TWI445282B - An electromagnetic steel sheet forming body, an electromagnetic steel sheet laminate, a rotor having a permanent magnet synchronous rotating electric machine, a permanent magnet synchronous rotating electric motor, a vehicle using the rotating electric machine, a lift, a fluid machine, a processing machine - Google Patents

An electromagnetic steel sheet forming body, an electromagnetic steel sheet laminate, a rotor having a permanent magnet synchronous rotating electric machine, a permanent magnet synchronous rotating electric motor, a vehicle using the rotating electric machine, a lift, a fluid machine, a processing machine Download PDF

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Description

電磁鋼板形成體、電磁鋼板積層體、具備其之永久磁鐵形同步旋轉電動機用轉子、永久磁鐵形同步旋轉電動機、使用該旋轉電動機之車輛、昇降機、流體機械、加工機
本發明係關於作為車輛或產業用省力機械的驅動用馬達和發電機來使用之電磁鋼板形成體、電磁鋼板積層體、具備其之永久磁鐵形同步旋轉電動機用轉子、永久磁鐵形同步旋轉電動機、使用該旋轉電動機之車輛、昇降機、流體機械、加工機。前述車輛包括混合動力車、燃料電池車、電動車等。又前述產業用省力機械主要包括：起重機、吊重機、電梯、立體停車場等的昇降機；風力、水力用之壓縮機、鼓風機、泵等的流體機械；以及半導體製造裝置、工作機械等的加工機。
近年來，基於防止地球暖化、確保資源的觀點，混合動力車等的車輛、產業用省力機械等所扮演的角色越來越重要，為了減少二氧化碳的排放量、改善能量消耗量和效率，其等乃不可或缺的。
混合動力車等的車輛或產業用省力機械等所要求之旋轉電動機，係具有高功率、可高速旋轉、可靠性高、效率佳、且旋轉速度可變又具有良好的控制性之永久磁鐵形同步旋轉電動機。符合該條件之旋轉電動機，已知有將永久磁鐵內藏於轉子中之同步馬達，也就是所謂內藏磁鐵型同步馬達(IPM馬達，Interior Permanent Magnet Motor)。該馬達，由於具有小型、輕量化等的特點，在產業用省力機械的領域，其用途已擴大至：起重機、吊重機、電梯、立體停車場等的昇降機；風力、水力用之壓縮機、鼓風機、泵等的流體機械；以及半導體製造裝置、工作機械等的加工機。以下，是以內藏磁鐵型同步馬達為中心來作說明。
第6圖係第1習知技術之轉子鐵心形成用之衝孔電磁鋼板形成體的前視圖。
第6圖中，電磁鋼板形成體35係由用來形成轉子鐵心之1片薄圓盤狀的電磁鋼板所構成。該電磁鋼板形成體35，對於形成轉子時之1極，設有用來插入永久磁鐵之1個磁鐵孔31。在該磁鐵孔31和轉子外周部之間形成外橋接部32。將複數片的電磁鋼板形成體35積層成塊狀，即可製得電磁鋼板積層體(第7圖之轉子鐵心34，例如參照專利文獻1、非專利文獻1)。
接著說明內藏磁鐵型同步馬達之動作原理。
第7圖係採用第1習知技術的轉子之內藏磁鐵型同步馬達的主要部之前視截面圖。圖示之馬達之轉子的永久磁鐵磁極數有6極，定子之突極磁極數(與槽數相同)有36個。
關於第7圖中之馬達的動作，在將永久磁鐵33插入轉子鐵心34內部之轉子30中，構成磁阻小的磁性凸部之q軸之空隙磁通密度較高，構成磁阻大的磁性凹部之d軸之空隙磁通密度較低。利用此轉子30之突極性，設q軸電感為Lq、d軸電感為Ld時，Lq>Ld，因此除磁轉矩以外可併用磁通密度改變所產生之磁阻轉矩，而能期待效率之進一步提昇。
