永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)及車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】在轉(zhuǎn)子鐵心(6)上，以朝向轉(zhuǎn)子(5)的外周面呈略U字形狀的方式排列設(shè)置有用于嵌入永磁體(9a)的磁體插入孔(9)，并且，在嵌入磁體插入孔(9)中的永磁體(9a)的與其磁化方向正交的方向上的兩側(cè)面部形成有空洞部(9b)，在由多個(gè)永磁體構(gòu)成的一個(gè)極的永磁體組中，在嵌有永磁體的一個(gè)磁體插入孔(9)與相鄰的磁體插入孔(9)之間、或者該一個(gè)磁體插入孔(9)與轉(zhuǎn)子鐵心(6)的外周部之間，設(shè)有沿轉(zhuǎn)軸(51)的方向貫穿轉(zhuǎn)子鐵心(6)的通風(fēng)孔(7)，通風(fēng)孔(7)配置在與磁體插入孔(9)一同形成略U字形狀的位置上。
【專利說(shuō)明】永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)及車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種車輛用電動(dòng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)電機(jī)，尤其涉及一種在轉(zhuǎn)子內(nèi)部配置有永磁體的永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]作為轉(zhuǎn)子內(nèi)部配置有永磁體的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的一種，存在內(nèi)置有永磁體的電動(dòng)機(jī)(永磁體型電動(dòng)機(jī))。該永磁體型電動(dòng)機(jī)作為高效率的電動(dòng)機(jī)為人所知，其與廣泛使用于各種領(lǐng)域的異步電動(dòng)機(jī)相比較，由于是通過(guò)內(nèi)置于轉(zhuǎn)子中的永磁體產(chǎn)生磁通，因而不需要?jiǎng)?lì)磁電流，并且，由于無(wú)需像異步電動(dòng)機(jī)那樣向轉(zhuǎn)子導(dǎo)體供給電流，因而不會(huì)產(chǎn)生二次銅耗。以往，鐵路車輛都使用異步電動(dòng)機(jī)，但是，近年來(lái)，為了提高效率、實(shí)現(xiàn)小型高輸出化以及簡(jiǎn)化冷卻結(jié)構(gòu)，正在研究使用永磁體型同步電動(dòng)機(jī)。
[0003]另外，永磁體型電動(dòng)機(jī)大致分為:在轉(zhuǎn)子表面貼裝有永磁體的表面磁體結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)(SPM電動(dòng)機(jī):Surface Permanent Magnet Motor)、和在轉(zhuǎn)子內(nèi)部嵌有永磁體的內(nèi)嵌磁體結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)(IPM電動(dòng)機(jī):Inter1r Permanent Magnet Motor)。但是，由于車輛用電動(dòng)機(jī)會(huì)以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，因而必須要確保高速旋轉(zhuǎn)時(shí)永磁體的耐離心力強(qiáng)度。因此，也可以認(rèn)為車輛用電動(dòng)機(jī)主要限定為IPM電動(dòng)機(jī)。
[0004]目前，在用于驅(qū)動(dòng)車輛用電動(dòng)機(jī)的逆變器中，一般采用以硅(Si)為基底而形成的開關(guān)元件(以下稱為“Si元件”)。因此，為了提高包括IPM電動(dòng)機(jī)和逆變器在內(nèi)的綜合效率，必須減少供給IPM電動(dòng)機(jī)的電流(電動(dòng)機(jī)電流)，而為了確保所需的電動(dòng)機(jī)輸出，必須提高IPM電動(dòng)機(jī)的輸出電壓。例如在下述專利文獻(xiàn)I中，當(dāng)IPM電動(dòng)機(jī)達(dá)到最大轉(zhuǎn)速時(shí)，IPM電動(dòng)機(jī)的無(wú)負(fù)載感應(yīng)電壓在架空線電壓以上。
[0005]另外，在專利文獻(xiàn)2中公開的IPM電動(dòng)機(jī)呈下述形狀，即:每極呈V字型地配置有兩個(gè)轉(zhuǎn)子磁體，并且在V字型的中央部設(shè)有冷卻用的導(dǎo)熱部件。
現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)1:日本專利特開2008-79418號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2:日本專利特開2011-259691號(hào)公報(bào)


【發(fā)明內(nèi)容】

發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0007]如上所述，在現(xiàn)有的車輛用電動(dòng)機(jī)(IPM電動(dòng)機(jī))中，無(wú)負(fù)載感應(yīng)電壓在架空線電壓以上。因此，例如在IPM電動(dòng)機(jī)的端子間產(chǎn)生架空線電壓以上的感應(yīng)電壓時(shí)，若逆變器發(fā)生故障，則必須對(duì)從IPM電動(dòng)機(jī)流向架空線側(cè)的電流進(jìn)行控制，從而存在元器件數(shù)量增加，控制變復(fù)雜等問(wèn)題。另外，通過(guò)例如減少IPM電動(dòng)機(jī)的定子繞組的匝數(shù)、或者增加定子繞組的并聯(lián)電路數(shù)量，能夠使無(wú)負(fù)載感應(yīng)電壓在架空線電壓以下。但是，在該方法中存在另一個(gè)問(wèn)題，即:IPM電動(dòng)機(jī)的電阻值和電感變小，從而諧波電流容易在IPM電動(dòng)機(jī)的定子上重疊，從而導(dǎo)致IPM電動(dòng)機(jī)的鐵損增加，由此制約了包括IPM電動(dòng)機(jī)和逆變器等驅(qū)動(dòng)電路在內(nèi)的綜合效率的提聞。
