CN102457151A - 电机 - Google Patents

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竹本佳朗
内田智裕
加藤茂昌
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Asmo Co Ltd
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Abstract

提供了一种具有磁极转子和定子的电机。磁极数量为4n，n为正整数。转子包括转子芯、磁体及凸极部。磁体数量为2n。磁体沿转子芯圆周方向设置并且嵌入转子芯中，成为具有一个磁极性的2n个所述磁极。凸极部数量为2n，与转子芯一体形成，并沿圆周方向设置。各凸极部沿圆周方向位于磁体之间并成为具有另一个磁极的2n个所述磁极。在各磁体与沿圆周方向相邻的一个凸极部之间设有间隙。定子具有数量为6n的齿部，以及线圈。齿部沿圆周方向等间隔设置以沿径向朝向磁体和凸极部，各线圈绕其中一个齿部卷绕。间隙包括在磁体的尾侧的尾间隙。与由基准直线和直线界定出的机械角α’对应的电角度α设为在90°＜α＜126°的范围内，基准直线穿过转子的中心轴和各磁体的圆周中心位置，直线穿过转子的中心轴和各尾间隙的尾端。

Description

电机
技术领域
本发明涉及一种电机，其具有换向极结构的转子。
技术背景
现有技术中，例如第4-34835号日本实用新型公开所揭露的具有换向极结构转子的电机是公知的。具有换向极结构转子的电机包括多个沿转子芯的圆周方向排列的磁体，以及设在相邻磁体之间的与转子芯一体形成的凸极部，所述磁体具有一种磁极。所述凸极部具有另一种磁极。
第4-34835号日本实用新型公开所揭露的电机转子包括两块磁体和两个凸极部。磁体的径向外侧具有相同极性，并且设在相隔约180°的相对位置。凸极部与各磁体相互间隔设置，并且位于两个磁体之间。凸极部的径向外侧具有相同的极性。
具有上述换向极结构转子的电机具有沿径向朝向转子的定子。定子具有朝向转子延伸的齿部。例如，在转子为具有四个磁极的换向极结构的情况下，定子可具有六个与定子装配在一起的齿部。此类电机中，即具有四磁极换向极结构的转子和六齿部定子的电机，需要增大转矩并且减小可造成电机振动的转矩波动。
类似地，在转子的磁极数为4n(n为正整数)以及定子的齿部数为6n的电机中，需要增大扭矩并且减小可造成电机振动的转矩波动。
发明内容
因此，本发明的目的是使得具有4n个磁极转子和6n个齿部定子的电机的转矩增大，并减小其转矩波动。
为了达成上述目的，并且根据本发明的一个方面，提供了一种电机，包括具有磁极的转子以及具有齿部和线圈的定子。所述磁极的数量为4n，n为正整数。齿部的数量为6n。所述转子包括转子芯、磁体、及凸极部。磁体和凸极部的数量都为2n。所述磁体沿所述转子芯的圆周方向设置并且嵌入所述转子芯中，成为具有一个磁性的2n个所述磁极。所述凸极部沿所述圆周方向设置并且与所述转子芯一体形成。各凸极部沿圆周方向位于所述磁体之间。所述凸极部成为具有另一个磁性的2n个所述磁极，并且在各磁体与沿圆周方向相邻的一个所述凸极部之间设有间隙。所述齿部沿圆周方向等间隔设置以沿径向朝向所述磁体和所述凸极部，并且各所述线圈绕其中一个所述齿部卷绕。所述位于各磁体的圆周端的间隙包括尾间隙，其在所述磁体的尾侧。与由一条基准直线和一条直线界定出的机械角α’对应的电角度α设为在90°＜α＜126°的范围内，所述基准直线穿过所述转子的中心轴和各磁体的所述圆周中心位置，并且所述直线穿过所述转子的中心轴和各尾间隙的尾端。
结合附图，通过下文以示例方式阐明本发明原理的说明可清楚本发明的其它方面和优点。
附图说明
参考下文对现时较佳实施例的描述及其附图，可最佳地理解本发明及其目的和优点，其中：
图1A为根据本发明第一实施例的电机的示意图；
图1B为图1A中电机的一部分的放大图；
图2示出了转矩和转矩波动变化与电角度α变化之间的关系；
图3示出了转矩和转矩波动变化与电角度β变化之间的关系；
