TWI589097B - Permanent magnet motor - Google Patents

Description

永久磁鐵馬達

本發明係以使用價格便宜的長方體之鐵氧體磁鐵，並且以磁阻轉矩為主之永久磁鐵馬達作為對象，關於低轉矩漣波且可以產生大轉扭的永久磁鐵馬達構造。

至今在產生大轉矩之永久磁鐵馬達中，在實用上有藉由使用高性能的釹磁鐵而在轉子之表面配置磁鐵的所謂表面磁鐵型馬達構造，可以達成高轉矩化和低轉矩漣波之雙方的永久磁鐵馬達。但是，近年來由於釹磁鐵之價格高漲和難以取得，傾向使用鐵氧體磁鐵之永久磁鐵馬達之研究發展。鐵氧體磁鐵價格係釹磁鐵的1/10以下，相對比較便宜，但在性能上有殘留磁束密度、保持力低皆為釹磁鐵的1/3以下的缺點。因此，在此用鐵氧體磁鐵之永久磁鐵馬達中，為了接近於釹磁鐵馬達產生之轉矩，除永久磁鐵轉矩之外還必須利用磁阻轉矩。成為所謂的在轉子鐵心中埋入永久磁鐵之構造。

使用鐵氧體磁鐵之永久磁鐵馬達的開發課題，有下述幾點。

(1)為了確保最大轉矩，增大1極所佔的永久磁鐵之表面積而使永久磁鐵所產生之轉矩成為最大。

(2)使成為可以充分活用磁阻轉矩之構造。

(3)因永久磁鐵之保持力為1/3低，故以於在定子繞組流通電流時不會減磁之方式，確保永久磁鐵之厚度。

(4)磁阻轉矩之利用因原理上通過鐵心之高諧波磁束變多，故可想像轉矩漣波增加。尤其，有降低最大電流通電、最大轉矩時之轉矩漣波等。

就以接近此的揭示例而言，於專利文獻1揭示有在轉子鐵心內埋入永久磁鐵，並活用永久磁鐵轉矩和磁阻轉矩之永久磁鐵馬達構成。

在此，於專利文獻1之圖7揭示有在轉子鐵心內埋入永久磁鐵之構成，且課題最接近於本發明之構成。以下，針對其特徵、課題，使用圖9、圖10予以說明。

永久磁鐵配置為4極，1極之永久磁鐵係以4個長方體永久磁鐵61-64所構成。其中，1個永久磁鐵64為在d軸之轉子之外周配置成圓周方向長的構成，剩下的3個永久磁鐵61、62、63被配置成如圖示般之U字狀。專利文獻1係以在磁阻馬達一部分追加配置永久磁鐵而改善特性為目的之發明，磁阻轉矩為依存於被構成在相當於q軸之位置配置成U字狀之永久磁鐵間的中心突極74之構成。

一般而言，同時產生磁阻轉矩和永久轉矩之 永久磁鐵馬達之轉矩公式如式1所示。

τ=p[keiq+(Ld-Lq)idiq] (式1)

在此，p：極對數，ke：發電常數，Ld：d軸電感，Lq：q軸電感，id：d軸電流，iq：q軸電流

在上式中，第1項為藉由永久磁鐵所形成的轉矩成分，第2項表示磁阻轉矩成分。在此，藉由第1項之永久磁鐵所形成的轉矩與發電常數ke呈比例。該發電常數ke與永久磁鐵之殘留磁束密度Br和永久磁鐵之面積Am略呈比例。

另外，關於磁阻轉矩與(Ld-Lq)呈比例。

Ld與在d軸流通一定電流之情況的磁束量Φd呈比例，Lq與在q軸流通一定電流之情況的磁束量Φq呈比例。

在專利文獻1中，揭示有可以併用藉由4個永久磁鐵61-64之配置所形成的上述永久磁鐵，和藉由中心突極74所形成的磁阻轉矩之構造。藉由永久磁鐵所產生之轉矩與將永久磁鐵配置成U字狀之永久磁鐵61、62、63之殘留磁束密度和面積呈比例，加上構成與此串聯之磁性電路之永久磁鐵64之殘留磁束密度和面積而產生。

另外，當針對磁阻轉矩予以敘述時，於對圖9所示之d軸通電電流Id之情況，d軸之磁性電路因永久磁 鐵之導磁率小至1，比較起定子、轉子間之空隙，磁鐵厚度為厚，故以永久磁鐵64為首，永久磁鐵61、62、63之磁阻變大，d軸磁束Φd1變小。因此，與d軸磁束Φd1呈比例之d軸電感Ld變小。

