CN1213208A - 永磁铁电动机 - Google Patents

Abstract

在转子中埋设永磁铁构成的永磁铁电动机中,对于转子铁芯的一侧极性的磁极中使用的永磁铁和另一侧极性的磁极中使用的永磁铁,分别用形状和材料不同的永磁铁,展宽了永磁铁电动机磁通密度以及磁阻转矩的选择。

Description

永磁铁电动机

本发明涉及在无刷直流马达等的转子上具有永磁铁的电动机；具体来说，是有关适合于可任意设定磁通密度以及磁阻转矩等的例如空调机压缩机的电动机。

在这种电动机中，在其齿轮泵内齿轮芯部埋设永磁铁，在图26中表示其一个例子。另外，同图是从与其旋转轴线垂直的面看该电动机内部的平面图。

据此，转子铁芯(ロ-タコア)2被配置在磁场旋转的如24个槽的定子铁芯(ステ-タコア)1内。在该例的电动机的极数为4，因此，在转子铁芯2根据其极数程度设置4个永磁铁。

各永磁铁3的截面形成矩形系板状，在转子铁芯2外周缘侧上均匀地配设在其圆周方向上，沿相对图26纸面的垂直方向埋设在转子铁芯2内。

在各永磁铁3之间，为了防止相邻永磁铁间磁通短路、泄漏，形成孔4作为磁通屏障。在该例中所展示的孔4作成3角形，被配置在永磁铁3的两端。并且，在转子铁芯2的中心设置未图示的穿插转轴的中心孔5。

其中，规定各永磁铁3形成的空隙部(在定子铁芯1的齿和永磁铁3之间)的磁通分布成正弦状，该电动机的转矩T用：

T=Pn{Φa·Ia·cosβ-0.5(Ld-Lq)·I2·sin2β}

表示。此外，T是输出转矩，Φa是d,q座标轴上永磁铁3产生的电动机子交链磁通，Ld、Lq是d、q轴电感，Ia是d、q座标轴上电动机子电流振幅，β是从d、q座标轴上电动机子电流的q轴超前角，Pn是极对数。

在上述式子中，第1项是永磁铁3产生的磁矩，第2项是根据d轴电感和q轴电感之差产生的磁阻转矩。具体内容参照T.IEE Japan,VoI.117-D,No8,1997的论文。

但是，这种电动机中所使用的永磁铁3的典型物是铁氧体磁铁和希土类磁铁。

铁氧体虽然价格低，成形容易，可作成各种形状，但由于磁通密度小，所以难于使转子铁芯小型化。

相反，希土类磁铁虽然因磁通密度高，易于使转子小型化，但由于成形困难，所以对永磁铁的形状有所限制。而且，其价格要比铁氧体磁铁的高。

由于两者各有优缺点，所以在过去，考虑马达的用途和成本等，对于所有的磁极永磁铁在铁氧体磁铁或希土类磁铁中选择其一。

并且，抛开成本问题，在过去，如图26所示，由于构成磁极的永磁铁全都作成同样的形状，所以磁通密度以及磁阻转矩等的设定范围变窄，这使得电动机的设计变得困难。另外，有关永磁铁的形状，例如在前述的论文中虽然还介绍了作成倒圆弧状的永磁铁，但即便作成这样，也在所有的极上使用同一形状的永磁铁。

例如在用同样的希土类磁铁构成所有磁极的情况下，磁通密度过强，成本也高。相反，在所有磁极用同样的铁氧体磁铁构成的情况下，虽然成本低，但感到磁通密度不够，不能得到充分的马达转矩。

并且，由于全部磁极永磁铁的形状相同，因此磁阻转矩一义决定。

因此，在以前，实际情况是难以折中，就是说选择所要求的磁通密度、磁阻转矩以及成本不易。

本发明为了解决上述问题，其目的是提供一种永磁铁电动机，可任意设定磁通密度以及磁阻转矩，并且成本合理。

根据本发明，达到该目的的永磁铁电动机是，在产生旋转磁场的定子铁芯内配置在各磁极部分埋设永磁铁构成的转子铁芯，其特征是，具有第1永磁铁，使用在所述转子铁芯一个极性磁极中；第2永磁铁，用于另一种极性磁极上，与第1永磁铁的形状和材料不同。

