CN102498645B - 同步电动机及同步电动机驱动*** - Google Patents
同步电动机及同步电动机驱动*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种实现高转矩化、同时降低转矩脉动的同步电动机及同步电动机驱动***。该同步电动机具有转子(2)与定子(3),在夹持于相邻的定子齿7(7a、7ab等)中的定子轭部分上,缠绕U相绕组91(91a、91b等)、V相绕组92(92ab等)、W相绕组93(93ac等),各卷组以如下匝数及方向被缠绕,即:补偿各定子齿中产生的磁场最大的定时与在转子(2)的旋转中磁极间(10、11、11等)通过定子齿的定时的、由磁极的配置间隔与定子齿的配置间隔的差异而引起的定时偏移。
Description
技术领域
本发明涉及一种同步电动机的绕组结构,尤其涉及提高转矩性能的技术。
背景技术
压缩机、电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车等中使用的同步电动机中,根据体积小重量轻、高输出、低振动、低噪音、高效率的要求,特别希望高转矩且低转矩脉动。
在将永久磁铁配置在转子铁芯表面的所谓表面磁铁型同步电动机的情况下,当永久磁铁产生的磁场与电枢电流的相位差为90o时,即,在转子的磁极间与缠绕了定子绕组的定子齿相对置的位置关系下提供给该定子绕组的电流最大时,永久磁铁产生的转矩(磁转矩)最大。若永久磁铁产生的磁场与电枢电流的相位差偏离90o,则转矩减少。
另外,在将永久磁铁配置在铁芯内部的所谓永久磁铁埋入型同步电动机的情况下,除永久磁铁产生的磁转矩之外,还产生磁阻转矩,该磁阻转矩是基于转子与定子的位置引起的磁阻差所产生的凸极性的磁阻转矩。磁阻转矩在永久磁铁产生的磁场与电枢电流的相位差为45o附近时最大。因此,永久磁铁埋入型同步电动机的转矩变为将磁转矩与磁阻转矩相加后的转矩,在磁场与电枢电流的相位差0o~45o附近为最大转矩。
通常,同步电动机的转矩具有基于永久磁铁产生的磁场的高次谐波分量的影响和电枢电流的高谐波分量的影响等的脉动分量。因此,为了降低转矩脉动,存在如下技术,即:将流过相同相位的电流的定子绕组的配置间隔(角度)机械地偏移转子的磁极间隔(角度)。这样,相互的定子绕组中产生的转矩脉动的相位发生偏移,能够抵消转矩脉动,其结果,能够实现低振动、低噪音。关于低振动、低噪音的实现,公开了如下技术。
专利文献1公开一种低振动的电动机,该电动机构成为具有:环状轭部的内侧齿部、对外侧齿部实施环形缠绕的多个线圈部、对应于所述内侧齿部的内侧转子、以及对应于所述外侧齿部的外侧转子,其中,将外侧转子与内侧转子的极的变化点偏移到任意角度后进行安装,从而获得低振动的电动机。
另外,专利文献2公开了通过将外侧转子部的磁凸极部与内侧转子部的磁凸极部设为圆周方向的相同位置,内周侧槽部与外周侧槽部设为圆周方向的相同位置,从而抵消作用于定子外周侧齿与内周侧齿的、与磁凸极部之间的电磁力的径向分量,所以其周期变动引起的振动减少。
专利文献1:特开2007-209199号公报
专利文献2:特开2001-268866号公报
如上所述,在以与转子的磁极间隔不同的配置间隔被配置的定子齿上,分别缠绕定子绕组,在向这些定子绕组提供相同相位的电流的情况下,能够偏移从各定子齿产生的转矩脉动的相位,其结果,能够降低作为整体的转矩脉动。
但是,在上述结构中,当某个定子齿位于在与转子磁极的关系中产生最大转矩的位置时,从该定子齿以与转子的磁极间隔不同的间隔被配置的定子齿位于偏离产生最大转矩的位置的位置,不能够产生最大转矩。即,现有技术中存在若要降低转矩脉动则整体的转矩将减少的课题。
发明内容
因此,本发明鉴于上述课题,其目的在于提供一种能够在降低转矩脉动的同时、抑制转矩减少的技术。
本发明的同步电动机具有:包含沿圆周方向等间隔设置的多个磁极的转子;以及与沿圆周方向设置的所述磁极数不同的多个定子齿从环状定子轭向径向突出的定子,所述多个定子齿以沿圆周方向排列的规定个数为单位构成定子齿组,该构成的多个定子齿组的圆周方向间隔相等;在各定子齿组中,定子齿组中包含的规定个数的定子齿以与所述转子的磁极的配置间隔不同的配置间隔被设置;分别对应于所述规定个数的定子齿,在被夹持在该定子齿与相邻的两个定子齿中的两个定子轭部分的至少之一上,被缠绕了构成一个相的绕组的主绕组,对于所述规定个数的定子齿中的至少一个而言,还将副绕组缠绕在所述定子轭部分上,该副绕组串联连线到位于与该定子齿组电角度不同的位置上的其他定子齿组中所包含的主绕组上,构成与所述相不同相的绕组;以补偿如下两个定时的、由磁极的配置间隔与定子齿的配置间隔的差异所引起的定时偏移的匝数及方向被缠绕,该两个定时为:通过向所述全部绕组分别施加三相交流电流之一从而在各定子齿中产生的磁场为最大的定时、以及在所述转子的旋转中磁极间通过该定子齿的定时。
发明效果
根据本发明的同步电动机,能够得到以下效果。
在上述结构中,在各定子齿组中,规定个数的定子齿以与转子的磁极配置间隔不同的配置间隔进行排列,故能够降低作为不通电时的转矩脉动的齿槽转矩(cogging torque)。
另外,根据上述结构,对应于一个定子齿被缠绕的主绕组和副绕组分别构成不同相的绕组的一部分。因此,该定子齿中产生的磁场是将基于主绕组的磁场与基于副绕组的磁场进行转矩合成后的磁场。通过该转矩合成得到的磁场大小和相位能够通过调整主绕组和副绕组的匝数来任意调整。因此,即便以与转子的磁极间隔不同的配置间隔来配置定子齿,也能够使任意一个定子齿也产生最大转矩,其结果,能够提高作为整体的转矩。
另外,在上述结构中,因为在主绕组和副绕组中采用了集中缠绕,所以与采用分布缠绕(distribute winding)的同步电动机相比,能够降低线圈末端部,并且,缩短绕组的布线长度。因此,能够实现小型且高效率的同步电动机。
另外,本发明的同步电动机驱动***是一种由同步电动机与其驱动装置构成的同步电动机驱动***,其中所述同步电动机具有:包含沿圆周方向等间隔配设的多个磁极的转子;以及定子,与所述磁极的数量不同的多个定子齿从环状定子轭突出,对应于该定子齿的定子绕组分开缠绕在被夹持于该定子齿与相邻的两个定子齿中的两个定子轭部分上,所述多个定子绕组以沿圆周方向排列的m个为单位构成定子绕组组,如此构成的多个定子绕组组沿圆周方向等间隔排列,其中m为2以上的整数;在各定子绕组组中,m个定子绕组中的至少一对相邻的定子绕组以与所述转子的磁极间隔不同的配置间隔排列,并单独连接到各自独立的外部端子上,所述驱动装置在向所述多个定子绕组提供电流时,通过分别单独连接的外部端子,向各定子绕组组中的所述一对相邻的定子绕组提供相位彼此不同的电流,以补偿由于如下两个定时的、由磁极的配置间隔与定子齿的配置间隔的差异所引起的定时偏移,该两个定时为:各定子齿中产生的磁场最大的定时;以及在所述转子旋转中,磁极间通过该定子齿的定时。
在上述结构中,因为所述一对定子绕组以与转子的磁极间隔不同的配置间隔排列,所以能够降低作为不通电时的转矩脉动的齿槽转矩。并且,所述一对定子绕组单独连接于各自独立的外部端子上,向这些定子绕组提供相位彼此不同的电流。即,能够单独控制转子的磁极产生的磁场与提供给定子绕组的电枢电流的相位差。由此,能够在抑制转矩减少的同时,降低转矩脉动。
另外,在上述结构中,因为在定子绕组中采用了集中缠绕,所以与采用分布缠绕的同步电动机相比,能够降低线圈末端部,并且,缩短绕组的布线长度。因此,能够实现小型且高效率的同步电动机。
另外,根据上述结构,磁极的数量与定子齿的数量的组合自由度变高。例如,若为20极,则一般为30齿。但是,相对于磁极数来讲减小了齿数的、例如20极18齿的组合成立,能够相对于极数减少齿数,对电动机的小型化很有效,另外,能够降低绕组的工时。
