CN1276565C - 三相电机和装有该电机的电器以及汽车 - Google Patents

Abstract

一种三相电机和装有该电机的电器以及汽车，该三相电机具备具有多个极的转子(1)、具有配置在多个槽(2)中的三相驱动绕组(4)的定子(3)、用于对驱动绕组(4)进行三相全波通电的驱动器(5)，其特征在于：转子(1)的极数与定子(3)的槽数之比为14∶12，而且，由驱动器(5)向驱动绕组(4)的通电宽度在电角为135度至180度的范围。采用这种结构能够提供低噪音以及低振动的电机和装有该电机的静音性得到提高的电器以及汽车。

Description

三相电机和装有该电机的电器以及汽车

技术领域

本发明涉及设置具有多个极的转子、具有配置在多个槽中的三相驱动绕组的定子、以及用于对这些驱动绕组进行三相全波通电的驱动器的三相电机和装有该电机的空调机、空气净化器、热水器等电器以及汽车。

背景技术

近年来，对电机的低噪音和低振动的要求日益高涨。原来的无刷电机如图8所示具备：具有8个磁极的转子100，具有12个槽200、并在这些槽中配置三相绕线的驱动绕组540的定子300，用于对这些驱动绕组540进行120度三相全波通电的驱动器500。这种原有的无刷电机，可参照日本专利申请特开平7-222485号公报所公布的，如图8所示，其转子100的极数(8极)与定子300的槽数(12个)之比为2∶3。

在这种无刷电机中，一般情况下，为了抑制转矩脉动而使流过驱动绕组的电流基本上接近正弦波，对降低噪音以及振动很有效。即，由于因三相驱动绕组之中在各2相驱动绕组的线间产生的反电动势(线间反电动势)和电源电压之差而使得外加在驱动绕组上的电压被决定，所以，线间反电动势几乎接近正弦波，对降低噪音以及振动很有效。然而，在原有的电机中，线间反电动势的失真率增大，有可能产生与噪音和震动相关的不良影响。

在图8中，在一个齿部的一侧导体群所引起的电压(反电动势)f₈(θ)，利用富利叶级数展开能够表示成如下这样。

$f_8\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n\sin \left\{(2n-1)\mathrm{\θ}\right\}$ 式(1)

在上式中，θ表示电角(°)。

如图8所示，线间反电动势f₈(θ)，例如在V相-W相通电时，是在导体群521至536所引起的电压之和，把上述(式1)相位不同的16个全部加起来就成为如下这样。

F₈(θ)＝4F₈(θ)+8F₈(θ+60°)+4F₈(θ+120°)    (式2)

将上述(式2)按高次谐波成分组合起来，就成为以下这样。

F₈(θ)＝12a₁sin(θ+60°)+12a₃sin(5θ+300°)+12a₄sin(7θ+60°)+...(式3)

由上述(式3)可知，在转子的极数和定子的槽数之比为2∶3的电机中，即使能够抑制线间反电动势的3次项成分，也不能抑制5次项、7次项的成分。图9是电机转速为1000r/min时的线间反电动势的波形，由于失真率必须只有正弦波的2-5％，所以会有产生转矩脉动、出现噪音和振动之类的问题。这样，在原有的无刷电机中，由于采用120度三相全波通电方式，所以，二相通电的相位切换时流入绕组的电流的变化增大，会产生转矩脉动而不利于降低噪音和振动。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种适合于三相全波通电式的驱动器，通过使转子的极数与定子的槽数之比为最佳比例来得到低噪音以及低振动的三相电机以及装有该电机的更加安静的电器以及汽车。

本发明是一种具备具有多个极的转子、具有配置在多个槽中的三相驱动绕组的定子、用于对驱动绕组进行三相全波通电的驱动器的三相电机，其特征在于，转子的极数与定子的槽数之比为14∶12，而且，使由驱动器向驱动绕组的通电宽度按电角度为135度至180度的范围。

