CN1700562A - 永磁体旋转电机 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够维持转矩的高密度化、并且能比现有技术更大幅度地降低齿槽转矩的永磁体旋转电机。转子中使用的多个永磁体(13)的一对端面(13a、13a)，实质地与通过定子铁心(2)的中心和圆弧面(13)、在直径方向上延伸的假想平面(PS)平行，并决定圆弧面(13c)的圆周方向的长度和倾斜面(13d)的倾斜状态，以令永磁体(13)的圆弧面(13c)的极弧率Ψ1和永磁体(13)的磁极面(13b)的极弧率Ψ2满足P/2N≤Ψ2－Ψ1≤1.38×P/2N的关系。

Description

永磁体旋转电机
技术领域
本发明涉及一种永磁体旋转电机。
背景技术
一般公知的有，通过产生移动磁场的电枢、和由与移动磁场作用产生电磁力的永磁体构成的励磁构成的永磁体旋转电机。然而，如此使用永磁体的电机中，在空载时会产生包含脉动(齿槽转矩：cogging torque)的转矩及推力。这种齿槽转矩，妨碍平滑的旋转或往复运动，是振动或速度变化的原因。一直以来，作为降低齿槽转矩的方法，提出有在定子或转子中形成倾斜沟的槽(以下，称作斜极(skew))，或扇形的内面的圆弧中心和外面的圆弧中心使用不同的永磁体(以下，称作偏心形永磁体)。然而，若形成斜极，会降低转矩，导致电机的效能降低。另外，若使用偏心形永磁体，则无法提高磁通密度，无法实现高转矩密度化。因此，特开平11-146584号公报(专利文献1)中，位于多个永磁体的各自的圆周方向的两侧、形成有与圆周方向相对的一对端面，沿展转子的径向形成的永磁体旋转电机中，构成多个永磁体各自的磁极面，为具备位于圆周方向的中央部的圆弧面、和位于该圆弧面的圆周方向两侧倾斜为随着离开圆弧面从磁极部的磁极面分离的一对倾斜面，从而实现高转矩密度化和降低齿槽转矩。
专利文献1：特开平11-146584号公报。
专利文献1所述的现有的永磁体旋转电机中，通过令倾斜面部分的开度角Am、和定子的磁极部的开度角As之间的关系为(1/10)As＜Am＜(1/4)As，来降低齿槽转矩。然而，使用永磁体的圆周方向的两端面倾斜型的永磁体，且只令Am和As之间的关系满足上述关系，虽然能将转矩维持得较高，但齿槽转矩的降低却收到界限。
发明内容
本发明的目的就在于，维持转矩的高密度化，并提供与现有技术相比能更大幅度降低齿槽转矩的永磁体旋转电机。
永磁体旋转电机，具备定子和转子。定子具有：在圆周方向上隔开相等间隔配置的N(N为2以上的正整数)个磁极部及N个槽的定子铁心；和，在N个磁极部上绕装的励磁线圈。转子具有：在转子铁心或转子转轴的表面上在圆周方向上等间隔配置的P个永磁体、相对定子旋转。这些永磁体，在转子铁心或转子转轴的直径方向上、形成与定子的磁极部相对的磁极面。而且，多个永磁体各自的磁极面，具备：在圆周方向的中央部、磁极部的磁极面之间的直径方向间隙尺寸为一定的圆弧面；和位于圆弧面的圆周方向两侧，随着远离圆弧面倾斜为远离磁极部的磁极面的一对倾斜面。P个永磁体，分别具有位于圆周方向两侧、在圆周方向上相对的一对端面。这一对端面，形成为与通过定子铁心的中心和圆弧面的中央部、在直径方向上沿展的假想平面实质相平行。本发明中，决定圆弧面的圆周方向的长度和倾斜面的倾斜状态，以令永磁体的圆弧面的极弧率Ψ1和永磁体的磁极面的极弧率Ψ2满足P/2N≤Ψ2-Ψ1≤1.38×P/2N的关系。再者，本说明书中，所谓极弧率Ψ1，是将永磁体的圆周面的开度角(圆弧面的圆周方向的一端和另一端之间的角度)θ1(参照图2)用全周角度(360°)除以永磁体的数量P之后得到的角度2π/P来分割而得到的值(θ1÷2π/P)。另外，所谓极弧率Ψ2，为全周角度(360°)除以永磁体的数量P得到的角度2π/P，在将永磁体的磁极面的开度角θ2(参照图2)除以上述角度2π/P所得到的值(θ2÷2π/P)。如本发明所述，虽然规定Ψ2-Ψ1的范围，会降低一些转矩，但比起采用现有结构的情况，能够显著降低齿槽转矩。
