JP6022031B2 - 永久磁石埋込型電動機、圧縮機及び冷凍空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石埋込型電動機、圧縮機及び冷凍空調装置に関するものである。

ロータ鉄心内部に弧状の永久磁石を凸部側がロータの中心側を向くように配置したロータで構成されるモータの場合、永久磁石を弧状に形成することで表面積を大きくすることができ、ロータの永久磁石から発生する磁束量を大きくすることができる。その一方で、永久磁石の磁極表面部の鉄心が大きいため、磁極表面部の磁束密度を制御することが難しく、磁束密度分布の高調波成分により振動騒音が大きく、隣接する磁石間での漏れ磁束が発生し易く、磁石の端部付近が部分減磁し易いという問題がある。

上記のように永久磁石が配置されたモータとしては、特許文献１に開示されたものがある。特許文献１には、回転子鉄心の内部に断面形状が弧状をなす磁極用の複数個の永久磁石をそれぞれの凸部側が回転子鉄心の中心側を向くように配置した回転子を備え、この回転子を、略円筒状をなす固定子鉄心の内側に回転可能に配設する構成の永久磁石形モータが開示されている。そして、かかる永久磁石形モータでは、回転子鉄心の外周面と固定子鉄心の内周面との間の空隙の大きさを周方向で変化させている。具体的には、各磁極ごとにおいて、隙間は、磁極の周方向中央部に対応する部位から磁極間に対応する部位に向かうに従って大きくなる。

また、特許文献２には、複数のスロットを有する固定子と、固定子と間隙を隔てて対向配置され、永久磁石を挿入するための磁石収容孔が設けられた回転子とが設けられたモータが開示されている。そして、このモータでは、回転子の外周部が、主磁極部のｄ軸と交差し凸部側が外周方向を向いた第１の曲線部分と、補助磁極部のｑ軸と交差し凸部側が外周方向を向いた第２の曲線部分とが交互に接続されて構成されている。主磁極部の第１の曲線部分の半径の中心は、回転子の軸孔の中心であり、主磁極部の第１の曲線部分の半径より補助磁極部の第２の曲線部分の半径を大きくなっている。さらに、回転子の軸孔を中心として、第１の曲線部分の開角をθ１、第２の曲線部分の開角をθ２、固定子のスロットの歯端部の開角をθ３とした場合、θ１≦θ２、且つ、θ１≦θ３を満足するように構成されている。

特開平７−２２２３８４号公報 特許４４５２４８８号公報

しかしながら、上述した従来のモータは、回転子表面の磁束密度分布を改善することで騒音振動の小さい電動機を構成しようとしたものであるが、隣接する磁石間での漏れ磁束による性能低下や、磁石の端部付近が部分減磁し易いという信頼性への課題に対しては、対策がなされていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、騒音振動のより良い効果を追求しつつ、隣接する磁石間での漏れ磁束が発生し難く、永久磁石が減磁し難い、高効率で信頼性の高い永久磁石埋込型電動機を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明の永久磁石埋込型電動機は、ステータと、前記ステータに対向して回転可能に設けられたロータとを備え、前記ロータは、それぞれ対応する永久磁石が挿入される複数の磁石挿入孔が形成されたロータ鉄心を有し、前記ロータのロータ外周面と、前記ステータのステータ内周面との間には、エアギャップが確保されており、前記ステータは、複数のティース部を有し、該ティース部それぞれの先端部には、両側部が周方向に広がるティース歯先部が形成されている、永久磁石埋込型電動機であって、前記ロータ外周面は、回転中心線と直交する断面においてみて、複数の第１円弧と、複数の第２円弧とによって構成されており、前記第１円弧はそれぞれ、前記ロータ外周面における対応する磁極中心部に位置し、前記第２円弧はそれぞれ、前記ロータ外周面における対応する極間部に位置しており、前記第１円弧は、前記第２円弧よりもさらに径方向外側に膨らみ、それによって、前記エアギャップは、磁極中心部それぞれから隣り合う極間部に向かって大きくなる態様で変化しており、回転中心線と直交する断面においてみて、前記ロータ鉄心における前記磁石挿入孔それぞれの径方向外側の孔画定部は、第３円弧の湾曲を有し、径方向内側の孔画定部は、第４円弧の湾曲を有し、前記ティース歯先部の開口角と、前記第１円弧の開口角と、前記第３円弧の開口角とは同一である。

