同步磁阻電機的製作方法

2024-04-03 13:55:05 2

本發明例如涉及電動動力轉向裝置所使用的同步磁阻電機。

背景技術：

公知有僅利用通過相對於電磁能的位置的變化產生的磁阻轉矩，使轉子旋轉的磁阻電機。磁阻電機有開關磁阻電機(srm：switchedreluctancemotor)和同步磁阻電機(synrm：synchronousreluctancemotor)。開關磁阻電機的定子以及轉子具有磁凸極性。同步磁阻電機的定子與無刷電機的構造相同。

同步磁阻電機在定子以及轉子中僅轉子具有磁凸極性。在同步磁阻電機中，通過轉子的磁凸極性，具有磁通容易流動的凸極方向(以下稱作「d軸方向」)和磁通難以流動的非凸極方向(以下，稱作「q軸方向」)。因此，通過d軸方向的電感(以下，稱作「d軸電感」)與q軸方向的電感(以下，稱作「q軸電感」)之差產生磁阻轉矩，轉子通過該磁阻轉矩旋轉(參照日本特開平11－289730號公報)。

同步磁阻電機不使用永久磁石而僅利用磁阻轉矩使轉子旋轉。因此，與使用永久磁石的電機相比，有輸出轉矩小的問題，即使些許也有必要增大輸出轉矩。

技術實現要素：

本發明的目的之一是提供能夠使輸出轉矩變大並且轉矩波動小的同步磁阻電機。

作為本發明的一方式的同步磁阻電機的結構上的特徵為，包括定子和轉子，在上述轉子以在周向上隔開間隔地形成有極數數量的磁障組，上述磁障組由圓弧狀的多個磁障構成，上述磁障從外周朝向中心配置多層，並上述圓弧狀形成為朝向上述中心凸起的形狀，其中，在從沿著上述轉子的旋轉軸的方向觀察的俯視下，若將以上述轉子的外周邊緣上的上述各磁障組的周向中心點為頂點的多邊形圍起的區域設為多邊形區域，則上述各磁障組中的上述多個磁障包括在上述多邊形區域內形成的圓弧狀部分，上述各磁障組中的上述圓弧狀部分的圓弧中心設定於上述轉子的外周邊緣上的該磁障組的周向中心點，若將上述轉子中的被上述磁障組內的相互鄰接的兩個磁障夾著的區域設為肋部，並將上述轉子中的被相互鄰接的磁障組夾著的區域中的上述轉子的靠外周部分設為連接部，則上述連接部的寬度與上述肋部的寬度之比為0.53以上0.8以下。

附圖說明

通過以下參照附圖對本發明的優選實施方式進行的詳細描述，本發明的其它特徵、構件、過程、步驟、特性及優點會變得更加清楚，其中，附圖標記表示本發明的要素，其中，

圖1是表示本發明的一實施方式的同步磁阻電機的結構的剖視圖。

圖2是表示圖1的同步磁阻電機的轉子的放大俯視圖。

圖3是沿著圖2的iii-iii線的剖視圖。

圖4是主要表示一個磁障組的細節的部分放大俯視圖。

圖5a是表示在使肋部的寬度m與磁障的寬度a的和為一定的情況下輸出轉矩相對於肋部的寬度m的模擬結果的線圖。

圖5b是表示在使肋部的寬度m與磁障的寬度a的和一定的情況下轉矩波動相對於肋部的寬度m的模擬結果的線圖。

圖6是表示以使肋部的寬度m以及磁障的寬度a一定，並使連接部的寬度c以及區間d的長度以距離h的長度成為一定的方式變化時，轉矩波動相對於連接部的寬度c與肋部的寬度m之比c/m的模擬結果的線圖。

圖7是表示以使肋部的寬度m以及區間d的長度一定，並使連接部的寬度c以及磁障的寬度a以距離h的長度成為一定的方式變化時，轉矩波動相對於連接部的寬度c與肋部的寬度m之比c/m的模擬結果的線圖。

圖8是表示以使磁障的寬度a以及區間d的長度一定，並使連接部的寬度c以及肋部的寬度m以距離h的長度成為一定的方式變化時，轉矩波動相對於連接部的寬度c與肋部的寬度m之比c/m的模擬結果的線圖。

具體實施方式

以下，參照附圖對本發明的實施方式詳細地進行說明。圖1是表示本發明的一實施方式的同步磁阻電機的結構的剖視圖。圖2是表示圖1的同步磁阻電機的轉子的放大俯視圖。圖3是沿著圖2的iii-iii線的剖視圖。圖4是主要表示一個磁障組的細節的部分放大俯視圖。

