CN1034378C - 永磁式电动机 - Google Patents

Abstract

一种永磁式电动机，装在转子上的各永磁体形成为断面为弧形，同时，这些永磁体以凸部向着转子旋转中心那样布置在转子铁心上。永磁体以其各部容易磁化方向沿着把永磁体曲率中心一侧的某点C作为中心的辐射方向分布来进行磁化，通过使从该点到通过永磁体厚度方向中心的距离L与永磁体的平均曲率半径R具有某一特定关系，就能谋求驱动转矩的提高或齿槽转矩的降低。

Description

永磁式电动机

本发明涉及具有把多个永磁体装在转子铁心内部而构成转子的永磁式电动机。

对于永磁式电动机，最近开发出图13所示结构的电动机，以实现谋求高转矩化和高效率化的目的。其具有下述那样的结构。

即，定子1这样构成：在为环状的定子铁心2上所形成的12个槽3中***布置U相定子线圈1U，2U、V相定子线圈1V，2V及W相定子线圈1W、2W。

与其相对应，如图14所示，通过把断面为圆弧状的4个磁体8从轴向***而装在转子铁心6上所形成的容纳部7中，并把转轴5嵌入固定在转子铁心6的中心部，而构成转子4，在定子铁心2的空间部分以同其内周表面存在预定气隙9的状态可旋转地配置转子4。转子4上的各永磁体8以凸部8a向着转子铁心6的外周那样来布置，而且，4个永磁体8在图13和图14中为N极和S极交替那样磁化。

图15和图16是表示永磁体的磁性各向异性的图。其中，图15是表示永磁体8的各部分容易磁化方向B沿着以转子4旋转中心A为中心的辐射方向分布的图；图16是表示永磁体8的各部分容易磁化方向B以中心为无限远点而平行分布的图，根据用途等来选择使用这些磁性各向异性。

图17表示用于电动机驱动的所谓逆变器电源。在该图17中，开关主电路电路11同直流电源10相连。该开关主电路11是由6个三极管12和回流二极管13连接成三相桥而构成。在该开关主电路11中，具有三相各电桥臂11U、11V、11W的三极管12的共同连接点分别连接到相应的向电动机的输出线U、V、W上。这些输出线U、V、W同上述定子1的各相定子线圈1U、2U、1V，2V和1W，2W相连接。

控制电路14这样构成：通过控制开关主电路11的各三极管12，使定子线圈1U，2U、1V，2V和1W，2W的通电宽度为例如180度的公知180度通电或使通电宽度为120度的公知120度通电(参见图18)。该控制电路14接收来自转子位置检测器15的转子4的位置信号，得到对应于该转子4旋转位置的电动机驱动信号。

因此，在这种永磁式电动机中，由永磁体8的磁通在定子1和转子4之间的气隙9中得到矩形或梯形的磁通分布。如公知的那样，电动机的转矩只在电流流过定子线圈时才产生，以下式(1)所表示：

     T＝m×K×B×I                  (1)

其中，T：电动机转矩

      K：同定子线圈匝数相关的常数

      B：气隙的磁通密度

      I：线圈电流

      m：电动机的相数

这样，在例如180度通电的方式下，由于永磁体8的一极下的磁通以转矩起作用，一极的气隙9中的磁道就会对电动机的性能产生影响。

因此，在上述现有结构的情况下，在结构上，气隙9中的磁通不会很大，则电动机的驱动转矩就比较低。为此，就对电流机的小型化和驱动效率的提高产生限制，由于使用电动机的机器很大，就更要求电动机小型化，并且，从节能的观点上也更要求驱动效率的提高。

在120度通电方式中，永磁体8所产生的一极下磁通的仅120度对转矩起作用。图19表示现有技术中的气隙9中的磁通宽度的分布。在该图19中，由于以斜线部分所表示的非通电区间即0度～30度区域和150度～180度区域的磁通不对电动机的驱动转矩起作用，就不能有效地使用由永磁体8所产生的磁通，由于电动机的驱动转矩降低，就会对电动机的小型化和驱动转矩效率的提高产生限制，因而就有这样的缺陷。

另一方面，在这样的气隙9的磁通中含有3次、5次、7次等高次谐波。减少这些高次谐波的转子铁心6的形状就会受到限制，由于设计的自由度低了下来而使用途受到限制，所以减少高次谐波一般是不容易的，则通常，在气隙中含有较多的高次谐波成份。

