嵌入磁铁式同步电动机的制作方法

本发明申请是申请日为2013年7月18日、申请号为201380038229.8(国际申请号为pct/jp2013/069563)、发明名称为“嵌入磁铁式同步电动机”的发明专利申请的分案申请。

本发明涉及在转子铁芯的内部嵌入有永久磁铁的嵌入磁铁式同步电动机(ipmsm)。

背景技术：

在嵌入磁铁式同步电动机中，实现高磁力化的一般方法是使转子铁芯的轴向长度(转子叠层厚度)和定子铁芯的轴向长度(定子叠层厚度)一同增大。然而，在采用这种结构的情况下，作为电动机的基本构成材料的铜、铁、磁铁等的使用量增加而导致成本提高，故不优选。在下述专利文献1所代表的现有的嵌入磁铁式同步电动机中，由于使转子叠层厚度形成得比定子叠层厚度大(悬伸)，所以直接的材料费用仅为构成转子的铁和磁铁即可，能够抑制制造成本。此外，在现有技术中，由于从在沿着转子铁芯的轴向延伸的部分(悬伸部)设置的永久磁铁的外周面产生的磁通穿过该悬伸部的转子磁极部，作为有效磁通作用于定子铁芯，所以效率得到改善。

专利文献1：日本特开2000-116044号公报

技术实现要素：

这里，转子铁芯的外周侧铁芯部的磁通密度随着悬伸部的长度(定子叠层厚度与转子叠层厚度之差)变大而增加，如果悬伸部的长度达到规定长度，则有效磁通量饱和。即，由于仅使悬伸部的长度变大不能有效地利用磁通，所以转子铁芯的截面积与磁通所穿过的转子铁芯的外周侧铁芯部的面积的关系很重要。另一方面，由于能够悬伸的量根据电动机的大小变动，所以定子叠层厚度与转子叠层厚度的关系也很重要。然而，在上述专利文献1所代表的现有技术中，由于没有考虑上述关系，所以存在不能应对实现电动机的高效率化并且进一步降低制造成本的需求的问题。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够实现电动机的高效率化并且进一步降低制造成本的嵌入磁铁式同步电动机。

为了解决上述问题而实现发明目的，本发明的嵌入磁铁式同步电动机，其包括：转子铁芯，层叠多片电磁钢板而成；以及定子铁芯，其层叠多片电磁钢板而成，并配置在上述转子铁芯的外周侧，上述嵌入磁铁式同步电动机，在上述转子铁芯沿着上述转子铁芯的周向配置有与极数相当的数量并且收纳构成磁极的磁铁的磁铁收容孔，其沿着周向形成有3个以上，设上述转子铁芯的叠层厚度为x、上述定子铁芯的叠层厚度为y、由将各上述磁铁收容孔的内径侧面的中点彼此连接而成的线围成的铁芯部的截面积为s3、在各上述磁铁收容孔的外径侧面和上述转子铁芯的外周面之间设置的外周侧铁芯部的截面积为s2、从上述转子铁芯的截面积减去上述截面积s2和上述截面积s3所得到的截面积为s1、上述磁铁的磁力为a，使上述转子铁芯以其两端从上述定子铁芯的两端悬伸出去并满足x＞y且x＜y(1+(s2/s1)/a×2)的关系的方式形成。

根据本发明，由于采用考虑到转子铁芯的截面积与磁通所穿过的转子铁芯的外周侧铁芯部的面积、以及定子叠层厚度与转子叠层厚度的关系的转子，所以起到能够实现电动机的高效率化并且进一步降低制造成本的效果。

