CN100426627C

CN100426627C - 永磁式电动机

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Publication number: CN100426627C
Application number: CNB038258153A
Authority: CN
Inventors: 菊池友弘; 宫崎高志; 米谷晴之; 山口信一
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-01-15
Filing date: 2003-01-15
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2023-01-15
Also published as: US7474027B2; JP4591085B2; CN1729604A; DE10394041T5; JPWO2004064225A1; US20060131976A1; WO2004064225A1

Abstract

永磁式电动机(1)具有固定了永久磁铁(31)的转子，转子(20)以如下方式形成：转子磁极部(24)的外周形状为，从横剖视图来看前述转子磁极部在圆周方向中央部距离转子铁芯(21)的中心的距离最长，前述转子磁极部在极间部距离前述转子铁芯的中心的距离最短，并且从横剖视图来看转子磁极部(24)的外侧面形成圆弧；在使由永久磁铁(31)的从横剖视图来看的外侧面和转子磁极部(24)的从横剖视图来看的外侧面形成的被覆厚度tc大致均匀，使永久磁铁(31)的磁铁厚度为tm时，满足tc/tm≤0.25。

Description

永磁式电动机

技术领域

本发明涉及带有永久磁铁的永磁式电动机中的齿槽转矩(cogging torque)、转矩线性度特性的改良。

背景技术

根据实开昭62-119175号公报说明现有的永磁式电动机。这样的永磁式电动机(以下称为“磁铁表面式电动机”)具有转子，该转子具有固定于转轴外周部的多个永久磁铁，该永久磁铁之间的隔离片，以及向半径方向推压该永久磁铁表面的由非磁性体所构成的推压部件。

根据这样的磁铁表面式电动机，因为其磁铁固定在转子表面，所以表示转矩与电流的直线性的转矩线性度特性优良。因此，由于高负荷时可以以小电流获得大转矩，所以控制性优良。

但是，因为上述磁铁表面式电动机需要固定永久磁铁的推压部件等，所以构造复杂。

于是，为了解决上述课题，特开2000-197292号公报提出了永久磁铁嵌入式电动机。

根据该公报提出的技术，永久磁铁嵌入式电动机具有矩形磁铁用孔，该磁铁用孔对应于转子极数，等间隔设置在转子铁芯的圆周方向，以铁芯圆周方向为长边，以铁芯直径方向为短边，并贯穿轴方向；在前述各个磁铁用孔中，以磁极面沿铁芯直径方向且邻接的磁极彼此不同的方式，安装永久磁铁；形成于前述永久磁铁的各个外周侧磁极面上的转子磁极部的外周形状为，各个转子磁极部分别形成圆弧状，圆周方向中央部距离铁芯中心的距离最大，极间部距离铁芯中心的距离最小。

根据这种永久磁铁嵌入式电动机，由于永久磁铁被嵌入转子铁芯中，所以不需要固定永久磁铁的推压部件。

但是，在上述特开2000-197292号公报所述的永久磁铁嵌入式电动机中，因为没有规定转子铁芯外周部的厚度，所以产生以下问题：因空隙磁通量密度的高次谐波成分，使得成为未通电时产生的转矩波动的齿槽转矩偏大，且无法提高转矩线性度。

本发明用于解决上述课题，其目的是提供减小齿槽转矩并提高转矩线性度的永磁式电动机。

发明内容

第1项发明涉及的永磁式电动机，其特征在于，具有：定子，该定子带有定子线圈；以及转子，该转子具有对应于转子极数设置且在轴方向穿透设置的多个磁铁用孔，并且以邻接的磁极交替不同的方式固定永久磁铁，前述转子以如下方式形成，即，形成于前述永久磁铁的各个外周侧磁极面上的转子磁极部的外周形状为，从横剖视图来看前述转子磁极部在圆周方向中央部距离前述转子铁芯中心的距离最长，前述转子磁极部在形成于第1前述永久磁铁和与其相邻的第2前述永久磁铁之间的极间部距离前述转子铁芯中心的距离最短，并且从横剖视图来看前述转子磁极部的外侧面形成圆弧，前述磁铁用孔的外侧与前述圆弧基本相同，以大致弓形穿透设置，在使由前述永久磁铁的从横剖视图来看的外侧面与前述转子磁极部的从横剖视图来看的外侧面所形成的被覆厚度tc基本均匀，并以前述永久磁铁的厚度为磁铁厚度tm的情况下，满足tc/tm≤0.25。

