包括具有适当布置的励磁线圈、永磁体和凸极结构的转子的改进的同步电机.pdf

本发明涉及包括具有适当布置的励磁线圈、永磁体和凸极结构的转子的改进的同步电机。一种同步电机的转子，其包括旋转轴，多个节片，多个永磁体，以及励磁线圈。节片位于旋转轴的径向外侧，并且在旋转轴的圆周方向上以预定的节矩排列，在各节片之间形成间隔。每个节片具有构成磁阻部的凹口，以及构成凸极部的一对相对末端。每个永磁体设置在节片之间的一个间隔中，并且其N和S极具有预定的取向。励磁线圈缠绕节片，从而沿着旋转轴的圆周方向延伸穿过节片的凹口。当通上直流电流时，励磁线圈产生使每个节片的一对末端沿相反方向磁化的磁

1、  一种同步电机，包括定子和被定子环绕的转子，该定子包括定子芯和多相定子线圈以产生旋转磁场，该转子包括：
转子围绕其旋转的旋转轴；
多个由软磁材料制成的节片，该节片位于旋转轴的径向外侧，并且在旋转轴的圆周方向上以预定的节矩排列，且在各节片之间形成间隔；每个节片具有凹口和一对末端；该凹口形成在节片的周向中心部分并且从转子的径向外周径向地向内凹进以构成磁阻部；该对末端在旋转轴的圆周方向上彼此相对，并且在该对末端之间设置有该凹口，从而各自地构成一对凸极部；
多个永磁体，每个永磁体设置在节片之间的一个间隔中，并且属于第一组和第二组中的一个；第一组永磁体与第二组永磁体在旋转轴的圆周方向上交替排列；每个第一组永磁体的N(北)极沿顺时针方向位于其S(南)极的前面，每个第二组永磁体的N极沿逆时针方向位于其S极的前面；以及
励磁线圈，其缠绕在节片周围以沿着旋转轴的圆周方向延伸穿过节片的凹口；励磁线圈配置为当通上直流电流时，产生使每个节片的一对末端沿相反方向磁化的磁通量。

2、  根据权利要求1所述的同步电机，其中转子还包括多个第二永磁体，并且
每个第二永磁体设置在对应的一个节片的凹口中，并且其N和S极沿旋转轴的圆周方向彼此相对以便使该对应的节片沿着与励磁线圈相反的方向磁化。

3、  根据权利要求1所述的同步电机，其中转子配置为具有由软磁材料制成的伦德尔式转子芯，并且
转子的每个节片由转子芯的周向相邻的一对爪极部构成。

4、  根据权利要求1所述的同步电机，其中转子还包括多个软磁构件和第二励磁线圈，
每个软磁构件与对应的一个永磁体并联连接，从而使该对应的永磁体磁短路，并且
第二励磁线圈缠绕软磁构件以沿着旋转轴的圆周方向延伸，以便允许通过控制提供给第二线圈的励磁电流而控制在软磁构件中流动的磁通量。

5、  根据权利要求4所述的同步电机，其中转子配置为具有由软磁材料制成的伦德尔式串列转子芯，并且
转子的每个节片和软磁构件由转子芯的周向相邻的一对爪极部构成。

6、  根据权利要求1所述的同步电机，其中定子芯围绕转子以沿着旋转轴的径向面对转子，
定子芯包括在定子芯的径向内周上形成为径向向内突出的多个定子齿，
定子齿在旋转轴的圆周方向上以预定的节矩排列，并在各定子齿之间形成槽，并且
Tw＜Mw，其中Tw是每个定子齿在其径向内端处的周向宽度，并且Mw是每个永磁体在其径向外端处的周向宽度。

7、  根据权利要求7所述的同步电机，其中每个定子齿在其径向内端处形成有沿着与转子的旋转方向相反的方向突出的突起，
该突起沿着与转子的旋转方向相反的方向逐渐变细，使得Tb＞Td，其中Tb是突起在突起的底部处沿着旋转轴的径向的宽度，并且Td是突起在突起的顶部处沿着该径向的宽度，
突起的突出高度Tc基本上等于Tb，
定子齿的限定一个槽的每对侧壁基本上彼此平行，并且
Te＞2Tc，其中Te是每个槽在其径向内端处的周向宽度。

包括具有适当布置的励磁线圈、永磁体和凸极结构的转子的改进的同步电机
技术领域
本发明总体上涉及电机。更具体地，本发明涉及改进的同步电机，其包括具有励磁线圈、永磁体和凸极结构的转子。
