CN100438272C - 永磁电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供通过减少电枢反作用磁通、同时改善外周部分铁心的磁通分布而使噪声及振动少的高效率的永磁电动机。转子铁心2A中具有在与以其轴心为中心的大致正多边形的各边对应的部位形成的永磁铁放置孔5；分别插入该永磁铁放置孔中的永磁铁4；以及形成于永磁铁放置孔的外周部分铁心、并沿永磁铁放置孔隔开配置的径向细长的大于等于4个的缝隙孔6，使缝隙孔的径向外侧一端的间距大致相等，径向内侧一端的间隔在与永磁铁的中间部分对应的位置较大，随着从中间部分离开到端部而相应减小。

Description

永磁电动机

技术领域

本发明涉及具有在转子铁心的内部埋入多个永磁铁而构成的转子的永磁电动机。

背景技术

已公开有通过对转子铁心埋入设置永磁铁而具有优异的抗去磁性、提高效率的永磁电动机(例如参照特开平11-187597号公报)。图11为对这种永磁电动机的转子在将其转轴插入之前从转轴插入方向来看的端部侧视图。在图11中。转子2由将外形形状为圆形的钢片层叠形成整体为柱状的转子铁心2a、以及省略图示的转轴构成。转子铁心2a在接近外周的与大致正八边形的各边所对应的部分形成永磁铁放置孔5，在这些永体放置孔5中分别埋入永磁铁4。将这些永磁铁4进行磁化，使得交替形成N极与S极。在各永磁铁放置孔5的外侧的外周部分铁心3中，沿永磁铁放置孔5相互隔开设置径向细长的多个缝隙孔6。然后，在该转子铁心2a的中心部分，具有插入转轴用的转轴孔8。

上述以往的永磁电动机的转子铁心2a中设置的缝隙孔6是等间隔配置，通过这样使永磁铁4的磁通沿径向进出，同时使得由定子绕组电流产生的磁通(以下称为电枢反作用磁通)不沿外周部分铁心3的圆周方向迂回。

但是，在等间隔配置多个缝隙孔6时，由永磁铁4产生的圆周方向的磁通分布形成梯形形状。因此，存在的问题是，因定子与转子的几何学位置关系产生的齿槽效应转矩增大、振动增大。

另外，还存在的问题是，定子绕组中感应的电压，形成含有很多高次谐波的失真波形，导致噪声增大外，还因铁损增大而导致效率降低。

再有，存在的问题是，在对定子供给三相正弦交流进行驱动时，由于作为转矩起有效作用的仅是基波分量，高频分量形成转矩波动，由于该转矩波动而使振动及噪声增大。

本发明正是考虑到上述的情况而提出的，其目的在于提供通过减少电枢反作用磁通、同时改善外周部分铁心的磁通分布而使噪声及振动少的高效率的永磁电动机。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供第1至第5方面所述的永磁电动机。本发明第1方面有关的永磁电动机，具有将钢片层叠形成整体为柱状的转子铁心；在该转子铁心中、在与以其轴心为中心的大致正多边形的各边对应的部位形成的永磁铁放置孔；分别插入永磁铁放置孔中的永磁铁；以及形成在永磁铁放置孔的外周部分铁心并沿各永磁铁放置孔隔开配置的径向细长的多个缝隙孔，其中，

缝隙孔的径向外侧一端的间距大致相等，径向内侧一端的间距在与永磁铁的中间部分相对应的位置较大，随着从中间部分离开到端部而相应减小。

本发明第2方面有关的永磁电动机，是在第1方面所述的永磁电动机中，使永磁铁的各边部分与正弦波的底边相对应，缝隙孔的径向内侧一端的间距与正弦波的高度成正比。

本发明第3方面有关的永磁电动机，是在第2方面所述的永磁电动机中，设n为正整数，转子磁极数为2n个，则分别集中卷绕导线而形成的定子齿数为3n个，并且所述正弦波的底边对应于将所述永磁铁的各边部分向中间方向缩短后的部位。