附图说明

图1是本发明的实施方式涉及的嵌入磁铁式同步电动机的侧视图。

图2是图1所示的转子的断面图。

图3是图1所示的转子铁芯的断面图。

图4是外周侧铁芯部的放大图。

图5是表示磁通从未设置外周侧铁芯部的转子流向定子铁芯的图。

图6是表示磁通从设置有外周侧铁芯部的转子流向定子铁芯的图。

图7是示意性表示磁通在各磁铁间直线状地行进的图。

图8是在转子铁芯形成有风穴的转子的断面图。

图9是用于说明图8所示的转子的截面积s1与截面积s3的关系的图。

图10是表示转子的第一变形例的图。

图11是用于说明图10所示的转子的截面积的图。

图12是用于说明图10所示的转子的外周侧铁芯部的图。

图13是表示转子的第二变形例的图。

图14是用于说明图13所示的转子的截面积的图。

图15是用于说明图13所示的转子的外周侧铁芯部的图。

图16是表示转子的第三变形例的图。

图17是用于说明图16所示的转子的截面积的图。

图18是用于说明图16所示的转子的外周侧铁芯部的图。

符号说明

1旋转轴

2、2-1、2-2、2-3、2-4、20、21转子

3绕组

4定子铁芯

4a、8e轴向端部

6内周面

7、7-1、7-2、7-3、7-4磁铁

8、80、81、82、83、84、85转子铁芯

8a、8a-1、8a-2、8a-3、8a-4内周侧铁芯

8b、8b-1、8b-2、8b-3、8b-4中心侧铁芯

8c、8c-2、8c-3、8c-4外周侧铁芯

8d外周侧薄壁铁芯

8-1外周侧铁芯部

9、9-1、9-4磁铁收容孔

9-2第一磁铁收容孔

9-3第二磁铁收容孔

9a、9a-1、9a-2、9a-3内径侧面

9b、9b-1、9b-2、9b-3外径侧面

9c、9c-1、9c-2、9c-3周向端部

10外周面

11定子

12连通孔

具体实施方式

下面，基于附图，对本发明涉及的嵌入磁铁式同步电动机的实施方式进行详细说明。此外，本发明不限定于该实施方式。

(实施方式)

图1是本发明的实施方式涉及的嵌入磁铁式同步电动机的侧视图，图2是图1所示的转子2的断面图。图3是图1所示的转子铁芯8的断面图，图4是外周侧铁芯部8-1的放大图。

图1所示的嵌入磁铁式同步电动机具有定子11和转子2。定子11包括定子铁芯4和卷绕在定子铁芯4上的绕组3作为主要结构，其中，定子铁芯4通过将被称为铁芯冲片的硅钢板用模具冲孔后沿着旋转轴1的轴向层叠多片而成。在定子11的内周侧以能够旋转的方式配置有转子2。转子2具有用于传递旋转能量的旋转轴1和设置在该旋转轴1的外周部的转子铁芯8作为主要结构。转子铁芯8与定子铁芯4同样通过将硅钢板用模具冲孔后沿着旋转轴1的轴向层叠多片而制成，其形成为圆筒状。

在以下的说明中，将转子铁芯8的轴向长度称为转子叠层厚度x，将定子铁芯4的轴向长度称为定子叠层厚度y。此外，将从定子铁芯4的中心到轴向端部4a的长度l1与从转子铁芯8的中心到轴向端部8e的长度l2之差称为悬伸长度z。图1所示的转子叠层厚度x为悬伸长度z的2倍的长度(z×2)与定子叠层厚度y相加所得到的大小。

在图3中，在转子铁芯8，沿着周向在同一圆周上形成有磁铁收容孔9。磁铁收容孔9配置在外周面10一侧，并且形成为曲率中心位于转子2的径向外侧的倒圆弧状。具体而言，磁铁收容孔9的外周面10一侧的面(外径侧面9b)及其转子2的内周面6一侧的面(内径侧面9a)都形成为朝向旋转轴1一侧弯曲的凸状，并且周向端部9c位于外周面10的附近。此外，图2所示的磁铁7的外缘形状与磁铁收容孔9的内缘形状大致相似，能在各磁铁收容孔9中收容有磁铁7。

此外，在图3中，转子铁芯8包括：在外周面10与外径侧面9b之间形成的外周侧铁芯8c；在外周面10与周向端部9c之间形成的外周侧薄壁铁芯8d；以包围旋转轴1的方式在转子2的中心侧形成的中心侧铁芯8b；和在中心侧铁芯8b与内径侧面9a之间形成的内周侧铁芯8a。该中心侧铁芯8b是由将各磁铁收容孔9的内径侧面9a的中心彼此连接而成的线围成的部分(六边形的由虚线围成的部分)。

在图4中，由与各磁铁收容孔9最接近的部分的外周缘相接的切线a、b、外周面10、周向端部9c和外径侧面9b围成的部分为外周侧薄壁铁芯8d的面积和外周侧铁芯8c的面积的总和。在以下的说明中，将外周侧薄壁铁芯8d和外周侧铁芯8c合并的铁芯部称为外周侧铁芯部8-1。

