永久磁鐵型轉動電機和使用永久磁鐵型轉動電機的發電系統和驅動系統的製作方法

2023-05-29 05:56:06 2

專利名稱：永久磁鐵型轉動電機和使用永久磁鐵型轉動電機的發電系統和驅動系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及改進的永久磁鐵型轉動電機和使用該改進永久磁鐵型轉動電機的系統。
日本公開專利申請第平06-189481(JP A 06-189481)號公開了，用形成在磁鐵插孔外圓周上的多個狹長切口改善構成電樞鐵心的薄鋼板的衝壓工作和減小圓周上的磁漏。日本公開專利申請第平11-252840(JPA 11-252840)號公開了，用轉子外圓周與埋置磁鐵之間的狹槽生成磁阻，從而防止水平軸線上出現磁通。但是，這兩個專利申請沒有對定子一側的布線作出任何說明。
定子繞組以分布卷繞方法形成在定子上的一種永久磁鐵型轉動電機見日本公開專利申請第平05-103453(JP A 05-103453)號。按照該專利申請，在一凸極型無刷直流電動機中，用與該凸極的60°和120°電角對應位置上的孔消除去該永久磁鐵型轉動電機的齒槽效應轉矩。此外，日本公開專利申請第平09-163647(JP A 09-163647)、平10-178751(JPA 10-178751)、平10-285845(JP A 10-285845)和平10-285851(JP A10-285851)號公開了，在定子繞組以分布卷繞方法形成在定子上的一種永久磁鐵型轉動電機中，轉子的外圓周和永久磁鐵之間有一狹長切口或狹長部。

發明內容
本發明要解決的問題當現有轉動電機使用在驅動系統或發電系統中時，仍存在降低振動和噪聲、提高效率的問題。
本發明的一個目的是提供一種能降低振動和噪聲、提高效率的永久磁鐵型轉動電機和一種使用該電機的系統。
解決問題的方法在驅動系統中，轉動電機會發出很大振動噪聲，性能下降。發電系統有發熱、效率低下、性能差等問題。這些問題被認為是由永久磁鐵型轉動電機中感應電壓的波形畸變率過大造成的。因此，諧波電流流入轉動電機，造成轉矩波動、振動和噪聲增加，效率和性能下降。
本發明涉及一種永久磁鐵型轉動電機，該電機包括一個定子，定子鐵心的齒上有集中繞組，以及一個轉子，該轉子中埋置有永久磁鐵；該轉動電機的一個特徵在於該轉子每一磁極在構成該磁極的永久磁鐵與轉子外表面之間的橋上有兩個延伸在軸向上的磁阻(fluxbarrier)，這兩個磁阻位於把該永久磁鐵分成三部分的位置上，並且兩端部的每一端部與中央部的比例為1比2或以上。這些磁阻最好由等距分布在轉子整個外圓周上的凹槽和孔構成。
在這種情況下，如設t＝C1.h，其中，「t」(mm)為構成所述磁阻的凹槽或孔的高度，「h」(mm)為所述橋的厚度，則高度係數C1最好取0.2≤C1≤0.6。如設W2＝C2.Wt，其中，W2(mm)為相鄰槽或孔的磁阻之間的寬度，Wt(mm)為所述定子鐵心的齒寬，則寬度係數C2最好取0.5≤C2≤1.2。
磁阻的這一布置造成磁極的橋上的局部磁飽和，磁路被分成三部分，中央的一個大磁路和兩邊的兩個小磁路。因此，轉子的表面磁通密度的波形更接近正弦波，從而感應電壓波形的畸變減小。
把這一轉動電機用於發電系統或驅動系統可生成、供應高質量的電力和減小驅動力的振動和噪聲。
圖2為示出

