CN102629809B - 永磁式旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁式旋转电机，在转子铁芯(19)上，在周向上设置有多个磁体孔组(29)，其中，上述磁体孔组(29)具有一对第一磁体孔(21)和一对第二磁体孔(25)且形成磁势垒部(28)，上述一对第一磁体孔(21)随着靠向外周而与假想线的距离逐渐增大，上述一对第二磁体孔(25)在转子铁芯(19)的径向上设置于第一磁体孔(21)的内周侧，且随着靠向外周而与假想线的距离逐渐增大；分别设置于一对第一磁体孔(21)中的永磁体(23)彼此所成的角度即第一磁角(AV1)形成得大于分别设置于一对第二磁体孔(25)中的永磁体(27)彼此所成的角度即第二磁角(AV2)。

Description

永磁式旋转电机

技术领域

本发明涉及一种永磁式旋转电机。

背景技术

公知有将永磁体埋入转子而成的磁阻转矩型的永磁式旋转电机。这种永磁式旋转电机要求可变速范围的扩大及高输出化。在这种情况下，为了有效利用磁阻转矩，要求在保持交链磁通为一定的状态下，增大由磁通难以通过的磁性凹部即d轴的电感(Ld)与磁通容易通过的磁性凸部即q轴的电感(Lq)确定的凸极比。

发明内容

本发明所要解决的课题在于，提供一种永磁式旋转电机，能够不导致大型化地扩大可变速范围，且能够提高输出。

实施方式中的永磁式旋转电机，在转子铁芯上，在周向上设置有多个磁体孔组，其中，上述磁体孔组具有一对第一磁体孔和一对第二磁体孔且形成磁势垒部，上述一对第一磁体孔随着靠向外周而与假想线的距离逐渐增大，上述一对第二磁体孔在转子铁芯的径向上设置于第一磁体孔的内周侧，且随着靠向外周而与假想线的距离逐渐增大，分别设置于一对第一磁体孔中的永磁体彼此所成的角度即第一磁角形成得大于分别设置于一对第二磁体孔中的永磁体彼此所成的角度即第二磁角。

附图说明

图1是表示一个实施方式的永磁式旋转电机的磁体孔组的概略的图，是表示图2的区域I的图。

图2是表示一个实施方式的旋转电机的概略的图。

图3是放大表示图1的区域III的图。

图4是表示一个实施方式的第一磁角与转矩的关系的图。

图5是表示一个实施方式的第一极角与转矩的关系的图。

图6是表示一个实施方式的第二极角的图。

图7是表示一个实施方式的第二极角与转矩的关系的图。

具体实施方式

参照附图说明一个实施方式的永磁式旋转电机。以下，将永磁式旋转电机简称为旋转电机。

如图2所示，本实施方式的旋转电机10在框体11内具有定子12及转子13。定子12具有定子铁芯14以及被插入到线圈插入槽15中的定子线圈即U相线圈16、V相线圈17及W相线圈18。定子铁芯14层叠铁芯片而形成为圆筒状，上述铁芯片是将磁性钢板成型为圆环状而成的。铁芯片例如是通过冲压加工对硅钢板进行冲裁而形成的。该定子铁芯14在内周侧具有在层叠方向即轴向上延伸的多个线圈插入槽15。该线圈插入槽15在定子铁芯14的内周侧沿着整个周向设置于例如48处。在线圈插入槽15中以预定的配置方式插入上述U相线圈16、V相线圈17及W相线圈18。各定子线圈的一部分露出于定子铁芯14的轴向的两端部而形成线圈端。上述结构的定子12通过未图示的夹具安装于框体11上。

转子13具有转子铁芯19及旋转轴部件20。转子13设置于定子12的内周侧。转子13在转子铁芯19的外周面与定子12的内周面之间略微隔有间隙地设置。转子铁芯19例如层叠铁芯片而形成，上述铁芯片是将磁性钢板成型为圆板状而成的。铁芯片例如是通过冲压加工对硅钢板进行冲裁而形成的。如图1所示，转子铁芯19具有相对于假想线L对称地形成的一对第一磁体孔21，其中上述的假想线L是通过转子铁芯19的中心O且沿径向延伸的假想直线。一对第一磁体孔21的转子铁芯19的内周侧彼此接近。此外，一对第一磁体孔21随着靠向转子铁芯19的外周而与假想线L的距离分别逐渐增大。另一方面，一对第一磁体孔21的内周侧的端部隔着间隔相对。即，一对第一磁体孔21大致设置为V字形。因此，一对第一磁体孔21在内周侧的端部形成第一内周侧桥部22。

