專利名稱:永磁式旋轉(zhuǎn)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及永磁式旋轉(zhuǎn)電機。
背景技術(shù):
一般要求永磁旋轉(zhuǎn)電機、特別是被用來驅(qū)動車輛的永磁旋轉(zhuǎn)電機,要包含作為其控制電路的變換(invert)裝置,并且要小型化和高輸出化。特別期望一種在低速旋轉(zhuǎn)區(qū)域能夠輸出大轉(zhuǎn)矩、且在高速旋轉(zhuǎn)區(qū)域也能夠進行高輸出的永磁旋轉(zhuǎn)電機。所以目前,作為永磁旋轉(zhuǎn)電機,高速旋轉(zhuǎn)時可產(chǎn)生弱勵磁,并且能有效利用磁阻轉(zhuǎn)矩的、帶有輔助凸極的嵌入型永磁式旋轉(zhuǎn)電機得到廣泛應(yīng)用。例如,在特開平10-126985號公報中,已經(jīng)公開了嵌入型永磁式旋轉(zhuǎn)電機的結(jié)構(gòu)。
另外,作為關(guān)聯(lián)的旋轉(zhuǎn)電機結(jié)構(gòu),已知有特開205-6484號公報、特開2002-354726號公報、實開平7-11859號公報、專利第3598887號公報中所記載的內(nèi)容。
永磁式旋轉(zhuǎn)電機在有限的車輛電力供給之下,哪怕是增加1%的輸出也是人們所期待的。永磁式旋轉(zhuǎn)電機從作為控制電路的變換裝置接受電流和電壓的供給后,產(chǎn)生電動力。所以,為了在永磁式旋轉(zhuǎn)電機中獲得較大輸出,就需要考慮與變換裝置的關(guān)系,調(diào)節(jié)永磁式旋轉(zhuǎn)電機產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的波形。作為調(diào)節(jié)永磁式旋轉(zhuǎn)電機產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的波形的方法,目前已知例如特開2001-112202號公報和特開2002-78260號公報所公開的內(nèi)容。
特開平10-126985號公報[專利文獻2]特開205-6484號公報[專利文獻3]特開2002-354726號公報[專利文獻4]實開平7-11859號公報 專利第3598887號公報[專利文獻6]特開2001-112202號公報[專利文獻7]特開2002-78260號公報永磁式旋轉(zhuǎn)電機在被車輛拖動的情況下,例如在車輛慣性行走或制動時等減速時,或由其他驅(qū)動源驅(qū)動車輛的情況下,永久磁體的磁通使定子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓與旋轉(zhuǎn)數(shù)成比例。因此,永磁式旋轉(zhuǎn)電機的最大感應(yīng)電壓,由被拖動的最大旋轉(zhuǎn)數(shù)決定。在永磁式旋轉(zhuǎn)電機的電氣設(shè)計上,永磁式旋轉(zhuǎn)電機的感應(yīng)電壓的峰值電壓,需要設(shè)計成不超過構(gòu)成變換裝置的半導體元件或電容器的耐壓。此外,永磁式旋轉(zhuǎn)電機的輸出由感應(yīng)電壓基本波成份的大小來決定。所以,為了進一步實現(xiàn)永磁式旋轉(zhuǎn)電機的高輸出化,需要在抑制感應(yīng)電壓的峰值的同時,加大感應(yīng)電壓的基本波成份的大小。
為了抑制感應(yīng)電壓的峰值,可以像上述特開2001-112202號公報和特開2002-78260號公報所公開的那樣,對永磁式旋轉(zhuǎn)電機產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的波形進行調(diào)節(jié)。但是,上述的特開2001-112202號公報所公開的內(nèi)容,沒有考慮到在永久磁體的圓周方向兩側(cè)上設(shè)置有非磁性部的永磁式旋轉(zhuǎn)電機。由于這個緣故,專利文獻2所公開的內(nèi)容,雖然對在永久磁體的圓周方向兩側(cè)上沒有設(shè)置非磁性部的永磁式旋轉(zhuǎn)電機有效,卻不能直接應(yīng)用于在永久磁體的圓周方向兩側(cè)上設(shè)置有非磁性部的永磁式旋轉(zhuǎn)電機。此外,在特開2002-78260號公報中所公開的內(nèi)容中,由于轉(zhuǎn)子鐵心的外周表面上形成有多個溝,所以需要有對應(yīng)風損或切風音(噪音)的對策。
此外,用于車輛驅(qū)動的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,在對應(yīng)體格所要求的轉(zhuǎn)矩非常大。此外,為了加大旋轉(zhuǎn)電機所輸出的轉(zhuǎn)矩,一般也可以加大在定子繞組中流動的電流。但是,如果加大電流,發(fā)熱就會相應(yīng)地變大,對電流密度就會產(chǎn)生熱制約。因此,為了讓用于車輛驅(qū)動的永磁式旋轉(zhuǎn)電機中輸出多一點的轉(zhuǎn)矩,有效利用永久磁體的磁通是很有效的。
為了在嵌入型永磁式旋轉(zhuǎn)電機中增加永久磁體的有效磁通,可以減小(降低)永久磁體的嵌入深度來減少漏磁通。但是,由于用在車輛驅(qū)動中的嵌入型永磁式旋轉(zhuǎn)電機被以高旋轉(zhuǎn)的方式使用,所以要想減小(降低)永久磁體的嵌入深度,就需要提高對離心力的機械強度,采用能夠承受高旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。
發(fā)明內(nèi)容
本申請具有代表性的發(fā)明之一,是提供一種永磁式旋轉(zhuǎn)電機,能夠在永久磁體的圓周方向兩側(cè)上形成非磁性部時,抑制感應(yīng)電壓的峰值電壓。
此外,本申請具有代表性的另一發(fā)明之一,是提供一種永磁式旋轉(zhuǎn)電機,能夠在抑制感應(yīng)電壓的峰值電壓的同時,加大感應(yīng)電壓的基本波成分。
另外,本申請具有代表性的另一發(fā)明之一,是提供一種永磁式旋轉(zhuǎn)電機,在承受高旋轉(zhuǎn)的同時,能夠有效利用永久磁體的磁通。
再進一步,本申請具有代表性的另一發(fā)明之一,是提供一種永磁式旋轉(zhuǎn)電機,在轉(zhuǎn)子內(nèi)周側(cè)具有空間。
本申請具有代表性的發(fā)明之一,是當將對轉(zhuǎn)子的中心軸的齒鐵心的圓周方向節(jié)距設(shè)為τs(度),將一對磁路部的最小徑向?qū)挾炔糠珠g的圓周方向?qū)挾葘D(zhuǎn)子的中心軸所呈的開角角度設(shè)為θ(度)時,θ可以用下述關(guān)系式(1)來表示。
θ(n+Y)×τs(n是0以上的整數(shù)) …(1)上述定子繞組的纏繞方法是分布纏繞時,設(shè)Y=0.5,上述定子繞組的纏繞方法是集中纏繞時,設(shè)Y=0.9~1.2。
此外,作為本申請具有代表性的另一發(fā)明之一,其特征是,當上述定子繞組的纏繞方法是分布纏繞時,當將對轉(zhuǎn)子的中心軸的齒鐵心的圓周方向節(jié)距設(shè)為τs(度),將一對磁路部的最小徑向?qū)挾炔糠珠g的圓周方向?qū)挾葘D(zhuǎn)子的中心軸所呈的角度設(shè)為θ(度)時,θ可以用下示的關(guān)系式(1)來表示,轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)m與齒鐵心的個數(shù)的關(guān)系是下示的關(guān)系式(2)。
(1)θ(n+0.5)×τs(n是自然數(shù))(2)m∶6m(m是自然數(shù))當將永久磁體的定子側(cè)的圓周方向兩端部間的寬度對轉(zhuǎn)子的中心軸所呈的角度設(shè)為Φ(度)時,Φ是θ的0.7~0.9倍。
此外,作為本申請具有代表性的另一發(fā)明之一,其特征是,當上述定子繞組的纏繞方法是分布纏繞時,轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)m與齒鐵心個數(shù)的關(guān)系為下示的關(guān)系式(1)的關(guān)系時,
(1)m∶6m(m是自然數(shù))一對磁路部的最小徑向?qū)挾炔糠珠g的圓周方向?qū)挾葘D(zhuǎn)子的中心軸所呈的角度是電角104~112°或152~168°,永久磁體的定子側(cè)的圓周方向兩端部間的寬度對轉(zhuǎn)子的中心軸所呈的角度是電角72.8~100.8°或106.4~151.2°。
再有,作為本申請具有代表性的另一發(fā)明之一,其特征是,構(gòu)成轉(zhuǎn)子的一個磁極的永久磁體在圓周方向上被分割為多個,在被分割為多個的永久磁體之間設(shè)有橋部,橋部將處于永久磁體的定子側(cè)的轉(zhuǎn)子鐵心、與處于永久磁體的轉(zhuǎn)子的中心軸側(cè)的轉(zhuǎn)子鐵心機械地連接起來。
此外,作為本申請具有代表性的另一發(fā)明之一,其特征是,上述旋轉(zhuǎn)電機在上述轉(zhuǎn)子的內(nèi)周側(cè)具有空間,上述定子繞組的纏繞方法是集中纏繞,上述一對磁路部的最小徑向?qū)挾炔糠珠g的圓周方向?qū)挾葘ι鲜鲛D(zhuǎn)子的中心軸所呈的開角角度θ是電角130~155°,上述永久磁體的極數(shù)是16極以上。
根據(jù)以上說明的本發(fā)明,由于在永久磁體的在圓周方向兩側(cè)上形成非磁性部時,能夠抑制感應(yīng)電壓的峰值電壓,所以,本發(fā)明可以提供適于車輛驅(qū)動的永磁式旋轉(zhuǎn)電機。
此外,根據(jù)本發(fā)明,由于能夠在抑制感應(yīng)電壓的峰值電壓的同時,加大感應(yīng)電壓的基本波成分,所以,本發(fā)明可以提供適于車輛驅(qū)動的永磁式旋轉(zhuǎn)電機。
另外,根據(jù)本發(fā)明,由于在耐受高旋轉(zhuǎn)的同時,能夠有效利用永久磁體的磁通,所以,本發(fā)明可以提供適于車輛驅(qū)動的永磁式旋轉(zhuǎn)電機。
再進一步,根據(jù)本發(fā)明,可以提供在轉(zhuǎn)子的內(nèi)周側(cè)具有空間的永磁式旋轉(zhuǎn)電機。
圖1是表示作為本發(fā)明的實施例的電動發(fā)電機的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖2是表示作為本發(fā)明的實施例的電動發(fā)電機的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖3是表示作為本發(fā)明的實施例的變換裝置的電路結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖4是表示使用作為本發(fā)明實施例的電動發(fā)電機的混合動力汽車的結(jié)構(gòu)框圖。
圖5是表示作為本發(fā)明實施例的電動發(fā)電機的永久磁體的磁通的流路的圖。
圖6是表示作為本發(fā)明實施例的電動發(fā)電機的永久磁體的磁通密度的徑向成分的分布圖。
圖7是表示感應(yīng)電壓波形的圖。
圖8是轉(zhuǎn)矩的比較圖。
圖9是感應(yīng)電壓峰值和感應(yīng)電壓的基本波的比較圖。
圖10是作為本發(fā)明實施例的電動發(fā)電機的特性圖。
圖11是作為本發(fā)明實施例的電動發(fā)電機的特性圖。
圖12是作為本發(fā)明實施例的電動發(fā)電機的特性圖。
圖13是作為本發(fā)明實施例的電動發(fā)電機的特性圖。
圖14是作為本發(fā)明實施例的電動發(fā)電機的特性圖。
圖15是表示作為本發(fā)明實施例的電動發(fā)電機的特性圖。
圖16是用于說明離心力的應(yīng)力緩和結(jié)構(gòu)的圖。
圖17是用于說明非磁性部的形狀所涉及的效果的圖。
圖18是用于說明非磁性部的形狀所涉及的效果的圖。
圖19是用于說明非磁性部的形狀所涉及的效果的圖。
圖20是用于說明非磁性部的形狀所涉及的效果的圖。
圖21是表示作為本發(fā)明變形例的電動發(fā)電機的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖22是表示作為本發(fā)明變形例的電動發(fā)電機的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖23是表示作為本發(fā)明變形例的電動發(fā)電機的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖24是表示作為本發(fā)明變形例的電動發(fā)電機的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖25是表示作為本發(fā)明變形例的電動發(fā)電機的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖26是表示作為本發(fā)明變形例的電動發(fā)電機的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖27是表示作為本發(fā)明另一實施例的電動發(fā)電機MG1的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖28是表示作為本發(fā)明另一實施例的電動發(fā)電機MG1的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖29是作為本發(fā)明另一實施例的20極24齒的集中纏繞電動發(fā)電機中的開角與感應(yīng)電壓波形的關(guān)系圖。
圖30是圖29所示的感應(yīng)電壓波形的抑尖率的說明圖。
圖31是圖29所示的感應(yīng)電壓波形的每單位磁體的有效值的說明圖。
圖32是表示在作為本發(fā)明另一實施例的20極24齒的集中纏繞電動發(fā)電機中,開角角度θ設(shè)為電角130度的情況下的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖33是表示在作為本發(fā)明另一實施例的20極24齒的集中纏繞電動發(fā)電機中,開角角度θ設(shè)為電角155度的情況下的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖34是表示使用本發(fā)明另一實施例的電動發(fā)電機MG1的混合動力汽車的驅(qū)動源的結(jié)構(gòu)的框圖。