采用这种结构，不仅能够抑制三相电机驱动绕组中的线间反电动势的3次项成分、也能够抑制5次项、7次项成分，而能够使线间反电动势更接近正弦波。结果，本发明的电机能够实现低噪音以及低振动。

附图说明

图1是示意本发明的实施例中三相电机的模式图。

图2是本发明的实施例中三相电机结构的剖视图。

图3是示意本发明的实施例中使用了嵌入磁铁型转子(IPM转子)的三相电机的模式图。

图4是本发明的实施例中房间用空调室内机以及室外机的构成图。

图5A是本发明的实施例中热水器的构成图。

图5B是图5A所示的热水器的外壳(casing)部分的立体图。

图6A是本发明的实施例中空气净化器的构成图。

图6B是图6A所示的空气净化器的剖面构成图。

图7是本发明的实施例中电动汽车的构成方块图。

图8是示意原有的三相电机的模式图。

图9是图8所示的三相电机的线间反电动势的波形图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施例进行说明。

(第1实施例)

图1是示意本发明的实施例中三相电机的模式图。

图1所示的三相电机特征在于，具备：具有多个极的转子1、具有配置在多个槽2中的三相驱动绕组4的定子3、用于对这些驱动绕组4进行三相全波通电的驱动器5。并且，转子1的极数与定子3的槽数之比为14∶12，而且，使由驱动器向驱动绕组的通电宽度为电角在135度至180度的范围。

进一步对图1所示的三相电机的结构进行详细的说明。

在图1中，转子1，构成交替的7对N极和S极，即14极磁极。在定子3上，形成从环状的轭60突起的12个齿部70，在这些齿部70之间形成12个槽2。然后将驱动绕组4缠绕在各齿部70上。转子1借助空隙配置在形成环状的定子3的内侧。通过作用于由驱动器5向驱动绕组4的三相全波通电而从定子3的各齿部产生的旋转磁场和转子的各磁极之间的旋转力，使转子1进行旋转。

这里，对驱动绕组4进行更加详细的说明。

本发明的三相电机的驱动绕组4由缠绕在各齿部上的U相绕组、V相绕组、W相绕组组成。U相绕组由绕组403、与该绕组403相邻的绕组404、在这些绕组403、403对面位置毗邻的绕组409以及绕组410串联连接而成。同样，V相绕组由绕组401、与该绕组401相邻的绕组402、在这些绕组401、402对面位置毗邻的绕组407以及绕组408串联连接而成。同样，W相绕组由绕组411、与该绕组411相邻的绕组412、在这些绕组411、412对面位置毗邻的绕组405以及绕组406串联连接而构成。这些U相绕组、V相绕组以及W相绕组各自的一端共同连接在中性点420上。这样，U相绕组、V相绕组以及W相绕组成为所谓的星形连线。

U相绕组、V相绕组以及W相绕组各自的另一端连接在用于对各自的相绕组进行三相全波通电的驱动器5上。

像上面这样构成的本第1实施例中的三相电机，在一个齿部的一侧的导体群引起的电压f₁₄(θ)，利用富利叶级数展开能够表示成下面这样。

$f_{14}\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{b}_n\sin \left\{(2n-1)\mathrm{\θ}\right\}$ (式4)

在上式中，θ表示电角(°)。

在图1中，线间反电动势f₁₄(θ)，例如在U相-V相通电时，为在导体群121至136感应的电压之和，把上述(式4)相位不同的16个全部加起来就成为如下这样。

F₁₄(θ)＝2f₁₄(θ)+4f₁₄(θ-30°)+4f₁₄(θ-60°)+4f₁₄(θ-90°)+2f₁₄(θ-120°)(式5)

将上述(式5)按高次谐波成分组合起来，就成为以下这样。

F₁₄(θ)＝12.93b₁sin(θ-60°)+0.93b₃sin(5θ-120°)+0.93b₄sin(7θ-240°)+....(式6)

由上述(式6)可知，在本发明的电机中，通过使转子的极数与定子的槽数之比为14∶12，不仅能够抑制线间反电动势的3次项成分，也能够抑制5次项、7次项的成分，从而使线间反电动势接近正弦波。

