TWI583104B

TWI583104B - 永久磁鐵埋設型馬達及其轉子

Info

Publication number: TWI583104B
Application number: TW102133791A
Authority: TW
Inventors: Toshihito Miyashita
Original assignee: Sanyo Electric Co
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2017-05-11
Also published as: US20140084735A1; KR101897635B1; TW201414142A; US10014736B2; KR20140039128A; EP2712062A3; JP2014064395A; EP2712062A2; CN103683600A

Description

永久磁鐵埋設型馬達及其轉子

本發明係關於一種對位於轉子鐵心內的永久磁鐵的埋設構造進行改良之轉子及永久磁鐵埋設型馬達。

永久磁鐵埋設型馬達(IPM馬達)係於轉子鐵心內，沿著其圓周方向等距埋設有複數個永久磁鐵。IPM馬達係具有永久磁鐵的磁通量的一部分在轉子鐵心內發生短路，而導致轉矩降低的問題存在。

就提升IPM馬達的轉矩的技術而言，現已揭示一種IPM馬達，其藉由將轉子外半徑R0與永久磁鐵的最內側的半徑R1的比設定在R1/R0>0.85的範圍，以提升轉矩(例如請參閱專利文獻1)。

另外，還有揭示一種IPM馬達，其採相對一個磁極使用二個以上的永久磁鐵的方案，以提升轉矩(例如請參閱專利文獻2)。

〔先前技術文獻〕

〔專利文獻〕

〔專利文獻1〕專利公告第3592948號公報

〔專利文獻2〕專利公告第3835231號公報

然而，專利文獻1的技術，會因具有接合轉子鐵心外周部與內周部的肋部的轉子鐵心形狀受到長方形狀的永久磁鐵的寬度尺寸R1/R0的比與肋部的厚度間的組合而有所制約，而存在極限值。因為該極限值的存在而對永久磁鐵的磁通量有所限制。此外，也造成透過肋部的永久磁鐵的短路磁通量增多、轉矩降低。

此外，專利文獻2的技術所需的永久磁鐵個數變得非常多，導致不僅永久磁鐵的成本增加，也間接造成製造成本劇增。

本發明係有鑑於上述情事而創作者，其目的在於提供一種毋須增加製造成本，即可降低永久磁鐵的短路磁通量而提升轉矩的永久磁鐵埋設型馬達、及該永久磁鐵埋設型馬達的轉子。

為達成上述目的，本發明所示之永久磁鐵埋設型馬達，係在轉子鐵心的複數個磁鐵收納部內嵌入永久磁鐵。

於一個該磁鐵收納部內配置複數個該永久磁鐵。接合轉子鐵心外周部與轉子鐵心內周部的肋部，係每隔複數個磁極配置。

根據本發明，可每隔複數個磁極配置肋部，其係用以接合轉子鐵心外周部與轉子鐵心內周部。藉由每隔複數個磁極配置肋部的方式以減少短路磁路，因而毋須增加製造成本，即可降低永久磁鐵的短路磁通量而提升轉矩。

1‧‧‧定子

2、202、502‧‧‧轉子

3‧‧‧旋轉軸

10‧‧‧磁軛

20‧‧‧定子鐵心

30‧‧‧線圈

31‧‧‧轉軸貫通孔

40、240、340、540‧‧‧轉子鐵心

40a、340a、540a‧‧‧轉子鐵心外周部

40b、340b、540b‧‧‧轉子鐵心內周部

41、341、541‧‧‧轉子鐵心疊片

42、342、542‧‧‧磁鐵收納部

43、343、543‧‧‧肋部

50、550‧‧‧永久磁鐵

100‧‧‧永久磁鐵埋設型馬達

第1圖係為實施例1之永久磁鐵埋設型馬達之概略剖面圖。

第2圖係為說明實施例1之永久磁鐵埋設型馬達的轉子之說明圖，其中，(A)為轉子鐵心疊片之前視圖，(B)為轉子鐵心之立體圖，(C)為永久磁鐵的插入狀態之說明圖。

第3圖係為針對習知構造的轉子鐵心形狀與實施例1的轉子鐵心形狀，比較永久磁鐵的短路磁通量的流向與永久磁鐵寬度之比較圖，其中，(A)為習知構造的轉子鐵心形狀之示意圖，(B)為實施例1的轉子鐵心形狀之示意圖。

