CN1215634C - 无刷电动机 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种无刷电动机，该电动机能有效利用磁阻转矩，使能量密度高密度化。本发明的无刷电动机，备有定子(5)和具有与定子(5)相对的侧面的转子(1)。定子(5)包含朝半径方向延伸的若干铁芯(10)、和使上述铁芯(10)产生磁场的若干绕组(11)。转子(1)包含若干个永久磁铁(2)、和位于上述永久磁铁(2)与上述侧面之间的磁力线感应体。

Description

无刷电动机

技术领域

本发明涉及无刷电动机，特别涉及作为工业机械手、机床、电动汽车、电车等的驱动源使用的无刷电动机。

背景技术

为了实现电动机的小型化、高功率化和高转矩化，加大相对于输出功率的电动机体积比、即能量密度Edc是很重要的。另外，为了使电动机构造简单化，减少绕组配置用的槽数和提高卷绕绕组的作业性是很重要的。

该无刷电动机在日本公开特许公报(特开平11-98791号)被揭示。公知的该无刷电动机，如图1所示，是具有14极12槽构造的表面磁铁型无刷DC电动机。该无刷电动机，由配置在转子101的圆筒表面的14极串联构造的永久磁铁组102、和定子104构成。在定子104上，12个槽103-1～103-12呈放射状地以等角度间隔配置在同一圆周上。由12个槽103-1～103-12之中的相邻2个槽构成的6对槽中，沿着逆时计方向在相互相位错开120度的位置配置着1组绕组105-U1、105-V1、105-W1和另1组绕组105-U2、105-V2、105-W2。在相对于该6个绕组105-U1、105-V1、105-W1、105-U2、105-V2、105-W2分别错开30度回转角度的位置设有6个绕组105-U1′、105-V1′、105-W1 ′、105-U2′、105-V2′、105-W2′。相位为0的U相电压供给予绕组105-U1、绕组105-U2、105-U1′及105-U2′。比U相电压延迟约120°相位的V相电压供给予绕组105-V1、绕组105-V2、105-V1′及105-V2′。比V相电压延迟约120°相位的W相电压供给予绕组105-W1、绕组105-W2、105-W1′及105-W2′。

公知的该无刷电动机的输出力矩T由下式表示。

T＝p{φ·I_a·cos(β)+(L_q-L_d)Ia²·sin(2β)/2}  …(1)

在该(1)式中，p：极对数(极数/2)

φ：永久磁铁的电枢链接磁通的最大值

I_a：电枢电流

β：电枢电流的相位

L_d：直轴电感(d轴方向的电感)

L_q：横轴电感(q轴方向的电感)

电枢电流的相位是把U相电压的相位定义为0。

式(1)的右边第1项表示磁矩，右边第2项表示磁阻力矩。

在铁芯101的表面配置着永久磁铁的该表面磁铁型无刷电动机，因其构造上的特性，下式(2)成立。

Ld≈Lq                   …(2)

式中，标记≈，表示Ld与Lq约相等(基本上相等或近似相等)。

因此，表面磁铁型无刷电动机，基本上可用下式(3)表示。

T＝p{φ·Ia·cos(β)}    …(3)

该式的右边第2项的输出部分是零。该部分不输出。表面磁铁型无刷电动机只能有效利用式(1)右边第1项表示的磁矩，其能量密度的高密度化被抑制。

希望能有效利用式(1)右边第2项表示的磁阻力矩，使能量密度高密度化。

发明内容概要

本发明的目的是提供一种能有效利用磁阻力矩、使能量密度高密度化的无刷电动机。

本发明的另一目的是抑制无刷电动机的转矩脉动。

本发明的另一目的是减小无刷电动机的电枢电流。

本发明的另一目的是降低供给无刷电动机的供给电压。

本发明的另一目的是使无刷电动机小型化。

为了实现上述目的本发明的无刷电动机备有定子和具有与该定子相对的侧面的转子；

上述定子，包含朝半径方向延伸的若干铁芯、和分别使上述铁芯产生磁场的多个绕组；

上述转子包含若干个永久磁铁、和位于上述永久磁铁与上述侧面之间的磁力线感应体。

这时，输出力矩由下式表示：

T＝p(φ·I_a·cos(β)+(L_q-L_d)Ia²·sin(2β)/2}    …(1)

式中，p：极对数(极数/2)

     φ：永久磁铁的电枢交链磁通的最大值

     I_a：电枢电流

     β：电枢电流的相位

     L_d：直轴电感(d轴方向的电感)

