РОТОР ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ СО ВСТРОЕННЫМИ ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ И ДВИГАТЕЛЬ СО ВСТРОЕННЫМИ ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ, СНАБЖЕННЫЙ ИМ
ROTOR FOR MOTOR WITH BUILT-IN PERMANENT MAGNETS AND MOTOR WITH BUILT-IN PERMANENT MAGNETS COMPLETE WITH SUCH ROTOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к ротору для электродвигателя со встроенными постоянными магнитами (далее “IPM-электродвигателя”), который используется, например, для электрических транспортных средств, гибридных транспортных средств и станков, и к IPM-электродвигателю, снабженному этим ротором.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] В общем случае, IPM-электродвигатели, которые используют дорогостоящие постоянные магниты, имеют высокую стоимость, но более высокий КПД, чем асинхронные электродвигатели. Поэтому IPM-электродвигатели широко используются для пуска двигателей и генераторов для гибридных транспортных средств и электрических транспортных средств, и в качестве электродвигателей для бытовых электроприборов, различных станков и промышленных машин.
[0003] Железный сердечник IPM-электродвигателей образован статором и ротором. Поскольку магнитное поле переменного тока непосредственно создается в железном сердечнике на стороне статора посредством обмоток, железный сердечник на стороне статора должен иметь высокую магнитную проницаемость и высокое объемное удельное сопротивление для снижения потерь в стали. Поэтому листы электромагнитной стали, магнитно-мягкие характеристики которой были улучшены путем добавления Si в сталь со сверхнизким содержанием углерода, используются для железного сердечника на стороне статора.
[0004] Железный сердечник на стороне ротора, с другой стороны, в основном, предназначен для увеличения плотности магнитного потока в качестве ярма, поскольку постоянный магнит внедрен в железный сердечник на стороне ротора. Железный сердечник на стороне ротора подвергается слабому влиянию магнитного поля переменного тока генерируемого со стороны статора, но это влияние ограничено. Поэтому в отношении характеристик не требуется использовать листы электромагнитной стали, которые дают преимущество в отношении характеристики потерь в стали, для железного сердечника на стороне ротора. Однако для железного сердечника на стороне ротора используются такие же листы электромагнитной стали, как на стороне статора, поскольку, если использовать листы электромагнитной стали только для статора, упадет выход продукции листов электромагнитной стали и возрастут затраты на производство электродвигателя.
[0005] В случае монтажа IPM-электродвигателя на транспортном средстве ставится задача миниатюризации IPM-электродвигателя, поскольку транспортное средство должно быть компактным и легким. В этом случае скорость вращения ротора увеличивается для получения такого же выхода (крутящего момента) электродвигателя, как у традиционного электродвигателя, или превосходящего его, несмотря на миниатюризацию. В общем случае, КПД электродвигателя повышается с увеличением скорости вращения ротора. Однако в случае IPM-электродвигателя наведенная электродвижущая сила генерируется на обмотках статора за счет вращения встроенного постоянного магнита. Наведенная электродвижущая сила возрастает с увеличением скорости вращения. Когда электродвижущая сила превышает входное напряжение, электродвигатель больше не может вращаться.
[0006] Поэтому в IPM-электродвигателе осуществляется управление ослаблением поля, которое подавляет наведенную электродвижущую силу, генерируя магнитный поток со стороны статора в направлении, противоположном магнитному потоку постоянного магнита, когда электродвигатель работает в диапазоне высоких скоростей вращения, что раскрыто, например, в патентном документе 1. Хотя электродвигатель может работать в диапазоне высоких скоростей вращения, управление ослаблением поля снижает его крутящий момент, поскольку мощность используется для противодействия магнитному потоку постоянного магнита. Согласно патентному документу 1, электрическая энергия, подлежащая использованию для управления ослаблением поля, может уменьшаться за счет улучшения формы магнита.
2
2
[0007] С другой стороны, даже в миниатюризированном IPM-электродвигателе проблема состоит в том, что центробежная сила, которая действует на постоянный магнит, внедренный в ротор, возрастает, создавая опасность повреждения ротора, если скорость вращения ротора увеличивается для получения такого же крутящего момента, как у традиционных электродвигателей или более высокого. Для предотвращения повреждения предпочтительно использовать для материала ротора материал, имеющий высокий предел текучести. Например, в случае неориентированных листов электромагнитной стали (35A300), содержащей около 3% Si, предел текучести после магнитного отжига составляет приблизительно 400 Н/мм. Поэтому в случае сравнительно большого IPM-электродвигателя, где диаметр ротора составляет 80 мм или более, предельная скорость вращения, при которой не происходит повреждения, оставляет около 20000 об/мин, хотя значение несколько варьируется в зависимости от конструкции ротора. Были проведены различные исследования для повышения предела текучести железного сердечника, выполненного из листов электромагнитной стали, но все же предел текучести составляет, самое большее, около 780 Н/мм.
