CN1675812A - 永磁式旋转电机的转子 - Google Patents

Abstract

以往，用将永磁铁均匀地配置于转子铁心整个圆周上的传统技术，难于获得良好的磁场分布，而且齿槽转矩和感应电动势波形失真率大，降低了旋转电机特性。另外，由于在整个圆周上配置了磁铁而使得磁铁使用量大，难于降低成本。本发明的永磁式旋转电机，包括具有多个线圈的定子及转子，所述转子，沿被固定在可在定子内侧旋转的旋转轴上的转子铁芯的外圆周，收纳有设在转子铁芯内缝隙孔中的磁铁，且每个磁极至少由3个以上磁铁构成；构成一个磁极的磁铁组所占有电角的合计角度，被设定在150度～165度的范围内。

Description

永磁式旋转电机的转子

技术领域

本发明涉及具有永磁铁的旋转电机的转子，尤其涉及一种在转子的铁心上埋入磁铁的、埋入磁铁式转子。

背景技术

作为传统技术，如特开2002-44887号公报所述的实例，有将Nd-Fe-B烧结磁铁埋入转子铁心而构成的转子。磁铁以平视为一字形的平板形状，内接于转子外圆周，并被排列呈略多角形状。并且，磁铁被配置在转子圆周方向的全圆周上，磁极由被多个均匀等分割的磁铁构成。

在上述传统技术中，由于围绕其全圆周能与转子铁心的外圆周内接地均匀地排列磁铁，所以磁场分布很分散，不能获得良好的磁场分布，并因感应电动势波形的失真率大、降低了感应电动势的基波有效值而降低了旋转电机的效率。另外，齿槽转矩变大，增大了电动机运转时的起动电流而难于顺利起动。并且，由于围绕转子全圆周配置了磁铁，所以磁铁使用量导致了成本上升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能消除以上不适、高效率·高性能且廉价的永磁式旋转电机。

为达到上述目的，本发明的永磁式旋转电机的转子，是具有配置在施实了多个电枢线圈的定子内圆周上的永磁铁的转子，且磁极的每一极，至少由3个以上的磁铁构成，且将形成磁极一极的磁铁组所占有的电角的合计角度、设定在150～165度的范围内。以此，由于磁场集中在磁极中心，所以能获得良好的磁场分布，并且，由于提高了感应电动势的基波有效值，所以提高了旋转电机效率。进而，由于磁铁组被集中配置在磁极中心位置，所以减少了磁铁使用量，能提供廉价的永磁式旋转电机。

另外，配置在磁极端部侧的磁铁配置方向，朝向磁极中心位置方向倾斜，以降低感应电动势波形的失真率及齿槽转矩，并可以减小旋转起动时所需要的电流值，同时能获得顺利的旋转起动。并且，若倾斜角度在2度～6度的范围，则能有效地提高感应电动势，从而能实现旋转电机的高性能化。

并且，若将收纳磁铁的缝隙孔的形状形成为能在各磁铁之间形成间隙的形状，则可减少产生于各磁铁之间的漏磁，并能提高磁铁的利用效率。此时，若在所述缝隙孔部封入磁铁固定材料，则可以提高转子的可靠性。并且使以上的磁铁形状为平板形状，则可以降低磁铁成本。

附图说明

图1是本发明的永磁式旋转电机的转子的一实施例的结构剖面图。

图2是使磁铁圆周方向角度θ1变化时、旋转电机诸特性的说明图。

图3是本发明的永磁式旋转电机的转子的其他实施例的结构剖面图。

图4是使磁铁向磁极中心位置方向倾斜角度θ2变化时、旋转电机诸特性的说明图。

图5是本发明其他实施例的转子结构说明图。

图6是本发明其他实施例的转子结构说明图。

图7是表示本发明实施例的磁铁中心位置配置详图。

图8是表示本发明其他实施例的磁铁中心位置配置详图。

图9是表示使转子铁心外圆周部壁厚D1变化时的耐离心力、及旋转电机诸特性研究结果的图。

图10是传统技术的转子结构说明图。

具体实施方式

以下，参照附图用以下2极实例，说明本发明的旋转电机的实施例。

图1表示的是作为本发明旋转电机一实施例的永磁式旋转电机的转子的结构。转子1具有：转子铁芯2、收纳磁铁的缝隙孔3、N极侧永磁铁10、S极侧永磁铁11、旋转轴20以及在磁铁10、11外圆周侧的多个制动线圈4。转子铁芯2是由将被冲切成规定形状的薄铁板多片层叠而形成的圆筒状层叠铁芯。