在各第一磁体孔21中分别设置有永磁体23。永磁体23例如由铁氧体磁体、含有钕等稀土类元素的稀土类磁体等形成。各第一磁体孔21中所设置的一对永磁体23的长度方向的假想中心线彼此所成的角相当于第一磁角AV1。永磁体23在一对第一磁体孔21中被配置为相同磁极例如N极位于转子13的外周侧。在该情况下，与一对第一磁体孔21在周向上相邻设置的其他第一磁体孔21中，永磁体23被配置为位于外周侧的磁极是S极。即，在转子13的周向上，交替地形成极性彼此不同的磁极。此外，各永磁体23通过设置于各第一磁体孔21中的未图示的凸部等固定到第一磁体孔21内的预定位置上。

此外，一对第一磁体孔21的外周侧的端部在转子铁芯19的外缘的附近形成为顺沿着外缘的形状。其结果，一对第一磁体孔21在外周侧的端部在与转子铁芯19的外缘之间形成第一外周侧桥部24。在此，如图3所示，将各第一磁体孔21的外周侧的端部向转子铁芯19的周向延长而得到假想的第一周向假想线L1，将各第一磁体孔21的假想线L侧的端部向转子铁芯19的径向延长而得到假想的第一径向假想线L2，将第一周向假想线L1与第一径向假想线L2的交点设为第一接近点P1。在该情况下，如图1所示，连接各第一接近点P1与转子铁芯19的中心O而得到的线段彼此所成的角度相当于第一极角AP1。

此外，如图1所示，转子铁芯19具有相对于假想线L对称地形成的一对第二磁体孔25。一对第二磁体孔25在第一磁体孔21的内周侧彼此接近。其结果，一对第二磁体孔25在假想线L上具有第二内周侧桥部26。一对第二磁体孔25具有从第二内周侧桥部26大致向转子铁芯19的周向延伸的部分和向转子铁芯19的径向外侧延伸的部分。一对第二磁体孔25的向转子铁芯19的径向外侧延伸的部分与假想线L的距离随着靠向外周而分别逐渐增大。

在各第二磁体孔25中分别设置永磁体27。该永磁体27与永磁体23同样例如由铁氧体磁体、含有钕等稀土类元素的稀土类磁体等形成。此外，永磁体27与永磁体23同样地，在一对第二磁体孔25中配置为相同的磁极例如N极位于转子13的外周侧，在周向上相邻的其他第二磁体孔25中配置为位于外周侧的磁极为S极。此外，永磁体27在各第二磁体孔25中设置于朝向外周侧以V字形延伸的部位。即，在各第一磁体孔21的内周侧的位置存在未设置永磁体的空隙。设置于该第二磁体孔25中的一对永磁体27的长度方向的中心线彼此所成的角相当于第二磁角AV2。设置于各第二磁体孔25中的永磁体27与永磁体23同样通过未图示的由凸部等构成的限制部固定于第二磁体孔25内的预定位置上。

上述第一内周侧桥部22、第一外周侧桥部24及第二内周侧桥部26具有不会因伴随转子13的旋转而作用于永磁体23及永磁体27的离心力发生破损的强度。此外，作为漏磁通的对策，各桥部在所允许的强度范围内形成狭窄的宽度。

如图2所示，上述一对第一磁体孔21及一对第二磁体孔25在转子铁芯19的周向上以一定间隔设置有多个，例如8个。上述一对第一磁体孔21及一对第二磁体孔25相当于在转子13上形成磁势垒部28的磁体孔组29。由此，在旋转电机10上形成磁通难以通过的磁凹部即d轴和磁通容易通过的磁凸部即q轴。

旋转轴部件20设置于转子铁芯19的径向的中心部。旋转轴部件20相对于转子铁芯19被固定。旋转轴部件20例如通过压入、嵌合或插入等固定于转子铁芯19。该旋转轴部件20的夹着转子铁芯19的两端部侧分别由未图示的轴承部件支撑，且能够旋转。在本实施方式中，采用球轴承作为轴承部件。在该旋转轴部件20上连接有未图示的驱动对象物。

上述结构的旋转电机10从未图示的驱动电路向各相的定子12的线圈供给驱动信号。在本实施方式中供给基于三相PWM控制的驱动信号。其结果，旋转力作用于定子12和转子13之间，转子13即旋转轴部件20以旋转轴为中心旋转。由此，驱动对象物被驱动而旋转。即，旋转电机10是在转子铁芯19的内部埋入有永磁体23及永磁体27的内置磁体型电动机(IPM电动机)。

