CN104578490A - 能够降低齿槽转矩的电动机 - Google Patents

Abstract

提供能够降低齿槽转矩的电动机，该电动机包括具有磁极部的转子以及具有与转子的外周面相对的槽的定子。磁极部向径向外侧鼓出，使得从转子产生的磁通密度的波形呈正弦波的形状，在磁极部的外周面的周向中央部处，设置有微小到不会使根据槽的个数和转子的磁极数的最小公倍数决定的齿槽转矩的波形的周期发生变化的程度的凹部或凸部。能够通过适当变更这些凹部或凸部的大小来容易地将齿槽转矩的大小调整为任意的大小。

Description

能够降低齿槽转矩的电动机

技术领域

本发明涉及一种能够降低齿槽转矩的电动机。

背景技术

在包括具有永磁体的转子的永磁体型电动机中，由于与转子的外周面相对的定子芯的槽的存在，转子旋转时的磁共能(磁気随伴エネルギー)发生变动，产生转矩的脉动、即齿槽转矩(cogging torque)。该齿槽转矩妨碍转子的顺畅旋转，是产生声音、振动的主要原因，因此需要降低该齿槽转矩。以往，作为使齿槽转矩降低的电动机，已知日本特开2003-023740号公报(JP2003-023740A)和日本特开平11-164501号公报(JP11-164501A)所记载的电动机。

JP2003-023740A所记载的电动机的转子具备磁极部，该磁极部具有向径向外侧鼓出的圆弧状的外周面，使得从转子产生的磁通密度的波形呈正弦波形状。外周面的最外径部设置于磁极部的周向中心部(磁极中心)的两侧，在磁极部的周向中心部设置有凹部。由此，将转子每旋转一周时产生的齿槽转矩的波形的峰的数量增至2倍，使齿槽转矩的大小降低到一半。另一方面，在JP11-164501A中，记载了将转子的磁极部的外周面形成为以转子的旋转轴为中心的圆筒状的电动机。该电动机的转子的磁通密度的波形不是正弦波的形状，而是呈梯形波的形状。

上述JP2003-023740A所记载的电动机通过将磁极的数量实质上增加到2倍，来使齿槽转矩的大小降低到一半，无法将齿槽转矩的大小调整为任意的大小。

发明内容

本发明的一个方式是电动机，该电动机具备：转子，其具有磁极部；以及定子，其具有与转子的外周面相对的槽，其中，磁极部向径向外侧鼓出，使得从转子产生的磁通密度的波形呈正弦波的形状，在磁极部的外周面的周向中央部处，设置有微小到不会使根据槽的个数和转子的磁极数的最小公倍数决定的齿槽转矩的波形的周期发生变化的程度的凹部或凸部。

