CN1237691C - 永磁式回转电动机 - Google Patents

Abstract

提供了在用作起动电动机时能获得大的驱动力矩而在用作发电机时可以减小从动力矩的永磁式回转电动机，它的沿定子外周回转的略呈圆筒形的转子轭铁在其周向上设有夹持着附加极的多个插入有永磁铁的磁铁插孔，其中该附加极是设置在转子轭铁上的在各磁铁插入孔之间的附加极，此孔包括能插入永磁铁的主孔部和此主孔部的沿圆周方向的两个端部朝向此主孔部的中心部以预定宽度(W)延伸的槽，此槽顶端处的转子轭铁的残余厚度(H)与槽宽(W)满足关系：0.3≤H/W≤0.7。

Description

永磁式回转电动机

技术领域

本发明涉及沿圆周方向设置有多个永磁铁的转子轭铁于定子的外周回转而转子轭铁在各永磁铁间具有附加极部的永磁式回转电动机，特别涉及到适合供内燃机用的起动机兼发电机的永磁式回转电动机。

背景技术

历来，内燃机用的起动机与发电机都是分别装配的，但将这两方面的功能整体化的起动机兼发电机装置例如已有特开平10-148142号公报中所公开的。

另一方面，作为内燃机用的起动电动机已知有使圆筒状的转子轭铁沿定子外周回转的外转型水磁式回转电动机。而在这种永磁式回转电动机中，为了减小转子与定子间的磁通分布畸度以防止发生扭矩振动而在相邻永磁铁间形成附加极部的永磁式回转电动机，例如已公开于特开平8-275476号公报中。

在上述这类既有的永磁式回转电动机中，由于产生了以该附加极为磁路的漏磁通而减少了有效磁通。因此，为了获得更大的驱动力矩就需使永磁铁大型化或是加大定子绕组的励磁线圈，这样就会使得电动机大型化与加重或是增加电力消耗。

再有，在使一台电动机于内燃机起动时起到起动机之用而于车辆行驶时又具有发电机功能的情形中，如上所述，当把永磁铁大型化来实现起动电动机功能时固然可以求得大的驱动力矩，但其另一方面则是，为使其具有发电机功能时，由于要产生超出所需的电力，内燃机E在驱动起动机兼发电机装置又需增大扭矩(从动力矩)。

发明内容

为了解决上述先有技术的技术课题，本发明的目的在于提供这样的作为起动机兼发电机的永磁式回转电动机，它能在用作起动发电机时获得大的驱动力矩，而在用作发电机时又能将从动力矩减少到很小。

为了实现上述目的，本发明的特征在于，在沿定子外周回转的大致是圆筒形的转子轭铁的圆周方向配置夹持着附加极的磁铁插入孔而于此各磁铁插入孔内插入永磁铁的永磁式回转电动机中，其中该附加极是设置在转子轭铁上的在各磁铁插入孔之间的附加极，上述磁铁插入孔具有插入永磁铁的主孔部和从主孔部的沿圆周方向的两个端部朝向此主孔部的中心部以预定宽度延伸的槽，此槽顶端处的转子轭铁的残余厚度与此槽宽满足下述关系：0.3≤残余厚度/槽宽≤0.7。

若是加大槽宽则与减薄残余厚度是等效的，这从减小从动力矩观点考虑是不利的，相反，若是加大残余厚度则不利于加大驱动力矩，因此，通过加大槽宽来增大驱动力矩和加大转子轭铁的残余厚度来减少从动力矩一事便成为二律背反的现象，对这两者的比，若是优先考虑增大驱动力矩则应将其设定得较小，若是优先考虑减小从动力矩则应将其设定得较大。但若是设定为0.3≤残余厚度/槽宽≤0.7则能有效地兼顾驱动力矩与从动力矩两方。