圖35是本發(fā)明另一實施例中的20極24齒的集中纏繞旋轉(zhuǎn)電機的磁力線圖。
圖36是本發(fā)明另一實施例中的10極12齒的集中纏繞旋轉(zhuǎn)電機的磁力線圖。
圖37是表示作為本發(fā)明另一實施例的電動發(fā)電機MG1的結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分放大截面圖。
圖38是作為本發(fā)明另一實施例的16極24齒的集中纏繞電動發(fā)電機中的開角與感應(yīng)電壓波形的關(guān)系圖。
圖中10-定子,11-定子鐵心,11b-齒芯,12-定子繞組,20-轉(zhuǎn)子,21-轉(zhuǎn)子鐵心,22-永久磁體,24-非磁性部,27-磁路部,28-橋部。
具體實施例方式
下面,根據(jù)附圖,說明本發(fā)明的實施例。
首先,根據(jù)圖4說明使用本實施例的電動發(fā)電機(motor generator)的車輛的結(jié)構(gòu)。在本實施例中,以具有2個不同動力源的混合動力電動汽車為例進行說明。
本實施例的混合動力電動汽車是四輪驅(qū)動式的,構(gòu)成為由作為內(nèi)燃機的引擎ENG和電動發(fā)電機MG1來驅(qū)動前輪FLW、FRW;由電動發(fā)電機MG2來驅(qū)動后輪RLW、RRW。本實施例雖然說明的是由引擎ENG和電動發(fā)電機MG1驅(qū)動前輪FLW、FRW、由電動發(fā)電機MG2驅(qū)動后輪RLW、RRW的情況,但也可以由電動發(fā)電機MG1驅(qū)動前輪FLW、FRW;由引擎ENG和電動發(fā)電機MG2驅(qū)動后輪RLW、RRW。
變速機T/M通過差動裝置FDF與前輪FLW、FRW的前輪車軸FDS機械連接。電動發(fā)電機MG1和引擎ENG通過動力分配機構(gòu)PSM與變速機T/M機械連接。動力分配機構(gòu)PSM,是負責旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力的合成與分配的機構(gòu)。變換裝置INV的交流側(cè)與電動發(fā)電機MG1的定子繞組電連接。變換裝置INV,是將直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電的電力變換裝置,用于控制電動發(fā)電機MG1的驅(qū)動。電池BAT與變換裝置INV的直流側(cè)電連接。
電動發(fā)電機MG2通過差動裝置RDF和減速機RG與后輪RLW、RRW的后輪車軸RDS機械連接。變換裝置INV的交流側(cè)與電動發(fā)電機MG2的定子繞組電連接。這里,變換裝置INV對于電動發(fā)電機MG1、MG2是通用的,它包括電動發(fā)電機MG1用的電源模塊PMU1和驅(qū)動電路裝置DCU1;電動發(fā)電機MG2用的電源模塊PMU2和驅(qū)動電路裝置DCU2;以及,電動機控制裝置MCU。
引擎ENG上安裝有啟動器STR。啟動器STR是用于啟動引擎ENG的啟動裝置。
引擎控制裝置ECU,根據(jù)來自傳感器和其他控制裝置等的輸入信號,計算用于使引擎ENG的各組件機器(節(jié)氣門、燃料噴射閥等)動作的控制值。該控制值被作為控制信號輸出到引擎ENG的各組件機器的驅(qū)動裝置中。由此,引擎ENG的各組件機器的動作得到控制。
變速機T/M的動作由變速機控制裝置TCU控制。變速機控制裝置TCU,根據(jù)來自傳感器和其他控制裝置等的輸入信號,計算用于使變速機構(gòu)動作的控制值。該控制值被作為控制信號輸出到變速機構(gòu)的驅(qū)動裝置中。由此,變速機T/M的變速機構(gòu)的動作得到控制。
電池BAT,是電池電壓為200v以上的高電壓鋰離子電池,充放電和壽命等由電池控制裝置BCU管理。為了管理電池的充放電和壽命等,電池BAT的電壓值和電流值等被輸入到電池控制裝置BCU中。另外,圖示中雖然進行了省略,但作為電池還裝載有電池電壓為12v的低壓電池,用作控制系統(tǒng)的電源、音響和照明等的電源。
引擎控制裝置ECU、變速機控制裝置TCU、電動機控制裝置MCU和電池控制裝置BCU,被通過車載用局域網(wǎng)LAN相互電連接,同時,與綜合控制裝置GCU電連接。由此,各控制裝置間可以進行雙向信號傳送,可以實現(xiàn)相互的信息傳遞、檢測值的共享等。綜合控制裝置GCU,是根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)對各控制裝置輸出指令信號的裝置。例如綜合控制裝置GCU,按照基于駕駛?cè)说募铀僖蟮挠烷T踩踏量,計算車輛的必要轉(zhuǎn)矩值,將該必要轉(zhuǎn)矩值,以使引擎ENG的運轉(zhuǎn)效率良好的方式,分配為引擎ENG側(cè)的輸出轉(zhuǎn)矩值和電動發(fā)電機MG1側(cè)的輸出轉(zhuǎn)矩值,將分配的引擎ENG側(cè)的輸出轉(zhuǎn)矩值作為引擎轉(zhuǎn)矩指令信號輸出到引擎控制裝置ECU中,將分配的電動發(fā)電機MG1側(cè)的輸出轉(zhuǎn)矩值作為電動機轉(zhuǎn)矩指令信號輸出到電動機控制裝置MCU中。
下面,說明本實施例的混合動力汽車的動作。
混合動力電動汽車在啟動時、低速行走時(引擎ENG的工作效率(耗油量)低的行走區(qū)域),通過電動發(fā)電機MG1驅(qū)動前輪FLW、FRW。另外,本實施例雖然是對混合動力電動汽車在啟動時、低速行走時通過電動發(fā)電機MG1驅(qū)動前輪FLW、FRW的情況進行說明,但也可以是通過電動發(fā)電機MG1驅(qū)動前輪FLW、FRW,通過電動發(fā)電機MG2驅(qū)動后輪RLW、RRW(可為四輪驅(qū)動行走)。變換裝置INV由電池BAT供給直流電。被供給的直流電由變換裝置INV轉(zhuǎn)換成三相交流電。由此得到的三相交流電被供給到電動發(fā)電機MG1的定子繞組中。從而,電動發(fā)電機MG1被驅(qū)動,并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)輸出。該旋轉(zhuǎn)輸出通過動力分配機構(gòu)PSM輸入到變速機T/M中。輸入的旋轉(zhuǎn)輸出通過變速機T/M變速,并被輸入到差動裝置FDF中。輸入的旋轉(zhuǎn)輸出由差動裝置FDF分配給左右,分別傳遞到左右的前輪車軸FDS上。由此,前輪車軸FDS被旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。而且,前輪FLW、FRW由前輪車軸FDS的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動而被旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。
混合動力電動汽車在通常行走時(在干燥的路面上行走的情況,且在引擎ENG工作效率(耗油量)良好的行走區(qū)域),通過引擎ENG驅(qū)動前輪FLW、FRW。因此,引擎ENG的旋轉(zhuǎn)輸出通過動力分配機構(gòu)PSM被輸入到變速機T/M中。輸入的旋轉(zhuǎn)輸出通過變速機T/M而變速,變速的旋轉(zhuǎn)輸出通過差動裝置FDF傳遞到前輪車軸FDS上。由此,前輪FLW、FRW就被WH-F旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。此外,在需要檢出電池BAT的充電狀態(tài)、對電池BAT進行充電的情況下,將引擎ENG的旋轉(zhuǎn)輸出通過動力分配機構(gòu)PSM分配給電動發(fā)電機MG1,并對電動發(fā)電機MG1進行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。由此,電動發(fā)電機MG1作為發(fā)電機動作。通過該動作,在電動發(fā)電機MG1的定子繞組上就會產(chǎn)生三相交流電。該產(chǎn)生的三相交流電,通過變換裝置INV被轉(zhuǎn)換成規(guī)定的直流電。通過該轉(zhuǎn)換得到的直流電被供給到電池BAT。由此電池BAT得到充電。
混合動力電動汽車在四輪驅(qū)動行走時(行走在有雪的道路等低μ的道路的情況,且引擎ENG的工作效率(耗油量)良好的行走區(qū)域),通過電動發(fā)電機MG2驅(qū)動后輪RLW、RRW。此外,與上述通常行走同樣,通過引擎ENG驅(qū)動前輪FLW、FRW。另外,由于驅(qū)動電動發(fā)電機MG1會導致電池BAT的儲電量減少,所以,與上述通常行走同樣,通過引擎ENG的旋轉(zhuǎn)輸出對電動發(fā)電機MG1進行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動,來對電池BAT進行充電。為了通過電動發(fā)電機MG2驅(qū)動后輪RLW、RRW,直流電從電池BAT被供給到變換裝置INV。所供給的直流電通過變換裝置INV被轉(zhuǎn)換成三相交流電,通過該轉(zhuǎn)換而得到的交流電被供給到電動發(fā)電機MG2的定子繞組上。由此,電動發(fā)電機MG2被驅(qū)動,并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)輸出。產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)輸出被減速機RG減速后,輸入到差動裝置RDF中。輸入的旋轉(zhuǎn)輸出由差動裝置FDF分配給左右,并分別傳遞到左右的后輪車軸RDS上。由此,后輪車軸RDS被旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。并且,后輪RLW、RRW由于后輪車軸RDS的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動而被旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。
混合動力電動汽車在加速時,通過引擎ENG和電動發(fā)電機MG1驅(qū)動前輪FLW、FRW。另外,本實施例雖然是對混合動力電動汽車在加速時通過引擎ENG和電動發(fā)電機MG1驅(qū)動前輪FLW、FRW的情況進行說明,但也可以通過引擎ENG和電動發(fā)電機MG1驅(qū)動前輪FLW、FRW,通過電動發(fā)電機MG2驅(qū)動后輪RLW、RRW(可實施四輪驅(qū)動行走)。引擎ENG和電動發(fā)電機MG1的旋轉(zhuǎn)輸出,通過動力分配機構(gòu)PSM被輸入到變速機T/M中。輸入的旋轉(zhuǎn)輸出被變速機T/M變速。變速的旋轉(zhuǎn)輸出,通過差動裝置FDF傳遞到前輪車軸FDS上。由此,前輪FLW、FRW被旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。
混合動力電動汽車在再生(regeneration)時(在踩剎車、松油門或停止踩踏油門時等減速時),通過前輪車軸FDS、差動裝置FDF、變速機T/M、動力分配機構(gòu)PSM,將前輪FLW、FRW的旋轉(zhuǎn)力傳遞到電動發(fā)電機MG1中,對電動發(fā)電機MG1進行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。由此,電動發(fā)電機MG1作為發(fā)電機動作。通過該動作,在電動發(fā)電機MG1的定子繞組上會產(chǎn)生三相交流電。該產(chǎn)生的三相交流電被變換裝置INV轉(zhuǎn)換成規(guī)定的直流電。通過該轉(zhuǎn)換獲得的直流電被供給到電池BAT中。由此,電池BAT就被充電。另一方面,通過后輪車軸RDS、差動裝置RDF、減速機RG,將后輪RLW、RRW的旋轉(zhuǎn)力傳遞到電動發(fā)電機MG2,對電動發(fā)電機MG2進行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。由此,電動發(fā)電機MG2作為發(fā)電機動作。通過該動作,在電動發(fā)電機MG2的定子繞組上會產(chǎn)生三相交流電。該產(chǎn)生的三相交流電被變換裝置INV轉(zhuǎn)換成規(guī)定的直流電。由該轉(zhuǎn)換獲得的直流電被供給到電池BAT。由此,電池BAT就被充電。
圖3表示本實施例變換裝置INV的結(jié)構(gòu)。
變換裝置INV如上所述,由電源模塊PMU1、PMU2、驅(qū)動電路裝置DCU1、DCU2和電動機控制裝置MCU構(gòu)成。電源模塊PMU1、PMU2是相同結(jié)構(gòu)的模塊。驅(qū)動電路裝置DCU1、DCU2是相同結(jié)構(gòu)的裝置。
電源模塊PMU1、PMU2,構(gòu)成將從電池BAT供給的直流電轉(zhuǎn)換成交流電,并提供給與其對應(yīng)的電動發(fā)電機MG1、MG2的轉(zhuǎn)換電路(也稱主電路)。此外,轉(zhuǎn)換電路也可以將從對應(yīng)的電動發(fā)電機MG1、MG2供給的交流電轉(zhuǎn)換成直流電,供給電池BAT。
轉(zhuǎn)換電路是電橋電路,三相的串聯(lián)電路在電池BAT的正極側(cè)與負極側(cè)之間并聯(lián)地電連接。串聯(lián)電路也稱為臂(arm),由2個半導體元件構(gòu)成。
臂在每一相上,都為上臂側(cè)的電力半導體元件和下臂側(cè)的電力半導體元件以串聯(lián)的方式電連接構(gòu)成。在本實施例中,作為電力半導體元件,使用了作為開關(guān)半導體元件的IGBT(絕緣柵型雙極晶體管)。構(gòu)成IGBT的半導體芯片,包括集電極、發(fā)射極和柵極這3個電極。在IGBT的集電極和發(fā)射極之間,電連接有另一片不同于IGBT的二極管。以令從IGBT的發(fā)射極朝向集電極的方向為正向的方式,在IGBT的發(fā)射極和集電極之間電連接二極管。另外,作為電力半導體元件,有時不使用IGBT而是使用MOSFET(金屬氧化物半導體型場效應(yīng)晶體管)。這種情況下二極管會被省略。
