CN1756037A - 用于旋转电机的磁路结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转电机，包括转子，该转子包括多个沿所述转子的旋转方向布置的磁体部分，使得所述各磁体部分的极性交替变化；以及包括电枢线圈的定子，所述定子设置成隔着气隙面对所述转子。在无负载状态下，未与所述气隙和所述电枢线圈之一耦联的永磁体磁通量大于与所述气隙和所述电枢线圈耦联的永磁体磁通量。

Description

用于旋转电机的磁路结构

技术领域

本发明涉及一种用于旋转电机的磁路结构，且尤其涉及一种用于诸如永磁马达等旋转电机的磁路结构。

背景技术

美国专利No.5,631，512(对应于日本专利申请公开No.H07(1995)-336919)示出了一种永磁马达，包括转子和多个永磁体，所述多个永磁体以与永磁体的周向长度相同的固定间隔沿周向布置。该永磁马达还包括由软磁性材料制成的凸极，位于两个相邻永磁体之间并且设置成具有与永磁体的厚度相同的厚度。

上述永磁马达具有反凸极性的IPM(内部永磁体)结构，并因此磁通量总是与固定磁性材料(定子齿)耦联。因此，不能在无负载状态下防止马达铁损和变动扭矩(cogging torque)的产生。

在传统永磁马达中，即使当电枢线圈未供给电流时(扭矩＝0)，永磁体产生的磁通量也与固定磁性材料相耦联。因此，即使在无负载状态下，也在永磁马达中产生铁损，马达温度升高，并因此操作点不能予以加宽。而且，实现大扭矩的永磁马达用以增加磁通量(永磁体磁通量)，并因此产生大的变动扭矩和振动。

当在高速下由于控制器或者变换器出现故障而没有供给电流时，感应电压通过旋转而产生。因此，变换器的动力装置或者其他电气元件会被毁坏。在反凸极性的永磁马达中，磁场一般被减弱以增加扭矩，且该磁场成为相对于永磁体的逆向磁场。因此，NeFeBr磁体可能被永久去磁。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转电机，用以在无负载状态下减小马达铁损和变动扭矩。

根据本发明的一个方面，提供了一种旋转电机，包括转子，该转子包括多个沿所述转子的旋转方向布置的磁体部分，使得所述各磁体部分的极性交替变化；以及包括电枢线圈的定子，所述定子设置成隔着气隙面对所述转子。在无负载状态下，未与所述气隙和所述电枢线圈之一耦联的永磁体磁通量大于与所述气隙和所述电枢线圈耦联的永磁体磁通量。

附图说明

图1是一等效电路，表明用于本发明实施例的旋转电机的磁路结构。

图2是一曲线图，表明电枢线圈中的电流与齿磁通量之间的关系。

图3是一局部剖面视图，表明根据本发明第一实施例的旋转电机的转子和定子。

图4是一局部剖面视图，表明电枢线圈没有供给电流状态下的图3旋转电机的转子和定子。

图5是一局部剖面视图，表明电枢线圈被供给电流状态下的图3旋转电机的转子和定子。

图6是一局部剖面视图，表明根据本发明第二实施例的旋转电机的转子和定子。

图7是一剖面视图，表明根据本发明第三实施例的旋转电机。

图8A是一剖面视图，表明根据本发明第四实施例的轴向间隙式永磁马达。图8B是一平面视图，表明图8A的轴向间隙式永磁马达的转子。

具体实施方式

图1表明用于本发明实施例的旋转电机的磁路结构的等效电路。在图1所示等效电路中，满足下述方程(1)至(4)：

φ_m＝φ_l+φ_g                                     (1)

φ_r＝B_r·a_m                                      (2)

F_e-R_m·φ_m＝R_m(φ_r-φ_m)＝R_g·φ_g-N_i      (3)

R_m(φ_r-φ_m)＝φ_l·R_l                          (4)

在这些方程中，φ_m是永磁体磁通量，φ_l是漏磁通量，φ_g是气隙磁通量，R_l是永磁体端部处的漏磁通量的磁阻，N_i是电枢线圈的磁动势，φ_r是永磁体中没有磁场状态下的磁通量，B_r是永磁体的剩余磁通密度，a_m是永磁体的横截面面积，F_e是永磁体的磁动势，R_m是永磁体的磁阻，以及R_g是气隙磁阻。

