CN107534327B - 定子芯、永久磁铁同步电动机 - Google Patents

Abstract

一种10极12槽的永久磁铁同步电动机(100)，具备多个齿，在相邻地卷绕有同相的线圈(6U1、6U2)的邻接的两个齿中，配置于转子(2)的旋转方向的跟前侧的第一齿(1bU1)的绕组部(1b1)的旋转方向宽度形成为比配置于转子(2)的旋转方向的里侧的第二齿(1bU2)的绕组部(1b1)的旋转方向宽度窄。通过该结构，能够在抑制第一齿(1bU1)的绕组部(1b1)中的铁损增加的同时，缩短卷绕于第一齿(1bU1)的线圈(6U1)的周长。

Description

定子芯、永久磁铁同步电动机

技术领域

本发明涉及利用设置于转子的永久磁铁所产生的磁场和卷绕于定子的线圈中流过的电流所产生的磁场使转子旋转的定子芯、永久磁铁同步电动机。

背景技术

在专利文献1所示的以往的同步电动机中，为了实现装配作业的容易化，将设置有环形绕组的多个齿不等间距地设置于定子，使齿的形状交替地不同，在多个齿中，在旋转方向宽度大的齿中设置有固定用的孔。在专利文献2所示的以往的同步电动机中，磁极数和槽数的关系为8极12槽，在环状的芯背，在旋转方向上交替排列有宽度不同的齿。在专利文献3所示的以往的同步电动机中，以降低转矩脉动和齿槽转矩的目的，使用使多个齿中的形成一相或者两相的齿的形状与形成该相以外的相的齿的形状不同的形式的定子。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2006-325386号公报

专利文献2：日本特开2001-327135号公报

专利文献3：日本特开2006-311738号公报

发明内容

在以集中卷绕方式卷绕线圈的10极12槽的永久磁铁同步电动机中，构成一个相的四个线圈被分成两组，构成各个组的两个线圈分别卷绕于邻接的两个齿的绕组部。另外，在这样构成的永久磁铁同步电动机中，相对于转子的旋转方向，在构成一个相的邻接的两个齿中，在位于转子的旋转方向的跟前侧的齿中产生的铁损小于在位于转子的旋转方向的里侧的齿中产生的铁损。即，构成同相的邻接的两个齿各自的铁损未均匀地产生。这样在10极12槽的永久磁铁同步电动机中，构成一个相的邻接的一组齿的各个中产生的铁损有差异。然而，专利文献1至3所示的以往技术并未着眼于齿的铁损和形状来谋求进一步提高电动机效率。

本发明是鉴于上述而完成的，其目的在于得到一种谋求进一步提高电动机效率的定子芯、永久磁铁同步电动机。

为了解决上述课题并达成目的，本发明所涉及的10极12槽的定子芯具备环状的磁轭和在所述磁轭的内侧在所述磁轭的周向上分离地排列的多个齿，所述多个齿的各个齿具有被卷绕线圈的部分，所述多个齿包括6个齿群，所述6个齿群的各个齿群包括被卷绕同相的线圈并按照转子的旋转方向的顺序配置的所述6个齿群各自的第一齿以及第二齿，所述第一齿的所述部分的宽度比所述第二齿的所述部分的宽度窄。

本发明所涉及的定子芯起到能够进一步提高电动机效率这样的效果。

附图说明

图1是本发明的实施方式1所涉及的永久磁铁同步电动机的横剖面图。

图2是图1所示的永久磁铁同步电动机的主要部分放大图。

图3是示出在构成U相的一组线圈的各个中产生的感应电压的波形和合成这些感应电压而得到的合成感应电压的波形的图。

图4是示出通过电磁场解析来求出并比较在齿的各部中产生的铁损的结果的图。

图5是本发明的实施方式2所涉及的永久磁铁同步电动机的主要部分放大图。

图6是表示在齿的各部中产生的铁损相对在齿整体中产生的铁损的比例的图。

(符号说明)

1：定子；1a：磁轭；1a1：磁轭部；1b：齿；1b1：绕组部；1b11：旋转方向侧面；1b2：前端部；1b3：根部；1b4：转子对置面；1bU1：第一齿；1bU2：第二齿；2：转子；2a：转子芯；2b：永久磁铁；3：轴；4：间隙；5：槽；6、6U1、6U2、6U3、6U4、6V1、6V2、6V3、6V4、6W1、6W2、6W3、6W4：线圈；100、100A：永久磁铁同步电动机。

具体实施方式

以下，根据附图，详细说明本发明的实施方式所涉及的定子芯。此外，本发明不限于该实施方式。

实施方式1.

