BR112013023948B1

BR112013023948B1 - rotor para um motor de ipm, e, motor de ipm

Info

Publication number: BR112013023948B1
Application number: BR112013023948-4A
Authority: BR
Inventors: Tomonaga Iwatsu; Yukio Katagiri; Susumu Fujiwara; Shigeru Morikawa
Original assignee: Nisshin Steel Co., Ltd
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2021-02-23
Also published as: KR101854491B1; RU2578200C2; KR20140039183A; TW201240282A; JP5186036B2; RU2013148562A; AU2012233855B2; EP2693602A4; CA2829872C; US8841810B2; EP2693602B1; AU2012233855A1; EP2693602A1; BR112013023948A2; WO2012133404A1; US20140015364A1; CA2829872A1; MX2013011397A; JP2012217318A; CN103430427A

Abstract

ROTOR PARA UM MOTOR DE IPM,E, MOTOR DE IPM É descrito um núcleo de ferro de rotor que é formado por laminação de uma chapa de aço base com uma densidade de fluxo magnético (B8000) de 1,65 T ou mais, medida a uma intensidade de campo magnético de 8.000 A/m e também com uma coercividade de 100 A/m ou mais.

Description

CAMPO TÉCNICO

[001] A presente invenção se refere a um rotor para um motor de ímã permanente interior (a seguir, “motor de IPM”) que é usado para veículos elétricos, veículos híbridos e máquinas-ferramentas, por exemplo, e um motor de IPM equipado com o rotor.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] Em geral, motores IMP, que usam ímãs permanentes caros, têm alto custo, mas maior eficiência do que motores de indução. Portanto, motores IPM são amplamente usados para motores de acionamento e motores de geração de energia para veículos híbridos e veículos elétricos, e motores para aparelhos elétricos domésticos, várias máquinas-ferramentas e máquinas industriais.

[003] Um núcleo de ferro de motores IPM é constituído por um estator e um rotor. Uma vez que um campo magnético CA é diretamente aplicado no núcleo de ferro no lado do estator por meio de enrolamentos, o núcleo de ferro no lado do estator tem que ter alta permeabilidade magnética e alta resistividade volumétrica de maneira a reduzir perda de ferro. Consequentemente, chapas de aço eletromagnéticas, das quais as características magnéticas macias foram melhoradas adicionando Si a aço ultra baixo carbono, são usadas para o núcleo de ferro no lado do estator.

[004] O núcleo de ferro no lado do estator, por outro lado, basicamente exerce um papel de aumentar a densidade de fluxo magnético como uma culatra, uma vez que o ímã permanente é embutido no núcleo de ferro no lado do rotor. O núcleo de ferro no lado do rotor é submetido a uma menor influência do campo magnético CA gerado pelo lado do estator, mas esta influência é limitada. Portanto, em termos de características, não é necessário usar chapas de aço eletromagnéticas, que são vantajosas para as características de perda de ferro, para o núcleo de ferro no lado do rotor. Entretanto, as mesmas chapas de aço eletromagnéticas como o lado do estator são também usadas para o núcleo de ferro no lado do rotor, em virtude de o rendimento de produto das chapas de aço eletromagnéticas cair e os custos de fabricação do motor aumentarem, se as chapas de aço eletromagnéticas forem usadas somente para o estator.

[005] No caso de montagem de um motor de IPM em um veículo, espera-se uma miniaturização para o motor de IPM em virtude de o veículo ter que ser compacto e leve. Neste caso, a velocidade rotacional do rotor é aumentada a fim de obter uma saída do motor (torque) equivalente ou superior à de um motor convencional, a despeito da miniaturização. Em geral, a eficiência de um motor melhora à medida que a velocidade rotacional do rotor aumenta. Entretanto, no caso de um motor de IPM, uma forma eletromotriz induzida é gerada nos enrolamentos do estator pela rotação do ímã permanente embutido. A força eletromotriz induzida aumenta à medida que a velocidade rotacional aumenta. Então, o motor não pode mais girar quando a força eletromotriz excede a tensão de entrada.

[006] Portanto, em um motor de IPM, um controle de enfraquecimento de campo, que suprime a força eletromotriz induzida gerando um fluxo magnético no lado do estator em uma direção para cancelar o fluxo magnético do ímã permanente, é realizado quando o motor é operado em uma faixa de alta velocidade rotacional, como descrito no documento de patente 1, por exemplo. Embora a operação em uma faixa de alta velocidade rotacional torne-se possível, o controle de enfraquecimento de campo diminui o torque do motor em virtude de potência ser usada para cancelar o fluxo magnético do ímã permanente. De acordo com o documento de patente 1, energia elétrica a ser usada para o controle de enfraquecimento de campo pode ser diminuída melhorando-se a forma do ímã.