φ_g和φ_l通过求解这些方程(1)至(4)而得到

${\mathrm{\φ}}_g=\frac{R_m{R}_l}{R_m{R}_l+R_l{R}_g+R_m{R}_g}{\mathrm{\φ}}_r+\frac{R_l+R_m}{R_l+R_m+R_l{R}_g+R_m{R}_g}{N}_i\·\·\·\left(5\right)$

${\mathrm{\φ}}_l=\frac{R_m}{R_l+R_m}({\mathrm{\φ}}_r-{\mathrm{\φ}}_g)\·\·\·\left(6\right)$

在方程(5)中，第一项由永磁体的剩余磁通密度B_r确定，而第二项由电枢线圈的磁动势确定。当不存在电流时，方程(5)中只保留有第一项。当存在电流时，气隙磁通量φ_g增加，并从而根据方程(6)，漏磁通量φ_l减小。因此，在没有负载的状态下气隙磁通量φ_g可通过使漏磁通量φ_l增加而减小。

随着磁场的增强，用作磁性材料的磁钢片实际上在磁场的预定强度下饱和。磁通量不再流动。下述方程表征了这一特性。

$\left[\begin{array}{cc}{B}_t=\frac{{\mathrm{\&phi;}}_g}{a_t}& (B_t<B_{\max })\\ B_t=B_{\max }& (B_t\&GreaterEqual;B_{\max })\end{array}\right]$

根据该方程(7)，气隙磁通量φ_g在齿磁钢片没有饱和的状态下由方程(8)表示。因此，气隙磁通量φ_g随着电枢线圈电流线性增加。

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&phi;}}_g=\frac{R_m{R}_l}{R_m{R}_l+R_l{R}_g+R_m{R}_g}{\mathrm{\&phi;}}_r+\frac{R_l+R_m}{R_l{R}_m+R_l{R}_g+R_m{R}_g}{N}_i& (B_t<B_{\max })\\ {\mathrm{\&Phi;}}_g=B_{\max }{a}_i& (B_t\&GreaterEqual;B_{\max })\end{array}\right\}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(8\right)$

随着电枢线圈电流的增加，气隙磁通量φ_g。由于上述的饱和而接近恒定值。作为齿磁通量的该气隙磁通量φ_g为B_max·a_i，其中B_max是饱和磁通密度，而a_i是齿截面面积。图2是一曲线图，示出了电流和气隙磁通量之间的关系，其中i是电枢线圈电流，而φ是齿磁通量。通常，磁通密度并象不方程(7)那样为完全恒定值，即使在饱和区域的范围内。磁通密度与磁场的比值逐渐接近真空的磁导率μ₀，并因此图2所示的曲线图具有斜度。

在后文中，将说明实现上述状态的实施例。根据本发明的磁路结构可应用于设置有盘式转子的轴向间隙式马达或径向间隙式马达中。

图3示出了转子11和定子12的局部剖面视图，用于图示用于本发明第一实施例的旋转电机10的磁路结构。如图3所示，旋转电机10包括转子11、定子12以及转子11与定子12之间的气隙G。由磁性材料制成的转子11包括嵌入转子11中、并且沿转子11旋转方向布置的永磁体13a和13b。永磁体13a和13b分别具有相反的极性(N极和S极)。定子12包括其上缠绕有电枢线圈14的齿12a。旋转电机10通过向电枢线圈14供以电流同步于设置于转子11中的永磁体13a和13b的旋转产生的旋转磁场而产生扭矩。

旋转电机10包括多个磁体部分，每个磁体部分包括一对具有相同极性的永磁体13a、13a或者一对具有相同极性的永磁体13b、13b。各磁体部分沿旋转方向布置，使得各磁体部分的极性交替变化。永磁体设置成使得同极性的两个相邻永磁体(13a、13a或者13b、13b)之间的长度基本上等于定子齿的宽度，而相反极性的两个相邻永磁体(13a、13b或者13a、13b)之间的长度小于定子齿的宽度(也就是，同极性的两个相邻永磁体之间的长度)。形成相同极性的永磁体的数量并不局限于两个，而可以是三个或者多个。假设多个永磁体形成一个极，那么永磁体的表面面积就可增加。因此，主磁通量可通过少量的永磁体而得以增加。

