エアギャップ）が小さくなった側のティース
部３２ａ〜３２ｎ（ティース先端部３３ａ〜３３ｎを含
む）が、磁気吸引力によって変形し、騒音が発生するこ
とがある。しかしながら、本実施の形態では、回転子コ
ア１１の外周部に凹部１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄ
が設けられているため、ティース部３２ａ〜３２ｎに作
用する磁気吸引力を低減することができる。これによ
り、磁気吸引力によるティース部３２ａ〜３２ｎの変形
に起因して発生する騒音を低減することができる。回転
子１０の外周部に形成した凹部１４ａ〜１４ｄ、１６ａ
〜１６ｄの半径方向の長さ（深さ）Ｌと、回転子１０の
外周部とティース先端部３２ａ〜３２ｎとの間の空隙
（エアギャップ）ｇとの比（Ｌ/g）と騒音との関係を図
１０に示す。図１０から、（Ｌ／ｇ）を０．２以上に設
定することにより、発生する騒音が低減されていること
がわかる。

【００１９】なお、凹部１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６
ｄの半径方向の長さ（深さ）Ｌとエアギャップｇが、
［（Ｌ／ｇ）＜０．２］の関係にあると、前記した［Ｄ
≧Ｃ］あるいは［Ｄ≧Ｈ］の関係が満足されている場合
でも、図１２に示すように、ティース先端部３３ａ〜３
３ｎの中央部や端部を介して短絡磁束が流れることがあ
る。磁石収容孔２１ａ〜２１ｄに収容されている永久磁
石２０ａ〜２０ｄのＮ極からティース先端部３３〜３３
ｎを介して永久磁石２０ａ〜２０ｄのＳ極に流れる短絡
磁束の量が増大すると、有効磁束量が減少するため、効
率が低下する。この点においても、（Ｌ／ｇ）を０．２
以上に設定することにより、効率を向上させることがで
きる。

【００２０】また、圧縮機等で使用される電動機は、高
圧力下で運転される。このような環境下で運転される場
合、回転子の外周部に設けられた凹部の半径方向の長さ
が長い（深い）と、図１３に示すように、熱交換媒体
（例えば、冷媒）に対する抵抗が大きくなり、回転子の
回転時における凹部での損失が大きくなる。すなわち、
効率が低下する。回転子の外周部に形成した凹部の半径
方向の長さ（深さ）Ｌと、回転子の外周部とティース先
端部との間の空隙（エアギャップ）ｇとの比（Ｌ/g）と
熱交換媒体（冷媒）の抵抗との関係を図１１に示す。図
１１から、（Ｌ／ｇ）を０．５以下に設定することによ
り、熱交換媒体の抵抗を小さく抑えることができ、凹部
１４ａ〜１４ｄや１６ａ〜１６ｄでの損失の増大が抑制
されていることがわかる。

【００２１】以上のように、本実施の形態では、回転子
の外周部とティース先端部との間の間隙（エアギャッ
プ）ｇ、磁石収容孔の端部壁と回転子コアの外周部との
間に設けられた凹部の半径方向の長さ（深さ）Ｌが、
［ｇ×０．２≦Ｌ≦ｇ×０．５］を満足するように構成
されている。これにより、ティース先端部を介する短絡
磁束の量を低減することができるため、効率を向上させ
ることができる。また、熱交換媒体に対する凹部の抵抗
による損失を低減することができるため、効率を向上さ
せることができる。さらに、固定子と回転子との間に作
用するラジアル方向の磁気吸引力を低減することができ
るため、固定子と回転子との間に作用する磁気吸引力に
起因する騒音を低減することができる。

【００２２】なお、第３の実施の形態では、磁石収容孔
の端部壁と回転子コアの外周部との間に設けられる空隙
部として、回転子の外周部に形成される凹部を用いた
が、これ以外にも、磁石収容孔の端部壁と回転子コアの
外周部との間に形成される孔を用いることもできる。こ
の場合には、前記した［Ｌ≦ｇ×０．５］の条件は当て
はまらない。この場合のＬの許容最大値は、永久磁石電
動機の設計条件、例えば、回転子コアの外径、所定の特
性を得るために必要な永久磁石を収容する磁石収容孔の
配置条件等によって決定される。