[0008]另外，如上述專利文獻(xiàn)2所示那樣配置有導(dǎo)熱部件時(shí)，由于導(dǎo)熱部件位于阻礙磁阻轉(zhuǎn)矩的磁路的位置上，因而存在磁阻轉(zhuǎn)矩降低這一問(wèn)題。
[0009]本發(fā)明是鑒于上述技術(shù)問(wèn)題開發(fā)而成，其目的在于提供一種能夠在減少永磁體的數(shù)量的同時(shí)抑制磁阻轉(zhuǎn)矩降低，并且能夠提高包括逆變器等驅(qū)動(dòng)電路在內(nèi)的綜合效率的永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)及車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案
[0010]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，從而達(dá)成目的，本發(fā)明的永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)的特征在于，通過(guò)具備由寬帶隙半導(dǎo)體構(gòu)成的開關(guān)元件的逆變器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，所述永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)具備定子和轉(zhuǎn)子，所述定子構(gòu)成為將定子線圈收納在切槽的內(nèi)部，所述轉(zhuǎn)子具有被配置為能夠隔著旋轉(zhuǎn)空隙而相對(duì)于所述定子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子鐵心，并且在該轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)部，每極嵌有多個(gè)永磁體，在所述轉(zhuǎn)子鐵心上，朝向轉(zhuǎn)子的外周面呈略U字形狀排列設(shè)置有用于嵌入所述永磁體的磁體插入孔，并且，在嵌入各個(gè)所述磁體插入孔中的永磁體的與其磁化方向正交的方向上的兩側(cè)面部形成有空洞部，在由多個(gè)所述永磁體構(gòu)成的一個(gè)極的永磁體組中，在嵌有所述永磁體的一個(gè)磁體插入孔與相鄰的磁體插入孔之間、或者該一個(gè)磁體插入孔與所述轉(zhuǎn)子鐵心的外周部之間，設(shè)有沿軸向貫穿所述轉(zhuǎn)子鐵心的通風(fēng)孔，所述通風(fēng)孔配置在與所述磁體插入孔一同形成所述略U字形狀的位置上。
發(fā)明效果
[0011]根據(jù)本發(fā)明，由于通風(fēng)孔沿著磁路且與磁體相鄰而配置，因而具有能夠?qū)τ来朋w進(jìn)行冷卻但不會(huì)阻礙磁阻轉(zhuǎn)矩的磁路這一效果。另外，由于逆變器使用寬帶隙半導(dǎo)體，因而具有能夠提高包括逆變器等驅(qū)動(dòng)電路在內(nèi)的綜合效率這一效果。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是作為本發(fā)明第一實(shí)施方式涉及的永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)的一例的永磁體型電動(dòng)機(jī)的軸向剖面圖。
圖2是圖1所示的永磁體型電動(dòng)機(jī)的A-A線向視剖面圖。
圖3是將磁阻轉(zhuǎn)矩的磁路表示于圖2的剖面圖上的部分剖面圖。
圖4是表示永磁體型電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與無(wú)負(fù)載感應(yīng)電壓之間的關(guān)系的仿真結(jié)果的圖。
圖5是與現(xiàn)有方法相比較，對(duì)電動(dòng)機(jī)控制的新控制方法進(jìn)行說(shuō)明的圖。
圖6是表示執(zhí)行本發(fā)明的新方法的車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)結(jié)構(gòu)例的圖。
圖7是用于說(shuō)明第二實(shí)施方式中的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的部分剖面圖。
圖8是說(shuō)明第二實(shí)施方式中的通風(fēng)孔的配置位置的圖。
圖9是用于說(shuō)明第三實(shí)施方式中的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的部分剖面圖。
圖10是說(shuō)明第三實(shí)施方式中的通風(fēng)孔的配置位置的圖。

【具體實(shí)施方式】
[0013]以下，參照附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式涉及的永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)及車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明。另外，本發(fā)明并不限定于以下所示的實(shí)施方式。
[0014]第一實(shí)施方式.圖1是作為本發(fā)明第一實(shí)施方式涉及的永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)一例的永磁體型電動(dòng)機(jī)I的軸向剖面圖。在圖1中，例如在鐵路車輛用的情況下構(gòu)成為:轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)側(cè)部51a經(jīng)由聯(lián)軸器(未圖示)及減速齒輪(未圖示)與鐵路車輛的車軸(未圖示)連接，從而驅(qū)動(dòng)安裝在車軸上的車輪(未圖示)而使車輛行駛。
