CN102044944B - 永磁铁式旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁铁式旋转电机，能够确保永磁铁的制作容易性、抑制制作费的增加并提高永磁铁的退磁耐性。该永磁铁式旋转电机包括卷绕安装有励磁线圈(8)的定子(3)以及与该定子(3)隔开规定的空隙相对旋转的转子(4)，上述转子(4)具有：在转子芯(12)内在轴方向形成的多个槽(13)；和以使得在周方向相邻的磁极(11a～11d)为不同极性的方式插入该槽(13)内的永磁铁(14)，上述磁极(11a～11d)具有将一对槽(13)配置为朝向所述定子(3)扩展的V字形的结构，上述永磁铁(14)形成为至少上述定子一侧随着朝向该定子(3)、磁化方向的宽度变厚的梯形形状。

Description

永磁铁式旋转电机

技术领域

本发明涉及具备定子和转子的永磁铁(永久磁铁，永磁体)式旋转电机，该转子相对于定子具有规定的空隙并进行旋转，具有永磁铁。

背景技术

作为现有的永磁铁式旋转电机的一例，能够列举内置磁铁式旋转电机。

该内置磁铁式旋转电机，在转子内部具备永磁铁。该旋转电机，除了与该永磁铁产生的磁通和定子具备的励磁线圈的链接磁通量(interlinkage flux)相应地产生的磁力矩(转矩)之外，还利用了利用转子铁芯的磁阻的磁阻(reluctance)。该内置磁铁式旋转电机被广泛应用为小型高功率高效率旋转电机。

作为在内置磁铁式旋转电机中增大力矩的一个方法，已知如下方法：将永磁铁配置为V字形形状，增大在转子的磁极中心方向延伸的d轴方向的电感与从d轴以电角(度)偏移90度而位于磁极间的q轴方向的电感(inductance)的差，有效利用磁阻力矩。磁阻力矩通过使励磁线圈产生的磁通向减弱磁铁磁通的方向即d轴方向产生而获得。

此处，如上所述，向与磁铁磁通相反的方向从励磁线圈(激励线圈)产生磁通，由此，在内转子式(Inner Rotor Type)的内置磁铁式旋转电机中来自励磁线圈的磁通不通过转子内部的深部即接近旋转轴的部位，而集中于转子外周面。由此，与磁铁的转子外周面端部接近的磁铁的端部受到与磁铁的磁化方向相反的反磁场的较大影响，与其他部分相比容易产生不可逆退磁。

作为解决这样的不可逆退磁的问题的方法，提出了如下方式的永磁铁式旋转电机：在转子将永磁铁配置为朝向定子侧扩展的V字形，增加磁阻力矩，有效地活用磁阻力矩，并且使与永磁铁的磁化方向正交的方向的两端部与中央部比较在磁化方向上较厚，提高磁铁端部的退磁耐性，难以产生不可逆退磁(例如，参照专利文献1)。

但是，在上述专利文献1记载的现有示例中，由于永磁铁形成为两端部比中央部在磁化方向厚的逆凹形，因此为了形成永磁铁，需要对长方体的磁铁的中央部切削加工或者预先制作凹形形状的模具、进行起模等作业，此外，还有利用凹形的长方形磁铁的组合构成永磁铁的方法，但是存在部件个数增加以及向转子上形成的槽插入磁铁的工时增加，作业时间变长，加工费增加等未解决的课题。

专利文献1：日本特开2008-283823号公报

发明内容

因此，本发明是着眼于上述现有示例的未解决的课题而完成的，其目的在于提供一种永磁铁式旋转电机，该永磁铁式旋转电机能够确保永磁铁制作容易，抑制制作费的增加并提高永磁铁的退磁耐性。

为了达到上述目的，本发明的第一方面的永磁铁式旋转电机的特征在于：

包括定子和转子，该定子上卷绕安装有励磁线圈，该转子与该定子隔开规定的空隙相对并进行旋转，

上述转子具有：在转子芯内在轴方向形成的多个槽(slot：缝)；和以使得在周方向相邻的磁极具有不同极性的方式插入该槽的永磁铁，

上述磁极具有将一对槽配置为朝向上述定子扩展(扩张、展开)的V字形形状的结构，

上述永磁铁的至少上述定子侧被形成为磁化方向的宽度随着朝向上述定子而逐渐变厚的梯形形状。

根据该结构，由于按照转子的每个磁极将永磁铁配置为朝向定子扩展的V字形形状，至少将定子一侧的永磁铁的形状形成为随着朝向定子磁化方向的宽度变厚的梯形形状，因此能够增大磁阻力矩从而实现力矩的增大，并且能够提高磁铁端部的退磁耐性。此时，通过将永磁铁形成为梯形，能够使永磁铁的形状简单，仅通过研磨加工就能够由长方体制作永磁铁，能够缩短制作时间并且抑制制作费用。

