專利名稱：包括具有適當(dāng)布置的勵磁線圈、永磁體和凸極結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子的改進(jìn)的同步電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及電機(jī)。更具體地，本發(fā)明涉及改進(jìn)的同步電機(jī)，其包括 具有勵磁線圈、永磁體和凸極結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子。
背景技術(shù)：
例如，從首次公開號為H11-89193和2006-121821的日本專利中己知一種 同步磁阻電機(jī)，其包括具有凸極結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子和具有定子線圈的定子。
在凸極結(jié)構(gòu)中，多個凸極部與多個磁阻部在電機(jī)的圓周方向上以(7i/2)的電 角節(jié)矩交替排列。另一方面，當(dāng)通上正弦交流電流時，定子線圈產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。 該旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)同步，產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。
此外，由轉(zhuǎn)子上的d和q軸定義旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，可以將磁阻轉(zhuǎn)矩表示為 (Ld-Lq)xldxlq，其中Ld是電機(jī)的d軸電感，Lq是電機(jī)的q軸電感，Id是電機(jī) 的d軸電流(即提供給定子線圈的交流電流的d軸分量)，并且Iq是電機(jī)的q 軸電流(即提供給定子線圈的交流電流的q軸分量)。另外，隨同轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn) 的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系定義為使得電機(jī)的電感沿d軸方向最高并且沿q軸方向最低。
此外，還已知多種類型的凸極結(jié)構(gòu)，例如磁障式和節(jié)片式。然而，對于那 些已知的類型，由于用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的交流電流的損耗而導(dǎo)致電機(jī)的效率減 少，從而使電機(jī)的功率密度斷氏。因此，期望增大電機(jī)的凸極比^(Ld/Lq)，從 而增大電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩。
此外，在己知的同步磁阻電機(jī)中，通過將交流電流提供給定子線圈而產(chǎn)生 在定子和轉(zhuǎn)子之間傳遞的所有磁通量。通常地，定子線圈配置為具有相對少的 匝數(shù)，以減少定子線圈的電抗。因此，為了產(chǎn)生所有磁通量，必須將相對強(qiáng)的 交流電流提供給定子線圈。然而，這將會增加定子線圈的銅損(或歐姆損耗)， 從而降低電機(jī)的效率。
或者，可以通過使用在其上纏繞有勵磁線圈的倫德爾式轉(zhuǎn)子芯而在轉(zhuǎn)子側(cè) 產(chǎn)生 量。然而，在這種情況下，勵磁線圈要31±直流電流；此外，勵磁線圈會具有相對多的匝數(shù)以減小提供至l謀上的直流電流。因此，將難以腿改變 由電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
為了解決上述問題，可以考慮使用IPM (內(nèi)嵌式永磁體)同步電機(jī)，其具 有^A轉(zhuǎn)子中的凸極結(jié)構(gòu)和永磁體；因此該IPM電機(jī)可以產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩和磁體 轉(zhuǎn)矩(即，通過禾傭由永磁體產(chǎn)生的鵬量而產(chǎn)生的糊)。然而，在這種情況 下，為了在電機(jī)的低速下產(chǎn)生高的磁體轉(zhuǎn)矩，要求永磁體能夠產(chǎn)生強(qiáng)磁通量； 這會怖:k磁體價格昂貴。另一方面，在電機(jī)的高速下，由永磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁通 量會在電機(jī)的定子線圈中感應(yīng)出大的反電動勢。為了克服該大的反電動勢，必 須將大的交流電流提供給定子線亂這會顯著增加定子線圈的銅損。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種同步電機(jī)，其包括定子和被定子環(huán)繞的轉(zhuǎn)子。定 子包括定子芯和多相定子線圈以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子圍繞其旋轉(zhuǎn)的旋 轉(zhuǎn)軸，多個由軟磁材料制成的節(jié)片，多個永磁體，以及勵磁線圈。節(jié)片位于旋 轉(zhuǎn)軸的徑向外側(cè)，并且在旋轉(zhuǎn)軸的圓周方向上以預(yù)定的節(jié)矩排列，在各節(jié)片之 間形成間隔。^h節(jié)片具有凹口和一對末端。凹口形自節(jié)片的周向中心部分， 并且從轉(zhuǎn)子的徑向夕卜周徑向地向內(nèi)凹進(jìn)，以構(gòu) 阻部。該對末端在旋轉(zhuǎn)軸的 圓周方向上彼此相對，并且在其間設(shè)置有凹口，從而各自構(gòu)成一對凸極部。每 個永磁體設(shè)置在節(jié)片之間的一個間隔中，并且屬于第一和第二組中的一個。第 一組7乂磁體與第二組永磁體在旋轉(zhuǎn)軸的圓周方向上交替排列。每個第一組7乂磁
