CN101345444A - 永磁式旋转电机及永磁式旋转电机系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁式旋转电机，可以限制因离心力而导致的永久磁体的移动。在包括定子(1)和将多个永久磁体(3)插设在转子铁心(5)的外周部的转子(2)的永磁式旋转电机(100)中，永久磁体(3)在转子(2)的外周面侧具有倾斜面，该倾斜面的最薄部与不同极的永久磁体相邻。此外，相邻的永久磁体(3、3)，是凸状截面的永久磁体被一分为二的形状，磁极桥(15)形成在永久磁体(3、3)边界。由此，离心力所导致的永久磁体(3、3)的移动得到限制，转子铁心(5)与永久磁体(3、3)之间的脱落得到防止。

Description

永磁式旋转电机及永磁式旋转电机系统

技术领域

本发明涉及一种包括具备永久磁体的转子和定子的永磁式旋转电机及应用它的永磁式旋转电机系统。

背景技术

作为在电车上使用的旋转电机，迄今为止，虽然采用了感应电机，但近年来，随着永久磁体的低价格化和半导体元件的高性能化，采用由变频器驱动的永磁式旋转电机的势头不断提高。

其间，为了改善旋转电机的电特性，研究了各种形式的永磁式转子的构造。对于专利文献1的永磁式旋转电机的转子，通过将永久磁体分割后配置，并在该分割的永久磁体背后配置磁通壁垒(flux barrier)，就可以使朝向转子内部的漏磁通降低，来使与定子线圈的交链磁通数增加。

专利文献1：特开2003-116235号公报

随着旋转电机的大容量化，对于转子直径较小的小型机中不是问题的与转子机械强度相关的研究，越来越重要。特别是，永久磁体，多数借助粘结剂配置在转子芯表面，离心力造成的径向移动会容易使永久磁体脱落。另一方面，如果为了避免永久磁体脱落，而采取在转子芯的圆周部，在轴方向上设置多个孔，在该孔上配置永久磁体的构造，那么以下问题又会产生：永久磁体表面与定子磁极间的间隔增加，磁特性降低。总之，同时兼顾转子的机械强度和磁特性很有必要。

发明内容

因此，本发明的课题是，提供一种永磁式旋转电机及应用它的永磁式旋转电机系统，可以限制离心力造成的永久磁体的移动。

为了解决上述课题，本发明的永磁式旋转电机的特征在于，在包括定子；和将多个永久磁体插设在转子铁心外周部的转子的永磁式旋转电机中，上述永久磁体在上述转子的外周面侧具有倾斜面，该倾斜面的最薄部与不同极的永久磁体相邻。

据此，由于转子铁心中，在外周部插设多个永久磁体，因而形成保持永久磁体的桥(例如，极间桥、铁心桥)，该桥限制因转子的离心力而向永久磁体的直径方向移动。此外，由于永久磁体在外周面侧具有倾斜面，最薄部与不同极的永久磁体相邻，所以最薄部附近的桥(例如极间桥)刚性高、桥变形较少，可切实地限制永久磁体的移动。另外，永久磁体的倾斜面，是指相对于转子的磁极中心上的切线方向而倾斜的面。此外，将永久磁体形成凸状截面，可以使磁极中心的外周部的桥(例如铁心桥)变薄，磁特性就会提高。

根据本发明，可以限制因离心力而导致的永久磁体的移动。由此，可以防止转子铁心与永久磁体之间的脱落。此外，根据权利要求2的发明，磁特性可提高。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式的旋转电机截面图。

