CN1149778A - 内装永磁铁的电动机 - Google Patents

Abstract

一种电动机的转子包括多组埋置在转子中的永磁铁8a，8b，各组包含其间有一定距离的在内侧的永磁铁和在外侧的另一永磁铁。各永磁体8a，8b形成朝转子中心延伸的弧形。于是磁通易于在内侧和外侧的永磁铁间的间隔通过，且增大了q轴电感。从而除了电磁转矩外还产生了磁阻转矩，且该电动机有高的转矩和高的功率输出。

Description

内装永磁铁的电动机

本发明涉及在其转子内装有永磁铁的电动机。

在高导磁性材料(如铁)制成的转子中有一层永磁铁的电动机已公知。如在现有技术中的表面磁铁电动机，永磁铁加到转子表面上。

近来，环境问题已引起充分的注意。为节能用内装永磁铁的电动机，也就是说用埋在转子内的永磁铁来替代提到的表面磁铁电动机。

图1示出现有技术中的内装永磁铁电动机的一例。该电动机由转子3′和定子2组成。在该电动机中，各有相对转子3′中心延伸的弧形的永磁铁17埋在高导磁材料或硅钢片制成的转子铁心3a′内。示于图1的电动机有4个极，且4组永磁铁17沿转子圆周方向排列成N极和S极交替的形式。该定子2有齿6。

在上述电动机中，导致在各永磁铁中心与转子中心相连的d轴方向的电感Ld(参见图1)和在从该d轴方向转90°由角度的q轴方向的电感(参见图1)的不同。因此除永磁铁17的磁转矩外产生了磁阻转矩，总的转矩T表示在等式(1)中：

T＝Pn×{ψa×Iq+1/2(Ld-Lq)×Id×Iq}    (1)式中Pn表示极对数，ψa表示d轴磁通，Ld表示d轴电感，Lq表示q轴电感，Iq表示q轴电流和Id表示d轴电流。等式(1)表示在dq变换后的电压等式。电磁转矩和磁阻转矩表示为等式(1)中圆括号{和}内的第一项和第二项。

在现有技术的表面型电动机中，由于永磁体的磁导率约等于空气，电感Ld和Lq有大致相同的值，因此没有磁阻转矩产生。

相反，在现有技术的内装永磁铁的电动机中，d轴方向相应于由永磁铁17产生磁通的方向，如图1所示在d轴方向的磁通21贯穿有近似与空气相同磁导率的二永磁铁，因此，由于磁阻增加，d轴电感Ld显著地减少。另一方面，q轴方向的磁通22指向永磁铁17的侧面，如图1所示穿过该磁铁的侧面。结果，磁阻减少了，而q轴电感Lq增加了。从而d轴电感Ld不同于L轴电感Lq。如施加d轴电流Id，则产生磁阻转矩。

图2是表示出这种关系的磁通矢量图。由磁通ψa与电正交于磁通方向的电流Iq相乘产生了电磁转矩。磁通ψa是总磁通ψo的d轴分量。类似地，磁阻转矩由磁通Ld×Id，Lq×Iq与正交于磁通流过的电流Iq，Id分别相乘而产生的。这样的二转矩之和成为总转矩T。

总转矩T取决于输入电流Io的相位β，这里Iq＝Io×Cosβ和Id＝Io×Sinβ。图3示出当电流相位改变而电流值保持在Io时，电磁转矩、磁阻转矩和总转矩的关系。当电流相位为0°时电磁转矩最大，而相位β增加其变小，在相位为90°时其变为零。反之，当电流相位为45°时磁阻转矩为最大值。因此，总转矩T在电流相位为0-45°范围内成为最大。记号O表示试验得到的值，且这些值与根据等式(1)计算的值相符。这就是说，以相同的电流，在有埋入在转子内永磁铁的电动机中，借利用磁阻转矩比表面磁铁电动机获得了更大的转矩。

其次，对有埋入转子永磁铁的现有技术的电动机的问题加以说明。在电动机中磁阻转矩得到了某种程度的利用。但如图1所示，在永磁铁17端17a近旁的q轴方向的磁通流22受阻且不能进入转子。磁通的大部分仅触及永磁铁17的外周部18。因此，磁通量较小，q轴电感Lq不能增加。

如上所述，在电感Lq和Ld间的差别越大(Ld非常小)，用相同的电流产生的磁阻转矩越大。但现有技术电动机的q轴电感不能增加到这样的程度，因此电感Lq和Ld间的差别也就不能做得更大。

本发明的目的在于提供带有内装永磁铁的电动机，其高效地产生高输出。

当在带有内装永磁铁的电动机中使用一定量的永磁铁时，d轴电感Ld没有大的物理上的变化。但发明人注意到如作出埋入永磁铁的设计，q轴电感Lq可以增加。在本发明的一个方面，电动机包括定子和带有埋入多组永磁铁的转子铁心的转子。永磁铁组包括多个永磁铁，多个永磁铁组在永磁铁的外周侧布置成交替的N和S极。组内的永磁铁延伸以便其端部置于靠边转子外周。由此，为磁通在外侧和内侧的永磁铁间提供了路径。这种结构尽可能地增加了q轴电感Lq且尽可能地增大了q轴电感Lq和d轴电感Ld间的差，以致以同样电流产生的磁阻转矩利用达到最大限度。在组中的永磁铁数如为2。最好各永磁铁有朝该转子中心延伸的弧形。例如，在永磁铁组中2永磁铁的间隔是恒定的。

