旋转电机、转子铁心的制造方法与流程

公开的实施方式涉及旋转电机以及转子铁心的制造方法。

背景技术：

在专利文献1中记载了一种电动机，其具有以规定的间隔将永久磁铁埋入转子铁心中而得的磁铁埋入型的转子。

专利文献1：日本特开2009-112166号公报

当在上述电动机中谋求性能提高的情况下，希望转子铁心的形状进一步优化。

技术实现要素：

本发明是鉴于这样的问题点而完成的，其目的在于提供一种能够提高性能的旋转电机以及转子铁心的制造方法。

为了解决上述课题，根据本发明的一个观点，应用了旋转电机，该旋转电机具有转子铁心以及被埋入在所述转子铁心中的多个永久磁铁，所述转子铁心具有多个磁极部，所述多个磁极部与所述多个永久磁铁的配置对应地形成于周向的多处，并具有圆弧面，所述圆弧面在与轴向垂直的方向上的截面形状是曲率与所述转子铁心的最大外径部分的圆周即外周圆不同的圆弧形状。

此外，根据本发明的其他的观点，应用了转子铁心的制造方法，该转子铁心是旋转电机的转子铁心，该转子铁心的制造方法具有如下步骤：通过将圆筒状的转子铁心的外周面的周向多处切掉，形成曲率与所述外周面不同的多个圆弧面，在未被切掉的部分形成构成所述外周面的一部分的多个突起部。

根据本发明，能够提高旋转电机的性能。

附图说明

图1是示出实施方式的旋转电机的整体结构的一例的剖视图。

图2是将转子铁心的相邻的3个磁极部的结构的一例放大示出的剖视图。

图3是示出感应电压与齿槽转矩相对于外周圆与圆弧面之间的曲率半径比的变化曲线的一例的图。

图4是将位于2个磁极部之间的1个突起部的结构的一例放大示出的剖视图。

图5是示出负载电流相对于突起部的周向宽度比的变化曲线的一例的图。

具体实施方式

以下，参照附图对一个实施方式进行说明。

<1：旋转电机的整体结构>

参照图一对本实施方式的旋转电机1的整体结构的一例进行说明。另外，在图1中，省略框架、绕组以及轴等的图示。

在图1中，旋转电机1具有定子铁心2、转子铁心3以及永久磁铁4。旋转电机1可以作为电动机而使用，也可以作为发电机而使用。

定子铁心2的整体形成为大致圆筒形状，设于未图示的筒状的框架的内周。转子铁心3的整体形成为大致圆筒形状，固定于未图示的轴的外周并且配置为在径向上与上述定子铁心2的内周面相对。定子铁心2以及转子铁心3是分别将大致圆环状的薄板电磁钢沿轴的轴向(图1中的纸面垂直方向)层叠而形成的。

在图1所示的例中，定子铁心2在内周部具有卷绕有未图示的绕组的多个齿(在该例中是36个)。此外，转子铁心3在外周部具有与多个永久磁铁4的配置对应地形成于周向(旋转方向)的多处的多个磁极部5(在该例中是12处)。在一例中，多个永久磁铁4沿着转子铁心3的外周方向埋入转子铁心3。磁极部5配置于相邻的2个永久磁铁4之间。由此，本实施方式的旋转电机1是所谓的12p36s(12极36槽)的槽组合结构。但是，旋转电机1的槽组合结构也可以是上述以外的结构。

<2：转子铁心中的各磁极部的结构>

使用图2对各磁极部5的结构的一例进行说明。图2将转子铁心3中的在周向上相邻的3个磁极部5放大示出。在该图2中，各永久磁铁4在与轴向垂直的方向的截面(以下，称作轴垂直截面)中形成为例如大致矩形形状。而且，在轴垂直截面中配置为朝向转子铁心3的外周侧(半径方向)打开的方式的大致v字状的一对永久磁铁4在转子铁心3的外周部埋入有多对。即，转子铁心3是所谓的ipm型(internalpermanentmagnet：内置式永磁)。而且，在转子铁心3中的配置为大致v字状的一对永久磁铁4之间夹着的区域(v字的内周角区域)相当于磁极部5。v字状包含了2个永久磁铁4以不平行的方式排列、且2个永久磁铁4不接触的配置。例如，v字状的开口部能够朝向转子铁心3的半径方向。

另外，有时也将转子铁心3的与定子铁心2相对的外周侧面中的、夹在一对永久磁铁4之间的区域的面(后述的圆弧面5a)称为磁极部，但在本实施方式中，也包含圆弧面5a的径向内侧的区域、即夹在一对永久磁铁4之间的内部区域而称为磁极部。

