專利名稱：永久磁鐵型同步電動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及永久磁鐵型同步電動機(jī)，尤其涉及具有突出磁極轉(zhuǎn)子的永久磁鐵型同步電動機(jī)，當(dāng)引擎加速或減速時能使所用電流減小，且能獲得低的齒槽轉(zhuǎn)矩。
鐵芯的一些部分突出伸入到轉(zhuǎn)子的永久磁鐵的磁極中去的傳統(tǒng)的永久磁鐵型同步電動機(jī)已經(jīng)有所公開，如1987年7月10日公布的題為“永久磁鐵型同步電動機(jī)的高功率因數(shù)控制方法”的公開號為62-155796(1987)日本專利的

圖1(a)、1(b)和1(c)中所示和1987年6月5日公布的題為“永久磁鐵型同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子”的公開號為62-88463日本實用新型中的圖1到圖4所示。這些公布的專利討論了在電流控制180°電PWM控制系統(tǒng)中利用磁阻(阻抗)轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)子直軸電感與正交軸電感的最佳比。在這系統(tǒng)中電流相位的超前和滯后按照那兒的檢測流入電機(jī)的電流的電流敏感元件(檢測器)測得的電流大小來控制。
這樣構(gòu)成并用于工業(yè)用縫紉機(jī)的電動機(jī)電路示于圖1。參見圖1，圖中編號1表示永久磁鐵型同步電動機(jī)(下面簡稱電動機(jī))，2表示磁極敏感元件(檢測器)，用來檢測電動機(jī)1的磁極位置。3表示編碼器，用來檢測電動機(jī)1的旋轉(zhuǎn)速度和方向。4是電動機(jī)1的驅(qū)動電路，它通常作為倒相驅(qū)動電路工作，且由來自速度-位置控制電路5的正向旋轉(zhuǎn)指令13或反向旋轉(zhuǎn)指令14來驅(qū)動它。6表示運行速度指令電路。7表示構(gòu)成負(fù)載的縫紉機(jī)。8表示縫紉機(jī)針位置敏感元件(用在縫紉機(jī)7上的)，它用來檢測兩個位置，即縫紉機(jī)針的較低位和較高位。9表示信號處理電路，它根據(jù)檢測到的來自編碼器3的原始信號來決定正向旋轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)速度(旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù))，且把信號輸出給速度-位置控制電路5。10表示縫紉機(jī)控制電路，它控制縫紉機(jī)的各種功能，按照來自縫紉機(jī)操作指令電路11的信號來驅(qū)動縫紉機(jī)7，指令電路11由操作者的縫紉命令信號來激勵。
電動機(jī)1和縫紉機(jī)7用皮帶連在一起，電動機(jī)1是一具有120°饋電脈沖寬度(PWM)調(diào)制電壓控制系統(tǒng)。編號12表示連接電動機(jī)1和縫紉機(jī)7的皮帶。
當(dāng)操作者的縫紉命令送到縫紉機(jī)操作指令電路11，運行速度命令送到運行速度指令電路6時，一信號從縫紉機(jī)控制電路10送到速度-位置控制電路5，以便使電動機(jī)1按照速度命令運行。速度-位置控制電路5在加速時間根據(jù)操作指令信號，選擇一正向旋轉(zhuǎn)方式通過驅(qū)動電路4以由120°饋給脈寬控制的電壓指令電平加速電動機(jī)，然后進(jìn)入穩(wěn)定運行。在這期間，有待選擇加給它的電流的定子繞組，由速度-位置控制電路5處理一來自磁極敏感元件(檢測器)2的信號而加以確定，倒相器中多個被選擇的晶體管按照此電路5的信號被導(dǎo)通，使繞組電流流過。
從編碼器3獲得的并代表電動機(jī)1的實際速度的信號被反饋到速度-位置控制電路5和縫紉機(jī)控制電路10，運行速度與這個信號和速度命令一致，該速度命令通過腳踏板(未畫出)從運行速度指令電路6加到控制電路5。
當(dāng)縫紉機(jī)中的預(yù)定的縫紉步驟結(jié)束時，為了使縫紉機(jī)的運行停止，從操作指令電路11發(fā)出一個指令，且反向旋轉(zhuǎn)指令14從速度-位置控制電路5加到倒相器驅(qū)動電路4以起動反向減速(產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩)。結(jié)果電動機(jī)1的速度減低。當(dāng)電動機(jī)速度已到達(dá)電動機(jī)能夠停止的水平時，安裝在縫紉機(jī)7中的縫紉機(jī)針位置敏感元件(檢測器)8檢測出一縫紉機(jī)7中預(yù)先決定的停針位置，即縫紉機(jī)7的縫紉機(jī)針的較高部分或較低部分(由縫紉機(jī)操作指令電路11確定)被選定，且反向制動力切斷使縫紉機(jī)停轉(zhuǎn)。
以這種方式工作的機(jī)器需要以高頻率執(zhí)行大量多次開關(guān)縫紉操作。
用于縫紉機(jī)的電動機(jī)起動和停止非常頻繁，電動機(jī)每次起動和停止都有大電流流過。工業(yè)用縫紉機(jī)和工廠自動化機(jī)器人都需要高頻率地起動和停止。因為在這類縫紉機(jī)中，在電動機(jī)如圖2被加速或減速時，需要大的轉(zhuǎn)矩和饋電電流，因此電動機(jī)1、驅(qū)動電路4和其它結(jié)構(gòu)元件在它們運行期間溫度上升相當(dāng)顯著，以致這些元件需要有大的容量以避免這些元件的溫升。
