JP2006014389A - 回転子、電動機、圧縮機及び送風機、並びに空気調和器 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の体積当たりの電動機効率を高めることを目的とする。
【解決手段】歯部１０は固定子に備えられており、回転子２と空隙を挟んで対向する。回転子２は永久磁石埋設用孔２２が穿たれた軟磁性体２１を備えており、回転軸Ｍの回りに回転可能である。軟磁性体２１には回転軸Ｍに沿って永久磁石埋設用孔２２が穿たれている。永久磁石埋設用孔２２には永久磁石３１が埋設される。永久磁石３１の磁極面は回転軸Ｍに垂直な法線を有しており、円形を呈する。
【選択図】図６

Description

本発明は電動機、中でも回転子に関する。当該電動機は圧縮機や送風機、更には空気調和器の駆動源として搭載することができる。

電動機の損失の主要因に銅損が挙げられる。銅損の低減には分布巻きから集中巻きへの移行が奏功している。他方、特許文献1〜３には電機子の磁束鎖交面積が一定の場合に、銅損を最小にするための技術が公開されている。

特許文献１では、固定子ヨークの突極部の巻装部分の断面積Ａが同一ならば、その断面を取り囲む周囲の長さをＬとして、特性係数Ｒ＝Ｌ²／Ａが４π以上１６．３以下であることを提案している。

特許文献２では、積層鋼板を用いて特性係数Ｒを上記の値にすることが困難な場合の技術が提案されている。

特許文献３では、円筒型積層電磁鋼板を用いずに、特性係数Ｒを最適化するための技術が提案されている。

特許文献４では、電機子磁束透過断面を正方形にすることにより、エアギャップを介して対向する回転子径を同一磁束透過面積に対して最小化する技術を提案している。

特開平２−２７６４４９ 特開平１１−６９７４９ 特開２０００−３１６２４０ 特開平０９−２４７９１６

特許文献２の「従来の技術」に記載があるように、特殊な例（偏平アウターロータ型ＤＣブラシレスモータ等の、鋼板積層枚数の少ない電動機）を除いて、機械的要求特性と、電動機実装スペースがかけ離れている場合が多い。その場合には円筒形状電動機の円柱長さが長くなり、特許文献１が提案するような断面形状特性Ｒを最適化することが困難な場合が多い。

特許文献２の技術では、絞り加工後に曲げ加工等による電機子製造を行う。よって電機子に要求される機械強度が大きい場合（例えば圧縮機の駆動源として採用する場合）には困難である。

特許文献３の技術で用いられる粉体焼結強磁性体は、磁気特性と機械強度、材料コスト、生産コスト等の総合品質面において、電磁鋼板には現状では及ばない。

特許文献４では同一出力における小型化が指向されている。しかし電機子に鎖交する磁束を決定する要因の一つである永久磁石の形状を最適化できていない。

図１８は集中巻電動機の材料費の比率を示す円グラフである。電磁鋼板、巻線、永久磁石の三つに大まかに分けると、永久磁石の材料費の比率が最も高いことが示されている。そこで、永久磁石の起磁力による電機子透過磁束Φと永久磁石の使用体積Ｖとの比φ／Ｖや、耐減磁起磁力ＡＴと使用体積Ｖとの比ＡＴ／Ｖを最大化することが望ましい。そして従来、様々な制約条件（例えば部品流用可否、設計を変更する工数、生産性等）の下、永久磁石の寸法（幅、長さ、厚さ）が決定されてきた。

しかしながらこのように寸法が決定された永久磁石を用いて電動機を生産する際には、永久磁石を配設する際、もしくはこれに先行して、機械的あるいは光学的に永久磁石の回転軸方向長さと、回転軸に直交する方向の長さとを判別し揃えておく必要がある。かかる作業は、生産費の上昇、生産速度の低下を招いていた。

また、電動機を駆動する際に電機子巻線に流れる電流によって、永久磁石の端部には不可逆減磁が発生する。特に回転軸方向、及びこれに直交する方向のいずれにとっても端部となる角の位置では、両者の方向についての減磁界が重畳している。そのため永久磁石には実質的に無駄な体積があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、永久磁石の形状を適切にして永久磁石の体積当たりの電動機効率を高めることを目的とする。また生産時の作業を軽減することをも目的とする。

