永磁电动的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种永磁电动机。其埋设有永磁体，能够使转矩和效率提高。该永磁同步机包括：具有永磁体的转子；和有齿并且在转子的外周方向隔开空隙配置的定子，其中转子形成有与齿之间的空隙为第一距离的第一外周部和与齿之间的空隙为大于第一距离的第二距离的第二外周部，第二外周部形成于在从旋转轴中心起的径向上与永磁体的端部相对的位置，与齿的宽度对应的旋转轴中心的角度定义为θs，与永磁体的开口对应的旋转轴中心的角度定义为θp，与转子的第一外周部对应的旋转轴中心的角度定义为θa，它们之间的关系为θs≥θp＞θa。
【专利说明】永磁电动机
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及永磁电动机(同步机)，特别涉及埋设有永磁体的永磁电动机(同步机)。
【背景技术】
[0002]永磁同步机中，广泛采用转子中埋设永磁体的内永磁(Inter1r PermanentMagnet,以下称为IPM)结构。IPM中，除磁体转矩外，还能够利用磁阻转矩，但为了进一步提高转矩，有效的是增加转子间隙相对面的磁体磁通发生区间。
[0003]专利文献I中，采用为调整磁通发生区间而设有向U字状永磁体的外周部突出的磁极部的结构。根据专利文献1，使d轴区域向q轴区域突出，由此减少来自磁体端部的漏磁通，进一步使磁通集中在磁极部，由此能够实现转矩的增加。
[0004]IPM结构的永磁同步机中，感应电动势波形根据转子形状而变化为梯形波形或正弦波形。在驱动具有梯形波形的感应电动势的永磁电动机的情况下，转矩脉动(脉冲，波动)增加，噪声增加，除此之外，因磁极对数而流过含有高次分量的电流，因此铁损增加，发生效率下降的问题。
[0005]特别是，铁氧体磁体的矫顽力(保磁力)为钕磁体的约1/3，因此需要增大磁体厚度从而覆盖(补充)矫顽力下降的部分。但是，由此转子的间隙相对面的磁极间部分成为磁通不发生区间。因此，如专利文献I所述的调整磁体配置的方法中，存在感应电动势波形的形状无法唯一确定的问题。
[0006]现有技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献1:日本特开2002-136011实用新型内容
[0009]实用新型要解决的技术问题
[0010]本实用新型的技术问题在于，在应用铁氧体磁体的永磁同步机和使用这种永磁同步机的驱动系统中，实现低振动、低噪声化，并且减少铁损，使效率能够提高。
[0011]用于解决技术问题的技术方案
[0012]本实用新型的永磁电动机包括:具有永磁体的转子；和有齿并且在上述转子的外周方向隔开空隙配置的定子，上述转子形成有与上述齿之间的空隙为第一距离的第一外周部和与上述齿之间的空隙为大于上述第一距离的第二距离的第二外周部，上述第二外周部形成于在从旋转轴中心起的径向上与上述永磁体的端部相对的位置(从旋转轴中心相对于径向形成在与上述永磁体的端部相对的位置)，与上述齿的宽度对应的旋转轴中心的角度定义为Θ s,与上述永磁体的上述开口对应的旋转轴中心的角度定义为Θ P,与上述转子的上述第一外周部对应的旋转轴中心的角度定义为9a，它们之间的关系为θρ >Θ a。
[0013]实用新型效果
[0014]根据本实用新型，能实现低噪声、低振动化，能够减少铁损，并且能提高效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是永磁电动机100的分解立体图。
[0016]图2是永磁体电动机100的立体图。
[0017]图3是用平面A截取图2所示的永磁电动机100并从箭头方向观察的截面图。
[0018]图4是图3的局部B的放大截面图。
[0019]图5是表示形成第二外周部22的方法的其他实施方式的放大截面图。
[0020]图6表示永磁体3所致的间隙的磁通密度分布Bpm (Xr)0
[0021]图7是用于说明以集中绕组两极三槽系列为对象时的与单相线圈交链(交连，linkage)的磁通量的示意图。
[0022]图8是表示相对于第一外周部21的五次分量和七次分量的分布系数(构成率)的图。
[0023]图9 (a)是表示0a=69°的感应电动势波形的图。
[0024]图9 (b)是表示0a=123°的感应电动势波形的图。
[0025]图10是表示相对于频率的铁损的图。
[0026]附图标记
