CN103812287B - 无刷电机 - Google Patents

Abstract

公开了一种执行场减弱控制并降低铁损的磁通量集中型无刷电机。定子的齿设置有定子侧大宽度部分，而转子设置有具有转子侧大宽度部分的磁性元件和设置在磁性元件之间的磁铁。电机在低转速（LRR）阶段和高转速（HRR）阶段被驱动特定时间。在HRR阶段执行场减弱控制。当转子的相对磁极的对数是P，连接转子侧大宽度部分的横截表面到旋转轴线的径向线的长度是R，定子侧大宽度部分的厚度是Lt，定子侧大宽度部分的中心角是τt，转子侧大宽度部分的中心角是τr，且任两个相邻磁铁之间的中心角是τm时，电机被设定成使得τr≤2.85×τm‑2.65×τt且(Lt×P)/(π×R)≥τt/τm‑0.6。

Description

无刷电机

技术领域

本发明的各实施方式涉及磁通量集中型的无刷电机，该无刷电机用在洗衣机中并且执行场减弱控制。

背景技术

对于在洗衣机中使用的电机而言，在两个不同的旋转阶段中需要稳定的输出功率。即，对于洗涤操作需要电机在低转速下的高扭矩，而对于脱水-甩干操作需要高转速下的低扭矩。为了在洗涤操作下实现高扭矩，使用产生强磁力的永久磁铁（例如钕磁铁）是有效的。但是，由于钕磁铁是昂贵的，所以为了降低制造成本，经常使用不太昂贵的铁氧体磁铁。作为使用铁氧体磁铁来实现高扭矩的电机，可以提及磁通量集中型电机，其具有以交替方式径向设置的磁铁（magnet）和磁性元件，并且将来自磁铁的磁通量会聚到定子上。在其中安装磁通量集中型电机的洗衣机的情况下，执行场减弱控制，以在脱水-甩干操作过程中实现高转速。

随着磁极的磁通量密度增加以实现高转速，电机易于经历铁损。另外，由于磁通量集中导致的磁力增强，可能产生噪声或振动。此外，由于产生磁通量以减弱磁铁的场的电流流入到定子的线圈中，所以在磁铁的靠近定子的区域中会出现退磁。结果，电机的效率会下降。

发明内容

因此，本发明的一个方面是提供一种无刷电机，该无刷电机可以利用电机的特性来有效地降低铁损。

本发明的另一方面是提供一种磁通量集中型的无刷电机，该无刷电机可以降低在高速旋转过程中产生的噪声。

本发明的再一个方面是提供一种磁通量集中型的无刷电机，在执行场减弱控制的同时，该无刷电机可以抑制电动势下降并增强对退磁的抵抗力。

本发明的额外方面将部分在随后的描述中阐述，并且部分从该描述中显而易见或者可以通过本发明的实践而习得。

根据本发明的一个方面，无刷电机包括围绕旋转轴线可旋转的转子和设置在所述转子的内侧或外侧的定子。

所述定子包括设置有圆周表面的轭部、多个齿以及多个线圈，所述轭部具有环形横截面并且面对转子，所述多个齿中的每个齿从所述轭部的圆周表面向转子突出并且在其突出端部处设置有定子侧大宽度部分，所述定子侧大宽度部分具有突出而形成加宽的宽度的两个横向侧，所述多个线圈通过将导线穿过在所述多个齿中的相邻齿之间形成的狭槽而绕所述齿缠绕若干次而形成。

所述转子包括多个磁性元件和多个磁铁，所述多个磁性元件中的每一个设置有转子侧大宽度部分，所述转子侧大宽度部分在径向上设置在转子的圆周边缘处以面对定子，并且在其定子侧端部处设置有两个横向侧，所述两个横向侧突出以形成加宽的宽度，所述多个磁铁中的每一个设置在所述多个磁性元件中的相邻磁性元件之间，使得相同的磁极在圆周方向上彼此面对。所述定子侧大宽度部分和转子侧大宽度部分彼此面对，且在二者之间形成微小间隙。

所述电机在至少两种不同转速阶段被驱动特定时间，所述至少两种不同转速阶段包括低转速（LRR）阶段和高转速（HRR）阶段。场减弱控制是在HRR阶段执行的。

在沿着旋转轴线的方向观察的电机中，当转子的相对磁极的对数是P，连接面向微小间隙的转子侧大宽度部分的横截表面到旋转轴线的径向线的长度是R，定子侧大宽度部分的径向厚度是Lt，在将定子侧大宽度部分的两个圆周端部连接到旋转轴线上的两条径向线之间的中心角是τt，将转子侧大宽度部分的两个圆周端部连接到旋转轴线的两条径向线之间的中心角是τr，且将任两个相邻磁铁的中心连接到旋转轴线的两条径向线之间的中心角是τm时，电机被设定成使得τr≤2.85×τm-2.65×τt并且(Lt×P)/(π×R)≥τt/τm-0.6。

即，无刷电机是磁通量集中型电机，其在LRR和HRR阶段被驱动特定时间，并且在HRR阶段执行场减弱控制。齿从定子的轭部的圆周表面径向突出，且形成在齿的突出端部的定子侧大宽度部分和转子侧大宽度部分彼此面对，且在二者之间形成微小间隙。由此，磁铁被设置成满足如上所述的预定条件。

根据这种无刷电机，利用电机的特性可以有效地降低铁损。

另外，电机可以被设定成0.5≤τr/τm≤0.75。

由此，可以避免电动势的下降，并因此，可以降低铁损而不会导致扭矩很大的损失。

具体地说，当定子的狭槽的数量是S，S可以等于或大于24并且满足关系4/3×S≥2×P＞S。

在这种情况下，在LRR阶段可以实现稳定的电机性能。

例如，当S等于或大于24时，每个磁铁的剩余磁通量密度可以被设定在0.35T到0.5T的范围内。

在这种情况下，可以将不昂贵的铁氧体磁铁用作磁铁，并由此可以降低制造成本。

当S小于24时，每个磁铁的剩余磁通量密度可以被设定在1.1T到1.5T的范围内。

在这种情况下，钕磁铁可以被用作磁铁，并且即使在磁铁的尺寸根据电机小型化而减小时，也可以保持高扭矩。

根据本发明的另一方面，无刷电机包括围绕旋转轴线可旋转的转子以及设置在所述转子的内侧或外侧的定子。

所述定子包括设置有圆周表面的轭部、多个齿和多个线圈，所述轭部具有环形横截面并面对定子，所述多个齿中的每个齿从所述轭部的圆周表面朝转子径向突出，并且在其突出端部处设置有定子侧大宽度部分，该定子侧大宽度部分具有两个横向侧，这两个横向侧突出以形成加宽的宽度，所述多个线圈通过使导线穿过所述多个齿中的相邻齿之间形成的狭槽而围绕齿缠绕若干次而形成。