图1是本发明的实施方式1所涉及的永久磁铁同步电动机的横剖面图，图2是图1所示的永久磁铁同步电动机的主要部分放大图。永久磁铁同步电动机100具备定子1和在定子1的径向内侧隔着间隙4配置的转子2。

转子2具备层叠电磁钢板而成且固定于轴3的环状的转子芯2a和配置于转子芯2a的外周部的十个永久磁铁2b。十个永久磁铁2b以使邻接的永久磁铁2b彼此的极性不同的方式在旋转方向上交替配置，形成N极和S极的五个极对。“旋转方向”是指转子2旋转的方向。多个永久磁铁2b的各个是稀土类磁铁或者铁氧体磁铁。

此外，图示例的转子2是永久磁铁2b被配置于转子芯2a的外周部的表面磁铁(Surface Permanent Magnet：SPM)型的转子，但也可以是SPM型以外的转子，例如是在转子芯2a中埋入有永久磁铁2b的永久磁铁埋入(Interior Permanent Magnet：IPM)型的转子。在IPM型转子的情况下，在形成于转子芯的磁铁插入孔中通过压入而插入永久磁铁、或者涂敷粘接剂，从而永久磁铁被固定到转子芯。另外，转子芯2a不限于层叠电磁钢板的结构，也可以是加工钢材而得到的一体型芯、使混合树脂和铁粉而成的混合物凝固而得到的树脂芯、或者对磁粉进行加压成形而得到的压粉芯，根据目的和用途而分开使用芯的种类。

定子1包括：环状的磁轭1a；多个齿1b，配置于磁轭1a的径向内侧，在旋转方向上等间隔地配置，向磁轭1a的中心延伸；以及线圈6(6U1、6U2、6U3、6U4、6V1、6V2、6V3、6V4、6W1、6W2、6W3、6W4)，卷绕在多个齿1b的各个。构成定子1的磁轭1a和多个齿1b是将从电磁钢板母材冲裁出的多个芯(core)片层叠而形成的。

多个齿1b的各个齿1b包括：绕组部1b1，从磁轭1a的内周面向定子1的中心延伸，以集中卷绕方式被卷绕线圈6；以及凸缘状或者伞状的前端部1b2，形成于绕组部1b1的径向内侧，相对绕组部1b1向定子1的旋转方向两侧突出。绕组部1b1的与定子1的径向正交的方向上的宽度恒定。即，绕组部1b1具有从定子1的径向外侧向径向内侧为恒定的宽度。前端部1b2是在旋转方向上对称的形状。这样，通过将前端部1b2做成凸缘状或者伞状，从而使转子2的永久磁铁2b的磁力有效地与齿1b交链，成为能够提高转矩的构造。

在定子1中，在由邻接的两个齿1b包围的部分形成槽5，设置有12个槽5。因此，在永久磁铁同步电动机100中，磁极数和槽数的关系为10极12槽。另外，在永久磁铁同步电动机100中，对12个齿1b以集中卷绕方式设置有构成三相的线圈6。在这些线圈6中，构成U相、V相以及W相中的一相的四个线圈6被分成两组，构成各个组的两个线圈6被分别卷绕到邻接的两个齿1b的绕组部。

具体而言，构成U相的四个线圈6被分成两组，构成一个组的两个线圈6U1以及线圈6U2被卷绕到邻接的两个齿1b的绕组部1b1的各个，构成另一个组的两个线圈6U3以及线圈6U4被卷绕到邻接的两个齿1b的绕组部1b1的各个。线圈6U2的缠绕方向是与线圈6U1的缠绕方向相反的朝向，线圈6U4的缠绕方向是与线圈6U3的缠绕方向相反的朝向。

构成V相的四个线圈6被分成两组，构成一个组的两个线圈6V1以及线圈6V2被卷绕到邻接的两个齿1b的绕组部1b1的各个，构成另一个组的两个线圈6V3以及线圈6V4被卷绕到邻接的两个齿1b的绕组部1b1的各个。线圈6V2的缠绕方向是与线圈6V1的缠绕方向相反的朝向，线圈6V4的缠绕方向是与线圈6V3的缠绕方向相反的朝向。

构成W相的四个线圈6被分成两组，构成一个组的两个线圈6W1以及线圈6W2被卷绕到邻接的两个齿1b的绕组部1b1的各个，构成另一个组的两个6W3以及线圈6W4被卷绕到邻接的两个齿1b的绕组部1b1的各个。线圈6W2的缠绕方向是与线圈6W1的缠绕方向相反的朝向，线圈6W4的缠绕方向是与线圈6W3的缠绕方向相反的朝向。

