CN108028584B - 旋转电机 - Google Patents
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Abstract
设置有定子铁芯(21)和转子铁芯(11)。定子铁芯(21)上设置有接收直流的励磁绕组(23)和接收交流的电枢绕组(24)。设置有永久磁铁(22)，该永久磁铁(22)与励磁绕组(23)都被收放在槽(213)内，该永久磁铁(22)与励磁绕组(23)接触。励磁绕组(23)设置在永久磁铁(22)的内周一侧和外周一侧。
Description
技术领域
本发明涉及一种旋转电机。
背景技术
电动机是旋转电机中的一种，该种电动机在它的定子上设置有绕组和永久磁铁，让永久磁铁的磁通从定子流向转子(例如，参照专利文献1)。专利文献1之例的具体情况如下：规定的绕组(励磁绕组)与永久磁铁接触着而设，通过控制流向该励磁绕组的直流的通电状态，边控制永久磁铁的磁通路径，边将交流电供向其它绕组(电枢绕组)而让转子旋转。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本公开专利公报特开2013－201869号公报
发明内容
－发明要解决的技术问题－
然而，上述专利文献1之例中，因为与励磁绕组相比，永久磁铁离内周一侧更近，所以励磁绕组磁通的方向和永久磁铁磁通的方向彼此相反。为防止逆向磁通导致永久磁铁退磁，便要求永久磁铁具有较高的矫顽力。也就是说，永久磁铁的成本往往偏高。为解决所述问题，能够想到让永久磁铁比励磁绕组离外周一侧更近，但如后所述，难以做到既确保绕组区，又确保永久磁铁磁极的面积。也就是说，一般这样认为：让永久磁铁比励磁绕组离外周一侧更近这一方式难以获得所需要的转矩。
本发明正是为解决上述问题而完成的。其目的在于：在不增大永久磁铁的矫顽力的情况下，提高旋转电机的效率。
－用以解决技术问题的技术方案－
为解决上述问题，第一方面的发明的特征在于，包括：定子铁芯21、转子铁芯11、励磁绕组23、电枢绕组24、永久磁铁22以及电源30，
所述定子铁芯21具有在圆环状定子磁轭212的圆周方向上以规定间距排列着的多个齿211，在所述齿211之间形成有槽213，
所述转子铁芯11与所述定子铁芯21以规定的气隙保持相对，
所述励磁绕组23收放在所述槽213内，直流供给该励磁绕组23，
所述电枢绕组24绕在规定的齿211上，收放在所述槽213内，交流供给该电枢绕组24，
所述永久磁铁22与所述励磁绕组23都收放在所述槽213内，且所述永久磁铁22与该励磁绕组23相接触，
所述电源30向所述励磁绕组23供电，
所述励磁绕组23设置在所述永久磁铁22的内周一侧和外周一侧，
从来自所述电源30的电流的流入端看去时，夹着所述永久磁铁22在内周一侧和外周一侧彼此相对的励磁绕组23的缠绕方向彼此相同。
在该构成方式下，能够从永久磁铁22的内周一侧和外周一侧的励磁绕组23供给磁通。
第二方面的发明的特征在于，在第一方面的发明中，所述定子铁芯21具有：与收放有所述励磁绕组23的槽213a相对应的部分和与收放有所述电枢绕组24的槽213b相对应的部分，与所述槽213a相对应的所述部分的径向厚度t1比与所述槽213b相对应的所述部分的径向厚度t2小。
在该构成方式下，在让电流流入励磁绕组23之际，能够很容易地让定子铁芯21的与收放有励磁绕组23的槽213a相对应的部分磁饱和。而且，和与收放有励磁绕组23的槽213a相对应的部分相比，与收放有电枢绕组24的槽213b相对应的部分更难以磁饱和。
第三方面的发明的特征在于，在第一或第二方面的发明中，收放所述励磁绕组23的槽213a具有：收放所述永久磁铁22的外周一侧的励磁绕组23o的部分和收放所述永久磁铁22的内周一侧的励磁绕组23i的部分，收放所述励磁绕组23o的所述部分在圆周方向上的宽度wo比收放所述励磁绕组23i的所述部分在圆周方向上的宽度wi宽，且比该永久磁铁22在圆周方向上的宽度wm宽。
在该构成方式下，难以在齿211部分(特别是磁铁侧面部分)产生磁饱和。
第四方面的发明的特征在于，在第一到第三方面任一方面的发明中，所述槽213a具有收放所述永久磁铁22的外周一侧的励磁绕组23o的部分，该部分与收放有所述电枢绕组24的槽213b之间具有最短距离do，所述槽213a还具有收放所述永久磁铁22的内周一侧的励磁绕组23i的部分，该部分与收放有所述电枢绕组24的槽213b之间具有最短距离di，所述最短距离do比最短距离di短，或者所述最短距离do与所述最短距离di相等。
