WO2018225293A1

WO2018225293A1 - 永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機

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Publication number: WO2018225293A1
Application number: PCT/JP2018/002885
Authority: WO
Inventors: 高畑　良一; 渉初瀬; 大我渕野; 修平新村; 和行松永; 哲也田所
Original assignee: Hitachi Johnson Controls Air Conditioning Inc
Current assignee: Hitachi Johnson Controls Air Conditioning Inc
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2018-01-30
Publication date: 2018-12-13
Anticipated expiration: 2019-12-07
Also published as: KR20200003140A; JP2018207704A; JP6518720B2; CN110651413A; CN110651413B

Abstract

本発明は高速域においても高効率に制御可能な永久磁石式回転電機永久磁石式回転電機を提供することを目的とする。そのために、本発明では以下の構成を備える。固定子の外周側に配置された回転子３には、回転子３の周方向に延び、かつ軸方向に貫通して形成された複数の永久磁石挿入部１３と、永久磁石挿入部１３に挿入される板状の複数の永久磁石１４を備える。また回転子３には、周方向に隣合う永久磁石挿入部１３同士の間であって、回転子３の内周面から径方向外側に向かって凹んだ凹部１１を形成する。回転子３の回転中心と永久磁石１４の周方向中央部とを結ぶ線をｄ軸とし、ｄ軸と電気角で直交する軸をｑ軸としたとき、凹部１１をｑ軸上に位置させた。さらには、周方向に隣合う永久磁石挿入部１３同士の間に永久磁石挿入部１３とは隔離されて形成された切欠部１７を設け、切欠部１７をｑ軸上に位置させた。

Description

永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機

　本発明は回転子に永久磁石を備える永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機に関する。

　永久磁石式回転電機はエアコン、冷蔵庫、冷凍庫、あるいは食品ショーケースなどにおける圧縮機等様々な技術分野に適用されている。従来、永久磁石式回転電機においては、電機子巻線となる固定子巻線に集中巻が採用されるとともに、界磁にはネオジム磁石などの高磁束密度な永久磁石が採用され、小形・高効率化が図られている。しかしながら、小形・高効率化による出力密度の増加に伴い、鉄心の非線形磁気特性（ヒステリシス）の影響が顕著になり、集中巻の採用と相俟って、リラクタンストルクの減少、空間高調波磁束成分の増加に伴う鉄損が増大している。

　この課題を解決するために、例えば特許文献１に記載のように外転型の回転子を有する永久磁石式回転電機が提案されている。特許文献１には、回転子に埋設した永久磁石の両側面に回転子を軸方向に貫通する貫通孔を設けた技術が開示されている。特許文献１では、貫通孔で磁気抵抗が高い空気層を形成し、磁束が貫通孔を回り込んで磁路を長くすることによりリラクタンストルクを向上させている。

特開２００９－１３６０７５号公報

　特許文献１に記載の技術においては、永久磁石の両側に形成した貫通孔で磁気抵抗が高い空気層を形成して磁束漏れの低下を図っている。特許文献１では、永久磁石式回転電機が1000－3000min －1といった中・低速域において高効率を得ることができるが、7000－8000min －1といった高速域においては、負荷トルクが大きい場合、あるいは電動機の電機子巻線を増加して高インダクタンスとなる場合では、トルク電流による磁束（ｑ軸磁束）の影響が大きくなるため、電圧・電流位相が進んで力率が低下する。特に特許文献１では、貫通孔同士の間には永久磁石の磁束軸ｄ軸と電気的に直交するｑ軸が通り、ここに回転子鉄心が位置しているので、貫通孔同士の間からの磁束の漏れが顕著となり、永久磁石式回転電機はインバータなどの駆動装置によって高トルク・高効率に制御できない問題が生じる。
　また、永久磁石を回転子に埋設するにあたり、回転子には永久磁石が挿入される永久磁石挿入部が形成される。この永久磁石挿入部は永久磁石を挿入するため、挿入される永久磁石より若干大きい開口を形成している。永久磁石挿入部から挿入され、回転子に埋設された永久磁石は、回転子の回転に伴う加速・減速により周方向の力を受け、埋設された空間内を移動しようとする。上記特許文献１に記載のように、永久磁石の両側に貫通孔を形成した技術においては、永久磁石の周方向の移動を阻止するために永久磁石が埋設された空間内に突起等を設ける必要がある。しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、永久磁石の荷重は突起等で受ける必要があるので、突起と永久磁石との衝突の繰り返しにより、突起あるいは磁石が破損する恐れがある。

　そこで本発明の目的は、高速域においても高効率に制御可能な永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機を提供することにある。

　また、本発明の目的は、上記に加え、回転子の回転に伴う加速・減速による磁石の破損を防止することができる永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機を提供することにある。

