CN1213207A - 永磁转子式电动机 - Google Patents

Abstract

一种在无电刷直流电动机等的转子上具有永久磁铁的电动机,其各磁极分别由三个永久磁铁构成,这些永久磁铁采用以铁氧体磁铁和稀土类磁铁为代表的至少两种磁性材料,因而可以提供磁阻转矩和磁通密度可任加设定且造价方面也可与其特性相称的永久磁铁电动机。

Description

永磁转子式电动机

本发明涉及无电刷直流电动机等的转子具有永久磁铁的那种电动机，更具体地说，涉及一种磁通密度和磁阻转矩可任加设定、适用作例如空调机的压缩机等的驱动源的电动机。

这类电动机的内转子铁心上埋设着永久磁铁，图8和图9示出了其中的一个例子。这些图是电动机内部从垂直于电动机转轴的平面看去的平面图。

首先，在图8的实例中，转子铁心2配置在磁场旋转着的例如24槽定子铁心1内。此实例电动机的磁极数是4极，因而转子铁心2上设置了与其极数相当的4个永久磁铁3。

各永久磁铁3在转子铁心2的外周边侧沿垂直于转子铁心直径的方向成对对置配置，其截面呈矩形板条状。此外，各永久磁铁3沿垂直于图8纸面的方向埋设在转子铁心2内。

各永久磁铁3之间，形成有孔4，作为磁通阻挡层起防止磁通在毗邻的各永久磁铁之间短路或漏泄的作用。在此实例中，孔4以三角形孔的形状示出，配置在永久磁铁3的两端。此外，转子铁心2的中心设有中心孔5，转轴(图中未示出)即插入中心孔5中。

这里，由永久磁铁3产生的间隙(定子铁心1的齿与永久磁铁3之间)处磁通的分布为正弦波形，因而电动机的转矩可用T=Pn{Φa·Ia·COSβ-0-5(Ld-Lq)·12·Sin2β}表示，其中T为输出转矩，Φa为d、q坐标轴上永久磁铁3引起的电枢交链磁通，Ld、Lq为d、q轴上的电感，Ia为d、q坐标轴上的电枢电流振幅，β为从q坐标轴上电枢电流的q轴的导前角，Pn为极对数。

上式中，第一项为永久磁铁3引起的磁转矩，第二项为d轴电感和q轴电感的差值产生的磁阻转矩，详细情况可参看1997年第117-D卷第8期的《日本T·IEE》-中的论文。

图9是现有技术转子铁心2的另一个实例，在此实例中，采用了圆弧形截面的永久磁铁6，其转矩可用上述同样的运算式求出。

而这类电动机所使用的永久磁铁3、6，具代表性的一般为铁氧体磁铁和稀土类磁铁。

铁氧体磁铁价廉，容易成形，因而可制成各种形状的永久磁铁，但由于磁通密度小，转子铁心的小型化有困难。

相比之下，稀土类磁铁磁通密度高，转子铁心的小型化容易进行，但成形困难，因而永久磁铁的形状受到限制。另外，稀土类磁铁比铁氧体磁铁价高。

这样，两者各有长处和短处，因而通常考虑电动机的用途和制造成本时，所有磁极的永久磁铁不是选用铁氧体磁铁就是选用稀土类磁铁，从而提出了下面的课题。

例如，只用铁氧体磁铁构成磁极的场合，为着提高磁通密度，因而磁铁的数量无论如何都必须很多。这意味着，磁化的幅度大了，因而磁铁占了转子铁心的一大半。然而，q轴电感小了，因而q轴和d轴的电感差值(磁阻转矩的参数；参看上式)变小了，从而得不到足够的磁阻转矩。

另一方面，在只用稀土类磁铁构成磁极的场合，由于磁通密度高了，因而不象铁氧化磁铁的情况那样，占了转子铁心的一大半，但有时候磁通密度过高，而且由于价昂，因而提高了电动机的造价。

