CN111953168A - 马达装置 - Google Patents

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CN111953168A
CN111953168A CN202010401258.8A CN202010401258A CN111953168A CN 111953168 A CN111953168 A CN 111953168A CN 202010401258 A CN202010401258 A CN 202010401258A CN 111953168 A CN111953168 A CN 111953168A
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真保信之
三竹晃司
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Abstract

马达装置(100)具有SPM马达(1)和对SPM马达(1)的多个绕组(23)供给电流的电力供给部(5)，SPM马达(1)具有：定子(2)，其具有铁芯(21)和卷绕于铁芯(21)的多个绕组(23)；转子(3)，其能够以旋转轴为中心旋转，且通过多个永久磁铁(33)沿着周向安装，而在周向上形成多个磁极。多个磁极各自的易磁化轴方向是朝向定子侧进行集中那样的取向，从电力供给部供给的电流为梯形波。

Description

马达装置
技术领域
本发明涉及一种马达装置。
背景技术
一直以来，在利用了永久磁铁的马达中，为了实现扭矩的提高而进行永久磁铁的取向的研究(例如，参照日本特开2000-134842号公报)。
但是，要求扭矩的进一步提高。
发明内容
本发明是鉴于上述而研发的，其目的在于，提供一种马达装置，其不变更转子的结构而能够提高扭矩。
为了达成上述目的，本发明的一个方式所涉及的马达装置，具有：马达，其具有：定子，具有铁芯和卷绕于所述铁芯的多个绕组；转子，其能够以旋转轴为中心旋转，通过多个永久磁铁沿着周向安装而在周向上形成有多个磁极；电力供给部，其对所述马达的所述多个绕组供给电流，所述多个磁极各自的易磁化轴方向为朝向所述定子侧进行集中那样的取向，从所述电力供给部供给的电流为梯形波。
根据上述的马达装置，多个磁极的各个中，易磁化轴方向为朝向定子侧进行集中那样的取向，再有，将从电力供给部供给的电流设为梯形波，由此，能够提高从马达输出的扭矩。通过将电流的波形设为梯形，能够缩小通过易磁化轴方向设为朝向定子侧进行集中那样的所谓集中取向的磁极中沿着转子的旋转方向的端部和对绕组供给的来自电力供给部的电流产生的负扭矩，其结果，不变更转子的结构而能够提高从马达输出的扭矩。
在此，能够设为所述电流的所述电流相位角为正的方式。
通过将从电力供给部供给的电流相位角设为正，集中取向的磁极与对绕组供给的来自电力供给部的电流产生于铁芯的磁场的相互作用沿着增大扭矩的方向进行作用，因此，能够进一步提高扭矩。
另外，能够设为所述磁极的所述易磁化轴方向集中的位置设置于沿着所述转子的旋转方向较所述磁极的中央部更靠近后方的位置的方式。
在将磁极的易磁化轴方向集中的位置设置于沿着转子的旋转方向较所述磁极的中央部更靠近后方的位置的情况下，能够进一步抑制通过沿着磁极的旋转方向的后方侧的端部和从电力供给部供给电流的绕组产生的负扭矩。因此，能够进一步提高扭矩。
另外，能够设为所述梯形波具有实质上不流通电流的无通电期间的方式。
通过设为梯形波中具有无通电期间的结构，能够抑制通过沿着磁极的旋转方向的后方侧的端部和对绕组供给的来自电力供给部的电流产生的负扭矩。因此，能够进一步提高扭矩。
根据本发明，可提供不变更转子的结构而能够提高扭矩的马达装置。
附图说明
图1是一个实施方式所涉及的马达装置的概略结构图。
图2是包含于马达装置的SPM马达的局部放大图。