附图说明

本发明的目的、特征以及优点通过与附图相关联的以下的实施方式的说明会变得更进一步明确。在该附图中，

图1是概要性地表示本发明的实施方式所涉及的电动机的内部结构的剖视图，

图2A是图1的转子的放大图，

图2B是表示图2A的转子的1个极的结构的放大图，

图3是表示在假定定子的内周面没有槽开口部的情况下的磁通密度的波形的图，

图4是表示电动机中的磁通线图的一例的图，

图5是表示在定子的内周面有槽开口部的情况下的磁通密度的波形的图，

图6是放大表示构成本发明的实施方式所涉及的电动机的转子的外周面形状的图，

图7是表示在具有图6的外周面形状的电动机中产生的齿槽转矩的波形的变化的图，

图8是表示伴随最大校正量的变化所产生的齿槽转矩的波形的变化的图，

图9A是表示外周面为圆形状的转子的图，

图9B是表示从图9A的转子产生的磁通密度的波形的图，

图10是表示在具有图9A的外周面形状的电动机中产生的齿槽转矩的波形的变化的图，

图11是表示图6的变形例的图，

图12是表示在具有图11的外周面形状的电动机中产生的齿槽转矩的波形的变化的图，

图13是表示图6的另一变形例的图，

图14是表示图6的另一变形例的图，

图15A是说明用于设定转子的外周面形状的方法的图，

图15B是放大表示通过图15A而得到的转子的外周面形状的图，

图16是表示图6的另一变形例的图，

图17是表示在具有图16的外周面形状的电动机中产生的齿槽转矩的波形的变化的图，

图18是表示图2A的变形例的图，

图19是表示图1的变形例的图，

图20是表示在图19的电动机中产生的齿槽转矩的波形的变化的图，

图21是表示作为图1的另一变形例的电动机中的磁通线图的一例的图。

具体实施方式

下面，参照图1～图21来说明本发明的实施方式。图1是概要性地表示本发明的实施方式所涉及的电动机100的内部结构的剖视图。该电动机100是8极12槽的永磁体同步电动机，具有转子1和定子2，该转子1具有永磁体3，该定子2配置于转子1的周围。在转子1的中心部处配置有输出轴4。

在转子1的外周面11与定子2的内周面21之间设置有规定的间隙。在定子2的内周面21，沿周向交替地形成槽开口部22和齿部23，在槽开口部22的径向外侧形成有槽20。在槽20中容纳线圈，通过向线圈流通电流，定子2形成旋转磁场，转子1与旋转磁场同步地旋转。

图2A是转子1的放大图。如图2A所示，8个永磁体3以转子1的旋转中心P0为中心沿周向等间隔地配置成放射状。在周向上相邻的永磁体3、3之间分别配置有轭10(轭铁)，通过轭10形成了形状相同的8个磁极(磁极部)。轭10是通过将多片板构件沿轴向层叠并通过拉紧杆(タイロッド)5紧固为一体而构成的。

图2B是放大表示图2A的单个轭10的结构、即1个极的转子1的图，图中的转子1的中心角为45°。转子1呈相对于基准线L0在周向上线对称的形状，该基准线L0是将旋转中心P0与轭10的外周面11的周向中心(磁极中心P1)用直线进行连接的线。轭10的外周面11形成为向径向外侧鼓出。因而，相对于直线L0的角度θ越大，则从旋转中心P0到轭10的外周面11的距离(转子半径R)越小，在θ为0°的磁极中央部12处转子半径R最大。此外，将以旋转中心P0为中心的相对于基准线L0的角度θ也称为机械角度。

图3是表示在假定定子2的内周面21没有槽开口部22的情况下的磁通密度B的波形的图。通过在转子1的周围配置圆筒状的筒并在使转子1静止的状态下测量转子1与筒之间的磁通，来得到该波形。图3的横轴是转子1的机械角度，纵轴是从转子1产生的磁通密度B的半径方向分量。波形的1周期与机械角度45°相当。在本实施方式中，转子1具有向径向外侧鼓出的外周面11，因此从转子1产生的磁通密度B如图3所示那样呈正弦波形状，磁通集中在磁极中央部12(图3的a部分)。

在实际的电动机100中，由于在定子2的内周面21有槽开口部22，因此槽开口部22与齿部23之间在磁导率μ上产生差。即，由电磁钢板等构成的齿部23的磁导率μ一般比由槽20内的空气和线圈(铜等)决定的槽开口部22处的磁导率μ大1000倍以上。因此，从转子1产生的磁通如图4所示那样，不通过磁阻大的槽开口部22，而通过齿部23。即，磁通在齿部23处较密，在周向上产生磁通密度B的疏密的分布。

根据磁通密度B×B/磁导率μ而得到的物理量被称为磁共能。当磁极中央部12随着转子1的旋转而依次通过槽开口部22和齿部23的附近时，磁极中央部12的磁共能发生变动，产生转矩的脉动、即齿槽转矩。具体说明该齿槽转矩的产生状况。图5是表示在定子2的内周面21有槽开口部22的情况下的磁通密度B的波形的图。