上面提到的先前公布的專利沒有討論帶有120°電脈沖寬度調(diào)制(PWM)電壓控制系統(tǒng)的永久磁鐵型同步電動機(jī)，在這種電動機(jī)中也沒有對電流相位進(jìn)行超前和滯后控制。同時，這些專利沒有討論以高頻率地執(zhí)行加速和減速的電動機(jī)的控制方法，即對執(zhí)行正向旋轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)非常頻繁的電動機(jī)的控制方法。
圖3示出了一個在轉(zhuǎn)子的永久磁鐵的磁極間具有突出鐵芯的并帶有120°電脈沖寬度調(diào)制電壓控制系統(tǒng)的永久磁鐵型同步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)相位的轉(zhuǎn)矩特性。在圖3中，實線表示在轉(zhuǎn)子的永久磁鐵的磁極中沒有突出鐵芯的傳統(tǒng)的永久磁鐵型同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，虛線表示在永久磁鐵磁極中間有突出鐵芯(突出磁極)的本發(fā)明的永久磁鐵型同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性。參閱圖3，具有突出磁極的本發(fā)明的永久磁鐵型同步電動機(jī)與沒有突出磁極的傳統(tǒng)的永久磁鐵型同步電動機(jī)相比較，在同樣的外加電流下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要大得多。在正向旋轉(zhuǎn)范圍中或在電動機(jī)從反轉(zhuǎn)變?yōu)檎D(zhuǎn)范圍內(nèi)的制動狀態(tài)中與傳統(tǒng)電動機(jī)相比較，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩(
轉(zhuǎn)矩)被延遲了α°，如圖3中從(30°+α°)到(30°+α°)+(30°)的大轉(zhuǎn)矩發(fā)生部分所示。在反向旋轉(zhuǎn)范圍中或電動機(jī)從正向旋轉(zhuǎn)范圍變?yōu)榉聪蛐D(zhuǎn)范圍的制動狀況中的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩(
轉(zhuǎn)矩)與傳統(tǒng)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩比較，超前了一個相角β°，如圖3中從｛(180°)-(30°-β°)-(30°)｝到｛(180°-(30°-β°)｝的另一個大的轉(zhuǎn)矩發(fā)生部分中所示。如上所述，傳統(tǒng)的不具有突出磁極的永久磁鐵型同步電動機(jī)的缺陷是它不能獲得大的轉(zhuǎn)矩。然而上面提到的公開的專利在這一點上沒有討論。
在上述已有技術(shù)的專利中所揭示的同步電動機(jī)中，沒有討論過結(jié)構(gòu)部件的溫升及不能耐受電流容量增大的問題，當(dāng)引擎以高頻率加速和減速時，這些都是會成為問題的。
本發(fā)明采用的永久磁鐵型同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)現(xiàn)在參照圖4加以敘述。參閱附圖，圖中編號101表示整個轉(zhuǎn)子，102表示安裝在轉(zhuǎn)子鐵心外圓周部分上的永久磁鐵，而104表示確定定子繞組(未畫出)電流換向期的檢測磁鐵，它安裝在軸105上。從圖5所示沿圖4A-A線的剖視圖中可以清楚地看到，永久磁鐵102分為4個相等的塊，它們通過粘合劑粘合到轉(zhuǎn)子鐵芯103的外圓周表面上。永久磁鐵102也可以用一個小厚度的圓柱形不銹鋼構(gòu)件固定在轉(zhuǎn)子鐵芯103的外圓周表面上。
如果粘合劑和圓柱形不銹鋼構(gòu)件兩者都用上，則永久磁鐵能更牢地安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯上。
參閱圖4，已有技術(shù)檢測磁鐵104由金屬磁化物體組成，它們以與永久磁鐵相同的角度和相同的極性排列而且它們面對著永久磁鐵102的側(cè)表面。如果定子線圈采用三相，則在磁極敏感元件(檢測器)2上必需用三個磁極檢測元件(檢測器)30，如圖6所示。
傳統(tǒng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子的構(gòu)成如圖4所示。
根據(jù)圖4中轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，由于電抗作用，不可能增大電抗轉(zhuǎn)矩。先前提到已公開的專利中揭示了能解決增大轉(zhuǎn)矩問題的同步電動機(jī)。然而，即使在這些同步電動機(jī)中，也沒有考慮過例如怎樣減小齒槽轉(zhuǎn)矩方面的問題。
本發(fā)明的第一個目的是提供一種永久磁鐵型同步電動機(jī)，它能增大磁阻(阻抗)轉(zhuǎn)矩，并減小電動機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。
