(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-11
(45)【発行日】2023-12-19
(54)【発明の名称】永久磁石電動機
(51)【国際特許分類】
H02K 21/14 20060101AFI20231212BHJP
H02K 1/276 20220101ALI20231212BHJP
【ＦＩ】
H02K21/14 M
H02K1/276
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2020065442
(22)【出願日】2020-03-31
(65)【公開番号】P2021164327
(43)【公開日】2021-10-11
【審査請求日】2023-01-19
(73)【特許権者】
【識別番号】000116666
【氏名又は名称】愛知電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003052
【氏名又は名称】弁理士法人勇智国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 光彦
【審査官】池田 貴俊
(56)【参考文献】
【文献】特開２００７－１５９１９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０５４１５５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－０３２９８５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｋ ２１／１４
Ｈ０２Ｋ １／２７
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
固定子と回転子を備え、前記固定子は、周方向に沿って離間して配置されている複数のティース、周方向に隣接するティースによって形成される複数のスロット、各ティースに巻き付けられている固定子巻線および固定子内側空間を形成する固定子内周面を有し、前記回転子は、前記固定子内側空間内に回転可能に配置され、周方向に沿って主磁極と補助磁極が交互に配置されているとともに、前記主磁極に磁石挿入孔が形成されており、前記磁石挿入孔に永久磁石が挿入されている永久磁石電動機であって、前記固定子巻線は、前記複数のティースに集中巻き方式で巻き付けられており、
前記主磁極は、６個設けられ、
前記スロットは、９個設けられ、
前記回転子の外周面は、前記主磁極のｄ軸と交差し、回転中心を中心点とする半径Ｒ１の円弧状に形成された第１の外周面部分と、前記補助磁極のｑ軸と交差し、前記回転中心を中心点とする半径Ｒ２（Ｒ２＜Ｒ１）の円弧状に形成された第２の外周面部分と、前記第１の外周面部分と前記第２の外周面部分を接続する接続部分と、を有し、
前記回転子の直径Ｄ（ｍｍ）は、［５８ｍｍ≦Ｄ≦９３ｍｍ］を満足するように設定され、
前記第１の外周面部分と前記固定子内周面との間の距離Ｇ（ｍｍ）は、［０．５ｍｍ≦Ｇ≦０．６ｍｍ］を満足するように設定され、
前記回転中心に対する前記第１の外周面部分の開角度θ１（機械角）は、［１６度≦θ１≦１９度］を満足するように設定され、
前記第１の外周面部分と前記第２の外周面部分との間の径方向に沿った間隔Ｈ（ｍｍ）は、［２×Ｇ＜Ｈ＜２×Ｇ×１．１］を満足するように設定され、
前記永久磁石の厚さＷ（ｍｍ）は、［２×Ｇ×０．９＜Ｗ＜２×Ｇ×１．１］を満足するように設定され、
前記ティースの幅Ｔは、［０．２０×（Ｄ＋２×Ｇ）×π／９＜Ｔ＜０．２３×（Ｄ＋２×Ｇ）×π／９］を満足するように設定されていることを特徴とする永久磁石電動機。
【請求項2】
請求項１に記載の永久磁石電動機であって、前記永久磁石として、飽和磁束密度が１．４テスラと１．６テスラの範囲内の永久磁石が用いられていることを特徴とする永久磁石電動機。
【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、前記固定子および前記回転子は、磁束密度が１．７５テスラと１．９テスラの範囲内で線形領域から非線形領域に移行する電磁鋼板により構成されていることを特徴とする永久磁石電動機。
【請求項4】
圧縮機構部と、前記圧縮機構部を駆動する電動機を備える圧縮機であって、前記電動機として請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の永久磁石電動機が用いられていることを特徴とする圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、回転子に形成された磁石挿入孔に永久磁石が挿入されている永久磁石電動機に関する。
【背景技術】
【0002】
圧縮機、空調器、車載機器等の駆動装置として永久磁石電動機が用いられている。永久磁石としては、安価なフェライト磁石や、フェライト磁石より高価であるが、残留磁束密度や保持力が大きい希土類磁石、例えば、ネオジウム（Ｎｄ）と鉄（Ｆｅ）を含むネオジウム磁石が用いられる。
永久磁石電動機としては、例えば、特許文献１や非特許文献１に開示されている永久磁石電動機が知られている。特許文献１や非特許文献１に開示されている永久磁石電動機は、固定子と回転子を備えている。回転子は、主磁極と補助磁極を有し、主磁極には、磁石挿入孔が形成され、磁石挿入孔には永久磁石が挿入されている。このような永久磁石電動機のトルクＴは、永久磁石による磁束量をΦ、ｑ軸電流をＩｑ、ｄ軸電流をＩｄ、ｑ軸インダクタンスをＬｑ、ｄ軸インダクタンスをＬｄ、回転子の極対数をＰとすると、以下の式で表される。
Ｔ＝Ｐ［Φ×Ｉｑ＋（Ｌｄ－Ｌｑ）×Ｉｄ×Ｉｑ］
上式の右辺の第１項は、永久磁石の磁束によるマグネットトルクを示し、第２項は、回転子の突極性（ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとの差）によるリラクタンストルクを示している。