图4示出了基于电机结构的转矩变化；
图5示出了基于电机结构的转矩动变化；
图6～8分别为示出电机的修改；
图9A为根据本发明第二实施例的电机的示意图；
图9B为图1A中电机的一部分的放大图；及
图10～12分别为示出电机的修改。
具体实施方式
现参考附图描述本发明的第一实施例。
如图1A所示，本实施例的电机10包括基本环状的定子11和设在定子11径向内部的转子12。
定子11具有定子芯21，其包括环状部22和六个从环状部22径向向内延伸的齿部23。沿环状部22的圆周方向，以相等的角间隔设置齿部23。U相线圈24、V相线圈25、及W相线圈26中的一个以集中绕组的方式卷绕在各齿部23上。在三个相的线圈24、25、及26中，各组同相的线圈以180°机械角的圆周间隔设置，并且串联。通过三角形接法(delta connection)将三个相的线圈进行电连接。
转子12具有转子轴31和基本环状的转子芯32，所述转子轴由轴承(未示出)可旋转地支撑，所述转子芯由固定至旋转轴31的外圆周面的磁性金属制成。转子芯32的外周部形成有磁极部33(本实施例中的磁极部数量为两个)。磁极部33沿径向朝向定子11的齿部23。
在转子芯32的磁极部33上沿圆周方向相隔180°机械角的位置处形成有两个容纳孔34，并且位于转子芯32的径向外侧位置。各容纳孔32沿轴向(垂直于图纸的方向)穿过转子芯32。磁体35容纳在各容纳孔34中。即，本实施例的电机10为具有嵌入式磁体之转子的IPM电机。磁体35的径向外表面具有相同的极性。
各磁极部33的圆周端形成有间隙36和37，而所述间隙36和37形成磁阻。由此，凸极部38(在本实施例中数量为2)形成在磁极部33之间。各凸极部38与磁极部33有磁性上的分隔。即，各磁极部33的磁通经由转子芯32的内部流入各凸极部38，而绕开形成在圆周端部的间隙36和37。磁通径向朝外穿过凸极部38。因此，各凸极部38作为与相邻磁极部33磁极不同的伪磁极。
本实施例的转子12配置为换向极转子。由此，相较于转子12的所有磁极由设在磁极位置处的磁体形成的普通多极电机(无刷电机)，本实施例不仅可像多极电机那样减小尺寸且增加输出，同时还可将磁体的数量减少一半。
下文的描述中，本实施例的电机10设为以一个方向转动(图1A所示的逆时针方向)。下文中，对于各磁极部33的圆周端上的两种类型的间隙36和37，磁极部33的首侧的间隙37称为“首间隙(或第一间隙)”，并且磁极部33的尾侧的间隙36称为“尾间隙(或第二间隙)”。各首间隙37形成为径向向外打开。在径向向外侧(外圆周侧)上，通过连接磁极部33和凸极部38的连结部36a来闭合各尾间隙36。即，连结部36a闭合尾间隙36，并且磁极部33和凸极部38的外周面在同一圆上。
现描述电角度α和β的最优设计，电角度α和β与界定出形成在各磁极部33的圆周端处的间隙36和37的圆周尺寸的机械角α’和β’相对应。如图1B所示，各尾间隙36的尾端称为“尾端(或第一端)P1”，而首端称为“首端(或第二端)P3”。并且，各首间隙37的尾端称为“尾端(或第一端)P4”，而首端称为“首端(或第二端)P2”。电角度α对应于由基准直线L1与直线M1界定出的机械角α’，基准直线L1穿过转子12的中心轴O和磁极部33的圆周中心位置P0，直线M1穿过转子12的中心轴O和尾间隙36的尾端P1。类似地，电角度β对应于由基准直线L1和直线M2界定出的机械角β’，直线M2穿过转子12的中心轴O和首间隙37的首端P2。基准直线L1也大致穿过磁体35的圆周中心。
图2示出了对应于界定出各尾间隙36的圆周尺寸的机械角α’的电角度α与电机10的转矩与转矩波动之间的关系。图3示出了对应于界定出各首间隙37的圆周尺寸的机械角β’的电角度β与电机10的转矩与转矩波动之间的关系。图2示出了电角度β固定为90°基准电角度(对应于45°机械角)的情况下的模拟结果。另一方面，图3示出了电角度α固定为90°基准电角度(对应于45°机械角)的情况下的模拟结果。本实施例的转子12与图2和3中的“结构C”相对应。
