CN103026587A - 旋转电机用转子 - Google Patents

Abstract

旋转电机用转子包括：转子芯；以及一对永久磁体，其配置为开口朝向转子芯的外周方向的V字型。而且，一对永久磁体相互间在转子芯的内周方向上分离，转子芯至少包括连结分离的永久磁体之间而形成的这样一种空隙。

Description

旋转电机用转子

技术领域

本发明涉及一种用于旋转电机的转子。

背景技术

在转子芯中嵌入了永久磁体的嵌入磁体型永磁式电动机（Interior Permanent Magnet电机（为方便以下称作“IPM电机”））的电流的相位利用d轴电流、q轴电流这两个轴来控制。其结果，来自永久磁体的磁场变弱，有效利用磁阻转矩，能够广范围地实现高输出运行。

另外，尤其是磁体配置为V字型的IPM电机能够一同有效地利用来自永久磁体的转矩（磁体转矩）和磁阻转矩。其结果，能够进一步提高输出。

若流入d轴电流从而在永久磁体上施加反向磁场，则来自永久磁体的磁场变弱。然而，若反向磁场变大，则有可能引起永久磁体不可逆退磁。尤其是磁体配置为V字型的IPM电机，其反向磁场易于集中在d轴附近而易于产生不可逆退磁。

对此，在JP2003－143788A中，在磁体的d轴侧端面形成空隙。其结果，d轴附近部位的磁阻变大，防止了在d轴附近所产生的局部的反向磁场从永久磁体内通过，抑制了不可逆退磁。

而且，在JP2003－143788A中，在设置在d轴附近的两个空隙之间形成桥（日文：ブリッジ）。由此，获得抵抗离心力的强度。然而，若构成这种结构，则会从桥泄漏永久磁体的磁通，因而从转子交链于定子而成为转矩产生源的磁通量（为方便以下称作“交链磁通”）会降低。其结果，输出转矩将会降低。

发明内容

本发明是关注于这种以往的问题点而做成的，本发明的目的在于提供一种抑制了交链磁通的降低，并获得较高的输出转矩的旋转电机用转子。

根据本发明的一个技术方案，提供一种旋转电机用转子，该旋转电机用转子包括：转子芯以及一对配置为开口朝向上述转子芯的外周方向的V字型的永久磁体。而且，上述一对永久磁体相互间在转子芯的内周方向上分离，上述转子芯包括连结至少分离的永久磁体之间而形成的一空隙。

下面，与附图一同详细说明本发明的实施方式、本发明的优点。

附图说明

图1是表示根据本发明的旋转电机用转子的第1实施方式的图。

图2A是图1的局部放大图，表示在转子芯上形成的空隙的顶端附近。

图2B是图1的局部放大图，表示观察在转子芯上形成的空隙的转子轴侧的基端附近的放大图。

图3是说明第1实施方式的效果的图。

图4A是表示根据本发明的旋转电机用转子的第2实施方式的图，表示使用了矩形磁体的情况。

图4B是表示根据本发明的旋转电机用转子的第2实施方式的图，表示使用了不是矩形且没有相互平行的面的磁体的情况。

图5是表示根据本发明的旋转电机用转子的第3实施方式的图。

图6是说明根据式（2）的作用效果的图。

图7A是表示空隙的基端部分的其他实施方式的图。

图7B是表示空隙的基端部分的其他实施方式的图。

图7C是表示空隙的基端部分的其他实施方式的图。

图7D是表示空隙的基端部分的其他实施方式的图。

图7E是表示空隙的基端部分的其他实施方式的图。

图7F是表示空隙的基端部分的其他实施方式的图。

图8是表示空隙的顶端部分的其他实施方式的图。

图9A是表示又配置了永久磁体的实施方式的图。

图9B是表示进一步配置了永久磁体的实施方式的图。

图10A是表示第1比较例的图，是与转子轴垂直的截面，表示全周的1/4（机械角度90°）。

图10B是表示第1比较例的图，是观察在转子芯上形成的空隙的转子轴侧的基端附近的放大图，表示磁通的分布。

图11是表示第2比较例的图。

具体实施方式

第1实施方式

图1是表示根据本发明的旋转电机用转子的第1实施方式的图，是与转子轴垂直的截面，表示全周的1/4（机械角度90°）。图2是图1的局部放大图，图2A表示在转子芯上形成的空隙的顶端附近，图2B表示观察在转子芯上形成的空隙的转子轴侧的基端附近的放大图。