另外，於對圖10所示之q軸通電電流Iq之情況，q軸之磁性電路因鐵之導磁率大至1000以上，故可以使磁阻小，使q軸之磁束Φq變大。因此，與q軸磁束Φq呈比例之q軸電感Lq也變大。在以上之原理中，可以使(Ld-Lq)變大(雖然符號為相反，但是因Id持有負的符號，故成為+)，可以產生大磁阻轉矩。藉由上述理論，在專利文獻1揭示有可以同時產生永久磁鐵轉矩和磁阻轉矩之永久磁鐵馬達。

再者，於專利文獻2中揭示有活用磁轉矩的藉由所謂埋入轉子構造來降低齒槽效應轉矩之永久磁鐵馬達構成。在專利文獻2中，揭示著定子之溝槽數Ns除以永久磁鐵之極數P和相數M後之值Ns/p/m成為分數，所謂的分數溝槽構成之永久磁鐵馬達，尤其規定可以降低電流非通電時之齒槽效應之永久磁鐵之寬度的構成。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[參考文獻1]日本特開3290392號公報

[專利文獻2]日本特開2003-70192號公報

以上，若藉由專利文獻l時，藉由將4個永久磁鐵配置在成為中心的突極和突極之間，並且使中心突極之寬度大於定子之溝槽之寬度，活用磁阻轉矩和永久磁鐵轉矩之構成。但是，針對用以補足鐵氧體磁鐵之低殘留磁束之缺點的構造，即是充分擴大永久磁鐵之表面積，藉此使稍微接近以往之釹磁鐵馬達之產生轉矩的永久磁鐵馬達構成則無揭示。

在專利文獻1中，作為所使用之永久磁鐵，因為單獨釹磁鐵或併用釹磁鐵和鐵氧體及黏結磁鐵(bonded magnet)，故殘留磁束密度大，因此為了使上述式1之第1項之永久磁鐵轉矩變大，不一定要使永久磁鐵面積成為最大化。再者，為了改良磁阻轉矩，使成為中心突極74之寬度比起定子溝槽間距大許多之構成。依此，就以作為目的之自動車驅動馬達而言，實現了至高速領域可以維持最大輸出的特性。

但是，針對使用低殘留磁束密度之鐵氧體磁鐵之情況的課題，用以使永久磁鐵轉矩成為最大化的構造，即是增加永久磁鐵之面積的構造無揭示。再增大專利文獻1中圖示的中心突極74之構成中，難以使永久磁鐵面積最大化，有無法充分增大永久磁鐵轉矩之課題。

再者，針對磁阻轉矩，在產生大轉矩之永久磁鐵馬達中，對q軸通電電流Iq之情況，q軸之磁性電路 由於定子側之磁飽和，q軸之磁束Φq1不一定會變大。因此，也無法增大Lq。再者，針對d軸之磁性電路，磁束Φd1藉由上述理論可以變小，但是因為中心突極74之寬度大，故產生如圖9所示在d軸方向橫切中心突極74之磁束Φd2。Φd2之磁路中構成中心突極74之鐵的導磁率大至1000以上，且磁性電路之空隙長度中因定子和轉子之間隙短故磁阻小，藉此d軸之磁束Φd變大。因此，不一定可以增大(Ld-Lq)之絕對值，在磁阻之最大化存在著課題。

再者，為了獲取得上述大的磁阻轉矩而存在成為逆效果的d軸之磁束Φd2，也成為引起脈動轉矩之原因，產生最大轉矩時之低轉矩漣波化成為課題。

再者，即使在上述專利文獻1、2中之任一者，針對對永久磁鐵馬達之繞線通電電流而產生磁阻轉矩之狀態下降低永久磁鐵之轉矩漣波的構成也無揭示。

本發明係在克服上述以往之永久磁鐵馬達之缺點，並使用鐵氧體磁鐵之永久磁鐵馬達中，提供可以使藉由永久磁鐵所產生的轉矩和磁阻轉矩成為最大，並使電流流通時之轉矩漣波成為最小之永久磁鐵構成。

申請專利範圍第1項之永久磁鐵為具備：永久磁鐵轉子，其係在疊層矽鋼板中收納有鐵氧體永久磁鐵的P極之埋入型永久磁鐵轉子，構成對1極配置由3個所 構成之U字狀配置的永久磁鐵，和被配置在上述U字狀配置的永久磁鐵之外周部的圓周方向長的1個外周部永久磁鐵，依此產生永久磁鐵轉矩，並且對上述1極，藉由被形成在上述U字狀配置的永久磁鐵和上述外周部磁鐵之間的2個突極，和被形成在相鄰之極的上述U字狀配置的永久磁鐵間的1個中心突極，產生磁阻轉矩；和定子，其係由分布繞組且M相之定子繞組及持有收納該定子繞組之Ns個之溝槽(slot)的疊層之定子鐵心所構成，並且，上述Ns/M/P之比成為分數，該永久磁鐵馬達之特徵為：將上述中心突極之寬度設為τcp，並將上述定子鐵心之溝槽間距設為τs時，使上述中心突極之寬度τcp較溝槽間距τs小，將被形成在上述U字狀埋設的永久磁鐵和上述外周部永久磁鐵之間的2個突極之寬度設為τbp時，使τbp之寬度較溝槽間距τs小。

