CN101322303B - 电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机，包括：定子，该定子具备定子芯和多个线圈，该定芯具有环状的定子磁轭和从该定子磁轭向内外突出的多个内外齿，该多个线圈卷绕在定子芯上；和具有隔着空隙与内外齿相对的永磁体的内侧转子和外侧转子。其中，内外槽数S和内外永磁体的极数P具备S∶P＝3∶2N-1的关系，其中，N为1以上的整数，并除去2N-1为3的倍数的情况。

Description

电机

技术领域

本发明涉及搭载内侧转子和外侧转子两个转子，在定子上实施环形绕组(toroidal winding)的电机。

背景技术

用于直驱洗衣机的驱动用电机等的无刷电机被期望是低速大转矩、低振动、低噪音的电机。因为直驱驱动所使用的电机无齿、直接驱动，所以电机需要大转矩。为此，如专利文献1的图1和图4所示，在外侧转子的结构上，使用在定子上实施集中绕组(concentratedwinding)的电机。一般，追求低速大转矩的电机实施集中绕组。分布绕组(distributed winding)的电机与集中绕组的电机相比，绕组的交链磁通增加，所以输出转矩有10％～15％左右的增大的趋势。

但是，另一方面，因为集中绕组的电机与分布绕组的电机相比，能够减小线圈端部(coil end)，所以能够减少绕组的阻抗值，从整体上看，在需要相同的输出转矩的情况下，能够抑制电机的发热量。此外，因为缩短了线圈端部，所以还能够减小电机体积。鉴于上述原因，集中绕组的电机适用于在低速时需要大转矩，特别是要求小型化的用途。进一步，该电机在高速时采用通过弱磁控制(超前角(advancing angle)驱动)，由超前相位角驱动电流相位等的方式。

但是，集中绕组的电机因其径向力与分布绕组的电机相比增大，所以振动、噪音增大。图7A为单转子型电机的集中绕组方式的情况下的仿真图。同样，图7B为单转子型电机的分布绕组方式的情况下的仿真图。通过这些图比较径向力，能够确认：集中绕组的电机的径向力非常大。此外，因为在低速下运转，所以容易反映出齿槽转矩的影响。因此，在洗衣机的直驱驱动等低速、高转矩电机中，对齿槽转矩小、径向力小的电机有强烈需求。

另外，专利文献2公开了具备内侧转子和外侧转子两个转子的电机(此后称为集中绕组双转子型电机)。集中绕组双转子型电机具有以下结构：在分开的齿上由集中卷绕施以绕组，由模塑(molding)等连接齿而构成定子，具备定子具有同样的间隔、内侧和外侧粘结有永磁体的两个转子(参照专利文献2的图8)。此时的内侧和外侧的永磁体的磁极在内侧和外侧为不同磁极，集中绕组双转子型电机的磁通形成从外侧的转子通过定子的齿，进入内侧的转子，通过定子的齿，回到外侧的转子的磁通环路。集中绕组双转子型电机与现有的单转子型电机相比，因为能够使用内侧和外侧的磁通，所以能够提高功率密度。但是，与单转子型电机同样，由于绕组为集中卷绕，所以因径向力增大，存在着振动、噪音增大的问题。

接着，在专利文献3中公开了以环形绕组实施绕组，具有外侧转子和内侧转子两个转子的电机。该电机的截面图示于图8。

图8表示了环形绕组方式的双转子型无刷电机，为由定子110、内侧转子120和外侧转子130构成的8极12槽的双转子型环形绕组方式的电机的截面图。

定子110由定子磁轭114、设置在定子磁轭114上的外侧齿112和内侧齿113构成，在定子磁轭114上施以三相线圈115。通常，线圈115采用星形或三角形接线。

内侧转子120保持在定子110的内侧，可自由旋转，由内侧转子磁轭121和内侧永磁体122构成。另外，外侧转子130保持在定子110的外侧，可自由旋转，由外侧转子磁轭131和外侧永磁体132构成。内侧转子120和外侧转子130利用线圈115中流动的电流所产生的磁场旋转。而且，图8表示的是内侧转子120和外侧转子130上分别设置有永磁体122和132的表面磁体型转子。

图9A表示相对24极18槽的情况的转子位置的感应电压波形的实测结果。同样，图9B表示相对8极12槽的情况的转子位置的感应电压波形的实测结果。横轴为任一转子位置(电角度)。由这些图可知，能够确认感应电压波形非对称失真。这是由外侧转子130和内侧转子120的相互缓冲作用造成的，因为这样的感应电压的失真，造成振动和噪音大幅度增加。

根据上述现有技术，通过搭载两个转子，能够增大输出转矩，但是，例如槽数S和极数P为S∶P＝3∶2N(其中，N为1以上的整数)时，绕组配置与集中绕组同等，存在因径向力增大，噪音增加的问题。

