CN108141076A - 磁铁式转子、具备磁铁式转子的旋转电机以及具备旋转电机的电动汽车 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够实现成为旋转电机的噪音和振动的原因的电流通电时的转矩脉动的减少的永磁铁式旋转电机。本发明的旋转电机具备：定子，其具有定子绕组；以及转子，其相对于定子而被旋转自如地配设，并设置有多个磁铁。并且，在形成于转子中设置的磁铁的极间的磁性辅助凸极部上设置以穿过凸极中心的q轴为中心的磁隙，并且组合偏斜，所述偏斜是将多个铁心块以单元形式一边沿转子轴的周向以规定角度错开一边沿轴向层叠连结，由此谋求齿槽转矩的减少和通电时的转矩脉动的减少。

Description

磁铁式转子、具备磁铁式转子的旋转电机以及具备旋转电机 的电动汽车

技术领域

本发明涉及一种磁铁式转子、具备磁铁式转子的旋转电机以及具备旋转电机的电动汽车。

背景技术

电动汽车、混合动力汽车所使用的驱动用马达(驱动用旋转电机)要求大功率，因此通常采用使用保持强大能量的稀土类烧结磁铁的永磁铁式马达。永磁铁式马达中，能够满足低速大转矩且大范围的转速区域等要求的埋入磁铁式马达被用于驱动用马达。

不过，马达的转矩脉动成为噪音和振动的原因，尤其是电动汽车，存在低速侧的转矩脉动导致乘坐感受恶化这一问题。在以往的永磁铁式马达中，为了减少转矩脉动，通常采用的是实施偏斜的对策。

例如，专利文献1中有如下马达：在埋入的磁铁的外周侧的电磁钢板上设置槽，并以在轴向上错开的方式配置该槽。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2005-176424号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，在上述的在磁铁的外周侧设置有槽的马达中，例如是在电流通电时磁通流通的位置设置槽，因此有如下问题：若在通电时的脉动减小的位置设置槽，则齿槽转矩会增加，若在齿槽转矩减少这样的位置设置槽，则通电时的转矩脉动会增加。

本发明的目的在于减少成为马达的噪音和振动的原因的电流通电时的转矩脉动。

解决问题的技术手段

本发明的磁铁式转子、旋转电机及电动汽车具备：多个永磁铁；以及形成磁铁插入孔的多个铁心块，所述多个铁心块以使所述永磁铁偏斜的方式加以层叠，进而，所述多个铁心块形成磁阻变化部，所述磁阻变化部用以消除与通过所述偏斜加以消除的谐波次数不同的谐波次数,所述磁阻变化部是以通过该磁阻变化部而产生的磁场变化区域的周向的中央部与q轴重叠的方式形成。

发明的效果

通过本发明，能够减少成为马达的噪音和振动的原因的电流通电时的转矩脉动。

附图说明

图1为搭载有本发明的实施方式的旋转电机的混合动力型电动汽车的概略构成图。

图2表示图1的旋转电机200的截面图。

图3表示图2的定子及转子的A-A截面图。

图4表示将图2的永磁铁的附近放大而得的A-A截面图。

图5表示图2的定子铁心的立体图。

图6表示磁阻转矩的说明图。

图7表示通电时的A-A截面的磁通分布。

图8表示将图7的磁通分布图的q轴的辅助磁极部的一部分放大而得的图。

图9表示在q轴的辅助磁极部未设置有磁隙的旋转电机的通电时的磁通分布。

图10表示通电时的转矩脉动的波形。

图11表示对图9所示的转矩脉动的波形进行傅立叶级数展开而得的图表。

图12表示将图4的辅助磁极部及磁隙部放大而得的图。

图13为表示构成本发明的另一实施方式的定子及转子的截面的图，表示分布绕法的旋转电机。

具体实施方式

下面，使用附图，对本发明的实施方式进行说明。

如以下所说明，本实施方式的旋转电机能够抑制电流通电时的转矩脉动，能够实现小型、低成本、低转矩脉动。因此，例如作为电动汽车的行驶用马达较为合适，从而能够提供低振动、低噪音、乘坐感受较佳的电动汽车。本实施方式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双方加以驱动的混合动力型电动汽车，而以下是以混合动力型电动汽车为例进行说明。

[实施例1]