參照圖1，同步磁阻電機1(以下，僅稱作「電機1」。)包括定子(固定件)10和轉子(旋轉件)20。定子10產生旋轉磁場。轉子20設置於定子10的內側，並通過上述旋轉磁場旋轉。定子10包括圓環狀的定子鐵芯11和定子線圈12。定子鐵芯11通過圓環狀的鋼板層疊多片來構成。在定子鐵芯11的內周部設置有多個供定子線圈12插入的槽11a。在該實施方式中，在定子鐵芯11卷繞有三個獨立的定子線圈12，槽11a的數量是24個。

參照圖1～圖4，轉子20的極數在該實施方式中是4極(2極對)。轉子20包括轉子鐵芯21和轉子軸(旋轉軸)22。轉子軸22貫通轉子鐵芯21的中心部並且被固定於轉子鐵芯21。轉子鐵芯21通過層疊多片在中心部具有孔的圓形的電磁鋼板而構成。在轉子鐵芯21，在周向上空開間隔地按極數形成極數個由圓弧狀的多個磁障(在該例中是狹縫(空氣層))23構成的磁障組。磁障23從外周側朝向轉子軸22側配置為多層，朝向轉子軸22成為凸起。在該例中，在轉子鐵芯21，在周向上隔開間隔地形成4組磁障組。各磁障組的磁障23的層數是7。換言之，一個磁障組由長度不同的7個磁障23構成。磁障也可以不是狹縫，而由樹脂等非磁性物質構成。

參照圖2以及圖4，將沿著轉子軸22的方向觀察的俯視時，轉子鐵芯21中的同一磁障組內相互鄰接的兩個磁障23所夾的區域設為肋部24。將轉子鐵芯21中被相互鄰接的磁障組夾著的區域中的靠近轉子鐵芯21的外周的部分設為連接部25。另外，將包含轉子鐵芯21的外周邊與磁障23的端部的中間部分的轉子鐵芯21的外周部的環狀區域設為橋26。

將通過磁障組內的磁障23的周向中央，並沿轉子鐵芯21的徑向延伸的軸設為q軸。將通過鄰接的磁障組的之間，並沿轉子鐵芯21的徑向延伸的軸設為d軸。磁障23是妨礙磁通的流動的部件。因此，來自定子鐵芯11的磁通中的從鄰接的兩個q軸中的一方q軸朝向另一方的q軸的磁通難以通過。相對於此，通過磁障23間的肋部24，從鄰接的兩個d軸中的一方d軸朝向另一方d軸的磁通變得容易通過。

若通過定子10對轉子20施加旋轉磁場，則從電機1產生磁阻轉矩t。磁阻轉矩t用下式(1)表示。

t＝pn·(ld－lq)·id·iq…(1)

在上述式(1)中，pn是極對數，ld是d軸電感，lq是q軸電感，id是d軸電流，iq是q軸電流。

因此，如果使d軸電感ld與q軸電感lq之差(ld－lq)變大則磁阻轉矩(輸出轉矩)t變大。在該實施方式中，為了使該差(ld－lq)變大，設置磁障23，使q軸方向的磁路的磁阻變大，同時使d軸方向的磁路的磁阻變小。在該實施方式中，為了一邊使轉矩波動變小，一邊使磁阻轉矩t(電機輸出)提高，還進行下面這樣的設計。換言之，將磁障23的俯視形狀設定為適當的形狀。另外，將肋部24的寬度相對於磁障23的寬度之比設定為適當的值。並且，將連接部25的寬度相對於肋部24的寬度之比設定為適當的值。以下，對這些詳細地進行說明。

首先，參照圖2以及圖4，對磁障23的俯視形狀進行說明。將轉子20的外周邊上的各磁障組的周向中心點設為a、b、c、d。在轉子20中，在俯視下，將以a、b、c、d為頂點的多邊形(在該例中是四邊形)圍起的區域設為多邊形區域(在該例中是四邊形區域)30。有將連結多邊形區域30的頂點a和頂點b的邊或者線段用a－b表示，將連結頂點b和頂點c的邊或者線段用b－c表示，將連結頂點c和頂點d的邊或者線段用c－d表示，將連結頂點d和頂點a的邊或者線段用d－a表示的情況。

