專(zhuān)利名稱(chēng)：采用微調(diào)結(jié)構(gòu)的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用作設(shè)備驅(qū)動(dòng)源的電動(dòng)機(jī)，尤其涉及采用微調(diào)(vernier)結(jié)構(gòu)的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
電動(dòng)機(jī)被用作各種設(shè)備，如影音裝置、辦公自動(dòng)化設(shè)備、家用器具、運(yùn)輸設(shè)備和工廠自動(dòng)化設(shè)備的驅(qū)動(dòng)源。這些裝置和設(shè)備每年都配備更多的功能，因此這些裝置和設(shè)備中所采用的電動(dòng)機(jī)數(shù)量也相應(yīng)地增加。當(dāng)前，所述裝置和設(shè)備體積變小并且以高速運(yùn)轉(zhuǎn)。因此市場(chǎng)要求電動(dòng)機(jī)能夠以較小的主體輸出較大的功率。
各種類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)被使用，例如感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、有刷直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。本發(fā)明涉及無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。
圖31A和圖31B顯示了第一實(shí)例，即傳統(tǒng)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。在圖31A中，定子包括芯體103和纏繞在芯體103的凸極上的線圈104。轉(zhuǎn)子包括磁體101和軸112，磁體101安裝在軸112上。芯體103面對(duì)磁體101，其間具有預(yù)定間距。軸112的兩端由軸承113支撐。
在圖31B中，磁體101被磁化以形成8個(gè)磁極。面對(duì)磁體101的芯體103具有6個(gè)凸極，所述凸極統(tǒng)一間隔開(kāi)并纏繞有線圈104。相鄰?fù)箻O的電角具有120度的相位差。具有相同相位的凸極105-1和105-4被指定為U相，具有相同相位的凸極105-2和105-5被指定為V相，具有相同相位的凸極105-3和105-6被指定為W相。纏繞在每個(gè)凸極上的線圈，即U相線圈、V相線圈和W相線圈，隨檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置而被加電并控制，從而轉(zhuǎn)子受到驅(qū)動(dòng)。
如傳統(tǒng)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)第一實(shí)例所示，各個(gè)凸極的邊緣通常是平的。
另一方面，還具有一種電動(dòng)機(jī)被用作混合(HB式)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其中每個(gè)凸極的邊緣是鋸齒狀的，即多個(gè)小齒設(shè)置在凸極的邊緣(微調(diào)結(jié)構(gòu))，并且這種HB式電動(dòng)機(jī)已經(jīng)商業(yè)化并提供給普通用戶。
下面說(shuō)明通常使用的HB式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。圖32A和圖32B說(shuō)明了第二實(shí)例(即傳統(tǒng)HB式步進(jìn)電動(dòng)機(jī))的結(jié)構(gòu)。在兩幅圖中，磁體201沿旋轉(zhuǎn)軸磁化兩個(gè)磁極(N極和S極)。轉(zhuǎn)子鐵芯211在整個(gè)上側(cè)或者整個(gè)下側(cè)磁化N極或S極。轉(zhuǎn)子鐵芯211的外壁以統(tǒng)一齒距制成鋸齒狀，從而在外壁上設(shè)置了小齒。上部轉(zhuǎn)子鐵芯的小齒的位置在角度上從下部轉(zhuǎn)子鐵芯的小齒變換，從而上部轉(zhuǎn)子鐵芯的齒的頂點(diǎn)與下部轉(zhuǎn)子鐵芯的齒的谷點(diǎn)相應(yīng)。
定子包括定子芯203和纏繞在定子芯203的凸極上的線圈204。轉(zhuǎn)子包括磁體201、上部和下部轉(zhuǎn)子鐵芯211和通過(guò)磁體201延伸的軸212。定子芯203以給定間距面對(duì)轉(zhuǎn)子鐵芯211。軸212的兩端都通過(guò)軸承213支撐。
在圖32B中，設(shè)置在定子芯203內(nèi)壁上的多個(gè)凸極205也以與轉(zhuǎn)子鐵芯211相同的齒距制成鋸齒狀。這些凸極205相對(duì)于設(shè)置在每相轉(zhuǎn)子鐵芯211的外壁上的小齒移動(dòng)給定的角度。給纏繞在各個(gè)凸極上的線圈加電將磁化被加電凸極上的小齒。因此凸極上的小齒吸引和排斥轉(zhuǎn)子鐵芯上被磁體201磁化的另外的小齒，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，用于將轉(zhuǎn)子固定在預(yù)定位置。在這種狀態(tài)下，給所述線圈的相位加電順序進(jìn)行，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。
齒狀轉(zhuǎn)子鐵芯211和定子芯203的較小角距減小了每相位改變的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度，從而能夠以精確角距進(jìn)行定位。這樣，定子和轉(zhuǎn)子分別以精確齒距制成齒狀，從而增加了電動(dòng)機(jī)輸出軸的角分辨率。結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)在精確齒距的定位。
受上述相同類(lèi)型的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟發(fā)，一種方法是用圓柱形磁體磁化的多極替換齒狀轉(zhuǎn)子鐵芯和沿軸的磁體磁化的兩個(gè)極的組件。這種思想發(fā)展成為具有永磁體的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，這些電動(dòng)機(jī)在日本專(zhuān)利公報(bào)NO.3140814、NO.3071064和NO.2740893中被披露。這種思想還在日本專(zhuān)利申請(qǐng)H10-80124中發(fā)展成為磁體回轉(zhuǎn)機(jī)械，在日本專(zhuān)利公報(bào)NO.2733824中發(fā)展成為具有永磁體的兩相電動(dòng)機(jī)。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也是從這種思想中還發(fā)展出來(lái)的一種產(chǎn)品，在1995年出版的“Japanese ElectricAcademy Research Papers，section D，volume 115，second issue”中披露。
圖33A和圖33B顯示了與上述三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)類(lèi)似的電動(dòng)機(jī)(傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的第三實(shí)例)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。圖34顯示了上述科研論文中討論的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的第四實(shí)例)。
該論文稱(chēng)，圖33A和圖33B所示轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)帶來(lái)下列優(yōu)點(diǎn)(1)磁通量分布接近正弦波；(2)磁極的軸向長(zhǎng)度可以擴(kuò)充為兩倍；(3)磁路變成二維磁路，從而產(chǎn)生較小的磁阻。這些優(yōu)點(diǎn)使圖33A和圖33B所示電動(dòng)機(jī)與圖34所示電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生相同的輸出，但當(dāng)微步進(jìn)被啟動(dòng)時(shí)能夠產(chǎn)生比圖34所示電動(dòng)機(jī)更精確的角度中間定位。
另一方面，只在少數(shù)情況下微調(diào)結(jié)構(gòu)用于無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。但是，各種技術(shù)都被用于增強(qiáng)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的性能，例如改善磁體的性能，開(kāi)發(fā)鐵芯的低損耗材料，改善繞組的占空系數(shù)以降低銅耗。近來(lái)開(kāi)發(fā)出了由釹-鐵-硼(Nd-Fe-B)或Sm-Fe-N制成的面向磁體的高性能稀土。使用這種磁體使鐵芯變得磁飽和，因?yàn)橄鄬?duì)于具有更大和改善的磁通量密度的高性能磁體，這種磁芯的飽和磁通量密度較低。結(jié)果，電動(dòng)機(jī)不能完全利用磁體改善的性能，因而電動(dòng)機(jī)實(shí)際上只在某種程度上改善了其性能。
上面討論的現(xiàn)有技術(shù)是為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的，所述微調(diào)結(jié)構(gòu)主要有助于改善角分辨率。因此現(xiàn)有技術(shù)在輸出密度或容積效率方面不是最優(yōu)的，所述輸出密度代表每單位容積的輸出，所述容積效率代表電動(dòng)機(jī)在保持其特性的情況下能多大程度地減小體積，從而現(xiàn)有技術(shù)不能應(yīng)用在無(wú)刷電動(dòng)機(jī)上。
另外，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由于其載流方法而總是需要恒定電流，而無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的相線圈中不承載電流。因此，通常步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的載流方法在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中比無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的載流方法效率低。
而且，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)擅長(zhǎng)于定位控制，但是轉(zhuǎn)矩控制很差。通常采用能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明著眼于上述問(wèn)題，目的在于提供一種采用與上述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一樣的微調(diào)結(jié)構(gòu)的高效無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。微調(diào)結(jié)構(gòu)對(duì)于無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是最優(yōu)的，從而可以突破傳統(tǒng)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的容積效率限制，獲得能夠保持相同尺寸但產(chǎn)生更大輸出的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。