如图1所示，在混合动力汽车的车辆100中搭载有发动机120、第1旋转电机200、第2旋转电机201以及高电压的电池150。

电池150由锂离子电池或镍氢电池等二次电池构成，输出250伏至600伏或者以上的高电压的直流电。在需要旋转电机200、201的驱动力的情况下，电池150对旋转电机200、201供给直流电，在再生行驶时，电池150从旋转电机200、201接受直流电的供给。电池150与旋转电机200、201之间的直流电的授受经由电力转换装置160来进行。

此外，虽未图示，但车辆中搭载有供给低电压电力(例如，14伏系电力)的电池。

发动机120及旋转电机200、201的转矩经由变速器130和差速器140而传递至前轮110。

旋转电机200、201是以大致相同的方式构成，因此，下面以旋转电机200为代表进行说明。

图2为表示旋转电机200的整体构成的示意图。图2中，通过将旋转电机200的一部分设为截面来展示旋转电机200的内部。

如图2所示，在壳体205的内部支承有定子300，定子300具备定子铁心305和定子绕组315。在定子铁心305的内周侧隔着空隙500以可旋转的方式支承有转子400。转子400具备固定在轴450上的转子铁心405、永磁铁415、以及非磁性体的端板440。壳体205具有设置有轴承445、446的一对尾架210，轴450通过这些轴承445、446而被旋转自如地支承。

该旋转电机200为永磁铁内置型的3相同步马达。通过对卷绕在定子铁心305上的定子绕组315供给3相交流电流，旋转电机200作为使转子400旋转的电动机进行工作。此外，当被发动机120驱动时，旋转电机200作为发电机进行工作而输出3相交流的发电电力。也就是说，旋转电机200具有作为根据电能来产生转矩的电动机的功能和作为根据机械能来进行发电的发电机的功能的两方，可以根据汽车的行驶状态而选择性地利用上述功能。

图3为表示图2所示的定子300及转子400的截面的示意图，表示图2的A-A截面图。再者，图3中省略了壳体205、轴450的记载。

定子铁心305是将多个磁性体例如多个电磁钢板沿轴向层叠而形成，由轭铁部及齿部(也称为突出部或凸极部)构成。轭铁部由嵌合在壳体205的内周侧的圆筒状的轭铁铁心306(也称为铁心背部)构成。齿部由多个齿铁心307构成，所述齿铁心307从轭铁铁心306的内周侧沿径向突出，以具有规定间隔的方式沿周向配置有多个。在本实施方式中，在轭铁铁心306的内周侧形成有24个齿铁心307。

在邻接的齿铁心307之间分别形成有沿周向连续的24个槽缝310，而且所述槽缝310形成于转子400侧。在槽缝310内设置有槽缝绝缘(图示省略)，且安装有构成定子300的U相、V相、W相等的多个相绕组。在本实施方式中，是采用集中绕法作为定子绕组315(参考图2)的卷绕方法。此处，集中绕法是在1极的齿铁心307上直接卷绕定子绕组315的绕组方式。由于本实施方式使用集中绕法作为绕组方式，因此能够降低旋转电机200的铜损并降低定子300的轴向长度。

此外，在转子铁心405上开设有供矩形的磁铁插入的磁铁插入孔410，在该磁铁插入孔410内埋入有永磁铁415并利用环氧系粘接剂等加以固定。磁铁插入孔410的圆周方向的宽度设定得比永磁铁415的圆周方向的宽度大，从而在永磁铁415的两侧形成有磁隙416。该磁隙416可埋入粘接剂，也可利用成形树脂与永磁铁415凝固为一体。永磁铁415作为转子400的场磁极而发挥作用。

永磁铁415的磁化方向朝向径向，每个场磁极的磁化方向的朝向颠倒。即，若永磁铁415a的定子侧的一面为N极、轴侧的一面为S极，则相邻的永磁铁415b的定子侧的一面为S极、轴侧的一面为N极。并且，这些永磁铁415a、415b沿圆周方向交替配置。在本实施方式中，各永磁铁415呈等间隔配置有16个，转子400呈16极。

