CN1481064A

CN1481064A - 永久磁体型同步电动机

Info

Publication number: CN1481064A
Application number: CNA021522960A
Authority: CN
Inventors: 木; 鈴木聡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-09-03
Filing date: 2002-11-20
Publication date: 2004-03-10
Anticipated expiration: 2022-11-20
Also published as: CN1326311C; JP2004096940A

Abstract

本发明的目的是得到一种能产生高转矩，电线的布线作业容易进行的永久磁体型同步电动机。这种电动机具备：有在圆周方向上配置的多个永久磁体的转子、与各永久磁体对向配置的多个凸形磁极的定子铁芯、卷绕在各凸形磁极上的多个绕组、及根据永久磁体的移动位置向各绕组供给交流电流的控制装置，该控制装置向各绕组送入具有与对应于各永久磁体磁极与各凸形磁极的位置关系的相位种类数相同数目的相位的交流电流。

Description

永久磁体型同步电动机

技术领域

本发明系涉及用变流器、逆变器变换的、交流和直流电相互变换，由多相交流电力驱动的永久磁体型同步电动机。

背景技术

关于永久磁体型同步电动机的驱动方法，如特开昭62-110468号公报中所示，历来有用三相交流电源来驱动的方法。

图8是表示特开昭62-110468号公报所示的历来的永久磁体型同步电动机的永久磁体和凸形磁极的结构图。图9是表示图8中所示的永久磁体型同步电动机的永久磁体和凸形磁极的展开图。

图8中，1U⁺是3相交流电源的U相连结点，2是绕组(电枢绕组)、图8中仅表示了U相，3是在环状的定子的圆周方向上等间距配置，并向外侧凸出的定子铁芯，4、5所示为在转子内侧固定的永久磁体。

又，在将图8展开的图9中，3U₁、3U₂、3U₃、3U₄是绕在定子铁芯3的凸极上的绕组2形成的磁极(凸形磁极)，同样，3相交流电源的V相和W相也和U相一样，是卷绕绕组2(未图示)构成凸形磁极3V₁～3W₃。

已有的永久磁体型同步电动机如上所述构成，将相应于永久磁体4、5的移动位置的3相交流电流(定子绕组电流)提供给绕组2，以此得到转矩。

对在电梯等上使用的永久磁体型同步电动机，必须在低转速的起动加速时产生最大的转矩，并且以用3相电力驱动永久磁体型同步电动机为前提构成，因此，在额定转速下各相间感应的电压的最大值由电源电压规定不容超过的值，因此不能够发生大电压，在大转矩出现时需要大电流。

近年来，对这些电动机的控制使用具有高精度的控制性能的PWM逆变器，作为构成这些逆变器的半导体元件，市场上有IGBT销售，其规格为600A、1200V。

因此，为了驱动这种需要超过额定值的大电流的永久磁体型同步电动机，需要把控制永久磁体型同步电动机用的逆变器作成每相并联多个半导体元件的3相逆变器，以此生成高转矩。

然而，随着永久磁体型同步电动机输出的增大，每相需要的电流量也变大，相应地在并联连接部6中的并联元件数也增多。

图10为并联连接着3个半导体元件的3相逆变器的电路概略图。

图10中，并联连接着半导体元件7的并联连接部6分别接在永久磁体型同步电动机的U相、V相、W相的接线点(例如U相的1U⁺)上(参见图9)。

为了并联连接着半导体元件7进行驱动，有必要使流经各半导体元件7的电流均等分流，因此使并联连接各半导体元件7的并联连接部6的阻抗均等。

图11是说明向已有的永久磁体型同步电动机施加电压的说明图。在图11中，一旦绕组2绕经多个(例如4个)凸形磁极3U₁～3U₄到达一个相，施加在一个凸形电极上的最大电压变成电源的相电压的1/4，

也就是说，以电源的相电压的1/4的低电压要获得一定的磁动势必须减少绕组2的匝数，增加通过电流量，绕组2截面必须放粗。

已有的永久磁体型同步电动机，如上所述使半导体元件7的并联连接部6的阻抗均等不仅成了安装设计上的制约，而且也有必要考虑到阻抗的参差参差不齐所引起的电流不平衡量，将元件规格标降低再进行设计。另外还存在这样的问题，即为了增大永久磁体型同步电动机的输出，必须增加半导体元件7的并联元件的数量，因而使作为永久磁体型同步电动机的控制装置的逆变器大型化和高价化。

还有，为了降低每个凸形磁极的电压，为了把绕组2上的匝数限制于低数值，定子铁芯3绕线时的断面积上的绕组2的比率(占空系数)低，空隙的比率变大的问题。

另外，连接永久磁体型同步电动机及其控制装置的动力用配线也必须相应于通电电流量的增大而增加线径，(增加电线的粗度，即增加导线截面，使电流容量增加)而使人工布线工作变得困难的问题。

