CN106165259B - 永磁体埋入型旋转电机 - Google Patents

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Abstract

本发明得到能够降低齿槽扭矩、扭矩脉动，能够扩大运转范围，而且能够抑制磁体的减磁的永磁体埋入型旋转电机。在本发明涉及的永磁体埋入型旋转电机中，在将与沿周向排列的圆弧状曲面(13)相切的圆筒面(14)的曲率半径设为R1、将圆弧状曲面(13)的曲率半径设为R2、将永磁体(16)的上表面的曲率半径设为R3时，满足R1＞R2＞R3，磁体收容孔(15)具有使周向两侧部中的外径侧部分向周向外侧鼓出的空隙部(17)，在上述磁体收容孔的周向两端部中的内径侧部分，设置与上述永磁体的周向的两侧面沿径向并行地接触的面，在将上述转子铁心的上述圆弧状曲面和上述磁体收容孔之间的铁心部分的磁极中心处的厚度设为B1、将上述铁心部分的周向的端部的厚度设为B2时，满足B2＞B1。

Description

永磁体埋入型旋转电机
技术领域
本发明涉及一种具有将永磁体埋入转子铁心的转子的永磁体埋入型旋转电机。
背景技术
在工业用、车载用电动机等旋转电机中，要求小型化、高速化、使用速度范围的宽范围化。作为对应于这些要求的旋转电机，提出了各种具有将永磁体埋入转子铁心的转子的永磁体埋入型旋转电机(例如，参照专利文献1、2)。
专利文献1：日本特开2001-178037号公报
专利文献2：日本特开平5-304737号公报
发明内容
在专利文献1所涉及的现有的永磁体埋入型旋转电机中，转子铁心的外周面为圆筒面，因此在从转子发生的磁动势波形中包含大量的谐波，存在发生齿槽扭矩、扭矩脉动的课题。另外，由于转子铁心的外周面为圆筒面，因此转子铁心的接受q轴的磁通的铁心部分与定子接近，q轴的电感变大。因此，还存在下述课题，即，在高速旋转时，容易引起电压的饱和，无法将运转范围变宽。而且，磁体收容孔的内形形状和磁体的外形形状为相似形状，因此在尺寸公差的关系上，磁体收容孔的内形形状比磁体的外形形状大，特别地，还存在磁体的周向两侧部的内径侧端部和磁体收容孔之间容易产生间隙的课题。而且，永磁体的周向两侧部为相对于磁极中心倾斜的平坦面，因此与磁极中心平行的方向上的永磁体的周向两侧部的厚度变薄。由此，还存在永磁体的两侧部的动作点比永磁体的中央部的动作点低，容易引起磁体的减磁的课题。
在专利文献2所涉及的现有的永磁体埋入型旋转电机中，将构成转子铁心的磁极的外周面构成为以使2个椭圆正交的方式叠加而成的形态，将在从转子发生的磁动势波形中所包含的谐波降低。但是，在专利文献2所涉及的现有的永磁体埋入型旋转电机中，也是磁体收容孔的内形形状和磁体的外形形状为相似形状，因此还存在磁体的周向两侧部的内径侧端部和磁体收容孔之间容易产生间隙的课题。而且，永磁体的周向两侧部为相对于磁极中心倾斜的平坦面，因此与磁极中心平行的方向上的永磁体的周向两侧部的厚度变薄。由此，存在永磁体的两侧部的动作点比永磁体的中央部的动作点低，容易引起磁体的减磁的课题。
本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于得到一种永磁体埋入型旋转电机，该永磁体埋入型旋转电机能够降低齿槽扭矩、扭矩脉动，能够扩大运转范围，能够将磁体不设置间隙地固定于转子铁心，并且能够抑制磁体的减磁。
本发明涉及的永磁体埋入式旋转电机具有：圆环状的定子；以及转子，其隔着空隙而同轴地配置在上述定子的内部。上述转子具有：转子铁心，其具有向外径侧呈凸状的圆弧状曲面沿周向排列多个的外形形状，形成为磁体收容孔在上述圆弧状曲面各自的内径侧沿轴向贯穿；旋转轴，其插入至上述转子铁心的轴心位置，保持上述转子铁心；以及永磁体，其分别制作为棒状体，该棒状体将与长度方向正交的剖面的外径侧设为向外径侧呈凸状的圆弧，而且将周向的两侧面设为与包含磁极中心的平面平行的平坦面，该永磁体分别收容于各个上述磁体收容孔。而且，在将与沿周向排列的上述圆弧状曲面相切的圆筒面的曲率半径设为R1、将上述圆弧状曲面的曲率半径设为R2、将上述永磁体的上表面的曲率半径设为R3时，满足R1＞R2＞R3，上述磁体收容孔具有使周向两侧部中的外径侧部分向周向外侧鼓出的空隙部，在上述磁体收容孔的周向两侧部中的内径侧部分，设置与上述永磁体的周向的两侧面沿径向并行地接触的面，在将上述转子铁心的上述圆弧状曲面和上述磁体收容孔之间的铁心部分的磁极中心处的厚度设为B1、将上述铁心部分的周向的端部的厚度设为B2时，满足B2＞B1。
发明的效果
根据本发明，转子铁心形成为将向外径侧呈凸状的圆弧状曲面13沿周向排列多个而构成的外形形状。因此，在从转子发生的磁动势波形中包含的谐波减少，能够抑制齿槽扭矩、扭矩脉动的发生。另外，转子铁心的接受q轴的磁通的部分从定子分离，因此q轴的电感减小。由此，在高速旋转时，不易引起电压的饱和，能够扩大运转范围。
在将圆筒面的曲率半径设为R1、将圆弧状曲面的曲率半径设为R2、将永磁体的上表面的曲率半径设为R3时，满足R1＞R2＞R3，因此转子铁心的永磁体的外径侧的铁心部分的厚度随着从磁极中心远离而逐渐变厚。因此，磁极中心处的永磁体的外径侧的铁心部分容易磁饱和，磁体磁通中的漏磁通的量降低，实现高输出化。而且，从永磁体达到至空隙的磁通量随着从磁极中心远离逐渐减少，因此空隙磁通密度成分中的谐波磁通密度成分减少，能够抑制齿槽扭矩、扭矩脉动的发生。
磁体收容孔具有使周向两侧部中的外径侧部分向周向外侧鼓出而形成的空隙部，因此在使永磁体收容于磁体收容孔时，永磁体的波动被空隙部吸收。而且，在磁体收容孔的周向两侧部的内径侧形成的、与上述永磁体的周向的两侧面沿径向并行的面，与永磁体的周向的两侧面相接触。由此，能够将永磁体不设置间隙地固定于转子铁心。