而且，各磁极部5中的一对永久磁铁4在磁化方向上被磁化，使得在n极的磁极部5中，磁通互相相对，在s极的磁极部5中，磁通互相背离。例如，位于图2中的左侧的磁极部5由于一对永久磁铁4以磁通互相相对的方式被分别磁化，因此，是n极的磁极部。而且，多个磁极部5以在周向上相邻的磁极部5彼此是互相相反的极性的方式，在周向上等间隔配置。

另外，上述“等间隔”并非严格的意思，容许在设计上、制造上的公差、误差等。即，是“实质地等间隔”的意思。

各磁极部5具有圆弧面5a，该圆弧面5a在轴垂直截面中的形状是曲率与转子铁心3的最大外径部分的圆周即外周圆11不同的圆弧形状。此外，转子铁心3在相邻的磁极部5之间具有周向的宽度形成为规定的尺寸的突起部6。以下，依次对这些圆弧面5a和突起部6进行详细叙述。

<3：关于各磁极部的圆弧面>

在图2中，外周圆11是以位于未图示的轴的旋转轴上的中心oc为中心的半径r的圆周。转子铁心3形成为最大外径部分位于外周圆11上(换言之，内切)。即，转子铁心3的最大外径是2r。图2的2’是将朝向中心oc的定子铁心2的齿的边缘相连而得的假想的圆的圆周。设2’为定子铁心2的内周圆。

作为各磁极部5的外周侧面的圆弧面5a形成为轴垂直截面中的形状是比转子铁心3的外周圆11的半径r小的曲率半径r的圆弧形状。圆弧形状的中心oa位于连接上述中心oc与磁极部5的周向上的中心位置p1(圆弧面5a的中心位置)的直线上的、距中心位置p1为曲率半径r处的径向内侧。

另外，上述外周圆11和圆弧面5a等中的“圆”不是严格的意思，容许在设计上、制造上的公差、误差等。即，是“实质的圆”的意思。

转子铁心3如上述那样，被设定为圆弧面5a的曲率半径r比外周圆11的半径r小。磁极部5可以是在圆弧5a的两侧部具有向内周侧凹陷的凹部(y1，y2)的形状(所谓的花瓣形状)。此外，磁极部5的圆弧面5a在该磁极部5的周向上的中心位置p1处位于外周圆11上。即，磁极部5在圆弧面5a的中心位置p1处与外周圆11内切。由此，定子铁心2的内周圆2’与转子铁心3的间隙d的大小在磁极部5的周向中心位置p处朝向磁极部5的周向两侧逐渐增大。例如，在磁极部5的圆弧面5a的中心位置处，定子铁心2的内周圆2’与转子铁心3的间隙d的大小最小。通过变更间隙d的大小、间隙d的增大率(曲率半径r)，能够变更磁通密度分布。因而，能够使间隙d的大小或者增大率最优化，使磁通密度分布近似于正弦波状，降低齿槽转矩。

接下来，对圆弧面5a的曲率半径r的设定方法的一例进行说明。在图3中示出了感应电压与齿槽转矩相对于外周圆11与圆弧面5a的曲率半径比的变化曲线的一例。在该图3中，横轴与圆弧面5a的曲率半径r相对于外周圆11的曲率半径r的比r/r对应。此外，纵轴与将相对于如下情况的变化值的比例归一化而示出的数值对应，上述情况是指分别针对感应电压和齿槽转矩，将在外周圆11和圆弧面5a处曲率半径相同时(即比r/r＝100％)的最大值设为1的情况。

在该图3所示的例子中，以感应电压和齿槽转矩都相对于曲率半径比r/r的增大而增大的方式变化。但是，感应电压在曲率半径比r/r为大约50％以上且大约90％以下时维持较高的值，与此相对，齿槽转矩具有当曲率半径比r/r哪怕从100％稍微减小时也急剧下降的趋势。

这里，在通常的旋转电机1的设计中，关于该旋转电机1的特性，对于感应电压，期望设定为不下降而尽可能高的值(例如大约90％以上)。此外，齿槽转矩是伴随着转子(转子铁心3)的旋转而产生的转矩的脉动。在旋转电机1中，当齿槽转矩较大时，转子的顺畅旋转被阻碍，效率或旋转控制的精度可能下降。此外，齿槽转矩可能成为噪音或振动的原因。因此，齿槽转矩期望被抑制为尽可能低的值(例如大约10％以下)。根据以上叙述，在图3所示的例子中，期望将圆弧面5a相对于外周圆11的曲率半径比r/r设定为最小值x1与最大值x2之间(50％前后)。在本实施方式中，如图2所示，圆弧面5a的曲率半径r被设定为外周圆11的半径r的大约50％。