體的N (北)極沿順時針方向位于其S (南)極的前面。^h第二組7JC磁體的N 極沿逆時針方向位于其S極的前面。勵磁線圈纏繞在節(jié)片周圍以便g旋轉(zhuǎn)軸 的圓周方向延伸穿過節(jié)片的凹口。勵磁線圈配置為當(dāng)通上直流電流時，產(chǎn)生使 旨節(jié)片的一對末端沿相反方向磁化的M量。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例，轉(zhuǎn)子還包括多個第二永磁體。每個第二永 磁體設(shè)置在對應(yīng)的一個節(jié)片的凹口中，并且其N和S極沿旋轉(zhuǎn)軸的圓周方向彼 此相對以便使該對應(yīng)的節(jié)片沿著與勵磁線圈相反的方向磁化。
根據(jù)本發(fā)明的另一個4光選實(shí)施例，轉(zhuǎn)子配置為具有由軟磁材料制成的倫德 爾式轉(zhuǎn)子芯。轉(zhuǎn)子的每個節(jié)片由轉(zhuǎn)子芯的周向相鄰的一對爪極部構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的再一個優(yōu)選實(shí)施例，轉(zhuǎn)子還包括多個軟磁構(gòu)件和第二勵磁線 圈。旨軟磁構(gòu)件與對應(yīng)的一個永磁體并聯(lián)連接，從而使該對應(yīng)的7JC磁體磁短路。第二勵磁線圈纏繞在軟磁構(gòu)件周圍以沿著旋轉(zhuǎn)軸的圓周方向延伸，從而允 許M控律鵬供給第二線圈的勵磁電流而控制在軟磁構(gòu)件中流動的M量。
雌地，轉(zhuǎn)子配置為具有由軟磁材料制成的倫德爾式串列轉(zhuǎn)子芯。轉(zhuǎn)子的 ^節(jié)片和軟磁構(gòu)件由轉(zhuǎn)子芯的周向相鄰的一對爪極部構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實(shí)施例，定子芯圍繞轉(zhuǎn)子以沿著旋轉(zhuǎn)軸的徑向面 對轉(zhuǎn)子。定子芯包括在定子芯的徑向內(nèi)周上形成為徑向向內(nèi)突出的多個定子齒。 定子齒在旋轉(zhuǎn)軸的圓周方向上以預(yù)定的節(jié)矩排列，并在各定子齒之間形成槽。
此外，Tw<Mw，其中Tw是每個定子齒在其徑向內(nèi)端處的周向?qū)挾?，并且Mw 是^永磁^tt其徑向外端處的周向?qū)挾取?br> 優(yōu)選地，每個定子齒在其徑向內(nèi)端處形成有沿著與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反的 方向突出的突起。該突起沿著與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反的方向逐漸變細(xì)，使得 Tb>Td，其中Tb是突起在突起的底部處沿著旋轉(zhuǎn)軸的徑向的寬度，并且Td是 突起在突起的頂部處沿著該徑向的寬度。突起的突出高度Tc基本上等于Tb。 定子齒的限定一個槽的每對側(cè)壁基本上彼此平行。此外，Te>2Tc，其中Te是每 個槽在其徑向內(nèi)端處的周向?qū)挾取?br>

從下面給出的詳細(xì)描述和本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的附圖將會更充分地理解本 發(fā)明，然而，這些不應(yīng)被用來將本發(fā)哪艮制為具體實(shí)施例，而僅是用于解釋和 理解的目的。
在附圖中
圖1是顯示用于為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的同步電機(jī)供電的電路的示意 性原理框圖2是顯示根據(jù)第一實(shí)施例的同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子的整體結(jié)構(gòu)的示意圖，其中 沿其軸向觀看轉(zhuǎn)子；
圖3是圖2的轉(zhuǎn)子的示意圖，其示出了根據(jù)第一實(shí)施例的同步電機(jī)中磁阻 轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生；
圖4是圖2的轉(zhuǎn)子的示意圖，其示出了根據(jù)第一實(shí)施例的同步電機(jī)中"磁體 轉(zhuǎn)矩，的產(chǎn)生；
圖5是圖2的轉(zhuǎn)子的示意圖，其示出了根據(jù)第一實(shí)施例的同步電機(jī)中"勵磁
6電流辦E"的產(chǎn)生；
圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的轉(zhuǎn)子的整體結(jié)構(gòu)的示意圖，其中沿 其軸向觀看轉(zhuǎn)子；
圖7是顯示根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的轉(zhuǎn)子的整體結(jié)構(gòu)的示意圖，其中沿
其軸向觀看轉(zhuǎn)子；
圖8是圖7的轉(zhuǎn)子的圓周展開圖，顯示轉(zhuǎn)子的徑向外表面； 圖9是示出了圖7的轉(zhuǎn)子的變型的示意性透視圖10是顯示根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的轉(zhuǎn)子的整體結(jié)構(gòu)的示意圖，其中沿 其軸向觀看轉(zhuǎn)子；