在本发明，所述第1永磁铁之间以及所述第2永磁铁之间虽然最好分别是同一形状和同一材料，但在本发明也包括这样的构成，把多个第1永磁铁作成不同形状同样材料或不同材料同样形状，并且对于多个第2永磁铁也作成不同形状同样材料或不同材料同样形状。

象这样，例如把其一的永磁铁定为希土类磁铁，其二的永磁铁定为铁氧体，这样，其磁通密度以及磁阻转矩易于得到把所有的永磁铁作成同样形状以及同样材料的已有转子铁芯的中间值。而且，在成本方面可做到比把所有永磁铁作成希土类磁铁情况下便宜。

为了达到本发明的目的，包括如下各种技术方案。

作为第1方案，所述第1永磁铁由截面为矩形的系板组成，在所述转子铁芯外周缘侧沿与同转子铁芯直径垂直线正交的方向相互平行地配置其一对或多对，所述第2永磁铁由截面为圆弧状系板组成，在所述第1永磁铁之间配置其一对或多对。

在该第1方案中，所述第2永磁铁既可以其截面圆弧状凸面朝着所述转子铁芯中心方向地配置，反之，也可以其截面圆弧状凸面朝着所述转子铁芯外周侧缘地配置。而且，所述各第2永磁铁的圆弧长不同，也可以是包括由同心配置的多个截面圆弧状系板组成的磁铁片的结构。

作为第2方案，所述第1永磁铁由矩形截面的系板组成，在所述转子铁芯外周缘侧沿与同转子铁芯的直径线正交的方向相互平行地配置其一对或多对，所述第2永磁铁包括由矩形截面的系板组成的2块磁铁片，在所述第1永磁铁之间，以如朝着所述转子铁芯中心方向收敛的角度配置该2块磁铁片。

作为第3方案，所述各第1永磁铁包括由矩形截面系板组成的2块磁铁片，以如朝着所述转子铁芯中心方向收敛的角度配置该2块磁铁片，所述第2永磁铁由圆弧状截面系板组成，配置在所述第1永磁铁之间。

作为第4方案，所述第1永磁铁由矩形截面的系板组成，在所述转子铁芯外周缘侧沿与同转子铁芯的直径线正交的方向相互平行地配置其一对或多对，所述第2永磁铁由扇状截面系板组成，其一对或多对被配置在所述第1永磁铁之间。

作为第5方案，所述各第1永磁铁包括由矩形截面状系板组成的2块磁铁片，以如朝着所述转子铁芯中心方向收敛的角度配置该2块磁铁片，所述第2永磁铁由圆弧状截面系板组成，配置在所述第1永磁铁之间。

作为第6方案，所述各第1永磁铁由矩形截面的系板组成，在所述转子铁芯内周缘侧沿与同转子铁芯的直径线正交的方向相互平行地配置其一对或多对，同时，从所述各第1永磁铁两端部到所述转子铁芯的外周缘侧形成用于磁通屏障的长孔，所述第2永磁铁由圆弧状系板组成，其一对或多对被配置在所述第1永磁铁之间。

作为第7方案，所述各第1永磁铁由矩形截面的系板组成，在所述转子铁芯内周缘侧沿与同转子铁芯的直径线正交的方向相互平行地配置其一对或多对，同时，从所述各第1永磁铁两端部到所述转子铁芯的外周缘侧形成用于磁通屏障的长孔，所述第2永磁铁由圆弧状系板组成，其一对或多对被配置在所述第1永磁铁之间。

作为第8方案，所述各第1永磁铁由矩形截面的系板组成，在所述转子铁芯内周缘侧沿与同转子铁芯的直径线正交的方向相互平行地配置其一对或多对，同时，从所述各第1永磁铁两端部到所述转子铁芯的外周缘侧形成用于磁通屏障的长孔，所述各第2永磁铁包括由矩形截面状系板组成的2块磁铁片，在所述第1永磁铁之间，以如朝着所述转子铁芯中心方向收敛的角度配置该2块磁铁片。

