CN101926072B - 同步电动机 - Google Patents

Abstract

同步电动机具备：包含在圆周方向等间隔地配置的磁极的转子；以及包含在圆周方向隔开间隔配置的定子齿的定子。其他的定子齿相对于基准定子齿在根据电角度的角度上配置于从相当于二相交流电的相位差的整数倍的位置偏移的位置。而且，在位于偏移的位置的定子齿上以集中绕组的方式卷绕有被供给二相交流电的第一相的第一绕组和被供给二相交流电的第二相的第二绕组的双方。

Description

同步电动机

技术领域

本发明涉及由二相交流电驱动的同步电动机的绕组构造，特别是涉及使转矩(torque)特性提高的技术。

背景技术

以往，在各种设备中利用有由二相交流电驱动的二相电动机。

在专利文献1中公开了如下的二相电动机：18个转子磁铁在圆周方向等间隔地配置，12个定子凸极在圆周方向等间隔地配置。在该结构中，定子凸极的配置间隔在电角度(electrical angle)上为3π/2弧度。绕组以集中绕组的方式卷绕于各个定子凸极，当设定子凸极的参考标号按在圆周方向排列的顺序为A1、B1、A2、B2、......A6、B6时，A组(A1、A2、......A6)的各个绕组连接在一起成为A相绕组，B组(B1、B2、......B6)的各个绕组连接在一起成为B相绕组，各个定子凸极的绕组整体成为二相绕组结构。对该二相绕组供给相位差为π/2弧度的二相交流电。

当供给二相交流电时，各个绕组被励磁，在气隙(air gap)中产生旋转磁场，转子磁铁与该旋转磁场同步地受到吸引(排斥)力，并以一定速度的同步转速持续旋转。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平9-163710号公报

发明内容

发明要解决的问题

在压缩机、电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车等所采用的同步电动机中，从小型轻量、高输出、低振动、低噪音、高效率的要求出发，特别谋求高转矩且低转矩脉动。

但是，在以往的二相电动机中，如下所示，转矩脉动大，谋求进行进一步的改善。

在以往的二相电动机中，由于在A组的6个定子凸极(相当于定子齿)仅卷绕有A相绕组，因此A组的各个定子凸极以相当于π弧度的周期使6个同时产生最大转矩。此外，B组的各个定子凸极从A组偏移π/2弧度，并以相当于π弧度的周期使6个同时产生最大转矩。即，在二相交流电的每1个周期的2π弧度中，转矩的峰值产生4次。而且，由于该峰值的大小是6个定子凸极的合成转矩，所以转矩脉动大。

因此，本发明的目的在于，在接受二相交流电而进行驱动的同步电动机中，提供一种与以往相比能够降低转矩脉动的技术。

用于解决问题的方案

本发明所涉及的同步电动机由二相交流电驱动，所述二相交流电由第一相和第二相交流电构成，其中，所述同步电动机具备：转子，该转子包含在圆周方向等间隔地配置的多个磁极；以及定子，该定子包含环状的定子磁轭和N(N为4以上的整数)个定子齿，该定子齿在圆周方向隔开间隔地配置于该定子磁轭上，在所述定子中，在电角度上位于相同位置的定子齿各存在n(n为2以上的整数)个，按在圆周方向排列的k(k为2以上的整数)个定子齿单位呈旋转对称，构成所述N个(N为4以上的整数，N＝k·n)定子齿，在各个定子齿单位中，当将k个定子齿中的一个作为基准定子齿时，剩余的定子齿中的至少一个相对于所述基准定子齿在电角度上位于从相当于所述二相交流电的相位差的整数倍的位置偏移的位置，在所述基准定子齿上，以集中绕组的方式仅卷绕有被供给所述第一相交流电的第一绕组和被供给所述第二相交流电的第二绕组中的任一方，在位于所述偏移的位置的定子齿上，以集中绕组的方式分别卷绕有被供给所述第一相交流电的第一绕组和被供给所述第二相交流电的第二绕组的双方，按所述定子齿单位的每一个，卷绕于定子齿的第一绕组串联连接，按与所述定子齿单位相同、或者与其不同的在圆周方向排列的k个定子齿单位的每一个，卷绕于定子齿的第二绕组串联连接。

发明效果

根据上述结构，至少一个定子齿相对于基准定子齿配置在从相当于二相交流电的相位差的整数倍的位置偏移的位置，且在该定子齿卷绕有第一绕组和第二绕组双方的绕组。由此，能够使位于偏移的位置的定子齿产生最大转矩的定时从使基准定子齿产生最大转矩的定时错开。因此，能够使二相交流电的一个周期中的转矩的峰值的次数增加而使峰值的产生定时分散，并且，能够降低该峰值的大小，其结果是，与以往相比能够降低转矩脉动。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式所涉及的同步电动机的俯视图。