图3是对永久磁铁的取向(集中取向)进行说明的图。
图4是对永久磁铁的取向(平行取向)进行说明的图。
图5是对永久磁铁中的表面磁通密度进行说明的图。
图6是对来自电力供给部的电流的波形(正弦波)进行说明的图。
图7是对来自电力供给部的电流的波形(梯形波)进行说明的图。
图8是对永久磁铁的取向的变形例进行说明的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明用于实施本发明的方式。此外，附图的说明中，对相同要素标注相同符号，并省略重复的说明。
图1是本发明的一个实施方式所涉及的马达装置的概略结构图。另外，图2是包含于图1所示的马达装置的SPM马达(马达)的局部放大图。如图1所示，马达装置100具有SPM马达1和电力供给部5。SPM马达1具有定子2(stator)和旋转自如地配置于定子2的内部的转子3(rotor)。
定子2由铁芯21和卷装于铁芯21的多个绕组23构成。铁芯21具有多个极齿25。另外，绕组23设置于定子2中的相邻的极齿25之间的槽27。绕组23通过槽27并以规定间隔配置规定数量，通过向绕组23的通电，产生用于使转子3旋转的旋转磁场。另外，转子3具有：轴31、配置于轴31的周围的由电磁钢板等构成的芯32(后轭)、设置于芯32的外周侧的永久磁铁33。
电力供给部5具有对定子2的多个绕组23流通三相交流电流的功能。电力供给部5通过对多个绕组23流通三相交流电流，产生用于使转子3旋转的旋转磁场。通过旋转磁场，转子3能够以成为旋转轴的轴心X为中心沿着例如由箭头P表示的旋转方向(逆时针方向)旋转。
图1所示的SPM马达1具有定子2，该定子2具有24个槽27。绕组23通过24个槽27的各个并以集中卷绕进行90匝卷绕。绕组23按照规定的顺序电连接，并且也与电力供给部5电连接。SPM马达1的转子3具有8对利用16个永久磁铁33表示N极或S极的磁极。即，1个永久磁铁33构成一个磁极。这样，SPM马达1为16极24槽的内转子型的SPM马达。
图3表示包含于SPM马达1的多个永久磁铁33中的一部分(相邻的两个永久磁铁33)。
首先，对永久磁铁33的材料进行说明。多个永久磁铁33也可以设为由相同的材料构成的永久磁铁，也可以设为由相互不同的材料构成的永久磁铁。具体而言，各永久磁铁33能够设为铁氧体磁铁、稀土系磁铁、或合金磁铁等。但是，永久磁铁33的材料的种类不限定于上述。另外，永久磁铁的制造方法也没有特别限定，也可以通过烧结制造，也可以进行热成型及热加工而制造。
此外，多个永久磁铁33也可以是相互不同的材料的磁铁。
另外，永久磁铁33其取向成为所谓集中取向。对于该点，参照图3进行说明。图3中，表示多个永久磁铁33中的两个永久磁铁33A、33B。永久磁铁33A为转子的外方(作用面侧)成为N极的磁铁，永久磁铁33B为转子的外方(作用面侧)成为S极的磁铁。永久磁铁33A以易磁化轴方向集中于特定的集中点C1的方式取向。集中点C1设为永久磁铁33A的周向的中央，即，设为相对于转子3的轴心X(参照图1)较永久磁铁33A更离开的位置(外方)、即定子2(作用面)侧。另外，永久磁铁33B以易磁化轴方向集中于特定的集中点C2的方式取向。集中点C2设为永久磁铁33B的周向的中央，即，设为相对于转子3的轴心X(参照图1)较永久磁铁33B更离开的位置(外方)、即定子2(作用面)侧。图3中，仅表示两个永久磁铁33A、33B，但对于SPM马达1中使用的所有的永久磁铁33，分别具有集中于特定的集中点那样的取向。
