TW202118193A

TW202118193A - 電動機

Info

Publication number: TW202118193A
Application number: TW109136099A
Authority: TW
Inventors: 札伊尼阿利夫; 佐佐木友矩; 吉村亮哉; 坂本裕介; 十時詠吾
Original assignee: 日商三菱電機股份有限公司
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2020-10-19
Publication date: 2021-05-01
Also published as: WO2021079508A1; JPWO2021079508A1

Abstract

本發明的電動機係具備定子(5)及轉子(13)，定子(5)配置在轉子(13)的外側，定子(5)具有：具備環狀的芯背(3b)及從芯背(3b)往芯背(3b)的內周側突出的複數根齒(3a)之定子鐵芯(3)；及配置在相鄰的兩根齒(3a)之間的空間即槽(18)，且以集中繞組的方式捲附在複數根齒(3a)的各者之電樞繞組(4)，轉子(13)具有永久磁鐵(15)；定子(5)的外徑D_out 與內徑D_in 係滿足D_out /D_in ≧2.1的關係；複數根齒(3a)各者的寬度T_w 與芯背(3b)的寬度C_b 係滿足2.1≧C_b /T_w ≧1.1的關係；定子鐵芯(3)的沿旋轉軸(50)之方向的長度L_c 與定子(5)的內徑D_in 係滿足L_c /D_in ≧1.5的關係。

Description

電動機

本發明係有關具有具備從環狀的芯背(core-back)往芯背的內周側突出的複數根齒(teeth)之定子鐵芯。

電動機係具備環狀的定子及配置在定子內側的轉子。電動機的定子係具有定子鐵芯及捲繞在定子鐵芯的電樞繞組。一般而言，定子鐵芯係具有環狀的芯背及從芯背沿徑方向突出的複數根齒，電樞繞組係捲繞於齒。相鄰的兩根齒之間的空間(space)稱為槽(slot)。

下述之專利文獻1所揭示的電動機係，環狀的定子鐵芯在周方向分割成具有芯背部及齒部的複數個鐵芯片，在相鄰鐵芯片的芯背部的分界部中的面向槽的部位設有凹陷。該專利文獻1所揭示的電動機係將齒中間部的正交於徑方向之方向的寬度設計為未達因凹陷而成為最薄處的芯背部徑方向的寬度的兩倍，藉此緩減因將定子鐵芯嵌入於框(frame)而產生在定子鐵芯的壓縮應力而抑制鐵損。（先前技術文獻）（專利文獻）

專利文獻1：日本國特開2010-279126號公報

（發明所欲解決之課題）

給振動機或射出成型機用等用途的電動機係有令旋轉方向頻繁轉向、短時間加速至高旋轉速度的要求。為了滿足該些要求，電動機的轉矩(torque)係愈大愈有利，且轉子的轉動慣量(moment of inertia)係愈小愈有利。電動機的轉矩係與轉子的直徑的平方成比例。另一方面，轉子的轉動慣量係與轉子的直徑的四次方大致上成比例。因此，轉子的轉動慣量與電動機的轉矩係存在當為了減小轉動慣量而縮小轉子的直徑，轉矩便也跟著降低的關係。因此，為了滿足上述要求係必須抑制轉矩效率降低，就算縮小了轉子的直徑仍必須設法儘可能獲得大的轉矩。上述的專利文獻1並未針對在謀求轉子的轉動慣量的減小時抑制轉矩效率降低之用的條件有所揭示。

本發明乃係鑒於上述情事而研創，目的在於獲得既抑制轉矩降低又謀得轉子的轉動慣量的減小之電動機。（解決課題的手段）

為了解決上述課題並達成目的，本發明乃係一種電動機，係具備定子及轉子，定子配置在轉子的外側，定子具有具備環狀的芯背及從芯背往芯背的內周側突出的複數根齒之定子鐵芯、及配置在相鄰的兩根齒之間的空間即槽且以集中繞組的方式捲附在複數根齒的各者之電樞繞組，轉子具有永久磁鐵。定子的外徑D_out 與內徑D_in 係滿足D_out /D_in ≧2.1的關係。複數根齒各者的寬度T_w 與芯背的寬度C_b 係滿足2.1≧C_b /T_w ≧1.1的關係。定子鐵芯的沿轉子的旋轉軸之方向的長度L_c 與定子的內徑D_in 係滿足14.3≧L_c /D_in ≧1.5的關係。（發明的效果）

