CN104426267A - 永磁体嵌入式旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供能尽量抑制制造误差的影响、稳定地降低齿槽转矩的永磁体嵌入式旋转电机。对转子(100)形成磁通短路防止用切口(104a、104b)，该切口从在转子的外周面形成磁极的2个永磁体(103a、103b)的两端朝磁极中心Pc延伸，在转子(100)的外周面形成一对沟槽(105a、105b)，该一对沟槽是相对于磁极中心Pc对称地分开的一对沟槽，各沟槽与转子外周面的相邻磁极的沟槽分开。换算成以旋转中心O为中心的角度的定子绕组用切槽(201)的间距设为τs、2个磁通短路防止用切口间的角度设为θf、一对沟槽之间的角度设为θs、n设为规定整数，该情况下，成立如下关系：θf＝n×τs、θs＝n×τs。

Description

永磁体嵌入式旋转电机

技术领域

本发明涉及电动机、发电机等具有转子的旋转电机，尤其涉及在转子中嵌入有至少一个永磁体的永磁体嵌入式旋转电机。

背景技术

在永磁体嵌入式旋转电机中，非励磁状态下使转子动作时也会发生齿槽转矩。该齿槽转矩在对旋转电机进行控制时成为扰动，应使其尽可能小。作为用于降低该齿槽转矩的对策，有如下对策：即，对定子实施斜向歪斜(oblique skew)或者对转子实施台阶歪斜(stepwise skew)。然而，采用该对策的情况下，会出现制造工序增加的问题。作为对定子、转子不实施歪斜就能降低齿槽转矩的技术，有例如专利文献1所公开的技术。该专利文献1的技术利用在转子的磁极端部设置的切口来限制磁通通过的范围，基于定子绕组用切槽的间距来规定该磁通通过的范围宽度，从而降低齿槽转矩。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2004-343861号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

上述现有的永磁体嵌入式旋转电机中存在如下问题：由于制造误差的影响，用于限制磁通通过的宽度的切口的尺寸与设计尺寸不同的情况下，齿槽转矩不稳定地变动。

本发明鉴于以上情形而完成，其目的在于提供尽量抑制制造误差的影响、能稳定地降低齿槽转矩的永磁体嵌入式旋转电机。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明提供永磁体嵌入式旋转电机，其具有：定子，该定子的内周面形成有多个定子绕组用切槽；以及转子，该转子在外周面与所述定子的内周面之间隔开间隙且该转子的外周面与所述定子的内周面相对的状态下以能旋转的方式被轴支承，在所述转子的外周面形成沿旋转方向排列的多个磁极的一个或多个永磁体被嵌入于所述转子，所述永磁体嵌入式旋转电机的特征在于，在所述转子上形成磁通短路防止用切口，该磁通短路防止用切口从在所述转子的外周面形成磁极的一个或多个永磁体的两端朝所述磁极中心延伸，在所述转子的外周面形成一对沟槽，该一对沟槽是相对于通过所述磁极中心的对称轴而对称地分开的一对沟槽，各沟槽与所述转子的外周面的相邻磁极的沟槽分开。

根据本发明，在转子内设置磁通短路防止用切口，并且将一对沟槽设置在转子的外周面，因此在产生制造误差的情况下，也能适当限制在转子和定子之间磁通所通过的范围，能稳定地降低齿槽转矩。

附图说明

图1是表示作为本发明的永磁体嵌入式旋转电机的一个实施方式的IPM电动机的结构的横截面图。

图2是表示同一IPM电动机的变形例的结构的横截面图。

图3是表示同一实施方式中的IPM电动机的齿槽转矩特性的图。

图4是表示同一实施方式中的IPM电动机的齿槽转矩特性的图。

图5是表示作为本发明的永磁体嵌入式旋转电机的其它实施方式的IPM电动机的结构的横截面图。

图6是表示同一实施方式中的IPM电动机的齿槽转矩特性的图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。

