CN111327136B - 永磁铁和旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁铁。确认了即使在永磁铁的垂直基准面的尺寸不同的情况下表面磁通密度也几乎不发生变化，垂直基准面的尺寸偏差对表面磁通密度的影响不大。因此，即使在垂直基准面产生了尺寸偏差，也能够抑制IPM马达的特性偏差。

Description

永磁铁和旋转电机

技术领域

本发明涉及永磁铁和旋转电机。

背景技术

一直以来，作为旋转电机，已知一种内转子型马达，即在转子内部埋入有永磁铁的IPM马达(例如，日本特开2018－170940号公报)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2018－170940号公报

发明内容

作为IPM马达的被埋入转子内部的永磁铁，发明人并非对一直以来所采用的长方体状的永磁铁，而是对比长方体状的永磁铁更容易实现所期望的磁分布的具有拱形形状截面的永磁铁进行了反复研究。关于具有拱形形状截面的永磁铁，当在其表面存在平坦的基准面时，进行表面加工等时的位置确定就变得容易。另一方面，难以在磁铁表面以高尺寸精度形成上述基准面，在基准面上产生了尺寸偏差的情况下通常认为转子特性也产生偏差。

发明人经过深入研究，结果新发现了能够抑制转子特性的偏差并且容易形成基准面的技术。

依照本发明，提供能够抑制旋转电机的特性偏差并且容易形成基准面的永磁铁和旋转电机。

本发明的一方式的永磁铁具有由外弧、内弧、以及将所述外弧的端点与所述内弧的端点连结的一对端边形成的拱形形状的截面，具有垂直基准面，该垂直基准面设置在由所述内弧形成的内周面并且在所述截面中与所述内弧的张角的二等分线方向垂直。

发明人获得了以下发现，即即使在永磁铁的设置于内周面的垂直基准面的尺寸不同的情况下旋转电机的特性也几乎不产生偏差。即，即使在垂直基准面产生尺寸偏差，也能够抑制旋转电机的特性偏差。因此，利用上述永磁铁，能够抑制旋转电机的特性偏差并且容易地形成基准面。

另一方式的永磁铁在所述截面中以位于所述内弧侧的假想中心为基准以放射状地被磁化。

另一方式的永磁铁的内弧的张角θ的范围为10°≤θ≤90°。

本发明的一方式的旋转电机包括转子和定子，其中所述转子具有轴和以包围该轴的方式安装多个永磁铁的转子芯，该定子具有配置于该转子的外周的多个线圈，所述永磁铁具有由外弧、内弧、以及将所述外弧的端点与所述内弧的端点连结的一对端边形成的拱形形状的截面，且具有垂直基准面，该垂直基准面设置在由所述内弧形成的内周面并且在所述截面中与所述内弧的张角的二等分线方向垂直。

发明人获得了以下发现，即即使在永磁铁的设置于内周面的垂直基准面的尺寸不同的情况下旋转电机的特性也几乎不产生偏差。即，即使在垂直基准面产生尺寸偏差，也能够抑制旋转电机的特性偏差。因此，利用上述永磁铁，能够抑制旋转电机的特性偏差并且容易地形成永磁铁的基准面。