本發明的電動機係達成既抑制轉矩效率降低又能夠減小轉子的轉動慣量之效果。

以下，根據圖式，詳細說明本發明實施型態的電動機。另外，本發明並不受下述實施型態所限定。

實施型態1. 圖1係本發明實施型態1的電動機的沿旋轉軸的剖面圖。圖2係實施型態1的電動機的轉子及定子的垂直於旋轉軸的剖面圖。電動機1係具有定子5、框6、外殼(housing)7、及轉子13。框6乃係圓筒形狀，在內壁面係壓裝有定子5。框6的一端部6a係以外殼7覆蓋。外殼7係藉由螺栓(bolt)8而固定在框6的一端部6a。框6的另一端部6b係以端蓋(end cover)19覆蓋。在轉子13與定子5之間係形成有稱為氣隙部20的間隙。

定子5係具有定子鐵芯3、及隔著未圖示的絕緣體(insulator)捲附在定子鐵芯3的電樞繞組4。轉子13係具有由第1軸承9及第2軸承10所支撐的軸(shaft)11、軸11貫穿過的轉子鐵芯14、及沿轉子鐵芯14的周方向以等間距(pitch)貼附在轉子鐵芯14外周的複數個永久磁鐵15。第1軸承9係嵌入至外殼7。第2軸承10係嵌入至框6的壁部12。軸11的中心軸係與轉子13的旋轉軸50一致。在實施型態1的電動機1中，轉子13係在轉子鐵芯14的外周設置有10個的永久磁鐵15。永久磁鐵15乃係稀土類磁鐵或鐵氧體(ferrite)磁鐵。另外，亦可出於永久磁鐵15的保護與防止飛散的目的，而在比永久磁鐵15更外周側設置將不鏽鋼或鋁等非磁性材料製成為圓筒狀的罩蓋。

此外，定子5係具備連接至電樞繞組4的接線部16。當U相、V相、W相的三相交流電流經由接線部16供給至電樞繞組4，轉子13便旋轉。

在軸11的一端部係安裝有皮帶輪(pulley)17。在皮帶輪17係套上三角皮帶(V-belt)等未圖示的旋轉傳遞構件，軸11的旋轉透過旋轉傳遞構件傳遞至未圖示的負載。

定子鐵芯3及轉子鐵芯14係藉由將電磁鋼板等磁性體芯材積層而構成。在電動機1組裝好的狀態中，磁性體芯材的積層方向乃係沿旋轉軸50之方向。定子鐵芯3的沿旋轉軸50之方向的長度L_c 係與轉子鐵芯14的沿旋轉軸50之方向的長度相同。以下，將定子鐵芯3的沿旋轉軸50之方向的長度L_c 稱為芯長L_c 。

定子鐵芯3係在垂直於旋轉軸50的剖面具有環狀的芯背3b、及從芯背3b往內徑側突出的12根齒3a。在相鄰的兩根齒3a間係形成有配置電樞繞組4的空間之槽18。定子5係形成有與齒3a相同數目的12個槽18。實施型態1的電動機1係具備有配置在轉子鐵芯14外周的10個永久磁鐵15及12個槽18，故為10極12槽的表面型永磁馬達(motor)。電動機1係，永久磁鐵15在轉子13外周側形成的磁極數N_p 與定子5的齒數N_t 呈N_p /N_t =5/6的關係。

在齒3a的各者係捲附有電樞繞組4。捲附在齒3a各者的電樞繞組4係分別分配為U相、V相、W相其中一者。將分配為U相的電樞繞組4稱為U相配線，將分配為V相的電樞繞組4稱為V相配線，將分配為W相的電樞繞組4稱為W相配線。以相鄰的兩根齒3a為一組，逐組配置U相配線、V相配線及W相配線。亦即，於12根齒3a係以U相配線、U相配線、V相配線、V相配線、W相配線、W相配線、U相配線、U相配線、V相配線、V相配線、W相配線、W相配線的排列來配置電樞繞組4。定子5係構成為一根齒3a捲附單一相的電樞繞組4的所謂集中繞組構造。

