CN103415979A - 电动机的定子以及电动机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电动机的定子以及具备该定子的电动机,该电动机的定子能够降低电动机中产生的铁损从而得到高效率的电动机。该动机的定子具备:筒状的磁轭(11);以及齿部(12),其具有延伸部(123)和宽部(122),该延伸部(123)从磁轭(11)向磁轭(11)的径向内侧延伸,该宽部(122)形成为在该延伸部(123)的顶端沿磁轭(11)的周向拓宽;延伸部(123)的局部处设置有比该延伸部(123)的其它部位窄的窄部(121)。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动机的定子以及具备该定子的电动机。
背景技术
在用于空调设备的压缩机等的无刷电动机(brushless motor)(IPM电动机)等电动机中,作为用于进行变速驱动的方法,已知使用根据规定的载波(carrier)频率来改变脉冲(pulse)波的占空比(duty ratio)从而进行调制的PWM驱动方式。在PWM驱动方式中,为了得到在电动机中流动的电流波形而利用具有比该电流波形高的频率的载波频率来进行调制,因此,PWM中的载波频率的高次谐波成分会与电流波形重叠。
在此,电动机的损耗被分为表示将铁芯磁化时的损耗的铁损以及表示励磁时绕组(coil)的电阻所导致的损耗的铜损。其中的铁损是由铁芯的磁特性所引起的磁滞损耗(hysteresis loss)与铁芯内的电磁感应所导致的涡流损耗相加而成的,无论是磁滞损耗还是涡流损耗,都是用于使电动机旋转的交变磁通(交变电流)的频率越高,损耗的比率越大,这是已知的。因而,当载波频率的高次谐波成分与在电动机中流动的交变电流重叠时,由于该高次谐波成分的电流而产生了高次谐波磁通,因此,造成了铁损增大的结果。特别是PWM驱动中的载波频率与无刷电动机的小型化和高输出化相应地有变高的趋势,这种铁损的增大所导致的效率恶化愈发成为问题。
针对这种问题,已知有如下结构:为了抑制由于进行PWM驱动而产生的高次谐波磁通,在定子的磁轭(yoke)的局部处设置与其它部位相比应力不同的应力变化部位(例如参照专利文献1)。具体地说,例如在磁轭的外周面和内周面的局部处设置切口部、铆接部等,通过热套配合等将定子固定于机壳内,由此,在该切口部、铆接部等处使压缩应力增加。
专利文献1:日本特开2010-158095号公报
发明内容
发明要解决的问题
图9是表示对以往的定子中的应力分布进行分析所得的结果的图。在图9中,以如下方式表示:颜色越深(色调越暗),所施加的应力越大。如图9所示可知,在如专利文献1那样的以往的定子中,通过热套配合等将定子固定于机壳内,由此,在与其内侧的齿部相比压缩应力高的磁轭的局部处,由于应力变化部位而施加有更高的应力。
然而,指出了以下的问题:在通过热套配合将定子固定于机壳内时,当磁轭内的应力增加时,无论交变磁通的频率如何铁损都显著变大(例如参照佐藤光彦、金子清一、富田睦雄、道木慎二、大熊繁《利用了电工钢板的物理特性来减少由于热套配合配合所引起的损失的定子形状的改进(焼嵌めによる損失を低減するための電磁鋼板の特性を用いた固定子形状の改善)》日本电气学会论文志D(IEEJ Trans.IA,Vol.127,No.1,2007pp.60-68))。因而,当通过构成为如专利文献1那样的结构来提高磁轭处的压缩应力时,存在以下担忧:即使能够局部地抑制高次谐波磁通,整体的铁损却反而会增加。
本发明用于解决这种以往的问题,其目的在于提供一种电动机的定子以及具备该定子的电动机,该电动机的定子能够降低电动机中产生的铁损从而得到高效率的电动机。
用于解决问题的方案
