CN111033951A - 无刷电机 - Google Patents

Abstract

无刷电机(11)的无负荷时的齿(22)的径向中央部(X)或前端部(Y)的磁通密度的最大值为1T以上，转子(13)的磁铁(33)具有扭斜角θ的扭斜构造。在设磁铁(33)的极数为2P、槽数为T时，扭斜角θ由θ(电角度)＝P×(360°/2P与T的最小公倍数)表示，设定为θ＝30°～60°的范围。磁铁(33)的表面磁通密度分布为含有奇数倍的高次谐波中的、与磁铁(33)的表面磁通密度分布同相位的高次谐波的正弦波波形。

Description

无刷电机

技术领域

本发明涉及电动机，特别涉及具备扭斜(skew)构造的无刷电机。

背景技术

为了提高无刷电机的静音性，需要减小转矩波动、齿槽效应，使电机顺滑地旋转。因此，在无刷电机中，作为减小齿槽效应、转矩波动的手段，以往，广泛使用了使转子磁极等相对于轴向倾斜的扭斜构造。在扭斜构造中，最佳的扭斜角能够根据磁极数与槽数的最小公倍数导出。

即，将360°除以磁极数与槽数的最小公倍数而得到的值为最佳的扭斜角(下式)。

最佳扭斜角度(电角度)＝P×(360°/2P与T的最小公倍数)

·极数(2P)

·槽数(T)

例如，在磁极数为4极、槽数为6的情况下，最小公倍数是12。然后，360°除以最小公倍数的12得到30°。因此，在磁极数为4极、槽数为6的情况下，最佳的扭斜角为60°(电角度)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005－20930号公报

专利文献2：日本特开2016－100979号公报

专利文献3：日本特愿2008－172983号

发明内容

发明要解决的课题

但是，在无刷电机中，由于沿着轴向的磁通分布的变化，齿槽转矩也会产生基于部位的差异。通常，齿槽转矩具有轴向中央部小、在端部大的倾向。齿中央部或前端部的磁通密度越大，该倾向越明显。因此，在不通电时上述部分的磁通密度最大超过1T这样的电机的情况下，存在如下的问题：由于沿着轴向的齿槽转矩的差异，即使将扭斜角设定为最佳角度，齿槽转矩也不达到最小。在该情况下，将扭斜设定为最佳扭斜角以上，从而能够使齿槽效应最小。但是，在该设定的情况下，扭斜角变大，因此由扭斜导致的磁通的降低也会变大。结果，为了确保所期望的输出，不得不增大电机体格，存在电机大型化这样的问题。

用于解决课题的手段

本发明的无刷电机具有：具备形成有多个齿的定子铁芯和卷绕于上述齿并收纳于形成在邻接的上述齿之间的槽中的绕组的定子；以及配置在上述定子的径向内侧并具备磁铁的转子，其中，上述磁铁具有其磁极的转换位置沿着轴向在旋转方向上偏移的扭斜构造，该无刷电机的无负荷时的上述齿的径向中央部或前端部的磁通密度的最大值为1T以上，上述磁铁的表面磁通密度分布具有含有奇数倍的高次谐波的正弦波波形。

在本发明中，使转子磁铁为扭斜构造，并且使磁铁的表面磁通密度分布为含有奇数倍的高次谐波的正弦波波形。由此，可实现齿的径向中央部或前端部的磁通密度的最大值为1T以上的无刷电机中的齿槽转矩的减小。

在上述无刷电机中，在设该磁铁的极数为2P、上述槽的槽数为T时，上述磁铁的扭斜角θ由θ(电角度)＝P×(360°/2P与T的最小公倍数)表示，此时，也可以将上述扭斜角θ设定为电角度30°～60°的范围。由此，扭斜角设定为比理论上的最佳扭斜角小，可抑制由扭斜导致的磁通降低。在该情况下，作为扭斜角θ，可以采用40°～60°，优选地可以采用40°～50°左右，更优选地也可以为50°附近。

另外，作为上述高次谐波，也可以使正弦波波形含有与上述磁铁的表面磁通密度分布同相位的高次谐波。由此，能够维持与径向磁化的情况大致同等的有效磁通，能够平衡良好地实现减小齿槽转矩和确保有效磁通的兼顾。

发明效果

根据本发明的电机，无刷电机的转子磁铁采用扭斜构造，并且使磁铁的表面磁通密度分布为含有奇数倍的高次谐波的正弦波波形，从而在无负荷时的齿的径向中央部或前端部的磁通密度的最大值为1T以上的无刷电机中也能够实现齿槽转矩的减小。