在本发明电动机的第二方面，该2层永磁铁间的间隔至少其端部在转子旋转方向领前侧宽于它的其它部分。用不同的方式，该永磁铁端部的间隔宽于其它部分。因此永磁铁端部附近磁通的集中减轻了。

在本发明的第三方面，在电动机中，各永磁铁的两端朝其端部斜削靠近转子外表面并垂直于转子外表面延伸。于是通过2永磁铁间路径的磁通得以增加。

在本发明电动机的第四方面，在转子铁心中埋入各包括两永磁铁的多组永磁铁。两永磁铁之一在转子内侧其厚度较在转子外侧的两永磁铁之另外一个大3％或更多。以不同的方式，转子内侧的永磁铁由有比在转子外侧的两永磁铁中另一个的磁材料的剩磁通密度大3％或更多的磁材料制成。于是在后侧或内侧的永磁铁的磁通得以提高。

本发明的优点在于提供更高转矩和更高输出功率的电动机。

本发明的另一优点在于提供有改进抗退磁性的电动机。

从下述结合最佳实施例并参见附图的说明中，对本发明的这些和另外的目的和特点将会更加明白，其中：

图1是有一层内装永磁铁的惯用电劝机的剖面图；

图2是d-q变换后的磁通矢量图；

图3示出电流相位、电磁转矩、磁阻转矩和总转矩的关系曲线；

图4示出本发明的实施例的剖面图；

图5是图4的实施例的局部放大图；

图6是内和外永磁铁间间隔宽度与q轴电感关系的曲线；

图7是实施例中q轴方向磁通流的分析图；

图8是现有技术电动机中q轴方向磁通流的分析图。

图9是当该实施例电动机旋转时磁通流的分析图；

图10是当现有技术电动机旋转时的磁通流的分析图；

图11是所产生转矩对磁铁层数的关系曲线；

图12是q轴电感对磁铁层数的关系曲线；

图13是磁铁磁通对磁铁层数的关系曲线；

图14是关于磁铁工作点的磁铁B-H磁化曲线的关系图；

图15是第一实施例电动机部分的示意剖面图；

图16是永磁铁磁通分析结果的图；

图17是由绕组产生磁通分析结果的图；

图18是由永磁铁和绕组产生完成磁通分析结果的图；

图19是本发明第二实施例的剖面图；

图20是本发明第三实施例的局部剖面图；

图21是说明第二实施例原理的示意图；

图22是本发明第四实施例的剖面图；

图23是永磁铁H-B特性曲线；

图24是第一实施例电动机的剖面图；

图25是图24的局部剖面图；

图26是本发明第五实施例的剖面图；

图27是图26最主要部分放大剖面图；和

图28是在Pa上磁通通过量对Lm/Lt的关系曲线。

现在参见附图，其中对所有的附图相同或相应的部分用相同的标号表示，本发明的实施例将参考附图予以详细说明。图4和5示出第一实施例有4极内装永磁铁的电动机。该电动机包括固着于转轴7上的转子3和装有转子3的定子2。

转子3包括埋入在由高导磁材料制成的转子铁心3a内的4组2层永磁铁8a，8b。2层永磁铁组由外侧的永磁铁8a和内侧的另一永磁铁8b组成，4组2层永磁铁8a和8b在其外周侧布置成有交替的N和S极。该内和外侧是相对于转子中心的径向方向加以确定的。以不同的方式来看，1极的永磁铁在转子3的径向方向分为2个永磁铁8a、8b。各就磁铁8a和8b形成转于3中心延伸类似的弧形，而其2端9a、9b位于靠近转子3的外周。外和内永磁铁8a和8b间的间隔M有约恒定的宽度。在图4中，d轴方向是由连接各永磁铁8a，8b的中心和转子3的中心的方向加以确定的，而q轴是由连接相邻极间的分界和转子3的中心的方向加以确定的。磁通在q轴方向的路径10是通过该间隔而形成的。

定子2有预定数量的齿4，和绕于其间的定子绕组10(未示出)。当对定子绕组施加交变电流时产生旋转磁场。由此产生了作用于转子3的电磁转矩和磁阻转矩，以转动转子3。

为降低在永磁铁8a和8b的磁力损耗，希望在外和内永磁铁8a和8b间的间隔M尽可能的小。但为增加q轴电感Lq，亦希望该间隔足够大而不使其磁饱和。因此，该间隔M设置成约为齿4宽度N的一半，以便由在定子绕组流过电流产生的磁通不饱和。

用示于图6关于间隔M和q轴电感Lq的试验数据来加以说明。如间隔M小于齿4宽度N的1/3，q轴电感迅速变小。另一方面，即使间隔M大于齿4宽度N，q轴电感Lq也难以改变。由此试验数据，最好外和内永磁铁8a和8b间的距离，即间隔M大于定子2齿宽N的1/3。

