CN1083629C - 永磁电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永磁电动机，其具有：共用连接在永久磁铁的N极上的N极用磁路；共用连接在永久磁铁的S极上的S极用磁路；R个N极凸极形的N极磁极，是N极用磁路的一部分，其数量不同于布置在转子外周部上的定子极数；以及R个S极凸极形状的S极磁极，是S极用磁路的一部分，被布置在转子的外周部上，在旋转方向上与N极的凸极形状的N极磁极交替地进行布置，以便整个电动机能有效地利用各个永久磁铁的能力。

Description

永磁电动机

本发明涉及把永久磁铁置于转子内的微调式电动机，尤其涉及其转子结构的改进，本发明的形态包括旋转式电动机和线性电动机。

图11表示把永久磁铁置于转子内的原有微调式电动机的定子和转子的关系。1是定子，S1～S18是槽，在各个槽内缠绕了在感应电动机等内一般使用的2极的3相交流线圈(绕组)。定子的齿，其前端部的宽度和槽的入口的宽度基本相同，其形状是，从转子方向看去的定子旋转方向的磁阻在同一间隔内发生显著变化。2是转子，在转子的外周上如图所示均等地布置了17极的永久磁铁。4是转子的轴。

一般，从原理上讲，电动机1匝的绕线所产生的力F，根据弗来明(フレシング)定律可表示如下：

                 F＝B·I·L。式中B是磁通密度，I是电流，L是有效电线长度，是转子有效长度的2倍。功率P为

                 P＝F·SP＝F·r·dθ/dt。SP是转子的外周速度，r是转子半径，θ是转子的旋转角。这时，从电气上讲，功率P作为电压V可表示为：

                P＝V·I＝Φ/dt·I。Φ是与1匝绕线相交链的磁通。根据上述两式可得：

                P＝F·r·dθ/dt＝dΦ/dt·I，电动机发生的转矩T为

                 T＝F·r＝dΦ/dθ·I。电动机产生的转矩T应当与绕线交链的磁通φ的旋转变化率dΦ/dθ成正比。

所以，例如过去通常的2极永磁型同步电动机(不是具有与图11形状相同的定子的微调式电动机，图中未示出)，其产生的转矩T、即绕线交链的磁通Φ的旋转变化率dΦ/dθ，几乎完全与磁通密度B成正比。

以下对图11的电动机进行同样的分析。例如，假定一匝的绕线在槽S5处从纸面的外面一侧向里面一侧卷绕，而且在槽S14处从纸面的里面一侧向外面一侧卷绕。这时若假定与该绕线相交链的磁通Φ的旋转变化率dΦ/dθΔΦ/Δθ为微小旋转变化Δθ在顺时针方向上仅旋转一点点，则这时的微小磁通变化ΔΦ是按下列关系布置的，即在图11中在定子的各8至9个凸极部分上N极磁通从纸面的下方向上方增加。所以，若与上述永磁型同步电动机的情况相比较，则单纯从理论上讲可以说磁通Φ的旋转变化率ΔΦ/Δθ约为8倍，可以说产生的转矩也约为8倍。这样，把永久磁铁置于转子内的微调式电动机，从原理上讲具有大转矩输出的特征。但是控制性进行驱动的驱动频率约为8倍，由于受驱动频率极限和电动机漏电感的影响，一般难于高速旋转。

在图11的电动机中，存在有效利用各永久磁铁的磁通的问题。例如，被夹持在槽S4和S5内的定子凸极中所存在的磁通，定子凸极面对永久磁铁的N极，其中间只有很小的间隙，该N极的磁通存在于该定子凸极内。同时，两侧相邻的S极磁通也从各定子凸极间的空间等非磁性部分中漏出来，在N极和S极之间磁通相交叉的成分也有很多，该N极磁通内与S极相交叉的磁通不能用于电动机动作。其结果，N极磁通不能充分用于被槽S4和S5所夹持的定子凸极，对其他各定子凸极来说也可以说情况相同。因此，出现电动机转矩减小的问题。