背景技术
例如，从首次公开号为H11-89193和2006-121821的日本专利中已知一种同步磁阻电机，其包括具有凸极结构的转子和具有定子线圈的定子。
在凸极结构中，多个凸极部与多个磁阻部在电机的圆周方向上以(π/2)的电角节矩交替排列。另一方面，当通上正弦交流电流时，定子线圈产生旋转磁场。该旋转磁场与转子的旋转同步，产生磁阻转矩。
此外，由转子上的d和q轴定义旋转坐标系，可以将磁阻转矩表示为(Ld-Lq)×Id×Iq，其中Ld是电机的d轴电感，Lq是电机的q轴电感，Id是电机的d轴电流(即提供给定子线圈的交流电流的d轴分量)，并且Iq是电机的q轴电流(即提供给定子线圈的交流电流的q轴分量)。另外，随同转子一起旋转的旋转坐标系定义为使得电机的电感沿d轴方向最高并且沿q轴方向最低。
此外，还已知多种类型的凸极结构，例如磁障式和节片式。然而，对于那些已知的类型，由于用于产生旋转磁场的交流电流的损耗而导致电机的效率减少，从而使电机的功率密度降低。因此，期望增大电机的凸极比率(Ld/Lq)，从而增大电机的磁阻转矩。
此外，在已知的同步磁阻电机中，通过将交流电流提供给定子线圈而产生在定子和转子之间传递的所有磁通量。通常地，定子线圈配置为具有相对少的匝数，以减少定子线圈的电抗。因此，为了产生所有磁通量，必须将相对强的交流电流提供给定子线圈。然而，这将会增加定子线圈的铜损(或欧姆损耗)，从而降低电机的效率。
或者，可以通过使用在其上缠绕有励磁线圈的伦德尔式转子芯而在转子侧产生磁通量。然而，在这种情况下，励磁线圈要通上直流电流；此外，励磁线圈会具有相对多的匝数以减小提供到其上的直流电流。因此，将难以迅速改变由电机产生的转矩。
为了解决上述问题，可以考虑使用IPM(内嵌式永磁体)同步电机，其具有嵌入转子中的凸极结构和永磁体；因此该IPM电机可以产生磁阻转矩和磁体转矩(即，通过利用由永磁体产生的磁通量而产生的转矩)。然而，在这种情况下，为了在电机的低速下产生高的磁体转矩，要求永磁体能够产生强磁通量；这会使永磁体价格昂贵。另一方面，在电机的高速下，由永磁体产生的强磁通量会在电机的定子线圈中感应出大的反电动势。为了克服该大的反电动势，必须将大的交流电流提供给定子线圈；这会显著增加定子线圈的铜损。
发明内容
根据本发明，提供了一种同步电机，其包括定子和被定子环绕的转子。定子包括定子芯和多相定子线圈以产生旋转磁场。转子包括转子围绕其旋转的旋转轴，多个由软磁材料制成的节片，多个永磁体，以及励磁线圈。节片位于旋转轴的径向外侧，并且在旋转轴的圆周方向上以预定的节矩排列，在各节片之间形成间隔。每个节片具有凹口和一对末端。凹口形成在节片的周向中心部分，并且从转子的径向外周径向地向内凹进，以构成磁阻部。该对末端在旋转轴的圆周方向上彼此相对，并且在其间设置有凹口，从而各自构成一对凸极部。每个永磁体设置在节片之间的一个间隔中，并且属于第一和第二组中的一个。第一组永磁体与第二组永磁体在旋转轴的圆周方向上交替排列。每个第一组永磁体的N(北)极沿顺时针方向位于其S(南)极的前面。每个第二组永磁体的N极沿逆时针方向位于其S极的前面。励磁线圈缠绕在节片周围以便沿着旋转轴的圆周方向延伸穿过节片的凹口。励磁线圈配置为当通上直流电流时，产生使每个节片的一对末端沿相反方向磁化的磁通量。
根据本发明的一个优选实施例，转子还包括多个第二永磁体。每个第二永磁体设置在对应的一个节片的凹口中，并且其N和S极沿旋转轴的圆周方向彼此相对以便使该对应的节片沿着与励磁线圈相反的方向磁化。
根据本发明的另一个优选实施例，转子配置为具有由软磁材料制成的伦德尔式转子芯。转子的每个节片由转子芯的周向相邻的一对爪极部构成。