在将转子铁心的圆弧状曲面和磁体收容孔之间的铁心部分的磁极中心处的厚度设为B1、将该铁心部分的周向的端部的厚度设为B2时，满足B2＞B1，因此q轴的磁通不易在该铁心部分流动。由此，转子中的q轴的电感减小，能够扩大运转范围。
另外，永磁体的周向两侧部成为相对于磁极中心倾斜的平坦面，因此与磁极中心平行的方向上的永磁体的周向两侧部的厚度变厚，永磁体的两侧部的动作点变高，能够抑制永磁体的减磁。而且，位于永磁体的外径侧的转子铁心的区域的厚度随着从周向中央部朝向两侧部逐渐变厚，因此来自定子的磁通难以经过永磁体的两侧部，能够抑制永磁体的减磁。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的永磁体埋入型旋转电机的剖视图。
图2是表示本发明的实施方式1所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的永磁体周围的要部放大图。
图3是说明本发明的实施方式1所涉及的永磁体埋入型旋转电机的转子中的q轴的磁通的流向的示意图。
图4是表示对比例的永磁体埋入型旋转电机中的转子的剖视图。
图5是表示对比例的永磁体埋入型旋转电机中的转子的永磁体周围的要部放大图。
图6是说明对比例的永磁体埋入型旋转电机的转子中的q轴的磁通的流向的示意图。
图7是表示本发明的实施方式1所涉及的永磁体埋入型旋转电机的转子中的q轴的磁通的路径的示意图。
图8是表示本发明的实施方式1所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的永磁体的剖视图。
图9是表示本发明的实施方式1所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子铁心的磁体插入孔周围的要部放大图。
图10是表示对本发明的实施方式1所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子铁心的外周面形状进行了变更的情况下的齿槽扭矩的大小的图。
图11是表示本发明的实施方式2所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的端面图。
图12是表示本发明的实施方式2所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的永磁体周围的要部放大图。
图13是表示本发明的实施方式3所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的端面图。
图14是表示本发明的实施方式3所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的剖视图。
图15是表示本发明的实施方式3所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的永磁体周围的要部放大图。
图16是说明本发明的实施方式3所涉及的永磁体埋入型旋转电机的转子中的漏磁通的流向的图。
图17是表示本发明的实施方式3所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的永磁体周围的要部放大图。
图18是表示本发明的实施方式4所涉及的永磁体埋入型旋转电机的剖视图。
图19是表示本发明的实施方式4所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的斜视图。
图20是表示本发明的实施方式4所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的扭矩脉动和台阶偏斜角度之间的关系的图。
图21是表示本发明的实施方式5所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的侧视图。
图22是表示本发明的实施方式6所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的侧视图。
图23是表示本发明的实施方式7所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的永磁体周围的要部放大图。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明所涉及的永磁体埋入型旋转电机的优选实施方式进行说明。
实施方式1
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的永磁体埋入型旋转电机的剖视图，图2是表示本发明的实施方式1所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的永磁体周围的要部放大图，图3是说明本发明的实施方式1所涉及的永磁体埋入型旋转电机的转子中的q轴的磁通的流向的示意图，图4是表示对比例的永磁体埋入型旋转电机中的转子的剖视图，图5是表示对比例的永磁体埋入型旋转电机中的转子的永磁体周围的要部放大图，图6是说明对比例的永磁体埋入型旋转电机的转子中的q轴的磁通的流向的示意图，图7是表示本发明的实施方式1所涉及的永磁体埋入型旋转电机的转子中的q轴的磁通的路径的示意图，图8是表示本发明的实施方式1所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的永磁体的剖视图，图9是表示本发明的实施方式1所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子铁心的磁体插入孔周围的要部放大图。
