TWI594546B

TWI594546B - Magnet embedded rotary motor

Info

Publication number: TWI594546B
Application number: TW104137740A
Authority: TW
Inventors: 下田敏章; 笠井信吾
Original assignee: 神戶製鋼所股份有限公司
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2015-11-16
Publication date: 2017-08-01
Also published as: JP2016100955A; CN107005110A; TW201631868A; JP6220328B2; CN107005110B; US20170310177A1; WO2016080191A1; US10476330B2

Description

磁體埋入型旋轉電機

本發明有關一種磁體埋入型旋轉電機，具備：旋轉件，係具有內部埋入永久磁體的轉子芯；以及固定件，係相對於該旋轉件做對向配置。

所謂旋轉電機，是電動機、發電機、電動機兼發電機的總稱。在本發明的磁體埋入型旋轉電機作為電動機而利用的情況下，該電動機稱為IPM(Interior Permanent Magnet)馬達。相對於此，具有永久磁體被貼附在轉子芯的表面的旋轉件之電動機，稱為SPM(Surface Permanent Magnet)馬達。而且，IPM馬達與SPM馬達合稱為PM馬達。

本發明之最終的目標，為達成IPM馬達的高速旋轉化。有關不為IPM馬達而是SPM馬達的發明，作為解決馬達的高速化為課題之發明，例如有記載在專利文獻1的發明。

記載在專利文獻1的SPM馬達的旋轉件，具有；被配設在圓桶形軛的表面之永久磁體；以及在捲繞於該永久磁體的外周圍面上的高熔點纖維的外表面被覆低熔點金屬之纖維強化金屬線；鄰接的纖維強化金屬線彼此之各個的低熔點被覆部被熔融固著。經由永久磁體的外周圍面上的纖維強化金屬線的捲繞、及低熔點被覆部彼此的熔融固著的方式，可以對高速旋轉時之大的離心力施以阻抗，提高旋轉件的強度。

記載在專利文獻2的發明，係針對馬達等的高速旋轉化的要求，圖求構成轉子芯的電磁鋼板的強度提升者。

在此，在使IPM馬達、SPM馬達之所謂PM馬達予以高速旋轉方面，以高的頻率驅動馬達。此時，發生在轉子(旋轉件)的渦流損失變大，磁體的減磁成為問題。一般的定子(固定件)，係以與殼體及冷卻路的接觸等的方式使散熱容易。另一方面，位置在定子的內側的轉子，係透過軸連接到負載，介隔著軸、軸承的殼體成為主要的散熱路徑的緣故，難以確保散熱路徑。在通常的馬達，驅動頻率為較低的50Hz、60Hz的緣故，確保發生在轉子的渦流損失、散熱路徑並不會特別成為問題。但是，例如在以400Hz使馬達高速旋轉的情況下，發生在轉子的渦流損失變大。減低該渦流損失、或是確保轉子的散熱路徑係成為問題。

而且，在IPM馬達，在轉子芯的外周圍部鐵心可以是磁路。該磁路不對力矩有貢獻的緣故，通常，進行把轉子芯的外周圍部予以極力細化使其磁性飽和並作為架橋部、或是設有通量壁障(flux barrier)等的設計。但是，使馬達高速旋轉的話離心力變大，所以有必要把轉子芯的外周圍部變厚。經此，變成力矩不足的緣故，為了補正力矩，而增加電流、或增加磁體，但前者招致渦流損失的增加，後者招致成本增加。

更進一步，近來，馬達的節能性能的提升、高效率化的需求日益高漲。IPM馬達，係經由施加到通常的磁轉矩，於轉子構造具有顯著性的方式可活用磁阻轉矩的緣故，作為可以實現高效率化的馬達受到注目。在高速旋轉方面，高效率化的需求也是高的。

記載在專利文獻1的發明，為有關SPM馬達的旋轉件的發明，SPM馬達係比起IPM馬達難以輸出高效率，無法活用磁阻轉矩。而且，在專利文獻1，以使纖維強化金屬線的低熔點被覆部彼此熔融固著並作為旋轉件的保護層的方式，提高該旋轉件的強度。該保護層的主要的物質為金屬，金屬係電流容易流動的緣故，即便提高旋轉件的強度，也無法抑制渦流損失。