根据图2，当电角度范围为90°＜α＜126°(45°＜α’＜63°)时，电机10生成的转矩大于电角度α为90°(α’＝45°)时所生成的转矩。并且，电角度范围为90°＜α＜126°(45°＜α’＜63°)时的转矩波动小于电角度α为90°(α’＝45°)时的转矩波动。此外，当电角度范围为110°≤α≤120°(55°≤α’≤60°)时，可生成更大的转矩。因此，对应于界定出各尾间隙36的圆周尺寸的机械角α’的电角度α的范围最好设为90°＜α＜126°(45°＜α’＜63°)，并且以110°≤α≤120°(55°≤α’≤60°)的范围为更佳。
根据图3，当电角度范围为90°＜β＜126°时(45°＜β’＜63°)，电机10生成的转矩大于电角度β为90°(β’＝45°)时所生成的转矩。并且，电角度范围为90°＜β＜126°(45°＜β’＜63°)时的转矩波动小于电角度β为90°(β’＝45°)时的转矩波动。此外，当角度范围为104°≤β≤116°(52°≤β’≤58°)时，可生成更大的转矩，并且能够可靠地减小扭矩波动。因此，对应于界定出各首间隙37的圆周尺寸的机械角β’的电角度β的范围最好设为90°＜β＜126°(45°＜β’＜63°)，并且以104°≤β≤116°(52°≤β’≤58°)的范围为更佳。
考虑上述结果，以下列方式确定本实施例转子12的电角度α和β。本实施例的转子12中，与尾间隙36的机械角α’对应的电角度α设为约115°(α’＝57.5°)，与首间隙37的机械角β’对应的电角度β设为约105°(β＝52.5°)。因此，尾间隙36的圆周尺寸(对应于电角度α的机械角α’)大于首间隙37的圆周尺寸(对应于电角度β的机械角β’)。本实施例中，与由基准直线L1和直线M3界定的机械角θ1’对应的电角度θ1设为50.2°(θ1’＝25.1°)，其中基准直线L1穿过转子12的中心轴O和磁极部33的圆周中心位置P0，直线M3穿过转子12的中心轴O和尾间隙36的尾端P3。类似地，与由基准直线L1和直线M4界定的机械角θ2’对应的电角度θ2设为50.2°(θ2’＝25.1°)，其中基准直线L1穿过转子12的中心轴O和所述圆周中心位置P0，直线M4穿过转子12的中心轴O和首间隙37的尾端P4。即，各磁极部33的机械圆周角设为50.2°，相对应的电角度为100.4°。
如前所述，与界定出尾间隙36之圆周尺寸机械角对应的电角度α设为在110°≤α≤120°(55°≤α’≤60°)的范围内的115°(α’＝57.5°)，并且与界定出首间隙37之圆周尺寸机械角对应的电角度β设为在104°≤β≤116°(52°≤β’≤58°)范围内的104°。因此，较之电角度α和β为90°(α’、β’＝45°)的情况，增大了电机10的转矩，同时减小了扭矩脉冲。
本实施例的转子12中，各首间隙37径向向外打开，并且尾间隙36由连结部36a闭合。这样，较之图6所示的转子(结构A)中的间隙36和37都由连结部36a和37a闭合，以及图7所示的转子(结构B)中各首间隙37由连结部37a闭合并且各尾间隙36径向向外打开，本发明的转子12(结构C)生成的转矩较大，并且减小了转矩波动。并且，举例来说，较之图8所示的转子(结构D)中间隙36和37都打开，由于间隙36由连结部36a闭合，本实施例的转子12的强度较大。
以下描述本实施例的优点。
(1)与由基准直线L1与直线M1界定出的机械角α’对应的电角度α设为在90°＜α＜126°的范围内，其中基准直线L1穿过转子12的中心轴O和磁极部33的圆周中心位置P0，直线M1穿过转子12的中心轴O和尾间隙36的尾端P1。因此，如图2所示，较之α＝90°的情况，转矩增大，而转矩波动减小。
(2)并且，当电角度α在110°≤α≤120°的范围内时，如图2所示，较之电角度α＝90°的情况，能够可靠地增大扭转，同时减小扭矩波动。
(3)与由基准直线L1和直线M2界定出的机械角β’对应的电角度β设为在90°＜β＜126°的范围内，其中基准直线L1穿过转子12的中心轴O和磁极部33的圆周中心位置P0，直线M2穿过转子12的中心轴O和首间隙37的首端P2。因此，如图3所示，较之β＝90°的情况，矩增大，而转矩波动减小。