如图5所示，在转子1与槽开口部22相对的位置(图5的b部分)，正弦波形失去原形，磁通密度B接近0。由此磁共能发生变动，产生齿槽转矩。转子1每旋转一周，齿槽转矩产生槽数与磁极数的最小公倍数的次数(若8极12槽则为24次)，齿槽转矩的周期为机械角度15°(＝360°/24)。该齿槽转矩妨碍转子1的顺畅旋转，是产生声音、振动的主要原因，因此期望降低该齿槽转矩。在本实施方式中，为了降低齿槽转矩，如下那样构成磁通集中的转子1(轭10)的磁极中央部12。

图6是放大表示构成本发明的实施方式所涉及的电动机100的轭10的外周形状的图。横轴是相对于基准线L0(图2B)的角度、即机械角度θ，纵轴是从旋转中心P0到外周面11的距离、即转子半径R。在本实施方式中，通过将以机械角度θ为参数的基准面11A(点线)与以机械角度θ为参数的径向的校正量ΔR相加，来设定外周面11(实线)。

基准面11A以使转子半径R在机械角度0°的磁极中心P1处为最大R1的方式向径向外侧鼓出，整体形成为圆弧状。若忽略槽20的存在，则来自该基准面11A的磁通密度B的波形为如图3那样的正弦波形状。通过下式(I)来设定基准面11A的转子半径R。

R＝a-b/cos(cθ)   …(I)

在上式(I)中，a是定子的内周面21的半径(定子内径/2)，b是转子1与定子2之间的最小气隙，c是系数。θ被设定为-7.5°～7.5°的范围。

通过下式(II)来设定外周面11的转子半径R。

R＝a-b/cos(cθ)+d×sin(eθ)   …(II)

在上式(II)中，d×sin(eθ)是表示校正量ΔR的校正函数，d是最大校正量，e是表示校正函数的特性的系数。此外，e例如被设定成在θ最大和最小时eθ为180°和-180°，此时校正量ΔR为0。

通过如上所述那样利用sin函数来设定校正量ΔR，磁极中心P1(θ＝0)处的校正量ΔR为0，随着机械角度θ的大小的增加而校正量ΔR逐渐增加。由此，在磁极中央部12处形成光滑的圆弧状的微小的凹部15。最小气隙b与定子内径/2(＝半径a)之比的值b/a例如约为1/10，最大校正量d与最小气隙b之比的值d/b例如约为1/10。因而，最大校正量d与定子内径/2(＝半径a)之比的值d/a约为1/100，最大校正量d显著小于定子半径a。

此时，以绝对值而言，最大校正量d例如为0.1mm以下。因而，难以用肉眼确认校正的有无，能够通过使用光学投影器等测量器来进行确认。严格地说，最大校正量d是根据定子半径a和最少气隙b的大小来设定的，定子半径a和最少气隙b越大，则最大校正量d也越大。作为一例，最大校正量d处于0.01mm～0.1mm的范围。

图7是表示齿槽转矩的波形的图。图的W0是不对基准面11A进行校正的情况、即沿图6的点线形成了转子半径R的情况下的齿槽转矩的波形，W1是对基准面11A进行了校正的情况、即沿图6的实线形成了转子半径R的情况下的齿槽转矩的波形。如图7所示，波形W1所示的齿槽转矩小于波形W0所示的齿槽转矩。由此，通过将基准面11A的转子半径R与校正量ΔR相加来在磁极中央部12处形成微小的凹部15，能够降低齿槽转矩的大小。

图8是表示伴随最大校正量d的变化所产生的齿槽转矩的波形的变化的图。波形W11、W12、W13、W14、W15分别是与最大校正量d1、d2、d3、d4、d5对应的齿槽转矩的波形，d1～d5存在d1<d2<d3<d4<d5的关系。如图8所示，随着最大校正量d的增加，齿槽转矩偏离波形W0，齿槽转矩的峰值接近0(W11→W12→W13)。当进一步增加最大校正量d时，产生反相位的波形(W14、W15)。由此，通过将最大校正量d设定为最佳值，能够最大限度地降低齿槽转矩。在这种情况下，最大校正量d是微小(例如0.1mm以下)的，因此即使改变最大校正量d，也不会对齿槽转矩的波形的周期产生影响，能够仅变更齿槽转矩的大小。

