CN102223040B - 永久磁铁式旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在提高磁阻转矩的同时能够降低制造成本的永久磁铁式旋转电机。该永久磁铁式旋转电机(1)具有：卷绕有磁绕组的定子(2)、和隔着规定的空隙(3)与该定子(2)相对被支承为旋转自如的埋入有永久磁铁的转子(5)，所述转子(5)按照在转子铁芯内沿着轴方向贯通而形成的且从旋转中心轴一侧朝着外周一侧张开呈V字形状所配置的一对槽(13a、13b)和(14a、14b)在半径方向上采用双层构造的方式形成，在所述各个槽内，按照在圆周方向上相邻的磁极是不同极性且在该槽内的两端形成有空隙的方式，插入保持永久磁铁(15a、15b)和(16a、16b)。

Description

永久磁铁式旋转电机

技术领域

本发明涉及一种永久磁铁式旋转电机，它具有：卷绕有激励绕组的定子、和隔着规定的空隙与该定子相向以旋转自如的方式被支承且埋入有永久磁铁的转子。

背景技术

近几年，因电动电机的高效率化，代替现有所使用的感应电机，使用永久磁铁的永久磁铁式旋转电机备受瞩目，其应用逐渐扩大。

作为该永久磁铁式旋转电机的一个例子，列举埋入磁铁式旋转电机。

该埋入磁铁式旋转电机具有埋入构成转子的转子铁芯内的永久磁铁。它是将从该永久磁铁中产生的磁通施加在根据与定子所配备的激励绕组的链接磁通量而产生的电磁转矩上，使用了转子铁芯的磁阻的利用磁阻的旋转电机。

该埋入磁铁式旋转电机作为小型高输出的高效旋转电机被广泛使用。

作为这种埋入磁铁式旋转电机，提案有一种永久磁铁埋入式电机：其将一个磁极的永久磁铁在转子半径方向上分割成两层以上，按照永久磁铁的各个端部延伸至接近转子外周的位置的方式构成为向转子中心一侧凸出的圆弧形状，在永久磁铁间设置磁通的通道(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：日本专利第2823817号公报

发明内容

但是，在上述专利文献1中所记载的现有例中，每个磁极的永久磁铁采用双层构造，能够提高磁阻转矩，但是，由于永久磁铁为向转子中心一侧凸出的圆弧形状，所以，必须非常严格地管理永久磁铁和收纳该永久磁铁的槽的尺寸公差来进行制作，存在成本增加这样未解决的问题。

因此，本发明着眼于上述现有例中的未解决的问题，其目的在于，提供一种在提高磁阻转矩的同时能够降低制造成本的永久磁铁式旋转电机。

为了达到上述目的，本发明的一个方式的永久磁铁式旋转电机具有卷绕有激励绕组的定子、和隔着规定的空隙与该定子相对以旋转自如的方式被支承且埋入有永久磁铁的转子。

所述转子按照以下方式形成：在转子铁芯内沿着轴方向贯通而形成的且从旋转中心轴一侧朝着外周一侧张开呈V字形状所配置的一对槽在半径方向上形成双层构造。按照在圆周方向上相邻的磁极是不同极性且在该槽内的两端形成有空隙的方式，在各个槽内插入保持永久磁铁。

对于本发明的其他方式的永久磁铁式旋转电机，所述转子的半径为α(mm)，双层构造的外周侧永久磁铁和内周侧永久磁铁的磁铁间距离为β(mm)时，根据磁铁间距离比例(β/α)来确定转矩最大时的最佳距离指标γ，按照成为所确定的最佳距离指标γ的方式来设定磁铁间距离β及所述转子的半径α。

对于本发明的其他方式的永久磁铁式旋转电机，增大所述磁铁间距离β，在外周面一侧设置所述外周侧永久磁铁时的该磁铁间距离β的上限值被设定为该外周侧永久磁铁的轴方向截面形状为正方形时的所述磁铁间距离β。