     L_q：横轴电感(q轴方向的电感)

下式不成立：

     Ld≈Lq

另外，在上述转子上，最好形成供上述永久磁铁在轴方向插入的孔。

在上述绕组中，最好流过3相直流电流。

上述绕组包含第1组绕组和第2组绕组，上述第1组3相绕组和第2组3相绕组呈线对称配置。

另外，上述绕组包含第1群3相绕组和第2群3相绕组，上述第1群3相绕组和第2群3相绕组的同一相绕组在同一旋转方向相邻；

上述第1群3相绕组包含第1组3相绕组和第2组3相绕组，上述第1组3相绕组和第2组3相绕组大致呈几何线对称配置；上述第2群3相绕组包含另外的第1组3相绕组和另外的第2组3相绕组，上述另外的第1组3相绕组和另外的第2组3相绕组大致呈几何线对称配置。

上述绕组数是N，上述永久磁铁数是P，最好P大于N。

这时，上述P的素因子中的一个最好比上述N的任何素因子大。

另外，上述N的素因子包含2和3；上述P的素因子包含2和7。

另外，上述P最好满足12≤P≤30。

最好上述N是12，上述P是14。

另外，由垂直于转子中心轴的平面截取的上述永久磁铁的断面是长方形；上述长方形具有短边和比短边长的长边，该长边与上述侧面相对。

另外，上述永久磁铁基本上是长方体，上述永久磁铁的面之中、与上述侧面相对的磁极面与转子中心的距离d满足下式：

d≥r-D/10

式中，D＝2πr/P

      r：上述转子的半径

      P：上述永久磁铁的数目

另外，最好下式成立：

0≤(L_q-L_d)/L_d≤0.3

式中，L_q：上述转子的横轴电感

      L_d：上述转子的直轴电感

另外，最好是，上述磁力线感应体具有朝转子的直轴方向感应磁通的直轴磁力线感应体；在上述转子上设有朝转子的横轴方向伸展的空隙。

附图简单说明

图1表示公知的无刷电动机。

图2表示本发明第1实施例无刷电动机的构造。

图3是表示无刷电动机的性能比较的曲线图。

图4是表示无刷电动机的性能比较的另一曲线图。

图5表示本发明第2实施例无刷电动机的构造。

图6表示转子31的构造。

图7是转子31的局部放大图。

图8是说明有效磁铁面积率Mgc的图。

图9表示有效磁铁面积率Mgc与磁通密度B_e与极数P的关系。

图10表示q轴电感与极数P的关系。

图11表示电枢电流I_a与埋入量X的关系。

图12表示埋入量x与(L_q-L_d)/L_d的关系。

图13表示第3实施例无刷电动机的构造。

图14是表示转子31′构造的放大图。

图15表示装有无刷电动机的电动汽车。

图16表示装有无刷电动机的电力火车。

实施发明的最佳形态

(第1实施例)

第1实施例的无刷电动机是由3相脉冲直流电流驱动的无刷DC电动机。无刷电动机如图2所示，备有转子1。转子1由硅钢板或电磁钢板那样的、感应磁力线的磁力线感应体形成。在转子1中埋入着14极的永久磁铁2。14极的永久磁铁2相当于14个永久磁铁。14个永久磁铁2沿着轴方向插入地嵌在开设在转子1上的14个柱状孔4内。柱状孔4其轴直角断面是梯形状。一个柱状孔4内压入地嵌入一个长方形的杆状磁铁。各永久磁铁2的从S极到N极的磁力线朝着轴方向。相邻的2个磁铁产生的磁力线的方向彼此相反。14个永久磁铁2以等角度(＝360°/14)间隔排列在同一圆周上。这样，排列在圆周方向的14个磁铁形成的磁力线由朝圆周方向的磁力线和朝轴方向的磁力线的合成形成。

转子1备有轴承状构造的定子5。定子5含有圆筒状的环形铁芯8、从环状铁芯8朝半径方向延伸的铁芯10₁～10₁₂和绕组11₁～11₁₂。下面，把铁芯10₁～10₁₂总称为铁芯10，把绕组11₁～11₁₂总称为绕组11。环状铁芯8和铁芯10形成为一体。在铁芯10的半径方向内侧面与转子1的外周面、即圆筒面之间有微小的间隙。铁芯10以等角度间隔(＝360°/12)排列在同一圆周上。环状铁芯8的中心与转子1的中心吻合。在铁芯10的相邻2个铁芯之间形成12个槽9₁～9₁₂。