为把磁通提高到尽可能的大，在内侧的永磁铁8b构造成在极距(90°，如按本实施例有4极)范围内尽可能的大。另一方面，为有效地利用电磁转矩，相邻永磁铁8a和8b间的间隙s(图5)尽可能小以消除漏磁通。从成本的角度看，最好把外和内永磁铁8a，8b设计成一极的磁铁量保持不变。

在上述结构中，电动机运转时没有磁饱和的形成了在q轴方向流通的路径10。因此，q轴电感Lq可增加到最大。与此同时，通过利用与现有技术有一层内装永磁铁的电动机有大约相同的磁铁量，d轴电感Ld做成与现有技术电动机一样的小。换句话说，在通过利用相同的磁铁量d轴同感Ld不改变的同时，q轴感Lq增加了15％或更多(图11)，以便由q轴电感Lq和d轴电感Ld间的差引出的磁阻转矩可利用到最大限度。其次，该电动机有合适的结构，以在用相同电流驱动电动机时，最大限度地利用电磁转矩和磁阻转矩二者。

在上述实施例中，各永磁铁8a和8b形成为朝转子中心延伸的弧形。但该永磁铁可有另外的形状，如朝转子中心延伸的凹入的U形。在本实施例中虽然各永磁铁8a，8b到端头9a、9a都是永磁铁，其端头9a、9a可以包括空隙(空气层)或可以是由合成树脂填充的层。

本实施例电动机的性能可进一步加以说明。如上所述，在第一实施例的电动机中，在外和内永磁铁间提供了磁通的路径。其次减小了磁阻以显著地增加了q轴电感Lq。显然由于电感Ld和Lq间差的增加，以相同电流更有效地产生了磁阻转矩。

图7和8分别示出在有埋入2层磁铁的本发明电动机和有一层埋入磁铁的现有技术电动机中，在q轴方向磁通如何容易地流动。如图8中所示，在用一极中一磁铁的现有技术电动机中，磁铁17是厚的且因此其端头17a阻碍由定子绕组所产生的磁通11进入转子。另一方面，如图7所示，在有埋入2层磁铁的本实施例电动机中，由于在外永磁铁8a和内永磁铁8b间存在磁通的路径10，由定子绕组的产生的磁通11不受该永磁铁的阻碍，而平稳地穿过路径10到达在对侧的出口12。换句话说，在现有技术和本发明间磁通流的这种差别与q轴电感Lq的大小成正比，本实施例的电动机便于磁通的有效通过而有较大的Lq。

图9和10分别是当电动机用同量电流以K方向实际转动时，在本发明电动机和现有技术电动机中磁通流和磁通量的图。发现电感Lq的上述差别使在本实施例电动机(图9)较现有技术电动机(图10)中有可能产生更多的磁通。这就是说由于更多的磁通产生了更大的转矩。

图11示出所产生转矩与磁铁层数的关系的试验数据。以恒定电流和恒定转速对额定输出750W电动机的转矩加以测量。如上述在q轴方向的磁通流过在两层结构中的内和外永磁铁之间。磁阻的减少较一层磁铁的现有技术电动机更多，导致产生更大的q轴电感Lq。同时，因为使用了相同的磁铁量(和d轴电感Ld亦非常小)，d轴电感Ld很难改变。q轴电感Lq和d轴电感Ld间的差于是增加，这就增加了以同样电流产生的磁阻转矩。于是磁阻转矩和电磁转矩之和的总转距增加了约15％。

但如图11所示，如永磁铁层数进一步增加到3或4层，该总转矩反而减小。

图12示出磁铁层数和q轴电感Lq间关系的试验数据。当层数从1变到2时，q轴电感Lq增加约50％。但当磁铁层数进一步增加到3或4时，Lq稍有增加，或者说不如当层数从1变到2时那样有利。这就意味着当磁铁层数布置成3或更多层时，q轴电感Lq变化没达到形成在分为二层的永磁铁间的q轴方向用于磁路的路径不饱和的程度。

另一方面，在图13所示例中，当永磁铁布置成2层时，由永磁铁产生的磁通最高，反之，在其它情况下该磁通较低。换句话说，当磁铁层数增加时，在q轴方向的磁通易于通过，以致q轴电感Lq增加。但如层数是3或更多，各永磁铁变薄，因此永磁铁的工作点变低，因此产生磁通的量减少。其次如图11的清楚显示，由磁铁磁通产生的电磁转矩和由q轴电感Lq和d轴电感Ld间的差产生的磁阻转矩之和决定的总转矩，在磁铁分为2层时为最大，而当磁铁层数小于2或大于2时总转矩减小。

