CN1326254A - 永久磁铁式磁阻型旋转电机 - Google Patents

Abstract

通过在永久磁铁埋入孔5中设置用于决定永久磁铁位置的突起部件12,可以保持永久磁铁。又通过使转子铁心4内的窄的部分18,19的形状最佳化,能够降低由永久磁铁产生的磁通的泄漏,并且确保应力集中的窄的部分的强度。

Description

永久磁铁式磁阻型旋转电机

本发明涉及将永久磁铁组合起来(设置多个组合)的永久磁铁式磁阻型旋转电机。

与本专利申请人以前的专利中请(平成11年的专利申请11-043869号，和11-122000号)有关的永久磁铁式磁阻型旋转电机有图1的径向截面图所示的构造。在图1中，定子1有电枢绕组2，在它的内侧设置转子3。

转子3备有转子铁心4和永久磁铁6。转子铁心4形成磁化容易方向和磁化困难方向。即，为了形成磁性凹凸部分，转子铁心4是通过将沿着磁化容易方向设置了8个埋入永久磁铁6的永久磁铁埋入孔5的电磁钢板层叠起来构成的。通过将8个永久磁铁埋入孔5十字状配置形成4个凸极。即在位于非磁性部分8的两侧的永久磁铁埋入孔5之间夹着的部分是磁极的凹部成为磁极间部分4b。进一步，为了消除由通过相邻的磁极间部分4b的电枢电流产生的磁通，将经过磁化的永久磁铁6配置在永久磁铁埋入孔5内。即，在磁极部分4a两侧的永久磁铁6的关系是磁化方向相同，位于磁极间部分4b两侧的2个永久磁铁6在转子3的圆周方向上磁化方向是彼此相反的。最好使永久磁铁6大致在圆周方向上磁化，更好的是使永久磁铁6在大致与磁极轴垂直的方向上磁化。

下面，我们说明与上述的以前的专利申请有关的永久磁铁式磁阻型旋转电机的作用。图2表示由d轴的电枢电流产生的磁通沿着转子铁心4的磁极轴的方向的成分φd，因为磁极部分4a的铁心形成磁路，所以在这个方向的磁路中磁阻极小，形成了磁通容易流动的磁性结构。此外，标号8表示非磁性部分。

图3表示由q轴的电枢电流产生的磁通沿着连结磁极间部分4b的中央部分和转子3的中心的轴的方向的成分φq。这个磁极间部分4b的磁通φq形成横截非磁性部分8和磁极间部分4b的永久磁铁6的磁路。因为非磁性部分8的相对导磁率μ为“1”，永久磁铁6的相对导磁率μ也大致为“1”，所以由于高磁阻的作用降低了由电枢电流产生的磁通φq。

使磁极间的永久磁铁6大致在与磁极轴垂直的方向上磁化，如图4所示的由永久磁铁6产生的磁通沿圆周方向流过转子铁心的外周边界的磁性部分7，通过磁极部分4a，形成回到自己的相反磁极的磁路φma。

又，永久磁铁6的一部分磁通通过空隙经过转子3的磁极部分4a和相邻的永久磁铁6，也形成回到原来的永久磁铁6的磁路φmb。

这个永久磁铁6的联链磁通如图3所示与由q轴的电枢电流产生的磁通沿着中心轴方向的成分φq反方向地分布，与从磁极间部分4b进入的电枢磁通φq方向相反，相互抵消。在磁极间部分4b的外侧空隙部分中，由于永久磁铁6的磁通降低了由电枢电流产生的空隙磁通密度，与磁极部分4a的外侧的空隙磁通密度比较变化很大。即，与转子3的位置相对的空隙磁通密度的变化是很大的，磁能有很大的变化。进一步，当有负载时，在磁极部分4a和磁极间部分4b的边界上存在磁短路的磁性部分7，由于负载电流引起强的磁饱和。因此，分布在磁极间的永久磁铁6的磁通增加。从而，因为由非磁性部分8和永久磁铁6的高磁阻与永久磁铁6的磁通产生空隙磁通密度分布有很大变化的磁性凹凸，所以磁能的变化显著地变大，能够得到大的输出。

