CN109906545A - 同步磁阻型旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种同步磁阻型旋转电机。实施方式的同步磁阻型旋转电机具有转子铁芯、多个导条、短路环、定子铁芯以及多相的电枢绕组。转子铁芯设置成围绕旋转轴线旋转自如，在每1极形成有多层朝向径向内侧成为凸形状的空腔部，并且在空腔部与外周面之间分别形成有架桥。多个导条配置于各空腔部，并遍及转子铁芯的旋转轴线整体延伸。短路环连结多个导条。并且，在除了离转子铁芯的旋转轴线最远的位置的第1层的空腔部以外的第2层以后的全部空腔部中，在靠近架桥的两端部，与该架桥隔开规定间隔地配置有导条。

Description

同步磁阻型旋转电机

技术领域

本发明的实施方式涉及一种同步磁阻型旋转电机。

背景技术

同步磁阻型旋转电机具备转子以及定子。转子具备：转轴，被轴支承为能够旋转，在旋转轴中心沿着轴向延伸；以及转子铁芯，外嵌固定于转轴。定子具备：定子铁芯，与转子铁芯隔开间隔地配置于转子铁芯的外周，具有在周向上相互隔开间隔地排列的多个齿；以及多极的多相的电枢绕组，分别卷绕于多个齿。

在转子铁芯中，在每1极形成有多层朝向径向内侧成为凸形状的空腔部。通过如此地形成空腔部，由此在转子铁芯中形成磁通容易流动的方向和磁通难以流动的方向。并且，同步磁阻型旋转电机利用由空腔部产生的磁阻扭矩使转轴旋转。

然而，在同步磁阻型旋转电机的起动时，需要对定子铁芯与转子铁芯的相对位置进行检测，并基于该相对位置对规定的电枢绕组进行供电。因此，为了起动同步磁阻型旋转电机而需要逆变器，这有可能增大同步磁阻型旋转电机的成本。

因此，为了能够不使用逆变器地起动同步磁阻型旋转电机，提出了在空腔部设置非磁性的导体并使其产生感应扭矩的所谓自起动型的同步磁阻型旋转电机。

此处，为了减少转子铁芯外周部的漏磁通，空腔部尽量接近转子铁芯的外周面形成。因此，例如，当利用导体填满空腔部中的转子铁芯的外周面侧的端部时，与定子的齿的间距相应地脉动的磁通与导体交链，因此在导体中会流动无助于转子的旋转的高次谐波电流。该高次谐波电流被转换成焦耳热，相应地有可能降低同步磁阻型旋转电机的效率。

此外，在转子铁芯中流动的磁通为，越朝向该转子铁芯的径向中央则磁通密度变得越低。因此，例如，在用导体填满空腔部整体的情况下，在该导体中产生几乎无助于感应扭矩的部位。因此，不仅转子铁芯的重量无用地增大而制造成本增大，而且有可能降低同步磁阻型旋转电机的效率。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-9484号公报

发明内容

发明要解决的课题

本发明要解决的课题在于提供一种同步磁阻型旋转电机，能够降低成本，且能够提高驱动效率。

用于解决课题的手段

实施方式的同步磁阻型旋转电机具有转子铁芯、多个导条、短路环、定子铁芯以及多相的电枢绕组。转子铁芯被设置成围绕旋转轴线旋转自如，在每1极形成有多层朝向径向内侧成为凸形状的空腔部，并且在空腔部与外周面之间分别形成有架桥。多个导条配置于各空腔部，并遍及转子铁芯的旋转轴线整体延伸。短路环设置于多个导条的两端，并连结多个导条。定子铁芯与转子铁芯隔开间隔地配置于转子铁芯的外周，并具有在周向上隔开间隔地排列的多个齿。多相的电枢绕组分别卷绕于多个齿。并且，在除了离转子铁芯的旋转轴线最远的位置的第1层的空腔部以外的第2层以后的全部空腔部，在靠近架桥的两端部，与架桥隔开规定间隔地配置有导条。

