CN103026586A - 电动机用转子 - Google Patents

Abstract

具备转子芯，该转子芯是将包括配置成朝向外周方向打开的V字形的一对第一永磁体和在V字形的打开部分与圆周方向平行地配置的第二永磁体的一个极以交替地改变极性的方式在圆周方向上配置多个而成的，其中，以以下分割线为基点形成槽，该分割线是将用感应电压的高次谐波成分的一个周期的电角度间隔对转子芯外周的从d轴到q轴之间进行分割而得到的多个分割点与转子轴中心连接的多条分割线中的、处于连接第二永磁体的转子外周侧角部和转子轴中心的线与q轴之间的分割线，该槽在从该基点朝向d轴方向以电角度偏离了高次谐波成分的1/4周期的位置和从该基点朝向q轴方向以电角度偏离了高次谐波成分的1/8周期的位置所夹持的范围内具有槽中心。

Description

电动机用转子

技术领域

本发明涉及一种使用于电动机的转子。

背景技术

作为电动汽车、混合动力车辆等之类的电动车辆的驱动用电动机，已知一种在转子芯中嵌入永磁体的嵌入磁体型永磁体式电动机(Interior Permanent Magnet马达(以下，适当称为IPM马达))。

在IPM马达中存在由于永磁体的磁通所产生的铁损导致高速旋转区域的效率降低的问题。另外，为了抑制电动机的振动、噪音，还要求降低转矩脉动。

并且，基于确保逆变器部件的耐久性的观点，还需要避免感应电压的峰值超过逆变器系统的耐压。当感应电压由对转矩作出贡献的主要成分和不对转矩作出贡献的高次谐波成分合成时，如果为了避免超过逆变器系统的耐压而仅是减小感应电压，则主要成分变小，转矩有可能降低。因此，为了防止转矩降低，需要通过仅减小高次谐波成分来使感应电压的峰值降低。

为了满足这些要求，在JP2004-328956A中，每个极使用两片嵌入到转子内的永磁体，在它们配置成朝向转子外周侧打开的V字形的转子的外周，以使槽中心在电角度40°~53°的范围内的方式形成槽。

发明内容

另外，已知一种具有如下转子的电动机：为了产生更高的转矩，该转子除了配置成上述V字形的两个永磁体以外，还沿着圆周方向在V字形的打开部分配置一个永磁体，也就是将三个永磁体配置成三角形。

关于这种将永磁体配置成三角形的转子，本发明的发明人们发现以下情况：当与JP2004-328956A同样地在外周部设置槽时，虽然能够减小铁损，但不一定能够改善高次谐波成分和转矩脉动，相反还存在它们劣化的情况。

因此，在本发明中，目的在于使永磁体配置成三角形的转子实现铁损降低等。

在说明书的以下记载中对本发明的详细内容以及其它特征、优点进行说明，并且在所附附图中示出。

附图说明

图1是表示本发明的电动机用转子的第一实施方式的图。

图2是表示槽的形状的一例的截面图。

图3是表示槽的形状的其它例的截面图。

图4是表示槽的形状的另一例的截面图。

图5A是表示设置槽的位置与铁损、感应电压的高次谐波比率以及对转矩脉动有影响的齿槽转矩之间的关系的图。

图5B是将转子芯的外周部附近示出为直线状且将其与作为转矩脉动的主要成分的感应电压的高次谐波成分的波形相叠加的图。

图6是图5A的局部放大图。

图7是表示以减小铁损和减小齿槽转矩为主要目的时的设置槽的位置的图。

图8是表示以减小铁损和减小高次谐波比率为主要目的时的设置槽的位置的图。

图9是表示以减小铁损、减小齿槽转矩以及减小高次谐波比率为目的时的设置槽的位置的图。

图10是表示本发明的电动机用转子的第二实施方式的图。

具体实施方式

(第一实施方式)

图1是表示本发明的电动机用转子的第一实施方式的图，示出与转子轴正交的截面，且示出整周的1/8(机械角45°)。此外，剩余的7/8是沿圆周方向重复排列图1所示的结构而得到的结构。