在该构成方式下，很容易让收放与永久磁铁22相比离外周一侧更近的励磁绕组23的区域沿着圆周方向扩张。
第五方面的发明的特征在于，在第一到第四方面任一方面的发明中，所述永久磁铁22是钕铁硼类磁铁，不含重稀土元素或者仅在表面附近含有重稀土元素。
第六方面的发明的特征在于，在第一到第五方面任一方面的发明中，所述永久磁铁22的外周一侧所有的励磁绕组23o由同一线材形成，所述永久磁铁22的内周一侧所有的励磁绕组23i由同一线材形成。
在该构成方式下，能够将同一电力供向外周一侧的所有励磁绕组23o。同样，能够将同一电力供向内周一侧的所有励磁绕组23i。也就是说，能够减少供电用布线的数量。
第七方面的发明是一种旋转电机的工作方法，其特征在于：
该旋转电机包括：定子铁芯21、转子铁芯11、励磁绕组23、电枢绕组24、永久磁铁22以及电源30，
所述定子铁芯21具有在圆环状定子磁轭212的圆周方向上以规定间距排列着的多个齿211，在所述齿211之间形成有槽213，
所述转子铁芯11与所述定子铁芯21以规定的气隙保持相对，
所述励磁绕组23收放在所述槽213内，直流供给该励磁绕组23，
所述电枢绕组24绕在规定的齿211上，收放在所述槽213内，交流供给该电枢绕组24，
所述永久磁铁22与所述励磁绕组23都收放在所述槽213内，且所述永久磁铁22与该励磁绕组23相接触，
所述电源30向所述励磁绕组23供电，所述励磁绕组23设置在所述永久磁铁22的内周一侧和外周一侧，从来自所述电源30的电流的流入端看去时，夹着所述永久磁铁22在内周一侧和外周一侧彼此相对的励磁绕组23的缠绕方向彼此相同。
该旋转电机的工作方法包括：从多种工作模式中选择一种工作模式的步骤和让所述旋转电机在已选出的工作模式下工作的步骤，
所述多种工作模式包括第一工作模式、第二工作模式以及第三工作模式中的至少两种工作模式，
在所述第一工作模式下，不让电流流入所述励磁绕组23；
在所述第二工作模式下，让电流流入励磁绕组23，以便所述励磁绕组23的绕组磁通在励磁槽磁轭部212a中朝着与被所述励磁绕组23夹着的磁铁的磁通相反的方向流动；
在所述第三工作模式下，让电流流入励磁绕组23，以便所述励磁绕组23的绕组磁通在励磁槽磁轭部212a中朝着与被所述励磁绕组23夹着的磁铁的磁通相同的方向流动。
－发明的效果－
根据第一方面的发明，在不增大永久磁铁的矫顽力的情况下，就能够提高旋转电机的效率。
根据从第二到第四方面各方面的发明，能够让绕组或永久磁铁的磁通更有效地流向转子铁芯。
根据第五方面的发明，能够用较廉价的材料形成永久磁铁。
根据第六方面的发明，易于为供电布线。
根据第七方面的发明，例如，能够进行与旋转电机的使用状态相对应的工作。
附图说明
图1是剖视图，示出本发明的实施方式所涉及的电动机的构造。
图2是从轴向看到的定子铁芯的图。
图3示出本实施方式中槽等的尺寸关系。
图4示出永久磁铁在电流未流入励磁绕组的状态下的磁通。
图5示出在让电流流入励磁绕组的情况下的磁铁磁通。
图6示出第三工作模式下的磁铁磁通和励磁绕组磁通。
图7示例出本实施方式中的内侧磁铁型电动机和外侧磁铁型电动机的矫顽力与效率之间的关系。
图8示例出外侧磁铁型电动机的绕组和永久磁铁的布置状况。
图9示例出内侧磁铁型电动机的绕组磁通和磁铁磁通之例。
图10示出励磁绕组的缠绕方式之一例。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式做说明。需要说明的是，下面的实施方式是本质上优选的示例，并没有对本发明、其应用对象或其用途的范围加以限制的意图。
(发明的实施方式)
下面，说明作为本发明的旋转电机之一例的电动机。图1是剖视图，示出本发明的实施方式所涉及的电动机1的构造。如图1所示，电动机1包括转子10和定子20，它们收放在壳体(省略图示)内。其中，该转子10和该定子20之间具有规定的气隙G且彼此相对应地相对。该电动机1能够用在例如汽车、空调装置的压缩机等上，利用设置在转子10上的驱动轴12驱动汽车的传动系、空调装置的压缩机等。
需要说明的是，在以下说明所使用的用语中，轴向说的是驱动轴12的轴心P的方向；径向说的是与轴心P正交的方向。外周一侧说的是离轴心P较远的一侧，内周一侧说的是离轴心P较近的一侧。
〈转子〉
转子10包括转子铁芯11和驱动轴12。转子铁芯11由软磁性体形成。本实施方式中的转子铁芯11是叠层铁芯，对电磁钢板进行冲压加工而冲压出铁芯部件，然后沿轴向将很多铁芯部件层叠起来，即制成该叠层铁芯。如图1所示，在该叠层铁芯的中心部位形成有供驱动轴12插入的通孔113。转子铁芯11上形成有朝着外周一侧突出的多个突出部111。突出部111等间距地排列在转子铁芯11的圆周方向上。亦即，从轴向观看，转子铁芯11呈齿轮状。