Таким образом, предпринимается попытка получить более высокий крутящий момент путем увеличения скорости вращения с использованием традиционного железного сердечника ротора, выполненного из листов электромагнитной стали, когда IPM-электродвигатель миниатюризирован, однако существует ограничение на увеличение скорости вращения, вследствие проблем, состоящий в том, что крутящий момент снижается в диапазоне высоких скоростей вращения, даже если осуществляется управление ослаблением поля, и ротор может быть поврежден центробежной силой, которая действует на постоянный магнит.
[0008] В качестве способа предотвращения повреждения железного сердечника ротора вследствие высокоскоростного вращения, патентный документ 2, например, предлагает повысить прочность за счет использования материала, обладающего мягкостью и закаливаемостью, для материала железного сердечника ротора и выборочной закалки только участка перемычки вблизи отверстия вставки постоянного магнита и его окрестности. Кроме того, патентный документ 3, например, предлагает использовать не листы электромагнитной стали, а материал, обладающий высокой прочностью и высокой насыщающей плотностью магнитного потока, в качестве материала железного сердечника ротора.
[0009] Патентный документ 1: японская выложенная патентная заявка № 2000-278900
Патентный документ 2: японская выложенная патентная заявка № 2009-153230
Патентный документ 3: японская выложенная патентная заявка № 2009-46738
[0010] Разрабатывая стальные листы для ротора, выдерживающего высокоскоростное вращение, авторы настоящего изобретения изготовили экспериментальные IPM-электродвигатели с использованием различных стальных листов в качестве материалов, оценили эксплуатационные показатели электродвигателей и, в результате, обнаружили, что большой выходной крутящий момент можно получить в диапазоне высоких скоростей вращения, где управление ослаблением поля осуществляется путем регулировки коэрцитивной силы стальных листов основы. Благодаря достижению увеличенного выходного крутящего момента, ротор может вращаться с более высокой скоростью вращения.
[0011] В патентном документе 1 была предпринята попытка снизить электрическую энергию, используемую для управления ослаблением поля за счет улучшения формы магнита, но регулировка коэрцитивной силы стальных листов основы не рассматривалась. В патентных документах 2 и 3 также не рассматривается регулировка коэрцитивной силы стальных листов основы. Другими словами, в традиционных конфигурациях, регулировка коэрцитивной силы стальных листов основы не рассматривается, поэтому выходной крутящий момент в диапазоне высоких оборотов уменьшается, и максимальная скорость вращения соответственно снижается.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Ввиду вышеизложенного, задачей настоящего изобретения является обеспечение ротора для IPM-электродвигателя и IPM-электродвигателя, который может повышать выходной крутящий момент в диапазоне высоких оборотов, и повышать максимальную скорость вращения.
[0013] Ротор для IPM-электродвигателя, согласно настоящему изобретению, включает в себя: железный сердечник ротора, который сформирован путем наслоения стальных листов основы с плотностью магнитного потока B8000 1,65 Тл или более, измеренной при напряженности магнитного поля 8000 А/м, и коэрцитивной силой 100 А/м или более; множество отверстий вставки постоянного магнита, которые сформированы с промежутками между всеми отверстиями на железном сердечнике ротора в круговом направлении железного сердечника ротора; и постоянные магниты, которые внедрены в отверстия вставки постоянного магнита, соответственно.
[0014] В IPM-электродвигатель согласно настоящему изобретению внедрен ротор.
[0015] Согласно ротору для IPM-электродвигателя настоящего изобретения, используется железный сердечник ротора, который сформирован путем наслоения стальных листов основы с плотностью магнитного потока B8000 1,65 Тл или более, измеренной при напряженности магнитного поля 8000 А/м, и коэрцитивной силой 100 А/м или более, поэтому выходной крутящий момент в диапазоне высоких оборотов может возрастать, и максимальная частота вращения может возрастать.
Кроме того, согласно IPM-электродвигателю настоящего изобретения, который использует вышеупомянутый ротор, выходной крутящий момент в диапазоне высоких оборотов может возрастать, и максимальная частота вращения может возрастать таким же образом.