申請專利範圍第2項之發明係如申請專利範圍第1項所記載之永久磁鐵馬達中，將上述中心突極之寬度τcp對溝槽間距τs，設為0.1<τcp/τs<1.0。

申請專利範圍第3項之發明係如申請專利範圍第1項所記載之永久磁鐵馬達中，將上述中心突極之寬度τcp對溝槽間距τs，0.35<τcp/τs<0.7。

申請專利範圍第4項之發明係如申請專利範圍第1項所記載之永久磁鐵馬達中， 針對1極，將含有被構成在上述U字狀埋設的永久磁鐵和上述外周部永久磁鐵之間的突極之寬度τbp和上述中心突極之寬度τcp的合計寬度τap，對溝槽間距τs，設為2.1<τap/τs<3.35。

申請專利範圍第5項之發明係如申請專利範圍第1項所記載之永久磁鐵馬達中，針對1極，將含有被構成在上述U字狀埋設的永久磁鐵和上述外周部永久磁鐵之間的突極之寬度τbp和上述中心突極之寬度τcp的合計寬度τap，對溝槽間距τs，設為2.1<τap/τs<3.35。

。

若藉由申請專利範圍第1項之發明，藉由將中心突極之寬度τcp設為較溝槽間距τs小，於最大電流通電時之最大轉矩產生時，可以使永久磁鐵轉矩和磁阻轉矩之和成為最大，並且降低轉矩之漣波。

而且，藉由將τbp、τcp之寬度設為較溝槽τs小，可以使最大電流通電時之永久磁鐵和磁阻轉矩之和成為最大，並且使轉矩之漣波率成為最少。

若藉由申請專利範圍第2項之發明，藉由將形成在相鄰之極的U字狀埋設的永久磁鐵間之中心突極之寬度τcp，對定子鐵心之溝槽間距τs，設為0.1<τcp/τs<1.0，可以使最大電流通電時之永久磁鐵和磁 阻轉矩之和成為最大，並且降低轉矩之漣波率。

若藉由申請專利範圍第3項之發明，藉由當將形成在相鄰之極的U字狀埋設的永久磁鐵間的中心突極之寬度設為τcp之時，將中心突極之寬度τcp對溝槽間距τs之值設為0.35<τcp/τs<0.7，可以使磁阻轉矩之和成為最大，並降低轉矩漣波。

若藉由申請專利範圍第4項之發明時，藉由針對1極，將含有被構成在上述U字狀埋設的永久磁鐵和被配置在U字狀埋設的永久磁鐵之外周部上且圓周方向長的永久磁鐵之間的突極之寬度τbp，和被形成在相鄰之極的U字狀埋設的永久磁鐵間之中心突極之寬度τcp的合計寬度τap，相對於溝槽τs，設為2.1<τap/τs<3.35，可以使最大電流通電時之永久磁鐵和磁阻轉矩之和成為最大，並且降低轉矩漣波。

若藉由申請專利範圍第5項之發明時，藉由將τap對τs設為2.57<τap/τs<2.84，可以使最大電流流通時之永久時鐵和磁阻轉矩之和成為最大，並且更降低轉矩漣波。

1‧‧‧永久磁鐵馬達

2‧‧‧定子

3‧‧‧轉子

4‧‧‧定子鐵心

41‧‧‧溝槽

42‧‧‧定子齒部

43‧‧‧定子鐵心背部

5‧‧‧定子繞組(定子繞組)