图4示出了图3旋转电机10的局部剖面视图，图示电枢线圈没有供给电流的状态下永磁体的磁通量。图5示出了图3旋转电机10的局部剖面视图，图示电枢线圈被供给电流的状态下永磁体的磁通量。在电枢线圈14没有供给电流的无负载状态下，永磁体13a和13b的磁通量大部分没有耦联于定子12，而在永磁体13a和13b的两侧通过磁性材料(转子11)泄漏。也就是，永磁体磁通量成为没有与气隙G或者电枢线圈14耦联的泄漏磁通量A(如图4所示)。因此，在无负载状态下，小量的主磁通量B流过电枢线圈14，且减小了变动扭矩和马达铁损。

在电枢线圈14被供给正向d轴电流(在磁化方向上)的负载状态下，永磁体13a和13b的泄漏磁通量A被极大地减小。永磁体13a和13b的磁通量大部分耦联于12的齿12a，且然后通过电枢线圈14。因此，永磁体13a和13b的磁通量成为与气隙G和电枢线圈14耦联的主磁通量B。如图5所示，d轴电流加强了磁场。在该状态下，q轴电流被叠加，并由此可产生转子11的扭矩。

电枢线圈14被供给电流，使得永磁体13a和13b的操作点(operatingpoint)沿增加永磁体磁通量的方向移动，且因此，永磁体的没有耦联于气隙G或者电枢线圈14的磁通量被减小。为了改善负载状态下的永磁体磁通量，电枢线圈14被供给与永磁体磁化方向相同方向的电流。由此，主磁路的磁通量得以增加，且可防止由于温度增加而产生的永久去磁。

图6示出了转子11和定子12的局部剖面视图，用于图示用于根据本发明第二实施例的旋转电机20的磁路结构。如图6所示，旋转电机20布置成使得相同极性的两个永磁体(13a、13a或者13b、13b)之间的长度小于齿12a的宽度。在其他方面，旋转电机20在结构和运作上与旋转电机10(如图3所示)基本相同。

在旋转电机10的转子11的布局中，永磁体如此布置，使得形成N极或S极的两个相同极性的永磁体(13a、13a或者13b、13b)之间的长度基本上等于定子齿的宽度。因此，d轴感应系数低于q轴感应系数，且旋转电机10具有(inverse saliency)反凸极性。因此，q轴电流在供给d轴电流的状态下进行叠加，使得扭矩减小。

马达扭矩是磁体扭矩和磁阻扭矩之和。磁阻扭矩T表示为T＝(L_d-L_q)i_d×i_q，其中L_d是d轴感应系数，L_q是q轴感应系数，i_d是d轴电枢电流，i_q是q轴电枢电流。在根据第一实施例的旋转电机10的转子11的布局中(如图3所示)，d轴电流的电阻R_d大于q轴电流的电阻R_q(R_d＞R_q)。因此，d轴感应系数L_d小于q轴感应系数L_q(L_d＜L_q)，而磁阻扭矩T作用于反方向。

在图6所示的旋转电机20的转子11的布局中，永磁体如此布置，使得形成N极或S极的两个相同极性的永磁体(13a、13a或者13b、13b)之间的长度小于定子12的齿12a的宽度。也就是，永磁体13a和13b如此布置，使得相反极性的永磁体13a和13b之间的长度大于相同极性的永磁体13a或13b之间的长度。因此，d轴感应系数L_d大于q轴感应系数L_q，从而旋转电机具有凸极性。

由于q轴电流的电阻R_q增加，所以d轴电流的电阻R_d小于q轴电流的电阻R_q(R_d＜R_q)。因此，d轴感应系数L_d大于q轴感应系数L_q(L_d＞L_q)，且磁阻扭矩T作用于正方向。因此，在供给正向d轴电流的状态下q轴电流被叠加，且可利用d轴电流的磁阻扭矩T。因此，旋转电机在没有减小扭矩的情况下改进了效率。

在根据第二实施例的实例中，电枢线圈14的纵轴感应系数(direct axisinductance)大于电枢线圈14的交轴感应系数(quadrature axis inductance)，并因此，d轴感应系数L_d可以大于q轴感应系数L_q(L_d＞L_q)。因此，可以利用相应于磁场加强的磁阻扭矩。永磁体13a和13b如此布置，使得相反极性的两个相邻永磁体13a和13b之间的长度大于相同极性的两个相邻永磁体13a或13b之间的长度(如图6所示)，并因此，电枢线圈14的纵轴感应系数易于大于电枢线圈14的交轴感应系数。