附图说明

图1是表示使用作为本发明的一实施方式的无刷电机的带减速机构电机单元的结构的说明图。

图2是从轴向观察图1的无刷电机的侧视图。

图3是表示图1的无刷电机中的转子磁铁的结构的说明图。

图4是表示磁铁的表面磁通密度分布的说明图，分别示出了无失真的正弦波(1次基波)、以及含有同相位的奇数倍高次谐波的失真正弦波、含有反相位的奇数倍高次谐波的失真正弦波。

图5(a)是表示同相位的高次谐波的说明图，(b)是表示反相位的高次谐波的说明图。

图6是表示高次谐波的含有率的说明图。

图7(a)是在径向磁化、含有同相位的奇数倍高次谐波的失真正弦波、含有反相位的奇数倍高次谐波的失真正弦波中比较了扭斜角θ与齿槽转矩的关系的说明图，(b)是在径向磁化、含有同相位的奇数倍高次谐波的失真正弦波、含有反相位的奇数倍高次谐波的失真正弦波中比较了有效磁通与齿槽转矩的关系的说明图。

图8是表示径向磁化中的表面磁通密度波形的说明图。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行详细说明。以下的实施方式的目的在于，在通过扭斜构造来减小齿槽效应、转矩波动的同时，抑制伴随扭斜产生的有效磁通的降低，确保电机的输出。

图1是表示使用作为本发明的一实施方式的无刷电机11的带减速机构电机单元1的结构的说明图，图2是从轴向观察无刷电机11的侧视图。图1的电机单元1是电机、减速机构(机械系统)和控制部(电气系统)一体化的所谓机电一体构造的带减速机构电机。电机单元1包括具备无刷电机11的电机部2、使用蜗轮的减速机构部3、以及搭载有用于驱动控制无刷电机11的控制电路的控制部4。电机单元1例如用作汽车的电动天窗的驱动源。

在电机部2配置有无刷电机11。无刷电机11为在外侧配置有定子12、在内侧配置有转子13的内转子型的无刷电机。定子12具备兼作磁轭的电机壳体14、固定于电机壳体14的内周侧的定子铁芯(铁芯构件)15、以及卷绕于定子铁芯15的线圈16。电机壳体14由铁等形成为有底筒状，截面为六边形形状。在电机壳体14的开口部安装有合成树脂制的框架17。框架17的上部开口，在开口部分安装罩18。电机壳体14通过螺钉19固定于设置在框架17的凸缘部17a的电机安装用的螺纹孔17b。

定子铁芯15为层叠多个钢板而成的一体铁芯构造。定子铁芯15具备六边形形状的轭铁部21和从轭铁部21向内侧方向突出形成的齿22。齿22沿着周向设置有多个(在此为6个)。在各齿22之间形成有槽23(6个)。在无刷电机11中，设定为齿22的径向中央部X或前端部Y具有在不通电状态下最大1T以上的磁通密度。

在定子铁芯15的内侧从轴向两端侧安装有合成树脂制的绝缘体24。在各齿22上经由绝缘体24卷绕绕组25而形成线圈16。在绝缘体24上设置有与各相(在此为U、V、W三相)对应的线圈端子(线圈连接端子)26(26U、26V、26W)。线圈16(绕组25)与各线圈端子26U、26V、26W电连接。

转子13配置在定子12的内侧，采用了将旋转轴31和转子铁芯32、磁铁33同轴状地配置而成的结构。在旋转轴31的外周安装有层叠多个钢板而成的圆筒形状的转子铁芯32。在转子铁芯32的外周固定有环状的磁铁33。磁铁33沿着周向磁化成多极(在此为4极)。另外，磁铁33被磁化成使齿22的径向中央部X或前端部Y具有在不通电状态最大1T以上的磁通密度。

在无刷电机11中，对磁铁33实施有扭斜磁化。图3是表示磁铁33的结构的说明图。如图3所示，磁铁33为扭斜构造，磁极交界线L以沿着轴向在旋转方向上偏移的方式倾斜。在本实施方式中，磁铁33的扭斜角θ设定为小于上述的最佳扭斜角度(电角度60°)，或者设定为电角度30°～电角度60°的范围(30°≤θ＜60°)。