图2是示意性地示出图1的同步电动机中绕组的种类和卷绕方向的俯视图。

图3是图1的同步电动机的详细图。

图4是示出图1的同步电动机中的绕组的连接关系的图。

图5是示出从图1的同步电动机的各个定子齿产生的磁场的大小和相位的矢量图。

图6是以往的同步电动机的详细图。

图7是示出转矩的时间变化的图。

图8是示出本发明的第二实施方式所涉及的同步电动机中绕组的种类和卷绕方向的俯视图。

图9是示出从图8的同步电动机的各个定子齿产生的磁场的大小和相位的矢量图。

图10是示出绕组的连接关系的变形例的图。

附图标记说明

1、21、41：同步电动机；2、42：转子；3、43：定子；4：转子芯；5、45：永磁铁；6：磁极；7、47：定子齿；8：定子磁轭；9：绕组；10、11：转子磁极空隙(pole-to-pole gap)。

具体实施方式

参照附图对用于实施本发明的优选实施方式进行详细说明。

(第一实施方式)

<概要结构>

图1是本发明的第一实施方式所涉及的同步电动机的俯视图。

同步电动机1由转子2和定子3构成。

转子2包含转子芯4和20个永磁铁5，永磁铁5在转子的圆周方向以等间隔的角度配置于转子芯4。由永磁铁5构成的磁极6构成N极、S极相对于定子3交替配置的磁极对。磁极对N极、S极在电角度上为2π弧度，相邻磁极的配置间隔在电角度上为π弧度。在本实施方式中，转子的磁极为20极，电角度相对于机械角成为10倍的关系。

定子3包含环状的定子磁轭8和在圆周方向隔开间隔配置于定子磁轭8的N个定子齿7。N只要是4以上的整数即可，在本实施方式中N＝18。此外，定子齿7在定子磁轭8的圆周方向以等间隔的角度配置。这样，由于磁极的个数为20且定子齿的个数为18，所以定子齿7沿着圆周以每半圆10/9的方式偏移配置，相邻的定子齿7的配置间隔在电角度上为(π+π/9)弧度。绕组9卷绕于定子齿7。

转子磁极空隙10、11意味着由配置于转子2的永磁铁5构成的磁极N与磁极S之间的磁中性点(magnetic neutral point)的位置。此处，在机械结构上也成为磁铁与磁铁之间的位置。设从逆时针旋转方向观察由N极变为S极的磁极空隙为10，设从逆时针旋转方向观察由S极变为N极的磁极空隙为11。另外，11’表示如下位置的磁极空隙位置：相对于磁极空隙11在电角度上为2π弧度，由于磁极对的反复，所以虽然在电角度上为相同位置，但在机械角上为不同的位置。

<定子齿的位置关系和定子绕组的结构>

图2是示意性地示出图1的同步电动机中绕组的种类和卷绕方向的俯视图，图3是图1的同步电动机的详细图。图4是示出图1的同步电动机中的绕组的连接关系的图，图5是示出从图1的同步电动机的各个定子齿产生的磁场的大小和相位的矢量图。

首先，对定子齿的位置关系进行说明。

对18个定子齿7赋予从H1到H18的标号。当设定子齿H2的位置在电角度上为0弧度的位置时，定子齿H3在电角度上位于(π+π/9)弧度、即10π/9弧度的位置，定子齿H4在电角度上位于(2π+2π/9)弧度、即2π/9弧度的位置，定子齿H5在电角度上位于(3π+3π/9)弧度、即12π/9弧度的位置。这样，表1中示出以定子齿H2作为基准时的各个定子齿的位置。

[表1]

在定子齿H1～H18中，在电角度上位于相同位置的定子齿各存在n个。n只要是2以上的整数即可，在本实施方式中，根据表1可知，在电角度上位于相同位置的定子齿各存在2个。例如，定子齿H2、H11这两个定子齿在电角度上位于相同位置。这点也可以从下述方面理解：在图2中，当定子齿H2的中心轴与磁极空隙10一致时，定子齿H 11的中心轴与磁极空隙10’一致。

此外，定子齿H1～H18的位置关系为：按在圆周方向排列的k个定子齿单位呈旋转对称。k只要是2以上的整数即可，在本实施方式中，k＝9。例如，在图2中，在逆时针旋转方向从H16到H6的9个定子齿的组与从H7到H15的9个定子齿的组呈旋转对称。

即，定子3所包含的定子齿7的个数N根据N＝k·n得到，在本实施方式中，n＝2、k＝9，由此，N＝18。

下面对定子绕组的结构进行说明。在各个定子齿上以一芯绕组、即所谓的集中绕组(concentrated winding)的方式卷绕有第一绕组和第二绕组中的一方或者双方，第一绕组被供给二相交流电的A相的电流，第二绕组被供给相对于A相的电流延迟π/2弧度的B相的电流。在图2中，以黑色箭头示意性地示出当电流在第一绕组中流动时从定子端面观察的电流的方向。此外，同样，以白色箭头示意性地示出当电流在第二绕组中流动时从定子端面观察的电流的方向。

首先，对在电角度上处于2π/3弧度的关系的(相当于以往的三相电动机的U相、V相、W相)定子齿H2、H17、H5的绕组的结构进行说明。

在定子齿H2上仅卷绕有N0匝的第一绕组C2(参照图2的黑色箭头和图3)。由此，定子齿H2所产生的磁场的相位变得与A相电流的相位相同(参照图5、H2)。

在本实施方式中，设在相对于定子齿H2的位置位于电角度为θn弧度的位置的定子齿卷绕有An匝第一绕组和Bn匝第二绕组，则匝数An、Bn满足以下的关系式。

An≈N0×cos  (θn)

