CN111466066A - 旋转电机 - Google Patents

Abstract

根据实施方式，旋转电机具备定子和转子(14)，所述转子具备具有与定子隔开间隙地对置的外周面的转子铁芯(24)以及设于各磁极的多个永久磁铁(26)，并且所述转子被设置为绕中心轴线旋转自如。转子铁芯具有：在各磁极被设于d轴d的两侧并分别装填有永久磁铁的两个埋入孔(34)；以及在分别包含q轴的位置形成于外周面的多个槽(50)。在将沿着外周面的槽的极弧度设为A，将槽的深度设为B，将分别与两个埋入孔或者永久磁铁的外周侧端相接并且穿过中心轴线的一对假想直线之间的极弧度设为C，将转子铁芯的外接圆的半径设为R的情况下，各槽形成为满足以下关系：0.05＜A＜0.075、0.005＜B/R＜0.027。

Description

旋转电机

技术领域

本发明的实施方式涉及在转子设有永久磁铁的旋转电机。

背景技术

近年，由于永久磁铁的备受瞩目的研究开发，高磁能积的永久磁铁被开发出来，使用了这样的永久磁铁的永磁式的旋转电机正在被用作火车、汽车的电动机或者发电机。通常，永磁式的旋转电机具备圆筒状的定子和旋转自如地被支承于该定子的内侧的圆柱形状的转子。转子具备转子铁芯和埋入该转子铁芯内的多个永久磁铁。

对于这样的永磁式的旋转电机，提出了以下方案：在各磁极，以从内周面侧朝向外周面侧展开的方式对称地配置一对永久磁铁，由此来形成除了能够利用磁转矩(magnettouque)以外还能够利用磁阻转矩(reluctance torque)的磁回路。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5278003号公报

专利文献2：日本专利第4490047号公报

专利文献3：日本特开2014－75882号公报

发明内容

发明所要解决的问题

在使用旋转电机来作为车辆等移动体的驱动源的情况下，为了谋求燃料效率的提高，要求高效率的旋转电机。

本发明的实施方式的课题在于提供一种能够提高效率的永磁式的旋转电机。

用于解决问题的方案

根据实施方式，旋转电机具备定子和转子，所述转子具备转子铁芯和多个永久磁铁，绕中心轴线旋转自如地被设置，所述转子铁芯具有与上述定子隔开间隙地对置的外周面和沿着上述外周面排列的多个磁极，所述多个永久磁铁被设于上述各磁极。在上述转子铁芯中，将穿过相邻的2个磁极间的边界以及上述中心轴线且在放射方向上延伸的轴设为q轴，将相对于上述q轴成90度电角度的轴设为d轴时，上述转子铁芯具有：在各磁极中被设于上述d轴的两侧并分别装填有上述永久磁铁的两个埋入孔；以及在分别包含上述q轴的位置形成于上述外周面并向上述转子铁芯的内周侧突出的多个槽。上述两个埋入孔以及两个永久磁铁具有与上述d轴相邻的内周侧端和与上述外周面相邻的外周侧端，被配置为关于上述d轴而言线对称，并且被配置为随着从上述内周侧端朝向外周侧端，距上述d轴的距离逐渐变大。在将沿着上述外周面的上述槽的极弧度设为A、将上述槽的距上述外周面的深度设为B、将与上述转子铁芯的外周相接的外接圆的半径设为R的情况下，上述各槽形成为满足以下关系：0.05＜A＜0.075，0.005＜B/R＜0.027。