在铁芯10₁～10₁₂上分别卷绕着绕组11₁～11₁₂。12个绕组11中的3个绕组11₁、11₅、11₉形成第1组绕组。构成第1组绕组的3个绕组以等角度间隔(＝120°＝360°/3)排列在同一圆周上。12个绕组11中的另外3个绕组11₇、11₁₁、11₃相对于第1组绕组11₁、11₅、11₉分别排列在线对称的位置，形成第2组绕组。线对称的中心与转子1的旋转轴心线吻合。

第1组绕组和第2组绕组形成第1群绕组。形成第2群绕组的6个绕组11₁₂、11₄、11₈、11₆、11₁₀、11₂分别与第1群绕组的6个绕组在同一旋转方向相邻地配列着。

流过绕组11₁～11₁₂的电枢电流的相位在图2中用标记U、V、W、U′、V′、W′表示。U相的电枢电流流过绕组11₁、11₆、11₇、11₁₂。V相的电枢电流，流过绕组11₄、11₅、11₁₀、11₁₁。 W相的电枢电流流过绕组11₂、11₃、11₈、11₉。U相的电枢电流、V相的电枢电流、W相的电枢电流是大致错开120°相位的脉冲直流电流。U相、V相和W相的电枢电流的时间间隔被控制，即，磁场旋转速度被控制，转子1以任意的旋转角速度旋转。

电流流过绕组11₁～11₁₂的方向在图2中用标记U、V、W、U′、V′、W′表示。标记U、V、W所示的电流方向与标记U′、V′、W′所示的电流方向相反。从同一圆周方向线上看，在位于线对称位置的2个绕组中电流朝相反方向流动。例如，绕组11₁和绕组11₇中流过相反方向的电流。在这样的两个绕组中，与某旋转角度位置对应地配列的2个永久磁铁2的极性，相互相反。例如，永久磁铁2₁的S极朝向转子1，而永久磁铁2₈是N极朝向转子1。第1群绕组的各绕组中和与其相邻的同一相的第2群绕组的各绕组中，电枢电流相互反方向地同时流动着。例如，在绕组11₁和11₁₂中流动着相互相反方向的电枢电流。

本发明的无刷电动机，其输出转矩比公知的无刷电动机大，可由式(1)导出。式(1)可用以下式表示

T＝p(T_M+T_R)

T_M＝φ·Ia·cos(β)

T_R＝(L_q-L_d)Ia²·sin(2β)/2

式中，T_M是磁矩

      T_R是磁阻力矩

14个永久磁铁2₁～2₁₄埋入在转子1中，转子1中的磁路闭合的磁力线密度比图1公知的电动机高。其差别与L_q及L_d的值有关，将它们更加非对象化，使下式成立。

L_q＞L_d                          ...(4)

将公知的无刷电动机与本发明的无刷电动机比较。用T′表示公知无刷电动机的输出力矩，用T表示本发明无刷电动机的输出力矩，根据条件(4)，得到

T′＜T                          ...(5)

图3和图4表示公知无刷电动机和本发明无刷电动机的性能比较。图3是旋转速度与输出力矩关系的性能比较。图4是旋转速度与输出的关系的性能比较。本发明的无刷电动机，其输出转矩(单位Nm)和输出(单位kW换算J)均比公知无刷电动机大。

另外，本发明的无刷电动机，继承了公知无刷电动机原有的下述优点。

(1)绕组系数大，高能量密度化。

(2)节省槽，生产效率高(低成本)。

(3)开凿(コギング)力矩发生次数、即极数14和槽数12最小公倍数大，力矩脉动频率高频化。

力矩脉动频率的高频化，通常，在低频区域，有利于把对被控制机械系统的影响抑制到最小限。

另外，为了使L_d不等于L_q，永久磁铁内部构造化促进磁力系的凸极构造化。所以，磁阻力矩被有效利用。这样，可实现高能量密度化、即高输出化，换言之，可实现小型化。

(第2实施例)

第2实施例的无刷电动机，是具有与第1实施例之无刷电动机同样构造的无刷DC电动机。第2实施例的无刷电动机，其转子的构造与第1实施例的无刷电动机不同。第2实施例的无刷电动机，如图5所示，包含定子5和转子31。定子5的构造与第1实施例中的相同。