如上所述，根据本发明，在外转子的转子轭铁于各永磁铁间具有附加极部的永磁式回转电动机中，能有效地兼顾驱动力矩与从动力矩两方。因此，当把该永磁式回转电动机用作发电机时不会加大从动力矩，而把它用作起动电动机时则又能增大驱动力矩。

附图说明

图1是把本发明的永磁式回转电动机用作其起动机兼发电机装置的小型摩托车的整体侧视图。

图2是沿图1的摆动单元中曲轴的剖面图。

图3是起动机兼发电机装置(永磁式回转电动机)的回转轴(曲轴)于垂直平面上一部分的局部平面图。

图4是图3的侧视部面图。

图5是转子轭铁的平面图。

图6是转子轭铁的侧视图。

图7是转子轭铁的局部放大图。

图8是起动机兼发电机装置的控制系统框图。

图9用于说明设于转子轭铁中的槽与空隙部的功能(电动时)。

图10用于说明设于转子轭铁中的槽与空隙部的功能(发电时)。

图11示明本发明的第二实施形式的转子轭铁的平面形状。

图12是示明永磁铁插穿到图11孔部中状态的局部放大图。

图13是示明本发明的第三实施形式的转子轭铁的平面形状。

图14是示明永磁铁插穿到图13孔部中状态的局部放大图。

图15是示明本发明的第四实施形式的转子轭铁的平面形状。

图16是示明永磁铁插穿到图15孔部中状态的局部放大图。

图17是示明本发明的第五实施形式的转子轭铁的平面形状。

图18是示明永磁铁插穿到图17孔部中状态的局部放大图。

图19是示明本发明的第六实施形式的转子轭铁的平面形状。

图20是示明永磁铁插穿到图19孔部中状态的局部放大图。

图21是图9的局部放大图。

图22是图10的局部放大图。

图23是示明槽前端的转子轭铁的残余厚度H与槽宽W之比(H/W)与驱动力矩关系的曲线图。

图24是示明槽前端的转子轭铁的残余厚度H与槽宽W之比(H/W)与从动力矩关系的曲线图。

具体实施方式

下面参考附图详述本发明。图1是适合将本发明的永磁式回转电动机用作其起动机兼发电机装置的小型摩托车的整体侧视图。

将车体前部3a与车体后部3b通过低的底板4连接而构成车体骨干的车架，基本上是由下行管6与总管7构成。燃油箱与存放箱(都未图示)由总管7支承，总管7上方设有座位8。

在车体前部3a，于其上方设有由转向节叉5作轴支承的手柄11，而于下方延伸出前车架12，前车架12的下端有轴支承的前轮FW。

手柄11的上部由兼用作仪表板的手柄盖覆罩。总管7的上升部的下端突出地设置着托架15，托架15通过连杆部件16对摆动单元的悬架12作自由摆动的连接。

摆动单元2的前部设有单缸二冲程的内燃机E。从内燃机E朝后构成了无级变连机26。在其后部通过离心式离合器由所设的减连机构27对后轮RW作轴支承。在减连机构27的上端与总管7的上部弯曲段之间设有后缓冲器22。在摆动单元2的前部设有与从内燃机E延伸出的吸气管23相连的化油器24以及与化油器24连接的空气滤清器25。

图2是沿曲轴201剖开上述摆动单元2的剖面图，与前图中相同的标号表示相同或等同的部分。

摆动单元2覆盖住由左右曲轴箱202L、202R组合成的曲轴箱202，曲轴201在曲轴箱202R中由固定于曲轴箱202R中的轴承208、209作可自由旋转的支承。曲轴201通过曲柄销231与连杆(未图示)连接。

左曲轴箱202L兼用作皮带式无级变速箱，在延伸到左曲轴箱202L的曲轴201上可回转地设置着皮带驱动的皮带轮210。皮带轮210由固定侧的皮带轮半体210L和可动侧的皮带轮半体210R组成，固定侧皮带轮半体210通过凸台211固定于曲轴201的左端部，在其右侧，可动侧皮带轮半体210R经花键嵌合到曲轴201上，并能够与固定侧皮带轮半体210L接近/背离。在两个皮带轮半体210L与210R之间跨绕着三角皮带212。