各磁障組中的多個磁障23在俯視下，由多邊形區域30內的圓弧狀部分23a和直線狀部分23b構成。直線狀部分23b從圓弧狀部分23a的兩端部向多邊形區域30外延伸。各磁障組中的多個圓弧狀部分23a的圓弧中心設定於轉子20的外周邊上的該磁障組的周向中心點a、b、c、d。從圓弧狀部分23a的各端部延伸的直線狀部分23b沿與上述多邊形區域30的4邊中的俯視下靠近圓弧狀部分23a的該端部的一邊垂直的方向延伸。換言之，從圓弧狀部分23a的各端部延伸的直線狀部分23b從該圓弧狀部分23a的端部向該圓弧狀部分23a的切線方向延伸。

例如，圖4主要表示的一個磁障組中的多個磁障23在俯視下，由多個圓弧狀部分23a和多個直線狀部分23b構成。圓弧狀部分23a以點a為中心。直線狀部分23b從各圓弧狀部分23a中的邊a－b側的一端與邊a－b垂直地延伸，並從各圓弧狀部分23a中的邊d－a側的另一端與邊d－a垂直地延伸。

以圖4主要表示的一個磁障組為例，對將各磁障組中的多個磁障23的俯視形狀這樣設定的理由進行說明。一般若將面積s的平面電路置於磁通密度b[wb]的磁場內，則貫通面積s的平面電路的磁通φ用下式(2)表示。

φ＝bssinθ…(2)

θ是平面電路的面與磁通的方向所成的角。

根據該式(2)，了解到當平面電路的面與磁通的方向所成的角θ為90度時，磁通φ最大。若如上述那樣設定圖4主要表示的磁障組中的多個磁障23的俯視形狀，則向d軸方向流動的磁通垂直通過沿著肋部24的線段d－a的剖面並且肋部24沿著線段d－a的剖面積最大。由此，因為能夠提高磁利用率，所以能夠使輸出轉矩t變大。

與將磁障23的圓弧中心設定於q軸上且設置於比轉子20的外周邊更靠外側的情況相比，能夠將圓弧狀部分23a形成到更靠近轉子20的中心的位置為止。由此，因為能夠使肋部24的寬度變大，所以能夠使d軸方向的磁路的磁阻變小。由此，能夠使輸出轉矩t變大。

接下來，對肋部24的寬度相對於磁障23的寬度之比進行說明。如4所示，將磁障23的寬度設為a[mm]，將肋部24的寬度設為m[mm]，將橋26的寬度設為b[mm]，將連接部25的寬度設為c[mm]。將從線段d－a上的點a到靠點a最近的磁障23的區間設為d[mm]。將從線段d－a上的點a到線段d－a的中點的距離設為h[mm]。若將轉子20的半徑設為r[mm]，則h＝r/21/2。

根據圖4，下式(3)成立。

d+7a+6m+c/2＝h…(3)

b優選為0.5mm以下。d優選為21/2·b以上。c優選為0.5mm以上3mm以下。

在該實施方式中，r、c、d、m、a例如如下面這樣設定。

r＝24.8mm，c＝2mm，b＝0.5mm，d＝21/2·b，m＝1.7mm，a＝0.8mm。

表1表示使肋部24的寬度(肋部寬度)m與磁障23的寬度(狹縫寬度)a的和一定的情況下，輸出轉矩相對於肋部24的寬度m的模擬結果，和轉矩波動相對於肋部24的寬度m的模擬結果。這裡將肋部24的寬度m與磁障23的寬度a的和從2.2mm設定為2.5mm。在表1也示出了與肋部24的寬度m對應的磁障23的寬度a、和肋部24的寬度相對於與肋部24的寬度m對應的磁障23的寬度a之比m/a的值。

表1

圖5a表示表1所示的模擬結果中的輸出轉矩相對於肋部24的寬度m的模擬結果的線圖。圖5b表示表1所示的模擬結果中的轉矩波動相對於肋部24的寬度m的模擬結果的線圖。如表1以及圖5a所示那樣，肋部24的寬度m為1.5mm～1.7mm(磁障23的寬度a為1.0mm～0.8mm)時輸出轉矩變得最大。換言之，當肋部24的寬度相對於磁障23的寬度a之比m/a為1.50～2.13時，輸出轉矩變得最大。在肋部24的寬度m在1.5mm以下的範圍內，若肋部24的寬度m變大則通過肋部24的磁通量變大。因此，當肋部24的寬度m處於該範圍(※1.5mm以下)時，認為肋部24的寬度m越大則輸出轉矩越大。若肋部24的寬度變大，則磁障23的寬度a變小。若肋部24的寬度m超過1.7mm，則磁障23的寬度a變得過小。因此，認為向q軸方向洩漏的磁通變多。因此，隨著肋部24的寬度m變得比1.7mm大，輸出轉矩降低。

