CN106877615A - 电动机及搭载了该电动机的电气设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电动机及搭载了该电动机的电气设备。本发明的电动机具有转子和定子，该转子具有将磁极数设为P的永磁体，该定子以隔着空隙与永磁体相对的方式在圆周方向上配置了M个极齿。定子包括具有M个极齿的定子铁芯和分别卷绕在极齿上的绕线。将磁极数P与极齿数M之间的关系设为(2/3)M＜P＜(4/3)M，其中M≠P，并且，将极齿顶端部宽度t1与定子内径Ds的比值(t1/Ds)设为0.18＜t1/Ds＜0.25。

Description

电动机及搭载了该电动机的电气设备
本申请是申请号为201180015845.2、申请日为2011年3月24日、发明名称为“电动机及搭载了该电动机的电气设备”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种作为具有永磁体的无刷电动机的电动机。
背景技术
在各个极齿上实施了集中绕线的永磁体无刷电动机被广泛用于家电设备、音响设备、信息设备、运输设备等。在这种电动机中，由于产生了由永磁体与极齿之间的磁场吸引力引起的转矩脉动、即齿槽转矩，因此，出现振动、噪声的问题。
因此，以往，通过磁极数与极齿数的组合的最优化、斜槽、磁体的正弦波磁化等，减少齿槽转矩，谋求低振动、低噪声。例如，在专利文献1中，公开了一种通过将磁极数P与极齿数M之间的关系设为P：M＝10：12来减少齿槽转矩的方法。另外，在专利文献2中，公开了一种通过将磁极数P与极齿数Q之间的关系设为P/Q＞0.8、并且将极齿顶端的宽度bt1与磁极间距τp之间的关系设为bt1/τp≤0.8来减少齿槽转矩的方法。另外，在专利文献3中，公开了一种在磁极数与极齿数的比例为3：4的电动机中通过将极齿宽度设为电角度145度～165度、85度～105度而不减少输出转矩就减小齿槽转矩的方法。另外，在专利文献4中，将配置在转子表面上的磁体的形状形成为增厚磁极中心部分的厚度、并朝向磁极之间慢慢使厚度变薄的形状。专利文献4通过将磁体设为这种形状，转子表面的磁感应强度的分布接近正弦波，从而使齿槽转矩等减少，谋求低振动、低噪声。另外，在专利文献5中，取代调整磁体形状而对磁体进行大致正弦波磁化，磁化为表面磁通波形成为周期小的正弦波形状、并且边界附近区域的表面磁通为大致零值。专利文献5通过如此地进行磁化使齿槽转矩等减少，谋求低振动、低噪声。
但是，在上述以往技术中，停留在一定程度减少与噪声、振动相关的齿槽转矩、转矩波动这个方面，没有特别考虑电动机效率。例如，像家电领域的空调用风扇电动机那样，在高效率的要求年年提高的用途中当然存在有在以往的技术中低噪声、低振动不充分这样的问题。另外，像专利文献4那样的调整磁体的形状的做法使制造变难，而且，为了获得较大的磁感应强度，需要增大磁体的厚度，存在有磁体的使用量增加而成本上升这样的问题。另外，像专利文献5那样的磁化方法，磁极边界部附近的磁体成为未完全磁化状态。因此，存在有不能够有效运用磁体的磁力、电动机效率降低这样的问题。
另外，在以往的空调风扇电动机中，为了提高电动机效率与生产率，使用由分开的铁芯连结而成的连结型分割铁芯。这种构造由于能够无浪费地使用绕线嘴的通过空间，因此能够进行整列绕线，能够进行高密度化绕线。因而，能够实现由圈数增加带来的转矩提高等，减少电动机的铜损，从而能够提高电动机效率。但是，在上述构造的问题在于，当接合了所分开的部分时，存在有微小的间隙，成为间隙磁隙，从而转矩下降。另外，当使分开的铁芯合体时，由于分割铁芯的加工精度、组装误差等，导致分开的铁芯的内径产生形状误差。因此，也存在有定子与转子之间的磁隙不均匀、磁场变化变大、振动、噪声增大这样的问题。
专利文献1：日本特许第2954552号公报