[0015]在具有與轉(zhuǎn)軸51呈一體的轉(zhuǎn)子鐵心6而構(gòu)成的轉(zhuǎn)子5上，形成有多個(gè)沿轉(zhuǎn)軸51的軸向貫穿轉(zhuǎn)子5的通風(fēng)孔7。冷卻用風(fēng)扇52以能夠使經(jīng)由吸氣口 53吸入的冷卻風(fēng)58在通過(guò)通風(fēng)孔7后經(jīng)由排氣口 56排出的方式安裝在轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)側(cè)部51a上。
[0016]在機(jī)架54的機(jī)內(nèi)側(cè)，定子鐵心3與轉(zhuǎn)子鐵心6相對(duì)而配置，并且在該定子鐵心3上安裝有定子繞組4。另外，定子2由定子鐵心3和定子繞組4構(gòu)成。
[0017]接著，參照?qǐng)D2對(duì)定子2和轉(zhuǎn)子5的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。圖2是圖1所示的永磁體型電動(dòng)機(jī)的A-A線向視剖面圖。
[0018]定子鐵心3呈圓筒形狀，并且在定子鐵心3的內(nèi)周部側(cè)，通過(guò)例如以等角間距且間隔地形成36個(gè)切槽3a而形成有36個(gè)齒3b。定子繞組4通過(guò)例如分布繞法而被卷繞收納在切槽3a中，以使得在該定子繞組4的內(nèi)部包含有規(guī)定數(shù)量的齒3b。
[0019]轉(zhuǎn)子5具備轉(zhuǎn)子鐵心6和永磁體9a，并被配置為能夠隔著旋轉(zhuǎn)空隙18而相對(duì)于定子2進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，其中，轉(zhuǎn)子鐵心6例如是將規(guī)定數(shù)量的磁性鋼板層疊并形成為一體而制成的，其外周面為圓筒面，并且該轉(zhuǎn)子鐵心6被形成為:將兩個(gè)磁體插入孔9與一個(gè)通風(fēng)孔7設(shè)為一組，且呈等角間距地排列有六組(即，總共有12個(gè)磁體插入孔9和6個(gè)通風(fēng)孔7)，永磁體9a分別被收納在各磁體插入孔9內(nèi)。另外，在將永磁體9a嵌入磁體插入孔9內(nèi)時(shí)，在永磁體9a的兩側(cè)面部形成空洞部9b。
[0020]由兩個(gè)磁體插入孔9和一個(gè)通風(fēng)孔7構(gòu)成的一組以朝向轉(zhuǎn)子鐵心6的外周面(夕卜周方向)開口(換而言之，朝向轉(zhuǎn)子中心凸起)的方式被配置(形成)為略U字形狀。在該一組中，磁體插入孔9位于外周側(cè)的兩端部，通風(fēng)孔7位于中央部(轉(zhuǎn)軸51側(cè))。永磁體9a以箭頭所示的磁化方向(磁通方向)在與相鄰組之間交替的方式進(jìn)行配置。即，第一實(shí)施方式的永磁體型電動(dòng)機(jī)I的轉(zhuǎn)子5構(gòu)成為:以永磁體9a的磁化方向?yàn)槌蜣D(zhuǎn)子5的外周面收斂的方向磁化的永磁體組、和以朝向轉(zhuǎn)子5的中心部擴(kuò)散的方向磁化的永磁體組交替排列。
[0021]另外，在圖2中，如上述那樣構(gòu)成永磁體組的磁化方向是為了將定子線圈的感應(yīng)電壓形成為正弦波狀，而在無(wú)需將定子線圈的感應(yīng)電壓形成為正弦波狀的用途中，永磁體組的磁化方向并不限于此。即，磁化方向?yàn)槌蜣D(zhuǎn)子5的外周面的方向或者朝向轉(zhuǎn)子5的中心部的方向的各永磁體組的各磁化方向也可以是平行的。
[0022]另外，圖2中示出下述永磁體型電動(dòng)機(jī)作為一個(gè)示例，即:36個(gè)切槽3a沿著定子2的圓周方向呈等角間距地排列，形成六組永磁體組的12個(gè)永磁體9a沿著轉(zhuǎn)子鐵心6的圓周方向嵌入轉(zhuǎn)子鐵心6中，并將一個(gè)通風(fēng)孔7設(shè)置在一個(gè)磁體插入孔9與另一個(gè)磁體插入孔9之間，由此具有六組以兩個(gè)永磁體9a和一個(gè)通風(fēng)孔7為一組的永磁體組，但是，電動(dòng)機(jī)的極數(shù)和切槽數(shù)以及永磁體的數(shù)量、通風(fēng)孔的數(shù)量等并不限定于圖1的結(jié)構(gòu)，而能夠選擇規(guī)定數(shù)量。
[0023]另外，嵌入磁體插入孔9中的永磁體9a可以使用例如以被稱為稀土的元素之一的釹(Nd)為主要成分的永磁體。
[0024]接著，對(duì)于永磁體型電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的原理進(jìn)行說(shuō)明。永磁體型電動(dòng)機(jī)中存在下述兩種轉(zhuǎn)矩，即:通過(guò)永磁體所產(chǎn)生的磁通與定子繞組4所產(chǎn)生的磁通的相互作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩(所謂的電磁轉(zhuǎn)矩)、和通過(guò)轉(zhuǎn)子5表面的鐵心部分與定子繞組4所產(chǎn)生的磁通的相互作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩(所謂的磁阻轉(zhuǎn)矩)。在此，第一實(shí)施方式的永磁體型電動(dòng)機(jī)中的磁阻轉(zhuǎn)矩的磁路如圖3所示。如該圖3所示，磁阻轉(zhuǎn)矩的磁路15以沿著位于轉(zhuǎn)子鐵心6內(nèi)部的兩個(gè)永磁體9a和一個(gè)通風(fēng)孔7的形狀(U字形狀)的路徑產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