本发明的一技术方案所涉及的电动机的定子具备:筒状的磁轭;以及齿部,其具有延伸部和宽部,该延伸部从上述磁轭向该磁轭的径向(以下只称为径向)内侧延伸,该宽部形成为在该延伸部的顶端沿上述磁轭的周向(以下只称为周向)拓宽;上述延伸部的局部处设置有比该延伸部的其它部位窄的窄部。
采用上述结构,齿部的局部处设置有比延伸部的其它部位窄的窄部,因此,在该窄部处穿过齿部的磁通密度变高而产生局部磁饱和,高次谐波磁通被过滤(filtering)。此时,齿部处没有产生应力,因此,也能够防止由于作用于定子的压缩应力增加而导致铁损增加的情况。而且,通过在定子之中磁通密度相对较高的齿部处设置窄部,能够有效地仅将高次谐波磁通过滤而去除。因而,能够降低电动机中产生的铁损从而得到高效率的电动机。
上述窄部也可以形成为周向上的宽度比上述延伸部的其它部位的周向上的宽度窄。
上述延伸部也可以具有恒宽部和上述窄部,该恒宽部以周向上的宽度恒定的方式沿径向呈直线状延伸,该窄部的周向上的宽度比上述恒宽部的周向上的宽度小。由此,在恒宽部处能使交变磁通易于流过,同时能够在周向上的宽度比该恒宽部小的窄部处有效地抑制高次谐波磁通。
并且,也可以是上述窄部设置于上述延伸部的基端部,上述恒宽部从上述窄部的顶端向径向内侧延伸。由此,在相邻的齿部之间经由磁轭交链的高次谐波磁通被过滤,因此,能够有效地抑制高次谐波磁通。
也可以是上述窄部的周向两侧在与上述磁轭的中心轴线垂直的剖视状态下具有圆弧形状。由此,窄部处的磁通的流动变得缓和,窄部与其它部位的连接位置处的磁矢量(vector)的变化量降低,因此,能够抑制铁损的增加。
上述窄部的周向上的宽度的最小值d1与上述恒宽部的周向上的宽度d2之比也可以为0.70<d1/d2<0.98。通过设为这种比率,能够更有效地抑制高次谐波磁通。
另外,本发明的一技术方案的电动机具备上述结构的电动机的定子。由此,在相同尺寸的电动机中,能够在不降低转矩常数(torque constant)的情况下降低铁损从而得到高效率的电动机。
参照附图,根据以下的优选实施方式的详细说明来明确本发明的上述目的、其它目的、特征以及优点。
发明的效果
本发明构成为以上所说明的结构,起到能够降低电动机中产生的铁损从而得到高效率的电动机这样的效果。
附图说明
图1是表示具备本发明的一实施方式所涉及的的电动机的转子的电动机的截面构造例的剖视图。
图2是表示图1所示的电动机的定子的截面构造的局部放大图。
图3是表示图1所示的电动机的定子中的齿部附近的局部的磁通流动的说明图。
图4是表示使图1所示的定子中的齿部的窄部的周向上的宽度的最小值d2相对于恒宽部的周向上的宽度d1发生了变化时的铁损和转矩常数的分析值的曲线图。
图5是表示使图1所示的定子中的齿部的窄部的周向上的宽度的最小值d2相对于恒宽部的周向上的宽度d1发生了变化时的电动机效率的分析值的曲线图。
图6A是表示本发明的第一实施方式的变形例中的定子的截面构造例的局部放大图。
图6B是表示本发明的第一实施方式的变形例中的定子的截面构造例的局部放大图。
图6C是表示本发明的第一实施方式的变形例中的定子的截面构造例的局部放大图。
图6D是表示本发明的第一实施方式的变形例中的定子的截面构造例的局部放大图。
图6E是表示本发明的第一实施方式的变形例中的定子的截面构造例的局部放大图。
图7是将本发明的实施例1中的定子的铁损和转矩常数的分析值与比较例进行对比而示出的曲线图。
图8是按频率示出本发明的实施例1中的定子的铁损的分析值的曲线图。
图9是表示对以往的定子中的应力分布进行分析所得的结果的图。
具体实施方式
下面,参照附图说明本发明的实施方式。此外,下面对所有附图中相同或者相当的元素标注相同的参照标记,省略其重复说明。