转子31在转子侧面31a与定子5相对。转子31可旋转地与轴32连接着。转子31以轴32为中心旋转。

转子31如图5所示，包含转子铁芯33和14个永久磁铁34₁～34₁₄。永久磁铁34₁～34₁₄总称为永久磁铁34。

转子铁芯33由硅钢板叠置形成。各硅钢板之间相互绝缘。这样，可抑制涡电流造成的损失。各硅钢板被冲压加工，形成供永久磁铁34埋入用的孔。永久磁铁34插入在该孔内。即，永久磁铁34埋入在转子铁芯33内。另外，转子铁芯33也可用电磁钢板等其它材料构成。

图6表示转子31的轴方向构造。图6中，表示永久磁铁34中的永久磁铁34₂的构造。其它的永久磁铁34也具有与永久磁铁34₂同样的构造。各永久磁铁34，如图6所示，由沿转子31的轴方向连接的多个磁铁35构成。磁铁35彼此绝缘。这样可抑制涡电流造成的损失。

永久磁铁34基本上是长方体。永久磁铁34为长方体时，该永久磁铁34容易制作。如图1所示，公知的无刷电动机中，在转子101的侧面上配置着表面为曲面的永久磁铁，制作表面为曲面的永久磁铁时，成本高。而本发明的无刷电动机，由于永久磁铁34是长方体，所以可降低成本。

永久磁铁34中的永久磁铁34₁、34₃、34₅、34₇、34₉、34₁₁、34₁₃的N极处在转子31的半径方向外侧，它们的S极处在转子31的半径方向内侧。另一方面，永久磁铁34中的永久磁铁34₂、34₄、34₆、34₈、34₁₀、34₁₂、34₁₄的N极处在转子31的半径方向外侧，它们的S极处在转子31的半径方向内侧。即，永久磁铁34中的相邻的2个产生相互相反朝向的磁力线。

图7是转子31的局部放大图。永久磁铁34具有与转子31的转子侧面31a相对的相对面34a、和与转子31的中心31b相对的相对面34b。永久磁铁34的2个磁极处在相对面34a、34b上。相对面34a、34b构成处于垂直于转子31中心轴方向的长方形断面的永久磁铁34的长边。

永久磁铁34设在转子侧面31a的附近。转子侧面31a与永久磁铁34在端部34c最为接近。即，设永久磁铁34的埋入量为x，设转子侧面31a与端部34c间的距离为L时，x＞L。

在此，埋入量x是用转子31的半径r与距离d的差定义的。d是从相对面34a(该相对面34a是永久磁铁34的、与转子侧面31a相对的面)到转子31的中心31b的距离。

x＝r-d                     ...(6)

由于转子具有这样的构造，所以，永久磁铁34产生的磁通更有效地用于磁力矩的产生。转子侧面31a和永久磁铁34在端部34c最为接近，所以，可减少永久磁铁34产生的磁力线之中的、通过转子侧面31a和端部34c之间的磁力线。即，可增加永久磁铁34产生的磁力线之中的通过转子侧面31a与定子交链的磁力线。这样，可产生更大的磁矩。因此，该实施例的无刷电动机与公知的无刷电动机同样地，可得到大的磁矩。

从产生磁矩的观点考虑，最好是转子侧面31a与端部34c间的距离L小。因为转子侧面31a与端部34c间的距离L越小，永久磁铁34产生的磁力线中的通过转子侧面31a与端部34c之间的磁力线越少。转子侧面31a与端部34c间的距离最好设定为能使永久磁铁34产生的磁力线的大致全部通过转子侧面31a。

另一方面，当转子侧面31a与端部34c间的距离小时，转子铁芯33保持永久磁铁34的机械强度减弱。如果机械强度过度地减弱，则在转子31旋转时，转子铁芯33被破坏，永久磁铁34会脱离转子31。所以，转子侧面31a与端部34c间的距离，应在保证转子31旋转时永久磁铁34也不脱离的机械强度的前提下，选择最小值。本发明者的实验中，确认了可这样地选择转子侧面31a与端面34c间的距离，即，在保证必要的机械强度前提下，至少使相对面34a的磁极产生的磁力线的95％通过转子侧面31a。

永久磁铁34设在转子侧面31a的附近，但不面对转子侧面31a。永久磁铁34埋入在转子铁芯33的内部。即，转子铁芯33包含位于永久磁铁34与转子侧面31a之间的磁力线感应部分33a。