第4圖係為說明實施例2之永久磁鐵埋設型馬達的轉子之說明圖，其中，(A)為轉子鐵心疊片之前視圖，(B)為轉子鐵心的切半狀態之立體圖，(C)為永久磁鐵的插入狀態之說明圖。

第5圖係為說明實施例3之永久磁鐵埋設型馬達的轉子之說明圖，其中，(A)為轉子鐵心疊片之前視圖，(B)為轉子鐵心之立體圖，(C)為永久磁鐵的插入狀態之說明圖。

第6圖係為說明實施例4之永久磁鐵埋設型馬達的轉子之說明圖，其中，(A)為轉子鐵心疊片之前視圖，(B)為轉子鐵心的切半狀態之立體圖，(C)為永久磁鐵的插入狀態之說明圖。

第7圖係為說明習知構造之永久磁鐵埋設型馬達的轉子之說明圖，其中，(A)為轉子鐵心疊片之前視圖，(B)為轉子鐵心之立體圖，(C)為永久磁鐵的插入狀態之說明圖。

以下，茲參閱圖式說明本發明實施例1至實施例4所示之永久磁鐵埋設型馬達。

實施例1至實施例4所示之永久磁鐵埋設型馬達，係藉由每隔複數個磁極配置用以接合轉子鐵心外周部與轉子鐵心內周部的肋部的方式，而毋須增加製造成本，即可降低永久磁鐵的短路磁通量而達到提升轉矩之目的。

〔實施例1〕

<永久磁鐵埋設型馬達及其轉子之構成>

首先，請參閱第1圖及第2圖，對實施例1之永久磁鐵埋設型馬達及該永久磁鐵埋設型馬達的轉子之構成進行說明如下。第1圖係為實施例1之永久磁鐵埋設型馬達之概略剖面圖。第2圖係為說明實施例1之永久磁鐵埋設型馬達的轉子之說明圖，第2圖(A)部分為轉子鐵心疊片之前視圖，第2圖(B)部分為轉子鐵心之立體圖，第2圖(C)部分為永久磁鐵的插入狀態之說明圖。

本實施例之永久磁鐵埋設型馬達一般稱為IPM馬達(Interior Permanent Magnet Motor)。舉例而言，第1圖所例示的永久磁鐵埋設型馬達100可為10極12槽的IPM馬達，具有定子(固定子)1與轉子(旋轉子)2。

如第1圖所示，定子1係包含磁軛10、定子鐵心20及線圈30。

磁軛10係為圓筒狀的金屬構件。磁軛10可封閉磁力線而具有最大化後述的永久磁鐵50的電磁感應效果之機能。此外，磁軛10還具有可防止周邊設備因受到該馬達100的電磁感應所生成的磁場的影響的機能。

就磁軛10的構成材料而言，例如可使用矽鋼板等軟磁材料，但並不以例示材料為限。

定子鐵心20係為沿著磁軛10的內面設置而成的厚壁圓筒狀的金屬構件。於定子鐵心20的內周側，面向轉子2呈放射線地分割形成著複數個狹槽21，用以作為收納線圈30的空間。第1圖之狹槽形狀僅為例示，但不以例示形狀為限。

就定子鐵心20的構成材料而言，例如可使用與磁軛10相同的矽鋼板等軟磁材料，但並不以例示材料為限。

線圈30係配置於狹槽21內。狹槽21的數量係與線圈30的數量相對應。於本實施例中，雖配設有十二個狹槽21及線圈30，但狹槽21及線圈30的數量並不以此為限。

轉子2係設於旋轉軸3周圍，具有轉子鐵心40及永久磁鐵50。旋轉軸3係為轉子2的旋轉中心。

轉子鐵心40係為設置在旋轉軸3周圍的厚壁圓筒狀的金属構件。轉子鐵心40如第2圖(A)部分與第2圖(B)部分所示，具有在軸向上積層複數個環狀的轉子鐵心疊片41的堆疊構造。

