專利名稱：永磁體電動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種永磁體電動機，特別涉及一種要求低成本且高效率的空調器等中對送風機進行驅動的永磁體電動機。
背景技術：
當前，在冷卻能力小于或等于7kw的空調器(所謂家庭用室內空調器)中對送風機進行驅動的電動機中，一般使用永磁體電動機，其具有定子，其在形成于圓環(huán)狀的定子鐵心的磁軛部的內周上的12根齒部上，經由作為絕緣材料的絕緣體，纏繞繞線，將繞線收容在設置于所述齒部兩側的與齒部相同數量的槽中；以及轉子，其在中心處安裝旋轉軸，在外周部設有由8極磁極組成的永磁體(例如，參照專利文獻1)。另外，由于家庭用室內空調器內的電動機設置空間的原因，在定子中，定子鐵心的外徑構成為90mm左右。在該家庭用室內空調器等空調器中驅動送風機的電動機的轉子中，已知使用以氧化鐵為主要成分的鐵氧體磁體作為磁性材料，但強烈要求更加高效化。與該要求相對應，使用稀土類磁體進行應對，該稀土類磁體是利用與鐵氧體磁體相比磁通密度較高的稀土類元素即釹(Nd)和釤(Sm)而成的。專利文獻1 日本國特開2003-125569號公報(第4頁32至38行、圖5)。

發(fā)明內容
但是，稀土類磁體與鐵氧體磁體相比昂貴。由此，在使用稀土類磁體作為磁性材料的情況下，存在電動機成本較高的問題點。由此，本發(fā)明是鑒于上述問題點而提出的，其目的在于提供一種低成本且高效率的永磁體電動機。本發(fā)明是為了實現上述目的而提出的，技術方案1所述的發(fā)明為一種永磁體電動機，其特征在于，具有定子，其由定子鐵心和絕緣體構成，該定子鐵心具有圓環(huán)狀的磁軛部、從該磁軛部的內周以放射狀延伸的多個齒部、和位于該齒部的周向兩側并對卷繞在所述齒部上的繞線進行收容的多個槽，該絕緣體將該轉子鐵心和所述繞線絕緣；以及轉子，其在中心處安裝旋轉軸，且在外周部設有永磁體，其特征在于，所述定子鐵心的槽數為18，并且所述轉子的永磁體由鐵氧體磁體形成，該永磁體的磁極數為12。另外，其可驅動的范圍為，扭矩小于或等于INm，且轉速小于或等于2000rpm，在將所述永磁體電動機的扭矩設為T，轉速設為N，所述定子鐵心的旋轉軸方向的長度設為L時，T 彡 7. 68 X l(T6NL+2. 40 X 1(T3L。并且，技術方案1或者2中所述的永磁體電動機的特征在于，所述永磁體是將鐵氧體磁性體混入樹脂材料中而形成的鐵氧體結合磁體，磁場取向為極異方性取向。發(fā)明的效果根據本發(fā)明，通過將使轉子的永磁體為鐵氧體磁體的永磁體電動機，形成為18槽 12極，而可以得到低成本且高效率的永磁體電動機。


圖1是作為本發(fā)明的一個實施方式而示出的永磁體電動機的中央縱向剖面圖。圖2是表示該電動機的定子鐵心和轉子的一個實施例的主視圖。圖3是圖2所示的定子鐵心和轉子的斜視圖。圖4是表示該電動機的定子鐵心和轉子的其它實施例的主視圖。圖5是圖4所示的定子鐵心和轉子的斜視圖。圖6是使用了 12槽的定子鐵心的永磁體電動機的說明圖。圖7是使用了 M槽的定子鐵心的永磁體電動機的說明圖。圖8是說明電動機的繞線方式和繞線阻抗的關系的圖。圖9是用于比較風機的轉速-扭矩特性的圖，是在各個表中示出不同電動機的動作點和在該動作點處的扭矩的圖。圖10是用于比較風機的轉速-扭矩特性的圖，是在各個圖表中示出不同電動機的動作點和在該動作點處的扭矩的圖。