CN102369650B - 永磁式旋转电机的转子 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有焊接槽的永磁式旋转电机的转子，其在制造时即使焊接槽位置及焊接工艺存在偏差时，也能够抑制定位转矩增加过大，感应电压不会有大的变动，并能够廉价地制造。该永磁式旋转电机(1)的转子具有，缠绕有线圈的定子(2)、埋入有永磁体(14a)、(14b)的转子5，在将电磁钢板层叠而成的转子铁芯(11)的外周面上，令连结中心点与由被埋设的永磁体构成的磁极的相邻磁极之间的中心的线，是由电角度表示的角度θ的基准，则在π/6rad＜θ＜π/2rad和π/2rad＜θ＜5π/6rad的任一方的范围内形成沿轴向延长的焊接槽(15)。

Description

永磁式旋转电机的转子

技术领域

本发明涉及永磁式旋转电机的嵌入有永磁体的转子，涉及能够抑制定位转矩增加过大的永磁式旋转电机的转子。

背景技术

近年，为提高电动马达的效率，使用永磁体的永磁式旋转电机取代以往一直使用的感应电动机而备受注目，应用越来越广。

根据磁体配置，永磁式旋转电机分为两大类，即在转子铁芯表面贴附永磁体的表面磁体式旋转电机，和在转子铁芯上设置磁体插入槽，其中插入永磁体的嵌入磁体式旋转电机。

在表面磁体式旋转电机中，通常，用粘合剂将永磁体粘接固定于转子铁芯表面。但是，当转子高速旋转时，作用于永磁体上的离心力增大，永磁体会与转子铁芯剥离并飞散。

与此不同，在嵌入磁体式旋转电机中，由于永磁体嵌入转子铁芯内，因此永磁体不会剥离，具有耐久性好的优点。

在上述嵌入磁体式旋转电机中，通常是层叠电磁钢板而构成转子铁芯。该转子铁芯一般如图10所示，在层叠有电磁钢板的转子铁芯100的轴向两端配置非磁性材料的端板101，在贯穿它们的螺栓102上螺合螺母103进行固定，从而使其成为一体。

通过形成上述结构，不仅能够使被层叠的多个电磁钢板成为一体，还能够通过在端板上安装配重或切削端板保持转子的静态平衡。

但是，在该利用螺栓紧固的方法中，转子外径越大非磁性材料端板的外径也越大，因而非磁性材料端板的用量增加，另外转子轴向越长，越需要长的紧固螺栓，因此制造成本增加。另外还会使转子轴的全长变长，增大转子重量。

为了解决上述问题，采用对电磁钢板的外周面焊接的方法取代紧固螺栓。

例如，为了不提高成本，减小定位转矩，减小振动、噪声以及旋转不均，提出了如下所述的永磁式电动机的永磁式转子，即，在转子铁芯的圆周方向上等间隔设置与转子极数相等的矩形的磁体安装孔，在各磁体安装孔中，以磁极面为铁芯径向安装永磁体，且使其相邻的磁极彼此不同，每个铁芯磁极部形成为圆弧状，使形成在各永磁体的外周侧磁极面上的铁芯磁极部的外周形状为，在周向中央处距铁芯中心的距离最大，在磁极之间的部分处距铁芯中心的距离最小(例如，参照专利文献1)。

另外，为了实现抑制因磁通交变而流过感应电流所产生的能量损失，提高马达效率，提出了如下所述的旋转电机，即，对于内转子、外转子的至少一者，利用多个焊接部使电磁钢板成为一体，成为一体的转子中的多个焊接部设置于，在由焊接部包围的平面内交变的、随另一方转子旋转产生的磁通密度的积分值为零的位置(例如，参照专利文献2)。

进而，为了能够将涡流抑制得很低、并能够使配置在内部的永磁体排布自由，提出了如下所述的永磁式马达，即，在转子铁芯内部，使多个永磁体各自的磁极面朝向转子半径方向而配置在转子的转轴中心，所述铁芯由层叠多个电磁钢板而形成，仅在所述铁芯的外周上，且从所述多个永磁体各自的磁极中心向所述半径方向的位置上，与所述转子的转轴平行地进行焊接(例如，参照专利文献3)。

