CN102484402B - 转子、旋转电机、车辆、升降机、流体设备以及加工机 - Google Patents
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Abstract
提供进一步提高效率的转子、旋转电机、车辆、升降机、流体设备以及加工机，第一永久磁铁和第二永久磁铁在转子铁芯的内部设置于每个磁极，当第一永久磁铁的位于转子铁芯的外周侧且第二永久磁铁侧的一个端部位于与定子的齿部的周向的一个端部对置的位置时，第一永久磁铁的位于转子铁芯的旋转轴线侧且第二永久磁铁侧的另一个端部位于与该齿部的周向的另一个端部对置的位置，所述齿部为与第一永久磁铁的一个端部对置的齿部。
Description
技术领域
本发明涉及转子、旋转电机、车辆、升降机、流体设备以及加工机。
背景技术
以往，提出有使永磁式同步旋转电机的效率提高的技术(例如，参考专利文献1)。在该技术中，采用的是将永久磁铁内置于转子的同步电动机、所谓的嵌装磁铁型同步电动机(IPM电动机：Interior Permanent Magnet Motor)。在该技术中，将构成一个磁极的两个永久磁铁呈V字地配置，将各永久磁铁相对于将极间距角(極ピッチ角)两等分的中心线非对称地进行配置，并且使各永久磁铁的长度方向上的宽度不同，由此使效率提高。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-236890号公报
发明内容
发明要解决的课题
近些年，出于防止地球温室效应、保护资源的观点，更加努力地追求削减二氧化碳的排放、削减能量的消耗量、改善能量效率等。因此，混合动力汽车、燃料电池汽车及电动汽车等车辆、升降机、流体设备和加工机等工业用省力设备等应起到的作用正日益被重视。进而，用于这些车辆和工业用省力设备等的永磁式同步旋转电机也寻求效率的进一步提高。
因此，本发明的目的在于提供一种效率进一步提高的旋转电机的转子、该旋转电机、车辆、升降机、流体设备以及加工机。
用于解决课题的方案
本发明正是为了解决上述课题而作出的，本发明的一个方面涉及的转子具备：转子铁芯，所述转子铁芯的外周与旋转电机的定子的齿部对置；以及第一永久磁铁和第二永久磁铁，所述第一永久磁铁和第二永久磁铁在所述转子铁芯的内部设置于每个磁极，在所述转子铁芯的与所述转子的旋转轴线垂直的剖面中彼此描绘出以靠所述转子的旋转中心侧为顶点的V字的各边，所述V字的顶点位于将沿所述转子铁芯的周向相邻的极分隔线之间两等分的中心线上，所述极分隔线将沿所述转子铁芯的周向相邻的所述磁极之间分隔开，所述第一永久磁铁以所述V字的顶点为基准从所述中心线向所述周向中的第一方向侧倾斜第一角度，所述第二永久磁铁以所述V字的顶点为基准从所述中心线向与所述第一方向相反的第二方向侧倾斜比所述第一角度大的第二角度，所述第一永久磁铁的在与所述第一永久磁铁所描绘出的所述V字的边平行的方向上的宽度，比所述第二永久磁铁的在与所述第二永久磁铁所描绘出的所述V字的边平行的方向上的宽度短，当所述第一永久磁铁的位于所述转子铁芯的外周侧且位于所述第二永久磁铁侧的一个端部，位于与所述齿部的周向的一个端部对置的位置时，所述第一永久磁铁的位于所述转子铁芯的旋转轴线侧且位于所述第二永久磁铁侧的另一个端部，位于与所述齿部的周向的另一个端部对置的位置，所述齿部为与所述第一永久磁铁的一个端部对置的齿部。