[007] Por outro lado, mesmo se o motor de IPM for miniaturizado, existe um problema onde a força centrífuga que age no ímã permanente embutido no rotor aumenta a ponto de danificar o rotor, se a velocidade rotacional do rotor for aumentada de maneira a obter um torque equivalente ou superior ao dos rotores convencionais. Para impedir dano, é preferível usar um material com alto limite de escoamento para o material do rotor. Por exemplo, no caso de chapas de aço eletromagnéticas não orientadas (35A300) contendo cerca de 3 % Si, o limite de escoamento depois do recozimento magnético é aproximadamente 400 N/mm2. Portanto, no caso de um motor de IPM relativamente grande, onde o diâmetro do rotor é 80 mm ou mais, o limite da velocidade rotacional na qual dano não é causado é cerca de 20.000 rpm, embora o valor seja um pouco diferente dependendo da estrutura do rotor. Vários estudos têm sido feitos para aumentar o limite de escoamento do núcleo de ferro com base nas chapas de aço eletromagnéticas, mas ainda o limite de resistência é no máximo cerca de 780 N/mm2.

[008] Desta maneira, foi feita uma tentativa de obter maior torque aumentando a velocidade rotacional usando o núcleo de ferro de rotor convencional feito de chapas de aço eletromagnéticas quando um motor de IPM é miniaturizado, existe um limite a respeito do aumento da velocidade rotacional em virtude de haver problemas onde o torque diminui na faixa de alta velocidade rotacional, mesmo se for realizado controle de enfraquecimento de campo, e o rotor pode ser danificado pela força centrífuga que age no ímã permanente.

[009] Como um método para suprimir dano no núcleo de ferro do rotor por causa da maior velocidade rotacional, o documento de patente 2, por exemplo, propõe aumentar a resistência usando um material com amolecimento e endurecimento para o material do núcleo de ferro do rotor, e seletivamente temperar somente uma porção de união perto de um furo de inserção do ímã permanente e nas suas proximidades. Além disso, o documento de patente 3, por exemplo, propõe usar chapas de aço não eletromagnéticas, mas um material com uma alta resistência e uma alta densidade de fluxo magnético de saturação para o material do núcleo de ferro do rotor. Documento de patente 1: pedido de patente japonês em aberto no. 2000-278900. Documento de patente 2: pedido de patente japonês em aberto no. 2009-153230. Documento de patente 3: pedido de patente japonês em aberto no. 2009-46738.

[0010] Embora desenvolvendo chapas de aço para um rotor para alta velocidade rotacional, foram fabricados motores IPM experimentais usando várias chapas de aço como materiais, avaliaram o desempenho dos motores e, em decorrência disto, descobriram que um grande torque de saída pode ser obtido em uma faixa de alta velocidade rotacional onde o controle de enfraquecimento de campo é realizado ajustando-se a coercividade das chapas de aço base. Obtendo-se um maior torque de saída, o rotor pode ser operado a uma maior velocidade rotacional.

[0011] No documento de patente 1, foi feita uma tentativa de diminuir a energia elétrica usada para o controle de enfraquecimento de campo melhorando a forma do ímã, mas o ajuste da coercividade das chapas de aço bases não foi considerado aqui. Nos documentos de patente 2 e 3 igualmente, o ajuste da coercividade das chapas de aço bases não está considerado. Em outras palavras, em configurações convencionais, o ajuste da coercividade das chapas de aço bases não é considerado, consequentemente, o torque de saída em uma faixa de alta rotação torna-se pequeno, e a máxima velocidade rotacional correspondentemente torna-se baixa.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0012] Com o exposto em vista, é um objetivo da presente invenção prover um rotor para um motor de IPM e um motor de IPM que pode aumentar o torque de saída em uma faixa de alta rotação, e aumentar a velocidade rotacional máxima.

[0013] Um rotor para um motor de IPM de acordo com a presente invenção inclui: um núcleo de ferro do rotor, que é formado laminando chapas de aço bases com uma densidade de fluxo magnético B8000 de 1,65 T ou mais, medida a uma intensidade de campo magnético de 8.000 A/m e uma coercividade de 100 A/m ou mais; uma pluralidade de furos de inserção de ímã permanente que são formados com um espaço entre cada furo no núcleo de ferro do rotor em uma direção circunferencial do núcleo de ferro do rotor; e ímãs permanentes que são embutidos nos furos de inserção de ímã permanente, respectivamente.

[0014] Em um motor de IPM de acordo com a presente invenção, o rotor é embutido.

[0015] De acordo com o rotor para um motor de IPM da presente invenção, o núcleo de ferro do rotor, que é formado laminando chapas de aço bases com uma densidade de fluxo magnético B8000 de 1,65 T ou mais, medida a uma intensidade de campo magnético de 8.000 A/m, e uma coercividade de 100 A/m ou mais é usado, portanto, o torque de saída na faixa de alta rotação pode ser aumentado, e a máxima frequência rotacional pode ser aumentada.

