專利名稱：直流無刷電動機和控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有勵磁用永久磁鐵的直流無刷電動機和控制裝置。直流無刷電動機按其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分類有兩種類型。一種是將勵磁用永久磁鐵裝配在轉(zhuǎn)子軛的表面上的表面磁鐵式，另一種是將勵磁用永久磁鐵埋入到轉(zhuǎn)子軛的內(nèi)部的埋入式。
在這兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同的直流無刷電動機中，在表面磁鐵式的轉(zhuǎn)子中，為了防止由于高速旋轉(zhuǎn)時的離心力引起勵磁用永久磁鐵破壞，通常采用裝配不銹鋼管的結(jié)構(gòu)。由于采用上述結(jié)構(gòu)，在表面磁鐵式的轉(zhuǎn)子的情況下，由勵磁用永久磁鐵、轉(zhuǎn)子軛和電樞構(gòu)成的磁路的磁阻有增大的傾向，另外，由于是以幾k～20kHz斬波的電源驅(qū)動電動機，所以，在不銹鋼管中存在渦流，從而成為影響電機效率降低的原因。
另一方面在埋入式的轉(zhuǎn)子中，由于在沖壓轉(zhuǎn)子軛時預先形成將勵磁用永久磁鐵插入到轉(zhuǎn)子架的內(nèi)部的槽，所以，不必使用不銹鋼管，因此，可以大幅度地減少渦流的發(fā)生。
但是，由于槽的結(jié)構(gòu)又會增加磁通泄漏，減少磁路的有效磁通量，從而不能有效地發(fā)揮磁鐵的作用，所以，必須設(shè)法防止這種情況。
上述2種轉(zhuǎn)子由于結(jié)構(gòu)不同，所以，機械常數(shù)也大不相同，結(jié)果，電動機輸出特性差別也很大。由于永久磁鐵的磁導率與真空的磁導率接近，所以，有永久磁鐵的部分可以視為與空氣等同。
表面磁鐵式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機，由于d軸電感和q軸電感相等，電流和轉(zhuǎn)矩具有線性關(guān)系，所以，加減速特性、轉(zhuǎn)矩控制等的控制性良好，多使用于伺服電動機。
埋入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電動機具有q軸電感大于d軸電感的特征(反突極性)。因此，不僅可以利用永久磁鐵的有效轉(zhuǎn)矩，而且可以進行利用磁阻轉(zhuǎn)矩的最大轉(zhuǎn)矩控制，從而可以獲得高輸出、高效率的特性。
另外，在埋入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機中，即使在由逆變器驅(qū)動裝置的直流回路電壓和電機的反電動勢限制的轉(zhuǎn)數(shù)之上的運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，通過相對于反電動勢的相位來控制電樞電流的相位而利用電樞反應的等價減弱磁場控制，可以進行運轉(zhuǎn)。因此，埋入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機作為要求小型、高效率并且具有寬的運轉(zhuǎn)范圍的移動體驅(qū)動用的電動機是有希望的電動機。
在電動機的運轉(zhuǎn)中，有可以連續(xù)運轉(zhuǎn)的區(qū)域和只在短時間可以運轉(zhuǎn)的區(qū)域。這取決于電機的溫升。詳細的說明從略，分別稱為連續(xù)額定和短時間額定。并且，將在連續(xù)額定時持續(xù)流過的電流稱為連續(xù)額定電流。
已有的埋入式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示于圖20。另外，以連續(xù)額定電流使已有的埋入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電動機運轉(zhuǎn)時的輸出特性示于圖21。
如圖21所示，以使電動機的反電動勢和電樞電流成為同相位而使已有的電動機運轉(zhuǎn)時(稱為i＝0控制)的最大轉(zhuǎn)數(shù)與利用減弱磁場控制進行運轉(zhuǎn)時的最大轉(zhuǎn)數(shù)之比為1.6(9200/5600rpm)。
即，利用減弱磁場控制可以將能夠連續(xù)運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)范圍擴大1.6倍。另外，圖中雖然未示出，但是，如果使電樞中流過大于連續(xù)額定電流的電流，還可以進一步擴大運轉(zhuǎn)范圍。
利用已有的技術(shù)控制具有已有的埋入式轉(zhuǎn)子的直流無刷電動機，可以實現(xiàn)小型、高效率并且可以具有寬的運轉(zhuǎn)范圍。
但是，在具有上述已有的埋入式轉(zhuǎn)子的直流無刷電動機中，在連續(xù)額定電流下運轉(zhuǎn)范圍的擴大是有限的，約為1.6倍左右，為了獲得更寬的運轉(zhuǎn)范圍，必須增大電樞電流，這樣就不能進行連續(xù)運轉(zhuǎn)。因此，例如，當移動體在高速巡航時就會發(fā)生問題。
另外，在電動汽車及電動摩托車等以電池作為電源的移動體的驅(qū)動用電動機中，不僅電動機而且包括控制裝置、傳動裝置也要求小型、高效率并且具有寬的運轉(zhuǎn)范圍。
但是，使用已有例的電動機時，在連續(xù)額定的范圍內(nèi)，為了進一步擴大移動體的轉(zhuǎn)速范圍，必須使用多級變速機構(gòu)，因此，必然使裝置大型化。
另外，為了擴大電機本身的工作范圍，需要大的電樞電流。因此，在電機中將會由于銅的損耗增加而引起發(fā)熱量增加，從而使可以運轉(zhuǎn)的時間縮短，所以，以往必須設(shè)法提高電機的冷卻效率，就會存在電機大型化的問題。另外，在控制裝置中必須增大逆變器開關(guān)元件的電流額定值，這樣，也存在招致控制裝置大型化的問題。
本發(fā)明的目的旨在提供連續(xù)額定電流的工作范圍寬的直流無刷電動機和控制裝置。另外，還旨在提供效率好的直流無刷電動機和控制裝置。
本發(fā)明這些目的可利用下述(1)～(17)的方案來達到。
(1)一種具有轉(zhuǎn)子和電樞的直流無刷電動機，轉(zhuǎn)子具有在外周部有2個以上的主磁極的轉(zhuǎn)子軛，該直流無刷電動機的特征在于在上述主磁極上形成徑向尺寸為Lm的槽，厚度約為Lm的勵磁用永久磁鐵插入到該槽內(nèi)，設(shè)在上述轉(zhuǎn)子和上述電樞之間形成的氣隙的氣隙長度為Lg時，則設(shè)定為滿足0＜Lm+Lg≤2mm。
