CN101154872B

CN101154872B - 风扇系统、电动机及凸极式马达

Info

Publication number: CN101154872B
Application number: CN2007101408535A
Authority: CN
Inventors: 榎本裕治; 天野寿人; 伊藤元哉; 森永茂树; 正木良三; 惠比根一秀; 远山雄二
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2006-09-25
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2027-08-10
Also published as: US20080074009A1; JP2008079471A; CN101154872A; DE102007040355A1

Abstract

本发明提供一种风扇系统、电动机及凸极式马达。在现有的凸极式马达中，因为是两相构造，因此在转矩波动大振动大的缺点、以及铁板的厚度和铁板自身的磁性特性的恶化的影响下，不能增大输出转矩，从而存在不能构成所期望的风扇系统的问题。另外，在这些马达中，也存在因下述原因而产生电蚀等问题，即在定子绕组产生的磁场发生涡电流等的影响下，从转子的轴承保持部经由轴承而漏电。风扇系统的结构为在马达部的一平面内配置有三相绕组。另外，与转子轴连接的转子部分用非导体构成。

Description

风扇系统、电动机及凸极式马达

技术领域

本发明涉及排气用风扇、换气扇、送风用风扇、冷却用风扇等用马达驱动的风扇系统、电动机及凸极式马达。

背景技术

风扇系统被用于通用机器的冷却及送风。这些风扇系统由于多数应用于常时间运转的用途中，因此，一方面要求高效率，另一方面要求振动、噪音小且小型化。通常，在这些风扇系统中使用马达作为驱动源。根据用途使用各种驱动马达，由在层叠了电磁钢板的定子铁心上实施绕线而构成的齿槽马达(slot teeth motor)来构成。风扇马达由“日本特开2001-231192号公报”、“日本特开平6-78486号公报”所示的马达构成，在定子铁心的轴向两侧，由被称为绕组端的绕组及以和该绕组不接触的方式配置的保持轴承的终端托架(end bracket)构成。

另外，作为降低振动、噪音的方法，如“日本特开平8-70550号公报”、“日本特开平6-30549号公报”、“日本特开平8-298740号公报”所示，通过提高定子和轴承部的组装精度、轴和转子的组装精度等各构件精度及组装精度，抑制由于其误差产生的轴晃动而造成的振动，以实现马达整体的振动、噪音降低。

另外，在制成薄型时优选绕组端不在轴向的马达，如“日本特许第3246724号公报”所示，考虑两相凸极式马达。

专利文献1：日本特开2001-231192号公报；

专利文献2：日本特开平6-78486号公报；

专利文献3：日本特开平8-70550号公报；

专利文献4：日本特开平6-30549号公报；

专利文献5：日本特开平8-298740号公报；

专利文献6：日本特许3246724号公报。

在上述专利文献1至5中，风扇系统的轴向尺寸由马达的定子铁心、位于其轴向两侧的绕组端、以及含有终端托架的马达的轴向长度决定。当使风扇系统薄型化时，受该马达的构造的影响其薄型化有一定的局限。

另外，在振动、噪音的问题中，由于转子轴和叶片的连接部细小，存在叶片相对于轴倾斜的问题。提高这些精度是很困难的。

在专利文献6所示的不存在绕组端的凸极式马达中，因为是两相构造，因此在转矩波动大振动大的缺点、以及铁板的厚度和铁板自身的磁性特性的恶化的影响下，不能增大输出转矩，从而存在不能构成所期望的风扇系统的问题。其原因在于：由于通过铁板弯曲来构成，因此不能提高磁铁的残留磁通密度；以及因涡电流从铁板中流过而引起的磁特性劣化及损失增大。

另外，在这些马达中，也存在因下述原因而产生电蚀等问题，即由于定子绕组产生的磁场发生涡电流等，从转子的轴承保持部经由轴承而漏电。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种风扇系统及电动机，其将风扇马达的轴向长度只作为有助于转矩产生的部分而薄型化，高效、振动噪音小、且也没有电蚀的问题。

