CN1269624A - 永久磁铁式旋转电机的转子 - Google Patents

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Abstract

本发明按照下述方式构成,该方式为:永久磁铁(32)以通过磁极间(3b)的电枢绕组(11)的磁通相抵消的方式设置于转子铁芯(31)的内部,在电枢绕组(11)的非励磁时,转子(3)与定子(1)之间的空隙(2)中所产生的磁通密度的平均值在比如,0.1~0.7T的范围内,额定负载时的电机铁芯(31)的难于磁化方向(q轴)与容易磁化方向(d轴)的固有电感比(Lq/Ld)在0.1~0.8的范围内。

Description

永久磁铁式旋转电机的转子
本发明涉及在启动时作为感应电机动作,在额定运转时作为同步机动作的永久磁铁式旋转电机中的转子。
一般,永久磁铁式磁阻型旋转电机由具有电枢绕组的定子,以及在定子的内侧旋转的转子构成,不设置对转子励磁的线圈,在外周面设置有具有凹凸部的转子铁芯,在该凸部侧面设置有永久磁铁,与已有的绕组型旋转电机相比较,具有结构简单的特征。
由于该永久磁铁式磁阻型旋转电机,在转子铁芯上具有结构性凹凸部,这样在转子铁芯与定子之间,凸部的磁阻较小,凹部的磁阻较大。按照上述方式,在凸部与凹部中,在转子铁芯与定子之间的空隙(空气间隙)部分,通过流过电枢绕组的电流所积蓄的磁能是不同的,主要通过该磁能的变化,产生输出动力。
此外,由于转子中的凹凸部不仅可为几何结构体,而且可根据需要,形成磁性凹凸部,这样可形成磁阻或磁通密度随转子的旋转位置而不同的结构。
还有,在不采用永久磁铁的磁阻型旋转电机中,由于随着流过定子的电枢绕组的电流的增加,在形成转子铁芯的磁极的凸部,磁饱和区域扩大,形成磁极间部分的凹部的泄漏磁通量增加,这样会产生输出动力降低的问题。
在此方面,由于在永久磁铁式磁阻型旋转电机中,设置于转子铁芯中的凸部侧面的永久磁铁用作磁阻,这样形成磁极间部分的凹部的泄漏磁通量减少,从而避免输出动力的降低。
再有,永久磁铁除了具有减少泄漏磁通量的作用以外,还具有下述作用,该作用指通过本身发生的磁通与电枢绕组产生的磁通的相互作用,产生磁阻。
按照上述方式,永久磁铁式磁阻型旋转电机中的,通过形成于转子铁芯的外周面上的磁性凹凸部,随旋转位置的不同,磁阻是不同的,并且由于设置于凸部侧面上的永久磁铁的作用,使磁极间部分的凹部的泄漏磁通量减少,从而获得输出动力。
但是,永久磁铁式磁阻型旋转电机具有下述问题,即由于设置于磁极(凸部)侧面上的永久磁铁的作用,保持转矩增加,从而难于实现自我启动。
为此,作为辅助启动机构,采用逆变器(inverter),或通过单独的启动用的笼将转子覆盖,以便确保启动转矩,但是在从总体上说结构较复杂的方面,特别设置设置启动用笼的场合,也产生磁阻增加,主磁通量减少的问题。
于是,本申请人提交了永久磁铁磁阻旋转电机中的转子的专利申请(其申请号为JP特原平10-275797),其中,通过由磁性体形成比如,启动用笼材料,使启动用导体呈深槽状,由此在无需逆变器等的辅助启动机构的情况下,使启动特性提高。
上述的永久磁铁式磁阻型旋转电机在启动时,使设置于转子外周部上的启动用的导体产生随电枢电流的变化而变化的感应转矩,从而作为感应电机启动,在额定运转时,借助由在转子表面上的磁性凹凸部产生的磁阻转矩,以及基于设置于磁极(凸部)侧面上的永久磁铁的磁通与电枢绕组所产生的磁通之间的相互作用的转矩,作为同步机运转。
人们知道,在这样的本身启动型的永久磁铁式磁阻旋转电机中,在设置于转子铁芯内部的永久磁铁所产生的磁通量,即永久磁铁磁通量较大的场合,另外在作为转子铁芯中的凸部与凹部的磁阻差的磁阻较大的场合,具有难于启动的倾向。
还有,人们还知道,在相对的永久磁铁磁通量较小的场合,另外在磁阻较小的场合,在从作为感应电机而启动,到作为同步机而运转的转换点的牵入同步时,具有难于牵入的困难。
为了不产生问题的情况下进行启动或牵入同步,有必要将永久磁铁磁通量与磁阻值设定在适合的值。
如上面所述,虽然人们认识到永久磁铁磁通与磁阻对启动和牵入同步的一般的倾向,但是在过去人们并不知道实际上如何对上述两者进行设定。
因此,比如,某些永久磁铁式磁阻旋转电机容易启动,但是难于实现牵入同步,另外在某些永久磁铁式磁阻旋转电机中,会发生容易实现牵入同步,但是难于启动的情况。
本发明的目的在于提供一种可在启动时确实作为感应电机动作,通过平滑的牵入同步,在额定运转时,作为同步机动作的永久磁铁式旋转电机中的转子。
为了解决上述问题,权利要求1所述的发明涉及下述永久磁铁式旋转电机的转子,其包括:转子铁芯,其具有磁性部,沿周向形成有磁性凹凸部;永久磁铁,其按照下述方式设置于上述转子铁芯内部,该方式为:通过相邻的磁极间的电枢绕组产生的磁通相抵消;导体,其设置于上述转子铁芯的外周部分,在启动时产生感应电流,由此产生启动转矩,其特征在于该转子,在上述电枢绕组为非励磁时的,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.1~0.7T的范围内,上述转子铁芯,上述磁性部的额定负载时的难于磁化方向的固有电感(Lq)与容易磁化方向的固有电感(Ld)之比(Lq/Ld)在0.1~0.8的范围内。
由于权利要求1所述的发明按照上述方式构成,这样可获得在从启动状态到同步状态的期间可实现平滑转移的旋转电机。
