CN104885345B - 同步电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在10极9槽的同步电动机中能够实现高输出化以及高效率化，从而能够实现高性能化的同步电动机。在沿着周向等角度间隔地形成有9个各齿部（2a、2b、2c）的定子（1）内，相向配置转子（4），该转子（4）上配置有不同极性的磁极交替地沿着周向等角度间隔地形成的10极永久磁铁（6），在按相邻的3个齿部为1相而被划分为3相的各齿部（2a、2b、2c）中、各相中央的齿部（2a）的前端角度构成为大于32°、小于40°。

Description

同步电动机

技术领域

本发明涉及同步电动机。

背景技术

在使用永久磁铁的3相同步电动机的将定子绕组集中卷绕于齿部的电动机中，通常多采用转子中使用的永久磁铁的磁极数与定子的槽数(＝齿数)的比率为2:3的结构。与此相对，还存在有使用能够使永久磁铁产生的磁通更有效地交链于定子绕组的永久磁铁磁极数和槽数的组合的同步电动机(例如专利文献1、2)。

而且，作为用于使转子的永久磁铁产生的磁通更有效地交链于定子绕组的技术，不使卷绕定子绕组的齿部的配置均匀，根据极数和槽数的组合使其不均匀的技术也已为人所知(例如专利文献3～5)。

专利文献1：日本特开昭62-110468号公报

专利文献2：日本特开平9-172762号公报

专利文献3：日本特开2000-253602号公报

专利文献4：日本特开2005-102475号公报

专利文献5：日本特开平2-84043号公报

发明内容

然而，在上述专利文献3～5所示的技术中，由于齿部的卷绕绕组的部分的配置也是不均匀的，所以收纳绕组的槽部的截面积变得不均匀，由于绕组的可卷绕的最大量被限制在截面积较窄的槽部，因此不能有效地利用电动机的定子的截面积。

例如在专利文献3中所示的8极9槽的3相直流电动机的情况下，通过增大各相的相邻的3个齿部中的中央的齿部的宽度且根据情况增加卷绕于中央齿部的绕组的匝数，能够使同步电动机高性能化，因此能够有效地利用槽部的截面积的不均匀性；但是在专利文献4所示的10极9槽的同步电动机中，采用使两端的齿部的卷绕绕组的部分向中央靠近的结构，由于无法增加中央的齿部的绕组，所以不能有效地利用定子的截面积。此外，在专利文献4中，没有示出通过使齿部的配置不均匀而得到的效果的根据和具体的范围。

此外，例如在专利文献5所示的8极9槽的电动机中，虽然提出了与专利文献3中所示的技术不同的、通过增大构成1相的齿部中的、3个齿部中的2个齿部的宽度，能够有效地利用转子的永久磁铁的磁通的方案，但是例如在增大构成1相的齿部中的两端的齿部的宽度的情况下，由于无法增加中央齿部的绕组，所以还是不能有效地得到转子的磁通。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种同步电动机，其在10极9槽的同步电动机中能够实现高输出化以及高效率化，从而能够实现高性能化。

为了解决上述课题而实现发明目的，本发明涉及的同步电动机，其包括：定子，其在以轴心为中心的圆环状的铁芯上朝向轴心且沿着周向等角度间隔地形成有9个齿部；以及转子，其以轴心为中心，在外周面上配置有不同极性的磁极交替地沿着周向等角度间隔地形成的10极的的永久磁铁，并且在上述定子内部相向配置，上述9个齿部，由相邻的3个齿部构成1相，在1相的各上述齿部上，以在相邻的各上述齿部之间各相的定子绕组的卷绕方向为从轴心观察呈互为相反方向的方式连续地以集中绕组方式卷绕，各相的上述3个齿部中的中央的齿部，与上述转子相向的前端部的角度构成为大于32°、小于40°、且与各相两端的齿部的角度相比较小。