この発明の第１の態様にかかる回転子（２）は、所定の回転軸（Ｍ）の回りに回転可能である。そして複数の永久磁石（３２）を埋設して含む。前記永久磁石の各々は、前記回転軸に垂直な法線を共有する二つの磁極面を有する。前記二つの磁極面のいずれもが偶数の辺を有する略正多角形である。

この発明の第２の態様にかかる回転子（２）は、所定の回転軸（Ｍ）の回りに回転可能である。そして複数の永久磁石（３１）を埋設して含む。前記永久磁石の各々は、前記回転軸に垂直な法線を共有する二つの磁極面を有する。前記二つの磁極面のいずれもが略円形である。

この発明の第３の態様にかかる回転子（２）は、所定の回転軸（Ｍ）の回りに回転可能である。そして複数の永久磁石（３３）を埋設して含む。前記永久磁石の各々は、前記回転軸に平行な円筒の側面を呈する二つの磁極面を有する。前記二つの磁極面の前記回転軸と直交する辺の長さの平均値（ａavg）と、前記円筒の高さ（ｂ）とがほぼ等しい。

この発明にかかる電動機は、この発明の第１乃至第３の態様にかかる回転子（２）と、固定子（１）とを備える。前記固定子は歯部（１０）を有する。当該歯部は、前記回転子と空隙を挟んで対向して巻線が巻回される。前記巻線が巻回される位置での、前記歯部の延在方向と垂直な断面（Ｊ）は、辺数が４以上の多角形または略円形を呈する。

この発明にかかる圧縮機、送風機はこの発明にかかる回転子を有する電動機を採用する。あるいはこの発明にかかる電動機を採用する。当該電動機は空気調和器に採用することもできる。

この発明にかかる第１の態様にかかる回転子によれば、永久磁石の体積当たりの電動機効率を高める。また永久磁石を回転子に埋め込む際に、埋め込む方向を判別する工程を簡略化する。

この発明にかかる第２の態様にかかる回転子によれば、永久磁石の体積当たりの電動機効率を高める。また永久磁石を回転子に埋め込む際に、埋め込む方向を判別する工程を簡略化する。

この発明にかかる第３の態様にかかる回転子によれば、永久磁石の体積当たりの電動機効率を高める。

この発明にかかる電動機によれば、巻線周長を短くすることができる。

この発明にかかる圧縮機、送風機、空気調和器によれば、それらの効率が高められる。

基本的な考え方．
本発明の具体的な実施の形態を紹介する前に、基本的な考え方を説明する。永久磁石を用いた電動機において、その効率を高めつつ小型化を指向するためには、当該永久磁石の起磁力によって発生した磁束のうち、電機子の歯部に巻回された巻線に鎖交するもの（以下「鎖交磁束」と称す）を高めることが望ましい。

永久磁石の残留磁束密度をＢr、リコイル透磁率μr、厚さをｔとしたときに、永久磁石の起磁力Ｆは式（１）で表される。

また、磁気抵抗Ｒmは、磁路長ｌに比例し、磁束透過面積Ｓと透磁率μrに反比例するので、式（２）で表される。

で表される。

磁気回路の中で永久磁石部以外（固定子や回転子やエアギャップ）の磁気抵抗をＲgとし永久磁石の磁気抵抗をＲmgとすると、電動機が通電されていない状態での磁気回路の磁気抵抗Ｒmotは式（３）で表される。

式（１）〜（３）に基づき、永久磁石起磁力によって磁気回路を流れる透過磁束φは式（４）で表される。

次に、永久磁石以外の磁気抵抗Ｒｇは一定とし、永久磁石の形状変化による磁気抵抗Ｒｍｇの変化を考察する。永久磁石の磁束透過面積をＳとすると磁気抵抗Ｒｍｇは式（５）で表される。