圖11是改變電動機A的槽個數并示出的在各動作點處的效率特性、損耗特性和相電流的圖。圖12是改變電動機B的槽個數并示出的在各動作點處的效率特性、損耗特性和相電流的圖。圖13是改變電動機C的槽個數并示出的在各動作點處的效率特性、損耗特性和相電流的圖。圖14是表示電動機A的有效范圍特性的圖。圖15是表示電動機B的有效范圍特性的圖。圖16是表示電動機C的有效范圍特性的圖。圖17是比較并示出在電動機A的轉子中分別使用鐵氧體結合磁體和鐵氧體燒結磁體的情況下得到的轉速-效率特性的圖。圖18是比較并示出在電動機A的轉子中分別使用鐵氧體結合磁體和鐵氧體燒結磁體的情況下得到的轉速-損失特性的圖。圖19是比較并示出在電動機B的轉子中分別使用鐵氧體結合磁體和鐵氧體燒結磁體的情況下得到的轉速-損失特性的圖。圖20是比較在電動機B的轉子中分別使用鐵氧體結合磁體和鐵氧體燒結磁體的情況下得到的轉速-損失特性并示出的圖。
具體實施例方式下面，參照附圖，詳細地說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。另外，對于各實施方式的說明，對于相同的要素標注相同標號，進行說明。圖1至圖3表示本發(fā)明所涉及的永磁體電動機的一個實施方式，圖1是該電動機的中央縱向剖面圖，圖2是該電動機的定子鐵心和轉子的主視圖，圖3是該定子鐵心和轉子的斜視圖。在這些圖中，永磁體電動機10具有旋轉軸11，其設置在中心部；轉子12，其與該旋轉軸11 一體地形成，并與該旋轉軸11 一體旋轉；以及定子13，在其與該轉子12之間具有規(guī)定的空隙(間隙)，與該轉子12在徑向上相對配置。另外，本例中的永磁體電動機10，以分別具有一臺室內機和室外機的家庭用室內空調器的驅動送風機的電動機作為一個例子， 在室內機的使用中，在旋轉軸11上安裝橫流式風機，在室外機的使用中，在旋轉軸11上安裝螺旋槳式風機。如圖1所示，所述定子13除了與所述轉子12的徑向相對面(齒前端面191)以外， 被由模制成型用樹脂形成的圓筒狀殼體14覆蓋。在該殼體14的左右兩側的內徑側分別保持軸承16、16。配置在該殼體14的內徑側的旋轉軸11，由所述1對軸承16、16可旋轉地軸支撐。另外，對永磁體電動機10的運轉進行控制的電路基板15，配置在殼體14的旋轉軸方向的一端面?zhèn)?圖1的右側端面)，在安裝面上除了安裝控制向繞線的通電的控制部151、 和未圖示的檢測轉子12的旋轉位置的位置檢測傳感器以外，還安裝有各種電子部件。所述定子13如圖2以及圖3所示，具有定子鐵心17，其等間隔地設有從環(huán)狀的磁軛部18的內周向中心延伸的18個齒部19，并且，在分別形成于各齒部19的兩側的槽20以及定子鐵心17的轉軸方向的兩端面上，如圖1所示安裝絕緣體21，經由該絕緣體21，在所述槽20中安裝3相繞線22。即，本例中的定子13成為在槽數為18的定子鐵心17的槽20 中收容有3相繞線22的結構。另外，定子鐵心17是將一體設有所述磁軛部18、所述齒部 19以及所述槽20而沖壓得到的鋼板層疊多片而成的，如圖1所示，層疊該鋼板的厚度(以下稱為“層厚”)由L表示。另一方面，與所述定子13的內周部相對配置的所述轉子12，由與所述旋轉軸11接合的圓筒狀的接合部12a、從該接合部1 的外周面向徑方向突出的圓板狀的支撐部12b、 以及從該支撐部12b的徑方向端部向軸方向延伸的圓筒狀的充磁部12c組成。