CN103430427A - Ipm马达的转子以及使用该转子的ipm马达 - Google Patents

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Abstract

本发明使用一种转子铁芯，该转子铁芯通过层叠磁场的强度为8000A/m时的磁通密度B8000的值为1.65T以上并且矫顽力为100A/m以上的原材料钢板而形成。

Description

IPM马达的转子以及使用该转子的IPM马达
技术领域
本发明涉及例如在电动汽车、混合动力汽车以及机床等中使用的永磁铁嵌入型马达（以下记作“IPM马达”）的转子以及使用该转子的IPM马达。
背景技术
一般来说，虽然IPM马达由于使用了昂贵的永磁铁而成本变高，但与感应电动机相比效率要高。因此，IPM马达例如在混合动力汽车以及电动汽车的驱动用马达以及发电用的马达、家电产品、以及各种机床或产业机械用的马达等中被广泛应用。
IPM马达的铁芯可分为定子和转子。由于通过绕组直接对定子侧的铁芯赋予交流磁场，所以为了提高效率，要求在定子侧的铁芯中为高导磁率的同时还能提高体积电阻率，并能减少铁损。因此，定子侧的铁芯中使用了在超低碳钢中添加Si来改善软磁特性的电磁钢板。
另一方面，因为在转子侧的铁芯中嵌入了永磁铁，所以转子侧的铁芯主要承担了作为磁轭提高磁通密度的作用。转子侧的铁芯虽然会微弱地受到从定子侧产生的交流磁场的影响，但该影响是有限的。因此，从特性的观点来看，无需在转子侧的铁芯中使用有利于铁损特性的电磁钢板。然而，由于当仅对定子使用电磁钢板时，会降低电磁钢板的产品成品率，而提高马达的制造成本，所以通常在转子侧的铁芯中也使用和定子侧相同的电磁钢板。
在IPM马达被装载于汽车中的情况下，从汽车的小型轻型化的需求出发对IPM马达也要求小型化。这种情况下，为了即使小型化也能得到和以往同等以上的马达输出（转矩）而提高转子的转数。一般来说，转子的旋转速度越高马达的效率越好。但是，在IPM马达中，因嵌入的永磁铁的旋转，而会在定子绕组中产生感应电动势。该感应电动势会随着旋转速度的上升而增加。而且，即便感应电动势超过输入电压马达也无法旋转。
因此例如专利文献1等所示那样，在IPM马达中，在高速旋转范围内运转时，进行从定子侧产生消除永磁铁磁通的方向的磁通来抑制感应电动势的弱磁控制。由于通过该弱磁控制，一方面可进行在高速旋转范围内的运转，而另一方面则会为了消除永磁铁的磁通而使用电力，所以马达转矩会下降。另外，在专利文献1中，通过在磁铁的形状上下功夫，从而谋求减少在弱磁控制上使用的电量。
另一方面，当为了即使将IPM马达小型化也能得到和以往同等以上的转矩而提高转子的转数时，会有作用于转子内嵌入的永磁铁的离心力增大以至转子破损的问题。为了不引起破损，屈服强度高的材料优选作为转子的原材料。例如在含有3%左右的Si的无方向性电磁钢板（35A300）的情况下，磁场退火后的屈服强度大约为400N/mm2左右。因此，在转子的直径为80mm以上的较大型IPM马达的情况下，虽然根据转子的构造不同会有差异，但认为20000rpm左右是不会引起破损的旋转速度的限度。以往，尽管进行了各种以电磁钢板为基材来提高铁芯的屈服强度的研究，但屈服强度也至多不超过780N/mm2左右。
这样，在欲在IPM马达的小型化中高速旋转化并得到转矩的情况下，在以往的将电磁钢板用作原材料的转子铁芯中，有在高速旋转范围中即使进行弱磁控制也会转矩减小的问题和因作用在永磁铁上的离心力而导致转子破损的问题，对于高速旋转化而言有极限。
作为抑制因为高速旋转化而造成转子铁芯的破损的方法，在例如下述的专利文献2等中，提出了通过使用具有软质和淬火性的材料作为转子铁芯的原材料，在接近永磁铁的插入孔的桥部或仅在其附近部分实施淬火，从而使强度上升。此外，在例如下述的专利文献3等中，也提出了作为转子铁芯用的原材料，不使用电磁钢板，而使用高强度且高饱和磁通密度的材料。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-278900号公报