在齒3a中的與轉子13相對面的內徑側的前端部311a係設有凸緣部32。藉由在齒3a設置凸緣部32，抑制了頓轉(cogging)轉矩及轉矩漣波(ripple)。此外，藉由在齒3a設置凸緣部32，使得永久磁鐵15所產生的磁通在定子5有效率地被接收。

圖3係顯示實施型態1的電動機的鐵芯片的形狀之圖。定子鐵芯3係藉由將沿周方向分割的複數個鐵芯片31排列成圓環狀而構成。複數個鐵芯片31係以沿周方向排列的狀態固定在框6的內周面，藉此相互連結而形成環狀的定子鐵芯3。鐵芯片31係藉由壓裝或接著而固定在框6的內周面。

鐵芯片31的各者係具備齒3a及芯背3b。在齒3a中，磁通的主要方向乃係圖3中以箭頭A標示的在周方向中央的徑方向。在芯背3b中，磁通的主要方向乃係圖3中以箭頭B標示的周方向。齒3a係形成為所謂直齒(straight teeth)的形狀，齒3a在旋轉軸50的周方向的尺寸即寬度為一定，與徑方向的位置無關。在以下的說明中，設齒3a在以旋轉軸50作為中心之圓的徑方向的尺寸即長度為T_l ，設齒3a的寬度為T_w ，設芯背3b的寬度為C_b 。另外，齒3a的寬度T_w 及芯背3b的寬度C_b 乃係與磁通的主要方向正交之方向的尺寸。此外，在以下的說明中，設將齒3a的前端部311a連起來的圓的直徑亦即定子5的內徑為D_in ，設芯背3b的外周部311b所形成的圓的直徑亦即定子5的外徑為D_out 。

電動機1的轉矩係與轉子13的側面積與半徑之積成比例，故已知係與轉子13的直徑的平方成比例。此外，若能夠忽略氣隙部20的大小，則轉子13的直徑係能夠視為與定子5的內徑大致上相等。此外，當電動機1全體之大小已指定時，定子5的外徑係藉由以電動機1全體之大小減去框6的厚度量來給定。因此，在電動機1全體之大小已指定的情形中，為了提高電動機1所產生的轉矩，D_out /D_in 的值較佳為愈小愈好。另一方面，直徑D的圓柱的轉動慣量I係以I=ρπD⁴ h/32g計算，故已知轉子13的轉動慣量係與轉子13的直徑的四次方成比例。其中，ρ為轉子的密度，π為圓周率，g為重力加速度。因此，在電動機1全體之大小已指定的情形中，為了減小轉子13的轉動慣量，D_out /D_in 的值較佳為愈大愈好。如上述，電動機1所產生的轉矩與轉子13的轉動慣量呈現抵換(trade off)的關係。

定子5的內徑係如上所述可視為與轉子13的外徑相等，故電動機1的轉矩係與定子5的內徑的平方大致上成比例，轉動慣量係與定子5的內徑的四次方大致上成比例。電動機1的旋轉加速度係可藉由將轉矩除以轉動慣量來求得，故設計電動機1時若是注重旋轉加速度，則縮小定子5的內徑較有利。因此，在實施型態1中係將D_out /D_in 的值限定在2.1以上。

以下，針對將D_out /D_in 的值限定在2.1以上的理由進行說明。單一根齒3a的磁阻R_m 係以下式(1)表示。

式中，R_g 為氣隙部20的磁阻，R_c 為齒3a的磁阻。R_g 係以下式(2)表示。R_c 係以下式(3)表示。

式中，g_l 為氣隙部20的長度，g_w 為氣隙部20的寬度。此外，T_l 為齒3a的長度，T_w 為齒3a的寬度。此外，μ₀ 為真空導磁係數，μ為定子鐵芯3的導磁係數。其中，在上述式(2)及式(3)中係將磁迴路的磁阻考慮在內，氣隙部20的長度g_l 係在物理性的空隙的長度之外還包含永久磁鐵15的長度。依據霍普金森定律(Hopkinson's law)，磁迴路的磁動勢F_m 及磁通Φ係滿足下式(4)。

