CN111264018A - 旋转电机的转子以及使用该转子的旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种能够抑制无负载时的感应电压并实现高转矩化的旋转电机的转子。一种旋转电机的转子，其具备在设置于转子铁心上的磁铁插入孔中插入有永久磁铁的构成，该旋转电机的转子的特征在于，永久磁铁具有在磁化方向上相对的第一端面和第二端面，并且形成有：第一磁隙，其由与永久磁铁的第一端面相对的区域中的磁铁插入孔的内壁面的凹部形成；以及第二磁隙，其由与永久磁铁的第二端面相对的区域中的磁铁插入孔的内壁面的凹部形成。另外，该旋转电机的转子的特征在于，第一磁隙的宽度(w1)和深度(d1)、第二磁隙的宽度(w2)和深度(d2)满足w1≥w2且d1≤d2、或w1≤w2且d1≥d2的关系。

Description

旋转电机的转子以及使用该转子的旋转电机

技术领域

本发明涉及一种马达、发电机等旋转电机的转子结构。

背景技术

在作为车辆驱动用而使用的旋转电机中，与通常的旋转电机相比，要求在规定的范围内高转矩化。关于能够在规定的范围内实现高转矩化的永磁式旋转电机，例如在专利文献1中记载了能够实现高转矩化的永磁式旋转电机的结构。

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

在作为车辆驱动用而使用的旋转电机中，根据与外围设备的耐压的关系来限制无负载时的感应电压。通常，转矩、感应电压以及磁铁磁通的特性存在比例关系。由于感应电压也与转矩一起上升，所以使转矩为规定值以上时，会产生感应电压超过限制值的情况。因此，在旋转电机的高转矩化中，要求抑制无负载时的感应电压并且实现高转矩化。

在专利文献1所记载的技术中，对于这样的转矩和感应电压的关系没有进行充分的研究。

本发明的目的在于提供一种能够抑制无负载时的感应电压并实现高转矩化的旋转电机的转子。

用于解决问题的技术手段

为了解决上述问题，例如采用技术方案中所记载的构成。

本申请包括多个解决所述问题的手段，若列举其一例，则是具备在设置于多转子铁心的磁铁插入孔中插入有永久磁铁的转子的旋转电机，所述旋转电机的转子的特征在于，所述永久磁铁具有在磁化方向上相对的第一端面和第二端面，形成有：第一磁隙，其由向所述永久磁铁侧突出的凸部形成在与所述永久磁铁的第一端面相对的区域中的磁铁插入孔的内壁面上；以及第二磁隙，其由向所述永久磁铁侧突出的凸部形成在与所述永久磁铁的第二端面相对的区域中的磁铁插入孔的内壁面上，所述第一磁隙的宽度(w1)和深度(d1)、所述第二磁隙的宽度(w2)和深度(d2)满足w1≥w2且d1≤d2、或w1≤w2且d1≥d2的关系。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种能够抑制无负载时的感应电压并实现高转矩化的旋转电机的转子。上述以外的问题、构成及效果通过以下的实施方式的说明而明确。

附图说明

图1搭载有本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电力转换装置600的电路图。

图3是本实施方式的旋转电机的剖面图。

图4本实施方式的定子230及转子250的r-θ剖面图。

图5本实施方式的定子230及转子250的1个磁极的放大图。

图6是图5的B部的放大图。

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。

图1是表示搭载了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构成的图。在车辆100上搭载有发动机120、第一旋转电机200、第二旋转电机202和电池180。在需要旋转电机200、202的驱动力的情况下电池180经由电力转换装置600向旋转电机200、202供给直流电力，在再生行驶时从旋转电机200、202接受直流电力。电池180与旋转电机200、202之间的直流电力的授受经由电力转换装置600进行。另外，虽然未图示，但在车辆上搭载有供给低电压电力(例如14伏特系电力)的电池，向以下说明的控制电路供给直流电力。

由发动机120和旋转电机200、202产生的旋转转矩经由变速器130和差速齿轮160传递到前轮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124、电池控制装置184、电力转换装置600以及综合控制装置170通过通信线路174连接。

综合控制装置170是比变速器控制装置134、发动机控制装置124、电力转换装置600以及电池控制装置184更上位的控制装置，经由通信线路174分别从它们接收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以及电池控制装置184的各状态的信息。综合控制装置170根据获取到的这些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向各个控制装置发送。