磁轉矩是指，轉子30之永久磁鐵33所產生之磁場和定子40之定子鐵心41之槽部42內收容之定子繞組(未圖示)所產生旋轉磁場因磁吸引力及磁反斥力所發生之轉矩。磁阻轉矩是指，用定子繞組(未圖示)所產生之旋轉磁場來吸引轉子30的突極部而發生之轉矩。
接著用第8圖來說明第2習知技術。
第8圖係第2習知技術之轉子鐵心形成用之衝孔電磁鋼板形成體的前視圖(例如參照專利文獻2、專利文獻3、專利文獻4、專利文獻5、專利文獻6、專利文獻7)。
第8圖中，電磁鋼板形成體50，係由用來形成轉子鐵心之1片薄圓盤狀之電磁鋼板所構成。該電磁鋼板形成體50，對於形成轉子時以既定極距角設置之放射狀極距線的中心線，以對稱且形成V字形的方式，對於每1極於轉子外徑側設有用來插入2個磁鐵之2個磁鐵孔52、53。在磁鐵孔52、53的上端部到轉子外周部之間係形成外橋接部54。在電磁鋼板形成體50，於磁鐵孔52、53之間形成中央橋接部51。將複數片的電磁鋼板形成體50積層成塊狀，即可製得電磁鋼板積層體(第9圖之轉子鐵心57)。
接著用第9圖來說明其動作。
第9圖係採用第2習知技術之轉子之內藏磁鐵型同步馬達的主要部之前視截面圖，係示意顯示產生最佳轉矩之定子和轉子之磁極的位置關係。第10圖係用來說明第2習知技術之內藏磁鐵型同步馬達的動作，(a)係馬達正轉時的動作之示意圖，(b)係馬達產生旋轉磁場時電流相位和轉矩的關係。圖示的馬達之轉子的永久磁鐵磁極數為8極，定子的突極磁極(和槽數相同)為48個。
第9圖、第10(a)圖中，內藏磁鐵型同步馬達具有：於磁鐵孔52、53中插入尺寸與該於磁鐵孔相同的永久磁鐵55、56而構成之永久磁鐵型轉子50。依據此構造，內藏於轉子鐵心57內部之永久磁鐵55、56所產生之磁場和定子60之定子鐵心61之槽部62內收容之定子繞組(未圖示)所產生之旋轉磁場，進行吸引反斥而產生磁轉矩。又由於磁鐵軸之d軸方向的磁阻大於與其正交的q軸方向之磁阻而形成突極構造，d軸電感Ld小於q軸電感Lq，藉由此突極性會產生磁阻轉矩。在第9圖、第10(a)圖中，由於內藏於磁鐵孔52、53之V字形配置的永久磁鐵55、56形成等邊，同極互相對向且相同尺寸之2個永久磁鐵所包夾之外鐵心部內之永久磁鐵產生的磁通之反斥邊界點，係位於轉子50之外鐵心部的中央，且在通過放射狀的極距線OP的中心之中心線OC上。
在第9圖、第10(a)圖中，雖然實際上帶給轉子50轉動能的力量須考慮流過槽部62內之定子繞組(未圖示)之電流強弱等，但在此為便於說明而將其省略。關於馬達之磁通密度分布，針對時鐘指針位於12點方向的位置進行說明。
由於2個同極永久磁鐵55、56所包圍之外鐵心部的d軸之反斥邊界點位於轉子50表面的中央，槽部62內之定子繞組(未圖示)所形成之極屬於第9圖、第10(a)圖的情形，在定子60和轉子50間之間隙面，相對於OC上之反斥邊界點，左側是由定子N極、轉子S極所構成之吸引部，右側是由定子S極、轉子S極所構成之反斥部。在轉子50的表面，由於吸引部之磁通變密、反斥部之磁通變疏，磁轉矩會作用於轉子50，而使其從磁通密區往磁通疏區、亦即順時針方向移動。又q軸磁通主要是流過與突極相對向之定子60的齒部63。
在第10(a)圖之說明，轉子50之永久磁鐵55、56所產生之磁場和槽部62內之定子繞組(未圖示)所產生之旋轉磁場進行吸引，又用定子繞組(未圖示)所產生之旋轉磁場來吸引轉子50之d軸突極部，因此斜線部之磁通密度特別高。這時，相對於永久磁鐵之S極成分和定子繞組(未圖示)所形成之S極成分，繞組所形成之N極成分較短，因此磁阻轉矩會作用於轉子50，而使其往縮短S極成分的磁通之方向、亦即順時針方向移動。
在第10(b)圖中，磁鐵產生之磁場和繞組產生的旋轉磁場因磁吸引力、反斥力而發生之磁轉矩，係形成圖中之曲線關係；用繞組產生之旋轉磁場來吸引轉子的突極部而發生之磁阻轉矩，係形成圖中之曲線關係。將磁轉矩和磁阻轉矩兩者合在一起，就能發生圖中之粗實線所代表之轉矩。
〔專利文獻1〕日本特開2006－211826號公報(說明書第4頁，第1圖~第3圖)〔專利文獻2〕日本特開2005－039963號公報(說明書第4頁~6頁，第1圖及第2圖)〔專利文獻3〕日本特開2005－057958號公報(說明書第4頁~7頁，第1圖及第5圖)〔專利文獻4〕日本特開2005－130604號公報(說明書第8頁，第1圖)〔專利文獻5〕日本特開2005－160133號公報(說明書第8頁，第1圖)〔專利文獻6〕日本特開2002－112513號公報(說明書第5頁，第1圖及第3圖)〔專利文獻7〕日本特開2006－254629號公報(說明書第7頁~8頁，第4圖)〔非專利文獻1〕東洋電機技報第111號，2005－3(第13頁~第21頁)
