CN113381539B - 旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够既限制永久磁体的使用量又得到高转矩的旋转电机。由埋入转子芯(11)的辅助磁体(17A)和配置于比辅助磁体(17A)靠转子(10)的外周侧的至少一个主磁体(16A、16B)构成转子(10)的磁极(30)。在各磁极(30)，从与辅助磁体(17A)相对向的主磁体(16A、16B)的端部(16a、16b)到与主磁体(16A、16B)相对向的辅助磁体(17A)的距离比主磁体(17A)的在径向上的长度短。各磁极的主磁体(16A、16B)配置成在与旋转电机(1)的旋转轴C正交的剖面中相对于通过旋转轴C且线对称地划分辅助磁体(17A)的假想线L1非对称。

Description

旋转电机

技术领域

本发明涉及旋转电机，尤其涉及具有在转子芯埋入了永久磁体的转子和位于所述转子的外周的定子的旋转电机。

背景技术

以往，作为这种旋转电机，提出了具有将永久磁体埋入由软磁性材料构成的转子芯的转子、以及位于转子的外周的定子的旋转电机。永久磁体具有被磁化成转子的周向为磁化方向的第1磁体、以及被磁化成转子的径向为磁化方向的第2磁体。转子的各磁极具有第2磁体、以及与第2磁体接触的第1磁体(例如参照专利文献1)。

【在先技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开2014-103789号公报

发明内容

发明要解决的课题

可是，在专利文献1所记载的旋转电机中，相对于旋转电机输出的转矩来说，埋入转子的永久磁体的使用量多，所以，存在旋转电机的成本提高的倾向。

本发明是鉴于这样的问题而完成的，提供一种能够既限制永久磁体的使用量又得到高转矩的旋转电机。

用于解决课题的手段

鉴于所述课题，本发明的旋转电机具有在由软磁性材料构成的转子芯埋入了永久磁体的转子和位于所述转子的外周的定子；其特征在于，所述永久磁体由配置成磁化方向为所述转子的径向或周向的主磁体、以及配置成磁化方向为所述转子的径向的辅助磁体构成；所述辅助磁体以在与所述转子的旋转轴正交的剖面中环绕所述旋转轴的方式在所述转子芯中埋入多个；所述主磁体以从所述各辅助磁体向所述转子的外周方向延伸的方式埋入所述转子芯；所述转子的磁极绕所述旋转轴形成多个，所述各磁极具有所述各辅助磁体和比所述各辅助磁体靠所述转子的外周侧配置的至少一个所述主磁体；在所述各磁极，从与所述辅助磁体相对向的所述主磁体的端部到与所述主磁体相对向的所述辅助磁体的距离比所述主磁体的在所述径向上的长度短；所述各磁极的所述主磁体配置成，在与所述旋转轴正交的剖面中，相对于通过所述旋转轴且线对称地划分所述各磁极的所述辅助磁体的假想线，所述永久磁体的配置为非对称。

根据本发明的旋转电机，各磁极的主磁体在转子的径向或周向被磁化，辅助磁体在转子的径向被磁化。而且，在各磁极，各磁极的主磁体配置成相对于假想线而各磁极的永久磁体的配置为非对称。因此，从后述的解析结果也明确可知，在旋转电机的驱动时，朝向定子(的齿)的主磁体的磁通的矢量被来自辅助磁体的磁通所辅助，相对于转子的外周面的径向倾斜地形成。由此，从转子的外周面沿着转子的切线方向产生成为转子的驱动力的矢量，即使是更少的磁体量，也能够确保旋转电机的转矩。此外，由于从与辅助磁体相对向的主磁体的端部到与主磁体相对向的辅助磁体的距离比主磁体的在径向上的长度短，所以，减少在主磁体与辅助磁体之间磁通流动，由此能够进一步提高永久磁体的磁矩。

本发明中所说的“配置成磁化方向为转子的径向”是指磁体配置成该磁体(主磁体或辅助磁体)的至少一部分的磁化方向与转子的径向一致。而且，“配置成磁化方向为转子的周向”是指磁体配置成该磁体(主磁体)的磁化方向不与径向一致而是与转子的径向交叉。

