CN107949976A - 旋转电机的转子、旋转电机以及车辆 - Google Patents

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CN107949976A CN201680050635.XA CN201680050635A CN107949976A CN 107949976 A CN107949976 A CN 107949976A CN 201680050635 A CN201680050635 A CN 201680050635A CN 107949976 A CN107949976 A CN 107949976A
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狩野祐二
滨野宏
小泉孝行
斋藤泰行
梅崎洋介
御前成吾
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Abstract

本发明提供一种能够缓和转子铁芯的磁铁插入孔内产生的应力集中而实现高速旋转化的旋转电机的转子、旋转电机以及车辆。本发明以如下方式构成旋转电机的转子(250)，即，具备：转子铁芯(252)，其针对每一磁极而具有多个磁铁插入孔(253)；以及永磁铁(254)，其被插入至磁铁插入孔，在相邻的磁铁插入孔(253)之间设置有机械性地连接磁铁插入孔(253)的外周侧的转子铁芯部(256)与内周侧的转子铁芯部(263)的桥部(260)，桥部(260)在该桥部(260)的外周侧具有2个拐点(266a、266b)。

Description

旋转电机的转子、旋转电机以及车辆
技术领域
本发明涉及旋转电机的转子、旋转电机以及车辆。
背景技术
在用作车辆驱动用的旋转电机中，与普通的旋转电机相比要求高速旋转化。在高速旋转化时，需要提高转子对于离心力的机械性强度，例如，专利文献1记载了一种能够兼有高输出化和机械性的高速旋转化的永磁铁式旋转电机的结构。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2011-101504号公报
发明内容
发明要解决的问题
为了应对进一步的高速旋转化，业界一直在寻求提高转子对于离心力的机械性强度。
因此，本发明的目的在于提供一种能够缓和转子铁芯的磁铁插入孔内产生的应力集中而实现高速旋转化的旋转电机的转子、旋转电机以及车辆。
解决问题的技术手段
为了解决上述问题，例如采用权利要求书中记载的构成。
本申请包含解决上述问题的多种技术手段，若举其中一例，即，一种旋转电机的转子，其具备：转子铁芯，其针对每一磁极而具有多个磁铁插入孔；以及永磁铁，其被插入至所述磁铁插入孔，在相邻的所述磁铁插入孔之间设置有机械性地连接所述磁铁插入孔的外周侧的转子铁芯部与内周侧的转子铁芯部的桥部，该旋转电机的转子的特征在于，所述桥部在该桥部的外周侧具有2个拐点。
发明的效果
根据本发明，可以提供一种能够缓和转子铁芯的磁铁插入孔内产生的应力集中而实现高速旋转化的旋转电机的转子、旋转电机以及车辆。
上述以外的课题、构成及效果通过以下实施例的说明来加以明确。
附图说明
图1为表示搭载有旋转电机的混合动力型电动汽车的概略构成的图。
图2为电力转换装置600的电路图。
图3为旋转电机的截面图。
图4为定子230及转子250的截面图。
图5为定子230及转子250的1个磁极部分的放大图。
图6为图5的转子铁芯的磁铁间桥部260附近的放大图。
图7为转子铁芯的磁铁间桥部260附近的放大图(另一实施例)。
图8为转子铁芯的磁铁间桥部260附近的放大图(另一实施例)。
具体实施方式
下面，参考附图对于本发明的实施例进行说明。
如以下所说明的那样，在本实施例中，能够降低转子铁芯的磁铁插入孔的余量部产生的应力而实现高旋转化。因此，例如适合作为电动汽车的行驶用马达。本发明的旋转电机可以运用于仅靠旋转电机来行驶的纯电动汽车、通过发动机和旋转电机两者来加以驱动的混合动力型电动汽车，但以下将以混合动力型电动汽车为例进行说明。