此外，图4表示通常用于转子的永久磁铁34A、34B。永久磁铁34A、34B为与永久磁铁33A、33B对应的磁铁，但分别为易磁化轴方向与特定的方向一律平行的所谓平行取向。在永久磁铁34A、34B的情况下，分别为易磁化轴方向与弓形的磁铁形状的中心线平行地一致的状态。用于转子的永久磁铁通常为如图4所示的永久磁铁34A、34B那样取向与磁铁形状的中心线平行的永久磁铁、或易磁化轴方向相对于转子的轴心放射状地取向的所谓径向取向的永久磁铁。在如永久磁铁34A、34B那样磁铁形状为弓形的情况下，能够将易磁化轴方向从磁铁的外周面或内周面等的圆弧的中心放射状地一致的取向称为径向取向。与之相对，本实施方式所涉及的永久磁铁33(33A、33B)通过易磁化轴方向设为朝向定子2侧(作用面侧)进行集中那样的取向(集中取向)，可实现扭矩的提高。
此外，图3中，表示永久磁铁33A、33B的易磁化轴方向集中于特定的集中点C1、C2的状态，但设置于本实施方式所涉及的马达装置100的转子3的多个磁极分别为“易磁化轴方向朝向定子2侧(作用面侧)进行集中那样的取向”，不限定于易磁化轴方向集中于一点的结构。即，易磁化轴方向集中的位置可以不是一点，也可以是易磁化轴方向集中于多个点那样的状态。另外，也可以是易磁化轴方向集中于具有某种程度宽度的区域的情况。即使是这些任一状态，也可以说磁极为“易磁化轴方向朝向定子2侧(作用面侧)进行集中那样的取向”。另外，在永久磁铁33那样的弓形的磁铁的情况下，在沿着周向的中心附近的易磁化轴方向集中于上述的集中点，但随着朝向周向端部离开，易磁化轴方向从朝向集中点的方向逐渐变化。即使是这种情况，也是指具有“易磁化轴方向朝向定子2侧(作用面侧)进行集中那样的取向”。这样，“易磁化轴方向朝向定子2侧(作用面侧)进行集中那样的取向”不限定于图3中表示的取向。
图5表示永久磁铁33A、33B的表面(定子2侧的表面)上的磁通密度的分布(模拟结果)。如图5所示，永久磁铁33A、33B的任一者的表面的磁通密度除了永久磁铁的端部均不管场所而为大致一定。此外，本实施方式中，对永久磁铁33A、33B的表面磁通密度为大致一定的情况进行说明，但该磁通密度的分布为一个例子。即，表面的磁通密度的分布也可以不管永久磁铁的场所而为一定，例如，也可以以周向中央的磁通密度成为最大的方式控制。另外，也可以以周向中央附近的磁通密度比两端部变小的方式控制。这样，永久磁铁33A、33B的表面上的磁通密度的分布能够适当变更。
此外，向永久磁铁33的磁化方法没有特别限定，能够使用公知的方法。
接着，对从电力供给部5供给的电流进行说明。如上所述，电力供给部5通过对多个绕组23流通在电气角中相互偏离120°相位的三相交流电流，而形成旋转磁场。图1所示的马达装置100中，从电力供给部5对SPM马达1的绕组23发送一个周期(电气角360°)相当于机械角45°的交流电流。图6中，表示用于通常的马达的动作的电流波形的一种即正弦波的交流电流中的单相的电流的波形。通常的马达中，使用组合了具有图6中表示的正弦波的波形的电流的交流电流或组合了具有不是正弦波而是矩形波(疑似正弦波)的波形的电流的交流电流。代替正弦波而使用的矩形波是例如电气角120°的矩形波电流，通过重复进行电气角120°的期间流通规定量的电流、电气角60°的期间实质上不流通电流(无通电)这样的状态，形成与正弦波同样的交流型的电流。
另一方面，本实施方式所涉及的马达装置100中，从电力供给部5对SPM马达1的定子2的绕组23供给具有梯形波的波形的电流。图7中，表示有7个梯形波的电流波形。图7中，梯形波L0为与图6所示的正弦波的波形对应的梯形波。梯形波L0在比矩形波长的期间(例如，在图7所示的例子的情况下，电气角144°的期间)，对绕组23流通电流。另外，实质上不流通电流的期间(无通电期间)成为电气角36°的期间。实质上不流通电流的状态是指，流通的电流为0或充分小，且不产生磁场的变化等那样的电流引起的实质的状态变化的状态。但是，在电气角140°的期间具有从不流通电流的状态(0A)到成为规定的电流值的上升的期间(上升期间)和从规定的电流值到成为不流通电流的状态(0A)的下降的期间(下降期间)。即，在梯形波的情况下，电流值的绝对值逐渐变大的期间(上升期间)、电流值为一定值的期间、以及电流值逐渐变小的期间(下降期间)包含于电气角144°的期间。在梯形波L0的情况下，上升的期间及下降的期间设为电气角24°份。上升期间及下降期间中的每单位角的电流的变化量设为一定。这样，梯形波L0中，与矩形波相比具有上升期间及下降期间。