該充磁部 12c的12個磁極被充磁，以在周方向上交互配置N極和S極磁極。另外，所述轉子12，通過將混入粉末狀的鐵氧體磁性體的樹脂材料與旋轉軸11 一體成型而成。在該成型時，通過對充磁部12c從外部施加磁場，從而使易磁化軸(容易磁化的方向)的取向為極異方性(圖2中以虛線表示的方向)。然后，將所述充磁部12c向所述取向方向充磁，形成鐵氧體結合磁體。另外，在本實施例中，將鐵氧體結合磁體與旋轉軸 11 一體成型，但本發(fā)明不限于此。例如，鐵氧體結合磁體也可以與旋轉軸分別成型后進行壓入。如上所述構成的永磁體電動機10，通過與利用未圖示的位置檢測傳感器檢測出的轉子12的旋轉位置相對應，由控制部151控制向繞線22的通電，在定子10中產生旋轉磁場，從而可以使轉子12與旋轉軸11 一起旋轉。另外，圖2以及圖3所示的轉子2，說明了使用在樹脂材料中混入鐵氧體磁性體而成的鐵氧體結合磁體的情況，但也可以使用在模具內將粉末狀的鐵氧體磁性體燒固而成的鐵氧體燒結磁體。在該情況下，例如如圖4以及圖5所示，與旋轉軸11嵌合的轉子12的嵌合支撐部23利用層疊鋼板等形成筒狀，在該嵌合支撐部23的外周面上，以等間隔配置鐵氧體燒結磁體單元對，其被分成12個，剖面大致為圓弧狀，成為使用將上述鐵氧體燒結磁鐵單元M作為充磁部而形成的轉子12的結構。在該情況下，配置在嵌合支撐部23的外周面上的鐵氧體燒結磁鐵單元M，在徑方向(圖4中以虛線表示的方向)上被充磁，且相鄰的鐵氧體燒結磁鐵單元交互配置為N、S極，即設置為相反磁極。
如上所述，由鐵氧體磁體構成的永磁體電動機10，與利用稀土類磁體的情況相比成本較低。并且，如以下詳細所述，通過使該電動機的槽數和極數成為18槽12極，可以得到高效率的電動機。為了確認該永磁體電動機10的作用 效果，進行以下的驗證試驗1至4。在驗證試驗中，在使定子鐵心的外徑為89mm，使轉子的永磁體為鐵氧體結合磁體的永磁體電動機中，使用定子鐵心的層厚L不同的3種電動機(電動機A、電動機B、電動機 C)。定子鐵心的層厚L越大，永磁體電動機越可以以較高的扭矩動作。另外，轉子的充磁部 12c的軸向長度HM也與定子鐵心的層厚L對應地變化。電動機A…L =10.5mm >HM =23.Omm
電動機L =13.5mm >HM =25.Omm
電動機O··L =18.5mm >HM =31.Imm在上述3種電動機中，分別對于槽數和極數形成為如圖2至圖5所示的18槽12 極(18S)的情況、如圖6所示的12槽8極(12S)的情況、如圖7所示為M槽18極(MS) 的情況進行以下驗證。(驗證試驗1)在本試驗中，驗證槽數和繞線阻抗之間的關系。圖8表示在所述電動機A、電動機 B、電動機C的槽數和極數為12槽18極(12S)、18槽12極(18S)、24槽16極Q4S)時的定子的繞線方式(匝數、線徑和繞線阻抗)。使感應電壓相等(每1相的繞線的總匝數相等)，以使得即使槽數和極數變化，永磁體電動機的可驅動范圍(永磁體電動機可驅動的扭矩-轉速的范圍)也相等。根據該驗證試驗1的結果得知，對于各電動機A、B、C，隨著槽數從12槽增加至18 槽、M槽，每1相的繞線阻抗均下降。(驗證試驗2)在本試驗中，對電動機A、電動機B、電動機C的槽數和極數以12槽8極(12S)、18 槽12極(18 ,24槽16極( 變化時的電動機效率進行對比試驗。圖9以及圖10表示所述電動機A、B、C的本試驗中的動作點(轉速以及扭矩)。