旋转电机的制作方法

1.本发明涉及一种转子具备励磁用的永久磁铁的旋转电机。


背景技术：

2.近年来，在旋转电机中，励磁使用永久磁铁，实现小型化和高效率化。作为使用永久磁铁的旋转电机的小型化和高效率化的方法，可举出扩大永久磁铁的表面积，增加永久磁铁的磁通量的方法。而且，作为用于增加永久磁铁的磁通量的方法之一，有研究永久磁铁的特性、形状、配置的方法。
3.作为与旋转电机所使用的永久磁铁的特性及形状、配置相关的现有技术，例如已知有专利文献1所记载的技术。在该专利文献1中，使埋设于转子的永久磁铁在每一极中为多个稀土类磁铁，由磁通密度在相对于转子的旋转方向的旋转超前侧和旋转滞后侧不同的两种构成。根据这样的永久磁铁的形状、配置，能够降低永久磁铁所产生的涡流损耗，提高旋转电机的效率。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特开2015-53801号公报


技术实现要素：

7.发明所要解决的课题
8.但是，在上述专利文献1中，没有充分解决如下问题：多个永久磁铁的端部、即转子的外周侧附近的角部因定子所具备的电枢绕组产生的磁场而容易退磁。因此，永久磁铁的磁通量减少，有导致旋转电机的转矩特性降低的担忧。
9.这样，在本发明中，提供一种能够抑制永久磁铁的退磁并且提高转矩特性的旋转电机。
10.用于解决课题的方案
11.本发明如果举出其一例，则一种旋转电机具备：定子，其具有定子铁芯和卷绕安装于定子铁芯的电枢绕组；以及转子，其具有转子铁芯、埋设于转子铁芯的多个永久磁铁、以及固定于转子铁芯的旋转轴，其中，多个永久磁铁具有矩形截面，各个永久磁铁内的磁通密度在每个区域发生变化，永久磁铁的磁通的取向方向相对于与矩形截面的长边垂直且在长边的中间通过的永久磁铁的中心轴倾斜。
12.发明的效果如下。
13.根据本发明，能够抑制永久磁铁的退磁并且提高转矩特性。
附图说明
14.图1是实施例1中的旋转电机的定子及转子的从轴向观察到的剖视图。
15.图2是以包含图1所示的旋转电机的旋转轴的平面剖切的剖视图。
16.图3是实施例1中的旋转电机的转子的从轴向观察到的剖视图。
17.图4是示出图3所示的转子截面中的一个磁极份儿的截面的局部剖视图。
18.图5是示出实施例1中的旋转电机的总转矩、磁转矩、磁阻转矩的相位关系的图。
19.图6是实施例1中的旋转电机的转矩特性图。
20.图7是实施例2中的旋转电机的转子的从轴向观察到的局部剖视图。
21.图8是实施例3中的旋转电机的转子的从轴向观察到的局部剖视图。
22.图9是实施例4中的旋转电机的转子的从轴向观察到的局部剖视图。
23.图10是实施例5中的旋转电机的转子的从轴向观察到的局部剖视图。
24.符号说明
25.1—旋转电机，2—定子，3—转子，4—齿，5—铁芯背部，6—定子铁芯，7—定子槽，12—转子铁芯，13—磁铁插入孔，14—永久磁铁，15—旋转轴，40—电枢绕组。
具体实施方式
26.以下，使用附图对本发明的实施例进行说明。
27.此外，在以下的实施例中，使用在转子铁芯中埋设永久磁铁的埋入磁铁型的旋转电机进行说明，将其作为同步电动机进行动作。并且，在以下的实施例中，以转子的磁极数为8极、定子的槽数为48的情况为例进行说明。其中，磁极数与槽数的组合不限定于8极、48槽，能够根据所希望的马达特性来适当设定。并且，在本实施例中，“轴向”示出转子的旋转轴方向，“径向”示出转子的径向，“周向”示出转子的周向。