另外,上述结构中,因为第1绕组和第2绕组均集中缠绕在定子轭部分,所以与采用了分布缠绕的同步电动机相比,能够降低线圈末端部,并且,能够缩短绕组的布线长度。因此,能够实现小型且高效率的同步电动机。
附图说明
图1是构成本发明实施方式的同步电动机驱动***的同步电动机的平面图。
图2是第1实施方式的同步电动机的平面图。
图3是表示第1实施方式的缠绕在定子齿上的定子绕组的结构的概念图。
图4是表示第1实施方式的磁场大小和相位的矢量图。
图5是第2实施方式的同步电动机的平面图。
图6是第2实施方式的同步电动机的绕组结构模式图。
图7是第3实施方式的同步电动机的平面图。
图8是第3实施方式的同步电动机的绕组结构图。
图9是表示第3实施方式的磁场大小和相位的矢量图。
图10是现有的同步电动机的细节图。
图11是表示转矩的时间变化的图。
图12是第4实施方式的同步电动机的平面图。
图13是第4实施方式的同步电动机的绕组结构模式图。
图14是以矢量表示第4实施方式的磁场大小和相位的矢量图。
图15是第5实施方式的同步电动机的细节图。
图16是用于说明第5实施方式的同步电动机的定子绕组的连线的图。
图17是表示第5实施方式的定子与转子的位置关系的图。
图18是表示第5实施方式的各定子绕组中流过的电流的时间变化图。
图19是表示第5实施方式的同步电动机驱动***的整体结构的图。
符号说明
1 同步电动机
2 转子
3 定子
4 转子芯
5 永久磁铁
7 定子齿
8a、8b、8c、8a’、8b’、8c’ 定子齿组
10、11、11’ 磁极间。
具体实施方式
下面,参照附图来详细说明本发明的一个实施方式。
1.第1实施方式
图1是构成本发明第1实施方式的同步电动机驱动***的同步电动机的平面图,图2是图1的同步电动机的细节图。同步电动机1是将转子配置在定子外周侧的所谓外转子型同步电动机,由转子2及定子3构成。
转子2包含转子芯4和多个永久磁铁5,永久磁铁5沿转子的圆周方向等间隔配置在转子芯4上。由永久磁铁5构成的磁极6构成N极、S极相对于定子3交替配置的磁极对。磁极对N极、S极构成2π弧度的电角度,相邻的磁极的配置间隔构成π弧度的电角度。在本实施方式中,转子的磁极为20极,电角度相对于机械角为10倍的关系。
定子3包含环状的定子轭7Y、从定子轭7Y沿半径方向向转子2突出构成的18个定子齿7(7a、7ac、7ab…)、及分别缠绕在被夹持于定子轭7Y中的相邻的定子齿中的部分(下面称为定子轭部分。)上的定子绕组(91a、91c、91b、93d、92e…)。缠绕在定子轭部分上的定子绕组包含主绕组和副绕组。将匝数多的一方称为主绕组,将匝数少的一方称为副绕组。
另外,多个定子齿7以沿定子的圆周方向排列的3个为单位构成定子齿组8(8a、8b、8c、8a’、8b’、8c’)。沿转子2的圆周方向排列的磁极数全部为20极,定子齿的数量全部为18,每半周偏移10/9进行配置。
图1中,若设逆时针旋转方向为+方向,则相对于定子齿组8a,定子齿组8b偏移机械角-60o、电角度+2π/3弧度进行配置。另外,相对于定子齿组8a,定子齿组8c偏移机械角+60o、电角度+4π/3弧度(-2π/3弧度)进行配置。由此,定子齿组8a、定子齿组8b、定子齿组8c彼此以电角度2π/3弧度间隔配置。另外,本实施方式的同步电动机配置为沿圆周方向重复2组定子齿组8a、定子齿组8b、定子齿组8c的组合(即,也配置定子齿组8a’、定子齿组8b’、定子齿组8c’)。
下面,用图2来详细描述定子齿组8a的结构。
如图2所示,定子齿组8a由表示与转子的相位关系的基准定子齿7a、以及与其相邻的定子齿7ab、7ac构成。若设逆时针旋转方向为+方向,则定子齿7ab配置在从定子齿7a看去从偏移π弧度的电角度的位置滞后π/9弧度的位置上,定子齿7ac配置在从定子齿7a看去从偏移π弧度的电角度的位置超前π/9弧度的位置上。
图3是表示缠绕在定子齿上的定子绕组的结构的概念图。
同步电动机1使用1个三相交流电源,以U相、V相、W相三相进行驱动,在各定子绕组中流过3相电流之一。下面,将流过第1相(U相)电流的定子绕组称为U相绕组,将流过第2相(V相)电流的定子绕组称为V相绕组,将流过第3相(W相)电流的定子绕组称为W相绕组。
如图3所示,在表示与转子的相位关系的基准定子齿中,将流过同相电流的定子绕组缠绕在两侧的定子轭部分上。之后,在与之相邻的定子齿上,在两侧的定子轭部分之一上缠绕了流过与基准定子齿的定子绕组同相的电流的定子绕组,在另一个上缠绕了流过不同相的电流的定子绕组。具体地,在表示与转子的相位关系的基准定子齿7a左边的定子轭部分上缠绕U相绕组91ab,在右边的定子轭部分上缠绕U相绕组91ac。这里,将U相绕组91ab与U相绕组91ac合称为U相绕组91a。
另外,在定子齿7ab右边的定子轭部分上缠绕了U相绕组91b,在左边的定子轭部分上缠绕了V相绕组92e。在定子齿7ac左边的定子轭部分上缠绕了U相绕组91c,在右边的定子轭部分上缠绕了W相绕组93d。另外,在定子齿7ba右边的定子轭部分上缠绕了U相绕组91d,在左边的定子轭部分上缠绕了V相绕组92c。另外,在定子齿7ca左边的定子轭部分上缠绕了U相绕组91e,在右边的定子轭部分上缠绕了W相绕组93b。各绕组的匝数及缠绕方向如后所述。
定子齿组8a中包含的U相绕组91a、91b、91c、定子齿组8b中包含的U相绕组91d、与定子齿组8c中包含的U相绕组91e串联连线,构成一个U相绕组91。这里,U相绕组91a、91b、91c是主绕组,U相绕组91d、91e是副绕组。U相绕组91的端部21a连接到U相的输入端子,U相绕组91的端部21n连接到中性点。另外,为了方便起见,记载为‘串联连线’,但并不限于在每个定子齿上单独缠绕线材后事后进行连接,也包含将一根线材连续缠绕在各定子齿上来构成。
与U相绕组91一样,V相绕组92是对如下部分进行串联连线而构成的,该部分为:定子齿组8b中包含的V相绕组(缠绕在定子齿7b左边的定子轭部分上的绕组(92ab)及缠绕在右边的定子轭部分上的绕组、缠绕在定子齿7b右侧的定子齿右边的定子轭部分上的绕组、缠绕在定子齿7b左侧的定子齿(7ba)左边的定子轭部分上的绕组(92c));定子齿组8c’中包含的V相绕组;以及定子齿组8a中包含的V相绕组(92e)。V相绕组92的一个端部22a连接在V相输入端子上,V相绕组92的另一端部连接在中性点上。
同样地,W相绕组93是对如下部分进行串联连线而构成的,该部分为:定子齿组8c中包含的W相绕组(缠绕在定子齿7c左边的定子轭部分上的绕组及缠绕在右边的定子轭部分上的绕组(93ac)、缠绕在定子齿7c右侧的定子齿(7ca)右边的定子轭部分上的绕组(93b)、缠绕在定子齿7c左侧的定子齿左边的定子轭部分上的绕组);定子齿组8b’中包含的W相绕组;以及定子齿组8a中包含的W相绕组(93d)。W相绕组93的一个端部连接在W相的输入端子上,定子绕组93的另一端部(23n)连接在中性点上。
在同步电动机1中,配置为沿圆周方向重复2组定子绕组91、92、93的组合的配置。
1.1.定子齿中产生的磁场
图4是表示本发明第1实施方式的磁场大小和相位的矢量图。用图2、图3及图4来说明定子齿中产生的磁场。
同步电动机1是三相同步电动机,U相、V相、W相的电流的相位差为电角度2π/3弧度。当U相电流为最大值时,涉及定子齿7a的U相绕组91(91a)中流过的电流所产生的磁场矢量在图4中由H2表示。当U相电流为最大值时,涉及定子齿7ab的U相绕组91(91b)中流过的电流所产生的磁场矢量在图4中由-U2表示,涉及定子齿7ab的V相绕组92(92e)中流过的电流所产生的磁场矢量在图4中由V3表示。将它们合成后得到的磁场的矢量在图4中由H1表示。另外,当U相电流为最大值时,定子齿7ac的U相绕组91(91c)中流过的电流所产生的磁场矢量在图4中由-U2表示,定子齿7ac的W相绕组93(93d)中流过的电流所产生的磁场矢量由图4的W3表示。将它们合成后得到的磁场的矢量在图4中由H3表示。