圖11是顯示根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的轉(zhuǎn)子的整體結(jié)構(gòu)的示意性偵艦圖12是圖11的轉(zhuǎn)子的圓周展開圖，顯示轉(zhuǎn)子的徑向夕卜表面；
圖13是顯示對照同步電機(jī)的一部分的示意性橫截面圖14是顯示根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的同步電機(jī)的一部分的示意性橫截
面圖15是顯示根據(jù)本發(fā)明的第七實(shí)施例的同步電機(jī)的一部分的示意性橫截 面圖；以及
圖16 ^出圖15的同步電機(jī)的設(shè)計(jì)理念的示意性橫截面圖。 具體實(shí)施例
下面將參照圖1一16描述本發(fā)明的,實(shí)施例。
應(yīng)該注意，為了清楚和理解，在本發(fā)明的不同實(shí)施例中具有相同功能的相 同部件已經(jīng)盡可能在每幅圖中由相同的附圖標(biāo)記。 [第一實(shí)施例]
圖1示出了用于為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的同步電機(jī)供電的電路。圖2 示出了該同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子的整體結(jié)構(gòu)。
在圖1中，附圖標(biāo)號l，同步電機(jī)，其是內(nèi)轉(zhuǎn)子式的；附圖標(biāo)號2g 三相逆變器；附圖標(biāo)號3表示勵磁電流控制電路；附圖標(biāo)號4標(biāo)控制器，其 配置有微型計(jì)算機(jī)并且起到控制逆變器2和勵磁電流控制電路3的功能；附圖 標(biāo)號50表示電池；以及附圖標(biāo)號60表示濾波(平滑)電容器。
同步電機(jī)1包括定子6和被定子6環(huán)繞的轉(zhuǎn)子7。在本實(shí)施例中，定子6具有一種A^f周知的結(jié)構(gòu)，其中三相定子線圈10安裝在定子芯的槽中；因此在
圖1和2中未示出定子6。三相定子線圈10由星形連接的U相線圈1U、 V相 線圈IV和W相線圈1W組成。另一方面，轉(zhuǎn)子8被定子6環(huán)繞并且包括勵磁 線圈14。
逆變器2將從電池5輸出的直流功率轉(zhuǎn)換為三相交流功率。然后將獲得的 三相交流功率提供給電機(jī)l的定子線圈IO。另外，應(yīng)該理解，同步電機(jī)l也可 以fflil將逆變器2操作為三相全波整流器而起到同步發(fā)電機(jī)的作用。勵磁電流 控制電路3控制提供給轉(zhuǎn)子7的勵磁線圈14的直流勵磁電流。
控制器4接收從旋轉(zhuǎn)角傳 輸出的旋轉(zhuǎn)角信號和從外部設(shè)備或電路輸出 的轉(zhuǎn)矩指令；旋轉(zhuǎn)角信號指示由旋轉(zhuǎn)角傳感器感觀啲轉(zhuǎn)子7的旋轉(zhuǎn)角；糊指 令指示電機(jī)l的目標(biāo),。然后，控制器4基于接收的旋轉(zhuǎn)角信號和轉(zhuǎn)矩指令 而確定目標(biāo)三相交流電流和目標(biāo)勵磁電流If。此后，控制器4向逆變器2輸出 第一指令信號，從而命令逆變器2向電機(jī)1的定子線圈10輸出目標(biāo)三相交流電 流；控制器4還向勵磁電流控制電路3輸出第二指令信號，從而命令勵磁電流 控制電路3向電機(jī)l的勵磁線圈14輸出目標(biāo)勵磁電流If。
用于為同步電機(jī)1供電的電路與用于為普通的勵磁線圈式同步電機(jī)供電的 電路基本相同。因此，在下文中省略了對該電路的更詳細(xì)的解釋。
接下來，將參照圖2描述同步電機(jī)1的轉(zhuǎn)子7的結(jié)構(gòu)。
在本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子7包括旋轉(zhuǎn)軸8以圍繞其旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子7還包括多個(例 如圖2中的10個)節(jié)片ll，多個永磁體13，以皿磁線圈14。
節(jié)片11由軟磁材料制成，并且位于旋轉(zhuǎn)軸8的徑向外側(cè)。此外，節(jié)片11 在旋轉(zhuǎn)軸8的圓周方向上以預(yù)定的節(jié)矩排列，并在其間形成間隔12。
每個節(jié)片ll基本為"C"形，以具有凹口 llO和一對末端lll。凹口 IIO形成 在節(jié)片ll的周向中心部分中，并且從轉(zhuǎn)子7的徑向外周徑向地向內(nèi)凹進(jìn)。凹口 110構(gòu)繊阻部10。該對末端111在旋轉(zhuǎn)軸8的圓周方向上彼此相沐凹口 110 設(shè)置在它們之間。^末端111構(gòu)成凸極部111。
所有的磁阻部110和凸極部111 一起構(gòu)成轉(zhuǎn)子7的凸極結(jié)構(gòu)。在該凸極結(jié) 構(gòu)中，磁阻部10和凸極部111在旋轉(zhuǎn)軸8的圓周方向上以(7i/2)的電角節(jié)矩排列。 因此，采用該凸極結(jié)構(gòu)，電機(jī)1可以起到同步磁阻電機(jī)的作用，以產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn) 矩。此外，在轉(zhuǎn)子7中，每個相鄰對的一個節(jié)片11和一個間隔12在旋轉(zhuǎn)軸8 的圓周方向上的寬度的總和等于兀的電角度。因此，每個節(jié)片11的劍末端(即 凸極部lll)以大約兀的電角度彼此分離。