马达装置100中，通过从电力供给部5对SPM马达1的绕组23供给具有与梯形波L0对应的波形的三相交流电流，使转子3相对于定子2旋转。
本实施方式所涉及的马达装置100中，如上所述，从电力供给部5对包含具有易磁化轴方向设为朝向定子2侧(作用面侧)集中那样的取向的永久磁铁33的转子3的SPM马达1流通具有梯形的凹凸的梯形波状的电流。由此，转子3相对于SPM马达1的定子2旋转。
在此，如上所述，在对包含安装有设为集中取向的永久磁铁33的转子3的SPM马达1流通梯形波状的电流的情况下，与现有的马达相比，能够提高输出扭矩。
一直以来，已知用于SPM马达的转子的永久磁铁的取向设为平行取向或径向取向。与之相对，已知在易磁化轴方向设为集中那样的取向(集中取向)的情况下，输出扭矩提高。另一方面，已知作为对设置于SPM马达的定子的绕组通电的电流的波形，使用正弦波或矩形波。还已知在选择矩形波作为电流的波形的情况下，扭矩比选择正弦波的情况提高。因此，可认为在对易磁化轴方向为集中那样的取向(集中取向)的永久磁铁安装于转子的SPM马达的绕组通电矩形波的电流的情况下，输出扭矩提高。
与之相对，本实施方式涉及的马达装置100中，通过将对具有易磁化轴方向为朝向定子2侧(作用面侧)进行集中那样的取向的永久磁铁33的SPM马达1的绕组23通电的电流的波形设为梯形波，输出扭矩进一步提高。作为其原因，可认为若是梯形波的电流，与矩形波相比，具有电流值逐渐变化的上升期间及下降期间。在上升期间及下降期间中，能够抑制通过对绕组23供给的电流和永久磁铁33产生的负扭矩，其结果，可认为可提高从SPM马达1输出的扭矩。特别是通过采用可产生负扭矩的期间的电流变化成为下降那样的梯形波，能够降低负扭矩，因此，能够增大作为SPM马达1的输出扭矩。
对于上述的点，以下表示进行了模拟的结果。
首先，以图1所示的SPM马达1(其中，不包含轴31)为模型，对于使对绕组23通电的电流的波形变化的情况下的输出扭矩，通过使用了解析软件的模拟进行算出。关于包含解析条件等的各种因素，在表1中表示。解析软件使用了JMAG-DesignerVer.17.1(JSOL公司制)。
[表1]
Figure BDA0002489556230000071
Figure BDA0002489556230000081
相对于具有上述的结构的SPM马达1，算出从电力供给部5流通相互不同的3种波形的三相交流电流的情况下的输出扭矩(平均扭矩：单位N·m)。3种波形是正弦波、矩形波、及梯形波(与图7所示的梯形波L0对应)。将输出扭矩的算出结果在表2中表示。表2中表示对于相对于SPM马达1安装的永久磁铁的取向为平行取向的情况(参照图4)、为径向取向的情况、及为集中取向的情况(参照图3)的各个进行评价的结果。
[表2]
波形 平行取向 径向取向 集中取向
正弦波 484 464 515
矩形波 489 472 509
梯形波 494 475 518
如上所述，根据本实施方式所涉及的马达装置100，多个磁极的各个中，在较磁极更外方，易磁化轴方向为朝向定子侧(作用面侧)进行集中那样的取向，再有，通过将从电力供给部供给的电流设为梯形波，能够提高从马达输出的扭矩。通过将电流的波形设为梯形，能够缩小通过设为所谓集中取向的磁极中沿着转子3的旋转方向的端部和对绕组23供给的来自电力供给部5的电流产生的负扭矩，其结果，不变更转子3的结构而能够提高从马达输出的扭矩。此外，在上述的马达装置100的SPM马达1的情况下，利用1个永久磁铁33形成一个磁极，因此，通过抑制通过沿着1个永久磁铁33的旋转方向的端部和电流形成的负扭矩，不变更转子3的结构，而能够提高来自SPM马达1的输出扭矩。
