专利名称：永久磁铁型转动电机和使用永久磁铁型转动电机的发电系统和驱动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及改进的永久磁铁型转动电机和使用该改进永久磁铁型转动电机的系统。
日本公开专利申请第平06-189481(JP A 06-189481)号公开了，用形成在磁铁插孔外圆周上的多个狭长切口改善构成电枢铁心的薄钢板的冲压工作和减小圆周上的磁漏。日本公开专利申请第平11-252840(JPA 11-252840)号公开了，用转子外圆周与埋置磁铁之间的狭槽生成磁阻，从而防止水平轴线上出现磁通。但是，这两个专利申请没有对定子一侧的布线作出任何说明。
定子绕组以分布卷绕方法形成在定子上的一种永久磁铁型转动电机见日本公开专利申请第平05-103453(JP A 05-103453)号。按照该专利申请，在一凸极型无刷直流电动机中，用与该凸极的60°和120°电角对应位置上的孔消除去该永久磁铁型转动电机的齿槽效应转矩。此外，日本公开专利申请第平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)号公开了，在定子绕组以分布卷绕方法形成在定子上的一种永久磁铁型转动电机中，转子的外圆周和永久磁铁之间有一狭长切口或狭长部。
发明内容
本发明要解决的问题当现有转动电机使用在驱动系统或发电系统中时，仍存在降低振动和噪声、提高效率的问题。
本发明的一个目的是提供一种能降低振动和噪声、提高效率的永久磁铁型转动电机和一种使用该电机的系统。
解决问题的方法在驱动系统中，转动电机会发出很大振动噪声，性能下降。发电系统有发热、效率低下、性能差等问题。这些问题被认为是由永久磁铁型转动电机中感应电压的波形畸变率过大造成的。因此，谐波电流流入转动电机，造成转矩波动、振动和噪声增加，效率和性能下降。
本发明涉及一种永久磁铁型转动电机，该电机包括一个定子，定子铁心的齿上有集中绕组，以及一个转子，该转子中埋置有永久磁铁；该转动电机的一个特征在于该转子每一磁极在构成该磁极的永久磁铁与转子外表面之间的桥上有两个延伸在轴向上的磁阻(fluxbarrier)，这两个磁阻位于把该永久磁铁分成三部分的位置上，并且两端部的每一端部与中央部的比例为1比2或以上。这些磁阻最好由等距分布在转子整个外圆周上的凹槽和孔构成。
在这种情况下，如设t＝C1.h，其中，“t”(mm)为构成所述磁阻的凹槽或孔的高度，“h”(mm)为所述桥的厚度，则高度系数C1最好取0.2≤C1≤0.6。如设W2＝C2.Wt，其中，W2(mm)为相邻槽或孔的磁阻之间的宽度，Wt(mm)为所述定子铁心的齿宽，则宽度系数C2最好取0.5≤C2≤1.2。
磁阻的这一布置造成磁极的桥上的局部磁饱和，磁路被分成三部分，中央的一个大磁路和两边的两个小磁路。因此，转子的表面磁通密度的波形更接近正弦波，从而感应电压波形的畸变减小。
把这一转动电机用于发电系统或驱动系统可生成、供应高质量的电力和减小驱动力的振动和噪声。
图2为示出
图1中定子齿12与转子20之间的关系的放大图。从转轴22中心X发出的直线201-208分别表示0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°电角。箭头210-214表示磁路。形成在桥25的永久磁铁24一侧的凹槽26等距分布在45°、135°、225°和315°电角处。
按照本发明，在包括定子铁心11的齿上有集中绕组的一定子10和其中埋置有永久磁铁24的一个转子20的一个永久磁铁型转动电机中，转子20每一磁极在永久磁铁24与转子20外表面之间的桥25上有两用作磁阻的轴向凹槽26，确保这些凹槽以90°电角、W2距离(图4)等距分布在转子20的整个外圆周上。
这些磁阻的存在造成桥上局部磁饱和。当磁路如箭头210-214所示划分时，转子20的表面磁通密度分布的波形接近正弦波，结果感应电压波形的畸变率减小。换句话说，磁极中央的磁路211和214的宽度为两边上的磁路210、212、213和215的宽度的两倍。因此，这些磁极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转子20整个圆周上，如转子每一磁极有两轴向磁阻，这两个磁阻的位置把永久磁铁24或磁极的宽度分成如下三部分，两端部分的每一部分与中央部分的比例为1比2或以上，则磁通密度的波形也可接近正弦波。如在上述实施例中那样，按照本发明人所作实验，当磁阻等距分布在转子的整个圆周上时，可进一步减小齿槽效应转矩。