永磁铁415可在磁化后埋入至转子铁心405，也可在磁化前插入至转子铁心405，之后施加强磁场来加以磁化。磁化后的永磁铁415为强力磁铁，若在将永磁铁415固定至转子400之前将磁铁磁化，则在永磁铁415的固定时，永磁铁415与转子铁心405之间会产生强大的吸引力，该向心力会妨碍作业。此外，有因强大的吸引力而导致铁粉等尘埃附着附着于永磁铁415之虞。因此，在将永磁铁415插入至转子铁心405之后进行磁化将使得旋转电机的生产效率提高。

永磁铁415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415的剩余磁通密度大致为0.4～1.3T左右。

图4对图3所示的截面图的一部分进行放大表示。在本实施方式中，在形成磁极的各永磁铁415之间形成有辅助凸极部418。通常，将磁通穿过磁铁中心的轴称为d轴，将磁通从磁铁的极间流至极间的轴称为q轴。此时，将处于磁铁的极间中心的铁心部分称为辅助磁极部418。转子400中设置的永磁铁415的导磁率与空气大致相同，因此，在从定子300侧观察的情况下，d轴部在磁性上凹陷，q轴部在磁性上凸出。因此，q轴部的铁心部分称为凸极。

在转子铁心405上，除了设置有形成于永磁铁415的两侧的磁隙416以外，还在转子400表面的辅助磁极部418上设置有构成磁隙417的槽。设置磁隙416是为了减少齿槽转矩，设置磁隙417是为了减少通电时的转矩脉动，以凹部的形状形成于转子铁心405的外形表面。

此外，磁隙417在转子400的周向上能以穿过磁极间的q轴为中心而形成为对称或不对称中的任一形状，且相对于磁极的中心轴即d轴而对称地配置。再者，关于磁隙417，也可将磁阻高于转子铁心405的材料配置于空隙部而不仅仅是单纯的空气区域。

图5为表示转子400的转子铁心405和永磁铁415的立体图。如图5所示,转子铁心405由多个铁心块406构成。1个铁心块406的轴向长度设定为与其他铁心块406的轴向长度大致相同的尺寸。

多个铁心块406以单元形式一边沿转子轴的周向以规定角度错开一边层叠连结(也称为偏斜)而一体化，在整体上形成为一个转子400。在本实施方式中，铁心块406沿轴向连结有5层。

此外，在层叠连结多个铁心块406的情况下，埋入在磁铁插入孔410内的永磁铁415也与形成在转子400表面的磁隙417一边沿转子轴的周向以规定角度错开一边沿轴向配置。

图6为说明磁阻转矩的图。磁阻转矩是因图6所示的d轴与q轴的磁通的流通容易性之差也就是作为磁性凹凸的凸极比而产生。

当通过3相交流电流而使得定子300产生旋转磁场时，该旋转磁场作用于转子400的永磁铁415而产生磁铁转矩。进而，除了该磁铁转矩以外，前文所述的磁阻转矩也作用于转子400。

如此，运用本实施方式的旋转电机是利用磁铁转矩和辅助凸极磁阻转矩两方的旋转电机。于是，从磁铁转矩和磁阻转矩各方产生转矩脉动。转矩脉动中有不通电的情况下产生的脉动分量和因通电而产生的脉动分量，不通电的情况下产生的脉动分量通常称为齿槽转矩，在负荷状态下实际使用旋转电机的情况下，产生齿槽转矩与通电时的脉动分量合并而成的转矩脉动。

作为减少这种旋转电机的转矩脉动的方法而加以叙述的方法大部分都只言及齿槽转矩的减少，关于因通电而产生的转矩脉动大多都无叙述。但是，旋转电机的噪音大多是在负荷时而不是无负荷时产生。也就是说，旋转电机的低噪音化中，负荷时的转矩脉动的减少较为重要，只有齿槽转矩的对策是不够的。

接着，对本实施方式中的转矩脉动的减少方法进行说明。

此处，通常为人所知的、通过改变转矩脉动的相位来进行相消(抵消)而减少转矩脉动的方法即偏斜的说明从略，对通过设置在转子400的辅助磁极部418的磁隙417来减少转矩脉动的方法进行说明。

首先，对不通电时的磁隙417的影响进行说明。不通电时，永磁铁415的磁通将磁铁端部短路。因此，q轴上完全不流通磁通。穿过定子铁心305的磁通穿过永磁铁415的定子侧的铁心部分而到达至齿铁心307。因此，磁隙417对与齿槽转矩相关的不通电时的磁通几乎不产生影响，所以得知，磁隙417对齿槽转矩不产生影响。

