專利名稱：電動機轉子的制作方法
技術領域：
本發(fā)明關于用在如電車車體上的永磁型同步電動機(PM電動機)類的電動機轉子。
埋置磁鐵型具有的結構是永外磁鐵埋置在轉子中，并構成利用磁阻轉矩的永磁型同步電動機。
另一方面，在表面磁鐵型的結構中，作為一個例子，轉子1安置成如

圖10所示。轉子1包括一個由鐵磁性材料制成的芯2，芯2外表面上以一定間隔粘有永久磁鐵3，在永久磁鐵3之間設有凸起件4。該表面磁鐵型是利用由轉子1的凸起件產生磁阻轉矩的永磁型同步電動機。
但是，由于在埋置磁鐵型中，永久磁鐵埋置在轉子芯中，在芯中會發(fā)生永久磁鐵的磁通量短路。
另一方面，由于在表面磁鐵型中，幾乎不會發(fā)生磁通量短路并可有效地利用永久磁鐵的磁通量，因此可減少所用的永久磁鐵的量。
然而，由于在表面磁鐵型中在面向磁鐵的定子上的繞組的感應電壓波形包含大量的諧波電動機的轉矩變化(轉矩波動)變得較大，這會導致轉子振動和由振動引起的噪音。
有鑒于此，本發(fā)明的第一個目的在于提供一種電動機的轉子，由于它能改進感應電壓的波形和有效地改進利用磁阻的永磁型同步電動機的磁鐵轉矩，而能有效地改進轉矩的變化。
本發(fā)明的第二個目的在于提供一種電動機的轉子，它能有效地改進利用磁阻轉矩的永磁型同步電動機中的功率因素。
發(fā)明概述為了達到本發(fā)明的第一個目的，權利要求1的發(fā)明設置如下權利要求1的發(fā)明的特征在于在永磁型同步電動機中提供與定子呈匹配關系的轉子，其中轉子包括由鐵磁性材料制成的芯，一定數(shù)量的第一永久磁鐵周向等間隔地安裝在芯的外表面上，和第一永久磁鐵安置成使該永久磁鐵的極N.S在面向定子的一側交替地安置；其中在芯的中心軸和第一永久磁鐵之間的芯中埋置分別與第一永久磁鐵相對應的第二永久磁鐵，第二永久磁鐵的安置方式與相對應的第一永久磁鐵的安置方式相同。
如上所述，在權利要求1的本發(fā)明中，在形成轉子的永久磁鐵中，轉子安置成使在芯的外表面中的第一永久磁鐵與埋置在芯中的第二永久磁鐵分開。
因此，按照權利要求1的發(fā)明，如果采用與傳統(tǒng)的表面磁鐵型轉子相同的總數(shù)量的永久磁鐵，就可改進在定子和轉子之間產生的磁通量密度及感應電壓的波形，這樣改進電動機的轉矩的變化，由于增加了電樞互連的磁通量，也改進了磁鐵轉矩。
另外，為了達到本發(fā)明的第二個目的，權利要求2和3的本發(fā)明設置如下權利要求2的本發(fā)明的特征在于按照權利要求1的轉子，其中埋置的第二個永久磁鐵的位置與第一個永久磁鐵的安裝位置在芯的轉動方向上偏置一個預定的角度。
權利要求3的本發(fā)明的特征還在于一個用于與永久磁鐵型同步電動機的定子呈匹配關系的轉子，其中該轉子包括由鐵磁性材料制成的芯，一定數(shù)量的永久磁鐵周向等間隔地安裝在芯的外表面上，使永久磁鐵安置成使該永久磁鐵的極N.S在面向定子的一側上交替地安置；其中芯子做成在安裝在外表面上的永久磁鐵之間具有凸起件，每個凸起件在芯轉動方向的前端具有一個切口。
下面將描述上面結構的權利要求2和3的本發(fā)明的特征。
由于在權利要求1的本發(fā)明或圖10所示的傳統(tǒng)的轉子中利用了磁阻轉矩，電樞磁通量將增大。因此，電動機的功率因素將減小。為了改進功率因素，必須抑制電樞磁通量，但這會減小轉矩。