本發(fā)明的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)包括下列元件(a)轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有沿旋轉(zhuǎn)方向被交替磁化N極和S極的磁體；以及(b)具有多個(gè)凸極的芯體，其上纏繞了線圈，沿徑向面對(duì)所述磁體。每個(gè)凸極的相對(duì)截面以與磁體的兩個(gè)極大體相同的齒距制成為齒狀，從而形成小齒。線圈相應(yīng)于轉(zhuǎn)子位置被選擇性加電，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。
在每個(gè)凸極的邊緣上設(shè)置的小齒能夠?qū)⒚鎸?duì)小齒的磁通量選擇性地帶入凸極。因此，增加小齒的數(shù)量而不是增加凸極的數(shù)量能夠抑制有效磁通量數(shù)量的減小，并且磁極的數(shù)量可以任意增加，這改善了電動(dòng)機(jī)的容積效率。結(jié)果，電動(dòng)機(jī)可以在保持相同特性的條件下減小體積，或者電動(dòng)機(jī)可以在保持相同體積的條件下增加輸出。


圖1是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明第一示意性實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是將第一實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)(傳統(tǒng)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的第五和第六實(shí)例)進(jìn)行比較的對(duì)照表；圖3是說(shuō)明根據(jù)第一實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中磁通量流動(dòng)的示意圖；圖4是說(shuō)明根據(jù)第一實(shí)施例的磁體的最大能積與容積效率之間關(guān)系的曲線；圖5說(shuō)明根據(jù)第一實(shí)施例的另一無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)的示意圖；圖6是說(shuō)明根據(jù)第一實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)的縱橫比與容積效率之間關(guān)系的曲線；圖7說(shuō)明了根據(jù)第一實(shí)施例的磁體的分層結(jié)構(gòu)；圖8說(shuō)明了根據(jù)第一實(shí)施例的采用粘合磁體的結(jié)構(gòu)；圖9說(shuō)明了根據(jù)第一實(shí)施例的采用內(nèi)部磁體的結(jié)構(gòu)；圖10是說(shuō)明了根據(jù)第一實(shí)施例的具有內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)磁路結(jié)構(gòu)的示意圖；
圖11說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的磁體的磁化分布；圖12A是說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的磁化斜角與齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系的曲線；圖12B是說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)的磁化斜角與容積效率之間關(guān)系的曲線；圖13是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的芯體外形的示意圖；圖14A說(shuō)明了根據(jù)第三實(shí)施例當(dāng)小齒的電角具有120度開(kāi)角時(shí)齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的波形；圖14B說(shuō)明了根據(jù)第三實(shí)施例當(dāng)小齒的電角具有150度開(kāi)角時(shí)齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的波形；圖14C說(shuō)明了根據(jù)第三實(shí)施例當(dāng)小齒的電角具有180度開(kāi)角時(shí)齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的波形；圖15是說(shuō)明了齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩如何在小齒上發(fā)生的示意圖；圖16A說(shuō)明了根據(jù)第三實(shí)施例在小齒邊緣6-1發(fā)生的轉(zhuǎn)矩波形；圖16B說(shuō)明了根據(jù)第三實(shí)施例在小齒邊緣6-2發(fā)生的轉(zhuǎn)矩波形；圖16C說(shuō)明了由圖16A和圖16B所示波形合成的波形；圖16D說(shuō)明了根據(jù)第三實(shí)施例的全部電動(dòng)機(jī)的合成波形；圖17A說(shuō)明了根據(jù)第三實(shí)施例的另一無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中小齒邊緣為圓形的芯體外形；圖17B說(shuō)明了根據(jù)第三實(shí)施例另一無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中小齒邊緣為倒角的芯體外形；圖18A至圖18C說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的芯體外形的示意圖；圖19A說(shuō)明了根據(jù)第四實(shí)施例在芯體3-1中發(fā)生的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩波形；圖19B說(shuō)明了根據(jù)第四實(shí)施例在芯體3-2中發(fā)生的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩波形；圖19C說(shuō)明了根據(jù)第四實(shí)施例在芯體中發(fā)生的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩波形；圖20A至圖20C說(shuō)明了根據(jù)第四實(shí)施例另一無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的芯體外形的示意圖；圖21A至圖21C說(shuō)明了根據(jù)第四實(shí)施例另一無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的芯體外形的示意圖；圖22A至圖22C說(shuō)明了根據(jù)第四實(shí)施例另一無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的芯體外形的示意圖；圖23A至圖23C說(shuō)明了根據(jù)第四實(shí)施例另一無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的芯體外形的示意圖；圖24A至圖24C說(shuō)明了根據(jù)第四實(shí)施例另一無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的芯體外形的示意圖；圖25A說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的芯體外形；圖25B是沿圖25A中線x-x’和z-z’的截面圖；圖25C是沿圖25A中線y-y’的截面圖；圖25D至圖25E說(shuō)明了圖25A所示無(wú)刷電動(dòng)機(jī)基本芯體外形；圖26是根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的芯體凸極截面圖；圖27A至圖27E是根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)芯體外形的示意圖；圖28A至圖28D是根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)芯體外形的示意圖；圖29A說(shuō)明了根據(jù)第七實(shí)施例在芯體3-1中發(fā)生的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩波形；圖29B說(shuō)明了根據(jù)第七實(shí)施例在芯體3-2中發(fā)生的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩波形；圖29C說(shuō)明了根據(jù)第七實(shí)施例在芯體3-3中發(fā)生的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩波形；圖29D說(shuō)明了根據(jù)第七實(shí)施例在芯體中發(fā)生的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩波形；圖30是根據(jù)本發(fā)明第八實(shí)施例的各種裝置的示意圖；圖31A是沿軸線獲得的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)第一傳統(tǒng)實(shí)例的截面圖；圖31B是沿軸向的垂直線獲得的圖31A所示無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的截面圖；圖32A是沿軸線獲得的HB式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)第二傳統(tǒng)實(shí)例的截面圖；圖32B是沿軸向的垂直線獲得的HB式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的截面圖；圖33A是根據(jù)第三傳統(tǒng)實(shí)例的三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)的示意圖；圖33B說(shuō)明了圖33A所示三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；圖34說(shuō)明了根據(jù)第四傳統(tǒng)實(shí)例的HB式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；圖35是說(shuō)明了根據(jù)第五傳統(tǒng)實(shí)例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)磁路結(jié)構(gòu)的示意圖；圖36是說(shuō)明了根據(jù)第六傳統(tǒng)實(shí)例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)磁路結(jié)構(gòu)的示意圖；
圖37說(shuō)明了第七傳統(tǒng)實(shí)例的芯體的凸極的截面圖。
具體實(shí)施例方式
以下將參照

說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。
實(shí)施例1圖1是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)的示意圖。在圖1中，圓柱形磁體1在其內(nèi)壁交替并均勻地磁化N極和S極以總共形成20個(gè)磁極。背軛2固定在磁體1的外壁上。芯體3由硅鋼板制成，所述硅鋼板通過(guò)沖壓沖孔并軸向?qū)盈B。芯體3包括6個(gè)彼此等間距的凸極5(凸極5-1至5-6)。線圈4纏繞在每個(gè)凸極5上。每個(gè)凸極5制成齒狀并在其面對(duì)磁體1的邊緣具有兩個(gè)小齒6，從而總共12個(gè)小齒6形成有與磁體1的兩個(gè)磁極(N極和S極，即電角為360度)相應(yīng)的齒距。