よって、透過磁束φは式（４）、（５）から式（６）で求められる。

一方、図１８で示されたように電動機の材料費の多くを占める、永久磁石の材料費はその体積Ｖにほぼ比例する。体積Ｖは式（７）で求められる。

よって透過磁束φと永久磁石の材料費との比はおおよそφ／Ｖで表すことができる。そしてφが大きいほど電動機効率は高められるので、当該比が大きいほど、永久磁石の体積辺りの電動機効率は高いことになる。

φ／Ｖは式（６），（７）に基づき、式（８）で求められる。

式（８）から、永久磁石の材料費を低減しつつ最大の透過磁束φを得るためには、永久磁石の特性に関しては、残留磁束密度Ｂrが大きく、リコイル透磁率μrが小さい方が望ましいことが判る。永久磁石の形状については磁束透過面積Ｓが小さく、厚さｔが薄い方が望ましいことが判る。また、電動機の磁気回路については、永久磁石以外の磁気抵抗Ｒｇが小さい方が望ましいことが判る（例えばエアギャップが小さい、電機子歯部が飽和してない等）。

一方、電動機として要求されるトルク、効率を得るためには透過磁束φが最低値φ0よりも大きいことが必要となる。永久磁石の動作点の磁束密度をＢpとすると、透過磁束φは式（９）で表される。

これが最低値φ0より大きい必要があるので、式（１０）を満足する範囲において比φ／Ｖ（式（８）参照）を最大にすることが望ましい。

一般に永久磁石を用いた電動機、中でも同期電動機では、エアギャップを除く磁気回路を電磁鋼板等の軟磁性材料で形成し、永久磁石を当該軟磁性材料で挟み込む。あるいは永久磁石の少なくとも一方の磁極面と当該軟磁性材料とが接触する。これによって永久磁石以外の磁気抵抗Ｒgを低減している。

これは、電機子巻線に鎖交しないまま、同じ永久磁石で極性が異なる磁極面同士を周回する磁束（以下「磁石での漏洩磁束」と称す）を、透過磁束φに比べて相対的に小さくすることになる。よって磁石での漏洩磁束を無視するか、もしくは磁束透過面積Ｓが等しい永久磁石は磁石での漏洩磁束も等しいとするかして、永久磁石の形状設計を行うことが考えられる。

例えば、電動機に要求される体格と特性との妥協点を得るため、まず以前に得られた永久磁石の最適形状の相似形状を採用した設計を行う。そして要求された特性を得るために相似比を増大させる。そして当該相似比では要求される体格を満足できない場合には、永久磁石の厚さを増やしたり、磁極数を変更する。

従って、永久磁石の形状設計は電動機の体格、特性に対する要求を満足するために、非常に重要な要因である。そこで永久磁石の磁束透過面Ｓにおいて漏洩磁束が小さくなるように磁極面の形状を求める。

第１の実施の形態．
本実施の形態では磁石の形状として楕円柱について考察する。簡単のため、まず正円柱の形状について考察する。

図１は高さｔ、半径ｒの正円柱を示し、同図（ａ）（ｂ）はそれぞれ側面図及び上面図を示している。二つの磁極面のいずれもが正円であって平行に配置されている。図２はかかる正円柱を呈する永久磁石のパーミアンスを説明する断面図である。ここでは永久磁石が回転子に埋設される場合を想定し、二つの磁極面のいずれもが軟磁性材料に挟まれている場合を説明する。磁極面は有効磁束φを軟磁性材料に与える。他方、磁極面は軟磁性材料から外れる漏洩磁束φmoreをも発生させる。

積分の簡便さから、パーミアンスを二つの漏れ磁路空間空間Ｐ１，Ｐ２に分けて考え、後に合成して全体のパーミアンスを求める。空間Ｐ１は直径ｔの半円を半径ｒで回転させて得られる回転体である。空間Ｐ２は空間Ｐ１を覆う中空半円回転体である。空間Ｐ２は空間Ｐ１の断面として現れる上記半円と同心で直径（ｔ＋２ｘ）の半円を、半径ｒで回転させて得られる回転体から空間Ｐ１を除いて得られる。但し長さｘは漏洩磁束φmoreが発生すると考えられる範囲を示す。

