專利名稱：永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)及永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括具備永久磁體的轉(zhuǎn)子和定子的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī) 及應(yīng)用它的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
作為在電車上使用的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，迄今為止，雖然采用了感應(yīng)電機(jī)，但 近年來，隨著永久磁體的低價(jià)格化和半導(dǎo)體元件的高性能化，采用由變頻 器驅(qū)動(dòng)的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的勢頭不斷提高。
其間，為了改善旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電特性，研究了各種形式的永磁式轉(zhuǎn)子的 構(gòu)造。對于專利文獻(xiàn)1的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，通過將永久磁體分割后
配置，并在該分割的永久磁體背te配置磁通壁壘(flux barrier)，就可以 使朝向轉(zhuǎn)子內(nèi)部的漏磁通降低，來使與定子線圈的交鏈磁通數(shù)增加。 專利文獻(xiàn)1:特開2003-116235號公報(bào)
隨著旋轉(zhuǎn)電機(jī)的大容量化，對于轉(zhuǎn)子直徑較小的小型機(jī)中不是問題的 與轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度相關(guān)的研究，越來越重要。特別是，永久磁體，多數(shù)借助 粘結(jié)劑配置在轉(zhuǎn)子芯表面，離心力造成的徑向移動(dòng)會(huì)容易使永久磁體脫 落。另一方面，如果為了避免永久磁體脫落，而采取在轉(zhuǎn)子芯的圓周部， 在軸方向上設(shè)置多個(gè)孔，在該孔上配置永久磁體的構(gòu)造，那么以下問題又 會(huì)產(chǎn)生永久磁體表面與定子磁極間的間隔增加，磁特性降低。總之，同 時(shí)兼顧轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度和磁特性很有必要。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的課題是，提供一種永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)及應(yīng)用它的永磁式 旋轉(zhuǎn)電機(jī)系統(tǒng)，可以限制離心力造成的永久磁體的移動(dòng)。
為了解決上述課題，本發(fā)明的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的特征在于，在包括定 子；和將多個(gè)永久磁體插設(shè)在轉(zhuǎn)子鐵心外周部的轉(zhuǎn)子的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)
中，上述永久磁體在上述轉(zhuǎn)子的外周面?zhèn)染哂袃A斜面，該傾斜面的最薄部 與不同極的永久磁體相鄰。
據(jù)此，由于轉(zhuǎn)子鐵心中，在外周部插設(shè)多個(gè)永久磁體，因而形成保持 永久磁體的橋(例如，極間橋、鐵心橋)，該橋限制因轉(zhuǎn)子的離心力而向 永久磁體的直徑方向移動(dòng)。此外，由于永久磁體在外周面?zhèn)染哂袃A斜面， 最薄部與不同極的永久磁體相鄰，所以最薄部附近的橋(例如極間橋)剛 性高、橋變形較少，可切實(shí)地限制永久磁體的移動(dòng)。另外，永久磁體的傾 斜面，是指相對于轉(zhuǎn)子的磁極中心上的切線方向而傾斜的面。此外，將永 久磁體形成凸?fàn)罱孛?，可以使磁極中心的外周部的橋(例如鐵心橋)變薄， 磁特性就會(huì)提高。
根據(jù)本發(fā)明，可以限制因離心力而導(dǎo)致的永久磁體的移動(dòng)。由此，可 以防止轉(zhuǎn)子鐵心與永久磁體之間的脫落。此外，根據(jù)權(quán)利要求2的發(fā)明， 磁特性可提高。


圖1是本發(fā)明的第1實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)電機(jī)截面圖。
