CN218040953U - 转子以及具有该转子的同步磁阻马达 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种特别是能够改善低速或空转速度下的效率的转子以及具备该转子的同步磁阻马达。用于同步磁阻马达的转子具备：多个(N：4以上)狭缝状的磁通阻挡部，其配置在转子铁芯的各极的q轴上；以及桥，其设置于多个(M：N‑2以下)所述磁通阻挡部，所述桥设置于q轴上的最外周和最内周以外的所述磁通阻挡部。

Description

转子以及具有该转子的同步磁阻马达

技术领域

本实用新型涉及用于同步磁阻马达的转子、具备该转子的马达及马达控制装置。

背景技术

在同步磁阻马达的转子中，在转子铁芯上设有配置在q轴上的多个磁通阻挡部。为了维持转子的机械强度，已知有在磁通阻挡部处设置桥的技术(专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2016/108614号

实用新型内容

但是，在专利文献1所公开的技术中，经由设置于磁通阻挡部的桥而产生磁通的泄漏，特别是低速旋转下的效率降低。

考虑到上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种能够提高特别是低速或空转速度时的效率的转子和具备该转子的马达。

为了解决上述技术问题，根据本实用新型的转子的一方式，提供一种转子，用于同步磁阻马达，其特征在于，具备：N个狭缝状的磁通阻挡部，其配置在转子铁芯的各极的q轴上，N为4以上的多个；以及桥，其设置于M个所述磁通阻挡部，M为N-2以下的多个，所述桥设置于q轴上的最外周和最内周以外的所述磁通阻挡部。

此外，为了解决上述技术问题，根据本实用新型的转子的一方式，提供一种转子，用于同步磁阻马达,其特征在于，具备：N个狭缝状的磁通阻挡部，其配置在转子铁芯的各极的q轴上，N为3以上的多个；以及桥，其设置于 M个所述磁通阻挡部，M为N-1以下的多个，设置于q轴上的最内周的所述磁通阻挡部的所述桥的周向宽度比其他的所述桥的宽度小。

此外，为了解决上述技术问题，根据本实用新型的同步磁阻马达的一方式，提供一种同步磁阻马达，其特征在于，具备：上述转子；以及产生磁场的定子。

此外，为了解决上述技术问题，根据本实用新型的马达控制装置的一方式，提供一种马达控制装置，用于驱动上述同步磁阻马达，其特征在于，具备：计算部，其根据所指示的驱动电压的频率，计算出加上了规定偏移值的驱动电压值；以及生成部，其根据所述所指示的驱动电压的频率和所述计算部计算出的驱动电压值，生成向所述同步磁阻马达提供的驱动电压。

(实用新型效果)

根据具有以上结构的本实用新型，通过使桥的数量(M)为磁通阻挡部的数量(N)-2以下，将桥设置于q轴上的最外周和最内周以外的所述磁通阻挡部，能够减少磁通的泄漏，特别是能够改善低速或空转速度下的效率。

附图说明

图1是示出实施方式1的同步磁阻马达的结构例的剖视图。

图2是示出同步磁阻马达的转子铁芯的详细结构例的剖视图。

图3是示出同步磁阻马达的特性的例子的图。

图4是示出实施方式2的转子铁芯的结构例的剖视图。

图5是示出实施方式3的转子铁芯的结构例的剖视图。

图6是示出实施方式4的转子铁芯的结构例的剖视图。

图7是示出实施方式5的转子铁芯的结构例的剖视图。

图8是示出实施方式6的马达驱动系统的结构例的框图。

图9是示出可变频率控制部生成的驱动电压的例子的图。

图10是示出在以往的磁阻马达的转子中流动的磁通的例子的图。

图11A和图11B是示出在实施方式6的磁阻马达的转子中流动的磁通的例子的图。

图12A和图12B是示出同步磁阻马达的特性的例子的图。

图13是示出可变频率控制部生成的驱动电压的其他例子的图。

图14A和图14B是示出转子铁芯的其他结构例的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图，对用于实施本实用新型的实施方式进行详细说明。

<实施方式1>

实施方式1是将本实用新型应用于同步磁阻马达的实施方式，图1是示出本实施方式的同步磁阻马达100的结构例的剖视图。另外，图1示出了4极同步磁阻马达的例子。另外，图1示出了垂直于同步磁阻马达100 的轴的剖面。