等式(2)示出磁导系数P的计算公式，它决定了磁铁的工作点。

P＝(Lm×Ag×K_f)/(Lg×Am×Kr)式中Lm表示磁铁的厚度，Lg表示气隙长度，Am表示磁铁的截面积，Ag表示气隙的截面积，K_f表示磁势的损失系数，和Kr表示漏磁系数。如气隙长度Lg，气隙截面Ag(磁势损失系数K_f和漏磁系数Kr保持不变时，磁导系数P正比于磁铁厚度Lm而反比于磁铁的截面Am。图14示出永磁铁的B-H(磁通密度-磁场)曲线。现有技术一层磁铁的工作点是由在B₂点的磁密所决定的。在两层磁铁的情况下，磁铁厚度Lm降低了而截面积Am增加了，因此工作点B₁与B₂没有不同或稍有增加。另一方面，如磁铁数是3或更多，厚度Lm的减小变得更有影响，工作点降至B₃。

总起来说，在转子中有埋入永磁铁的电动机中，为利用磁阻转矩增加在q轴电感Lq和d轴电感Ld间的差，每一极布置成2层永磁铁的结构最有利，对利用等式(1)表示的电磁转矩和磁阻转矩最有效。另外，由相同电流产生的转矩增大了，且也大大地改善了电动机的性能。

另外，当按本实施例永磁铁布置成2层时，磁通穿过定子2齿4到转子3沿形成在内和外永磁铁8a、8b间的路径10平滑地导至另外的齿4。其次，永磁铁8a、8b防止退磁或其改善了永磁铁的抗退磁性。与此相反，现有技术表面磁铁电动机或现有技术有内装一层磁铁的电动机存在退磁问题。这就是说在q轴方向的磁通从齿4流到转子3势必影响永磁铁，因此该永磁铁经受退磁。

然后来说明本发明的第二和第三实施例。在第一实施例的电动机中，如图15所示，在永磁铁8a和8b间的间隔3b是恒定的。由埋入在转子铁心3a的永磁铁8a，8b产生的磁通和由定子2绕组产生的磁通相叠加的磁通，势必产生永磁铁8a，8b在转子3旋转方向R的领前侧的端头9a、9b的间隔或间隙3b处集中的问题。下面参见图16-18来加以说明。图16示出仅由永磁铁1、2形成的磁通分析。图17示出由定子2绕组10产生的磁通，其中永磁铁被看作磁气隙8c。图18示出由永磁铁8和绕组10产生的合成磁通。磁力线位于永磁铁8a，8b在图15-18示出转子3旋转方向R的领前侧的端头9a、9b的各间隔3b处紧密地聚集。图18中用5标出的空白示出齿4间的间隔。磁通在间隔3b处的集中引起铁损的增加，使转子铁心3a发热甚至降低该电动机的效率。

另外，在第一实施例的电动机中，2层永磁铁8a、8b基本上相互平行地隔置。因此，二永磁铁8a、8b在转子3表面相当的磁通仅由转子铁心3a外侧的永磁铁8a的外周侧的表面积来决定，这就是说位于永磁铁8a内侧的永磁铁8b两端9b处的电磁转矩并未充分利用。

在这些情况下，希望减小在二永磁铁端之间位于旋转方向R前侧间隔3b处所产生磁通的集中并提高电动机的效率。

在本发明的第二实施例中，为解决这些问题，在有效利用电磁转矩和磁阻转矩的同时，把有永磁铁的转子以减小在特定位置处磁通的集中来设计。图19表示了本发明第二实施例的电动机。该电动机包括固着于转轴7的转子3和装有转子3的定子2。转子3包括埋入在其转子铁心3a中的4组永磁铁8a，8b。用作磁极的各组永磁铁8a，8b在转子3径向方向它们之间以间隔3b隔置。各组永磁铁8a，8b相邻以S和N极交替布置。且在各组中的永磁铁8a，8b在其外周表现有相同的极性。在第一实施例中，所有的转子外侧永磁铁8a和内侧永磁铁8b有转子向心方向的弧形。

各组永磁铁8a和8b端部9a、9b间在转子3旋转方向R的领前侧的间隔3b有宽于其它部分的宽度W，而在永磁铁另一端的间隔有较小的宽度X。

同时定子2有多个齿4，在其内设置有绕组10。当电流施加于绕组10时产生旋转磁场。

在上述电动机中，转子3涂有高磁导磁铁的主体3a，因此在接受自绕组10产生的旋转磁场时易于通过磁通，低磁导率的磁铁8(8a，8b)使磁通不容易通过。与此同时，如图19所示，转子3示出通过各组永磁铁8中心的径向方向之d轴方向电感，和与该d轴90°电角度相交之q轴方向电感。

在该电动机中，由绕组10产生的磁通不让在图19的d轴方向通过，由此显著地降低了该电感。另一方面，在与d轴方向有电角度正交的q轴方向，内和外永磁铁8b和8a的间隔处产生了磁路。因此，便于磁通通过而增加了电感，或有效地利用了磁阻转矩。在图19中所示的Pa方向亦形成了磁路。

在示于图4的第一实施例中，当转子3以R方向旋转时，永磁铁8a和8b在转子旋转方向R领前侧的端部9a和9b的间隔3b(有宽度X)处磁通集中且易于饱和。与此相反，根据本发明，因为永磁铁8a和8b在旋转方向R领前侧的端部9a和9b间的间隔3b设置为如图19W表示有更宽的宽度，磁通在间隔3b处的集中得以缓解。