图1为表示搭载有本发明的一实施例的旋转电机的混合动力型电动汽车的概略构成的图。在车辆100中搭载有发动机120、第1旋转电机200、第2旋转电机202及电池180。电池180对旋转电机200、202供给直流电，在再生行驶时从旋转电机200、202接收直流电。电池180与旋转电机200、202之间的直流电的授受是经由电力转换装置600来进行的。此外，虽未图示，但车辆中搭载有供给低压电力(例如，14伏特系电力)的电池，并对以下所说明的控制电路供给直流电。
发动机120及旋转电机200、202所产生的转矩经由变速器130和差速器160而传递至前轮110。变速器130由变速器控制装置134控制，发动机120由发动机控制装置124控制。电池180由电池控制装置184控制。变速器控制装置134、发动机控制装置184、电力转换装置600及统合控制装置170通过通信线路174而连接起来。
统合控制装置170是变速器控制装置134、发动机控制装置124、电力转换装置600及电池控制装置184的上位控制装置，经由通信线路174从变速器控制装置134、发动机控制装置124、电力转换装置600及电池控制装置184分别接收表示它们的各状态的信息。统合控制装置170根据获取到的这些信息来计算各控制装置的控制指令。计算出的控制指令经由通信电路174而被发送至各控制装置。
高电压的电池180由锂离子电池或镍氢电池等二次电池构成，输出250伏特至600伏特或以上的高电压的直流电。电池控制装置184经由通信电路174将电池180的充放电状况、构成电池180的各单位单元电池的状态输出至统合控制装置170。
当统合控制装置170根据来自电池控制装置184的信息而判断电池180需要充电时，对电力转换装置600发出发电运行的指示。此外，统合控制装置170主要进行发动机120及旋转电机200、202的输出转矩的管理、发动机120的输出转矩与旋转电机200、202的输出转矩的统合转矩和转矩分配比的计算处理，并将基于该计算处理结果的控制指令发送至变速器控制装置134、发动机控制装置124及电力转换装置600。电力转换装置600根据来自统合控制装置170的转矩指令，控制旋转电机200、202以产生与指令一致的转矩输出或者发电电力。
在电力转换装置600中设置有构成用于使旋转电机200、202运行的逆变器的功率半导体。电力转换装置600根据来自统合控制装置170的指令来控制功率半导体的开关动作。通过该功率半导体的开关动作，旋转电机200、202得以作为电动机或者作为发电机而运行。
在使旋转电机200、202作为电动机运行的情况下，来自高电压的电池180的直流电被供给至电力转换装置600的逆变器的直流端子。电力转换装置600控制功率半导体的开关动作而将供给的直流电转换为3相交流电，并供给至旋转电机200、202。另一方面，在使旋转电机200、202作为发电机运行的情况下，旋转电机200、202的转子被由外部施加的转矩旋转驱动，从而在旋转电机200、202的定子绕组中产生3相交流电。所产生的3相交流电被电力转换装置600转换为直流电，该直流电被供给至高电压的电池180，由此，电池180得以充电。
图2表示图1的电力转换装置600的电路图。在电力转换装置600中设置有用于旋转电机200的第1逆变装置和用于旋转电机202的第2逆变装置。第1逆变装置具备功率模块610、控制功率模块610的各功率半导体21的开关动作的第1驱动电路652、以及检测旋转电机200的电流的电流传感器660。驱动电路652被设置在驱动电路基板650上。
另一方面，第2逆变装置具备功率模块620、控制功率模块620中的各功率半导体21的开关动作的第2驱动电路656、以及检测旋转电机202的电流的电流传感器662。驱动电路656被设置在驱动电路基板654上。设置在控制电路基板646上的控制电路648、电容器模块630以及安装在连接器基板642上的收发电路644在第1逆变装置和第2逆变装置中共用。