进而，为了提供一种能够降低定位转矩、加工型、机械强度优异的永磁旋转电机，提出了如下所述的永磁旋转电机，即，转子被配置在定子的内周，能够隔着旋转间隙旋转，并且在铁芯内部，使由块状、台形、及凸部朝向定子一侧的弧形等任一形状构成的多个永磁体嵌入配置呈圆周状，且上述永磁体的极性交替，在上述铁芯表面，所述铁芯外周部的所述永磁体的周向宽度的外表面之间的部分，且与所述永磁体的磁极的中心附近相应的位置上设置有槽，该槽发生用于降低因定子和转子旋转时磁场变动而产生的定位转矩的磁场变动(例如，参照专利文献4)。

现有技术文献 

专利文献

专利文献1；日本专利公开第2000-197292号公报

专利文献2：日本专利第4220324号公报

专利文献3：日本专利第3778271号公报

专利文献4：日本专利第3807214号公报

但是，上述专利文献1所记载的现有技术的例子中，形成于永磁体各自外周侧磁极面上的铁芯磁极部的外周形状，在周向中央部处距铁芯中心的距离为最大，在磁极间部分处距铁芯中心的距离最小，从而转子形状构成为每个铁芯磁极部都呈圆弧状，焊接位置为铁芯磁极部外周的磁极间部分，虽然在该位置处焊接对定位转矩的影响小，但该部位焊接困难，存在制造过程中花费时间和成为的问题。

上述专利文献2所记载的现有技术的例子中，转子上的多个焊接部位于，在由焊接部包围的平面内交变的、随另一方转子旋转产生的磁通密度的积分值为零的位置。关于内转子，焊接每个磁极对间的极间部分，焊接部位仅为与磁极对数相同的数量，因此尤其是对于磁极数量少的旋转电机，存在转子焊接强度的问题。

上述专利文献3所记载的现有技术的例子中，仅在从永磁体各自磁极中心向半径方向的位置上，与转子的转轴平行地焊接，磁体形状限定为一字形，另外为了降低定位转矩，而设置两段以上的磁极分段错位，在该转子结构下存在难以焊接的问题。

上述专利文献4所记载的现有技术的例子中，公开了如下所述的永磁旋转电机的转子，即为了消除定位转矩，在产生定位转矩的位置处设置槽，由此降低整体的定位转矩。但是，当考虑制造时的偏差的情形下，存在增大定位转矩的可能。另外，采取磁极分段错位结构时，也存在增大定位转矩的可能。槽的位置为磁极中心位置附近，该槽以与定位转矩相同的次数产生大致反相的定位转矩，但是并未示出其明确的位置。进一步，对于有效利用磁阻转矩而用两个磁体构成1极的V字形的转子结构也不明确。进而，存在使层叠电磁钢板价格低，且机械强度好的转子成为一体的方法也不明确等问题。

发明内容

本发明鉴于上述现有技术未解决的课题，其目的在于提供一种具有焊接槽的、能够廉价制造的永磁式旋转电机的转子，即使在制造时焊接槽位置和焊接存在偏差，也能够抑制定位转矩增加过大，没有大的感应电压的变动。

为了实现上述目的，本发明一个实施方式中的永磁式旋转电机的转子是包含缠绕有线圈的定子和埋入有永磁体的转子的永磁式旋转电机的转子，其中，在层叠电磁钢板而成的转子铁芯的外周面，以连接中心点与由被埋设的永磁体构成的磁极的相邻磁极之间的中心的线作为表示为电角度的角度θ的基准，在π/6rad＜θ＜π/2rad和π/2rad＜θ＜5π/6rad的任一范围内，形成有沿轴向延伸的焊接槽。

在此，永磁体的截面形状可以是V字形、U字形等弯曲形状或平板形状的任一种。

另外，在本发明的永磁式旋转电机的转子中，将层叠电磁钢板而成的第一层叠体，和翻转并层叠上述电磁钢板而成的第二层叠体，以使彼此的上述焊接槽沿轴向成为直线状的方式配置，形成磁极分段错位结构。

进而，在本发明另一实施方式的永磁式旋转电机的转子中，上述永磁体被配置为，使构成磁极的永磁体的转子外周侧磁极面，夹着通过上述转子的中心点和上述磁极的圆周方向中心的磁极中心线相对。

