CN105684279A - 无刷电机 - Google Patents

Abstract

无刷电机(1)具有：定子(2)，其具备层叠了多张定子铁心板(17)而成的定子铁心(5)；以及转子(3)，其具备层叠了多张转子铁心板(18)而成的转子铁心(15)。转子铁心(15)具有铁心主体(15a)、收容磁铁(16)的磁铁安装孔(31)和形成在磁铁安装孔(31)的外周测的凸极部(32)。转子铁心(15)的轴向长度(Lr)比磁铁(16)的轴向长度(Lm)长(Lr＞Lm)，在转子铁心(15)的两端部形成第一伸出部(41)。定子铁心(5)的轴向长度(Ls)比转子铁心(15)的轴向长度(Lr)长(Ls＞Lr)，在定子铁心(5)的两端部形成第二伸出部(42)。

Description

无刷电机

技术领域

本发明涉及无刷电机的齿槽转矩减小技术，尤其涉及磁铁埋入式的电机(IPM电机：InteriorPermanentMagnetMotor)的齿槽转矩的减小。

背景技术

近年，在转子内部埋入磁铁、利用由磁铁的磁力产生的磁铁转矩和因转子的磁化产生的磁阻转矩这双方而使转子旋转的磁铁埋入式的无刷电机(IPM电机)的利用持续扩大。IPM电机除了能够利用磁铁转矩之外还能够利用磁阻转矩，因此成为高效率且高转矩的电机。IPM电机，除了作为汽车用电动助力转向装置的驱动源来使用之外，在混合动力汽车、空调等的使用也在持续增加。

图7是表示IPM电机的结构的说明图。如图7所示，IPM电机51也和通常的电动电机一样，在外侧配置有定子52，在内侧配置有转子53。定子52具有将多个薄板钢板材料叠层而成的定子铁心54和卷绕安装在定子铁心54的齿(未图示)上的线圈55。转子53具有固定于中心轴56的转子铁心57和埋设在转子铁心57内的磁铁58。在IPM电机51中，转子铁心外周部57a位于磁铁58的外侧，也作为模拟的磁极发挥作用。IPM电机51利用磁铁转矩和磁阻转矩这双方来使转子53旋转。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-160931号公报

专利文献2：日本特开2010-51150号公报

发明内容

发明要解决的课题

在IPM电机中，根据图7可知，在磁铁58和定子52之间存在由磁性体构成的转子铁心外周部57a。在磁铁58和转子铁心外周部57a之间，由于从磁铁端面的三维的磁通泄漏，磁通容易集中(图7的P部)，磁通密度沿着轴向产生高低的偏差。在转子53和定子52之间，也会在它们的端部产生磁通集中部(图7的Q部)，因此，轴向的磁通密度的偏差会进一步变大。结果，转子旋转时的齿槽转矩增大。尤其是在定子铁心外径D和定子铁心长度L为D/L＞1这样的扁平型IPM电机中，由于转子铁心及磁铁、定子的轴长短，因此向转子铁心轴向端部及定子轴向端部的磁通的潜行(日文：回り込み)量变大。因此，产生了轴向的磁通密度的偏差表现显著这样的问题。

用于解决课题的手段

本发明的无刷电机具有：定子，其具备由磁性材料形成的定子铁心；以及转子，其具备旋转自如地配置在所述定子的内侧并由磁性材料形成的转子铁心和固定在所述转子铁心内的多个磁铁，所述无刷电机的特征在于，所述转子铁心具有：铁心主体，其固定在转子轴上；以及多个磁铁安装部，其沿着所述铁心主体的周向等间隔地设置并收容所述磁铁，所述转子铁心的轴向长度Lr比所述磁铁的轴向长度Lm长(Lr＞Lm)，且所述定子铁心的轴向长度Ls比所述转子铁心的轴向长度Lr长(Ls＞Lr)。

在所述无刷电机中，也可以在所述转子铁心的两端部，设置不与所述磁铁相向地从所述磁铁的轴向端部沿着轴向伸出的第一伸出部，并且在所述定子铁心的两端部，设置不与所述转子铁心相向地从所述转子铁心的轴向端部沿着轴向伸出的第二伸出部。第一伸出部抑制从磁铁的轴向端面流入到转子铁心内的磁通，使转子铁心内的磁通密度均匀化。第二伸出部抑制从转子铁心的轴向端面流入到定子铁心内的磁通，使定子铁心内的磁通密度均匀化。

