CN1297274A - 永久磁铁式回转电动机 - Google Patents

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Abstract

提供一种在作为起动马达用时,能获得较大的驱动扭矩,在当作发电机用时,能减小被动扭矩的、作为起动兼发电装置的永久磁铁式回转电动机。永久磁铁式回转电动机,包括:定子50及其线圈53;沿圆周方向配置若干永久磁铁62、在上述定子50的外周旋转的大致为圆筒形的转子轭61,上述转子轭61在相互邻接的各永久磁铁62之间具有辅极部613,在上述各永久磁铁62和转子轭61之间的一部分设有空隙612、614。

Description

永久磁铁式回转电动机
本发明涉及一种在圆周方向配置多个永久磁铁的转子轭在定子的外周旋转、转子轭在各永久磁铁之间具有辅极部的永久磁铁式回转电动机，尤其是适合于作为发动机用的起动机兼发电机的永久磁铁式回转电动机。
以往，发动机用的起动马达和发电机是单独装备的，但例如日本专利公报特开平10-148142号所公开的是一种将各种功能组合在一起的起动兼发电装置。
另一方面，作为一种发动机用的起动马达，我们知道有圆筒状的转子轭在定子的外周旋转的、外转型的永久磁铁式回转电动机。另外，例如日本专利公报特开平8-275476号所公开的是一种在这样的永久磁铁式回转电动机上，为了使在转子和定子之间的磁通分布变形趋于缓和，防止扭矩振动的产生，在相邻的永久磁铁之间形成有辅极部的永久磁铁式回转电动机。
上述现有的永久磁铁式回转电动机，在中间隔着辅极相邻接的永久磁铁之间，产生将该辅极当作磁路的漏磁通，减少了有效磁通。因此，要想获得更多的驱动扭矩，必须增大永久磁铁，或者增加定子线圈的励磁电流，但势必招致马达增大、重量增加，或者电力消耗增大。
再有，在将一个马达，在起动发动机时当作起动马达用，在车辆行驶时当作发电机用的情况下，若象上述那样，增大永久磁铁，则在当作起动马达用时，能获得较大的驱动扭矩，与此相反，在将其当作发电机用时，由于要产生很大的超出需要量以上的电力，所以，发动机E驱动起动兼发电装置所需要的扭矩(被动扭矩)增加了。
本发明的目的在于提供一种能解决上述现有技术的技术问题的、在当作起动马达用时，能获得较大的驱动扭矩，在当作发电机用时，能减小被动扭矩的、作为起动兼发电装置的永久磁铁式回转电动机。
为了达到上述目的，本发明的永久磁铁式回转电动机，包括：定子及其线圈；沿圆周方向配置若干永久磁铁、在上述定子的外周旋转的大致为圆筒形的转子轭，上述转子轭在相互邻接的各永久磁铁之间具有辅极部，其特征是：在上述各永久磁铁和转子轭之间，设有一部分空隙。
根据上述特征，由于在各永久磁铁和转子轭之间形成有空隙，将该空隙部分当作磁路的漏磁通减少了，所以，磁通的有效成分增加了，驱动扭矩增加了。
图1是将本发明的永久磁铁式回转电动机应用于起动兼发电装置上的小型摩托车的整体侧视图。
图2是沿图1的摆动单元的曲轴剖切的剖视图。
图3是用与起动兼发电装置(永久磁铁式回转电动机)的旋转轴(曲轴)垂直的平面进行局部剖切的局部剖切平面图。
图4是图3的侧剖视图。
图5是转子轭的平面图。
图6是转子轭的侧视图。
图7是转子轭的局部放大图。
图8是起动兼发电装置的控制系统方块图。
图9是用于说明设置在转子轭上的空隙部的功能(电动时)的图。
图10是用于说明设置在转子轭上的空隙部的功能(发电时)的图。
图11是表示本发明的第2实施例的转子轭的平面形状的图。
图12是永久磁铁穿插在图11的开口部中的状态下的局部放大图。
图13是表示本发明的第3实施例的转子轭的平面形状的图。
图14是永久磁铁穿插在图13的开口部中的状态下的局部放大图。
图15是表示本发明的第4实施例的转子轭的平面形状的图。
图16是永久磁铁穿插在图15的开口部中的状态下的局部放大图。