本发明是为解决上述问题而作出的，旨在开发一种能够产生高转矩，电线布线作业容易进行的永久磁体型同步电动机。

发明内容

本发明的永久磁体型同步电动机具备：有在圆周方向配置的多个永久磁体的转子、有与各永久磁体对向配置的多个凸形磁极的定子铁芯、缠绕在各凸形磁极上的多个绕组、相应于永久磁体的移动位置使各绕组中通以交流电的控制装置。控制装置将具有与对应于各永久磁体的磁极与各凸形磁极的磁极的位置关系的相位的种类数同数目的相位的交流电流通入各绕组。

又，本发明的永久磁体型同步电动机的控制装置向所述各绕组通以交流电流，所述交流电流具有的相位数目等于用永久磁体的磁极数与凸形磁极的磁极数的最大公约数除凸形磁极的磁极数的值。

又，本发明的永久磁体型同步电动机，永久磁体的磁极数P和所述凸形磁极的磁极数Q的比值设定为满足P∶Q＝8n∶9n(其中，n为1以上的整数)，控制装置将具有9种相位的交流电流通入各绕组。

又，本发明的永久磁体型同步电动机，永久磁体的磁极数P和所述凸形磁极的磁极数Q的比值设定为满足P∶Q＝10n∶9n(其中，n为1以上的整数)，控制装置将具有9种相位的交流电流通入各绕组。

又，本发明的永久磁体型同步电动机，将各绕组的一端连接在一个中性点上，各绕组的另一端卷绕在各凸形磁极上，利用9相9线的星形接法构成各绕组。

又，本发明的永久磁体型同步电动机，各绕组的一端绕在各凸形磁极上，各绕组的另一端分为3相3线的组，连接在中性点上。

附图说明

图1是表示本发明实施形态1的永久磁体型同步电动机的永久磁体的磁极和凸形磁极的展开图。

图2是表示永久磁体型同步电动机控制装置电路的概略图。

图3是表示供给本发明实施形态1的永久磁体型同步电动机的交流电流的相位的矢量图。

图4是表示本发明实施形态2的永久磁体型同步电动机的永久磁体的磁极和凸形磁极的展开图。

图5是表示供给本发明实施形态2的永久磁体型同步电动机的交流电流的相位的矢量图。

图6是表示本发明实施形态3的永久磁体型同步电动机的永久磁体的磁极和凸形磁极的展开图。

图7是表示供给本发明实施形态3的永久磁体型同步电动机的交流电流的相位的矢量图。

图8是表示已有的永久磁体型同步电动机永久磁体磁极和凸形磁极的结构图。

图9是表示图8中的永久磁体磁极和凸形磁极的展开图。

图10是表示已有的用3个半导体元件并联连接的3相逆变器构成的已有的永久磁体型同步电动机的控制装置的电路的概略图。

图11是说明对已有的永久磁体型同步电动机施加电压的说明图。

具体实施方式

实施形态1

以下参照附图对本发明的实施形态1详细加以说明。

图1为表示本发明的实施形态1中永久磁体型同步电动机的永久磁体4、5的磁极和凸形磁极3U₁～3W₃的展开图；图2是表示永久磁体型同步电动机的控制装置电路的概略图。

又，图3为表示本发明实施形态1的向永久磁体型同步电动机供给交流电流的相位的矢量图。

所述的图1中，对与上面所述(参照图9)相同的零部件采用同样的符号，并省略其详细说明。

图1中，定子铁芯3的凸形电极上，绕组2分别独立缠绕，绕组2的一端连接中性点N，如图3所示形成9相星形连接。

又，设永久磁体磁极数为P、凸形磁极数为Q、则P与Q之间取下述式(1)所述的关系，即

P∶Q＝8n∶9n (n为1以上的整数) …(1)

图2中，控制装置利用例如9相的多相逆变器构成、各半导体元件7通过接线点1U₁～1W₃连接于永久磁体型同步电动机的各绕组2。

还有，永久磁体型同步电动机与控制装置在各接线点1U₁～1W₃用动力用配线(电线)(未图示)连接。

控制装置从各接线点1U₁～1W₃向永久磁体型同步电动机各绕组2供入驱动永久磁体型同步电动机所需的交流电流。

当交流电流提供给各绕组2时，配有永久磁体4、5的转子转动。这时，如图1所示，凸形电极3U₁～3W₃与永久磁体4、5的位置关系存在着9种(9种图形)。

控制装置来的供电电源具有与该位置关系的种类数相同数目的相位，即如图3中所示，在永久磁体磁极数P与凸形磁极数Q的关系上，只具有凸形磁极数的比率份额的不同相位。

例如对接线点1U₁，

提供具有U₁相位(矢量)的交流电流。

对其他接点1U₂～1W₃上也一样，将有各不相同的相位的交流电从对应的接线点供电，在图1的情况下，控制装置将具有对应于永久磁体4、5的移动位置的9种相位的交流电向各绕组2进行供电。