电动机用转子1具有转子轴10、转子芯20以及永磁体组30。

转子轴10是转子1的转轴。

如图1所示，转子芯20被设置在转子轴10的周围。转子芯20是在转子轴10的轴向上层叠很多电磁钢板而形成的。在转子芯20中形成有绕对称轴2线对称的形状的空隙21的组和与转子芯20的圆周方向平行的空隙22的组。

空隙21形成为转子轴10侧的根部到达对称轴2、前端部分远离对称轴2而靠近q轴且靠近转子外周的所谓V字形。

空隙22形成为在V字形的空隙21的打开部分与转子芯20的圆周方向平行。

永磁体组30被嵌入到转子芯20的空隙21和空隙22中，在一个空隙21中嵌入有1对永磁体31，在一个空隙22中嵌入有一个永磁体32。

空隙21是相对于对称轴2线对称的形状，因此一对永磁体31也被配置成相对于对称轴2线对称的所谓的V字形。而且，由配置于空隙21的一对永磁体31和配置于空隙22的永磁体32形成大致三角形。

在转子芯20的外周部形成有槽40，该槽40的槽中心位于被连接永磁体32的外周侧角32a和转子中心O的直线和q轴夹持的区域内的后述位置处。

图2示出了槽40的一例。槽40的截面形状是朝向转子中心O宽度逐渐变窄的三角形，形成为相对于连接转子中心O侧的顶点与转子中心O的直线线对称。因而，连接转子中心O侧的顶点与转子中心O的直线成为槽中心。

此外，槽40的截面形状也可以是如图3所示那样的朝向转子中心O宽度变窄的四边形、或如图4所示那样的圆弧形状。特别是，如果基于应力分散的观点，则期望是图4那样的圆弧形状。

在上述区域内形成槽40是为了缓和在配置于转子1的外周侧的分布绕组定子与转子1之间交链的磁通的饱和，从而减小铁损、感应电压的高次谐波成分、转矩脉动。

此外，转矩脉动是通电时的转矩脉动，由于磁通通过转子1与配置在其外周的分布绕组定子之间的气隙的容易度不同而产生。该磁通的通过容易度不同是由于气隙处的磁通数不同而产生的。

另外，对于转子芯20外周部的被连接外周侧角32a与转子中心O的两条直线所夹持的区域，由于朝向圆周方向配置的永磁体32的影响而转子芯20的被上述两条直线夹持的区域的磁通饱和。因而，即使在该区域设置槽40，在分布绕组定子与转子1之间交链的磁通也不发生变化。因此，不能减少铁损等。

接着，参照图5A、图5B说明槽40的位置的详细情况。以下，“槽40的位置”是指槽40的槽中心的位置。

图5A是表示对设置槽40的位置与铁损、感应电压的高次谐波比率以及对转矩脉动有影响的齿槽转矩之间的关系进行调查所得到的结果的图。图5B是将原本是圆弧形状的转子芯20的外周部附近示出为直线状并将其与作为转矩脉动的主要成分的感应电压的高次谐波成分的波形相叠加的图。

图5A的左纵轴是感应电压的高次谐波比率。该感应电压的高次谐波比率是感应电压波形的峰值除以感应电压波形的一次成分的峰值而得到的，该感应电压波形的一次成分的峰值是指感应电压中的高次谐波成分的含有率。该值越小意味着高次谐波成分越少。

图5A的右纵轴是齿槽转矩和铁损相对于没有槽时的齿槽转矩和铁损的比例。

图5B是表示转子芯20的永磁体32附近的图，实线A示出了转矩脉动的主要成分的波形。

图5A、图5B的横轴均是将d轴作为起点的电角度。另外，图5A和图5B的q1-q11分别表示相同的电角度。

如图5A、图5B所示，在从永磁体32的外周侧角32a向q轴方向的任一个电角度处设置槽40的槽中心的情况下，与没有槽的情况相比均减小了铁损。

关于齿槽转矩，当以d轴为基点、将按转矩脉动主要成分的一个周期的电角度分割转子芯20的外周部而得到的点设为点B时，在永磁体32的外周侧角32a与q轴之间在每个点B处取与没有槽时大致相等的极小值。