圖1中定子齒12與轉子20之間的關係的放大圖。從轉軸22中心X發出的直線201-208分別表示0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°電角。箭頭210-214表示磁路。形成在橋25的永久磁鐵24一側的凹槽26等距分布在45°、135°、225°和315°電角處。
按照本發明，在包括定子鐵心11的齒上有集中繞組的一定子10和其中埋置有永久磁鐵24的一個轉子20的一個永久磁鐵型轉動電機中，轉子20每一磁極在永久磁鐵24與轉子20外表面之間的橋25上有兩用作磁阻的軸向凹槽26，確保這些凹槽以90°電角、W2距離(圖4)等距分布在轉子20的整個外圓周上。
這些磁阻的存在造成橋上局部磁飽和。當磁路如箭頭210-214所示劃分時，轉子20的表面磁通密度分布的波形接近正弦波，結果感應電壓波形的畸變率減小。換句話說，磁極中央的磁路211和214的寬度為兩邊上的磁路210、212、213和215的寬度的兩倍。因此，這些磁極生成的磁通密度的波形接近正弦波。
但是，如磁阻不等距分布在轉子20整個圓周上，如轉子每一磁極有兩軸向磁阻，這兩個磁阻的位置把永久磁鐵24或磁極的寬度分成如下三部分，兩端部分的每一部分與中央部分的比例為1比2或以上，則磁通密度的波形也可接近正弦波。如在上述實施例中那樣，按照本發明人所作實驗，當磁阻等距分布在轉子的整個圓周上時，可進一步減小齒槽效應轉矩。
圖3為表明圖1實施例的效應的感應電壓波形。(圖中)橫軸表示轉子位置(用機械角表示)，縱軸表示感應電壓值。該圖示出圖1實施例中有凹槽26時的感應電壓波形31和無凹槽26時感應電壓波形32。感應電壓波形的畸變率R(％)表示為當把感應電壓波形展開成傅立葉級數、N°頻率分量表示為f(N)時，rms 2°-N°頻率分量的總和相對rms基波頻率分量的百分比。使用圖3結果計算感應電壓波形的畸變率R。感應電壓波形32的畸變率R為11.1％，而該實施例的感應電壓波形的畸變率R為7.62％。這表明由於有用作磁阻的凹槽26畸變率R下降到約2/3。
圖4為圖1實施例的定子齒2和永久磁鐵插孔23的放大圖。在圖4中，如使用橋25的厚度「h」把凹槽26的高度表示為t＝C1·h，則凹槽高度係數C1取0.2≤C1≤0.6。如使用該橋上兩凹槽26之間的寬度W2(mm)和定子鐵心齒12的寬度Wt(mm)把凹槽26的寬度W1(mm)表示為W2＝C2.Wt，則凹槽寬度係數C2取0.5≤C2≤1.2。在一實施例中，各尺寸如下齒12的寬度Wt為9mm，凹槽26的寬度W1為1mm，凹槽26之間的間距W2為8mm，磁鐵插孔23在凹槽26外部的寬度W3為1.2mm，橋厚h為1mm，凹槽26的高度t為0.5mm。該例中，凹槽26寬度W1可採取的最大值W1max為2mm，最小值W1min為0.6mm。這樣，由凹槽26劃分的中央磁路的寬度W2大於兩邊上磁路的寬度W3的兩倍。
下面結合圖5和6說明為何凹槽高度係數C1和凹槽寬度係數C2取上述數值。
圖5曲線圖示出波形畸變率R與凹槽高度之間的關係。縱軸表示波形畸變率R，橫軸表示凹槽高度係數C1。曲線51示出感應電壓波形畸變率R隨凹槽26的高度變化而發生的變化。當凹槽高度係數C1為0.2時畸變率R達到其最小值7.39。該值為感應電壓波形32的畸變率R＝11.1％的2/3。畸變率R隨凹槽高度係數C1的增加而增加，當凹槽高度係數C1為0.8時達到其最大值13.3％。該值大於感應電壓波形32的畸變率。這表明最好是0.2≤C1≤0.6。並且0.2≤C1≤0.4時畸變率最小。