专利文献2：日本特开2009-153230号公报
专利文献3：日本特开2009-46738号公报
发明内容
发明要解决的问题
本申请的发明人在进行高速旋转用的转子用钢板的开发过程中，将各种钢板作为原材料试制了IPM马达。进行马达的性能评价的结果是，通过调节原材料钢板的矫顽力，从而发现了在进行弱磁控制的高速旋转区域会得到大的输出转矩。通过得到了更大的输出转矩，从而能使转子旋转至更高转数。
在专利文献1中，虽然通过对磁铁的形状下功夫从而谋求减小在弱磁控制中使用的电量，但没有考虑到关于调节原材料钢板的矫顽力这一点。此外，在专利文献2、3中也没有考虑关于调节原材料钢板的矫顽力这一点。即，在以往构成中，因为没有考虑关于调节原材料钢板的矫顽力这一点，所以高速旋转区域中的输出转矩会变小，伴随于此最大转数也会降低。
本发明是为了解决上述那样的课题而做出的，其目的是提供一种能更增大在高速旋转区域中的输出转矩并能更增高最大转数的IPM马达的转子以及IPM马达。
用于解决问题的方案
本发明涉及的IPM马达的转子具备：转子铁芯，通过层叠磁场强度为8000A/m时的磁通密度B8000的值为1.65T以上并且矫顽力为100A/m以上的原材料钢板而形成；多个永磁铁插入孔，在转子铁芯的圆周方向上相互隔开间隔地设置于上述转子铁芯上；以及永磁铁，嵌入在各永磁铁插入孔中。
此外，本发明涉及的IPM马达组装有上述转子。
发明效果
根据本发明的IPM马达的转子，由于使用通过层叠磁场的强度为8000A/m时的磁通密度B8000的值为1.65T以上并且矫顽力为100A/m以上的原材料钢板而形成的转子铁芯，所以能更增大高速旋转区域中的输出转矩并能更增高最大旋转数。
此外，根据本发明的IPM马达，由于使用上述的转子，因此同样在高速旋转区域内的输出转矩可以更大、最大旋转数可以更高。
进而，因为本发明的IPM马达的转子通过层叠具有750N/mm2以上的屈服强度的原材料钢板而形成，所以即使使转子高速旋转，转子也不会因作用于永磁铁的离心力而破损。因此，可以使在永磁铁插入孔的周围设置的桥部的宽度变窄。由于只要能将桥部的宽度变窄就可以有效降低漏磁，所以会提高转子的设计自由度。此外，由于也可以将永磁铁小型化，所以能大幅降低马达的成本。
附图说明
图1是表示根据本发明的实施方式的IPM马达转子的主视图。
图2是表示与图1的转子不同的另外的IPM马达转子的主视图。
图3是表示用于评价原材料钢板的第一转子的说明图。
图4是表示使用原材料钢板的IPM马达在15000rpm下的最大转矩和矫顽力的关系的图表。
图5是表示使用原材料钢板的IPM马达在15000rpm下的效率和矫顽力的关系的图表。
图6是表示用于评价原材料钢板的第二转子的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图对用于实施本发明的方式进行说明。
图1是表示根据本发明的实施方式的IPM马达的转子的主视图。如图所示那样，在IPM马达的转子1中包括通过层叠后面叙述的转子用钢板（原材料钢板）而形成的转子铁芯10（转子主体）、沿着转子铁芯10的圆周方向相互隔开间隔设置于转子铁芯10中的多个永磁铁插入孔11、以及在各永磁铁插入孔11中嵌入的永磁铁12。另外，通过在转子1的外圆周上配置未图示的定子，来构成IPM马达。
在各永磁铁插入孔11中，包括以使转子铁芯10的旋转中心10a侧为顶部的方式配置成V字状的第一及第二插入孔11a、11b、以及在该顶部将第一及第二插入孔11a、11b之间分隔的桥部11c。永磁铁12分别嵌入于第一及第二插入孔11a、11b内。即，在永磁铁插入孔11中嵌入有两个永磁铁12。