专利文献2：日本特开2001-157428号公报
专利文献3：日本特开平8-322167号公报
专利文献4：日本特开平6-217478号公报
专利文献5：日本特开2003-111360号公报
发明内容
本发明的电动机是具有转子和定子的电动机，该转子具有将磁极数设为P的永磁体，该定子以隔着空隙与永磁体相对的方式在圆周方向上配置了M个极齿。定子包括具有M个极齿的定子铁芯和分别卷绕在极齿上的绕线。而且，将磁极数P与极齿数M之间的关系设为(2/3)M＜P＜(4/3)M、并且M≠P，将极齿顶端部宽度t1与定子内径Ds的比值(t1/Ds)设为0.18＜(t1/Ds)＜0.25。
通过这种结构，能够提供一种减少齿槽转矩、并且不会增加成本及降低效率的低振动、低噪声、高效率的电动机。
附图说明
图1是说明本发明的实施方式1中的电动机的图。
图2是说明本发明的实施方式1中的电动机的定子铁芯的图。
图3是比较本发明的实施方式1中的电动机与比较例的电动机之间的齿槽转矩的示意图。
图4是表示本发明的实施方式1中的电动机的效率与比值(t1/Ds)之间的关系的分析结果的图。
图5是表示本发明的实施方式1中的永磁体的表面磁通波形的图。
图6是本发明的实施方式2中的电气设备的一个例子的结构图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
实施方式1
图1是说明本发明的实施方式1中的电动机10的图。在图1中，示出了从旋转轴的长度方向看到的剖面。在本实施方式中，列举内转子型的无刷电动机的一个例子来进行说明。
如图1所示，本实施方式的电动机10具有定子11和定子铁芯12。定子11在定子铁芯12上卷绕有绕线13。转子20以能旋转的方式配置在该定子11的内周侧。
定子铁芯12包括环状的磁轭14和多个极齿15，该多个极齿15从磁轭14向内周侧突出，并彼此隔开等间隔地配置在圆周方向上。在极齿15的各个顶端部形成有沿圆周方向加宽的极齿宽部15a。另外，在远离磁轭14的内周侧，在相邻的极齿15之间形成有作为狭缝16的开口部。利用该狭缝16的开口空间，在各个极齿15上卷绕绕线13。在图1中，示出了仅1个极齿15的绕线13，但是具体来说，在各个极齿上集中卷绕有绕线13，例如，形成有一般被称作U、V、W相的3相绕线。在本实施方式中，列举了将极齿15的数量、即狭缝16的数量设为12个的例子。
另外，在本实施方式中，不将定子铁芯12设为以往的连结型分割铁芯，而是设为定子一体铁芯构造。而且，定子铁芯12是沿厚度方向层叠多个磁性薄板而构成的。通过设为这种结构，分割部位的间隙磁隙消失，因此转矩不会降低，与分割铁芯相比输出增大。在本实施方式中，利用这种定子一体铁芯构造的优点，谋求提高电动机效率。另外，由于分割铁芯形成的内径差等制造误差的影响大幅度减少，因此实际的齿槽转矩变小，谋求电动机的高效化、低噪声化、低振动化。
转子20以S极与N极隔开等间隔地交替配置在圆周方向上的方式将多个磁极数的永磁体22保持在转子铁芯21的外周上。转子20构成为按照磁极分别保持永磁体22、或者保持圆筒状的环形磁体。转子20以极齿15与永磁体22隔开规定的空隙相对的方式配置在极齿15的内周侧。在本实施方式中，列举了将永磁体22的磁极的数量设为10个的例子。
而且，转子20借助于转子铁芯21与旋转轴24相连结，以与定子11相面对地沿圆周方向旋转的方式保持为能以旋转轴24为旋转中心旋转。如上所述，本实施方式的电动机10是将磁极数P设为10个、将极齿数M设为12个的10磁极-12极齿的结构。
在这种结构中，若对定子11的绕线13通以交流电流，则在永磁体22与极齿15之间产生由磁场产生的吸引力与排斥力。借助于该吸引力与排斥力，转子20以旋转轴24为中心旋转。
接着，说明本实施方式的定子铁芯12的详细结构。