【００２３】次に、第４の実施の形態について説明す
る。第４の実施の形態は、回転子コア１１の各磁極の有
効磁極部１５ａ〜１５ｄの開角θを所定範囲に設定する
ことによって効率を向上させる方法を用いている。各磁
極の有効磁極部１５ａ〜１５ｄの開角θは、図１７に示
すように、回転子コアの中心部Ｐと各有効磁極部の両端
部とを結ぶ直線によって形成される角度を意味するもの
とする。本実施の形態では、各有効磁極部１５ａ〜１５
ｄの開角θとティース部３２ａ〜３２ｎとの関係によっ
て、有効磁極部１５ａ〜１５ｄの開角θを表している。
各有効磁極部１５ａ〜１５ｄの開角θとティース部３２
ａ〜３２ｎとの関係は、各有効磁極部１５ａ〜１５ｄと
対向するティース部３２ａ〜３２ｎの数によって表すこ
とができる。ここで、ティース先端部の端部は断面積が
小さく、少量の磁束が流れるのみで磁気飽和し、磁束が
通り難くなる。したがって、本実施の形態では、有効磁
極部に対向しているティース部の数は、ティース先端部
の中央部（ティース部の柱状の本体部に対応する部分）
が有効磁極部に対向しているティース部の数で表す。

【００２４】有効磁極部１５ａ〜１５ｄの開角θが異な
るパターンＡ〜Ｄについて磁束密度、起電力定数、効率
を求めた結果を図１４〜図１６に示す。パターンＡ〜Ｄ
は、それぞれ、回転子の回転に伴って有効磁極部に交互
に２個と３個のティース部、３個と４個のティース部、
４個と５個のティース部、５個と６個のティース部が対
向するように有効磁極部の開角θを設定したものであ
る。例えは、パターンＣでは、回転子の回転に伴って、
有効磁極部１５ａとティース部３２ａ〜３２ｎとの対向
状態が図１７（ａ）〜（ｃ）のように順に変化する。図
１７（ａ）〜（ｃ）では、回転子は時計方向に回転する
ものとする。例えば、任意の時点において、図１７
（ａ）に示すように、有効磁極部１５ａに４個のティー
ス部３２ａ〜３２ｄが対向する。次に、図１７（ｂ）に
示すように、有効磁極部１５ａに５個のティース部３２
ａ〜３２ｅが対向する。次に、図１７（ｃ）に示すよう
に、有効磁極部１５ａに４個のティース部３２ｂ〜３２
ｅが対向する。なお、パターンＡ〜Ｄでは、永久磁石の
使用量、固定子の構造は同一とする。

【００２５】パターンＡ〜Ｄに対する磁束密度を図１４
に示す。有効磁極部に対向するティース部の数が少ない
と、ティース磁束密度が高くなり、鉄損が大きくなる。
図１４から、パターンＣ、Ｄは、ティース密度が低く、
鉄損が小さいことがわかる。パターンＡ〜Ｄに対する起
電力定数を図１５に示す。起電力定数が高いほど起電力
が大きい、ｄ軸方向（有効磁極部の中央部と回転子コア
とを結ぶ線の方向）に近い磁束量が多いほど、起電力が
高くなる。そして、起電力が高いと、駆動電流が小さく
なって銅損が小さくなる。図１５から、起電力に寄与す
る磁束が特定の少ないティース部に集中するパターン
Ａ、Ｂ、Ｃの起電力定数が高くなっていることがわか
る。パターンＡ〜Ｄに対する効率（モータ効率）を図１
６に示す。図１６から、ティース磁束密度が小さくて鉄
損が小さく、起電力定数が大きくて銅損が小さいパター
ンＣの効率がよいことがわかる。

【００２６】以上のように、有効磁極部の開角θを、有
効磁極部に交互に４個と５個のティース部が対向するよ
うに設定することにより、鉄損と銅損を軽減することが
できるため、効率を向上させることができる。

【００２７】次に、第５の実施の形態を説明する。第５
の実施の形態では、固定子コア３１の寸法を所定範囲に
設定することによって効率を向上させる方法を用いてい
る。固定子コア３１の寸法を決定する方法としては、例
えば、図１に示す固定子コア３１の軸線方向に直角な断
面の面積（固定子コア断面積）と、固定子コア３１に設
けられているティース部３２ａ〜３２ｎによって形成さ
れるスロット３４ａ〜３４ｎの軸線方向に直角な断面の
面積の総和（スロット総断面積）との和に対する、スロ
ット総断面積の比を用いる。図１に示す固定子コア３１
の形状では、固定子コア断面積とスロット総断面積との
和は、［（Ｒａ／２）^２π−{（Ｒｂ／２）^２π＋Ｇ}］
で表される。ここで、Ｒａは固定子コア３１の外径、Ｒ
ｂは固定子コア３１の内径、Ｇは固定子コア３１に設け
られている切欠部３５ａ〜３５ｎ（通路）の軸線方向に
直角な断面の面積の総和を示す。また、スロット総断面
積は、［Ｓ×ｚ］で示される。ここで、Ｓはスロット３
４ａ〜３４ｎの軸方向に直角な断面の面積、ｚはスロッ
ト数を示す。そして、スロット総断面積［Ｓ×ｚ］を、
固定子コア断面積とスロット総断面積との和［（Ｒａ／
２）^２π−{（Ｒｂ／２）^２π＋Ｇ}］に種々の係数（割
合）を乗算した場合の効率を求め、効率を向上させるこ
とができる係数の範囲を決定する。