附图说明

图1为实施方式的永磁式的旋转电机的横截面图。

图2为放大表示上述旋转电机的转子的一部分的剖视图。

图3为表示上述旋转电机的转子铁芯以及永久磁铁的立体图。

图4A为表示上述槽的极弧度与(铁损变化比例/转矩变化比例)的关系的图。

图4B为表示上述槽的极弧度与旋转电机的效率的关系的图。

图5为表示上述转子铁芯的槽的深度与效率的关系的图。

图6为表示槽深度B相对于上述转子铁芯的外接圆的半径R的比例(B/R)和铁损的关系的图。

图7为表示槽深度B相对于上述转子铁芯的外接圆的半径R的比例(B/R)和铜损的关系的图。

图8表示槽深度B相对于上述转子铁芯的外接圆的半径R的比例(B/R)和电机损耗(motor loss)的关系的图。

图9为示意地表示定子铁芯的一部分的剖视图。

图10为表示上述旋转电机的多处的焦耳热损耗(Joule heat loss)的变化比例的图。

具体实施方式

以下，参照附图，对多种实施方式加以说明。另外，对于贯穿实施方式的共同的构成赋予相同的符号，省略重复的说明。此外，各图是用于实施方式和促进对其理解的示意图，其形状和尺寸、比例等与实际的装置有差异之处，但这些都能够参考以下的说明和公知的技术来适当地进行设计变更。

图1为实施方式的永磁式的旋转电机的横截面图，图2为放大表示转子的一部分的剖视图，图3为表示转子的立体图。

如图1所示，旋转电机10例如被构成为内转子(inner rotor)式的旋转电机，具备：被未作图示的固定框支承的环状或者圆筒状的定子12；以及绕中心轴线CL旋转自如地被支承于定子的内侧并且以与定子12同轴的方式被支承的转子14。旋转电机10例如在混合动力汽车(HEV)、电动汽车(EV)中，优选被应用于驱动电机或者发电机。

定子12具备圆筒状的定子铁芯16和卷绕于定子铁芯16的电枢绕组18。定子铁芯16通过同芯状地层叠多张例如硅钢等圆环状的电磁钢板这样的磁性材料来构成。在定子铁芯16的内周部形成有多个狭槽20。多个狭槽20在圆周方向隔开等间隔地排列。各狭槽20在定子铁芯16的内周面开口，从该内周面向放射方向延伸出。此外，各狭槽20沿定子铁芯16的轴向的全长延伸。通过形成多个狭槽20，定子铁芯16的内周部构成与转子14面对的多个(例如，本实施方式中为48个)定子齿21。电枢绕组18被埋入多个狭槽20，并被卷绕于各定子齿21。通过使电流向电枢绕组18流动，在定子12(定子齿21)形成规定的交链磁通。

如图1以及图3所示，转子14具有：两端被未作图示的轴承旋转自如地支承的圆柱形状的轴(旋转轴)22；固定于该轴22的轴向大致中央部的圆筒形状的转子铁芯24；以及埋入转子铁芯24内的多个永久磁铁26。转子14与定子12的内侧隔开少许间隙地同轴配置。即，转子14的外周面与定子12的内周面隔开少许间隙地对置。转子铁芯24具有与中心轴线CL同轴地形成的内孔25。轴22插通并嵌合于内孔25，与转子铁芯24同轴地延伸。转子铁芯24被构成为同芯状地层叠多张例如硅钢等圆环状的电磁钢板24a这样的磁性材料而成的层叠体。

在本实施方式中，转子14被设定为多个磁极，例如，被设定为八个磁极。在转子铁芯24，将相邻的2个磁极间的边界以及穿过中心轴线CL并在径向或者放射方向延伸的轴称为q轴，并将相对于q轴成90°电角度的轴称为d轴(磁极中心轴)。在此，将由定子12形成的交链磁通容易流动的方向称为q轴。d轴以及q轴在转子铁芯24的圆周方向交替地且以规定的相位设置。转子铁芯24的一个磁极是指q轴间的区域(1/8周的周角区域)。因此，转子铁芯24构成八个极(磁极)。一个磁极中的周向中央称为d轴。

如图1以及图2所示，在转子铁芯24，每一个磁极埋设有两个永久磁铁26。在转子铁芯24的圆周方向，在各d轴的两侧形成有与永久磁铁26的形状对应的形状的磁铁埋入孔(以下，称为埋入孔)34。两个永久磁铁26分别被装填并配置于埋入孔34内。永久磁铁26例如也可以通过粘接剂等被固定于转子铁芯24。