此外，感应电压是因旋转的转子400的磁铁磁通与定子绕组315切割而产生的电压，而磁隙417的有无或其形状也不会对感应电压波形产生影响。

接着，对通电时的磁隙417的影响进行说明。图7表示对本实施方式中的定子绕组315通电的情况下的磁通分布的模拟结果。根据图7的模拟图，转子铁心405的q轴上流通有磁通。其原因在于，定子300的电流会在q轴上形成磁通。

图8表示在图7所示的磁通分布的模拟图中将辅助磁极部418和磁隙部417的一部分放大而得的图。根据图8的模拟图，流至q轴的辅助磁极部418的磁通中，磁隙417使得磁通的流通发生了变化。也就是可以说，在磁隙417的区域内，磁性(磁场)发生了变化。

本实施方式中的磁隙417优选以前文所述的磁场变化区域的周向中央部419与q轴重叠的方式形成。

另一方面，图9表示未设置有磁隙417的情况下的、对定子绕组315通电时的磁通分布的模拟结果。通过图7和图9的模拟结果得知，辅助磁极部418的磁通的流通因磁隙417而发生了变化。因而可以说，处于辅助磁极部418的磁隙417仅在通电时有磁影响。

我们知道，在3相交流的情况下，通电时的旋转电机200的转矩脉动因重叠在每1相每1极的磁通波形中的空间谐波和相电流中包含的时间谐波而在电角度上以6f次分量(f＝1、2、3…：自然数)的形式产生。

图10表示本实施方式中的转子400(有偏斜、有磁隙417)、转子400a(无偏斜、无磁隙417)、转子400b(有偏斜、无磁隙417)以及转子400c(无偏斜、有磁隙417)这4种构成下的通电时的转矩脉动波形。根据图10的转矩脉动波形的比较得知，有偏斜且有磁隙417的转子400与其他构成相比，转矩脉动波形的振幅最小。因而，通过设为将转子400的偏斜与本实施方式中的磁隙417组合在一起的构成，能够最大限度地抑制旋转电机200的转矩脉动。

图11表示对图10所示的转矩脉动波形进行傅立叶级数展开而得的结果。根据图11的结果，有偏斜且有磁隙417的转子400与其他构成相比能够最大限度地减少6次、12次、18次、24次、30次的谐波分量。

此外得知，有偏斜和有磁隙417各自单独的谐波分量减少效果是有偏斜在12次、18次、24、30次的谐波分量的减少上效果较好，辅助磁极部418的磁隙417尤其在6次的谐波分量的减少上效果较好。因而得知，有偏斜和磁隙417在负荷时的转矩脉动减少上是减少各不相同的谐波分量，还得知，通过偏斜减少的谐波次数与通过磁隙417减少的谐波次数相比对更高次的影响较大。

[实施例2]

图12对图4所示的截面图的辅助磁极部418及磁隙416、417进行放大表示。除了以下说明的事项以外，与实施例1相同。

图12所示的转子铁心405的形状如下：以平行的方式构成第一边部420和第二边部421，所述第一边部420作为以q轴为中心形成于成为磁极的极间部的辅助磁极部418的磁隙417的一边，所述第二边部421作为形成于永磁铁415的两侧的磁隙416的一边，并且，第一边部420和第二边部421相对于d轴而对称地配置。进而，若将转子铁心405的未形成有磁隙417的表面的半径定义为R、将转子中心到磁隙417形状的底部的距离定义为r、将前文所述的第一边部420与第二边部421所形成的平行尺寸定义为D，则D的尺寸优选以变为D≥R－r的关系的方式形成。

在该情况下，也是通过环氧系粘接剂等将永磁铁415固定在磁铁插入孔410内。此外，形成于永磁铁415的两侧的磁隙416也是可埋入粘接剂，也可通过整形树脂与永磁铁415凝固为一体。

通过设置本实施例的磁隙417的形状，在沿转子轴向使永磁铁415和铁心块406偏斜时，能够避免相邻的铁心块406彼此的磁隙416与417重合。因而，能够防止磁铁插入孔410内埋入的粘接剂从转子铁心405中漏出。