　上記目的を達成するために本発明の特徴とするところは、固定子と、該固定子の外周側に回転可能に配置された回転子とを有し、前記固定子は中心から径方向外側に向かって放射状に設けられた複数のティースと、該複数のティースに巻装された電機子巻線とを有し、前記回転子には、該回転子の周方向に延び、かつ軸方向に貫通して形成された複数の永久磁石挿入部と、該永久磁石挿入部に挿入される板状の複数の永久磁石とを有する永久磁石式回転電機において、前記回転子には、該回転子の周方向に隣合う前記永久磁石挿入部同士の間であって、前記回転子の内周面から径方向外側に向かって凹んだ凹部を形成し、前記回転子の回転中心と前記永久磁石の周方向中央部とを結ぶ線をｄ軸とし、該ｄ軸と電気角で直交する軸をｑ軸としたとき、前記凹部を前記ｑ軸上に位置させたことにある。

　また、本発明の特徴とするところは、固定子と、該固定子の外周側に回転可能に配置された回転子とを有し、前記固定子は中心から径方向外側に向かって放射状に設けられた複数のティースと、該複数のティースに巻装された電機子巻線とを有し、前記回転子には、該回転子の周方向に延び、かつ軸方向に貫通して形成された複数の永久磁石挿入部と、該永久磁石挿入部に挿入される板状の複数の永久磁石とを有する永久磁石式回転電機において、前記回転子には、該回転子の周方向に隣合う前記永久磁石挿入部同士の間であって、該永久磁石挿入部とは隔離されて形成された切欠部を備え、前記回転子の回転中心と前記永久磁石の周方向中央部とを結ぶ線をｄ軸とし、該ｄ軸と電気角で直交する軸をｑ軸としたとき、前記切欠部を前記ｑ軸上に位置させたことにある。

　また、本発明の特徴とするところは、作動流体である気体の容積を縮小する圧縮機構と、該圧縮機構を駆動する永久磁石式回転電機とを備える圧縮機において、前記永久磁石式回転電機は、固定子と、該固定子の外周側に回転可能に配置された回転子とを有し、前記固定子は中心から径方向外側に向かって放射状に設けられた複数のティースと、該複数のティースに巻装された電機子巻線とを有し、前記回転子には、該回転子の周方向に延び、かつ軸方向に貫通して形成された複数の永久磁石挿入部と、該永久磁石挿入部に挿入される板状の複数の永久磁石とを有し、前記回転子には、該回転子の周方向に隣合う前記永久磁石挿入部同士の間であって、前記回転子の内周面から径方向外側に向かって凹んだ凹部を形成し、前記回転子の回転中心と前記永久磁石の周方向中央部とを結ぶ線をｄ軸とし、該ｄ軸と電気角で直交する軸をｑ軸としたとき、前記凹部を前記ｑ軸上に位置させたことにある。

　さらに、本発明の特徴とするところは、作動流体である気体の容積を縮小する圧縮機構と、該圧縮機構を駆動する永久磁石式回転電機とを備える圧縮機において、前記永久磁石式回転電機は、固定子と、該固定子の外周側に回転可能に配置された回転子とを有し、前記固定子は中心から径方向外側に向かって放射状に設けられた複数のティースと、該複数のティースに巻装された電機子巻線とを有し、前記回転子には、該回転子の周方向に延び、かつ軸方向に貫通して形成された複数の永久磁石挿入部と、該永久磁石挿入部に挿入される板状の複数の永久磁石とを有し、前記回転子には、該回転子の周方向に隣合う前記永久磁石挿入部同士の間であって、該永久磁石挿入部とは隔離されて形成された切欠部を備え、前記回転子の回転中心と前記永久磁石の周方向中央部とを結ぶ線をｄ軸とし、該ｄ軸と電気角で直交する軸をｑ軸としたとき、前記切欠部を前記ｑ軸上に位置させたことにある。

　本発明によれば、高速域においても高効率に制御可能な永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機を提供することができる。

　また、本発明によれば、上記に加え、回転子の回転に伴う加速・減速による磁石の破損を防止することができる永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機を提供することができる。

　上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１に係る永久磁石式回転電機の断面図である。本発明の実施例１に係る永久磁石式回転電機の回転子鉄心形状を示す断面図である。比較例の永久磁石式回転電機の低速・低負荷トルク時のベクトル図である。比較例の永久磁石式回転電機の高速・高負荷トルク時のベクトル図である。本発明の実施例１に係る永久磁石式回転電機の高速・高負荷トルク時のベクトル図である。本発明の実施例１に係る永久磁石式回転電機のトルク特性（実線）を示す。本発明の実施例２に係る永久磁石式回転電機の回転子鉄心形状を示す断面図である。本発明の実施例３に係るである圧縮機の断面図である。