就轉子鐵心40的構成材料而言，例如可使用與磁軛10及定子鐵心20相同的矽鋼板等軟磁材料，但並不以例示材料為限。

於各轉子鐵心疊片41的中央部，形成有用以嵌入旋轉軸3的圓形的轉軸貫通孔31。

於各轉子鐵心疊片41的外周部附近，形成有用以收納永久磁鐵50的複數個磁鐵收納部42。磁鐵收納部42係沿著圓周方向等距配置。

轉子鐵心外周部40a與轉子鐵心內周部40b係透過肋部43相連接。肋部43係存在於磁鐵收納部42彼此之間。

可每隔複數個磁極配置肋部43，其係用以接合轉子鐵心外周部40a與轉子鐵心內周部40b。本實施例之肋部43係每隔二個磁極配置。因此，於轉子鐵心疊片41中，磁鐵收納部42係連通著按二個磁極分配到的習知磁鐵收納部，而彎曲如「ㄑ」字狀。

永久磁鐵50係組裝在沿著轉子鐵心40的圓周方向等距配置的磁鐵收納部42內。如第2圖(C)部分所示，於各磁鐵收納部42內配置二個永久磁鐵50，以使外周部側為N極和S極。

永久磁鐵50係呈直方體狀(軸向截面形狀為長方形)。於本實施例中，雖以配置10極永久磁鐵50為例，但永久磁鐵50的數量並不以此為限。

就永久磁鐵50而言，例如雖可舉出釹磁鐵等稀土類磁鐵為例，但並不以例示材質為限。

<永久磁鐵埋設型馬達及其轉子之作用>

其次，請參閱第1圖至第3圖及第7圖，對實施例1所示之永久磁鐵埋設型馬達100及該永久磁鐵埋設型馬達100的轉子2之作用進行說明如下。

如第1圖所示，本實施例之永久磁鐵埋設型馬達100的轉子2係在磁鐵收納部42內嵌入永久磁鐵50，磁鐵收納部42係沿著轉子鐵心40的圓周方向等距配置。於各磁鐵收納部42內組裝二個永久磁鐵50。配置複數個永久磁鐵50，以使外周側依序為N極、S極、N極、S極。

另一方面，定子1係設置成圍繞著轉子2，並具有在圓周方向呈放射線狀排列的複數個線圈30。

換言之，本實施例的永久磁鐵埋設型馬達100係為了能與轉子2的永久磁鐵50所發生的磁通量交叉，而在定子1的線圈30中通有電流。當永久磁鐵50的磁通量與流過線圈30的電流交叉時，本實施例的永久磁鐵埋設型馬達100係藉由電磁感應作用，而發生圓周方向的驅動力，進而使轉子2以旋轉軸3為中心旋轉。

實施例1係採每隔二個磁極配置用以接合轉子鐵心外周部40a與轉子鐵心內周部40b的肋部43的方式。亦即，於各磁鐵收納部42內組裝二個永久磁鐵50，以使外周部側為N極、S極。

於此，請參閱第7圖，對習知構造的轉子進行說明如下。第7圖係為說明習知構造之永久磁鐵埋設型馬達的轉子之說明圖，第7圖(A)部分為轉子鐵心疊片之前視圖，第7圖(B)部分為轉子鐵心之立體圖，第7圖(C)部分為永久磁鐵的插入狀態之說明圖。

如第7圖所示，習知構造的轉子502例如可於轉子鐵心540內部設有10極永久磁鐵550。各磁鐵收納部542係依每個永久磁鐵550加以形成。亦即，於各磁鐵收納部542內係裝有一個永久磁鐵550。

因此，用以接合轉子鐵心外周部540a與轉子鐵心內周部540b的肋部543係採每隔一個磁極配置的方式。

第3圖係為針對習知構造的轉子鐵心形狀與實施例1的轉子鐵心形狀，比較永久磁鐵的短路磁通量的流向與永久磁鐵寬度之比較圖。

如第3圖所示，永久磁鐵50、550的短路磁通量的主要磁路係包含通過轉子鐵心40、540的外周附近而短路相鄰的永久磁鐵50、550的磁路；以及通過肋部43、543而短路同一永久磁鐵50、550的磁路等兩種磁路。

