CN105103420B - 同步磁阻电动机以及同步磁阻电动机的转子 - Google Patents

Abstract

本发明的同步磁阻电动机(100)具有：轴(23)；转子铁芯(21)，该转子铁芯(21)固定于轴(23)，且形成有多个磁通屏障；形成有突起状的多个定子齿部的定子铁芯(11)；以及卷绕于多个定子齿部(12)的多相电枢绕阻(15)。磁通屏障包括：多个第一磁通屏障(41)，该多个第一磁通屏障(41)在圆周方向上相互隔开间隔地形成，且在径向上延伸；以及多个第二磁通屏障(31)，该多个第二磁通屏障(31)在被第一磁通屏障(41)夹住的各个圆周角度区域中在圆周方向上向着转轴中心扩展成突出的曲面状，且相互之间隔开间隔来形成。

Description

同步磁阻电动机以及同步磁阻电动机的转子

技术领域

本发明涉及同步磁阻电动机(reluctance motor)及其转子。

背景技术

在现有的同步电动机的情况下，已知有在转子上具有永磁体的永磁体型同步电动机(PMSM：Permanent Magnet Synchronous Motor)，在转子上具有磁场线圈的同步电动机(FCSM：Field Coil Synchronous Motor)，在转子上具有磁性凸极(salient pole)的磁阻电动机(RM：Reluctance Motor)等。

虽然PMSM没有因产生磁气而造成功率损耗且效率较高，但是在高速运行时需要进行较弱的磁场控制，而且永磁体的机械强度、耐热性等还存在问题。

由于PMSM的问题、磁体价格的高涨等，不使用永磁体的电动机即RM渐渐受到关注。作为RM，已知有与正弦波旋转磁场同步地进行旋转的同步磁阻电动机(SynRM：SynchronousReluctance Motor)、利用开关磁场进行旋转的开关磁阻电动机(Switched ReluctanceMotor)等。SynRM相比于SRM，已知有低噪声、低振动的特点。

关于SynRm的转子，主要以磁通的方向作为q轴，且以与磁通的方向电气性、磁气性垂直的方向作为d轴。SynRM的转子中，电气角例如在分开π(180°)的2个q轴之间的区域内具有例如5重的磁通屏障(flux barrier)(slit:缝隙)。

由此，转子在d轴方向上的电感、即d轴电感Ld会小于q轴方向上的电感、即q轴电感Lq，其结果是，能够增大磁阻转矩(＝(Ld－Lq)·Id·Iq)。此处，Id是用于产生d轴方向上的磁通的电流，Iq是用于产生q轴方向上的磁通的电流。

另外，在SynRM的转子结构的其他示例中，在转子铁心的外周面的d轴附近设置有凹槽，在该凹槽上卷绕转子线圈。通过使直流电流流过转子线圈，从而能够在磁阻转矩的基础上再产生因电流磁通Φi而产生的转矩。

由于在如上所述定义的d轴附近设置凹槽，因此，能够防止磁阻转矩的减少，其结果是能够提高转矩且改善效率。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2006－121821号公报

专利文献2：日本专利特开2009－194945号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，SynRM的转子结构中，以层状的方式配置磁阻抗较大的磁通屏障，以使凸极比(Lq/Ld)变大，必须提高转矩、功率因数。

在现有的SynRM的结构中，在上述结构上，多层状磁路的上层侧(与转子轴垂直的半径方向外侧部分)中磁路的宽度会相对地变窄。因此，存在会产生局部较大的磁阻抗，导致转子整体的q轴电感(Lq)降低、功率因数降低的问题。