图1是表示将作为本发明的永磁体嵌入式旋转电机的一个实施方式的IPM电动机以与转轴垂直的平面来切断而得到的结构的横截面图。本实施方式的IPM电动机具有：对每个磁极使用2个永磁体103a、103b的6极转子100；以及收纳该转子100的定子200。下面，为了便于说明，将转子100分割成分别包含2个永磁体103a、103b的6个区域，将这些各区域称作转子100的每一极的磁极区域。

为了防止附图变复杂，在图1中示出了转子100的一个极的磁极区域以及与其相对的定子200的1/6区域的结构。如图1所示，转子100的一个极的磁极区域以转子100的旋转中心O为中心，处于磁极间边界110a到110b为止的60度开度角的范围内。在逆时针方向(顺时针方向)上与图示转子100及定子200的区域相邻的区域的结构为如下结构：以磁极间边界110a(110b)为界将图示与1个极相当的转子100和定子200折返的结构。

定子200呈中空圆筒形状，在其内周壁沿转子100的旋转方向形成有按间距τs的间隔来排列的多个定子绕组用切槽201。在本例中，在定子200的内周面上形成有54个定子绕组用切槽201。因此，定子绕组用切槽201的间距τs为360度/54＝6.67度。而且，在图1中示出了与1个极相当的角度范围(60度)内的9个定子绕组用切槽201。

在转子100的1个极的磁极区域中，形成有向转子100的外周面扩展那样呈V字状的2个永磁体嵌入用切口102a、102b。而且，在永磁体嵌入用切口102a、102b中嵌入着具有矩形剖面的永磁体103a、103b。这些永磁体103a、103b彼此将相同磁极朝向转子100的外周面，在转子100的外周面形成1个磁极。此外，在本例中，在转子100的外周面，在转子100的旋转中心O起贯穿永磁体103a、103b之间的中心的直线上的位置，置有磁极中心Pc。

转子100形成有磁通短路防止用切口104a、104b。其中，磁通短路防止用切口104a(104b)与磁体嵌入用切口102a(102b)的两端中的靠近磁极间边界110a(110b)那一侧的端部相连通，朝着磁极中心Pc延伸。这些磁通短路防止用切口104a、104b将在转子100及定子200之间磁通所通过的范围限制在各自之间，使得不产生不经由定子200而仅通过转子100内的磁通。

此外，在转子100的外周面形成有一对沟槽105a、105b，该一对沟槽105a、105b相对于通过磁极中心Pc的对称轴而对称地分开。这些沟槽105a、105b与相邻磁极区域的沟槽105a或105b(省略图示)分开。

接着，更具体地说明磁通短路防止用切口104a、104b与沟槽105a、105b的位置关系。

在本实施方式中，2个磁通短路防止用切口104a、104b之间的以转子100的旋转中心O为中心的夹角设为θf，一对沟槽105a、105b之间的以转子100的旋转中心O为中心的夹角设为θs，n设为规定整数，在该情况下，决定角度θf和θs，使它们满足下式(1)、(2)。

θf＝n×τs……(1)

θs＝n×τs……(2)

图1所示示例中，n＝6。此外，τs＝6.67度，因此，θf＝θs＝6×6.67度＝40度。

若将磁通短路防止用切口104a、104b设置成使其满足上式(1)，则在转子100的外周面，来自转子100的磁通仅经由θf＝n×τs的范围的区域而导入到定子200。其结果是，在转子100的外周面的旋转方向的磁通密度波形中，降低与定子绕组用切槽201的间距τs相对应的高次分量，能降低齿槽转矩。

此外，若将沟槽105a、105b设置成使其满足上式(2)，则与仅设置磁通短路防止用切口104a、104b的情况相比，能对使磁通从转子100朝定子200通过的转子100的外周面上的区域进行更彻底的限制。因而，能期待更稳定地降低齿槽转矩。