权利要求2~7所述的发明中的任何一项涉及下述永久磁铁式旋转电机中的转子,其包括:转子铁芯,其具有磁性部,沿周向形成有磁性凹凸部;永久磁铁,其按照下述方式设置于上述转子铁芯内部,该方式为:通过相邻的磁极间的电枢绕组产生的磁通相抵消;导体,其设置于上述转子铁芯的外周部分,在启动时产生感应电流,由此产生启动转矩,并以持续作用于上述转子铁芯上的负载基本上与电源频率的3次方成比例作为条件。
首先,权利要求2所述的发明的特征在于该转子按照下述方式构成,该方式为:上述导体的电阻率与正常运转时的铝的电阻率基本相等,上述永久磁铁中的,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.1~0.5T的范围内,上述转子铁芯中的,上述磁性部中的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.8的范围内。
权利要求3所述的发明的特征在于该转子按照下述方式构成,该方式为:上述导体的电阻率基本为正常运转时的铝的电阻率的110%,上述永久磁铁中的,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.2~0.6T的范围内,上述转子铁芯中的,上述磁性部中的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.7的范围内。
权利要求4所述的发明的特征在于该转子按照下述方式构成,该方式为:上述导体的电阻率基本为正常运转时的铝的电阻率的120%,上述永久磁铁中的,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.2~0.6T的范围内,上述转子铁芯中的上述磁性部中的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.6的范围内。
权利要求5所述的发明的特征在于该转子按照下述方式构成,该方式为:上述导体的电阻率基本为正常运转时的铝的电阻率的130%,上述永久磁铁中的,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.2~0.6T的范围内,上述转子铁芯中的,上述磁性部中的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.5的范围内。
权利要求6所述的发明的特征在于该转子按照下述方式构成,该方式为:上述导体的电阻率基本为正常运转时的铝的电阻率的140%,上述永久磁铁中的,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.3~0.6T的范围内,上述转子铁芯中的,上述磁性部中的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.5的范围内。
权利要求7所述的发明的特征在于该转子按照下述方式构成,该方式为:上述导体的电阻率基本为正常运转时的铝的电阻率的150%,上述永久磁铁中的,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.3~0.7T的范围内,上述转子铁芯中的,该方式为:上述磁性部中的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.4的范围内。
通过上述的,权利要求2~7中的各结构,可获得在从启动状态到同步状态的期间可实现平滑转移的旋转电机。
权利要求8~13所述的发明中的任何一个涉及下述永久磁铁式旋转电机中的转子,其包括:转子铁芯,其具有磁性部,沿周向形成有磁性凹凸部;永久磁铁,其按照下述方式设置于上述转子铁芯内部,该方式为:通过相邻的磁极间的电枢绕组产生的磁通相抵消;导体,其设置于上述转子铁芯的外周部分,在启动时产生感应电流,由此产生启动转矩,并且以下列内容作为条件,该内容指持续作用于上述转子铁芯上的负载在额定旋转次数以下基本为零,如果到达额定旋转次数,基本上与电源频率的3次方成比例。
权利要求8所述的发明的特征在于该转子按照下述方式构成,该方式为:上述导体的电阻率基本与正常运转时的铝的电阻率相等,上述永久磁铁中的,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.1~0.5T的范围内,上述转子铁芯中的,上述磁性部中的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.8的范围内。
权利要求9所述的发明的特征在于该转子按照下述方式构成,该方式为:上述导体的电阻率基本为正常运转时的铝的电阻率的110%,上述永久磁铁中的,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.2~0.6T的范围内,上述转子铁芯中的,上述磁性部中的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.7的范围内。
权利要求10所述的发明的特征在于该转子按照下述方式构成,该方式为:上述导体的电阻率基本为正常运转时的铝的电阻率的120%,上述永久磁铁中的,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.2~0.6T的范围内,上述转子铁芯中的,上述磁性部中的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.6的范围内。