本發(fā)明的第二個目的是提供一種永久磁鐵型同步電動機(jī)，它能在電動機(jī)正向旋轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)兩方面利用大大提高了的磁阻轉(zhuǎn)矩。
本發(fā)明的第三個目的是提供一種永久磁鐵型同步電動機(jī)，它能提供簡單的磁鐵固定結(jié)構(gòu)。
上面提到的增大磁阻轉(zhuǎn)矩并減小齒槽轉(zhuǎn)矩的第一個目的能通過這樣一種永久磁鐵型同步電動機(jī)獲得，這種電動機(jī)有一個包含多個槽縫的定子和一個與定子相對而接近放置并能旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子含有一個固定地安裝在電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)子鐵芯和一組安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯圓周部分上的偶數(shù)永久磁鐵，其特征在于轉(zhuǎn)子鐵芯有突出部分突出在永久磁鐵之間，每個突出部分的寬度設(shè)置得與定子中的槽縫間距不同。
上面提到的利用磁阻轉(zhuǎn)矩的第二個目的是通過這樣一種永久磁鐵型同步電動機(jī)獲得的，它有一個包含多個槽縫的定子和一個與定子相對而接近放置并能旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子含有一個固定地安裝在電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)子鐵芯和一組安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯圓周部分上的偶數(shù)永久磁鐵，該定子有確定轉(zhuǎn)子上永久磁鐵位置的檢測器，其特征在于該位置檢測器包括兩組位置檢測器，即電動機(jī)的正向旋轉(zhuǎn)位置檢測器和電動機(jī)反向旋轉(zhuǎn)位置的檢測器，兩組位置檢測器有預(yù)定的相位差，這將在下面加以解釋。因為兩組位置檢測器包括正向旋轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)檢測器，相應(yīng)的兩組位置檢測信號即前面所解釋過的圖3中的⊕轉(zhuǎn)矩或
轉(zhuǎn)矩信號，必須在模式產(chǎn)生電路里進(jìn)行處理，以便在模式產(chǎn)生電路中把它們區(qū)分為正向旋轉(zhuǎn)時的正向旋轉(zhuǎn)信號和反向旋轉(zhuǎn)時的反向旋轉(zhuǎn)信號，(后面將對些作出解釋)，用這些信號去使驅(qū)動電路分別準(zhǔn)確地工作于正向旋轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)，使用圖7中所示的突出磁極，產(chǎn)生比圖5中傳統(tǒng)電動機(jī)大得多的轉(zhuǎn)矩和相移如圖3所示。
提供簡單的磁鐵固定結(jié)構(gòu)的第三個目的是通過這樣的永久磁鐵型同步電動機(jī)獲得的它有一個包含多個槽縫的定子和一個與定子相對而接近放置并能旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子含有一個固定地安裝在電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)子鐵芯和一組安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯圓周部分上的偶數(shù)永久磁鐵，其特征在于轉(zhuǎn)子鐵芯有突出部分突出在永久磁鐵之間，固定永久磁鐵的構(gòu)件設(shè)在突出部分的自由端上。
在這些電動機(jī)中，因為突出部分有磁集中效應(yīng)，磁阻轉(zhuǎn)矩在起動時尤其大，而齒槽轉(zhuǎn)矩下降。
因為在這樣的電動機(jī)的每個電動機(jī)中可以裝兩組位置檢測器使位置檢測組有一相對于正向和反向旋轉(zhuǎn)的相位差，電動機(jī)的特性可以提高。
上面解釋的相位差與換向電流成正比。正向或反向運轉(zhuǎn)可以通過這樣的過程來有效地實現(xiàn)先檢測出相位差，然后變換定子的電流，將一相應(yīng)于旋轉(zhuǎn)磁極檢測信號和正向或反向操作指令的信號輸入驅(qū)動電路。
磁鐵固定件，即突出部分的部件，能從外面壓住磁鐵。因此，沒有必要使用另外的磁鐵固定件，從而使電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡化。
圖1例舉了一個用于解釋已有技術(shù)的永久磁鐵型同步電動機(jī)的控制方法的框圖;
圖2是解釋圖1中已有技術(shù)的永久磁鐵型同步電動機(jī)的運行狀態(tài)的圖;
圖3是已有技術(shù)的永久磁鐵型同步電動機(jī)和本發(fā)明的一個實施例的旋轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系曲線;
圖4表明轉(zhuǎn)子和磁極敏感元件(檢測器)間的位置關(guān)系;
圖5是沿圖4中A-A線的剖視圖;
