CN1064786C - 直流无刷电动机和控制装置 - Google Patents

Abstract

目的旨在在具有设置励磁用永久磁铁的转子的直流无刷电动机中进一步扩大连续额定电流的运转范围。

直流无刷电动机3由电枢31和转子32构成。转子32具有在外周部有4个主磁极321的转子轭。在转子轭的各主磁极321上形成径向尺寸为Lm的槽322，厚度大致为Lm的励磁用永久磁铁323埋入到各槽322内。这时，设定槽322的径向尺寸Lm与在转子32和电枢31之间形成的气隙的气隙长度Lg满足0＜Lm+Lg≤2mm。

Description

直流无刷电动机和控制装置

本发明涉及具有励磁用永久磁铁的直流无刷电动机和控制装置。直流无刷电动机按其转子结构分类有两种类型。一种是将励磁用永久磁铁装配在转子轭的表面上的表面磁铁式，另一种是将励磁用永久磁铁埋入到转子轭的内部的埋入式。

在这两种转子结构不同的直流无刷电动机中，在表面磁铁式的转子中，为了防止由于高速旋转时的离心力引起励磁用永久磁铁破坏，通常采用装配不锈钢管的结构。由于采用上述结构，在表面磁铁式的转子的情况下，由励磁用永久磁铁、转子轭和电枢构成的磁路的磁阻有增大的倾向，另外，由于是以几k～20kHz斩波的电源驱动电动机，所以，在不锈钢管中存在涡流，从而成为影响电机效率降低的原因。

另一方面在埋入式的转子中，由于在冲压转子轭时预先形成将励磁用永久磁铁插入到转子架的内部的槽，所以，不必使用不锈钢管，因此，可以大幅度地减少涡流的发生。

但是，由于槽的结构又会增加磁通泄漏，减少磁路的有效磁通量，从而不能有效地发挥磁铁的作用，所以，必须设法防止这种情况。

上述2种转子由于结构不同，所以，机械常数也大不相同，结果，电动机输出特性差别也很大。由于永久磁铁的磁导率与真空的磁导率接近，所以，有永久磁铁的部分可以视为与空气等同。

表面磁铁式转子结构的电机，由于d轴电感和q轴电感相等，电流和转矩具有线性关系，所以，加减速特性、转矩控制等的控制性良好，多使用于伺服电动机。

埋入式转子结构的电动机具有q轴电感大于d轴电感的特征(反突极性)。因此，不仅可以利用永久磁铁的有效转矩，而且可以进行利用磁阻转矩的最大转矩控制，从而可以获得高输出、高效率的特性。

另外，在埋入式转子结构的电机中，即使在由逆变器驱动装置的直流回路电压和电机的反电动势限制的转数之上的运转范围内，通过相对于反电动势的相位来控制电枢电流的相位而利用电枢反应的等价减弱磁场控制，可以进行运转。因此，埋入式转子结构的电机作为要求小型、高效率并且具有宽的运转范围的移动体驱动用的电动机是有希望的电动机。

在电动机的运转中，有可以连续运转的区域和只在短时间可以运转的区域。这取决于电机的温升。详细的说明从略，分别称为连续额定和短时间额定。并且，将在连续额定时持续流过的电流称为连续额定电流。

已有的埋入式转子的结构示于图20。另外，以连续额定电流使已有的埋入式转子结构的电动机运转时的输出特性示于图21。

如图21所示，以使电动机的反电动势和电枢电流成为同相位而使已有的电动机运转时(称为i=0控制)的最大转数与利用减弱磁场控制进行运转时的最大转数之比为1．6(9200／5600rpm)。

即，利用减弱磁场控制可以将能够连续运转的转数范围扩大1．6倍。另外，图中虽然未示出，但是，如果使电枢中流过大于连续额定电流的电流，还可以进一步扩大运转范围。

利用已有的技术控制具有已有的埋入式转子的直流无刷电动机，可以实现小型、高效率并且可以具有宽的运转范围。

但是，在具有上述已有的埋入式转子的直流无刷电动机中，在连续额定电流下运转范围的扩大是有限的，约为1．6倍左右，为了获得更宽的运转范围，必须增大电枢电流，这样就不能进行连续运转。因此，例如，当移动体在高速巡航时就会发生问题。

另外，在电动汽车及电动摩托车等以电池作为电源的移动体的驱动用电动机中，不仅电动机而且包括控制装置、传动装置也要求小型、高效率并且具有宽的运转范围。

但是，使用已有例的电动机时，在连续额定的范围内，为了进一步扩大移动体的转速范围，必须使用多级变速机构，因此，必然使装置大型化。

另外，为了扩大电机本身的工作范围，需要大的电枢电流。因此，在电机中将会由于铜的损耗增加而引起发热量增加，从而使可以运转的时间缩短，所以，以往必须设法提高电机的冷却效率，就会存在电机大型化的问题。另外，在控制装置中必须增大逆变器开关元件的电流额定值，这样，也存在招致控制装置大型化的问题。

