专利名称：单相电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种单相电动机。
背景技术：
单相电动机与多相电动机相比，由于其结构简单，一般成本较低。因此，单相电动机一直用于追求低成本化的电气机械中。作为其代表示例，在JP-A-11-332193中公开有两相DC无刷电动机。在该示例中，通过划分逐步增加定子铁芯的外径的部分和大致恒定的部分，使感应电压的前半为正弦波，后半为矩形波，成功地在一定限度上减少了转矩脉动。列举风扇电动机作为利用单相电动机的电气机械的典型示例。在家电产品、各种OA(自动化办公)/IT(信息技术)设备中，大多使用冷却用的轴流风扇电动机。为了降低这些产品的发热量和产品成本，有大风量化的要求。随着风量的增加，由电磁激振力和叶片旋转产生的噪音也会变大。另一方面，为了追求舒适的环境，对降低噪音的要求也越来越高，而与之相对的技术也一直在开发中。
作为装有轴流风扇电动机的产品的振动/噪音降低技术，在JP-A-10-159792中，通过在电动机轴和风扇轴套之间设置防振橡胶来降低振动。
由于在原理上单向电气机械在电角度一个周期内产生两次转矩脉动，因此有噪音振动大的课题。所以进行以下试验研究定子铁芯的形状来控制感应电压和齿槽转矩的波形，以减小输出转矩脉动的试验；和控制转子磁体的磁化分布试验等多个试验。虽然任何一个试验在对减小转矩脉动的贡献上都取得了一定的成果，但由上述原理性的问题而产生的转矩脉动依然是使用单相电动机的电气机械产生噪音振动的问题，伴随着电气机械的低噪音、低振动化，就有了进一步减小输出转矩脉动的课题。此外，电动机的输出转矩的波形由感应电压波形和电流波形决定。因此，虽然最好是同时控制定子铁芯的形状和附加的电压波形，但由于在现有技术中并没有从该观点出发进行过研究，因此存在转矩脉动降低不充分的课题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种输出转矩脉动小、低噪音、低振动的单相电动机。
为了实现该目的，本发明提供一种单相电动机，包括转子磁体、具有突极的定子铁芯、以及缠绕所述定子铁芯的绕组；所述单相电动机的特征在于，施加给绕组的电压的上升沿部和下降沿部的斜度不相同，并且，定子铁芯的突极被分成三个角度部分，所述突极的外形的半径在转子的旋转方向上的第一角度部分向转子的旋转方向逐渐减少，在所述转子的旋转方向上的第二角度部分向所述转子的旋转方向逐渐增加，在所述转子的旋转方向上的第三角度部分向所述转子的旋转方向逐渐增加，但增加的比例比第二部分平稳。
根据本发明，能够提供转矩脉动小、低噪音、低振动的单相电动机。
图1示出本发明的单相电动机的第一实施例；图2示出本发明的第一实施例的单相电动机的驱动电压波形的一个示例；图3示出驱动电压的超前角和转矩脉动的pp(peak to peak)值的关系的一个示例；图4示出分割线9的角度位置和转矩脉动的pp值的关系的一个示例；图5示出分割线8的角度位置和转矩脉动的pp值的关系的一个示例；图6示出本发明第一实施例中的单相电动机的感应电压波形的一个示例；图7示出本发明第一实施例中的单相电动机的通电转矩波形的一个示例；图8示出本发明第一实施例中的单相电动机的输出转矩波形的一个示例
图9示出本发明第二实施例中的轴流风扇电动机的整体结构图的一个示例；图10示出本发明第二实施例中的单相电动机的定子铁芯的一个示例；图11示出本发明第二实施例中的套管的结构；图12示出本发明第二实施例中的套管的结构；图13示出本发明第二实施例中的单相电动机的定子铁芯的一个示例；图14示出本发明第二实施例中的单相电动机的剖面图；图15示出比较例中的定子铁芯的磁场解析结果；图16示出本发明第二实施例中的定子铁芯的磁场解析结果；图17示出比较例和本发明第一实施例、第二实施例的电动机的转矩波形(torque ripple)。
具体实施例方式
以下，参照图1～图5说明本发明的一实施方式的单相电动机的结构。