圖6是傳統(tǒng)的磁極敏感元件(檢測器)的視圖;
圖7是本發(fā)明一個實施例中的轉(zhuǎn)子的視圖;
圖8表明了本發(fā)明實施例中的電流和電動機(jī)速度之間的關(guān)系;
圖9是具有突出磁極的本發(fā)明的電動機(jī)和無突出磁極的已有技術(shù)間的特性比較圖;
圖10表明出現(xiàn)齒槽轉(zhuǎn)矩的狀態(tài);
圖11表明突出磁極寬度和齒槽轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系的曲線;
圖12是顯示安裝在突出部分上的磁鐵固定件的正視圖;
圖13是另一也具有磁鐵固定件的轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)圖;
圖14是顯示檢測磁鐵和磁極敏感元件(檢測器)之間關(guān)系的圖形;
圖15是傳統(tǒng)的位置檢測器的連接圖;
圖16是應(yīng)用于本發(fā)明的位置檢測器的連接圖;
圖17是對圖14中的實施例有所變化的實施例;
圖18是磁極敏感元件(檢測器)的一個實施例，在磁極敏感元件(檢測器)中裝有正向旋轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)敏感元件(檢測器);
圖19是對圖18中的實施例有所變化的實施例;
圖20是顯示轉(zhuǎn)矩常數(shù)和饋入電流間的關(guān)系曲線圖;
圖21顯示了應(yīng)用本發(fā)明的一個框圖;
下面結(jié)合圖7對本發(fā)明的能夠獲得高轉(zhuǎn)矩和低齒槽轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)加以描述。
在圖7中的轉(zhuǎn)子和圖5中的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子間的差別在于由突出部件構(gòu)成的突出部分103A，或更確切地說，由高導(dǎo)磁率材料組成的轉(zhuǎn)子103的外圓周區(qū)域的4個部件，插入永久磁鐵102之間。突出部分103A的外圓周表面與永久磁鐵102的外表面取(齊)平。
因為突出部分的103A是用和轉(zhuǎn)子芯103同樣的硅鋼片材料疊成的，所以這里的導(dǎo)磁率比永久磁鐵102的高。
因此，在使用高電流強(qiáng)度電流期間，即引擎起動期間和加反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的制動期間，轉(zhuǎn)矩常數(shù)可以得到很大程度的改進(jìn)。圖8顯示了電動機(jī)速度和電流之間的關(guān)系。圖9是特性比較圖，它顯示了轉(zhuǎn)矩和電流之間的關(guān)系，實線16代表傳統(tǒng)電動機(jī)的上述關(guān)系，虛線17代表本發(fā)明電動機(jī)的上述關(guān)系，它還顯示了轉(zhuǎn)矩與每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)之間的關(guān)系，實線18代表了傳統(tǒng)電動機(jī)的這種關(guān)系，虛線19表示了本發(fā)明電動機(jī)的這種關(guān)系。
在電動機(jī)中起動和制動時的電流強(qiáng)度通常達(dá)到恒速旋轉(zhuǎn)時的電流強(qiáng)度的幾倍，這一情況是眾所周知的。
如果在有大電流流過時的起動和制動轉(zhuǎn)矩特性能得到改進(jìn)的話，則效率就可以得到提高，而且熱的影響能減至最小。
顯示在圖7中的本發(fā)明的突出部分103A有磁力集中效應(yīng)，所以當(dāng)大電流加上時在突出部分103A和定子間的磁通量較大。因此本發(fā)明有這樣一種效應(yīng)，即通過的電流越大上述效應(yīng)愈強(qiáng)烈。圖9中，轉(zhuǎn)矩用水平方向軸表示，電流和每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)用垂直軸表示，圖中清楚表明本發(fā)明比上述傳統(tǒng)電動機(jī)優(yōu)越。本發(fā)明能在很大程度上改進(jìn)大電流通過時呈現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩特性。下面來敘述減小齒槽轉(zhuǎn)矩的結(jié)構(gòu)。
這種電動機(jī)中的整個齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值正比于磁通密度。因此突出磁極的比，即突出部分103A的角度對于永久磁鐵102和突出部分103A的總角度之比隨圖7中A/C變大而減小。
磁鐵每轉(zhuǎn)一周的齒槽轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)數(shù)主要取決于轉(zhuǎn)子和定子的極數(shù)。然而，鑒于極的數(shù)目與在多個突出極周圍的一相繞組相同，齒槽轉(zhuǎn)矩的出現(xiàn)數(shù)最終趨于與定子突出磁極數(shù)相應(yīng)的程度。