就第3圖(A)部分的習知構造的轉子鐵心形狀而言，若合計左右磁路，則對一個永久磁鐵550來說，係存在有四種短路磁路。

相對於此，由於第3圖(B)部分的實施例1的轉子鐵心形狀係於各磁鐵收納部42內配置二個永久磁鐵50，因而可消滅其中一方的短路磁路。如上述，若將實施例1的轉子鐵心形狀的短路磁路數與習知構造相比，短路磁路數可減少至習知的3/4。

此外，由於實施例1的轉子鐵心形狀係於各磁鐵收納部42內配置二個永久磁鐵50，因而與習知構造相比，肋部43的數量可減半。因為磁鐵收納部42內所收納的二個永久磁鐵50、50間的肋部並不存在，所以可插入永久磁鐵 50的寬度W2將比習知構造的永久磁鐵550的寬度W1還大。透過增加永久磁鐵50的寬度W2而可增加永久磁鐵50的磁通量大小。

根據實施例1所示之永久磁鐵埋設型馬達100及該永久磁鐵埋設型馬達100的轉子2，藉由每隔二個磁極配置用以接合轉子鐵心外周部40a與轉子鐵心內周部40b的肋部43的方式，與習知構造相比，可減少短路磁通量大小，進一步可增加永久磁鐵50的磁通量。如上述，實施例1所示之永久磁鐵埋設型馬達100及該永久磁鐵埋設型馬達100的轉子2毋須增加製造成本，即可提升轉矩。

〔實施例2〕

其次，請參閱第4圖，對實施例2之永久磁鐵埋設型馬達的轉子之構成進行說明如下。第4圖係為說明實施例2之永久磁鐵埋設型馬達的轉子之說明圖。第4圖(A)部分為轉子鐵心疊片之前視圖，第4圖(B)部分為轉子鐵心的切半狀態之立體圖，第4圖(C)部分為永久磁鐵的插入狀態之說明圖。此外，對於與實施例1相同構成的構件，係標示相同符號進行說明。此外，對於重複的說明則僅標示符號而省略其詳細說明。

實施例2所示之永久磁鐵埋設型馬達的轉子202，其與實施例1之相異點在於轉子鐵心疊片41的積層構造。轉子鐵心疊片41的形狀則與實施例1的形狀相同(參閱第2圖(A)部分)。

實施例2的轉子鐵心疊片41的積層，係採將轉子鐵心疊片41於轉軸周圍每隔一個磁極旋轉的方式進行積層，進行稱為「轉積」之動作。由於是將轉子鐵心疊片41每隔一個磁極進行轉積，因此在軸向上，肋部43係存在於每隔一片轉子鐵心疊片之間。

由於在軸向上，肋部43係存在於每隔一片之間，因此永久磁鐵50的寬度將會受到該肋部43所制約變得比實施例1還小，而與習知構造的寬度相同。

然而，由於通有短路磁通量的肋部43的剖面積僅為習知構造的一半，進而增加肋部43的磁阻而降低短路磁通量大小。

實施例2所示之永久磁鐵埋設型馬達的轉子202，基本上可獲得與實施例1相同的作用效果。實施例2所示之永久磁鐵埋設型馬達的轉子202的轉矩雖然比實施例1低，但轉子鐵心240的離心力強度卻比實施例1還高，而具有比較牢固的特有效果。

〔實施例3〕

其次，請參閱第5圖，對實施例3之永久磁鐵埋設型馬達的轉子之構成進行說明如下。第5圖係為說明實施例3之永久磁鐵埋設型馬達的轉子之說明圖。第5圖(A)部分為轉子鐵心疊片之前視圖，第5圖(B)部分為轉子鐵心之立體圖，第5圖(C)部分為永久磁鐵的插入狀態之說明圖。此外，對於與實施例1相同構成的構件，係標示相同符號進行說明。此外，對於重複說明則僅標示符號而省略其詳細說明。

實施例3所示之永久磁鐵埋設型馬達的轉子302，其與實施例1之相異點在於轉子鐵心疊片341的磁鐵收納部342的形狀。實施例3的轉子鐵心疊片341係連通著按五個磁極分配到的習知磁鐵收納部。於磁鐵收納部342內配置五個磁極份量的永久磁鐵50。接合轉子鐵心外周部340a與轉子鐵心內周部340b的肋部343，係每隔五個磁極配置。