第一實(shí)施例的創(chuàng)新性特征在于兩個(gè)小齒設(shè)置在每個(gè)凸極的邊緣，齒距與磁體的兩個(gè)磁極相對(duì)應(yīng)。這些小齒使每個(gè)凸極選擇性地接收從面對(duì)小齒的磁極發(fā)出的磁通量。
在上述結(jié)構(gòu)中，凸極5-1和5-4(U相)、凸極5-2和5-5(V相)和凸極5-3和5-6(W相)分別處于相同相位。這三組的各個(gè)相的電角彼此相差120度。每組如上所述被指定為一個(gè)相，并且三相電源響應(yīng)于轉(zhuǎn)子10的旋轉(zhuǎn)位置供應(yīng)至線圈4，磁體1固定在轉(zhuǎn)子10上。結(jié)果，轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生并且轉(zhuǎn)子10受到驅(qū)動(dòng)。
根據(jù)第一實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)具有相同尺寸。圖35說(shuō)明了無(wú)刷電動(dòng)機(jī)第五傳統(tǒng)實(shí)例的磁路，圖36說(shuō)明了第六傳統(tǒng)實(shí)例的磁路。
在圖35中，圓柱形磁體501在其內(nèi)壁交替并均勻地磁化N極和S極以總共形成8個(gè)磁極。背軛502固定在磁體501的外壁上。芯體503包括6個(gè)彼此等間距的凸極505，并且線圈504纏繞在凸極505上。因此第五傳統(tǒng)實(shí)例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)具有6個(gè)與圖1所示第一實(shí)施例的凸極相同的凸極，但是磁體501磁化8個(gè)磁極，這與第一實(shí)施例的20個(gè)磁極不同。
在圖35所示傳統(tǒng)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中，如果磁體在凸極保持外形的情況下磁化更多個(gè)磁極，每個(gè)凸極的邊緣寬度比相應(yīng)的磁極更寬。來(lái)自磁極的磁通量在凸極邊緣形成環(huán)，從而降低了為產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩作出貢獻(xiàn)的有效磁通量。結(jié)果，電動(dòng)機(jī)輸出較小功率。這證明磁極數(shù)量的增加應(yīng)當(dāng)伴隨凸極數(shù)量的增加。
在圖36所示第六傳統(tǒng)實(shí)例中，圖35所示無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的磁體在磁極數(shù)與凸極數(shù)的比率不變(4∶3)的情況下磁化更多個(gè)磁極。在圖36中，圓柱形磁體601在其內(nèi)壁交替并均勻地磁化N極和S極以總共形成20個(gè)磁極。背軛602固定在磁體601的外壁上。芯體603包括15個(gè)彼此等間距的凸極605，并且線圈604纏繞在凸極605上。因此第六傳統(tǒng)實(shí)例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)具有15個(gè)與圖1所示第一實(shí)施例的凸極不相同的凸極，但是磁體501磁化20個(gè)磁極，這與第一實(shí)施例相同。
同樣地，通過(guò)在凸極邊緣上設(shè)置小齒可以增加凸極數(shù)量，如圖1所示第一實(shí)施例所證明，即在無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中采用了微調(diào)結(jié)構(gòu)。但是，關(guān)于圖36所示的第六傳統(tǒng)實(shí)例，代替增加凸極數(shù)量，通過(guò)增加小齒的數(shù)量可以增加磁極的數(shù)量。
下面將對(duì)圖1所示第一實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)和圖35、圖36所示的傳統(tǒng)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的特性進(jìn)行相互比較。
首先考慮電動(dòng)機(jī)的容積效率。電動(dòng)機(jī)的變速比倒數(shù)通常用作容積效率。容積效率η由下列方程式表示μ＝1/μ∝(Φ×t×m×z)2/R其中“μ”是變速比；“R”是電動(dòng)機(jī)相之間的相阻；“Φ”是每個(gè)凸極的有效磁通量數(shù)量；“t”是線圈數(shù)量；“m”是轉(zhuǎn)子磁極數(shù)量；“z”是磁體凸極數(shù)量。
根據(jù)第一實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)磁路和圖35、圖36所示傳統(tǒng)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)磁路被采用上述方程式進(jìn)行比較。圖2顯示了三個(gè)電動(dòng)機(jī)(即一個(gè)是第一實(shí)施例，兩個(gè)是傳統(tǒng)實(shí)例)的對(duì)照表，并且在假設(shè)圖35所示傳統(tǒng)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的參數(shù)為“1”的情況下計(jì)算各個(gè)參數(shù)。
首先，關(guān)于有效磁通量數(shù)量“Φ”，圖35所示傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括的每個(gè)凸極比第一實(shí)施例的凸極具有面對(duì)磁極的較大面積。因此傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有較大有效磁通量數(shù)量。在第一實(shí)施例中，每個(gè)凸極比圖35所示傳統(tǒng)磁極具有面對(duì)磁極的較小面積，從而在忽略漏通量和無(wú)效磁通量的情況下，有效磁通量是圖35所示傳統(tǒng)凸極的0.8倍。在圖35所示傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，由于增加了凸極數(shù)量，每個(gè)凸極的有效磁通量數(shù)量降低至圖35所示傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的0.4倍。
第二，關(guān)于線圈數(shù)量“t”，圖2所示表格中的三種情況具有相同線圈數(shù)量。關(guān)于轉(zhuǎn)子磁極數(shù)量“m”，圖35所示傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有8個(gè)磁極，圖36所示傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及第一實(shí)施例具有20個(gè)磁極。后兩種情況的數(shù)量是圖35所示結(jié)構(gòu)的2.5倍。
第三，關(guān)于磁體凸極數(shù)量“z”，第一實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)具有6個(gè)凸極，與圖35所示傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，圖36所示另一傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有15個(gè)凸極。
下面，關(guān)于相之間的相阻“R”，圖1所示第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)比圖35所示傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有更大的凸極邊緣。因此用于繞組的空間變小，這就需要更小直徑的電線以獲得相同數(shù)量的線圈。結(jié)果，線圈電阻增加。在第一實(shí)施例中，線圈電阻被增加大約1.25倍。圖36所示傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)相比具有更多數(shù)量的凸極，因此串聯(lián)線圈數(shù)量增建并且相鄰?fù)箻O之間的空間變小，而且用于纏繞線圈的空間減小并且每個(gè)線圈的電阻增加。結(jié)果，圖36所示傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的線圈電阻被增加了圖35所示傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大約4倍。
將上述數(shù)字用在上述方程式中，可以證實(shí)第一實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的容積效率η理論上分別成為圖35和圖36所示傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)容積效率的3.2倍和2倍。實(shí)際上，增加傳統(tǒng)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的磁極數(shù)量“m”能夠在某種程度上改善容積效率；但是，線圈電阻“R”大量增加，結(jié)果容積效率不能顯著增加。
另一方面，在采用了微調(diào)結(jié)構(gòu)的根據(jù)第一實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中，磁極數(shù)量“m”可以在適度增加線圈電阻“R”的情況下得到增加。結(jié)果，容積效率可以充分增加，雖然有效磁通量數(shù)量“Φ”略微降低。
迄今為止，采用微調(diào)結(jié)構(gòu)的第一實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在理論上可以獲得傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)兩倍的容積效率。但是，充分利用采用微調(diào)結(jié)構(gòu)的這種無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的容積效率包括一些條件。
首先，有效磁通量數(shù)量“Φ”不是算術(shù)地工作，更確切地講，微調(diào)式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的有效磁通量數(shù)量“Φ”在數(shù)學(xué)上是圖35所示傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的0.8倍；但是實(shí)際上小于0.8倍。
數(shù)量實(shí)際上較小的原因是通常，磁體的平均磁通量密度在磁化極更多時(shí)減小。因?yàn)椴煌艠O之間的邊界附近不能完全磁化。換言之，未磁化部分和磁化不足部分存在于附近。因此，微調(diào)式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的平均磁通量密度小于圖35所示傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的平均磁通量密度。
圖1所示微調(diào)式磁路產(chǎn)生對(duì)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生沒(méi)有貢獻(xiàn)的非有效磁通量數(shù)量。
圖3說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的磁通量流動(dòng)。在圖3中，箭頭標(biāo)記顯示了磁通量流動(dòng)。能夠?qū)D(zhuǎn)矩產(chǎn)生作出貢獻(xiàn)的磁通量從凸極5進(jìn)入磁體的磁極(例如S極)，并通過(guò)背軛2以及其他磁極(例如N極)，隨后返回另一凸極5。但是，如圖3所示，許多磁通量通過(guò)芯體3的部分(凸極5的拐角)，例如在相鄰N極和S極之間循環(huán)的磁通量7-1和漏通量7-2。