[实施例3]

图13表示将图3所示的定子绕组315设为分布绕法的情况。本实施方式中的转矩脉动取决于转子400的形状，因此，在定子300侧的绕组方式不同的分布绕法的情况下，也能与上述情况同样地谋求转矩脉动的减少。这以外的事项与实施例1及实施例2中说明过的内容相同。

[实施例4]

再者，在图3、图13所示的例子中，埋入至转子铁心405的磁铁插入孔410的永磁铁415是以磁铁表面垂直于d轴的方式配置的，但磁铁插入孔410及永磁铁415的配置也可不垂直于d轴，例如，也可配置为以d轴为中心的V字形。

上述各种实施例取得如下作用效果。

以q轴为中心形成处于辅助磁极部418的磁隙417，进而设置有偏斜，所述偏斜是使多个铁心块406一边沿转子轴的周向以规定角度错开一边层叠连结。结果，能够谋求通电磁的旋转电机的转矩脉动的减少。尤其是在将能够减少通电时的转矩脉动的本实施方式的旋转电机用作电动汽车等的车辆行驶用马达的情况下，能够减少低速加速时的振动和噪音，从而能够提供一种乘坐感受较佳、静音性好的电动汽车。

再者，在上述实施例中，以车辆驱动用马达为例进行了说明，但并不限于车辆驱动用，对于各种马达都能运用。进而，不限于马达，可以运用于交流发电机之类的发电机等各种旋转电机。此外，只要无损本发明的特征，本发明便丝毫不限定于上述实施方式。

符号说明

100 车辆

110 车轮

120 发动机

130 变速器

140 差速器

150 电池

160 电力转换装置

200、201 旋转电机

205 壳体

210 尾架

300 定子

305 定子铁心

306 轭铁铁心

307 齿铁心

310 槽缝

315 定子绕组

400 转子

405 转子铁心

406 铁心块

410 磁铁插入孔

415 永磁铁

416、417 磁隙

418 辅助磁极部

419 磁场变化区域的周向中央部

420 第一边部

421 第二边部

440 端板

445、446 轴承

450 轴

500 空隙。

Claims (10)

1.一种磁铁式转子，其特征在于，具备：

多个永磁铁；以及形成磁铁插入孔的多个铁心块，

所述多个铁心块以使所述永磁铁偏斜的方式加以层叠，

进而，所述多个铁心块形成磁阻变化部，所述磁阻变化部用以消除与通过所述偏斜加以消除的谐波次数不同的谐波次数，

所述磁阻变化部是以通过该磁阻变化部而产生的磁场变化区域的周向的中央部与q轴重叠的方式形成。

2.根据权利要求1所述的磁铁式转子，其特征在于，

所述磁阻变化部为磁隙。

3.根据权利要求2所述的磁铁式转子，其特征在于，

所述磁隙为形成于所述铁心块的表面的凹部。

4.根据权利要求3所述的磁铁式转子，其特征在于，

所述凹部在周向上以q轴为中心而对称地形成。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的磁铁式转子，其特征在于，

通过所述偏斜消除的谐波次数是与通过所述磁阻变化部消除的谐波次数相比更高次的谐波。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的磁铁式转子，其特征在于，

所述多个铁心块在旋转轴向上层叠多个钢板。

7.根据权利要求3或4所述的磁铁式转子，其特征在于，

构成所述凹部的一边与构成所述磁铁插入孔的辅助凸极部侧的一边大致平行，

将构成所述凹部的一边与所述辅助凸极部侧的一边的距离定义为D，

将所述铁心块的未形成有所述凹部的表面的半径定义为R，

将旋转中心到所述凹部的底部的距离定义为r，

所述铁心块以D≥R－r成立的方式形成。

8.一种旋转电机，其特征在于，

具备根据权利要求1至7中的任一项所述的磁铁式转子，

并且具有定子，所述定子具有以集中绕法卷绕而成的定子绕组。

9.一种旋转电机，其特征在于，

具备根据权利要求1至7中的任一项所述的磁铁式转子，

并且具有定子，所述定子具有以分布绕法卷绕而成的定子绕组。

10.一种电动汽车，其特征在于，

将具备根据权利要求1至7中的任一项所述的磁铁式转子的旋转电机的转矩用作驱动力。