功率模块610、620根据从各自对应的驱动电路652、656输出的驱动信号而进行动作。功率模块610、620分别将从电池180供给的直流电转换为三相交流电，并将该电力供给至作为对应的旋转电机200、202的电枢绕组的定子绕组。此外，功率模块610、620将旋转电机200、202的定子绕组所感应出的交流电转换为直流并供给至高电压电池180。
如图2所记载，功率模块610、620具备3相桥接电路，与3相对应的串联电路分别电性地并联在电池180的正极侧与负极侧之间。各串联电路具备构成上臂的功率半导体21和构成下臂的功率半导体21，这些功率半导体21被串联起来。如图2所示，功率模块610和功率模块620的电路构成大致相同，此处以功率模块610为代表进行说明。
在本实施方式中，使用IGBT(绝缘栅双极晶体管)21作为开关用功率半导体元件。IGBT 21具备集电极、发射极及栅极3个电极。在IGBT 21的集电极与发射极之间电性地连接有二极管38。二极管38具备阴极电极及阳极电极2个电极，以从IGBT 21的发射极去往集电极的方向为正向的方式使阴极电极与IGBT 21的集电极电性地连接以来、使阳极电极与IGBT 21的发射极电性地连接起来。
再者，也可以使用MOSFET(金属氧化物半导体场效晶体管)作为开关用功率半导体元件。MOSFET具备漏极、源极及栅极3个电极。在MOSFET的情况下，在源极与漏极之间具备从漏极去往源极的方向为正向的寄生二极管，因此无须设置图2的二极管38。
各相的臂是IGBT 21的发射极与IGBT 21的集电极被电性地串联而构成的。再者，在本实施方式中，各相的各上下臂的IGBT仅图示有1个，但由于要控制的电流容量较大，因此，实际上是多个IGBT电性地并联而构成的。以下，为了简化说明，利用1个功率半导体来进行说明。
在图2所示的例子中，各相的各上下臂分别由3个IGBT构成。各相的各上臂的IGBT21的集电极与电池180的正极侧电性地连接，各相的各下臂的IGBT 21的源极与电池180的负极侧电性地连接。各相的各臂的中点(上臂侧IGBT的发射极与下臂侧的IGBT的集电极的连接部分)与对应的旋转电机200、202的对应相的电枢绕组(定子绕组)电性地连接。
驱动电路652、656构成用于控制对应的逆变装置610、620的驱动部，根据从控制电路648输出的控制信号来产生用于驱动IGBT 21的驱动信号。在各驱动电路652、656中产生的驱动信号分别被输出至对应的功率模块610、620的各功率半导体元件的栅极。在驱动电路652、656中分别设置有产生供给至各相的各上下臂的栅极的驱动信号的6个集成电路，并将6个集成电路构成为1个区块。
控制电路648构成各逆变装置610、620的控制部，并由对用于使多个开关用功率半导体元件动作(导通/断开)的控制信号(控制值)进行计算的微电脑构成。来自上位控制装置的转矩指令信号(转矩指令值)、电流传感器660、662的传感器输出、搭载于旋转电机200、202上的旋转传感器的传感器输出被输入至控制电路648。控制电路648根据这些输入信号来运算控制值，并对驱动电路652、656输出用于控制开关时刻的控制信号。
安装在连接器基板642上的收发电路644用于电性地连接电力转换装置600与外部的控制装置之间，经由图1的通信电路174与其他装置进行信息的收发。电容器模块630构成用于抑制因IGBT 21的开关动作而产生的直流电压的变动的平滑电路，并与第1功率模块610、第2功率模块620中的直流侧的端子电性地并联。
图3表示图1的旋转电机的截面图。再者，旋转电机200和旋转电机202具有大致相同的结构，下面以旋转电机200的结构为代表例进行说明。但以下所示的结构无须在旋转电机200、202双方中采用，也可仅在一方中采用。
在壳体212的内部保持有定子230，定子230具备定子铁芯232和定子绕组238。转子250隔着空隙以可旋转的方式被保持在定子铁芯的内周侧。转子250具备固定在轴218上的转子铁芯252、永磁铁254以及非磁性体的垫板226。壳体212具有设置有轴承216的一对端部支架214，轴218由这些轴承216旋转自如地保持。