附图说明

图1是表示本发明之一实施方式的IPM马达的概略截面图。

图2是表示图1所示的IPM马达的主要部分放大图。

图3是表示图2所示的转子的图。

图4是图3所示的永磁铁的概略立体图。

图5是图4所示的永磁铁的概略截面图。

图6是表示模拟中使用的永磁铁的形状的概略截面图。

图7是表示模拟中使用的永磁铁的形状的概略截面图。

图8是表示永磁铁的角度位置与表面磁通密度之间的关系的曲线图。

图9是表示永磁铁的截面积与表面磁通密度之间的关系的曲线图。

图10是表示图4所示的形态的永磁铁的角度位置与表面磁通密度之间的关系的曲线图。

图11是表示图4所示的形态的永磁铁的基准面长度与表面磁通密度之间的关系的曲线图。

图12是表示图4所示的形态的永磁铁的基准面长度与表面磁通密度之间的关系的曲线图。

具体实施方式

下面，参照附图，对各种实施方式和实施例进行说明。此外，在各附图中，对相同或相当的部分标注相同的附图标记，省略重复的说明。

在以下所示的实施方式中，作为旋转电机，以马达(更详细而言，IPM马达)为例进行说明。图1表示实施方式的IPM马达1。在图1中，示出了IPM马达1的与旋转轴X正交的截面。IPM马达1是具有转子10和定子20，转子10位于定子20的内侧的内转子型的马达。在本实施方式中，IPM马达1具有8极32槽的结构。

转子10构成为包括轴12和转子芯14。

轴12具有圆柱状的形状，在图1的垂直于纸面的方向延伸。轴12例如由不锈钢等构成。

转子芯14具有圆筒状的形状，在内侧具有轴孔14a。轴12嵌入于转子芯14的轴孔14a内，转子芯14和轴12一体地绕旋转轴X旋转。转子芯14例如由层叠钢板构成。在本实施方式中，转子芯14的外径为76mm，内径为41.2mm。

如图2～4所示，转子芯14具有多个永磁铁30。多个永磁铁30可采用由相同的材料构成的永磁铁。在本实施方式中，各永磁铁30由稀土系永磁铁构成，例如可采用R－T－B系永磁铁。此外，其中可采用R－T－B系烧结磁铁。R－T－B系烧结磁铁具有由R₂T₁₄B晶体构成的颗粒(晶粒)和晶界。各永磁铁30不限于烧结磁铁，也可以为粘结磁铁或热加工磁铁。

R－T－B系烧结磁铁中的R表示稀土元素中的至少一种。所谓稀土元素，是指属于长周期型周期表的第IIIB族的Sc、Y、镧系元素。镧系元素例如包含La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等。R－T－B系烧结磁铁中的T表示Fe、或者Fe及Co。而且，也可以包含选自其他过渡金属元素的一种以上。R－T－B系烧结磁铁中的B表示硼(B)、或者硼(B)及碳(C)。

本实施方式的R－T－B系烧结磁铁也可以含有Cu或Al等。通过添加这些元素，可实现高矫顽力、高耐腐蚀性、或者改善磁特性的温度特性。

而且，本实施方式的R－T－B系烧结磁铁也可以含有作为重稀土元素的Dy、Tb、或其它们两者。重稀土元素也可以包含于晶粒和晶界中。重稀土元素在实质上不包含在晶粒中的情况下，也可以包含在晶界中。晶界中的重稀土元素的浓度也可以比晶粒中的浓度高。本实施方式的R－T－B系烧结磁铁也可以是重稀土元素扩散于晶界的R－T－B系烧结磁铁。重稀土元素扩散于晶界的R－T－B系烧结磁铁与没有扩散于晶界的R－T－B系烧结磁铁相比，能够以更少量的重稀土元素提高残余磁通密度及矫顽力。此外，在作为本实施方式的永磁铁30使用重稀土元素扩散于晶界的R－T－B系烧结磁铁的情况下，不使用在磁铁的一部分中重稀土元素扩散于晶界的R－T－B系烧结磁铁，而是使用在整个磁铁都扩散于晶界的R－T－B系烧结磁铁。通过采用这种结构，生产率提高，并且成本降低。

另外，在本实施方式的永磁铁30为R－T－B系永磁铁的情况下，R－T－B系永磁铁不限定于如上述那样通过进行烧结而制造的R－T－B系烧结磁铁。例如也可以是代替烧结，进行热成型和热加工制造的R－T－B系永磁铁。

当对在室温下使原料粉末成型而得到的冷成型体进行边加热边加压的热成型时，残留于冷成型体的气孔就消失，不通过烧结就能够致密化。而且，对通过热成型得到的成型体进行作为热加工的热挤压加工，由此能够得到具有所期望的形状并且具有磁各向异性的R－T－B系永磁铁。