旋转电机用转子1具有转子轴10、转子芯20、以及永久磁体31的组30。

转子轴10为转子1的旋转轴。

如图1所示，转子芯20设置在转子轴10的周围。转子芯20通过在转子轴方向上层叠多个电工钢板而形成。在转子芯20上，形成有呈绕对称轴7轴对称的形状的空隙21的组。空隙21的转子轴侧的基端部分到达对称轴7。空隙21的顶端部分远离对称轴7，如图2A所示接近于q轴，并且接近于转子外周。而且，空隙21的顶端部的q轴侧的内壁面211平行于q轴。另外，空隙21的顶端部的外周侧内壁面212越远离q轴越接近外周面。另外，如图2B所示，空隙21的基端部分包括抵接面215，该抵接面215从空隙21的内壁面中的与永久磁体的磁极面相对的、转子轴侧的内壁面214朝向内侧凸出设置并抵接于永久磁体的侧面31c，从而使永久磁体的侧面31c与对称轴7分离。

如图1所示，永久磁体组30设置在转子芯20上。永久磁体组30为对每一个空隙21各插入1对的永久磁体31的组。空隙21呈绕对称轴7轴对称的形状，因而每对永久磁体31也绕对称轴7轴对称。而且，成对的永久磁体31形成一个磁极。在图1中，上侧的成对的永久磁体31的转子的外周侧为N极，转子轴侧为S极。下侧的成对的永久磁体31的转子的外周侧为S极，转子轴侧为N极。若构成这种结构，则永久磁体31的d轴与对称轴7一致。

而且，如图2B所示，空隙21的内壁面中的与永久磁体31的磁极面相对的、基端部分的外周侧内壁面213比永久磁体31的磁体宽度长。因而，永久磁体31的磁极面31a（在图2B中为N极面）在全长上与空隙21的内壁面213相面对。另外，空隙21的内壁面中的与永久磁体31的磁极面相对的、基端部分的转子轴侧内壁面214具有与永久磁体31的磁体宽度相同的长度。因而，在该情况下，永久磁体31的磁极面31b（在图2B中为S极面）也在全长上与空隙21的内壁面214相面对。永久磁体31的侧面31c抵接于空隙21的抵接面215。永久磁体31的侧面31c与对称轴7分离。

接着，说明本实施方式的作用效果。

图10是表示第1比较例的图，图10A是与转子轴垂直的截面，表示全周的1/4（机械角度90°），图10B是观察在转子芯上形成的空隙的转子轴侧的基端附近的放大图，表示磁通的分布。

此外，下面对发挥与上述相同的功能的部分标注相同的附图标记适当省略重复的说明。

在本实施方式中，如图2B所示，空隙21呈绕对称轴7轴对称的形状，且空隙21的转子轴侧的基端部分到达对称轴7。因而，空隙21是跨越了对称轴7的一个空隙。

另一方面，在第1比较例中，如图10B所示，空隙21的转子轴侧的基端部分未到达对称轴7。即空隙21夹着对称轴7而被分为两个，在空隙21与空隙21之间形成桥22。若构成这种结构，则如图10B所示，会从桥22泄漏永久磁体的磁通，因而从转子交链于定子而成为转矩产生源的交链磁通会降低。其结果，输出转矩将会降低。

