CN101771317B - 永磁式旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高性能的永磁式旋转电机，其通过应用适合于低速、大转矩、大电流驱动时的定子构造，能够减轻由大电流时产生的磁饱和引起的转矩降低及伴随电流增加的损失、发热的增大。在转子铁心的永磁铁插入孔的外侧的磁极铁心上设置抑制永磁铁磁通和定子侧磁通在转子铁心磁极部倾斜的多个狭缝，在磁极铁心上，将设置狭缝的范围设置为22度电角至82度电角的范围内。

Description

永磁式旋转电机

技术领域

本发明涉及一种在转子上具备励磁用的永磁铁的永磁式旋转电机，尤其涉及一种多极的低速、大转矩、以大电流驱动的永磁式旋转电机。

背景技术

随着高残留磁通密度磁铁的发展，永磁式旋转电机的性能飞跃性地提高，并在所有的领域上采用。尤其根据最近的环境规则的观点，对于以机动车用为首的车辆用电动机和空调用压缩机要求有高能量效率，永磁式旋转电机的适用比率处于非常高的倾向的状态。

另一方面，对于工业用的旋转电机的领域，相同的永磁式旋转电机的适用比率也扩大。尤其适用由低速、大转矩驱动的永磁式旋转电机的各种加工、成形机从以往的液压、气压系统替换。为了以低速、大转矩驱动多极的永磁式旋转电机，考虑到市场上流通的永磁铁的磁能积受到限制的情况时，需要采取使永磁式旋转电机的体积变大或通过大电流等对应。

为了以低速、大转矩驱动多极的永磁式旋转电机而使旋转电机的体积变大时，需要将装入有旋转电机的机械侧的空间确保得更加大。但是，由于最近对于加工、成形机械的需求为省空间化及输送、安设的简便化，即小型化、轻量化，因此基于永磁式旋转电机的体积增大的转矩的提高对策是不现实的。

另外，对于基于增加对旋转电机的通电电流的转矩提高对策，由于旋转电机内部的磁饱和，转矩相对于电流的线形性变坏，因此需要更多地通过用于产生所要求的转矩的电流。在该情况下，在旋转电机上卷绕安装的电枢绕阻上产生的铜损变得显著，需要另外设置电动机的冷却机构，其结果是，形成省空间化的需求倒退的情况。

并且，为了向旋转电机供给充分的电流，需要实现控制旋转电机的控制装置的大容量化，带来功率转换元件的大容量化和各部配电系统的大容量化。在该情况下，引起使用功率量和控制装置的损失增大，需要设置专利文献1所示那样的冷却、废热机构。因此，产生系统整体繁杂化和成本增加，并且由于背离与当前的节能要求，因此这些也不能够积极地采用。

另一方面，在加工、成形机械中，当在加工的位置转矩差异很大时，由于存在得不到加工、成形所需要的转矩的情况，因此必须使旋转电机的转矩脉动变小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种永磁式旋转电机，其通过适用适合低速、大转矩、大电流驱动时的转子构造，能够减轻由大电流时产生的磁饱和引起的转矩降低，并且能够抑制转矩脉动。

专利文献1：日本特开2003-134823号公报。

本发明为了解决上述课题，提供一种永磁式旋转电机，具有定子和转子，所述定子具有设置于定子铁心上的多个定子槽及齿和由设置于所述定子槽内的U相、V相、W相构成的电枢绕阻，所述转子具备插入转子铁心内部的永磁铁插入孔的多个永磁铁，所述永磁式旋转电机的特征在于，在所述转子铁心的永磁铁插入孔外侧的磁极铁心上设置有多个空隙部，将所述转子铁心的磁极铁心的所述空隙部设置在以磁极铁心的中央轴为中心的狭缝设置范围内，所述狭缝设置范围是最远离所述中央轴的狭缝的外径侧侧面间的电机角α，且，22°≤α≤82°。