本发明的目的旨在提供连续额定电流的工作范围宽的直流无刷电动机和控制装置。另外，还旨在提供效率好的直流无刷电动机和控制装置。

本发明这些目的可利用下述的方案达到。

一种具有转子和电枢的直流无刷电动机，转子具有一个转子轭，转子轭上带有两个或多个主磁极，在所述转子和所述电枢之间有一个气隙，在所述主磁极上形成径向尺寸为Lm的槽，厚度为Lm的励磁永久磁铁插入到所述槽中，其特征在于尺寸满足0＜Lm+Lg≤2mm的条件，其中Lg表示所述空气隙的气隙长度。

按照上述的直流无刷电动机，其特征在于尺寸满足0．3mm≤Lm+Lg≤2mm。

按照上述的直流无刷电动机，其特征在于尺寸满足0．3mm≤Lm+Lg≤1．3mm。

图1是本发明的直流无刷电动机和控制装置的结构例的框图。

图2是本发明的直流无刷电动机的结构例的主要部分的剖面图。

图3是直流无刷电动机的简化的磁路结构的回路图。

图4是表示本发明1的直流无刷电动机的输出特性的曲线图。

图5是表示本发明2的直流无刷电动机为输出特性的曲线图。

图6是表示本发明的直流无刷电动机的Lm+Lg与增速比的关系的曲线图。

图7是说明应用于本发明的永久磁铁的工作曲线图。

围8是表示应用于本发明的永久磁铁的磁铁表面磁通密度与磁铁宽度方向的位置的关系的曲线图。

图9是本发明的转子的其他结构例的平面图。

图10是本发明的控制装置的结构例的框图。

图11是表示本发明的电流矢量轨迹的曲线图。

图12是本发明的转子的其他结构例的平面图。

图13是本发明的转子的其他结构例的平面图。

图14是本发明的转子的其他结构例的平面图。

图15是表示图12～图14所示的直流无刷电动机和已有的直流无刷电动机产生的转矩的曲线图。

图16是表示图12～图14所示的直流无刷电动机产生的电气角90度区间的瞬时转矩的曲线图。

图17是本发明的主磁极、辅助突极及其附近的平面图。

图18是表示本发明的转矩波动与γ的关系的曲线图。

图19是本发明的转子的其他结构例的平面图。

图20是已有的直流无刷电动机的埋入式转子的平面图。

图21是表示已有的直流无刷电动机的输出特性的曲线图。

下面，参照附图所示的优选的实施例详细说明本发明的直流无刷电动机和控制装置。(实施例1)

图1是本发明的直流无刷电动机和控制装置的结构例的框图。如图所示，本发明的控制装置是控制直流无刷电动机(电动机)3的驱动的电动机控制装置，具有检测直流无刷电动机3的转子位置的转子位置传感器4、检测直流无刷电动机3的电枢电流的电流检测器5、3相PWM逆变器(逆变器)2和控制3相PWM逆变器(逆变器)2的工作的逆变控制部6。

在该控制装置中，从直流电源1将指定的直流电压加到3相PWM逆变器2上，由该3相PWM逆变器2生成3相交流电压。并且，由上述3相PWM逆变器2按指定的模式向直流无刷电动机3的电枢绕组(3相电枢绕组)供电。

这时，由转子位置传感器4检测并生成的转子位置信号、由电流检测器5检测并生成的电流信号(检测信号)和速度指令分别输入逆变控制部6，逆变控制部6根据转子位置信号、电流信号和速度指令控制3相PWM逆变器2的动作，驱动直流无刷电动机3进行运转。

图2是本发明的直流无刷电动机的结构例的主要部分的剖面图。如图所示，本发明的直流无刷电动机3由电枢31和由图中未示出的转轴支持的转子32构成。在电枢31和转子32之间设置空气间隙，转子32保持着一定的气隙长度Lg而进行转动。电枢31具有由叠装的多个钢片(金属片)构成的电枢轭(电枢铁心)。在该电枢轭上设有图中未示出的3相电枢绕组。

转子32具有在外周部有2个以上(在本实施例中为4个)的主磁极321的转子轭。该转子轭由叠装的多个钢片(金属片)构成。

在转子轭的各主磁极321上分别形成径向尺寸(径向的长度)为Lm的槽322。并且，将厚度(径向的长度)约为Lm(与开槽322的径向尺寸Lm基本上相同)的励磁用永久磁铁(磁铁)323分别埋入到各槽322内。插入到槽322内的励磁用永久磁铁323的种类(例如，组成)等不特别限定，但是，最好使用例如以稀土类元素、过渡金属和硼为基本成分的稀土类磁铁那样的优异的磁特性的磁铁。