本发明第4方面有关的永磁电动机，是在第1方面所述的永磁电动机中，使缝隙孔的径向外侧一端与转子铁心的外周之间的铁心宽度对应于永磁铁的中间部分的部位，比两侧部分大。

本发明第5方面有关的永磁电动机，是在第1方面所述的永磁电动机中，使永磁铁放置孔的径向外侧一端与缝隙孔的径向内侧一端之间的铁心宽度、以及缝隙孔的径向外侧一端与转子铁心的外侧之间的铁心宽度，分别为钢片厚度的1至3倍。

根据本发明，能够提供由于减少电枢后作用磁通、以及进一步还改善外部铁心的磁通分布、而因此噪声及振动少的高效率的永磁电动机。

附图说明

图1为作为本发明有关的永磁电动机的第1实施形态、在插入转轴之前从转轴插入方向来看的转子端部侧视图。

图2为作为本发明有关的永磁电动机的第2实施形态、在插入转轴之前从转轴插入方向来看的转子端部侧视图。

图3为详细说明图2所示的转心铁心的外周部分铁心中形成的缝隙孔的径向内侧一端的间距用的部分放大图。

图4为决定图2所示的转子铁心的外周部分铁心中形成的缝隙孔的径向内侧一端的间隙用波形图。

图5为作为本发明有关的永磁电动机的第3实施形态的转子及定子的端部侧视图。

图6为决定图5所示的转子铁心的外周部分铁心中形成的隙孔的径向内侧一端的间隙用波形图。

图7为图5所示的转子铁心中产生的磁通分布图。

图8为作为本发明有关的永磁电动机的第4实施形态、从转轴插入方向来看的转子端部分放大侧视图。

图9为说明图8所示的第4实施形态的动作用的感应电压波形图。

图10为驱动各实施形态有关的永磁电动机的驱动电路图。

图11为对以往的永磁电动机的转子在将其转轴插入之前从转轴插入方向来看的端部侧视图。

具体实施方式

以下，根据附图所示的理想实施形态来详细说明本发明。

图1为作为本发明有关的永磁电动机的第1实施形态、在插入转轴之前从转轴插入方向来看的转子端部侧视图。在图中，对于与表示以往装置的图11相同的要素附加同一标号，并省略其说明。这里，转子2由将外形形状为圆形的钢层叠形成整体为柱状的转子铁心2A、以及省略图示的转轴构成。

转子铁心2A在接近外周的与大致正四边形的各边所对应的部分形成永磁铁放置孔5，在这些永磁铁放置孔5中分别埋入永磁铁4。在各永磁铁放置孔5的外侧的外周部分铁心3中，沿永磁铁放置孔5相互隔开设置径向细长的多个、例如10个缝隙孔6。然后，在该转子铁心2A的中心部分设置插入转轴用的转轴孔8，在它的周围设置贯穿螺栓用孔9。

本实施形态中，缝隙孔6的径向外侧一端的间距沿转子铁心2A的外周大致相等，径向内侧一端的间距在与永磁铁4的中间部分相对应的位置较大，随着从中间部分离开到端部而相应减小。

通过上述那样配置缝隙孔6，则由于通过缝隙孔6之间的磁极铁心的永磁铁4的磁通与接近永磁铁4的缝孔6的端部间距大致成正比，因此通过外周部分铁心3的永磁铁4的磁通分布沿圆周方向来看，其中间部分最大，随着从永磁铁4的中间部分到端部而相应减小。因此，能够增大产生转矩的有效磁通，同时与磁通呈梯形形状分布的情况相比，高次谐波磁通减少，铁损也减少，另外因齿槽效应转矩减少，而可抑制振动。

其结果，根据第1实施形态，能够提供通过利用多个缝隙孔来减少电枢反作用磁通、改善外部铁心的磁通分布而使噪声及振动少的高效率的永磁电动机。

图2为作为本发明有关的永磁电动机的第1实施形态、在插入转轴之前从转轴插入方向来看的转子端部侧视图。在图中，对于与表示第1实施态的图1相同的要素附加同一标号，并省略其说明。这里所示的转子铁心2B，沿永磁铁放置孔5相互隔开设置12个缝隙孔6。在这种情况下，缝隙孔6的径向外侧一端的间距沿转子铁心2B的外周大致相等，径向内侧一端的间距使永磁铁4的各边部分与正弦波的底边相对应，使缝隙孔的径向内侧一端的间距与正弦波的高度成正比。

