專利名稱：永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，它具有卷繞有激勵(lì)繞組的定子、和隔著規(guī)定的空隙與該定子相向以旋轉(zhuǎn)自如的方式被支承且埋入有永久磁鐵的轉(zhuǎn)子。
背景技術(shù)：
近幾年，因電動(dòng)電機(jī)的高效率化，代替現(xiàn)有所使用的感應(yīng)電機(jī)，使用永久磁鐵的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)備受矚目，其應(yīng)用逐漸擴(kuò)大。作為該永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的一個(gè)例子，列舉埋入磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)。該埋入磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)具有埋入構(gòu)成轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)的永久磁鐵。它是將從該永久磁鐵中產(chǎn)生的磁通施加在根據(jù)與定子所配備的激勵(lì)繞組的鏈接磁通量而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩上，使用了轉(zhuǎn)子鐵芯的磁阻的利用磁阻的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。該埋入磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)作為小型高輸出的高效旋轉(zhuǎn)電機(jī)被廣泛使用。作為這種埋入磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，提案有一種永久磁鐵埋入式電機(jī)其將一個(gè)磁極的永久磁鐵在轉(zhuǎn)子半徑方向上分割成兩層以上，按照永久磁鐵的各個(gè)端部延伸至接近轉(zhuǎn)子外周的位置的方式構(gòu)成為向轉(zhuǎn)子中心一側(cè)凸出的圓弧形狀，在永久磁鐵間設(shè)置磁通的通道 (例如，參照專利文獻(xiàn)1)。專利文獻(xiàn)1 日本專利第2823817號(hào)公報(bào)
發(fā)明內(nèi)容
但是，在上述專利文獻(xiàn)1中所記載的現(xiàn)有例中，每個(gè)磁極的永久磁鐵采用雙層構(gòu)造，能夠提高磁阻轉(zhuǎn)矩，但是，由于永久磁鐵為向轉(zhuǎn)子中心一側(cè)凸出的圓弧形狀，所以，必須非常嚴(yán)格地管理永久磁鐵和收納該永久磁鐵的槽的尺寸公差來(lái)進(jìn)行制作，存在成本增加這樣未解決的問(wèn)題。因此，本發(fā)明著眼于上述現(xiàn)有例中的未解決的問(wèn)題，其目的在于，提供一種在提高磁阻轉(zhuǎn)矩的同時(shí)能夠降低制造成本的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一個(gè)方式的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)具有卷繞有激勵(lì)繞組的定子、和隔著規(guī)定的空隙與該定子相對(duì)以旋轉(zhuǎn)自如的方式被支承且埋入有永久磁鐵的轉(zhuǎn)子。所述轉(zhuǎn)子按照以下方式形成在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)沿著軸方向貫通而形成的且從旋轉(zhuǎn)中心軸一側(cè)朝著外周一側(cè)張開呈V字形狀所配置的一對(duì)槽在半徑方向上形成雙層構(gòu)造。按照在圓周方向上相鄰的磁極是不同極性且在該槽內(nèi)的兩端形成有空隙的方式，在各個(gè)槽內(nèi)插入保持永久磁鐵。對(duì)于本發(fā)明的其他方式的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，所述轉(zhuǎn)子的半徑為α (mm)，雙層構(gòu)造的外周側(cè)永久磁鐵和內(nèi)周側(cè)永久磁鐵的磁鐵間距離為β (mm)時(shí)，根據(jù)磁鐵間距離比例(β / α )來(lái)確定轉(zhuǎn)矩最大時(shí)的最佳距離指標(biāo)、，按照成為所確定的最佳距離指標(biāo)、的方式來(lái)設(shè)定磁鐵間距離β及所述轉(zhuǎn)子的半徑α。