作为第9方案，所述第1以及所述第2永磁铁两者分别包括由矩形截面系板组成的2块磁铁片，该2块磁铁片在各磁极部分以如朝着所述转子铁芯中心方向收敛的角度配置。

在所述各方案中，所述第1永磁铁以及所述第2永磁铁中的任一个最好是希土类磁铁，另一方面任一个最好是铁氧体磁铁。这些磁铁是普通的，易于获得。

并且，在本发明，所述转子铁芯最好由用冲床冲了孔的电磁钢板迭层体作成，但理想的制造方法是在那种情况下，当在冲压电磁钢板时同时穿设永磁铁通孔，在同永磁铁通孔上埋设所述第1以及第2永磁铁并充磁。据此，可用已有的制造工艺，不会使成本提高。

本发明适用于作为空调机压缩机驱动用的无刷直流马达，可谋求空调机性能的提高。

通过实施例并参照附图对本发明进行说明。附图如下：

图1是从与其旋转轴线正交的平面侧看作为本发明基本实施例的永磁铁电动机结构的示意性平面图；

图2是沿所述实施例中展示的转子铁芯旋转轴线的示意性纵向剖面图；

图3至图25是分别表示所述转子铁芯变形例的示意性平面图；

图26是与表示已有的永磁铁电动机结构的图1相同的示意性平面图。

本发明着眼于在不同的磁极中，通过改变在其中使用的永磁铁材料以及形状，可任意改变磁通密度以及磁阻转矩，图1表示其基本实施例。此外，有关产生旋转磁场的定子铁芯16，在实施本发明方面，由于与前面说明的图26的已有例定子铁芯1相同，因此说明从略。

在涉及该实施例的永磁铁电动机转子铁芯10中，在一侧的磁极(例如S极)上使用由希土类磁铁组成的第1永磁铁11，相反在成为另一侧N极的磁极上使用由铁氧体磁铁组成的第2永磁铁12。即在S极和N极上使用不同材料的永磁铁。

并且，一侧的第1永磁铁11由矩形截面系板组成，在该实施例中，在转子铁芯10的外周缘侧沿与同转子铁芯10的直径线正交方向相互平行地配置其一对。

相反，另一侧的第2永磁铁12由圆弧状截面的系板组成，在第1永磁铁11之间配置其一对。在该实施例中，第2永磁铁12成为其凸面侧朝着转子铁芯10中心的倒圆弧状。

这样，在本发明，第1和第2永磁铁11和12分别作成不同形状的产品。

此外，在第1水磁铁11的两端上，形成防止磁通短路、泄漏的磁通屏障用孔13。并且，在转子铁芯10的轴线上穿设用于穿插未图示的转轴的中心孔14。

根据本发明，转子铁芯10的磁通密度成为全部用希土磁铁构成第1以及第2永磁铁11、12的转子铁芯，和全部用铁氧体磁铁构成第1以及第2永磁铁11、12的转子铁芯的中间值。即由于希土类磁铁磁通密度高，铁氧体磁铁的磁通密度比其低。

并且，可以说即便其成本也一样，即一半是高价的希土类磁铁，剩下一半是廉价的铁氧体磁铁，所以转子铁芯10的成本为它们的中间值。

还有，有关磁阻转矩，由于第2永磁铁12是圆弧状，所以q轴电感大，因此q轴和d轴的电感差(磁阻转矩)变大，例如比图26中说明的已有的情况下还要大。

象这样，对于把全部永磁铁作成希土类或铁氧体磁铁的转子铁芯，能容易地得到中间磁通密度以及磁阻转矩的转子铁芯10。

并且，在成本方面也能比全部作成希土类磁铁情况下便宜。此外，在该实施例中，虽然在第1和第2永磁铁11、12中使用不同材料的希土类和铁氧体磁铁，但也可应用其它磁铁材料。并且，在该实施例中，作为S极的永磁铁11虽然使用希土类磁铁，对N极的永磁铁12使用铁氧体磁铁，但相反也可以。

如图2所示，该转子铁芯10虽然是这样获得的，即用冲床使电磁钢板冲出同样形状的孔，在未图示的金属模内自动迭层，但在其冲压时，同时在各电磁钢板上穿设容纳永磁铁11、12的间隙(孔)，最好在其间隙内埋设各永磁铁11、12并充磁。并且，最好还同时穿设屏障用孔13。

