CN105324918A

CN105324918A - 旋转电机

Info

Publication number: CN105324918A
Application number: CN201480033032.XA
Authority: CN
Inventors: 枦山盛幸; 大谷晃裕
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-06-10
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2034-05-15
Also published as: DE112014002763T5; US9825495B2; DE112014002763B8; DE112014002763B4; JP5951131B2; WO2014199769A1; JPWO2014199769A1; US20160126791A1; CN105324918B

Abstract

本发明得到一种旋转电机，在电动机中，转子由磁体两端角分别不同的小角转子部和大角转子部构成，并且通过沿着轴线按小角转子部、大角转子和小角转子部的顺序层叠成3层而构成，该磁体两端角是连结相向的永磁体的各自的最外周侧端部与转子的轴心的线之间的平面角，因此，抑制因永磁体的温度上升而导致的退磁，另外减小轴向方向的永磁体的温度分布。

Description

旋转电机

技术领域

本发明涉及例如电动汽车、混合动力车等的驱动用电动机，特别是涉及在转子铁芯的外周部埋设了永磁体的旋转电机。

背景技术

以往，已知如下的埋入磁体式电动机：每1极呈V字状地埋入了2个永磁体的转子铁芯由在轴向上分割的第一及第二分割转子铁芯构成，磁路形成部的周向宽度设定为在第一及第二分割转子铁芯中不同(例如，参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2006-115584号公报

发明内容

发明要解决的课题

上述埋入磁体式电动机能够实现齿槽转矩的减小，但轴线方向的中心部的永磁体与其他部位相比，散热路径少，温度容易上升，因此存在因永磁体的温度上升而导致退磁这样的问题。

另外，在永磁体的轴线方向的温度分布大的情况下，也存在如下的问题：虽然永磁体的温度与电动机的感应电压之间存在相关关系，但感应电压仅能通过永磁体的平均温度下的磁通量来测定，因此，若轴线方向的永磁体的温度分布大，则无法预测各永磁体的温度。

本发明以解决上述问题为课题，得到一种抑制因永磁体的温度上升而导致的退磁、另外减小轴线方向的永磁体的温度分布的旋转电机。

用于解决课题的手段

本发明的旋转电机中，各永磁体组相对于1极的周向中心对称地配置，转子通过层叠磁体两端角分别不同的多个转子部而构成，并且随着朝向轴线的中心部去配置所述磁体两端角较大的所述转子部，所述磁体两端角是连结相向的所述永磁体的各自的最外周侧端部与转子的轴心的线之间的平面角。

另外，本发明的旋转电机中，各永磁体组相对于1极的周向中心对称地配置，转子转子通过层叠磁体两端角分别不同的多个转子部而构成，并且随着从所述通风路的上游朝向下游去配置所述磁体两端角较大的所述转子部，所述磁体两端角是连结相向的所述永磁体的各自的最外周侧端部与转子的轴心的线之间的平面角。

发明的效果

根据本发明的旋转电机，随着朝向轴线的中心部去配置发热量小、磁体两端角大的转子部，因此，能够抑制因永磁体的温度上升而导致的退磁，另外能够减小轴线方向的永磁体的温度分布。

另外，根据本发明的旋转电机，随着从通风路的上游朝向下游去配置发热量小、磁体两端角大的转子部，因此，能够抑制因永磁体的温度上升而导致的退磁，另外能够减小轴线方向的永磁体的温度分布。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的电动机的主要部分主视剖视图。

图2是表示图1的电动机的主要部分放大图。

图3(a)是表示图1的转子的主要部分侧视剖视图，图3(b)是表示图3(a)的小角转子部的主要部分主视剖视图，图3(c)是表示图3(a)的大角转子部的主要部分主视剖视图。