根据这种永磁式电动机，与现有的永久磁铁嵌入式电动机相比，具有齿槽转矩小且转矩线性度提高的效果。

第2项发明涉及的永磁式电动机，其特征在于，满足0.143≤tc/tm≤0.174。

根据这种永磁电动机，具有进一步减小齿槽转矩的效果。

第3项发明涉及的永磁式电动机，其特征在于，在以转子的外侧面距离转子铁芯中心最大的直径作为转子最大直径Dr，以由转子磁极部的外侧面形成的圆弧的半径为转子圆弧半径Rp的情况下，满足0.23≤Rp/Dr≤0.32。

根据这种永磁式电动机，因为从转子上的永久磁铁的N(S)极到S(N)极的磁通量波形接近理想的正弦波，所以具有减小齿槽转矩的效果。

第4项发明涉及的永磁式电动机，其特征在于，在以对应于前述永久磁铁厚度的前述磁铁用孔的宽度为孔宽th，在前述磁铁用孔的两端设置大致半圆面，以该半圆面的半径为孔端部半径Rh的情况下，满足0.45≤Rh/th≤0.5。

根据这种永磁式电动机，因为设置于转子上的磁铁用孔的角部的应力集中被缓和，所以具有可以使转子高速旋转的效果。

第5项发明涉及的永磁式电动机，其特征在于，使n为大于或等于1的正整数，使前述转子的极数为2n、前述定子的突极的个数为3n。

根据这种永磁式电动机，如果在例如转子上形成扭斜(skew)，则具有进一步减小齿槽转矩的效果。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的永磁式电动机的横剖面图。

图2是图1所示的永磁式电动机的转子的横剖面图。

图3是表示图1所示的永磁式电动机的从转子到定子的磁通量流动的局部放大横剖面图。

图4是图1所示的永磁式电动机与现有的磁铁嵌入式电动机的各部分的数值、特性的比较图。

图5是解析转子磁极部的被覆厚度为tc、永久磁铁的磁铁厚度为tm的情况下的tc/tm与转矩线性度的关系而得到的特性图。

图6是解析转子磁极部的被覆厚度为tc、永久磁铁的磁铁厚度为tm的情况下的tc/tm与齿槽转矩的关系而得到的特性图。

图7是对转子最大直径为Dr、转子圆弧半径为Rp的情况下的Rp/Dr与齿槽转矩的关系进行磁场解析而得到的特性图。

图8是本发明另外的实施例的转子的端部的局部放大横剖面图。

图9是对磁铁用孔的孔宽th与磁铁用孔的孔曲率Rh的比Rh/th与磁铁用孔的两端角部的应力相对值进行解析而得到的特性图。

具体实施方式

实施例1.

通过图1至图3说明本发明的一个实施例。图1是本发明的一个实施例的永磁式电动机的横剖面图，图2是图1所示的永磁式电动机的转子的横剖面图，图3是表示图1所示的永磁式电动机的从转子到定子的磁通量流动的局部放大横剖面图。

在图1及图2中，永磁式电动机1的结构为，具有：定子10，该定子10由将薄的电磁钢板冲裁并层叠该电磁钢板得到的定子铁芯11构成，并且具有卷绕在12个突极11t上的定子线圈13；以及转子20，该转子20具有永久磁铁31，并且为8极，以使n为大于或等于1的正整数，使转子20的极数为2n，使定子10的突极11t的个数为3n的方式形成，在定子10和转子20之间形成空隙g，当使定子线圈13通电时，由旋转磁场使转子20旋转。

转子20是由将厚度tr(未图示)为0.35(mm)的电磁钢板以规定形状冲裁并层叠而成的转子铁芯21构成，其为具有与磁极相同数目的花瓣的菊花徽章形，在轴方向上，在永久磁铁31的内侧方向的中心穿透设置孔21y，沿轴方向以剖面大致弓形穿透设置8个用于将永久磁铁31嵌入并固定的磁铁用孔21e，具有形成于相互邻接的第1永久磁铁31和第2永久磁铁31之间的极间部21s，并且以第1永久磁铁31和第2永久磁铁31的磁极不同的方式配置，在永久磁铁31的定子10的方向，即永久磁铁31的外侧方向形成转子磁极部24。