ここで、（Ｌｑ＞Ｌｄ）に設定するとともに、固定子巻線の電流を進角制御する（負のｄ軸電流Ｉｄを流す）ことにより、リラクタンストルクが正となり、マグネットトルクとリラクタンストルクの和であるトルクＴが増加する。
このため、従来の永久磁石電動機では、リラクタンストルクを有効に利用して永久磁石電動機のトルクＴを増加させるために、ｑ軸インダクタンスＬｑがｄ軸インダクタンスＬｄより十分に大きくなるように構成されている。なお、リラクタンストルクを有効に利用することにより、固定子のティースに巻き付ける固定子巻線の巻数を低減することができる。その結果、固定子巻線の抵抗値が低減され、銅損が低減される。
固定子のティースには、永久磁石による磁束と固定子巻線に電流が流れることによって発生する磁束が流れる。固定子巻線に電流が流れることによって発生する磁束は、電流が増大するにしたがって増加する。すなわち、ティースを流れる磁束は、固定子巻線に流れる電流の増加とともに増加する。このため、固定子巻線に流れる電流が増大すると、ティースの磁束密度が飽和し、ｑ軸インダクタンスＬｑが低下する。
このような永久磁石電動機は、高効率で、高トルクを発生させるために、電流が大きい領域において、ｑ軸インダクタンスＬｑがｄ軸インダクタンスＬｄより大きくなるように設定される。このため、従来の永久磁石電動機では、ｄ軸インダクタンスＬｄおよびｑ軸インダクタンスＬｑが、図３に示されている電流特性を有するように構成されている。すなわち、ｄ軸インダクタンスＬｄは、電流が増減してもほぼ同じである。一方、ｑ軸インダクタンスＬｑは、電流が小さい時は大きく、電流の増加にともなって、ティースの磁束密度の飽和により低下する。
永久磁石電動機としては、例えば、特許文献１や非特許文献１に開示されている永久磁石電動機が知られている。特許文献１や非特許文献１に開示されている永久磁石電動機は、固定子と回転子を備えている。回転子は、主磁極と補助磁極を有し、主磁極には、磁石挿入孔が形成され、磁石挿入孔には永久磁石が挿入されている。このような永久磁石電動機のトルクＴは、永久磁石による磁束量をΦ、ｑ軸電流をＩｑ、ｄ軸電流をＩｄ、ｑ軸インダクタンスをＬｑ、ｄ軸インダクタンスをＬｄ、回転子の極対数をＰとすると、以下の式で表される。
Ｔ＝Ｐ［Φ×Ｉｑ＋（Ｌｄ－Ｌｑ）×Ｉｄ×Ｉｑ］
上式の右辺の第１項は、永久磁石の磁束によるマグネットトルクを示し、第２項は、回転子の突極性（ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとの差）によるリラクタンストルクを示している。
ここで、（Ｌｑ＞Ｌｄ）に設定するとともに、固定子巻線の電流を進角制御する（負のｄ軸電流Ｉｄを流す）ことにより、リラクタンストルクが正となり、マグネットトルクとリラクタンストルクの和であるトルクＴが増加する。
このため、従来の永久磁石電動機では、リラクタンストルクを有効に利用して永久磁石電動機のトルクＴを増加させるために、ｑ軸インダクタンスＬｑがｄ軸インダクタンスＬｄより十分に大きくなるように構成されている。なお、リラクタンストルクを有効に利用することにより、固定子のティースに巻き付ける固定子巻線の巻数を低減することができる。その結果、固定子巻線の抵抗値が低減され、銅損が低減される。
固定子のティースには、永久磁石による磁束と固定子巻線に電流が流れることによって発生する磁束が流れる。固定子巻線に電流が流れることによって発生する磁束は、電流が増大するにしたがって増加する。すなわち、ティースを流れる磁束は、固定子巻線に流れる電流の増加とともに増加する。このため、固定子巻線に流れる電流が増大すると、ティースの磁束密度が飽和し、ｑ軸インダクタンスＬｑが低下する。
このような永久磁石電動機は、高効率で、高トルクを発生させるために、電流が大きい領域において、ｑ軸インダクタンスＬｑがｄ軸インダクタンスＬｄより大きくなるように設定される。このため、従来の永久磁石電動機では、ｄ軸インダクタンスＬｄおよびｑ軸インダクタンスＬｑが、図３に示されている電流特性を有するように構成されている。すなわち、ｄ軸インダクタンスＬｄは、電流が増減してもほぼ同じである。一方、ｑ軸インダクタンスＬｑは、電流が小さい時は大きく、電流の増加にともなって、ティースの磁束密度の飽和により低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００２－１３６０１１号公報
【非特許文献】
【0004】
【文献】電気学会論文集、Ｖｏｌ．１１３－Ｄ、Ｎｏ．１１、頁１３３０－１３３１、１９９３年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来の永久磁石電動機では、永久磁石の減磁を防止するために、厚さが厚い永久磁石が用いられている。このため、図３に示されているように、ｄ軸インダクタンスＬｄは、電流が増減してもほぼ同じである電流特性を有している。
このように、ｄ軸インダクタンスＬｄが、電流が増減してもほぼ同じである電流特性を有していると、電流が大きい領域において、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄとの差を大きくすることができない。永久磁石電動機のリラクタンストルクは、前述した式で示されるように、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄとの差によって定まる。このため、従来の永久磁石電動機では、電流が大きい領域においてリラクタンストルクを大きくすることができなかった。この場合、トルクを大きくするためには、固定子巻線に大きい電流を流す必要があり、銅損が増大して効率が低下する。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、電流が大きい領域におけるｄ軸インダクタンスＬｄを小さくし、リラクタンストルクを大きくす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。
