CN101902087A - 永磁型旋转机 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够实现低齿槽转矩化的永磁型旋转机。该永磁型旋转机包括：卷绕有励磁线圈(16)的定子(3)；和转子(4)，其与该定子(3)隔着规定的空隙相对向并进行旋转，并且具有使不同极性的永磁体(22)邻接的转子芯(21)，对上述永磁体(22)和定子(3)中的一方，随着从轴向一端到另一端，沿着周向平滑地施以扭斜，将该扭斜的扭斜角度(θs)设定为比理论扭斜角度(θst)大的角度，该理论扭斜角度(θst)为将上述转子(4)的机械角旋转的一周除以上述永磁体(22)的磁极数和上述定子槽(14)的槽数的最小公倍数所得到的值。

Description

永磁型旋转机

技术领域

本发明涉及设有定子和转子的永磁型旋转机，所述转子与定子之间具有规定的空隙并与定子相对向而旋转，且具有在表面配置有永磁体的转子芯。

背景技术

在这种永磁型旋转机中，产生被称为齿槽转矩(cogging torgue)的一种转矩脉动的情况为人们所公知。在永磁型旋转机中齿槽转矩较大的情况下，存在旋转机的控制性能恶化、或产生噪音的问题。

该齿槽转矩的发生是作用在转子与定子之间的静磁吸引力由于旋转位置的不同而不同所引起的，相对于转子旋转一周，其脉动次数为永磁体的磁极数和定子的槽数的最小公倍数的值，这为人们所公知(例如参照非专利文献1)。

此外，齿槽转矩的大小是，以旋转角度对利用永磁体形成的磁力线而产生的总磁能进行微分而得到的值，例如，在伴随转子的旋转而磁阻变化的情况下，随着该磁阻的变化，总磁能也变化，因此产生齿槽转矩。

为了减少这种齿槽转矩，提出以下永磁型旋转电机：将多个永磁体不均等地配置在周向，定子中同相的线圈沿周向不邻接，设定从各永磁体的均等配置位置的错开角即扭斜角，使转子每旋转一周的齿槽效应数为槽数S和磁极数P的最小公倍数的整数倍，由此使得设置在转子的永磁体从轴向一端向另一端沿周向扭斜，使得产生的齿槽转矩互相抵消(例如参照专利文献1)。

即，如图7所示，在将扭斜配置于转子100的永磁体101从轴向的上端侧开始分割为五份均等宽度的带状区域A～E时，在各带状区域A～E产生的理想的齿槽转矩波形如图8所示。此时，电机产生的齿槽转矩是在各带状区域A～E产生的齿槽转矩的总和，此时齿槽转矩在各带状区域A～E互相抵消，成为零。

[专利文献1]日本特开2002-252941号公报

[非专利文献1]“关于施加外部应力时的PM电机的齿槽转矩的实验研究”电气学会旋转机研究会论文RM-03-152

但是，在上述专利文献1中记载的现有技术的例子中，设定扭斜角，使得转子每旋转一周的齿槽效应数为槽数S和磁极数P的最小公倍数的整数倍，因此，如图8所示，理论上能抵消齿槽转矩，但是，由于转子的轴向端部的泄漏磁力线的影响等原因，在转子的轴向端部和中央部，磁力线密度分布不同，因此，不能够得到上述图8所示那样的理想波形，存在不能够完全抵消齿槽转矩的未解决课题。