图7以剖视图示出了根据本发明第三实施例的旋转电机。该旋转电机是三相、八极旋转电机，包括定子1、隔着气隙5径向面对定子1的转子3以及磁体4。电枢线圈(未示出)缠绕于定子齿2。图7所示的永磁体4是各单极对(one pole pair)。其他永磁体设置成重复这种布置。转子3包括多个磁体部分，每个磁体部分包括一对相同极性的永磁体4。每个永磁体4设置成不与气隙5垂直，而是相对于垂直于气隙的线以预定角度倾斜。由此，与每个永磁体4设置成垂直于气隙5的结构相比，永磁体的横截面积可以更大，并且永磁体的磁通量得以增加。在电枢线圈没有供给电流的状态下，永磁体的磁通量在永磁体的两端A和A’处泄漏，并从而，通过定子的磁通量低于电枢线圈被供给电流的状态下通过定子的磁通量。因此，可减小无负载状态下的感应电压和相应的变动扭矩。

在图7的实例中，永磁体如此设置，使得相反极性的两个相邻永磁体之间的长度大于相同极性的两个相邻永磁体之间的长度。因此，旋转电机具有凸极性，并且可减小磁通量泄漏。而且，将磁通量导引至定子的电流的相位可对应于产生扭矩的电流的相位，并可以在永磁体的磁通量通过定子时产生较大的扭矩。

图8A以剖视图示出了根据本发明第四实施例的轴向间隙式永磁马达。图8B示出了图8A的轴向间隙式永磁马达的转子的平面图。该轴向间隙式永磁马达是三相、八极旋转电机，包括定子41、隔着气隙45轴向面对定子41的转子43以及永磁体44。转子43包括多个磁体部分，每个径向部分包括一对相同极性的永磁体44。十二个定子齿以固定间隔布置以便与定子轭42相垂直。永磁体如此布置，使得相反极性的两个相邻永磁体之间的周向长度大于相同极性的两个相邻永磁体之间的周向长度。在电枢线圈没有供给电流的状态下，永磁体的磁通量在永磁体的端部44a、44a’和44b、44b’处泄漏，并因此，通过定子的磁通量可小于电流供给状态下通过定子的磁通量。因此，可减小无负载状态下的感应电压和相应的变动扭矩。

本申请基于在先日本专利申请No.2004-268288。于2004年9月15日提交的日本专利申请No.2004-268288的全部内容在这里引作参考。

虽然上面已经参照本发明的特定实施例对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述实施例。根据上面给出的教导，本领域技术人员可对上述实施例进行修改和改变。本发明的范围参照所附的权利要求予以限定。

Claims (8)

1、一种旋转电机，包括

转子，该转子包括多个沿所述转子的旋转方向布置的磁体部分，使得所述各磁体部分的极性交替变化；以及

包括电枢线圈的定子，所述定子设置成隔着气隙面对所述转子；

在无负载状态下，未与所述气隙和所述电枢线圈之一耦联的永磁体磁通量大于与所述气隙和所述电枢线圈耦联的永磁体磁通量。

2、根据权利要求1所述的旋转电机，其中，所述电枢线圈被供给电流，使得所述永磁体的操作点沿增加所述永磁体磁通量的方向移动，从而未与所述气隙和所述电枢线圈之一耦联的所述永磁体磁通量被减小。

3、根据权利要求1所述的旋转电机，其中，所述各磁体部分中的每一个由至少两个永磁体形成。

4、根据权利要求3所述的旋转电机，其中，所述定子的电枢线圈中的每一个具有大于交轴感应系数的纵轴感应系数。

5、根据权利要求4所述的旋转电机，其中，所述永磁体如此布置，使得相反极性的两个相邻永磁体之间的距离大于相同极性的两个相邻永磁体之间的距离。

6、根据权利要求3至5任一项所述的旋转电机，其中，所述永磁体中的每一个相对于与所述气隙垂直的方向以预定角度布置。

7、根据权利要求6所述的旋转电机，其中，所述转子隔着所述气隙径向面对所述定子。

8、根据权利要求5所述的旋转电机，其中，所述转子隔着所述气隙轴向面对所述定子。

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