图1为本发明一实施方式的定子铁芯1。定子铁芯1由四个突极1a、1b、1c、1d构成。突极1a、1b、1c、1d呈一样的形状。此外，在定子铁芯1的半径方向外侧是具有未图示的转子磁体的转子铁芯，其向旋转方向2的方向旋转。以下用突极1a说明突极的构造。突极1a由分割线8和9将旋转方向2上的全角度3分割成如图所示的角度区域4、5和7的部分。在此，设全角度3为80.6度，规定分割线9的角度4相对于全角度3为8％，规定分割线8的角度6相对于全角度3为36.5％。突极1a的外形10的距离定子铁芯1中心的半径被如下确定在角度区域4的部分向旋转方向2逐渐减少，在角度区域5的部分向旋转方向2逐渐增加，在角度区域7的部分向旋转方向2逐渐增加，但与角度区域5的部分相比增加要更平稳。通过这样形成定子铁芯的形状，在后述的施加电压配合下，能够构成转矩脉动小的良好的单相电动机。
图2示出施加到绕制在图1的定子铁芯的齿部份11a、11b、11c、11d上的未图示的绕组的施加电压12。电动机通过该施加电压向绕组通以电流，产生转矩从而旋转转子。图2的图表的纵轴为施加电压，横轴为电角度(度)，与转子的旋转方向13处于如图所示的关系。横轴的原点与未图示的感应电压的产生点相一致。施加电压12在感应电压的产生点如图所示超前超前角14。在本实施例中，超前角14设定在电角度的4度上。施加电压12的上升沿部分15和下降沿部分16如图所示为非对称，在本实施例中，上升沿部分的倾斜实质上为矩形状，下降沿部分的倾斜设定为施加电压12的半周期的40～50度，优选为45度。另外，在图中示出图2中的各点的电角度(度)。在上升沿、下降沿部分的电压波形上设置倾斜称为软切换。虽然考虑到用逆变器对施加电压进行PWM调制(脉冲宽度调制)来实现软切换，但这种情况下，在时间上平滑被PMW调制的矩形电压的集合时的电压波形为如图所示的大致线性倾斜。这样，通过对施加电压的下降沿部分施加软切换，可取得同时降低高频转矩脉动和确保电压利用率，以及降低低频转矩脉动的效果。进而，通过保持如图所示的超前角，具有进一步降低转矩脉动的效果。
图1和图2所示的定子铁芯形状和施加电压的波形相互依存、变化，通过组合电磁场解析和电路解析的最优化计算可得到最优值。
在图3中，以图2的超前角14作为参数，将电动机的输出转矩脉动的pp值23的最低值设为1，并在纵轴24上示出标准化的值。横轴为超前角25，单位是电角度的度。最低值在横轴的6度的位置，超前角14是比它大还是小，电动机的输出转矩脉动的pp值都会增加，从而使性能恶化。可以允许转矩脉动增加20％，转矩脉动增加的允许值约为最低值的1.2倍(线26)，线26和曲线23的交点的横轴为0度和10度。因此，如果超前角在0度到10度之间，则电动机就具有良好的输出转矩脉动特性。
图4中，当用在转子的旋转方向2上相对于突极11a的全角度3的比例来表示图1的分割线9的角度位置时，设电动机的输出转矩脉动的pp(peak to peak)值18的最低值为1，并在纵轴17上示出标准化的值。最低值在横轴的7.93％的位置，分割线9的角度位置不论比它小还是大，电动机的输出转矩脉动的pp值都会增加，从而使性能恶化。可以允许转矩脉动增加20％，转矩脉动增加的允许值约为最低值的1.2倍(线19)，线19和曲线18的交点的横轴为4％和13％。因此，如果用在转子的旋转方向2上相对于突极11a的全角度3的比例来表示分割线9的角度位置的值在4％到13％之间，则电动机就具有良好的输出转矩脉动特性。
图5中，当用在转子的旋转方向2上相对于的突极11a的全角度3的比例来表示图1的分割线8的角度位置时，设定电动机的输出转矩脉动的pp值21最低值为1，并用纵轴20示出标准化的值。最低值在横轴的36.5％的位置，分割线8的角度位置不论比它小还是大，电动机的输出转矩脉动的pp值都会增加，从而使性能恶化。可以允许转矩脉动增加20％，转矩脉动增加的允许值约为最低值的1.2倍(线22)，线22和曲线21的交点的横轴为29％和43％。因此，如果用在转子的旋转方向上相对于突极11a的实际长度的比例来表示图1的分割线8的角度位置的值在32％到42％之间，则电动机就具有良好的输出转矩脉动特性。
图6到图8示出本实施例的单相电动机的特性。图6示出通过转子旋转而在绕组上产生的感应电压的波形123。横轴124为电角度，图示出电角度的一个周期。另外，图6中的感应电压的产生点例如在图16的转子47向旋转方向2的方向旋转机械角度4.5度的位置。