所述转子包括多个磁性元件和多个磁铁，每个磁性元件设置有转子侧大宽度部分，该转子侧大宽度部分径向地设置在转子的圆周边缘处以面对定子，并且在其定子侧端部处设置有两个横向侧，所述两个横向侧突出以形成加宽的宽度，每个磁铁设置在所述多个磁性元件中的相邻磁性元件之间，使得相同的磁极沿圆周方向彼此面对。所述定子侧大宽度部分和转子侧大宽度部分彼此面对，且在二者之间形成微小间隙。

在包括低转速（LRR）阶段和高转速（HRR）阶段的至少两个不同转速阶段中，电机被驱动特定时间。场减弱控制在HRR阶段中执行。

在沿着旋转轴线观察的电机中，当连接定子侧大宽度部分的两个圆周端部与旋转轴线的两条径向线之间的中心角为τt，连接转子侧大宽度部分的两个圆周端部到旋转轴线的两条径向线之间的中心角为τr，且连接任何两个相邻磁铁的中心到旋转轴线的两条径向线之间的中心角为τm时，电机被设定成：τr≤1.1×τm-0.46×τt。

即，无刷电机是磁通量集中型电机，其在LRR和HRR阶段内被驱动特定时间并且在HRR阶段执行场减弱控制。齿从定子的轭部的圆周表面径向突出，并且形成在齿的突出端部处的定子侧大宽度部分和转子侧大宽度部分彼此面对，且在二者之间形成微小间隙。由此，磁铁被设置成满足如上所述的预定条件。

根据如上构造的无刷电机，除了LRR阶段外，当电机在HRR阶段通过场减弱控制而被驱动时，与传统电机的情况相反，周期性施加到高转速的转子上的吸引力可以被抑制。于是，可以减小噪声。

另外，电机可以被设定成使得0.5≤τr/τm≤0.75。

由此，可以避免电动力的减小，并因此，可以减小铁损而不会导致扭矩的大损失。

具体地说，当转子的相对磁极的对数为P，定子的狭槽的数量为S，电机可以被设定成使得S等于或大于24，且S和P满足关系4/3×S≥2×P＞S。

在这个情况下，在LRR阶段中可以实现稳定的电机性能。

例如，当S等于或大于24时，每个磁铁的剩余磁通量密度可以被设定在0.35T到0.5T的范围之内。

在这种情况下，可以使用不昂贵的铁氧体磁铁作为磁铁，由此可以降低制造成本。

当S小于24时，每个磁铁的剩余磁通量密度可以设定在1.1T到1.5T的范围之内。

在这种情况下，可以使用钕磁铁作为磁铁，并且即使在磁铁的尺寸根据电机小型化而减小时，也可以保持高扭矩。

根据本发明的另一方面，无刷电机包括围绕旋转轴线可旋转的转子以及设置在所述转子的内侧或外侧的定子，其中，所述定子包括设置有圆周表面的轭部、多个齿以及多个线圈，所述轭部具有环形横截面并且面向所述转子，所述多个齿中的每一个齿从轭部的圆周表面朝转子径向突出，并且所述多个线圈通过将导线穿过在所述多个齿中的相邻齿之间形成的狭槽而围绕所述齿缠绕若干次形成，且所述转子包括多个磁性元件和多个磁铁，所述多个磁铁元件中的每一个设置有转子侧大宽度部分，所述转子侧大宽度部分径向设置在转子的圆周边缘处以面对定子，并且在其定子侧端部处设置有两个横向侧，所述两个横向侧突出以形成加宽的宽度，所述多个磁铁中的每一个设置在所述多个磁铁元件中的相邻磁性元件之间，使得相同的磁极沿着圆周方向彼此面对。所述电机在包括低转速（LRR）阶段和高转速（HRR）阶段的至少两个不同转速阶段中被驱动特定时间。场减弱控制在HRR阶段中执行。

当任一个磁性元件的定子侧横截表面和相应一个磁铁的定子侧横截表面之间沿转子的直径方向的距离是Lr，且在沿着旋转轴线的方向观察时连接转子侧大宽度部分的两个圆周端部到旋转轴线的两条径向线之间的中心角是τr时，电机被设定成使得Lr在2.0mm≤Lr≤3.5mm的范围之内，且由电气角度所表示的τr在110°≤τr≤140°的范围之内。

所述转子还可以包括转子主体，该转子主体由树脂形成以具有圆柱形状并且设置成转子和定子同轴布置，其中，所述转子主体包括圆管形状的内圆周壁、设置在所述内圆周壁的直径方向的外侧的圆管形状的外圆周壁、将内圆周壁的一个轴向端部连接到外圆周壁的一个轴向端部的第一表面、将内圆周壁的另一轴向端部连接到外圆周壁的另一轴向端部的第二表面、容纳在由内圆周壁、外圆周壁、第一表面和第二表面所限定的内部空间中的磁性元件和磁铁，其中，由所述内圆周壁和第一表面形成的倾斜角部在其对应于每个磁铁的部分处设置有从内圆周壁延伸到第一表面的狭槽，并且所述外圆周壁在其对应于每个磁铁的部分处设置有在外圆周壁的厚度方向上穿透该外圆周壁的通孔。

当转子的相对磁极的对数为P且定子的狭槽的数量为S时，P和S满足关系：S＜2×P≤4/3×S。

根据本发明的另一个方面，提供了一种利用注模成型模具制造在根据本发明的无刷电机中使用的转子的方法，所述模具设置有第一模具、设置成面对第一模具并与第一模具相配合限定用于模制转子的主体的型腔的第二模具、从所述型腔的一个直径方向侧壁的与磁铁对应的部分突出的滑动型突出端部、以及形成为从所述型腔的相对的直径方向侧壁中的与磁铁对应的部分沿直径方向向一侧突出的突起，所述方法包括在所述注模成型模具处于模具封闭状态的情况下，利用所述滑动型突出端部和突起将容纳在型腔中的磁铁沿直径方向横向配合到转子中，其中，用熔融树脂填充所述型腔以执行注模成型。

