CN101253668B - 包含带有倾斜齿的扁平定子的电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁电动机的扁平定子磁轭，其由两个相对的弧状部分和两个相对并平行的直线状部分组成。定子齿从直线状磁轭部分以如下方式向内延伸：不完全沿径向，但是从径向朝着相应的直线状磁轭部分倾斜。由此，与直线状磁轭部分相邻的定子槽变得更小并且定子绕组能够以更加平衡的方式分布到所有槽中，从而产生更小的齿槽转矩和更高的输出功率。

Description

包含带有倾斜齿的扁平定子的电机

技术领域

本发明涉及一种电动机和采用该电动机的装置，更特别地，本发明涉及电动机的定子结构。 

背景技术

图9-图11示出了常规电动机。图9示出常规圆型电动机(roundmotor)的截面图，图10示出常规扁平型电动机(flat motor)的截面图，并且图11示出另一种常规扁平型电动机。 

图9中所示的圆型电动机是无电刷电动机，并由定子101和转子102形成。定子101的多个齿103中的每一个以集中方式缠绕有绕组。定子101具有六个槽。转子102包括永磁体111，其上具有八个磁极。图9中所示的常规电动机因此形成具有8个磁极和6个槽的永磁电动机。 

定子101的定子芯包括放射状布置的齿103，和将各个齿103彼此连接起来的弧状磁轭104。每一个齿103具有齿端宽幅部105，从而在其内端沿着旋转方向具有较宽的宽度。在相邻的宽幅部105之间，形成有槽口(slot open)106，并且在相邻的齿103之间，形成有槽107。每一个齿103上经由绝缘体108缠绕有绕组109。绕组109通常采用三相绕组。 

转子102可旋转地保持在定子101内，在它们之间介入有空隙，并且转子102与定子101同心布置。定子芯110安装有环状永磁体111。旋转轴被插入轴孔112中。转子102在流经设置在定子101上的绕组109的电流所产生的旋转磁场的作用下在旋转轴上旋转。 

人们已经设计出图10中所示的扁平型无电刷电动机以缩小图9中所示的圆型无电刷电动机的尺寸，并且仍获得更高功率。这种扁平型无电刷电动机的结构被公开在例如未审查的日本专利公开第2002-136090中。图10中所示的扁平型无电刷电动机120包括彼此平 行布置的齿123；然而，齿123具有不同的形状，使得齿槽转矩(coggingtorque)倾向于产生。 

图11示出了另一种常规扁平型电动机，其产生比图10中所示的电动机更小的齿槽转矩。在图11中，与图9中所示的部件具有相同功能的部件具有相同的附图标记，并且在此省略对其的描述。 

图11中所示的电动机的定子113包括放射状布置的多个齿103，在齿103的外壁处将各个齿103彼此连接起来的弧状磁轭104和直线状磁轭114。两个弧状磁轭104和两个直线状磁轭114被交替地彼此连接起来，使得两个直线状磁轭114可以彼此平行。该结构使电动机扁平，这允许提供输出更高功率的小型无电刷电动机。 

然而，因为每一个三相绕组的截面面积都彼此不同，所以前述形状的定子113对扁平部分处的绕组的截面面积设置了限制，并且全部绕组因此在该限制下确定。结果，限制了图11中所示的扁平型电动机的更高功率，使得可能会发生无法从电动机获得必要功率的问题。 

发明内容

本发明的电动机包括以下部件：定子，其包括：定子芯，该定子芯具有放射状布置的多个齿，在齿的外壁处将各个齿彼此连接起来的磁轭，设置在各个齿的端部上的齿端宽幅部，和相邻齿端宽幅部之间设置的槽口；和设置在齿上的绕组，以及 

被可旋转地保持的转子，该转子面对定子并且在该转子和定子之间介入有空隙，并且该转子包括具有被磁化的多个磁极的永磁体， 

磁轭由交替地彼此连接起来的两个弧状磁轭和两个直线状磁轭形成。由于两个直线状磁轭彼此平行设置，所以定子芯的外观呈扁平状。设置在弧状磁轭上的齿的宽度中心线穿过电动机的旋转轴的中心点。 

设置在直线状磁轭上的至少一个齿的宽度中心线与从中心点朝向直线状磁轭水平延伸的第一延长线相交，从而形成第一角度。在第一延长线上，在距离中心点第一距离“a”处标记第一点。在从中心点朝向直线状磁轭水平延伸的第二距离“b”处，朝向弧状磁轭垂直延伸地绘制第二延长线。从中心点朝向设置在直线状磁轭上的齿的端部以第二角度“K”绘制第三延伸线。第二和第三延长线彼此相交于第二点。 第一和第二点之间的直线与第一延长线相交，从而形成一角度，该角度是第一角度。 