另外，其特征在于，所述电机角α为23°≤α≤70°。

另外，其特征在于，将所述永磁铁形成为一字形。

另外，其特征在于，所述空隙部由在所述转子铁心的磁极铁心的外周侧开口的狭缝构成。

另外，其特征在于，所述空隙部由在所述转子铁心的磁极铁心的外周部设置的空孔部构成。

另外，其特征在于，当将设置于所述转子铁心上的相邻的空隙部的间隔设为Wp，将空隙部的宽度设为Ws时，构成为2≤Wp/Ws≤4。

并且，其特征在于，当将所述永磁铁的磁通轴设为d轴，将与d轴隔开90度电角的轴设为q轴时，使所述狭缝向所述d轴侧倾斜。

并且，其特征在于，当将所述永磁铁的磁通轴设为d轴，将与d轴隔开90度电角的轴设为q轴时，使所述狭缝向所述q轴侧倾斜。

并且，其特征在于，将所述狭缝设置成互相平行。

并且，提供一种伺服驱动系统，其具有：作为控制对象的伺服电动机；与该伺服电动机机械式结合的驱动机构；按照所设定的控制参数对所述伺服电动机进行驱动控制的驱动控制装置，所述伺服驱动系统的特征在于，所述伺服电动机为权利要求1所述的永磁式旋转电机。

发明效果

根据本发明，对于以低速、大转矩、大电流通电驱动多极的永磁式旋转电机的情况，能够抑制永磁铁的磁通和定子侧的磁通在转子铁心的磁极部向磁极铁心的中央轴倾斜，对于各磁通，能够确保对转矩生成的充分的相位差，并且能够抑制磁通的空间高谐波分量增大，从而抑制转矩脉动，能够提供一种具有高转矩的高性能的永磁式旋转电机。

附图说明

图1是示出本发明的永磁铁同步电动机的基本结构的示意图。

图2是示出本发明的永磁铁同步电动机的横截面的示意图。

图3是示出本发明的实施例1的转子的一极量的径向截面的示意图。

图4是示出本发明的实施例1的电枢绕阻配置的示意图。

图5是示出本发明的实施例1的径向截面的示意图。

图6是示出基于现有例的转子的一极量的径向截面的示意图。

图7是示出本发明的实施例1的平均转矩相对于狭缝设置范围的图表。

图8是示出本发明的实施例1的转矩脉动相对于狭缝设置范围的图表。

图9是示出本发明的实施例1的转矩脉动与平均转矩的比的图表。

图10是示出本发明的实施例2的电枢绕阻配置的示意图。

图11是出本发明的实施例3的转子的一极量的径向截面的示意图。

图12是出本发明的实施例4的转子的一极量的径向截面的示意图。

图13是出本发明的实施例5的转子的一极量的径向截面的示意图。

图14是出本发明的实施例6的伺服驱动系统的示意图。

[符号说明]

1定子；

2、80定子铁心；

3、60槽；

4、70电枢绕阻；

5、50齿；

6磁极片；

7槽开口部；

8、20转子；

9、30转子铁心；

10磁铁插入孔；

11、40永磁铁；

12、15轴；

13磁极铁心；

14、15、16、17狭缝。

具体实施方式

首先，对本发明的基本结构进行说明。图1是示出本发明的永磁铁同步电动机的简要结构的示意图，图2是示出上述永磁铁同步电动机的横截面的示意图。在图1、图2中，永磁铁同步电动机M的具有轴15的转子20具有转子铁心30，在转子铁心30的外周插入有永磁铁40。在转子20上设置有定子铁心80，该定子铁心80具有以一定的间隔长度对置的齿50、槽60及电驱绕阻70。90是在轴10的一端设置的编码器，100是永磁铁同步电动机的壳体。

以下，参照附图，对本发明的实施例进行详细地说明。

[实施例1]

图3是示出基于本发明的实施例1的永磁式旋转电机的转子的一极量的径向截面的示意图。另外，图4是示出基于实施例1的永磁式旋转电机的四极量的电枢绕阻配置的示意图。图5是示出基于实施例1的永磁式旋转电机的径向截面的示意图，图6是示出现有例的永磁式旋转电机的转子的一极量的径向截面的示意图。

