CN1405948A - 电动机转子 - Google Patents

Abstract

提供了一种电动机的转子，它能利用磁阻转矩通过改进感应电压波形能有效地改进扭矩变化，并能有效地改进永久磁铁型同步电动机的磁铁转矩。一个转子11包括由铁磁性材料制成的芯12，一定数量的永久磁铁14周向等间隔地安装在芯12的外表面上，永久磁铁14安置成使它们的极N、S在面向定子的一侧上交替地安置。另外，在芯的中心轴和永久磁铁14之间的芯中埋置有分别与永久磁铁对应的弧形永久磁铁16，永久磁铁16的安置方式与对应的永久磁铁14的相同。

Description

电动机转子

发明领域

本发明关于用在如电车车体上的永磁型同步电动机(PM电动机)类的电动机转子。

相关技术的描述

以前，人们已知道这种永磁型同步电动机***，其中该转子具有磁凸起件，从而有效地利用磁阻转矩，它按照转子的结构分为埋置磁铁型和表面磁铁型。

埋置磁铁型具有的结构是永外磁铁埋置在转子中，并构成利用磁阻转矩的永磁型同步电动机。

另一方面，在表面磁铁型的结构中，作为一个例子，转子1安置成如图10所示。转子1包括一个由铁磁性材料制成的芯2，芯2外表面上以一定间隔粘有永久磁铁3，在永久磁铁3之间设有凸起件4。该表面磁铁型是利用由转子1的凸起件产生磁阻转矩的永磁型同步电动机。

但是，由于在埋置磁铁型中，永久磁铁埋置在转子芯中，在芯中会发生永久磁铁的磁通量短路。

另一方面，由于在表面磁铁型中，几乎不会发生磁通量短路并可有效地利用永久磁铁的磁通量，因此可减少所用的永久磁铁的量。

然而，由于在表面磁铁型中在面向磁铁的定子上的绕组的感应电压波形包含大量的谐波电动机的转矩变化(转矩波动)变得较大，这会导致转子振动和由振动引起的噪音。

有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种电动机的转子，由于它能改进感应电压的波形和有效地改进利用磁阻的永磁型同步电动机的磁铁转矩，而能有效地改进转矩的变化。

本发明的第二个目的在于提供一种电动机的转子，它能有效地改进利用磁阻转矩的永磁型同步电动机中的功率因素。

发明概述

为了达到本发明的第一个目的，权利要求1的发明设置如下：

权利要求1的发明的特征在于：在永磁型同步电动机中提供与定子呈匹配关系的转子，其中转子包括由铁磁性材料制成的芯，一定数量的第一永久磁铁周向等间隔地安装在芯的外表面上，和第一永久磁铁安置成使该永久磁铁的极N.S在面向定子的一侧交替地安置；其中在芯的中心轴和第一永久磁铁之间的芯中埋置分别与第一永久磁铁相对应的第二永久磁铁，第二永久磁铁的安置方式与相对应的第一永久磁铁的安置方式相同。

如上所述，在权利要求1的本发明中，在形成转子的永久磁铁中，转子安置成使在芯的外表面中的第一永久磁铁与埋置在芯中的第二永久磁铁分开。

因此，按照权利要求1的发明，如果采用与传统的表面磁铁型转子相同的总数量的永久磁铁，就可改进在定子和转子之间产生的磁通量密度及感应电压的波形，这样改进电动机的转矩的变化，由于增加了电枢互连的磁通量，也改进了磁铁转矩。

另外，为了达到本发明的第二个目的，权利要求2和3的本发明设置如下：

权利要求2的本发明的特征在于：按照权利要求1的转子，其中埋置的第二个永久磁铁的位置与第一个永久磁铁的安装位置在芯的转动方向上偏置一个预定的角度。

权利要求3的本发明的特征还在于：一个用于与永久磁铁型同步电动机的定子呈匹配关系的转子，其中该转子包括：由铁磁性材料制成的芯，一定数量的永久磁铁周向等间隔地安装在芯的外表面上，使永久磁铁安置成使该永久磁铁的极N.S在面向定子的一侧上交替地安置；其中芯子做成在安装在外表面上的永久磁铁之间具有凸起件，每个凸起件在芯转动方向的前端具有一个切口。

下面将描述上面结构的权利要求2和3的本发明的特征。

由于在权利要求1的本发明或图10所示的传统的转子中利用了磁阻转矩，电枢磁通量将增大。因此，电动机的功率因素将减小。为了改进功率因素，必须抑制电枢磁通量，但这会减小转矩。

为了消除上述缺点，宜采用权利要求2和3中设定的结构。

亦即在权利要求2的本发明中，埋置的第二永久磁铁的位置与第一永久磁铁的安装位置在芯的转动方向偏置一个预定的角度。另外，在权利要求3的本发明中，每个凸起件在芯转动方向的前端具有一个切口。