对此，根据本实施方式，如图2B所示，空隙21呈绕对称轴7轴对称的形状，且空隙21的转子轴侧的基端到达对称轴7，空隙21是跨越了对称轴7的一个空隙。因而，没有存在于比较例中的桥，从而能够减少永久磁体的磁通的泄漏，能够抑制交链磁通的降低。即抑制转矩降低。

另外，在本实施方式中，没有在比较例中为了抵抗离心力而设置的桥。因此，离心力应力集中在磁极之间（q轴部）从而看起来抗离心力强度会降低。然而，本实施方式的空隙21形成为能够分散集中在q轴部的离心力应力，仅利用q轴部分的铁心（钢板）就能够经得住旋转中的离心力。具体地，本实施方式的空隙21的顶端远离对称轴7，如图2A所示接近于q轴。而且，空隙21的q轴侧的内壁面211平行于q轴。另外，空隙21的外周侧的内壁面212越远离q轴越接近外周面。如此形成，因而能够分散集中在q轴部的离心力应力，仅利用q轴部分的铁芯（q轴钢板）就能够经得住旋转中的离心力，从而抗离心力强度不会降低。尤其是如本实施方式，空隙21的外周侧的内壁面212越远离q轴越接近外周面且电工钢板局部呈Y字状，因而能够在q轴部分的钢板宽度较细的状态下有效地分散离心力应力。

图11是表示第2比较例的图。

另外，在本实施方式中，如图2B所示，与永久磁体31的磁极面相对的外周侧内壁面213比永久磁体31的磁体宽度长。因而永久磁体31的磁极面31a（在图2B中为N极面）在全长上与空隙21的内壁面213相面对。

对此，在第2比较例中，如图11所示，与永久磁体31的磁极面相对的外周侧内壁面213比永久磁体31的磁体宽度短。因而永久磁体31的磁极面31a（在图11中为N极面）的局部不与空隙21的内壁面213相面对。

永久磁体31的外周侧的磁极面31a是与作为产生转矩的主要因素的交链磁通量有较大关系的面。为了使更多的磁通从该面交链于定子侧，需要使永久磁体31的外周侧的磁极面31a尽量接近转子芯20（外周侧内壁面213）从而减少泄漏磁通。

在如第2比较例的结构中，由于转子芯20（外周侧内壁面213）和外周侧的磁极面31a分离，所以交链磁通降低。

对此，在本实施方式中，与永久磁体31的磁极面相对的外周侧内壁面213比永久磁体31的磁体宽度长，因而永久磁体31的磁极面31a（在图2B中为N极面）在全长上与空隙21的内壁面213相面对。从而能够抑制交链磁通的降低。其结果，能够抑制转矩降低。

图3是进一步说明本实施方式的效果的图。

另外，在本实施方式中，永久磁体31的侧面31c与对称轴7分离。即两个永久磁体31分离而并不接触。若两个永久磁体31的距离较近（尤其是两个永久磁体31的距离为零即互相接触），则如图3所示，反向磁场在d轴附近急剧变大。其结果，在永久磁体31的d轴附近部位将会产生不可逆退磁。

对此，在本实施方式中，形成V字的两个永久磁体31与d轴分离，因而能够缓解由局部集中在d轴附近的反向磁场造成的影响，从而防止不可逆退磁，提高抗退磁性能。

而且，由于抗退磁性能提高，从而可输入的电流提高，且交链磁通不会降低。其结果，转矩将大大提高。

第2实施方式

图4是表示根据本发明的旋转电机用转子的第2实施方式的图，是与转子轴垂直的截面，表示在转子芯上形成的空隙的转子轴侧的基端附近。图4A表示使用了矩形磁体的情况，图4B表示使用了不是矩形且没有互相平行的面的磁体的情况。

而且，如图4B所示，在不是矩形且没有互相平行的面的永久磁体的情况下，磁体宽度Wm为外周侧的磁极面31a的长度。另外，磁体厚度Tm为d轴（对称轴7）侧的侧面31c的长度。