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伏特或在这以上的高电压的直流电力。电池控制装置184将电池180的充放电状况、构成电池180的各单位电池的状态经由通信线路174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发出发电运转的指示。另外，综合控制装置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的输出转矩和旋转电机200、202的输出转矩的综合转矩、转矩分配比的运算处理，将基于该运算处理结果的控制指令向变速器控制装置134、发动机控制装置124及电力转换装置600发送。电力转换装置600根据来自综合控制装置170的转矩指令来控制旋转电机200、202，以产生按照指令的转矩输出或发电电力。

在电力转换装置600中，设置有构成用于使旋转电机200、202运转的逆变器的功率半导体。电力转换装置600根据来自综合控制装置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，旋转电机200、202作为电动机或发电机而运转。

在将旋转电机200、202作为电动机运转的情况下，来自高电压的电池180的直流电力被供给到电力转换装置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来将供给得到的直流电力转换为三相交流电力，并供给到旋转电机200、202。另一方面，在将旋转电机200、202作为发电机运转的情况下，旋转电机200、202的转子被从外部施加的旋转转矩旋转驱动，在旋转电机200、202的定子绕组上产生三相交流电力。所产生的三相交流电力在电力转换装置600中被转换为直流电力，该直流电力被供给到高电压的电池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。在电力转换装置600中设置有用于旋转电机200的第一逆变器装置和用于旋转电机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、以及检测旋转电机200的电流的电流传感器660。驱动电路652设置在驱动电路基板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、以及检测旋转电机202的电流的电流传感器662。驱动电路656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在第一逆变器装置和第二逆变器装置中共同使用。

功率模块610、620分别根据从对应的驱动电路652、656输出的驱动信号进行动作。功率模块610、620分别将从电池180供给的直流电力转换为三相交流电力，将该电力供给到对应的旋转电机200、202的电枢绕组即定子绕组。另外，功率模块610、620将在旋转电机200、202的定子绕组中感应出的交流电力转换为直流，供给到高电压电池180。

如图2所示，功率模块610、620具备三相桥式电路，与三相对应的串联电路分别电性并联连接在电池180的正极侧和负极侧之间。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串联连接。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，这里以功率模块610为代表进行说明。

在本实施方式中，使用IGBT(绝缘栅型双极晶体管)21作为开关用功率半导体元件。IGBT21具备集电极、发射极及栅极三个电极。在IGBT21的集电极和发射极之间电连接有二极管38。二极管38具备阴极及阳极两个电极，以从IGBT21的发射极朝向集电极的方向为正向的方式，将阴极与IGBT21的集电极电连接，将阳极与IGBT21的发射极电连接。

此外，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、源极和栅极三个电极。在MOSFET的情况下，由于在源极和漏极之间具备从漏极朝向源极的方向为正向的寄生二极管，所以不需要设置图2的二极管38。

各相的臂由IGBT21的发射极和IGBT21的集电极电串联连接而构成。此外，在本实施方式中，各相的各上下臂的IGBT仅图示了一个，但由于控制的电流容量大，所以实际上是多个IGBT电性并联连接而构成。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的发射极和下臂侧的IGBT的集电极的连接部分)与对应的旋转电机200、202的对应的相的电枢绕组(定子绕组)电连接。

驱动电路652、656构成用于控制对应的逆变器装置610、620的驱动部，根据从控制电路648输出的控制信号，产生用于驱动IGBT21的驱动信号。在各个驱动电路652、656中产生的驱动信号被分别输出到对应的功率模块610、620的各功率半导体元件的栅极。在驱动电路652、656中，分别设有6个产生向各相的各上下臂的栅极供给的驱动信号的集成电路，6个集成电路构成为1个块。

控制电路648构成各逆变器装置610、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、搭载在旋转电机200、202上的旋转传感器的传感器输出被输入到控制电路648。控制电路648根据这些输入信号运算控制值，向驱动电路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用于将电力转换装置600与外部的控制装置之间电连接，经由图1的通信线路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IGBT21的开关动作而产生的直流电压的变动的平滑电路，与第一功率模块610和第二功率模块620中的直流侧的端子电性并联连接。