此外，旋转电机10在d轴上磁阻高，在q轴上磁阻低。由于磁阻的变化，产生磁阻转矩。并且，为了有效利用磁阻转矩，如上所述，增大d轴的电感Ld与q轴的电感Lq的凸极比即可。

因此，本实施方式的旋转电机10如上所述地设置第一磁体孔21和第二磁体孔25，并以两层配置永磁体23及永磁体27。并且，使第一磁角AV1大于第二磁角AV2。第一磁体孔21位于永磁体23所产生的磁通方向即d轴上，因此d轴的电感Ld变小。另一方面，在q轴上，若交链磁通一定，则电感Lq相对变大。即，若增大第一磁角AV1，则q轴的电感Lq与d轴的电感Ld之比即凸极比变大。其结果，能够有效地利用磁阻转矩，能够提高旋转电机10的特性。

此外，旋转电机10通过以两层配置永磁体23及永磁体27来提高磁阻转矩，因此不需要增加磁体数量。即，旋转电机10能够不导致大型化地提高转矩性能。换言之，能够同时实现转矩性能的提高和旋转电机10的小型化。

此外，旋转电机10通过增大第一磁角AV1而将永磁体23设置得更靠近外周侧即转子13的表面侧。由于磁体转矩随着永磁体23接近转子铁芯19的外周侧而变大，因此旋转电机10中的磁体转矩增大。由此，能够提高旋转电机10的特性。在该情况下，第一磁体孔21的永磁体23及第二磁体孔25的永磁体27的总量可以与普通旋转电机即单层结构的旋转电机中所使用的永磁体的数量相同。在该情况下，能够不导致磁通量降低及重量增加等地利用磁体转矩。

此外，通过使第一层即外周侧的永磁体23彼此所成的第一磁角AV1形成得大于第二层即内周侧的永磁体27彼此所成的第二磁角AV2，能够以更少量的永磁体23覆盖第二磁体孔25的空隙部分。因此，与第一磁体孔21和第二磁体孔25形成为相似形状的情况相比，能够减轻旋转电机10的重量并削减成本。

然而，发明人经反复分析，结果发现了第一磁体孔21及第二磁体孔25的位置与转矩之间存在相关关系。具体而言，发明人发现了通过将第一层即外周侧的永磁体23彼此所成的第一磁角AV1设定在适当范围内能够抑制转矩减小。测定转矩时，采用根据d轴电流和d轴的电感Ld以及q轴电流和q轴的电感Lq计算出的公知计算式。

图4表示第一磁角AV1与转矩的关系。具体而言，表示第一磁角AV1的机械角从140°变化为170°时的转矩的变化。如图4所示，转矩显示出以第一磁角AV1按机械角表示大致为154°的位置为峰值位置而基本对称的分布。并且可知，随着第一磁角AV1远离峰值位置的机械角即154°，转矩急剧减小。因此，为了提高转矩性能，按机械角表示，将第一磁角AV1设定在以154°机械角为中心的预定范围内即可。在该情况下，作为预定范围，若按机械角表示将第一磁角AV1设定为大致140°～170°的范围，则不会引起转矩大幅降低。更为优选的是，将第一磁角AV1设定在转矩从峰值位置降低的降低量小于1％的范围、即按机械角表示从142°到166°的范围。

此外，发明人发现了第一磁体孔21的位置与转矩之间也存在相关关系。具体而言，发明人发现通过将第一极角AP1设定在适当范围内也能够抑制转矩减小。

图5表示第一极角AP1与转矩的关系。具体而言，表示第一极角AP1的电角从12°变化为16°时的转矩的变化。在此，电角是指将相邻的N极及S极之间的角度以电学方式表示为π[rad]时的角度。在该情况下，将旋转电机的极数设为p时，电角为物理角度即机械角的p/2。更具体地说，如本实施方式所示为8极的旋转电机的情况下，电角＝机械角×8/2＝4×机械角。如图5所示，转矩显示出以第一极角AP1的电角大致为13.6°的位置作为峰值位置而基本对称的分布。并且可知，随着第一极角AP1远离峰值位置的电角即13.6°，转矩急剧减小。因此，为了提高转矩性能，按电角表示，将第一极角AP1设置在以13.6°电角为中心的预定范围内即可。在该情况下，作为预定范围，若按电角表示将第一极角AP1设定在大致12.2°～15.2°的范围，则不会引起转矩大幅降低。更为优选的是，将第一极角AP1设定在转矩从峰值位置降低的降低量小于1％的范围、即按电角表示从12.4°到14.8°的范围。