將上述式(4)以Φ進行微分，獲得下式(5)。

上述式(5)的左邊係代表使磁通增加1個單位量所需要的電動勢的上升量，為了不使後述的轉矩線性(linearity)降低，必須儘可能減小該值。將上述式(5)的右邊第2項分解，由於R_m 的成分中的R_g 不對磁通變化，微分的結果為0，故成立下式(6)。

因此，只要思考針對定子鐵芯3的微分即可，故上述式(5)係能夠改寫成下式(7)。

設定子鐵芯3的磁通密度為B，成立下式(8)及下式(9)。

此外，設定子鐵芯3的磁場為H，磁場H與磁通密度B係存在下式(10)的關係。

將上述式(10)代入上述式(3)，對磁通密度B進行偏微分，成為下式(11)。

將上述式(9)及上述式(11)代入上述式(7)，使磁通增加1個單位量所需要的磁動勢的上升量係以下式(12)表示。

此處，將上述式(12)的右邊第1項以下式(13)表示，將右邊第2項以下式(14)表示。

若R’_g ＜R’_c ，代表對於使磁通增加1個單位量所需要的磁動勢的上升量之貢獻是定子鐵芯3比氣隙部20大。對於使磁通增加1個單位量所需要的磁動勢的上升量之貢獻為定子鐵芯3比氣隙部20大的馬達係藉由抑制定子鐵芯3的磁阻而能夠使磁通有效率增加。

通常，如下式(15)所示，氣隙部20的長度g_l 係設定為定子5的內徑D_in 的1/10程度。

如下式(16)所示，氣隙部20的寬度g_w 係能夠藉由將定子5的內徑D_in 的圓周長除以槽數N_s 來近似。

齒3a的長度T_l 及齒3a的寬度T_w 係已規定有在物理上所能夠設定的上限。齒3a的長度T_l 係最大只能夠確保到定子5的內徑D_in 與定子5的外徑D_out 之差的一半。此外，齒3a的寬度T_w 係最大只能夠確保到與氣隙部20的寬度相同的長度。因此，成立下式(17)及下式(18)。

式中，k1及k2為比0大比1小的常數。k1及k2的值係視設計而異，但大體上是從最大值以維持縱橫比(aspect ratio)的方式設定，故能夠以下式(19)近似。

定子鐵芯3的(∂H/∂B)的值係依磁通密度B的大小而異，而已知使用於定子5的磁性體芯材之鐵系芯材大多在2T前後的磁通密度飽和。在實施型態1中，為了實現低轉動慣量、高轉矩的馬達，定子鐵芯3係成為幾近飽和的狀態。當為鐵系芯材時，2T附近的(∂H/∂B)的值為1.5×10⁵ m/H程度，若以真空導磁係數μ₀ 為基準，這相當於1/5.3μ₀ 。

將以上的結果代入對於使磁通增加1個單位量所需要的磁動勢的上升量之貢獻為定子鐵芯3比氣隙部20大的條件即R’_g ＜R’_c ，便成為下式(20)。

整理上述式(20)，獲得下式(21)。

從上述可知，只要D_out /D_in 大致上為2.1以上，定子鐵芯3的磁阻對轉矩線性的降低產生的影響便比氣隙部20的磁阻更嚴重，故在芯形狀上下工夫所達到的線性改善效果特別好。