圖6曲線圖示出本發明第一實施例的波形畸變率R與凹槽寬度之間的關係。縱軸表示波形畸變率R，橫軸表示凹槽寬度係數C2。曲線61表示感應電壓波形畸變率R隨凹槽26的寬度W1變化而發生的變化。當凹槽寬度係數C2為0.5≤C2≤1.2時，畸變率R小於感應電壓波形32的畸變率R＝11.1％。由於在此範圍外畸變率增大，因此最好保持0.5≤C2≤1.2。此外，0.9≤C2≤1.1時畸變率最小。
圖7示出凹槽26的變型。圖7(a)為圖1、2和4所示長方形凹槽261，圖7(b)為梯形凹槽262，圖7(c)為弧形凹槽263。它們用作磁阻的功能不變。
圖8為本發明第二實施例的永久磁鐵型轉動電機的與轉軸垂直的剖面圖。在該圖中，與圖1中相同的部件用同一標號表示，不再贅述。與圖1的不同之處在於，在永久磁鐵插孔23與轉子表面之間橋25上45°和135°電角處形成軸向孔81。
圖9示出圖8第二實施例中感應電壓波形。縱軸表示感應電壓，橫軸表示(用機械角表示的)轉子位置。該圖示出圖8實施例有孔81時的感應電壓波形91和無孔81時的感應電壓波形92(與圖3中32相同)。用該結果計算感應電壓波形的畸變率R。因此，感應電壓波形91的畸變率R為8.09％，表明橋25上有孔81時感應電壓波形的畸變率R減小。
由於上述原因，孔81使得橋25上局部磁飽和，轉子20的表面磁通密度分布呈正弦波波形，結果感應電壓波形的畸變率下降。
圖10為本發明第三實施例的永久磁鐵型轉動電機的與轉軸垂直的剖面圖。在該圖中，與圖8中相同的部件用同一標號表示，不再贅述。該圖示出使用直線型永久磁鐵的3相、8極、12槽永久磁鐵型轉動電機。與圖8的不同之處在於，8個直線永久磁鐵102從軸向插入轉子鐵心21中衝壓而成的永久磁鐵插孔23中，因而N極與S極的位置交錯，與圖8一樣，橋上有用作磁阻的孔103。
圖11示出圖10第三實施例中的感應電壓波形。縱軸表示感應電壓值，橫軸表示轉子位置(用機械角表示)。該圖示出圖10實施例中有凹槽103時的感應電壓波形111和無凹槽103時感應電壓波形112。用該結果計算感應電壓波形的畸變率R。因此，感應電壓波形111的畸變率為6.53％，而感應電壓波形112的畸變率為10.11％。這表明即使在直線型永久磁鐵102的情況下，橋25上有孔103造成畸變率下降到約3/5。
因此，在第三實施例中，孔103使得橋25上局部磁飽和，轉子20的表面磁通密度分布呈正弦波波形，結果感應電壓波形的畸變率下降。
圖12為簡示出使用本發明永久磁鐵型轉動電機的一發電系統的結構的方框圖。該發電系統120有一發電機123，該發電機包括第一到第三實施例所示任一永久磁鐵型轉動電機，在該發電系統中，該永久磁鐵型轉動電機經一轉軸122與一驅動源121連接。它由經3相電力線124與該永久磁鐵型轉動電機連接的一個電力轉換器125和經3相或單相電力線126與電力轉換器125連接的一個輸出端127構成。輸出端127與用電系統之間的連接使得電力從該發電系統120輸送給用電系統。這一布置減小了感應電壓波形的畸變率，從而減小流入轉動電機123中的諧波電流。因此，由於損耗的減少，可得到高效率的發電系統。
圖13為簡示出使用本發明永久磁鐵型轉動電機的一驅動系統的結構的方框圖。在該圖中，該系統有經單相或3相電力線132與電源131連接的一個電力轉換器133。該系統還有一電動機135，該電動機包括第一到第三實施例所示任一永久磁鐵型轉動電機，在該系統中，該永久磁鐵型轉動電機經一3相電力線134與該電力轉換器133連接。該圖示出該驅動系統能驅動一與永久磁鐵型轉動電機135的轉軸136連接的轉動負載137。這一結構減小了流入轉動電機135中的諧波電流，由於損耗減少提供一高效發電系統。
