TW201826664A - 轉子及磁阻馬達 - Google Patents

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Abstract

實施方式的轉子具有：軸、固定於軸的轉子鐵芯。於轉子鐵芯形成複數個磁障。於磁障係形成複數個橋部，並在複數個橋部之間形成與磁障以外的部分相比下磁導率低的一或複數個屏障區域。於至少一個屏障區域係設置永久磁鐵。永久磁鐵的磁化方向係朝向與磁障的長邊方向相交的方向。並且，(μ0×SM×Br)/(μre×tFB×wB)的值為1.2以上且3.0以下的範圍內。

Description

轉子及磁阻馬達
[0001] 本發明之實施方式涉及轉子及磁阻馬達。 　　本案以於2016年8月31日在日本申請之特願2016‐170040號為基礎主張優先權，於此援用其內容。
[0002] 已知在磁阻馬達的轉子設置永久磁鐵從而改善馬達的突極性的技術。 　　[0003] 然而，在歷來的技術方面，磁通從設於轉子的永久磁鐵朝定子漏出，產生感應電壓。此結果，有時在無負載旋轉時產生鐵損，在應用磁阻馬達下的系統方面的能量效率降低。此外，存在如下問題：在旋轉中由於驅動裝置的故障等使得馬達的端子間被短路的情況下，短路電流流通。 [先前技術文獻] [專利文獻] 　　[0004] 　　[專利文獻1]日本特開2011-83066號公報 　　[專利文獻2]日本特開2012-178921號公報 　　[專利文獻3]日本特開2002-291288號公報
[發明所欲解決之問題] 　　[0005] 本發明所欲解決之問題，係提供可在不產生感應電壓下增加突極比的轉子及磁阻馬達。 [解決問題之技術手段] 　　[0006] 實施方式的轉子具有：繞軸心旋轉之軸、固定於軸的轉子鐵芯。於轉子鐵芯，排列於轉子鐵芯的徑向而形成轉子鐵芯的外周面的一處至其他處的複數個磁障。於磁障係形成複數個橋部，該複數個橋部包含於磁障的長邊方向的兩端形成轉子鐵芯的外周面的一部分的橋部，在複數個橋部之間形成與在轉子鐵芯的磁障以外的部分相比下磁導率低的一或複數個屏障區域。於至少一個屏障區域係設置永久磁鐵。永久磁鐵的磁化方向，係朝向與在設置永久磁鐵的位置的磁障的長邊方向相交的方向。μ0 為在屏障區域的永久磁鐵不存在的區域的磁導率、SM 為在與軸的延伸方向正交的平面的永久磁鐵的截面積、Br 為永久磁鐵的殘留磁通密度、μre 為永久磁鐵的回復磁導率、tFB 為屏障區域的厚度的最小與最大的算術平均、wB 為橋部的寬度的最小與最大的算術平均的情況下，(μ0 ×SM ×Br )/(μre ×tFB ×wB )的值為1.2以上且3.0以下的範圍內。
[0008] 以下，就實施方式的轉子及磁阻馬達，參照圖式進行說明。 　　[0009] 圖1係就第1實施方式中的4極的磁阻馬達1的1極份的構成進行繪示的與旋轉軸8正交的剖面圖。另外，在圖1僅示出磁阻馬達1的1極份，亦即僅示出1/4周的圓周角區域份。旋轉軸8例如可為被可旋轉地支撐而在旋轉軸8中心延伸於軸方向、繞旋轉軸8中心進行旋轉之軸。 　　[0010] 如示於同圖，磁阻馬達1具備：大致圓筒狀的定子2；設於比定子2靠徑向內側、設為相對於定子2旋轉自如的轉子3。另外，定子2及轉子3被以個別的中心軸線位於共通軸上的狀態而配設。以下，將上述的共通軸稱為中心軸O，將與中心軸O正交的方向稱為徑向，將繞中心軸O繞圈的方向稱為圓周方向。 　　[0011] 定子2具有大致圓筒狀的定子鐵芯4。定子鐵芯4係可層積複數個電磁鋼板或將軟磁性粉進行加壓成形從而形成。於定子鐵芯4的內周面係一體成型有朝中心軸O突出、圓周方向上等間隔而排列的複數個齒部5。齒部5被形成為剖面大致矩形狀。並且，在鄰接的各齒部5間分別形成槽部6。此等槽部6介於之間而於各齒部5捲繞電樞繞組7。 　　[0012] 另外，定子鐵芯4，係可被裝配具有絕緣性的絕緣體，或外面的整體被以絕緣被膜進行遮蓋(皆未圖示)。並且，於各齒部5係從絕緣體、絕緣被膜等之上捲繞電樞繞組7。 　　[0013] 轉子3具備：沿著中心軸O而延伸的旋轉軸8、外嵌固定於旋轉軸8的大致圓柱狀的轉子鐵芯9。轉子鐵芯9係可層積複數個電磁鋼板或將軟磁性粉進行加壓成形從而形成。轉子鐵芯9的外徑以在徑向上相向的各齒部5之間形成既定的氣隙G的方式而設定。 　　[0014] 此外，在轉子鐵芯9的徑向中央，係形成沿著中心軸O貫通的貫通孔10。於此貫通孔10，係進行被壓入旋轉軸8等。藉此，旋轉軸8與轉子鐵芯9成為一體而旋轉。 　　[0015] 再者，於轉子鐵芯9，係於1極(亦即1/4周的圓周角區域)的各者，複數個(例如，在本實施方式係3個)磁障11被以將穿過轉子鐵芯9的旋轉軸8的一個直徑(既定的直線的一例)穿過的方式排列而形成。