圖2是本發(fā)明的第1實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的部分放大截面圖。
圖3是表示第1實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)化值和電機(jī)特性與
T1/TM之間關(guān)系的圖。
圖4是本發(fā)明的第2實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)電機(jī)截面圖。
圖5是本發(fā)明的第2實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的部分放大截面圖。
圖6是表示第2實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)化值和電機(jī)特性與
T1/TM之間關(guān)系的圖。
圖7是表示將永久磁體一分為三時(shí)的轉(zhuǎn)子鐵心的圖。
圖8是表示將永久磁體一分為四時(shí)的轉(zhuǎn)子鐵心的圖。
圖9是用旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電車車輪的例子。
圖IO是將旋轉(zhuǎn)電機(jī)直接連接在電車車輪上的例子。
圖中l(wèi)一定子，2—轉(zhuǎn)子，3、 3a—永久磁體，4一磁體槽，5 —轉(zhuǎn)子
鐵心，6 —軸，7—磁通壁壘，8 —上線圈，9一底線圈，10 —線圈，12 —齒
狀物，13 —槽，14一極間橋，15 —磁極橋，16 —鐵心橋，50 —車輪，51、
52、 61、 62 —線，60—加速齒輪，100、 110—旋轉(zhuǎn)電機(jī)，200、 210—電車。
具體實(shí)施例方式
下面，利用附圖，對本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容進(jìn)行說明。各圖中的相同部分 被附加相同編號。
(第1實(shí)施方式)
圖1是第1實(shí)施方式的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的端部截面圖。永磁式旋轉(zhuǎn)電 機(jī)IOO，是10極45槽的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，用在幾百kW的電車上，允許5000 7000rpm的旋轉(zhuǎn)速度。
定子l是一種分布纏繞定子，包括具備從磁軛部向內(nèi)周面突出的多 個(gè)齒狀物12的圓筒狀的定子鐵心；和利用齒狀物12分布纏繞芯線得到的 線圈10。線圈10被做成U相、V相、W相的3相繞組，被纏繞成電性上 形成45槽10極。另外，軸方向上延伸的齒狀物12間形成的槽13，被一 分為二成外周側(cè)和內(nèi)周側(cè)，對于線圈10，上線圈8被配置在槽13的外周 側(cè)，下線圈9被配置在內(nèi)周側(cè)。
線圈10，以被稱為短節(jié)纏繞的方式纏繞，相比全節(jié)纏繞，更能降低渦 流損耗。對于線圈10，為方便起見，槽13被從#1至#45逆時(shí)針地編號， 連線方式如下從其中#1槽的下線圈9出來的芯線，進(jìn)入#5槽的上線圈8， 這種連線在圓周方向重復(fù)，構(gòu)成3相繞組。另外，#5槽的編號值，是對槽 數(shù)45除以極數(shù)10得到的4.5進(jìn)行四舍五入而得到的。另外，將繞組節(jié)距 與磁極節(jié)距之比(短距系數(shù))設(shè)為5/6，通過這樣，第5次和第7次的空 間高次諧會(huì)降低。此外，本實(shí)施方式雖然是采用短節(jié)纏繞，但也可通過其 他極數(shù)、槽數(shù)的組合來采用全節(jié)纏繞或集中纏繞。此外，本實(shí)施方式的組 合雖然是10極45槽，但其他極數(shù)、槽數(shù)的組合也成立。
轉(zhuǎn)子2，被可旋轉(zhuǎn)地與定子1同軸配置，軸6被嵌插在轉(zhuǎn)子鐵心5的 軸中，永久磁體3被分別配置在穿設(shè)于轉(zhuǎn)子鐵心5的外周部的多個(gè)磁體槽 4中。永久磁體3共配置有20個(gè)，同極的磁體被一極2個(gè)地并列設(shè)置。此 外，多個(gè)磁體槽4穿設(shè)于轉(zhuǎn)子鐵心5的外周部，在并列設(shè)置的同極的永久 磁體3、 3的邊界(磁極中心)，形成磁極橋15,在相鄰的不同極的永久磁 體3、3的邊界形成極間橋14，在永久磁體3的外周側(cè)的極間橋14之間(或
者在極間橋14與磁極橋15之間)形成鐵心橋16。也就是說，永久磁體3， 被極間橋14、以及磁極橋15和鐵心橋16支撐。