例如，使永久磁体P与凸形磁极数Q具有下述式(2)的关系式的情况下，控制装置以永久磁体极数P与凸形磁极数Q的最大公约数除凸形磁极数Q得到q，将具有与q相同数目的种类的(即q种)相位的交流电提供给绕组2，驱动永久磁体型同步电动机。

P∶Q＝pn∶qn (n为p与q的最大公约数)

如图2所示，由于将所述(参照图10)的3相逆变器接成9相逆变器，每一相的输出电流变成1/3，因此，并联配线部6内的半导体元件7只要1/3就够了。

即如图10所示，设并联配线部6内的半导体元件7为3个，则图2的结构情况下用1个就可以了，而且，用于连接到永久磁体型同步电动机的配线的电线断面积也可用1/3以下的小电流容量的电线。

因此，连接到永久磁体型同步电动机的配线根数本身虽然增加，电线太粗使人工布线难于操作的大截面的电线，可以把截面减小到1/3以下，因此能有效提高工作效率。

又用来驱动永久磁体型同步电动机的供电电流的相位数目由于与因永久磁体4、5与凸形磁极3U₁～3W₃的位置关系而发生的相位数相同，因此就可能在一个凸形磁极上有独立的绕阻，在一个凸形磁极上施加的电压值可以高到电源电压值。

与此相应，绕组2的匝数可以增多，能够相对提高占空系数，因此，能使绕组的电流密度下降，并减少电动机发热。

另外，永久磁体磁极数P与凸形磁极数Q之比不等于1是由于开坯(cogging)转矩减低的缘故，又，作为凸形磁极极数指定9相，是以3相交流技术为依据的，用于多相化时，将3相3倍而成9相，在6相的情况下，由于逆变器费用上升，线径减少的效果就小，12相以上时，由于逆变器相数的增加，费用上升很大。

再说，在上述实施形态1，控制装置用9相逆变器构成，使用3台已有的3相逆变器作为9相工作也可以。

实施形态2

图4为表示本发明实施形态2的永久磁体型同步电动机的永久磁体4、5的磁极与凸形磁极3U₁～3W₃的展开图，图5为表示本发明实施形态2的对永久磁体型同步电动机供电的交流电流相位的矢量图。

图4中与上述(参照图1)相同的零部件标以同样的符号并省略详述。

各凸形电极3U₁～3W₃的绕组2，在各凸形电极3U₁～3W₃上独立缠绕，其一端与一分为三的中性点N₁、N₂、N₃的任何一处连接，如图5(a)～(c)所示，形成3重3相星形连接。

又，绕组2的另一端的连接点1U₁～1W₃分别接到所述(参照图2)的控制装置的各连接点1U₁～1W₃上。

又，图4的永久磁体型同步电动机的永久磁体极数P与凸形磁极极数Q的关系，如上所述采取上述式(1)的关系。

控制装置把图5所示的相位各不相同的交流电流从各接线点1U₁～1W₃向永久磁体型同步电动机的各绕组2供电，以驱动永久磁体型同步电动机。

连接绕组2的一端的中性点分割为N1、N2、N3部分，从各中性点来看也可作为三相控制。

因此，在控制装置使用3台3相逆变器形成3重3相逆变器，可当作9相工作，把已有的3相逆变器留用，也可以与构成9相逆变器时一样，可使永久磁体型同步电动机发生高转矩，并使配线操作性得到改善。

实施形态3

在上述实施形态1、2中，使永久磁体磁极数P与凸形磁极极数Q满足P∶Q＝8n∶9n，但是也可以为P∶Q＝10n∶9n。

图6所示为本发明的实施形态3中的永久磁体型同步电动机的永久磁体4、5的磁极与凸形磁极3U₁～3W₃的展开图、图7所示为供给本发明的实施形态3的永久磁体型同步电动机的交流电流的相位的矢量图。

在图6及图7中，与上述(参照图1～5)相同的零部件注上同样的符号，并省略其详述。

图6中，定子铁芯3的凸极上，分别独立卷绕绕组2，绕组2的一端与中性点N相连，如图7所示，形成9相星形连接。

又，绕组2的另一端的接点1U₁～1W₃上、连接着对应的图2中的各接线点1U₁～1W₃。

又，永久磁体磁极数P和凸形磁极数Q采取下式(3)所述的关系。

P∶Q＝10n∶9n (N为1以上的整数) …(3)