然而，在第2習知技術，在2個永久磁鐵插入孔的上面和轉子鐵心的外徑間形成之外鐵心部，基於電樞反作用力而使q軸磁通容易飽和，因此無法利用磁阻轉矩，而在起動時及急劇的負載改變時難以獲得大的轉矩。
再者，如第2習知技術所示，對每1極以V字形配置2個永久磁鐵的形狀，相較於第1習知技術之具有平坦的永久磁鐵配置的形狀，雖可加大磁異向性，但無法充分活用其異向性，因此在低速、低負載時對馬達的效率提昇沒有幫助。
本發明係有鑑於前述問題點而提出者，其目的係提供電磁鋼板形成體、電磁鋼板積層體、具備其之永久磁鐵形同步旋轉電動機用轉子、永久磁鐵形同步旋轉電動機、使用該旋轉電動機之車輛、昇降機、流體機械、加工機，在以V字形配置之2個磁鐵孔的上面和轉子的外周部間所形成之鐵心部，可抑制q軸磁通之飽和，又可充分利用磁阻轉矩並提昇磁轉矩，在起動時及急劇負載改變時可獲得大轉矩又效率良好。
為了解決上述問題，本發明採用以下的構造。
請求項1記載的發明，係用來形成內藏有永久磁鐵之轉子鐵心之1片薄圓盤狀的電磁鋼板形成體，其特徵在於：係具備：在該圓盤狀電磁鋼板形成體以既定極距角設置之放射狀的極距線之範圍內，沿著以旋轉中心側為頂點之V字形，用來對1極插入2個該磁鐵之第1、第2磁鐵孔；以及位於前述V字形的頂點部且用來區隔前述第1、第2磁鐵孔之中央橋接部；將前述第1、第2磁鐵孔之任一方朝遠離前述極距線的中心線的方向偏置，將另一方朝接近前述極距線的中心線的方向偏置。
請求項2記載的發明，係在請求項1記載的電磁鋼板形成體中，前述第1、第2磁鐵孔的形狀呈非對稱。
請求項3記載的發明，係在請求項1或2記載的電磁鋼板形成體中，使前述第1、第2磁鐵孔的任一方之孔的半徑方向長度較長，使另一方孔的半徑方向長度較短。
請求項4記載的發明，係在請求項1或2記載的電磁鋼板形成體中，前述第1、第2磁鐵孔設置成，各該孔之上端面至該電磁鋼板形成體之外周部間之鐵心部的間隔相同。
請求項5記載的發明，係在請求項1或2記載的電磁鋼板形成體中，在前述第1、第2磁鐵孔，在各前述磁鐵孔之半徑方向之兩端部設置朝外周側或內周側鼓起之洩漏磁通防止用之圓弧空間。
請求項6記載的發明，係在請求項1或2記載的電磁鋼板形成體中，在前述第1、第2磁鐵孔，以包含各前述磁鐵孔的角部之方式，設置以比角部曲率更大的曲率向外周側鼓起之洩漏磁通防止用之圓弧空間。
請求項7記載的發明，係在請求項1或2記載的電磁鋼板形成體中，前述第1、第2磁鐵孔係呈大致矩形。
請求項8記載的發明，係在請求項1或2記載的電磁鋼板形成體中，前述第1、第2磁鐵孔係呈圓弧形。
請求項9記載的發明，係在請求項1或2記載的電磁鋼板形成體中，在前述電磁鋼板形成體，在依離心力之應力極限來決定且位於前述放射狀的極距線上之區域，設置空洞部。
請求項10記載的電磁鋼板積層體，其特徵在於：係將請求項1~9中任一項記載的電磁鋼板形成體以複數個進行積層而形成塊狀。
請求項11記載的永久磁鐵形同步旋轉電動機用轉子，其特徵在於：係具有：由請求項10記載的電磁鋼板積層體所構成之轉子鐵心、插入前述轉子鐵心內部之第1磁鐵孔、第2磁鐵孔而形成磁場之第1、第2永久磁鐵。
請求項12記載的發明，係在請求項11記載的永久磁鐵形同步旋轉電動機用轉子中，在前述第1、第2磁鐵孔的上端面和前述轉子鐵心的外周部之間所形成之鐵心部，前述第1、第2永久磁鐵所形成的磁通，以在圓周方向偏離前述轉子鐵心之以既定極距角設置之放射狀的極距線之中心的方式，進行分布。
請求項13記載的發明，係在請求項11或12記載的永久磁鐵形同步旋轉電動機用轉子中，前述轉子係8極的內藏磁鐵型同步旋轉電動機的轉子。
請求項14記載的永久磁鐵形同步旋轉電動機，其特徵在於，係具有：請求項11~13中任一項的轉子、以及配置於前述轉子周圍之定子。
請求項15記載的發明，係在請求項14記載的永久磁鐵形同步旋轉電動機中，配置於前述轉子的磁鐵孔之永久磁鐵的磁極數P和配置於前述定子的突極磁極之突極磁極數M的關係為，P＝2(n＋1)(其中n為1以上的整數)，且M＝6P。
請求項16記載的發明，係在請求項14或15記載的永久磁鐵形同步旋轉電動機中，前述旋轉電動機，係前述永久磁鐵的磁極數為8極之內藏磁鐵型同步旋轉電動機。