此外，本发明的第二方面的永磁铁式旋转电机的特征在于：在上述转子中，按照每个磁极设置有2×(n+1)个上述槽，其中，n为1以上的整数，仅将插入与上述定子接近的槽内的永磁铁形成为磁化方向的宽度随着朝向该定子而逐渐变厚的梯形形状。

根据该结构，由于将插入永磁铁的槽在其延长方向分割，按照每一个磁极形成2×(n+1)(n为1以上的整数)个槽，因此在槽之间形成铁芯连接部，从构成磁极的V字形的槽至转子外周部的扇形的磁极铁芯部能够由2×(n+1)+1个铁心较薄部(薄壁部)支撑，高速旋转时能够分散各铁芯较薄部的应力，防止转子芯的破损。

进而，本发明的第三方面的永磁铁式旋转电机的特征在于：在本发明的第一方面或第二方面的发明中，上述梯形形状的永磁铁形成为如下方式的梯形形状：磁化方向的两端面中的一个端面为与正交于该磁化方向的面平行的平行面，另一个端面为相对于与上述磁化方向正交的面倾斜的倾斜面。

根据该结构，仅将成为长方体的长边的1面研磨成倾斜面，就能够制作梯形形状的永磁铁，进而能够缩短制作时间并抑制制作费用。此外，还能够从成为长方体的长边的1面一侧使用切断刀(切刀)倾斜地呈直线状地进行截断，能够容易地进行制作。

发明的效果

根据本发明，因为按照转子的每个磁极将永磁铁配置为朝向定子扩展的V字形形状，至少将定子侧的永磁铁的形状形成为随着朝向定子、磁化方向的宽度变厚的梯形形状，所以通过将永磁铁按照每个磁极配置为V字形形状，能够实现磁阻力矩的增大，提高磁铁端部的退磁耐性。此外，由于至少仅使接近定子的永磁铁的定子一侧的部分在磁化方向变厚，因此与使磁铁两端部较厚的形状相比能够由较少的材料构成永磁铁，从而能够削减材料费。进而，因为将永磁铁形成为梯形形状，所以通过对长方体的永磁铁的至少一个面研磨或者将至少一个面倾斜地切断，仅此就能够形成为梯形形状，能够容易地进行永磁铁的制作。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式的永磁铁式旋转电机的截面图。

图2是图1的转子的放大图。

图3是表示本发明的第2实施方式的永磁铁式旋转电机的转子的放大图。

图4是表示能够适用于本发明的永磁铁和槽的放大图。

附图标记的说明

1永磁铁式旋转电机

2圆筒状框

3定子

G空气间隙(air gap)

4转子

5旋转轴

6槽

7齿(齿部)

8励磁线圈

11a～11d磁极

12转子芯

13、13a～13d槽

14、14a～14d永磁铁

14f1平行面

14f2倾斜面

15～17较薄铁芯(铁心)部

具体实施方式

以下，基于附图说明本发明的实施方式。

图1是表示本发明的第1实施方式的截面图。在该图1中，永磁铁式旋转电机1由内转子式的内置磁铁式同步旋转电机构成。该永磁铁式旋转电机1具有圆筒状框2。在该圆筒状框2的内周侧配置有圆筒状的定子3，在该定子3的内周侧配置有隔着规定的空气间隙G相对的转子4。该转子4被嵌入其中心部的旋转轴5支撑，按照能够自由旋转的方式配置。

定子3在内周面侧在圆周方向以等间隔形成有例如12个槽6，形成有12个齿7。在各齿7上卷绕有卷绕安装在槽6内的励磁线圈8。此处，励磁线圈8的卷绕方法大体分为集中卷绕和分散卷绕。本发明对集中卷绕和分散卷绕均能够发挥效果，卷绕方法不限于图1所示的卷绕方法。

另一方面，如图2放大所示，转子4具备由具有4个磁极11a～11d的叠层铁芯形成的转子芯12。该转子芯12包括：在轴方向贯通形成的多个例如8个槽13；和按照使得在周方向相邻的磁极11为不同极性的方式插入上述槽13内的永磁铁14。此处，永磁铁14由稀土类磁铁构成。

各磁极11a～11d，通过使一对槽13朝向旋转轴5的旋转中心轴凸出，且将该一对槽13配置为朝向定子3一侧扩展的V字形形状，从而形成为扇形。

而且，一对槽13各自形成为：从轴方向端面看时，随着从内侧端部朝向定子3一侧，宽度逐渐变宽，连接上底和下底的两个端点的边的长度相等的等腰梯形形状。与此相应，插入槽13内的永磁铁14从轴方向端面看时，也形成为随着从内侧端部朝向定子3一侧，磁化方向的厚度变厚的等腰梯形形状。此处，将永磁铁14之间的外周侧夹角(开角)θ设定为例如125°左右，将与永磁铁14的外周侧端部的厚度与内周侧端部的厚度的比例如设定为1.6左右。

