專利名稱：永久磁體型同步電動機的制作方法
技術(shù)領域：
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)動的永久磁體型同步電動機。
圖8是表示特開昭62-110468號公報所示的歷來的永久磁體型同步電動機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機的永久磁體和凸形磁極的展開圖。
圖8中，1U+是3相交流電源的U相連結(jié)點，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機如上所述構(gòu)成，將相應于永久磁體4、5的移動位置的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。
對在電梯等上使用的永久磁體型同步電動機，必須在低轉(zhuǎn)速的起動加速時產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩，并且以用3相電力驅(qū)動永久磁體型同步電動機為前提構(gòu)成，因此，在額定轉(zhuǎn)速下各相間感應的電壓的最大值由電源電壓規(guī)定不容超過的值，因此不能夠發(fā)生大電壓，在大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)時需要大電流。
近年來，對這些電動機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體元件，市場上有IGBT銷售，其規(guī)格為600A、1200V。
因此，為了驅(qū)動這種需要超過額定值的大電流的永久磁體型同步電動機，需要把控制永久磁體型同步電動機用的逆變器作成每相并聯(lián)多個半導體元件的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機輸出的增大，每相需要的電流量也變大，相應地在并聯(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個半導體元件的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機的U相、V相、W相的接線點(例如U相的1U+)上(參見圖9)。
為了并聯(lián)連接著半導體元件7進行驅(qū)動，有必要使流經(jīng)各半導體元件7的電流均等分流，因此使并聯(lián)連接各半導體元件7的并聯(lián)連接部6的阻抗均等。
圖11是說明向已有的永久磁體型同步電動機施加電壓的說明圖。在圖11中，一旦繞組2繞經(jīng)多個(例如4個)凸形磁極3U1～3U4到達一個相，施加在一個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，以電源的相電壓的1/4的低電壓要獲得一定的磁動勢必須減少繞組2的匝數(shù)，增加通過電流量，繞組2截面必須放粗。
已有的永久磁體型同步電動機，如上所述使半導體元件7的并聯(lián)連接部6的阻抗均等不僅成了安裝設計上的制約，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)格標降低再進行設計。另外還存在這樣的問題，即為了增大永久磁體型同步電動機的輸出，必須增加半導體元件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機的控制裝置的逆變器大型化和高價化。
還有，為了降低每個凸形磁極的電壓，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題。
另外，連接永久磁體型同步電動機及其控制裝置的動力用配線也必須相應于通電電流量的增大而增加線徑，(增加電線的粗度，即增加導線截面，使電流容量增加)而使人工布線工作變得困難的問題。
本發(fā)明是為解決上述問題而作出的，旨在開發(fā)一種能夠產(chǎn)生高轉(zhuǎn)矩，電線布線作業(yè)容易進行的永久磁體型同步電動機。
又，本發(fā)明的永久磁體型同步電動機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機，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機，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機，將各繞組的一端連接在一個中性點上，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機，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，連接在中性點上。
圖2是表示永久磁體型同步電動機控制裝置電路的概略圖。
圖3是表示供給本發(fā)明實施形態(tài)1的永久磁體型同步電動機的交流電流的相位的矢量圖。
圖4是表示本發(fā)明實施形態(tài)2的永久磁體型同步電動機的永久磁體的磁極和凸形磁極的展開圖。
圖5是表示供給本發(fā)明實施形態(tài)2的永久磁體型同步電動機的交流電流的相位的矢量圖。
圖6是表示本發(fā)明實施形態(tài)3的永久磁體型同步電動機的永久磁體的磁極和凸形磁極的展開圖。
圖7是表示供給本發(fā)明實施形態(tài)3的永久磁體型同步電動機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機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圖。
圖10是表示已有的用3個半導體元件并聯(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機的控制裝置的電路的概略圖。
圖11是說明對已有的永久磁體型同步電動機施加電壓的說明圖。
圖1為表示本發(fā)明的實施形態(tài)1中永久磁體型同步電動機的永久磁體4、5的磁極和凸形磁極3U1～3W3的展開圖；圖2是表示永久磁體型同步電動機的控制裝置電路的概略圖。
又，圖3為表示本發(fā)明實施形態(tài)1的向永久磁體型同步電動機供給交流電流的相位的矢量圖。
所述的圖1中，對與上面所述(參照圖9)相同的零部件采用同樣的符號，并省略其詳細說明。
圖1中，定子鐵芯3的凸形電極上，繞組2分別獨立纏繞，繞組2的一端連接中性點N，如圖3所示形成9相星形連接。
又，設永久磁體磁極數(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、各半導體元件7通過接線點1U1～1W3連接于永久磁體型同步電動機的各繞組2。
還有，永久磁體型同步電動機與控制裝置在各接線點1U1～1W3用動力用配線(電線)(未圖示)連接。
控制裝置從各接線點1U1～1W3向永久磁體型同步電動機各繞組2供入驅(qū)動永久磁體型同步電動機所需的交流電流。
當交流電流提供給各繞組2時，配有永久磁體4、5的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。這時，如圖1所示，凸形電極3U1～3W3與永久磁體4、5的位置關系存在著9種(9種圖形)。
控制裝置來的供電電源具有與該位置關系的種類數(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的關系上，只具有凸形磁極數(shù)的比率份額的不同相位。
例如對接線點1U1，提供具有U1相位(矢量)的交流電流。
對其他接點1U2～1W3上也一樣，將有各不相同的相位的交流電從對應的接線點供電，在圖1的情況下，控制裝置將具有對應于永久磁體4、5的移動位置的9種相位的交流電向各繞組2進行供電。
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)動永久磁體型同步電動機。