各埋入孔34在轴向贯通转子铁芯24地延伸。埋入孔34具有大致矩形的截面形状，并分别相对于d轴倾斜。在以与转子铁芯24的中心轴线CL正交的截面观察的情况下，两个埋入孔34例如呈大致V字形地排列配置。即，两个埋入孔34的内周侧端分别与d轴相邻，隔开少许间隙地相互对置。在转子铁芯24中，在两个埋入孔34的内周侧端之间形成有宽度狭的磁路狭窄部(桥梁部)36。两个埋入孔34的外周侧端沿着转子铁芯24的圆周方向与d轴分离，并位于转子铁芯24的外周面的附近以及q轴的附近。由此，埋入孔34的外周侧端隔着q轴与相邻的磁极的埋入孔34的外周侧端对置。在转子铁芯24，在各埋入孔34的外周侧端与转子铁芯24的外周面之间形成有宽度狭的磁路狭窄部(桥梁部)38。像这样，两个埋入孔34被配置为随着从内周侧端朝向外周侧端，与d轴的距离逐渐扩大。

如图2以及图3所示，永久磁铁26被装填于各埋入孔34，从而被埋入转子铁芯24。永久磁铁26例如横截面形成为矩形状的细长平板状，具有相互平行地对置的第一表面和第二表面(背面)以及相互对置的一对侧面。永久磁铁26具有与转子铁芯24的轴向长度大致相等的长度L1。永久磁铁26可以通过在轴向(长尺寸方向)将分割成多个的磁铁组合起来构成，该情况下，永久磁铁26被形成为多个磁铁的合计长度与转子铁芯24的轴向长度大致相等。各永久磁铁26遍及转子铁芯24的大致全长地埋入。将永久磁铁26的磁化方向设为与永久磁铁26的表面以及背面正交的方向。

如图2所示，各埋入孔34具有：与永久磁铁26的截面形状对应的矩形状的装填区域34a；从该装填区域34a的长尺寸方向的两端分别延伸出的两个空隙(内周侧空隙34b以及外周侧空隙34c)；以及，在装填区域34a的长尺寸方向两端处从埋入孔34的内周侧端面35a向埋入孔34内突出的一对卡止凸部34d。

在平坦的矩形状的内周侧端面35a与和该内周侧端面35a平行地对置的平坦的矩形状的外周侧端面35b之间规定出装填区域34a。内周侧空隙34b由第一内侧面44a、第二内侧面44b以及第三内侧面44c规定出。第一内侧面44a从装填区域34a的外周侧端面35b的一端(d轴侧的端)朝向d轴延伸。第二内侧面44b从装填区域34a的内周侧端面35a的一端(d轴侧的端，在此为卡止凸部34d)朝向转子铁芯24的中心轴线CL与d轴大致平行地延伸出。第三内侧面44c跨于第一内侧面44a的伸出端和第二内侧面44b的伸出端，与d轴大致平行地延伸出。另外，第三内侧面44c的两端部经由圆弧面与第一内侧面44a以及第二内侧面44b相连。两个埋入孔34的内周侧空隙34b的第三内侧面44b彼此隔着d轴以及桥梁部36相互对置地配置。

外周侧空隙34c由第一内侧面46a、第二内侧面46b以及第三内侧面46c规定出。第一内侧面46a从装填区域34a的外周侧端面35b的另一端(转子铁芯外周面侧的端)朝向转子铁芯24的外周面延伸出。第二内侧面46b从装填区域34a的内周侧端面35a的另一端(转子铁芯外周面侧的端，在此为卡止凸部34d)朝向转子铁芯24的外周面延伸出。第三内侧面46c跨于第一内侧面46a的伸出端和第二内侧面46b的伸出端，并沿着转子铁芯24的外周面延伸出。在第三内侧面46c与转子铁芯24的外周面之间规定出桥梁部38。

内周侧空隙34b以及外周侧空隙34c作为抑制从永久磁铁26的长尺寸方向两端部向转子铁芯24的磁通泄漏的隔磁桥(flux barrier)发挥功能，还有利于转子铁芯24的轻量化。