〈定子〉
定子20包括定子铁芯21、永久磁铁22、励磁绕组23以及电枢绕组24。
－定子铁芯21－
定子铁芯21由软磁性体形成。该例中，定子铁芯21是叠层铁芯，对电磁钢板进行冲压加工而冲压出铁芯部件，然后沿轴向将很多铁芯部件层叠起来，即制成该叠层铁芯。图2是从轴向看到的定子铁芯21的图。如图2所示，定子铁芯21包括定子磁轭212和多个齿211。定子磁轭212呈圆环状且是形成在定子铁芯21的外周一侧的部分。各个齿211分别是从定子磁轭212的内周面朝着内周一侧突出的部分。图2之例中，形成有24个齿211，这些齿211绕轴心P以规定间距布置在圆周方向上。这样一来，就在各个齿211之间形成了空间。
形成在齿211之间的这些空间作为槽213起作用，该槽213内收放有永久磁铁22、励磁绕组23以及电枢绕组24。这些槽213分为励磁槽213a和电枢槽213b这两种，不管是哪一种槽，都设置有多个。具体而言，励磁槽213a是槽213中沿圆周方向跨过一个电枢槽213b而相邻的一对槽。电枢槽213b是槽213中励磁槽213a以外的槽。亦即，励磁槽213a和电枢槽213b交替着布置在圆周方向上。需要说明的是，以下说明中，针对像励磁槽213a、电枢槽213b等那样的数量为多个的构成要素，当要具体说明某一特定的构成要素时，会在参考符号上再加上分支号(如213a-1、213a-2…等)。
－电枢绕组24－
电枢绕组24是用于形成旋转磁场的的绕组。定子20中，电枢绕组24绕在齿211上且收放在电枢槽213b内。更具体而言，电枢绕组24绕在被圆周方向上相邻的电枢槽213b夹着的一对齿211(以下，也称其为一对电枢齿211b)上。详细而言，电枢绕组24以沿径向延伸的轴为缠绕轴绕在一对电枢齿211b上。亦即，将一对电枢齿211b看做一个齿，以同心绕法(concentrated winding)将电枢绕组24绕在该齿上。具体参照图1对此做说明。例如，电枢绕组24-1绕在一对电枢齿211b上，该一对电枢齿211b由被圆周方向上相邻的电枢槽213b-1和电枢槽213b-2夹着的齿211-1和齿211-2构成。
为形成旋转磁场，将交流供向电枢绕组24。例如，在以三相电枢绕组作电枢绕组24用的情况下，三相交流电流就会流入电枢绕组24。流入电枢绕组24的交流电流能够由直交流电路等控制。
－励磁绕组23－
励磁绕组23是用于控制永久磁铁22的磁通的绕组。该励磁绕组23绕在齿211上，且被收放在励磁槽213a内。该例中，两个励磁绕组23绕在被在圆周方向上彼此相邻的一对励磁槽213a夹住的一对齿211(以下，也称其为一对励磁齿211a)上。详细而言，两个励磁绕组23中的每个励磁绕组23都以沿径向延伸的轴为缠绕轴绕在该一对励磁齿211a上。亦即，将一对励磁齿211a看作一个齿，以同心绕法将两个励磁绕组23绕在该齿上。根据需要，用直流对这些励磁绕组23进行励磁。因此，励磁绕组23连接在电源30(参照图7)上。需要说明的是，能够采用各种电源作将直流电供向励磁绕组23的电源30。例如，通过使用斩波电路(例如降压电路、升压电路或者升降压电路)，就很容易控制流入励磁绕组23的直流电流。亦即，流入励磁绕组23的直流含有脉动成分也无妨。
－永久磁铁22－
定子20上设置有多个永久磁铁22。该例中，各个永久磁铁22是使用了稀土元素的所谓稀土磁铁。更具体而言，永久磁铁22是以钕、铁、硼为主要成分的磁铁(钕铁硼类磁铁)。具体而言，永久磁铁22是利用晶界扩散法让重稀土元素(具体为镝(Dy)或铽(Tb))仅含在表面附近而形成的烧结磁铁。
该永久磁铁22的在与轴心P正交的方向上的截面(图1中看到的面)为方形(该例中，基本上是径向为长边方向的长方形)，轴向长度与定子铁芯21的轴向长度大致相等。亦即，本实施方式中的永久磁铁22为长方体。将这些永久磁铁22布置在励磁槽213a内，以保证圆周方向上极性相同的磁极面相对(参照图1)。亦即，永久磁铁22沿圆周方向被磁化，这些永久磁铁22被布置成：顺着圆周方向的一个走向看，极性不同的磁极面交替着相对的状态。本实施方式的特征在于永久磁铁22和励磁绕组23的位置关系。
－永久磁铁22和绕组的位置关系－
首先，看一下永久磁铁22和电枢绕组24的关系，永久磁铁22被电枢绕组24沿径向包围起来(参照图1)。