图4是表示各频率分量的磁体两端角与齿槽转矩振幅之间的关系的图。

图5是表示磁体两端角与每单位磁体涡流损耗的转矩之间的关系的图。

图6是表示图1的电动机的电角位置与齿槽转矩之间的关系的图。

图7是表示图1的电动机的转子的散热路径的图。

图8是表示图1的电动机的轴长与永磁体温度之间的关系的图。

图9是表示本发明的实施方式2的电动机的主要部分主视剖视图。

图10是表示图9的电动机的磁体两端角与齿槽转矩振幅之间的关系的图。

图11是表示图9的电动机的磁体两端角与每单位磁体涡流损耗的转矩之间的关系的图。

图12是表示图9的电动机的电角位置与齿槽转矩之间的关系的图。

图13是表示本发明的实施方式3的电动机的主要部分主视剖视图。

图14是表示本发明的实施方式4的电动机的转子的散热路径的图。

具体实施方式

下面，根据附图说明本发明的各实施方式，在各图中，对相同或相当的构件、部位标注相同的附图标记来进行说明。

实施方式1

图1是表示作为本发明实施方式1的旋转电机的电动机的主要部分主视剖视图，图2是表示图1的电动机的主要部分放大图。

该电动机具备定子1和转子2，该定子1具有定子铁芯3和缠绕在各槽6中的定子线圈(未图示)，该定子铁芯3具有12个槽6，该12个槽6通过在周向上隔开间隔并从圆环状的铁芯背部4分别向径向内方延伸的各齿5形成，该转子2以能够旋转的方式与定子铁芯3同轴地配设在该定子1的内周侧。

定子铁芯3通过层叠薄板钢板而构成。

定子线圈由缠绕于齿5的三相绕组(U相、V相、W相)构成，各相的绕组的导线的一端连接到变换器侧，导线的另一端作为中性线与其他相的中性线连接。

转子2具有：旋转轴7；转子铁芯8，其通过压入、热装(日文：焼き嵌め)或键等固定到该旋转轴7；以及永磁体组9，其在周向上隔开间隔地埋设在该转子铁芯8的外周侧，由每1极2个的呈矩形形状的第一永磁体10和第二永磁体11构成。

在层叠薄板钢板而构成的转子铁芯8中，形成有在轴线方向上延伸并收纳了第一永磁体10和第二永磁体11的多个磁体收纳孔25。收纳在各磁体收纳孔25中的第一永磁体10和第二永磁体11以相互之间周向的间隔距离沿着径外侧方向扩大的方式配置。

如图2所示，V形的永磁体组9沿着周向交替地设定了N极和S极，图中的箭头示出了各永磁体10、11的取向。

此外，在磁体收纳孔25的两端部形成有空隙部26，通过该空隙部26抑制了在相邻的永磁体组9之间从N极直接朝向靠近的S极去的所谓的漏磁通。

图3(a)是表示图1的转子2的主要部分侧视剖视图，图3(b)是表示图3(a)的小角转子部13的主要部分主视剖视图，图3(c)是表示图3(a)的电动机的大角转子部12的主要部分主视剖视图。

转子2是通过层叠磁体两端角θ1、θ2分别不同的小角转子部13、大角转子部12而构成的。该磁体两端角是连结相向的第一永磁体10和第二永磁体11的最外周侧的两端部与转子2的轴心的线之间的平面角。

图3(b)所示的小角转子部13的磁体两端角θ1比图3(c)所示的大角转子部12的磁体两端角θ2小。

图1的电动机的转子2沿着轴线方向按小角转子部13、大角转子部12和小角转子部13的顺序层叠成3层。

上述结构的电动机中，通过在定子1的定子线圈中流通三相交流电流而在定子1产生旋转磁场，该旋转磁场吸引转子2的永磁体组9，从而使转子2以旋转轴7为中心旋转。

图4表示本申请发明人通过电磁分析而求出的各频率分量的磁体两端角与齿槽转矩振幅之间的关系的图。

在图4中，横轴表示按电角换算的磁体两端角，齿槽转矩的各频率分量在电角120度附近(磁体两端角θ3)最小，在电角120度以下向正向增加，在120度以上向负向增加。

在此，齿槽转矩的正负是表示各频率分量的相位反转180度，此次是将磁体两端角为电角100度的6f分量(f：基本频率)定义为正方向来进行表示的。

例如，在磁体两端角为电角110度的转子和130度的转子中，齿槽转矩6f、12f、18f的大小大致相等，相位反转了180度(在正负方向上大小相同)，因此，通过将磁体两端角为例如电角110度的转子部和130度的转子部以相同轴长的量堆叠，齿槽转矩被减小。