平均磁通量密度的降低和上述非有效磁通量進(jìn)一步將計(jì)算的因數(shù)(即有效磁通量數(shù)量“Φ”的0.8倍)降低至傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的大約一半。從而在第一實(shí)施例中采用的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在容積效率方面被降低。
隨后研究磁體性能的改善。圖4說(shuō)明了第一實(shí)施例微調(diào)式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的磁體最大能積與容積效率之間的關(guān)系。
在圖4中，橫軸線代表指示磁體性能的最大能積(MGOe)。在傳統(tǒng)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中，具有低性能磁體的電動(dòng)機(jī)能夠與磁體的更好性能按照幾乎先行的方式增加其容積效率。在MGOe＝10附近，增加變慢，并且在MGOe＝15以上不會(huì)再增加。這是因?yàn)樵谛倔w中使用的硅鋼板具有1.6-2.0(T)的飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度，其不允許具有改善性能的磁體產(chǎn)生磁通量密度。因此磁體的厚度極大地減小，并且在運(yùn)行點(diǎn)的通量密度應(yīng)該被抑制。結(jié)果，即使磁體的性能得到提高，除了體積由于磁體變薄而略微變小之外，容積效率不能得到提高。在面向Nd-Fe-B的燒結(jié)磁體中目前得到的最大能積可以達(dá)到45-50MGOe；但是，傳統(tǒng)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)不能充分利用該磁體。實(shí)際上，某些傳統(tǒng)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)采用具有大約10MGOe的MGOe樹(shù)脂磁體，這通常是因?yàn)槌杀臼橇硪粋€(gè)需要嚴(yán)格考慮的因素。
另一方面，在采用微調(diào)結(jié)構(gòu)的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中，其有效磁通量數(shù)量減少為傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的大約一半。因?yàn)槠骄棵芏韧ㄟ^(guò)增加磁化極數(shù)量而降低并且產(chǎn)生非有效通量。因而芯體在飽和前仍具有通量密度的足夠空間。因此，通過(guò)改善磁體的性能而增加磁體的通量密度可以充分改善容積效率。
如圖4所示，在MGOe＝10以上的區(qū)域，根據(jù)第一實(shí)施例的微調(diào)式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)有利地具有較高容積效率。
圖5說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例另一無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)。在圖5中，與圖1相同的元件具有相同的附圖標(biāo)記，并且省略相關(guān)說(shuō)明。
在圖1所示第一實(shí)施例中，兩個(gè)小齒6設(shè)置在芯體3的每個(gè)凸極上，并且如果磁體的性能提高超過(guò)某個(gè)水平，芯體將磁飽和。在這種情況下，小齒的數(shù)量被增加到三個(gè)或超過(guò)三個(gè)，因而容積效率可以正比于磁體性能的改善而進(jìn)一步增加。
充分利用微調(diào)式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)容積效率的另一個(gè)條件是充分設(shè)定凸極的數(shù)量和磁極的數(shù)量。在圖1所示第一實(shí)施例中，使用了6個(gè)凸極和轉(zhuǎn)子磁體的20個(gè)磁極。
在三相無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的情況下，設(shè)定下列參數(shù)從而滿足下面的方程式P＝(2n-2/3)z其中“P”表示磁體磁極的數(shù)量；“z”表示芯體凸極的數(shù)量；“n”表示小齒的數(shù)量。
則相鄰?fù)箻O之間的空間被最小化，從而凸極邊緣上的小齒與磁體之間的面對(duì)區(qū)域被最大化。這種狀況使磁體的有效磁通量數(shù)量最大化，并充分利用磁體的容量。結(jié)果，電動(dòng)機(jī)的容積效率得到提高。
圖1所示第一實(shí)施例采用的電機(jī)的芯體具有6個(gè)凸極并且轉(zhuǎn)子具有20個(gè)磁極；但是，也可以使用3個(gè)凸極和10個(gè)磁極、9個(gè)凸極和30個(gè)磁極或者12個(gè)凸極和40個(gè)磁極。
圖6說(shuō)明了具有不同凸極數(shù)量的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中磁路的縱橫比(長(zhǎng)度/外徑)與容積效率之間的關(guān)系。如圖6所示，6個(gè)凸極的情況表現(xiàn)出了最高的容積效率；但是，在較小縱橫比(即軸向較薄)的情況下，9個(gè)凸極或者12個(gè)凸極將表現(xiàn)出更好的容積效率。相反，在較大縱橫比(即軸向較長(zhǎng))的情況下，3個(gè)凸極顯示出較好容積效率。
這是因?yàn)閺男倔w伸出的線圈(線圈末端)的高度不能忽略，并且因而凸極的更多數(shù)量適于使電動(dòng)機(jī)變薄。但是，在實(shí)際縱橫比處于0.1至3的范圍內(nèi)時(shí)，6個(gè)或者9個(gè)凸極表現(xiàn)出最好的容積效率，因此6個(gè)或者9個(gè)凸極通常比較合適。
另外，為了充分利用微調(diào)式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的容積效率，背軛2的性能是重要的因素。如圖3所示，充分大的磁通量通過(guò)背軛2，并且通量的數(shù)量與根據(jù)地點(diǎn)極大地變化。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)背軛2的磁通量通過(guò)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)烈變化。
特別是在第一實(shí)施例中，磁極數(shù)量從傳統(tǒng)的8個(gè)磁極增加到20個(gè)磁極，因此磁通量的頻率增加。結(jié)果，與通量頻率的平方成比例增加的渦流損耗和與通量頻率成比例增加的滯后損失變得比傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的大。
因此，下列方法適于構(gòu)建背軛沿軸向?qū)訅汗桎摪?。隨后利用例如樹(shù)脂的絕緣材料使絕緣軟磁材料凝固。另一種方法是如圖7所示，與圖1所示磁體1和背軛2相對(duì)應(yīng)的部分由具有兩層(即永磁體層8和背軛層9)的磁體形成。永磁體層8通過(guò)利用樹(shù)脂使高強(qiáng)制性磁粉凝固而制成，背軛層9通過(guò)使用樹(shù)脂使高滲透性磁粉凝固而制成。這些方法背軛的高頻磁性，從而背軛的損耗得到抑制并且特性改善。
當(dāng)硅鋼板用作背軛時(shí)，硅含量希望為2-6.5％質(zhì)量比(優(yōu)選為6.5％)。當(dāng)硅含量為6.5％質(zhì)量比時(shí)，硅鋼板的鐵損被最小化，使性能更有效。隨著硅含量的增加，鋼板變得易碎并不足以工作?？紤]到易于工作，希望選擇范圍為2-6.5％的適當(dāng)值，從而易于工作和提高效率能夠兼顧另外，在本實(shí)施例中，說(shuō)明了圓柱形磁體；但是，如圖8所示，多個(gè)磁體1可以設(shè)置并固定在背軛2內(nèi)壁上。另一種方法示于圖9中，即背軛2通過(guò)軸向?qū)訅汗桎摪逍纬?，并且磁體塊插入預(yù)先沖制的孔中。這稱(chēng)為內(nèi)部磁體結(jié)構(gòu)。同樣地，磁體被分為多個(gè)塊，并且這些塊在裝配之前被磁化。這個(gè)方法可以容易地進(jìn)行磁化并便于充分利用磁體容量。
磁體可以如圖8所示模制成半圓柱形，因而相鄰極之間的影響可以得到抑制并且可以增加有效磁通量密度。磁體塊如圖9所示埋入軛中，因此轉(zhuǎn)子在機(jī)械上強(qiáng)度增大。
上述第一實(shí)施例說(shuō)明了外部轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)，其中芯體設(shè)置在內(nèi)部并且轉(zhuǎn)子設(shè)置在芯體外部。但是，內(nèi)部轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)也可以適用于第一實(shí)施例，內(nèi)部轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)芯體設(shè)置在外部并且裝置設(shè)置在芯體內(nèi)部，如圖10所示。通常，在轉(zhuǎn)矩導(dǎo)向的電動(dòng)機(jī)中，外部轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)是優(yōu)選的，因?yàn)榇朋w和芯體之間的面對(duì)區(qū)域可以很大；另一方面，在快速反應(yīng)導(dǎo)向的電動(dòng)機(jī)中，內(nèi)部轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)是優(yōu)選的，因?yàn)檗D(zhuǎn)子的外徑較小并且轉(zhuǎn)子的慣性力矩也較小。根據(jù)應(yīng)用可以進(jìn)行適當(dāng)選擇。
電動(dòng)機(jī)中包括的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩通過(guò)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)周期性地改變芯體與磁體之間的磁能而產(chǎn)生。在微調(diào)式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中，可以產(chǎn)生較大齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩，這是因?yàn)檩^小旋轉(zhuǎn)角度由于磁極數(shù)量增加而比傳統(tǒng)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生磁能的較大變化。
下列實(shí)施例(第二至第七實(shí)施例)展示了造成根據(jù)第一實(shí)施例的微調(diào)式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)所的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩問(wèn)題的解決方案。
實(shí)施例2圖11說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的磁體的磁化分布。第二實(shí)施例中采用的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例中的相同。在圖11中，磁體21沿預(yù)定斜角θ磁化，因此磁極位置在上端和下端不同，其中角度θ是從旋轉(zhuǎn)中心觀測(cè)的角度并稱(chēng)為圓心角。