亦即，此等磁障11，係在轉子鐵芯9的外周面的一處至其他處，形成於由定子2形成的磁通通過的複數個磁路之間，區劃各磁路。於本實施方式，各磁障11具有複數個(例如，在本實施方式係2個)屏障區域18，此等係分布為大致雙曲線狀。另外，在圖1，僅就最靠近中心軸O的磁障11標注表示屏障區域的18的符號、表示永久磁鐵的100的符號，而其他磁障11方面亦同。 　　[0016] 於轉子鐵芯9，將磁通的流動不會因屏障區域18而受礙的方向定義為q軸。亦即，對在轉子的外周面的一圓周角位置A給予正的磁位(例如使磁鐵的N極靠近)，另一方面對偏1極份(本實施例的情況下90度)的圓周角位置B給予負的磁位(例如使磁鐵的S極靠近)，將使A的位置往圓周方向偏移的情況下最多的磁通流動時之從中心軸O朝往位置A的方向定義為q軸。在本實施方式，係q軸設定於將轉子鐵芯9分離為靠近中心軸O的區域與遠離的區域之磁障11的長邊方向。 　　[0017] 在另一方面，將磁通的流動因屏障區域18而受礙的方向，亦即將相對於q軸磁性正交的方向定義為d軸。在本實施方式，係d軸設定於與由於磁障11而分離為靠近中心軸O的區域與遠離的區域的2個轉子鐵芯部分相向的方向平行的方向。此外，磁障11形成為多層的情況(本實施方式係3層)下，層的重疊方向即為d軸。另外，磁障11不限於3層，亦可形成單層或2層或4層以上，在各磁障11的屏障區域18的個數不限於2個，亦可為1或3以上。 　　[0018] 各屏障區域18，係至少於外周側以沿著q軸且圓周方向之中央部位於最徑向內側的方式形成為從外周側朝徑向內側之中心軸O彎曲為凸狀的剖面大致圓弧狀。另外，各屏障區域18的形狀不限於圓弧，亦可為如U字型的凸狀。於本實施方式，在轉子鐵芯9的個別的圓周角區域，係形成大致圓弧狀的6個屏障區域18。 　　[0019] 此等複數個屏障區域18，係在考量產生於轉子鐵芯9的離心力之下，在接近磁障11的外周側的端部200b，設於從轉子鐵芯9的外周分離既定距離wo 的位置。藉此，可提高位於轉子3的外周與屏障區域18的端部200b之間的轉子鐵芯9的機械強度。於轉子鐵芯9係形成包含外周橋部BDS 的複數個橋部。外周橋部BDS 係於磁障11的長邊方向的兩端形成轉子鐵芯9的外周面的一部分(端部200b)的橋部。外周橋部BDS 扮演將由於各磁障11的屏障區域18而分離的轉子鐵芯9彼此結合(連接)的角色。設於磁障11的兩端的各者的外周橋部BDS 的寬度wo ，係從轉子3的外周側朝向旋轉軸8的方向上的寬度。 　　[0020] 此外，於沿著磁障11的延伸方向的兩端之間之中間地點(例如徑向上最接近旋轉軸8的部分)，複數個屏障區域18被於其延伸方向隔著間隔而形成的情況下，以分離既定距離wC 的間隔形成屏障區域18。藉此，可提高位於複數個屏障區域18間的轉子鐵芯9的機械強度。既定距離wC 可為與既定距離wo 相同，亦可不同。以下，將於凸部附近位於屏障區域18之間的轉子鐵芯9稱為「中心橋部BDC 」而進行說明。中心橋部BDC 係「內部橋部」的一例。 　　[0021] 夾著中心橋部BDC 、成對的屏障區域18係成為彼此大致相同形狀。中心橋部BDC ，係如同外周橋部BDS ，扮演將由於各磁障11的屏障區域18而分離的轉子鐵芯9彼此結合(連接)的角色。由於上述橋部，使得即使在形成磁障11的狀態下，轉子鐵芯9不會在磁障11的兩端與中間地點被分離，轉子鐵芯9被湊為1個構材。另外，在形成於徑向的複數個磁障11的個別的兩端的外周橋部BDS 的寬度wo 可彼此不同，亦可為一部分或全部相同。同樣，形成複數個中心橋部BDC 的情況下，形成於徑向的複數個磁障11的個別的中心橋部BDC 的寬度wC 可彼此不同，亦可為一部分或全部相同。 　　[0022] 在本實施方式，係永久磁鐵100被插入於複數個屏障區域18的各者。本實施方式中的永久磁鐵100指非電磁鐵的磁鐵，在考量磁阻馬達1的使用年數(壽命)的情況下，指可持續產生大致一定的磁場的物體。各永久磁鐵100係例如釹磁鐵、鐵氧體磁鐵、釤鐵鈷磁鐵等。插入於屏障區域18的永久磁鐵100係可磁化為在插入後磁化於大致d軸方向，亦可預先被磁化於既定方向的永久磁鐵100被以其磁化方向朝向大致d軸方向的方式插入。亦即在本實施方式，磁鐵的磁化方向不限於與q軸完全磁性正交，亦可從正交的角度具有一定程度的角幅(例如10度程度)而相交。換言之，永久磁鐵100的磁化方向朝向與在設置永久磁鐵的位置的磁障11的長邊方向相交的方向。於各屏障區域18，可為了固定被插入的永久磁鐵100，填充接著性的樹脂等的非磁性體，亦可與永久磁鐵100一起插入非磁性體之間隔物等。此外，亦可永久磁鐵100之側面接觸於轉子鐵芯9從而被固定。非磁性體係採用磁導率比轉子鐵芯9低者。 　　[0023] 此外，永久磁鐵100係配置為：於包含q軸及d軸的剖面，形成屏障區域18的輪廓(邊界)的面(後述的200b、201a、202a、202b：圖2)之中從一部分(優選上全部)分離。