此外，本发明的另一方面涉及的永磁式同步旋转电机具备：定子，所述定子具有齿部；以及转子，所述转子与所述齿部对置地设置，所述转子具有：转子铁芯，所述转子铁芯的外周与所述齿部对置；以及第一永久磁铁和第二永久磁铁，所述第一永久磁铁和第二永久磁铁设置于所述转子铁芯的内部，并且所述第一永久磁铁和第二永久磁铁在每个磁极设置成：在所述转子铁芯的与所述转子的旋转轴线垂直的剖面中彼此描绘出以靠所述转子的旋转中心侧为顶点的V字的各边，在所述转子铁芯的与所述转子的旋转轴线垂直的剖面中，所述V字的顶点位于将沿所述转子铁芯的周向相邻的极分隔线之间两等分的中心线上，所述极分隔线将沿所述转子铁芯的周向相邻的所述磁极之间分隔开，所述第一永久磁铁以所述V字的顶点为基准从所述中心线向所述周向中的第一方向侧倾斜第一角度，所述第二永久磁铁以所述V字的顶点为基准从所述中心线向与所述第一方向相反的第二方向侧倾斜比所述第一角度大的第二角度，所述第一永久磁铁的在与所述第一永久磁铁所描绘出的所述V字的边平行的方向上的宽度，比所述第二永久磁铁的在与所述第二永久磁铁所描绘出的所述V字的边平行的方向上的宽度短，当所述第一永久磁铁的位于所述转子铁芯的外周侧且位于所述第二永久磁铁侧的一个端部，位于与所述齿部的周向的一个端部对置的位置时，所述第一永久磁铁的位于所述转子铁芯的旋转轴线侧且位于所述第二永久磁铁侧的另一个端部，位于与所述齿部的周向的另一个端部对置的位置，所述齿部为与所述第一永久磁铁的一个端部对置的齿部。
发明效果
根据本发明，能够提供效率进一步提高的旋转电机的转子、该同步旋转电机、车辆、升降机、流体设备以及加工机。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式涉及的用于形成转子铁芯而冲裁成的电磁钢板形成体的主视图。
图2是本发明的一个实施方式涉及的永磁式同步旋转电机的主剖视图。
图3是本发明的一个实施方式涉及的永磁式同步旋转电机的局部放大后的主剖视图。
图4A是示出本发明的一个实施方式涉及的永磁式同步旋转电机的磁场解析结果的图。
图4B是示出与本发明的一个实施方式相比较的比较例涉及的永磁式同步旋转电机的磁场解析结果的图。
图5A是示出本发明的一个实施方式涉及的永磁式同步旋转电机的高效率区域特性的图。
图5B是示出与本发明的一个实施方式相比较的比较例涉及的永磁式同步旋转电机的高效率区域特性的图。
具体实施方式
下面，参考附图说明本发明的实施方式。在各图中，对于表示相同的结构的部分标以相同的标号并适当省略其说明。
<实施方式>
参考图1，说明本实施方式涉及的用于形成转子的转子铁芯而冲裁成的电磁钢板形成体。图1是本实施方式涉及的用于形成转子的转子铁芯而冲裁成的电磁钢板形成体的主视图。在图1中，O为转子的旋转轴线，也是转子的旋转中心。OP是将沿转子铁芯的周向相邻的磁极之间分隔开的极分隔线。θ为极间距角，是沿周向相邻的极分隔线OP所成的角度。在本实施方式中，作为一例，将转子的磁极数设为8极。在该情况下，如图1所示，极分隔线OP为8条，极间距角θ为45°。
在图1中，电磁钢板形成体1由一张薄壁圆盘状的电磁钢板构成。在电磁钢板形成体1，在每个磁极分别形成磁铁孔2和3，所述磁铁孔2和3分别供永久磁铁插入。磁铁孔2和3形成为彼此描绘出以它们的旋转中心O侧为顶点的V字。磁铁孔2和3的形状为细长形状。在图1的例子中，将磁铁孔2和3的形状形成为作为细长形状的大致椭圆形状。磁铁孔3的长度方向的宽度形成得比磁铁孔2的长度方向的宽度短。在极分隔线OP上形成有空腔部4。在磁铁孔2和3的V字的顶点相反侧(电磁钢板形成体1的外周侧)的端部与电磁钢板形成体1的外周之间形成有外桥(アウターブリッジ)5。在磁铁孔2的V字顶点侧的端部与磁铁孔3的V字顶点侧的端部之间形成有中心桥6，所述中心桥6将磁铁孔2与3分隔开。通过层叠多张这样构成的电磁钢板形成体1而形成为块状，从而制造出转子铁芯。