通過電力半導體元件Tpu1的發(fā)射極與電力半導體元件Tnu1的集電極以串聯(lián)的方式電連接,構(gòu)成電源模塊PMU1的u相臂。v相臂、w相臂也與u相臂同樣構(gòu)成,通過電力半導體元件Tpv1的發(fā)射極與電力半導體元件Tnv1的集電極以串聯(lián)的方式電連接,構(gòu)成電源模塊PMU1的v相臂;通過電力半導體元件Tpw1的發(fā)射極與電力半導體元件Tnw1的集電極以串聯(lián)的方式電連接,構(gòu)成電源模塊PMU1的w相臂。對于電源模塊PMU2,也是以和上述電源模塊PMU1同樣的連接關(guān)系構(gòu)成各相的臂。
電力半導體元件Tpu1、Tpv1、Tpw1、Tpu2、Tpv2、Tpw2的集電極與電池BAT的高電位側(cè)(正極側(cè))電連接。電力半導體元件Tnu1、Tnv1、Tnw1、Tnu2、Tnv2、Tnw2的發(fā)射極與電池BAT的低電位側(cè)(負極側(cè))電連接。
電源模塊PMU1的u相臂(v相臂、w相臂)的中點(各臂的上臂側(cè)電力半導體元件的發(fā)射極與下臂側(cè)電力半導體元件的集電極的連接部分),與電動發(fā)電機MG1的u相(v相、w相)的定子繞組電連接。
電源模塊PMU2的u相臂(v相臂、w相臂)的中點(各臂的上臂側(cè)電力半導體元件的發(fā)射極與下臂側(cè)電力半導體元件的集電極的連接部分),與電動發(fā)電機MG2的u相(v相、w相)的定子繞組電連接。
為了抑制由于電力半導體元件工作而產(chǎn)生的直流電壓的變動,在電池BAT的正極側(cè)與負極側(cè)之間,電連接有平滑用的電解電容器SEC。
驅(qū)動電路裝置DCU1、DCU2,根據(jù)從電動機控制裝置MCU所輸出的控制信號,輸出使電源模塊PMU1、PMU2的各個電力半導體元件工作的驅(qū)動信號,并構(gòu)成使各電力半導體元件工作的驅(qū)動部。由絕緣電源、接口電路、驅(qū)動電路、傳感器電路和緩沖器電路(均省略圖示)等的電路部件構(gòu)成。
電動機控制裝置MCU,是由微計算機構(gòu)成的運算裝置,它輸入多個輸入信號,并向驅(qū)動電路裝置DSU1、DSU2輸出用于使電源模塊PMU1、PMU2的各電力半導體元件工作的控制信號。轉(zhuǎn)矩指令值τ*1、τ*2、電流檢知信號iu1~iw1、iu2~iw2、磁極位置檢知信號θ1、θ2,被作為輸入信號輸入。
轉(zhuǎn)矩指令值τ*1、τ*,是根據(jù)車輛的行駛模式由上位控制裝置輸出的值。轉(zhuǎn)矩指令值τ*1與電動發(fā)電機MG1對應(yīng),轉(zhuǎn)矩指令值τ*2與電動發(fā)電機MG2對應(yīng)。電流檢知信號iu1~iw1,是從變換裝置INV的轉(zhuǎn)換電路向電動發(fā)電機MG1的定子繞組供給的u相~w相的輸入電流的檢知信號,是由變流器(CT)等電流傳感器檢知的信號。電流檢知信號iu2~iw2,是從變換裝置INV向電動發(fā)電機MG2的定子繞組供給的u相~w相的輸入電流的檢知信號,是由變流器(CT)等電流傳感器檢知的信號。磁極位置檢知信號θ1,是電動發(fā)電機MG1的旋轉(zhuǎn)的磁極位置的檢知信號,是通過分相器、編碼器、霍爾元件、霍爾IC等磁極位置傳感器檢知的信號。磁極位置檢知信號θ2,是電動發(fā)電機MG2的旋轉(zhuǎn)的磁極位置的檢知信號,是通過分相器、編碼器、霍爾元件、霍爾IC等磁極位置傳感器檢知的信號。
電動機控制裝置MCU,根據(jù)輸入信號計算電壓控制值,將該電壓控制值作為用于使電源模塊PMU1、PMU2的電力半導體元件Tpu1~Tnw1、Tpu2~Tnw2動作的控制信號(PWM信號(脈寬調(diào)制信號)),向驅(qū)動電路裝置DCU1、DCU2輸出。
一般來說,電動機控制裝置MCU輸出的PWM信號中,時間平均后的電壓形成為正弦波。由于這種情況下,瞬間的最大輸出電壓,是作為變換器的輸入的直流線上的電壓,所以在輸出正弦波電壓的情況下,其有效值就為1/√2。因此,本發(fā)明的混合動力汽車中,為了用限定的變換裝置進一步提高電動機的輸出,就要增加電動機的輸入電壓的有效值。即,MCU的PWM信號要呈矩形波狀地形成為只有ON和OFF。這樣一來,矩形波的峰值就為變換器的直流線的電壓Vdc,其有效值就為Vdc。這是最能夠提高電壓有效值的方法。
但是,矩形波電壓,在低旋轉(zhuǎn)數(shù)區(qū)域會存在由于電感(inductance)小而導致的電流波形混亂的問題,由此電動機上會產(chǎn)生不需要的激振力并發(fā)出噪聲。因此,僅在高速旋轉(zhuǎn)時才使用矩形波電壓控制,并用低頻來進行通常的PWM控制。
圖1和圖2表示本實施例電動發(fā)電機MG1的結(jié)構(gòu)。
本實施例中,以使用嵌入型永磁式三相交流同步機作為電動發(fā)電機MG1的情況為例進行說明。另外,本實施例雖是對電動發(fā)電機MG1的結(jié)構(gòu)進行說明,但電動發(fā)電機MG2也是相同的結(jié)構(gòu)。
如圖2所示,本實施例的電動發(fā)電機MG1,是由定子10;和在該定子10的內(nèi)周側(cè)隔著空隙30相對配置、且被可旋轉(zhuǎn)地保持的轉(zhuǎn)子20構(gòu)成。定子10和轉(zhuǎn)子20被保持在殼體中。殼體在圖示中被省略。
定子10包括定子鐵心11和定子繞組12。定子鐵心11,是將多個磁性體、例如多個硅鋼板在軸方向上疊層形成的部分,由軛部(也稱芯背(core back)部)和齒部(也稱突出部或凸極部)構(gòu)成。軛部,由嵌合在殼體的內(nèi)周側(cè)的圓筒狀的軛芯11a(也稱芯背)構(gòu)成。齒部,從軛芯11a的內(nèi)周側(cè)沿徑方向突出,由以規(guī)定間隔在圓周方向上多數(shù)配置的多個齒芯11b構(gòu)成。在本實施例中,在軛芯11a的內(nèi)周側(cè)形成48個齒芯11b。因此,本實施例中,得到定子磁極的極數(shù)為48極的定子10。
各個相鄰的齒芯11b之間形成有48個槽13,它們在軸方向上連續(xù)且在轉(zhuǎn)子20一側(cè)具有槽開口部13a。48個槽13內(nèi)設(shè)置了槽絕緣(圖示省略),安裝有構(gòu)成定子繞組12的u相~w相的多個相繞組。在本實施例中,作為定子繞組12的纏繞方法,采用了分布纏繞。這里,分布纏繞是如下的繞線方式,即,以相繞組跨越多個槽13收容在2個分離的槽13中的方式,將相繞組纏繞在定子鐵心11上。由于本實施例采用分布纏繞作為繞線方式,因此能有效利用弱勵磁控制和磁阻轉(zhuǎn)矩,不僅對低旋轉(zhuǎn)速度,還可以對直至高旋轉(zhuǎn)速度的較寬的旋轉(zhuǎn)數(shù)范圍進行控制。
轉(zhuǎn)子20包括轉(zhuǎn)子鐵心21和永久磁體22。轉(zhuǎn)子鐵心21,是多個圓環(huán)狀磁性體、例如多個圓環(huán)狀的硅鋼板在軸方向上疊層形成的部分。在轉(zhuǎn)子鐵心21的外周部,形成有8個永久磁體插入孔29,它們在圓周方向上被等間隔地配置,并且從軸方向的一側(cè)端側(cè)貫穿到軸方向的另一側(cè)端側(cè)。由于在疊層前各個圓環(huán)狀的硅鋼板的外周部的相同部位上,形成有相同形狀、相同尺寸、相同數(shù)目的開口部,所以在將圓環(huán)狀硅鋼板疊層后,必然會形成各個永久磁體插入孔29。
對于每個磁極,永久磁體插入孔29在圓周方向上都被分割成2部分。在各磁極的被2分割的永久磁體插入孔29之間設(shè)有橋部28,它將永久磁體插入孔29的處于定子10側(cè)的旋轉(zhuǎn)鐵心21部分、與永久磁體插入孔29的處于轉(zhuǎn)子20的中心軸側(cè)的旋轉(zhuǎn)鐵心21部分,機械地連接起來。橋部28與永久磁體插入孔29同樣,在軸方向上被連續(xù)地設(shè)置。
各永久磁體插入孔29中插入有永久磁體22。從而,可以得到在轉(zhuǎn)子鐵心21的外周側(cè)內(nèi)部嵌入8個永久磁體22的轉(zhuǎn)子20。也就是說,在本實施例中,可以得到轉(zhuǎn)子磁極的極數(shù)為8極的轉(zhuǎn)子20。這樣,在本實施例中,由于轉(zhuǎn)子鐵心21的內(nèi)部嵌入了永久磁體22,因此能夠增加轉(zhuǎn)子20對離心力的強度,得到適于高速旋轉(zhuǎn)的電動發(fā)電機MG1。
對于每個磁極,永久磁體22也與永久磁體插入孔29相一致地在圓周方向上被分割為2部分后,插入到永久磁體插入孔29中。永久磁體22,被在圓周方向上在永久磁體插入孔29中交替插入S極磁體和N極磁體,使得磁極單位中相鄰的磁體彼此互為反極性(相同磁極內(nèi)為相同磁性)。。由此,在各個相鄰的永久磁體22之間的轉(zhuǎn)子鐵心21部分上,形成輔助磁極部25。輔助磁極部25,是構(gòu)成將永久磁體22的磁路繞開(bypass)的磁路的部分,是通過定子10的磁通勢直接使轉(zhuǎn)子20側(cè)上產(chǎn)生磁通的區(qū)域。此外,在各個永久磁體22的外周側(cè)的轉(zhuǎn)子鐵心21部分上,形成磁極片部26。磁極片部26,是構(gòu)成永久磁體22的磁通通過的磁路的區(qū)域。
在本實施例中,由于可以有效利用永久磁體22的磁通所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩、和通過輔助磁極部25的磁通所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩這雙方,因此可以提高電動發(fā)電機MG1的效率。此外,在本實施例中,由于能夠通過輔助磁極部25控制弱勵磁,因此可以擴大電動發(fā)電機MG1的高速運轉(zhuǎn)區(qū)域。再有,在本實施例中,由于磁極片部26是磁性體,因此可以緩和定子磁極的脈動磁通。
作為永久磁體22,可以使用釹類的燒結(jié)磁體或鐵氧體磁體、釹類的粘結(jié)磁體等。永久磁體22的殘留磁通密度,大約是0.4~1.2T左右。永久磁體22,被基本在徑向上磁化。在圓周方向上被2分割的兩個永久磁體22的磁化方向也幾本相同。
轉(zhuǎn)子磁極的每一極,與6個齒芯11b對置。也就是說,轉(zhuǎn)子磁極m與齒芯11b的根數(shù)的關(guān)系是m∶6m(m是自然數(shù))。
在各轉(zhuǎn)子磁極中的永久磁體22的圓周方向兩側(cè)端部上,形成有一對由磁性的空隙部(狹縫部)構(gòu)成的非磁性部24。非磁性部24,是用于緩和各轉(zhuǎn)子磁極中的永久磁體22的圓周方向兩端部與輔助磁極部25之間的、永久磁體22的磁通密度分布的傾向的部分,與永久磁體插入孔29一體化形成,在永久磁體22被插入到永久磁體插入孔29中時,形成為與永久磁體22的圓周方向端部相鄰接。非磁性部24也與永久磁體插入孔29同樣,從軸方向的一方貫穿到另一方??梢栽诜谴判圆?4內(nèi)填充清漆(varnish)等填充材料。設(shè)置了非磁性部24的本實施例,能夠減少齒槽轉(zhuǎn)矩(cogging torque)。另外,非磁性部24的形成,可以使磁極片部26與輔助磁極部25間的邊界上形成的磁路部27的徑向上的尺寸,比永久磁體22的徑向上的寬度小,可以減少永久磁體22的漏磁通。實際上,磁路部27的徑向上的尺寸,是永久磁體22的徑向上的寬度的一半以下。
非磁性部24做成梯形形狀,轉(zhuǎn)子20的中心軸側(cè)邊部的長度,比其定子10側(cè)邊部短。此外,在連結(jié)定子10側(cè)邊部和轉(zhuǎn)子20的中心軸側(cè)邊部的輔助磁極部25側(cè)斜邊部、與定子10側(cè)邊部之間形成的角部上,用具有規(guī)定曲率半徑的r,使其形狀成為圓弧狀。這樣一來,可以緩和因轉(zhuǎn)子20的旋轉(zhuǎn)帶來的離心力,作用在連結(jié)定子10側(cè)邊部和轉(zhuǎn)子20的中心軸側(cè)邊部的輔助磁極部25側(cè)斜邊部、與定子10側(cè)邊部之間形成的角部上的應(yīng)力集中。
在轉(zhuǎn)子20的軸方向一側(cè)端側(cè)的旋轉(zhuǎn)軸上,設(shè)有用于檢知轉(zhuǎn)子20的磁極(永久磁體22)位置的磁極位置檢知器(分相器)、和用于檢知轉(zhuǎn)子20的位置的編碼器。從它們中輸出的檢出信號,被輸入到上述變換裝置INV的電動機控制裝置MCU中。變換裝置INV,根據(jù)輸入的檢出信號和上位控制裝置等輸出的指令信號等進行運算,控制應(yīng)該施加在電動發(fā)電機MG1的定子繞組12上的電壓。變換裝置INV控制的電壓施加在電動發(fā)電機MG1的定子繞組12上,使其作為電動機而被驅(qū)動。
圖5表示在定子繞組12不通電的無負荷狀態(tài)下轉(zhuǎn)子20的永久磁體22產(chǎn)生的磁通的流路。當電動發(fā)電機MG1在無負荷狀態(tài)下被旋轉(zhuǎn)時,定子繞組12上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。也就是說,感應(yīng)電壓是這樣產(chǎn)生的,即,永久磁體22的磁通通過轉(zhuǎn)子20的旋轉(zhuǎn)而制造出旋轉(zhuǎn)磁場,由此帶來的磁通一邊變化一邊與定子繞組12交鏈。
如果觀察一對磁路部27中的永久磁體22的磁通的流路就會清楚,雖然在與定子10接近的部分上,磁通從轉(zhuǎn)子20側(cè)出到定子10側(cè),但在與之相比更為內(nèi)側(cè)的區(qū)域上,磁通轉(zhuǎn)入到轉(zhuǎn)子鐵心21內(nèi)部,沒有出到定子10側(cè),形成了漏磁通。
雖然一般來說,由于永久磁體22的磁通從N極轉(zhuǎn)入到S極,所以被鐵心圍繞的磁通不出到轉(zhuǎn)子20以外,但通過減小磁路部27在徑向上的寬度,可以使該部分的磁通密度飽和,并能夠通過空隙30使磁通從轉(zhuǎn)子20側(cè)到達定子10側(cè)。由于轉(zhuǎn)子鐵心21是鐵制的,所以其飽和磁通密度大約是2T。這里,如果將永久磁體22的殘留磁通密度設(shè)為約1T左右,那么當從永久磁體22的圓周方向端部起的圓周方向?qū)挾葂大約是磁路部27的徑向上的寬度y的2倍時,磁路部27的磁通密度就會飽和。也就是說,如果將永久磁體22的圓周方向上的寬度設(shè)為w,則有效傳遞到定子10側(cè)的永久磁體22的磁通Φ,就為下述關(guān)系式所示的永久磁體22的圓周方向?qū)挾炔糠值拇磐ā?br>