图1是表示具备本发明的一实施方式所涉及的电动机的转子的电动机的截面构造例的剖视图。另外,下面,例示了电动机是无刷电动机的结构,但是电动机并不限定于此。如图1所示,本实施方式所涉及的无刷电动机(以下只称为电动机)具有通过热套配合等安装于外框10的内壁面的筒状的定子1以及以能够相对于定子1进行相对旋转的方式被保持在定子1的内侧的筒状的转子2。转子2的中心处设置有转轴孔3,在使转轴(未图示)贯穿该转轴孔3的状态下将转子2与转轴固定。
定子1具有:定子铁芯13,其具有形成为筒状的磁轭11和多个(在本实施方式中为18个)齿部12,该齿部12从磁轭11的内壁面向径向内侧延伸;以及绕组14,其缠绕在各个齿部12上。齿部12与绕组14之间设置有将两者电绝缘的绝缘构件15(参照后述的图2)。另外,转子2具有筒状的转子铁芯21以及板状的永磁体22,该永磁体22形成为埋入于空孔中,该空孔在转子铁芯21的内部沿转子2的周向形成有多个(在本实施方式中为6个)。另外,在本实施方式中,例示了利用将绕组线缠绕在单个齿部12上所得的集中绕组而形成的绕组14,但是本发明并不限于此。例如能够采用跨越多个齿部12地缠绕绕组线的分布绕组或者波形绕组等各种缠绕方法。
在这样构成的电动机中,使交变电流流过定子1的绕组14以产生旋转磁通,由此,将转轴的中心轴线作为旋转轴C而使转轴及转子2相对于定子1绕旋转轴C旋转。
图2是表示图1所示的电动机的定子的截面构造的局部放大图。在图2中,省略了绕组14和绝缘构件15的一部分图示。如图2所示,齿部12的局部处设置有比其它部位窄的窄部121。更具体地说,齿部12具有延伸部123和宽部122,该延伸部123从磁轭11向该磁轭11的径向(以下只称为径向)内侧延伸,该宽部122形成为在该延伸部123的顶端沿磁轭11的周向(以下只称为周向)拓宽,延伸部123形成为周向上的宽度比宽部122的周向上的宽度小。延伸部123被称为所谓的磁极部,宽部122是被称为所谓的磁极顶端部的部分。并且,延伸部123具有恒宽部124和窄部121,该恒宽部124沿径向呈直线状延伸而使其周向上的宽度恒定,该窄部121的周向上的宽度d1比恒宽部124的周向上的宽度d2窄。由此,窄部121形成为在延伸部123的局部处周向上的宽度比该延伸部123的其它部位的周向上的宽度窄。
接着,说明如上述那样构成的定子1的效果。图3是表示图1所示的电动机的定子中的齿部附近的局部的磁通流动的说明图。在图3中,利用箭头示出了暂时性的磁通流动。在图3中,省略了绕组14和绝缘构件15的图示。如图3所示,来自转子2的磁通从齿部12的宽部122进入齿部12内,穿过齿部12的延伸部123进入磁轭11。流向齿部12的磁通是交变磁通,因此,磁通也同样能够向图3的箭头的相反方向流动(在从磁轭11穿过齿部12向转子2去的朝向上也能够产生磁通)。
在此,在本实施方式中,齿部12的局部处设置有比该齿部12的其它部位窄的窄部121,因此,在该窄部121处穿过齿部12的磁通密度变高而产生局部磁饱和,高次谐波磁通被过滤。更详细地说,在穿过齿部12的交变磁通(主磁通)达到极大值时,与该交变磁通重叠的高次谐波成分被去除。因此,优选的是,与窄部121的径向(交变磁通流动的朝向)垂直的截面积为能够在交变磁通的极大值时尽可能使所有主磁通穿过的大小。
另外,如以往结构中的图9中也示出的那样,齿部12处没有产生热套配合等所导致的应力,因此,即使在齿部12处设置窄部121,作用于定子1的应力也不会增加。因而,也能够防止由于作用于定子1的压缩应力增加而导致铁损增加的情况。而且,通过在定子1之中磁通密度相对较高的齿部12处设置窄部121,能够有效地仅将高次谐波磁通过滤而去除。由此,通过在去除穿过齿部12内的交变磁通的高次谐波成分来降低铁损的同时使主磁通穿过,能够防止输出(转矩常数)降低。因而,能够降低电动机中产生的铁损从而得到高效率的电动机。