(2)一種具有轉(zhuǎn)子和電樞的直流無刷電動機，轉(zhuǎn)子具有在外周部有2個以上的主磁極的轉(zhuǎn)子軛，該直流無刷電動機的特征在于在上述主磁極上形成徑向尺寸為Lm的槽，厚度約為Lm的勵磁用永久磁鐵插入到該槽內(nèi)，設(shè)在上述轉(zhuǎn)子和上述電樞之間形成的氣隙的空氣間隙長度為Lg時，則設(shè)定為滿足0.3mm≤Lm+Lg≤2mm。
(3)一種具有轉(zhuǎn)子和電樞的直流無刷電動機，轉(zhuǎn)子具有在外周部有2個以上的主磁極的轉(zhuǎn)子軛，該直流無刷電動機的特征在于在上述主磁極上形成徑向尺寸為Lm的槽，厚度約為Lm的勵磁用永久磁鐵插入到該槽內(nèi)，設(shè)在上述轉(zhuǎn)子和上述電樞之間形成的氣隙的氣隙長度為Lg時，則設(shè)定為滿足0.3mm≤Lm+Lg≤1.3mm。
(4)按上述(1)～(3)的任一項所述的直流無刷電動機的特征在于設(shè)上述轉(zhuǎn)子的最大外徑為D時，則設(shè)定為滿足0＜Lm+Lg≤2D/51。
(5)一種具有轉(zhuǎn)子和電樞的直流無刷電動機，轉(zhuǎn)子具有在外周部有2個以上的主磁極的轉(zhuǎn)子軛，該直流無刷電動機的特征在于在上述主磁極上形成徑向尺寸為Lm的槽，厚度約為Lm的勵磁用永久磁鐵插入到該槽內(nèi)，設(shè)在上述轉(zhuǎn)子和上述電樞之間形成的氣隙的氣隙長度為Lg、上述轉(zhuǎn)子的最大外徑為D時，則設(shè)定為滿足0＜Lm+Lg≤2D/51。
(6)按上述(1)～(5)的任一項所述的直流無刷電動機的特征在于上述勵磁用永久磁鐵是在插入到上述主磁極內(nèi)的狀態(tài)下被磁化的。
(7)按上述(1)～(6)的任一項所述的直流無刷電動機的特征在于使用上述電樞的電樞繞組作為上述勵磁用永久磁鐵的磁化用線圈。
(8)按上述(1)～(7)的任一項所述的直流無刷電動機的特征在于在上述轉(zhuǎn)子軛鄰近的主磁極與主磁極之間形成使該轉(zhuǎn)子軛的一部分突出的輔助突極，并且在上述輔助突極與上述電樞之間形成指定長度的氣隙。
(9)一種具有轉(zhuǎn)子和電樞的直流無刷電動機，轉(zhuǎn)子具有在外周部有2個以上的主磁極的轉(zhuǎn)子軛，該直流無刷電動機的特征在于在上述主磁極上形成槽，勵磁用永久磁鐵插入到該槽內(nèi)，在上述轉(zhuǎn)子軛鄰近的主磁極與主磁極之間形成使該轉(zhuǎn)子軛的一部分突出的輔助突極，并且在上述輔助突極與上述電樞之間形成指定長度的氣隙。
(10)按上述(8)或(9)所述的直流無刷電動機的特征在于上述輔助突極從上述轉(zhuǎn)子軛的旋轉(zhuǎn)軸的中心部以輻射狀突出。
(11)按上述(8)～(10)的任一項所述的直流無刷電動機的特征在于上述輔助突極至少在前端部具有其截面積向前端漸增的部分。
(12)按上述(8)～(11)的任一項所述的直流無刷電動機的特征在于上述輔助突極至少前端部從上述主磁極分離地獨立形成。
(13)按上述(8)～(12)的任一項所述的直流無刷電動機的特征在于從上述轉(zhuǎn)子軛的旋轉(zhuǎn)軸的中心部到上述輔助突極的前端部的長度設(shè)定為小于從上述轉(zhuǎn)子軛的旋轉(zhuǎn)軸的中心部到上述主磁極的前端部的長度。
(14)按上述(8)～(12)的任一項所述的直流無刷電動機的特征在于從上述轉(zhuǎn)子軛的旋轉(zhuǎn)軸的中心部到上述輔助突極的前端部的長度設(shè)定為大于從上述轉(zhuǎn)子軛的旋轉(zhuǎn)軸的中心部到上述主磁極的前端部的長度，并且小于從上述轉(zhuǎn)子軛的旋轉(zhuǎn)軸的中心部到上述主磁極的前端部的長度加上上述空氣間隙長度Lg的長度。
(15)按上述(8)～(14)的任一項所述的直流無刷電動機的特征在于設(shè)上述電樞軛的繞組部槽寬角度尺θ2、上述電樞軛的槽齒部角度尺寸為θ1、從上述轉(zhuǎn)子的主磁極端部到輔助突極端部的角度尺寸為γ時，則設(shè)定為滿足γ＞θ1+θ2的關(guān)系。
(16)按上述(8)～(14)的任一項所述的直流無刷電動機的特征在于設(shè)上述電樞軛的繞組部槽寬角度尺寸為θ2、上述電樞軛的槽齒部角度尺寸為θ1、從上述轉(zhuǎn)子的主磁極端部到輔助突極端部的角度尺寸為γ時，則設(shè)定為滿足γ＝θ1+2θ2的關(guān)系。
(17)一種控制上述(1)～(16)的任一項所述的直流無刷電動機的驅(qū)動的控制裝置，其特征在于具有檢測上述直流無刷電動機的轉(zhuǎn)子位置的轉(zhuǎn)子位置傳感器和檢測上述直流無刷電動機的電樞電流的電流檢測器，并且具有控制電樞電流以使設(shè)能夠使上述直流無刷電動機連續(xù)運轉(zhuǎn)的最大電樞電流為Imr時d軸電流不會超過Imr的逆變器控制部。


圖1是本發(fā)明的直流無刷電動機和控制裝置的結(jié)構(gòu)例的框圖。
圖2是本發(fā)明的直流無刷電動機的結(jié)構(gòu)例的主要部分的剖面圖。
圖3是直流無刷電動機的簡化的磁路結(jié)構(gòu)的回路圖。
圖4是表示本發(fā)明1的直流無刷電動機的輸出特性的曲線圖。
圖5是表示本發(fā)明2的直流無刷電動機的輸出特性的曲線圖。
圖6是表示本發(fā)明的直流無刷電動機的Lm+Lg與增速比的關(guān)系的曲線圖。
圖7是說明應用于本發(fā)明的永久磁鐵的工作曲線圖。
圖8是表示應用于本發(fā)明的永久磁鐵的磁鐵表面磁通密度與磁鐵寬度方向的位置的關(guān)系的曲線圖。
圖9是本發(fā)明的轉(zhuǎn)子的其他結(jié)構(gòu)例的平面圖。
圖10是本發(fā)明的控制裝置的結(jié)構(gòu)例的框圖。
圖11是表示本發(fā)明的電流矢量軌跡的曲線圖。
圖12是本發(fā)明的轉(zhuǎn)子的其他結(jié)構(gòu)例的平面圖。
圖13是本發(fā)明的轉(zhuǎn)子的其他結(jié)構(gòu)例的平面圖。
圖14是本發(fā)明的轉(zhuǎn)子的其他結(jié)構(gòu)例的平面圖。
圖15是表示圖12～圖14所示的直流無刷電動機和已有的直流無刷電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的曲線圖。