在图3中，示出了上述内周侧铁芯8a的截面积s1、外周侧铁芯部8-1的截面积s2和中心侧铁芯8b的截面积s3。截面积s1表示从转子铁芯8的截面积减去截面积s2和截面积s3而得到的面积。在本实施方式涉及的嵌入磁铁式同步电动机中，定子叠层厚度y、转子叠层厚度x、截面积s1、截面积s2、以及电磁力(磁铁7的磁力a)以满足下述关系的方式构成：

x－y＞0mm…(1)

x＜y(1+(s2/s1)/a×2)…(2)。

利用图5～图7来说明该关系。图5是表示磁通从未设置外周侧铁芯部8-1的转子20流向定子铁芯4的图。在图5所示的转子20的转子铁芯80，未设置图3所示的外周侧铁芯部8-1。在如上所述仅增大转子叠层厚度x来提高电动机效率的情况下，由于仅增加转子20的材料，所以与增大转子叠层厚度x和定子叠层厚度y两方的情况相比，能够抑制制造成本。但是，在使转子铁芯80悬伸的情况下，悬伸部的磁通如图5所示的虚线箭头那样，穿过转子铁芯80的外周面与定子铁芯4的内周面之间的空隙以外的部分，进入定子铁芯4。因此，穿过该部分的磁通大幅衰减，该磁通作为有效磁通作用于定子铁芯4的程度减小，不能得到因增大转子叠层厚度x所产生的效果。为了消除这样的悬伸部的磁通损失，需要在转子20形成轴向的磁路。

图6是表示磁通从设置有外周侧铁芯部8-1的转子21流向定子铁芯4的图。在图6所示的转子铁芯81，设置有图3所示的外周侧铁芯部8-1。在这样构成的转子21中，在设置在悬伸部的永久磁铁的外周面产生的磁通穿过作为磁路的外周侧铁芯部8-1。因此，该磁通如图6所示的虚线箭头那样，经由转子铁芯81的外周面与定子铁芯4的内周面之间的空隙进入定子铁芯4。

这里，在外周侧铁芯部8-1的截面积为一定时，外周侧铁芯部8-1的磁通密度随着悬伸长度z变大而增加，如果悬伸长度z达到规定长度，则有效磁通量饱和。即，为了获得增大悬伸量所产生的效果(增加有效磁通量)，必须增加磁通所穿过的外周侧铁芯部8-1的截面积。这样，由于仅增大悬伸长度z不能有效地利用磁通，所以转子铁芯81的截面积与磁通所穿过的转子铁芯的外周侧铁芯部8-1的面积的关系很重要。另一方面，由于能够悬伸的量根据电动机的大小变动，所以定子叠层厚度y与转子叠层厚度x的关系也很重要。

在本实施方式涉及的嵌入磁铁式同步电动机中，考虑到转子铁芯8的截面积与磁通所穿过的外周侧铁芯部8-1的截面积、以及定子叠层厚度y与转子叠层厚度x的相关关系，转子叠层厚度x以满足关系式(1)和(2)的方式构成。即，在式(1)中，规定了转子叠层厚度x的最小值，在式(2)中，规定了转子叠层厚度x的最大值。根据该式(2)，在使磁力a的值为固定值的情况下，截面积s2相对于截面积s1的比率越大，转子叠层厚度x的最大值越大。换而言之，悬伸长度z越大，截面积s2相对越大，能够获得增大悬伸量所产生的效果。

此外，转子2的单侧的悬伸长度z能够表示为z＝y×s2/s1，如果考虑到转子2的两端侧悬伸，则悬伸长度z的2倍的长度(z×2)与定子叠层厚度y相加所得到的大小为转子叠层厚度x的最大值。在转子叠层厚度x为该最大值以上的大小的情况下，由于磁饱和而没有效果。此外，外周侧铁芯部8-1的磁饱和也受到穿入转子2的磁力a的大小的影响。一般的磁铁7的磁通密度为0.3～1.5t(特斯拉)，磁力a对于悬伸量的影响可以用磁力a的倒数来表示。即，磁力a越弱，转子2能够悬伸的量越大，磁力a越强，转子2能够悬伸的量越受到限制。