*永磁體13設(shè)置在節(jié)片11之間的一個間隔12中。在本實(shí)施例中，將所 有的7乂磁體13分為第一和第二組。針第一組7乂磁體13的N (北)極，沿順 時針方向位于其S (南)極的前面。因此，旨第一組永磁體13使鄰jfi/1c磁體 13的一對節(jié)片U沿順時針方向磁化。另一方面，旨第二組永磁體13的N極， 沿逆時針方向位于其S極的前面。因此，每個第二組永磁體13使鄰近永磁體13 的一對節(jié)片ll沿逆時針方向磁化。此外，第一組永磁體13與第二組永磁體13 在旋轉(zhuǎn)軸8的圓周方向上交替排列。
因此，也可以將轉(zhuǎn)子7的節(jié)片11分為第一和第二組。旨第一組節(jié)片11 被鄰近該節(jié)片ll的兩個永磁體13的N極磁化，從而具有N極性。另一方面， 旨第二組節(jié)片11被該鄰近節(jié)片11的兩個永磁體13的S極磁化，從而具有S 極性。此外，第一組節(jié)片11與第二組節(jié)片11在旋轉(zhuǎn)軸8的圓周方向上交替排 列。因此，在電機(jī)l中形 路，其中由7JC磁體13產(chǎn)生的磁通量流出第一組節(jié) 片ll，經(jīng)過定子6，然后流入第二組節(jié)片ll。因此，由于該磁路，電t幾l也可 以起到7乂磁式同步電機(jī)的作用，以產(chǎn)生"磁1^g"(即，通過利用由7JC磁體13 產(chǎn)生的磁通量而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩)。
勵磁線圈14在節(jié)片11周圍纏繞劇頓次經(jīng)過節(jié)片11的凹口 110以沿著旋轉(zhuǎn) 軸8的圓周方向延伸。當(dāng)fflJ:直流勵磁電流If時，勵磁線圈14產(chǎn)生使每個節(jié)片 11的一對凸極部lll沿相反方向磁化的磁通量。因此，由于轉(zhuǎn)子7的勵磁線圈 14，電機(jī)l也可以起到勵磁線圈式同步電機(jī)的作用，以產(chǎn)生"勵磁電流車轉(zhuǎn)g"(即， M禾擁將勵磁電流If提供給勵磁線圈14而產(chǎn)生的M量而產(chǎn)生的,)。
因此，根據(jù)本實(shí)施例的同步電機(jī)1， M適當(dāng)?shù)乜刂贫ㄗ与娏?即提供給 定子線圈10的三相交流電流)和勵磁電流If，可以產(chǎn)生磁阻,、磁#$^矩和 勵磁電流轉(zhuǎn)矩。
現(xiàn)在將參照圖3—5描述磁阻,、磁,矩和勵磁電流轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。 圖3示出了同步電機(jī)1中的磁阻轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，其中忽略了磁，矩和勵磁 電流l錄巨的產(chǎn)生。
首先，在轉(zhuǎn)子7上定義旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其具有經(jīng)過永磁體13的周向中心(即節(jié)片11之間的間隔12的周向中心)的d和-d軸，以及經(jīng)過節(jié)片11的周向中心 的q和-q軸。此外，設(shè)Ld為電機(jī)l的d軸電感；設(shè)Lq為電機(jī)l的q軸電感； 設(shè)Id為電機(jī)1的d軸電流(即定子電流的d軸分量)；并且設(shè)Iq為電機(jī)1的q 軸電流(即定子電流的q軸分量)。然后，由電機(jī)l產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩Tr可以表 示為(Ld-Lq)xIdxIq。
在本實(shí)施例中，在q和-q軸之間的磁路中設(shè)有節(jié)片11的兩個凹口 110和節(jié) 片11之間的一個間隔12，從而使q軸電感Lq較小。因此，可以使磁阻糊Tr較大。
圖4示出了同步電機(jī)1中的磁m轉(zhuǎn)巨的產(chǎn)生，其中忽略了磁阻轉(zhuǎn)矩Tr和勵 磁電流轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。
由永磁體13產(chǎn)生的磁通量Om流入第二組節(jié)片11 (例如圖4中的左邊的 節(jié)片)，經(jīng)過節(jié)片11之間的間隔12，然后朝向定子6流出第一組節(jié)片U (例如 圖4中的右邊的節(jié)片)。如上所述，第一組節(jié)片11被永磁體13磁化而具有N極 性，而第二組節(jié)片11被tK磁體13磁化而具有S極性。
假設(shè)在節(jié)片11沒有磁飽和的理想條件下，對于每個節(jié)片11， M量Om 平均分配給節(jié)片ll的一對凸極部lll。因此，如圖4所示，可以等效地認(rèn)為磁 通量to 、髓包括q和-q軸的磁路流動。結(jié)果，由同步電機(jī)1產(chǎn)生的磁懶轉(zhuǎn)巨 Tm^^等于0)mxld。
圖5示出了同步電機(jī)1中的勵磁電流傲巨的產(chǎn)生，其中忽略了磁阻辦巨Tr 和磁體轉(zhuǎn)矩Tm的產(chǎn)生。
M將勵磁電流If提供給勵磁線圈14而產(chǎn)生的磁通量Oi流出鄰近第一組 7乂磁體13的節(jié)片11的那些凸極部lll，經(jīng)過定子6，然后流入鄰近第二組7lc磁 體13的節(jié)片11的那些凸極部Ul。如上所述，^h第一組7:R磁體13的N極沿 順時針方向位于其S極的前面，而每個第二組永磁體13的N極沿逆時針方向位 于其S極的前面。
例如，在圖5中示出的三個永磁體13中，只有位于中央的一個永磁體屬于 第一組，而另外兩個永磁體屬于第二組。因此，M量Oi流出鄰近位于中央的 永磁體13的兩個凸極部111，經(jīng)過定子6 (圖5中未示出)，然后流入其余的凸 極部lll。