另外，如上所述，通过设为梯形波中具有无通电期间的结构，集中取向的磁极能够通过对绕组供给的来自电力供给部的电流与产生于铁芯的磁场的相互作用，抑制不需要的扭矩。因此，能够进一步提高扭矩。
此外，上述实施方式中，对从电力供给部5供给的电流为梯形波L0(参照图7)的情况进行了说明。该梯形波L0与电流相位差为0°的波对应。与之相对，对于从电力供给部5供给的梯形波的电流，也能够使电流相位差变化并对SPM马达1供给。其中，通过对SPM马达1的绕组23供给将电流相位差设为正的梯形波，可进一步抑制上述的负扭矩，并提高输出扭矩。
图7中，除了电流相位差为0°的梯形波L0之外，还表示有电流相位差设为正的3种梯形波L1～L3、电流相位差设为负的3种梯形波L4～L6。梯形波L1～L3各自的电流相位差(作为电气角)设为+18°、+12°、+6°。另外，梯形波L4～L6各自的电流相位差(作为电气角)设为-6°、-12°、-18°。表3中表示从电力供给部5对SPM马达1供给这种梯形波L0及梯形波L1～L6的情况下的输出扭矩的算出结果(平均扭矩：单位N·m)。此外，表3中的L0及L1～L6与图7的梯形波L0～L6对应。此外，表3中，除了永久磁铁为集中取向的情况之外，平行取向及径向取向的情况也作为参考表示。
[表3]
Figure BDA0002489556230000091
根据表3所示的结果，确认了通过将电流相位角设为正，能够进一步增大输出扭矩。可认为这是由于，通过将电流相位角设为正，能够使电流流通的期间提前，由此，能够更有效地防止下降期间中的SPM马达1中反向的扭矩(负扭矩)的产生。
这样，通过将从电力供给部5供给的电流相位角设为正，能够进一步抑制通过沿着磁极的旋转方向的后方侧的端部和对绕组23供给的来自电力供给部5的电流产生的负扭矩。因此，能够进一步提高来自SPM马达1的输出扭矩。
此外，根据表3的结果，在将电流相位角设为+12°的情况下，能够进一步增大输出扭矩。但是，可认为电流相位角与输出扭矩的关系也根据马达的结构(特别是磁极的数量与槽的数量的关系等)而变化。
另外，上述实施方式中，对磁极的集中点设置于磁极(永久磁铁33)的周向的中央的情况进行了说明，但集中点也可以在周向移动。此时，在使易磁化轴方向集中的位置移动至相对于转子3的旋转方向(以箭头P表示的方向)比磁极的中央部靠后方的情况下，能够进一步提高来自SPM马达1的输出扭矩。
图8表示将集中点C3相对于旋转方向(以箭头P表示的方向)设置于后方，且使易磁化轴方向集中的永久磁铁33X。图8所示的永久磁铁33X中，在沿着旋转方向的永久磁铁33X的长度中从后端起成为1/3的位置的附近(永久磁铁33X的角度以机械角计为22.5°，与之相对，从中央部向后方移动3.75°的位置)设置有集中点C3。在如永久磁铁33X那样利用一个磁铁形成磁极的情况下，沿着旋转方向的磁极的中央部为永久磁铁33X的实质的外形中央部，比其靠后方成为从实质的外形中央偏离的位置。当使与易磁化轴方向集中的位置对应的集中点C3从中央向后方移动时，如图8所示，形成于永久磁铁33X的取向成为相对于沿着旋转方向的中心不对称且在前后非对称的取向。通过在SPM马达1的转子3中使用具有这种取向的永久磁铁33X，能够进一步抑制通过沿着磁极的旋转方向的后方侧的端部和对绕组23供给的来自电力供给部5的电流产生的负扭矩。因此，能够进一步提高来自SPM马达1的输出扭矩。此外，与上述实施方式中说明的永久磁铁33A、33B一样，只要具有“易磁化轴方向朝向定子2侧(作用面侧)进行集中那样的取向”即可，易磁化轴方向也可以不集中于一点。