在具有微調(diào)結(jié)構(gòu)的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中，“p”＝磁體磁極的數(shù)量，“z”＝芯體凸極的數(shù)量，則齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的波形每旋轉(zhuǎn)一圈重復(fù)“k”次，其中“k”是“p”和“z”的最小公倍數(shù)。
磁體的傾斜磁化沿層壓方向均分齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的波形，從而齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的絕對(duì)值變小。
圖12A說(shuō)明了磁化斜角與齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。圖12B說(shuō)明了磁化斜角與電動(dòng)機(jī)容積效率之間的關(guān)系。如圖12A所示，隨著斜角增加，齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩將變小，并且在斜角大約6和12度時(shí)獲得最小值，而在其他角度時(shí)獲得略高的值。因?yàn)閮A斜磁化沿芯體的層壓方向均分齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的波形，斜角被設(shè)定得與齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩周期的整倍數(shù)相一致，從而齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩被最小化。
如圖12B所示，隨著斜角的增加電動(dòng)機(jī)的容積效率將降低。這是因?yàn)楫?dāng)斜角變大時(shí)，磁極相位在磁體的上端和下端相互不同，因此，線圈按照與正確的供電相位偏離的供電相位供電。結(jié)果，電動(dòng)機(jī)的容積效率降低。
上述討論證明，斜角θ優(yōu)選設(shè)置在6度，以與齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的一個(gè)周期對(duì)應(yīng)，從而齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的減小可以與容積效率的增加相匹配。在磁體的軸向長(zhǎng)度等于芯體的軸向長(zhǎng)度的情況下，斜角θ被設(shè)定得與上述齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的周期相一致；但是，當(dāng)這兩個(gè)軸向長(zhǎng)度不同時(shí)，斜角的輕微變化經(jīng)常減小齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩。
當(dāng)滿足下列方程式時(shí)，齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩減小和容積效率提高的兼容性變得有效θ＝(360/k)±10％其中“k”＝“p”和“z”的最小公倍數(shù)；“p”＝磁體磁極的數(shù)量；“z”＝芯體凸極的數(shù)量。
實(shí)施例3在上述第二實(shí)施例中，在磁化中采用了斜角。在本實(shí)施例中，設(shè)計(jì)出了一種芯體外形，從而可以減小齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩。圖13說(shuō)明了根據(jù)第三實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的芯體外形。該無(wú)刷電動(dòng)機(jī)與第一實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)具有下列不同與圖1所示第一實(shí)施例中的相比，在圖13中，芯體33在外形凸極35的邊緣上的小齒36上具有不同開(kāi)角α。其他結(jié)構(gòu)保持與第一實(shí)施例中相同。
在小齒上的開(kāi)角α的變化極大地改變了齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩。圖14說(shuō)明了根據(jù)小齒處開(kāi)角α的變化的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩波形。圖14A說(shuō)明了在電角的開(kāi)角α＝120度時(shí)的波形，圖14B說(shuō)明了150度時(shí)的波形，圖14C說(shuō)明了180度時(shí)的波形。
如圖14A所示，在電角旋轉(zhuǎn)360度的過(guò)程中齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩重復(fù)波形6次(對(duì)于360度機(jī)械角為60次)。這個(gè)數(shù)字與凸極數(shù)量“6”和磁極數(shù)量“20”的最小公倍數(shù)“60”相一致。這不是第三實(shí)施例的特別現(xiàn)象，而是采用微調(diào)結(jié)構(gòu)的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中的一般現(xiàn)象。換言之，周期與凸極數(shù)量和磁極數(shù)量的最小公倍數(shù)相一致的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩也發(fā)生在采用微調(diào)結(jié)構(gòu)的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中。該周期下面被稱(chēng)為基本齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩周期。
在圖14C中，當(dāng)小齒6的開(kāi)角α增加時(shí)，齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的周期和絕對(duì)值大致等于圖14A所示情況；但是圖14C中的波形具有圖14A相位相反。另一方面，在如圖14B所示開(kāi)角α以電角表示被設(shè)定為150度時(shí)，頻率的周期是基本齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩周期兩倍的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩發(fā)生并且絕對(duì)值變得非常小。
圖15和圖16A至圖16D說(shuō)明了圖14B所示現(xiàn)象的原因。為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，考慮了下列條件圖15所示磁體31的N極和S極的邊界正好到達(dá)小齒36的邊緣拐角6-1。
在圖15所示狀況下，磁體31與小齒36之間的磁能變化，并且如圖16A所示轉(zhuǎn)矩發(fā)生。當(dāng)小齒36的邊緣拐角6-1與N極和S極之間的邊界相一致時(shí)該轉(zhuǎn)矩的波形接近于0。
在這種情況下，在小齒的另一個(gè)邊緣拐角6-2，轉(zhuǎn)矩也按照相同的方式發(fā)生，并且其波形在邊緣拐角6-2與N極和S極之間的邊界相一致時(shí)接近于0。轉(zhuǎn)矩在邊緣拐角6-2和邊緣拐角6-1處的波形相對(duì)于圖16B所示的點(diǎn)對(duì)稱(chēng)。以電角表示將開(kāi)角α設(shè)定為150度使邊緣拐角6-1和6-2的相位不同。這樣各個(gè)轉(zhuǎn)矩相互抵消，因此轉(zhuǎn)矩在小齒36處的第三分量被完全除去，如圖16C所示。
在整體的電動(dòng)機(jī)中，第一、第二、第四和第五分量被發(fā)生在其他小齒上的轉(zhuǎn)矩抵消，其相位的電角彼此相差120度，并且具有第六和向前分量的轉(zhuǎn)矩發(fā)生，如圖16D所示?？傊?，具有基本齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩周期的半周期的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩發(fā)生，并且齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的絕對(duì)值變小。
第三實(shí)施例證明，齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩在以電角表示的小齒6的開(kāi)角為150度時(shí)最小化。按照這種方式，當(dāng)以電角表示的小齒的開(kāi)角為90度或210度時(shí)，發(fā)生在兩個(gè)邊緣拐角處的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的第三分量被除去，隨后發(fā)生相同的現(xiàn)象。
第三實(shí)施例證明，當(dāng)以電角表示的小齒的開(kāi)角為150度時(shí)齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩最小化?？紤]從150度略微偏移，例如以電角表示的小齒的開(kāi)角為140度或160度時(shí)，發(fā)生在小齒上的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩第三分量的50％被除去。在以電角表示的開(kāi)角為145度或155度時(shí)，第三分量的74％被除去。為了獲得實(shí)際的性能，因此優(yōu)選將開(kāi)角設(shè)定在145度至155度之間，此時(shí)第三分量減小至小于25％。齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的基本分量被這樣幅度地降低，從而齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩被抑制到較低水平。
在下列三種情況下，電動(dòng)機(jī)變成幾乎相等的條件，其中從磁特性方面來(lái)看小齒36的開(kāi)角變小，并且當(dāng)小齒36的開(kāi)角α略大于上述優(yōu)選范圍145度至155度時(shí)(電角種大約5度)，齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩被最小化1.小齒36的外形是與芯體相比具有較小“R”(半徑)的圓形，如圖17B所示；2小齒36的外形是如圖17B所示的倒角形；或者3.芯體種的磁飽和等影響被考慮到小齒36的外形中。
因此，將以電角表示的小齒開(kāi)角設(shè)定在145度與160度之間、85度與100度之間或者205度與220度之間可以產(chǎn)生具有基本齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩周期的半周期的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩，并且齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的絕對(duì)值被抑制到較低水平。
但是，當(dāng)小齒的開(kāi)角被設(shè)定在85度與100度之間時(shí)，小齒與磁體之間的面對(duì)區(qū)域變小，從而有效磁通量的數(shù)量減小。相反，當(dāng)小齒的開(kāi)角被設(shè)定在205度與220度之間時(shí)，開(kāi)角變得大于磁極的寬度。因而非有效磁通量產(chǎn)生，這增加了鐵損。由于這兩個(gè)因素(即降低有效磁通量數(shù)量和增加鐵損)都降低效率，希望將小齒的開(kāi)角設(shè)定在145度與160度之間。
實(shí)施例4上述第三實(shí)施例說(shuō)明了通過(guò)改變小齒開(kāi)角降低齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的方法。在第四實(shí)施例中，著重考慮將小齒的齒距作為降低齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的方法。