在上述结构中，由于不仅在磁铁转矩中产生微小的变化，而且尽管磁阻转矩稍有下降也可降低峰值相位(超前角)，所得出的转矩峰值(磁铁转矩加磁阻转矩)几乎不降低。

另外，由于除了电枢磁通量下降外，它的相位也变化了，感应电压和电流之间的相位差减小，改进了电动机的功率因素。因此，可以降低电动机的最大输出，这对用蓄电池作电源的低电压应用情况来说是特别有效的。

附图说明

图1(A)～1(B)表示本发明电动机转子的第一个实施例，图1(A)是平面视图，图1(B)是侧视图；

图2是比较电枢互连磁通量的曲线；

图3是表示电枢互连磁通量对埋置磁铁层数的比较图；

图4是表示相位感应电压的波形比较的曲线；

图5是表示转矩波动对埋置的磁铁层数的比较的曲线；

图6(A)～(B)表示本发明电动机转子的第二个实施例的结构，图6(A)是一个平面视图，图6(B)是一个侧视图；

图7是表示电动机的感应电压的磁铁分量、感应电压的电枢分量，从这些分量得出的感应电压和流过该电动机的电流的比较的曲线图；

图8是表示电动机的磁铁转矩，电动机的磁阻转矩，从这些转矩分量得出的转矩和电动机的功率因素的比较的曲线；

图9(A)～(B)表示本发明电动机的转子的第三个实施例，图9(A)是平面图，图9(B)是一个侧视图；

图10(A)～(B)表示电动机的传统的转子的结构，图10(A)是平面图，图10(B)是侧视图；

图11是表示本发明电动机转子的第四个实施例的结构的平面视图。

优选实施例的详细描述

现在将参照附图详细描述本发明的实施例。

下面将参照图1来描述本发明电动机转子的第一个实施例的结构。

第一个实施例的转子用于永磁型同步电动机上，并采用与永磁型同步电动机的已知定子(未示出)呈匹配关系。

正如图1所示，转子11包括一个铁磁性体的芯12，它是一个叠层的钢板块13，由例如由一定厚度的硅钢板制成。在芯12的外表面上装有沿周向呈一定间隔的一定数量的永久磁铁(14)(例如4块)。

更具体地说，在芯12的外表面上周向地提供4个凹口15，永久磁铁14牢固地分别埋在凹口15中。永久磁铁14安置成使表面侧(面向图中未示的定子的一侧)上的S、N极如图1所示，交替地安置。

在永久磁铁14和芯12中心之间的芯12中，埋有与永久磁铁14相对应的弧形永久磁铁16，如图1所示，弧形永久磁铁16的安置与相对应的永久磁铁14的安置相同，如图1所示。

更具体地说，芯12做成弧形槽17，该槽从离永久磁铁14两端等距离的芯的圆周上的点上沿永久磁铁14大约地径向向内，在弧形槽17中分别牢固地埋设弧形的永久磁铁16。

在芯12的中心设有转动轴(未示出)的安装孔18。

在图1的转子中，埋置在芯12中的永久磁铁16呈单层安置。然而，相当于永久磁铁16的永久磁铁可以多层安置，如两层或三层。

如果上述结构的第一个实施例的转子用于现有的永磁型同步电动机上，电动机的转矩T以下式表示：

T＝Pn×Φa×iq+Pn(Ld-Lq)×id×iq……(1)这里表达式(1)的第一项代表磁铁转矩，第二项代表磁阻转矩。

在表达式(1)中，Pn代表永久磁铁14的磁极对的数量，Φa是由 $\mathrm{\Φa}=\sqrt{3/2}\×\mathrm{\Φf}$ 给出( 指3/2的平方根，Φf是永久磁铁产生的电枢互连磁通量的最大值)，Ld，Lq是d和q轴的电感，id，iq是电枢电流的d和q轴的分量。

现在将描述采用某个永磁型同步发电机的第一个实施例的转子上和如图10所示的传统的转子上进行的各种比较性试验的试验结果。在这些试验中，用在第一个实施例的转子11上的永久磁铁14、16的总量与用在如图10所示的传统转子1上的永久磁铁3的总量相同。

图2表示电枢互连磁通量的基本波形的比较，曲线A表示传统转子的情况，曲线B表示第一个实施例的转子的情况。

比较两种情况的波形，第一个实施例的转子的电枢互连磁通量比传统转子的约大10％。这意味着表达式(1)中的Φa增大约10％，这样在表达式(1)中的第一项的磁转矩改进了约10％。

图3表示埋置在转子中的永久磁铁除了第一个实施例的转子11的情况外，还安置成2或3层时的电枢互连磁通量的比较图。从该比较图可以看出，在埋置在转子中的永久磁铁增到2层或3层时，电枢互连磁通量随着层数增大而增大，因此增大了磁铁转矩。