請求項17記載的車輛，其特徵在於：係使用請求項14~16中任一項記載的永久磁鐵形同步旋轉電動機作為驅動車輪之驅動用馬達。
請求項18記載的車輛，其特徵在於：係使用請求項14~16中任一項記載的永久磁鐵形同步旋轉電動機作為發電機。
請求項19記載的昇降機，其特徵在於：係使用請求項14~16中任一項記載的永久磁鐵形同步旋轉電動機作為驅動用馬達。
請求項20記載的流體機械，其特徵在於：係使用請求項14~16中任一項記載的永久磁鐵形同步旋轉電動機作為驅動用馬達。
請求項21記載的加工機，其特徵在於：係使用請求項14~16中任一項記載的永久磁鐵形同步旋轉電動機作為驅動用馬達。
依據本發明，在轉子鐵子之以既定極距角設置之放射狀的極距線之範圍內，具備沿著V字形用來對1極插入2個永久磁鐵之2個磁鐵孔，將一方的磁鐵孔朝遠離該極距線的中心線的方向偏置，將另一方的磁鐵孔朝接近該極距線的中心線的方向偏置；藉此，使2個永久磁鐵形成之磁通，以在圓周方向偏離轉子鐵心之該極距線的中心的方式進行分布，因此在V字形配置之2個磁鐵孔的上端面和轉子鐵心的外周部之間所形成之鐵心部，可抑制q軸磁通之飽和，又能充分利用磁阻轉矩並提昇磁轉矩。結果可實現出，即使對於起動時或急劇的負載改變仍能獲得大的轉矩，效率良好而適用於車輛、昇降機、流體機械或加工機等的領域之永久磁鐵形同步旋轉電動機用轉子、永久磁鐵形同步旋轉電動機。
以下，參照圖式來說明本發明之實施形態。
〔實施例1〕
第1圖係本發明的實施例之轉子鐵心形成用之衝孔電磁鋼板形成體之前視圖。第2圖係採用本發明的電磁鋼板形成體之轉子構造之放大前視截面圖。
第1圖中，1代表電磁鋼板形成體，2、3代表第1、第2磁鐵孔，4代表外橋接部。第2圖中，5代表中央橋接部，6、7代表第1、第2永久磁鐵，8代表空洞部，10代表轉子，11代表轉子鐵心，20、21、22、23、24、25代表洩漏磁通防止用之圓弧空間，O代表旋轉中心，OP代表極距線，OC代表極距線的中心線，θ代表極距角，La及Lb分別代表第1、第2磁鐵孔2、3之半徑方向長度，Cr代表磁鐵孔2、3的上端面到轉子鐵心11的外周部間之鐵心部的間隔。
本發明的特徵如以下所說明。
第1圖中，電磁鋼板形成體1係由用來形成轉子鐵心之1片薄圓盤狀的電磁鋼板構成。在該圓盤狀電磁鋼板形成體1以既定極距角設置之放射狀的極距線之範圍內設置：沿著以該鐵心的旋轉中心側為頂點之V字形，用來對1極插入2個磁鐵之2個磁鐵孔2、3。在該電磁鋼板形成體1之從磁鐵孔2、3的上端部至轉子外周部間的部分，形成外橋接部4。又在電磁鋼板形成體1，設置位於該V字形的磁鐵孔2、3的頂點部且用來區隔該磁鐵孔之中央橋接部5。此外，將電磁鋼板形成體1以複數個積層成塊狀，即製作出電磁鋼板積層體(第2圖之轉子鐵心11)。
用第2圖具體說明，在第1圖所示之電磁鋼板形成體1所構成之轉子鐵心11，每1極所設置之用來插入2個永久磁鐵6、7之第1、第2磁鐵孔2、3的特徵。亦即，沿著以該鐵心11的旋轉中心O側為頂點之V字形，以既定極距角θ設置之放射狀的極距線OP之範圍內，將第1磁鐵孔2朝遠離通過該極距線OP的中心之中心線OC的方向偏置，將第2磁鐵孔3朝接近通過該極距線OP的中心之中心線OC的方向偏置。
該第1、第2磁鐵孔2、3的形狀係形成非對稱，又第1磁鐵孔2之半徑方向長度La較長，第2磁鐵孔3之半徑方向長度Lb較短。
又，第1、第2磁鐵孔2、3設置成，在轉子鐵心11上用來插入磁鐵6、7之各該孔之上端面至轉子鐵心11的外周部間之鐵心部的間隔Cr相同。
在第1、第2磁鐵孔2、3，在各該磁鐵孔之半徑方向之兩端部設置朝外周側或內周側鼓起之洩漏磁通防止用之圓弧空間20、21、22、23。
又在第1、第2磁鐵孔2、3，以包含各該磁鐵孔的角部之方式，設置以比角部曲率更大的曲率向外周側鼓起之洩漏磁通防止用之圓弧空間24、25。本實施形態所記載之第1、第2磁鐵孔2、3的形狀，基本上是形成大致矩形，但也能形成圓弧形。
在由電磁鋼板形成體1構成之轉子鐵子11，在依離心力之應力極限來決定且位於該放射狀的極距線OP上之區域，設置空洞部8。
接著說明採用本發明的轉子之內藏磁鐵型同步馬達。
第3圖係採用本發明的轉子之內藏磁鐵型同步馬達之主要部的前視截面圖，係示意顯示發生最佳轉矩之定子和轉子的磁極之位置關係。圖示之馬達的轉子之永久磁鐵磁極數有8極，定子之突極磁極(與槽數相同)有48個，此磁鐵數和槽數的組合與第2習知技術相同。