控制装置将来自各接线点1U₁～1W₃的交流电流提供给永久磁体型同步电动机的各绕组2，驱动永久磁体型同步电动机。

该供电电流，如图7所示，在永久磁体P与凸形磁极数Q的关系上只具有凸形磁极数的比率份额的不同的相位，通过向永久磁体型同步电动机供电驱动永久磁体型同步电动机。

如上所述，即使取永久磁体型同步电动机的永久磁体磁极数与凸形磁极数的比率为10n∶9n，也与8n∶9n的情况一样，都能使永久磁体型同步电动机产生高转矩，并使配线作业容易。

如上所述，采用本发明，具备：有在圆周方向上配置的多个永久磁体的转子、有与各永久磁体对向配备的多个凸形磁极的定子铁芯、卷绕在各凸形磁极上的多个绕组、以及相应于永久磁体的移动位置对各绕组通以交流电流的控制装置。控制装置将具有与对应于各永久磁体的磁极与各凸形磁极的磁极的位置关系的相位种类数数目的相位的交流电流送入各绕组通电，因此尽管每一相的电流容量小但仍能产生高转矩，且电线截面积小，提高了配线的操作性。

又，采用本发明，控制装置将具有与用永久磁体的磁极极数与凸形磁极的磁极数的最大公约数除凸形磁极磁极数得到的值相同数目的相位的交流电对各绕组通电。因此，尽管每相的电流容量小，但仍能发生高转矩，而且电线截面积小能提高配线的操作性。

又，采用本发明，在设定永久磁体的磁极数为P、凸形磁极的磁极数为Q时，使各磁极数P、Q的比满足下式、即P∶Q＝8n∶9n(但，n为大于1的整数)，控制装置将具有9种相位的交流电流通入各绕组，因此，虽然9相各自的电流容量小，仍能发生高电压，产生高转矩，另外，动力用配线的电线截面积小了，配线操作方便了。

又、采用本发明，在设定永久磁体的磁极数为P、凸形磁极的磁极数为Q时，使各磁极数P、Q的比满足下式、即P∶Q＝10n∶9n(但，n为大于1的整数)，控制装置将具有9种相位的交流电流提供给各线绕组，因此，虽然9相各自的电流容量小，仍能发生高电压，产生高转矩、另外，动力配线用电线的截面积小了，配线的作业性得以提高。

又、采用本发明，将各绕组的一端连接在一个中性点，各绕组的另一端卷绕在各凸形磁极上，由于各绕组利用9相9线的星形接法连接，因此能得到每相的电流容量减小，电压增高的永久磁体型同步电动机。

还有，采用本发明，由于各绕组的一端绕卷在各凸形磁极上，各绕组另一端分成3相3线的组，并连接在中性点上。因此，可将已有的3台3相逆变器用作3重3相逆变器用，这样能够得到可作为9相工作的永久磁体型同步电动机。

Claims

1.一种永久磁体型同步电动机，其特征在于，具有：

有在圆周方向上配置的多个永久磁体的转子、

有与所述各永久磁体对向配置的多个凸形磁极的定子铁芯、

卷绕在所述各凸形磁极上的多个绕组、以及

相应于所述永久磁体的移动位置，向所述各绕组通入交流电流的控制装置；

所述控制装置向所述各绕组通入交流电流，所述交流电流为具有与对应于所述各永久磁体的磁极和所述凸形磁极的位置关系的相位的种类数相同数目的相位的交流电流。

2.如权利要求1所述的永久磁体型同步电动机，其特征在于，

所述控制装置向所述各绕组通以所述交流电流，所述交流电流具有的相位数目等于用所述永久磁体的磁极数与所述凸形磁极的磁极数的最大公约数除所述凸形磁极的磁极数的值。

3.如权利要求2所述的永久磁体型同步电动机，其特征在于，

所述永久磁体的磁极数P和所述凸形磁极的磁极数Q的比值设定为满足以下公式，即

P∶Q＝8n∶9n

其中，n为1以上的整数，

所述控制装置将具有9种相位的交流电流通入所述各绕组。

4.如权利要求2所述的永久磁体型同步电动机，其特征在于，

P∶Q＝10n∶9n

其中，n为1以上的整数，

所述控制装置将具有9种相位的交流电流通入所述各绕组。

5.如权利要求3或4所述的永久磁体型同步电动机，其特征在于，将所述各绕组的一端连接在一个中性点上，所述各绕组的另一端卷绕在各凸形磁极上，利用9相9线的星形接法构成所述各绕组。

6.如权利要求3或4所述的永久磁体型同步电动机，其特征在于，所述各绕组的一端绕在所述各凸形磁极上，所述各绕组的另一端分为3相3线的组，连接在中性点上。