发明内容

于是，本发明着眼于上述现有技术的例子的未解决课题，目的在于提供能够实现低齿槽转矩化的永磁型旋转机。

为了达到上述目的，本发明的一实施方式的永磁型旋转机包括：

卷绕有励磁线圈的定子；和

与该定子隔着规定的空隙相对向并进行旋转，具有使不同极性的永磁体邻接的转子芯的转子，

该永磁型旋转机的特征在于：

对上述永磁体和定子中的一方，随着从轴向一端到另一端，沿着周向平滑地施以扭斜，

将该扭斜的扭斜角度设定为比理论扭斜角度大的角度，该理论扭斜角度为将上述转子的机械角旋转的一周除以上述永磁体的磁极数和上述定子槽数的最小公倍数所得到的值。

此外，本发明的另一实施方式的永磁型旋转机的特征在于：使上述扭斜角度比上述理论扭斜角度大，将上述扭斜角度设定为该理论扭斜角度的120％以上140％以下。

进一步，本发明的又一实施方式的永磁型旋转机的特征在于：使上述永磁体磁化，以形成梯形波状的磁化区域，将上述磁化区域的上底部角度θm用电角度表示时设定在132°≤θm≤156°的范围。

下面说明本发明的效果。

按照本发明，通过将转子的永磁体和定子中的一方的扭斜角度设定为比理论扭斜角度大的角度，该理论扭斜角度为将转子的机械角旋转的一周除以永磁体的磁极数和定子槽数的最小公倍数所得到的值，与将扭斜角度设定为理论扭斜角度时相比较，能够得到减少齿槽转矩的效果。

在此，扭斜角度设定为理论扭斜角度的120％以上140％以下时能够有效抑制齿槽转矩，因此优选，通过与扭斜角度的上述设定相配合地，将永磁体的梯形波状磁化区域的上底部角度θm用电角度表示时设定为处于132°≤θm≤156°的范围，能够进一步减少齿槽转矩。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式的永磁型同步旋转机的截面图。

图2是表示图1的转子的立体图。

图3是表示转子的扭斜角的展开图。

图4是表示扭斜角度与齿槽转矩的关系的特性曲线图。

图5是表示转子的永磁体的磁化状态的放大图。

图6是表示磁化区域的上底部角度与齿槽转矩的关系的特性曲线图。

图7是表示现有技术的例子的转子的正面图。

图8是表示现有技术的例子的转子的旋转角度与轴向的分割区域的齿槽转矩的关系的特性曲线图。

符号说明

1永磁型同步旋转机；3定子；4转子；5旋转轴；11定子芯；

12磁轭；13磁极齿；13a磁脚部；13b缘部；14槽；15开口部；16励磁线圈；21转子芯；22永磁体；23梯形波状磁化区域；23a上底部

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的实施方式。

图1是表示将本发明适用于永磁型同步旋转机时的第一实施方式的截面图。在该图1中，永磁型同步旋转机1由表面磁体型同步旋转机构成。该永磁型同步旋转机1具有圆筒状框架2。在该圆筒状框架2的内周侧固定有圆筒状的由叠层钢板形成的定子3，在该定子3的内周侧配置有隔着规定的空隙相对向的由叠层钢板形成的转子4。该转子4配置为被旋转轴5支承且旋转自如。

定子3具有在圆筒状框架2的内周侧，在圆周方向连接配置沿圆周方向分成九份的定子芯11的结构。各定子芯11由磁轭12和磁极齿13构成，所述磁轭12的外周面形成为圆筒面，内周面为九边筒状内面，所述磁极齿13从该磁轭12的内周面的圆周方向的中央部向半径方向突出而形成。

磁极齿13由磁脚部13a和缘部13b构成，所述磁脚部13a与磁轭12连接且具有一定宽度Tw，所述缘部13b从该磁脚部13a的前端向圆周方向突出且呈楔形。

于是，由邻接的定子芯11的磁轭12和磁极齿13形成槽(slot)14，在邻接的磁极齿13的缘部13b之间形成有槽开口部15。

在磁极齿13，励磁线圈16集中卷绕在其磁脚部13a上。

另一方面，如图2和图3所示，转子4具有以下结构：在成为圆筒状的转子芯21的外周面的表面，以在圆周方向上邻接的磁极为不同极性的方式配置有例如6极结构的永磁体22。此处，永磁体22由稀土类磁体构成。