图2中,从定子齿7a看去,定子齿7ab位于从偏移了电角度π弧度的位置滞后π/9弧度的位置上。在处于这种位置关系的定子齿7ab中,产生相对于磁场H2,电角度从π弧度超前了π/9弧度的磁场H1,故当定子齿7ab的轴与转子的磁极间11相一致时,能够在定子齿7ab中产生最大磁场,同时,当定子齿7a的轴与转子的磁极间10相一致时,能够在定子齿7中产生最大磁场。
另外,图2中,从定子齿7a看去,定子齿7ac位于从偏移了π弧度的电角度的位置超前了π/9弧度的位置上。在处于这种位置关系的定子齿7ac中,产生相对于磁场H2、电角度从π弧度滞后了π/9弧度的磁场H3,所以当定子齿7a的轴与转子的磁极间10相一致时,能够在定子齿7a中产生最大磁场,同时,当定子齿7ac的轴与转子的磁极间11’相一致时,能够在定子齿7ac中产生最大磁场。
这样,在本实施方式中,当定子齿的轴与转子的磁极间相一致时,该定子齿中产生的磁场最大,故能够设各定子齿产生的磁转矩为最大,能够提高整体的转矩。另外,因为从各定子齿产生的转矩大致恒定,所以能够降低转矩脉动。
1.2.匝数的详细说明
用图3及图4来说明用于产生上述磁场的各绕组的匝数及缠绕方向的一例。
设定子齿7a中用于产生U相磁场H2的U相绕组91ab的匝数为+Un1,设U相绕组91ac的匝数为-Un1。这里,向匝数附加+/-符号,+表示以产生顺时针方向的磁场的缠绕方向(下面称为+方向。)缠绕在定子轭部上,-表示以产生逆时针方向的磁场的缠绕方向(下面称为-方向。)缠绕在轭部上。+Un1与-Un1的缠绕方向相反,但匝数自身为Un1,相等。
定子齿7ab中,通过产生对U相磁场-U2与V相磁场+V3进行了合成后的磁场,从而当定子齿7ab的轴与转子的磁极间相一致时,能够使定子齿7ab产生最大的磁场。具体地,设定子齿7ab中用于产生U相磁场-U2的U相绕组91ac的匝数为-Un2,设U相绕组91b的匝数为+Un2。设定子齿7ab中用于产生V相磁场+V3的V相绕组92e的匝数为+Vn3,设V相绕组92c的匝数为-Vn3。
另外,对于定子齿7ac而言,通过产生对U相磁场-U2与W相磁场+W3进行了合成后的磁场,从而当定子齿7ac的轴与转子的磁极间相一致时,能够使定子齿7ac产生最大的磁场。设定子齿7ac中用于产生U相磁场-U2的U相绕组91c的匝数为-Un2,设U相绕组91ab的匝数为+Un2。设定子齿7ac中用于产生W相磁场+W3的W相绕组93b的匝数为+Wn3,设W相绕组93d的匝数为-Wn3。
另外,对于定子齿7ca而言,通过产生对U相磁场+U3与W相磁场-W2进行了合成后的磁场,从而当定子齿7ca的轴与转子的磁极间相一致时,能够使定子齿7ca产生最大的磁场。设定子齿7ca中用于产生U相磁场+U3的U相绕组91e的匝数为+Un3,设U相绕组91c为-Un3。设定子齿7ca中用于产生W相磁场-W2的W相绕组93ac的匝数为-Wn2,设W相绕组93b的匝数为+Wn2。
另外,对于定子齿7ba而言,通过产生对U相磁场+U3与V相磁场-V2进行了合成后的磁场,从而当定子齿7ba的轴与转子的磁极间相一致时,能够使定子齿7ba产生最大的磁场。设定子齿7ba中用于产生U相磁场+U3的U相绕组91b的匝数为+Un3,设U相绕组91d为-Un3。设定子齿7ba中用于产生V相磁场-V2的V相绕组92c的匝数为-Vn2,设V相绕组92ab的匝数为+Vn2。
这里,若着眼于上述绕组中U相绕组,则绕组91e的匝数为+Un3,绕组91c的匝数是-Un2与-Un3之和,绕组91ab的匝数是+Un1与+Un2之和。另外,绕组91ac的匝数是-Un1与-Un2之和,绕组91b的匝数是+Un2与+Un3之和,绕组91d的匝数为-Un3。
另外,在本实施方式中,磁极数是20,定子齿的数量是18,磁极对数是20/2=10。每相的定子齿的数量是18/3=6,是3的倍数。由此,绕组比系数α能够由下式进行计算。
α=|2π/A-2π/B|×P
=|2π/20-2π/18|×10
=π/9弧度
另外,Un2与Un1的关系及Vn3与Vn1的关系如下所示。
Un2=(Un1)×sin(π/3-α)/sin(π/3)
=(Un1)×sin(2π/9)/sin(π/3)
Vn2=(Vn1)×sin(α)/sin(π/3)
=(Vn1)×sin(π/9)/sin(π/3)
如图4所示,由以上匝数进行了矢量合成后的定子齿7ab中产生的磁场与仅对如下相位的电流进行通电而在定子齿7ab中产生的磁场等效,该相位为:相对于对定子齿7a所示的U相进行反转后(偏移了π弧度)得到的-U相超前了π/9弧度的相位。
这里,若设比例系数为K=(Un1)/sin(π/3),则U相绕组91e的匝数为+Un3,并且下式成立。
+Un3=(Un1)×sin(α)/sin(π/3)
={(Un1)/sin(π/3)}×sin(α)
={sin(α)}×K
另外,U相绕组91c的匝数为-Un3-Un2,并且下式成立。
-Un3-Un2=-(Un1)×sin(α)/sin(π/3)-(Un1)×sin(π/3-α)/sin(π/3)
=-{(Un1)/sin(π/3)}{sin(α)+sin(π/3-α)}
=-{sin(α)+sin(π/3-α)}×K
另外,U相绕组91ab的匝数为+Un2+Un1,并且下式成立。
+Un2+Un1=(Un1)×sin(π/3-α)/sin(π/3)+(Un1)
=(Un1)×{1+sin(π/3-α)/sin(π/3)}
={(Un1)/sin(π/3)}×{1×sin(π/3)+sin(π/3-α)}
={sin(π/3)+sin(π/3-α)}×K
另外,U相绕组91ac的匝数为-Un1-Un2,并且下式成立。
-Un1-Un2=-{sin(π/3)+sin(π/3-α)}×K
另外,U相绕组91b的匝数为+Un2+Un3,并且下式成立。
+Un2+Un3={sin(π/3-α)+sin(α)}×K
另外,U相绕组91d的匝数为-Un3,并且下式成立。
-Un3=-{sin(α)}×K
这里,设U相绕组91e、91c、91ab、91ac、91b、91d的匝数分别为+N1、-N2、+N3、-N3、+N2、-N1,在设α=π/9弧度、K=100的情况下,N1、N2、N3的具体值如下所示。
N1={sin(α)}×100≒34(圈)
N2={sin(π/3-α)+sin(α)}×100≒98(圈)
N3={sin(π/3)+sin(π/3-α)}×100≒151(圈)。
另外,在上述式子中,采用了表示右边与左边大致相等的记号(≒),这是因为实际上多数情况下难以完全一致。上述记号包含右边为小数的情况下、采用接近该小数的整数程度的一致,还包含可作为设计上的误差而忽视的程度的一致。与U相的情况一样,对配置在相对于U相分别偏移了2π/3弧度的位置上的V相、W相也能够确定匝数。缠绕在定子轭部分上的绕组的匝数由上述3相内2种绕组构成,重复(N1+N3)圈、(N2+N2)圈、(N3+N1)圈。
另外,在本实施方式中,为了向定子轭部分上缠绕定子绕组而采用了集中缠绕。因此,实现了定子端面的绕组,所谓的线圈末端的小型化,能够使同步电动机小型化。另外,绕组的线圈末端是即便流过电流也无助于转矩的部分,能够降低通电时的绕组电阻引起的焦耳损耗,即铜损耗,效率较高。
另外,在本实施方式中,采用了将转子配置在定子的外周侧的所谓外转子型。因此,在以相同体积进行比较的情况下,与将转子配置在定子的内周侧的内转子型相比,能够扩大转子直径。因此,即便象本实施方式那样极数为20的同步电动机,也因为不需要减小永久磁铁的尺寸,故能够防止有效磁通量的下降。
另外,在本实施方式中,说明了转子磁极数为20个、定子齿数量为18个的同步电动机,但对于定子齿为9个或27个等9的倍数,只要是转子的磁极数为10的倍数的组合,即10q极9q齿(q为正整数)的组合,则通过设为电角度中上述关系成立的配置关系,即可获得同样的效果。