在本实施例中，转子3的旋转位置和转数预先由霍尔装置或编码器(encoder)加以检测。为产生大的磁阻转矩和大的电磁转矩，相应于转子3转速频率并有相移的交流加到定子2的绕组10，以便该电流在从q轴稍有相移的位置处有峰值。

在根据第二实施例的上述电动机中，如上所述，在转子旋转方向领前侧的间隔的扩宽可防止所产生磁道的集中是有利的。另外，当以2层埋入的各永磁铁有朝转子中心延伸的弧形时，关系到磁阻转矩的磁通沿该弧形平滑地引导在永磁铁间。因此与磁路形成有关的磁阻得以减小，从而改善了电动机的效率。

其次，本发明的第3实施例参照图20和21来加以说明。如图20所示，在第3实施例中，在2层中内侧的永磁铁8b的曲率中心Rb设置成比在外侧的永磁铁8a的曲率中心Ra更远离转子3的圆心。由此永磁铁8a、8b端部9a、9b间的各间隔3b张开的形成。除此而外，第二实施例的结构为第二实施例所共有，图20所示电动机中共有的部分以相同的标号表示，这里省去了相应的说明。

在第3实施例中，永磁铁8a和8b在旋转方向R领前侧端部9a、9b间的各间隔3b保持宽度W，或该间隔在转子的领前侧在任何时候是宽的，不管转子3的旋转方向，即无论转子3是向前或向后旋转。如同第2实施例，磁通在间隔3b的集中于是减小，铁损也得以降低。

如图21所示，由永磁铁8b在图21(参见(a))用阴影线表示的部分9c、9d还可增加磁通。换句话说，如图21(b)所示，由永磁铁8a在侧面产生的磁道N由布置在上述永磁铁8a后侧且如永磁铁8a有相同的表面积的永磁铁8b在中心部形成的磁通N所补充。同时，如(c)所示，在磁铁8b两端9c、9d产生的磁道直接到达转子3的表面。由此，除外侧永磁铁8a表面积外，内侧和磁铁8b两端的表面积也有效地加入磁铁作用。于是由永磁铁8a的磁道和由两端9c、9d的磁道之和输出到转子3的表面。因此由于永磁铁8的有效表面积增加了，磁通量也有效地增加了，以致产生了更强的电磁转矩。

在第2和第3实施例中，运用了4组永磁铁8a，8b，但这些组的数量可以不同于4。而且永磁铁8的形状不限制于朝转子中心延伸的弧形。尽管各永磁铁8a、8b都由永磁铁制成直到端部9a、9b，但其端部9a、9b可是空隙(空气层)或由合成树脂制成。这就是说，这些实施例基于其精神可以各种方式改进，其亦在本发明的范围内。

其次，下面要说明为解决第1实施例电动机另外问题的本发明的第4和第5实施例。在第1实施例的电动机中，为有效利用磁阻转矩，在永磁铁8a和8b间提供间隔用于磁通在这里穿过。如图16所示，从内侧永磁铁8b两端出来的磁通不进入外侧永磁铁8a，这就是说在外侧永磁铁8a的两端没补充。外永磁铁8a缺少整体上内永磁铁8b的补充。影响电磁转矩的外侧永磁铁8a的磁通量于是减少了，因此降低了总的电磁转矩。

对本发明第4实施例电动机将予以详细的说明。图22是本发明第4实施例电动机的剖面图。该电动机包括固着于转轴7的转子3和装有转子3的定子2。转子3包括埋入在铁制转子铁心3a中的4组永磁铁8a和8b。用作磁极的各组永磁铁8a、8b在转子3径后方向以它们之间间隔形成为2层。永磁铁组8a、8b设置成彼此相邻而有S和N极交替布置。但各组2层永磁铁8a、8b在其外周有相同极性。外和内永磁铁8a、8b都形成类似的朝转子3圆心延伸的弧形。两层结构布置的外和内永磁铁8a、8b其间以恒定距离相互平行。注意，如图22中所示，在转子3径向方向，内永磁铁8b有厚度Wb，而外永磁铁8a有较Wb小5％的厚度Wa。

另一方面，定子2包括多个齿4。绕组10设置在齿4之间。通过对绕组10施加交流而产生旋转磁场。

图23是H(磁场)-B(磁通密度)特性图，这里纵座标代表磁通密度B，横座标代表磁场H。永磁铁8a、8b由有图23所示去磁曲线11的钕铁磁铁制成。外磁铁8a的1作点K₁位于连接剩余磁通密度Br和矫顽力Hc的直线上。由于内永磁铁8b比外永磁铁8a厚，该内永磁铁8b的工作点升到更高的位置K₂。