本発明によれば、騒音振動のより良い効果を追求しつつ、隣接する磁石間での漏れ磁束が発生し難く、永久磁石が減磁し難い、高効率で信頼性の高い永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機の回転中心線と直交する断面を示す図である。 図１において一つの永久磁石の周囲部及びそれに対応する一つのティース歯先部の周囲部を拡大して示す図である。 本発明の実施の形態２に関する、図２と同態様の図である。 本発明の実施の形態３に関する、図２と同態様の図である。 本発明の実施の形態４に関する、図２と同態様の図である。 永久磁石埋込型電動機を搭載した本発明の実施の形態５に係るシリンダロータリ圧縮機の縦断面図である。 比較例に関する、図１と同態様の図である。 比較例に関する、電気角と無負荷誘起電圧との関係を示すグラフである。 本発明に関する、電気角と無負荷誘起電圧との関係を示すグラフである。 比較例と本発明との間で誘起電圧の実効値を比較したグラフである。 ロータの永久磁石に対して相反する位相の電機子磁束が発生するようにステータに通電した場合の、減磁率を、比較例と本発明との間で比較したグラフである。

以下、本発明に係る実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機の回転中心線と直交する断面を示す図である。なお、図２〜図５は何れも、図１の態様の全体構成からその一部を抜き出した部分拡大図であるが、図の明瞭性を優先し、ハッチングは省略する。

永久磁石埋込型電動機１は、図１に示すように、ステータ３と、そのステータ３に対向して回転可能に設けられたロータ５とを備えている。ステータ３は、複数のティース部７を有している。複数のティース部７はそれぞれ、対応するスロット部９を介して別のティース部７と隣り合っている。複数のティース部７と複数のスロット部９とが周方向に交互に且つ等間隔で並ぶように配置されている。複数のティース部７には、それぞれ、図示省略する公知のステータ巻線が公知の態様で巻回されている。

ロータ５は、ロータ鉄心１１と、シャフト１３とを有している。シャフト１３は、ロータ鉄心１１の軸心部に、焼嵌、圧入等により連結されており、ロータ鉄心１１に回転エネルギーを伝達する。ロータ５の外周面と、ステータ３の内周面との間には、エアギャップ１５が確保されている。

このような構成において、ロータ５はエアギャップ１５を介したステータ３の内側で、回転中心線ＣＬ（ロータの回転中心、シャフトの軸線）を中心に回転自在に保持されている。具体的には、ステータ３に、指令回転数に同期した周波数の電流を通電することにより、回転磁界を発生させ、ロータ５を回転させる。ステータ３とロータ５との間のエアギャップ１５は、０．３〜１ｍｍの空隙である。

次に、ステータ３と、ロータ５との構成を詳細に説明する。ステータ３は、ステータ鉄心１７を有する。ステータ鉄心１７は、一枚あたりの厚さが０．１〜０．７ｍｍ程度の電磁鋼板を所定の形状に打ち抜き、所定枚数の電磁鋼板をカシメで締結しながら積層して構成される。ここでは、板厚が０．３５ｍｍの電磁鋼板を用いている。

ステータ鉄心１７には、その内径側に周方向に略等間隔に９個のスロット部９が放射状に形成されている。そして、ステータ鉄心１７において隣接するスロット部９の間の領域をティース部７と称する。ティース部７はそれぞれ、径方向を延びており、回転中心線ＣＬに向けて突出する。また、ティース部７の大部分は、径方向外側から径方向内側にかけて略等しい周方向の幅を有しているが、ティース部７の最も径方向内側となる先端部には、ティース歯先部７ａ（図２の網部）を有している。ティース歯先部７ａはそれぞれ、その両側部が周方向に広がる傘状の形状に形成されている。

ティースには、回転磁界を発生させるコイル（図示せず）を構成するステータ巻線（図示せず）が巻かれている。コイルは、マグネットワイヤーを、絶縁体を介して磁極ティースに直接巻き付けて形成される。この巻線方式を、集中巻線という。そして、コイルは、３相Ｙ結線に結線される。コイルのターン数や線径は、要求される特性（回転数やトルク等）、電圧仕様、スロットの断面積に応じて定まる。ここでは、巻線し易いように分割ティースを帯状に展開し、線径φ０．８ｍｍ程度のマグネットワイヤーを各磁極ティースに１００ターン程度巻き付け、巻線後、分割ティースを環状に丸め、溶接してステータを構成している。

ステータ３の中心付近には、回転可能に保持されたシャフト１３が配置されている。そして、そのシャフト１３にロータ５が嵌合されている。ロータ５は、ロータ鉄心１１を有しており、そのロータ鉄心１１もまた、ステータ鉄心１７同様、厚さ０．１〜０．７ｍｍ程度の電磁鋼板を所定の形状に打ち抜き、所定枚数の電磁鋼板をカシメで締結しながら積層して構成される。ここでは、板厚が０．３５ｍｍの電磁鋼板を用いている。

