专利名称：Ipm旋转电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及IPM(Interior Permanent Magnet，内置永久磁铁)电动机和IPM发电机等IPM旋转电机。
背景技术：
IPM电动机是在转子铁芯的内部嵌入了永久磁铁的无刷电动机。IPM电动机具有单位体积的输出转矩大，而且输入电压小的特点。具有该特点的IPM电动机，优选应用在电动汽车的驱动电动机上。
IPM电动机还可以通过从外部供给动力发挥发电机的作用。IPM电动机发挥发电机的作用这一点，在应用到电动汽车时特别重要。在下面不需要区别IPM电动机和IPM发电机时，将其表述为IPM旋转电机。
IPM旋转电机优选可以得到大的输出转矩。在特开2002-153033号公报中公开了用于得到较大的输出转矩的IPM电动机的构造。在该公知的IPM电动机中，构成磁场的永久磁铁浅埋在转子铁芯中。该构造能够得到大的磁转矩，并使其能够得到辅助性的磁阻转矩，有效地增大IPM电动机的输出转矩。上述文献公开了为了增大磁转矩，优选提高电枢绕组上交链的磁通的磁通密度。而且，上述文献1公开了优选将永久磁铁较浅地嵌入在转子铁芯中，从而使q轴电感Lq和d轴电感Ld成立以下关系0≤(Lq-Ld)/Ld＜0.3。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于得到更大的输出转矩的IPM旋转电机的转子构造。
在本发明的一种观点中，IPM旋转电机含有定子和转子。转子具有转子铁芯和构成磁场的多个永久磁铁。转子铁芯具有与定子相对的侧面，永久磁铁具有面向侧面的磁极面。永久磁铁较浅地嵌入在转子铁芯中，其程度为磁极面和侧面的距离的最大值x满足用转子的半径r和上述磁场的极数n1表示的下述式(1a)、(1b)x≤D/10…(1a)D＝2πr/n1…(1b)。
而且，分别构成上述磁场的相邻两极的相邻的两个永久磁铁被积极地分开，使其满足用转子的q轴电感Lq和d轴电感Ld表述的下述式(2)0.3＜(Lq-Ld)/Ld…(2)。
所述的IPM旋转电机，因永久磁铁较浅地嵌入在转子铁芯中，所以磁转矩大。而且，该IPM旋转电机的转子铁芯的位于相邻的两个永久磁铁之间的磁铁间铁芯部分的体积大，作用于该磁铁间铁芯部分的磁阻转矩大。在这些作用下，该IPM旋转电机可增大作为磁转矩和磁阻转矩之和的输出转矩。
定子上被供给三相电流时，磁场的极数n1和定子上设置的槽数n2优选为下列组合中的任何一个n1＝12，n2＝9，n1＝14，n2＝12，n1＝16，n2＝12，n1＝16，n2＝18，n1＝20，n2＝15，n1＝20，n2＝18，n1＝20，n2＝21，n1＝22，n2＝24，n1＝24，n2＝18，
n1＝24，n2＝27，n1＝26，n2＝24，n1＝28，n2＝24，n1＝30，n2＝27。
这些组合使永久磁铁较浅地嵌入在转子铁芯中的IPM旋转电机的特性得到特别的提高。
上述定子上被供给五相电流时，极数n1和槽数n2优选为下列组合中的任何一个n1＝12，n2＝10，n1＝14，n2＝10，n1＝22，n2＝20，n1＝18，n2＝20，n1＝24，n2＝20，n1＝26，n2＝20，n1＝28，n2＝20，n1＝26，n2＝30，n1＝28，n2＝30。
这些组合使永久磁铁较浅地嵌入在转子铁芯中的IPM旋转电机的特性得到特别的提高。
根据本发明，可提供用于得到更大的输出转矩的IPM旋转电机的转子构造。
图1表示本发明的IMP旋转电机的第一实施方式。
图2是转子12的放大图。
图3是说明永久磁铁18的配置的图。
图4表示本发明的IMP旋转电机的第二实施方式。
具体实施例方式
下面，参照附图，说明本发明所涉及的IPM旋转电机的实施方式。
第一实施方式在本发明的第一实施方式中，如图1所示，IPM电动机10包括定子11和转子12。定子11与转子12的转子侧面12a相对。定子11通过电磁作用向转子12施加转矩，使转子12在中心轴12b的周围旋转。IPM电动机10通过从外部供给动力，还发挥发电机的作用。
施加到转子12上的转矩，即从IPM电动机10输出的输出转矩，包括磁转矩和磁阻转矩两方面的成分。IPM电动机10被设计成通过和转子12的构造的最佳化，使磁转矩和磁阻转矩之和(即输出转矩)变大。下面详细说明定子11和转子12的构造。