同步磁阻马达100具备：产生磁场(旋转磁场)的定子1；以及转子2。定子1设有产生磁场的多个、例如三相的线圈。另外，线圈的卷绕方法在本实施方式中示出为分散卷绕，但也可以是集中卷绕。另外，转子2具备轴3和转子铁芯10。

图2是示出转子铁芯10的详细结构例的剖视图。图2也示出了同步磁阻马达100的垂直于轴3的剖面。另外，图2示出将磁阻挡部(磁通阻挡部：flux barrier)的数量N设为4、将桥(bridge)的数量M设为2的例子。另外，在该图2中，将磁通阻挡部的数量N设为4，但不限于此，N只要是4以上即可。

转子铁芯10通过将图2所示形状的薄板状的任意适当的磁性材料、例如硅钢板等强磁性体(阴影部)层叠为筒状而构成，并安装在轴3上。转子铁芯10设有沿q轴方向(在该情况下为转子铁芯10的半径方向)配置的多个(在4极的情况下为四个)磁通阻挡部11、12、13、14。

为了确保转子铁芯10的强度，在磁通阻挡部12处沿q轴方向设有桥21。另外，在磁通阻挡部13处沿q轴方向设有桥22。另外，如后所述，该桥21、22在低频驱动时也作为磁通的泄漏路径发挥作用。

如后所述，考虑到向磁通阻挡部注入熔融的铝、铜等非磁性导体时的强度，各桥在与q轴垂直的方向上的宽度优选为1～2mm或更大。另外，为了减少磁通的泄漏，优选桥的数量M为磁通阻挡部的数量N-2以下。

各桥21、22在各磁通阻挡部12、13的中心沿q轴方向设置有一个。另外，也可以将多个桥设置于一个磁通阻挡部。另外，优选在q轴方向的最内周侧的磁通阻挡部11处不设置桥。这是为了防止轴3附近的磁通泄漏。另外，优选在q轴方向的最外周侧的磁通阻挡部14处不设置桥。这是为了防止磁通的泄漏。

构成转子铁芯10的薄板状的磁性材料能够通过基于冲压的冲裁加工容易地制造。另外，转子铁芯10是在将薄板状的磁性材料层叠为筒状后，向磁通阻挡部部分注入熔融的铝、铜等非磁性导体而形成的。由此，使转子铁芯10的机械强度增加。在转子铁芯20的轴向的两端设有环状的导体。该导体可以与注入到磁通阻挡部部分的导体一起形成。

如上所述构成的磁通阻挡部部分的导体及环状的导体与感应笼型感应电机的转子同样地发挥功能，在旋转磁场中产生感应转矩。因此，能进行所谓的直接启动(linestart)，可以根据线性V/f(电压/频率)关系以简单的可变频率驱动来运转，而无需特定的参数估计或调谐。另外，具有这种结构的转子的磁阻马达有时被称为直接在线同步磁阻马达 (direct-on-line synchronous reluctance motor)，但在本实施方式中仅称为同步磁阻马达。

图3示出了本实施方式的同步磁阻马达100和现有技术的同步磁阻马达的特性的例子。

在该图3中，横轴示出励磁电流，纵轴示出d轴方向的电感Ld与q轴方向的电感Lq之差(Ld-Lq)。电感Ld与电感Lq之差Ld-Lq被用作示出马达性能的指标。

考虑运转效率所需要的运转条件是低电流下的省力运转和额定运转。这两个运转条件可以被视作是低电流下的运转和高电流下的运转。

在高电流下的运转中，电感Ld和电感Lq之差Ld-Lq在本实施方式和现有技术中大致相同。在低电流下的运转中，本实施方式的电感Ld与电感 Lq之差Ld-Lq比现有技术大幅增大。即，在本实施方式中，在低速运转中能够高效地驱动。