(4)当电角度β在104°≤β≤116°的范围内时，如图3所示，较之β＝90°的情况，能够可靠地增大扭转，同时减小扭矩波动。
(5)较之结构A和结构B，本实施例的转子12在转矩和转矩波动方面是有利的。并且，较之结构D的转子，转子12在强度方面是有利的。
现将参考附图说明本发明的第二实施例。第二实施例与第一实施例的不同之处主要在于齿部23的数量(槽的数量)和转子12的磁极的数量。与第一实施例中相同的附图标记用于标注第二实施例中同样的部件，并且省略其说明。
如图9A所示，定子芯21包括其包括环状部22和十二个从环状部22径向向内延伸的齿部23。以与第一实施例相同的方式沿环状部22的圆周方向，以相等的角间隔设置齿部23。U相线圈24、V相线圈25、及W相线圈26中的一个以集中绕组的方式卷绕在各齿部23上。
转子芯32的外周部形成有磁极部33(本实施例中的磁极部数量为四个)。磁极部33沿径向朝向定子11的齿部23。
如图9A和图9B所示，在转子芯32的磁极部33上沿圆周方向相隔90°机械角的位置处形成有四个容纳孔34，并且位于转子芯32的径向外侧位置。各容纳孔32沿轴向(垂直于图纸的方向)穿过转子芯32。磁体35容纳在各容纳孔34中。磁体35的径向外表面具有相同的极性。
各磁极部33的圆周端形成有间隙36和37，而所述间隙36和37形成磁阻。由此，凸极部38(在本实施例中数量为4)形成在磁极部33之间。各凸极部38与磁极部33有磁性上的分隔。
下文的描述中，本实施例的电机10设为以一个方向转动(图9A所示的逆时针方向)。各首间隙37形成为径向向外打开。在径向向外侧(外圆周侧)上，通过连接磁极部33和凸极部38的连结部36a来闭合各尾间隙36。即，连结部36a闭合尾间隙36，并且磁极部33和凸极部38的外周面在同一圆上。
本实施例的电角度α和β的最优设计以与第一实施例相同的方式来确定。图2示出了电角度β固定为90°基准电角度(在第二实施例中对应于22.5°的机械角)的情况下的模拟结果。另一方面，图3示出了电角度α固定为90°基准电角度(在第二实施例中对应于22.5°机械角)的情况下的模拟结果。本实施例的转子12与图2和3中的“结构C1”相对应。
根据图2，在范围为90°＜α＜126°(22.5°＜α’＜31.5°)时，电机10生成的转矩大于电角度α为90°(α’＝22.5°)时所生成的转矩。并且，范围为90°＜α＜126°(22.5°＜α’＜31.5°)时的转矩波动小于电角度α为90°(α’＝22.5°)时的转矩波动。
根据图3，当范围为90°＜β＜126°时(22.5°＜β’＜31.5°)，电机10生成的转矩大于电角度β为90°(β’＝22.5°)时所生成的转矩。并且，范围为90°＜β＜126°(22.5°＜β’＜31.5°)时的转矩波动小于电角度β为90°(β’＝22.5°)时的转矩波动。
如上所述，对于电机包括四个磁极的转子和六个齿部的定子(n＝1)的第一实施例，以及电机包括八个磁极的转子和十二个齿部的定子(n＝2)的第二实施例来说，当电角度α和β设为同样的值时，获得的转矩变化和转矩波动变化大致是相同的。以相同的方式，对于包括4n个磁极的转子和6n个齿部的定子(n为正整数)的电机来说，当电角度α和β设为同样的值时，获得的转矩变化和转矩波动变化大致是相同的。
在本实施例的转子12中，各首间隙37径向向外打开，并且尾间隙36由连结部36a闭合。这样，较之图10所示的转子(结构A1)中的间隙36和37都由连结部36a和37a闭合，以及图11所示的转子(结构B1)中各首间隙37由连结部37a闭合并且各尾间隙36径向向外打开，本发明的转子12(结构C1)生成的转矩较大，并且减小了转矩波动。并且，举例来说，较之图12所示的转子(结构D1)中间隙36和37都打开，由于间隙36由连结部36a闭合，本实施例的转子12的强度较大。
根据第二实施例，除了第一实施例的优点之外，还可获得以下优点。