图2示出构成U相的四个线圈6中的作为线圈6的一个组的线圈6U1以及线圈6U2。在图2中，设为转子2按照逆时针旋转，在卷绕有线圈6U1、6U2的邻接的两个齿中，将配置于转子2的旋转方向的跟前侧的第一齿1b称为“齿1bU1”，将配置于转子2的旋转方向的里侧的第二齿1b称为“齿1bU2”。如上所述，多个齿1b的各个在旋转方向上等间隔地配置，所以如图2所示，以定子1的轴心A为中心，每隔机械角30°配置。

在这样构成的永久磁铁同步电动机100中转子2旋转时，在卷绕于齿1bU1的线圈6U1中产生的感应电压与在卷绕于齿1bU2的线圈6U2中产生的感应电压之间，产生相位差。着眼于该相位差，在本实施方式所涉及的定子1中，齿1bU1的绕组部1b1的旋转方向宽度W1形成为比齿1bU2的绕组部1b1的旋转方向宽度W2窄。图1所示的卷绕有线圈6U3以及线圈6U4的邻接的两个齿1b各自的绕组部1b1的旋转方向宽度也具有同样的关系性。另外，卷绕有线圈6V1以及线圈6V2的邻接的两个齿1b各自的绕组部1b1的旋转方向宽度也具有同样的关系性，卷绕有线圈6V3以及线圈6V4的邻接的两个齿1b各自的绕组部1b1的旋转方向宽度也具有同样的关系性，卷绕有线圈6W1以及线圈6W2的邻接的两个齿1b各自的绕组部1b1的旋转方向宽度也具有同样的关系性，卷绕有线圈6W3以及线圈6W4的邻接的两个齿1b各自的绕组部1b1的旋转方向宽度也具有同样的关系性。

以下，说明构成同相的邻接的两个齿1b各自的绕组部1b1的旋转方向宽度不同的理由。

首先，说明一个相中的合成感应电压与在构成一个相的一组线圈的各个中产生的感应电压的相位差。各个齿1b如图2所示以定子1的轴心A为中心，每隔机械角30°配置。机械角30°等于360°除以12而得到的值。因此，在磁极数是10极的转子2旋转时，卷绕于邻接的两个齿1b的各个齿1b的线圈6按照相同方向被卷绕时，在各个线圈6中产生的感应电压产生电角150°的相位差。电角150°等于对机械角30°乘以五个极对而得到的值。

通过转子2旋转，由于多个磁极中的图2的符号B所示的永久磁铁2b通过齿1bU2而在线圈6U2中产生的感应电压的相位相对由于通过齿1bU1而在线圈6U1中产生的感应电压的相位，以电角滞后150°。

相对于此，在将线圈6U1和线圈6U2的一方的缠绕方向设为与另一方的缠绕方向相反的朝向的情况下，感应电压的值的正负反转。因此，由于符号B所示的永久磁铁2b通过齿1bU1而在线圈6U1中产生的感应电压的相位相对由于通过齿1bU2而在线圈6U2中产生的感应电压的相位，以电角滞后30°。即，感应电压的相位差以电角是-30°。该值等于对150°加上-180°而得到的值。

这样，在10极12槽的永久磁铁同步电动机100中，在构成同相的一组线圈6的各个中产生的感应电压的相位差为接近的值，所以将它们处置为同相的绕组。

图3是示出在构成U相的一组线圈的各个中产生的感应电压的波形和合成这些感应电压而得到的合成感应电压的波形的图。为了在永久磁铁同步电动机中产生转矩，需要将与在各相中产生的感应电压同步的正弦波状的电流接通到对应的相的线圈。产生的转矩根据相的感应电压的相位和接通到线圈的相电流的相位而变化，在具有将永久磁铁配置到转子表面的表面配置型的转子的永久磁铁同步电动机的情况下，在感应电压的相位和接通到线圈的相电流的相位一致时，能够在相同电流下产生最大的转矩。

图3所示的U相合成感应电压的值等于将在卷绕于图2所示的齿1bU1的线圈6U1中产生的感应电压和在卷绕于齿1bU2的线圈6U2中产生的感应电压合成而得到的值。设为U相合成感应电压的相位与接通到线圈6U1和线圈6U2的相电流的相位一致。在线圈6U1中产生的感应电压的相位相对U相合成感应电压，以电角滞后15°，在线圈6U2中产生的感应电压的相位相对U相合成感应电压，以电角超前15°。