在磁场解析模拟结果中，能够得到将1000r/min时的线间反电动势波形的失真率抑制到0.7％的正弦波，具有抑制转矩脉动、降低噪音以及振动的效果。

另外，在图8所示的原有的电机中，由于使用120度三相全波通电，所以，电角每隔60度依次进行U相-V相通电、U相-W相通电、V相-W相通电、V相-U相通电、W相-U相通电、W相-V相通电。即，如果分别从U相绕组、V相绕组、W相绕组看的话，在120度的连续通电后，可以向其它相绕组替换通电。然后，在对U相绕组、V相绕组、W相绕组的任何2相通电时，剩下的1相不通电。

针对于此，在本发明的电机中，通过使驱动器对驱动绕组的通电宽度在电角为135度至180度，在相位切换时有三相全部通电的期间。这样，流入驱动绕组的电流的变化减小，具有控制转矩脉动，降低噪音和振动的效果。更为理想的是，使驱动器对驱动绕组的通电宽度在电角为150度。这样，使驱动绕组的线间反电动势接近正弦波，从而能够使流入驱动绕组的电流接近正弦波，具有降低噪音以及振动的效果。

再有，通过使该驱动器对驱动绕组的通电为正弦波驱动，流过绕组的电流更加接近正弦波，从而能够进一步实现低噪音以及低振动。

另外，使驱动器5为用于使对驱动绕组4的通电为正弦波驱动的正弦波驱动器，在该正弦波驱动器中，通过采用脉动宽度调制(PWM)控制作为驱动绕组的线间反电动势和电源电压之差而外加在驱动绕组上的电压、使流过绕组的电流接近正弦波的驱动方式，也能够使流过绕组的电流接近正弦波。

另外，使从驱动器对驱动绕组的通电宽度电角为150度，在三相驱动绕组中毗邻的相绕组处于相同的通电状态的重叠期间，对相绕组的通电的大小为第1值，重叠期间以外的时间，通电的大小为第2值。这样，与仅使通电宽度在电角为150度的场合相比，流过驱动绕组的电流能够进一步接近正弦波，从而能够进一步降低噪音以及振动。

另外，由于上述的第1值和第2值的比率为sin(π/3)∶1(大约0.866∶1)，所以，以通电宽度为150度的通电能够明显地降低噪音以及振动。

(第2实施例)

图2是本发明的第2实施例中三相电机结构的剖视图。

在图2中，转子1由转子铁芯11和固定在该转子铁芯上的轴9构成。该轴9的两侧分别由设在托座10上的轴承6支撑着可以旋转。在定子3上三相驱动绕组4配置在设有转子1的外侧。驱动器5是用于使对驱动绕组4的通电为正弦波驱动的正弦波驱动器。该驱动器5与定子3一起由注塑树脂8通过树脂成形而成。在两个托座10的外侧设置有防振橡胶7。这样，在第2实施例中的电机中，由于是电机结构部和驱动电路(驱动器5)一体化，所以，能够实现小型化。

这里，上述第1实施例中说明的各种三相电机都能应用于该电机。例如，该电机具备：具有多个极的转子、具有配置在多个槽中的三相驱动绕组的定子、用于对驱动绕组进行三相全波通电的驱动器，转子的极数与定子的槽数之比为14∶12，而且，使驱动器向驱动绕组的通电宽度在电角为135度至180度的范围，且将驱动器内装在电机内而构成。利用这种结构，本实施例中的三相电机不仅降低了噪音以及振动，还具有小型化的效果。

(第3实施例)

图3是示意本发明的实施例中使用了嵌入磁铁型转子(IPM转子)的三相电机的模式图。

在图3中，此第3实施例中的三相电机是将永磁铁50嵌入转子1的转子铁芯内，即所谓使用了嵌入磁铁型转子(IPM转子)的电机。

该电机由磁极数为14极的转子1、具有配置在12个槽中的三相驱动绕组4的定子3、对驱动绕组4进行三相全波通电的驱动器5构成。通过以IPM结构为转子结构增加磁铁的磁通量的同时，还使转子极数与定子槽数之比为14∶12，就能够使驱动绕组的线间反电动势接近正弦波，能够使流入绕组的电流接近正弦波。其结果，除降低噪音以及振动外，还可以提高效率。