在上面讨论的尺寸之间，以下关系应该成立：0＜a＜b，其中“a”＝第一距离，并且“b”＝第二距离。 

第二角度被形成为(360/2N-60/2N)度＜K＜(360/2N+60/2N)度，其中“N”是定子芯的槽的数目，并且“K”为第二角度。 

这种结构允许在不增大齿槽转矩的情况下增大绕组的截面面积，使得电动机可以产生更高的功率。结果，可获得更高功率的电动机。 

附图说明

图1示意性地示出根据本发明第一实施例的电动机的定子芯； 

图2比较了常规扁平型电动机和本发明的扁平型电动机的绕组的截面面积； 

图3比较了常规扁平型电动机和本发明的扁平型电动机的“每分钟转数随转矩的变化关系(rpm vs.torque)”特性； 

图4A示出由常规扁平型电动机产生的齿槽转矩； 

图4B示出由本发明的扁平型电动机产生的齿槽转矩； 

图5A示出常规扁平型电动机的感应电压； 

图5B示出本发明的扁平型电动机的感应电压； 

图6示意性地示出根据本发明第二实施例的电动机的定子芯； 

图7示意性地示出根据本发明第三实施例的电动机的定子芯； 

图8示意性地示出根据本发明第五实施例的装置； 

图9示出常规圆型电动机的截面图； 

图10示出常规扁平型电动机的截面图； 

图11示出另一种常规扁平型电动机的截面图。 

具体实施方式

在下文中，将参考附图说明本发明的示例性实施例。 

实施例1 

在下文中，将参考图1描述第一实施例中使用的主要结构部件。 

电动机的定子10包括以下部件：定子芯11，其包括：放射状布置 的多个齿14、15，在齿14、15的外壁处将齿14、15彼此连接起来的磁轭12、13；形成在齿14、15的各个端部上的齿端宽幅部16，和形成在相邻齿端宽幅部16之间的槽口17；以及缠绕在齿14、15上的绕组(未示出)。 

电动机的转子被可旋转地支撑，同时该转子面对定子10，在它们之间介入有空隙，并且电动机的转子包括具有被磁化的多个磁极的永磁体(未示出)。 

整个磁轭由两个弧状磁轭12和两个直线状磁轭13形成，它们中的每一个被交替地连接起来。因为两个直线状磁轭13彼此平行设置，所以定子芯11的外周呈扁平状。设置在弧状磁轭12上的齿14的宽度中心线50穿过电动机的旋转轴的中心点“C”。 

设置在直线状磁轭13上的至少一个齿15的宽度中心线55，与从中心点“C”朝向直线状磁轭13水平延伸的第一延长线60相交，从而形成第一角度“Z”。在第一延长线60上，在距离中心点“C”第一距离“a”处标记第一点“A”。在从中心点“C”朝向直线状磁轭13水平延伸的第二距离“b”处，朝向弧状磁轭12垂直延伸地绘制第二延长线70。从中心点“C”朝向设置在直线状磁轭13上的齿15的端部以第二角度“K”绘制第三延长线80。第二和第三延长线70、80彼此相交于第二点“B”。第一和第二点“A”和“B”之间的直线与第一延长线60相交，从而形成一角度，该角度是第一角度“Z”。在上面讨论的尺寸之间，以下关系应该成立： 

0＜a＜b，其中“a”＝第一距离，并且“b”＝第二距离。 

(360/2N-60/2N)度＜K＜(360/2N+60/2N)度，其中“N”＝定子芯11的槽的数目，并且“K”＝第二角度。 

在下文中，将参考图1至图5B来更详细地描述第一实施例。图1示意性地示出根据本发明第一实施例的电动机的定子芯。图2比较了常规扁平型电动机和本发明的扁平型电动机的绕组的截面面积。图3比较了常规扁平型电动机和本发明的扁平型电动机的“每分钟转数随转矩的变化关系”特性。图4A示出由常规扁平型电动机产生的齿槽转矩。图4B示出由本发明的扁平型电动机产生的齿槽转矩。图5A示出常规扁平型电动机的感应电压。图5B示出本发明的扁平型电动机的感 应电压。 

根据第一实施例的电动机形成了扁平型无电刷电动机，并且包括定子10和转子(未示出)。定子10具有以集中方式缠绕有绕组的多个齿14、15，以及六个槽。由于说明转子很复杂，所以未示出转子，然而，其具有与图11中所示的常规电动机的转子102类似的结构。 