作为更优选的方式，所述主磁体配置成所述转子的周向为磁化方向。在此，从发明者的解析结果也明确可知，在主磁体配置成转子的径向为磁化方向的情况下，主磁体的磁通难以形成为形成于磁极的磁通的矢量相对于转子的外周面的径向倾斜。在该方式中，由于主磁体配置成转子的周向为磁化方向，所以，易于形成为主磁体的磁通的矢量相对于转子的径向倾斜。结果，能够通过该倾斜的磁通的矢量而提高旋转电机的转矩。

作为更优选的方式，所述各磁极具有2个以上的所述主磁体，在各主磁体之间配置有所述软磁性材料。由此，能够在主磁体之间的软磁性材料流动磁通，所以，能够用更少的磁体量来提高旋转电机的转矩。

发明效果

根据本发明，能够既限制永久磁体的使用量又得到高转矩。

附图说明

图1是将在本发明中表示旋转电机的一实施方式的转子和定子的要部在与旋转电机的旋转轴正交的方向切断的示意性的剖视图。

图2是表示图1所示的转子的整体结构的示意性的剖视图。

图3A是用于说明图1所示的多个主磁体的配置区域的示意性的剖视图。

图3B详细地表示图1所示的旋转电机的变形例的1个磁极的主磁体和辅助磁体的放大图。

图4是表示在图1所示的定子与转子之间、在向线圈通电时产生的磁通矢量的示意图。

图5是表示在图1所示的定子与转子之间、在转子的表面产生的表面力的示意图。

图6是本实施方式的变形例的转子的要部放大图。

图7是表示本实施方式的其它变形例的转子的整体结构的示意性的概略图。

图8是表示本实施方式的其它变形例的转子的整体结构的示意性的概略图。

图9是表示实施例1、2和比较例1的转子的1个磁极的对称性和磁化方向的表格图。

图10是表示图9所示的实施例1、2和比较例1的转子的1个磁极量的转子表面位置和转子的表面力(旋转方向分量)的图表。

图11是表示图10所示的实施例1、2和比较例1的转子的磁体量和转矩/磁体量的结果的图表。

图12是表示实施例1、3的转子的1个磁极的对称性和磁化方向的表格图。

图13是表示图12所示的实施例1、3的转子的1个磁极量的转子表面位置和转子的表面力(旋转方向分量)的图表。

图14是表示图12所示的实施例1、3的转子的磁体量和转矩/磁体量的结果的图表。

标号说明

1：旋转电机、10：转子、11：转子芯、12(12A、12B、12C)：磁体插入孔、13：旋转轴、15：永久磁体、16A、16B、16C、16D：主磁体、17A：辅助磁体、20：定子、21：定子芯、22：齿、23：缝隙、C：旋转轴、L1：假想线

具体实施方式

以下，基于附图，对本发明的旋转电机的一实施方式进行详细说明。图1是将在本发明中表示旋转电机的一实施方式的转子和定子的要部在与旋转电机的旋转轴正交的方向切断的示意性的剖视图。图2是表示图1所示的转子的整体结构的示意性的剖视图，图3A是详细表示图1所示的旋转电机的1个磁极的主磁体和辅助磁体的放大图。图3B是表示转子的变形例的示意性的剖视图。图4是表示在图1所示的定子与转子之间、在向线圈通电时产生的磁通矢量的示意图。图5是表示在图1所示的定子与转子之间、在转子的表面产生的表面力的示意图。

在图1和2中，旋转电机1由圆柱状的转子10和定子20构成，转子10与定子20的内周侧在径向上隔开空隙地相对向配置并相对于定子20相对地旋转。旋转电机1是具有将永久磁体15埋入转子芯11的转子10和位于转子10的外周的定子20的IPM(Interior PermanentMagnet，内置式永久磁体)电机。

转子10绕旋转轴C旋转，在转子芯11中嵌合有以旋转轴C为轴心的旋转轴13。转子10通过配置后述的永久磁体15而绕旋转轴C形成多个磁极30。磁极30设有偶数个，在本实施方式中，转子10具有10个扇状的磁极30。在此情况下，扇形的各磁极30具有36度的中心角。而且，在相邻的1对磁极30、30，永久磁体15的磁化方向相反，在本实施方式中，配置于相邻的磁极30的永久磁体15的位置相同。