在图1中，永磁体埋入型旋转电机100具有：圆环状的定子1；以及转子10，其隔着空隙9而同轴且可旋转地配置在定子1的内部。
定子1具有定子铁心2，该定子铁心2是将电磁钢板层叠并一体化而制作的，该定子铁心2是齿2b分别从圆环状的后轭2a的内壁面向径向内侧凸出而沿周向以等角间距排列而成的。在这里，由后轭2a和相邻的齿2b构成的槽2c沿周向排列有30个。另外，虽然未图示，但分布绕组的定子绕线安装于定子铁心2。
转子10具有：转子铁心12，其是将电磁钢板层叠并一体化而制作的，具有多个圆弧状曲面13沿周向以等角间距排列的外形形状；旋转轴11，其在转子铁心12的轴心位置插入、固接；以及永磁体16，其埋入至转子铁心的外周侧。
如图2所示，转子铁心12是由曲率半径R2的圆弧状曲面13形成的凸部沿周向以等角间距排列10个而构成的。而且，沿周向排列的10个圆弧状曲面13与曲率半径R1的圆筒面14相切。而且，磁体收容孔15形成为在圆弧状曲面13的各自的内径侧沿轴向将转子铁心12贯穿。
如图2及图8所示，永磁体16被制作成棒状体，具有与转子铁心12的轴向长度大致相等的长度，该棒状体的与长度方向正交的剖面形状形成为由向外径侧呈凸状的曲率半径R3的上边、向外径侧呈凸状的曲率半径R4的下边以及由平行的直线构成的一对侧边包围的圆弧状形状。而且，永磁体16分别插入、固接于磁体收容孔15，沿周向排列为永磁体16的外周侧的面(上表面)的极性以N极、S极、N极、S极…交替地排列。此外，Wm是永磁体16的一对侧边间的间隔、即周向宽度。
如图2及图9所示，磁体收容孔15除了具有使周向两侧部中的外径侧部分向周向外侧鼓出而形成的空隙部17这一点之外，形成为与永磁体16的外形形状相似形状的孔形状。此外，Ws是后述的磁体止动部18间的间隔、即周向宽度。
在这里，在与旋转轴11的轴心正交的剖面，成为圆筒面14的曲率半径R1＞永磁体16的下表面的曲率半径R4＞圆弧状曲面13的曲率半径R2＞永磁体16的上表面的曲率半径R3。此外，磁体收容孔15的内壁面的上表面及下表面的曲率半径分别与永磁体16的上表面的曲率半径R3及永磁体16的下表面的曲率半径R4大致一致。而且，圆弧状曲面13、磁体收容孔15的孔形状及永磁体16的外形形状，分别成为将经过旋转轴11的轴心和圆弧状曲面13的周向的中心的平面作为对称面的镜像对称。该对称面为磁极中心。
转子铁心12的永磁体16的外径侧的铁心部分成为桥部20。该桥部20形成为越从磁极中心沿周向背离，厚度越变厚。桥部20的磁极中心的厚度为B1，周向的端部的厚度为B2(＞B1)。
经过旋转轴11的轴心和沿周向相邻的磁体收容孔15(永磁体16)间的中心的平面为极间中心。而且，沿周向相邻的磁体收容孔15的空隙部17的相对的壁面与极间中心平行。另外，磁体收容孔15的周向的两侧部中的内径侧部分、即空隙部17的内径侧部分为与磁极中心平行的壁面，构成磁体止动部18。而且，沿周向相邻的空隙部17间的距离为Lb，沿周向相邻的磁体止动部18间的距离为Ln。
如上述构成的永磁体埋入型旋转电机100作为10极30槽的旋转电机而动作。
根据该实施方式1，转子铁心12的外周面是将曲率半径R2的圆弧状曲面13沿周向以等角间距排列10个而构成的。因此，与使用外形形状为正圆的转子的专利文献1相比，在从转子10发生的磁动势波形中所包含的谐波减少，能够抑制齿槽扭矩、扭矩脉动的发生。另外，转子铁心12的接受q轴的磁通的部分从定子1分离，因此q轴的电感变小。由此，在高速旋转时，不易引起电压的饱和，能够扩大运转范围。
磁体收容孔15的孔形状除了具有使周向两侧部中的外径侧部分向周向外侧鼓出而形成的空隙部17这一点之外，成为与永磁体16相似形状，因此在将永磁体16收容于磁体收容孔15时，永磁体16的尺寸波动由空隙部17吸收。而且，由磁体收容孔15的周向两侧部的内径侧构成的磁体止动部18与永磁体16的周向的两侧面沿径向并行地接触，能够将永磁体16不设置间隙地固定于转子铁心12。如上所述，通过将永磁体16不设置间隙地固定于转子铁心12，从而磁体位置波动消除。因此，能够抑制由于磁体位置的波动而发生的齿槽扭矩、扭矩脉动。
永磁体16的周向两侧部为与磁极中心平行的平坦面，因此与磁极中心平行的方向上的永磁体16的两侧部的磁体厚度变厚，因此永磁体16的两侧部的动作点变高，抑制永磁体16的减磁。
空隙部17在磁体收容孔15的周向两侧部一体地形成，因此极间的铁心部分的宽度Lb变窄。由此，通过该铁心部分的磁饱和，能够使磁体磁通中的漏磁通降低，提高输出。
在这里，制作出使用了具有将曲率半径R2的圆弧状曲面13沿周向以等角间距排列10个而构成的外周面的转子铁心12(R1＞R2＞R3)的旋转电机、和使用了将外形形状设为正圆的转子铁心(R1＝R2＞R3)的旋转电机，对齿槽扭矩进行测定，将其结果在图10示出。图10是表示对本发明的实施方式1所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子铁心的外周面形状进行了变更的情况下的齿槽扭矩的大小的图。此外，将外形形状设为正圆的转子铁心除了将与转子铁心12的圆弧状曲面13相切的圆筒面作为外周面这一点之外，与转子铁心12同样地构成。另外，在图10中，将使用转子铁心12(R1＞R2＞R3)的旋转电机的齿槽扭矩的大小设为1，示出了使用将外形形状设为正圆的转子铁心(R1＝R2＞R3)的旋转电机的齿槽扭矩的大小。
根据图10能够确认，在使用了具有将曲率半径R2的圆弧状曲面13沿周向以等角间距排列而构成的外周面的转子铁心12的情况下，与使用了将外形形状设为正圆的转子铁心的情况相比，能够大幅度地降低齿槽扭矩。可推想出，在使用了具有将曲率半径R2的圆弧状曲面13沿周向以等角间距排列而构成的外周面的转子铁心12的情况下，与使用了将外形形状设为正圆的转子铁心的情况相比，在从转子发生的磁动势波形中所包含的谐波减少，由此带来该齿槽扭矩的降低效果。