[0016] Adicionalmente de acordo com o motor de IPM da presente invenção, que usa o rotor supramencionado, o torque de saída na faixa de alta rotação pode ser aumentado, e a máxima frequência rotacional pode ser aumentada da mesma maneira.

[0017] Além disso, o rotor para um motor de IPM da presente invenção é formado laminando chapas de aço bases com um limite de escoamento de 750 N/mm2 ou mais, portanto, o rotor não é danificado pela força centrífuga que age no ímã permanente, mesmo que o rotor for rotacionado a alta velocidade. Isto permite uma diminuição na largura da porção de ponte que é formada em torno dos furos de inserção do ímã permanente. Se a largura da ponte for menor, a fuga de fluxo magnético pode ser efetivamente diminuída, que aumenta a flexibilidade no desenho do rotor. Adicionalmente, os ímãs permanentes podem ser miniaturizados e, consequentemente, o custo do motor pode ser drasticamente reduzido.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0018] A FIG. 1 é uma vista frontal representando um rotor para um motor de IPM de acordo com uma modalidade da presente invenção; A FIG. 2 é uma vista frontal representando um rotor para um motor de IPM que é diferente do rotor na FIG. 1; A FIG. 3 é um diagrama representando um primeiro rotor usado para avaliar chapas de aço base; A FIG. 4 é um gráfico representando um relacionamento entre o torque máximo a 15.000 rpm e a coercividade do motor de IPM usando as chapas de aço base; A FIG. 5 é um gráfico representando um relacionamento entre a eficiência a 15.000 rpm e a coercividade do motor de IPM usando as chapas de aço base; e A FIG. 6 é um diagrama representando um segundo rotor usado para avaliar chapas de aço base.

MELHOR MODO PARA REALIZAR A INVENÇÃO

[0019] Modalidades da presente invenção serão agora descritas com referência aos desenhos.

[0020] A FIG. 1 é uma vista frontal representando um rotor para um motor de IPM de acordo com uma modalidade da presente invenção. Como ilustrado na FIG. 1, o rotor 1 do motor de IPM inclui: um núcleo de ferro do rotor 10 (corpo principal do rotor) que é formado laminando chapas de aço supramencionadas para um rotor (chapas de aço base); uma pluralidade de furos de inserção de ímã permanente 11 que é formada com um espaço entre cada furo no núcleo de ferro do rotor 10 em uma direção circunferencial do núcleo de ferro do rotor 10; e ímãs permanentes 12 que são embutidos nos furos de inserção de ímã permanente 11, respectivamente. O motor de IPM é configurado dispondo-se um estator (não ilustrado) em uma circunferência externa do rotor 1.

[0021] Cada furo de inserção de ímã permanente 11 inclui primeiro e segundo furos de inserção 11a e 11b que são dispostos em uma forma de V cujo ápice fica voltado para um centro de rotação 10a do núcleo de ferro do rotor 10, e uma ponte 11c que separa o primeiro e segundo furos de inserção 11a e 11b no ápice. O ímã permanente 12 é respectivamente embutido no primeiro e segundo furos de inserção 11a e 11b. Em outras palavras, dois ímãs permanentes 12 são embutidos em um furo de inserção de ímã permanente 11.

[0022] A FIG. 2 é uma vista frontal representando um rotor 2 de um motor de IPM que é diferente para o rotor do motor de IPM da FIG. 1. Elementos construcionais iguais ou similares aos elementos construcionais do rotor 1 na FIG. 1 são denotados pelos mesmos símbolos de referência. Como ilustrado na FIG. 2, o rotor 2 inclui: um núcleo de ferro do rotor 10; uma pluralidade de furos de inserção de ímã permanente 20 que é formada com um espaço entre cada furo no núcleo de ferro do rotor 10 em uma direção circunferencial do núcleo de ferro do rotor 10; e ímãs permanentes 21 que são respectivamente embutidos nos furos de inserção de ímã permanente 20. Exatamente como o núcleo de ferro do rotor 10 do rotor 1 na FIG. 1, o núcleo de ferro do rotor 10 é formado laminando as chapas de aço bases supramencionadas.

[0023] Cada furo de inserção de ímã permanente 20 é disposto a cada 90o na direção circunferencial do núcleo de ferro do rotor 10. Cada furo de inserção de ímã permanente 20 é formado para ter uma forma linear, e um ímã permanente 21 é embutido em cada furo de inserção de ímã permanente 20.