根据永久磁铁的磁特性来说明该S极的漏磁通。图12的BO～HO是希土类磁铁的典型磁通密度B和磁动势(磁通势)H的特性示例。被槽S4和S5夹持的定子凸极，其对面的N极磁铁的动作点是OP1，磁动势H1主要用作空气间隙部分的磁动势，其磁通密度为B1。另一方面，该N极的两个相邻的S极的动作点是OP2，在槽S4和S5的空隙部分等非磁性部分生成漏磁通，所以，H2这一大的磁动势发挥作用，这时的磁通密度为B2。仅仅该B2部分在相邻的磁铁之间进行磁通交叉，所以，不能有效地用于电动机，归根结底，被用于电动机的磁通是相当于B1一B2磁通密度的磁通。根据电动机的结构不同，该磁通有很大差别，该B2值达到B1的一半以上的情况也很多，所以，永久磁铁的能力连一半都未能被使用的情况也很多。

另一个问题是，定子凸极部分的磁性钢板的最大磁通密度值高达1.7泰斯拉左右，而转子磁极部分的最大磁通密度即使使用剩余磁通密度大的希土类磁铁也只有1.0泰斯拉(Tesla)左右。在结构上存在不能提高磁通密度的问题。希望能通过提高转子的各个磁极的磁通密度来提高电动机的转矩。