此外，各永磁体22随着从转子芯21的轴向的上端向下端移动，沿着周向平滑地被施以扭斜(skew)，从平面看时沿顺时针方向偏移。该扭斜的扭斜角度θs设定为比理论扭斜角度θst大的角度，所述理论扭斜角度θst为将转子的机械角旋转的一周除以永磁体22的磁极数P和定子3的槽数S的最小公倍数所得到的值。在本实施方式中具有六极九槽结构，因此理论扭斜角度θst为θst＝360/18＝20度。

在此，关于永磁体22的扭斜角度θs的设定，本发明人以六极九槽结构的永磁体型同步旋转机作为对象，对于扭斜角度与齿槽转矩的关系进行了磁场分析模拟，如图4所示，在使扭斜角度θs从18度增加时，齿槽转矩由于扭斜角度θs的增加而逐渐减少，即使超过理论扭斜角度θst，也持续存在减少的倾向，在扭斜角度θs为26度附近时齿槽转矩为最小值，此后，当扭斜角度θs增加时齿槽转矩也增加。而且，当扭斜角度θs超过28度时永磁体22的制造容易性降低。

根据该图4可知，在现有技术的例子中，通过将扭斜角度θs设定为理论扭斜角度θst，如图8所示，沿轴向分割为规定数量的带状区域A～E的齿槽转矩相互抵消，其总和应该为零。但是，实际上由于转子的轴向端部的磁力线泄漏的影响等原因，在转子的轴向端部和中央部磁力线密度分布不同，因此，在理论扭斜角度θst下齿槽转矩不是最小，为了抑制齿槽转矩需要设定为比理论扭斜角度θst大的角度。

而且，如果考虑永磁体22的制造容易性，优选设定在直至理论扭斜角度θst的140％的角度即1.4θst的范围内。

更优选设定在，包含齿槽转矩成为最小值的扭斜角度θsmin＝25.6度的、两侧的理论扭斜角度θst的增加2成的角度1.2θst＝24度以上、增加4成的角度1.4θst＝28度以下的范围中，由此，能够将齿槽转矩抑制为接近最小值的值。

这样，根据上述第一实施方式，永磁型同步旋转机1具有表面永磁型旋转机的结构，因此转子4的永磁体22的圆周方向的中央部成为d轴，邻接的永磁体22间成为q轴，通过向励磁线圈16通电并进行d-q轴电流控制，能够旋转驱动转子4。

此时，如上所述，通过将转子4的永磁体22的扭斜角度θs设定为比理论扭斜角度θst大的角度，与将扭斜角度θs设定为理论扭斜角度θst的情况相比较，能够实现低齿槽转矩化。

而且，如果考虑永磁体22的制造容易性，优选扭斜角度θs设定为理论扭斜角度θst的增加4成的1.4θst以下，为了实现进一步的低齿槽转矩化，优选将扭斜角度θs设定为理论扭斜角度θst的增加2成的1.2θst以上、增加4成的1.4θst以下。

下面，参照图5说明本发明的第二实施方式。

在该第二实施方式中，在上述第一实施方式的基础上，将转子的永磁体的上底部角度设定在规定范围，由此能够进一步减小齿槽转矩。

即，在第二实施方式中，永磁型同步旋转机1具有与上述第一实施方式完全相同的六极九槽结构，如图5所示，永磁体22具有以影线图示的磁化为梯形波状的梯形波状磁化区域23，将从转子芯21的中心通过梯形波状磁化区域23的上底部23a的圆周方向的端部的线间的角度设定为上底部角度θm，该上底部角度θm的两侧的磁化倾斜部的角度设定为θa。

本发明人使具有上述第一实施方式的结构的永磁型同步旋转机1的转子4中的永磁体22的梯形波状励磁的上底部角度θm进行各种变更，而进行磁场分析模拟，结果发现，当上底部角度θm处于规定范围内时，能够使齿槽转矩进一步降低。