设置于磁通阻挡部内的桥可以有效地增强转子的机械强度，但是桥会形成不必要的磁路，导致通过桥的磁通泄漏。

在低速或空转速度的能量低消耗状态下，若发生这样的磁通泄漏，则原本不充分的磁通被分离，转子不能得到充分的驱动力，不能顺畅地驱动。

在本实施方式中，在q轴方向的最内周的磁通阻挡部11和最外周的磁通阻挡部14处不设置桥，仅在中间层的磁通阻挡部12、13处设置桥21、 22。该桥21、22不形成与磁通泄漏严重的轴3或转子铁芯10的表面相连的环，因此，在本实施方式中，能够维持转子2的机械强度，并且以低速或空转速度使磁阻马达100稳定地动作。

即，在本实施方式的同步磁阻马达100中，通过使桥的数量M为磁通阻挡部的数量N-2以下，并将桥设置于q轴上的最外周和最内周以外的磁通阻挡部，能够减少磁通的泄漏，特别是能够改善低速或空转速度下的效率。

如果为了增加q轴方向的磁阻而增加磁通阻挡部的数量，则转子的刚性会降低。在本实施方式中，通过采用上述那样的结构，能够维持转子的刚性，并且能够增加配置于q轴方向的磁通阻挡部的数量，能够进一步提高马达的效率。

<实施方式2>

图4是示出实施方式2的同步磁阻马达的转子铁芯30的结构例的剖视图。另外，该图4与图2的例子同样，示出用于4极同步磁阻马达的转子铁芯的例子。

上述的磁通阻挡部的数量不限于实施方式1的5个，可以根据马达的用途等适当设定。图4示出将磁通阻挡部的数量N设为5、将桥的数量M 设为3的例子。

在本实施方式的转子铁芯30上设置有沿q轴方向配置的5个磁通阻挡部31、32、33、34、35。

在磁通阻挡部32处设有桥41。另外，在磁通阻挡部33处设有桥42。此外，在磁通阻挡部34处置有桥43。

在本实施方式中，除了实施方式1的效果之外，通过将磁通阻挡部的数量增加到5个，与实施方式1相比，能够增加输出。

<实施方式3>

图5是示出实施方式3的同步磁阻马达的转子铁芯50的结构例的剖视图。另外，该图5与图2的例子同样，示出4极同步磁阻马达中使用的转子铁芯的例子。

上述桥可以不设置于所有中间层的磁通阻挡部。图5示出将磁通阻挡部的数量N设为5、将桥的数量M设为2的例子。

在本实施方式的转子铁芯50上设置有沿q轴方向配置的5个磁通阻挡部51、52、53、54、55。

在磁通阻挡部52处设置有桥61。另外，在磁通阻挡部54处设有桥62。在磁通阻挡部53处没有设置桥。

在本实施方式中，通过在中间层的一部分的磁通阻挡部53处不设置桥，能够进一步降低磁通的泄漏。

<实施方式4>

图6是示出实施方式4的同步磁阻马达的转子铁芯70的结构例的剖视图。另外，该图6与图2的例子同样，示出用于4极同步磁阻马达的转子铁芯的例子。

为了提高马达的输出，也可以在上述磁通阻挡部处设置永磁体。

在本实施方式的转子铁芯70中，与图2的转子铁芯10同样地设置有沿q轴方向配置的4个磁通阻挡部11、12、13、14。

在磁通阻挡部12处设置有桥21。另外，在磁通阻挡部13处设有桥22。

在本实施方式中，在各磁通阻挡部11～14的中心部，沿着q轴设置有永磁体71、72、73、74。

这种结构的转子铁芯70是将例如薄板状的磁性材料层叠成筒状后，配置各永磁体71～74并向磁通阻挡部部分注入熔融的铝、铜等非磁性导体而形成的。在注入铝等材料时，也可以使用保持各永磁体71～74的夹具。

在本实施方式中，通过在磁通阻挡部的中心部沿q轴设置永磁体，还能够利用由永磁体产生的转矩来提高马达的输出。

<实施方式5>

图7是示出实施方式5的同步磁阻马达的转子铁芯80的结构例的剖视图。另外，该图7与图1的例子同样，示出4极同步磁阻马达的例子。

图7示出将磁通阻挡部的数量N设为4、将桥的数量M设为3的例子。即，在本实施方式中，在q轴上的最内周的磁通阻挡部11处也设置有桥。

在本实施方式的转子铁芯80中，与图1的转子铁芯10同样地设有沿 q轴方向配置的多个磁通阻挡部11、12、13、14。

在磁通阻挡部12处设置有桥82。另外，在磁通阻挡部13处设有桥83。而且，在本实施方式中，在磁通阻挡部11处设置有桥81。

在本实施方式中，使设置在q轴上的最内周的磁通阻挡部11处的桥 81的周向(与q轴正交的方向)的宽度小于其他桥82、83的宽度。因此，能够使由桥81泄漏的磁通比由其他桥82、83泄漏的磁通减少。因此，能够减少轴3附近的磁通泄漏。由此，可以提高特别是低速或空转速度时的效率。