图2是本发明的第1实施方式的旋转电机的部分放大截面图。

图3是表示第1实施方式的旋转电机的应力标准化值和电机特性与T1/TM之间关系的图。

图4是本发明的第2实施方式的旋转电机截面图。

图5是本发明的第2实施方式的旋转电机的部分放大截面图。

图6是表示第2实施方式的旋转电机的应力标准化值和电机特性与T1/TM之间关系的图。

图7是表示将永久磁体一分为三时的转子铁心的图。

图8是表示将永久磁体一分为四时的转子铁心的图。

图9是用旋转电机驱动电车车轮的例子。

图10是将旋转电机直接连接在电车车轮上的例子。

图中：1-定子，2-转子，3、3a-永久磁体，4-磁体槽，5-转子铁心，6-轴，7-磁通壁垒，8-上线圈，9-底线圈，10-线圈，12-齿状物，13-槽，14-极间桥，15-磁极桥，16-铁心桥，50-车轮，51、52、61、62-线，60-加速齿轮，100、110-旋转电机，200、210-电车。

具体实施方式

下面，利用附图，对本发明的详细内容进行说明。各图中的相同部分被附加相同编号。

(第1实施方式)

图1是第1实施方式的永磁式旋转电机的端部截面图。永磁式旋转电机100，是10极45槽的旋转电机，用在几百kW的电车上，允许5000～7000rpm的旋转速度。

定子1是一种分布缠绕定子，包括：具备从磁轭部向内周面突出的多个齿状物12的圆筒状的定子铁心；和利用齿状物12分布缠绕芯线得到的线圈10。线圈10被做成U相、V相、W相的3相绕组，被缠绕成电性上形成45槽10极。另外，轴方向上延伸的齿状物12间形成的槽13，被一分为二成外周侧和内周侧，对于线圈10，上线圈8被配置在槽13的外周侧，下线圈9被配置在内周侧。

线圈10，以被称为短节缠绕的方式缠绕，相比全节缠绕，更能降低涡流损耗。对于线圈10，为方便起见，槽13被从#1至#45逆时针地编号，连线方式如下：从其中#1槽的下线圈9出来的芯线，进入#5槽的上线圈8，这种连线在圆周方向重复，构成3相绕组。另外，#5槽的编号值，是对槽数45除以极数10得到的4.5进行四舍五入而得到的。另外，将绕组节距与磁极节距之比(短距系数)设为5/6，通过这样，第5次和第7次的空间高次谐会降低。此外，本实施方式虽然是采用短节缠绕，但也可通过其他极数、槽数的组合来采用全节缠绕或集中缠绕。此外，本实施方式的组合虽然是10极45槽，但其他极数、槽数的组合也成立。

转子2，被可旋转地与定子1同轴配置，轴6被嵌插在转子铁心5的轴中，永久磁体3被分别配置在穿设于转子铁心5的外周部的多个磁体槽4中。永久磁体3共配置有20个，同极的磁体被一极2个地并列设置。此外，多个磁体槽4穿设于转子铁心5的外周部，在并列设置的同极的永久磁体3、3的边界(磁极中心)，形成磁极桥15，在相邻的不同极的永久磁体3、3的边界形成极间桥14，在永久磁体3的外周侧的极间桥14之间(或者在极间桥14与磁极桥15之间)形成铁心桥16。也就是说，永久磁体3，被极间桥14、以及磁极桥15和铁心桥16支撑。

图2表示第1实施方式的转子2的一个极的放大图。并列设置的2个同极的永久磁体3、3，被虚线表示的1个永久磁体3a模块化，永久磁体3a采取的是由磁极中心(同极的永久磁体3、3的边界)向转子外径突出的凸状，从磁极中心起在圆周方向上大致对称。换言之，永久磁体3、3被一分为二，具有一个倾斜面，截面的厚度在转子2的圆周方向上变化。该倾斜面的形状，是多个直线和连接这些直线的多个圆弧的组合，转子外周侧角部的圆弧半径R1、R2的值，比转子内周侧角部的圆弧R3、R4的半径更大。另外，永久磁体3a在内面侧的形状是平面，永久磁体3a的倾斜面，是相对于磁极中心的转子的切线方向倾斜的面，此外，磁极中心部的厚度TM比两侧的最薄部更大。