对从关系式(2)中使用的截面积s1减去截面积s3的理由进行说明。图7是示意性表示磁通在各磁铁7间直线状地行进的图。在转子铁芯8的内部，在各磁铁7间流动的磁通沿着箭头的方向直线地行进。这是由于，在磁通穿过电磁钢板时，磁通具有穿过磁阻较低的路径的特性，例如图7的六边形的由虚线围成的部分(中心侧铁芯8b)不会作为磁回路而加以利用(不会作为磁路而加以利用)。

图8是在转子铁芯形成有风穴的转子2-1的断面图，图9是用于说明图8所示的转子2-1的截面积s1与截面积s3的关系的图。以下，对与图1～图7相同的部分标注相同的符号并省略其说明，这里仅描述不同的部分。

在转子2-1的内周面6与磁铁7(磁铁收容孔9)之间设置有用于使制冷剂或冷冻机油通过的连通孔12。由于该连通孔12是空气层，所以磁通不能穿过连通孔12。因此，需要从内周侧铁芯8a-1的截面积s1去掉连通孔12的截面积。在设置有连通孔12的转子2-1中，作为上述式(2)中使用的截面积s1，使用从转子铁芯82的截面积减去中心侧铁芯8b-1的截面积s3、各连通孔12的截面积和外周侧铁芯8c的截面积s2所得到的面积。此外，中心侧铁芯8b-1是由将各磁铁收容孔9的内径侧面9a的中心彼此连接而成的线围成的部分(六边形的由虚线围成的部分)。

此外，图9所示的截面积s2与图3所示的截面积s2同样，是合并外周侧薄壁铁芯8d和外周侧铁芯8c的外周侧铁芯部8-1的截面积。此外，在本实施方式中，由于只要设置有外周侧铁芯部8-1则式(2)成立，所以能够与磁铁个数、磁极形状、极数无关地进行应用。

图10是表示转子的第一变形例的图，图11是用于说明图10所示的转子2-2的截面积的图，图12是用于说明图10所示的转子2-2的外周侧铁芯部的图。以下，对与图1～图9相同的部分标注相同的符号并省略其说明，这里仅描述不同的部分。

图11示出了具有转子铁芯83的转子2-2，在该转子铁芯83形成有设置在同一圆周上并且沿着周向延伸的平板状的磁铁收容孔9-1。在磁铁收容孔9-1中如图10所示那样收容有平板状的磁铁7-1。

转子铁芯83由内周侧铁芯8a-2、中心侧铁芯8b-2和外周侧铁芯8c-2构成，外周侧铁芯8c-2相当于图2的外周侧铁芯部8-1。即，如图12所示，由与各磁铁收容孔9-1最接近的部分的外周缘相接的切线a、b、外周面10、磁铁收容孔9-1的周向端部9c-1和磁铁收容孔9-1的外径侧面9b-1围成的部分(外周侧铁芯8c-2)相当于外周侧铁芯部8-1。此外，中心侧铁芯8b-2是由将各磁铁收容孔9-1的内径侧面9a-1的中心彼此连接而成的线围成的部分(六边形的由虚线围成的部分)。

在图11中，示出了内周侧铁芯8a-2的截面积s1、外周侧铁芯部(外周侧铁芯8c-2)的截面积s2和中心侧铁芯8b-2的截面积s3，上述截面积s1～s3的总和为转子铁芯83的截面积。截面积s1表示从转子铁芯83的截面积减去截面积s2和截面积s3所得到的面积。在采用这种结构的情况下，由于存在外周侧铁芯部(外周侧铁芯8c-2)，所以也能够期待悬伸的效果。

图13是表示转子的第二变形例的图，图14是用于说明图13所示的转子2-3的截面积的图，图15是用于说明图13所示的转子2-3的外周侧铁芯部的图。以下，对与图1～图9相同的部分标注相同的符号并省略其说明，这里仅描述不同的部分。