这时，作为极适合使用的磁铁的磁特性最好是20℃下的磁能积(BH)max约为20～50MGOe，饱和磁通密度Br约为9．0～14．0kG，矫顽力iHc约为15～25kOe。

励磁用永久磁铁323向槽322内的固定方法有几种，但是，在本实施例中，将励磁用永久磁铁323的尺寸设定得略小于槽322，将励磁用永久磁铁323插入到槽322内后，把图中未示的非磁性板配置到转子轭的轴向两端面进行固定。此外，例如还可以举出将励磁用永久磁铁323压入槽322内的方法、将励磁用永久磁铁323粘接到槽322内的方法等，相应地需设定槽322和励磁用永久磁铁323的尺寸。

为了增大这种直流无刷电动机的电枢反应，设定诸多尺寸。即，设定槽322的径向尺寸Lm与气隙长度Lg的关系满足0＜Lm+Lg≤2mm，最好满足0＜Lm+Lg≤1．3mm。

当Lm+Lg＞2mm时，如后所述，增速比小，运转范围窄。

下面，进一步详细地说明。d-q坐标系中直流无刷电动机的电压电流方程由下式给出。

【式1】 ${\[}_{u_q}^{u_d}\]=\mathrm{\γ}{\[}_{i_q}^{-i_d}\]+\mathrm{\ω}{\[}_{-L_{d}O}^{O{L}_q}\]{\[}_{i_q}^{i_d}\]+\mathrm{\ω}{\[}_{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{mag}}}^O\]$

其中，ω是旋转角速度，r是电枢绕组电阻，φmag是有效磁通量，Vd是电动机端电压的d轴分量(d轴电压)，Vq是电机端电压的q轴分量(q轴电压)，id电枢电流的d轴分量(d轴电流)，iq是电枢电流的q轴分量(q轴电流)，Ld是电枢电感的d轴分量(d轴电感)，Lq是电枢电感的q分量(q轴电感)。

电机端电压Vm与能加到直流无刷电动机3上的最大电压即3相PWM逆变器2的直流回路电压V处于下式所表示的关系，在能够满足该关系的范围内，可以进行高速运转。

【式2】

V≥Vm

将式1代入式2并进行整理。另外，在高速运转中由于由电枢绕组电阻r引起电压降低的影响很小，所以，可以忽略不计，整理之后，可以得到下式。

【式3】 $V$ $\≥V_m=\sqrt{v_d^2+v_q^2}=$ $\sqrt{{\left(\mathrm{\ω}{L}_q{i}_q\right)}^2+{(-\mathrm{\ω}{L}_d{i}_d+\mathrm{\ω}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{mag}})}^2}$

该式表示，例如在id=0的控制中，当转动速度上升到V=Vm时，就不能再使转速上升了，但是，通过使id从其中流过，可以减小Vq的项，从而可以进一步提高转速。

这里，考虑到用于进一步使转速上升的d轴电流。若为了完全抵消励磁用永久磁铁323的磁通，所需要的d轴电流为ido，则该ido由下式给出。

【式4】 $i_{d0}=\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{mag}}}{L_d}$

式4表示，若φ_mag保持一定，则Ld大的即电枢反应大的电动机可以使ido减小，因此，可以减小减弱磁场所需要的id。

图3是直流无刷电动机的简化的磁路结构的回路图。在图3中，Fm是励磁用永久磁铁323的磁动势，Rg是气隙的磁阻，Rm是插入转子32的励磁用永久磁铁323的槽部的磁阻，Rr是转子轭的磁阻，Ry是电枢轭的磁阻。

通常，这些磁阻具有Rm＞Rg＞＞Ry＞＞Rr的关系。由于电枢反应的强度可以认为与该磁路的磁阻的总和的倒数成正比，所以，只要可以构成Rm，Rg小的磁路，就可以实现Ld大的即减弱磁场所需要的id小的电机。

下面，说明根据上述理论进行研究的结果。对于本实施例的2个直流无刷电动机(本发明1、本发明2)和已有的直流无刷电动机，分别将构成磁路的各个尺寸和电动机的诸特性示于下述表1。

【表1】

项目	本发明1	本发明2	现有例
Lg[mm]	0.3	0.3	0.5
Lm[mm]	1.0	1.7	2.7
Ld[mm]	4.76	3.42	2.87
Lq[mH]	6.27	6.63	5.61
φmag[mb]	0.077	0.087	0.088
ido[A]	16.2	25.4	30.7
Imr[A]	8.0	8.0	8.0