考虑到上述角度θf、θs由于种种制造方面的原因与实际电机设计尺寸偏离。而且，若上述角度θf、θs与根据上式(1)、(2)决定的设计尺寸发生微小偏离，则齿槽转矩有可能因此而不稳定地变化。

于是，本实施方式的变形例中，为了在实际电机的角度θf、θs与设计尺寸偏离的情况下也能稳定地降低齿槽转矩，根据下式(3)、(4)来决定θf、θs角度的设计尺寸。

n×τs-Δθ1≤θf≤n×τs+Δθ2……(3)

θs＝n×τs……(4)

在上式(3)中，Δθ1、Δθ2为规定常数，例如Δθ1、Δθ2的值分别为0～1度。

图2是表示本变形例的结构的横截面图。在该变形例中，转子100A与图1的转子100不同，角度θf与角度θs相偏离。具体而言，在该变形例中，τs＝6.67度、θs＝n×τs＝6×6.67度＝40度、θf＝n×τs-1度＝40度-1度＝39度。

接着，参照图3和图4，对本实施方式的效果进行说明。图3是表示通过对图1所示IPM电动机进行磁场分析来得到的齿槽转矩的旋转角依赖性的图。在图3中，横轴为转子100的旋转角，纵轴为转子100所产生的齿槽转矩。如图3所示，若使图1的转子100进行旋转，则转子100所产生的齿槽转矩以τs＝6.67度的周期来变化。而且，如图1所示，在转子100的外周面设置沟槽105a、105b的结构中，齿槽转矩的峰值到谷值的变动幅度成为4.1％。此外，在转子100的外周面不设置沟槽105a、105b的结构中，齿槽转矩的峰值到谷值的变动幅度成为2.1％。

图4表示在图2所示的IPM电动机中将设置沟槽105a、105b时的角度θs固定为40度并使角度θf变化时的齿槽转矩相对于的θf的依赖性的图。在图4中，横轴为角度θf，纵轴为使转子100的旋转角变化时的齿槽转矩的峰值到谷值的变动幅度。如图4所示，θf＝θs＝40度的条件下，设置有沟槽105a、105b时比不设置沟槽105a、105b时齿槽转矩的变动幅度要大，这在图3中也有图示。然而，在角度θf从θs＝40度偏离的区域中，设置有沟槽105a、105b时比不设置沟槽105a、105b时齿槽转矩的变动幅度要稳定且更小。

如上所述，根据本实施方式，对转子100设置磁通短路防止用切口104a、104b，且在转子100的外周面设置一对沟槽105a、105b，因此，能将制造误差的影响抑制成最小，稳定地降低齿槽转矩。

此外，在本实施方式中，在转子100的外周面，将沟槽105a(105b)与相邻磁极区域的沟槽105b(105a)分开。因而，将通过转子100的磁极间的区域(磁通短路防止用切口104a(104b)与相邻磁极区域的磁通短路防止用切口104b(104a)之间的区域)的磁路磁阻减小，能实现高磁阻转矩。此外，将沟槽105a(105b)与相邻磁极区域的沟槽105b(105a)分开，因此，能防止如下情况发生：即，沟槽105a(105b)与磁通短路防止用切口104a(104b)相对的区域的宽度变窄，转子100的磁通短路防止用切口104a(104b)附近的钢板遭破损。

考虑到磁阻转矩的上升和磁通短路防止用切口104a(104b)附近的钢板的破损防止，优选为将转子100的旋转方向上的沟槽105a、105b的各自的宽度不设置成过大。于是，将沟槽105a(105b)的边缘的、在磁极边界110a(110b)一侧的界限位置靠近永磁体103a(103b)的转子100的外周面，且位于与靠近磁极边界110a(110b)的顶点Ha(Hb)面对的位置。即，沟槽105a(105b)的磁极边界110a(110b)一侧的边缘的位置是比与该顶点Ha(Hb)面对的界限位置更靠磁极中心Pc侧的位置。

