CN1393972A - 带有固定到轭上的楔形磁铁的电动机 - Google Patents

Abstract

转子(18)和每个磁铁(14)被成形以满足如下条件中的一个：(Dπ/z)×n+T<x<(Dπ/z)×(n+1)－T和(Dπ/z)×(n－1)+T<x<(Dπ/z)×n－T。这里Z是铁心(22)的数目。D是转子(18)的外径。T是每个齿(24)的圆周尺寸。X是第一楔形部分(16)的第一和第二反作用点中的一个圆周方向最内点与第二楔形部分(17)的第一和第二反作用点中的一个圆周方向最内点之间的圆周尺寸。第一和第二反作用点分别径向相对由铁心(22)外周面所限定的第一和第二假想端圆。此外，n是当一个齿(24)的圆心径向相对由X所限定范围的圆心时，完整设置在由X所限定范围内的齿(24)的数目。

Description

带有固定到轭上的楔形磁铁的电动机

本发明涉及一种电动机，诸如车辆空调系统的风机马达。

一种马达，诸如车辆空调系统的风机马达，包括一个轭。一对被弯曲以与该轭内圆周面相配合的弧形磁铁沿直径方向彼此相对地被固定到该轭的内圆周面上。

转子可转动地容纳在轭内。驱动轴沿转子的旋转轴线延伸并被固定到转子上以与转子整体旋转。预定数目的铁心以相同的间隔角沿圆周排列在转子上。每个铁心有一径向向外伸向轭的矩形板齿。线圈围绕每个齿。

车辆空调系统的风机马达通常设置在车辆的客舱内，从而要求风机马达在其旋转时有一相对较高的静音度。因此，与其使用更易于传输转子(电枢)振动的球轴承，还不如使用粉末冶金材料制成的滑动轴承，这种轴承不易于传输转子(电枢)的振动，并通常用于旋转支撑车辆空调系统风机马达的驱动轴。

但是，滑动轴承在啮合部位需要润滑油，该油使轴承与电机的驱动轴滑动啮合。因此，润滑油的维护是需要的，而润滑油从滑动轴承中溢出也可能发生。

此外，在滑动轴承中，垫圈或类似物也是必需的，这引起元件数量的增加。导致马达的轴承结构更复杂及马达轴承结构的制造步骤更复杂。

另一方面，与滑动轴承不同，如果在马达的轴承结构中使用球轴承，则并不需要在啮合部分使用润滑油，该润滑油使轴承与马达的驱动轴滑动啮合。因此，使用球轴承，可以避免由于润滑油的维护和溢出而产生的缺陷，且不需要垫圈或类似物。从而大大简化了马达的轴承结构及马达轴承结构的制造步骤。

特别是，球轴承通过转子的变动力矩(即由于磁铁和转子之间的引力与斥力的变化从而在转子中产生的力矩)易于传输感应振动。因此，球轴承可以有效地降低变动力矩以减少转子的振动，并在马达的转动过程中获得更高的静音度。

降低变动力矩的一种方式是逐渐减少每个磁铁朝向其圆周端的壁厚(径向尺寸)。但是，仅这种措施并不能将变动力矩降低到一种可接受的水平，它还要求在车辆空调系统的风机马达内使用球轴承。

另一种降低变动力矩的方式是使用带有斜铁心的转子。虽然这种措施能降低变动力矩，但是它通常也产生了一些不利因素，诸如围绕每个铁心的线圈的表面积的减小。

本发明致力于解决上述不利因素。因而，本发明的一个目的是提供了一种有效降低变动力矩的电动机。

为了实现本发明的目的，提供了一种电动机，该电动机包括一个轭、一转子和多个弧形磁铁。所述转子可转动地容纳在轭内并包括预定数目的以相同间隔角环形排列的铁心，每个铁心包括一个径向向外伸向轭的齿。磁铁被固定到轭的内圆周面上。每个磁铁具有第一和第二楔形部分，该楔形部分沿相对的圆周方向逐渐减小。第一和第二楔形部分中的每一个具有沿轴向相反的第一和第二楔形表面。第一和第二楔形部分中的每一个的第一楔形表面与第二楔形表面之间的轴距朝向第一和第二楔形部分中的每一个的外圆周端而减小。第一和第二楔形部分中的每一个的第一楔形表面有一第一反作用点，该点在铁心的一个轴端径向相对由铁心外周面所限定的第一假想端圆。第一和第二楔形部分中的每一个的第二楔形表面有一第二反作用点，该点在铁心的另一轴端径向相对由铁心外周面所限定的第二假想端圆。转子和每个磁铁被成形以满足如下条件中的一个： $\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;n+T<X<\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;(n+1)-T$ 和 $\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;(n-1)+T<X<\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;n-T,$ 其中Z是转子中的铁心的数目，D是转子的外径，T是每个齿的圆周尺寸，X是当每个磁铁从径向方向看时，第一楔形部分的第一和第二反作用点中的圆周方向最内点与第二楔形部分的第一和第二反作用点中的圆周方向最内点之间的圆周尺寸，n是当一个齿的圆心径向相对由X所限定范围的圆心时，完整设置在由X所限定的范围内的齿的数目。