Bn≈N0×sin  (θn)

定子齿H17相对于定子齿H2在电角度上位于前进2π/3弧度的位置。根据上述关系式，卷绕于定子齿H17的第一绕组C17的匝数A17、第二绕组D17的匝数B17如下。

A17≈N0×cos  (2π/3)＝N0×(-0.50)

B17≈N0×sin  (2π/3)＝N0×0.87

此处，匝数A17的值为负值意味着在通电时使卷绕于定子齿H17的第一绕组C17和卷绕于定子齿H2的第一绕组C2产生相反方向的磁场。在本实施方式中，通过使它们的卷绕方向为相反方向从而使彼此相反方向的磁场产生，在图2中以相反方向的箭头表示。另外，也可以使卷绕方向为相同方向，在一方的绕组中以电流从卷绕开始端子朝卷绕结束端子流动的方式接线，而在另一方的绕组中以电流从卷绕结束端子朝卷绕开始端子流动的方式接线。

在上述的算式中采用了表示右边和左边大致相等的记号(≈)，这是因为实际上很多情况下难以使右边和左边完全一致。上述的记号包含在右边为小数的情况下采用接近该小数的整数的程度的一致，进一步，还包含能够在设计上作为误差而忽视的程度的一致。

定子齿H17所产生的磁场成为由A相电流产生的磁场和由B相电流产生的磁场的合成磁场，其相位相对于定子齿H2所产生的磁场的相位延迟2π/3弧度(参照图5、H17)。

另一方面，定子齿H5相对于定子齿H2在电角度上位于延迟2π/3弧度的位置。根据上述关系式，卷绕于定子齿H5的第一绕组C5的匝数A5、第二绕组D5的匝数B5如下。

A5≈N10×cos  (-2π/3)＝N0×(-0.50)

B5≈N10×sin  (-2π/3)＝N0×(-0.87)

定子齿H5所产生的磁场成为由A相电流产生的磁场和由B相电流产生的磁场的合成磁场，其相位相对于定子齿H2所产生的磁场的相位前进2π/3弧度(参照图5、H5)。

这样，可知：通过对第一绕组和第二绕组通有相位差为π/2弧度的二相交流电，从而在定子齿H2、H17、H5中产生与流过相位差为2π/3弧度的三相交流电的情况等价的磁场。

以下，同样，对与定子齿H2邻接的定子齿H1、H3的绕组的结构和在定子齿中产生的磁场进行说明。

如图3所示，当设逆时针旋转方向为+方向时，定子齿H1自定子齿H2观察在电角度上配置在从偏移π弧度后的位置延迟π/9弧度的位置，定子齿H3自定子齿H2观察在电角度上配置在从偏移π弧度后的位置前进π/9弧度的位置。

在与定子齿H2邻接的定子齿H1上，第一绕组C1卷绕有A1≈N0×cos(-π-π/9)＝N0×(-0.94)匝、第二绕组D1卷绕有B1≈N0×sin(-π-π/9)＝N0×0.34匝。第一绕组C1的匝数A1为负值表示沿与卷绕于定子齿H2的第一绕组C2相反的方向卷绕。定子齿H 1所产生的磁场成为由A相电流产生的磁场和由B相电流产生的磁场的合成磁场，其相位相对于使A相反转后的-A相前进了π/9弧度(参照图5、H1)。

在与定子齿H2邻接的定子齿H3上，第一绕组C3卷绕有A3＝N0×cos(π+π/9)＝N0×(-0.94)匝、第二绕组D3卷绕有B3＝N10×sin(π+π/9)＝N0×(-0.34)匝。第一绕组C3的匝数为负值表示沿与卷绕于定子齿H2的第一绕组C2相反的方向卷绕。定子齿H3所产生的磁场成为由A相电流产生的磁场和由B相电流产生的磁场的合成磁场，其相位相对于使A相反转后的-A相延迟了π/9弧度(参照图5、H3)。

这样，在本实施方式中，由于各相的定子绕组拥有上述结构，所以当对卷绕于一个定子齿的各个绕组供给分别不同相位的电流时，在该定子齿产生的磁场是对基于各个绕组的磁场进行矢量合成后的磁场。

表2中示出当设卷绕于定子齿H2的第一绕组C2的匝数为1.00时卷绕于各个定子齿的第一和第二绕组的匝数的比率。

[表2]

第一绕组的匝数的比率以A表示，第二绕组的匝数的比率以B表示，二者的和以∑表示。另外，考虑绕组的卷绕方向而以±表示。

定子齿H2(H11)的第一绕组的匝数的比率A为1.00。由于定子齿H2、H11在电角度上处于相同位置所以绕组的结构变为相同。

定子齿H3(H12)的第一绕组的匝数的比率A为-0.94。这表示通电时的磁场的方向与定子齿H2(H11)的磁场的方向为相反方向，并且，还表示匝数的比率为0.94。此外，第二绕组的匝数的比率B为-0.34。这表示在与A的通电方向相同方向流过电流的情况下会产生反方向的磁场，并且，还表示匝数的比率为0.34。该定子齿H3(H12)的总匝数的比率相当于1.28。