亦即，於屏障區域18內，永久磁鐵100配置為不與轉子鐵芯9直接接觸。依如此的配置，使得可抑制在永久磁鐵100的角部等產生的局部的不可逆退磁。當然，永久磁鐵100與形成輪廓之面的一部分或全部接觸亦無妨。如後述，無關永久磁鐵100與屏障區域18之側面(轉子鐵芯9)的接觸有無，只要永久磁鐵100的截面積相同，本實施方式的主要期待的磁性的效果即相同。 　　[0024] 圖2係示意性就一磁障11、其附近的轉子鐵芯9進行繪示的圖。如圖示，例如永久磁鐵100可偏中心橋部BDC 側而配置。由於永久磁鐵100的磁動勢而產生的磁通，係分為朝向屬磁化方向的大致d軸方向的磁通101、經過外周橋部BDS 的磁通102、經過中心橋部BDC 的磁通103。外周橋部BDS 及中心橋部BDC 係鐵芯，故存在與其材質相應的飽和磁通密度。因此，磁通超過鐵芯的飽和磁通密度而流動於外周橋部BDS 及中心橋部BDC 時，各橋部的磁阻變高使得磁通難以流動。在本實施方式，係從永久磁鐵100產生的磁通在各橋部流動於d軸方向的大致相反方向，故從定子2側流入的磁通，係於各橋部難以流動於d軸方向的大致相反方向。磁通飽和的各橋部不再使磁通流過故成為廣義的意思上的磁障11。由於上述永久磁鐵100的效果，使得可減少從定子2流入的磁通量之中流動於d軸方向的大致相反方向的磁通量，增加流動於q軸方向的磁通量，故與未在屏障區域18設置永久磁鐵100的磁阻馬達1相比可使突極性改善。 　　[0025] 另外，將本實施方式的磁阻馬達1應用於高速旋轉用的馬達或應用於直徑大的大型的馬達的情況下，轉子鐵芯9容易承受大的離心力。此情況下，需要增加外周橋部BDS 的寬度wo 及中心橋部BDC 的寬度wc 而提高機械強度。如此的情況下，在各橋部的飽和磁通量(橋部的飽和磁通密度與各橋部的寬度的積)變大，故需要將磁動勢更強、磁通量更多(＝殘留磁通密度、截面積等大)的永久磁鐵100插入至屏障區域18。然而，過於增加永久磁鐵100的磁動勢、磁通量等時從永久磁鐵100產生的朝往d軸方向的磁通101經由氣隙G交鏈於電樞繞組7。轉子3在此狀態下旋轉時，產生感應電壓。如此，各橋部的寬度、永久磁鐵100的磁動勢與磁通量的關係成為互相背反的關係，在不予以產生感應電壓如此的約束條件的下存在適合的磁動勢與磁通量(亦即殘留磁通密度與截面積)的數值範圍。就此數值範圍係參照圖式後述。 　　[0026] 為了抑制感應電壓的產生，依示於以下的數學表達式(1)的條件式，決定永久磁鐵100的大小。 　　[0027][0028] 數學表達式(1)中的SM 表示插入於各磁障11的個別的屏障區域18的永久磁鐵100的總剖面積。此外，wB 表示全部的橋部的寬度的總和，在圖2之例係表示為wB ＝2wo ＋wC 。此外，tFB 表示屏障區域18的厚度，μre 表示永久磁鐵100的回復磁導率。此外，μ0 表示永久磁鐵100外的填充於屏障區域18的物體的磁導率，亦即表示空氣的磁導率。另外，於屏障區域18填充供於固定永久磁鐵100用的非磁性體(例如樹脂)等的情況下，磁導率μ0 可為與此非磁性體的物性相應的磁導率。Bs 表示與磁障11的延伸方向大致正交的寬度方向(短邊方向)上的轉子鐵芯9的飽和磁通密度，Br 表示永久磁鐵100的殘留磁通密度。此等參數之中，wo 、wo 、tFB 、SM 可定義如以下。 　　[0029] 圖3係供於就數學表達式(1)的參數的定義進行說明用的圖。於圖3，形成屏障區域18的輪廓的面之中，面200b係磁障11的延伸方向(長邊方向)上的外周側的面，面201a係磁障11的延伸方向上的中心軸O側的面。此外，面202a係磁障11的寬度方向上的外周側的面，面202b係磁障11的寬度方向上的中心軸O側的面。以下，將面200b、面201a、面202a、面202b分別稱為頂端部200b、頂端部201a、上側面202a、下側面202b而說明。 　　[0030] 外周橋部BDS 的寬度wo ，係取轉子鐵芯9的外周面200a與屏障區域18的頂端部200b之間的距離。屏障區域18的頂端部200b，係形成屏障區域18的輪廓之面的一部分，為磁障11的延伸方向上的外周側的面。例如，分別構成轉子鐵芯9的外周面200a與屏障區域18的頂端部200b的曲線或折線非平行的情況下，外周橋部BDS 的寬度wo 定義為該等曲線或折線間的最小距離與最大距離的算術平均值。例如，在表示轉子鐵芯9的外周面200a的曲線或折線上設定任意的基準點。導出從此基準點至表示屬屏障區域18的外周側的邊界面的頂端部200b的曲線或折線的距離顯示最短的直線。之後，於表示外周面200a的曲線或折線上，一面使基準點偏移一面導出複數個顯示最短的直線。如此般而導出複數個的直線的長度的平均定義為外周橋部BDS 的寬度wo 。