N极侧永磁铁10及S极侧永磁铁11是产生磁场Φf的磁铁，每个磁极被分成3份。这些磁铁被配置于设在转子铁芯2的外圆周侧表面部附近的缝隙孔3内，且能构成两个磁极，各缝隙孔3被配置为可向磁极中心位置方向集中。在此，若将构成一磁极的磁铁组所占电角的合计角度作为磁铁圆周方向角度θ1，则通过将磁铁的圆周方向角度θ1设为恰当值，能极大地改善旋转电机诸特性。以下，进行详细叙述。

图2表示发电机运转时的无负荷感应电动势、无负荷感应电动势波形的失真率及齿槽转矩的各特性的、与磁铁圆周方向角度θ1的关系。并且如图7所示，传统技术是均匀配置构成一磁极的磁铁组，且每一磁极的磁铁圆周方向角度θ1几乎接近180度。此时，在图2中，表示以传统技术的磁铁圆周方向角度θ1为175度，在135度～175度范围研究磁铁的圆周方向角度θ1，并且以磁铁圆周方向角度θ1为175度时为基准，改变了磁铁圆周方向角度θ1的各结果。

在图2中，使与永磁式旋转电机的效率密切相关的无负荷感应电动势比传统技术大、且使作为发电机功能而影响重要的无负荷感应电动势波形失真率及旋转电机振动或噪音的齿槽转矩都比传统技术小的磁铁圆周方向角度θ1，是150度到175度之间的范围。但是，已知当磁铁圆周方向角度θ1超过165度时，无负荷感应电动势波形失真率以及齿槽转矩急剧增大。因此，当希望减少机械振动或噪音时，将磁铁圆周方向角度θ1的上限设为165度较为妥当。所以，本发明的磁铁圆周方向角度θ1的最佳范围采用150度到165度的范围。

图3是本发明旋转电机其他实施例的永磁式旋转电机的转子1的结构图。转子1，具有：转子铁芯2、收纳磁铁的缝隙孔3、N极侧永磁铁10(10a、10b、10c)、S极侧永磁铁11(11a、11b、11c)、旋转轴20以及在磁铁10、11外圆周侧的多个制动线圈4。转子铁芯2是由将被冲切成规定形状的薄铁板多片层叠而形成的圆筒状层叠铁芯。

N极侧永磁铁10及S极侧永磁铁11是产生磁场Φf的磁铁，每个磁极被分成3份。在该磁铁组当中，位于磁极端部位置的磁铁10a、10b、10c朝磁极中心位置方向倾斜配置。在此，如图3所示，若将磁铁朝向磁极中心位置方向的角度、即以通过旋转轴中心及磁铁中心两点直线上的转子铁芯2的外圆周表面上的点Ps为切点的切线L1(＝L2)与磁铁构成的角度、作为磁铁倾斜角度θ2，则通过将磁铁倾斜角度θ2设为恰当值，能极大地改善旋转电机诸特性。以下，进行详细叙述。

图4表示发电机运转时的无负荷感应电动势、无负荷感应电动势波形失真率及齿槽转矩的各特性、与磁铁倾斜角度θ2的关系。由于此时传统技术磁铁倾斜角度θ2为0.0度，所以改变了磁铁倾斜角度θ2时的各结果，以磁铁倾斜角度θ2为0.0度时为基准表述。另外，倾斜磁铁的角度符号是以向磁极中心位置方向倾斜的方向为正。