另外，也可以将所述第一伸出部及第二伸出部的轴向的长度X1、X2设定为大于0且在1.0mm以下，也可以使所述第一伸出部及第二伸出部的轴向的长度X1、X2相等(X1＝X2)。

并且，也可以层叠多张由薄板钢板制成的转子铁心板来构成所述转子铁心，使所述转子铁心的轴向长度Lr比所述磁铁的轴向长度Lm长出所述转子铁心板的板厚tr×n(n为自然数)的量(Lr＝Lm+tr×n)。另外，也可以层叠多张由薄板钢板制成的定子铁心板来构成所述定子铁心，使所述定子铁心的轴向长度Ls比所述转子铁心的轴向长度Lr长出所述定子铁心板的板厚ts×n(n为自然数)的量(Ls＝Lr+ts×n)。并且，也可以将所述转子铁心板的板厚tr和所述定子铁心板的板厚ts设定为相等(tr＝ts)。此外，也可以在所述转子铁心设置多个凸极部，该凸极部形成在所述磁铁安装部的外周侧，并配置在所述转子的外周部。

发明的效果

在本发明的无刷电机中，作为转子铁心，使用具有固定在转子轴上的铁心主体和设置在该铁心主体的磁铁安装部的结构的转子铁心。而且，将转子铁心的轴向长度Lr设定得比磁铁的轴向长度Lm长(Lr＞Lm)，且将定子铁心的轴向长度Ls设定得比转子铁心的轴向长度Lr长(Ls＞Lr)，从而能够使转子铁心内、定子铁心内的磁通密度均匀化。因此，能够减小因磁通密度的偏集而产生的齿槽转矩。

附图说明

图1是作为本发明的一实施方式的无刷电机的剖视图。

图2是沿图1A－A线的剖视图。

图3是表示磁铁、转子铁心、定子铁心的各轴向长度的关系的说明图。

图4是表示转子铁心相对于磁铁的伸出量X1与齿槽转矩及输出转矩之间的关系的说明图。

图5是表示定子铁心相对于转子铁心的伸出量X2与齿槽转矩及输出转矩之间的关系的说明图。

图6是表示可应用本发明的其他IPM电机的示例的说明图。

图7是表示IPM电机的结构的说明图。

具体实施方式

下面，根据附图详细说明本发明的实施方式。本实施方式的目的在于，在具有在转子内部埋入了磁铁的结构的所谓的IPM电机中，使轴向的磁通密度均匀化，实现齿槽转矩的减小。图1是作为本发明的一实施方式的无刷电机1(以下简称为电机1)的剖视图。图2是沿图1的A－A线的剖视图。电机1是利用基于电感差的磁阻转矩和由磁铁的磁力产生的磁铁转矩而使转子旋转的IPM型的无刷电机。如图1所示，电机1为在外侧配置了定子2、在内侧配置了转子3的内转子型的无刷电机。电机1是满足D/L＞1的扁平型IPM电机，作为电动助力转向装置的驱动源来使用。

定子2固定在有底圆筒形状的电机壳体4(以下简称为壳体4)的内侧。定子2由定子铁心5、定子线圈6(以下简称为线圈6)和母线单元(端子单元)7构成。线圈6经由绝缘子11卷绕安装在定子铁心5的多个齿部9。母线单元7安装于定子铁心5，并与线圈6电连接。在本实施方式中，设置了9个齿部9。线圈6配置在邻接的齿部9之间的9个槽内。壳体4由铁等形成为有底圆筒状。在壳体4的开口部，通过未图示的固定螺钉，安装有铝压铸件制的托架8。

定子铁心5通过层叠多个作为钢制的薄板材料的定子铁心板17(例如，板厚ts＝0.5mm的电磁钢板)而形成。多个齿部9朝向径向内侧突出设置在定子铁心5。在邻接的齿部9之间形成有槽10。在槽10中收容了线圈6。在定子铁心5安装有合成树脂制的绝缘子11。在绝缘子11的外侧，卷绕安装了线圈6。在定子铁心5的轴向一端侧，安装有由绝缘子11定位的母线单元7。母线单元7由合成树脂制的主体部和在主体部内嵌入成形的铜制的母线构成。