6‧‧‧永久磁鐵

61、62、63、64‧‧‧永久磁鐵

64‧‧‧外周部永久磁鐵

7‧‧‧轉子鐵心

71、72‧‧‧突極

73‧‧‧轉子磁路

74‧‧‧中心突極

75‧‧‧磁極片

8‧‧‧旋轉軸

9‧‧‧空隙部

10‧‧‧磁鐵保持構件

11‧‧‧定子銷

12‧‧‧端部支架

13‧‧‧端板

14‧‧‧位置檢測器

14A‧‧‧位置檢測器之定子

14B‧‧‧位置檢測器之轉子

15‧‧‧軸承

τs‧‧‧溝槽間距

τcp‧‧‧中心突極之寬度

τbp‧‧‧被形成在U字狀配置的永久磁鐵和外周部永久磁鐵之間的兩個突極之寬度

τap‧‧‧包含突極之寬度τbp和上述鄰中心突極之寬度τcp的合計寬度

圖1表示根據本發明之實施例的永久磁鐵馬達之重要部位剖面圖。

圖2表示根據本發明之實施例的永久磁鐵馬達之全體 構成圖。

圖3表示根據本發明之實施例的永久磁鐵馬達之軸方向剖面圖。

圖4為表示本發明之永久磁鐵馬達之動作說明原理圖。

圖5為表示本發明之永久磁鐵馬達之動作說明原理圖。

圖6為表示相對於根據本發明之實施例的永久磁鐵馬達之中心突極τcp和溝槽間距τs的轉矩漣波和轉矩之特性圖。

圖7為表示相對於根據本發明之實施例的永久磁鐵馬達之中心突極τcp和溝槽間距τs的轉矩漣波和轉矩之特性圖。

圖8為表示相對於根據本發明之實施例的永久磁鐵馬達之中心突極τcp和溝槽間距τs之比τcp/τs的齒槽效應轉矩之特性圖。

圖9為表示本以往例之永久磁鐵馬達之動作說明原理圖。

圖10為表示本以往例之永久磁鐵馬達之動作說明原理圖。

以下，針對本發明之實施例，根據圖面予以說明。

(實施例)

圖1表示根據本發明之一實施例的永久磁鐵馬達之重要部位剖面圖。

圖2表示根據本發明之一實施例的永久磁鐵馬達之全體構成圖。

圖3表示根據本發明之一實施例的永久磁鐵馬達之軸方向剖面圖。

圖1放大表示圖2之2極部分。圖中，僅數字部分表示零件，於數字之下方標示底線表示零件之集合體。

在圖中，永久磁鐵馬達1係由定子(固定子)2和轉子(永久磁鐵轉子)3所構成。定子2主要由定子鐵心(stator core)4和定子繞組(stator winding)5所構成。另外，轉子3係由永久磁鐵6和疊層矽鋼板之轉子鐵心7、旋轉軸(Shaft)8和抑制永久磁鐵之軸方向之移動的磁鐵保持構件10所構成。在此，定子2為藉由貫通定子鐵心4之定子銷11、端部支架(end bracket)12，被固定在兩軸端之端板13的構成。

轉子3係經軸承15而可旋轉地支撐在端板13。再者，檢測出轉子3之位置的位置檢測器之定子14A被固定在端板13，位置檢測器之轉子14B被固定在旋轉軸8之軸上，構成位置檢測器14。在此，以解析器為例表示位置檢測器14。

在定子鐵心4之內周設置有收納定子繞組5之溝槽41。在圖中，定子鐵心4係由例如0.5mm厚度之電磁疊層矽鋼板所構成，為圖示般之外周形狀，由定子銷11用之孔或收納定子繞組5之溝槽41、構成轉子3之永久磁鐵6之磁性電路的定子齒部42、定子鐵心背部43所構成。除此之外，在外周部視需要亦可使冷卻用之風扇一體成形。定子鐵心4為疊層構件，但是可以因應需要熔接其外周部，提升機械強度。

在本發明實施例中，係具有由分布繞組且M相之定子繞組5，和持有收納該定子繞組之Ns個溝槽之疊層的定子鐵心所構成之定子，和P極之轉子，並且Ns/M/P成為分數之構成的永久磁鐵馬達為對象。

在此，以2：9之構成的永久磁鐵馬達之實施例說明轉子極數P和定子溝槽數Ns之比。因此，1個之溝槽之圓周方向之寬度τs(溝槽間距)係以圖示之範圍表示，因每1極(電角180度)溝槽數為4.5個，故電角為40度。並且，如圖1所示般，溝槽41之間距和定子齒部42之間距與「τs」相同。在圖4、圖5中，以「τs」表示定子齒部42之間距。

以36之例表示定子鐵心之溝槽數Ns，以8極之例表示轉子3之極數P。再者，將永久磁鐵馬達1之定子繞線5之相數M設為一般被廣泛使用的3。即是，每極每相之溝槽數Nspp=Ns/P/M為3/2，非整數，為分數溝槽。因此，定子2之溝槽數36和轉子之極數8成為所謂 的溝槽數9和轉子之極數2之溝槽結合在圓周方向重複4次的構造。