因此，历来的情况是，要兼顾两者很困难，就是说，选择所希望有的磁通密度、磁阻转矩和制造成本有困难，这是现实情况。

本发明旨在解决上述课题，其目的在于提供一种磁通密度和磁阻转矩可任加设定而且造价合理的永久磁铁电动机。

按照本发明，上述目的是这样达到的：在一种永久磁铁电动机中，其各磁极由永磁铁构成的转子铁心配置在产生旋转磁场的定子铁心内，上述转子铁心的各磁极由3个以上的永久磁铁构成，这些永久磁铁采用至少两种磁性材料。

这两种磁性材料可以是例如铁氧体磁铁和稀土类磁铁，由于同时采用了这两种磁性材料因而容易得出所要求的磁通密度。此外，例如只用磁通密度低的铁氧体磁铁构成各磁极的场合，不仅可以降低磁铁在铁心中的占有率，而且还可以加大q轴的电感，从而可以增大q轴与d轴电感的差值。这样，按照本发明，既可以扩大磁阻转矩和磁通密度的选择范围，又可以使电动机的造价合理，达到与电动机特性相称的地步。

此外，为达到上述目的，本发明的特征在于，永久磁铁电动机的转子铁心配置在产生旋转磁场的定子铁心内，转子铁心的各磁极由永久磁铁构成，即转子铁心配备有第一永久磁铁和第二永久磁铁，第一永久磁铁在上述各磁极之间，配置在沿着上述转子铁心直径线取向的边界线上，第二永久磁铁则在上述每一个磁极配置在上述转子铁心的外周边侧，上述第一永久磁铁用作毗邻两磁极的共用磁铁，因而上述各磁极实质上由三个永久磁铁构成，上述第一永久磁铁和第二永久磁铁采用不同的磁性材料。

在上述情况下，上述第一永久磁铁，截面呈矩形板条状，沿板厚的方向磁化，配置在上述转子铁心上，使所述板厚之间的中心线处在上述边界线上，其一极用作毗邻两磁极的任一磁极，另一极用作上述毗邻两磁极的另一磁极。

第一永久磁铁采用铁氧体磁铁时，第二永久磁铁就采用稀土类磁铁。相反，第一永久磁铁采用稀土类磁铁时，第二永久磁铁就采用铁氧体磁铁。

总之，第一永久磁铁呈矩形截面的板条状，沿板厚的方向磁化，配置在上述转子铁心上，使得所述板厚之间的中心线处在上述边界线的位置。

至于第二永久磁铁，则可以采用种种形状，例如，可采用矩形截面的板条状、圆弧状的截面和梯形的截面。截面为矩形的场合，第二永久磁铁最好沿垂直于转子铁心直径线的方向配置。断面呈圆弧状的场合，第二永久磁铁最好配置得使其凸面朝转子铁心的中心方向取向。截面呈梯形的场合，第二永久磁铁则最好配置得使其上边侧朝转子铁心的中心方向取向。

此外，在转子铁心的内径侧，由于在第一永久磁铁之间设置了用作阻挡磁通的孔，因而可以防止磁通在毗邻的两永久磁铁之间短路或漏泄。最好是，在第二永久磁铁的两端部侧也设置用作阻挡磁通的孔。

此外，在本发明中，转子铁心最好用冲压机冲压过的电磁钢板叠片体制成。在这种场合下，插入永久磁铁的通孔可以在压制电磁钢板的叠片体时同时开孔，将第一和第二永久磁铁埋设在该插入永久磁铁的通孔中，这在制造工序上较为理想。这样做可以在通常的制造工艺中进行，无需提高制造成本就能做到。

本发明适用于驱动空调机的压缩机用的无电刷直流电动机，可以提高空调机的性能。

现在参照附图通过实施例说明本发明。附图中：

图1是本发明实施例的永久磁铁电动机的结构从垂直于转轴线的一面看去的平面示意图；

图2是沿上述实施例中所示的转子铁心的d轴线截取的纵向剖面示意图；

图3是上述实施例中所示的转子铁心放大了的平面图；

图4至图7是上述转子铁心各种不同方案的实施例的平面示意图；

图8是与图1相同的示意平面图，示出了作为现有技术第一实施例的永久磁铁电动机的结构；

图9是作为现有技术第二实施例的永久磁铁电动机的结构的示意平面图。

本发明旨在使磁通密度和磁阻转矩可以设定到所要求的值，具体措施是给转子铁心的各磁极配备多个永久磁铁，而且用不同的磁性材料构成这些永久磁铁。因此，如图1和图3中所示，在这个实施例中，转子铁心10的各磁极由铁氧体磁铁的第一永久磁铁11和稀土类磁铁的第二永磁铁12构成，而且以第一永久磁铁11作为毗邻的各磁极的共用磁极。