另外,由于设置有宽部122,从而能在该宽部122处降低来自转子2的磁通流向定子1时的漏磁通,并且在此基础上,还能在狭窄的窄部121处将高次谐波磁通过滤。因而,能够在不降低电动机的转矩常数的情况下有效地抑制高次谐波磁通。并且,通过利用恒宽部124形成延伸部123中的窄部121以外的部位,从而能够在恒宽部124处缓和交变磁通的磁饱和,并且在周向上的宽度比该恒宽部124的周向上的宽度小的窄部121处有效地抑制高次谐波磁通。
更详细地说明本实施方式中的窄部121。如图2所示,窄部121设置于延伸部123的基端部(接近磁轭11的部分),恒宽部124从窄部121的顶端向径向内侧延伸。由此,在相邻的齿部12之间经由磁轭11交链的高次谐波磁通被过滤,因此,能够有效地抑制高次谐波磁通。
并且,窄部121的周向两侧在与磁轭11的中心轴线垂直的剖视状态下具有圆弧形状。即,以如下方式形成:随着从窄部121的基端部(接近磁轭11的部分)向顶端去,齿部11的周向上的宽度逐渐变小,在达到周向上最小的宽度d1之后,随着进一步向顶端去,齿部11的周向上的宽度以接近d2的方式逐渐变长。由此,窄部121中的磁通流动变得缓和,窄部121与其它部位(恒宽部124或者磁轭11)的连接位置处的磁矢量的变化量降低,因此,能够抑制窄部121处铁损的增加。
在此,优选的是,窄部121的周向上的宽度的最小值d1与恒宽部124的周向上的宽度d2之比为0.70<d1/d2<0.98。图4是表示使图1所示的定子中的齿部的窄部的周向上的宽度的最小值d2相对于恒宽部的周向上的宽度d1发生了变化时的铁损和转矩常数的分析值的曲线图。在图4中,分别示出了将不存在窄部的情况下(从延伸部的基端到顶端为止周向上的宽度恒定的情况下)的铁损和转矩常数设为1时的铁损和转矩常数的减少率。并且,图5是表示使图1所示的定子中的齿部的窄部的周向上的宽度的最小值d2相对于恒宽部的周向上的宽度d1发生了变化时的电动机效率的分析值的曲线图。图5中的电动机效率表示电动机效率的以不存在窄部的情况下(从延伸部的基端到顶端为止周向上的宽度恒定的情况下)的电动机效率为基准的提高量。在图4和图5中,将使窄部的周向上的宽度的最小值d2相对于恒宽部的周向上的宽度d1而言从0.7d1(70%)变化到了0.98d1(98%)时的分析值做成了曲线图。
电动机效率η以电动机输出Pout与电动机输入Pin之比Pout/Pin来表示,电动机输出Pout是从电动机输入Pin中减去电动机损耗Ploss所得的值,因此,电动机效率η表示为η=(Pin-Ploss)/Pin。并且,电动机损耗Ploss为铁损Wf与铜损Wc之和(Wf+Wc),铜损Wc使用电动机电流I和绕组14的绕组线电阻R以Wc=I2·R来表示。在此,电动机的转矩τ使用转矩常数Kτ表示为τ=Kτ·I,因此,电动机电流I以τ/Kτ来表示。因而,电动机效率η表示为η=1-(Wf+(τ/Kτ)2·R)/Pin。由此,可以说当铁损Wf降低、转矩常数Kτ变大时电动机效率η变高。
如图4所示,在窄部121的周向上的宽度的最小值d2为恒宽部124的周向上的宽度d1的98%以上的情况下(0.98≤d1/d2≤1.0的情况下),没有产生铁损降低的效果,但是在小于98%的情况下,产生了铁损降低的效果。在此,在窄部121的周向上的宽度的最小值d2小于恒宽部124的周向上的宽度d1的98%的情况下,相对于恒宽部124的周向上的宽度d1而言窄部121的周向上的宽度的最小值d2越小,铁损越低,但同时转矩常数也越低。在此,如图5所示,当考虑电动机效率时,在窄部121的周向上的宽度的最小值d2为恒宽部124的周向上的宽度d1的70%以下的情况下,虽然铁损降低但是转矩常数也降得过低(即铜损增加),电动机效率未得到改善(电动机效率的提高量为0)。