[0024] No caso de um motor de IPM usando o rotor 1 ou 2 ilustrado na FIG. 1 ou FIG. 2, o controle de enfraquecimento de campo para suprimir força eletromotriz induzida é realizado gerando-se um fluxo magnético pelo lado do estator em uma direção de cancelamento do fluxo magnético dos ímãs permanentes 12, quando o motor de IPM é operado em uma faixa de alta velocidade rotacional. A velocidade rotacional nominal de um motor de IPM como este é 7.500 rpm quando o rotor 1 na FIG. 1 é usado, e 10.000 rpm se o rotor 2 na FIG. 2 for usado. Este controle de enfraquecimento de campo é realizado na faixa de alta velocidade rotacional onde a velocidade rotacional nominal é excedida.

[0025] O núcleo de ferro do rotor 10 é formado laminando chapas de aço bases com uma densidade de fluxo magnético B8000 de 1,65 T ou mais, medida em uma intensidade de campo magnético de 8.000 A/m e com uma coercividade de 100 A/m ou mais.

[0026] Um valor da intensidade de campo magnético B8000 de 1,65 T ou mais é para utilizar efetivamente o torque de relutância com base na diferença de indutância entre uma posição onde o ímã permanente 12 é inserido (eixo d) e uma posição onde o ímã permanente 12 não é inserido (eixo q) quando o rotor 1 gira a alta velocidade, e especialmente para demonstrar um desempenho de torque equivalente ou maior que as chapas de aço convencionais na faixa rotacional de alta velocidade.

[0027] O motivo pelo qual a coercividade é 100 A/m ou mais é o seguinte. Se a corrente de entrada de um motor for aumentada, o torque de saída em geral aumenta. Entretanto, sabe-se que, no caso de motores IPM, a indutância do eixo q diminui e o torque de relutância cai, se a corrente de entrada for aumentada por causa da influência da saturação magnética do material do núcleo de ferro, como descrito no “Bulletin of Department of Technology of Tokyo Gakugei University, Vol. 27, no. 1 (2004), pg 126 a 132”, por exemplo. Em outras palavras, no caso de chapas de aço das quais a coercividade é baixa, tais como chapas de aço eletromagnéticas, saturação magnética é facilmente gerada e, portanto, o torque de relutância não pode ser aumentado imediatamente, mesmo se a corrente de entrada for aumentada. Embora, no caso de se usarem chapas de aço bases das quais a coercividade é alta, a queda no torque de relutância pode ser suprimida, mesmo se o valor de corrente de entrada for relativamente alto, uma vez que a saturação magnética não é facilmente gerada. Em decorrência disto, o torque de saída e a eficiência podem ser melhorados. Foram fabricados motores IPM experimentais usando várias chapas de aço como o material e avaliaram o desempenho dos motores e, como resultado, descobriram que o consumo de energia do controle de enfraquecimento de campo, que é realizado durante rotação a alta velocidade, pode ser reduzido e o torque de saída pode ser melhorado, formando o núcleo de ferro do rotor 10 usando chapas de aço bases com uma coercividade de 100 A/m ou mais. Entretanto, se a coercividade aumentar, a densidade de fluxo magnético tende diminuir, e torque de relutância suficiente não pode mais ser obtido quando o valor da densidade de fluxo magnético B8000 tornar-se menor que 1,65 T.

[0028] É preferível que as chapas de aço bases do núcleo de ferro do rotor 10 tenham um limite de escoamento de 750 N/mm2 ou mais. Se o limite de escoamento for nesta faixa, o núcleo de ferro do rotor 10 pode suportar a força centrífuga que age nos ímãs permanentes durante rotação em alta velocidade, e o rotor não é danificado, mesmo em uma faixa rotacional de alta velocidade. Além disso, se o núcleo de ferro do rotor 10 da presente invenção for usado, a queda no torque é suprimida, mesmo na faixa rotacional de alta velocidade, em virtude de as chapas de aço bases superarem nas características de controle de enfraquecimento de campo, portanto, um motor de alto desempenho que implementa rotação a alta velocidade e alto torque pode ser provido. Em decorrência disto, o motor com o núcleo de ferro do rotor 10 pode ser usado em vários campos de aplicação, incluindo automóveis e aparelhos eletrodomésticos.

[0029] A ponte 11c formada em cada furo de inserção de ímã permanente 11 do rotor 1 na FIG. 1 é para garantir resistência em torno de cada furo de inserção de ímã permanente 11. A largura da ponte 11c (largura da ponte 11c localizada no espaço entre o primeiro e segundo furos de inserção 11a e 11b) pode ser diminuída, fazendo com que as chapas de aço bases propriamente ditas tenham resistência suficiente, por meio do qual fuga de fluxo magnético pode ser diminuída. Se for possível impedir dano no rotor e diminuir a fuga de fluxo magnético, mesmo se a largura da ponte 11c for menor pelo aumento da resistência do núcleo de ferro do rotor, para melhorar a flexibilidade no desenho do rotor. Adicionalmente, o ímã permanente 12 pode ser miniaturizado, em virtude de a fuga de fluxo magnético ser diminuída, que significa que o custo do rotor pode ser reduzido drasticamente. O torque de saída pode ser melhorado sem miniaturizar o ímã permanente 12. A largura da ponte pode ser projetada considerando tanto o maior torque de acordo com a realização da rotação de alta velocidade e a miniaturização do ímã permanente.