在內藏磁鐵型同步馬達中，內藏於轉子10之永久磁鐵6、7，係呈V字形配置，同極互相對向，且圓周方向的厚度相同，一方的永久磁鐵6之徑方向長度較長，另一方的永久磁鐵7之徑方向長度較短，且各永久磁鐵之上端面至轉子10外周部間之鐵心部的間隔Cr相同。再者，第3圖所示之永久磁鐵6、7對轉子10的旋轉中心之開角，係與第2習知技術之第10圖所示之永久磁鐵55、56的開角形成相同角度。因此，用同極但長度不同之2個永久磁鐵6、7包夾之外鐵心部內之永久磁鐵所產生的磁通之反斥邊界點，係偏向半徑方向長度較短之永久磁鐵7側，亦即位於，從中心線Q－Q(通過變形V字形配之永久磁鐵6、7的開角α的中心)往圓周方向偏離δ的位置(轉子10之極距線的中心線OC上)。
在第3圖的例子，配置於轉子的磁鐵孔之永久磁鐵磁極數＝8極，配置於定子之突極磁極之突極磁極數(槽數)＝48個，關於其組合，設轉子之永久磁鐵的磁極數P、定子突極磁極數M，較佳為符合以下的關係。
亦即，P＝2(n＋1)(n為1以上的整數)且M＝6P
依據該組合，可獲得鑲齒效應小、振動小、高功率且高效率之旋轉電動機。
〔本發明之旋轉電動機之正轉動作的說明〕
以下是說明動作。
第4圖係本發明之內藏磁鐵型同步馬達的動作之說明圖，(a)係馬達正轉時的動作之示意圖，(b)係馬達產生旋轉磁場時電流相位和轉矩的關係。
第4(a)圖中，長度不同之2個同極永久磁鐵6、7所包圍之外鐵心部內之d軸的磁反斥邊界點，係位於V字形配置之底部的外側之轉子10表面，在該表面的偏置量如第3圖所示，係以定子之約1槽部的分量(偏角δ)偏離極距線OP的中心線OC。
裝設於定子鐵心13之槽部14的定子繞組(未圖示)所形成之極屬於第4(a)圖的情形，在定子和轉子間之間隙面，相對於磁反斥邊界點(存在於OC上)，左側是由定子繞組N極、永久磁鐵S極所構成之吸引部，右側是由定子繞組S極、永久磁鐵S極所構成之反斥部。吸引部之磁通變密，反斥部之磁通變疏，相較於習知技術之第10圖的例子，吸引部之定子繞組的電流方向所產生之定子側的N極較少，因此磁通密度比第10圖的例子更高，而反斥部之定子側的S極較多，因此磁通密度比第10圖的例子更低。由於其密度差變大，作用於轉子而使磁通從密區朝疏區移動之磁轉矩比第10圖的例子更大。在第4(a)圖中，2個永久磁鐵6、7對轉子的旋轉中心之開角α與第10圖的例子相同，藉由將d軸內之磁反斥邊界點偏置約1槽部的分量(第3圖、第4圖中之δ)，讓q軸磁通流過且與轉子的突極相對向之定子的突極磁極(齒部)成為2個(第10圖的例子只有1個)，因此變得不容易形成磁飽和。在第3圖之說明處，轉子之永久磁鐵所產生之磁場和繞組所產生之旋轉磁場進行吸引，又用繞組產生之旋轉磁場來吸引轉子之d軸突極部，因此第4(a)圖之斜線部分的磁通密度特別高。這時，相對於永久磁鐵之S極成分和繞組之S極成分，其N極成分比第10圖的例子短1槽部的分量，因此有比第10圖例子更強的磁阻轉矩作用於轉子，而使其往縮短S極成分的磁通之方向、亦即順時針方向移動。
接著說明本發明之永久磁鐵形同步旋轉電動機之電流相位和轉矩的關係。
本發明之轉子，如第4(a)圖所示，在第1、第2磁鐵孔2、3的上端面和轉子鐵心11的外周部之間所形成之鐵心部，第1、第2永久磁鐵6、7所形成的磁通，以在圓周方向偏離轉子鐵心11之以既定極距角設置之放射狀的極距線OP之中心線OC的方式，進行分布。藉此，藉由將d軸磁通偏置而使d軸之磁阻變大，q軸電感Lq則變得比d軸電感Ld大更多，突極性變顯著而容易發生磁阻轉矩。同時為了抑制q軸磁通飽和，係進行永久磁鐵之偏置以增加與極距線OP內之q軸相對向之定子的突極磁極(齒部)數。如此可緩和q軸磁通之飽和。磁鐵之磁場和繞組的旋轉磁場因磁吸引力、反斥力而發生之磁轉矩，係形成第4(b)圖中之曲線關係；用繞組產生之旋轉磁場來吸引轉子的突極部而發生之磁阻轉矩，係形成第4(b)圖中之曲線關係。將磁轉矩和磁阻轉矩兩者合在一起，就能發生第4(b)圖中之粗實線所代表之轉矩(合成轉矩)。
〔本發明之旋轉電動機之逆轉動作之說明〕
第5圖係本發明之內藏磁鐵型同步馬達的動作之說明圖，(a)係馬達逆轉時的動作之示意圖，(b)係馬達產生旋轉磁場時電流相位和轉矩的關係。
第4圖係顯示本發明之旋轉電動機順時針方向旋轉(正轉)時之最佳轉矩位置，相對於此，第5圖則是顯示本發明之旋轉電動機逆時針方向旋轉(逆轉)時之最佳轉矩位置。