　以下、本発明の実施例を図１～図７を用いて説明する。各図中において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。また、各実施例の永久磁石式回転電機は、６極の回転子と、９スロットの固定子から構成される。すなわち、回転子の極数と固定子のスロット数の比が２：３である。回転子の極数、固定子のスロット数、ならびにこれらの比は、各実施例における値に限らず、他の値でも、各実施例と同様の効果を得ることができる。例えば、回転子の極数は、４極あるいは８極や１０極等としても良い。なお、各実施例における永久磁石式回転電機は、永久磁石が回転子鉄心に埋設される、いわゆる埋込磁石型の回転電機である。

　以下の説明において、「軸方向」とは回転子の回転軸方向を示し、「径方向」とは回転子の径方向を示し、「周方向」とは回転子の周方向を示す。

　図１は、本発明の実施例１に係る永久磁石式回転電機の断面図である。本断面図は、回転軸に垂直な方向の断面を示す（後述する図２、６も同様）。なお、本実施例１は、永久磁石式同期電動機として動作する。

　図１に示すように、永久磁石式回転電機１は、固定子２と、固定子２の外周側に所定のギャップ（空隙）を介して回転可能に配置された回転子３から構成されている。この回転子３にはシャフトの固定部を具備した回転子支持部材（図示せず）が設けられている。固定子２は、固定子鉄心６が軸方向に積層され、円環状のコアバック５と、コアバック５から径方向外側へ向けて突出する複数のティース４を備えている。複数のティース４は周方向に沿って略等間隔に配列されている。周方向に隣合うティース４間にはスロット７が形成され、ティース４を取り囲むように集中巻の電機子巻線８が巻装されている。すなわち、電機子巻線８は、固定子２の中心から径方向外側に向かって放射状に配置される複数のティース４の軸心周りに巻装され、周方向に、三相巻線のＵ相巻線８ａ、Ｖ相巻線８ｂ、Ｗ相巻線８ｃが相互に空隙を介して配置される。

　ここで、本実施例１の永久磁石式回転電機１は、回転子３の極数が６極、固定子２のスロット数が９スロットであるから、スロットピッチは電気角で１２０度である。また、固定子２の中心部に、円柱状のシャフト（図示せず）を貫通するシャフト孔１５が形成されている。

　本実施例１の永久磁石式回転電機１においては、三相巻線８ａ～８ｃからなる電機子巻線８に三相交流電流を流すと、回転磁界が発生する。この回転磁界によって永久磁石１４および回転子鉄心１２に働く電磁力により、回転子３が回転する。

　なお、永久磁石式回転電機１が動作する時に固定子鉄心６および回転子鉄心１２に発生する渦電流損などの鉄損を低減するために、固定子鉄心６および回転子鉄心１２は、珪素鋼板などの磁性鋼板からなる薄板を複数積層した積層体によって構成することが好ましい。

　図２は本実施例１による永久磁石式回転電機１の回転子鉄心形状を示す断面図である。図２において、回転子３は、回転子鉄心１２が積層されて構成される。回転子鉄心１２内の内周側表面の近傍には、回転子３の周方向に延び、かつ軸方向に貫通して形成された（断面が細長い長方形状）永久磁石挿入部１３が複数（本実施例１では極数分である６個）形成されている。

　複数の永久磁石挿入部１３には、それぞれ、磁石材料、例えば希土類のネオジムからなる、平板状の永久磁石１４が挿入される。永久磁石挿入部１３は、永久磁石１４より若干大きく形成されており、永久磁石１４の外周は回転子鉄心１２で覆われる。永久磁石１４は回転子３の回転に伴う加速・減速により、永久磁石挿入部１３の隙間を移動するが、周囲を回転子鉄心１２で覆われているので、永久磁石１４に作用する荷重は永久磁石挿入部１３内の回転子鉄心１２の面で受けることになる。このため、回転子鉄心１２自体に亀裂等が入る恐れもない。また、永久磁石１４も永久磁石挿入部１３内の回転子鉄心１２の面に当接するので、永久磁石１４が破損する恐れもない。

　ここで、図２の回転子３の断面において、永久磁石１４の磁極がつくる磁束の方向、つまり永久磁石１４の長手方向中心（断面中央）と回転中心Ｏとを結ぶ仮想軸をｄ軸（磁束軸）と定義し、ｄ軸と電気的に、すなわち、電気角で直交する軸（永久磁石間の軸）をｑ軸と定義する。

　図２において、回転子鉄心１２には、一磁極当たり一枚の永久磁石１４が設けられている。永久磁石１４の断面形状は、永久磁石挿入部１３と同様に細長い長方形状であり、その長手方向はｄ軸に対して幾何的に直角方向に伸びている。

　回転子３の回転子鉄心１２には、隣合う永久磁石挿入部１３同士の間（永久磁石１４の極間）のｑ軸上において、回転子の内周面から径方向外側に向かって凹んだ凹部１１が設けられている。この凹部１１はｑ軸上に位置しており、後述するようにｑ軸磁束を抑制する。また、回転子３、すなわち、回転子鉄心１２は、凹部１１よりも内周側に位置し、固定子２のティース４とのギャップ長（隙間）が最短のｇ１となる内周部と、ギャップ長がｇ１よりも長いｇ２となる内周部とを有している。

