CN103997141A - 具有高应答性的同步电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有高应答性的同步电动机。同步电动机（10）具备形成有十二个插槽（21）的集中绕组定子（20）、以及配置在该集中绕组定子的内侧且沿径向配置有八个磁铁的八极转子（30），由三角函数的曲线及与该三角函数的曲线近似的曲线构成上述转子的一个极的外形形状的一部分或整体。

Description

具有高应答性的同步电动机

技术领域

本发明涉及同步电动机，尤其涉及具有高应答性的同步电动机。

背景技术

在现有的马达中，采用了将预先卷绕的线圈插入定子的插槽中的分布卷方式。相对于此，在近年来，采用隔着绝缘物将线圈直接卷绕在定子齿上的集中绕组方式。

在集中绕组定子中，由于直接卷绕线圈，因此减少在定子铁芯端面的线圈，其结果，能够大幅地缩短线圈的周长。因此，通过以高密度卷绕粗电线，电阻小。另外，由于能够减小线圈终端的尺寸，因此能使马达小型化，并且得到较大的转矩。

在日本特开2002-10541号公报中，公开了在转子的一个极部分的中心附近减小磁极与定子内周面之间的间隙长，并且在转子的一个极部分的两端附近增大磁极与定子内周面之间的间隙长的内容。由此，减少齿槽转矩。

然而，用于要求在高频率、高速下的取放动作的高速高应答的机器人的马达要求尽量较小地抑制惯性，并且能够长时间连续地使用的连续额定转矩大。即，用于机器人的马达要求转矩对惯性的比极大。

为了该目的，尽量较小地抑制马达的转子直径，并且使马达的定子为集中绕组结构地减少插槽数是有利的。但是，在这种场合，难以抑制齿槽转矩。因此，具备集中绕组定子的马达被限定在车载用马达、家电用马达等用途，几乎不适用于要求顺畅的旋转的机器人的伺服马达。

另外，沿径向配置磁铁的转子提高了间距磁通密度，因此能够实现较大的转矩，具有组合了这种结构的十极的转子与十二插槽的集中绕组定子的马达。但是，在组合了十极转子与十二插槽的集中绕组定子的马达中，在负荷电流以高速流动时，在转子上产生的涡电流损失变大。因此，难以将这种马达在频繁地以高速使用的机器人的领域中使用。

发明内容

本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供低惯性、大转矩且旋转顺畅，即使在高速区域也能抑制损失的同步电动机。

为了实现上述目的，根据第一方案，提供一种同步电动机，具备形成有十二个插槽的集中绕组定子、配置在该集中绕组定子的内侧且沿径向配置八个磁铁的八极转子，由三角函数的曲线及与之近似的曲线构成上述转子的一个极的外形形状的一部分或整体。

根据第二方案，在第一方案中，上述转子的一个极的外形形状的上述一部分是上述转子的一个极的外形形状的中心部分。

根据第三方案，在第一或第二方案中，上述转子包括由沿径向配置的八个磁铁构成的第一磁铁组、由在上述同步电动机的轴线方向与上述第一磁铁组邻接地配置且沿径向配置的八个磁铁构成的第二磁铁组，上述第一磁铁组与上述第二磁铁组沿绕上述同步电动机的轴线方向互相以7.5°偏离。

根据第四方案，在第一或第二方案中，上述转子包括由沿径向配置的八个磁铁构成的第一磁铁组、由在上述同步电动机的轴线方向与上述第一磁铁组邻接地配置且沿径向配置的八个磁铁构成的第二磁铁组、由在上述同步电动机的轴线方向与上述第二磁铁组邻接地配置且沿径向配置的八个磁铁构成的第三磁铁组，包括由在上述同步电动机的轴线方向与上述第三磁铁组邻接地配置且沿径向配置的八个磁铁构成的第四磁铁组，在从上述第一磁铁组至上述第四磁铁组中互相邻接的两个磁铁组沿绕上述同步电动机的轴线方向互相以3.75°偏离。

根据第五方案，在第三方案中，在上述转子的上述第一磁铁组的第一转子磁轭上，在从与上述转子的各极对应的部分的中心线沿绕上述同步电动机的轴线方向以3.75°偏离的位置形成第一连结孔，在上述转子的上述第二磁铁组的第二转子磁轭上，在从与上述转子的各极对应的部分的中心线沿绕上述同步电动机的轴线方向且与上述第一连结孔相反方向以3.75°偏离的位置形成第二连结孔。