圖16是表示圖12～圖14所示的直流無刷電動機產(chǎn)生的電氣角90度區(qū)間的瞬時轉(zhuǎn)矩的曲線圖。
圖17是本發(fā)明的主磁極、輔助突極及其附近的平面圖。
圖18是表示本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩波動與γ的關(guān)系的曲線圖。
圖19是本發(fā)明的轉(zhuǎn)子的其他結(jié)構(gòu)例的平面圖。
圖20是已有的直流無刷電動機的埋入式轉(zhuǎn)子的平面圖。
圖21是表示已有的直流無刷電動機的輸出特性的曲線圖。
1...直流電源2...3相PWM逆變器3...直流無刷電動機31...電樞32...轉(zhuǎn)子321...主磁極322...槽323...勵磁用永久磁鐵4...轉(zhuǎn)子位置傳感器5...電流檢測器6...逆變器控制部61...速度傳感器62...電流指令值形成部63...電流控制部
7...主磁極71...槽72...勵磁用永久磁鐵8...輔助突極9...槽10...主磁極11...勵磁用永久磁鐵12...主磁極121...槽122...勵磁用永久磁鐵13...輔助突極下面，參照附圖所示的優(yōu)選的實施例詳細說明本發(fā)明的直流無刷電動機和控制裝置。
(實施例1)圖1是本發(fā)明的直流無刷電動機和控制裝置的結(jié)構(gòu)例的框圖。如圖所示，本發(fā)明的控制裝置是控制直流無刷電動機(電動機)3的驅(qū)動的電動機控制裝置，具有檢測直流無刷電動機3的轉(zhuǎn)子位置的轉(zhuǎn)子位置傳感器4、檢測直流無刷電動機3的電樞電流的電流檢測器5、3相PWM逆變器(逆變器)2和控制3相PWM逆變器(逆變器)2的工作的逆變控制部6。
在該控制裝置中，從直流電源1將指定的直流電壓加到3相PWM逆變器2上，由該3相PWM逆變器2生成3相交流電壓。并且，由上述3相PWM逆變器2按指定的模式向直流無刷電動機3的電樞繞組(3相電樞繞組)供電。
這時，由轉(zhuǎn)子位置傳感器4檢測并生成的轉(zhuǎn)子位置信號、由電流檢測器5檢測并生成的電流信號(檢測信號)和速度指令分別輸入逆變控制部6，逆變控制部6根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號、電流信號和速度指令控制3相PWM逆變器2的動作，驅(qū)動直流無刷電動機3進行運轉(zhuǎn)。
圖2是本發(fā)明的直流無刷電動機的結(jié)構(gòu)例的主要部分的剖面圖。如圖所示，本發(fā)明的直流無刷電動機3由電樞31和由圖中未示出的轉(zhuǎn)軸支持的轉(zhuǎn)子32構(gòu)成。在電樞31和轉(zhuǎn)子32之間設(shè)置空氣間隙，轉(zhuǎn)子32保持著一定的氣隙長度Lg而進行轉(zhuǎn)動。電樞31具有由疊裝的多個鋼片(金屬片)構(gòu)成的電樞軛(電樞鐵心)。在該電樞軛上設(shè)有圖中未示出的3相電樞繞組。
轉(zhuǎn)子32具有在外周部有2個以上(在本實施例中為4個)的主磁極321的轉(zhuǎn)子軛。該轉(zhuǎn)子軛由疊裝的多個鋼片(金屬片)構(gòu)成。
在轉(zhuǎn)子軛的各主磁極321上分別形成徑向尺寸(徑向的長度)為Lm的槽322。并且，將厚度(徑向的長度)約為Lm(與開槽322的徑向尺寸Lm基本上相同)的勵磁用永久磁鐵(磁鐵)323分別埋入到各槽322內(nèi)。插入到槽322內(nèi)的勵磁用永久磁鐵323的種類(例如，組成)等不特別限定，但是，最好使用例如以稀土類元素、過渡金屬和硼為基本成分的稀土類磁鐵那樣的優(yōu)異的磁特性的磁鐵。
這時，作為極適合使用的磁鐵的磁特性最好是20℃下的磁能積(BH)max約為20～50MGOe，飽和磁通密度Br約為9.0～14.0kG，矯頑力iHc約為15～25kOe。
勵磁用永久磁鐵323向槽322內(nèi)的固定方法有幾種，但是，在本實施例中，將勵磁用永久磁鐵323的尺寸設(shè)定得略小于槽322，將勵磁用永久磁鐵323插入到槽322內(nèi)后，把圖中未示的非磁性板配置到轉(zhuǎn)子軛的軸向兩端面進行固定。此外，例如還可以舉出將勵磁用永久磁鐵323壓入槽322內(nèi)的方法、將勵磁用永久磁鐵323粘接到槽322內(nèi)的方法等，相應地需設(shè)定槽322和勵磁用永久磁鐵323的尺寸。
為了增大這種直流無刷電動機的電樞反應，設(shè)定諸多尺寸。即，設(shè)定槽322的徑向尺寸Lm與氣隙長度Lg的關(guān)系滿足0＜Lm+Lg≤2mm，最好滿足0＜Lm+Lg≤1.3mm。
當Lm+Lg＞2mm時，如后所述，增速比小，運轉(zhuǎn)范圍窄。
下面，進一步詳細地說明。d-q坐標系中直流無刷電動機的電壓電流方程由下式給出。
式1vdvq=r-idiq+ω0Lq-Ld0idiq+ω0φmag]]>其中，ω是旋轉(zhuǎn)角速度，r是電樞繞組電阻，Φmag是有效磁通量，Vd是電動機端電壓的d軸分量(d軸電壓)，Vq是電機端電壓的q軸分量(q軸電壓)，id電樞電流的d軸分量(d軸電流)，iq是電樞電流的q軸分量(q軸電流)，Ld是電樞電感的d軸分量(d軸電感)，Lq是電樞電感的q分量(q軸電感)。
電機端電壓Vm與能加到直流無刷電動機3上的最大電壓即3相PWM逆變器2的直流回路電壓V處于下式所表示的關(guān)系，在能夠滿足該關(guān)系的范圍內(nèi)，可以進行高速運轉(zhuǎn)。
式2V≥Vm將式1代入式2并進行整理。另外，在高速運轉(zhuǎn)中由于由電樞繞組電阻r引起電壓降低的影響很小，所以，可以忽略不計，整理之后，可以得到下式。
式3V≥Vm=vd2+vq2=(ωLqiq)2+(-ωLdid+ωφmag)2]]>該式表示，例如在id＝0的控制中，當轉(zhuǎn)動速度上升到V＝Vm時，就不能再使轉(zhuǎn)速上升了，但是，通過使id從其中流過，可以減小Vq的項，從而可以進一步提高轉(zhuǎn)速。
這里，考慮到用于進一步使轉(zhuǎn)速上升的d軸電流。若為了完全抵消勵磁用永久磁鐵323的磁通，所需要的d軸電流為ido，則該ido由下式給出。
式4
id0=φmagLd]]>式4表示，若使Φmag保持一定，則Ld大的即電樞反應大的電動機可以使ido減小，因此，可以減小減弱磁場所需要的id。
圖3是直流無刷電動機的簡化的磁路結(jié)構(gòu)的回路圖。在圖3中，F(xiàn)m是勵磁用永久磁鐵323的磁動勢，Rg是氣隙的磁阻，Rm是插入轉(zhuǎn)子32的勵磁用永久磁鐵323的槽部的磁阻，Rr是轉(zhuǎn)子軛的磁阻，Ry是電樞軛的磁阻。
