JP3533209B2 - 永久磁石電動機 - Google Patents
永久磁石電動機Info
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
bを51mm、切欠部35a〜35nの総断面積Gを2
75.4mm2、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
図である。
明する図である。
明する図である。
明する図である。
明する図である。
明する図である。
明する図である。
明する図である。
図である。
図である。
説明する図である。
説明する図である。
図である。
図である。
図である。
説明する図である。
図である。
図である。
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
Claims (7)
- 【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。
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