當D_out /D_in 的值大致上為2.1以上時，鐵芯片31的徑方向的長度係比轉子13的外徑大。因此，齒3a係成為長度T_l 比寬度T_w 大的形狀。齒3a的針對沿徑方向通過齒3a的磁通之磁阻，係與齒3a的徑方向的長度成比例、與周方向的寬度成反比，故當為齒3a的長度T_l 比寬度T_w 大的形狀的鐵芯片31時，齒3a的磁阻係變得極大。因此，產生自轉子13的永久磁鐵15且與定子5的電樞繞組4交鏈的磁通減少，相較於能夠將齒3a的寬度確保為寬幅時的情形，轉矩有減少的傾向。此外，當為齒3a的長度T_l 比寬度T_w 大的鐵芯片31時，齒3a係變得容易磁飽和，故轉矩增加量不會與供給至電樞繞組4的電流量成比例地增加，而發生電流量增加得愈多，轉矩愈不易增加的現象。電流量增加得愈多，轉矩愈不易增加的現象係稱為「轉矩線性下降」。

當轉矩線性下降，輸出目標轉矩所需要的電流量便增加，故由於電樞繞組4的電阻而產生的焦耳損失(Joule loss)便變大。

實施型態1的電動機1係藉由將D_out /D_in 的值設計為2.1以上來謀求轉動慣量的減小，並且擴大芯背3b的寬度C_b 使磁路的磁阻降低，而防止了轉矩線性下降。圖4係顯示實施型態1的電動機的芯背的寬度與齒的寬度之比與轉矩效率的關係之圖。為了獲得不依存於電動機1全體之大小的關係式，芯背3b的寬度C_b 係藉由除以齒3a的寬度T_w 予以正規化，轉矩係藉由除以焦耳損失予以正規化。另外，1焦耳的焦耳損失的轉矩的大小係稱為轉矩效率。在圖4中，轉矩效率係顯示以最大值為「1」予以正規化。

電動機1的轉矩效率係在芯背3b的寬度C_b 與齒3a的寬度T_w 之比C_b /T_w 的值為1.5至1.7之間成為最大。轉矩效率係在峰值(peak)附近即使C_b /T_w 的值有些許變化也沒有很大的變化，而在離開峰值的位置，相對於C_b /T_w 的值的斜率係變大。在實施型態1的電動機1中係藉由將C_b /T_w 的值採用1.1以上而使轉矩效率成為90%以上。

另外，過度擴大芯背3b的寬度C_b ，轉矩效率也有降低的傾向。這是因為擴大芯背3b的寬度C_b 使得電樞繞組4的剖面積減少而電阻增加，焦耳損失增加之故。亦即，當因電樞繞組4的剖面積的減少導致的焦耳損失的增加的影響高過由於磁阻減少產生的轉矩線性改善的效果，則即便芯背3b的寬度C_b 增加，轉矩效率也會降低。如圖4所示，實施型態1的電動機1係藉由將C_b /T_w 的值採用2.1以下而使轉矩效率成為90%以上。

在馬達中係廣泛使用規定於JIS C 4003的耐熱等級(class)F的繞組。耐熱等級F的繞組的容許溫度為155℃。此外，運轉中的馬達的周圍溫度為40℃，故因損失而能夠容許的繞組的溫度上升便為115℃。此外，為了吸收因製造差異引起的馬達特性的差異的影響，必須有15℃的餘裕(margin)，故實際上能夠容許的繞組溫度上升為100℃。實施型態1的電動機1係設計成為了使馬達輸出成為最大，通電較大的電流，但繞組溫度上升成為比容許上升溫度的100℃稍微低的90℃。因此，當圖4所示的轉矩效率降低10%而低於90%，繞組溫度便上升10%，超過繞組的容許溫度。因此，實施型態1的電動機1係以使轉矩效率成為90%以上的方式設計。

此外，電動機1的轉矩基本上係與芯長L_c 成比例，但當芯長L_c 變得非常短，轉矩便比與芯長L_c 成比例之值更小。這是因為在定子鐵芯3的沿旋轉軸50之方向的兩端部，交鏈磁通沿著沿旋轉軸50之方向漏洩之故。另一方面，電樞繞組4的焦耳損失係在芯長L_c 長的情形係同轉矩一樣，與芯長L_c 大致上成比例。另一方面，當將芯長L_c 形成為極端地短，由電樞繞組4中的線圈端(coil end)部的磁阻所造成的影響便無法忽略，因而不會與芯長L_c 成比例地減少，會保留有一定以上的焦耳損失，該線圈端部係為電樞繞組4中在定子5的沿旋轉軸50之方向的兩端部沒有與永久磁鐵15相對向的部分。