根据本发明，在10极9槽的同步电动机中能够实现高输出化以及高效率化，从而能够实现高性能化。

附图说明

图1是实施方式涉及的同步电动机的横截面图。

图2是表示实施方式涉及的同步电动机的1相的各齿部与磁极的位置关系的图。

图3是表示齿部的中心与磁极的中心一致的示例的图。

图4是表示卷绕于1相的各齿部的定子绕组的感应电压的图。

图5是表示以各相的各齿部的前端宽度θ1、θ2为参数所求出的绕组短距系数Kp、绕组分布系数Kd、绕组系数Kw的计算结果的图。

图6是表示以各相中央的齿部的前端宽度θ1为40°的情况为基准的绕组系数比率和感应电压比率的图。

符号说明

1 定子

2a、2b、2c 齿部

3 定子绕组

4 转子

5 背轭

6 永久磁铁

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明的实施方式涉及的同步电动机。此外，本发明不局限于以下所述的实施方式。

实施方式

图1是实施方式涉及的同步电动机的横截面图。如图1所示，在本实施方式中，以使用了与定子1的内周面相向地配置有永久磁铁的转子4的同步电动机的情况下的示例进行说明。

定子1构成为，在以轴心为中心的圆环状的铁芯上朝向轴心且沿着周向等角度间隔(机械角度40°)地形成9个突起状的铁芯(以下称为“齿部”)2a、2b、2c。各齿部2a、2b、2c按相邻的3个齿部为1相而被划分为3相(U相、V相、W相)。此外，以下将各齿部2a、2b、2c的与转子4相向的部分的宽度称为“前端宽度”。

转子4构成为，在以轴心为中心的圆柱状的背轭5的外周面上，沿着周向等角度间隔(机械角度36°)且不同极性的磁极交替地配置10极的永久磁铁6，转子4相对于定子1能够旋转地配置于各齿部2a、2b、2c的内侧。

图2是表示实施方式涉及的同步电动机的1相的各齿部与磁极的位置关系的图。各相的定子绕组3连续地以集中绕组方式分别卷绕于1相的各齿部2a、2b、2c，各相中卷绕于相邻的各齿部的定子绕组3的卷绕方向为从轴心观察呈互为相反方向。

如图2所示，如果使各相中央的齿部2a的中心为相向的永久磁铁6的中心、即磁极的中心，则各相两端的齿部2b、2c的中心处于从相向的永久磁铁6的中心、即磁极的中心偏离电气角度θd＝20°(机械角度4°)的位置。此外，在本实施方式中，如图1、图2所示，设各相中位于中央的齿部2a的前端宽度为θ1、位于两端的齿部2b、2c的前端宽度为θ2。

这里，参照图2～图4来说明本实施方式的结构概念。图3是表示齿部的中心与磁极的中心一致的示例的图。此外，图4是表示卷绕于1相的各齿部的定子绕组的感应电压的图。

作为表示从转子的永久磁铁产生的磁通以何种程度有效地交链于定子绕组的指标，通常有被称为“绕组系数Kw”的系数。该绕组系数Kw由绕组短距系数Kp与绕组分布系数Kd之积来求取。

绕组短距系数Kp基于转子的磁极的宽度和定子的齿部的前端宽度来计算。该绕组短距系数Kp是表示在从转子的1个磁极呈正弦波状地产生磁通的情况下，这些磁通有多少穿过定子绕组所卷绕的齿部的系数，基于转子的1个磁极的宽度(角度)和齿部的前端宽度(角度)，使用下式(1)计算。

Kp＝sin(π/2×(极数)/(槽数))

＝sin(π/2×(齿部的前端宽度)/(磁极的宽度))…(1)

基于上式(1)，该绕组短距系数Kp在齿部的前端宽度与磁极的宽度相等的情况下为最大值1。如图3所示，在齿部的前端宽度较大的情况下，穿过齿部的磁通的一部分不交链于定子绕组，而是穿过齿部的前端部分，与相邻的磁极形成短路，因此该绕组短距系数Kp变小，相反地在齿部的前端宽度小于磁极的宽度的情况下，同样地从磁极产生的磁通也不能全部交链于定子绕组，因此该绕组短距系数Kp也变小。

另一方面，绕组分布系数Kd是用于在卷绕于同一相的各齿部的各定子绕组上产生的感应电压的相位发生偏移的情况下对感应电压的振幅并非简单地成为各定子绕组的感应电压之和来进行修正的系数，通常使用下式(2)计算。