一般说来，在以IPM结构为转子结构的电机的场合，在转子和定子间的间隙磁力线分布中，如图1所示，接近磁极的磁力线由于比图1所示的采用表面磁铁型转子的电机的磁力线分布更大而使得线间反电动势的失真率更差。因此，在以IPM结构为转子结构、转子极数和定子槽数之比为2∶3的原有的电机中，虽然比表面磁铁型转子的电机更加有效，但线间反电动势的失真率则对降低噪音和振动不利。

然而，采用本发明，即使以IPM结构为转子结构，通过使转子极数与定子槽数之比为14∶12，就不仅能够抑制线间反电动势的3次项、还能够抑制5次项、7次项成分，从而使线间反电动势接近正弦波，具有降低噪音以及振动的效果。

(第4实施例)

在本发明的第4实施例中对将本发明的三相电机装在各种电器和汽车上的场合进行说明。可以将上述第1实施例至第3实施例中任何一种电机应用于所装有的三相电机。

图4是本发明的实施例中房间用空调室内机以及室外机的构成图。在图4中，室内机13装有本发明的室内用电机26。室外机14装有本发明的室外用电机27。

室内机用控制器19控制室内机用电机26的旋转。在电机26上安装有横流式风扇17。伴随着电机26的旋转，横流式风扇17旋转，由室内机用换热器15调节好的空气被送到室内。

另一方面，室外机用控制器20控制室外机用电机27的旋转。在电机27上安装有螺旋桨式风扇18。伴随着电机27的旋转，螺旋桨式风扇18旋转，向室外机用换热器16送风。

制冷剂从换热器15通过制冷剂管24，到达压缩器21、换热器15，然后通过制冷剂管24返回到换热器15。这样即构成所谓冷冻循环。

另外，通过AC电源输入线25把电力供给室内机13。通过电源线22把电力供给室外机14。信号线23连接在室内机13和室外机14之间，使室内机13和室外机14协调动作。并且，在房间用空调机进行运转时，作为风扇电机的电机26以及电机27也运转。

通过将本发明的电机用于上述的房间用空调机的风扇电机上，能够抑制房间用空调机运转时的风扇或机器主体的共振，起到降低噪音以及振动的效果。

其次，图5A是本发明的实施例中热水器的构成图。图5B是图5A所示的热水器的外壳部分的立体图。

在图5中，通过水管31把水供给热水器28。另外，通过燃料管36把燃料从燃料箱37供给到热水器28内的燃料泵34。供给燃料泵34的燃料由汽化室汽化，与由风扇电机38的旋转而吹出的空气混合，被送进燃料室29。通过燃料室29内的燃烧器32使燃料燃烧，利用其热量对水进行加热，通过热水管30向热水器外部供给热水。燃烧时的排气是通过排气口40进行的。风扇电机38被连接到配置于热水器28内的控制器33上，使其旋转受到控制。

如图5B所示，在风扇电机38上安装有多叶片风扇40，并且多叶片风扇40被外壳39所覆盖。伴随着被控制器33控制旋转的电机38的旋转，多叶片风扇40旋转，从外壳39的送风口51将空气送入汽化室35。在空气量必须增多的场合，例如，在需要高温热水的场合或者在单位时间内需要大量的热水的场合等，控制电机38的转速使其升高。这样，通过控制电机38的转速，就能够根据需要供给适当的空气量。