根据本发明的再一个优选实施例，转子还包括多个软磁构件和第二励磁线圈。每个软磁构件与对应的一个永磁体并联连接，从而使该对应的永磁体磁短路。第二励磁线圈缠绕在软磁构件周围以沿着旋转轴的圆周方向延伸，从而允许通过控制提供给第二线圈的励磁电流而控制在软磁构件中流动的磁通量。
优选地，转子配置为具有由软磁材料制成的伦德尔式串列转子芯。转子的每个节片和软磁构件由转子芯的周向相邻的一对爪极部构成。
根据本发明的另一个优选实施例，定子芯围绕转子以沿着旋转轴的径向面对转子。定子芯包括在定子芯的径向内周上形成为径向向内突出的多个定子齿。定子齿在旋转轴的圆周方向上以预定的节矩排列，并在各定子齿之间形成槽。此外，Tw＜Mw，其中Tw是每个定子齿在其径向内端处的周向宽度，并且Mw是每个永磁体在其径向外端处的周向宽度。
优选地，每个定子齿在其径向内端处形成有沿着与转子的旋转方向相反的方向突出的突起。该突起沿着与转子的旋转方向相反的方向逐渐变细，使得Tb＞Td，其中Tb是突起在突起的底部处沿着旋转轴的径向的宽度，并且Td是突起在突起的顶部处沿着该径向的宽度。突起的突出高度Tc基本上等于Tb。定子齿的限定一个槽的每对侧壁基本上彼此平行。此外，Te＞2Tc，其中Te是每个槽在其径向内端处的周向宽度。
附图说明
从下面给出的详细描述和本发明的优选实施例的附图将会更充分地理解本发明，然而，这些不应被用来将本发明限制为具体实施例，而仅是用于解释和理解的目的。
在附图中：
图1是显示用于为根据本发明的第一实施例的同步电机供电的电路的示意性原理框图；
图2是显示根据第一实施例的同步电机的转子的整体结构的示意图，其中沿其轴向观看转子；
图3是图2的转子的示意图，其示出了根据第一实施例的同步电机中磁阻转矩的产生；
图4是图2的转子的示意图，其示出了根据第一实施例的同步电机中“磁体转矩”的产生；
图5是图2的转子的示意图，其示出了根据第一实施例的同步电机中“励磁电流转矩”的产生；
图6是显示根据本发明的第二实施例的转子的整体结构的示意图，其中沿其轴向观看转子；
图7是显示根据本发明的第三实施例的转子的整体结构的示意图，其中沿其轴向观看转子；
图8是图7的转子的圆周展开图，显示转子的径向外表面；
图9是示出了图7的转子的变型的示意性透视图；
图10是显示根据本发明的第四实施例的转子的整体结构的示意图，其中沿其轴向观看转子；
图11是显示根据本发明的第五实施例的转子的整体结构的示意性侧视图；
图12是图11的转子的圆周展开图，显示转子的径向外表面；
图13是显示对照同步电机的一部分的示意性横截面图；
图14是显示根据本发明的第六实施例的同步电机的一部分的示意性横截面图；
图15是显示根据本发明的第七实施例的同步电机的一部分的示意性横截面图；以及
图16是示出图15的同步电机的设计理念的示意性横截面图。
具体实施例
下面将参照图1-16描述本发明的优选实施例。
应该注意，为了清楚和理解，在本发明的不同实施例中具有相同功能的相同部件已经尽可能在每幅图中由相同的附图标记。
[第一实施例]
图1示出了用于为根据本发明的第一实施例的同步电机供电的电路。图2示出了该同步电机的转子的整体结构。
在图1中，附图标号1表示同步电机，其是内转子式的；附图标号2表示三相逆变器；附图标号3表示励磁电流控制电路；附图标号4表示控制器，其配置有微型计算机并且起到控制逆变器2和励磁电流控制电路3的功能；附图标号50表示电池；以及附图标号60表示滤波(平滑)电容器。
同步电机1包括定子6和被定子6环绕的转子7。在本实施例中，定子6具有一种众所周知的结构，其中三相定子线圈10安装在定子芯的槽中；因此在图1和2中未示出定子6。三相定子线圈10由星形连接的U相线圈1U、V相线圈1V和W相线圈1W组成。另一方面，转子8被定子6环绕并且包括励磁线圈14。