空間Ｐ１、Ｐ２におけるパーミアンス（以下、パーミアンス値としても空間の符号Ｐ１，Ｐ２を採用する）は公知であり、真空の透磁率μ0を空気透磁率として採用すると、式（１１）として求められる。

全体のパーミアンスＰenはこれらの和として式（１２）で求められる。

次に二つの磁極面が相互に長軸と短軸とを平行にする楕円である楕円柱を考える。図３は考察の対象となる楕円柱を示す上面図であり、二つの軸ａ，ｂを示している。

楕円柱状の永久磁石の磁極面の面積が、図１に示された正円柱状の永久磁石の磁極面の面積と等しくなるためには比ｋ＝ａ／ｂを導入して式（１３）が満足されなければならない。

一般に楕円の摺長Ｌdaenは、式（１４）で近似される。

よって式（１３），（１４）から式（１５）が得られる。

図４は式（１５）を示すグラフである。摺長Ｌdaenはｋ＝１の場合、即ち正円の場合に、Ｌen＝２πｒとなることが判る。

楕円柱磁石のパーミアンスを厳密に解くことは困難であるが、ほぼ磁極面たる楕円の摺長に比例すると考えられる。磁極面の端部の摺長が長くなるということと、式（１２）でのｒの増大とは、同傾向にあると考えられる。

パーミアンスが大きいほど漏洩磁束φmoreの値が大きくなるので、電動機の回転子に埋め込まれる永久磁石として楕円柱の形状を採用する場合には、正円柱形状を採用することが漏洩磁束を少なくする観点から最適であることが判る。もちろん、真円度は完全である必要はなく、例えば永久磁石の製造工程の誤差を含む正円であってもよい。

このような正円柱形状を採用することにより、有効磁束φが同じで有れば漏洩磁束φmoreを小さくし、また永久磁石の体積を小さくできる。つまり永久磁石の形状を適切にしてその材料費を低減することができる。

また磁極面には角がないので、磁極面の端部に減磁界が集中せず、永久磁石が減磁しにくい。

またこのような永久磁石を回転子に埋設する際、永久磁石の寸法を判別して方向を定める必要もない。よって生産時の作業を軽減することにより生産費を低減することができる。

図５は本実施の形態に係る技術を適用可能な電動機の一部を示す斜視図である。歯部１０は固定子に備えられており、回転子２と空隙を挟んで対向する。図示されないが歯部１０には界磁用巻線が巻回される。回転子２は永久磁石埋設用孔２２が穿たれた軟磁性体２１を備えており、回転軸Ｍの回りに回転可能である。軟磁性体２１は例えば電磁鋼板が回転軸Ｍに沿って積層されて成る。回転子２が電動機に設けられるに際しては、軟磁性体２１の回転軸Ｍに沿っての両端に端板（図示せず）が設けられる。当該端板は、永久磁石が埋め込まれた永久磁石埋設用孔２２の当該両端を封じる。

永久磁石埋設用孔２２は例えば回転軸Ｍに沿った方向には、回転軸Ｍに沿っての軟磁性体２１の長さ（以下「回転子２の高さ」と称す）ｄに亘って穿たれる。また回転軸Ｍと垂直な方向には幅ｃに亘って穿たれる。但しより正確には永久磁石埋設用孔２２は、幅ｃで穿たれた領域に加え、軟磁性体２１の外周部に向けて屈曲した空隙も設けられている。当該空隙を設けることにより、軟磁性体２１が図２で考察された領域以上に永久磁石に接することを回避し、以て有効磁束φの増大や自己減磁の抑制を図っている。

図６は図５に示された回転子２に、図１で示された正円柱形状の永久磁石３１を埋め込んだ態様を示す斜視図である。永久磁石３１の各々が、回転軸Ｍに垂直な法線を共有する二つの円形の磁極面を有している。ここでは回転子２の高さｄや永久磁石埋設用孔２２の幅ｃが永久磁石３１の半径ａにほぼ等しい場合が例示されている。このような埋設に際して、回転軸Ｍを上下方向として採用した場合、永久磁石３１の上下左右の判別を行う必要がないことは明白である。

