專利名稱：永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明系涉及用變流器、逆變器變換的、交流和直流電相互變換，由多相交流電力驅(qū)動(dòng)的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)。
圖8是表示特開(kāi)昭62-110468號(hào)公報(bào)所示的歷來(lái)的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的永久磁體和凸形磁極的結(jié)構(gòu)圖。圖9是表示圖8中所示的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的永久磁體和凸形磁極的展開(kāi)圖。
圖8中，1U+是3相交流電源的U相連結(jié)點(diǎn)，2是繞組(電樞繞組)、圖8中僅表示了U相，3是在環(huán)狀的定子的圓周方向上等間距配置，并向外側(cè)凸出的定子鐵芯，4、5所示為在轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)固定的永久磁體。
又，在將圖8展開(kāi)的圖9中，3U1、3U2、3U3、3U4是繞在定子鐵芯3的凸極上的繞組2形成的磁極(凸形磁極)，同樣，3相交流電源的V相和W相也和U相一樣，是卷繞繞組2(未圖示)構(gòu)成凸形磁極3V1～3W3。
已有的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)如上所述構(gòu)成，將相應(yīng)于永久磁體4、5的移動(dòng)位置的3相交流電流(定子繞組電流)提供給繞組2，以此得到轉(zhuǎn)矩。
對(duì)在電梯等上使用的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)，必須在低轉(zhuǎn)速的起動(dòng)加速時(shí)產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩，并且以用3相電力驅(qū)動(dòng)永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)為前提構(gòu)成，因此，在額定轉(zhuǎn)速下各相間感應(yīng)的電壓的最大值由電源電壓規(guī)定不容超過(guò)的值，因此不能夠發(fā)生大電壓，在大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)時(shí)需要大電流。
近年來(lái)，對(duì)這些電動(dòng)機(jī)的控制使用具有高精度的控制性能的PWM逆變器，作為構(gòu)成這些逆變器的半導(dǎo)體元件，市場(chǎng)上有IGBT銷售，其規(guī)格為600A、1200V。
因此，為了驅(qū)動(dòng)這種需要超過(guò)額定值的大電流的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)，需要把控制永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)用的逆變器作成每相并聯(lián)多個(gè)半導(dǎo)體元件的3相逆變器，以此生成高轉(zhuǎn)矩。
然而，隨著永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)輸出的增大，每相需要的電流量也變大，相應(yīng)地在并聯(lián)連接部6中的并聯(lián)元件數(shù)也增多。


圖10為并聯(lián)連接著3個(gè)半導(dǎo)體元件的3相逆變器的電路概略圖。
圖10中，并聯(lián)連接著半導(dǎo)體元件7的并聯(lián)連接部6分別接在永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的U相、V相、W相的接線點(diǎn)(例如U相的1U+)上(參見(jiàn)圖9)。
為了并聯(lián)連接著半導(dǎo)體元件7進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，有必要使流經(jīng)各半導(dǎo)體元件7的電流均等分流，因此使并聯(lián)連接各半導(dǎo)體元件7的并聯(lián)連接部6的阻抗均等。
圖11是說(shuō)明向已有的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)施加電壓的說(shuō)明圖。在圖11中，一旦繞組2繞經(jīng)多個(gè)(例如4個(gè))凸形磁極3U1～3U4到達(dá)一個(gè)相，施加在一個(gè)凸形電極上的最大電壓變成電源的相電壓的1/4，也就是說(shuō)，以電源的相電壓的1/4的低電壓要獲得一定的磁動(dòng)勢(shì)必須減少繞組2的匝數(shù)，增加通過(guò)電流量，繞組2截面必須放粗。
已有的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)，如上所述使半導(dǎo)體元件7的并聯(lián)連接部6的阻抗均等不僅成了安裝設(shè)計(jì)上的制約，而且也有必要考慮到阻抗的參差參差不齊所引起的電流不平衡量，將元件規(guī)格標(biāo)降低再進(jìn)行設(shè)計(jì)。另外還存在這樣的問(wèn)題，即為了增大永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的輸出，必須增加半導(dǎo)體元件7的并聯(lián)元件的數(shù)量，因而使作為永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的控制裝置的逆變器大型化和高價(jià)化。