因为定子10是本发明的特征之一，所以在下文中将特别着重讨论定子10的结构。定子10的定子芯11包括以下部件：两个弧状磁轭12；两个直线状磁轭13；两个齿14，每一个齿设置在各个弧状磁轭12的中央；和四个齿15，它们中的两个形成在两个直线状磁轭13各自的两端附近。 

穿过齿14的各个宽度中心延伸的宽度中心线50，穿过电动机的旋转轴的中心点“C”。 

每一个齿15均如下所述来构造：设置在直线状磁轭13上的至少一个齿15的宽度中心线55与从中心点“C”朝向直线状磁轭13水平延伸的第一延长线60相交，从而形成第一角度“Z”。在第一延长线60上，在距离中心点“C”第一距离“a”处标记第一点“A”。在从中心点“C”朝向直线状磁轭13水平延伸的第二距离“b”处，朝向弧状磁轭12垂直延伸地绘制第二延长线70。从中心点“C”朝向设置在直线状磁轭13上的齿15的端部以第二角度“K”绘制第三延长线80。第二和第三延长线70、80彼此相交于第二点“B”。第一和第二点“A”和“B”之间的直线与第一延长线60相交，从而形成一角度，该角度是第一角度“Z”。在上面讨论的尺寸之间，以下关系应该成立： 

0＜a＜b，其中“a”＝第一距离，并且“b”＝第二距离。第二点“B”由第二角度“K”确定，其中第二角度“K”优选地设置在以360/2N度为中心的以下范围内：(360/2N-60/2N)度＜K＜(360/2N+60/2N)度，其中“N”＝定子芯11的槽的数目。落在前述范围内的第二角度“K”会引起较小的齿槽转矩；然而，在上述范围之外的第二角度“K”则会引起大幅增加的齿槽转矩。 

已经证实，根据第一实施例的电动机如果槽的数目(N)为6并且第二角度(K)落在以30°为中心的从25°至30°的范围内，则会产生小的齿槽转矩。电动机因此采用30°的第二角度“K”。 

齿14和15具有齿端宽幅部16，其宽度在齿14和15的内端沿着旋转方向较宽。在相邻的齿端宽幅部16之间形成有槽口17，并且在相邻的每一个齿14和15之间分别形成有槽18和19。三相绕组缠绕在各个齿14、15上。 

转子(未示出)设置在定子10内使得其与定子10同心，并且被可旋转地支撑，在它们之间介入有空隙。转子的转子芯安装有环状永磁体。转子通过流过设置在定子10上的三相绕组的电流所产生的旋转磁场而在旋转轴上旋转。 

图2将占据图11中所示的常规扁平型电动机的槽107的截面面积与占据图1中所示的本发明的扁平型电动机的槽19的截面面积进行了比较。如图2所示，本发明的扁平型电动机的截面面积是常规扁平型电动机的截面面积的1.5倍。 

图3将常规扁平型电动机与本发明的扁平型电动机的“每分钟转数随转矩的变化关系”特性进行了比较。在图3中，假定常规扁平型电动机在空载时的每分钟转数和起动转矩分别是“1”，并且假定本发明的扁平型电动机在空载时的每分钟转数为“1”，则本发明的扁平型电动机的起动转矩变成“1.5”。如图3所示，本发明的电动机产生更高的功率。 

图4A示出由常规扁平型电动机产生的齿槽转矩，并且图4B示出由本发明的扁平型电动机产生的齿槽转矩。两幅图中的Y轴和X轴分别表示齿槽转矩的比率和旋转角度(电角度)。 

图5A示出常规扁平型电动机的感应电压，并且图5B示出本发明的扁平型电动机的感应电压。两幅图中的Y轴和X轴分别表示在各个电动机的绕组上产生的感应电压的比率和旋转角度(电角度)。 

图4A和图4B表明本发明的电动机增大了绕组的截面面积而不会增大齿槽转矩。图5A和图5B表明本发明的电动机增大了绕组的截面面积而不会引起感应电压的下降。 

实施例2 

图6示意性地示出根据本发明第二实施例的电动机的定子芯。在图6中，与图1中所示的电动机的部件具有相同功能的部件具有相同 的附图标记，并且在此省略对其的描述。 

第二实施例与第一实施例的不同在于弧状磁轭22和直线状磁轭23的宽度。直线状磁轭23的宽度相对于弧状磁轭22的宽度发生了缩短，从而进一步增大了槽19的绕组的截面面积。结果，根据第二实施例的电动机能够产生更高的功率。 