[0027]1......转子、2......转子铁芯、3a至3f......永磁体、4a至4f......永磁体插入孔、
5……轴、6……轴插入孔、10……定子、11……定子铁芯、12a至12i……齿、20……铁芯截面积、21……第一外周部、22……第二外周部、30……弯曲部、31……弯曲部、33……磁化方向、34……端部、35……磁化方向、36……端部、41……第一距离、42……第二距离、51……第一空隙改换部、52......第二空隙改换部、53......局部、54......局部、100......永磁电动机。
【具体实施方式】
[0028]下面，参照附图，对本实用新型的一实施例进行说明。在以下的说明中，对相同的结构部件标注相同的附图标记。它们的名称和功能相同，避免重复说明。另外，在以下的说明中，以内转型转子为对象进行说明，但本实用新型的效果并不限于内转型转子(内转子)，还能够适用于具有同样结构的外转型转子(外转子)。
[0029]实施例
[0030]图1是永磁电动机100的分解立体图。图2是永磁电动机100的立体图。图3是用平面A截取图2所示的永磁电动机100并从箭头方向观察的截面图。
[0031]转子I包括:轴5、永磁体3a至3f、和转子铁芯2。轴5被插入到转子铁芯2的轴插入孔6中。永磁体3a至3f被插入到转子铁芯2的磁体收纳孔4a至4f。
[0032]定子10在中央部形成有收纳转子I的空间，并且以包围该空间的方式具有齿12a至12i。在齿12a至齿12i，分别卷绕有绕组(未图示)。本实施方式涉及具有内转型的转子I的永磁同步机，其中内转型的转子I包括配置成构成多极的永磁体3。
[0033]图4是图3的局部B的放大截面图。图4所示的局部B表示本实施方式的磁极的结构的一例，其他的磁极也是同样的结构。
[0034]转子铁芯2形成磁体收纳孔4a。磁体收纳孔4a形成有朝向配置有定子10的一侧开口的凹部。转子铁芯2既可以由在轴向叠层的叠层钢板构成，也可以由压粉磁芯等构成，还可以由非晶金属等构成。
[0035]收纳于磁体收纳孔4a的永磁体3a每一磁极在圆周方向形成弯曲部30和弯曲部31。永磁体3a形成为以弯曲部30为始端，沿着与永磁体3a的磁化方向33垂直的方向，向磁极的端部34侧延伸。另外,永磁体3a形成为以弯曲部31为始端，沿着与永磁体3a的磁化方向35垂直的方向，向磁极的端部36侧延伸。
[0036]永磁体3a既可以构成为形成三处以上的弯曲部，也可以设为U字形，还可以设为由两个磁体构成的V字形状。采用此处所示的磁体形状，由此磁体磁通的发生面的表面积增大，并且永磁体3的径向外周部的铁芯截面积20增大，因此能够积极地利用磁阻转矩。
[0037]另外，永磁体3既可以不按每一磁极在圆周方向分割而一体地构成，也可以将多个在圆周方向进行分割而配置。另外，也可以将多个在轴向进行分割而构成，还可以不分割而一体地构成。
[0038]永磁体3使用如铁氧体磁体那样的矫顽力、残留磁通密度较低的永磁体。然而，在本实施例中是限定于诸如铁氧体磁体那样的矫顽力为400kA/m的磁体，但是也可以采用SmFeN (矫顽力为800kA/m)或钕磁体(矫顽力600kA/m)。亦即，使用具有矫顽力比钕磁体低的特性的永磁体时，具有本实施方式的作用效果。
[0039]转子I形成有与齿12a之间的空隙为第一距离41的第一外周部21。另外，转子I形成有与齿12a之间的空隙为大于第一距离41的第二距离42的第二外周部22。第二外周部22形成在从旋转轴中心起的径向上，与永磁体3的端部34和36相对的位置。
[0040]此处，与齿12a的宽度对应的旋转轴中心的角度定义为Θ s。与永磁体3的开口对应的旋转轴中心的角度定义为ΘΡ。此处，Θ P的两端定义为永磁体3的磁通切换的部位。具体而言，端部34和36的磁通远小于永磁体3的其他的面，因此Θ P的两端由永磁体3的各面的磁通的大小决定。
[0041]与第一外周部21对应的旋转轴中心的角度定义为Θ a。齿12a、永磁体3的开口和第一外周部21形成为满足0S彡θρ > 0a的关系。
[0042]此处,通过转子10旋转,永磁电动机100中产生的感应电动势波形只要接近于正弦波形，就能够实现低振动、低噪声化，减少铁损，提高效率。另一方面，如本实施方式所示，将矫顽力与钕磁体相比较而将铁氧体磁体用于转子10时，为了产生期望的磁通，需要使用厚壁的铁氧体磁体。