图2是说明本发明的实施方式中的定子铁芯12的图。如图2所示，在本实施方式中，以定子铁芯12的内径即定子内径Ds与极齿15顶端的极齿宽部15a的圆周方向宽度即极齿顶端部宽度t1满足规定的关系的方式规定了各自的大小。具体来说，在本发明中，极齿顶端部宽度t1相对于定子内径Ds的比值(t1/Ds)成为0.18＜(t1/Ds)＜0.25。即，设定为比值(t1/Ds)处于大于0.18且小于0.25那样的范围内。
接着，说明本实施方式的详细内容。如上所述，本发明的目的在于提供一种减小齿槽转矩、并且也抑制了电动机的效率降低的电动机。
因此，首先，为了减小齿槽转矩，将电动机10的结构设为将磁极数设为10个、将极齿数设为12个的10磁极-12极齿的结构。齿槽转矩在未通电时的转矩脉动中因定子的狭缝与转子之间的磁导(磁阻的倒数)变化而产生，成为每旋转1周的狭缝数与磁极数的最小公倍数。即，若该最小公倍数较大，则1次脉动的磁导变化变小，因此最小公倍数越大，齿槽转矩越小。在本实施方式中，为了使最小公倍数变大而选择10磁极-12极齿的结构(最小公倍数为60)，由此，将齿槽转矩抑制得较小。
另外，在本实施方式中，列举10磁极-12极齿的结构例进行说明，但是在磁极数P与极齿数M的关系中，也可以设为(2/3)M＜P＜(4/3)M、并且M≠P，能够起到与本实施方式相同的效果。
图3是表示本实施方式的电动机10与比较例的电动机的齿槽转矩的比较的图。在图3中，作为本实施方式，是10磁极-12极齿的结构的电动机10。作为比较例，是8磁极-12极齿的结构(最小公倍数为24)的电动机。而且，图3将极齿顶端部宽度t1与定子内径Ds的比值(t1/Ds)作为横轴，将改变比值(t1/Ds)时的齿槽转矩的振幅作为纵轴，示出了比值(t1/Ds)与齿槽转矩振幅之间的关系的分析计算结果。在图3中，示出了使比值(t1/Ds)从0.16变化至0.26时的齿槽转矩。另外，此处的比较例那样的8磁极-12极齿的结构在以往一般作为空调用风扇电动机的无刷电动机进行使用。
根据图3明确可知，当本实施方式的电动机10的比值(t1/Ds)与比较例的电动机的比值(t1/Ds)为相同值时，本实施方式的电动机10的齿槽转矩小于比较例的电动机的齿槽转矩。另外，当使比值(t1/Ds)从0.16变化至0.26时，与比较例的电动机的齿槽转矩约变为4倍的情况相比，本实施方式的电动机10的齿槽转矩约变为2倍。在空调用风扇电动机中，根据一般若齿槽转矩为约2mNm以下、则由齿槽转矩引起的噪声在实际应用中基本上不成问题这样的情况可知，特别优选为比值(t1/Ds)＞0.175。与此相对可知，在比值(t1/Ds)的大致相同的范围(0.175＜(t1/Ds)＜0.25)内，比较例的电动机的齿槽转矩大于2mNm，比值(t1/Ds)在0.19附近约变差为5倍。即，在比较例的电动机中，比值(t1/Ds)的大致相同的范围(0.175＜(t1/Ds)＜0.25)内的低振动、低噪声的实现是困难的。
根据以上比较，通过设为10磁极-12极齿的结构，能够构成齿槽转矩较少的电动机。而且，在像本实施方式的电动机10这样的10磁极-12极齿的结构的情况下，在减少由齿槽转矩带来的影响时，优选的是构成为比值(t1/Ds)超过0.175。
接着，在本实施方式中，说明抑制了电动机的效率降低的结构。
一般作为使电动机的效率降低的主要原因，公知有由铜损与铁损造成的损失。
首先，铜损Wcu与电流I的平方值及电阻值R存在有正比关系。具体来说，铜损Wcu与电流I及电阻值R之间的关系用Wcu＝RI2表示。这样，在使用相同的铜线的情况下，铜损Wcu在电流I的平方值发生变化的情况下发生变化。另外，电动机的转矩T与磁通量φ和电流I存在有简单的正比关系。在此，若增宽极齿宽部15a的宽度，则与永磁体22相对的相对面积增加，导向定子铁芯12的磁通量φ增大。这样，在转矩T为相同转矩的情况下，极齿宽部15a的宽度越宽，电动机的电流I越小。因此，极齿宽部15a的宽度越宽，铜损Wcu也越小。