[0030] O limite superior do limite de escoamento das chapas de aço bases do núcleo de ferro do rotor 10 é 2.000 N/mm2. Isto se dá em virtude de o valor da densidade de fluxo magnético B8000 medida na intensidade de campo magnético de 8.000 A/m não poder ser 1,65 T ou mais se o material com o limite de escoamento acima de 2.000 N/mm2 for usado.

Exemplos

[0031] Foram fabricados chapas de aço bases do núcleo de ferro do rotor 10 pelo seguinte método de fabricação A usando cada qual aço com as composições de componentes mostradas na tabela 1.

Método de Fabricação A

[0032] Cada um dos aços com as composições de componentes mostradas na tabela 1 foram fundidas a vácuo, suas placas obtidas por lingotamento contínuo foram aquecidas a 1.250°C, processadas em laminação de acabamento a 950°C e bobinadas a 560°C. Em decorrência disto, chapas de aço laminadas a quente com uma espessura de chapa de 1,8 mm foram obtidas. Depois da realização de limpeza com ácido das chapas de aço laminadas a quente, tiras de aço laminadas a fria com uma espessura de chapa de 0,35 mm foram obtidas realizando laminação a frio uma vez (redução final: aproximadamente 81 %). Então, processamento de recozimento de alívio de tensão (limite de resistência; 100 N/mm2) foi realizado nas tiras de aço laminadas a frio obtidas passando as tiras através de um forno contínuo ajustado a 400°C por 60 segundos. Então, um filme isolante, com uma composição semiorgânica com uma espessura de aproximadamente 1 μm, contendo óxido de Cr e óxido de Mg, foi formada em ambos os lados das chapas de aço. Tabela 1

Avaliação de chapas de aço bases fabricadas pelo método de fabricação A

[0033] Corpos de prova JIS no. 5 foram extraídos das tiras de aço obtidas para ser usadas no teste de tração. Adicionalmente, corpos de prova em forma de anel com um diâmetro interno de 33 mm e um diâmetro externo de 45 mm foram fabricados por puncionamento para ser usados para medir magnetização. A tabela 2 mostra o limite de escoamento, limite de resistência, razão de escoamento (YR), densidade de fluxo magnético (B8000) medidos quando ao intensidade de campo magnético é 8.000 A/m e coercividade (Hc). Tabela 2

[0034] Adicionalmente, foram fabricadas chapas de aço bases do rotor 10 pelo método de fabricação B seguinte, usando aço com as composições de componentes mostradas na tabela 1. Método de fabricação B

[0035] Cada aço com as composições de componentes na tabela 1 foram fundidos, e suas placas de lingotamento contínuo foram aquecidas a 1.250°C, submetidas a laminação de acabamento a 850°C e bobinada a 560°C. Como resultado, foram obtidas chapas de aço laminadas a quente com uma espessura de chapa de 1,8 mm. Depois da realização de limpeza com ácido das chapas de aço laminadas a quente, chapas de aço laminadas a frio com uma espessura de chapa de 0,35 mm foram obtidas realizando-se laminação a frio. As chapas de aço laminadas a frio obtidas foram aquecidas a 900°C, passadas em um banho de liga Pb-Bi ajustado a 250°C de maneira a resfriar para 250°C a uma velocidade de resfriamento média de 100°C/s e então sem interrupção recozimento com compressão foi realizado, mantendo ainda as chapas de aço em um forno elétrico ajustado a 400°C por 60 segundos. Em seguida, um filme isolante, com uma composição semiorgânica com uma espessura de aproximadamente 1 μm, contendo óxido de Cr e óxido de Mg, foi revestida em ambos os lados das chapas de aço. Avaliação de chapas de aço bases fabricadas pelo método de fabricação B

[0036] O mesmo teste das chapas de aço bases supramencionadas fabricadas pelo método de fabricação A foi realizado para as chapas de aço bases fabricadas pelo método de fabricação B. A tabela 3 mostra os resultados. Tabela 3 Várias características das chapas de aço bases fabricadas pelo método de fabricação B

Subscrito indica um valor que não satisfaz as condições especificadas na presente invenção.

[0037] Além disso, foram fabricadas chapas de aço bases do roto 10 pelo método de fabricação C seguinte usando aços com as composições de componentes mostradas na tabela 1.

