CN111316537A - 永磁体式旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明所涉及的永磁体式旋转电机包括：形成为沿轴向贯通转子铁芯的磁体插入孔；插入上述磁体插入孔的永磁体；形成为从上述磁体插入孔向周向两侧突出并且沿轴向贯通上述转子铁芯的磁障；以及形成在上述转子铁芯的外周面的q轴上且从轴向的一端到达另一端的切口部，在将上述q轴上的最小铁材宽度设为C，并将上述切口部的周向宽度设为D时，上述C和D满足C<D的关系。

Description

永磁体式旋转电机

技术领域

本发明涉及永磁体式旋转电机，尤其涉及转子结构。

背景技术

为了使应用于工业用电动机、电动车、混合动力汽车等的旋转电机小型化、高输出化，而广泛使用不需要来自外部的励磁能量的永磁体式旋转电机。作为这种旋转电机的定子绕组结构，大致分为将线圈卷绕于一个齿部的集中绕组、将线圈跨多个齿部地卷绕的分布绕组这2种。集中绕组与分布绕组相比，线圈端部长度较短，因此能缩短电动机轴长。另一方面，集中绕组的定子产生的磁动势中含有对转矩没有贡献的低阶次的高次谐波分量，它们的影响会引起转矩脉动增加、具有低阶次的变形模式的电磁激振力产生等。而且，在电磁激振力与旋转电机的部件例如框架的谐振频率一致的特定的转速时，框架会发生谐振并产生噪音。

鉴于上述的情况，提出了一种在转子铁芯的外周面的q轴上设置切口部以降低转矩脉动的现有的永磁体式旋转电机(例如，参照专利文献1、2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2017-055560号公报

专利文献2：日本专利第5450472号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

专利文献1、2所记载的现有的永磁体式旋转电机具有降低转矩脉动的结构。然而，该结构并不一定能降低成为振动或噪音原因的齿部所产生的径向电磁力。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的是获得一种能降低成为振动或噪音原因的齿部所产生的径向电磁力的永磁体式旋转电机。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明所涉及的永磁体式旋转电机包括：定子，该定子具有定子铁芯和定子绕组，在所述定子铁芯中，沿周向排列有多个从圆环状的铁芯背部沿着径向突出的齿部，并在沿着周向相邻的所述齿部之间形成有槽部，所述定子绕组安装于所述定子铁芯；转子，该转子具有转子铁芯和永磁体，所述转子铁芯呈圆环状，与所述定子隔着磁空隙同轴地配置在所述定子的内周侧且能够旋转，所述永磁体在所述转子铁芯上沿着周向配置有多个并构成磁极。所述永磁体式旋转电机具备：磁体插入孔，该磁体插入孔形成为沿着轴向贯通所述转子铁芯，供所述永磁体插入；磁障，该磁障从所述磁体插入孔向周向两侧突出，并且沿着轴向贯通所述转子铁芯；以及切口部，该切口部形成在所述转子铁芯的外周面的q轴上并从轴向的一端到达另一端，在将所述q轴上的最小铁材宽度设为C，并将所述切口部的周向宽度设为D时，所述C和D满足C<D的关系。

发明效果

本发明中，切口部的周向宽度D大于q轴上的最小铁材宽度C。由此，能减小齿部所产生的径向电磁力，能抑制振动或噪音的产生。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式1所涉及的永磁体式旋转电机的横向剖视图。

图2是示出本发明的实施方式1所涉及的永磁体式旋转电机中的转子的永磁体周围的主要部分横向剖视图。

图3是示出使离心力作用于转子时产生的应力的分析结果的图，该转子使用了满足A>C的关系并且使铁芯的圆筒状的外周面和磁障的外径侧壁面平行的转子铁芯。

图4是示出使离心力作用于转子时产生的应力的分析结果的图，该转子使用了满足A>C的关系并且使铁芯的圆筒状的外周面和磁障的外径侧壁面之间的铁部的宽度随着靠近q轴而变大的转子铁芯。