還有，為了降低每個(gè)凸形磁極的電壓，為了把繞組2上的匝數(shù)限制于低數(shù)值，定子鐵芯3繞線時(shí)的斷面積上的繞組2的比率(占空系數(shù))低，空隙的比率變大的問(wèn)題。
另外，連接永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)及其控制裝置的動(dòng)力用配線也必須相應(yīng)于通電電流量的增大而增加線徑，(增加電線的粗度，即增加導(dǎo)線截面，使電流容量增加)而使人工布線工作變得困難的問(wèn)題。
本發(fā)明是為解決上述問(wèn)題而作出的，旨在開(kāi)發(fā)一種能夠產(chǎn)生高轉(zhuǎn)矩，電線布線作業(yè)容易進(jìn)行的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)。
又，本發(fā)明的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的控制裝置向所述各繞組通以交流電流，所述交流電流具有的相位數(shù)目等于用永久磁體的磁極數(shù)與凸形磁極的磁極數(shù)的最大公約數(shù)除凸形磁極的磁極數(shù)的值。
又，本發(fā)明的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)，永久磁體的磁極數(shù)P和所述凸形磁極的磁極數(shù)Q的比值設(shè)定為滿足P∶Q＝8n∶9n(其中，n為1以上的整數(shù))，控制裝置將具有9種相位的交流電流通入各繞組。
又，本發(fā)明的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)，永久磁體的磁極數(shù)P和所述凸形磁極的磁極數(shù)Q的比值設(shè)定為滿足P∶Q＝10n∶9n(其中，n為1以上的整數(shù))，控制裝置將具有9種相位的交流電流通入各繞組。
又，本發(fā)明的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)，將各繞組的一端連接在一個(gè)中性點(diǎn)上，各繞組的另一端卷繞在各凸形磁極上，利用9相9線的星形接法構(gòu)成各繞組。
又，本發(fā)明的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)，各繞組的一端繞在各凸形磁極上，各繞組的另一端分為3相3線的組，連接在中性點(diǎn)上。
圖2是表示永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)控制裝置電路的概略圖。
圖3是表示供給本發(fā)明實(shí)施形態(tài)1的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的交流電流的相位的矢量圖。
圖4是表示本發(fā)明實(shí)施形態(tài)2的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的永久磁體的磁極和凸形磁極的展開(kāi)圖。
圖5是表示供給本發(fā)明實(shí)施形態(tài)2的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的交流電流的相位的矢量圖。
圖6是表示本發(fā)明實(shí)施形態(tài)3的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的永久磁體的磁極和凸形磁極的展開(kāi)圖。
圖7是表示供給本發(fā)明實(shí)施形態(tài)3的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的交流電流的相位的矢量圖。
圖8是表示已有的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)永久磁體磁極和凸形磁極的結(jié)構(gòu)圖。
圖9是表示圖8中的永久磁體磁極和凸形磁極的展開(kāi)圖。
圖10是表示已有的用3個(gè)半導(dǎo)體元件并聯(lián)連接的3相逆變器構(gòu)成的已有的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的控制裝置的電路的概略圖。
圖11是說(shuō)明對(duì)已有的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)施加電壓的說(shuō)明圖。
圖1為表示本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)1中永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的永久磁體4、5的磁極和凸形磁極3U1～3W3的展開(kāi)圖；圖2是表示永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的控制裝置電路的概略圖。
