CN100454716C - 永磁式旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可通过比设为理论扭斜角的情况还要减小齿槽转矩，并且使磁通密度增加而实现高输出密度化的永磁式旋转电机。其具备在圆周方向配置具有多个磁极的永久磁铁，并在上述永久磁铁的磁极的界线上设置扭斜的转子；将该转子配置在内部、具有形成了朝内侧突出的多个凸极的略呈圆筒形状的定子铁心的定子；将上述扭斜角的上限值设定为小于下述的理论角θ_s(电角)的值，下限值设定为大于理论角θ_s的一半的值。θ_s＝180×(转子磁极数)/(转子磁极数与定子磁极数的最小公倍数)(deg.)。

Description

永磁式旋转电机

技术领域

本发明涉及伺服电机等永磁式旋转电机，特别涉及谋求小型高输出密度化以及减少齿槽转矩的永磁式旋转电机。

背景技术

永磁式旋转电机的一般构成是在定子中配置有转子。定子在形成了朝内侧突出的多个凸极的略呈圆筒状的定子铁心的内周设置多个定子绕组从而形成多个磁极。转子设置有能以定子中心为旋转中心轴进行旋转的转子铁心，在转子铁心的表面或者内部设置永久磁铁，永久磁铁被磁化成N极和S极在圆周方向(旋转方向)相互交替地排列。在该旋转电机中通过对定子绕组通以适当的电流形成旋转磁场，转子便围绕旋转中心轴进行旋转。

在上述的永磁式旋转电机中产生被称为齿槽转矩的转矩。齿槽转矩是产生振动、噪音，使旋转电机的控制性能降低的主要原因。

众所周知，为了减少该齿槽转矩而在永久磁铁的界线处设置扭斜。一般永久磁铁的N极和S极的极间是相对于旋转中心轴倾斜的直线状，能使齿槽转矩最大限度地减少的理论扭斜角α(机械角)是：

α＝360/(定子侧的绕组数和磁极数的最小公倍数)(deg.)(例如参照专利文献：特开2000-308286号公报)。

若将其用转子磁极数(极数)和定子磁极数(槽数)以电角表示，则能使齿槽转矩最大限度地减少的理论扭斜角θ_s表示为：

θ_s＝180×(转子磁极数)/(转子磁极数与定子磁极数的最小公倍数)(deg.)(1)

发明内容

但是，在如上述那样在理论上决定理论扭斜角θ_s(电角)并用于实际的旋转电机时，齿槽转矩的减少仍不充分。其理由是，由于采用了扭斜而在轴(旋转中心轴)向产生漏磁通，该漏磁通对磁饱和的影响没有被考虑到。

另一方面，永磁式旋转电机有小型高输出密度化的要求，需要在输出一样时使体积减小。为了使体积缩小，有必要增加电负载或者磁负载，但是若增加电负载则线圈中的发热就变得显著，连续额定条件在温度上不能满足的可能性很高，所以通过增加电负载来实现小型高输出密度化很难。为此，要求增高磁负载即磁通密度来实现小型高输出密度化。

本发明的目的就是提供一种永磁式旋转电机，可通过比设扭斜角为理论扭斜角的情况还要使齿槽转矩减少，并且增加磁通密度来实现高输出密度化。

本发明的技术方案提供一种永磁式旋转电机，包括：转子，其在圆周方向配置具有多个磁极的永久磁铁，并在上述永久磁铁的磁极的界线上设置扭斜；内部配置有该转子的定子，具有形成有朝内侧突出的多个凸极的略呈圆筒形状的定子铁心；其是将上述扭斜角的上限值设定为小于一个电角形式的理论角度θ_s的值，下限值设定为大于该理论角度θ_s的一半的值，上述理论角度θ_s为

θ_s＝180°×(转子磁极数)/(转子磁极数与定子磁极数的最小公倍数)。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的永磁式旋转电机的主要部分的透视图。