图5是示出了使离心力作用于转子时产生的应力的分析结果的图，该转子使用了在图4的分析中所使用的转子铁芯上使从磁障的磁体插入孔突出的突出量减小并满足A<C的关系而得到的转子铁芯。

图6是示出了使离心力作用于转子时产生的应力的分析结果的图，该转子使用了在图4的分析中所使用的转子铁芯上形成切口部以使A<B而得到的转子铁芯。

图7是示出了搭载有图3的分析中所使用的转子的旋转电机在电流通电时产生的磁通线的分析结果的图。

图8是示出了搭载有图4的分析所使用的转子的旋转电机在电流通电时产生的磁通线的分析结果的图。

图9是示出了搭载有图6的分析所使用的转子的旋转电机在电流通电时产生的磁通线的分析结果的图。

图10是示出使转子铁芯的最小铁材宽度C变化而对齿部所产生的径向电磁力的分析结果的图。

图11是示出本发明的实施方式2所涉及的永磁体式旋转电机的横向剖视图。

图12是示出本发明的实施方式2所涉及的永磁体式旋转电机中的转子的永磁体周围的主要部分横向剖视图。

具体实施方式

实施方式1.

图1是示出本发明的实施方式1所涉及的永磁体式旋转电机的横向剖视图，图2是示出本发明的实施方式1所涉及的永磁体式旋转电机中的转子的永磁体周围的主要部分横向剖视图。另外，横向剖视图是示出与转子的轴心正交的截面的剖视图。此外，为了方便说明，图1及图2中省略了剖面线来进行图示。

图1中，永磁体式旋转电机1由定子10和转子20构成。

定子10由定子铁芯11、安装于定子铁芯11的定子绕组15构成。定子铁芯11由圆环状的铁芯背部12、形成于铁芯背部12的36个齿部13构成。36个齿部13分别从铁芯背部12的内周面朝径向内侧突出，沿周向以等角间距进行排列。形成于相邻的齿部13之间的空间成为槽部14。定子绕组15由分别卷绕于齿部13的36个集中绕组线圈16构成。对集中绕组线圈16进行接线，定子绕组15例如构成为三相绕组。

转子20由固定于插入到轴心位置的旋转轴22的转子铁芯21、以及安装于转子铁芯21的永磁体23构成。在转子铁芯21上沿着周向以等角间距形成有24个沿轴向贯通转子铁芯21的外周部的磁体插入孔24。各个磁体插入孔24分别插入1个永磁体23。对沿着周向排列的永磁体23进行磁化，以使得外周侧的极性沿着周向交替地成为N极和S极。1个永磁体23构成1个磁极。通过将由电磁钢板等磁性薄板冲压加工得到的磁性片层叠一体化来制作转子铁芯21。

永磁体式旋转电机1通过在定子10的内周侧与定子10之间隔着磁空隙且与定子10同轴地并且可旋转地配置转子20来构成。由此构成的永磁体式旋转电机成为24极36槽的旋转电机、即2极3槽系列的旋转电机。

这里，参照图2对转子20的主要部分的结构进行说明。

磁体插入孔24形成为大致长方形截面的孔形状，并使长方形截面的长边的长度方向朝着周向地将该磁体插入孔24配置于转子铁芯21的外周部。一对空隙部形成为从磁体插入孔24朝周向两侧突出。该空隙部成为磁障25。除磁体插入孔24的长方形截面的短边的内径侧部分以外，磁障25与磁体插入孔24连通。磁障25的外径侧的内壁面形成为从磁体插入孔24的外径侧的内壁面沿周向延伸，随着远离磁体插入孔24逐渐向内径侧进行位移的平缓的曲面。另外，可以在将永磁体23插入磁体插入孔24的状态下，在磁障25中填充清漆等。