因而,通过将窄部121的周向上的宽度的最小值d1与恒宽部124的周向上的宽度d2之比设为0.70<d1/d2<0.98,在相同尺寸的电动机中,能够在不降低转矩常数的情况下降低铁损从而得到高效率的电动机。尤其是在窄部121的周向上的宽度的最小值d1与恒宽部124的周向上的宽度d2之比处于0.80<d1/d2<0.96的范围内时,电动机效率的提高量变大,因此,通过将d1/d2之比设为该范围,能够进一步提高电动机效率。
另外,在本实施方式中,窄部121设置于齿部12的延伸部123的基端侧,但是并不限于此。图6A~图6E是表示本发明的第一实施方式的变形例中的定子的截面构造例的局部放大图。在图6A~图6E中,省略了绕组14和绝缘构件15的图示。
在图6A所示的变形例中,窄部121a设置于齿部12a的延伸部123a的顶端侧(远离磁轭11的一侧)。具体地说,延伸部123a具有从磁轭11向径向内侧延伸的恒宽部124a以及设置于恒宽部124a与顶端的宽部122之间的窄部121a。
另外,在图6B所示的变形例中,窄部121b设置于齿部12b的延伸部123b的中间部。具体地说,延伸部123b具有在窄部121b的径向两侧沿磁轭11的径向延伸的恒宽部124b。
另外,在图6C所示的变形例中,延伸部123c的窄部121c的周向两侧在与磁轭11的中心轴线垂直的剖视状态下具有有棱角的形状。本例中的齿部12c与图6B同样地,具有在窄部121c的径向两侧沿磁轭11的径向延伸的恒宽部124c,而在窄部为图2或图6A的例子时也均能够应用如本例那样的窄部121c的形状。
另外,在图6D所示的变形例中,齿部12d的延伸部123d具有周向上的宽度随着向磁轭11的径向内侧去而变窄的形状,由此,延伸部123d的顶端部构成为周向上的宽度比延伸部123d的其它部位的周向上的宽度窄的窄部121d。
另外,在图6E所示的变形例中,齿部12e的延伸部123e具有周向上的宽度随着向磁轭11的径向内侧去而变宽的形状,由此,延伸部123e的基端部构成为周向上的宽度比延伸部123e的其它部位的周向上的宽度窄的窄部121e。
采用如上所说明的各种变形例,也能够起到与上述实施方式相同的效果。
实施例1
下面,示出通过分析而求出在定子1的齿部12中设置有如上述实施方式所说明的那样的窄部121的定子(实施例1)的铁损和转矩常数以及在齿部中未设置窄部的定子(比较例1、2)的铁损和转矩常数的结果。作为比较例,在具有由沿磁轭的径向延伸的恒宽部以及比恒宽部宽的顶端部构成的齿部的定子中,使用了该恒宽部的周向上的宽度为d1的定子(比较例1)以及该恒宽部的周向上的宽度为0.93d1的定子(比较例2),其中,该宽度d1与上述图4所涉及的说明中示出的宽度相同。作为实施例1,使用了将恒宽部124的周向上的宽度设为上述d1、将窄部121的周向上的宽度设为0.93d1的定子1。定子的其它结构(齿部的数量、磁轭的宽度等)在实施例1与比较例1、2中设为相同。
图7是将本发明的实施例1中的定子的铁损和转矩常数的分析值与比较例进行对比而示出的曲线图。在图7中,分别示出了将比较例1中的铁损和转矩常数设为1时的比较例2和实施例1中的铁损和转矩常数的减少率。
如图7所示,在比较例2中,相对于比较例1而言,铁损降低了6%,可知通过缩小齿部的周向上的宽度也能够使铁损降低。然而,在这种情况下,转矩常数降低了将近4%之多,结果无法提高电动机效率。
与此相对,在实施例1中,如图7所示,相对于比较例1而言,结果是:将转矩常数的降低抑制在1%左右的同时使铁损降低4%之多。因而,表明了通过在齿部12中设置窄部121,能够实现可在防止电动机输出的降低的同时降低铁损的高效率的电动机。