例如，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極數(shù)和定子繞組交錯排列的槽縫數(shù)分別為4和6時，則齒槽轉(zhuǎn)矩在磁鐵每轉(zhuǎn)一圈出現(xiàn)4×6＝24次。即轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動15度齒槽轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)一次(如圖10所示)，這15度是由一圈(360°)除以24所得的商數(shù)。參閱圖7，圖中編號106表示定子鐵芯，107為槽縫。字母B表示兩相鄰槽縫間的距離(角度)，即槽縫間距。齒槽轉(zhuǎn)矩由槽縫和永久磁鐵結(jié)合產(chǎn)生。圖7顯示的B區(qū)域中，齒槽轉(zhuǎn)矩的變化如圖10中所示。
因此，如果槽縫107上磁通密度變化減少，則齒槽轉(zhuǎn)矩減低。
減少磁通密度變化的問題可通過設(shè)置不同的槽縫間距B和突出部分103A的角度加以解決。
槽縫間距B和突出部分的角度A之間的關(guān)系可表達(dá)為不等式B≠nA……(1)這兒n為不低于1的整數(shù)。
本發(fā)明的發(fā)明者們做了實驗來測定齒槽轉(zhuǎn)矩隨比率B/A的變化情況，得出了圖11中的齒槽轉(zhuǎn)矩和比率B/A的關(guān)系特性。圖11的垂直軸表示齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值，基值1.0是圖5中沒有突出部分的轉(zhuǎn)子中發(fā)生的齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值，該軸的標(biāo)度是根據(jù)基值按預(yù)定的比例確定的。圖11橫軸表示槽縫間距B與角度A的比，即B/A。
試驗的結(jié)果很清楚，當(dāng)槽縫間距B為突出部分103A寬度的整數(shù)倍時，會發(fā)生大的齒槽轉(zhuǎn)矩。當(dāng)B/A為0.5、1.5和2.5時，齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩大大下降。
A＝(n+0.5)B……(2)這兒n是一個整數(shù)。
即僅通過突出部分103A在永久磁鐵102中的位置安排是不可能減少齒槽轉(zhuǎn)矩的。除非突出部分103A和槽縫這樣來安排，即每個突出部分的寬度和槽縫間距B有預(yù)定的關(guān)系，否則減少齒槽轉(zhuǎn)矩是徒勞的。本發(fā)明的發(fā)明者們通過滿足上面提及關(guān)系式(2)，使本發(fā)明實施例中的齒槽轉(zhuǎn)矩減低到傳統(tǒng)電動機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩的1/3-1/5。
本發(fā)明的永久磁鐵型的同步電動機(jī)與該領(lǐng)域中傳統(tǒng)電動機(jī)相比能高速運行或以每分鐘數(shù)萬次的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，且本發(fā)明的電動機(jī)能得到廣泛的應(yīng)用。如果永久磁鐵102和轉(zhuǎn)子的粘著和焊接強(qiáng)度低的話，在電動機(jī)旋轉(zhuǎn)期間永久磁鐵會飛離而產(chǎn)生嚴(yán)重事故。我們(發(fā)明者們)討論了種種方面，提出了一個簡單結(jié)構(gòu)以改進(jìn)永久磁鐵102和轉(zhuǎn)子103的粘合強(qiáng)度。這種結(jié)構(gòu)的例子顯示在圖12和13中。在圖12的例子中，磁鐵固定件103B與突出部分103A形成一個整體，在突出部分沿103A的圓周方向伸展。這些磁鐵固定件103B從兩側(cè)固定磁鐵102的外圓周邊。轉(zhuǎn)子鐵芯103和磁鐵固定件103B之間的距離，即磁鐵固定部分的徑向尺寸稍大于永久磁鐵102的尺寸，以便磁鐵較易固定在轉(zhuǎn)子上。在磁鐵與轉(zhuǎn)子鐵芯固定之后，用塑料、硬橡膠或彈性材料組成的插入件108插入永久磁鐵102和磁鐵固定件103B之間的間隙中，至此，便完成轉(zhuǎn)子101的組裝。
在插入插入件時，傳統(tǒng)的粘合方法和傳統(tǒng)的圓柱形固定件也能使用而不會引起任何麻煩。
圖13顯示了一種不用圖12實例中插入件108而將永久磁鐵102與轉(zhuǎn)子鐵芯103相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。參閱圖13，圖中編號103C表示與磁鐵固定件103B構(gòu)成整體的爪狀物。轉(zhuǎn)子鐵芯中心部和爪狀物103C的終端間的距離比轉(zhuǎn)子鐵芯中心部和相對應(yīng)的永久磁鐵102的外圓周對應(yīng)部分間的距離稍短。利用轉(zhuǎn)子鐵芯103的柔性和彈性將永久磁鐵102在它的軸向上壓在轉(zhuǎn)子鐵芯103中，以便完成轉(zhuǎn)子的組裝。
按照這種結(jié)構(gòu)，零件數(shù)不增加，制造步驟數(shù)下降，結(jié)構(gòu)簡化。
在圖12和13兩種結(jié)構(gòu)中，突出磁極部分103A的尺寸設(shè)置得使齒槽轉(zhuǎn)矩減少。在這兩個例子中，突出磁極部分103A的尺寸A設(shè)置得等于磁鐵固定件103B的寬度。