接着，参考图2说明具备本实施方式涉及的转子的永磁式同步旋转电机。图2是本实施方式涉及的永磁式同步旋转电机的主剖视图。在图2中，示出了从与转子的旋转轴线O垂直的方向将永磁式同步旋转电机剖开时的永磁式同步旋转电机的剖面。在图2中，OC为将沿周向相邻的极分隔线OP之间两等分(即，将极间距角θ两等分)的中心线。
在图2中，永磁式同步旋转电机具备定子7和转子8。定子7具备定子铁芯71和线圈72。定子铁芯71由轭部73和齿部74构成。在轭部73的内周侧形成有多个齿部74。在齿部74之间形成槽75，线圈72装配于槽75。在本实施方式中，转子8的极数为8极，定子7的槽75的数量为48槽，因此一个齿部74的间距宽度以机械角计为7.5°。线圈72的电流相位差以电角计为120°(以机械角计为30°)，因此每当电流相位变化，转子8旋转4个齿部74的量。
转子8的外周与定子7的齿部74对置，并以X方向为主旋转方向。转子8具备轴80、转子铁芯81、永久磁铁82和83。转子铁芯81由图1所示的电磁钢板形成体1构成。永久磁铁82插入于各磁铁孔2，永久磁铁83插入于各磁铁孔3。由此，永久磁铁82和83设置于每个磁极，且设置成彼此的间隔随着朝向转子铁芯81的外周而扩大。在图2的例子中，永久磁铁82和83设置于每个磁极且设置成彼此描绘出以永久磁铁82和83的靠转子8的旋转中心O侧为顶点的大致V字的各边。转子8的磁极数如上所述为8极。如图2所示，永久磁铁82和83的截面形状为长方形。永久磁铁82的长度方向处于与永久磁铁82所描绘出的V字的边平行的方向，永久磁铁83的长度方向处于与永久磁铁83所描绘出的V字的边平行的方向。永久磁铁83的长度方向的宽度Lb(长度方向的边部的长度)形成得比永久磁铁82的长度方向的宽度La(长度方向的边部的长度)短。在本实施方式中，永久磁铁82和83由中心线OC分隔开。在彼此描绘出V字的永久磁铁82和83的外周侧形成磁极，沿转子铁芯81的周向排列着极性彼此相反的磁极。
接着，参考图3说明转子8的详细结构。图3是本实施方式涉及的永磁式同步旋转电机的局部放大后的主剖视图。在图3中，省略了图2所示的线圈72的图示。在图3中，标号E示出了V字的顶点，其位于中心线OC上。直线DE是与永久磁铁83的长度方向平行的直线，直线FE是与永久磁铁82的长度方向平行的直线。在图3中，为了说明方便，对齿部74标以齿部741～747的标号。Y方向是转子铁芯81的周向中的一个方向，Z方向是与Y方向相反的方向。直线OG是穿过旋转中心O和永久磁铁83的位于转子铁芯81的外周侧且位于Y方向侧的一个端部83a的直线，该直线OG也是穿过旋转中心O和齿部743的Z方向侧的一个端部743a的直线。直线OH是穿过旋转中心O和永久磁铁83的位于转子铁芯81的内周侧(旋转轴线O侧)且位于Y方向侧的另一个端部83b的直线，该直线OH也是穿过旋转中心O和齿部743的Y方向侧的另一个端部743b的直线。角度γ是直线OG与直线OH以旋转中心O为基准所成的角度。在永久磁铁82和83的外周，由磁铁孔2和3形成了防止短路用的圆弧空间20～25。
另外，在图3中，在转子8的表面中，一个d轴内的磁力较强的部分为：永久磁铁82的位于转子铁芯81的外周侧且位于Z方向侧的一个端部82a附近的表面、永久磁铁83的一个端部83a附近的表面、中心线OC上的表面附近。另外，在本实施方式中，由于永久磁铁82和83由中心线OC分隔开，因此，借助永久磁铁82和永久磁铁83的磁力的组合，中心线OC上的表面附近的磁力增强。此外，在图3中，示出了永久磁铁83的一个端部83a与齿部743的一个端部743a在转子铁芯81的径向上对置时的情况。
