專利名稱：內裝永磁鐵的電動機的制作方法
技術領域：
本發明涉及在其轉子內裝有永磁鐵的電動機。
背景技術：
在高導磁性材料(如鐵)制成的轉子中有一層永磁鐵的電動機已公知。如在現有技術中的表面磁鐵電動機，永磁鐵加到轉子表面上。
近來，環境問題已引起充分的注意。為節能用內裝永磁鐵的電動機，也就是說用埋在轉子內的永磁鐵來替代提到的表面磁鐵電動機。
圖1示出現有技術中的內裝永磁鐵電動機的一例。該電動機由轉子3′和定子2組成。在該電動機中，各有相對轉子3′中心延伸的弧形的永磁鐵17埋在高導磁材料或硅鋼片制成的轉子鐵心3a′內。示于圖1的電動機有4個極，且4組永磁鐵17沿轉子圓周方向排列成N極和S極交替的形式。該定子2有齒6。
在上述電動機中，導致在各永磁鐵中心與轉子中心相連的d軸方向的電感Ld(參見圖1)和在從該d軸方向轉90°由角度的q軸方向的電感(參見圖1)的不同。因此除永磁鐵17的磁轉矩外產生了磁阻轉矩，總的轉矩T表示在等式(1)中T＝Pn×{ψa×Iq+1/2(Ld-Lq)×Id×Iq｝(1)式中Pn表示極對數，ψa表示d軸磁通，Ld表示d軸電感，Lq表示q軸電感，Iq表示q軸電流和Id表示d軸電流。等式(1)表示在dq變換后的電壓等式。電磁轉矩和磁阻轉矩表示為等式(1)中圓括號｛和｝內的第一項和第二項。
在現有技術的表面型電動機中，由于永磁體的磁導率約等于空氣，電感Ld和Lq有大致相同的值，因此沒有磁阻轉矩產生。
相反，在現有技術的內裝永磁鐵的電動機中，d軸方向相應于由永磁鐵17產生磁通的方向，如圖1所示在d軸方向的磁通21貫穿有近似與空氣相同磁導率的二永磁鐵，因此，由于磁阻增加，d軸電感Ld顯著地減少。另一方面，q軸方向的磁通22指向永磁鐵17的側面，如圖1所示穿過該磁鐵的側面。結果，磁阻減少了，而q軸電感Lq增加了。從而d軸電感Ld不同于L軸電感Lq。如施加d軸電流Id，則產生磁阻轉矩。
圖2是表示出這種關系的磁通矢量圖。由磁通ψa與電正交于磁通方向的電流Iq相乘產生了電磁轉矩。磁通ψa是總磁通ψo的d軸分量。類似地，磁阻轉矩由磁通Ld×Id，Lq×Iq與正交于磁通流過的電流Iq，Id分別相乘而產生的。這樣的二轉矩之和成為總轉矩T。
總轉矩T取決于輸入電流Io的相位β，這里Iq＝Io×Cosβ和Id＝Io×Sinβ。圖3示出當電流相位改變而電流值保持在Io時，電磁轉矩、磁阻轉矩和總轉矩的關系。當電流相位為0°時電磁轉矩最大，而相位β增加其變小，在相位為90°時其變為零。反之，當電流相位為45°時磁阻轉矩為最大值。因此，總轉矩T在電流相位為0-45°范圍內成為最大。記號○表示試驗得到的值，且這些值與根據等式(1)計算的值相符。這就是說，以相同的電流，在有埋入在轉子內永磁鐵的電動機中，實現比表面磁鐵電動機更大的磁阻轉矩。
其次，對有埋入轉子永磁鐵的現有技術的電動機的問題加以說明。在電動機中磁阻轉矩得到了某種程度的利用。但如圖1所示，在永磁鐵17端17a近旁的q軸方向的磁通流22受阻且不能進入轉子。磁通的大部分僅觸及永磁鐵17的外周部18。因此，磁通量較小，q軸電感Lq不能增加。
如上所述，在電感Lq和Ld間的差別越大(Ld非常小)，用相同的電流產生的磁阻轉矩越大。但現有技術電動機的q軸電感不能增加到這樣的程度，因此電感Lq和Ld間的差別也就不能做得更大。
發明內容
本發明的目的在于提供帶有內裝永磁鐵的電動機，其高效地產生高輸出。
當在帶有內裝永磁鐵的電動機中使用一定量的永磁鐵時，d軸電感Ld沒有大的物理上的變化。但發明人注意到如作出埋入永磁鐵的設計，q軸電感Lq可以增加。在本發明的一個方面，電動機包括定子和帶有埋入多組永磁鐵的轉子鐵心的轉子。永磁鐵組包括多個永磁鐵，多個永磁鐵組在永磁鐵的外周側布置成交替的N和S極。組內的永磁鐵延伸以便其端部置于靠邊轉子外周。由此，為磁通在外側和內側的永磁鐵間提供了路徑。這種結構盡可能地增加了q軸電感Lq且盡可能地增大了q軸電感Lq和d軸電感Ld間的差，以致以同樣電流產生的磁阻轉矩達到最大限度。一組的永磁鐵數，例如是2。最好各永磁鐵有朝該轉子中心延伸的弧形。例如，在永磁鐵組中兩永磁鐵間的間隔是恒定的。