Φ∝w-x=w-2×y永久磁體22,比一對飽和的磁路部27更靠內(nèi)側(cè)。從而,從轉(zhuǎn)子20出去的永久磁體22的磁通,會根據(jù)一對磁路部27處于轉(zhuǎn)子20的圓周方向上的哪個位置而改變。
圖6表示圖1的轉(zhuǎn)子磁極的1磁極部分的空隙30中的永久磁體22的磁通密度B的徑向成分Br的分布。圖6將圖1的轉(zhuǎn)子磁極的1個磁極部分的空隙30的圓周方向位置(機械角θ)作為橫軸,將永久磁體22的磁通密度B的徑向成分Br作為縱軸。另外,圖6的分布圖中,永久磁體22的磁通密度B的徑向成分Br的分布的5個c點處,是最低值。這是由于該部分與槽開口部13a的位置分別對應(yīng)。
由圖6的分布圖可知,永久磁體22的磁通密度B的徑向成分Br的分布形狀,大致呈梯形形狀。而且,永久磁體22的磁通密度B的徑向成分Br的分布的A點、即相當于梯形的兩個底角的部分的位置,與一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值膱A周方向位置相一致。根據(jù)以上情況可知,一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值膱A周方向位置,決定了空隙30中的永久磁體22的磁通密度分布。
圖7表示定子繞組12中感應(yīng)的感應(yīng)電壓的波形。另外,圖7假定了以下的情況,即,空隙30中的永久磁體22的磁通密度分布是梯形形狀,對應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極的1個磁極的定子繞組12的圓周方向上的寬度Cp,與永久磁體22的圓周方向?qū)挾?節(jié)距)τp相同。在定子繞組12上交鏈的磁通,是永久磁體22的磁通密度B的徑向成分Br的半周不部分的積分,是磁通Φ。而且,磁通Φ的微分是感應(yīng)電壓E。此外,空隙30的永久磁體22的磁通密度的空間積分后的Φ的時間微分,是感應(yīng)電壓。因此,這種情況下可知,空隙30的永久磁體22的磁通密度的空間分布、與感應(yīng)電壓的時間變化的波形相同。也就是說,感應(yīng)電壓的波形,為空隙30的永久磁體22的磁通密度分布的投影。
根據(jù)以上情況可知,通過改變空隙30中的永久磁體22的磁通密度的空間分布,可以調(diào)節(jié)感應(yīng)電壓的波形。因此,在本實施例中,調(diào)節(jié)一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠衷趫A周方向上的位置,就調(diào)節(jié)了感應(yīng)電壓的波形。由于在前述的背景技術(shù)中,不同于本實施例,是用永久磁體的定子側(cè)的圓周方向?qū)挾葋頉Q定感應(yīng)電壓的波形,因此對具有一對非磁性部24的轉(zhuǎn)子20來說,不能直接應(yīng)用。
此外,在本實施例中,永久磁體22的圓周方向?qū)挾葁,與一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值膱A周方向位置,是獨立的關(guān)系。因此,在本實施例中,設(shè)計的自由度變大,通過調(diào)節(jié)永久磁體22的圓周方向?qū)挾葁,可以調(diào)節(jié)感應(yīng)電壓的基本波成分的大小。這一點對于車輛驅(qū)動用的永磁式旋轉(zhuǎn)電機來說是非常重要的特征。
對混合動力車輛的拖動損耗進行說明。就拖動損耗而言主要的問題在于,通過磁體的磁通與定子交鏈,芯上產(chǎn)生的鐵損。由于它在電動機不被用于驅(qū)動或發(fā)電的情況下也發(fā)生,因此會使車輛的耗油量惡化。因此,要求車輛用電動機中,拖動損耗要少。
眾所周知,鐵損大致是與磁通密度的1.6~2次方成比例。定子的平均磁通密度與磁體的圓周方向的長度成比例。所以,鐵損就與磁體的圓周方向的長度的1.6~2次方成比例。因此,如果像以往那樣決定磁體寬度來調(diào)節(jié)感應(yīng)電壓波形,那么在希望控制拖動損耗的情況下,就要選取小的磁體寬度。這是現(xiàn)有技術(shù)的問題。
嵌入磁體式電動機的轉(zhuǎn)矩,是磁體轉(zhuǎn)矩與磁阻轉(zhuǎn)矩的總合。雖然磁體轉(zhuǎn)矩如上所述,與磁體寬度成比例,但磁阻轉(zhuǎn)矩是由縱軸(d軸)電感Ld與橫軸(q軸)電感Lq的差產(chǎn)生。對于嵌入磁體電動機而言,一般滿足Lq>Ld。這是因為,磁體的透磁率幾乎與空氣相等,所以作為磁體方向的d軸電感的磁阻很大。另一方面,q軸電感是磁體間的輔助凸極上流動的磁通。因此,如果磁體小,就不能降低d軸方向的磁阻,因而不能降低d軸電感。這樣一來,磁阻轉(zhuǎn)矩有時會變得很小。
而另一方面,由于本發(fā)明中,將由磁體兩端的非磁性部形成的最小磁路部的開角取得較大,可以將d軸電感保持得較小,所以可以將由d軸和q軸的電感差所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩保持得較大。在專利第3508887號所示的方法中,雖然磁體的兩端有較小的磁隙,但它到底是用于磁體端部的應(yīng)力緩和的輔助結(jié)構(gòu),與像本發(fā)明這樣,為充分發(fā)揮磁阻轉(zhuǎn)矩而令其足夠大的本發(fā)明有本質(zhì)上的不同。本發(fā)明中,從磁體的角部起有直線部,其前端設(shè)有角R,且規(guī)定角部包含曲率的發(fā)明要點,與其不同。
為了與引擎ENG協(xié)調(diào),必須對不同車輛設(shè)計最適合的電動發(fā)電機MG1。因此,像本實施例這樣的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)非常重要。例如,由于在商用車和乘用車中旋轉(zhuǎn)數(shù)區(qū)域不同,所以感應(yīng)電壓值也會變化,電動發(fā)電機MG1和引擎ENG之間的驅(qū)動力分擔率也會改變。因此,對于每個引擎來說,需要些許不同的電動發(fā)電機MG1。在上述的背景技術(shù)當中,由于一對磁路部的最小徑向?qū)挾炔糠值膱A周方向位置、與永久磁體的定子側(cè)的圓周方向?qū)挾纫恢拢杂行Т磐ǖ谋壤脖晃ㄒ坏貨Q定,設(shè)計自由度很小。但是,在本實施例中,永久磁體22的圓周方向?qū)挾葁、與一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值膱A周方向上的位置是獨立關(guān)系,所以可以用永久磁體22的圓周方向?qū)挾葁來決定有效磁通的比例(感應(yīng)電壓的基本波成分的大小),用一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值膱A周方向位置來決定感應(yīng)電壓的峰值,設(shè)計的自由度很大。
在車輛中,由于車內(nèi)可使用的電力有限,所以盡量通過小而輕的系統(tǒng)來獲得較高輸出是很重要的。圖8表示混合動力汽車驅(qū)動用電動機所要求的速度-轉(zhuǎn)矩特性。與通常的伺服電動機等相比,該電動機被要求低速且大轉(zhuǎn)矩,并且需要直至高速還能維持高輸出。
電動發(fā)電機MG1的定子繞組12,用取中性點的Y結(jié)線方式接線,并與變換裝置INV的電源模塊PMU1的電力半導體元件電連接。因此,在設(shè)計電動發(fā)電機MG1時,需要考慮電力半導體元件和電容器SEC對感應(yīng)電壓的耐壓,避免在出現(xiàn)異常時或車輛滑行時,被車輪拖動而產(chǎn)生的感應(yīng)電壓超過它們的耐壓。尤其,電力半導體元件的耐壓由感應(yīng)電壓的峰值決定,即使出現(xiàn)異常時也不能超越。此外,電力半導體元件具有電流容量,額定電流小的電力半導體元件的外部尺寸也很小。對于混合動力汽車來說,輕量化是很重要的,因而優(yōu)選利用額定電流小的電力半導體元件,所以,電流容量也會受到限制。
另一方面,雖然為了得到高輸出,在使用永久磁體的電動發(fā)電機MG1中,需要最大限度地有效地使用永久磁體的磁通,但由于永久磁體的磁通一旦增加,感應(yīng)電壓也會增加,所以需要限制感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓的波形不依賴于電動發(fā)電機MG1的旋轉(zhuǎn)數(shù),感應(yīng)電壓的振幅與電動發(fā)電機MG1的旋轉(zhuǎn)數(shù)成比例。由于電力半導體元件的耐壓是感應(yīng)電壓的峰值電壓所決定的,所以在實際的設(shè)計當中,需要進行這樣的設(shè)計,在電動發(fā)電機MG1的最大旋轉(zhuǎn)時制約感應(yīng)電壓的峰值。由圖9可知,感應(yīng)電壓的基本波與感應(yīng)電壓的峰值電壓值,保持著一定比與旋轉(zhuǎn)電機的旋轉(zhuǎn)數(shù)成比例地增加。
另外,電動發(fā)電機MG1的輸出與從變換裝置INV輸入的電壓和電流的基本波成分成比例。雖然高頻成分形成脈動,但與平均輸出無關(guān)。此外,在使用永久磁體的電動發(fā)電機MG1的情況下,轉(zhuǎn)矩與電流成比例。因此,如果感應(yīng)電壓的峰值與感應(yīng)電壓的基本波的比很大,則必須將感應(yīng)電壓的基本波設(shè)計得較低。用于混合動力汽車的電動發(fā)電機MG1中,需要低速且輸出大轉(zhuǎn)矩,然而若被高速時的感應(yīng)電壓限制所制約而較低地設(shè)計電動發(fā)電機MG1的感應(yīng)電壓的基本波的電壓,則在低速時從變換裝置INV供給的電壓就會變低,從變換裝置INV供給的電流就會變大。因此,不能使用小型輕量的電力半導體元件。因此,本實施例中,盡量提高了感應(yīng)電壓的基本波的電壓,并將感應(yīng)電壓的峰值電壓抑制得較低。
在本實施例中,通過試驗,確認了能夠盡量提高感應(yīng)電壓的基本波的電壓、且能夠?qū)⒏袘?yīng)電壓的峰值電壓抑制得較低的最佳尺寸。其結(jié)果表示在圖10至圖15中。就電動發(fā)電機MG1而言,轉(zhuǎn)子20的磁極的極數(shù)是8;定子20的齒芯11b(槽13)的個數(shù)是48;轉(zhuǎn)子磁極的每一磁極的角度是機械角45°。對此,改變一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值膱A周方向位置的開角角度θ(對轉(zhuǎn)子20的中心軸的開角角度(機械角))來計算感應(yīng)電壓的波形。
圖10和圖11,是將永久磁體22的定子20側(cè)的圓周方向?qū)挾认鄬τ谵D(zhuǎn)子20中心軸所呈的角度Φ,設(shè)為一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值拈_角角度θ的0.7倍的情況。根據(jù)圖10可知,在一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值拈_角角度θ為32°到34°的情況下,感應(yīng)電壓的峰值電壓值變高,而在一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值拈_角角度θ為28°和42°的情況下,感應(yīng)電壓的峰值電壓值被抑制得較小。另外,這時,永久磁體22的定子20側(cè)的圓周方向?qū)挾鹊慕嵌圈禐?9.6°和29.4°。
圖11表示圖10的感應(yīng)電壓的基本波成分與感應(yīng)電壓的峰值的比(抑尖率)。抑尖率越大,感應(yīng)電壓的基本波的含有的比例越大,能夠加大感應(yīng)電壓的基本波成分的電壓。由圖11可知,當一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值拈_角角度θ為28°和42°時,感應(yīng)電壓的基本波的含有比例變大。
圖12和圖13,是將永久磁體22的定子20側(cè)的圓周方向?qū)挾认鄬τ谵D(zhuǎn)子20的中心軸所呈的角度Φ,設(shè)為一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值拈_角角度θ的0.8倍的情況。在這種情況下,當一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值拈_角角度θ為26°~28°和38°~42°時,感應(yīng)電壓的峰值電壓值被抑制得較小,抑尖率也變大。另外,這時,永久磁體22的定子20側(cè)的圓周方向?qū)挾鹊慕嵌圈禐?0.8°~22.4°、30.4°~33.6°。
圖14和圖15,是將永久磁體22的定子20側(cè)的圓周方向?qū)挾认鄬τ谵D(zhuǎn)子20的中心軸所呈的角度Φ,設(shè)為一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值拈_角角度θ的0.9倍的情況。在這種情況下,當一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值拈_角角度θ為26°和38°~42°時,感應(yīng)電壓的峰值電壓值被抑制得較小,抑尖率也變大。另外,這時,永久磁體22的定子20側(cè)的圓周方向?qū)挾鹊慕嵌圈禐?3.4°、34.2°~37.8°。
另外,如果將永久磁體22的定子20側(cè)的圓周方向?qū)挾认鄬τ谵D(zhuǎn)子20的中心軸所呈的角度Φ,設(shè)得比一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值拈_角角度θ的0.7倍還小,那么永久磁體22的有效磁通就會過于減少。另一方面,如果比0.9倍大,那么一對非磁性部24的效果就會變得過小。因此,為了得到滿足適于驅(qū)動混合動力汽車的特性的電動發(fā)電機MG1,優(yōu)選將永久磁體22的定子20側(cè)的圓周方向?qū)挾认鄬τ谵D(zhuǎn)子20的中心軸所呈的角度Φ,設(shè)為一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值拈_角角度θ的0.7倍~0.9倍。最優(yōu)選的是,為一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值拈_角角度θ的0.85倍。