永久磁铁26装填于埋入孔34的装填区域34a，第一表面与内周侧端面35a抵接，第二表面与外周侧端面35b抵接。永久磁铁26的一对角部分别与卡止凸部34d抵接。由此，永久磁铁26被定位于装填区域34a内。永久磁铁26也可以通过粘接剂等被固定于转子铁芯24。位于各d轴的两侧的两个永久磁铁26呈大致V字形地排列配置。即，两个永久磁铁26被配置为随着从内周侧端朝向外周侧端，与d轴的距离逐渐扩大。

各永久磁铁26在垂直于第一表面以及第二表面的方向被磁化。位于各d轴的两侧的两个永久磁铁26，即构成一个磁极的两个永久磁铁26被配置为磁化方向相同。此外，位于各q轴的两侧的两个永久磁铁26被配置为磁化方向反向。通过像上述这样地配置多个永久磁铁26，在转子铁芯24的外周部，各d轴上的区域集中形成一个磁极40，各q轴上的区域集中形成磁极间部42。在本实施方式中，旋转电机10构成永久磁铁埋入式的旋转电机，该旋转电机中，按相邻的一个磁极40交替地配置永久磁铁26的N极和S极的正反，具有八个极(四个极对)且在48个狭槽内以单层分布卷绕方式形成绕组。

如图1以及图2所示，在转子铁芯24形成有多个空隙孔(空洞部)30。空隙孔30分别在轴向贯通转子铁芯24地延伸。空隙孔30分别在q轴上位于转子铁芯24的径向大致中央，并设于相邻的磁极的两个埋入孔34之间。空隙孔30具有例如三角形这样的多边形的截面形状。空隙孔30的截面具有与q轴正交的一个边和分别与埋入孔34隔开间隔地对置的两个边。空隙孔30作为使磁通难以通过的隔磁桥发挥功能，并且限制定子12的交链磁通的流动和永久磁铁26的磁通的流动。此外，通过形成空隙孔30，能够谋求转子铁芯24的轻量化。

如图2以及图3所示，在本实施方式中，在转子铁芯24的外周面形成有多个槽50。槽50在分别包含q轴的位置形成于外周面。此外，槽50遍及转子铁芯24的轴向的全长地与中心轴线CL平行地延伸。

如图2所示，槽50形成于包含q轴与外周面的交点P的位置，并从外周面向中心轴线侧CL侧突出。在本实施方式中，槽50形成为具有圆弧状的底面的槽。槽50的底面设为中心位于q轴上的圆弧形状。即，设成了圆弧的顶点成为位于q轴上的底面且q轴上的位置最深的最深部的槽50。

槽50形成为在转子铁芯24的径向不与埋入孔34(在此为外周侧空隙34c)以及永久磁铁26重叠的大小(宽度)。例如，在图2中，在将与埋入孔34或者永久磁铁26的外周侧端相接，在本实施方式中与外周侧空隙34c的外周侧端相接，并且穿过中心轴线CL的假想直线L1与转子铁芯24的外周面的交点设为Q的情况下，槽50的侧缘(宽度方向的一端)设为从Q点向q轴侧错位。

在将与沿着槽50的外周面的宽度相当的槽50的极弧度设为A，将槽50距离外周面的深度(最大深度)设为B，将位于d轴的两侧的一对假想直线L1间的极弧度设为C，将与转子铁芯24的外周相接的外接圆的半径设为R的情况下，各槽50形成为满足以下关系。

0.05＜A＜0.075，0.005＜B/R＜0.027

如上所述，通过在转子铁芯24的外周面设置槽50，能够减少旋转电机10的铁损，实现效率提高。图4A表示旋转电机10的铁损的变化比例/转矩的变化比例(相当于旋转电机的效率)与槽的极弧度A的关系。图4B为表示槽50的极弧度A与旋转电机10的效率提高值之间的关系的图。如图4A所示，可知在q轴上设有槽50的情况下，通过增大与槽50的宽度相当的极弧度A，(铁损变化比例/转矩变化比例)从1起单调地增加，即旋转电机的效率提高。但是，若极弧度A增大到一定的大小，例如，若极弧度变为0.08，则这之后铁损减少的效果达到顶点。这时，槽50的宽度扩大到与假想直线L1和外周面的交点Q相交的位置或包含Q点的位置，即，这时，槽50位于与外周侧空隙34c或者永久磁铁26在径向重叠的位置，这样的极弧度A的区域成为无法期待铁损相对于转矩的变化的减少量的区域。因此，在本实施方式中，槽50的极弧度A基于位于d轴的两侧的一对假想直线L1间的极弧度C，将(0.5－C)≈0.075设定为上限。在此，(0.5)相当于一个磁极的极弧度，即相邻的两个q轴间的极弧度。