另外,通过构成为以旋转轴方向旋转定子齿和转子磁极之一或两者,从而能够构成磁通量变化更平滑、振动更低的同步电动机。
另外,定子的磁性材料使用铁粉磁芯(iron powder magnetic cores)材料、薄板状的磁性材料或非晶磁性材料,能够大幅度降低铁损,获得更高效率的同步电动机。
另外,通过由多个构成1极的永久磁铁构成,能够降低永久磁铁中产生的涡流损耗,获得更高效率的同步电动机。
另外,通过采用绕组的多个细径的绕组或扁平的扁线,能够扩大绕组的表面积,降低高频驱动时的趋肤效应,从而获得高效率的同步电动机。
2.第2实施方式
本实施方式与第1实施方式的不同之处在于转子不仅配置在定子外周侧,还配置在内周侧,与之相伴,定子不仅在定子外径侧具有定子齿,在定子内径侧也具有定子齿。
图5是本实施方式的同步电动机的平面图。
图6是本实施方式的同步电动机的绕组结构模式图。
同步电动机33由转子2A、2B和定子23构成。
定子23外侧的转子2A包含转子芯4A和20个永久磁铁5A,永久磁铁5A沿转子的圆周方向等间隔配置在转子芯4A上。交替配置了由永久磁铁5A构成的N极、S极的磁极对构成电角度2π弧度,图5中虚线所示的相邻磁极的配置间隔为电角度π弧度。同样,定子23内侧的转子2B包含转子芯4B和20个永久磁铁5B,永久磁铁5B沿转子的圆周方向等间隔配置在转子芯4B上。交替配置了由永久磁铁5B构成的N极、S极的磁极对构成电角度2π弧度,图5中虚线所示的相邻磁极的配置间隔为电角度π弧度。
绕组与第1实施方式相同。
根据以上结构,定子齿不仅在定子外径侧,还在定子内径侧,对定子轭的绕组通电后产生的磁通量流过定子外径侧的转子与内径的转子。因为在定子外周与内周使用了转子,所以绕组的利用率也较高,能够较容易地实现高转矩的同步电动机。
3.第3实施方式
本实施方式与第1实施方式的不同之处在于绕组的匝数和连线。
绕组构成为:在相邻的两个定子轭部分分别各缠绕两种定子绕组,在该连续的两个定子轭部分两侧的定子轭部分上分别缠绕1种定子绕组。下面,主要说明与第1实施方式的不同点。
3.1.结构
图7是本实施方式的同步电动机的平面图,图8是同步电动机的绕组结构图,图9是表示磁场大小和相位的矢量图。
同步电动机51由转子2和定子13构成。
转子2与第1实施方式相同,定子13除了定子绕组的结构外,其它也与第1实施方式相同。
图8中,将U相绕组186对应于定子齿7a沿+方向缠绕。
U相绕组187沿-方向缠绕在定子齿7ab右边的定子轭部分上,U相绕组185沿-方向缠绕在定子齿7ac右边的定子轭部分上。并且,U相绕组189沿+方向缠绕在定子齿7ba右边的定子轭部分上,U相绕组183沿+方向缠绕在定子齿7ca右边的定子轭部分上。
对于U相绕组,仅将1种绕组186缠绕在定子轭部分上,对于其他绕组,与其他种类的绕组一起缠绕在被缠绕的定子轭部分上。
对于V相绕组188、190、191、192、194,V相绕组188、191、194也沿+方向缠绕在各定子轭部分上,V相绕组190、192也沿-方向缠绕在各定子轭部分上。对于V相绕组,也仅将1种绕组191缠绕在定子轭部分上,对于其他绕组,与其他种类的绕组一起缠绕在被缠绕的定子轭部分上。
另外,对于W相绕组177、179、181、182、184,W相绕组177、181、184也沿+方向缠绕在各定子轭部分上,W相绕组179、182也沿-方向缠绕在各定子轭部分上。对于W相绕组,也仅将1种W相绕组181缠绕在定子轭部分上,对于其他绕组,与其他种类的绕组一起缠绕在被缠绕的定子轭部分上。
例如图7所示,将W相绕组182与U相绕组183缠绕在同一定子轭部分上,将W相绕组184与U相绕组185缠绕在同一定子轭部分上。U相绕组186单独缠绕在定子轭部分上,将U相绕组187与V相绕组188缠绕在同一定子轭部分上,将U相绕组189与V相绕组190缠绕在同一定子轭部分上。
3.2.产生磁场
下面,说明利用如上所述被缠绕的绕组结构在各定子齿中产生的磁场。另外,为了容易理解定子齿与转子磁极的位置关系,着眼于位于定子轭部分左边的定子齿的中央与转子磁极间的关系。另外,设转子沿逆时针方向旋转。
图7中,对应于U相绕组186的定子齿7a与转子磁极间相对置。此时,定子齿7a产生最大转矩,此时的U相绕组186产生的磁场在图9中示为H2。
缠绕了U相绕组187与V相绕组188的定子轭部分左边的定子齿7ab相对于与定子齿7a对置的磁极,超前了π弧度+π/9弧度。图9中,将表示基于U相绕组187的磁场-U2与基于V相绕组188的磁场V3的矢量的合成矢量H1表示为如下矢量,该矢量表示相对于U相超前了π弧度+π/9弧度的定子齿7ab中所产生的磁场。
同样,缠绕了U相绕组185与W相绕组184的定子轭部分左边的定子齿7ac相对于与定子齿7a对置的磁极,滞后了π弧度+π/9弧度。这在相位关系中与超前了π弧度-π/9弧度等效。图9中,将表示基于W相绕组184的磁场W3与基于U相绕组185的磁场-U2的矢量的合成矢量H3表示为如下矢量,该矢量表示相对于U相滞后了π弧度-π/9弧度的定子齿7ac中所产生的磁场。基于其他定子轭部分上缠绕的绕组的磁场(例如H4、H5等)也一样。如这种矢量所表示的那样,通过调整匝数、缠绕方向,能够将电流相位分别控制成各转矩最大的相位,并能够提供高转矩且低振动的同步电动机。
3.3.转矩的比较
下面,比较由本实施方式的同步电动机得到的转矩与由现有的同步电动机得到的转矩。图10是现有的同步电动机的细节图。现有的同步电动机的绕组结构与本实施方式的同步电动机不同。如图10所示,在定子齿87a、87ab、87ac上分别缠绕了绕组891a、891b、891c,将它们串联连线,将绕组的一个端部27a连接到U相的输入端子上,将另一端部27n连接到中性点上。因为各定子齿上仅缠绕了U相绕组,故各定子齿中产生的磁场为相同相位。即,若当定子齿87a的轴与转子的磁极间10相一致时,定子齿87a中产生最大的磁场,则当定子齿87ab与转子的磁极间11发生偏移时,定子齿87ab中产生最大的磁场,同样,当定子齿87ac与转子的磁极间11’发生偏移时,定子齿87ac中产生最大的磁场。因此,定子齿87a产生的磁转矩可设为最大,但定子齿87ab、87ac分别产生的磁转矩不能够设为最大。因此,与本实施方式相比,整体的转矩低,转矩脉动较大。
图11是表示转矩的时间变化的图。
由本实施方式的同步电动机得到的转矩波形由T1表示,由现有的同步电动机得到的转矩波形由T0表示。就转矩大小而言,本实施方式比现有方式能够提高105%。另外,对于作为转矩脉动与平均转矩之比的转矩脉动率,本实施方式比现有方式能够从5.3%大幅度降低到0.5%。这样,根据本实施方式,能够使以前认为折衷关系的高转矩化与转矩脉动的降低同时成立。
4.第4实施方式
本实施方式与第1实施方式的不同之处在于是10q极12q齿(q为正整数)的同步电动机。
4.1.结构
图12是本实施方式的同步电动机的平面图,图13是本实施方式的同步电动机的绕组结构模式图。
同步电动机41由转子42与定子43构成。
转子42包含转子芯44和10个永久磁铁45,永久磁铁45沿转子的圆周方向等间隔配置在转子芯44上。由永久磁铁45构成的磁极46构成相对于定子43交替配置了N极、S极的磁极对。磁极对N极、S极构成电角度2π弧度,相邻的磁极的配置间隔为电角度π弧度。在本实施方式中,转子的磁极为10极,电角度相对于机械角为5倍的关系。这样,因为磁极的个数为10,定子齿的个数为12,所以定子齿47沿圆周每半圆偏移5/6配置。此外,定子齿47是包含定子齿47ab、47ac、47ca、47ba、47cb、47bc等由‘定子齿47+后缀’表示的定子齿的定子齿的总称。转子磁极间410、411表示由配置在转子中的永久磁铁构成的磁极N与磁极S之间的磁性中立点的位置。这里,机械上也为磁铁与磁铁之间的位置。将沿逆时针旋转方向从N极变为S极的磁极间表示为411,将沿逆时针旋转方向从S极变为N极的磁极间表示为410。
