Ipm馬達(dá)的轉(zhuǎn)子以及使用該轉(zhuǎn)子的ipm馬達(dá)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明使用一種轉(zhuǎn)子鐵芯，該轉(zhuǎn)子鐵芯通過層疊磁場的強(qiáng)度為8000A/m時的磁通密度B8000的值為1.65T以上并且矯頑力為100A/m以上的原材料鋼板而形成。
【專利說明】IPM馬達(dá)的轉(zhuǎn)子以及使用該轉(zhuǎn)子的IPM馬達(dá)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及例如在電動汽車、混合動力汽車以及機(jī)床等中使用的永磁鐵嵌入型馬達(dá)(以下記作“IPM馬達(dá)”)的轉(zhuǎn)子以及使用該轉(zhuǎn)子的IPM馬達(dá)。
【背景技術(shù)】
[0002]—般來說，雖然IPM馬達(dá)由于使用了昂貴的永磁鐵而成本變高，但與感應(yīng)電動機(jī)相比效率要高。因此，IPM馬達(dá)例如在混合動力汽車以及電動汽車的驅(qū)動用馬達(dá)以及發(fā)電用的馬達(dá)、家電產(chǎn)品、以及各種機(jī)床或產(chǎn)業(yè)機(jī)械用的馬達(dá)等中被廣泛應(yīng)用。
[0003]IPM馬達(dá)的鐵芯可分為定子和轉(zhuǎn)子。由于通過繞組直接對定子側(cè)的鐵芯賦予交流磁場，所以為了提高效率，要求在定子側(cè)的鐵芯中為高導(dǎo)磁率的同時還能提高體積電阻率，并能減少鐵損。因此，定子側(cè)的鐵芯中使用了在超低碳鋼中添加Si來改善軟磁特性的電磁鋼板。
[0004]另一方面，因為在轉(zhuǎn)子側(cè)的鐵芯中嵌入了永磁鐵，所以轉(zhuǎn)子側(cè)的鐵芯主要承擔(dān)了作為磁軛提高磁通密度的作用。轉(zhuǎn)子側(cè)的鐵芯雖然會微弱地受到從定子側(cè)產(chǎn)生的交流磁場的影響，但該影響是有限的。因此，從特性的觀點來看，無需在轉(zhuǎn)子側(cè)的鐵芯中使用有利于鐵損特性的電磁鋼板。然而，由于當(dāng)僅對定子使用電磁鋼板時，會降低電磁鋼板的產(chǎn)品成品率，而提高馬達(dá)的制造成本，所以通常在轉(zhuǎn)子側(cè)的鐵芯中也使用和定子側(cè)相同的電磁鋼板。
[0005]在IPM馬達(dá)被裝載于汽車中的情況下，從汽車的小型輕型化的需求出發(fā)對IPM馬達(dá)也要求小型化。這種情況下，為了即使小型化也能得到和以往同等以上的馬達(dá)輸出(轉(zhuǎn)矩)而提高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)。一般來說，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度越高馬達(dá)的效率越好。但是，在IPM馬達(dá)中，因嵌入的永磁鐵的旋轉(zhuǎn)，而會在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。該感應(yīng)電動勢會隨著旋轉(zhuǎn)速度的上升而增加。而且，即便感應(yīng)電動勢超過輸入電壓馬達(dá)也無法旋轉(zhuǎn)。
[0006]因此例如專利文獻(xiàn)I等所示那樣，在IPM馬達(dá)中，在高速旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時，進(jìn)行從定子側(cè)產(chǎn)生消除永磁鐵磁通的方向的磁通來抑制感應(yīng)電動勢的弱磁控制。由于通過該弱磁控制，一方面可進(jìn)行在高速旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)，而另一方面則會為了消除永磁鐵的磁通而使用電力，所以馬達(dá)轉(zhuǎn)矩會下降。另外，在專利文獻(xiàn)I中，通過在磁鐵的形狀上下功夫，從而謀求減少在弱磁控制上使用的電量。