[0043]然而，当使用厚壁的铁氧体磁体时，转子10中有可能产生急剧的磁通变化，感应电动势波形难以成为接近正弦波形的形状。具体而言，图4所示的永磁体3的端部34和36处几乎不会产生磁通。亦即，使用厚壁的铁氧体磁体，由此从永磁体3的端部34和36向铁芯截面积20的磁通变化变得急剧，感应电动势波形难以成为接近正弦波形的形状。
[0044]另一方面，转子10与齿12a之间存在的空气的导磁率小于转子铁芯2的导磁率。于是，本实施方式的转子I形成与齿12a之间的空隙为大于第一距离41的第二距离42的第二外周部22。由此,磁通的变化按永磁体3的端部34、第二外周部22、第一外周部21的顺序依次逐渐增大，因此磁通的变化变得平滑，感应电动势波形容易成为接近正弦波形的形状。其结果是，永磁电动机100能够实现低振动、低噪声化，减少铁损，提高效率。
[0045]另外，在图4所示的本实施方式中，与齿12a的宽度对应的旋转轴中心的角度Θ s表现出大于与永磁体3的开口对应的旋转轴中心的角度Θ P的形状，但是当0S与ΘΡ相等时，也会产生与本实施方式同样的作用效果。
[0046]如图4所示，转子铁芯2形成有连接第一外周部21和第二外周部22的第一空隙改换部51和第二空隙改换部52。该第一空隙改换部51和第二空隙改换部52以第一外周部21比第二外周部22更接近齿12a的方式形成台阶形状。亦即，第二外周部22在转子铁芯2的截面形状中形成圆形，另一方面，第一外周部21作为从该圆形突出的突出部而形成。
[0047]图5示出另外的形成方法。第一外周部21在转子铁芯2的截面形状中形成圆形，另一方面，第二外周部22通过从该圆形削去局部53和54而形成。
[0048]以下说明如上所述的那样构成转子铁芯2所带来的作用和效果。
[0049]以下，导出感应电动势的五次、七次分量的理论式，说明能获得本实施方式的作用和效果的原理。
[0050]首先，永磁体3所致的间隙的磁通密度分布Bpm (Xr )如图6所示。此处，Xr是转子外周部的周向位置(电角度、deg.)。此时，Bpm (Xr)的空间v次分量的由下式表述。
[0051 ] Bpmx (xr ) = 1- ■ Sini V 导} cos(v-xr) (I)
π V\ 2 J
[0052]当转子以角速度ω I旋转时，定子坐标Xs与转子坐标Xr的关系如下:
[0053]Xs=Xr+ ω (2)
[0054]因此，从定子坐标系观察的永磁体3所致的间隙的磁通密度分布Bpm (Xs)如下。
[0055]B (λ; ,/)--■ Bpm -sin| μ~[ cos(".λ; — μ.r-;,./) ( 3 )
π μ \ 2 J
[0056]在公式(3)中，永磁体3所致的间隙磁通密度分布的空间次数V与时间次数μ相等，因此两者均以μ表示。
[0057]然后，以集中绕组两极三槽系列为对象的情况下，与单相线圈交链(linkage)的磁通量的时间μ次成分Oc, μ如图7所示从-Θ t/2?Θ t/2的积分区间求出。
(、"(,) = /.f:::、,“、如
[0058]47 Bf f) Λ f f) Λ
---"''"a'.sin μ._ι_ -2-sin μ.— cosiw-c-;, ■/) (4)
π μ— V 2 J V 2 J
[0059]此处，1:芯轴长
[0060]因此,磁体磁通所致的感应电动势波形μ次分量uc, μ如下式所示。
[0061]Ui (/) = —.,,w,,l"ilN -N1-1 ■ (Oi ■ 2.sin μ.— -2 - sin./) (5)
' κ βV 2 y V 2 y
[0062]此处，Ne:一个线圈匝数
[0063]由此，μ次分量相对于基波分量的振幅比k μ如下式所示。
[0064]k - —-sinfμ.— ■ siniμ■ —(6)
μ K 2 J 、2 J
[0065]集中绕组中，Θ t最大为120° (电角度)，因此，求出此时的0a与ky的关系如图8所示。
[0066]根据公式(6)，五次分量、七次分量的理论上的最大值分别为0.200,0.143，因此通过采用五次分量与七次分量之和低于该平均值0.171的结构，由此能够使感应电动势波形接近于正弦波形。如图10所示，铁损值根据频率不同会有很大不同，因此例如在基波频率10Hz下，铁损约为2.6W，与此相对，作为基波的五次和七次(谐波)的500Hz、700Hz的铁损分别约为33W、55W，是十倍以上。因此通过减少分布系数(构成率)低的五次、七次分量，能实现高效率化。由图10可知，只要基波频率为50Hz以上，五次(250Hz)、七次分量(350Hz)所致的铁损的增加就很显著，在该运转条件下驱动的永磁同步机中，能够发挥很大的效果。