另一方面，看一下永久磁铁22和励磁绕组23的关系。如图1所示，各永久磁铁22与励磁绕组23都被收放在励磁槽213a内，且各永久磁铁22与励磁绕组23接触。更详细而言，针对一对励磁齿211a设置有两个励磁绕组23，这些励磁绕组23从永久磁铁22的内周一侧和外周一侧这两侧与永久磁铁22接触。当从来自所述电源30的电流的流入端看去时，夹着永久磁铁22在内周一侧和外周一侧彼此相对的励磁绕组23的缠绕方向相同。
需要说明的是，在以下说明中，在需要区分永久磁铁22的内周一侧的励磁绕组23和该永久磁铁22的外周一侧的励磁绕组23的情况下，在内周一侧的励磁绕组23这一参照符号后面加一个后缀“i”，记作励磁绕组23i；在外周一侧的励磁绕组23这一参照符号后面加一个后缀“o”，记作励磁绕组23o。在需要注意观察内周一侧的励磁绕组23i、外周一侧的励磁绕组23o中的某特定绕组的情况下，再在其后面加注一个分支号(例如23i-1、23o-1等)。
具体参照图1，看一下本实施方式中的永久磁铁22和励磁绕组23的布置状况，例如励磁绕组23o-1绕在由齿211-2和齿211-3构成的一对励磁齿211a上，该一对励磁齿211a被在圆周方向上彼此相邻的励磁槽213a-1和励磁槽213a-2夹着。该励磁绕组23o-1比永久磁铁22-1、永久磁铁22-2离外周一侧更近。同样，励磁绕组23i-1绕在齿211-2和齿211-3上。与永久磁铁22-1、永久磁铁22-2相比，该励磁绕组23i-1离内周一侧更近。
需要说明的是，该例中，永久磁铁22的外周一侧所有的励磁绕组23o由同一线材(一根包线)形成。同样，永久磁铁22的内周一侧所有的励磁绕组23i也由同一线材形成。在要这样由同一线材形成多个励磁绕组23时，只要先将线材绕在一对励磁齿211a上，再让缠绕方向与之前绕在励磁齿211a上的缠绕方向相反且连续地将该线材绕在相邻的另外一对励磁齿211a上即可。
－槽、定子磁轭的大小－
在本实施方式中，出于提高电动机1的效率的目的(后述)，下功夫调整了槽213、定子磁轭212的大小。图3示出本实施方式中槽213等的尺寸关系。在本实施方式中，励磁槽213a中收放外周一侧的励磁绕组23o的部分(以下，称为励磁槽外侧部214)与电枢槽213b之间的最短距离do小于或等于励磁槽213a中收放内周一侧的励磁绕组23i的部分(以下，称为励磁槽内侧部215)与电枢槽213b之间的最短距离di(即，do≤di)。
在本实施方式中，如图3所示，让定子磁轭212中与励磁槽213a相对应的部分(以下，称为励磁槽磁轭部212a)的径向厚度t1小于该定子磁轭212中与电枢槽213b相对应的部分(以下，称为电枢槽磁轭部212b)的径向厚度t2(即，t1<t2)。
而且，在本实施方式中，励磁槽外侧部214的周向宽度(以下，励磁槽的外宽wo)大于励磁槽内侧部215的周向宽度(以下，励磁槽的内宽wi)。而且，让励磁槽的外宽wo大于永久磁铁22的周向宽度wm。亦即，存在wo>wi>wm这样的关系。
〈电动机1的工作方法(绕组的励磁方法)〉
本实施方式所涉及的电动机1能够实现多种工作模式。下面示例出三种工作模式(第一工作模式到第三工作模式)。
－第一工作模式－
第一工作模式是不让电流流入励磁绕组23的工作模式(励磁电流零模式)。图4示出永久磁铁22在电流未流入励磁绕组23的状态下的磁通。图4中，示出在垂直于轴心P的截面上的电动机1的一部分(以驱动轴12为中心的大约四分之一)。如图4所示，永久磁铁22的磁通(以下，也称为磁铁磁通)主要沿实线箭头所示的路径(主路径)流动，极少的磁通沿虚线箭头所示的路径(副路径)流动。也就是说，在电流未流入励磁绕组23的状态下，磁铁磁通在定子20内几乎短路，这样想也没有问题。
如果在该状态下让交流电流入电枢绕组24而形成旋转磁场，电枢绕组24产生的绕组磁通与永久磁铁22的磁铁磁通就会形成交链(interlinking)，而能够在转子10中产生转矩。在该工作模式下，电动机1的由所述磁铁磁通产生的转矩T能够用下式表示。
T＝Pn(Φmag)iq
上式中，Pn为极对数。Φmag为磁铁磁通的大小，iq为电枢绕组24的电流(q轴电流)的大小。
在该工作模式下，不让电流流入励磁绕组23，故励磁绕组23的铜损为0。该工作模式是对让电动机1以较高的速度旋转且在较低的转矩下工作的情况有用的工作模式。
－第二工作模式－
第二工作模式是利用励磁绕组23的磁通让磁铁磁通流入转子铁芯11的工作模式(强励磁控制模式)。图5示出让直流流入励磁绕组23的情况下的磁铁磁通。图5中，示出了与轴心P垂直的截面上的电动机1的一部分(以驱动轴12为中心的大约四分之一)，分别用实线箭头和虚线箭头表示永久磁铁22的磁铁磁通和由励磁绕组23产生的磁通(以下，也称为绕组磁通)。