接下来，图2是表示与图1的IPM马达的转子不同的另外的IPM马达的转子2的主视图。此外，对与图1的转子1中包含的构成相同或者同样的构成标上相同的附图标记来进行说明。如图2所示那样，转子2中包括转子铁芯10、沿着转子铁芯10的圆周方向相互隔开间隔地设置于转子铁芯10中的多个永磁铁插入孔20、以及嵌入于各个永磁铁插入孔20中的永磁铁21。转子铁芯10与图1的转子1的转子铁芯10同样，通过层叠后面叙述的原材料钢板而形成。
各永磁铁插入孔20沿着转子铁芯10的圆周方向以90°间隔来进行配置。各永磁铁插入孔20分别形成为直线状，针对各永磁铁插入孔20嵌入一个永磁铁21。
在使用如图1以及图2所示那样的转子1、2的IPM马达中，如公知的那样，在高速旋转区域中运转时，进行从定子侧产生消除永磁铁12的磁通量的方向的磁通量，来抑制感应电动势的弱磁控制。这样的IPM马达的固定旋转速度在使用图1的转子1的情况下为7500rpm，在使用图2的转子2的情况下为10000rpm。上述的弱磁控制在超过这些旋转速度的高速旋转区域中进行。
转子铁芯10通过层叠磁场强度为8000A/m时的磁通密度B8000的值为1.65T以上并且矫顽力为100A/m以上的原材料钢板而形成。
磁通密度B8000的值为1.65T以上的原因是：会有效地利用基于作为转子1高速旋转时在永磁铁12插入的位置（d轴）和不插入的位置（q轴）的电感值之差的磁阻转矩，尤其是会在高速旋转区域中发挥与以往的钢板同等以上的转矩性能。
矫顽力设为100A/m以上的原因如下所述。一般来说，当使马达的输入电流变高时，输出转矩会增加。然而，例如如“东京学艺大学工学部期刊、Vol.27No.1(2004)、P126～132”那样，已知在IPM马达中因为受到铁芯材料的磁饱和的影响，所以当输入电流变高时，q轴电感会降低，磁阻转矩会降低。即，在电磁钢板等矫顽力小的钢板中，因为容易产生磁饱和，所以即使使输入电流增加，磁阻转矩也不能立刻上升，与此相比，在将矫顽力大的钢板作为原材料钢板的情况中，因为难以产生磁饱和，所以即使是比较高的输入电流值都能抑制磁阻转矩的降低。作为其结果，认为能提高输出转矩以及功率。本申请发明人将各种钢板作为原材料来试制了IPM马达，进行了马达的性能评价，结果发现通过使用具有100A/m以上的矫顽力的原材料钢板形成转子铁芯10，可以降低高速旋转时进行的弱磁控制的功耗，并能提高输出转矩。然而，认为当矫顽力变大时，磁通密度会有降低的趋势，在磁通密度B8000的值为小于1.65T的情况下就不能得到足够的磁阻转矩。
优选转子铁芯10的原材料钢板的屈服强度为750N/mm2以上。通过使屈服强度为这样的范围，从而转子铁芯10可以经受住高速旋转时作用于永磁铁12的离心力，即使在高速旋转区域内转子也不会破损。而且因为本发明的转子铁芯10的原材料钢板是弱磁控制性好的钢板，由此即使在高速旋转区域也可抑制转矩的降低，所以能提供可得到高速旋转和高转矩的高性能的马达。由此，可适用于以汽车、家电为代表的各种用途。
在图1的转子1的各永磁铁插入孔11中设置的桥部11c用于确保各永磁铁插入孔11周边的强度。通过使原材料钢板本身拥有充分的强度，从而能使桥部11c的宽度（沿着第1及第2插入孔11a、11b的分离方向的桥部11c的宽度）减小，由此可以减少漏磁。如果通过提高转子铁芯的强度从而即使减小桥部11c的宽度，转子也不会破损，漏磁也可减少，那么转子的设计自由度就得以提高。此外因为通过漏磁的减少也可以使永磁铁12小型化，所以能大幅降低马达的成本。此外也可以在不将永磁铁12变小的情况下谋求输出转矩的提高。也可以考虑由能高速旋转带来的高转矩化和永磁铁的小型化这两者来设计桥部的宽度。
另外，转子铁芯10的原材料钢板的屈服强度的上限为2000N/mm2。这是因为，在呈现超过2000N/mm2的屈服强度的材料中，磁场的强度为8000A/m时的磁通密度B8000的值无法获得1.65T以上。
实施例