图3为详细该转子铁心2B的永磁铁4的外周部分铁心3中形成的缝隙孔6的径向内侧一端的间距用的部分放大图，设永磁铁4的长度方向中间部分的间距为P1，然后决定P2、P3、……P6、P7，使得随着从中间部分到端部而依次减小。这些间距P1-P7如图所示，使得与电角度180度区间相对应的正弦波(半波)的底边与永体4的长度W相对应，将该正弦波沿电角度方向进行15等分，设等分的中间部分的高度为P1，设其外侧的高度依次为P2、P3、…、P6、P7，这时来决定缝隙孔6的径向内侧一端的间距P1-P7，使得与这些高度P1-P7成正比。通过这样，由于使其具有P1＞P2＞P3＞P4＞P5＞P6＞P7的关系，同时与这些间距P1-P7成正比的磁通通过，因此得到大致正弦波的磁通分布。

其结果，根据第2实施形态，能够提供通过利用多个缝隙孔来减少电枢反作用磁通、更进一步改善外部铁心的磁通分布而使噪声及振动少的高效率的永磁电动机。

图5为作为本发明有关的永磁电动机的第3实施形态的转子及定子的端部侧视图，特别是作为转子2，采用与图3所示的转子铁心2B类似的转子铁心2C。在这种情况下，n为正整数，例如设为n，转子2的磁极数为2n(＝4)个，分别集中卷绕导线7的定子1的齿数为3n(＝6)个，并且图4所示的正弦波的底边对应于永磁铁4的各边部分向中间方向缩短后的部位，来决定缝隙孔6的径向内侧一端的间距P1-P7。

在转子2的磁极数与定子1的齿数之间若设有2n:3n的关系，则与转子2的磁极的角度间距相比，由于定子1的齿的角度间距小，因此定子1的各相的齿不能接受转子2的一个极大小的全部磁通。

图6为解决这样问题用的说明图，永磁铁4的全长W与正弦波的底边并不是完全一样对应，在从永磁铁4的两端向内侧缩短规定尺寸的部分，决定缝隙孔6的径向内侧一端的间距P1-P7，使得决定具有与图4所示的相同面积的正弦波，并与将它等分而得到的高度P1-P7成正比，这样构成转子铁心2C。通过这样，如图7所示，在第2实施形态中，以虚线的曲线P所示的磁通分布，可以变成第3实施形态中以实线的曲线Q所示那样上升变得随急、中间部分的磁通增强的更接近正弦波的磁通分布。通过这样，与第2实施形态相比，能够进一步改善感应电压波形及提高电动机的效率。

其结果，根据第3实形态，能够提供通过利用多个缝隙孔来减少电枢反作用磁通、更进一步改善外部铁心的磁通分布而使噪声及振动少的高效率的永磁电动机。

图8为作为本发明有关的永磁电动机的第4实施形态、从转轴插入方向来看的转子端部部分放大侧视图，在图中，对于与图3相同的要素附加同一标号，并省略其说明。这里所述的转子铁心2D是这样的，它对于缝隙孔6的径向外侧一端与转子铁心2D的外周之间的铁心宽度，仅在与永磁铁的中间部分相对应的部位较大，例如d2那样，而偏离中间部分的部位较小，例如d1那样。以下，说明其理由。

若使缝隙孔6的径向外侧一端与转子铁心的外周之间的铁心宽度全部相等，则如图9所示，在磁通大的中间部分，有时在感应电压波形中出现振幅小的振荡，即出现波动。这可以认为是，对于磁通的强度，由于缝隙孔6的径向外侧一端与转子铁心的外周之间的铁心宽度过窄，磁阻将增大。对于本实施形态有关的转子铁心2D，仅在磁通分布明明表现出波动的磁极中心附近，使缝隙孔6的径向外侧一端与转子铁心2D的外周之间的铁心宽度d2大于除此以外的部位的铁心宽度d1，通过这样不损害缝隙孔6产生的磁通分布控制的效果，能防止感应电压的波动。