[0025]通風(fēng)孔7是為了對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心6進(jìn)行冷卻的目的而設(shè)置的孔，如上所述，利用設(shè)置在轉(zhuǎn)子5的周邊部的冷卻用風(fēng)扇52而使冷卻風(fēng)從通風(fēng)孔7流通，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻。因此,通過(guò)將通風(fēng)孔7設(shè)置在不會(huì)阻礙磁阻轉(zhuǎn)矩的磁路15的位置上，能夠有效地利用磁阻轉(zhuǎn)矩。另夕卜，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心6進(jìn)行冷卻，也能夠?qū)η度氪朋w插入孔9中的永磁體9a進(jìn)行冷卻。
[0026]另外，在圖2及圖3中，將通風(fēng)孔7的剖面形成為矩形形狀，但是，通風(fēng)孔7的剖面并不限于該形狀。例如，從制造容易度的觀點(diǎn)出發(fā)，也可以將通風(fēng)孔7的剖面形成為圓形形狀。
[0027]接著，參照?qǐng)D4，對(duì)于將永磁體9a及通風(fēng)孔7形成為圖3所示那樣的配置結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的效果進(jìn)行說(shuō)明。圖4是表示永磁體型電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與無(wú)負(fù)載感應(yīng)電壓之間的關(guān)系的仿真結(jié)果。在圖4中，白色四邊形所表示的波形是在位于U字形狀側(cè)面部(外周側(cè)的兩端部)的兩個(gè)磁體插入孔9中嵌入永磁體9a時(shí)的無(wú)負(fù)載感應(yīng)電壓的仿真值，黑色三角形所表示的波形是在通風(fēng)孔7的位置中也嵌入永磁體時(shí)的無(wú)負(fù)載感應(yīng)電壓的仿真值。另外，縱軸所示的數(shù)值表示根據(jù)架空線電壓將無(wú)負(fù)載感應(yīng)電壓標(biāo)準(zhǔn)化后的值。另外，在該仿真中，定子繞組等條件相同。
[0028]由圖4可知，在嵌入三個(gè)永磁體時(shí)，在高速旋轉(zhuǎn)區(qū)域(圖4的例子中為3500[r/min]以上的旋轉(zhuǎn)區(qū)域)中，無(wú)負(fù)載感應(yīng)電壓在架空線電壓以上。該情況下，當(dāng)減少定子繞組4的匝數(shù)時(shí)，能夠使高速旋轉(zhuǎn)區(qū)域的無(wú)負(fù)載感應(yīng)電壓接近架空線電壓。但是，在車輛用電動(dòng)機(jī)中，由于是根據(jù)所需轉(zhuǎn)矩和開關(guān)元件的電流上限值來(lái)確定無(wú)負(fù)載感應(yīng)電壓的下限值，因此，在現(xiàn)有的使用Si元件的逆變器(Si逆變器)的情況下，由于電流上限值小，因而無(wú)負(fù)載感應(yīng)電壓的最大值必然在架空線電壓以上。
[0029]另一方面，在使用以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等為代表的寬帶隙半導(dǎo)體元件的情況下，由于逆變器的開關(guān)元件所產(chǎn)生的損耗小，因而能夠向開關(guān)元件供給的電流為Si元件的2倍以上。因此，即使在像嵌入兩個(gè)永磁體時(shí)那樣高速旋轉(zhuǎn)區(qū)域的無(wú)負(fù)載感應(yīng)電壓小于架空線電壓時(shí)(參照?qǐng)D4)，也能夠通過(guò)增加供給開關(guān)元件的電流來(lái)產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩。
[0030]因此，在逆變器的開關(guān)元件使用碳化硅(SiC)這樣的寬帶隙半導(dǎo)體元件時(shí)，能夠?qū)⒅饕煞譃殁S(Nd)的永磁體9a的個(gè)數(shù)減少至目前的2/3。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)永磁體型電動(dòng)機(jī)的低成本化。另外，由于能夠減少轉(zhuǎn)子5內(nèi)部產(chǎn)生的磁通，因而也能夠減少作為電動(dòng)機(jī)損耗的主要原因的鐵損。
[0031]另外，對(duì)于車輛用電動(dòng)機(jī)中所使用的永磁體，為了提高磁體的耐高溫性能，除了釹(Nd)之外還會(huì)添加鏑(Dy)或鋱(Tb)等稀有價(jià)值比釹(Nd)更高的元素材料。因此，車輛用電動(dòng)機(jī)中所使用的永磁體的材料成本非常高。另一方面，如果采用本實(shí)施方式中公開的技術(shù)、即僅在U字形狀的側(cè)面部配置兩個(gè)永磁體的技術(shù)，由于能夠提高轉(zhuǎn)子5的冷卻性能，因而能夠降低永磁體的耐高溫性能的規(guī)格(spec),從而能夠進(jìn)一步降低磁體成本。
[0032]另外，架空線電壓在其中心值的±20% (例如1500V架空線時(shí)為1200V?1800V)的范圍內(nèi)變動(dòng)。因此，在預(yù)先將無(wú)負(fù)載感應(yīng)電壓的上限值設(shè)定在架空線電壓的0.8倍以下的情況下，即使架空線電壓發(fā)生變動(dòng)，架空線電壓也不會(huì)超過(guò)無(wú)負(fù)載感應(yīng)電壓的上限值，從而無(wú)需進(jìn)行特殊控制便可使電動(dòng)機(jī)以最大轉(zhuǎn)速工作。
[0033]另外，如果能夠使無(wú)負(fù)載感應(yīng)電壓在架空線電壓以下，則在車輛用電動(dòng)機(jī)的整個(gè)速度范圍中都能夠僅通過(guò)PWM控制進(jìn)行控制。參照?qǐng)D5對(duì)于這一點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。