ロータ鉄心１１の内部には、Ｎ極とＳ極とが交互になるように着磁された複数の（本具体例では６個の）の永久磁石１９が設けられている。永久磁石１９はそれぞれ、図１においてみて、弧状に湾曲しており、その弧形状の凸部側がロータ５の中心側に向くように配置されている。より詳細には、ロータ鉄心１１には、複数の永久磁石１９に対応した数の磁石挿入孔２１が形成されており、複数の磁石挿入孔２１にはそれぞれ、対応する永久磁石１９が挿入されている。図１に示されているように、一つの磁石挿入孔２１につき一つの永久磁石１９が挿入されている。なお、ロータ５の磁極数は、２極以上であればいくつでもよいが、本例では、６極の場合を例示している。

なお、ロータ鉄心１１における、永久磁石１９の径方向内側には、永久磁石埋込型電動機１を圧縮機に搭載した際に冷媒や油が通過する風穴２３が設けられている。

図２は、図１において一つの永久磁石の周囲部及びそれに対応する一つのティース歯先部の周囲部を拡大して示す図である。図２に示されるように、ステータ内周面２７とロータ外周面２５との間のエアギャップ１５は、周方向で変化している。本実施の形態１では、回転中心線ＣＬからのステータ内周面２７の半径Ｒ０は一定であり、ロータ外周面２５が部分的に径方向外側に膨らむことで、上記のエアギャップ１５の周方向の変化を実現している。

ロータ外周面２５は、図２の断面においてみて（回転中心線ＣＬと直交する断面においてみて）、複数の第１円弧２９と、複数の第２円弧３１とによって構成されている。第１円弧２９はそれぞれ、ロータ外周面２５における対応する磁極中心部に位置する凸面の断面である。第２円弧３１はそれぞれ、ロータ外周面２５における対応する極間部に位置する円筒面の断面である。第１円弧２９は、第２円弧３１よりもさらに径方向外側に膨らんでいる。第２円弧３１はそれぞれ、対応する一対の第１円弧２９の端部から連なっている。すなわち、複数の第１円弧２９及び複数の第２円弧３１が周方向に交互に並んでいる。

このようなロータ外周面２５とステータ内周面２７との対向により、エアギャップ１５は、磁極中心部それぞれから隣り合う極間部に向かって大きくなる態様で、全周にわたり変化している。

具体的一例を示すと、ロータ外周面２５の第１円弧２９とステータ内周面２７との間のエアギャップ１５のうち最小となる磁極間中心線ＭＬ上のエアギャップ１５は、０．６ｍｍである。また、図２の断面においてみて、第１円弧２９と第２円弧３１との交点（接続点、境界点）を通る境界線ＢＬ上のエアギャップ１５は、０．９ｍｍである。第１円弧２９とステータ内周面２７との間のエアギャップ１５は、第１円弧２９の範囲内に関し磁極間中心線ＭＬに向かうほど小さくなる一方、第２円弧３１とステータ内周面２７との間のエアギャップ１５は、第２円弧３１の範囲内において一様である。なお、第１円弧２９のそれぞれとその両側に隣り合う一対の第２円弧３１は、当該第１円弧２９の磁極間中心線ＭＬに関して線対称に形成されている。

図２において、磁石挿入孔２１それぞれの径方向外側（回転中心線ＣＬに遠い側）の孔画定部の湾曲を、第３円弧３３とし、径方向内側（回転中心線ＣＬに近い側）の孔画定部の湾曲を、第４円弧３５とした場合、ティース歯先部７ａの開口角θ１と、第１円弧２９の開口角θ１と、第３円弧３３の開口角θ１とは同一である。なお、より好適な例として、上記の３つの開口角θ１は２度以内に納まるように設計しているが、５度以内であれば問題なく後述する効果を奏することができる。

ロータ鉄心１１の内部に弧状の永久磁石１９を凸部側がロータ５の中心側を向くように配置した場合、ロータ外周面２５に最も近い永久磁石１９の部位は、弧状の永久磁石１９の側面部１９ａであり、ステータ３に大きな電流が流れ、ロータ５に電機子磁束が印加された場合には、永久磁石１９の側面部１９ａが最も減磁し易くなる。

磁石挿入孔２１における永久磁石１９の側面部１９ａが納まる磁石側面対向部３７は、上述した開口角θ１の関係性より、ロータ外周面２５の第２円弧３１の径方向の内側の範囲内にあり、ロータ鉄心１１における磁石側面対向部３７と、第２円弧３１との間は、一様な肉厚の極間薄肉部３９が存在する。これらの極間薄肉部３９はそれぞれ、隣接する磁極間での漏れ磁束の経路となるため、できるだけ薄いことが好ましい。ここではプレス可能な最小幅として電磁鋼板の板厚程度０．３５ｍｍに設定している。このような構成により、本実施の形態１における極間薄肉部３９は磁路が狭く、隣接する磁極間の漏れ磁束により、磁束密度が高く磁気飽和する。