再次假設(shè)在節(jié)片11沒有磁飽和的理想條件下，對于^永磁體13， M量Oi平均分配給鄰近永磁體13的一對凸極部111 。因此，如圖5所示，可以等 效地認(rèn)為M量Oi沿著包括d和-d軸的磁路流動。結(jié)果，由同步電機(jī)1產(chǎn)生的 勵磁電流車轉(zhuǎn)巨Ti 等于(Dixlq。
因此，在本實(shí)施例中，由同步電機(jī)l產(chǎn)生的總的轉(zhuǎn)矩等于(Tr+Tm+Ti)，即， ((Ld-Lq)xlcMq+0)mxid+a)ixIq)。
此外，在本實(shí)施例中，第一組7lc磁體13與第二組永磁體13在旋轉(zhuǎn)軸8的 圓周方向上交替排列;每個第一組永磁體13的N極沿順時針方向位于其S極的 前面；每個第二組7K磁體13的N極鵬時針方向位于其S極的前面。
從圖3和4可以看出，由于7乂磁體13的上述布置，由7乂磁體13產(chǎn)生的磁 通量Om沿著q和-q軸以與MM將三相交流電流提供給定子線圈10而產(chǎn)生的磁 通量Oq相反的方向流動。因此，M量Oq被M量0)m削弱，從而減小同步 電機(jī)l的q軸電感Lq。
此外，在本實(shí)施例中，勵磁線圈14在節(jié)片11的周圍纏繞成經(jīng)由節(jié)片11的 凹口 U0而沿著旋轉(zhuǎn)軸8的圓周方向延伸。當(dāng)肚直流勵磁電流If時，勵磁線 圈14產(chǎn)生使每個節(jié)片11的一對凸極部川沿相反方向磁化的M量Oi。
從圖3和5可以看出，由于勵磁線圈14的，配置，M將勵磁電流If 提供給勵磁線圈14而產(chǎn)生的M量0>i沿著d和-d軸以與ilil將三相交流電流 提供給定子線圈10而產(chǎn)生的鵬量0>d相同的方向流動。因此，鵬量Od被 M量0)i加強(qiáng)，從而增大同步電機(jī)l的d軸電感Ld。
結(jié)果，由于減小的q軸電感Lq和增大的d軸電感Ld，同步電機(jī)1的磁阻 轉(zhuǎn)矩Tr增大。
此外，磁通量Od、 (Dq、 (Dm和O)i—起以不同方式使節(jié)片ll的凸極部lll 磁化。例如在圖2中，在四個周向相鄰的凸極部111A、 111B、 U1C和111D中， 凸極部111A被各M量磁化以形成強(qiáng)N極，而凸極部111C被各M量磁化以 形成強(qiáng)S極;在凸極部111B和111D處，各鵬量被彼此抵消，從而凸極部111B 和111D中的每一個形成O極(即非極性極)。
另外，ffi31適當(dāng)?shù)乜刂贫ㄗ与娏骱吞峁┙o勵磁線圈14的勵磁電流If，可以 防止節(jié)片11的凸極部111的磁飽和。
當(dāng)同步電機(jī)1高速旋轉(zhuǎn)時，由永磁體13產(chǎn)生的磁通量(Dm可以在定子線圈 10中感應(yīng)出大的反電動勢。在這種情況下，可以適當(dāng)?shù)乜刂贫ㄗ与娏饕栽诙ㄗ泳€圈10中產(chǎn)生附加電動勢，從而抵消由磁通量0>m感應(yīng)出的反電動勢。
在已將勵磁電流If增大至U其最大值的低艇行區(qū)域中，Sil控制d軸電流 Id和q軸電流Iq，可以調(diào)整由同步電機(jī)1產(chǎn)生的總的車統(tǒng)。另一方面， 3磁 電流If遠(yuǎn)小于其最大值的高速運(yùn)行區(qū)域中，M控制勵磁電流If，可以調(diào)整由 同步電機(jī)1產(chǎn)生的總的轉(zhuǎn)矩。 [第二實(shí)施例]
參考圖6，在本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子7還包括多個永磁體15。
旨永磁體15設(shè)置自應(yīng)的一個節(jié)片11的凹口 110中，并且其N和S極 沿旋轉(zhuǎn)軸8的圓周方向彼此相對，以便在與勵磁線圈14磁^^t應(yīng)的節(jié)片11的 方向相反的方向上使對應(yīng)的節(jié)片11磁化。
因此，齢永磁體15的N和S極沿著與兩個相鄰的7乂磁體13中的一個(例 如圖6中的右邊的永磁體)的N和S極相同的方向、并且沿著與另一個永磁體 (例如圖6中的左邊的7乂磁體)的N和S極相反的方向取向。
結(jié)果，在圖6中，在四個周向相鄰的凸極部111A、 111B、 111C和111D中， 凸極部111A禾Q 111C的磁化被7JC磁體15加強(qiáng)，而凸極部111B和111D的磁化 被永磁體15削弱。
因此，采用7乂磁體15，可以增大由同步電機(jī)l產(chǎn)生的總的辦巨，尤其是在 第一實(shí)施例中解釋的磁mt矩。
此外，在本實(shí)施例中，每個永磁體15與對應(yīng)的節(jié)片11并聯(lián)磁連接。因此， 由永磁體15產(chǎn)生的m量通常被對應(yīng)的節(jié)片ll短路，幾乎不流動到定子6。因 此，當(dāng)同步電機(jī)1己經(jīng)被反向地操作為同步發(fā)電機(jī)并且將要停止發(fā)電操作時， 由7乂磁體15產(chǎn)生的磁通量在定子線圈10中幾乎不感應(yīng)出電流。此外，當(dāng)同步 電機(jī)l以高速旋轉(zhuǎn)時，由永磁體15產(chǎn)生的M量在定子線圈6中幾乎不感應(yīng)出 大的反電動勢；因此不必在定子線圈10中產(chǎn)生附加電動勢以抵消反電動勢。另 一方面，當(dāng)需要大轉(zhuǎn)矩時，M51^當(dāng)?shù)乜刂贫ㄗ与娏骱吞峁┙o勵磁線圈14的勵 磁電流If，也可以使由永磁體15產(chǎn)生的磁通量流動到定子6。 [第三實(shí)施例]
參考圖7，在本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子7配置為具有倫德爾式轉(zhuǎn)子芯，其由一對 由軟磁材料制成的轉(zhuǎn)子芯片7A和7B組成。
轉(zhuǎn)子芯片7A在圖7中沿旋轉(zhuǎn)軸8的軸向位于內(nèi)側(cè)，其包括圓柱形軸轂部