在轴218上设置有检测转子250的极的位置、转速的旋转变压器224。来自该旋转变压器224的输出被导入至图2所示的控制电路648。控制电路648根据所导入的输出将控制信号输出至驱动电路652。驱动电路652将基于该控制信号的驱动信号输出至功率模块610。功率模块610根据控制信号来进行开关动作，并将从电池180供给的直流电转换为3相交流电。该3相交流电被供给至图3所示的定子绕组238，在定子230中产生旋转磁场。3相交流电流的频率是根据旋转变压器224的输出值来加以控制的，3相交流电流的对于转子250的相位也同样根据旋转变压器224的输出值来加以控制。
图4为表示定子230及转子250的截面的图，示出了图3的A-A截面图。再者，在图4中省略了壳体212、轴218及定子绕组238的记载。在定子铁芯232的内周侧，跨及全周而均等地配置有大量的槽237和槽齿236。在图4中，不对所有槽及槽齿标注符号，而是仅对一部分槽齿和槽标注有符号而作为代表。在槽237内设置有槽绝缘材料(省略图示)，且安装有构成图3的定子绕组238的U相、V相、W相的多个相绕组。在本实施方式中，等间隔地形成有48个槽237。
此外，在转子铁芯252的外周附近，沿周向配设有16个用于插入矩形的磁铁的多个磁铁插入孔253。各磁铁插入孔253是沿轴向形成的，在该磁铁插入孔253内分别埋入有永磁铁254(254a、254b)，并利用粘合剂等加以固定。磁铁插入孔253的圆周方向的宽度被设定为大于永磁铁254的圆周方向的宽度，永磁铁254的磁极外侧的孔空间257作为磁性空隙而发挥功能。该孔空间257可利用粘合剂加以填埋，也可利用成形用树脂与永磁铁254一体地凝固。永磁铁254作为转子250的场磁极而发挥作用，在本实施方式中为8极构成。
永磁铁254的磁化方向朝向相对于永磁铁的长边垂直的方向，针对每一场磁极磁化方向的朝向都发生了颠倒。即，若永磁铁254a的定子侧那一面为N极、轴侧那一面为S极，则永磁铁254b的定子侧那一面为S极、轴侧那一面为N极。并且，这些永磁铁254a、254b是沿圆周方向交替配置。
永磁铁254可在磁化后插入至磁铁插入孔253，也可在插入转子铁芯252的磁铁插入孔253之后施加强磁场来磁化。但磁化后的永磁铁254为强力磁铁，因此，若在转子250中固定永磁铁254之前磁化磁铁，则在永磁铁254的固定时，会与转子铁芯252之间产生协同的吸引力而妨碍装配作业。此外，有因永磁铁254的强吸引力而导致铁粉等粉尘附着于永磁铁254之虞。因此，在考虑到旋转电机的生产率的情况下，优选在将永磁铁254插入转子铁芯252之后进行磁化。
再者，永磁铁254可以使用钕系、钐系的烧结磁铁、铁氧体磁铁、钕系的粘结磁铁等。永磁铁254的剩余磁通密度大致为0.4～1.4T的程度。
当三相交流电流在定子绕组238中流动而在定子230中产生旋转磁场时，该旋转磁场作用于转子250的永磁铁254a、254b而产生转矩。该转矩通过从永磁铁254出来的磁通之中与各相绕组交链的分量与流至各相绕组的交流电流的与交链磁通正交的分量的积来表示。此处，若考虑交流电流波形为正弦波形状，则交链磁通的基波分量与交流电流的基波分量的积成为转矩的时间平均分量，交链磁通的高次谐波分量与交流电流的基波分量的积成为转矩的高次谐波分量即转矩脉动。也就是说，为了减少转矩脉动，只要减少交链磁通的高次谐波分量即可。换言之，由于交链磁通与转子的旋转的角加速度的积为感应电压，所以减少交链磁通的高次谐波分量与减少感应电压的高次谐波分量大致相等。
图5为表示放大了图4所示的截面图的1个磁极部分的图。设置于转子铁芯252上的磁铁插入孔253相对于每1极的中央即d轴300呈对称形状。在永磁铁254的磁极外侧形成有磁性空隙257，这是为了减少齿槽转矩、通电时的转矩脉动而设置的。进一步地，磁性空隙257的径向的厚度小于永磁铁254的径向的厚度，磁性空隙257的内周侧的转子铁芯的部分即磁极端挤压部264限制永磁铁254的朝向周向的动作。此外，在存在于供永磁铁254插入的孔253与转子铁芯252的外周之间的铁芯256中，设定为在径向尺寸上磁极端桥部258的宽度W1最薄。当减小磁极端桥部258的宽度W1时，转子内的磁路中流通的来自永磁铁的磁通减少，使得更多的磁通到达定子侧，从而能够增大磁转矩。因此，优选地是，磁极端桥部258的宽度W1在能够承受转子旋转时的应力的程度之内尽可能地变小。