2
Кроме того, ротор для IPM-электродвигателя настоящего изобретения сформирован путем наслоения стальных листов основы с пределом текучести 750 Н/мм или более, поэтому ротор не повреждается центробежной силой, которая действует на постоянный магнит даже если ротор вращается с высокой скоростью. Это позволяет уменьшать ширину участка перемычки, который сформирован вокруг отверстий вставки постоянного магнита. Уменьшение ширины перемычки позволяет эффективно снижать магнитный поток утечки, что повышает гибкость в конструировании ротора. Кроме того, постоянные магниты можно миниатюризировать, что позволяет значительно уменьшить стоимость электродвигателя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0016] Фиг.1 - вид спереди, изображающий ротор для IPM-электродвигателя согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 - вид спереди, изображающий ротор для IPM-электродвигателя, который отличается от ротора, показанного на Фиг.1;
Фиг.3 - схема, изображающая первый ротор, используемый для оценивания стальных листов основы;
Фиг.4 - график, изображающий соотношение между максимальным крутящим моментом при 15000 об/мин и коэрцитивной силой IPM-электродвигателя, где используются стальные листы основы;
Фиг.5 - график, изображающий соотношение между КПД при 15000 об/мин и коэрцитивной силой IPM-электродвигателя, где используются стальные листы основы; и
Фиг.6 - схема, изображающая второй ротор, используемый для оценивания стальных листов основы.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0017] Варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны ниже со ссылкой на чертежи.
На Фиг.1 показан вид спереди, изображающий ротор для IPM-электродвигателя, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Согласно Фиг.1, ротор 1 IPM-электродвигателя включает в себя: железный сердечник 10 ротора (основное тело ротора), который сформирован путем наслоения нижеупомянутых стальных листов для ротора (стальных листов основы); множество отверстий 11 вставки постоянного магнита, которые сформированы с промежутками между всеми отверстиями на железном сердечнике 10 ротора в круговом направлении железного сердечника 10 ротора; и постоянные магниты 12, которые внедрены в отверстия 11 вставки постоянного магнита, соответственно. IPM-электродвигатель сконфигурирован путем размещения статора (не показан) по внешнему периметру ротора 1.
[0018] Каждое отверстие 11 вставки постоянного магнита включает в себя первое и второе отверстия 11a и 11b вставки, которые располагаются в V-образной форме, вершина которой обращена к центру 10a вращение железного сердечника 10 ротора, и перемычку 11c, которая разделяет первое и второе отверстия 11a и 11b вставки в вершине. Постоянный магнит 12, соответственно, внедрен в первое и второе отверстия 11a и 11b вставки. Другими словами, два постоянных магнита 12 внедрены в одно отверстие 11 вставки постоянного магнита.
[0019] На Фиг.2 показан вид спереди, изображающий ротор 2 IPM-электродвигателя, который отличается от ротора для IPM-электродвигателя, показанного на Фиг.1. Конструкционные элементы идентичны или аналогичны конструкционным элементам ротора 1, показанного на Фиг.1 и обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Согласно Фиг.2, ротор 2 включает в себя: железный сердечник 10 ротора; множество отверстий 20 вставки постоянного магнита, которые сформированы с промежутками между всеми отверстиями на железном сердечнике 10 ротора в круговом направлении железного сердечника 10 ротора; и постоянные магниты 21, которые, соответственно внедрены в отверстия 20 вставки постоянного магнита. Наподобие железного сердечника 10 ротора для ротора 1, показанного на Фиг.1, железный сердечник 10 ротора сформирован путем наслоения нижеупомянутых стальных листов основы.
[0020] Каждое отверстие 20 вставки постоянного магнита располагается через каждые 90° в круговом направлении железного сердечника 10 ротора. Каждое отверстие 20 вставки постоянного магнита сформировано в форме линии, и в каждое отверстие 20 вставки постоянного магнита внедрен один постоянный магнит 21,
[0021] В случае IPM-электродвигателя, использующего ротор 1 или 2, представленный на Фиг.1 или Фиг.2, управление ослаблением поля, для подавления наведенной электродвижущей силы, осуществляется путем генерации магнитного потока со стороны статора в направлении, противоположном магнитному потоку постоянных магнитов 12, когда IPM-электродвигатель работает в диапазоне высоких скоростей вращения. Номинальная скорость вращения такого IPM-электродвигателя составляет 7500 об/мин при использовании ротора 1, показанного на Фиг.1, и 10000 об/мин при использовании ротора 2, показанного на Фиг.2. Это управление ослаблением поля осуществляется в диапазоне высоких скоростей вращения в случае превышения номинальной скорости вращения.