图5是表示作为本发明的永磁体嵌入式旋转电机的其它实施方式的IPM电动机的结构的横截面图。在该IPM电动机中，将图2的转子100A置换成转子100B。该转子100B与图2的转子100A不同，将外周面的曲率半径设为比在转子100B的外周面最靠近定子200的点Pc与旋转中心O之间的距离要小。因而，转子100B整体上呈花瓣状。

图6是表示本实施方式中将角度θs固定在40度、角度θf变化时的角度θf与转子100B所产生的齿槽转矩的变动幅度之间的关系的图。与图4相比较可知，若使转子100B呈花瓣状，则与转子形状为正圆的情况相比，能进一步降低齿槽转矩。

上文对本发明的各实施方式进行了说明，但本发明还可考虑其它实施方式。例如，如下所述。

(1)在上述各实施方式中，在转子内对每个极以V字状配置2个永磁体，在转子的外周面形成剖面为矩形的沟槽，但构成1个极的永磁体的数量、永磁体的配置、沟槽的形状不限于此。

(2)在上述各实施方式中，对转子形成有朝磁极中心Pc延伸的带状磁通短路防止用切口105a、105b，但磁通短路防止用切口105a、105b的形状是任意的，例如可形成如下形状的切口，即，随着靠近磁极中心Pc而变细。

标号说明

100、100A、100B……转子

200……定子

201……定子绕组用切槽

102a、102b……永磁体嵌入用切口

103a、103b……永磁体

104a、104b……磁极短路防止用切口

105a、105b……沟槽

Claims (5)

1.一种永磁体嵌入式旋转电机，具有：定子，该定子的内周面形成有多个定子绕组用切槽；以及转子，该转子在外周面与所述定子的内周面之间隔开间隙且该转子的外周面与所述定子的内周面相对的状态下以能旋转的方式被轴支承，在所述转子的外周面形成沿旋转方向排列的多个磁极的一个或多个永磁体被嵌入于所述转子，所述永磁体嵌入式旋转电机的特征在于，

在所述转子上形成磁通短路防止用切口，该磁通短路防止用切口从在所述转子的外周面形成磁极的一个或多个永磁体的两端朝所述磁极中心延伸，

在所述转子的外周面形成一对沟槽，该一对沟槽是相对于通过所述磁极中心的对称轴而对称地分开的一对沟槽，各沟槽与所述转子的外周面的相邻磁极的沟槽分开。

2.如权利要求1所述的永磁体嵌入式旋转电机，其特征在于，

换算成以所述转子的旋转中心为中心的角度的所述定子绕组用切槽的间距设为τs、2个磁通短路防止用切口之间的以所述转子的旋转中心为中心的夹角设为θf、所述一对沟槽之间的以所述转子的旋转中心为中心的夹角设为θs、n设为规定整数，该情况下，成立如下关系：

θf＝n×τs

θs＝n×τs。

3.如权利要求1所述的永磁体嵌入式旋转电机，其特征在于，

换算成以所述转子的旋转中心为中心的角度的所述定子绕组用切槽的间距设为τs、2个磁通短路防止用切口之间的以所述转子的旋转中心为中心的夹角设为θf、所述一对沟槽之间的以所述转子的旋转中心为中心的夹角设为θs、n设为规定整数，Δθ1、Δθ2设为规定角度，该情况下，成立如下关系：

n×τs-Δθ1≤θf≤n×τs+Δθ2

θs＝n×τs。

4.如权利要求1～3中任一项所述的永磁体嵌入式旋转电机，其特征在于，

除所述沟槽部以外，所述转子的外周形状为正圆形状。

5.如权利要求1～3中任一项所述的永磁体嵌入式旋转电机，其特征在于，

所述转子的外周面的曲率半径比所述转子的外周面的最靠近所述定子的点与旋转中心点之间的距离要小，所述转子呈花瓣状。