对于本发明的其他方式的永久磁铁式旋转电机，将所述转子的磁极数设定为6，将所述最佳距离指标γ设定为γ≤0.14。

对于本发明的其他方式的永久磁铁式旋转电机，所述外周侧永久磁铁的转子外周侧的空隙形成为三角形，所述内周侧永久磁铁的转子外周侧的空隙形成为四角形。

根据本发明，发挥以下效果：转子的每个磁极的永久磁铁配置采用V字形状，所以，能够使用截面为长方体的永久磁铁，槽的形成及永久磁铁的制造变得容易，同时也能放松尺寸公差的管理，能够用低成本制造。而且，永久磁铁在半径方向上采用双层构造，还发挥增加磁阻转矩，实现小型化的效果。

附图说明

图1是表示本发明的永久磁铁式旋转电机的概要的截面图。

图2是表示图1中的转子的q轴磁通流向的截面图。

图3是表示本发明的永久磁铁式旋转电机的一个实施方式的一个磁极的示意图。

图4是表示作为比较例的单层构造的永久磁铁式旋转电机的一个磁极的示意图。

图5是表示最佳距离指标和磁阻转矩的关系的特性线图。

图6是表示最佳距离指标和转矩的关系的特性线图。

图7是表示最佳距离指标为最大值时的永久磁铁式旋转电机的一个磁极的示意图。

符号说明

1永久磁铁式旋转电机

2定子

3空隙

4旋转轴

5转子

6定子铁芯

12磁极

13a、13b、14a、14b永久磁铁槽

15a、15b、16a、16b永久磁铁

具体实施方式

下面，根据附图说明本发明的实施方式。

图1是表示本发明的永久磁铁式旋转电机的概要的截面图。

在该图1中，1是由埋入磁铁式旋转电机所构成的永久磁铁式旋转电机。该永久磁铁式旋转电机1例如具有：圆筒状的定子2、和在该定子2的内周面上隔着规定的空隙3与其相对，在旋转轴4上安装且被支承为旋转自如的转子5。

定子2具有通过层叠电磁钢板而形成的定子铁芯6。该定子铁芯6由以下部分构成：圆筒状的轭部7、和在该轭部7的内周面上在圆周方向上保持规定间隔且在半径方向上延长而形成的多个定子槽8、以及形成于在这些定子槽8间的齿部9。励磁绕组10以集中卷绕及分布卷绕中的任意一种方式被卷绕在各个齿部9上(图1中采用集中卷绕)。

转子5具有通过层叠电磁钢板而形成的转子铁芯11。该转子铁芯11设定为例如在圆周方向上以等间隔形成6个磁极12，且在相邻的磁极间半径方向的磁化方向相反。

在磁极12中，一对永久磁铁槽13a、13b和14a、14b按照从转子铁芯11的外周面向内侧，顶部是旋转中心一侧，并且朝向外周一侧张开的内侧角φ是钝角的V字形状的方式，在半径方向上以双层结构且沿着轴方向贯通地形成。这些永久磁铁槽13a、13b和14a、14b以磁极12的圆周方向的中心线Lc为中心呈线对称地形成。

另外，在各个永久磁铁槽13a、13b和14a、14b中插通例如钕、钐钴等稀土类磁铁或铁氧体磁铁等永久磁铁15a、15b和16a、16b并且用粘接剂等固定方法固定。因此，永久磁铁15a、15b的外周侧磁极面挟持中心线Lc彼此相对，同样，16a、16b的外周侧磁极面挟持中心线Lc彼此相对。

此处，在永久磁铁槽13a、13b和14a、14b内的永久磁铁15a、15b和16a、16b的内侧端部形成有三角形的空隙17i，在外侧端部形成有正方形的空隙17o。

具有上述结构的永久磁铁式旋转电机的转矩T用以下公式(1)表示。

T＝P_nψ_ai_q+P_n(L_d-L_q)i_di_q……(1)

