CN110326191A - 旋转电机的转子及具备其的旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于，谋求维持电动机的高扭矩性能且提高配置多个永久磁铁时的抗退磁性。本发明的旋转电机的转子形成收纳第一磁铁的第一空间和收纳第二磁铁的第二空间，其中，成为所述第一空间与转子铁芯外周间的最细部的桥宽度大于成为所述第二空间与转子铁芯外周间的最细部的桥宽度，所述第二磁铁配置为所述第二磁铁的最外部比所述第一磁铁的最内部更靠内侧。

Description

旋转电机的转子及具备其的旋转电机

技术领域

本发明涉及电动机、发电机等的旋转电机的转子及具备其的旋转电机。

背景技术

用于汽车驱动用等的电动机需要高旋转和高扭矩。如专利文献1所示，记载了如下技术：为了提高扭矩，搭载于电动机的转子以将两个磁通屏障间的磁路宽度设为w1、将磁通屏障与外周磁通屏障的端部之间的磁路宽度设为w2时满足w1≥w2的方式配置磁通屏障。

但是，作为用于维持电动机的高扭矩性能且考虑配置有多个永久磁铁时的抗退磁性的结构是不充分的。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2006-314152号公报

发明内容

发明要解决的问题

本发明的课题在于，谋求维持电动机的高扭矩性能且提高配置有多个永久磁铁时的抗退磁性。

解决问题的技术手段

本发明所涉及的旋转电机的转子形成收纳第一磁铁的第一空间和收纳第二磁铁的第二空间，其特征在于，成为所述第一空间和转子铁芯外周间的最细部的桥宽度大于成为所述第二空间和转子铁芯外周间的最细部的桥宽度，所述第二磁铁配置为所述第二磁铁的最外部比所述第一磁铁的最内部更靠内侧。

发明的效果

通过本发明，可以谋求维持电动机的高扭矩性能且配置有多个永久磁铁时的抗退磁性的提高。

附图说明

图1是表示搭载有本发明的一实施方式的旋转电机的混合动力型电动汽车的概略结构的图。

图2是图1的电力转换装置600的电路图。

图3是图1所示的旋转电机200的r-Z剖面的局部剖面图。

图4是表示定子230及转子250的r-θ剖面的图，表示图3的A-A剖面图。

图5是将图4所示的转子280和定子230的剖面图的一个磁极扩大表示的局部扩大图。

图6是将其它实施方式的转子280和定子230的剖面图的一个磁极扩大表示的局部扩大图。

具体实施方式

以下，参照附图对用于实施本发明的方式进行说明。

本实施方式中，适合作为例如电动汽车的行驶用电动机。本发明的旋转电机也能够应用于仅通过旋转电机行驶的纯电动汽车和由发动机和旋转电机两者驱动的混合动力型电动汽车，以下，以混合动力型电动汽车为例进行说明。

图1是表示搭载有本发明的一实施方式的旋转电机的混合动力型电动汽车的概略结构的图。车辆100中搭载有发动机120、第一旋转电机200、第二旋转电机202、以及电池180。

在需要第一旋转电机200和第二旋转电机202的驱动力的情况下，电池180经由电力转换装置600向第一旋转电机200和第二旋转电机202供应直流电。进一步地，电池180在再生行驶时从第一旋转电机200和第二旋转电机202接收直流电。

经由电力转换装置600执行电池180与第一旋转电机200及第二旋转电机202之间的直流电的授受。另外，尽管未图示，但车辆中搭载有供给低电压电力(例如，14伏电力)的电池，并且向以下说明的控制电路供给直流电。

发动机120及第一旋转电机200和第二旋转电机202的旋转扭矩经由变速器130和差动齿轮160传递到前轮110。变速器130由变速器控制装置134控制，并且发动机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124、电池控制装置184、电力转换装置600和综合控制装置170通过通信线路174连接。

综合控制装置170是位于变速器控制装置134、发动机控制装置124、电力转换装置600及电池控制装置184的上位的控制装置，将表示变速器控制装置134、发动机控制装置124、电力转换装置600及电池控制装置184的各状态的信息经由通信线路174从它们分别接收。综合控制装置170基于所获取的各装置的信息来运算各控制装置的控制指令。运算出的控制指令经由通信线路174发送到各个控制装置。

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，并输出250伏特至600伏特或更高的高电压的直流电。电池控制装置184经由通信线路174将电池180的充放电状况、构成电池180的各单位单体电池的状态输出到综合控制装置170。