按照本發(fā)明的構(gòu)造，特別是起動轉(zhuǎn)矩改進(jìn)很大，且齒槽轉(zhuǎn)矩得到減少。而且，永久磁鐵的安裝比較簡單，且按照上述方法組裝的永久磁鐵和轉(zhuǎn)子的粘合強(qiáng)度達(dá)到很高的水平。
具有上述結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的永久磁鐵型電動機(jī)可分為機(jī)械電刷電動機(jī)和沒有這種電刷的所謂無刷電動機(jī)。
無刷電動機(jī)通過加電流于電動機(jī)而使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，磁極繞組按照轉(zhuǎn)子的位置有選擇地移位。因此這種電動機(jī)必須有一檢測器以測定轉(zhuǎn)子的位置。
位置檢測器含有磁性檢測元件，該元件對轉(zhuǎn)子101上的永久磁鐵102進(jìn)行檢測。有各種各樣元件可以用作磁性檢測元件，常用的有如磁電阻效應(yīng)元件和霍爾集成塊(Hall IC)等。
圖14顯示了本發(fā)明由霍爾集成塊(Hall IC′S)組成的磁檢測元件的安排。參閱附圖，一組由3個上面畫有陰影線的30°排列的霍爾集成塊30A、30B、30C是轉(zhuǎn)子正向旋轉(zhuǎn)的位置敏感元件(檢測器)，而沒有陰影線的霍爾集成塊30D、30E、30F作為轉(zhuǎn)子的反向旋轉(zhuǎn)的位置敏感元件(檢測器)。正向旋轉(zhuǎn)位置敏感元件(檢測器)組超前中心線α°，而反向旋轉(zhuǎn)位置敏感元件(檢測器)組滯后中心線β°。即正向旋轉(zhuǎn)位置敏感元件(檢測器)組和反向旋轉(zhuǎn)位置敏感元件(檢測器)組相互交錯α′β度。當(dāng)來自永久磁鐵型電動機(jī)特別是無刷電機(jī)中的一組位置檢測器的信號用作轉(zhuǎn)換磁極繞組使轉(zhuǎn)子正向和反向旋轉(zhuǎn)時，電動機(jī)的各種性能如電流-轉(zhuǎn)矩特性在轉(zhuǎn)子正向旋轉(zhuǎn)期間和反向旋轉(zhuǎn)期間一般會變得不同，通過有關(guān)圖3的解釋這一點是非常明顯的。因此，當(dāng)需要作正向和反向旋轉(zhuǎn)的負(fù)載裝置用僅帶有一組位置敏感元件(檢測器)的電動機(jī)驅(qū)動時，轉(zhuǎn)子正向旋轉(zhuǎn)期間的速度和反向旋轉(zhuǎn)期間的速度不會一致，從而會發(fā)生其它麻煩。如圖14所示和上面所論述的位置敏感元件(檢測器)可以解決這些問題。根據(jù)這些位置敏感元件(檢測器)，當(dāng)轉(zhuǎn)子正向旋轉(zhuǎn)時，不僅有正向旋轉(zhuǎn)位置敏感(檢測)，而且還有反向旋轉(zhuǎn)位置敏感(檢測器)，這些反向旋轉(zhuǎn)位置敏感元件(檢測器)相對于正向旋轉(zhuǎn)位置敏感元件(檢測器)以交錯方式排列。這交錯值即角α+β，當(dāng)然經(jīng)選擇適當(dāng)配置使得電動機(jī)正向旋轉(zhuǎn)特性和反向旋轉(zhuǎn)特性相互一致。因此，當(dāng)圖21中的裝置用圖7中表示的改進(jìn)了的電動機(jī)來驅(qū)動時，由于使用了圖14中的磁極檢測器或旋轉(zhuǎn)位置檢測器202，大大增加了由磁阻轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和減少了齒槽轉(zhuǎn)矩。
通常，霍爾集成塊有一個如圖15所示的三端結(jié)構(gòu)。參閱附圖，圖中字母Va表示直流供電端，GND表示接地端，由于外加磁場而引起的內(nèi)部電阻的變化從輸出端OUT輸出。
單個霍爾元件通常有上述的三接線端，因此當(dāng)如圖14裝有六個霍爾集成塊時，就需要共18個端，以致電路變得復(fù)雜了。解決這個問題的電路顯示在圖16中。從這個圖可以清楚地看出，端數(shù)(線的根數(shù))由于使用一個直流供電端Vcc和一個公共接地端GND而減少到8個。從而使電路簡化。
所有霍爾集成塊都做在如圖17所示的單基片40上是人們所希望的。即當(dāng)使用一公共基片時，所有(六個)霍爾集成塊通過一次操作就安裝好。這使得霍爾集成塊安裝操作簡單化，且支持元件的強(qiáng)度也得到改進(jìn)，從而可以得到具有優(yōu)良抗震能力的位置檢測器。
圖18和圖19分別對應(yīng)圖14和圖17。圖18、19和圖14、17之間的差別在于前者用兩組敏感元件(檢測器元件)202-1和202-2組成磁極敏感元件(檢測器)，而后者用一組敏感元件(檢測器元件)202組成磁極敏感元件(檢測器)。
在沒有突出部分103A的傳統(tǒng)電動機(jī)中，如圖9中實線16所示有大的電流流過，起動轉(zhuǎn)矩18比較小。如果如圖7所示的突出部分象本發(fā)明那樣被安裝在永久磁鐵102之間的話，起動轉(zhuǎn)矩由于磁集中效應(yīng)將得到很大改進(jìn)。
