同步磁阻电机的制作方法

文档序号:11215097
同步磁阻电机的制造方法与工艺

本发明例如涉及电动动力转向装置所使用的同步磁阻电机。



背景技术:

公知有仅利用通过相对于电磁能的位置的变化产生的磁阻转矩,使转子旋转的磁阻电机。磁阻电机有开关磁阻电机(SRM:Switched Reluctance Motor)和同步磁阻电机(SynRM:Synchronous Reluctance Motor)。开关磁阻电机的定子以及转子具有磁凸极性。同步磁阻电机的定子与无刷电机的构造相同。

同步磁阻电机在定子以及转子中仅转子具有磁凸极性。在同步磁阻电机中,通过转子的磁凸极性,具有磁通容易流动的凸极方向(以下称作“d轴方向”)和磁通难以流动的非凸极方向(以下,称作“q轴方向”)。因此,通过d轴方向的电感(以下,称作“d轴电感”)与q轴方向的电感(以下,称作“q轴电感”)之差产生磁阻转矩,转子通过该磁阻转矩旋转(参照日本特开平11-289730号公报)。

同步磁阻电机不使用永久磁石而仅利用磁阻转矩使转子旋转。因此,与使用永久磁石的电机相比,有输出转矩小的问题,即使些许也有必要增大输出转矩。



技术实现要素:

本发明的目的之一是提供能够使输出转矩变大并且转矩波动小的同步磁阻电机。

作为本发明的一方式的同步磁阻电机的结构上的特征为,包括定子和转子,在上述转子以在周向上隔开间隔地形成有极数数量的磁障组,上述磁障组由圆弧状的多个磁障构成,上述磁障从外周朝向中心配置多层,并上述圆弧状形成为朝向上述中心凸起的形状,其中,在从沿着上述转子的旋转轴的方向观察的俯视下,若将以上述转子的外周边缘上的上述各磁障组的周向中心点为顶点的多边形围起的区域设为多边形区域,则上述各磁障组中的上述多个磁障包括在上述多边形区域内形成的圆弧状部分,上述各磁障组中的上述圆弧状部分的圆弧中心设定于上述转子的外周边缘上的该磁障组的周向中心点,若将上述转子中的被上述磁障组内的相互邻接的两个磁障夹着的区域设为肋部,并将上述转子中的被相互邻接的磁障组夹着的区域中的上述转子的靠外周部分设为连接部,则上述连接部的宽度与上述肋部的宽度之比为0.53以上0.8以下。

附图说明

通过以下参照附图对本发明的优选实施方式进行的详细描述,本发明的其它特征、构件、过程、步骤、特性及优点会变得更加清楚,其中,附图标记表示本发明的要素,其中,

图1是表示本发明的一实施方式的同步磁阻电机的结构的剖视图。

图2是表示图1的同步磁阻电机的转子的放大俯视图。

图3是沿着图2的III-III线的剖视图。

图4是主要表示一个磁障组的细节的部分放大俯视图。

图5A是表示在使肋部的宽度m与磁障的宽度a的和为一定的情况下输出转矩相对于肋部的宽度m的模拟结果的线图。

图5B是表示在使肋部的宽度m与磁障的宽度a的和一定的情况下转矩波动相对于肋部的宽度m的模拟结果的线图。

图6是表示以使肋部的宽度m以及磁障的宽度a一定,并使连接部的宽度c以及区间d的长度以距离H的长度成为一定的方式变化时,转矩波动相对于连接部的宽度c与肋部的宽度m之比c/m的模拟结果的线图。

图7是表示以使肋部的宽度m以及区间d的长度一定,并使连接部的宽度c以及磁障的宽度a以距离H的长度成为一定的方式变化时,转矩波动相对于连接部的宽度c与肋部的宽度m之比c/m的模拟结果的线图。

图8是表示以使磁障的宽度a以及区间d的长度一定,并使连接部的宽度c以及肋部的宽度m以距离H的长度成为一定的方式变化时,转矩波动相对于连接部的宽度c与肋部的宽度m之比c/m的模拟结果的线图。

具体实施方式

以下,参照附图对本发明的实施方式详细地进行说明。图1是表示本发明的一实施方式的同步磁阻电机的结构的剖视图。图2是表示图1的同步磁阻电机的转子的放大俯视图。图3是沿着图2的III-III线的剖视图。图4是主要表示一个磁障组的细节的部分放大俯视图。