图3为表明图1实施例的效应的感应电压波形。(图中)横轴表示转子位置(用机械角表示)，纵轴表示感应电压值。该图示出图1实施例中有凹槽26时的感应电压波形31和无凹槽26时感应电压波形32。感应电压波形的畸变率R(％)表示为当把感应电压波形展开成傅立叶级数、N°频率分量表示为f(N)时，rms 2°-N°频率分量的总和相对rms基波频率分量的百分比。使用图3结果计算感应电压波形的畸变率R。感应电压波形32的畸变率R为11.1％，而该实施例的感应电压波形的畸变率R为7.62％。这表明由于有用作磁阻的凹槽26畸变率R下降到约2/3。
图4为图1实施例的定子齿2和永久磁铁插孔23的放大图。在图4中，如使用桥25的厚度“h”把凹槽26的高度表示为t＝C1·h，则凹槽高度系数C1取0.2≤C1≤0.6。如使用该桥上两凹槽26之间的宽度W2(mm)和定子铁心齿12的宽度Wt(mm)把凹槽26的宽度W1(mm)表示为W2＝C2.Wt，则凹槽宽度系数C2取0.5≤C2≤1.2。在一实施例中，各尺寸如下齿12的宽度Wt为9mm，凹槽26的宽度W1为1mm，凹槽26之间的间距W2为8mm，磁铁插孔23在凹槽26外部的宽度W3为1.2mm，桥厚h为1mm，凹槽26的高度t为0.5mm。该例中，凹槽26宽度W1可采取的最大值W1max为2mm，最小值W1min为0.6mm。这样，由凹槽26划分的中央磁路的宽度W2大于两边上磁路的宽度W3的两倍。
下面结合图5和6说明为何凹槽高度系数C1和凹槽宽度系数C2取上述数值。
图5曲线图示出波形畸变率R与凹槽高度之间的关系。纵轴表示波形畸变率R，横轴表示凹槽高度系数C1。曲线51示出感应电压波形畸变率R随凹槽26的高度变化而发生的变化。当凹槽高度系数C1为0.2时畸变率R达到其最小值7.39。该值为感应电压波形32的畸变率R＝11.1％的2/3。畸变率R随凹槽高度系数C1的增加而增加，当凹槽高度系数C1为0.8时达到其最大值13.3％。该值大于感应电压波形32的畸变率。这表明最好是0.2≤C1≤0.6。并且0.2≤C1≤0.4时畸变率最小。
图6曲线图示出本发明第一实施例的波形畸变率R与凹槽宽度之间的关系。纵轴表示波形畸变率R，横轴表示凹槽宽度系数C2。曲线61表示感应电压波形畸变率R随凹槽26的宽度W1变化而发生的变化。当凹槽宽度系数C2为0.5≤C2≤1.2时，畸变率R小于感应电压波形32的畸变率R＝11.1％。由于在此范围外畸变率增大，因此最好保持0.5≤C2≤1.2。此外，0.9≤C2≤1.1时畸变率最小。
图7示出凹槽26的变型。图7(a)为图1、2和4所示长方形凹槽261，图7(b)为梯形凹槽262，图7(c)为弧形凹槽263。它们用作磁阻的功能不变。
图8为本发明第二实施例的永久磁铁型转动电机的与转轴垂直的剖面图。在该图中，与图1中相同的部件用同一标号表示，不再赘述。与图1的不同之处在于，在永久磁铁插孔23与转子表面之间桥25上45°和135°电角处形成轴向孔81。
图9示出图8第二实施例中感应电压波形。纵轴表示感应电压，横轴表示(用机械角表示的)转子位置。该图示出图8实施例有孔81时的感应电压波形91和无孔81时的感应电压波形92(与图3中32相同)。用该结果计算感应电压波形的畸变率R。因此，感应电压波形91的畸变率R为8.09％，表明桥25上有孔81时感应电压波形的畸变率R减小。
由于上述原因，孔81使得桥25上局部磁饱和，转子20的表面磁通密度分布呈正弦波波形，结果感应电压波形的畸变率下降。
图10为本发明第三实施例的永久磁铁型转动电机的与转轴垂直的剖面图。在该图中，与图8中相同的部件用同一标号表示，不再赘述。该图示出使用直线型永久磁铁的3相、8极、12槽永久磁铁型转动电机。与图8的不同之处在于，8个直线永久磁铁102从轴向插入转子铁心21中冲压而成的永久磁铁插孔23中，因而N极与S极的位置交错，与图8一样，桥上有用作磁阻的孔103。
图11示出图10第三实施例中的感应电压波形。纵轴表示感应电压值，横轴表示转子位置(用机械角表示)。该图示出图10实施例中有凹槽103时的感应电压波形111和无凹槽103时感应电压波形112。用该结果计算感应电压波形的畸变率R。因此，感应电压波形111的畸变率为6.53％，而感应电压波形112的畸变率为10.11％。这表明即使在直线型永久磁铁102的情况下，桥25上有孔103造成畸变率下降到约3/5。
因此，在第三实施例中，孔103使得桥25上局部磁饱和，转子20的表面磁通密度分布呈正弦波波形，结果感应电压波形的畸变率下降。