关于感应电压的高次谐波比率，在从齿槽转矩取极小值的电角度起朝向d轴方向侧偏离了与转矩脉动主要成分的1/4周期相当的电角度的电角度处取极小值。也就是说，高次谐波比率也是按转矩脉动主要成分的一个周期的电角度取极小值。

认为通过按照转矩脉动的主要成分的周期设置槽40抵消了在分布绕组定子与转子1之间交链的磁通的高次谐波成分，因此得到设置上述槽40的效果。

接着，对能够有效地减小齿槽转矩和高次谐波比率的电角度范围进行说明。

图6是将图5A的局部进行放大而得到的图。

例如将“能够有效地减小齿槽转矩的电角度范围”规定为齿槽转矩比没有槽时的齿槽转矩小的电角度范围。在这种情况下，以上述齿槽转矩为极小值的电角度为基点，从该基点到朝向d轴侧偏离了转矩脉动主要成分的1/4周期的电角度为止的范围、从该基点到朝向q轴侧同样偏离了1/8周期的电角度为止的范围成为能够有效地减小齿槽转矩的电角度范围。此外，如上所述，在该电角度范围内也能够减小铁损。

另一方面，在图6中，以高次谐波比率为极小值的电角度为基点，与能够有效地减小齿槽转矩的电角度范围同样地，观察从基点到朝向d轴侧偏离了转矩脉动主要成分的1/4周期的电角度为止的范围、从基点到朝向q轴侧同样偏离了1/8周期的电角度为止的范围。在该范围内，高次谐波比率小于约1.02，可以说充分地降低了高次谐波比率。因此，将该范围作为“能够有效地降低高次谐波比率的电角度范围”。此外，在该电角度范围内也能够减小铁损。

因而，在以减小铁损和减小齿槽转矩为主要目的的情况下，只要如图7所示那样在永磁体32的外周侧角32a与q轴之间以点B为基点，在从该基点到朝向d轴侧偏离了转矩脉动主要成分的1/4周期的电角度为止的范围、从该基点到朝向q轴侧同样偏离了1/8周期的电角度为止的范围内的任意部分设置槽40即可。此外，在图7中存在三个点B，可以以某一个点B为基点。另外，也可以以所有点B为基点。这对于后述的图8、图9也一样。

而且，在以减小铁损和减小高次谐波比率为主要目的的情况下，只要如图8所示那样以从点B朝向d轴方向偏离了转矩脉动主要成分的1/4周期的位置为基点，在从该基点到朝向d轴侧偏离了转矩脉动主要成分的1/4周期的电角度为止的范围、从该基点到朝向q轴侧同样偏离了1/8周期的电角度为止的范围内的任意部分设置槽40即可。

另外，在本实施方式的情况下，以减小上述齿槽转矩为主要目的的情况和以减小高次谐波比率为主要目的的情况下的电角度范围有重叠，重叠的范围是以从点B朝向d轴方向偏离了转矩脉动主要成分的1/4周期的位置为基点，从该基点到朝向q轴侧偏离了转矩脉动主要成分的1/8周期的电角度为止的范围。因而，如果是该重叠的电角度范围，则能够获得减小铁损、减小齿槽转矩以及减小高次谐波比率的任一效果。

接着，用公式表示对减小上述铁损、齿槽转矩、高次谐波成分有效果的槽40的位置。如果能够利用公式一般化，则能够容易地使用于设计。

在后述的公式(1)-(3)中，将Wm设为永磁体32的转子外周侧两个角与转子中心O所形成的角度，将m设为从满足m×(2π/n)>Wm/2的最小的整数到商n/4为止的整数，将n设为转矩脉动的n次成分。

能够有效地减小铁损和齿槽转矩的电角度范围用下式(1)表示。

m×(2π/n)+(2π/n)/8

m×(2π/n)-(2π/n)/4    …(1)

能够有效地减小铁损和高次谐波比率的电角度范围用下式(2)表示。

(m-1/4)×(2π/n)+(2π/n)/8

(m-1/4)×(2π/n)-(2π/n)/4    …(2)

能够有效地减小铁损、齿槽转矩以及高次谐波比率的电角度范围用下式(3)表示。

(m-1/4)×(2π/n)+(2π/n)/8

(m-1/4)×(2π/n)    …(3)