本发明连同其目的、特征、及有益效果从下文的说明书、所附的权利要求书及附图中更易于理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的马达的剖视图；

图2A是显示根据本发明实施例的马达的主要特征的局部俯视图；

图2B是显示该实施例中磁铁的局部侧视图；

图3是显示上述实施例中马达的主要特征的示意俯视图；

图4是显示上述实施例中当其中一齿正对在磁铁的X限定范围中心时的展开图，其中磁铁被成形以满足 $\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;n+T<X<\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;(n+1)-T$ 条件；

图5是显示转子从图4所示状态旋转π/Z转状态下的展开图；

图6是显示上述实施例中当其中一齿正对在磁铁的X限定范围中心状态下的展开图，其中磁铁被成形以满足 $\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;(n-1)+T<X<\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;n-T$ 条件；

图7是显示转子从图6所示状态旋转π/Z转状态下的展开图；

图8是显示上述实施例中转子的转动周期与所形成的变动力矩之间关系的曲线图；

图9是显示X尺寸与所形成的变动力矩之间关系的曲线图；

图10是显示一变形磁铁实施例的展开图，其中磁铁相对于其圆心线及垂直中心线是非对称的，但是相对于其中点对称；

图11是显示另一变形磁铁的俯视图，其中每个磁铁相对其圆心线是非对称的；

图12显示在第一比较例子中，一齿面对马达磁铁的X值所限定范围的中心状态下的展开图；

图13显示显示转子从图12所示状态旋转π/Z转状态下的展开图；

图14显示在第二比较例子中，一齿正对在马达磁铁的X值所限定范围的圆心状态下的展开图；

图15显示转子从图14所示状态旋转π/Z转状态下的展开图；

图16是显示在第一和第二比较例子中转子的旋转周期与所形成的变动力矩的曲线图。

根据本发明一个实施例的马达(起电动机作用)将结合附图进行描述。

参见图1至7，本实施例的马达10构成车辆空调系统的风机马达，并具有一个圆柱形的轭12。轭12被马达架13支撑，并被螺钉19固定到马达架13上。

一对弧形磁铁14被固定到轭12的内圆周面上，该磁铁14弯成弧形以与轭12内圆周面相啮合。磁铁14彼此沿直径相对，并大体具有相同的形状。每个磁铁14的壁厚(径向尺寸)朝向磁铁14的圆周端逐渐减少。

如图2B所示，每个磁铁14有一第一和第二楔形部分16、17，它们在相对的圆周方向逐渐变小。第一楔形部分16有轴向相对的第一和第二楔形平面16a，16b。同样，第二楔形部分17有轴向相对的第一和第二楔形平面17a，17b。在第一和第二楔形部分16、17的每个中，第一楔形表面16a、17a和第二楔形表面16b、17b之间的轴距在朝向楔形部分16、17的外圆周端逐渐减少。而且，每个磁铁14被成形成相对于圆心线对称，并相对于磁铁14的垂直中线对称。

转子18可转动地容纳在轭12内。驱动轴20沿转子18的旋转轴线延伸，并被固定到转子18上以与转子18整体旋转。驱动轴20被球轴承28、29旋转支撑。风扇15被固定到驱动轴20的远端，以便当诸如车辆用蓄电池等外部电源经电刷21和整流器25提供电流给转子18以旋转转子时，风扇15能产生气流。预定数目的铁心22沿转子18的圆周方向以等间隔角被排列在转子18内。参见图2B，每个铁心22的竖直长度(轴向尺寸)大于每个磁铁14的每个圆周端面的竖直长度(径向尺寸)，且每个铁心22的竖直中心(轴心)与每个磁铁14的竖直中心有相同的高度(相同的轴向位置)。