　次に凹部１１の構成について説明する。凹部１１は、永久磁石１４の周方向長さ方向と平行に沿う二つの直線部１１ｂ、１１ｃと、二つの直線部１１ｂ、１１ｃの回転子内周側端部を結ぶ曲線部１１ａとを有している。このように凹部１１に曲線部１１ａを設けることで、高速域において回転子遠心力に伴う応力の影響を緩和することができる。本実施例の凹部１１においては曲線部１１ａは二つの直線部１１ｂ、１１ｃと滑らかに接続される。これにより、凹部１１内における回転子遠心力に伴う応力の集中が緩和されるので、遠心力に対する回転子の強度が向上する。

　回転子３の回転中心Ｏの周りにおいて、回転子３の一つの磁極を構成する永久磁石１４の内周側磁極面の端部間の角度をθｐ１、凹部１１の二つの直線部１１ｂ、１１ｃの回転子外周側の各端部間（曲線部１１ａ）の角度をθｐ２とする場合、θｐ１およびθｐ２は、θｐ２/θｐ１≦０．５の関係を満たすように設定される。

　ここで、本実施例においては、上記のように、集中巻の巻線を有する固定子におけるスロットピッチが電気角で１２０°である。また、１磁極当たり１．５スロット（＝９スロット／６極）であるから、ｑ軸間の角度は電気角で１８０°である。このため、電気角で、１２０°≦θｐ１＜１８０°、０°＜θｐ２≦６０°である。したがって、０＜θｐ２/θｐ１≦０．５（＝６０°／１２０°）である。本実施例では下限値を０．１８とし、０．１８≦θｐ２/θｐ１≦０．５の関係を満たすように設定している。

　さらに、本発明の検討によれば、本実施例のように曲線部を有する凹部１１が設けられる回転子の場合、０．１８≦θｐ２/θｐ１とすることにより、後述する図５に示すように、ｑ軸磁束の抑制による高速域における実質的なトルク向上効果が得られる。

　本実施例１の回転子３の回転子鉄心１２には、隣合う永久磁石挿入部１３同士の間（永久磁石１４の極間）において、回転子の内周面から径方向外側に向かって凹んだ凹部１１が設けている。そして、ｑ軸上に凹部１１を位置させている。この凹部１１により空気層が形成され、この空気層により磁気抵抗が高くなるため、周方向に隣合う永久磁石挿入部１３（永久磁石１４）同士の間において磁束が通過し難くなる。このため、永久磁石１４同士の間からの漏れ磁束を低減するとともに、ｑ軸磁束の影響を抑制することができ、誘導起電力と電機子電流との相互作用によって生じる高調波磁束を低減できる。すなわち、凹部１１により、電機子反作用が抑制され、機内磁束の高調波成分が低減される。

　次に、本実施例１の効果を更に高める構成について説明する。回転子３は、周方向に隣合う永久磁石挿入部１３（永久磁石１４）同士の間であって、永久磁石挿入部１３とは隔離されて形成された切欠部１７を備えている。この切欠部１７は回転子を軸方向に貫通している。

　この切欠部１７により空気層が形成され、この空気層により磁気抵抗が高くなるため、周方向に隣合う永久磁石挿入部１３（永久磁石１４）同士の間において磁束が通過し難くなる。そして、ｑ軸上に切欠部１７を位置させている。このため、永久磁石１４同士の間からの漏れ磁束を低減するとともに、ｑ軸磁束の影響を抑制することができ、誘導起電力と電機子電流との相互作用によって生じる高調波磁束を低減できる。すなわち、切欠部１７により、電機子反作用が抑制され、機内磁束の高調波成分が低減される。また、永久磁石挿入部１３に埋設された永久磁石１４の外周は回転子鉄心１２で覆われるので、回転子３の回転に伴う加速・減速により、永久磁石挿入部１３の隙間を永久磁石１４が移動しても、回転子鉄心１２自体に亀裂等が入る恐れもなく、また、永久磁石１４も永久磁石１４が破損する恐れもない。

　図３ａおよび図３ｂは、従来発明による比較例である永久磁石式回転電機のベクトル図である。なお、図３ａは低速・低負荷トルク時であり、図３ｂは高速・高負荷トルク時である。図３ａ、図３ｂのベクトル図は、永久磁石式回転電機を制御するためのｄ－ｑ軸座標系を用いており、本座標系のｄ軸方向は、回転子のｄ軸方向（図２参照）としている。