綜上所述,為了得到滿足適于驅(qū)動混合動力汽車的特性的電動發(fā)電機MG1,可以將一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值拈_角角度θ設(shè)為26°~28°或38°~42°,將永久磁體22的定子20側(cè)的圓周方向?qū)挾认鄬τ谵D(zhuǎn)子20的中心軸所呈的角度Φ,設(shè)為19.6°~23.4°或29.4°~37.8°。
另外,上述角度都是機械角。當用電角表示它們的時候,由于轉(zhuǎn)子20的磁極數(shù)為8極,所以將它們變?yōu)?倍即可。根據(jù)以上可知,一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值拈_角角度θ,為電角104°~112°或電角152°~168°。永久磁體22的定子20側(cè)的圓周方向?qū)挾认鄬τ谵D(zhuǎn)子20的中心軸所呈的角度Φ,就是電角72.8°~100.8°或106.4°~151.2°。
此外,如果將一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值拈_角角度θ變?yōu)橐话闶降脑?,就可以通過下式表示。
θ(n+0.5)×τs(n是自然數(shù))另外,τs是相鄰的齒芯11a的中心軸間的圓周方向節(jié)距,表示對轉(zhuǎn)子20的中心軸所呈的角度。
在以上的本實施例的說明當中,雖然對8極48槽的電動發(fā)電機MG1進行了說明,但在轉(zhuǎn)子20的磁極的極數(shù)m與齒芯11a的個數(shù)的關(guān)系是m∶6m(m是自然數(shù))的旋轉(zhuǎn)電機中,上述角度總是同樣成立的。
由于混合動力汽車驅(qū)動用的電動發(fā)電機MG1,最大以10000rpm左右的高速轉(zhuǎn)動,所以需要對作用于轉(zhuǎn)子的離心力有足夠的強度。在像以往那樣不分割永久磁體的永磁式旋轉(zhuǎn)電機中,如圖16的左側(cè)那樣,離心力對永久磁體在箭頭方向上作用,應(yīng)力集中在徑向上尺寸最小的磁路部27上。雖然從磁性的角度出發(fā),優(yōu)選減小磁路部27的徑向?qū)挾葃,以減小永久磁體的漏磁通,但由于受到這種機械制約,所以不能使磁路部27太窄。因此,以往的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中,磁路部27中的永久磁體的漏磁通很多,旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)矩相應(yīng)變小。
與此相對,本實施例中,按照轉(zhuǎn)子20的磁極單位,將永久磁體22在圓周方向上分割為2部分,在它們之間設(shè)置上述的橋部28,緩和了應(yīng)力集中。這里,在將作用于磁路部27上的離心力設(shè)為F、將永久磁體22的重量設(shè)為m、將轉(zhuǎn)子20的旋轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)為N時,就有F∝1/2mN2如果將磁路部27的徑向?qū)挾仍O(shè)為y,那么作用于磁路部27上的應(yīng)力S就為,S∝1/y。
由于在將永久磁體22在圓周方向上分割為2部分的情況下,永久磁體22的重量變?yōu)橐话?,因此離心力F也會變?yōu)橐话?。從而,如果同樣保持離心力下的應(yīng)力F,可以使磁路部27的徑向?qū)挾茸優(yōu)橐话搿?br>
此外,如果將轉(zhuǎn)子鐵心21的飽和磁通密度設(shè)為2T、將永久磁體22的殘留磁通密度設(shè)為1T,那么在磁路部27中,磁路部27的徑向?qū)挾葃的2倍的永久磁體圓周方向?qū)挾炔糠值拇磐?,就會漏在轉(zhuǎn)子鐵心21內(nèi)部。該漏磁處于永久磁體22的圓周方向上的兩端。如果考慮上述的永久磁體22的有效磁通Φ的關(guān)系式,那么在以往的永磁式旋轉(zhuǎn)電機中,有效磁通Φ1就為Φ1∝w-2×(2×y)=w-4×y。
另一方面,在本實施例的電動發(fā)電機MG1中,永久磁體的磁通也會漏在橋部28中。這里,如果設(shè)橋部28的圓周方向?qū)挾葹閥/2,那么本實施例的電動發(fā)電機MG1中,有效磁通Φ2就為Φ2∝w-3×(2×y/2)=w-3×y。
其結(jié)果,本實施例的電動發(fā)電機MG1中,永久磁體22的漏磁通能夠減少。由此,本實施例中,可以在緩和離心力引起的應(yīng)力集中的同時,獲得高于現(xiàn)有的永磁式旋轉(zhuǎn)電機的輸出。
另外,在本實施例中,雖然將橋部28的圓周方向?qū)挾仍O(shè)為y/2,但是實際上可以減得更小。也就是說,作用在磁路部27上的應(yīng)力是彎曲應(yīng)力,另一方面,作用在橋部28上的應(yīng)力是拉伸應(yīng)力。作為金屬材料的特性,拉抻強度比彎曲強度要大。因此,實際的橋部28的圓周方向?qū)挾龋梢员却怕凡?7的徑向?qū)挾刃 ?br>
另外,由于橋部28的飽和磁路較長,所以即使是相同的磁路寬度,也可以比磁路部27形成更大的磁阻。這樣,實際的漏磁通就會進一步減少。為了加大磁路部27的磁阻,加大磁路部27的圓周方向上的長度,這樣一來,非磁性部在轉(zhuǎn)子圓周方向上就會等價地增加,對于轉(zhuǎn)矩無效的部分也就增加了。此外,還不能確保永久磁體22的圓周方向?qū)挾取R虼?,作為確保轉(zhuǎn)子強度的同時還要增加磁阻的方法,加大橋部28的徑向上的長度是很有效的。
另外,通過設(shè)置橋部28會帶來綜合效果。對于每個使用永磁式旋轉(zhuǎn)電機的系統(tǒng)而言,永磁式旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子外徑和定子外徑中都存在最佳值。但是,如果在轉(zhuǎn)子強度上存在制約,就必須減小轉(zhuǎn)子直徑以削弱離心力。這樣一來,永磁旋轉(zhuǎn)電機的綜合特性就會降低。而在本實施例中,通過橋部28的效果,可以提高電動發(fā)電機MG1的綜合特性。
如上所述,在本實施例中,將非磁性部24的形狀設(shè)為梯形。這樣,在本實施例中,如圖17所示,當將非磁性部24的定子10側(cè)的邊部長度設(shè)為a,轉(zhuǎn)子20的中心軸側(cè)的邊部長度設(shè)為b時,則有b/a≤1其結(jié)果,本實施例中,可以增加磁阻轉(zhuǎn)矩,以下使用圖17至圖20來說明這一理由。
磁阻轉(zhuǎn)矩,由d軸磁通和q軸磁通的流動難易程度的差而產(chǎn)生。這里,將永久磁體嵌入轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部的永磁旋轉(zhuǎn)電機中,由于在d軸方向上存在透過率系數(shù)幾乎與空氣相等的永久磁體,所以d軸磁通很難流動。另一方面,由于在q軸方向上存在鐵心的輔助磁極部25,所以q軸磁通容易流動。
圖18表示在將一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值拈_角角度θ設(shè)為機械角38°的情況下的磁通的流路。該磁通是在定子繞組12中流動的電流所產(chǎn)生的磁通,表示產(chǎn)生有磁阻轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)下的磁通流。圖18的左側(cè)是圖17中定義的b/a為1.0的情況,右側(cè)是為0的情況。由于在b/a=1的情況下,非磁性部24的轉(zhuǎn)子20的中心軸側(cè),與圓周方向上鄰接的另一磁極接近,所以磁通的流路歪斜且磁通密度也很高。因此,在圖18左側(cè)的情況中,q軸磁通難以通過,磁阻轉(zhuǎn)矩就相應(yīng)變小。另一方面,由于在b/a=0的情況下,非磁性部24被削成三角形,所以磁通的流路平滑,q軸磁通變多。因此,b/a=0的情況與b/a=1的情況相比,磁阻轉(zhuǎn)矩增大約20%。
圖19表示將一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值拈_角角度θ設(shè)為機械角28°的情況下的磁通流路。圖19的左側(cè)是圖17中定義的b/a為0.8的情況,右側(cè)是為0的情況。在這種情況下,磁阻轉(zhuǎn)矩在b/a=0.8的情況下最大。另一方面,雖然在b/a=0的情況下,q軸磁通容易流動,但是由于一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值拈_角角度θ很小,因此d軸磁通也容易流動,從而d軸磁通增加的量使得磁阻轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減少。
圖20表示出對以上關(guān)系的總結(jié)。由圖20可知,通過將一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值拈_角角度θ設(shè)為機械角38°,并令b/a≤1,可以增加磁阻轉(zhuǎn)矩。特別優(yōu)選將b/a設(shè)為0~0.3。
此外,在本實施例中,如圖17所示,非磁性部24的徑向?qū)挾?,比永久磁體插入孔29的徑向?qū)挾刃×藌的量。由此,永久磁體插入孔29的圓周方向的兩端部上形成邊緣。從而,在將永久磁體22插入到永久磁體插入孔29中時,就可以有效利用該邊緣,使永久磁體22容易地固定在永久磁體插入孔29中。
圖21和圖22表示變形例。在該變形例中,圓周方向上分割為2部分的永久磁體22以如下方式配置在轉(zhuǎn)子鐵心21內(nèi)部,即,令圓周方向上分割為2部分的永久磁體22的磁極中央側(cè),比磁極端部側(cè)更靠近定子10側(cè)。由此可以降低磁路部27的曲率,進一步緩和應(yīng)力集中。如果圓周方向上分割為2部分的永久磁體22,處于直線上、或者中央向內(nèi)徑側(cè)傾斜地形成V字型的話,那么作用于永久磁體22上的離心力,就會集中在更靠外的外周側(cè),對磁路部27的應(yīng)力集中變大。但是,由于通過像本例這樣地傾斜,橋部28比磁路部27更靠向定子10側(cè),因而,磁路部27與橋部28所承受的離心力接近均勻,能夠進一步減小應(yīng)力集中。
另外,在圖21的例子中,圓周方向上分割為2部分的永久磁體22的磁極中央側(cè)端部上,形成有磁性空隙構(gòu)成的非磁性部40、41。
圖23至圖26表示變形例。在圖23的變形例當中,除了橋部28,還在永久磁體22的圓周方向兩端部與非磁性部24之間設(shè)有橋部44。在圖24的變形例中,永久磁體22在圓周方向上被分割為3部分,彼此之間設(shè)有橋部28。圖25的變形例中,永久磁體22的圓周方向兩端部與非磁性部24之間設(shè)有橋部44。圖26的變形例中,將永久磁體22以如下方式配置在轉(zhuǎn)子鐵心21內(nèi)部,即將圖24的變形例與圖21和圖22同樣地偏向定子10側(cè)。任何一個變形例通過增加橋,都能夠縮小磁路部27的徑向?qū)挾?,能夠增加永久磁體22的有效磁通。
下面,利用圖27~圖38,說明以集中纏繞作為定子繞組的纏繞方法的情況下的另一實施例。
首先,利用圖27和圖28,說明本發(fā)明的另一個實施例下的20極24齒的集中纏繞的電動發(fā)電機MG1的結(jié)構(gòu)。另外,變換裝置的電路結(jié)構(gòu)與圖3相同。應(yīng)用本實施例的電動發(fā)電機的混合動力汽車的結(jié)構(gòu),與圖4相同。
圖27是表示作為本發(fā)明另一個實施例的電動發(fā)電機MG1的結(jié)構(gòu)的截面圖。圖28是表示作為本發(fā)明另一個實施例的電動發(fā)電機MG1的結(jié)構(gòu)的截面圖,是圖27的關(guān)鍵部分的放大截面圖。
在本實施例中,以使用嵌入型永磁式三相交流同步機作為電動發(fā)電機MG1的情況為例進行說明。另外,本實施例雖是對電動發(fā)電機MG1的結(jié)構(gòu)進行說明,但電動發(fā)電機MG2也是相同的結(jié)構(gòu)。
如圖27所示,本實施例的電動發(fā)電機MG1,是由定子10;和在該定子10的內(nèi)周側(cè)隔著空隙30(圖28)相對配置、且被可旋轉(zhuǎn)地保持的轉(zhuǎn)子20構(gòu)成。定子10和轉(zhuǎn)子20被保持在殼體中。殼體在圖示中被省略。
定子10包括定子鐵心11和定子繞組12。定子鐵心11,是將多個磁性體、例如多個硅鋼板在軸方向上疊層形成的部分,由軛部(也稱芯背部)和齒部(也稱突出部或凸極部)構(gòu)成。軛部由嵌合在殼體的內(nèi)周側(cè)的圓筒狀軛芯11a(也稱芯背部)構(gòu)成。齒部從軛芯11a的內(nèi)周側(cè)向徑向突出,由多個以規(guī)定間隔在圓周方向上多數(shù)配置的齒芯11b構(gòu)成。在本實施例中,在軛芯11a的內(nèi)周側(cè)上形成有24個齒芯11b。
各個相鄰的齒芯11b之間,形成有24個槽13(圖28),它們在軸方向上連續(xù)、且在轉(zhuǎn)子20側(cè)具有槽開口部13a(圖28)。24個槽13內(nèi)設(shè)置有槽絕緣(圖示省略),安裝有構(gòu)成定子繞組12的u相~w相的多個相繞組。在本實施例中,作為定子繞組12的纏繞方法,采用了集中纏繞。這里,集中纏繞是一種將定子繞組集中纏繞在一個齒的周圍的方式,它是以相繞組被收容在齒的兩側(cè)的2個槽13中的方式,來使相繞組纏繞在定子鐵心11上的繞線方式。本實施例中,由于采用集中纏繞作為繞線方式,因此與分布纏繞相比,可以縮短定子繞組的線圈端部的長度,從而能夠縮短旋轉(zhuǎn)電機的軸方向上的長度,使旋轉(zhuǎn)電機小型化。