永磁体23形成为与磁体插入孔24相同的长方形截面。利用磁体插入孔24的长方形截面的短边的内径侧部分来限制永磁体23的周向的移动，并将永磁体23分别收纳于磁体插入孔24。通过永磁体23的长方形截面的长边的长度方向的中央位置的半径方向为d轴。此外，通过周向上相邻的d轴之间的中央位置的半径方向为q轴。另外，d轴是永磁体23的磁通轴。q轴是与d轴电磁均正交的轴。

用于降低转矩脉动的切口部26使转子铁芯21的外周面凹陷，将槽方向设为轴向，并形成于q轴上。切口部26构成为单一的R形状、即将单一曲率半径的圆弧沿着轴向相连的槽形状。

这里，对于转子铁芯21的各部分的尺寸关系进行说明。A是磁体插入孔24与磁障25的外径侧的铁部中的最小铁材宽度，B是切口部26与磁障25之间的铁部中的最小铁材宽度，C是夹着q轴相对的磁障25间的铁部中的最小铁材宽度，D是切口部26的周向宽度。

首先，在对电磁钢板等磁性薄板进行冲压成形时，若使C小于磁性薄板的板厚的2倍，则冲孔精度变差。为了确保良好的冲孔精度，C优选为磁性薄板的板厚的2倍以上。该实施方式1中，将C设为磁性薄板的板厚的2倍。由此，提高转子铁芯21的加工性。

专利文献1、2中，切口部形成为复杂的R形状。该实施方式1中，切口部26形成为单一的R形状、即将单一曲率半径的圆弧沿着轴向相连的槽形状。由此，转子铁芯21的尺寸检查变得容易。

接着，在图3至图6中示出使离心力作用于使用了改变q轴周围形状的转子铁芯的转子时产生的应力的分析结果。

图3示出使离心力作用于转子时产生的应力的分析结果，该转子使用了满足A>C的关系并且使铁芯的圆筒状的外周面和磁障25的外径侧壁面平行的转子铁芯21A。另外，没有形成切口部26。

根据图3，确认了若使转子铁芯21A的外周面与磁障25的外径侧壁面平行，则应力集中在磁障25的q轴侧的角部附近。图3中，数字表示主应力最高的部位，并表示以图3的主应力的最大值作为基准的主应力的数值。

图4示出使离心力作用于转子时产生的应力的分析结果，该转子使用了满足A>C的关系并且使铁芯的圆筒状的外周面和磁障25的外径侧壁面之间的铁部的宽度随着靠近q轴而变大的转子铁芯21B。另外，没有形成切口部26。转子铁芯21B的A、C与图3的分析所使用的转子铁芯21A的A、C相同。

图4中，数字表示主应力最高的部位，并表示以图3的主应力的最大值作为基准的主应力的数值。根据图4，确认了即使转子铁芯21B的外周面与磁障25的外径侧壁面之间的铁部的最小铁材宽度A相同，转子铁芯21B相比于转子铁芯21A，将主应力减小了近6成。

图5示出了使离心力作用于转子时产生的应力的分析结果，该转子使用了在图4的分析中所使用的转子铁芯21B上使磁障25从磁体插入孔突出的突出量减小以满足A<C的关系而得到的转子铁芯21C。另外，没有形成切口部26。

图5中，数字表示主应力最高的部位，并表示以图3的主应力的最大值作为基准的主应力的数值。根据图5，确认了即使转子铁芯21C的外周面与磁障25的外径侧壁面之间的铁部的最小铁材宽度A相同，转子铁芯21C相比于转子铁芯21A，将主应力减小了近5成。然而，确认了转子铁芯21C相比于转子铁芯21B，主应力增加了。因此，可知为了降低作用于磁障25的主应力，在可进行加工的范围内，将沿周向相邻的磁障25间的最小铁材宽度C尽可能变窄即可。

