CN1465129A

CN1465129A - 无刷马达和配备此装置的电器或车辆

Info

Publication number: CN1465129A
Application number: CN02802613.6A
Authority: CN
Inventors: 加藤久孝; 山本宗生; 西山典祯
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-08-08
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2003-12-31
Anticipated expiration: 2022-08-02
Also published as: JP2003125569A; CN100495870C; WO2003015246A1; US6800979B2; EP1415383A1; US20040027024A1

Abstract

本发明的目的是，通过优化转子上极的数量与定子上槽的数量的比率—该优化的比率适合驱动电路—来提供一种低噪声和低振动的无刷马达，以及一种具有该无刷马达且安静程度提高的电器和车辆。本发明是一种无刷马达，该无刷马达的构成是10个极的转子(1)、具有(12)个槽(2)并与槽(2)有三相连接的定子(3)，以及为定子(3)施加三相全波电流的驱动电路(5)。此外，驱动电路的传导宽度按135到180°的电角度加以设置。

Description

无刷马达和配备此装置的电器或车辆

技术领域

本发明涉及一种无刷马达，该无刷马达包括具有多个极的转子、具有多个槽并与这些槽有三相连接的定子，以及为定子施加三相全波电流的驱动电路；并且，本发明涉及空调、空气清洁器和热水器等电器或配备该马达的车辆。

背景技术

近些年来，对低噪声且低振动的无刷马达的需求一直呈上升趋势。如图8所示，按照惯例，无刷马达的构成一直包括一个八种极性的转子1、具有12个槽2并与槽2有三相连接的一个定子3，以及为定子3施加120°三相全波电流的一个驱动电路5。这样，转子1上极性的数量与定子3上槽的数量的比率一直是2∶3。

一般而言，据说，当为减少扭矩波动而施加给绕组的电流接近正弦波时，可以有效地减少噪声和振动。由于施加给绕组的电压由线路感应电压与电源电压之间的差确定，因此，当线路感应电压更接近正弦波时，可以更有效地减少噪声和振动。

但是，在传统的无刷马达中，线路感应电压有一个低于标准的的失真因数，因而导致噪声和振动的问题。

在图8中，由一个齿一侧上的导体组12a感应引起的电压f₈(θ)被表示为以下的傅立叶展开式。

f_{8} (θ) = Σ_{n = 1}^{\infty} a_{u} \sin {(2 n - 1) θ}

(公式1)

在以上的公式中，θ代表一个电角度(°)。

线路感应电压f₈(θ)是由导体组12a到12p感应引起的电压总和，它通过如下所示将(公式1)的16个相位差相加而获得。

F₈(θ)＝4f₈(θ)+8f₈(θ+60°)+4f₈(θ+120°)(公式2)

如下所示，公式(2)表示每个高频分量。

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

因此，当转子上极的数量与定子上槽的数量的比率是2∶3时，虽然可以减少线路感应电压的三元分量，但无法减少五元分量和七元分量。图9示出了1000r/min(圈/分钟)的线路感应电压波形。由于只获得了失真因数为2到5％的正弦波，因此会发生扭矩波动，从而产生低噪声和低振动的问题。由于采用了120°的三相全波电流输送方法，因此，当切换二相电流应用的相位时，施加给线圈的电流会发生很大的波动并产生扭矩波动，这是一个不利于低噪声和低振动的缺点。

发明内容

本发明意在解决上述传统的问题，其目的是：通过使转子上极的数量与定子上槽的数量的比率最优化——该比率适合驱动电路——来提供一种低噪声和低振动的无刷马达，以及一种配备该无刷马达的更加安静的电器和车辆。

为了解决上述问题，本发明提供了一种无刷马达，它包括具有多个极的一个转子、具有多个槽并与这些槽有三相连接的一个定子，以及为定子施加三相全波电流的一个驱动电路；该马达的特征在于：转子上极的数量与定子上槽的数量的比率是10∶12，驱动电路的传导宽度按135到180°的电角度来加以设置。