附图说明

图1是表示实施方式的同步磁阻型旋转电机的局部截面立体图。

图2是表示实施方式的旋转电机的局部构成的与旋转轴线正交的截面图。

图3是表示实施方式的转子的侧视图。

图4是图2的A部分放大图。

图5是表示实施方式的变形例的旋转电机的局部构成的与旋转轴线正交的截面图。

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式的同步磁阻型旋转电机进行说明。

图1是表示同步磁阻型旋转电机(以下，简称为旋转电机)1的局部截面立体图。

如该图1所示，旋转电机1具备壳体2、固定在壳体2内的定子3、以及围绕旋转轴线O旋转自如地支承在壳体2内的转子4。另外，在以下的说明中，将与旋转轴线O平行的方向简称为轴向，将围绕旋转轴线O旋转的方向简称为周向，将与旋转轴线O正交的径向简称为径向。

壳体2具备大致圆筒状的框架5、以及堵塞框架5的轴向两端的开口部5a、5b的轴承托架6、7。各轴承托架6、7形成为大致圆板状。在各轴承托架6、7的径向大致中央分别设置有用于将转子4支承为旋转自如的轴承8、9。

图2是表示旋转电机1的局部构成的与旋转轴线O正交的截面图。另外，在图2中仅示出旋转电机1的1/4扇区、即1/4周的周向角度区域量。

如图1、图2所示，定子3具有大致圆筒状的定子铁芯10。该定子铁芯10的外周面内嵌固定于框架5的内周面。定子铁芯10的径向中心与旋转轴线O一致。

此外，定子铁芯10能够通过层叠多张电磁钢板或者对软磁性粉进行加压成型来形成。在定子铁芯10的内周面上一体成型有多个齿11，该多个齿11朝向旋转轴线O突出、并在周向上等间隔地排列。齿11形成为截面大致矩形状。而且，以在邻接的齿11之间配置一个槽12的方式，在周向上等间隔地形成有多个槽12以及多个齿11。经由这些槽12在各齿11上卷绕有电枢绕组13。

图3是表示转子4的侧视图。

如图1～图3所示，转子4配置于比定子铁芯10靠径向内侧的位置。转子4具备沿着轴向延伸的旋转轴14、以及外嵌固定于旋转轴14的大致圆柱状的转子铁芯15。

转子铁芯15能够通过层叠多张电磁钢板或者对软磁性粉进行加压成型来形成。转子铁芯15的外径被设定为，在径向上对置的转子铁芯15与各齿11之间形成规定的气隙G。此外，在转子铁芯15的径向中央形成有沿着轴向贯通的贯通孔16。将旋转轴14向该贯通孔16中进行压入等，而旋转轴14与转子铁芯15成为一体地进行旋转。

进而，在转子铁芯15中，在1/4周的周向角度区域的各自中，沿着径向排列形成有4层空腔部(裂缝屏障)21、22、23、24(第1空腔部21、第2空腔部22、第3空腔部23、第4空腔部24)。即，在径向最外侧形成有第1空腔部21，从该第1空腔部21朝向径向内侧依次排列形成有第2空腔部22、第3空腔部23、第4空腔部24。并且，第4空腔部24配置于径向最内侧。

此外，各空腔部21～24形成为，沿着在对电枢绕组13通电时形成的磁通的流动。即，各空腔部21～24以周向的中央位于径向最内侧(朝向径向内侧成为凸形状)的方式弯曲形成。由此，在转子铁芯15中形成磁通容易流动的方向以及磁通难以流动的方向。另外，在以下的说明中，有时将从旋转轴线O方向观察时的各空腔部21、22、23、24的长度方向(在图2中为大致左右方向)简称为空腔部21、22、23、24的长度方向进行说明。

此处，在本实施方式中，将磁通容易流动的方向称作q轴。此外，将沿着与q轴电气正交、磁正交的径向的方向称作d轴。即，各空腔部21～24在沿着d轴的径向上成为多层构造。