在风扇系统中，马达部的结构为三相绕组配置在一平面内。

能够提供一种薄型、振动噪音小、且也没有电蚀问题的风扇系统及电动机。

附图说明

图1表示本发明风扇系统的横截面图；

图2表示本发明风扇系统的截面图；

图3表示本发明风扇系统的组装结构的立体图；

图4表示将本发明的马达结构用多个一相绕组构成时的例子；

图5表示通过变更磁铁形状来构成本发明的马达结构的例子；

图6表示现有的风扇系统结构；

图7表示本发明和现有的风扇系统的轴向长度的关系；

图8表示将双色成形配置在风扇上的薄型风扇系统的截面图。

符号说明

1、磁铁

2、轴

3、托架

4、定子芯

5、定子绕组

6、轴承

7、叶片

8、结合构件

9、控制基板

10、转子轭铁

具体实施方式

下面，根据附图说明本发明的实施例。

实施例1

图1通过截面图表示本发明薄型风扇系统的结构。驱动源的结构为：将具有多个相绕组的外旋型的凸极式马达配置在一平面内，并在其转子的轭铁的外侧配置叶片。凸极式马达的结构为：在定子芯4的内部内装定子绕组5，绕组端部分在定子芯的轴向未露出。在由该定子芯4和定子绕组5构成的定子上，以通过绝缘板等保证绝缘的方式安装控制基板9，构成定子组件。该定子组件以与保持轴承的托架3同轴度、直角度而配置，和通过轴承而保持的轴2相结合的转子轭铁10，配置于转子轭铁10上的磁铁和定子组件通过空隙在其外侧可旋转，这样构成凸极式马达部。在该凸极式马达的转子轭铁的外侧配置叶片，且和转子一起旋转而构成风扇系统。

在该风扇系统中，凸极式马达的有助于转矩的定子和转子相对置的部分可以占据风扇系统的轴向尺寸的一半以上。图2表示该风扇系统的轴向中心位置的截面图。如图所示，凸极式马达在1平面内具有三相绕组，其绕组端沿定子的中心方向卷绕，因此在轴向不配置绕组端部分。之所以设定三相是因为与二相比较能够减小转矩的波动。二相时，成为以电角度错开90度的波形重叠的转矩，其波动比较大，而三相时，成为以电角度120度的等节距的转矩波形的重叠，因此，可以使其波动大幅度降低。另外，绕组部分的中心，即定子芯的磁轭部分是外侧为圆弧状、内侧为直线的半圆柱体形状。由此，使有助于交链磁通的外侧圆弧状的绕组增多，使绕组端减少，而且，能够容易地进行保持绕组的整列性的绕线。

风扇的叶片在该例中显示8枚，但对于12齿、14级的马达，选定的叶片数避开了其转矩波动容易出现的次数的叶片数，由此，可以得到没有下述部位的马达，该部位因共振现象，在某旋转数、负荷区域因共振等而造成共振噪音变大。

在图3中，示出了用三维立体图表示用截面图表示的结构。作为组装顺序，将定子绕组5配置于托架3和下定子芯4b上，并用上定子芯4a夹持而构成定子组件。通过配置在轴承保持部的轴承来保持转子，所述转子通过使环状的磁铁1与转子轭铁10进行连接等而进行配置，将叶片安装在该转子轭铁的外侧。

图4表示变更了绕组配置的凸极式马达的例子。图1至图3所示的在一平面内配置有三个绕组的凸极式马达，由于每一相的转矩以及径向的磁力发生在各相，因此，被认为其成为振动和噪音的原因。通过如图4所示将同相的绕组配置在大致错开180度的位置上，在径向发生的电磁力和在每一相发生的值相等，因此能够抵消。通过进行该绕组配置，可以降低马达的振动、噪音。

图5表示磁铁形状的一例。在图4所示的例子中，虽然振动噪音能够降低，但绕组端部分变多，从而存在平均单位体积的输出转矩降低的问题。因此，如图1至图3所示的用3个绕组构成的马达在确保输出方面是理想的。在用3个绕组构成的凸极式马达中，作为降低振动、噪音的方法，根据磁铁的形状来降低转矩波动，如图5所示，通过改变磁铁的间隙面的空隙、即将磁铁做成圆弧形状，能够平滑地改变空隙磁通密度分布，且通过实现感应电压的正弦波化而能够降低振动噪音。在双色成形磁铁转子中，即使该磁铁形状是复杂形状时，因用模具成形可以得到高精度的磁极形状，因此，能够得到这样的圆弧形状。另外，在双色成形方法中，如图5(b)所示，将磁铁1高精度地配置在转子轭铁10上，从而可以使轭铁和磁铁一体化。由此，因为磁极的节距固定，因此可以降低齿槽转矩、降低噪音。另外，因为可以将转子轭铁10和磁铁一体化，所以转子侧的构件可以不用软磁性材料的构件构成。图8表示将双色成形磁铁转子安装于薄型风扇的例子。在该例中，由于转子轭铁10与磁铁一体化，可以在风扇上配置高精度的磁铁，因此可以期待所述的噪音降低效果。另外，由于和图8的转子轴2接连的转子部分11用非导体构成，因此该风扇可以用非导体构成，能够消除在转子轴上发生的轴电流，从而防止电流从轴通过轴承流向罩接地而发生电蚀(轴承破损)。再者，作为非导体的一例可以考虑塑料。另外，图8表示了外旋型马达的例子，当然使用内转型马达也能起到上述效果。再有，图8表示凸极式马达的例子，不用说现有的槽型马达也能起到上述效果。