每个铁心22包括一个矩形板齿24，该板齿24径向伸向轭12。线圈27(图1)围绕每个齿24。需注意，线圈27为了清楚起见，除了在附图1中显示，在其它的附图中都被省略了。此外，伸出部分26形成于每个齿24的远端。每个伸出部分26在齿24的两圆周侧上沿圆周方向延伸以防止线圈从齿24上脱离。

在此实施例中，转子18的铁心22的数量(槽的数量)用Z表示(在该实施例中，Z为12)。同样如图2A所示，转子18的外径用D表示(在此实施例中，D是44.7mm)，每个齿24沿圆周方向的宽度(圆周尺寸)用T表示(在此实施例中，T是2.4mm)。参见图4，第一楔形部分16的第一楔形表面16a有一第一反作用点，该点在铁心22的一轴端上，径向相对由铁心22外圆周面所限定的第一假想端圆。在图4中，第一假想端圆被限定以沿铁心22的上端延伸。第一楔形部分16的第二楔形表面16b有一第二反作用点，该点在铁心22的另一轴端上，径向相对由铁心22外圆周面所限定的第二假想端圆。在图4中，第二假想端圆被限定沿铁心22的下端延伸。同样，第二楔形部分17的第一楔形表面17a有一第一反作用点，该点在铁心22的一轴端上，径向相对由铁心22外圆周面所限定的第一假想端圆。第二楔形部分17的第二楔形表面17b有一第二反作用点，该点在铁心22的另一轴端上，径向相对由铁心22外圆周面所限定的第二假想端圆。当每一磁铁14从径向看时，第一楔形部分16的第一和第二反作用点中的一个圆周方向最内点与第二楔形部分17的第一和第二反作用点中的一个圆周方向最内点之间的圆周尺寸用X表示。该圆周尺寸X可以沿每个磁铁14的内圆周面测得。可选择地，圆周尺寸X可沿铁心22的外圆周面测得，正如径向相对第一楔形部分16的第一和第二反作用点中的一个圆周方向最内点与径向相对第二楔形部分17的第一和第二反作用点中的另一个圆周方向最内点之间的圆周尺寸，如图2A所示。当齿24的圆心径向相对由X所限定范围的圆心时，完整设置在由X所限定范围内的齿24的数目用n表示(n是整数，它等于或大于1但等于或小于Z，且本实施例中n为3)。转子18和磁铁14被成形使其满足如下条件：图4和图5情况下 $\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;n+T<X<\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;(n+1)-T,$ 图6和图7情况下 $\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;(n-1)+T<X<\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;n-T$ 。

本发明实施例的操作在下文描述。

在每一磁铁14的第一和第二楔形部分16，17的每个中，第一楔形表面16a，17a和第二楔形表面16b，17b之间的轴距朝向楔形部分16，17的外圆周端逐渐缩小。因此，磁铁14和转子18之间的电磁引力或斥力在转子18的旋转过程中不会突然变化，因而转子18内产生的变动力矩可有利地减小。

参见图3，在本实施例的马达10中，磁铁14产生的磁通量形成磁路Y，该磁路在轭12和转子18的铁心22内循环。因此，当铁心22相对于磁铁14的X范围的中心对称排列时，铁心22的齿24中没有一个齿面对磁铁14的X范围的圆周端，在面对磁铁14的X范围的齿24内循环的磁通量是稳定的。此外，当转子18从磁通量的稳定状态开始循环时，磁通量开始变化(即减少和增加)直至转子18旋转到下一稳定状态，从而由于磁通量的变化而引起变动力矩的产生。

磁通量的稳定状态通常在转子18的每个2π/Z转(即一个槽)时发生一次，磁通量在两个连续稳定状态之间的时间间隔内变化，以使得产生变动力矩(图16)。

参见图8，当磁通量的稳定状态在转子18的每2π/Z转(即一个槽)时发生两次时，两个连续稳定状态之间的磁通量的变化量被分开并因而便于降低以进一步减少变动力矩(在这种情况下，变动力矩减少为上述磁通量在转子18的每2π/Z转时发生一次稳定状态下所产生的变动力矩的二分之一)。

参见图4和6，当一个齿24正对在磁铁14的X范围的圆心时，完整设置在磁铁14的X范围内的齿24的数目是n，没有一个齿24面对磁铁14的X范围的圆周端。这可以通过满足如下公式1的情况(稳定磁通量的情况)而获得： $\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;(n-1)+T<X<\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;(n+1)-T$ …公式(1)