磁力线感应部分33a的存在有助于减低该实施例无刷电动机的输入电压V。输入电压V是

$V=\sqrt{6}\·{\{{(R{I}_d+\mathrm{\ω}{L}_q{I}_q)}^2+{(R{I}_q-\mathrm{\ω}{L}_d{I}_d+V_c)}^2\}}^{1/2}...\left(7\right)$

式中，R：电枢的电阻

ω：转子的旋转的角振动数

I_d：电枢的电流I_a的d轴成分(I_d＝I_asin(β))

I_q：电枢的电流I_a的q轴成分(I_q＝I_acos(β))

V_c：通过转子旋转，被电枢绕组感应的感应电压。

由于磁力线感应部分33a的存在，转子31上作用弱磁场。另外，由于磁力线感应部分33a的存在，直轴方向的电感L_d增大。因此，-ωL_dI_d+V_c接近于0。从式(7)可知，如果-ωL_dI_d+V_c接近于0，则输入电压V降低。这样，磁力线感应部分33a的存在，可降低该无刷电动机的输入电压V。

同时，磁力线感应部分33a的存在，有助于磁阻力矩的产生。即，在该无刷电动机中，可利用与公知无刷电动机同等的磁矩。另外，磁阻力矩得到利用。可高效率地利用磁矩，并且辅助地利用磁阻力矩，这样，该实施例的无刷电动机可得到高的力矩。

但是，与公知的无刷电动机不同，该实施例的无刷电动机产生的力矩之中的、磁阻力矩占的比例小。这是因为永久磁铁34设在转子侧面31a的附近，磁力线感应部分33a的体积小的原故。该实施例的无刷电动机产生的转矩主要是磁矩。由于产生的力矩主要是磁矩，所以，该实施例的无刷电动机的力矩脉动小。

该实施例的无刷电动机中，永久磁铁34的数目、即极数P，对该无刷电动机的特性有很大影响。该实施例的无刷电动机，永久磁铁34的数目如下述地设定，可提高特性。永久磁铁34的数目用极数P表示。

首先，永久磁铁34的数目设定为多于槽9的数目。槽9的数目与铁芯10的数目及绕组11的数目相同。换言之，永久磁铁34的数目比铁芯10和绕组11的数目多。这样，磁回路均匀，可减轻转矩脉动。

另外，永久磁铁34的数目选定在12以上、30以下的范围内。选择在12以上、30以下范围内的有效性，如下所述。

首先，如图8(a)所示，假设永久磁铁34的厚度为0。之所以把永久磁铁34的厚度假设为0，是考虑到这是能最密地配置永久磁铁34的情形。永久磁铁34的面之中的与转子侧面31a相对的面、即相对面34a，在转子31的断面中构成转子31的内接多边形。

把磁铁有效面积率Mgc定义为永久磁铁34的相对面34a的面积总和的相对于转子侧面31a的面积的比。磁铁有效面积率Mgc用下式表示：

Mgc＝δ/D*100(％)

式中，D＝2πr/P

      r：转子31的半径

      P：极数(永久磁铁34的个数)

     δ是永久磁铁34的相对面34a的、在转子31圆周方向的宽度。磁铁有效面积率Mgc接近于100(％)，意味着永久磁铁34产生的磁力线更多地与绕组11₁～11₁₂交链。

图9的曲线41表示磁铁有效面积率Mgc与极数P的关系。如图9所示，极数越大，磁铁有效面积率Mgc越大。在极数12时达到饱和。从极数12以后，假设永久磁铁34的厚度为0时，通过把极数P增加到12以上，与绕组11₁～11₁₂交链的磁通密度B几乎达到最大。

但是，实际上永久磁铁34的厚度不能无限小。虽然希望永久磁铁34的厚度薄，现实中，由于机械强度、永久磁铁34的保磁力等因素，永久磁铁34的减薄受限制。另外，也要考虑到永久磁铁34与转子侧面31a相接。如前所述，虽然希望永久磁铁34的端部与转子侧面31a间的距离L小，但是，为了保证机械强度，距离L必须大于某一定值。因此，如图8(b)所示，下面，对永久磁铁34具有一定程度的厚度β、并且，永久磁铁34的端部与转子侧面31a之间有一定程度的距离L的情形作了考察。