另外，在无刷电机11中，磁铁33的表面磁通密度分布为含有奇数倍的高次谐波(3次、5次、7次高次谐波)的正弦波。图4是表示磁铁33的表面磁通密度分布的说明图，分别示出了无失真的正弦波(1次基波)、以及含有同相位的奇数倍高次谐波的失真正弦波、含有反相位的奇数倍高次谐波的失真正弦波。此外，同相位的高次谐波是指高次谐波的第1个波形与1次基波同相位的高次谐波(图5(a))，反相位的高次谐波是指高次谐波的第1个波形与1次基波反相位的高次谐波(图5(b))。如图6所示，高次谐波的含有率为3次分量大，5次以后的分量变小。在该情况下，3次分量由于极各向异性磁化(日文：極異方性着磁)而积极地叠加，5次以后的分量在磁化时不可避免地叠加。

旋转轴31的一端部由压入到电机壳体14的底部的轴承34支承为旋转自如。旋转轴31的另一端部由安装于框架17的轴承保持部17c、17d的轴衬35、36支承为旋转自如。在旋转轴31的端部(图1中右端部)形成有蜗杆37。蜗杆37与配置在框架17内的蜗轮38啮合。由蜗杆37和蜗轮38构成了减速机构部3。蜗轮38安装于输出轴39。在电机单元1中，无刷电机11的旋转轴31的旋转通过减速机构部3减速并传递到输出轴39，输出轴39被驱动旋转。

在旋转轴31上安装有用于检测转子13的旋转的传感器磁铁41。传感器磁铁41沿着周向被磁化成多极。在框架17内，以与传感器磁铁41的磁极相向的形式配置有未图示的霍尔IC(磁检测元件)。霍尔IC配置在控制部4的控制基板42。在控制基板42除了霍尔IC之外还搭载有控制用IC、电阻、电容器等元件。控制基板42和无刷电机11通过中间端子(基板连接端子)43电连接。中间端子43压入固定到框架17的端子保持部17e。

电机单元1如下这样组装。首先，将在定子铁芯15上安装绝缘体24并卷绕、布设线圈16而成的定子组件压入到框架17。由此，无刷电机11的线圈端子26(26U、26V、26W)和各相的中间端子43的一端侧嵌合而电连接。在将两个端子26、43连接之后，将控制基板42组装到框架17，与中间端子43的另一端侧钎焊固定。由此，控制基板42和无刷电机11电连接，能够通过控制部4驱动控制无刷电机11。

在此，在本发明的无刷电机11中，如上所述，设定为使磁铁33为扭斜构造，并且磁铁33的表面磁通密度分布为含有奇数倍的高次谐波的正弦波。而且，对于无刷电机11，通过这样的设定，即使齿22的中央部X或前端部Y具有在不通电状态下最大1T以上的磁通密度的情况下，也将齿槽转矩抑制得小。图7(a)是在(1)径向磁化的情况、(2)含有同相位的奇数倍高次谐波的失真正弦波、(3)含有反相位的奇数倍高次谐波的失真正弦波中比较了扭斜角θ与齿槽转矩的关系的说明图，图7(b)是在(1)径向磁化的情况、(2)含有同相位的奇数倍高次谐波的失真正弦波、(3)含有反相位的奇数倍高次谐波的失真正弦波中比较了有效磁通与齿槽转矩的关系的说明图。此外，在径向磁化中，从径向不拘泥于波形而均匀地进行了磁化，表面磁通密度为图8那样的梯形波。

如图7(a)所示，对于齿槽转矩，在径向磁化的情况下，在扭斜角θ为理论值的60°(电角度，以下相同)时达到最小。与此相对，在含有奇数倍高次谐波的失真正弦波中，含有同相位的情况下在θ＝50°时达到最小值，含有反相位的情况下在θ＝40°时达到最小值。但是，含有反相位的情况下，当θ达到50°以上时，齿槽转矩比径向磁化的情况下的齿槽转矩大。另外，若对含有同相位和含有反相位进行比较，则含有同相位的情况下将齿槽转矩抑制得较小。而且，含有同相位的情况下，在扭斜角θ为30°～60°的范围内，得到与径向磁化的最小值大致同等或其以下的齿槽转矩。因此，在与齿槽转矩的关系来看，优选含有同相位且将扭斜角θ设定为30°～60°、优选50°。

下面，参照图7(b)，对于有效磁通，随着扭斜角θ变大，有效磁通也降低。即，当扭斜角大时电机的输出也降低，为了得到相同的输出，需要增大电机体格。也就是说，从有效磁通的观点来看，扭斜角越小越好。另外，在(1)～(3)的比较中，径向磁化和含有同相位大致同等，但含有反相位与径向磁化相比有效磁通变小。因此，由图7(b)可知，从有效磁通的观点来看，优选含有同相位且尽量减小扭斜角θ。