接下来，说明感应电压的相位、接通到线圈的相电流的相位以及在定子铁芯中产生的铁损的关系性。

在定子铁芯中产生的铁损存在随着定子铁芯的磁通密度变高而变大的趋势。在为了在永久磁铁同步电动机中产生输出转矩而将电流接通到定子的线圈时，从线圈产生的磁通被加到从永久磁铁产生的磁通，所以定子铁芯的磁通密度增加，铁损增加。此时，在相电流相对感应电压成为滞后相位时，从线圈产生的磁通向增强铁芯内的磁通密度的方向发挥作用，在相电流相对感应电压成为超前相位时，从线圈产生的磁通向减弱铁芯内的磁通密度的方向发挥作用。因此，在相电流的相位相对感应电压滞后时，铁损呈现增加的趋势，在相电流的相位相对感应电压超前时，铁损呈现减少的趋势。这样，在10极12槽的永久磁铁同步电动机的定子铁芯中，同时产生相电流的相位的超前和滞后的现象，所以在如图2所示转子2旋转时，在构成U相的邻接的两个齿中的第一齿1bU1中产生的铁损小于在第二齿1bU2中产生的铁损。即，构成同相的邻接的两个齿各自的铁损未均匀地产生。

本申请的发明人着眼于这样的在构成同相的邻接的两个齿的各个中产生的铁损的差异，通过在构成同相的邻接的两个齿中，如图2所示使第一齿1bU1的绕组部1b1的旋转方向宽度W1比第二齿1bU2的绕组部1b1的旋转方向宽度W2窄，从而能够缩短卷绕于第一齿1bU1的绕组部1b1的线圈6的周长，完成使线圈的铜损相对地降低来提高马达效率的永久磁铁同步电动机100。

图4是示出通过电磁场解析来求出并比较在齿的各部中产生的铁损的结果的图。横轴表示在电动机中产生的输出转矩，纵轴表示铁损比。铁损比表示构成同相的邻接的齿中的配置于转子的旋转方向的跟前侧的第一齿的铁损相对配置于转子的旋转方向的里侧的第二齿的铁损的比例。在此为了简化说明，将图2所示的齿1bU1假设为第一齿，将齿1bU2假设为第二齿。(1)的铁损比是磁轭1a的整体中的作为设置有齿1bU1的部分的磁轭部1a1的铁损相对作为设置有齿1bU2的部分的磁轭部1a1的铁损的比例。(2)的铁损比是齿1bU1的前端部1b2的铁损相对齿1bU2的前端部1b2的铁损的比例。(3)的铁损比是齿1bU1的绕组部1b1的铁损相对齿1bU2的绕组部1b1的铁损的比例。(4)的铁损比是(1)至(3)的铁损比的平均值，即齿1bU1整体的铁损相对齿1bU2整体的铁损的比例。在无负载旋转时，即在未对线圈接通电流的状态下，铁损没有差异，但随着对线圈接通电流而输出转矩提高，如图4所示(1)至(4)各自的铁损比呈现变小的趋势。

在此，铁芯的磁通密度随着铁芯中的磁路的剖面积缩小而上升，所以由此铁损也增加。一般在铁芯材料中产生的铁损是磁滞损耗的情况下，与磁通密度的1.6次幂成比例地增加。因此，在将磁轭部1a1的径向宽度、绕组部1b1的旋转方向宽度以及前端部1b2的径向宽度分别缩小相同的尺寸而使磁路变窄的情况下，磁通密度的增加的程度最低的铁芯部是磁轭部1a1、绕组部1b1以及前端部1b2中的绕组部1b1。本实施方式1的永久磁铁同步电动机着眼于磁通密度的增加的程度最低的绕组部1b1，如图2所示，第一齿1bU1的绕组部1b1的旋转方向宽度W1形成为比第二齿1bU2的绕组部1b1的旋转方向宽度W2窄。由此，能够在抑制铁损增加的同时，使卷绕于第一齿1bU1的绕组部1b1的线圈6U1的周长比卷绕于第二齿1bU2的绕组部1b1的线圈6U2短。

在上述专利文献1所示的以往技术中，虽然交替地配置有不同形状的齿，但是环形线圈型的同步电动机，未成为能够削减线圈的周长的方式，所以结构以及效果与本发明不同。另外，在专利文献1中，关于齿的形状和铁损的关系性也未记述。在专利文献2所示的以往技术中，在构成同相的各绕组中产生的感应电压不产生相位差，所以无法得到与本发明同样的效果。专利文献3所示的以往技术并非着眼于感应电压和通电电流的相位差而配置形状不同的齿，无法得到与本发明同样的效果。