即，将从转子芯21的中心到图5所示的转子4的永磁体22的以影线图示的梯形波状磁化区域23的上底部23a的角度作为上底部角度θm，该上底部角度θm与齿槽转矩的磁场分析模拟结果如图6所示。

在该图6中，随着上底部角度θm从电角度123°增加，齿槽转矩减少，当上底部角度θm超过电角度132°时，与上底部角度θm的增加相对应的齿槽转矩的减少量增加，在电角度为约144°时齿槽转矩成为最小值，此后与上底部角度θm的增加相对应地齿槽转矩增加。

因此，发现通过将上底部角度θm设定为电角度132°以上、156°以下(132°≤θm≤156°)，能够实现进一步的低齿槽转矩化。

因此，在第二实施方式中，将永磁体22的梯形波状磁化区域23的上底部23a的角度θm设定为电角度132°以上、156°以下(132°≤θm≤156°)。

这样，通过设定上底部角度θm，在上述第一实施方式的低齿槽转矩化的基础上，将上底部角度θm设定在上述范围，能够实现齿槽转矩的进一步降低，能够进一步减小永磁型同步旋转机1的整体的齿槽转矩。

在上述第一和第二实施方式中，说明了定子3的槽14具有开口部15的开口槽型的情况，但是，本发明并不局限于此，也可以适用不具有开口部15而槽闭合的闭口槽型。

此外，在上述第一和第二实施方式中，说明了由配置在转子芯21表面的表面磁体型转子构成转子4的情况，但是本发明并不局限于此，也可以设置为埋入磁体型转子，以永磁体22的表面露出的状态将永磁体22埋入转子芯21的表面。

进一步，在上述第一和第二实施方式中，说明了对转子4的永磁体22施以扭斜的情况，但是本发明并不局限于此，也可以对定子3的磁极齿13施以扭斜。在这种情况下，也使扭斜角θs比理论扭斜角度θst大，设定在该理论扭斜角度θst的增加4成的扭斜角度1.4θst以下的范围，更优选设定为理论扭斜角度θst的增加2成的扭斜角度1.2θst以上、增加4成的扭斜角度1.4θst以下的范围。

进一步，在上述第一和第二实施方式中，说明了适用分割型的定子芯11的情况，但是本发明并不局限于此，也可以使磁轭12形成为圆筒状，一体形成从其内周面沿圆周方向等间隔地向半径方向突出的磁极齿13。

进一步，在上述第一和第二实施方式中，说明了将本发明适用于定子3的磁极齿13和槽14为九个、转子4的永磁体22的极数为6的旋转机的情况，但是本发明并不局限于此，例如也可以将本发明适用于在使永磁体22的极数为2n(n为正整数)时，使槽数为3n的旋转机。

上面参照附图说明了本发明的实施方式，但本发明并不局限于上述实施方式。在本发明技术思想范围内可以作种种变更，它们都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种永磁型旋转机，其包括：

卷绕有励磁线圈的定子；和

转子，其与该定子隔着规定的空隙相对向并进行旋转，并且具有使不同极性的永磁体邻接的转子芯，

该永磁型旋转机的特征在于：

对所述永磁体和定子中的一方，随着从轴向一端到另一端，沿着周向平滑地施以扭斜，

将该扭斜的扭斜角度设定为比理论扭斜角度大的角度，所述理论扭斜角度为将所述转子的机械角旋转的一周除以所述永磁体的磁极数和所述定子槽数的最小公倍数所得到的值。

2.如权利要求1所述的永磁型旋转机，其特征在于：

使所述扭斜角度比所述理论扭斜角度大，将该扭斜角度设定为该理论扭斜角度的120％以上140％以下。

3.如权利要求2所述的永磁型旋转机，其特征在于：

将所述永磁体以形成梯形波状的磁化区域的方式进行磁化，将所述磁化区域的上底部角度θm以电角度表示时设定为132°≤θm≤156°。

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