转子磁极部24以如下方式形成，各个转子磁极部24成为外侧面24c(外周形状)在圆周方向中央部距离转子铁芯21的中心的距离最长，在永久磁铁31的极间部21s距离转子铁芯21中心的距离最短这样的圆弧状；使成为从永久磁铁31的外侧面到转子磁极部24的外侧面24c的距离的被覆厚度tc大致恒定，考虑到进行冲裁制造，以尽量薄的方式形成被覆厚度tc。

永久磁铁31为剖面大致弓形，在转子20的直径方向上具有磁铁厚度tm。

根据如上所述构成的永磁式电动机1，因为转子20的转子磁极部24以电磁钢板形成，所以如图3所示，来自于永久磁铁31的磁通量Ф穿过转子磁极部24而发生泄漏。但是，因为转子20的转子磁极部24的被覆厚度tc以很薄的方式形成，所以该转子磁极部24的磁阻变得非常大，因而从永久磁铁31穿过转子磁极部24而泄漏的磁通量变小。因此，因为转子磁极部24的磁通量接近饱和状态，所以由定子10的旋转磁场所产生的磁通量很难穿过转子20的转子磁极部24，因而可以提高转矩线性度。

永磁式电动机1的具体例如图1及图4所示，以如下方式形成：因为转子20的直径是变化的，所以成为转子20的外侧面24c的最大直径的转子最大直径Dr＝107(mm)，成为由转子磁极部24的外侧面24c形成的圆弧半径的转子圆弧半径Rp＝29.1(mm)，转子直径比Rp/Dr＝0.272，转子磁极部24的端部上被覆永久磁铁31的恒定值的被覆厚度tc＝0.5(mm)，永久磁铁31的半径方向上的磁铁厚度tm＝3(mm)，磁铁厚度比tc/tm＝0.16。根据这种永磁式电动机1，可以获得齿槽转矩相对值为1.0，转矩线性度相对值为1.059的特性。

与之相对，在现有的永久磁铁嵌入式电动机中，因为转子磁极部的被覆厚度tc是变化的，所以在最大的被覆厚度tc＝5(mm)，永久磁铁31的磁铁厚度tm、转子最大直径Dr、转子圆弧半径Rp、转子直径比Rp/Dr与永磁式电动机1相同的情况下，齿槽转矩的相对值为3.267，转矩线性度的相对值为0.6479。因此，与现有的永久磁铁嵌入式电动机相比，永磁式电动机1的齿槽转矩、转矩线性度的特性得到改善。

<转矩线性度>

首先，根据图5说明转子磁极部24的被覆厚度tc、永久磁铁31的磁铁厚度tm与转矩线性度的关系。图5是解析磁铁厚度比tc/tm与转矩线性度的关系而得到的特性图。

如图5所示，可以看出，要增大转矩线性度就必须减小磁铁厚度比tc/tm。因为如果减小磁铁厚度比tc/tm，则相对于磁铁厚度tm，转子磁极部24的被覆厚度tc相对地变小，所以转子20的转子磁极部24的磁通量接近饱和状态。因此，因为从转子20向定子10流入的磁通量的泄漏减少，所以转矩线性度可以变大。

<齿槽转矩>

(1)磁铁厚度比tc/tm

图6是解析转子磁极部的被覆厚度为tc、永久磁铁的磁铁厚度为tm情况下的磁铁厚度比tc/tm与转矩线性度的关系而得到的特性图。

在图6中，用单点划线表示现有的永久磁铁嵌入式电动机，可以看出，要使永磁式电动机1的齿槽转矩比该永久磁铁嵌入式电动机的齿槽转矩低，则磁铁厚度比tc/tm只要设定在tc/tm≤0.25的范围内即可。