据此，不降低制造效率，而且，不会引起成本的提高。

此外，若是同行，对于永磁铁11、12的各端部位置以及磁通屏障用孔13形成处，要设定在能得到充分强度的位置上，以承受住转子10旋转时的离心力。

而且，使该转子10适用于空调机的压缩机用无刷直流直流马达，可使空调机的性能提高(运转效率上升、振动和噪声下降)。

然而，上述转子铁芯10通过象图3和图4的变形，可使q轴电感和d轴电感之差更大。

并且，为了使在一侧的磁极中所用的铁氧体磁铁的磁通密度大，最好作成如图5以及图6所示的结构。

还有，为了使磁通密度提得比图3以及图4例的还要高，并且磁阻转矩还要大，可例示图7转子铁芯的构成。

有关其各变形例的说明，在图3所示的变形例中，尽管一侧磁极(S极)的第1永磁铁11与图1的实施例相同，但另一侧磁极(N极)的第2永磁铁15中也使用2块永磁铁片15a、15b。该各磁铁片15a、15b同时由矩形截面状的铁氧体组成。其中，在图3，若设沿转子铁芯10各磁极间的一侧q轴的垂直中心线为Y，沿另一侧的q轴的中心线为X，则一侧磁铁片15a与垂直中心线Y平行配置，另一侧磁铁片15b与水平中心线X平行配置。即以朝着转子铁芯10的中心方向相互收敛(相互接近)的角度配置磁铁片15a,15b的各一端部，藉此，可使q轴电感和d轴电感之差更大。

另外，在图3的例中，在与各中心线X、Y平行配置各磁铁片15a、15b的关系方面，那些各一端部间的配置角度虽然是90度，但是，如图4所示，把磁铁片15a、15b各一端部间的配置角度设定为一定的角度，也可使磁铁片15a、15b朝着转子10中心方向相互接近。

接着，在图5所示的转子铁芯10中，一侧磁极(S极)的第1永磁铁11与图1的实施例相同，而且，另一侧磁极(N极)的第2永磁铁17也由圆弧形截面的铁氧体磁铁组成，但在该情况下，第2永磁铁17与图1的实施例不同，其凸面朝着转子铁芯10的外周侧。藉此，在使第2永磁铁17的板厚做得比图1的实施例的厚的状态下，磁通密度变高。

在图6所示的转子铁芯10中，虽然一侧磁极(S极)的第1永磁铁11与图1的实施例相同，但另一侧磁极(N极)的第2永磁铁18由扇形截面状铁氧体磁铁组成，要使得其外周面侧沿转子铁芯10的外周缘，被埋设在转子铁芯10内。藉此，与图5的例子一样，在第2永磁铁18大的情况下，可使磁通密度做得比图1的实施例高。

作为进一步的变形例，对图7所示的转子铁芯10进行说明，虽然一侧磁极(S极)的第1永磁铁11与图1的实施例相同，但另一侧磁极(N极)的第2永磁铁19备有由圆弧状截面铁氧体磁铁组成的2块磁铁片19a、19b。该磁铁片19a、19b每块的圆弧长度不同，在该例中，在转子铁芯10的内侧，并且，使其凸面朝着转子铁芯10的中心方向配置圆弧长大的磁铁片19a。与此相反，在转子铁芯10的外周缘，与磁铁片19b同心地配置圆弧长短的磁铁片19b。象这样，把第2永磁铁19作成两层的磁铁片19a、19b，使磁通密度变得比图1的实施例还要高，并且，利用2层磁铁片19a、19b，可加大q轴电感，加大磁阻转矩。

上述的各变形例是有关在N极中使用的第2永磁铁，接着，用图8至图13说明在S极中使用的第1永磁铁侧的变形例。藉此也能改变磁通密度以及磁阻转矩。

在这些变形例中，S极中使用的第1永磁铁标用参照号20表示，该第1永磁铁20备有由矩形截面状的希土类磁铁组成的2个磁铁片20a、20b。图8至图13的任一个例子中，各磁铁片20a、20b被配置成：与前面图3以及图4中说明的第2永磁铁15的2个磁极片15a、15b相同，把这些各一端部间的配置角作成一定的角度，各磁铁片20a、20b朝着转子铁芯10中心方向相互接近。