對(duì)于本發(fā)明的其他方式的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，增大所述磁鐵間距離β，在外周面一側(cè)設(shè)置所述外周側(cè)永久磁鐵時(shí)的該磁鐵間距離β的上限值被設(shè)定為該外周側(cè)永久磁鐵的軸方向截面形狀為正方形時(shí)的所述磁鐵間距離β。對(duì)于本發(fā)明的其他方式的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，將所述轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)設(shè)定為6，將所述最佳距離指標(biāo)Y設(shè)定為Y < 0. 14。對(duì)于本發(fā)明的其他方式的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，所述外周側(cè)永久磁鐵的轉(zhuǎn)子外周側(cè)的空隙形成為三角形，所述內(nèi)周側(cè)永久磁鐵的轉(zhuǎn)子外周側(cè)的空隙形成為四角形。根據(jù)本發(fā)明，發(fā)揮以下效果轉(zhuǎn)子的每個(gè)磁極的永久磁鐵配置采用V字形狀，所以，能夠使用截面為長(zhǎng)方體的永久磁鐵，槽的形成及永久磁鐵的制造變得容易，同時(shí)也能放松尺寸公差的管理，能夠用低成本制造。而且，永久磁鐵在半徑方向上采用雙層構(gòu)造，還發(fā)揮增加磁阻轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)小型化的效果。
圖1是表示本發(fā)明的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的概要的截面圖。圖2是表示圖1中的轉(zhuǎn)子的q軸磁通流向的截面圖。圖3是表示本發(fā)明的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的一個(gè)實(shí)施方式的一個(gè)磁極的示意圖。圖4是表示作為比較例的單層構(gòu)造的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的一個(gè)磁極的示意圖。圖5是表示最佳距離指標(biāo)和磁阻轉(zhuǎn)矩的關(guān)系的特性線圖。圖6是表示最佳距離指標(biāo)和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系的特性線圖。圖7是表示最佳距離指標(biāo)為最大值時(shí)的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的一個(gè)磁極的示意圖。符號(hào)說(shuō)明1永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)2 定子3 空隙4旋轉(zhuǎn)軸5 轉(zhuǎn)子6定子鐵芯12 磁極13a、13b、14a、14b 永久磁鐵槽15a、15b、16a、16b 永久磁鐵
具體實(shí)施例方式下面，根據(jù)
本發(fā)明的實(shí)施方式。圖1是表示本發(fā)明的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的概要的截面圖。在該圖1中，1是由埋入磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)所構(gòu)成的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)。該永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)1例如具有圓筒狀的定子2、和在該定子2的內(nèi)周面上隔著規(guī)定的空隙3與其相對(duì)，在旋轉(zhuǎn)軸4上安裝且被支承為旋轉(zhuǎn)自如的轉(zhuǎn)子5。定子2具有通過(guò)層疊電磁鋼板而形成的定子鐵芯6。該定子鐵芯6由以下部分構(gòu)成圓筒狀的軛部7、和在該軛部7的內(nèi)周面上在圓周方向上保持規(guī)定間隔且在半徑方向上延長(zhǎng)而形成的多個(gè)定子槽8、以及形成于在這些定子槽8間的齒部9。勵(lì)磁繞組10以集中卷繞及分布卷繞中的任意一種方式被卷繞在各個(gè)齒部9上(圖1中采用集中卷繞)。轉(zhuǎn)子5具有通過(guò)層疊電磁鋼板而形成的轉(zhuǎn)子鐵芯11。該轉(zhuǎn)子鐵芯11設(shè)定為例如在圓周方向上以等間隔形成6個(gè)磁極12，且在相鄰的磁極間半徑方向的磁化方向相反。在磁極12中，一對(duì)永久磁鐵槽13a、13b和14a、14b按照從轉(zhuǎn)子鐵芯11的外周面向內(nèi)側(cè)，頂部是旋轉(zhuǎn)中心一側(cè)，并且朝向外周一側(cè)張開的內(nèi)側(cè)角Φ是鈍角的V字形狀的方式，在半徑方向上以雙層結(jié)構(gòu)且沿著軸方向貫通地形成。