极间桥14、14，在永久磁体3a的两侧形成，使得与转子2的外周表面的间隔增加。也就是说，永久磁体3a的最薄部，与不同极的永久磁体3a相邻。极间桥14、14和铁心桥16双方，限制永久磁体3a因为转子2旋转时因离心力而在直径方向移动，防止永久磁体3a脱落。这时，由于永久磁体3a是办圆柱体形的凸状，所以极间桥14、14，形成越往转子2的外周方向，圆周方向幅度越大的结构，刚性高、变形少、强度十足地限制永久磁体3a的移动。永久磁体3a的移动受到限制。此外，由于永久磁体3a是凸状，所以铁心桥16在磁极中心附近(永久磁体3a的中心附近)的厚度就较薄，旋转电机100的磁特性提高。

磁极桥15设置在同极的永久磁体3、3之间，限制磁极中心上的因离心力而产生的铁心桥16的变形。

图2中，将磁体槽4与转子2的外径之间的铁心桥16的厚度设为T1，将永久磁体3的最厚部的高度(厚度)设为TM。永久磁体3，通过将转子外径侧角部的半径R1、R2设定得比转子内径侧角部的半径R3、R4大，来缓冲应力集中。另外，永久磁体的外周侧的一部分，即使是顺应转子2的外周形成圆弧状，而不是做成平面，也可以缓冲应力集中。此外，对于永久磁体3a，由于截面形状是凸状，所以磁极中心附近的铁心桥16的厚度可以减薄，定子1的对磁极的磁特性就会提高。

下面，从应力特性、电机特性的观点来说明各自的效果。

图3表示应力标准化值和电机特性标准化值与T1/TM之间的关系。横轴是铁心桥16的厚度与永久磁体3的厚度之比T1/TM，其趋势是，铁心桥16越增厚，应力特性就越高，电机特性越低。

线51表示应力标准化值，将满足机械强度的值(例如，可以防止由于老化而导致的破坏)标准化为1。此外，线52表示电机特性标准化值，将满足作为电机的转矩·电特性的值被标准化为1。换言之，只要各标准化值在1以上，就可以作为永磁式旋转电机正常进行动作。根据附图，若T1/TM比在0.13以上，就满足应力标准化值，若T1/TM比在0.23以下，则满足电机特性标准化值。因此，优选将T1/TM的值设定为0.13≤T1/TM≤0.23。

如上所述，根据本实施方式，多个永久磁体3被插设在转子铁心5的外周部，所以，形成了保持永久磁体的极间桥14、铁心桥16，该桥14、16限制转子2因离心力而向永久磁体3的直径方向移动。此外，由于永久磁体3在外周面侧具有倾斜面，最薄部与不同极的永久磁体3相邻，所以最薄部附近的极间桥14刚性高、桥变形较少，且切实地限制永久磁体的移动。此外，通过采用将凸状截面一分为二的形状的永久磁体3、3，可以使磁极中心的外周部的铁心桥16变薄，所以，磁特性提高。此外，通过在不同极的永久磁体之间配备同极的2个永久磁体3、3，形成磁极桥15，磁极桥15具有进一步减少铁心桥16变形的支柱的功能。

(第2实施方式)

图4是本发明第2实施方式的永磁式旋转电机的端部截面图。

永磁式旋转电机110与第1实施方式的永磁式旋转电机100的不同点是：在不同极性的永久磁体3的各个磁极之间，在轴方向上凹设有磁通壁垒7。该磁通壁垒7，防止永久磁体3产生的磁通流向相邻的不同极的永久磁体，使得磁通流向定子1的磁极。

图5表示第2实施方式的转子2的一个极的放大图。与图2同样，将磁体槽4与转子2的外径之间的铁心桥16的厚度设为T1，将永久磁体3的最厚部的高度(厚度)设为TM。此外，将磁通壁垒7与永久磁体3间的最窄部的幅度设为T2。