此外，发明人发现了第二磁体孔25的向径向外侧延伸的部分的位置与转矩之间也存在相关关系。如图1所示，第二磁体孔25在转子铁芯19的外周侧的端部形成第二外周侧桥部30。此时，根据与第一接近点P1相同的考虑方式，如图6所示，将各第二磁体孔25的外周侧的端部向转子铁芯19的周向延长而得到假想的未图示的第二周向假想线，将各第二磁体孔25的假想线L侧的端部向转子铁芯19的径向延长而得到假想的未图示的第二径向假想线，将第二周向假想线和第二径向假想线的交点设为第二接近点P2。在该情况下，连接各第二接近点P2与转子铁芯19的中心O而得到的线段彼此所成的角度相当于第二极角AP2。

图7表示第二极角AP2与转矩的关系。具体而言，表示第二极角AP2的电角大致在从28.8°到31.2°的范围内变化时的转矩的变化。如图7所示，转矩显示出以第二极角AP2的电角大致为30.0°的位置作为峰值位置而基本对称的分布。并且可知，随着第二极角AP2远离峰值位置的电角即30.0°，转矩急剧减小。因此，为了提高转矩性能，按电角表示，将第二极角AP2设定在以30.0°电角为中心的预定范围内即可。在该情况下，作为预定范围，若按电角表示将第二极角AP2设定在大致28.8°～31.2°的范围，则不会引起转矩大幅降低。更为优选的是，将第二极角AP2设定在转矩从峰值位置降低的降低量小于1％的范围、即按电角表示从29.2°到30.8°的范围。

如上所述，旋转电机10通过将第一磁角AV1、第一极角AP1及第二极角AP2设定在适当范围内，能够抑制转矩减小，能够抑制旋转电机10的特性变差。

此外，旋转电机10能够实现重量的减小及小型化，因此不会引起对车辆的搭载性变差。此外，如上所述旋转电机10的转矩性能提高，因此能够抑制电池等驱动用电源的消耗。即，旋转电机10能够提高向电动汽车及混合动力汽车等的搭载性。

(其他实施方式)

旋转电机10不限于如上述一个实施方式所示例的那样用于车辆，还能够适用于其他用途。

旋转电机10的极数及线圈的相数不限于上述一个实施方式所示例的极数及相数，可以是任意的极数及相数。例如，也能够适用于4极或12极的旋转电机10。此外，第一磁体孔21及第二磁体孔25中还可以设置用于防止永磁体23及永磁体27的角部破损的退避部。

如以上说明的那样，本实施方式的旋转电机10在转子铁芯19上沿着周向设有多个磁体孔组29，磁体孔组29具有一对第一磁体孔21和一对第二磁体孔25且形成磁势垒部28，分别设置于第一磁体孔21中的永磁体23彼此所成的角度即第一磁角AV1形成得大于分别设置于一对第二磁体孔25中的永磁体27彼此所成的角度即第二磁角AV2。由此，旋转电机10的d轴与q轴的凸极比增大，能够有效利用磁阻转矩，能够提高转矩性能。因此，旋转电机10能够不导致大型化地扩大可变速范围，能够提高输出。

虽然说明了本发明的几个实施方式，但上述实施方式仅是示例，并不限定发明的范围。上述新实施方式能够以其他各种方式来实施，可以在不脱离发明主旨的范围内进行各种省略、置换及变更。上述实施方式及其变形包含于发明的范围及要旨，并且包含于权利要求书中所记载的发明及其等同的范围。

Claims (2)

1.一种永磁式旋转电机，其特征在于，

包括：框体；

定子，设置于上述框体内，具有形成圆筒状的定子铁芯及设置于上述定子铁芯的定子线圈；以及

转子，设置于上述定子的内周侧，具有圆筒状的转子铁芯、设置于上述转子铁芯的永磁体及在上述转子铁芯的内周部与上述框体同轴设置的旋转轴部件；

上述转子铁芯具有磁体孔组，该磁体孔组在周向上以一定间隔设置有多个，并形成磁势垒部；

多个上述磁体孔组分别具有：一对第一磁体孔，相对于通过上述转子铁芯的中心且向径向外侧延伸的假想线对称；和一对第二磁体孔，比上述第一磁体孔靠近上述转子铁芯的径向内侧地设置，且相对于上述假想线对称；