因此，在图5所示的情况中，当转子18从图4所示的一个齿24正对磁铁14的X范围的圆心状态，旋转π/Z转(即半个槽)时，完整设置在磁铁14的X范围内的齿24的数目是n+1，且没有一个齿24面对磁铁14的X范围的圆周端。这可以通过满足如下公式2的情况(稳定磁通量的情况)而获得： $\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;n+T<X<\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;(n+2)-T$ …公式(2)

可选择地，在图7所示的另一种情况中，当转子18从上述图6所示的一个齿24对正磁铁14的X范围的圆心状态，旋转π/Z转(即半槽)时，完整设置在磁铁14的X范围内的齿24的数目是n-1，且没有一个齿24面对磁铁14的X范围的圆周端。这可以通过满足如下公式3的情况(稳定磁通量的情况)而获得： $\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;(n-2)+T<X<\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;n-T$ …公式(3)

因此，本实施例的马达10应该满足两个条件中的一个，即， $\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;n+T<X<\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;(n+1)-T$ 在图4和图5的情况下分别为公式1和公式2，和 $\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;(n-1)+T<X<\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;n-T$ 在图6和图7的情况下分别为公式1和公式3。此处， $\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;n+T<X<\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;(n+1)-T$ 情况中的

表示从公式1和2(即从

和 中选择)中选择的X的最大下限。此外，同样情况 $\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;n+T<X<\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;(n+1)-T$ 中的表示从公式1和2(即从 和 中选择)中选择的X的最小上限。同样， $\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;(n-1)+T<X<\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;n-T$ 情况中的

表示从公式1和3(即从 和

中选择)中选择的X的最大下限。此外，同样情况 $\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;(n-1)+T<X<\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;n-T$ 中的 表示从公式1和3(即从

和

中选择)中选择的X的最小上限。使用上述构造，磁通量的稳定状态在转子18每2π/Z转(即每一槽)时获得两次。因此，如图9所示，变动力矩可以很方便地减少而不会产生不希望的结果，该结果诸如发生在使用斜铁心的情况中，每个铁心内线圈的卷绕面积减少。

结果，转子18的振动被有效地降低了，在马达10的旋转过程中得到较高的静音度。因此，即使在马达10的旋转过程中，要求相对高静音度的环境下，球轴承28、29也能被使用在马达10的每个支承结构中。

此外，不像在马达10的每个支撑结构中使用滑动轴承的情况，当球轴承被使用于马达10的每个支撑结构中时，润滑油不要求用在与驱动轴20相接触的支撑结构的啮合部分。结果，由于润滑油的维护及溢出而带来的不利因素能够被避免。此外，电刷或类似物也不需要。因此，马达10的支撑结构和马达10支撑结构的制造步骤被大大简化了。

同样，在本实施例的马达10中，每个磁铁14的壁厚在朝向磁铁14的圆周端是逐渐减小的。因此，磁铁14和转子18之间的吸力和斥力不会突然变化，于是转子18内产生的变动力矩可有利地被减小。

如果每个磁铁14具有较高性能(即生成较高磁力)，因此磁铁14的尺寸能够减少，这有利于满足 $\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;(n-1)+T<X<\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;n-T$ 条件，这正如图6和图7中的情况，在这种情况下每个磁铁14的尺寸小于图4和5中每个磁铁14的尺寸。

此外，在本实施例中，每个磁铁14相对于其圆心线并相对其垂直中心线对称。但是，每个磁铁可以被修改为图10所示的马达30(电动机)中的磁铁32。磁铁32相对于其圆心线及垂直中心线不对称，而是相对于其中点对称。可选择地，每个磁铁可以修改为图11所示马达40(电动机)中的磁铁42。磁铁42相对于其圆心线不对称。在图10所示的马达30中，X是第一楔形部分16的第一楔形表面16a的第一反作用点与第二楔形部分17的第二楔形表面17b的第二反作用点之间的圆周尺寸。