[0007]另一方面，當(dāng)為了即使將IPM馬達(dá)小型化也能得到和以往同等以上的轉(zhuǎn)矩而提高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)時，會有作用于轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌入的永磁鐵的離心力增大以至轉(zhuǎn)子破損的問題。為了不引起破損，屈服強(qiáng)度高的材料優(yōu)選作為轉(zhuǎn)子的原材料。例如在含有3%左右的Si的無方向性電磁鋼板(35A300)的情況下，磁場退火后的屈服強(qiáng)度大約為400N/mm2左右。因此，在轉(zhuǎn)子的直徑為80mm以上的較大型IPM馬達(dá)的情況下，雖然根據(jù)轉(zhuǎn)子的構(gòu)造不同會有差異，但認(rèn)為20000rpm左右是不會引起破損的旋轉(zhuǎn)速度的限度。以往，盡管進(jìn)行了各種以電磁鋼板為基材來提高鐵芯的屈服強(qiáng)度的研究，但屈服強(qiáng)度也至多不超過780N/mm2左右。
[0008]這樣，在欲在IPM馬達(dá)的小型化中高速旋轉(zhuǎn)化并得到轉(zhuǎn)矩的情況下，在以往的將電磁鋼板用作原材料的轉(zhuǎn)子鐵芯中，有在高速旋轉(zhuǎn)范圍中即使進(jìn)行弱磁控制也會轉(zhuǎn)矩減小的問題和因作用在永磁鐵上的離心力而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子破損的問題，對于高速旋轉(zhuǎn)化而言有極限。
[0009]作為抑制因為高速旋轉(zhuǎn)化而造成轉(zhuǎn)子鐵芯的破損的方法，在例如下述的專利文獻(xiàn)2等中，提出了通過使用具有軟質(zhì)和淬火性的材料作為轉(zhuǎn)子鐵芯的原材料，在接近永磁鐵的插入孔的橋部或僅在其附近部分實施淬火，從而使強(qiáng)度上升。此外，在例如下述的專利文獻(xiàn)3等中，也提出了作為轉(zhuǎn)子鐵芯用的原材料，不使用電磁鋼板，而使用高強(qiáng)度且高飽和磁通密度的材料。
[0010]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0011]專利文獻(xiàn)
[0012]專利文獻(xiàn)1:日本特開2000-278900號公報
[0013]專利文獻(xiàn)2:日本特開2009-153230號公報
[0014]專利文獻(xiàn)3:日本特開2009-46738號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]發(fā)明要解決的問題
[0016]本申請的發(fā)明人在進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)用的轉(zhuǎn)子用鋼板的開發(fā)過程中，將各種鋼板作為原材料試制了 IPM馬達(dá)。進(jìn)行馬達(dá)的性能評價的結(jié)果是，通過調(diào)節(jié)原材料鋼板的矯頑力，從而發(fā)現(xiàn)了在進(jìn)行弱磁控制的高速旋轉(zhuǎn)區(qū)域會得到大的輸出轉(zhuǎn)矩。通過得到了更大的輸出轉(zhuǎn)矩，從而能使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至更高轉(zhuǎn)數(shù)。
[0017]在專利文獻(xiàn)I中，雖然通過對磁鐵的形狀下功夫從而謀求減小在弱磁控制中使用的電量，但沒有考慮到關(guān)于調(diào)節(jié)原材料鋼板的矯頑力這一點。此外，在專利文獻(xiàn)2、3中也沒有考慮關(guān)于調(diào)節(jié)原材料鋼板的矯頑力這一點。即，在以往構(gòu)成中，因為沒有考慮關(guān)于調(diào)節(jié)原材料鋼板的矯頑力這一點，所以高速旋轉(zhuǎn)區(qū)域中的輸出轉(zhuǎn)矩會變小，伴隨于此最大轉(zhuǎn)數(shù)也會降低。
[0018]本發(fā)明是為了解決上述那樣的課題而做出的，其目的是提供一種能更增大在高速旋轉(zhuǎn)區(qū)域中的輸出轉(zhuǎn)矩并能更增高最大轉(zhuǎn)數(shù)的IPM馬達(dá)的轉(zhuǎn)子以及IPM馬達(dá)。