[0034]圖5是與現(xiàn)有方法相比較，對(duì)電動(dòng)機(jī)控制的新控制方法進(jìn)行說(shuō)明的圖。在圖5中，粗實(shí)線所表示的波形是利用新方法時(shí)的目標(biāo)電流(相對(duì)于電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流，下同)，粗虛線所表示的波形是利用新方法時(shí)的目標(biāo)電壓(相對(duì)于電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電壓，下同)。另一方面，點(diǎn)劃線所表示的波形是利用現(xiàn)有方法時(shí)的目標(biāo)電流，雙點(diǎn)劃線所表示的波形是利用現(xiàn)有方法時(shí)的目標(biāo)電壓。
[0035]如圖5所示，在利用現(xiàn)有方法的電動(dòng)機(jī)控制中，在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到某一規(guī)定值之前，通過(guò)使目標(biāo)電流固定不變，并且使目標(biāo)電壓與轉(zhuǎn)速成比例地上升的PWM控制模式進(jìn)行控制，但在轉(zhuǎn)速達(dá)到規(guī)定值以上時(shí)，通過(guò)在同步脈沖模式等多脈沖模式之間將目標(biāo)電壓控制為固定不變的控制模式(非PWM控制模式)進(jìn)行控制。通過(guò)這樣的非PWM控制模式進(jìn)行控制的理由之一就是因?yàn)榇嬖谏鲜鰺o(wú)負(fù)載感應(yīng)電壓的問(wèn)題。
[0036]另一方面，在例如逆變器的開關(guān)元件使用碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬帶隙半導(dǎo)體元件時(shí)，由于能夠流過(guò)Si元件的2倍以上的電流，因而能夠采用圖5所示的新方法。在該新方法中，在電動(dòng)機(jī)達(dá)到最大轉(zhuǎn)速為止的區(qū)域(整個(gè)控制區(qū)域)中，通過(guò)使目標(biāo)電流固定不變，并且使目標(biāo)電壓與轉(zhuǎn)速成比例地增加的PWM控制模式進(jìn)行控制。雖然目標(biāo)電壓比現(xiàn)有方法小，但是，由于目標(biāo)電壓的值大于現(xiàn)有方法，因而能夠確保與現(xiàn)有方法同等(或者同等以上)的所需轉(zhuǎn)矩。另外，在采用該新方法時(shí)，在例如高速惰性運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也能夠使用再生制動(dòng)，因而能夠有效地利用再生能量，從而能夠減少耗電量，并且，通過(guò)抑制機(jī)械制動(dòng)器的使用頻率，能夠抑制機(jī)械制動(dòng)器的磨耗，從而能夠延長(zhǎng)機(jī)械制動(dòng)器的壽命。
[0037]圖6是表示執(zhí)行上述新方法的車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)構(gòu)成例的圖。如圖6所示,該車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)61構(gòu)成為包括:輸入電路62、逆變器63以及控制部67，其中，輸入電路62至少具備斷路器、濾波電容器以及濾波電抗器，逆變器63具備開關(guān)元件64a、65a、66a、64b、65b、66b，并且與用于驅(qū)動(dòng)電車的至少一臺(tái)以上的電動(dòng)機(jī)68連接，控制部67分別生成用于對(duì)逆變器63所具備的開關(guān)元件64a、65a、66a、64b、65b、66b進(jìn)行PWM控制的PWM信號(hào)U、V、W、X、Y、Z并將其輸出。另外，與逆變器63連接的電動(dòng)機(jī)68優(yōu)選使用上述永磁體型電動(dòng)機(jī)I。
[0038]另外，在圖6中，輸入電路62的一端經(jīng)由集電裝置71與架空線70連接，另一端經(jīng)由車輪73與處于地電位的軌道72連接。由架空線70提供的直流電或者交流電經(jīng)由集電裝置71輸入到輸入電路62的一端，并且，輸入電路62的輸出端產(chǎn)生的電力(直流電壓)輸入(施加)到逆變器63中。另外，在圖6中，將架空線70表示為直流架空線，但是，架空線70也可以是交流架空線。當(dāng)架空線70為交流架空線時(shí)，除了細(xì)節(jié)部分的設(shè)計(jì)事項(xiàng)之外，只要是在輸入電路62的前級(jí)設(shè)置變壓器的結(jié)構(gòu)即可。
[0039]逆變器63具有分別將由開關(guān)兀件64a、65a、66a構(gòu)成的正側(cè)臂(例如U相為64a)、與由開關(guān)元件64b、65b、66b構(gòu)成的負(fù)側(cè)臂(例如U相為64b)串聯(lián)連接的支路支路(leg)。即，在逆變器63中形成具有三組(U相、V相、W相)支路支路的三相電橋電路。在此，開關(guān)元件64a、65a、66a、64b、65b、66b采用使用寬帶隙半導(dǎo)體(SiC、GaN等)的開關(guān)元件。另外，圖6的例子中示出了支路支路數(shù)為三個(gè)(三相)時(shí)的結(jié)構(gòu)例，但是，不限定于該支路數(shù)。
[0040]逆變器63根據(jù)從控制部67輸出的開關(guān)信號(hào)(PWM信號(hào))U、V、W、X、Y、Z對(duì)開關(guān)元件64a、65a、66a、64b、65b、66b進(jìn)行PWM控制，從而將從輸入電路62輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成任意頻率及任意電壓的交流電壓后輸出。在此，開關(guān)信號(hào)U、V、W分別是用于對(duì)開關(guān)元件64a、65a、66a(即正側(cè)臂的開關(guān)元件)進(jìn)行PWM控制的控制信號(hào)，同樣，開關(guān)信號(hào)X、Y、Z分別是用于對(duì)開關(guān)兀件64b、65b、66b (即負(fù)側(cè)臂的開關(guān)兀件)進(jìn)行PWM控制的控制信號(hào)。另外，用于進(jìn)行PWM控制的控制部67的結(jié)構(gòu)、和從架空線70接受電力并將電力供給逆變器63的輸入電路62的結(jié)構(gòu)是公知結(jié)構(gòu)，故在此省略其詳細(xì)說(shuō)明。