图3表示图1的旋转电机200的r-Z剖面图。此外，旋转电机200和旋转电机202具有大致相同的结构，以下以旋转电机200的结构为代表例进行说明。但是，以下所示的结构不需要在旋转电机200、202的双方中都采用，也可以仅在一方中采用。

在壳体212的内部保持有定子230，定子230具备定子铁心232和定子绕组238。在定子铁心232的内周侧，隔着空隙222可旋转地保持有转子280。转子280具备固定在轴218上的转子铁心282、永久磁铁284、以及非磁性体的挡板226。壳体212具有设置有轴承216的一对端托架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280的极的位置和旋转速度的旋转变压器224。来自该旋转变压器224的输出被读取到图2所示的控制电路648。控制电路648根据所读取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根据控制信号进行开关动作，将从电池180供给的直流电力转换为三相交流电力。该三相交流电力被供给到图3所示的定子绕组238，在定子230上产生旋转磁场。三相交流电流的频率根据旋转变压器224的输出值进行控制，三相交流电流相对于转子280的相位也同样根据旋转变压器224的输出值进行控制。

图4是表示定子230及转子250的r-θ剖面的图，是表示图3的A-A剖面图的图。此外，在图4中省略了壳体212、轴218及定子绕组238的记载。在定子铁心232的内周侧，跨及全周均等地配置有多个槽237和齿236。在图4中，未对所有槽及齿标注符号，作为代表，仅对一部分齿和槽标注符号。在槽237内设有槽绝缘材料(省略图示)，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，每极每相槽数为2，因此槽237等间隔地形成有48个。该每极每相槽数是指各槽237的U相、V相、W相以在θ方向上U相、U相、V相、V相、W相、W相、…两个两个排列的方式配置相，1极的U相、V相、W相使用6个槽237。在本实施方式中，由于后述的永久磁铁254是在θ方向上排列8组的8极，所以定子铁心232的槽237的数量为6×8的48个。

在转子铁心252的外周附近，沿θ方向等间隔地配设有8组用于供磁铁插入的多个磁铁插入孔253。各磁铁插入孔253沿z方向形成，在该磁铁插入孔253中分别埋入永久磁铁254，用粘接剂或树脂等填充剂固定。磁铁插入孔253的θ方向的宽度被设定为比永久磁铁254(254a、254b)的θ方向的宽度大，永久磁铁254的两侧的孔空间257作为磁隙发挥作用。该孔空间257既可以埋入粘接剂，也可以用成型用树脂与永磁铁254一体地加固。永久磁铁254作为转子250的场磁极发挥作用，在本实施方式中为8极构成。

本实施方式中的永久磁铁254的磁化方向朝向相对于永久磁铁254的长边成直角的方向，每个场磁极的磁化方向的朝向反转。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的定子侧的面为S极，轴侧的面为N极。而且，这些永久磁铁254a、254b在θ方向上交替配置。

永久磁铁254可以在磁化后插入磁铁插入孔253，也可以在插入转子铁心252的磁铁插入孔253后施加强力的磁场而磁化。但是，由于磁化后的永久磁铁254是强力的磁铁，所以如果在将永久磁铁254固定在转子250中之前对磁铁进行磁化，则在永久磁铁254的固定时与转子铁心252之间产生强力的吸引力，会妨碍组装作业。另外，由于永久磁铁254的强力的吸引力，有可能在永久磁铁254上附着铁粉等垃圾。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插入转子铁心252后进行磁化。

此外，永久磁铁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。永久磁铁254的剩余磁通密度为0.4～1.45T左右。

当通过使三相交流电流流过定子绕组238而在定子230中产生旋转磁场时，该旋转磁场作用于转子250的永久磁铁254a、254b而产生转矩。该转矩由从永久磁铁254输出的磁通中与各相绕组交链的分量和与流过各相绕组的交流电流的交链磁通正交的分量的积表示。这里，由于交流电流被控制为正弦波状，所以交链磁通的基波分量和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和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。即，为了降低转矩脉动，只要降低交链磁通的高次谐波分量即可。

将永久磁铁埋入转子铁心的旋转电机的转矩用磁转矩和磁阻转矩的和表示，该磁转矩由永久磁铁的磁通和通电的电流的积表示，该磁阻转矩由转子的d轴电感和q轴电感的差异而产生。为了提高旋转电机的转矩，一般采用使磁转矩和磁阻转矩两者都提高的方法。