該動作點是安裝在電動機的旋轉軸上的送風機的轉速-扭矩特性曲線(所述電動機的動作范圍)上的點。家庭用室內空調器的送風機，一般地從送風量較多的順序開始，以強風模式、中風模式、弱風模式這3種模式進行運轉。圖9、圖10所示的3點的動作點與該3種模式相對應。在這里，送風機的轉速-扭矩特性曲線由以下公式(1)表示所示，繪出扭矩T與轉速N的平方成正比的二次曲線。T = kN2 …(1)在這里，k是由送風機的種類而決定的風機常數。風機常數k由橫流式風機、螺旋槳式風機等送風機的形狀和大小決定。在本驗證試驗中，風機常數分別為ka、!A、kC的三種送風機分別安裝在電動機A、電動機B、電動機C上，對在槽數和極數變化的情況下的各電動機的效率進行檢驗。另外，安裝在電動機A上的送風機為在室內機中使用的橫流式風機，風機常數ka為1.07X10_7。另外，安裝在電動機B和電動機C上的送風機均為在室外機中使用的螺旋槳式風機，風機常數1Λ為4. 41X10_7，kc為4. 87X10—7。S卩，從圖10可知，將安裝具有風機常數kc的送風機的電動機C的動作點設定為較高扭矩的動作點。其原因在于，電動機C的定子鐵心的層厚L較厚，可以在高扭矩下驅動，搭載有該電動機C的空調器為節(jié)省能源型空調器。圖11是使所述電動機A的槽數和極數為12槽8極(12S)、18槽12極(18S) ,24 槽18極Q4S)，在圖9以及圖10所示的各動作點處動作，并在圖表中示出分別得到的(a) 效率特性、(b)損耗特性、(c)相電流的試驗結果。在這里，如果將向電動機的接通電力設為Pin，將從電動機的輸出(工作效率)設為Pout，則由(Pout/Pin)求出位于效率特性的縱軸上的效率Π。電動機的損耗E(鐵損和銅損的和)越大，該效率η越惡化。圖12是使所述電動機B與所述電動機A同樣地為12S、18S、MS，在9以及圖10所示的各動作點處動作，并在圖表中示出分別得到的(a)效率特性、(b)損耗特性、(c)相電流的試驗結果。圖13是所述電動機C與所述電動機A同樣地形成為12S、18S、MS，在9以及圖10 所示的各動作點處動作，并在圖表中示出分別得到的(a)效率特性、(b)損耗特性、(c)相電流的試驗結果。如圖11 (a)、圖12 (a)、圖13(a)所示，該驗證試驗2的結果示出所述電動機A、B、C 均在18槽12極(18S)的情況下效率最高。這是由于在圖11(b)的損耗特性、圖12(b)的損耗特性、圖13(b)的損耗特性中分別示出的鐵損和銅損的變化而導致的。在這里，銅損與相電流2X阻抗(每1相的阻抗)成正比。另外，如圖8所示，如果槽數增加，則相阻抗變小，從圖11 (C)、圖12 (C)、圖13(c)中可知，相電流大致一定。由此， 如果槽數增加，則銅損減少。另一方面，鐵損為與極數的平方成正比的項、和與極數的一次方成正比的項的和。因此，如果極數增加，則鐵損增加。在圖9以及圖10所示的各動作點中，該銅損和鐵損的和為最小的是18槽12極(18S)。由此，從該驗證試驗2的結果即圖11 至圖13中可知，18槽12極的電動機效率最高。(驗證試驗3)在本試驗中，驗證在可以驅動定子鐵心的外徑形成為90mm左右的永磁體電動機的范圍中，18槽12極的電動機成為高效率的范圍、和定子鐵心的層厚L之間的關系。一般地，定子鐵心的外徑以90mm左右形成的永磁體電動機可驅動的范圍，是輸出扭矩T小于或等于INm，轉速N小于或等于2000rpm的范圍。