定子43包含:对置配置在转子42的多个定子齿47、以及夹持各定子齿47的两侧的定子轭部分上集中缠绕的主绕组和副绕组。
在设逆时针旋转方向为+的情况下,当将定子齿47ac配置在相对于转子的磁极间410超前了电角度π/12弧度的位置时,将定子齿47ab配置在相对于转子的磁极间411滞后了电角度π/12弧度的位置。
另外,将定子齿47ba配置在从相对于转子磁极间411超前了2/3π弧度的位置422进一步超前了电角度π/12弧度的位置上,将定子齿47bc配置在以位置422看去从偏移了电角度π弧度的位置滞后了π/12弧度的位置上。
另外,将定子齿47ca配置在从相对于转子磁极间410滞后了2/3π弧度的位置423进一步滞后了电角度π/12弧度的位置上,将定子齿47cb配置在以位置423看去从偏移了电角度π弧度的位置超前了π/12弧度的位置上。
因而,相对于定子齿47ac与定子齿47ab,定子齿47ba与定子齿47bc、定子齿47cb与定子齿47ca分别以电角度2π/3弧度的等间隔配置。
4.2.定子齿组的结构
下面,说明定子齿组的结构。12个定子齿47以沿圆周方向排列的2个为单位构成定子齿组。一个定子齿组中表示与转子的位置关系的基准定子齿是主绕组的匝数最多的定子齿。例如,若着眼于由定子齿47ab、47ac构成的定子齿组,则基准定子齿为定子齿47ab、47ac。如图12所示,定子齿47ac和定子齿47ab分别相对于作为磁极间隔的π弧度偏移π/12弧度配置。
4.3.定子绕组的结构
说明定子绕组的结构。
图13是表示缠绕在定子齿上的定子绕组的结构的概念图。
如图13所示,U相绕组200串联连线U相绕组201、202、203、204而构成。U相绕组200的端部421a连接到U相的输入端子上,U相绕组200的端部421n连接到中性点上。
U相绕组201沿+方向缠绕。U相绕组203沿+方向缠绕,U相绕组202、204沿-方向缠绕。
就图13中的W相绕组而言,W相绕组223沿+方向缠绕在U相绕组201的被缠绕的定子轭部分上,W相绕组224沿-方向缠绕在U相绕组202的被缠绕的定子轭部分上。
就图13中的V相绕组而言,V相绕组211沿+方向缠绕在U相绕组203的被缠绕的定子轭部分上,V相绕组212沿-方向缠绕在U相绕组203的被缠绕的定子轭部分上。
4.4.定子齿中产生的磁场
下面,说明这些定子齿中产生的磁场。另外,设转子沿逆时针方向旋转。
图14是以矢量表示磁场大小和相位的矢量图。
为了容易理解定子齿与转子磁极的位置关系,着眼于缠绕了绕组的定子轭部分右边的定子齿中央与转子磁极间的关系。另外,设缠绕在该定子轭部分上的绕组在该右边的定子齿中产生磁场。
在图12的位置关系的情况下,将缠绕了U相绕组202与W相绕组224的定子轭部分右边的定子齿47ab的中心配置在相对于磁极间411滞后了π/12弧度的位置。图14中,将定子齿47ab中产生的磁场表示为合成矢量H1,该合成矢量H1是对表示基于U相绕组202的磁场-U1与基于W相绕组224的磁场W2的矢量进行合成而成的合成矢量。
同样,图12中,将缠绕了U相绕组203与V相绕组211的定子轭部分右边的定子齿47ac的中心配置在相对于磁极间410超前了π/12弧度的位置。图14中,将定子齿47ac中产生的磁场表示为合成矢量H2,该合成矢量H2是对表示基于U相绕组203的磁场U1与基于V相绕组211的磁场-V2的矢量进行合成而成的合成矢量。
这样,通过构成适于转子与定子的位置关系的磁场,从而能够实现高转矩、降低转矩脉动且平滑的驱动。
这里,列举具体例子来说明产生该矢量图中表示的磁场的绕组的匝数。磁极数为10,齿数为12,将以电角度每2π/3弧度配置的3种绕组中任意的两种绕组集中缠绕在相邻的齿间的环状轭部上,当磁极对数为5,每相的齿数为4, 4=3m+1时,匝数比系数α可由下式计算。
α=|2π/A-2π/B|×P/2
=|2π/10-2π/12|×5/2
=π/12弧度
另外,若设对应于定子齿47ab的U相绕组202的匝数为N112,对应于定子齿47ab的V相绕组224的匝数为N212,设这些绕组的匝数和为N1,则下式成立。
N1=N112+N212
N112≒(N1)×sin(π/12)/sin(π/3)
N212≒(N1)×sin(π/3-π/12)/sin(π/3)
≒(N1)×sin(π/4)/sin(π/3)
若如此调整各绕组的匝数,则定子齿47ab中产生的磁场H2具有相对于U相超前了电角度π/12弧度的相位。
另外,若设对应于定子齿47ac的U相绕组203的匝数为N113,对应于定子齿47ac的W相绕组211的匝数为N313,这些绕组的匝数的和为N1,则下式成立。
N1=N113+N313
N113≒(N1)×sin(π/12)/sin(π/3)
N313≒(N1)×sin(π/3-π/12)/sin(π/3)
≒(N1)×sin(π/4)/sin(π/3)
若如此调整各绕组的匝数,则定子齿47ac中产生的磁场H1具有相对于-U相滞后了电角度π/12弧度的相位。
图12中,从转子磁极间410看去,定子齿47ac位于超前了电角度π/12弧度的位置。在位于这种位置关系的定子齿47ac中,产生从-U相滞后了π/12弧度的磁场H1,所以当定子齿47ac的轴与转子的磁极间410相一致时,能够在定子齿47ac中产生最大的磁场。
另外,图12中,从转子磁极间411看去,定子齿47ab位于滞后了电角度π/12弧度的位置。在位于这种位置关系的定子齿47ab中,产生从U相超前了π/12弧度的磁场H2,所以当定子齿47ab的轴与转子的磁极间411相一致时,能够在定子齿47ab中产生最大的磁场。
这样,在本实施方式中,当定子齿的轴与转子的磁极间相一致时,该定子齿中产生的磁场最大,故能够使各定子齿产生的磁转矩最大,并能够提高整体的转矩。另外,因为从各定子齿产生的转矩大致恒定,故能够降低转矩脉动。
另外,本实施例是10q极12q齿(q为正整数)的结构,但20极24齿也能够得到同样的效果。在10q极12q齿中,U相、V相、W相相对于轴成对称配置,故对绕组进行通电后的定子齿产生的弧度方向的合成吸引力为0,磁吸引力不作用于转子。因此,不对轴承寿命产生坏影响,得到长寿命的同步电动机。同样,在24极27齿中,因为缠绕在中性点连接的相邻的齿上的4个绕组相对于轴呈每隔机械角90度的配置,故对绕组进行通电后的定子齿产生的弧度方向的合成吸引力为0,磁吸引力不作用到转子。
5.第5实施方式
与第1实施方式的不同之处在于绕组及所提供的电流,以这点为主进行说明。在第1实施方式中,使用1个三相交流电源,以U相、V相、W相三相进行驱动,相反,在本实施方式中,使用3个三相交流电源,以U1相、U2相、U3相、V1相、V2相、V3相、W1相、W2相、W3相等9相进行驱动。
本实施方式的同步电动机的平面图采用与第1实施方式公共的图1表示。
图15是同步电动机的细节图。
定子齿组8a由3个相邻的定子齿61a、62a、63a构成。在定子齿61a左边的定子轭部分上,沿-方向缠绕定子绕组81ab,在右边的定子轭部分上,沿+方向缠绕定子绕组81ac。定子绕组81ab与定子绕组81ac串联连线,构成流过U1相的电流的U1相绕组81a。另外,在定子齿62a左边的定子轭部分上,沿-方向缠绕定子绕组82ab,在右边的定子轭部分上,沿+方向缠绕定子绕组82ac。定子绕组82ab与定子绕组82ac串联连线,构成流过U2相的电流的U2相绕组82a。另外,在定子齿63a左边的定子轭部分上,沿-方向缠绕定子绕组83ab,在右边的定子轭部分上,沿+方向缠绕定子绕组83ac。定子绕组83ab与定子绕组83ac串联连线,构成流过U3相的电流的U3相绕组83a。