此外，就转子4的槽13的形成而言，在叠层构成转子的叠层铁板之前用冲压机冲压形成槽13，或者在叠层钢板形成转子芯之后用冲压机冲压形成槽13。此外，永磁铁14，通过对长方体的永磁铁的长边的相对面进行研磨加工或者起模加工而形成为与槽13的形状大致相等、能够插入槽13内的等腰梯形形状。进而，也可以通过从长方体的长边的一个面用切断刀(刃)沿着连接等腰梯形的上底和下底间的边倾斜地切断，形成为等腰梯形形状。将形成为等腰梯形形状的永磁铁14插入各槽13内，用粘接剂或填充材料将永磁铁14固定在槽13内。

这样，根据上述第1实施方式，由于永磁铁式旋转电机1具有内置永磁铁式旋转电机的结构，因此将转子4的磁极11a～11d的位于永磁铁14间的圆周方向的中央部分与旋转轴5的轴心连接的线为d轴。此外，将转子4的相邻的磁极11之间不同极性的永磁铁14间和旋转轴5的轴心连接的线成为q轴。因此，在d轴方向的磁通的磁路，存在与空气间隙G相同的磁阻大的永磁铁14，磁通难以通过，但是q轴方向的磁通能够通过转子芯12，因此该方向的磁阻变小，d轴电感Ld和q轴电感Lq具有Ld＜Lq的凸极性(saliency)。因此，电枢绕组的自电感和相互电感以旋转角(度)的2倍进行变化，进而永磁铁的电枢链接磁通也以转子4的旋转角度的余弦进行变化。

从而，能够实现在磁力矩的基础上加上磁阻力矩的高力矩化。此处，磁力矩是仅通过永磁铁的电枢链接磁通的变化进行能量变换(转换)而产生的力矩。此外，磁阻力矩是与电枢自电感和相互电感的变化相应地将存储在空气间隙G的磁能转换为机械能而产生的力矩。

这样，通过使用将永磁铁14配置为V字形的内置永磁铁式旋转电机的结构作为永磁铁式旋转电机1，能够实现高力矩化，但是为了在与永磁铁14的磁化方向正交的两端部获得退磁耐性，需要如上述现有示例所述那样，使永磁铁的与磁化方向正交的两端部在磁化方向的厚度比中央部分厚。但是，配置为V字形形状的永磁铁14的V字的顶点附近由于位于转子4的深部，因此在成为退磁的主要原因的定子3的励磁线圈8产生的与永磁铁14的磁通为相反磁场方向的磁通难以通过，在该部分不需要使永磁铁的厚度变厚。因此，像本实施方式这样，使永磁铁14的转子4的中心部一侧端部在磁化方向的厚度最小，随着从该中心部一侧端部朝向定子3一侧，磁化方向的厚度变厚，在定子侧端部为最大厚度，由此能够在定子侧端部提高退磁耐性。这样，通过将永磁铁14形成为等腰梯形形状，与如上述现有示例那样使永磁铁14的与磁化方向正交的两端部的厚度比中央部的厚度大的情况相比，能够用较少的材料构成永磁铁。

而言，通过将永磁铁14形成为等腰梯形形状，仅对长方体形状的永磁铁的长边侧的相对面进行研磨加工、起模加工，就能够容易地制作等腰梯形形状的永磁铁，缩短永磁铁14的制作时间，并且对槽13的插入工时也能够抑制为最小限度，且能够抑制永磁铁的制作费用。

接着，参照图3对本发明的第2实施方式进行说明。

在该第2实施方式中，将插入转子4的永磁铁的槽13在与永磁铁的磁化方向正交的方向分割形成，与此相应地也分割永磁铁14。

即，在第2实施方式中，如图3所示，上述的第1实施方式的图2中的一对槽13在与永磁铁14的磁化方向正交的方向上分割为规定数量，按照每个磁极11a～11d形成2×(n+1)(n为1以上的整数)个槽。

在该第2实施方式中，设n＝1，对于每个磁极11a～11d在其边界部形成4个槽13a、13b以及13c、13d。此处，将转子4的中心侧的槽13a和13c形成为：从转子4的轴方向看时长度方向成为与永磁铁的磁化方向正交的方向的长方形形状；对于定子3一侧的槽13b和13d，与上述第1实施方式同样，将它们形成为：转子1的中心部一侧端部的磁化方向的宽度与槽13a、13c的磁化方向的宽度相等，随着从该中心部一侧端部朝向定子一侧端部，宽度逐渐变宽，在定子一侧端部磁化方向的宽度最大的梯形形状。