权利要求11所述的发明的特征在于该转子按照下述方式构成,该方式为:上述导体的电阻率基本为正常运转时的铝的电阻率的130%,上述永久磁铁中的,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.2~0.6T的范围内,上述转子铁芯中的,上述磁性部中的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.5的范围内。
权利要求12所述的发明的特征在于该转子按照下述方式构成,该方式为:上述导体的电阻率基本为正常运转时的铝的电阻率的140%,上述永久磁铁中的,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.3~0.6T的范围内,上述转子铁芯中的,上述磁性部中的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.5的范围内。
权利要求13所述的发明的特征在于该转子按照下述方式构成,该方式为:上述导体的电阻率基本为正常运转时的铝的电阻率的150%,上述永久磁铁中的,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.3~0.7T的范围内,上述转子铁芯中的,上述磁性部中的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.4的范围内。
也可通过上述的,权利要求8~13中的各结构,获得在从启动状态到同步状态的期间可实现平滑转移的旋转电机。
权利要求14所述的发明涉及下述永久磁铁式旋转电机中的转子,其包括:转子铁芯,其具有磁性部,沿周向形成有磁性凹凸部;永久磁铁,其按照下述方式设置于上述转子铁芯内部,该方式为:通过相邻的磁极间的电枢绕组产生的磁通相抵消;导体,其设置于上述转子铁芯的外周部分,在启动时产生感应电流,由此产生启动转矩,其特征在于上述导体按照下述方式设置,该方式为:其截面呈长方形状,其中的一条长边沿上述转子铁芯的径向,该导体以转子铁芯中心轴为中心呈放射状布置。
权利要求15所述的发明涉及下述永久磁铁式旋转电机中的转子,其包括:转子铁芯,其具有磁性部,沿周向形成有磁性凹凸部;永久磁铁,其按照下述方式设置于上述转子铁芯内部,该方式为:通过相邻的磁极间的电枢绕组产生的磁通相抵消;导体,其设置于上述转子铁芯的外周部分,在启动时产生感应电流,由此产生启动转矩,其特征在于上述导体按照下述方式设置,该方式为:其截面呈等腰三角形状,其中的底位于上述转子铁芯的外周侧,另外其顶点朝向转子铁芯的中心轴一侧,该导体以转子铁芯中心轴为中心呈放射状布置。
按照上述方式,也可通过权利要求14和15所述的发明,提供可在从启动到同步期间实现平滑转移的旋转电机中的转子。
图1为用于说明本发明的永久磁铁式旋转电机中的转子的第1~第3实施例的径向剖视图;
图2为用于说明图1所示的转子的电枢电流中的磁极轴方向分量的磁通的流动情况的径向剖视图;
图3为表示图1所示的转子的电枢电流中的磁极间的中心轴方向分量的磁通的流动情况的径向剖视图;
图4为表示图1所示的转子中的永久磁铁的磁通的流动情况的径向剖视图;
图5为用于说明本发明的永久磁铁式旋转电机中的转子的第4实施例的径向剖视图;
图6为用于说明本发明的永久磁铁式旋转电机中的转子的第5实施例的径向剖视图。
下面参照图1~6,对本发明的永久磁铁式旋转电机中的转子的实施例进行具体描述。
图1为表示适合采用本发明的第1实施例的旋转电机的径向剖视图。在该图1中,定子1中的,其具有电枢绕组11,在其内侧,通过空隙(空气间隙)2接纳有转子3。
该转子3包括转子铁芯31,永久磁铁32,以及启动用导体(导体杆)33,上述转子铁芯31由设置有沿容易磁化方向(即d轴)的8个空洞31a的电磁钢板叠置形成。该转子铁芯31中的8个空洞31a呈十字状设置,其内部埋入有永久磁铁32,凸极与凹部交叉设置,从而形成4个极。
按照下述方式对各永久磁铁32沿同一方向进行磁化,该方式为:沿相邻的凹部,即难于磁化方向(即,q轴)的电枢绕组11的磁通相互抵消,位于凹部的两侧的2个永久磁铁32中的沿转子铁芯31的圆周方向的磁化方向是相反的。
换言之,由平行的2个空洞31a夹持的部分在容易磁化方向形成磁极宽度为W1的磁性凸部,即磁极3a,由垂直交叉而相邻的2个空洞31a夹持的部分在难于磁化方向形成磁性凹部,即磁极间3b。
此外,永久磁铁32的材料采用高能积的稀土类永久磁铁,最好采用NdFeB磁铁,最好基本沿圆周方向,特别是最好基本沿与磁极3a轴相垂直的方向对其磁化,并且在转子铁芯31中的磁极间3b的外周附近,形成由扇形的空洞部31c构成的非磁性部。
于是,转子铁芯31在磁极3a与磁极间3b之间,并且在永久磁铁32的端部与外周面之间,形成磁性部31b,永久磁铁32中的,在电枢绕组11未进行励磁时于空隙2处所产生的磁通密度小于0.58特斯拉(tesla)(下面将tesla简称为“T”)。
但是,在本实施例中,永久磁铁32相对转子铁芯31的外周面,完全地设置于内部,永久磁铁32的磁通将永久磁铁32外侧端部与转子铁芯31的外周面之间的磁性部31b作为磁路,使该磁性部31b发生磁性短路。