图5是表示本申请发明人通过电磁分析而求得的磁体两端角与每单位永磁体涡流损耗的转矩之间的关系的图。

在图5中，转矩条件1示出了低速旋转的情况，转矩条件2示出了高速旋转的情况，两种条件都是以磁体两端角为电角123度的情况为基准来表示的。

根据该图，不管转矩条件如何，每单位永磁体涡流损耗的转矩都单调递增，磁体两端角越大，其越大。

即，磁体两端角θ1小的小角转子部13的发热量比磁体两端角θ2大的大角转子部12的发热量大。

下面，图6表示磁体两端角为电角123度的电动机与组合了磁体两端角为电角104度和138度这两种磁体两端角的电动机的各自的齿槽转矩波形。

该图的粗线是磁体两端角123度的转子，虚线示出了以相同的轴线长度层叠了磁体两端角104度的小角转子部13和磁体两端角138度的大角转子部12的情况。

若对齿槽转矩波形进行比较，则可知与磁体两端角为电角123度的情况相比，层叠了小角转子部13和大角转子部12的情况下，齿槽转矩变小。

下面，用图7说明在转子2的内部产生的热的散热路径。

图7是沿着轴线方向剖切电动机的剖视图，该图的电动机不是由外部气体直接冷却的结构，而是所谓的全封闭电动机。

沿着轴线方向按小角转子部13、大角转子部12和小角转子部13的顺序层叠成3层的转子2收纳在圆筒形状的框架15内。大角转子部12的轴线长度与一对小角转子部13的合计轴线长度相同。转子2的旋转轴7的两端部经由轴承16旋转自如地被支承于框架15。此外，图中附图标记14是定子线圈的线圈端部。

转子2的大角转子部12的热主要如散热路径A所示地传递到旋转轴7，并通过旋转轴7排出到外部。

另一方面，转子2的小角转子部13的热通过旋转轴7的散热路A向外部散热，并且如散热路径B所示地直接排出到周围的空气中，经由空气、框架15等散热到外部。

此外，由于在定子1与转子2之间还存在间隙17，所以转子2的发热的一部分也经由间隙17散热到外部。

这样，在配置于转子2的两侧的小角转子部13中有散热路径A、B，与此相对地，在配置于转子2的中间部的大角转子部12中以散热路径A为主。

另外，在转子的轴线方向的长度长的情况下，且在使用了磁体两端角的电角沿着轴线相同的转子的情况下，在转子的中间部，与两侧相比散热路径受到限制，与两侧相比温度会变高。

另一方面，采用了钕的永磁体存在温度越高越退磁这样的问题，另外，因在定子1处产生的定子线圈的磁通而发生的永磁体涡流损耗不随轴线方向位置而变化。

因此，由于在转子的轴线方向的中央部，散热路径少，所以永磁体温度会变高，永磁体容易退磁。

与此相对地，在本实施方式的电动机中，将发热量比大角转子部12大的小角转子部13配置在具有散热路径A、B且散热性好的转子2的两侧，将发热量比小角转子部13小的大角转子部12配置在散热性差的转子2的中间部。

因此，能够抑制在转子2的轴线方向的中间部的温度上升，并且来自发热量大的小角转子部13的热也会从散热路径A、B高效地排出。

图8是表示在实施方式1的电动机和比较例的电动机中轴长与永磁体温度之间的关系的图，该实施方式1的电动机中，将磁体两端角θ1为电角123度的小角转子部13和磁体两端角θ2为电角138度的大角转子部12按小角转子部13、大角转子部12和小角转子部13的顺序层叠，该比较例的电动机中，沿着轴线方向，磁体两端角一律为电角123度。