如上述表1所示，在现有例中，ido是电动机连续额定电流值Imr的3．8倍，与此相反，在本实施例的电动机中，ido是电动机连续额定电流值Imr的2～3．2倍，可见受到的电枢反应更强。

图4是表示本发明1的输出特性的曲线图，图5是表示本发明2的输出特性的曲线图。

如这些曲线图所示，以电机连续额定电流值Imr进行减弱磁场控制时的最高转动速度与以id=0控制时的最高转动速度之比(增速比)在本发明1中为4(4倍)，在本发明2中为2(2倍)。

图6是表示Lm+Lg与增速比的关系的曲线图。如图所示，励磁用永久磁铁323的厚度和气隙长度越小，就可以用更小的电流获得减弱磁场的效果，增速比更高。另外，关于Lm+Lg的下限，最好综合永久磁铁的不可逆退磁的问题和制造的容易性进行确定。

首先，说明退磁问题。图7是用于说明本发明1使用的励磁用永久磁铁的工作曲线图。使用的磁铁是(BH)max=32MGOe、在20℃下Br=11．5kG、iHc=21kOe、厚度为1mm，图7中所示的曲线和直线分别是在电动机运转最高温度100℃下的4πI-H、B-H的磁滞曲线、未从外部施加反磁场时的工作曲线A和使连续额定电流全部流过d轴施加反磁场时的工作曲线B。

如图所示，工作曲线B与4πI-H曲线的交点为工作点，该工作点在图7中位于拐弯点的右侧，几乎不会发生不可逆退磁。图中虽然未示出，但是，即使流过连续额定电流的2倍的电流，也不会发生不可逆退磁。因此，如果是短时间，就可以使2倍的电流通过d轴。

另外，虽然图中未示出，但是，只要是连续额定电流的运转并且是短时间，直至达到130℃还可以运转，从而可以确保充分的可靠性。

另外，如果可以降低对可靠性的安全率，就可以使磁铁厚度减薄。

另外，如果进而使用iHc高的磁铁，还可增加对不可逆退磁的裕量。

另外，由图7可知，根据各工作点的磁通密度可以计算出磁通密度的减少率为0．58，可以减弱约1／2的磁场。

下面，说明电枢31和转子32的制造的容易性。气隙长度Lg受电枢31及转子32的加工精度和电枢31与转子32的同心度影响，通常，计及组装和加工的误差，设定为0．35～0．7mm，但是，按照现在的结构，可以很容易减小到0．2mm。

槽322的径向尺寸Lm必须综合考虑磁铁的机械强度和磁铁的退磁极限进行确定。

磁铁的机械强度可以是磁铁加工和磁铁组装处理所需要的强度，但是，研究中所使用的Nd-Fe-B的烧结稀土类磁铁比较脆弱，为了得到足够的强度，其厚度必须约为0．8mm。虽然Pr-Fe-B的铸造·压延稀土类磁铁的机械强度高，但是，为了得到足够的强度，其厚度也必须约为0．1mm。

另外，如图7所示，根据磁铁的退磁极限面，可以进一步将其厚度减薄。

因此，根据上述理由，气隙长度Lg的最小值0．2mm加上槽322的径向尺寸Lm的最小值0．1mm的长度最低可以设定为约0．3mm。

因此，希望将槽322的径向尺寸Lm与气隙长度Lg的关系设定为满足0．3mm≤Lm+Lg≤2mm，最好设定为满足0．3mm≤Lm+Lg≤1．3mm。

这里，在将磁铁厚度设定为1．7mm、将气隙长度设定为0．3mm的本发明2的电机(Lm+Lg=2mm)中，如前所述，以id=0控制的最大转数与以连续额定电流进行减弱磁场控制时的最大转数之比(增速比)为2，连续额定电流的运转转数范围扩大为2倍。

因此，当设定为满足0．3mm≤Lm+Lg≤2mm时，电动机的制造容易并且可以使增速比大于2，即可以使在连续额定电流下的运转转数范围扩大为2倍以上。

如果增速比大于2，例如在电动摩托车等中便可将变速机构从3段式改变为2段式，即可以使变速机构等动力传递机构简单化和小型化。

另外，在将磁铁厚度设定为1mm、气隙长度为0．3mm的本发明1的电动机(Lm+Lg=1．3mm)中，如前所述，增速比为4，在连续额定电流下的运转转数范围扩大为4倍。

因此，当设定为满足0．3mm≤Lm+Lg≤1．3mm时，电动机的制造容易并且可以使增速比大于4，即可以使在连续额定电流下的运转转数范围扩大为4倍以上。如果增速比大于4，例如在电动摩托车等最高速度比较低的移动体中，可以省略变速机构，从而可以使包含动力传递机构等在内的整个装置小型化。