本发明的目的在于提供一种永磁电动机，其通过改进转子的磁路来增大电动机产生的力矩，减小电动机体积，降低价格。

为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种永磁电动机，其特征在于：

其缠绕3相交流绕组的定子和定子的一部分；

定子的槽部的m个齿的形状是凸极形状；该永磁电动机具

有：

多个单独永久磁铁，它们安装在转子内部；

N极用磁路，它们共同被连接在上述多个永久磁铁的N极上；

S极用磁路，它们共同被连接在上述多个永久磁铁的S极上；

R个N极的凸极形状的N极磁极，它们是N极用磁路的一部分，其数量不同于布置在转子外周部分上的m；以及

R个S极的凸极形状的S极磁极，它们是S极用磁路的一部分，被布置在转子外周部分上，在转子旋转方向上与N极的凸极形状的N极磁极交替地进行布置。

所述的永磁电动机，其特征在于：

上述N极用磁路和上述S极用磁路在转子的轴向上交替地进行积层，

其具有：

N极辅助磁极，它们被连接在上述N极磁极和相邻的另一N极磁极之间；

S极辅助磁极，它们被连接在上述S极磁极和相邻的另一S极磁极之间。

一种永磁电动机，其特征在于：

其缠绕3相交流绕组的定子和定子的一部分，定子的槽部的m个齿的形状是凸极形状，该永磁电动机具有：

安装在转子内部，于转子各磁极共用的共用永久磁铁；

共用连接在上述共用永久磁铁的N极上的N极用磁路；

共用连接在上述通用永久磁铁的S极上的S极用磁路；

R个N极的凸极形状的N极磁极，其是N极用磁路的一部分，其数量不同于布置在转子外周部分上的m；以及

R个S极的凸极形状S极磁极，其是S极用磁路的一部分，被布置在转子的外周部分上，在转子旋转方向上与N极的凸极形状的N极磁极交替地进行布置。

所述的永磁电动机，其特征在于具有：

安装在转子内部，于转子各磁极共用的共用永久磁铁。

一种永磁电动机，其特征在于具有：

带有TN个凸极，被布置在旋转方向上的mm个定子磁极，；

被缠绕在各定子磁极上的多相绕组；

安装于转子内部的多个单独永久磁铁；

共用连接在上述多个永久磁铁的N极上的N极用磁路；

共用连接在上述多个永久磁铁的S极上的S极用磁路；

RR个N极的凸极形状的N极磁极，其是N极用磁路的一部分，其数量是多于布置在转子外周部分上的TN和mm的积的数；

RR个S极的凸极形状的S极磁极，其是S极用磁路的一部分，被布置在转子外周部分上，在转子旋转方向上与N极的凸极形状的N极磁极交替地进行布置。

本发明构成了两种磁路，一种是与永久磁铁的N极共同连接的N极用磁路，另一种是与永久磁铁的S极共同连接的S极用磁路，以便使整个电动机能有效地利用各个永久磁铁的能力。并且构成了R个N极的凸极形状的N极磁极和R个S极的凸极形状的S极磁极，其中N极磁极是N极磁路的一部分，其极数不同于被布置在转子外周部上的定子极数m；S极磁极是S极用磁路的一部分，被布置在转子的外周部上，在转子旋转方向上与N极的凸极形状的N极磁极交替布置。

再者，在本发明中具有：连接在上述N极磁极及其相邻的其他N极磁极之间的N极辅助磁极、以及连接在上述S极磁极及其相邻的其他S极磁极之间的S极辅助磁极。这也是适合的。

再者，也可以构成这样一种电动机，它具有装在转子内部、对转子各磁极都通用的园盘状通用永久磁铁。

另外，也可以构成这样一种电动机，它除了具有被布置在转子各磁极附近的多个分离的永久磁铁外，还具有装在转子内部对转子各磁极通用的园盘状通用永久磁铁。

                     作用

通过形成分别对N极和S极通用的磁路，使得相对于定子部分发生的各磁极的磁动势几乎相同，其结果，间隙和空隙部分等非磁性部分内所存在的磁通基本上与这些部分的磁阻成正比，像过去那样对大的磁阻部分也有大的磁动势起作用，产生大的漏磁通的有害现象减少。

转子磁极材料采用电磁钢板，磁通密度也能高达1.7泰斯拉。为了使永久磁铁的使用条件达到对各磁极通用而且其磁通密度接近于磁性钢板饱和磁通密度，在转子内部必须高效率地布置N极磁路，S极磁路和磁绝缘部分，出现转子内部的空间利用率的问题。更具体的说。为了把转子表面自由地切换到N极或S极上，而且使磁通密度值接近于1.7泰斯拉，把磁通从转子表面的各磁极部分引导到转子中央部分的N极通用磁路或S极通用磁路部分内的这种导磁磁路，其空间不足。

针对这种情况，提出了这样一种方法，即利用上述电动机的构成来提高能使转子表面各磁极部分有效发挥作用的磁通密度。例如，当转子表面的特定部分需要100的磁通时，50的磁通由布置在转子外周附近的多个单独永久磁铁来供给，其余的50的磁通从位于其他部分的单独永久磁铁经过作为通用磁路及其一部分的上述导磁磁路向上述特定部分的磁极来供给。利用这样动作，向上述导磁磁路供给的磁通按照转子表面所需磁通的一半即可，在转子表面上能产生大的磁通，能产生大的旋转力矩。

再者，在N极通用磁路和S极通用磁路之间布置通用永久磁铁，能进一步增加转子所生成的磁通。并且，本发明的构成与图9的原有电动机构成相比稍为复杂，在转子内部的漏磁通量难免会增多，但能补充该漏磁通，增加电动机的旋转力矩。

本发明的效果

永久磁铁能减小对电动机动作有害的磁动势和磁通，所以能增大电动机产生的力矩。并且同时，利用N极用磁路、S极用磁路、N极辅助磁极、S极辅助磁极等能有效地利用永久磁铁的能力，所以，能增大转子各磁极的动作磁通密度，能增大电动机产生的力矩，也还能增加电动机产生的力矩，减小体积，降低价格。