参照图1,同步磁阻电机1(以下,仅称作“电机1”。)包括定子(固定件)10和转子(旋转件)20。定子10产生旋转磁场。转子20设置于定子10的内侧,并通过上述旋转磁场旋转。定子10包括圆环状的定子铁芯11和定子线圈12。定子铁芯11通过圆环状的钢板层叠多片来构成。在定子铁芯11的内周部设置有多个供定子线圈12插入的槽11a。在该实施方式中,在定子铁芯11卷绕有三个独立的定子线圈12,槽11a的数量是24个。

参照图1~图4,转子20的极数在该实施方式中是4极(2极对)。转子20包括转子铁芯21和转子轴(旋转轴)22。转子轴22贯通转子铁芯21的中心部并且被固定于转子铁芯21。转子铁芯21通过层叠多片在中心部具有孔的圆形的电磁钢板而构成。在转子铁芯21,在周向上空开间隔地按极数形成极数个由圆弧状的多个磁障(在该例中是狭缝(空气层))23构成的磁障组。磁障23从外周侧朝向转子轴22侧配置为多层,朝向转子轴22成为凸起。在该例中,在转子铁芯21,在周向上隔开间隔地形成4组磁障组。各磁障组的磁障23的层数是7。换言之,一个磁障组由长度不同的7个磁障23构成。磁障也可以不是狭缝,而由树脂等非磁性物质构成。

参照图2以及图4,将沿着转子轴22的方向观察的俯视时,转子铁芯21中的同一磁障组内相互邻接的两个磁障23所夹的区域设为肋部24。将转子铁芯21中被相互邻接的磁障组夹着的区域中的靠近转子铁芯21的外周的部分设为连接部25。另外,将包含转子铁芯21的外周边与磁障23的端部的中间部分的转子铁芯21的外周部的环状区域设为桥26。

将通过磁障组内的磁障23的周向中央,并沿转子铁芯21的径向延伸的轴设为q轴。将通过邻接的磁障组的之间,并沿转子铁芯21的径向延伸的轴设为d轴。磁障23是妨碍磁通的流动的部件。因此,来自定子铁芯11的磁通中的从邻接的两个q轴中的一方q轴朝向另一方的q轴的磁通难以通过。相对于此,通过磁障23间的肋部24,从邻接的两个d轴中的一方d轴朝向另一方d轴的磁通变得容易通过。

若通过定子10对转子20施加旋转磁场,则从电机1产生磁阻转矩T。磁阻转矩T用下式(1)表示。

T=Pn·(Ld-Lq)·Id·Iq…(1)

在上述式(1)中,Pn是极对数,Ld是d轴电感,Lq是q轴电感,Id是d轴电流,Iq是q轴电流。

因此,如果使d轴电感Ld与q轴电感Lq之差(Ld-Lq)变大则磁阻转矩(输出转矩)T变大。在该实施方式中,为了使该差(Ld-Lq)变大,设置磁障23,使q轴方向的磁路的磁阻变大,同时使d轴方向的磁路的磁阻变小。在该实施方式中,为了一边使转矩波动变小,一边使磁阻转矩T(电机输出)提高,还进行下面这样的设计。换言之,将磁障23的俯视形状设定为适当的形状。另外,将肋部24的宽度相对于磁障23的宽度之比设定为适当的值。并且,将连接部25的宽度相对于肋部24的宽度之比设定为适当的值。以下,对这些详细地进行说明。

首先,参照图2以及图4,对磁障23的俯视形状进行说明。将转子20的外周边上的各磁障组的周向中心点设为A、B、C、D。在转子20中,在俯视下,将以A、B、C、D为顶点的多边形(在该例中是四边形)围起的区域设为多边形区域(在该例中是四边形区域)30。有将连结多边形区域30的顶点A和顶点B的边或者线段用A-B表示,将连结顶点B和顶点C的边或者线段用B-C表示,将连结顶点C和顶点D的边或者线段用C-D表示,将连结顶点D和顶点A的边或者线段用D-A表示的情况。

各磁障组中的多个磁障23在俯视下,由多边形区域30内的圆弧状部分23a和直线状部分23b构成。直线状部分23b从圆弧状部分23a的两端部向多边形区域30外延伸。各磁障组中的多个圆弧状部分23a的圆弧中心设定于转子20的外周边上的该磁障组的周向中心点A、B、C、D。从圆弧状部分23a的各端部延伸的直线状部分23b沿与上述多边形区域30的4边中的俯视下靠近圆弧状部分23a的该端部的一边垂直的方向延伸。换言之,从圆弧状部分23a的各端部延伸的直线状部分23b从该圆弧状部分23a的端部向该圆弧状部分23a的切线方向延伸。