なお、上述した第１円弧２９の半径Ｒ１の中心は、磁極間中心線ＭＬ上における、ロータ中心（回転中心線ＣＬ）よりも対応する磁極側（径方向外側）にずれた位置にある。第２円弧３１の半径Ｒ２の中心と、ステータ内周面２７の半径Ｒ０の中心とは、ロータ中心（回転中心線ＣＬ）にある。第３円弧３３の半径Ｒ３の中心と、第４円弧３５の半径Ｒ４とは、ロータ５の磁極中心とステータ３のティースとを対向させた時に、磁極間中心線ＭＬ上のティース歯先部７ａに位置するように形成される。このような第３円弧３３の半径Ｒ３の中心は、永久磁石の配向焦点に一致している。

以上のように構成された本実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機によれば、ロータ外周面とステータ内周面との間のエアギャップが磁極中心部から極間部に向かって大きくなるように構成されるため、ロータ表面の磁気抵抗は磁極中心部から極間部に向かって大きくなり、ロータ表面の磁束密度分布は磁極中心部で最大となる正弦波に近い分布となり、磁束密度の高調波成分を低減することができ、電動機の振動騒音を小さくすることができる。

加えて、ティース歯先部の開口角と、ロータ外周面の第１円弧の開口角と、磁石挿入孔の第３円弧の開口角とを一致していることで、磁束が流出・流入する磁路幅が同じとなり、ロータの永久磁石から発生する磁束をステータに有効に流入させることができる。加えて、減磁し易い永久磁石の側面部の径方向外側に位置する部分のロータ外周面は、第２円弧で構成されるため、ティース部からのエアギャップが広く、永久磁石に電機子磁束が鎖交し難い構成となり、永久磁石を減磁し難くすることができる。

また、ティース歯先部の開口角と、ロータ外周面の第１円弧の開口角とを等しくすることは、磁束が流出、流入する磁路幅を等しくするためであるが、ティース歯先部の開口角がロータ外周面の第１円弧の開口角よりも大きい場合には、ステータの磁束流入角がロータの磁束流出角よりも大きくなり、ティース歯先部に局所的な磁束密度の集中が発生し易くなる不利益がある。その一方、ティース歯先部の開口角がロータ外周面の第１円弧の開口角よりも小さい場合には、ステータの磁束流入角がロータの磁束流出角よりも小さくなり、永久磁石の磁束はロータ内で短絡したり、隣接するティースのティース歯先部に漏れて短絡したりして、ステータに有効に鎖交することができない不利益がある。このため、本実施の形態１では、ティース歯先部の開口角と、ロータ外周面の第１円弧の開口角と、磁石挿入孔の第３円弧の開口角とを一致させることで、磁束が流出、流入する磁路幅を等しくしながらも、上述した複数の不利益を全て回避することができるようになっている。

また、ティース歯先部の開口角とロータ外周面の第１円弧の開口角とが、磁石挿入孔の第３円弧の開口角よりも大きい場合は、ロータ外周面の第１円弧の開口角の内側の部位にステータからの電機子磁束が鎖交し易くなり、大きな電流を流した際に、永久磁石の端部が部分減磁し易くなる不利益がある。また、ティース歯先の開口角とロータ外周面の第１の円弧の開口角が磁石挿入孔の第３の円弧の開口角よりも小さい場合は、ステータの磁束流入角が永久磁石の磁束が流出する角度よりも小さくなり、永久磁石の磁束はロータ内で短絡したり、隣接するティース部の歯先に漏れて短絡したりし、ステータに有効に鎖交することができない不利益がある。これに対し、本実施の形態１では、ティース歯先部の開口角と、ロータ外周面の第１円弧の開口角と、磁石挿入孔の第３円弧の開口角とを一致させることで、こうした複数の不利益を全て回避することができるようになっている。

また、永久磁石の表面積を大きくしながらロータ表面の磁束密度分布を正弦波に近づける円弧の関係性としては、ロータ外周面の第１円弧の半径Ｒ１に対して、磁石挿入孔の第３円弧の半径Ｒ３は、Ｒ１＞２×（Ｒ３）の関係性にあることが好ましい。本実施の形態１では、第１円弧の半径Ｒ１の中心を、ロータ中心（回転中心線ＣＬ）よりも磁極側にずれた位置に置き、第３円弧の半径Ｒ３の中心を、ティース歯先部に置いて、上記のＲ１＞２×（Ｒ３）の関係を得ている。このようにすることで、永久磁石からティース部に鎖交する磁束を磁極中心軸上のティース歯先部に集中し易くすることができ、ステータに有効に鎖交する磁束量を増加させることができると共に、磁極表面の磁束密度分布も磁極中心を凸とする正弦波分布に近づくので、ロータ表面の第１円弧の磁気抵抗分布の効果と併せて、ロータ表面の磁束密度分布をより正弦波に近づけることができる。

