CN104253519B - 永磁体埋入型同步旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁体埋入型旋转电机，其特定为能降低齿槽转矩的构造。在集中式绕组且8极12槽的永磁体埋入型旋转电机中，以转子的旋转轴心为基准，将上述转子的由1个以上永磁体构成的各磁极的定子侧周向两端所成的机械角设为a；将上述定子侧周向两端的中点与上述旋转轴心之间的距离设为A；以上述转子的旋转轴心为基准，把桥接部的宽度换算为机械角时得到的值设为λ，该桥接部设置为将转子外侧部和转子磁极间部之间连结起来；将齿的槽侧端面的、齿主体和齿凸缘部之间的分界与上述旋转轴心之间的距离设为B，在这种情况下，以上述旋转轴心为基准，将上述齿主体的转子侧端面所成的机械角b设定为满足其中，23＜a‑2λ＜31。

Description

永磁体埋入型同步旋转电机

技术领域

本发明涉及一种永磁体埋入型同步旋转电机。

背景技术

在汽车电动化的过程中，作为其基本部件的车辆用电动机是重要的开发项目之一。电动机的种类各种各样，其中，集中绕组的永磁体埋入型同步电动机(InteriorPermanent Magnet Synchronous Motor)(以下也称作“IPMSM”)的线圈末端比较低，因此，电动机尺寸比较小型，并且与其他种类的电动机相比发热也较少。因此，集中绕组的IPMSM对于小型车辆、特别是以空气冷却为主的两轮EV而言是有利的构造。

另一方面，集中绕组的IPMSM的、被称作齿槽转矩的空载时的转矩脉动大于其他种类的电动机。这一点会对可能在空载时动作的两轮EV的操纵人员赋予不适感，成为导致两轮EV的商品性降低的主要原因。

作为用于抑制齿槽转矩的以往技术，列举出专利文献1。在该文献中公开了一种抑制旋转电机中的齿槽转矩的技术。

专利文献1：日本特开平11－299199号公报

发明内容

发明要解决的问题

在以往技术中，并未限定旋转电机的转子的极数和定子的槽数。但是，为了高效地降低旋转电机的齿槽转矩，在限定了极数和槽数的基础之上，还需要特定转子和定子的构造。

本发明鉴于该问题点，其目的在于，在应用于两轮EV的、集中绕组且8极12槽的永磁体埋入型同步旋转电机中，特定能够降低齿槽转矩的构造。

用于解决问题的方案

为了达到上述目的，本发明的集中式绕组且8极12槽的永磁体埋入型旋转电机包括大致圆筒形状的定子和大致圆柱形状的转子，该转子设于该定子内部且其磁极数为8，上述定子具有大致圆筒形状的定子芯和在该定子芯的内周面沿周向等间隔地设置的12个齿，各齿包括齿主体和齿凸缘部，该齿主体设为从上述定子芯的内周面向径向内侧突出，该齿凸缘部设为从该齿主体的顶端部朝向周向突出，在各相邻的两个上述齿之间均设有槽，并且在各齿上卷绕有线圈形成为集中绕组。而且，其特征在于，以上述转子的旋转轴心为基准，将上述转子的各磁极的定子侧周向两端所成的机械角(单位：度)设为a，上述转子的各磁极由1个或多个永磁体构成；将上述转子的各磁极的定子侧周向两端的中点与上述转子的旋转轴心之间的距离(单位：毫米)设为A；以上述转子的旋转轴心为基准，把桥接部的宽度换算为机械角时得到的值(单位：度)设为λ，该桥接部设置为将上述转子中将转子外侧部和转子磁极间部之间连结起来，该转子外侧部位于上述永磁体的径向外侧，该转子磁极间部处在相邻的两个磁极之间；将上述齿的槽侧端面的上述齿主体和上述齿凸缘部的分界与上述转子的旋转轴心之间的距离(单位：毫米)设为B，在此种情况下，以上述转子的旋转轴心为基准，将上述齿主体的转子侧端面所成的机械角(单位：度)b设定为满足数学式(1)其中，23＜a-2λ＜31。