實施例3的轉子鐵心340係不對轉子鐵心疊片341進行旋轉積層(轉積)，而是在磁鐵收納部342存在相同位置的狀態下進行積層。

與實施例1相同，永久磁鐵50係採用直方體狀(軸向截面形狀為長方形)者。因此，於一個磁鐵收納部342內係配置五個永久磁鐵50，以使外周側呈N極、S極交錯排列。

由於肋部343係每隔五個磁極存在，因此與習知構造相比，短路磁路數可減少至習知的3/5。

再者，因為沒有肋部343的制約，所以插入永久磁鐵50的寬度可設成較大，而可更進一步提升轉矩。

實施例3所示之永久磁鐵埋設型馬達的轉子302，基本上可獲得與實施例1相同的作用效果。特別是由於實施例3所示之永久磁鐵埋設型馬達的轉子302可減少短路磁通量，並可擴大永久磁鐵50的寬度，因而具有可大幅提升轉矩的特有效果。

〔實施例4〕

其次，請參閱第6圖，對實施例4之永久磁鐵埋設型馬達的轉子之構成進行說明如下。第6圖係為說明實施例4之永久磁鐵埋設型馬達的轉子之說明圖。第6圖(A)部分為轉子鐵心疊片之前視圖，第6圖(B)部分為轉子鐵心的切半狀態之立體圖，第6圖(C)部分為永久磁鐵的插入狀態之說明圖。此外，對於與實施例1及實施例3相同構成的構件，係標示相同符號進行說明。此外，對於重複的說明則僅標示符號而省略其詳細說明。

實施例4所示之永久磁鐵埋設型馬達的轉子402，其與實施例3之相異點在於將轉子鐵心疊片341於轉軸周圍進行旋轉積層(轉積)。轉子鐵心疊片341的形狀係與實施例3的形狀相同(參閱第5圖(A)部分)。

如第6圖(A)部分所示，實施例4的轉子鐵心疊片341的積層，係採將轉子鐵心疊片341於轉軸周圍每隔一個磁極的方式進行旋轉積層(轉積)。由於是將轉子鐵心疊片341於轉軸周圍每隔一個磁極進行轉積，因此，如第6圖(B)部分所示，在軸向上的肋部343係存在於每隔五片轉子鐵心疊片之間。

由於在軸向上的肋部343係存在於每隔五片之間，因此永久磁鐵50的寬度將會受到該肋部343所制約變得比實施例3還小，而與習知構造的寬度相同。

然而，由於在軸向上，肋部343係存在於每隔五片之間，且通有短路磁通量的肋部343的剖面積僅為習知的1/5，進而增加肋部343的磁阻而降低短路磁通量大小。

實施例4所示之永久磁鐵埋設型馬達的轉子402，基本上可獲得與實施例3相同的作用效果。因為實施例4所示之永久磁鐵埋設型馬達的轉子402的永久磁鐵的寬度較小，所以轉矩會比實施例3還低，但轉子鐵心340的離心力強度卻比實施例3還高，而具有比較牢固的特有效果。

以上，雖已對本發明之較佳實施例進行說明，惟此等僅為用以說明本發明之例示，其主旨並非意在將本發明之範圍僅侷限於此等實施例。本發明可於未脫離本發明之主旨之範圍內，以與上述實施例相異之各種態樣實施之。

2‧‧‧轉子

31‧‧‧轉軸貫通孔

40‧‧‧轉子鐵心

40a‧‧‧轉子鐵心外周部

40b‧‧‧轉子鐵心內周部

41‧‧‧轉子鐵心疊片

42‧‧‧磁鐵收納部

43‧‧‧肋部

50‧‧‧永久磁鐵

Claims

一種永久磁鐵埋設型馬達的轉子，其係在轉子鐵心的複數個磁鐵收納部內嵌入永久磁鐵，包含：於一個該磁鐵收納部內配置複數個該永久磁鐵，接合轉子鐵心外周部與轉子鐵心內周部的肋部，係每隔複數個磁極配置其中該轉子鐵心係具有在旋轉軸的軸向上積層複數個轉子鐵心疊片的堆疊構造，並以使該複數個轉子鐵心疊片於轉軸周圍每隔至少一個磁極旋轉的方式進行積層。
一種永久磁鐵埋設型馬達，其包含：於具有線圈的定子內，設有如申請專利範圍第1項所述之轉子。