根据本实施方式，能够起到如下的作用效果。

(1)将电动机100的转子1的磁极部(轭10)构成为向径向外侧鼓出，使得从转子1产生的磁通密度B的波形呈正弦波的形状(图3)，在磁极部的外周面11的周向中央部(磁极中央部12)处，设置微小到不会使根据槽20的个数和转子1的磁极数的最小公倍数决定的齿槽转矩的波形的周期发生变化的程度的凹部15(图6)。由此能够在将齿槽转矩的波形的周期保持为固定的同时大幅降低齿槽转矩。

即，在磁极中心P1的两侧形成凸部来使转子1的磁极数实质上增加至2倍这样的结构中，齿槽转矩的波形的周期变为约一半。其结果，齿槽转矩的大小也变为约一半，但是难以使齿槽转矩的大小比一半更小。与此相对，当如本实施方式那样在磁通集中的磁极中央部12处设置肉眼难以区分的微小的凹部15时，能够通过对决定凹部15的校正量ΔR(最大校正量d)的大小进行适当调整来最大限度地降低齿槽转矩的大小。

上述的效果是针对基准面11A的转子半径R在磁极中央部12处最大、且从转子1产生的磁通密度的波形呈正弦波形状的转子1得到的。例如，当如图9A所示那样转子101的外周面111为圆形形状时，从转子101产生的磁通密度B的波形如图9B所示那样为梯形形状。图10是表示以该转子101的外周面111为基准面11A而与上述同样地将基准面11A与校正量ΔR相加的情况下的齿槽转矩的波形的变化的图。图中，波形W100是不对基准面11A进行校正的情况下的齿槽转矩的波形，波形W101、W102分别是进行了校正的情况下的波形。

在梯形波的情况下，磁通不集中在磁极中央部(图9B)。因此，如图10所示，即使进行在磁极中央部处设置凹部这样的校正，也无法得到齿槽转矩的降低效果。与此相对，在如本实施方式那样为正弦波的情况下，磁通集中在磁极中央部12，因此能够通过在磁极中央部12处设置微小的凹部15来调整磁共能，从而能够降低齿槽转矩。

(2)当将最大校正量d设为例如0.1mm以下、或者定子内径a的1/100左右时，校正量ΔR是微小的，从而能够不使齿槽转矩的周期发生变化而根据最大校正量d来调整齿槽转矩的大小。即，假如将磁通集中的磁极中央部12设为高度为数mm左右的凹凸形状，则对磁极部造成的影响会变大，齿槽转矩的周期也会变化。与此相对，若最大校正量d是微小的，则磁极部的形状变化轻微，能够仅对齿槽转矩的大小进行适当调整。

(3)通过将形成为向径向外侧鼓出使得从转子1产生的磁通密度B的波形呈正弦波的形状的基准面11A与径向的校正量ΔR相加，来设定磁极部的外周面11的形状、即从转子旋转中心P0到外周面11的半径R，因此容易设定外周面11的形状。

(4)以光滑的曲线在磁极中央部12处形成凹部15，因此外周面11的形状在周向上不会急剧地变化，能够抑制因设置凹部15所引起的磁共能的变动。

(5)使用以将磁极部的周向中心设为0°的相位为参数的函数、即以相对于穿过磁极中心P0的基准线L0的机械角度θ为参数的函数来设定校正量ΔR，因此容易设定随着机械角度θ的增加而变化的校正量ΔR。

(6)使用sin函数来设定校正量ΔR，因此能够在磁极中央部12处容易地形成光滑形状的凹部15。

(7)当增大磁极数与槽数的最少公倍数(例如大于100)时，齿槽转矩的周期变短，虽然能够抑制齿槽转矩的大小，但是与此相应地槽20或磁体3的个数增加。关于这一点，在本实施方式中，通过在磁极中央部12处设置微小的凹部15来降低齿槽转矩，因此无需增大磁极数与槽数的最少公倍数(在本实施方式中最少公倍数为24)，而能够减少槽20或磁体3的个数。

(变形例)