这里,相对于定子齿62a,定子齿61a配置在机械角+20o的位置上。即,从作为磁极间隔的电角度π弧度(机械角18o)进一步偏移了+π/9弧度进行配置。另外,同样地,相对于定子齿62a,定子齿63a配置在机械角-20o的位置上。即,从作为磁极间隔的电角度π弧度进一步偏移了-π/9弧度配置。这里,定子齿沿圆周方向等间隔以360/18=20o的间隔排列。另一方面,转子的磁极沿圆周方向等间隔排列20个,间隔为360/20=18o。图1所示的其他2组定子齿组8b、8c也与上述定子齿组8a一样,在定子齿组内,3个绕组从作为磁极间隔的电角度π弧度偏移了电角度偏移+π/9弧度和-π/9弧度进行配置。
图16是用于说明图1所示的同步电动机的定子绕组的连线的图。
图示的绕组端子序号末尾的a、b、c分别对应于构成定子齿组8a、8b、8c的绕组。
定子齿组8a内的3个定子绕组81a、82a、83a各自的绕组端子31a、32a、33a单独伸出到外部,并单独连接到作为驱动装置的逆变器的连接端子上。定子齿组8b内的3个绕组端子31b、32b、33b和定子齿组8c内的3个绕组端子31c、32c、33c也一样,单独伸出到外部,并分别连接到作为驱动装置的逆变器的连接端子上。
另外,不同定子齿组8a、8b、8c中相位差为2π/3弧度的定子绕组的端子公共连接到中性点上。即,绕组端子34a、绕组端子34b与绕组端子34c连接到第1中性点上,绕组端子35a、绕组端子35b与绕组端子35c连接到第2中性点上,绕组端子36a、绕组端子36b与绕组端子36c连接到第3中性点上。在本例中,使第1、第2和第3中性点电气隔离,但也可以使其中的任意的两个中性点或全部中性点电连接。
另外,在本实施方式中,定子齿组8a、定子齿组8b、定子齿组8c各为2组,末尾的a、b、c相同的定子齿组彼此处于相对于转子的磁极电角度相同的位置关系。因此,也可以由6组定子齿组中相邻的3组定子齿组彼此构成中性点连接、或由中间间隔一个的3组定子齿组彼此构成中性点连接。另外,也可以由6组全部定子齿组构成中性点连接。
以上说明了构成本发明第1实施方式的同步电动机驱动***的同步电动机的结构。18个定子齿以与转子的磁极间隔不同的配置间隔进行排列,并且,以沿圆周方向排列的3个为单位来构成定子齿组。另外,将各定子齿组内的3个定子绕组单独连接到各自独立的外部端子上。
这里,所谓‘单独’表示一个定子齿组中包含的定子绕组之间的关系,不表示分别包含于不同定子齿组中的定子绕组之间的关系。因此,有时不同定子齿组中包含的定子绕组彼此只要条件允许也公共连接。例如,因为向定子齿组8a中包含的定子绕组81a与定子齿组8a’中包含的定子绕组81a’提供相同相位的电流,所以也可将它们连接到公共的外部端子上。当然,单独连接到外部端子上也没有任何问题。
本发明第1实施方式的同步电动机驱动***具有向上述同步电动机的多个绕组端子提供相位彼此不同的电流的驱动装置。其次,说明驱动装置和通电方法。
图17表示本发明第1实施方式的定子与转子的位置关系,图17(a)、图17(b)、图17(c)表示转子2沿逆时针方向分别旋转了机械角2o(电角度π/9弧度)时的定子和转子的位置关系。另外,图18是表示本实施方式中各定子绕组中流过的电流的时间变化的图。图18中的(a)、(b)、(c)所示的时间分别对应于图17(a)、图17(b)、图17(c)所示的位置关系。
图1、图17中,以10、11示出了转子的磁极间。转子的磁极间10、11表示由配置在转子中的永久磁铁构成的磁极N与磁极S之间的磁性中立点的位置。这里,机械上也是磁铁与磁铁之间的位置。将从逆时针方向看去从N极变为S极的磁极间表示为10,将从逆时针方向看去从S极变为N极的磁极间表示为11。磁极间11’位于相对于磁极间11电角度相同的位置,但机械角不同的位置。
图17(a)中,如点划线所示,定子齿63a的中心与转子磁极间11以一致的位置关系相对置。当处于该位置关系时,若调整相位以使流过U3相绕组83a的电流最大来提供电流,则作为永久磁铁产生的转矩的磁转矩变为最大。如图15所说明的那样相邻的磁极之间所成的角度(18o)与相邻的定子齿之间所成的角度(20o)不同,所以若定子齿63a的中心与转子磁极间11以一致的位置关系相对置,则定子齿62a的中心和转子磁极间10、以及定子齿61a的中心和转子磁极间11’以发生了偏移的位置关系相对置。
在图17(b)中,转子从图17(a)沿逆时针方向以机械角旋转2o(电角度π/9弧度)旋转,如点划线所示,定子齿62a的中心与转子磁极间10以一致的位置关系相对置。当处于该位置关系时,若调整相位以使流过U2相绕组82a的电流最大来提供电流,则作为永久磁铁产生的转矩的磁转矩变为最大。此时,定子齿63a的中心和转子磁极间11、以及定子齿61a的中心和转子磁极间11’以发生了偏移的位置关系相对置。
在图17(c)中,转子从图17(b)沿逆时针方向以机械角旋转2o(电角度π/9弧度),如点划线所示,定子齿61a的中心与转子磁极间11’以一致的位置关系相对置。当处于该位置关系时,若调整相位以使流过U1相绕组81a的电流最大来提供电流,则作为永久磁铁产生的转矩的磁转矩变为最大。此时,定子齿63a的中心和转子磁极间11、以及定子齿62a的中心和转子磁极间10以发生了偏移的位置关系相对置。
在构成图17(a)、(b)、(c)所示位置关系的各时间,即在定子齿61a、62a、63a的定子齿中心与转子磁极间相对置的各时间,调整相位以使流过U1相绕组81a、U2相绕组82a、U3相绕组83a的电流分别达到最大地提供电流。此时,能够按每个定子齿使磁转矩最大,能够整体实现高转矩化。
图18中,流过绕组端子31a、32a、33a的电流(流过U1相绕组81a、U2相绕组82a、U3相绕组83a的电流)在纵轴表示,时间在横轴表示。如图18所示,相对于流过绕组端子32a的电流,流过绕组端子33a的电流超前了π/9弧度,相对于流过绕组端子32a的电流,流过绕组端子31a的电流滞后了π/9弧度。
各定子绕组的配置关系与各定子绕组中流过的电流存在以下关系。
相对于U2相绕组82a,U3相绕组83a从电角度π弧度进一步偏移了-π/9弧度进行配置。如果是这种配置关系,则相对于流过U2相绕组82a的电流,流过U3相绕组83a的电流超前π/9弧度。另一方面,相对于U2相绕组82a,U1相绕组81a从电角度π弧度进一步偏移了+π/9弧度进行配置。如果是这种配置关系,则相对于流过U2相绕组82a的电流,流过U1相绕组81a的电流滞后π/9弧度。
图19是表示本发明第1实施方式的同步电动机驱动***的整体结构的图。
同步电动机驱动***由作为驱动装置的直流电源100和逆变器101、102、103与同步电动机1构成。逆变器101、102、103分别生成三相交流后提供给同步电动机1。逆变器101的输出电流101a、101b、101c的相位分别各偏移了2π/3弧度,逆变器102的输出电流102a、102b、102c也一样,逆变器103的输出电流103a、103b、103c也一样。另外,输出电流101a、102a、103a的相位分别各偏移了π/9弧度。输出电流101b、102b、103b也一样,输出电流101c、102c、103c也一样。
如图15所示,因为定子齿偏移了电角度π/9弧度进行配置,所以缠绕在这些定子齿上的定子绕组中流过的电流偏移π/9弧度。即,在图17(a)的位置关系中,调整相位以使流过U3相绕组83a的电流最大,在图17(b)的位置关系中,调整相位以使流过U2相绕组82a的电流最大,在图17(c)的位置关系中,调整相位以使流过U1相绕组81a的电流最大,来提供电流。此时,各个定子齿产生的磁转矩分别变为最大,能够作为整体实现高转矩化。