此处，P_n是极对数，ψ_a是永久磁铁的电枢链接磁通，i_d是轴电流，i_q是q轴电流，L_d是d轴电感，L_q是q轴电感。

在该公式(1)中，右边第一项是基于永久磁铁产生的磁通的转矩，右边第2项是磁阻转矩。

本发明的着眼点是磁阻转矩的最大化，即，增大d轴电感L_d和q轴电感L_q之差。通常情况下，d轴电流i_d为负值，所以，为了增加磁阻电感，而增大q轴电感L_q，缩小d轴电感L_d。

此处，如图1所示，将磁极12的圆周方向的中央部作为d轴，在从该d轴移动电气角90度的位置定义q轴。如图2所示，流经q轴方向的q轴磁通ψ_q流经外周侧永久磁铁16a、16b的外周侧、外周侧永久磁铁16a、16b与内周侧永久磁铁15a、15b之间以及内周侧永久磁铁15a、15b的内侧。

由此可知，根据内周侧永久磁铁15a、15b和外周侧永久磁铁16a、16b的磁铁间距离β的大小，q轴磁通ψ_q的流经难易度发生变化。

因此，当转子5的半径为α(mm)，内周侧永久磁铁15a、15b和外周侧永久磁铁16a、16b的磁铁间距离为β(mm)时，根据磁铁间距离比例(β/α)来确定转矩最大时的最佳距离指标γ，按照变成所确定的最佳距离指标γ的方式，设定磁铁间距离β和转子5的半径α。

即，作为一个实施例，如图3所示，转子5的极对数为6极，定子2的槽数为36，在定子2的槽8上分布卷绕V相、W相及U相的激励绕组10构成永久磁铁式旋转电机1。转子5的结构与前述图1同样，采用由V字形状的一对永久磁铁槽13a、13b和14a、14b所构成的双层结构，在这些永久磁铁槽13a、13b和14a、14b内插通截面为长方形的内周侧永久磁铁15a、15b和外周侧永久磁铁16a、16b并利用粘接剂等固定方法固定。

此处，内周侧永久磁铁15a、15b的转子外周侧的空隙17o大致呈四角形，外周侧永久磁铁16a、16b的转子外周侧的空隙17o大致呈三角形。由此，能够使永久磁铁的表面积最大。其原因在于，内周侧永久磁铁15a、15b的尺寸被转子内周侧规定，外周侧永久磁铁16a、16b的宽度被转子外周侧规定。

对于具有该图3的结构的永久磁铁式旋转电机1，通过磁场分析求出q轴电感L_q。

另外，为了进行比较，将图4所示的单层模型即内周侧永久磁铁15a、15b和外周侧永久磁铁16a、16b之间的磁铁间距离β设定为0然后对具有一对永久磁铁18a、18b的永久磁铁式旋转电机1的磁场进行分析。

图5表示q轴电感L_q的磁场分析结果。但是，在该磁场分析结果中，使得转子5的半径为α，磁铁距离比例(β/α)为最佳距离指标γ，图4的单层模型(γ＝0)的q轴电感L_q的值为“1”。

由图5可知，由于最佳距离指标γ的增加，q轴电感L_q增加。但是，如果最佳距离指标γ超过0.1，那么，q轴电感L_q显示饱和特性，仅增加至1.4倍左右。此处，虽然省略了图示，但即使最佳距离指标γ增加，d轴电感L_d也大致是固定值。

下面，通过磁场分析来求出最佳距离指标γ的增加对转矩的影响。

图6表示电流值固定时的转矩分析结果。使电流相位按照10度刻度变化然后实施分析。此处，图3的单层模型(最佳距离指标γ＝0)的转矩为“1”。

由图6可知，最佳距离指标γ大概在0至0.02之间，转矩呈直线状增加，在0.02～0.04时大致固定，然后再次增加。此处，对于转矩变得最大的电流相位，最佳距离指标γ在0.02之前电流相位在30度时转矩变得最大，最佳距离指标γ在0.04附近时，转矩变得最大的电流相位在30度至40度之间，因此，最佳距离指标γ在0.02～0.04之间转矩固定。