このように、ｄ軸インダクタンスＬｄが、電流が増減してもほぼ同じである電流特性を有していると、電流が大きい領域において、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄとの差を大きくすることができない。永久磁石電動機のリラクタンストルクは、前述した式で示されるように、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄとの差によって定まる。このため、従来の永久磁石電動機では、電流が大きい領域においてリラクタンストルクを大きくすることができなかった。この場合、トルクを大きくするためには、固定子巻線に大きい電流を流す必要があり、銅損が増大して効率が低下する。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、電流が大きい領域におけるｄ軸インダクタンスＬｄを小さくし、リラクタンストルクを大きくす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。
【課題を解決するための手段】
【0006】
第１発明は、固定子と回転子を備える永久磁石電動機に関する。
固定子は、周方向に沿って延在するヨークと、ヨークから径方向に沿って径方向内側に延在し、径方向内側に周方向に沿って延在するティース先端面が形成されている複数のティースと、周方向に隣接するティースによって形成される複数のスロットと、各ティースに集中巻き方式で巻き付けられている固定子巻線を有している。ティース先端面によって、固定子内周面が形成される。
回転子は、固定子内周面によって形成される固定子内側空間内に回転可能に支持されている。また、回転子は、周方向に沿って主磁極と補助磁極が交互に配置されているとともに、主磁極には、軸方向に沿って延在する磁石挿入孔が形成されている。そして、磁石挿入孔に永久磁石が挿入されている。永久磁石としては、種々の永久磁石を用いることができるが、好適には、ネオジウム系磁石が用いられる。より好適には、ディスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）が拡散されたネオジウム磁石が用いられる。磁石挿入孔に挿入された永久磁石によって、主磁極と補助磁極が規定され、また、主磁極のｄ軸と補助磁極のｑ軸が規定される。なお、ｄ軸は、回転子の回転中心と主磁極の周方向中央を結ぶ線として規定され、ｑ軸は、回転子の回転中心と補助磁極の周方向中央を結ぶ線として規定される。
本発明では、主磁極は、６個設けられ、スロットは、９個設けられている。すなわち、６極９スロットの集中巻き方式の永久磁石電動機として構成されている。
回転子の外周面は、主磁極のｄ軸と交差する第１の外周面部分と、補助磁極のｑ軸と交差する第２の外周面部分と、第１の外周面部分と第２の外周面部分を接続する接続部分を有している。第１の外周面部分は、回転中心を中心点とする半径Ｒ１の円弧形状に形成されている。第２の外周面部分は、回転中心を中心点とする、半径Ｒ１より小さい半径Ｒ２（Ｒ２＜Ｒ１）の円弧形状に形成されている。
回転子の直径Ｄ（ｍｍ）は、［５８ｍｍ≦Ｄ≦９３ｍｍ］を満足するように設定されている。また、第１の外周面部分と固定子内周面との間の距離Ｇ（ｍｍ）は、［０．５ｍｍ≦Ｇ≦０．６ｍｍ］を満足するように設定されている。また、回転中心に対する第１の外周面部分の開角度θ１（機械角）は、［１６度≦θ１≦１９度］を満足するように設定されている。また、第１の外周面部分と第２の外周面部分との間の径方向に沿った間隔Ｈ（ｍｍ）は、［２×Ｇ＜Ｈ＜２×Ｇ×１．１］を満足するように設定されている。また、永久磁石の厚さＷ（ｍｍ）は、［２×Ｇ×０．９＜Ｗ＜２×Ｇ×１．１］を満足するように設定されている。また、ティースの幅Ｔは、［０．２×（Ｄ＋２×Ｇ）×π／９＜Ｔ＜０．２３×（Ｄ＋２×Ｇ）×π／９］を満足するように設定されている。
本発明では、ｑ軸インダクタンスＬｑは、従来の永久磁石電動機と同様に、電流が大きい領域では、ティースを介して流れるｑ軸磁束が飽和することによって小さくなる。一方、ｄ軸インダクタンスＬｄは、電流が大きい領域において、ティースを介して流れるｄ軸磁束が飽和することによって、従来の永久磁石電動機より小さくなる。これにより、電流が大きい領域におけるｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄとの差を、従来の永久磁石電動機より大きくすることができ、電流が大きい領域におけるリラクタンストルクを大きくすることができる。
第１発明の異なる形態では、永久磁石として、飽和磁束密度が１．４テスラと１．６テスラの範囲内の永久磁石が用いられている。
第１発明の異なる形態では、固定子および回転子は、磁束密度が１．７５テスラと１．９テスラの範囲内で線形領域から非線形領域に移行する電磁鋼板により構成されている。
第２発明は、圧縮機構部と、圧縮機構部を駆動する電動機を備える圧縮機に関する。電動機として、前述した永久磁石電動機のいずれかが用いられている。
第２発明は、第１発明と同様の効果を有する。
固定子は、周方向に沿って延在するヨークと、ヨークから径方向に沿って径方向内側に延在し、径方向内側に周方向に沿って延在するティース先端面が形成されている複数のティースと、周方向に隣接するティースによって形成される複数のスロットと、各ティースに集中巻き方式で巻き付けられている固定子巻線を有している。ティース先端面によって、固定子内周面が形成される。