因为磁铁厚度比tc/tm在0.158附近时转子磁极部24上的磁通量饱和，所以齿槽转矩的相对值变得最小，如果磁铁厚度比tc/tm超过0.158，则齿槽转矩的相对值变大。这是由于，随着转子磁极部24的被覆厚度tc相对于永久磁铁31的磁铁厚度tm变大，从永久磁铁31向转子磁极部24的磁通量的泄漏增大。

磁铁厚度比tc/tm不足0.158时，齿槽转矩的相对值增大。这是因为虽然随着被覆厚度tc相对于磁铁厚度tm减小，从永久磁铁31向转子磁极部24的磁通量的泄漏减小，但从永久磁铁31向定子铁芯11穿过的磁通量增加，所以齿槽转矩的相对值变大。

如上所述，永磁式电动机1的齿槽转矩在磁铁厚度比tc/tm为0.158附近时最小，随着磁铁厚度比tc/tm超过0.158而变大，并随着磁铁厚度比tc/tm比0.158小而增加。

即使以永磁式电动机1的磁铁厚度比tc/tm＝0.158制造，磁铁厚度tm及被覆厚度tc也会产生尺寸公差。若将其定为5％，则tc/tm的最小值为0.158×0.95/1.05＝0.143。

另一方面，磁铁厚度比tc/tm的最大值为0.158×1.05/0.95＝0174。

因此，通过将磁铁厚度比tc/tm设定为0.143≤tc/tm≤0.174的范围，可以更进一步减小齿槽转矩。

此外，为了使永磁式电动机1得到现有的永久磁铁嵌入式电动机的齿槽转矩相对值的大约一半的特性，可以将磁铁厚度比tc/tm设定在0.12≤tc/tm≤0.2的范围内。

(2)转子直径比Rp/Dr

接下来，根据图7所示的、对到转子20最外周面的转子外侧直径为Dr、到转子磁极部24曲面的转子圆弧半径为Rp的情况下的铁芯转子直径比Rp/Dr与齿槽转矩的关系进行磁场解析而得到的特性图进行说明。

在图7中，因为转子直径比Rp/Dr在0.29附近时，转子磁极部24上的永久磁铁31的从N(S)极向S(N)的磁通量波形接近理想的正弦波，所以永磁式电动机1的齿槽转矩极小。

因为如果转子直径比Rp/Dr超过0.29，则随着转子圆弧半径Rp相对于转子20的直径Dr变大，妨碍永久磁铁31从N(S)极向S(N)的切换部分中的磁通量变化的圆滑性，也就是说，远离理想的正弦波形，所以齿槽转矩增大；铁芯转子直径比Rp/Dr不足0.29的情况下，随着转子圆弧半径Rp相对于转子最大直径Dr变小，齿槽转矩增大。

如果转子直径比Rp/Dr为0.272的恒定值，则现有的磁铁嵌入式转子的齿槽转矩相对值为3.267。

因此，要使本实施例中的永磁式电动机1的齿槽转矩小于或等于现有的磁铁嵌入式转子的齿槽转矩，则转子直径比Rp/Dr只要设定在0.23≤Rp/Dr≤0.32的范围内即可。

此外，为了永磁电动机1得到现有的永久磁铁嵌入式电动机的齿槽转矩相对值的大约一半的特性，可以将转子直径Rp/Dr设定在0.255≤Rp/Dr≤0.303的范围内。

如上所述，通过将转子最大直径Dr、转子圆弧半径Rp设定在0.23≤Rp/Dr≤0.32的范围内，另外，使转子磁极部24的被覆厚度tc恒定，设定永久磁铁31的磁铁厚度tm为2.5(mm)、磁铁厚度比tc/tm为0.125≤tc/tm≤0.190的范围，则与现有的永久磁铁嵌入式电动机相比，可以提高转矩线性度，并能够减小齿槽转矩。

此外，通过将磁铁厚度比tc/tm设定为0.143≤tc/tm≤0.174的范围，可以更进一步减小齿槽转矩。

此外，使转子20的极数为2n，使定子10的突极11t的个数为3n的这种结构，在转子20上形成扭斜时，可以进一步减小永磁电动机1的齿槽转矩。

实施例2.