图2是表示本发明的实施方式1的永磁式旋转电机的平面图。

图3是表示将输出为50W的永磁式旋转电机中的定子齿中央部的磁通密度(无负载时的最大值)作为参数的齿槽转矩大小的轴向分布的关系图。

图4是表示将输出为100W的永磁式旋转电机中的定子齿中央部的磁通密度(无负载时的最大值)作为参数的齿槽转矩大小的轴向分布的关系图。

图5是表示将输出为200W的永磁式旋转电机中的定子齿中央部的磁通密度(无负载时的最大值)作为参数的齿槽转矩大小的轴向分布的关系图。

图6是表示将输出为400W的永磁式旋转电机中的定子齿中央部的磁通密度(无负载时的最大值)作为参数的齿槽转矩大小的轴向分布的关系图。

图7是表示将输出为750W的永磁式旋转电机中的定子齿中央部的磁通密度(无负载时的最大值)作为参数的齿槽转矩大小的轴向分布的关系图。

图8是表示在各扭斜角中齿槽转矩大小的实测结果的关系图。

具体实施方式

实施方式1

图1和图2表示本发明实施方式1的永磁式旋转电机，更具体地讲，图1是表示主要部分的透视图，图2是平面图。

如图1及图2所示，转子3在固定于转子轴33的转子铁心31外圆周面上设置有永久磁铁32。永久磁铁32的磁极32a～32f被磁化成其N极和S极在圆周方向(旋转方向)交互排列，各磁极32a和32b、32b和32c、32c和32d、32d和32e、32e和32f、32f和32a的界线上设有扭斜(扭斜角θ)。在图2中转子3的磁极数是6。

另外，定子2在形成了朝内侧突出的多个凸极(齿)的大致呈圆筒状的定子铁心21的内周设置多个定子绕组22从而形成多个磁极。在图2中定子2的磁极数(槽数)是9。

转子3设置转子铁心31使其能够以定子2的中心为旋转中心轴进行旋转，通过对定子绕组22通以适当的电流形成旋转磁场，转子3便围绕旋转中心轴进行旋转。

在本实施方式中，根据上式(1)理论扭斜角θ_s(电角)是：

θ_s＝180×(转子磁极数)/(转子磁极数与定子磁极数的最小公倍数)

＝180×6/18＝60[deg.]

转子3的扭斜角θ(电角)取为比理论扭斜角的60°小，比理论扭斜角的一半30°大的值。

首先，作为例子将转子磁极数为2，定子磁极数为3的2极3槽的显极集中绕组永磁式旋转机中齿槽转矩发生机理进行公式化。

众所周知，齿槽转矩主要是由定子槽高次谐波(伴随因定子槽沟所产生的空隙磁导率变动的高次谐波)与转子磁动势高次谐波(因磁铁产生的磁动势波形偏离正弦波而发生的高次谐波)相互作用而产生的。

另外，作为磁饱和对齿槽转矩带来的影响可以认为是定子槽高次谐波与磁饱和所产生的高次谐波的相互作用。一般地，因为磁饱和所产生的高次谐波的主要成分也是与转子磁动势高次谐波具有相同次数的成分，故就转子磁动势高次谐波中含有磁饱和所产生的高次谐波来进行叙述。

在此，转子3的磁动势高次谐波在径向被磁化的环状永久磁铁32的情况下，磁动势波形成为矩形波状。为此，偶数次的高次谐波被消除而仅表示奇数次的高次谐波。另外，转子磁动势产生的空隙磁通密度B_r主要由转子磁动势高次谐波与平滑磁导率的积来计算，故转子磁动势高次谐波产生的空隙磁通密度B_r(z)由下式表示。其中，下式表达以轴方向作为z坐标时在某z坐标上的空隙磁通密度。