回転子は、固定子内周面によって形成される固定子内側空間内に回転可能に支持されている。また、回転子は、周方向に沿って主磁極と補助磁極が交互に配置されているとともに、主磁極には、軸方向に沿って延在する磁石挿入孔が形成されている。そして、磁石挿入孔に永久磁石が挿入されている。永久磁石としては、種々の永久磁石を用いることができるが、好適には、ネオジウム系磁石が用いられる。より好適には、ディスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）が拡散されたネオジウム磁石が用いられる。磁石挿入孔に挿入された永久磁石によって、主磁極と補助磁極が規定され、また、主磁極のｄ軸と補助磁極のｑ軸が規定される。なお、ｄ軸は、回転子の回転中心と主磁極の周方向中央を結ぶ線として規定され、ｑ軸は、回転子の回転中心と補助磁極の周方向中央を結ぶ線として規定される。
本発明では、主磁極は、６個設けられ、スロットは、９個設けられている。すなわち、６極９スロットの集中巻き方式の永久磁石電動機として構成されている。
回転子の外周面は、主磁極のｄ軸と交差する第１の外周面部分と、補助磁極のｑ軸と交差する第２の外周面部分と、第１の外周面部分と第２の外周面部分を接続する接続部分を有している。第１の外周面部分は、回転中心を中心点とする半径Ｒ１の円弧形状に形成されている。第２の外周面部分は、回転中心を中心点とする、半径Ｒ１より小さい半径Ｒ２（Ｒ２＜Ｒ１）の円弧形状に形成されている。
回転子の直径Ｄ（ｍｍ）は、［５８ｍｍ≦Ｄ≦９３ｍｍ］を満足するように設定されている。また、第１の外周面部分と固定子内周面との間の距離Ｇ（ｍｍ）は、［０．５ｍｍ≦Ｇ≦０．６ｍｍ］を満足するように設定されている。また、回転中心に対する第１の外周面部分の開角度θ１（機械角）は、［１６度≦θ１≦１９度］を満足するように設定されている。また、第１の外周面部分と第２の外周面部分との間の径方向に沿った間隔Ｈ（ｍｍ）は、［２×Ｇ＜Ｈ＜２×Ｇ×１．１］を満足するように設定されている。また、永久磁石の厚さＷ（ｍｍ）は、［２×Ｇ×０．９＜Ｗ＜２×Ｇ×１．１］を満足するように設定されている。また、ティースの幅Ｔは、［０．２×（Ｄ＋２×Ｇ）×π／９＜Ｔ＜０．２３×（Ｄ＋２×Ｇ）×π／９］を満足するように設定されている。
本発明では、ｑ軸インダクタンスＬｑは、従来の永久磁石電動機と同様に、電流が大きい領域では、ティースを介して流れるｑ軸磁束が飽和することによって小さくなる。一方、ｄ軸インダクタンスＬｄは、電流が大きい領域において、ティースを介して流れるｄ軸磁束が飽和することによって、従来の永久磁石電動機より小さくなる。これにより、電流が大きい領域におけるｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄとの差を、従来の永久磁石電動機より大きくすることができ、電流が大きい領域におけるリラクタンストルクを大きくすることができる。
第１発明の異なる形態では、永久磁石として、飽和磁束密度が１．４テスラと１．６テスラの範囲内の永久磁石が用いられている。
第１発明の異なる形態では、固定子および回転子は、磁束密度が１．７５テスラと１．９テスラの範囲内で線形領域から非線形領域に移行する電磁鋼板により構成されている。
第２発明は、圧縮機構部と、圧縮機構部を駆動する電動機を備える圧縮機に関する。電動機として、前述した永久磁石電動機のいずれかが用いられている。
第２発明は、第１発明と同様の効果を有する。
【発明の効果】
【0007】
本発明の永久磁石電動機および圧縮機では、電流が大きい領域におけるｄ軸インダクタンスを小さくすることができ、電流が大きい領域におけるリラクタンストルクを大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】第１実施形態の永久磁石電動機の断面図である。
【図3】従来の永久磁石電動機のｄ軸インダクタンスＬｄおよびｑ軸インダクタンスＬｑの電流特性を示すグラフである。
【図4】第１実施形態の永久磁石電動機のｄ軸インダクタンスＬｄおよびｑ軸インダクタンスＬｑの電流特性を示すグラフである。
【図5】第２実施形態の永久磁石電動機の回転子の断面図である。
【図6】第３実施形態の永久磁石電動機の回転子の断面図である。
【図7】第４実施形態の永久磁石電動機の回転子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下に、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
なお、本明細書中では、「軸方向」という記載は、回転子が固定子に対して回転可能に配置されている状態において、回転子の回転中心を通る回転中心線の延在方向を示す。「周方向」という記載は、回転子が固定子に対して回転可能に配置されている状態において、軸方向から見て、回転子の回転中心を中心点とする円周方向を示す。「径方向」という記載は、回転子が固定子に対して回転可能に配置されている状態において、軸方向から見て、回転子の回転中心を通る方向を示す。
なお、本明細書中では、「軸方向」という記載は、回転子が固定子に対して回転可能に配置されている状態において、回転子の回転中心を通る回転中心線の延在方向を示す。「周方向」という記載は、回転子が固定子に対して回転可能に配置されている状態において、軸方向から見て、回転子の回転中心を中心点とする円周方向を示す。「径方向」という記載は、回転子が固定子に対して回転可能に配置されている状態において、軸方向から見て、回転子の回転中心を通る方向を示す。
【0010】
本発明の永久磁石電動機の第１実施形態１００を、図１、図２を参照して説明する。図１は、第１実施形態の永久磁石電動機１００の断面図であり、図２は、図１の要部拡大図である。