图4表示在电动机定子上的绕组中感应的相位感应电压的波形的比较曲线。从比较曲线可以看出，在传统的表面型转子的情况下，相位感应电压的波形由于它的高谐波分量为如图中实线所示的台阶形。由于转矩的波形由加到电动机上的感应电压和正弦电流的积表示的，因此在传统的转子的情况下会产生较大的转矩变化。

与此相反，在第一个实施例的转子的情况下，由于相位感应电压的波形改进成如图1的虚线和点划线所示，同样也改进成转矩的变化。在转子中埋置的电磁层数增多，转矩变化的改进程度就更大，在图5中示出了层数和转矩变化(转矩波动)的改进程度之间的关系。

第一个实施例1的转子11是电动机为内转子型时的转子的例子。然而，与转子11的情况一样，在芯的外表面中设有永久磁铁14与埋在芯中的永久磁铁16分开这样的概念可用在电动机为外转子型时的转子上。

现在参见图6描述本发明电动机转子的第二个实施例的结构。

在如图10所示的传统的转子1中，由于采用了由凸起物4产生的磁阻转矩，电枢磁通量将增大。因此，电动机的功率因素将降低。为了改进该功率因素，必须抑制电枢磁通量，但这又会不利地降低转矩。

因此，为了消除这个缺点，设计了如图6所示的第二个实施例的转子21。

亦即转子21包括如图1所示的铁磁性体的芯22，它是一个叠层的钢块23，由例如具有一定厚度的硅钢板制成。在芯22的外表面上，在周向以一定间隔地安装一定数量(例子中为4个)的永久磁铁24。另外，芯22做成在永久磁铁24之间的、用以产生磁阻转矩的凸起件25。

更具体地说，在芯22的外表面上做成沿周向呈一定间隔的一定数量(本例中为4个)的凹口26，在凹口26之间还具有弧形凸起件。永久磁铁24牢固地埋设在凹口中。永久磁铁24安置成使它们表面侧上的磁极S、N交替设置，如图6所示。

另外，每个凸起件的在芯22的转动方向上的前端部切出如图6所示的斜面，这样凸起件25做成一个倾斜的和一个弧形的部分。因此凸起件25形状相同，然而如图6所示，它们在横向非对称地设置在芯22上。

现在将描述各种比较试验的试验结果，这些试验是在上述结构的第二个实施例的转子和用于现有永磁型同步电动机的图10所示的传统的转子上进行的。在这些试验中，用在第二个实施例的转子21中的永久磁铁24的总数量与用在图10所示的传统转子1中的永久磁铁的数量相同。

图7是一个曲线图，它表示在电动机相位感应电压的磁铁分量的基波、它的电枢分量的基波、所得出的相位感应电压的基波和流过该电动机的相位电流之间的比较。

研究这些曲线，可以看出无论是第二个实施例，还是传统的转子情况，相位感应电压的磁铁分量基本是相同的，它们如图7中的实线A所示。

与此相反，在第二个实施例的情况下相位感应电压的电枢分量由实线B1所示的曲线表示，与虚线B2所示的传统转子的作整体比较，该曲线如图所示发生了移位。因此在第二个实施例的转子的情况下，所得出的相位感应电压由实线C1所示的曲线表示，与虚线C2所示的传统转子的情况作整体比较，该曲线如图所示发生了移位。

因此，比较电动机所得出的相位感应电压和流过该电动机的电流的相位差异，可得出在第二个实施例的转子的情况下的值θ1，该值小于传统转子情况下由θ2表示的值。

图8是一个曲线图，它表示一个电动机的磁铁转矩、该电动机的磁阻转矩以及从这些转矩分量和电动机的功率因素得出的转矩之间的比较。

研究这些比较曲线可以看出，首先，磁铁转矩无论在第二个实施例的转子的情况、还是在传统的转子的情况下，其数值均基本相同，如图8中实线A所示。

与此相反，在第二个实施例的转子的情况下由实线B1所表示的曲线代表磁阻转矩，该曲线与传统转子情况下的虚线B2所示作整体比较，它移位到电流相位的负侧。

因此，在第二个实施例的转子的情况下，所得出的磁阻转矩和磁铁转矩的转矩由实线C1所示的曲线表示，在传统的转子的情况下，该转矩由虚线C2表示。因此，在第二个实施例的情况下，最大值是相同的，但象磁阻转矩一样，该曲线整体移位到电流相位的负侧。

然而，如上所述，在电动机的所得出的相位感应电压和流过该电动机的相位电流之间的相位差小于传统转子情况下的相位差，因此，在第二个实施例的转子的情况下，该电动机的功率因素由图8的实线D1所示的曲线表示，它示出与传统转子情况下由虚线D2所示的相比的改进情况。