为了获得在启动时作为感应电机动作,通过平滑的牵入同步,在额定运转时作为同步机动作的旋转电机,在本第1实施例中,转子铁芯31中的上述磁性部31b的径向厚度,以及永久磁铁32的厚度和表面面积按照下述方式确定,该方式为;在无励磁时永久磁铁32所产生的磁通密度在空隙2处,在0.1~0.7T的范围内。
此外,与此同时,还如图1和2所示,凸部3a的磁极宽度W1,以及在凹部3b的转子3中心侧相邻的永久磁铁32之间的磁性部31b的磁性部宽度W2按照下述方式设定,该方式为:难于磁化方向的本身电感La,与容易磁化方向的本身电感Lq之比(Lq/Ld)在0.1~0.8的范围内。
下面参照图2~4,对该第1实施例的永久磁铁式旋转电机中的转子的动作进行进一步描述。另外,为了便于说明,图2以下的附图省略了设置于转子铁芯31的外周部的启动用的导体(导体杆)33的表示。
因此,首先在图2中,磁通φd表示d轴的电枢电流产生的沿转子铁芯31的磁极3a的方向的磁通分量,由于该磁通φd将磁极3a作为磁路,这样磁阻极小,容易形成磁通。
另外,在图3,磁通φq表示q轴的电枢电流产生的沿磁极间3b的径向的磁通分量,该磁通φq形成横穿磁极间3b的永久磁铁32的磁路,但是由于永久磁铁32的相对导磁率基本为1,这样永久磁铁32的高磁阻的作用,电枢电流产生的磁通量降低。
于是,按照上述方式,基本沿与磁极3a轴的垂直方向将磁极间3b的各永久磁铁32磁化,如图4所示,其中一个极所产生的磁通形成在转子铁芯31的外周边界的磁性部31b,沿周向流动,通过磁极3a,返回到本身的相对极的磁路φma。
还有,永久磁铁32的局部的磁通也形成通过空隙2,经图中未示出的定子1,经过转子3的磁极3a,或相邻极的永久磁铁32,返回到原始的永久磁铁32的磁路φmb。
因此,如图3所示,这样的永久磁铁32的交链磁通φm沿下述方向分布,该方向与q轴的电枢电流产生的磁极间3b中的中心方向分量的磁通φq的相反,该交链磁通φm与从磁极间3b侵入的电枢绕组11的磁通φq相斥,相互抵消。
在磁极间3b上的空隙2中,由于永久磁铁32的磁通,图中未示出的,电枢绕组11所形成的空隙2的磁通密度,即空隙磁通密度降低,其变化程度大于磁极3a上的空间磁通密度,由于相对该转子3的位置的空隙磁通密度的变化,便获得较大的磁能变化。
此外,由于负载时的负载电流,在磁极3a与磁极间3b之间产生磁短路的转子铁芯31的磁性部31b,发生磁饱和,分布于磁极间3b中的永久磁铁32的磁通量增加。因此,由于各永久磁铁32中的磁阻与永久磁铁32产生的磁通,可在空隙磁通密度的分布(区域)中产生凹凸,可获得较大的磁阻转矩。
然而,由于这样的磁极3a与磁极间3b之间的磁能差而产生的磁阻转矩为同步转矩的一种。
于是,适合采用本实施例的的转子的旋转电机在启动时作为感应电机动作,在额定运转时作为同步机动作,但是为了平滑地从感应运转状态转换到同步运转状态,按照上述方式,以磁阻转矩为代表的同步转矩是必须的。该同步转矩除了具有磁阻转矩以外,还具有下述永久磁铁转矩,该永久磁铁转矩是因永久磁铁32的磁通与电枢绕组11的相互作用产生的,然而为了适合地并且平滑地从感应状态转换到同步状态,最好同步转矩较大。
为了增加同步转矩,按照上述方式,使永久磁铁32的端部与转子3的外周之间的磁性部31b的宽度减小,形成磁饱和状态,永久磁铁磁通可产生于空隙2中,从而使永久磁铁转矩增加,或使磁极宽度W1增加,从而使磁阻转矩增加。
此外,适合采用本实施例的转子的旋转电机在启动时作为感应电机启动,而该启动时的感应转矩是由电枢电流产生的,其随与设置于转子3的外周部的启动用笼型导体交链的电枢磁通的时间变化而产生。
但是,沿抵消该电机磁通的方向对设置于转子3的内部的永久磁铁32的磁通磁化,永久磁铁32沿抵消与启动用笼型导体交链的电枢磁通的时间变化的方向作用。即,永久磁铁32的磁通具有可使启动时的感应转矩减少的作用。
还有,如果在转子3的外周面上设置有磁性凹凸部,则由于难于磁化方向(q轴)的磁阻较高,这样难于产生电枢磁通,由此,与启动用的导体33交链的磁通量也减少,使启动转矩减少。
再有,电枢磁通可仅仅侵入容易磁化方向(d轴),仅仅与设置于转子3的整个外周部的导体33的局部交链,沿使启动转矩减少的方向作用。
即,为了容易实现启动,最好永久磁铁磁通量较小,另外,最好磁性凹凸部也较小。按照上述方式,容易实现启动的方向,与容易实现同步的方向是相反的。
因此,在本实施例中,为了获得在启动时作为感应电机动作,在定额运转时作为同步机动作的旋转电机,永久磁铁的磁通和转子外周面的磁性凹凸部的尺寸具体按照下述方式设定,以便获得适合的值。
即,本实施例的永久磁铁式旋转电机中的转子按照下述方式构成,以便获得更加适合的磁阻值,该方式为:在无励磁时,永久磁铁32所产生的磁通密度的平均值在空隙2处,在0.1~0.7T的范围内,在磁极3a部分与磁极间3b部分之间,并且在永久磁铁32的端部与转子铁芯31的外周之间,设置有磁性部31b,分别改变永久磁铁磁通,以及磁极宽度W1。
上述磁极宽度W1最好在为磁极距(从一个磁极中心到相邻的磁极中心的周长)的0.3~0.5倍的范围内。
还有,磁极宽度W1与相邻的永久磁铁32之间的磁性部宽度W2按照下述方式设定,该方式为:难于磁化方向的固有电感Lq,与容易磁化方向的固有电感Ld之比(Lq/Ld)在0.1~0.8的范围内。