式1

$B_r\left(z\right)=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{A}_n\left(z\right)\cos \{\mathrm{n\α}-\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\ψ}}_n\}---\left(2\right)$

n＝4m±1

其中：

n：高次谐波次数

A_n(z)：n次高次谐波磁通密度在坐标z上的振幅值

α：旋转机的空间角度

ω：基本角频率

t：时间

m：不使空间高次谐波次数为负的任意整数

ψ：n次高次谐波的初始相位

另外，由定子2的槽高次谐波产生的在坐标z上的空隙磁通密度B_s(z)主要由槽磁导率高次谐波×基本磁动势来计算，由下式表示。

式2

$\mathrm{Bs}\left(z\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{S}_i\left(z\right)\cos \{\mathrm{i\α}-(\±\mathrm{\ωt})+{\mathrm{\φ}}_i\}---\left(3\right)$

i＝N_sj±1

(同号对应：double signs in same order)

其中：

i：高次谐波次数

N_s：定子槽数

S_i(z)：i次高次谐波磁通密度在坐标z上的振幅值

j：不使空间高次谐波次数为负的任意整数

n次高次谐波的初始相位

当然，若极数(转子3的磁极数)为2极的整数倍则通过将空间高次谐波次数设成极对数倍而成为相同的公式，关于极数不失一般性。另外，关于槽数(定子2的磁极数)也仅是有关j的系数发生变化，而不失一般性。所以，就2极3槽进行叙述。

其次，对永久磁铁32的扭斜磁化进行公式化。扭斜磁化就意味着转子3的磁动势的相位在轴向发生变化。若在上式(2)及上式(3)中加入此影响则表示为下式。

式3

$B_r\left(z\right)=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{A}_n\left(z\right)\cos \{\mathrm{n\α}-\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\ψ}}_n+\mathrm{n\δ}\left(z\right)\}---\left(4\right)$

n＝4m±1

$\mathrm{Bs}\left(z\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{S}_i\left(z\right)\cos \{\mathrm{i\α}-(\±\mathrm{\ωt})+{\mathrm{\φ}}_i-\mathrm{\δ}\left(z\right)\}---\left(5\right)$

i＝3j±1(同号对应)

在此，δ(z)是因扭斜产生的轴向变化的相位。

因为齿槽转矩由上述式(4)及式(5)所示的高次谐波相互作用而产生，所以可以通过计算式(4)×式(5)来探讨。

但是，齿槽转矩不是部分电磁力而是表示为旋转机一周的电磁力的积分值，故如果空间高次谐波次数不为0，则旋转机一周的积分值一定为0所以齿槽转矩为0。所以，在用式(4)×式(5)所计算的高次谐波之中，探讨空间高次谐波次数为0的组合即可。

空间高次谐波次数为0的组合存在多种，但有次数越小的成分齿槽转矩越大的倾向，另外，因为即使使用成为相等的频率(时间高次谐波)的任何高次谐波的组合公式的形式也不会发生变化，故在此考虑m＝1、m之后的符号取“+”、j＝2、j之后的符号取“-”的情况。在这种情况下，式(4)和式(5)的空间高次谐波的次数都是5(空间5次谐波)，能够通过它们的相乘运算使空间高次谐波的次数为0。

空间高次谐波的次数为0时的齿槽转矩C的公式的形式表示如下。

式4

$C\∝{\∫}_0^{l}A\left(z\right)\cos \{6\mathrm{\ωt}-6\mathrm{\δ}\left(z\right)+\mathrm{\γ}\}\mathrm{dz}---\left(6\right)$

在此，A是与磁通密度的2次方成比例的常数，因扭斜产生的轴向磁通量等在轴向有分布。l：铁心长度，γ：初始相位。

因磁饱和引起的齿槽转矩也由完全相同的形式表示。

式5

$C\∝{\∫}_0^{l}D\left(z\right)\cos \{6\mathrm{\ωt}-6\mathrm{\δ}\left(z\right)+\mathrm{\ξ}\}\mathrm{dz}---\left(7\right)$