轉(zhuǎn)子20包括轉(zhuǎn)子鐵心21和永久磁體22。轉(zhuǎn)子鐵心21,是多個圓環(huán)狀的磁性體、例如多個圓環(huán)狀的硅鋼板在軸方向上疊層形成的部分。在轉(zhuǎn)子鐵心21的外周部上,形成有20個永久磁體插入孔29,它們在圓周方向上被等間隔地配置、并且從軸方向一側(cè)端側(cè)貫穿到軸方向另一側(cè)端側(cè)。通過在疊層前在各個圓環(huán)狀的硅鋼板的外周部的相同部位上,形成好相同形狀、相同尺寸、相同數(shù)目的開口部,從而在將圓環(huán)狀的硅鋼板疊層后,必然會形成各個永久磁體插入孔29。
根據(jù)以上結(jié)構(gòu),就構(gòu)成了轉(zhuǎn)子的永久磁體極數(shù)為20極、且定子齒數(shù)為24個的20極24齒的集中纏繞的永磁體內(nèi)置式旋轉(zhuǎn)電機。
下面,如圖28詳細所示,對每個磁極,永久磁體插入孔29在圓周方向上被分割成2部分。在各磁極的被2分割為的永久磁體插入孔29之間,設(shè)有橋部28,它將永久磁體插入孔29的位于定子10側(cè)的轉(zhuǎn)子鐵心21部分、與永久磁體插入孔29的位于轉(zhuǎn)子20的中心軸側(cè)的轉(zhuǎn)子鐵心21部分,機械地連接起來。橋部28與永久磁體插入孔29同樣,在軸方向上連續(xù)地設(shè)置。
各個永久磁體插入孔29中,插入有永久磁體22。從而,可以得到在轉(zhuǎn)子鐵心21的外周側(cè)內(nèi)部嵌入被2分割的20個永久磁體22的轉(zhuǎn)子20。也就是說,在本實施例中,可以得到轉(zhuǎn)子磁極的極數(shù)為20極的轉(zhuǎn)子20。這樣,在本實施例中,由于轉(zhuǎn)子鐵心21內(nèi)部嵌入了永久磁體22,所以轉(zhuǎn)子20對離心力的強度就增加了,因而可以得到適于高速旋轉(zhuǎn)的電動發(fā)電機MG1。
對于每個磁極,永久磁體22也與永久磁體插入孔29相一致地在圓周方向上被分割為2部分,插入到永久磁體插入孔29中。永久磁體22,在圓周方向上在永久磁體插入孔29中S極磁體和N極磁體被交替插入,使得磁極單位上相鄰的磁體彼此互為反極性(相同磁極內(nèi)為相同磁性)。由此,在各個相鄰的永久磁體22之間的轉(zhuǎn)子鐵心21部分上,形成輔助磁極部25。輔助磁極部25,是構(gòu)成將永久磁體22的磁路繞過的磁路的部分,是通過定子10的磁通勢,直接在轉(zhuǎn)子20側(cè)上產(chǎn)生磁通的區(qū)域。此外,在各個永久磁體22的外周側(cè)的轉(zhuǎn)子鐵心21部分上,形成磁極片部26。磁極片部26,是構(gòu)成永久磁體22的磁通通過的磁路的區(qū)域。
在本實施例中,由于可以有效利用永久磁體22的磁通所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩、和由通過輔助磁極部25的磁通所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩這雙方,因此可以提高電動發(fā)電機MG1的效率。此外,在本實施例中,由于能夠通過輔助磁極部25實施弱勵磁控制,所以可以擴大電動發(fā)電機MG1的高速運轉(zhuǎn)區(qū)域。另外,在本實施例中,由于磁極片部26是磁性體,所以可以緩和定子磁極的脈動磁通。
作為永久磁體22,可以使用釹類的燒結(jié)磁體或鐵氧體磁體、釹類的粘結(jié)磁體等。永久磁體22的殘留磁通密度,大約是0.4~1.2T左右。永久磁體22,被基本在徑向上磁化。在圓周方向上被2分割的兩個永久磁體22的磁化方向也幾本相同。
在各轉(zhuǎn)子磁極中的永久磁體22的圓周方向兩側(cè)端部上,形成有一對由磁性的空隙部(狹縫部)構(gòu)成的非磁性部24。非磁性部24,是用于緩和各轉(zhuǎn)子磁極中的永久磁體22的圓周方向兩端部與輔助磁極部25之間的、永久磁體22的磁通密度分布的傾向的部分,與永久磁體插入孔29一體化形成,在永久磁體22被插入到永久磁體插入孔29中時,形成為與永久磁體22的圓周方向端部相鄰接。非磁性部24也與永久磁體插入孔29同樣,從軸方向的一方貫穿到另一方??梢栽诜谴判圆?4內(nèi)填充清漆(varnish)等填充材料。設(shè)置了非磁性部24的本實施例,能夠減少齒槽轉(zhuǎn)矩(cogging torque)。另外,非磁性部24的形成,可以使磁極片部26與輔助磁極部25間的邊界上形成的磁路部27的徑向上的尺寸,比永久磁體22的徑向上的寬度小,可以減少永久磁體22的漏磁通。實際上,磁路部27的徑向上的尺寸,是永久磁體22的徑向上的寬度的一半以下。
非磁性部24做成梯形形狀,轉(zhuǎn)子20的中心軸側(cè)邊部的長度,比其定子10側(cè)邊部短。此外,在連結(jié)定子10側(cè)邊部和轉(zhuǎn)子20的中心軸側(cè)邊部的輔助磁極部25側(cè)斜邊部、與定子10側(cè)邊部之間形成的角部上,用具有規(guī)定曲率半徑的r,使其形狀成為圓弧狀。這樣一來,可以緩和因轉(zhuǎn)子20的旋轉(zhuǎn)帶來的離心力,作用在連結(jié)定子10側(cè)邊部和轉(zhuǎn)子20的中心軸側(cè)邊部的輔助磁極部25側(cè)斜邊部、與定子10側(cè)邊部之間形成的角部上的應(yīng)力集中。
在轉(zhuǎn)子20的軸方向一側(cè)端側(cè)的旋轉(zhuǎn)軸上,設(shè)有用于檢知轉(zhuǎn)子20的磁極(永久磁體22)位置的磁極位置檢知器(分相器)、和用于檢知轉(zhuǎn)子20的位置的編碼器。從它們中輸出的檢出信號,被輸入到上述變換裝置INV的電動機控制裝置MCU中。變換裝置INV,根據(jù)輸入的檢出信號和上位控制裝置等輸出的指令信號等進行運算,控制應(yīng)該施加在電動發(fā)電機MG1的定子繞組12上的電壓。變換裝置INV控制的電壓施加在電動發(fā)電機MG1的定子繞組12上,使其作為電動機而被驅(qū)動。
這里,磁體插入孔29、與作為轉(zhuǎn)子鐵心21的外周的寬度最小的磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值拈_角角度θ,為電角145度。
下面,使用圖29~圖31,說明20極24齒的集中纏繞旋轉(zhuǎn)電機的開角角度θ與感應(yīng)電壓波形的關(guān)系。另外,由于20極24齒在電性上,是10極12齒的2次重復(fù),所以10極12齒的情況也是同樣的。
圖29,是本發(fā)明的另一實施例中的20極24齒的集中纏繞電動發(fā)電機中的開角和感應(yīng)電壓波形的關(guān)系圖。圖30,為圖29所示的感應(yīng)電壓波形的抑尖率的說明圖。圖31,為圖29所示的感應(yīng)電壓波形的每單位磁體的有效值的說明圖。
電動機的開角角度與該電動機感應(yīng)電壓波形的關(guān)系如圖29所示。在圖29中,橫軸表示時間,縱軸表示感應(yīng)電壓。此外,如圖的右側(cè)中例示的那樣,表示了電動機的開角角度θ為電角100度~155度的情況下的感應(yīng)電壓的波形。
由圖29可知,若開角角度θ小則電壓本身就小,此外,波形頂端很尖。如果電角是在130度以上,那么波形頂端就很平坦,電壓峰值被抑制,因此基本波成分較多。由于在電動機設(shè)計中,最大旋轉(zhuǎn)數(shù)上的感應(yīng)電壓的峰值要不超過變換器的耐電壓,所以具有該波形的電動機,在與變換器組合的情況下,就能成為高輸出的電動機。
也就是說,為了小型化,作為電動機控制電路的變換器需要減小電流。但是,在這里會存在磁體電機特有的、被拖動的情況下產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的問題。如果是混合動力汽車,電動機滑行時的感應(yīng)電壓,不能超過作為控制電路的變換器的開關(guān)元件的耐壓。因此,如果將最大車速下的電動機電壓設(shè)計得較低,例如減少定子繞組的繞數(shù),那么在低速低電壓時,變換器的最大輸出電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就會減少。由于控制電路的耐壓由峰值電壓決定,電動機轉(zhuǎn)矩和輸出由電壓的基本波決定。因此,如該圖29所示的電角為130度以上的情況,通過抑制感應(yīng)電壓波形的峰值的同時,提高電壓的基本波成分,就可以獲得高輸出的電動機。
圖30是表示取電壓的峰值和基本波振幅之比得到的抑尖率。可知它在電角為120度時急劇下降,所以電角為130度以上較好。
此外,圖31表示每磁體量的感應(yīng)電壓的有效值。由于磁體是高價材料,所以該表為成本性較優(yōu)的電動機的指標。可知有效值也在電角為130度以下時急劇下降,磁體量白白浪費。
因此,根據(jù)圖29~圖31說明的理由,如果是20極24齒的集中纏繞的旋轉(zhuǎn)電機,可以將開角角度θ置為電角130度以上。
下面,利用圖32和圖33,對將20極24齒的集中纏繞旋轉(zhuǎn)電機的開角角度θ設(shè)為電角130度的情況和設(shè)為電角155度的情況的旋轉(zhuǎn)電機結(jié)構(gòu)進行說明。
圖32是表示在作為本發(fā)明的另一實施例的20極24齒的集中纏繞電動發(fā)電機中,將開角角度θ設(shè)為電角130度的情況下的結(jié)構(gòu)的截面圖。圖33是表示在作為本發(fā)明的另一實施例的20極24齒的集中纏繞電動發(fā)電機中,將開角角度θ設(shè)為電角155度的情況下的結(jié)構(gòu)的截面圖。
如圖32所示,在開角角度θ為130度的情況下,磁體的極與極之間有足夠的空間,能夠形成足夠大的輔助凸極。由于在該極與極的中心,轉(zhuǎn)子上不存在非磁性部,所以磁通最容易流動,由此形成輔助凸極,可以獲得良好的磁阻轉(zhuǎn)矩。因此,從輔助凸極大小的觀點出發(fā),將開角角度θ設(shè)為電角130度以上也是有效的。
另一方面,如圖33所示,可知在開角角度θ為電角155度的情況下,磁體的極與極之間雖然形成有輔助凸極,但開角角度θ如果再擴大的話,相鄰的極就會重疊,所以不能再進一步擴大。
因此,從轉(zhuǎn)子的布局的觀點出發(fā)可知,開角角度θ在電角130度到155度之間最佳,還可以有效利用磁體。
如果將一對磁路部27的最小徑向?qū)挾炔糠值拈_角角度θ歸結(jié)為一般式的話,可以由下式表示。
θ(n+0.9~1.2)×τs(n是0以上的整數(shù))另外,τs是相鄰的齒芯11a的中心軸間的圓周方向節(jié)距,表示對轉(zhuǎn)子20的中心軸形成的角度。但是,在集中纏繞的情況下,由于槽數(shù)(齒數(shù))相對于永久磁體的極數(shù)不會達到1.5倍以上,因此有n=0。
雖然在以上的說明中,對10極12齒系的電組合的電動機進行了說明,但其它的電組合電動機也可以利用。例如,3相電動機的情況下,將極數(shù)設(shè)為p、齒數(shù)設(shè)為t時,p∶t的比是2∶3、4∶3、8∶9、10∶9、14∶12、14∶15、16∶15、14∶18、22∶18、16∶21、20∶21、22∶21、26∶21、22∶24、26∶24等。
下面,利用圖34,對利用了本實施例的電動發(fā)電機MG1的混合動力汽車的驅(qū)動源的結(jié)構(gòu)進行說明。
圖34是表示利用了本發(fā)明的另一實施例的電動發(fā)電機MG1的混合動力汽車的驅(qū)動源的結(jié)構(gòu)的框圖。
電動發(fā)電機MG1,是由定子10;和在定子10的內(nèi)周側(cè)被可旋轉(zhuǎn)地保持的轉(zhuǎn)子20構(gòu)成。轉(zhuǎn)子20的內(nèi)周側(cè)設(shè)有空間,在該空間內(nèi)配置由行星齒輪PG組成的減速機和離合器CL。電動發(fā)電機MG1的驅(qū)動力,被行星齒輪PG減速,并傳遞給離合器CL。引擎ENG和電動發(fā)電機MG1的驅(qū)動力,通過圖4所示的動力分布機構(gòu)PSM和變速機T/M,被傳遞到前輪FLW、FRW。
這樣,在將行星齒輪和離合器等驅(qū)動系部件裝入電動發(fā)電機MG1的內(nèi)周側(cè)的情況下,電動發(fā)電機MG1的轉(zhuǎn)子的內(nèi)周側(cè)中,需要用于安裝驅(qū)動系部件的空間。也就是說,為半徑方向上扁平的電動發(fā)電機的結(jié)構(gòu)。而且,通過在該空間中配置行星齒輪和離合器,可以對系統(tǒng)進行小型化。
在這種結(jié)構(gòu)的情沉下,定子10的外徑和轉(zhuǎn)子20的內(nèi)徑的半徑方向的寬度變小。定子的芯背和轉(zhuǎn)子的磁體內(nèi)周側(cè)軛尤其會變薄。為了實現(xiàn)這種形狀,增加電動發(fā)電機MG1的轉(zhuǎn)子中使用的永久磁體的極數(shù)是很有效的。
這里,利用圖35和圖36,對20極24齒的集中纏繞旋轉(zhuǎn)電機的情況、和10極12齒的集中纏繞旋轉(zhuǎn)電機的情況下的磁力線進行說明。
圖35是本發(fā)明的另一實施例中的20極24齒的集中纏繞旋轉(zhuǎn)電機的磁力線圖。圖36是本發(fā)明的另一實施例中的10極12齒的集中纏繞旋轉(zhuǎn)電機的磁力線圖。
比較圖35和圖36可知,與10極的情況相比,20極的情況下,可以使定子的芯背厚度減小(A1<A2),此外,可以減小轉(zhuǎn)子的磁體內(nèi)周側(cè)的芯的徑向上的厚度(B1<B2)。其結(jié)果,20極情況下的轉(zhuǎn)子的內(nèi)周空間半徑R1,可以比10極情況下的轉(zhuǎn)子的內(nèi)周空間半徑R2大(R1>R2)。通過圖35和圖36所示的電動機磁力線可知,這是因為多極電動機的磁通較小地回旋所致。
另外,如果極數(shù)多,就可以使轉(zhuǎn)子的半徑按照定子芯背A1減薄的量相應(yīng)地取得更大(D1>D2),與10極相比,20極可以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩化。
此外,根據(jù)圖35和圖36的轉(zhuǎn)子的構(gòu)圖易知,由于極數(shù)多的轉(zhuǎn)子,磁體被分割后橋數(shù)增加,所以對離心力的機械強度會上升。換言之,在產(chǎn)生相同磁通的情況下,極數(shù)增多,可以使一個磁體小型化,所以對離心力的機械強度會提高。