Método de Fabricação C

[0038] As placas de aço de lingotamento contínuo nos. 1, 2, 3, 4 e 5 com as composições de componentes mostradas na tabela 1 foram aquecidas a 1.250°C da mesma maneira que no método de fabricação A, submetidas a laminação de acabamento a 950°C e bobinadas a 560°C. Como resultado, foram obtidas chapas de aço laminadas a quente com uma espessura de chapa de 1,8 mm. Depois de realização de limpeza com ácido das chapas de aço laminadas a quente, tiras de aço laminadas a frio com uma espessura de chapa de 0,35 mm foram obtidas realizando laminação a frio (redução final: aproximadamente 81 %). Em seguida, recozimento de recristalização foi realizado nas tiras de aço laminadas a frio obtidas passando as tiras por um forno contínuo ajustado a 800°C por 60 segundos. Para resfriamento, a tira foi resfriada a 500°C a 8°C/s, e mantidas no forno contínuo ajustado a 450°C por 120 s ou mais, como processamento de superenvelhecimento. Em seguida, laminação a frio leve foi realizada com uma taxa de alongamento de 0,3 % e então um filme isolante com uma composição semiorgânica com uma espessura de aproximadamente 1 μm contendo óxido de Cr e óxido de Mg foi revestida em ambos os lados das chapas de aço. Avaliação de chapas de aço bases fabricadas pelo método de fabricação C

[0039] O mesmo teste das chapas de aço bases supramencionadas fabricadas pelos métodos de fabricação A e B foi realizado para as chapas de aço bases fabricadas pelo método de fabricação C. A tabela 4 mostra os resultados. Tabela 4 Várias características das chapas de aço bases fabricadas pelo método de fabricação C

Sublinhado indica um valor que não satisfaz as condições especificadas na presente invenção

Avaliação como motor de IPM (com relação a densidade de fluxo magnético e coercividade)

[0040] Como mostrado na tabela 5, um primeiro rotor com a estrutura de oito polos (par de quatro pólos) mostrada na FIG. 3 foi fabricado por puncionamento usando o aço no. 1, aço no. 3, aço no. 5 e aço no. 9 fabricados pelo método de fabricação A, aço no 1, aço no. 2, aço no. 4, aço no. 6 e aço no. 7 fabricados pelo método de fabricação B, e aço no. 1, aço no. 2, aço no. 4 e aço no. 5 fabricados pelo método de fabricação C, e um teste de avaliação de desempenho do motor com um torque de carga foi realizado no primeiro rotor. Para comparação, um rotor foi também fabricado usando chapas de aço eletromagnéticas convencional (35A300) e avaliado da mesma maneira. Somente um estator foi fabricado em combinação com cada rotor fabricado citado, e o desempenho do motor foi avaliado. A máxima saída de todos os motores foi 4,5 W. Nesta avaliação de desempenho, controle de enfraquecimento de campo foi realizado a 10.000 rpm ou mais. As características mecânicas e características magnéticas avaliadas para as chapas de aço eletromagnéticas comerciais (35A300) usando o mesmo método das chapas de aço bases da presente invenção são as seguintes: Espessura da chapa: 0,35 mm Limite de escoamento: 381 N/mm2 Limite de resistência: 511 N/mm2 Densidade de fluxo magnético de saturação B8000: 1,76 T Coercividade: 75 A/m Tabela 5 Avaliação do motor de IPM (densidade de fluxo magnético e coercividade)

Sublinhado indica um valor que não satisfaz as condições especificadas na presente invenção Especificações do rotor e estator fabricados são as seguintes • Especificações do primeiro rotor Diâmetro externo: 80,1 mm Comprimento do eixo: 50 mm - Número de camadas laminadas: 0,35 mm / 140 camadas - Largura da ponte central e ponte externa: 1,00 mm - Ímã permanente: ímã de neodímio (NEOMAX - 38 VH). 9,0 mm largura x 3,0 mm espessura x 50 mm comprimento, embutido em um total de 16 localizações. - Especificações do estator - Comprimento da folga: 0,5 mm - Diâmetro externo: 138,0 mm; espessura da culatra: 10 mm; comprimento: 50 mm - Material do núcleo de ferro: chapas de aço eletromagnéticas (35A300); espessura de chapa: 0,35 mm - Número de camadas laminadas: 140 camadas - Método de enrolamento: enrolamento distribuído.

[0041] A tabela 5 inclui o torque máximo e eficiência do motor a 15.000 rpm quando cada primeiro rotor é instalado. A FIG. 4 mostra o relacionamento entre o torque máximo a 15.000 rpm e coercividade, e a FIG. 5 mostra o relacionamento entre a eficiência a 15.000 rpm e coercividade. Para esta avaliação de desempenho, igualmente, controle de enfraquecimento de campo é realizado a 10.000 rpm ou mais.