所述方法可以进一步包括以环形形状径向地设置磁性元件并且将磁铁设置在磁性元件中的相邻磁性元件之间；将粘结剂施加到设置成环形形式的磁性元件和磁铁的两个横截表面的一个横截表面上，所述横截表面在轴向上相面对。

附图说明

从结合附图对各实施方式的如下描述，本发明的这些和/或其他方面将变得清楚且更容易理解，图中：

图1是示意性示出配备有根据示例性实施方式的电机的洗衣机的截面图；

图2是示意性示出电机的主要输出区域的视图；

图3是示意性示出根据一个实施方式的电机的透视图；

图4是沿着图3的线X-X截取的横截面图；

图5是示出图4中示出的一部分的放大图；

图6是示出转子的整体透视图；

图7(a)-图7(c)示出了转子，其中图7(a)是转子的平面图，图7(b)是转子的侧视图，图7(c)是沿着图7(a)的线VIc-VIc截取的转子的截面图；

图8(a)-图8(b)示出模制转子的模具的截面，其中图8(a)是示出模具中设置磁铁的一部分的视图，图8(b)是示出图8(a)中的区域VIIb的放大图；

图9是示意性示出在执行场减弱控制的情况下在齿中的铁损分布的视图；

图10(a)和图10(b)是示意性示出在不同位置处在定子侧大宽度部分内的铁损分布的视图；

图11是示出磁铁、磁性元件和齿的配置的视图；

图12是描绘τt/τm、τr/τm和IL（铁损）之间的关系的三维曲线；

图13是描绘τt/τm、(Lt×P)/(τ×R)和IL之间的关系的三维曲线；

图14是描绘τr/τm、IL和EMF（电动势）之间的关系的曲线；

图15(a)和图15(b)是示出造成噪声的磁通量集中型电机的结构的视图；

图16是描绘施加到定子上的吸引力的周期性变化的曲线；

图17是描绘τt、τr和fR之间的关系的三维曲线；

图18是描绘τr、fR和EMF之间的关系的曲线；

图19是示意性示出电动势（EMF）相对于中心角τr和距离Lr的分布（EMF）的视图，其中中心角τr是连接转子侧大宽度部分的两个圆周横向端部与转子的旋转轴线的径向线之间的角度，距离Lr是在转子侧大宽度部分的定子侧横截表面与磁铁的定子侧横截表面之间的距离；

图20是示出在中心角τr和距离Lr与退磁的发生之间的关系的视图；以及

图21是描绘距离Lr和EMF之间的关系的曲线。

具体实施方式

应该理解到，在本说明书中公开的实施方式以及在附图中示出的构成仅仅是说明性的，在提交本申请时，存在多种可以取代本说明书的实施方式和附图的许多变型。

现在详细参照本发明的实施方式，该实施方式的实例在附图中示出，附图中相同的附图标记始终表示相同的元件。

图1示例性示出洗衣机50，其中应用了根据一个实施方式的无刷电机1（下面简称为电机）。洗衣机50是水平安装类型的洗衣机。衣物引入其中的滚筒（drum）51容纳在外壳50a内，且其开口面向前。滚筒51围绕旋转轴线A旋转，所述旋转轴线A在水平方向上或者水平倾斜方向上延伸。另外，洗衣机50是自动操作的。在一个滚筒51内执行包括洗涤、漂洗和脱水-甩干的一系列操作。

电机1设置在滚筒51的底表面和外壳50a的后表面之间。电机1（直接驱动电机）直接连接到滚筒51，而在电机1和滚筒51之间没有插入减速器。滚筒51和电机1以大致相同的转速旋转。

由于在洗涤和漂洗操作期间，在滚筒51内包含大量的水，因此，滚筒51需要以相对低的速度被驱动特定时间。另一方面，当执行脱水-甩干操作时，该操作需要较强的离心力，滚筒51需要以高速被驱动特定时间。

于是，电机1被设定成在这两个具有不同条件的操作阶段中，产生稳定的输出持续特定时间。具体地说，如图2所示，根据洗涤或漂洗操作，电机1被设定成在低转速（LRR）阶段产生稳定输出持续特定时间，这需要在相对低的转速下的高扭矩输出，而根据脱水-甩干操作，电机1被设定成在高转速（HRR）阶段产生稳定输出持续特定时间，这需要在相对高转速下的低扭矩输出。

图3至图5详细示出电机，图6是转子的整体透视图，图7(a)-图7(c)示出转子，其中图7(a)是转子的平面图，图7(b)是转子的侧视图，图7(c)是沿着图7(a)的线VIc-VIc截取的转子的横截面图。

电机1包括轴2和电机壳体4、转子10和定子20。电机1是内转子型电机。于是，转子10设置在定子20内。

转子10包括转子主体12、磁性元件14和磁铁16。

转子主体12由具有圆柱形状的树脂模制物品形成。转子主体12在其中心部分设置有底部12a。圆柱状锯齿12b设置在底部12a的中心。轴2被压配合到锯齿12b中。由此，轴2和电机10在其中心与旋转轴线A对齐的情况下彼此成一体。

成一体的轴2和转子1由电机壳体4可旋转地支撑。电机壳体4经支架由外壳50a支撑。轴2的一个端部通过形成在电机壳体4内的轴孔向外突出。轴2的一个端部连接到滚筒51的驱动机构（未示出）。

另外，如图6和图7(a)-7(c)所示，底部12a的外圆周端部设置有与所述底部12a垂直的圆柱形管状内圆周壁12c、布置在内圆周壁12c的直径方向外侧以与内圆周壁12c平行的圆柱形管状外圆周壁12d、将内圆周壁12c和外圆周壁12d的上端（在轴向上的端部）彼此连接的环形上表面12e（第一表面）、以及将内圆周壁12c和外圆周壁12d的下端（轴向上的另一端部）彼此连接的下表面12f（第二表面）。另外，所述下表面12f形成底部12a的一部分。