一对上述第一磁体孔随着靠向上述转子铁芯的外周而与上述假想线的距离逐渐增大；

一对上述第二磁体孔在上述转子铁芯的径向上设置于上述第一磁体孔的内周侧，并随着靠向外周而与上述假想线的距离逐渐增大；

将分别设置于一对上述第一磁体孔中的上述永磁体彼此所成的角度设为第一磁角，将分别设置于一对上述第二磁体孔中的上述永磁体彼此所成的角度设为第二磁角，上述第一磁角形成得大于上述第二磁角，

一对上述第一磁体孔的上述转子铁芯的外周侧的端部沿着上述转子铁芯的外缘形成，并在一对上述第一磁体孔与上述外缘之间分别形成第一外周侧桥部；

将各上述第一磁体孔的外周侧的端部向周向延长而得到假想的第一周向假想线，将各上述第一磁体孔的上述假想线侧的端部向径向延长而得到假想的第一径向假想线，将上述第一周向假想线与上述第一径向假想线的交点设为第一接近点，将分别连接上述第一接近点与上述转子铁芯的中心而得到的线段所成的角度设为第一极角，上述第一极角以电角表示在从12.4°到14.8°的范围内，

一对上述第二磁体孔的上述转子铁芯的外周侧的端部沿着上述转子铁芯的外缘形成，并且在一对上述第二磁体孔与上述外缘之间分别形成第二外周侧桥部；

将各上述第二磁体孔的外周侧的端部向周向延长而得到假想的第二周向假想线，将各上述第二磁体孔的上述假想线侧的端部向径向延长而得到假想的第二径向假想线，将上述第二周向假想线与上述第二径向假想线的交点设为第二接近点，将分别连接上述第二接近点与上述转子铁芯的中心而得到的线段所成的角度设为第二极角，上述第二极角以电角表示在从29.2°到30.8°的范围内。

2.一种永磁式旋转电机，其特征在于，

包括：框体；

定子，设置于上述框体内，具有形成圆筒状的定子铁芯及设置于上述定子铁芯的定子线圈；以及

转子，设置于上述定子的内周侧，具有圆筒状的转子铁芯、设置于上述转子铁芯的永磁体及在上述转子铁芯的内周部与上述框体同轴设置的旋转轴部件；

上述转子铁芯具有磁体孔组，该磁体孔组在周向上以一定间隔设置有多个，并形成磁势垒部；

多个上述磁体孔组分别具有：一对第一磁体孔，相对于通过上述转子铁芯的中心且向径向外侧延伸的假想线对称；和一对第二磁体孔，比上述第一磁体孔靠近上述转子铁芯的径向内侧地设置，且相对于上述假想线对称；

一对上述第一磁体孔随着靠向上述转子铁芯的外周而与上述假想线的距离逐渐增大；

一对上述第二磁体孔在上述转子铁芯的径向上设置于上述第一磁体孔的内周侧，并随着靠向外周而与上述假想线的距离逐渐增大；

将分别设置于一对上述第一磁体孔中的上述永磁体彼此所成的角度设为第一磁角，将分别设置于一对上述第二磁体孔中的上述永磁体彼此所成的角度设为第二磁角，上述第一磁角形成得大于上述第二磁角，

上述第一磁角以机械角表示在从142°到166°的范围内，

一对上述第一磁体孔的上述转子铁芯的外周侧的端部沿着上述转子铁芯的外缘形成，并在一对上述第一磁体孔与上述外缘之间分别形成第一外周侧桥部；

将各上述第一磁体孔的外周侧的端部向周向延长而得到假想的第一周向假想线，将各上述第一磁体孔的上述假想线侧的端部向径向延长而得到假想的第一径向假想线，将上述第一周向假想线与上述第一径向假想线的交点设为第一接近点，将分别连接上述第一接近点与上述转子铁芯的中心而得到的线段所成的角度设为第一极角，上述第一极角以电角表示在从12.4°到14.8°的范围内，

一对上述第二磁体孔的上述转子铁芯的外周侧的端部沿着上述转子铁芯的外缘形成，并且在一对上述第二磁体孔与上述外缘之间分别形成第二外周侧桥部；

将各上述第二磁体孔的外周侧的端部向周向延长而得到假想的第二周向假想线，将各上述第二磁体孔的上述假想线侧的端部向径向延长而得到假想的第二径向假想线，将上述第二周向假想线与上述第二径向假想线的交点设为第二接近点，将分别连接上述第二接近点与上述转子铁芯的中心而得到的线段所成的角度设为第二极角，上述第二极角以电角表示在从29.2°到30.8°的范围内。