以下，說明成為本發明實施例之對象的永久磁鐵馬達之轉子構成。轉子3係由永久磁鐵6和轉子鐵心7構成磁性電路。永久磁鐵6使用製作容易且低價格化的長方體鐵氧體磁鐵。再者，轉子鐵心與定子鐵心4相同以疊層之矽鋼板製作。

就以1極之永久磁鐵而言，係以在疊層矽鋼板內如圖示般U字狀地被埋入的3個長方體鐵氧體磁鐵61、62、63，和位在該U字狀埋設的永久磁鐵之轉子之外周側的圓周方向長的長方體之由鐵氧體所構成之外周部永久磁鐵64之4個所構成。

依此在轉子表面，構成突極71、72和中心突極74，該突極71、72係被構成在U字狀埋設的永久磁鐵(61、62、63)和被配置在U形狀永久磁鐵之轉子之外周側的圓周方向長的外周部永久磁鐵64之間，該中心突極74係被構成在相鄰之極的U字狀埋設的永久磁鐵間。

永久磁鐵之磁性電路係以該構成，形成從3個永久磁鐵61、62、63經突極71、72而通往定子之磁性電路，和經外周部永久磁鐵64而通往定子之磁性電路的兩個。

本發明實施例之永久磁鐵馬達1之特徵為以上述構成被設定成當將被構成在相鄰之極的U字狀埋設的永久磁鐵間的中心突極74之寬度設為τcp，將定子鐵心4 之溝槽41之間距設為τs之時，τcp比τs小(τcp<τs)。再者，以將形成配置在內徑側之U字狀磁鐵之一部分的永久磁鐵62，配置在較配置在半徑方向之永久磁鐵61、63更內徑側為特徵。

將表示本發明實施例之效果的動作原理圖表示於圖4、圖5。圖4表示d軸之磁性電路，圖5表示q軸之磁性電路。在此，為了使以往例與本發明實施例之差更為明確，藉由與以往例相同之4極構成來表示。

若藉由本發明實施例之構成，藉由將中心突極之寬度τcp設定成小，配置在U字狀埋設的永久磁鐵之半徑方向的永久磁鐵61、63被配置在更中心突極74，再者，永久磁鐵62可以配置在更接近於內徑之位置，可以增長永久磁鐵61、63之半徑方向長度。藉由上述構成，可以增大3個永久磁鐵61、62、63之全表面積。發電常數Ke因如上述般與永久磁鐵之殘留磁束密度Br和永久磁鐵之面積Am呈比例增加，故可以增加式1所示之永久磁鐵轉矩。依此，相對於釹磁鐵補足因鐵氧體磁鐵之殘留磁束密度低所造成之轉矩下降的效果增大。

當針對磁阻轉矩予以敘述時，於對圖4所示之d軸通電電流Id之情況，與圖9之以往例相同，d軸之磁性電路因永久磁鐵之導磁率小至1，磁鐵厚度比空隙厚，故以永久磁鐵64為首，永久磁鐵61、62、63之磁阻變大，d軸磁束Φd1變小。因此，與d軸磁束Φd1呈比例之d軸電感Ld也變小。

另外，圖9之以往例所示之在d軸方向橫切中心突極74之磁束Φd2，在本發明實施例中，由於縮窄中心突極74之寬度τcp而減少磁性電路之面積，因增加磁阻，故變小。因此，如以往例般，有不會增大d軸電感Ld之優點。依此可以降低全體之d軸電感。減少在磁阻轉矩產生具有逆效果之磁束Φd2，可增加磁阻轉矩，同時也減少在磁阻轉矩產生之永久磁鐵馬達中成為問題之轉矩脈動的主要原因。依此，可以達成低轉矩漣波化。

如圖5所示般，於對q軸通電電流Iq之時，與圖10之以往例相同，q軸之磁性電路因磁極74之鐵的導磁率大至1000以上，故可以使磁阻小，並使q軸之磁束Φq變大。因此，與q軸磁束Φq呈比例之q軸電感Lq也變大。

因中心突極74之寬度τcp窄，故磁束Φq1變小，在突極71、72間流通之磁束Φq2補足其部分，因此不會有q軸之電感Lq變小之情形。因此，全體而言有(Ld-Lq)之絕對值變大，增加磁阻轉矩，降低漣波的效果。q軸磁束(Φq1、Φq2)係平衡佳地流通中心突極74和突極71、72間之磁性電路，轉子內之部分性飽和消失，可以達成轉矩增加、低轉矩漣波化。