在嵌入磁铁式同步电动机中，存在采用在1个极使用多个磁铁的转子的情况。在图14中，示出了具有转子铁芯84的转子2-3作为这样的转子的一个示例，在转子铁芯84，形成有设置在同一圆周上并且在径向上分割而成为2层结构的磁铁收容孔(9-2、9-3)。第一磁铁收容孔9-2配置在转子铁芯84的外周面10一侧，形成为向内周面6一侧突出的“c”字形或“コ”字形。此外，第二磁铁收容孔9-3比第一磁铁收容孔9-2更靠内周面6一侧配置，形成为与第一磁铁收容孔9-2相似的形状。如图13所示，在第一磁铁收容孔9-2的中央部收容有平板状的磁铁7-2，在第二磁铁收容孔9-3的中央部收容有平板状的磁铁7-3。

转子铁芯84由内周侧铁芯8a-3、中心侧铁芯8b-3和外周侧铁芯8c-3构成，外周侧铁芯8c-3相当于图2的外周侧铁芯部8-1。即，如图15所示，由与第二磁铁收容孔9-3最接近的部分的外周缘相接的切线a、b、外周面10、第二磁铁收容孔9-3的周向端部9c-2和第二磁铁收容孔9-3的外径侧面9b-2围成的部分(外周侧铁芯8c-3)相当于外周侧铁芯部8-1。此外，中心侧铁芯8b-3是由将各第二磁铁收容孔9-3的内径侧面9a-2的中心彼此连接而成的线围成的部分(六边形的由虚线围成的部分)。

在图14中，示出了内周侧铁芯8a-3的截面积s1、外周侧铁芯部(外周侧铁芯8c-3)的截面积s2和中心侧铁芯8b-3的截面积s3。截面积s1～s3的总和为转子铁芯84的截面积，截面积s1表示从转子铁芯84的截面积减去截面积s2和截面积s3所得到的面积。在采用这种结构的情况下，由于存在外周侧铁芯部(外周侧铁芯8c-3)，所以也能够期待悬伸的效果。此外，在图13至图15中，虽然示出了在径向上采用2层磁铁的转子2-3，但是即使是在径向上采用3层以上的磁铁的转子，也能够期待同样的效果。

图16是表示转子的第三变形例的图，图17是用于说明图16所示的转子2-4的截面积的图，图18是用于说明图16所示的转子2-4的外周侧铁芯部的图。以下，对与图1～图9相同的部分标注相同的符号并省略其说明，这里仅描述不同的部分。

在图17中，示出了具有转子铁芯85的转子2-4，在转子铁芯85形成有设置在同一圆周上并且向内周面6一侧突出的“v”字形的磁铁收容孔9-4。如图16所示，在磁铁收容孔9-4的直线部收容有平板状的磁铁7-4。

转子铁芯85由内周侧铁芯8a-4、中心侧铁芯8b-4和外周侧铁芯8c-4构成，外周侧铁芯8c-4相当于图2的外周侧铁芯部8-1。即，如图18所示，由与各磁铁收容孔9-4最接近的部分的外周缘相接的切线a、b、外周面10、磁铁收容孔9-4的周向端部9c-3和磁铁收容孔9-4的外径侧面9b-3围成的部分(外周侧铁芯8c-4)相当于外周侧铁芯部8-1。此外，中心侧铁芯8b-4是由将各磁铁收容孔9-4的内径侧面9a-3的中心彼此连接而成的线围成的部分(六边形的由虚线围成的部分)。

在图17中，示出了内周侧铁芯8a-4的截面积s1、外周侧铁芯部(外周侧铁芯8c-4)的截面积s2和中心侧铁芯8b-4的截面积s3。截面积s1～s3的总和为转子铁芯85的截面积，截面积s1表示从转子铁芯85的截面积减去截面积s2和截面积s3所得到的面积。在采用这种结构的情况下，由于存在外周侧铁芯部，所以能够期待悬伸的效果。