图6示出了使离心力作用于转子时产生的应力的分析结果，该转子使用了在图4的分析中所使用的转子铁芯21B上形成切口部26以使A<B而得到的转子铁芯21。

图6中，数字表示主应力最高的部位，并表示以图3的主应力的最大值作为基准的主应力的数值。根据图6，确认了转子铁芯21可获得与转子铁芯21B等同的主应力分布。并且，根据图6，确认了转子铁芯21相比于转子铁芯21B，能够减小主应力。

根据图3至图6的分析结果，可知若满足A<B，则在将切口部26设置于q轴上的情况下，与不设置切口部26的情况相比，能减小由于离心力导致在转子铁芯上产生的应力。也就是说，可知通过在满足A<B的转子铁芯中设置切口部26，能使由于离心力导致在转子铁芯上产生的应力分散，减小主应力的峰值，并且能减小转矩脉动。并且，可知若满足B>A>C，则能进一步减小作用于磁障25的主应力。

接着，图7中示出了搭载有图3的分析中使用的转子的旋转电机在电流通电时产生的磁通线的分析结果。如图7的P部所示，可知从齿部13发出的磁通的一部分不通过转子铁芯21A而沿着周向流动，并与相邻的齿部13交链。可以认为这是因为转子铁芯21A的外周面与磁障25的外径侧壁面平行，从而转子铁芯21A的外周面与磁障25的外径侧壁面之间的铁部由于和该铁部进行交链的永磁体23的磁通而达到磁饱和。也就是说，可以认为是因为定子的磁通处于难以通过磁障25的外周侧的铁部的状态。因而，通过图7的P部的定子的磁通对转矩没有贡献，并且对齿部13的径向电磁力的产生也基本没有贡献。

图8中示出了搭载有图4的分析中使用的转子的旋转电机在电流通电时产生的磁束线的分析结果。如图8的P部所示，可知从齿部13发出的磁通的一部分通过转子铁芯21B的q轴上的表面，并与相邻的齿部13交链。可以认为这是因为转子铁芯21B的外周面与磁障25的外径侧壁面不平行，从而只有转子铁芯21B的外周面与磁障25的外径侧壁面之间的铁部的最小铁材宽度部由于和该铁部进行交链的永磁体23的磁通而达到磁饱和。也就是说，可以认为是因为定子的磁通处于容易通过磁障25的外周侧的铁部的状态。因而，通过图8的P部的定子的磁通仅对转子铁芯21B的表面的一部分进行交链，因此对转矩没有贡献。然而，通过图8的P部的定子的磁通沿着径向通过齿部13，因此在齿部13上产生径向电磁力。

图9中示出了搭载有图6的分析中使用的转子的旋转电机在电流通电时产生的磁束线的分析结果。如图9的P部所示，可知从齿部13发出的磁通的一部分不通过转子铁芯21，而与相邻的齿部13交链。在该旋转电机中，转子铁芯21的外周面与磁障25的外径侧壁面不平行，但在q轴上设置有切口部26。由此，可以认为是因为q轴上的定子与转子之间的磁空隙扩大，定子的磁通处于难以通过转子铁芯21的外周面与磁障25的外径侧壁面之间的铁部的状态。因而，通过图9的P部的定子的磁通对转矩没有贡献，并且能减小在齿部13上产生的径向电磁力。

根据图7至图9的分析结果可知，通过将切口部26设置于q轴上，从而能消除仅通过转子铁芯21的q轴上的表面的定子的磁通，减小在齿部13上产生的径向电磁力。

图10是示出使转子铁芯的最小铁材宽度C变化而在齿部产生的径向电磁力的分析结果的图。图10中，横轴是D/C，纵轴是在齿部产生的径向电磁力(6次分量)。此外，各条线表示C固定而D变化时在齿部产生的径向电磁力。此外，每条线的C是不同的。

一般，在旋转电机中，由于定子和转子之间的磁空隙导致产生电磁激振力，并由于该电磁激振力导致在定子的齿部产生径向电磁力。由于该径向电磁力，定子、定子周围的结构部件等发生振动，产生噪音。在定子的齿部产生各种时间分量的径向电磁力，例如定子的变形模式为0次，且时间分量为6次的径向电磁力。已知2极3槽系列的集中绕组永磁体式旋转电机中，尤其是变形模式为0次且时间分量为6次的径向电磁力的影响较大。