更详细来说，在转子铁芯15中，q轴方向是将磁通的流动不被各空腔部21～24妨碍的方向称作q轴。即，对转子铁芯15的外周面15a的任意的周向角度位置赋予正的磁位(例如使磁铁的N极接近)。此外，对相对于正的磁位偏移了1极量(在本实施方式的情况下按照机械角为90度)的其他的任意的周向角度位置赋予负的磁位(例如使磁铁的S极接近)。将在使这样的正的磁位以及负的磁位的位置向周向偏移了的情况下流动最多磁通时的从旋转轴线O朝向任意位置的方向定义为q轴。并且，各空腔部21～24的长度方向为q轴。

另一方面，将磁通的流动被各空腔部21～24妨碍的方向、即与q轴磁正交的方向称作d轴。在本实施方式中，相对于被各空腔部21～24分离成接近旋转轴线O的区域和远离旋转轴线O的区域的两个转子铁芯部分相对置的方向平行的方向为d轴。此外，在如本实施方式那样各空腔部21～24形成为多层(在本实施方式中为4层)的情况下，层所重叠的方向为d轴。在本实施方式中，d轴相对于q轴并不限定于电气正交、磁正交，也可以从正交的角度具有一定程度的角度范围(例如按照机械角为10度左右)地相交。

如此，转子铁芯15构成为4极，在每1极(转子铁芯15的1/4周的周向角度区域)形成有4层空腔部21～24。而且，所谓1极是指q轴之间的区域。即，各空腔部21～24以在d轴上位于径向最内侧的方式朝向径向内侧弯曲形成。

此外，各空腔部21～24以从轴向观察长度方向两端位于转子铁芯15的外周部的方式弯曲形成。而且，各空腔部21～24形成为，越是接近长度方向两端的部位越沿着q轴、且越是接近长度方向中央的部位越与d轴正交。

此外，在q轴方向上，在各空腔部21～24的长度方向两端与转子铁芯15的外周面15a之间，分别形成有架桥26、27、28、29(第1架桥26、第2架桥27、第3架桥28、第4架桥29)。

此处，在各空腔部21～24中的最上层的第1空腔部21中，在长度方向大致中央***有第1导条41。此外，在比第1空腔部21靠下1层的第2空腔部22到最下层的第4空腔部24这3个空腔部22、23、24中，分别***有导条42、43、44(第2导条42、第3导条43、第4导条44)。

第2导条42为，与架桥27隔开规定间隔W而***到空腔部22的长度方向上的靠近架桥27的空腔部22的两端。

第3导条43为，与架桥28隔开规定间隔W而***到空腔部23的长度方向上的靠近架桥28的空腔部23的两端。

第4导条44为，与架桥29隔开规定间隔W而***到空腔部24的长度方向上的靠近架桥29的空腔部24的两端。

各导条41～44是与轴向正交的截面形状为大致矩形状且为细长的板状的部件。此外，各导条41～44例如由铝合金、铜合金等非磁性且具有导电性的材料形成。进而，各导条41～44形成为，轴向两端分别从转子铁芯15的轴向两端突出。这些各导条41～44的轴向两端分别通过短路环45而短路。

短路环45是配置于转子铁芯15的轴向两端的环状部件。与各导条41～44相同，短路环45由非磁性且具有导电性的材料形成。具体而言，短路环45的材料优选由与各导条41～44相同的材料、例如铝合金、铜合金形成。但是，并不限定于此。

在短路环45的转子铁芯15侧的内表面上，在与各导条41～44对应的位置形成有能够供这些导条41～44***的凹部46。在这些凹部46中压入或者***各导条41～44，并且通过熔融等将短路环45与各导条41～44连接固定。

另外，短路环45与各导条41～44的固定方法并不限定于上述方法。例如，也可以通过使短路环45成为铸件构造，由此在该短路环45的成型时将短路环45与各导条41～44进行固定。

根据这样的构成，在驱动旋转电机1的情况下，对定子3的电枢绕组13供给三相交流。于是，在规定的齿11中形成磁通。然后，形成有磁通的齿11沿着转子4的旋转方向(周向)被依次切换(形成的磁通旋转移动)。

此时，在停止状态的转子4与定子3侧的磁通的旋转移动同步地旋转之前的非同步状态下，在设置于转子铁芯15的各导条41～44中产生感应电流。即，各导条41～44作为二次线圈发挥功能，在导条41～44与定子3之间产生用于使转子4旋转的起动扭矩。

