ДВИГАТЕЛЬ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ Российский патент 2007 года по МПК H02K1/27 H02K21/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к двигателю с постоянными магнитами, оснащенному ротором, состоящим из множества постоянных магнитов, углубленных в сердечнике ротора.

Уровень техники

Был предложен двигатель с постоянными магнитами, сопротивление которого размагничиванию и кпд были повышены посредством заглубления постоянных магнитов в сердечнике ротора (см., например, японскую выложенную заявку № 11-187597). Фиг.1 представляет собой вид сбоку, показывающий торец ротора двигателя с постоянными магнитами, если смотреть по направлению вставки вращающегося вала ротора до вставки вращающегося вала. Как показано на фиг.1, ротор 2 состоит из сердечника 2а ротора и вращающегося вала (непоказанного), при этом сердечник 2а ротора представляет собой по существу столбообразную стопу стальных пластин с цилиндрическим контуром. Сердечник 2а ротора имеет пазы 5 для удерживания постоянных магнитов, расположенные вблизи его наружной периферии и соответствующие сторонам приблизительно правильного восьмиугольника, и каждый из пазов 5 для удерживания постоянных магнитов содержит постоянный магнит 4. Постоянные магниты 4 расположены таким образом, что полюс S и полюс N чередуются друг с другом. Множество прорезей 6, удлиненных в радиальном направлении, отстоят друг от друга вдоль каждого из пазов 5 для удерживания постоянных магнитов на наружном сердечнике 3 снаружи пазов 5 для удерживания постоянных магнитов. В центре сердечника 2а ротора выполнено отверстие 8 для вращающегося вала, предназначенное для размещения вращающегося вала.

В обычном двигателе с постоянными магнитами, описанном выше, прорези 6 в сердечнике 2а ротора расположены на одинаковых расстояниях друг от друга для направления внутрь и наружу магнитного потока постоянных магнитов 4 в радиальном направлении, а также для предотвращения отклонения магнитного потока (далее называемого реактивным потоком якоря), создаваемого током обмотки статора, вдоль периферии наружного сердечника 3.

Однако в том случае, когда множество прорезей 6 расположены на одинаковых расстояниях друг от друга, распределение радиального магнитного потока в постоянных магнитах 4 имеет трапециевидный профиль. Следовательно, геометрическое взаимное расположение статора и ротора приводит к образованию большого момента от зубцовых гармонических помех поля (синхронного момента), вызывающего увеличение вибрации.

Кроме того, напряжение, создаваемое обмотками статора, имеет искаженную форму кривой вследствие повышенного содержания гармоник, что приводит не только к повышенному шуму, но также к увеличенным потерям в сердечнике, что в свою очередь приводит к уменьшению кпд.

Кроме того, если статор возбуждается посредством трехфазного синусоидального переменного тока, только основная составляющая волны эффективно способствует созданию крутящего момента, в то время как гармонические составляющие вызывают колебания крутящего момента, что приводит к увеличению вибрации и шума.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для решения описанных выше проблем была поставлена цель настоящего изобретения, заключающаяся в создании высокоэффективного двигателя с постоянными магнитами, который может обеспечить уменьшение реактивного потока якоря, улучшение распределения магнитного потока в наружном сердечнике и, таким образом, уменьшение шума и вибрации.

Для достижения вышеуказанной цели в соответствии с настоящим изобретением создан двигатель с постоянными магнитами, заявленный в пунктах 1-5 формулы изобретения.

В пункте 1 формулы настоящего изобретения заявлен двигатель с постоянными магнитами, содержащий ротор, имеющий сердечник ротора, являющийся по существу столбообразной стопой стальных пластин, пазы для удерживания постоянных магнитов, выполненные в тех частях сердечника ротора, которые соответствуют сторонам приблизительно правильного многоугольника, имеющего центр на оси сердечника ротора, постоянные магниты, вставленные в соответствующие пазы для удерживания постоянных магнитов, и множество прорезей, удлиненных в радиальном направлении и отстоящих друг от друга вдоль каждого из пазов для удерживания постоянных магнитов на наружном сердечнике снаружи пазов для удерживания постоянных магнитов, характеризующийся тем, что на радиально наружном конце прорези расположены на приблизительно одинаковом расстоянии друг от друга, в то время как на радиально внутреннем конце расстояние между прорезями уменьшается при увеличении расстояния от центра каждого постоянного магнита, при этом расстояние между прорезями у центра является наибольшим.