第２の実施の形態．
本実施の形態では磁石の形状として底面が長方形である四角柱について考察する。図７は永久磁石が呈する四角柱を示す斜視図であり、当該四角柱は、幅ａ，ｂの長方形を底面とし、高さｔを有する。二つの磁極面のいずれもが底面に形成されている。図８乃至図１１はかかる四角柱を呈する永久磁石のパーミアンスを説明する斜視図である。

第１の実施の形態と同様に、永久磁石が回転子に埋設される場合を想定し、二つの磁極面のいずれもが軟磁性材料に挟まれている場合を説明する。

積分の簡便さから、パーミアンスを四種の漏れ磁路空間Ｐ１１〜Ｐ１４に分けて考え、後に合成して全体のパーミアンスを求める。

空間Ｐ１１（図８）は底面側から見た永久磁石の四隅の外側にそれぞれ一つずつ存在する四分球であり、その直径は厚さｔに等しい。

空間Ｐ１２（図９）は底面側から見た永久磁石の四隅の外側にそれぞれ一つずつ存在すし、空間Ｐ１１を覆う四分球殻である。空間Ｐ１２は所定の回転体から、空間Ｐ１１を除いて得られる。当該回転体は、永久磁石の厚さと垂直な方向から空間Ｐ１１を見た断面として現れる半円と同心で、直径（ｔ＋２ｘ）の半円を１／４回転させて得られる。但し長さｘは漏洩磁束が発生すると考えられる範囲を示す。

空間Ｐ１３（図１０）は永久磁石の底面において各辺にそれぞれ存在する半円柱であり、その半円の直径は厚さｔに等しい。同様にして、図１０では幅ａを有する辺に存在する空間Ｐ１３のみを図示している。

空間Ｐ１４は永久磁石の底面において各辺にそれぞれ存在し、空間Ｐ１３を覆う円筒である。空間Ｐ１４の底面を構成する二つの半円は空間Ｐ１３の底面の半円と同心であり、大きい方の半円の直径は（ｔ＋２ｘ）である。小さい方の半円の直径はｔである。

空間Ｐ１１，Ｐ１２、幅ａの辺における空間Ｐ１３、幅ｂの辺における空間Ｐ１３、幅ａの辺における空間Ｐ１４、幅ｂの辺における空間Ｐ１４におけるパーミアンスは、それぞれ式（１６）で求められる。

各空間の個数を考慮して、永久磁石の全側面での漏れパーミアンスＰtyokuは式（１７）となる。

式（１７）に式（１６）を代入して式（１８）が得られる。

つまりｔ，ｘが変動しない場合、（ａ＋ｂ）が小さい方がＰtyokuは小さくなって望ましい。これは第１の実施の形態と同様に、永久磁石の磁極面の摺長が小さいほど、漏洩磁束が小さくて望ましいことが判る。

永久磁石の磁極面の面積Ｓ（＝ａｂ）が等しい場合、式（１４）を最小にする形状を考察する。図１２は比ｋ＝ａ／ｂを横軸にとり、縦軸にａ／Ｓ，ｂ／Ｓ，（ａ＋ｂ）／Ｓをプロットしたグラフである。グラフから明らかなように、ｋ＝１、即ちａ＝ｂにてａ＋ｂは極小となり、その値は２である。よってａ＝ｂのとき、即ち磁極面が正方形となる場合に漏れ磁束が最小となることが判る。もちろん、完全な正方形である必要はなく、例えば永久磁石の製造工程の誤差を含む正方形であってもよい。

このような正方形を底面とする四角柱を形状として採用することにより、有効磁束が同じであれば漏洩磁束を小さくし、また体積の小さな永久磁石を得ることができる。つまり永久磁石の形状を適切にしてその材料費を低減することができる。