定子11包括电枢齿131～1312。下面，电枢齿131～1312在没有必要相互区别时，表述为电枢齿13。电枢齿13等间隔地配置在同一圆周上。在相邻的两个电枢齿13之间，形成有槽14。槽14等间隔地配置在同一圆周上。
在电枢齿131～1312上，分别绕有电枢绕组151～1512。为了在定子11的内侧产生旋转磁场，在电枢绕组151～1512上，供给三相的电枢电流。详细而言，在电枢绕组151、152、157、158上，供给U相电流，在电枢绕组153、154、159、1510上，供给V相电流，在电枢线圈155、156、1511、1512上，供给W相电流。电枢绕组151、154、155、158、159、1512绕成电枢电流向第一方向(例如顺时针方向)流，电枢绕组152、153、156、157、1510、1511绕成电枢电流向与第一方向相反的第二方向(例如逆时针方向)流。电枢绕组151～1512在没有必要相互区别时，表述为电枢绕组15。
电枢绕组15以集中绕组缠绕在电枢齿13上。电枢线圈15以集中绕组进行缠绕，加大单位体积的IPM电动机10的转矩，属于优选。
转子12含有轴16和转子铁芯17。轴16由未图示的轴承可旋转地进行支撑。转子铁芯17固定地接合在轴16上，和轴16一体地旋转。转子铁芯17由硅钢板等的磁性材料形成。
在转子铁芯17中插入了永久磁铁18。永久磁铁18分别构成转子12的磁场的一极，在转子12的半径方向产生磁力线。相邻的两个永久磁铁18产生相互逆向的磁力线，即相邻的两个永久磁铁18的极性相反。在本实施方式中，永久磁铁18的数量即磁场的极数n1为14。
如图2所示，在转子铁芯17上，设置位于永久磁铁18的半径方向外侧的部分17a(磁力线感应部分17a)。磁力线感应部分17a在其圆周方向的端部和铁芯主体17b结合。该磁力线感应部分17a的存在对实现磁场削弱控制至关重要。本领域技术人员周知的是，在以高转速运转IPM电动机时，进行磁场削弱控制，使电枢电流的相位超前，削弱磁场。该磁力线感应部分17a的存在，使磁场削弱控制容易进行。在不存在磁力线感应部分17a的SPM电动机(Surface Permanent Magnet，表面永久磁铁)电动机中，难以实现磁场削弱控制。
和一般的IPM电动机不同，在本实施方式的IPM电动机中，永久磁铁18从转子侧面12a的嵌入深度(即从半径方向外侧的磁极面18a的上面的点到转子侧面12a的距离的最大值)较浅。永久磁铁18嵌入在较浅的位置，如果定量地描述，其嵌入深度x满足用转子12的半径r和极数n1表示的下述式(1a)、(1b)x≤D/10…(1a)D＝2r/n1…(1b)。
永久磁铁18较浅地嵌入，对于进行磁场削弱控制并有效活用IPM电动机10的磁转矩有效。永久磁铁18较浅地嵌入，从而永久磁铁18生成的磁通较多地交链在电枢绕组15上，磁转矩被增大。磁转矩被活用，对于增大输出转矩有效。
除此之外，在本实施方式的IPM电动机中，如图3所示，有效地利用作用于转子铁芯17的位于相邻的永久磁铁18之间的磁铁间铁芯部分17c的磁阻转矩，从而实现增大输出转矩。
具体地讲，为了使作用于磁铁间铁芯部分17c的磁阻转矩增大，磁铁间铁芯部分17c的永久磁铁18的磁极面18a的圆周方向的宽度被缩窄，相邻的永久磁铁18之间的距离被积极地增大了。通过这样确定永久磁铁18的配置，磁铁间铁芯部分17c的体积增大，可增大作用于磁铁间铁芯部分17c的磁阻转矩。
定性地讲，相邻的两个永久磁铁18被分开，其程度满足下述式(2)0.3＜(Lq-Ld)/Ld…(2)。
在此，Lq是转子12的q轴电感Lq，Ld是d轴电感。相邻的两个永久磁铁18之间的距离越大，q轴电感Lq越被单调地增大，所以，(Lq-Ld)/Ld大于0.3，和相邻的两个永久磁铁18之间的距离被增大是等价的。(Lq-Ld)/Ld的上限，根据转子12的物理极限而决定。形成(Lq-Ld)/Ld大于4的IPM电动机实质上很困难，现实中(Lq-Ld)/Ld被限制在4以下。