本发明人将具有表1所示的成分组成的钢作为原材料，根据下述的制造方法A制造了转子铁芯10的原材料钢板。
制造方法A
使具有如表1所示成分组成的钢真空熔化，将这些连铸片加热到1250℃，在950℃下完成轧制并在560℃下收卷，得到板厚1.8mm的热轧钢板。将这些热轧钢板酸洗之后，利用一次冷轧来得到板厚0.35mm的冷轧钢带（最终轧制率：约81%）。将得到的冷轧钢带在设定为400℃的连续式炉中进行60秒通过，实施张力退火处理（拉伸张力为100N/mm2）。此外，然后，将含有Cr系氧化物以及Mg系氧化物的半有机组成的约1μm的厚度的绝缘皮膜形成于钢板的两面。
[表1]
供试验材料的成分组成
Figure BDA0000383553130000061
利用制造方法A制造的原材料钢板的评价
将JIS5号试验片从得到的钢带中切出，供拉伸试验使用。此外，通过冲孔来制成内径33mm以及外形45mm的环状的试验片，供磁化测定使用。在表2中示出了各样本的屈服强度、抗拉强度、屈服比（YR）、磁场的强度为8000A/m时的磁通密度（B8000）和矫顽力（Hc）。
[表2]
根据制造方法A的原材料钢板的各种特性
Figure BDA0000383553130000071
此外，本发明人将具有表1中所示的成分组成的钢作为原材料，利用下述的制造方法B制造了转子10的原材料钢板。
制造方法B
使具有表1中所示的成分组成的钢熔化，将这些连铸片加热到1250℃，在850℃下完成轧制，在560℃下收卷，得到了板厚1.8mm的热轧钢板。酸洗该热轧钢板后冷轧，得到板厚0.35mm的冷轧钢板。将得到的冷轧钢板加热至900℃，在设定为250℃的Pb-Bi合金浴中通过，以100℃/s的平均冷却速度冷却至250℃，一边继续在设定为400℃的电炉中保持60s，一边实施加压回火。然后，将含有Cr系氧化物以及Mg系氧化物的半有机物组成的约1μm的厚度的绝缘皮膜涂敷在钢板的两面上。
利用制造方法B制造的原材料钢板的评价
对于利用制造方法B制造的原材料钢板，进行了与用上述的制造方法A制造出的原材料钢板同样的试验。将其结果示于表3中。
[表3]
根据制造方法B的原材料钢板的各种特性
Figure BDA0000383553130000081
下划线表示脱离本发明所规定的条件。
进而，本发明人以具有表1中所示的成分组成的钢作为原材料，利用下述的制造方法C制造了转子10的原材料钢板。
制造方法C
将具有表1中所示的成分组成的钢中的No.1、2、3、4、5的连铸片与制造方法A同样地加热到1250℃，在950℃下完成轧制，在560℃下收卷得到板厚1.8mm的热轧钢板。将这些热轧钢板酸洗后，利用一次冷轧来得到板厚0.35mm的冷轧钢带（最终轧制率：约81％）。实施将得到的冷轧钢带在设定为800℃的连续炉中进行60秒通过的再结晶退火。另外，冷却在以8℃/s冷却至550℃后，实施在设定为450℃的连续炉中保持120s以上的过时效处理。然后，进行0.3%的延伸率的轻度冷轧，进而再将含有Cr系氧化物以及Mg系氧化物的半有机物组成的约1μm的厚度的绝缘皮膜形成于钢板的两面。
利用制造方法C制造的原材料钢板的评价
针对利用制造方法C制造的原材料钢板，进行了与用上述的制造方法、B制造的原材料钢板同样的试验。将实验结果示于表4中。
[表4]
根据制造方法C的原材料钢板的各种特性
Figure BDA0000383553130000091
下划线表示脱离本发明所规定的条件。）
作为IPM马达的评价（有关磁通密度和矫顽力）
如表5所示那样，关于利用制造方法A制造的NO.1钢、NO.3钢、NO.5钢以及NO.9钢，利用制造方法B制造的No.1钢、No.2钢、No.4钢、No.6钢以及No.7钢，还有利用制造方法C制造的No.1钢、No.2钢、No.4钢以及No.5钢，通过冲孔加工制成如图3所示的8极（4极对）构造的第一转子，供赋予了负荷转矩的马达性能评价试验使用。另外，为了比较同时也制成将市面出售的电磁钢板（35A300）作为原材料的转子，供同样的评价使用。此外，只制造一个定子，将制造的转子重新编组供作为马达的性能评价使用。马达的最大输出均为4.5kw。此外，在该性能评价中，在10000rpm以上进行了弱磁控制。