由于这些高次谐波成份就在气隙9中存在有较多的能量成份。通过这样的能量成份同定子铁心上的槽3的开口部3a相互作用，而产生了齿槽转矩。虽然该齿槽转矩同电动机的发生转矩相叠加，却不会作为有效驱动转矩而起作用，由于存在给转子施加振动的转矩，该振动就会传导到电动机的机架和驱动电动机的机器上而成为振动和噪音源。

本发明的第一目的是提供一种改进的永磁式电动机，在包括了把多个永磁体装入转子铁心内部所构成的转子的永磁式电动机中，能够尽可能增加定子和转子间气隙中的磁通密度并能增大驱动转矩，由此就能实现小型化或提高效率。

本发明的第二目的是提供一种改进的永磁式电动机，在包括了把多个永磁体装入转子铁心内部所构成的转子的永磁式电动机中，能够使定子和转子间气隙中的磁通密度分布尽可能减少高次谐波成份，以谋求降低齿槽转矩，进而减小振动和噪音。

为了实施第一目的，本发明的改进的永磁式电动机，其中包括：具有为环状的定子铁心和绕在定子铁心上的多相定子线圈的定子；和通过把多个永磁体装入转子铁心内部所构成的，在上述定子铁心的空间部分中以同其内周面具有预定气隙的状态可旋转地设置的转子，通过在上述定子线圈中依次通电而旋转驱动上述转子，其特征在于：

在使上述转子的各永磁体形成为断面为弧状的同时，使其凸部向着转子中心那样来把这些永磁体设置在上述转子铁心上，而且，永磁体这样进行磁化：其各部分的容易磁化方向沿着使永磁体曲率中心侧的某点C为中心的辐射方向分布，从该点C到达通过永磁体厚度方向中心的中心线的距离L同永磁体的平均曲率半径R的关系为：1.0×R≤L≤7.5×R。

根据该改进的永磁式电动机，由实验结果(参见图3)所表明的那样，能够增大定子和转子间气隙中的磁通宽度，进而能够增大驱动转矩。

在这样的永磁式电动机中，尤其是在定子线圈的相数为3n相(n是自然数)的情况，以上述点C到达通过永磁体厚度方向中心的中心线的距离L同永磁体的平均曲率半径R的关系最好设定为：0.5×R≤L≤7.0×R。在通过在定子线圈的各相中每道电约120度电角度而驱动转子旋转的永磁式电动机的情况下，从上述点C到达通过永磁体厚度方向中心的中心线的距离L同永磁体的平均曲率半径R的关系最好设定为：0.25×R≤L≤6.0×R。

为了实现第二个目的，本发明的改进永磁式电动机，其中包括具有为环状的定子铁心和绕在该定子铁心上的多相定子线圈的定子；和通过把多个永磁体装入转子铁心内部而构成的，在上述定子铁心的空间部分中以同其内周面具有预定气隙的状态可旋转地设置的转子，通过在上述定子线圈中依次通电而旋转驱动上述转子、其特征在于：

在使上述转子的各永磁体形成为断面为弧状的同时，使其凸部向着转子旋转中心那样把这些永磁体设置在上述转子铁心上，而且，永磁体这样进行磁化：其各部分的容易磁化方向沿着使永磁体曲率中心侧的某点C为中心的辐射方向分布，从该点C到达通过永磁体厚度方向中心的中心线的距离L同永磁体的平均曲率半径R的关系为：0.4×R≤L≤0.9×R。