磁性元件14和磁铁16安装在由内和外圆周壁12c和12d以及上和下表面12e和12f所限定的空间内。从内圆周壁12c的上端延伸到上表面12e的内圆周端的矩形狭缝12g形成在内圆周壁12c和上表面12e之间的倾斜边缘(angled edge)的与磁铁16相应的部分中。磁铁16的上部内圆周端部通过该狭缝12g暴露。另外，在厚度方向上穿透所述外圆周壁12d的销孔12h（通孔）形成在外圆周壁12d的上端的对应于磁铁16的部分处。另外，垂直延伸的矩形开口形成在外圆周壁12d的对应于磁性元件14的部分处。磁性元件14的外部横截表面通过该开口暴露。

另外，根据一个实施方式的电机1采用五十六个磁性元件14和五十六个磁铁16。磁极的数量是56，且相对磁极的对数（磁性北极（N）和南极（S）的对数）是28。

磁性元件14由呈现出优异磁化性能的材料形成。磁性元件14例如通过在旋转轴线A的方向上层叠金属板而形成。磁性元件14沿着转子主体12的外圆周部分彼此等间隔地设置，以在径向上径向延伸。具体地说，当在旋转轴线A的方向上观察时，磁性元件14嵌入到转子主体12的外圆周部分内，使得穿过磁性元件14的中心的线L1在旋转轴线A上彼此相交。

每个磁性元件14的定位在径向上的外侧的端部设置有转子侧大宽度部分14a，该转子侧大宽度部分14a具有在圆周方向上突出的两个横向侧，以加宽该端部的宽度。具体地说，如图5所示，当在旋转轴线A的方向上观察时，每个磁性元件14的位于径向上的外侧处的端部随着它沿径向向外延伸而加宽。由此，每个磁性元件14的突出的端部设置有具有相对宽横截面宽度的转子侧大宽度部分14a。

另外，转子侧大宽度部分14a的沿径向方向面向外的横截表面14b形成为弧形形状。当在旋转轴线A的方向上观察时，磁性元件14被设置成使得横截表面14b定位在虚拟圆C的圆周上，所述虚拟圆C的中心在旋转轴线A上。

每个磁铁16设置在相邻磁性元件14之间的间隙内。磁性元件14和磁铁16在圆周方向上彼此紧密接触。每个磁铁16比每个磁性元件14沿径向方向进一步内侧定位，并且每个磁铁16在径向外侧处的横截表面16a用转子主体12的树脂覆盖。

根据一个实施方式，具有相同矩形板状的铁氧体磁铁被用作磁铁16。具体地说，使用径向长度在10mm到40mm范围内且剩余磁通量密度在0.35T到0.5T范围内的铁氧体磁铁。如果在转子的直径的方向上每个铁氧体磁铁的长度小于10mm，则磁通量的集中效果将被降低。另外，如果转子的直径长度大于40mm，则铁氧体磁铁的磁化会变得困难。因此，转子的直径长度可以设定为在10mm和40mm之间。

磁铁16被设置成使得其磁极在圆周方向上彼此面对。具体地说，假设两个磁铁16、16设置成紧密接触一个磁性元件14的两个横向表面，该磁铁16、16紧密接触磁性元件14的横向表面都成为N极或S极。

于是，在转子10内，N极通过在磁性元件14的两侧上的磁铁16、16的N极之间设置的磁性元件14形成，而S极由在磁性元件14的两侧上的磁铁16、16的S极之间的另一个磁性元件14形成。由此，在转子10的情况下，包括N和S极的五十六个磁极沿圆周方向交替设置，使得它们彼此间隔特定距离并且彼此平行。

下面，将参照图8(a)-8(b)描述转子10的制造方法。图8(a)-8(b)示出用于制造转子10的注模成型模具30的横截表面。图8(a)是示出模具的设置磁铁16的部分的视图，图8(b)示出图8(a)的区域VIIb的放大图。

注模成型模具30大致包括：固定模具31（第一模具），模制转子主体12的外圆周端部；和可移动模具32（第二模具），该可移动模具32设置成面对固定模具31并相对于固定模具31前后移动，以与固定模具31相配合来模制转子主体12的底部12a。

固定模具31设置有向上开口的环形凹陷31a。磁性元件14和磁铁16交替设置在环形凹陷31a中以形成径向形状。在直径方向上的环形凹陷31a的宽度稍大于磁性元件14的直径宽度。环形凹陷31a设置有L形突起31b，该L形突起31b从内圆周表面的下端延伸到底表面的内侧端部。在底表面的外侧端部处形成的是突起31c，该突起31c向上突出。另外，在固定模具31的环形凹陷31a的外圆周部分内设置的是滑动销31d（滑动模具），以在环形凹陷31a的外圆周表面的下端处在直径方向上前后移动。

同时，形成在可移动模具32的下部处的是模具表面32a，以形成转子主体12的底表面12a。当两个模具处于模具闭合状态时，在两个模具之间形成对应于转子主体12的型腔（cavity）33。滑动销31d从型腔33的直径方向的外壁中与磁铁16对应的部分突出。另外，L形突起31b从的内壁的与磁铁16对应的部分沿直径方向向外突出。

当转子10利用注模成型模具30制造时，磁性元件14和磁铁16首先在模具打开的状态下设置在环形凹陷31a中。此时，磁铁16设置在滑动销31d的突出端和L形突起31b之间。接着，注模成型模具30被关闭以形成型腔33。在形成型腔33之后，熔融树脂被从未示出的浇口（gate）注入到型腔33中，以填充型腔33，并且执行注模成型模具30的夹紧。在熔融树脂被冷却和固化之后，滑动销31d被向后移动，注模成型模具30被打开，且弹出转子10。由此，销孔12h由滑动销31d形成，且狭缝12g由L形突起31b形成。

如上面讨论的，通过注模成型模具30的滑动销31d和L形突起31b，磁铁16沿着转子的直径方向横向配合在转子中。由此，磁铁在转子的直径方向上的位置得以确定。即，磁铁16在转子中的直径方向可以利用注模成型模具30来确定。于是，不需要确定磁铁16的位置的单独操作，并因此可以改善转子10的生产率。

转子10可以根据如下的另一种方法制造。首先，多个磁性元件14以环形形式径向设置，并且同时，每个磁铁16设置在相邻的磁性元件14之间。接着，粘结剂被施加到设置成环形形状的磁性元件14和磁铁16的上端面或者上端面和下端面二者上。然后，成一体的磁性元件14和磁铁16被设定在用于模制转子主体12的模具中，并且转子主体12被模制。由于设置成环形形式的磁性元件14和磁铁16通过施加粘结剂而成为一体，所以不需要如板件的单独元件来将磁性元件和磁铁彼此平行地设置。