此处，第1导条41配置于第1空腔部21的长度方向大致中央，因此在第1导条41与第1架桥26之间形成有间隙。此外，第2导条42、第3导条43以及第4导条44分别隔开规定间隔W而配置在对应的空腔部22、23、24中的靠近架桥27、28、29的长度方向两端。因此，由在定子3与转子4之间的气隙G中产生的扭矩脉动引起的高次谐波磁通难以与各导条41～44交链，而难以产生高次谐波二次铜损。

更详细来说，为了提高旋转电机1的起动扭矩，需要使从定子3流入的磁通与各导条41～44高效地交链，因此各导条41～44优选尽量配置于转子铁芯15的外周面15a附近。另一方面，当使各导条41～44过于接近转子铁芯15的外周面15a时，高次谐波磁通容易与各导条41～44交链，会流动无助于转子4的旋转的高次谐波电流。因此，第2导条42、第3导条43以及第4导条44与对应的架桥27、28、29之间的规定间隔W的尺寸变得重要。因此，在本实施方式中，如以下那样设定规定间隔W。

图4是图2的A部分放大图。

即，如该图4所示，在将转子铁芯15的外周面15a与定子铁芯10(齿11)之间的间隔设为G(气隙G)、空腔部22～24(第2空腔部22、第3空腔部23、第4空腔部24)的长度方向两端的沿着外周面15a的方向的宽度(与径向正交的方向的宽度)设为L、转子铁芯15的饱和磁通密度设为Bs、架桥27～29(第2架桥27、第3架桥28、第4架桥29)的壁厚设为Wb、导条42～44(第2导条42、第3导条43、第4导条44)的电流密度设为J、导条42～44的与旋转轴线O正交的方向的截面积设为S、空腔部22～24的导磁率设为μ时，规定间隔W被设定为满足：

G＜W≤(L×Bs×Wb)/(μ×J×S)……(1)。

此处，规定间隔W是指，各架桥27～29与对应的导条42～44之间的间隔中、成为最小值的部位的间隔(参照图4的W的尺寸线)。

此外，在决定式(1)时，将在空腔部22～24中流动的漏磁通Φ设为：

Φ＝(μ×J×S×W)/L……(2)，

将在架桥27～29中流动的漏磁通Φb设为：

Φb＝Bs×Wb(Bs为转子铁芯15的饱和磁通密度)……(3)。

即，通过使规定间隔W满足式(1)，由此架桥27～29与导条42～44之间的漏磁通Φ成为在架桥27～29中流动的漏磁通Φb的程度。其结果，能够尽量抑制高次谐波磁通与各导条41～44交链，且能够得到较高的起动扭矩。

此外，在决定规定间隔W时，能够基于上述式(1)(通过反向计算)来计算出导条42～44的截面积S。因此，在空腔部22～24的长度方向两端决定出配置导条42～44的范围。

如此，在上述实施方式中，在第2空腔部22到第4空腔部24这3个空腔部22、23、24中，在靠近对应的架桥27、28、29的长度方向两端，在架桥27、28、29与对应的导条41～44之间隔开规定间隔W而分别***有导条42、43、44。因此，不会使各空腔部22～24整体被导条42～44填埋，能够提高旋转电机1的驱动效率。此外，在起动旋转电机1时，由于无需逆变器，所以能够降低旋转电机1的商品成本。进而，能够将导条42～44抑制为最小限度，因此也能够降低旋转电机1的制造成本。

进而，在第1空腔部21中也***有第1导条41，且在转子铁芯15的外周部整体无遗漏地配置有导条42～44。因此，旋转电机1能够得到较高的起动扭矩。

此外，通过将第2导条42、第3导条43以及第4导条44与对应的架桥27、28、29之间的规定间隔W设定为满足上述式(1)，由此能够尽量抑制无助于转子4的旋转的高次谐波磁通与各导条41～44交链，且能够得到较高的起动扭矩。因此，能够更可靠地提高旋转电机1的驱动效率。