关于得到广大范围的可变速运转的端子电压的调整幅度，有下列那样的作用。在这个提议的永久磁铁式磁阻型旋转电机中，因为只有磁极间部分4b的凹的部分中的一部分有永久磁铁6，所以与在转子3的表面的大致整个圆周上都有永久磁铁6的一般的永久磁铁型旋转电机比较，永久磁铁6的表面积变窄，由永久磁铁6产生的联链磁通量也变小了。

进一步，在无励磁状态中永久磁铁6的大部分磁通都通过磁极边界部分的磁性部分7成为转子铁心4内的漏磁通。从而，因为在这种状态中感应电压极小，所以无励磁时的铁心损耗变成很小，又，即便当电枢绕组2发生短路故障时过电流也很小。

当有负载时，在由永久磁铁6产生的联链磁通上，加上由电枢电流(磁阻型旋转电机的励磁电流成分和转矩电流成分)产生的联链磁通，感应出端子电压。

在一般的永久磁铁型旋转电机中，因为永久磁铁6的联链磁通占据了端子电压的大部分，所以调整端子电压是困难的，但是这种永久磁铁式磁阻型旋转电机，因为永久磁铁6的联链磁通很小，所以通过广泛调整励磁电流成分，能够大幅度地调整端子电压。即，因为能够按照速度使电压低于电源电压那样地调整励磁电流成分，所以使从基底速度开始在一定的电压下实施广大范围内的可变速运转成为可能。又，因为通过强制的控制实现弱磁场不能抑制电压，所以即便高速旋转时不实施控制，也不会发生过电压。

又进一步，因为将永久磁铁6同时埋入铁心内，所以转子铁心4成为永久磁铁6的保持机构，防止了由于旋转使永久磁铁6飞散的事发生。

在上述那样构造的永久磁铁式磁阻型旋转电机中，如图3所示，由电枢电流形成的转子3的凹部方向的q轴电流产生的磁通“φq”，因为流过永久磁铁埋入孔的外周侧的窄的部分18，磁极间中央侧的窄的跨接部分19，所以由d轴电流产生的磁通“φd”和由q轴电流产生的磁通“φq”之差变小，从而使磁阻转矩减小。又，为了由对旋转转矩无效的q轴电流产生的磁通“φq”使从非磁性部分8的外周侧流到永久磁铁埋入孔5的外周侧的窄的部分18的无效磁通变少，并且如图5所示的转子铁心4的永久磁铁埋入孔5的周边和磁极间部分4b的外周侧使由永久磁铁6产生的磁通的泄漏(永久磁铁的无效磁通17)变少，应该考虑尽可能地使径方向变窄。但是，在这种形状中，难以支持永久磁铁6的离心力，特别是用于高速旋转的电机时，恐怕会发生永久磁铁6的飞散和转子的破损。

进一步，为了确保特性上需要的有效磁通，为了补偿无效磁通和泄漏磁通的磁通量，需要增加永久磁铁6的数量，但是因为存在着对于转子3全体的体积需要足够空间的问题，和由永久磁铁6的离心力产生的力进一步增加，出现的强度问题，所以单纯地增加永久磁铁6的数量是困难的。

又，为了缓和应力集中的问题，在永久磁铁埋入孔5中，将孔的角部分做成圆弧状，但是因为生成了永久磁铁6的两侧和永久磁铁埋入孔5之间的空隙部分，需要用楔子15来确定永久磁铁6的位置。从而，在上述的构造中，需要用多个楔子15来确定永久磁铁6的位置，增加了制造时的用工数，提高了成本，并且当用于固定永久磁铁6和确定位置的楔子15的粘合剂恶化，失去粘合效果时，存在着由于将在永久磁铁埋入孔5的外周侧的窄的部分18的用于确定位置的楔子15，或者永久磁铁6直接做成每一片的形式，使应力集中在窄的部分，发生永久磁铁6的飞散和转子3的破损，所以不能用来制造旋转电机的情形。

进一步，永久磁铁埋入孔5的两端角部分的曲率半径越大就越能降低应力集中，但是在上述构造的情形中，因为用于确定永久磁铁6的位置的楔子15的形状变得复杂了，所以不可能使曲率半径超过永久磁铁6的厚度，更不用说当高速旋转和高输出时，因为由永久磁铁6的离心力产生的力增加，所以难以支持永久磁铁6的离心力，恐怕会发生永久磁铁6的飞散和转子的破损。

