永磁式旋转电机.pdf

本发明提供一种进行以少量磁体量得到大转矩的最优化，得到所期望的转矩而实现节省资源、低成本的永磁式旋转电机。永磁式旋转电机在转子(4)包括：沿轴向贯穿，形成在转子铁心(12)内的多个狭缝(13)；插入该狭缝(13)，使沿周向相邻磁极(11)为异极的永磁体(14)。磁极(11)的结构为将一对狭缝(13)朝着旋转中心轴配置为V字形，在将转子(4)的半径设为α，从转子(4)的外周面到一对狭缝的内周侧顶点的径向距离埋入深度设为β，一对狭缝的外周侧张开角的机械角设为θ时，设定埋入深度β、转子半径α、及外周侧张开角θ，根据埋入深度率(β/α)和外周侧张开角的张开角率(θ/180)，决定使转矩最大的最优配置指标γ，使最优配置指标成为该决定的最优配置指标γ。

1.  一种永磁式旋转电机，其特征在于，包括：卷绕有励磁线圈的定子；以及与该定子相隔规定空隙相对，进行旋转的转子，
所述转子包括：沿轴向贯穿，形成在转子铁心内的多个狭缝；以及插入该狭缝，使沿周向相邻的磁极为异极的永磁体，
所述磁极的结构为将一对狭缝朝着旋转中心轴配置为V字形，
在将所述转子的半径设为α(mm)，将从所述转子的外周面到所述一对狭缝的内周侧顶点的径向距离埋入深度设为β(mm)，将所述一对狭缝的外周侧张开角的机械角设为θ(deg)时，设定所述埋入深度β、所述转子半径α、及所述外周侧张开角θ，根据埋入深度率(β/α)和外周侧张开角的张开角率(θ/180)，决定使转矩最大的最优配置指标γ，使最优配置指标成为决定的最优配置指标γ。

2.  一种永磁式旋转电机，其特征在于，包括：卷绕有励磁线圈的定子；以及与该定子相隔规定空隙相对，进行旋转的转子，
所述转子包括：沿轴向贯穿，形成在转子铁心内的多个狭缝；以及插入该狭缝，使沿周向相邻的磁极为异极的永磁体，
所述磁极的结构为将一对狭缝朝着旋转中心轴配置为V字形，
在将所述转子的半径设为α(mm)，将从所述转子的外周面到所述一对狭缝的内周侧顶点的径向距离埋入深度设为β(mm)，将所述一对狭缝的外周侧张开角的机械角设为θ(deg)，将最优配置指标γ设为γ＝β/α+(0.59×θ)/180时，
将该最优配置指标γ的值设定在下式范围内：

0.  64≤γ≤0.703。

3.  根据权利要求2所述的永磁式旋转电机，其特征在于：
将所述一对狭缝的外周侧张开角θ(deg)设定在以下范围：
127≤θ＜180。

永磁式旋转电机
技术领域
本发明涉及包括定子和转子的永磁式旋转电机，上述转子与定子之间具有规定的空隙，与定子相对进行旋转。
背景技术
作为以往的永磁式旋转电机的一例，可以列举磁体埋入式(buried magnet)旋转电机。
该磁体埋入式旋转电机在转子内部包括永磁体。该旋转电机从该永磁体产生的磁通加到因与设在定子上的励磁线圈的交链磁通量产生的磁转矩上，使用利用转子铁心磁阻的磁阻(relaxation)转矩。该磁体埋入式旋转电机作为小型、高输出、高效率的旋转电机被广泛使用。
作为增大磁体埋入式旋转电机中的转矩方法之一，提出了如下方法：将永磁体配置成V字形，增大转子铁心的显磁极性，有效利用磁阻转矩。
因此，在专利文献1记载的已有例中，记载在以转子的旋转中心为中心的电角度127°～140°的范围内，包括沿以旋转中心侧为顶点的V字形配置的一对磁体的旋转电机。该旋转电机的转子具有转子本体，该转子本体包括一对孔，分别收纳一对磁体，转子本体具有支承部，位于V字形的顶点部，用于隔开一对孔。在该已有例中，通过将永磁体配置为V字形，使得磁阻转矩增加，有效利用转矩，使得V字形的周向配置宽度最优化，抑制高速旋转时的铁损，得到能量转换效率高的电机。