<4：关于各磁极部间的突起部>

图4将位于2个磁极部5之间的1个突起部6放大示出。在该图4中，转子铁心3具有多个突起部6，各突起部6分别位于在周向上相邻的磁极部5之间。例如，转子铁心3包含位于相邻的2个磁极部之间的突起部6。突起部6在磁极部5彼此的中间位置处相对于圆弧面5a向径向外侧突出，该突起部6的外周侧的表面6a的至少一部分位于外周圆11上。例如，突起部6的外周侧的表面6a能够具有与外周圆11的圆周相同的曲率。由此，外周侧的表面6a能够与外周圆11的一部分一致。

各突起部6在周向的两侧具有与圆弧面5a所成的角度θ为锐角的侧面6b，由此，轴垂直截面中的形状形成为大致矩形形状。例如，突起部6具有侧面6b，侧面6b与圆弧面5a相接的点处的圆弧面5a的切线与侧面6b所成的角度能够成为锐角。另外，突起部6的截面形状除了上述矩形以外，也可以是例如梯形或圆弧等。

各突起部6在周向上，配置于在周向上相邻的一对永久磁铁4a、4b与一对永久磁铁4c、4d之间。具体而言，各突起部6配置为其周向的位置处于一侧的永久磁铁4b的最外周侧(与外周圆11最近)的角部p2(第1角部)与另一侧的永久磁铁4c的最外周侧(与外周圆11最近)的角部p3(第2角部)之间。而且，突起部6的周向宽度(外周侧的表面的宽度)w2被设定为相对于一侧的永久磁铁4b的角部p2(第1角部)与另一侧的永久磁铁4c的角部p3(第2角部)之间的周向距离w1成为规定的比例。

接下来，对突起部6的周向宽度w2的设定方法的一例进行说明。在图5中示出了负载电流相对于突起部6的周向宽度比的变化曲线的一例。在该图5中，横轴与突起部6的周向宽度w2相对于上述角部p2、p3之间的距离w1之比w2/w一对应。此外，纵轴与将相对于如下情况的变化值的比例归一化而示出的数值对应，上述情况是指针对在相同负载状态下流过的负载电流，将未设置突起部6时(即w2/w1＝0％)的最大值设为1的情况。

在该图5所示的例子中，在突起部6的周向宽度比w2/w1为大约55％的情况下，负载电流取最小值，从该点起，伴随着突起部6的周向宽度比w2/w1增减，负载电流以增大的方式变化。这样的负载电流的抛物曲线状的变化是由于磁阻转矩与泄漏磁通量的变化而引起的。

这里，磁阻转矩是指在各磁极部5中通过从定子铁心2侧的磁场沿径向受到的引力与斥力的周向分力而产生的转矩。在转子铁心3如上述那样形成为花瓣形状(r<r)的情况下，当使突起部6的周向宽度比w2/w1变小时，各磁极部5中的电感的凸极比(silencyratio)减小，磁阻转矩下降。由此，对于相同负载状态，流过旋转电机1的电流(负载电流)增大，损耗增大(效率下降)。

另一方面，当使突起部6的周向宽度比w2/w1变大时，即使在转子铁心3形成为上述花瓣形状(r<r)的情况下，也能够使q轴磁通增大，使凸极比和磁阻转矩增大。但是，当使突起部6的周向宽度比w2/w1过大时，在突起部6与相邻的磁极部5之间，泄漏磁通量增大，磁铁转矩减小(负载电流增大，效率下降)。

根据以上叙述，在图5所示的例子中，期望将突起部6的周向宽度比w2/w1设定为大约50％～大约60％。因为在该范围内，负载电流的抛物曲线状的变化在最小值附近。由此，能够以使磁铁转矩与磁阻转矩的合成转矩最大、且负载电流最小的方式使突起部6的宽度w2最优化。在本实施方式中，如图4所示，突起部6的周向宽度比w2/w1被设定为大约55％。

<5：转子铁心的制造方法>

对以上说明的外形的转子铁心3的制造方法的一例进行说明。例如，考虑将半径r的圆筒状的转子铁心的外周面(轴垂直截面形状与外周圆11是相同形状的外周面)的周向多处切成圆弧状(换言之，形成圆弧状的凹部)。在图4中通过阴影线表示在此时被切掉的部分即切口部(凹部)y1、y2。由此，能够形成具有切掉的结果的形状是曲率与所述外周面不同的圆弧形状的圆弧面5a的磁极部5，并且在磁极部5之间的未切掉的部分形成构成上述外周面的一部分的多个突起部6。

