同步磁阻电机的制作方法

本发明的实施方式涉及同步磁阻电机。

背景技术：

同步磁阻电机具备转子和定子。转子具备轴和转子铁芯，所述轴以可旋转的方式被枢转支撑并在旋转轴中心向轴方向延伸，所述转子铁芯外嵌固定在轴上并形成有多个磁通屏障(fluxbarrier)。定子具备定子铁芯和多极多相电枢绕组，所述定子铁芯以与所述转子铁芯隔开间隔的方式配置在转子铁芯的外周，并且具有在周方向上彼此隔开间隔地排列的多个齿，所述多极多相电枢绕组分别卷绕在多个齿上。而且，同步磁阻电机利用磁通屏障所产生的磁阻转矩使轴旋转。

这样，通过磁通屏障产生磁阻转矩，相对于转子铁芯的主面上的整体面积的、磁通屏障的占有面积的比率(以下称为磁通屏障的占有面积比)对同步磁阻电机的特性有很大的影响。

在此，以往已知在相对于转子铁芯的主面上的整体面积将磁通屏障的占有面积比设定为33％左右时，能够使同步磁阻电机的转矩性能达到最大限度。

另一方面，通常，在使用逆变器等对电机进行可变速驱动的情况下，电机所需的转矩随着转速的增加而减小。即，转矩在启动时的低速区域中变得最大，需要恒转矩性能。另外，转矩在中速区域中与转速成反比例地减小，输出变为固定输出(输出＝转矩×转速)。进一步，一旦进入高速区域，转矩的减小变得更加显著。因此，作为可变速驱动的电机的驱动控制方法，通常是例如从启动到低速区域或者中速区域进行使电压与频率比固定的v/f固定控制。与此相对地，在高速区域中进行弱磁控制，在该弱磁控制中，以使最大电压值固定的方式进行控制。

即，可施加的电压和可通电的电流受到逆变器的开关元件(igbt(insulatedgatebipolortransistor：绝缘栅双极型晶体管)、mos-fet(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor：金属氧化物半导体场效应管)等)的性能(耐压和最大电流)的限制。通常，耐压和最大电流越大，元件的成本越高，因此优选为尽可能地减小电压和电流。根据法拉第定律，感应电压与频率(转速)成正比，转速较低时的电机端子电压相对于逆变器的最大电压保有余量。通常，在该区域中，以使电流变为最小的方式进行控制(仅流通转矩电流的最大转矩控制)。这就是v/f固定控制。此外，转矩电流是指，为了使转子铁芯产生转矩而向电枢绕组供给的电流。

与此相对地，在高速旋转区域中，电机端子电压等于逆变器的最大电压。为了以高于最大电压值的转速旋转，需要进行以下控制：即、除了供给转矩电流以外还供给减弱电流(推进电流的相位)，以消除感应电压。这就是弱磁控制。即，转速越高，相对于转矩电流的减弱电流的比例越大，每个单位输出转矩所需的电机电流越大。

因此，在始终以最大转矩控制运转的固定速度的同步磁阻电机中，优选将磁通屏障的占有面积比设定为约33％左右。然而，对于进行可变速驱动的同步磁阻电机来说，当将磁通屏障的占有面积比设定为33％左右时，弱磁控制时的电机性能会显著下降。另外，当电机性能下降时，驱动同步磁阻电机所需的电流增加，需要电流容量较大的、昂贵的开关元件。其结果是，可能会导致电机驱动系统整体的成本增加。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-96909号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种能够改善电机性能的同步磁阻电机。

用于解决技术问题的方案

实施方式的同步磁阻电机具有轴、转子铁芯、定子铁芯以及多极多相电枢绕组。轴以可旋转的方式被枢转支撑并在旋转轴中心向轴方向延伸。转子铁芯外嵌固定在轴上。定子铁芯以与转子铁芯隔开间隔的方式配置在转子铁芯的外周，并具有在周方向上彼此隔开间隔地排列的多个齿。多极多相电枢绕组分别卷绕在多个齿上。另外，在转子铁芯中，在各个1/4周的周角度区域中形成有多个空洞部。在转子铁芯的1/4周的周角度区域中，多个空洞部分别以周方向的中央位于径方向最内侧的方式朝径方向内侧弯曲，并且分别沿着径方向排列配置。而且，定子铁芯的主面上的空洞部的占有面积相对于定子铁芯的主面上的整体面积被设定为35％～39％。