通常，這些磁阻具有Rm＞Rg＞＞Ry＞＞Rr的關(guān)系。由于電樞反應的強度可以認為與該磁路的磁阻的總和的倒數(shù)成正比，所以，只要可以構(gòu)成Rm，Rg小的磁路，就可以實現(xiàn)Ld大的即減弱磁場所需要的id小的電機。
下面，說明根據(jù)上述理論進行研究的結(jié)果。對于本實施例的2個直流無刷電動機(本發(fā)明1、本發(fā)明2)和已有的直流無刷電動機，分別將構(gòu)成磁路的各個尺寸和電動機的諸特性示于下述表1。
表1
如上述表1所示，在現(xiàn)有例中，ido是電動機連續(xù)額定電流值Imr的3.8倍，與此相反，在本實施例的電動機中，ido是電動機連續(xù)額定電流值Imr的2～3.2倍，可見受到的電樞反應更強。
圖4是表示本發(fā)明1的輸出特性的曲線圖，圖5是表示本發(fā)明2的輸出特性的曲線圖。
如這些曲線圖所示，以電機連續(xù)額定電流值Imr進行減弱磁場控制時的最高轉(zhuǎn)動速度與以id＝0控制時的最高轉(zhuǎn)動速度之比(增速比)在本發(fā)明1中為4(4倍)，在本發(fā)明2中為2(2倍)。
圖6是表示Lm+Lg與增速比的關(guān)系的曲線圖。如圖所示，勵磁用永久磁鐵323的厚度和氣隙長度越小，就可以用更小的電流獲得減弱磁場的效果，增速比更高。另外，關(guān)于Lm+Lg的下限，最好綜合永久磁鐵的不可逆退磁的問題和制造的容易性進行確定。
首先，說明退磁問題。圖7是用于說明本發(fā)明1使用的勵磁用永久磁鐵的工作曲線圖。使用的磁鐵是(BH)max＝32MGOe、在20℃下Br＝11.5kG、iHc＝21kOe、厚度為1mm，圖7中所示的曲線和直線分別是在電動機運轉(zhuǎn)最高溫度100℃下的4πI-H、B-H的磁滯曲線、未從外部施加反磁場時的工作曲線A和使連續(xù)額定電流全部流過d軸施加反磁場時的工作曲線B。
如圖所示，工作曲線B與4πI-H曲線的交點為工作點，該工作點在圖7中位于拐彎點的右側(cè)，幾乎不會發(fā)生不可逆退磁。圖中雖然未示出，但是，即使流過連續(xù)額定電流的2倍的電流，也不會發(fā)生不可逆退磁。因此，如果是短時間，就可以使2倍的電流通過d軸。
另外，雖然圖中未示出，但是，只要是連續(xù)額定電流的運轉(zhuǎn)并且是短時間，直至達到130℃還可以運轉(zhuǎn)，從而可以確保充分的可靠性。
另外，如果可以降低對可靠性的安全率，就可以使磁鐵厚度減薄。
另外，如果進而使用iHc高的磁鐵，還可增加對不可逆退磁的裕量。
另外，由圖7可知，根據(jù)各工作點的磁通密度可以計算出磁通密度的減少率為0.58，可以減弱約1/2的磁場。
下面，說明電樞31和轉(zhuǎn)子32的制造的容易性。氣隙長度Lg受電樞31及轉(zhuǎn)子32的加工精度和電樞31與轉(zhuǎn)子32的同心度影響，通常，計及組裝和加工的誤差，設(shè)定為0.35～0.7mm，但是，按照現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)，可以很容易減小到0.2mm。
槽322的徑向尺寸Lm必須綜合考慮磁鐵的機械強度和磁鐵的退磁極限進行確定。
磁鐵的機械強度可以是磁鐵加工和磁鐵組裝處理所需要的強度，但是，研究中所使用的Nd-Fe-B的燒結(jié)稀土類磁鐵比較脆弱，為了得到足夠的強度，其厚度必須約為0.8mm。雖然Pr-Fe-B的鑄造·壓延稀土類磁鐵的機械強度高，但是，為了得到足夠的強度，其厚度也必須約為0.1mm。
另外，如圖7所示，根據(jù)磁鐵的退磁極限面，可以進一步將其厚度減薄。
因此，根據(jù)上述理由，氣隙長度Lg的最小值0.2mm加上槽322的徑向尺寸Lm的最小值0.1mm的長度最低可以設(shè)定為約0.3mm。
因此，希望將槽322的徑向尺寸Lm與氣隙長度Lg的關(guān)系設(shè)定為滿足0.3mm≤Lm+Lg≤2mm，最好設(shè)定為滿足0.3mm≤Lm+Lg≤1.3mm。
這里，在將磁鐵厚度設(shè)定為1.7mm、將氣隙長度設(shè)定為0.3mm的本發(fā)明2的電機(Lm+Lg＝2mm)中，如前所述，以id＝0控制的最大轉(zhuǎn)數(shù)與以連續(xù)額定電流進行減弱磁場控制時的最大轉(zhuǎn)數(shù)之比(增速比)為2，連續(xù)額定電流的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)范圍擴大為2倍。
因此，當設(shè)定為滿足0.3mm≤Lm+Lg≤2mm時，電動機的制造容易并且可以使增速比大于2，即可以使在連續(xù)額定電流下的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)范圍擴大為2倍以上。
如果增速比大于2，例如在電動摩托車等中便可將變速機構(gòu)從3段式改變?yōu)?段式，即可以使變速機構(gòu)等動力傳遞機構(gòu)簡單化和小型化。
另外，在將磁鐵厚度設(shè)定為1mm、氣隙長度為0.3mm的本發(fā)明1的電動機(Lm+Lg＝1.3mm)中，如前所述，增速比為4，在連續(xù)額定電流下的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)范圍擴大為4倍。
因此，當設(shè)定為滿足0.3mm≤Lm+Lg≤1.3mm時，電動機的制造容易并且可以使增速比大于4，即可以使在連續(xù)額定電流下的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)范圍擴大為4倍以上。如果增速比大于4，例如在電動摩托車等最高速度比較低的移動體中，可以省略變速機構(gòu)，從而可以使包含動力傳遞機構(gòu)等在內(nèi)的整個裝置小型化。
以上，利用圖7說明了磁鐵的退磁，下面，進一步討論磁鐵表面各處的退磁。
圖8是利用FEM分析未使電流流過d軸時和使連續(xù)額定電流流過d軸施加反磁場時的磁鐵表面磁通密度的結(jié)果。該分析使用的本發(fā)明的勵磁用永久磁鐵323是電動機軸向剖面形狀呈長方形(矩形)的形狀，圖8所示曲線的橫軸表示與磁鐵厚度方向垂直的方向的位置，即磁鐵寬度方向的位置。
由該曲線可知，磁鐵寬度方向端部的表面磁通密度比中央部的表面磁通密度低。即使如此，若發(fā)生不可逆退磁也會使性能降低，最好將端面加工為倒角，以緩和退磁場的影響。