Согласно пункту 2 формулы изобретения двигатель с постоянными магнитами по пункту 1 формулы изобретения характеризуется тем, что, если стороны постоянных магнитов выполнены так, что они соответствуют основанию синусоиды, то расстояние между прорезями на радиально внутреннем конце пропорционально высоте синусоиды.

Согласно пункту 3 формулы изобретения двигатель с постоянными магнитами по пункту 2 формулы изобретения характеризуется тем, что ротор имеет 2n магнитных полюсов, и статор имеет 3n зубцов, каждый из которых имеет плотно намотанный проводник, при этом n представляет собой положительное целое число, и стороны постоянных магнитов соответствуют основанию синусоиды при их сужении к центру.

Согласно пункту 4 формулы изобретения двигатель с постоянными магнитами по пункту 1 формулы изобретения характеризуется тем, что ширина сердечника между радиально наружным концом прорезей и наружной периферией сердечника ротора является большей в центре постоянных магнитов, чем на обоих концах.

Согласно пункту 5 формулы изобретения двигатель с постоянными магнитами по пункту 1 формулы изобретения характеризуется тем, что ширина сердечника между радиально наружным концом пазов для удерживания постоянных магнитов и радиально внутренним концом прорезей, а также ширина сердечника между радиально внутренним концом прорезей и наружной периферией сердечника ротора превышают толщину стальных пластин в 1-3 раза.

Настоящее изобретение позволяет уменьшить реактивный поток якоря, улучшить распределение магнитного потока в наружном сердечнике и, таким образом, получить высокоэффективный двигатель с постоянными магнитами с уменьшенным шумом и вибрацией.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет собой вид сбоку, показывающий торец ротора двигателя с постоянными магнитами в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, если смотреть по направлению вставки вращающегося вала до вставки вращающегося вала;

фиг.2 представляет собой вид сбоку, показывающий торец ротора двигателя с постоянными магнитами в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, если смотреть по направлению вставки вращающегося вала до вставки вращающегося вала;

фиг.3 представляет собой частично увеличенный вид, подробно иллюстрирующий расстояние между прорезями у радиально внутреннего конца прорезей, выполненных в наружном сердечнике сердечника ротора, показанного на фиг.2;

фиг.4 иллюстрирует форму кривой, используемой для определения расстояния между прорезями у их радиально внутреннего конца, при этом прорези выполнены в наружном сердечнике сердечника ротора, показанного на фиг.2;

фиг.5 представляет собой вид сбоку, показывающий торец ротора и статора двигателя с постоянными магнитами в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.6 иллюстрирует собой форму кривой, используемой для определения расстояния между прорезями у их радиально внутреннего конца, при этом прорези выполнены в наружном сердечнике сердечника ротора, показанного на фиг.5;

фиг.7 представляет собой график распределения магнитного потока, созданного в сердечнике ротора, показанном на фиг.5;

фиг.8 представляет собой частично увеличенный вид сбоку, показывающий торец ротора двигателя с постоянными магнитами в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения, если смотреть по направлению вставки вращающегося вала;

фиг.9 представляет собой график, показывающий форму кривой наведенного напряжения и иллюстрирующий работу четвертого варианта осуществления, показанного на фиг.8;

фиг.10 представляет собой схему управления, которая обеспечивает приведение в действие двигателя с постоянными магнитами согласно каждому варианту осуществления;

фиг.11 представляет собой вид сбоку, показывающий торец ротора двигателя с постоянными магнитами, если смотреть по направлению вставки вращающегося вала ротора до вставки вращающегося вала.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на варианты осуществления, показанные на чертежах.