定子20包括轭部22、齿24和线圈26。

轭部22形成为圆柱形状并且固定到电机壳体4的内表面上。轭部22的内圆周表面22a具有形成为环形形状的横截面，其中心在旋转轴线A上。在内圆周表面22a上形成四十八个齿24。轭部22和齿24彼此成一体并且通过将金属板沿着旋转轴线A的方向层叠而形成。

齿24从轭部22的内圆周表面22a沿径向朝转子10突出。具体地说，当在旋转轴线A的方向上观察时，齿24从轭部22的内圆周表面22a朝向转子10突出，使得穿过齿24的中心的线L2在旋转轴线A上彼此相交。

每个齿24在其突出端部处设置有定子侧大宽度部分24a，该定子侧大宽度部分24a具有在圆周方向上突出的两个横向侧，以加宽该突出端部。具体地说，如图5所示，每个齿24的突出端部的两个横向侧沿圆周方向向外延伸。由此，每个齿24的突出端部设置有具有相对大横截面宽度的定子侧大宽度部分24a。

定子20设置成使得定子侧大宽度部分24a的横截表面24b全部定位在虚拟圆的圆周上，所述虚拟圆的中心在旋转轴线A上。

齿24沿圆周方向彼此等间距地设置，且在两个相邻齿24之间形成沿着旋转轴线A的方向延伸的狭槽28（空间）。

定子20设置有四十八个狭槽28。通过按顺序的方式穿过狭槽28围绕齿24形成绕组，四十八个线圈26形成在定子20上。在电机1中，每个线圈26形成在每个齿24上（会聚类型线圈）。

为了在LRR阶段中获得稳定输出，在电机设计方面，狭槽28的数量可以等于或大于24。相对磁极的对数的两倍大于狭槽28的数量并且等于或小于狭槽28的数量的4/3。

例如，当狭槽28的数量是24时，磁性元件14的数量可以选择成在25到32的范围内。另外，当狭槽28的数量是48时，磁性元件14的数量可以选择成在49到64的范围内。根据一个实施方式，电机1采用五十六个磁铁16。

另外，由于电机1需要尺寸上紧凑，所以狭槽的数量可以被设定为小于24。在这种情况下，比铁氧体磁铁产生更强磁力的钕磁铁可以被用作磁铁16。在这种情况下，即使在磁铁16的尺寸根据电机1的小型化而减小的情况下，也可以保持高扭矩。具体地说，可以使用径向长度在3mm到15mm范围内且剩余磁通量密度在1.1T到1.5T范围内的钕磁铁。

具有如上所述构造的转子10和定子20设置成使得每个齿24的定子侧大宽度部分24a的横截表面和相应一个磁性元件14的转子侧大宽度部分14a的横截表面彼此相对，且在二者之间具有微小间隙。

电机1不仅在LRR阶段而且在HRR阶段被驱动。在HRR阶段，执行场减弱控制。即，当电机1在高转速下被驱动时，根据预定定时，执行减弱磁场的控制。

具体地说，由于磁铁16所产生的磁通量是恒定的，所以磁通量所产生的电动势（EMF）通过转速的增加而增大。另外，当转速增加且由此EMF等于电源的施加电压时，不允许电流流向电机1，从而转速不再增加。

因此，通过根据定时执行场减弱控制来抑制EMF的增加，电机1可以在HRR阶段旋转，在所述定时，所述场减弱控制对电机1中产生扭矩具有较小影响。由于场减弱控制是众所周知的技术，因此省略其详细描述。

如此，利用电机1，不仅在LRR阶段、而且在HRR阶段，都可以获得稳定的输出。

但是，由于磁通量集中型电机在HRR阶段中被采用，且磁极的磁通量密度增加，所以电机1可能经历铁损，并由此电机效率会降低。另外，在HRR阶段中，如上所述会产生噪声。由于噪声是由定子20的共振所产生，所以它不能简单通过抑制扭矩波动来解决。此外，在场减弱控制（field weakening control）过程中，产生磁通量以减弱磁铁16的磁场的电流在线圈26中流动，并因此，在磁铁16的靠近定子20的区域中发生退磁。

下面，将描述铁损的减小并然后描述噪声和退磁的减小。

在对铁损减小的仔细研究中，已经发现场减弱控制导致铁损集中在齿24的前边缘处。

图9示意性示出在执行场减弱控制的情况下铁损在齿中的分布。在图9中，铁损越大的部分颜色越暗。如从构图9所理解的，小的铁损发生在轭部22和齿24的主体内，但是集中在齿24的突出端部处，即，在定子侧大宽度部分24a处。

另外，如图10(a)-10(b)中示意性示出的，在使每个磁性元件14定位成面对相应一个齿24（图10(a)）的情况下铁损在定子侧大宽度部分24a内的集中不同于在两个相邻磁性元件14、14之间的空间定位成面对相应一个齿24（图10(b)）的情况下铁损的集中。

尤其是，在如图10(b)所示，两个相邻磁性元件14、14之间的空间定位成面对相应一个齿24的情况下，产生允许磁通量通过定子侧大宽度部分24a流入磁性元件14、14之间的空间的短磁场（short magnetic field）。结果，发现随着定子侧大宽度部分24a的磁通量密度增加，铁损进一步集中在定子侧大宽度部分24a处。

因此，为了减小铁损在电机1的定子侧大宽度部分24a处的集中，正在研究磁性元件14的配置。

下面，将参照图11描述磁性元件14、磁铁16和齿24的配置。

当如图11所示在旋转轴线A的方向上观察时，连接面向微小间隙的转子侧大宽度部分14a的横截表面14b到旋转轴线A的径向线的长度，即，虚拟圆C的半径被定义为R。类似地，当沿着旋转轴线A的方向观察时，定子侧大宽度部分24a的径向厚度，更具体地说，定子侧大宽度部分24a的横截表面24b和边界线之间的距离被定义为Lt，所述边界线连接齿24的两个横向表面的弯曲部分24c以表示定子侧大宽度部分24a和齿24之间的边界，所述齿24从所述弯曲部分24c起加宽。另外，磁铁16的在直径方向上外侧处的外部横截表面16a（即，定子侧横截表面）与转子侧大宽度部分14a的在直径方向上外侧处的外部横截表面14b（即，定子侧横截表面）之间的距离被定义为Lr。