因此根據本發明，提供了一種電動機，包括含有繞于一個鐵心的多個繞組的定子；和包括一個轉子鐵心和由上述定子所環繞可轉動的轉子；其中該轉子包括多組埋置在所述轉子鐵心中的永磁鐵，每組所述永磁鐵包括沿徑向布置的多個永磁鐵層，各個永磁鐵層之間具有間隙，所述多組永磁鐵布置成在該永磁鐵外周側有交替的N和S極，各組內的永磁鐵延伸為使其端部位于靠近上述轉子的外周。
其中各永磁鐵有朝上述轉子中心延伸的形狀。
或者，各永磁鐵層的形狀是朝轉子中心延伸的弧形。
其中每組永磁鐵中兩永磁鐵層間的間隔是恒定的。
永磁鐵組的數量是4組或是2組。
因此永磁鐵端部附近磁通的集中減輕了。
在電動機中，各永磁鐵的兩端朝其端部斜削靠近轉子外表面并垂直于轉子外表面延伸。于是通過2永磁鐵間路徑的磁通得以增加。
在轉子鐵心中埋入各包括兩永磁鐵的多組永磁鐵。兩永磁鐵之一在轉子內側其厚度較在轉子外側的兩永磁鐵之另外一個大3％或更多。以不同的方式，轉子內側的永磁鐵由有比在轉子外側的兩永磁鐵中另一個的磁材料的剩磁通密度大3％或更多的磁材料制成。于是在后側或內側的永磁鐵的磁通得以提高。
本發明的優點在于提供更高轉矩和更高輸出功率的電動機。
本發明的另一優點在于提供有改進抗退磁性的電動機。
從下述結合最佳實施例并參見附圖的說明中，對本發明的這些和另外的目的和特點將會更加明白。
圖1是有一層內裝永磁鐵的慣用電勸機的剖面圖；圖2是d-q變換后的磁通矢量圖；圖3示出電流相位、電磁轉矩、磁阻轉矩和總轉矩的關系曲線；圖4示出本發明的實施例的剖面圖；圖5是圖4的實施例的局部放大圖；圖6是內和外永磁鐵間間隔寬度與q軸電感關系的曲線；圖7是實施例中q軸方向磁通流的分析圖；圖8是現有技術電動機中q軸方向磁通流的分析圖。
圖9是當該實施例電動機旋轉時磁通流的分析圖；圖10是當現有技術電動機旋轉時的磁通流的分析圖；圖11是所產生轉矩對磁鐵層數的關系曲線；圖12是q軸電感對磁鐵層數的關系曲線；圖13是磁鐵磁通對磁鐵層數的關系曲線；圖14是關于磁鐵工作點的磁鐵B-H磁化曲線的關系圖；圖15是第一實施例電動機部分的示意剖面圖；圖16是永磁鐵磁通分析結果的圖；圖17是由繞組產生磁通分析結果的圖；圖18是由永磁鐵和繞組產生完成磁通分析結果的圖；圖19是本發明第二實施例的剖面圖；圖20是本發明第三實施例的局部剖面圖；圖21是說明第二實施例原理的示意圖；圖22是本發明第四實施例的剖面圖；圖23是永磁鐵H-B特性曲線；圖24是第一實施例電動機的剖面圖；圖25是圖24的局部剖面圖；圖26是本發明第五實施例的剖面圖；圖27是圖26最主要部分放大剖面圖；和圖28是在Pa上磁通通過量對Lm/Lt的關系曲線。
具體實施例方式
現在參見附圖，其中對所有的附圖相同或相應的部分用相同的標號表示，本發明的實施例將參考附圖予以詳細說明。圖4和5示出第一實施例有4極內裝永磁鐵的電動機。該電動機包括固著于轉軸7上的轉子3和裝有轉子3的定子2。
轉子3包括埋入在由高導磁材料制成的轉子鐵心3a內的4組2層永磁鐵8a，8b。2層永磁鐵組由外側的永磁鐵8a和內側的另一永磁鐵8b組成，4組2層永磁鐵8a和8b在其外周側布置成有交替的N和S極。該內和外側是相對于轉子中心的徑向方向加以確定的。以不同的方式來看，1極的永磁鐵在轉子3的徑向方向分為2個永磁鐵8a、8b。各就磁鐵8a和8b形成轉子3中心延伸類似的弧形，而其2端9a、9b位于靠近轉子3的外周。外和內永磁鐵8a和8b間的間隔M有約恒定的寬度。在圖4中，d軸方向是由連接各永磁鐵8a，8b的中心和轉子3的中心的方向加以確定的，而q軸是由連接相鄰極間的分界和轉子3的中心的方向加以確定的。磁通在q軸方向的路徑10是通過該間隔而形成的。
定子2有預定數量的齒4，和繞于其間的定子繞組10(未示出)。當對定子繞組施加交變電流時產生旋轉磁場。由此產生了作用于轉子3的電磁轉矩和磁阻轉矩，以轉動轉子3。