以下参照附图详细说明本发明的实施例

图1是本发明的永磁电动机实施例的断面图。

图2是图1的电动机的轴向断面图。

图3是表示图1所示的电动机的转子主要部分的斜视图。

图4是图2的部分放大图。

图5是本发明的永磁电动机的另一实施例的断面图。

图6是图4的电动机轴向断面图。

图7是把图4的电动机转子表面在旋转方向上进行平面展开的图。

图8是本发明的永磁电动机的另一实施例的断面图。

图9是图7的电动机的轴向断面图。

图10是本发明的永磁电动机的另一实施例的断面图。

图11是利用永久磁铁的现有微调式电动机的断面图。

图12是永久磁铁的磁通密度B和磁动势H的动作特性图。

图1表示本发明的永磁电动机实施例的定子和转子的构成。1是转子，电磁钢板在轴向上进行积层，具有从S1到S18的18个槽。在各个槽内缠绕上在感应电动机等中一般使用的2极的3相交流绕组。定子的齿，其前端部分的宽度和槽入口的宽度几乎一样，构成的形状是：从转子一侧看去定子旋转方向的磁阻在同一间隔显著变化。转子形状变得稍为复杂，N极和S极被布置在17组园周上。转子材料和基本构成和定子一样，电磁钢板在轴向上积层。但并非仅限于电磁钢板。因为槽是17个，所以定子槽和转子磁极的相对位置关系依次稍加偏移。图2仅表示断面A和B的转子部分的轴向断面图。图3表示主要部分斜视图。4是不锈钢等非磁性的转子轴。图1、图2和图3所示的N极用磁路5、S极用磁路6，对同一形状的按照在旋转方向上偏移1/34转进行布置，如图2所示在转子轴向上也交替地进行布置。N极用磁路5和S极用磁路6在轴向上呈重叠状，所以，为了便于理解，N极用磁路5用实线表示；S极用磁路6用虚线表示。7是永久磁铁，具有在转子轴向上跨越各磁路5、6进行延伸的矩形形状，磁极的方向是图1的剖面线方向，面对图示的N和S方向，5的转子外周部分形成N极，6的转子外周部分形成S极。N极用磁路5、S极用磁路6在转子内部被进行磁性分离。

以下说明图1的永磁电动机的动作。基本动作的考虑方法与已说明的图10的电动机相同。例如，假定一匝绕线在槽S5内从纸面的外侧向里侧缠绕，然后在槽S14内从纸面的里侧向外侧缠绕。这时与绕线相交链的磁通Φ的旋转变化率dφ/dθΔΦ/Δθ，若假定为微小旋转变化Δθ仅向顺时针方向旋转一点点，则这时的微小磁通变化ΔΦ按下列关系进行布置，即在图1中定子的各8至9个凸极部分上从图1的纸面下方向上方N极磁通增加。所以，若与上述过去的2极永磁式同步电动机的情况相比，则从单纯的理论上讲可以说磁通φ的旋转变化率ΔΦ/Δθ约为8倍，可以说定子的力矩也约为8倍。图11的电动机和图1的永磁电动机的差别在于结构差异所形成的永久磁铁的磁动作。如在图4中表示图1的部分放大图那样，电动机的永久磁铁7的动作，在转子磁极面对定子的凸极部的部分，从布置在该磁极侧面上的永久磁铁中产生的磁通流入到槽的凸极部分。同时，其他永久磁铁所生成的磁通、即剩余的磁通经过转子中央部的磁路流入到该磁极内，供给到对面的定子凸极部分。相反，在转子磁极面对定子槽部的部分，从布置在该磁极侧面上的永久磁铁中产生的磁通，由于槽部的磁阻大，所以经过转子中央部的磁路供给到其他磁阻小的磁极、即磁极和定子的凸极面对面的部分。这样，因为各永久磁铁的磁通经过公用的N极用磁路或S极用磁路供给到磁阻小的磁极上，所以，能有效地利用磁铁，能产生大的力矩。若用图12的永久磁铁的BH特性来表示，则任一永久磁铁，其动作点也都是在OP1附近，相当于B1的大磁通能有效地发挥作用。如图11的电动机所示，在动作点OP2动作，向磁阻大的槽部输出大的磁动势H2，很少发生相当于B2的阻碍电动机动作的磁通。