接着，铁损Wfe与磁感应强度B及转速f存在有正比关系。这样，在为相同的转速f的情况下，铁损Wfe在磁感应强度B的值发生变化的情况下发生变化。在此，极齿宽部15a的宽度越宽，越易于导入磁通，磁感应强度B越大。而且，由于铁损Wfe与磁感应强度B存在有正比关系，因此极齿宽部15a的宽度越宽，铁损Wfe也越大。
电动机的效率依赖于综合了这种铜损与铁损后的损失。即，若以损失来进行考虑，则当极齿宽部15a的宽度较窄时，由铜损造成的损失占主导，当极齿宽部15a的宽度较宽时，由铁损造成的损失占主导。
在本实施方式中，以极齿顶端部宽度t1与定子内径Ds的比值(t1/Ds)处于规定的范围内的方式规定了定子内径Ds与极齿顶端部宽度t1的大小。即，若增大定子内径Ds，则转子20的直径也能够变大，从永磁体22导向定子铁芯12的磁感应强度也变大，并且极齿顶端部宽度t1也能够变大。因此，如果增大定子内径Ds，则能够增加极齿宽部15a的与永磁体相对的面积，能够抑制上述铜损。另一方面，若极齿顶端部宽度t1与增大定子内径Ds的情况相匹配地也变大，则导向定子铁芯12的磁感应强度变大且上述铁损增加。据此，通过适当地设定比值(t1/Ds)，能够分别抑制铜损和铁损，能够使电动机的效率最优化。
图4是在本实施方式的电动机10中表示电动机的效率与比值(t1/Ds)之间的关系的分析结果的图。根据图4可知，比值(t1/Ds)在0.215附近达到最高效率。而且，以该最高点为界，随着比值(t1/Ds)变小，电动机的效率降低，随着比值(t1/Ds)变大，电动机的效率也降低。
一般在效率竞争激烈的空调用风扇电动机中，公知若电动机的效率值降低0.2％以上，则是性能有相当大的降低。即，在本实施方式中可知，特别优选电动机的效率降低从最高效率开始降低0.2％以内(0.18＜t1/Ds＜0.25)的范围。
以上，在本实施方式中，通过设为10磁极-12极齿的结构，将齿槽转矩抑制得较小。而且，比值(t1/Ds)设定在大于0.18且小于0.25那样的范围内，从而抑制了电动机的效率降低。
另外，卷绕在极齿15上的绕线13优选的是，填充系数为60％以上。即，卷绕在定子11上的绕线13通过将绕线相对于狭缝面积的填充系数设为60％以上，能够实现与相同形状的分割铁芯电动机同等以上的电动机效率。
而且，优选的是，电动机10的定子11是利用树脂模制而成的。即，通过利用树脂模制电动机10的定子11，能够提高定子整体的刚性，减少电动机的谐振振动，谋求电动机的进一步高效化、低噪声化、低振动化。
另外，在本实施方式中，列举作为永磁体22保持圆筒状的环形磁体那样的结构例进行了说明，但是并不限定于此，也可以是其他形状的磁体、例如分段磁体。但是，环形磁体由于转子由单一磁体构成，因此磁体固定较容易且可靠性较高，而且能够降低组装成本。而且，由磁极之间的尺寸误差、组装误差等导致的磁失衡较少，因此与使用多个分段磁体相比，能够以低成本提供低噪声、低振动的电动机。因此，优选的是，永磁体为环状磁体。
另外，优选的是，永磁体22为稀土类粘结磁体。通过将永磁体22设为稀土类粘结磁体，与烧结铁氧体磁体相比，磁力较强，因此能够提高输出，能够谋求电动机的小型高效化。
另外，优选的是，永磁体22磁化有在圆周方向上呈大致方波状的表面磁通波形。即，如图5所示，通过相对于永磁体22在圆周方向上将表面磁通波形磁化为大致方波状，从而与磁化为大致正弦波的情况相比能够较多地导入磁通量，因此能够有效地运用磁体的磁力，能够进一步谋求电动机的高效化。
另外，通过将上述结构的电动机搭载在电气设备上，从而使电气设备能够实现低振动、低噪声、高效化。