由此,可获得下述旋转电机,该电机在启动时,作为感应电机动作,通过平滑的牵入同步,在额定运转时,作为同步机动作。
下面对本发明的第2实施例的永久磁铁式旋转电机中的转子进行描述。另外,在下面的实施例中,省略有关与第1实施例相同结构的部分的具体描述。
即,该第2实施例的永久磁铁式旋转电机中的转子为持续作用有基本与转子的频率的3次方成比例的负载的场合,首先其第1实例中的,设置于转子3的外周部的启动用的导体33的电阻率基本与铝的电阻率相等。
此外,在该第1实例的转子3中,按照下述方式,在磁极部3a与磁极间3b之间,并且在永久磁铁32的端部与转子铁芯31的外周之间设定磁性部31b,该方式为:在无励磁时,永久磁铁32所产生的磁通密度的平均值在空隙2处,在0.1~0.5T的范围内,此外,磁极宽度W1与相邻永久磁铁32之间的磁性部宽度W2按照下述方式设定,该方式为:难于磁化方向的固有电感Lq,与容易磁化方向的固有电感Ld之比(Lq/Ld)在0.1~0.8的范围内。
第2实例按照下述方式,设定磁性部31b,磁极宽度W1和磁性部宽度W2,该方式为:导体33的电阻率基本上为铝的电阻率的110%,在无励磁的情况下,永久磁铁32所产生的磁通密度的平均值在空隙2处,在0.2~0.6T的范围内,难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.7的范围内。
第3实例按照下述方式,设定磁性部31b,磁极宽度W1和磁性部宽度W2,该方式为:导体33的电阻率基本上为铝的电阻率的120%,在无励磁的情况下,永久磁铁32所产生的磁通密度的平均值在空隙2处,在0.2~0.6T的范围内,另外难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比(Lq/Ld)在0.1~0.6的范围内。
第4实例按照下述方式,设定磁性部31b,磁极宽度W1和磁性部宽度W2,该方式为:导体33的电阻率基本上为铝的电阻率的130%,在无励磁的情况下,永久磁铁32所产生的磁通密度的平均值在空隙2处,在0.2~0.6T的范围内,另外难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比(Lq/Ld)在0.1~0.5的范围内。
第5实例按照下述方式,设定磁性部31b,磁极宽度W1和磁性部宽度W2,该方式为:导体33的电阻率基本上为铝的电阻率的140%,在无励磁的情况下,永久磁铁32所产生的磁通密度的平均值在空隙2处,在0.3~0.6T的范围内,另外难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比(Lq/Ld)在0.1~0.5的范围内。
第6实例按照下述方式,设定磁性部31b,磁极宽度W1和磁性部宽度W2,该方式为:导体33的电阻率基本上为铝的电阻率的150%,在无励磁的情况下,永久磁铁32所产生的磁通密度的平均值在空隙2处,在0.3~0.7T的范围内,难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比(Lq/Ld)在0.1~0.4的范围内。
第3实施例的永久磁铁式旋转电机中的转子按照作为运转时的负载,从启动状态到同步状态的期间,为无负载,或基本为零的方式运转,在到达额定旋转次数后,持续作用基本与电源频率的3次方成比例的负载。
假定在这样的条件下,在第1实例中,在设置于转子3的外周部的启动用的导体33的电阻率基本上与铝的电阻率相等的场合,按照下述方式在磁极3a与磁极间3b之间,并且在永久磁铁32的端部与转子铁芯31的外周之间,设置磁性部31b,该方式为:在无励磁时,永久磁铁32所产生的磁通密度的平均值在空隙2处,在0.1~0.5T的范围内,永久磁铁磁通与磁阻值按照分别为适合值的方式设定。
此外,磁极宽度W1与相邻的永久磁铁32之间的磁性部宽度W2按照下述方式设定,该方式为:难于磁化方向的固有电感Lq,与容易磁化方向的固有电感Ld之比(Lq/Ld)在0.1~0.8的范围内,从而可获得下述旋转电机,该电机在启动时,作为感应电机动作,在额定运转时,作为同步机动作。
第2实例按照下述方式,设定磁性部31b,磁极宽度W1和磁性部宽度W2,该方式为:导体33的电阻率基本上为铝的电阻率的110%,在无励磁的情况下,永久磁铁32所产生的磁通密度的平均值在空隙2处,在0.2~0.6T的范围内,难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比(Lq/Ld)在0.1~0.7的范围内。
第3实例按照下述方式,设定磁极宽度W1和磁性部宽度W2,该方式为:导体33的电阻率基本上为铝的电阻率的120%,在无励磁的情况下,永久磁铁32所产生的磁通密度的平均值在空隙2处,在0.2~0.6T的范围内,难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比(Lq/Ld)在0.1~0.6的范围内。
第4实例按照下述方式,设定磁极宽度W1和磁性部宽度W2,该方式为:导体33的电阻率基本上为铝的电阻率的130%,在无励磁的情况下,永久磁铁32所产生的磁通密度的平均值在空隙2处,在0.2~0.6T的范围内,难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比(Lq/Ld)在0.1~0.5的范围内。