[0042] Como a tabela 5, a FIG. 4 e FIG. 5 esclarecem, no caso de cada motor encerrando um rotor no qual o material do núcleo de ferro do rotor é chapa de aço com uma coercividade Hc menor que 100 A/m (chapas de aço eletromagnéticas e aço no. 1 e aço no. 2 fabricados pelo método de fabricação C), o torque a 15.000 rpm é baixo, menos que 2,0 N;m e a eficiência é também baixa, menos que 60 %. Ao passo que, no caso de cada motor cujo núcleo de ferro do rotor é de chapa de aço base com a densidade de fluxo magnético e coercividade na faixa de acordo com a presente invenção, um alto torque acima de 2,0 N.m e uma boa eficiência de 60 % ou mais podem ser implementados. Especialmente em uma faixa de coercividade de 300 A/m ou mais, um torque ainda maior de 2,5 N.m ou mais e uma alta eficiência de 70 % ou mais podem ser implementados.

[0043] No caso do aço no. 7 fabricado pelo método de fabricação B, com uma alta coercividade, mas baixa densidade de fluxo magnético B8000 de 1,61 T, o torque e a eficiência são baixos por causa da baixa densidade de fluxo magnético.

Avaliação como motor de IPM (largura e intensidade da ponte)

[0044] Foram fabricados adicionalmente o segundo rotor mostrado na FIG. 6 usando o aço no. 4 (limite de escoamento acima de 750 N/mm2) e o aço no. 6 (com o mais alto limite de escoamento) fabricado pelo método de fabricação B (esses aços são denominados “chapas de aço ultra alta resistência” aqui). Comparado com o primeiro rotor na FIG. 3, a largura da ponte do segundo rotor na FIG. 6 foi reduzida pela metade de maneira a reduzir a fuga de fluxo magnético, e o tamanho do ímã permanente do segundo rotor foi reduzido de 9,0 mm de largura para 8,0 mm de largura (miniaturizado aproximadamente 11 %). Adicionalmente, o controle de enfraquecimento de campo foi realizado a 10.000 rpm ou mais.

[0045] Especificações do segundo rotor são como se segue. O estator foi o mesmo estator supramencionado usado para a avaliação da densidade de fluxo magnético e coercividade. • Especificações do segundo rotor Diâmetro externo; 80,1 mm Comprimento do eixo; 50 mm - Número de camadas laminadas: 0,35 mm/ 140 camadas - Largura da ponte central e ponte externa: 0,5 mm - Ímã permanente: ímã de neodímio (NEOMAX - 38 VH), 8,0 mm de largura x 3,0 mm de espessura x 50 mm de comprimento, embutido em um total de 16 localizações.

[0046] Para comparação, o primeiro e segundo rotores foram fabricados usando as chapas de aço eletromagnéticas. A tabela 6 mostra o máximo torque e eficiência dos rotores IPM usando um rotor feito de chapas de aço eletromagnéticas, e rotores IPM usando um rotor feito do aço no. 6 fabricado pelo método de fabricação B, operado a 5.000 rpm a 15.000 rpm. Tabela 6 Avaliação como motor de IPM (largura da ponte)

[0047] Como mostra a tabela 6, se forem usadas chapas de aço de ultra-alta resistência para o material do núcleo de ferro do rotor, um rotor com um desempenho do motor equivalente ou melhor que a de um rotor no qual o material do núcleo de ferro é chapa de aço eletromagnético é obtido, mesmo se a largura da ponte for diminuída, ou se os ímãs permanentes forem miniaturizados como no caso do segundo rotor. Especialmente em uma faixa rotacional de alta velocidade acima de 10.000 rpm, uma boa característica de alto torque pode ser obtida em virtude de uma melhoria no controle de enfraquecimento de campo por causa da coercividade.

[0048] Além disso, os rotores usados para o teste supramencionado foram removidos do estator e a tampa de aço anexada, então o motor foi conectado a um motor de carga por meio de uma transmissão e acionado pelo lado de carga do motor e, neste estado, um teste de sobrevelocidade, até 50.000 rpm, foi realizado, e a velocidade rotacional na qual um rotor foi danificado pela força centrífuga foi examinada. A tabela 7 mostra os resultados. Tabela 7 Avaliação como motor de IPM (resistência)