以上に説明したように、本実施の形態１によれば、騒音振動のより良い効果を追求しつつ、隣接する磁石間での漏れ磁束が発生し難く、永久磁石が減磁し難い、高効率で信頼性の高い永久磁石埋込型電動機を得ることが可能となっている。

実施の形態２．
次に、図３を用いて本発明の実施の形態２について説明する。図３は、本実施の形態２に関する、図２と同態様の図である。なお、本実施の形態２は、以下に説明する部分を除いては、上述した実施の形態１と同様であるものとする。

本実施の形態２における永久磁石埋込型電動機では、一つのティース部７の両側にある一対のティース部７のティース歯先部７ａの開口角θ２が、磁石挿入孔２１の第４円弧３５の開口角θ３よりも小さくなるように構成されている。

このような構成により、本実施の形態２では、上記実施の形態１の利点に加え、次のような利点も得られている。すなわち、本実施の形態２では、ティース部とロータの磁極中心とが対向する最も永久磁石が減磁し易くなる位相において、ティース部からの電機子磁束がロータに流入した際に、開口角θ２の内側の角度範囲であって開口角θ１の外側の角度範囲の領域においては、ロータ表面は全て永久磁石が埋め込まれた状態になり、大きな磁気抵抗となる。そのため、ティース部からロータに流入する電機子磁束は、永久磁石を鎖交するよりも、距離が短く磁気抵抗が小さい隣接するティース歯先に短絡し易くなり、永久磁石に鎖交し難くなる。そのため、ステータに大きな電流が流れた場合でも、永久磁石が減磁し難くすることが可能となる。

実施の形態３．
次に、図４を用いて本発明の実施の形態３について説明する。図４は、本実施の形態３に関する、図２と同態様の図である。なお、本実施の形態３は、以下に説明する部分を除いては、上述した実施の形態２と同様であるものとする。

本実施の形態３における永久磁石埋込型電動機では、ロータ外周面２５の第１円弧２９の磁極中心部２９ａと、ティース歯先部７ａのステータ内周面２７との間のエアギャップ１５が最も狭い間隔をＧａとし、ロータ外周面２５の第２円弧３１と、ティース歯先部７ａのステータ内周面２７との間のエアギャップ１５が最も広い間隔に、さらに極間薄肉部３９の厚みを足し合わせた寸法をＧｂとし、隣接するティース歯先部７ａの間隔をＧｃとした場合に、２×（Ｇａ）＜（Ｇｃ）＜２×（Ｇｂ）の大小関係を満たすように構成されている。

なお、極間薄肉部３９は、隣接する磁極間での漏れ磁束の経路となるため、できるだけ狭いことが好ましく、ここではプレスできる最小幅として電磁鋼板の板厚程度に設定している。しかしながら、このように磁路として狭い極間薄肉部は、隣接する磁極間の漏れ磁束により、磁束密度が高く磁気飽和する部位ともなる。結果として、本実施の形態３の極間薄肉部３９は、磁路として利用できない磁気抵抗の大きい部位となる。

以上のように構成された本実施の形態３では、上記実施の形態２の利点に加え、次のような利点も得られている。すなわち、本実施の形態３では、ロータの永久磁石から発生した磁束は、２×（Ｇａ）＜（Ｇｃ）の関係性より、隣接するティース間に漏れ磁束が発生し難くなると共に、エアギャップが最も狭くなるロータ外周面の第１円弧の磁極中心部から磁束がステータに流入しやすくなり、ステータに鎖交する有効磁束量が増加する。また、ステータに大きな電流が流れロータに電機子磁束が流入する際には、（Ｇｃ）＜２×（Ｇｂ）の関係性より、電機子磁束は磁気抵抗の大きいロータ外周部を避け、磁気抵抗の小さい隣接するティース間で短絡しやすくなるため、永久磁石が減磁し難くすることができる。

さらに、永久磁石にフェライト磁石を使用し、第３円弧及び第４円弧中心と、永久磁石の配向中心とが一致するように形成する。ここでは、フェライト磁石の内周面と外周面とを一定の同心円弧状に形成し、フェライト磁石の湾曲径方向の厚みを一様に６ｍｍ程度に維持されるようにし、同心円弧の中心から配向磁場を印加した磁石を用い、且つ、その磁石に沿った形状であって上記の関係性を備えた磁石挿入孔に対し、磁石を挿入する。