本发明是为了解决上述问题而设计的，其目的在于，增大同步磁阻电动机的凸极比(Lq/Ld)，提高转矩和功率因数。

用于解决技术问题的手段

为了实现上述目的，本发明的特征在于，包括：轴，能旋转地对该轴进行轴支承，且该轴以转轴为中心沿着轴方向延伸；转子铁心，该转子铁心形成有多个磁通屏障，固定于所述轴且在转轴方向上延伸；定子铁心，该定子铁心在所述转子铁心的外周与所述转子铁心隔开间隔地进行配置，且在圆周方向上彼此隔开间隔地进行排列，该定子铁心形成有沿着转轴方向延伸的凸状的多个定子齿部；以及多相电枢绕阻，该多相电枢绕阻卷绕于多个所述定子齿部，且具有多个极，在该同步磁阻电动机中，所述磁通屏障包括：多个第一磁通屏障，该多个第一磁通屏障在圆周方向上相互隔开间隔地形成，且在径向上延伸；以及多个第二磁通屏障，该多个第二磁通屏障在被所述第一磁通屏障夹住的各个圆周角度区域中在圆周方向上向着所述转轴中心扩展成突出的曲面状，且相互之间隔开间隔来形成。

本发明的特征在于，同步磁阻电动机的转子具有设置有电枢绕阻的定子铁心，该同步磁阻电动机的转子包括：轴，能旋转地对该轴进行轴支承，且该轴以转轴为中心沿着转轴方向延伸；转子铁心，该转子铁心形成有多个磁通屏障，固定于所述轴且在转轴方向上延伸；所述磁通屏障包括：多个第一磁通屏障，该多个第一磁通屏障在圆周方向上相互隔开间隔地形成，且在径向上延伸；以及多个第二磁通屏障，该多个第二磁通屏障在被所述第二磁通屏障夹住的各个圆周角度区域中在圆周方向上向着所述转轴中心扩展成突出的曲面状，且相互之间隔开间隔来形成。

发明效果

根据本发明，能够增大同步磁阻电动机的凸极比(Lq/Ld)，提高转矩和功率因数

附图说明

图1是与第一实施方式所涉及的同步磁阻电动机的转轴方向垂直的剖面图。

图2是与第一实施方式所涉及的同步磁阻电动机的转轴方向垂直的详细剖面的局部剖面图。

图3是本发明第一实施方式所涉及的同步磁阻电动机的电枢绕组的接线图。

图4是与现有的同步磁阻电动机的转轴方向垂直的剖面中的简要磁通分布图。

图5是与第一实施方式所涉及的同步磁阻电动机的转轴方向垂直的剖面中的简要磁通分布图。

图6是现有的同步磁阻电动机及第一实施方式所涉及的同步磁阻电动机的平均轴转矩的比较图。

图7是现有的同步磁阻电动机及第一实施方式所涉及的同步磁阻电动机的功率因数的比较图。

图8是与第二实施方式所涉及的同步磁阻电动机的转轴方向垂直的剖面图。

图9是与第三实施方式所涉及的同步磁阻电动机的转轴方向垂直的详细剖面的局部剖面图。

图10是与第四实施方式所涉及的同步磁阻电动机的转轴方向垂直的详细剖面的局部剖面图。

具体实施方式

第一实施方式

图1是与第一实施方式所涉及的同步磁阻电动机的转轴方向垂直的剖面图。另外，图2是表示与第一实施方式所涉及的同步磁阻电动机的转轴方向垂直的详细剖面的局部剖面图。图2中为剖面的1/4，虽然为了便于说明仅显示图的1/4，但是并非是指同步磁阻电动机能够一分为四。

同步磁阻电动机100在外壳(未图示)的内部具有定子10和转子20。

定子10具有定子铁心11和多个定子齿部12。

定子铁心11具有在旋转方向上层叠电磁钢板而成的构造，该电磁钢板是为了降低涡流损耗而在铁中添加了硅而制成的薄板。定子铁心11为圆筒状，且在轴23的转轴方向上延伸。

定子齿部12在定子10的内周上以沿着圆周方向相互隔开间隔的方式排列，且在轴23的转轴方向上延伸。另外，定子齿部12分别从定子铁心11侧向着转子20的旋转中心延伸成凸状，它们的前端与转子20的外周将径向的间隙25夹在中间而相对。