本发明的目的是因为鉴于上述的这些问题，所以省略用于决定永久磁铁位置的楔子，使组装时永久磁铁的插入变得容易了，从而可以实现制造时磁铁插入作业的机械化，并且即便当固定永久磁铁6的粘合剂恶化时，也不会发生永久磁铁的飞散和转子的破损，而且通过使转子截面形状最佳化，能够提供高输出，高效率，高速旋转，高可靠性和容易制造性的永久磁铁式磁阻型旋转电机。

本发明为了达到上述的目的，采取下列的构成。即，在备有持有电枢绕组的定子，和为了消除由通过相邻的磁极间的电枢的磁通，将永久磁铁配置在转子铁心内的永久磁铁埋入孔内，并且通过将非磁性部分设置在磁极间的永久磁铁的外周侧在圆周方向有磁性凹凸部分的转子的永久磁铁式磁阻型旋转电机中，从转子铁心内的永久磁铁埋入孔突出那样地将用于决定永久磁铁位置的突起部件设置在转子铁心内的永久磁铁埋入孔中。

当参照所附诸图考虑下列的详细描述时，我们能够容易地对本发明进行较全面的评价和实现本发明具有的许多优点，同样，能够对本发明有更好的了解，其中：

图1是与以前的专利申请的发明有关的永久磁铁式磁阻型旋转电机的径向的截面图；

图2是表示由d轴的电枢电流产生的磁通沿着转子铁心的磁极轴的方向的成分φd的流的径向的截面图；

图3是表示在由q轴的电枢电流产生的磁通沿着以磁极间部分4b为中心的径向轴的方向的成分φq的流的径向截面图；

图4是表示上述的永久磁铁产生的磁通的流的径向截面图；

图5是表示上述的永久磁铁产生的磁通的流的转子径向的放大截面图；

图6是表示本发明的第1个实施例的径向截面图；

图7是表示上述的实施例的转子径向的放大截面图。

图8是表示本发明的第2个实施例的转子径向的放大截面图。

现在我们将参照诸图，其中在所有的截面图中相同的参照数字表示相同的或相应的部件，特别是参照其中的图6，描述本发明的一个实施例。

下面，我们根据本发明的实施例1进行详细说明。图6和图7表示本发明的永久磁铁式磁阻型旋转电机的第1个实施例，此外，下面我们说明4极转子的永久磁铁式磁阻型旋转电机的情形，但是本发明的效果与极数无关。

定子1有电枢绕组2，在其内部收藏着转子3。转子3备有转子铁心4和永久磁铁6。

转子铁心4有磁化容易方向和磁化困难方向。即，转子铁心4是通过将为了在圆周方向形成磁性的凹凸部分，沿着磁化容易方向设置分别用于埋入8个永久磁铁6的永久磁铁埋入孔5的电磁钢板层叠起来构成的。又，通过将8个嵌有孔5的永久磁铁呈十字状配置形成4个凸极。

即，在转子铁心4中的，由位于非磁性部分8的两侧的永久磁铁埋入孔5夹着的部分是磁极间部分4b，形成磁性的凹部。而且，为了消除由通过相邻的磁极间部分4b的电枢电流产生的磁通，将经过磁化的永久磁铁6配置在永久磁铁埋入孔5内。即，如此地配置永久磁铁6，使得位于磁极部分4a两侧的永久磁铁6的磁化方向是相同的，而位于磁极间部分4b两侧的永久磁铁6在转子3的圆周方向上磁化方向是彼此相反的。

此外，如此地设置永久磁铁6，最好使它们在圆周方向磁化，更好的是使它们在大致与磁极轴垂直的方向上磁化。又，位于磁极间部分4b的非磁性部分8是由空隙部分构成的。

在转子铁心4内的永久磁铁埋入孔5中，从该孔内突出那样地形成用于决定永久磁铁位置的突起部件12。如图7所示，将永久磁铁6和用于决定永久磁铁位置的突起部件12相接的边长“X”设定在相对于永久磁铁6的边长“Y”的5％～75％。又，将用于决定永久磁铁位置的突起部件12的根部的R加工部分13(隐藏在后面)设置在与非磁性部分8相反一侧的永久磁铁6的磁化方向直角相交面的一侧上。