下面进一步详细描述，如后所述，图16为本实施例的磁场解析结果，在电动机的构成要素中，示出定子铁芯46、转子铁芯47和永久磁体49。如图所示，图16示出整体的1/2部分。在图中，疏密线为磁场解析结果的磁通线。从磁通线的分布可知，在磁体49的图示部分有两个磁极(SN)，并在半径方向上磁化。此外，由图的磁通线推测，在图的纸面的最下部的、示出解析部为整体的1/2的断线上，磁体49的磁极(SN)的方向切换成半径方向。将转子铁芯47以及磁体49与定子铁芯46在旋转方向2上的旋转位置关系设为上述机械角的零度，如上所述，在转子47和磁体49向旋转方向2的方向旋转机械角度4.5度的位置关系上，在绕制在未图示出的齿部分的绕组上产生的感应电压为零，这就是图6中的感应电压的产生点。
图7示出在绕组上流动的电流125。可知在与图2的电压波形16的软切换对应的部分，电流柔和地下降。在没有进行软切换的情况下，该部分的电流相反保持峰值，给转矩脉动带来不好的影响。图8示出输出转矩波形126。在与软切换对应的部分，去除了转矩的峰值并减少了高频转矩脉动，定子铁芯的形状具有降低低频转矩脉动成分的效果。由该结果可知，能够得到转矩脉动非常小的良好特性。
下面示出振动降低的第二实施方式。在如上所述的单相电动机中，有如下课题为了实现基于电动机的转矩脉动的振动传递的降低，需要防振橡胶等的振动衰减部件。
本发明的另一目的是提供一种低噪音的轴流风扇电动机，即使装在轴流风扇电动机单体和各种装置的状态下，也能够降低由电动机等的振动产生的固体传播声音。具体来说，以提供一种定子铁芯为目的，将定子铁芯和支撑定子铁芯的套管分离，即，通过在尽可能的限度内减少支撑时定子铁芯和套管的接触面积，尽可能地减小在定子铁芯产生的振动向套管的传播，进而能够降低风扇或鼓风机的振动和噪音。
首先，图9示出轴流风扇电动机的整体结构图。如该图所示，轴流风扇电动机由通过旋转使空气产生流动的回转叶片27、驱动回转叶片的电动机部28、和从所述回转叶片的叶片前端空出间隙设置的文丘里管(venturi)29构成。图10示出本发明第二实施例的定子铁芯30的形状。如该图所示，在齿31和铁芯内部(core back)32的交叉部分33上设置有凹部空间34。在向图11所示的套管35上支撑定子铁芯30和其基板组时，该空间34用于通过该套管35上部的限位部36。当回转叶片27旋转时，在定子铁芯30上产生由转矩脉动而产生的振动，但由于使该定子铁芯30的振动不直接传播，从而实现了降低风扇或鼓风机的振动。具体来说，在定子铁芯30和套管35之间设置空间，使定子铁芯30和套管35不相接触为好。在该结构中，首先以文丘里管29和外壳37为对象，文丘里管29包括具有如图11所示结构的套管35。如图12所示，相对该文丘里管29插入弹簧38。其次，使在图10中示出的定子铁芯30和其基板组通过该套管35。此时，使图10的空间34通过限位部36，在下部绝缘体39和弹簧38相接触后，将定子铁芯30和其基板组以按压弹簧38的方式插入。然后，在图10的空间34完全通过限位部36后，以安装到保持如图13所示的上部绝缘体40的限位块的槽41中的方式旋转，通过限位部36和弹簧38能够将定子铁芯30和其基板组支撑在套管35上。结束了以上的操作后的剖面图42如图14所示。
这样，虽然能够获得定子铁芯和套管非接触的结构，但在考虑这样的结构时，为了使定子铁芯内径和套管外径不接触，与套管外形相比就不得不稍微大一些。为此，可以考虑通过扩大定子铁芯内径来保持限位块通过的富余。但是，该方法会有以下的缺点。首先，随着将定子铁芯内径扩大，就得考虑将定子铁芯外径也扩大。定子铁芯外径扩大就意味着电动机尺寸有可能变大，在这种情况下，风扇的轮毂直径就得大到必需以上，就有可能得不到所希望的流体性能。为了防止这样的现象，发明了如图10所示的定子铁芯形状。该形状为所希望的定子铁芯尺寸，是满足所希望的电动机性能的形状。图15示出在没有图10的空间34的定子铁芯的磁场解析结果。另一方面，图16示出本发明的实施例的磁场解析结果。在图15和图16中，仅示出磁场解析所必需的部分，即定子铁芯43、46、转子铁芯44、47和永久磁体45、49。图15和图16示出磁通线的流动。由于将用于通过套管的限位块的空间50设置在定子铁芯46的内径部分内磁通密度最低的位置处，因此，无论有无空间50，磁通的流动大致均等。由该两个解析结果可知，双方的电动机性能没有差别，并且，本实施例的形状不会损害电动机性能，是最适合不直接向套管传播电动机振动的结构。图17示出不具有图10的空间34的电动机和本发明电动机的转矩波形51、52。由本图也可知，电动机性能没有产生差别。