為降低在永磁鐵8a和8b的磁力損耗，希望在外和內永磁鐵8a和8b間的間隔M盡可能的小。但為增加q軸電感Lq，亦希望該間隔足夠大而不使其磁飽和。因此，該間隔M設置成約為齒4寬度N的一半，以便由在定子繞組流過電流產生的磁通不飽和。
用示于圖6關于間隔M和q軸電感Lq的試驗數據來加以說明。如間隔M小于齒4寬度N的1/3，q軸電感迅速變小。另一方面，即使間隔M大于齒4寬度N，q軸電感Lq也難以改變。由此試驗數據，最好外和內永磁鐵8a和8b間的距離，即間隔M大于定子2齒寬N的1/3。
為把磁通提高到盡可能的大，在內側的永磁鐵8b構造成在極距(90°，如按本實施例有4極)范圍內盡可能的大。另一方面，為有效地利用電磁轉矩，相鄰永磁鐵8a和8b間的間隙s(圖5)盡可能小以消除漏磁通。從成本的角度看，最好把外和內永磁鐵8a，8b設計成一極的磁鐵量保持不變。
在上述結構中，電動機運轉時沒有磁飽和的形成了在q軸方向流通的路徑10。因此，q軸電感Lq可增加到最大。與此同時，通過利用與現有技術有一層內裝永磁鐵的電動機有大約相同的磁鐵量，d軸電感Ld做成與現有技術電動機一樣的小。換句話說，在通過利用相同的磁鐵量d軸同感Ld不改變的同時，q軸感Lq增加了15％或更多(圖11)，以便由q軸電感Lq和d軸電感Ld間的差引出的磁阻轉矩可利用到最大限度。其次，該電動機有合適的結構，以在用相同電流驅動電動機時，最大限度地利用電磁轉矩和磁阻轉矩二者。在上述實施例中，各永磁鐵8a和8b形成為朝轉子中心延伸的弧形。但該永磁鐵可有另外的形狀，如朝轉子中心延伸的凹入的U形。在本實施例中雖然各永磁鐵8a，8b到端頭9a、9a都是永磁鐵，其端頭9a、9a可以包括空隙(空氣層)或可以是由合成樹脂填充的層。
本實施例電動機的性能可進一步加以說明。如上所述，在第一實施例的電動機中，在外和內永磁鐵間提供了磁通的路徑。其次減小了磁阻以顯著地增加了q軸電感Lq。顯然由于電感Ld和Lq間差的增加，以相同電流更有效地產生了磁阻轉矩。
圖7和8分別示出在有埋入2層磁鐵的本發明電動機和有一層埋入磁鐵的現有技術電動機中，在q軸方向磁通如何容易地流動。如圖8中所示，在用一極中一磁鐵的現有技術電動機中，磁鐵17是厚的且因此其端頭17a阻礙由定子繞組所產生的磁通11進入轉子。另一方面，如圖7所示，在有埋入2層磁鐵的本實施例電動機中，由于在外永磁鐵8a和內永磁鐵8b間存在磁通的路徑10，由定子繞組的產生的磁通11不受該永磁鐵的阻礙，而平穩地穿過路徑10到達在對側的出口12。換句話說，在現有技術和本發明間磁通流的這種差別與q軸電感Lq的大小成正比，本實施例的電動機便于磁通的有效通過而有較大的Lq。
圖9和10分別是當電動機用同量電流以K方向實際轉動時，在本發明電動機和現有技術電動機中磁通流和磁通量的圖。發現電感Lq的上述差別使在本實施例電動機(圖9)較現有技術電動機(圖10)中有可能產生更多的磁通。這就是說由于更多的磁通產生了更大的轉矩。
圖11示出所產生轉矩與磁鐵層數的關系的試驗數據。以恒定電流和恒定轉速對額定輸出750W電動機的轉矩加以測量。如上述在9軸方向的磁通流過在兩層結構中的內和外永磁鐵之間。磁阻的減少較一層磁鐵的現有技術電動機更多，導致產生更大的q軸電感Lq。同時，因為使用了相同的磁鐵量(和d軸電感Ld亦非常小)，d軸電感Ld很難改變。q軸電感Lq和d軸電感Ld間的差于是增加，這就增加了以同樣電流產生的磁阻轉矩。于是磁阻轉矩和電磁轉矩之和的總轉距增加了約15％。
但如圖11所示，如永磁鐵層數進一步增加到3或4層，該總轉矩反而減小。
圖12示出磁鐵層數和q軸電感Lq間關系的試驗數據。當層數從1變到2時，q軸電感Lq增加約50％。但當磁鐵層數進一步增加到3或4時，Lq稍有增加，或者說不如當層數從1變到2時那樣有利。這就意味著當磁鐵層數布置成3或更多層時，q軸電感Lq變化沒達到形成在分為二層的永磁鐵間的q軸方向用于磁路的路徑不飽和的程度。