第5实例按照下述方式,设定磁极宽度W1和磁性部宽度W2,该方式为:导体33的电阻率基本上为铝的电阻率的140%,在无励磁的情况下,永久磁铁32所产生的磁通密度的平均值在空隙2处,在0.3~0.6T的范围内,难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比(Lq/Ld)在0.1~0.5的范围内。
第6实例按照下述方式,设定磁极宽度W1和磁性部宽度W2,该方式为:导体33的电阻率基本上为铝的电阻率的150%,在无励磁的情况下,永久磁铁32所产生的磁通密度的平均值在空隙2处,在0.3~0.7T的范围内,难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比(Lq/Ld)在0.1~0.4的范围内。
按照上述方式,在第3实施例中,假定下述条件,该条件指按照作为运转时的负载,在从启动状态到同步状态的期间,无负载,即基本为零的方式运转,在达到额定旋转次数后,持续作用基本与转子的频率的3次方成比例的负载,在上述条件下,按照上述方式分别设定导体33的电阻率,空隙2处的,无励磁情况下的永久磁铁32所产生的磁通密度的平均值,以及难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比(Lq/Ld),由此,可获得下述旋转电机,该电机在启动时,作为感应电机动作,通过平滑的牵入同步,在额定运转时,作为同步机动作。
图5为表示本发明的永久磁铁式旋转电机中的转子的第4实施例的径向剖视图。在转子铁芯4的外周部,沿周向,如图所示,其截面中的一条边的长度比另一条边的长度足够大的长方形的启动用的导体(导体杆)33按照较长的边沿转子的径向,以转子中心轴为中心,呈放射状设置。
启动时的感应转矩的大小与电枢绕组11的磁通和启动用的导体33之间的交链磁通的时间变化率,以及导体33的电阻值成比例关系,但是由于在启动时产生高频磁通,这样因交流磁通的表皮效应,磁通仅仅只能够侵入转子表面。
于是,启动用的导体33按照下述方式形成,该方式为:其截面沿转子3的径向较长,沿周向较窄,这样由于表皮效应,感应电流仅仅流过导体33的转子3外周侧的端部,由此等效于导体33的截面面积减小的状态。因此,等效于导体33的电阻增加的状态,可高效地产生启动转矩。
此外,由于导体33按照沿周向变窄的方式形成,这样磁极3a的磁路较宽,磁通更加容易地通过容易磁化方向(d轴),磁阻转矩增加。由此,高效地产生启动转矩,在额定运转时,高效地产生磁阻,从而可获得下述旋转电机,该电机在启动时,作为感应电机动作,在额定运转时,作为同步机动作。
图6为表示本发明的永久磁铁式旋转电机中的转子的第5实施例的径向剖视图。
即,在转子铁芯31的外周部,在启动时产生感应电流,产生启动转矩的启动用导体(导体杆)33按照下述方式设置,该方式为:该导体的截面呈等腰三角形状,如图所示,其底边位于转子3的外周侧,并且其顶点位于转子3的中心轴一侧,以转子3的中心轴为中心,呈放射状布置。
该等腰三角形的导体33的周向的宽度越靠近底边,越大。即,通过将宽度较大的底边部设置于其周长大于转子3的内周部的外径部,与按照将该底边部朝向内周侧的方式设置等腰三角形的导体33的场合相比较,可加宽容易磁化方向的磁路,可进一步增加磁阻转矩。
还有,在启动时,通过由导体33感应的启动电流,产生启动转矩,可在额定运转时,获得更大的磁阻转矩,可获得下述旋转电机,该电机在从启动时作为感应电机动作,到额定运转时作为同步机动作的期间,可平滑地实现转换。
如果按照上面描述的方式,采用本发明的永久磁铁式旋转电机中的转子,则通过调整磁极宽度,或永久磁铁端部与电枢铁芯的磁性部等,将永久磁铁磁通,或难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比设定为适合的值,或者使启动用导体的截面形状为其中的一条边足够大于另一条边的长方形,或为等腰三角形,则可使旋转电机实现平滑的牵入同步,在实际应用时具有很大的效果。

Claims (15)

1.一种永久磁铁式旋转电机的转子,包括:
转子铁芯,其具有磁性部,沿周向形成有磁性凹凸部;
永久磁铁,其按照下述方式设置于上述转子铁芯内部,该方式为:通过相邻的磁极间的电枢绕组产生的磁通相抵消;
导体,其设置于上述转子铁芯的外周部分,在启动时产生感应电流,由此产生启动转矩;其中
上述永久磁铁,在上述电枢绕组为非励磁时的,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.1~0.7T的范围内;
上述转子铁芯,在上述磁性部中的额定负载时的难于磁化方向的固有电感(Lq)与容易磁化方向的固有电感(Ld)之比(Lq/Ld)在0.1~0.8的范围内。
2.一种永久磁铁式旋转电机的转子,包括:
转子铁芯,其具有磁性部,沿周向形成有磁性凹凸部;
永久磁铁,其按照下述方式设置于上述转子铁芯内部,该方式为:通过相邻的磁极间的电枢绕组产生的磁通相抵消;
导体,其设置于上述转子铁芯的外周部分,在启动时产生感应电流,由此产生启动转矩;其中
持续作用于上述转子铁芯上的负载基本上与电源频率的3次方成比例;
上述导体的电阻率与正常运转时的铝的电阻率基本相等;
上述永久磁铁,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.1~0.5T的范围内;