此外，用于减小齿槽转矩的槽40与用于减小高次谐波比率的槽40不是择一的关系，因此可以将各槽40各形成一个或者一个以上。

另外，一般情况下，在用于电动车辆的电动机中，转矩脉动表现为包含6次、12次等多个高次谐波成分。通过将分布绕组定子或转子1以转轴为中心沿圆周方向进行扭转的被称为偏斜的方法能够容易地减小20次以下的成分，因此即使在一般的设计中实施偏斜也成为主流。但用于电动车辆的电动机的转矩脉动的主要成分一般是24次。对于超过20次的高次成分，相当于高次成分的1个周期的机械角度变小，因此难以实施偏斜。也就是说难以通过偏斜来减小转矩脉动的主要成分。

关于该点，如果是上述槽40，则还能够降低超过20次那样的高次成分。

基于以上说明，在本实施方式中能够获得以下效果。

(1)在具有由配置成V字形的一对永磁体31和在V字形的打开部分与圆周方向平行地配置的永磁体32构成的一个极以交替地改变极性的方式在圆周方向上配置多个的转子芯20的电动机用转子中，在转子外周设置下面记载的槽40。以以下分割线为基点，该分割线是将用感应电压的高次谐波成分的一个周期的电角度间隔对转子芯外周的从d轴到q轴之间进行分割而得到的多个分割点与上述转子轴中心连接的多条分割线中的、处于连接永磁体32的转子外周侧角32a和转子轴中心O的线与q轴之间的分割线。在从该基点朝向d轴方向以电角度偏离了高次谐波成分的1/4周期的位置和从该基点朝向q轴方向以电角度偏离了高次谐波成分的1/8周期的位置所夹持的范围内具有槽中心。也就是说，在上述式(1)表示的范围内设置槽40。由此，能够改变在转子与定子之间交链的磁通来减小铁损。并且，由于能够减小齿槽转矩，因此能够有效地减小转矩脉动。

(2)以从多条分割线中的、处于连接永磁体32的转子外周侧角32a和转子轴中心O的线与q轴之间的分割线起朝向d轴方向以电角度偏离了高次谐波成分的1/4周期的位置为基点，在从该基点朝向d轴方向以电角度偏离了高次谐波成分的1/4周期的位置与从该基点朝向q轴方向以电角度偏离了高次谐波成分的1/8周期的位置所夹持的范围内设置槽40。也就是说，在上述式(2)所表示的范围内设置槽40。由此，能够改变在转子与定子之间进行交链的磁通来减小铁损。并且，能够降低感应电压的高次谐波比率、即感应电压的高次谐波成分。

(3)以从多条分割线中的、处于连接永磁体32的转子外周侧角32a和转子轴中心O的线与q轴之间的分割线起朝向d轴方向以电角度偏离了高次谐波成分的1/4周期的位置为基点，在从该基点到朝向d轴方向以电角度偏离了高次谐波成分的1/8周期的位置为止的范围内设置槽40。也就是说，在上述式(3)所表示的范围内设置槽40。该范围是上述式(1)所表示的范围与式(2)所表示的范围的重叠部分，因此能够减小铁损、高次谐波成分以及转矩脉动。

(第二实施方式)

在本实施方式中，转子1的基本结构与第一实施方式相同，仅在设置槽40的电角度这一点上与第一实施方式不同。

利用图10说明形成本实施方式的槽40的位置。

与图7等同样地，图10是将转子芯20的外周部分的一部分示出为直线状且将其与转矩脉动的主要成分的波形A相重叠的图。在图10中，将以d轴为基点向q轴方向按转矩脉动主要成分的一个周期的电角度划分转子芯20的外周的线，从d轴侧起依次设为分割线1、分割线2、分割线3。

在以减小齿槽转矩为主要目的的情况下，以多条分割线中的、朝向q轴方向距连接朝向圆周方向配置的永磁体32的外周侧角32a与转子中心O的直线第二近的分割线、即分割线2为槽中心，在式(1)所表示的电角度范围内例如像实线S那样形成槽40。另一方面，在以减小感应电压的高次谐波比率为主要目的的情况下，以从分割线2向d轴侧偏离了转矩脉动主要成分的1/4周期的电角度为槽中心，在式(2)所表示的电角度范围内例如像实线T那样形成槽40。