此时，磁体宽度Wm越大磁体间间隙Gm越大，磁体厚度Tm越大磁体间间隙Gm越小。即满足以下式（1）。

式1

$\mathrm{Gm}=\frac{\mathrm{Tm}}{\mathrm{Wm}}\×\mathrm{\α}...\left(1\right)$

α：由磁体特性确定的值

通过如此设定，即使使用不是矩形且没有互相平行的面的永久磁体等任意形状的永久磁体，也容易明确地导出磁体间间隙尺寸。

另外，通过确保磁体间间隙Gm，从而形成为V字的两个永久磁体31与d轴分离，因而能缓解由局部集中在d轴附近的反向磁场造成的影响，从而能防止不可逆退磁，因而抗退磁性提高。

第3实施方式

图5是表示根据本发明的旋转电机用转子的第3实施方式的图，是与转子轴垂直的截面，表示在转子芯上形成的空隙的转子轴侧的基端附近。

在本实施方式中，在将磁体间间隙设为Gm、将磁体厚度设为Tm、将磁体宽度设为Wm时，使得满足以下式（2）。

式2

$0<(\mathrm{Gm}\&times;\frac{\mathrm{Tm}}{\mathrm{Wm}})\&le;0.25...\left(2\right)$

此外，磁体间间隙Gm为永久磁体31与d轴（对称轴7）之间距离。即，磁体间间隙Gm是从永久磁体31的侧面31c至空隙21的外周侧内壁面213的延长线与d轴（对称轴7）之间的交点的距离。

图6是说明根据式（2）的作用效果的图。

首先，如从反向磁场最大值的推移可知，“Gm×Tm/Wm”在Gm×Tm/Wm＝0时最大。随着Gm×Tm/Wm变大，反向磁场最大值降低。虽说反向磁场最大值在Gm×Tm/Wm＝0.15附近几乎饱和，但是，之后虽然缓慢但也会降低。即，若有意识地使Gm×Tm/Wm变大，则能够使反向磁场最大值降低。

接着，对交链磁通而言，可知从Gm×Tm/Wm＝0.25左右开始降低。这是因为由磁体远离d轴导致交链磁通波形变形，产生转矩的电气上的1次谐波成分降低，不产生转矩的高次谐波成分增加。但是，可知只要至Gm×Tm/Wm＝0.25为止，交链磁通的1次成分就不会降低。

从上述可知，通过如上式（2）设定，从而降低反向磁场最大值而不降低交链磁通，因而能够最大限度地引发出效果。

显然，本发明并不限定于以上说明的实施方式，在其技术主旨的范围内能够进行各种变形或变更，这些都属于本发明的技术范围内。

如上述，空隙21的基端侧的形状为到达对称轴7，且内壁面213与永久磁体31的磁极面31a的全长相面对，而且形成有从转子轴侧的内壁面214朝向内侧凸出设置并抵接于永久磁体的侧面31c的抵接面215即可。

在此，例如，如图7A所示，也可以是如下形状：内壁面213被延长设置而到达对称轴7（d轴）。

另外，如图7B所示，也可以是如下形状：空隙21的转子轴侧的内壁面216从永久磁体31的端面31c，以与对称轴7（d轴）垂直的方式延长设置。

另外，如图7C所示，也可以是如下形状：内壁面216被与永久磁体31的磁极面平行地延长设置之后，与对称轴7（d轴）垂直。

而且，如图7D所示，也可以是：外周侧内壁面213向外周侧形成凸状，并且转子轴侧的内壁面216向外周侧形成凸状。

还可以是如下形状：是与图7B相似的形状，但是如图7E所示，外周侧内壁面213从永久磁体31的端面31c，以与对称轴7（d轴）垂直的方式延长设置。

而且，也可以是：是与图7D相似的形状，但是如图7F所示，外周侧内壁面213从永久磁体31的端面31c向外周侧形成凸状。

另外，在上述的实施方式中，空隙21的顶端形成为空隙21的外周侧的内壁面212越远离q轴越接近外周面（图2A），但是如图8所示，空隙21的顶端也可以形成为空隙21的外周侧的内壁面212与内壁面211垂直。此时，电工钢板局部呈T字状。即使如此形成，也会分散集中在q轴部的离心力应力。另外，抗离心力强度不会降低。此外，在该情况下，理想的是，q轴部分的钢板宽度比形成为Y字状时宽。