根据图10可知，若将C固定而使D变大，则在齿部产生的径向电磁力降低。而且，可知在D/C为1以下的区域中，随着D/C的值变大，在齿部产生的径向电磁力大幅下降，若D/C超过1，则随着D/C的值变大，在齿部产生的径向电磁力平缓地降低，若D/C为1.6以上，则在齿部产生的径向电磁力基本固定而与D/C的值无关。

因此，通过决定C和D中的一个，并决定另一个使得满足C<D，从而能减小在齿部产生的径向电磁力(6次分量)。并且，通过决定C和D以使得D/C≥1.6，从而能进一步减小在齿部产生的径向电磁力(6次分量)。由此，即使在q轴上设置切口部26，在设定C和D以使得满足D/C≤1的情况下，在齿部产生的径向电磁力的降低量也会变小，无法有效抑制振动或噪音的产生。因而，为了大幅降低在齿部产生的径向电磁力，有效抑制振动或噪音的产生，可以设定C、D以满足C＜D，进一步优选为设定C、D以满足D/C≥1.6。

实施方式2.

图11是示出本发明的实施方式2所涉及的永磁体式旋转电机的横向剖视图，图12是示出本发明的实施方式2所涉及的永磁体式旋转电机中的转子的永磁体周围的主要部分横向剖视图。此外，为了方便说明，图11及图12中省略了剖面线来进行图示。

图11中，永磁体式旋转电机1A由定子10和转子20A构成。即，除了使用转子20A代替转子20这点以外，永磁体式旋转电机1A具有与上述实施方式1的永磁体式旋转电机1相同的结构。

这里，参照图12对转子20A的主要部分的结构进行说明。

转子20A由固定于插入到轴心位置的旋转轴22的转子铁芯21A、以及安装于转子铁芯21A的永磁体23A构成。在转子铁芯21A中，沿着轴向贯通转子铁芯21A的外周部且具有大致长方形截面的磁体插入孔24A朝向旋转轴22的轴心凸起，配置成朝向转子铁芯21A的外周面分叉的V字形的成对的磁体插入孔24A沿周向以等角间距形成有24对。在磁体插入孔24A中分别插入有具有大致长方形截面的一个永磁体23A。插入一对磁体插入孔24A中的一对永磁体23被磁化，以使得相对的面即外周侧的面是同极性的。沿着周向排列的24对永磁体23A排列成每对的外周侧的极性沿着周向交替地为N极和S极。通过将由电磁钢板等磁性薄板冲压加工得到的磁性片层叠一体化来制作转子铁芯21A。

一对空隙部形成为从磁体插入孔24A朝周向两侧突出。该空隙部为磁障25Aa、25Ab。除了磁体插入孔24A的长方形截面的短边的内径侧的部分以外，磁障25Aa、25Ab与磁体插入孔24A连通。与磁体插入孔24A的外径侧连通的磁障25Aa的外径侧的内壁面形成为从磁体插入孔24A的外径侧的内壁面沿着周向延伸，并随着远离磁体插入孔24A逐渐向内径侧位移的平缓的曲面。另外，在将永磁体23A插入磁体插入孔24A的状态下，可以在磁障25Aa、25Ab中填充清漆等。

利用磁体插入孔24A的长方形截面的短边的内径侧的部分来限制永磁体23A的周向的移动，并将永磁体23A分别收纳于磁体插入孔24A。插入一对磁体插入孔24A的一对永磁体23A构成1个磁极。构成1个磁极的永磁体23A、磁体插入孔24A以及磁障25Aa、25Ab构成为以通过一对磁体插入孔24A之间的周向的中央位置并且包含旋转轴22的轴心的平面作为对称面的面对称。该对称面上的半径方向为d轴。此外，通过沿周向相邻的d轴之间的中央位置的半径方向为q轴。