极弧度A与旋转电机的效率之间的关系如图4B所示，若极弧度A变为大于0.05，则效率提高值增加，即效率提高。但是，即使极弧度A比之前的探讨(图4A)进一步增加，若极弧度A超过基于位于d轴的两侧的一对假想直线L1之间的极弧度C而计算出的(0.5－C)，相对于转矩的变化的铁损的减少量是不优选的。此外，若超过该值，槽50侵蚀磁路狭窄部38(桥梁部)，导致磁路狭窄部38变窄。因此，考虑到产生制造性的问题的可能性，将效率提高的上限设为(0.5－C)≈0.075。

在外周面设有槽50的情况下，铁损减少，而另一方面转矩也减小。因此，在以相同运转点进行探讨时，铜损上升。与旋转电机的效率相关的损耗成为铜损与铁损的合计。因此，需要考虑铁损以及铜损来设定槽50的深度B。图5表示对槽50的最适合深度进行探讨后的结果，表示槽深度B与转子铁芯24的外接圆的半径R的比例(B/R)和旋转电机的效率提高值的关系。根据该图，可知：通过将槽深度B(B/R)设为0.005＜(B/R)＜0.027的范围，具有效率改善效果。

图6、图7、图8分别表示槽深度B与转子铁芯24的外接圆的半径R的比例(B/R)和铁损、铜损以及电机损耗的关系。各图将未设有外周槽50的基础型的旋转电机的电机损耗设为1，对铁损值、铜损值进行标准化。此外，在图8中，设为铜损+铁损＝电机损耗。

因在转子铁芯24设置槽50，旋转电机的转矩减小。因此，为了在用于计算效率值的动作点(指定的转矩以及转速)输出与基础型的旋转电机相同的转矩，需要更大的电流。因此，施加于绕组的电流值变大，从而，如图7中所见，随着槽50变深，铜损增加。

关于铁损，如图6中所见，与基础型的旋转电机相比较，随着使槽50变深，铁损减少。可以想到：这是因为后述的定子齿中的涡流损耗的高阶成分减少。

并且，根据图6、图7、图8可知，通过设置槽50，与铜损值的增加量相比，铁损值的减少量更大，因此，与基础型的电机损耗相比，总体的电机损耗变小，其结果是效率变高。

对上述的铁损的减少进行说明。铁损可以分类为磁滞损耗(hysteresis loss)和涡流损耗。磁滞损耗是铁芯的磁区通过交变磁场改变磁场的朝向时的损耗，涡流损耗是由铁芯中产生的涡流所产生的损耗。可以想到：在本次探讨中，通过特别地减少后者的涡流损耗中的高次成分来减少铁损。

图10按阶表示旋转电机的定子齿、磁轭、转子铁芯(core)中的涡流损耗的变化比例。如图9所示，定子齿与形成于定子铁芯16的狭槽20间的齿21对应，磁轭19与狭槽20的外周端和定子铁芯16的外周面之间的区域对应。根据图10可知：在转子铁芯24的外周面设有槽50的情况下，各部分的涡流损耗减少。

对本实施方式的铁芯涡流损耗抑制原理进行说明。涡流损耗因铁芯内的磁通密度的时间变化而产生，在周期性的现象的情况下，与振幅和频率的各自的二次方成比例。与对旋转电机进行励磁的频率同步的磁通密度的变化是为了获得转矩而必不可少的，相对于此，高次谐波成分对产生转矩没有贡献，成为前述的涡流损耗的产生要因。在本实施方式中，通过设置适当的外周形状的槽50来抑制铁芯内的高次谐波磁通，由此谋求涡流损耗的减少。