例如,图4主要表示的一个磁障组中的多个磁障23在俯视下,由多个圆弧状部分23a和多个直线状部分23b构成。圆弧状部分23a以点A为中心。直线状部分23b从各圆弧状部分23a中的边A-B侧的一端与边A-B垂直地延伸,并从各圆弧状部分23a中的边D-A侧的另一端与边D-A垂直地延伸。

以图4主要表示的一个磁障组为例,对将各磁障组中的多个磁障23的俯视形状这样设定的理由进行说明。一般若将面积S的平面电路置于磁通密度B[wb]的磁场内,则贯通面积S的平面电路的磁通Φ用下式(2)表示。

Φ=BSsinθ…(2)

Θ是平面电路的面与磁通的方向所成的角。

根据该式(2),了解到当平面电路的面与磁通的方向所成的角θ为90度时,磁通Φ最大。若如上述那样设定图4主要表示的磁障组中的多个磁障23的俯视形状,则向d轴方向流动的磁通垂直通过沿着肋部24的线段D-A的剖面并且肋部24沿着线段D-A的剖面积最大。由此,因为能够提高磁利用率,所以能够使输出转矩T变大。

与将磁障23的圆弧中心设定于q轴上且设置于比转子20的外周边更靠外侧的情况相比,能够将圆弧状部分23a形成到更靠近转子20的中心的位置为止。由此,因为能够使肋部24的宽度变大,所以能够使d轴方向的磁路的磁阻变小。由此,能够使输出转矩T变大。

接下来,对肋部24的宽度相对于磁障23的宽度之比进行说明。如4所示,将磁障23的宽度设为a[mm],将肋部24的宽度设为m[mm],将桥26的宽度设为b[mm],将连接部25的宽度设为c[mm]。将从线段D-A上的点A到靠点A最近的磁障23的区间设为d[mm]。将从线段D-A上的点A到线段D-A的中点的距离设为H[mm]。若将转子20的半径设为r[mm],则H=r/21/2

根据图4,下式(3)成立。

d+7a+6m+c/2=H…(3)

b优选为0.5mm以下。D优选为21/2·b以上。C优选为0.5mm以上3mm以下。

在该实施方式中,r、c、d、m、a例如如下面这样设定。

r=24.8mm,c=2mm,b=0.5mm,d=21/2·b,m=1.7mm,a=0.8mm。

表1表示使肋部24的宽度(肋部宽度)m与磁障23的宽度(狭缝宽度)a的和一定的情况下,输出转矩相对于肋部24的宽度m的模拟结果,和转矩波动相对于肋部24的宽度m的模拟结果。这里将肋部24的宽度m与磁障23的宽度a的和从2.2mm设定为2.5mm。在表1也示出了与肋部24的宽度m对应的磁障23的宽度a、和肋部24的宽度相对于与肋部24的宽度m对应的磁障23的宽度a之比m/a的值。

表1

图5A表示表1所示的模拟结果中的输出转矩相对于肋部24的宽度m的模拟结果的线图。图5B表示表1所示的模拟结果中的转矩波动相对于肋部24的宽度m的模拟结果的线图。如表1以及图5A所示那样,肋部24的宽度m为1.5mm~1.7mm(磁障23的宽度a为1.0mm~0.8mm)时输出转矩变得最大。换言之,当肋部24的宽度相对于磁障23的宽度a之比m/a为1.50~2.13时,输出转矩变得最大。在肋部24的宽度m在1.5mm以下的范围内,若肋部24的宽度m变大则通过肋部24的磁通量变大。因此,当肋部24的宽度m处于该范围(※1.5mm以下)时,认为肋部24的宽度m越大则输出转矩越大。若肋部24的宽度变大,则磁障23的宽度a变小。若肋部24的宽度m超过1.7mm,则磁障23的宽度a变得过小。因此,认为向q轴方向泄漏的磁通变多。因此,随着肋部24的宽度m变得比1.7mm大,输出转矩降低。