接下来，与对比例进行对比，说明由永磁体16的外周面的曲率半径R3小于圆弧状曲面13的曲率半径R2所带来的效果。
如图4及图5所示，关于对比例的永磁体埋入型旋转电机中的转子110，除了转子铁心112在与旋转轴11的轴心正交的剖面中，成为圆筒面14的曲率半径R1＞圆弧状曲面13的曲率半径R2＝永磁体16的上表面的曲率半径R3这一点之外，与本永磁体埋入型旋转电机100中的转子10相同地构成。在对比例的转子110中，成为圆弧状曲面13的曲率半径R2＝永磁体16的上表面的曲率半径R3，因此桥部20的厚度均匀。即，桥部20的磁极中心处的厚度B1与桥部20的周向两端部处的厚度B2相等。
在对比例的转子110中，如果将桥部20的两端部的厚度B2变薄，则桥部20的机械强度下降，在高速旋转时，由于对永磁体16作用的离心力而桥部20有可能损伤。另外，由定子绕线形成的q轴的磁通进入桥部20的周向两端部。桥部20的两端部的厚度B2薄，因此q轴的磁通如图6所示，经过桥部20，在永磁体16向内径侧流动。此时，q轴的磁通在永磁体16内相对于磁化取向方向以相反朝向流动，对永磁体16施加退磁场，促进永磁体16的减磁。
另外，在对比例的转子110中，通过将桥部20的两端部的厚度B2变厚，能够将桥部20的机械强度提高，而且抑制由q轴的磁通引起的永磁体16的减磁。但是，将桥部20的两端部的厚度B2变厚会将桥部20的磁极中心处的厚度B1变厚，磁体磁通中的漏磁通增多。由此，抑制由永磁体16发生的磁通引起的扭矩的增大，输出下降。
在本永磁体埋入型旋转电机100的转子10中，永磁体16的外周面的曲率半径R3比圆弧状曲面13的曲率半径R2小，因此桥部20的磁极中心处的厚度B1与周向的两端部处的厚度B2相比变薄。因此，由于桥部20的磁极中心处的磁饱和，磁体磁通中的漏磁通降低，因此由永磁体16发生的磁通引起的扭矩增大，能够提高输出。另外，能够将桥部20的周向两端部的厚度B2变厚，因此桥部20的机械强度提高，耐离心力性提高。而且，桥部20的厚度越从磁极中心沿周向背离，越变厚。因此，从永磁体16发出而到达至空隙9的磁通的量随着从磁极中心向极间侧接近而减少。由此，空隙磁通密度成分中的谐波磁通密度成分减少，齿槽扭矩、扭矩脉动降低。
桥部20的周向两端部的厚度B2厚，因此由定子绕线形成的q轴的磁通如图3所示，从桥部20的周向两端部经过极间的铁心部分而向内径侧流动。因此，q轴的磁通在永磁体16流动，由此对永磁体16施加的退磁场降低，抑制永磁体16的减磁。
永磁体16的下表面的曲率半径R4与永磁体16的上表面的曲率半径R3相比变大，因此越从磁极中心远离，磁体量越少。因此，从永磁体16发出而到达至空隙9的磁通的量随着从磁极中心极间侧接近而减少。由此，空隙磁通密度成分中的谐波磁通密度成分减少，齿槽扭矩、扭矩脉动降低。
接下来，进入转子铁心12的q轴的磁通如图7所示，形成下述路径：在极间的铁心部分向内径侧流动，在永磁体16的内径侧的铁心部分沿周向流动，在相邻的极间的铁心部分向外径侧流动的路径；以及在桥部20沿周向流动的路径。
桥部20的两端部的厚度B2由构造上的限制决定。因此，在磁体使用量相同的情况下，本永磁体埋入型旋转电机100的转子10和对比例的永磁体埋入型旋转电机的转子110的桥部20的两端部的厚度B2相同。在本转子10中，成为B1＜B2，因此q轴的磁通与对比例的转子110相比，难以在桥部20流动。因此，转子10中的q轴的电感小于对比例的转子110。
在这里，使永磁体埋入型旋转电机100作为电动机而动作的情况下的电压由式(1)示出。其中，将电压设为V0，将定子绕线的绕线电阻设为R，将q轴电感设为Lp，将d轴电感设为Ld，将q轴电流设为Iq，将d轴电流设为Id，将永磁体密度设为Фf。
【算式1】
根据式(1)可知，Lp越小，电压V0越减小。这意味着电动机的电压饱和优异。如上所述，可知本永磁体埋入型旋转电机100与对比例的永磁体埋入型旋转电机相比，q轴电感Lq减小，因此能够扩大运转范围。
另外，Ln、B1、B2除了构造上的限制之外，还存在制作上的限制。转子铁心12是对冲裁出的电磁钢板进行层叠而构成的。如果将电磁钢板的板厚设为t，则通过冲裁而能够制作的Ln、B1、B2的宽度成为大于或等于0.4×t的宽度。因此，在构造上的强度没有问题的情况下，理想的情况是设为B1＝0.4×t而对电磁钢板进行冲裁。由此，能够将磁体磁通中的漏磁通降低，由磁体磁通带来的扭矩增大，能够提高输出。
但是，在使用模具并设为B1＝0.4×t而对电磁钢板进行冲裁的情况下，为了使桥部20不弯曲，需要分为多次进行冲裁。因此，模具变大，冲裁工时增加，导致高成本化。因此，为了不增大模具，抑制冲裁工时的增加，优选设为B1≥1.4×t。从降低磁体磁通中的漏磁通的观点出发，尤其优选设为B1＝1.4×t。
接下来，对磁体收容孔15的孔形状和永磁体16的外形形状进行研究。
永磁体16的周向宽度Wm设为与磁体收容孔15的磁体止动部18间的周向宽度Ws相等，这会增大磁体容积。由此，由永磁体16发生的磁通量增多，能够实现输出的提高。
另外，如果考虑制造上的尺寸公差，则Ws优选设定为满足Wm+0.05mm≤Ws≤Wm+0.1mm。特别地，如果设为Ws＝Wm+0.1mm，则能够将永磁体16的周向宽度Wm设为最大。
而且，如将相对的空隙部17间的距离Lb、和相对的磁体止动部18间的距离Ln设为相等，则能够确保桥部20的机械强度，并且能够将永磁体16的周向宽度Wm设为最大，使输出提高。
此外，在上述实施方式1中，定子绕线由分布绕组的绕线构成，但定子绕线并不限定于分布绕组的绕线，也可以使用集中绕组的绕线。