在第5(a)圖，相對於轉子d軸之同極磁反斥邊界點，左側是由定子繞組S極、永久磁鐵S極所構成之反斥部，右側是由定子繞組N極、永久磁鐵S極所構成之吸引部。作用於轉子之磁轉矩，會使其從磁通密度較密之吸引部朝較疏之反斥部、亦即逆時針方向移動。這時永久磁鐵形同步旋轉電動機之電流相位和轉矩的關係如第5(b)圖所示，基本上其成合轉矩是和旋轉電動機正轉時的情形相同，故省略其詳細說明。
以上針對本發明之實施例進行詳細說明，相較於如第10圖之第2習知技術之內藏於轉子之永久磁鐵採用2等邊配置之轉子，第3圖所示之本發明，係在轉子鐵心11之以既定極距角θ設置之放射狀的極距線OP之範圍內，具備沿著V字形用來對1極插入2個永久磁鐵6、7之2個磁鐵孔2、3，將一方的磁鐵孔2朝遠離該極距線OP的中心線OC的方向偏置，將另一方的磁鐵孔3朝接近該極距線OP的中心線OC的方向偏置；藉此，使2個永久磁鐵6、7形成之磁通，以在圓周方向偏離轉子鐵心11之該極距線OP的中心線OC的方式進行分布。因此，對於一方向之旋轉方向，藉由改變永久磁鐵之半徑方向的長度而採用變形V字形配置，可提昇磁轉矩和磁阻轉矩，而能提昇永久磁鐵形同步旋轉電動機之效率。藉由提昇一方向的旋轉方向之磁轉矩，可大幅改善永久磁鐵形同步旋轉電動機之低速、低負載區域(小電流)之效率。
一般而言，轉子10之旋轉會使離心力作用於內藏之永久磁鐵，而造成永久磁鐵有向轉子的外周側脫離的情形。永久磁鐵和永久磁鐵插入孔之接觸面積越大，永久磁鐵相對於旋轉中心越接近水平，永久磁鐵的重量越輕，其離心耐力越強。本發明之2個永久磁鐵6、7中，一方的半徑方向的長度較短、另一方的半徑方向的長度較長之V字形永久磁鐵配置，半徑方向長度較短之永久磁鐵7雖相對於旋轉中心呈豎起，但因較短故重量較輕，半徑方向長度較長之永久磁鐵6之構造相對於旋轉中心接近水平(相較於比較對象之2等邊V字形)，因此旋轉離心耐力變強。
如第2圖所示，在第1、第2磁鐵孔2、3，在各該磁鐵孔之半徑方向之兩端部設置朝外周側或內周側鼓起之洩漏磁通防止用之圓弧空間20~23。又在第1、第2磁鐵孔2、3，以包含各該磁鐵孔的角部之方式，設置以比角部曲率更大的曲率向外周側鼓起之洩漏磁通防止用之圓弧空間24、25。利用該圓弧空間，能將轉子10之磁鐵孔之應力集中予以擴散並緩和。
如第2圖所示，在轉子鐵心11設置：沿V字形之用來對每1極插入2個磁鐵之磁鐵孔2、3、以及位於該磁鐵孔間之中央橋接部5，藉由該中央橋接部5可進一步提昇離心耐力。亦即能進行更高速的旋轉。
此外，如第2圖所示，藉由在轉子鐵心11形成8個空洞部8，其減少重量的份量可謀求轉子10的輕量化，可減少用來支承轉子軸(嵌合於轉子10的中空部)之軸承部(未圖示)的機械損失，而能提昇效率。這時，空洞部8之形成區域，係依作用於轉子10之離心力所產生之應力極限而決定之形狀尺寸、以及判斷對磁路的影響較少而決定之形狀尺寸來設定，因此不會影響耐旋轉離心力之機械強度，又不會阻礙裝設於定子12之槽部14的定子繞組(未圖示)及轉子10之永久磁鐵6、7所產生之磁通流動(磁路)，因此不會對特性造成不良影響。
而且，可在上述轉子鐵心11之空洞部8流通冷媒，以對轉子鐵心進行直接冷卻，而提昇轉子10之冷卻性能。
在第2習知技術之第10圖，在一般2等邊V字形永久磁鐵配置中，設於轉子之d軸內磁反斥邊界點必然位於中央；相對於此，在本發明之第3圖，係說明朝較短的永久磁鐵側偏置1槽部量的原理，關於該偏置量，可依旋轉電動機之定子的槽數、轉子的極數之組合來適當的決定。
上述實施例之說明以及圖式，係針對所謂帶槽型定子來作說明，本發明主要是關於轉子構造的發明，並不限於帶槽型定子，使用所謂無槽型定子當然也能獲得同樣的效果。
此外，本發明除旋轉馬達以外，也適用於進行直線運動之線性馬達。
依據本發明之電磁鋼板形成體、電磁鋼板積層體、具備其之永久磁鐵形同步旋轉電動機用轉子、永久磁鐵形同步旋轉電動機，在轉子鐵心之V字形配置之2個磁鐵孔的上端面和轉子鐵心的外周部間所形成之鐵心部，可抑制q軸磁通之飽和，又可充分利用磁阻轉矩並提昇磁轉矩，即使在起動時及急劇負載改變時仍可獲得大轉矩故效率良好，因此適用於：混合動力車、燃料電池車、電動車等的驅動用馬達和發電機，鐵路車輛用驅動用馬達和發電機，不斷電電源用之發電機。此外也能適用於產業機械之驅動用馬達，該產業機械包括：電梯、立體停車場等的昇降機，風力、水力用之壓縮機、鼓風機、泵等的流體機械，以及半導體製造裝置、工作機械等的加工機。
1．．．電磁鋼板形成體
2、3．．．第1、第2磁鐵孔
4．．．外橋接部
5．．．中央橋接部
6、7．．．第1、第2永久磁鐵