Фиг.1 представляет собой вид сбоку, показывающий торец ротора двигателя с постоянными магнитами в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, если смотреть по направлению вставки вращающегося вала до вставки вращающегося вала. На чертеже те же элементы, что и элементы обычного двигателя с фиг.11, обозначены одинаковыми ссылочными позициями, и их описание будет опущено. Ротор 2 состоит из сердечника 2А ротора и вращающегося вала (не показан), при этом сердечник 2А ротора является по существу столбообразной стопой стальных пластин, имеющей цилиндрический контур.

Сердечник 2А ротора имеет пазы 5 для удерживания постоянных магнитов, образованные в местах, соответствующих сторонам приблизительно правильного четырехугольника вблизи наружной периферии сердечника 2А ротора. Постоянный магнит углублен в каждом из пазов 5 для удерживания постоянных магнитов. Множество прорезей 6, удлиненных в радиальном направлении, например десять прорезей, отстоят друг от друга вдоль каждого из пазов 5 для удерживания постоянных магнитов на наружном сердечнике 3 снаружи пазов 5 для удерживания постоянных магнитов. В центре сердечника 2А ротора выполнено отверстие 8 для вращающегося вала, предназначенное для размещения вращающегося вала, а сквозные отверстия 9 под болты выполнены вокруг отверстия 8 для вращающегося вала.

В соответствии с данным вариантом осуществления на радиально наружном конце прорези 6 расположены на приблизительно одинаковом расстоянии друг от друга по наружной периферии сердечника 2А ротора, в то время как на радиально внутреннем конце расстояние между прорезями уменьшается при увеличении расстояния от центра каждого постоянного магнита 4, при этом расстояние между прорезями у центра постоянного магнита 4 является наибольшим.

Поскольку прорези 6 расположены так, как описано выше, магнитный поток постоянных магнитов 4, проходящий через сердечники полюсов между прорезями 6, приблизительно пропорционален расстоянию между прорезями у того конца прорезей 6, который расположен ближе к постоянным магнитам 4. Следовательно, распределение магнитного потока постоянных магнитов 4, проходящего через наружный сердечник 3, уменьшается при увеличении расстояния от центра каждого постоянного магнита 4, при этом расстояние между прорезями у центра постоянного магнита 4 является наибольшим, если смотреть в периферийном направлении. Это приводит к увеличению эффективного магнитного потока, что способствует созданию крутящего момента, обеспечивает возникновение меньшего гармонического магнитного потока и меньших потерь в сердечнике, чем в случае трапециевидного распределения магнитного потока, и уменьшению момента от зубцовых гармонических помех поля, который вызывает вибрацию.

Таким образом, первый вариант осуществления обеспечивает уменьшение реактивного потока якоря за счет использования множества прорезей, улучшение распределения магнитного потока в наружном сердечнике и, таким образом, обеспечивает получение высокоэффективного двигателя с постоянными магнитами с уменьшенным шумом и вибрацией.

Фиг.2 представляет собой вид сбоку, показывающий торец ротора двигателя с постоянными магнитами в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, если смотреть по направлению вставки вращающегося вала до вставки вращающегося вала. На чертеже те же компоненты, что и компоненты первого варианта осуществления на фиг.1, обозначены одинаковыми ссылочными позициями, и их описание будет опущено. Сердечник 2В ротора имеет двенадцать прорезей 6, отстоящих друг от друга вдоль каждого из пазов 5 для удерживания постоянных магнитов. На радиально наружном конце прорези 6 расположены на приблизительно одинаковом расстоянии друг от друга по наружной периферии сердечника 2В ротора. На радиально внутреннем конце сторона каждого постоянного магнита выполнена такой, чтобы она соответствовала основанию синусоиды, и прорези расположены так, что расстояние между ними на радиально внутреннем конце пропорционально высоте синусоиды.