另外，在上述实施方式1中，对10极30槽的旋转电机进行了说明，但旋转电机的极数及槽数并不限定于此。
另外，在上述实施方式1中，永磁体的下表面的曲率半径R4大于上表面的曲率半径R3，但也可以将永磁体的下表面的曲率半径R4设为小于或等于上表面的曲率半径R3。
实施方式2.
图11是表示本发明的实施方式2所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的端面图，图12是表示本发明的实施方式2所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的永磁体周围的要部放大图。
在图11及图12中，转子10A具有多个圆弧状曲面13沿周向以等角间距排列的外形形状，该转子10A具有：转子铁心12A，其在圆弧状曲面13各自的内径侧形成有磁体收容孔15A；以及永磁体16A，其插入、固接于各个磁体收容孔15A。
永磁体16A被制作成棒状体，具有与转子铁心12A的轴向长度大致相等的长度，该棒状体的与长度方向正交的剖面形状形成为由曲率半径R3的上边、由与经过上边的周向中央的半径方向正交的直线构成的下边、及由与经过上边的周向中央的半径方向平行的直线构成的一对侧边包围的半圆锥形状。
磁体收容孔15A除了具有将周向两侧部中的外径侧部分向周向外侧鼓出而形成的空隙部17这一点之外，形成为与永磁体16A的外形形状相似形状的孔形状。
此外，其他结构与上述实施方式1同样地构成。
因此，在该实施方式2中，也能得到与上述实施方式1同样的效果。
根据该实施方式2，永磁体16A制作为剖面半圆锥形状的棒状体，因此与上下两个表面成为圆弧状曲面的永磁体16相比，永磁体16A的加工变得容易，实现成本削减。
另外，永磁体16A的下表面成为与磁极中心正交的平坦面，因此越从磁极中心远离，磁体量越少。因此，从永磁体16A发出而到达至空隙9的磁通的量随着从磁极中心向极间侧接近而减少。由此，空隙磁通密度成分中的谐波磁通密度成分减少，齿槽扭矩、扭矩脉动降低。
实施方式3.
图13是表示本发明的实施方式3所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的端面图，图14是表示本发明的实施方式3所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的剖视图，图15是表示本发明的实施方式3所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的永磁体周围的要部放大图，图16是说明本发明的实施方式3所涉及的永磁体埋入型旋转电机的转子中的漏磁通的流向的图，图17是表示本发明的实施方式3所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的永磁体周围的要部放大图。
在图13至图15中，转子10B通过热装或压入等固定于旋转轴11，具有以与转子铁心12的轴向的两端面相接触的方式配置的端板21。端板21制作为直径Rm的环状平板，永磁体16的上表面与侧面的交点的径向位置与该端板21的外周端的位置相同。
此外，其他结构与上述实施方式1同样地构成。
在实施方式3中，转子铁心12、磁体收容孔15及永磁体16也与上述实施方式1同样地构成，也能得到与上述实施方式1同样的效果。
在该实施方式3中，端板21以从轴向观察时与永磁体16的至少一部分重叠的方式与转子铁心12的轴向两端面相接触，固定于旋转轴11。因此，在轴向存在电磁不平衡，即使对永磁体16作用推力，永磁体16的轴向的移动也会被端板21阻止。因此，可靠地防止从转子铁心12向永磁体16的轴向的脱出。
在这里，从抑制由永磁体16发出的磁通的泄漏的观点出发，端板21优选由非磁性材料制作。但是，将由非磁性材料制作出的端板21通过热装或压入等固定于旋转轴11的情况下，由于端板21和旋转轴11之间热膨胀系数的不同，伴随转子10B的温度上升，存在端板21和旋转轴11之间结合部松动，端板21脱落的可能性。如果为了防止端板21和旋转轴11之间的结合部的松动，将配合公差设得过于严格，则在热装工序中，需要提高热装温度，在压入工序中，压入力上升，工作性恶化。根据上述情况，端板21优选由磁性材料制作。
在由磁性材料制作出的端板21的直径Rm与转子铁心12的外径相同的情况下，永磁体16的端面的整个面与端板21相接触，漏磁通变多。因此，通过将端板21的直径Rm变小，从而能够减小与端板21相接触的永磁体16的端面的面积。由此，如在图16用箭头示出的那样，从永磁体16发出的磁通以下述磁路流动，即，从与端板21相接触的永磁体16的端面的区域进入端板21，在端板21内向内径侧流动，然后进入转子铁心12的永磁体16的内径侧的铁心部分，返回永磁体16。因此，来自从端板21露出的永磁体16的端面的区域的向端板21的磁通的流动被抑制，因此与将端板21的外径设为与转子铁心12的外径相等的情况相比，能够降低漏磁通。如上所述，端板21与永磁体16的端面相接触的面积越小，越能降低漏磁通。
另外，如果端板21从轴向观察时将永磁体16的一部分掩盖，则具有抑制永磁体16的轴向的脱出的效果。而且，为了可靠地阻止永磁体16的轴向的脱出，如图17所示，端板21从轴向观察时，对永磁体16的磁极中心处的厚度Hm的大于或等于一半的区域进行掩盖即可。
根据上述情况，从降低漏磁通、且抑制永磁体16的轴向的脱出的观点出发，优选将外径Rm设定为，端板21的外周端的径向位置大于或等于成为永磁体16的磁极中心处的厚度Hm的一半的点的径向位置、而小于或等于成为永磁体16的上表面和侧面的交点的径向位置。
实施方式4.