另一方面，在示于圖13的實施例中，當永磁鐵布置成2層時，由永磁鐵產生的磁通最高，反之，在其它情況下該磁通較低。換句話說，當磁鐵層數增加時，在q軸方向的磁通易于通過，以致q軸電感Lq增加。但如層數是3或更多，各永磁鐵變薄，因此永磁鐵的工作點變低，因此產生磁通的量減少。其次如圖11的清楚顯示，由磁鐵磁通產生的電磁轉矩和由q軸電感Lq和d軸電感Ld間的差產生的磁阻轉矩之和決定的總轉矩，在磁鐵分為2層時為最大，而當磁鐵層數小于2或大于2時總轉矩減小。
等式(2)示出磁導系數P的計算公式，它決定了磁鐵的工作點。
P＝(Lm×Ag×Kf)/(Lg×Am×Kr) (2)式中Lm表示磁鐵的厚度，Lg表示氣隙長度，Am表示磁鐵的截面積，Ag表示氣隙的截面積，Kf表示磁勢的損失系數，和Kr表示漏磁系數。如氣隙長度Lg，氣隙截面Ag(磁勢損失系數Kf和漏磁系數Kr保持不變時，磁導系數P正比于磁鐵厚度Lm而反比于磁鐵的截面Am。圖14示出永磁鐵的B-H(磁通密度-磁場)曲線。現有技術一層磁鐵的工作點是由在B2點的磁密所決定的。在兩層磁鐵的情況下，磁鐵厚度Lm降低了而截面積Am增加了，因此工作點B1與B2沒有不同或稍有增加。另一方面，如磁鐵數是3或更多，厚度Lm的減小變得更有影響，工作點降至B3。
總起來說，在轉子中有埋入永磁鐵的電動機中，為利用磁阻轉矩增加在q軸電感Lq和d軸電感Ld間的差，每一極布置成2層永磁鐵的結構最有利，對利用等式(1)表示的電磁轉矩和磁阻轉矩最有效。另外，由相同電流產生的轉矩增大了，且也大大地改善了電動機的性能。
另外，當按本實施例永磁鐵布置成2層時，磁通穿過定子2齒4到轉子3沿形成在內和外永磁鐵8a、8b間的路徑10平滑地導至另外的齒4。其次，永磁鐵8a、8b防止退磁或其改善了永磁鐵的抗退磁性。與此相反，現有技術表面磁鐵電動機或現有技術有內裝一層磁鐵的電動機存在退磁問題。這就是說在q軸方向的磁通從齒4流到轉子3勢必影響永磁鐵，因此該永磁鐵經受退磁。
然后來說明本發明的第二和第三實施例。在第一實施例的電動機中，如圖15所示，在永磁鐵8a和8b間的間隔3b是恒定的。由埋入在轉子鐵心3a的永磁鐵8a，8b產生的磁通和由定子2繞組產生的磁通相疊加的磁通，勢必產生永磁鐵8a，8b在轉子3旋轉方向R的領前側的端頭9a、9b的間隔或間隙3b處集中的問題。下面參見圖16-18來加以說明。圖16示出僅由永磁鐵1、2形成的磁通分析。圖17示出由定子2繞組10產生的磁通，其中永磁鐵被看作磁氣隙8c。圖18示出由永磁鐵8和繞組10產生的合成磁通。磁力線位于永磁鐵8a，8b在圖15-18示出轉子3旋轉方向R的領前側的端頭9a、9b的各間隔3b處調整地聚集。圖18中用5標出的空白示出齒4間的間隔。磁通在間隔3b處的集中引起鐵損的增加，使轉子鐵心3a發熱甚至降低該電動機的效率。
另外，在第一實施例的電動機中，2層永磁鐵8a、8b基本上相互平行地隔置。因此，二永磁鐵8a、8b在轉子3表面相當的磁通僅由轉子鐵心3a外側的永磁鐵8a的外周側的表面積來決定，這就是說位于永磁鐵8a內側的永磁鐵8b兩端9b處的電磁轉矩并未充分利用。
在這些情況下，希望減小在二永磁鐵端之間位于旋轉方向R前側間隔3b處所產生磁通的集中并提高電動機的效率。
在本發明的第二實施例中，為解決這些問題，在有效利用電磁轉矩和磁阻轉矩的同時，把有永磁鐵的轉子以減小在特定位置處磁通的集中來設計。圖19表示了本發明第二實施例的電動機。該電動機包括固著于轉軸7的轉子3和裝有轉子3的定子2。轉子3包括埋入在其轉子鐵心3a中的4組永磁鐵8a，8b。用作磁極的各組永磁鐵8a，8b在轉子3徑向方向它們之間以間隔3b隔置。各組永磁鐵8a，8b相鄰以S和N極交替布置。且在各組中的永磁鐵8a，8b在其外周表現有相同的極性。在第一實施例中，所有的轉子外側永磁鐵8a和內側永磁鐵8b有轉子向心方向的弧形。
各組永磁鐵8a和8b端部9a、9b間在轉子3旋轉方向R的領前側的間隔3b有寬于其它部分的寬度W，而在永磁鐵另一端的間隔有較小的寬度X。
同時定子2有多個齒4，在其內設置有繞組10。當電流施加于繞組10時產生旋轉磁場。
在上述電動機中，轉子3涂有高磁導磁鐵的主體3a，因此在接受自繞組10產生的旋轉磁場時易于通過磁通，低磁導率的磁鐵8(8a，8b)使磁通不容易通過。與此同時，如圖19所示，轉子3示出通過各組永磁鐵8中心的徑向方向之d軸方向電感，和與該d軸90°電角度相交之q軸方向電感。
