CN101119041A - 永磁式同步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种永磁式同步电机，通过使感应电压波形比现有技术接近于正弦波，从而降低转矩波动。永磁式同步电机的转子铁心的外形形状利用余弦函数的倒数来规定。在本发明中，利用余弦函数的倒数规定转子铁心的外形形状的范围在电角160度以上。

Description

永磁式同步电机
技术领域
本发明涉及永磁式同步电机，尤其涉及转子铁心形状适用余弦函数的倒数的电机。
背景技术
现有的永磁式同步电机的转子的铁心外形基本为圆形形状，其外周部具有等间隔形成了的突起即凸极部。但是，在具有这样的转子铁心的电机中，由于反电动势波形的紊乱引起的转矩波动较大。最近，在反电动势波形为正弦波的情况下，由其引起的转矩波动理论上不会发生，另外，为了使反电动势波形为正弦波，而使定子的内周面和转子铁心的外周面之间的空隙满足余弦函数的倒数(B/cos(Cθ)；B、C是常数)是有效的，这一结论已渐渐为人所知。例如，日本特开2001-346368号公报以及日本特开2002-165394号公报公开了一种对于具有凸极部的转子铁心使用余弦函数的倒数规定空隙的永磁式内置型电机。
转子铁心具有凸极部时，在该凸极部上，由于转子和定子的空隙变小，所以可得到高磁力，成为高效电机，但却存在转矩波动容易变大的缺陷。因此，在例如日本特开平6-14509号公报中公开了一种不在转子铁心设置凸极部而将余弦函数的倒数用在转子铁心的外形上，着眼于减低转矩波动的电机。
图4是表示如日本特开平6-14509号公报所示的转子铁心不具有凸极部的情况下的转子铁心的剖面形状的图。该图所示的永磁式同步电机100具有：未图示的具备电枢线圈的定子112(仅概要图示内周面)；以及在与定子112之间具有空隙G并构成为可随旋转轴116旋转的转子114。转子114具有与旋转轴116连接的转子铁心118和以等间隔固定在转子铁心118的周向上的多个永磁铁120。再有，图示例子的转子铁心118是8极(极对数为4)的转子铁心，因此，8个永磁铁以机械角为45度的间隔配置。旋转轴116和转子铁心118的结合是通过结合配置在层叠的转子铁心118的两端部的未图示的端板和旋转轴116，再结合端板和杆122而实现的。
转子铁心118的外形形状如上所述利用余弦函数的倒数而规定。但是，在如图4的E部所示的永磁铁的附近，从磁铁的支撑性的观点出发，转子铁心118的外形利用适当的圆角处理(例如R＝0.9mm)作成终端，因此在永磁铁附近，转子铁心的外形形状不是按照余弦函数的倒数的形状。因此，反电动势波形和正弦波的差别变大，转矩波动无法做到足够低的数值。
发明内容
因此，本发明鉴于在永磁铁附近的转子铁心形状的重要性，其目的在于提供一种通过使感应电压波形比现有技术的接近于正弦波，而降低转矩波动的永磁式同步电机。
为达到上述目的，本发明提供一种永磁式同步电机，具有定子以及转子，该转子具有通过适用余弦函数的倒数来限定外形的转子铁心及以等间隔配置在该转子铁心的周向上的多个永磁铁，其特征在于，上述余弦函数的倒数适用于上述转子铁心外形的范围是电角为160度以上的范围。
优选上述余弦函数的倒数适用于上述转子铁心外形的范围扩及到具有空隙为上述转子和上述定子之间的空隙的最小值的4倍以上的角度位置。
优选在以上述转子的旋转中心为原点且以磁极中心为0度的极坐标系中，关于上述转子的外周部和上述旋转中心的R坐标及θ坐标，关系式R＝A-B/cos(Cθ)成立，其中：A、B及C是常数。
优选在以上述转子的旋转中心为原点，以磁极的中心轴为X轴，且以与该X轴正交的轴作为Y轴的直角坐标系中，关于上述转子的外周部的X坐标及Y坐标，关系式X＝A′-B′/cos(C′Y)成立，其中：A′、B′及C′是常数。
附图说明
通过参照附图说明以下优选实施方式，可更进一步明确本发明的上述或其他目的、特征及优点。
图1是表示涉及本发明的第一实施方式的永磁式同步电机的剖面结构的图。
图2是比较表示本发明及现有的电机的转矩波动的图。
图3是表示涉及本发明的第二实施方式的永磁式同步电机的转子铁心的剖面结构的图；
图4是表示现有的永磁式同步电机的剖面结构的图。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明。图1所示的第一实施方式的永磁式同步电机10具有：具备未图示的电枢线圈的定子12(仅概要图示内周面)；以及在与定子12之间具有空隙G并构成为可随旋转轴16旋转的转子14。转子14具有与旋转轴16连接的转子铁心18和以等间隔固定在转子铁心18的周向上的多个永磁铁20。再有，图示例子的转子铁心18是8极(极对数为4)的转子铁心，因此，8个永磁铁以机械角为45度的间隔配置。旋转轴16和转子铁心18的结合是通过结合配置在层叠的转子铁心18的两端部的未图示的端板和旋转轴16，再结合端板和杆22而实现的。这些结构可以与图4所示的现有结构相同。
转子铁心18的外形形状由余弦函数的倒数来规定。即、定子12的内周面和转子铁心18的外周面之间的空隙G(从旋转中心沿径向延伸的方向上的距离)用下式(1)表示，表示转子铁心18的外形的函数R(极坐标系)可从式(2)中求出。其中，A、B及C是常数。
G(θ)＝B/cos(Cθ)                    (1)
R(θ)＝A-B/(Cθ)                     (2)
本发明的特征在于，如图1的(D)部所示，转子铁心的外形形状按照上式(2)的范围比现有范围大，具体地，可达到电角度为160度以上的范围。例如，在图1所示的8极转子铁心18的情况下，各永磁铁20之间的机械角为45度，但基于上式(2)，规定转子铁心18的外形的范围为机械角40度以上即电角160度(机械角×极对数)以上。在图4所示的现有的转子铁心中，由于考虑到磁铁的支撑等，各磁铁之间转子铁心外形按照余弦函数的倒数的范围是机械角约34度(电角136度)的范围。与此相对，由于本发明大幅增加了电角，所以可使感应电压波形更接近于正弦波。
在上式(2)中，利用极坐标规定转子铁心18的外形，但还可以用将旋转轴16的中心作为原点、将磁极的中心轴作为X轴、将与X轴正交的轴作为Y轴的正交坐标系来规定。这种情况下，表示转子铁心18的外形的函数从下式(3)中求出。其中，A′、B′及C′是常数。
X＝A′-B′/cos(C′Y)                            (3)
在图4所示的现有的电机中，使用余弦函数的倒数规定转子铁心118的外形的范围内的空隙的最小值G3及最大值G4分别为1mm及2mm，二者之间没有较大的差。与此相对，在本发明中，如图1所示，使用余弦函数的倒数规定转子铁心18的外形的范围内的空隙的最小值G1及最大值G2分别可以作成1mm及4mm。由于定子和转子之间的磁通密度与空间G成反比，所以在本发明中，在空间G较大的区域即永磁铁20附近，磁通密度比现有技术大幅减小。由于在全角度区域将余弦函数的倒数适用于转子铁心18的外形是不可能的(因为在电角180度的位置，空间G为无限大)，所以作为转矩波动的反电动势波形的紊乱在永磁铁附近必然会多少发生些。但是，在本发明中，由于可以将该区域中的空隙作成比其它区域的空隙格外大(例如最小值的4倍)，所以，反电动势波形不是正弦波的区域的影响变得极小，因此，可提供转矩波动被充分减低的电机。
图2是表示比较本发明及现有的永磁式同步电机的转矩成分(24次成分)的例子的图表。转矩一般用使用高次谐波次数即机械角Nt、感应电压的高次谐波次数Nv、电流的高次谐波次数Ni及极对数p的下式(4)表示。
Nt＝(Nv±Ni)×p                            (4)
例如，在图1及图4所示的8极(4对)的电机中，感应电压的影响为5次项(Nv＝5)，设电流为正弦波，则Ni＝1，所以根据上式，每旋转一转发生24次的转矩波动。
如图2所示，现有电机中的转矩波动(波形振幅)约为0.36Nm(peak topeak)，与此相对，本发明的电机减低为约0.24Nm(peak to peak)，即得到了改善。另外，虽未图示，但齿槽转矩也从现有的约0.049Nm(peak to peak)改善为0.031Nm(peak to peak)，证实了本发明的有效性。
图3是表示涉及本发明的永磁式同步电机的第二实施方式的转子铁心38的图。在图1所示的第一实施方式中，棒状的永磁铁20呈放射状配置，但在第二实施方式中，棒状的永磁铁40在各自的角度位置以在切线方向上延伸的朝向埋入转子铁心38中。在这种结构中，转子铁心38的外形可在电角160度以上的范围内作成适用余弦函数的倒数的形状。另外，除第一及第二实施方式以外，本发明还可适用于将永磁铁粘贴在转子铁心的表面上的现有的粘贴型电机。
根据涉及本发明的永磁式同步电机，将余弦函数的倒数适用于转子铁心外形的范围是电角160度以上，可比现有技术使反电动势波形更接近于正弦波。因此，可提供一种可充分抑制转矩波动的高性能的电机。
另外，根据本发明，可以将转子铁心的外形形状不基于余弦函数的倒数的区域的空隙作成最小空隙的4倍以上，因此可极大地减低了源自反电动势波形的紊乱的区域的影响。
参照为说明而选定的特定实施方式对本发明进行了说明，但可明确：本领域技术人员在不脱离本发明的基本概念及范围内可以进行各种变更。