在可动侧皮带轮半体210R的右侧，凸轮盘215固定于曲轴201上，设于其外同端的滑动件215a与在可动侧皮带轮半体210R外周端上沿轴向形成的凸轮盘滑动凸台部210Ra作可自由滑动的结合，可动侧皮带轮半体210R的凸轮盘215具有在外周附近向凸轮盘215一方倾斜的锥面，此锥面与可动皮带轮半体210R之间的空隙收纳着干重球216。

当曲轴201的转速增加，在可动侧皮带轮半体210R与凸轮盘215之间一起转动的上连于重球216由于离心力而沿离心方向移动，可动侧皮带轮半体210R为于重球216压迫左移，与固定侧皮带轮半体210L接近，结果，夹于两个皮带轮半体210L与210R间的三角皮带212便沿离心方向移动，使其跨绕直径加大。

在车辆后部设有与上述皮带驱动的皮带轮210相对应的从动皮带轮(未图示)，三角皮带212跨绕到此从动皮带轮上。借助此皮带传动机构，内燃机E的动力能自动调节传递给离心式离合器，通过前述的减速机构驱动后轮RW。

在右曲轴箱202R内，设有将起动电动机与交流发电机组合成的起动机兼发电机发置1.在起动机兼发电装置1中将外转子60由螺栓253固定到曲轴201的前端锥部之上。设于上述外转子60内侧的内定子50由螺栓279螺合支承于曲轴箱202内。有关此起动机兼发电机装置1的结构，在后面参看图3～7详述。

风扇280的中央圆锥部280a的裙部由螺栓246固定到外转子60上，风扇280通过散热器282由风扇罩281覆盖。

曲轴201上于起动机兼发电机装置1和轴承209之间固定有链轮231，在此链轮231上跨绕着用于由曲轴201驱动的凸轮轴(未图示)的链，此外，上述链轮213是与用来将动力传递给使润滑油循环的泵的齿轮232形成整体。

图3与4分别是在起动机兼发电机装置1(永磁式回转电动机)的回转轴垂直面上的局部平面图及其侧视剖面图，图5与6分别是转子轭铁的平面图及其局部放大图，各图中与前述相同的标号表示相同或等同的部分。

本实施形式的起动机兼发电机装置1如图3与4所示，由定子50以及沿定子50外周回转凹外转子60构成，此外转子60包括如图4与5所示的将环状硅钢片(薄片)叠层成圆筒状构成的转子轭铁61；如图3与7所示的在沿转子轭铁61圆周方向所设的许多孔部611内交互插装的N极永磁铁62N和S部永磁铁62S；如图3与4所示的将前述转子轭铁61连接到所述曲轴201上的环形转子壳63。

上述转子壳63的圆周端部中具备有爪部63a，通过使该爪部63a向内曲折，上述叠层结构的转子轭铁61便沿轴向受到夹持，而插装于上述转达子轭铁61的孔部611内的各个永磁铁62(62N，62S)则保持于转子轭铁61内的所定位置中。

上述定子50由硅钢片(薄片)叠层构成，如图3所示，包含定子铁心51与定子凸极52。各个定子凸极52上的单极集中方式卷绕有定子绕组53，定子50的主面由保护盖71覆罩。

在前述转子轭铁61上，如图5、6所示，沿圆周方向按30°间隔形成了12个使所述磁铁62沿轴向插入的孔部611。各孔部611的沿圆周方向的两端部上形成有朝中心部按所定宽度延伸的槽614。在各相邻孔部611之间的空间则用作附加极部613。

各孔部611内，如图7所示，插入有剖面略呈鼓状的永磁铁62。在本实施形式中，前述孔部611的形状与永磁铁62的剖面形状不同，在永磁铁62插入孔部611内的状态下，在沿各永磁铁62的圆周方向的两侧部分形成有空隙612，而在各永磁铁62两端部的定子侧则留剩着前述的槽614。