亦即，外周橋部BDS 的寬度wo 成為面對的2個面的距離。同樣，中心橋部BDC 的寬度wC ，係取夾著中心橋部BDC 而成對的屏障區域18之中心橋部BDC 側的面201a及201b的距離。例如，構成屏障區域18之中心橋部BDC 側的面201a及201b的曲線或折線非平行的情況下，中心橋部BDC 的寬度wC 係定義為該等曲線或折線間的距離的最小值與最大值的算術平均值。 　　[0031] 此外，屏障區域18的厚度tFB ，係定義為構成屏障區域18之上側面(外周側之側面)202a與下側面(中心軸O側之側面)202b的曲線或折線的最小距離與最大距離的算術平均值。例如，在表示屏障區域18之上側面202a的曲線或折線上設定任意的基準點。導出從此基準點至表示下側面202b的曲線或折線的距離顯示最短的直線。之後，於表示上側面202a的曲線或折線上，一面使基準點偏移一面導出複數個顯示最短的直線。如此般導出複數個的直線的長度的平均定義為屏障區域18的厚度tFB 。此外，屏障區域18的寬度lFB ，係定義為構成屏障區域202a之上側面202a與下側面202b的曲線或折線的長度的算術平均值。例如，在表示上側面202a的曲線或折線上設定任意的基準點。導出從此基準點至表示下側面202b的曲線或折線的距離顯示最短的直線。之後，於表示上側面202a的曲線或折線上，一面使基準點偏移一面導出複數個相對於下側面202b的距離顯示最短的直線。通過如此般導出複數個的直線的個別的中點的曲線的長度定義為屏障區域18的寬度lFB 。 　　[0032] 此外，永久磁鐵100的總剖面積SM ，係於各磁障11，定義為將永久磁鐵100的寬度lM 、永久磁鐵100的厚度tM 進行乘算從而獲得的各永久磁鐵100的截面積和永久磁鐵100的個數(圖3之例係2個)的積。永久磁鐵100的厚度tM ，係如同屏障區域18的厚度tFB 的定義，定義為構成永久磁鐵100之上側面(磁障11的寬度方向上的外周側的面)與下側面(磁障11的寬度方向上的中心軸O側的面)的曲線或折線的最小距離與最大距離的算術平均值。此外，永久磁鐵100的寬度lM ，係如同屏障區域18的寬度lFB 的定義，定義為構成永久磁鐵100之上側面與下側面的曲線或折線的長度的算術平均值。 　　[0033] 圖4係就永久磁鐵100的磁特性的一例進行繪示的圖。如圖示，上述參數之中，μre 、Br 係在永久磁鐵100的磁特性方面可表示如以下。例如，永久磁鐵100的殘留磁通密度Br 可導出為：於線形區域，磁場的強度H為零程度時的磁通密度(圖形的y截距150)。此外，回復磁導率μre 可導出為：於線形區域，表示相對於磁場的強度H的磁通密度B的變化的直線151的斜率。 　　[0034] 利用決定上述的永久磁鐵100、屏障區域18、外周橋部BDS 及中心橋部BDC 的尺寸的參數，將示於圖3的轉子3的磁障11周邊的構成置換為等價的磁路的情況下，可表示為如以下的圖5。 　　[0035] 圖5係就磁路的一例進行繪示的圖。例如，於磁路，永久磁鐵100的磁動勢EM 可視為(tM ・Br )/μre 。此外，永久磁鐵100的內部磁阻rM 可視為tM /(μre ・lM )。另外，該磁路係作成予以動作於不會發生不可逆退磁的線形區域。對於流過永久磁鐵100的磁通ΦM 、流過屏障區域18的磁通ΦFB 訂立電路方程式時，不會產生從示於圖5的磁路向外漏出的磁通101的條件可導出為上述數學表達式(1)。於數學表達式(1)成立的範圍，決定永久磁鐵100的面積(寬度lM 與厚度tM )時，可在不使磁通漏至外部如此的約束條件之下使各橋部的磁通飽和。亦即，可在不產生感應電壓下改善磁阻馬達1的突極性。另外，於圖5係永久磁鐵100接觸於屏障區域18的右上側面，惟以側面不接觸的方式配置於屏障區域18之中央的情況下，不使磁通漏至外部的條件亦以(1)式表示。此外，在圖5中永久磁鐵的剖面係於寬度lM 方向扁平，惟亦可為於厚度tM 方向扁平。亦即，無關乎永久磁鐵100的配置方法，只要永久磁鐵的截面積與殘留磁通密度相同，則從外部視看下的磁特性即成為等價。 　　[0036] 圖6係就轉子鐵芯9的磁化特性的傾向的一例進行繪示的圖。已知一般而言轉子鐵芯9的磁化特性緩慢變化。如示於圖6，磁特性變化的情況下，無法一意地決定數學表達式(1)的參數Bs 。因此，可於一數值範圍使轉子鐵芯9的飽和磁通密度Bs 具有範圍。有關數值範圍係後述。 　　[0037] 圖7係就轉子鐵芯9的飽和磁通密度Bs 、各橋部的相對磁導率、交鏈於電樞繞組7的漏磁通量的關係的一例進行繪示的圖。各橋部的相對磁導率，係相對於真空的磁導率的橋部的磁導率的比率。漏磁通量，係通過間隙G而漏出至定子2的磁通的平方值。一般而言，無負載鐵損、短路事故時的損耗等係與漏出至定子2的磁通量的平方成比例，故於本實施方式中依漏出至定子2的磁通量的平方值進行評價。