另外，关于市面出售的电磁钢板（35A300），通过与本发明的原材料钢板同样的方法评价机械特性和磁特性，结果如下所示。
Figure BDA0000383553130000092
Figure BDA0000383553130000101
[表5]
作为IPM马达的评价（磁通密度和矫顽力）
Figure BDA0000383553130000102
下划线表示脱离本发明所规定的条件。
制成的转子以及定子的规格如下所示。
◎第一转子的规格
外径：80.1mm，轴长50mm
·层叠张数：0.35mm/140张
·中心桥部、外围桥部的宽度：1.00mm
·永磁铁：钕磁铁（NEOMAX-38VH），9.0mm宽度×3.0mm厚度×50mm长度，合计嵌入16个
◎固定件的规格
·间隙长：0.5mm
·外径：138.0mm，磁轭厚度：10mm，长度：50mm
·铁芯原材料：电磁钢板（35A300），板厚0.35mm
·层叠张数：140张
·绕组方式：分布绕组
将嵌入各个第一转子时的15000rpm下的马达的最大转矩和效率合起来示于表5中。此外，在图4中示出15000rpm下的最大转矩和矫顽力的关系，并且在图5中示出15000rpm下的效率和矫顽力的关系。此外，在该性能评价中，也在10000rpm以上进行弱磁控制。
从表5、图4、图5的结果中明显可知，在嵌入将矫顽力Hc小于100A/m的钢板（电磁钢板以及利用制造方法C制造的No.1钢以及No.2钢）作为转子铁芯的原材料的转子的马达中，15000rpm下的转矩示出小于2.0N·m的低值，效率也示出小于60%的低值。与此相对的，在将具有本申请发明范围的磁通密度和矫顽力的原材料钢板作为转子铁芯的马达中，可得到超过2.0N·m的高转矩和60%以上的良好的效率。特别是在矫顽力为300A/m以上的区域中，可得到2.5N·m以上和更高的转矩以及70%以上的高效率。
另一方面，虽然具有高矫顽力，但是在根据磁通密度B8000低到1.61T的制造方法B的No.7钢中，由于磁通密度低，故会导致转矩以及效率变低。
作为IPM马达的评价（关于桥部宽度和强度）
本发明人使用利用制造方法B制造的No.4钢（屈服强度超过750N/mm2的钢）以及No.6钢（屈服强度最高的钢）（以下，称它们为超高强度钢板），进一步制成如图6所示的第二转子。图6的第二转子与图3的第一转子相比将桥部宽度变窄1/2使漏磁减少，将永磁铁的大小设为宽度9.0mm到宽度8.0mm（约11%小型化）。此外，在10000rpm以上进行弱磁控制。
第二转子的规格如下所示。另外，关于定子，利用在上述的磁通密度等的评价中使用过的定子。
◎第二转子的规格
外径：80.1mm，轴长50mm
·层叠张数：0.35mm/140张
·中心桥部、外围桥部宽度：0.5mm
·永磁铁：钕磁铁（NEOMAX-38VH），8.0mm宽度×3.0mm厚度×50mm长度，合计嵌入16个
此外，为了比较，使用电磁钢板制成第一以及第二转子。在表6中示出使用了将电磁钢板和利用制造方法B制造的No.6钢作为原材料的转子的IPM马达在5000rpm～15000rpm之间的最大转矩以及效率。
[表6]
作为IPM的评价（桥部宽度）
Figure BDA0000383553130000121
如表6所示可知，当将超高强度钢板用作转子铁芯的原材料时，即使如第二转子那样将桥部的宽度变窄，此外，尽管将永磁铁小型化，也可以得到具有与以电磁钢板作为铁芯材料的转子同等以上的马达性能的转子。特别是可知，在超过10000rpm的高速旋转区域中，因起因于矫顽力的弱磁控制的提高，可以得到高转矩的良好的特性。