在图3及图5中，在轴12上设置的转子铁心9的内部，将一字形状的磁铁插入孔10和插入磁铁插入孔10内部的永磁铁11以磁极数为16极的方式配置而构成转子8。在此，永磁铁11是以稀土族为主要成分的一字形状的平板烧结磁铁，分别埋设于磁铁插入孔10内。

在图3中，位于比永磁铁11靠外径侧的转子铁心是磁极铁心13。将通过转子轴心O的磁极铁心13的中央轴作为d轴，将从d轴隔开90度电角的位置作为q轴。另外，在磁极铁心13中形成有多个磁极狭缝14a～14i。

在图4及图5中，在定子1中，在定子铁心2上设置有36个槽3。在槽3内周侧，为了防止由底线圈4A、上线圈4B构成的电枢绕阻4的脱落，在齿5的内周侧端部设置有磁极片6。在一对磁极片6之间具有槽开口部7，从槽开口部7插入铜线，形成电枢绕阻4。

如实施例1所示，若每极每相的槽数为0.75(＝36槽/16极/3相)个，由于相对于每极每相的槽数为1.0的情况，能够使转矩的脉动变小，因此从特性方面考虑是适合的。

在图4及图5中，在槽3内埋设有与U相线圈、V相线圈、W相线圈各自的相对应的电枢绕阻4。各线圈的上线圈4B、底线圈4A中，使多根绝缘的铜线形成束状而形成一个线圈，在上线圈4B、底线圈4A上分别卷绕安装有至少一个以上的线圈。优选绝缘的铜线使用市场流通性好的圆铜线，但是也可以使用方形线。

[平均转矩]

实施例1中，在磁极铁心13中设置的狭缝14和转子铁心的形状上具有特征。在图3中，狭缝14a～14i在转子铁心9的外径侧打开，并且在外径侧向d轴方向倾斜。狭缝14a～14i相对于d轴对称配置。各狭缝14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g、14h、14i之间形成不等间隔。

另外，在狭缝14的宽度为Ws，狭缝14之间的磁极铁心13的宽度为Wp时，若Ws比Wp大，则磁极铁心13的磁饱和变大，从而输出降低，Ws相对于Wp过于小时，设置狭缝14的效果消失，由此优选设定为2≤Wp/Ws≤4。

并且，将转子铁心9的靠q轴的铁心形成凹部状，并将q轴侧的间隔长度设定为比d轴侧的间隔长度大，使永磁铁11的磁通在d轴侧汇集，并且使在定子1的电枢绕阻4上流过电流时产生的电枢磁通的影响变小。如此，对于构成永磁式旋转电机时的效果进行说明。

图7是示出平均转矩相对于狭缝设置范围α的测定结果的图表，是以图6的现有例所示的无狭缝的磁极铁心的平均转矩为基准而表示的相对值。此外，图7示出Wp/Ws＝2.7时的结果，α是最远离d轴的狭缝(图中的14a和14i)的外径侧侧面间的电机角。

如图7所示，当扩大狭缝14的设置范围α时，转矩变大。其理由认为如下。图6所示的现有例中，当为了得到大转矩而在电枢绕阻4上流过大电流时，电枢磁通量变大，在机内产生磁饱和。在将一字形的永磁铁11埋设于转子铁心9中的永磁式旋转电机中，由于靠永磁铁外周的磁极铁心(磁极部)13越靠近d轴越厚，因此电枢电流产生的磁通向d轴侧倾斜。因此，永磁铁11的磁通和电枢电流磁通的相位差变小，转矩降低。实施例1是修正上述电枢电流产生的磁通的倾斜而防止转矩降低的例子。

[脉动转矩]

图8是示出狭缝的设置范围和脉动转矩的关系的测定结果的图，是以图6所示的现有例的转矩脉动为基准而表示的相对值。如该结果所示，在狭缝14的设置范围α为23°≤α≤70°时，与没有狭缝的情况相比，转矩脉动变小。其理由认为如下。