图18是表示本发明的实施方式4所涉及的永磁体埋入型旋转电机的剖视图，图19是表示本发明的实施方式4所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的斜视图，图20表示本发明的实施方式4所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的扭矩脉动和台阶偏斜角度之间的关系的图。
在图18及图19中，永磁体埋入型旋转电机101具有：圆环状的定子1A；以及转子30，其隔着空隙9而同轴且可旋转地配置在定子1A的内部。
定子1A具有：定子铁心2A，其是将电磁钢板层叠并一体化而制作的，该定子铁心2A是齿2b分别从圆环状的后轭2a的内壁面向径向内侧凸出而沿周向以等角间距排列而成的；以及定子绕线3，其安装于定子铁心2A。在这里，由后轭2a和相邻的齿2b构成的槽2c沿周向排列有12个。另外，定子绕线3具有将导体线卷绕于各个齿2b而制作出的集中绕组线圈3a。
转子30具有：作为分割铁心的第1及第2转子铁心121、122，它们是将电磁钢板层叠并一体化而制作的，具有多个圆弧状曲面13沿周向以等角间距排列的外形形状，沿轴向同轴地配置；旋转轴11，其在第1及第2转子铁心121、122的轴心位置插入、固接；以及永磁体16，其埋入至第1及第2转子铁心121、122的外周侧。
第1及第2转子铁心121、122分别是由曲率半径R2的圆弧状曲面13形成的凸部沿周向以等角间距排列8个而构成的。磁体收容孔15形成为在圆弧状曲面13的各自的内径侧将第1及第2转子铁心121、122沿轴向贯穿。而且，永磁体16插入、固接于各个磁体收容孔15。
第1及第2转子铁心121、122将磁极中心在周向上错开，彼此相接触地沿轴向同轴地排列，固定于在轴心位置插入的旋转轴11。此外，第1及第2转子铁心121、122埋设8个永磁体16，轴向厚度为一半，除了这一点以外，构成为与上述实施方式1中的转子铁心12相同。另外，沿轴向排列的第1及第2转子铁心121、122的磁极中心间的周向角度成为台阶偏斜角度。
通常，在永磁体埋入型旋转电机中，在定子绕线为集中绕组的绕线的情况下，与使用由分布绕组的绕线构成的定子绕线的情况相比，谐波变大，扭矩脉动容易变大。另外，在是8极12槽的情况下，尤其是谐波变大。
在该永磁体埋入型旋转电机101中，将磁极中心在周向上错开，将第1及第2转子铁心121、122沿轴向同轴地排列、即赋予有台阶偏斜，因此在轴向发生的扭矩脉动的相位产生偏移，能够降低扭矩脉动。
在8极12槽的电动机中，理论上，如果将电动机的电气性地旋转1周的周期设为1f，则在6f成分发生大的扭矩脉动。因此，赋予台阶偏斜，以使得在电气性上设置30°的相位差。在这里所说的电气性的30°是指，在8极的电动机的情况下，机械角度成为7.5°。但是，永磁体16埋入至第1及第2转子铁心121、122，因此发生在位于永磁体16的外周侧的第1及第2转子铁心121、122的铁心部分沿轴向流动的漏磁通，在轴向处发生的扭矩脉动的相位的偏移与理论上的30°不同。
在这里，在图20示出台阶偏斜角度(电气角度)和扭矩脉动之间的关系。
根据图20可知，如果台阶偏斜角度从28°变大，则扭矩脉动逐渐变小，如果台阶偏斜角度大于或等于30°(机械角度：7.5°)，则扭矩脉动进一步变小。而且，如果台阶偏斜角度超过43度，则扭矩脉动的下降变得缓慢，如果台阶偏斜角度超过48度，则几乎没有扭矩脉动的下降。
将扭矩脉动变大，会导致输出的下降，因此从降低扭矩脉动，且抑制输出的下降的观点出发，台阶偏斜角度优选设为电气角度大于或等于30°而小于或等于48°。在这里，对8极12槽的情况进行了说明，但可确认，在3相电动机中，在对应每极每相的槽数为1/2或1/4的电动机中，也能得到相同的效果。
实施方式5.