在图23中K₁和K₂间的差P表示在磁通密度B方面的差。在第4实施例中，K₂比K₁大近4％。

如上所述，由于在内永磁铁8b的磁通密度较外永磁铁增加了约4％，有足够的磁通量加到外永磁铁8a，于是即使有部分磁通漏泄也足以补充外永磁铁8a。

如上述，在根据第4实施例的电动机中，各永磁铁形成为朝转子中心延伸的弧形，且两层永磁铁在转子内侧的永磁铁厚度制成比在转子外侧的永磁铁大3％或更多。在厚度上的差有助于提高确定在后侧永磁铁磁通密度的工作点。于是与第1实施例电动机相比，由于内侧永磁铁磁通密度得以增加。因为内侧永磁铁的充分补充，即使在外侧永磁铁8a两端，第一实施例的问题也得到了解决。通过本实施例提供的有永磁铁的转子由此有效地利用电磁转矩。但，如内周侧永磁铁厚度的增加小于外侧永磁铁3％，补充效果不充分。

下面将说明本发明的第5实施例。在本实施例中内和外永磁铁8b、8a形成有相同的厚度。只要该形状是相关的，本实施例与图19所示第4实施例是相同的。但本实施例有这样的特点，外永磁铁8a是铁氧体磁铁而内永磁铁是钕铁磁铁。

在图23中，标号11、12分别代表钕铁磁铁(永磁铁8b)和铁氧体磁铁(永磁铁8a)的H(磁道)-B(磁道密度)特性。从图23可清楚看出，钕铁磁铁11的剩磁通密度Br约3倍于铁氧体磁铁12剩磁通密度Br’。外永磁铁8a有由图23工作点K₃决定的磁通密度，由永磁体8b有由图23工作点K₁决定的磁通密度。

K₁和K₃间的差Q代表内和外永磁铁8b，8a磁通密度的差。内永磁铁8b有近两倍或更大于外永磁铁8a的密度。

于是，甚至当内和外永磁铁8b，8b有相同的厚度，如由更大剩磁通密度Br材料制成的永磁铁布置在后侧(内侧)，类似于第4实施例，外永磁铁8a能得到充分的补充。

如上述，在本发明第5实施例的电动机中，两层结构的永磁铁由彼此间剩磁通密度差别在3％或以上的磁铁材料制成，且有更大剩磁通密度的永磁铁布置在后侧(内侧)。如与第1实施例电动机相比，类似于第4实施例，由于后侧永磁铁磁通密度得以增加。因此由本实施例提供的有永磁铁的电动机有效地利用了电磁转矩。

但如内侧永磁铁剩磁通密度的增加小于外侧永磁铁的3％，补充效果不充分。

虽然4极永磁铁8使用于第4和第5实施例中，但使用的极数可以不是4。尽管在第5实施例中使用了铁氧体磁铁12和钕铁磁铁11作为有不同剩磁通密度的磁铁材料，但亦可使用其它类型的结合，如钴磁铁和铝镍钴磁铁。另外，同样系列但有不同剩磁通密度的磁铁可以结合。而且在第4和第5实施例中的各永磁铁8a和8b通常都由永磁铁制成直到其端部，该端部可以是气隙(空气层)或由合成树脂层制成。另外，第4和第5实施例的特征可以结合。换句话说，本发明并不局限于第4和第5实施例，可以根据其精神以各种方式改进，它不应排除在本发明的保护范围之外。

其次来说明根据本发明的第6实施例。首先说明通过第6实施例要解决的问题。图24示出第1实施例的电动机，其中为有效利用磁阻转矩，转子有2层永磁铁。根据第1实施例，4组2层永磁铁8a和8b其间在转子3径向方向有间隔地埋入在转子铁心3a中。各组永磁铁8a、8b在其外周侧有相同的极性。在转子中的内和外侧的各永磁铁8a、8b形成为类似的朝转子中心延伸的弧形。

该外和内永磁铁8a和8b设置成其间保持恒定距离的同心圆。因为2层永磁铁8a、8b有朝转子圆心延伸的弧形，其端部9a、9b变成约垂直于转子表面。

如图24和25所示，各永磁铁8a、8b在其所有长度上有相同的宽度，该永磁铁的前端面15a、15b是扁平的。另外，彼此相邻的内永磁铁8b、8b在到达前端面15b、15b前在点16、16以距离g成为最接近处，且其在前端为类似扇的开口。

第1实施例电动机转子3由包括电磁转矩和磁阻转矩的同步转矩在R方向所转动。电磁转矩由在定子2齿4绕组10产生的旋转磁场和由永磁铁8a、8b产生的磁场所引起，而磁阻转矩是由在转子铁心3a的表面和在内和外永磁铁8b和8b的间隔形成上述旋转磁场的磁路所产生的。

在第1实施例的上述电动机中，得到磁阻转矩的最有效磁通是沿示于图3的磁路Pa建立的。换句话说，在磁通从一齿4到另一齿4流动中，穿过外永磁铁8a后表面磁通的密度越高，所产生的磁阻转矩越大。

但形成磁空间的永磁铁8a、8b的端面15a、15b，在转子3置于示于图25所在旋转位置时其间以可观的距离与齿4相对。结果在该位置磁路Pa被过份弯曲了，且在磁路Pa的磁阻最后增大了。于是在磁路Pa的磁通密度被可观地降低，使其不可能产生足够的磁阻转矩。