為了消除上述缺點，宜采用權利要求2和3中設定的結構。
亦即在權利要求2的本發(fā)明中，埋置的第二永久磁鐵的位置與第一永久磁鐵的安裝位置在芯的轉動方向偏置一個預定的角度。另外，在權利要求3的本發(fā)明中，每個凸起件在芯轉動方向的前端具有一個切口。
在上述結構中，由于不僅在磁鐵轉矩中產生微小的變化，而且盡管磁阻轉矩稍有下降也可降低峰值相位(超前角)，所得出的轉矩峰值(磁鐵轉矩加磁阻轉矩)幾乎不降低。
另外，由于除了電樞磁通量下降外，它的相位也變化了，感應電壓和電流之間的相位差減小，改進了電動機的功率因素。因此，可以降低電動機的最大輸出，這對用蓄電池作電源的低電壓應用情況來說是特別有效的。
下面將參照圖1來描述本發(fā)明電動機轉子的第一個實施例的結構。
第一個實施例的轉子用于永磁型同步電動機上，并采用與永磁型同步電動機的已知定子(未示出)呈匹配關系。
正如圖1所示，轉子11包括一個鐵磁性體的芯12，它是一個疊層的鋼板塊13，由例如由一定厚度的硅鋼板制成。在芯12的外表面上裝有沿周向呈一定間隔的一定數(shù)量的永久磁鐵(14)(例如4塊)。
更具體地說，在芯12的外表面上周向地提供4個凹口15，永久磁鐵14牢固地分別埋在凹口15中。永久磁鐵14安置成使表面?zhèn)?面向圖中未示的定子的一側)上的S、N極如圖1所示，交替地安置。
在永久磁鐵14和芯12中心之間的芯12中，埋有與永久磁鐵14相對應的弧形永久磁鐵16，如圖1所示，弧形永久磁鐵16的安置與相對應的永久磁鐵14的安置相同，如圖1所示。
更具體地說，芯12做成弧形槽17，該槽從離永久磁鐵14兩端等距離的芯的圓周上的點上沿永久磁鐵14大約地徑向向內，在弧形槽17中分別牢固地埋設弧形的永久磁鐵16。
在芯12的中心設有轉動軸(未示出)的安裝孔18。
在圖1的轉子中，埋置在芯12中的永久磁鐵16呈單層安置。然而，相當于永久磁鐵16的永久磁鐵可以多層安置，如兩層或三層。
如果上述結構的第一個實施例的轉子用于現(xiàn)有的永磁型同步電動機上，電動機的轉矩T以下式表示T＝Pn×Φa×iq+Pn(Ld-Lq)×id×iq……(1)這里表達式(1)的第一項代表磁鐵轉矩，第二項代表磁阻轉矩。
在表達式(1)中，Pn代表永久磁鐵14的磁極對的數(shù)量，Φa是由Φa=3/2×Φf]]>給出( 指3/2的平方根，Φf是永久磁鐵產生的電樞互連磁通量的最大值)，Ld，Lq是d和q軸的電感，id，iq是電樞電流的d和q軸的分量。
現(xiàn)在將描述采用某個永磁型同步發(fā)電機的第一個實施例的轉子上和如圖10所示的傳統(tǒng)的轉子上進行的各種比較性試驗的試驗結果。在這些試驗中，用在第一個實施例的轉子11上的永久磁鐵14、16的總量與用在如圖10所示的傳統(tǒng)轉子1上的永久磁鐵3的總量相同。
圖2表示電樞互連磁通量的基本波形的比較，曲線A表示傳統(tǒng)轉子的情況，曲線B表示第一個實施例的轉子的情況。
比較兩種情況的波形，第一個實施例的轉子的電樞互連磁通量比傳統(tǒng)轉子的約大10％。這意味著表達式(1)中的Φa增大約10％，這樣在表達式(1)中的第一項的磁轉矩改進了約10％。