如表1以及图5B所示那样,转矩波动在肋部24的宽度m为1.7mm附近(磁障23的宽度a为0.8mm附近)时变得最小。换言之,在肋部24的宽度相对于磁障23的宽度a之比m/a为2.13附近时,转矩波动变得最小。因此,了解到为了一边抑制转矩波动一边使输出转矩变大,优选肋部24的宽度m为1.5以上1.9以下,更优选为1.6以上1.8以下。换言之,了解到为了一边抑制转矩波动一边使输出转矩变大,优选肋部24的宽度相对于磁障23的宽度a之比m/a为1.50以上4.75以下,更优选为1.78以上3.00以下。

表2表示使肋部24的宽度(肋部宽度)m以及磁障23的宽度(狭缝宽度)a一定,并使连接部25的宽度(连接部宽度)c以及区间d的长度(区间长d)以距离H的长度一定的方式变化时,针对连接部25的宽度c相对于肋部24的宽度m之比c/m的转矩波动的模拟结果。这里将肋部24的宽度m设为1.70mm,将磁障23的宽度a设为0.80mm,将距离H的长度设为17.50mm。在表2中,替代表示连接部25的宽度c,表示连接部25的宽度c的1/2的长度(c/2)。此外,在d、a、m以及c与H之间成立上述式(3)。

表2

图6表示表2所示的模拟结果的线图。如表2以及图6所示那样,如果连接部25的宽度c相对于肋部24的宽度m之比是0.53以上,则转矩波动不到12%。为了满足式(3),连接部25的宽度c相对于肋部24的宽度m之比的上限是1.18,但即使连接部25的宽度c相对于肋部24的宽度m之比是1.18,转矩波动也不到12%。

表3表示将肋部24的宽度(肋部宽度)m以及区间d的长度(区间长d)设为一定,并使连接部25的宽度(连接部宽度)c以及磁障23的宽度(狭缝宽度)a以距离H的长度成为一定的方式变化时,针对连接部25的宽度c与肋部24的宽度m之比c/m的转矩波动的模拟结果。这里将肋部24的宽度m设为1.70mm,将区间d的宽度设为0.7mm,将距离H的长度设为17.50mm。在表3中,替代表示连接部25的宽度c,表示连接部25的宽度c的1/2的长度(c/2)。在d、a、m以及c与H之间成立上述式(3)。

表3

图7是表示表3所示的模拟结果的线图。如3以及图7所示的那样,如果连接部25的宽度c相对于肋部24的宽度m之比是0.5以上并且是0.8以下,转矩波动不到12%。表4表示将磁障23的宽度(狭缝宽度)a以及区间d的长度(区间长d)设为一定,并使连接部25的宽度(连接部宽度)c以及肋部24的宽度(肋部宽度)m以距离H的长度一定的方式变化时,针对连接部25的宽度c与肋部24的宽度m之比c/m的转矩波动的模拟结果。这里将磁障23的宽度a设为0.8mm,将区间d的宽度设为0.7mm,将距离H的长度设为17.50mm。此外,在d、a、m以及c与H之前成立上述式(3)。

表4

图8是表示表4所示的模拟结果的线图。如表4以及图8所示那样,如果连接部25的宽度c相对于肋部24的宽度m之比为0.5以上并且为1.6以下,则转矩波动不到12%。根据表2、表3以及表4的模拟结果可知,如果连接部25的宽度c相对于肋部24的宽度m之比为0.53以上并且为0.8以下,则转矩波动不到12%。由此,可知为了将转矩波动抑制得比较低,优选连接部25的宽度c相对于肋部24的宽度m之比为0.53以上并且为0.8以下。

以上,对本发明的实施方式进行了说明,本发明还能够以其他方式实施。例如,在前述的实施方式中,转子20的极数是4极(2极对)、也可以是6极(3极对)、8极(4极对)等4极以外的极数。在前述的实施方式中,磁障23的层数是7,磁障23的层数也可以是5层、6层、8层、9层等7层以外的层数。

转子20的半径r、连接部25的宽度c、肋部24的宽度m、磁障23的宽度a以及桥26的宽度b不限定于前述的作为实施例表示的大小。本发明例如能够应用于电动动力转向装置所使用的同步电机,也能够应用于电动动力转向装置以外所使用的同步电机。

另外,在权利要求范围记载的事项的范围内能够实施各种设计变更。本申请主张于2016年3月29日提出的日本专利申请2016-066425号的优先权,并在此引用其全部内容。

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