优选多个永磁体，被与假想平面延伸的方向平行地磁化取向。如此，由于从永磁体中发出的间隙内的磁通密度分布近似于正弦波，通过转子旋转，绕组端子间产生的感应电压波形，近似与正弦波，因此能够潜在地降低齿槽转矩。
以P/2N＝1/3决定N及P的数值时，极弧率Ψ1和极弧率Ψ2满足1/3≤Ψ2-Ψ1≤0.46的关系。当在满足该关系的电机中应用本发明时，特别有提高转矩、降低齿槽转矩的效果。此时，若令极弧率Ψ1和极弧率Ψ2，满足0.371≤Ψ2-Ψ1≤0.393的关系，则能进一步大幅度降低齿槽转矩。
再者，本发明的电机的倾斜面部分的开度角Am，现有技术(特开平11-146584号公报)的Am的范围中没有包含。以下，对该理由进行说明。若设槽开放的角度为ws，则定子的磁极部的开度角As，为As＝(360/N)-ws。例如，永磁体P为8、槽数N为12的情况下，由于槽的开放的角度ws，处于0°～30°的范围，因此As的范围为30°～0°。这里，若求取包含于现有技术的Am和As的关系式(1/10)As＜Am＜(1/4)As中的Am的范围，得到0°＜Am＜7.5°。
与此相对，若对本发明的P/2N≤Ψ2-Ψ1≤1.38×P/2N的关系式代如P＝8、N＝12，可知得到1/3≤Ψ2-Ψ1≤0.46[式(1)]。这里，若设永磁体的圆弧面的开度角为θ1、永磁体的磁极面的开度角为θ2，则Am＝(1/2)×(θ2-θ1)，若将其用极弧率表示，则有Am＝(1/2)×(Ψ2-Ψ1)×(360°/P)。从而，有Ψ2-Ψ1＝2×Am×P×(1/360°)。这里若令P＝8，则有Ψ2-Ψ1＝Am×(2/45)[式(2)]。这里，若将式(2)代如式(1)，则有本发明的电机的Am，处于7.5°≤Am≤10.35°的范围。因此，本发明的电机的Am(7.5°≤Am≤10.35°)，不包含于专利公报1中所记载的技术的Am的范围(0°＜Am＜7.5°)中。
当永磁体的磁极面上形成的倾斜面为平面时，优选决定倾斜面的角度以令通过定子铁心的中心和圆弧面的中央部、在直径方向上沿展的假想平面，和形成在永磁体的磁极面上的倾斜面的延长面，以(70°-90°/P)～(80°-90°/P)的角度较差。若该角度低于以(70°-90°/P)，则会降低转矩。而该角度若大于(80°-90°/P)，则无法充分降低齿槽转矩。
另外，优选永磁体的所述磁极面，以所述假想平面为中心面对称形成。这样，无论转子的旋转方向如何，都能大幅度降低齿槽转矩。
本发明具体的永磁体旋转电机中，定子具备：具有在圆周方向上隔开相等间隔配置的12个磁极部及12个槽的定子铁心，和在12个磁极部上绕装的3相励磁线圈。另外转子具有在转子铁心或转子转轴的表面上在圆周方向上等间隔配置的8个永磁体。各永磁体的磁极面，具备：具有与定子的磁极部在转子铁心或转子转轴的直径方向上相对的磁极面的8个永磁体，相对定子旋转。而12个磁极部各自的磁极面，形成为位于以定子铁心的中心作为中心的假想圆筒面上。另外8个永磁体各自的磁极面，具备圆弧面和一对倾斜面。圆弧面的形状为，在圆周方向的中央部、磁极部的磁极面之间的直径方向间隙尺寸为一定。另外一对倾斜面的形状为，位于圆弧面的圆周方向两侧，远离圆弧面、倾斜为远离磁极部的磁极面。8个永磁体每一个，分别具有位于圆周方向两侧、在圆周方向上相对的一对端面。这一对端面，分别形成为实质平行于通过定子铁心的中心和圆弧面的中央部、在直径方向上沿展的假想平面。此时，决定圆弧面的圆周方向的长度和倾斜面的倾斜状态，以令永磁体的圆弧面的极弧率Ψ1和永磁体的磁极面的极弧率Ψ2满足1/3≤Ψ2-Ψ1≤0.46的关系。
发明效果
根据本发明，在将永磁体的圆周方向的一对端面以通过定子铁心的中心和圆弧面的中央部沿直径方向延伸的假想平面实质地平行地形成的永磁体旋转电机中，转矩大而不会降低，能够得到可大幅度降低齿槽转矩的永磁体旋转的电机。
附图说明
图1为概略表示用于说明本发明的一个实施方式的永磁体旋转电机的定子和转子的结构的图。
图2为放大表示图1的转子的结构的概略图。
图3为表示试验中使用的电机的Ψ2-Ψ1和齿槽转矩之间的关系的图。
图4为表示试验中使用的电机的Ψ2-Ψ1和转矩之间的关系的图。