根据第六方案，在第四方案中，在上述转子的上述第一磁铁组的第一转子磁轭上，在从与上述转子的各极对应的部分的中心线沿绕上述同步电动机的轴线方向以5.625°偏离的位置形成第一连结孔，在上述转子的上述第二磁铁组的第二转子磁轭上，在从与上述转子的各极对应的部分的中心线沿绕上述同步电动机的轴线方向且与上述第一连结孔相同方向以1.875°偏离的位置形成第二连结孔，在上述转子的上述第三磁铁组的第三转子磁轭上，在从与上述转子的各极对应的部分的中心线沿绕上述同步电动机的轴线方向且与上述第一连结孔相反方向以1.875°偏离的位置分别形成第三连结孔，在上述转子的上述第四磁铁组的第四转子磁轭上，在从与上述转子的各极对应的部分的中心线沿绕上述同步电动机的轴线方向且与上述第一连结孔相反方向以5.625°偏离的位置形成第四连结孔。

本发明的效果如下。

在第一及第二方案中，由于采用八极十二个插槽的结构，并且由三角函数的曲线构成转子的外径形状，因此低惯性、大转矩且旋转顺畅，即使在高速区域也能抑制损失。因此，能将本发明的同步电动机适用于要求在高频率、高速下的取放动作的高速高应答的机器人。

在第三方案中，由于排除了齿槽转矩的主成分，因此能使旋转更顺畅。

在第四方案中，由于排除齿槽转矩的高频波成分及主成分这双方，因此能使旋转更顺畅。

在第五方案中，通过只制造单一种类的转子磁轭，能够使第一磁铁组与第二磁铁组沿绕轴线方向互相以7.5°容易地偏离。

在第六方案中，能够以比较简单的结构，使邻接的两个磁铁组沿绕轴线方向互相以7.5°容易地偏离。

根据附图所示的本发明的典型的实施方式的详细的说明，本发明的这些目的、特征及优点及其他目的、特征及优点更明确。

附图说明

图1是基于本发明的同步电动机的端面图。

图2是图1所示的同步电动机的局部放大图。

图3是转子的第一立体图。

图4是一个极的转子部分的放大图。

图5是表示旋转角度与齿槽转矩之间的关系的第一图。

图6是转子磁轭的第一放大图。

图7是转子的第二立体图。

图8是表示旋转角度与齿槽转矩之间的关系的第二图。

图9是转子磁轭的第二放大图。

图10是转子磁轭的第三放大图。

图11是转子的第三立体图。

图12是表示旋转角度与齿槽转矩之间的关系的第三图。

图13是表示电流与转子涡电流损失之间的关系的图。

图14是表示最大间／距最小间距与齿槽转矩之间的关系的图。

图15是表示连续额定转矩与转矩／惯性之间的关系的图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的实施方式。在以下的图中，对同样的部件标注相同的参照符号。为了使理解容易，这些图适当改变比例尺。

图1是基于本发明的同步电动机的端面图。图1所示的同步电动机10主要包括定子20、配置在定子20内的转子30。定子20包括层叠了多个电磁钢板的定子铁芯。在定子20的内周面以等间隔形成十二个插槽21。线圈（未图示）隔着绝缘纸卷绕在邻接的插槽21之间的定子齿22上。

图2是图1所示的同步电动机的局部放大图。如图1及图2所示，转子30包括八个磁铁m1、配置在这些磁铁m1之间的转子磁轭31。如图2所示，这八个磁铁m1的各个是截面矩形形状，分别以沿同步电动机10的径向延伸的方式配置。磁铁m1的数量相当于同步电动机10的极数。另外，转子磁轭31一般由电磁钢板的层叠体构成，在转子磁轭31的中心附近形成用于一体地固定这些电磁钢板的联杆（未图示）用的连结孔41。

图3是转子的第一立体图。如图3所示，另一磁铁m2与磁铁m1邻接地配置在同步电动机10的轴线方向下侧。磁铁m2具有与磁铁m1相同形状及相同磁力，其数量是八个。这种八个磁铁m2与磁铁m1相同地以沿同步电动机10的轴线方向延伸的方式配置，分别与磁铁m1邻接。

另外，另一磁铁m3与磁铁m2邻接地配置在同步电动机10的轴线方向下侧，并且，另一磁铁m4与磁铁m3邻接地配置在同步电动机10的轴线方向下侧。这些磁铁m3、m4也与磁铁m2同样地配置。下面，将八个磁铁m1及其关联部件适当称为第一磁铁组M1，并且，将磁铁m2、m3、m4及其关联部件分别适当称为第二磁铁组M2、第三磁铁组M3、第四磁铁组M4。如后所述，这些磁铁组M1～M4绕同步电动机10的轴线方向在期望的角度位置被定位。