在該電動機中，由繞組10產生的流通不讓在圖19的d軸方向通過，由此顯著地降低了該電感。另一方面，在與d軸方向有電角度正交的q軸方向，內和外永磁鐵8b和8a的間隔處產生了磁路。因此，便于磁通通過而增加了電感，或有效地利用了磁阻轉矩。在圖19中所示的Pa方向亦形成了磁路。
在示于圖4的第一實施例中，當轉子3以R方向旋轉時，永磁鐵8a和8b在轉子旋轉方向R領前側的端部9a和9b的間隔3b(有寬度X)處磁通集中且易于飽和。與此相反，根據本發明，因為永磁鐵8a和8b在旋轉方向R領前側的端部9a和9b間的間隔3b設置為如圖19W表示有更寬的寬度，磁通在間隔3b處的集中得以緩解。
在本實施例中，轉子3的旋轉位置和轉數預先由霍爾裝置或編碼器(encoder)加以檢測。為產生大的磁阻轉矩和大的電磁轉矩，相應于轉子3轉速頻率并有相移的交流加到定子2的繞組10，以便該電流在從q軸稍有相移的位置處有峰值。
在根據第二實施例的上述電動機中，如上所述，在轉子旋轉方向領前側的間隔的擴寬可防止所產生磁道的集中是有利的。另外，當以2層埋入的各永磁鐵有朝轉子中心延伸的弧形時，關系到磁阻轉矩的磁通沿該弧形平滑地引導在永磁鐵間。因此與磁路形成有關的磁阻得以減小，從而改善了電動機的效率。
其次，本發明的第3實施例參照圖20和21來加以說明。如圖20所示，在第3實施例中，在2層中內側的永磁鐵8b的曲率中心Rb設置成比在外側的永磁鐵8a的曲率中心Ra更遠離轉子3的圓心。由此永磁鐵8a、8b端部9a、9b間的各間隔3b張開的形成。除此而外，第二實施例的結構為第二實施例所共有，圖20所示電動機中共有的部分以相同的標號表示，這里省去了相應的說明。
在第3實施例中，永磁鐵8a和8b在旋轉方向R領前側端部9a、9b間的各間隔3b保持寬度W，或該間隔在轉子的領前側在任何時候是寬的，不管轉子3的旋轉方向，即無論轉子3是向前或向后旋轉。如同第2實施例，磁通在間隔3b的集中于是減小，鐵損也得以降低。如圖21所示，由永磁鐵8b在圖21(參見(a))用陰影線表示的部分9c、9d還可增加磁通。換句話說，如圖21(b)所示，由永磁鐵8a在側面產生的磁道N由布置在上述永磁鐵8a后側且如永磁鐵8a有相同的表面積的永磁鐵8b在中心部形成的磁通N所補充。同時，如(c)所示，在磁鐵8b兩端9c、9d產生的磁道直接到達轉子3的表面。由此，除外側永磁鐵8a表面積外，內側和磁鐵8b兩端的表面積也有效地加入磁鐵作用。于是由永磁鐵8a的磁道和由兩端9c、9d的磁道之和輸出到轉子3的表面。因此由于永磁鐵8的有效表面積增加了，磁通量也有效地增加了，以致產生了更強的電磁轉矩。
在第2和第3實施例中，運用了4組永磁鐵8a，8b，但這些組的數量可以不同于4。而且永磁鐵8的形狀不限制于朝轉子中心延伸的弧形。盡管各永磁鐵8a、8b都由永磁鐵制成直到端部9a、9b，但其端部9a、9b可是空隙(空氣層)或由合成樹脂制成。這就是說，這些實施例基于其精神可以各種方式改進，其亦在本發明的范圍內。
其次，下面要說明為解決第1實施例電動機另外問題的本發明的第4和第5實施例。在第1實施例的電動機中，為有效利用磁阻轉矩，在永磁鐵8a和8b間提供間隔用于磁通在這里穿過。如圖16所示，從內側永磁鐵8b兩端出來的磁通不進入外側永磁鐵8a，這就是說在外側永磁鐵8a的兩端沒補充。外永磁鐵8a缺少整體上內永磁鐵8b的補充。影響電磁轉矩的外側永磁鐵8a的磁通量于是減少了，因此降低了總的電磁轉矩。
對本發明第4實施例電動機將予以詳細的說明。圖22是本發明第4實施例電動機的剖面圖。該電動機包括固著于轉軸7的轉子3和裝有轉子3的定子2。轉子3包括埋入在鐵制轉子鐵心3a中的4組永磁鐵8a和8b。用作磁極的各組永磁鐵8a、8b在轉子3徑后方向以它們之間間隔形成為2層。永磁鐵組8a、8b設置成彼此相鄰而有S和N極交替布置。但各組2層永磁鐵8a、8b在其外周有相同極性。外和內永磁鐵8a、8b都形成類似的朝轉子3圓心延伸的弧形。兩層結構布置的外和內永磁鐵8a、8b其間以恒定距離相互平行。注意，如圖22中所示，在轉子3徑向方向，內永磁鐵8b有厚度Wb，而外永磁鐵8a有較Wb小5％的厚度Wa。