图17是表示本发明的第5实施例的转子轭的平面形状的图。
图18是永久磁铁穿插在图17的开口部中的状态下的局部放大图。
图19是表示本发明的第6实施例的转子轭的平面形状的图。
图20是永久磁铁穿插在图19的开口部中的状态下的局部放大图。
图21是图9的局部放大图。
图22是图10的局部放大图。
以下参照附图详细地对本发明进行说明。图1是将本发明的永久磁铁式回转电动机应用于起动兼发电装置上的小型摩托车的整体侧视图。
车体前部3a和车体后部3b通过低矮的地板部4相互连接着，构成车体的骨架的车架大致由下行管6和主管7构成。油箱和贮物箱(都未图示)由主管7支承着，在其上方配置有车座8。
在车体前部3a，车把11支承在转向操纵头5上，且设置在其上方，前叉12向下方延伸，前轮FW支承在其下端。车把11的上部由兼作仪表盘的车把罩13覆盖。在主管7的上立部下端，突设有托架15，摆动单元2的悬挂支架18通过连接件16摆动自如地连接且支承在该托架15上。
在摆动单元2上，在其前部搭载有单缸的2冲程发动机E。从该发动机E直到后方是皮带式无级变速器26，后轮RW支承在中间隔着离心离合器设置在其后部的减速装置27上。在该减速装置27的上端和主管7的上部弯曲部之间，安装有后减振器22。在摆动单元2的前部配设有与从发动机E延伸过来的吸气管23相连接的气化器24和与该气化器24相连接的空气滤清器25。
图2是沿曲轴201剖切上述摆动单元2的剖视图，与上述相同的标号表示同一或同等的部分。
摆动单元2由将左右曲轴箱202L、202R合箱构成的曲轴箱202覆盖，曲轴201由固定在曲轴箱202R上的轴承208、209旋转自如地支承着。连杆(图未示)通过曲轴销轴213连接在曲轴201上。
左曲轴箱202L兼作皮带式无级变速室外壳，皮带驱动皮带轮210可旋转地设置在延伸至左曲轴箱202L内的曲轴201上。皮带驱动皮带轮210由固定皮带轮半体210L和活动皮带轮半体210R构成，固定皮带轮半体210L通过轮毂211固定在曲轴201的左端部，在其右侧活动皮带轮半体210R与曲轴201花键连接，能接近或远离固定皮带轮半体210L。在两皮带轮半体210L、210R之间缠绕有V型皮带212。
在活动皮带轮半体210R的右侧，凸轮盘215固定在曲轴201上，设置在其外周端的滑动件215a滑动自如地卡合在沿轴向在活动皮带轮半体210R的外周端形成的凸轮盘滑动凸起部210Ra上。活动皮带轮半体210R的凸轮盘215，其靠近外周部分具有向凸轮盘215一侧倾斜的锥面，在该锥面和活动皮带轮半体210R之间的空腔内收纳有干式配重球216。
若曲轴201的旋转速度增加，则在活动皮带轮半体210R和凸轮盘215之间一起旋转的上述干式配重球216由于离心力而向离心方向移动，活动皮带轮半体210R被干式配重球216推压，向左侧移动，接近固定皮带轮半体210L。结果，夹在两皮带轮半体210L、210R之间的V型皮带212向离心方向移动，其缠绕直径增大。
在车辆后部设有与上述皮带驱动皮带轮210相对应的被动皮带轮(图未示)，V型皮带212缠绕在该被动皮带轮上。发动机E的动力，由该皮带传动装置自动调整地传递至离心离合器，通过上述减速装置27等驱动后轮RW。
在右曲轴箱202R内，配设有将起动马达和AC发电机组合在一起的起动兼发电装置1。起动兼发电装置1，其外转子60由螺栓253固定在曲轴201的前端圆锥部。配设在上述外转子60内侧的内定子50由螺栓279紧拧并支承在曲轴箱202上。而且，以后参照图3至图7详细地对上述起动兼发电装置1的结构进行说明。
风扇280由螺栓246将其中央圆锥部280a的末端部分固定在外转子60上，风扇280，中间隔着散热器282，由风扇罩281覆盖着。