28.【实施例1】
29.首先，使用图1、图2，对本实施例中的旋转电机的整体结构简要地进行说明。
30.图1是本实施例中的旋转电机的定子及转子的从轴向观察到的剖视图。如图1所示，旋转电机1由定子2和以能够旋转的方式隔着预定的间隙配置于定子2的内侧的转子3构成。
31.在转子3固定地设有与负载机械连接的作为旋转轴的旋转轴15。
32.定子2具有由磁性体构成的定子铁芯6。定子铁芯6由铁芯背部5和从铁芯背部5朝向径向内侧突出的多个齿4构成。多个齿4沿其径向在外周侧由铁芯背部5连结。并且，多个齿4在周向上等间隔地排列。在周向相邻的两个齿4之间设有朝向转子3的最外周表面开口且卷绕安装作为三相绕组的电枢绕组(图1中未示出)的定子槽7。
33.在本实施例中，电枢绕组以分布绕组的方式卷绕安装于多个(在本实施例中为48个)槽。此外，电枢绕组也可以是集中绕组。
34.转子3具有：由磁性体构成的转子铁芯12；以及多个永久磁铁，其埋设于沿周向排列地构成于转子铁芯12的多个磁极的每一个磁极中。转子3的一个磁极由1个永久磁铁14构成。在本实施例中，如图1所示，由8个永久磁铁构成8极的磁极。永久磁铁14从旋转轴15的轴向向磁铁插入孔13插入。在下文中说明转子3的更详细的结构。
35.图2是以包含图1所示的旋转电机1的旋转轴的平面剖切的剖视图。此外，图2中省略了支撑定子2及转子3的壳体、框架、轴承等的图示。
36.如图2所示，定子铁芯6及转子铁芯12由层叠多个薄板30而成的层叠体构成，其中，薄板30由硅钢板等磁性体构成。由此，降低定子铁芯6及圆柱状的转子铁芯12所产生的涡流
损耗等铁损。多个薄板30通过焊接、铆接等相互接合而成为一体化。定子槽7沿轴向贯通定子铁芯6。并且，磁铁插入孔13沿轴向贯通转子铁芯12。
37.在构成电枢绕组40的多个导体线材中，通过定子槽7的部分构成线圈侧，从定子槽7向定子2外突出的部分构成线圈端部。
38.永久磁铁14是轴向的长度与磁铁插入孔13相同的一个板状(长方形截面)的磁铁。在本实施例中，永久磁铁14是稀土类磁铁(钕磁铁)。
39.此外，永久磁铁14也可以在轴向上分割为多个。并且，作为永久磁铁14，也可以使用廉价的铁氧体制等的永久磁铁。
40.在这样的旋转电机1中，若在定子2的电枢绕组流动三相交流电流，则产生旋转磁场。利用由该旋转磁场作用于转子3的电磁力，转子3旋转。由此，旋转电机1作为同步电动机进行动作。
41.接下来，使用图3、图4，对本实施例中的转子的详细结构进行说明。
42.图3是本实施例的旋转电机的转子的从轴向观察到的剖视图。如图3所示，在转子铁芯12的最外周表面与齿4的内周面之间，在径向上存在间隙长度g1的空隙。
43.在图3所示的转子截面中，相对于1个磁极配置有1个磁铁插入孔13，即在从旋转轴15的轴向观察时，磁铁插入孔13具有将与径向垂直的方向作为长度方向的长方形的截面。在各磁铁插入孔插入有与磁铁插入孔13对应的形状的钕磁铁。
44.此处，如图3所示，在一个磁极中，在永久磁铁所产生的磁通的方向上，以将转子3的旋转中心作为起点(o)的方式确定d轴，在以电角度与d轴正交的方向上，以将转子3的旋转中心作为起点(o)的方式确定q轴。此外，在本实施例中，由于d轴及q轴以旋转中心为起点，所以d轴及q轴的方向也为径向。并且，q轴介于相邻的两个磁极之间并通过其中央。因此，作为q轴，以d轴为对称轴，存在永久磁铁14的右侧的图示的q轴和位于与该q轴呈线对称的位置的永久磁铁14的左侧的未图示的q轴。在图3所示的转子3的截面中，永久磁铁14相对于朝向径向且在转子3的旋转中心通过的对称轴、即d轴呈线对称(左右对称)地配置。