图5之例中，让被控制为规定值的直流流入励磁绕组23，以便磁铁磁通经过转子铁芯11。具体而言，让电流流入励磁绕组23，以便该绕组磁通在励磁槽磁轭部212a中朝着与图4所示的磁铁磁通相反的方向流动。这里所说的直流电流可以含有伴随着开、关所引起的高谐波成分。图5中，流入励磁绕组23的电流的方向用公知的记号(圆内带黑点的记号和圆内带×的记号)表示。
这样将直流电供向励磁绕组23以后，励磁槽磁轭部212a就会由于励磁绕组23的绕组磁通而达到磁饱和。这样一来，磁铁磁通就难以流经励磁槽磁轭部212a。其结果是，磁铁磁通经由规定的齿211流入转子铁芯11。
例如，如果相对应的励磁槽磁轭部212a-1磁饱和，永久磁铁22-1的磁通就会流入齿211-1，然后流入转子铁芯11的突出部111-1(参照图5)。流入突出部111-1的磁铁磁通经由相邻(图5中，右邻)的突出部111-2流入齿211-3。然后，该磁铁磁通经由电枢槽磁轭部212b-1和齿211-2返回永久磁铁22-1。
永久磁铁22-2的磁通会由于相对应的励磁槽磁轭部212a-2磁饱和而流入电枢槽磁轭部212b-2，然后经由齿211-5流入转子铁芯11的突出部111-3。流入突出部111-3的磁铁磁通经由相邻(图5中，左邻)的突出部111-2流入齿211-3。然后，该磁铁磁通经齿211-3返回永久磁铁22-2。
需要说明的是，图5中的磁铁磁通和绕组磁通的流动路径为一例，磁铁磁通和绕组磁通的流动路径会由于转子铁芯11的旋转位置(突出部111的位置)的不同而不同。不过，即使转子铁芯11的旋转位置发生了变化，磁铁磁通和绕组磁通也会经由转子铁芯11流动。
如上所述，在电动机1中，磁铁磁通和绕组磁通经由转子铁芯11流动而起励磁磁通的作用。
在该工作模式下也是这样的，如果让交流流入电枢绕组24而形成旋转磁场，电枢绕组24所产生的绕组磁通和永久磁铁22的磁铁磁通就会伴随于此而形成交链，而能够在转子10中产生转矩。该工作模式下电动机1的转矩T能够用下式表示。
T＝Pn(Φmag+Φf)iq
上式中，Pn也是极对数，Φmag也是磁铁磁通的大小，iq也是电枢绕组24的电流(q轴电流)的大小。Φf为励磁绕组23的绕组磁通(以下，称为励磁绕组磁通)的大小。
由上式可知，通过控制流入励磁绕组23的直流电流，就能够控制励磁磁通的大小。例如，当低速旋转时，进行增大励磁磁通的大小而输出大转矩的强励磁控制；当高速旋转时，减小励磁磁通的大小，调节感应电压，提高转速。通过减小励磁绕组磁通的大小，励磁绕组23的铜损也会减小。
－第三工作模式－
第三工作模式是让励磁绕组磁通朝着与朝着转子铁芯11流动的磁铁磁通相反的方向流动的工作模式。图6示出第三工作模式下的磁铁磁通和励磁绕组磁通。
在该工作模式下，让方向与第二工作模式相反的电流流入励磁绕组23。这样将直流电供向励磁绕组23以后，励磁槽磁轭部212a就会由于励磁绕组23的绕组磁通而达到磁饱和。因此，永久磁铁22的磁通会朝着齿211流动。然而，在该工作模式下，励磁绕组磁通的朝向与磁铁磁通的朝向彼此相反。因此，其结果是，流入转子铁芯11的磁通会被减弱。也就是说，在该工作模式下，通过调整励磁绕组23的电流，就能够减小流入转子铁芯11的磁铁磁通或者使流入转子铁芯11的磁铁磁通为零。
在该工作模式下也是这样的，如果让交流流入电枢绕组而形成旋转磁场，便能够在转子10中产生转矩。该工作模式下的电动机1的转矩T能够用下式表示。
T＝Pn(Φmag－Φf)iq
该工作模式能够减小感应电压，该工作模式对于让电动机1以较高的速度旋转且在较低的转矩下工作的情况有用。而且，保修时等，通过如上所述抵消磁铁磁通，就很容易将转子10卸下来。
如上所述，本实施方式中的电动机1能够实现多种工作模式。因此，例如，可以让控制该电动机1工作的控制装置构成为能够根据转速、负荷的大小等从多种工作模式中选择一种工作模式。需要说明的是，并非一定需要该控制装置具有示例出的所有工作模式。例如，该控制装置可以构成为在任意两种工作模式之间进行切换。
＜本实施方式的效果＞
如下所述，本实施方式中的电动机1能够采用矫顽力比将永久磁铁设置在定子中励磁绕组的内周一侧这一形式的电动机(以下，称为内侧磁铁型电动机)小的永久磁铁，而且，能够使本实施方式中的电动机1的效率比该内侧磁铁型电动机和永久磁铁设置在定子中励磁绕组的外周一侧这一形式的电动机(以下，称为外侧磁铁型电动机)都高。