如以上所说明的那样，由于嵌入磁铁式同步电动机包括：层叠多片电磁钢板而成的转子铁芯8和层叠多片电磁钢板而成，并配置在转子铁芯8的外周侧的定子铁芯4，其中，在转子铁芯8，沿着转子铁芯8的周向配置有与极数相当的数量并且收纳构成磁极的磁铁7(7-1～7-4)的磁铁收容孔9(9-1～9-4)，其沿着周向形成有3个以上，设转子铁芯8的叠层厚度为x、定子铁芯4的叠层厚度为y、由将各磁铁收容孔9的内径侧面9a(9a-1～9a-3)的中点彼此连接而成的线围成的铁芯部的截面积为s3、在各磁铁收容孔9的外径侧面9b(9b-1～9b-3)和转子铁芯8的外周面10之间设置的外周侧铁芯部8-1的截面积为s2、从转子铁芯8的截面积减去截面积s2和截面积s3所得到的截面积为s1、磁铁7的磁力为a时，转子铁芯8以其两端(一个轴向端部8e和另一个轴向端部8e)从固定铁芯4的两端(一个轴向端部4a和另一个轴向端部4a)悬伸出去并满足x＞y且x＜y(1+(s2/s1)/a×2)的关系的方式形成，所以无需增大定子铁芯4就能够得到增大悬伸量所产生的效果。因此，能够实现电动机的高效率化并且进一步降低制造成本。其结果，能够实现电动机主体的小型化和减容化，并且能够实现电动机的捆包材等的减容化。此外，伴随效率的提高，能够比现有的电动机减少能源消耗量，从lca(lifecycleassessment，生命周期评价)这一点出发，也能够提供令人满意的电动机。

此外，如图3、图4所示，由于各磁铁收容孔9形成为其曲率中心位于转子铁芯8的径向外侧的圆弧状，周向端部9c位于转子铁芯8的外周面10附近，外周侧铁芯部8-1形成为是由与各磁铁收容孔9最接近的部分的外周缘相接的切线a、b、转子铁芯8的外周面10、周向端部9c和外径侧面9b围成的部分，所以在磁铁收容孔9形成为倒圆弧状的情况下，由于转子2的轴向端部附近的磁通穿过外周侧铁芯部8-1而效率良好地进入定子铁芯4，所以也能够实现高磁力化。

此外，如图11、图12所示，由于各磁铁收容孔9-1形成为沿着周向延伸的平板状，外周侧铁芯部8-1形成为是由与各磁铁收容孔9-1最接近的部分的外周缘相接的切线a、b、转子铁芯83的外周面10、磁铁收容孔9-1的周向端部9c-1和磁铁收容孔9-1的外径侧面9b-1围成的部分，所以在磁铁收容孔9-1形成为平板状的情况下，由于转子2的轴向端部附近的磁通穿过外周侧铁芯部8-1而效率良好地进入定子铁芯4，所以也能够实现高磁力化。

此外，如图14、图15所示，由于各磁铁收容孔包括：设置在转子铁芯84的外周侧、呈向转子铁芯84的内周面6突出的“コ”字形的第一磁铁收容孔9-2和配置在第一磁铁收容孔9-2与转子铁芯84的内周面6之间、呈与第一磁铁收容孔9-2相似的形状的第二磁铁收容孔9-3，外周侧铁芯部8-1形成为是由与各第二磁铁收容孔9-3最接近的部分的外周缘相接的切线a、b、外周面10、周向端部9c-2和外径侧面9b-2围成的部分，所以在磁铁收容孔形成为“コ”字形的情况下，由于转子2的轴向端部附近的磁通穿过外周侧铁芯部8-1而效率良好地进入定子铁芯4，所以也能够实现高磁力化。

此外，如图17、图18所示，由于各磁铁收容孔9-4形成为向转子铁芯85的内周面6一侧突出的“v”字形，外周侧铁芯部8-1形成为是由与各磁铁收容孔9-4最接近的部分的外周缘相接的切线a、b、转子铁芯84的外周面10、周向端部9c-3和外径侧面9b-3围成的部分，所以即使在磁铁收容孔9-4形成为“v”字形的情况下，由于转子2的轴向端部附近的磁通穿过外周侧铁芯部8-1而效率良好地进入定子铁芯4，所以也能够实现高磁力化。

另外，在本实施方式涉及的嵌入磁铁式同步电动机中为了降低涡流损耗而使用将多片电磁钢板层叠而成的转子铁芯和定子铁芯，但是转子铁芯和定子铁芯的形状并不限于层叠多片电磁钢板而成的形状。

此外，本发明的实施方式涉及的嵌入磁铁式同步电动机是表示本发明内容的一个示例，还能够进一步与其它公知技术组合，在不脱离本发明的主要内容的范围内，当然还能够通过省略一部分等进行变更而构成。

如上所述，本发明能够应用于嵌入磁铁式同步电动机，特别是作为能够实现电动机的高效率化并且进一步降低制造成本的发明是有用的。