彼此相邻的定子齿部12之间，形成在轴23的转轴方向延伸的定子间隙14。

图3是第一实施方式所涉及的同步磁阻电动机的电枢绕组的接线图。

电枢绕阻15卷绕定子齿部12的周围，且收纳于定子间隙14内。

也就是说，卷绕多个极的多相例如3相的电枢绕阻15。在各个电枢绕组15中流过U相、V相、W相中任一个的交流电流。

另外，同步磁阻电动机100中，并未设置磁场绕组。

如图1和图2所示，转子20在定子10的内侧，与定子10隔开间隔地进行设置。如上所述，在转子20上并未卷绕磁场绕组。转子20具有转子铁心21和轴23。

轴23与转轴同轴地进行延伸，轴23利用设置于外壳的轴承(未图示)以能够旋转的方式获得轴支承。轴承可以是辊轴承(Roller bearings)、球轴承等转轴承(ballbearing)、或者是滑轴承等轴承。

转子铁心21具有在旋转方向上层叠电磁钢板而成的构造，该电磁钢板是为了降低涡流损耗而在铁中添加了硅而制成的薄板。层叠有薄板的转子铁心21为占据轴23的周围且在径向上具有厚度的圆筒状。

为了保持转子20的机械强度，在转子铁心21的外周部设置有桥部24。

此处，在转子20的横截面，主要以磁通的方向作为q轴，且以与磁通的方向电磁垂直的方向作为d轴。在转子铁心21上形成有在转轴方向上延伸的磁塞(magnetic barrier)、即第一和第二磁通屏障。

第一磁通屏障是在圆周方向上相互隔开间隔而形成的、且在径向上延伸的多个q轴方向磁通屏障41。q轴方向磁通屏障41以穿透构成转子铁心21的各个电磁钢板的方式来形成，且沿着q轴方向在径向上延伸。

各个钢板上形成有用于使q轴方向磁通屏障41穿透的多个贯通部分。

第二磁通屏障是在被相互相邻的q轴方向磁通屏障41所夹住的各个圆周方向的角度区域中设置的多个d轴周围磁通屏障31。

d轴周围磁通屏障31在各个圆周角度区域中沿着圆周方向扩展，且向着轴23的转轴方向以凸出的方式延伸成曲面状。该曲面的两端不与q轴方向磁通屏障41相交叉，且达到桥部24。

相互相邻的d轴周围磁通屏障31以相互不交叉且不接触的方式隔开间隔来形成。

在图1和图2中省略了图示，虽然看起来是利用了第一磁通屏障即q轴方向磁通屏障41和第二磁通屏障即d轴周围磁通屏障31将转子铁心21完全分隔开，但是夹住q轴方向磁通屏障41或者d轴周围磁通屏障31而相邻的转子铁心21的钢板部分的局部相互连结，且能够保持相互相对的位置关系。

利用上述结构，转子20的转轴周围会产生旋转磁场。转子20被该旋转磁场所吸引而以轴23为中心进行旋转。

图4是与现有的同步磁阻电动机的转轴方向垂直的剖面中的简要磁通分布图。此处，在现有的同步磁阻电动机中并未设置q轴方向磁通屏障41。也就是说，图4示出了没有q轴方向磁通屏障41的情况下的磁通分布。磁通分布中示出了转子20的剖面的1/6。

在图4中，虚线a1表示主磁通沿着q轴的q轴磁通。另一方面，b1表示主磁通沿着d轴的d轴磁通。

同步磁阻电动机100中，由于转子20以与定子10所生成的旋转磁通相同的角速度进行旋转，所以转子20中这些磁通的位置不会发生变化，而是会固定在相同的位置。也就是说，若从静态系统来看，这些磁通以与转子20相同的角速度进行旋转。