[0019]用于解決問題的方案
[0020]本發(fā)明涉及的IPM馬達(dá)的轉(zhuǎn)子具備:轉(zhuǎn)子鐵芯，通過層疊磁場強(qiáng)度為8000A/m時的磁通密度B8000的值為1.65T以上并且矯頑力為100A/m以上的原材料鋼板而形成；多個永磁鐵插入孔，在轉(zhuǎn)子鐵芯的圓周方向上相互隔開間隔地設(shè)置于上述轉(zhuǎn)子鐵芯上；以及永磁鐵，嵌入在各永磁鐵插入孔中。
[0021]此外，本發(fā)明涉及的IPM馬達(dá)組裝有上述轉(zhuǎn)子。
[0022]發(fā)明效果
[0023]根據(jù)本發(fā)明的IPM馬達(dá)的轉(zhuǎn)子，由于使用通過層疊磁場的強(qiáng)度為8000A/m時的磁通密度B8000的值為1.65T以上并且矯頑力為100A/m以上的原材料鋼板而形成的轉(zhuǎn)子鐵芯，所以能更增大高速旋轉(zhuǎn)區(qū)域中的輸出轉(zhuǎn)矩并能更增高最大旋轉(zhuǎn)數(shù)。
[0024]此外，根據(jù)本發(fā)明的IPM馬達(dá)，由于使用上述的轉(zhuǎn)子，因此同樣在高速旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)的輸出轉(zhuǎn)矩可以更大、最大旋轉(zhuǎn)數(shù)可以更高。
[0025]進(jìn)而，因為本發(fā)明的IPM馬達(dá)的轉(zhuǎn)子通過層疊具有750N/mm2以上的屈服強(qiáng)度的原材料鋼板而形成，所以即使使轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子也不會因作用于永磁鐵的離心力而破損。因此，可以使在永磁鐵插入孔的周圍設(shè)置的橋部的寬度變窄。由于只要能將橋部的寬度變窄就可以有效降低漏磁，所以會提高轉(zhuǎn)子的設(shè)計自由度。此外，由于也可以將永磁鐵小型化，所以能大幅降低馬達(dá)的成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方式的IPM馬達(dá)轉(zhuǎn)子的主視圖。
[0027]圖2是表示與圖1的轉(zhuǎn)子不同的另外的IPM馬達(dá)轉(zhuǎn)子的主視圖。
[0028]圖3是表示用于評價原材料鋼板的第一轉(zhuǎn)子的說明圖。
[0029]圖4是表示使用原材料鋼板的IPM馬達(dá)在15000rpm下的最大轉(zhuǎn)矩和矯頑力的關(guān)系的圖表。
[0030]圖5是表示使用原材料鋼板的IPM馬達(dá)在15000rpm下的效率和矯頑力的關(guān)系的圖表。
[0031]圖6是表示用于評價原材料鋼板的第二轉(zhuǎn)子的說明圖。
【具體實施方式】
[0032]以下，參照附圖對用于實施本發(fā)明的方式進(jìn)行說明。
[0033]圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方式的IPM馬達(dá)的轉(zhuǎn)子的主視圖。如圖所示那樣，在IPM馬達(dá)的轉(zhuǎn)子I中包括通過層疊后面敘述的轉(zhuǎn)子用鋼板(原材料鋼板)而形成的轉(zhuǎn)子鐵芯10 (轉(zhuǎn)子主體)、沿著轉(zhuǎn)子鐵芯10的圓周方向相互隔開間隔設(shè)置于轉(zhuǎn)子鐵芯10中的多個永磁鐵插入孔11、以及在各永磁鐵插入孔11中嵌入的永磁鐵12。另外，通過在轉(zhuǎn)子I的外圓周上配置未圖示的定子，來構(gòu)成IPM馬達(dá)。
[0034]在各永磁鐵插入孔11中，包括以使轉(zhuǎn)子鐵芯10的旋轉(zhuǎn)中心IOa側(cè)為頂部的方式配置成V字狀的第一及第二插入孔lla、llb、以及在該頂部將第一及第二插入孔IlaUlb之間分隔的橋部11c。永磁鐵12分別嵌入于第一及第二插入孔lla、llb內(nèi)。S卩,在永磁鐵插入孔11中嵌入有兩個永磁鐵12。