就結論而言，將轉矩除以焦耳損失而算出的轉矩效率係當芯長L_c 為某值以上時係不依存於芯長L_c ，能夠視為大致上一定的值，而當芯長L_c 比某值短便會下降。圖5係顯示實施型態1的電動機的芯長與定子的內徑之比與轉矩效率的關係之圖。如圖5所示，只要電動機1的芯長L_c 與定子5的內徑D_in 之比即L_c /D_in 的值為1.5以上，轉矩效率便成為100%。因此，電動機1係藉由將L_c /D_in 的值設計為1.5以上使轉矩效率成為100%。

另一方面，當L_c /D_in 的值過大時，轉子13撓曲，轉子13與定子5發生接觸，故必須將撓曲量δ設定為比氣隙部20小。圖6係顯示實施型態1的電動機的轉子的撓曲量與氣隙部的大小的關係之圖。通常，氣隙部20的大小係設定為直徑D_in 的1/10程度，故撓曲量δ係必須比D_in /10小。關於屬於鋼鐵的軸11的縱向彈性模數E，20.6 Gpa為一般的值。當L_c /D_in 的值為14.3時，δ/(D_in /10)、亦即軸11的撓曲量相於對氣隙部20的大小係相同，轉子13係接觸定子5。因此，在實施型態1中係將L_c /D_in 的上限設為14.3。

圖7係顯示實施型態1的電動機的槽開口角的定義之圖。如圖7所示，將包夾槽18的兩根齒3a的角落部61連起來的弧62的圓心角乃係槽開口角S_o 。當槽開口角S_o 過小時，弧62短，兩個角落部61的距離近，因而引起電樞繞組4所產生的磁通沒有通過轉子13而傳遞至隔壁的齒3a的稱為磁通漏洩的現象，導致轉矩線性下降。因此，在實施型態1的電動機1中，槽開口角S_o 係採用不會發生轉矩線性下降的大小。

較佳的槽開口角S_o 的條件係亦依齒數而異。齒數多時，單一根齒3a所擔負的磁通量減少，各個齒3a的電樞繞組4擁有的定子磁動勢亦變小，因此便沒有將槽開口角S_o 設計得太大的必要。因此，在決定較佳的槽開口角S_o 時，係必須藉由將槽開口角S_o 除以圖7所示的單一根齒3a的角度T_o 予以正規化。另外，單一根齒3a的角度T_o 係亦可說是相鄰的兩個槽18各者的周方向的中央於位在旋轉軸50上的旋轉中心所形成的圓心角。圖8係顯示實施型態1的電動機的槽開口角與單一根齒的角度之比與轉矩效率的關係之圖。只要槽開口角S_o 與單一根齒3a的角度T_o 之比即S_o /T_o 的值為0.2以上，轉矩效率便超過90%。因此，電動機1係藉由將S_o /T_o 的值採用0.2以上使轉矩效率成為90%以上。

另一方面，當將S_o /T_o 提高到齒前端寬度T_s 比齒寬度T_w 狹窄，轉矩線性便反而變小。此時，由於磁通所通過的齒3a的前端的剖面積比齒3a的剖面積小，故齒前端的磁飽和變得顯著。因此，必須將齒前端寬度T_s 設為齒寬度T_w 以上。

就附帶的效果而言，實施型態1的電動機1係因芯背3b的寬度C_b 比一般的電動機大，故機械的強度提升，減輕由電磁激振力造成的振動及噪音。此外，實施型態1的電動機1係因電樞繞組4的電感值(inductance)變低，故在令轉子13以高速旋轉時的端子間電壓下降，在驅動系統(system)的電壓有限制等之情形時，係連在更高速區都能夠維持高轉矩。

實施型態1的電動機1係構成為藉由將D_out /D_in 的值設為2.1以上，使複數根齒3a各者的長度T_l 比寬度T_w 大，來謀求轉子13的轉動慣量的減小，且以防止轉矩效率比90%低的方式設定C_b /T_w 的值及S_o /T_o 的值，故即使減小了轉動慣量仍能夠有效率地獲得轉矩。