除了上述实施方式，还可以再配置永久磁体。如图9A所示，永久磁体32可以与永久磁体31平行地配置在比永久磁体31靠外周侧的位置。另外，如图9B所示，永久磁体33可以以与d轴（对称轴7）垂直的方式配置在比永久磁体31靠外周侧的位置。即使构成这样的结构，也能够获得与上述实施方式相同的效果。

而且，还可以在空隙中夹设有树脂、铝、不锈钢（SUS）等的非磁性材料。另外，可以以非磁性材料填充空隙。空隙和非磁性材料的所谓的妨碍磁通的通过的特性相同。而且，通过由非磁性材料来承担空隙的功能即作为妨碍磁通通过的磁通屏障的功能，能够获得与上述相同的效果。

而且，若由树脂等将空隙塑封（填充空隙），则磁体会被固定在转子芯的内部。其结果，能够防止在驱动过程中磁体在转子芯的内部移动而被削减或破损的情况。

本申请主张2010年7月28日在日本国专利局提出申请的特愿2010－169464的优先权，将该申请的全部内容以参照的方式编入本说明书。

Claims (5)

1.一种旋转电机用转子，其中，该旋转电机用转子包括：

转子芯（20）；以及

一对永久磁体（31），其配置为开口朝向上述转子芯（20）的外周方向的V字型；

上述一对永久磁体（31）相互间在转子芯（20）的内周方向上分离，

上述转子芯（20）包括连结至少分离的永久磁体（31）之间而形成的一空隙（21）。

2.根据权利要求1所述的旋转电机用转子，其中，

上述转子芯（20）设置在转子轴（10）的周围；

在与上述转子轴（10）垂直的截面上观察上述空隙时，上述空隙（21）呈轴对称的形状且转子轴侧的基端部分到达了对称轴（7），该空隙（21）的基端部分具有抵接面（215），该抵接面（215）从上述空隙（21）的内壁面中的与永久磁体（31）的磁极面相对的、基端部分的转子轴侧内壁面（214）朝向内侧凸出设置并抵接于永久磁体（31）的侧面，从而使永久磁体（31）的侧面（31c）与对称轴（7）分离；

在与上述转子轴（10）垂直的截面上观察上述永久磁体（31）时，上述永久磁体（31）以磁极面（31a、31b）在全长上与上述空隙（21）的内壁面（213、214）相面对，侧面（31c）抵接于上述抵接面（215）的方式相对于上述空隙（21）各配置一对。

3.根据权利要求2所述的旋转电机用转子，其中，

就上述永久磁体（31）与上述对称轴（7）之间的距离即磁体间间隙（Gm）而言，外周侧的磁极面（31a）的长度即磁体宽度（Wm）越大，上述磁体间间隙（Gm）越大，磁体厚度（Tm）越大，上述磁体间间隙（Gm）越小。

4.根据权利要求2所述的旋转电机用转子，其中，

在上述永久磁体（31）与上述对称轴（7）之间的距离即磁体间间隙Gm、外周侧的磁极面的长度即磁体宽度Wm、以及磁体厚度Tm之间，以下式成立。

$0<(\mathrm{Gm}\&times;\frac{\mathrm{Tm}}{\mathrm{Wm}})\&le;0.25$

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的旋转电机用转子，其中，

以q轴侧的内壁面（211）平行于q轴的方式形成上述空隙（21）的顶端部分。

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