圖18A至圖18C說(shuō)明了根據(jù)第四實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的芯體外形。圖19A說(shuō)明了第四實(shí)施例中在芯體3-1處發(fā)生的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的波形。圖19B說(shuō)明了在芯體3-2處發(fā)生的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的波形。圖19C說(shuō)明了在第四實(shí)施例中使用的芯體中發(fā)生的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的波形。
在圖18A中，圓柱形磁體41在其內(nèi)壁交替并均勻地磁化N極和S極，背軛42固定在磁體41的外壁上。芯體43由硅鋼板制成，所述硅鋼板通過(guò)沖壓沖孔并軸向?qū)盈B。芯體43包括6個(gè)彼此等間距的凸極45。線圈(未示出)纏繞在每個(gè)凸極45上。每個(gè)凸極45制成齒狀并在其面對(duì)磁體41的邊緣具有兩個(gè)小齒6，從而總共形成12個(gè)小齒36。
第四實(shí)施例與圖1所示第一實(shí)施例有下列幾點(diǎn)不同圖1(即第一實(shí)施例)所示每個(gè)凸極邊緣上開(kāi)齒的小齒36的齒距被設(shè)定未兩個(gè)磁極的寬度，即電角為360度。在圖18A所示第四實(shí)施例中，以電角表示的小齒46的齒距設(shè)定為330度，比第一實(shí)施例中小。下面將說(shuō)明采用這種外形的原因。
圖18A所示外形通過(guò)將圖18B所示芯體3-1的陰影部分和圖18C所示芯體3-2的陰影部分結(jié)合而形成。圖18B所示芯體3-1的外形與圖1所示第一實(shí)施例的相同，但是以電角表示逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)15度(機(jī)械角度中為1.5度)。圖18C所示芯體3-2的外形也與第一實(shí)施例的相同，但是與芯體3-1相反地以電角表示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)15度(機(jī)械角度中為1.5度)。
下面將參照?qǐng)D19A至圖19C說(shuō)明齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的減小。圖19A所示實(shí)線顯示了在芯體3-1處發(fā)生的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的波形。如在第一實(shí)施例所說(shuō)明的那樣，芯體3-1處的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩每次旋轉(zhuǎn)顯示60次重復(fù)，即每周期以電角表示為60度(機(jī)械角度為6度)，這是因?yàn)?0個(gè)磁極和6個(gè)凸極的最小公倍數(shù)是60。芯體3-1的陰影部分與整個(gè)芯體的一半相對(duì)應(yīng)，因此陰影部分的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩變成一半并且以虛線畫(huà)出圖19A所示波形。
按照相同的方式，圖18C所示芯體3-2的陰影部分處的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩以虛線畫(huà)出圖19B所示波形。圖19A和圖19B所示齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩波形的比較顯示相同的轉(zhuǎn)矩大小、相同的周期和180度中的不同相位。
因此，在第四實(shí)施例中的芯體43處發(fā)生的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩畫(huà)出了波形，其中圖18B所示芯體3-1的陰影部分處的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩與圖18C所示芯體3-2的陰影部分處的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩結(jié)合。因此，圖19A中虛線與圖19B中虛線的結(jié)合轉(zhuǎn)矩畫(huà)出了圖19C所示波形，其中兩個(gè)轉(zhuǎn)矩的第一、第三、第五和向前分離相互抵消。圖19C中的振幅變得小于原始波形，并且周期變?yōu)樵贾芷诘囊话?。結(jié)果，根據(jù)第四實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩可以被抑制到較低水平。
在第四實(shí)施例中，根據(jù)下列方法選擇來(lái)自兩個(gè)芯體外形的陰影部分從凸極中選擇相同數(shù)量的陰影部分和非陰影部分，所述凸極的位置關(guān)系與磁極相互一致。
任何不遵從上述方法的結(jié)合導(dǎo)致不降低齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的結(jié)果，并且失去各個(gè)相的平衡，這有時(shí)會(huì)使電動(dòng)機(jī)的特性退化。
只要遵循上述方法，采用合適的結(jié)合可以得到除了圖18A至圖18C所示之外的其他芯體形狀。根據(jù)第四實(shí)施例的不同無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的各種芯體外形示于圖20A至圖20C、圖21A至圖21C、圖22A至圖22C、圖23A至圖23C、圖24A至圖20D中。
如各圖所示，可以得到各種外形圖20A至圖20C說(shuō)明了齒距以電角表示大于360度的芯體外形，圖21A至圖21C說(shuō)明了齒距大于360度和齒距小于360度交替設(shè)置的芯體外形。圖22A至圖22C說(shuō)明了齒距為360度但凸極齒距變化的芯體外形。圖23A至圖23C說(shuō)明了小齒的開(kāi)角在左、右相差給定角度的芯體外形。也可以得到上述之外的其他外形在上述實(shí)例中，以電角表示相位相差30度的芯體外形可以結(jié)合，但是不必只具有30度的差異，而是可以調(diào)節(jié)±10度，從而基本齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩周期的分量被除去大約70％，這產(chǎn)生了足夠的益處。
上述實(shí)例說(shuō)明了兩個(gè)不同外形的結(jié)合，所述外形的各個(gè)齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩彼此在相位上相差180度。但是，在如圖24A所示每個(gè)凸極設(shè)置三個(gè)小齒的情況下，通過(guò)結(jié)合相位以電角表示彼此相差20度的芯體外形可以減小齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩。
因此可以得出結(jié)論，三相無(wú)刷電動(dòng)機(jī)通?？梢圆捎孟率鼋Y(jié)構(gòu)減小其齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩假設(shè)小齒數(shù)量＝每凸極“n”，彼此偏離(60/“n”度)±10％的基本芯體外形的“n”塊被適當(dāng)結(jié)合。希望小齒的齒距能夠小于如圖18A和圖24A的360度，雖然這在前面沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明。
更一般地，在三相電動(dòng)機(jī)的情況下，假設(shè)一個(gè)凸極上設(shè)置的小齒數(shù)量是“n”，并且以電角表示的小齒的齒距是β則滿足下列方程式可以使相鄰?fù)箻O間具有較大空間，抑制凸極間的磁干擾并改善線圈繞組的工作β＝360-(60/n±10％)在左、右開(kāi)角如圖23A所示相差給定角度的情況下，芯體與磁體之間的磁引力在左、右不同，從而轉(zhuǎn)子總是沿恒定方向被推動(dòng)至軸承。因此，當(dāng)使用允許軸與軸承之間具有間隔的浸油燒結(jié)軸承時(shí)，所述軸的顫動(dòng)可以被抑制并且旋轉(zhuǎn)精度可以得到提高。
上述第三和第四實(shí)施例說(shuō)明了通過(guò)設(shè)計(jì)芯體外形減小齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的方法。如果在第二實(shí)施例中說(shuō)明的傾斜磁化與第三或第四實(shí)施例結(jié)合，還可以進(jìn)一步減小齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩。
在上述第二實(shí)施例中，斜角θ被設(shè)定得與基本齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩周期大體一致。但是，在第三和第四實(shí)施例中，各個(gè)齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的第一分量大體被除去，從而只用一半的斜角就可將齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩減小至滿意的水平。
換言之，假設(shè)磁體磁極數(shù)量為“p”并且磁體凸極數(shù)量為“z”，則斜角θ被設(shè)定得滿足下列方程式，從而減小齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩可以與改善電動(dòng)機(jī)的容積效率相匹配θ＝180/k±10％其中“k”是“p”和“z”的最小公倍數(shù)。
實(shí)施例5圖25A說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的芯體外形。圖25B是沿圖25A中線x-x’和z-z’的截面圖。圖25C是沿圖25A中線y-y’的截面圖。圖25D至圖25E說(shuō)明了圖25A所示無(wú)刷電動(dòng)機(jī)基本芯體外形。圖26是根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的芯體凸極截面圖。
在上述第四實(shí)施例中，重點(diǎn)放在芯體的截面圖上并設(shè)計(jì)出了減小齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的方法。在第五實(shí)施例中，截面外向那個(gè)被沿軸向分開(kāi)，從而減小齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩。
如圖25A-25C所示，芯體3形成有上截面、中截面和下截面。上截面和下截面的芯體外形是相同的，并且如圖25B所示，全部12個(gè)小齒的開(kāi)角以電角表示為150度。中截面的芯體外形在12個(gè)小齒具有以電角表示210度的開(kāi)角。
除了小齒的開(kāi)角，根據(jù)第五實(shí)施例的芯體在凸極上的線圈纏繞部分在上截面和下截面具有寬度“w1”，寬度“w1”比線圈纏繞部分在中截面的寬度“w2”窄。
第五實(shí)施例基本按照與第四實(shí)施例的相同的結(jié)構(gòu)建成。
圖25B所示芯體53的上截面和下截面是通過(guò)結(jié)合圖25D和圖25E所示的芯體3-1和3-2的陰影部分構(gòu)建而成。圖25C所示芯體53的中截面通過(guò)結(jié)合圖25D和圖25E所示的芯體3-1和3-2的陰影部分之外的部分構(gòu)建而成。
另外在芯體53中，關(guān)于凸極的線圈纏繞部分的寬度，上截面和下截面的寬度“w1”根據(jù)小齒的開(kāi)角小于中截面的寬度“w2”。因?yàn)樯辖孛婧拖陆孛婢哂休^小的齒開(kāi)角通過(guò)所述齒的少量磁通量，因此線圈纏繞部分的較窄寬度不會(huì)負(fù)面影響磁特性。