而且，在專利文獻1，把纖維強化金屬線捲繞在旋轉件，之後，以利用鐳射等進行加熱的方式使低熔點金屬熔融固著後把纖維強化金屬線固定到旋轉件。在此，對每個旋轉件捲繞纖維強化金屬線之製程是有必要，可惜工時(時間)增多，而且有關設備、治具的製作的費用會增加。

記載在專利文獻2的發明，乃是圖求電磁鋼板的強度提升之發明，並非因應減低渦流損失者。

〔先前技術文獻〕〔專利文獻〕

〔專利文獻1〕日本特開昭61-73559號專利公報

〔專利文獻2〕日本特開2010-90474號專利公報

本發明的目的為提供一種磁體埋入型旋轉電機，係儘管提高旋轉件的強度，卻可以抑制發生在該旋轉件的渦流損失。

有關本發明之其中一情勢的磁體埋入型旋轉電機，具備：旋轉件，係具有埋入永久磁體到內部之轉子芯；固定件，係相對於前述旋轉件做對向配置；以及纖維強化塑膠管，係被外插到前述轉子芯且被固定。

根據本發明，儘管提高旋轉件的強度，卻可以抑制發生在該旋轉件的渦流損失。為此，本發明的磁體埋入型旋轉電機，為可高速旋轉且效率良好。

本發明的目的、特徵及優點，係根據以下詳細的說明與附圖，得以更明白。

1‧‧‧IPM馬達

2‧‧‧旋轉件

3‧‧‧固定件

4‧‧‧纖維強化塑膠管

5‧‧‧輸出軸

6‧‧‧空隙部

11‧‧‧轉子芯

12‧‧‧永久磁體

13‧‧‧永久磁體

14‧‧‧平行楔

15‧‧‧空隙

16‧‧‧端板

17‧‧‧螺栓

21‧‧‧定子芯

22‧‧‧繞線

31‧‧‧軸方向的纖維

32‧‧‧圓周方向的纖維

33‧‧‧環狀的纖維

34‧‧‧重疊部

201‧‧‧IPM馬達

204‧‧‧纖維強化塑膠管

11a‧‧‧孔

11c‧‧‧磁通短路徑

12a‧‧‧磁體

12b‧‧‧磁體

13a‧‧‧磁體

13b‧‧‧磁體

204a‧‧‧內管

204b‧‧‧外管

21a‧‧‧槽

21b‧‧‧齒

11b‧‧‧磁體嵌入孔

〔圖1〕圖1為磁體埋入型旋轉電機的剖視圖。

〔圖2〕圖2為圖1的II-II線剖視圖。

〔圖3〕圖3為纖維強化塑膠管的立體圖。

〔圖4A〕圖4A為纖維強化塑膠管的立體圖。

〔圖4B〕圖4B為纖維強化塑膠管的立體圖。

以下，就本發明的適合的實施方式，參閱圖面說明之。尚且，本發明的磁體埋入型旋轉電機，係搭載在車載用的電動機、飛行器之發電機等，可以利用作為各式各樣的機械的電動機、發電機、電動機兼發電機。

〔第1實施方式〕 (IPM馬達的構成)

本發明的第1實施方式所致之磁體埋入型旋轉電機為IPM馬達。IPM馬達1，係如剖視圖之圖1、及圖1的II-II線剖視圖之圖2所表示，具有：旋轉件(轉子)2、以及筒狀的固定件(定子)3，係在旋轉件2的徑方向外側相對於旋轉件2做對向配置。旋轉件2被配置在固定件3內，使得其軸心與固定件3的軸心一致(成為同軸)。而且，旋轉件2與固定件3被收納在未圖示殼體內。

(旋轉件)