根据该改进的永磁式电动机，由实验结果(参见图12)所表明的那样，对于定子和转子间气隙中的磁通宽度，尤其是3次谐波成分降低了，与此相应，齿槽转矩也减小了。

图1是表示本发明第一实施例的主要部分尺寸关系的示意图；

图2是电动机的断面图；

图3是表示L/R同气隙中的磁通的关系的图；

图4是表示本发明第二实施例的与图3相对应的图；

图5是表示本发明第三实施例的转子侧视图；

图6是表示本发明第四实施例的与图1相对应的图；

图7是与图2相对应的图；

图8是表示1极下的气隙磁通宽度分布的图；

图9是表示L/R同1极中的120度的气隙磁通的关系的图；

图10是表示本发明第五实施例的与图1相对应的图；

图11是与图2相对应的图；

图12是表示L/R同3次谐波磁通宽度含有率的关系的图；

图13是表示现有结构的电动机断面图；

图14是转子的侧视图；

图15是表示永磁体容易磁化方向的分布的图；

图16是表示容易磁化方向同图15不同的分布的图；

图17是电路结构图；

图18是表示在120度通电情况下的定子线圈的通电时间的图；

图19是表示1极下的气隙磁通宽度分布的图。

下面参照图1至图3来对在三相4极永磁式电动机中使用本发明的第一实施例进行说明。

首先，在图2中，定子21与现有结构相同，在为环状的定子铁心22上所形成的12个槽23中，***布置U相的定子线圈1U，2U、V相的定子线圈1V，2V和W相的定子线圈1W，2W。对于各槽23，其开口部23a形成在定子铁心22的内周面上。

与其相对，转子24这样构成：转轴25嵌入固定在转子铁心26中，在该转子铁心26上所形成的容纳部27中，从轴向上***断面为弧状此时为圆弧状的铁氧体制成的4个永磁体28，从而组成转子24，在定子铁心22的空间部分中以同其内周面具有预定气隙29的状态可旋转地设置转子24。转子铁心26是由形成了用于容纳部27的孔的硅钢片多层叠装而构成的。

上述各永磁体28是以其凸部28a向着转子24的旋转中心即转轴25那样来布置，4个永磁体28是以图2的N极和S极交替那样磁化的。各永磁体28这样磁化：如图1所示那样，其各部分的容易磁化方向B，在永磁体28的曲率中心O的一侧，并且沿着以位于该曲率中心O同转子24旋转中心的连线上的某点C为中心的辐射方向分布。当从该点C到达通过永磁体28厚度方向中心的中心线D的距离为L；永磁体28的平均曲率半径为R时，把这些距离L和平均曲率半径设定为具有1.0×R≤L≤7.5×R的关系。

这样构成的电动机，通过与现有技术相同的逆变器电源(参见图17)进行供电，来给定子线圈1U、2U、1V，2V和1W、2W进行例如180度通电。由此，通过定子21产生旋转磁场，随之由磁吸力和斥力使转子24旋转。

在此，在图3中，表示出在上述转子24上的永磁体28中，作为距离L平均曲率半径R之比的L/R与一极下气隙29中的磁通的关系的实验结果。

由该图3所表明的那样，在L/R的值在1.0～7.5范围内时，可以看出能够增大气隙29中的磁通。由此，通过把L/R的值设定为1.0～7.5的范围内即把L和R设定为具有1.0×R≤L≤7.5×R的关系，就能增大气隙29中的磁通，就能增大驱动转矩，由此就有可能提高电动机的小型化或效率。此时，同各部分的容易磁化方向，以中心在无限远点而平行分布的情况相比(L/R无穷大)，可以看出能够增大气隙29中的磁通。

图4是表示本发明的第二实施例，在该第二实施例中，定子21的定子线圈尤其是适用于3n相(n为自然数)的情况。定子21的定子线圈，特别是在3n相的情况下，在气隙29中的磁通中，由于所谓的3次、9次、15次……谐波的磁通在定子线圈中没有起有效的作用，图4表示出以图3的实验结果的数据为原型，通过计算而除去这些高次谐波成份的结果。

由该图4所表明的那样，在定子线圈为3n相的情况下，当L/R的值在0.5～7.0的范围内时，可以看出能够增大气隙29中的磁通。由此，通过把L/R值设定在0.5～7.0的范围内即把L和R设定为具有0.5×R≤L≤7.0×R的关系，就能增大气隙29中的磁通，从而能增大驱动转矩，由此就能实现电动机的小型化或效率的提高。在这种情况下，同各部分的容易磁化方向以中心为无限远点而平行分布的情况(L/R为无穷大)相比，可以看出能够增大气隙29中的磁通。

图5是表示本发明的第三实施例。在该第二实施例中，转子24的永磁体30形成为断面为同圆弧相对的一侧为直线那样形状的弧形。而且，这样的永磁体30这样布置：其凸部30a向着转子24的旋转中心(转轴25)。

在这种情况下，对于永磁体30，根据该永磁体30的平均厚度尺寸来设定平均曲率半径R，同时，各部分的容易磁化方向B沿着以永磁体30曲率中心O一侧的某点C为中心的辐射方向分布来对永磁体30进行磁化，通过象第一实施例或第二实施例那样来设定从该点C到达永磁体30厚度方向平均中心线D的距离L与平均曲率半径R的关系，就能得到相同的效果。