　図３ａ、図３ｂにおいて、Φｍは永久磁石１４による回転子のｄ軸方向の磁束を示す。ΦｄおよびΦｑは、本座標系において、それぞれ、固定子巻線に流れる電機子電流Ｉ１のｄ軸成分およびｑ軸成分による磁束、すなわち、ｄ軸磁束およびｑ軸磁束を示す。Φ１は、永久磁石による磁束Φｍと電機子電流Ｉ１による磁束（Φｄ、Φｑ）からなる永久磁石式回転電機全体の磁束、すなわち、主磁束を示す。また、Ｅｍは無負荷時の誘起電圧を示す。Ｖ１は、固定子巻線の端子電圧を示し、主磁束Φ１に対して位相差が９０°である。また、Ｖ１は、誘起電圧Ｅｍと、電機子電流Ｉ１のｄ軸成分およびｑ軸成分による電圧降下（ωΦｄ、ωΦｑ：ωはインバータの出力角周波数）との合成ベクトルによって表わされる。

　図３ａに示すように、低速・低負荷トルク時では、電機子電流Ｉ１およびそのｑ軸成分は小さいためにｑ軸磁束が小さいので、主磁束Φ１と永久磁石の磁束Φｍの位相差が小さい。このため、特許文献１の方式でも力率が比較的高くなり、高い効率で所望のトルクが得られる。

　しかしながら、図３ｂに示すように、高速・高負荷トルク時では、電機子電流Ｉ１およびそのｑ軸磁束が大きくなるので、主磁束Φ１とΦｍの位相差が大きくなる。このため、力率が低下し、電機子電流Ｉ１を増やした割には、トルクが大きくならず、効率が低下する。

　図４は、本実施例１の永久磁石式回転電機のベクトル図である。図４は、高速・高負荷トルク時であり、破線で示すベクトル（Φ１’、Ｉ１’、Ｖ１’）が実施例１の永久磁石式回転電機のベクトルである。本実施例１の効果を分かり易くするため、図３ｂに示した比較例のベクトル図を併記している。

　図４に示すように、本実施例においては、回転子３に凹部１１ならびに切欠部１７を設けることにより、回転子のｑ軸方向における磁気抵抗が増大するため、電機子電流Ｉ１を大きくした場合のｑ軸磁束Φｑの影響を抑制できる。このため、高速・高負荷トルク時でも、力率の低下が抑制され、比較的高い効率を維持しながら所望のトルクが得られる。

　ここで、本実施例１におけるｑ軸方向の磁気抵抗を増やす手段、すなわち、ｑ軸磁束を低減する手段である凹部１１の構成や切欠部１７について、さらに具体的に説明する。

　図２に示すように、回転子３がｑ軸上に形成される凹部１１の径方向の内周側端部と、固定子２のティース４とのギャップ長ｇ２は、ｄ軸側のギャップ長ｇ１より大きくなるように設定される。すなわち、回転子３の内周において凹部１１は、固定子２のティース４とのギャップ長が最短のｇ１となる部位と、ｇ１よりも長いギャップ長のｇ２となる部位と、を有している。また、凹部１１は、図２に示すように、永久磁石１４の周方向の長さ方向に平行な二つの直線部（１１ｂ、１１ｃ）と、これら直線部の回転子内周側の各端部を結ぶ曲線部（１１ａ）とを有する。このようにして、回転子３の内周部が構成される。

　さらに、凹部１１において、隣合う永久磁石１４の間に回転方向に沿うように位置する内周側の曲線部１１ａと、その内周側の曲線部１１ａの回転方向の側端部から回転方向側に広がるように位置する略直線状の回転方向側の直線部１１ｂと、内周側の曲線部１１ａの反回転方向側の端部から反回転方向側に広がるように位置する略直線状の反回転方向側の直線部１１ｃとが接続する。すなわち、凹部１１の曲線部１１ａの中央部と回転中心Ｏとの距離が、永久磁石１４と回転中心Ｏとの距離よりも長い。これにより、ｑ軸磁束が低減される。なお、ここでは時計周りを回転方向として説明したが、反時計周りに回転する回転子３であっても構わない。このような凹部１１と前述した切欠部１７により、永久磁石１４の磁束をｄ軸近傍に集めることができる。

　なお、本実施例においては、凹部１１を永久磁石１４の周方向の長さ方向と平行な二つの直線部（１１ｂ、１１ｃ）と、各直線部の回転子内周側の端部を結ぶ曲線部とで構成するが、これに限定されず、凹部１１の内周側から外周側に向かうにつれて左右に広がる形状であればよい。

　上述したように、回転子３の一つの磁極を構成する永久磁石１４の内周側磁極面の端部間の角度θｐ１と、凹部１１の二つの直線部１１ｂ、１１ｃの回転子内周側の各端部間の角度θｐ２とを、０．１８≦θｐ２/θｐ１≦０．５となる様に設定し、永久磁石挿入部１３（永久磁石１４）の側面において、回転子３を軸方向に貫通する切欠部１７を形成することにより、ｑ軸の磁気抵抗を増やすことが可能となる。このため、図４に示すように、電圧（Ｖ１’）と電流（Ｉ１’）の位相差、ならびに主磁束Φ１と永久磁石の磁束Φｍの位相差が低減される。これにより、高速域において、高トルクが得られる。また、永久磁石式回転電機のインダクタンスが大きい場合、電機子反作用の影響による力率低下を抑制することができる。その結果、トルクの低下を抑制しつつ、永久磁石式回転電機の小形・高効率化が可能となる。