Kd＝sin(π/6)/(q×sin(π/6/q))…(2)

(q＝(槽数)/(极数)/3)

其中，当q成为最简分数时，取分子值。

在极数与槽数之比为同步电动机中通常使用的2:3或4:3的组合的情况下，即使极数、槽数变大，各相的定子绕组与磁极的位置关系为只是相同配置的重复增加，是不会使得在构成各相的各定子绕组上产生的感应电压的相位偏离的，因此该绕组分布系数Kd为1。

这里，由上式(2)得到的绕组分布系数Kd是以定子的齿部呈等间隔地配置且全部齿部的前端宽度相同的情况为前提计算的系数，因此在齿部的配置并非等间隔的情况或者具有前端宽度不同的齿部的情况下，不能使用上式(2)计算绕组系数Kw。

因此，在本实施方式中，对于绕组系数Kw，着眼于在卷绕于各齿部的定子绕组上产生的感应电压的大小(＝绕组短距系数Kp)、以及在各相的卷绕于各齿部的各定子绕组上产生的感应电压之间的相位差(≈绕组分布系数Kd)，求出齿部的前端宽度并非等间隔的情况下的同步电动机的绕组系数Kw。

在本实施方式涉及的10极9槽的同步电动机的情况下，在图2所示的示例中，如果假设转子4的各磁极从右向左移动，则分别在卷绕于各齿部2a、2b、2c的定子绕组上产生的感应电压如图4所示，以在各相中央的齿部2a的定子绕组3上产生的感应电压为基准，在各相两端的齿部2b、2c的绕组上产生的感应电压的相位分别偏离电气角度40°。在卷绕于上述各齿部2a、2b、2c的定子绕组3上产生的感应电压的总和，由于受到在卷绕于各齿部2a、2b、2c的定子绕组3上产生的感应电压的相位偏离的影响，因此比在中央的齿部2a产生的感应电压的3倍的值小。作为表示由于相对于在卷绕于各相中央的齿部2a的定子绕组3上产生的感应电压，作为在卷绕于各相两端的各齿部2b、2c的定子绕组3上产生的感应电压的相位发生偏移而导致的各相的感应电压减少所带来的影响的系数，假设其为与上式(2)相当的各齿部2a、2b、2c的绕组分布系数Kd，为了便于说明，该绕组分布系数Kd能够使用下式(3)计算。

Kd＝cos(π×θd/180°)…(3)

在上式(3)中，θd表示在各相两端的齿部2b、2c的定子绕组3上产生的感应电压与在各相中央的齿部2a的定子绕组3上产生的感应电压的相位的相位差。如上式(3)所示，在各相中央的齿部2a的定子绕组3上产生的感应电压与在各相两端的各齿部2b、2c的定子绕组3上产生的感应电压的相位差越接近180°，在各相两端的各齿部2b、2c的定子绕组3上产生的感应电压越小，将在各齿部2a、2b、2c的定子绕组3上产生的感应电压的合成而得到的值也越小。

下面，求取实施方式涉及的10极9槽的同步电动机的绕组系数Kw。

在图2所示的示例中，设绕组短距系数为Kp1、绕组分布系数为Kd1，则基于式(1)、式(3)，卷绕于各相中央的齿部2a的定子绕组3的绕组系数Kw1如下所示。

Kp1＝sin(2π×(齿部2a的前端宽度)/(磁极的宽度))

＝sin(2π×θ1/36°)

Kd1＝cos(π×0°/180°)＝1

Kw1＝Kp1×Kd1

＝Kp1

＝sin(2π×θ1/36°)

此外，在图2所示的示例中，设绕组短距系数为Kp2、绕组分布系数为Kd2，则基于式(1)、式(3)，卷绕于各相两端的各齿部2b、2c的定子绕组3的绕组系数Kw2如下所示。

Kp2＝sin(2π×(齿部2b、2c的前端宽度)/(磁极的宽度))

＝sin(2π×((120°－θ1)/2)/36°)

＝sin(2π×(60°－θ1/2)/36°)

Kd2＝cos(π×((θ1/2+θ2/2)×(极对数)－180°)/180°)

＝cos(π×(30°－θ1/4)/180°)

