磁铁嵌入型旋转电机

摘要

本发明提供一种磁铁嵌入型旋转电机。磁铁嵌入型旋转电机(1)具备：转子(2)，其具有在内部嵌入有永磁铁(12、13)的转子铁芯(11)；定子(3)，其相对于转子(2)对置配置；以及纤维强化塑料管(4)，其外套固定于转子铁芯(11)。

权利要求

1.一种磁铁嵌入型旋转电机，其特征在于，所述磁铁嵌入型旋转电机具备：

转子，其具有在内部嵌入有永磁铁的转子铁芯；

定子，其相对于所述转子对置配置；以及纤维强化塑料管，其外套固定于所述转子铁芯，构成所述纤维强化塑料管的纤维配置成格子状，所述格子在所述纤维强化塑料管的轴向上的纤维密度大于周向上的纤维密度，其中，周向的纤维密度是指在周向相邻的沿着轴向延伸的多个纤维的疏密，轴向的纤维密度是指在轴向上相邻的沿着周向延伸的多个纤维的疏密。

2.根据权利要求1所述的磁铁嵌入型旋转电机，其特征在于，构成所述纤维强化塑料管的纤维为低导电率纤维或者绝缘性纤维。

3.根据权利要求1所述的磁铁嵌入型旋转电机，其特征在于，所述磁铁嵌入型旋转电机具备树脂构件，该树脂构件介于沿所述纤维强化塑料管的轴向延伸的纤维与沿周向延伸的纤维之间。

4.根据权利要求1所述的磁铁嵌入型旋转电机，其特征在于，沿所述纤维强化塑料管的周向延伸的纤维为低导电率纤维或者绝缘性纤维，沿轴向延伸的纤维为导电率高于所述低导电率纤维的纤维。

说明书

磁铁嵌入型旋转电机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种磁铁嵌入型旋转电机，包括具有在内部嵌入有永磁铁的转子铁芯的转子、以及相对于该转子对置配置的定子。

背景技术

[0002] 旋转电机是电动机、发电机、电动机兼发电机的总称。在将本发明的磁铁嵌入型旋转电机作为电动机加以利用的情况下，将该电动机称作IPM(Interior Permanent Magnet)马达。与此相对，将具有永磁铁粘贴于转子铁芯的表面而成的转子的电动机称作SPM(Surface Permanent Magnet)马达。另外，将IPM马达与SPM马达合在一起称作PM马达。

[0003] 本发明的最终目标是实现IPM马达的高速旋转化。作为虽然是与SPM马达相关而并非与IPM马达相关的发明、但课题在于要解决马达的高速化的发明，例如存在专利文献1所记载的发明。

[0004] 专利文献1所记载的SPM马达的转子具有配设于圆筒形磁轭的表面的永磁铁、以及在卷绕于该永磁铁的外周面上的高熔点纤维的外表面覆盖低熔点金属而成的纤维强化金属线，通过将邻接的纤维强化金属线彼此的各自的低熔点覆盖部熔融粘接而成。通过向永磁铁的外周面上的纤维强化金属线的卷绕、以及低熔点覆盖部彼此的熔融粘接，提高转子的强度，以便能够抵抗高速旋转时的较大的离心力。

[0005] 专利文献2所记载的发明针对马达等的高速旋转化的要求，实现了构成转子铁芯的电磁钢板的强度提高。

[0006] 在此，为了使IPM马达、SPM马达这样的PM马达高速旋转，以高频率来驱动马达。此时，转子(旋转件)所产生的涡流损失变大，磁铁的退磁成为问题。一般情况下，定子(固定件)通过与壳体以及冷却路的接触等而容易散热。另一方面，位于定子的内侧的转子经由主轴与负载连接，由于经由主轴、轴承的壳体成为主要的散热路径，因此难以确保散热路径。在通常的马达中，驱动频率低至50Hz、60Hz，因此，转子所产生的涡流损失、散热路径的确保不会特别成为问题。但是，例如在以400Hz使马达高速旋转的情况下，转子所产生的涡流损失变大。该涡流损失的降低或者转子的散热路径的确保成为问题。