永久磁铁83的长度方向的边部831相对于中心线OC向Z方向倾斜第一角度。永久磁铁82的长度方向的边部821相对于中心线OC向Y方向倾斜第二角度。第二角度比第一角度大。在图3的例子中，永久磁铁83以V字的顶点E为基准从中心线OC向Z方向侧倾斜角度α，第二永久磁铁82以V字的顶点E为基准从中心线OC向Y方向侧倾斜比角度α大的角度β。此外，将永久磁铁83配置成：当永久磁铁83的一个端部83a与齿部743的一个端部743a在转子铁芯81的径向上对置时，永久磁铁83的另一个端部83b与齿部743的另一个端部743b在转子铁芯81的径向上对置。换言之，例如，设穿过永久磁铁83的一个端部83a和旋转中心O的直线为第一直线，设穿过永久磁铁83的另一个端部83b和旋转中心O的直线为第二直线，设穿过齿部743的一个端部743a和旋转中心O的直线为第三直线，设穿过齿部743的另一个端部743b和旋转中心O的直线为第四直线。此时，永久磁铁83被配置成：第一直线和第二直线所成的角度与第三直线和第四直线所成的角度(在图3中为角度γ)为相同角度。
接着，参考图4A和图4B说明具备本实施方式涉及的永磁式同步旋转电机的磁通分布。图4A是示出图3所示的本实施方式涉及的永磁式同步旋转电机的磁场解析结果的图。图4B是示出作为与本实施方式相比较的比较例的磁场解析结果的图。在图4A和图4B中，为了方便，以示出齿部741～747各自的外周位置的方式进行记载。
如图3所示，永久磁铁83被配置成：当永久磁铁83的一个端部83a与齿部743的一个端部743a对置时，永久磁铁83的另一个端部83b与齿部743的另一个端部743b对置，在这样的情况下，图3所示的永磁式同步旋转电机的一部分的磁通分布成为图4A所示那样。如图4A所示，可知每个磁极的穿过定子7的轭部73的磁通分布在从齿部742到齿部747的范围。该每个磁极的磁通在齿部741与齿部742之间被清晰地与右侧相邻的磁极的磁通分开，并且在齿部747与其左侧相邻的齿部之间被清晰地与左侧相邻的磁极的磁通分开。即，磁通不会从齿部742右侧相邻的磁极绕到齿部742，而磁通也不会从齿部747左侧相邻的磁极绕到齿部747。此外，可知在一个磁极内的轭部73存在着一个磁通密度为中等程度的磁通密度部Ia。并且，可知在一个磁极内磁通密度最高的部位成为齿部747。
此外，如图4A所示，齿部742的间隙磁通密度由于永久磁铁83的内侧的排斥分量而大致接近于零。因此，由线圈72产生的用于形成电磁转矩的磁通依次穿过齿部742、永久磁铁83的内周侧、永久磁铁82的内周侧、齿部747、轭部73，形成了清晰的磁路。
另一方面，在将永久磁铁83的一个端部83a配置于比图3所示的状态靠右侧且稍稍进入到齿部742的下部的位置的情况下，与图3相当的永磁式同步旋转电机的一部分的磁通分布成为图4B所示那样。如图4B所示，可知每个磁极的穿过定子7的轭部73的磁通分布在从齿部741到齿部747的范围。磁通从右侧相邻的磁极绕到齿部741，并且磁通从左侧相邻的磁极绕到齿部747。此外，可知在一个磁极内的轭部73存在着三个磁通密度为中等程度的磁通密度部Ib。这表示比图4A的磁通密度部Ia的铁损大。并且，可知在一个磁极内磁通密度最高的部位成为齿部741和齿部747。由于磁通从相邻的磁极流入于这两个齿部741和747，因此这两个齿部741和747的磁通密度比图4A中磁通密度最高的齿部747还要高。