转子芯11由软磁性材料构成，例如能够举出层叠了电磁钢板而成的转子芯、将软磁性粉末压粉成形后烧结而成的转子芯等。此外，电磁钢板彼此也可以经由具有绝缘性的树脂而接合。作为构成转子芯11的软磁性材料，例如能够举出由从由Fe、Co和Ni构成的组中选择的至少1种磁性金属、以及从由B、C、P、Al、Si、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W构成的组中选择的至少1种非磁性金属构成的材料，但不限于此。

作为软磁性材料的代表性的材料，例如能够举出FeCo系合金(例如FeCo、FeCoV等)、FeNi系合金(例如FeNi、FeNiMo、FeNiCr、FeNiSi等)、FeAl系合金或FeSi系合金(例如FeAl、FeAlSi、FeAlSiCr、FeAlSiTiRu、FeAlO等)、FeTa系合金(例如FeTa、FeTaC、FeTaN等)以及FeZr系合金(例如FeZrN等)，但不限于此。

作为永久磁体15，能够举出以钕、铁和硼为主成分的钕磁体、以钐和钴为主成分的钐钴磁体等稀土类磁体。作为永久磁体15，除此以外，也可以是铁氧体磁体、铝镍钴磁体等。

配置于1个磁极30的永久磁体15具有2个主磁体16A、16B和1个辅助磁体17A。如图3A所示，在本实施方式中，在转子芯11以环绕旋转轴C的方式形成有供辅助磁体17A插入的磁体插入孔12A。

而且，在转子芯11形成有供主磁体16A、16B插入的多个磁体插入孔12B、12C。多个磁体插入孔12B、12C连续形成于磁体插入孔12A的外周侧，从磁体插入孔12A放射状形成。在本实施方式中，各磁体插入孔12A～12C沿着旋转轴C形成，其一端侧开口，在其另一侧形成底部(未图示)。

此外，在本实施方式中，相邻的磁体插入孔12A～12C彼此形成1个相连的孔，但也可以例如以划分在周向相邻的磁体插入孔12A、12A彼此的方式在转子芯11的一部分形成桥(分隔部)。另外，也可以以划分磁体插入孔12A和磁体插入孔12B、12C的方式在转子芯的一部分形成桥(分隔部)。这些桥(分隔部)由构成转子芯11的软磁性材料构成，与转子芯11一体地成形。

供主磁体16A、16B插入的磁体插入孔12B、12C形成为，在与旋转电机1的旋转轴C正交的剖面中相对于通过旋转轴C且线对称地划分磁体插入孔12A假想线L1非对称。也就是说，若使转子10的旋转方向R为逆时针方向，则供主磁体16A、16B插入的磁体插入孔12B、12C相对于假想线L1偏向一侧地形成。

在本实施方式中，在磁体插入孔12A中插入辅助磁体17A，在磁体插入孔12B、12C中插入主磁体16A、16B。在各磁极30中，主磁体16A、16B配置成，相对于线对称地划分转子10的1个辅助磁体17A的假想线L1，永久磁体15的配置为非对称。在本实施方式中，假想线L1相当于将扇状的磁极30的中心角二等分的线。本说明书中所说的“永久磁体的配置”是指将构成1个磁极的主磁体和辅助磁体合起来的永久磁体的配置。

如图1所示，在1个磁极30中，以具有主磁体16A、16B和辅助磁体17A的永久磁体15配置为非对称的方式配置主磁体16A、16B。在本实施方式中，在各磁极30中，2个主磁体16A、16B相对于假想线L1偏向一侧(图1中的左侧)地配置。

2个主磁体16A、16B配置成磁化方向为转子10的周向B。具体地说，如图1和图3A所示，主磁体16A、16B在周向B磁化，2个主磁体16A、16B的磁化方向为相同的周向，在本实施方式中，为以旋转轴C为中心的顺时针方向。此外，本说明书中所说的“磁化方向”是指从N极流出的磁通的方向，相当于从1个磁体的S极连结N极的方向。

相对于图1所示的磁极30在两侧相邻的磁极30中，主磁体16A、16B配置成磁化方向为转子10的周向B(参照图2)。但是，与图1不同之处在于，相邻的磁极30的主磁体16A、16B的磁化方向为以旋转轴C为中心的逆时针方向。