45.图4是示出图3所示的转子截面中的一个磁极份儿的截面的局部剖视图。如图4所示，构成一个磁极的永久磁铁14与磁铁插入孔13相同地呈细长的长方形状，其长度方向沿着在几何上相对于d轴呈直角方向延伸。根据这样的永久磁铁的形状及配置，将构成磁极的永久磁铁的表面积设定为所希望的值，并且转子铁芯12中的磁通通过的截面积变大，因而能够提高磁阻转矩。
46.此处，埋入磁铁型旋转电机的转矩t由下述的式(1)表示。
47.【式1】
[0048][0049]
此处，pn：极对数，电枢交链磁通，ia：电枢电流，
[0050]
β：电流相位角，ld：直轴电感，lq：横轴电感。
[0051]
式(1)的右边第一项是磁转矩，式(1)的右边第二项表示因转子的凸极性所产生的磁能的变化产生的磁阻转矩。
[0052]
如式(1)所示，为了增大埋入型旋转电机的转矩，增加无负载时的感应电动势(电枢交链磁通)来增大磁转矩、或者增大电感lq与ld之差是有效的。
[0053]
尤其，在埋入磁铁型旋转电机中，若使用的永久磁铁14的性能提高，则电枢交链磁通增加，因而磁转矩增加而实现高转矩化。
[0054]
因此，本实施例中的永久磁铁14构成为使磁通密度在每个区域不均匀而变化，取向方向相对于永久磁铁14的中心轴倾斜。此处，永久磁铁14的中心轴是与永久磁铁14的矩形截面的长边垂直且在矩形截面的长边的中间通过的轴。
[0055]
该永久磁铁14的磁力线的强度及取向方向在图4中由记载于磁铁的箭头示出。如图4所示，在使转子3的旋转方向相对于旋转轴逆时针旋转时，根据本实施例，永久磁铁14的磁通密度相对于永久磁铁14的中心轴亦即d轴随着从顺时针方向侧(右侧)朝向逆时针方向侧(左侧)而变高。即，使磁通密度在旋转超前侧比在旋转滞后侧高。而且，永久磁铁14的取向方向相对于永久磁铁14的中心轴向逆时针方向侧(左侧)倾斜。即，使永久磁铁14的取向方向向转子3的旋转超前侧倾斜。
[0056]
此外，在永久磁铁14中，使磁通密度以在旋转超前侧比在旋转滞后侧高的方式变化的间隔也可以不均匀，并且其变化的程度可以呈直线状变化，也可以呈阶梯状变化。并且，在永久磁铁14中，关于使磁通密度以在旋转超前侧比在旋转滞后侧高的方式变化，可以研究磁化方法，也可以将永久磁铁14由磁通密度不同的多个磁铁构成，并使磁通密度以在旋转超前侧比在旋转滞后侧高的方式变化。
[0057]
由此，能够提高旋转电机的转矩。使用图5对其理由进行说明。
[0058]
图5是示出本实施例中的旋转电机的总转矩、磁转矩、磁阻转矩的相位关系的一例。图5中，纵轴及横轴分别是转矩及电流相位角，用per unit值(p.u.)示出转矩。此外，为了进行比较，如上述的专利文献1所示，将使用了磁通密度不同的永久磁铁的旋转电机作为比较例，示出其转矩特性。
[0059]
如图5所示，在比较例的旋转电机中，磁转矩最大的电流相位β为0度。相对于此，在本实施例的旋转电机中，磁转矩最大的电流相位β在30～45度的范围内。这是因为，如图4所示，使永久磁铁14的取向方向向转子3的旋转超前侧倾斜，并且使磁通密度在旋转超前侧比在旋转滞后侧高，从而能够调整磁转矩最大的电流相位β。因此，在本实施例的旋转电机中，总转矩提高。而且，使永久磁铁14的取向方向倾斜，能够抑制定子2所形成的磁通的影响、即抑制电枢反作用的影响，从而能够提高永久磁铁14的退磁耐力。