发明的效果

采用本发明，在应用于两轮EV的、集中式绕组且8极12槽的永磁体埋入型同步旋转电机中，能够特定能够降低齿槽转矩的构造。

附图说明

图1是表示永磁体埋入型同步电动机的一实施方式的俯视图。

图2是表示将图1所示的同步电动机的齿顶端部和转子芯的外周部放大后的情况的说明图。

图3是特定同步电动机的构造的参数的说明图。

图4是表示有效磁极宽度与参数b或者其试算值b_calc之间的关系的图表。

图5是表示分析同步电动机中的磁通量流动而得到的结果的说明图。

图6是表示分析另一同步电动机中的磁通量流动而得到的结果的说明图。

图7是表示分析又一同步电动机中的磁通量流动而得到的结果的说明图。

图8是表示另一实施方式的说明图。

附图标记说明

1、同步电动机；2、定子；3、转子；4、间隙；21、定子芯；22、齿；23、槽；24、线圈；221、齿主体；222、齿凸缘部；223、转子侧端面；224、槽侧端面；225、分界；31、转子芯；32、旋转轴；33、永磁体；311、磁体埋入孔；312、转子外周部；313、转子磁极间部；314、桥接部；321、轴心；331、定子侧端面；332、周向一端；333、周向另一端；334、中点；G1、G2、曲线图；J1～J3、磁通量；K11～K13、磁通量；K21～K23、磁通量；K31～K33、磁通量；S1～S10、试制品；W、桥接部的宽度。

具体实施方式

第1实施方式

参照图1说明同步电动机1的一实施方式。同步电动机1包括大致圆筒形状的定子2和大致圆柱形状的转子3，该转子3设于该定子2的内部。在定子2和转子3之间设有间隙4。

定子2具有大致圆筒形状的定子芯21和沿周向等间隔地设置的12个齿22，该齿22从该定子芯21的内周面向径向内侧突出。在上述各个相邻的两个齿22之间均设有槽23。而且，在各齿22上以集中绕组的方式卷绕有线圈24。

转子3包括大致圆柱形状的转子芯31和旋转轴32。在转子芯31的外周部沿周向等间隔地埋入有8个永磁体33，这8个永磁体33各自构成转子3的磁极。即，同步电动机1的极数是8。各永磁体33为长方体形状，并且在埋入到转子芯31中的状态下被磁化而产生径向的磁通量。

像以上那样，同步电动机1是集中绕组且8极12槽的永磁体埋入型同步电动机(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor，IPMSM)。图2中示出了将这样的同步电动机1的齿22的顶端部和转子芯31的外周部放大的情况、以及产生的磁通量的一个例子。

各齿22包括的齿主体221和齿凸缘部222，该齿主体221从定子芯21的内周面向径向内侧突出，该齿凸缘部222从该齿主体221的顶端部沿周向突出。

在转子芯31的外周部沿周向等间隔地设有8个磁体埋入孔311。在该磁体埋入孔311中埋入有上述永磁体33。而且，在转子芯31中设有桥接(bridge)部314，该桥接部314将转子外侧部312和转子磁极间部313之间连结起来，该转子外侧部312位于埋入磁体埋入孔311中的永磁体33的径向外侧，该转子磁极间部313处在分别由永磁体33构成的、相邻的两个磁极之间。将该桥接部314的垂直于其连结方向的方向上的宽度表示为附图标记W。

在这样的同步电动机1中，从一个永磁体33的定子侧端面331产生的磁通量包括通过转子外侧部312和间隙4流向齿22的磁通量J1和磁通量J2、以及通过转子外侧部312和桥接部314在转子芯31内短路的磁通量J3。由这样的磁通量中的、在间隙4中具有周向上的成分的磁通量J1和磁通量J2导致产生齿槽转矩。另一方面，由于磁通量J3在转子芯31内短路，因此对产生齿槽转矩没有贡献。另外，在磁通量J1和磁通量J2所流入的齿22中，在作为比齿主体221小的部位的齿凸缘部222处发生磁饱和。

鉴于这样的齿槽转矩的产生原因，本发明人进行了深入研究。其结果，本发明人通过发现永磁体33的定子侧端面331的周向宽度和齿主体221的周向宽度之间的关系，得出了可高效地降低齿槽转矩这样的见解。而且，本发明人试制多个同步电动机1，并测量了各试制品的齿槽转矩。

在图3中示出了特定试制的同步电动机1的构造的参数。如图3的(A)所示，参数a是以旋转轴32的轴心321为基准的、永磁体33的定子侧端面331的周向上的一端332和另一端333所成的机械角(单位：度)。而且，参数A是永磁体33的定子侧端面331的周向上的一端332和另一端333之间的中点334与轴心321之间的距离(单位：毫米)。

此外，如图3的(B)所示，参数b是以轴心321为基准的、齿主体221的转子侧端面223的机械角(单位：度)。而且，参数B是齿22的槽侧端面224中的分界225与轴心321之间的距离(单位：毫米)，分界225为齿主体221和齿凸缘部222之间的分界。

并且，将把图2中所示的桥接部314的宽度W换算为以轴心321为基准的机械角而得到的值(单位：度)设为参数λ。

本发明人选择参数a、λ、b各值的多个组合试制了同步电动机1。此时，参数A和参数B设为通用的值。具体而言，参数A为51.4，参数B为57.2。在此基础之上，测量了各试制品的齿槽转矩。将由此得到的结果表示在表1中。