另一方面，這些較窄的線圈纏繞部分產(chǎn)生下列優(yōu)點(diǎn)圖26說(shuō)明了第五實(shí)施例中使用的凸極線圈纏繞部分的截面圖。圖37出于對(duì)比目的說(shuō)明了無(wú)刷電動(dòng)機(jī)第七傳統(tǒng)實(shí)例的凸極線圈纏繞部分的截面圖，其中線圈纏繞部分具有恒定寬度。在圖26所示第五實(shí)施例中，芯體55設(shè)有絕緣膜50并且線圈54纏繞其上。另一方面，在圖37所示第七傳統(tǒng)實(shí)例中，芯體705設(shè)有絕緣膜710并且線圈704纏繞其上。
將圖26的情況與圖37的情況相比較可以證明，圖26的情況比圖37的情況每圈使用較短線圈長(zhǎng)度。因此，當(dāng)纏繞相同直徑的線圈時(shí)，在圖26所示情況中會(huì)出現(xiàn)較低線圈電阻，因此電動(dòng)機(jī)的容積效率增加。另外，線圈54形成五邊形，所述五邊形將施加在芯體邊緣的壓力分配在6個(gè)地點(diǎn)，因此，比圖37所示情況薄的絕緣膜可以保持相同的絕緣能力。較薄的絕緣膜可以使用較多線圈，從而進(jìn)一步增加電動(dòng)機(jī)的容積效率。
第六實(shí)施例圖27A至圖27E是根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)芯體外形的示意圖。
在上述第四和第五實(shí)施例中，芯體通過(guò)將基本芯體外形的相應(yīng)數(shù)量與每凸極小齒數(shù)量“n”相結(jié)合構(gòu)建而成。通過(guò)結(jié)合更多數(shù)量的基本外形可以進(jìn)一步減小齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩，盡管其變得更加復(fù)雜。
如27A所示，在第六實(shí)施例的芯體中，在小齒處以電角表示具有315度齒距的凸極與具有345度齒距的另外凸極交替設(shè)置。這種外形通過(guò)結(jié)合圖27B至圖27E所示四種基本外形而形成。這四種外形以電角表示相位相差15度。
同樣地，將結(jié)合的基本外形的數(shù)量增加，從而在第四或第五實(shí)施例中不能除去的第二分量和向前分量可以被取消，盡管結(jié)構(gòu)變得有些復(fù)雜。結(jié)果，齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩可以被進(jìn)一步減小。
一般地，在三相無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的情況下，假設(shè)每相凸極上設(shè)置的小齒總數(shù)量為“N”，并且芯體沿軸向的截面外形通過(guò)結(jié)合“N”塊基本芯體外形而形成。這些外形彼此變換(電角中為60/“N”度)±10％。這種結(jié)構(gòu)可以提供具有很低齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)。
第七實(shí)施例圖28A至圖28D是根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)芯體外形的示意圖。在第七實(shí)施例中，將第三實(shí)施例中說(shuō)明的設(shè)定小齒開(kāi)角的方法與第四和第五實(shí)施例中說(shuō)明的結(jié)合多個(gè)基本芯體外形的方法結(jié)合起來(lái)。這種結(jié)合的方法可以進(jìn)一步降低齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩。
圖28A說(shuō)明了第七實(shí)施例的芯體外形。如圖28A所示，第七實(shí)施例的芯體73具有各個(gè)凸極75形成齒狀的外形并每極設(shè)有三個(gè)小齒。每個(gè)小齒76具有電角中為350度的齒距，并且具有電角中為150度的開(kāi)角。
這種外形通過(guò)結(jié)合如圖28B至28D所示三個(gè)芯體外形的陰影部分而形成，所述三個(gè)芯體外形的相位以電角表示彼此變換10度。在三個(gè)芯體3-1、3-2和3-3的這些外形中，小齒的開(kāi)角被設(shè)定為以電角表示150度。
下面參照?qǐng)D29A至圖29D說(shuō)明第七實(shí)施例的芯體73中齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的減小。三個(gè)芯體3-1、3-2和3-3的外形在凸極最初具有150度的開(kāi)角。因此，如圖29A至圖29C中的實(shí)線所示，具有基本齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩周期的半周期(電角中30度的周期)的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。所述齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩還具有較低絕對(duì)值。
這三個(gè)芯體外形以電角表示相互變換10度相位，并且第七實(shí)施例的芯體外形通過(guò)結(jié)合1/3每個(gè)這些外形而形成。因此，通過(guò)這種芯體外形產(chǎn)生的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩彼此抵消，從而齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的振幅變得基本上與圖29D所示一樣小，并且周期變得小于原始波形的1/3。
在第三實(shí)施例中采用了最初具有小的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩和所述齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的短周期的芯體外形。第七實(shí)施例采用了這種芯體外形作為基本外形，并且在第四和第五實(shí)施例中采用的半角度變換芯體外形與之結(jié)合，從而所述齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩可以被極大地降低。
通常，三相無(wú)刷電動(dòng)機(jī)優(yōu)選如下構(gòu)造設(shè)置在一個(gè)凸極上的小齒數(shù)量＝“n”；沿軸向的芯體截面外形在設(shè)置在每個(gè)凸極上的小齒處具有以電角表示145-160度的開(kāi)角，并且這種芯體外形用作基本外形；并且“n”塊基本芯體外形被結(jié)合并沿旋轉(zhuǎn)方向相互變換(30/“n”度)±10％以形成芯體外形。
另外如圖28A所示，小齒的齒距被設(shè)定為以電角表示小于360度。通常，設(shè)置在一個(gè)凸極上的小齒數(shù)量＝“n”，小齒的齒距＝電角中的β度，并且設(shè)定β滿足下列方程式。則相鄰?fù)箻O之間的空間可以較大，凸極之間的磁干擾可以得到抑制，并且繞組線圈的工作可以有效進(jìn)行θ＝360-(30/n±10％)根據(jù)第一至第七實(shí)施例，電動(dòng)機(jī)的容積效率可以超過(guò)兩倍，并且能夠提供保持相同特性的體積縮小的電動(dòng)機(jī)。如果尺寸保持與傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)相同，則輸出可以極大地增加，因此使用這種電動(dòng)機(jī)的裝置可以改善其性能。
第八實(shí)施例圖30是根據(jù)本發(fā)明第八實(shí)施例的各種裝置的示意圖。在圖30中，裝置801包括下列元件外殼802；安裝在外殼802上的電動(dòng)機(jī)807；用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)807的驅(qū)動(dòng)器805；用于為驅(qū)動(dòng)器805提供動(dòng)力的電源808；和將由電動(dòng)機(jī)807驅(qū)動(dòng)的負(fù)載809，例如機(jī)械部分。
電動(dòng)機(jī)807和驅(qū)動(dòng)器805形成電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置803。在裝置801中，電源808通過(guò)驅(qū)動(dòng)器805驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)807，并且旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩通過(guò)電動(dòng)機(jī)807的輸出軸傳輸至負(fù)載809。根據(jù)第一至第七實(shí)施例的任何電動(dòng)機(jī)都可以用作電動(dòng)機(jī)807。
下面將說(shuō)明根據(jù)第八實(shí)施例的數(shù)個(gè)裝置。首先，本發(fā)明的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)用于信息終端、便攜式微型光盤(pán)播放器等之中，從而這些裝置體積縮小并且重量減輕。這是因?yàn)樗鲭妱?dòng)機(jī)變得更小更輕，而且保持與傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)一樣的性能。
在辦公自動(dòng)化設(shè)備、家用器具等中采用本發(fā)明的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源能夠使這些裝置和器具以高速運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)在不增大體積的情況下執(zhí)行更多功能。
更明確而言，在光學(xué)介質(zhì)裝置中，本發(fā)明的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)例如可以用作主軸電動(dòng)機(jī)，所述主軸電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)CD-ROM盤(pán)、DVD、光盤(pán)或者微型光盤(pán)等。采用這種無(wú)刷電動(dòng)機(jī)可以使這些裝置體積減小，重量降低。
本發(fā)明的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)可以用于辦公自動(dòng)化設(shè)備中，例如它可以用作鼓形電動(dòng)機(jī)，所述鼓形電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)復(fù)印機(jī)的光電導(dǎo)體鼓。本發(fā)明的復(fù)印機(jī)從而可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)并執(zhí)行更多功能。在激光束印刷機(jī)的情況下，本發(fā)明的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)可以用作激光掃描用的多角鏡掃描器電機(jī)。這種使用方式使打印機(jī)更精確和高速地進(jìn)行打印。在硬盤(pán)裝置的情況下，本發(fā)明的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)例如可以用作旋轉(zhuǎn)硬盤(pán)的主軸電動(dòng)機(jī)。這種應(yīng)用使這些硬盤(pán)裝置以高速讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)。