在母线单元7的周围，在径向上突出设置有多个连接端子12。在安装母线单元7时，连接端子12与从定子铁心5拉出的各线圈6的端部6a焊接。在母线单元7，设置了与电机1的相数对应的个数(在此，包括U相、V相、W相的3个以及各相彼此的连接用的1个，共计4个)的母线。各线圈6与同其相对应的连接端子12电连接。定子铁心5在安装了母线单元7后，通过压入或粘接等固定手段固定在壳体4内。

在定子2的内侧，与定子2同芯状地插入了转子3。转子3具有转子轴13。转子轴13通过轴承14a、14b以旋转自如的方式被轴支承。轴承14a固定在壳体4的底部中央。轴承14b固定在托架8的中央部。在转子轴13上安装有圆筒形状的转子铁心15和作为旋转角度检测部件的旋转变压器21的转子(旋转变压器转子)22。旋转变压器21的定子(旋转变压器定子)23被收纳在旋转变压器保持件24a。旋转变压器保持件24a经由合成树脂制的旋转变压器托架24b，通过安装螺钉25固定在托架8的内侧。

转子铁心15也通过层叠多个作为钢制的薄板材料的转子铁心板18(例如，板厚tr＝0.5mm的电磁钢板)而形成。在转子铁心15的外周部，沿着周向设置有多个磁铁安装孔(磁铁安装部)31。磁铁安装孔31在轴向上贯通转子铁心15。在磁铁安装孔31内，分别收容并固定磁铁16。在各磁铁16的外周侧，形成凸极部32。磁铁16沿着周向配置了6个，电机1成为了6极9槽结构。在磁铁安装孔31内，形成有空隙部33。空隙部33形成在磁铁16的周向两侧，作为磁通难以通过的磁通屏障发挥功能。在邻接的凸极部32之间，设置有用于连结铁心主体15a和凸极部32的桥部34。

在本实施方式中，如上所述，定子铁心5的定子铁心板17和转子铁心15的转子铁心板18均通过层叠板厚为0.5mm的电磁钢板而成形。因此，两铁心板17、18能够从相同的坯料上共同取料来冲压成形，而且磁通特性等各种物性大略均等。

在此，在以往的IPM型无刷电机中，如上所述，有时在磁铁和定子之间介设有磁性体，存在由于从轴向端面的磁通的潜行而导致齿槽转矩增大这样的问题。因此，在该电机1中，为了抑制从轴向端面侧的磁通的潜行，设定为，转子铁心15的轴向长度比磁铁16的轴向长度长，另外，定子铁心5的轴向长度比转子铁心15的轴向长度长(磁铁长度＜转子铁心长度＜定子铁心长度)。此外，转子铁心15的轴向意味着，至少位于磁铁16外侧的凸极部32的轴向长度比磁铁16长。即，在转子铁心15中，位于比磁铁16靠内周侧的位置的铁心主体15a的轴向长度不一定要比磁铁16长。因此，例如为了轻量化·减小惯性，也可以通过切削等使比磁铁16靠内侧的铁心主体15a变短。

图3是表示电机1中的磁铁16、转子铁心15、定子铁心5的各轴向长度的关系的说明图。此外，在图3中，为了清楚地表示本发明的特征而夸张了尺寸关系。如图3所示，转子铁心15的轴向长度Lr比磁铁16的轴向长度Lm长(Lr＞Lm)。定子铁心5的轴向长度Ls比转子铁心15的轴向长度Lr长(Ls＞Lr)。在转子铁心15的两端部，形成不与磁铁16相向的第一伸出部41(伸出量X1)。在定子铁心5的两端部，也形成不与转子铁心15相向的第二伸出部42(伸出量X2)。伸出部41、42不是配置在转子铁心15、定子铁心5的轴向的单侧端部而是等分地配置在轴向的端部。

Lr与Lm的差被设定成大于考虑了Lr、Lm尺寸公差的两者的差的最小值。Ls与Lr的差也被设定成大于考虑了Ls、Lr尺寸公差的两者的差的最小值。因此，即使各零件的轴向长度存在偏差、其公差聚集，也可确保伸出部41、42。伸出部41、42的伸出量X1、X2通过变更构成定子铁心5、转子铁心15的薄板材料的板厚、层叠张数而能够适宜调整。若设置伸出部41，则从磁铁16的端部潜行到转子铁心15的端部的磁通几乎消失。如图3的箭头F1这样，来自磁铁16的磁通流入到凸极部32的内表面侧。结果，在磁铁16的轴向端部，来自磁铁16的磁通也会流入到作为凸极部32的内侧面的伸出部41。在转子铁心15和定子铁心5之间，也通过伸出部42使从转子铁心15的端部潜行到定子铁心5的端部的磁通几乎消失。如图3的箭头F2这样，来自转子铁心15的磁通流入到定子铁心5的内表面侧。结果，在凸极32的轴向端部，来自转子铁心15的磁通也会流入到作为定子铁心5的内侧面的伸出部42。