Фиг.3 представляет собой частично увеличенный вид, подробно иллюстрирующий расстояние между прорезями на радиально внутреннем конце прорезей 6, образованных в наружном сердечнике 3 снаружи постоянного магнита 4 в сердечнике 2В ротора. Расстояние между прорезями у продольного центра постоянного магнита 4 обозначено Р1, и расстояния Р2, Р3, ... Р6 и Р7 определяются таким образом, что они будут уменьшаться при увеличении расстояния от центра. Как показано на фиг.4, основание синусоиды (полуволны), равное 180 градусам фазы, приведено в соответствии с длиной W постоянного магнита 4, при этом синусоида разделена на 15 частей вдоль фазы, высота центральной части обозначена Р1, и высоты наружных частей обозначены последовательно Р2, Р3, ... Р6 и Р7, и расстояния Р1-Р7 на радиально внутреннем конце прорезей 6 заданы таким образом, чтобы они были пропорциональны высотам Р1-Р7. Таким образом, соотношение Р1 > P2 > P3 > P4 > P5 > P6 > P7 остается в силе. Кроме того, магнитный поток пропорционален расстояниям Р1-Р7, что приводит к распределению магнитного потока, близкому к синусоиде.

Таким образом, второй вариант осуществления обеспечивает уменьшение реактивного потока якоря за счет использования множества прорезей, дополнительное улучшение распределения магнитного потока в наружном сердечнике и, таким образом, обеспечивает получение высокоэффективного двигателя с постоянными магнитами с уменьшенным шумом и вибрацией.

Фиг.5 представляет собой вид сбоку, показывающий торец ротора и статора двигателя с постоянными магнитами в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения. В частности, в нем используется, как и в роторе 2, сердечник 2С ротора, аналогичный сердечнику 2В ротора, показанному на фиг.3. Расстояния Р1-Р7 на радиально внутреннем конце прорезей 6 определены здесь при предположении, что ротор 2 имеет 2n (= 4) магнитных полюсов, в то время как статор 1 имеет 3n (= 6) зубцов, каждый из которых имеет плотно намотанный проводник 7, при этом n представляет собой положительное целое число (в данном случае 2), и при предположении, что стороны постоянных магнитов 4, при их сужении к центру, соответствуют основанию синусоиды, показанной на фиг.4.

Если существует соотношение 2n:3n между числом полюсов ротора (2) и числом зубцов статора (1), угловые интервалы между полюсами ротора 2 будут меньше угловых интервалов между зубцами статора 1, и поэтому зубцы в каждой фазе статора 1 не могут принимать весь магнитный поток от одного полюса ротора 2.

Фиг.6 представляет собой график, иллюстрирующий то, каким образом можно решить данную проблему. Сердечник 2С ротора выполнен со следующей конфигурацией: вместо обеспечения соответствия полной длины W постоянного магнита 4 основанию синусоиды непосредственным образом синусоида с такой же площадью, что и у синусоиды, показанной на фиг.4, образована в сегменте, полученном посредством сужения постоянного магнита 4 в направлении внутрь на заранее заданную длину от его противоположных концов, и расстояния Р1-Р7 у радиально внутреннего конца прорезей 6 заданы таким образом, чтобы они были пропорциональны высотам Р1-Р7, полученным путем одинакового деления созданной синусоиды. Следовательно, как показано на фиг.7, по сравнению с распределением магнитного потока в соответствии со вторым вариантом осуществления, представленным пунктирной кривой Р, распределение магнитного потока в соответствии с третьим вариантом осуществления будет более близким к синусоиде, при этом он резко возрастает и усиливается в средней части, как показано сплошной кривой Q. Таким образом, третий вариант осуществления обеспечивает лучшую кривую наведенного напряжения по сравнению со вторым вариантом осуществления и дополнительное повышение кпд двигателя.

Таким образом, третий вариант осуществления обеспечивает уменьшение реактивного потока якоря за счет использования множества прорезей, дополнительное улучшение распределения магнитного потока в наружном сердечнике и, таким образом, обеспечивает получение высокоэффективного двигателя с постоянными магнитами с уменьшенным шумом и вибрацией.