各永磁铁30收纳在相对于转子10的旋转轴X平行延伸的磁铁用孔16内。磁铁用孔16的内侧尺寸设计为比后述的永磁铁30的外形尺寸稍大。因此，永磁铁30在磁铁用孔16内的位置、姿势不变。

定子20是以包围转子10的外周的方式设置的圆筒状部件。在定子20的内周侧配置有多个(在本实施方式中，32个)线圈22。多个线圈22关于转子10的旋转轴X以相等的角度间隔配置。当从未图示的逆变电路等对多个线圈22施加交流电压时，在定子20的内周侧产生旋转磁场。在本实施方式中，定子20的外径为200mm，内径为78mm。

在本实施方式中，转子10具有相同形状的八对永磁铁30，八对永磁铁30中的永磁铁30的对关于旋转轴X以相等的角度间隔配置。如图3所示，从旋转轴X的方向观察时，永磁铁30的各对相对于通过转子10的旋转轴X的假想线Q线对称地配置。具体而言，成对的永磁铁30以构成大致U字状(或大致V字状)的方式倾斜地配置，在与假想线Q正交的方向上稍微分开(例如5mm)。另外，在从旋转轴X的方向观察时，成对的永磁铁30都具有拱形的端面形状和截面形状，以其内弧侧朝向转子芯14的外周面14b的方式配置。在本实施方式中，成对的永磁铁30的后述的二等分线L以74°的角度相交。另外，在本实施方式中，永磁铁30没有露出转子芯14的外周面14b，而是内置在比外周面14b稍靠(例如2.2mm)内侧处。而且，在本实施方式中，定子20的四个线圈22与转子芯14的一对永磁铁30对应。

接下来，参照图4和图5，对永磁铁30的形状进行详细说明。

如图4所示，永磁铁30具有在一方向延伸的长条状的形状。永磁铁30以其延伸方向与转子10的旋转轴X平行的方式配置在转子芯14的磁铁用孔16内。永磁铁30的关于延伸方向的长度，作为一例为20mm。

如图5所示，永磁铁30的与延伸方向正交的截面形状和端面形状为拱形形状。更详细而言，永磁铁30具有由外弧42、内弧44、以及将外弧42的端点P1与内弧44的端点P2连结的一对端边46形成的拱形形状截面。在本实施方式中，外弧42的曲率中心O和内弧44的曲率中心O一致。但是，外弧42的曲率中心和内弧44的曲率中心在没有实用性问题的范围内可允许有些许偏离。永磁铁30的截面形状除了说成拱形形状以外，也可说成扇形、圆弧状、弓状、C字状、或U字状。

永磁铁30的外表面由在延伸方向上对置的一对端面31、由外弧42形成的外周面32、由内弧44形成的内周面34、由端边46形成的侧面36构成。

在图5所示的截面形状中，永磁铁30的内弧44的张角(中心角)θ选自10°≤θ≤90°的范围内。在本实施方式中，内弧44的张角θ为40°。此外，在本实施方式中，永磁铁30的外弧42的直径(外径)为37.5mm，内弧44的直径(内径)为30mm。永磁铁30的宽度尺寸W1是关于与二等分线L的方向正交的方向的永磁铁30的长度，与外弧42的两端点P1的间隔距离相等，作为一例为25.65mm。

永磁铁30在内周面34具有垂直基准面35。垂直基准面35是与内弧44的张角θ的二等分线L的方向垂直的面。垂直基准面35与二等分线L相交，并且相对于二等分线L具有对称性。关于与二等分线L的方向正交的方向的垂直基准面35的长度(以下，称为基准面长度)w，作为一例为8.2mm。垂直基准面35的基准面长度w取决于通过内弧44的端点P2且垂直于二等分线L的基准线L1与垂直基准面35之间的间隔距离d，间隔距离d越短，基准面长度w越长。内弧44的两端点P2的间隔距离W2，作为一例为20.5nm。