本發(fā)明1的勵磁用永久磁鐵323的厚度為1mm，由于磁鐵單體的磁導非常小，為0.06，所以，磁化需要30kOe以上的磁場，另外，由于在磁鐵單體中反磁場大，所以，用磁鐵單體磁化后組裝到磁路中時，有效磁通量將減少。
因此，最好是將勵磁用永久磁鐵323埋入到轉(zhuǎn)子軛的主磁極321內(nèi)構(gòu)成磁路后進行磁化。這樣，通過在將勵磁用永久磁鐵323埋入到主磁極321內(nèi)的狀態(tài)下進行磁化，提高了勵磁用永久磁鐵323磁化時的磁導，所以，磁化容易，從而可以提高電動機的生產(chǎn)效率，并且可以增加有效磁通量。另外，由于是在未磁化的狀態(tài)下將勵磁用永久磁鐵323組裝到主磁極321內(nèi)，所以，不會受磁吸引力的影響，具有可以提高生產(chǎn)效率的優(yōu)點。
這時，例如將磁化軛配置到轉(zhuǎn)子32的外周、使氣隙長度保持為約0.1mm時，可使磁導上升到6以上，從而可以用20kOe左右的磁場進行磁化。
另外，作為勵磁用永久磁鐵323的磁化用線圈，最好使用電樞31的電樞繞組即將電樞31作為磁化軛使用。使用電樞31作為磁化軛使用時，磁導約為3.4，和使用專用磁化軛時一樣，可以用20kOe的磁場進行磁化。這時，就可以省略專用磁化軛。
然而，為了增大直流無刷電機的輸出，設(shè)定增大電機外徑，增大卷繞電樞繞組的空間以增加磁動勢，增大轉(zhuǎn)子32的最大外徑(最大直徑)D(參見圖2)并且增加磁鐵量以增加有效磁通量，同時，為了防止由于電樞磁動勢的增加而引起退磁，設(shè)定增大磁鐵的厚度，以提高磁導。
另一方面，為了減小直流無刷電動機的輸出(減小輸出也可以時)，便與上述相反，則設(shè)定減小轉(zhuǎn)子32的最大外徑D，減小磁鐵的厚度。
這樣，轉(zhuǎn)子32的最大外徑D與磁鐵的厚度(槽322的徑向尺寸Lm)+氣隙長度Lg特別是轉(zhuǎn)子32的最大外徑D與磁鐵的厚度處于正的相關(guān)關(guān)系。
因此，將槽322的徑向尺寸Lm、氣隙長度Lg與轉(zhuǎn)子32的最大外徑D的關(guān)系(Lm+Lg與D的關(guān)系)設(shè)定為滿足如下(1)式，最好設(shè)定為滿足如下(2)式。
0＜Lm+Lg≤2×D/51 (1)0＜Lm+Lg≤1.3×D/51 (2)若為Lm+Lg＞2×D/51，則增速比小，電動機的工作范圍窄。
另外，如前所述，由于制造上的理由等，Lm+Lg的下限值最好是約為0.3mm。即，最好將Lm、Lg與D的關(guān)系設(shè)定為滿足如下(3)式，進而最好設(shè)定為滿足如下(4)式。
0.3mm＜Lm+Lg≤2×D/51 (3)0.3mm＜Lm+Lg≤1.3×D/51 (4)另外，在本發(fā)明中，直流無刷電動機3不限于圖2所示的結(jié)構(gòu)，此外，例如也可以如圖9所示的那樣是每隔1個主磁極10形成槽9、將勵磁用永久磁鐵11埋入到該槽9內(nèi)的結(jié)構(gòu)。
這樣，在每隔1個主磁極10埋入勵磁用永久磁鐵11的情況下，也可以和上述本實施例一樣設(shè)定Lm+Lg滿足指定的不等式。但是，這時，將轉(zhuǎn)子軛的槽9的徑向尺寸(磁鐵厚度方向的尺寸)的1/2定為Lm。
下面，詳細說明本發(fā)明的控制裝置。圖10是本發(fā)明的控制裝置的結(jié)構(gòu)例的框圖。如圖所示，控制裝置的逆變器控制部6由速度傳感器61、電流指令值形成部62和電流控制部63構(gòu)成。
轉(zhuǎn)子位置傳感器4例如由旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成，其輸出信號即轉(zhuǎn)子位置信號θ供給電流指令值形成部62，同時供給速度傳感器61，由速度傳感器61變換為速度信號ω。電流指令值形成部62根據(jù)速度指令值ω*和轉(zhuǎn)子位置信號θ計算3相電樞電流振幅·相位的指令值，形成3相電樞電流值iu*、iv*、iw*。
電流控制部63對于3相電樞電流指令值iu*、iv*、iw*，根據(jù)電流檢測器5的檢測電流和速度傳感器61的速度信號ω修正電流值，作成加到逆變器2的各開關(guān)元件(功率元件)上的電壓指令值(觸發(fā)信號)。
這時電流控制部63沿圖11所示的電流矢量軌跡修正電流。
例如，在圖11中，修正為在①由連續(xù)額定電流值Imr的d軸、q軸分量即iqr、idr包圍的圓弧的范圍、②由iqmax的圓弧和idr的直線包圍的范圍(d軸電流id不超過Imr的范圍)、③由iqmax、idmax包圍的圓弧的范圍進行運轉(zhuǎn)，以控制電樞電流。上述iqmax、idmax是作為電動機產(chǎn)生最大限度所需要的轉(zhuǎn)矩的電流值，通常，約為Imr的2～4倍。另外，在超過上述①的范圍的范圍內(nèi)的運轉(zhuǎn)(②、③的運轉(zhuǎn))，只能(許可)在比較短的時間內(nèi)進行。
在圖11中，如果控制為在由連續(xù)額定電流值Imr的d軸、q軸分量即iqr、idr包圍的圓弧的范圍內(nèi)進行運轉(zhuǎn)，就可以進行連續(xù)運轉(zhuǎn)。利用圖4和圖5所示的電動機輸出特性追尋由圖11的iqr、idr包圍的圓上的軌跡。
另外，如果控制為在由iqmax的圓弧和idr的直線包圍的范圍內(nèi)進行運轉(zhuǎn)，便可增加輸出轉(zhuǎn)矩，并且可以根據(jù)不可逆退磁保護勵磁用永久磁鐵。
另外，如果控制為在由iqmax、idmax包圍的圓弧的范圍內(nèi)進行運轉(zhuǎn)，可以進一步提高最高轉(zhuǎn)數(shù)、擴大運轉(zhuǎn)范圍，但是，必須檢測運轉(zhuǎn)時的電動機溫度和注意勵磁用永久磁鐵的不可逆退磁。
在本實施例中，使用旋轉(zhuǎn)編碼器作為轉(zhuǎn)子位置傳感器4，但是，在本發(fā)明中，轉(zhuǎn)子位置傳感器不特別限定，除了上述旋轉(zhuǎn)編碼器以外，還可以采用例如利用無位置傳感器控制等檢測轉(zhuǎn)子位置的裝置。
(實施例2)圖12、圖13和圖14分別是本發(fā)明的直流無刷電動機的轉(zhuǎn)子的其他結(jié)構(gòu)例的平面圖。直流無刷電動機的電樞及控制裝置的結(jié)構(gòu)和上述實施例1相同，所以，說明從略。
如圖12所示，該直流無刷電動機的轉(zhuǎn)子具有在外周部有2個以上(在本實施例中為4個)的主磁極7的轉(zhuǎn)子軛。該轉(zhuǎn)子軛由疊裝的多個鋼片(金屬片)構(gòu)成。