在这种同步电动机10中，转子30的磁铁m1等的磁通在定子铁芯上产生磁场。另外，当电流流经卷绕在定子20的插槽21中的线圈（未图示）时，利用电磁感应产生磁场。在磁铁m1等及线圈上产生与角度对应的磁通，当使这些磁通相乘时，得到一定的转矩，同步电动机10的转子30旋转。

并且，图4是一个极的转子部分的放大图。在图4中，表示转子30中的一个极的转子磁轭31。另外，在为了简洁的目的中，省略定子20的内周面29的插槽21的图示。如图4所示，使从同步电动机10的旋转中心O通过转子磁轭31的中心的中心线为直线X0。并且，使绕旋转中心O逆时针从直线X以角度θ旋转的直线为直线X1。

从图4可以看出，转子磁轭31的外周面33以在其中心线X0附近与定子20的内周面29最接近，在转子磁轭31的周向两缘部附近从定子20的内周面29离开的方式形成。具体地说，转子磁轭31的外周面33的形状以由以下的式（1）表示的三角函数表示。

Lg=G0／cos（Kc×θ）    （1）

在式（1）中，Lg是直线X1上的转子磁轭31的外周面33与定子20的内周面29之间的间距长。G0是中心线X0上的转子磁轭31的外周面33与定子20的内周面29之间的最小间距。另外，Kc是决定曲率的系数。另外，可以使用三角函数以外的函数形成转子磁轭31的外周面33。另外，可以使用该函数只形成转子磁轭31的外周面33的一部分、例如中心部分。即使这种场合，也包含在本发明的范围内。

在本发明中，由于利用三角函数的曲线构成转子30的外径形状，因此能低惯性、大转矩且旋转顺畅，即使在高速区域也能够抑制损失。因此，也能将本发明的同步电动机10适用于要求在高频度、高速下的取放动作的高速高应答的机器人。

其中，图5是表示使同步电动机旋转时的旋转角度与齿槽转矩之间的关系的第一图。图5中的横轴是旋转角度θ，纵轴表示齿槽转矩。后述的其他图8、图12也相同。另外，在图5中使用的同步电动机10包括如图1等所示的十二个插槽的定子20、图3所示的转子30。即，在图5中使用的同步电动机10的转子30包括互相以相同角度配置的从第一磁铁组M1至第四磁铁组M4。

在这种八极十二个插槽的同步电动机10的场合，如图5所示，得到包括一转24次的主成分P的齿槽转矩。另外，图5也与主成分P附带地表示两倍的48次成分即高频波成分Q。由于具有这些主成分P及高频波成分Q，难以使同步电动机10顺畅地旋转。

这些主成分P及高频波成分Q的大小通过改变式（1）所示的系数Kc的值进行调整。但是，即使是改变了系数Kc的场合，也无法消除主成分P及高频波成分Q的存在自身。因此，为了使同步电动机10顺畅地旋转，需要消除主成分P及高频波成分Q的存在自身。

本发明的同步电动机10具备八个极与十二个插槽，它们的最小公倍数是24。当以24除一圈360°时是角度15°。因此，通过以15°的一半即7.5°绕轴线方向使图3所示的磁铁组互相离开，能够排除齿槽转矩的主成分P。

在此，图6是转子磁轭的第一放大图。图6所示的转子磁轭31a的连结孔41a从中心线X0偏离地形成。如图所示，连接连结孔41a的中心与旋转中心O的线段X2与中心线X0所成的角度θ是3.75°。在本发明的第一实施方式中，使用形成有这种连结孔41a的转子磁轭31a。

图7是转子的第二立体图。在图7中，在第一磁铁组M1及第二磁铁组M2中，使用形成有连结孔41a的八个转子磁轭31a来固定磁铁m1、m2。相对于此，在第三磁铁组M3及第四磁铁组M4中，使相同的转子磁轭31a的表里相反地用于固定磁铁m3、m4。

其结果，如图7所示，第一磁铁组M1及第二磁铁组M2一体地相对于第三磁铁组M3及第四磁铁组M4绕轴线方向以7.5°旋转地定位。该旋转角度7.5°是在第一磁铁组M1及第二磁铁组M2中使用的转子磁轭31a的连结孔41a的角度θ（=3.75°）的绝对值与在第三磁铁组M3及第四磁铁组M4中使用的转子磁轭31a的连结孔41a的角度θ（=-3.75°）的绝对值的和。