それにより、第３円弧と第４円弧とに対して垂直な方向に永久磁石の磁束が発生するため、永久磁石の磁束が一様に局所的に磁束集中することなく磁極表面の鉄心部で発生し、ステータに有効に鎖交する。また、磁極表面で一様に磁束が発生するため、磁束はロータ外周面の第１円弧の磁気抵抗に沿って流れやすく、さらに、磁極表面の磁束密度分布は磁極中心で最大となる正弦波に近い分布となり、磁束密度の高調波成分を低減することができる。また、一般的に、希土類磁石はブロック状の磁石を加工して製作するため平板状の磁石に向いており、フェライト磁石は一個一個を成形して製作するため本形状のような弧状の磁石形状でも試作しやすいメリットがある。また、フェライト磁石は希土類磁石に比べて残留磁束密度が約１／３と小さいため、本形状のようにステータに鎖交する磁測量を増加させる効果はより顕著である。

なお、本実施の形態３は、上記実施の形態２の特徴を有しない上記実施の形態１に組み合わせて実施することもできる。

実施の形態４．
次に、図５を用いて本発明の実施の形態４について説明する。図５は、本実施の形態４に関する、図５と同態様の図である。なお、本実施の形態４は、以下に説明する部分を除いては、上述した実施の形態３と同様であるものとする。

本実施の形態４における永久磁石埋込型電動機では、ロータ鉄心１１における、磁石挿入孔２１それぞれの第３円弧３３と、対応するロータ外周面２５の第１円弧２９との間の部分に、一対のスリット（空隙）４１を設けている。スリット４１はそれぞれ、その形成位置に応じて、形成位置を通る第３円弧３３の半径Ｒ３の延びる方向に沿って延びるように形成されている。スリット４１は何れも、１ｍｍ程度の一定幅の空隙である。図５では、一対のスリット４１が、磁極間中心線ＭＬを中心線とした線対称に配置・形成されているが、本実施の形態４は、かかる線対称を満たす態様であれば、片側２個以上で合計２対以上のスリットが設けられている態様でもよい。

以上のように構成されている本実施の形態４においては、上記実施の形態３の利点に加え、次のような利点も得られている。すなわち、本実施の形態４では、永久磁石から発生する磁束の流れをスリットにより遮ることなく制御し、ロータ表面の磁束密度分布を正弦波に近づけることができ、また、ステータで発生する電機子磁束による電磁力による振動騒音を抑制することができる。また、本実施の形態４の永久磁石埋込型電動機では、上記のようにスリットを有するロータを用いることにより、駆動回路のインバータによるＰＷＭ制御により可変速駆動を行うことで、要求された製品負荷条件に合わせた高効率な運転を行うことができる。

なお、本実施の形態４は、上記実施の形態３の特徴を有しない上記実施の形態１又は２に組み合わせて実施することもできる。

実施の形態５．
次に、本発明の実施の形態５として、上述した実施の形態１〜４の何れかの永久磁石埋込型電動機を搭載したシリンダロータリ圧縮機について説明する。なお、本発明は、上述した実施の形態１〜４の何れかの永久磁石埋込型電動機を搭載した圧縮機を含むものであるが、圧縮機の種別は、ロータリ圧縮機に限定されるものではない。

図６は、永久磁石埋込型電動機を搭載したシリンダロータリ圧縮機の縦断面図である。シリンダロータリ圧縮機１００は、密閉容器１０１内に、永久磁石埋込型電動機１（電動要素）と、圧縮要素１０３とを備えている。図示はしないが、密閉容器１０１の底部に、圧縮要素１０３の各摺動部を潤滑する冷凍機油が貯留されている。

圧縮要素１０３は、主な要素として、上下積層状態に設けられたシリンダ１０５と、永久磁石埋込型電動機１により回転するシャフトである回転軸１０７と、回転軸１０７に嵌挿されるピストン１０９と、シリンダ１０５内を吸入側と圧縮側に分けるベーン（図示せず）と、回転軸１０７が回転自在に嵌挿され、シリンダ１０５の軸方向端面を閉塞する上下一対の上部フレーム１１１及び下部フレーム１１３と、上部フレーム１１１及び下部フレーム１１３にそれぞれ装着されたマフラ１１５とを含んでいる。

永久磁石埋込型電動機１のステータ３は、密閉容器１０１に焼嵌または溶接等の方法により直接取り付けられ保持されている。ステータ３のコイルには、密閉容器１０１に固定されるガラス端子から電力が供給される。

ロータ５は、ステータ３の内径側に、空隙を介して配置されており、ロータ５の中心部の回転軸１０７（シャフト１３）を介して圧縮要素１０３の軸受け部（上部フレーム１１１及び下部フレーム１１３）により回転自在な状態で保持されている。