图7示例出本实施方式中的电动机1、内侧磁铁型电动机以及外侧磁铁型电动机的矫顽力Hcj[kA/m]与效率[％]之间的关系。该图中，对本实施方式中的电动机1、内侧磁铁型电动机以及外侧磁铁型电动机这三种电动机在同一输出转矩且三种转速下的效率进行了比较。需要说明的是，电动机的效率是输出(具体而言，转矩×转速)与输入(供给电力)之比，当用Pca表示电枢绕组的铜损，用Pcf表示励磁绕组的铜损，用Pi表示马达铁损时，本实施方式中的电动机1的效率就能够用输出/(Pca+Pcf+Pi+输出)表示。
图8示例出外侧磁铁型电动机中的绕组与永久磁铁的布置状况。例如，为了在外侧磁铁型电动机中能够产生更大的转矩，可以考虑加长永久磁铁在径向上的长度。但是，如果加长永久磁铁在径向上的长度，那么，在限制定子外径的情况下，要么定子内径会变小，要么绕组空间就会变少。因此，外侧磁铁型电动机在实际的电动机尺寸下，难以加长永久磁铁在径向上的长度，也就难以增加磁极面积。相对于此，在本实施方式中，通过沿圆周方向增大励磁槽外侧部214，就能够确保用于缠绕外周一侧的励磁绕组23o的空间。故能够与其相对应地加长永久磁铁22的径向长度。亦即，在本实施方式中，很容易得到具有所需要的额定输出(最大输出)的电动机。
另一方面，在内侧磁铁型电动机的情况下，由励磁绕组产生的磁通和由永久磁铁产生的磁通会在齿的靠近磁铁侧面的部分朝着相反的方向流动。图9示例出内侧磁铁型电动机的绕组磁通和磁铁磁通。图9中，用短且细的虚线箭头示出磁铁磁通的短路路径，用实线箭头示出磁铁磁通的交链磁路。该图9中，长且粗的虚线箭头示出励磁绕组的磁通的磁路。如图9所示，内侧磁铁型电动机在齿中绕组磁通与磁铁磁通的方向彼此相反的部分难以达到磁饱和，从而难以抑制电枢反作用所引起的压降，因此功率因数的改善效果小。换句话说，难以让最大输出(最大转矩)增大。硬要在内侧磁铁型电动机中让齿实现磁饱和的话，则需要增大励磁绕组的电流来抵消永久磁铁的磁通，并且一直励磁到朝着相同的方向流动。然而，这样则需要增加安培匝数，往往会导致绕组用槽的截面积增大。亦即，需要将电动机大型化。
相对于此，在本实施方式中，与图8所示的外侧磁铁型电动机一样，在齿211的靠近永久磁铁22侧面的部分，由励磁绕组产生的磁通和由永久磁铁22产生的磁通朝着相同的方向流动(参照图5)。因此，在本实施方式中，因为被励磁槽内侧部215和电枢槽213b夹着的齿容易磁饱和，所以即使不增加安培匝数，也能够边提高功率因数边增大最大输出。在本实施方式中，因为由布置在内周一侧的励磁绕组产生的磁场的方向和永久磁铁的磁化的方向相同，所以与内侧磁铁型电动机相比，永久磁铁22难以产生退磁。因此，在本实施方式中，能够使用剩余磁通密度Br较大的磁铁，以便用较小的矫顽力抵抗退磁，故与利用退磁场磁化的内侧磁铁型电动机不同，本实施方式中的电动机也能够使其工作点的磁通密度提高。而且，在本实施方式中，能够减少永久磁铁的重稀土元素量。
将本实施方式中定子铁芯21的励磁槽磁轭部212a的径向厚度t1设定得比电枢槽磁轭部212b的厚度t2小。因此，在让电流流入励磁绕组23之际，励磁槽磁轭部212a容易磁饱和。励磁槽磁轭部212a的磁饱和会防止永久磁铁22的磁通短路，有助于提高让磁铁磁通流入转子10的强励磁效果(也称为转矩增加效果)。
另一方面，在由励磁槽磁轭部212a防止了磁铁磁通短路以后，磁铁磁通就会通过电枢槽磁轭部212b，因此并不希望在电枢槽磁轭部212b部分达到磁饱和。在本实施方式中，使励磁槽磁轭部212a的径向厚度t1与电枢槽磁轭部212b的厚度t2的关系为t1<t2，因此电枢槽磁轭部212b比励磁槽磁轭部212a更难以磁饱和。也就是说，在本实施方式中，能够让磁铁磁通更有效地流入转子铁芯11。
在本实施方式中，将励磁槽外侧部214在圆周方向上的宽度wo设定得比励磁槽内侧部215在圆周方向上的宽度wi大且比该永久磁铁22在圆周方向上的宽度wm大。在本实施方式中，使励磁槽外侧部214和电枢槽213b之间的最短距离do小于或等于励磁槽内侧部215和电枢槽213b之间的最短距离di。例如，如果齿211中与内周一侧的励磁绕组23i相邻的部分比磁铁磁通的短路路径(参照图4)先达到磁饱和，磁铁磁通就难以流入转子10一侧，因此就存在会失去由励磁绕组23i的磁动力带来的强励磁效果(转矩增加效果)这样的可能性。然而，在本实施方式中，如上所述，通过使di≥do，wo>wi，就能够不失去转矩增加效果。