逆变器2将从电池5输出的直流功率转换为三相交流功率。然后将获得的三相交流功率提供给电机1的定子线圈10。另外，应该理解，同步电机1也可以通过将逆变器2操作为三相全波整流器而起到同步发电机的作用。励磁电流控制电路3控制提供给转子7的励磁线圈14的直流励磁电流。
控制器4接收从旋转角传感器输出的旋转角信号和从外部设备或电路输出的转矩指令；旋转角信号指示由旋转角传感器感测的转子7的旋转角；转矩指令指示电机1的目标转矩。然后，控制器4基于接收的旋转角信号和转矩指令而确定目标三相交流电流和目标励磁电流If。此后，控制器4向逆变器2输出第一指令信号，从而命令逆变器2向电机1的定子线圈10输出目标三相交流电流；控制器4还向励磁电流控制电路3输出第二指令信号，从而命令励磁电流控制电路3向电机1的励磁线圈14输出目标励磁电流If。
用于为同步电机1供电的电路与用于为普通的励磁线圈式同步电机供电的电路基本相同。因此，在下文中省略了对该电路的更详细的解释。
接下来，将参照图2描述同步电机1的转子7的结构。
在本实施例中，转子7包括旋转轴8以围绕其旋转。转子7还包括多个(例如图2中的10个)节片11，多个永磁体13，以及励磁线圈14。
节片11由软磁材料制成，并且位于旋转轴8的径向外侧。此外，节片11在旋转轴8的圆周方向上以预定的节矩排列，并在其间形成间隔12。
每个节片11基本为“C”形，以具有凹口110和一对末端111。凹口110形成在节片11的周向中心部分中，并且从转子7的径向外周径向地向内凹进。凹口110构成磁阻部10。该对末端111在旋转轴8的圆周方向上彼此相对，凹口110设置在它们之间。每个末端111构成凸极部111。
所有的磁阻部110和凸极部111一起构成转子7的凸极结构。在该凸极结构中，磁阻部10和凸极部111在旋转轴8的圆周方向上以(π/2)的电角节矩排列。因此，采用该凸极结构，电机1可以起到同步磁阻电机的作用，以产生磁阻转矩。
此外，在转子7中，每个相邻对的一个节片11和一个间隔12在旋转轴8的圆周方向上的宽度的总和等于π的电角度。因此，每个节片11的该对末端(即凸极部111)以大约π的电角度彼此分离。
每个永磁体13设置在节片11之间的一个间隔12中。在本实施例中，将所有的永磁体13分为第一和第二组。每个第一组永磁体13的N(北)极，沿顺时针方向位于其S(南)极的前面。因此，每个第一组永磁体13使邻近永磁体13的一对节片11沿顺时针方向磁化。另一方面，每个第二组永磁体13的N极，沿逆时针方向位于其S极的前面。因此，每个第二组永磁体13使邻近永磁体13的一对节片11沿逆时针方向磁化。此外，第一组永磁体13与第二组永磁体13在旋转轴8的圆周方向上交替排列。
因此，也可以将转子7的节片11分为第一和第二组。每个第一组节片11被邻近该节片11的两个永磁体13的N极磁化，从而具有N极性。另一方面，每个第二组节片11被该邻近节片11的两个永磁体13的S极磁化，从而具有S极性。此外，第一组节片11与第二组节片11在旋转轴8的圆周方向上交替排列。因此，在电机1中形成磁路，其中由永磁体13产生的磁通量流出第一组节片11，经过定子6，然后流入第二组节片11。因此，由于该磁路，电机1也可以起到永磁式同步电机的作用，以产生“磁体转矩”(即，通过利用由永磁体13产生的磁通量而产生的转矩)。
励磁线圈14在节片11周围缠绕成顺次经过节片11的凹口110以沿着旋转轴8的圆周方向延伸。当通上直流励磁电流If时，励磁线圈14产生使每个节片11的一对凸极部111沿相反方向磁化的磁通量。因此，由于转子7的励磁线圈14，电机1也可以起到励磁线圈式同步电机的作用，以产生“励磁电流转矩”(即，通过利用将励磁电流If提供给励磁线圈14而产生的磁通量而产生的转矩)。