图21是表示本发明的实施方式5所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的侧视图。
在图21中，第1及第2转子铁心121、122将磁极中心在周向上错开，沿轴向确保间隙d而同轴地排列。
此外，其他结构与上述实施方式4同样地构成。
在上述实施方式4涉及的转子30中，第1及第2转子铁心121、122以彼此相接触的方式沿轴向排列，因此发生在位于永磁体16的外周侧的第1及第2转子铁心121、122的铁心部分沿轴向流动的漏磁通，导致输出的下降。
在该实施方式5涉及的转子30A中，在沿轴向排列的第1及第2转子铁心121、122之间确保有间隙d。由此，在位于永磁体16的外周侧的第1及第2转子铁心121、122的部分沿轴向流动的漏磁通的量降低，能够减小用于降低扭矩脉动的台阶偏斜角度。如果将台阶偏斜角度变大，则输出下降。因此，根据实施方式5，与上述实施方式4相比，能够提高输出。
在这里，如果将间隙d设定为大于或等于位于永磁体16的外周侧的第1及第2转子铁心121、122的铁心部分、即桥部20的磁极中心处的厚度B1，则磁体磁通中的漏磁通降低，能够提高输出。因此，如果将电磁钢板的板后设为t，则能够制作的B1成为大于或等于0.4×t，因此间隙d优选设为d≥0.4×t。
实施方式6.
图22是表示本发明的实施方式6所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的侧视图。
在图22中，转子铁心由作为分割铁心的第1至第3转子铁心131、132、133构成。第1及第3转子铁心131、133相同地构成。第2转子铁心132的轴向长度成为第1及第3转子铁心131、133的2倍，除了这一点，与第1及第3转子铁心131、133相同地构成。第1及第3转子铁心131、133夹着第2转子铁心132彼此相接触，沿轴向同轴地排列。第1及第3转子铁心131、133的磁极中心的周向位置一致，第2转子铁心132的磁极中心相对于第1及第3转子铁心131、133的磁极中心在周向错位。
此外，其他结构与上述实施方式4构成为相同。
在该实施方式6中，第1及第3转子铁心131、133相同地构成，而且磁极中心的周向位置一致。另外，第1及第3转子铁心131、133的轴向长度成为第2转子铁心132的轴向长度的一半。而且，第2转子铁心132相对于第1及第3转子铁心131、133台阶偏斜。由此，由于台阶偏斜，在转子30B的旋转过程中沿轴向作用的推力消失。因此，对永磁体埋入型旋转电机的轴承的负载减小，能够抑制轴承处的故障的发生。
实施方式7.
图23是表示本发明的实施方式7所涉及的永磁体埋入型旋转电机中的转子的永磁体周围的要部放大图。
在图23中，转子铁心12B构成为相对的磁体止动部18间的距离Ln大于桥部20的周向的端部的厚度B2。
此外，其他结构与上述实施方式4相同地构成。
从一个永磁体16发出的磁通以下述磁路流动，即，经过转子铁心12B的极间的外周侧的铁心部分而朝向相邻的永磁体16的磁路、和经过转子铁心12B的极间的铁心部分而返回一个永磁体16的磁路。从永磁体16发出的磁通中的漏磁通的量的大小由桥部20的周向的端部的厚度B2决定。因此，即使设为Ln＞B2，漏磁通的量也不会变。另外，如果Ln变大，则桥部20的机械强度增大，能够承受高速旋转。
根据该实施方式7，设为Ln＞B2，因此不会增大漏磁通，能够提高耐离心力性。
此外，在上述各实施方式中，将1根长的永磁体收容于各个磁体收容孔，但也可以将多根短的永磁体排列成1列而收容于各个磁体收容孔。
标号的说明
1、1A定子，9空隙，10、10A、10B、30、30A、30B转子，11旋转轴，12、12A、12B转子铁心，13圆弧状曲面，14圆筒面，15、15A磁体收容孔，16、16A永磁体，17空隙部，20桥部，21端板，121第1转子铁心(分割铁心)，122第2转子铁心(分割铁心)，131第1转子铁心(分割铁心)，132第2转子铁心(分割铁心)，133第3转子铁心(分割铁心)，d间隙。

Claims (14)

1.一种永磁体埋入型旋转电机，其具有：
圆环状的定子；以及
转子，其隔着空隙而同轴地配置在上述定子的内部，
该永磁体埋入型旋转电机的特征在于，
上述转子具有：
转子铁心，其具有向外径侧呈凸状的圆弧状曲面沿周向排列多个的外形形状，形成为磁体收容孔在上述圆弧状曲面各自的内径侧沿轴向贯穿；
旋转轴，其插入至上述转子铁心的轴心位置，保持上述转子铁心；以及
永磁体，其分别制作为棒状体，该棒状体将与长度方向正交的剖面的外径侧设为向外径侧呈凸状的圆弧，而且将周向的两侧面设为与包含磁极中心的平面平行的平坦面，该永磁体分别收容于各个上述磁体收容孔，
在将与沿周向排列的上述圆弧状曲面相切的圆筒面的曲率半径设为R1、将上述圆弧状曲面的曲率半径设为R2、将上述永磁体的上表面的曲率半径设为R3时，满足R1＞R2＞R3，