此外，通过做成将上述试验中使用的转子从定子上取下并安装了钢制外壳的状态，经由变速机连接到负荷马达，从负荷马达侧进行驱动，从而进行至50000rpm的过旋转试验来研究转子因离心力而破坏的旋转速度。将其结果示于表7中。
[表7]
作为IPM马达的评价（强度）
Figure BDA0000383553130000122
如表7所示那样，使用电磁钢板作为转子原材料，在桥部宽度为1.0mm的第一转子中，在30450rmp下转子损坏。与此相对的，在将屈服强度为750N/mm2以上的超高强度钢板即制造方法B的No.4钢作为转子原材料使用的情况下，第一转子直到43200rp都不会断裂，即使是将桥部宽度变窄到0.5mm的第二转子也与电磁钢板的第一转子同等以上直至36000rpm也不会断裂。在屈服强度为950N／mm2以上的制造方法A的No.6钢中，在桥部宽度为0.5mm的第二转子的情况下，直至42000rpm不会断裂，在屈服强度为1300N／mm2以上的制造方法B的No.6钢中，在第一转子的情况下，即使为50000rpm也不会断裂。这样，与电磁钢板相比，通过将本发明的超高强度钢板用于转子材料，从而可以确认到直至高转数也可以避免断裂。
另外，研究损坏了的转子的结果是，不论哪一个转子都是中心桥部和外围桥部均塑性变形而断裂了，永磁铁就脱落了。外围桥部指的是永磁铁插入孔与转子外圆周部接近的梁部。
作为IPM马达的评价（使用图2的转子的情况）
本发明人使用超高强度钢板制成如图2所示的转子2（第三转子），供马达性能评价试验使用。此外，还同时制成将电磁钢板作为原材料的转子，供相同的评价使用。另外，IPM马达2的最大输出为3.7kw。
制成的转子以及定子的规格如下所示。
◎第三转子的规格
外径：80.0mm，轴长75mm
·层叠张数：0.35mm/210张
·桥部的宽度：3.0mm
·永磁铁：钕磁铁（NEOMAX-38VH），40.0mm宽度×2.0mm厚度×75mm长度，合计嵌入4个
◎定子的规格
·间隙长：0.5mm
·外径：160.0mm，磁轭厚：17mm，长度：75mm
·铁芯材料：电磁钢板（35A300），板厚0.35mm
·层叠张数：210张
·绕组方式：分布绕组
在表8中示出使用了各个转子的IPM马达在5000rpm～12000rpm之间的最大转矩以及效率。另外，在超过10000rpm的转数下进行弱磁控制。
[表8]
作为IPM马达的评价（图2的转子的情况）
Figure BDA0000383553130000131
如表8所示那样可知，在使用电磁钢板的情况下，即使进行弱磁控制也不能以12000rpm旋转。与此相对的，可知将矫顽力大的No.6钢作为原材料的转子可以旋转，能进行至更高速旋转区域的驱动。

Claims (6)

1.一种永磁铁嵌入型IPM马达的转子，其具备：
转子铁芯，通过层叠磁场的强度为8000A/m时的磁通密度B8000的值为1.65T以上并且矫顽力为100A/m以上的原材料钢板而形成；
多个永磁铁插入孔，在上述转子铁芯的圆周方向上相互隔开间隔地设置于上述转子铁芯上；以及
永磁铁，嵌入在各永磁铁插入孔中。
2.如权利要求1所述的IPM马达的转子，其中，
上述原材料钢板的矫顽力为300A/m以上。
3.如权利要求1或权利要求2所述的IPM马达的转子，其中，
上述原材料钢板的屈服强度为750N/mm2以上。
4.如权利要求1或权利要求2所述的IPM马达的转子，其中，
上述原材料钢板的屈服强度为950N/mm2以上。
5.如权利要求1或权利要求2所述的IPM马达的转子，其中，
上述原材料钢板的屈服强度为1300N/mm2以上。
6.一种IPM马达，其组装有如权利要求1至5中任一项所述的转子。
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