圖14是表示在電動機A為18槽12極(18S) 的情況和為12槽8極(12S)的情況下，計算電動機A的效率并比較的結果，表示在18S的情況下效率較高的范圍、和在12S的情況下效率較高的范圍的圖。圖15、圖16表示在電動機B、電動機C中，分別與圖14同樣地，對電動機的效率進行計算并比較的結果，表示在18S 的情況下效率較高的范圍、和在12S的情況下效率較高的范圍。另外，由于在定子鐵心的外徑為90mm左右的電動機的情況下，在定子鐵心的制造上難以將槽數形成為大于18，所以在這里對于18槽12極電動機18S和12槽8極電動機12S進行驗證試驗。在驗證試驗中，在定子鐵心的外徑以90mm左右形成的永磁體電動機的可動作范圍(輸出扭矩T小于或等于INm，轉數N小于或等于2000rpm)內，引出分別將轉數N和扭矩 T分成80份的縱軸和橫軸，將該交點上的點作為動作點，求出電動機的效率。驗證試驗3的結果如圖14至圖16所示，以臺階狀的邊界線E為界(包含邊界線 E)，在上側的動作點中，表示與12槽8極(12S)相比18槽12極(18S)的電動機效率較高。 另一方面，在與邊界線E相比下側的范圍內，表示12槽8極(12S)效率較高。邊界線E如圖14至圖16所示可知，從電動機A至電動機C，邊界線E的斜率和轉數為零處的扭矩值逐漸變大。在這里。從電動機A至電動機C，著眼于定子鐵心的層厚L逐漸變大的情況，研究邊界線E和定子鐵心的層厚L的關系。如果將邊界線E上的動作點中，朝向高扭矩側突出的凸部頂點連結的直線設為T (N)，則得知T(N)和定子鐵心層厚L (單位為厘米)具有以下關系。T (N) = 7. 68 X l(T6NL+2. 40 X 1(T3L... (2)如上所述，由于T(N)是將邊界線E上的動作點中的朝向高扭矩側突出的凸部頂點連結而成的，所以在大于或等于直線T(N)的動作點處，18S的電動機顯示出較高的效率。 由于該直線T(N)與定子鐵心的層厚L成正比，所以可知在定子鐵心的層厚L較大的電動機中，在18S的情況下，高效率的范圍出現在高扭矩側。另一方面，可知在層厚L較小的電動機中，在形成為18槽12極的情況下，顯示出較高效率的范圍較寬，而且在低扭矩側也出現高效率。即，在驗證試驗2中，對于各電動機A、B、C，在圖9示出的3個動作點中效率最高的槽數和極數為18槽12極(18S)，但該圖9示出的3個動作點均落在圖14至圖16示出的 18S的范圍內。由此，本驗證試驗3的結果也與驗證試驗2的結果一致。另外，該動作點根據送風機的形狀和大小(風機常數)而變化，但在空調器中使用的風機常數大概接近在驗證試驗2中使用的風機常數的值(在室內機中接近1. OX 10_7在室外機中4接近4. OX 10_7)。 由此，在定子鐵心的外徑為90mm左右且利用鐵氧體磁體的永磁體電動機作為家庭用室內空調器的送風機的驅動源而使用的情況下，18槽12極這一種得到較高的效率。(驗證試驗4)在本試驗中，在形成為18槽12極(18S)的電動機A、電動機B中，在使轉子的永磁體的種類為鐵氧體結合磁體的情況、和形成為鐵氧體燒結磁體的情況下，對效率特性和損耗特性如何變化進行檢驗。圖17以及圖18是表示電動機A的驗證結果的圖表。圖19是表示電動機B的驗證結果的圖表。首先，在本實施方式的永磁體電動機10中，為了實現低成本，利用以氧化鐵為主要成分的鐵氧體磁體作為永磁體的磁性材料。在該鐵氧體磁體中，存在鐵氧體結合磁體和鐵氧體燒結磁鐵這兩種，一般地，鐵氧體燒結磁體與鐵氧體結合磁體相比，具有大約1. 