当在旋转轴线A的方向上观察时，连接任两个相邻磁铁16的中心16b到旋转轴线A的两条径向线之间的中心角被定义为τm。连接转子侧大宽度部分14a的两个圆周横向端部到旋转轴线A的两条径向线之间的中心角被定义为τr。

当在旋转轴线A的方向上观察时，连接定子侧大宽度部分24a的两个圆周横向端部到旋转轴线A的两条径向线之间的中心角被定义为τt。

利用与磁性元件14的配置相关的这些参数，分析对铁损（IL）的影响。具体地说，在磁性元件14的配置的实践范围内，τt和τr对τm的比(τt/τm和τr/τm)分别变化并调查它对IL（单位W）的影响。分析结果在图12中示出。

图12是示意性描绘τr/τm和τt/τm中的变化与IL的关系的三维曲线。在图12中，由箭头指示的X轴和Y轴分别表示τr/τm和τt/τm。Z轴表示IL。

如从图12所理解到的，在τr/τm和τt/τm限定的一个区域内，IL被稳定为具有较低的值，而在其它区域中，IL增加而具有较高的值。于是，估计τr、τt和τm之间的一维关系，以简单地将这些区域彼此区分，并且获得表示在其中IL被有效抑制的区域（用点标记的区域）的方程如下：

τr≤2.85×τm-2.65×τt（方程1）

另外，在磁性元件14的配置的实践范围内，τt/τm和(Lt×P)/(π×R)被分别变化，并且调查其对IL的影响。分析结果在图13中示出。

类似于图12，图13是示意性描绘τt/τm和(Lt×P)/(π×R)内的变化与IL的关系的三维曲线。参照图13，在一个区域内IL被稳定化而具有较低的值，而在其它区域内IL增加而具有较高的值。于是，获得表示其中IL被有效抑制的区域（用点标记的区域）的方程如下：

(Lt×P)/(π×R)≥τt/τm-0.6（方程2）

当τt、τr和τm被设定成满足方程1和2时，IL可以被稳定减小，并因此，可以提高执行场减弱控制的磁通量集中型电机的效率。

另外，τr和τm可以设定为满足0.5≤τr/τm≤0.75（方程3）。

当τr/τm被设定成满足方程3时，EMF的下降可以得到抑制。

图14示出τr/τm中的变化对IL和EMF的影响。在图14中，实线表示IL，而虚线表示EMF。

为了减小IL，τr的值需要较小。但是，如果τr的值过分小，则EMF会降低，导致电机的扭矩降低。图14示出了随着τr/τm增加到大约0.6，EMF趋于增加，并然后随着τr/τm进一步增加而减小。当τr/τm超过大约0.75时，EMF趋于减小到在τr/τm为0.5时获得的值之下。

根据这个结果，当包括τr的参数被设定为满足方程1至3时，IL可以被减小，并且可以防止EMF的降低。由此，可以进一步提高电机效率。

下面，将讨论降低噪声。

如上所述，磁通量集中型电机可能造成噪声或振动。尤其是，当电机在高转速下被驱动时，噪声或振动很明显。由于噪声是由定子的共振所造成的，所以不能简单地通过抑制扭矩波动来解决。

图15(a)和图15(b)是示出导致噪声的磁通量集中型电机的结构的视图。电机10在箭头R所示的方向上旋转。转子10被施加到线圈26上的电流所转动。在这个实施方式中，假设电流不提供到线圈26（怠速条件）。

如图15(a)所示，当任两个相邻磁性元件14之间的部分（磁极之间的气隙）定位成直接面对相应一个齿24时，通过相应一个齿24，在两个相邻磁性元件14之间产生强磁场。结果，指向旋转轴线的吸引力（由白箭头指示）施加到每个齿24。

如图15(b)所示，当磁性元件14定位成直接面对齿24时，磁场被减弱，并由此施加到每个齿24的吸引力也减弱。

于是，当转子10旋转时，周期性地产生如图15(a)所示的指向旋转轴线并施加到齿24上的强吸引力和如图15(b)所示的弱吸引力。

图16示出描绘吸引力中周期性变化（实线）的曲线。这个曲线示出在对应于具有两个磁性元件（N极和S极）的转子旋转的一个电气循环（360°电气角度）中吸引力的变化。如图16所示，在转子旋转以完成一个电气循环的同时，磁极之间的气隙两次直接面对齿。于是，吸引力具有两个峰值，在峰值处，吸引力变强。

即，每次转子通过旋转完成一个电气循环，定子被沿着径向朝旋转中心强力拉动两次，由此被周期性收缩。结果，在定子中发生振动，该振动的频率是电气角度的频率的两倍。

当振动频率与定子的固有频率重合时，导致共振，这导致噪声。虽然图16示出二阶分量的吸引力的频率是电气角度的频率的两倍，但是更高阶分量的吸引力可以被施加到定子上，且频率是二阶分量的频率的多倍（四倍和六倍），并由此在这些频率处会产生噪声。

另外，当磁通量集中型电机在高转速下被驱动时，可以执行场减弱控制。在这种情况下，当如图15(b)所示磁性元件直接面对齿时，在场减弱控制对扭矩具有较小影响的定时，在线圈中产生衰减磁性元件的磁通量的磁通量。

由此，当磁性元件直接面对齿时，施加到齿上的吸引力被进一步减弱。结果，在吸引力在强状态和弱状态之间的变化被强化，如图16中的虚线所建议的。于是，定子的收缩变化也被强化。因此，如果执行场减弱控制，会导致噪声增加。

为了帮助理解上述描述，将再次参照图11描述根据一个实施方式的电机的磁铁、磁性元件和齿的配置。参照图11，当在旋转轴线A的方向上观察时，连接任两个相邻磁铁16的中心16b与旋转轴线A的两条径向线之间的中心角被定义为τm。连接转子侧大宽度部分14a的两个圆周横向端与旋转轴线A的两条径向线之间的中心角被定义为τr。另外，当在旋转轴线A的方向上观察时，连接定子侧大宽度部分24a的两个圆周横向端与旋转轴线A的两条径向线之间的中心角被定义为τt。