示於圖7的結果係示出設想一模型時的解析結果(模擬結果)，該模型係於磁阻馬達1的旋轉軸8方面的1極份的剖面，使轉子鐵芯9為矽鋼板(非線形磁化特性)，使磁障11為3層，使在各個磁障11的屏障區域18為3個，使在各個磁障11的中心橋部BDC 為2個，將釹磁鐵插入於2個中心橋部BDC 所夾的屏障區域18。如此的模型，係相當於設想示於後述的圖13的磁阻馬達1C下的模型。圖中的飽和磁通密度Bs ，係透過以下的數學表達式(2)而解析地導出之值。在數學表達式(2)的各參數，係如同使用於上述的數學表達式(1)的參數。 　　[0038][0039] 在圖示之例，在轉子鐵芯9的飽和磁通密度Bs 從0至1.2T(特斯拉)的範圍，係具有各橋部的相對磁導率增加的傾向。亦即，於各橋部成為磁通容易流動的狀態。此外，在飽和磁通密度Bs 為1.2T以上的範圍，係具有各橋部的相對磁導率減少的傾向。亦即，於各橋部成為磁通不易流動的狀態。因此，僅著眼於各橋部的相對磁導率的情況下，係以飽和磁通密度Bs 成為各橋部的相對磁導率的最大值1.2T以上的方式決定永久磁鐵100的截面積、殘留磁通密度等為適。 　　[0040] 另一方面，著眼於漏磁通量的情況下，在轉子鐵芯9的飽和磁通密度Bs 為至2T程度的範圍，係可將漏出至定子2的磁通量(磁通的平方值)抑至零程度。亦即，在轉子鐵芯9的飽和磁通密度Bs 為至2T程度的範圍，係可抑制感應電壓的產生。在轉子鐵芯9的飽和磁通密度Bs 為2T以上的範圍，係漏出至定子2的磁通量指數函數地增加，故容易產生感應電壓。於此，漏磁通量為大致上1000mWb2 程度以下時即可無視漏磁通的影響，於此範圍設定轉子鐵芯9的飽和磁通密度Bs 之上限值為適。具體而言，將與表示漏出至定子2的磁通量的平方的變化的曲線的漸近線的交點設定為轉子鐵芯9的飽和磁通密度Bs 之上限值。在本實施方式中上限值係如圖示般設定為3.0T。 　　[0041] 本實施方式中的永久磁鐵100相關的比較例方面，將利用於永久磁鐵同步馬達(Permanent Magnet Synchronous Motor：PMSM)等的永久磁鐵插入至屏障區域18的情況下，各橋部(轉子鐵芯9)的飽和磁通密度Bs 成為大致上5T程度。另一方面，在本實施方式係以各橋部的飽和磁通密度Bs 落入1.2T以上且3.0T以下的範圍的方式決定永久磁鐵100的大小，故比起比較例方面的永久磁鐵同步馬達，可使漏磁通量降低至1/4程度。亦即，將對於磁阻馬達1的驅動不會出現障礙的程度的永久磁鐵100插入至屏障區域18，可使各橋部的磁通飽和。 　　[0042] 依以上說明的第1實施方式時，以各橋部的飽和磁通密度Bs 成為1.2T以上的方式決定永久磁鐵100的截面積與殘留磁通密度，故可使各橋部飽和而磁性地無效化。藉此，可在不產生感應電壓下使磁阻馬達1的突極性改善，可提高突極比。此結果，改善馬達的性能(轉矩、效率、功率因數等)，可使能量效率提升。 　　[0043] 此外，依上述的第1實施方式時，以各橋部的飽和磁通密度Bs 成為3T以下的方式決定永久磁鐵100的截面積與殘留磁通密度，故從永久磁鐵100產生而往電樞繞組7交鏈的磁通101非常小，可抑制感應電壓的產生，無須另外設置在短路事故等的保護電路等。此外，不產生無負載鐵損，故可改善使用本馬達下的系統方面的能量效率。 　　[0044] 另外，目前的說明中雖以電動機(馬達)進行說明，惟發電機(generator)方面亦可運用本旋轉電機，為本實施方式的適用範圍。 　　[0045] (第1實施方式中的變形例) 　　以下，說明有關第1實施方式中的變形例。依上述的數學表達式(1)及(2)時，只要在包括d軸及q軸的剖面中的永久磁鐵100的總剖面積SM 為固定，則可不依在屏障區域18的永久磁鐵100的配置位置而使各橋部飽和。因此，第1實施方式中的變形例方面，例如將永久磁鐵100偏外周橋部BDS 側而配置。 　　[0046] 圖8係就在屏障區域18的永久磁鐵100的配置位置的一例進行繪示的圖。一般情況下，橋部以外的鐵芯區域的磁路寬係比橋寬充分寬，即使橋部飽和，其他鐵芯區域仍不會飽和。因此，即使將永久磁鐵100插入，橋部以外的鐵芯區域的相對磁導率仍極大至數1000程度，作為磁路而考量的情況下成為可無視的電阻值。因此，如圖示般永久磁鐵100比起中心橋部BDC 被配置於靠近外周橋部BDS 的位置旳情況下，於中心橋部BDC 與外周橋部BDS 仍施加大致相同程度的磁動勢，飽和等級亦成為同等。亦即，於屏障區域18將永久磁鐵100配置於任一處，皆可使各橋部的鐵芯飽和。 　　[0047] 此外，插入至單一的屏障區域18的永久磁鐵100的個數不限於1個，亦可為複數個。圖9係就在屏障區域18的永久磁鐵100的配置位置的他例進行繪示的圖。