　図５は、本実施例１の永久磁石式回転電機のトルク特性（実線）を示す。縦軸および横軸は、それぞれトルクおよび電機子電流である。ただし、定格電流を１Ｐ．Ｕ．とし、また、定格電流を流した際での本実施例１のトルク（高速域のトルク）を１Ｐ．Ｕ．としている。なお、比較例として従来発明による永久磁石式回転電機のトルク特性を破線で示す。図５に示すように、本実施例１の永久磁石式回転電機のトルクは、従来発明による比較例よりも大きくなり、特に高速域において大きくなっている。

　本実施例１によれば、隣合う永久磁石挿入部１３同士の間（永久磁石１４の極間）において、回転子３の内周面から径方向外側に向かって凹んだ凹部１１が設け、この凹部１１をｑ軸上に位置させているので、電機子反作用の影響による力率低下が抑制され、高速域でのトルク低下を抑制することができる。このため、永久磁石式回転電機の高効率化や小型化が可能になる。

　また、本実施例１によれば、隣合う永久磁石挿入部１３同士の間（永久磁石１４の極間）において、永久磁石挿入部１３とは隔離されて形成された切欠部１７を設け、この切切欠部１７をｑ軸上に位置させているので、電機子反作用の影響による力率低下が抑制され、高速域でのトルク低下を抑制することができる。このため、永久磁石式回転電機の高効率化や小型化が可能になる。

　以上説明した本実施例１では、回転子３に凹部１１及び切欠部１７の両方を設けているが、凹部１１あるいは切欠部１７の何れか一方を設けるようにしても良い。

　図６は、本発明の実施例２に係る永久磁石式回転電機の回転子鉄心形状の断面図である。

　図６において、図２と参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。以下、主に、実施例１とは異なる点について説明する。

　本実施例２は、実施例１（図２）と異なり、回転子３の磁極一極あたり２枚の永久磁石を備えている。実施例１のように永久磁石を用いる場合、渦電流による熱損失が問題となる。特に、高回転を行う場合、磁石に加わる変動磁場の周波数や変動幅も増加し、それに伴い熱損失も増加する。この渦電流のよる発熱損失を低減するために、本実施例では永久磁石挿入部１３に埋設される永久磁石１４を分割して配置している（１４ａ、１４ｂ）。分割された永久磁石１４ａ、１４ｂは個々の磁石に鎖交する磁束が減少する。そのため分割された個々の永久磁石１４ａ、１４ｂの渦電流密度が減少し、総量としての渦電流損失が減少する。

　本実施例２によれば、永久磁石挿入部１３に埋設される永久磁石１４(１４ａ、１４ｂ)を分割して配置しているので、渦電流による損失を低減することができる。

　また、本実施例２によれば、隣合う永久磁石挿入部１３同士の間（永久磁石１４の極間）において、回転子３の内周面から径方向外側に向かって凹んだ凹部１１が設け、この凹部１１をｑ軸上に位置させているので、電機子反作用の影響による力率低下が抑制され、高速域でのトルク低下を抑制することができる。

　さらに本実施例２によれば、隣合う永久磁石挿入部１３同士の間（永久磁石１４の極間）において、永久磁石挿入部１３とは隔離されて形成された切欠部１７を設け、この切切欠部１７をｑ軸上に位置させているので、電機子反作用の影響による力率低下が抑制され、高速域でのトルク低下を抑制することができる。このため、永久磁石式回転電機の高効率化や小型化が可能になる。

　このように永久磁石１４を分割して配置した回転子構造においても電機子反作用の影響による力率低下を改善することができ、トルクの低下を抑制し、小形・高効率にできることはいうまでもない。

　以上説明した本実施例２では、回転子３に凹部１１及び切欠部１７の両方を設けているが、凹部１１あるいは切欠部１７の何れか一方を設けるようにしても良い。

　次に実施例１及び２の永久磁石式回転電機をスクロール圧縮機に適用して例について、図７を用いて説明する。図７は、本発明の実施例３に係る圧縮機の断面図である。

　図７において、円筒状の圧縮容器６９内には、固定スクロール部材６０の端板６１に直立する渦巻状ラップ６２と、旋回スクロール部材６３の端板６４に直立する渦巻状ラップ６５とが互いに噛み合う圧縮機構を備え、永久磁石式回転電機により旋回スクロール部材６３がクランク軸７２を介して旋回運動することによって圧縮動作が行われる。この永久磁石式回転電機として、本発明の実施例１または実施例２が適用される。