此外，一般在具有一个转子的分布绕组电机的情况下，存在消除径向力的可能，但是因为线圈端部增大，存在绕组阻抗增加、效率低下和电机体积大型化的问题。

专利文献1：日本专利第3725510号

专利文献2：日本专利申请特表2005-521378

专利文献3：日本专利申请特开2001-37133

发明内容

本发明的电机具有下述结构。具有：定子，该定子具备定子芯和多个线圈，该定子芯具有环状的定子磁轭、从该定子磁轭向径向内侧突出的多个内侧齿、与该内侧齿数量相同的从定子磁轭向径向外侧突出的多个外侧齿、形成于内侧齿之间的内侧槽以及形成于外侧齿之间的外侧槽，该多个线圈卷绕在内侧槽和外侧槽之间的定子磁轭上，连接成三相星形或三角形；

隔着空隙与内侧齿相对的内侧转子；和

隔着空隙与外侧齿相对的外侧转子，

内侧转子和外侧转子连接在同一旋转轴上。内侧转子具有内侧转子磁轭和内侧永磁体，外侧转子具有外侧转子磁轭和外侧永磁体。

其中，内侧槽的槽数与外侧槽的槽数为数量相同的槽数S，内侧永磁体的极数与外侧永磁体的极数为数量相同的极数P，槽数S和极数P具备S∶P＝3∶2N-1的关系。其中，N为1以上的整数，并除去2N-1为3的倍数的情况。

附图说明

图1为本发明实施方式的电机的截面图。

图2为表示本发明实施方式的电机的相对转子位置的感应电压波形的曲线图。

图3为表示本发明实施方式的电机的相对转子位置的径向力的曲线图。

图4为表示本发明实施方式的电机的相对转子位置的齿槽转矩的曲线图。

图5为表示不同电机形态的功率密度的比较的曲线图。

图6为本发明实施方式的电机的转矩常数与极数的相对关系的曲线图。

图7A为现有的电机的径向力在单转子型电机的集中绕组方式的情况下的仿真图。

图7B为现有的电机的径向力在单转子型电机的分布绕组方式的情况下的仿真图。

图8为现有的电机的截面图。

图9A为现有的24极18槽的电机的相对转子位置的感应电压波形的曲线图。

图9B为现有的8极12槽的电机的相对转子位置的感应电压波形的曲线图。

符号说明

10定子；

11定子芯；

12外侧齿；

13内侧齿；

14定子磁轭；

15线圈；

16外侧槽；

17内侧槽；

20内侧转子；

21内侧转子磁轭；

22内侧永磁体；

30外侧转子；

31外侧转子磁轭；

32外侧永磁体；

40旋转轴

具体实施方式

下面，使用附图对本发明的实施方式进行说明。

图1为本发明实施方式的具有双转子的环形绕组方式的无刷电机的截面图。本实施方式的电机由定子10、与该定子10的内径一侧相对的内侧转子20和与外径一侧相对的外侧转子30构成。

构成定子10的定子芯11由大致环状的定子磁轭14、从该定子磁轭14向外周方向突出的外侧齿12、与该外侧齿12数量相同的从定子磁轭14向内周方向突出的内侧齿13构成。分别在各外侧齿12之间形成外侧槽16、在各内侧齿13之间形成内侧槽17。而且，将连接成三相星形或三角形的环形绕组形式的多个线圈15，以集中绕组方式卷绕在外侧槽16和内侧槽17之间的定子磁轭14上。

与外侧齿12相对、隔着规定的空隙配置外侧转子30。同样，与内侧齿13相对、隔着规定的空隙配置内侧转子20。

外侧转子30的结构为：在外侧转子架(未图示)的内径一侧上固定外侧转子磁轭31，且在其内径一侧上固定环状的外侧永磁体32。外侧转子架与外侧转子磁轭31利用压入、热压配合或粘接等方式结合。外侧转子磁轭31是叠层冲压成规定形状的电磁钢板而成，并构成磁路。

同样，内侧转子20的结构为：在内侧转子架(未图示)的外径一侧上固定内侧转子磁轭21，且在其外径一侧上固定环状的内侧永磁体22。内侧转子架与内侧转子磁轭21利用压入、热压配合或粘接等方式结合。内侧转子磁轭21是叠层冲压成规定形状的电磁钢板而成，并构成磁路。

而且，内侧转子架和外侧转子架连接在旋转轴40上，通过对线圈15进行规定的通电而一体旋转。这样，本实施方式的电机加算内侧转子20的驱动转矩和外侧转子30的驱动转矩，与一般的内侧转子型电机或外侧转子型电机相比，能够实现高转矩、高输出功率。