【００２８】固定子外径Ｒａを９０ｍｍ、固定子内径Ｒ
ｂを５１ｍｍ、切欠部３５ａ〜３５ｎの総断面積Ｇを２
７５．４ｍｍ^２、スロット数ｎを２４とし、係数を変化
させてスロット断面積Ｓを変化させた場合の銅損、鉄
損、効率等を求めた結果を図１９の表に示す。なお、図
１９に示す各値は、同じ入力電力、同じ回転数、同じト
ルクの状態で求めたものである。また、図１８は、図１
９に示されているスロット断面積Ｓに対する銅損、鉄
損、効率の関係をグラフで示したものである。図１８、
図１９から、スロット断面積Ｓが小さい（係数が０．２
より小さい）と、スロット３４ａ〜３４ｎに配設する固
定子巻線の線径が細くなりすぎて、銅損が大きくなって
いることが分かる。また、スロット断面積Ｓが大きい
（係数が０．４より大きい）と、固定子コア３１の磁気
飽和による効率低下をカバーするために電流が増加し、
銅損が大きくなっていることがわかる。以上のことか
ら、スロット総断面積［Ｓ／ｚ］を、［［（Ｒａ／２）
^２π−{（Ｒｂ／２）^２π＋Ｇ}］×０．２≦Ｓ・ｚ≦
［（Ｒａ／２）^２π−{（Ｒｂ／２）^２π＋Ｇ}］×０．
４］が満足されるように構成することによって、銅損や
鉄損を軽減することができ、効率を向上させることがで
きる。本実施の形態は、固定子コアに形成する孔を通路
として用いる場合にも適用することができる。

【００２９】以上の実施の形態では、磁石収容孔の端部
壁と回転子コアの外周部との間に、半径方向の長さ（深
さ）が等しい凹部を空隙部として設けたが、空隙部は、
磁石収容孔の端部壁と回転子コアの外周部との間に設け
られた孔でもよい。また、磁石収容孔の端部壁と回転子
コアの外周部との間に設ける凹部や孔の形状や数等は種
々変更可能である。また、回転子コアに設ける磁石収容
孔の形状や、磁石収容孔に収容する永久磁石の形状も種
々変更可能である。図２０〜図２３に、回転子の他の実
施の形態を示す。なお、図２０〜図２３の（ａ）は磁石
収容孔の端部壁と回転子コアの外周部との間に凹部を設
けた回転子を示し、図２０〜図２３の（ｂ）は磁石収容
孔の端部壁と回転子コアの外周部との間に孔を設けた回
転子を示している。

【００３０】図２０〜図２３の実施の形態の構成を以下
に説明する。図２０（ａ）に示す回転子は、回転子コア
４０の各磁極に、中央部４３ａ、外周部４２ａ及び４４
ａを有し、軸線方向に直角な断面形状が、凸部側が中心
側を向いた台形形状を有する磁石収容孔４１ａが形成さ
れている。また、磁石収容孔４１ａの端部壁と回転子コ
ア４０の外周部との間に凹部４５ａ及び４６ａが形成さ
れている。凹部４５ａ及び４６ａの側壁は、磁石収容孔
４１ａの外周部４２ａ及び４４ａの外壁（あるいは内
壁）と平行に形成されている。そして、磁石収容孔４１
ａの中央部４３ａ、外周部４２ａ及び４４ａには、軸線
方向に直角な断面形状が略長方形形状を有する永久磁石
４７ａ、４８ａ、４９ａが収容されている。図２０
（ｂ）に示す回転子は、回転子コア５０の各磁極に、図
２０（ａ）に示す回転子コア４０と同様の磁石収容孔５
１ａ、永久磁石５７ａ〜５９ａを有し、磁石収容孔５１
ａの外周部５２ａ及び５４ａの回転子コア５０の外周部
側の端部壁と回転子コア５０の外周部との間に孔５５ａ
及び５６ａが形成されている。