　また、固定スクロール部材６０および旋回スクロール部材６３によって形成される圧縮室６６ａ～６６ｂのうち、最も外径側に位置している圧縮室は、旋回運動に伴って固定スクロール部材６０、旋回スクロール部材６３の中心に向かって移動し、容積が次第に縮小する。圧縮室６６ａ、６６ｂが固定スクロール部材６０、旋回スクロール部材６３の中心近傍に達すると、両圧縮室内の作動流体である圧縮ガスは圧縮室６６と連通した吐出口６７から吐出される。吐出された圧縮ガスは固定スクロール部材６０およびフレーム６８に設けられたガス通路（図示せず）を通ってフレーム６８下部の圧縮容器６９内に至り、圧縮容器６９の側壁に設けられ、吐出パイプ７０から圧縮機外に排出される。

　また、圧縮機を駆動する永久磁石式回転電機は、別置のインバータ（図示せず）によって制御され、圧縮動作に適した回転速度で回転する。ここで、永久磁石式回転電機は固定子２と回転子３から構成され、クランク軸７２は、実施例１、２におけるシャフト孔１５に取付けられる。永久磁石式回転電機によってクランク軸７２が回転すると、旋回スクロール部材６３は、自転せずに、クランク軸７２の上部における所定の偏心量を半径とする旋回公転運動を行う。クランク軸７２の内部には、油孔７４が設けられ、クランク軸７２の回転に伴って圧縮容器６９の下部にある油溜め部７３の潤滑油が油孔７４を介してすべり軸受７５へ供給される。このような圧縮機に、上述の実施例１、２のうちのいずれかの永久磁石式回転電機を適用することより、圧縮機の効率向上が図られ、省エネ化が可能となる。

　ところで、現在の家庭用および業務用のエアコンでは、圧縮容器６９内にＲ４１０Ａ冷媒が封入されているものが多く、永久磁石式回転電機の周囲温度は８０℃以上となることが多い。今後、地球温暖化係数がより小さいＲ３２冷媒の採用が進むと永久磁石式回転電機の周囲温度はさらに上昇する。永久磁石１４、特にネオジム磁石は、高温になると残留磁束密度が低下し、同一出力を確保するために電機子電流が増加することから、前述の実施例１または実施例２の永久磁石式回転電機を適用することで、効率低下を抑えることができる。本実施例３では、スクロール圧縮機に前述の実施例１または実施例２の永久磁石式回転電機を適用する例を説明したが、本実施例３を提供するにあたり、冷媒の種類が制限されるものではない。また、圧縮機の種類として、本実施例３ではスクロール圧縮機の例で説明したが、ロ－タリ圧縮機、レシプロ圧縮機などの他の圧縮機構を有する圧縮機に適用することも可能である。

　本実施例３によれば、小形・高効率な永久磁石式回転電機を適用することにより、省エネ化が可能な圧縮機を実現できる。また、実施例１、２の永久磁石式回転電機を適用することにより、圧縮機の高速運転が可能になるなど、運転範囲を広げることができる。

　さらに、ＨｅやＲ３２などの冷媒においては、Ｒ２２、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａなどの冷媒と比べて、圧縮機における隙間からの漏れが大きく、特に低速運転時には、循環量に対する漏れの比率が大きくなるため、効率が低下する。低循環量（低速運転）時の効率向上のためには、圧縮機構部を小形化し、同じ循環量を得るために回転数を上げることで、漏れ損失を低減させることが有効である。さらに、最大循環量を確保するために最大回転数も上げることが好ましい。これに対し、上述の実施例１及び２の永久磁石式回転電機１を圧縮機に適用することで、最大トルクおよび最大回転数を大きくすることが可能となり、かつ高速域での損失低減が可能となるため、ＨｅやＲ３２等の冷媒を用いる際に効率を向上することができる。

　上述のように、実施例１または実施例２の永久磁石式回転電機を圧縮機に適用することにより、圧縮機の効率を向上することができる。

　なお、本発明は前述した実施例１～３に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。前述した実施例１～３は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明を実現するにあたり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例１～３の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。

　１…永久磁石式回転電機、２…固定子、３…回転子、４…ティース、５…コアバック、６…固定子鉄心、７…スロット、８ａ，８ｂ，８ｃ…三相巻線、１１…凹部、１２…回転子鉄心、１３…永久磁石挿入部、１４…永久磁石、１５…シャフト孔、１７…切欠部、６０…固定スクロール部材、６１，６４…端板、６２，６５…渦巻状ラップ、６３…旋回スクロール部材、６６ａ，６６ｂ…圧縮室、６７…吐出口、６８…フレーム、６９…圧縮容器、７０…吐出パイプ、７２…クランク軸、７３…油溜め部、７４…油孔、７５…すべり軸受