在此，D是与磁通密度的2次方成比例的常数，因扭斜产生的轴向磁通量等在轴向有分布。ξ是初始相位。

在此，从(6)、(7)式的ωt前的系数是6可以知道齿槽转矩的主要成分是6f(f：基本频率)。

式(6)和(7)的总和为实际的齿槽转矩的近似值，但是可以容易地知道如果A(z)、D(z)在轴向没有分布为固定值，则在理论角为60°时6f成分的齿槽转矩可以减少到最小。但是，若A(z)、D(z)在轴向有分布，则可以认为在磁动势高次谐波引起的齿槽转矩和磁饱和引起的齿槽转矩的相位相抵消的轴方向中央部齿槽转矩变小。

在此，说明电动机中发生的轴向磁通。永久磁铁32产生的磁通，在有扭斜的情况下，有可能也沿轴向流动。即存在转子3表面的极间沿轴向泄漏的磁通(在图1中用箭头11表示)、在端部的轴向漏磁通(在图1中用箭头12表示)、沿轴向流过定子齿进入转子的漏磁通(在图1中用箭头13表示，以下称为齿端漏磁通)等。

实际上，关于6极9槽(转子磁极数为6，定子磁极数为9)、输出是50W、100W、200W、400W以及750W的永磁式旋转电机，在将定子2上的齿中央部的磁通密度(无负载时的最大值)作为参数，进行考虑了这些轴向漏磁通(箭头11～13)的三维电磁场分析后，就分别得到图3、图4、图5、图6以及图7所示的齿槽转矩大小沿轴向的分布。其原因如下所示。

另外，在图3～图7中，横轴是作为转子3的轴向高度以转子3的轴长进行了标准化的值，纵轴表示相对于额定转矩齿槽转矩6f成分的比例(与矢量A(z)和矢量D(z)的和近似的值)。在图3、图4中，分别是黑圆标志“●”表示齿中央部的磁通密度最大值为0.4T时的结果、白圆标志“○”表示0.8T、黑三角标志“▲”表示1.0T、白三角标志“△”表示1.2T、黑四角标志“■”表示1.3T、白四角标志“□”表示1.5T的结果。另外，在图5、图6中，分别是“●”表示齿中央部的磁通密度最大值为0.4T时的结果、符号“○”表示0.8T、符号“▲”表示1.0T、符号“△”表示1.3T、符号“■”表示1.4T、符号“□”表示1.5T时的结果。还有，在图7中，分别表示“●”表示齿中央部的磁通密度最大值为0.4T、符号“○”表示0.7T、符号“▲”表示1.0T、符号“△”表示1.1T、符号“■”表示1.2T、符号“□”表示1.3T时的结果。

另外，在本发明中齿中央部指的是，如图2虚线圆所示，定子轴方向的中央部附近并且向齿内侧突出方向的中央部附近，向齿内侧突出方向的中央部附近指的是既不是齿的顶端部也不是它的根部的部分。

一般，由于(6)、(7)式所示的由磁动势高次谐波引起的齿槽转矩和由磁饱和引起的齿槽转矩发生的相位不同，故在轴方向此饱和分布不同，由此齿槽转矩也在轴方向具有分布。

在此，在高输出密度化、高磁通密度化的永磁式旋转电机中，若因扭斜引起的齿端漏磁通所产生的影响增大，将促进轴方向中央部的磁饱和，在轴方向中央部由由磁动势高次谐波引起的齿槽转矩和由磁饱和引起的齿槽转矩相互抵消，而发生与在端部所产生的齿槽转矩相比变小的现象，就能够通过图3～图7来确认。

另外，从图3～图7可知，定子齿中央部的磁通密度在无负载时大于等于1T，在磁饱和较大、具有扭斜的永磁式旋转电机中，不管什么情况，都是轴方向中央部的齿槽转矩小而端部的齿槽转矩大。

在实际的6极9槽的、对转子施加扭斜、且电流条件满足连续额定规格的多台永磁式旋转电机中，变换扭斜角(电角)来测定齿槽转矩的大小后，得到图8所示的结果。在这种情况下，通过三维电磁场分析确认为齿中央部的无负载时的磁通密度是1.25T～1.35T左右。