圖3表示埋置在轉子中的永久磁鐵除了第一個實施例的轉子11的情況外，還安置成2或3層時的電樞互連磁通量的比較圖。從該比較圖可以看出，在埋置在轉子中的永久磁鐵增到2層或3層時，電樞互連磁通量隨著層數(shù)增大而增大，因此增大了磁鐵轉矩。
圖4表示在電動機定子上的繞組中感應的相位感應電壓的波形的比較曲線。從比較曲線可以看出，在傳統(tǒng)的表面型轉子的情況下，相位感應電壓的波形由于它的高諧波分量為如圖中實線所示的臺階形。由于轉矩的波形由加到電動機上的感應電壓和正弦電流的積表示的，因此在傳統(tǒng)的轉子的情況下會產生較大的轉矩變化。
與此相反，在第一個實施例的轉子的情況下，由于相位感應電壓的波形改進成如圖1的虛線和點劃線所示，同樣也改進成轉矩的變化。在轉子中埋置的電磁層數(shù)增多，轉矩變化的改進程度就更大，在圖5中示出了層數(shù)和轉矩變化(轉矩波動)的改進程度之間的關系。
第一個實施例1的轉子11是電動機為內轉子型時的轉子的例子。然而，與轉子11的情況一樣，在芯的外表面中設有永久磁鐵14與埋在芯中的永久磁鐵16分開這樣的概念可用在電動機為外轉子型時的轉子上。
現(xiàn)在參見圖6描述本發(fā)明電動機轉子的第二個實施例的結構。
在如圖10所示的傳統(tǒng)的轉子1中，由于采用了由凸起物4產生的磁阻轉矩，電樞磁通量將增大。因此，電動機的功率因素將降低。為了改進該功率因素，必須抑制電樞磁通量，但這又會不利地降低轉矩。
因此，為了消除這個缺點，設計了如圖6所示的第二個實施例的轉子21。
亦即轉子21包括如圖1所示的鐵磁性體的芯22，它是一個疊層的鋼塊23，由例如具有一定厚度的硅鋼板制成。在芯22的外表面上，在周向以一定間隔地安裝一定數(shù)量(例子中為4個)的永久磁鐵24。另外，芯22做成在永久磁鐵24之間的、用以產生磁阻轉矩的凸起件25。
更具體地說，在芯22的外表面上做成沿周向呈一定間隔的一定數(shù)量(本例中為4個)的凹口26，在凹口26之間還具有弧形凸起件。永久磁鐵24牢固地埋設在凹口中。永久磁鐵24安置成使它們表面?zhèn)壬系拇艠OS、N交替設置，如圖6所示。
另外，每個凸起件的在芯22的轉動方向上的前端部切出如圖6所示的斜面，這樣凸起件25做成一個傾斜的和一個弧形的部分。因此凸起件25形狀相同，然而如圖6所示，它們在橫向非對稱地設置在芯22上。
現(xiàn)在將描述各種比較試驗的試驗結果，這些試驗是在上述結構的第二個實施例的轉子和用于現(xiàn)有永磁型同步電動機的圖10所示的傳統(tǒng)的轉子上進行的。在這些試驗中，用在第二個實施例的轉子21中的永久磁鐵24的總數(shù)量與用在圖10所示的傳統(tǒng)轉子1中的永久磁鐵的數(shù)量相同。
圖7是一個曲線圖，它表示在電動機相位感應電壓的磁鐵分量的基波、它的電樞分量的基波、所得出的相位感應電壓的基波和流過該電動機的相位電流之間的比較。
研究這些曲線，可以看出無論是第二個實施例，還是傳統(tǒng)的轉子情況，相位感應電壓的磁鐵分量基本是相同的，它們如圖7中的實線A所示。