对于设置在磁铁16和转子铁心15之间的伸出部41，若观察伸出量X1和齿槽转矩减小效果，则从发明者们的实验中，能够得到图4这样的结果。图4是表示电机1中的伸出量X1(单侧伸出量)与齿槽转矩及输出转矩之间的关系的说明图。如图4所示，若设置伸出部41，则齿槽转矩急剧减小。齿槽转矩显著下降，直到伸出量X1为0.5～1mm(转子铁心板18的板厚tr～板厚tr的2倍左右)。当伸出量X1超过1mm时，齿槽转矩下降量减小，此后，处于大致平稳状态。输出转矩逐渐增大，直到伸出量X1为1mm左右，此后，处于大致平稳状态。若增长伸出量X1，则电机变大，因此，从电机的小型轻量化的观点出发，X1优选尽量小的值。因此，若考虑到伸出部41的效果，则根据图4可知，伸出量X1优选到1mm左右为止。

下面，关于设置在转子铁心15和定子铁心5之间的伸出部42，若观察伸出量X2和齿槽转矩减小效果，则从发明者们的实验中，能够得到图5这样的结果。图5是表示电机1中的伸出量X2(单侧伸出量)与齿槽转矩及输出转矩之间的关系的说明图。在图5的情况下也可看到与图4的情况相似的倾向，若设置伸出部42，则齿槽转矩急剧减小。齿槽转矩显著下降，直到伸出量X2为0.5～1mm(定子铁心板17的板厚ts～板厚ts的2倍左右：在本实施例中ts＝tr)。当伸出量X2超过1mm时，齿槽转矩下降量减小，此后，处于大致平稳状态。输出转矩逐渐增大，直到伸出量X2为1mm左右，此后，处于大致平稳状态。若增长伸出量X2，则电机变大，因此，与上述相同，优选小的值。因此，若考虑到伸出部42的效果，则根据图5可知，伸出量X2优选到1mm左右为止。

若总结可根据图4、图5得到的结果，则伸出量X1、X2均优选到1mm左右为止。因此，磁铁16和转子铁心15、定子铁心5的各尺寸关系优选如下这样设定。

磁铁长度＜转子铁心长度[＝磁铁长度+(大于0且在1mm以下)×2]

转子铁心长度＜定子铁心长度[＝转子铁心长度+(大于0且在1mm以下)×2]

若以上述这样的尺寸关系构成双重伸出构造，则利用两伸出部41、42的作用，可在转子铁心15·定子铁心5的两端部抑制来自轴向的磁通的流入。而且，从磁铁16流入到转子铁心15的磁通、从转子铁心15流入到定子铁心5的磁通沿着轴向均匀化。结果，轴向的磁通密度均匀化，实现了因磁通密度的偏离而产生的齿槽转矩的减小。

根据发明者们的实验，即使使伸出量X1＝0、仅设定X2，齿槽转矩也得以改善，但是输出转矩减少了。因此，为了提高转矩，优选同时设定X1和X2。另外，当仅设定X1、使X2＝0或者设定为负值(定子铁心5比转子铁心15短)时，齿槽转矩反而增大了。

这样，在本发明的IPM电机中，不用大幅增大电机的尺寸，仅通过改变转子铁心15和定子铁心5的轴向尺寸，就能够减小齿槽转矩。结果，即使是在D/L＞1这样的扁平型IPM电机中，也能够容易且有效地减小齿槽转矩。另外，伸出部41、42的设定也能够通过定子铁心板17、转子铁心板18的板厚、层叠张数的变更而容易地调整。因此，不用大幅变更以往的结构，就能够容易地改善电机特性。

本发明不限定于上述实施方式，当然在不脱离其主旨的范围内能够进行各种变更。

例如，在上述的实施方式中，作为IPM电机，示出了在图2那样的结构应用了本发明的例子，但是本发明能够应用于所有磁铁埋入式的电机。例如，也能够应用于如图6(a)～(c)所示的结构的IPM电机。另外，在上述的实施方式中，示出了定子铁心板17和转子铁心板18的板厚都为0.5mm的例子，但是两铁心板的板厚并不限定于0.5mm。另外，定子铁心板17和转子铁心板18的板厚也可以是不同的板厚。伸出量X1、X2，以转子铁心板18的板厚为基准，优选为其1～2张薄厚。