此外，在电器和车辆中安装该无刷马达。

附图简述

图1示出了根据本发明一个实施例的一种正弦波驱动无刷马达；

图2示出了根据本发明该实施例的正弦波驱动无刷马达的一种线路感应电压波形；

图3是结构剖面视图，它示出了根据本发明一个实施例的一种正弦波驱动无刷马达；

图4示出了根据本发明该实施例的、一种使用永磁铁嵌入型转子的无刷马达；

图5是方框图，示出了根据本发明一个实施例的空调的一个室内部件和一个室外部件的结构；

图6a是方框图，示出了根据本发明一个实施例的空气清洁器的结构；

图6b是另一方框图，示出了根据本发明该实施例的空气清洁器的结构；

图7a是方框图，示出了根据本发明一个实施例的热水器的结构；

图7b是另一方框图，示出了根据本发明该实施例的热水器的结构；

图8示出了一种传统的正弦波驱动无刷马达；以及，

图9示出了传统的正弦波驱动无刷马达的一种线路感应电压波形。

实施例的描述

在第一发明中，无刷马达包括具有多个极的转子、具有多个槽并与这些槽有三相连接的定子，以及为定子施加三相全波电流的一个驱动电路，它的特点是：转子上极的数量与定子上槽的数量的比率是10∶12，驱动电路的传导宽度按135到180°的电角度来设置。这样，可以在减少线路感应电压的三元分量的同时，减少五元分量和七元分量，并可以使线路感应电压呈现正弦波，从而获得低噪声和低振动。此外，由于驱动电路的传导宽度按135到180°的电角度来设置，因此，可以减少施加给线圈的电流的波动(因为当切换相位时，提供三相传导周期)，并可以减少扭矩波动，从而获得低噪声和低振动。

在第二发明中，无刷马达包括具有多个极的转子、具有多个槽并与这些槽有三相连接的定子，以及为定子施加三相全波电流的驱动电路，它的特点是：转子上极的数量与定子上槽的数量的比率是10∶12，且驱动电路是正弦波驱动电路。在正弦波驱动电路中，使用以下的驱动电路方法：施加给绕组的电压根据线路感应电压与电源电压之间的差来受PWM控制，并使施加给绕组的电流接近正弦波。这样，可以使施加给线圈的电流接近正弦波。而且，由于转子上极的数量与定子上槽的数量的比率是10∶12，因此，可以使线路感应电压接近正弦波，并可以减少扭矩波动，从而获得低噪声和低振动。

在第三发明中，无刷马达包括具有多个极的转子、具有多个槽并与这些槽有三相连接的定子，以及为定子施加三相全波电流的驱动电路，它的特点是：转子上极的数量与定子上槽的数量的比率是10∶12，且驱动电路的传导宽度按150°的电角度加以设置。因此，可以使线路感应电压接近正弦波，并使施加给绕组的电流接近正弦波，从而获得低噪声和低振动。

第四发明是第三发明的无刷马达，它的特点是：驱动电路的传导宽度按150°的电角度加以设置，施加给相位线圈的电流被表示为在当相位线圈的邻近相位线圈进入相同的电流输送状态时的重叠周期内的第一个值，该电流被表示为在该重叠周期以外的周期内的第二个值。这样，与第三发明相比较，施加给绕组的电流可以更接近正弦波，从而获得低噪声和低振动。

第五发明是第四发明的无刷马达，它的特点是：第一个值与第二个值的比率是sin(π/3)∶1(近似0.866∶1)。按150°的电流应用，可以最有效地减少噪声和振动。

第六发明是根据第一至第五发明中任一发明的无刷马达，该无刷马达包括具有多个极的转子、具有多个槽并与这些槽有三相连接的定子，以及为定子施加三相全波电流的驱动电路，它的特点是：转子上极的数量与定子上槽的数量的比率是10∶12，驱动电路的传导宽度按135到180°的电角度加以设置，并且，在马达中安装驱动电路。这样，可以实现低噪声、低振动和小尺寸。