另一方面，定子2包括多個齒4。繞組10設置在齒4之間。通過對繞組10施加交流而產生旋轉磁場。
圖23是H(磁場)-B(磁通密度)特性圖，這里縱座標代表磁通密度B，橫座標代表磁場H。永磁鐵8a、8b由有圖23所示去磁曲線11的釹鐵磁鐵制成。外磁鐵8a的工作點K1位于連接剩余磁通密度Br和矯頑力Hc的直線上。由于內永磁鐵8b比外永磁鐵8a厚，該內永磁鐵8b的工作點升到更高的位置K2。
在圖23中K1和K2間的差P表示在磁通密度B方面的差。在第4實施例中，K2比K1大近4％。
如上所述，由于在內永磁鐵8b的磁通密度較外永磁鐵增加了約4％，有足夠的磁通量加到外永磁鐵8a，于是即使有部分磁通漏泄也足以補充外永磁鐵8a。
如上述，在根據第4實施例的電動機中，各永磁鐵形成為朝轉子中心延伸的弧形，且兩層永磁鐵在轉子內側的永磁鐵厚度制成轉在轉子外側的永磁鐵大3％或更多。在厚度上的差有助于提高確定在后側永磁鐵磁通密度的工作點。于是與第1實施例電動機相比，由于內側永磁鐵磁通密度得以增加。因為內側永磁鐵的充分補充，即使在外側永磁鐵8a兩端，第一實施例的問題也得到了解決。通過本實施例提供的有永磁鐵的轉子由此有效地利用電磁轉矩。但，如內周側永磁鐵厚度的增加小于外側永磁鐵3％，補充效果不充分。下面將說明本發明的第5實施例。在本實施例中內和外永磁鐵8b、8a形成有相同的厚度。只要該形狀是相關的，本實施例與圖19所示第4實施例是相同的。但本實施例有這樣的特點，外永磁鐵8a是鐵氧體磁鐵而內永磁鐵是釹鐵磁鐵。
在圖23中，標號11、12分別代表釹鐵磁鐵(永磁鐵8b)和鐵氧體磁鐵(永磁鐵8a)的H(磁道)-B(磁道密度)特性。從圖23可清楚看出，釹鐵磁鐵11的剩磁通密度Br約3倍于鐵氧體磁鐵12剩磁通密度Br1。外永磁鐵8a有由圖23工作點K3決定的磁通密度，由永磁體8b有由圖23工作點K1決定的磁通密度。
K1和K3間的差Q代表內和外永磁鐵8b，8a磁通密度的差。內永磁鐵8b有近兩倍或更大于外永磁鐵8a的密度。
于是，甚至當內和外永磁鐵8b，8b有相同的厚度，如由更大剩磁通密度Br材料制成的永磁鐵布置在后側(內側)，類似于第4實施例，外永磁鐵8a能得到充分的補充。
如上述，在本發明第5實施例的電動機中，兩層結構的永磁鐵由彼此間剩磁通密度差別在3％或以上的磁鐵材料制成，且有更大剩磁通密度的永磁鐵布置在后側(內側)。如與第1實施例電動機相比，類似于第4實施例，由于后側永磁鐵磁通密度得以增加。因此由本實施例提供的有永磁鐵的電動機有效地利用了電磁轉矩。
但如內側永磁鐵剩磁通密度的增加小于外側永磁鐵的3％，補充效果不充分。
雖然4極永磁鐵8使用于第4和第5實施例中，但使用的極數可以不是4。盡管在第5實施例中使用了鐵氧體磁鐵12和釹鐵磁鐵11作為有不同剩磁通密度的磁鐵材料，但亦可使用其它類型的結合，如鈷磁鐵和鋁鎳鈷磁鐵。另外，同樣系列但有不同剩磁通密度的磁鐵可以結合。而且在第4和第5實施例中的各永磁鐵8a和8b通常都由永磁鐵制成直到其端部，該端部可以是氣隙(空氣層)或由合成樹脂層制成。另外，第4和第5實施例的特征可以結合。換句話說，本發明并不局限于第4和第5實施例，可以根據其精神以各種方式改進，它不應排除在本發明的保護范圍之外。
其次來說明根據本發明的第6實施例。首先說明通過第6實施例要解決的問題。圖24示出第1實施例的電動機，其中為有效利用磁阻轉矩，轉子有2層永磁鐵。根據第1實施例，4組2層永磁鐵8a和8b其間在轉子3徑向方向有間隔地埋入在轉子鐵心3a中。各組永磁鐵8a、8b在其外周側有相同的極性。在轉子中的內和外側的各永磁鐵8a、8b形成為類似的朝轉子中心延伸的弧形。
該外和內永磁鐵8a和8b設置成其間保持恒定距離的同心圓。因為2層永磁鐵8a、8b有朝轉子圓心延伸的弧形，其端部9a、9b變成約垂直于轉子表面。