定子的導(dǎo)通電流和轉(zhuǎn)矩常數(shù)間的關(guān)系如下。當(dāng)導(dǎo)通電流增大時，本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩常數(shù)因有突出磁極103，如圖20中虛線21所示也隨之增大。相反，在傳統(tǒng)的沒有突出磁極的永久磁鐵型同步電動機(jī)中，當(dāng)定子的導(dǎo)通電流增大時，轉(zhuǎn)矩常數(shù)如圖20中實線20所示逐漸變小。即由于定子電感的影響，傳統(tǒng)的永久磁鐵型同步電動機(jī)的感應(yīng)電壓常數(shù)特性將隨著導(dǎo)電電流的增加而下降，如圖20中實線20所示。另一方面，在如圖7所示的本發(fā)明的帶有突出磁極的情況下，當(dāng)定子的導(dǎo)通電流增加時，電樞電抗的磁化效應(yīng)增長，以致當(dāng)定子的導(dǎo)通電流如上所述增大時，感應(yīng)電壓常數(shù)也增大起來。結(jié)果，本發(fā)明的電動機(jī)使感應(yīng)電壓常數(shù)增大，也使轉(zhuǎn)矩常數(shù)增大，從而產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)矩，如圖3中虛線所示。為了有效地利用本發(fā)明獲得的大轉(zhuǎn)矩，使用如圖21所示的控制電路。
在圖21中，與圖1中相同部分用相同的編號表示。磁極敏感元件(檢測器)2的輸出信號輸入到模式產(chǎn)生電路18。旋轉(zhuǎn)編碼器3的輸出信號輸入到四倍頻電路17。雖然四倍頻電路17用來增加速度一位置控制電路5和計算電路16的分辨能力，但通常的頻率電路也可以代替它。計算電路用來計算，例如，當(dāng)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向從正向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪蛐D(zhuǎn)時，計算電路根據(jù)正向旋轉(zhuǎn)的敏感元件(檢測器)30A的另一位置，可計算出反向旋轉(zhuǎn)敏感元件(檢測器)30D的位置。模式產(chǎn)生電路18用來轉(zhuǎn)換電動機(jī)的起動位置。即當(dāng)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向從正向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成反向旋轉(zhuǎn)時，模式產(chǎn)生電路18輸出一個控制信號到驅(qū)動電路4，使某一相如三相中的U相從180°-｛(30°-β°)+30°｝到｛180°-(30°-β°)｝的區(qū)域起動。當(dāng)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向從反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)入正向旋轉(zhuǎn)時，模式產(chǎn)生電路18輸出另一個控制信號給驅(qū)動電路4，使某一相如三相中的U相從｛30°+α°｝到｛(30°+α°)+30°｝的區(qū)域開始起動。驅(qū)動電路4是用模式產(chǎn)生電路18的控制信號和來自速度-位置控制電路5的脈沖寬度調(diào)制信號來驅(qū)動的。
為了有效地利用由圖7顯示的轉(zhuǎn)子的突出結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的高轉(zhuǎn)矩，必須變換定子電流的導(dǎo)通位置。定子電流導(dǎo)通位置是由模式產(chǎn)生電路18來決定的。因為電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)位置可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器3和磁極敏感元件(檢測器)2的計算值得出，定子電流的導(dǎo)通位置能通過旋轉(zhuǎn)位置來決定。
按照圖21所示的控制系統(tǒng)，在正向旋轉(zhuǎn)時與圖6顯示的傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩敏感元件(檢測器)相比較得到一個滯后α°的轉(zhuǎn)矩，在反向旋轉(zhuǎn)時通過設(shè)置本發(fā)明的磁極敏感元件(檢測器)，與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩敏感元件(檢測器)相比較得到一個超前β°的轉(zhuǎn)矩，通過這樣的方式，本發(fā)明能獲得一個大轉(zhuǎn)矩。
按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和控制方法，讓大電流流入定子并利用電樞電抗的磁化效應(yīng)，在正向和反向旋轉(zhuǎn)時，都能獲得大的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，從而獲得圖9中虛線所示的特性。
因為每個突出部分103A的寬度(角度)按照與槽縫的間距B的預(yù)定關(guān)系而設(shè)置，所以齒槽轉(zhuǎn)矩如圖11所示能大大減小。
應(yīng)用本發(fā)明的電動機(jī)可由通常的旋轉(zhuǎn)型電動機(jī)組成，且本發(fā)明也能以相同方式用于線性電動機(jī)。