即，图8代替图1实施例中所示的第1永磁铁11，是使用该第1永磁铁20的磁铁片20a、20b情况下的变形例子。图9替代图3变形例中所示的第1永磁铁11，是使用该第1永磁铁20的磁铁片20a、20b情况下的变形例。图10替代图4的变形例中所示的第1永磁铁11，是使用该第1永磁铁20的磁铁片20a、20b情况下的变形例。图11替代图5变形例中所示的第1永磁铁11，是使用该第1永磁铁20的磁铁片20a、20b情况下的变形例。图12替代图6变形例中所示的第1永磁铁11，是使用该第1永磁铁20的磁铁片20a、20b情况下的变形例。图13替代图7的变形例中所示的第1永磁铁11，是使用该第1永磁铁20的磁铁片20a、20b情况下的变形例。

在图8所示转子铁芯10的情况下，磁通密度虽然没有变成图1的转子铁芯10的那种程度，但q轴电感加大，因此磁阻转矩也变大。而且，由于S极的第1永磁铁20由2个磁铁片20a、20b组成，所以，易于获得所要求的磁铁密度。这也是优点所在。

同样，在图9至图13中所示的各转子铁芯10的情况下，加上使第2永磁铁变形的效果，乘于使第1永磁铁变形的效果。

在所述图8至图13的各变形例中，虽然使用在S极上由2块磁铁片20a、20b组成的第永磁铁20，但是，在图14至图19中，表示其第1永磁铁进一步形成的变形例。此外，图14至图19分别以应图8至图13。

在这些各变形例中，在S极使用的第1永磁铁21由矩形截面状希土类磁铁组成，但是在该情况下，第1永磁铁21配置在转子铁芯10的中心孔14侧上，沿与转子铁芯10的直径线正交的方向彼此平行地配置其一对。此外，在图14至图19的变形例中，另一侧磁极(N极)的第2永磁铁与图8至图13的相同。

然后，在该第1永磁铁21的两端部侧，形成向转子铁芯10外周缘侧延伸的磁通屏障用孔22，在图14至图19的变形例中，磁通屏障用孔22是有这样角度的孔，随着往转子铁芯10外周缘侧，渐渐在它们之间展宽。

以图14所示的转子铁芯10为代表进行说明，磁通密度比对应于其的图8的转子铁芯10要小，但q轴电感要大，因此，磁阻转矩更大。而且，成本方面，在希土类磁铁量减少情况下，成本降低。可以说，对于图15至图19所示的转子铁芯10也一样。

此外，图8至图13的各变形例中，作为S极的第1永磁铁，虽然使用具有由2块希土类磁铁组成磁铁片20a、20b的第1永磁铁20，但如作为分别对应于图8至图13的其他变形例的图20至图25所示，最好在其磁铁片20a、20b的转子铁芯内侧的各端部之间，形成磁通屏障用孔24。

以上，虽然对本发明利用实施例作了详细说明，但懂得上述内容的专业人员容易设想对其变化修正及其等同物，因此，本发明范围应当定为附加的权利要求以及相应的范围等。

Claims (17)

1．一种永磁铁电动机，在产生旋转磁场的定子铁芯内配置在各磁极部分埋设永磁铁构成的转子铁芯，其特征是，具有第1永磁铁，使用在所述转子铁芯一个极性磁极中；第2永磁铁，用于另一种极性磁极上，与所述第1永磁铁的形状和材料不同。

2．如权利要求1的电动机，其特征是，所述第1永磁铁之间以及所述第2永磁铁之间分别是同一形状和/或同一材料。

3．如权利要求1或2的电动机，其特征是，所述第1永磁铁由截面为矩形的系板组成，在所述转子铁芯外周缘侧沿与同转子铁芯直径垂直线正交的方向相互平行地配置其一对或多对，所述第2永磁铁由截面为圆弧状系板组成，在所述第1永磁铁之间配置其一对或多对。