为了有效地产生磁铁磁通，理想的做法就是尽量地增大永久磁铁22的表面积。一般这样想：为增大永久磁铁22的表面积，让永久磁铁在磁化方向(磁化轴的方向)上的厚度薄一些即可(当然，需要的是用于最低限度地确保抗退磁力这样的厚度)。
这样让永久磁铁22较薄以后，就能够使励磁槽内侧部215和永久磁铁22呈径向细长的形状。励磁槽内侧部215和永久磁铁22呈径向细长的形状以后，在限制定子20的径向尺寸的情况下，为确保外周一侧的励磁绕组23o用槽面积，就会通过使励磁槽外侧部214在圆周方向上的宽度较宽，来增大励磁绕组的截面积。但从获得强励磁效果(转矩增加效果)来看，上述做法是理想的做法。亦即，在本实施方式中，如上所述，通过使di≥do，wo>wi>wm，便既能够确保永久磁铁22所需要具有的磁极表面积，又能够做到不会因确保该磁极表面积而失去转矩增加效果。
在本实施方式中，因为永久磁铁22的外周一侧所有励磁绕组23o由同一线材形成，所以能够减少用于将电力供向励磁绕组23o的引出布线的数量。同样，因为永久磁铁22的内周一侧所有励磁绕组23i由同一线材形成，所以也能够减少用于将电力供向励磁绕组23i的引出布线的数量。亦即，在本实施方式中，容易对励磁绕组23布线。
(其它实施方式)
需要说明的是，电动机1能够用励磁绕组23对永久磁铁22进行磁化。具体而言，只要让电流流入设在永久磁铁22的外周一侧的励磁绕组23o，并由该绕组磁通将永久磁铁22磁化即可。此时，理想情况是转子不存在。
以上示例出永久磁铁22的材料，但还可以用不含重稀土元素的磁铁材料制成永久磁铁22。
以上示例出定子20中齿211的数量、转子10的突出部111的数量，但并不限于所述实施方式中之例。
所述实施方式的构成方式，不仅对电动机适用，对发电机也适用。
以上示例出励磁绕组23、电枢绕组24的缠绕形态，但并不限于所述实施方式的励磁。例如，励磁绕组23可以跨过一个齿211(参照图10)而缠绕。而且，例如，还能够将励磁绕组23缠绕在定子磁轭212上，来取代将励磁绕组23缠绕在齿211上。
－产业实用性－
本发明作为旋转电机很有用。
－符号说明－
1 电动机(旋转电机)
11 转子铁芯
21 定子铁芯
22 永久磁铁
23 励磁绕组
24 电枢绕组
211 齿
212 定子磁轭
213 槽
Claims (13)
1.一种旋转电机，其特征在于：
该旋转电机包括：定子铁芯（21）、转子铁芯（11）、励磁绕组（23）、电枢绕组（24）、永久磁铁（22）以及电源（30），
所述定子铁芯（21）具有在圆环状定子磁轭（212）的圆周方向上以规定间距排列着的多个齿（211），在所述齿（211）之间形成有包括励磁槽（213a）和电枢槽（213b）的槽（213），
所述转子铁芯（11）与所述定子铁芯（21）以规定的气隙保持相对，
所述励磁绕组（23）收放在所述励磁槽（213a）内，直流供给该励磁绕组（23），
所述电枢绕组（24）绕在规定的齿（211）上，收放在所述电枢槽（213b）内，交流供给该电枢绕组（24），
所述永久磁铁（22）与所述励磁绕组（23）都收放在所述励磁槽（213a）内，且所述永久磁铁（22）与该励磁绕组（23）相接触，
所述电源（30）向所述励磁绕组（23）供电，
所述励磁绕组（23）设置在所述永久磁铁（22）的内周一侧和外周一侧，
从来自所述电源（30）的电流的流入端看去时，夹着所述永久磁铁（22）在内周一侧和外周一侧彼此相对的励磁绕组（23）的缠绕方向彼此相同。
2.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于：
所述定子铁芯（21）具有：在径向上与所述励磁槽（213a）对应的部分和在径向上与所述电枢槽（213b）对应的部分，在径向上与所述励磁槽（213a）对应的部分的径向厚度（t1）比在径向上与所述电枢槽（213b）对应的部分的径向厚度（t2）小。
3.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于：
收放所述励磁绕组（23）的所述励磁槽（213a）具有：收放所述永久磁铁（22）的外周一侧的励磁绕组（23o）的部分和收放所述永久磁铁（22）的内周一侧的励磁绕组（23i）的部分，收放所述外周一侧的励磁绕组（23o）的所述部分在圆周方向上的宽度（wo）比收放所述内周一侧的励磁绕组（23i）的所述部分在圆周方向上的宽度（wi）宽，且比该永久磁铁（22）在圆周方向上的宽度（wm）宽。
4.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于：