以上所述，按照本發(fā)明用以實現(xiàn)第一個發(fā)明目的第一發(fā)明部分，旋轉(zhuǎn)鐵芯部件突出到永久磁鐵中間以在所提及的位置上形成突出部分，且每個突出部分的寬度與沒有突出磁極的傳統(tǒng)電動機(jī)相比較設(shè)置得與定子的槽縫間距不同。因此起動時的轉(zhuǎn)矩大大增大，而齒槽轉(zhuǎn)矩下降。
按照本發(fā)明用以實現(xiàn)第二個發(fā)明目的第二發(fā)明部分，提供了兩組位置檢測器，即一組正向旋轉(zhuǎn)位置檢測器和一組反向旋轉(zhuǎn)位置檢測器，在兩組檢測器組之間安排一個相位差，使電動機(jī)在正向旋轉(zhuǎn)期間和反向旋轉(zhuǎn)期間都有良好的特性，且兩期間的特性散布大大減小。
按照本發(fā)明用以實現(xiàn)第三個發(fā)明目的的第三發(fā)明部分，旋轉(zhuǎn)鐵芯部件突出到永久磁鐵中間在所述位置形成突出部分，且在這些突出部分的終端形成固定永久磁鐵構(gòu)件，以致永久磁鐵能通過簡單的結(jié)構(gòu)而得以固定。
權(quán)利要求
1.一永久磁鐵型同步電動機(jī)包括含有多個槽縫的定子和與所述的定子相對而接近放置的轉(zhuǎn)子，以便使所說的轉(zhuǎn)子能夠旋轉(zhuǎn)，所說的轉(zhuǎn)子含有固定地安裝在電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)子鐵芯和安裝在所說的轉(zhuǎn)子鐵芯圓周部分上的偶數(shù)永久磁鐵，所說的定子有檢測所說轉(zhuǎn)子上的所說永久磁鐵位置的檢測器(30)，其特征在于所說位置檢測器由所說電動機(jī)正向旋轉(zhuǎn)的位置檢測器(30A，30B，30C)和所說電動機(jī)反向旋轉(zhuǎn)的位置檢測器(30D，30E，30F)兩組組成，所說兩組位置檢測器有預(yù)定的相位差(α，β)。
2.按照權(quán)利要求1所述的永久磁鐵型同步電動機(jī)，其特征在于所說的兩組位置檢測器都在所說定子的一個方向中集中排列。
3.按照權(quán)利要求1所述的永久磁鐵型同步電動機(jī)，其特征在于所說的兩組位置檢測器在所說定子的其一個方向中兩者分開排列。
4.按照權(quán)利要求2所述的永久磁鐵型同步電動機(jī)，其特征在于所說兩組位置檢測器安裝在同一基底(40)上。
5.一永久磁鐵型同步電動機(jī)包括檢測轉(zhuǎn)子(101)磁極位置的裝置(2)和按照控制信號驅(qū)動電動機(jī)的驅(qū)動電路(4)，轉(zhuǎn)子含有固定地安裝在電動機(jī)軸(105)上的轉(zhuǎn)子鐵芯(103)和安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯圓周部分上的偶數(shù)永久磁鐵(102)，其特征在于，所說轉(zhuǎn)子鐵芯在所說永久磁鐵間有突出部分(103)，而且所述同步電動機(jī)還包含模式發(fā)生電路，該模式發(fā)生電路輸入三種信號，即正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)指令信號，檢測電動機(jī)在正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)中的磁鐵位置的裝置的輸出信號和一對應(yīng)于正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)指令信號的電動機(jī)起動位置的控制信號。模式發(fā)生器在這三種輸入信號的作用下輸出一信號給驅(qū)動電路以決定電動機(jī)的導(dǎo)通位置。和通過與所述電動機(jī)的所述磁極位置相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制信號控制所述定子的控制電路(5)，其中所述驅(qū)動電路受到模式產(chǎn)生電路和控制電路的各輸出信號的控制。
全文摘要
面對具有多個槽縫的定子永久磁鐵型同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子包括安裝在電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)子鐵芯和安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯圓周方向上的偶數(shù)永久磁鐵。以在每個永久磁鐵間突進(jìn)一部分的形狀形成突出部分。每個突出部分的寬度與定子槽縫間距不同。檢測轉(zhuǎn)子的永久磁鐵位置的位置檢測器包括正向旋轉(zhuǎn)的檢測器(30A，30B，30C)和反向旋轉(zhuǎn)的檢測器(30D，30E，30F)。這些檢測器的排列對于中心線有預(yù)定的相位差(α，β)。有一模式產(chǎn)生電路根據(jù)相位差轉(zhuǎn)換定子繞組的電流導(dǎo)通位置。
文檔編號H02K21/02GK1055088SQ9110194
公開日1991年10月2日 申請日期1989年5月13日 優(yōu)先權(quán)日1988年5月13日
發(fā)明者松林純, 田島文男, 宮下邦夫, 高田和明, 久保倉邦明, 豐田榮治 申請人:株式會社日立制作所, 日立多賀莫托魯株式會社