图5表示本发明永磁电动机的另一实施例的断面图。基本构成与图1的永磁电动机相同。图6仅表示断面C及D的转子部的轴向断面图。与图1和图2所示的电动机不同的地方是增加了图6所示的N极辅助磁极9和S极辅助磁极8。在图2的电动机中，转子的各磁极在轴向上曾是不连续的，但如图6所示在结构上转子的各磁极在轴向上是连续布置的。图7表示该电动机的转子外形的表面在轴向进行平面展开的图。但是，图7的结构，准确地说从转子外周方向上是看不到永久磁铁7的，但为了便于理解结构用虚线表示出位于转子内部的永久磁铁7。在图7中可以看出在转子旋转方向即纸面的上下方向上布置有17对N极和S极。转子的磁路是用冲压设备把电磁钢板冲制成所需形状，在轴向上进行积层，10是用冲压设备对电磁钢板进行自动积层用的铆接部。铆接部分10的结构是，用冲压设备来挤压电磁钢板，将铆接部分的形状只挤出相当于电磁钢板厚度的一半，通过该铆接部分来与前后的电磁钢板相嵌合，对电磁钢板之间进行压接固定。图5所示的转子外周，整个园周仅连接一点点，转子的各磁极仅连接一点点，但在用冲击设备来冲压电磁钢板时，为了防止电磁钢板的各部分脱落分离，根据加工和装配的需要进行适当连接。从电磁动作看不需要连接转子外周部分，因为各磁极的磁通产生漏泄，所以是不理想的磁路。

以下说明图5的永磁电动机的动作。与图1所示的电动机相比，增加了N极辅助磁极9和S极辅助磁极8，所以从结构上看在转子的外周附近在轴向上布置的各永久磁铁7的磁通能更多地供给到转子的各磁极上。因此，电动机产生的力矩值也更大。

其次，图8表示本发明的永磁电动机的另一实施例的断面图。图9表示仅断面E和F的转子部分的轴向断面图。基本观点与图1的永磁电动机相同。但没有转子外周部分附近的永久磁铁7，代之以在转子内部的N极用磁路5和S极用磁路6之间布置了图9的11所表示的园盘状永久磁铁。而且，该永久磁铁11并非仅限于园盘状，也可以是其他各种形状。

该电动机的动作类似于图1和图5所示的电动机的动作。如上所述，磁通从布置在转子内部的永久磁铁11供给到转子外周部分的各磁极上。该电动机的特征是：与图1或图5所示的永磁电动机相比，能减少永久磁铁的数量，能简化电动机。并且，图6的永磁电动机中，转子的轴也采用不锈钢等非磁性体，N极用磁路5和S极用磁路6被空隙等进行磁性分离，但是N极用磁路5和S极用磁路6的间隔很窄，其间的漏磁通可忽略不计。在图9的永磁电动机中把永久磁铁11布置在容易产生漏磁通的地方，所以也有减小漏磁通的效果。

以下说明本发明的永磁电动机的另一实施例。这是在图5、图6所示的永磁电动机中增加了图9所示的永久磁铁11的电动机。所以，径向断面图是图5，由断面A和断面B所表示的轴向断面图是图9。本发明的电动机虽然都采用这样的结构，即N极和S极的分布非常接近，间隙很小，所以各个的边界部分依靠空隙等使磁阻增大，使漏磁通减小。但空隙宽度等也有结构上的极限，产生相当大的漏磁通。为了补充该漏磁通，在图5所示的永磁电动机上增加图9所示的永久磁铁11。这样制成的永磁电动机，永久磁铁11使漏磁通减小，而且在磁路上与转子外周附近的永久磁铁7并列地向转子外周上的各磁极供给磁通，所以能使转子外周部分的各磁极的磁通密度值增大，能使电动机产生的力矩增大。