另外，在本发明另一实施方式的永磁式旋转电机的转子中，上述永磁体被配置于，与通过上述转子的中心点和上述磁极的圆周方向中心的磁极中心线垂直的线上。

本发明另一个实施方式中的永磁式旋转电机的转子是包含缠绕有线圈的定子和埋入有永磁体的转子的永磁式旋转电机的转子，其中，在上述转子的层叠电磁钢板而成的转子铁芯中，构成磁极的永磁体在转子外周侧的磁极面，夹着通过上述转子的中心点和上述磁极的圆周方向中心的中心线相对，在上述转子铁芯的外周面，以连接中心点与上述磁极的相邻磁极之间的中心的线作为表示为电角度的角度θ的基准，在π/6rad＜θ＜5π/6rad的范围内的外周面上形成沿轴向延伸的焊 接槽。

在此，永磁体的截面形状可以是V字形、U字形等弯曲形状。

发明的效果 

根据本发明，能够提供一种可廉价制造的永磁式旋转电机的转子，在制造时即使焊接槽位置及焊接工艺存在偏差，也能够抑制定位转矩增加过大，不会产生大的感应电压。

附图说明

图1是表示本发明第一实施方式的永磁式旋转电机的一个磁极的模式图。

图2是表示第一实施方式中以连接旋转中心与磁极间的中心位置的线为基准的焊接槽的配置角度θ(电角度)与定位转矩的关系的特性曲线图。

图3是表示第一实施方式中以连接旋转中心与磁极间的中心位置的线为基准的焊接槽的配置角度θ(电角度)与感应电压的关系的特性曲线图。

图4是本发明第二实施方式转的侧视图。

图5是图4所示转子铁芯的剖面图。

图6是表示第二实施方式中以连接旋转中心与磁极间的中心位置的线为基准的焊接槽的配置角度θ(电角度)与定位转矩的关系的特性曲线图。

图7是表示第二实施方式中以连接旋转中心与磁极间的中心位置的线为基准的焊接槽的配置角度θ(电角度)与感应电压的关系的特性曲线图。

图8是表示焊接槽变形例的放大剖面图。

图9是是转子的永磁体形状的变形例的图。

图10是现有技术例中转子的侧视图。

符号说明

1：永磁式旋转电机2：定子3：间隙4：转轴5：转子

6：定子铁芯12：磁极13a、13b：永磁体插槽

14a、14b：永磁体15：焊接槽21a：第一层叠体

21b：第二层叠体22：键槽31～33：焊接槽

41、42a～42c、43：永磁体

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的实施方式。

图1是将本发明的转子应用于永磁式旋转电机时的第一实施方式的剖面图。

图1显示由嵌入磁体式旋转电机构成的永磁式旋转电机1。比如，该永磁式旋转电机1具有圆筒状的定子2，和隔着一定间隙3与该定子2的内周面对置的转子5，该转子5被安装于转轴4，并被自由旋转地支承。

定子2具有层叠电磁钢板形成的定子铁芯6。该定子铁芯6包括圆筒状的磁轭部7，在该磁轭部7的内周面方向保持一定间隔，沿半径方向延伸形成的多个定子槽8，和形成在这些定子槽8之间的定子齿9。

转子5具有层叠电磁钢板形成的转子铁芯11。该转子铁芯11例如被设定为，在圆周方向上以等间隔形成有6个磁极12，在相邻的磁极间半径方向的磁化方向相反。

在磁极12中，从转子铁芯11的外周面向内周侧沿轴向贯通形成有两个永磁体插槽13a和13b，且使其顶部位于旋转中心一侧的内侧角φ为钝角，呈V字形。以磁极12的圆周方向的中心线Lc为中心，上述永磁体插槽13a和13b呈轴对称。在各永磁体插槽13a和13b中插入例如稀土类的永磁体14a和14b，并用粘合剂等固定方式加以固定。因此，永磁体14a和14b的外周侧磁极面夹着中心线Lc相互对置。

另外，在构成磁极12的转子铁芯11的外周面上，沿轴向延伸形成有截面为半圆形的焊接槽15。以通过旋转中心O，且构成与例如顺时针方向一侧相邻的磁极12之间的中心的边界线Lb作为表示成电角度的角度θ的基准(0rad)，该焊接槽15形成于角度θ为π/6＜θ＜5π/6范围的位置，以抑制定位转矩增加过大，感应电压不会变动很大。

如上所述，根据上述第一实施方式，由于永磁式旋转电机1具有 嵌入永磁式旋转电机的机构，因此转子5的永磁体14a和14b的中间部为d轴，与相邻的磁极12的边界位置为q轴，对励磁线圈(未图示)通电后，能够通过控制d-q轴电流旋转驱动转子5。