在曲轴201上，在上述起动兼发电装置1和轴承209之间，固定有链轮231，在该链轮231上，缠绕有用于由曲轴201驱动凸轮轴(图未示)的链条。而且，上述链轮231与齿轮232制成一体，而齿轮232用于将动力传递至使润滑油循环的泵。
图3、4是用与上述起动兼发电装置1(永久磁铁式回转电动机)的旋转轴(曲轴201)垂直的平面进行局部剖切的局部剖切平面图及其侧剖视图，图5、图6是转子轭的主视图及其局部放大图，与上述相同的标号都表示同一或同等的部分。
如图3、4所示，本实施例的起动兼发电装置1由定子50和在该定子50的外周旋转的外转子60所构成，上述外转子60由以下部分构成：如图4、5所示，通过将环状的硅素钢板(薄板)大致层叠成圆筒状构成的转子轭61；如图3、7所示，交替地穿插在设置于转子轭61的圆周方向上的若干开口部611内的N极永久磁铁62N和S极永久磁铁62S；如图3、4所示，将上述转子轭61连接到上述曲轴201上的、杯状的转子外壳63。
上述转子外壳63在其圆周端部具备爪部63a，通过使该爪部63a向内侧弯曲，上述层叠结构的转子轭61被夹持在轴向上、而且穿插在上述转子轭61的开口部611内的各永久磁铁62(62N、62S)被保持在转子轭61内的规定位置。
上述定子50通过层叠硅素钢板(薄板)而构成，如图3所示，包括定子心51和定子突极52。在各定子突极52上，以单极集中方式缠绕有定子线圈53，定子50的主面，由保护罩71所覆盖。
如图5、6所示，在上述转子轭61上，沿圆周方向以30度的间隔形成有12个上述永久磁铁62能沿轴向插入的开口部611。邻接的各开口部611之间用于当作辅极部613。
如图7所示，在上述各开口部611内，插有截面大致为鼓状的永久磁铁62。而且，在本实施例，上述开口部611的形状和永久磁铁62的截面形状并不相同，在上述永久磁铁62插在上述开口部611中的状态下，在各永久磁铁62的沿圆周方向的两侧部，形成有第1空隙612，而且，在位于各永久磁铁62两端部的定子一侧，形成有第2空隙614。
图8是上述起动兼发电装置1的控制系统方块图，与上述相同的标号表示同一或同等的部分。
控制单元40包括：将电池42的输出电压VBATT转换成逻辑电压VDD并供给CPU101的DC-DC转换器102；控制其向IG线圈41供电，以规定的时间使火花塞43点火的点火控制装置103；将电池电压VBATT转换成3相交流电供给上述起动兼发电装置1的定子线圈53的3相激励器104。
风门传感器45检测风门开度θth并通知CPU101。转子传感器46检测上述外转子60的旋转位置并通知CPU101。调节器44将随着外转子60的旋转在上述定子线圈53中产生的感应电动势控制到规定的电池电压VBATT，供向电源线路L。
这样的结构，在起动发动机时，CPU101依据由转子传感器46测得的外转子60的旋转位置，决定定子线圈53的励磁时间，控制3相逆变器104的各功率FET(功率场效应晶体管，译者注)的开关时间，将交流电供给定子线圈53的各相。
3相逆变器104的各功率FET(Tr1～Tr6)由CPU101进行PWM控制(脉冲宽度调制，译者注)，依据由上述风门传感器45测得的风门开度θth对其占空比即驱动扭矩进行控制。
另一方面，若起动发动机E，则停止由3相逆变器104向定子线圈53供电，此后，起动兼发电装置1被动地由发动机E驱动。此时，在定子线圈53中，与曲轴201的旋转速度相对应地产生感应电势。由调节器44将该感应电势控制到电池电压VBATT，然后供向电负载，同时剩余电功率向电池42充电。
以下参照图9、10，对设置在上述转子轭61上的各空隙部612、614的作用进行说明。
图9是表示将该起动兼发电装置1作为起动马达用时的磁通密度分布情况的图，图10是表示将该起动兼发电装置1作为发电机用时的磁通密度分布情况的图。