上述转子铁芯,在上述磁性部的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.8的范围内。
3.一种永久磁铁式旋转电机的转子,包括:
转子铁芯,其具有磁性部,沿周向形成有磁性凹凸部;
永久磁铁,其按照下述方式设置于上述转子铁芯内部,该方式为:通过相邻的磁极间的电枢绕组产生的磁通相抵消;
导体,其设置于上述转子铁芯的外周部分,在启动时产生感应电流,由此产生启动转矩;其中
持续作用于上述转子铁芯上的负载基本上与电源频率的3次方成比例;
上述导体其电阻率基本为以正常运转时的铝的电阻率为100%的110%;
上述永久磁铁,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.2~0.6T的范围内;
上述转子铁芯,在上述磁性部的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.7的范围内。
4.一种永久磁铁式旋转电机的转子,包括:
转子铁芯,其具有磁性部,沿周向形成有磁性凹凸部;
永久磁铁,其按照下述方式设置于上述转子铁芯内部,该方式为:通过相邻的磁极间的电枢绕组产生的磁通相抵消;
导体,其设置于上述转子铁芯的外周部分,在启动时产生感应电流,由此产生启动转矩;其中
持续作用于上述转子铁芯上的负载基本上与电源频率的3次方成比例;
上述导体其电阻率基本为以正常运转时的铝的电阻率为100%的120%;
上述永久磁铁,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.2~0.6T的范围内;
上述转子铁芯,在上述磁性部的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.6的范围内。
5.一种永久磁铁式旋转电机的转子,包括:
转子铁芯,其具有磁性部,沿周向形成有磁性凹凸部;
永久磁铁,其按照下述方式设置于上述转子铁芯内部,该方式为:通过相邻的磁极间的电枢绕组产生的磁通相抵消;
导体,其设置于上述转子铁芯的外周部分,在启动时产生感应电流,由此产生启动转矩;其中
持续作用于上述转子铁芯上的负载基本上与电源频率的3次方成比例;
上述导体其电阻率基本为以正常运转时的铝的电阻率为100%的130%;
上述永久磁铁,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.2~0.6T的范围内;
上述转子铁芯,在上述磁性部中的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.5的范围内。
6.一种永久磁铁式旋转电机的转子,包括:
转子铁芯,其具有磁性部,沿周向形成有磁性凹凸部;
永久磁铁,其按照下述方式设置于上述转子铁芯内部,该方式为:通过相邻的磁极间的电枢绕组产生的磁通相抵消;
导体,其设置于上述转子铁芯的外周部分,在启动时产生感应电流,由此产生启动转矩;其中
持续作用于上述转子铁芯上的负载基本上与电源频率的3次方成比例;
上述导体其电阻率基本为以正常运转时的铝的电阻率为100%的140%;
上述永久磁铁,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.3~0.6T的范围内;
上述转子铁芯,在上述磁性部中的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.5的范围内。
7.一种永久磁铁式旋转电机的转子,包括:
转子铁芯,其具有磁性部,沿周向形成有磁性凹凸部;
永久磁铁,其按照下述方式设置于上述转子铁芯内部,该方式为:通过相邻的磁极间的电枢绕组产生的磁通相抵消;
导体,其设置于上述转子铁芯的外周部分,在启动时产生感应电流,由此产生启动转矩;其中
持续作用于上述转子铁芯上的负载基本上与电源频率的3次方成比例;
上述导体其电阻率基本为以正常运转时的铝的电阻率为100%的150%;
上述永久磁铁,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.3~0.7T的范围内;
上述转子铁芯,在上述磁性部中的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.4的范围内。
8.一种永久磁铁式旋转电机的转子,包括:
转子铁芯,其具有磁性部,沿周向形成有磁性凹凸部;
永久磁铁,其按照下述方式设置于上述转子铁芯内部,该方式为:通过相邻的磁极间的电枢绕组产生的磁通相抵消;
导体,其设置于上述转子铁芯的外周部分,在启动时产生感应电流,由此产生启动转矩;其中
持续作用于上述转子铁芯上的负载在额定旋转次数以下基本为零,在到达额定旋转次数时,基本上与电源频率的3次方成比例;
上述导体其电阻率基本与正常运转时的铝的电阻率相等;
上述永久磁铁,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.1~0.5T的范围内;
上述转子铁芯,在上述磁性部的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.8的范围内。
9.一种永久磁铁式旋转电机的转子,包括:
转子铁芯,其具有磁性部,沿周向形成有磁性凹凸部;
永久磁铁,其按照下述方式设置于上述转子铁芯内部,该方式为:通过相邻的磁极间的电枢绕组产生的磁通相抵消;
导体,其设置于上述转子铁芯的外周部分,在启动时产生感应电流,由此产生启动转矩;其中
持续作用于上述转子铁芯上的负载在额定旋转次数以下基本为零,在到达额定旋转次数,基本上与电源频率的3次方成比例;
上述导体其电阻率基本为以正常运转时的铝的电阻率为100%的110%;
上述永久磁铁,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.2~0.6T的范围内;
上述转子铁芯,在上述磁性部的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.7的范围内。
10.一种永久磁铁式旋转电机的转子,包括:
转子铁芯,其具有磁性部,沿周向形成有磁性凹凸部;
永久磁铁,其按照下述方式设置于上述转子铁芯内部,该方式为:通过相邻的磁极间的电枢绕组产生的磁通相抵消;
导体,其设置于上述转子铁芯的外周部分,在启动时产生感应电流,由此产生启动转矩;其中
持续作用于上述转子铁芯上的负载在额定旋转次数以下基本为零,在到达额定旋转次数时,基本上与电源频率的3次方成比例;
上述导体其电阻率基本为以正常运转时的铝的电阻率为100%的120%;
上述永久磁铁,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.2~0.6T的范围内;
上述转子铁芯,在上述磁性部的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.6的范围内。
11.一种永久磁铁式旋转电机的转子,包括:
转子铁芯,其具有磁性部,沿周向形成有磁性凹凸部;
永久磁铁,其按照下述方式设置于上述转子铁芯内部,该方式为:通过相邻的磁极间的电枢绕组产生的磁通相抵消;
导体,其设置于上述转子铁芯的外周部分,在启动时产生感应电流,由此产生启动转矩;其中
持续作用于上述转子铁芯上的负载在额定旋转次数以下基本为零,在到达额定旋转次数时,基本上与电源频率的3次方成比例;
上述导体其电阻率基本为以正常运转时的铝的电阻率为100%的130%;
上述永久磁铁,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.2~0.6T的范围内;
上述转子铁芯,在上述磁性部的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.5的范围内。
12.一种永久磁铁式旋转电机的转子,包括:
转子铁芯,其具有磁性部,沿周向形成有磁性凹凸部;
永久磁铁,其按照下述方式设置于上述转子铁芯内部,该方式为:通过相邻的磁极间的电枢绕组产生的磁通相抵消;
导体,其设置于上述转子铁芯的外周部分,在启动时产生感应电流,由此产生启动转矩;其中
持续作用于上述转子铁芯上的负载在额定旋转次数以下基本为零,在到达额定旋转次数时,基本上与电源频率的3次方成比例;
上述导体其电阻率基本为以正常运转时的铝的电阻率为100%的140%;
上述永久磁铁,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.3~0.6T的范围内;
上述转子铁芯,在上述磁性部中的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.5的范围内。
13.一种永久磁铁式旋转电机的转子,包括:
转子铁芯,其具有磁性部,沿周向形成有磁性凹凸部;
永久磁铁,其按照下述方式设置于上述转子铁芯内部,该方式为:通过相邻的磁极间的电枢绕组产生的磁通相抵消;
导体,其设置于上述转子铁芯的外周部分,在启动时产生感应电流,由此产生启动转矩;其中
持续作用于上述转子铁芯上的负载在额定旋转次数以下基本为零,在到达额定旋转次数时,基本上与电源频率的3次方成比例;
上述导体其电阻率基本为以正常运转时的铝的电阻率为100%的150%;
上述永久磁铁,产生于转子与定子之间的空隙的磁通密度的平均值在0.3~0.7T的范围内;
上述转子铁芯,在上述磁性部中的额定负载时的难于磁化方向的固有电感与容易磁化方向的固有电感之比在0.1~0.4的范围内。
14.一种永久磁铁式旋转电机的转子,包括:
转子铁芯,其具有磁性部,沿周向形成有磁性凹凸部;
永久磁铁,其按照下述方式设置于上述转子铁芯内部,该方式为:通过相邻的磁极间的电枢绕组产生的磁通相抵消;
导体,其设置于上述转子铁芯的外周部分,在启动时产生感应电流,由此产生启动转矩;其中
上述导体其截面呈长方形状,其中长边沿上述转子铁芯的径向,以转子铁芯的旋转中心轴为中心呈放射状配置。
15.一种永久磁铁式旋转电机的转子,包括:
转子铁芯,其具有磁性部,沿周向形成有磁性凹凸部;
永久磁铁,其按照下述方式设置于上述转子铁芯内部,该方式为:通过相邻的磁极间的电枢绕组产生的磁通相抵消;
导体,其设置于上述转子铁芯的外周部分,在启动时产生感应电流,由此产生启动转矩;
上述导体其截面呈等腰三角形状,其中的底位于上述转子铁芯的外周侧,另外其顶点朝向转子铁芯的中心轴一侧,以转子铁芯的旋转中心轴为中心呈放射状配置。
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