這些永久磁鐵槽13a、13b和14a、 14b以磁極12的圓周方向的中心線Lc為中心呈線對(duì)稱地形成。另外，在各個(gè)永久磁鐵槽13a、13b和14a、14b中插通例如釹、釤鈷等稀土類磁鐵或鐵氧體磁鐵等永久磁鐵15a、15b和16a、16b并且用粘接劑等固定方法固定。因此，永久磁鐵15a、15b的外周側(cè)磁極面挾持中心線Lc彼此相對(duì)，同樣，16a、16b的外周側(cè)磁極面挾持中心線Lc彼此相對(duì)。此處，在永久磁鐵槽13a、13b和14a、14b內(nèi)的永久磁鐵15a、15b和16a、16b的內(nèi)側(cè)端部形成有三角形的空隙17i，在外側(cè)端部形成有正方形的空隙17ο。具有上述結(jié)構(gòu)的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T用以下公式(1)表示。T = Pn Ψ aiq+Pn (Ld-Lq)idiq……(1)此處，Pn是極對(duì)數(shù)，Va是永久磁鐵的電樞鏈接磁通，id是軸電流，是q軸電流， Ld是d軸電感，Lq是q軸電感。在該公式(1)中，右邊第一項(xiàng)是基于永久磁鐵產(chǎn)生的磁通的轉(zhuǎn)矩，右邊第2項(xiàng)是磁阻轉(zhuǎn)矩。本發(fā)明的著眼點(diǎn)是磁阻轉(zhuǎn)矩的最大化，S卩，增大d軸電感Lt^nq軸電感Lq之差。 通常情況下，d軸電流id為負(fù)值，所以，為了增加磁阻電感，而增大q軸電感Lq，縮小d軸電感Ld。此處，如圖1所示，將磁極12的圓周方向的中央部作為d軸，在從該d軸移動(dòng)電氣角90度的位置定義q軸。如圖2所示，流經(jīng)q軸方向的q軸磁通流經(jīng)外周側(cè)永久磁鐵 16a、16b的外周側(cè)、外周側(cè)永久磁鐵16a、16b與內(nèi)周側(cè)永久磁鐵15a、15b之間以及內(nèi)周側(cè)永久磁鐵15a、15b的內(nèi)側(cè)。由此可知，根據(jù)內(nèi)周側(cè)永久磁鐵15a、15b和外周側(cè)永久磁鐵16a、16b的磁鐵間距離β的大小，q軸磁通的流經(jīng)難易度發(fā)生變化。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子5的半徑為α (mm)，內(nèi)周側(cè)永久磁鐵15a、15b和外周側(cè)永久磁鐵 16a、16b的磁鐵間距離為β (mm)時(shí)，根據(jù)磁鐵間距離比例(β / α )來(lái)確定轉(zhuǎn)矩最大時(shí)的最佳距離指標(biāo)Y，按照變成所確定的最佳距離指標(biāo)Y的方式，設(shè)定磁鐵間距離β和轉(zhuǎn)子5的半徑α。即，作為一個(gè)實(shí)施例，如圖3所示，轉(zhuǎn)子5的極對(duì)數(shù)為6極，定子2的槽數(shù)為36，在定子2的槽8上分布卷繞V相、W相及U相的激勵(lì)繞組10構(gòu)成永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)1。轉(zhuǎn)子5的結(jié)構(gòu)與前述圖1同樣，采用由V字形狀的一對(duì)永久磁鐵槽13a、13b和14a、14b所構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)，在這些永久磁鐵槽13a、13b和14a、14b內(nèi)插通截面為長(zhǎng)方形的內(nèi)周側(cè)永久磁鐵15a、15b和外周側(cè)永久磁鐵16a、16b并利用粘接劑等固定方法固定。
此處，內(nèi)周側(cè)永久磁鐵15a、15b的轉(zhuǎn)子外周側(cè)的空隙17ο大致呈四角形，外周側(cè)永久磁鐵16a、16b的轉(zhuǎn)子外周側(cè)的空隙17ο大致呈三角形。由此，能夠使永久磁鐵的表面積最大。其原因在于，內(nèi)周側(cè)永久磁鐵15a、15b的尺寸被轉(zhuǎn)子內(nèi)周側(cè)規(guī)定，外周側(cè)永久磁鐵16a、 16b的寬度被轉(zhuǎn)子外周側(cè)規(guī)定。對(duì)于具有該圖3的結(jié)構(gòu)的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)1，通過(guò)磁場(chǎng)分析求出q軸電感Lq。另外，為了進(jìn)行比較，將圖4所示的單層模型即內(nèi)周側(cè)永久磁鐵15a、15b和外周側(cè)永久磁鐵16a、16b之間的磁鐵間距離β設(shè)定為O然后對(duì)具有一對(duì)永久磁鐵18a、18b的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)1的磁場(chǎng)進(jìn)行分析。