以上，利用图7说明了磁铁的退磁，下面，进一步讨论磁铁表面各处的退磁。

图8是利用FEM分析未使电流流过d轴时和使连续额定电流流过d轴施加反磁场时的磁铁表面磁通密度的结果。该分析使用的本发明的励磁用永久磁铁323是电动机轴向剖面形状呈长方形(矩形)的形状，图8所示曲线的横轴表示与磁铁厚度方向垂直的方向的位置，即磁铁宽度方向的位置。

由该曲线可知，磁铁宽度方向端部的表面磁通密度比中央部的表面磁通密度低。即使如此，若发生不可逆退磁也会使性能降低，最好将端面加工为倒角，以缓和退磁场的影响。

本发明1的励磁用永久磁铁323的厚度为1mm，由于磁铁单体的磁导非常小，为0．06，所以，磁化需要30kOe以上的磁场，另外，由于在磁铁单体中反磁场大，所以，用磁铁单体磁化后组装到磁路中时，有效磁通量将减少。

因此，最好是将励磁用永久磁铁323埋入到转子轭的主磁极321内构成磁路后进行磁化。这样，通过在将励磁用永久磁铁323埋入到主磁极321内的状态下进行磁化，提高了励磁用永久磁铁323磁化时的磁导，所以，磁化容易，从而可以提高电动机的生产效率，并且可以增加有效磁通量。另外，由于是在未磁化的状态下将励磁用永久磁铁323组装到主磁极321内，所以，不会受磁吸引力的影响，具有可以提高生产效率的优点。

这时，例如将磁化轭配置到转子32的外周、使气隙长度保持为约0．1mm时，可使磁导上升到6以上，从而可以用20kOe左右的磁场进行磁化。

另外，作为励磁用永久磁铁323的磁化用线圈，最好使用电枢31的电枢绕组即将电枢31作为磁化轭使用。使用电枢31作为磁化轭使用时，磁导约为3．4，和使用专用磁化轭时一样，可以用20kOe的磁场进行磁化。这时，就可以省略专用磁化轭。

然而，为了增大直流无刷电机的输出，设定增大电机外径，增大卷绕电枢绕组的空间以增加磁动势，增大转子32的最大外径(最大直径)D(参见图2)并且增加磁铁量以增加有效磁通量，同时，为了防止由于电枢磁动势的增加而引起退磁，设定增大磁铁的厚度，以提高磁导。

另一方面，为了减小直流无刷电动机的输出(减小输出也可以时)，便与上述相反，则设定减小转子32的最大外径D，减小磁铁的厚度。

这样，转子32的最大外径D与磁铁的厚度(槽322的径向尺寸Lm)+气隙长度Lg特别是转子32的最大外径D与磁铁的厚度处于正的相关关系。

因此，将槽322的径向尺寸Lm、气隙长度Lg与转子32的最大外径D的关系(Lm+Lg与D的关系)设定为满足如下(1)式，最好设定为满足如下(2)式。

0＜Lm+Lg≤2×D／51            (1)

0＜Lm+Lg≤1．3×D／51         (2)

若为Lm+Lg＞2×D／51，则增速比小，电动机的工作范围窄。

另外，如前所述，由于制造上的理由等，Lm+Lg的下限值最好是约为0．3mm。即，最好将Lm、Lg与D的关系设定为满足如下(3)式，进而最好设定为满足如下(4)式。

0．3mm＜Lm+Lg≤2×D／51       (3)

0．3mm＜Lm+Lg≤1．3×D／51    (4)

另外，在本发明中，直流无刷电动机3不限于图2所示的结构，此外，例如也可以如图9所示的那样是每隔1个主磁极10形成槽9、将励磁用永久磁铁11埋入到该槽9内的结构。

这样，在每隔1个主磁极10埋入励磁用永久磁铁11的情况下，也可以和上述本实施例一样设定Lm+Lg满足指定的不等式。但是，这时，将转子轭的槽9的径向尺寸(磁铁厚度方向的尺寸)的1／2定为Lm。

下面，详细说明本发明的控制装置。图10是本发明的控制装置的结构例的框图。如图所示，控制装置的逆变器控制部6由速度传感器61、电流指令值形成部62和电流控制部63构成。

转子位置传感器4例如由旋转编码器构成，其输出信号即转子位置信号θ供给电流指令值形成部62，同时供给速度传感器61，由速度传感器61变换为速度信号ω。电流指令值形成部62根据速度指令值ω*和转子位置信号θ计算3相电枢电流振幅·相位的指令值，形成3相电枢电流值iu*、iv*、iw*。

电流控制部63对于3相电枢电流指令值iu*、iv*、iw*，根据电流检测器5的检测电流和速度传感器61的速度信号ω修正电流值，作成加到逆变器2的各开关元件(功率元件)上的电压指令值(触发信号)。