與此相反，在第二個實施例的情況下相位感應電壓的電樞分量由實線B1所示的曲線表示，與虛線B2所示的傳統(tǒng)轉子的作整體比較，該曲線如圖所示發(fā)生了移位。因此在第二個實施例的轉子的情況下，所得出的相位感應電壓由實線C1所示的曲線表示，與虛線C2所示的傳統(tǒng)轉子的情況作整體比較，該曲線如圖所示發(fā)生了移位。
因此，比較電動機所得出的相位感應電壓和流過該電動機的電流的相位差異，可得出在第二個實施例的轉子的情況下的值θ1，該值小于傳統(tǒng)轉子情況下由θ2表示的值。
圖8是一個曲線圖，它表示一個電動機的磁鐵轉矩、該電動機的磁阻轉矩以及從這些轉矩分量和電動機的功率因素得出的轉矩之間的比較。
研究這些比較曲線可以看出，首先，磁鐵轉矩無論在第二個實施例的轉子的情況、還是在傳統(tǒng)的轉子的情況下，其數(shù)值均基本相同，如圖8中實線A所示。
與此相反，在第二個實施例的轉子的情況下由實線B1所表示的曲線代表磁阻轉矩，該曲線與傳統(tǒng)轉子情況下的虛線B2所示作整體比較，它移位到電流相位的負側。
因此，在第二個實施例的轉子的情況下，所得出的磁阻轉矩和磁鐵轉矩的轉矩由實線C1所示的曲線表示，在傳統(tǒng)的轉子的情況下，該轉矩由虛線C2表示。因此，在第二個實施例的情況下，最大值是相同的，但象磁阻轉矩一樣，該曲線整體移位到電流相位的負側。
然而，如上所述，在電動機的所得出的相位感應電壓和流過該電動機的相位電流之間的相位差小于傳統(tǒng)轉子情況下的相位差，因此，在第二個實施例的轉子的情況下，該電動機的功率因素由圖8的實線D1所示的曲線表示，它示出與傳統(tǒng)轉子情況下由虛線D2所示的相比的改進情況。
上述第二個實施例的轉子21是在電動機是內轉子型時的轉子。然而，與轉子21的情況一樣，在產生磁阻轉矩的部分凸起件25切掉的情況下，該轉子可用于電動機是外轉子型的轉子。
下面將參照圖9來描述本發(fā)明電動機轉子的第三個實施例的結構。
在上述第二個實施例的轉子11中，由于采用了磁阻轉矩，將增加電樞磁通量。因此，該電動機的動力因素將降低。為了改進該動力因素，有必要抑制電樞磁通量，然而這樣做又會不利地降低轉矩。
因此，為了消除這個缺點，第三個實施例的轉子31改成如圖9所示。
正如圖9所示，第三個實施例的轉子31基本具有與圖1所示的轉子11相同的結構，只是埋置在芯12中的弧形永久磁鐵36的安裝位置在轉子31的轉動方向上偏置一個θ角。
亦即如圖9所示，轉子31安置成在永久磁鐵16和芯12的中心之間的芯12中埋置與永久磁鐵14對應的弧形永久磁鐵36，弧形永久磁鐵36的安裝位置在轉子31的轉動方向上整體偏置一個θ角。
更具體地說，芯12做成具有弧形槽37，該槽沿永久磁鐵14從其兩端延伸。然后該槽安置成使槽37的外端位置并不等于離永久磁鐵14兩端的距離，電動機轉子31轉動方向的前側上的距離大于后側的距離，弧形永久磁鐵36分別牢固地埋設在弧形槽37中。
其它的結構與第一個實施例中的轉子11相同，因此同樣的構件用相同的數(shù)字表示，并省略對它們的描述。
按照具有上述結構的第三個實施例，與第二個實施例相比，可以改進轉子的特性。
也就是說，按照第三個實施例，由于不僅磁鐵轉矩變化很小，而且盡管磁阻轉矩略有下降，還可減小峰值相位，因此所得出的轉矩峰值幾乎不降低(見圖8)。
另外，由于除了電樞磁通量降低外，它的相位也有變化，降低了相位感應電壓和相位電流之間的相位差，因此改進了電動機的功率因素(見圖7和8)。