图6至图9是表示本发明的第四实施例。该第四实施例，虽然电动机的基本结构同上述第一实施例相同，但还有以下几点与第一实施例不同。

即，对于转子24上的永磁体28来说，从作为容易磁化方向B的辐射中心的点C到达通过永磁体28厚度方向中心的中心线D的距离L和永磁体28的平均曲率半径R设定为具有0.25×R≤L≤6.0×R的关系。

因而，这样构成的电动机，虽然是由逆变器电源(参见图17)供电，但在此时，通过对定子线圈1U，2U、1V，2V和1W，2W进行120充通电来驱动电动机。通过这样的通电，由定子21产生旋转磁场，随之通过磁引力和斥力来使转子旋转。

此时，由永磁体28在气隙29中所形成的磁通宽度分布为图8所示那样。由该图8所表明的那样，可以看出，在该第四实施例中，在由斜线部分所表示的非通电区间(0度～30度区域和150度～180度的区域)中的磁通减少了，而在通电区间(30度～150度)中的磁通增加了。

在图9中，对于上述转子24上的永磁体28，表示出作为距离L和平均曲率半径R之比的L/R同1极的120度下气隙29中的磁通的关系的实验结果。由该图9所表明的那样，当L/R值在0.25～6.0范围内时，能够增大气隙29中的磁通，这种情况下，同各部分的容易磁化方向以无限远点为中心而平行分布的情况(L/R无穷大)相比，可以看到能够增大气隙29中的磁通。

由此可见，通过把L/R的值设定在0.25～6.0的范围内即把L和R设定为具有0.25×R≤L≤6.0×R的关系，由对应于通电区间的部分，就能尽可能地增大在气隙29中起作用的永磁体28的磁通，从而能增大驱动转矩，由此就能实现电动机的小型化或效率的提高。

而且，在该第四实施例中，也可以与第3实施(参见图5)相同，使转子24的永磁体30形成为断面为同圆弧相对的一侧为直线那样形状的弧形，以凸部30a丰转子24的旋转中心(转轴25)那样布置这种永磁体。

图10至图12是表示本发明的第五实施例，该第五实施例，虽然电动机的基本结构同第一实施例和第四实施例相同，但也有与这些实施例不同的下述几点。

即，对于转子24上的永磁体28，把从作为容易磁化方向B的辐射中心的点C到通过槲体28厚度方向中心的中心线D的距离L同永磁体28的平均曲率半径R设定为具有0.4×R≤L≤0.9×R的关系。

因而，这样构成的电动机，虽然由逆变器电源(参见图17)供电，但在此时，与第四实施例相同，是通过120度通电来进行驱动的。通过这种通电，由定子21产生旋转磁场，随之由磁引力和斥力使转子24旋转。

在此，在图12中，对于上述转子24上的永磁体28，表示出作为距离L和平均率半径R之比的L/R与气隙29中3次谐波磁通宽度的含有率(对应于气隙中的基波磁通宽度的)的关系的实验结果。而且表示出：3次谐波磁波宽度的含有率的负区域，其相对于基波的相位是反的。

由图12所表明的那样，当L/R的值在0.4～0.9的范围内时，可以看出能够减小作为高次谐波主要部分的3次谐波的磁通宽度的含有率。由此，通过把L/R的值设定在0.4～0.9的范围内即把L和R设定为具有0.4×R≤L≤0.9×R的关系，作为气隙29中的磁通宽度，高次谐波成份很少。即，由于气隙29中的磁通宽度尽可能地接近于正弦波，就能减小齿槽转矩。

这样，通过以这种结构来尽可能减少气隙29中的磁通宽度的高次谐波成份而能使气隙29中的磁通宽度只以正弦波的形状分布，从而减小了气隙29中的高次谐波能量，由于减小了因同定铁心22上槽23的开口部23a的相互作用而引起的能量变化，就减小了齿槽转矩，进而能够抑制电动的振动和噪音。

在该第五实施例中，也可以与第3实施例(参见图5)相同，对于转子24的永磁体30，其断面形成为同圆弧相对一侧为直线那样形状的弧形，以其凸部30a向着转子24的旋转中心(转轴25)那样布置永磁体30。