这时电流控制部63沿图11所示的电流矢量轨迹修正电流。

例如，在图11中，修正为在①由连续额定电流值Imr的d轴、q轴分量即iqr、idr包围的圆弧的范围、②由iqmax的圆弧和idr的直线包围的范围(d轴电流id不超过Imr的范围)、③由iqmax、idmax包围的圆弧的范围进行运转，以控制电枢电流。上述iqmax、idmax是作为电动机产生最大限度所需要的转矩的电流值，通常，约为Imr的2～4倍。另外，在超过上述①的范围的范围内的运转(②、③的运转)，只能(许可)在比较短的时间内进行。

在图11中，如果控制为在由连续额定电流值Imr的d轴、q轴分量即iqr、idr包围的圆弧的范围内进行运转，就可以进行连续运转。利用图4和图5所示的电动机输出特性追寻由图11的iqr、idr包围的圆上的轨迹。

另外，如果控制为在由iqmax的圆弧和idr的直线包围的范围内进行运转，便可增加输出转矩，并且可以根据不可逆退磁保护励磁用永久磁铁。

另外，如果控制为在由iqmax、idmax包围的圆弧的范围内进行运转，可以进一步提高最高转数、扩大运转范围，但是，必须检测运转时的电动机温度和注意励磁用永久磁铁的不可逆退磁。

在本实施例中，使用旋转编码器作为转子位置传感器4，但是，在本发明中，转子位置传感器不特别限定，除了上述旋转编码器以外，还可以采用例如利用无位置传感器控制等检测转子位置的装置。(实施例2)

图12、图13和图14分别是本发明的直流无刷电动机的转子的其他结构例的平面图。直流无刷电动机的电枢及控制装置的结构和上述实施例1相同，所以，说明从略。

如图12所示，该直流无刷电动机的转子具有在外周部有2个以上(在本实施例中为4个)的主磁极7的转子轭。该转子轭由叠装的多个钢片(金属片)构成。

在转子轭的各主磁极7上分别形成槽71。并且，将励磁用永久磁铁72分别埋入到各槽71内。

在转子轭的相邻的主磁极7与主磁极7之间形成使转子轭的一部分突出的辅助突极8，在辅助突极8与图中未示出的电枢之间形成指定长度(一定的长度)的气隙。

这些辅助突极8从转子架的转轴的中心部以辐射状(径向)突出。

这时，辅助突极8的前端部与主磁极7的前端部间隔指定距离。即，辅助突极8的前端部与主磁极7分离地独立形成。这样，便可将从主磁极7发生的主磁通的泄漏磁通限制到最小限度。另外，通过设置辅助突极8，可以增加q轴电感。

各辅助突极8呈棒状，其截面积沿径向基本上一定。

另外，将从转子轭的转轴的中心部到以辐射状突出的辅助突极8的前端部的长度设定为与从转子轭的转轴的中心部到主磁极7的前端部的长度基本上相同。设该转子为转子A。

如图13所示，该直流无刷电动机的转子只有辅助突极8的形状与上述转子A不同，除此之外，基本上相同。

辅助突极8在前端部具有其截面积随着靠近前端而逐渐增加的部分。即，辅助突极8的前端部比其基端部宽。设该转子为转子B。

如图14所示，该直流无刷电动机的转子只有辅助突极8的形状与上述转子B不同，除此之外，基本上相同。

辅助突极8在前端部具有其截面积随着靠近前端而逐渐增加的部分。这时，截面积一直增加到前端为止，辅助突极8的前端部的宽度比上述转子B还大。设该转子为转子C。

下面，进一步详细说明本实施例。根据上述式1求功率，可以用功率／转动角速度求出的直流无刷电动机产生的瞬时转矩τ可以用下式表示。

【式5】 $T=p_p\{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{mag}}{i}_q+(L_q-L_d)i_d{i}_q\}$

其中，式5的右边第1项是由励磁用永久磁铁72引起的有效转矩，右边第2项表示磁阻转矩。另外，p_p表示极对数。具有q轴电感大于d轴电感的反突极性的直流无刷电动机的转矩是上述两种转矩的合成。另外，id、iq由下式定义。

【式6】 ${\[}_{i_q}^{i_d}\]=\sqrt{\frac{3}{2}{I}_m}{\[}_{\cos \mathrm{\φ}}^{\sin \mathrm{\φ}}\]$

式6的φ表示与q轴的电流相位角，Im表示电枢电流。

在本实施例中，如上所述，通过在主磁极间设置辅助突极8，使由电枢磁动势引起的磁通通过转子轭内部，可以增大q轴电感，从而可以增加输出转矩。

图15中示出了本实施例的直流无刷电动机(转子A、B、C)产生的转矩的平均值和现有例的转矩的平均值。另外，分别表示8A的电枢电流的最大转矩。

如图所示，通过设置辅助突极8，与现有例相比，转矩分别提高了约5％。结果，当产生相同转矩时，可以减小电枢电流值。这时，在3500rpm下电机效率提高约1％，在1000rpm下电机效率提高约2％。