因此，根据本实施例的同步电机1，通过适当地控制定子电流(即提供给定子线圈10的三相交流电流)和励磁电流If，可以产生磁阻转矩、磁体转矩和励磁电流转矩。
现在将参照图3-5描述磁阻转矩、磁体转矩和励磁电流转矩之间的关系。
图3示出了同步电机1中的磁阻转矩的产生，其中忽略了磁体转矩和励磁电流转矩的产生。
首先，在转子7上定义旋转坐标系，其具有经过永磁体13的周向中心(即节片11之间的间隔12的周向中心)的d和-d轴，以及经过节片11的周向中心的q和-q轴。此外，设Ld为电机1的d轴电感；设Lq为电机1的q轴电感；设Id为电机1的d轴电流(即定子电流的d轴分量)；并且设Iq为电机1的q轴电流(即定子电流的q轴分量)。然后，由电机1产生的磁阻转矩Tr可以表示为(Ld-Lq)×Id×Iq。
在本实施例中，在q和-q轴之间的磁路中设有节片11的两个凹口110和节片11之间的一个间隔12，从而使q轴电感Lq较小。因此，可以使磁阻转矩Tr较大。
图4示出了同步电机1中的磁体转矩的产生，其中忽略了磁阻转矩Tr和励磁电流转矩的产生。
由永磁体13产生的磁通量Фm流入第二组节片11(例如图4中的左边的节片)，经过节片11之间的间隔12，然后朝向定子6流出第一组节片11(例如图4中的右边的节片)。如上所述，第一组节片11被永磁体13磁化而具有N极性，而第二组节片11被永磁体13磁化而具有S极性。
假设在节片11没有磁饱和的理想条件下，对于每个节片11，磁通量Фm平均分配给节片11的一对凸极部111。因此，如图4所示，可以等效地认为磁通量Фm沿着包括q和-q轴的磁路流动。结果，由同步电机1产生的磁体转矩Tm变成等于Фm×Id。
图5示出了同步电机1中的励磁电流转矩的产生，其中忽略了磁阻转矩Tr和磁体转矩Tm的产生。
通过将励磁电流If提供给励磁线圈14而产生的磁通量Фi流出邻近第一组永磁体13的节片11的那些凸极部111，经过定子6，然后流入邻近第二组永磁体13的节片11的那些凸极部111。如上所述，每个第一组永磁体13的N极沿顺时针方向位于其S极的前面，而每个第二组永磁体13的N极沿逆时针方向位于其S极的前面。
例如，在图5中示出的三个永磁体13中，只有位于中央的一个永磁体属于第一组，而另外两个永磁体属于第二组。因此，磁通量Фi流出邻近位于中央的永磁体13的两个凸极部111，经过定子6(图5中未示出)，然后流入其余的凸极部111。
再次假设在节片11没有磁饱和的理想条件下，对于每个永磁体13，磁通量Фi平均分配给邻近永磁体13的一对凸极部111。因此，如图5所示，可以等效地认为磁通量Фi沿着包括d和-d轴的磁路流动。结果，由同步电机1产生的励磁电流转矩Ti变成等于Фi×Iq。
因此，在本实施例中，由同步电机1产生的总的转矩等于(Tr+Tm+Ti)，即，((Ld-Lq)×Id×Iq+Фm×Id+Фi×Iq)。
此外，在本实施例中，第一组永磁体13与第二组永磁体13在旋转轴8的圆周方向上交替排列；每个第一组永磁体13的N极沿顺时针方向位于其S极的前面；每个第二组永磁体13的N极沿逆时针方向位于其S极的前面。
从图3和4可以看出，由于永磁体13的上述布置，由永磁体13产生的磁通量Фm沿着q和-q轴以与通过将三相交流电流提供给定子线圈10而产生的磁通量Фq相反的方向流动。因此，磁通量Фq被磁通量Фm削弱，从而减小同步电机1的q轴电感Lq。
此外，在本实施例中，励磁线圈14在节片11的周围缠绕成经由节片11的凹口110而沿着旋转轴8的圆周方向延伸。当通上直流励磁电流If时，励磁线圈14产生使每个节片11的一对凸极部111沿相反方向磁化的磁通量Фi。