具体地说，相邻的磁极30的主磁体16A、16B的N极和S极相对于图1所示的磁极30的主磁体16A、16B的N极和S极反转。这样，在本实施方式中，各磁极30的主磁体16A、16B配置成相邻的磁极30的主磁体16A、16B的磁化方向交替成为相反方向。

而且，关于图1所示的磁极30，辅助磁体17A在各磁极30设置1个。辅助磁体17A为圆弧状并配置成辅助磁体17A的磁化方向朝向径向A的外侧。具体地说，在图1所示的辅助磁体17A中，配置成内周侧的极为S极、外周侧的极为N极。

在本实施方式中，在各磁极30中，从与辅助磁体17A相对向的主磁体16A、16B的端部16a、16b到与主磁体16A、16B相对向的辅助磁体17A的距离(最短距离)D比主磁体16A、16B在径向上的长度L短。因此，在图1所示的实施方式中，由于主磁体16A、16B和辅助磁体17A相接，所以，距离D为0，满足该关系。但是，如图3B所示，也可以主磁体16A、16B和辅助磁体17A不相接，在此情况下，如图3B所示，距离D比长度L短即可。在此情况下，在主磁体16A、16B与辅助磁体17A之间，配置转子芯11的软磁性材料。

这样，不论在图1、图3B中的哪个情况下都是，从与辅助磁体17A相对向的主磁体16A、16B的端部16a、16b到与主磁体16A、16B相对向的辅助磁体17A的距离D比主磁体16A、16B在径向上的长度L短。因此，减少在主磁体16A、16B与辅助磁体17A之间磁通流动，由此能够进一步提高永久磁体的磁矩。

转子10是具有10个磁极的构成，所以，如图2所示，在转子芯11设有10个辅助磁体17A。这些辅助磁体17A、17A、…配置成环绕旋转轴C。各磁极30具有辅助磁体17A和与辅助磁体17A接触的主磁体16A、16B。

相对于图1所示的磁极30在两侧相邻的磁极30中，辅助磁体17A配置成磁化方向为转子10的径向A(参照图2)。但是，与图1不同之处在于，在相邻的磁极30的辅助磁体17A中，磁化成内周侧的极为N极、外周侧的极为S极，并磁化成相邻的磁极30的辅助磁体17A的磁化方向朝向径向A的内侧。

具体地说，相邻的磁极30的辅助磁体17A的N极和S极相对于图1所示的磁极30的辅助磁体17A的N极和S极为相反。这样，在本实施方式中，各磁极30的辅助磁体17A磁化成相邻的磁极30的辅助磁体17A的磁化方向交替成为相反方向。

接下来，定子20具有圆环状的定子芯21，多个齿22从定子芯21向内周方向、朝向旋转轴C延伸。因此，多个齿22间的空间成为供用于磁化定子20的线圈(未图示)插入的缝隙23。

定子20与转子10同样地由软磁性材料形成。定子20构成为，6个齿22与转子10的1个磁极相对应地相对向。在齿22卷绕线圈(未图示)，向线圈通过电流，从而齿22被磁化。在本实施方式中，线圈的卷绕方式并未特别限定，在本实施方式中，线圈的卷绕方式为分布卷绕。

以下，对如上所述构成的本实施方式的旋转电机1的作用进行说明。若向卷绕于定子20的齿22的线圈通电，则定子20的齿22被磁化，在转子10的主磁体16A、16B与辅助磁体17A之间，在磁吸引作用下，产生使转子10要向逆时针方向R旋转的转矩。

具体地说，在本实施方式的旋转电机1中，在与转子10的旋转轴C正交的剖面中，线对称地划分辅助磁体17A的假想线L1通过旋转轴C且在1个转子10的磁极中线对称地划分辅助磁体17A。各磁极30的主磁体16A、16B配置成相对于该假想线L1，永久磁体5的配置为非对称。另外，配置成主磁体16A、16B的磁化方向为转子10的周向。而且，在旋转电机1中，配置成圆弧状的辅助磁体17A的磁化方向为转子10的径向A。