上述磁体收容孔具有使周向两侧部中的外径侧部分向周向外侧鼓出的空隙部，
在上述磁体收容孔的周向两侧部中的内径侧部分，设置与上述永磁体的周向的两侧面接触的与包含上述磁极中心的平面平行的面，
在将上述转子铁心的上述圆弧状曲面和上述磁体收容孔之间的铁心部分的磁极中心处的厚度设为B1、将上述铁心部分的周向的端部的厚度设为B2时，满足B2＞B1，
沿周向相邻的上述空隙部间的距离、和沿周向相邻的、与上述永磁体的周向的两侧面接触的与包含上述磁极中心的平面平行的上述面间的最小距离相等。
2.根据权利要求1所述的永磁体埋入型旋转电机，其特征在于，
在将上述永磁体的周向两侧部的内径侧端部间的周向宽度设为Wm、将上述磁体收容孔的周向两侧部的内径侧端部间的周向宽度设为Ws时，满足Wm+0.05mm≤Ws≤Wm+0.1mm。
3.根据权利要求1或2所述的永磁体埋入型旋转电机，其特征在于，
上述永磁体的与长度方向正交的剖面形状形成为，将外径侧设为向外径侧呈凸状的圆弧、且将内径侧设为向外径侧呈凸状的圆弧，在将上述永磁体的下表面的曲率半径设为R4时，满足R1＞R4＞R2＞R3。
4.根据权利要求1或2所述的永磁体埋入型旋转电机，其特征在于，
上述永磁体的下表面形成为与经过上述永磁体的周向的中央部的半径方向正交的平坦面。
5.根据权利要求1或2所述的永磁体埋入型旋转电机，其特征在于，
上述转子铁心的沿周向相邻的上述磁体收容孔间的周向厚度，比上述转子铁心的上述永磁体的周向两侧部的外周侧的铁心部分的径向厚度更厚。
6.根据权利要求1或2所述的永磁体埋入型旋转电机，其特征在于，
上述转子铁心是将n个分割铁心沿轴向排列，而且将沿轴向相邻的上述分割铁心的磁极中心在周向上错开而构成的，其中，n是大于或等于2的整数。
7.根据权利要求6所述的永磁体埋入型旋转电机，其特征在于，
上述永磁体埋入型旋转电机是3相永磁体埋入型旋转电机，
上述定子具有：圆环状的后轭；齿，其从上述后轭向径向内侧凸出而排列；以及定子绕线，其安装于由上述后轭以及相邻的上述齿构成的槽，
对应每极每相的槽数为1/2或1/4，
沿轴向相邻的上述分割铁心的磁极中心在周向错位的角度以电气角度大于或等于30°而小于或等于48°。
8.根据权利要求6所述的永磁体埋入型旋转电机，其特征在于，
在沿轴向相邻的上述分割铁心间设置有间隙。
9.根据权利要求8所述的永磁体埋入型旋转电机，其特征在于，
在将上述间隙设为d的情况下，d≥B1。
10.一种永磁体埋入型旋转电机，其具有：
圆环状的定子；以及
转子，其隔着空隙而同轴地配置在上述定子的内部，
在该永磁体埋入型旋转电机中，
上述转子具有：
转子铁心，其具有向外径侧呈凸状的圆弧状曲面沿周向排列多个的外形形状，形成为磁体收容孔在上述圆弧状曲面各自的内径侧沿轴向贯穿；
旋转轴，其插入至上述转子铁心的轴心位置，保持上述转子铁心；以及
永磁体，其分别制作为棒状体，该棒状体将与长度方向正交的剖面的外径侧设为向外径侧呈凸状的圆弧，而且将周向的两侧面设为与包含磁极中心的平面平行的平坦面，该永磁体分别收容于各个上述磁体收容孔，
在将与沿周向排列的上述圆弧状曲面相切的圆筒面的曲率半径设为R1、将上述圆弧状曲面的曲率半径设为R2、将上述永磁体的上表面的曲率半径设为R3时，满足R1＞R2＞R3，
上述磁体收容孔具有使周向两侧部中的外径侧部分向周向外侧鼓出的空隙部，
在上述磁体收容孔的周向两侧部中的内径侧部分，设置与上述永磁体的周向的两侧面接触的与包含上述磁极中心的平面平行的面，
在将上述转子铁心的上述圆弧状曲面和上述磁体收容孔之间的铁心部分的磁极中心处的厚度设为B1、将上述铁心部分的周向的端部的厚度设为B2时，满足B2＞B1，
端板与上述转子铁心的轴向两端面相接触，而且以从轴向观察时掩盖上述永磁体的至少一部分的方式配置，
上述端板的外周端的径向位置，为了成为上述永磁体的磁极中心处的厚度的一半的点的径向位置、与上述永磁体的上表面和侧面的交点的径向位置之间。
11.根据权利要求10所述的永磁体埋入型旋转电机，其特征在于，
上述转子铁心是将n个分割铁心沿轴向排列，而且将沿轴向相邻的上述分割铁心的磁极中心在周向上错开而构成的，其中，n是大于或等于2的整数。
12.根据权利要求11所述的永磁体埋入型旋转电机，其特征在于，
上述永磁体埋入型旋转电机是3相永磁体埋入型旋转电机，
上述定子具有：圆环状的后轭；齿，其从上述后轭向径向内侧凸出而排列；以及定子绕线，其安装于由上述后轭以及相邻的上述齿构成的槽，
对应每极每相的槽数为1/2或1/4，
沿轴向相邻的上述分割铁心的磁极中心在周向错位的角度以电气角度大于或等于30°而小于或等于48°。
13.根据权利要求11或12所述的永磁体埋入型旋转电机，其特征在于，
在沿轴向相邻的上述分割铁心间设置有间隙。
14.根据权利要求13所述的永磁体埋入型旋转电机，其特征在于，
在将上述间隙设为d的情况下，d≥B1。
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