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(參照圖10)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)的半導體元件7只要1/3就夠了。
即如圖10所示，設并聯(lián)配線部6內(nèi)的半導體元件7為3個，則圖2的結(jié)構(gòu)情況下用1個就可以了，而且，用于連接到永久磁體型同步電動機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機的配線根數(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。
又用來驅(qū)動永久磁體型同步電動機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的位置關系而發(fā)生的相位數(shù)相同，因此就可能在一個凸形磁極上有獨立的繞阻，在一個凸形磁極上施加的電壓值可以高到電源電壓值。
與此相應，繞組2的匝數(shù)可以增多，能夠相對提高占空系數(shù)，因此，能使繞組的電流密度下降，并減少電動機發(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，將3相3倍而成9相，在6相的情況下，由于逆變器費用上升，線徑減少的效果就小，12相以上時，由于逆變器相數(shù)的增加，費用上升很大。
再說，在上述實施形態(tài)1，控制裝置用9相逆變器構(gòu)成，使用3臺已有的3相逆變器作為9相工作也可以。
實施形態(tài)2圖4為表示本發(fā)明實施形態(tài)2的永久磁體型同步電動機的永久磁體4、5的磁極與凸形磁極3U1～3W3的展開圖，圖5為表示本發(fā)明實施形態(tài)2的對永久磁體型同步電動機供電的交流電流相位的矢量圖。
圖4中與上述(參照圖1)相同的零部件標以同樣的符號并省略詳述。
各凸形電極3U1～3W3的繞組2，在各凸形電極3U1～3W3上獨立纏繞，其一端與一分為三的中性點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1U1～1W3分別接到所述(參照圖2)的控制裝置的各連接點1U1～1W3上。
又，圖4的永久磁體型同步電動機的永久磁體極數(shù)P與凸形磁極極數(shù)Q的關系，如上所述采取上述式(1)的關系。
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1U1～1W3向永久磁體型同步電動機的各繞組2供電，以驅(qū)動永久磁體型同步電動機。
連接繞組2的一端的中性點分割為N1、N2、N3部分，從各中性點來看也可作為三相控制。
因此，在控制裝置使用3臺3相逆變器形成3重3相逆變器，可當作9相工作，把已有的3相逆變器留用，也可以與構(gòu)成9相逆變器時一樣，可使永久磁體型同步電動機發(fā)生高轉(zhuǎn)矩，并使配線操作性得到改善。
實施形態(tài)3在上述實施形態(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)明的實施形態(tài)3中的永久磁體型同步電動機的永久磁體4、5的磁極與凸形磁極3U1～3W3的展開圖、圖7所示為供給本發(fā)明的實施形態(tài)3的永久磁體型同步電動機的交流電流的相位的矢量圖。
在圖6及圖7中，與上述(參照圖1～5)相同的零部件注上同樣的符號，并省略其詳述。
圖6中，定子鐵芯3的凸極上，分別獨立卷繞繞組2，繞組2的一端與中性點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1U1～1W3上、連接著對應的圖2中的各接線點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)所述的關系。
P∶Q＝10n∶9n(N為1以上的整數(shù)) …(3)控制裝置將來自各接線點1U1～1W3的交流電流提供給永久磁體型同步電動機的各繞組2，驅(qū)動永久磁體型同步電動機。
該供電電流，如圖7所示，在永久磁體P與凸形磁極數(shù)Q的關系上只具有凸形磁極數(shù)的比率份額的不同的相位，通過向永久磁體型同步電動機供電驅(qū)動永久磁體型同步電動機。
如上所述，即使取永久磁體型同步電動機的永久磁體磁極數(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機產(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永久磁體的轉(zhuǎn)子、有與各永久磁體對向配備的多個凸形磁極的定子鐵芯、卷繞在各凸形磁極上的多個繞組、以及相應于永久磁體的移動位置對各繞組通以交流電流的控制裝置。控制裝置將具有與對應于各永久磁體的磁極與各凸形磁極的磁極的位置關系的相位種類數(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，在設定永久磁體的磁極數(shù)為P、凸形磁極的磁極數(shù)為Q時，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，在設定永久磁體的磁極數(shù)為P、凸形磁極的磁極數(shù)為Q時，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中性點，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機。
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，并連接在中性點上。因此，可將已有的3臺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機。
權(quán)利要求
1.一種永久磁體型同步電動機，其特征在于，具有有在圓周方向上配置的多個永久磁體的轉(zhuǎn)子、有與所述各永久磁體對向配置的多個凸形磁極的定子鐵芯、卷繞在所述各凸形磁極上的多個繞組、以及相應于所述永久磁體的移動位置，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應于所述各永久磁體的磁極和所述凸形磁極的位置關系的相位的種類數(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機，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機，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機，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機，其特征在于，將所述各繞組的一端連接在一個中性點上，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機，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)容易進行的永久磁體型同步電動機。這種電動機具備有在圓周方向上配置的多個永久磁體的轉(zhuǎn)子、與各永久磁體對向配置的多個凸形磁極的定子鐵芯、卷繞在各凸形磁極上的多個繞組、及根據(jù)永久磁體的移動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應于各永久磁體磁極與各凸形磁極的位置關系的相位種類數(shù)相同數(shù)目的相位的交流電流。
文檔編號H02K21/00GK1481064SQ0215229
公開日2004年3月10日 申請日期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 申請人:三菱電機株式會社