4．如权利要求3的电动机，其特征是，所述第2永磁铁其截面圆弧状凸面朝着所述转子铁芯中心方向地配置。

5．如权利要求3的电动机，其特征是，所述第2永磁铁其截面圆弧状凸面朝着所述转子铁芯外周侧缘地配置。

6．如权利要求3、4或5的电动机，其特征是，所述各第2永磁铁的圆弧长不同，包括由同心配置的多个截面圆弧状系板组成的磁铁片。

7．如权利要求1或2的电动机，其特征是，所述第1永磁铁由矩形截面的系板组成，在所述转子铁芯外周缘侧沿与同转子铁芯的直径线正交的方向相互平行地配置其一对或多对，所述第2永磁铁包括由矩形截面的系板组成的2块磁铁片，在所述第1永磁铁之间，以如朝着所述转子铁芯中心方向收敛(相互接近)的角度配置该2块磁铁片。

8．如权利要求1或2的电动机，其特征是，所述各第1永磁铁包括由矩形截面系板组成的2块磁铁片，以如朝着所述转子铁芯中心方向收敛的角度配置该2块磁铁片，所述第2永磁铁由圆弧状截面系板组成，配置在所述第1永磁铁之间。

9．如权利要求1或2的电动机，其特征是，所述第1永磁铁由矩形截面的系板组成，在所述转子铁芯外周缘侧沿与同转子铁芯的直径线正交的方向相互平行地配置其一对或多对，所述第2永磁铁由扇状截面系板组成，其一对或多对被配置在所述第1永磁铁之间。

10．如权利要求1或2的电动机，其特征是，所述各第1永磁铁包括由矩形截面状系板组成的2块磁铁片，以如朝着所述转子铁芯中心方向收敛的角度配置该2块磁铁片，所述第2永磁铁由圆弧状截面系板组成，配置在所述第1永磁铁之间。

11．如权利要求1或2的电动机，其特征是，所述各第1永磁铁由矩形截面的系板组成，在所述转子铁芯内周缘侧沿与同转子铁芯的直径线正交的方向相互平行地配置其一对或多对，同时，从所述各第1永磁铁两端部到所述转子铁芯的外周缘侧形成用于磁通屏障的长孔，所述第2永磁铁由圆弧状系板组成，其一对或多对被配置在所述第1永磁铁之间。

12．如权利要求1或2的电动机，其特征是，所述各第1永磁铁由矩形截面的系板组成，在所述转子铁芯内周缘侧沿与同转子铁芯的直径线正交的方向相互平行地配置其一对或多对，同时，从所述各第1永磁铁两端部到所述转子铁芯的外周缘侧形成用于磁通屏障的长孔，所述第2永磁铁由圆弧状系板组成，其一对或多对被配置在所述第1永磁铁之间。

13．如权利要求1或2的电动机，其特征是，所述各第1永磁铁由矩形截面的系板组成，在所述转子铁芯内周缘侧沿与同转子铁芯的直径线正交的方向相互平行地配置其一对或多对，同时，从所述各第1永磁铁两端部到所述转子铁芯的外周缘侧形成用于磁通屏障的长孔，所述各第2永磁铁包括由矩形截面状系板组成的2块磁铁片，在所述第1永磁铁之间，以如朝着所述转子铁芯中心方向收敛的角度配置该2块磁铁片。

14．如权利要求1或2的电动机，其特征是，所述第1以及所述第2永磁铁两者分别包括由矩形截面系板组成的2块磁铁片，该2块磁铁片在各磁极部分以如朝着所述转子铁芯中心方向收敛的角度配置。

15．如权利要求1至14中的任一项的电动机，其特征是，所述第1永磁铁以及所述第2永磁铁的任一方使用希土类磁铁，任一方使用铁氧体磁铁。

16．如权利要求1的电动机，其特征是，所述转子铁芯由用冲床冲了孔的电磁钢板迭层体作成，在该电磁钢板迭层体上设置在其冲压时开出的永磁铁通孔，在该永磁铁通孔上埋设所述第1以及第2永磁铁。

17．具有如权利要求1至14中的任一项记载的转子铁芯的无刷直流马达。

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