通过狭缝14使得磁通量的流动变化，平均转矩提高，但是随着磁通流动的变化，磁通的空间的分布不同。即，由于设置狭缝的范围，空间高谐波磁通的大小改变，但是该空间高谐波磁通是转矩脉动的原因。因此，在用于抑制空间高谐波磁通增加的机构中，将狭缝14的设置范围形成为23°≤α≤70°。

[转矩脉动比]

图9是示出改变狭缝设置范围时的转矩脉动相对于平均转矩的比的图表，是以图6的现有例的转矩脉动相对于平均转矩的比为基准而表示相对值。即，根据图7的转矩相对于狭缝设置范围α的测定结果和图8的转矩脉动相对于狭缝设置范围α的测定结果，求出转矩脉动比。如该结果所示，在狭缝14的设置范围α为22°≤α≤82°时，与没有狭缝的情况相比，转矩脉动/平均转矩也变小。

在加工、成形机械中，当指定转矩脉动的值时，存在指定转矩脉动相对于平均转矩的比的情况。因此，在指定转矩脉动相对于平均转矩的比的情况下，在狭缝14的设置范围α为22°≤α≤82°时，能够提高平均转矩，并且，能够使转矩脉动相对于平均转矩的比形成为没有狭缝的构造时的同等以下。

其结果是，如图7所示，能够提高平均转矩。换言之，若输出相同转矩，能够降低通电电流值，能够使电枢绕阻上产生的铜损变小。

鉴于该结果，通过形成图3所示的转子构造，能够抑制永磁铁的磁通量和定子侧的磁通在定子铁心的磁极部倾斜，确保各自的磁通的相位差，并且能够抑制磁通的空间高谐波分量增大。因此，由于转矩增大的同时脉动转矩减少，因此能够提供高性能的永磁式旋转电机。

[实施例2]

图10是示出本发明的实施例2的永磁式旋转电机的电枢绕阻配置图的图。在以下的实施例中，在与已经说明的附图相同结构要素上标注相同符号，避免重复说明。实施例2与实施例1不同之处在于每极每相的槽数为1.5这一点。在此，如实施例2所示，通过使每极每相的槽数为1.5个，与每极每相的槽数为0.75的情况同样，由于能够相对于每极每相的槽数为1的情况，使转矩的脉动变小，因此，从特性方面考虑，优选每极每相的槽数为1.5。

即使如此构成也能够得到与实施例1同样的效果，并且能够将永磁式旋转电机的极数设定设定为2的倍数极，因此相对于每极每相的槽数为0.75的情况，具有进一步增加了设计的自由度等优点。

[实施例3]

图11是示出本发明的实施例3的永磁式旋转电机的转子的一极量的径向截面的示意图。实施例3与实施例1的不同之处在于狭缝15a～15i被封闭在转子铁心9内这一点。即使这样构成，也能够通过狭缝15a～15i抑制永磁铁11的磁通和定子侧的磁通在转子铁心9的磁极部向d轴侧倾斜，扩大各自磁通的相位差，并且抑制磁通的空间高谐波分量增大，由此能够得到与实施例1同样的效果。

[实施例4]

图12是示出本发明的实施例4的永磁式旋转电机的转子的一极量的径向剖视图。实施例4与实施例1的不同之处在于狭缝16a～16i设置为全都互相平行这一点。即使这样构成，也能够通过狭缝16a～16i抑制永磁铁11的磁通和定子侧的磁通在转子铁心9的磁极部向d轴侧倾斜，确保各自磁通的相位差，并且抑制磁通的空间高谐波分量增大，由此能够得到与实施例1同样的效果。

[实施例5]