具体而言，例如，针对构成转子铁心3的各电磁钢薄板，例如通过冲压加工等将与上述切口部y1、y2对应的部分从圆形形状的外周缘部去除，并在轴向上层叠这些电磁钢薄板，由此，制造转子铁心3。

<6：实施方式的效果>

如以上说明的那样，根据本实施方式的旋转电机1，转子铁心3的磁极部5具有圆弧面5a，该圆弧面5a在轴垂直截面中的形状是曲率与转子铁心3的外周圆11不同的圆弧形状。由此，能够使转子铁心3与定子铁心2的间隙d的大小最优化，使磁通密度分布近似于正弦波状来降低齿槽转矩。其结果，能够实现高效化和旋转控制的高精度化，并且，还能够减少噪音和振动。因此，旋转电机1的性能提高。

此外，在本实施方式中，特别地，磁极部5的圆弧面5a的曲率半径r被设定为比转子铁心3的外周圆11的半径r小。由此，能够使转子铁心3成为在各磁极部5处向外周侧鼓出、且在磁极部5相互之间向内周侧凹陷的形状。其结果，能够使转子铁心3与定子铁心2的间隙d的大小在磁极部5处变小并在磁极部5相互之间增大而最优化，因此能够降低齿槽转矩。

此外，在本实施方式中，特别地，曲率半径r相对于半径r的比例r/r被设定为，相比于曲率半径r与半径r相等的情况，齿槽转矩被降低至规定的比例(例如10％)以下，并且，感应电压的下降收敛在规定的比例(例如10％)以内。由此，能够抑制感应电压的下降，并且大幅降低齿槽转矩，因此，能够提高旋转电机1的性能。

此外，在本实施方式中，特别地，磁极部5的圆弧面5a在该磁极部5的周向上的中心位置p1处位于外周圆11上。由此，能够使转子铁心3与定子铁心2的间隙d的大小在磁极部5的周向中心位置p1处最小并且朝向磁极部5的周向两侧逐渐增大而最优化，因此，能够提高齿槽转矩的降低效果。

此外，在本实施方式中，特别地，转子铁心3在多个磁极部5之间具有外周侧的表面6a位于外周圆11上的突起部6。由此，能够使q轴磁通增大而使凸极比增大，因此，能够使磁阻转矩增大，能够抑制效率的下降。

此外，在本实施方式中，特别地，突起部6在周向的两侧具有与磁极部5的圆弧面5a所成的角度θ为锐角的侧面6b。由此，能够使突起部6的截面形状为大致矩形形状，因此，能够高精度地设定突起部6的宽度。此外，与使突起部6为梯形的情况相比，能够降低与永久磁铁4的外周侧端部之间的泄漏磁通的量增大的可能性。

此外，在本实施方式中，特别地，通过永久磁铁4的v字状配置，提高各磁极部5中的磁通的集中效果，能够增大磁铁转矩。此外，通过将突起部6配置于一侧的永久磁铁4b的最外周侧的角部p2与另一侧的永久磁铁4c的最外周侧的角部p3之间，能够使永久磁铁4b、4c的角部p2、p3与磁极部5的圆弧面5a之间的间隙变小，能够降低永久磁铁4b、4c的角部p2、p3附近的泄漏磁通的量。

此外，在本实施方式中，特别地，突起部6形成为，在设一侧的永久磁铁4b的角部p2与另一侧的永久磁铁4c的角部p3之间的周向的距离w1为100％的情况下，周向的宽度w2为50％～60％。由此，能够以使磁铁转矩与磁阻转矩的合成转矩最大、且负载电流最小的方式，将突起部6的宽度w2最优化。

此外，转子铁心3通过如下方式来制造：将圆筒状的转子铁心的外周面切掉而形成多个圆弧面5a，并且保留未被切掉的部分而在多个圆弧面5a之间形成多个突起部6。根据这样的转子铁心3的制造方法，能够使转子铁心3的制造容易化。

另外，在以上的说明中，当存在“垂直”“平行”“平面”等记载的情况下，该记载不是严格的意思。即，这些“垂直”“平行”“平面”容许在设计上、制造上的公差、误差，是“实质地垂直”“实质地平行”“实质的平面”的意思。

此外，在以上的说明中，当存在外观上的尺寸或大小“相同”“相等”等记载的情况下，该记载不是严格的意思。即，这些“相同”“相等”容许在设计上、制造上的公差、误差，是“实质地相同”“实质地相等”的意思。

此外，除了以上已经叙述的内容以外，还可以适当组合上述实施方式或各变形例的方法来使用。此外，虽然未逐一例示，但上述实施方式和各变形例是在不脱离其主旨的范围内施加各种变更并实施而得到的。