另外，在专利文献2记载的已有例中，包括在定子铁心的多个极齿上进行集中绕组的定子；以及具有稀土元素类磁体的转子，在转子铁心内部与旋转轴垂直的截面形状每一极呈向外侧扩开形状。在该已有例中，从稀土元素类磁体的最外径内侧的旋转轴心的磁体轴心开度θ1为电角度111°～119°。而且，极齿间形成的狭缝开口部的宽度W1为2.4mm～3.4mm。
专利文献1：日本专利特开2006-254629号公报
专利文献2：日本专利特开2001-251825号公报
然而，上述专利文献1和2中记载的已有例都是从节能角度考虑，V字形配置永磁体使其最优化，但在节省资源的意义上未必就是最优。在此，若着眼于存在资源枯竭问题的稀土元素类磁体，则所谓节省资源是指怎样以较少的磁体量得到所希望的转矩的问题。即，探索以较少的磁体量使转矩最大的永磁体的形状与节省资源有关。但是，在上述专利文献1或2记载的已有例中，完全没有考虑节省资源，存在为获得较大转矩，磁体量增多、材料费上升这样的未解决问题。
发明内容
本发明着眼于上述已有例未解决的问题，本发明的目的是提供一种节省资源、低成本化的永磁式旋转电机，进行以少量磁体量得到高转矩的最优化，得到所期望的转矩。
为达到上述目的，权利要求1所涉及的永磁式旋转电机包括：卷绕有励磁线圈的定子；以及与该定子相隔规定空隙相对，进行旋转的转子，所述转子包括：沿轴向贯穿，形成在转子铁心内的多个狭缝；以及插入该狭缝，使沿周向相邻的磁极为异极的永磁体，所述磁极的结构为将一对狭缝朝着旋转中心轴配置为V字形，在将所述转子的半径设为α(mm)，将从所述转子的外周面到所述一对狭缝的内周侧顶点的径向距离埋入深度设为β(mm)，将所述一对狭缝的外周侧张开角的机械角设为θ(deg)时，设定所述埋入深度β、所述转子半径α、及所述外周侧张开角θ，根据埋入深度率(β/α)和外周侧张开角的张开角率(θ/180)，决定使转矩最大的最优配置指标γ，使最优配置指标成为决定的最优配置指标γ。
另外，权利要求2所涉及的永磁式旋转电机包括：卷绕有励磁线圈的定子；以及与该定子相隔规定空隙相对，进行旋转的转子，所述转子包括：沿轴向贯穿，形成在转子铁心内的多个狭缝；以及插入该狭缝，使沿周向相邻的磁极为异极的永磁体，所述磁极的结构为将一对狭缝朝着旋转中心轴配置为V字形，在将所述转子的半径设为α(mm)，将从所述转子的外周面到所述一对狭缝的内周侧顶点的径向距离埋入深度设为β(mm)，将所述一对狭缝的外周侧张开角的机械角设为θ(deg)，将最优配置指标γ设为γ＝β/α+(0.59×θ)/180时，将该最优配置指标γ的值设定在下式范围内：0.64≤γ≤0.703。
另外，权利要求3所涉及的的永磁式旋转电机是基于权利要求2所涉及的发明，将所述一对狭缝的外周侧张开角θ(deg)设定在以下范围：127°≤θ＜180°。
按照本发明，在构成将永磁体配置为V字形的转子时，设定上述埋入深度β、上述转子半径α、及上述外周侧张开角θ，根据埋入深度率(β/α)和外周侧张开角的张开角率(θ/180)，决定使转矩最大的最优配置指标，使最优配置指标成为决定的最优配置指标。因此，能构成以较少的永磁体量输出较大转矩的永磁式旋转电机，能得到节省资源促进低成本化的效果。
在此，在将最优配置指标设为γ时，通过γ＝β/α+(0.59×θ)/180求出该最优配置指标γ，将求出的最优配置指标γ的值设定在0.64≤γ≤0.703的范围，能提供以所设定的永磁体量输出较大转矩的永磁式旋转电机。