同样，永磁铁也按照每个磁极11a～11d在与磁化方向正交的方向分割为两部分，包括永磁铁14a、14c和永磁铁14b、14d，其中，永磁铁14a、14c与槽13a和13c相应地、形成为从转子4的轴方向看时长度方向为与磁化方向正交的方向的长方形，永磁铁14b、14d与槽13b、13d相应地形成为等腰梯形形状。

根据该第2实施方式，因为永磁铁14a、14b和14c、14d向中心部分一侧凸出，配置成向定子3一侧扩展的V字形形状，因此与上述第1实施方式同样地能够实现高力矩化。此外，因为定子4的励磁线圈8的磁通引起的退磁的影响较少的内侧的永磁铁14a和14c，在磁化方向的厚度是一定(固定)的，而定子的励磁线圈8的退磁的影响较大的定子3一侧的永磁铁14b和14d，形成为定子一侧端部的磁化方向的厚度厚的等腰梯形形状，因此能够提高定子端部侧的退磁耐性。

并且，通过形成2×(n+1)个槽13a～13d，在连接的槽之间形成较薄铁芯部15，由该较薄铁芯部15、定子一侧的槽13b和13d的定子一侧端部的较薄铁芯部16、转子中心部一侧的槽13a和13c的中心部一侧端部间的较薄部17形成2×(n+1)+1个即n＝1时为5个较薄部。因此，成为磁极11a～11d的扇形铁芯部18被2×(n+1)+1个较薄铁芯部15～17支撑，能够提高磁极11a～11d即扇形铁芯部18的支撑刚性，并且，在使转子4高速旋转时能够分散施加在各较薄铁芯部15～17上的应力，能够防止转子芯的破损。

此处，决定槽的个数的变量n能够任意地进行设定，为了增加支撑扇形铁芯部18的较薄铁芯部的数量、进一步分散应力，优选将变量n设定为较大的值，但是因为槽的数量和永磁铁的数量与此相应地增加，部件个数和永磁铁的插入工时增加，因此变量n按照与转子4的半径、磁铁插入工时的平衡而决定。

另外，在上述第1和第2实施方式中，虽然对将定子一侧的永磁铁14形成为等腰梯形形状的情况进行了说明，但并不仅限于此，也可以形成为上底和下底的两端的角度不同的梯形形状。特别是，如图4所示，在将永磁铁14形成为，包含连接上底和下底的端部之间的边的面中的一个面为与正交于磁化方向的面平行的平行面14f1，另一个面为随着到达定子侧磁化方向的厚度变厚的倾斜面14f2的梯形形状的情况下，仅对长方体的长边的一个面进行研磨加工，就能够容易地制作梯形形状的永磁铁，能够进一步缩短制作时间和抑制制作费用。此外，通过对长方体的长边的一个面用切断刃沿着倾斜边呈直线状地切断，也能够制作梯形形状的永磁铁，能够容易地制作梯形形状的永磁铁。

此外，在上述第1和第2实施方式中，对令转子4的磁极11的数量为4个、定子3的齿7为12个的情况进行了说明，但并不限于此，转子4的磁极数量和定子3的齿数量能够任意地进行设定。

此外，在上述第1和第2实施方式中，对槽13、13a～13d与永磁铁14的形状大致一致的情况进行了说明，但并不限于此，只要能够在槽内将永磁铁定位插入，也可以将槽的形状设定为与永磁铁的形状不同的形状。

此外，在上述第1和第2实施方式中，对将本发明应用于内转子式的旋转电机的情况进行了说明，但不限于此，也能够将本发明应用于外转子式的旋转电机，在此情况下，至少将定子一侧的永磁铁形成为随着朝向定子、磁化方向的宽度变厚的梯形形状即可。

Claims (3)

1.一种永磁铁式旋转电机，其特征在于：

包括定子和转子，该定子卷绕安装有励磁线圈，该转子与该定子隔开规定的空隙相对地进行旋转，

所述转子具有：在转子芯内在轴方向形成的多个槽；和以使得在周方向相邻的磁极为不同极性的方式插入该槽内的永磁铁，

所述磁极具有将一对槽配置成朝向所述定子扩展的V字形形状的结构，

按照每个磁极设置有2×(n+1)个所述槽，其中，n为1以上的整数，在连接的槽之间形成较薄铁芯部，

仅插入与所述定子接近的槽内的永磁铁被形成为：随着朝向该定子、磁化方向的厚度变厚的梯形形状。

2.如权利要求1所述的永磁铁式旋转电机，其特征在于：

插入与所述定子接近的槽内的永磁铁被形成为等腰梯形形状。

3.如权利要求1所述的永磁铁式旋转电机，其特征在于：

插入与所述定子接近的槽内的永磁铁被形成为磁化方向的两端面中的一个端面为与正交于该磁化方向的面平行的平行面，另一个端面为相对于与所述磁化方向正交的面倾斜的倾斜面的梯形形状。