在上述实施方式中，使用sin函数来设定了磁极部的外周面11的径向的校正量ΔR，但是也能够使用cos函数、双曲余弦函数来设定校正量ΔR。例如，也可以利用上式(I)给出基准面11A的转子半径R，并且利用下式(III)设定校正后的转子半径R。

R＝a-(b-d)/cos(cθ)+d/cosh(eθ)   …(III)

在上式(III)中，在θ＝0时1/cosh(0)＝1，因此为了使基准面11A的最小气隙b与校正后的最小气隙b一致，对1/cos(cθ)乘以系数(b-d)而不是系数b。

图11是放大表示通过上式(III)得到的轭10的外周形状的图。此外，图中的点线与图6同样地是基准面11A的转子半径R。如图11的实线所示，在磁极中央部12处形成有微小的凹部15。磁极中心P1处的校正量ΔR为0，最小气隙b在校正的前后不发生变化。

图12是表示如图11那样构成转子1的外周面11的情况下的齿槽转矩的波形的图。图中的W0、W1分别是不对基准面11A进行校正的情况下(图11的点线)和进行了校正的情况下(图11的实线)的波形。如图12所示，波形W1所示的齿槽转矩小于波形W0所示的齿槽转矩。由此，通过将基准面11A的转子半径R与校正量ΔR相加来在磁极中央部12处形成微小的凹部15，能够降低齿槽转矩的大小。

在上述实施方式中，在转子1的磁极中央部12处设置了微小的凹部1，但是也可以设置微小的凸部。图13是表示设置了微小的凸部16的例子的图。在图13中，通过下式(IV)来设定转子半径R(图13的实线)。

R＝a-b/cos(cθ)+d/cosh(eθ)   …(IV)

在这种情况下，在θ＝0时1/cosh(0)＝1，因此转子半径R变得比基准面11A大最大校正量d，最小气隙与此相应地变小。但是，由于最大校正量d是微小的，因此最小气隙的变化量小，在转子旋转时的气隙的设定中不存在问题。此外，在磁极中央部12处设置微小的凸部16的情况下，也可以使校正后的最小气隙与校正前的最小气隙b一致。

也可以使用样条函数在磁极中央部12处形成微小的凹部15或凸部16。图14是表示使用样条函数在磁极中央部12处形成了微小的凹部的例子的图。样条函数是通过任意地给出点列并将该点列依次进行连接而得到的。此外，例如在使用sin函数形成凹部15的情况下，也能够沿sin曲线给出点列，利用样条函数将该点列进行连接。

也能够不使用上述的函数而在磁极中央部12处形成微小的凹部15或凸部16。例如，如图15A所示，以转子1的旋转中心P0为中心，使基准面11A沿顺时针方向旋转规定角度θ1(例如10°)来得到第一曲面S1。并且，使基准面11A沿逆时针方向旋转规定角度-θ1来得到第二曲面S2。或者，通过将第一曲面S1相对于轴线L0对称地折叠来得到第二曲面S2。通过在磁极中央部12处将第一曲面S1与第二曲面S2光滑地进行连接，能够如图15B所示那样形成微小的凹部15。

如上，本发明的最大特征在于在磁极中央部12处设置微小的凹部15或凸部16。在此，“微小的”是指不会使根据槽20的个数和转子1的磁极数的最小公倍数决定的齿槽转矩的波形的周期发生变化的程度的大小，例如0.1mm以下的深度的凹部或0.1mm以下的高度的凸部包括在内。此外，关于该凹部15和凸部16的尺寸，优选的是根据转子1的外径、最小气隙b的大小等来决定，而不是忽略电动机的尺寸而一律地决定。

在上述实施方式中，根据距转子1的旋转中心P0的距离R来决定转子1的外周面11的形状，但是例如也可以如图16所示那样，根据距偏离于旋转中心P0的点P2的距离R来决定转子1的外周面11的形状(基准面11a和校正量ΔR)。即，也可以将作为设定外周面11的形状的基准的基准点P2设置于从旋转中心P0偏移的位置。