第１の実施の形態に示されたように、永久磁石を永久磁石埋設用孔２２に埋め込む場合を考える。永久磁石の各々が、回転軸Ｍに垂直な法線を共有する二つの正方形の磁極面を有することになる。磁極面の幅ａ，ｂには相違がないので、いずれの辺を回転軸Ｍと平行に配置するかを判別して方向を定める必要もない。よって生産時の作業を軽減することにより生産費を低減することができる。

もちろん、第１の実施の形態で説明された端板を採用してもよい。

図１３は正方形を磁極面とする永久磁石を埋め込み磁石同期電動機に適用した場合の、磁束Ψをシミュレーションした結果を示す図であり、回転軸に平行な方向から見た断面を示している。固定子１は歯部１０を備えており、歯部１０には巻線１１が巻回されている。図では簡単のため、巻線１１を区々には示さず、その占有領域を多角形で示している。

回転子２の外周は固定子１の歯部１０の端部とわずかに空隙を有して対向している。永久磁石３２は永久磁石埋設用孔２２に埋め込まれている。

第１の実施の形態と比較して、磁極面には角があるため、磁極面の端部に減磁界が集中し、永久磁石が減磁することも考えられる。そこで、正方形の他、これよりも辺数の多い正多角形を底面としてもよい。これにより磁極面の角の角度が広がり、減磁界が集中が低減される。例えば正八角形の磁極面ではその角の角度が１３５度となり、正方形の磁極面の角の角度９０度よりも大きく、減磁界の集中が少ない。このような正多角形の磁極面を採用する場合、例えばその一辺が回転軸Ｍと平行になるように永久磁石埋設用孔２２へと埋め込む。

第３の実施の形態．
図１３で示された、回転子２の内部での磁束Ψの形状からも判るように、隣接する永久磁石同士の間で磁束が湾曲する。磁気エネルギー積が同じ永久磁石を採用して電動機の効率を高めるには、磁極面をこの磁束に垂直とすることが望ましい。このため、回転軸Ｍの側に凸となって湾曲する永久磁石を採用することもある。

ここでは底面が二つの円弧ａgai，ａnai（以下、これらの円弧の長さについても同じ符号を採用する）で挟まれた円筒の一部（以下「円弧柱」と称す）を呈する永久磁石について考察する。

図１４はこのような永久磁石を埋め込む回転子２の構造を示す斜視図である。回転子２では軟磁性体２１中に永久磁石埋設用孔２２が穿たれる。永久磁石埋設用孔２２は回転軸Ｍ側に凸となる円弧ａgai，ａnaiを有し、厚さｔで回転子２の高さｂに亘って穿たれている。円弧ａgaiは円弧ａnaiよりも回転軸Ｍ側に配置される。

図１５は永久磁石埋設用孔２２に埋設される永久磁石３３の形状を示す斜視図である。例外については後述するが、ここでは原則的に永久磁石３３が永久磁石埋設用孔２２と同寸法であるとして考察を進める。

永久磁石３３は、回転軸Ｍに平行な円筒の側面を呈する二つの磁極面を有する。当該円筒を回転軸Ｍに平行な方向から見た断面での外周は円弧ａgaiを、内周は円弧ａnaiを、それぞれ呈する。例えば円弧ａgaiは円弧ａnaiよりも長い。

永久磁石３３に関するパーミアンスは、第２の実施の形態で示されたようにして求めることができる。但し、円弧ａgai，ａnaiの間を通る円弧ａavgを想定し、その長さを円弧ａgai，ａnaiの長さの平均値として採用する。つまり円筒側面のうち、回転軸と直交する辺の長さの平均値ａavgを用いる。

空間Ｐ１１，Ｐ１２、円弧ａavgの辺における空間Ｐ１３、高さｂの辺における空間Ｐ１３、円弧ａavgの辺における空間Ｐ１４、高さｂの辺における空間Ｐ１４におけるパーミアンスは、それぞれ式（１６）において幅ａを円弧ａavgの長さで置換すれば求められる。よって永久磁石３３の全側面での漏れパーミアンスPenkoは式（１９）で求められる。

よって第２の実施の形態と同様にして、ａavg＝ｂのときに、漏れ磁束が最小となることが判る。上述のように円弧ａgaiが円弧ａnaiよりも長い場合には、高さｂは両者の間の長さをとることになる。