在使用组合了这种转子30与上述定子20的同步电动机10的场合，得到图5或图8所示的旋转角度与齿槽转矩之间的关系。图5是具有作为主成分P的每一转24次的成分与其倍数的48次的高频波Q的图，图8是只具有主成分P的24次成分的图。根据磁极的形状等得到图5的波形或图8的波形。即使任意的波形的场合，通过改变三角函数的系数，如图14所示，齿槽转矩的大小变化。

在图14中，即使在使波形的振幅为最小的场合，也稍微残留齿槽效应。通过采用图7所示的转子，能够使齿槽转矩几乎为零，因此，能够使具备这种转子的电动机顺畅地旋转。由此，能够使一转24次的主成分P几乎为零。

另外，在第一实施方式中，由于使转子磁轭31a的表背颠倒地使用，因此能够只利用单一种类的转子磁轭31a，制造以7.5°偏离的转子30。另外，通过使用图6所示的转子磁轭31a，可以制造第一磁铁组M1及第三磁铁组M3，并且通过使相同的转子磁轭31a的表背颠倒地使用，可以制造第二磁铁组M2及第四磁铁组M4。

接着，对第二实施方式进行说明。图9是转子磁轭的第二放大图。图9所示的转子磁轭31b的连结孔41b从中心线X0偏离地形成。如图所示，连接连结孔41b的中心与旋转中心O的线段X3与中心线X0所成的角度θ是1.875°。

另外，图10是转子磁轭的第三放大图。图10所示的转子磁轭31c的连结孔41c从中心线X0偏离地形成。如图所示，连接连结孔41c的中心与旋转中心O的线段X4和中心线X0所成的角度θ是5.625°。在本发明的第二实施方式中，使用形成有这种连结孔41a、41b的两种转子磁轭31b、31c。

图11是转子的第三立体图。在图11中，通过从图10的状态表背颠倒地使用在第一磁铁组M1中形成有连结孔41c的八个转子磁轭31c来固定磁铁m1。另外，通过从图9的状态表背颠倒地使用在第二磁铁组M2中形成有连结孔41b的八个转子磁轭31b来固定磁铁m2。

另外，使用在第三磁铁组M3中形成有连结孔41b的八个转子磁轭31b来固定磁铁m3。另外，使用在第四磁铁组M4中形成有连结孔41c的八个转子磁轭31c来固定磁铁m4。

其结果，如图11所示，第一磁铁组M1相对于第二磁铁组M2绕轴线方向以3.75°（=-5.625°-（-1.875°））旋转地定位。同样地，第二磁铁组M2相对于第三磁铁组M3绕轴线方向以3.75°（=（-1.875°）-1.875°）旋转地定位。另外，第三磁铁组M3相对于第四磁铁组M4绕轴线方向以3.75°（=1.875°-5.625°）旋转地定位。

在使用组合了这种转子30与上述定子20的第二实施方式的同步电动机10的场合，得到图12所示的旋转角度与齿槽转矩之间的关系。在图12中，排除主成分P及高频波成分Q，其结果，不会产生齿槽转矩。因此，当与图5及图8的场合比较时，可以看出可使具备图11所示的转子30的同步电动机10更顺畅地旋转。

另外，图13是表示电流与转子涡电流损失之间的关系的图。在图13中，横轴表示电流，并且，纵轴表示转子涡电流损失。另外，图13的实线A1表示本发明的八极十二个插槽的同步电动机10的动作，并且，虚线A2表示十极十二个插槽的同步电动机的动作。

如在图13中由虚线A2所示，当电流变大时，十极十二个插槽的同步电动机的转子涡电流损失也变大。相对于此，如实线A1所示，在本发明的八极十二个插槽的同步电动机10中，即使电流变大，转子涡电流损失也几乎不会变大。因此，八极十二个插槽的结构对抑制转子涡电流损失的增加极其有利。

在此，当再次参照图4时，图4还表示定子20的内周面29与转子磁轭31的外周面之间的最大间距Gm。并且，图14是表示最大间距／最小间距与齿槽转矩之间的关系的图。在图14中，横轴表示比Gm／G0，并且，纵轴表示齿槽转矩。其中，在本申请说明书中，存在将最大间距Gm与最小间距G0的比Gm／G0称为曲率的场合。