从图8可知，实施方式1的电动机与比较例的电动机相比，能够减小轴线方向的永磁体10、11的温度分布，并且如图6所示，能够减小齿槽转矩。

另外，由于能够减小永磁体10、11的最高温度，因此能够抑制因局部的发热而导致的磁体退磁。

另外，在用磁通监测电动机的永磁体温度的情况下，磁通量仅能在电动机的平均温度(图8中图示)下监测。

因此，在比较例的电动机的情况下，永磁体的轴线方向的温度分布大，最高温度与平均温度之差变大，但在实施方式1的电动机中，永磁体10、11的最高温度与平均温度之差小，因此，容易根据电动机的感应电压、磁通量来推定永磁体10、11的温度。

实施方式2

在本实施方式中，转子2具有转子铁芯8和每1极1个的呈矩形形状的多个永磁体18，该多个永磁体18在周向上隔开间隔地埋设在该转子铁芯8的外周侧。

在层叠薄板钢板而构成的转子铁芯8中，形成有在轴线方向上延伸的收纳了永磁体18的多个磁体收纳孔25。收纳在各磁体收纳孔25中的永磁体18配置成使永磁体18的垂直二等分线通过转子2的轴心。

永磁体18沿着周向交替地设定了N极和S极。

此外，在磁体收纳孔25的两端部形成有空隙部26，通过该空隙部26抑制在相邻的永磁体18之间从N极直接朝向靠近的S极去的所谓的漏磁通。

转子2是通过层叠磁体两端角θ不同的两种转子部而构成的。叠磁体两端角θ是分别连结永磁体18的最外周侧的两端部与转子2的轴心的线之间的平面角。

本实施方式的转子2与实施方式1的一样，按小角转子部13、大角转子部12和小角转子部13的顺序层叠成了3层。

其他结构与实施方式1的电动机相同。

图10是表示具有永磁体18的转子2中各频率分量的磁体两端角与齿槽转矩振幅之间的关系的图。

从图10可知，各个频率的齿槽转矩都在磁体两端角θ3为123度附近最小，磁体两端角在θ3以上时，齿槽转矩负向增加，磁体两端角在θ3以下时，齿槽转矩正向增加。

另外，图11表示每单位磁体涡流损耗的转矩与磁体两端角之间的关系。

此外，转矩条件1表示低速旋转时的情况，转矩条件2表示高速旋转时的情况，示出了每单位磁体涡流损耗的转矩的值越大，每单位转矩的磁体发热量就越小。

如图11所示，可知在磁体两端角120度附近，每单位磁体涡流损耗的转矩最小，在小于120度的情况下、大于120度的情况下每单位永磁体18涡流损耗的转矩都变大。

即，在磁体两端角120度附近，发热量最大。另外，在转矩条件2(高速旋转时)下，磁体两端角大于120度的情况下，与磁体两端角小于120度的情况相比，每单位磁体涡流损耗的转矩的增加率更大。

图12是表示具有磁体两端角为电角120度的转子的电动机、与以相同的轴线长度层叠了磁体两端角为电角104度的小角转子部13和磁体两端角为138度的大角转子部12的电动机的各自的齿槽转矩波形的图。

示出了与实施方式1的电动机一样在轴线方向的长度上以1:1的比例组合了小角转子部13和大角转子部12的情况。

从该图可知，本实施方式的电动机的齿槽转矩比磁体两端角相同的电动机的齿槽转矩小。

在本实施方式的电动机中，沿着轴线方向按小角转子部13、大角转子部12和小角转子部13的顺序层叠成了3层，在散热效率差的转子2的中间部，配置了在高速旋转时尤其是发热量会比小角转子部13小的大角转子部12，因此与实施方式1一样，转子2的轴线方向的温度分布小，另外能够抑制局部的热退磁。

另外，大角转子部12的磁体两端角为130度，小角转子部13的磁体两端角为110度，各个磁体两端角是在齿槽转矩达到最小的磁体两端角123度两侧的值，能够大幅地减小电动机的齿槽。

实施方式3

转子2具有：旋转轴7；转子铁芯8，其通过压入、热装或者键等固定到该旋转轴7；永磁体组33，其在周向上隔开间隔地埋设在该转子铁芯8的外周侧，并由每1极3个的呈矩形形状的第一永磁体30、第二永磁体31和第三永磁体32构成。