在轉(zhuǎn)子軛的各主磁極7上分別形成槽71。并且，將勵磁用永久磁鐵72分別埋入到各槽71內(nèi)。
在轉(zhuǎn)子軛的相鄰的主磁極7與主磁極7之間形成使轉(zhuǎn)子軛的一部分突出的輔助突極8，在輔助突極8與圖中未示出的電樞之間形成指定長度(一定的長度)的氣隙。
這些輔助突極8從轉(zhuǎn)子架的轉(zhuǎn)軸的中心部以輻射狀(徑向)突出。
這時，輔助突極8的前端部與主磁極7的前端部間隔指定距離。即，輔助突極8的前端部與主磁極7分離地獨立形成。這樣，便可將從主磁極7發(fā)生的主磁通的泄漏磁通限制到最小限度。另外，通過設(shè)置輔助突極8，可以增加q軸電感。
各輔助突極8呈棒狀，其截面積沿徑向基本上一定。
另外，將從轉(zhuǎn)子軛的轉(zhuǎn)軸的中心部到以輻射狀突出的輔助突極8的前端部的長度設(shè)定為與從轉(zhuǎn)子軛的轉(zhuǎn)軸的中心部到主磁極7的前端部的長度基本上相同。設(shè)該轉(zhuǎn)子為轉(zhuǎn)子A。
如圖13所示，該直流無刷電動機的轉(zhuǎn)子只有輔助突極8的形狀與上述轉(zhuǎn)子A不同，除此之外，基本上相同。
輔助突極8在前端部具有其截面積隨著靠近前端而逐漸增加的部分。即，輔助突極8的前端部比其基端部寬。設(shè)該轉(zhuǎn)子為轉(zhuǎn)子B。
如圖14所示，該直流無刷電動機的轉(zhuǎn)子只有輔助突極8的形狀與上述轉(zhuǎn)子B不同，除此之外，基本上相同。
輔助突極8在前端部具有其截面積隨著靠近前端而逐漸增加的部分。這時，截面積一直增加到前端為止，輔助突極8的前端部的寬度比上述轉(zhuǎn)子B還大。設(shè)該轉(zhuǎn)子為轉(zhuǎn)子C。
下面，進一步詳細說明本實施例。根據(jù)上述式1求功率，可以用功率/轉(zhuǎn)動角速度求出的直流無刷電動機產(chǎn)生的瞬時轉(zhuǎn)矩τ可以用下式表示。
式5τ＝pp{φmagiq+(Lq-Ld)idiq}其中，式5的右邊第1項是由勵磁用永久磁鐵72引起的有效轉(zhuǎn)矩，右邊第2項表示磁阻轉(zhuǎn)矩。另外，pp表示極對數(shù)。具有q軸電感大于d軸電感的反突極性的直流無刷電動機的轉(zhuǎn)矩是上述兩種轉(zhuǎn)矩的合成。另外，id、iq由下式定義。
式6idiq=32Imsinφcosφ]]>式6的Φ表示與q軸的電流相位角，Im表示電樞電流。
在本實施例中，如上所述，通過在主磁極間設(shè)置輔助突極8，使由電樞磁動勢引起的磁通通過轉(zhuǎn)子軛內(nèi)部，可以增大q軸電感，從而可以增加輸出轉(zhuǎn)矩。
圖15中示出了本實施例的直流無刷電動機(轉(zhuǎn)子A、B、C)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的平均值和現(xiàn)有例的轉(zhuǎn)矩的平均值。另外，分別表示8A的電樞電流的最大轉(zhuǎn)矩。
如圖所示，通過設(shè)置輔助突極8，與現(xiàn)有例相比，轉(zhuǎn)矩分別提高了約5％。結(jié)果，當產(chǎn)生相同轉(zhuǎn)矩時，可以減小電樞電流值。這時，在3500rpm下電機效率提高約1％，在1000rpm下電機效率提高約2％。
在圖15中示出了轉(zhuǎn)矩的平均值，然后，在圖16中示出具有圖12～圖14所示的轉(zhuǎn)子A～C的電機產(chǎn)生的瞬時轉(zhuǎn)矩。
圖16是通過解析求出電氣角在90度(機械角為45度)區(qū)間的瞬時轉(zhuǎn)矩而表示其結(jié)果的曲線圖。
如圖所示，轉(zhuǎn)子A的轉(zhuǎn)矩的波動最大，轉(zhuǎn)子B、轉(zhuǎn)子C的轉(zhuǎn)矩的波動依次減小。因此，輔助突極的形狀是轉(zhuǎn)子B比轉(zhuǎn)子A好，轉(zhuǎn)子C比轉(zhuǎn)子B好。
下面，說明轉(zhuǎn)子A～C的主磁極7與輔助突極8的位置關(guān)系。圖17是主磁極7、輔助突極8及其附近的平面圖。
如圖所示，設(shè)電樞架的繞組部槽寬角度尺寸為θ2、槽齒部角度尺寸為θ1、從轉(zhuǎn)子的主磁極7的周邊方向端部(主磁極端部)到輔助突極8的周邊方向端部(輔助突極端部)的角度尺寸為γ時，在轉(zhuǎn)子A中，則為γ＝θ1+θ2的關(guān)系，在轉(zhuǎn)子B中，則為γ＝θ1+(3/2)×θ2，在轉(zhuǎn)子C中，則為γ＝θ1+2θ2的關(guān)系。
設(shè)瞬時轉(zhuǎn)矩的最大值與最小值之差為轉(zhuǎn)矩波動時，轉(zhuǎn)矩波動與γ的關(guān)系示于圖18。
如圖所示，當γ＝θ1+θ2時，即γ與電樞槽的1節(jié)距角度相同時，轉(zhuǎn)矩波動大。并且，當使γ從γ＝θ1+θ2開始增大時，轉(zhuǎn)矩波動減小，使γ進一步增大，在處于γ＝θ1+2θ2的關(guān)系的轉(zhuǎn)子C的結(jié)構(gòu)中，可以使由輔助突極8引起的轉(zhuǎn)矩只為正值。該處于γ＝θ1+2θ2的關(guān)系的轉(zhuǎn)子C的結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)矩波動最小的結(jié)構(gòu)。
因此，通過設(shè)置輔助突極8，可以增大轉(zhuǎn)矩，為減小轉(zhuǎn)矩波動，最好將θ1、θ2和γ設(shè)定為滿足γ＞θ1+θ2的關(guān)系(γ大于電樞槽的1節(jié)距角度)，設(shè)定為滿足γ≥θ1+(3/2)×θ2的關(guān)系則更好，設(shè)定為滿足γ＝θ1+2θ2的關(guān)系(γ成為θ1+2θ2附近的值)則特別好。
另外，輸出轉(zhuǎn)矩的增加的程度和轉(zhuǎn)矩波動的大小隨從轉(zhuǎn)子軛的轉(zhuǎn)軸的中心部到以輻射狀突出的輔助突極8的前端部的長度與從轉(zhuǎn)子軛的轉(zhuǎn)軸的中心部到主磁極7的前端部的長度的關(guān)系而變化。
最好設(shè)定到上述輔助突極8的前端部的長度比從轉(zhuǎn)子軛的轉(zhuǎn)軸的中心部到主磁極7的前端部的長度長，并且比從轉(zhuǎn)子軛的轉(zhuǎn)軸的中心部到主磁極7的前端部的長度加上氣隙長度Lg后的長度短。這時，由于由輔助突極8引起的轉(zhuǎn)矩增加，所以，可以進一步增加輸出轉(zhuǎn)矩。