Kw2＝Kp2×Kd2

＝sin(2π×(60°－θ1/2)/36°)

×cos(π×(30°－θ1/4)/180°))

基于上述式，各相的绕组系数Kw能够由下式(4)求得。

Kw＝(Kw1+2Kw2)/3

＝(sin(2π×θ1/36°)+2(sin(2π×(60°－θ1/2)/36°)

×cos(π×(30°－θ1/4)/180°)))/3…(4)

图5是表示以各相的各齿部的前端宽度θ1、θ2为参数所求出的绕组短距系数Kp、绕组分布系数Kd、绕组系数Kw的计算结果的图。此外，图6是表示以各相中央的齿部的前端宽度θ1为40°的情况为基准的绕组系数比率和感应电压比率的图。图6中所示的实线表示使用上式(4)求取绕组系数Kw并且在以各相中央的齿部的前端宽度θ1为40°的情况下的绕组系数Kw为基准时的绕组系数比率，图6中所示的菱形标记(◇)表示通过磁场解析求取各相中央的齿部的前端宽度不同的10极9槽的同步电动机的感应电压并且在以各相中央的齿部的前端宽度θ1为40°的情况下的感应电压为基准时的感应电压比率。

在通常的10极9槽的同步电动机中，在各齿部为等角度间隔地配置并且各相的各齿部的前端宽度θ1、θ2相等的情况下，上述各相的各齿部的前端宽度θ1、θ2分别为360°/9＝40°。如图5所示，此时的绕组系数Kw的计算结果为0.9452。

如图5、图6所示，该绕组系数Kw随着各相中央的齿部的前端宽度θ1从40°减小而逐渐变大，绕组系数Kw成为最大是在各相中央的齿部的前端宽度θ1为36°(θ2为42°)的情况，如图5所示是0.9553。

随着各相中央的齿部的前端宽度θ1从该绕组系数Kw为最大的各相中央的齿部的前端宽度θ1(36°)减小，绕组系数Kw逐渐减小，在各相中央的齿部的前端宽度θ1为32°(θ2为44°)的情况下，与各相的各齿部的前端宽度θ1、θ2均为40°即相等的情况下的绕组系数Kw的计算结果相等，如图5所示是0.9452。

也就是说，在各相中央的齿部的前端宽度θ1满足32°＜θ1＜40°的情况下，与各齿部为等角度间隔并且各相的各齿部的前端宽度θ1、θ2相等的一般的10极9槽的同步电动机相比，绕组系数Kw变大。如图6所示，由上式(4)求出的绕组系数比率与通过磁场解析求出的感应电压比率几乎一致，在各相中央的齿部的前端宽度θ1为36°的情况下，感应电压最大增加大约1％。

因此，在本实施方式中，使各相的各齿部2a、2b、2c中的、各相中央的齿部2a的前端宽度θ1以满足32°＜θ1＜40°的方式构成。由此，能够得到比一般的10极9槽的同步电动机大的感应电压，在流过与一般的10极9槽的同步电动机相同大小的电流的情况下，能够得到更高的转矩，而能够实现高输出化。

此外，流过比一般的10极9槽的同步电动机少的电流也能够得到与一般的10极9槽的同步电动机相同大小的转矩，而能够实现高效率化。

更优选的是，使各相的各齿部2a、2b、2c中的、各相中央的齿部2a的前端宽度θ1为大致36°，由此能够得到比一般的10极9槽的同步电动机最大可增加大约1％的感应电压，而能够进一步实现高输出化以及高效率化。

然而，观察图5所示的绕组系数的计算结果，由于卷绕于各相中央的齿部的定子绕组的绕组系数Kw1表示出比卷绕于各相两端的齿部的定子绕组的绕组系数Kw2高的值，如果使各齿部的定子绕组所卷绕的部分的宽度根据各齿部的前端宽度而不均匀，并使各相两端的齿部的定子绕组所卷绕的部分靠近各相中央的齿部，则各相中央的齿部与各相两端的齿部之间的槽部的截面积减小，能够收纳在槽部中的定子绕组减少，因此不能充分地发挥同步电动机的性能。此外，即使各相间的槽部的截面积增大，也只是不收纳绕组的空间增加，因此无法有效地利用定子1的截面积。此外，如果具有较高的绕组系数Kw1的各相中央的齿部的定子绕组的匝数减少，则感应电压会大幅度减少，因此也不会有效。