此外,由于20極電動機與10極電動機相比不易消磁,所以能夠減小磁體的厚度,實現(xiàn)低成本化。以下敘述不易消磁的理由。定子所產(chǎn)生的磁場與磁體的磁化方向正好相反,如果其強度達到某規(guī)定值以上,磁體就會消磁。磁體需要為不會消磁的某種程度的厚度。由于20極電動機與10極電動機相比,具有2倍的槽數(shù),所以每個槽的磁通勢大約是一半,定子的一個齒上纏繞的繞組所產(chǎn)生的磁場強度也是一半。因此,即便磁體用幾乎一半的厚度,消磁耐力也等價。這樣一來,能夠減少磁體量,可以做出成本性較優(yōu)的電動機。
但是,如果進一步增多極數(shù),由于定子的芯背在磁路上可能會削薄,而不具備機械強度,所以在現(xiàn)實中,即使將極數(shù)增加得較多,也無法獲得良好的效果。極數(shù)的上限是30極左右。
雖然多極有利于這樣地進行齒輪內(nèi)置,但如果是分布纏繞電動機,槽數(shù)會增加。集中纏繞的情況下,一般的組合中不會達到極數(shù)的1.5倍以上。但是,如果是分布纏繞的話,就可達到3倍以上。如果槽數(shù)增加,槽形狀變細,電工作業(yè)就會變難,槽內(nèi)的線圈密度也會下降,難于實行小型化。因此,集中纏繞的結(jié)構(gòu)適于齒輪內(nèi)置的多極電動機的情況。
電動機多極化帶來的問題是,頻率上升導致的定子芯的鐵損和磁體的渦電流發(fā)熱。對此,可以通過將磁體在軸方向或圓周方向、厚度方向上進行分割,或者設(shè)置狹縫來進行設(shè)計。另外,也可以利用固化磁體粉末的粘結(jié)磁體。將無機物對該粉末作為涂敷劑使用,提高耐熱性。如果是汽車用電動機,由于有時用油進行冷卻,有時會達到150度以上的溫度,所以使用現(xiàn)有的有機物的涂敷,耐熱性會不夠。或者,可以對該無機物涂敷劑加入鐵粉,將對其壓縮成型的壓粉磁芯用于轉(zhuǎn)子或定子等來應(yīng)對。這樣,通過使用壓粉的磁體或鐵心,渦電流就會減少,可以減少鐵損,實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)。
下面,利用圖37和圖38,對本發(fā)明另一實施例的2∶3系列的16極24齒的集中纏繞的電動發(fā)電機MG1的結(jié)構(gòu)進行說明。另外,變換裝置的電路結(jié)構(gòu)與圖3同樣。使用本實施例的電動發(fā)電機的混合動力汽車的結(jié)構(gòu)與圖4同樣。
圖37是表示作為本發(fā)明另一實施例的電動發(fā)電機MG1的結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分放大截面圖。圖38是作為本發(fā)明另一實施例的16極24齒的集中纏繞電動發(fā)電機中的開角與感應(yīng)電壓波形的關(guān)系圖。另外,在圖37上,與圖27和圖28相同的符號表示相同的部分。
圖37表示開角角度θ為電角150度的例子。
電動機的開角角度與該電動機的感應(yīng)電壓波形的關(guān)系如圖38所示。圖38中,橫軸表示時間,縱軸表示感應(yīng)電壓。此外,表示了電動機的開角角度θ為電角120度~160度的情況下的感應(yīng)電壓的波形。
由圖38可知,若開角角度θ小則電壓本身就小,此外,波形頂端很尖。如果電角是在130度以上,那么波形頂端就很平坦,電壓峰值被抑制,因此基本波成分較多。由于在電動機設(shè)計中,最大旋轉(zhuǎn)數(shù)上的感應(yīng)電壓的峰值要不超過變換器的耐電壓,所以具有該波形的電動機在與變換器組合的情況下,就能形成高輸出的電動機。
在轉(zhuǎn)子的內(nèi)周側(cè),設(shè)置用于安裝驅(qū)動系部件的空間的、半徑方向上扁平的電動發(fā)電機的情況下,永久磁體的極數(shù)優(yōu)選16極以上的多極。
作為扁平的電動發(fā)電機的電組合,三相電動機的情況下,若將極數(shù)設(shè)為p、將齒數(shù)設(shè)為t時,p∶t的比是2∶3的系統(tǒng)中,就有16∶24、18∶27、20∶30、22∶33、24∶36;4∶3的系統(tǒng)中,就有16∶9、20∶15、24∶18;8∶9的系統(tǒng)中,就有16∶18、24∶27;10∶9的系統(tǒng)中,就有20∶18;其他的系統(tǒng)中,有16∶15、16∶21、20∶21、22∶18、22∶21、22∶24等。
權(quán)利要求
1.一種永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于永磁式旋轉(zhuǎn)電機中,包括定子;和,在該定子中隔著空隙相對配置的轉(zhuǎn)子,所述定子具備定子鐵心;和,安裝在該定子鐵心上的定子繞組,所述定子鐵心,由環(huán)狀的軛鐵心、和從該軛鐵心向徑方向突出的多個齒鐵心構(gòu)成,所述轉(zhuǎn)子具備轉(zhuǎn)子鐵心;和,嵌入該轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)部的多個永久磁體,在所述轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)部,在一磁極部分的所述永久磁體的圓周方向兩側(cè)上,形成有一對非磁性部,在位于所述一對非磁性部的所述定子側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心中,由所述一對非磁性部的形成而形成有一對磁路部,當將對所述轉(zhuǎn)子的中心軸的所述齒鐵心的圓周方向節(jié)距設(shè)為τs(度),將所述一對磁路部的最小徑向?qū)挾炔糠珠g的圓周方向?qū)挾葘λ鲛D(zhuǎn)子的中心軸所呈的開角角度設(shè)為θ(度)時,有θ(n+Y)×τs,其中n是0以上的整數(shù),所述定子繞組的纏繞方法是分布纏繞時,令Y=0.5,所述定子繞組的纏繞方法是集中纏繞時,令Y=0.9~1.2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,當所述定子繞組的纏繞方法是分布纏繞時,當所述轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)與所述齒鐵心的個數(shù)的關(guān)系是m∶6m時,其中m是自然數(shù),所述開角角度θ是電角104~112°或152~168°。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,當設(shè)所述永久磁體的所述定子側(cè)的圓周方向兩端部間的寬度對所述轉(zhuǎn)子的中心軸所呈的角度為Φ(度)時,Φ是θ的0.7~0.9倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,構(gòu)成所述轉(zhuǎn)子的一個磁極的所述永久磁體,在圓周方向上被分割為多個,在所述被分割為多個的永久磁體之間設(shè)有橋部,所述橋部將處于所述永久磁體的所述定子側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心、與處于所述永久磁體的所述轉(zhuǎn)子的中心軸側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心機械地連接起來。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,所述非磁性部的形狀是梯形形狀,所述非磁性部的所述轉(zhuǎn)子的中心軸側(cè)的邊部,其長度比所述非磁性部的所述定子側(cè)的邊部短。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,從所述非磁性部的所述定子側(cè)的邊部去往所述非磁性部的所述轉(zhuǎn)子的中心軸側(cè)的邊部的邊部、與所述非磁性部的所述定子側(cè)的邊部之間所形成的角部,形成為圓弧狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,所述被分割為多個的永久磁體,從所述轉(zhuǎn)子的磁極兩端部起,越接近所述轉(zhuǎn)子的磁極中心,越靠近所述定子側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,在所述被分割為多個的永久磁體與所述非磁性部之間設(shè)有橋部,所述橋部將處于所述永久磁體的所述定子側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心、與處于所述永久磁體的所述轉(zhuǎn)子的中心軸側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心機械地連接起來。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,在所述永久磁體與所述非磁性部之間設(shè)有橋部,所述橋部將處于所述永久磁體的所述定子側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心、與處于所述永久磁體的所述轉(zhuǎn)子的中心軸側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心機械地連接起來。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,所述多個永久磁體,被在圓周方向上空開間隔且極性交替地配置在所述轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部,處于所述永久磁體的所述定子側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心構(gòu)成磁極片部,所述磁極片部構(gòu)成所述永久磁體的磁通的磁路,處于相鄰的所述永久磁體間的所述轉(zhuǎn)子鐵心構(gòu)成輔助磁極部,所述輔助磁極部構(gòu)成用于產(chǎn)生與所述永久磁體的磁通所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不同的轉(zhuǎn)矩的磁通的磁路,所述磁路部將所述磁極片部與所述輔助磁極部之間磁連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,當所述定子繞組的纏繞方法是集中纏繞時,所述θ是電角130~155°。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,所述旋轉(zhuǎn)電機在所述轉(zhuǎn)子的內(nèi)周側(cè)具有空間,所述定子繞組的纏繞方法是集中纏繞,所述永久磁體的極數(shù)是16極以上。
13.一種永磁式旋轉(zhuǎn)電機,由將直流電源供給的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的變換裝置驅(qū)動,產(chǎn)生車輛驅(qū)動用的電動力,其特征在于,包括定子;和,在該定子中隔著空隙相對配置的轉(zhuǎn)子,所述定子具備定子鐵心;和,安裝在該定子鐵心上的定子繞組,所述轉(zhuǎn)子具備轉(zhuǎn)子鐵心;和,嵌入該轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部的多個永久磁體,在所述轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)部,在所述永久磁體的圓周方向兩側(cè)上,形成有一對非磁性部,在位于所述一對非磁性部的所述定子側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心中,由所述一對非磁性部的形成而形成有一對磁路部,所述定子繞組的纏繞方法是分布纏繞,當所述轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)與所述齒鐵心的個數(shù)的關(guān)系是m∶6m時,其中m是自然數(shù),所述一對磁路部的最小徑向?qū)挾炔糠珠g的圓周方向?qū)挾葘λ鲛D(zhuǎn)子的中心軸所呈的開角角度θ是電角104~112°或152~168°。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,所述永久磁體的所述定子側(cè)的圓周方向兩端部間的寬度對所述轉(zhuǎn)子的中心軸所呈的角度是電角72.8~100.8°或106.4~151.2°。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,構(gòu)成所述轉(zhuǎn)子的一個磁極的所述永久磁體,在圓周方向上被分割為多個,在所述被分割為多個的永久磁體之間設(shè)有橋部,所述橋部將處于所述永久磁體的所述定子側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心、與處于所述永久磁體的所述轉(zhuǎn)子的中心軸側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心機械地連接起來。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,所述非磁性部的形狀是梯形形狀,所述非磁性部的所述轉(zhuǎn)子的中心軸側(cè)的邊部,其長度比所述非磁性部的所述定子側(cè)的邊部短。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,從所述非磁性部的所述定子側(cè)的邊部去往所述非磁性部的所述轉(zhuǎn)子的中心軸側(cè)的邊部的邊部、與所述非磁性部的所述定子側(cè)的邊部之間所形成的角部,形成為圓弧狀。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,所述被分割為多個的永久磁體,從所述轉(zhuǎn)子的磁極兩端部起,越接近所述轉(zhuǎn)子的磁極中心,越靠近所述定子側(cè)。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,在所述被分割為多個的永久磁體與所述非磁性部之間設(shè)有橋部,所述橋部將處于所述永久磁體的所述定子側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心、與處于所述永久磁體的所述轉(zhuǎn)子的中心軸側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心機械地連接起來。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,在所述永久磁體與所述非磁性部之間設(shè)有橋部,所述橋部將處于所述永久磁體的所述定子側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心、與處于所述永久磁體的所述轉(zhuǎn)子的中心軸側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心機械地連接起來。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,所述多個永久磁體,被在圓周方向上空開間隔且極性交替地配置在所述轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部,處于所述永久磁體的所述定子側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心構(gòu)成磁極片部,所述磁極片部構(gòu)成所述永久磁體的磁通的磁路,處于相鄰的所述永久磁體間的所述轉(zhuǎn)子鐵心構(gòu)成輔助磁極部,所述輔助磁極部構(gòu)成用于產(chǎn)生與所述永久磁體的磁通所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不同的轉(zhuǎn)矩的磁通的磁路,所述磁路部將所述磁極片部與所述輔助磁極部之間磁連接。