實施型態2. 本發明實施型態2的電動機1，定子5及轉子13的構造係不同於實施型態1的電動機1。圖9係本發明實施型態2的電動機的轉子及定子的垂直於旋轉軸的剖面圖。定子5所具有的齒3a的數目為6根，形成在相鄰的兩根齒3a之間的槽18為6個。此外，轉子13的永久磁鐵15是埋入在轉子鐵芯14裡。實施型態2的轉子13係在轉子鐵芯14埋入有合計8個的永久磁鐵15。永久磁鐵15的各者係以N極磁通集中的方向與S極磁通集中的方向在轉子13與定子5之間的氣隙部20正交的方式配置。在圖9中係以箭頭表示各個永久磁鐵15的磁化方向。由於是以N極磁通集中的方向與S極磁通集中的方向正交的方式配置永久磁鐵15，故永久磁鐵15係在轉子13的面向氣隙部20的表面形成有4個磁極。實施型態2的電動機1係具備有由埋入在轉子鐵芯14的8個永久磁鐵15所形成的4個磁極與6個槽18，故為4極6槽的表面型永磁馬達。

實施型態2的電動機1係採用來自複數個永久磁鐵15的磁通對轉子13的1個磁極集中的所謂海爾貝克陣列(Halbach)構造，相較於如實施型態1所述的表面磁鐵型馬達，能夠獲得更大的轉矩。

在上述的實施型態1、2中，由永久磁鐵15在轉子13的面向氣隙部20的表面形成的磁極數N_p 、與定子5的齒數N_t 並不限定為上述組合。例如，在20極24槽、8極6槽或8極12槽的電動機中亦可獲得同樣的功效。亦即，由永久磁鐵15在轉子13的面向氣隙部20的表面形成的磁極數N_p 、與定子5的齒數N_t 係只要滿足N_p /N_t =5/6、N_p /N_t =2/3或N_p /N_t =4/3的關係即可。

此外，在上述的實施型態1、2中，構成定子鐵芯3的鐵芯片31的齒3a乃係直齒，但齒3a係亦可為齒3a的寬度在內徑側與外徑側不同的錐齒(taper teeth)。圖10係顯示本發明實施型態1或實施型態2的變形例的電動機的齒的形狀之圖。當為錐齒時，係藉由將齒3a全體的平均寬度定義為齒3a的寬度T_w 而能夠獲得同樣的功效。例如在圖10的情形中，齒3a的寬度的最大部分為T_w1 ，寬度的最小部分為T_w2 ，故只要以齒3a全體的寬度的平均值(T_w1 +T_w2 )/2為齒3a的寬度T_w 來同實施型態1、2一樣地進行設計即可。

此外，在實施型態1、2中，鐵芯片31係藉由積層電磁鋼板而形成立體的定子鐵芯3，但並不限定於此。例如，亦可使用藉由將磁性體粉末擠壓固化而形成立體的所謂壓粉鐵芯所構成的定子鐵芯3。

此外，在實施型態1、2中係1個鐵芯片31具有1根齒3a，但並不限定於此。例如，亦可為藉由組合複數個具有複數根齒3a的鐵芯片31來構成定子鐵芯3。此外，亦可為複數個鐵芯片31的僅一部分彼此間、例如僅芯背3b彼此間一體形成而以單一零件的形式來形成定子鐵芯3的芯背3b。

此外，在上述的實施型態1、2中，芯長L_c 係與轉子鐵芯14的沿旋轉軸50之方向的長度相同，但並不限定於此。例如，亦可採用芯長L_c 比轉子鐵芯14的沿旋轉軸50之方向的長度短的電動機、亦即轉子外伸(over hang)。此外，亦可採用芯長L_c 比轉子鐵芯14的沿旋轉軸50之方向的長度長的電動機、亦即轉子內縮(under hang)。