圖2表示第1實(shí)施方式的轉(zhuǎn)子2的一個(gè)極的放大圖。并列設(shè)置的2個(gè) 同極的永久磁體3、 3，被虛線表示的1個(gè)永久磁體3a模塊化，永久磁體 3a采取的是由磁極中心(同極的永久磁體3、 3的邊界)向轉(zhuǎn)子外徑突出 的凸?fàn)睿瑥拇艠O中心起在圓周方向上大致對稱。換言之，永久磁體3、 3 被一分為二，具有一個(gè)傾斜面，截面的厚度在轉(zhuǎn)子2的圓周方向上變化。 該傾斜面的形狀，是多個(gè)直線和連接這些直線的多個(gè)圓弧的組合，轉(zhuǎn)子外 周側(cè)角部的圓弧半徑R1、 R2的值，比轉(zhuǎn)子內(nèi)周側(cè)角部的圓弧R3、 R4的 半徑更大。另外，永久磁體3a在內(nèi)面?zhèn)鹊男螤钍瞧矫?，永久磁體3a的傾 斜面，是相對于磁極中心的轉(zhuǎn)子的切線方向傾斜的面，此外，磁極中心部 的厚度TM比兩側(cè)的最薄部更大。
極間橋14、 14，在永久磁體3a的兩側(cè)形成，使得與轉(zhuǎn)子2的外周表 面的間隔增加。也就是說，永久磁體3a的最薄部，與不同極的永久磁體 3a相鄰。極間橋14、 14和鐵心橋16雙方，限制永久磁體3a因?yàn)檗D(zhuǎn)子2 旋轉(zhuǎn)時(shí)因離心力而在直徑方向移動(dòng)，防止永久磁體3a脫落。這時(shí)，由于 永久磁體3a是辦圓柱體形的凸?fàn)?，所以極間橋14、 14，形成越往轉(zhuǎn)子2 的外周方向，圓周方向幅度越大的結(jié)構(gòu)，剛性高、變形少、強(qiáng)度十足地限 制永久磁體3a的移動(dòng)。永久磁體3a的移動(dòng)受到限制。此外，由于永久磁 體3a是凸?fàn)?，所以鐵心橋16在磁極中心附近(永久磁體3a的中心附近) 的厚度就較薄，旋轉(zhuǎn)電機(jī)100的磁特性提高。
磁極橋15設(shè)置在同極的永久磁體3、 3之間，限制磁極中心上的因離 心力而產(chǎn)生的鐵心橋16的變形。
圖2中，將磁體槽4與轉(zhuǎn)子2的外徑之間的鐵心橋16的厚度設(shè)為Tl， 將永久磁體3的最厚部的高度(厚度)設(shè)為TM。永久磁體3，通過將轉(zhuǎn) 子外徑側(cè)角部的半徑R1、 R2設(shè)定得比轉(zhuǎn)子內(nèi)徑側(cè)角部的半徑R3、 R4大， 來緩沖應(yīng)力集中。另外，永久磁體的外周側(cè)的一部分，即使是順應(yīng)轉(zhuǎn)子2 的外周形成圓弧狀，而不是做成平面，也可以緩沖應(yīng)力集中。此外，對于 永久磁體3a，由于截面形狀是凸?fàn)?，所以磁極中心附近的鐵心橋16的厚 度可以減薄，定子1的對磁極的磁特性就會(huì)提高。
下面，從應(yīng)力特性、電機(jī)特性的觀點(diǎn)來說明各自的效果。
圖3表示應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)化值和電機(jī)特性標(biāo)準(zhǔn)化值與T1/TM之間的關(guān)系。 橫軸是鐵心橋16的厚度與永久磁體3的厚度之比T1/TM，其趨勢是，鐵 心橋16越增厚，應(yīng)力特性就越高，電機(jī)特性越低。
線51表示應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)化值，將滿足機(jī)械強(qiáng)度的值(例如，可以防止由 于老化而導(dǎo)致的破壞)標(biāo)準(zhǔn)化為l。此外，線52表示電機(jī)特性標(biāo)準(zhǔn)化值， 將滿足作為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，電特性的值被標(biāo)準(zhǔn)化為1。換言之，只要各標(biāo)準(zhǔn) 化值在l以上，就可以作為永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)正常進(jìn)行動(dòng)作。根據(jù)附圖，若 T1/TM比在0.13以上，就滿足應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)化值，若T1/TM比在0.23以下， 則滿足電機(jī)特性標(biāo)準(zhǔn)化值。因此，優(yōu)選將T1/TM的值設(shè)定為0.13《T1/TM 《0.23。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式，多個(gè)永久磁體3被插設(shè)在轉(zhuǎn)子鐵心5的 外周部，所以，形成了保持永久磁體的極間橋14、鐵心橋16，該橋14、 16限制轉(zhuǎn)子2因離心力而向永久磁體3的直徑方向移動(dòng)。此外，由于永久 磁體3在外周面?zhèn)染哂袃A斜面，最薄部與不同極的永久磁體3相鄰，所以 最薄部附近的極間橋14剛性高、橋變形較少，且切實(shí)地限制永久磁體的 移動(dòng)。此外，通過采用將凸?fàn)罱孛嬉环譃槎男螤畹挠谰么朋w3、 3，可以 使磁極中心的外周部的鐵心橋16變薄，所以，磁特性提高。此外，通過 在不同極的永久磁體之間配備同極的2個(gè)永久磁體3、 3，形成磁極橋15， 磁極橋15具有進(jìn)一步減少鐵心橋16變形的支柱的功能。 (第2實(shí)施方式)
