CN106031003B - 同步磁阻旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种转子强度优异并且能以低成本制造的同步磁阻旋转电机。同步磁阻电动机具有沿着周向形成有多根横轴的转子(3)。转子(3)具有在转子(3)的周向上夹着中央桥部(32)而相邻以形成一根横轴的两个横轴孔(35a、35b)。该横轴孔(35a、35b)在各中央桥部(32)的相反侧与转子(3)的外周连通。中央桥部(32)位于较多个横轴孔(35a、35b)的内切圆更靠转子(3)的半径方向外侧的位置。此外，转子(3)具有相邻的两根横轴间的向直轴方向突出的直轴突起(37)。

Description

同步磁阻旋转电机

技术领域

本发明涉及一种利用磁阻转矩的同步磁阻电动机等同步磁阻旋转电机。

背景技术

同步磁阻电动机的转矩T能由下式表示。

T＝Pn·(Ld-Lq)·id·iq……(1)

上式(1)中，Ld为直轴电感，Lq为横轴电感，id为直轴电流，iq为横轴电流，Pn为极对数。这里，直轴电感Ld由电枢绕组的匝数、间隙长度以及铁心材料的磁特性大致决定。在同步磁阻电动机中，该直轴电感Ld成为最大的电感，因此决定转子的结构以使横轴电感Lq尽可能小。为了在绕组的匝数一定的状态下减小横轴电感，需要减小横轴上的相对磁导率，即增大磁阻。为此，在现有的同步磁阻电动机中，通过增加沿着横轴的磁通的每一周磁路中的空气比率来减小横轴电感Lq。

图5是表示现有的同步磁阻电动机的转子的构成例的剖视图。在图示例中，为了增大直轴电感Ld，减小横轴电感Lq，使空气层的狭缝为两层。图5中，101为转子铁心，102为第一层狭缝(外周侧)，103为第二层狭缝，104为侧面桥部(第一层)，105为侧面桥部(第二层)。这里，狭缝102、103的侧面桥部104、105的厚度通常相同。此外，该侧面桥部的厚度优选尽可能薄以减小横轴电感，但由于对离心力的机械抗力会变弱，因此根据转速来决定尺寸。

同步磁阻电动机的优点在于转子中没有磁体等，能耐受高速旋转。然而，在同步磁阻电动机中，作用于转子的离心力会导致应力集中于图5所示的狭缝102的侧面桥部104以及狭缝103的侧面桥部105。因此，在同步磁阻电动机中，需要决定侧面桥部的尺寸，以将侧面桥部的应力抑制在材料的强度以下。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2002-10594号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

通常，电动机在将转子钢材卡合固定于轴的情况下，会在转子钢材上残留周向上的组装残留应力。该组装残留应力主要残留的范围是在以转子轴为中心的圆周上不存在孔或缺口的半径范围(即，呈环状相连的范围)。对于现有例，由于具有侧面桥部104、105，因此在转子的最外周具有环状区域，该最外周的环状区域中会残留有拉伸残留应力。此外，在转子旋转时会对侧面桥部104、105施加由离心力引起的剪应力。因此，在转子旋转时，侧面桥部104、105上除了组装时的拉伸残留应力以外，还叠加有由离心力引起的剪应力。为了防止侧面桥部的损坏，在现有例中，需要扩大侧面桥部104、105的宽度。因此，在现有例中，横轴电感Lq的极小化存在极限。

此外，通常，若在转子的外周面设置凹凸，则能将转子所产生的转矩的高次谐波成分转换为基波成分，能减少转矩脉动，并能增大转矩。然而，在如现有例那样在横轴孔外侧存在没有孔或凹陷的环状的最外周区域的转子的情况下，会在最外周的环状区域残留有组装残留应力。因此，在现有的转子中，难以在这种残留有残留应力的转子的最外周面上设置会导致应力集中的凹凸。因此，现有的同步磁阻电动机中难以在转子的外周面设置凹凸来提高转矩。

本发明鉴于以上情况而完成，其第一目的在于提供一种转子强度优异且能以低成本制造的同步磁阻旋转电机。此外，本发明的第二目的在于，在不降低转子强度的情况下增加转子所产生的转矩。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的同步磁阻旋转电机具有在沿着周向形成的横轴孔之间形成有中央桥部的转子，利用偶数个所述横轴孔和所述中央桥部来构成一个极，其特征在于，所述横轴孔在所述中央桥部的相反侧与所述转子的外周连通，所述中央桥部位于较所述横轴孔的内切圆更靠所述转子的半径方向外侧的位置。