表1

表1：参数a和参数λ的组合与针对各组合而言在齿槽转矩的测量值为最小时的参数b之间的关系

试制品	参数a	参数λ	有效磁极宽度a-2λ	参数b	试算值bcalc	误差b-bcalc
							S1	24.34	1.1	22.14	14.37	13.26	1.11
S2	26.44	1.1	24.24	14.89	14.52	0.37
							S3	27.49	1.1	25.29	15.41	15.15	0.26
S4	28.54	1.1	26.34	15.41	15.78	-0.37
							S5	29.58	1.1	27.38	15.93	16.40	-0.48
S6	29.58	0.6	28.38	16.45	17.00	-0.55
							S7	30.63	1.1	28.43	16.45	17.03	-0.58
S8	31.66	1.1	29.46	17.48	17.65	-0.17
							S9	32.70	1.1	30.50	18.00	18.27	-0.27
S10	33.74	1.1	31.54	20.08	18.89	1.18

表1中示出了参数a和参数λ各值的组合与针对各组合而言在齿槽转矩的测量值为最小时的参数b的值之间的关系。此外，有效磁极宽度是a-2λ的计算值。如图2所示，该有效磁极宽度是参照从构成各磁极的1个永磁体33的定子侧端面331产生的磁通量J1～磁通量J3中的、朝向永磁体33的周向两端附近的两处桥接部314的磁通量J3对齿槽转矩没有贡献这一点进行考虑而得到的值。

另外，在该表1中，λ＝1.1是桥接部314的宽度W为1毫米的情况下的换算值。此外，λ＝0.6是桥接部314的宽度W为0.5毫米的情况下的换算值。

在该表1中，为了发现参数a和参数b之间的关系，也示出了采用有效磁极宽度a－2λ的、参数b的试算值b_calc。本发明人使用以下的算式试算了参数b。

数学式2

$b_{\mathrm{calc}}=\frac{2}{3}(a-2\mathrm{\λ})\×\frac{A}{B}...\left(1\right)$

其中，算式(1)中的“2/3”这个数值是极数8与槽数12之比。

表1还示出了参数b的值与其试算值b_calc之间的误差b－b_calc的值。

图4是将这样的表1中的有效磁极宽度a－2λ与参数b及其试算值b_calc之间的关系做成曲线图而得到的图。附图标记G1表示有效磁极宽度和参数b之间的关系，附图标记G2表示有效磁极宽度和试算值b_calc之间的关系。

基于以上内容，本发明人进一步进行了研究。根据表1和图4，在试制品S2～试制品S9中，误差的绝对值为0.6以下。而且，上述试制品S2～试制品S9的有效磁极宽度a－2λ大于23且小于31。相对于此，试制品S1和试制品S10的误差比较大，超过1.0。此外，试制品S1的有效磁极宽度a－2λ低于23，试制品S10的有效磁极宽度a－2λ超过31。

基于该表1和图4，本发明人判断为试制品S2～试制品S9中的0.6以下的误差的只要原因在于，定子2和转子3的材料特性、以及同步电动机1的制造和组装时的误差。

并且，本发明人分析了试制品S1、试制品S5、试制品S10中的磁通量的流动。将该分析结果表示在图5～图7中。此外，试制品S1、试制品S5、试制品S10中的齿槽转矩(单位：N·m)分别为0.07、0.05、0.18。

图5示出了试制品S1的分析结果。图中的箭头线Y表示磁通量的流动。根据该图，从永磁体33－11朝向齿主体221－11地产生磁通量K11。并且，从齿主体221－12朝向永磁体33－12地产生磁通量K12。而且，磁通量K11和磁通量K12相抵消。另一方面，在齿主体221－13及其周边的间隙4中，产生了不仅具有大致半径方向的成分还具有大致周向的成分的磁通量K13，因此，结果齿槽转矩变得比较大。

图6示出了试制品S5的磁通量的分析结果。根据该图，从齿主体221－21朝向永磁体33－21地产生磁通量K21。此外，从齿主体221－22朝向永磁体33－21地产生磁通量K22。而且，磁通量K21和磁通量K22相抵消。并且，产生有磁通量K23，其从永磁体33－22朝向齿主体221－23，且具有对齿槽转矩没有贡献的、大致半径方向的矢量。

这样，在试制品S5中，平衡良好地存在磁通量K21和磁通量K22、以及磁通量K23，其中，磁通量K21和磁通量K22被分到两个齿主体而相互抵消磁力矩(magnet torque)，磁通量K23具有对齿槽转矩没有贡献的、半径方向的矢量，因此，能够抑制齿槽转矩。