又，圖3為表示本發(fā)明實(shí)施形態(tài)1的向永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)供給交流電流的相位的矢量圖。
所述的圖1中，對(duì)與上面所述(參照?qǐng)D9)相同的零部件采用同樣的符號(hào)，并省略其詳細(xì)說(shuō)明。
圖1中，定子鐵芯3的凸形電極上，繞組2分別獨(dú)立纏繞，繞組2的一端連接中性點(diǎn)N，如圖3所示形成9相星形連接。
又，設(shè)永久磁體磁極數(shù)為P、凸形磁極數(shù)為Q、則P與Q之間取下述式(1)所述的關(guān)系，即P∶Q＝8n∶9n(n為1以上的整數(shù)) …(1)圖2中，控制裝置利用例如9相的多相逆變器構(gòu)成、各半導(dǎo)體元件7通過(guò)接線點(diǎn)1U1～1W3連接于永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的各繞組2。
還有，永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)與控制裝置在各接線點(diǎn)1U1～1W3用動(dòng)力用配線(電線)(未圖示)連接。
控制裝置從各接線點(diǎn)1U1～1W3向永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)各繞組2供入驅(qū)動(dòng)永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)所需的交流電流。
當(dāng)交流電流提供給各繞組2時(shí)，配有永久磁體4、5的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)，如圖1所示，凸形電極3U1～3W3與永久磁體4、5的位置關(guān)系存在著9種(9種圖形)。
控制裝置來(lái)的供電電源具有與該位置關(guān)系的種類數(shù)相同數(shù)目的相位，即如圖3中所示，在永久磁體磁極數(shù)P與凸形磁極數(shù)Q的關(guān)系上，只具有凸形磁極數(shù)的比率份額的不同相位。
例如對(duì)接線點(diǎn)1U1，提供具有U1相位(矢量)的交流電流。
對(duì)其他接點(diǎn)1U2～1W3上也一樣，將有各不相同的相位的交流電從對(duì)應(yīng)的接線點(diǎn)供電，在圖1的情況下，控制裝置將具有對(duì)應(yīng)于永久磁體4、5的移動(dòng)位置的9種相位的交流電向各繞組2進(jìn)行供電。
例如，使永久磁體P與凸形磁極數(shù)Q具有下述式(2)的關(guān)系式的情況下，控制裝置以永久磁體極數(shù)P與凸形磁極數(shù)Q的最大公約數(shù)除凸形磁極數(shù)Q得到q，將具有與q相同數(shù)目的種類的(即q種)相位的交流電提供給繞組2，驅(qū)動(dòng)永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)。
P∶Q＝pn∶qn (n為p與q的最大公約數(shù))如圖2所示，由于將所述(參照?qǐng)D10)的3相逆變器接成9相逆變器，每一相的輸出電流變成1/3，因此，并聯(lián)配線部6內(nèi)的半導(dǎo)體元件7只要1/3就夠了。
即如圖10所示，設(shè)并聯(lián)配線部6內(nèi)的半導(dǎo)體元件7為3個(gè)，則圖2的結(jié)構(gòu)情況下用1個(gè)就可以了，而且，用于連接到永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的配線的電線斷面積也可用1/3以下的小電流容量的電線。
因此，連接到永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的配線根數(shù)本身雖然增加，電線太粗使人工布線難于操作的大截面的電線，可以把截面減小到1/3以下，因此能有效提高工作效率。
又用來(lái)驅(qū)動(dòng)永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的供電電流的相位數(shù)目由于與因永久磁體4、5與凸形磁極3U1～3W3的位置關(guān)系而發(fā)生的相位數(shù)相同，因此就可能在一個(gè)凸形磁極上有獨(dú)立的繞阻，在一個(gè)凸形磁極上施加的電壓值可以高到電源電壓值。
與此相應(yīng)，繞組2的匝數(shù)可以增多，能夠相對(duì)提高占空系數(shù)，因此，能使繞組的電流密度下降，并減少電動(dòng)機(jī)發(fā)熱。
另外，永久磁體磁極數(shù)P與凸形磁極數(shù)Q之比不等于1是由于開(kāi)坯(cogging)轉(zhuǎn)矩減低的緣故，又，作為凸形磁極極數(shù)指定9相，是以3相交流技術(shù)為依據(jù)的，用于多相化時(shí)，將3相3倍而成9相，在6相的情況下，由于逆變器費(fèi)用上升，線徑減少的效果就小，12相以上時(shí)，由于逆變器相數(shù)的增加，費(fèi)用上升很大。
再說(shuō)，在上述實(shí)施形態(tài)1，控制裝置用9相逆變器構(gòu)成，使用3臺(tái)已有的3相逆變器作為9相工作也可以。