在具有上述结构的第一实施方式中，由于设定用于焊接转子铁芯11的层叠电磁钢板的焊接槽15的角度θ在π/6＜θ＜5π/6的范围内，因此能抑制定位转矩增加过大，感应电压不会变动很大，进一步，焊接槽15的设置位置为转子铁芯11的圆筒面，不需要特殊的加工，能够以低成本生产。

即，使用如下所述永磁式旋转电机1作一个例子，令定子槽8的数量为36，转子5的磁极12的数量为6，形成焊接槽15的角度θ与定位转矩的关系的计算(模拟)结果如图2所示。如图2所示可知，将焊接槽15设置在π/6＜θ＜5π/6的范围内，能够将定位转矩[Nm]的变动幅度抑制在±10％以内。相对于旋转电机的额定转矩大致为2％。因此，在制造焊接槽15时，即使形成焊接槽15的位置偏移，在焊接槽15处进行焊接工艺时存在偏差，定位转矩的变动幅度也限于±10％的范围内，能够抑制定位转矩增加过大。

另外，使用与上述相同的定子槽数为36及转子5的磁极数为6的永磁式旋转电机1，形成焊接槽15的角度θ与感应电压[V]的关系的计算(模拟)结果如图3所示。如图3所示可知，将焊接槽15设置在π/6＜θ＜5π/6的范围内，能够将感应电压的变动幅度抑制在3％以下。因此，在制造焊接槽15时，即使形成焊接槽15的位置偏移，在焊接槽15处进行焊接工艺时存在偏差，感应电压的变动也在至少3％以下，因此能够防止感应电压大幅变动。

进一步，通过使焊接槽15的位置为定子2的槽开口部中央，能够抑制定位转矩增大。

而且，在将焊接槽15形成在上述角度θ的范围以外的θ＝0，即形成在相邻的磁极12之间的中央位置时，如图2所示可知，能够将定位转矩抑制到最小限度。但是，当在该磁极12的中央位置形成焊接槽15时，在使永磁式旋转电机1负荷运转时，会对流过磁极间中央部的磁通造成阻碍，不能有效利用磁阻转矩，导致性能下降。

下面，结合图4和图5说明本发明第二实施方式。

在第二实施方式中，转子5具有磁极分段错位结构。

即，在第二实施方式中，如图4所示，使层叠电磁钢板形成的第一层叠体21a与将相同的电磁钢板翻转并层叠形成的第二层叠体21b在轴向结合，而形成转子铁芯11。此时，如图5所示，在磁极12的圆周方向的中心线Lo位置，即避开角度θ＝π/2的位置，即π/6＜θ＜π/2[rad]以及π/2＜θ＜5π/6[rad]的任何一方的角度范围内形成焊接槽15。由此，在使第一层叠体21a和第二层叠体21b的焊接槽15在轴向上处于同一直线时，在第一层叠体21a中，永磁体插槽13a和13b如图5中实线所示，相对于通过旋转中心O和焊接槽15的圆周方向中心的线La，向逆时针方向偏移了角度δ而配置。另一方面，在第二层叠体21b中，永磁体插槽13a和13b如图5中虚线所示，相对于线La向顺时针方向偏移了角度δ而配置。

因此，由第一层叠体21a和第二层叠体21b形成使磁极12偏移2δ的磁极分段错位结构。此时，第一层叠体21a和第二层叠体21b是由相同形状的电磁钢板在翻转状态下层叠而成的，因此能够利用一个冲压模具来加工电磁钢板，能够降低模具费用。

另外，第一层叠体21a和第二层叠体21b的焊接槽15为直线状，能够容易地进行焊接。

如上所述，在上述第二实施方式中，使转子为两段磁极分段错位结构，因此，能够进一步抑制定位转矩。

即，使用如下所述两段磁极分段错位结构的永磁式旋转电机1作为一个例子，令定子槽8的数量为36，转子5的磁极12的数量为6，形成焊接槽15的由电角度表示的角度θ与定位转矩的关系的计算(模拟)结果如图6所示。如图6所示可知，与上述第一实施方式的图2相比能够使定位转矩大致减半。而且，与上述第一实施方式同样地，通过将焊接槽15设置在π/6＜θ＜5π/6的范围，能够将定位转矩[Nm]的变动幅度抑制额定转矩的1％以内。因此，在制造焊接槽15时，即使形成焊接槽15的位置偏移，在焊接槽15处进行焊接工艺时存在偏差，定位转矩的变动幅度也限于额定转矩的1％以内，能够抑制定位转矩增加过大，并能够减小定位转矩。