另外，在第1实施例的电动机中，在内侧彼此相邻的永磁铁8b变为靠得最近的该点16、16位于距转子3外周可观的内侧。穿过永磁铁间隔的相当磁通在点16、16距离g处受阻，且在点16、16外侧的扇状部成为死区7。死区7的存在从产生足够的电磁转矩和磁阻转矩的观点看不是可取的。

下面对解决了这个问题的本发明第6实施例给予充分的说明。图26示出第6实施例的电动机3。该电动机包括固着于转轴7的转子3和装有转子3的定子2。转子3包括用于磁极在转子3径向间隔开的4组2层永磁铁8a和8b。该4组永磁铁在转子3周向以恒定距离埋入在转子3的转子铁心3a中。4组永磁铁8a、8b彼此相邻以N和S极交替布置。而且永磁铁8a、8b在其外周侧设置成有相同极性。外和内永磁铁8a、8b形成类似的朝转子中心延伸的弧形。组内的外和内磁铁8a、8b，在它们间除其端部9a、9b外，以近恒定的距离平行布置。

永磁铁8a、8b的端部9a、9b为楔形，该端部朝转子3外表面变薄。它们近似垂直于转子3的表面。外永磁铁8a的端部9a在其两侧被切以形成变窄的顶端。另一方面，内永磁铁8b端部9b这样形成，永磁铁8b和在内侧靠近前一永磁铁的另一永磁铁8b的外表面在其间以恒定的距离g在转子3径向彼此平行地延伸(参见图27)。而且该永磁铁8b端部9b在内侧被切成仅在其内表面侧变窄。图27示出该切开部17。

因为如上述端部9a、9b变窄，永磁铁8b、8a的前端在内侧和在外侧可延伸到转子3表面附近的位置，而没有转子铁心3a强度的减弱。

定子2提供了多个齿4，以绕组10绕于其间。当交流加到绕组10时产生旋转磁场。由于该旋转磁场转子3以图26的R方向转动。在图26中，为产生磁阻转矩最有效的磁通流通路径指示为Pa。

如图27所示，在本实施例中，关系式满足：

  L_m1＝0.4×Lt

和L_m2＝0.4Lt其中Lt表示齿4前端间的宽度，L_m1表示外永磁铁8a前端的宽度，而L_m2表示内永磁铁8b前端的宽度。二永磁铁8a、8b前端的宽度L_m1，L_m2最好不大于0.7×Lt。

图28示出永磁铁8a、8b前端宽度Lm(＝L_m1＝L_m2)和齿4前端宽度Lt的比例Lm/Lt和在磁路Pa中流过磁通量的关系。如Lm/Lt不大于0.7，磁通量成为预定值或更高，且它是稳定的。

根据本实施例，满足关系

Ls＝1.5×L_k其中Lk代表内和外永磁铁8a、8b前端间的间距，和Ls代表齿4的齿距，如图2所示。最好间距Lk，Ls保持由等式(2)或(3)所表示的关系；

1.3×Ls≤Lk≤1.7×Ls    (2)或

1.3×Lk≤Ls≤1.7×Lk    (3)其中Lk表示转子内周侧永磁铁和转子外周侧永磁铁的前端的间距，和Ls表示定子齿的齿距。最好是永磁铁8a、8b的前端面15a、15b与齿4前端不要同时一致。

尽管在第6实施例用4组永磁铁8a、8b，但允许使用不同的组数。另外，尽管在第6实施例各永磁铁8a、8b都由永磁铁制成直到端部9a、9b，该端部可以是气隙(空气层)或由合成树脂层制成。永磁铁8不受两层结构的限制，可以形成为1层或3层或更多层。而内和外永磁体8a、8b前端的间距设置为保持Ls＝1.5，可以采用不同于该实施例的间距，如满足Ls＝Lk按第1实施例示于图24。尽管在本实施例的电动机中永磁铁8a、8b前端在其侧面被切去而变窄，但该前端可倒圆成类似圆顶。换句话说，本发明不受上述实施例的限制，可基于其目的以各种形式加以改进，这都属于本发明的保护范围。

这里对本实施例的优点进一步说明。因为各永磁铁8a、8b的二前端在靠近转子3表面位置变窄且与转子3表面约成直角的埋入，甚至当转子3转到如图25所示旋转位置时，有效产生磁阻转矩的磁路Pa的磁通密度维持是高的。这就是说由于永磁铁8a、8b的相对表面在其前端变窄，在磁路Pa的磁通即使定子2齿4处于对着永磁铁8a、8b端的位置亦平稳地引入到转子3。因此如与第一实施例相比，有效地产生了磁阻转矩。

因为永磁铁8a、8b变窄的前端宽度Lm不大于定子齿4前端的宽度Lt的70％，更多的磁通被导入到磁路Pa，以致上述运行可完成得更加有效(参见图28)。

当永磁铁8a、8b其间有一定距离在转子3径向以2层埋入，且各永磁铁8a、8b两端在转子3内侧被切而主要在其内表面变窄时，更多的磁通导入在内和外永磁铁8a、8b间，因此在对磁阻转矩的产生起有效作用的磁路Pa上的磁通密度增加了，而显然得到了大的磁阻转矩。