實(shí)施形態(tài)2圖4為表示本發(fā)明實(shí)施形態(tài)2的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的永久磁體4、5的磁極與凸形磁極3U1～3W3的展開(kāi)圖，圖5為表示本發(fā)明實(shí)施形態(tài)2的對(duì)永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)供電的交流電流相位的矢量圖。
圖4中與上述(參照?qǐng)D1)相同的零部件標(biāo)以同樣的符號(hào)并省略詳述。
各凸形電極3U1～3W3的繞組2，在各凸形電極3U1～3W3上獨(dú)立纏繞，其一端與一分為三的中性點(diǎn)N1、N2、N3的任何一處連接，如圖5(a)～(c)所示，形成3重3相星形連接。
又，繞組2的另一端的連接點(diǎn)1U1～1W3分別接到所述(參照?qǐng)D2)的控制裝置的各連接點(diǎn)1U1～1W3上。
又，圖4的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的永久磁體極數(shù)P與凸形磁極極數(shù)Q的關(guān)系，如上所述采取上述式(1)的關(guān)系。
控制裝置把圖5所示的相位各不相同的交流電流從各接線點(diǎn)1U1～1W3向永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的各繞組2供電，以驅(qū)動(dòng)永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)。
連接繞組2的一端的中性點(diǎn)分割為N1、N2、N3部分，從各中性點(diǎn)來(lái)看也可作為三相控制。
因此，在控制裝置使用3臺(tái)3相逆變器形成3重3相逆變器，可當(dāng)作9相工作，把已有的3相逆變器留用，也可以與構(gòu)成9相逆變器時(shí)一樣，可使永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)發(fā)生高轉(zhuǎn)矩，并使配線操作性得到改善。
實(shí)施形態(tài)3在上述實(shí)施形態(tài)1、2中，使永久磁體磁極數(shù)P與凸形磁極極數(shù)Q滿足P∶Q＝8n∶9n，但是也可以為P∶Q＝10n∶9n。
圖6所示為本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)3中的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的永久磁體4、5的磁極與凸形磁極3U1～3W3的展開(kāi)圖、圖7所示為供給本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)3的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的交流電流的相位的矢量圖。
在圖6及圖7中，與上述(參照?qǐng)D1～5)相同的零部件注上同樣的符號(hào)，并省略其詳述。
圖6中，定子鐵芯3的凸極上，分別獨(dú)立卷繞繞組2，繞組2的一端與中性點(diǎn)N相連，如圖7所示，形成9相星形連接。
又，繞組2的另一端的接點(diǎn)1U1～1W3上、連接著對(duì)應(yīng)的圖2中的各接線點(diǎn)1U1～1W3。
又，永久磁體磁極數(shù)P和凸形磁極數(shù)Q采取下式(3)所述的關(guān)系。
P∶Q＝10n∶9n(N為1以上的整數(shù)) …(3)控制裝置將來(lái)自各接線點(diǎn)1U1～1W3的交流電流提供給永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的各繞組2，驅(qū)動(dòng)永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)。
該供電電流，如圖7所示，在永久磁體P與凸形磁極數(shù)Q的關(guān)系上只具有凸形磁極數(shù)的比率份額的不同的相位，通過(guò)向永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)供電驅(qū)動(dòng)永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)。
如上所述，即使取永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)的永久磁體磁極數(shù)與凸形磁極數(shù)的比率為10n∶9n，也與8n∶9n的情況一樣，都能使永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生高轉(zhuǎn)矩，并使配線作業(yè)容易。
如上所述，采用本發(fā)明，具備有在圓周方向上配置的多個(gè)永久磁體的轉(zhuǎn)子、有與各永久磁體對(duì)向配備的多個(gè)凸形磁極的定子鐵芯、卷繞在各凸形磁極上的多個(gè)繞組、以及相應(yīng)于永久磁體的移動(dòng)位置對(duì)各繞組通以交流電流的控制裝置?？刂蒲b置將具有與對(duì)應(yīng)于各永久磁體的磁極與各凸形磁極的磁極的位置關(guān)系的相位種類數(shù)數(shù)目的相位的交流電流送入各繞組通電，因此盡管每一相的電流容量小但仍能產(chǎn)生高轉(zhuǎn)矩，且電線截面積小，提高了配線的操作性。