上述第三個實施例的轉子31是內轉子型電動機的轉子，然而與轉子31一樣，埋設在永久磁鐵36的安裝位置在轉子31的轉動方向偏置θ角的構思也可用于外轉子類型的電動機的轉子上。
現(xiàn)在參照附圖11來描述本發(fā)明電動機轉子的第四個實施例的結構。
在如圖9所示的上述第三個實施例中，在所述的轉子31中永久磁鐵14安裝在芯12的外表面上，一層永久磁鐵36埋置在芯12中，而第四個實施例則具有如下的設置。
亦即，第四個實施例的轉子41和圖11所示，省略了芯12外表面中的永久磁鐵14，多層(在此情況下為兩層)永久磁鐵36A、36B埋置在芯12中，埋置在永久磁鐵36A內側的永久磁鐵36B的安裝位置如圖所示，在轉動方向上偏置θ角。
如上所述，按照權利要求1的本發(fā)明，如果采用和傳統(tǒng)的表面磁鐵型轉子總數(shù)相同的永久磁鐵數(shù)，一個電動機的轉子由于在轉子和定子之間產生的磁通密度的改進、由此改進感應電壓的波形，從而能改進電動機轉矩的變化，并能由于增加了電樞互連磁通量而有效地改進磁鐵轉矩。
另外，按照權利要求2的本發(fā)明，能提供一個轉子，它不僅利用磁阻轉矩能有效地改進PM電動機的效率，而且還能產生改進轉矩變化、磁鐵轉矩及功率因素的效果。
另外，按照權利要求3的本發(fā)明，提供一個轉子，它能利用磁阻轉矩有效改進PM電動機的效率。
權利要求
1.一個用于與永久磁鐵型同步電動機上的定子呈匹配關系的轉子，其特征在于該轉子包括一個由鐵磁性材料制成的芯，一定數(shù)量的第一永久磁鐵周向等間隔地安裝在芯的外表面上，該第一永久磁鐵安置成使面向定子的一側上的第一永久磁鐵的極N、S交替地安置；在芯的中心軸和第一永久磁鐵之間的芯中埋置有分別與第一永久磁鐵相對應的第二永久磁鐵，第二永久磁鐵的安置分別與相對應的第一永久磁鐵的安置方式相同。
2.按照權利要求1的電動機的轉子，其中埋置的第二永久磁鐵的安裝位置與第一永久磁鐵的安裝位置、在芯的轉動方向上偏置一個預定的角度。
3.一個用于與永久磁鐵型同步電動機上的定子呈匹配關系的轉子，其特征在于該轉子包括一個由鐵磁性材料制成的芯，一定數(shù)量的永久磁鐵周向等間隔地安裝在芯的外表面上，該永久磁鐵安置成使面向定子一側上的永久磁鐵的極N、S交替地安置；芯做成具有安裝在外表面的永久磁鐵之間的凸起件，每個凸起件在芯的轉動方向的前端具有一個切掉部分。
全文摘要
提供了一種電動機的轉子，它能利用磁阻轉矩通過改進感應電壓波形能有效地改進扭矩變化，并能有效地改進永久磁鐵型同步電動機的磁鐵轉矩。一個轉子11包括由鐵磁性材料制成的芯12，一定數(shù)量的永久磁鐵14周向等間隔地安裝在芯12的外表面上，永久磁鐵14安置成使它們的極N、S在面向定子的一側上交替地安置。另外，在芯的中心軸和永久磁鐵14之間的芯中埋置有分別與永久磁鐵對應的弧形永久磁鐵16，永久磁鐵16的安置方式與對應的永久磁鐵14的相同。
文檔編號H02K1/27GK1405948SQ0212857
公開日2003年3月26日 申請日期2002年8月9日 優(yōu)先權日2001年8月10日
發(fā)明者內藤真也, 日野陽至 申請人:雅馬哈發(fā)動機株式會社