定子齿H4(H 13)的总匝数的比率为1.41，在从定子齿H1到H18之中为最大。总匝数的比率在从1.00到1.41的范围变化。

卷绕于各个定子齿的绕组的连接关系如图4所示。

按在圆周方向排列的9个定子齿单位的每一个，第一绕组进行串联连接。具体地说，分别卷绕于沿逆时针旋转方向排列的从H16到H6这9个定子齿的第一绕组C16～C6串联连接，分别卷绕于从H7到H15这9个定子齿的第一绕组C7～C15串联连接。而且，它们的组并联连接并连接于外部端子T1、T2。

此外，按相同的定子齿单位的每一个，第二绕组进行串联连接。具体地说，分别卷绕于从H16到H6这9个定子齿的第二绕组D16～D6串联连接，分别卷绕于从H7到H15这9个定子齿的第二绕组D7～D15串联连接。而且，它们的组并联连接并连接于外部端子T3、T4。

通过采用以上的结构能够得到如下这样的效果。

定子齿在电角度上以(π+π/9)弧度的间隔等间隔地配置，并以使各个定子齿所产生的磁场的相位各偏移(π+π/9)弧度的方式设定卷绕于各个定子齿的第一和第二绕组的匝数。因此，由于各个定子齿能够以最佳的定时使最大转矩产生，所以能够提高整体的转矩。此外，由于各个定子齿使最大转矩产生的定时分散，所以与以往相比能够降低转矩脉动。

例如，如图3所示，从定子齿H2观察，定子齿H1在电角度上位于从偏移π弧度后的位置延迟π/9弧度的位置。如图5所示，在处于这种位置关系的定子齿H1，产生从将磁场H2反转后的相位(偏移π弧度后的相位)前进π/9弧度的相位的磁场H1。因此，能够当定子齿H1的轴与转子的磁极空隙11一致时使定子齿H1产生最大的磁场，并且，能够当定子齿H2的轴与转子的磁极空隙10一致时使定子齿H2产生最大的磁场。

此外，如图3所示，从定子齿H2观察，定子齿H3在电角度上位于从偏移π弧度后的位置前进π/9弧度的位置。如图5所示，在处于这种位置关系的定子齿H3，产生从将磁场H2反转后的相位(偏移π弧度后的相位)延迟π/9弧度的相位的磁场H3。因此，能够当定子齿H2的轴与转子的磁极空隙10一致时使定子齿H2产生最大的磁场，并且，能够当定子齿H3的轴与转子的磁极空隙11’一致时使定子齿H3产生最大的磁场。

这样，卷绕于各个定子齿的第一和第二绕组的匝数设定成能够抵消从作为基准的定子齿观察时的在电角度上的位置偏移。通过这样做，由于当定子齿的轴和转子的磁极空隙一致时，在该定子齿产生的磁场成为最大，所以能够使各个定子齿产生出的磁转矩最大，能够使整体的转矩提高。此外，由于从各个定子齿产生出的转矩大致一定，所以能够使转矩脉动降低。

本实施方式是具有至少一个仅卷绕有第一和第二绕组中的一种绕组的定子齿的结构。作为这种结构的优点可举出以下各点。

第一，由于能够有效利用通电电流的相位，所以绕组的空间系数比(space factor ratio)高，有利于小型化。第二，如果卷绕于定子齿的绕组为一种，则不需要进行相间绝缘，使可靠性提高。第三，由于不需要用于进行相间绝缘的绝缘材料的空间，能够将相应的空间利用于绕组，所以空间系数比高，有利于小型化。

<转矩的比较>

下面，对从本实施方式的同步电动机获得的转矩和从以往的同步电动机获得的转矩进行比较。图6是以往的同步电动机的详细图。以往的同步电动机41是由两种绕组(以第一绕组作为A相、以第二绕组作为B相)构成的所谓的二相电动机。同步电动机41由包含永磁铁45的转子42和包含定子齿47的定子43构成。

设4个定子齿47分别为+A相、+B相、-A相、-B相，并与转子的两个磁极NS(2π弧度)对置。定子齿47的圆周方向的间隔在电角度上为π/2弧度且为等间隔。在各个定子齿47以集中绕组的方式仅卷绕有两种绕组中的一方。

该以往方式的极数与本实施方式相同，是采用了20个永磁铁45的20极。另一方面，以往方式的定子齿47的个数是集中绕组所需要的40个。由于相对于磁极NS这两种转子磁极，定子齿的绕组是+A、+B、-A、-B的四种，所以在相当于通电电流的一个周期的1个电角度中会产生4个转矩脉动。此外，作为无通电时的转矩脉动的齿槽转矩(coggingtorque)也是每一周40个，难以得到平滑的旋转。