本發明提供一種能減小感應電壓波形的畸變率、從而振動和噪聲降低、效率提高的永久磁鐵型轉動電機。進而，使用這一電機可獲得高效發電系統或振動/噪聲降低的驅動系統。
權利要求
1.一種永久磁鐵型轉動電機，包括一個定子，定子鐵心的齒上有集中繞組，以及一個轉子，該轉子中埋置有永久磁鐵；所述永久磁鐵型轉動電機的特徵在於該轉子每一個磁極在構成一個磁極的所述永久磁鐵與所述轉子外表面之間的橋上有兩個在軸向上延伸的磁阻，這兩個磁阻位於把所述永久磁鐵的寬度分成三部分的位置上，使得兩端部中的每一端部與中央部的比例為1比2或以上。
2.一種永久磁鐵型轉動電機，包括一個定子，定子鐵心的齒上有集中繞組，以及一個轉子，該轉子中埋置有永久磁鐵；所述永久磁鐵型轉動電機的特徵在於該轉子每一個磁極在構成一個磁極的所述永久磁鐵與所述轉子外表面之間的橋上有兩個在軸向上延伸的磁阻，使得所述磁極的寬度被分成三部分，從而兩端部的每一端部與中央部的比例為1比2或以上。
3.一種永久磁鐵型轉動電機，包括一個定子，定子鐵心的齒上有集中繞組，以及一個轉子，該轉子中埋置有永久磁鐵；所述永久磁鐵型轉動電機的特徵在於該轉子每一個磁極在所述永久磁鐵與所述轉子外表面之間的橋上有兩個在軸向上延伸的磁阻，這些磁阻等距間隔分布在轉子的整個外圓周上。
4.按權利要求1至3中的任何一個所述的永久磁鐵型轉動電機，其特徵還在於所述磁阻為一個與轉子鐵心中用來插入所述永久磁鐵的磁鐵插入孔連接的凹槽。
5.按權利要求4所述的永久磁鐵型轉動電機，其特徵還在於所述凹槽呈長方形、梯形或半圓形。
6.按權利要求1至3中任何一項權利要求所述的永久磁鐵型轉動電機，其特徵在於所述磁阻為所述橋的鐵心中的一個孔。
7.按權利要求1至3中任何一項權利要求所述的永久磁鐵型轉動電機，其特徵在於設t＝C1.h，其中，「t」(mm)為作為凹槽或孔的所述磁阻的高度，「h」(mm)為所述橋的厚度，則高度係數C1取0.2≤C1≤0.6。
8.按權利要求1至3中任何一項權利要求所述的永久磁鐵型轉動電機，其特徵在於設W2＝C2.Wt，其中，W2(mm)為相鄰凹槽或孔的磁阻之間的寬度，Wt(mm)為所述定子鐵心的齒寬，則凹槽寬度係數C2取0.5≤C2≤1.2。
9.一種發電系統，包括一個驅動源，一個按權利要求1至3中任何一項權利要求所述的永久磁鐵型轉動電機，以及一個把由所述永久磁鐵型轉動電機產生的交流電轉換成其他形式的電力的電力轉換器。
10.一種驅動系統，包括一個電源，一個轉換所述電源電力的電力轉換器，一個按權利要求1至3中任何一項權利要求所述的永久磁鐵型轉動電機，以及一個與所述永久磁鐵型轉動電機連接的轉動負載。
全文摘要
一種能降低振動和噪聲或提高效率的永久磁鐵型轉動電機。在包括裝有集中繞組的一個定子10和其鐵心21中埋置有永久磁鐵24的一個轉子的一個永久磁鐵型轉動電機中,每一磁極在永久磁鐵插孔23與轉子20的外表面之間的鐵心的橋25上有兩個軸向凹槽或孔(磁阻),這些磁阻等距分布在轉子20的整個圓周上,從而改善感應電壓波形。
文檔編號H02K29/03GK1379528SQ0210544
公開日2002年11月13日 申請日期2002年4月4日 優先權日2001年4月5日
發明者木村守, 小原木春雄, 三上浩幸, 高橋身佳 申請人:株式會社日立製作所