永久磁石電動機１００は、固定子１１０と回転子１２０により構成されている。
固定子１１０は、板状の電磁鋼板を複数枚積層して形成された固定子コアにより構成されている。固定子１１０は、周方向に沿って延在するヨーク１１１と、ヨーク１１１から径方向内側に延在するティース１１２を有している。ティース１１２は、ヨークから径方向に沿って径方向内側に延在するティース基部１１３と、ティース基部１１３の径方向内側に連設され、周方向に沿って延在するティース先端部１１４により形成されている。ティース先端部１１４の径方向内側には、ティース先端面１１５が形成されている。ティース先端面１１５は、回転中心Ｏを中心点とする円弧形状に形成されている。各ティース１１２のティース先端面１１５によって、固定子１１０の内側に固定子内側空間が形成される。ティース先端面１１５が、本発明の「固定子内周面」に対応する。
周方向に隣接するティース１１２によってスロット１１６が形成されている。
本実施形態の永久磁石電動機１００では、ティース１１２（スロット１１６）が、９個設けられている（９スロットの永久磁石電動機）。そして、固定子巻線（図示省略）は、集中巻き方式で各ティース１１２（詳しくは、ティース基部１１３）に巻き付けられている。
固定子巻線を集中巻き方式で巻き付ける方法としては、種々の方法を用いることができる。
永久磁石電動機１００は、固定子１１０と回転子１２０により構成されている。
固定子１１０は、板状の電磁鋼板を複数枚積層して形成された固定子コアにより構成されている。固定子１１０は、周方向に沿って延在するヨーク１１１と、ヨーク１１１から径方向内側に延在するティース１１２を有している。ティース１１２は、ヨークから径方向に沿って径方向内側に延在するティース基部１１３と、ティース基部１１３の径方向内側に連設され、周方向に沿って延在するティース先端部１１４により形成されている。ティース先端部１１４の径方向内側には、ティース先端面１１５が形成されている。ティース先端面１１５は、回転中心Ｏを中心点とする円弧形状に形成されている。各ティース１１２のティース先端面１１５によって、固定子１１０の内側に固定子内側空間が形成される。ティース先端面１１５が、本発明の「固定子内周面」に対応する。
周方向に隣接するティース１１２によってスロット１１６が形成されている。
本実施形態の永久磁石電動機１００では、ティース１１２（スロット１１６）が、９個設けられている（９スロットの永久磁石電動機）。そして、固定子巻線（図示省略）は、集中巻き方式で各ティース１１２（詳しくは、ティース基部１１３）に巻き付けられている。
固定子巻線を集中巻き方式で巻き付ける方法としては、種々の方法を用いることができる。
【0011】
回転子１２０は、板状の電磁鋼板を複数枚積層して形成された回転子コアにより構成されている。回転子１２０は、内周面２１０により形成される回転軸挿入孔に回転軸（図示省略）が挿入され、固定子１１０の固定子内側空間内に回転可能に配置されている。本実施形態では、回転子１２０は、第１の外周面部分１２０ａ（後述する）とティース先端面１１５（固定子内周面）との間に空隙（エアギャップ）が保持されるように配置されている。
回転子１２０は、周方向に沿って主磁極［Ａ］～［Ｆ］と補助磁極［ＡＢ］～［ＦＡ］が交互に配置されている。本実施形態では、回転子１２０の主磁極の数（極数）が６に設定されている。すなわち、６極構造の回転子１２０を有している（６極の永久磁石電動機）。なお、極数が６の回転子は、極対数Ｐが３である回転子と呼ばれる。
各主磁極には第１の磁石挿入孔１３１、第２の磁石挿入孔１３２が形成され、第１磁石挿入孔１３１、第２の磁石挿入孔１３２には第１の永久磁石１４１、第２の永久磁石１４２が挿入されている。第１の永久磁石１４１、第２の永久磁石１４２としては、種々の永久磁石を用いることができるが、好適には、ネオジウム系磁石が用いられる。より好適には、ディスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）が拡散されたネオジウム磁石が用いられる。
第１の永久磁石１４１、第２の永久磁石１４２によって、主磁極［Ａ］～［Ｆ］と補助磁極［ＡＢ］～［ＦＡ］が規定され、また、主磁極［Ａ］～［Ｆ］のｄ軸と補助磁極［ＡＢ］～［ＦＡ］のｑ軸が規定される。
ｄ軸は、回転中心Ｏと主磁極［Ａ］～［Ｆ］の周方向中心を結ぶ線として規定され、ｑ軸は、回転中心Ｏと補助磁極［ＡＢ］～［ＦＡ］の周方向中心を結ぶ線として規定される。
回転子１２０は、周方向に沿って主磁極［Ａ］～［Ｆ］と補助磁極［ＡＢ］～［ＦＡ］が交互に配置されている。本実施形態では、回転子１２０の主磁極の数（極数）が６に設定されている。すなわち、６極構造の回転子１２０を有している（６極の永久磁石電動機）。なお、極数が６の回転子は、極対数Ｐが３である回転子と呼ばれる。
各主磁極には第１の磁石挿入孔１３１、第２の磁石挿入孔１３２が形成され、第１磁石挿入孔１３１、第２の磁石挿入孔１３２には第１の永久磁石１４１、第２の永久磁石１４２が挿入されている。第１の永久磁石１４１、第２の永久磁石１４２としては、種々の永久磁石を用いることができるが、好適には、ネオジウム系磁石が用いられる。より好適には、ディスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）が拡散されたネオジウム磁石が用いられる。
第１の永久磁石１４１、第２の永久磁石１４２によって、主磁極［Ａ］～［Ｆ］と補助磁極［ＡＢ］～［ＦＡ］が規定され、また、主磁極［Ａ］～［Ｆ］のｄ軸と補助磁極［ＡＢ］～［ＦＡ］のｑ軸が規定される。
ｄ軸は、回転中心Ｏと主磁極［Ａ］～［Ｆ］の周方向中心を結ぶ線として規定され、ｑ軸は、回転中心Ｏと補助磁極［ＡＢ］～［ＦＡ］の周方向中心を結ぶ線として規定される。
【0012】