如圖24和25所示，各永磁鐵8a、8b在其所有長度上有相同的寬度，該永磁鐵的前端面15a、15b是扁平的。另外，彼此相鄰的內永磁鐵8b、8b在到達前端面15b、15b前在點16、16以距離g成為最接近處，且其在前端為類似扇的開口。
第1實施例電動機轉子3由包括電磁轉矩和磁阻轉矩的同步轉矩在R方向所轉動。電磁轉矩由在定子2齒4繞組10產生的旋轉磁場和由永磁鐵8a、8b產生的磁場所引起，而磁阻轉矩是由在轉子鐵心3a的表面和在內和外永磁鐵8b和8b的間隔形成上述旋轉磁場的磁路所產生的。
在第1實施例的上述電動機中，得到磁阻轉矩的最有效磁通是沿示于圖3的磁路Pa建立的。換句話說，在磁通從一齒4到另一齒4流動中，穿過外永磁鐵8a后表面磁通的密度越高，所產生的磁阻轉矩越大。
但形成磁空間的永磁鐵8a、8b的端面15a、15b，在轉子3置于示于圖25所在旋轉位置時其間以可觀的距離與齒4相對。結果在該位置磁路Pa被過份彎曲了，且在磁路Pa的磁阻最后增大了。于是在磁路Pa的磁通密度被可觀地降低，使其不可能產生足夠的磁阻轉矩。
另外，在第1實施例的電動機中，在內側彼此相鄰的永磁鐵8b變為靠得最近的該點16、16位于距轉子3外周可觀的內側。穿過永磁鐵間隔的相當磁通在點16、16距離g處受阻，且在點16、16外側的扇狀部成為死區7。死區7的存在從產生足夠的電磁轉矩和磁阻轉矩的觀點看不是可取的。
下面對解決了這個問題的本發明第六實施例給予充分的說明。圖26示出第六實施例的電動機3。該電動機包括固定于轉軸7的轉子3和裝有轉子3的定子2。轉子3包括在轉子3徑向間隔開的四組兩層永磁鐵8a和8b。該四組永磁鐵在轉子3圓周向以恒定距離埋入在轉子3的轉子鐵心3a中。四組永磁鐵8a、8b彼此相鄰以N和S極交替布置。而且永磁鐵8a、8b在其外周側設置成有相同極性。外和內永磁鐵8a、8b形成類似的朝轉子中心延伸的弧形。組內的外和內磁鐵8a、8b，在它們間除其端部9a、9b外，以近恒定的距離平行布置。
永磁鐵8a、8b的端部9a、9b為楔形，該端部朝轉子3外表面變薄。它們近似垂直于轉子3的表面。外永磁鐵8a的端部9a在其兩側被切以形成變窄的頂端。另一方面，內永磁鐵8b端部9b這樣形成，永磁鐵8b和在內側靠近前一永磁鐵的另一永磁鐵8b的外表面在其間以恒定的距離g在轉子3徑向彼此平行地延伸(參見圖27)。而且該永磁鐵8b端部9b在內側被切成僅在其內表面側變窄。圖27示出該切開部17。
因為如上述端部9a、9b變窄，永磁鐵8b、8a的前端在內側和在外側可延伸到轉子3表面附近的位置，而沒有轉子鐵心3a強度的減弱。
定子2提供了多個齒4，以繞組10繞于其間。當交流加到繞組10時產生旋轉磁場。由于該旋轉磁場轉子3以圖26的R方向轉動。在圖26中，為產生磁阻轉矩最有效的磁通流通路徑指示為Pa。
如圖27所示，在本實施例中，關系式滿足Lm1＝04×Lt和Lm2＝0.4Lt其中Lt表示齒4前端間的寬度，Lm1表示外永磁鐵8a前端的寬度，而Lm2表示內永磁鐵8b前端的寬度。二永磁鐵8a、8b前端的寬度Lm1、Lm2最好不大于0.7×Lt。
圖28示出永磁鐵8a、8b前端寬度Lm(＝Lm1＝Lm2)和齒4前端寬度Lt的比例Lm/Lt和在磁路Pa中流過磁通量的關系。如Lm/Lt不大于0.7，磁通量成為預定值或更高，且它是穩定的。
根據本實施例，滿足關系Ls＝1.5×Lk其中Lk代表內和外永磁鐵8a、8b前端間的間距，和Ls代表齒4的齒距，如圖2所示。最好間距Lk，Ls保持由等式(3)或(4)所表示的關系1.3×Ls≤Lk≤1.7×Ls (3)或1.3×Lk≤Ls≤1.7×Lk (4)
其中Lk表示轉子內周側永磁鐵和轉子外周側永磁鐵的前端的間距，和Ls表示定子齒的齒距。最好是永磁鐵8a、8b的前端面15a、15b與齒4前端不要同時一致。