图7是示出转矩的时间变化的图。

T1表示从本实施方式的同步电动机获得的转矩波形，T0表示从以往的同步电动机获得的转矩波形。两者使与1个磁极对对置的定子绕组的匝数和通电的电流的乘积相同来进行比较。由此，对于转矩的大小，与以往相比，在本实施方式中能够提高140％。此外，对于转矩脉动相对于平均转矩的比即转矩脉动率，与现有例的120％相比，在本实施方式中能够大幅降低至5.3％。这样，根据本实施方式，能够使以往考虑为折衷(trade-off)的关系的高转矩化和转矩脉动的降低得到兼顾。

<补充说明>

在本实施方式的同步电动机中，转子磁极的间隔为机械角18deg(电角度为π弧度)，与此相对，定子齿的间隔为从机械角18deg偏移了的机械角20deg。通过这样使得具有机械相位差，从而能够降低作为无通电时的转矩脉动的齿槽转矩。

此外，在本实施方式的同步电动机中，定子齿成为相对于电角度π弧度分别具有π/9弧度的相位差的配置，在各个定子齿所产生的磁场中，通过改变具有π/2弧度的相位差的两种绕组的匝数比并卷绕于定子齿，从而能够使得具有π/9弧度的相位差。因此，由于能够使从各个定子齿获得的转矩相同，所以能够抵消以π/3弧度作为基本周期的转矩脉动，而且，由于能够使从各个定子齿获得的转矩最大，所以能够提高整体的转矩。

另外，由于在上述的说明中仅考虑了由永磁铁造成的磁转矩，所以以当定子齿的轴和转子的磁极空隙一致时该定子齿所产生的磁场的大小为最大的方式对磁场的相位进行调整。但是，本实施方式的同步电动机是将永磁铁配置在转子芯内部的所谓的磁铁埋入式同步电动机，是除了能够利用由磁铁产生的磁转矩之外还能够利用由磁阻的差产生的磁阻转矩(reluctance torque)的同步电动机。因此，有时为了活用磁转矩和磁阻转矩二者而获得最大转矩，以在定子齿的轴和转子的磁极空隙偏移的位置关系下使定子齿所产生的磁场的大小为最大的方式对磁场的相位进行调整是有效的。

此外，在本实施方式中，为了将定子绕组卷绕于定子齿而采用了集中绕组。因此，能够实现定子的端面的绕组即所谓的线圈端部(coil end)的小型化，能够进行同步电动机的小型化。此外，绕组的线圈端部是即便流过电流也不会对转矩作出贡献的部分，能够降低由通电时的绕组电阻产生的焦耳热损失即铜损，效率高。

此外，在本实施方式中采用了转子配置在定子的外周侧的所谓的外转子型。因此，在以相同体积进行比较的情况下，与转子配置在定子的内周侧的内转子型相比，能够增大转子直径。因此，即便是像本实施方式这样的极数为20这样的同步电动机，由于无需缩小永磁铁的大小，所以也能够防止有效磁通的降低。

此外，虽然在本实施方式中，是转子磁极的数量为20个、定子齿的数量为18个的同步电动机，但是，只要是相对于定子齿为9个或者27个等9的倍数、转子的磁极数为10的倍数的组合，即10q极9q齿(q为正整数)的组合，就可通过在电角度上成为上述的关系成立的配置关系，从而能够获得同样的效果。

此外，在本实施方式中，在18个定子中，在电角度上位于相同位置的定子齿各存在2个，而且，它们的位置关系成为按在圆周方向排列的9个定子齿单位呈旋转对称。因此，由定子齿造成的径向的合成吸引力为0，不会对转子作用磁吸引力。因此，不会对轴承寿命给予不良影响，能够获得长寿命的同步电动机。同样，在30极27齿中，由于成为由9个定子齿构成的组合有3组、且相对于轴成为机械角每120deg的配置，所以由对绕组通电的定子齿产生的径向的合成吸引力为0，不会对转子作用磁吸引力。

此外，通过成为使定子齿和转子的磁极中的任一方、或者二者在旋转轴方向回转的结构，从而磁通变化更加平滑，能够做成振动更低的同步电动机。

此外，通过对定子的磁性材料采用压粉铁芯材料、薄板的磁性材料或者非晶态磁性材料，从而能够大幅地降低铁损，能够做成效率更高的同步电动机。

此外，构成1极的永磁铁由多个构成，由此能够降低在永磁铁中产生的涡流损耗，能够做成效率更高的同步电动机。

此外，通过成为绕组的多个细径的绕组、扁平的平角线，从而能够扩大绕组的表面积，能够降低高频驱动时的集肤效应(skin effect)，能够做成效率高的同步电动机。

虽然在本实施方式中，如从图5的示出磁场的大小和相位的矢量图所看出的那样，输入的电流是第一相的电流(矢量A)和第二相的电流(矢量B)，但是，能够在定子齿中制作出由二者的绕组的匝数比合成的从H1到H9(从H10到H18)的9种相位。因此，相对于普通的二相电动机的π/2弧度，能够以2π/9弧度的相位差进行驱动，因此能够实现2倍以上的平滑的驱动。