发明效果

根据本发明，由于横轴孔与转子外周连通，因此不会在转子的最外周产生组装残留应力的残余区域。因此，能提高转子旋转时的强度。此外，由于是使横轴孔与转子外周连通的结构，原本就不需要侧面桥部，因此也无需为了降低漏磁通而使不具有侧面桥部的钢板与具有侧面桥部的钢板相组合来构成转子。因此，能仅层叠一种钢板来制造转子。此外，由于中央桥部位于较多个横轴孔的内切圆更靠转子的半径方向外侧的位置，因此能提高转子旋转时中央桥部的强度。更详细而言，在制造旋转电机过程中将轴过盈配合于转子时，会在转子钢材上残留周向上的拉伸应力。该残留应力几乎不会在横轴孔的内切圆的外侧产生。另一方面，在转子旋转时，会在中央桥部上产生由离心力引起的拉伸应力。根据本发明，在转子旋转时离心力引起的拉伸应力集中的中央桥部位于与主要产生过盈配合加工引起的残留应力的内切圆内隔开的位置，因此能提高转子旋转时中央桥部的强度。

附图说明

图1是表示本发明的同步磁阻旋转电机的一个实施方式的同步磁阻电动机的结构的纵向剖视图。

图2是表示本实施方式的转子的一个极的结构的立体图。

图3是表示本实施方式的转子的一个极的结构的主视图。

图4是表示本发明的其它实施方式的同步磁阻旋转电机的转子的一个极的结构的主视图。

图5是表示现有的同步磁阻电动机的转子结构的图。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。

图1是表示本发明的同步磁阻旋转电机的一个实施方式的同步磁阻电动机的整体结构的纵向剖视图。图1中，外框1是将同步磁阻电动机整体覆盖的筐体，由铁、铝、不锈钢等构成。外框1的内侧设置有中空圆筒状的固定侧铁心2。该固定侧铁心2通过层叠硅钢板而构成。该固定侧铁心2上设置有孔，该孔中插入有由铜线等构成的定子绕组(省略图示)。在固定侧铁心2的内侧以与固定侧铁心2之间夹着规定间隙的状态插入有旋转侧铁心、即转子3。该转子3通过层叠硅钢板而构成。另外，有时也通过对单纯的铁块进行切削加工来构成转子3。转子3的中心被由铁等构成的轴4贯穿。理想情况下，轴4的中心轴即为转子3的旋转中心轴4a。并且，轴4经由由轴承钢等构成的滚动轴承5被设置于外框1的前后两端的屏蔽件6所支承。

该例中，转子3由定子绕组(未图示)所产生的旋转磁场提供能量，绕旋转中心轴4a旋转。

本实施方式的特征在于转子3的结构。图2是表示本实施方式的转子3的一个极的结构的立体图。此外，图3是从旋转中心轴4a方向观察转子3的一个极的主视图。另外，图3中，为了便于理解转子3的结构，除了一个极的结构以外，还用虚线示出其旋转方向上两个相邻极的结构。

本实施方式的转子3大体上能分为：旋转中心轴4a附近的芯部31；设置于横轴附近的两个横轴孔35a、35b；从旋转中心轴4a观察时位于横轴孔35a、35b外侧的由转子钢材构成的横轴外周缘部33；形成于横轴孔35a、35b之间并与芯部31和横轴外周缘部33分别相连的各极的中央桥部32；以及设置在直轴方向上的直轴突起37。这里，横轴与直轴相比，磁阻较大，磁通不容易流过，例如能通过使中央桥部32的周向宽度比直轴突起37的周向宽度小来形成。

一个极的横轴外周缘部33具有大致圆弧状的截面形状，在转子旋转方向中央经由中央桥部32与芯部31相连。该横轴外周缘部33的外周面具有比从旋转中心轴4a到转子最外周部的距离要大的曲率半径。另外，也可以不像上述那样使整个横轴外周缘部33，而是使横轴外周缘部33的一部分的曲率半径大于从旋转中心轴4a到转子最外周部的距离。

在横轴外周缘部33的内侧设置有横轴孔35a、35b。该横轴孔35a、35b被横轴外周缘部33、中央桥部32、以及芯部31从三个方向包围。横轴外周缘部33具有提高直轴电感Ld的作用。与各极相对应的各横轴外周缘部33与相邻的横轴外周缘部之间夹着间隙而排列在转子旋转方向上。两个横轴外周缘部33之间的间隙位于直轴附近。横轴孔35a、35b经由中央桥部32的相反侧、即直轴附近的间隙与转子外周连通。

横轴孔35a、35b以横轴为对称轴呈倒V字形排列。并且，横轴孔35a、35b的内周壁上旋转中心轴4a一侧的区域(芯部31)随着离开直轴并向横轴附近(即中央桥部32附近)靠近而向远离旋转中心轴4a的方向倾斜。因此，中央桥部32位于较横轴孔35a、35b的内切圆36向转子半径方向外侧远离的位置。由此，利用两个横轴孔35a、35b和中央桥部32构成一个极。