[0007] 另外，在IPM马达中，在转子铁芯的外周部铁心形成磁路。该磁路无助于转矩，因此，通常情况下，进行尽量减薄转子铁芯的外周部并使之磁饱和而形成为桥部、或者设置磁通阻挡部等的设计。但是，由于当使马达高速旋转时离心力变大，因此需要增厚转子铁芯的外周部。由此形成转矩不足，为了弥补转矩而使电流增加或者使磁铁增加，但前者会导致涡流损失的增加，后者会导致成本增加。

[0008] 此外，近来，马达的节能性能的提高、高效率化的需求高涨。IPM马达在通常的磁力转矩之外，还在转子构造具有凸极性，由此能够活用磁阻转矩，因此作为能够实现高效率化的马达而受到瞩目。在高速旋转中高效率化的需求也较高。

[0009] 专利文献1所记载的发明是与SPM马达的转子相关的发明，SPM马达与IPM马达相比难以实现高效率，无法活用磁阻转矩。另外，在专利文献1中，通过使纤维强化金属线的低熔点覆盖部彼此熔融粘接而形成转子的保护层，提高该转子的强度。该保护层的主要物质是金属，金属容易供电流流动，因此即便能够提高转子的强度，也无法抑制涡流损失。

[0010] 另外，在专利文献1中，将纤维强化金属线卷绕于转子，之后通过激光等进行加热，由此使低熔点金属熔融粘接而将纤维强化金属线固定于转子。其中，需要针对每个转子卷绕纤维强化金属线的工序，所需工时(时间)较多，且设备、夹具的制作耗费费用。

[0011] 专利文献2所记载的发明是实现了电磁钢板的强度提高的发明，而不是应对涡流损失的降低的发明。

[0012] 在先技术文献

[0013] 专利文献

[0014] 专利文献1：日本特开昭61-73559号公报

[0015] 专利文献2：日本特开2010-90474号公报

发明内容

[0016] 发明要解决的课题

[0017] 本发明的目的在于提供一种能够提高转子的强度、并能够抑制该转子所产生的涡流损失的磁铁嵌入型旋转电机。

[0018] 本发明的一方面所涉及的磁铁嵌入型旋转电机具备：转子，其具有在内部嵌入有永磁铁的转子铁芯；定子，其相对于所述转子对置配置；以及纤维强化塑料管，其外套固定于所述转子铁芯。

[0019] 根据本发明，能够提高转子的强度，并能够抑制该转子所产生的涡流损失。因此，本发明的磁铁嵌入型旋转电机能够高速旋转且效率也良好。

[0020] 本发明的目的、特征以及优点通过以下的详细说明以及附图而变得更加清楚。

附图说明

[0021] 图1是磁铁嵌入型旋转电机的剖视图。

[0022] 图2是图1的II-II线剖视图。

[0023] 图3是纤维强化塑料管的立体图。

[0024] 图4A是纤维强化塑料管的立体图。

[0025] 图4B是纤维强化塑料管的立体图。

具体实施方式

[0026] 以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。需要说明的是，本发明的磁铁嵌入型旋转电机能够作为车载用的电动机、搭载于航空器的发电机等各种机械的电动机、发电机、电动机兼发电机加以利用。

[0027] [第一实施方式]

[0028] (IPM马达的结构)

[0029] 本发明的第一实施方式的磁铁嵌入型旋转电机是IPM马达。如作为剖视图的图1以及作为图1的II-II线剖视图的图2所示，IPM马达1具有转子(旋转件)2、以及在转子2的径向外侧相对于转子2对置配置的筒状的定子(固定件)3。转子2以其轴心与定子3的轴心一致的方式(以成为同轴的方式)配置在定子3内。另外，转子2与定子3收纳在未图示的壳体内。

[0030] (转子)