圖5表示q軸電感Lq的磁場(chǎng)分析結(jié)果。但是，在該磁場(chǎng)分析結(jié)果中，使得轉(zhuǎn)子5的半徑為α，磁鐵距離比例(β / α )為最佳距離指標(biāo)Y，圖4的單層模型(Y = 0)的q軸電感Lq的值為“1”。由圖5可知，由于最佳距離指標(biāo)Y的增加，q軸電感Lq增加。但是，如果最佳距離指標(biāo)Y超過(guò)0.1，那么，q軸電感Lq顯示飽和特性，僅增加至1.4倍左右。此處，雖然省略了圖示，但即使最佳距離指標(biāo)Y增加，d軸電感Ld也大致是固定值。下面，通過(guò)磁場(chǎng)分析來(lái)求出最佳距離指標(biāo)Y的增加對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響。圖6表示電流值固定時(shí)的轉(zhuǎn)矩分析結(jié)果。使電流相位按照10度刻度變化然后實(shí)施分析。此處，圖3的單層模型(最佳距離指標(biāo)Y=O)的轉(zhuǎn)矩為“1”。由圖6可知，最佳距離指標(biāo)γ大概在0至0.02之間，轉(zhuǎn)矩呈直線狀增加，在 0. 02 0. 04時(shí)大致固定，然后再次增加。此處，對(duì)于轉(zhuǎn)矩變得最大的電流相位，最佳距離指標(biāo)Y在0. 02之前電流相位在30度時(shí)轉(zhuǎn)矩變得最大，最佳距離指標(biāo)Y在0. 04附近時(shí)，轉(zhuǎn)矩變得最大的電流相位在30度至40度之間，因此，最佳距離指標(biāo)Y在0. 02 0. 04之間轉(zhuǎn)矩固定。通過(guò)縮小電流相位的分析刻度可以推測(cè)，相對(duì)于最佳距離指標(biāo)Y的增加，轉(zhuǎn)矩的增加為單調(diào)。由此可知，最佳距離指標(biāo)Y大概為0. 083時(shí)轉(zhuǎn)矩變得最大，然后相對(duì)于最佳距離指標(biāo)Y的增加，轉(zhuǎn)矩下降?？梢哉J(rèn)為其原因在于，由于最佳距離指標(biāo)Y的增加，q軸電感 Lq增加，磁阻轉(zhuǎn)矩增加，而電磁轉(zhuǎn)矩下降。最佳距離指標(biāo)γ為0. 14時(shí)的模型截面圖如圖7所示，外周側(cè)永久磁鐵16a、16b 的截面形狀大致呈正方形，如果最佳距離指標(biāo)Y進(jìn)一步增大，那么，就會(huì)產(chǎn)生無(wú)法制造永久磁鐵這樣的問(wèn)題。即使能夠制造永久磁鐵，由于永久磁鐵為小型化，所以難以穩(wěn)定地固定位置。因此，最佳距離指標(biāo)Y的最大值設(shè)定為0.14。根據(jù)以上結(jié)果，通過(guò)如下述公式(2)所示選定能夠充分獲得轉(zhuǎn)矩增大效果的最佳距離指標(biāo)Y，能夠得到轉(zhuǎn)矩增大的埋入磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)。y^O. 14......(2)優(yōu)選將最佳距離指數(shù)Y設(shè)定在轉(zhuǎn)矩變?yōu)?. 05以上的下述公式(3)的范圍內(nèi)。0. 02 ^ γ ^ 0. 14......(3)因此，根據(jù)所需的轉(zhuǎn)矩，根據(jù)上述圖6來(lái)確定最佳距離指數(shù)Y，根據(jù)所確定的最佳距離指數(shù)Y ( = β / α )來(lái)確定轉(zhuǎn)子5的半徑α和磁鐵間距離β，從而構(gòu)成對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子5的半徑α和磁鐵間距離β的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)1。
從減少漏磁通的方面來(lái)看，圖1 圖4以及圖7所示的轉(zhuǎn)子5的相鄰的磁極間的電橋優(yōu)選盡可能較窄。但是，從防止離心力的破壞的方面來(lái)看，優(yōu)選將其設(shè)定為轉(zhuǎn)子鐵芯所使用的電極鋼板的厚度的1倍 5倍左右。這樣，根據(jù)上述實(shí)施方式，轉(zhuǎn)子的每個(gè)磁極的永久磁鐵配置采用V字形狀，在半徑方向上采用雙層構(gòu)造，因此，能夠使用截面為長(zhǎng)方體形狀的永久磁鐵，槽的形成和永久磁鐵的制造變得容易，同時(shí)也能放松對(duì)尺寸公差的管理，能夠以低成本制造永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)。而且，通過(guò)將永久磁鐵在半徑方向上形成雙層構(gòu)造，這樣就能增加磁阻轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)小型化。在上述實(shí)施方式中，對(duì)構(gòu)成6極36槽的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)1的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但并非局限于此，能夠按照任意的極數(shù)和槽數(shù)構(gòu)成永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)1。