本实施方式的技术利用作用于磁铁间铁芯部分17c的磁阻转矩，是和背景技术中提及的文献中公开的技术基于完全不同的技术思想的技术。上述文献公开了为了使磁转矩增大，优选提高电枢绕组上交链的磁通的磁通密度。另一方面，在本实施方式的IPM电动机中，是积极地减少磁铁间铁芯部分17c的永久磁铁18的磁极面18a的圆周方向的宽度，减少了电枢绕组15上交链的磁通。它导致磁转矩的减少。但是，本实施方式的IPM电动机中，使相邻的两个永久磁铁18之间的距离增大，从而使作用于磁铁间铁芯部分17c的磁阻转矩增大，作为整体，能够增大其输出转矩。
永久磁铁18较浅地嵌入，在使两个永久磁铁18之间的距离增大、有效地利用磁阻转矩的结构中有效。本实施方式的IPM电动机10的磁阻转矩TR可用下述式(3)表示TR＝K(Lq-Ld)IqId…(3)，K为常数，Iq、Id分别为流过电枢绕组15的q轴电流和d轴电流。如果增大相邻的永久磁铁18之间的距离，q轴电感Lq增大，所以从式(3)可知，通过加大相邻的永久磁铁18之间的距离，可以增大输出转矩。除此之外，永久磁铁18较浅地嵌入，使d轴电感Ld减少。从式(3)可知，d轴电感Ld的减少，使磁阻转矩TR增大。而且，d轴电感Ld的减少，使d轴电流Id增加，从式(3)可知，使磁阻转矩TR增大。
如以上所说明，在本实施方式中，将永久磁铁18较浅地嵌入，并且相邻的永久磁铁18之间的距离被积极地增大了。从而，作用于磁铁间铁芯部分17的磁阻转矩增大，因而IPM电动机10的输出转矩增大。除此之外，永久磁铁18被较浅地嵌入，从而d轴电感Ld减少，作用于磁铁间铁芯部分17的磁阻转矩被进一步增大了。
如上所述，和一般的IPM电动机不同，本实施方式的IPM电动机10有效地利用磁转矩和作用于磁铁间铁芯部分17c的磁阻转矩两方面。这是因为永久磁铁18的嵌入深度较浅以及相邻的永久磁铁18之间的距离被积极地增大。
为了发挥这种IPM电动机10的特殊性，转子12的极数n1和槽14的数量n2(即电枢齿13的数量)优选为下列组合的任何一个n1＝12，n2＝9，n1＝14，n2＝12，n1＝16，n2＝12，
n1＝16，n2＝18，n1＝20，n2＝15，n1＝20，n2＝18，n1＝20，n2＝21，n1＝22，n2＝24，n1＝24，n2＝18，n1＝24，n2＝27，n1＝26，n2＝24，n1＝28，n2＝24，n1＝30，n2＝27。
本领域技术人员周知的是，三相的IPM电动机极数n1为偶数，槽数n2为3的倍数，并且极数n1和槽数n2必须不同。极数n1和槽数n2可考虑满足这些条件的各种组合。但是，上述组合在永久磁铁18的嵌入深度较浅的IPM电动机10中特别有利。其理由在下文说明。
第一，这些组合均是极数n1比较大。如上述文献中所述，极数n1大，增加磁场产生的磁力线中交链在电枢线圈上的成分，对于增加作为IPM电动机10的输出转矩的主要成分的磁转矩有效。
第二，这些组合中，因为极数n1和槽数n2的差小，所以容易将构成磁场的一极的永久磁铁18和单一的电枢齿13正对。具体地讲，在上述组合中，极数n1和槽数n2的差至多为5。这对于增加作为IPM电动机10的输出转矩的主要成分的磁转矩有效。极数n1和槽数n2的差较小，对于加大绕组系数也有效。绕组系数大，使永久磁铁18产生的磁力线更多地交链在电枢线圈15上，使磁转矩增加。定量地讲，上述组合均可使绕组系数在0.94以上。
第三，这些组合使得能够加大相对于定子磁动势的基本波成分的绕组系数，并且将相对于高次谐波成分的绕组系数设计得较小。因此，特别是这些组合加大IPM电动机10的输出。
上述极数n1和槽数n2的组合，具备上述所有优点，在永久磁铁18的嵌入深度较浅的IPM电动机10中有利。
第二实施方式如图4所示，在第二实施方式中，本发明适用于五相的IPM电动机30。五相的IPM电动机与三相的IPM电动机相比，能够减小驱动其所需要的变换器的能力和电容器的容量，所以属于优选。IPM电动机30具有定子31和转子32。
定子31含有电枢齿33。电枢齿33等间隔地配置在同一圆周上。在相邻的两个电枢齿33之间，形成了槽34。槽34等间隔地配置在同一圆周上。在本实施方式中，槽数n2为20。在电枢齿33上，分别绕有电枢线圈35。为了在定子11的内侧产生旋转磁场，在电枢线圈35上，供给五相的电枢电流。