此外，如图4B所示，由于齿部742为S极，因此，即使当永久磁铁82和83的N极分量与齿部742稍有对置时，以齿部743为主形成磁路，但是齿部742也会作为吸引磁通而形成磁路的一部分。因此，由线圈72产生的用于形成电磁转矩的磁通仅穿过齿部742是不够的，依次穿过齿部742和齿部741的一部分、永久磁铁83的内周侧、永久磁铁82的内周侧、齿部747和齿部746的一部分、轭部73，形成磁通密度局部性地升高的复杂的磁路。
另外，虽未图示，不过，即使在将永久磁铁83的一个端部83a配置于比图4B所示的状态靠右侧的情况下，与图3相当的永磁式同步旋转电机的一部分的磁通分布也成为与图4B同样的结果。此外，即使在将永久磁铁83的一个端部83a配置于比图3所示的状态靠左侧的情况下，在轭部73产生比图4A多的磁通密度升高的部分，齿部743处的磁通密度成为比图4A中磁通密度最高的齿部747还要高。
根据以上的图4A和图4B可知，在本实施方式中，通过如图3所示地配置永久磁铁82和83，能够在定子铁芯71内减少磁通密度高的部分。由此，相对于并未特别限定永久磁铁83的位置的现有技术，能够有效地减少铁损，能够使电磁转矩和磁阻转矩提高。其结果是，与以往相比能够提高永磁式同步旋转电机的效率。
接着，参考图5A和图5B说明具备本实施方式涉及的永磁式同步旋转电机的高效率区域特性。图5A是示出图3和图4A所示的本实施方式的结构所具备的高效率区域特性的图。图5B是示出作为与本实施方式相比较的比较例的图4B所示的结构所具备的高效率区域特性的图。在图5A和图5B中，横轴表示电动机转速(rpm)，纵轴表示转矩(N·M)。此外，在图5A和图5B中，标号Ja和Jb示出效率达到95％以上的区域，Ja比Jb范围大。另外，虽未图示，Ja也比在将永久磁铁83的一个端部83a配置得比图3所示的状态靠左侧的情况下的高效率区域特性中效率达到95％以上的区域大。
根据图5A和图5B可知，在本实施方式中，通过如图3所示地配置永久磁铁82和83，从而达到95％以上的高效率的区域扩大。由此，与以往相比能够使永磁式同步旋转电机的高效率区域扩大。
如上所述，在本实施方式中，与以往相比能够提高永磁式同步旋转电机的效率，并且与以往相比能够扩大永磁式同步旋转电机的高效率区域。
另外，以上说明的本实施方式涉及的永磁式同步旋转电机能够应用于车辆和工业用省力设备等的驱动用电动机、发电机。作为车辆的例子，可以列举出混合动力汽车、燃料电池汽车、电动汽车等。作为工业用省力设备的例子，可以列举出升降机(起重机、卷扬机、电梯、立体停车场等)、流体设备(风力水力用的压缩机、鼓风机、泵等)、加工机(半导体制造装置、机床等)等。
以上，说明了本发明的实施方式。不过，只要是一般的本领域技术人员，就能够在不脱离本发明的主旨的范围内由上述实施方式进行适当变更，此外，也可以将上述实施方式和变更例的手法适当组合进行应用。即，实施了这样的变更等的技术当然也包括在本发明的技术范围内。
例如，永久磁铁82和83的截面形状并不限定为长方形，也可以是椭圆形状、圆弧形状等其他的细长形状。
标号说明
1：电磁钢板形成体；
2、3：磁铁孔；
4：空腔部；
5：外桥；
6：中心桥；
7：定子；
8：转子；
71：定子铁芯；
72：线圈；
73：轭部；
74：齿部；
75：槽部；
81：转子铁芯；
82、83：永久磁铁；
20～25：圆弧空间。
Claims (6)
1.一种转子，其特征在于，
该转子具备：
转子铁芯，所述转子铁芯的外周与旋转电机的定子的齿部对置；以及