如图14所示，随着比Gm／G0向数值5增大，齿槽转矩减少。并且，当比Gm／G0从数值5进一步增大时，齿槽转矩增大。即，在比Gm／G0是数值5时，齿槽转矩为最小值。因此，通过以比Gm／G0为数值5的方式使用设定最大间距量Gm及最小间距量G0的转子30，能将齿槽转矩抑制为最小限。

并且，当在要求在高频率、高速下的取放动作的高速高应答的机器人内使用同步电动机10时，要求同步电动机10的连续额定转矩与惯性的比（转矩／惯性）大。图15是表示连续额定转矩与转矩／惯性之间的关系的图。在图15中，横轴表示连续额定转矩，并且纵轴表示转矩／惯性。另外，在图15中，点C表示本发明的同步电动机10，实线D表示已有的马达的动作。

在图15中，表示本发明的同步电动机10的转矩／惯性的点C比表示已有的马达的动作的实线D高的值。即，本发明的同步电动机10比已有的马达性能大幅地变高。因此，也能在要求在高频率、高速下的取放动作的高速高应答的机器人内使用本发明的同步电动机10。

使用优选的实施方式说明了本发明，但只要是本领域技术人员，则当然能不脱离本发明的范围地进行上述改变及多种其他改变、省略、追加。

Claims (6)

1.一种同步电动机，其特征在于，

具备形成有十二个插槽（21）的集中绕组定子（20）、以及配置在该集中绕组定子的内侧且沿径向配置有八个磁铁的八极转子（30），由三角函数的曲线及与该三角函数的曲线近似的曲线构成上述转子的一个极的外形形状的一部分或整体。

2.根据权利要求1所述的同步电动机，其特征在于，

上述转子的一个极的外形形状的上述一部分是上述转子的一个极的外形形状的中心部分。

3.根据权利要求1或2所述的同步电动机，其特征在于，

上述转子包括由沿径向配置的八个磁铁构成的第一磁铁组（M1）、以及由在上述同步电动机的轴线方向与上述第一磁铁组邻接地配置且沿径向配置的八个磁铁构成的第二磁铁组（M2），

上述第一磁铁组与上述第二磁铁组沿绕上述同步电动机的轴线方向互相以7.5°偏离。

4.根据权利要求1或2所述的同步电动机，其特征在于，

上述转子包括由沿径向配置的八个磁铁构成的第一磁铁组（M1）、由在上述同步电动机的轴线方向与上述第一磁铁组邻接地配置且沿径向配置的八个磁铁构成的第二磁铁组（M2）、以及由在上述同步电动机的轴线方向与上述第二磁铁组邻接地配置且沿径向配置的八个磁铁构成的第三磁铁组（M3），包括由在上述同步电动机的轴线方向与上述第三磁铁组邻接地配置且沿径向配置的八个磁铁构成的第四磁铁组（M4），

在从上述第一磁铁组至上述第四磁铁组中互相邻接的两个磁铁组沿绕上述同步电动机的轴线方向互相以3.75°偏离。

5.根据权利要求3所述的同步电动机，其特征在于，

在上述转子的上述第一磁铁组的第一转子磁轭上，在从与上述转子的各极对应的部分的中心线沿绕上述同步电动机的轴线方向以3.75°偏离的位置形成第一连结孔（41a），

在上述转子的上述第二磁铁组的第二转子磁轭上，在从与上述转子的各极对应的部分的中心线沿绕上述同步电动机的轴线方向且与上述第一连结孔相反方向以3.75°偏离的位置形成第二连结孔（41a）。

6.根据权利要求4所述的同步电动机，其特征在于，

在上述转子的上述第一磁铁组的第一转子磁轭上，在从与上述转子的各极对应的部分的中心线沿绕上述同步电动机的轴线方向以5.625°偏离的位置形成第一连结孔（41c），

在上述转子的上述第二磁铁组的第二转子磁轭上，在从与上述转子的各极对应的部分的中心线沿绕上述同步电动机的轴线方向且与上述第一连结孔相同方向以1.875°偏离的位置形成第二连结孔（41b），

在上述转子的上述第三磁铁组的第三转子磁轭上，在从与上述转子的各极对应的部分的中心线沿绕上述同步电动机的轴线方向且与上述第一连结孔相反方向以1.875°偏离的位置分别形成第三连结孔（41b），

在上述转子的上述第四磁铁组的第四转子磁轭上，在从与上述转子的各极对应的部分的中心线沿绕上述同步电动机的轴线方向且与上述第一连结孔相反方向以5.625°偏离的位置分别形成第四连结孔（41c）。