權(quán)利要求
1.一種永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其包括卷繞有激勵(lì)繞組的定子、和隔著規(guī)定的空隙與該定子相對(duì)并被旋轉(zhuǎn)自如地支承的埋入有永久磁鐵的轉(zhuǎn)子，該永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的特征在于所述轉(zhuǎn)子按照以下方式形成在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)沿著軸方向貫通而形成的且從旋轉(zhuǎn)中心軸一側(cè)朝著外周一側(cè)張開呈V字形狀所配置的一對(duì)槽在半徑方向上形成為雙層構(gòu)造，在各個(gè)所述槽內(nèi)，按照在圓周方向上相鄰的磁極為不同極性且在該槽內(nèi)的兩端形成有空隙的方式插入保持永久磁鐵。
2.如權(quán)利要求1所述的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子的半徑為α (mm)，雙層構(gòu)造的外周側(cè)永久磁鐵與內(nèi)周側(cè)永久磁鐵的磁鐵間距離為β (mm)時(shí)，根據(jù)磁鐵間距離比例(β/α)來(lái)確定使轉(zhuǎn)矩最大時(shí)的最佳距離指標(biāo)Υ，按照成為所確定的最佳距離指標(biāo)Y的方式來(lái)設(shè)定磁鐵間距離β和所述轉(zhuǎn)子的半徑α。
3.如權(quán)利要求2所述的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于增大所述磁鐵間距離β，向外周面一側(cè)設(shè)置所述外周側(cè)永久磁鐵時(shí)的該磁鐵間距離β的上限值被設(shè)定為該外周側(cè)永久磁鐵的軸方向截面形狀為正方形時(shí)的所述磁鐵間距離 β。
4.如權(quán)利要求3所述的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)設(shè)定為6，所述最佳距離指標(biāo)γ設(shè)定為γ <0. 14。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于所述外周側(cè)永久磁鐵的轉(zhuǎn)子外周側(cè)的空隙形成為三角形，所述內(nèi)周側(cè)永久磁鐵的轉(zhuǎn)子外周側(cè)的空隙形成為四角形。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在提高磁阻轉(zhuǎn)矩的同時(shí)能夠降低制造成本的永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)。該永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)(1)具有卷繞有磁繞組的定子(2)、和隔著規(guī)定的空隙(3)與該定子(2)相對(duì)被支承為旋轉(zhuǎn)自如的埋入有永久磁鐵的轉(zhuǎn)子(5)，所述轉(zhuǎn)子(5)按照在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)沿著軸方向貫通而形成的且從旋轉(zhuǎn)中心軸一側(cè)朝著外周一側(cè)張開呈V字形狀所配置的一對(duì)槽(13a、13b)和(14a、14b)在半徑方向上采用雙層構(gòu)造的方式形成，在所述各個(gè)槽內(nèi)，按照在圓周方向上相鄰的磁極是不同極性且在該槽內(nèi)的兩端形成有空隙的方式，插入保持永久磁鐵(15a、15b)和(16a、16b)。
文檔編號(hào)H02K1/27GK102223040SQ201110096309
公開日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月14日
發(fā)明者大口英樹 申請(qǐng)人:富士電機(jī)株式會(huì)社