其结果，根据第4实施形态，能够提供通过利用多个缝隙孔来减少电枢反作用磁通、更进一步改善外部铁心的磁通分布而使噪声及振动少的高效率的永磁电动机。

图10为驱动上述永磁电动机的驱动电路。图中，利用变换器11将来自交流电源10的交流变换为直流，再将该直流输出通过变频输出的逆变器12变换为任意频率的交流，供给永磁电动机13(以下称为电动机13)。根据电动机13的端电压，利用位置检测单元14检测电动机13的转子位置，将它作为位置信号向控制单元15送出。控制单元15利用位置信号，控制逆变器12，使得逆变器12的输出频率与电动机13的旋转频率同步。另外，电动机13大致上是三相同步电动机，与此相对应，逆变器12也构成三相桥式，U、V、W各相的正侧桥臂用U+、V+、W+表示，负侧桥臂用U-、V-、W-表示。利用图示的电路结构，构成直流无整流子电动机。另外，根据电动机端电压来检测电动机转子位置的方式称为无传感器方式或间接式位置检测方式。

对于电动机13的各相绕组如众所周知那样，在各瞬时使某一相的正侧桥臂与另一相的负侧桥臂形成一对进行导通动作，而其它的各桥臂处于断开状态。通过在三相之间依次切换应该导通的桥臂，就从逆变器12对电动机13供给所希望的三相输出。通过这样，能够对定子供给三相正弦交流进行驱动。

另外，若根据防止磁通沿圆周方法迂回的观点，则希望永磁铁放置孔5的径向外侧一端与缝隙孔6的径向内侧一端之间的铁心宽度、以及缝隙孔6的径向外侧一端与转子铁心的外周之间的铁心宽度要尽可能地窄，但是对于钢片的冲孔，则希望有一定程度的余量，另外为了减少前述的波动，比较适当的是设为电磁钢片的片厚的1至3倍。

另外，在上述实施形态中，说明的是在转子铁心中对以它的轴心为中心的正四边形的各边所对应的部位埋入永磁铁的结构，但本发明不限定于适用于这种情况，也可以适用于构成在转子铁心中对以它的轴心为中心的大致正多边形的各边所对应的部位分别埋入永磁铁的转子的几乎所有的永磁电动机。

再有，在上述各实施形态中，说明的是在外周部分铁心3具有10个或12个缝隙孔6的情况，但若是在与正弦波相关来配置缝隙孔的关系方面具有大于等于4个的缝隙孔6，则可以将本发明适用于它们的所有情况。

Claims (6)

1.一种永磁电动机，具有转子，所述转子具有

将钢片层叠形成整体为柱状的转子铁心；

在该转子铁心中、在与以其轴心为中心的大致正多边形的各边对应的部位形成的永磁铁放置孔；

分别插入所述永磁铁放置孔中的永磁铁；以及

形成在所述永磁铁放置孔的外周部分铁心上并沿各所述永磁铁放置孔隔开配置的径向细长的多个缝隙孔，

其特征在于，

所述缝隙孔的径向外侧一端的间距大致相等，径向内侧一端的间距在与所述永磁铁的中间部分相对应的位置较大，随着从中间部分离开到端部而相应减小。

2.权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于，

使所述永磁铁的各边部分与正弦波的底边相对应时，所述缝隙孔的径向内侧一端的间距与所述正弦波的高度成正比。

3.如权利要求2所述的永磁电动机，其特征在于，

设n为正整数时，转子磁极数为2n个，则分别集中卷绕导线而形成的定子齿数为3n个，并且所述正弦波的底边对应于将所述永磁铁的各边部分向中间方向缩短后的部位。

4.如权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于，

使所述缝隙孔的径向外侧一端与所述转子铁心的外周之间的铁心宽度对应于永磁铁的中间部分的部位，比两侧部分大。

5.如权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于，

使所述永磁铁放置孔的径向外侧一端与所述缝隙孔的径向内侧一端之间的铁心宽度、以及所述缝隙孔的径向外侧一端与所述转子铁心的外周之间的铁心宽度，分别为所述钢片厚度的1至3倍。

6.如权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于，

沿1个所述永磁铁放置孔，至少设置4个所述缝隙孔。

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