所述励磁槽（213a）具有收放所述永久磁铁（22）的外周一侧的励磁绕组（23o）的部分与收放有所述电枢绕组（24）的所述电枢槽（213b）之间的第一最短距离（do），所述励磁槽（213a）还具有收放所述永久磁铁（22）的内周一侧的励磁绕组（23i）的部分与收放有所述电枢绕组（24）的所述电枢槽（213b）之间的第二最短距离（di），所述第一最短距离（do）比所述第二最短距离（di）短，或者所述第一最短距离（do）与所述第二最短距离（di）相等。
5.根据权利要求3所述的旋转电机，其特征在于：
所述励磁槽（213a）具有收放所述永久磁铁（22）的外周一侧的励磁绕组（23o）的部分与收放有所述电枢绕组（24）的所述电枢槽（213b）之间的第一最短距离（do），所述励磁槽（213a）还具有收放所述永久磁铁（22）的内周一侧的励磁绕组（23i）的部分与收放有所述电枢绕组（24）的所述电枢槽（213b）之间的第二最短距离（di），所述第一最短距离（do）比所述第二最短距离（di）短，或者所述第一最短距离（do）与所述第二最短距离（di）相等。
6.根据权利要求1、2、5中任一项权利要求所述的旋转电机，其特征在于：
所述永久磁铁（22）是钕铁硼类磁铁，不含重稀土元素或者仅在表面附近含有重稀土元素。
7.根据权利要求3所述的旋转电机，其特征在于：
所述永久磁铁（22）是钕铁硼类磁铁，不含重稀土元素或者仅在表面附近含有重稀土元素。
8.根据权利要求4所述的旋转电机，其特征在于：
所述永久磁铁（22）是钕铁硼类磁铁，不含重稀土元素或者仅在表面附近含有重稀土元素。
9.根据权利要求1、2、5、7、8任一项权利要求所述的旋转电机，其特征在于：
所述永久磁铁（22）的外周一侧所有的励磁绕组（23o）由同一线材形成，
所述永久磁铁（22）的内周一侧所有的励磁绕组（23i）由同一线材形成。
10.根据权利要求3所述的旋转电机，其特征在于：
所述永久磁铁（22）的外周一侧所有的励磁绕组（23o）由同一线材形成，
所述永久磁铁（22）的内周一侧所有的励磁绕组（23i）由同一线材形成。
11.根据权利要求4所述的旋转电机，其特征在于：
所述永久磁铁（22）的外周一侧所有的励磁绕组（23o）由同一线材形成，
所述永久磁铁（22）的内周一侧所有的励磁绕组（23i）由同一线材形成。
12.根据权利要求6所述的旋转电机，其特征在于：
所述永久磁铁（22）的外周一侧所有的励磁绕组（23o）由同一线材形成，
所述永久磁铁（22）的内周一侧所有的励磁绕组（23i）由同一线材形成。
13.一种旋转电机的工作方法，其特征在于：
该旋转电机包括：定子铁芯（21）、转子铁芯（11）、励磁绕组（23）、电枢绕组（24）、永久磁铁（22）以及电源（30），
所述定子铁芯（21）具有在圆环状定子磁轭（212）的圆周方向上以规定间距排列着的多个齿（211），在所述齿（211）之间形成有包括励磁槽（213a）和电枢槽（213b）的槽（213），
所述转子铁芯（11）与所述定子铁芯（21）以规定的气隙保持相对，
所述励磁绕组（23）收放在所述励磁槽（213a）内，直流供给该励磁绕组（23），
所述电枢绕组（24）绕在规定的齿（211）上，收放在所述电枢槽（213b）内，交流供给该电枢绕组（24），所述永久磁铁（22）与所述励磁绕组（23）都收放在所述励磁槽（213a）内，且所述永久磁铁（22）与该励磁绕组（23）相接触，
所述电源（30）向所述励磁绕组（23）供电，
所述励磁绕组（23）设置在所述永久磁铁（22）的内周一侧和外周一侧，从来自所述电源（30）的电流的流入端看去时，夹着所述永久磁铁（22）在内周一侧和外周一侧彼此相对的励磁绕组（23）的缠绕方向彼此相同，
该旋转电机的工作方法包括：从多种工作模式中选择一种工作模式的步骤和让所述旋转电机在已选出的工作模式下工作的步骤，
所述多种工作模式包括第一工作模式、第二工作模式以及第三工作模式中的至少两种工作模式，
在所述第一工作模式下，不让电流流入所述励磁绕组（23）；
在所述第二工作模式下，让电流流入励磁绕组（23），以便所述励磁绕组（23）的绕组磁通在励磁槽磁轭部（212a）中朝着与被所述励磁绕组（23）夹着的磁铁的磁通相反的方向流动；
在所述第三工作模式下，让电流流入励磁绕组（23），以便所述励磁绕组（23）的绕组磁通在励磁槽磁轭部（212a）中朝着与被所述励磁绕组（23）夹着的磁铁的磁通相同的方向流动。
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