[0060]
图6是本实施例中的旋转电机的转矩特性的一例。图6中，纵轴及横轴分别用per unit值(p.u.)示出转矩及电枢电流。此外，一并地示出比较例的转矩特性。
[0061]
如图6所示，根据本实施例，相对于比较例，提高了旋转电机的转矩。
[0062]
根据上述结构，能够提供一种旋转电机，其不会使高速区域中的转矩特性降低，能够使永久磁铁的性能最大化，能够实现小型化和高效率化。
[0063]
并且，在高速区域中，即使在高负载以及增加电枢绕组而成为高电感的情况下，也能够降低电枢反作用所引起的机内磁通的高次谐波成分，实现功率因数改善所引起的高转矩化。再者，能够抑制由电枢反作用引起的永久磁铁的退磁所导致的磁通量的降低。
[0064]
如上所述，根据本实施例，能够抑制永久磁铁的退磁，因而能够得到与永久磁铁的表面积相符的磁铁磁通以上的磁铁磁通。由此，旋转电机的转矩提高，并且能够使旋转电机小型化。另外，由于能够降低由电枢反作用引起的全交链磁通的高次谐波成分，所以能够抑制转矩脉动、电磁噪声的产生。
[0065]
此外，本实施例对于应用上述那样的磁铁磁通的抵消、退磁的影响比稀土类磁铁大的铁氧体磁铁的旋转电机更适合。
[0066]
【实施例2】
[0067]
图7是本实施例中的旋转电机的转子的从轴向观察到的局部剖视图。其中，该图7示出转子截面中的一个磁极份儿的截面。
[0068]
图7中，对与图4相同的结构标注相同的符号，并省略其说明。以下，对图7中的与图4的不同点进行说明。
[0069]
如图7所示，在本实施例中，与图4不同，转子3的每一个磁极具备2个永久磁铁。在如实施例1的图4那样使用永久磁铁14的情况下，由涡流引起的热损失成为问题。尤其，在进行高速旋转的情况下，施加给磁铁的变动磁场的频率、变动幅度也增加，与此相伴随地热损失也增加。为了降低由该涡流引起的发热损失，在本实施例中，将磁铁插入孔13和埋设的永久磁铁14分别分割，成为磁铁插入孔13a、13b和埋设于其中的第一永久磁铁14a、第二永久磁铁14b。分割后的永久磁铁14a、14b具有相同的磁通密度，与各个磁铁交链的磁通减少。因此，分割后的各个永久磁铁14a、14b的涡流密度减少，作为总量的涡流损失减少。此外，也可以使分割后的永久磁铁为不同的磁通密度。根据各磁铁的磁通密度，具有与各个磁铁交链的磁通减少的效果。
[0070]
此外，与实施例1相同，各个永久磁铁14a、14b内的磁通密度在旋转超前侧比在旋转滞后侧高。并且，使永久磁铁14a的磁通密度比永久磁铁14b的磁通密度高。而且，使各个永久磁铁14a、14b的取向方向向转子3的旋转超前侧倾斜。
[0071]
如上所述，根据本实施例，由于将埋设于磁铁插入孔13的永久磁铁14(14a、14b)分割配置，所以能够降低涡流引起的损失。
[0072]
此外，若每一个磁极的永久磁铁数为2个以上的多个，则能够期待上述的分割的效果，个数能够适当地选择。在本实施例中，转子3的每一个磁极具备2个永久磁铁，但并不限定于此，也可以是转子3的每一个磁极具备3个以上的永久磁铁的结构。
[0073]
【实施例3】
[0074]
图8是本实施例中的旋转电机的转子的从轴向观察到的局部剖视图。其中，该图8示出转子截面中的一个磁极份儿的截面。
[0075]
图8中，对与图7相同的结构标注相同的符号，并省略其说明。以下，对图8中的与图7的不同点进行说明。