此处，在本实施方式的电机中，内侧转子20的极数和外侧转子30的极数均为20极，槽数均为12槽。如图2所示，通过采用20极12槽的组合，绕组配置能够实现与分布绕组同等的效果。图2为表示相对转子的旋转位置(电角度)的感应电压波形的曲线图，能够确认：绕组配置产生与分布绕组的情况同样的大致正弦波。这样的形成分布绕组的磁通配置的组合由式S∶P＝3∶2N-1表示。其中，N为1以上的整数，并除去2N-1为3的倍数的情况。

内外定子的槽数和内外转子的极数满足由该式表示的关系时，如图2所示，感应电压波形呈正弦波状，因此能够抑制电机的振动和噪音。这是由于利用了一般的分布绕组与集中绕组相比，感应电压波形呈正弦波状的性质。

图3为表示相对转子旋转位置(电角度)的径向力的曲线图，实线为本实施方式的环形绕组方式的双转子型电机，虚线表示用于比较的分布绕组单转子型电机。由该图能够确认：与分布绕组的单转子型电机相比，环形绕组方式的双转子型电机能够实现与分布绕组相同的绕组配置，并且利用消除内侧转子和外侧转子的振动的效果，能够减少径向力。

例如，直驱洗衣机的驱动用电机等在洗涤时以10rpm～100rpm的低速旋转。因为速度非常低，所以齿槽转矩容易影响洗衣机的振动、噪音。通过采用本实施方式所示的环形绕组方式的双转子型电机，通过使内侧转子和外侧转子的齿槽转矩的相位相反，能够消除齿槽转矩。

图4表示相对转子旋转位置(电角度)的环形绕组方式的双转子型电机的齿槽转矩的波形。细虚线表示内侧转子20所致的齿槽转矩，细实线表示外侧转子30所致的齿槽转矩，中央的粗实线表示合成上述这些构件的电机整体的齿槽转矩。该曲线图表明，通过使内侧转子20的齿槽转矩的相位与外侧转子30的齿槽转矩的相位相反，并且使内侧转子和外侧转子的波峰值基本相同，能够大幅度降低电机整体的齿槽转矩。由此可知，通过使用上述式所表示的组合，能够大幅度降低环形绕组方式的双转子型电机的振动、噪音。

图5表示本发明的电机和现有电机的功率密度的比较。功率密度是指每单位体积电机的输出功率。分别由A表示内侧转子型电机的情况，B表示外侧转子型电机的情况，C表示集中绕组双转子型电机的情况，D表示本实施方式中的环形绕组方式的双转子型电机的情况。留白部分为内侧转子产生的功率密度，剖面线部分为外侧转子产生的功率密度，在C和D所示的双转子型电机中，是加算内外转子的功率密度而成的。

图6表示转矩常数与极数的相对关系。粗实线表示本发明实施方式的电机的情况，细虚线和细实线表示用于比较的本发明的电机以外的情况。粗实线表示本发明的环形绕组方式的双转子型电机的极数和槽数(12槽时)的关系，其中，槽数固定为12，使极数变化。以20极12槽时的转矩常数为1，表示满足上述式的4极12槽、20极12槽、28极12槽、44极12槽的情况。

此外，细虚线表示现有的一般的电机的极数和槽数(12槽时)的关系。现有的一般的电机的槽数与极数的比率为S∶P＝3∶2N(N＝1以上的整数)，作为该组合，表示有8极12槽、16极12槽、32极12槽、40极12槽。此外，细实线表示本发明和现有的组合以外的情况。由该曲线图可知，以相同极数比较本发明与现有例时，本发明的电机在所有的极数中的转矩常数均更优异。

根据图5，与内侧转子的单转子型电机相比，本发明的环形绕组方式的双转子型电机达到1.9倍的功率密度。此外，与外侧转子的单转子型电机相比，本发明的环形绕组方式的双转子型电机达到1.5倍的功率密度。本发明的电机通过加算内侧转子的输出功率和外侧转子的输出功率，能够有效地利用驱动电机的空间，因此，与现有技术相比，能够大幅提高输出功率。进一步，根据图6，通过使用本发明的槽数和极数的组合，能够大幅提高输出转矩。由此，如果将本发明的电机应用作洗衣机的驱动电机，则在同样的驱动电机体积下，能够使洗涤容量增大到1.5倍～1.9倍。此外，这表明，如是同样的输出功率，能够将驱动电机的体积减少35％～50％。

另外，与集中绕组双转子型电机相比，环形绕组方式的双转子型电机能够使功率密度达到1.4倍，因此，在相同的驱动电机体积下，洗涤容量能够达到1.4倍。集中绕组双转子型电机的磁通形成从外侧的转子通过定子的齿，进入内侧的转子，通过定子的齿，回到外侧的转子的磁通环路。因为穿过外侧与内侧的磁体，表观上的空隙增多，因此磁体的磁通未被有效地利用。