利用与磁性元件14的配置相关的这些参数，分析对施加到齿24上的吸引力fR的影响。具体地说，在磁性元件14的配置的实践范围内，τt和τr已经分别被改变，并且调查其对在径向上施加到定子20上的吸引力f_R的二阶分量的影响。分析结果在图17中示出。

图17是示意性描绘τt、τr和fR之间的关系的三维曲线。在图17中，由箭头表示的X轴和Y轴分别代表τt和τr，而Z轴代表f_R。当τt和τr的值增加时，f_R也增大。尤其是，f_R在特定区域内急剧增加。

于是，估计τt和τr之间的一维关系，以将f_R急剧增加的区域与f_R不急剧增加的其他区域区分开。结果，获得表示f_R的增加得到有效抑制的区域（用点标记的区域）的方程如下：

τr≤1.1×τm-0.46×τt（方程4）

当τt、τr和τm被设定成满足方程4时，f_R的增加可以被稳定地抑制。于是，即使在执行场减弱控制的磁通量集中型电机的情况下，也可以有效降低噪声。

另外，τr和τm可以设定成满足0.5×τm≤τr≤0.75×τm（方程5）。

当τr被设定成满足方程5时，可以抑制EMF的降低。

图18示出τr的变化对f_R和EMF的影响，在图18中，实线表示f_R，虚线表示EMF。

如上所述，f_R随着τr增加而增加，同时EMF具有峰值。即，EMF随着τr的增加而增加，并且当τr为大约0.6τm时，到达峰值。此后，EMF减小。当τr超过大约0.75τm时，EMF趋于减小到当τr为0.5τm时获得的值之下。

根据该结果，当τr被设定成满足方程4和5时，可以防止EMF下降。由此，可以在不造成扭矩过大损失的情况下降低噪声。

下面，将讨论退磁的减小。

如上所述，由于在场减弱控制期间产生磁通量以减弱磁铁16的磁场的电流在线圈26中流动，所以在磁铁16靠近定子20的区域内发生退磁。作为一种避免退磁的方式，磁铁16可以与定子20间隔开。但是，如果磁铁16与定子20间隔开，则电机1的EMF会降低。

于是，本发明的发明人已经进行了对于抑制EMF的降低并提高对场减弱控制中的退磁的抵抗力的集中研究。具体地说，通过分别改变连接转子侧大宽度部分14a的两个圆周端部与旋转轴线A的径向线之间的中心角τr、以及在磁铁16的直径方向上的外部横截表面16a（即，定子侧横截表面）和转子侧大宽度部分14a的直径方向上的外部横截表面14b（即，定子侧横截表面）之间的距离Lr，观察磁铁16的退磁的大小的变化和EMF的变化。

观察结果在图19至图21中示出。图19是示意性示出在执行场减弱控制的转子10以预定转速旋转期间，EMF相对于中心角τr和距离Lr的分布的视图，图20是示出中心角τr和距离Lr与退磁的发生的关系的视图。在此，标记○表示没有退磁发生，而标记×表示发生退磁。图21是描绘距离Lr和EMF之间的关系的曲线。

在图19中，水平轴表示电气角度所表示的中心角τr的大小。随着水平轴的值减小，磁性元件14的转子侧大宽度部分14a缩窄，而到相邻的转子侧大宽度部分14a的距离加宽。随着水平轴的值增加，磁性元件14的转子侧大宽度部分14a加宽，且到相邻转子侧大宽度部分14a的距离缩窄。在图19中，垂直轴表示距离Lr。随着垂直轴上的值减小，磁铁16在定子侧的横截表面16a变得接近磁性元件14在定子侧的横截表面14b。随着垂直轴上的值增加，磁铁16在定子侧的横截表面16a变得更远离磁性元件14在定子侧的横截表面14b。另外，在图19中，较亮的区域表示较高的EMF。第四亮区域（即，第三暗区域）表示传统EMF。

如从图19所看到的，在具有较大中心角τr和较长距离Lr的区域内，EMF降低。这是因为来自磁铁的磁通量变得难以在转子侧大宽度部分14a附近通过相邻转子侧大宽度部分之间的空间循环（loop）而到达定子。

如从图20中所看到的，在由电气角度所表示的中心角τr在110°≤τr≤140°的范围内且Lr等于或大于2.0mm时，不发生退磁。图21示出在由电气角度所表示的中心角τr在110°≤τr≤140°范围内的情况下，EMF根据距离Lr的变化的变化。在图21中，Ep表示传统EMF的大小。从图21中能够看出当Lr等于或小于3.5mm时，EMF大于传统EMF的值Ep。

根据该结果，因此，通过将电气角度所表示的中心角τr设定在110°≤τr≤140°的范围内并且将距离Lr设定在2.0mm≤Lr≤3.5mm的范围内，可以防止EMF的降低并且可以增强对退磁的抵抗性。

于是，尽管上述实施方式中的电机1是转子10设置在定子20内侧的内转子型电机，但是各实施方式不局限于此。电机1可以是转子10在定子20外侧的外转子型电机。

在上述实施方式中，当在转子10的旋转轴线A的延长的方向上观察时，磁性元件14的转子侧大宽度部分14a的底端形成为直线形状。但是，各实施方式不局限于此。底端可以在磁性元件14中形成沟槽。

另外，在上述实施方式中，滑动销31d布置在环形凹陷31a的在直径方向上的外侧，并且L形突起31b布置在环形凹陷31a的在直径方向上内侧。但是，各实施方式不局限于此。滑动销31d可以布置在环形凹陷31a的在直径方向上的内侧，而L形突起31b可以布置在环形凹陷31a的在直径方向上的外侧。

如从上面的描述中理解的，根据本发明的一个方面，在执行场减弱控制的高速旋转期间，可以有效地降低铁损。于是，可以提高电机的性能或效率。

根据本发明的另一方面，可以控制在高速旋转期间周期性施加到定子上的吸引力。于是，可以降低噪声。

根据本发明的另一方面，在执行场减弱控制的无刷电机高速旋转期间，可以抑制电动力的退化并且可以增强对退磁的抵抗性。于是，可以提高电机的性能或效率。

虽然已经图示和描述了本发明的若干实施方式，但是本领域技术人员将理解到在不背离本发明的原理和精髓的前提下可以在这些实施方式中做出变化，本发明的范围在权利要求书及其等价物中限定。

Claims (13)