旋轉件2，具有：筒狀的轉子芯11、以及被埋入到轉子芯11的內部之2組永久磁體12、13。旋轉件2可旋轉在圖2表示的C方向、及其之逆方向。

轉子芯11，係例如，藉由把環板狀的電磁鋼板 (35H300等)層積在軸心方向的方式而形成。在轉子芯11的中心，形成貫通在軸心(旋轉軸)方向的孔11a。在該孔11a，被插通有把旋轉件2的旋轉輸出到外部之輸出軸(軸)5。轉子芯11，係利用平行楔14被固定到輸出軸5。輸出軸5係藉由軸承(未圖示)被支撐成可旋轉。

如圖1表示，在旋轉件2的軸心方向的兩端，分別設有端板16。一對的端板16，係藉由貫通轉子芯11的螺栓17，被固定在旋轉件2。以介隔著端板16把轉子芯11的熱放出到外部氣體的方式，提升轉子芯11的散熱特性。而且，以作為這樣的構造，作為形成轉子芯11的電磁鋼板，可以使用不為高張力之通常的製品。經此，可以使轉子芯11所致之鐵損減低的緣故，使發生在旋轉件2的損失減低，可以使馬達效率提升。

如圖2所表示，在轉子芯11的外周圍部，形成在旋轉件2的圓周方向上隔著間隔排列之4個磁體嵌入孔11b。各磁體嵌入孔11b，係把轉子芯11貫通在軸心方向，如後述般，分別嵌入構成永久磁體12之一對的同極的磁體12a、12b，以及構成永久磁體13之一對的同極的磁體13a、13b。

2組永久磁體12、13為釹磁鐵等，藉由嵌入到轉子芯11的磁體嵌入孔11b的方式，形成旋轉件2(轉子芯11)的磁極。永久磁體12與永久磁體13被嵌入到各磁體嵌入孔11b，使得在旋轉件2的圓周方向上相鄰的磁極為相互相反的磁極，亦即，在旋轉件2的外周圍面上，S極與N極交互排列在圓周方向上。

永久磁體12，係利用沿旋轉件2的圓周方向做鄰接配置之一對的同極的磁體12a、12b所構成。而且，永久磁體13，係利用沿旋轉件2的圓周方向做鄰接配置之一對的同極的磁體13a、13b所構成。一對的同極的磁體12a、12b及一對的同極的磁體13a、13b，係分別被嵌入到磁體嵌入孔11b。

與一對的同極的磁體12a、12b中的旋轉件2的中心對向的面，係分別為S極，其形狀為平面。而且，與一對的同極的磁體12a、12b中的固定件3對向的面，係分別為N極，其形狀為平面。旋轉件2的外周圍面與各個同極的磁體12a、12b之間的部分也就是磁通短路徑11c，乃是在旋轉件2內磁通短路的部分。

與一對的同極的磁體13a、13b中的旋轉件2的中心對向的面，係分別為N極，其形狀為平面。而且，與一對的同極的磁體13a、13b中的固定件3對向的面，係分別為S極，其形狀為平面。旋轉件2的外周圍面與各個同極的磁體13a、13b之間的部分也就是磁通短路徑11c，乃是在旋轉件2內磁通短路的部分。

在旋轉件2的圓周方向上，在一對的同極的磁體12a、12b及一對的同極的磁體13a、13b之各個、與轉子芯11之間，分別形成空隙15。該空隙15，係在旋轉件2的圓周方向上，分別形成在各個同極的磁體12a、12b、13a、13b的兩側。經由這些空隙15，可以使在旋轉件2 內短路的磁通減少。尚且，所謂磁通的短路，是意味著從N極出發的磁通不會到達固定件3與旋轉件2之間的空隙部6，而是照原樣通過轉子芯11進入到S極。

(固定件)