<实施方式6>

图8是示出实施方式6的马达驱动系统的结构例的框图。

该马达驱动系统具备：例如具有上述各实施方式的转子铁芯和产生磁场的定子的同步感应马达110(以下简称为马达110)；控制向马达110提供的电压的可变频率控制部120；以及输入来自操作者的指示的输入输出部 130。

可变频率控制部120具备对从外部提供的电源进行整流的整流桥、根据所指示的频率计算驱动电压值的计算部、根据所指示的频率和计算部计算出的驱动电压值生成三相的交流电压(驱动电压)的逆变器(生成部) 等。该可变频率控制部120如后所述根据经由输入输出部130输入的指示，生成规定频率、规定电压的驱动电压。另外，输入输出部130具备输入来自操作者的指示的键盘、显示马达的驱动状态的显示部等。另外，作为可变频率控制部120和输入输出部130的全部或一部分，也可以使用个人计算机等信息处理装置或可编程逻辑控制器(PLC：Programmable Logic Controller)等。

在该马达驱动系统中，通过可变电压可变频率控制(VFD：Variable voltagevariable frequency control)来驱动马达110。

图9示出根据通过输入输出部130输入的转速(频率)f由可变频率控制部120生成的驱动电压的电压值(驱动电压值)Vs的例子。另外，该特性以最大电流角度小于45°的方式预先设定。

在一般的VFD控制中，如图9中虚线所示，根据所指示的驱动电压的频率f，可变频率控制部120生成的驱动电压值Vs为Vs＝f×(V_额定/f_额定)。具体而言，例如，在额定为460V、60Hz的马达的情况下，驱动电压的频率与电压值Vs的关系为460/60＝7.67(V/Hz)。

与此相对，在本实施方式中，考虑驱动频数f为0时的偏移值(V_偏移)，将可变频率控制部120生成的驱动电压值Vs设为Vs＝f×((V_额定-V_偏移) /f_额定)。另外，V_额定是额定负荷条件下的驱动电压，f_额定是额定负荷条件下的驱动电压的频率。

图10是示出在以往的磁阻马达的转子中流动的磁通的例子的图。如图 10所示，在转子10'的磁通阻挡部11'、12'、13'、14'处未设置桥的情况下，定子产生的磁通如图10的箭头那样流动。

图11A和图11B是示出在本实施方式的磁阻马达的转子中流动的磁通的例子的图。

例如在上述图2所示的转子铁芯10中，在驱动电压值Vs低且磁场不那么强的低频驱动时，如图11A中箭头所示，通过磁通阻挡部11与磁通阻挡部12之间的区域的磁通通过桥21泄漏。另外，通过磁通阻挡部12与磁通阻挡部13之间的区域的磁通通过桥22泄漏。

与此相对，当使驱动频率增加到额定程度，驱动电压值Vs变大而磁场变强时，如图11B所示，作为漏磁通路径的桥21、22磁饱和，通过桥21、 22的磁通成为相对可忽略的程度。另外，桥21、22的宽度窄到满足这样的条件的程度。

在如上所述构成的马达驱动系统中，在启动时，根据来自输入输出部 130的指示，可变频率控制部120逐渐提高提供给马达110的驱动电压的频率，根据频率控制驱动电压值Vs。如上所述，例如在启动时等低频驱动时，由于存在经由桥的磁通泄漏，因此如上述图9所示，需要提高驱动电压的电压值Vs。