实施例3 

图7示意性地示出根据本发明第三实施例的电动机的定子芯。在图7中，与图1所示电动机的部件具有相同功能的部件具有相同的附图标记，并且在此省略对其的描述。 

第三实施例与第一实施例的不同在于至少一个齿的宽度。设置在直线状磁轭13上的齿35的宽度发生了缩短，从而进一步增大了槽19的绕组的截面面积。结果，根据第三实施例的电动机能够产生更高的功率。 

实施例4 

图1中所示的电动机的定子芯可以在两个直线状磁轭13中的每一个上具有芯分割部(未示出)，使得绕组被设置在已经预先分成两个芯段的定子芯上。然后将芯段组合在一起以用于构成定子10。 

例如，在图1中，沿着第一延长线60将直线状磁轭13分成两段。这种结构允许集中绕组以较高密度高效地缠绕在每个芯段的齿上，使得电动机能够产生更高的功率。 

在这种情况下，优选地将这两个芯段组合起来使得各个芯分割部面对面地彼此接触使得可以形成磁路。这种结构允许磁通量在两个芯段的芯分割部之间平滑流动，使得定子芯的分割不会引起电动机功率的减小。 

根据图6和7中所示的实施例2和3的定子芯也可以分别分割成两段，使得能够预期与上述类似的优势。 

实施例5 

图8示意性地示出根据本发明第五实施例的装置。在图8中，装 置91包括以下部件：壳体92，设置在壳体92中的电动机97，用来驱动电动机97的驱动器95，为驱动器95供电的电源98，以及包括由电动机97驱动的机械部的负荷99。电动机97和驱动器95形成电动机驱动装置93。在装置91中，电源98经由驱动器95驱动电动机97。通过采用根据实施例1-4的电动机中的任何一个的电动机97的输出轴来将转矩传递给负荷99。 

工业适用性 

本发明的电动机可用于家用器具，或者配备在车辆中的电子设备上。这些家用器具和电子设备由于安装空间有限而需要小型，并且需要电动机产生较高功率。 

Claims (6)

1.一种电动机，包括：

(a)定子，包括：

(a-1)定子芯，其具有放射状布置的多个齿，在齿的外壁处将各个齿彼此连接起来的磁轭，设置在各个齿的端部上的齿端宽幅部，和相邻齿端宽幅部之间设置的槽口；

(a-2)设置在齿上的绕组，以及

(b)被可旋转地保持的转子，该转子面对定子并且在该转子和定子之间介入有空隙，并且该转子包括具有被磁化的多个磁极的永磁体，

其中磁轭由交替地彼此连接起来的两个弧状磁轭和两个直线状磁轭形成，

其中两个直线状磁轭彼此平行设置，从而使定子芯的外周呈扁平状；

其中设置在弧状磁轭上的齿的宽度中心线穿过电动机的旋转轴的中心点；

其中设置在直线状磁轭上的至少一个齿的宽度中心线与从中心点朝向直线状磁轭水平延伸的第一延长线相交从而形成第一角度，并且在第一延长线上，在距离中心点第一距离处假想地标记第一点，并且在从中心点朝向直线状磁轭水平延伸的第二距离处，朝向弧状磁轭垂直延伸地绘制第二延长线，并且从中心点朝向设置在直线状磁轭上的齿的端部和所述宽度中心线的交点以第二角度绘制第三延伸线，并且第二和第三延长线彼此相交于第二点；

其中第一和第二点之间的直线与第一延长线相交从而形成一角度，该角度是所述第一角度；

其中在上述尺寸之间，0＜a＜b成立，其中“a”为所述第一距离，“b”为所述第二距离，并且所述第二角度被形成为(360/2N-60/2N)度＜K＜(360/2N+60/2N)度，其中“N”是定子芯的槽的数目，并且“K”为所述第二角度。

2.如权利要求1所述的电动机，其中所述弧状磁轭的宽度与所述直线状磁轭的宽度不同。

3.如权利要求1所述的电动机，其中至少一个齿的宽度与其它齿的宽度不同。

4.如权利要求1所述的电动机，其中所述定子芯在设置于所述直线状磁轭上的芯分割部处被分割成两个芯段，

其中具有绕组的两个芯段被组合在一起以构成所述定子。

5.如权利要求4所述的电动机，其中所述两个芯段的所述芯分割部面对面地彼此接触以形成磁路。

6.一种采用如权利要求1所述的电动机的装置。

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