如圖示，例如亦能以個數成為非對稱的方式將2個永久磁鐵插入於夾著中心橋部BDC 而成對的屏障區域18中任一者。此時，於成對的屏障區域18雙方，永久磁鐵100的截面積係只要為上述數值範圍內則亦可不同。 　　[0048] 此外，磁阻馬達1亦可為傾斜構造。圖10係就磁阻馬達1的外觀的一例進行繪示的圖。如示於圖10(a)，磁阻馬達1為傾斜構造的情況下，如示於圖10(b)，磁障11係可依與由d軸及q軸所成的剖面正交的v軸(亦即旋轉軸8)的位置而在該剖面的位置為不同。此情況下，永久磁鐵100的形狀可為匹配於傾斜構造的形狀。 　　[0049] 此外，在第1實施方式，雖以按各磁障11的屏障區域18插入永久磁鐵100者進行說明惟不限於此，亦可形成在任一屏障區域18皆未插入永久磁鐵100的磁障11。亦即，亦可摻雜透過永久磁鐵100使各橋部的磁通飽和從而使往d軸方向的漏磁通更加減少的磁障11、和僅透過屏障區域18使往d軸方向的漏磁通減少的磁障11。 　　[0050] 此外，雖以4極說明磁阻馬達1的突極惟不限於此，亦可為2極、6極、8極、其他任意的極數。 　　[0051] (第2實施方式) 　　以下，說明有關第2實施方式中的磁阻馬達1A。此處，與第1實施方式的差異方面，就僅於夾著中心橋部BDC 而成對的屏障區域18中任一者插入永久磁鐵100方面進行說明。以下，與上述的第1實施方式共通的功能等相關的說明係省略。 　　[0052] 圖11係就第2實施方式中的磁阻馬達1A的1極份的構成進行繪示的與旋轉軸8正交的剖面圖。在第2實施方式，係僅於夾著中心橋部BDC 而成對的屏障區域18中任一者插入永久磁鐵100，於另一個屏障區域18係插入與該永久磁鐵100具有相同程度的質量的重量調整構材WT。亦即，永久磁鐵100，係相對於磁障11之中央部(例如磁障11的長邊方向上從各端部的距離相同的位置)，設於偏任一側的屏障區域18，重量調整構材WT係設於未偏於任一側的另一個屏障區域18。重量調整構材WT係非磁性體。於插入重量調整構材WT的屏障區域18，係可為了固定重量調整構材WT而填充接著性的樹脂等的非磁性體，亦可與重量調整構材WT一起插入非磁性體之間隔物等。 　　[0053] 另外，在圖11僅就最靠近中心軸O的磁障11示出屏障區域18，標注表示永久磁鐵的100的符號、表示重量調整構材的WT的符號，而其他磁障11方面亦同。此外，將分割的屏障區域顯示如18a、18b。 　　[0054] 將重量調整構材WT插入於屏障區域18的情況下，於上述數學表達式(1)或(2)，於永久磁鐵100的總剖面積SM ，係作成不含重量調整構材WT的截面積。亦即，僅利用插入於其中一個屏障區域18的永久磁鐵100的截面積而評價轉子鐵芯9的飽和磁通密度Bs 即可。 　　[0055] 此外，在圖11之例，係僅於d軸的右側插入重量調整構材WT，惟不限於此，可按磁障11更換重量調整構材WT的配置。 　　[0056] 以下，說明有關在第2實施方式中的磁阻馬達1A的轉子鐵芯9的飽和磁通密度Bs 、各橋部的相對磁導率、交鏈於電樞繞組7的漏磁通量的關係。 　　[0057] 圖12係就轉子鐵芯9的飽和磁通密度Bs 、各橋部的相對磁導率、交鏈於電樞繞組7的漏磁通量的關係的他例進行繪示的圖。各橋部的相對磁導率，係相對於真空的磁導率的橋部的磁導率的比率。在第2實施方式，亦如同第1實施方式，依漏出至定子2的磁通量的平方值進行評價。 　　[0058] 示於圖12的結果，係設想示於圖11的磁阻馬達1A的構成的模型時的解析結果。在使用於此解析下的模型，係例如於磁阻馬達1A的旋轉軸8方面的1極份的剖面，使轉子鐵芯9為矽鋼板(非線形磁化特性)，使磁障11為3層，使在各個磁障11的屏障區域18為2個，使各磁障11所含的中心橋部BDC 為1個。此外，在使用於解析下的模型，係對2個屏障區域18雙方，插入具有相同程度的截面積及殘留磁通密度Br 的永久磁鐵100。圖中的飽和磁通密度Bs ，係透過上述的數學表達式(2)而解析地導出的值。 　　[0059] 示於圖12的結果，係如同示於上述的圖7的結果，著眼於各橋部的相對磁導率的情況下，在轉子鐵芯9的飽和磁通密度Bs 從0至1.2T(特斯拉)的範圍，係具有各橋部的相對磁導率增加的傾向。此外，在飽和磁通密度Bs 為1.2T以上的範圍，係具有各橋部的相對磁導率減少的傾向。另一方面，著眼於漏磁通量的情況下，在轉子鐵芯9的飽和磁通密度Bs 為至2T程度的範圍，係漏出至定子2的磁通量(磁通的平方值)為零程度，在轉子鐵芯9的飽和磁通密度Bs 為2T以上的範圍，係漏出至定子2的磁通量指數函數地增加。因此，即使中心橋部BDC 的個數為2個的情況下，以各橋部的飽和磁通密度Bs 落入1.2T以上且3.0T以下的範圍的方式決定永久磁鐵100的截面積，使得可一面抑制漏磁通量的增加，一面使各橋部的磁通飽和。