在本實施例中，設(shè)定到上述輔助突極8的前端部的長度與從轉(zhuǎn)子軛的轉(zhuǎn)軸的中心部到主磁極7的前端部的長度基本上相同，但是，在本發(fā)明中，也可以設(shè)定到上述輔助突極8的前端部的長度比從轉(zhuǎn)子軛的轉(zhuǎn)軸的中心部到主磁極7的前端部的長度短。
通過將到上述輔助突極8的前端部的長度設(shè)定為比從轉(zhuǎn)子軛的轉(zhuǎn)軸的中心部到主磁極7的前端部的長度短，減小由輔助突極8引起的轉(zhuǎn)矩，可以減小轉(zhuǎn)矩波動。
另外，在本發(fā)明中，也可以將實施例2的結(jié)構(gòu)與上述實施例1的結(jié)構(gòu)進行任意組合。
(實施例3)
圖19是本發(fā)明的直流無刷電機的轉(zhuǎn)子的其他結(jié)構(gòu)例的平面圖。直流無刷電機的電樞和控制裝置的結(jié)構(gòu)與上述實施例1相同，所以，說明從略。
如圖所示，該直流無刷電機的轉(zhuǎn)子具有在外周部有2個以上(在本實施例中為4個)的主磁極12的轉(zhuǎn)子軛。該轉(zhuǎn)子軛由疊裝的多個鋼片(金屬片)構(gòu)成。
在轉(zhuǎn)子軛的各主磁極12上分別形成徑向尺寸為Lm的槽121。并且，厚度基本上為Lm(與槽121的徑向尺寸Lm基本上相同)的勵磁用永久磁鐵122分別埋入到各槽121內(nèi)。
這時，槽121的徑向尺寸Lm、氣隙長度Lg、轉(zhuǎn)子的最大外徑D等設(shè)定為和上述實施例1相同。
在轉(zhuǎn)子軛的相鄰的主磁極12與主磁極12之間形成使轉(zhuǎn)子軛的一部分突出的輔助突極13，在輔助突極13和圖中未示出的電樞之間形成指定長度(一定的長度)的氣隙。
這些輔助突極13從轉(zhuǎn)子軛的轉(zhuǎn)軸的中心部以輻射狀(徑向)突出。這時，輔助突極13的前端部與主磁極12的前端部間隔指定距離。即，輔助突極13的前端部與主磁極12分離地獨立形成。
這時，電樞軛的繞組部槽寬角度尺寸θ2、槽齒部角度尺寸θ1、從轉(zhuǎn)子的主磁極12的周邊方向端部(主磁極端部)到輔助突極13的周邊方向端部(輔助突極端部)的角度尺寸γ、從轉(zhuǎn)子軛的轉(zhuǎn)軸的中心部到以輻射狀突出的輔助突極13的前端部的長度、從轉(zhuǎn)子軛的轉(zhuǎn)軸的中心部到主磁極12的前端部的長度設(shè)定為和上述實施例1一樣。
這樣，本實施例的直流無刷電動機的轉(zhuǎn)子就是將實施例1的轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與圖12～圖14所示的實施例2的轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)組合而成的。
因此，本實施例的直流無刷電動機兼有實施例1和實施例2的直流無刷電動機的優(yōu)點。即，在本實施例的直流無刷電動機中，例如可將連續(xù)額定電流的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)范圍擴大為2倍以上，特別是可以擴大到4倍以上。
另外，將同一勵磁用永久磁鐵的厚度減薄時，有效的磁通將減少。因此，為了以同一電樞電流獲得同等的輸出轉(zhuǎn)矩，必須使用剩磁通密度高的永久磁鐵，但是，在本實施例中，由于通過增大磁阻轉(zhuǎn)矩可以增加輸出轉(zhuǎn)矩，所以，具有不更換勵磁用永久磁鐵就可以用同一電樞電流獲得同等的輸出轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點。
本發(fā)明的直流無刷電動機的用途不特別限定，除了上述電動摩托車、電動汽車、升降叉車等移動體(電動車)的驅(qū)動用電動機外，本發(fā)明的直流無刷電動機還可以應用于例如辦公機器、磁鼓(MD)的主軸電動機、全自動(FA)的伺服電動機和空調(diào)用壓縮機等。
以上，參照圖示的結(jié)構(gòu)例說明了本發(fā)明的直流無刷電動機和控制裝置，但是，本發(fā)明不限于這些結(jié)構(gòu)例。
例如，在上述各實施例中，是用具有埋入磁鐵式的轉(zhuǎn)子的直流無刷電動機進行說明的，但是，在本發(fā)明中也可以用具有表面磁鐵式的轉(zhuǎn)子的直流無刷電動機。
另外，在上述各實施例中，勵磁用永久磁鐵的截面形狀為矩形，但是，在本發(fā)明中，勵磁用永久磁鐵的形狀不限于圖示的形狀，此外，例如也可以是瓦狀(圓弧狀)。
如上所述，按照本發(fā)明的直流無刷電動機和控制裝置，可以擴大電動機的運轉(zhuǎn)范圍。
例如，通過縮小氣隙長度Lg、減薄勵磁用永久磁鐵的厚度(將槽的徑向尺寸Lm與勵磁用永久磁鐵的厚度一致地減小)，便容易受到電樞反應，在電樞電流在連續(xù)額定的范圍內(nèi)可以將運轉(zhuǎn)范圍擴大2倍以上，特別是可以擴大4倍以上。
特別是當氣隙長度Lg、槽的徑向尺寸Lm與轉(zhuǎn)子的最大外徑D的關(guān)系設(shè)定為滿足0＜Lm+Lg≤2D/51時，與轉(zhuǎn)子的外徑對應地可以獲得上述效果。
另外，在本發(fā)明中，通過使磁鐵的厚度比現(xiàn)有例的薄，可以減少磁鐵使用量，所以，可以降低成本。
另外，當是在勵磁用永久磁鐵插入到主磁極內(nèi)的狀態(tài)下進行磁化時，勵磁用永久磁鐵在磁化時的磁導增加，所以，容易磁化，另外，還可以增加有效磁通數(shù)。
使用電樞的電樞繞組作為勵磁用永久磁鐵的磁化用線圈時，就不需要磁化用的專用軛，另外，由于是將勵磁用永久磁鐵在未磁化的狀態(tài)下組裝到電樞內(nèi)部，所以，不受磁吸引力的影響，因此，可以提高生產(chǎn)效率。
在轉(zhuǎn)子的相鄰的主磁極與主磁極之間形成使轉(zhuǎn)子軛的一部分突出的輔助突極(沿q軸方向形成輔助突極)并且在輔助突極與電樞之間形成指定長度的氣隙時，可以增加q軸電感，所以，磁阻轉(zhuǎn)矩增大，從而可以增大電機轉(zhuǎn)矩。另外，產(chǎn)生同一轉(zhuǎn)矩時可以減小電樞電流值，所以，可以提高效率。
電樞軛的繞組部槽寬角度尺寸θ2、電樞軛的槽齒部角度尺寸θ1從轉(zhuǎn)子的主磁極端部到輔助突極端部的角度尺寸γ設(shè)定為滿足γ＞θ1+θ2特別是滿足γ＝θ1+2θ2的關(guān)系時，可以降低波動轉(zhuǎn)矩，所以，可以使電動機更平滑地轉(zhuǎn)動。