[0041]第二實(shí)施方式.圖7是用于說(shuō)明第二實(shí)施方式中的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的部分剖面圖。如圖7所示，第二實(shí)施方式具有每極設(shè)有三個(gè)磁體插入孔1al?10a3和兩個(gè)通風(fēng)孔llal、lla2的結(jié)構(gòu)，并且，在中央部的磁體插入孔1al中嵌有永磁體12al,在兩端部的磁體插入孔10a2、10a3中分別嵌有永磁體12a2、12a3。在嵌入的永磁體之間，具體而言在永磁體12al與永磁體12a2之間以及永磁體12al與永磁體12a3之間，設(shè)有用于對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心6和永磁體12al?12a3進(jìn)行冷卻的通風(fēng)孔llal、lla2。另外，為了減少漏磁通而使磁體插入孔的尺寸大于永磁體，以使得在嵌入永磁體后的兩端部形成漏磁通防止用的孔，這一點(diǎn)與第一實(shí)施方式相同。
[0042]在此，與第一實(shí)施方式中的說(shuō)明一樣，優(yōu)選將通風(fēng)孔llal、lla2設(shè)置在不會(huì)阻礙磁阻轉(zhuǎn)矩的磁路15的位置上。因此，與第一實(shí)施方式同樣地設(shè)置為使得通風(fēng)孔llal、lla2位于連接永磁體12al、12a2、12a3的U字形狀的曲線內(nèi)。另外，若想更加定量地確定通風(fēng)孔llal、lla2的位置，只要形成為例如圖8所示那樣的配置即可。
[0043]在圖8中，將位于一個(gè)極的永磁體組中央部的永磁體12al (或者磁體插入孔1al)的長(zhǎng)度方向的延長(zhǎng)方向設(shè)為L(zhǎng)I，將位于永磁體組兩端部(最外周部)的一側(cè)的永磁體12a2(或者磁體插入孔10a2)的長(zhǎng)度方向的延長(zhǎng)方向設(shè)為L(zhǎng)2，將通風(fēng)孔Ilal的長(zhǎng)度方向的延長(zhǎng)方向設(shè)為L(zhǎng)3。此時(shí)，以方向L3與方向LI所形成的角度約為方向L2與方向LI所形成的角度的1/2的方式來(lái)配置通風(fēng)孔llal。對(duì)于通風(fēng)孔lla2也是同樣的，可以根據(jù)永磁體12al (或者磁體插入孔1al)與永磁體12a3 (或者磁體插入孔10a3)之間的關(guān)系進(jìn)行定位。通過(guò)進(jìn)行上述配置，能夠?qū)⑼L(fēng)孔llal、lla2設(shè)置在不會(huì)阻礙磁阻轉(zhuǎn)矩的磁路的位置上，從而能夠有效地利用磁阻轉(zhuǎn)矩。
[0044]第三實(shí)施方式.圖9是用于說(shuō)明第三實(shí)施方式中的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的部分剖面圖。如圖9所示，第三實(shí)施方式具有每極設(shè)有兩個(gè)磁體插入孔20al、20a2和三個(gè)通風(fēng)孔21al?21a3的結(jié)構(gòu)，并且，在位于中央部的通風(fēng)孔2Ial右側(cè)的磁體插入孔20al中嵌有永磁體22al，在位于中央部的通風(fēng)孔21al左側(cè)的磁體插入孔20a2中嵌有永磁體22a2。另外，用于對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心6以及永磁體22al、22a2進(jìn)行冷卻的通風(fēng)孔2Ial?21a3分別設(shè)置在永磁體22al與永磁體22a2之間、永磁體22al與轉(zhuǎn)子鐵心6的外周部之間以及永磁體22a2與轉(zhuǎn)子6的外周部之間。另外，為了減少漏磁通而使磁體插入孔的尺寸大于永磁體，以使得在嵌入永磁體后的兩端部形成漏磁通防止用的孔，這一點(diǎn)與第一、第二實(shí)施方式相同。
[0045]在此，與第一、第二實(shí)施方式中所說(shuō)明的一樣，優(yōu)選將通風(fēng)孔21al?21a3設(shè)置在不會(huì)阻礙磁阻轉(zhuǎn)矩的磁路15的位置上。因此，與第一、第二實(shí)施方式同樣地設(shè)置為使得通風(fēng)孔Ilal?lla3位于連接永磁體12al、12a2的U字形狀的曲線內(nèi)、以及使該U字形狀的曲線朝向轉(zhuǎn)子6的外周部延長(zhǎng)的曲線內(nèi)。另外，若想更加定量地確定永磁體12al、12a2以及通風(fēng)孔21al?21a3的位置，只要形成為例如圖9所示那樣的配置即可。
[0046]在圖9中，將位于由通風(fēng)孔21al?21a3構(gòu)成的通風(fēng)孔組、即一個(gè)極的通風(fēng)孔組中央部的通風(fēng)孔21al的長(zhǎng)度方向的延長(zhǎng)方向設(shè)為K1，將位于通風(fēng)孔組兩端部(最外周部)的一側(cè)的通風(fēng)孔21a2的長(zhǎng)度方向的延長(zhǎng)方向設(shè)為K2，將永磁體22al的長(zhǎng)度方向的延長(zhǎng)方向設(shè)為K3。此時(shí)，以方向K3與方向Kl所形成的角度約為方向K2與方向Kl所形成的角度的1/2的方式來(lái)配置用于插入永磁體22al的磁體插入孔20al。對(duì)于永磁體22a2也是同樣的，可以根據(jù)通風(fēng)孔21al與通風(fēng)孔21a3之間的關(guān)系進(jìn)行定位。通過(guò)進(jìn)行這種配置，能夠?qū)⑼L(fēng)孔21al?21a3以及磁體插入孔20al、20a2設(shè)置在不會(huì)阻礙磁阻轉(zhuǎn)矩的磁路的位置上，從而能夠有效地利用磁阻轉(zhuǎn)矩。