[0031] 转子2具有筒状的转子铁芯11、以及嵌入转子铁芯11的内部的两组永磁铁12、13。转子2能够沿图2所示的C方向及其相反方向旋转。

[0032] 转子铁芯11例如通过将环形板状的电磁钢板(35H300等)沿轴心方向层叠而形成。在转子铁芯11的中心形成有沿着轴心(旋转轴)方向贯通的孔11a。将转子2的旋转取出到外部的输出轴(主轴)5插入该孔11a。转子铁芯11借助平行键14固定于输出轴5。输出轴45被轴承(未图示)支承为能够旋转。

[0033] 如图1所示，在转子2的轴心方向的两端分别设置有端板16。一对端板16通过贯通转子铁芯11的螺栓17固定于转子2。通过经由端板16将转子铁芯11的热量朝外部空气释放，由此提高转子铁芯11的散热特性。另外，通过形成为这样的构造，作为形成转子铁芯11的电磁钢板，能够使用不具有高张力的通常的电磁钢板。由此，能够降低转子铁芯11的铁损，因此能够降低转子2所产生的损失，提高马达效率。

[0034] 如图2所示，在转子铁芯11的外周部形成有在转子2的周向上隔开间隔排列的四个磁铁嵌入孔11b。各磁铁嵌入孔11b沿着轴心方向贯通转子铁芯11，如后所述，供构成永磁铁12的一对同极的磁铁12a、12b、以及构成永磁铁13的一对同极的磁铁13a、13b分别嵌入。

[0035] 两组永磁铁12、13是钕磁铁等，通过嵌入转子铁芯11的磁铁嵌入孔11b，形成转子2(转子铁芯11)的磁极。永磁铁12与永磁铁13以在转子2的周向上相邻的磁极成为彼此相反的磁极的方式、即以在转子2的外周面处S极与N极在周向上交替排列的方式嵌入各磁铁嵌入孔11b。

[0036] 永磁铁12由沿着转子2的周向邻接配置的一对同极的磁铁12a、12b构成。另外，永磁铁13由沿着转子2的周向邻接配置的一对同极的磁铁13a、13b构成。一对同极的磁铁12a、12b以及一对同极的磁铁13a、13b分别嵌入磁铁嵌入孔11b。

[0037] 一对同极的磁铁12a、12b中的与转子2的中心对置的面分别为S极，其形状为平面。另外，一对同极的磁铁12a、12b中的与定子3对置的面分别为N极，其形状为平面。转子2的外周面与同极的磁铁12a、12b各自之间的部分即磁通短路路径11c是在转子2内磁通短路的部分。

[0038] 一对同极的磁铁13a、13b中的与转子2的中心对置的面分别为N极，其形状为平面。另外，一对同极的磁铁13a、13b中的与定子3对置的面分别为S极，其形状为平面。转子2的外周面与同极的磁铁13a、13b各自之间的部分即磁通短路路径11c是在转子2内磁通短路的部分。

[0039] 在转子2的周向上，在一对同极的磁铁12a、12b以及一对同极的磁铁13a、13b各自与转子铁芯11之间分别形成有空隙15。该空隙15在转子2的周向上分别形成于同极的磁铁12a、12b、13a、13b各自的两侧。利用这些空隙15能够使在转子2内短路的磁通減少。需要说明的是，磁通的短路意味着从N极出来的磁通不到达定子3与转子2之间的空隙部6，而直接穿过转子铁芯11进入S极。

[0040] (定子)

[0041] 定子3具有筒状的定子铁芯21、以及卷绕于定子铁芯21的内周面的绕线22。

[0042] 定子铁芯21例如通过将多个电磁钢板(硅钢板等)在轴心方向上层叠而形成。在定子铁芯21的内周面沿着周向交替连续地形成有插槽21a与齿21b。在齿21b上卷绕绕线22。通过对分别卷绕于多个齿21b的绕线22供给规定的相位差的电流，形成旋转磁场。由此，在转子2上产生磁力转矩与磁阻转矩，使转子2旋转。在此，磁阻转矩是在磁阻要变小的部位产生的转矩，即，是欲使磁通流过磁难以流通的部位而使转子2相对于定子3旋转来产生的转矩。

[0043] (纤维强化塑料管)