相对的，环形绕组方式的双转子型电机的磁通形成从外侧的转子30通过定子10的外侧齿12、定子磁轭14，回到外侧转子30的环路，和从内侧转子20通过定子10的内侧齿13、定子磁轭14，回到内侧转子20的环路的两条环路。由此，表观上的空隙与单转子型电机相同，因此能够获得两个单转子型电机加合的输出功率。

本发明的电机因为是环形绕组，所以与现有的分布绕组的电机相比，能够缩短线圈端部和绕组周长。因此，通过减少绕组阻抗值能够减少铜损，实现高效率电机。

根据上述内容，通过使用本发明的槽数S和永磁体的极数P的组合，能够提供实现低振动、低噪音、高效率和小型化的电机。特别是S∶P＝3∶5的关系最优，能够最大限度地发挥本发明的效果。这是因为由图6可明确得知：在槽数12的情况下，S∶P＝12∶20时可达到最大的转矩常数。

在本实施方式中，说明了内侧转子20与外侧转子30均在转子磁轭的表面上具有永磁体的电机，即表面磁体型电机(SPM型电机)，但本发明并不限于该结构。也能够是在转子磁轭中具有永磁体填埋孔，在其中埋入永磁体的结构的电机，即永磁体填埋型电机(IPM型电机)。还能够是内侧转子20和外侧转子30的任一方为永磁体填埋型电机的结构。

此外，通过使用稀土类磁体作为永磁体、将磁体填埋在转子内部的永磁体填埋孔中，能够有效地利用磁体的磁通和磁阻转矩，因此能够进一步发挥效果。

在本实施方式中，采用外侧转子架和内侧转子架，形成外侧转子架和内侧转子架连接在旋转轴40上的结构。但是，也可以不采用外侧转子架和内侧转子架，而采用将外侧转子30和内侧转子20通过树脂模具(resin mold)结合的结构。

本发明的电机综合了现有的分布绕组电机的特征，即低噪音、低振动，和集中绕组电机的特征，即高效率、小型化。进一步，使用产生环形绕组方式的双转子结构的特征的槽数S和永磁体的极数P的组合，通过消除内外两个转子的径向力，能够实现更进一步的低振动、低噪音化。

产业利用性

本发明对于家电制品和电气设备等要求小型化，并且要求高输出、高效率、低振动、低噪音、低成本的用途的电机是有用的。

Claims (6)

1.一种电机，其特征在于，具有：

定子，该定子具有：定子芯和多个线圈，该定子芯具有环状的定子磁轭、从所述定子磁轭向径向内侧突出的多个内侧齿、与所述内侧齿数量相同的从所述定子磁轭向径向外侧突出的多个外侧齿、形成于所述内侧齿之间的内侧槽以及形成于所述外侧齿之间的外侧槽，该多个线圈卷绕在所述内侧槽和所述外侧槽之间的所述定子磁轭上，连接成三相星形或三角形；

隔着空隙与所述内侧齿相对的内侧转子；和

隔着空隙与所述外侧齿相对的外侧转子，

所述内侧转子和所述外侧转子连接在同一旋转轴上，

所述内侧转子具有内侧转子磁轭和内侧永磁体，所述外侧转子具有外侧转子磁轭和外侧永磁体，

所述内侧槽的槽数与所述外侧槽的槽数为数量相同的槽数S，所述内侧永磁体的极数与所述外侧永磁体的极数为数量相同的极数P，

所述槽数S和所述极数P具备S∶P＝3∶2N-1的关系，其中，N为1以上的整数，并除去2N-1为3的倍数的情况。

2.如权利要求1所述的电机，其特征在于：

所述槽数S和所述极数P具备S∶P＝3∶5的关系。

3.如权利要求1所述的电机，其特征在于：

所述内侧永磁体配置在所述内侧转子磁轭的外径侧的表面，所述外侧永磁体配置在所述外侧转子磁轭的内径侧的表面或者被埋入所述外侧转子磁轭的内部。

4.如权利要求1所述的电机，其特征在于：

所述外侧永磁体配置在所述外侧转子磁轭的内径侧的表面，所述内侧永磁体配置在所述内侧转子磁轭的外径侧的表面或者被埋入所述内侧转子磁轭的内部。

5.如权利要求1所述的电机，其特征在于：

所述旋转轴的转速包括10rpm～100rpm范围的低速。

6.如权利要求1所述的电机，其特征在于：

加算所述内侧转子和所述外侧转子的驱动转矩，消除所述内侧转子和所述外侧转子的齿槽转矩。

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