此外，通过将一对狭缝的外周侧张开角θ(deg)设定在以下范围：127≤θ＜180，能提供输出更大转矩的永磁式旋转电机。
附图说明
图1是表示本发明一实施方式的永磁式旋转电机的截面图。
图2是图1的转子的放大图。
图3是表示将一对狭缝的外侧张开角设为100度时，埋入深度与输出转矩的关系的特性曲线图。
图4是表示张开角度率(θ/180)与埋入深度率的关系的特性曲线图。
图5是表示最优配置指标γ与输出转矩的关系的特性曲线图。
图6是表示V字形外周侧张开角θ与输出转矩的关系的特性曲线图。
标号说明
1-永磁式旋转电机，2-圆筒状框架，3-定子，G-气隙，4-转子，5-旋转轴，6-狭缝，7-极齿，8-励磁线圈，11-磁极，12-转子铁心，13-狭缝，14-永磁体。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的实施方式。
图1是表示本发明一实施方式的截面图。在图1中，永磁式旋转电机1由磁体埋入式同步旋转电机构成。该永磁式旋转电机1包括圆筒状框架2。在该圆筒状框架2内周侧配置定子3，在该定子3内周侧配置转子4，上述转子4通过规定的气隙G与上述定子3相对。该转子4配置为被旋转轴5支承，旋转自如。
定子3在内周面侧沿圆周方向以等间隔形成12个狭缝(slot)6，形成12个极齿7。各极齿7上卷绕在狭缝6内卷装的励磁线圈8。在此，励磁线圈8的卷绕方式主要分为集中绕组和分布绕组。本发明在集中绕组和分布绕组两种方式中均能发挥效果，并不因图1限定绕组方式。
另一方面，如放大图的图2所示，转子4包括由具有4个磁极11的层叠铁心形成的转子铁心12。该转子铁心12包括狭缝13和永磁体14，上述狭缝13贯穿轴向形成多个、例如12个，上述永磁体14插入上述狭缝13内，使得沿周向相邻磁极11成为异极。在此，永磁体14由稀土元素类磁体构成。
各磁极11构成为将一对狭缝13配置为朝着旋转轴5的旋转中心轴成为凸的V字形。在此，一对狭缝13的配置决定如下：将用于以规定的永磁体量获得最大转矩的最优配置指标γ设定在规定范围。
在此，在将转子4的半径设为α(mm)，从转子4的外周面到构成磁极11的一对狭缝的内周侧顶点的径向距离埋入深度设为β(mm)，以上述一对狭缝的机械角表示的外周侧张开角设为θ(deg)时，基于埋入深度率(β/α)和外周侧张开角的张开角率(θ/180)，根据下式(1)设定最优配置指标γ：
γ＝β/α+(0.59×θ)/180    (1)
并且，通过将如上设定的最优配置指标γ的值设定在0.64≤γ≤0.703的范围，能使输出转矩高转矩化。
在此，通过如上设定最优配置指标γ能使输出转矩高转矩化的理由如下。
即，本发明人通过仿真试验变更一对狭缝13的参数，发现本发明的效果。
其结果为，如图3所示，埋入深度β(mm)与输出转矩(Nm)的关系是，当例如将外侧张开角θ设定为100度时，埋入深度β(mm)约为40mm时能得到最大输出转矩。并且，确认了该埋入深度β与最大输出转矩的关系在变更构成磁极11的一对狭缝13的外侧张开角θ时，在不同的埋入深度β存在最大输出转矩的峰值。
因此，若着眼于以各外侧张开角θ能得到最大转矩的埋入深度β，则发现各外侧张开角θ除以180度的张开角度率(θ/180)和埋入深度β除以转子半径α的埋入深度率(β/α)的关系如图4的折线L1所示。若以线性近似直线L2将该折线L1近似，将张开角度率(θ/180)设为x，埋入深度率(β/α)设为y，则可用下式(2)表示y：