回転子１２０の回転子外周面は、ｄ軸と交差する第１の外周面部分１２０ａ、ｑ軸と交差し、第１の外周面部分１２０ａより径方向内側に形成されている第２の外周面部分１２０ｂ、第１の外周面部分１２０ａと第２の外周面部分１２０ｂを接続する接続部分１２０ｃおよび１２０ｄを有している。第２の外周面部分１２０ｂ、接続部分１２０ｃおよび１２０ｄは、第１の外周面部分１２０ａを切欠いた切欠部の底面、周方向一方側（時計方向側）の側面および周方向他方側（反時計方向側）の側面ということもできる。
本実施形態では、第１の外周面部分１２０ａは、回転中心Ｏを中心点とする半径Ｒ１（Ｒ１＝Ｄ／２）の円弧形状を有し、第２の外周面部分１２０ｂは、回転中心Ｏを中心点とする、半径Ｒ１より小さい半径Ｒ２（Ｒ２＜Ｒ１）の円弧形状を有している。また、接続部分１２０ｃ、１２０ｄは、ｄ軸に平行（「略平行」を含む）に直線状に延在している。接続部分１２０ｃ、１２０ｄの形状は、回転中心Ｏを通る径方向に平行（「略平行」を含む）に直線状に延在するように形成することもできる。なお、第１の外周面部分１２０ａ、第２の外周面部分１２０ｂ、接続部分１２０ｃ、１２０ｄの形状は、これに限定されない。
本実施形態では、第１の外周面部分１２０ａは、回転中心Ｏを中心点とする半径Ｒ１（Ｒ１＝Ｄ／２）の円弧形状を有し、第２の外周面部分１２０ｂは、回転中心Ｏを中心点とする、半径Ｒ１より小さい半径Ｒ２（Ｒ２＜Ｒ１）の円弧形状を有している。また、接続部分１２０ｃ、１２０ｄは、ｄ軸に平行（「略平行」を含む）に直線状に延在している。接続部分１２０ｃ、１２０ｄの形状は、回転中心Ｏを通る径方向に平行（「略平行」を含む）に直線状に延在するように形成することもできる。なお、第１の外周面部分１２０ａ、第２の外周面部分１２０ｂ、接続部分１２０ｃ、１２０ｄの形状は、これに限定されない。
【0013】
本実施形態では、主磁極［Ａ］～［Ｆ］には、直線状に延在する第１の磁石挿入孔１３１と第２の磁石挿入孔１３２が、ｄ軸を挟んで両側に、回転中心Ｏ側に飛び出ているＶ字状に形成されている。
第１の磁石挿入孔１３１の内周側端壁部１３１ｃと第２の磁石挿入孔１３２の内周側端壁部１３２ｃの間には、ｄ軸に平行（「略平行」を含む）に延在する中央ブリッジ部１２５が形成されている。また、第１の磁石挿入孔１３１の外周側端壁部１３１ｄと第２の外周面部分１２０ｂの間には、外周ブリッジ部１２６が形成され、第２の磁石挿入孔１３２の外周側端壁部１３２ｄと第２の外周面部分１２０ｂの間には、外周ブリッジ部１２７が形成されている。
第１の磁石挿入孔１３１と第２の磁石挿入孔１３２には、直線状に延在する第１の永久磁石１４１と第２の永久磁石１４２が挿入されている。第１の永久磁石１４１および第２の永久磁石１４２の両端には、空隙が設けられている。
第１の磁石挿入孔１３１の内周側端壁部１３１ｃと第２の磁石挿入孔１３２の内周側端壁部１３２ｃの間には、ｄ軸に平行（「略平行」を含む）に延在する中央ブリッジ部１２５が形成されている。また、第１の磁石挿入孔１３１の外周側端壁部１３１ｄと第２の外周面部分１２０ｂの間には、外周ブリッジ部１２６が形成され、第２の磁石挿入孔１３２の外周側端壁部１３２ｄと第２の外周面部分１２０ｂの間には、外周ブリッジ部１２７が形成されている。
第１の磁石挿入孔１３１と第２の磁石挿入孔１３２には、直線状に延在する第１の永久磁石１４１と第２の永久磁石１４２が挿入されている。第１の永久磁石１４１および第２の永久磁石１４２の両端には、空隙が設けられている。
【0014】
次に、本実施形態において、電流が大きい領域におけるｄ軸インダクタンスＬｄを低減する構成について説明する。
なお、本実施形態では、回転子１２０の直径Ｄが、［５８ｍｍ≦Ｄ≦９３ｍｍ］の範囲内に設定されている。また、前述したように、固定子１１０のスロット１１６の数が９に設定され（９スロット）、回転子１２０の主磁極の数が６に設定されている（６極あるいは極対数Ｐが３）。
なお、本実施形態では、回転子１２０の直径Ｄが、［５８ｍｍ≦Ｄ≦９３ｍｍ］の範囲内に設定されている。また、前述したように、固定子１１０のスロット１１６の数が９に設定され（９スロット）、回転子１２０の主磁極の数が６に設定されている（６極あるいは極対数Ｐが３）。
【0015】
図２に示されているように回転子１２０を流れる磁束として、ｄ軸磁束とｑ軸磁束が考えられる。
ｄ軸磁束は、隣接する主磁極間を流れる磁束である。例えば、主磁極［Ａ］のｄ軸側から回転子１２０に流れ込み、主磁極［Ａ］に対して周方向一方側（図２において、時計方向）に隣接する主磁極［Ｂ］のｄ軸側から流れ出る磁束である。ｄ軸磁束によってｄ軸インダクタンスＬｄが定まる。
ｑ軸磁束は、隣接する補助磁極間を流れる磁束である。例えば、主磁極［Ａ］と主磁極［Ａ］に対して周方向他方側（図２において、反時計方向）に隣接する主磁極［Ｆ］との間の補助磁極［ＦＡ］側から回転子１２０に流れ込み、主磁極［Ａ］と主磁極［Ａ］に対して周方向一方側に隣接する主磁極［Ｂ］との間の補助磁極［ＡＢ］側から流れ出る。ｑ軸磁束によってｑ軸インダクタンスＬｑが決まる。
ｄ軸磁束は、隣接する主磁極間を流れる磁束である。例えば、主磁極［Ａ］のｄ軸側から回転子１２０に流れ込み、主磁極［Ａ］に対して周方向一方側（図２において、時計方向）に隣接する主磁極［Ｂ］のｄ軸側から流れ出る磁束である。ｄ軸磁束によってｄ軸インダクタンスＬｄが定まる。
ｑ軸磁束は、隣接する補助磁極間を流れる磁束である。例えば、主磁極［Ａ］と主磁極［Ａ］に対して周方向他方側（図２において、反時計方向）に隣接する主磁極［Ｆ］との間の補助磁極［ＦＡ］側から回転子１２０に流れ込み、主磁極［Ａ］と主磁極［Ａ］に対して周方向一方側に隣接する主磁極［Ｂ］との間の補助磁極［ＡＢ］側から流れ出る。ｑ軸磁束によってｑ軸インダクタンスＬｑが決まる。
【0016】
次に、電流が大きい領域におけるｄ軸インダクタンスＬｄを小さくするための構成を以下に説明する。