图8是前述起动机兼发电机装置1的控制系统的框图，与前述各图相同的标号表示相同或等同的部分。

控制单元40包括：将蓄电池42的输出电压VBATT变换为逻辑电压VDD而供给CPU101的DC-DC变换器102；控制对IG线圈41的供电使火花塞43按所定时刻点火的点火控制装置103；将蓄电池电压VBATT变换为3相交流电供给于前述起动机兼发电机装置1的绕组53的3相驱动器104。

油门开度传感受器45探测油门开度Qth，通知CPU101。转子传感器46探测上述外转子60的回转位置，通知CPU101。调节器44根据外转子60的回转，将上述定子绕组53中发生的感应电动势控制到所定的蓄电池电压VBATT。

在上述结构下，当发动机起动时。CPU101根据转子传感器46探测出的外转子60的回转位置，确定定子绕组的励磁时刻，控制3相驱动器104各功率FET的转换时间，将交流电供给定子绕组53的各相，

3相驱动器104的各功率FET(Tr1-Tr6)由CPU101进行PWM控制，根据上述外转子60的转数控制其占空比即驱动力矩。

另一方面，当内燃机起动后，便中止从3相驱动器104给定子绕组53供电。这次起动机兼发电机装置1则由内燃机E从动式的驱动。此时的定子绕组53相应于曲轴201的转速产生电动势。此电动势由调节器44控制到蓄电池电压VBATT，供给电负载的同时将剩余的功率给蓄电池42充电。

下面参考图9与10说明设于上述转子轭铁61中的槽61以及轭铁61与永磁铁62之间形成的空隙部612的作用。

图9示明将此起动机兼发电机装置1用作起动电动机时的磁通密度分布。图10示明将此装置1用作发电机时的磁通密度分布。

在将上述装置1用作起动电动机时，当通过上述控制单元40由蓄电池42给各定子绕组53供给激励电流后，如图9所示，从激励N极的定子凸极52N沿发射方向产生的磁力线由S极永磁铁62S的定子侧表面引向里侧，其中多数的磁力线经由转子轭铁61的铁心部615与附加极部613，通过对相邻S极激励的定子凸极52S与定子铁心51，返回到激励3N极的定子凸极52N。

此时，在本实施形式中，沿各永磁铁62的圆周方向的两侧部中形成了空隙612，由于能减少从各永磁铁62的侧部到附加极部613的漏磁通磁力线的大部分便从各永磁铁62引向转子轭铁61的铁心部615，再经上述附加极部613到达定子50一方。结果由于通过外转子60与定子60间气隙的磁通中垂直分量增加，这同未设置上述空隙612的情形相比，可以加大驱动力矩。

再有，左本实施形式中，于永磁铁62两端部中的定子侧还形成了用于限制圆周方向磁路的槽614，因而也可减少通过转子轭铁61内侧的漏磁通。

具体地说，如在图21中将图9的虚线圆内部放大所示，槽614的一方(614A)阻碍了通过转子轭铁61中附加极部613的磁通B1导引到转子轭铁61的内侧圆周部616，而能将磁通B1的大部分有效地导引到定子凸极52S。槽614的另一方(614B)则阻挡从永磁铁62N通过转子轭铁61内侧圆周部616的磁通B2导引向附加极部613，而能将磁通B2的大部分有效地引导到定子凸极52S。结果，通过外转子60与定子50间气隙的磁通中垂直分量进一步增加，从而能进一步加大作为起动电动机的驱动力矩。

另一方面，当把此起动机兼发电机装置1用作发电机时，如图10所示。由于各永磁铁62产生的磁通与定子凸极和定子铁心一起形成了闭磁路，就能在定子绕组中产生与转子转数相对应的发电电流。