y＝-0.59x+0.67    (2)
根据该式(2)所示的关系设定上述式(1)表示的最优配置指标γ，设定的最优配置指标γ和输出转矩的关系如图5所示，其中，“1”表示以往的埋入永磁式旋转电机的输出转矩。从该图5可知，最优配置指标γ在γ＝0.675附近成为最大输出转矩，具有峰值，以向上凸出的折线L3表示。
从该图5可知，能得到比以往的埋入永磁式旋转电机的输出转矩大的输出转矩的最优配置指标γ的范围是γ＝0.64以上、0.703以下的范围R1，在上述γ＝0.64，折线L3的倾斜大幅变化，成为比以往的埋入永磁式旋转电机的输出转矩“1”大的值，在上述γ＝0.703，能得到与在上述γ＝0.64同等的输出转矩。其结果是，通过将最优配置指标γ设定在0.64≤γ≤0.703，能以相同磁体量得到比已有例大的输出转矩。
因此，通过设定埋入深度β、转子半径α、及外周侧张开角θ，使得最优配置指标γ在0.64≤γ≤0.703的范围，可以提供一种以与以往的埋入永磁式旋转电机相同的永磁体量得到更大的输出转矩的永磁体式旋转电机。此外，由于能以较少的磁体量得到与以往的埋入永磁式旋转电机相同的输出转矩，能实现省资源化。
另一方面，以图6的折线L4表示外周侧张开角度θ和输出转矩的关系，其中，“1”表示以往的埋入永磁式旋转电机的输出转矩。该图6的折线L4也成为向上凸的特性折线，在外周侧张开角度θ为160度时具有成为最大输出转矩的峰值。根据该图6的关系，能得到与以往的埋入永磁式旋转电机的输出转矩同等输出转矩的外周侧张开角度θ为126.7°及180°。因此，能得到比以往的埋入永磁式旋转电机的输出转矩大的输出转矩的外周侧张开角度θ(deg)的范围R2为127°≤θ＜180°。
这样，若根据上述实施方式，永磁式旋转电机1具有埋入永磁式旋转电机的结构，连接转子4的磁极11的永磁体14之间的圆周方向中央部和旋转轴5的轴心的线为d轴。另外，连接转子4的邻近磁极11之间的不同磁极的永磁体14之间和旋转轴5的轴心的线为q轴。在d轴方向的磁通的磁路上存在与气隙G相同磁阻大小的永磁体14，磁通难以通过，而q轴方向的磁通可以通过转子铁心12，该方向的磁阻变小，d轴电感Ld与q轴电感Lq具有Ld＜Lq的显极性。因此，电枢线圈的自感和互感以旋转角的2倍变化，永磁体的电枢交链磁通也以转子4的旋转角的余弦变化。
因此，能在磁体转矩上叠加磁阻转矩，实现大转矩化。在此，磁体转矩是仅仅通过永磁体的电枢交链磁通变化进行能量转换而产生的转矩。另外，磁阻转矩是根据电枢自感和互感的变化将储存在气隙G的磁能转换为机械能产生的转矩。
这样，通过采用埋入永磁式旋转电机结构作为永磁式旋转电机1，能实现大转矩化，在本实施方式中，设定埋入深度β、转子半径α、及外周侧张开角θ，使最优配置指标γ成为所决定的转矩为最大的最优配置指标γ。因此，在永磁体量相同时，能产生比以往的埋入永磁式旋转电机产生的输出转矩大的输出转矩。相反，能以较少的永磁体量产生与已有例的埋入永磁式旋转电机同等的输出转矩，能实现节省资源，同时降低成本。
例如，在上述实施方式中，以转子4的磁极11的数设为4极，定子3的极齿7设为12个的情况进行了说明。但是，本发明并不限于上述结构，转子4的磁极数和定子3的极齿数可以任意设定。
另外，在上述实施方式中，对于在转子4上形成12个狭缝13的情况进行了说明，但是，本发明并不限于上述结构，也可以例如通过将狭缝13本身形成为V字形，使狭缝数减半。