如此，即使在進行如將橋部的個數、位置等變更的設計變更的情況下，利用數學表達式(1)、(2)的理論公式而導出的結果仍顯示同樣的傾向，以各橋部的飽和磁通密度Bs 落入上述數值範圍內的方式決定永久磁鐵100的截面積即可獲得相同的效果。 　　[0060] 依以上說明的第2實施方式時，如同上述的第1實施方式，將不產生磁阻馬達1的感應電壓的程度的永久磁鐵100設於屏障區域18，使得與未在屏障區域18設置永久磁鐵100的磁阻馬達1相比可使突極性改善。此結果，可使能量效率提升。 　　[0061] 此外，依上述的第2實施方式時，代替永久磁鐵100插入重量調整構材WT，使得於轉子3可消解機械失衡，可平衡佳地使產生於磁障11間的轉子鐵芯9(亦含各橋部)的應力分散。此結果，可使轉子3的機械強度提升。 　　[0062] (第3實施方式) 　　以下，說明有關第3實施方式中的磁阻馬達1B。此處，作為第1及第2實施方式的差異，就不存在中心橋部BDC 或外周橋部BDS 中任一者之點進行說明。以下，與上述的第1及第2實施方式共通的功能等相關的說明係省略。 　　[0063] 圖13係就第3實施方式中的磁阻馬達1B的1極份的構成進行繪示的與旋轉軸8正交的剖面圖。在第3實施方式，係僅存在外周橋部BDS ，各磁障11具有1個屏障區域18。此情況下，於上述數學表達式(1)，可將wB 視為2wo 從而決定永久磁鐵100的大小。另外，在圖13，係僅就最靠近中心軸O的磁障11標注表示屏障區域的18的符號、表示永久磁鐵的100的符號，而其他磁障11方面亦同。 　　[0064] 此外，於示於圖13的磁阻馬達1B，亦可僅存在中心橋部BDC 。此情況下，於上述數學表達式(1)，可將wB 視為wC 而決定永久磁鐵100的大小。 　　[0065] 依以上說明的第3實施方式時，如同上述的第1及第2實施方式，將不產生磁阻馬達1的感應電壓的程度的永久磁鐵100設於屏障區域18，使得與未在屏障區域18設置永久磁鐵100的磁阻馬達1相比可使突極性改善。此結果，可使能量效率提升。 　　[0066] 此外，依上述的第3實施方式時，可減少橋部的個數，故可減小設於屏障區域18的永久磁鐵100。 　　[0067] (第4實施方式) 　　以下，說明有關第4實施方式中的磁阻馬達1C。此處，作為第1至第3實施方式的差異，就形成3個以上的屏障區域18方面進行說明。以下，與上述的第1至第3實施方式共通的功能等相關的說明係省略。 　　[0068] 圖14係就第4實施方式中的磁阻馬達1C的1極份的構成進行繪示的與旋轉軸8正交的剖面圖。在圖14，係僅就最靠近中心軸O的磁障11標注表示屏障區域的18的符號、表示永久磁鐵的100的符號，而其他磁障11方面亦同。此外，將分割的屏障區域表示為18a、18b、18c。在第4實施方式，係於各磁障11形成3個屏障區域18，故於磁障11兩端之間之中間地點，形成2個中心橋部BDC 。並且，屏障區域18之中在位於中央的(最靠近中心軸O)屏障區域18b安裝永久磁鐵100。 　　[0069] 圖15係就在屏障區域18的永久磁鐵100的配置位置的他例進行繪示的圖。永久磁鐵100，係於個別的磁障11，複數個屏障區域18之中，插入至與旋轉軸8的距離最短的屏障區域18。在圖示之例係屏障區域18b。另外，永久磁鐵100，係亦可代替插入至由2個中心橋部BDC 所夾的屏障區域18b，分別插入至位於該屏障區域18b的兩側的屏障區域18a及18c。藉此，永久磁鐵100的磁通，係容易大致均等地流至2個外周橋部BDS 及2個中心橋部BDC 。此外，永久磁鐵100係插入至3個屏障區域18之中的中間的屏障區域18b、兩側的個別的屏障區域18a及18c等，故於轉子3可消解機械失衡，可平衡佳地使產生於磁障11間的轉子鐵芯9(亦含各橋部)的應力分散。 　　[0070] 在第4實施方式，各磁障11的屏障區域18的厚度tFB 係視為全部的屏障區域18的厚度的平均。例如，將屏障區域18a及18c的個別的寬度定義為lOFB 、將厚度定義為tOFB 、將屏障區域18b的寬度定義為lCFB 、將厚度定義為tCFB 的情況下，可表示為tFB ＝(2tOFB ＋tCFB )/3。此外，永久磁鐵100的總剖面積SM ，係由於永久磁鐵100為1個，故成為lM 與tM 的積。此外，全部的橋部的寬度的總和wB 係表示為wB ＝2(wo ＋wC )。使用此等參數，使得能以通過間隙G而往電樞繞組7交鏈的漏磁通變小(亦即，感應電壓變小)的方式決定永久磁鐵100的截面積與殘留磁通密度。 　　[0071] 依以上說明的第4實施方式時，如同上述的第1至第3實施方式，將不產生磁阻馬達1的感應電壓的程度的永久磁鐵100設於屏障區域18，使得與未在屏障區域18設置永久磁鐵100的磁阻馬達1相比可使突極性改善。