第七发明是根据第一至第六发明中任一发明的无刷马达，它的特点是：转子具有永磁铁嵌入型的结构。这样，转子上极的数量与定子上槽的数量的比率是10∶12，同时，磁铁上增加了一些磁通量，以便可以使线路感应电压接近正弦波，并可以使施加给绕组的电流接近正弦波，从而获得除低噪声和低振动以外的高频率。

第八发明是根据第一至第七发明中任一发明的一种配备无刷马达的电器，该电器的特点是：在无刷马达的操作期间，减少与电器主体的谐振。

第九发明是根据第一至第七发明中任一发明的一种配备无刷马达的车辆，该车辆的特点是：在无刷马达的操作期间，减少与车辆主体的谐振。操作期间，可以获得低噪声和低振动。

以下将根据附图来讨论本发明的各个实施例。

(实施例1)

图1示出了一种无刷马达，它包括具有交替设置的北极永磁铁和南极永磁铁的一个10个极的转子1、具有12个槽2并与槽2有三相连接的一个定子3，以及为定子3施加三相全波电流的一个驱动电路5。定子周围缠绕有U相位、V相位和W相位的定子绕组。每个相位由四个绕组组成，这些绕组成对地相互对立。

由一个齿一侧上的导体组12a感应引起的电压f₁₀(θ)表示为以下的傅立叶展开式。

f_{10} (θ) = Σ_{n = 1}^{\infty} b_{n} \sin {(2 n - 1) θ}

(公式4)

在以上的公式中，θ代表电角度(°)。

线路感应电压f₁₀(θ)是由导体组12a到12p感应引起的电压的总和，它通过如下所示将(公式4)的16个相位差相加来获得。

F₁₀(θ)＝2f₁₀(θ)+4f₁₀(θ+30°)+4f₁₀(θ+60°)+4f₁₀(θ+90°)+2f₁₀(θ+120°)(公式5)

如下所示，公式(5)表示每个高频分量。

F₁₀(θ)＝12.93b₁sin(θ+60°)+0.93b₃sin(5θ+120°)+0.93b₄sin(7θ+240°)+…(公式6)

这样，在无刷马达的例子中，如果转子上极的数量与定子上槽的数量的比率是10∶12，则可以在减少线路感应电压的三元分量的同时减少五元分量和七元分量。图2示出了一种1000r/min的线路感应电压波形。可以获得失真因数降低到0.7％的正弦波，以减少扭矩波动，从而实现低噪声和低振动。

此外，驱动电路的传导宽度按135到180°的电角度加以设置。这样，当切换相位时提供了三相传导周期，以便可以减少施加给线圈的电流的波动，由此减少扭矩波动，从而获得低噪声和低振动。

此外，驱动电路采取正弦波驱动电路的形式。这样，施加给线圈的电流接近正弦波，以便可以进一步减少噪声和振动。

另外，驱动电路5的传导宽度按150°的电角度加以设置。因此，可以使线路感应电压接近正弦波并使施加给绕组的电流接近正弦波，从而获得低噪声和低振动。

另外，施加给相位线圈的电流被表示为在当相位线圈的邻近相位线圈进入相同的电流输送状态时的重叠周期内的第一个值，该电流被表示为除这个重叠周期以外的周期内的第二个值。这样，与第三发明相比较，可以使施加给绕组的电流更接近正弦波，从而获得低噪声和低振动。

此外，第一个值和第二个值的比率是sin(π/3)∶1(近似0.866∶1)。按150°电流应用，可以最有效地减少噪声和振动。

(实施例2)

图3是结构剖面图，它示出了根据本发明一个实施例的正弦波驱动无刷马达。标号1表示转子，标号3表示与槽有三相连接的定子，标号4表示绕组，标号5表示为定子3施加三相全波电流的驱动电路，标号6表示支座，标号7表示橡胶隔振体，标号8表示铸模树脂，标号9表示轴杆，标号10表示托架，标号11表示转子铁心。在本实施例中，正弦波驱动电路5被安装在马达中。可以使马达和电路的结合来减小尺寸。