因此，综合图7(a)、(b)的结果，通过使磁铁33的表面磁通密度分布为含有奇数倍的高次谐波的正弦波波形，使扭斜角θ为30°～60°，从而能够在减小齿槽转矩的同时，确保有效磁通。在该情况下，扭斜角设定为比理论上的最佳扭斜角(60°)小。因此，能够在抑制由扭斜角增大导致的磁通降低的同时，减小齿槽转矩。特别是，优选设为含有同相位的奇数倍高次谐波的正弦波波形，将扭斜角θ设定为30°～60°，从减小齿槽转矩和维持有效磁通的平衡来看设为40°～60°，优选地设为40°～50°左右，特别优选地设为50°附近(大致50°)。这可认为是因为由图4可知，含有同相位的情况下的表面磁通密度波形与含有反相位的情况相比更接近梯形波，也具有正弦波性的平滑的波形变化。

因此，通过将磁铁33的表面磁通密度波形、扭斜角θ设为上述那样的设定，即使齿22的中央部X或前端部Y具有在不通电状态下最大1T以上的磁通密度的情况下，也能够在抑制由扭斜导致的磁通降低的同时，将齿槽转矩抑制得小。另外，由于是对含有高次谐波分量加以考虑的设定，因此，即使在由于磁铁33磁化时的偏差而叠加了高次谐波分量的情况下，也能够抑制齿槽效应受其影响而恶化。

本发明并不限定于上述实施方式，不言而喻，能够在不脱离其主旨的范围内进行各种变更。

例如，在上述的实施方式中，示出了将本发明应用于在转子13的外周配置有磁铁33的表贴式(SPM：Surface Permanent Magnet)电机的例子，但本发明也能够应用于内置式(IPM：Interior Permanent Magnet)电机。另外，转子侧的磁铁不限于环状的磁铁，也能够使用扇形磁铁，扭斜构造也可以为将扇形磁铁在轴向上配置多层的阶梯扭斜构造。在该情况下，扇形磁铁按照各层在周向上错开规定角度地配置。

产业上的可利用性

本发明除了天窗用电机之外，还可以广泛应用于例如用作电动窗、滑动门、后门、油泵等的驱动源的车载电机，家电产品等各种电气产品，机器人、电动机械等工业设备等。

附图标记说明

1 电机单元 2 电机部

3 减速机构部 4 控制部

11 无刷电机 12 定子

13 转子 14 电机壳体

15 定子铁芯 16 线圈

17 框架 17a 凸缘部

17b 螺纹孔 17c 轴承保持部

17d 轴承保持部 17e 端子保持部

18 罩 19 螺钉

21 轭铁部 22 齿

23 槽 24 绝缘体

25 绕组 26 线圈端子

26U、26V、26W 线圈端子

31 旋转轴 32 转子铁芯

33 磁铁 34 轴承

35 轴衬 36 轴衬

37 蜗杆 38 蜗轮

39 输出轴 41 传感器磁铁

42 控制基板 43 中间端子

L 磁极交界线 X 齿径向中央部

Y 齿前端部 θ 扭斜角。

Claims (4)

1.一种无刷电机，所述无刷电机具有：

定子，其具备形成有多个齿的定子铁芯、以及卷绕于所述齿并收纳于形成在邻接的所述齿之间的槽中的绕组；以及

转子，其配置在所述定子的径向内侧，并具备磁铁，

其特征在于，

所述磁铁具有其磁极的转换位置沿着轴向在旋转方向上偏移的扭斜构造，

该无刷电机的无负荷时的所述齿的径向中央部或前端部的磁通密度的最大值为1T以上，

所述磁铁的表面磁通密度分布具有含有奇数倍的高次谐波的正弦波波形。

2.根据权利要求1所述的无刷电机，其特征在于，

在设所述磁铁的极数为2P、所述槽的槽数为T时，所述磁铁的扭斜角θ由

θ(电角度)＝P×(360°/2P与T的最小公倍数)

表示，

所述扭斜角θ为电角度30°～60°的范围。

3.根据权利要求2所述的无刷电机，其特征在于，

所述扭斜角θ为电角度40°～50°的范围。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的无刷电机，其特征在于，

所述高次谐波具有与所述磁铁的表面磁通密度分布相同的相位。

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