次に、かかるシリンダロータリ圧縮機１００の動作について説明する。アキュムレータ１１７から供給された冷媒ガスは、密閉容器１０１に固定された吸入パイプ１１９よりシリンダ１０５内へ吸入される。インバータの通電によって永久磁石埋込型電動機１が回転されていることで、回転軸１０７に嵌合されたピストン１０９がシリンダ１０５内で回転される。それにより、シリンダ１０５内では冷媒の圧縮が行われる。冷媒は、マフラ１１５を経た後、密閉容器１０１内を上昇する。このとき、圧縮された冷媒には冷凍機油が混入している。この冷媒と冷凍機油との混合物は、ロータ鉄心１１に設けた風穴２３を通過する際に、冷媒と冷凍機油との分離を促進され、冷凍機油が吐出パイプ１２１へ流入するのを防止できる。このようにして、圧縮された冷媒が、密閉容器１０１に設けられた吐出パイプ１２１を通って冷凍サイクルの高圧側へと供給される。

尚、シリンダロータリ圧縮機１００の冷媒には、従来からあるＲ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ２２等を用いてもよいが、低ＧＷＰ（地球温暖化係数）の冷媒等などいかなる冷媒も適用できる。地球温暖化防止の観点からは、低ＧＷＰ冷媒が望まれている。低ＧＷＰ冷媒の代表例として、以下の冷媒がある。
（１）組成中に炭素の二重結合を有するハロゲン化炭化水素：例えば、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ（ＣＦ３ＣＦ＝ＣＨ２）である。ＨＦＯは、Ｈｙｄｒｏ−Ｆｌｕｏｒｏ−Ｏｌｅｆｉｎの略で、Ｏｌｅｆｉｎは、二重結合を一つ持つ不飽和炭化水素のことである。尚、ＨＦＯ−１２３４ｙｆのＧＷＰは４である。
（２）組成中に炭素の二重結合を有する炭化水素：例えば、Ｒ１２７０（プロピレン）である。尚、ＧＷＰは３で、ＨＦＯ−１２３４ｙｆより小さいが、可燃性はＨＦＯ−１２３４ｙｆより大きい。
（３）組成中に炭素の二重結合を有するハロゲン化炭化水素または組成中に炭素の二重結合を有する炭化水素の少なくともいずれかを含む混合物：例えば、ＨＦＯ−１２３４ｙｆとＲ３２との混合物等である。ＨＦＯ−１２３４ｙｆは、低圧冷媒のため圧損が大きくなり、冷凍サイクル（特に、蒸発器において）の性能が低下しやすい。そのため、ＨＦＯ−１２３４ｙｆより高圧冷媒であるＲ３２又はＲ４１等との混合物が実用上は有力になる。

以上に構成された本実施の形態５に係るシリンダロータリ圧縮機においても、上述した永久磁石埋込型電動機を用いれば、永久磁石埋込型電動機のマグネットトルクを向上させることで、ステータに通電する電流を小さくすることができ、銅損やインバータ損失を低減して高効率な電動機を構成できると共に、磁束密度の高調波成分を低減することで騒音振動を小さくすることができ、さらに、大電流を流しても減磁し難い電動機を構成することができる。さらに、その永久磁石埋込型電動機を圧縮機、及び、冷凍空調装置に用いれば、高効率で低騒音な信頼性の高い製品を構成することができる。

次に、本発明（実施の形態１の特徴を少なくとも含む）と、比較例との間で、誘起電圧について比較した結果を示す。図７は、比較例に関する、図１と同態様の図である。図７に示されるように、比較例は、全周にわたってエアギャップ５１が一定な電動機である。

図８は、比較例に関する、電気角［degree］と、１０００ｒｐｍ回転時の無負荷誘起電圧［V］との関係を示すグラフであり、図９は、本発明に関する、電気角［degree］と、１０００ｒｐｍ回転時の無負荷誘起電圧［V］との関係を示すグラフである。

誘起電圧はロータから流出した永久磁石の磁束がティースに巻かれたコイルを鎖交する際に発生する電圧であり、高調波成分はロータ表面の磁束密度分布に起因する。図８及び図９の比較から分かるように、図８の比較例に比べて、図９の本発明の無負荷誘起電圧の波形は正弦波に近くなっており、含有される高調波成分も比較例の９％から本発明は２％に低減している。電動機のトルクは、誘起電圧度と電流との積で発生するため、本発明の電動機ではトルクリプルが小さく低騒音な駆動が可能となる。

また、図１０は、比較例と本発明との間で誘起電圧の実効値を比較したグラフである。図１０に示されるように、本発明の誘起電圧の実効値は、比較例に対して１３％向上していることが分かる。これにより、同一トルクを発生させる場合の電流値も、実効値に比例して小さくなり、銅損やインバータ損失を低減して高効率な駆動が可能となる。

また、図１１は、ロータの永久磁石に対して相反する位相の電機子磁束が発生するようにステータに通電した場合の、減磁率を、比較例と本発明との間で比較したグラフである。

減磁率は、通電前後のロータ表面の磁束量の比を表している。永久磁石が減磁すると、電動機の性能が変化するため、電動機の信頼性を確保するために、例えば、減磁率が３％以上となる電流が流れないようにする過電流遮断保護を回路に設ける。小さい電流で減磁する電動機は、遮断電流が小さくなるため、高負荷領域での運転ができない。このような背景のもと、図１１において、減磁率が３％となる電流値を、比較例と本発明との間で比較すると、本発明の方が３０％近く大きく、比較例に比べて減磁に対する耐力が大きく改善していることがわかる。このため、本発明の電動機は、高負荷領域まで減磁しない、信頼性の高い電動機を構成することができる。