从图3和5可以看出，由于励磁线圈14的上述配置，通过将励磁电流If提供给励磁线圈14而产生的磁通量Фi沿着d和-d轴以与通过将三相交流电流提供给定子线圈10而产生的磁通量Фd相同的方向流动。因此，磁通量Фd被磁通量Фi加强，从而增大同步电机1的d轴电感Ld。
结果，由于减小的q轴电感Lq和增大的d轴电感Ld，同步电机1的磁阻转矩Tr增大。
此外，磁通量Фd、Фq、Фm和Фi一起以不同方式使节片11的凸极部111磁化。例如在图2中，在四个周向相邻的凸极部111A、111B、111C和111D中，凸极部111A被各磁通量磁化以形成强N极，而凸极部111C被各磁通量磁化以形成强S极；在凸极部111B和111D处，各磁通量被彼此抵消，从而凸极部111B和111D中的每一个形成O极(即非极性极)。
另外，通过适当地控制定子电流和提供给励磁线圈14的励磁电流If，可以防止节片11的凸极部111的磁饱和。
当同步电机1高速旋转时，由永磁体13产生的磁通量Фm可以在定子线圈10中感应出大的反电动势。在这种情况下，可以适当地控制定子电流以在定子线圈10中产生附加电动势，从而抵消由磁通量Фm感应出的反电动势。
在已将励磁电流If增大到其最大值的低速运行区域中，通过控制d轴电流Id和q轴电流Iq，可以调整由同步电机1产生的总的转矩。另一方面，在励磁电流If远小于其最大值的高速运行区域中，通过控制励磁电流If，可以调整由同步电机1产生的总的转矩。
[第二实施例]
参考图6，在本实施例中，转子7还包括多个永磁体15。
每个永磁体15设置在对应的一个节片11的凹口110中，并且其N和S极沿旋转轴8的圆周方向彼此相对，以便在与励磁线圈14磁化对应的节片11的方向相反的方向上使对应的节片11磁化。
因此，每个永磁体15的N和S极沿着与两个相邻的永磁体13中的一个(例如图6中的右边的永磁体)的N和S极相同的方向、并且沿着与另一个永磁体(例如图6中的左边的永磁体)的N和S极相反的方向取向。
结果，在图6中，在四个周向相邻的凸极部111A、111B、111C和111D中，凸极部111A和111C的磁化被永磁体15加强，而凸极部111B和111D的磁化被永磁体15削弱。
因此，采用永磁体15，可以增大由同步电机1产生的总的转矩，尤其是在第一实施例中解释的磁体转矩。
此外，在本实施例中，每个永磁体15与对应的节片11并联磁连接。因此，由永磁体15产生的磁通量通常被对应的节片11短路，几乎不流动到定子6。因此，当同步电机1已经被反向地操作为同步发电机并且将要停止发电操作时，由永磁体15产生的磁通量在定子线圈10中几乎不感应出电流。此外，当同步电机1以高速旋转时，由永磁体15产生的磁通量在定子线圈6中几乎不感应出大的反电动势；因此不必在定子线圈10中产生附加电动势以抵消反电动势。另一方面，当需要大转矩时，通过适当地控制定子电流和提供给励磁线圈14的励磁电流If，也可以使由永磁体15产生的磁通量流动到定子6。
[第三实施例]
参考图7，在本实施例中，转子7配置为具有伦德尔式转子芯，其由一对由软磁材料制成的转子芯片7A和7B组成。
转子芯片7A在图7中沿旋转轴8的轴向位于内侧，其包括圆柱形轴毂部71A(图7中不可见)和多个“L”形的爪极部72。轴毂部71A配装在旋转轴8上。每个爪极部72首先从轴毂部71A沿着旋转轴8的径向延伸，然后沿着旋转轴8的轴向朝向转子芯片7B延伸(即在图7中向外)。
转子芯片7B在图7中沿旋转轴8的轴向位于外侧，其包括圆柱形轴毂部71B和多个“L”形的爪极部74。轴毂部71B配装在旋转轴8上，以邻接转子芯片7A的轴毂部71A。每个爪极部74首先从轴毂部71B沿着旋转轴8的径向延伸，然后沿着旋转轴8的轴向朝向转子芯片7A延伸(即在图7中向内)。