[0035]接下來，圖2是表示與圖1的IPM馬達(dá)的轉(zhuǎn)子不同的另外的IPM馬達(dá)的轉(zhuǎn)子2的主視圖。此外，對與圖1的轉(zhuǎn)子I中包含的構(gòu)成相同或者同樣的構(gòu)成標(biāo)上相同的附圖標(biāo)記來進(jìn)行說明。如圖2所示那樣，轉(zhuǎn)子2中包括轉(zhuǎn)子鐵芯10、沿著轉(zhuǎn)子鐵芯10的圓周方向相互隔開間隔地設(shè)置于轉(zhuǎn)子鐵芯10中的多個永磁鐵插入孔20、以及嵌入于各個永磁鐵插入孔20中的永磁鐵21。轉(zhuǎn)子鐵芯10與圖1的轉(zhuǎn)子I的轉(zhuǎn)子鐵芯10同樣，通過層疊后面敘述的原材料鋼板而形成。
[0036]各永磁鐵插入孔20沿著轉(zhuǎn)子鐵芯10的圓周方向以90°間隔來進(jìn)行配置。各永磁鐵插入孔20分別形成為直線狀，針對各永磁鐵插入孔20嵌入一個永磁鐵21。
[0037]在使用如圖1以及圖2所示那樣的轉(zhuǎn)子1、2的IPM馬達(dá)中，如公知的那樣，在高速旋轉(zhuǎn)區(qū)域中運(yùn)轉(zhuǎn)時，進(jìn)行從定子側(cè)產(chǎn)生消除永磁鐵12的磁通量的方向的磁通量，來抑制感應(yīng)電動勢的弱磁控制。這樣的IPM馬達(dá)的固定旋轉(zhuǎn)速度在使用圖1的轉(zhuǎn)子I的情況下為7500rpm，在使用圖2的轉(zhuǎn)子2的情況下為lOOOOrpm。上述的弱磁控制在超過這些旋轉(zhuǎn)速度的高速旋轉(zhuǎn)區(qū)域中進(jìn)行。[0038]轉(zhuǎn)子鐵芯10通過層疊磁場強(qiáng)度為8000A/m時的磁通密度B8000的值為1.65T以上并且矯頑力為100A/m以上的原材料鋼板而形成。
[0039]磁通密度B8000的值為1.65T以上的原因是:會有效地利用基于作為轉(zhuǎn)子I高速旋轉(zhuǎn)時在永磁鐵12插入的位置(d軸)和不插入的位置(q軸)的電感值之差的磁阻轉(zhuǎn)矩，尤其是會在高速旋轉(zhuǎn)區(qū)域中發(fā)揮與以往的鋼板同等以上的轉(zhuǎn)矩性能。
[0040]矯頑力設(shè)為ΙΟΟΑ/m以上的原因如下所述。一般來說，當(dāng)使馬達(dá)的輸入電流變高時，輸出轉(zhuǎn)矩會增加。然而，例如如“東京學(xué)藝大學(xué)工學(xué)部期刊、Vol.27N0.1 (2004)、P126?132”那樣，已知在IPM馬達(dá)中因為受到鐵芯材料的磁飽和的影響，所以當(dāng)輸入電流變高時，q軸電感會降低，磁阻轉(zhuǎn)矩會降低。即，在電磁鋼板等矯頑力小的鋼板中，因為容易產(chǎn)生磁飽和，所以即使使輸入電流增加，磁阻轉(zhuǎn)矩也不能立刻上升，與此相比，在將矯頑力大的鋼板作為原材料鋼板的情況中，因為難以產(chǎn)生磁飽和，所以即使是比較高的輸入電流值都能抑制磁阻轉(zhuǎn)矩的降低。作為其結(jié)果，認(rèn)為能提高輸出轉(zhuǎn)矩以及功率。本申請發(fā)明人將各種鋼板作為原材料來試制了 IPM馬達(dá)，進(jìn)行了馬達(dá)的性能評價，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過使用具有100A/m以上的矯頑力的原材料鋼板形成轉(zhuǎn)子鐵芯10，可以降低高速旋轉(zhuǎn)時進(jìn)行的弱磁控制的功耗，并能提高輸出轉(zhuǎn)矩。然而，認(rèn)為當(dāng)矯頑力變大時，磁通密度會有降低的趨勢，在磁通密度B8000的值為小于1.65T的情況下就不能得到足夠的磁阻轉(zhuǎn)矩。
[0041]優(yōu)選轉(zhuǎn)子鐵芯10的原材料鋼板的屈服強(qiáng)度為750N/mm2以上。通過使屈服強(qiáng)度為這樣的范圍，從而轉(zhuǎn)子鐵芯10可以經(jīng)受住高速旋轉(zhuǎn)時作用于永磁鐵12的離心力，即使在高速旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)子也不會破損。而且因為本發(fā)明的轉(zhuǎn)子鐵芯10的原材料鋼板是弱磁控制性好的鋼板，由此即使在高速旋轉(zhuǎn)區(qū)域也可抑制轉(zhuǎn)矩的降低，所以能提供可得到高速旋轉(zhuǎn)和高轉(zhuǎn)矩的高性能的馬達(dá)。由此，可適用于以汽車、家電為代表的各種用途。