如以上说明，本实施方式所涉及的10极12槽的永久磁铁同步电动机具备：定子芯，具备环状的磁轭和在磁轭的内侧在磁轭的周向上分离地排列的多个齿；以及转子，配置于定子芯的内侧，多个齿的各个齿具有被卷绕线圈的部分，多个齿包括六个齿群，六个齿群的各个齿群包括卷绕有同相的线圈并按照转子的旋转方向的顺序配置的六个齿群各自的第一齿以及第二齿，第一齿的部分的宽度形成为比第二齿的部分的宽度窄。通过该结构，能够在抑制第一齿的绕组部中的铁损增加的同时，缩短卷绕于第一齿的线圈的周长。其结果，卷绕于绕组部的线圈的周长变短，铜损与线圈的周长变短相应地被降低，所以能够提高电动机效率，并且抑制线圈的使用量，所以能够降低制造成本。

实施方式2.

图5是本发明的实施方式2所涉及的永久磁铁同步电动机的主要部分放大图。在实施方式2中，对与实施方式1相同的部分附加相同符号而省略其说明，仅叙述不同的部分。在实施方式2所涉及的永久磁铁同步电动机100A中，第一齿1bU1的前端部1b2的径向的厚度T1形成为比第二齿1bU2的前端部1b2的径向的厚度T2薄。厚度T1等于第一齿1bU1的从绕组部1b1和前端部1b2的根部1b3至转子对置面1b4的径向宽度。厚度T2等于第二齿1bU2的从绕组部1b1和前端部1b2的根部1b3至转子对置面1b4的径向宽度。

图6是表示在齿的各部中产生的铁损相对在齿整体中产生的铁损的比例的图。如图6所示，在构成一个齿的磁轭部1a1、绕组部1b1以及前端部1b2的各个中产生的铁损按照前端部1b2、磁轭部1a1、绕组部1b1的顺序变大，在前端部1b2中产生的铁损最少。另外，如图4所示，相对输出转矩的上升，(2)的前端部1b2的铁损比为比(3)的绕组部1b1的铁损比低的值。因此，能够使减小图5所示的第一齿1bU1的前端部1b2的径向的厚度T1的情况下的在齿整体中产生的铁损的增加的程度抑制得比减小绕组部1b2的圆周方向宽度的情况下的在齿整体中产生的铁损的增加的程度低。通过减小第一齿1bU1的前端部1b2的径向的厚度T1，绕组部1b1的径向的长度相对地变长，能够扩大槽的剖面积。另外，由于第一齿1bU1的绕组部1b1的径向的长度变长，绕组部1b1的旋转方向侧面1b11的剖面积增加。因此，卷绕于第一齿1bU1的绕组部1b1的线圈6U1整体中的与旋转方向侧面1b11相接的部分增加，能够比实施方式1进一步缩短线圈的周长，铜损与线圈的周长变短相应地被降低。其结果，能够在将铁损增加的影响抑制得较少的同时，进一步提高电动机效率，并且线圈的使用量被进一步抑制，所以能够进一步降低制造成本。

以上的实施方式所示的结构是示出本发明的内容的一个例子的结构，既能够与其它公知的技术组合，也能够在不脱离本发明的要旨的范围，省略、变更结构的一部分。

Claims (4)

1.一种永久磁铁同步电动机用定子芯，是10极12槽的定子芯，具备：

环状的磁轭和在所述磁轭的内侧在所述磁轭的周向上分离地排列的多个齿，

所述多个齿的各个齿具有被卷绕线圈的部分，

所述多个齿包括6个齿群，

所述6个齿群的各个齿群包括被卷绕同相的线圈并按照转子的旋转方向的顺序配置的所述6个齿群各自的第一齿以及第二齿，

所述第一齿的所述部分的宽度比所述第二齿的所述部分的宽度窄。

2.根据权利要求1所述的永久磁铁同步电动机用定子芯，其中，

所述第一齿的前端部的径向宽度比所述第二齿的前端部的径向宽度窄。

3.根据权利要求1或者2所述的永久磁铁同步电动机用定子芯，其中，

卷绕于所述第一齿的线圈的缠绕方向是与卷绕于所述第二齿的线圈的缠绕方向相反的朝向。

4.一种永久磁铁同步电动机，具备：

权利要求1至3中的任一项所述的定子芯；以及

配置于所述定子芯的内侧的转子。

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