(实施例3)

图4示出了一种无刷马达，它包括具有永磁铁嵌入转子结构(其中，北极和南极磁铁50交替地设置在转子铁心11上)的一个10个极的转子1、具有12个槽2并与槽2有三相连接的一个定子3，以及为定子3施加三相全波电流的一个驱动电路5。由于该转子结构是永磁铁嵌入型，因此，转子上极的数量与定子上槽的数量的比率是10∶12，同时，磁铁上增加了一些磁通量，以便可以使线路感应电压接近正弦波，并使施加给绕组的电流呈现正弦波，从而除了低噪声和低振动以外还可获得高效率。

(实施例4)

图5空调中的室内部件13和室外部件14配备了第四发明的马达。在室内部件13中，马达26上安装了横流风扇17，用于鼓风。在室外部件14中，在马达27上安装了螺旋桨风扇18，用于将空气吹到热量交换器16上。当空调处于操作状态时，这些风扇马达也处于操作状态。此外，在图5中，标号15表示内部设备的热量交换器，标号16表示外部设备的热量交换器，标号19和20表示控制器，标号21表示压缩器，标号22表示电源线路，标号23表示信号线路，标号24表示制冷管，标号25表示电源输入线路。

这样，当本发明被用于空调的风扇马达时，可以减少空调操作期间在各个部件的风扇和主体上的谐振，从而获得低噪声和低振动。

(实施例5)

图6a中的热水器配备一个第四发明的马达，作为提供燃烧所需空气的鼓风风扇马达38。图6b中的多叶片风扇40被安装在鼓风风扇马达38上。此外，在图6a中，标号30表示热水管，标号31表示水管，标号32表示燃烧器，标号33表示控制部分，标号34表示燃料泵，标号35表示汽化器，标号36表示燃料管，标号37表示燃料罐。在图6b中，标号39表示外壳，标号41表示排气口。

在实施例5中，也可以减少热水器操作期间器具的风扇和主体的谐振，从而获得低噪声和低振动。

(实施例6)

此外，图7a和7b中的空气清洁器42配备了一个第四发明的马达，作为鼓风马达。空气清洁器的鼓风马达49上安装了一个多叶片风扇40。在图7a和7b中，标号43表示控制板，标号44表示空气过滤器，标号45表示排气口，标号46表示进气口，标号47表示操作板。在实施例6中，也可以减少空气清洁器操作期间器具的风扇和主体的谐振，从而获得低噪声和低振动。

另外，本发明不局限于以上的实施例。在其他用途中，本发明还可以被安装成用于空间中需要安静的车辆中空调的风扇马达，用于冷却散热器的风扇马达，以及用于驱动电动自行车的马达。

如上所述，根据第一发明，与无刷马达(其中，转子上极的数量与定子上槽的数量的比率是2∶3)相比较，线路感应电压可以更接近正弦波。此外，驱动电路的传导宽度按135到180°的电角度加以设置，以便可以减少施加给线圈的电流的波动，因为当切换相位时可提供三相传导周期，并可减少扭矩波动，从而获得低噪声和低振动。

此外，根据第二发明，驱动电路采用正弦波驱动电路的形式。因此，使用以下的驱动电路方法：施加给绕组的电压根据线路感应电压与电源电压之间的差来受PWM控制，使施加给绕组的电流接近正弦波。这样，可以使施加给线圈的电流接近正弦波。此外，由于转子上极的数量与定子上槽的数量的比率被设置为10∶12，因此，可以使线路感应电压接近正弦波，并可以减少扭矩波动，从而获得低噪声和低振动。

此外，根据第三发明，驱动电路的传导宽度按150°的电角度加以设置。因此，可以使线路感应电压接近正弦波，并可以使施加给绕组的电流接近正弦波，从而获得低噪声和低振动。