併用藉由永久磁鐵所產生之轉矩，磁阻轉矩的永久磁鐵馬達之轉矩雖然在上述式1記載，但若藉由上述本發明實施例之構成，因藉由永久磁鐵之表面積增加可以增大發電常數ke，故有增加式1之第1項的永久磁鐵 轉矩之效果。再者，若藉由上述構成，由於飽和等q軸之電感Lq不一定會變大，但是關於d軸之電感Ld，由於配置在U字狀埋設的永久磁鐵之外周部的圓周方向長之外周部永久磁鐵64所產生的磁性電路的分斷、藉由中心突極寬度τcp之短縮所產生的磁束Φd2之減少，可以降低，依此可以增大磁阻轉矩。

並且，當增大2個突極71、72之寬度τbp時，產生如磁束Φd2般藉由定子繞組所產生之磁束再轉子突極環行的磁束，有對轉矩產生反效果之虞。在本發明實施例中，藉由寬度τbp也小於定子鐵心之溝槽間距τs，有提升磁阻轉矩之效果。

如上述般，使所構成之突極71、72之寬度τbp及中心突極74之寬度τcp成為小於溝槽間距τs之構成，於對定子繞組流通電流之時，可以縮小在轉子內循環之磁束。該除了上述的增加轉矩、降低轉矩漣波之外，也有可以縮小定子繞組之洩漏電感，也有提升永久磁鐵馬達之力率的效果。提升力率可以有助於降低電源電容、提升輸出。

返回至圖1、圖2，在本發明實施例之轉子構成中，除了上述說明之構成外，如圖示般在轉子之各永久磁鐵之兩端構成短路防止之空隙9，或構成轉子之磁路的轉子磁路73和磁極片75(永久磁鐵64和轉子外周之間的磁極)。再者，轉子磁路73和內周側之轉子鐵心間，或突極71、74間或72、74間等構成以細的矽鋼板連接的橋 部。

圖1中配合9溝槽、2極構成之繞組配置而予以表示。在此，U、V、W表示屬於各相之繞組。在此，附加的+記號表示電流從紙張之背面流至表面之方向，-記號表示其相反之繞組方向。在無圖示之溝槽3次重複配置圖示之9溝槽份，該些亦可以串聯連接而以一個逆變器驅動。在大輸出之馬達中，亦採用以一台逆變器驅動9溝槽份之3相繞組，剩下的藉由其他3台逆變器驅動之方式。

以下表示上述2極、9溝槽構成之分數溝槽的優點。

由於屬於一個相的各定子繞組之轉子相對於極的相位各自不同，故有相對於基本波之繞線係數的值不會降低太多，且可以有效果地縮小高諧波之影響的優點。此對馬達而言可以提供轉矩漣波少的永久磁鐵馬達。在大多採用本發明實施例之磁阻轉矩的永久磁鐵馬達之構成中，分數溝槽構成之上述優點，因減輕由於採用磁阻轉矩所導致的轉矩脈動增加，故為不可欠缺的技術。藉由採用分數溝槽，可降低轉矩漣波至實用水準。依此，無須採用用以降低轉矩漣波之偏斜等的構成，可以減少製造工時。再者，比起以整數溝槽，施予偏斜的馬達，有可以增加轉矩的優點。

另外，以上之極數、溝槽數之組合，如上述般對磁阻轉矩活用之永久磁鐵馬達，也有降低轉矩漣波增加的可能性，但是相對於Nspp成為整數之一般之整數溝 槽，繞組配置不同之部分，必須考慮降低由不同高諧波之繞組磁動勢所形成之轉矩漣波。

進行上述構成中，使用最大轉矩4kNm、最大輸出120kW級、構造為外形Φ400、定子鐵心軸長400mm之本發明實施例對象的長方體之鐵氧體磁鐵的永久磁鐵馬達之轉矩和轉矩漣波的模擬解析。

其結果為：圖6表示相對於永久磁鐵馬達之中心突極寬度τcp和溝槽間距τs之比的轉矩漣波tpp和轉矩tav。

圖7表示相對於永久磁鐵馬達之突極寬度τap和溝槽間距τs之比的轉矩漣波tpp和轉矩tav。

圖8表示相對於永久磁鐵之中心突極寬度τcp和溝槽間距τs之比τcp/τs的齒槽效應轉矩tcog。在圖8中，縱軸之一的轉矩tav係除以在解析內為最大之值使成為無因次化而加以表示。縱軸之另一個的轉矩漣波tpp係將轉矩漣波之最大和最小之差除以轉矩之平均值而以%表示者。齒槽效應轉矩tcog也以相對於最大的比率表示。

解析對象係空隙部中之馬達設計之指標的安培接觸器(空隙面之每單位圓周方向長度的繞組和電流之積)到達最大電流(最大轉矩)時1500A/cm，轉矩/體積為相當於100Nm/l(公升)之大轉矩產生的永久磁鐵馬達。