本发明不仅受上述各实施例的限制，也可以是下述的变形或扩展。

永磁体的个数(极数)可以是4极之外，定子槽数可以是12槽之外。永磁体可以是铁氧体之外，而且其只要是弧形的也可以是椭圆的一个部分。

Claims (4)

1.一种永磁式电动机，其中包括：具有环状的定子铁心22及绕在该定子铁心22上的多相定子线圈1U，1V，1W，2U，2V，2W的定子21；和通过把多个永磁体28，30装入转子铁心26内部而构成的，在上述定子铁心22的空间部分中以同其内周面具有预定气隙29的状态可旋转地设置的转子24，通过在上述定子线圈1U，1V，1W，2U，2V，2W中依次通电来旋转驱动上述转子24，其特征在于：

使上述转子24的各永磁体28，30形成为其断面为弧形，同时，以凸部28a，30a向着转子24的旋转中心那样来把这些永磁体28，30布置在上述转子铁心26上，并且，永磁体28，30以其各部分的容易磁化方向沿着把永磁体28，30的曲率中心一侧某点C作为中心的辐射方向分布来进行磁化，从该点C到通过永磁体28，30厚度方向中心的中心线的距离L同永磁体28，30的平均曲率半径R的关系为：

     1.0×R≤L≤7.5×R。

2.一种永磁式电动机，其中包括：具有为环状的定子铁心22及绕在该定子铁心22上的3n相(n为自然数)的定子线圈1U，1V，1W，2U，2V，2W的定子21；和通过把多个永磁体28，30装入转子铁心26内部而构成的，在上述定子铁心22的空间部分中以同其内周面具有预定气隙29的状态可旋转地设置的转子24，通过在上述定子线圈1U，1V，1W，2U，2V，2W中依次通电来旋转驱动上述转子24，其特征在于：

使上述转子24的各永磁体28，30形成为其断面为弧形，同时，以凸部28a，30a向着转子24的旋转中心那样来把这些永磁体28，30布置在上述转子铁心26上，并且，永磁体28，30以其各部分的容易磁化方向沿着把永磁体28，30的曲率中心一侧某点C作为中心的辐射方向分布来进行磁化，从该点C到通过永磁体28，30厚度方向中心的中心线的距离L同永磁体28，30的平均曲率半径R的关系为：

    0.5×R≤L≤7.0×R。

3.一种永磁式电动机，其中包括：具有为环状的定子铁心22及绕在该定子铁心22上的多相定子线圈1U，1V，1W 2U，2V，2W的定子21；和通过把多个永磁体28，30装入转子铁心26内部而构成的，在上述定子铁心22的间部分中以同其内周而具有预定气隙29的状态可旋转地设置的转子24，通过在上述各相定子线圈1U，1V，1W，2U，2V，2W中进行约120度电角度的通电，采旋转驱动上述转子24，其特征在于：

使上述转子24的各永磁体28，30形成为其断面为弧形，同时，以凸部28a，30a向着转子24的旋转中心那样来把这些永磁体28，30布置在上述转子铁心26上，并且，永磁体28，30以其各部分的容易磁化方向沿着把永磁体28，30的曲率中心一侧某点C作为中心的辐射方向分布采进行磁化，从该点C到通过永磁体28，30厚度方向中心的中心线的距离L同永磁体28，30的平均曲率半径R的关系为：

    0.25×R≤L≤6.0×R

4.一种永磁式电动机，其中包括：具有为环状的定子铁心22及绕在该定子铁心22上的多相定子线圈1U，1V，1W，2U，2V，2W的定子21；通过把多个永磁体28，30装入转子铁心26内部而构成的，在上述定子铁心22的空间部分中以同其内周面具有预定气隙29的状态可旋转地设置的转子24，通过在上述定子线圈1U，1V，1W，2U，2V，2W中依次通电来旋转驱动上述转子24，其特征在于：

使上述转子24的各永磁体28，30形成为其断面为弧形，同时，以凸部28a，30a向着转子24的旋转中心那样来把这些永磁体28，30布置在上述转子铁心26上，并且，永磁体28，30以其各部分的容易磁化方向沿着把永磁体28，30的曲率中心一侧某点C作为中心的辐射方向分布来进行磁化，从该点C通过永磁体28，30厚度方向中心的中心线距离L同永磁体28，30的平均曲率半径R的关系为：

     0.4×R≤L≤0.9×R。

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