22.一種永磁式旋轉(zhuǎn)電機,由將直流電源供給的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的變換裝置驅(qū)動,產(chǎn)生車輛驅(qū)動用的電動力,其特征在于,包括定子;和,在該定子中隔著空隙相對配置的轉(zhuǎn)子,所述定子具備定子鐵心;和,安裝在該定子鐵心上的定子繞組,所述定子鐵心,由環(huán)狀的軛鐵心、和從該軛鐵心向徑方向突出的多個齒鐵心構(gòu)成,所述轉(zhuǎn)子具備轉(zhuǎn)子鐵心;和,嵌入該轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)部的多個永久磁體,在所述轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)部,在所述永久磁體的圓周方向兩側(cè)上,形成有一對非磁性部,在位于所述一對非磁性部的所述定子側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心中,由所述一對非磁性部的形成而形成有一對磁路部,當將對所述轉(zhuǎn)子的中心軸的所述齒鐵心的圓周方向節(jié)距設(shè)為τs(度),將所述一對磁路部的最小徑向?qū)挾炔糠珠g的圓周方向?qū)挾葘λ鲛D(zhuǎn)子的中心軸所呈的開角角度設(shè)為θ(度)時,有θ(n+0.5)×τs,其中n是自然數(shù),所述定子繞組的纏繞方法是分布纏繞,所述轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)與所述齒鐵心的個數(shù)的關(guān)系是m∶6m,其中m是自然數(shù),將所述永久磁體的所述定子側(cè)的圓周方向兩端部間的寬度對所述轉(zhuǎn)子的中心軸所呈的角度設(shè)為Φ(度)時,Φ是θ的0.7~0.9倍。
23.一種永磁式旋轉(zhuǎn)電機,由將直流電源供給的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的變換裝置驅(qū)動,產(chǎn)生車輛驅(qū)動用的電動力,其特征在于,包括定子;和,在該定子中隔著空隙相對配置的轉(zhuǎn)子,所述定子具備定子鐵心;和,安裝在該定子鐵心上的定子繞組,所述轉(zhuǎn)子具備轉(zhuǎn)子鐵心;和,嵌入該轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部的多個永久磁體,在所述轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)部,在所述永久磁體的圓周方向兩側(cè)上,形成有一對非磁性部,在位于所述一對非磁性部的所述定子側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心中,由所述一對非磁性部的形成而形成有一對磁路部,所述定子繞組的纏繞方法是分布纏繞,當所述轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)與所述齒鐵心的個數(shù)的關(guān)系是m∶6m時,其中m是自然數(shù),所述一對磁路部的最小徑向?qū)挾炔糠珠g的圓周方向?qū)挾葘λ鲛D(zhuǎn)子的中心軸所呈的開角角度θ是電角104~112°或152~168°,所述永久磁體的所述定子側(cè)的圓周方向兩端部間的寬度對所述轉(zhuǎn)子的中心軸所呈的角度是電角72.8~100.8°或106.4~151.2°。
24.一種永磁式旋轉(zhuǎn)電機,用于車輛驅(qū)動,其特征在于,包括定子;和,在該定子中隔著空隙相對配置的轉(zhuǎn)子,所述定子具備定子鐵心;和,安裝在該定子鐵心上的定子繞組,所述定子鐵心,由環(huán)狀的軛鐵心、和從該軛鐵心向徑方向突出的多個齒鐵心構(gòu)成,所述轉(zhuǎn)子具備轉(zhuǎn)子鐵心;和,嵌入該轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)部的多個永久磁體,在所述轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)部,在所述永久磁體的圓周方向兩側(cè)上,形成有一對非磁性部,在位于所述一對非磁性部的所述定子側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心中,由所述一對非磁性部的形成而形成有一對磁路部,構(gòu)成所述轉(zhuǎn)子的一個磁極的所述永久磁體,在圓周方向上被分割為多個,在所述被分割為多個的永久磁體之間設(shè)有橋部,所述橋部將處于所述永久磁體的所述定子側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心、與處于所述永久磁體的所述轉(zhuǎn)子的中心軸側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心機械地連接起來。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,所述非磁性部的形狀是梯形形狀,所述非磁性部的所述轉(zhuǎn)子的中心軸側(cè)的邊部,其長度比所述非磁性部的所述定子側(cè)的邊部短。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,從所述非磁性部的所述定子側(cè)的邊部去往所述非磁性部的所述轉(zhuǎn)子的中心軸側(cè)的邊部的邊部、與所述非磁性部的所述定子側(cè)的邊部之間所形成的角部,形成為圓弧狀。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,所述被分割為多個的永久磁體,從所述轉(zhuǎn)子的磁極兩端部起,越接近所述轉(zhuǎn)子的磁極中心,越靠近所述定子側(cè)。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,在所述被分割為多個的永久磁體與所述非磁性部之間設(shè)有橋部,所述橋部將處于所述永久磁體的所述定子側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心、與處于所述永久磁體的所述轉(zhuǎn)子的中心軸側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心機械地連接起來。
29.根據(jù)權(quán)利要求24所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,在所述永久磁體與所述非磁性部之間設(shè)有橋部,所述橋部將處于所述永久磁體的所述定子側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心、與處于所述永久磁體的所述轉(zhuǎn)子的中心軸側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心機械地連接起來。
30.根據(jù)權(quán)利要求24所述的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于,所述多個永久磁體,被在圓周方向上空開間隔且極性交替地配置在所述轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部,處于所述永久磁體的所述定子側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心構(gòu)成磁極片部,所述磁極片部構(gòu)成所述永久磁體的磁通的磁路,處于相鄰的所述永久磁體間的所述轉(zhuǎn)子鐵心構(gòu)成輔助磁極部,所述輔助磁極部構(gòu)成用于產(chǎn)生與所述永久磁體的磁通所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不同的轉(zhuǎn)矩的磁通的磁路,所述磁路部將所述磁極片部與所述輔助磁極部之間磁連接。
31.一種永磁式旋轉(zhuǎn)電機,由將直流電源供給的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的變換裝置驅(qū)動,產(chǎn)生車輛驅(qū)動用的電動力,其特征在于,包括定子;和,在該定子中隔著空隙相對配置的轉(zhuǎn)子,所述定子具備定子鐵心;和,安裝在該定子鐵心上的定子繞組,所述轉(zhuǎn)子具備轉(zhuǎn)子鐵心;和,嵌入該轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部的多個永久磁體,在所述轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)部,在所述永久磁體的圓周方向兩側(cè)上,形成有一對非磁性部,在位于所述一對非磁性部的所述定子側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心中,由所述一對非磁性部的形成而形成有一對磁路部,所述定子繞組的纏繞方法是分布纏繞,所述一對磁路部的最小徑向?qū)挾炔糠珠g的圓周方向?qū)挾葘λ鲛D(zhuǎn)子的中心軸所呈的開角角度θ是電角130~155°。
32.一種永磁式旋轉(zhuǎn)電機,由將直流電源供給的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的變換裝置驅(qū)動,產(chǎn)生車輛驅(qū)動用的電動力,其特征在于,包括定子;和,在該定子中隔著空隙相對配置的轉(zhuǎn)子,所述定子具備定子鐵心;和,安裝在該定子鐵心上的定子繞組,所述轉(zhuǎn)子具備轉(zhuǎn)子鐵心;和,嵌入該轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部的多個永久磁體,在所述轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)部,在所述永久磁體的圓周方向兩側(cè)上,形成有一對非磁性部,在位于所述一對非磁性部的所述定子側(cè)的所述轉(zhuǎn)子鐵心中,由所述一對非磁性部的形成而形成有一對磁路部,所述旋轉(zhuǎn)電機,在所述轉(zhuǎn)子的內(nèi)周側(cè)具有空間,所述定子繞組的纏繞方法是集中纏繞,所述一對磁路部的最小徑向?qū)挾炔糠珠g的圓周方向?qū)挾葘λ鲛D(zhuǎn)子的中心軸所呈的開角角度θ是電角130~155°,所述永久磁體的極數(shù)是16極以上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可以實現(xiàn)高輸出的永磁式旋轉(zhuǎn)電機,為了解決這一課題,在1極的兩端部設(shè)置非磁性部,利用該非磁性部產(chǎn)生的最小磁路部的角度與磁體的寬度這兩個參數(shù),調(diào)節(jié)感應(yīng)電壓的波形與電動機的電壓。當將對轉(zhuǎn)子的中心軸的齒鐵心的圓周方向上的節(jié)距設(shè)為τs(度),將一對磁路部的最小徑向?qū)挾炔糠珠g的圓周方向?qū)挾葘ι鲜鲛D(zhuǎn)子的中心軸所呈的開角角度設(shè)為θ(度)時,θ(n+Y)×τs(n是0以上的整數(shù)),定子繞組的纏繞方法是分布纏繞時,令Y=0.5,上述定子繞組的纏繞方法是集中纏繞時,令Y=0.9~1.2。此外,通過將形成1極的磁體分割為兩部分,并在其間設(shè)置橋部,從而能提供適于高速旋轉(zhuǎn)的永磁式旋轉(zhuǎn)電機。
文檔編號H02K1/27GK1783669SQ20051012857
公開日2006年6月7日 申請日期2005年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月30日
發(fā)明者日野德昭, 松延豐, 田島文男, 安原隆 申請人:株式會社日立制作所