在上述的实施方式中，作为设置在磁铁16和转子铁心15之间的伸出部41的伸出量X1的优选设定例，示出了如下的例子：

设磁铁长度＜转子铁心长度[＝磁铁长度+(大于0且在1mm以下)×2]。

但是，磁铁16是预先成形的成形品，因此也可以在磁铁16的成形阶段，设定与转子铁心15的轴向长度。在此情况下，成为

磁铁长度[＝转子铁心长度－大于0且在1mm以下)×2]＜转子铁心长度

这样的双重伸出构造的尺寸关系。

产业上的可利用性

本发明除了电动助力转向装置的驱动源之外，还能够广泛应用于其他车载电动装置、混合动力汽车、电动汽车、空调等电器产品等。

附图标记说明

1无刷电机2定子

3转子4电机壳体

5定子铁心6定子线圈

6a端部7母线单元

8托架9齿部

10槽11绝缘子

12连接端子13转子轴

14a、14b轴承15转子铁心

15a铁心主体16磁铁

17定子铁心板18转子铁心板

21旋转变压器22旋转变压器转子

23旋转变压器定子24a旋转变压器保持件

24b旋转变压器托架25安装螺钉

31磁铁安装孔(磁铁安装部)

32凸极部33空隙部

34桥部41第一伸出部

42第二伸出部51IPM电机

52定子53转子

54定子铁心55线圈

56轴57转子铁心

57a转子铁心外周部58磁铁

Lm磁铁轴向长度Lr转子铁心轴向长度

Ls定子铁心轴向长度

X1转子铁心相对于磁铁的伸出量

X2定子铁心相对于转子铁心的伸出量

tr转子铁心板板厚

ts定子铁心板板厚。

Claims (8)

1.一种无刷电机，具有：

定子，其具备由磁性材料形成的定子铁心；以及

转子，其具备转子铁心和多个磁铁，所述转子铁心旋转自如地配置在所述定子的内侧，由磁性材料形成，所述磁铁固定在所述转子铁心内，

所述无刷电机的特征在于，

所述转子铁心具有固定在转子轴上的铁心主体和沿着所述铁心主体的周向等间隔地设置并收容所述磁铁的多个磁铁安装部，

所述转子铁心的轴向长度Lr比所述磁铁的轴向长度Lm长(Lr＞Lm)，且所述定子铁心的轴向长度Ls比所述转子铁心的轴向长度Lr长(Ls＞Lr)。

2.根据权利要求1所述的无刷电机，其特征在于，

在所述转子铁心的两端部，设置不与所述磁铁相向地从所述磁铁的轴向端部沿着轴向伸出的第一伸出部，

并且，在所述定子铁心的两端部，设置不与所述转子铁心相向地从所述转子铁心的轴向端部沿着轴向伸出的第二伸出部。

3.根据权利要求1或2所述的无刷电机，其特征在于，

所述第一伸出部及第二伸出部的轴向的长度X1、X2大于0且在1.0mm以下。

4.根据权利要求3所述的无刷电机，其特征在于，

所述第一伸出部及第二伸出部的轴向的长度X1、X2相等(X1＝X2)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的无刷电机，其特征在于，

所述转子铁心通过层叠多张由薄板钢板制成的转子铁心板而构成，

所述转子铁心的轴向长度Lr比所述磁铁的轴向长度Lm长出所述转子铁心板的板厚tr×n(n为自然数)的量(Lr＝Lm+tr×n)。

6.根据权利要求5所述的无刷电机，其特征在于，

所述定子铁心通过层叠多张由薄板钢板制成的定子铁心板而构成，

所述定子铁心的轴向长度Ls比所述转子铁心的轴向长度Lr长出所述定子铁心板的板厚ts×n(n为自然数)的量(Ls＝Lr+ts×n)。

7.根据权利要求6所述的无刷电机，其特征在于，

所述转子铁心板的板厚tr与所述定子铁心板的板厚ts相等(tr＝ts)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的无刷电机，其特征在于，

所述转子铁心具有多个凸极部，所述凸极部形成在所述磁铁安装部的外周侧，并配置在所述转子的外周部。