在两层结构中，如内和外永磁铁8a、8b在前端部分的间距Lk是相应于等式(2)中齿4间距Ls的1.3-1.7倍，或如Ls设置成是1.3-1.7倍Lk，因此不使二永磁铁的前端而与齿4前端面同时一致，从齿4的磁通可平衡地导入在内和外永磁铁8a、8b间，以致产生大的磁阻转矩。

如相邻永磁铁的二端的外表面大致相互平行在转子3径向方向延伸，永磁铁和相邻上述永磁铁的另一永磁铁的端部的间隔为不变，由此消除了死区。如二端的间隔设置得小，小于第1实施例最小距离g，则有效产生永磁铁电磁转矩的表面区域扩展了。另一方面，如二端的间隔设置成大于该最小距离g，在该间隔中的磁通量增加了，以致增加了产生的磁阻转矩。

根据本实施例，即使在转子处于第一实施例难于利用磁阻转矩的旋转位置时，在转子内亦形成磁通流动，以便于产生磁阻转矩。由此本实施例提供了有效利用磁阻转矩的有永磁铁的转子。

虽然对本发明已结合最佳实施例并参见附图做了充分说明，要指出的是对所属领域技术人员来说显然就此可作出各种变化和改进。应当明白这些变化和改进都包括在本发明由所附权利要求所限定的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种电动机包括：

有多个绕于铁心的绕组的定子，和

包括转子铁心和由该定子所环绕可转动的转子；

其中该转子包括多组埋置在转子铁心的永磁铁，永磁组包括多个永磁铁，该多组永磁铁布置成在该永磁铁外周侧有交替的N和S极，一组的永磁铁延伸以致其端部位于该转子的外周。

2.根据权利要求1的电动机，其中各永磁铁有朝该转子中心延伸的形状。

3.根据权利要求2的电动机，其中各永磁铁的形状是朝转子中心延伸的弧形。

4.根据权利要求1的电动机，其中永磁铁组中2永磁铁间的间隔是恒定的。

5.根据权利要求4的电动机，其中定子包括用于安放绕组的多个齿，且在第一和第二和磁铁间的间隔大于齿宽的1/3。

6.根据权利要求1的电动机，其中永磁组中2永磁铁间的间隔至少其端部在转子旋转方向的领前侧较它的其它部分宽。

7.根据权利要求1的电动机，其中在永磁铁组中内侧永磁铁的曲率中心较在外侧的另一永磁铁更远离该转子中心，以致该2永磁铁间的间隔在永磁铁的端部较其它部分宽。

8.根据权利要求1的电动机，其中各永磁铁的二端部朝其端部斜削靠近转子外表面且垂直于转子表面延伸。

9.根据权利要求8的电动机，其中定子包括用于绕组的多个齿，并满足下述关系：

Lm≤0.7×Lt，其中Lm表示永磁铁斜削端的宽度，Lt表示定子二齿近转子端部间的宽度。

10.根据权利要求8的有永磁铁的电动机，其中不同极性的相邻永磁铁端部的外表面相互平行以转子的径向方向延伸。

11.根据权利要求1的有永磁铁的电动机，其中永磁铁组的数量是4个。

12.根据权利要求1的有永磁铁的电动机，其中永磁铁的端部包括用空气或合成树脂充填的空间。

13.一种电动机包括

有多个绕于铁心的绕组的定子，和

封装在该定子的转子；

其中转子包括多组埋置在由高导磁性材料制成的转子铁心中的2层永磁铁，该2层永磁铁组包括在转子外侧的第1永磁铁和在转子内侧的第2永磁铁，该多组2层永磁铁布置成在该永磁铁外周侧交替地有N和S极，该第1和第2永磁铁延伸以使其端部位于靠近该转子外周处。

14.根据权利要求13的电动机，其中各第1和第2永磁铁有朝转子中心延伸的弧形。

15.根据权利要求13的电动机，其中一套的多组包括埋置在转子铁心中的2永磁铁，各永磁铁有朝转子中心延伸的弧形，且在转子内侧的2永磁铁之一的厚度较在转子外侧的该2永磁铁之另一个大3％或更多。

16.根据权利要求13的电动机，其中多组中的一组包括埋置在转子铁心中的2永磁铁，各永磁铁有朝转子中心延伸的弧形，且该2永磁铁中在转子内侧的永磁铁磁性材料较该2永磁铁中在转子外侧的另一个永磁铁磁性材料的剩磁通密度大3％或更多。

17.根据权利要求13的电动机，其中在转子内侧的永磁铁的两端部在其内表面被斜削。

18.根据权利要求13的电动机，其中定子包括多个用于绕组的齿，且满足下述关系式之一

  1.3×Ls≤Lk≤1.7Ls，

或1.3×Lk≤Ls≤1.7×Lk，其中Lk表示2永磁铁相邻端的间距，Ls表示定子齿的齿距。

19.根据权利要求17的电动机，其中不同极性相邻永磁铁端部的外表面在转子径向方向相互平行地延伸。

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