附图说明

图1是表示实施方式的同步磁阻电机的一部分结构的与旋转轴正交的剖面图。

图2是示出实施方式的、在v/f固定控制下的同步磁阻电机的转矩的变化的图表。

图3是示出实施方式的、在v/f固定控制下的同步磁阻电机的每个单位输出转矩所需的电流的变化的图。

图4是示出实施方式的、在弱磁控制下的同步磁阻电机的功率因数的变化的图。

图5是示出实施方式的、在弱磁控制下的同步磁阻电机的每个单位输出转矩所需的电流的变化的图。

图6是示出实施方式的同步磁阻电机的可变速电机电流指标的变化的图表。

图7是示出从实施方式的同步磁阻电机的可变速电机电流指标的最小值到上升2％的值的范围的图。

具体实施方式

下面，参照附图，对实施方式的同步磁阻电机进行说明。

图1是表示同步磁阻电机1的一部分结构的与旋转轴8正交的剖面图。此外，在图1中仅示出了同步磁阻电机1的1/4区段、即1/4周的周角度区域。

如图1所示，同步磁阻电机1具备大致圆筒状的定子2和转子3，所述转子3设置在定子2的径方向内侧，以相对于定子2旋转自如的方式设置。此外，在使定子2以及转子3各自的中心轴线位于共通轴上的状态下配设定子2以及转子3。以下，将上述共通轴称为中心轴o，将与中心轴o正交的方向称为径方向，将环绕中心轴o的方向称为周方向。

定子2具有大致圆筒状的定子铁芯4。定子铁芯4能够通过层叠多张电磁钢板或者对软磁粉进行加压成型来形成。在定子铁芯4的内周面一体地成型有多个齿5，所述多个齿5朝向中心轴o突出，并在周方向上以相等的间隔排列。齿5形成为剖面呈大致矩形状。而且，在相邻的各齿5之间分别形成有槽6。借助这些槽6，将电枢绕组7卷绕在各齿5上。

此外，定子铁芯4安装有具有绝缘性的绝缘体，或者外表面的整体被绝缘膜覆盖(均未图示)。而且，在各齿5上，从绝缘体或绝缘膜的上方卷绕有电枢绕组7。

转子3具备旋转轴8和大致圆柱状的转子铁芯9，所述旋转轴8沿着中心轴o延伸，所述转子铁芯9外嵌固定在旋转轴8上。

转子铁芯9能够通过层叠多张电磁钢板或者对软磁粉进行加压成型来形成。转子铁芯9的外径被设定成，在其与径方向上相对置的各齿5之间形成有规定的气隙g。

另外，在转子铁芯9的径方向中央形成有沿着中心轴o贯通的贯通孔10。旋转轴8压入到该贯通孔10中，旋转轴8和转子铁芯9一体地旋转。

进一步，在转子铁芯9中，在各个1/4周的周角度区域中形成有多个(例如在本实施方式中为3个)磁通屏障11。各磁通屏障11为多个空洞部18，所述多个空洞部18沿着q轴磁通的流向以周方向的中央位于径方向最内侧的方式，形成为朝径方向内侧弯曲且剖面呈大致圆弧状。

另外，这些多个空洞部18以各自的周方向中央位于沿着径方向的规定的直线l1上的方式，沿着径方向排列配置。进一步，多个空洞部18各自的周方向两端与转子铁芯9的外周部之间的距离l2设定成大致相等。因此，多个空洞部18形成为，位于径方向内侧的空洞部18的周方向的长度比位于径方向外侧的空洞部18的周方向的长度长。

此外，规定的直线l1是经过转子铁芯9的1/4周的周角度区域的周方向中央和中心轴o的直线。另外，作为磁通屏障11，也可以向空洞部18填充非磁性体(例如非导电性树脂)，或者向各空洞部18插入相应的板状的非磁性体。即，磁通屏障11只要构成为使磁通难以通过即可。

另外，在转子铁芯9的外周部设置有桥体(bridge)12(多个空洞部18各自的周方向两端与转子铁芯9的外周部之间的距离l2)，因此，即使是在已形成磁通屏障11的状态下，转子铁芯9也汇集成一个。