图17是表示与图16的外周面11相对的齿槽转矩的波形的图。图中，W0是将基准面11a设为外周面11的情况下的波形，W1是将基准面11a与校正量ΔR相加来以在磁极中央部12处形成微小的凹部15的方式设定外周面11的情况下的波形。如图17所示，即使在外周面11的基准点P2不位于旋转中心P0的情况下，通过在磁极中央部12处设置微小的凹部15，也能够降低齿槽转矩。

在上述实施方式中，在转子1中呈放射状地配置磁体3来构成磁极部(图2A)，但是只要向径向外侧鼓出地构成磁极部使得从转子1产生的磁通密度B的波形呈正弦波的形状即可，磁体3的配置并不限于上述方式。例如也可以如图18所示那样沿转子1的周向嵌入磁体3，构成为内部嵌入型转子1。或者，也可以使磁体贴在转子1的表面上。在图18的例子中，使用双曲余弦函数(cosh函数)来设定转子1的外周面11。在这种情况下，也能够通过在磁极中央部12处设置微小的凹部15来与图17所示的情况同样地降低齿槽转矩。

在上述实施方式中，说明了8极12槽的电动机100，但是应用本发明的电动机的磁极数和槽数不限于此。例如，对于图19所示的8极36槽的电动机100A，也同样能够应用本发明。图20是表示将本发明应用于图19的电动机100A的情况下的齿槽转矩的波形的图。图中的波形W0、W1与图7同样地是在磁极中央部12处设置微小的凹部15之前和之后的波形。如图20所示，通过在磁极中央部12处设置微小的凹部15，能够降低齿槽转矩。

图21是表示10极12槽的电动机100B的磁通线图的图。对于该10极12槽的电动机100B，也同样能够应用本发明。此外，转子1每旋转一周时的齿槽转矩的产生次数是由磁极数和槽数的最小公倍数决定的，而根据本发明，即使不增加最小公倍数也能够降低齿槽转矩，因此期望最小公倍数为100以下。

能够将上述实施方式与变形例的一个或多个任意组合。

根据本发明，在磁极部的外周面的周向中央部处，设置微小到不会使根据槽的个数和转子的磁极数的最小公倍数决定的齿槽转矩的波形的周期发生变化的程度的凹部或凸部，因此能够通过适当变更这些凹部或凸部的大小来容易地将齿槽转矩的大小调整为任意的大小。

以上，与本发明的优选实施方式相关联地对本发明进行了说明，但是能够不脱离前述的权利要求书的公开范围地进行各种修正和变更，本领域技术人员会理解这一点。

Claims (7)

1.一种电动机，具备：

转子(1)，其具有磁极部(10)；以及

定子，其具有与上述转子的外周面相对的槽(20)，该电动机的特征在于，

上述磁极部向径向外侧鼓出，使得从上述转子产生的磁通密度的波形呈正弦波的形状，

在上述磁极部的外周面(11)的周向中央部(12)处，设置有微小到不会使根据上述槽的个数和上述转子的磁极数的最小公倍数决定的齿槽转矩的波形的周期发生变化的程度的凹部(15)或凸部(16)。

2.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，

上述凹部的深度或上述凸部的高度为0.1mm以下。

3.根据权利要求1或2所述的电动机，其特征在于，

上述磁极部的外周面是通过将向径向外侧鼓出使得从上述转子产生的磁通密度的波形呈正弦波的形状的基准面(11A)与径向的校正量(ΔR)相加来设定的。

4.根据权利要求3所述的电动机，其特征在于，

上述校正量是以使上述凹部或上述凸部由光滑的曲线构成的方式设定的。

5.根据权利要求3或4所述的电动机，其特征在于，

上述校正量是使用以将上述磁极部的周向中心设为0°的相位为参数的函数来设定的。

6.根据权利要求5所述的电动机，其特征在于，

上述函数是sin函数、cos函数以及双曲余弦函数中的任一个。

7.根据权利要求1～6中的任一项所述的电动机，其特征在于，

上述槽的个数和上述转子的磁极数的最小公倍数为100以下。