以上，根据本实施方式，能够使转矩提高并降低转矩脉动，能够提供一种小型、高输出、低振动、低噪音、高效率的同步电动机。

(第二实施方式)

第二实施方式的定子齿的配置角度和绕组的结构与第一实施方式不同。除此以外的结构都与第一实施方式相同，因此省略说明。

图8是示出本发明的第二实施方式所涉及的同步电动机中绕组的种类和卷绕方向的俯视图，图9是示出从图8的同步电动机的各个定子齿产生的磁场的大小和相位的矢量图。

与第一实施方式的差异是：在同步电动机21中定子齿的配置并不是等间隔的、以及第一和第二绕组的匝数的比率不同。在使定子齿的配置从等间隔错开的情况下，如果第一和第二绕组的匝数仍然是以等间隔的配置为前提决定的值的话，则从该定子齿产生的磁场的相位就从最佳相位偏移了。因此，将第一和第二绕组的匝数校正从等间隔的配置偏移的量，对从定子齿产生的磁场最佳地设定相位。

<定子齿的位置关系和定子绕组的结构>

在第一实施方式中定子齿的配置角度为20deg(机械角)且为等间隔。在图8中利用H4A、H9A、H13A、H18A和H6A、H7A、H15A、H16A示出了不是20deg的等间隔的定子齿。

定子齿H4A相对于H3配置成19deg的间隔，H9A相对于H10配置成19deg的间隔，H13A相对于H12配置成19deg的间隔，H18A相对于H1配置成19deg的间隔，相对于第一实施方式偏移了1deg(在电角度上为10deg、π/18弧度)。

此外，定子齿H6A相对于H5配置成21deg的间隔，H7A相对于H8配置成21deg的间隔，H15A相对于H14配置成21deg的间隔，H 16A相对于H17配置成21deg的间隔，相对于第一实施方式偏移了1deg(在电角度上为10deg、π/18弧度)。因此，H6A和H7A成为在电角度上间隔π弧度的配置，H15A和H16A也成为在电角度上间隔π弧度的配置。

在本实施方式中，使定子齿的位置从等间隔地配置定子齿的情况下的位置在电角度上±π/9弧度的范围内错开。表3中示出以定子齿H2作为基准时的各个定子齿的位置。

[表3]

由此，可知：虽然18个定子齿的间隔不等，但是在电角度上位于相同位置的定子齿各存在2个，而且按在圆周方向排列的9个定子齿单位呈旋转对称。

下面对定子绕组的结构进行说明。

在定子齿以所谓的集中绕组的方式卷绕有第一和第二绕组双方或者一方。在图8中，以黑色箭头示意性地示出对第一绕组通电的情况下电流流动的方向。此外，同样，以白色箭头示意性地示出对第二绕组通电的情况下电流流动的方向。

表4中示出卷绕于定子齿的第一和第二绕组的匝数的比率。

[表4]

在第二实施方式中，使H4A(H13A)、H6A(H15A)、H7A(H16A)、H9A(H18A)的配置从等间隔错开，并将匝数的比率校正该错开的量。另外，第一和第二绕组的匝数从以下的关系式获得，这点与第一实施方式同样。

An≈N0×cos  (θn)

Bn≈N0×sin  (θn)

例如，在H6A(H15A)、H7A(H16A)上仅卷绕有第二绕组29b，这些定子齿的总匝数的比率为1。由此，能够成为比第一实施方式的H6(H15)、H7(H16)的总匝数的比率1.16少的匝数。

此外，在定子齿H4A(H13A)、H9A(H18A)中，由于配置位置相对于等间隔的情况在电角度上偏移了π/18弧度(10deg)，所以使第一绕组的匝数的比率为0.87，使第二绕组的匝数的比率为0.50，使总匝数的比率为1.37。由此，能够成为比第一实施方式的H4(H13)、H9(H18)的总匝数的比率1.41少的匝数。

这样，在本实施方式中，通过缩小总匝数的比率，从而能够使绕组的空间系数比增加，能够获得与第一实施方式同等的效果，而且有利于进一步的小型化。

此外，在本实施方式中，与第一实施方式相比，能够增加仅卷绕有第一和第二绕组中的一方的定子齿的个数。由此，能够实现制造成本的削减。

虽然在本实施方式中，如从图9的示出磁场的大小和相位的矢量图所看出的那样，输入的电流是第一相的电流(矢量A)和第二相的电流(矢量B)，但是，能够在定子齿中制作出由二者的绕组的匝数比合成的从H1到H9A(从H10到H18A)的9种相位，相对于普通的二相电动机的π/2弧度，能够以π/6弧度、2π/9弧度以及π/3弧度的相位差进行驱动，因此能够实现从1.5倍到2倍的程度的平滑的驱动。

此外，在本实施方式中具有以下特征：通过微小的定子齿的配置变更和绕组比的变更，从而能够从等间隔变更9种相位差。由此，能够启发实现任意的相位差的组合，在由搭载电动机的设备产生难以避免的共振的情况下能够容易地避免共振。

根据上述结构，通过使定子齿在电角度上的配置间隔从相当于二相交流电的相位差的整数倍的位置错开，从而可以降低转矩脉动。即，能够提高无通电时的齿槽转矩的次数，能够减小齿槽转矩的值。