对磁阻转矩进行说明。通常，将磁通通过磁铁中心的轴称为d轴，将磁通从磁铁的极间流向极间的轴称为q轴。此时，将位于磁铁的极间中心的铁心部分称为辅助凸极部。由于设置在转子250中的永久磁铁254的导磁率与空气大致相同，所以在从定子侧观察的情况下，d轴部磁性凹陷，q轴部磁性凸起。因此，q轴部的铁心部分被称为凸极。磁阻转矩因该d轴和q轴的磁通的通过容易度的差，即凸极比而产生。

在本实施方式的旋转电机中，通过磁铁插入孔253的形状使磁阻转矩增加，抑制无负载时的感应电压并且实现高转矩化。

图5是将图4所示的剖面图的1个磁极放大表示的图。永久磁铁254的磁化方向朝向与永久磁铁254的长边垂直的方向。在与该磁化方向正交的永久磁铁254的两端设有成为磁隙的孔空间257。进一步地，在本实施例中，在磁化方向的两端设有转子外周侧磁隙258和转子内周侧磁隙259。

图6是由图5的B包围的部位的放大图。设置在与永久磁铁254a的外周侧端面262相对的区域中的磁铁插入孔253的内壁上的外周侧磁隙258是由两个凸部260形成的凹部。另外，设置在与永久磁铁254a的内周侧端面263相对的区域中的磁铁插入孔253的内壁上的内周侧磁隙259是由两个凸部261形成的凹部。在此，所谓形成外周侧磁隙258或内周侧磁隙259的凹部，是在永久磁铁的端面与磁铁插入孔相对的区域内，从永久磁铁的端面与磁铁插入孔最接近的凸部的顶点向转子铁心侧凹陷的区域。

这样，通过在永久磁铁254的磁化方向的上下形成磁隙258、259，磁阻大的空隙的区域增加，其结果，通过d轴的磁通的磁阻变大，由此，更加磁性地凹陷，产生磁通的通过容易度的差，因此，能够增大磁阻转矩。

另一方面，无负载时的感应电压与磁铁磁通存在比例关系，磁铁磁通越大，无负载时的感应电压越高。在本实施方式的旋转电机中，通过设置磁隙258、259，空气间隙模性拟地扩大，磁转矩及无负载时的感应电压降低。换言之，通过磁隙258、259减弱永久磁铁的磁通，因此能够抑制受到磁通的影响的无负载时的感应电压的上升。作为旋转电机的转矩，虽然磁转矩降低，但通过磁阻转矩增加，整体上能够抑制转矩的降低。这样，通过使不影响无负载时的感应电压的磁阻转矩相对提高，能够抑制无负载时的感应电压并实现高转矩化。

接着，对外周侧磁隙258和内周侧磁隙259的形状进行说明。如图6所示，将垂直于外周侧磁隙258的磁化方向的方向的宽度设为w1，将平行于外周侧磁隙258的磁化方向的方向的深度设为d1，将垂直于内周侧磁隙259的磁化方向的方向的宽度设为w2，将平行于内周侧磁隙259的磁化方向的方向的深度设为d2来进行说明。作为位于定子侧的外周侧磁隙258的形状，因形状而产生的磁通密度的变化容易对转矩脉动的产生造成影响。这是因为，根据永久磁铁254a的产生磁通的外周侧端面262的磁通的疏密，高次谐波变大，转矩脉动容易恶化。因此，优选外周侧磁隙258的宽度w1尽可能宽，深度d1设定得浅，设为容易抑制转矩脉动产生的形状。并且，将提高磁阻转矩所需的磁隙设定为内周侧磁隙259的深度d2。另外，作为内周侧磁隙259的宽度w2，优选与外周侧磁隙258的宽度w1同样地设定得尽可能宽，但在存在永久磁铁254的定位部(例如，用于规定内周侧端面263的两端的位置的凸部)等的限制的情况下，也可以设定得窄。在将宽度w2设得比宽度w1窄的情况下，优选将深度d2设定为比深度d1深。根据以上所述，作为各自的深度、宽度的关系，优选w1≥w2且d1≤d2。另外，从减少转矩脉动的观点出发，更优选w1≥w2且d1<d2。这样，通过设置外周侧磁隙258、内周侧磁隙259，能够抑制无负载时的感应电压，并且实现高转矩、低转矩脉动化。