图6为表示放大了图5所示的转子铁芯的磁铁间桥部260(B所示的区域)的图。在1对永磁铁254之间，以机械性地连接处于永磁铁254的外周侧的转子铁芯的磁极外侧部256与内周侧的转子铁芯的磁极内侧部263的方式设置有磁铁间桥部260。此外，为了限制永磁铁254的朝向周向的动作，设置有永磁铁的桥部附近的内周侧的磁极挤压部265。磁铁间桥部260在转子铁芯的外周侧隔着d轴300而左右对称地各具有2处外周侧拐点266a、266b，此外，在内周侧隔着d轴300而左右对称地各具有2处内周侧拐点267a、267b，磁铁间桥的形状呈分别通过直线连结外周侧拐点266a与266b、外周侧拐点266b与内周侧拐点267b、内周侧拐点267b与267a而得的形状。由于转子铁芯的制造的关系，该外周侧拐点266a、266b、内周侧拐点267a、267b无法为角，从而设置角R。该角R也作为拐点包含在内。在本实施例中，是设为连结拐点彼此的直线，但也可以是曲率半径较大的分界线。连结外周侧拐点266a与266b的直线所成的角度A、连结内周侧拐点267a与267b的直线所成的角度B形成角度A＜角度B的关系。图5、图6所示的桥形状是角度A＜角度B，但也可为图7所示那样的角度A＝角度B或者图8所示那样的角度A＞角度B的关系。如此，通过设置多个拐点并根据各拐点处产生的应力的程度来调整角度A和角度B，能够避免应力集中于一个拐点而实现高旋转化。
再者，本发明包含各种变形例，并不限定于上述实施例。例如，上述实施例是为了以易于理解的方式说明本发明而作的详细说明，并非一定限定于具备说明过的所有构成。此外，可以对实施例的构成的一部分进行其他构成的追加、删除、替换。
符号说明
250 转子
252 转子铁芯
253 磁铁插入孔
254 永磁铁
256 转子铁芯的磁极外侧部
260 磁铁间桥部
263 转子铁芯的磁极内侧部
265 磁极挤压部
266a、266b 外周侧拐点
267b、267a 内周侧拐点
300 d轴
A 连结外周侧拐点266a与266b的直线所成的角度
B 连结内周侧拐点267a与267b的直线所成的角度。

Claims (9)

1.一种旋转电机的转子，其具备：
转子铁芯，其针对每一磁极而具有多个磁铁插入孔；以及
永磁铁，其被插入至所述磁铁插入孔，
在相邻的所述磁铁插入孔之间设置有机械性地连接所述磁铁插入孔的外周侧的转子铁芯部与内周侧的转子铁芯部的桥部，该旋转电机的转子的特征在于，
所述桥部在该桥部的外周侧具有2个拐点。
2.根据权利要求1所述的旋转电机的转子，其特征在于，
所述桥部在外周侧的2个拐点之间具有连结该2个拐点的边或者圆弧。
3.根据权利要求1或2所述的旋转电机的转子，其特征在于，
所述桥部在该桥部的内周侧具有2个拐点。
4.根据权利要求3所述的旋转电机的转子，其特征在于，
所述桥部在内周侧的2个拐点之间具有连结该2个拐点的边或者圆弧。
5.根据权利要求3所述的旋转电机的转子，其特征在于，
连结内周侧的2个拐点的斜边部所成的角大于连结外周侧的2个拐点的斜边部所成的角。
6.根据权利要求3所述的旋转电机的转子，其特征在于，
连结外周侧2个拐点的斜边部所成的角大于连结内周侧2个拐点的斜边部所成的角。
7.根据权利要求3所述的旋转电机的转子，其特征在于，
连结外周侧2个拐点的斜边部所成的角等于连结内周侧2个拐点的斜边部所成的角。
8.一种旋转电机，其特征在于，具有：
根据权利要求1至7中任一项所述的旋转电机的转子；以及
定子，其隔着空隙与所述转子相对。
9.一种车辆，其特征在于，具备根据权利要求8所述的旋转电机，
所述车辆将所述旋转电机用作行驶时的驱动力源。
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