通过将本发明的电机用于上述的热水器用风扇电机上，能够抑制热水器运转时的风扇或机器主体的共振，起到降低噪音以及振动的效果。

接下来，图6A是本发明的实施例中空气净化器的构成图。图6B是图6A所示的空气净化器的剖面构成图。

在图6A中，空气净化器42从吸气口46对吸入的空气进行净化，由排气口45将净化后的空气送出。操作面板47是使用者用来对电源的开关或者风量的强弱进行操作的部件。

在图6B中，空气净化器42从吸气口46将吸入的空气通过空气过滤器44来进行净化，通过使电机49旋转来使安装在电机49上的多叶片风扇48旋转，将其净化后的空气由排气口43送出。其送风量的调整是根据从接收到来自操作面板47指令的控制板43发出的信号，通过对电机29的转速进行控制来进行的。

通过将本发明的电机应用于上述的空气净化器用风扇电机上，能够抑制空气净化器运转时的风扇或机器主体的共振，起到降低噪音以及振动的效果。

另外，本发明并不限定于上述的实施例，作为其它的用途，也能够用于要求低噪音以及低振动的各种电器上。

其次，图7是装有本发明的电机的电动汽车的方块结构图。电动汽车的车身80由车轮81支撑着。由于该电动汽车为前轮驱动式，所以将前方车轴82直接连接到电机83上。电机83由控制装置84控制驱动转矩。作为控制装置84的动力源备有蓄电池85。来自该蓄电池85的电力通过控制装置84供给电机83。然后，该电机83被驱动，经由车轴82使车轮81旋转。上述实施例中说明的电机可以应用于电机83。

通过将本发明的电机用于上述电动汽车的车轮驱动，就能够抑制汽车运转时的车身的共振，起到降低噪音以及振动的效果。

另外，本发明的电机，不仅可以用于电动汽车，即使是汽油发动机或者柴油发动机的汽车，也能够作为例如要求室内空间肃静的汽车用空调的风扇电机或作为暖气装置冷却用的风扇电机进行安装。另外，也能够用作电动汽车的驱动用电机。

Claims (17)

1.一种三相电机，设置有具有多个极的转子、具有配置在多个槽中的三相驱动绕组的定子、用于对驱动绕组进行三相全波通电的驱动器，其特征在于：

所述转子的极数与所述定子的槽数之比为14∶12，而且，由所述驱动器向驱动绕组的通电宽度按电角度为135度至180度的范围。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述三相驱动绕组由U相绕组、V相绕组以及W相绕组的星形接线构成，

所述星形接线如下连接：

所述各相绕组通过将缠绕在所述定子的相邻的2个齿部和与这2个齿部对向的2个齿部上的线圈串联连接而构成，

所述各相绕组的一端共同连接在中性点上，

所述各相绕组的另一端连接到所述驱动器上。

3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述驱动器采用正弦波对所述驱动绕组进行驱动。

4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：由所述驱动器向所述驱动绕组的通电宽度按电角度为150度。

5.根据权利要求4所述的电机，其特征在于：在所述三相驱动绕组中相邻的相绕组处于相同的通电状态的重叠期间，将对所述相绕组的通电的大小设为第1值，在所述重叠期间以外的期间，将所述通电的大小设为第2值。

6.根据权利要求5所述的电机，其特征在于：所述第1值和所述第2值的比率为sin(π/3)∶1、即约为0.866∶1。

7.根据权利要求1至6任何一项所述的电机，其特征在于：将所述驱动器内置于所述电机内。

8.根据权利要求1至6任何一项所述的电机，其特征在于：采用将永久磁铁嵌入到所述转子中的结构。

9.根据权利要求7所述的电机，其特征在于：采用将永久磁铁嵌入到所述转子中的结构。

10.一种电器，其特征在于：装有权利要求1至6任何一项所述的电机。

11.一种电器，其特征在于：装有权利要求7所述的电机。

12.一种电器，其特征在于：装有权利要求8所述的电机。

13.一种电器，其特征在于：装有权利要求9所述的电机。

14.一种汽车，其特征在于：装有权利要求1至6任何一项所述的电机。

15.一种汽车，其特征在于：装有权利要求7所述的电机。

16.一种汽车，其特征在于：装有权利要求8所述的电机。

17.一种汽车，其特征在于：装有权利要求9所述的电机。

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