另外，按照本發(fā)明的控制裝置，可以根據(jù)不可逆退磁保護勵磁用永久磁鐵，所以，可以不降低電動機的性能而驅(qū)動電機。
權(quán)利要求
1.一種具有轉(zhuǎn)子和電樞的直流無刷電動機，轉(zhuǎn)子具有在外周部有2個以上的主磁極的轉(zhuǎn)子軛，該直流無刷電動機的特征在于在上述主磁極上形成徑向尺寸為Lm的槽，厚度約為Lm的勵磁用永久磁鐵插入到該槽內(nèi)，設(shè)在上述轉(zhuǎn)子和上述電樞之間形成的氣隙的氣隙長度為Lg時，則設(shè)定為滿足0＜Lm+Lg≤2mm。
2.一種具有轉(zhuǎn)子和電樞的直流無刷電動機，轉(zhuǎn)子具有在外周部有2個以上的主磁極的轉(zhuǎn)子軛，該直流無刷電動機的特征在于在上述主磁極上形成徑向尺寸為Lm的槽，厚度約為Lm的勵磁用永久磁鐵插入到該槽內(nèi)，設(shè)在上述轉(zhuǎn)子和上述電樞之間形成的氣隙的氣隙長度為Lg時，則設(shè)定為滿足0.3mm≤Lm+Lg≤2mm。
3.一種具有轉(zhuǎn)子和電樞的直流無刷電動機，轉(zhuǎn)子具有在外周部有2個以上的主磁極的轉(zhuǎn)子軛，該直流無刷電動機的特征在于在上述主磁極上形成徑向尺寸為Lm的槽，厚度約為Lm的勵磁用永久磁鐵插入到該槽內(nèi)，設(shè)在上述轉(zhuǎn)子和上述電樞之間形成的氣隙的氣隙長度為Lg時，則設(shè)定為滿足0.3mm≤Lm+Lg≤1.3mm。
4.按權(quán)利要求1～3的任一項所述的直流無刷電動機的特征在于設(shè)上述轉(zhuǎn)子的最大外徑為D時，則設(shè)定為滿足0＜Lm+Lg≤2D/51。
5.一種具有轉(zhuǎn)子和電樞的直流無刷電動機，轉(zhuǎn)子具有在外周部有2個以上的主磁極的轉(zhuǎn)子軛，該直流無刷電動機的特征在于在上述主磁極上形成徑向尺寸為Lm的槽，厚度約為Lm的勵磁用永久磁鐵插入到該槽內(nèi)，設(shè)在上述轉(zhuǎn)子和上述電樞之間形成的氣隙的氣隙長度為Lg、上述轉(zhuǎn)子的最大外徑為D時，則設(shè)定為滿足0＜Lm+Lg≤2D/51。
6.按權(quán)利要求1～5的任一項所述的直流無刷電動機的特征在于上述勵磁用永久磁鐵是在插入到上述主磁極內(nèi)的狀態(tài)下被磁化的。
7.按權(quán)利要求1～6的任一項所述的直流無刷電動機的特征在于使用上述電樞的電樞繞組作為上述勵磁用永久磁鐵的磁化用線圈。
8.按權(quán)利要求1～7的任一項所述的直流無刷電動機的特征在于在上述轉(zhuǎn)子軛鄰近的主磁極與主磁極之間形成使該轉(zhuǎn)子軛的一部分突出的輔助突極，并且在上述輔助突極與上述電樞之間形成指定長度的氣隙。
9.一種具有轉(zhuǎn)子和電樞的直流無刷電動機，轉(zhuǎn)子具有在外周部有2個以上的主磁極的轉(zhuǎn)子軛，該直流無刷電動機的特征在于在上述主磁極上形成槽，勵磁用永久磁鐵插入到該槽內(nèi)，在上述轉(zhuǎn)子軛鄰近的主磁極與主磁極之間形成使該轉(zhuǎn)子軛的一部分突出的輔助突極，并且在上述輔助突極與上述電樞之間形成指定長度的氣隙。
10.按權(quán)利要求8或9所述的直流無刷電動機的特征在于上述輔助突極從上述轉(zhuǎn)子軛的旋轉(zhuǎn)軸的中心部以輻射狀突出。
11.按權(quán)利要求8～10的任一項所述的直流無刷電動機的特征在于上述輔助突極至少在前端部具有其截面積向前端漸增的部分。
12.按權(quán)利要求8～11的任一項所述的直流無刷電動機的特征在于上述輔助突極至少前端部從上述主磁極分離地獨立形成。
13.按權(quán)利要求8～12的任一項所述的直流無刷電動機的特征在于從上述轉(zhuǎn)子軛的旋轉(zhuǎn)軸的中心部到上述輔助突極的前端部的長度設(shè)定為小于從上述轉(zhuǎn)子軛的旋轉(zhuǎn)軸的中心部到上述主磁極的前端部的長度。
14.按權(quán)利要求8～12的任一項所述的直流無刷電動機的特征在于從上述轉(zhuǎn)子軛的旋轉(zhuǎn)軸的中心部到上述輔助突極的前端部的長度設(shè)定為大于從上述轉(zhuǎn)子軛的旋轉(zhuǎn)軸的中心部到上述主磁極的前端部的長度，并且小于從上述轉(zhuǎn)子軛的旋轉(zhuǎn)軸的中心部到上述主磁極的前端部的長度加上上述氣隙長度Lg的長度。
15.按權(quán)利要求8～14的任一項所述的直流無刷電動機的特征在于設(shè)上述電樞軛的繞組部槽寬角度尺寸為θ2、上述電樞軛的槽齒部角度尺寸為θ1、從上述轉(zhuǎn)子的主磁極端部到輔助突極端部的角度尺寸為γ時，則設(shè)定為滿足γ＞θ1+θ2的關(guān)系。
16.按權(quán)利要求8～14的任一項所述的直流無刷電動機的特征在于設(shè)上述電樞軛的繞組部槽寬角度尺寸為θ2、上述電樞軛的槽齒部角度尺寸為θ1、從上述轉(zhuǎn)子的主磁極端部到輔助突極端部的角度尺寸為γ時，則設(shè)定為滿γ＝θ1+2θ2的關(guān)系。
17.一種控制權(quán)利要求1～16的任一項所述的直流無刷電動機的驅(qū)動的控制裝置，其特征在于具有檢測上述直流無刷電動機的轉(zhuǎn)子位置的轉(zhuǎn)子位置傳感器和檢測上述直流無刷電動機的電樞電流的電流檢測器，并且具有控制電樞電流以使設(shè)能夠使上述直流無刷電動機連續(xù)運轉(zhuǎn)的最大電樞電流為Imr時d軸電流不會超過Imr的逆變器控制部。
全文摘要
目的旨在在具有設(shè)置勵磁用永久磁鐵的轉(zhuǎn)子的直流無刷電動機中進一步擴大連續(xù)額定電流的運轉(zhuǎn)范圍。直流無刷電動機3由電樞31和轉(zhuǎn)子32構(gòu)成。轉(zhuǎn)子32具有在外周部有4個主磁極321的轉(zhuǎn)子軛。在轉(zhuǎn)子軛的各主磁極321上形成徑向尺寸為Lm的槽322，厚度大致為Lm的勵磁用永久磁鐵323埋入到各槽322內(nèi)。這時，設(shè)定槽322的徑向尺寸Lm與在轉(zhuǎn)子32和電樞31之間形成的氣隙的氣隙長度Lg滿足0＜Lm+Lg≤2mm。
文檔編號H02K29/00GK1138234SQ9610371
公開日1996年12月18日 申請日期1996年3月22日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月24日
發(fā)明者植竹昭仁, 山岸善彥 申請人:精工愛普生株式會社