永磁铁30沿其径向被磁化。在本实施方式中，永磁铁30以外弧42和内弧44的曲率中心O为假想中心，以该假想中心为基准以放射状地磁化。假想中心只要在截面中位于内弧44侧即可，也可以不必为曲率中心O。永磁铁30的磁化可以在组装到转子芯14之前进行，也可以在组装于转子芯14的状态下进行。通过这样进行磁化，在永磁铁30的外周面32和内周面34形成磁极面。

在上述的永磁铁30中，垂直基准面35的尺寸根据基准线L1与垂直基准面35之间的间隔距离d而变化，永磁铁30的截面积和磁铁体积随着垂直基准面35的尺寸变化而变化。

发明人通过以下所示的模拟，确认了即使在永磁铁30的垂直基准面35的尺寸不同的情况下，也不影响IPM马达的特性。

下面，参照图6～9，对发明人进行的模拟的设定条件和结果进行说明。

在模拟中，使用有限元法，求出图3所示的沿基准线R从角度位置R0至角度位置R1的、一对永磁铁30的转子芯14的外周面14b上的磁通密度(表面磁通密度)，该基准线R是沿转子芯14的外周面14b的线。角度位置R0和角度位置R1是关于旋转轴X的角度位置，角度位置R0和角度位置R1相隔45°。

在本模拟中，使用了具有永磁铁30的形状的试样1、具有图6所示的形状的试样2、具有图7所示的形状的试样3。

图6所示的永磁铁仅在外周面32上具有垂直基准面33这一点上与永磁铁30不同。垂直基准面33是与内弧44的张角θ的二等分线L的方向垂直的面，是与垂直基准面35平行的面。垂直基准面33与二等分线L相交，且相对于二等分线L具有对称性。垂直基准面33位于比外弧42的端点P1靠外侧(即，远离内弧44的一侧)处。关于与二等分线L的方向正交的方向的垂直基准面33的长度w，作为一例为9mm。

图7所示的永磁铁仅在外周面32上具有垂直基准面33这一点和在侧面36分别具有平行基准面37这一点上与永磁铁30不同。平行基准面37是与内弧44的张角θ的二等分线L的方向平行的面。平行基准面37位于比内弧44的端点P2靠外侧(即，远离二等分线L的一侧)处。关于二等分线L的方向的平行基准面37的长度h，作为一例为3.96mm。

此外，为了进行比较，在本模拟中，使用了不具有平行基准面37及垂直基准面33的形状的试样0。

模拟的结果如图8的曲线图所示。在图8的曲线图中，横轴表示以角度位置R0为基准的相对角度位置，纵轴表示各试样的表面磁通密度相对于试样0的表面磁通密度的比例。

根据图8的曲线图，在试样1～3的表面磁通密度的任一者中，都不能确认到与试样0的表面磁通密度的偏离。

图9的曲线图是表示规定的角度位置处的各试样的表面磁通密度的曲线图。图9的曲线图表示以角度位置R0为基准的相对角度位置为22.5°(即，角度位置R0与角度位置R1的中间位置)处的各试样的表面磁通密度。在图9的曲线图中，横轴表示各试样的截面积相对于试样0的截面积的比例，纵轴表示各试样的表面磁通密度相对于试样0的表面磁通密度的比例。

根据图9的曲线图，确认了试样1的截面积比试样0的截面积大，但试样1的表面磁通密度与试样0的表面磁通密度相同。关于试样2和试样3，确认了从试样0的表面磁通密度下降的程度比试样1大。

根据以上的模拟结果，确认了具有垂直基准面35的形状的试样1～3中的任一试样的表面磁通密度都与不具有平行基准面37及垂直基准面33的形状的试样0的表面磁通密度相同。特别是在仅具有垂直基准面35的形状的试样1中，确认了其表面磁通密度与试样0的表面磁通密度极其接近。