固定件3，具有：筒狀的定子芯21、以及繞線22，係被捲繞在定子芯21的內周圍面。

定子芯21，係例如，藉由把複數個電磁鋼板(矽鋼板等)層積在軸心方向的方式而形成。在定子芯21的內周圍面，沿圓周方向，交互連續形成槽21a與齒21b。在齒21b，捲繞繞線22。經由對分別被捲繞在複數個齒21b之繞線22供給指定的相位差的電流的方式，形成旋轉磁場。經此，在旋轉件2發生磁轉矩與磁阻轉矩，旋轉件2旋轉。在此，所謂磁阻轉矩，就是在磁阻應當變小之處所發生的力矩，亦即，作為在磁氣難以流動之處流動磁通，旋轉件2相對於固定件3進行旋轉所發生的力矩。

(纖維強化塑膠管)

IPM馬達1具有纖維強化塑膠管4。該纖維強化塑膠管4被外插到轉子芯11且被固定。纖維強化塑膠管4的厚度例如為2mm。以把纖維強化塑膠管4固定在轉子芯11的方式，提高旋轉件2的強度。

如圖3所表示，纖維強化塑膠管4乃是編織有高強度的纖維強化塑膠的纖維並用樹脂固定之複合材料。構成纖維強化塑膠管4的纖維被配置成格子狀。具體方面，延伸存在於纖維強化塑膠管4的軸方向的纖維31與延伸存在於圓周方向的纖維32被配置成格子狀。纖維強化塑膠，係比起專利文獻1的纖維強化金屬線其導電率更低的緣故，可以使在旋轉件2發生的渦流損失減低。

延伸存在於圓周方向的纖維32，乃是用1根的纖維捲繞成螺旋狀者。另一方面，延伸存在於軸方向的纖維31，係設有複數個並排列在圓周方向。在本實施方式中，延伸存在於軸方向的纖維31為4根，但不限定於此，可為5根以上，亦可為3根以下。

延伸存在於軸方向的纖維31、及延伸存在於圓周方向的纖維32，係分別為低電導率纖維。經此，可以抑制纖維強化塑膠管4的發熱。在本實施方式中，延伸存在於軸方向的纖維31、及延伸存在於圓周方向的纖維32，係比阻抗為10¹⁰Ωcm以上的GFRP(Grass Fiber Reinforced Plastic)，但不限定於此，亦可以是CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)或、AFRP(Aramid Fiber Reinforced Plastic)、ALFRP(Alumina Fiber Reinforced Plastic)等。尚且，延伸存在於軸方向的纖維31、及延伸存在於圓周方向的纖維32之至少其中一方者亦可以為絕緣性纖維。

而且，在纖維被配置成格子狀的纖維強化塑膠管4中，比起纖維強化塑膠管4的圓周方向的纖維密度，軸方向的纖維密度比較大。在此，所謂圓周方向的纖維密度，指的是在圓周方向上相鄰，並延伸存在於軸方向之複數根纖維31的疏密。另一方面，所謂軸方向的纖維密度，指的是在軸方向相鄰，並延伸存在於圓周方向之複數根纖維32的疏密。

纖維密度越密的話，雖然提升纖維強化塑膠管4的強度，但成本及製作工時增加。而且，纖維密度越密的話，電導率上升，成為發生渦電流的要因。在此，以減小圓周方向的纖維密度的方式，減低渦電流發生要因的同時，減低成本及製作工時。而且，以增大軸方向的纖維密度的方式，適合抑制永久磁體的飛散。

這樣的纖維強化塑膠管4，係經由加熱纖維強化塑膠管4的方式，熱套配合到轉子芯11。尚且，也可以經由冷卻轉子芯11的方式，把纖維強化塑膠管4冷套配合到轉子芯11。而且，在轉子芯11的表面塗布接著劑的狀態下，也可以把纖維強化塑膠管4間隙配合(clearance fit，壓入)到轉子芯11。

以使用纖維強化塑膠管4的方式，可以一邊確保旋轉件2的強度一邊窄化轉子芯11的外周圍部也就是磁通短路徑11c(參閱圖2)。因此，為了補正力矩沒有必要使電流增加，不會增加渦流損失。因此，可以把馬達效率提升到95%以上。