如表1以及圖5b所示那樣，轉矩波動在肋部24的寬度m為1.7mm附近(磁障23的寬度a為0.8mm附近)時變得最小。換言之，在肋部24的寬度相對於磁障23的寬度a之比m/a為2.13附近時，轉矩波動變得最小。因此，了解到為了一邊抑制轉矩波動一邊使輸出轉矩變大，優選肋部24的寬度m為1.5以上1.9以下，更優選為1.6以上1.8以下。換言之，了解到為了一邊抑制轉矩波動一邊使輸出轉矩變大，優選肋部24的寬度相對於磁障23的寬度a之比m/a為1.50以上4.75以下，更優選為1.78以上3.00以下。

表2表示使肋部24的寬度(肋部寬度)m以及磁障23的寬度(狹縫寬度)a一定，並使連接部25的寬度(連接部寬度)c以及區間d的長度(區間長d)以距離h的長度一定的方式變化時，針對連接部25的寬度c相對於肋部24的寬度m之比c/m的轉矩波動的模擬結果。這裡將肋部24的寬度m設為1.70mm，將磁障23的寬度a設為0.80mm，將距離h的長度設為17.50mm。在表2中，替代表示連接部25的寬度c，表示連接部25的寬度c的1/2的長度(c/2)。此外，在d、a、m以及c與h之間成立上述式(3)。

表2

圖6表示表2所示的模擬結果的線圖。如表2以及圖6所示那樣，如果連接部25的寬度c相對於肋部24的寬度m之比是0.53以上，則轉矩波動不到12％。為了滿足式(3)，連接部25的寬度c相對於肋部24的寬度m之比的上限是1.18，但即使連接部25的寬度c相對於肋部24的寬度m之比是1.18，轉矩波動也不到12％。

表3表示將肋部24的寬度(肋部寬度)m以及區間d的長度(區間長d)設為一定，並使連接部25的寬度(連接部寬度)c以及磁障23的寬度(狹縫寬度)a以距離h的長度成為一定的方式變化時，針對連接部25的寬度c與肋部24的寬度m之比c/m的轉矩波動的模擬結果。這裡將肋部24的寬度m設為1.70mm，將區間d的寬度設為0.7mm，將距離h的長度設為17.50mm。在表3中，替代表示連接部25的寬度c，表示連接部25的寬度c的1/2的長度(c/2)。在d、a、m以及c與h之間成立上述式(3)。

表3

圖7是表示表3所示的模擬結果的線圖。如3以及圖7所示的那樣，如果連接部25的寬度c相對於肋部24的寬度m之比是0.5以上並且是0.8以下，轉矩波動不到12％。表4表示將磁障23的寬度(狹縫寬度)a以及區間d的長度(區間長d)設為一定，並使連接部25的寬度(連接部寬度)c以及肋部24的寬度(肋部寬度)m以距離h的長度一定的方式變化時，針對連接部25的寬度c與肋部24的寬度m之比c/m的轉矩波動的模擬結果。這裡將磁障23的寬度a設為0.8mm，將區間d的寬度設為0.7mm，將距離h的長度設為17.50mm。此外，在d、a、m以及c與h之前成立上述式(3)。

表4

圖8是表示表4所示的模擬結果的線圖。如表4以及圖8所示那樣，如果連接部25的寬度c相對於肋部24的寬度m之比為0.5以上並且為1.6以下，則轉矩波動不到12％。根據表2、表3以及表4的模擬結果可知，如果連接部25的寬度c相對於肋部24的寬度m之比為0.53以上並且為0.8以下，則轉矩波動不到12％。由此，可知為了將轉矩波動抑制得比較低，優選連接部25的寬度c相對於肋部24的寬度m之比為0.53以上並且為0.8以下。

以上，對本發明的實施方式進行了說明，本發明還能夠以其他方式實施。例如，在前述的實施方式中，轉子20的極數是4極(2極對)、也可以是6極(3極對)、8極(4極對)等4極以外的極數。在前述的實施方式中，磁障23的層數是7，磁障23的層數也可以是5層、6層、8層、9層等7層以外的層數。

轉子20的半徑r、連接部25的寬度c、肋部24的寬度m、磁障23的寬度a以及橋26的寬度b不限定於前述的作為實施例表示的大小。本發明例如能夠應用於電動動力轉向裝置所使用的同步電機，也能夠應用於電動動力轉向裝置以外所使用的同步電機。

另外，在權利要求範圍記載的事項的範圍內能夠實施各種設計變更。本申請主張於2016年3月29日提出的日本專利申請2016-066425號的優先權，並在此引用其全部內容。