在转子20中，q轴磁通通过由d轴周围磁通屏障31所分割开的各个转子铁心21的部分。另外，q轴磁通通过与定子10之间的间隙25而进入定子10一侧。转子20内的磁通与通过定子10的磁通在整体上形成一个闭合回路，在q轴的周围形成沿着q轴的磁通。

另一方面，磁通b1与图4中省略了图示的相邻的1/6剖面中的磁通相连。磁通b1如图4所示，在d轴的周围形成沿着d轴方向的磁通。

图5是与第一实施方式所涉及的同步磁阻电动机的转轴方向垂直的剖面中的简要磁通分布图。也就是说，示出了设置有q轴方向磁通屏障41的情况下的磁通分布。

在图5中，虚线a2表示主磁通沿着q轴的q轴磁通。另一方面，b2表示主磁通沿着d轴的d轴磁通。

在本实施方式中，d轴磁通的通路上存在有q轴方向磁通屏障41。q轴方向磁通屏障41是空气层，与转子铁心21的钢板部分相比其磁导率较小。其结果是，由于q轴方向磁通屏障41的存在，导致d轴磁通变得难以通过。

由于定性地示出了磁力线，所以以q轴磁力线的根数为基准示出了d轴磁力线。因此，表现为图4所示的q轴磁通和图5所示的q轴磁通具有相同根数的磁力线。

若对图4中的d轴磁通b1和图5中的d轴磁通b2进行比较，则图5的d轴磁通b2的磁力线的根数少于图4中d轴磁力线b1的根数。也就是说，图5所示的本实施方式中q轴磁通相对于d轴磁通的比例变得小于图4所示的现有结构中q轴磁通相对于d轴磁通的比例。

在现有的SynRM，构成为d轴磁通比q轴磁通难通过的结构，而在本实施方式中，通过设置q轴方向磁通屏障41，由此进一步使d轴磁通比q轴磁通要难以通过。

其结果是，d轴方向的自感即d轴电感Ld相对于q轴方向的自感即q轴电感Lq变得更小。也就是说，凸极比Lq/Ld会进一步变大。

图6是现有的同步磁阻电动机及第一实施方式所涉及的同步磁阻电动机的平均轴转矩的比较图。

若将转子20的q轴方向的电感即q轴电感设为Lq，将d轴方向的电感即d轴电感设为Ld，且将流过转子铁心21的电流在q轴方向上的分量设为Iq，在d轴方向上的分量设为Id，则，磁阻转矩为(Ld－Lq)·Id·Iq。也就是说，Ld与Lq之差越大，则磁阻转矩越大。

如图6所示，相对于现有的同步磁阻电动机的转矩，本实施方式所涉及的同步磁阻电动机中的转矩有效地增大1％左右。

图7是现有的同步磁阻电动机及第一实施方式所涉及的同步磁阻电动机的功率因数的比较图。

如图7所示，相对于现有的同步磁阻电动机的功率因数，本实施方式所涉及的同步磁阻电动机中的功率因数变大2％左右，有效地改善了功率因数。

如上所述，根据本实施方式，能够增大同步磁阻电动机的凸极比(Lq/Ld)，提高转矩和功率因数。

第二实施方式

图8是与第二实施方式所涉及的同步磁阻电动机的转轴方向垂直的剖面图。本实施方式是第一实施方式的变形例。

星形轴50具有分别向着径向的外侧延伸的4个放射形板51。4块放射形板51相互在圆周方向上隔开间隔地进行排列，且沿着转子20的转轴方向延伸。此处，虽然示出了放射形板51为4块的情况，但是并不仅限于4块。多块可以例如为6块等。

第二实施方式中的放射形板51配置于第一实施方式中的、形成有q轴方向磁通屏障41的区域。星形轴50的材料为非磁性体。因此，与第一实施方式中的q轴方向磁通屏障41相同，具有磁阻较大而使磁通较难通过的性质。

