Ipm型旋轉電動的制造方法
【專利摘要】提供既削減永久磁鐵的使用量又實現高效率的旋轉驅動，低成本且高能量密度的IPM型旋轉電動機(10)。其具備：埋入有永久磁鐵(16)的轉子(12)；以及定子(11)，其收納有設置在其對面的旋轉自如的所述轉子，并且線圈收納在該轉子所面對的多個定子齒(15)間的槽(18)內，該定子具有電樞功能，當與每個磁極的中心軸一致的d軸側附近使得永久磁鐵存在時，在該d軸側的永久磁鐵產生抵消電樞所產生的電樞磁通的方向的磁通，在產生上述永久磁鐵磁通的范圍內將該永久磁鐵置換為導磁率小的空隙的空間(磁通壁)(17c)。例如單位磁極單位相的槽數為2時滿足1.38≤（磁極數（P）×永久磁鐵尺寸（Wpm））/轉子半徑（R）＜1.84的尺寸形狀。
【專利說明】IPM型旋轉電動機
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及IPM型旋轉電動機，具體涉及實現高效率的旋轉驅動的IPM型旋轉電動機。
【背景技術】
[0002]對于安裝于各種裝置的旋轉電動機要求與安裝裝置相應的特性。
[0003]例如，在作為驅動源與內燃機一起安裝于混合動力車(HEV:Hybrid ElectricVehicle)或者作為單獨的驅動源安裝于電動車(EV:Electric Vehicle)的驅動用電動機的情況下，要求在低轉速區(qū)域產生大轉矩，同時具備寬的可變速特性。
[0004]在這種車輛中，為了提高燃料效率，對于包含旋轉電動機在內的各組成部分要求提高能量轉換效率，特別是在車載的旋轉電動機中，期待提高常用區(qū)域的效率。而且，對于車載的旋轉電動機，從設置空間的制約、輕量化的觀點來看，要求更小型化的高能量密度的結構。
[0005]對此，在HEV、EV中，一般來說，旋轉電動機的低轉速/低負荷區(qū)域是常用區(qū)域。因此，有以下趨勢:對車載的旋轉電動機的轉矩貢獻的比例是磁鐵轉矩大于與電樞電流的大小相應的磁阻轉矩，為了高效率化而多使用高磁力的永久磁鐵。
[0006]由于這種趨勢，作為旋轉電動機，為了提高能量轉換效率，特別是提高低轉速/低負荷區(qū)域的常用區(qū)域的效率，多使用作為將高剩余磁通密度的釹磁鐵埋入轉子的鐵芯內部的永久磁鐵式的同步電動機的IPM (Interior Permanent Magnet ;內置永久磁鐵)型旋轉電動機。提出了在該IPM型旋轉電動機中，將永久磁鐵以成為朝著外周面?zhèn)葟堥_的V字形的方式埋入轉子內，從而設為在磁鐵轉矩的基礎上還能夠積極利用磁阻轉矩的磁回路(例如，專利文獻1、2)的方案。
[0007]現有技術文獻
[0008]專利文獻
[0009]專利文獻1:特開2006 - 254629號公報
[0010]專利文獻2:特開2008 - 104323號公報

【發(fā)明內容】

[0011]發(fā)明要解決的問題
[0012]對此,在近年來的旋轉電動機中，為了提高磁力，多使用包含Nd、Dy、Tb等稀土元素的永久磁鐵，不過由于其稀少性帶來的價格高企和其流通量的不穩(wěn)定，減少稀土元素使用量且實現高效率化的必要性增加。
[0013]但是，在HEV、EV中，旋轉電動機的常用區(qū)域是低轉速/低負荷區(qū)域，因此，為了增大對該區(qū)域做出貢獻的磁鐵轉矩，有增加高磁力的永久磁鐵的使用量的趨勢。這是阻礙解決減少稀土元素的使用量的課題的方向。
[0014]對此，本發(fā)明的目的在于提供既削減永久磁鐵的使用量又實現高效率的旋轉驅動、低成本且高能量密度的旋轉電動機。
[0015]用于解決問題的方案