圖4是本發(fā)明第2實(shí)施方式的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的端部截面圖。 永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)110與第1實(shí)施方式的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)100的不同點(diǎn) 是在不同極性的永久磁體3的各個(gè)磁極之間，在軸方向上凹設(shè)有磁通壁 壘7。該磁通壁壘7，防止永久磁體3產(chǎn)生的磁通流向相鄰的不同極的永 久磁體，使得磁通流向定子1的磁極。
圖5表示第2實(shí)施方式的轉(zhuǎn)子2的一個(gè)極的放大圖。與圖2同樣，將 磁體槽4與轉(zhuǎn)子2的外徑之間的鐵心橋16的厚度設(shè)為Tl，將永久磁體3 的最厚部的高度(厚度)設(shè)為TM。此外，將磁通壁壘7與永久磁體3間 的最窄部的幅度設(shè)為T2。圖6表示應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)化值和電機(jī)特性標(biāo)準(zhǔn)化值與T2/TM之間的關(guān)系。 與圖3同樣，線61作為應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)化值，將滿足機(jī)械強(qiáng)度的值設(shè)為1。此外， 線62作為電機(jī)特性標(biāo)準(zhǔn)化值，將滿足作為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩'電特性的值設(shè)為1。 由此，只要各值在l以上，就可以使永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)正常地進(jìn)行動(dòng)作。因 此，若T2/TM比在0.1以上，就滿足應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)化值，若T2/TM比在0.4 以下，就滿足電機(jī)特性標(biāo)準(zhǔn)化值。由上，優(yōu)選將T2/TM比設(shè)定為0.K T2/TMH
(第3實(shí)施方式)
第1實(shí)施方式和第2實(shí)施方式所示的轉(zhuǎn)子構(gòu)造中，雖然將永久磁體3a (圖2) —分為2，將磁極橋15設(shè)為1條，但也可以如圖7、圖8所示， 將永久磁體3a—分為3、 一分為4，將磁極橋15設(shè)為2條或3條。這樣， 可以進(jìn)一步減少鐵心橋16 (圖1)的變形。 (應(yīng)用例)
圖9表示將本實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)電機(jī)100、 110應(yīng)用在電車用永磁式旋 轉(zhuǎn)電機(jī)系統(tǒng)的例子。電車200，具備第1實(shí)施方式和第2實(shí)施方式所示 的旋轉(zhuǎn)電機(jī)100、 110;加速齒輪(變速齒輪)60和車輪50。旋轉(zhuǎn)電機(jī)100、 110通過加速齒輪60驅(qū)動(dòng)車輪50。
此外，可以像圖10的電車210那樣，將車輪50直接連接在旋轉(zhuǎn)電機(jī) 100、 110的軸方向兩側(cè)。此外，旋轉(zhuǎn)電機(jī)100、 110還完全可以用作風(fēng)扇、 泵等送風(fēng)用永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力源。 (變形例)
本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，例如，可以進(jìn)行如下的各種變形。
(1) 上述各實(shí)施方式中，雖然將永久磁體3的轉(zhuǎn)子內(nèi)周側(cè)設(shè)為平面， 但也可以設(shè)為其他形狀。
(2) 上述各實(shí)施方式中，雖然是以鐵心橋16來連接極間橋14或磁 極橋15之間，但在磁極附近，可以不必用鐵心橋16連接。這樣，由于永 久磁體3與定子1的間隔小，磁特性就會(huì)提高。特別是，在將永久磁體3a 分割為奇數(shù)個(gè)的情況下，中心的永久磁體接近定子l的磁極，所以非常有 效。另外，即便在這種情況下，也需要插設(shè)中心的永久磁體，也就是說， 需要用鐵心橋16的一部分按壓永久磁體3b (圖7)。