因此，若向线圈通过电流地驱动旋转电机1，则如图5所示，从主磁体16A、16B流出的周向的磁通的矢量被来自辅助磁体17A的磁通所辅助，相对于转子10的径向倾斜地形成。由于永久磁体50的配置为非对称，所以，来自主磁体16A、16B的磁通偏向主磁体16A、16B附近，易于形成有助于转子10的旋转的磁通(相对于转子10的径向倾斜的磁通)。

通过形成这样的磁通，如图5所示，产生成为转子10的驱动力的力的矢量。通过该矢量，驱动转子10的转矩增大，所以，旋转电机1即使减少永久磁体15的使用量，也能够得到大的驱动转矩。

在本实施方式中，在与旋转电机1的旋转轴C正交的剖面中，以相对于通过旋转轴C且线对称地划分辅助磁体17A的假想线L1，永久磁体15的配置为非对称的方式，配置2个主磁体16A、16B。但是，即使如图6所示那样，为了永久磁体15的配置为非对称而将1个主磁体16A偏向一方侧地配置的情况下，由于主磁体16的磁通的矢量因辅助磁体17A而倾斜，所以，也能够既抑制永久磁体15的使用量又得到高转矩。

在本实施方式中，通过使主磁体16A、16B的磁化方向为转子10的周向B，易于将主磁体16A、16B的磁通的矢量形成为相对于转子10的径向倾斜。结果，通过该倾斜的磁通的矢量，能够提高旋转电机1的转矩。

此外，如后述的图9所示的解析模型(模型2)所示，可以使主磁体16A、16B的磁化方向为径向A。在此情况下，主磁体16A、16B的磁通难以形成为使得形成于磁极30的磁通的矢量相对于转子10的外周面的径向倾斜。因此，与使主磁体16A、16B的磁化方向为转子10的周向B的情况相比，主磁体16A、16B的磁通的矢量相对于转子10的径向仅稍稍倾斜，所以，从后述的图9、图10的解析结果明确可知，转矩降低大约25％左右。

而且，在图2所示的实施方式中，主磁体16A、16B不从转子10的周面露出，但也可以例如图7所示那样主磁体16A、16B的端面从转子10露出。在图7中，主磁体16A、16B露出的表面形成转子10的周面的一部分。通过使主磁体16A、16B从转子10的周面露出，在主磁体16A、16B与定子20之间不存在构成转子芯11的软磁性材料。因此，能够使主磁体的磁通相对于转子10的径向更大幅倾斜地流动，所以，能够进一步提高旋转电机1的转矩。

除此之外，图1～图7所示的辅助磁体17A为圆弧状的永久磁体，但也可以是例如图8所示那样平板状的永久磁体。由于平板状的永久磁体易于制造，所以，能够降低转子10的制造成本。在此情况下，通过各磁极30的辅助磁体17A的假想线L1的部分的磁化方向被磁化成转子10的径向A。而且，在辅助磁体17A之间形成作为转子芯11的一部分的桥19，所以，能够提高转子芯10的强度。

【实施例】

以下，基于实施例对本发明进行说明。

〔实施例1〕

制作图1所示的转子10的模型。此外，在图9中，将示意性地示出图1所示的转子10的图作为模型1示出。对该模型1赋予物性值，然后解析1个磁极中的转子的表面力(旋转方向的分量)。其结果在图10中示出。此外，图10的纵轴所示的转子的表面力是用预定的值标准化而得出的。而且，根据该表面力而算出旋转电机的转矩，然后算出将转矩除以磁体的使用重量(磁体量)而得到的值。其结果在图11中示出。图11的纵轴所示的转矩/磁体量是用预定的值标准化而得出的。

〔实施例2〕

与实施例1同样地制作模型2。与实施例1的不同之处在于使主磁体16C、16D的磁化方向为转子的径向。对该模型2赋予物性值，然后解析1个磁极中的转子的表面力(旋转方向的分量)。其结果在图10中示出。而且，根据该表面力而算出旋转电机的转矩，然后算出将转矩除以磁体量而得到的值。其结果在图11中示出。

〔比较例1〕

与实施例2同样地制作模型3。与实施例2的不同之处在于使主磁体16F相对于假想线L1为对称。也就是说，模型3的永久磁体的位置相对于假想线L1为对称。对该模型3赋予物性值，然后解析1个磁极中的转子的表面力(旋转方向的分量)。其结果在图10中示出。而且，根据该表面力而算出旋转电机的转矩，然后算出将转矩除以磁体量而得到的值。其结果在图11中示出。