[0022] Железный сердечник 10 ротора сформирован путем наслоения стальных листов основы с плотностью магнитного потока B8000 1,65 Тл или более, измеренной при напряженности магнитного поля 8000 А/м, и имеющих коэрцитивную силу 100 А/м или более.
[0023] Значение плотности магнитного потока B8000 1,65 Тл или более позволяет эффективно использовать крутящий момент сопротивления на основании разности индуктивностей между позицией, где постоянный магнит 12 вставлен (осью d) и позицией, где постоянный магнит 12 не вставлен (ось q), когда ротор 1 вращается с высокой скоростью, и особенно для демонстрации таких же эксплуатационных показателей крутящего момента, которые обеспечивают традиционные стальные листы, или более высоких, в диапазоне высоких скоростей вращения.
[0024] Причина, по которой коэрцитивная сила равна 100 А/м или более такова. Если входной ток электродвигателя увеличивается, выходной крутящий момент, в общем случае, возрастает. Однако известно, что в случае IPM-электродвигателей, индуктивность по оси q снижается, и крутящий момент сопротивления падает, если входной ток увеличивается вследствие влияния магнитного насыщения материала железного сердечника, как описано, например, в “Bulletin of Department of Technology of Tokyo Gakugei University, Vol. 27, No. 1 (2004), pp. 126 to 132”. Другими словами, в случае стальных листов с низкой коэрцитивной силой, например, листов электромагнитной стали, магнитное насыщение достигается быстро, поэтому крутящий момент сопротивления не может немедленно увеличиваться, даже если увеличивается входной ток. В случае использования стальных листов основы с высокой коэрцитивной силой, можно противодействовать падению крутящего момента сопротивления даже при сравнительно высоком значении входного тока, поскольку магнитное насыщение достигается не сразу. В результате, можно повысить выходной крутящий момент и КПД. Авторы настоящего изобретения изготовили экспериментальные IPM-электродвигатели с использованием различных стальных листов в качестве материала, и оценили эксплуатационные показатели электродвигателей и, в результате, обнаружили, что энергопотребление управления ослаблением поля, которое осуществляется при высокоскоростном вращении, можно снизить, и выходной крутящий момент можно повысить за счет формирования железного сердечника 10 ротора с использованием стальных листов основы с коэрцитивной силой 100 А/м или более. Однако, если коэрцитивная сила возрастает, плотность магнитного потока имеет тенденцию к снижению, и достаточный крутящий момент сопротивления уже не удается развить, когда значение плотности магнитного потока B8000 падает ниже 1,65 Тл.
2
[0025] Предпочтительно, чтобы стальные листы основы железного сердечника 10 ротора имели предел текучести 750 Н/мм или более. Если предел текучести заключен в этом диапазоне, железный сердечник 10 ротора может выдерживать центробежную силу, которая действует на постоянные магниты при высокоскоростном вращении, и ротор не повреждается даже в диапазоне высоких скоростей вращения. Кроме того, если используется железный сердечник 10 ротора настоящего изобретения, падение крутящего момента подавляется даже в диапазоне высоких скоростей вращения, поскольку стальные листы основы обладают более высокими характеристиками управления ослаблением поля, что позволяет обеспечить электродвигатель с высокими эксплуатационными показателями, включающими в себя высокую скорость вращения и высокий крутящий момент. В результате, электродвигатель с железным сердечником 10 ротора можно использовать в различных областях применения, включая автомобили и бытовые электроприборы.
Перемычка 11c, сформированная в каждом отверстии 11 вставки постоянного магнита ротора 1, показанная на Фиг.1, призвана обеспечивать прочность вокруг каждого отверстия 11 вставки постоянного магнита. Ширину перемычки 11c (ширина перемычки 11c находящейся в промежутке между первым и вторым отверстиями 11a и 11b вставки) можно уменьшить, обеспечив достаточную прочность самих стальных листов основы, что позволяет снизить магнитный поток утечки. За счет увеличения прочности железного сердечника ротора, можно предотвратить повреждение ротора и снизить магнитный поток утечки даже при достаточно малой ширине перемычки 11c, для повышения гибкости в конструировании ротора. Кроме того, благодаря уменьшению магнитного потока утечки, постоянный магнит 12 можно миниатюризировать, что позволяет значительно снизить стоимость электродвигателя. Выходной крутящий момент можно повысить без миниатюризации постоянного магнита 12. Ширину перемычки можно спроектировать с учетом, как увеличенного крутящего момента в соответствии с реализацией высокоскоростного вращения, так и миниатюризации постоянного магнита.