在这些放射形板51的两侧，沿着转轴方向形成向着圆周方向突出的燕尾形(dovetail)突起，在转子铁心21上设置形成有与燕尾形突起嵌合的槽的嵌合部52，通过将放射形板51与转子铁心21相嵌合，从而构成相互之间不会发生位置偏移的结构。

另外，对于嵌合部52的形状，虽然示出了燕尾形状的情况，但是并不仅限于燕尾形状。例如可以是矩形或者三角形的情况。

关于嵌合部52，虽然示出了放射形板51一侧突出而转子铁心21一侧凹陷的情况，但是也可以反过来在放射形板51的侧面形成槽，在转子铁心21一侧形成突起。

在由此构成的本实施方式中，星形轴50的放射形板51起到与第一实施方式中q轴方向磁通屏障相同的作用，因此，与现有的同步磁阻电动机相比，凸极比(Lq/Ld)变大，且能够提高转矩和功率因数。

另外，通过采用在放射形板51一侧设置有与转子铁心21相嵌合的嵌合部52的轴23，由此能够提高转子20的机械强度，且能够进一步加强转子铁心21的固定。

第三实施方式

图9是与第三实施方式所涉及的同步磁阻电动机的转轴方向垂直的详细剖面的局部剖面图。本实施方式是第一实施方式的变形例。

在第一实施方式中，d轴周围磁通屏障31和q轴方向磁通屏障41是空气层，但是在第三实施方式中，d轴周围磁通屏障32和q轴方向磁通屏障42中填充有非磁性体的树脂。

在由此构成的本实施方式中，由于d轴周围磁通屏障32和q轴方向磁通屏障42内是非磁性体的树脂，因此与第一实施方式同样，能够形成磁通屏障。

因此，因为q轴方向磁通屏障42起到与第一实施方式中的q轴磁通屏障41相同的作用，因此凸极比(Lq/Ld)变大，且能够提高转矩和功率因数。

另外，通过在d轴周围磁通屏障32和q轴方向磁通屏障42中均填充树脂，由此能够确保转子铁心21的机械强度。

在本实施方式中，示出了d轴周围磁通屏障32和q轴方向磁通屏障42均填充有非磁性体的树脂的情况，但是并不仅限于此。

例如可以仅在d轴周围磁通屏障32和q轴方向磁通屏障42中的希望对其结构强度进行加强的部分中填充非磁性体的树脂。

或者，也可以仅在d轴周围磁通屏障32的一部分中填充非磁性体的树脂。

第四实施方式

图10是与第四实施方式所涉及的同步磁阻电动机的转轴方向垂直的详细剖面的局部剖面图。本实施方式也是第一实施方式的变形例。

在第一实施方式中，d轴周围磁通屏障31和q轴方向磁通屏障41是空气层，但是在第四实施方式中，作为d轴周围磁通屏障，设置永磁体即d轴周围永磁体33。

在由此构成的本实施方式中，由于d轴周围磁通屏障是永磁体33，因此与第一实施方式同样，能够形成磁通屏障。

另外，q轴方向磁通屏障41是空气层，起到与第一实施方式相同的作用，因此凸极比(Lq/Ld)变大，且能够提高转矩和功率因数。

在本实施方式中，示出了在d轴周围设置永磁体的情况，但是并不仅限于此。

例如可以在d轴周围和q轴方向这两者上均设置永磁体。或者，也可以在d轴周围的一部分上设置永磁体。

其他实施方式

上面虽然说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式作为示例而提出，并没有限定发明范围的意图。

可以对各个实施方式的特征进行组合。例如，可以将第二实施方式的特征即星形轴50和第三实施方式的特征即填充了非磁性体的树脂的磁通屏障进行组合。

或者，可以将第二实施方式的特征即星形轴50和第四实施方式的特征即设置永磁体进行组合。

而且，这些实施方式能够用其他各种方式来实施，在不脱离发明主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。