如图4所示，在-2.5度到10.0度的范围研究磁铁倾斜角度θ2时，无负荷感应电动势，在0.0＜θ2＜10.0度的角度范围变大。另外，还表明无负荷感应电动势波形失真率及齿槽转矩，在除了0.0度以外的-2.5度到10.0度的整个研究范围变小。因此表明，磁铁倾斜角度θ2对于0.0度的基准特性，同时满足无负荷感应电动势变大且无负荷感应电动势波形失真率及齿槽转矩变小的条件的磁铁倾斜角度θ2，为0.0＜θ2＜10.0度的角度范围。即，若将配置于磁极端部的磁铁少许向正方向倾斜，则与没有倾斜时相比可以改善旋转电机的诸特性。另外图4表明，与永磁式旋转电机的效率密切相关的无负荷感应电动势，在将磁铁倾斜角度θ2设定在2度到6度的范围时大致为最大。因此，本发明鉴于以上只之点，采用2.0度到6.0度的范围作为磁铁倾斜角度θ2的最佳范围。

以上，只要磁铁圆周方向角度θ1、磁铁倾斜角度θ2的任意一方满足本实施例的角度范围条件，则可以提高旋转电机的诸特性。另外，若将磁铁圆周方向角度θ1及磁铁倾斜角度θ2两方设定为上述的角度范围，则能通过相乘作用而进一步提高旋转电机的诸特性。另外，如图5所示，即使没有图1及图3所述的制动线圈4，也不会有损于被发明的效果。此时，由于能减低制动线圈部分的制造成本，所以具有能更廉价地提供旋转电机的优点。而且，在图2及图4中表示了发电机动作时的特性，但在电动机动作中也可以获得本发明的效果。在电动机动作中，因降低了齿槽转矩及感应电动势波形失真率，所以具有可以减小起动时的起动电流或振动的效果。

图6是本发明的其他实施例的转子结构的说明图，是在缝隙孔3中收纳磁铁10、11时、能在各磁铁10、11之间形成间隙15而作为缝隙孔3形状的实施例。虽然间隙15可以降低在有空气(空洞)时所产生于各磁铁10、11之间的漏磁，具有提高磁铁利用率的效果，但若再封入树脂或粘接剂等磁铁固定材料，则磁铁固定材料能浸透磁铁10、11与转子铁芯2之间的间隙，以此可牢固地固定磁铁10、11和转子铁芯2，因此，能有效地防止因高速旋转而加大离心力时、转子铁芯2的变形或磁铁10、11的散落，可以提高转子1的可靠性。另外，图6中没有描述制动线圈，但即使存在制动线圈，本实施例的效果也当然有效。

在图7中，详细表示了至此所说明的磁铁的中心位置的配置。构成磁极的多个磁铁的中心位置在同一圆弧上，由于磁极端部侧的磁铁，以磁铁中心位置为中心、朝磁极中心位置方向倾斜，所以转子铁芯外圆周部壁厚D1，随着磁铁倾斜角度θ2的加大而减小。若以数千转的转速旋转，则施加于磁铁上的离心力也小，即使转子铁芯外圆周部壁厚D1为0.5mm左右，也能充分固定磁铁且机械强度没有问题。但是，在数万转的旋转速度下，由于磁铁受到强大的离心力，所以必须适当地调整转子铁芯外圆周部壁厚D1。将磁铁更靠近转子内圆周方向地配置，则可以提高与磁铁邻接的转子外圆周部分机械强度。但是，若只是简单地向转子内圆周方向配置，则加大了向与磁铁邻接的铁芯部的漏磁，且会关连到旋转电机特性的降低。因此，转子铁芯外圆周部壁厚D1，是考虑到提高机械强度及防止旋转电机特性降低两方面的适当的值。以下，叙述在几乎不降低旋转电机特性、且提高机械强度的转子磁铁配置结构和转子铁芯外圆周部壁厚D1的研究结果。

图8是本发明其他实施例的转子结构的说明图。维持磁铁圆周方向角度θ1及磁铁倾斜角度θ2的设定范围、并为了能耐得住数万转的离心力而将配置于磁极端部一侧的磁铁向转子内圆周一侧移动。即，在配置转子铁芯内的多个磁铁时，通过配置于磁极端部侧磁铁中心的圆弧，比通过配置于磁极中心侧的磁铁中心的圆弧小。