此外，直轴突起37相对于两个横轴孔35a、35b的中央桥部32位于转子旋转方向相反侧、即直轴上。另外，图2、图3中仅示出了一个极，但在整个周长上位于相邻的两个中央桥部之间。

以上是本实施方式的转子3的结构。

本实施方式的转子3采用横轴孔35a、35b与转子外周连通的结构。下面说明采用该结构的理由。

在电动机的制造过程中，利用冷缩配合等过盈配合来对轴和转子钢材进行组装的方法较为普遍。在该过盈配合工序中，会在转子钢材上残留沿周向的拉伸应力。该残留应力在转子高速旋转过程中也仍旧存在。本申请发明人通过有限元法计算后确认到，该残留应力在转子钢材上具有与孔、凹陷等所在部分相同半径的圆周上几乎不会产生(即，应力仅残留在没有孔和凹陷、且呈环状连接的部分)。

另一方面，在转子旋转、特别是高速旋转时，转子的各部分会产生强大的离心力。此时，在如现有例那样转子具有侧面桥部的情况下，该侧面桥部上会产生较大的应力。该情况下，因转子的旋转而产生的离心力会导致侧面桥部上产生剪应力。因此，在高速旋转时，组装时产生并且在高速旋转中也仍旧残留的周向拉伸应力会与因伴随高速旋转而产生的离心力所引起的径向的剪应力相叠加。为了防止高速旋转引起转子损坏，需要侧面桥部具有足够高的强度，若因此使侧面桥部变粗，则无法使横轴电感Lq足够小，这一点增加了转子强度设计的难度。

为此，本实施方式中，作为转子结构，采用使横轴孔35a、35b与转子外周连通的结构，即没有现有例中的侧面桥部的结构。根据本实施方式，由于转子的最外周不具有侧面桥部，因此不会在转子最外周残留有组装残留应力。因转子旋转时的离心力所产生的应力虽然会集中于中央桥部，但由于作用于该中央桥部的应力是拉伸应力，因此能容易地通过调整中央桥部的宽度等来进行防止中央桥部损坏的处理。而且，横轴孔35a和35b与转子外周连通的转子结构还具有以下所述的较大优势。

首先，本实施方式的转子3具有制作方面的优点。即，在由一体的金属块对本实施方式的横轴孔进行成形的情况下，能利用线切割等，仅从外周侧进行去除加工来成形。在现有例那样对狭缝进行成形时，无需从轴向进行加工，所有成形都能通过从径向的加工来进行。

此外，本实施方式的转子3与具有侧面桥部的现有例相比，磁通的泄漏路径较少。本实施方式的中央桥部也会成为磁通的泄漏路径，但与现有例的侧面桥部的个数相比，中央桥部的个数明显较少。此外，能使中央桥部较细。即，本实施方式的中央桥部上不会残留组装时的应力，离心力也处于单纯的单轴拉伸的状态下，钢铁材料对于这种应力状况耐受力较强。因此，本实施方式的中央桥部能比现有例的侧面桥部细，由此也能减少每一个桥部的漏磁通量。因此，与现有例相比能减小横轴电感Lq，这有助于转矩的增加。

而且，本实施方式的转子3还具有冷却方面的优点。即，转子3的转轴方向上的通风较好，因而有利于转子冷却。因此，通过采用本实施方式的转子3，能缓解与电动机容量有关的限制。

本实施方式的其它特征还有直轴突起37。该直轴突起37能产生较强的磁阻转矩，有助于增加转子所产生的转矩。

作为本实施方式的其它特征，还有横轴外周缘部33的形状。若在转子的外周面设置凹凸，则能将转子所产生的转矩的高次谐波成分转换为基波成分，能减少转矩脉动，并能增大转矩。另一方面，众所周知，若对凹凸部施加作用力，则会由于被称为应力集中的现象而在局部产生较高的应力。在现有例那样具有狭缝不与转子外周连通且最外周呈环状连续的转子的情况下，会在转子外周面附近的环状区域中残留有组装残留应力。因此，在现有例的转子中，难以在这种残留有残留应力的转子的最外周面上设置会导致应力集中的凹凸。然而，本实施方式中，由于使横轴孔35a、35b与转子外周连通，因此不会在转子3的最外周区域、即横轴外周缘部33上残留有残留应力。因此，本实施方式中，容易在转子3的最外周区域、即横轴外周缘部33的外周面上设置凹凸来增大转矩。为此，本实施方式中，使从转子旋转中心观察时位于横轴孔外侧的横轴外周缘部33的外周面的曲率半径大于从转子旋转中心到转子最外周部的距离。此外，横轴外周缘部33的外周面不一定要是曲面，只要从转子旋转中心观察时位于通过中央桥部32的延长线上的横轴外周缘部33的外周面相对于其它位置的外周面而言到转子旋转中心的距离较短，则能增大转矩。由此，本实施方式中，能在不提高产生应力的情况下减少转子3所产生的转矩脉动，能增大转矩。