此外，桥体12的位置不仅限于转子铁芯9的外周部，只要是使转子铁芯9汇集成一个的位置即可。

例如，也可以在磁通屏障11(空洞部18)形成桥体12。通过形成桥体12，能够提高转子铁芯9(空洞部18)的刚性。在此，在空洞部18形成桥体12的情况下，形成为使磁通在该桥体12内饱和。通过以这种方式来构成，能够防止磁通通过磁通屏障11。

在此，磁通屏障11的占有面积比、也就是相对于转子铁芯9的主面上的整体面积(图1中的阴影部的面积×4)的磁通屏障11的占有面积比被设定为35％～39％。下面，对磁通屏障11的占有面积比进行详细说明。

图2是示出在v/f固定控制下的同步磁阻电机1的转矩的变化的图。更加详细而言，图2是示出在v/f固定控制下，以纵轴为转矩、横轴为磁通屏障11的占有面积比[％]的情况下的转矩的变化的图。此外，在图2中，保持转矩电流固定，而使磁通屏障11的占有面积比变化。

如图2所示，能够确认出：在将磁通屏障11的占有面积比设定为约33％左右时，同步磁阻电机1的转矩特性t1达到最大。

图3是示出图2中的转矩特性t1的倒数的图。此外，转矩特性的倒数可以认为是“没有电压限制的情况(不考虑电压的情况)”下的每个单位输出转矩所需的转矩电流。即，图3是示出在v/f固定控制下，以纵轴为每个单位输出转矩所需的电流i1[％]、横轴为磁通屏障11的占有面积比[％]的情况下的每个单位输出转矩所需的电流i1的变化的图。此外，将每个单位输出转矩所需的电流i1的最小值设为100％。

如图3所示，能够确认出：在将磁通屏障11的占有面积比设定为约33％左右时，在v/f固定控制下每个单位输出转矩所需的电流i1变为最小。

在此，如前所述，弱磁控制时，由于逆变器等的容量而产生电压限制，因此需要考虑电压的影响。因此，在弱磁控制时，难以通过如图2所示的转矩特性t1来评价电机性能。因此，以如下的方式来进行评价。

图4是示出在弱磁控制下的同步磁阻电机1的功率因数的变化的图。更加详细而言，图4是示出以纵轴为功率因数、横轴为磁通屏障11的占有面积比的情况下的功率因数的变化的图。

此外，功率因数是指相对于视在功率的有效功率的比例，在将功率因数设为cosθ、将转子3的转速设为n、将转矩设为t、将电压设为v、将电流设为i的情况下，功率因数cosθ被定义为满足

cosθ＝2πnt/vi……(1)

的物理量(严格来说，在输出2πnt上加上损失部分才是有效功率，但是该值较小，为了便于说明而进行了省略)。

如图4所示，能够确认出：在将磁通屏障11的占有面积比设定为约43％左右时，同步磁阻电机1的功率因数cosθ达到最大。

在此，功率因数cosθ满足式(1)。在弱磁控制时的任意转速n的情况下，由于转速n和电压v固定，因此功率因数的倒数1/cosθ与电流除以转矩的值i/t成正比。即，可以认为弱磁控制的倒数是“电压存在限制的情况”下的每个单位输出转矩所需的电流。因此，能够通过功率因数cosθ的倒数来评价电压存在限制的弱磁控制下的同步磁阻电机1的电机性能。

图5是示出图4中的功率因数cosθ的倒数的图。即，图5是示出在弱磁控制下，以纵轴为每个单位输出力矩所需的电流i2[％]、横轴为磁通屏障11的占有面积比[％]的情况下的每个单位输出转矩所需的电流i2的变化的图。此外，将每个单位输出转矩所需的电流i2的最小值设为100％。

如图5所示，能够确认出：在将磁通屏障11的占有面积比设定为约43％左右时，在弱磁控制下每个单位输出转矩所需的电流i2变为最小。另外，如以往所定义那样，能够确认出：在将磁通屏障11的占有面积比设定为约33％左右时，在弱磁控制下电流大幅增加，弱磁控制时的电机性能显著降低。

另一方面，到此为止都是对v/f固定控制和弱磁控制分别进行评价，在各自的控制下求出了最佳的磁通屏障11的占有面积比，但是，在用一个同步磁阻电机1进行v/f固定控制以及弱磁控制这两个控制(以下简称为两个控制)的情况下，需要同时使这两个控制达到最佳。因此，将在v/f固定控制下每个单位输出转矩所需的电流i1的值、与在减弱磁场运行下每个单位输出转矩所需的电流i2的值中的较大的值定义为可变速电机电流指标s1。