もちろん、円弧柱の底面は完全な円弧である必要はなく、例えば永久磁石の製造工程の誤差を含んでもよい。

このような形状を採用することにより、有効磁束が同じであれば漏洩磁束を小さくし、また体積の小さな永久磁石を得ることができる。つまり永久磁石の形状を適切にしてその材料費を低減することができる。

もちろん、第１の実施の形態で説明された端板を採用してもよい。

また、歯部１０（図５参照）と対向するので、図１３に示されるように、回転子２内で永久磁石から固定子側において、磁束は永久磁石から広がって分布する。よってかかる磁束と直交するように、回転軸Ｍに対して凹となるように上記の円弧柱を配置してもよい。その場合でもａavg＝ｂとすることが永久磁石の材料費の低減に資するものの、永久磁石埋設用孔２２も回転軸Ｍ側に凹となる。

永久磁石埋設用孔についての変形．
第１の実施の形態では永久磁石埋設用孔２２が回転子２の高さｄに亘って穿たれ、また幅ｃ及び高さｄが永久磁石３１の半径ａにほぼ等しい場合が例示された。しかし、幅ｃ及び高さｄを永久磁石３１の半径ａよりも大きくすることも、逆磁界の集中を抑制する観点から望ましい。

同様の観点から、第２の実施の形態でも、永久磁石埋設用孔２２の幅ｃ及び高さｄを、永久磁石３２の幅ａ（＝ｂ）より大きくすることも、望ましい変形の一つである。

同様の観点から、第３の実施の形態でも、永久磁石埋設用孔２２の円弧の長さを、永久磁石３３の円弧の長さよりも長くし、また永久磁石埋設用孔２２の高さを永久磁石３３の高さよりも高くすることも、望ましい変形の一つである。

第４の実施の形態．
発明の背景において説明したように、従来から電機子巻線の摺長を短くする歯部の形状は種々工夫されている。このような工夫された歯部を有する固定子に、第１乃至第３の実施の形態で提示した形状の永久磁石を埋め込んだ回転子を組み合わせて電動機を構成することにより、その効率を一層高めることができる。

図１６は歯部１０の形状を例示する斜視図である。巻線が巻回される位置での歯部１０の延在方向Ｚ（これは回転子の回転軸に向く方向と平行となる）と垂直な断面Ｊが長方形となっている。図１６では当該長方形の辺の長さがそれぞれｇ，ｈとなっているが、特許文献４が示唆するように、当該形状は正方形であること（即ちｇ＝ｈ）が望ましい。

図１７は断面Ｊが楕円を呈する様子を示す断面図であり、長軸ｅと短軸ｆとを示している。但し特許文献１で示唆されるように、当該形状は円であること（即ちｅ＝ｆ）が望ましい。

但し、断面Ｊを円形とする歯部１０を形成することは、固定子を電磁鋼板を積層して構成する場合には容易ではない。よってかかる場合の固定子は粉体の強磁性体を焼結して構成することが望まれる。

断面Ｊとして正方形の他、これよりも辺数が多い多角形を採用すれば、比較的に電磁鋼板を積層して構成しやすく、また正方形よりも円形に近づくので、好ましい態様の一つである。

以上のように本発明によれば、第１乃至第３の実施の形態で例示されるように、永久磁石の形状を適切にすることで、磁極面の面積が同じであれば漏洩磁束を低減することができる。よって比φ／Ｖを増大させ、永久磁石の体積当たりの電動機効率を高めることができる。換言すれば、同じ電動機効率であれば、上述の形状を有する永久磁石を採用することにより、材料費を低減することができる。

特に第１の実施の形態や第２の実施の形態で例示されたように、磁極面の形状を正方形や円形とすることで、回転軸方向と、回転軸に直交する方向とを区別して回転子に埋設する必要がない。従って永久磁石を回転子に埋設する際に、その形状の方向を確認したり、整列させたりする工程を省力化でき、生産設備の簡素化や生産効率を向上させることができる。また、永久磁石の端部で発生しやすい耐減磁界の低下を抑制し、永久磁石の体積当たりに耐減磁起磁力ＡＴ／Ｖを大きくすることができる。この効果は永久磁石埋設用孔についての変形により、一層大きくなる。