此外，如上所述，在各相的各齿部的定子绕组上产生的感应电压中形成有相位差。在本实施方式中，以等角度间隔配置各齿部2a、2b、2c，并使各相两端的齿部2b、2c的前端宽度为相同的θ2。由此，包含在各齿部的定子绕组上产生的感应电压中的失真、即谐波分量彼此互相抵消，其结果，能够实现感应电压的低失真率化。作为进一步提高绕组系数Kw的方法，通过增大各相间的槽开口部，并且使各齿的前端宽度全都接近36°，理论上能够得到最大的绕组系数(能够使绕组分布系数为1)，但是在这种情况下，由于消除了各齿部的定子绕组的感应电压间的相位差，所以谐波分量不会被消除，各相的感应电压可能产生较大的失真。因此，优选使各相间、各齿部间的全部槽开口部的宽度为大致相同的宽度，维持在各相的各齿部的定子绕组上产生的感应电压中会产生相位差的状态。

此外，由于当各相间的槽开口部增大时，齿槽转矩也增大，所以同步电动机的振动、噪声也增大而不理想。

如上所述，根据实施方式的同步电动机，在10极9槽结构的同步电动机中，通过使按相邻的3个齿部为1相而被划分为3相的各相的各齿部中的、各相中央的齿部的前端宽度θ1以满足32°＜θ1＜40°的方式构成，能够得到比一般的10极9槽的同步电动机大的感应电压，在流过与一般的10极9槽的同步电动机相同大小的电流的情况下，能够得到更高的转矩，因此能够实现高输出化。

此外，由于流过比一般的10极9槽的同步电动机少的电流也能够得到与一般的10极9槽的同步电动机相同大小的转矩，而能够实现高效率化。

更优选的是，使各相的各齿部中的、各相中央的齿部的前端宽度θ1为大致36°，由此能够得到比一般的10极9槽的同步电动机最大可增加大约1％的感应电压，而能够进一步实现高输出化以及高效率化。

此外，以等角度间隔配置各齿部，并使各相两端的齿部的前端宽度为相同的θ2，且使各齿部间的全部槽开口部的宽度为大致相同的宽度，由此在形成有相位差的各齿部的定子绕组上产生的感应电压中包含的谐波分量互相抵消，而能够实现感应电压的低失真率化。此外，通过减小各相间的槽开口部，能够抑制齿槽转矩的产生，而能够实现低振动化、低噪声化。

此外，上述的实施方式所示的结构仅是本发明的结构的一个示例，显然还能够与其他的公知技术组合，也能够在不脱离本发明的要旨的范围内省略一部分等进行变更而构成。

如上所述，本发明涉及的同步电动机对于使用永久磁铁的3相同步电动机是有效的，特别适合于10极9槽结构的同步电动机。

Claims (4)

1. 一种同步电动机，其特征在于，包括：

定子，其在以轴心为中心的圆环状的铁芯上朝向轴心且沿着周向等角度间隔地形成有9个齿部；以及

转子，其以轴心为中心，在外周面上配置有不同极性的磁极交替地沿着周向等角度间隔地形成的10极的永久磁铁，并且在所述定子内部相向配置，

所述9个齿部，由相邻的3个齿部构成1相，

在1相的各所述齿部上，以在相邻的各所述齿部之间各相的定子绕组的卷绕方向为从轴心观察呈互为相反方向的方式连续地以集中绕组方式卷绕，

各相的所述3个齿部中的各相中央的齿部，与所述转子相向的前端部的角度构成为大于32°、小于40°、且与各相两端的齿部的角度相比较小。

2.根据权利要求1所述的同步电动机，其特征在于：

所述9个齿部中、各相中央的所述齿部的所述前端部的角度为大致36°。

3.根据权利要求1或2所述的同步电动机，其特征在于：

所述9个齿部中、各相两端的所述齿部的所述前端部的角度相等。

4.根据权利要求3所述的同步电动机，其特征在于：

各所述齿部间的槽开口部的角度为大致相同的角度。