即，用可由函数f(x)以及函数g(x)定义的函数h(x)来表示可变速电机电流指标s1，根据该函数h(x)来评价用一个同步磁阻电机1进行两个控制的情况下的电机性能。在此，函数h(x)可通过以下的式(2)来表示。此外，在本实施方式中，函数f(x)表示在电压没有限制的情况下每个单位输出转矩所需的电流i1，函数g(x)表示在电压存在限制的情况下每个单位输出转矩所需的电流i2。而且，采用了如下设计：使可变速电机电流指标s1变为最小的值可使在考虑了用一个同步磁阻电机1进行两个控制的基础上的电流达到最小。

[数学式1]

图6是示出以纵轴为可变速电机电流指标s1[％]、横轴为磁通屏障11的占有面积比[％]的情况下的可变速电机电流指标s1的变化的图。

如图6所示，能够确认出：在将磁通屏障11的占有面积比设定为约37.5％左右时，可变速电机电流指标s1变为最小。这意味着在全部可变速区域中同步磁阻电机1运转所需的电流变为最小。

图7是在示出图6所示的可变速电机电流指标s1的变化的图上表示出从可变速电机电流指标s1的最小值到上升2％的值的范围的图。

根据图7可确认出：当将磁通屏障11的占有面积比设定为35％～39％时，可将可变速电机电流指标s1的上升控制在从最小值起2％以内。即，在实际应用中，如果将磁通屏障11的占有面积比设定为35％～39％，则可变速驱动所需的电机电流几乎无增加，无需增加逆变器的开关元件的电流容量。另一方面，在将占有面积比设定为偏离35％～39％的值的情况下，在全部可变速区域中运行所需的电机电流大幅增加，需要使用电流容量较大的、昂贵的开关元件。其结果是，导致系统整体的成本上升。

因此，根据上述实施方式，通过将磁通屏障11的占有面积比设定为35％～39％，即使是在用两个控制方法驱动同步磁阻电机1的情况下(即可变速驱动)，也能够防止电机电流的显著增加。因此，在全部运行区域中具有良好的电机性能，能够将逆变器的开关元件的电流容量设定为最小限度，能够提供一种能够使电机驱动系统整体的成本最小化的同步磁阻电机1。

另外，形成在转子铁芯9中的磁通屏障11以沿着q轴磁通的流向的方式，形成为朝径方向内侧弯曲且剖面呈大致圆弧状，因此能够高效地产生磁阻转矩。

此外，在上述实施方式中，对各磁通屏障11以沿着q轴磁通的流向的方式形成为朝径方向内侧弯曲且剖面呈大致圆弧状的情况进行了说明。但是，并不仅限于此，只要以通过磁通屏障11产生磁阻转矩的方式形成即可，能够任意地设定磁通屏障11的形状。

另外，在上述实施方式中，对在转子铁芯9的1/4周的周角度区域中分别各形成有三个磁通屏障11的情况进行了说明，但并不仅限于此，能够任意地设定磁通屏障11的形成个数。

根据上述说明的至少一个实施方式，通过将磁通屏障11的占有面积比设定为35％～39％，即使用两个控制方法驱动同步磁阻电机1，也能够防止电机电流显著增加。因此，能够将逆变器的开关元件的电流容量设定为最小限度，能够提供一种能够使电机驱动系统整体的成本最小化的同步磁阻电机1。

另外，形成在转子铁芯9中的磁通屏障11以沿着q轴磁通的流向的方式，形成为朝径方向内侧弯曲且剖面呈大致圆弧状，因此能够高效地产生磁阻转矩。

虽然对本发明的几个实施方式进行了说明，但是这些实施方式是作为例子提出的，并非旨在限定发明的保护范围。这些实施方式能够以其他各种方式实施，在不偏离发明宗旨的范围内，可以进行各种省略、替换、变更。这些实施方式或其变形包含在发明的保护范围或宗旨中，并且，包含在权利要求书所记载的发明和其等同的保护范围内。

附图标记说明

1：同步磁阻电机

2：定子

3：转子

4：定子铁芯

5：齿

7：电枢绕组

8：旋转轴(轴)

9：转子铁芯

11：磁通屏障

18：空洞部