従来の永久磁石電動機では、ティースを介して流れるｄ軸磁束が飽和しないように設定されているため、ｄ軸インダクタンスＬｄは、電流が増減してもほぼ変わらない電流特性を有している。
これに対し、本実施形態では、ティースを介して流れるｄ軸磁束が飽和するように設定することによって、電流が大きい領域において、ｄ軸インダクタンスＬｄが小さくなる電流特性を有するように構成している。
具体的には、６極９スロットの集中巻き方式の永久磁石電動機に特化した。
従来の永久磁石電動機では、ティースを介して流れるｄ軸磁束が飽和しないように設定されているため、ｄ軸インダクタンスＬｄは、電流が増減してもほぼ変わらない電流特性を有している。
これに対し、本実施形態では、ティースを介して流れるｄ軸磁束が飽和するように設定することによって、電流が大きい領域において、ｄ軸インダクタンスＬｄが小さくなる電流特性を有するように構成している。
具体的には、６極９スロットの集中巻き方式の永久磁石電動機に特化した。
【0017】
空隙Ｇは、０．５ｍｍと０．６ｍｍの範囲内（［０．５ｍｍ≦Ｇ≦０．６ｍｍ］を満足）に設定される。
空隙Ｇが０．５ｍｍより小さいと、高周波鉄損が大きくなり、効率が低下し、また、騒音や振動も大きくなる。
空隙Ｇが０．６ｍｍより大きいと、磁束量が少なくなって、鉄損が大きくなる。
空隙Ｇが０．５ｍｍより小さいと、高周波鉄損が大きくなり、効率が低下し、また、騒音や振動も大きくなる。
空隙Ｇが０．６ｍｍより大きいと、磁束量が少なくなって、鉄損が大きくなる。
【0018】
回転子１２０の直径Ｄは、５８ｍｍと９３ｍｍの範囲内（［５８ｍｍ≦Ｄ≦９３ｍｍ］を満足）に設定される。
直径Ｄが５８ｍｍより小さいと、第２の外周面部分１２０ｂにより形成される切欠き部を有しているため、十分な磁石表面積を確保することができない。このため、磁束量が低下し、鉄損が増加して効率が低下する。
直径Ｄが５８ｍｍより小さいと、第２の外周面部分１２０ｂにより形成される切欠き部を有しているため、十分な磁石表面積を確保することができない。このため、磁束量が低下し、鉄損が増加して効率が低下する。
【0019】
回転中心Ｏに対する第１の外周面部分１２０ａの開角度θ１は、１６度と１９度（機械角）の範囲内（［１６度≦θ１≦１９度］を満足）に設定される。
開角度θ１が１６度より小さいと、十分な磁束を確保することができず、銅損が増加し、効率が低下する。
開角度θ１が、１９度より大きいと、高周波鉄損が増加し、効率が低下する。
開角度θ１が１６度より小さいと、十分な磁束を確保することができず、銅損が増加し、効率が低下する。
開角度θ１が、１９度より大きいと、高周波鉄損が増加し、効率が低下する。
【0020】
第１の外周面部分１２０ａと第２の外周面部分１２０ｂとの間の径方向に沿った間隔（切欠き部の深さ）Ｈｍｍは、［２×Ｇ＜Ｈ＜２×Ｇ×１．１］を満足するように設定される。
【0021】
永久磁石１４１、１４２の厚さＷｍｍは、［２×Ｇ×０．９＜Ｗ＜２×Ｇ×１．１］を満足するように設定される。
【0022】
ティース１１２の幅（具体的には、ティース基部１１３の最小幅）Ｔｍｍは、［０．２×（固定子内周／９）＜Ｔ＜０．２３×（固定子内周／９）］を満足するように設定される。なお、固定子内周（ｍｍ）は、［固定子内周＝（回転子１２０の直径Ｄ＋２×空隙Ｇ）×π］で表される。
ティース１１２の幅Ｔが［０．２×（固定子内周／９）］より小さいと、ティース１１２から回転子１２０に十分な磁束が流れない。これにより、銅損が増加して効率が低下する。
ティース１１２の幅Ｔが［０．２３×（固定子内周／９）］より大きいと、ティース１１２と回転子１２０との間で十分な磁束が流れ、ｄ軸磁束が飽和しない。この場合、ｄ軸インダクタンスＬｄは、従来の永久磁石電動機と同じ電流特性を示す。
ティース１１２の幅Ｔが［０．２×（固定子内周／９）］より小さいと、ティース１１２から回転子１２０に十分な磁束が流れない。これにより、銅損が増加して効率が低下する。
ティース１１２の幅Ｔが［０．２３×（固定子内周／９）］より大きいと、ティース１１２と回転子１２０との間で十分な磁束が流れ、ｄ軸磁束が飽和しない。この場合、ｄ軸インダクタンスＬｄは、従来の永久磁石電動機と同じ電流特性を示す。
【0023】
なお、永久磁石１４１、１４２としては、好適には、飽和磁束密度が１．４テスラと１．６テスラの範囲内である永久磁石が用いられる。
また、好適には、固定子１１０（固定子コア）や回転子１２０（回転子コア）を構成する電磁鋼板として、磁束密度が、１．７５テスラと１．９テスラの範囲内で線形領域から非線形領域に移行する電磁鋼板が用いられる。
また、好適には、固定子１１０（固定子コア）や回転子１２０（回転子コア）を構成する電磁鋼板として、磁束密度が、１．７５テスラと１．９テスラの範囲内で線形領域から非線形領域に移行する電磁鋼板が用いられる。
【0024】
第１実施形態の永久磁石電動機１００では、軸方向に直角な断面で見て、６極構造（極対数Ｐ＝３）で、各主磁極［Ａ］～［Ｆ］に、直線状に延在する第１の磁石挿入孔１３１および第２の磁石挿入孔１３２が、回転中心Ｏ側に飛び出ているＶ字状に形成され、第１の磁石挿入孔１３１および第２の磁石挿入孔１３２それぞれに、直線状に延在する第１の永久磁石１４１および第２の永久磁石１４２が挿入されている回転子１２０を用いたが、回転子の各主磁極の磁石挿入孔の配置形状等は種々変更可能である。
【0025】
第２実施形態の永久磁石電動機の回転子２２０が、図５に示されている。
図５に示されている回転子２２０は、６極構造（極対数Ｐ＝３）で、各主磁極に、直線状に延在する磁石挿入孔２３１が、ｄ軸と交差する方向（好適には、直角な方向）に形成されている。そして、磁石挿入孔２３１に、直線状に延在する永久磁石２４１が挿入されている。