当综合控制装置170基于来自电池控制装置184的信息判断为需要电池180的充电时，向电力转换装置600输出发电运行的指示。此外，综合控制装置170主要进行发动机120以及第一旋转电机200和第二旋转电机202的输出扭矩的管理、发动机120的输出扭矩与第一旋转电机200和第二旋转电机202的输出扭矩的总扭矩和扭矩分配比的运算处理，并且将基于运算处理结果的控制指令发送到变速器控制装置134、发动机控制装置124及电力转换装置600。电力转换装置600根据来自综合控制装置170的扭矩指令，控制第一旋转电机200和第二旋转电机202，以产生指令那样的扭矩输出或发电电力。

电力转换装置600中设置有功率半导体，该功率半导体构成用于运行第一旋转电机200和第二旋转电机202的逆变器。电力转换装置600基于来自综合控制装置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，第一旋转电机200和第二旋转电机202作为电动机或者作为发电机而被运行。

在将第一旋转电机200和第二旋转电机202作为电动机运行的情况下，来自高电压的电池180的直流电被供给于电力转换装置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，将供给的直流电转换为三相交流电，供给于第一旋转电机200和第二旋转电机202。

另一方面，在将第一旋转电机200和第二旋转电机202作为发电机运行的情况下，第一旋转电机200和第二旋转电机202的转子通过从外部施加的旋转扭矩而被旋转驱动，在第一旋转电机200和第二旋转电机202的定子绕组上产生三相交流电。产生的三相交流电被电力转换装置600转换为直流电，该直流电被供给于高电压的电池180，由此电池180被充电。

图2表示图1的电力转换装置600的电路图。电力转换装置600中设置有用于第一旋转电机200的第一逆变器装置和用于第二旋转电机202的第二逆变器装置。

第一逆变器装置具备：功率模块610、控制功率模块610的各功率半导体21的开关动作的第一驱动电路652、以及探测旋转电机200的电流的电流传感器660。驱动电路652设置于驱动电路基板650上。

另一方面，第二逆变器装置具备：功率模块620、控制功率模块620中的各功率半导体21的开关动作的第二驱动电路656、以及探测旋转电机202的电流的电流传感器662。驱动电路656设置于驱动电路基板654上。

设置于控制电路基板646上的控制电路648、电容器模块630和安装在连接器基板642上的收发电路644由第一逆变器装置和第二逆变器装置共同使用。

功率模块610和620分别根据从对应的第一驱动电路652和第二驱动电路656输出的驱动信号而动作。功率模块610及620将分别从电池180供给的直流电转换为三相交流电，并将该电力供给于对应的第一旋转电机200及第二旋转电机202的电枢绕组即定子绕组。另外，功率模块610和620将由第一旋转电机200和第二旋转电机202的定子绕组感应的交流电转换为直流，并供给于电池180。

功率模块610和620如图2所记载那样具备三相桥式电路，并且对应于三相的串联电路分别在电池180的正电极侧与负电极侧之间并联地电连接。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，并且这些功率半导体21串联连接。功率模块610和功率模块620如图2所示，电路结构大致相同，在此，以功率模块610为代表进行说明。

在本实施方式中，使用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)21作为开关用功率半导体元件。IGBT21具备集电极、发射极及栅极这三个电极。在IGBT21的集电极与发射极之间电连接有二极管38。二极管38具备阴极和阳极这两个电极，为了使从IGBT21的发射极朝向集电极的方向成为顺方向，阴极电连接于IGBT21的集电极，阳极电连接于IGBT21的发射极。

需要注意的是，也可以使用MOSFET(金属氧化物半导体型场效应晶体管)作为开关用功率半导体元件。MOSFET具备漏极、源极及栅极这三个电极。在MOSFET的情况下，在源极与漏极之间具备从漏极朝向源极的方向成为顺方向的寄生二极管，因此，不需要设置图2的二极管38。

各相的臂是由IGBT21的发射极和IGBT21的集电极串联地电连接而构成。要注意的是，在本实施方式中，将各相的各上下臂的IGBT仅图示一个，但控制的电流容量较大，因此，实际上多个IGBT并联地电连接而构成。以下，为了简化说明，以一个功率半导体进行说明。