转子32的构造除了永久磁铁18的数量不同这点以外，和第一实施方式的转子12的构造相同。在本实施方式中，永久磁铁18的数量(即磁场的极数)为22。永久磁铁18嵌入在较浅的位置，使其嵌入深度x满足下述式x≤D/10…(1a)D＝2πr/n1…(1b)，r为转子12的半径，n1为磁场的极数。而且，相邻的两个永久磁铁18分开，其程度满足下述式(2)0.3＜(Lq-Ld)/Ld…(2)。
转子32的极数n1和槽34的数量n2(即电枢齿33的数量)优选为下列组合中的任何一个n1＝12，n2＝10，
n1＝14，n2＝10，n1＝22，n2＝20，n1＝18，n2＝20，n1＝24，n2＝20，n1＝26，n2＝20，n1＝28，n2＝20，n1＝26，n2＝30，n1＝28，n2＝30。
本领域技术人员周知的是，五相的IPM电动机极数n1为偶数，槽数n2为10的倍数，并且极数n1和槽数n2必须不同。极数n1和槽数n2可考虑满足这些条件的各种组合。但是，上述组合在永久磁铁18的嵌入深度较浅的IPM电动机30中特别有利。
第一，这些组合均是极数n1比较大。如上述文献中所记载，极数n1大，增加磁场产生的磁力线中在电枢线圈上交链的成分，对于增加作为IPM电动机30的输出转矩的主要成分的磁转矩有效。
第二，这些组合使构成磁场的一极的永久磁铁18容易和单一的电枢齿33正对。这对于增加作为IPM电动机10的输出转矩的主要成分的磁转矩有效。这些组合使永久磁铁18产生的磁力线更多地交链在电枢线圈35上，使磁转矩增加。
第三，这些组合能够加大相对于定子磁动势的基本波成分的绕组系数，并且将相对于高次谐波成分的绕组系数设计得较小。因此，特别是这些组合加大IPM电动机30的输出。
上述极数n1和槽数n2的组合，具备上述所有优点，在永久磁铁18的嵌入深度较浅的IPM电动机30中有利。
另外，在第一实施方式和第二实施方式的任何一种方式中，构成磁场的一极的永久磁铁18可由在同一方向产生磁力线的多个永久磁铁片构成。此时，在永久磁铁片之间，形成联结磁力线感应部分17a和铁芯主体17b的桥(bridge)部分。桥部分的形成，提高磁力线感应部分17a和铁芯主体17b的联结强度，有效地提高转子12的机械强度。
权利要求
1.一种IPM旋转电机，含有定子；和转子，该转子具有转子铁芯和构成磁场的多个永久磁铁，上述转子铁芯具有与上述定子相对的侧面，上述永久磁铁具有面向上述侧面的磁极面，上述永久磁铁以下述方式嵌入在上述转子铁芯中使上述磁极面和上述侧面的距离的最大值x满足用上述转子的半径r和上述磁场的极数n1表示的下述式(1a)、(1b)x≤D/10…(1a)D＝2πr/n1…(1b)，分别构成上述磁场的相邻两极的相邻的两个上述永久磁铁被分开，使其满足用上述转子的q轴电感Lq和d轴电感Ld表述的下述式(2)0.3＜(Lq-Ld)/Ld…(2)。
2.根据权利要求1所述的IPM旋转电机，其中，上述定子上被供给三相电流，上述磁场的极数n1和上述定子上设置的槽数n2为下列组合中的任何一个n1＝12，n2＝9，n1＝14，n2＝12，n1＝16，n2＝12，n1＝16，n2＝18，n1＝20，n2＝15，n1＝20，n2＝18，n1＝20，n2＝21，n1＝22，n2＝24，n1＝24，n2＝18，n1＝24，n2＝27，n1＝26，n2＝24，n1＝28，n2＝24，n1＝30，n2＝27。
3.根据权利要求1所述的IPM旋转电机，其中，上述定子上被供给五相电流，上述磁场的极数n1和上述定子上设置的槽数n2为下列组合中的任何一个n1＝12，n2＝10，n1＝14，n2＝10，n1＝22，n2＝20，n1＝18，n2＝20，n1＝24，n2＝20，n1＝26，n2＝20，n1＝28，n2＝20，n1＝26，n2＝30，n1＝28，n2＝30。
全文摘要
本发明提供一种技术，能够将构成IPM旋转电机的磁场的永久磁铁更浅地嵌入在转子铁芯中。本发明所涉及的IPM旋转电机含有定子和转子。转子具有转子铁芯和构成磁场的多个永久磁铁。转子铁芯具有与定子相对的侧面，永久磁铁浅浅地嵌入在转子铁芯中，使其磁极面和转子侧面的距离变小。而且，相邻的两个永久磁铁被积极地分开，使其满足用转子的q轴电感L
文档编号H02K29/00GK1914785SQ20058000400
公开日2007年2月14日 申请日期2005年2月3日 优先权日2004年2月5日
发明者藤原谦二, 小暮孝敏, 西尾章, 马场功 申请人:三菱重工业株式会社