5倍的高磁通密度。由此，預想利用磁通密度較高的永磁體，可以提高電動機的效率。實際上， 在對形成為12槽8極的電動機A、電動機B驗證時，利用磁通密度較高的鐵氧體燒結磁體與利用鐵氧體結合磁體的情況相比，沒有提高效率。但是，在形成為18槽12極的情況下，卻得到與該預想相反的結果。即，在利用圖17以及圖19的比較中，在電動機A、電動機B中，與鐵氧體燒結磁體相比，鐵氧體結合磁體示出了較高的效率。其原因在于如下所述，定子鐵心的外徑為90mm左右。由于在定子鐵心17的外徑被限制的情況下，轉子12的外徑也被限制，所以轉子12的外徑表面積無法擴大。因此，即使轉子的極數從8極(12 增加至12極(18S)，轉子12的總磁通也不變。另一方面，在相鄰的永磁體間(極間)的磁通存在泄漏的情況下，泄漏磁通與極數增加相應地增加。在這里，軸異方性取向的鐵氧體燒結磁體與極異方性取向的鐵氧體結合磁體相比，極間的泄漏磁通較大。由于該極間的泄漏磁通，在定子鐵心17的外徑為90mm左右的電動機的情況下，如果極數為12極，則利用磁通密度較小的鐵氧體結合磁體側的電動機的效率較高。由此，可知在定子鐵心的外徑為90mm左右的永磁體電動機的情況下，如果槽數和極數形成為18槽12極(18 ，則作為永磁體的取向，與軸異方性取向相比，極異方性取向更佳。 以上，詳述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但本發(fā)明不限于上述實施方式，在技術方案的范圍內所述的本發(fā)明主旨的范圍內，可以進行各種變形以及變更。
權利要求
1.一種永磁體電動機，其具有定子，其由定子鐵心和絕緣體構成，該定子鐵心具有圓環(huán)狀的磁軛部、從該磁軛部的內周以放射狀延伸的多個齒部、和位于該齒部的周向兩側并對卷繞在所述齒部上的繞線進行收容的多個槽，該絕緣體將該轉子鐵心和所述繞線絕緣； 以及轉子，其在中心處安裝旋轉軸，且在外周部設有永磁體，其特征在于，所述定子鐵心的槽數為18，并且所述轉子的永磁體由鐵氧體磁體形成，該永磁體的磁極數為12。
2.根據權利要求1所述的永磁體電動機，其特征在于，其可驅動的范圍為，扭矩小于或等于INm，且轉速小于或等于2000rpm，在將所述永磁體電動機的扭矩設為T，轉速設為N，所述定子鐵心的旋轉軸方向的長度設為L時，T 彡 7. 68X l(T6NL+2. 40 X IO-3L0
3.根據權利要求1或者2所述的永磁體電動機，其特征在于，所述永磁體是將鐵氧體磁性體混入樹脂材料中而形成的鐵氧體結合磁體，磁場取向為極異方性取向。
全文摘要
本發(fā)明提供一種永磁體電動機，其實現低成本及高效率。該永磁體電動機具有定子，其是將繞線卷繞安裝在設置于多個齒部(19)兩側的槽(20)上而成的，該多個齒部(19)形成在定子鐵心(17)的磁軛部(18)的內周處；以及轉子(12)，其是在中心處安裝旋轉軸，并且是在外周部設置永磁體而成的，在該永磁體電動機中，定子由18槽3相繞線而形成，轉子(12)的永磁體為12極且由鐵氧體磁體形成而成。
文檔編號H02K15/03GK102208856SQ201110084358
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月31日 優(yōu)先權日2010年3月31日
發(fā)明者濱野拓也, 片桐紳一郎, 田邊洋一, 藤岡琢志, 鈴木慎悟 申請人:富士通將軍股份有限公司