此外，在本实施方式中，特别将在定子齿21产生的涡流损耗作为抑制对象，对作为其要因的高次谐波磁通抑制原理进行说明。作为基本的原理，由电枢反作用产生的磁通的特性由电枢反作用的磁通势与导磁率的积来决定。通过以频率fe的三相交流通电对电枢绕组进行励磁，会在某个定子齿21产生以与励磁电流相同的频率fe进行脉动的磁通势。此外，从上述磁通势来看的导磁率与转子的旋转同步地进行脉动。该旋转电机是一般的同步电动机，每一个励磁周期以两个极的量的机械角进行旋转。因此，导磁率以2f为基本频率进行脉动。导磁率中包含高次谐波成分，通过施加本实施方式中的弦切(face cut)(槽50)，以频率6fe进行脉动的高次谐波成分减少。由以频率fe进行脉动的磁通势和以频率6fe进行脉动的导磁率产生的高次谐波磁通因变调作用而以6fe±fe的频率出现。根据以上的原理，因五次、七次高次谐波成分引起的涡流损耗被抑制。

根据如上所述地构成的永磁式的旋转电机10，通过利用对电枢绕组18进行通电而从电枢绕组18产生的交链磁通与永久磁铁26的产生磁场的相互作用，转子14以轴22为中心进行旋转。旋转电机10除了通过因在定子12与永久磁铁26之间产生的吸引力和排斥力而产生的磁转矩被旋转驱动以外，还通过该磁转矩与欲使磁通所通过的磁路最短的磁阻转矩的总和转矩被旋转驱动。旋转电机10能够将通电输入的电能从与转子14一体旋转的轴22作为机械能输出。

在转子铁芯24的外周面中分别包含q轴的位置设置多个槽50，进而将各槽50设为满足0.05＜A＜0.075，0.005＜B/R＜0.027的关系的槽，由此，能够减少旋转电机10的铁损，谋求效率改善。

综上，根据本实施方式，能够获得能够提高效率的永磁式的旋转电机。

另外，本发明并不限于上述实施方式，可以在实施阶段在不脱离其主旨的范围内对构成要素进行变形来具体化。此外，能够通过上述实施方式中公开的多个构成要素的适当组合来形成各种发明。例如，可以从实施方式中所示的所有构成要素中删除一些构成要素。而且，可以对不同的实施方式中的构成要素适当地进行组合。

例如，转子的磁极数、尺寸、形状等不限于上述实施方式，可以根据设计进行各种变更。内周侧空隙、外周侧空隙以及空隙孔的截面形状不限于实施方式的形状，可以选择各种形状。在各磁极，永久磁铁的数量不限于一对，可以设为三个以上。

Claims (3)

1.一种旋转电机，

具备定子和转子，

所述转子具备转子铁芯和多个永久磁铁，绕中心轴线旋转自如地被设置，所述转子铁芯具有与上述定子隔开间隙地对置的外周面和沿着上述外周面排列的多个磁极，所述多个永久磁铁被设于上述各磁极，

在上述转子铁芯中，将穿过相邻的2个磁极间的边界以及上述中心轴线且在放射方向上延伸的轴设为q轴，将相对于上述q轴成90度电角度的轴设为d轴时，

上述转子铁芯具有：在各磁极中被设于上述d轴的两侧并分别装填有上述永久磁铁的两个埋入孔；以及在分别包含上述q轴的位置形成于上述外周面并向上述转子铁芯的内周侧突出的多个槽，

上述两个埋入孔以及两个永久磁铁具有与上述d轴相邻的内周侧端和与上述外周面相邻的外周侧端，被配置为关于上述d轴而言线对称，并且被配置为随着从上述内周侧端朝向外周侧端，距上述d轴的距离逐渐变大，

在将沿着上述外周面的上述槽的极弧度设为A、将上述槽的距上述外周面的深度设为B、将与上述转子铁芯的外周相接的外接圆的半径设为R的情况下，上述各槽形成为满足以下关系：

0.05＜A＜0.075，

0.005＜B/R＜0.027。

2.根据权利要求1所述的旋转电极，其中，

上述各槽通过中心位于上述q轴上的圆弧状的底面来规定。

3.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其中，

上述各槽沿着上述转子铁芯的轴向延伸。

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