此外，在提倡资源再利用的当今社会，工业产品最好是能够拆卸并再利用的产品。由此观点，能够尽可能地再利用部件来制造产品就很重要。在以往的风扇电动机或鼓风机的制造中，定子铁芯和支撑定子铁芯的套管是通过粘接或铆接/焊接等方法进行。如果是通过这些方法将定子铁芯固定在套管上，则如果不破坏套管就不能拆卸，也就不能进行资源再利用。由于不通过焊接或粘接材料等将定子铁芯和套管牢固地直接接触，容易分解，因此本发明能够提供可容易地实现循环再利用的结构。
进而，在铁芯内部的内径和齿部分的齿根部分50的交叉位置上设置有空间，该空间能够将用于绕组型模(former)的定位。
以上，根据本发明，能够提供转矩脉动小、噪音低、低振动的单相电动机。此外，通过电动机定子铁芯和套管不直接接触的结构，由于具有尽可能地消除磁通流动的影响，定子铁芯的振动衰减后再到达套管，从而使电动机功率达到最大的结构，因此能够降低风扇的振动。通过降低该风扇的振动，能够实现装载有该风扇的OA(自动化办公)/IT(信息技术)设备和家电产品的低振动化和低噪音化。此外，由于能够容易地拆卸，拆卸后的定子铁芯和文丘里管等可以再利用。
权利要求
1.一种单相电动机，包括转子磁体、具有突极的定子铁芯、以及缠绕所述定子铁芯的绕组，所述单相电动机的特征在于，施加给绕组的电压的上升沿部和下降沿部的斜度不相同，并且，所述突极被分成三个角度部分，所述突极的外形的半径在所述转子的旋转方向上的第一角度部分向所述转子的旋转方向逐渐减少，在所述转子的旋转方向上的第二角度部分向所述转子的旋转方向逐渐增加，在转子的旋转方向上的第三角度部分向所述转子的旋转方向逐渐增加，但增加的比例比第二部分平稳。
2.根据权利要求1所述的单相电动机，其特征在于，相对于电动机感应电压的产生，在其产生之前施加所述施加电压，且其超前角在电角度的0度到10度的范围。
3.根据权利要求1所述的单相电动机，其特征在于，所述第一角度为所述突极的全角度的4％到13％，并且，所述第二角度为所述突极的全角度的29％到43％。
4.根据权利要求1所述的单相电动机，其特征在于，所述施加电压的上升沿角度实质上为矩形，下降沿部分为施加电压半周期的40度到50度。
5.根据权利要求1所述的单相电动机，其特征在于，所述定子铁芯由具有突起物的套管支撑，并以与所述套管的突起物不相干涉的方式构成铁芯内径。
6.根据权利要求1所述的单相电动机，其特征在于，所述定子铁芯由具有突起物的套管支撑，在支撑极和铁芯内部的交叉的位置上设置有空间。
7.根据权利要求6所述的单相电动机，其特征在于，具有在所述空间的至少一处以上通过套管的突起物的结构。
8.根据权利要求6所述的单相电动机，其特征在于，所述空间为凹部，位于定子铁芯内径侧。
9.根据权利要求1所述的单相电动机，其特征在于，所述定子铁芯由具有突起物的套管支撑，在铁芯内部的内径和齿部分的齿根部分的交叉位置上设置有空间，所述空间用于绕组型模的定位。
全文摘要
本发明提供一种单相电动机，包括转子磁体、具有突极的定子铁芯、以及缠绕所述定子铁芯的绕组；所述单相电动机的特征在于，施加给绕组的电压的上升沿部和下降沿部的斜度不相同，并且，所述突极被分成三个角度部分，所述突极的外形的半径在转子的旋转方向上的第一角度部分向所述转子的旋转方向逐渐减少，在所述转子的旋转方向上的第二角度部分向所述转子的旋转方向逐渐增加，在所述转子的旋转方向上的第三角度部分向所述转子的旋转方向逐渐增加，但增加的比例比第二部分平稳。这样，能够提供转矩脉动小、低噪音、低振动的单相电动机。
文档编号F04D29/32GK101056030SQ20071009178
公开日2007年10月17日 申请日期2007年4月11日 优先权日2006年4月14日
发明者角川滋, 川又昭一, 田岛文男, 关口治, 大岩昭二, 高桥幸成 申请人:日本伺服有限公司