盡管在第6實施例用了組永磁鐵8a、8b，但允許使用不同的組數。另外，盡管在第6實施例各永磁鐵8a、8b都由永磁鐵制成直到端部9a、9b，該端部可以是氣隙(空氣層)或由合成樹脂層制成。永磁鐵8不受兩導結構的限制，可以形成為1層或3層或更多層。而內和外永磁體8a、8b前端的間距設置為保持Ls＝1.5，可以采用不同于該實施例的間距，如滿足Ls＝Lk按第1實施例示于圖24。盡管在本實施例的電動機中永磁鐵8a、8b前端在其側面被切去而變窄，但該前端可倒圓成類似圓頂。換句話說，本發明不受上述實施例的限制，可基于其目的以各種形式加以改進，這都屬于本發明的保護范圍。
這里對本實施例的優點進一步說明。因為各永磁鐵8a、8b的二前端在靠近轉子3表面位置變窄且與轉子3表面約成直角的埋入，甚至當轉子3轉到如圖25所示旋轉位置時，有效產生磁阻轉矩的磁路Pa的磁通密度維持是高的。這就是說由于永磁鐵8a、8b的相對表面在其前端變窄，在磁路Pa的磁通即使定子2齒4處于對著永磁鐵8a、8b端的位置亦平穩地引入到轉子3。因此如與第一實施例相比，有效地產生了磁阻轉矩。
因為永磁鐵8a、8b變窄的前端寬度Lm不大于定子齒4前端的寬度Lt的70％，更多的磁通被導入到磁路Pa，以致上述運行可完成得更加有效(參見圖28)。
當永磁鐵8a、8b其間有一定距離在轉子3徑向以2層埋入，且各永磁鐵8a、8b兩端在轉子3內側被切而主要在其內表面變窄時，更多的磁通導入在內和外永磁鐵8a、8b間，因此在對磁阻轉矩的產生起有效作用的磁路Pa上的磁通密度增加了，而顯然得到了大的磁阻轉矩。
在兩層結構中，如內和外永磁鐵8a、8b在前端部分的間距Lk是相應于等式(2)中齒4間距Ls的1.3-1.7倍，或如Ls設置成是1.3-1.7部Lk，因此不使二永磁鐵的前端而與齒4前端面同時一致，從齒4的磁通可平衡地導入在內和外永磁鐵8a、8b間，以致產生大的磁阻轉矩。
如相鄰永磁鐵的二端的外表面大致相互平行在轉子3徑向方向延伸，永磁鐵和相鄰上述永磁鐵的另一永磁鐵的端部的間隔為不變，由此消除了死區。如二端的間隔設置得小，小于第1實施例最小距離g，則有效產生永磁鐵電磁轉矩的表面區域擴展了。另一方面，如二端的間隔設置成大于該最小距離g，在該間隔中的磁通量增加了，以致增加了產生的磁阻轉矩。
根據本實施例，即使在轉子處于第一實施例難于利用磁阻轉矩的旋轉位置時，在轉子內亦形成磁通流動，以便于產生磁阻轉矩。由此本實施例提供了有效利用磁阻轉矩的有永磁鐵的轉子。
雖然對本發明已結合最佳實施例并參見附圖做了充分說明，要指出的是對所屬領域技術人員來說顯然就此可作出各種變化和改進。應當明白這些變化和改進都包括在本發明由所附權利要求所限定的保護范圍之內。
權利要求
1.一種電動機，包括含有繞于一個鐵心的多個繞組的定子；和包括一個轉子鐵心和由上述定子所環繞可轉動的轉子；其中該轉子包括多組埋置在所述轉子鐵心中的永磁鐵，每組所述永磁鐵包括沿徑向布置的多個永磁鐵層，各個永磁鐵層之間具有間隙，所述多組永磁鐵布置成在該永磁鐵外周側有交替的N和S極，各組內的永磁鐵延伸為使其端部位于靠近上述轉子的外周。
2.根據權利要求1的電動機，其中各永磁鐵有朝上述轉子中心延伸的形狀。
3.根據權利要求2的電動機，其中各永磁鐵層的形狀是朝轉子中心延伸的弧形。
4.根據權利要求1的電動機，其中每組永磁鐵中兩永磁鐵層間的間隔是恒定的。
5.根據權利要求1的電動機，其中永磁鐵組的數量是4組。
6.根據權利要求1的電動機，其中永磁鐵組的數量是2組
全文摘要
本發明提供了一種電動機，包括含有繞于一個鐵心的多個繞組的定子；和包括一個轉子鐵心和由上述定子所環繞可轉動的轉子；其中該轉子包括多組埋置在所述轉子鐵心中的永磁鐵，每組所述永磁鐵包括沿徑向布置的多個永磁鐵層，各個永磁鐵層之間具有間隙，所述多組永磁鐵布置成在該永磁鐵外周側有交替的N和S極，各組內的永磁鐵延伸為使其端部位于靠近上述轉子的外周。本發明的優點在于提供更高轉矩和更高輸出功率的電動機以及有改進抗退磁性的電動機。
文檔編號H02K21/14GK1505239SQ03154880
公開日2004年6月16日 申請日期1996年5月31日 優先權日1995年5月31日
發明者本田幸夫, 村上浩, 楢崎和成, 伊藤浩, 神藤正行, 淺野能成, 角谷直之, 之, 成, 行 申請人:松下電器產業株式會社