[0047]以上，對(duì)第一?第三實(shí)施方式涉及的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說(shuō)明，參照用于說(shuō)明第一?第三實(shí)施方式的各附圖可知，每極的永磁體(磁體插入孔)與通風(fēng)孔之間存在下述關(guān)系。
(1)既可以將永磁體配置在外周部，也可以將通風(fēng)孔配置在外周部。
(2)除了位于外周部側(cè)的永磁體之外，在永磁體的兩側(cè)設(shè)有通風(fēng)孔。
(3)永磁體及通風(fēng)孔的數(shù)量既可以是奇數(shù)也可以是偶數(shù)。
(4)通風(fēng)孔的數(shù)量既可以多于永磁體的數(shù)量，也可以少于永磁體的數(shù)量。
(5)永磁體的數(shù)量與通風(fēng)孔的數(shù)量的和為奇數(shù)。
[0048]另外，上述第(5)項(xiàng)是本申請(qǐng)發(fā)明的本質(zhì)性特點(diǎn)，并非是方便意義上的特征。例如，如果在圖3中將位于中央部的通風(fēng)孔7形成為二等分結(jié)構(gòu)，則永磁體的數(shù)量與通風(fēng)孔的數(shù)量的和變成偶數(shù)，但是，這樣的計(jì)數(shù)方法并非本質(zhì)性的。從作為通風(fēng)孔7的功能來(lái)看，通風(fēng)孔7的數(shù)量仍為一個(gè)。這一點(diǎn)對(duì)于永磁體也是相同的。
[0049]如上所述，第一?第三實(shí)施方式的永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)具有以下結(jié)構(gòu):在轉(zhuǎn)子鐵心上以朝向轉(zhuǎn)子的外周面呈略U字形狀的方式排列設(shè)置有用于嵌入多個(gè)永磁體的磁體插入孔,并且,在一個(gè)極的永磁體組中嵌有永磁體的一個(gè)磁體插入孔與相鄰的磁體插入孔之間、或者該一個(gè)磁體插入孔與轉(zhuǎn)子鐵心的外周部之間，配置有沿軸向貫穿轉(zhuǎn)子鐵心的通風(fēng)孔，并且，該通風(fēng)孔配置在與磁體插入孔一同形成略U字形狀的位置上。如此構(gòu)成的主要原因在于，通過(guò)基于寬帶隙半導(dǎo)體的開關(guān)元件所構(gòu)成的逆變器，對(duì)永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
[0050]S卩，由于逆變器使用寬帶隙半導(dǎo)體，因而能夠利用上述新方法來(lái)驅(qū)動(dòng)永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)。其結(jié)果是，能夠減少永磁體的數(shù)量，因而能夠在去掉永磁體后的空間內(nèi)設(shè)置冷卻用的通風(fēng)孔。另外，根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，能夠設(shè)置冷卻用的通風(fēng)孔而不會(huì)阻礙磁阻轉(zhuǎn)矩的磁路。由此，能夠在減少永磁體的數(shù)量的同時(shí)，抑制磁阻轉(zhuǎn)矩降低。
[0051]另外，在第一?第三實(shí)施方式的永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，由于能夠在減少永磁體數(shù)量后得到的空間內(nèi)設(shè)置冷卻用的通風(fēng)孔，因而能夠提高永磁體的冷卻性能。由此，能夠抑制轉(zhuǎn)子冷卻性能以及旋轉(zhuǎn)電機(jī)性能的降低，從而有助于進(jìn)一步提高包括逆變器等驅(qū)動(dòng)電路在內(nèi)的綜合效率。
[0052]另外，根據(jù)第一?第三實(shí)施方式的永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)，通過(guò)提高轉(zhuǎn)子的冷卻性能，能夠使永磁體的耐高溫性能的規(guī)格低于現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)電機(jī)，因而能夠得到可降低永磁體的成本這一效果。
[0053]另外，根據(jù)第一?第三實(shí)施方式的永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)，具有將通風(fēng)孔配置在與磁體插入孔一同形成略U字形狀的位置上的結(jié)構(gòu)。通風(fēng)孔的這種配置位置不會(huì)阻礙磁阻轉(zhuǎn)矩的磁路，并且也不是會(huì)阻礙電磁轉(zhuǎn)矩的磁路的位置。例如在圖3中，當(dāng)通風(fēng)孔7位于轉(zhuǎn)子鐵心6的外周側(cè)時(shí)，通風(fēng)孔7就會(huì)阻礙從永磁體9a、9a朝向定子鐵心3的磁路。另一方面，在第一?第三實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)中，由于通風(fēng)孔7設(shè)置在從轉(zhuǎn)子鐵心6的外周部靠近中心軸側(cè)的位置上，因而還具有可以抑制電磁轉(zhuǎn)矩降低這一效果。
工業(yè)上的實(shí)用性
[0054]如上所述，本發(fā)明能夠作為可以在減少永磁體數(shù)量的同時(shí)抑制磁阻轉(zhuǎn)矩降低的永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)而使用。
標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0055]I永磁體型電動(dòng)機(jī) 2定子