其次，图10表示本发明的永磁电动机的另一实施例。在转子上沿旋转方向布置了分别具有4个凸极的XP、XN、YP、YN的4个定子磁极。在各个定子磁极上缠绕2相的交流绕组12。其中，1相的定子磁极是XP、XN，互相间相位相反，各个绕组反向串联缠绕。另一相的定子磁极是YP、YN，互相间相位相反，各个绕组反向串联缠绕。XP、XN和YP、YN的关系是：相位按电合角度相对偏离90度。转子是与图5所示的电动机相类似的转子。并且其他图所示的转子也可采用。

该电动机的动作，与转子旋转相同步，使2相交流电流流入到各个绕组内，即可获得旋转力矩。转矩的大小，与上述2极的永磁式同步电动机的情况相比较，单纯从理论上讲，可以说磁通φ的旋转变化率ΔΦ/Δθ约为4倍，可以说产生的力矩也约为4倍。

以上说明了本发明的实施例。但这些电动机结构并非仅限于旋转式电动机，而是也能在直线上展开构成线性电动机。并且，各部分布置的永久磁铁即使去除一部分也能获得同样的效果，这也是包括在本发明内的。

以上对3相交流电动机和2相交流电动机的例子进行了说明，但也可应用于其他的多相交流电动机，这些也是包括在本发明内的。

Claims (5)

1.一种永磁电动机，其特征在于：

其缠绕了3相交流绕组的定子和定子的一部分；

定子的槽部的m个齿的形状是凸极形状；该永磁电动机具

有：

多个单独永久磁铁，它们安装在转子内部；

共用连接在上述多个永久磁铁的N极上的N极用磁路；

共用连接在上述多个永久磁铁的S极上的S极用磁路；

R个N极的凸极形状的N极磁极，它们是N极用磁路的一部分，其数量不同于布置在转子外周部分上的m；以及

R个S极的凸极形状的S极磁极，它们是S极用磁路的一部分，被布置在转子外周部分上，在转子旋转方向上与N极的凸极形状的N极磁极交替地进行布置。

2.如权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于：

上述N极用磁路和上述S极用磁路在转子的轴向上交替地进行积层，

其具有：

N极辅助磁极，被连接在上述N极磁极和相邻的另一N极磁极之间；

S极辅助磁极，被连接在上述S极磁极和相邻的另一S极磁极之间。

3.一种永磁电动机，其特征在于：

其缠绕3相交流绕组的定子和定子的一部分，定子的槽部的m个齿的形状是凸极形状，该永磁电动机具有：

安装在转子内部，于转子各磁极共用的共用永久磁铁；

共用连接在上述共用永久磁铁的N极上的N极用磁路；

共用连接在上述通用永久磁铁的S极上的S极用磁路；

R个N极的凸极形状的N极磁极，其是N极用磁路的一部分，其数量不同于布置在转子外周部分上的m；以及

R个S极的凸极形状S极磁极，其是S极用磁路的一部分，被布置在转子的外周部分上，在转子旋转方向上与N极的凸极形状的N极磁极交替地进行布置。

4.如权利要求2所述的永磁电动机，其特征在于具有：

安装在转子内部，于转子各磁极共用的共用永久磁铁。

5.一种永磁电动机，其特征在于具有；

带有TN个凸极，被布置在旋转方向上的mm个定子磁极，；

被缠绕在各定子磁极上的多相绕组；

安装于转子内部的多个单独永久磁铁；

共用连接在上述多个永久磁铁的N极上的N极用磁路；

共用连接在上述多个永久磁铁的S极上的S极用磁路；

RR个N极的凸极形状的N极磁极，其是N极用磁路的一部分，其数量多于布置在转子外周部分上的TN和mm的积的数；

RR个S极的凸极形状的S极磁极，其是S极用磁路的一部分，被布置在转子外周部分上，在转子旋转方向上与N极的凸极形状的N极磁极交替地进行布置。

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