2
2
Максимальное значение предела текучести стальных листов основы железного сердечника 10 ротора равно 2000 Н/мм. Дело в том, что значение плотности магнитного потока B8000, измеренное при напряженности магнитного поля 8000 А/м, не может составлять 1,65 Тл или более, если используется материал, имеющий предел текучести превышающий 2000 Н/мм.
ПРИМЕРЫ
[0026] Авторы настоящего изобретения изготовили стальные листы основы железного сердечника 10 ротора следующим способом изготовления A с использованием всех сортов стали, компонентные составы которых приведены в таблице 1.
Способ изготовления A
2
Каждый из сортов стали, компонентные составы которых приведены в таблице 1, были расплавлены в вакууме, их непрерывные слитки были нагреты до 1250°C, начисто прокатаны при 950°C, и смотаны при 560°C. В итоге были получены горячекатаные стальные листы с толщиной листа 1,8 мм. После осуществления кислотной промывки для горячекатаных стальных листов, полосы листа холоднокатаной стали с толщиной листа 0,35 мм были получены путем осуществления однократной холодной прокатки (окончательная степень обжатия: приблизительно 81%). Затем на полученных полосах листа холоднокатаной стали осуществлялась обработка отжига под натяжением (предел прочности на растяжение: 100 Н/мм) путем пропускания полос через непрерывную печь, в которой была установлена температура 400°C, в течение 60 секунд. Затем изолирующая пленка, имеющая полуорганический состав, толщиной приблизительно 1 мкм, содержащая оксид Cr и оксид Mg, была сформирована на обеих сторонах стальных листов.
[0027]
[0028] Оценивание стальных листов основы, изготовленных способом изготовления A
8000
Образцы для испытаний JIS № 5 были выделены из полученных стальных полос, подлежащих использованию для испытания на растяжение. Кроме того, образцы для испытаний в форме кольца, имеющие внутренний диаметр 33 мм и внешний диаметр 45 мм, были изготовлены путем перфорации с целью использования для измерения намагниченности. В Таблице 2 показаны предел текучести, предел прочности на растяжение, отношение предела текучести к пределу прочности (YR), плотность магнитного потока (B), измеренная при напряженности магнитного поля 8000 А/м, и коэрцитивная сила (Hc).
[0029]
[0030] Кроме того, авторы настоящего изобретения изготовили стальные листы основы 10 ротора следующим способом изготовления B, с использованием сортов стали, компонентные составы которых приведены в таблице 1.
Способ изготовления B
Каждый образец стали, имеющий компонентные составы, приведенные в таблице 1, был расплавлен, и их непрерывные слитки были нагреты до 1250°C, начисто прокатаны при 850°C и смотаны при 560°C. В результате были получены горячекатаные стальные листы с толщиной листа 1,8 мм. После осуществления кислотной промывки для горячекатаных стальных листов, холоднокатаные стальные листы с толщиной листа 0,35 мм были получены путем осуществления холодной прокатки. Полученные холоднокатаные стальные листы нагревались до 900°C, пропускались в Pb-Bi ванну для электролитического осаждения сплава, в которой была установлена температура 250°C, для охлаждения до 250°C при средней скорости охлаждения 100°C/с, и затем, без перерыва, осуществлялся отпуск под давлением, в то время как стальные листы оставались в электрической печи, в которой была установлена температура 400°C, в течение 60 секунд. Затем изолирующая пленка, имеющая полуорганический состав, толщиной приблизительно 1 мкм, содержащая оксид Cr и оксид Mg, была нанесена на обе стороны стальных листов.
[0031] Оценивание стальных листов основы, изготовленных способом изготовления B
Такое же испытание, как для вышеупомянутых стальных листов основы, изготовленных способом изготовления A, осуществлялась для стальных листов основы, изготовленных способом изготовления B. Результаты показаны в Таблице 3.
[0032]
[0033] Кроме того, авторы настоящего изобретения изготовили стальные листы основы 10 ротора следующим способом изготовления C, с использованием сортов стали, компонентные составы которых приведены в таблице 1.