图中：1-定子，3-转子，7-磁极部，9-槽，11-转子铁心，13-永磁体，13a-端面，13b-永磁体的磁极面，13c-圆弧面，13d-倾斜面，PS-假想平面。
具体实施方式
下面，参照附图对实施本发明的具体实施方式进行说明。图1为概略表示用于说明本发明的一个实施方式的永磁体旋转电机的定子1和转子3的结构和关系的图。再者，图1中，为了简化图示，定子1中励磁线圈未图示。图2为概略表示图1的永磁体旋转电机的转子3的结构的图。再者图2中，表示了后述的假想圆筒面PC。如图1所示，定子1，具有定子铁心2和未图示的励磁线圈。定子铁心2，具有筒状的磁轭5和从磁轭5的内周向定子铁心的中心C突出的N个(本例中12个)的磁极部7。12个磁极部7，具有绕装着未图示的励磁线圈的磁极主体部7b，其前端部具有磁极面7a。12个磁极部7的磁极面7a，分别形成为位于以定子铁心2的中心C为中心的假想圆筒面PC(参照图2)上。这样，定子铁心2，具有在各个相邻的2个磁极部7之间、圆周方向上等间隔配置的N个(本例为12个)槽9。
转子3，如图2所示，具有圆柱状的转子铁心11、和在该转子铁心11的表面上圆周方向空出相等间隔配置的P个(本例中为8个)永磁体13。多个永磁体13，分别具有位于圆周方向两侧、在圆周方向上相对的一对端面13a、13a、和磁极面13b。如后文详细说明，磁极面13b，由圆弧面13c和一对倾斜面13d构成。转子3，配置于定子1内，形成永磁体13的磁极面13b与定子铁心2的磁极部7的磁极面7a相对。
多个永磁体13的一对端面13a、13a，分别形成为实质平行于通过定子铁心2的中心C和圆弧面13c的中心、在直径方向上延伸的假想平面PS。然后，多个永磁体13，与假想平面PS延伸的方向相平行地磁化。多个永磁体13各自的磁极面13b，与定子铁心2的磁极部7的磁极面7a在定子铁心11的直径方向上相对。构成磁极面13b的圆弧面13c和一对的倾斜面13d，形成为以通过圆弧面13c中心的假想平面PS为中心面对称。圆弧面13c，位于磁极面13b的圆周方向的中央部。定子铁心2的磁极部7的磁极面7a和圆弧面13c之间的直径方向间隙尺寸为一定。一对倾斜面13d、13d，位于圆弧面13c的圆周方向两侧，随着离开圆弧面13c倾斜为远离定子铁心2的磁极部7的磁极面7a(假想圆筒面PC)。换言之，随着远离假想平面PS，倾斜为远离磁极面7a。再者，该实施方式中，一对倾斜面13d、13d，由直线倾斜或倾角一定的平面构成。实施方式的假想平面PS和圆弧面13c所包含的假想倾斜面之间的角度θ，为63°。优选该角度处于(70°-90°/P)～(80°-90°/P)的范围中。因此，本例中，优选处于58.75°～68.75°的范围内。
本发明中，永磁体13的圆弧面13c的极弧率Ψ1和永磁体13的磁极面13b的极弧率Ψ2，在满足P/2N≤Ψ2-Ψ1≤1.38×P/2N的关系的情况下，决定圆弧面13c的圆周方向的长度和倾斜面13d的倾斜状态。这里，极弧率Ψ1，为永磁体13的圆弧面13的开度角θ1除以将全周角度2π(360°)除以永磁体的数量P(8)后得到的角度2π/P(45°)所得到的值(θ1/45°)。另外，极弧率Ψ2，为永磁体13的磁极面13b的开度角θ2除以将全周角度2π(360°)除以永磁体的数量P(8)后得到的角度2π/P(45°)而得到的值(θ2/45°)。
下面，形成定子1的磁极部7的磁极面7a的开度角As(参照图1)各种变化的电机，并研究各个电机的Ψ2-Ψ1和齿槽转矩之间的关系。图3表示该测定结果。图3中，所谓As为30°的电机，是没有槽9的开度部的电机。根据图3可知，在As小于30°的电机中，Ψ2-Ψ1在P/2N～1.38×P/2N的范围、即1/3(0.333)～0.46(P＝8、N＝12)的范围下，齿槽转矩下降。特别是当Ψ2-Ψ1处于0.371～0.393的范围中，齿槽转矩大幅度下降。再者，若从倾斜面13c的开度角Am(参照图2)来看，可知在7.5°～10.35°的范围齿槽转矩下降，在8.595°附近齿槽转矩大幅度下降。如上，P＝8、N＝12中，本实施方式的电机的Am，不包含于现有技术的Am的范围(0°＜Am＜7.5°)中。