Claims

　固定子と、該固定子の外周側に回転可能に配置された回転子とを有し、
　前記固定子は中心から径方向外側に向かって放射状に設けられた複数のティースと、該複数のティースに巻装された電機子巻線とを有し、
　前記回転子には、該回転子の周方向に延び、かつ軸方向に貫通して形成された複数の永久磁石挿入部と、該永久磁石挿入部に挿入される板状の複数の永久磁石とを有する永久磁石式回転電機において、
　前記回転子には、該回転子の周方向に隣合う前記永久磁石挿入部同士の間であって、前記回転子の内周面から径方向外側に向かって凹んだ凹部を形成し、
　前記回転子の回転中心と前記永久磁石の周方向中央部とを結ぶ線をｄ軸とし、該ｄ軸と電気角で直交する軸をｑ軸としたとき、前記凹部を前記ｑ軸上に位置させたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
　請求項１において、
　前記回転子には、該回転子の周方向に隣合う前記永久磁石挿入部同士の間であって、該永久磁石挿入部とは隔離されて形成された切欠部を備え、該切欠部を前記ｑ軸上に位置させたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
　請求項１又は２において、
　前記凹部は、前記回転子の周方向に隣合う前記永久磁石挿入部の周方向にそれぞれ形成された二つ直線部と、該二つの直線部の間に形成された曲線部から構成されたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
　請求項３において、
　前記永久磁石の内周側の磁極面の端部間の角度θｐ１とし、前記二つの直線部の回転子内周側の端部間の角度θｐ２とした時、θｐ２/θｐ１≦０．５となる関係を有することを特徴とする永久磁石式回転電機。
　請求項３又は４において、
　前記凹部は、前記二つの直線部の間隔が前記回転子の外周側から前記回転子の内周側へ向かって広がっていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
　固定子と、該固定子の外周側に回転可能に配置された回転子とを有し、
　前記固定子は中心から径方向外側に向かって放射状に設けられた複数のティースと、該複数のティースに巻装された電機子巻線とを有し、
　前記回転子には、該回転子の周方向に延び、かつ軸方向に貫通して形成された複数の永久磁石挿入部と、該永久磁石挿入部に挿入される板状の複数の永久磁石とを有する永久磁石式回転電機において、
　前記回転子には、該回転子の周方向に隣合う前記永久磁石挿入部同士の間であって、該永久磁石挿入部とは隔離されて形成された切欠部を備え、
　前記回転子の回転中心と前記永久磁石の周方向中央部とを結ぶ線をｄ軸とし、該ｄ軸と電気角で直交する軸をｑ軸としたとき、前記切欠部を前記ｑ軸上に位置させたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
　請求項１乃至６の何れかにおいて、
　前記永久磁石挿入部に挿入される前記永久磁石は分割して埋設されたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
　作動流体である気体の容積を縮小する圧縮機構と、該圧縮機構を駆動する永久磁石式回転電機とを備える圧縮機において、
　前記永久磁石式回転電機は、
　固定子と、該固定子の外周側に回転可能に配置された回転子とを有し、
　前記固定子は中心から径方向外側に向かって放射状に設けられた複数のティースと、該複数のティースに巻装された電機子巻線とを有し、
　前記回転子には、該回転子の周方向に延び、かつ軸方向に貫通して形成された複数の永久磁石挿入部と、該永久磁石挿入部に挿入される板状の複数の永久磁石とを有し、
　前記回転子には、該回転子の周方向に隣合う前記永久磁石挿入部同士の間であって、前記回転子の内周面から径方向外側に向かって凹んだ凹部を形成し、
　前記回転子の回転中心と前記永久磁石の周方向中央部とを結ぶ線をｄ軸とし、該ｄ軸と電気角で直交する軸をｑ軸としたとき、前記凹部を前記ｑ軸上に位置させたことを特徴とする圧縮機。
　請求項８において、
　前記回転子には、該回転子の周方向に隣合う前記永久磁石挿入部同士の間であって、該永久磁石挿入部とは隔離されて形成された切欠部を備え、該切欠部を前記ｑ軸上に位置させたことを特徴とする圧縮機。
　作動流体である気体の容積を縮小する圧縮機構と、該圧縮機構を駆動する永久磁石式回転電機とを備える圧縮機において、
　前記永久磁石式回転電機は、
　固定子と、該固定子の外周側に回転可能に配置された回転子とを有し、
　前記固定子は中心から径方向外側に向かって放射状に設けられた複数のティースと、該複数のティースに巻装された電機子巻線とを有し、
　前記回転子には、該回転子の周方向に延び、かつ軸方向に貫通して形成された複数の永久磁石挿入部と、該永久磁石挿入部に挿入される板状の複数の永久磁石とを有し、
　前記回転子には、該回転子の周方向に隣合う前記永久磁石挿入部同士の間であって、該永久磁石挿入部とは隔離されて形成された切欠部を備え、
　前記回転子の回転中心と前記永久磁石の周方向中央部とを結ぶ線をｄ軸とし、該ｄ軸と電気角で直交する軸をｑ軸としたとき、前記切欠部を前記ｑ軸上に位置させたことを特徴とする圧縮機。