Способ изготовления C
Непрерывные слитки стали сортов №№ 1, 2, 3, 4 и 5, компонентные составы которых приведены в таблице 1, были нагреты до 1250°C таким же образом, как в способе изготовления A, начисто прокатаны при 950°C и смотаны при 560°C. В результате, были получены горячекатаные стальные листы с толщиной листа 1,8 мм. После осуществления кислотной промывки для горячекатаных стальных листов, полосы листа холоднокатаной стали с толщиной листа 0,35 мм были получены путем осуществления однократной холодной прокатки (окончательная степень обжатия: приблизительно 81%). Затем рекристаллизационный отжиг осуществлялся на полученных холоднокатаных стальных полосах путем пропускания полос через непрерывную печь, в которой была установлена температура 800°C, в течение 60 секунд. Для охлаждения, полоса охлаждалась до 550°C со скоростью 8°C/сек и удерживалась в непрерывной печи, в которой была установлена температура 450°C, в течение 120 сек или более, для обработки перестаривания. Затем легкая холодная прокатка осуществлялась с коэффициентом удлинения 0,3%, и затем изолирующая пленка, имеющая полуорганический состав, толщиной приблизительно 1 мкм, содержащая оксид Cr и оксид Mg, была нанесена на обе стороны стальных листов.
[0034] Оценивание стальных листов основы, изготовленных способом изготовления C
Такое же испытание, как для вышеупомянутых стальных листов основы, изготовленных способами изготовления A и B, осуществлялась для стальных листов основы, изготовленных способом изготовления C. Результаты показаны в Таблице 4.
[0035]
[0036] Оценивание в качестве IPM-электродвигателя (касающееся плотности магнитного потока и коэрцитивной силы)
Согласно таблице 5 первый ротор, имеющий восьмиполюсную (четыре пары полюсов) конструкцию, показанную на фиг.3, был изготовлен путем перфорации с использованием стали № 1, стали № 3, стали № 5 и стали № 9, изготовленной способом изготовления A, стали № 1, стали № 2, стали № 4, стали № 6 и стали № 7, изготовленной способом изготовления B, и стали № 1, стали № 2, стали № 4 и стали № 5, изготовленной способом изготовления C, и испытательное оценивание эксплуатационных показателей электродвигателя с нагружающим моментом осуществлялось на первом роторе. Для сравнения, ротор также был изготовлен с использованием листов коммерческой электромагнитной стали (35A300) и оценен таким же образом. Только один статор был изготовлен в сочетании с каждым изготовленным ранее ротором, и оценивались эксплуатационные показатели в качестве электродвигателя. Максимальная выходная мощность всех электродвигателей составляла 4,5 кВт. При этом оценивании эксплуатационных показателей, управление ослаблением поля осуществлялось при 10000 об/мин или более. Механические характеристики и магнитные характеристики, оцененные для листов коммерческой электромагнитной стали (35A300) с использованием того же способа, что и для стальных листов основы настоящего изобретения, таковы.
Толщина листа: 0,35 мм
2
предел текучести: 381 Н/мм
2
предел прочности на растяжение: 511 Н/мм
насыщающая плотность магнитного потока B8000: 1,76 Тл
коэрцитивная сила: 75 А/м
[0037]
[0038] Изготовленные ротор и статор имели следующие технические характеристики:
- технические характеристики первого ротора
- внешний диаметр: 80,1 мм
- длина вала: 50 мм
- количество наслоенных слоев: 0,35 мм/140 слоев
- ширина центральной перемычки и внешней перемычки: 1,00 мм
- постоянный магнит: неодимовый магнит (NEOMAX - 38 VH),
9,0 мм в ширину × 3,0 мм в толщину × 50 мм в длину, внедренный всего в 16 положений
- технические характеристики статора:
- длина зазора: 0,5 мм
- внешний диаметр: 138,0 мм; толщина ярма: 10 мм; длина: 50 мм
- материал железного сердечника: листы электромагнитной стали (35A300); толщина листа: 0,35 мм
- количество наслоенных слоев: 140 слоев
- способ намотки: распределенная намотка.
[0039] Таблица 5 включает в себя максимальный крутящий момент и КПД электродвигателя при 15000 об/мин, когда установлен каждый первый ротор. На Фиг.4 показано соотношение между максимальным крутящим моментом при 15000 об/мин и коэрцитивной силой, и на Фиг.5 показано соотношение между КПД при 15000 об/мин и коэрцитивной силой. Для этого оценивания эксплуатационных показателей также, управление ослаблением поля осуществляется при 10000 об/мин или более.