转子芯片7A和7B被装配在一起，使得转子芯片7A的那些对爪极部72与转子芯片7B的那些对爪极部74交错。结果，每对周向相邻的一个爪极部72和一个爪极部74构成转子7的一个节片11；所有爪极部72和74中的每一个构成节片11的一个凸极部111。
因此，采用上述结构，可以容易地制造同步电机1的转子7。
另外，在图8中示出了根据本实施例的转子7的径向外表面。
[变型]
在图7所示的转子7中，对于每个永磁体13，邻近永磁体13的两个凸极部111(即两个爪极部72或两个爪极部74)经由轴毂部71A或71B而磁短路。因此，优选地使两个凸极部111中的至少一个与轴毂部71A或71B磁隔离。
例如，在图9中，使凸极部111C与轴毂部71A和71B分隔开。另外，尽管在图9中没有示出，但凸极部111C可以由轴毂部71A或71B中的任一个通过在其间插入的非磁性构件而机械地支撑。
[第四实施例]
参考图10，在本实施例中，转子7还包括多个由软磁材料制成的节片18和一个励磁线圈19。
每个节片18与对应的一个永磁体13并联连接，从而使对应的永磁体13磁短路。励磁线圈19缠绕节片18，以沿着旋转轴8的圆周方向延伸。
由于上述结构，当停止将励磁电流提供给励磁线圈19时，由永磁体13产生的磁通量大部分流向节片18，几乎不流向定子6。因此，当同步电机1已经被反向地操作为同步发电机并且将要停止发电操作时，由永磁体13产生的磁通量在定子线圈10中几乎不感应出电流。此外，当同步电机1以高速旋转时，由永磁体13产生的磁通量在定子6的定子线圈10中几乎不感应出大的反电动势。
此外，由于上述结构，通过控制提供给励磁线圈19的励磁电流，可以控制节片18中的磁通量的流动。
例如，为了完全消除从永磁体13到定子6的磁通量的流动，可以沿着与永磁体13相反的方向磁化节片18的方向将励磁电流提供给励磁线圈19。因此，变得不必将大的交流电流提供给定子线圈10用于抵消反电动势，否则由永磁体13产生的磁通量可能在定子线圈10中感应出反电动势。
另一方面，当需要大转矩时，可以沿着与永磁体13相同的方向磁化节片18的方向将励磁电流提供给励磁线圈19，从而允许由永磁体13产生的磁通量流动到定子6；也可以使由励磁线圈19产生的磁通量流动到定子6。
[第五实施例]
参考图11和12，在本实施例中，转子7配置为具有伦德尔式串列转子芯，其由三个转子芯片7A、7B和7C组成。
所有转子芯片7A、7B和7C都由软磁材料制成并配装在旋转轴8上，并且转子芯片7C夹在转子芯片7A和7B之间。
转子芯片7A包括圆柱形轴毂部71A和多个“L”形的爪极部75A。轴毂部71A配装在旋转轴8上。每个爪极部75A首先从轴毂部71A沿着旋转轴8的径向延伸，然后沿着旋转轴8的轴向朝向转子芯片7B延伸(即在图11中向右)。
转子芯片7B包括圆柱形轴毂部71B和多个“L”形的爪极部75B。轴毂部71B配装在旋转轴8上。每个爪极部75B首先从轴毂部71B沿着旋转轴8的径向延伸，然后沿着旋转轴8的轴向朝向转子芯片7A延伸(即在图11中向左)。
转子芯片7C包括圆柱形轴毂部71C和多个“T”形的爪极部75C。轴毂部71C具有比转子芯片7A和7B的轴毂部71A和71B小的轴向宽度，并且在轴毂部71A和71B之间配装在旋转轴8上。每个爪极部75C首先从轴毂部71C沿着旋转轴8的径向延伸，然后沿着旋转轴8的轴向既朝向转子芯片7A又朝向转子芯片7B延伸(即在图11中既向左又向右)。
转子芯片7A、7B和7C被装配在一起，使得转子芯片7A的每个爪极部75A构成转子7的凸极部111A；转子芯片7B的每个爪极部75B构成转子7的凸极部111C；并且转子芯片7C的每个爪极部75C构成转子7的凸极部111B或111D。结果，每对周向相邻的一个凸极部111A和一个凸极部111D构成转子7的一个节片11；每对周向相邻的一个凸极部111C和一个凸极部111B构成转子7的一个节片18。换句话说，转子芯片7A和7C一起构成节片11，而转子芯片7B和7C一起构成节片18。另外，励磁线圈14设置为置于转子芯片7B和7C之间的环的形式；励磁线圈19设置为置于转子芯片7B和7C之间的环的形式。