另外，使用与以上相同的定子槽数为36及转子5的磁极数为6的永磁式旋转电机1，由形成焊接槽15的电角度所表示的角度θ与感应电压[V]的关系的计算(模拟)结果如图7所示。如图7所示可知，通过将焊接槽15设置在π/6＜θ＜5π/6的范围内，能够与上述第一实施方式同样地将感应电压的变动幅度抑制在3％以下。因此，在制造焊接槽15时，即使形成焊接槽15的位置偏移，在焊接槽15处进行焊接工艺时存在偏差，感应电压的变动也在至少3％以下，因此能够防止感应电压大幅变动。

进一步，如图4所示，在通过一个焊接槽15的圆周方向的中心点的线上形成键槽22，由此，在成为磁极分段错位结构时，键槽22沿轴向排列在直线上，能够起到在焊接时进行定位的作用。

而且，在上述第二实施方式中，对两端磁极分段错位结构的转子5的情形进行了说明，但是，并不限定于此，也可以通过将电磁钢板以正·反·正的方式层叠结合第三层叠体，而构成具有3段磁极分段错位结构的转子5，或结合第四层叠体，而构成具有4段磁极分段错位结构的转子5。

另外，在上述第一和第二实施方式中，说明了焊接槽15的截面形状为半圆形的情形，但并不限定于此，其还可以使用，如图8(a)所示的截面为半椭圆形状的焊接槽31，如图8(b)所示的截面为矩形的焊接槽32，如图8(c)所示的截面为W字形的焊接槽33等任意的槽形。在此，为了抑制定位转矩增加过大，优选焊接槽距转子外周的深度尽可能浅的形状。进而，为了抑制定位转矩增加过大，优选焊接槽沿转子外周旋转方向上的宽度尽可能窄，更优选为定子2的槽开口宽度以下。

另外，在上述第一和第二实施方式中，说明了在转子铁芯11中以V字形配置永磁体14a和14b而形成磁极12的情形，但是并不限定于此，也可以如图9(a)所示，配置截面为U字形的永磁体41，且使其弯曲为磁极中心半径最小，或如图9(b)所示，配置外接于圆弧的多个永磁体42a～42c。只要是使永磁体的外周侧磁极面夹着磁极12的中心线Lc相对，则可以是V字形、U字形等任意的形状。另外，也可以如图 9(c)所示，配置沿与磁极中心线垂直的方向的平板形状的永磁体43。在使用该平板形状的永磁体43时，由于需要使焊接槽15的配置角度θ(电角度)形成于除了π/2的位置上，因此优选配置焊接槽15的角度θ(电角度)形成与除了π/2的位置。

产业上的可利用性

如上所述，本发明通过限定层叠电磁钢板的焊接槽的配置范围，而能够提供，在制造时即使焊接槽位置及焊接工艺存在偏差，也能够抑制定位转矩增加过大，不会产生大的感应电压，可廉价地制造的永磁式旋转电机的转子。

Claims (5)

1.一种永磁式旋转电机的转子，所述永磁式旋转电机包括，缠绕有线圈的定子和埋入有永磁体的转子，所述永磁式旋转电机的转子的特征在于：

在层叠电磁钢板而成的转子铁芯的外周面，以连接中心点与由被埋设的永磁体构成的磁极的相邻磁极之间的中心的线作为表示为电角度的角度θ的基准，在π/6rad＜θ＜π/2rad和π/2rad＜θ＜5π/6rad的任一范围内，形成有沿轴向延伸的焊接槽。

2.如权利要求1所述的永磁式旋转电机的转子，其特征在于：

将层叠电磁钢板而成的第一层叠体，和翻转并层叠上述电磁钢板而成的第二层叠体，以使彼此的所述焊接槽沿轴向成为直线状的方式配置，形成磁极分段错位结构。

3.如权利要求1或2所述的永磁式旋转电机的转子，其特征在于：

所述永磁体被配置为，使构成磁极的永磁体的转子外周侧磁极面，夹着通过所述转子的中心点和所述磁极的圆周方向中心的磁极中心线相对。

4.如权利要求1或2所述的永磁式旋转电机的转子，其特征在于：

所述永磁体被配置于，与通过所述转子的中心点和所述磁极的圆周方向中心的磁极中心线垂直的线上。

5.如权利要求1所述的永磁式旋转电机的转子，其特征在于：

所述焊接槽的截面形状为圆弧形、半椭圆形、矩形和W字形的任一形状。