图6表示现有的风扇系统的结构。现有的几十W的输出以上的风扇马达采用了内转型的马达形式。定子芯4为齿槽型的马达定子，具有在该定子芯上实施绕线的结构。该绕线在轴向两侧具有相对于定子芯的积厚(轴向长度)和积厚大致相同尺寸的绕组端部，在该绕组端部的一个侧部连接绕组的末端，且距该绕组端具有一定沿面距离地配置控制基板。距离该控制基板具有一定的沿面距离地配置有具有轴承保持部的托架，通过轴承保持由具有磁铁1的轴构成的转子，并在轴的前端部分和叶片结合。为了构成上述结构，成为风扇系统的轴向尺寸大的结构，风扇系统的整体尺寸相对于定子芯和磁铁相对置的有助于转矩的部分的轴向尺寸，至少为3倍以上。

本发明的薄型风扇系统的特征在于，将马达的有助于转矩的轴向长度设定为系统整体的轴向长度的一半以上，可以将风扇系统整体薄型化。图7表示风扇系统相对于输出转矩的轴向长度。横轴表示马达需要的额定转矩值。纵轴表示系统的轴向尺寸。在确定了马达的间隙半径和磁铁的能积(磁铁的残留磁通密度值)后，马达需要的尺寸被唯一地确定。这是因为马达的间隙的平均单位面积的转矩被决定在某范围，在被用作风扇马达的马达中，由被设定为不太高的常数来确定。在此表示的例子中，作为将磁铁的残留磁通密度设定为0.6T时的常数，设定k＝3150N/mm²。该常数为相对于转子和定子具有间隙而相对置的部分的面积的力输出多少的常数。根据该常数设计的马达在确定间隙的直径D(m)时，用下式确定轴向尺寸L(m)。T是需要的转矩。

L＝2·T/(D²·π·k)

相对于用该关系确定的马达的轴向尺寸，风扇系统的轴向长度在现有的马达中，如上所述，由于需要绕组端和托架部，因此在3倍以上，在本发明的风扇系统中，可以控制在2倍以下。

举出具体的数值进行说明，在将该磁铁的Br设定为0.6T、将间隙直径设定为0.09m的示例中，当确定连续运转需要的转矩T为0.6N·m时，其需要的马达部分的轴向长度成为15mm左右。在本发明的结构中，风扇系统的轴向长度可以为其2倍即30mm以下，但在现有的风扇系统结构中无法在45mm以下。上述的k值根据磁铁的厚度、磁场定向等发生变化，作为和磁铁Br的关系，在一般的马达中成为5000·Br<k<10000·Br左右的值。在确定了该平均间隙面积的力时，风扇系统的轴向尺寸可以在成为上述式2倍以内的区域构成，因此，风扇系统的轴向长度为：LL<4·T/(D²·π·k)。

如上所述的本发明能够以薄型解决振动噪音的问题，因此，可以降低安装排气装置的风扇的空间，从而能够提供一种小型的排气装置。另外，作为在顶棚等处安装的风扇系统可以小型化，因此，具有使用于维修保养的空间变大的、向狭窄场所的安装变得容易等效果。另外，也能够防止电蚀。

另外，由于本发明的定子芯设计为复杂的形状，因此，难以用现有的铁板弯曲方式来制成。因此，本发明的定子芯优选通过将磁性粉压缩成形而制成。另外，由于在磁性粉上实施涂层膜，因此在压粉成形的马达中不易流过涡电流，从而，也具有能够提高磁特性及提高马达效率的效果。

Claims

1.一种风扇系统，其具有具备定子和转子的马达部，其特征在于，

所述马达部用凸极式马达构成，

所述凸极式马达在一平面内配置有三相绕组，所述定子和转子相对置的区域被构成为风扇系统整体的轴向尺寸的一半以上，

在将对于所述转子和所述定子具有间隙而对置的部分的面积的力输出多少这样的常数设定为k，其单位是N/m²，将连续驱动时需要的转矩设定为T，其单位是N·m，将马达的间隙部的直径设定为D，其单位是m时，

风扇系统的轴向长度LL满足LL＜4·T/(D²·π·k)的关系。

2.如权利要求1所述的风扇系统，其特征在于，

所述马达是外旋型马达，在所述转子的外侧构成有叶片部。

3.如权利要求1所述的风扇系统，其特征在于，

所述绕组的轴向尺寸比所述定子和转子相对置的区域的轴向尺寸小。

4.如权利要求1所述的风扇系统，其特征在于，

与转子轴连接的转子部分用非导电体构成。

5.如权利要求1所述的风扇系统，其特征在于，

所述转子具有将永久磁铁和压粉磁心轭铁一体成形而成的双色成形磁铁。

6.如权利要求1所述的风扇系统，其特征在于，

所述转子的永久磁铁和定子磁极的空隙在周向上是不同的形状。

7.如权利要求1所述的风扇系统，其特征在于，

所述三相绕组的同相绕组被配置在大致错开180°的位置上。

8.如权利要求1所述的风扇系统，其特征在于，

卷绕所述绕组的定子的磁轭部分是外侧为圆弧状、内侧为直线的半圆柱体形状。