图9是改变转子铁芯外圆周部壁厚D1时的耐离心力、及旋转电机诸特性的研究结果。加大转子铁芯外圆周部壁厚D1，即意味着这样设定，即，相对于通过配置于磁极中心侧的磁铁中心的圆弧、减小通过图8所示的被配置于磁极端部侧磁铁中心的圆弧。并且图9还表明了以转子铁芯外圆周部壁厚D1为0.25mm时作为基准，在0.25～1.75mm的范围内对各个特性的比较。

已知耐离心力是随着转子铁芯外圆周部壁厚D1的加大而增加。另外，无负荷感应电动势，在转子铁芯外圆周部壁厚D1为0.25～1.0mm时没有变化，但当超过1.0mm时急剧减少。另外，无负荷感应电动势波形失真率，在转子铁芯外圆周部壁厚D1为0.25～1.0mm的范围内几乎没有变化，但超过1.0mm时表现出增加趋势。并且，齿槽转矩，表现出随着转子铁芯外圆周部壁厚D1的加大而增加的趋势。另一方面，对于耐离心力，考虑到降低制造误差或重复应力的因素、并预定安全系数而确保其为离心力的1.4倍。根据以上研究的结果，转子铁芯外圆周部壁厚D1，采用了使旋转电机诸特性良好并充分确保耐离心力的1.0mm厚度。

以上，在本发明的各实施例中，是采用平板形状作为磁铁形状时的实例。由于平板形状磁铁具有磁铁的加工制造容易且能提高制造磁铁时的母材利用率(成品率)，所以与使用圆弧状磁铁时相比，能有效地抑制磁铁的加工成本及材料成本。

(生产上的利用可能性)

根据本发明，能获得高性能高效率且廉价的永磁式旋转电机。

Claims (11)

1.一种旋转电机，其特征在于，包括：

具有多个线圈的定子，和

在所述定子的内侧、可旋转地被支撑于旋转轴上的转子铁芯，和

被收纳于设在所述转子铁芯内的缝隙孔中的多个磁铁；

构成一个磁极的所述多个磁铁的圆周方向角度，以电角表示，为150度～165度的范围。

2.一种旋转电机，其特征在于，包括：

具有多个线圈的定子，和

在所述定子的内侧、可旋转地被支撑于旋转轴上的转子铁芯，和

被收纳于设在所述转子铁芯内的缝隙孔中的多个磁铁；

将所述磁铁配置为，在构成一个磁极的所述多个磁铁当中，使配置在磁极端部侧的磁铁的配置方向，朝向磁极中心位置方向。

3.根据权利要求2所述的转电机，其特征在于：

在构成所述一个磁极的多个磁铁当中，配置在磁极端部侧的磁铁的配置为，将通过所述旋转轴中心与该磁铁中心两点的直线上的所述转子铁芯外圆周表面上的点作为切点的切线、与该磁铁构成的角度，以2度～6度的范围朝向磁极中心位置方向。

4.根据权利要求2或3所述的转电机，其特征在于：在构成所述一个磁极的多个磁铁当中，通过配置于磁极端部侧的磁铁中心的圆弧，比通过配置于磁极中心侧的磁铁中心的圆弧小。

5.根据权利要求1所述的转电机，其特征在于：将所述缝隙孔的形状形成为能在所述各磁铁之间形成间隙的形状。

6.根据权利要求2所述的转电机，其特征在于：将所述缝隙孔的形状形成为能在所述各磁铁之间形成间隙的形状。

7.根据权利要求6所述的转电机，其特征在于：在所述缝隙孔部封入磁铁固定材料。

8.根据权利要求7所述的转电机，其特征在于：在所述缝隙孔部封入磁铁固定材料。

9.根据权利要求1所述的转电机，其特征在于：以平板形状作为所述磁铁的形状。

10.根据权利要求2所述的转电机，其特征在于：以平板形状作为所述磁铁的形状。

11.根据权利要求3所述的转电机，其特征在于：以平板形状作为所述磁铁的形状。

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