另外，本实施形式中将前述调节器所稳定的电压设定为14.5V，当此装置1在用作发电机时的输出电压达到上述稳定电压时，上述功率FET中接地的功率FET TR2、TR4与TR6将短路。于是短路电流将以迟后相位流向各定子绕组53，通过定子50内的磁力线减少，连接相邻永磁铁62间的漏磁通增大。结果可以减小引装置1的从动力矩而减少内燃机E的负荷。

具体地说，如图11中对图10中虚线圆内部所放大的情形所示，在相邻永磁铁62S与62N之间产生出经过转子轭铁61外侧圆周部617的磁通B3、经过转子轭转61附加极部613的磁通B4、经过转子轭铁61内侧圆周部616的磁通B5、经过转子轭铁61内侧圆周部616、气隙与定子凸极52N的磁通B6。

如上所述，根据本实施形式，在外转子60的转子轭铁61在各永磁铁间具有附加极部613的永磁式回转电动机中，由于在各永磁铁62与转子轭铁61之间设有空隙612和槽614，从而可以减少相邻永磁铁间的漏磁通，而增加与外转子60和定子50之间气隙部垂直交叉的磁通。这样，当把此永磁式回转电动机用作发电机时的从动力矩不会增大，但可增大其用作发电机时的驱动力矩。

从以上所述还可了解到，在把此永磁式回转电动机用作起动电动机时，如图21所示，由于槽614A与614B阻挡了磁通B1与B2而增大了驱动力矩，如图21右侧所放大的结果表明，各个槽614的宽度W最好越宽越好。

另一方面，在把此永磁式回转电动机用作起动电动机时，如图22所示，由于充分地保证了漏磁能B5的磁路而减少了从动力矩，如此图右侧所放大的结果表明，各槽614前端的转子轭铁的残余厚度H以越厚越好。

在此，若是增大槽宽W，由于图22的漏磁通B5减少，这等同于减薄前述的残余厚度H，从而不利于减小从动力矩。相反，若是加大槽前端的残余厚度H，由于减少了图21的磁通B1与B2的有效分量(导向定子一方的分量)，这等同于缩减了槽宽W，不利于加大驱动力矩。于是，增宽槽宽W来加大驱动力矩与加大槽前端残余厚度来减小从动力矩成为二律背反现象，两者的比(H/W)在优先考虑增大驱动力矩时需设定得较小，而当优先考虑减小从动力矩时则应设定得较高。

图23与24分别将上述比(H/W)同驱动力矩(图23)与从动力矩(图24)的关系，以上述槽614前端中转子轭铁的残余厚度H为参数予以示明。图24的从动力矩示明的是其绝对值递增的情形。

驱动力矩如图23所示，表明了随(H/W)的减少而增大的倾向，但当(H/W)下降到约0.3后，增大率变小。与此相反，从动力矩如图24所示，表现出随(H/W)的增大而增加的倾向，但当(H/W)下降到约0.3时则增大率增加。由此可知，最好将槽宽W与残余厚度H二者的比(H/W)设定为≥0.3。

另外，从动转短的减小率如图24所示，从(H/W)超过0.5处起有衰减的倾向，而驱动力矩的减少率则当(H/W)在0.5～0.7时减小的倾向。因而可以认为应将此(H/W)设定为≤0.7，而最好是在0.5附近。

根据以上试验结果可知，若在本实施形式中将(H/W)设定到0.3～0.7，则能有效地兼顾驱动力矩与从动力矩两方。

图11示明了本发明第二实施形式的转子轭铁61a的平面形状，图12是示明永磁铁62a插入上述转子轭铁61的孔部611a中时的状态的局部放大图，与前述图中相同的标号表示相同或等同的部分。

本实施形式中，转子轭铁61a的孔部611a大致呈台形，剖面为矩形的永磁铁62a插入此孔部611a内。结果，在沿永磁铁62a圆周方向的两侧部分中形成了用于防止相邻永磁铁62a之间漏磁通的空隙612a而在各永磁铁62a的两端中的定子一方也形成了用于限制圆周方向磁路的槽614a，从而可以获得与前述相同的效果。