图12为简示出使用本发明永久磁铁型转动电机的一发电系统的结构的方框图。该发电系统120有一发电机123，该发电机包括第一到第三实施例所示任一永久磁铁型转动电机，在该发电系统中，该永久磁铁型转动电机经一转轴122与一驱动源121连接。它由经3相电力线124与该永久磁铁型转动电机连接的一个电力转换器125和经3相或单相电力线126与电力转换器125连接的一个输出端127构成。输出端127与用电系统之间的连接使得电力从该发电系统120输送给用电系统。这一布置减小了感应电压波形的畸变率，从而减小流入转动电机123中的谐波电流。因此，由于损耗的减少，可得到高效率的发电系统。
图13为简示出使用本发明永久磁铁型转动电机的一驱动系统的结构的方框图。在该图中，该系统有经单相或3相电力线132与电源131连接的一个电力转换器133。该系统还有一电动机135，该电动机包括第一到第三实施例所示任一永久磁铁型转动电机，在该系统中，该永久磁铁型转动电机经一3相电力线134与该电力转换器133连接。该图示出该驱动系统能驱动一与永久磁铁型转动电机135的转轴136连接的转动负载137。这一结构减小了流入转动电机135中的谐波电流，由于损耗减少提供一高效发电系统。
本发明提供一种能减小感应电压波形的畸变率、从而振动和噪声降低、效率提高的永久磁铁型转动电机。进而，使用这一电机可获得高效发电系统或振动/噪声降低的驱动系统。
权利要求
1.一种永久磁铁型转动电机，包括一个定子，定子铁心的齿上有集中绕组，以及一个转子，该转子中埋置有永久磁铁；所述永久磁铁型转动电机的特征在于该转子每一个磁极在构成一个磁极的所述永久磁铁与所述转子外表面之间的桥上有两个在轴向上延伸的磁阻，这两个磁阻位于把所述永久磁铁的宽度分成三部分的位置上，使得两端部中的每一端部与中央部的比例为1比2或以上。
2.一种永久磁铁型转动电机，包括一个定子，定子铁心的齿上有集中绕组，以及一个转子，该转子中埋置有永久磁铁；所述永久磁铁型转动电机的特征在于该转子每一个磁极在构成一个磁极的所述永久磁铁与所述转子外表面之间的桥上有两个在轴向上延伸的磁阻，使得所述磁极的宽度被分成三部分，从而两端部的每一端部与中央部的比例为1比2或以上。
3.一种永久磁铁型转动电机，包括一个定子，定子铁心的齿上有集中绕组，以及一个转子，该转子中埋置有永久磁铁；所述永久磁铁型转动电机的特征在于该转子每一个磁极在所述永久磁铁与所述转子外表面之间的桥上有两个在轴向上延伸的磁阻，这些磁阻等距间隔分布在转子的整个外圆周上。
4.按权利要求1至3中的任何一个所述的永久磁铁型转动电机，其特征还在于所述磁阻为一个与转子铁心中用来插入所述永久磁铁的磁铁插入孔连接的凹槽。
5.按权利要求4所述的永久磁铁型转动电机，其特征还在于所述凹槽呈长方形、梯形或半圆形。
6.按权利要求1至3中任何一项权利要求所述的永久磁铁型转动电机，其特征在于所述磁阻为所述桥的铁心中的一个孔。
7.按权利要求1至3中任何一项权利要求所述的永久磁铁型转动电机，其特征在于设t＝C1.h，其中，“t”(mm)为作为凹槽或孔的所述磁阻的高度，“h”(mm)为所述桥的厚度，则高度系数C1取0.2≤C1≤0.6。
8.按权利要求1至3中任何一项权利要求所述的永久磁铁型转动电机，其特征在于设W2＝C2.Wt，其中，W2(mm)为相邻凹槽或孔的磁阻之间的宽度，Wt(mm)为所述定子铁心的齿宽，则凹槽宽度系数C2取0.5≤C2≤1.2。
9.一种发电系统，包括一个驱动源，一个按权利要求1至3中任何一项权利要求所述的永久磁铁型转动电机，以及一个把由所述永久磁铁型转动电机产生的交流电转换成其他形式的电力的电力转换器。
10.一种驱动系统，包括一个电源，一个转换所述电源电力的电力转换器，一个按权利要求1至3中任何一项权利要求所述的永久磁铁型转动电机，以及一个与所述永久磁铁型转动电机连接的转动负载。
全文摘要
一种能降低振动和噪声或提高效率的永久磁铁型转动电机。在包括装有集中绕组的一个定子10和其铁心21中埋置有永久磁铁24的一个转子的一个永久磁铁型转动电机中,每一磁极在永久磁铁插孔23与转子20的外表面之间的铁心的桥25上有两个轴向凹槽或孔(磁阻),这些磁阻等距分布在转子20的整个圆周上,从而改善感应电压波形。
文档编号H02K29/03GK1379528SQ0210544
公开日2002年11月13日 申请日期2002年4月4日 优先权日2001年4月5日
发明者木村守, 小原木春雄, 三上浩幸, 高桥身佳 申请人:株式会社日立制作所