在层叠薄板钢板层而构成的转子铁芯8中，形成有在轴线方向上延伸并收纳了第一永磁体30、第二永磁体31和第三永磁体32的多个磁体收纳孔25。位于第二永磁体31的两侧的第一永磁体30和第三永磁体32以相互之间周向的间隔距离沿着径外侧方向扩大的方式相向。

如图13所示，凹部形状的永磁体组33沿着周向交替地设定了N极和S极，图中的箭头示出了各永磁体30、31、32的取向。

此外，在磁体收纳孔25的两端部形成有空隙部26，通过该空隙部26抑制在相邻的永磁体组33之间从N极直接向靠近的S极去的漏磁通。

转子2是通过层叠磁体两端角不同的两种大角转子部12、小角转子部13而构成的，磁体两端角是分别连结永磁体组33的最外周侧的两端部与转子2的轴心的线之间的平面角。

本实施方式的转子2沿着轴线方向以小角转子部13、大角转子部12和小角转子部13的顺序层叠成了3层。

另外，大角转子部12和小角转子部13的各自的磁体两端角的值是在齿槽转矩达到最小的磁体两端角两侧的值。

其他结构与实施方式1的电动机相同。

本实施方式的电动机也与实施方式1一样，转子2的轴线方向的温度分布变小，另外能够抑制局部的热退磁。

另外，大角转子部12和小角转子部13的各自的磁体两端角的值是在齿槽转矩达到最小的磁体两端角两侧的值，能够大幅地减小电动机的齿槽。

实施方式4

图14是沿着轴线方向剖切了实施方式4的电动机的剖视图。

沿着轴线方向将小角转子部13和大角转子部12以2层层叠了的转子2收纳在圆筒形状的框架15内。转子2的旋转轴7的两端部经由轴承16旋转自如地被支承于框架15。小角转子部13和大角转子部12的各自的轴线方向的长度相同。

在转子2的转子铁芯8的两侧端面固定了冷却用风扇(未图示)。另外，在永磁体组9的内侧，在周向上隔开等分间隔地形成了多个沿着轴线方向的通风路20。

在框架15的内壁面，在周向上隔开等分间隔地形成了多个沿着轴线方向的槽21。

通过冷却用风扇的旋转而产生的冷却风C，在途中被导向件19引导而在通风路20、槽21和通风路20中循环，来自转子2和定子1的热通过框架15排出到外部。

本实施方式的小角转子部13与具有永磁体组9的实施方式1的小角转子部13相同，另外，大角转子部12与具有永磁体组9的实施方式1的大角转子部12相同。

在此，如实施方式1所示，小角转子部13的发热量比大角转子部12的发热量大，在冷却风C的上游侧配置了小角转子部13，在下游侧配置了大角转子部12。

其他结构与实施方式1的电动机相同。

根据本实施方式的电动机，发热量大的小角转子部13配置在冷却风C的上游侧，小角转子部13在冷却风C的温度低的上游侧被冷却，因此更高效地被冷却，抑制小角转子部13的温度上升。

因此，与实施方式1一样，转子2的轴线方向的温度分布变小，另外，能够抑制局部的热退磁。

另外，永磁体组9的最高温度与平均温度之差小，因此，容易根据电动机的感应电压、磁通量来推定永磁体10、11的温度。

此外，在本实施方式中，采用了具有永磁体组9的小角转子部13和大角转子部12，但也可以如实施方式2所示地采用每1极1个的矩形形状的永磁体18。

在此情况下，如图11所示，每单位永磁体18涡流损耗的转矩的最小值是在磁体两端角120度附近最小。也就是说，若以每单位转矩的涡流损耗来看，在磁体两端角120度为最大。

因此，在组合磁体两端角110度和130度的情况下，在冷却风的上游侧配置磁体的涡流损耗大的磁体两端角的转子铁芯，在冷却风的下游侧配置永磁体的涡流损耗小的磁体两端角的转子铁芯即可。