【００３１】図２１（ａ）に示す回転子は、回転子コア
６０の各磁極に、軸線方向に直角な断面形状が、凸部側
が中心側を向いたハ字形状を有するように、中央部６２
ａの両側に第１及び第２磁石収容孔６１ａ及び６３ａが
形成されている。また、第１及び第２磁石収容孔６１ａ
及び６３ａの回転子コア６０の外周部側の端部壁と回転
子コア６０の外周部との間に凹部６４ａ及び６５ａが形
成されている。第１及び第２磁石収容孔６１ａ及び６３
ａの中央部６２ａ側の端部壁は、略平行に形成されてい
る。そして、第１及び第２磁石収容孔６１ａ及び６３ａ
には、軸線方向に直角な断面形状が略長方形形状を有す
る永久磁石６６ａ及び６７ａが収容されている。図２１
（ｂ）に示す回転子は、回転子コア７０の各磁極に、図
２１（ａ）に示す回転子コア６０と同様の第１及び第２
磁石収容孔７１ａ及び７３ａ、永久磁石７６ａ及び７７
ａを有し、第１及び第２磁石収容孔７１ａ及び７３ａの
回転子コア７０の外周部側の端部壁と回転子コア７０の
外周部との間に孔７４ａ及び７５ａが形成されている。

【００３２】図２２（ａ）に示す回転子は、回転子コア
８０の各磁極に、第１及び第２収容部８２ａ及び８３ａ
を有し、軸線方向に直角な断面形状が、凸部側が中心側
を向いたハ字形状を有する磁石収容孔８１ａが形成され
ている。また、磁石収容孔８１ａの端部壁と回転子コア
８０の外周部との間に凹部８４ａ及び８５ａが形成され
ている。磁石収容孔８１ａの第１及び第２収容部８２ａ
及び８３ａには、軸線方向に直角な断面形状が略長方形
形状を有する永久磁石８６ａ及び８７ａが収容されてい
る。図２２（ｂ）に示す回転子は、回転子コア９０の各
磁極に、図２２（ａ）に示す回転子コア７０と同様の磁
石収容孔９１ａ、永久磁石９６ａ及び９７ａを有し、磁
石収容孔９１ａの端部壁と回転子コア９０の外周部との
間に孔９４ａ及び９５ａが形成されている。

【００３３】図２３（ａ）に示す回転子は、回転子コア
１００の各磁極に、軸線方向に直角な断面形状が、凸部
側が中心側を向いた円弧状を有する磁石収容孔１０１ａ
が形成されている。また、磁石収容孔１０１ａの端部壁
と回転子コア１００の外周部との間に凹部１０２ａ及び
１０３ａが形成されている。磁石収容孔１０１ａには、
軸線方向に直角な断面形状が円弧状を有する永久磁石１
０４ａが収容されている。図２３（ｂ）に示す回転子
は、回転子コア１１０の各磁極に、図２３（ａ）に示す
回転子コア１００と同様の磁石収容孔１１１ａ、永久磁
石１１４ａを有し、磁石収容孔１１１ａの端部壁と回転
子コア１１０の外周部との間に孔１１２ａ及び１１３ａ
が形成されている。

【００３４】本発明は、実施の形態で説明した構成に限
定されることなく、種々の変更、追加、削除が可能であ
る。例えば、回転子の各磁極を単層で構成したが、各磁
極を多層で構成してもよい。また、磁石収容孔の形状や
永久磁石の形状は種々変更可能である。さらに、永久磁
石の材料も種々変更可能である。また、固定子や回転子
の大きさも種々変更可能である。また、圧縮機に用いる
場合について説明したが、本発明の永久磁石電動機は、
冷蔵庫や電動機により駆動される車載装置等の種々の装
置の電動機として用いることができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１〜請求項
７に記載の永久磁石電動機を用いれば、電源供給源とし
てＰＷＭ制御方式のインバータを用いた場合でも、所定
の性能を維持しながら小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の永久磁石電動機の概略構成を示す断面
図である。

【図２】図１の部分拡大図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態の構成及び作用を説
明する図である。