Фиг.8 представляет собой частично увеличенный вид сбоку, показывающий торец ротора двигателя с постоянными магнитами в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения, если смотреть по направлению вставки вращающегося вала. На чертеже те же компоненты, что и на фиг.3, обозначены одинаковыми ссылочными позициями, и их описание будет опущено. В сердечнике 2D ротора ширина сердечника между радиально наружным концом прорезей 6 и наружной периферией сердечника 2D ротора больше (например, d2) в центре постоянного магнита, чем в местах, удаленных от центра (например, d1). Причина будет разъяснена ниже.

Если бы ширина сердечника между радиально наружным концом прорезей 6 и наружной периферией сердечника ротора была одинаковой, колебания, то есть пульсация с малой амплитудой, могли бы происходить в средней части кривой наведенного напряжения, где магнитный поток является сильным, как показано на фиг.9. Возможно, это обусловлено тем, что ширина сердечника между радиально наружным концом прорезей 6 и наружной периферией сердечника ротора является слишком малой для данной интенсивности магнитного потока, что приводит к большому магнитному сопротивлению. За счет того, что сердечник выполнен с большим размером (d2) между радиально наружным концом прорезей 6 и наружной периферией сердечника 2D ротора вблизи центра полюса, где имеют место заметные колебания в распределении магнитного потока, чем в другой части (d1), сердечник 2D ротора в соответствии с данным вариантом осуществления предотвращает колебания наведенного напряжения без ухудшения эффекта управления распределением магнитного потока, осуществляемого посредством прорезей 6.

Таким образом, четвертый вариант осуществления обеспечивает уменьшение реактивного потока якоря за счет использования множества прорезей, дополнительное улучшение распределения магнитного потока в наружном сердечнике и, таким образом, обеспечивает получение высокоэффективного двигателя с постоянными магнитами с уменьшенным шумом и вибрацией.

Фиг.10 иллюстрирует схему управления, которая обеспечивает приведение в действие двигателя с постоянными магнитами. Переменный ток от источника 10 электропитания переменного тока преобразуется в постоянный ток преобразователем 11. Выходящий постоянный ток снова преобразуется в переменный ток заданной частоты посредством инвертора 12, способного выдавать выходной сигнал переменной частоты, и получающийся в результате переменный ток подается к двигателю 13 с постоянными магнитами (в дальнейшем называемым двигателем 13). Датчик 14 положения определяет положение ротора двигателя 13 на основе напряжения на зажимах двигателя 13 и передает его в виде сигнала положения управляющему устройству 15. Используя сигнал положения, управляющее устройство 15 управляет инвертором 12 таким образом, что выходная частота инвертора 12 будет синхронизирована с частотой вращения двигателя 13. Двигатель 13 в сущности представляет собой трехфазный синхронный электродвигатель, и инвертор 12 выполнен так, что он соответственно представляет собой инвертор трехфазного мостового типа. "Положительные" плечи фаз U, V и W обозначены соответственно U+, V+ и W+, в то время как "отрицательные" плечи обозначены соответственно U-, V- и W-. Проиллюстрированная конфигурация схемы образует бесколлекторный двигатель постоянного тока. В связи с этим способ определения положения ротора двигателя на основе напряжения на зажимах двигателя известен как бессенсорный способ или способ определения положения косвенным путем.

Как хорошо известно, в обмотке каждой фазы двигателя 13 в каждый момент пара из положительного плеча одной фазы и отрицательного плеча другой фазы включена, а остальные плечи остаются выключенными. Когда плечо, подлежащее включению, последовательно переключается между тремя фазами, заданный трехфазный выходной сигнал подается двигателю 13 от инвертора 12. Это обеспечивает возможность приведения в действие статора путем подачи трехфазного синусоидального переменного тока.

Желательно минимизировать ширину сердечника между радиально наружным концом пазов 5 для удерживания постоянных магнитов и радиально внутренним концом прорезей 6, а также ширину сердечника между радиально наружным концом прорезей 6 и наружной периферией сердечника ротора с точки зрения предотвращения отклонения магнитного потока по периферии. С другой стороны, желательно обеспечить некоторый допуск при вырубке стальных пластин из листа. Соответственно, для уменьшения колебаний значения ширины сердечника выполнены такими, что они в 1-3 раза превышают толщину магнитной стальной пластины.