1271A (圖7中不可見)和多個'L"形的爪極部72。軸轂部71A配裝在旋轉(zhuǎn)軸8 上。^爪極部72首先從軸轂部71A沿著旋轉(zhuǎn)軸8的徑向延伸，然后沿著旋轉(zhuǎn) 軸8的軸向朝向轉(zhuǎn)子芯片7B延伸(即在圖7中向外)。
轉(zhuǎn)子芯片7B在圖7中沿旋轉(zhuǎn)軸8的軸向位于夕卜側(cè)，其包括圓柱形軸轂部 71B和多個"L"形的爪極部74。軸轂部71B配裝在旋轉(zhuǎn)軸8上，以鄰接轉(zhuǎn)子芯 片7A的軸轂部71A。 ^爪極部74首先從軸轂部71B沿著旋轉(zhuǎn)軸8的徑向延 伸，然后沿著旋轉(zhuǎn)軸8的軸向朝向轉(zhuǎn)子芯片7A延伸(即在圖7中向內(nèi))。
轉(zhuǎn)子芯片7A和7B被裝配在一起，使得轉(zhuǎn)子芯片7A的那些對爪極部72 與轉(zhuǎn)子芯片7B的那些對爪極部74交錯。結(jié)果，每對周附目鄰的一個爪極部72 和一個爪極部74構(gòu)離子7的一個節(jié)片11;所有爪極部72和74中的每一個構(gòu) 成節(jié)片ll的一個凸極部lll。
因此，采用，結(jié)構(gòu)，可以容易地制造同步電機(jī)l的轉(zhuǎn)子7。
另外，在圖8中示出了根據(jù)本實(shí)施例的轉(zhuǎn)子7的徑向夕卜表面。 [翅]
在圖7所示的轉(zhuǎn)子7中，對于^^永磁體13，鄰近永磁體13的兩個凸極 部lll (即兩個爪極部72或兩個爪極部74)經(jīng)由軸轂部71A或71B而磁短路。 因此，j她地使兩個凸極部川中的至少一個與軸轂部71A或71B磁隔離。
例如，在圖9中，使凸極部111C與軸轂部71A和71B分隔開。另外，盡 管在圖9中沒有示出，但凸極部111C可以由軸轂部71A或71B中的任一個通 過在其間插入的3隨性構(gòu)件而機(jī)械地支撐。 [第四實(shí)施例〗
參考圖10，在本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子7還包括多個由軟磁材料制成的節(jié)片18 和一個勵磁線圈19。
^節(jié)片18與對應(yīng)的一個永磁體13并聯(lián)連接，從而使對應(yīng)的永磁體13 磁短路。勵磁線圈19纏繞節(jié)片18，以沿著旋轉(zhuǎn)軸8的圓周方向延伸。
由于上述結(jié)構(gòu)，當(dāng)停止將勵磁電流提供給勵磁線圈19時，由永磁體13產(chǎn) 生的磁通量大部分流向節(jié)片18，幾乎不流向定子6。因此，當(dāng)同步電機(jī)l己經(jīng) 被反向地操作為同步發(fā)電機(jī)并且將要停止發(fā)電操作時，由永磁體13產(chǎn)生的M 量在定子線圈10中幾乎不感應(yīng)出電流。此外，當(dāng)同步電機(jī)l以高速旋轉(zhuǎn)時，由 永磁體13產(chǎn)生的磁通量在定子6的定子線圈10中幾乎不感應(yīng)出大的反電動勢。此外，由于上述結(jié)構(gòu)，iiil控制提供給勵磁線圈19的勵磁電流，可以控制
節(jié)片18中的M量的流動。
例如，為了完全消除HC磁體13至IJ定子6的鵬量的流動，可以沿著與永 磁體13相反的方向磁化節(jié)片18的方向?qū)畲烹娏魈峁┙o勵磁線圈19。因此， 變得不必將大的交流電流提供給定子線圈IO用于抵消反電動勢，否則由永磁體 13產(chǎn)生的磁通量可能在定子線圈10中感應(yīng)出反電動勢。
另一方面，當(dāng)需要大轉(zhuǎn)矩時，可以沿著與tK磁體13相同的方向磁化節(jié)片 18的方向?qū)畲烹娏魈峁┙o勵磁線圈19，從而允許由永磁體13產(chǎn)生的M量 流動到定子6;也可以使由勵磁線圈19產(chǎn)生的M量流動到定子6。 [第五實(shí)施例]
參考圖11和12，在本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子7配置為具有倫德爾式串列轉(zhuǎn)子芯， 其由三個轉(zhuǎn)子芯片7A、 7B和7C組成。
所有轉(zhuǎn)子芯片7A、 7B和7C都由軟磁材料制成并配裝在旋轉(zhuǎn)軸8上，并且 轉(zhuǎn)子芯片7C夾在轉(zhuǎn)子芯片7A和7B之間。
轉(zhuǎn)子芯片7A包括圓柱形軸轂部71A和多個'L"形的爪極部75A。軸轂部 71A配裝在旋轉(zhuǎn)軸8上。旨爪極部75A首先從軸轂部71A沿著旋轉(zhuǎn)軸8的徑 向延伸，然后沿著旋轉(zhuǎn)軸8的軸向朝向轉(zhuǎn)子芯片7B延伸(即在圖11中向右)。
轉(zhuǎn)子芯片7B包括圓柱形軸轂部71B和多個'L"形的爪極部75B。軸轂部71B 配裝在旋轉(zhuǎn)軸8上。每個爪極部75B首先從軸轂部71B沿著旋轉(zhuǎn)軸8的徑向延 伸，然后沿著旋轉(zhuǎn)軸8的軸向朝向轉(zhuǎn)子芯片7A延伸(即在圖ll中向左)。
轉(zhuǎn)子芯片7C包括圓柱形軸轂部71C和多個T"形的爪極部75C。軸轂部71C 具有比轉(zhuǎn)子芯片7A和7B的軸轂部71A和71B小的軸向?qū)挾?，并且在軸轂部 71A和71B之間配裝在旋轉(zhuǎn)軸8上。旨爪極部75C首先從軸轂部71C沿著旋 轉(zhuǎn)軸8的徑向延伸，然后M旋轉(zhuǎn)軸8的軸向既朝向轉(zhuǎn)子芯片7A又朝向轉(zhuǎn)子芯 片7B延伸(即在圖ll中既向左又向右)。