进一步，在转子3上，永久磁铁埋入孔b5形成的外周侧的窄的部分18的半径方向厚度“b1”在0.5mm以上，并且将圆周方向长度“b2”设定在相对于这个外周侧的窄的部分18的半径方向厚度“b1”的450％以内。又进一步，在转子3上，在夹着非磁性部分8的相对的永久磁铁埋入孔5的转子中央一侧的端部之间形成的窄的跨接部分19的圆周方向厚度“a1”在0.5mm以上，并且将半径方向长度“a2”设定在相对于这个圆周方向厚度“a1”的450％以内。

下面，我们说明这个第1个实施例的永久磁铁式磁阻型旋转电机的特性。这个实施例1的永久磁铁式磁阻型旋转电机，因为与以前提出专利申请的永久磁铁式磁阻型旋转电机相同，能够形成由永久磁铁6的磁阻和永久磁铁6的磁通产生的空隙磁通密度分布有很大变化的磁性凹凸部分，所以磁能的变化也变得很大。又，因为通过设置在永久磁铁埋入孔5中的用于决定永久磁铁位置的突起部件12来支持永久磁铁6，所以能够省去用在以前提出专利申请的永久磁铁式磁阻型旋转电机中的用于确定位置的楔子15，并且使组装时永久磁铁的插入作业变得容易了，进一步，即便当将永久磁铁6固定在永久磁铁埋入孔5中的粘合剂恶化时，由于用于决定永久磁铁位置的突起部件12，也能够确实地保持永久磁铁6。

进一步，将永久磁铁6和用于决定永久磁铁位置的突起部件12相接的边长“X”设定在相对于永久磁铁6的边长“Y”的5％～75％。即，使通过与永久磁铁埋入孔5的非磁性部分8一侧的永久磁铁磁化方向直角相交的面支持由永久磁铁6产生的离心力的，永久磁铁埋入孔5的外周侧的窄的部分18和磁极间中央一侧的永久磁铁埋入孔5之间的窄的跨接部分19的应力在容许值以内(边长“X”最小5％)，并且用于决定永久磁铁位置的突起部件12的根部的R加工部分13的应力在容许值以内(边长“X”最大75％)那样地设定用于决定永久磁铁位置的突起部件12的边长“X”。因此，由与永久磁铁埋入孔5的非磁性部分8一侧的永久磁铁磁化方向直角相交的面和用于决定永久磁铁位置的突起部件12有效地分担了由永久磁铁6的离心力产生的力。

进一步，通过将用于决定永久磁铁位置的突起部件12的根部的R加工部分13设置在与非磁性部分8相反一侧的永久磁铁磁化方向直角相交的面的一侧上，能够不减小永久磁铁6和用于决定永久磁铁位置的突起部件12相接的边长“X”那样地设置R加工部分13，并且因为空间上有富余，所以可以增大R加工部分13的曲率半径，从而将R加工部分13的应力抑制到最小限度。

又，因为永久磁铁埋入孔5的外周侧的窄的部分18的半径方向厚度“b1”在0.5 mm以上，并且使窄的部分的圆周方向长度“b2”在相对于半径方向厚度“b1”的450％以内，所以不发生由于制造转子铁心4时使铁心惯通引起的歪斜，缺陷等(半径方向厚度“b1”在0.5 mm以上)，并且能够降低由永久磁铁6和q轴电流产生的无效磁通(泄漏磁通)，能够有效地活用由永久磁铁6产生的磁通，所以能够将永久磁铁6的数量减少到必需的最小限度。此外，能够将由永久磁铁6的离心力在永久磁铁埋入孔5的外周侧的窄的部分18上产生的弯曲应力抑制到最小限度(圆周方向长度“b2”在相对于半径方向厚度“b1”的450％以内)。