并且,对在实施例1的铁损中相对于比较例1所降低的铁损是高次谐波成分(高次谐波磁通)的铁损还是基本波成分(主磁通)的铁损进行了分析,并对两者的比例进行了验证。图8是按频率示出本发明的实施例1中的定子的铁损的分析值的曲线图。在图8中,分别示出了将比较例1中的基本波成分的铁损和高次谐波成分中的铁损分别设为1时的实施例1中的基本波成分的铁损的减少率和高次谐波成分的铁损的减少率。
如图8所示,结果是:在实施例1中,相对于比较例1而言哪一个频率成分下铁损都减少了,但是基本波成分的铁损的减少率仅有2%左右,与此相对,高次谐波成分中的铁损的减少率大到7%。因而,表明了通过在齿部12中设置窄部121,能够在维持主磁通的同时有效地抑制高次谐波磁通的铁损。
以上,说明了本发明的实施方式,但是本发明并不限定于上述实施方式,能够在不脱离其主旨的范围内进行各种改进、变更、修正。
例如,在上述实施方式中,在齿部12中的磁轭11周向两侧形成窄部121,但是本发明并不限于此,例如也可以仅在齿部12中的磁轭11周向单侧形成窄部。此外,也可以除了沿周向形成的窄部以外还在齿部12中的磁轭11中心轴线方向两侧形成窄部,或者在齿部12中的磁轭11中心轴线方向两侧形成窄部来代替沿周向形成的窄部。
此外,在上述实施方式中,在构成定子1的所有齿部12中形成有窄部121,但是本发明并不限于此,也可以在多个齿部12中的几个齿部12中形成窄部。
另外,齿部12的数量、齿部12的其它形状以及磁轭11的形状等能够适当地设定。
根据上述说明,对本领域技术人员来说,本发明的许多改进和其它实施方式是显而易见的。因而,上述说明应解释为只是例示,是以向本领域技术人员说明执行本发明的优选方式为目的而提供的。能够在不脱离本发明的思想的情况下实质性地改变其结构和/或功能的详细内容。
产业上的可利用性
本发明的电动机的定子以及具备该定子的电动机对于降低电动机中产生的铁损从而得到高效率的电动机是有帮助的。
附图标记说明
1:定子;2:转子;3:转轴孔;10:外框;11:磁轭;12:齿部;12a、12b、12c、12d、12e:齿部;13:定子铁芯;14:绕组;15:绝缘构件;21:转子铁芯;22:永磁体;121、121a、121b、121c、121d、121e:窄部;122:宽部;123:延伸部;123ea、123b、123c、123d、123e:延伸部;124、124a、124b、124c:恒宽部。
Claims (7)
1.一种电动机的定子,其中,
该电动机的定子具备:
筒状的磁轭;以及
齿部,其具有延伸部和宽部,该延伸部从上述磁轭向该磁轭的径向(以下只称为径向)内侧延伸,该宽部形成为在该延伸部的顶端沿上述磁轭的周向(以下只称为周向)拓宽;
上述延伸部的局部处设置有比该延伸部的其它部位窄的窄部。
2.根据权利要求1所述的电动机的定子,其中,
上述窄部形成为周向上的宽度比上述延伸部的其它部位的周向上的宽度窄。
3.根据权利要求2所述的电动机的定子,其中,
上述延伸部具有恒宽部和上述窄部,该恒宽部以周向上的宽度恒定的方式沿径向呈直线状延伸,该窄部的周向上的宽度比上述恒宽部的周向上的宽度小。
4.根据权利要求3所述的电动机的定子,其中,
上述窄部设置于上述延伸部的基端部,
上述恒宽部从上述窄部的顶端沿径向内侧延伸。
5.根据权利要求1所述的电动机的定子,其中,
上述窄部的周向两侧在与上述磁轭的中心轴线垂直的剖视状态下具有圆弧形状。
6.根据权利要求3所述的电动机的定子,其中,
上述窄部的周向上的宽度的最小值d1与上述恒宽部的周向上的宽度d2之比为0.70<d1/d2<0.98。
7.一种电动机,其中,
该电动机具备权利要求1~6中任一项所述的电动机的定子。
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