用于降低转矩脉动的切口部26使转子铁芯21A的外周面凹陷，将槽方向设为轴向，并配置于q轴上。切口部26构成为单一的R形状。

这里，A是磁体插入孔24A与磁障25Aa的外径侧的铁部中的最小铁材宽度，B是切口部26与磁障25Aa之间的铁部中的最小铁材宽度，C是夹着q轴相对的磁障25Aa之间的铁部中的最小铁材宽度，D是切口部26的周向宽度。(图12中的“B”位置在俯视时稍许错开会更容易观察。)

实施方式2中，转子铁芯21A制作成满足A<B、C<D、并且A<C的关系。此外，C设为构成转子铁芯21A的磁性薄板的板厚的2倍。

因此，在实施方式2中，也能获得与上述实施方式1同样的效果。

另外，上述各实施方式中，使用24极36槽的集中卷绕永磁体式旋转电机，但只要是2极3槽系列的集中卷绕永磁体式旋转电机，则极数槽数不限定于此。

此外，上述各实施方式中，虽然使用2极3槽系列的集中卷绕永磁体式旋转电机，但即使使用4极3槽系列的集中卷绕永磁体式旋转电机，也能起到同样的效果。

标号说明

10 定子

11 定子铁芯

12 铁芯背部

13 齿部、轴

14 槽部

15 定子绕组

16 集中绕组线圈

20、20A 转子

21、21A 转子铁芯

23、23A 永磁体

24、24A 磁体插入孔

25、25Aa、25Ab 磁障

26 切口部。

Claims (7)

1.一种永磁体式旋转电机，包括：

定子，该定子具有定子铁芯和定子绕组，所述定子铁芯中，沿着周向排列有多个从圆环状的铁芯背部沿着径向突出的齿部，并且在沿着周向相邻的所述齿部之间形成有槽部，所述定子绕组安装于所述定子铁芯；以及

转子，该转子具有转子铁芯和永磁体，所述转子铁芯呈圆环状，与所述定子隔着磁空隙同轴地配置在所述定子的内周侧且能旋转，所述永磁体在所述转子铁芯上沿着周向配置有多个并构成磁极，

所述永磁体式旋转电机的特征在于，具备：

磁体插入孔，该磁体插入孔形成为沿着轴向贯通所述转子铁芯，供所述永磁体插入；

磁障，该磁障形成为从所述磁体插入孔向周向两侧突出，并且沿着轴向贯通所述转子铁芯；以及

切口部，该切口部形成在所述转子铁芯的外周面的q轴上，并从轴向的一端到达另一端，

在将所述q轴上的最小铁材宽度设为C，并将所述切口部的周向宽度设为D时，所述C和D满足C<D的关系。

2.如权利要求1所述的永磁体式旋转电机，其特征在于，

所述C和D满足D/C≥1.6的关系。

3.如权利要求1或2所述的永磁体式旋转电机，其特征在于，

在将所述磁体插入孔以及所述磁障的外径侧的最小铁材宽度设为A，将所述磁障与所述切口部之间的最小铁材宽度设为B时，所述A、B满足A<B的关系。

4.如权利要求3所述的永磁体式旋转电机，其特征在于，

所述A和C满足A>C的关系。

5.如权利要求1至4中任一项所述的永磁体式旋转电机，其特征在于，

所述定子绕组是由分别安装于所述齿部的集中绕组线圈构成的2极3槽系列或者4极3槽系列。

6.如权利要求1至5中任一项所述的永磁体式旋转电机，其特征在于，

所述切口部是沿着轴向将单一曲率半径的圆弧相连的槽形状。

7.如权利要求1至6中任一项所述的永磁体式旋转电机，其特征在于，

所述转子铁芯是磁性薄板的层叠体，

所述C在所述磁性薄板的板厚的2倍以上。

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