在图2所示的例子中，各相的各上下臂分别由三个IGBT构成。各相的各上臂的IGBT21的集电极与电池180的正极侧电连接，各相的各下臂的IGBT21的源极与电池180的负极侧电连接。各相的各臂的中点(上臂侧IGBT的发射极和下臂侧IGBT的集电极之间的连接部分)与对应的第一旋转电机200或第二旋转电机202的对应的电枢绕组(定子绕组)电连接。

第一驱动电路652和第二驱动电路656构成用于控制对应的功率模块610和620的驱动部，并基于从控制电路648输出的控制信号产生用于驱动IGBT21的驱动信号。

各个第一驱动电路652和第二驱动电路656中产生的驱动信号分别输出到对应的功率模块610和620的各功率半导体21的栅极。在第一驱动电路652和第二驱动电路656中，分别设置有六个集成电路，该集成电路产生供给于各相的各上下臂的栅极的驱动信号，将六个集成电路构成为一功能块。

控制电路648构成各功率模块610及620的控制部，由运算用于使多个开关用功率半导体元件动作(接通/断开)的控制信号(控制值)的微型计算机构成。来自上位控制装置的扭矩指令信号(扭矩指令值)、电流传感器660、662的传感器输出、搭载于第一旋转电机200及第二旋转电机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基于它们的输入信号来运算控制值，并向第一驱动电路652和第二驱动电路656输出用于控制开关定时的控制信号。

安装于连接器基板642的收发电路644用于电连接电力转换装置600与外部的控制装置之间，并且经由图1的通信线路174与其它装置进行信息的收发。电容器模块630构成用于抑制由IGBT21的开关动作产生的直流电压的变动的平滑电路，并联地电连接于功率模块610、功率模块620中的直流侧的端子。

图3是图1所示的第一旋转电机200的r-Z剖面的局部剖面图。另外，第一旋转电机200和第二旋转电机202具有大致相同的结构，以下以第一旋转电机200的结构为代表例进行说明。但是，以下所示的结构不必用于第一旋转电机200和第二旋转电机202双方，也可以只用于一方。

定子230保持于外壳212的内部。定子230具备定子铁芯232和定子绕组238。

转子280隔着空隙222可旋转地保持于定子铁芯232的内周侧。转子280具备固定于轴218的转子铁芯282、永久磁铁284和作为非磁性体的盖板226。

外壳212具有设置有轴承216的一对端支架214，轴218可旋转自如地被这些轴承216保持。

在轴218设置有检测转子280的极位置和旋转速度的旋转变压器224。来自该旋转变压器224的输出输入于图2所示的控制电路648。

控制电路648基于所输入的输出将控制信号输出到驱动电路652。驱动电路652将基于该控制信号的驱动信号输出到功率模块610。功率模块610基于控制信号进行开关动作，并将从电池180供给的直流电转换为三相交流电。该三相交流电被供给于图3所示的定子绕组238，并且旋转磁场产生于定子230。三相交流电流的频率基于旋转变压器224的输出值来控制，三相交流电流的相对于转子280的相位也同样地基于旋转变压器224的输出值来进行控制。

图4是表示定子230及转子250的r-θ剖面的图，表示图3的A-A剖面图。另外，在图4中，省略了外壳212、轴218和定子绕组238的记载。

在定子铁芯232的内周侧遍及整周均等地配置有多个槽237和齿236。在图4中，不对所有槽和齿标记符号，而是代表性地仅对一部分的齿和槽标记符号。

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，由于每极每相的槽数为2，因此，槽237以等间隔形成48个。该每极每相的槽数是指，以各槽237的U相、V相、W相在θ方向(周向)上如U相、U相、V相、V相、W相、W相、···那样每两个排列的方式配置相，一个极的U相、V相、W相使用6个槽237。在本实施方式中，由于是后述的永久磁铁254在θ方向上并列8组的8个极，因此，定子铁芯232的槽237的数量为6×8＝48个。

在转子铁芯252的外周附近，沿θ方向等间隔地配设有八组用于将永久磁铁254插入的孔253。各孔253沿z方向(轴向)形成，并且在该孔253中分别埋入永久磁铁254，并通过粘合剂或树脂的充填剂固定。

孔253的θ方向上的宽度设定为大于永久磁铁254a和永久磁铁254b之间的θ方向上的宽度，并且永久磁铁254两侧的孔空间257作为磁性空隙。该孔空间257也可以嵌入粘合剂，也可以利用成型用树脂与永久磁铁254一体地固定。