另外，从抑制无负载时的感应电压的上升并谋求高转矩化的观点出发，作为各自的深度、宽度的关系，也可以设为与上述相反的w1≤w2且d1≥d2、甚至w1≤w2且d1>d2。

在本实施例中，外周侧磁隙258和内周侧磁隙259分别由两个凸部(260或261)形成，但即使凸部有两个以上的多个，也能够得到同样的效果。

此外，本发明不限于上述实施方式，包括各种变形例。例如，上述实施方式是为了易于理解地说明本发明而进行的详细说明，并不一定限定于具备所说明的全部构成。另外，可以将某实施方式的构成的一部分置换为其他实施方式的构成，另外，也可以在某实施方式的构成上增加其他实施方式的构成。另外，对于各实施方式的构成的一部分，可以进行其他构成的追加、删除、置换。

符号说明

200…旋转电机

230…定子

232…定子铁心

238…定子绕组

250、280…转子

252…转子铁心

253…磁铁插入孔

254…永久磁铁

257…孔空间

258…外周侧磁隙

259…内周侧磁隙

260、261…凸部。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种旋转电机的转子，其具备在设置于转子铁心上的磁铁插入孔中插入有永久磁铁的构成，该旋转电机的转子的特征在于,

所述永久磁铁具有在磁化方向上相对的外周侧端面和内周侧端面，

并且形成有：第一磁隙，其由与所述外周侧端面相对的区域中的磁铁插入孔的内壁面的凹部形成；以及

第二磁隙，其由与所述内周侧端面相对的区域中的磁铁插入孔的内壁面的凹部形成，

所述第二磁隙是形成在多个凸部之间的凹部，该多个凸部设置在磁铁插入孔的内壁面上、向内周侧端面突出。

2.根据权利要求1所述的旋转电机的转子，其特征在于,

所述第一磁隙的宽度(w1)和深度(d1)、所述第二磁隙的宽度(w2)和深度(d2)满足w1≥w2且d1≤d2、或w1≤w2且d1≥d2的关系。

3.根据权利要求1所述的旋转电机的转子，其特征在于,

所述第一磁隙的宽度(w1)和深度(d1)、所述第二磁隙的宽度(w2)和深度(d2)满足w1≥w2且d1<d2、或w1≤w2且d1>d2的关系。

4.一种旋转电机，其特征在于，具备：

权利要求1～3中任一项所述的转子；以及

定子，其具有定子铁心和定子绕组，

在所述定子铁心上隔着空隙可旋转地配置有所述转子。

说明或声明(按照条约第19条的修改)

修改说明：

1.申请人以图6及说明书第0042段落为依据对权利要求1进行了修改，并增加了“所述第二磁隙是形成在多个凸部之间的凹部，该多个凸部设置在磁铁插入孔的内壁面上、 向内周侧端面突出”的技术特征，该技术特征未被国际检索报告中的任一对比文件所公开、启示或给出动机。

现提交：

1、修改对照页1份，每份1页；

2、权利要求书修改替换页1份，每份1页。

Claims (4)

1.一种旋转电机的转子，其具备在设置于转子铁心上的磁铁插入孔中插入有永久磁铁的构成，该旋转电机的转子的特征在于,

所述永久磁铁具有在磁化方向上相对的第一端面和第二端面，

并且形成有：第一磁隙，其由与所述永久磁铁的第一端面相对的区域中的磁铁插入孔的内壁面的凹部形成；以及

第二磁隙，其由与所述永久磁铁的第二端面相对的区域中的磁铁插入孔的内壁面的凹部形成。

2.根据权利要求1所述的旋转电机的转子，其特征在于,

所述第一磁隙的宽度(w1)和深度(d1)、所述第二磁隙的宽度(w2)和深度(d2)满足w1≥w2且d1≤d2、或w1≤w2且d1≥d2的关系。

3.根据权利要求1所述的旋转电机的转子，其特征在于,

所述第一磁隙的宽度(w1)和深度(d1)、所述第二磁隙的宽度(w2)和深度(d2)满足w1≥w2且d1<d2、或w1≤w2且d1>d2的关系。

4.一种旋转电机，其特征在于，具备：

权利要求1～3中任一项所述的转子；以及

定子，其具有定子铁心和定子绕组，

在所述定子铁心上隔着空隙可旋转地配置有所述转子。

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