[0044] IPM马达1具有纤维强化塑料管4。该纤维强化塑料管4外套于转子铁芯11并固定。纤维强化塑料管4的厚度例如为2mm。通过将纤维强化塑料管4固定于转子铁芯11，提高转子
2的强度。

[0045] 如图3所示，纤维强化塑料管4是编织高强度的纤维强化塑料的纤维并用树脂固定的复合材料。构成纤维强化塑料管4的纤维配置成格子状。具体而言，沿着纤维强化塑料管4的轴向延伸的纤维31与沿着周向延伸的纤维32配置成格子状。纤维强化塑料的导电率比专利文献1的纤维强化金属线的导电率低，因此，能够降低转子2所产生的涡流损失。

[0046] 沿着周向延伸的纤维32通过将一根纤维呈螺旋状卷绕而形成。另一方面，沿着轴向延伸的纤维31在周向上排列设置多个。在本实施方式中，沿着轴向延伸的纤维31为4根，但不限于此，可以为5根以上，也可以为3根以下。

[0047] 沿着轴向延伸的纤维31以及沿着周向延伸的纤维32分别为低导电率纤维。由此，能够抑制纤维强化塑料管4发热。在本实施方式中，沿着轴向延伸的纤维31以及沿着周向延伸的纤维32是电阻率为1010Ωcm以上的GFRP(Grass Fiber Reinforced Plastic)，但不限于此，也可以是CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)、AFRP(Aramid Fiber Reinforced Plastic)、ALFRP(Alumi7na Fiber Reinforced Plastic)等。需要说明的是，沿着轴向延伸的纤维31以及沿着周向延伸的纤维32中的至少一方为绝缘性纤维。

[0048] 另外，在纤维配置成格子状的纤维强化塑料管4中，纤维强化塑料管4的轴向的纤维密度大于周向的纤维密度。在此，周向的纤维密度是指在周向相邻的沿着轴向延伸的多个纤维31的疏密。另一方面，轴向的纤维密度是指在轴向上相邻的沿着周向延伸的多个纤维32的疏密。

[0049] 纤维密度越密，则纤维强化塑料管4的强度越高，但成本以及制作工时增加。另外，纤维密度越密，则导电率上升，成为产生涡流的原因。因此，通过减小周向的纤维密度，降低产生涡流的原因，并且降低成本以及制作工时。另外，通过增大轴向的纤维密度，能够适当地抑制永磁铁的飞散。

[0050] 对于这样的纤维强化塑料管4，通过预先加热纤维强化塑料管4而热嵌于转子铁芯11。需要说明的是，也可以通过预先冷却转子铁芯11，使纤维强化塑料管4冷嵌于转子铁芯
11。另外，也可以在转子铁芯11的表面涂布有粘接剂的状态下，将纤维强化塑料管4间隙嵌合(压入)于转子铁芯11。

[0051] 通过使用纤维强化塑料管4，既能够确保转子2的强度又能够减薄转子铁芯11的外周部即磁通短路路径11c(参照图2)。因此，无需为了补偿转矩而使电流增加，不会增加涡流损失。因此，能够将马达效率提高到95％以上。

[0052] 需要说明的是，沿着轴向延伸的纤维31也可以是导电率比低导电率纤维的导电率高的纤维。在该情况下，能够抑制材料成本。

[0053] 另外，沿着轴向延伸的纤维31也可以是不具有导电性的纤维。在该情况下，能够抑制材料成本，并且在配置成格子状的纤维中，不形成产生涡流的环路。

[0054] 另外，构成纤维强化塑料管4的沿着周向延伸的纤维32并不限于卷绕成螺旋状，也可以将环状的纤维在轴向上排列设置多个。

[0055] (效果)

[0056] 如以上所述，根据本实施方式所涉及的IPM马达(磁铁嵌入型旋转电机)1，通过将纤维强化塑料管4外套于转子铁芯11并固定，能够提高转子2的强度。由此，能够抑制永磁铁12、13飞散。另外，纤维强化塑料的导电率比专利文献1的纤维强化金属线的导电率低，因此，能够降低转子2所产生的涡流损失。另外，由于既能够确保转子2的强度又能够减薄转子铁芯11的外周部，因此，无需为了补偿转矩而使电流增加，不会增加涡流损失。因此，能够提高马达效率。这样，本发明的IPM马达1能够提高转子2的强度，也能够抑制该转子2所产生的涡流损失，因此，能够高速旋转且效率也良好。