3定子鐵心 3a切槽 3b 齒 4定子繞組 5轉(zhuǎn)子 6轉(zhuǎn)子鐵心
7、llal、lla2 通風(fēng)孔
9、10al、10a2、10a3 磁體插入孔 9a、12al、12a2、12a3 永磁體 9b空洞部 15磁路 18旋轉(zhuǎn)空隙 51轉(zhuǎn)軸
51a轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)側(cè)部 52冷卻用風(fēng)扇 53 吸氣口 54機(jī)架 56 排氣口 58冷卻風(fēng)
【權(quán)利要求】
1.一種永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī),其特征在于， 所述永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)具備由寬帶隙半導(dǎo)體構(gòu)成的開關(guān)元件的逆變器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)， 所述永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)具備定子和轉(zhuǎn)子，所述定子構(gòu)成為將定子線圈收納在切槽的內(nèi)部，所述轉(zhuǎn)子具有被配置為能夠隔著旋轉(zhuǎn)空隙而相對(duì)于所述定子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子鐵心，并且在該轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)部，每極嵌有多個(gè)永磁體， 在所述轉(zhuǎn)子鐵心上，以朝向轉(zhuǎn)子的外周面呈略U字形狀的方式排列設(shè)置有用于嵌入所述永磁體的磁體插入孔,并且,在嵌入各個(gè)所述磁體插入孔中的永磁體的與其磁化方向正交的方向上的兩側(cè)面部形成有空洞部， 在由多個(gè)所述永磁體構(gòu)成的一個(gè)極的永磁體組中，在嵌有所述永磁體的一個(gè)磁體插入孔與相鄰的磁體插入孔之間、或者該一個(gè)磁體插入孔與所述轉(zhuǎn)子鐵心的外周部之間，設(shè)有沿軸向貫穿所述轉(zhuǎn)子鐵心的通風(fēng)孔， 所述通風(fēng)孔配置在與所述磁體插入孔一同形成所述略U字形狀的位置上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于，每極的所述永磁體的數(shù)量與所述通風(fēng)孔的數(shù)量的和為奇數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于，每極的所述永磁體的數(shù)量為3以上的奇數(shù)個(gè)，并且，在所述永磁體組的中央部和所述永磁體組的最外周部配置有永磁體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于， 每極的所述永磁體的數(shù)量為三個(gè)，并且，在將位于所述永磁體組的中央部的第一永磁體或者嵌有該第一永磁體的第一磁體插入孔的長(zhǎng)度方向設(shè)為第一方向，將位于所述永磁體組兩端部的一側(cè)的第二永磁體或者嵌有該第二永磁體的第二磁體插入孔的長(zhǎng)度方向設(shè)為第二方向，將設(shè)置于所述第一磁體插入孔與所述第二磁體插入孔之間的通風(fēng)孔的長(zhǎng)度方向設(shè)為第三方向時(shí)，以所述第三方向與所述第一方向所形成的角度約為所述第二方向與所述第一方向所形成的角度的1/2的方式來(lái)配置所述通風(fēng)孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于，每極的所述永磁體的數(shù)量為2以上的偶數(shù)個(gè)，并且，在由多個(gè)所述通風(fēng)孔構(gòu)成的一個(gè)極的通風(fēng)孔組中，在該通風(fēng)孔組的中央部和最外周部配置有通風(fēng)孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī),其特征在于， 每極的所述通風(fēng)孔的數(shù)量為三個(gè)，并且在將位于中央部的第一通風(fēng)孔的長(zhǎng)度方向設(shè)為第一方向，將位于所述轉(zhuǎn)子鐵心外周部的一側(cè)的第二通風(fēng)孔的長(zhǎng)度方向設(shè)為第二方向，將位于所述第一通風(fēng)孔與所述第二通風(fēng)孔之間的永磁體或者嵌有該永磁體的磁體插入孔的長(zhǎng)度方向設(shè)為第三方向時(shí)，以所述第三方向與所述第一方向所形成的角度約為所述第二方向與所述第一方向所形成的角度的1/2的方式配置該永磁體。
7.—種車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，具備: 使用權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的永磁體型旋轉(zhuǎn)電機(jī)來(lái)構(gòu)成的電動(dòng)機(jī)； 用于驅(qū)動(dòng)所述電動(dòng)機(jī)的逆變器； 用于生成成為所述逆變器的輸入的直流電的輸入電路；以及 用于控制所述逆變器的控制裝置。
【文檔編號(hào)】H02K21/16GK104247214SQ201280072551
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2012年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月23日
【發(fā)明者】健太 金子, 盛幸 枦山 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社