轉(zhuǎn)子芯片7A、7B和7C被裝配在一起，使得轉(zhuǎn)子芯片7A的每個爪極部75A 構(gòu)成轉(zhuǎn)子7的凸極部111 A;轉(zhuǎn)子芯片7B的*爪極部75B構(gòu)成轉(zhuǎn)子7的凸極 部111C;并且轉(zhuǎn)子芯片7C的#^爪極部75C構(gòu)成軒7的凸極部111B或111D。 結(jié)果，每對周向相鄰的一個凸極部111A和一個凸極部111D構(gòu)成轉(zhuǎn)子7的一個 節(jié)片11;每對周向相鄰的一個凸極部111C和一個凸極部111B構(gòu)成轉(zhuǎn)子7的一個節(jié)片18。換句話說，轉(zhuǎn)子芯片7A和7C —起構(gòu)成節(jié)片11 ，而轉(zhuǎn)子芯片7B和 7C —起構(gòu)成節(jié)片18。另外，勵磁線圈14設(shè)置為置于轉(zhuǎn)子芯片7B和7C之間的 環(huán)的形式；勵磁線圈19設(shè)置為置于轉(zhuǎn)子芯片7B和7C之間的環(huán)的形式。
采用根據(jù)本實(shí)施例的上述轉(zhuǎn)子7，可以實(shí)現(xiàn)與根據(jù)第四實(shí)施例的轉(zhuǎn)子7相 同的優(yōu)點(diǎn)。 [第六實(shí)施例]
參考圖13和14，在本實(shí)施例中，將描述同步電機(jī)l的定子6。
定子6包括圍繞轉(zhuǎn)子7的定子芯66和纏繞在定子芯66周圍的三相定子線 圈10 (在圖13和14中未示出)。
定子芯66具有多個定子齒66A，其形成在定子芯66的徑向內(nèi)周上，以徑 向向內(nèi)(即在圖13和14中向下)突出。定子齒66A在旋轉(zhuǎn)軸8的圓周方向上 以預(yù)定的節(jié)矩排列，并在其間形成槽9。每個定子齒66A在其徑向內(nèi)端具有周 向?qū)挾萒w。另一方面，在轉(zhuǎn)子7的徑向外周上，7乂磁體13與永磁體15交替排 列。如之前的實(shí)施例所述，在轉(zhuǎn)子7的節(jié)片11之間設(shè)置永磁體13，而在節(jié)片 11內(nèi)部設(shè)置7乂磁體15。 ^永磁體13在其徑向夕卜端具有周向?qū)挾萂w。
當(dāng)定子齒66A的寬度Tw大于永磁體13的寬度Mw aPTw>Mw)時，如 圖13所示，鵬量在q和-q軸之間不但沿著磁路Dgl而且髓磁路Dg2流動。 沿著磁路Dg2流動的那部分磁通量構(gòu),M量，其導(dǎo)致q軸電感Lq的增大 并且因此導(dǎo)致同步電機(jī)1的磁P且轉(zhuǎn)矩Tr的減小。此外，漏磁通量隨著定子齒66A 的寬度Tw而增加。
鑒于，情況，在本實(shí)施例中，定子齒66A的寬度Tw設(shè)定為小于永磁體 13的寬度Mw (即Tw〈Mw)。此外，使定子齒66A的限定一個槽9的每對側(cè)壁 彼此平行。因此，q禾口-q軸之間的大部分磁通量沿著磁路Dgl流動，只剩下很 小的一部分鵬量沿著磁路Dg2流動。結(jié)果，同步電機(jī)l的q軸電感Lq減小， 從而增大了同步電機(jī)l的磁阻轉(zhuǎn)矩Tr。 [第七實(shí)施例]
參考圖15，在本實(shí)施例中，舒7沿方向Dr旋轉(zhuǎn)。定子芯66的每個定子 齒66A在其徑向內(nèi)端上形成有沿著與轉(zhuǎn)子7的旋轉(zhuǎn)方向Dr相反的方向突出的突 起66B。
此外，該突起66B沿著突出方向逐漸變細(xì)，以具有梯形的橫截面。因此，突起66B在突起66B的底部處沿旋轉(zhuǎn)軸8的徑向的寬度Tb大于突起66B在突 起66B的頂部處沿該徑向的寬度Td。
此外，在本實(shí)施例中，4校起66B的寬度Tb基本上等于突起66B的突出 高度Tc。使^t槽9在其徑向內(nèi)端處的周向?qū)挾萒e大于兩倍的突起66B的突 出高度Tc (即Te〉2Tc)。
基于下面的考慮而設(shè)計(jì)，突起66B。
參考圖16，定子齒66A為娥T'形。此外，使定子齒66A和轉(zhuǎn)子7之間 的徑向空氣間隙G沿旋轉(zhuǎn)軸8的圓周方向?yàn)楹愣?。?dāng)轉(zhuǎn)子7沿方向Dr旋轉(zhuǎn)時， 從定子齒66A到轉(zhuǎn)子7的大部分M量沿著偏離徑向的磁路Dm朝向與方向Dr 相反的方向流動。此外，為了M^、沿定子齒66A之間的磁路Dx的漏M量， tt^i也從每個定子齒66A切掉在圖16中用虛線示出的矩形部66C和三角形部 66B。此外，為了使磁通量可靠地沿著磁路Dm流動，雌地Tb^Tc;否則，部 分鵬量會沿著磁路Dx流動，形成漏麵量。
由于突起66B的上述結(jié)構(gòu)，因此可以減小q軸電感Lq，從而增大同步電機(jī) l的磁阻轉(zhuǎn)矩Tr。
此外，在每個定子齒66A中設(shè)置突起66B之后，徑向空氣間隙G可以仍 然沿旋轉(zhuǎn)軸11的圓周方向保持恒定，從而避免電機(jī)1的效率陶氐。財(cái)卜，由于 Tb等于Tc，因此可以防止轉(zhuǎn)子7的節(jié)片11的磁飽和。另外，由于Te大于2Tc， 因此可以進(jìn)一步可靠地抑制沿磁路Dx的漏M量，從而增大同步電機(jī)1的磁阻 傲巨Tr。
盡管已經(jīng)示出并描述了本發(fā)明的上述具體實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng) 該理解，在不背離本發(fā)明的精神的情況下可以進(jìn)行各種變型、改變和改良。
1權(quán)利要求