相对面34a的宽度δ，由于永久磁铁34具有厚度β而更加减小。由于永久磁铁34具有厚度β，可减少通过转子侧面31a的磁通的磁通密度B_e。

另外，由于从永久磁铁34的端部到转子侧面31a存在着距离L。所以，在相邻2个永久磁铁34的相对面34a之间产生磁回路。2个相对面34a间的距离越小，该磁回路的磁阻越小。这里，永久磁铁34的数目越多，2个相对面34a间的距离越小，其间的磁阻也越小。这意味着永久磁铁34的数目越多时，由于封闭在转子31内部，无助于转矩产生的磁通增加。

借助上述磁铁有效面积率Mgc和2个相对面34a间的磁阻这样两方面的效果，通过转子侧面31a的磁通的磁通密度B_e在某个极数P时为最大。图9中的曲线42，表示永久磁铁34的厚度β、和永久磁铁34的端部到转子侧面31a的距离L，是在2000年11月8日现实中设定的最小值和设定申请人所考虑的值时的、通过转子侧面31a的磁通的磁通密度B_e与极数P的关系。这里，假设磁铁面向转子侧面时，磁通密度B_e通过转子侧面31a的磁通的磁通密度为100。

如图9中的曲线42所示，在极数为12以下的范围，通过转子侧面31a的磁通的磁通密度B_e，随着极数P的增大而急速增大。当极数P大于12时，磁通密度B_e几乎饱和，极数P为16时，达到最大值。极数P大于16时，磁通密度B_e渐渐减小。磁通密度B_e大于85(arb.unit)时，极数P的范围在12以上、30以下。这样，通过把极数P的范围定在12以上、30以下，就可以加大通过转子侧面31a的磁通的磁通密度B_e。加大了磁通密度B_e之后，与其对应地，该无刷电动机的输出转矩也加大。

另外，从另一角度看，通过把极数P的范围设定在12以上、30以下，也可以减少为了得到一定的输出转矩所需的输入电流。如所周知，输出转矩T与流过绕组11₁～11₁₂的电枢电流I_a和与绕组11₁～11₁₂交链的磁通的磁通密度B_e成正比。

T∝I_a·B

即，I_a∝T/B                 ...(8)

从式(8)可知，永久磁铁34产生的磁力线由于绕组11₁～11₁₂越多地交链，为得到一定输出力矩所需的电枢电流I_a越小。可减小电枢电流I_a意味着可减小往该无刷电动机供给电力的放大器的容量。该特性，对于该无刷电动机作为受空间限制的电动汽车动力源使用时尤为有利。

从上述事实可知，通过把极数P选定在12以上、30以下，可得到更大的输出转矩，而且可减小为了得到预定的输出转矩所需的电枢电流I_a。

把极数P选定在12以上，对于减低横轴电感L_q很有利。图10表示横轴电感L_q与极数P的关系。其前提条件是，相对面34a的面积总和相对于各极数P为最大地配置着永久磁铁34。在极数P为12以下的范围时，随着极数P的增大，横轴电感L_q急剧减少。在极数P为12以上的范围时，其减少的程度变小。

从前式(7)可知，通过减小横轴电感L_q，可减小供给绕组11₁～11₁₂的输入电压V。即，通过把极数P选定在12以上，可显著地减少供给绕组11₁～11₁₂的输入电压V。

这样，从有效磁通密度B_e的增加和输入电压V的降低这样2个方面考虑，该无刷电动机的极数P最好选定在12以上、30以下。

本实施例无刷电动机的极数是14，槽9的数目为12，满足上述条件。本实施例的无刷电动机中，极数和槽数也可以是14极、12槽以外的其它组合。但是，从小型化、高输出化的观点考虑，最好如本实施例这样，采用14极、12槽的构造。

另外，该无刷电动机中，永久磁铁34配置在下述位置，可更加提高特性。

永久磁铁34的位置是使上述的埋入量x满足下式。

x≤D/10                           ...(9)

式中，D＝2πr/P

      r：转子31的半径

      P：极数(永久磁铁34的数目)

埋入量x小意味着永久磁铁34与转子侧面31a更接近。另外，式(9)的前提条件是，相对面34a与转子31的中心31b的距离d满足下式(9′)

d≥r-D/10                        ...(9′)

距离d大意味着永久磁铁34与转子侧面31a更接近。

图11表示为了产生一定的力矩所需的流过绕组11₁～11₁₂的电枢电流I_a与埋入量x的关系。图11中，示出了电枢电流I_a的峰值。如图11所示，当x≤D/10时，流过绕组11₁～11₁₂的电枢电流I_a显著降低。