尚且，延伸存在於軸方向的纖維31，係比起低電導率纖維，可以是電導率高的纖維。該情況下，可以抑制材料成本。

而且，延伸存在於軸方向的纖維31，可以是無導電性的纖維。該情況下，可以一方面抑制材料成本，另一方面在被配置成格子狀的纖維中，不會形成使渦電流發生的環路。

而且，構成纖維強化塑膠管4之延伸存在餘圓周方向的纖維32，係不限定於捲繞成螺旋狀，也可以設有複數個環狀的纖維排列在軸方向。

(效果)

如以上所述，根據有關本實施方式的IPM馬達(磁體埋入型旋轉電機)1，以把纖維強化塑膠管4外插到轉子芯11並固定的方式，可以提高旋轉件2的強度。經此，可以抑制永久磁體12、13的飛散。而且，纖維強化塑膠，係比起專利文獻1的纖維強化金屬線其導電率更低的緣故，可以使在旋轉件2發生的渦流損失減低。而且，可以一邊確保旋轉件2的強度一邊窄化轉子芯11的外周圍部的緣故，為了補正力矩沒有必要使電流增加，不會增加渦流損失。因此，可以使馬達效率提升。如此，本發明的IPM馬達1，係儘管提高旋轉件2的強度，卻可以抑制在該旋轉件2發生的渦流損失，所以可高速旋轉且效率良好。

而且，以把構成纖維強化塑膠管4的纖維，做成低電導率纖維或是絕緣性纖維的方式，可以抑制纖維強化塑膠管4的發熱。

而且，把構成纖維強化塑膠管4的纖維配置成格子狀，比起纖維強化塑膠管4的圓周方向的纖維密度更增大軸方向的纖維密度。以減小圓周方向的纖維密度的方式，可以使渦電流發生的要因減低，同時可以使成本及製作工時減低。而且，以增大軸方向的纖維密度的方式，可以適切地抑制永久磁體12、13的飛散。

而且，作為延伸存在於軸方向的纖維31，以使用比低電導率纖維其電導率的高的纖維的方式，可以抑制材料成本。

〔第2實施方式〕 (纖維強化塑膠管)

接著，說明有關本發明的第2實施方式之IPM馬達(磁體埋入型旋轉電機)201。尚且，就與上述的構成要件相同的構成要件，賦予相同的參考編號並省略其說明。本實施方式的IPM馬達201與第1實施方式的IPM馬達1相異之點，係如圖4A及立體圖也就是圖4B所表示，在纖維強化塑膠管204中，在延伸存在於軸方向的纖維31與延伸存在於圓周方向的纖維32之間介隔存在有樹脂構件這一點。

具體方面，纖維強化塑膠管204，係如圖4A所表示，利用以下所構成：僅由延伸存在於纖維強化塑膠管204的圓周方向的纖維32所構成之內管204a；以及，利用延伸存在於軸方向之複數個纖維31、與配置在複數個纖維31的兩端之一對環狀的纖維33所構成之外管204b。在一對環狀的纖維33，分別連接延伸存在於軸方向的纖維31的端部。

延伸存在於軸方向的纖維31、及延伸存在於圓周方向的纖維32，係分別為低電導率纖維。尚且，延伸存在於軸方向的纖維31、及延伸存在於圓周方向的纖維32之至少其中一方者亦可以為絕緣性纖維。環狀的纖維33可以是低電導率纖維或絕緣性纖維，也可以是比起低電導率纖維其電導率高的纖維。以使用比起低電導率纖維其電導率高的纖維的方式，可以抑制材料成本。

接著，如圖4B所表示，以重疊內管204a與外管204b的方式，形成纖維強化塑膠管204。此時，在延伸存在於軸方向的纖維31與延伸存在於圓周方向的纖維32之間的重疊部34，介隔存在有樹脂構件。經此，可以在延伸存在於軸方向的纖維31與延伸存在於圓周方向的纖維32之間確保絕緣性。經此，在配置成格子狀的纖維中，得以不會形成使渦電流發生的環路。

而且，構成內管204a之延伸存在餘圓周方向的纖維32，係不限定於捲繞成螺旋狀，也可以設有複數個環狀的纖維排列在軸方向。