此結果，可使能量效率提升。 　　[0072] 依以上說明的至少一個實施方式時，以各橋部的飽和磁通密度Bs 落入1.2T以上且3.0T以下的範圍的方式決定永久磁鐵100的截面積與殘留磁通密度，故可一面使感應電壓最小化，一面使各橋部磁性無效化。藉此，可使磁阻馬達1的突極性改善，可提高突極比。此結果，可改善馬達的性能(轉矩、效率、功率因數等)，使能量效率提升。 　　[0073] 雖就本發明之數個實施方式進行說明，惟此等實施方式係作為例示而提示者，並未意圖限定發明之範圍。此等實施方式能以其他各種方式而實施，在不脫離發明之要旨的範圍下，可進行各種的省略、置換、變更。此等實施方式、其變形等如同為發明之範圍、要旨等所包含者，亦為申請專利範圍所記載之發明與其均等之範圍所包含者。
[0074]
1‧‧‧磁阻馬達
2‧‧‧定子
3‧‧‧轉子
4‧‧‧定子鐵芯
5‧‧‧齒部
7‧‧‧電樞繞組
8‧‧‧旋轉軸(shaft)
9‧‧‧轉子鐵芯
11‧‧‧磁障
18‧‧‧屏障區域
100‧‧‧永久磁鐵
[0007] 　　[圖1]就第1實施方式中的4極的磁阻馬達1的1極份的構成進行繪示的與旋轉軸8正交的剖面圖。 　　[圖2]示意性就一磁障11與其附近的轉子鐵芯9進行繪示的圖。 　　[圖3]供於說明數學表達式(1)的參數的定義用的圖。 　　[圖4]就永久磁鐵100的磁特性的一例進行繪示的圖。 　　[圖5]就磁路的一例進行繪示的圖。 　　[圖6]就轉子鐵芯9的磁化特性的傾向的一例進行繪示的圖。 　　[圖7]就轉子鐵芯9的飽和磁通密度Bs 、各橋部的相對磁導率、漏磁通量的關係的一例進行繪示的圖。 　　[圖8]就在屏障區域18的永久磁鐵100的配置位置的一例進行繪示的圖。 　　[圖9]就在屏障區域18的永久磁鐵100的配置位置的他例進行繪示的圖。 　　[圖10]就磁阻馬達1的外觀的一例進行繪示的圖。 　　[圖11]就第2實施方式中的磁阻馬達1A的1極份的構成進行繪示的與旋轉軸8正交的剖面圖。 　　[圖12]就轉子鐵芯9的飽和磁通密度Bs 、各橋部的相對磁導率、交鏈於電樞繞組7的漏磁通量的關係的他例進行繪示的圖。 　　[圖13]就第3實施方式中的磁阻馬達1B的1極份的構成進行繪示的與旋轉軸8正交的剖面圖。 　　[圖14]就第4實施方式中的磁阻馬達1C的1極份的構成進行繪示的與旋轉軸8正交的剖面圖。 　　[圖15]就在屏障區域18的永久磁鐵100的配置位置的他例進行繪示的圖。

Claims (6)

  1. 一種轉子， 　　具備： 　　繞軸心旋轉之軸、 　　固定於前述軸的轉子鐵芯； 　　於前述轉子鐵芯，係 　　　排列於前述轉子鐵芯的徑向而形成前述轉子鐵芯的外周面的一處至其他處的複數個磁障， 　　於前述磁障， 　　　形成複數個橋部，該複數個橋部包含於前述磁障的長邊方向的兩端形成前述轉子鐵芯的外周面的一部分的橋部， 　　　在前述複數個橋部之間形成與在前述轉子鐵芯的前述磁障以外的部分相比下磁導率低的一或複數個屏障區域， 　　於至少一個前述屏障區域設置永久磁鐵， 　　　前述永久磁鐵的磁化方向，係朝向與在設置前述永久磁鐵的位置的前述磁障的長邊方向相交的方向， 　　　μ0 ：在前述屏障區域的前述永久磁鐵不存在的區域的磁導率 　　　SM ：在與前述軸的延伸方向正交的平面的前述永久磁鐵的截面積 　　　Br ：前述永久磁鐵的殘留磁通密度 　　　μre ：前述永久磁鐵的回復磁導率 　　　tFB ：前述屏障區域的厚度的最小與最大的算術平均 　　　wB ：前述橋部的寬度的最小與最大的算術平均 　　的情況下，(μ0 ×SM ×Br )/(μre ×tFB ×wB )的值為1.2以上且3.0以下的範圍內。
  2. 如請求項1的轉子，其中，於前述轉子鐵芯形成一個以上的磁路，該磁路係被前述磁障區劃且由於定子而形成的磁通通過者。
  3. 如請求項1的轉子，其中，在形成於偏向至少一個前述磁障的長邊方向的兩端中任一者之側的位置的前述屏障區域係設置前述永久磁鐵，在形成於偏向另一者之側的位置的前述屏障區域係設置具有與前述永久磁鐵相同程度的質量的重量調整構材。
  4. 如請求項1的轉子，其中，於前述屏障區域內，在前述轉子鐵芯與前述永久磁鐵之間填充非磁性體。
  5. 如請求項1的轉子，其中，於至少一個前述磁障係形成複數個前述屏障區域，複數個前述屏障區域之中，在最靠近前述軸的屏障區域設置前述永久磁鐵。
  6. 一種磁阻馬達，具備： 　　轉子，其係如請求項1的轉子； 　　定子鐵芯，其係在前述轉子鐵芯的外周上與前述轉子鐵芯隔著間隔而配置，具有彼此於圓周方向隔著間隔而排列的複數個齒部； 　　複數極的多相的電樞繞組，其係分別捲繞於前述複數個齒部。
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