[0076]
如图8所示，在本实施例中，与图7不同，转子3的每一个磁极具备2个永久磁铁，并且将该2个永久磁铁配置为以d轴对称的大致v字状。即，配置为相对于转子3的外周侧凹下的大致v字状。
[0077]
在本实施例中，与实施例2的图7的磁铁配置相比，能够容易地调整永久磁铁14a、14b的矩形截面的长边的长度或短边的长度。由此，能够扩大永久磁铁14的表面积，能够调整转子铁芯12中的磁通通过的截面积，能够得到所希望的磁通。因而，旋转电机的磁转矩增加，能够提高转矩。
[0078]
【实施例4】
[0079]
图9是本实施例的旋转电机的转子的从轴向观察到的局部剖视图。其中，该图9示出转子截面中的一个磁极份儿的截面。
[0080]
图9中，对与图8相同的结构标注相同的符号，并省略其说明。以下，对图9中的与图8的不同点进行说明。
[0081]
如图9所示，在本实施例中，与图8不同，中央部的磁铁插入孔13c以及中央部的第三永久磁铁14c位于转子3的最外周表面与侧部的第一永久磁铁14a、第二永久磁铁14b的径向内侧(中心侧)的端部之间的、转子铁芯12的区域内。即，转子3的一个磁极由3个永久磁铁14a、14b、14c构成。具体而言，中央部的磁铁插入孔13c以及中央部的第三永久磁铁14c沿d轴方向即转子3的径向位于转子3的最外周表面与侧部的第一永久磁铁14a、第二永久磁铁14b的径向内侧的端部之间。在本实施例中，如图9所示，中央部的磁铁插入孔13c以及中央部的第三永久磁铁14c在d轴方向上位于比侧部的磁铁插入孔13a、13b的径向内侧的端部更靠近径向外侧的端部的一侧。
[0082]
此外，在本实施例中，永久磁铁14c也可以是与14a、14b中某一个相同或者与其它2个不同的磁铁，而且磁通密度也可以比其它2个磁铁大。并且，可以使3个永久磁铁14a、14b、14c具有相同的磁通密度，也可以使永久磁铁14a、14b的磁通密度相同，且使永久磁铁14c的磁通密度与其它2个磁铁不同。通过使第三永久磁铁14c的磁通密度与第一永久磁铁14a、第二永久磁铁14b相同或者为比其更大的磁通密度，能够将侧部的磁通集中在d轴，能够有效地利用磁铁磁通。
[0083]
根据本实施例，能够使中央部的磁铁插入孔13c以及中央部的永久磁铁14c靠近转子铁芯的外周侧即电枢绕组侧，因而在埋入有构成各永久磁铁的磁性部件的转子的外部配置多个绕组来进行磁化的情况下，容易进行永久磁铁的磁化。并且，更容易扩大永久磁铁14的表面积，能够得到所希望的磁通。因而，旋转电机的磁转矩增加，能够提高转矩。
[0084]
【实施例5】
[0085]
图10是本实施例中的旋转电机的转子的从轴向观察到的局部剖视图。该图10示出转子截面中的一个磁极份儿的截面。
[0086]
图10中，对与图7相同的结构标注相同的符号，并省略其说明。以下，对图10中的与图7的不同点进行说明。
[0087]
如图10所示，在本实施例中，与图7不同，追加中央部的磁铁插入孔13c以及中央部的永久磁铁14c。即，一个磁极由3个永久磁铁14a、14b、14c构成。
[0088]
此外，在本实施例中，侧部的永久磁铁14a、14b以各自的磁通的方向朝向中央部的永久磁铁14c的方式成为与矩形截面的长边平行的取向方向(相对于永久磁铁的中心轴倾斜90
°
的取向方向)，从而成为磁通集中于中央部的永久磁铁14c的磁通集中型的配置、即海尔贝克取向等磁铁配置，能够得到所希望的磁通。因而，旋转电机的磁转矩增加，能够提高转矩。