8．．．空洞部
10．．．轉子
11．．．轉子鐵心(電磁鋼板積層體)
20、21、22、23、24、25．．．洩漏磁通防止用之圓弧空間
12．．．定子
13．．．定子鐵心
14．．．槽部
O．．．旋轉中心
OP．．．極距線
OC．．．極距線之中心線
θ．．．極距角
α．．．第1、第2磁鐵孔之開角
δ．．．磁通之反斥邊界點之偏置量(偏角)
La、Lb．．．永久磁鐵之半徑方向長度
Cr．．．磁鐵孔上端面至轉子鐵心外周部間之鐵心部的間隔
第1圖係本發明的實施例之轉子鐵心形成用之衝孔電磁鋼板形成體之前視圖。
第2圖係採用本發明的電磁鋼板形成體之轉子構造之放大前視截面圖。
第3圖係採用本發明的轉子之內藏磁鐵型同步馬達之主要部的前視截面圖，係示意顯示發生最佳轉矩之定子和轉子的磁極之位置關係。
第4圖係本發明之內藏磁鐵型同步馬達的動作之說明圖，(a)係馬達正轉時的動作之示意圖，(b)係馬達產生旋轉磁場時電流相位和轉矩的關係。
第5圖係本發明之內藏磁鐵型同步馬達的動作之說明圖，(a)係馬達逆轉時的動作之示意圖，(b)係馬達產生旋轉磁場時電流相位和轉矩的關係。
第6圖係第1習知技術之轉子鐵心形成用之衝孔電磁鋼板形成體的前視圖。
第7圖係採用第1習知技術的轉子之內藏磁鐵型同步馬達的主要部之前視截面圖。
第8圖係第2習知技術之轉子鐵心形成用之衝孔電磁鋼板形成體的前視圖。
第9圖係採用第2習知技術之轉子之內藏磁鐵型同步馬達的主要部之前視截面圖，係示意顯示產生最佳轉矩之定子和轉子之磁極的位置關係。
第10圖係第2習知技術之內藏磁鐵型同步馬達的動作之說明圖，(a)係馬達正轉時的動作之示意圖，(b)係馬達產生旋轉磁場時電流相位和轉矩的關係。
2、3．．．第1、第2磁鐵孔
4．．．外橋接部
5．．．中央橋接部
6、7．．．第1、第2永久磁鐵
8．．．空洞部
10．．．轉子
11．．．轉子鐵心(電磁鋼板積層體)
20、21、22、23、24、25．．．洩漏磁通防止用之圓弧空間
O．．．旋轉中心
OP．．．極距線
OC．．．極距線之中心線
θ．．．極距角
La、Lb．．．永久磁鐵之半徑方向長度
Cr．．．磁鐵孔上端面至轉子鐵心外周部間之鐵心部的間隔

Claims (21)

  1. 一種電磁鋼板形成體，係用來形成內藏有永久磁鐵之轉子鐵心之1片薄圓盤狀的電磁鋼板形成體，其特徵在於：係具備：在該圓盤狀電磁鋼板形成體以既定極距角設置之放射狀的極距線之範圍內，沿著以旋轉中心側為頂點之V字形，用來對1極插入2個該磁鐵之第1、第2磁鐵孔；以及位於前述V字形的頂點部且用來區隔前述第1、第2磁鐵孔之中央橋接部；前述V字形的頂點位於將前述極距角二等分之中心線上，以前述V字形的頂點為基準之前述第1磁鐵孔和前述極距角之中心線所成的角度，比前述第2磁鐵孔和前述極距角之中心線所成的角度更小；前述第1、第2磁鐵孔的形狀呈非對稱，使前述第1、第2磁鐵孔的任一方之孔的半徑方向長度較長，使另一方孔的半徑方向長度較短。
  2. 一種電磁鋼板形成體，係用來形成內藏有永久磁鐵之轉子鐵心之1片薄圓盤狀的電磁鋼板形成體，其特徵在於：係具備：在該圓盤狀電磁鋼板形成體以既定極距角設置之放射狀的極距線之範圍內，用來對1極插入2個該磁鐵之第1、第2磁鐵孔；以及 用來區隔前述第1、第2磁鐵孔之中央橋接部；前述第1磁鐵孔和將前述極距角二等分之中心線所成的角度，比前述第2磁鐵孔和將前述極距角二等分之中心線所成的角度更小；前述第1、第2磁鐵孔的形狀呈非對稱，使前述第1、第2磁鐵孔的任一方之孔的半徑方向長度較長，使另一方孔的半徑方向長度較短，前述第1、第2磁鐵孔，具有越往徑向外側越遠離中心線的形狀。
  3. 如申請專利範圍第1或2項記載的電磁鋼板形成體，其中，前述第1、第2磁鐵孔設置成，各該孔之上端面至該電磁鋼板形成體之外周部間之鐵心部的間隔相同。
  4. 如申請專利範圍第1或2項記載的電磁鋼板形成體，其中，在前述第1、第2磁鐵孔，在各前述磁鐵孔之半徑方向之兩端部設置朝外周側或內周側鼓起之洩漏磁通防止用之圓弧空間。
  5. 如申請專利範圍第1或2項記載的電磁鋼板形成體，其中，在前述第1、第2磁鐵孔，以包含各前述磁鐵孔的角部之方式，設置以比角部曲率更大的曲率向外周側鼓起之洩漏磁通防止用之圓弧空間。
  6. 如申請專利範圍第1或2項記載的電磁鋼板形成體，其中，前述第1、第2磁鐵孔係呈大致矩形。
  7. 如申請專利範圍第1或2項記載的電磁鋼板形成體，其中，前述第1、第2磁鐵孔係呈圓弧形。