另外，根据第四发明，驱动电路的传导宽度按150°的电角度加以设置，施加给相位线圈的功率被表示为当相位线圈的邻近相位线圈进入相同的电流输送状态时的重叠周期内的第一个值，该功率被表示为除这个重叠周期以外的周期内的第二个值。这样，施加给绕组的电流可以更接近正弦波，从而实现低噪声和低振动的无刷马达。

另外，根据第五发明，第一个值和第二个值的比率是sin(π/3)∶1(近似0.866∶1)。在150°电流应用中，可以获得噪声和振动最低的无刷马达。

此外，根据第六发明，转子上极的数量与定子上槽的数量的比率是10∶12，驱动电路的传导宽度按135到180°的电角度加以设置，驱动电路被安装在马达中。这样，可以获得能使线路感应电压呈现正弦波的无刷马达，可以减少由驱动电路施加给线圈的电流的波动，并可以减少低噪声、低振动和小尺寸的扭矩波动。

而且，根据第七发明，由于转子具有永磁铁嵌入结构，因此，转子上极的数量与定子上槽的数量的比率是10∶12，同时，磁铁上增加了一些磁通量，以便可以使线路感应电压接近正弦波，并可以使施加给绕组的电流接近正弦波。此外，驱动电路的传导宽度按135到180°的电角度加以设置，以便可以减少施加给线圈的电流的波动，从而除了低噪声和低振动以外还可获得高效率。

一般而言，当转子具有永磁铁嵌入结构时，各个极之间的磁通量大于转子的磁通量，转子在转子与定子之间的间隙磁通量分布中具有表面磁性结构。这样，线路感应电压有一个低于标准的失真因数。因此，在传统的无刷马达(其中，转子上极的数量与定子上槽的数量的比率是2∶3)中，线路感应电压有一个低于标准的失真因数。与具有表面磁性结构的转子相比较，无刷马达更有效率，但其噪声和振动却更大。但是，由于转子上极的数量与定子上槽的数量的比率是10∶12，因此，可以在减少线路感应电压三元分量的同时减少五元分量和七元分量，并可以使线路感应电压呈现正弦波，从而获得低噪声和低振动。

此外，根据第八和第九发明，可以减少电器主体或车辆主体上的谐振，从而减少低噪声和低振动。

Claims

1.一种无刷马达，包括具有多个极的转子、具有多个槽并与这些槽有三相连接的定子，以及为定子施加三相全波电流的一个驱动电路，

其特征在于，转子上极的数量与定子上槽的数量的比率是10∶12，驱动电路的传导宽度按135到180°的电角度加以设置。

2.根据权利要求1所述的无刷马达，其特征在于，转子上极的数量与定子上槽的数量的比率是10∶12，驱动电路是正弦波驱动电路。

3.根据权利要求1所述的无刷马达，其特征在于，转子上极的数量与定子上槽的数量的比率是10∶12，驱动电路的传导宽度按150°的电角度加以设置。

4.根据权利要求3所述的无刷马达，其特征在于，驱动电路的传导宽度按150°的电角度加以设置，施加给相位线圈的电流被表示为当相位线圈的邻近相位线圈进入相同的电流输送状态时的重叠周期内的第一个值，该电流被表示为除这个重叠周期以外的周期内的第二个值。

5.根据权利要求4所述的无刷马达，其特征在于，第一个值和第二个值的比率是sin(π/3)∶1(近似0.866∶1)。

6.根据权利要求1到5中任何一项权利要求所述的无刷马达，其特征在于，转子上极的数量与定子上槽的数量的比率是10∶12，驱动电路的传导宽度按135到180°的电角度加以设置，驱动电路被安装在马达中。

7.根据权利要求1到6中任何一项权利要求所述的无刷马达，其特征在于，转子具有永磁铁嵌入型的结构。

8.一种电器，其特征在于，包括根据权利要求1到7中任何一项权利要求所述的无刷马达。

9.一种车辆，其特征在于，包括根据权利要求1到7中任何一项权利要求所述的无刷马达。