此外，本实施方式最大的特征在于横轴孔内切圆36与中央桥部32的位置关系。以下说明由该特征获得的效果。

首先，在将轴4过盈配合于转子3的工序中，会在转子钢材上残留周向上的拉伸应力。该残留应力在具有与横轴孔35a、35b相同半径的圆周上几乎不会产生。因此，在本实施方式的转子3中，在横轴孔35a、35b的内切圆36的转子半径方向外侧几乎不会残留有组装残留应力。另一方面，在转子3旋转时，会在中央桥部32上产生由离心力引起的拉伸应力。在将横轴孔内周壁的横轴附近配置在较同一横轴孔内周壁的直轴附近更靠半径方向外侧的情况下，该中央桥部32的位置位于较主要产生残留应力的内切圆36内靠转子半径方向外侧的位置。由此，根据本实施方式，在转子3旋转时离心力引起的拉伸应力集中的中央桥部32与主要产生过盈配合加工引起的残留应力的内切圆36内隔开配置，因此能提高转子3旋转时中央桥部32的强度。另外，以上示例中以内周壁为直线状的情况为例进行了说明，但在内周壁为曲线状的情况下，内周壁横轴附近相对于内周壁直轴附近不一定要在半径方向外侧，只要内周壁的某处具有相比内周壁横轴附近靠半径方向内侧的部分即可。

如上所述，根据本实施方式，能实现一种转子强度优异、能以低成本制造且能获得较大转矩的同步磁阻电动机。

以上，对本发明的一个实施方式进行了说明，但本发明也能考虑其它实施方式。例如在上述实施方式中，利用两个横轴孔、以及由该孔和外周包围的钢材(即中央桥部32、横轴外周缘部33)形成了一个横轴。然而，为了形成一个横轴而对中央桥部设置的横轴孔并不限于两个，只要是偶数个即可。例如，可以沿着转子半径方向形成多对在转子旋转方向上将中央桥部32夹在中间的横轴孔对来形成一个横轴。图4是表示这种同步磁阻旋转电机的转子的构成例的图。该例中，在中央桥部32的转子旋转方向左侧具有沿转子半径方向排列的两个横轴孔35a1、35a2，在中央桥部32的转子旋转方向右侧具有沿转子半径方向排列的两个横轴孔35b1、35b2。各横轴孔35a1、35a2、35b1、35b2在中央桥部32的相反侧与转子外周连通。另外，该例中，在转子半径方向上形成了两对将中央桥部32夹在中间的孔对来形成一个极，但也可以形成三对或更多孔对。此外，对于横轴孔的内周壁的形状，举例示出了直线形状，但即使是曲线，只要内切圆与中央桥部隔开，也能适用于该电动机。此外，上述实施方式中，为了提高转矩，可以使转子3的外周面与配置在转子3外周的固定侧铁心2的内周面之间的距离在越靠近横轴时越远。此外，上述实施方式中将本发明应用于电动机，但本发明显然也能应用于发电机。

标号说明

3 转子

35a，35b，35a1，35a2，35b1，35b2 横轴孔

4a 旋转中心轴

31 芯部

32 中央桥部

33 横轴外周缘部

37 直轴突起

Claims (4)

1.一种同步磁阻旋转电机，具有在沿着周向形成的横轴孔之间形成有中央桥部的转子，利用偶数个所述横轴孔和所述中央桥部来构成一个极，其特征在于，

所述横轴孔在所述中央桥部的相反侧与所述转子的外周连通，

所述横轴孔的内 周壁上旋转中心轴一侧的区域随着离开直轴并向所述中央桥部附近靠近而向远离所述旋转中心轴的方向倾斜，

所述中央桥部位于较所述横轴孔的内切圆更靠所述转子的半径方向外侧的位置。

2.如权利要求1所述的同步磁阻旋转电机，其特征在于，所述转子在相邻的两个中央桥部之间具有向半径方向外侧突出的直轴突起。

3.如权利要求1或2所述的同步磁阻旋转电机，其特征在于，从所述转子的中心轴到位于通过所述中央桥部的半径方向的延长线上的外周面的距离比从所述转子的中心轴到所述转子的外周面的其他部位的距离短。

4.如权利要求1或2所述的同步磁阻旋转电机，其特征在于，所述横轴附近的所述转子的外周面的一部分或全部具有比从所述转子的旋转中心轴到所述转子的最外周部的距离要大的曲率半径。