永久磁铁254作为转子250的场磁极发挥作用，在本实施方式中成为8极结构。

本实施方式中的永久磁铁254的磁化方向相对于永久磁铁254的长边朝向直角方向，每个场磁极的磁化方向的方向反转。即，如果永久磁铁254a的定子侧的面为N极，轴侧的面为S极，则相邻的永久磁铁254b的定子侧的面成为S极，轴侧的面成为N极。并且，这些永久磁铁254a和永久磁铁254b在θ方向上交替配置。

永久磁铁254也可以在磁化之后插入孔253，也可以在插入到转子铁芯252的孔253之后赋予强磁场进行磁化。然而，磁化后的永久磁铁254是强力的磁铁，因此，如果在将永久磁铁254固定到转子250之前对磁铁进行磁化，则在永久磁铁254固定时在永久磁铁254与转子铁芯252之间会产生强有力的吸引力而妨碍组装作业。另外，由于永久磁铁254的强有力的吸引力，有可能在永久磁铁254上附着铁粉等尘埃。因此，在考虑到旋转电机的生产率的情况下，优选在将永久磁铁254插入转子铁芯252后进行磁化。

另外，永久磁铁254中可以使用钕系、钐系的烧结磁铁、铁氧体磁铁、钕系的粘结磁铁等。永久磁铁254的残留磁通密度为0.4～1.45T左右。

当通过将三相交流电流流通于定子绕组238而在定子230上产生旋转磁场时，该旋转磁场作用于转子250的永久磁铁254a和永久磁铁254b而产生扭矩。该扭矩由从永久磁铁254发出的磁通中与各相绕组交链的分量和流通到各相绕组的交流电流的与交链磁通正交的分量的乘积来表示。

这里，交流电流以成为正弦波状的方式控制，因此，交链磁通的基波分量和交流电流的基波分量的乘积成为扭矩的时间平均分量，交链磁通的谐波分量和交流电流的基波分量的乘积成为作为扭矩的谐波分量的扭矩波动。即，为了减少扭矩波动，只要减少交链磁通的谐波分量即可。换句话说，由于交链磁通和转子的旋转角速度的乘积是感应电压，因此，减少交链磁通的谐波分量等于降低感应电压的谐波分量。

图5是将图4所示的剖面图的一个磁极扩大显示的局部扩大图。

磁铁插入孔253形成收纳第一永久磁铁254a1的第一插入孔253a和分别收纳两个第二永久磁铁254a2的两个第二插入孔253b。

在第一永久磁铁254a1的磁极外侧即第一永久磁铁254a1的两端部附近形成第一磁空隙257a。另外，在第二永久磁铁254a2的磁极外侧形成第二磁空隙257b。由此，减少了齿槽扭矩和通电期间的扭矩脉动。

第二插入孔253b以V字状形成，第一插入孔253a形成于第二插入孔253b之间。两个第二插入孔253b以d轴300为界而成对称形状，彼此分开地形成，在各自中收纳有第二永久磁铁254a2。

在本实施方式中，两个第二插入孔253b分开地形成，但是插入孔也可以跨越d轴300并彼此连接。采取这种磁铁插入孔和永久磁铁的配置的形配置与将永久磁铁V字形配置的情况相比扭矩更高。然而，关于永久磁铁的消磁，如果未平衡良好地配置多个永久磁铁，则会成为仅一部分磁铁非常容易消磁的状态。

在本实施方式的形配置的情况下，第一永久磁铁254a1容易接收从定子230产生的磁通并且容易消磁。

因此，在本实施方式中，成为第一插入孔253a与转子铁芯252的外周的最细部的桥宽度w1形成为大于成为第二插入孔253b与转子铁芯252的外周的最细部的桥宽度w2。

此外，第二永久磁铁254a2的最外部配置为比第一永久磁铁254a1的最内部靠内侧。

由此，来自定子230的磁通不会集中在第一永久磁铁254a1和第二永久磁铁254a2中的任何一方，维持形配置的高扭矩性能且将第一永久磁铁254a1和第二永久磁铁254a1设为相等的抗退磁性成为可能。

而且，以在从与从第二永久磁铁254a2产生的磁通的方向平行的方向投影的情况下，第二永久磁铁254a2的外周侧端部258的投影部与第一插入孔253a重叠的方式，来形成第二永久磁铁254a2。由此，进一步维持形配置的高扭矩性能且将第一永久磁铁254a1和第二永久磁铁254a2设为相等的抗退磁性成为可能。