上述的實施型態揭示的構成僅係本發明內容的例示，本發明既能夠與別的習知技術組合，在不脫離本發明主旨的範圍內，亦能夠省略、變更構成的一部分。

1:電動機 3:定子鐵芯 3a:齒 3b:芯背 4:電樞繞組 5:定子 6:框 6a:框的一端部 6b:框的另一端部 7:外殼 8:螺栓 9:第1軸承 10:第2軸承 11:軸 12:壁部 13:轉子 14:轉子鐵芯 15:永久磁鐵 16:接線部 17:皮帶輪 18:槽 19:端蓋 20:氣隙部 31:鐵芯片 32:凸緣部 50:旋轉軸 61:角落部 62:弧 311a:齒的前端部 311b:芯背的外周部 C_b :芯背的寬度 D_in :定子的內徑 D_out :定子的外徑 L_c :芯長 T_l :齒的長度 T_s :齒的前端寬度 T_o :單一根齒的角度 T_w :齒的寬度 T_w1 :齒的寬度的最大部分 T_w2 :齒的寬度的最小部分 S_o :槽開口角 δ:撓曲量

圖1係本發明實施型態1的電動機的沿旋轉軸的剖面圖。圖2係實施型態1的電動機的轉子及定子的垂直於旋轉軸的剖面圖。圖3係顯示實施型態1的電動機的鐵芯片的形狀之圖。圖4係顯示實施型態1的電動機的芯背的寬度與齒的寬度之比與轉矩效率的關係之圖。圖5係顯示實施型態1的電動機的芯長與定子的內徑之比與轉矩效率的關係之圖。圖6係顯示實施型態1的電動機的轉子的撓曲量與氣隙(air gap)部的大小的關係之圖。圖7係顯示實施型態1的電動機的槽開口角的定義之圖。圖8係顯示實施型態1的電動機的槽開口角與單一根齒的角度之比與轉矩效率的關係之圖。圖9係本發明實施型態2的電動機的轉子及定子的垂直於旋轉軸的剖面圖。圖10係顯示本發明實施型態1或實施型態2的變形例的電動機的齒的形狀之圖。

3:定子鐵芯

3a:齒

3b:芯背

4:電樞繞組

5:定子

11:軸

13:轉子

14:轉子鐵芯

15:永久磁鐵

18:槽

20:氣隙部

32:凸緣部

50:旋轉軸

311a:齒的前端部

Claims

一種電動機，係具備定子及轉子，前述定子配置在前述轉子的外側，前述定子係具有：具備環狀的芯背及從前述芯背往前述芯背的內周側突出的複數根齒之定子鐵芯；及配置在相鄰的兩根前述齒之間的空間即槽，且以集中繞組的方式捲附在複數根前述齒的各者之電樞繞組；前述轉子係具有永久磁鐵；前述定子的外徑D_out 與內徑D_in 係滿足D_out /D_in ≧2.1的關係；複數根前述齒各者的寬度T_w 與前述芯背的寬度C_b 係滿足2.1≧C_b /T_w ≧1.1的關係；前述定子鐵芯的沿前述轉子的旋轉軸之方向的長度L_c 與前述定子的內徑D_in 係滿足14.3≧L_c /D_in ≧1.5的關係。
如請求項1所述之電動機，其中，複數根前述齒的各者乃係寬度T_w 為一定的直齒。
如請求項1所述之電動機，其中，由前述永久磁鐵在前述轉子的面向氣隙部的表面形成的磁極數N_p 、與複數根前述齒的數目N_t 係滿足N_p /N_t =5/6、N_p /N_t =2/3或N_p /N_t =4/3的關係，該氣隙部係前述轉子與前述定子之間隙。
如請求項1所述之電動機，其中，前述電樞繞組係將三相交流電流中的同相電流供給至至少一組相鄰的前述齒。
如請求項1所述之電動機，其中，在與前述旋轉軸垂直的剖面，前述齒的前端寬度T_s 與前述齒的寬度T_w 係滿足T_s ≧T_w 的關係，且槽開口角S_o 、與前述單一根齒的角度T_o 係滿足S_o /T_o ≧0.2的關係，該槽開口角S_o 係將包夾前述槽的兩根前述齒的角落部連起來的弧的圓心角。
如請求項1至5中任一項所述之電動機，其中，前述定子鐵芯係將磁性體芯材積層而形成。