在以减小齿槽转矩和高次谐波比率为目的的情况下，以从分割线2朝向d轴方向偏离了转矩脉动主要成分的1/4周期的位置为基点，以朝向q轴侧偏离了转矩脉动主要成分的1/8周期的电角度为槽中心，在式(3)所表示的电角度范围内形成槽40。当然，也可以在实线S和实线T这两个位置处形成槽40。

即，无论是哪一种目的均以分割线2为基准来决定槽40的位置。如果用式(1)、式(2)、式(3)来说，则相当于将m设为满足m×(2π/n)>Wm/2的最小整数+1的情况。

如上所述，说明在以分割线2为基准的范围内设置槽40时的效果。

配置成V字形的永磁体31嵌入到空隙21中，沿着圆周方向配置的永磁体32嵌入到空隙22中。而且，当转子1进行旋转时，离心力作用于永磁体31、永磁体32。因而，要求转子芯20的空隙21和空隙22的外周侧附近具有能够对抗离心力来保持永磁体31、永磁体32的强度。

另一方面，在设置有槽40的部分应力集中，因此槽40与空隙21、空隙22之间的距离越近，在设置有槽40的位置处应对转子芯20的离心力的强度越降低。在图10中用虚线U、虚线V示出以分割线1为基准在上述式(1)的电角度范围内设置槽40时的例子。具体地说，虚线U是以分割线1的位置为中心的槽40，虚线V是以从分割线1朝向d轴侧偏离了转矩脉动主要成分的1/4周期的位置为中心的槽40。当在这些虚线U、虚线V的位置处设置槽40时，导致在槽40与空隙22之间的部分应对离心力的强度降低，不管空隙22的位置如何应对离心力的强度均不足，为了抑制离心力需要限制电动机的转速。

另外，对图10中如虚线W所示那样以分割线3的位置为中心的槽40和如虚线X所示那样以从分割线3朝向d轴侧偏离了转矩脉动主要成分的1/4周期的位置为中心的槽40进行研究。在这种情况下，与上述同样地，有可能导致在槽40与空隙21之间应对离心力的强度降低。

与这些情况相对地，如果在本实施方式的以分割线2为基准的电角度范围、即用实线S、实线T表示的位置处设置槽40，则槽40与空隙21和空隙22中的任一个之间的距离均足够远，因此不会导致如上所述的对电动机的转速有影响那样的应对离心力的强度的降低。

通过以上说明，在本实施方式中能够获得以下效果。

(4)以多条分割线中的、朝向q轴方向距连接永磁体32的转子外周侧角32a与转子轴中心O的线第二近的分割线为基点来设置槽40，或者以从该分割线朝向d轴方向以电角度偏离了高次谐波成分的1/4周期的位置为基点来设置槽40。由此，能够确保槽40与空隙21、空隙22之间的距离，因此不会导致应对离心力的强度的降低，能够减少铁损等。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式只不过示出了本发明的应用例的一部分，并不意味着将本发明的技术范围限定为上述实施方式的具体结构。

本申请主张2010年7月27日于日本专利局申请的特愿2010-168050的优先权，通过参照将该申请的所有内容引入本说明书。

Claims (8)

1.一种电动机用转子，其特征在于，具备：

转子轴；以及

转子芯，其是将包括配置成朝向外周方向打开的V字形的一对第一永磁体和在上述V字形的打开部分与圆周方向平行地配置的第二永磁体的一个极以交替地改变极性的方式在圆周方向上配置多个而成的，

其中，以以下分割线为基点形成有槽，该分割线是将用感应电压的高次谐波成分的一个周期的电角度间隔对上述转子芯外周的从d轴到q轴之间进行分割而得到的多个分割点与上述转子轴中心连接的多条分割线中的、处于连接上述第二永磁体的转子外周侧角部和上述转子轴中心的线与q轴之间的分割线，该槽在从该基点朝向d轴方向以电角度偏离了上述高次谐波成分的1/4周期的位置和从该基点朝向q轴方向以电角度偏离了上述高次谐波成分的1/8周期的位置所夹持的范围内具有槽中心。