此外，转子铁心10由电磁钢板制成，配置在产生旋转磁场的定子铁心16内，定子铁心16在本发明的实施例中由于与先前说明过的图8的定子铁心1相同，因而这里不再予以说明。

第一永久磁铁11由铁氧体磁体构成，截面呈矩形，形成大致与板厚相同的厚板条状，磁化即沿该板厚的方向进行。图1中，q轴线和垂直于q轴线的另一q轴线为通过转子铁心10中心的各磁极间边界线，若称这个边界线为B，则各第一永久磁铁11应配置在毗邻的各磁极之间，以便使该板厚间的中心线处在边界线B上。就是说，第一永久磁铁11由边界线B设想分割成N极侧的磁铁部分111和S极侧的磁铁部分112。

在此实施例中，稀土类磁铁制成的第二永久磁铁12和第一永久磁铁11一样，截面呈矩形，形成大致板厚那么厚的板条状。第二永久磁铁12在每个磁极处在转子铁心10的外周边侧，沿垂直于转子铁心10直径线的方向配置。因此，各磁极在N极由毗邻的两个第一永久磁铁11、11的各磁铁部分111、111和N极侧的第二永久磁铁12三个部分构成，在S极由毗邻的两个第一永久磁极11、11的各磁铁部分112、112和S极侧的第二永久磁铁12三个部分构成。

此外，和这个实施例不同，相当于各磁铁部分111、112的两个磁铁也可以沿边界线B相互平行地配置。此外，在此实施例中，第二永久磁铁12的截面取的是矩形截面，但如图5中所示的那样，此第二永久磁铁12的截面也可以取圆弧状，使其凸面侧朝转子铁心10的中心方向取向配置。

在各第一永久磁铁11铁心内径侧的端部，在第一永久磁铁11、11之间，为防止磁通在其间短路和漏泄，设置了阻挡磁通用的孔13。此外，在第二永久磁铁12的两端部侧，基于同样的理由，也分别设置了阻挡磁通用的孔14、14。另外，在转子铁心10的转轴线上也设置了中心孔15，供图中未示出的转轴插入通过用。

接下去，参看图3说明一下转子铁心10的磁通密度和磁阻转矩。图中的虚线箭头曲线表示磁通，实线箭头曲线表示磁路。

按照本发明，铁氧体磁铁制成的第一永久磁铁11为毗邻的各磁极所共有，稀土类磁铁制成的第二永久磁铁12配置在每一个磁极上，因此即使在只使用铁氧体磁铁的场合，不仅也可以使磁通密度大，而且第一永久磁铁11与第二永久磁铁12之间的间距还可以取得大些。

此外，还可以抑制铁氧体磁石在铁心中的占有率，例如与完全由铁氧体磁铁构成的场合相比，磁路的磁阻变小了。就是说，在各磁极全由铁氧体磁铁构成的场合，为得出与此实施例相同的磁通密度，转子铁心10的一大半为铁氧化铁心所占有，不得不加大磁路的磁阻。

这样，由于永久磁铁的占有率减小了，转子铁心10本身在电磁钢板的占有率增加了，从而可以减小磁路的磁阻，因而可以提高q轴的电感。因此，q轴和d轴的电感差值增大了，这意味着提高了磁阻转矩。

按照本实施例，调整作为第一永久磁铁11的铁氧体磁铁和作为第二永久磁铁12的稀土类磁铁的使用量，可以得出所要求的磁通密度。例如，与所有磁极都用稀土类磁铁构成的场合相比，可以得出比其更低的磁通密度。