通过图8说明本发明的另外的实施例。图8是本发明的另外的实施例的转子的端部的局部放大横剖面图。

除了齿槽转矩、转矩线性度以外，永磁式电动机的重要特性有最大旋转速度。如果提高最大旋转速度，则因为可以使由电动机驱动的机械高速地工作，所以能够提高生产性。

但是，如图8所示，在转子20上设置磁铁用孔21e，将永久磁铁31插入磁铁用孔21e，并以粘合剂等固定的永磁式电动机中，如果提高最大旋转速度，则担心会在磁铁用孔21e的两端角部产生应力集中，对永久磁铁31的固定产生不良影响。

因此，为了解决上述课题，可以考虑如图8所示，在磁铁用孔21e上设置弯曲部以减小应力集中，该磁铁用孔21e用于安装沿转子20的轴方向穿透设置的大致弓形的永久磁铁。

该磁铁用孔21e上，使转子20半径方向的长度为孔宽th，在磁铁用孔21e的两端角部设置大致半圆面，在该半圆面的半径为孔端部半径Rh的情况下，设定孔宽th＝2.6(mm)，孔端部半径Rh＝1.3(mm)，孔比Rh/th＝0.5。

下面，使用图9所示的、解析孔比Rh/th与磁铁用孔21e两端角部的应力相对值而得到的特性图进行说明。

根据图9，在孔比Rh/th＝0.5时磁铁用孔21e的两端角部的应力相对值最小，在0.4≤Rh/th时，磁铁用孔21e两端角部的应力相对值在1.0到1.2之间，为实际使用中不会产生问题的水平。

如上所述，宽度为th、孔端部直径为Rh的情况下，通过设定为0.4≤Rh/th的范围，在转子20旋转时，可以减小由离心力所产生的、在磁铁用孔21e两端的角部发生的应力集中。

工业上实用的可能性

如上所述，本发明涉及的永磁式电动机适合用于例如同步型电动机。

Claims

1.一种永磁式电动机，其特征在于，具有：

定子，该定子带有定子线圈；以及

转子，该转子具有对应于转子极数设置且在轴方向穿透设置的多个磁铁用孔，并且以邻接的磁极交替不同的方式固定永久磁铁，

前述转子以如下方式形成，即，形成于前述永久磁铁的各个外周侧磁极面上的转子磁极部的外周形状为，从横剖视图来看前述转子磁极部在圆周方向中央部距离前述转子铁芯中心的距离最长，前述转子磁极部在形成于第1前述永久磁铁和与其相邻的第2前述永久磁铁之间的极间部距离前述转子铁芯中心的距离最短，并且从横剖视图来看前述转子磁极部的外侧面形成圆弧，

前述磁铁用孔的外侧与前述圆弧基本相同，以弓形穿透设置，

在使由前述永久磁铁的从横剖视图来看的外侧面与前述转子磁极部的从横剖视图来看的外侧面所形成的被覆厚度tc基本均匀，并以在横剖视图下整体形成大致弓形的前述永久磁铁的厚度为磁铁厚度tm的情况下，满足

tc/tm≤0.25。

2.一种永磁式电动机，其特征在于，具有：

定子，该定子带有定子线圈；以及

在使由前述永久磁铁的从横剖视图来看的外侧面与前述转子磁极部的从横剖视图来看的外侧面所形成的被覆厚度tc基本均匀，并以在横剖视图下整体形成大致弓形的前述永久磁铁的厚度为磁铁厚度tm的情况下，满足0.143≤tc/tm≤0.174。

3.如权利要求1或2所述的永磁式电动机，其特征在于，

在以前述转子的外侧面距离前述转子铁芯中心最大的直径作为转子最大直径Dr，以由前述转子磁极部的外侧面形成的圆弧的半径为转子圆弧半径Rp的情况下，满足

0.23≤Rp/Dr≤0.32。

4.如权利要求1或2所述的永磁式电动机，其特征在于，

在以对应于前述永久磁铁厚度的前述磁铁用孔的宽度为孔宽th，在前述磁铁用孔的两端设置大致半圆面，以该半圆面的半径为孔端部半径Rh的情况下，满足

0.45≤Rh/th≤0.5。

5.如权利要求1或2所述的永磁式电动机，其特征在于，

使n为正整数，使前述转子的极数为2n、前述定子的突极的个数为3n。