[0049] Como mostra a tabela 7, no caso do primeiro rotor que usa chapas de aço eletromagnética como o material do rotor e tem uma largura de ponte de 1,0 mm, o rotor foi danificado a 40.450 rpm. Por outro lado, se o aço no. 4 fabricado pelo método de fabricação B, que é uma chapa de aço de ultra-alta resistência com um limite de escoamento de 750 N/mm2 ou mais, for usado como o material do rotor, o primeiro rotor não rompeu até 43.200 rpm, e mesmo o segundo rotor, do qual a largura da ponte foi diminuída para 0,5 mm, não rompeu até 36.000 rpm, que é equivalente ou maior que o primeiro rotor feito de aço eletromagnético. No caso do aço no. 6 fabricado pelo método de fabricação A, que tem um limite de escoamento de 950 N/mm2 ou mais, o segundo rotor com uma largura de ponte de 0,5 mm não rompeu até 42.000 rpm e, no caso do aço no. 6 fabricado pelo método de fabricação B, que tem um limite de escoamento de 1.300 N/mm2 ou mais, o primeiro rotor não rompeu mesmo a 50.000 rpm. Assim, confirmou-se que a ruptura pode ser impedida até uma frequência rotacional maior que no caso de chapas de aço eletromagnéticas, se chapas de aço de ultra-alta resistência da presente invenção forem usadas para o material do rotor.

[0050] Examinando os rotores danificados, observou-se que tanto a porção da ponte interna quanto a porção da ponte externa foram deformadas ou romperam, e que os ímãs permanentes caíram dos rotores. A porção da ponte externa é a porção onde um furo de inserção de ímã permanente está próximo da periferia do motor.

Avaliação como motor de IPM (no caso de usar o rotor da FIG. 2)

[0051] Foi fabricado o rotor 2 (terceiro rotor) mostrado na FIG. 2 usando chapas de aço de ultra-alta resistência, e conduziram um teste de avaliação de desempenho do motor. Um rotor usando chapas de aço eletromagnéticas foi também fabricado e avaliado da mesma maneira. A saída máxima do motor de IPM 2 foi 3,7 kW. Especificações do rotor e estator fabricado são as seguintes. - Especificações do terceiro rotor Diâmetro externo: 80,0 mm Comprimento do eixo: 75 mm - Número de camadas laminadas: 0,35 mm / 210 camadas - Largura da ponte: 3,0 mm - Ímã permanente: ímã de neodímio (NEOMAX - 38 VH), 40,0 mm de largura x 2,0 mm de espessura x 75 mm de comprimento, embutido em um total de 4 localizações - Especificações do estator - Comprimento da folga: 0,5 - Diâmetro externo: 160,0 mm; espessura da culatra: 17 mm; comprimento: 75 mm - Material do núcleo de ferro: chapas de aço eletromagnéticas (35A300); espessura da chapa: 0,35 mm - Número de camadas laminadas: 210 camadas - Método de enrolamento: enrolamento distribuído

[0052] A tabela 8 mostra o máximo torque e eficiência de motores IPM usando cada rotor operado em uma faixa de 5.000 rpm a 12.000 rpm. O controle de enfraquecimento de campo foi realizado a uma frequência de rotação superior a 10.000 rpm. Tabela 8 Avaliação como motor de IPM (no caso do rotor da FIG. 2)

[0053] Como mostra a tabela 8, no caso de usar chapas de aço eletromagnéticas, o motor não pode mais girar a 12.000 rpm, mesmo se for realizado controle de enfraquecimento de campo. No caso do rotor usando o aço no. 6 com alta coercividade, por outro lado, é possível rotação a 12.000 rpm, e pode se acionado em uma maior faixa de rotação.

Claims

1. Rotor (1) para um motor de IPM, estando o rotor embutido em um motor de IPM onde um controle de enfraquecimento de campo é realizado quando a velocidade rotacional ultrapassa um valor predeterminado, cujo rotor (1) compreende: um núcleo de ferro do rotor (10); uma pluralidade de furos de inserção de ímã permanente (11), cujos furos (11) são formados espaçados uns dos outros no núcleo de ferro do rotor (10) em uma direção circunferencial do núcleo de ferro do rotor (10); e, ímãs permanentes (12) que são embutidos nos furos de inserção de ímã permanente (11), respectivamente, caracterizado pelo fato de que: o núcleo de ferro do rotor (10) é formado laminando chapas de aço bases com uma densidade de fluxo magnético B8000 de 1,65 T ou mais, medida a uma intensidade de campo magnético de 8.000 A/m e uma coercividade de 100 A/m ou mais.

2. Rotor (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a coercividade das chapas de aço bases é 300 A/m ou mais.

3. Rotor (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o limite de escoamento das chapas de aço bases é 750 N/mm2 ou mais.

4. Rotor (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o limite de escoamento das chapas de aço bases é 950 N/mm2 ou mais.

5. Rotor (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o limite de escoamento das chapas de aço bases é 1.300 N/mm2.

6. Motor de IPM, caracterizado pelo fato de que um controle de enfraquecimento de campo é realizado quando a velocidade rotacional ultrapassa um valor predeterminado, sendo que nele é embutido um rotor (1) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5.