[0040] Как следует из таблицы 5, Фиг.4 и Фиг.5, в случае каждого электродвигателя, включающего в себя ротор, в котором железный сердечник ротора изготовлен из стальных листов с коэрцитивной силой Hc менее 100 А/м (листов электромагнитной стали и стали № 1 и стали № 2, изготовленных способом изготовления C), крутящий момент при 15000 об/мин низок, менее 2,0 Н·м, и КПД также низок, менее 60%. Тогда как в случае каждого электродвигателя, в котором железный сердечник ротора изготовлен из стальных листов основы с плотностью магнитного потока и коэрцитивной силой в диапазоне согласно настоящему изобретению, можно реализовать высокий крутящий момент, превышающий 2,0 Н·м и хороший КПД 60% или более. Особенно в диапазоне коэрцитивной силы 300 А/м или более, можно реализовать даже более высокий крутящий момент 2,5 Н·м или более и высокий КПД 70% или более.
В случае стали № 7, изготовленной способом изготовления B, имеющей высокую коэрцитивную силу, но низкую плотность магнитного потока B8000 1,61 Тл, крутящий момент и КПД низки вследствие низкой плотности магнитного потока.
[0041] Оценивание в качестве IPM-электродвигателя (ширины и прочности перемычки)
2
Авторы настоящего изобретения дополнительно изготовили второй ротор, показанный на Фиг.6, с использованием стали № 4 (предел текучести превышает 750 Н/мм) и стали № 6 (с наивысшим пределом текучести), изготовленной способом изготовления B (эти сорта стали называются далее ″листовая сталь сверхвысокой прочности″). По сравнению с первым ротором, показанным на Фиг.3, ширина перемычки второго ротора, показанного на Фиг.6 была уменьшена в 2 раза для снижения магнитного потока утечки, и размер постоянного магнита второго электродвигателя была уменьшена от 9,0 мм в ширину до 8,0 мм в ширину (миниатюризация приблизительно 11%). Кроме того, управление ослаблением поля осуществлялся при 10000 об/мин или более.
[0042] Технические характеристики второго ротора таковы. Статор такой же, как вышеупомянутый статор, используемый для оценивания плотности магнитного потока и коэрцитивной силы.
Технические характеристики второго ротора:
- внешний диаметр: 80,1 мм
- длина вала: 50 мм
- количество наслоенных слоев: 0,35 мм/140 слоев
- ширина центральной перемычки и внешней перемычки: 0,5 мм
- постоянный магнит: неодимовый магнит (NEOMAX - 38 VH),
8,0 мм в ширину × 3,0 мм в толщину × 50 мм в длину, внедренный всего в 16 положений.
[0043] Для сравнения, первый и второй роторы были изготовлены с использованием листов электромагнитной стали. В Таблице 6 показаны максимальный крутящий момент и КПД IPM-электродвигателей, где используется ротор, выполненный из листов электромагнитной стали, и IPM-электродвигателей, где используется ротор, выполненный из стали №6, изготовленной способом изготовления B, работающих на оборотах от 5000 об/мин до 15000 об/мин.
[0044]
[0045] Как показано в таблице 6, если в качестве материала железного сердечника ротора используется листовая сталь сверхвысокой прочности, получается ротор, имеющий такие же или более высокие эксплуатационные показатели электродвигателя, по сравнению с ротором, в котором материалом железного сердечника является листовая электромагнитная сталь, даже если ширина перемычки уменьшена, или если постоянные магниты миниатюризированы, как в случае второго ротора. Особенно в диапазоне высоких скоростей вращения, превышающих 10000 об/мин, можно получить хорошую характеристику высокого крутящего момента, благодаря улучшению управления ослаблением поля вследствие коэрцитивной силы.
[0046] Кроме того, роторы, используемые для вышеупомянутого испытания, были удалены из статора и присоединенного стального кожуха, затем электродвигатель был соединен с электродвигателем нагрузки через трансмиссию и приводился в действие со стороны электродвигателя нагрузки, и в этом состоянии, осуществлялось испытание на превышение скорости, до 50000 об/мин, и определялась скорость вращения, при которой ротор повреждался центробежной силой. Результаты показаны в Таблице 7.