[0089]
以上对实施例进行了说明，但本发明并不限定于上述的实施例，包括各种变形例。例如，上述的实施例是为了容易理解地说明本发明而进行了详细说明的，并不限定于必须具备所说明的所有结构。例如，永久磁铁可以是铁氧体磁铁，也可以是粘结磁铁。并且，定子铁芯及转子铁芯也可以由块状材料(bulk material)构成。再者，能够对各实施例的结构的一部分进行其它结构的追加、删除、置换。

技术特征：
1.一种旋转电机，具备：定子，其具有定子铁芯和卷绕安装于该定子铁芯的电枢绕组；以及转子，其具有转子铁芯、埋设于该转子铁芯的多个永久磁铁、以及固定于上述转子铁芯的旋转轴，其特征在于，上述多个永久磁铁具有矩形截面，各个永久磁铁内的磁通密度在每个区域发生变化，上述永久磁铁的磁通的取向方向相对于与上述矩形截面的长边垂直且在长边的中间通过的永久磁铁的中心轴倾斜。2.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，在使上述转子的旋转方向相对于旋转轴为逆时针旋转时，上述多个永久磁铁各自的取向方向相对于永久磁铁的中心轴向逆时针方向侧倾斜。3.根据权利要求2所述的旋转电机，其特征在于，就上述多个永久磁铁而言，分别使永久磁铁的磁通密度随着相对于永久磁铁的中心轴从顺时针方向侧朝向逆时针方向侧变高。4.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，每一个磁极至少由2个以上的永久磁铁构成。5.根据权利要求4所述的旋转电机，其特征在于，在使上述转子的旋转方向相对于旋转轴为逆时针旋转时，关于上述每一个磁极的至少2个以上的永久磁铁中的任意2个永久磁铁，在将相对于d轴的逆时针方向侧设为第一永久磁铁、将顺时针方向侧设为第二永久磁铁时，上述第一永久磁铁的磁通密度比上述第二永久磁铁的磁通密度高。6.根据权利要求4所述的旋转电机，其特征在于，每一个磁极由2个永久磁铁构成，将上述2个永久磁铁配置为相对于上述转子的外周侧凹下且呈d轴对称的大致v字状。7.根据权利要求5所述的旋转电机，其特征在于，上述多个永久磁铁在每一个磁极设置3个，具有第三永久磁铁，该第三永久磁铁在上述转子的径向上位于上述转子的最外周面与上述第一永久磁铁及上述第二永久磁铁的上述转子的径向内侧的端部之间。8.根据权利要求4所述的旋转电机，其特征在于，上述多个永久磁铁在每一个磁极设置3个，在第一永久磁铁与第二永久磁铁之间具有第三永久磁铁，上述多个永久磁铁为磁通集中型，配置为：使上述第一永久磁铁和上述第二永久磁铁的取向方向与永久磁铁的矩形截面的长度方向平行，磁通集中于上述第三永久磁铁，上述第三永久磁铁的取向方向相对于永久磁铁的中心轴向逆时针方向侧倾斜。

技术总结
本发明提供一种能够抑制永久磁铁的退磁并提高转矩的旋转电机。该旋转电机具备：定子，其具有定子铁芯和卷绕安装于定子铁芯的电枢绕组；以及转子，其具有转子铁芯、埋设于转子铁芯的多个永久磁铁、以及固定于转子铁芯的旋转轴，其中，多个永久磁铁具有矩形截面，各个永久磁铁内的磁通密度在每个区域发生变化，永久磁铁的磁通的取向方向相对于与矩形截面的长边垂直且在长边的中间通过的永久磁铁的中心轴倾斜。倾斜。倾斜。


技术研发人员：高畑良一
受保护的技术使用者：日立金属株式会社
技术研发日：2021.06.09
技术公布日：2022/3/8