表4是算出对安装有易磁化轴方向的进行集中的位置相互不同的永久磁铁的SPM马达1，从电力供给部5供给电流的情况下的输出扭矩(平均扭矩：单位N·m)的结果。表4所示的结果中，“中央”为安装了具有图3所示的取向的永久磁铁的情况下的结果，“后方”为安装了具有图8所示的取向的永久磁铁的情况下的结果。
[表4]
集中点 中央 后方
输出扭矩 518 519
如表4所示，确认了通过使易磁化轴方向进行集中的位置向后方移动，输出扭矩提高。此外，集中点的位置不限定于以图8所示的集中点C3表示的位置，也可以沿着旋转方向向前后进一步移动。此外，在永久磁铁33X的角度以机械角计为22.5°的情况下，通过将集中点C3设为上述的位置附近，而可提高输出扭矩的提高效果。
本发明不限于上述实施方式，可在不脱离其宗旨的范围内进行各种变更。
例如，上述实施方式中，对SPM马达1进行了说明，但马达的种类没有特别限定，例如，也可以是相对于设置于转子的磁铁***孔***永久磁铁的IPM马达。另外，构成一个磁极的永久磁铁的数量不限定于1个。例如，有时利用沿着周向配置的多个永久磁铁形成一个磁极。即使在这种情况下，通过控制多个永久磁铁各自的取向，如上述那样一个磁极所涉及的易磁化轴方向设为进行集中那样的取向，由此，能够得到上述实施方式中说明的作用效果。另外，上述实施方式中，使用弓形状的永久磁铁33进行了说明，但永久磁铁的形状没有特别限定。例如即使在使用平板状的永久磁铁的情况下，也可实现易磁化轴方向进行集中那样的取向。
另外，在磁极的易磁化轴方向设为朝向定子侧(作用面侧)进行集中那样的取向的情况下，能够适当变更使易磁化轴方向集中于哪个方向。上述实施方式中，对将易磁化轴方向集中的场所设为沿着旋转方向(周向)的中央部或后方的情况进行了说明，但也可以设为前方。另外，易磁化轴进行集中的场所(相当于集中点的场所)设为相对于轴心X比永久磁铁靠外方，但其位置(距轴心的距离)能够适当变更。
另外，梯形波的形状能够适当变更。上述实施方式中说明的上升期间及下降期间的长度为一个例子，不限定于此。另外，也能够适当变更上升期间及下降期间中的电流的变化量。另外，无通电期间的长度也能够适当变更。
另外，设置于转子的磁极的数量、配置、形状等不限定于上述实施方式。同样，构成定子的铁芯的形状及绕组的数量及卷绕数等也能够适当变更。

Claims (7)

1.一种马达装置，其中，
具有：
马达，其具有：定子，具有铁芯和卷绕于所述铁芯的多个绕组；以及转子，其能够以旋转轴为中心旋转，通过多个永久磁铁沿着周向被安装而在周向上形成有多个磁极；以及
电力供给部，其对所述马达的所述多个绕组供给电流，
所述多个磁极各自的易磁化轴方向为朝向所述定子侧进行集中那样的取向，
从所述电力供给部供给的电流为梯形波。
2.根据权利要求1所述的马达装置，其中，
所述电流的电流相位角为正。
3.根据权利要求1或2所述的马达装置，其中，
所述磁极的所述易磁化轴方向集中的位置被设置于沿着所述转子的旋转方向较所述磁极的中央部更靠近后方的位置。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的马达装置，其中，
所述梯形波具有实质上不流通电流的无通电期间。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的马达装置，其中，
所述梯形波具有电流值的绝对值逐渐变大的上升期间和电流值逐渐变小的下降期间。
6.根据权利要求5所述的马达装置，其中，
所述上升期间及所述下降期间的至少一方中的每单位角的电流的变化量为一定。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的马达装置，其中，
所述多个磁极各自中的所述易磁化轴方向分别集中于相互不同的一点。
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