上述第二个实施例的转子21是在电动机是内转子型时的转子。然而，与转子21的情况一样，在产生磁阻转矩的部分凸起件25切掉的情况下，该转子可用于电动机是外转子型的转子。

下面将参照图9来描述本发明电动机转子的第三个实施例的结构。

在上述第二个实施例的转子11中，由于采用了磁阻转矩，将增加电枢磁通量。因此，该电动机的动力因素将降低。为了改进该动力因素，有必要抑制电枢磁通量，然而这样做又会不利地降低转矩。

因此，为了消除这个缺点，第三个实施例的转子31改成如图9所示。

正如图9所示，第三个实施例的转子31基本具有与图1所示的转子11相同的结构，只是埋置在芯12中的弧形永久磁铁36的安装位置在转子31的转动方向上偏置一个θ角。

亦即如图9所示，转子31安置成在永久磁铁16和芯12的中心之间的芯12中埋置与永久磁铁14对应的弧形永久磁铁36，弧形永久磁铁36的安装位置在转子31的转动方向上整体偏置一个θ角。

更具体地说，芯12做成具有弧形槽37，该槽沿永久磁铁14从其两端延伸。然后该槽安置成使槽37的外端位置并不等于离永久磁铁14两端的距离，电动机转子31转动方向的前侧上的距离大于后侧的距离，弧形永久磁铁36分别牢固地埋设在弧形槽37中。

其它的结构与第一个实施例中的转子11相同，因此同样的构件用相同的数字表示，并省略对它们的描述。

按照具有上述结构的第三个实施例，与第二个实施例相比，可以改进转子的特性。

也就是说，按照第三个实施例，由于不仅磁铁转矩变化很小，而且尽管磁阻转矩略有下降，还可减小峰值相位，因此所得出的转矩峰值几乎不降低(见图8)。

另外，由于除了电枢磁通量降低外，它的相位也有变化，降低了相位感应电压和相位电流之间的相位差，因此改进了电动机的功率因素(见图7和8)。

上述第三个实施例的转子31是内转子型电动机的转子，然而与转子31一样，埋设在永久磁铁36的安装位置在转子31的转动方向偏置θ角的构思也可用于外转子类型的电动机的转子上。

现在参照附图11来描述本发明电动机转子的第四个实施例的结构。

在如图9所示的上述第三个实施例中，在所述的转子31中永久磁铁14安装在芯12的外表面上，一层永久磁铁36埋置在芯12中，而第四个实施例则具有如下的设置。

亦即，第四个实施例的转子41和图11所示，省略了芯12外表面中的永久磁铁14，多层(在此情况下为两层)永久磁铁36A、36B埋置在芯12中，埋置在永久磁铁36A内侧的永久磁铁36B的安装位置如图所示，在转动方向上偏置θ角。

如上所述，按照权利要求1的本发明，如果采用和传统的表面磁铁型转子总数相同的永久磁铁数，一个电动机的转子由于在转子和定子之间产生的磁通密度的改进、由此改进感应电压的波形，从而能改进电动机转矩的变化，并能由于增加了电枢互连磁通量而有效地改进磁铁转矩。

另外，按照权利要求2的本发明，能提供一个转子，它不仅利用磁阻转矩能有效地改进PM电动机的效率，而且还能产生改进转矩变化、磁铁转矩及功率因素的效果。

另外，按照权利要求3的本发明，提供一个转子，它能利用磁阻转矩有效改进PM电动机的效率。

Claims (3)

1.一个用于与永久磁铁型同步电动机上的定子呈匹配关系的转子，其特征在于：该转子包括：一个由铁磁性材料制成的芯，一定数量的第一永久磁铁周向等间隔地安装在芯的外表面上，该第一永久磁铁安置成使面向定子的一侧上的第一永久磁铁的极N、S交替地安置；在芯的中心轴和第一永久磁铁之间的芯中埋置有分别与第一永久磁铁相对应的第二永久磁铁，第二永久磁铁的安置分别与相对应的第一永久磁铁的安置方式相同。

2.按照权利要求1的电动机的转子，其中埋置的第二永久磁铁的安装位置与第一永久磁铁的安装位置、在芯的转动方向上偏置一个预定的角度。

3.一个用于与永久磁铁型同步电动机上的定子呈匹配关系的转子，其特征在于：该转子包括：一个由铁磁性材料制成的芯，一定数量的永久磁铁周向等间隔地安装在芯的外表面上，该永久磁铁安置成使面向定子一侧上的永久磁铁的极N、S交替地安置；芯做成具有安装在外表面的永久磁铁之间的凸起件，每个凸起件在芯的转动方向的前端具有一个切掉部分。

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