图13示明本发明第三实施形式的转子轭铁61b的平面形状，图14是示明永磁铁62b插入此转子轭铁61b的孔部611b中时的状态的局部放大图，与前述图中相同的标号表示相同或等同的部分。

本实施形式中，转子轭铁61b的孔部611b呈异形鼓状，剖面呈鼓形的永磁铁62b即插入此孔部611b内。结果在永磁铁62b的沿圆周方向的两侧部分中形成了用于在相邻永磁铁626之间防止漏磁通的空隙612b，而在各永磁铁62b两端部中的定子一方也形成了用于限制圆周方向磁路的槽614b，从而可以获得与前述相同的效果。

图15示明本发明第四实施形式的转子轭铁61c的平面形状，图16是示明永磁铁62c插入此转子轭铁61c的孔部611c中时的状态的局部放大图，与前述图中相同的标号表示相同或等同的部分。

本实施形式中，转子轭铁61c的孔部611c取在鼓状部两侧设有切口的异形，剖面呈鼓形的永磁铁62c即插入孔部611c内。结果在沿永磁铁62c圆侧方向的两侧部分中形成了用于防止在相邻永磁铁62c之间漏磁通的空隙612c而在各永磁铁62c两端部中的定子一方也形成了用于限制圆周方向磁路的槽614c，从而可以获得与前述相同的效果。

图17示明本发明第五实施形式的转子轭铁61d的平面形状，图18是示明永磁铁62d插入此转子轭铁61d的孔部611c中时的状态的局部放大图，与前述图中相同的标号表示相同或等同的部分。

本实施形式中，转子轭铁61d的孔部611d取异形鼓状，剖面呈鼓形的永磁铁62d插入此孔部611d内。结果在永磁铁62d的沿圆周方向的两侧部分中形成了用于防止相邻永磁铁62d之间漏磁通的空隙612d。

再者，于上述孔部611d之外，在相当于各永磁铁62d两端部的转子轭铁61d的内周部上将用于限制圆周方向磁路的槽614d形成切口的形状，能获得与前述相同的效果。

图19示明本发明第六实施形式的转子轭铁61e的平面形状，图20是示明永磁铁62c插入此转子轭铁61e的孔部611e中时的状态的局部放大图。与前述图中相同的标号表示相同或等同的部分。

本实施形式中，转子轭铁61e的孔部611e取异形鼓状，剖面呈鼓形的永磁铁62e插入此孔部611e内。结果在永磁铁62e的沿圆周方向的两侧部分中形成了用于防止相邻永磁铁62e之间漏磁通的空隙612e，各永磁铁62e的两端部中定子一方也形成了用于限制圆周方向磁路的槽614e，能取得与前述相同的效果。

Claims (3)

1.一种永磁式回转电动机，在沿定子外周回转的略呈筒形状的转子轭铁的圆周方向上设置有夹持着附加极(613)的多个磁铁插入孔(611)，各个磁铁插入孔内插入有永磁铁，其中该附加极(613)是设置在转子轭铁上的在各磁铁插入孔之间的附加极，其特征在于，所述磁铁插入孔包括能插入所述永磁铁的主孔部和从此主孔部的沿圆周方向的两个端部朝向此主孔部的中心部以预定宽度(W)延伸的槽，此槽顶端处的转子轭铁的残余厚度(H)与此槽宽(W)满足关系：0.3≤残余厚度(H)/槽宽(W)≤0.7。

2.根据权利要求1所述的永磁式回转电动机，其特征在于，上述残余厚度(H)/槽宽(W)约为0.5。

3.根据权利要求1或2所述的永磁式回转电动机，其特征在于，所述永磁式回转电动机在未达到预定转速时起到电动机的作用，而在达到预定转速以上的转速时起到发电机的作用。

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