又进一步，因为磁极间中央一侧的永久磁铁埋入孔5之间的窄的跨接部分19的圆周方向厚度“a1”在0.5mm以上，并且使窄的跨接部分19的半径方向长度“a2”在相对于圆周方向厚度“a1”的450％以内，所以不发生由于制造转子铁心4时使铁心惯通引起的歪斜，缺陷等(半径方向厚度“b1”在0.5mm以上)，并且能够降低由永久磁铁6产生的无效磁通17(泄漏磁通)，此外，能够将由永久磁铁6的离心力在磁极间中央一侧的窄的跨接部分19上产生的应力抑制到最小限度(半径方向长度“a2”在相对于圆周方向厚度“a1”的450％以内)。

因此，因为在第1个实施例的永久磁铁式磁阻型旋转电机中，使制造时永久磁铁的插入变得容易了，从而可以实现机械化，所以能够降低制造成本。又，即便当固定永久磁铁的粘合剂恶化时，也能够安全地保持永久磁铁，能够消除对永久磁铁飞散和转子破损的担心，提高了可靠性。

进一步，因为有效地分担了由永久磁铁的离心力产生的力，所以能够将在转子铁心内产生的应力抑制到最小限度，提高了可靠性。

此外，能够将用于决定永久磁铁位置的突起部件的根部的R加工部分的应力值抑制到最小限度，从而能够高速旋转和提高可靠性。又进一步，通过使转子铁心内的窄的部分(18，19)的形状最佳化，特别地能够实现高输出，高效率，高速旋转，并提高可靠性和容易制造性。

下面，我们根据图8说明本发明的第2个实施例的永久磁铁式磁阻型旋转电机。在第2个实施例中，使永久磁铁6的截面形状成为梯形的形状，保持与梯形的底面的中央部分相当的位置那样地，与第1个实施例相同的用于决定永久磁铁位置的突起部件12一起，将用于决定永久磁铁位置的中央突起部件14设置在永久磁铁埋入孔5中。又，这是在与永久磁铁埋入孔5的非磁性部分8相反一侧上，并且在与永久磁铁6的磁化方向直角相交面的一侧上支持由永久磁铁6的离心力产生的力的构造。

此外，关于其它的构成要素，因为与图6和图7所示的第1个实施例是共通的，所以用相同的标号加以表示。

下面，我们说明这个第2个实施例的永久磁铁式磁阻型旋转电机的特性。在这样构成的永久磁铁式磁阻型旋转电机中，因为用于决定永久磁铁位置的中央突起部件14位于永久磁铁埋入孔5的中央部分，能够在平均应力比较小的转子3的内周一侧支持由永久磁铁6的离心力产生的力，所以能够将永久磁铁6的支持部分(用于决定永久磁铁位置的中央突起部件14)的应力抑制到最小限度，并且因为与永久磁铁6的接触部分与用于决定永久磁铁位置的中央突起部件14的全体接触，所以能够稳定地保持永久磁铁6。

进一步，这是在与永久磁铁埋入孔5的非磁性部分8相反一侧上，并且在与永久磁铁6的磁化方向直角相交面的一侧上支持由永久磁铁的离心力产生的力的构造，能够在平均应力比较小的永久磁铁埋入孔5的非磁性部分8相反一侧上支持由永久磁铁的离心力产生的力，所以能够将应力抑制到最小限度。

因此，在第2个实施例的永久磁铁式磁阻型旋转电机中，即便当固定永久磁铁的粘合剂恶化时，也能够安全地保持永久磁铁，结果能够消除对永久磁铁飞散和转子破损的担心，提高了可靠性。进一步，因为能够在平均应力比较小的转子的内周一侧支持由永久磁铁的离心力产生的力，所以能够将用于决定永久磁铁位置的中央突起部件14的应力抑制到最小限度，并且能够稳定地永久磁铁，提高了可靠性。

又进一步，因为能够在平均应力比较小的永久磁铁埋入孔的非磁性部分8相反一侧上支持由永久磁铁6的离心力产生的力，所以能够将应力抑制到最小限度，并且可以实现高输出和更高的高速旋转，也提高了可靠性。

如上所述，如果根据本发明的永久磁铁式磁阻型旋转电机，则因为在转子铁心内的永久磁铁埋入孔内设置了用于决定永久磁铁位置的突起部件，所以使制造时永久磁铁的插入变得容易了，从而可以实现机械化，能够降低制造成本。并且即便当固定永久磁铁的粘合剂恶化时，也能够通过用于决定永久磁铁位置的突起部件确实地和安全地保持永久磁铁，能够消除对永久磁铁飞散和转子破损的担心，提高了可靠性。