如图10所示，实施例1的转子的表面力存在比实施例2和比较例1的转子的表面力大的倾向。而且，实施例2和比较例1的转子表面力大致相同。因此，如图11所示，与比较例1相比，实施例2的磁体量少，所以，实施例2的转矩/磁体量的值为比比较例大的值。而且，实施例1和实施例2的磁体量相同，所以，实施例1的转矩/磁体量的值为比实施例2大的值。

从以上可知，若如实施例1和2那样将各磁极主磁体配置成相对于假想线L1而永久磁体的配置为非对称，则能够既抑制永久磁体的磁体使用量又对旋转电机施加高转矩。

尤其是，通过如实施例1那样使主磁体磁化成转子的周向为磁化方向，易于形成为主磁体的磁通的矢量相对于转子的径向倾斜。结果，与实施例2相比，实施例1能够因该倾斜的磁通的矢量而提高旋转电机的转矩。

〔实施例3〕

与实施例1同样地制作模型4。与实施例1的不同之处在于，如图12所示成为减薄辅助磁体17A而使磁体的使用量减少45％的模型。此外，图12中也一并示出实施例1的模型1。

接着，对模型4赋予物性值，然后解析1个磁极中的转子的表面力(旋转方向的分量)。其结果在图13中示出。而且，根据该表面力而算出旋转电机的转矩，然后算出将转矩除以磁体量而得到的值。其结果在图14中示出。此外，图13、图14中也一并示出实施例1的模型1的解析结果。

如图13所示，实施例1和3的转子表面力大致相同。也就是说，旋转电机的转矩可以说几乎不依赖于辅助磁体的厚度。因此，辅助磁体用于使主磁体的磁通的方向向转子的径向倾斜，所以，磁矩难以因辅助磁体的磁体量的增加而增加。

因此，如图14所示，与实施例1相比，实施例3的磁体量少，所以，实施例3的转矩/磁体量的值为比实施例1大的值。结果，在实施例3中，能够既进一步抑制永久磁体的磁体量又对旋转电机施加高转矩。

以上，对本发明的实施方式进行详细描述，但本发明不限于所述的实施方式，在不脱离权利要求书所记载的本发明的精神的范围能够进行各种设计改变。

Claims (2)

1.一种旋转电机，具有在由软磁性材料构成的转子芯埋入了永久磁体的转子和位于所述转子的外周的定子；其特征在于，

所述永久磁体由配置成磁化方向为所述转子的周向的主磁体、以及配置成磁化方向为所述转子的径向的辅助磁体构成；

所述辅助磁体以在与所述转子的旋转轴正交的剖面中环绕所述旋转轴的方式在所述转子芯中埋入多个；

所述主磁体以从所述各辅助磁体向所述转子的外周方向延伸的方式埋入所述转子芯；

所述转子的磁极绕所述旋转轴形成多个，所述各磁极具有所述各辅助磁体和比所述各辅助磁体靠所述转子的外周侧配置的2个所述主磁体；

在所述各磁极，从与所述辅助磁体相对向的所述主磁体的端部到与所述主磁体相对向的所述辅助磁体的距离比所述主磁体的在所述径向上的长度短；

所述各磁极的所述主磁体配置成，在与所述旋转轴正交的剖面中，相对于通过所述旋转轴且线对称地划分所述各磁极的所述辅助磁体的假想线，所述永久磁体的配置为非对称，

所述各磁极的所述辅助磁体具有沿着所述转子的周向的圆弧状的形状，在所述各磁极，所述2个主磁体配置成所述转子的周向为磁化方向且所述各主磁体的磁化方向在所述周向上为相同方向，

在所述各磁极，所述2个主磁体相对于所述假想线偏向一侧地配置，所述2个主磁体中的一方的主磁体配置在所述辅助磁体的端部，另一方的主磁体相对于所述一方的主磁体沿着所述周向隔开间隔地配置，在所述2个主磁体之间配置有所述软磁性材料。

2.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

所述各主磁体的端面从所述转子芯露出，所述主磁体的露出的表面形成所述转子的周面的一部分。