1、一種同步電機(jī)，包括定子和被定子環(huán)繞的轉(zhuǎn)子，該定子包括定子芯和多相定子線圈以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子圍繞其旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸；多個由軟磁材料制成的節(jié)片，該節(jié)片位于旋轉(zhuǎn)軸的徑向外側(cè)，并且在旋轉(zhuǎn)軸的圓周方向上以預(yù)定的節(jié)矩排列，且在各節(jié)片之間形成間隔；每個節(jié)片具有凹口和一對末端；該凹口形成在節(jié)片的周向中心部分并且從轉(zhuǎn)子的徑向外周徑向地向內(nèi)凹進(jìn)以構(gòu)成磁阻部；該對末端在旋轉(zhuǎn)軸的圓周方向上彼此相對，并且在該對末端之間設(shè)置有該凹口，從而各自地構(gòu)成一對凸極部；多個永磁體，每個永磁體設(shè)置在節(jié)片之間的一個間隔中，并且屬于第一組和第二組中的一個；第一組永磁體與第二組永磁體在旋轉(zhuǎn)軸的圓周方向上交替排列；每個第一組永磁體的N(北)極沿順時針方向位于其S(南)極的前面，每個第二組永磁體的N極沿逆時針方向位于其S極的前面；以及勵磁線圈，其纏繞在節(jié)片周圍以沿著旋轉(zhuǎn)軸的圓周方向延伸穿過節(jié)片的凹口；勵磁線圈配置為當(dāng)通上直流電流時，產(chǎn)生使每個節(jié)片的一對末端沿相反方向磁化的磁通量。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步電機(jī)，其中轉(zhuǎn)子還包括多個第二永磁體，并且齡第二7乂磁體設(shè)置在對應(yīng)的一個節(jié)片的凹口中，并且其N和S極沿旋轉(zhuǎn) 軸的圓周方向彼此相對以便使該對應(yīng)的節(jié)片沿著與勵磁線圈相反的方向磁化。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步電機(jī)，其中轉(zhuǎn)子配置為具有由軟磁材料制成 的倫德爾式轉(zhuǎn)子芯，并且轉(zhuǎn)子的每個節(jié)片由轉(zhuǎn)子芯的周附目鄰的一對爪極部構(gòu)成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步電機(jī)，其中轉(zhuǎn)子還包括多個軟 件和第二 勵磁線圈，^軟磁構(gòu)件與對應(yīng)的一個永磁體并聯(lián)連接，從而使該對應(yīng)的7乂磁體磁短 路，并且第二勵磁線圈纏繞軟磁構(gòu)件以沿著旋轉(zhuǎn)軸的圓周方向延伸，以便允許通過 控制提供給第二線圈的勵磁電流而控制在軟磁構(gòu)件中流動的M量。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的同步電機(jī)，其中轉(zhuǎn)子配置為具有由軟磁材料制成 的倫德爾式串列轉(zhuǎn)子芯，并且轉(zhuǎn)子的每個節(jié)片和軟磁構(gòu)件由轉(zhuǎn)子芯的周向相鄰的一對爪極部構(gòu)成。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步電機(jī)，其中定子芯圍繞轉(zhuǎn)子以沿著旋轉(zhuǎn)軸的 徑向面對轉(zhuǎn)子，定子芯包括在定子芯的徑向內(nèi)周上形成為徑向向內(nèi)突出的多個定子齒， 定子齒在旋轉(zhuǎn)軸的圓周方向上以預(yù)定的節(jié)矩排列，并在各定子齒之間形成 槽，并且Tw<Mw，其中Tw是每個定子齒在其徑向內(nèi)端處的周向?qū)挾?，并且Mw是 ^h7k磁體在其徑向外端處的周向?qū)挾取?br> 7、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的同步電機(jī)，其中每個定子齒在其徑向內(nèi)端處形成 有沿著與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反的方向突出的突起，該突起沿著與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反的方向逐漸變細(xì)，使得Tb〉Td，其中Tb 是突起在突起的底部處沿著旋轉(zhuǎn)軸的徑向的寬度，并且Td是，在突起的頂部 處沿著該徑向的寬度，突起的突出高度Tc基本上等于Tb，定子齒的限定一個槽的每對側(cè)壁基本上彼此平行，并且Te〉2Tc，其中Te是^槽在其徑向內(nèi)端處的周向?qū)挾取?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及包括具有適當(dāng)布置的勵磁線圈、永磁體和凸極結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子的改進(jìn)的同步電機(jī)。一種同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子，其包括旋轉(zhuǎn)軸，多個節(jié)片，多個永磁體，以及勵磁線圈。節(jié)片位于旋轉(zhuǎn)軸的徑向外側(cè)，并且在旋轉(zhuǎn)軸的圓周方向上以預(yù)定的節(jié)矩排列，在各節(jié)片之間形成間隔。每個節(jié)片具有構(gòu)成磁阻部的凹口，以及構(gòu)成凸極部的一對相對末端。每個永磁體設(shè)置在節(jié)片之間的一個間隔中，并且其N和S極具有預(yù)定的取向。勵磁線圈纏繞節(jié)片，從而沿著旋轉(zhuǎn)軸的圓周方向延伸穿過節(jié)片的凹口。當(dāng)通上直流電流時，勵磁線圈產(chǎn)生使每個節(jié)片的一對末端沿相反方向磁化的磁通量。
文檔編號H02K21/00GK101621235SQ200910163989
公開日2010年1月6日 申請日期2009年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月30日
發(fā)明者前川武雄, 草瀨新, 近藤啟次 申請人:株式會社電裝