Claims (4)

1.一种永磁式同步电机(10)，具有：定子(12)；以及转子(14)，该转子(14)具有通过适用余弦函数的倒数而限定外形的转子铁心(18)及以等间隔配置在该转子铁心(18)的周向上的多个永磁铁(20)，其特征在于，
上述余弦函数的倒数适用于上述转子铁心(18)的外形的范围是电角为160度以上的范围。
2.根据权利要求1所述的永磁式同步电机，其特征在于，
上述余弦函数的倒数适用于上述转子铁心(18)的外形的范围扩及到空隙(G2)为上述转子(14)和上述定子(12)之间的空隙(G)的最小值(G1)的4倍以上的角度位置。
3.根据权利要求1或2所述的永磁式同步电机，其特征在于，
在以上述转子(14)的旋转中心为原点且以磁极中心为0度的极坐标系中，关于上述转子(14)的外周部和上述旋转中心的R坐标及θ坐标，关系式R＝A-B/cos(Cθ)成立，其中：A、B及C是常数。
4.根据权利要求1或2所述的永磁式同步电机，其特征在于，
在以上述转子(14)的旋转中心为原点，以磁极的中心轴为X轴，且以与该X轴正交的轴为Y轴的直角坐标系中，关于上述转子(14)的外周部的X坐标及Y坐标，关系式X＝A′-B′/cos(C′Y)成立，其中：A′、B′及C′是常数。
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