[0057] 另外，通过将构成纤维强化塑料管4的纤维设为低导电率纤维或者绝缘性纤维，能够抑制纤维强化塑料管4发热。

[0058] 另外，将构成纤维强化塑料管4的纤维配置成格子状，使纤维强化塑料管4的轴向的纤维密度大于周向的纤维密度。通过减小周向的纤维密度，能够降低产生涡流的原因，并且能够降低成本以及制作工时。另外，通过增大轴向的纤维密度，能够适当地抑制永磁铁12、13的飞散。

[0059] 另外，作为沿着轴向延伸的纤维31，使用导电率高于低导电率纤维的导电率的纤维，由此能够抑制材料成本。

[0060] [第二实施方式]

[0061] (纤维强化塑料管)

[0062] 接着，对本发明的第二实施方式所涉及的IPM马达(磁铁嵌入型旋转电机)201进行说明。需要说明的是，对与上述的构成要素相同的构成要素标注相同的附图标记并省略对其进行说明。本实施方式的IPM马达201与第一实施方式的IPM马达1的不同之处在于，如图4A以及作为立体图的图4B所示，在纤维强化塑料管204中，在沿着轴向延伸的纤维31与沿着周向延伸的纤维32之间夹有树脂构件。

[0063] 具体而言，如图4A所示，纤维强化塑料管204包括仅由沿着纤维强化塑料管204的周向延伸的纤维32构成的内管204a、以及由沿着轴向延伸的多个纤维31和配置于多个纤维31的两端的一对环状的纤维33构成的外管204b。沿着轴向延伸的纤维31的端分别与一对环状的纤维33连接。

[0064] 沿着轴向延伸的纤维31以及沿着周向延伸的纤维32分别为低导电率纤维。需要说明的是，沿着轴向延伸的纤维31以及沿着周向延伸的纤维32中的至少一方也可以是绝缘性纤维。环状的纤维33可以是低导电率纤维及绝缘性纤维，也可以是导电率高于低导电率纤维的导电率的纤维。通过使用导电率高于低导电率纤维的导电率的纤维，能够抑制材料成本。

[0065] 并且，如图4B所示，通过将内管204a与外管204b重合，形成纤维强化塑料管204。此时，在沿着轴向延伸的纤维31与沿着周向延伸的纤维32之间的重合部34夹有树脂构件。由此，能够在沿着轴向延伸的纤维31与沿着周向延伸的纤维32之间确保绝缘性。由此，在配置成格子状的纤维中，不会形成产生涡流的环路。

[0066] 需要说明的是，沿着轴向延伸的纤维31也可以是导电率高于低导电率纤维的导电率的纤维。在该情况下，能够抑制材料成本。

[0067] 另外，构成内管204a的沿着周向延伸的纤维32不限于卷绕成螺旋状，也可以将环状的纤维在轴向上排列设置多个。

[0068] (效果)

[0069] 如以上所述，根据本实施方式所涉及的IPM马达(磁铁嵌入型旋转电机)201，将构成纤维强化塑料管204的纤维配置成格子状，在沿着轴向延伸的纤维31与沿着周向延伸的纤维32之间的重合部34夹有树脂构件。因而，能够在沿着轴向延伸的纤维31与沿着周向延伸的纤维32之间确保绝缘性。由此，在配置成格子状的纤维中，不会形成产生涡流的环路。

[0070] 以上，说明了本发明的实施方式，但仅是例示了具体例，没有特别限定本发明，能够对具体的结构等进行适当设计变更。另外，发明的实施方式所记载的作用以及效果仅是列举了根据本发明产生的最优选的作用以及效果，本发明所带来的作用以及效果并不限定于本发明的实施方式所记载的作用以及效果。