在其它方面，例如在需要全部磁极采用铁氧体磁铁从而得出相应的磁通密度时，永久磁铁的厚度(磁化幅度)有时会超过制造上的临界值，但如本实施例那样，由于同时使用了铁氧体磁铁和稀土类磁铁，因而可以适当调整磁通密度。就是说，磁化幅度不致增加，但可以轻易得出所要求的磁通密度。

此外，由于在第一永久磁铁11之间设置了阻挡磁通使用的孔13，在第二永久磁铁12两端部侧设置了阻挡磁通用的孔14，因而可以防止磁通短路和漏泄，从而减小了因第一和第二永久磁铁11、12引起的磁通误差，可以更容易得出所要求的磁通密度。

此外，由于同时使用价廉的铁氧体磁铁，因而抑制了稀土类磁铁的使用量，例如与所有磁极由稀土类磁铁构成的场合相比，可以达到降低成本的目的。

如图2中所示的那样，转子铁心10可以在用冲压机冲压电磁钢板时，在图中未示出的金属模内自动层叠得出，在冲压的同时穿通开设将永久磁铁11、12同时纳入电磁纲板的间隔(孔)，从而将各永久磁铁11、12埋设在该间隔内，这样做极为理想。此外，最好同时也穿通开设阻挡磁通用的通孔13、14。图2中，永久磁铁11、12插入转子铁心10的方向为左右方向。

按照上述作法，由于可用通常一样的冲压加工得出转子铁心10，因而不仅不会降低生产率而且也不致使成本提高。

此外，如果是专业人员的话，则对各永久磁铁11、12各端部的位置，特别是转子铁心10外周边侧的位置和形成阻挡磁通用的孔13、14处就要设定得使这些位置具有足以承受转子铁心10转动时离心力的强度。此外，还可以将容纳(埋设)第二永久磁铁12的孔和设在其两端用以阻挡磁通的孔14构成一个整体，即相互连接的孔。

这种具有转子铁心10的无电刷直流电动机特别适宜驱动空调机的压缩机。这种无电刷直流电动机，不仅不会提高造价，而且还可以提高空调机的性能(提高运转效率，减小振动和噪音等)。

下面说明图4所示转子铁心另一种方案的实例。在这个另一种方案的实例中，各磁极的边界线上配置着稀土类磁铁的第一永久磁铁17，在每一个磁极转子铁心10的外周边侧配置着由铁氧体磁铁构成的第二永久磁铁18。就是说，铁氧体磁铁和稀土类磁铁的配置与上述实施例相反。

稀土类磁铁构成的第一永久磁铁17形成矩形截面、厚度大致与板厚一样的板条，配置得使其板厚之间的中心线与各磁极的边界线B一致，因此与上述实施例的第一永久磁铁11一样，为毗邻的各磁极所共有。

相比之下，铁氧体磁铁构成的第二永久磁铁18，其断面呈梯形，在各磁极的外周边侧配置得使边长为短的上边侧朝转子铁心10的中心方向取向。

此外，在第一永久磁铁17铁心内径侧的端部，为防止磁通短路和漏泄，在各第一永久磁铁17、17之间设置了为防止磁通短路和漏泄的阻挡磁通用的孔19。在此另一种方案的实例中，阻挡磁通用的孔19在转子铁心10的中心孔15周围分别呈分立的圆弧状形成。

按照这个另一种方案的实例，第一永久磁铁17为稀土类磁铁，其磁通密度高，磁化幅度比上述实施例的第一永久磁铁11(参照图3)也窄，相比之下，第二永久磁铁18为铁氧体磁铁，其磁通密度低，磁化幅度比上述实施例的第二永久磁铁12(参照图3)大。

因此，在磁通密度方面，与上述实施例差别不大。此外，第二永久磁铁18铁心的占有率即使增大L但由于第一永久磁铁17铁心的占有率减小了，因而和上述实施例一样，磁路的磁阻也变小了。因此，q轴和d轴的电感差值变大了，从而可以提高磁阻转矩。