如上所述,在本实施方式的同步电动机中,转子磁极的间隔为机械角18o(电角度π弧度),与之不同,定子齿组内的3个定子齿的间隔为从机械角18o度发生了偏移,为机械角20o。这样通过具有机械相位差,能够降低作为不通电时的转矩脉动的齿槽转矩。
另外,在本实施方式的同步电动机中,定子齿组内的定子齿配置成相对于电角度π弧度分别具有π/9弧度的相位差,在缠绕在各定子齿上的定子绕组中流过具有π/9弧度的相位差的电流。因此,因为能够使由各个定子齿产生的转矩相同,故能够抵消以π/3弧度为基本周期的转矩脉动,并且,因为能够使由各个定子齿产生的转矩最大,故能够提高整体的转矩。
因为图17、图18中仅考虑了永久磁铁产生的磁转矩,所以在定子齿的中心与转子磁极间相一致并相对置的位置关系中,调整电流的相位以使流过定子绕组的电流最大。但是,本实施方式的同步电动机是将永久磁铁配置在转子芯内部的所谓磁铁埋入型同步电动机,是除了磁铁产生的磁转矩之外、还能够利用磁阻的差产生的磁阻转矩的同步电动机。因此,为了利用磁转矩与磁阻转矩两者得到最大转矩,与在定子齿的中心与转子磁极间相一致并对置的位置成为最大电流的相位相比,使电流相位超前往往很有效。
另外,在本实施方式中,为了将定子绕组缠绕在定子轭部分上而采用了集中缠绕。因此,实现了定子端面的绕组的所谓线圈末端的小型化,能够使同步电动机小型化。另外,定子绕组的线圈末端是即便流过电流也无助于转矩的部分,能够降低通电时的绕组电阻引起的焦耳损耗,即铜损耗,很高效。
另外,在本实施方式中,采用将转子配置在定子的外周侧的所谓外转子型。因此,在以相同体积进行比较的情况下,与将转子配置在定子内周侧的内转子型相比,能够扩大转子直径。因此,即便是本实施方式的极数为20的同步电动机,也因为不需要减小永久磁铁的大小,故能够防止有效磁通量的下降。
另外,在本实施方式中,是转子磁极数为20个、定子齿的数量为18个的同步电动机,但相对于定子齿为9个或27个等9的倍数,只要是转子的磁极数为10的倍数的组合,即10q极9q齿(q为正整数)的组合,则通过设为电角度中上述关系成立的配置关系,即可得到同样的效果。另外,8q极9q齿(q为正整数)或10q极12q齿(q为正整数)的结构也能够得到同样的效果。
另外,在本实施方式中,被中性点连接的定子齿组8a、8b、8c与定子齿组8a’、8b’、8c’的组为两个,且为相对于轴对称的配置,故定子齿产生的弧度方向的合成吸引力为0,磁吸引力不作用到转子。因此,不对轴承寿命产生坏影响,得到长寿命的同步电动机。同样地,在30极27齿中,被中性点连接的定子齿组为3个,且为相对于轴以每隔120o机械角的配置,所以对绕组进行通电后的定子齿所产生的弧度方向的合成吸引力为0,磁吸引力不作用到转子。
如上所述,根据本实施方式,能够提供一种可抑制转矩减少的同时,降低转矩脉动、且小型、高输出、低振动、低噪音、高效率的同步电动机驱动***。
6.变形例等
(1)在上述实施方式中,例举了10q极9q齿的结构,但本发明并不限于此,也可以是磁极与齿数的组合。例如,也可以是8q极9q齿、10q极12q齿(q为正整数)、16q极15q齿的结构。
另外,缠绕在各定子轭部分上的第1绕组和第2绕组的比率设定成抵消从基准定子齿看时的相位差。由此,当定子齿的轴与转子的磁极间相一致时,该定子齿中产生的磁场最大,故能够使各定子齿产生的磁转矩最大,提高整体的转矩。另外,因为从各定子齿产生的转矩大致恒定,故能够降低转矩脉动。
(2)另外,缠绕在各定子轭部分上的第1绕组和第2绕组的比率设定成抵消相邻的定子齿的相位差。由此,当定子齿的轴与转子的磁极间相一致时,该定子齿中产生的磁场最大,故能够使各定子齿产生的磁转矩最大,并能够提高整体的转矩。另外,因为从各定子齿产生的转矩大致恒定,所以能够降低转矩脉动。
(3)实施方式中示例了3相驱动的同步电动机,但本发明也能够适用于例如与5相或7相等多相驱动等效的同步电动机。
(4)在实施方式中,将定子绕组缠绕在定子轭部分上,但也可与缠绕在定子齿上的绕组进行组合。
(5)虽然在实施方式中未特别说明,但也可以实施偏斜(skew)配置,在该偏斜配置中,定子绕组沿转子的轴向越超前,越沿圆周方向最大偏移与定子绕组的配置间隔相当的量。
(6)在实施方式中,以将转子配置在定子外侧的外转子型同步电动机进行了说明,当然,将转子配置在定子内侧的内转子型同步电动机、或转子与定子沿轴向具有空隙地配置的所谓面对置的轴向间隙式同步电动机、或将它们多个进行组合的构造的同步电动机也具有相同的效果。
(7)在实施方式中,转子的磁极由永久磁铁构成,但利用了由磁阻的差构成的磁阻转矩的同步电动机、使两者组合到转子的同步电动机也能够适用。
(8)本发明并不限于同步旋转机,也能够适用于同步发电机、或直接驱动的直线同步电动机、直线同步发电机。
(9)本发明能够提供小型、高输出、低振动、低噪音、高效率的同步电动机,尤其在要求低振动、低噪音性的汽车中很有用。另外,该同步电动机因为直径大、较薄,故作为轮毂电机(in wheel motor)尤其有用。
(10)也可以对上述实施方式及上述变形例分别进行组合。例如,将作为第3实施方式说明的图7所示的绕组用作作为第2实施方式说明的图5所示的定子23的绕组。
产业上的可利用性
本发明可利用在要求小型、高效率、低振动、低噪音的压缩机用、电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车等的同步电动机中。
Claims (22)
1.一种同步电动机,其特征在于,
具有:
转子,包含沿圆周方向等间隔设置的多个磁极;以及
定子,与沿圆周方向设置的所述磁极的数量不同的多个定子齿从环状的定子轭向径向突出,
所述多个定子齿以分别沿圆周方向排列的规定个数的定子齿为单位构成多个定子齿组,该多个定子齿组的圆周方向的间隔相等;
所述规定个数的定子齿以与所述转子的磁极的配置间隔不同的配置间隔被设置;
在所述规定个数的定子齿的每一个中,在被夹持在定子齿与相邻于该定子齿的至少一个定子齿中的定子轭部分上,分别被缠绕了构成一个相的绕组的主绕组;
在所述规定个数的定子齿中的至少一个中,在所述定子轭部分除了缠绕所述主绕组之外,还缠绕了副绕组,该副绕组构成与所述相不同相的绕组;
所述副绕组串联连线到其它主绕组上,该其它主绕组包含在位于电角度与包含该副绕组的所述定子齿组不同的位置上的其他定子齿组中;
以补偿如下两个定时的定时偏移的匝数及方向被缠绕,该两个定时为:通过向各绕组施加的交流电流而在各定子齿中产生的磁场为最大的定时、以及在所述转子的旋转中磁极间通过该定子齿的定时,
在各定子齿组中,对应于规定个数的定子齿中的第一定子齿,仅缠绕主绕组,对应于与其相邻的第二定子齿,缠绕主绕组和副绕组;
以如下方式确定对应于所述第二定子齿被缠绕的主绕组和副绕组的绕组比率,即:当所述第一定子齿与所述转子的磁极处于规定的位置关系时,从该第一定子齿产生的磁场最大,当所述转子旋转从而所述第二定子齿与所述转子的磁极处于与所述规定的位置关系相同的位置关系时,从该第二定子齿产生的磁场最大。
2.根据权利要求1所述的同步电动机,其特征在于,
位于电角度与所述定子齿组不同的位置上的其他定子齿组是与该定子齿组相邻的定子齿组。
3.根据权利要求1所述的同步电动机,其特征在于,
在各定子齿组中,在所述规定个数的定子齿中的至少两个上与之对应地被缠绕了副绕组;
所述一个相的绕组是串联连线了所有主绕组和如下的副绕组而构成的,该主绕组对应于定子齿组中包含的定子齿;该副绕组分别为:对应于位于从该定子齿组看去电角度超前的位置上的定子齿组中所包含的定子齿的副绕组;以及对应于位于从所述定子齿组看去电角度滞后的位置上的定子齿组中所包含的定子齿的副绕组。
4.根据权利要求1所述的同步电动机,其特征在于,
以如下方式确定对应于所述第一定子齿的主绕组和对应于所述第二定子齿的主绕组及副绕组各自的匝数,即:在各定子齿组中,所述第一定子齿中产生的磁场的最大值与所述第二定子齿中产生的磁场最大值相同。