  8. 如申請專利範圍第1或2項記載的電磁鋼板形成體，其中，在前述電磁鋼板形成體，在依離心力之應力極限來決定且位於前述放射狀的極距線上之區域，設置空洞部。
  9. 一種電磁鋼板積層體，其特徵在於：係將申請專利範圍第1~8項中任一項記載的電磁鋼板形成體以複數個進行積層而形成塊狀。
  10. 一種永久磁鐵形同步旋轉電動機用轉子，其特徵在於：係具有：由申請專利範圍第9項記載的電磁鋼板積層體所構成之轉子鐵心、以及插入前述轉子鐵心內部之第1磁鐵孔、第2磁鐵孔而形成磁場之第1、第2永久磁鐵。
  11. 如申請專利範圍第10項記載的永久磁鐵形同步旋轉電動機用轉子，其中，在前述第1、第2磁鐵孔的上端面和前述轉子鐵心的外周部之間所形成之鐵心部，前述第1、第2永久磁鐵所形成的磁通，以在圓周方向偏離前述轉子鐵心之以既定極距角設置之放射狀的極距線之中心的方式進行分布。
  12. 如申請專利範圍第10或11項記載的永久磁鐵形同步旋轉電動機用轉子，其中，前述轉子係8極的內藏磁鐵型同步旋轉電動機的轉子。
  13. 一種永久磁鐵形同步旋轉電動機，其特徵在於：係具有： 申請專利範圍第10~12項中任一項的轉子、以及配置於前述轉子周圍之定子。
  14. 一種永久磁鐵形同步旋轉電動機，其特徵在於：係具有：在定子鐵心裝設定子繞組而構成的定子、以及設有轉子鐵心之轉子；前述轉子係具備：在前述轉子鐵心以既定極距角設置，沿著以旋轉中心側為頂點之V字形用來對1極插入2個永久磁鐵之第1、第2磁鐵孔；分別插入前述第1、第2磁鐵孔之第1、第2永久磁鐵；以及位於前述V字形的頂點部且用來區隔前述第1、第2磁鐵孔之中央橋接部；前述V字形的頂點位於將前述極距角二等分之中心線上，以前述V字形的頂點為基準之前述第1磁鐵孔和前述極距角之中心線所成的角度，比前述第2磁鐵孔和前述極距角之中心線所成的角度更小；在將前述極距角二等分之中心線上，由內藏於前述轉子鐵心之前述第1永久磁鐵和前述第2永久磁鐵所產生之轉子鐵心表面的磁性，和透過間隙與轉子表面相對向之定子內側的齒部上纏繞的定子繞組因電流通過所產生的磁 性，以該中心線為邊界，相對於前述轉子鐵心表面的磁性，使任一方成為異極、另一方成為同極，亦即讓定子內側的磁性移位點一致。
  15. 如申請專利範圍第13或14項記載的永久磁鐵形同步旋轉電動機，其中，配置於前述轉子的磁鐵孔之永久磁鐵的磁極數P和配置於前述定子的突極磁極之突極磁極數M的關係為，P=2(n+1)(n為1以上的整數)，且M=6P。
  16. 如申請專利範圍第13或14項記載的永久磁鐵形同步旋轉電動機，其中，前述旋轉電動機，係前述永久磁鐵的磁極數為8極之內藏磁鐵型同步旋轉電動機。
  17. 一種車輛，其特徵在於：係使用申請專利範圍第14~16項中任一項記載的永久磁鐵形同步旋轉電動機作為驅動車輪之驅動用馬達。
  18. 一種車輛，其特徵在於：係使用申請專利範圍第14~16項中任一項記載的永久磁鐵形同步旋轉電動機作為發電機。
  19. 一種昇降機，其特徵在於：係使用申請專利範圍第14~16項中任一項記載的永久磁鐵形同步旋轉電動機作為驅動用馬達。
  20. 一種流體機械，其特徵在於：係使用申請專利範圍第14~16項中任一項記載的永久磁鐵形同步旋轉電動機作為驅動用馬達。
  21. 一種加工機，其特徵在於： 係使用申請專利範圍第14~16項中任一項記載的永久磁鐵形同步旋轉電動機作為驅動用馬達。
TW096145150A 2007-03-20 2007-11-28 An electromagnetic steel sheet forming body, an electromagnetic steel sheet laminate, a rotor having a permanent magnet synchronous rotating electric machine, a permanent magnet synchronous rotating electric motor, a vehicle using the rotating electric machine, a lift, a fluid machine, a processing machine TWI445282B (zh)

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