權(quán)利要求
1.一種永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，包括定子；和將多個(gè)永久磁體插設(shè)在轉(zhuǎn)子鐵心外周部的轉(zhuǎn)子，其中，所述永久磁體在所述轉(zhuǎn)子的外周面?zhèn)染哂袃A斜面，最薄部與不同極的永久磁體相鄰。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于， 所述永久磁體具有凸?fàn)畹慕孛妗?br> 3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于， 所述永久磁體，具有由多條直線和連接該直線的多個(gè)圓弧的組合而構(gòu)成的截面形狀，轉(zhuǎn)子外周側(cè)角部的所述圓弧的半徑值，大于轉(zhuǎn)子內(nèi)周側(cè)角 部的所述圓弧的半徑值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于， 所述永久磁體在圓周方向被分割為多個(gè)，該被分割的永久磁體被同極磁化。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于， 所述轉(zhuǎn)子鐵心具有極間橋，其因所述傾斜面與所述轉(zhuǎn)子外周面的間隔發(fā)生變化而形成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于， 所述轉(zhuǎn)子鐵心，在所述永久磁體的外周側(cè)的所述極間橋之間形成有鐵心橋，當(dāng)將所述永久磁體的最厚部的厚度設(shè)為TM，將所述鐵心橋的厚度設(shè) 為Tl時(shí)，將T1/TM的比配置成滿足0.13《T1/TM《0.23的關(guān)系。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于， 所述定子，形成向磁軛部內(nèi)周面突出的多個(gè)齒狀物，線圈通過集中纏繞或分布纏繞而纏繞在該齒狀物上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于， 所述轉(zhuǎn)子鐵心在不同極性的所述永久磁體之間凹設(shè)有磁通壁壘。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于， 將所述磁通壁壘與所述永久磁體之間的最短幅度設(shè)為T2，將所述永久磁體的最大厚度設(shè)為TM時(shí)，T2/TM的比被配置為滿足0.1≤ T2/TM≤ 0.4的關(guān)系。
10. —種電車用的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于， 將權(quán)利要求1所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)作為動(dòng)力源。
11. 一種送風(fēng)用的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于， 將權(quán)利要求1所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源。
全文摘要
本發(fā)明提供一種永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，可以限制因離心力而導(dǎo)致的永久磁體的移動(dòng)。在包括定子(1)和將多個(gè)永久磁體(3)插設(shè)在轉(zhuǎn)子鐵心(5)的外周部的轉(zhuǎn)子(2)的永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)(100)中，永久磁體(3)在轉(zhuǎn)子(2)的外周面?zhèn)染哂袃A斜面，該傾斜面的最薄部與不同極的永久磁體相鄰。此外，相鄰的永久磁體(3、3)，是凸?fàn)罱孛娴挠谰么朋w被一分為二的形狀，磁極橋(15)形成在永久磁體(3、3)邊界。由此，離心力所導(dǎo)致的永久磁體(3、3)的移動(dòng)得到限制，轉(zhuǎn)子鐵心(5)與永久磁體(3、3)之間的脫落得到防止。
文檔編號H02K1/27GK101345444SQ20081013575
公開日2009年1月14日 申請日期2008年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月11日
發(fā)明者三上浩幸, 增田誠吉, 木村守, 藤枝昌泰, 郡大祐 申請人:株式會(huì)社日立制作所