在将上述起动兼发电装置1作为起动马达用时，若通过上述控制单元40从电池42向各定子线圈53供给励磁电流，则如图9所示，从被励磁成N极的定子突极52N沿放射方向产生的磁力线，从S极永久磁铁62S的定子一侧表面向里面穿，其中大多部分经由转子轭61的心部615和辅极部613，再经由相邻的被励磁成S极的定子突极52S、定子心51，返回到上述被励磁成N极的定子突极52N。
此时，在本实施例，由于在各永久磁铁62的沿圆周方向的两侧部形成有第1空隙612、减少了从各永久磁铁62的侧部漏到辅极部613的漏磁通，所以，磁力线的大部分从各永久磁铁62穿过转子轭61的心部615，进一步经由上述辅极部613到达定子50一侧。结果，由于通过外转子60和定子50之间的空气隙的磁束的垂直成分增加了，所以，与不设置上述空隙612的场合相比，可以使其增加驱动扭矩。
再有，在本实施例，由于在位于永久磁铁62的两端部的定子一侧，还形成有用于限制圆周方向磁路的空隙614，所以还能减少通过转子轭61的内侧的漏磁通。
图21是将图9的虚线圆内部放大进行表示的图，即，如图21所示，空隙614之一(614A)的作用是高效地从转子轭61的辅极部613向定子突极52S引导磁通B1，空隙614的另一处(614B)的作用是将从永久磁铁62N通过转子轭61的内侧圆周部616的磁通B2高效地导向定子突极52S。其结果是，通过外转子60和定子50之间的空气隙的磁通的垂直成分进一步增加，可以进一步增加当作起动马达的驱动扭矩。
另一方面，在将该起动兼发电装置1作为发电机用时，如图10所示，由于由各永久磁铁62产生的磁通与定子突极和定子心一起形成闭环磁路，所以，能使其在定子线圈中产生与转子的转速相对应的感应电流。
而且，在本实施例，若由上述调节器44将调节电压设定为14.5V，在将该起动兼发电装置1作为发电机用时，输出电压达到上述调节电压时，使其将上述功率FET中的接地侧的晶体管Tr2、Tr4、Tr6短路。因此，由于漏电电流以滞后的相位在各定子线圈53中流过，通过定子50内的磁力线减少，连接相邻的永久磁铁62之间的漏磁通增加，所以，该起动兼发电装置1的被动扭矩减小，发动机E的负荷减小。
图21是将图10的虚线圆内部放大进行表示的图，即，如图22所示，在相邻的永久磁铁62S、62N之间产生：经由转子轭61的外侧圆周部617的磁通B3；经由转子轭61的辅极部613的磁通B4；通过转子轭61的内侧圆周部616的磁通B5；经由转子轭61的内侧圆周部616、空气隙和定子突极52N的磁通B6。
如上所述，根据本实施例，永久磁铁式回转电动机，其外转子60的转子轭61在各永久磁铁62之间具有辅极部613，由于该永久磁铁式回转电动机在各永久磁铁62和转子轭61之间设有空隙612(614)，所以，减少了在相邻的永久磁铁之间的漏磁通，垂直地与外转子60和定子50之间的空气隙部交叉的磁通增加了。因此，在将该永久磁铁式回转电动机当作发电机用时，不会增加驱动扭矩，在将其作为起动马达用时，能增大驱动扭矩。
图11是表示本发明的第2实施例的转子轭61a的平面形状的图，图12是永久磁铁62a穿插在上述转子轭61a的开口部611a中的状态下的局部放大图，与上述相同的标号表示同一或同等的部分。
在本实施例，转子轭61a的开口部611a大致为梯形，截面为矩形的永久磁铁62a穿插在该开口部611a内。其结果是，由于在永久磁铁62a的沿圆周方向的两侧部，形成有用于防止在相邻的永久磁铁62a之间有漏磁通通过的空隙612a，在各永久磁铁62a的两端部的定子一侧，还形成有用于限制圆周方向的磁路的空隙614a，所以，能达到与上述同样的效果。
图13是表示本发明的第3实施例的转子轭61b的平面形状的图，图14是永久磁铁62b穿插在上述转子轭61b的开口部611b中的状态下的局部放大图，与上述相同的标号表示同一或同等的部分。