如上所述，本发明的电动机将磁极数P与极齿数M之间的关系设为了(2/3)M＜P＜(4/3)M、并且M≠P。由此，设为了电动机的齿槽转矩降低那样的结构。而且，本发明的电动机将极齿顶端部宽度t1与定子内径Ds的比值(t1/Ds)设为了0.18＜(t1/Ds)＜0.25。由此，谋求电动机的高效化。这样，本发明实现了减小齿槽转矩、并且电动机的效率降低较少的高效率的电动机。
实施方式2
作为本发明的电气设备的例子，首先，将空调机的室内机的结构作为实施方式2来详细进行说明。
在图6中，在室内机210的壳体211内搭载有电动机201。在该电动机201的旋转轴上安装有横流风扇212。电动机201被驱动装置213驱动。通过来自驱动装置213的供电，电动机201旋转，横流风扇212与此相伴地旋转。借助于该横流风扇212的旋转，将利用室内机用换热器(未图示)进行了空气调温的空气送到室内。在此，电动机201例如能够应用上述实施方式1的电动机10。
本发明的电气设备具有电动机和搭载有该电动机的壳体，作为电动机采用了上述结构的本发明的电动机。
另外，在上述说明中，作为本发明的电气设备的实施例，举出了搭载在空调机的室内机上的电动机，但是另外，也能够应用为空调机的室外机、热水器、洗衣机等的电动机，而且，也能够应用于搭载在各种信息设备上的电动机、产业设备所使用的电动机。
产业上的可利用性
本发明的电动机能够减少齿槽转矩并且抑制效率降低，由此，能够提供一种低振动、低噪声、高效率的电动机，因此适合于家电产品等的要求低振动、低噪声、高效率的用途。
附图标记说明
10、201电动机；11定子；12定子铁芯；13绕线；14磁轭；15极齿；15a极齿宽部；16狭缝；20转子；21转子铁芯；22永磁体；24旋转轴；210室内机；211壳体；212交叉流风扇；213驱动装置。

Claims (9)

1.一种内转子型的电动机，具有转子和定子，该转子具有将磁极数设为P的永磁体，该定子以隔着空隙与上述永磁体相对的方式在圆周方向上配置了M个极齿，其特征在于，
上述定子包括具有上述M个极齿的定子铁芯和分别卷绕在上述极齿上的绕线，
将上述磁极数P与上述极齿数M之间的关系设为P＝(10/12)M，
将极齿顶端部宽度t1与定子内径Ds的比值(t1/Ds)设为0.18＜(t1/Ds)＜0.215。
2.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，
上述定子铁芯是沿厚度方向层叠多个磁性薄板而构成的。
3.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，
卷绕在上述极齿上的绕线的填充系数为60％以上。
4.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，
上述定子是利用树脂模制而成的。
5.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，
上述永磁体为环形磁体。
6.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，
上述永磁体为稀土类粘结磁体。
7.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，
上述永磁体磁化有在圆周方向上呈大致方波状的表面磁通波形。
8.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，
电动机效率的降低在相对于最高值降低0.2％以内，并且齿槽转矩为2mNm以下。
9.一种电气设备，其特征在于，
该电气设备搭载了权利要求1至8中任一项所述的电动机。
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