采用根据本实施例的上述转子7，可以实现与根据第四实施例的转子7相同的优点。
[第六实施例]
参考图13和14，在本实施例中，将描述同步电机1的定子6。
定子6包括围绕转子7的定子芯66和缠绕在定子芯66周围的三相定子线圈10(在图13和14中未示出)。
定子芯66具有多个定子齿66A，其形成在定子芯66的径向内周上，以径向向内(即在图13和14中向下)突出。定子齿66A在旋转轴8的圆周方向上以预定的节矩排列，并在其间形成槽9。每个定子齿66A在其径向内端具有周向宽度Tw。另一方面，在转子7的径向外周上，永磁体13与永磁体15交替排列。如之前的实施例所述，在转子7的节片11之间设置永磁体13，而在节片11内部设置永磁体15。每个永磁体13在其径向外端具有周向宽度Mw。
当定子齿66A的宽度Tw大于永磁体13的宽度Mw(即Tw＞Mw)时，如图13所示，磁通量在q和-q轴之间不但沿着磁路Dg1而且沿着磁路Dg2流动。沿着磁路Dg2流动的那部分磁通量构成漏磁通量，其导致q轴电感Lq的增大并且因此导致同步电机1的磁阻转矩Tr的减小。此外，漏磁通量随着定子齿66A的宽度Tw而增加。
鉴于上述情况，在本实施例中，定子齿66A的宽度Tw设定为小于永磁体13的宽度Mw(即Tw＜Mw)。此外，使定子齿66A的限定一个槽9的每对侧壁彼此平行。因此，q和-q轴之间的大部分磁通量沿着磁路Dg1流动，只剩下很小的一部分磁通量沿着磁路Dg2流动。结果，同步电机1的q轴电感Lq减小，从而增大了同步电机1的磁阻转矩Tr。
[第七实施例]
参考图15，在本实施例中，转子7沿方向Dr旋转。定子芯66的每个定子齿66A在其径向内端上形成有沿着与转子7的旋转方向Dr相反的方向突出的突起66B。
此外，该突起66B沿着突出方向逐渐变细，以具有梯形的横截面。因此，突起66B在突起66B的底部处沿旋转轴8的径向的宽度Tb大于突起66B在突起66B的顶部处沿该径向的宽度Td。
此外，在本实施例中，使突起66B的宽度Tb基本上等于突起66B的突出高度Tc。使每个槽9在其径向内端处的周向宽度Te大于两倍的突起66B的突出高度Tc(即Te＞2Tc)。
基于下面的考虑而设计上述突起66B。
参考图16，定子齿66A为大致“T”形。此外，使定子齿66A和转子7之间的径向空气间隙G沿旋转轴8的圆周方向为恒定。当转子7沿方向Dr旋转时，从定子齿66A到转子7的大部分磁通量沿着偏离径向的磁路Dm朝向与方向Dr相反的方向流动。此外，为了减少沿定子齿66A之间的磁路Dx的漏磁通量，优选地从每个定子齿66A切掉在图16中用虚线示出的矩形部66C和三角形部66B。此外，为了使磁通量可靠地沿着磁路Dm流动，优选地Tb＝Tc；否则，部分磁通量会沿着磁路Dx流动，形成漏磁通量。
由于突起66B的上述结构，因此可以减小q轴电感Lq，从而增大同步电机1的磁阻转矩Tr。
此外，在每个定子齿66A中设置突起66B之后，径向空气间隙G可以仍然沿旋转轴11的圆周方向保持恒定，从而避免电机1的效率降低。此外，由于Tb等于Tc，因此可以防止转子7的节片11的磁饱和。另外，由于Te大于2Tc，因此可以进一步可靠地抑制沿磁路Dx的漏磁通量，从而增大同步电机1的磁阻转矩Tr。
尽管已经示出并描述了本发明的上述具体实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不背离本发明的精神的情况下可以进行各种变型、改变和改良。