於設計馬達時，考慮到各種參數對轉矩、轉矩漣波造成影響。在本發明實施例中，尤其注目於使用磁束密度低的鐵氧體磁體，並且必須充分運用磁阻轉矩的永 久磁鐵馬達中，中心突極寬度τcp對轉矩及轉矩漣波造成大的影響。圖6表示相對於永久磁鐵馬達之中心突極寬度τcp和溝槽間距τs之比的轉矩漣波和轉矩。相對於圖6中之τcp/τs的轉矩漣波之變化，如圖示般，藉由縮小τcp/τs，表示轉矩增加之結果，證明圖4、圖5所示之本發明實施例之原理正確。

圖6中，表示以往例中τcp/τs為1.5，對此在本發明實施例中，藉由將τcp/τs設為1以下，轉矩tav可以大大提高。再者，發現藉由被形成在相鄰之極的U字狀磁鐵間的中心突極之寬度τcp對定子鐵心之溝槽間距τs，選擇成0.1<τcp/τs<1.0，可以同時達成大轉矩和低轉矩漣波。

並且，圖6中，至於轉矩漣波tpp，發現尤其藉由將τcp/τs設成0.35至0.7之範圍，可以將轉矩漣波抑制在10%以下，亦能獲取大的轉矩tav。

如此一來，在本發明實施例中，藉由縮小中心突極74之寬度τcp，可以同時達成大轉矩和低轉矩漣波。

接著，注目於中心突極τcp，和形成在為產生磁阻轉矩之主角的U字狀埋設的磁鐵61、62、63，和被配置在其外周部於圓周方向持有長度的外周部永久磁鐵64之間的突極71、72，和形成在相鄰之極的U字狀埋設的磁鐵61、63之間的中心突極74所構成之全體突極寬度τap對轉矩及轉矩漣波造成大的影響。

上述解析實際上藉由改變永久磁鐵64之轉子之圓周方向長度而算出。其結果，可知相對於τap/τs存在可以增大平均轉矩tav之最佳的τap/τs之範圍。再者，可知在與給予上述最大平均轉矩的τap/τs不同之點存在有轉矩漣波成為最少之點。

如圖7所示般，平均轉矩tav變大之τap/τs為2.1<τap/τs<3.35。在該區間中可以產生平均轉矩tav高於在圖6中於τcp/τs之區間出現的平均轉矩之轉矩。並且，在圖7之解析之結果中，可知尤其在τap/τs為2.74之點中，轉矩漣波成為最小。在此，成為最小之轉矩漣波可以降低至7%。實用上，轉矩漣波10%以下能適用，為了確保轉矩漣波10%，以上述2.74為中心設為2.57<τap/τs<2.84之條件為最佳範圍。

在上述各區域中，成為最大轉矩之點和轉矩漣波成為最小之點些許不同，但是在該範圍中，相對於轉矩之敏感度比較低，可以優先於轉矩漣波最小化之範圍而特定成馬達特性之最佳範圍。

在成為本發明實施例之對象的永久磁鐵型磁阻馬達中，磁鐵寬度(磁極片75之轉子外周寬度)/磁極間距具有最佳值，從輸出轉矩之觀點來看以磁鐵寬度和磁阻磁極寬度之平衡為佳，即是指可以最大化。即是，若增大磁鐵，雖然磁鐵轉矩增加，但是磁阻轉矩減少，若縮小磁鐵，磁鐵轉矩雖然幾少，但磁阻轉矩增加。該雖與溝槽間距無關係，但藉由上述τcp/τs之選擇，成為給予最大轉矩 之磁鐵寬度/磁極間距的選擇。

以上之結果範圍為突極71、72之寬度τbp小於定子鐵心之溝槽間距τs的範圍，產生如磁束Φd2般藉由定子繞組所產生之磁束遮斷環形轉子突極之磁束的效果，在提升轉矩、降低轉矩漣波上具有效果。

在專利文獻1所記載之永久磁鐵馬達中，中心突極之寬度為至少1極之圓周方向寬度之約1/3以上，若改成2極9溝槽構成，僅揭示2溝槽間距以上。圖7之結果，表示在上述以往構成中，產生轉矩下降。

藉由本發明實施例之構成，藉由以增大永久磁鐵之面積使永久磁鐵轉矩最大化，和被成在表面之3個突極之寬度最適化，可以抑制由於上述中心突極所造成的d軸電感增加，並且藉由產生3個突極寬度之平衡佳的磁阻轉矩，可以達成產生轉矩之最大化，轉矩漣波之最少化。