上記のように改善された電動機は圧縮機や送風機、あるいは更に空気調和器に、例えばそれらの駆動源として搭載することができる。あるいは第１乃至第３の実施の形態で示された回転子を有していれば、特に上述の改善がなされていない固定子を有する電動機であっても、これを搭載して圧縮機や送風機、あるいは更に空気調和器の効率を高めることができる。

本発明の第１の実施の形態にかかる永久磁石の形状を示す図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる永久磁石のパーミアンスを説明する断面図である。 楕円柱を示す上面図である。 摺長と、楕円の軸の比の関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態にかかる永久磁石を適用可能な電動機の一部を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる永久磁石を埋め込んだ回転子を示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる永久磁石の形状を示す図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる永久磁石のパーミアンスを説明する断面図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる永久磁石のパーミアンスを説明する断面図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる永久磁石のパーミアンスを説明する断面図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる永久磁石のパーミアンスを説明する断面図である。 幅ａ，ｂの面積Ｓに対する比と、幅の比ｋとの関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態における磁束をシミュレーションした結果を示す図である。 本発明の第３の実施の形態にかかる永久磁石を適用可能な電動機の一部を示す斜視図である。 本発明の第３の実施の形態にかかる永久磁石の形状を示す斜視図である。 本発明の第４の実施の形態にかかる歯部の形状を例示する斜視図である。 巻線が巻回される位置での歯部の延在方向と垂直な断面を示す断面図である。 集中巻電動機の材料費の比率を示す円グラフである。

符号の説明

１ 固定子
１０ 歯部
２ 回転子
３１〜３３ 永久磁石
Ｊ 断面
Ｍ 回転軸

Claims (10)

1. 所定の回転軸（Ｍ）の回りに回転可能であって、
   複数の永久磁石（３２）を埋設して含み、
   前記永久磁石の各々は、前記回転軸に垂直な法線を共有する二つの磁極面を有し、
   前記二つの磁極面のいずれもが偶数の辺を有する略正多角形である回転子（２）。
2. 所定の回転軸（Ｍ）の回りに回転可能であって、
   複数の永久磁石（３１）を埋設して含み、
   前記永久磁石の各々は、前記回転軸に垂直な法線を共有する二つの磁極面を有し、
   前記二つの磁極面のいずれもが略円形である回転子（２）。
3. 所定の回転軸（Ｍ）の回りに回転可能であって、
   複数の永久磁石（３３）を埋設して含み、
   前記永久磁石の各々は、前記回転軸に平行な円筒の側面を呈する二つの磁極面を有し、
   前記二つの磁極面の前記回転軸と直交する辺の長さの平均値（ａavg）と、前記円筒の高さ（ｂ）とがほぼ等しい回転子（２）。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の回転子（２）と、
   前記回転子と空隙を挟んで対向して巻線が巻回される歯部（１０）を有する固定子（１）と
   を備え、
   前記巻線が巻回される位置での、前記歯部の延在方向と垂直な断面（Ｊ）は、辺数が４以上の多角形を呈する電動機。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の回転子（２）と、
   前記回転子と空隙を挟んで対向して巻線が巻回される歯部（１０）を有する固定子（１）と
   を備え、
   前記巻線が巻回される位置での、前記歯部の延在方向と垂直な断面（Ｊ）が略円形を呈する電動機。
6. 請求項１乃至請求項３いずれか一つに記載の回転子（２）を有する電動機を採用した圧縮機。
7. 請求項４及び請求項５のいずれか一つに記載の電動機を採用した圧縮機。
8. 請求項１乃至請求項３いずれか一つに記載の回転子（２）を有する電動機を採用した送風機。
9. 請求項４及び請求項５のいずれか一つに記載の電動機を採用した送風機。
10. 請求項４及び請求項５のいずれか一つに記載の電動機を採用した空気調和器。

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