此外，在本实施例中，提供了一对径向相对的磁铁14。本发明并未限定这种布置，磁铁14的数目可以变化为任何偶数。

同样，在本实施例中，每个楔形表面16a，16b，17a，17b都是平面。但是，每个楔形表面16a，16b，17a，17b都是弧形。

在上述实施例中，每个磁铁14的壁厚(径向尺寸)朝向磁铁14的圆周端逐渐减小。可选择地，每个磁铁14的壁厚在整个磁铁14中也是大致均匀的。

在上述实施例中，球轴承28，29用于旋转支撑驱动轴20。可选择地，至少一个球轴承28，29能被一个滑动轴承替换以旋转支撑驱动轴20。

两个比较实施例参见图12至16被描述以说明上述实施例的优点。在这两个比较实施例中，在上述实施例中已论述的相同的元件用相同的标号来表示并不再进一步论述。

在图12和13所示的第一个比较实施例中的马达50(电动机)中，当一个齿24正对磁铁52的X范围的圆心时，两个齿24分别面对磁铁52的X范围的圆周端，从而导致磁通量的不稳定状态(图12)。在此状态下，当转子18旋转π/Z转(即半槽)时，没有一个齿24面对磁铁52的X范围的圆周端，从而产生磁通量的稳定状态(图13)。

此外，在图14和15所示的第二比较实施例的马达60(电动机)中，当一个齿24正对磁铁62的X范围的圆心时，没有一个齿24面对磁铁62的X范围的圆周端，从而产生磁通量的稳定状态(图14)。在此状态下，当转子18旋转π/Z转(即半槽)时，两个齿24分别面对磁铁62的X范围的圆周端，从而产生磁通量的不稳定状态(图15)。

因此，如图16所示，在马达50，60中，磁通量的稳定状态仅发生在转子18的每2π/Z转(即一个槽)时。结果，在两个连续的磁通量的稳定状态之间，磁通量有一较大改变，从而导致较大变动力矩的产生。

对本领域的普通技术人员而言，其它的优点及修改也很容易得到。因而本发明的范围并不仅限于具体元件，典型设备，及所显示及描述的实施例。

Claims (6)

1、一种电动机，包括：

一个轭(12)；

一个转子(18)，该转子可转动地容纳在轭(12)内，并包括预定数目的铁心(22)，该铁心以相同间隔角圆周排列，其中每个铁心(22)包括一个径向向外伸向轭(12)的齿(24)；

多个弧形磁铁(14)，该磁铁被固定到轭(12)的内圆周面上，所述电动机的特征在于：

每个磁铁(14)有一第一和第二楔形部分(16，17)，该楔形部分沿相对的圆周方向逐渐减小，其中第一和第二楔形部分(16，17)中的每一个具有沿轴向相反的第一和第二楔形表面(16a，16b；17a，17b)，第一和第二楔形部分(16，17)每个的第一楔形表面(16a，17a)与第二楔形表面(17a，17b)之间的轴距朝向第一和第二楔形部分(16，17)每个的外圆周端减小，其中第一和第二楔形部分(16，17)每个的第一楔形表面(16a，17a)有一第一反作用点，该点在铁心(22)的一个轴端径向相对由铁心(22)外周面所限定的第一假想端圆，第一和第二楔形部分(16，17)每个的第二楔形表面(16b，17b)有一第二反作用点，该点在铁心(22)的另一轴端径向相对由铁心(22)外周面所限定的第二假想端圆；

转子(18)和每个磁铁(14)被成形以满足如下条件中的一个： $\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;n+T<X<\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;(n+1)-T;$ 和 $\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;(n-1)+T<X<\left(/_Z^{\mathrm{D\&pi;}}\right)\&times;n-T,$ 其中Z是转子(18)中的铁心(22)的数目，D是转子(18)的外径，T是每个齿(24)的圆周尺寸，X是当每个磁铁(14)从径向方向看时，第一楔形部分(16)的第一和第二反作用点中的一个圆周方向最内点与第二楔形部分(17)的第一和第二反作用点中的一个圆周方向最内点之间的圆周尺寸，n是当一个齿(24)的圆心径向相对由X所限定范围的圆心时，完整设置在由X所限定范围内的齿(24)的数目。

2、如权利要求1所述的电动机，其特征在于：磁铁(14)所产生的磁通量的稳定状态在转子(18)每2π/Z转时出现多于一次。

3、如权利要求2所述的电动机，其特征在于：磁通量的稳定状态在转子(18)的每2π/Z转时出现两次。

4、如权利要求1所述的电动机，其特征还在于：

一驱动轴(20)，其沿转子(18)的旋转轴线延伸，并被固定到转子(18)上以与转子(18)整体旋转；

至少一个球轴承，其旋转支撑驱动轴(20)。

5、如权利要求1所述的电动机，其特征在于：每个齿(24)沿一条平行于转子(18)轴向的线轴向延伸。

6、权利要求1所述的电动机，其特征在于：每个磁铁(14)的径向尺寸在每个磁铁(14)中是均匀的。

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