(6)较之结构A1和结构B1，本实施例的转子12在转矩和转矩波动方面是有利的。并且，较之结构D1的转子，转子12在强度方面是有利的。
本发明的较佳实施例可作如下修改。
上述实施例中，间隙36和37的与各磁极部33相邻的首间隙37径向向外打开，即，形成为不具有连结部，而尾间隙36由连结部36a闭合(结构C和C1)。作为代替，例如，可适用图6和图10所示的转子(结构A和A1)，其中间隙36和37分别都由连结部36a、37a闭合。并且，可采用图7和图11所示的转子(结构B和B1)，其中首间隙37由连结部37a闭合，而尾间隙36径向向外打开。此外，可采用如图8和图12所示的转子(结构D和D1)，其中与各磁极部33相邻的间隙36和37都径向向外打开。换言之，可适用无连结部的转子。
上述实施例中，与界定出间隙36和37之圆周尺寸的机械角α’和β’对应的电角度α和β分别设为约115°和约105°。即，电角度α和β都从作为基准角的90°(机械角为45°或22.5°)起变化为有利的角度。作为代替，电角度α和β中可仅有一个变化为有利的角度。

Claims (5)

1.一种电机，包括：
具有磁极的转子，所述转子具有转子芯、磁体、及凸极部，所述磁极、磁体和凸极部的数量分别为4n、2n和2n，n为正整数，所述磁体沿所述转子芯的圆周方向设置并且嵌入所述转子芯中，成为具有一个磁极性的2n个所述磁极，所述凸极部沿所述圆周方向设置并且与所述转子芯一体形成，各凸极部沿圆周方向位于所述磁体之间，其中所述凸极部成为具有另一个磁极性的2n个所述磁极，并且在各磁体与沿圆周方向相邻的一个所述凸极部之间设有间隙；及
具有齿部和线圈的定子，所述齿部的数量为6n，其中所述齿部沿圆周方向等间隔设置以沿径向朝向所述磁体和所述凸极部，并且各所述线圈分别绕一个所述齿部卷绕，其中
所述位于各磁体的圆周端的间隙包括尾间隙，其在所述磁体的尾侧，并且
与由一条基准直线和一条直线界定出的机械角α’对应的电角度α设为在90°＜α＜126°的范围内，所述基准直线穿过所述转子的中心轴和各磁体的圆周中心位置，并且所述直线穿过所述转子的中心轴和各尾间隙的尾端。
2.如权利要求1所述的电机，其中所述电角度α在110°≤α≤120°的范围内。
3.如权利要求1或2所述的电机，其中
所述位于各磁体圆周端的间隙包括首间隙，并且
与由所述基准直线和一条直线界定出的机械角β’对应的电角度β设为在90°＜β＜126°的范围内，所述直线穿过所述转子的中心轴和各首间隙的首端。
4.如权利要求3所述的电机，其中所述电角度β设为在104°≤β≤116°的范围内。
5.一种电机，包括
具有磁极的转子，所述转子具有转子芯、磁体、及凸极部，所述磁极、磁体和凸极部的数量分别为4n、2n和2n，n为正整数，所述磁体沿所述转子芯的圆周方向设置并且嵌入所述转子芯中，成为具有一个磁极性的2n个所述磁极，所述凸极部沿所述圆周方向设置并且与所述转子芯一体形成，各凸极部沿圆周方向位于所述磁体之间，其中所述凸极部成为具有另一个磁极性的2n个所述磁极，并且在各磁体与沿圆周方向相邻的一个所述凸极部之间设有间隙；及
具有齿部和线圈的定子，所述齿部的数量为6n，其中所述齿部沿圆周方向等间隔设置以沿径向朝向所述磁体和所述凸极部，并且各所述线圈分别绕一个所述齿部卷绕，其中
所述位于各磁体的圆周端的间隙包括首间隙，其在所述磁体的首侧，并且
与由一条基准直线和一条直线界定出的机械角β’对应的电角度β设为在90°＜β＜126°的范围内，所述基准直线穿过所述转子的中心轴和各磁体的圆周中心位置，并且所述直线穿过所述转子的中心轴和各首间隙的首端。
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PB01 Publication
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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