另外，发明人为了确认垂直基准面35的基准面长度w与表面磁通密度之间的关系，使用垂直基准面35的基准面长度w相对于内弧44的两端点P2的间隔距离W2的比例(w/W2)不同的多个试样1，在与上述相同的设定条件下测量了表面磁通密度。其结果如图10的曲线图所示。在图10的曲线图中，横轴表示以角度位置R0为基准的相对角度位置，纵轴表示各试样的表面磁通密度相对于试样0的表面磁通密度的比例。

在本模拟中，使用了垂直基准面35的基准面长度w的比例(w/W2)分别为0.49、0.60、1.00的试样11～13。此外，为了进行比较，使用了垂直基准面35的基准面长度w的比例(w/W2)为0的试样(即，不具有垂直基准面35的形状的试样0)。

由图10的曲线图可知，试样11～13的表面磁通密度与试样0的表面磁通密度没有较大的偏离。尤其是在一对永磁铁各自的磁通较为集中的角度位置10～35°中，试样11～13的表面磁通密度与试样0的表面磁通密度大致相同。

图11和图12的曲线图是表示规定的角度位置处的各试样的表面磁通密度的曲线图。图11的曲线图表示以角度位置R0为基准的相对角度位置为22.5°处的各试样的表面磁通密度，图12的曲线图表示以角度位置R0为基准的相对角度位置为25.625°处的各试样的表面磁通密度。在图11和图12的曲线图中，横轴表示各试样的垂直基准面35的基准面长度w的比例(w/W2)，纵轴表示各试样的表面磁通密度相对于试样0的表面磁通密度的比例。

根据图11和图12的曲线图可知，试样11～13在任意角度位置(22.5°和25.625°)处，其表面磁通密度都与试样0的表面磁通密度相同。

根据以上的模拟结果，确认了即使在永磁铁30的垂直基准面35的尺寸不同的情况下表面磁通密度也几乎不变化，垂直基准面35的尺寸偏差对表面磁通密度的影响不大。

因此，即使在垂直基准面35上产生尺寸偏差，也能够抑制IPM马达1的特性偏差。

另外，由于不一定必须以高尺寸精度形成垂直基准面35，因此位置确定作业或加工作业都变得容易，能够容易地形成垂直基准面35。

而且，即使在设计永磁铁30来得到所希望的马达特性的情况下，也能够某种程度自由地选择垂直基准面35的尺寸。这意味着永磁铁30的内周面34的形状自由度高。

本发明的转子不限于上述的实施方式，可以进行各种变形。

例如，IPM马达的极数或槽数可以适当增减。此外，在上述的实施方式中，对旋转电机的一种即马达(电动机)进行了说明，但本发明也可应用于旋转电机的一种即发电机。

Claims (4)

1.一种永磁铁，其特征在于：

具有由外弧、内弧、以及将所述外弧的端点与所述内弧的端点连结的一对端边形成的拱形形状的截面，

具有垂直基准面，该垂直基准面设置在由所述内弧形成的内周面并且在所述截面中与所述内弧的张角的二等分线方向垂直，

所述垂直基准面的基准面长度相对于所述内弧的两端点的间隔距离的比例为0.49～1.00。

2.如权利要求1所述的永磁铁，其特征在于：

该永磁铁在所述截面中以位于所述内弧侧的假想中心为基准以放射状地被磁化。

3.如权利要求1或2所述的永磁铁，其特征在于：

所述内弧的张角θ的范围为10°≤θ≤90°。

4.一种旋转电机，其特征在于：

包括转子和定子，其中所述转子具有轴和以包围该轴的方式安装多个永磁铁的转子芯，该定子具有配置于该转子的外周的多个线圈，

所述永磁铁具有由外弧、内弧、以及将所述外弧的端点与所述内弧的端点连结的一对端边形成的拱形形状的截面，且具有垂直基准面，该垂直基准面设置在由所述内弧形成的内周面并且在所述截面中与所述内弧的张角的二等分线方向垂直，

所述垂直基准面的基准面长度相对于所述内弧的两端点的间隔距离的比例为0.49～1.00。

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