进一步，通过在从相当于二相交流电的相位差的整数倍的位置错开配置的定子齿上，以对错开的量进行校正的绕组比率卷绕第一和第二绕组双方，从而在通电时能够增大从定子齿产生的转矩，能够降低转矩脉动而不会降低转矩。

以上根据实施方式对本发明所涉及的同步电动机进行了说明，但是，本发明并不限于这些实施方式。例如可以考虑如下的变形例。

(1)在实施方式中，当以某一定子齿作为基准时，剩余的定子齿中的全部或者大部分的定子齿都在根据电角度的角度上配置在从相当于二相交流电的相位差(π/2弧度)的整数倍的位置偏移的位置。但是，本发明并不限于此，通过即便以剩余的定子齿中的一个处于偏移的位置关系，从而也能够与以往相比降低转矩脉动。

(2)虽然在实施方式中，设二相交流电的相位差为π/2弧度，但是，本发明并不限于此。在设二相交流电的相位差为任意的φ弧度的情况下，各个定子齿的第一和第二绕组的匝数能够通过以下的关系式获得。

An＝N0×{cos(θn)-sin(θn)/tan(φ)}

Bn＝N0×{sin(θn)/sin(φ)}

(3)在实施方式中，如图4所示，按定子齿单位的每一个，第一绕组进行串联连接，按与其相同的定子齿单位的每一个，第二绕组进行串联连接。即，串联连接第一绕组的定子齿单位和串联连接第二绕组的定子齿单位相同。但是，本发明中，只要是按在圆周方向排列的k个(在本实施方式中为9个)的定子齿单位的每一个进行串联连接，就也可以是串联连接第一绕组的定子齿单位和串联连接第二绕组的定子齿单位不同。在图10(a)中示出这种例子。在图10(a)中，对于第一绕组，串联连接的单位按在圆周方向排列的从H16到H6这9个定子齿和从H7到H15这9个定子齿进行区分。与此相对，对于第二绕组，串联连接的单位按在圆周方向排列的从H2到H10这9个定子齿和从H11到H1这9个定子齿进行区分。

(4)虽然在实施方式中，如图4所示，第一绕组C16～C6的组和C7～C15的组并联连接，并且，第二绕组D16～D6的组和D7～D15的组并联连接，但是，本发明并不限于此。例如，如图10(b)所示，也可以是第一绕组C16～C6的组和C7～C15的组串联连接，并且第二绕组D16～D6的组和D7～D15的组串联连接。

(5)虽然在本实施方式中，以定子齿的个数为18、磁极的个数为20的例子进行了说明，但是，本发明并不限于此。只要定子齿的个数为4以上、磁极的个数是与定子齿的个数不同的偶数个，就能够应用本发明。

(6)虽然在本发明中举出了10q极9q齿的结构，但是，本发明能够进行不限于此的磁极和齿数的组合。例如，也可以是8q极9q齿、10q极12q齿(q为正整数)、16q极15q齿的结构。

(7)虽然在实施方式中举例示出了二相驱动且与三相驱动等价的同步电动机，但是，本发明也能够应用于二相驱动且与例如五相或七相等多相驱动等价的同步电动机。

(8)虽然在实施方式中定子绕组卷绕于定子齿，但是，本发明并不限于此，也能够应用于没有定子齿的所谓的无芯电动机(corelessmotor)。

(9)虽然在实施方式中并未特别举出，但是，也可以实施定子绕组随着在转子的轴向前进而在圆周方向最大偏移定子绕组的配置间隔的歪斜配置(skew arrangement)。

(10)虽然在实施方式中以转子配置在定子的外侧的外转子型的同步电动机进行了说明，但是，即使是将转子配置在定子的内侧的内转子型同步电动机、转子和定子在轴向带有空隙配置的所谓的面对置的轴向间隙(axial gap)式同步电动机、组合了多个上述的同步电动机的构造的同步电动机，当然也有相同的效果。

(11)虽然在实施方式中，利用永磁铁构成转子的磁极，但是，在利用由磁阻的差构成的磁阻转矩的同步电动机、在转子中组合了二者的同步电动机中也能够应用。

(12)本发明并不限于同步旋转机，也能够应用于同步发电机，此外，也能够应用于直接驱动(direct drive)的线性同步电动机、线性同步发电机。

(13)本发明能够提供小型、高输出、低振动、低噪音、高效率的同步电动机，对于要求低振动、低噪音性的汽车的用途是特别有用的。

产业上的可用性

本发明能够利用于要求小型高效且低振动低噪音性的压缩机用、电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车等的同步电动机。

Claims (15)

1.一种同步电动机，该同步电动机由二相交流电驱动，所述二相交流电由第一相和第二相交流电构成，其中，所述同步电动机具备：

转子，该转子包含在圆周方向等间隔地配置的多个磁极；以及

定子，该定子包含环状的定子磁轭和N个定子齿，该定子齿在圆周方向隔开间隔地配置于该定子磁轭上，其中，N为4以上的整数，

在所述定子中，在电角度上位于相同位置的定子齿各存在n个，由在圆周方向排列的k个定子齿构成的第一定子齿单位呈旋转对称，构成所述N个定子齿，其中，n为2以上的整数，k为2以上的整数，N为4以上的整数，而且N＝k·n，