通过缩小电流相位的分析刻度可以推测，相对于最佳距离指标γ的增加，转矩的增加为单调。

由此可知，最佳距离指标γ大概为0.083时转矩变得最大，然后相对于最佳距离指标γ的增加，转矩下降。可以认为其原因在于，由于最佳距离指标γ的增加，q轴电感L_q增加，磁阻转矩增加，而电磁转矩下降。

最佳距离指标γ为0.14时的模型截面图如图7所示，外周侧永久磁铁16a、16b的截面形状大致呈正方形，如果最佳距离指标γ进一步增大，那么，就会产生无法制造永久磁铁这样的问题。即使能够制造永久磁铁，由于永久磁铁为小型化，所以难以稳定地固定位置。因此，最佳距离指标γ的最大值设定为0.14。

根据以上结果，通过如下述公式(2)所示选定能够充分获得转矩增大效果的最佳距离指标γ，能够得到转矩增大的埋入磁铁式旋转电机。

γ≤0.14……(2)

优选将最佳距离指数γ设定在转矩变为1.05以上的下述公式(3)的范围内。

0.02≤γ≤0.14……(3)

因此，根据所需的转矩，根据上述图6来确定最佳距离指数γ，根据所确定的最佳距离指数γ(＝β/α)来确定转子5的半径α和磁铁间距离β，从而构成对应转子5的半径α和磁铁间距离β的永久磁铁式旋转电机1。

从减少漏磁通的方面来看，图1～图4以及图7所示的转子5的相邻的磁极间的电桥优选尽可能较窄。但是，从防止离心力的破坏的方面来看，优选将其设定为转子铁芯所使用的电极钢板的厚度的1倍～5倍左右。

这样，根据上述实施方式，转子的每个磁极的永久磁铁配置采用V字形状，在半径方向上采用双层构造，因此，能够使用截面为长方体形状的永久磁铁，槽的形成和永久磁铁的制造变得容易，同时也能放松对尺寸公差的管理，能够以低成本制造永久磁铁式旋转电机。而且，通过将永久磁铁在半径方向上形成双层构造，这样就能增加磁阻转矩，实现小型化。

在上述实施方式中，对构成6极36槽的永久磁铁式旋转电机1的情况进行了说明，但并非局限于此，能够按照任意的极数和槽数构成永久磁铁式旋转电机1。

Claims (4)

1.一种永久磁铁式旋转电机，其包括卷绕有激励绕组的定子、和隔着规定的空隙与该定子相对并被旋转自如地支承的埋入有永久磁铁的转子，该永久磁铁式旋转电机的特征在于：

所述转子按照以下方式形成：在转子铁芯内沿着轴方向贯通而形成的且从旋转中心轴一侧朝着外周一侧张开呈V字形状所配置的一对槽在半径方向上形成为双层构造，

在各个所述槽内，按照在圆周方向上相邻的磁极为不同极性且在该槽内的两端形成有空隙的方式插入保持永久磁铁，

所述转子的半径为α(mm)，双层构造的外周侧永久磁铁与内周侧永久磁铁的磁铁间距离为β(mm)时，根据磁铁间距离比例(β/α)来确定使转矩最大时的最佳距离指标γ，按照成为所确定的最佳距离指标γ的方式来设定磁铁间距离β和所述转子的半径α，

α、β和γ满足γ＝β/α的关系，

所述最佳距离指标γ设定为0.02≤γ≤0.14。

2.如权利要求1所述的永久磁铁式旋转电机，其特征在于：

增大所述磁铁间距离β，向外周面一侧设置所述外周侧永久磁铁时的该磁铁间距离β的上限值被设定为该外周侧永久磁铁的轴方向截面形状为正方形时的所述磁铁间距离β。

3.如权利要求2所述的永久磁铁式旋转电机，其特征在于：

所述转子的磁极数设定为6。

4.如权利要求1至3中任一项所述的永久磁铁式旋转电机，其特征在于：

所述外周侧永久磁铁的转子外周侧的空隙形成为三角形，所述内周侧永久磁铁的转子外周侧的空隙形成为四角形。