[0016]IPM型旋轉電動機所涉及的第I方式具備:轉子，其中埋入有永久磁鐵；以及定子，其收納有設置在其對面的旋轉自如的所述轉子，并且線圈收納在該轉子所面對的多個齒之間的槽內，該定子具有電樞功能，當與上述永久磁鐵形成的每個磁極的該永久磁鐵的中心軸一致的d軸側附近使得該永久磁鐵存在時，在該d軸側的永久磁鐵產生抵消上述電樞所產生的電樞磁通的方向的磁通,在產生上述永久磁鐵磁通的范圍內將上述永久磁鐵置換為導磁率小的空隙。
[0017]第2方式的特征在于，在上述第I方式的特定事項的基礎上，當單位磁極單位相的槽數q = 2的情況下，當將上述轉子的半徑方向的上述永久磁鐵的大小設為Wpm、將上述轉子的到外周面的半徑設為R、將上述永久磁鐵形成的磁極數設為P時，滿足1.38 ((PXffpm) /R < 1.84。
[0018]發(fā)明效果
[0019]這樣，根據本發(fā)明的上述第I方式，將在d軸側產生抵消電樞磁通的方向的磁鐵磁通的范圍的永久磁鐵置換為導磁率小的空隙，因此，在d軸側磁鐵磁通和電樞磁通不會發(fā)生干擾(相抵)，另外，也能夠限制電樞磁通通過該范圍內。因此，能夠消除在d軸側浪費電樞磁通的磁鐵磁通，有效利用磁鐵轉矩和磁阻轉矩，能夠既得到不低于置換d軸側永久磁鐵前的轉矩又削減永久磁鐵自身的使用量。
[0020]而且，通過將永久磁鐵置換為空隙，能夠減少磁鐵磁通，降低在高轉速側的感應電壓常數，能夠提高在高轉速側的輸出。另外，能夠實現輕量化，能夠減小慣性。
[0021]另外，通過減少磁鐵磁通，能夠削減弱磁區(qū)域(減小弱磁量)，能夠減少導致磁致伸縮的空間高次諧波。因此，能夠限制在永久磁鐵內的渦電流的產生而抑制發(fā)熱，能夠抑制因永久磁鐵的溫度變化而導致的退磁，降低耐熱等級而實現低成本化。
[0022]其結果是，能夠實現以高能量密度高質量地進行旋轉驅動的低成本的旋轉電動機。
[0023]根據本發(fā)明的上述第2方式，當單位磁極單位相的槽數q = 2的情況下，通過將永久磁鐵的大小WpmX磁極數P/轉子半徑R設為1.38以上且不到1.84，與直到d軸側為止都有永久磁鐵存在的情況相比，能夠削減該永久磁鐵自身的使用量。特別是在1.38時，能夠既得到同等以上的最大轉矩又將永久磁鐵的使用量削減24.7%。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是示出本發(fā)明所涉及的IPM型旋轉電動機的一個實施方式的圖,是示出其大致整體構成的俯視圖。
[0025]圖2是實施方式的結構中的低負荷驅動時的電樞磁通的磁通線圖。
[0026]圖3是實施方式的結構中的低負荷驅動時的磁鐵磁通的磁通線圖。
[0027]圖4是示出在d軸側沒有大的空隙的V字形IPM電動機的電流相位所對應的轉矩特性的坐標圖。
[0028]圖5A是在d軸側沒有大的空隙的V字形IPM電動機的磁鐵磁通的磁通線圖。
[0029]圖5B是在d軸側沒有大的空隙的V字形IPM電動機的d軸附近的磁鐵磁通的矢量圖。
[0030]圖6A是在d軸側沒有大的空隙的V字形IPM電動機的最大負荷驅動時的電樞磁通的磁通線圖。
[0031]圖6B是在d軸側沒有大的空隙的V字形IPM電動機的最大負荷驅動時的d軸附近的電樞磁通的矢量圖。
[0032]圖7是示出在d軸側沒有大的空隙的V字形IPM電動機的最大負荷驅動時的磁極(永久磁鐵)的外周側的磁鐵磁通矢量和電樞磁通矢量的相對關系的模型圖。
[0033]圖8是示出IPM型電動機的輸入電流所對應的電流相位和輸出轉矩的對應關系(特性)的坐標圖。
[0034]圖9是在d軸側沒有大的空隙的V字形IPM電動機的低負荷驅動時的電樞磁通的磁通線圖。
[0035]圖10是示出在d軸側沒有大的空隙的V字形IPM電動機的低負荷驅動時的磁鐵磁通和電樞磁通的合成磁通的磁通線圖以及該合成磁通所取的路徑的路徑圖。