这些实施方式及其变形均包含在发明范围及其主旨中，同样地包含在权利要求保护范围所记载的发明及其等效范围内。

标号说明

10 定子，11 定子铁心，12 定子齿部，14 定子间隙，15 电枢绕阻，20 转子，21 转子铁心，23 轴，24 桥部，25 间隙，31、32 d轴周围磁通屏障(第二磁通屏障)，33 d轴周围永磁体(第二磁通屏障)，41、42 q轴方向磁通屏障(第一磁通屏障)，50 星形轴(第一磁通屏障)，51 放射形板，52 嵌合部，100 同步磁阻电动机。

Claims (6)

1.一种同步磁阻电动机，其特征在于，具备：

轴，该轴能旋转地得到轴支承，且该轴以转轴为中心沿着转轴方向延伸；

转子铁心，该转子铁心为圆筒状，在外周部具有桥部，形成有多个磁通屏障，设置于所述轴的径向周围，固定于所述轴且在转轴方向上延伸；

定子铁心，该定子铁心在所述转子铁心的外周与所述转子铁心隔开间隔地进行配置，且在圆周方向上彼此隔开间隔地进行排列，该定子铁心形成有沿着转轴方向延伸的凸状的多个定子齿部；以及

多个极的多相电枢绕组，该多相电枢绕组卷绕于多个所述定子齿部，

在该同步磁阻电动机中，

所述磁通屏障包括：

多个第一磁通屏障，该多个第一磁通屏障在圆周方向上相互隔开间隔地形成，且在径向上延伸；以及

多个第二磁通屏障，该多个第二磁通屏障在被所述第一磁通屏障夹住的各个圆周角度区域中在圆周方向上向着所述转轴中心扩展成突出的曲面状，且相互之间隔开间隔来形成，

所述轴具有多个放射形板，该多个放射形板为非磁性体，在彼此之间的圆周方向上隔开间隔地进行排列，且分别向着径向外侧和转轴方向延伸，配置于所述第一磁通屏障的区域，

所述转子铁心与所述放射形板中的一个形成有用于嵌合的突起，而其另一个形成有用于嵌合的槽。

2.如权利要求1所述的同步磁阻电动机，其特征在于，

所述用于嵌合的突起为燕尾形状。

3.如权利要求1或2所述的同步磁阻电动机，其特征在于，

所述第一磁通屏障和所述第二磁通屏障中的至少一个中填充有非磁性体的树脂。

4.如权利要求2所述的同步磁阻电动机，其特征在于，

所述第一磁通屏障和所述第二磁通屏障中的至少一个形成有空气层。

5.如权利要求2所述的同步磁阻电动机，其特征在于，

所述第一磁通屏障和所述第二磁通屏障中的至少一个配置有永磁体。

6.一种同步磁阻电动机的转子，其特征在于，

该同步磁阻电动机具有设置有电枢绕组的定子铁心，该同步磁阻电动机的转子包括：

轴，该轴能旋转地得到轴支承，且该轴以转轴为中心沿着转轴方向延伸；以及

转子铁心，该转子铁心为圆筒状，在外周部具有桥部，形成有多个磁通屏障，设置于所述轴的径向周围，固定于所述轴且在转轴方向上延伸，

所述磁通屏障包括：

多个第一磁通屏障，该多个第一磁通屏障在圆周方向上相互隔开间隔地形成，且在径向上延伸；以及

多个第二磁通屏障，该多个第二磁通屏障在被所述第一磁通屏障夹住的各个圆周角度区域中在圆周方向上向着所述转轴中心扩展成突出的曲面状，且相互之间隔开间隔来形成，

所述轴具有多个放射形板，该多个放射形板为非磁性体，在彼此之间的圆周方向上隔开间隔地进行排列，且分别向着径向外侧和转轴方向延伸，配置于所述第一磁通屏障的区域，

所述转子铁心与所述放射形板中的一个形成有用于嵌合的突起，而其另一个形成有用于嵌合的槽。