换言之，这时，永久磁铁34的位置满足下式(10)：

(L_q-L_d)/L_d≤0.3                         ...(10)

图12表示埋入量x与(L_q-L_d)/L_d的关系。埋入量x与(L_q-L_d)/L_d一对一地对应，埋入量x越小，(L_q-L_d)/L_d也越小。当x＝D/10时，(L_q-L_d)/L_d＝0.3。式(9)和式(10)是一对一地对应。

反之，即使转子铁芯33的构造和永久磁铁34的位置与上述不同时，如果满足式(10)地选择，则可得到铁芯33的形状和永久磁铁34的位置与上述相同时同样的效果。

但是，最好满足下式(11)

L_q-L_d≥0                              ...(11)

因为从式(1)可知，如果L_q-L_d＜0，则输出转矩减少。

即，最好满足下式(12)

0≤(L_q-L_d)/L_d≤0.3                    ...(12)

(第3实施例)

第3实施例的无刷电动机，是具有与第2实施例类似构造的无刷DC电动机。第3实施例的无刷电动机其转子的构造与第1实施例及第2实施例不同。特别是转子铁芯的构造与第1及第2实施例不同。第3实施例的其它部分与第1及第2实施例相同。

图13表示第3实施例无刷电动机的构造。第3实施例的无刷电动机，由转子31′和定子5构成。定子5的构造与第1实施例中说明的相同。

图14是转子31′的局部放大图。转子31′包含转子铁芯33′和永久磁铁34。永久磁铁34具有与转子31的转子侧面31a相对的相对面34a、和与转子31的中心31b相对的相对面34b。永久磁铁34的两个磁极处在相对面34a、34b上。永久磁铁34朝转子31′的半径方向产生磁力线。

永久磁铁34中的永久磁铁34₁、34₃、34₅、34₇、34₉、34₁₁、34₁₃的N极处在转子31的半径方向外侧，它们的S极处在转子31的半径方向内侧。另一方面，永久磁铁34的永久磁铁34₂、34₄、34₆、34₈、34₁₀、34₁₂、34₁₄的N极处在转子31的半径方向外侧，它们的S极处在转子半径方向内侧。即，永久磁铁34中的相邻的2个产生相互反方向的磁力线。

永久磁铁34设在转子侧面31a′的附近。永久磁铁34虽然设在转子侧面31a′的附近，但不面对着转子侧面31a′。永久磁铁34埋入在转子铁芯33′的内部，永久磁铁34实际上是长方体。转子侧面31a′与永久磁铁34，在端部34c处最接近。

由于转子31′具有上述构造，所以，永久磁铁34产生的磁力线之中的很多可通过转子侧面31a与定子5交链。

在转子铁心33′上设有缝隙33a′。缝隙33a′从永久磁铁34的端部34c朝着转子侧面31a′延伸。但是缝隙33a′不到达转子侧面31a′。

通过设置缝隙33a′，永久磁铁34产生的磁力线之中的被封闭在转子31′内部的磁力线更加减少。这样，第3实施例的无刷电动机与第2实施例同样地可得到大的磁力矩。

另外，转子铁芯33′包含位于永久磁铁34与转子侧面31a间的直轴磁力线感应部分33b′。直轴磁力线感应部分33b′从转子侧面31a′朝着转子31′的直轴(d轴)方向伸展，到达永久磁铁34的表面。永久磁铁34朝直轴方向产生的磁力线通过直轴磁力线感应部分33b′到达转子侧面31a，再与定子5链接。直轴磁力线感应部分33b′决定转子31′的直轴电感L_d。直轴电感L_d由直轴磁力线感应部分33b′的圆周方向宽度决定。

直轴磁力线感应部分33b′的圆周方向宽度选定为使-ωL_d+V_c基本上为0。这里，ω是转子31′的旋转的角振动数，V_c是转子旋转引起的、被绕组11₁～11₁₂感应的感应电压。从上式(5)可知，通过使-ωL_d+V_c实质上为0地进行选择，可减小该无刷电动机的输入电压V。

另外，在转子铁芯33′上设有空隙33c′。空隙33c′位于永久磁铁34与转子侧面31a之间。空隙33c′朝横轴(q轴)方向伸展。这样，转子31′的横轴电感L_q减少。从式(7)可知，当横轴电感L_q减少时，该无刷电动机的输入电压减小。