【図４】本発明の第１の実施の形態の構成及び作用を説
明する図である。

【図５】本発明の第１の実施の形態の構成及び作用を説
明する図である。

【図６】本発明の第１の実施の形態の構成及び作用を説
明する図である。

【図７】本発明の第１の実施の形態の構成及び作用を説
明する図である。

【図８】本発明の第１の実施の形態の構成及び作用を説
明する図である。

【図９】本発明の第２の実施の形態の構成及び作用を説
明する図である。

【図１０】本発明の第３の実施の形態の効果を説明する
図である。

【図１１】本発明の第３の実施の形態の効果を説明する
図である。

【図１２】本発明の第３の実施の形態の構成及び作用を
説明する図である。

【図１３】本発明の第３の実施の形態の構成及び作用を
説明する図である。

【図１４】本発明の第４の実施の形態の効果を説明する
図である。

【図１５】本発明の第４の実施の形態の効果を説明する
図である。

【図１６】本発明の第４の実施の形態の効果を説明する
図である。

【図１７】本発明の第４の実施の形態の構成及び作用を
説明する図である。

【図１８】本発明の第５の実施の形態の効果を説明する
図である。

【図１９】本発明の第５の実施の形態の効果を説明する
図である。

【図２０】回転子の他の実施の形態を示す図である。

【図２１】回転子の他の実施の形態を示す図である。

【図２２】回転子の他の実施の形態を示す図である。

【図２３】回転子の他の実施の形態を示す図である。

【符号の説明】

１０、２１０回転子１１、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、
１１０、２１１回転子コア１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄ、４５ａ、４６ａ、６
４ａ、６５ａ、８４ａ、８５ａ、１０２ａ、１０３ａ
凹部（空隙部）１５ａ〜１５ｄ有効磁極部２１ａ〜２１ｄ、４１ａ、５１ａ、６１ａ、６３ａ、７
１ａ、７３ａ、８１ａ、９１ａ、１０１ａ、１１１ａ、
２２１ａ〜２２１ｄ磁石収容孔２０ａ〜２０ｄ、４７ａ〜４９ａ、５７ａ〜５９ａ、６
６ａ、６７ａ、７６ａ、７７ａ、８６ａ、８７ａ、９６
ａ、９７ａ、１０４ａ、１１４ａ、２２０ａ〜２２０ｄ
永久磁石３０、２３０固定子３１、２３１固定子コア３２ａ〜３２ｎ、２３２ａ〜２３２ｎティース部３３ａ〜３３ｎ、２３３ａ〜２３３ｎティース先端部３４ａ〜３４ｎ、２３４ａ〜２３４ｎスロット３５ａ〜３５ｎ切欠部５５ａ、５６ａ、７４ａ、７５ａ、９４ａ、９５ａ、１
１２ａ、１１３ａ、孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平10−66284（ＪＰ，Ａ) 特開2002−171730（ＪＰ，Ａ) 特開2002−165394（ＪＰ，Ａ) 特開2000−116084（ＪＰ，Ａ) 特開2001−178045（ＪＰ，Ａ) 特開2000−324728（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 1/27 H02K 1/22 H02K 21/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】固定子巻線が収容されるスロットを形成
し、回転子と対向する部分に中央部と端部からなるティ
ース先端部を有するティース部が設けられている固定子
と、ティース先端部と間隙を介して配置され、永久磁石
を収容する磁石収容孔が各磁極に設けられている回転子
とを備える永久磁石電動機であって、磁石収容孔の端部壁と回転子の外周部との間に空隙部が
設けられており、隣接する磁極に設けられている空隙部の距離をＢ、隣接
するティース部の側面間の最短距離をＡ、ティース部の
幅をＣ、空隙部の周方向の長さをＤとした時、Ｂ≧Ａ、Ｄ≧Ｃを満足するように構成されているとともに、回転子の外周部とティース先端部との間の間隙をｇ、空
隙部の周方向の各位置における半径方向の長さの最短長
をＬとした時、ｇ×０．２≦Ｌ≦ｇ×０．５を満足するように構成されている、永久磁石電動機。
【請求項２】請求項１に記載の永久磁石電動機であっ
て、ティース先端部の周方向の長さをＨとした時、Ｄ≧Ｈを満足するように構成されている、永久磁石電動機。
【請求項３】請求項１または２に記載の永久磁石電動
機であって、磁石収容孔の端部壁と回転子の外周部との
間に設けられている空隙部は、回転子の外周部に形成さ
れた凹部である、永久磁石電動機。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁
石電動機であって、固定子の外径が９０ｍｍである、永
久磁石電動機。
【請求項５】圧縮機で圧縮した熱交換媒体を用いて室
内の温度を調整する空調装置であって、圧縮機の駆動電
動機として請求項１〜４のいずれかに記載の永久磁石電
動機を用いた、空調装置。
【請求項６】圧縮機で圧縮した熱交換媒体を用いて庫
内の温度を調整する冷蔵庫であって、圧縮機の駆動電動
機として請求項１〜４のいずれかに記載の永久磁石電動
機を用いた、冷蔵庫。
【請求項７】電動機により駆動される車載装置であっ
て、電動機として請求項１〜４のいずれかに記載の永久
磁石電動機を用いた、車載装置。