在图15中示出了转矩的平均值，然后，在图16中示出具有图12～图14所示的转子A～C的电机产生的瞬时转矩。

图16是通过解析求出电气角在90度(机械角为45度)区间的瞬时转矩而表示其结果的曲线图。

如图所示，转子A的转矩的波动最大，转子B、转子C的转矩的波动依次减小。因此，辅助突极的形状是转子B比转子A好，转子C比转子B好。

下面，说明转子A～C的主磁极7与辅助突极8的位置关系。图17是主磁极7、辅助突极8及其附近的平面图。

如图所示，设电枢架的绕组部槽宽角度尺寸为θ₂、槽齿部角度尺寸为θ₁、从转子的主磁极7的周边方向端部(主磁极端部)到辅助突极8的周边方向端部(辅助突极端部)的角度尺寸为γ时，在转子A中，则为γ=θ₁+θ₂的关系，在转子B中，则为γ=θ₁+(3／2)×θ₂，在转子C中，则为γ=θ₁+2θ₂的关系。

设瞬时转矩的最大值与最小值之差为转矩波动时，转矩波动与γ的关系示于图18。

如图所示，当γ=θ₁+θ₂时，即γ与电枢槽的1节距角度相同时，转矩波动大。并且，当使γ从γ=θ₁+θ₂开始增大时，转矩波动减小，使γ进一步增大，在处于γ=θ₁+2θ₂的关系的转子C的结构中，可以使由辅助突极8引起的转矩只为正值。该处于γ=θ₁+2θ₂的关系的转子C的结构是转矩波动最小的结构。

因此，通过设置辅助突极8，可以增大转矩，为减小转矩波动，最好将θ₁、θ₂和γ设定为满γ＞θ₁+θ₂的关系(γ大于电枢槽的1节距角度)，设定为满足γ≥θ₁+(3／2)×θ₂的关系则更好，设定为满足γ=θ₁+2θ₂的关系(γ成为θ₁+2θ₂附近的值)则特别好。

另外，输出转矩的增加的程度和转矩波动的大小随从转子轭的转轴的中心部到以辐射状突出的辅助突极8的前端部的长度与从转子轭的转轴的中心部到主磁极7的前端部的长度的关系而变化。

最好设定到上述辅助突极8的前端部的长度比从转子轭的转轴的中心部到主磁极7的前端部的长度长，并且比从转子轭的转轴的中心部到主磁极7的前端部的长度加上气隙长度Lg后的长度短。这时，由于由辅助突极8引起的转矩增加，所以，可以进一步增加输出转矩。

在本实施例中，设定到上述辅助突极8的前端部的长度与从转子轭的转轴的中心部到主磁极7的前端部的长度基本上相同，但是，在本发明中，也可以设定到上述辅助突极8的前端部的长度比从转子轭的转轴的中心部到主磁极7的前端部的长度短。

通过将到上述辅助突极8的前端部的长度设定为比从转子轭的转轴的中心部到主磁极7的前端部的长度短，减小由辅助突极8引起的转矩，可以减小转矩波动。

另外，在本发明中，也可以将实施例2的结构与上述实施例1的结构进行任意组合。(实施例3)

图19是本发明的直流无刷电机的转子的其他结构例的平面图。直流无刷电机的电枢和控制装置的结构与上述实施例1相同，所以，说明从略。

如图所示，该直流无刷电机的转子具有在外周部有2个以上(在本实施例中为4个)的主磁极12的转子轭。该转子轭由叠装的多个钢片(金属片)构成。

在转子轭的各主磁极12上分别形成径向尺寸为Lm的槽121。并且，厚度基本上为Lm(与槽121的径向尺寸Lm基本上相同)的励磁用永久磁铁122分别埋入到各槽121内。

这时，槽121的径向尺寸Lm、气隙长度Lg、转子的最大外径D等设定为和上述实施例1相同。

在转子轭的相邻的主磁极12与主磁极12之间形成使转子轭的一部分突出的辅助突极13，在辅助突极13和图中未示出的电枢之间形成指定长度(一定的长度)的气隙。

这些辅助突极13从转子轭的转轴的中心部以辐射状(径向)突出。这时，辅助突极13的前端部与主磁极12的前端部间隔指定距离。即，辅助突极13的前端部与主磁极12分离地独立形成。