在图8中，横轴表示扭斜角度，由于是6极9槽故其理论角为60°。纵轴表示作为齿槽转矩相对值实测齿槽转矩相对于理论扭斜角的齿槽转矩的比例。在图8中分别是符号L1所示的虚线表示输出为50W的永磁式旋转电机的实测结果，符号L2所示的一点划线表示输出为100W的永磁式旋转电机的实测结果，符号L3所示的实线表示输出为200W的永磁式旋转电机的实测结果，符号L4所示的两点划线表示输出为400W的永磁式旋转电机的实测结果，符号L5所示的实线表示输出为750W的永磁式旋转电机的实测结果。

从图8可知，在所有的永磁式旋转电机中，比理论角60°小、且比理论角的一半30°大的扭斜角的齿槽转矩为最小。

另外，若扭斜角变小则感应电压增大，所以还存在可得到更高输出密度化的辅助效果。

另外，图8是定子齿中央部的磁通密度的最大值在无负载是为1.25～1.35T左右情况下的，对于扭斜角(电角)的齿槽转矩大小的实测结果。但根据图3～图7，在定子齿中央部的磁通密度的最大值在无负载时为大于等于1T的永磁式旋转电机中，不管哪一种情况，轴向中央部的齿槽转矩小、在端部变大的倾向都是显著的，所以在大于等于1T时就认为能得到与图8相同的结果。

另外，在图3～图7中，定子齿中央部的磁通密度的最大值在无负载时为大于等于1T的情况下，轴向中央部的齿槽转矩小、端部齿槽转矩大的倾向是显著的，但是，可认为上述磁通密度的下限值根据永磁式旋转电机的输出、轴长、齿端漏磁通的漏磁通量，转子和定子的磁极数等而有所不同。

并且，在上述中说明了在转子的磁极数(极数)与定子的磁极数(槽数)的比是2∶3的永磁式旋转电机上适用本发明的情况。在这样的磁极数比的永磁式旋转电机中，由于转子磁极数和定子磁极数的最小公倍数比较小、齿槽转矩大，故最佳扭斜角的选择就更有效果。但是不言而喻本发明并不限定于上述磁极数比，也能够适用于具有其他磁极数比的永磁式旋转电机。

进而，上述中说明了在定子的内侧设置转子的永磁式旋转电机，但不言而喻也适用于定子在内侧转子在外测的外转子型永磁式旋转电机。

如上所述，根据本发明就能够得到一种永磁式旋转电机，其具备在圆周方向配置具有多个磁极的永久磁铁，并在上述永久磁铁的磁极的界线上设置扭斜的转子；将该转子配置在内部、具有形成有朝内侧突出的多个凸极的大致呈圆筒形状的定子铁心的定子；由于将上述扭斜角的上限值设定为小于后述的理论角θ_s(电角)的值，将下限值设定为大于理论角θ_s的一半的值，所以可通过比设为理论扭斜角的情况还减少齿槽转矩，并且冲大磁通密度来实现高输出密度化。

θ_s＝180×(转子磁极数)/(转子磁极数与定子磁极数的最小公倍数)(deg.)

Claims (2)

1.一种永磁式旋转电机，其特征在于包括：

转子，其在圆周方向配置具有多个磁极的永久磁铁，并在上述永久磁铁的磁极间的界线上设置扭斜；内部配置有该转子的定子，该定子具有形成有朝内侧突出的多个凸极的呈圆筒形状的定子铁心；

其中，将上述扭斜角的上限值设定为小于一个电角形式的理论角度θ_s的值，下限值设定为大于该理论角度θ_s的一半的值，上述理论角度θ_s为

θ_s＝180°×(转子磁极数)/(转子磁极数与定子磁极数的最小公倍数)。

2.根据权利要求1所述的永磁式旋转电机，其特征在于：转子的磁极数与定子的磁极数之比为2∶3。

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