1.一种无刷电机，包括围绕旋转轴线可旋转的转子和设置在所述转子内侧或外侧的定子，

其中：

所述定子包括设置有圆周表面的轭部和多个齿，所述轭部具有环形横截面并且面对转子，且所述多个齿的每个齿从所述轭部的圆周表面朝转子径向突出并且在其突出端部处设置有定子侧大宽度部分，该定子侧大宽度部分具有突出以形成加宽的宽度的两个横向侧；以及

所述转子包括多个磁性元件和多个磁铁，每个磁性元件设置有转子侧大宽度部分，所述转子侧大宽度部分径向设置在所述转子的圆周边缘处以面对定子并且在其定子侧端部处设置有两个横向侧，所述两个横向侧突出以形成加宽的宽度，每个磁铁设置在所述多个磁性元件中的相邻磁性元件之间，使得相同的磁极沿着圆周方向彼此面对；

其中，当转子的相对磁极的对数是P，连接转子侧大宽度部分的横截表面到旋转轴线的径向线的长度是R，定子侧大宽度部分的径向厚度是Lt，在将定子侧大宽度部分的两个圆周端部连接到旋转轴线上的两条径向线之间的中心角是τt，将转子侧大宽度部分的两个圆周端部连接到旋转轴线的两条径向线之间的中心角是τr，且将任两个相邻磁铁的中心连接到旋转轴线的两条径向线之间的中心角是τm时，电机被设定成使得：

τr≤2.85×τm-2.65×τt并且(Lt×P)/(π×R)≥τt/τm-0.6。

2.如权利要求1所述的无刷电机，其中，所述电机被设定成使得0.5≤τr/τm≤0.75。

3.如权利要求2所述的无刷电机，其中，当所述定子的狭槽的数量是S时，S满足关系：4/3×S≥2×P＞S。

4.如权利要求3所述的无刷电机，其中：

S等于或大于24；且

每个磁铁的剩余磁通量密度在0.35T到0.5T的范围内。

5.如权利要求3所述的无刷电机，其中：

S小于24；且

每个磁铁的剩余磁通量密度在1.1T到1.5T的范围内。

6.一种无刷电机，包括围绕旋转轴线可旋转的转子和设置在所述转子内侧或外侧的定子，

其中：

所述定子包括设置有圆周表面的轭部以及多个齿，所述轭部具有环形横截面并面对转子，且所述多个齿中的每个齿从所述轭部的圆周表面向所述转子突出；

所述转子包括多个磁性元件和多个磁铁，所述多个磁性元件中的每一个设置有转子侧大宽度部分，该转子侧大宽度部分径向设置在转子的圆周边缘处以面对定子并且在其定子侧端部处设置有两个横向侧，所述两个横向侧突出而形成加宽的宽度，所述多个磁铁的每一个设置在所述多个磁性元件中的相邻磁性元件之间，使得相同的磁极沿着圆周方向彼此面对；

其中，当任一个磁性元件的定子侧横截表面与相应一个磁铁的定子侧横截表面之间的距离是Lr，且连接转子侧大宽度部分的两个圆周端部与旋转轴线的两条径向线之间的中心角为τr时，电机被设定成使得Lr在2.0mm≤Lr≤3.5mm的范围内，且由电气角度所表示的τr在110°≤τr≤140°的范围内。

7.如权利要求6所述的无刷电机，其中，所述转子还包括由树脂形成的转子主体，以具有圆柱形形状，并且设置成使得转子和定子同轴布置；

其中，所述转子主体包括：圆管形状的内圆周壁；设置在所述内圆周壁的直径方向外侧的圆管形状的外圆周壁；将内圆周壁的一个轴向端部连接到外圆周壁的一个轴向端部的第一表面；将内圆周壁的另一轴向端部连接到外圆周壁的另一轴向端部的第二表面；容纳在由内圆周壁、外圆周壁、第一表面和第二表面所限定的内部空间中的磁性元件和磁铁，

其中：

由所述内圆周壁和第一表面形成的倾斜角部在其对应于每个磁铁的部分处设置有从内圆周壁延伸到第一表面的狭槽；以及

外圆周壁在其对应于每个磁铁的部分处设置有在外圆周壁的厚度方向上穿透该外圆周壁的通孔。

8.如权利要求7所述的无刷电机，其中，当转子的相对磁极的对数为P，且定子的狭槽的数量为S，则P和S满足关系：S＜2×P≤4/3×S。

9.一种无刷电机，包括围绕旋转轴线可旋转的转子和设置在所述转子的内侧或外侧的定子，

其中：

所述定子包括设置有圆周表面的轭部以及多个齿，所述轭部具有环形横截面并且面对所述转子，所述多个齿中的每一个齿从所述轭部的圆周表面朝转子突出，并且在其突出端部处设置有定子侧大宽度部分，所述定子侧大宽度部分具有两个横向侧，所述两个横向侧突出以形成加宽的宽度；

所述转子包括多个磁性元件和多个磁铁，所述多个磁性元件中的每一个设置有转子侧大宽度部分，所述转子侧大宽度部分径向设置在所述转子的圆周边缘处以面对定子并设置有两个横向侧，所述两个横向侧突出以形成加宽的宽度，所述多个磁铁中的每一个磁铁设置在所述多个磁性元件中的相邻磁性元件之间，使得相同的磁极沿着圆周方向彼此面对；

其中，当连接所述定子侧大宽度部分的两个圆周端部与旋转轴线的两条径向线之间的中心角为τt，连接所述转子侧大宽度部分的两个圆周端部与旋转轴线的两条径向线之间的中心角为τr，且连接任两个相邻磁铁的中心到旋转轴线的两条径向线之间的中心角为τm时，电机被设置成使得：

τr≤1.1×τm-0.46×τt。

10.如权利要求9所述的无刷电机，其中，所述电机被设置成使得0.5≤τr/τm≤0.75。

11.如权利要求10所述的无刷电机，其中，当转子的相对磁极的对数为P，且定子的狭槽的数量为S时，P和S满足关系：4/3×S≥2×P＞S。

12.如权利要求11所述的无刷电机，其中：

S等于或大于24；且

每个磁铁的剩余磁通量密度在从0.35T到0.5T的范围内。

13.如权利要求11所述的无刷电机，其中：

S小于24；且

每个磁铁的剩余磁通量密度在从1.1T到1.5T的范围内。