又如果根据本发明，通过使永久磁铁和用于决定永久磁铁位置的突起部件的接触面积最佳化，可以有效地分担由永久磁铁6的离心力产生的力，能够将转子铁心内产生的应力抑制到最小限度，提高了可靠性。

又进一步，通过使转子铁心内的窄的部分的形状最佳化，特别地能够实现高输出，高效率，高速旋转，并提高可靠性和容易制造性。又，通过在平均应力比较小的部分上支持由永久磁铁的离心力产生的力，能够将支持部分的应力值抑制到最小限度，可以实现更高的高速旋转，也提高了可靠性。

显然，根据上述的说明，可以对本发明进行许多附加的修改和变化。所以我们懂得在所附的权利要求书的范围内，可以用其它的不同于这里特别描述的方式来实施本发明。

Claims (11)

1.永久磁铁式磁阻型旋转电机，它的特征是

在备有持有电枢绕组的定子，和为了消除通过相邻的磁极间的电枢的磁通，将永久磁铁配置在转子铁心内的永久磁铁埋入孔内，并且通过将非磁性部分设置在上述的磁极间的永久磁铁的外周侧，在圆周方向有磁性凹凸部分的转子的永久磁铁式磁阻型旋转电机中，

从上述的转子铁心内的永久磁铁埋入孔突出那样地将用于决定永久磁铁位置的突起部件设置在上述的转子铁心内的永久磁铁埋入孔中，

2.权利要求项1记载的永久磁铁式磁阻型旋转电机，它的特征是

将上述的用于决定永久磁铁位置的突起部件设置在与上述的永久磁铁埋入孔的上述的非磁性部分相反一侧的边缘上。

3.权利要求项1记载的永久磁铁式磁阻型旋转电机，它的特征是

将上述的用于决定永久磁铁位置的突起部件设置在上述的永久磁铁埋入孔的上述的非磁性部分一侧的边缘上。

4.权利要求项1～3的任意一项中记载的永久磁铁式磁阻型旋转电机，它的特征是向上述的永久磁铁埋入孔的中心突出那样地设置上述的用于决定永久磁铁位置的突起部件，并且在上述的永久磁铁上设置与这个突起部件对应的切除部分。

5.权利要求项1～4的任意一项中记载的永久磁铁式磁阻型旋转电机，它的特征是将上述的永久磁铁和用于决定永久磁铁位置的突起部件相接的边长设定在相对于永久磁铁的边长，只有5％～75％的相接边长上。

6.权利要求项1～5的任意一项中记载的永久磁铁式磁阻型旋转电机，它的特征是在与永久磁铁埋入孔的非磁性部分相反一侧，并且在与永久磁铁的磁化方向直角相交面的一侧上支持由上述的永久磁铁产生的离心力。

7.权利要求项1～6的任意一项中记载的永久磁铁式磁阻型旋转电机，它的特征是将上述的用于决定永久磁铁位置的突起部件的根部的R加工部分设置在与非磁性部分8相反一侧的永久磁铁的磁化方向直角相交面的一侧上。

8.利要求项1～7的任意一项中记载的永久磁铁式磁阻型旋转电机，它的特征是使在上述的转子铁心内的上述的永久磁铁埋入孔的外周侧的窄的圆周方向长度在相对于上述的窄的部分的半径方向厚度的450％以内。

9.利要求项8中记载的永久磁铁式磁阻型旋转电机，它的特征是使在上述的转子铁心内的上述的永久磁铁埋入孔的外周侧的窄的部分的半径方向厚度在0.5mm以上。

10.利要求项1～9的任意一项中记载的永久磁铁式磁阻型旋转电机，它的特征是使上述的跨接部分的半径方向长度相对于在上述的转子铁心内的在邻接的永久磁铁埋入孔之间的中央一侧的跨接部分的圆周方向厚度的450％以内。

11.权利要求项10中记载的永久磁铁式磁阻型旋转电机，它的特征是使在上述的转子铁心内的邻接的永久磁铁埋入孔之间的中央一侧的跨接部分的圆周方向厚度在0.5mm以上。

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