[0036]圖11是示出縮短在d軸側有空隙的V字形IPM電動機的埋設永久磁鐵的情況下產生的轉矩的變化、轉矩脈動的減小率的坐標圖。
[0037]圖12是示出縮短在d軸側有空隙的V字形IPM電動機的埋設永久磁鐵的情況下重疊的5次空間高次諧波的變化的坐標圖。
[0038]圖13是示出在d軸側沒有大的空隙的V字形IPM電動機和在d軸側有空隙的V字形IPM電動機的低負荷驅動區(qū)域的轉矩產生比例的坐標圖。
[0039]圖14是示出在d軸側沒有大的空隙的V字形IPM電動機和在d軸側有空隙的V字形IPM電動機的最大負荷驅動區(qū)域的轉矩產生比例的坐標圖。
[0040]圖15是示出在d軸側有空隙的V字形IPM電動機的最大負荷驅動時的電樞磁通的磁通線圖。
[0041]圖16是示出在d軸側有空隙的V字形IPM電動機的低負荷驅動時的磁鐵磁通和電樞磁通的合成磁通的磁通線圖。
[0042]圖17是示出在d軸側有空隙的V字形IPM電動機的最大負荷驅動時的磁鐵磁通和電樞磁通的合成磁通的磁通線圖。
【具體實施方式】
[0043]下面，參照附圖，詳細地說明本發(fā)明的實施方式。圖1?圖17是示出本發(fā)明所涉及的IPM型旋轉電動機的一個實施方式的圖。在此，在本實施方式的說明中，以使轉子相對于定子向逆時針(CCW counterclockwise)方向旋轉的情況作為一例，圖示其旋轉方向。
[0044]在圖1中，旋轉電動機10具備:定子11，其形成為大致圓筒形狀；以及轉子12，其旋轉自如地收納在該定子11內，固定設置有與軸心一致的旋轉驅動軸13。該旋轉電動機10具有適合例如在混合動力車(HEV)、電動車(EV)中作為與內燃機同樣的驅動源或者安裝于車輪內的性能。
[0045]在定子11中，以使內周面15a側隔著間隙G與轉子12的外周面12a面對的方式形成有在軸心的法線方向上延伸的多個定子齒15。3相繞組(未圖示)利用分布繞法纏繞形成于該定子齒15，該3相繞組構成在內部產生磁通的線圈，該磁通旋轉驅動對面收納的轉子12。
[0046]轉子12制作成IPM (Interior Permanent Magnet ;內置永久磁鐵)結構，在IPM結構中，將以一對為I組的永久磁鐵16以成為朝著外周面12a張開的V字形的方式作為I個磁極埋入。該轉子12形成為V字形空間17與外周面12a面對，在V字形空間17中嵌入并以不動狀態(tài)收納在附圖的表里方向上延伸的平板狀的永久磁鐵16的角部16a。
[0047]V字形空間17形成為具備:空間17a，其中嵌入并收納永久磁鐵16 ;以及空間17b、17c(以下也稱為磁通壁17b、17c),其位于該永久磁鐵16的寬度方向的兩側,作為限制磁通進入的磁通壁而發(fā)揮功能。為了能夠抵抗高轉速時的離心力而定位并保持永久磁鐵16，在該V字形空間17中，形成有在空間17c之間在法線方向上延伸并連結、支撐外周側和內周側的中心橋20。
[0048]該旋轉電動機10的定子11側的定子齒15間的空間構成用于使繞組通過并卷繞從而形成線圈的槽18。相對于此，轉子12的8組永久磁鐵16各與定子11側的6根定子齒15面對。總而言之，在該旋轉電動機10中構筑成:轉子12側的一對永久磁鐵16側所構成的I個磁極對應于定子11側的6個槽18。即，旋轉電動機10制作成按相鄰的每I個磁極使永久磁鐵16的N極和S極的表里交替的、8個磁極(4個磁極對)、48個槽、單相分布卷繞5個齒距而成的3相IPM電動機。換言之，旋轉電動機10制作成單位磁極單位相的槽數q=(槽數/磁極數)/相數=2的IPM型結構。[0049]從而，對定子11的槽18內的線圈通電使磁通從定子齒15到達面對的轉子12內，從而能夠旋轉驅動旋轉電動機10。此時，旋轉電動機10 (定子11和轉子12)能夠由永久磁鐵16之間產生的引力和斥力所造成的磁鐵轉矩和要使磁通通過的磁路最短的磁阻轉矩的總轉矩來旋轉驅動。因此，旋轉電動機10能夠將通電輸入的電能從與轉子12 —體地相對于定子11旋轉的旋轉驅動軸13作為機械能輸出。