在本实施方式中，在第一插入孔254a1和第二插入孔254a2中分别逐一收纳有第一永久磁铁254a和第二永久磁铁254b，但即使将永久磁铁沿着周向分割，也能够得到同等的性能。

图6是将其它的实施方式的转子280和定子230的剖面图的一个磁极扩大显示的局部扩大图。

与图5所示的实施方式不同的点是，为了提高机械强度，在第二插入孔253b的第二永久磁铁254a2被收纳的部位与磁空隙257b之间设置有机械的桥部259。

由此，成为转子250旋转时的支撑，且与图5的结构相比，可实现更高速的旋转化。为了进一步提高机械强度，也可以设置多个机械的桥部259，但这样，会相应地引起永久磁铁的磁通泄露而导致性能降低，由此，优选不设置成必要以上。

另外，本发明不限定于上述的实施方式，包含各种各样的变形例。例如，上述的实施方式为了易于理解地说明本发明而详细地进行了说明，不一定限定于具备所说明的全部的结构。此外，可将某实施方式的构成的一部分替换成其它实施方式的构成，并且也可将其它实施方式的构成添加到某个实施方式的构成中。另外，可对各实施方式的构成的一部分进行其它构成的添加、删除、替换。

符号说明

21…功率半导体或IGBT，38…二极管，100…车辆，110…前轮，120…发动机，124…发动机控制装置，130…变速器，134…变速器控制装置，160…差动齿轮，170…综合控制装置，174…通信线路，180…电池，184…电池控制装置，200…第一旋转电机，202…第二旋转电机，174…通信线路，180…电池，200…第一旋转电机，202…第二旋转电机，212…外壳，214…端支架，216…轴承，218…轴，222…空隙，224…旋转变压器，226…盖板，230…定子，232…定子铁芯，236…齿，237…槽，238…定子绕组，253…孔，253a…第一插入孔，254…永久磁铁，254a…永久磁铁，254a1…第一永久磁铁，254a2…第二永久磁铁，253b…第二插入孔，254b…永久磁铁，257…孔空间，257a…第一磁空隙，257b…第二磁空隙，258…外周侧端部，259…桥部，280…转子，282…转子铁芯，284…永久磁铁，300…d轴，600…电力转换装置，610…功率模块，620…功率模块，630…电容器模块，642…连接器底座，644…收发电路，646…控制电路基板，648…控制电路，650…驱动电路基板，652…第一驱动电路，654…驱动电路基板，656…第二驱动电路，660…电流传感器，662…电流传感器。

Claims (8)

1.一种旋转电机的转子，形成收纳第一磁铁的第一空间和收纳第二磁铁的第二空间，其特征在于，

成为所述第一空间和转子铁芯外周间的最细部的桥宽度大于成为所述第二空间和转子铁芯外周间的最细部的桥宽度，

所述第二磁铁配置为所述第二磁铁的最外部比所述第一磁铁的最内部更靠内侧。

2.根据权利要求1所述的旋转电机的转子，其特征在于，

所述第二空间由第三空间和第三空间构成，所述第三空间和所述第三空间相互分开地形成并且分别收纳所述第二磁铁，

通过所述第三空间和所述第四空间构成为V字状。

3.根据权利要求2所述的旋转电机的转子，其特征在于，

所述第一空间形成于所述第三空间与所述第四空间之间。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的旋转电机的转子，其特征在于，

在从与所述第二磁铁所产生的磁通的方向平行的方向投影的情况下，

所述第二磁铁配置为，所述第二磁铁的外径侧的端部的投影部与所述第一磁铁收纳空间的投影部重叠。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的旋转电机的转子，其特征在于，

所述第一磁铁形成为，沿着从旋转轴朝向外周的方向，周向的宽度成为越靠近末端越扩开。

6.根据权利要求5所述的旋转电机的转子，其特征在于，

所述第一磁铁由沿周向分割的多个磁铁构成。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的旋转电机的转子，其特征在于，

所述第二空间由收纳所述第二磁铁的收纳部、桥部、及夹着所述桥部与该收纳部相对的空隙部构成，

成为所述最细部的桥宽度由所述空隙部与所述转子铁芯外周的距离定义。

8.一种旋转电机，其特征在于，具有根据权利要求1～7中任一项所述的转子，

且具备定子，所述定子在径向上隔着空隙与所述转子相对。