在各个第一定子齿单位中，当将k个定子齿中的一个作为基准定子齿时，剩余的定子齿中的至少一个相对于所述基准定子齿在电角度上位于从相当于所述二相交流电的相位差的整数倍的位置偏移的位置，

在所述基准定子齿上，以集中绕组的方式仅卷绕有被供给所述第一相交流电的第一绕组和被供给所述第二相交流电的第二绕组的任一方，

在位于所述偏移的位置的定子齿上，以集中绕组的方式分别卷绕有被供给所述第一相交流电的第一绕组和被供给所述第二相交流电的第二绕组的双方，

按所述第一定子齿单位的每一个，卷绕于定子齿的第一绕组串联连接，

按与所述第一定子齿单位相同、或者与其不同的由在圆周方向排列的k个定子齿构成的第二定子齿单位的每一个，卷绕于定子齿的第二绕组串联连接。

2.根据权利要求1所述的同步电动机，其中，

在所述N个定子齿中，被供给所述第一相的电流的第一绕组和被供给所述第二相的电流的第二绕组以使邻接的定子齿产生相互反向的磁场的方式进行卷绕。

3.根据权利要求1所述的同步电动机，其中，

将所述二相交流电的相位差设为φ弧度，

将相对于所述基准定子齿的位置的位于所述偏移的位置的定子齿的位置在电角度上设为θn弧度，

在所述基准定子齿上，仅卷绕有被供给所述第一相交流电的第一绕组，将其匝数设为N0，

卷绕在位于所述偏移的位置的定子齿上的第一绕组的匝数An、第二绕组的匝数Bn能够从以下的关系式获得，

A n＝N 0×{c o s  (θn)-s i n (θn)/t a n (φ)}

B n＝N 0×{s i n(θn)/s i n(φ)}

匝数An、Bn的值的正负表示在通电时产生的磁场的方向。

4.根据权利要求1所述的同步电动机，其中，

将所述二相交流电的相位差设为π/2弧度，

将相对于所述基准定子齿的位置的位于所述偏移的位置的定子齿的位置在电角度上设为θn弧度，

在所述基准定子齿上，仅卷绕有被供给所述第一相交流电的第一绕组，将其匝数设为N0，

卷绕在位于所述偏移的位置的定子齿的第一绕组的匝数An、第二绕组的匝数Bn能够从以下的关系式获得，

A n＝N 0×c o s  (θn)

B n＝N 0×s i n(θn)

匝数An、Bn的值的正负表示在通电时产生的磁场的方向。

5.根据权利要求1所述的同步电动机，其中，

所述N个定子齿等间隔地配置，所述剩余的定子齿全部是位于所述偏移的位置的定子齿。

6.根据权利要求5所述的同步电动机，其中，

所述第一定子齿单位由9个定子齿构成，

在所述第一定子齿单位中，所述基准定子齿配置于中央，

所述同步电动机具有2个以上的所述第一定子齿单位在圆周方向反复的结构。

7.根据权利要求1所述的同步电动机，其中，

所述N个定子齿不等间隔地配置，在所述剩余的定子齿中，存在相对于所述基准定子齿的位置在电角度上位于从相当于所述二相交流电的相位差的整数倍的位置偏移的位置的定子齿和位于不偏移的位置的定子齿，

在位于所述不偏移的位置的定子齿上，以集中绕组的方式仅卷绕有被供给所述第一相的电流的第一绕组和被供给所述第二相的电流的第二绕组的任一方。

8.根据权利要求7所述的同步电动机，其中，

所述第一定子齿单位由9个定子齿构成，

在所述第一定子齿单位中，所述基准定子齿配置于中央，

所述同步电动机具有2个以上的所述第一定子齿单位在圆周方向反复的结构，

在所述基准定子齿上仅卷绕有所述第一绕组，

所述第一定子齿单位的两端的定子齿，都是位于所述不偏移的位置的定子齿，在所述两端的定子齿上仅卷绕有第二绕组。

9.根据权利要求1所述的同步电动机，其中，

所述磁极的数量是与所述定子齿的数量不同的偶数个。

10.根据权利要求9所述的同步电动机，其中，

所述磁极的数量为10以上。

11.根据权利要求1所述的同步电动机，其中，

所述同步电动机是维持各绕组的位置关系并且除去了所述定子齿的无芯型的同步电动机。

12.根据权利要求1所述的同步电动机，其中，

所述N个定子齿中的至少一个被实施歪斜配置，该歪斜配置是随着在所述转子的轴向前进而在圆周方向最大偏移定子齿的配置间隔的配置。

13.根据权利要求1所述的同步电动机，其中，

所述同步电动机为内转子型。

14.根据权利要求1所述的同步电动机，其中，

所述同步电动机为永磁铁埋入型。

15.根据权利要求1所述的同步电动机，其中，

所述同步电动机为汽车用。

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