[0047]
Таблица 7
Оценивание в качестве двигателя со встроенными постоянными магнитами (прочности)
Железный сердечник ротора
Листы электро-магнитной стали/35A300
Листовая сталь сверхвысокой прочности
Способ изготовления A, № 6
Способ изготовления B, № 4
Способ изготовления B, № 6
Ротор
1-й ротор
2-й ротор
1-й ротор
2-й ротор
1-й ротор
2-й ротор
1-й ротор
2-й ротор
Разру-шающие обороты
30450
25500
49000
42000
43200
36000
≥50000 (нет разру-шения)
45300
2
2
2
[0048] Как показано в таблице 7, в случае первого ротора, где в качестве материала ротора используется листовая электромагнитная сталь, и имеющего ширину перемычки 1,0 мм, ротор повреждался при 30450 об/мин. С другой стороны, если в качестве материала ротора использовалась сталь № 4, изготовленная способом изготовления B, которая является листовой сталью сверхвысокой прочности с пределом текучести 750 Н/мм или более, первый ротор не разрушался до 43200 об/мин, и даже второй ротор, ширина перемычки которого была уменьшена до 0,5 мм, не разрушался до 36000 об/мин, что эквивалентно или лучше, чем для первого ротора, выполненного из электромагнитной стали. В случае стали № 6, изготовленной способом изготовления A, которая имела предел текучести 950 Н/мм или более, второй ротор, имеющий ширину перемычки 0,5 мм, не разрушался до 42000 об/мин, и в случае стали № 6, изготовленной способом изготовления B, которая имела предел текучести 1300 Н/мм или более, первый ротор не разрушался даже при 50000 об/мин. Таким образом подтверждается, что разрушение можно предотвратить до более высокой частоты вращения, чем в случае листов электромагнитной стали, если в качестве материала ротора используются листовая сталь сверхвысокой прочности настоящего изобретения.
При обследовании поврежденных роторов было установлено, что как внутренний участок перемычки, так и внешний участок перемычки деформировались или разрушились, и что постоянные магниты выпали из всех роторов. Внешний участок перемычки это участок, где отверстие вставки постоянного магнита находится вблизи периферии электродвигателя.
[0049] Оценивание в качестве IPM-электродвигателя (в случае использования ротора, показанного на Фиг.2)
Авторы настоящего изобретения изготовили ротор 2 (третий ротор), показанный на Фиг.2, с использованием листовой стали сверхвысокой прочности, и провели испытательное оценивание эксплуатационных показателей электродвигателя. Ротор, где используются листы электромагнитной стали, также был изготовлен и оценен таким же образом. Максимальная выходная мощность IPM-электродвигателя 2 составляла 3,7 кВт.
[0050] Изготовленные ротор и статор имели следующие технические характеристики.
Технические характеристики третьего ротора:
- внешний диаметр: 80,0 мм
- длина вала: 75 мм
- количество наслоенных слоев: 0,35 мм/210 слоев
- ширина перемычки: 3,0 мм
- постоянный магнит: неодимовый магнит (NEOMAX - 38 VH),
40,0 мм в ширину × 2,0 мм в толщину × 75 мм в длину, внедренный всего в 4 положениях.
Технические характеристики статора:
- длина зазора: 0,5 мм
- внешний диаметр: 160,0 мм; толщина ярма: 17 мм; длина: 75 мм
- материал железного сердечника: листы электромагнитной стали (35A300); толщина листа: 0,35 мм
- количество наслоенных слоев: 210 слоев
- способ намотки: распределенная намотка.
[0051] В таблице 8 показаны максимальный крутящий момент и КПД IPM-электродвигателей с использованием каждого ротора, работающего в диапазоне от 5000 об/мин до 12000 об/мин. Управление ослаблением поля осуществлялось при частоте вращения, превышающей 10000 об/мин.
[0052]
Таблица 8
Оценивание в качестве двигателя со встроенными постоянными магнитами(в случае ротора, показанного на Фиг.2)
Железный сердечник ротора
5000 об/мин
7500 об/мин
10000 об/мин
12000 об/мин
Максималь-ный крутящий момент (Н·м)
КПД электро-двигателя (%)
Макси-мальный крутящий момент (Н·м)
КПД электро-двигателя (%)
Макси-мальный крутящий момент (Н·м)
КПД электро-двигателя (%)
Макси-мальный крутящий момент (Н·м)
КПД электро-двигателя (%)
Листы электромагнитной стали 35A300
5,2
87
5,1
90
4,9
91
Не вращается
Способ изготовления B, № 6
5,5
82
5,5
82
4,9
96
2,5
90
[0053] Как показано в таблице 8, в случае использования листы электромагнитной стали, электродвигатель уже не может вращаться со скоростью 12000 об/мин, даже если осуществляется управление ослаблением поля. С другой стороны, в случае ротора, где используется сталь № 6, имеющая высокую коэрцитивную силу, возможно вращение со скоростью 12000 об/мин, и его можно раскрутить до более высоких оборотов.