2.一种电动机用转子，其特征在于，具备：

转子轴；以及

转子芯，其是将包括配置成朝向外周方向打开的V字形的一对第一永磁体和在上述V字形的打开部分与圆周方向平行地配置的第二永磁体的一个极以交替地改变极性的方式在圆周方向上配置多个而成的，

其中，以从以下分割线起朝向d轴方向以电角度偏离了感应电压的高次谐波成分的1/4周期的位置为基点形成有槽，该分割线是将用上述高次谐波成分的一个周期的电角度间隔对上述转子芯外周的从d轴到q轴之间进行分割而得到的多个分割点与上述转子轴中心连接的多条分割线中的、处于连接上述第二永磁体的转子外周侧角部和上述转子轴中心的线与q轴之间的分割线，该槽在从该基点朝向d轴方向以电角度偏离了上述高次谐波成分的1/4周期的位置和从该基点朝向q轴方向以电角度偏离了上述高次谐波成分的1/8周期的位置所夹持的范围内具有槽中心。

3.一种电动机用转子，其特征在于，具备：

转子轴；以及

转子芯，其是将包括配置成朝向外周方向打开的V字形的一对第一永磁体和在上述V字形的打开部分与圆周方向平行地配置的第二永磁体的一个极以交替地改变极性的方式在圆周方向上配置多个而成的，

其中，以从以下分割线起朝向d轴方向以电角度偏离了感应电压的高次谐波成分的1/4周期的位置为基点形成有槽，该分割线是将用上述高次谐波成分的一个周期的电角度间隔对上述转子芯外周的从d轴到q轴之间进行分割而得到的多个分割点与上述转子轴中心连接的多条分割线中的、处于连接上述第二永磁体的转子外周侧角部和上述转子轴中心的线与q轴之间的分割线，该槽在从该基点起到朝向q轴方向以电角度偏离了上述高次谐波成分的1/8周期的位置为止的范围内具有槽中心。

4.根据权利要求1所述的电动机用转子，其特征在于，

当将感应电压的高次谐波成分的次数设为n、将连接上述转子轴中心与上述第二永磁体的两个转子外周侧角部的直线所形成的角度设为Wm、将从满足m×(2π/n)>Wm/2的最小整数到商n/4为止的整数设为m时，用从m×(2π/n)-(2π/n)/4到m×(2π/n)+(2π/n)/8来表示设置上述槽中心的范围。

5.根据权利要求2所述的电动机用转子，其特征在于，

当将感应电压的高次谐波成分的次数设为n、将连接上述转子轴中心与上述第二永磁体的两个转子外周侧角部的直线所形成的角度设为Wm、将从满足m×(2π/n)>Wm/2的最小整数到商n/4为止的整数设为m时，用从(m-1/4)×(2π/n)-(2π/n)/4到(m-1/4)×(2π/n)+(2π/n)/8来表示设置上述槽中心的范围。

6.根据权利要求3所述的电动机用转子，其特征在于，

当将感应电压的高次谐波成分的次数设为n、将连接上述转子轴中心与上述第二永磁体的两个转子外周侧角部的直线所形成的角度设为Wm、将从满足m×(2π/n)>Wm/2的最小整数到商n/4为止的整数设为m时，用从(m-1/4)×(2π/n)到(m-1/4)×(2π/n)+(2π/n)/8来表示设置上述槽中心的范围。

7.根据权利要求1或者4所述的电动机用转子，其特征在于，

以上述多条分割线中的、朝向q轴方向距连接上述第二永磁体的转子外周侧角与上述转子轴中心的线第二近的分割线为基点。

8.根据权利要求2、权利要求3、权利要求5或者权利要求6所述的电动机用转子，其特征在于，

以从以下分割线起朝向d轴方向以电角度偏离了上述高次谐波成分的1/4周期的位置为基点，该分割线是上述多条分割线中的、朝向q轴方向距连接上述第二永磁体的转子外周侧角与上述转子轴中心的线第二近的分割线。

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