又，采用本發(fā)明，控制裝置將具有與用永久磁體的磁極極數(shù)與凸形磁極的磁極數(shù)的最大公約數(shù)除凸形磁極磁極數(shù)得到的值相同數(shù)目的相位的交流電對(duì)各繞組通電。因此，盡管每相的電流容量小，但仍能發(fā)生高轉(zhuǎn)矩，而且電線截面積小能提高配線的操作性。
又，采用本發(fā)明，在設(shè)定永久磁體的磁極數(shù)為P、凸形磁極的磁極數(shù)為Q時(shí)，使各磁極數(shù)P、Q的比滿足下式、即P∶Q＝8n∶9n(但，n為大于1的整數(shù))，控制裝置將具有9種相位的交流電流通入各繞組，因此，雖然9相各自的電流容量小，仍能發(fā)生高電壓，產(chǎn)生高轉(zhuǎn)矩，另外，動(dòng)力用配線的電線截面積小了，配線操作方便了。
又、采用本發(fā)明，在設(shè)定永久磁體的磁極數(shù)為P、凸形磁極的磁極數(shù)為Q時(shí)，使各磁極數(shù)P、Q的比滿足下式、即P∶Q＝10n∶9n(但，n為大于1的整數(shù))，控制裝置將具有9種相位的交流電流提供給各線繞組，因此，雖然9相各自的電流容量小，仍能發(fā)生高電壓，產(chǎn)生高轉(zhuǎn)矩、另外，動(dòng)力配線用電線的截面積小了，配線的作業(yè)性得以提高。
又、采用本發(fā)明，將各繞組的一端連接在一個(gè)中性點(diǎn)，各繞組的另一端卷繞在各凸形磁極上，由于各繞組利用9相9線的星形接法連接，因此能得到每相的電流容量減小，電壓增高的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)。
還有，采用本發(fā)明，由于各繞組的一端繞卷在各凸形磁極上，各繞組另一端分成3相3線的組，并連接在中性點(diǎn)上。因此，可將已有的3臺(tái)3相逆變器用作3重3相逆變器用，這樣能夠得到可作為9相工作的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)，其特征在于，具有有在圓周方向上配置的多個(gè)永久磁體的轉(zhuǎn)子、有與所述各永久磁體對(duì)向配置的多個(gè)凸形磁極的定子鐵芯、卷繞在所述各凸形磁極上的多個(gè)繞組、以及相應(yīng)于所述永久磁體的移動(dòng)位置，向所述各繞組通入交流電流的控制裝置；所述控制裝置向所述各繞組通入交流電流，所述交流電流為具有與對(duì)應(yīng)于所述各永久磁體的磁極和所述凸形磁極的位置關(guān)系的相位的種類數(shù)相同數(shù)目的相位的交流電流。
2.如權(quán)利要求1所述的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述控制裝置向所述各繞組通以所述交流電流，所述交流電流具有的相位數(shù)目等于用所述永久磁體的磁極數(shù)與所述凸形磁極的磁極數(shù)的最大公約數(shù)除所述凸形磁極的磁極數(shù)的值。
3.如權(quán)利要求2所述的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述永久磁體的磁極數(shù)P和所述凸形磁極的磁極數(shù)Q的比值設(shè)定為滿足以下公式，即P∶Q＝8n∶9n其中，n為1以上的整數(shù)，所述控制裝置將具有9種相位的交流電流通入所述各繞組。
4.如權(quán)利要求2所述的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述永久磁體的磁極數(shù)P和所述凸形磁極的磁極數(shù)Q的比值設(shè)定為滿足以下公式，即P∶Q＝10n∶9n其中，n為1以上的整數(shù)，所述控制裝置將具有9種相位的交流電流通入所述各繞組。
5.如權(quán)利要求3或4所述的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)，其特征在于，將所述各繞組的一端連接在一個(gè)中性點(diǎn)上，所述各繞組的另一端卷繞在各凸形磁極上，利用9相9線的星形接法構(gòu)成所述各繞組。
6.如權(quán)利要求3或4所述的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述各繞組的一端繞在所述各凸形磁極上，所述各繞組的另一端分為3相3線的組，連接在中性點(diǎn)上。
全文摘要
本發(fā)明的目的是得到一種能產(chǎn)生高轉(zhuǎn)矩，電線的布線作業(yè)容易進(jìn)行的永久磁體型同步電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)具備有在圓周方向上配置的多個(gè)永久磁體的轉(zhuǎn)子、與各永久磁體對(duì)向配置的多個(gè)凸形磁極的定子鐵芯、卷繞在各凸形磁極上的多個(gè)繞組、及根據(jù)永久磁體的移動(dòng)位置向各繞組供給交流電流的控制裝置，該控制裝置向各繞組送入具有與對(duì)應(yīng)于各永久磁體磁極與各凸形磁極的位置關(guān)系的相位種類數(shù)相同數(shù)目的相位的交流電流。
文檔編號(hào)H02K21/00GK1481064SQ0215229
公開(kāi)日2004年3月10日 申請(qǐng)日期2002年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月3日
發(fā)明者鈴木聡, 木 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社