另外，也可以是具有实施方式3所示的永磁体组33的小角转子部13和大角转子部12这样的、具有由每1极3个的矩形形状的永磁体30、31、32构成的永磁体组33的小角转子部13和大角转子部12，还可以是在上游侧配置了小角转子部13并在下游侧配置了与小角转子部13轴长相同的大角转子部12的转子2。

此外，上述实施方式1～3的转子2按小角转子部13、大角转子部12和小角转子部13的顺序层叠成了3层，但也可以是例如将磁体两端角不同的小角转子部、中角转子部和大角转子部这三种转子部对齐并层叠小角转子部、中角转子部、大角转子部、中角转子部和小角转子部而成的5层转子部所构成的转子。此外，在此，中角转子部是指磁体两端角的大小在大角转子部的磁体两端角与小角转子部的磁体两端角之间的转子部。

另外，在上述各实施方式中，作为旋转电机对电动机进行了说明，但本发明也可以应用于发电机。

附图标记说明

1定子，2转子，3定子铁芯，4铁芯背部，5齿，6槽，7旋转轴，8定子铁芯，9，33永磁体组，10第一永磁体，11第二永磁体，12大角转子部，13小角转子部，14线圈端部，15框架，16轴承，17间隙，18永磁体，19导向件，20通风路，21槽，25磁体收纳孔，26空隙部，30第一永磁体，31第二永磁体，32第三永磁体，A、B散热路径，C冷却风。

Claims

1.一种旋转电机，具备：

定子，其具备具有槽的定子铁芯和缠绕在所述各槽中的定子线圈，所述槽通过在周向上隔开间隔并从圆环状的铁芯背部分别向径向内方延伸的各齿形成；以及

转子，其以能够旋转的方式与所述定子铁芯同轴地配设在所述定子的内周侧，

所述转子具有转子铁芯和永磁体组，所述永磁体组在周向上隔开间隔地在所述转子铁芯的外周侧埋设多个，由每1极1个以上的呈矩形形状的永磁体构成，

所述旋转电机的特征在于，

所述各永磁体组相对于1极的周向中心对称地配置，

所述转子通过层叠磁体两端角分别不同的多个转子部而构成，并且随着朝向轴线的中心部去配置所述磁体两端角较大的所述转子部，所述磁体两端角是连结相向的所述永磁体的各自的最外周侧端部与所述转子的轴心的线之间的平面角。

2.一种旋转电机，具备：

所述转子具有转子铁芯和永磁体组，所述转子铁芯具有沿着轴线方向贯通的通风路，所述永磁体组在周向上隔开间隔地在所述转子铁芯的外周侧埋设多个，由每1极1个以上的呈矩形形状的永磁体构成，

所述旋转电机的特征在于，

所述各永磁体组相对于1极的周向中心对称地配置，

所述转子通过层叠磁体两端角分别不同的多个转子部而构成，并且随着从所述通风路的上游朝向下游去配置所述磁体两端角较大的所述转子部，所述磁体两端角是连结相向的所述永磁体的各自的最外周侧端部与所述转子的轴心的线之间的平面角。

3.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

多个所述转子部由大角转子部和所述磁体两端角比该大角转子部小的小角转子部这两种转子部构成，沿着所述轴线按所述小角转子部、所述大角转子部和所述小角转子部的顺序层叠。

4.根据权利要求2所述的旋转电机，其特征在于，

多个所述转子部由大角转子部和所述磁体两端角比该大角转子部小的小角转子部这两种转子部构成，沿着从所述上游向所述下游的方向按所述小角转子部和所述大角转子部的顺序层叠。

5.根据权利要求3或4所述的旋转电机，其特征在于，

若设齿槽转矩达到最小的所述磁体两端角的值为θ，则所述小角转子部的所述磁体两端角的值小于θ，所述大角转子部的所述磁体两端角的值大于θ。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的旋转电机，其特征在于，

在所述转子铁芯中形成有磁体收纳孔，该磁体收纳孔收纳所述永磁体并且在收纳的所述永磁体的两侧具有空隙部。

7.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于，

所述永磁体组是V字形，由2个所述永磁体构成。

8.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于，

所述永磁体组是凹部形状，由3个所述永磁体构成。