另外，在上述实施方式中，说明了在第1空腔部21的长度方向大致中央***了第1导条41的情况。但是，并不限定于此，也可以如图5所示那样，在第1空腔部21中，也与其他空腔部22～24相同，在靠近第1架桥26的长度方向两端，在第1导条41与该第1架桥26之间隔开规定间隔W地分别***第1导条41。

此外，在上述实施方式中，说明了在转子铁芯15中、在1/4周的周向角度区域的各自(每1极)中形成有4层空腔部21～24的情况。但是，并不限定于此，也可以形成有4层以上的多层的空腔部。在形成有4层以上的空腔部的情况下，在各空腔部中也分别***导条。并且，至少在第2层以后的空腔部中，在长度方向两端在与分别对应的架桥之间隔开规定间隔W地***导条。

并且，在上述实施方式中，说明了各空腔部21～24以周向的中央位于径向最内侧的方式(以朝向径向内侧成为凸形状的方式)弯曲形成的情况。但是，并不限定于此，各空腔部21～24只要朝向径向内侧形成为凸形状即可。即，各空腔部21～24也可以不弯曲形成。

此外，在上述实施方式中，说明了转子铁芯15构成为4极的情况。但是，并不限定于此，也可以将转子铁芯15构成为4极以上。

根据以上说明了的至少一个实施方式，在第2空腔部22到第4空腔部24这3个空腔部22、23、24中，在靠近对应的架桥27、28、29的长度方向两端，与这些架桥27、28、29隔开规定间隔W地分别***有导条42、43、44。因此，不会将各空腔部22～24整体用导条42～44填埋，而能够提高旋转电机1的驱动效率。此外，在起动旋转电机1时，无需逆变器，因此能够降低旋转电机1的商品成本。并且，能够将导条42～44抑制为最小限度，因此还能够降低旋转电机1的制造成本。

并且，在第1空腔部21中也***有第1导条41，且在转子铁芯15的外周部整体无遗漏地配置有导条42～44。因此，旋转电机1能够得到较高的起动扭矩。

此外，通过将第2导条42、第3导条43以及第4导条44与对应的架桥27、28、29之间的规定间隔W设定为满足上述式(1)，由此能够尽量抑制无助于转子4的旋转的高次谐波磁通与各导条41～44交链，并且能够得到较高的起动扭矩。因此，能够更可靠地提高旋转电机1的驱动效率。

对本发明的几个实施方式进行了说明，这些实施方式是作为例子而提示的，并不意图对发明的范围进行限定。这些实施方式能够以其他各种方式加以实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围及主旨中，并且包含于专利请求范围所记载的发明和与其等同的范围中。

Claims (2)

1.一种同步磁阻型旋转电机，具备：

转子铁芯，设置成围绕旋转轴线旋转自如，在每1极形成有多层朝向径向内侧成为凸形状的空腔部，并且在上述空腔部与外周面之间分别形成有架桥；

多个导条，配置于各上述空腔部，遍及上述转子铁芯的上述旋转轴线整体延伸；

短路环，设置于该多个导条的两端，连结上述多个导条；

定子铁芯，与上述转子铁芯隔开间隔地配置于上述转子铁芯的外周，具有在周向上隔开间隔地排列的多个齿；以及

多极的多相的电枢绕组，分别卷绕于上述多个齿，

在除了离上述转子铁芯的上述旋转轴线最远的位置的第1层的上述空腔部以外的第2层以后的全部上述空腔部中，在靠近上述架桥的两端部，与该架桥隔开规定间隔地配置有上述导条。

2.如权利要求1所述的同步磁阻型旋转电机，其中，

在将上述架桥与上述导条之间的规定间隔设为W、上述转子铁芯的外周面与上述定子铁芯之间的间隔设为G、上述空腔部的上述两端部的沿着上述外周面的方向的宽度设为L、上述转子铁芯的饱和磁通密度设为Bs、上述架桥的壁厚设为Wb、上述导条的电流密度设为J、上述导条的与上述旋转轴线正交的方向的截面积设为S、上述空腔部的导磁率设为μ时，上述规定间隔W被设定为满足：

G＜W≤(L×Bs×Wb)/(μ×J×S)。