图6表示应力标准化值和电机特性标准化值与T2/TM之间的关系。与图3同样，线61作为应力标准化值，将满足机械强度的值设为1。此外，线62作为电机特性标准化值，将满足作为电机的转矩·电特性的值设为1。由此，只要各值在1以上，就可以使永磁式旋转电机正常地进行动作。因此，若T2/TM比在0.1以上，就满足应力标准化值，若T2/TM比在0.4以下，就满足电机特性标准化值。由上，优选将T2/TM比设定为0.1≤T2/TM≤0.4。

(第3实施方式)

第1实施方式和第2实施方式所示的转子构造中，虽然将永久磁体3a(图2)一分为2，将磁极桥15设为1条，但也可以如图7、图8所示，将永久磁体3a一分为3、一分为4，将磁极桥15设为2条或3条。这样，可以进一步减少铁心桥16(图1)的变形。

(应用例)

图9表示将本实施方式的旋转电机100、110应用在电车用永磁式旋转电机系统的例子。电车200，具备：第1实施方式和第2实施方式所示的旋转电机100、110；加速齿轮(变速齿轮)60和车轮50。旋转电机100、110通过加速齿轮60驱动车轮50。

此外，可以像图10的电车210那样，将车轮50直接连接在旋转电机100、110的轴方向两侧。此外，旋转电机100、110还完全可以用作风扇、泵等送风用永磁式旋转电机系统的动力源。

(变形例)

本发明并不限于上述实施方式，例如，可以进行如下的各种变形。

(1)上述各实施方式中，虽然将永久磁体3的转子内周侧设为平面，但也可以设为其他形状。

(2)上述各实施方式中，虽然是以铁心桥16来连接极间桥14或磁极桥15之间，但在磁极附近，可以不必用铁心桥16连接。这样，由于永久磁体3与定子1的间隔小，磁特性就会提高。特别是，在将永久磁体3a分割为奇数个的情况下，中心的永久磁体接近定子1的磁极，所以非常有效。另外，即便在这种情况下，也需要插设中心的永久磁体，也就是说，需要用铁心桥16的一部分按压永久磁体3b(图7)。

Claims (11)

1.一种永磁式旋转电机，包括：定子；和将多个永久磁体插设在转子铁心外周部的转子，其中，

所述永久磁体在所述转子的外周面侧具有倾斜面，最薄部与不同极的永久磁体相邻。

2.根据权利要求1所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

所述永久磁体具有凸状的截面。

3.根据权利要求2所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

所述永久磁体，具有由多条直线和连接该直线的多个圆弧的组合而构成的截面形状，转子外周侧角部的所述圆弧的半径值，大于转子内周侧角部的所述圆弧的半径值。

4.根据权利要求2所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

所述永久磁体在圆周方向被分割为多个，该被分割的永久磁体被同极磁化。

5.根据权利要求1所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

所述转子铁心具有极间桥，其因所述倾斜面与所述转子外周面的间隔发生变化而形成。

6.根据权利要求5所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

所述转子铁心，在所述永久磁体的外周侧的所述极间桥之间形成有铁心桥，

当将所述永久磁体的最厚部的厚度设为TM，将所述铁心桥的厚度设为T1时，将T1/TM的比配置成满足0.13≤T1/TM≤0.23的关系。

7.根据权利要求1所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

所述定子，形成向磁轭部内周面突出的多个齿状物，线圈通过集中缠绕或分布缠绕而缠绕在该齿状物上。

8.根据权利要求1所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

所述转子铁心在不同极性的所述永久磁体之间凹设有磁通壁垒。

9.根据权利要求8所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

将所述磁通壁垒与所述永久磁体之间的最短幅度设为T2，将所述永久磁体的最大厚度设为TM时，T2/TM的比被配置为满足0.1≤T2/TM≤0.4的关系。

10.一种电车用的永磁式旋转电机系统，其特征在于，

将权利要求1所述的永磁式旋转电机作为动力源。

11.一种送风用的永磁式旋转电机系统，其特征在于，

将权利要求1所述的永磁式旋转电机作为驱动源。

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