在家用器具中采用本發(fā)明的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，例如在空調(diào)器的室內(nèi)單元或者室外單元中裝備的送風(fēng)機(jī)的風(fēng)扇電機(jī)中，可以使空調(diào)器改善其性能。這是因?yàn)榕c傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)體積和重量相同的這種電動(dòng)機(jī)可以輸出更大功率。
在用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)接頭的執(zhí)行器中采用本發(fā)明的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)可以改善工業(yè)機(jī)器人的反應(yīng)，這是因?yàn)榕c傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)體積和重量相同的這種電動(dòng)機(jī)可以輸出更大功率。這種應(yīng)用因而可以改善機(jī)器人(例如兩足行走機(jī)器人)離接近人類(lèi)的機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)，并且這種機(jī)器人能夠進(jìn)行更復(fù)雜的行為，例如跑、跳或者投。
本發(fā)明的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)還可以用作驅(qū)動(dòng)車(chē)輛輪子的電動(dòng)機(jī)，所述車(chē)輛可以是燃料電池驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛或者電動(dòng)車(chē)輛，因此具有相同特性的電動(dòng)機(jī)可以減小體積和重量。結(jié)果，這些車(chē)輛本身的重量可以減輕，這使其活動(dòng)性能或者燃油里程得到改善。由于所述電動(dòng)機(jī)雖然具有緊湊的機(jī)體但可以輸出足夠能量，它適于用作輪內(nèi)(in-wheel)電機(jī)(容納在輪子內(nèi)的電機(jī))。
上述例證性實(shí)施例證明，本發(fā)明極大地改善了電動(dòng)機(jī)的容積效率，并且在保持傳統(tǒng)特性的條件下使電動(dòng)機(jī)體積縮小，或者在保持傳統(tǒng)體積的情況下提高電動(dòng)機(jī)輸出的效率。
在裝置中采用這種電動(dòng)機(jī)可以使這些裝置體積縮小并執(zhí)行更多功能。
工業(yè)適用性本發(fā)明極大地改善了電動(dòng)機(jī)的容積效率，并且在保持傳統(tǒng)特性的條件下使電動(dòng)機(jī)體積縮小，或者在保持傳統(tǒng)體積的情況下提高電動(dòng)機(jī)輸出的效率。在裝置中采用這種電動(dòng)機(jī)可以使這些裝置體積縮小并執(zhí)行更多功能。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，包括具有磁體的轉(zhuǎn)子，所述磁體沿旋轉(zhuǎn)方向交替磁化N極和S極；以及具有多個(gè)纏繞了線圈的凸極的芯體，所述芯體沿徑向面對(duì)所述磁體，其中小齒設(shè)置在凸極面對(duì)所述磁體的截面上，所述小齒具有大體與磁體兩個(gè)極相對(duì)應(yīng)的齒距，并且其中所述轉(zhuǎn)子通過(guò)響應(yīng)于轉(zhuǎn)子位置給線圈加電而被驅(qū)動(dòng)以便旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述磁體具有不小于10MGOe的最大能積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)是三相無(wú)刷電動(dòng)機(jī)并且滿足方程式P＝(2n-2/3)z，其中“P”表示磁體磁極的數(shù)量；“z”表示芯體凸極的數(shù)量；“n”表示設(shè)置在其中一個(gè)凸極上的小齒的數(shù)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)是三相電動(dòng)機(jī)并且所述芯體具有6個(gè)凸極或9個(gè)凸極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述磁體在其與所述芯體相對(duì)一側(cè)具有背軛。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述背軛通過(guò)沿軸向?qū)訅罕“逍纬?，所述薄板由具有高?dǎo)磁率的軟磁材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述薄板是鋼板，所述鋼板包括硅含量為2-6.5％質(zhì)量比的磁性材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述背軛通過(guò)利用絕緣材料使高滲透性磁性材料粉末凝固形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，與所述磁體相對(duì)應(yīng)的部分由具有兩層的磁性主體形成，一層由永磁體部分構(gòu)成，所述永磁體部分通過(guò)利用樹(shù)脂將高滲透性永磁材料粉末凝固制成，另一層由背軛制成，所述背軛通過(guò)利用樹(shù)脂將高滲透性軟磁材料粉末凝固制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，與所述磁體和所述背軛相對(duì)應(yīng)的部分由磁性主體形成，所述磁性主體通過(guò)將多個(gè)永磁體粘合在所述背軛面對(duì)所述芯體的側(cè)面上制成。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述磁性主體中的所述多個(gè)永磁體被提前磁化，并通過(guò)組裝各個(gè)被分開(kāi)的磁極而形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，與所述磁體相對(duì)應(yīng)的部分由具有內(nèi)部永磁體結(jié)構(gòu)的磁性主體形成，所述結(jié)構(gòu)通過(guò)將所述多個(gè)永磁體插入背軛而形成，所述背軛由沿軸向?qū)訅旱母邼B透性軟磁性薄板制成。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述磁體以預(yù)定角度傾斜磁化。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，方程式θ＝(360/k)±10％得到滿足，其中“k”是“p”和“z”的最小公倍數(shù)；“p”表示磁體磁極的數(shù)量；“z”表示芯體凸極的數(shù)量；“θ”表示旋轉(zhuǎn)中心的斜角。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)是三相無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，并且以電角表示的小齒的開(kāi)角處于145度至160度的范圍內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)是三相無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，并且所述芯體沿軸線的截面外形是通過(guò)結(jié)合“n”塊基本芯體外形而形成，所述“n”塊基本芯體外形沿旋轉(zhuǎn)方向相互移動(dòng)(60/n)度±10％，其中“n”表示每凸極的小齒數(shù)量。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，方程式β＝360-(60/n±10％)得到滿足，其中β表示以電角表示的小齒的齒距。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述小齒的開(kāi)角左、右不同，并且以電角表示的角度差為60度±10％。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，方程式θ＝(180/k)±10％得到滿足，其中“θ”表示在旋轉(zhuǎn)中心到所述磁體的斜角；“k”是“p”和“z”的最小公倍數(shù)；“p”表示磁體磁極的數(shù)量；“z”表示芯體凸極的數(shù)量。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)是三相無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，所述芯體沿軸向的截面外形是通過(guò)結(jié)合沿旋轉(zhuǎn)方向彼此移動(dòng)(60/N)度±10％的“N”塊基本芯體外形形成的，其中“N”表示設(shè)置在每相凸極上的小齒數(shù)量。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)是三相無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，所述芯體沿軸向的截面外形是通過(guò)結(jié)合沿旋轉(zhuǎn)方向彼此移動(dòng)(30/n度)±10％的“n”塊基本芯體外形形成的，其中每一個(gè)基本芯體外形在設(shè)置在每一個(gè)凸極上的小齒處具有144至160度的開(kāi)角，其中“n”表示每凸極的小齒數(shù)量，“度”以電角表示。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其特征在于，方程式β＝360-(30/n±10％)得到滿足，其中β表示以電角表示的小齒的齒距。
23.一種包括如權(quán)利要求1至22其中一項(xiàng)所述的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的裝置。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于所述裝置是便攜式信息裝置。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于所述裝置是影音裝置。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于所述裝置是光學(xué)介質(zhì)裝置。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于所述裝置是辦公自動(dòng)化裝置。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于所述裝置是家用器具。
29.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于所述裝置是機(jī)器人。
30.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于所述裝置是車(chē)輛。
全文摘要
一種無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，包括具有磁體的轉(zhuǎn)子，所述磁體沿旋轉(zhuǎn)方向交替磁化N極和S極；以及具有多個(gè)纏繞了線圈的凸極的芯體。所述芯體面對(duì)所述磁體以形成磁路。每個(gè)凸極形成齒狀并在面對(duì)磁體的邊緣設(shè)有小齒。所述小齒具有與磁體兩個(gè)磁極相對(duì)應(yīng)的齒距。響應(yīng)于轉(zhuǎn)子位置給線圈加電驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。這種結(jié)構(gòu)極大地增加了電動(dòng)機(jī)的容積效率。
文檔編號(hào)H02K37/12GK1537354SQ0281515
公開(kāi)日2004年10月13日 申請(qǐng)日期2002年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月8日
發(fā)明者藤中廣康 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社