5.根据权利要求1所述的同步电动机,其特征在于,
当设磁极的数量为A、定子齿的数量为B、设为A/2的磁极对数为P,使用正整数m,设为B/3的每相的定子齿的数量为k的情况下,定义匝数比系数α,
当k=3m时,α=|2π/A-2π/B|×P,
当k=3m+1或k=3m+2时,α=|2π/A-2π/B|×P/2,
同相的绕组在相邻的6个定子轭部分的每一个上被各缠绕一个,并串联连接所述6个绕组,当将该绕组的匝数比率依次设为+N1、-N2、+N3、-N3、+N2、-N1时,
N1等于sin(α)、N2等于sin(α)+sin(π/3-α)、N3等于sin(π/3)+sin(π/3-α),
其中,A为2以上的偶数,B为与A不相等的3的倍数,+Nn与-Nn的匝数相同,缠绕的方向相反,n为1、2、3之一。
6.根据权利要求1所述的同步电动机,其特征在于,
所述转子以所述定子为中心绕其外周旋转;
所述多个定子齿从所述定子轭的外周面向径向外侧呈放射状突出;
与突出到所述外侧的定子齿的数量相同的定子齿,从所述定子轭进一步向各定子齿突出的径向内侧从所述定子轭内周面突出;
所述同步电动机还具有绕所述定子内周旋转的转子。
7.根据权利要求1所述的同步电动机,其特征在于,
所述多个定子齿中的至少一个被实施了偏斜配置,在该偏斜配置中,越沿所述转子的轴向超前,越沿圆周方向最大偏移与定子绕组的配置间隔相当的量。
8.根据权利要求1所述的同步电动机,其特征在于,
所述同步电动机是永久磁铁埋入型。
9.根据权利要求1所述的同步电动机,其特征在于,
所述多个定子轭部分包括:将3相中的1相的绕组集中缠成一芯状的第一定子轭部分、以及将3相中的2相的绕组集中缠成一芯状的第二定子轭部分;
缠绕在与第一定子轭部分相邻的第二定子轭部分上的多个绕组中的任意一个绕组的相是与相邻的第一定子轭部分的绕组相同相的绕组。
10.根据权利要求9所述的同步电动机,其特征在于,
设磁极的数量为A、定子齿的数量为B,设为A/2的磁极对数为P,使用正整数m,设为B/3的每相的定子齿数量为k的情况下,使用如下匝数比系数α,即:
当k=3m时,α=|2π/A-2π/B|×P,
当k=3m+1或k=3m+2时,α=|2π/A-2π/B|×P/2,
将3相中任意一相的绕组或3相中的2相的绕组集中缠绕在定子轭部分上呈一芯状,当第一定子轭部分的绕组的匝数为N1时,与第一定子轭部分相邻的第二定子轭部分的绕组中,第一相的绕组的匝数等于(N1)×sin(α)/sin(π/3),其他相的绕组的匝数等于(N1)×sin(π/3-α)/sin(π/3)。
11.根据权利要求9所述的同步电动机,其特征在于,
第一定子轭部分的绕组的匝数与第二定子轭部分中的2种绕组的匝数之和相等。
12.根据权利要求1所述的同步电动机,其特征在于,
设磁极的数量为A、定子齿的数量为B、设为A/2的磁极对数为P,使用正整数m,设为B/3的每相的定子齿数量为k的情况下,使用如下匝数比系数α,即:
当k=3m时,α=|2π/A-2π/B|×P,
当k=3m+1或k=3m+2时,α=|2π/A-2π/B|×P/2,
将3相中任意2相绕组集中缠绕在定子轭部分上呈一芯状,第一相绕组与第二相绕组的匝数比率等于sin(α)/sin(π/3)与sin(π/3-α)/sin(π/3)之比。
13.根据权利要求1所述的同步电动机,其特征在于,
所述副绕组的匝数比所述主绕组少。
14.一种由同步电动机与其驱动装置构成的同步电动机驱动***,其特征在于,
所述同步电动机具有:
转子,包含沿圆周方向等间隔设置的多个磁极;以及
定子,与沿圆周方向设置的所述磁极的数量不同的多个定子齿从环状的定子轭向径向突出,
还具有对如下的绕组进行串联连线而成的定子绕组,该绕组为:在所述多个定子齿的每一个中,缠绕在被夹持于定子齿与邻接于该定子齿的一个定子齿中的定子轭部分上的绕组、以及沿与所述绕组的相反方向缠绕在被夹持于该定子齿与邻接于该定子齿的另一个定子齿中的定子轭部分上的绕组;
多个定子绕组以沿圆周方向排列的m个为单位构成定子绕组组,如此构成的多个定子绕组组沿圆周方向等间隔排列,其中m为2以上的整数;
在各定子绕组组中,包含在定子绕组组中的多个定子绕组中的至少一对相邻的定子绕组以与所述转子的磁极间隔不同的配置间隔进行排列;
在缠绕了构成所述至少一对相邻定子绕组中的一个定子绕组的绕组的所述定子轭部分的至少之一上,还缠绕了构成与所述一个定子绕组相邻的定子绕组的绕组;
所述驱动装置向所述至少一对相邻的定子绕组分别提供相位彼此不同的电流,以补偿如下两个定时的定时偏移,该两个定时为:各定子齿中产生的磁场最大的定时;以及在所述转子旋转中,磁极间通过该定子齿的定时。
15.根据权利要求14所述的同步电动机驱动***,其特征在于,
所述至少一对相邻的定子绕组各自的一端单独连接到分别独立的外部端子上,另一端连接到与包含该定子绕组的定子绕组组不同的定子绕组组中所包含的其他定子绕组上。
16.根据权利要求15所述的同步电动机驱动***,其特征在于,
所述多个定子绕组组排列成相邻的定子绕组组的间隔为相当于电角度2π/3弧度的间隔;
所述另一端连接到电气角与该定子绕组相差2π/3弧度的位置的其他定子绕组上;
所述驱动装置向如下的定子绕组提供相位彼此相差2π/3弧度的电流,该定子绕组为:任意的定子绕组组中所包含的任意的定子绕组;以及与所述任意的定子绕组组相邻的定子绕组组中包含的所述任意的定子绕组所对应的定子绕组。
17.根据权利要求14所述的同步电动机驱动***,其特征在于,
各定子绕组组中的所述一对相邻的定子绕组具有如下特性,即:当向单独连接的外部端子提供同相位的电流时,产生彼此极性相反的磁场;
所述驱动装置向各定子绕组组中的所述一对相邻的定子绕组提供在±2π/3m弧度的范围内相位彼此不同的电流。
18.根据权利要求14所述的同步电动机驱动***,其特征在于,
各定子绕组组中的所述一对相邻的定子绕组具有如下特性,即:当向单独连接的外部端子提供同相位的电流时,产生彼此极性相同的磁场;
所述驱动装置向各定子绕组组中的所述一对相邻的定子绕组提供在π±2π/3m弧度的范围内彼此相位不同的电流。
19.根据权利要求14所述的同步电动机驱动***,其特征在于,
各定子绕组组由第一、第二和第三定子绕组构成;
所述第一定子绕组配置在从所述第二定子绕组看去沿旋转方向比电角度π弧度更超前的位置;
所述第三定子绕组配置在从所述第二定子绕组看去沿旋转方向比电角度π弧度更滞后的位置;
所述第一、第二和第三定子绕组连接在分别独立的单独的外部端子上,并且具有如下特性,即:当向单独连接的外部端子提供了同相位的电流时,相邻的定子绕组产生彼此极性相反的磁场;
所述驱动装置向各定子绕组组中的所述第一定子绕组提供相位比提供给所述第二定子绕组的电流滞后的电流,向所述第三定子绕组提供相位比提供给所述第二定子绕组的电流超前的电流。
20.根据权利要求19所述的同步电动机驱动***,其特征在于,
配置了所述第一定子绕组的位置从配置了所述第二定子绕组的位置看去,沿旋转方向比电角度π弧度最大超前π/3m弧度;
配置了所述第三定子绕组的位置从配置了所述第二定子绕组的位置看去,沿旋转方向比电角度π弧度最大滞后π/3m弧度;
提供给所述第一定子绕组的电流的相位比提供给所述第二定子绕组的电流的相位最大滞后π/3m弧度;
提供给所述第三定子绕组的电流的相位比提供给所述第二定子绕组的电流的相位最大超前π/3m弧度。
21.根据权利要求14所述的同步电动机驱动***,其特征在于,
在各定子绕组组中,m个定子绕组以与所述转子的磁极间隔不同的配置间隔等间隔地排列。
22.根据权利要求14所述的同步电动机驱动***,其特征在于,
在各定子绕组组中,m个定子绕组单独连接到各自独立的外部端子上。
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