图12A和图12B示出使用了本实施方式的马达110的马达驱动系统和现有的控制负荷高的马达驱动系统的特性的例子。

图12A中，横轴示出负荷的强度，纵轴示出d轴方向的电感Ld与q轴方向的电感Lq之比(Ld/Lq)。

图12B的横轴示出负荷的强度，纵轴示出d轴方向的电感Ld与q轴方向的电感Lq之差(Ld-Lq)。

在本实施方式中，如图12A所示，在负荷强度比较不高的低励磁磁场条件下，Ld/Lq减少，但如图12B所示，Ld-Lq的减少量并不那么大。因此，低速运转时的效率不怎么降低。

如上所述，在本实施方式中，由于能够进行马达110的直接启动(line start)，因此能够以基于VFD控制的简单的V/f(电压/频率)关系进行控制。因此，与用传感器检测转子的角度并根据转子的角度对提供给定子的驱动电流进行矢量控制的装置等相比，能够降低控制的负荷，简化控制装置。另外，在本实施方式中，由于使用同步磁阻马达，另外，在本实施方式中，由于能够通过VFD控制以可变速度进行动作，因此能够有助于省电。

另外，在本实施方式中，使用上述图9所示的线性特性来求出与驱动电压的频率f对应的驱动电压值Vs，但也可以使用例如图13所示的非线性特性来求出驱动电压值Vs。在这种情况下，例如到规定的频率f_th为止，通过2次函数等高次函数求出驱动电压值Vs，在频率f_th以上的区域，作为 Vs＝f×(V_额定/f_额定)求出驱动电压值Vs。

通过使用这样的非线性特性，能够不怎么增加处理负荷，进行与启动时等低频驱动时的磁通泄漏相应的适当的控制。

<变形例>

在上述各实施方式中，向转子的磁通阻挡部注入导体，但例如如图14A 和图14B所示，在一个磁通阻挡部设置多个桥的情况下，也可以不向转子的内周侧的一部分的磁通阻挡部注入导体而使其成为空洞。图14A示出在从转子的外周起第三个磁通阻挡部处设置三个桥141、142、143并将转子的内周侧的磁通阻挡部145、146设为空洞的例子。另外，图14B示出在从转子的外周起第三个磁通阻挡部处设置两个桥151、152并将转子的内周侧的磁通阻挡部155设为空洞的例子。

附图标记

1…定子；2…转子、3…轴；10、30、50、70、80…转子铁芯；11、12、 13、14…磁通阻挡部；20、21、22…桥；110…同步磁阻马达；120…可变频率控制部；130…输入输出部。

Claims (11)

1.一种转子，用于同步磁阻马达，其特征在于，具备：

N个狭缝状的磁通阻挡部，该磁通阻挡部配置在转子铁芯的各极的q轴上，N为4以上的多个；以及

桥，该桥设置于M个所述磁通阻挡部，M为N-2以下的多个，

所述桥设置于q轴上的最外周和最内周以外的所述磁通阻挡部。

2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，

所述桥设置于q轴上的最外周和最内周以外的所有所述磁通阻挡部。

3.根据权利要求1或2所述的转子，其特征在于，

具备磁体，该磁体设置于所述磁通阻挡部的中心部。

4.根据权利要求1或2所述的转子，其特征在于，

所述桥设置于所述磁通阻挡部的q轴上。

5.根据权利要求3所述的转子，其特征在于，

所述桥设置于所述磁通阻挡部的q轴上。

6.一种转子，用于同步磁阻马达,其特征在于，具备：

N个狭缝状的磁通阻挡部，该磁通阻挡部配置在转子铁芯的各极的q轴上，N为3以上的多个；以及

桥，该桥设置于M个所述磁通阻挡部，M为N-1以下的多个，

设置于q轴上的最内周的所述磁通阻挡部的所述桥的周向宽度比其他的所述桥的宽度小。

7.根据权利要求6所述的转子，其特征在于，

所述桥设置于q轴上的最外周以外的所述磁通阻挡部。

8.根据权利要求6或7所述的转子，其特征在于，

具备磁体，该磁体设置于所述磁通阻挡部的中心部。

9.根据权利要求6或7所述的转子，其特征在于，

所述桥设置于所述磁通阻挡部的q轴上。

10.根据权利要求8所述的转子，其特征在于，

所述桥设置于所述磁通阻挡部的q轴上。

11.一种同步磁阻马达，其特征在于，具备：

权利要求1至10中任一项所述的转子；以及

产生磁场的定子。

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