这时，电枢轭的绕组部槽宽角度尺寸θ₂、槽齿部角度尺寸θ₁、从转子的主磁极12的周边方向端部(主磁极端部)到辅助突极13的周边方向端部(辅助突极端部)的角度尺寸γ、从转子轭的转轴的中心部到以辐射状突出的辅助突极13的前端部的长度、从转子轭的转轴的中心部到主磁极12的前端部的长度设定为和上述实施例1一样。

这样，本实施例的直流无刷电动机的转子就是将实施例1的转子的结构与图12～图14所示的实施例2的转子的结构组合而成的。

因此，本实施例的直流无刷电动机兼有实施例1和实施例2的直流无刷电动机的优点。即，在本实施例的直流无刷电动机中，例如可将连续额定电流的运转转数范围扩大为2倍以上，特别是可以扩大到4倍以上。

另外，将同一励磁用永久磁铁的厚度减薄时，有效的磁通将减少。因此，为了以同一电枢电流获得同等的输出转矩，必须使用剩磁通密度高的永久磁铁，但是，在本实施例中，由于通过增大磁阻转矩可以增加输出转短，所以，具有不更换励磁用永久磁铁就可以用同一电枢电流获得同等的输出转矩的优点。

本发明的直流无刷电动机的用途不特别限定，除了上述电动摩托车、电动汽车、升降叉车等移动体(电动车)的驱动用电动机外，本发明的直流无刷电动机还可以应用于例如办公机器、磁鼓(MD)的主轴电动机、全自动(FA)的伺服电动机和空调用压缩机等。

以上，参照图示的结构例说明了本发明的直流无刷电动机和控制装置，但是，本发明不限于这些结构例。

例如，在上述各实施例中，是用具有埋入磁铁式的转子的直流无刷电动机进行说明的，但是，在本发明中也可以用具有表面磁铁式的转子的直流无刷电动机。

另外，在上述各实施例中，励磁用永久磁铁的截面形状为矩形，但是，在本发明中，励磁用永久磁铁的形状不限于图示的形状，此外，例如也可以是瓦状(圆弧状)。

如上所述，按照本发明的直流无刷电动机和控制装置，可以扩大电动机的运转范围。

例如，通过缩小气隙长度Lg、减薄励磁用永久磁铁的厚度(将槽的径向尺寸Lm与励磁用永久磁铁的厚度一致地减小)，便容易受到电枢反应，在电枢电流在连续额定的范围内可以将运转范围扩大2倍以上，特别是可以扩大4倍以上。

特别是当气隙长度Lg、槽的径向尺寸Lm与转子的最大外径D的关系设定为满足0＜Lm+Lg≤2D／51时，与转子的外径对应地可以获得上述效果。

另外，在本发明中，通过使磁铁的厚度比现有例的薄，可以减少磁铁使用量，所以，可以降低成本。

另外，当是在励磁用永久磁铁插入到主磁极内的状态下进行磁化时，励磁用永久磁铁在磁化时的磁导增加，所以，容易磁化，另外，还可以增加有效磁通数。

使用电枢的电枢绕组作为励磁用永久磁铁的磁化用线圈时，就不需要磁化用的专用轭，另外，由于是将励磁用永久磁铁在未磁化的状态下组装到电枢内部，所以，不受磁吸引力的影响，因此，可以提高生产效率。

在转子的相邻的主磁极与主磁极之间形成使转子轭的一部分突出的辅助突极(沿q轴方向形成辅助突极)并且在辅助突极与电枢之间形成指定长度的气隙时，可以增加q轴电感，所以，磁阻转矩增大，从而可以增大电机转矩。另外，产生同一转矩时可以减小电枢电流值，所以，可以提高效率。

电枢轭的绕组部槽宽角度尺寸θ₂、电枢轭的槽齿部角度尺寸θ1从转子的主磁极端部到辅助突极端部的角度尺寸γ设定为满足γ＞θ₁+θ₂特别是满足γ=θ₁+2θ₂的关系时，可以降低波动转矩，所以，可以使电动机更平滑地转动。

另外，按照本发明的控制装置，可以根据不可逆退磁保护励磁用永久磁铁，所以，可以不降低电动机的性能而驱动电机。

Claims (3)

1．一种具有转子和电枢的直流无刷电动机，转子具有一个转子轭，转子轭上带有两个或多个主磁极，在所述转子和所述电枢之间有一个气隙，在所述主磁极上形成径向尺寸为Lm的槽，厚度为Lm的励磁永久磁铁插入到所述槽中，其特征在于尺寸满足0＜Lm+Lg≤2mm的条件，其中Lg表示所述空气隙的气隙长度。

2．根据权利要求1所述的直流无刷电动机，其特征在于尺寸满足0．3mm≤Lm+Lg≤2mm。

3．根据权利要求1所述的直流无刷电动机，其特征在于尺寸满足0．3mm≤Lm+Lg≤1．3mm。

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