[0042]在圖1的轉(zhuǎn)子I的各永磁鐵插入孔11中設(shè)置的橋部Ilc用于確保各永磁鐵插入孔11周邊的強(qiáng)度。通過使原材料鋼板本身擁有充分的強(qiáng)度，從而能使橋部IlC的寬度(沿著第I及第2插入孔IlaUlb的分離方向的橋部Ilc的寬度)減小，由此可以減少漏磁。如果通過提高轉(zhuǎn)子鐵芯的強(qiáng)度從而即使減小橋部Ilc的寬度，轉(zhuǎn)子也不會破損，漏磁也可減少，那么轉(zhuǎn)子的設(shè)計自由度就得以提高。此外因為通過漏磁的減少也可以使永磁鐵12小型化，所以能大幅降低馬達(dá)的成本。此外也可以在不將永磁鐵12變小的情況下謀求輸出轉(zhuǎn)矩的提高。也可以考慮由能高速旋轉(zhuǎn)帶來的高轉(zhuǎn)矩化和永磁鐵的小型化這兩者來設(shè)計橋部的寬度。
[0043]另外，轉(zhuǎn)子鐵芯10的原材料鋼板的屈服強(qiáng)度的上限為2000N/mm2。這是因為，在呈現(xiàn)超過2000N/mm2的屈服強(qiáng)度的材料中，磁場的強(qiáng)度為8000A/m時的磁通密度B8000的值無法獲得1.65T以上。
[0044]實施例
[0045]本發(fā)明人將具有表I所示的成分組成的鋼作為原材料，根據(jù)下述的制造方法A制造了轉(zhuǎn)子鐵芯10的原材料鋼板。
[0046]制誥方法A
[0047]使具有如表I所示成分組成的鋼真空熔化，將這些連鑄片加熱到1250°C，在950°C下完成軋制并在560°C下收卷，得到板厚1.8mm的熱軋鋼板。將這些熱軋鋼板酸洗之后，利用一次冷軋來得到板厚0.35mm的冷軋鋼帶(最終軋制率:約81%)。將得到的冷軋鋼帶在設(shè)定為400°C的連續(xù)式爐中進(jìn)行60秒通過，實施張力退火處理(拉伸張力為100N/mm2)。此外，然后，將含有Cr系氧化物以及Mg系氧化物的半有機(jī)組成的約I μ m的厚度的絕緣皮膜形成于鋼板的兩面。
[0048][表I]
[0049]供試驗材料的成分組成
[0050]
【權(quán)利要求】
1.一種永磁鐵嵌入型IPM馬達(dá)的轉(zhuǎn)子，其具備: 轉(zhuǎn)子鐵芯，通過層疊磁場的強(qiáng)度為8000A/m時的磁通密度B8000的值為1.65T以上并且矯頑力為ΙΟΟΑ/m以上的原材料鋼板而形成； 多個永磁鐵插入孔，在上述轉(zhuǎn)子鐵芯的圓周方向上相互隔開間隔地設(shè)置于上述轉(zhuǎn)子鐵芯上；以及 永磁鐵，嵌入在各永磁鐵插入孔中。
2.如權(quán)利要求1所述的IPM馬達(dá)的轉(zhuǎn)子，其中， 上述原材料鋼板的矯頑力為300A/m以上。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的IPM馬達(dá)的轉(zhuǎn)子，其中， 上述原材料鋼板的屈服強(qiáng)度為750N/mm2以上。
4.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的IPM馬達(dá)的轉(zhuǎn)子，其中， 上述原材料鋼板的屈服強(qiáng)度為950N/mm2以上。
5.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的IPM馬達(dá)的轉(zhuǎn)子，其中， 上述原材料鋼板的屈服強(qiáng)度為1300N/mm2以上。
6.一種IPM馬達(dá)，其組裝有如權(quán)利要求1至5中任一項所述的轉(zhuǎn)子。
【文檔編號】H02K1/27GK103430427SQ201280013902
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月31日
【發(fā)明者】巖津智永, 片桐幸男, 藤原進(jìn), 森川茂 申請人:日新制鋼株式會社