图4表示图3中例如的各个电机的Ψ2-Ψ1和转矩之间的关系。由图4可知，随着Ψ2-Ψ1变大，转矩下降。然而在Ψ2-Ψ1为1/3(0.333)～0.46的范围中，特别是在0.371～0.393的范围中，转矩的降低达到最大值。从而通过本实施方式，能够在不令转矩大幅度降低的情况下，比现有技术更大幅度地降低齿槽转矩。
上述实施方式，虽然令定子的磁极部的数量为12个、转子的永磁体的数量为8个，但本发明并非限于该组合。

Claims (8)

1.一种永磁体旋转电机，具备：具有在圆周方向上隔开相等间隔配置有N个磁极部及N个槽的定子铁心，N为2以上的正整数，和在所述N个磁极部上绕装的励磁线圈的定子；
以及具有在转子铁心或转子转轴的表面上在圆周方向上等间隔配置、且与所述磁极部在所述转子铁心或转子转轴的直径方向上相对的磁极面的P个永磁体，相对所述定子旋转的转子，
所述N个磁极部的各个磁极面以位于所述钉子铁心的中心作为中心的假想圆筒面上的方式形成，
所述多个永磁体各自的磁极面，具备：在所述圆周方向的中央部、所述磁极部的所述磁极面之间的直径方向间隙尺寸为一定的圆弧面；和位于所述圆弧面的所述圆周方向两侧，随着远离所述圆弧面倾斜为远离所述磁极部的所述磁极面的一对倾斜面，其特征在于：
位于所述多个永磁体的各自的所述圆周方向两侧、在所述圆周方向上相对的一对端面，分别形成为实质地平行于通过所述定子铁心的所述中心和所述圆弧面的中央部、在所述直径方向上沿展的假想平面，
决定所述圆弧面的所述圆周方向的长度和所述倾斜面的倾斜状态，以令所述永磁体的所述圆弧面的极弧率Ψ1和所述永磁体的所述磁极面的极弧率Ψ2满足P/2N≤Ψ2-Ψ1≤1.38×P/2N的关系。
2.根据权利要求1所述的永磁体旋转电机，其特征在于：
所述多个永磁体，被与所述假想平面延伸的方向平行地磁化取向。
3.根据权利要求1或2所述的永磁体旋转电机，其特征在于：
决定所述N及P的数值以令所述极弧率Ψ1和所述极弧率Ψ2满足1/3≤Ψ2-Ψ1≤0.46的关系。
4.根据权利要求3所述的永磁体旋转电机，其特征在于：
决定所述N及P的数目以令所述极弧率Ψ1和所述极弧率Ψ2满足0.371≤Ψ2-Ψ1≤0.393的关系。
5.根据权利要求1所述的永磁体旋转电机，其特征在于：
所述倾斜面，为平面。
6.根据权利要求5所述的永磁体旋转电机，其特征在于：
所述假想平面和包含所述倾斜面的假想倾斜面，以(70°-90°/P)～(80°-90°/P)的角度交叉。
7.根据权利要求1～6中的任一项所述的永磁体旋转电机，其特征在于：
所述永磁体的所述磁极面，以所述假想平面为中心面对称形成。
8.一种永磁体旋转电机，具备：具有在圆周方向上隔开相等间隔配置有12个磁极部及12个槽的定子铁心，和在所述12个磁极部上绕装的3相励磁线圈的定子；
以及，具有在转子铁心或转子转轴的表面上在圆周方向上等间隔配置、且与所述磁极部在所述转子铁心或转子转轴的直径方向上相对的磁极面的8个永磁体，相对所述定子旋转的转子，
所述12个磁极部各自的磁极面，形成为位于以所述定子铁心的中心为中心的假想圆筒面上，
所述8个永磁体各自的磁极面，具备：在所述圆周方向的中央部、所述磁极部的所述磁极面之间的直径方向间隙尺寸为一定的圆弧面；和位于所述圆弧面的所述圆周方向两侧，随着远离所述圆弧面、倾斜为远离所述磁极部的所述磁极面的一对倾斜面，
所述8个永磁体的每一个，分别具有位于所述圆周方向两侧、在所述圆周方向上相对的一对端面，其特征在于：
所述一对端面分别形成为实质平行于通过所述定子铁心的所述中心和所述圆弧面的中央部、在所述直径方向上沿展的假想平面，
决定所述圆弧面的所述圆周方向的长度和所述倾斜面的倾斜状态，以令所述永磁体的所述圆弧面的极弧率Ψ1和所述永磁体的所述磁极面的极弧率Ψ2满足1/3≤Ψ2-Ψ1≤0.46的关系。
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