実施の形態６．
また、本発明は、上述した実施の形態５の圧縮機を冷凍回路の構成要素として含む、冷凍空調装置として実施することも可能である。なお、冷凍空調装置の冷凍回路における、圧縮機以外の構成要素の構成は、特に、限定されるものではない。

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

１ 永久磁石埋込型電動機、３ ステータ、５ ロータ、７ ティース部、７ａ ティース歯先部、１１ ロータ鉄心、１５ エアギャップ、１９ 永久磁石、１９ａ 側面部、２１ 磁石挿入孔、２５ ロータ外周面、２７ ステータ内周面、２９ 第１円弧、２９ａ 磁極中心部、３１ 第２円弧、３３ 第３円弧、３５ 第４円弧、３７ 磁石側面対向部、３９ 極間薄肉部、４１ スリット、１００ シリンダロータリ圧縮機、１０１ 密閉容器、１０３ 圧縮要素。

Claims (7)

1. ステータと、
   前記ステータに対向して回転可能に設けられたロータとを備え、
   前記ロータは、それぞれ対応する永久磁石が挿入される複数の磁石挿入孔が形成されたロータ鉄心を有し、
   前記ロータのロータ外周面と、前記ステータのステータ内周面との間には、エアギャップが確保されており、
   前記ステータは、複数のティース部を有し、該ティース部それぞれの先端部には、両側部が周方向に広がるティース歯先部が形成されている、永久磁石埋込型電動機であって、
   前記ロータ外周面は、回転中心線と直交する断面においてみて、複数の第１円弧と、複数の第２円弧とによって構成されており、
   前記第１円弧はそれぞれ、前記ロータ外周面における対応する磁極中心部に位置し、前記第２円弧はそれぞれ、前記ロータ外周面における対応する極間部に位置しており、前記第１円弧は、前記第２円弧よりもさらに径方向外側に膨らみ、それによって、前記エアギャップは、磁極中心部それぞれから隣り合う極間部に向かって大きくなる態様で変化しており、
   回転中心線と直交する断面においてみて、前記ロータ鉄心における前記磁石挿入孔それぞれの径方向外側の孔画定部は、第３円弧の湾曲を有し、径方向内側の孔画定部は、第４円弧の湾曲を有し、
   前記ティース歯先部の開口角と、前記第１円弧の開口角と、前記第３円弧の開口角とは同一である、
   永久磁石埋込型電動機。
2. 前記第１円弧の半径の中心は、回転中心線よりも磁極側にずれた位置に配置され、前記第３円弧の半径の中心は、前記ティース歯先部に配置されている、
   請求項１の永久磁石埋込型電動機。
3. それぞれの前記ティース部の両側にある一対の前記ティース部の前記ティース歯先部の開口角は、前記第４円弧の開口角よりも小さくなるように構成されている、
   請求項１又は２の永久磁石埋込型電動機。
4. 前記磁石挿入孔における前記永久磁石の側面部が納まる磁石側面対向部と、前記第２円弧との間は、一様な肉厚の極間薄肉部があり、
   前記ロータ外周面の前記第１円弧の磁極中心部と、前記ティース歯先部の前記ステータ内周面との間の前記エアギャップが最も狭い間隔をＧａとし、
   前記ロータ外周面の前記第２円弧と、前記ティース歯先部の前記ステータ内周面との間の前記エアギャップが最も広い間隔に、さらに前記極間薄肉部の厚みを足し合わせた寸法をＧｂとし、
   隣接するティース歯先部７ａの間隔をＧｃとした場合、
   ２×（Ｇａ）＜（Ｇｃ）＜２×（Ｇｂ）の大小関係を満たす、
   請求項１〜３の何れか一項の永久磁石埋込型電動機。
5. それぞれの前記第３円弧と、対応する前記第１円弧との間の部分には、一対のスリットが設けられており、
   前記スリットはそれぞれ、前記第３円弧の半径の延びる方向に沿って延びており、
   前記一対のスリットは、磁極間中心線を中心線とした線対称に形成されている、
   請求項１〜４の何れか一項の永久磁石埋込型電動機。
6. 密閉容器内に、電動機と、圧縮要素とを備えた圧縮機であって、
   前記電動機は、請求項１〜５の何れか一項の永久磁石埋込型電動機である、
   圧縮機。
7. 請求項６の圧縮機を冷凍回路の構成要素として含む、冷凍空調装置。

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