图7示出了试制品S10的磁通量的分析结果。根据该图，产生有磁通量K31，其从齿主体221－31朝向永磁体33－31，且具有对齿槽转矩没有贡献的、大致半径方向的矢量。另一方面，从永磁体33－32朝向齿主体221－32和齿主体221－33地分别产生磁通量K32和磁通量K33。由于这两个磁通量的平衡较差，因此，两个磁通量无法抵消。结果，齿槽转矩变得比较大。

基于以上那样的表1及图4～图7，本发明人发现了以下这样的、表示参数a和参数b之间的关系的式子。

数学式3

$b=b_{\mathrm{calc}}\±0.6=\frac{2}{3}(a-2\mathrm{\λ})\×\frac{A}{B}\±0.6$ 其中，23＜a-2λ＜31…(2)

通过满足算式(2)地设定参数b，能够降低同步电动机1中的齿槽转矩。此外，由于以机械角决定参数a和参数b，因此，能够将算式(2)应用于任意尺寸的同步电动机1。

其他实施方式

在以上说明的实施方式中，转子3的各磁极均由1个永磁体33构成。但是，并不限定于此，在由多个永磁体构成各磁极的情况下，也可以使用算式(2)。

例如，如图8所示，能够由两个永磁体、即永磁体33－51和永磁体33－52一起构成各磁极。这两个永磁体以俯视呈字母V形的方式埋入。另外，在图8中仅示出了转子3的1个磁极，其他的7个磁极省略图示。

而且，用附图标记332－51和附图标记333－52表示构成某1个磁极的永磁体33－51和永磁体33－52各自的定子侧端面的周向端中的、接近相邻的磁极的周向端。上述周向端332－51和周向端333－52是转子的磁极的定子侧周向两端。

在这种情况下，参数a是以旋转轴32的轴心321为基准的、转子的磁极的定子侧周向端332－51和周向端333－52所成的机械角(单位：度)。而且，参数A是转子的磁极的定子侧周向端332－51和周向端333－52之间的中点334－51与轴心321之间的距离(单位：毫米)。此外，在磁极的定子侧周向端332－51和周向端333－52的附近设有桥接部(未图示)。通过这样设定参数a和参数A，能够针对每个磁极计算有效磁极宽度a－2λ，因此，在由多个永磁体构成各磁极的情况下，也可以使用算式(2)。

另外，返回到像图3那样由1个永磁体构成各磁极的情况，参数a也可以说是以旋转轴32的轴心321为基准的、由1个永磁体33构成的转子的磁极的定子侧周向一端332和周向另一端333所成的机械角(单位：度)。

此外，为了进一步降低齿槽转矩，如图2所示，也可以使用使转子芯31的转子外侧部312向定子2侧鼓出的、所谓的花瓣形状的转子芯。此外，也可以将齿凸缘部222的顶端部做成锐角形状。另外，也可以使用偏斜(skew)磁化的永磁体。

此外，算式(2)并不限定于应用在永磁体埋入型同步电动机1，可以应用在包括永磁体埋入型同步发电机在内的永磁体埋入型旋转电机。

在上述内容中，对永磁体埋入型旋转电机的构造的特定的实施方式具体地进行了说明。但是，本发明并不限定于这样的实施方式，对于本领域技术人员来说明确的变更、修改全部包含在本发明的技术范围内。

Claims (1)

1.一种永磁体埋入型旋转电机，其包括大致圆筒形状的定子和大致圆柱形状的转子，该转子设于该定子内部且其磁极数为8，上述定子具有大致圆筒形状的定子芯和在该定子芯的内周面沿周向等间隔地设置的12个齿，各齿包括齿主体部和齿凸缘部，该齿主体部设为从上述定子芯的内周面向径向内侧突出，该齿凸缘部设为从该齿主体的顶端部朝向周向突出，在各相邻的两个上述齿之间分别设有槽，并且在各齿上卷绕有线圈形成为集中绕组，该具有集中式绕组且8极12槽的永磁体埋入型旋转电机的特征在于，

以上述转子的旋转轴心为基准，将上述转子的各磁极的定子侧周向两端所成的机械角设为a，上述转子的各磁极由1个或多个永磁体构成，

将上述转子的各磁极的定子侧周向两端的中点与上述转子的旋转轴心之间的距离设为A，

把与桥接部的宽度相对应的机械角设为λ，该桥接部设置为在上述转子中将转子外侧部和转子磁极间部之间连结起来，该转子外侧部位于上述永磁体的径向外侧，该转子磁极间部处在相邻的两个磁极之间，

将上述齿的槽侧端面的上述齿主体和上述齿凸缘部的分界与上述转子的旋转轴心之间的距离设为B，在此种情况下，

以上述转子的旋转轴心为基准，将上述齿主体的转子侧端面所成的机械角b设定为满足其中，23＜a-2λ＜31，其中，a、b、λ的单位为度，A和B的单位为毫米。