此外，在设计上必要时，如图6中所示的那样，第二永久磁铁18也可采用截面呈矩形状的板条，沿垂直于转子铁心10直径线的方向配置。此外，如图6中所示的那样，第二永久磁铁18也可采用截面呈圆弧状的板条，配置得使其凸面侧朝转子铁心10的中心方向取向。

总之，通过上述那种铁氧体磁铁和稀土类磁铁的种种组合，可以选择种种磁阻转矩和磁通密度，即可以扩大其选择范围。

上面已就具体的实施例详细说明本发明，但理解了上述内容的专业人员是不难对其进行修改和更改，并用等效物品代替。因此，本发明的范围应该是在所附权利要求书的等效范围。

Claims (12)

1．一种永久磁铁电动机，其各磁极由永久磁铁构成的转子铁心配置在产生旋转磁场的定子铁心内，其特征在于，上述转子铁心的各磁极由3个以上的永久磁铁构成，这些永久磁铁采用至少两种磁性材料。

2．一种永久磁铁电动机，其各磁极由永久磁铁构成的转子铁心配置在产生旋转磁场的定子铁心内，其特征在于，上述转子铁心配备有第一永久磁铁和第二永久磁铁，第一永久磁铁在上述各磁极之间沿上述转子铁心的直径线取向的边界线上配置，第二永久磁铁在上述各磁极上在上述转子铁心的外周边侧配置，上述第一永久磁铁为毗邻的各磁极所共有，上述各磁极实质上由三个永久磁铁构成，第一永久磁铁和第二永久磁铁采用不同的磁性材料。

3．如权利要求2所述的永久磁铁电动机，其特征在于，所述第一永久磁铁为截面呈矩形的板条，沿其板厚的方向磁化，在上述转子铁心上配置得使其板厚之间的中心线处在上述边界线上，其中一个磁极用作上述毗邻的各磁极的任一磁极，另一个磁极用作上述毗邻的各磁极的另一磁极。

4．如权利要求2或3所述的永久磁铁电动机，其特征在于，所述第一永久磁铁由截面呈矩形的铁氧体磁铁构成，所述第二永久磁铁由截面呈矩形的稀土类磁铁构成，沿垂直于所述转子铁心直径线的方向配置。

5．如权利要求2或3所述的永久磁铁电动机，其特征在于，所述第一永久磁铁由矩形截面的铁氧体磁铁构成，所述第二永久磁铁由圆弧形截面的稀土类磁铁构成，配置得使其凸面朝所述转子铁心的中心方向取向。

6．如权利要求2或3所述的永久磁铁电动机，其特征在于，所述第一永久磁铁由矩形截面的稀土类磁铁构成，所述第二永久磁铁由矩形截面的铁氧体磁铁构成，沿垂直于所述转子铁心直径线的方向配置。

7．如权利要求2或3所述的永久磁铁电动机，其特征在于，所述第一永久磁铁由矩形截面的稀土类磁铁构成，所述第二永久磁铁由圆弧形截面的铁氧体磁体构成，配置得使其凸面朝所述转子铁心的中心方向取向。

8．如权利要求2或3所述的永久磁铁电动机，其特征在于，所述第一永久磁铁由矩形截面的稀土类磁铁构成，所述第二永久磁铁由梯形截面的铁氧体磁铁构成，配置得使其上边侧朝所述转子铁心的中心方向取向。

9．如权利要求2至8中任一项所述的永久磁铁电动机，其特征在于，在所述转子铁心内径侧，在所述第一永久磁铁之间设有阻挡磁通用的孔。

10．如权利要求2至8中任一项所述的永久磁铁电动机，其特征在于，在所述第二永久磁铁的两端部侧设有阻挡磁通用的孔。

11．如权利要求2至10中任一项所述的永久磁铁电动机，其特征在于，所述转子铁心由冲压机冲压成的电磁钢板叠片体构成，所述电磁钢板叠片体上设有冲压时开设的永久磁铁插入通孔，所述第一和第二永久磁铁即埋设在该永久磁铁插入通孔中。

12．一种具有如权利要求1至11中任一项所述的转子铁心的无电刷直流电动机。

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