图13是示出本发明的实施例5的永磁式旋转电机的转子的一极量的径向剖视图。实施例5与实施例1的不同点在于将狭缝17a～17i的外径侧向q轴侧倾斜设置这一点。

即使这样构成，也能够通过狭缝17a～17i抑制永磁铁11的磁通和定子侧的磁通在转子铁心9的磁极部向d轴侧倾斜，确保各自磁通量的相位差，并且抑制磁通的空间高谐波分量增大，由此能够得到与实施例1同样的效果。

[实施例6]

图14是示出本发明的实施例6的伺服驱动系统的示意图。通过使用本发明的永磁铁同步电动机的伺服电动机110，经由滚珠丝杠120驱动加工装置130。140是设置在伺服电动机110的旋转轴上的编码器，150是对伺服电动机110进行驱动控制的驱动控制装置。通过伺服电动机110向加工装置提供脉动少的大转矩，从而能够提高装置性能。

以上，根据本发明，对于以低速、大转矩、大电流通电驱动多极的永磁铁同步电动机的情况，由于能够增加正转时的电枢磁通、即有效磁通，因此能够提供高转矩、高性能的永磁铁同步电动机。

以上，根据本发明，对于以低速、大转矩、大电流通电驱动多极的永磁铁同步电动机的情况，由于能够抑制永磁铁的磁通和定子侧的磁通在转子铁心的磁极部倾斜，扩大各自磁通的相位差，并且能够抑制磁通的空间高谐波增大，因此能够提供高转矩、高性能的永磁式旋转电机。

Claims (15)

1.一种永磁式旋转电机，具有定子和转子，所述定子具有设置于定子铁心上的多个定子槽及齿和由设置于所述定子槽内的U相、V相、W相构成的电枢绕阻，所述转子具备插入转子铁心内部的永磁铁插入孔的多个永磁铁，

所述永磁式旋转电机的特征在于，

在所述转子铁心的永磁铁插入孔外侧的磁极铁心上设置有多个空隙部，将所述转子铁心的磁极铁心的所述空隙部设置在以磁极铁心的中央轴为中心的狭缝设置范围内，所述狭缝设置范围是最远离所述中央轴的狭缝的外径侧侧面间的电机角α，且，22°≤α≤82°。

2.根据权利要求1所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

所述电机角α为23°≤α≤70°。

3.根据权利要求1所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

将所述永磁铁形成为一字形。

4.根据权利要求1所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

所述空隙部由在所述转子铁心的磁极铁心的外周侧开口的狭缝构成。

5.根据权利要求1所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

所述空隙部由在所述转子铁心的磁极铁心的外周部设置的空孔部构成。

6.根据权利要求1～3中任一项所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

当将设置于所述转子铁心上的相邻的空隙部的间隔设为Wp，将空隙部的宽度设为Ws时，构成为2≤Wp/Ws≤4。

7.根据权利要求4所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

当将所述永磁铁的磁通轴设为d轴，将与d轴隔开90度电角的轴设为q轴时，使所述狭缝向所述d轴侧倾斜。

8.根据权利要求4所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

当将所述永磁铁的磁通轴设为d轴，将与d轴隔开90度电角的轴设为q轴时，使所述狭缝向所述q轴侧倾斜。

9.根据权利要求4所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

将所述狭缝设置成互相平行。

10.根据权利要求1所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

以不等间隔设置所述空隙部。

11.根据权利要求1所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

当将所述永磁铁的磁通轴设为d轴，将与d轴隔开90度电角的轴设为q轴时，将所述多个空隙部相对于所述d轴对称设置。

12.根据权利要求1所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

在所述转子铁心的外周面的极间形成有凹部。

13.根据权利要求1～5、7～12中任一项所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

使所述定子的槽数为平均每极每相在0.5～2的范围内。

14.根据权利要求1所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

使所述定子的槽数为平均每极每相0.75或1.5。

15.一种伺服驱动系统，具有：

作为控制对象的伺服电动机；

与该伺服电动机机械式结合的驱动机构；

按照所设定的控制参数对所述伺服电动机进行驱动控制的驱动控制装置，

所述伺服驱动系统的特征在于，

所述伺服电动机为权利要求1所述的永磁式旋转电机。

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