[0050]此外，定子11和轉子12是將硅鋼等電磁鋼板材料的薄板在軸方向上堆疊成與期望的輸出轉矩相應的厚度，為了維持其層疊狀態(tài)而利用固定件19等制作成一體。
[0051]在此，該旋轉電動機10以如圖2中作為磁通線圖圖示的那樣，按與構成I個磁極的一對永久磁鐵16對應的每多個定子齒15形成從定子11的外周側(定子齒15的背面?zhèn)?通過轉子12內的路徑的磁路(電樞磁通)的方式，在槽18內分布纏繞有繞組線圈。該永久磁鐵16收納在以沿著電樞磁通Ψr的磁路的方式，換言之，以不阻礙該電樞磁通Ψr的形成的方式形成的V字形空間17的嵌入空間17a內。
[0052]如圖3中作為磁通線圖圖示的那樣，該永久磁鐵16的磁路(磁鐵磁通Ψπι)取從構成I個磁極的一對永久磁鐵16的表里面的N極和S極向垂直方向出發(fā)而相連的路徑，特別是在定子11側成為從對應的定子齒15通過其背面?zhèn)鹊穆窂健?br> [0053]并且，在將永久磁鐵16以V字形埋入轉子12內的IPM結構中，將磁極產生的磁通的方向，即V字形的永久磁鐵16間的中心軸作為d軸,另外,將與該d軸在電場/磁場上正交的、相鄰的磁極間的永久磁鐵16間的中心軸作為q軸。該轉子12形成為使V字形空間17的位于d軸側的內側的空間17c成為朝著軸心擴大的空隙，作為磁通壁17c發(fā)揮功能。
[0054]從而，在該旋轉電動機10中，如圖2所示，形成如下路徑:使從定子齒15進入到轉子12內的電樞磁通Ψr以不進入V字形空間17的外周側的方式較多地進入內周(軸心)側而返回到定子齒15?？偠灾?，旋轉電動機10構筑成轉子12在d軸有空隙的V字形IPM電動機。
[0055]另外，該旋轉電動機10為了使從與d軸對應的定子齒15進入的電樞磁通Ψr的密度不飽和，在轉子12側的外周面形成有在與該定子齒15的內周面15a平行的方向(軸心方向)上延伸的中央溝21。
[0056]這樣，在將永久磁鐵16以V字形埋入轉子12內的IPM結構的旋轉電動機10的情況下，轉矩T能夠用下述的式(I)來表示，如圖4所示，用使磁鐵轉矩Tm和磁阻轉矩Tr之和最大的電流相位來驅動，從而實現高轉矩/高效率運轉。
[0057][數I]
【權利要求】
1.一種IPM型旋轉電動機， 具備:轉子，其中埋入有永久磁鐵；以及定子，其收納有設置在其對面的旋轉自如的所述轉子，并且線圈收納在該轉子所面對的多個齒之間的槽內，該定子具有電樞功能， 其特征在于，當與上述永久磁鐵形成的每個磁極的該永久磁鐵的中心軸一致的d軸側附近使得該永久磁鐵存在時，在該d軸側的永久磁鐵產生抵消上述電樞所產生的電樞磁通的方向的磁通，在產生上述永久磁鐵磁通的范圍內將上述永久磁鐵置換為導磁率小的空隙。
2.根據權利要求1所述的IPM型旋轉電動機，其特征在于， 當單位磁極單位相的槽數(q) = 2的情況下，當將上述轉子的半徑方向的上述永久磁鐵的大小設為Wpm、將上述轉子的到外周面的半徑設為R、將上述永久磁鐵形成的磁極數設為 P 時，滿足 1.38≤(·PXWpm) /R < 1.84。
【文檔編號】H02K21/00GK103715801SQ201310451855
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權日:2012年9月28日
【發(fā)明者】青山真大 申請人:鈴木株式會社