这样，第3实施例的无刷电动机可更加减小该无刷电动机的输入电压V。

第3实施例也与第2实施例同样地，永久磁铁34的位置和转子铁芯33′的形状最好满足下式(13)。

0≤L_q-L_d/L_d≤0.3                          ...(13)

上述第1、第2及第3实施例的无刷电动机，适用于电动汽车的驱动。图15表示装有第1或第2实施例无刷电动机的电动汽车。该电动汽车上，设有电池51。电池51与高电压继电器52连接着。高电压继电器52把电压供给放大器53和电动汽车的各部。放大器53根据油门踏板54的动作，把电压供给无刷电动机50。无刷电动机50是上述第1、第2或第3实施例的任一种无刷电动机。无刷电动机50通过变速箱55和驱动轴56驱动驱动轮57。装有无刷电动机50的电动汽车利用上述无刷电动机50的特性可减小放大器53的容量。

另外，上述第1、第2及第3实施例的无刷电动机也适用于装在电力火车上。图16表示装有该实施例之无刷电动机的电力火车的构造。在该电力火车上，设有导电弓61。导电弓61与供给电源电压的架线62接触，向放大器63供给电源电压。放大器63与控制装置64连接。在控制装置64上设有节流阀杆64a。放大器63根据节流阀杆64a的动作，把输入电压供给无刷电动机60。无刷电动机60是上述第1、第2或第3实施例的任一种无刷电动机。无刷电动机60，通过变速箱65和驱动轴66驱动驱动轮67。装有无刷电动机60的电力火车利用上述无刷电动机60的特性可减小放大器63的容量。

如上所述，根据本发明，可加大无刷电动机的输出力矩。

根据本发明，可抑制无刷电动机的力矩脉动。

根据本发明，可减小无刷电动机的电枢电流。

根据本发明，可降低无刷电动机的输入电压。

根据本发明，可使无刷电动机小型化。

工业实用性

无刷电动机。

Claims (13)

1.无刷电动机，其特征在于，备有定子和具有与定子相对的侧面的转子；

上述定子包含朝半径方向延伸的多个铁芯、和使上述铁芯分别产生磁场的若干绕组；

上述转子包含多个永久磁铁、和位于上述永久磁铁与上述侧面之间的磁力线感应体；

上述永久磁铁实质上是长方体，上述永久磁铁所具有的2个磁极面中的外侧的磁极面与转子中心的距离d满足下式：

d≥r-D/10

式中，D＝2πr/P

      r：上述转子的半径

      P：上述永久磁铁的数目。

2.如权利要求1所述的无刷电动机，其特征在于，在上述转子上形成供上述永久磁铁在轴方向插入的孔。

3.如权利要求1所述的无刷电动机，其特征在于，在上述绕组中流过3相直流电流。

4.如权利要求1所述的无刷电动机，其特征在于，上述绕组数是N，上述永久磁铁数是P，P大于N。

5.如权利要求4所述的无刷电动机，其特征在于，上述P的素因子的一个比上述N的任何素因子大。

6.如权利要求5所述的无刷电动机，其特征在于，上述N的素因子包含2和3；上述P的素因子包含2和7。

7.如权利要求4所述的无刷电动机，其特征在于，上述P满足12≤P≤30。

8.如权利要求4所述的无刷电动机，其特征在于，上述N是12，上述P是14。

9.如权利要求4所述的无刷电动机，其特征在于，由垂直于转子中心轴的平面截取的上述永久磁铁的断面是长方形；上述长方形具有短边和比短边长的长边，该长边与上述侧面相对。

10.如权利要求1所述的无刷电动机，其特征在于，上述磁力线感应体具有朝转子的直轴方向感应磁通的直轴磁力线感应体；在上述转子上设有朝转子的横轴方向伸展的空隙。

11.电动机驱动车辆，其特征在于，具有驱动轮、权利要求1至10中任一项记载的无刷电动机和向该无刷电动机供给电源电压的电源电压供给部；无刷电动机的转子驱动上述驱动轮。

12.电动车，其特征在于，具有驱动轮、权利要求1至10中任一项记载的无刷电动机、以及根据加速器踏板的动作向该无刷电动机供给电源电压的电源电压供给部；无刷电动机的转子驱动上述驱动轮。

13.电车，其特征在于，具有驱动轮、权利要求1至10中任一项记载的无刷电动机、以及根据节气门操纵杆的动作向该无刷电动机供给电源电压的电源电压供给部；无刷电动机的转子驱动上述驱动轮。

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