第一永久磁铁和第二永久磁铁，所述第一永久磁铁和第二永久磁铁在所述转子铁芯的内部设置于每个磁极，在所述转子铁芯的与所述转子的旋转轴线垂直的剖面中彼此描绘出以靠所述转子的旋转中心侧为顶点的V字的各边，
所述V字的顶点位于将沿所述转子铁芯的周向相邻的极分隔线之间两等分的中心线上，所述极分隔线将沿所述转子铁芯的周向相邻的所述磁极之间分隔开，
所述第一永久磁铁以所述V字的顶点为基准从所述中心线向所述周向中的第一方向侧倾斜第一角度，
所述第二永久磁铁以所述V字的顶点为基准从所述中心线向与所述第一方向相反的第二方向侧倾斜比所述第一角度大的第二角度，
所述第一永久磁铁的在与所述第一永久磁铁所描绘出的所述V字的边平行的方向上的宽度，比所述第二永久磁铁的在与所述第二永久磁铁所描绘出的所述V字的边平行的方向上的宽度短，
当所述第一永久磁铁的位于所述转子铁芯的外周侧且位于所述第二永久磁铁侧的一个端部，位于与所述齿部的周向的一个端部对置的位置时，所述第一永久磁铁的位于所述转子铁芯的旋转轴线侧且位于所述第二永久磁铁侧的另一个端部，位于与所述齿部的周向的另一个端部对置的位置，所述齿部为与所述第一永久磁铁的一个端部对置的齿部，
在所述转子铁芯的与所述旋转轴线垂直的剖面中，
所述第一永久磁铁呈长度方向为与所述第一永久磁铁所描绘出的所述V字的边平行的方向的细长形状，
所述第二永久磁铁呈长度方向为与所述第二永久磁铁所描绘出的所述V字的边平行的方向的细长形状。
2.一种旋转电机，其特征在于，
所述旋转电机具备：
定子，所述定子具有齿部；以及
转子，所述转子与所述齿部对置地设置，
所述转子具有：
转子铁芯，所述转子铁芯的外周与所述齿部对置；以及
第一永久磁铁和第二永久磁铁，所述第一永久磁铁和第二永久磁铁设置于所述转子铁芯的内部，并且所述第一永久磁铁和第二永久磁铁在每个磁极设置成：在所述转子铁芯的与所述转子的旋转轴线垂直的剖面中彼此描绘出以靠所述转子的旋转中心侧为顶点的V字的各边，
在所述转子铁芯的与所述转子的旋转轴线垂直的剖面中，
所述V字的顶点位于将沿所述转子铁芯的周向相邻的极分隔线之间两等分的中心线上，所述极分隔线将沿所述转子铁芯的周向相邻的所述磁极之间分隔开，
所述第一永久磁铁以所述V字的顶点为基准从所述中心线向所述周向中的第一方向侧倾斜第一角度，
所述第二永久磁铁以所述V字的顶点为基准从所述中心线向与所述第一方向相反的第二方向侧倾斜比所述第一角度大的第二角度，
所述第一永久磁铁的在与所述第一永久磁铁所描绘出的所述V字的边平行的方向上的宽度，比所述第二永久磁铁的在与所述第二永久磁铁所描绘出的所述V字的边平行的方向上的宽度短，
当所述第一永久磁铁的位于所述转子铁芯的外周侧且位于所述第二永久磁铁侧的一个端部，位于与所述齿部的周向的一个端部对置的位置时，所述第一永久磁铁的位于所述转子铁芯的旋转轴线侧且位于所述第二永久磁铁侧的另一个端部，位于与所述齿部的周向的另一个端部对置的位置，所述齿部为与所述第一永久磁铁的一个端部对置的齿部，
在所述转子铁芯的与所述旋转轴线垂直的剖面中，
所述第一永久磁铁呈长度方向为与所述第一永久磁铁所描绘出的所述V字的边平行的方向的细长形状，
所述第二永久磁铁呈长度方向为与所述第二永久磁铁所描绘出的所述V字的边平行的方向的细长形状。
3.一种车辆，其特征在于，
该车辆具备权利要求2所述的旋转电机。
4.一种升降机，其特征在于，
该升降机具备权利要求2所述的旋转电机。
5.一种流体设备，其特征在于，
该流体设备具备权利要求2所述的旋转电机。
6.一种加工机，其特征在于，
该加工机具备权利要求2所述的旋转电机。
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