回転子２２０の外周面は、ｄ軸と交差する第１の外周面部分２２０ａ、ｑ軸と交差する第２の外周面部分２２０ｂ、接続部分２２０ｃおよび２２０ｄを有している。
図５に示されている回転子２２０は、６極構造（極対数Ｐ＝３）で、各主磁極に、直線状に延在する磁石挿入孔２３１が、ｄ軸と交差する方向（好適には、直角な方向）に形成されている。そして、磁石挿入孔２３１に、直線状に延在する永久磁石２４１が挿入されている。
回転子２２０の外周面は、ｄ軸と交差する第１の外周面部分２２０ａ、ｑ軸と交差する第２の外周面部分２２０ｂ、接続部分２２０ｃおよび２２０ｄを有している。
【0026】
第３実施形態の永久磁石電動機の回転子３２０が、図６に示されている。
図６に示されている回転子３２０は、６極構造（極対数Ｐ＝３）で、各主磁極に、円弧状に延在する磁石挿入孔３３１が、ｄ軸と交差するとともに、回転中心Ｏ側に飛び出るように形成されている。そして、磁石挿入孔３３１に、円弧状に延在する永久磁石３４１が挿入されている。
回転子３２０の外周面は、ｄ軸と交差する第１の外周面部分３２０ａ、ｑ軸と交差する第２の外周面部分３２０ｂ、接続部分３２０ｃおよび３２０ｄを有している。
図６に示されている回転子３２０は、６極構造（極対数Ｐ＝３）で、各主磁極に、円弧状に延在する磁石挿入孔３３１が、ｄ軸と交差するとともに、回転中心Ｏ側に飛び出るように形成されている。そして、磁石挿入孔３３１に、円弧状に延在する永久磁石３４１が挿入されている。
回転子３２０の外周面は、ｄ軸と交差する第１の外周面部分３２０ａ、ｑ軸と交差する第２の外周面部分３２０ｂ、接続部分３２０ｃおよび３２０ｄを有している。
【0027】
第４実施形態の永久磁石電動機の回転子４２０が、図７に示されている。
図７に示されている回転子４２０は、６極構造（極対数Ｐ＝３）で、各主磁極に、直線状に延在する第１～第３の磁石挿入孔４３１～４３３が、回転中心Ｏ側に飛び出る台形状に形成されている。そして、第１～第３の磁石挿入孔４３１～４３３それぞれに、直線状に延在する第１～第３の永久磁石４４１～４４３が挿入されている。
回転子４２０の外周面は、ｄ軸と交差する第１の外周面部分４２０ａ、ｑ軸と交差する第２の外周面部分４２０ｂ、接続部分４２０ｃおよび４２０ｄを有している。
なお、各主磁極に、回転中心Ｏ側に飛び出ている台形状の磁石挿入孔を形成し、磁石挿入孔に、直線状に延在する第１～第３の永久磁石を挿入することもできる。
図７に示されている回転子４２０は、６極構造（極対数Ｐ＝３）で、各主磁極に、直線状に延在する第１～第３の磁石挿入孔４３１～４３３が、回転中心Ｏ側に飛び出る台形状に形成されている。そして、第１～第３の磁石挿入孔４３１～４３３それぞれに、直線状に延在する第１～第３の永久磁石４４１～４４３が挿入されている。
回転子４２０の外周面は、ｄ軸と交差する第１の外周面部分４２０ａ、ｑ軸と交差する第２の外周面部分４２０ｂ、接続部分４２０ｃおよび４２０ｄを有している。
なお、各主磁極に、回転中心Ｏ側に飛び出ている台形状の磁石挿入孔を形成し、磁石挿入孔に、直線状に延在する第１～第３の永久磁石を挿入することもできる。
【0028】
本発明は、実施形態で説明した構成に限定されず、種々の変更、追加、削除が可能である。
永久磁石電動機について説明したが、本発明は、永久磁石電動機を駆動部として用いた種々の製品として構成することができる。例えば、永久磁石電動機により圧縮機構部を駆動する圧縮機として構成することができる。
回転子の各主磁極に形成される磁石挿入孔の形状、数や配置位置、磁石挿入孔に挿入される永久磁石の形状、数や挿入位置等は適宜変更可能である。
実施形態で説明した各構成は、単独で用いることもできるし、適宜選択した複数の構成を組み合わせて用いることもできる。
永久磁石電動機について説明したが、本発明は、永久磁石電動機を駆動部として用いた種々の製品として構成することができる。例えば、永久磁石電動機により圧縮機構部を駆動する圧縮機として構成することができる。
回転子の各主磁極に形成される磁石挿入孔の形状、数や配置位置、磁石挿入孔に挿入される永久磁石の形状、数や挿入位置等は適宜変更可能である。
実施形態で説明した各構成は、単独で用いることもできるし、適宜選択した複数の構成を組み合わせて用いることもできる。
【符号の説明】
【0029】
１００ 永久磁石電動機
１１０ 固定子
１１１ ヨーク
１１２ ティース
１１３ ティース基部
１１４ ティース先端部
１１５ ティース先端面（固定子内周面）
１１６ スロット
１２０、２２０、３２０、４２０ 回転子
１２０ａ、２２０ａ、３２０ａ、４２０ａ 第１の外周面部分
１２０ｂ、２２０ｂ、３２０ｂ、４２０ｂ 第２の外周面部分
１２０ｃ、１２０ｄ、２２０ｃ、２２０ｄ、３２０ｃ、３２０ｄ、４２０ｃ、４２０ｄ 接続部分
１２５ 中央ブリッジ部
１２６、１２７ 外周ブリッジ部
１３１、１３２、２３１、３３１、４３１、４３２、４３３ 磁石挿入孔
１４１、１４２、２４１、３４１、４４１、４４２、４４３ 永久磁石
２１０ 内周面（回転子内周面）
１１０ 固定子
１１１ ヨーク
１１２ ティース
１１３ ティース基部
１１４ ティース先端部
１１５ ティース先端面（固定子内周面）
１１６ スロット
１２０、２２０、３２０、４２０ 回転子
１２０ａ、２２０ａ、３２０ａ、４２０ａ 第１の外周面部分
１２０ｂ、２２０ｂ、３２０ｂ、４２０ｂ 第２の外周面部分
１２０ｃ、１２０ｄ、２２０ｃ、２２０ｄ、３２０ｃ、３２０ｄ、４２０ｃ、４２０ｄ 接続部分
１２５ 中央ブリッジ部
１２６、１２７ 外周ブリッジ部
１３１、１３２、２３１、３３１、４３１、４３２、４３３ 磁石挿入孔
１４１、１４２、２４１、３４１、４４１、４４２、４４３ 永久磁石
２１０ 内周面（回転子内周面）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】