Несмотря на то что в вышеуказанных вариантах осуществления постоянные магниты заглублены в те части сердечника ротора, которые соответствуют сторонам правильного четырехугольника, имеющего центр на оси сердечника ротора, настоящее изобретение не ограничено этим. Настоящее изобретение применимо почти для любого двигателя с постоянными магнитами, ротор которого состоит из постоянных магнитов, заглубленных в те части сердечника ротора, которые соответствуют сторонам приблизительно правильного многоугольника, имеющего центр на оси сердечника ротора.

Кроме того, несмотря на то, что в указанных вариантах осуществления в наружном сердечнике 3 образовано от десяти до двенадцати прорезей 6, настоящее изобретение применимо для любого двигателя с постоянными магнитами, который имеет четыре или более прорезей 6, при условии, что прорези расположены в соответствии с синусоидой.

Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей выполнения двигателей с постоянными магнитами на роторе. Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого высокоэффективного двигателя с постоянными магнитами, состоит в обеспечении уменьшения реактивного потока якоря, улучшении распределения магнитного потока в наружном сердечнике и, таким образом, уменьшение шума и вибрации. Сущность изобретения состоит в том, что на роторе двигателя имеются пазы (5) для удерживания постоянных магнитов (4), выполненные в тех частях сердечника (2А) ротора, которые соответствуют сторонам приблизительно правильного многоугольника, имеющего центр на оси сердечника (2А) ротора. Постоянные магниты (4), вставлены в соответствующие пазы (5) для удерживания постоянных магнитов (4). В сердечнике (2А) ротора имеются четыре или более прорезей (6), удлиненных в радиальном направлении и отстоящих друг от друга вдоль каждого из пазов для удерживания постоянных магнитов (4) на сердечнике (2А) снаружи пазов (5) для удерживания постоянных магнитов (4), при этом согласно изобретению на радиально наружном конце упомянутые прорези (6) расположены на приблизительно одинаковом расстоянии друг от друга, в то время как на радиально внутреннем конце расстояние между прорезями (6) уменьшается при увеличении расстояния от центра каждого постоянного магнита, при этом расстояние между прорезями у центра является наибольшим. 5 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Двигатель с постоянными магнитами, содержащий ротор, имеющий сердечник ротора, являющийся, по существу, столбообразной стопой стальных пластин, пазы для удерживания постоянных магнитов, выполненные в тех частях сердечника ротора, которые соответствуют сторонам приблизительно правильного многоугольника, имеющего центр на оси сердечника ротора, постоянные магниты, вставленные в соответствующие пазы для удерживания постоянных магнитов, и множество прорезей, удлиненных в радиальном направлении и отстоящих друг от друга вдоль каждого из пазов для удерживания постоянных магнитов на наружном сердечнике снаружи пазов для удерживания постоянных магнитов, отличающийся тем, что на радиально наружном конце прорези расположены на приблизительно одинаковом расстоянии друг от друга, в то время как на радиально внутреннем конце расстояние между прорезями уменьшается при увеличении расстояния от центра каждого постоянного магнита, при этом расстояние между прорезями у центра является наибольшим.2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что, если стороны постоянных магнитов выполнены так, что они соответствуют основанию синусоиды, то расстояние между прорезями на радиально внутреннем конце пропорционально высоте синусоиды.3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что ротор имеет 2n магнитных полюсов и статор имеет 3n зубцов, каждый из которых имеет плотно намотанный проводник, при этом n представляет собой положительное целое число, и стороны постоянных магнитов соответствуют основанию синусоиды при их сужении к центру.4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ширина сердечника между радиально наружным концом прорезей и наружной периферией сердечника ротора является большей в центре постоянных магнитов, чем на обоих концах.5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ширина сердечника между радиально наружным концом пазов для удерживания постоянных магнитов и радиально внутренним концом прорезей, а также ширина сердечника между радиально внутренним концом прорезей и наружной периферией сердечника ротора превышают толщину стальных пластин в 1-3 раза.6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, четыре прорези расположены вдоль каждого из пазов для постоянных магнитов.