[0067]由图8可知，想要使感应电动势波形成为正弦波形，优选的是将0a按电角度设为80°彡0a彡50°或160°彡Θ a ^ 135°。采用上述以外的Θ a的情况下，也能够减小五次、七次分量之和，但是例如在ea=1°的情况下，由公式(6)显而易见，基波分量显著下降，因此可以说是不合适的。
[0068]另外，图8表现出0t=12O°的情况，但是即使在0t=9O°的情况下，也只要减小感应电动势的值，减小五次、七次分量的Ga的条件就不变。但是，当减小Qt时，基波分量下降，因此et设为90° < 0t<12O°的范围，优选其接近120°。
[0069]图9 (a)表示应用本实施方式的情形的0a=69°时的感应电动势波形，图9 (b)表示0a=123°时的波形。由图9 (a)可知，Θ a=69° ,由此能够生成正弦波形的感应电动势波形。由此，应用厚壁的铁氧体磁体的情况下，也能够实现低振动、低噪声化，减少铁损，提高效率。
[0070]另外，在本实施例中是以集中绕组两极三槽系列为对象进行了说明，但是对于集中绕组四极三槽系列等分数槽来说，也只是公式(6)所示的sin第二项的值不同，而同样能够通过将0a设为80°彡0a彡50°或160°彡Θ a ^ 135°，产生正弦波形的感应电动势波形。另外，对于分布绕组，也只是公式(6)所示的sin第二项的值不同，而同样能够通过设为80°彡0a彡50°或160°彡Θ a彡135°，产生正弦波形的感应电动势波形。
[0071]根据本实施方式，能够减少磁体磁通所致的感应电动势的五次、七次分量。S卩，在应用铁氧体磁体的情况下，也能够获得正弦波形的感应电动势波形，因此能够实现低振动、低噪声化，并且减少铁损，提高效率。
[0072]另外，定子铁芯11具有齿12a和与该齿12a相邻的齿12b，永磁体3的厚度37形成得比齿12a的端部与齿12b的端部之间的距离14大。对于这种结构，形成第一外周部21和第二外周部22，由此获得正弦波形的感应电动势波形的效果增大。
[0073]另外，在本实施方式中，通过设为80°彡0a彡50°或160°彡Θ a ^ 135°，能够产生包含(高次)谐波五次、七次分量的正弦波形的感应电动势波形。由于该五次、七次分量的影响，从逆变器流至永磁同步机的电流波形中的(高次)谐波五次、七次分量也能够减少，因此不仅是在120°通电控制中，而且在150°通电、180°通电控制中，也能够实现低振动、低噪声化，并且减少铁损，提闻效率。
【权利要求】
1.一种永磁电动机,其特征在于,包括: 具有永磁体的转子，其中该永磁体具有矫顽力比钕磁铁小的特性；和 有齿并且在所述转子的外周方向隔开空隙配置的定子，其中 在与所述转子的旋转轴方向垂直的方向的截面，所述永磁体构成为该永磁体的截面形成朝向配置有所述定子的一侧开口的凹形状， 所述转子形成有与所述齿之间的空隙为第一距离的第一外周部和与所述齿之间的空隙为大于所述第一距离的第二距离的第二外周部， 所述第二外周部形成于在从旋转轴中心起的径向上与所述永磁体的端部相对的位置，与所述齿的宽度对应的旋转轴中心的角度定义为Θ S，与所述永磁体的所述开口对应的旋转轴中心的角度定义为Θ P,与所述转子的所述第一外周部对应的旋转轴中心的角度定义为Ga，它们之间的关系为0S彡θρ> 0a。
2.如权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于: 所述永磁体为铁氧体磁体。
3.如权利要求1或2所述的永磁电动机，其特征在于: 所述定子具有第一齿和与该第一齿相邻的第二齿， 所述永磁体的厚度大于所述第一齿的端部与所述第二齿的端部之间的距离。
4.如权利要求1或2所述的永磁电动机，其特征在于: Θ a按电角度满足80°彡0a彡50°或160°彡Θ a ^ 135°的关系。
5.如权利要求1或2所述的永磁电动机，其特征在于: 所述转子形成有连接所述第一外周部和所述第二外周部的空隙改换部， 所述空隙改换部形成为:在所述第一外周部与所述第二外周部之间具有台阶形状。
6.如权利要求1或2所述的永磁电动机，其特征在于: 0S按电角度满足90° < 0t<12O°的关系。
【文档编号】H02K21/16GK203942428SQ201420056825
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年1月29日 优先权日:2013年4月5日
【发明者】丸山惠理, 高桥晓史 申请人:株式会社日立产机系统