在本实施例，转子轭61b的开口部611b是异形的鼓状，截面为鼓状的永久磁铁62b穿插在该开口部611b内。其结果是，在永久磁铁62b的沿圆周方向的两侧部，形成有用于防止在相邻的永久磁铁62b之间有漏磁通通过的空隙612b，在各永久磁铁62b的两端部的定子一侧，还形成有用于限制圆周方向的磁路的空隙614b，所以，能达到与上述同样的效果。
图15是表示本发明的第4实施例的转子轭61c的平面形状的图，图16是永久磁铁62c穿插在上述转子轭61c的开口部611c中的状态下的局部放大图，与上述相同的标号表示同一或同等的部分。
在本实施例，转子轭61c的开口部611c是在鼓状部的两侧设有缺口的不同的形状，截面为鼓状的永久磁铁62c穿插在该开口部611c内。其结果是，在永久磁铁62c的沿圆周方向的两侧部，形成有用于防止在相邻的永久磁铁62c之间有漏磁通通过的空隙612c，在各永久磁铁62c的两端部的定子一侧，还形成有用于限制圆周方向的磁路的空隙614c，所以，能达到与上述同样的效果。
图17是表示本发明的第5实施例的转子轭61d的平面形状的图，图18是永久磁铁62d穿插在上述转子轭61d的开口部611d中的状态下的局部放大图，与上述相同的标号表示同一或同等的部分。
在本实施例，转子轭61d的开口部611d是异形的鼓状，截面为鼓状的永久磁铁62d穿插在该开口部611d内。其结果是，在永久磁铁62d的沿圆周方向的两侧部，形成有用于防止在相邻的永久磁铁62d之间有漏磁通通过的空隙612d。
再有，与上述开口部611d不同，在相当于各永久磁铁62d的两端部的转子轭61d的内周部，由于用于限制圆周方向的磁路的空隙614d制成缺口状，所以，能达到与上述同样的效果。
图19是表示本发明的第6实施例的转子轭61e的平面形状的图，图20是永久磁铁62e穿插在上述转子轭61e的开口部611e中的状态下的局部放大图，与上述相同的标号表示同一或同等的部分。
在本实施例，转子轭61e的开口部611e是异形的鼓状，截面为鼓状的永久磁铁62e穿插在该开口部611e内。其结果是，在永久磁铁62e的沿圆周方向的两侧部，形成有用于防止在相邻的永久磁铁62e之间有漏磁通通过的空隙612e，在各永久磁铁62e的两端部的定子一侧，还形成有用于限制圆周方向的磁路的空隙614e，所以，能达到与上述同样的效果。
如上所述，根据本发明，永久磁铁式回转电动机，其外转子的转子轭在各永久磁铁之间具有辅极部，由于该永久磁铁式回转电动机在各永久磁铁和转子轭之间设有空隙，所以，减少了在相邻的永久磁铁之间的漏磁通，垂直地与外转子和定子之间的空气隙部交叉的磁通增加了。因此，在将该永久磁铁式回转发动机作为发电机用时，不会增加被动扭矩，在将其作为起动机用时，能增大驱动扭矩。

Claims (6)

1．一种永久磁铁式回转电动机，包括：定子及其线圈；沿圆周方向配置多个永久磁铁、在上述定子的外周旋转的大致为圆筒形的转子轭，上述转子轭在相互邻接的各永久磁铁之间具有辅极部，其特征是：
在上述各永久磁铁和转子轭之间的一部分具有空隙。
2．权利要求1所记载的永久磁铁式回转电动机，其特征是：上述空隙形成于各永久磁铁的沿圆周方向的侧部。
3．权利要求1或2所记载的永久磁铁式回转电动机，其特征是：上述空隙在各永久磁铁的两端部，形成于定子一侧。
4．权利要求3所记载的永久磁铁式回转电动机，其特征是：在上述永久磁铁的侧部形成的空隙比在上述永久磁铁的两端部、形成于定子一侧的间隙要大。
5．权利要求2所记载的永久磁铁式回转电动机，其特征是：上述空隙形成于各永久磁铁的沿圆周方向的两侧部。
6．权利要求3所记载的永久磁铁式回转电动机，其特征是：在上述永久磁铁的两端部、于定子一侧形成的空隙，与转子轭和定子的空气隙相比是同等的。
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