圖8表示相對於永久磁鐵之中心突極寬度τcp和溝槽間距τs之比τcp/τs的齒槽效應轉矩tcog。齒槽效應轉矩為對低速時之定位精度或噪音等產生影響的指標。可知藉由轉子磁極和溝槽數之比為2：9之構成，對將永久磁鐵配置成圖1般之構成中的齒槽效應轉矩造成影響。齒槽效應轉矩為不使電流流通於定子繞線之時所引起之轉矩漣波，如本構成般，在轉子磁極和溝槽數之比為2：9之構成中，每1磁極對持有兩者之最小公倍數的18次脈動循環。

該齒槽效應之大小對藉由永久磁鐵61、62、63所包圍之轉子之磁極寬度(突極71和突極72和磁極片75之和)產生大的影響，並且一般而言，藉由組合特殊之上述分數溝槽之定子溝槽數，表示特殊之產生型態。藉由圖8之結果，發現於τcp/τs為0或0.45之點時，表示具有極小值之特性。藉由選定上述之比，可以使齒槽效應轉矩成為最小化。發現尤其在τcp/τs為0.45之時，如圖示般縮小脈動轉矩(轉矩漣波)，可以增大轉矩，並且也可以縮小齒槽效應轉矩。此點若以上述極寬和永久磁鐵之間距之比表示時，在τcp/τs=0之點為0.7，在τcp/τs=0.45之點為0.65。若藉由上述構成，可以構成齒槽效應小之永久磁鐵馬達。

1‧‧‧永久磁鐵馬達

2‧‧‧定子

3‧‧‧轉子

4‧‧‧定子鐵心

41‧‧‧溝槽

42‧‧‧定子齒部

43‧‧‧定子鐵心背部

5‧‧‧定子繞組(定子繞組)

61、62、63、64‧‧‧永久磁鐵

61、62、63‧‧‧U字狀永久磁鐵

64‧‧‧外周部永久磁鐵

7‧‧‧轉子鐵心

71、72‧‧‧突極

73‧‧‧轉子磁路

74‧‧‧中心突極

75‧‧‧磁極片

8‧‧‧旋轉軸

9‧‧‧空隙部

11‧‧‧定子銷

τs‧‧‧溝槽間距

τcp‧‧‧中心突極之寬度

τbp‧‧‧被形成在U字狀永久磁鐵和外周部永久磁鐵之間的兩個突極之寬度

τap‧‧‧包含突極之寬度τbp和上述鄰中心突極之寬度τcp的合計寬度

Claims (5)

1. 一種永久磁鐵馬達，其構成具備：永久磁鐵轉子，其係在疊層矽鋼板中收納有鐵氧體永久磁鐵的P極之埋入型永久磁鐵轉子，構成對1極配置由3個所構成之U字狀埋設的永久磁鐵，和被配置在上述U字狀埋設的永久磁鐵之外周部的圓周方向長的1個外周部永久磁鐵，依此產生永久磁鐵轉矩，並且對上述1極，藉由被形成在上述U字狀埋設的永久磁鐵和上述外周部永久磁鐵之間的2個突極，和被形成在相鄰之極的上述U字狀埋設的永久磁鐵間的1個中心突極，產生磁阻轉矩；和定子，其係由分布繞組且M相之定子繞組及持有收納該定子繞組之Ns個之溝槽(slot)的疊層之定子鐵心所構成，並且，上述Ns/M/P之比成為分數，該永久磁鐵馬達之特徵為：將上述中心突極之寬度設為τcp，並將上述定子鐵心之溝槽間距設為τs時，使上述中心突極之寬度τcp較溝槽間距τs小，並且，將被形成在上述U字狀埋設的永久磁鐵和上述外周部永久磁鐵之間的2個突極之寬度設為τbp時，使τbp之寬度較溝槽間距τs小。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之永久磁鐵馬達，其中將上述中心突極之寬度τcp對溝槽間距τs，設為0.1<τcp/τs<1.0。
3. 如申請專利範圍第1項所記載之永久磁鐵馬達，其中將上述中心突極之寬度τcp對溝槽間距τs，設為0.35<τcp/τs<0.7。
4. 如申請專利範圍第1項所記載之永久磁鐵馬達，其中針對1極，將含有被構成在上述U字狀埋設的永久磁鐵和上述外周部永久磁鐵之間的突極之寬度τbp和上述中心突極之寬度τcp的合計寬度τap，對溝槽間距τs，設為2.1<τap/τs<3.35。
5. 如申請專利範圍第1項所記載之永久磁鐵馬達，其中針對1極，將含有被構成在上述U字狀埋設的永久磁鐵和上述外周部永久磁鐵之間的突極之寬度τbp和上述中心突極之寬度τcp的合計寬度τap，設為2.57<τap/τs<2.84。