專利名稱：帶有固定到軛上的楔形磁鐵的電動機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電動機，諸如車輛空調系統的風機馬達。
一種馬達，諸如車輛空調系統的風機馬達，包括一個軛。一對被彎曲以與該軛內圓周面相配合的弧形磁鐵沿直徑方向彼此相對地被固定到該軛的內圓周面上。
轉子可轉動地容納在軛內。驅動軸沿轉子的旋轉軸線延伸并被固定到轉子上以與轉子整體旋轉。預定數目的鐵心以相同的間隔角沿圓周排列在轉子上。每個鐵心有一徑向向外伸向軛的矩形板齒。線圈圍繞每個齒。
車輛空調系統的風機馬達通常設置在車輛的客艙內，從而要求風機馬達在其旋轉時有一相對較高的靜音度。因此，與其使用更易于傳輸轉子(電樞)振動的球軸承，還不如使用粉末冶金材料制成的滑動軸承，這種軸承不易于傳輸轉子(電樞)的振動，并通常用于旋轉支撐車輛空調系統風機馬達的驅動軸。
但是，滑動軸承在嚙合部位需要潤滑油，該油使軸承與電機的驅動軸滑動嚙合。因此，潤滑油的維護是需要的，而潤滑油從滑動軸承中溢出也可能發生。
此外，在滑動軸承中，墊圈或類似物也是必需的，這引起元件數量的增加。導致馬達的軸承結構更復雜及馬達軸承結構的制造步驟更復雜。
另一方面，與滑動軸承不同，如果在馬達的軸承結構中使用球軸承，則并不需要在嚙合部分使用潤滑油，該潤滑油使軸承與馬達的驅動軸滑動嚙合。因此，使用球軸承，可以避免由于潤滑油的維護和溢出而產生的缺陷，且不需要墊圈或類似物。從而大大簡化了馬達的軸承結構及馬達軸承結構的制造步驟。
特別是，球軸承通過轉子的變動力矩(即由于磁鐵和轉子之間的引力與斥力的變化從而在轉子中產生的力矩)易于傳輸感應振動。因此，球軸承可以有效地降低變動力矩以減少轉子的振動，并在馬達的轉動過程中獲得更高的靜音度。
降低變動力矩的一種方式是逐漸減少每個磁鐵朝向其圓周端的壁厚(徑向尺寸)。但是，僅這種措施并不能將變動力矩降低到一種可接受的水平，它還要求在車輛空調系統的風機馬達內使用球軸承。
另一種降低變動力矩的方式是使用帶有斜鐵心的轉子。雖然這種措施能降低變動力矩，但是它通常也產生了一些不利因素，諸如圍繞每個鐵心的線圈的表面積的減小。
本發明致力于解決上述不利因素。因而，本發明的一個目的是提供了一種有效降低變動力矩的電動機。
為了實現本發明的目的，提供了一種電動機，該電動機包括一個軛、一轉子和多個弧形磁鐵。所述轉子可轉動地容納在軛內并包括預定數目的以相同間隔角環形排列的鐵心，每個鐵心包括一個徑向向外伸向軛的齒。磁鐵被固定到軛的內圓周面上。每個磁鐵具有第一和第二楔形部分，該楔形部分沿相對的圓周方向逐漸減小。第一和第二楔形部分中的每一個具有沿軸向相反的第一和第二楔形表面。第一和第二楔形部分中的每一個的第一楔形表面與第二楔形表面之間的軸距朝向第一和第二楔形部分中的每一個的外圓周端而減小。第一和第二楔形部分中的每一個的第一楔形表面有一第一反作用點，該點在鐵心的一個軸端徑向相對由鐵心外周面所限定的第一假想端圓。第一和第二楔形部分中的每一個的第二楔形表面有一第二反作用點，該點在鐵心的另一軸端徑向相對由鐵心外周面所限定的第二假想端圓。轉子和每個磁鐵被成形以滿足如下條件中的一個(/ZDπ)×n+T<X<(/ZDπ)×(n+1)-T]]>和(/ZDπ)×(n-1)+T<X<(/ZDπ)×n-T,]]>其中Z是轉子中的鐵心的數目，D是轉子的外徑，T是每個齒的圓周尺寸，X是當每個磁鐵從徑向方向看時，第一楔形部分的第一和第二反作用點中的圓周方向最內點與第二楔形部分的第一和第二反作用點中的圓周方向最內點之間的圓周尺寸，n是當一個齒的圓心徑向相對由X所限定范圍的圓心時，完整設置在由X所限定的范圍內的齒的數目。
本發明連同其目的、特征、及有益效果從下文的說明書、所附的權利要求書及附圖中更易于理解，其中
圖1是根據本發明一個實施例的馬達的剖視圖；圖2A是顯示根據本發明實施例的馬達的主要特征的局部俯視圖；圖2B是顯示該實施例中磁鐵的局部側視圖；圖3是顯示上述實施例中馬達的主要特征的示意俯視圖；圖4是顯示上述實施例中當其中一齒正對在磁鐵的X限定范圍中心時的展開圖，其中磁鐵被成形以滿足(/ZDπ)×n+T<X<(/ZDπ)×(n+1)-T]]>條件；圖5是顯示轉子從圖4所示狀態旋轉π/Z轉狀態下的展開圖；圖6是顯示上述實施例中當其中一齒正對在磁鐵的X限定范圍中心狀態下的展開圖，其中磁鐵被成形以滿足(/ZDπ)×(n-1)+T<X<(/ZDπ)×n-T]]>條件；圖7是顯示轉子從圖6所示狀態旋轉π/Z轉狀態下的展開圖；圖8是顯示上述實施例中轉子的轉動周期與所形成的變動力矩之間關系的曲線圖；圖9是顯示X尺寸與所形成的變動力矩之間關系的曲線圖；圖10是顯示一變形磁鐵實施例的展開圖，其中磁鐵相對于其圓心線及垂直中心線是非對稱的，但是相對于其中點對稱；圖11是顯示另一變形磁鐵的俯視圖，其中每個磁鐵相對其圓心線是非對稱的；圖12顯示在第一比較例子中，一齒面對馬達磁鐵的X值所限定范圍的中心狀態下的展開圖；圖13顯示顯示轉子從圖12所示狀態旋轉π/Z轉狀態下的展開圖；圖14顯示在第二比較例子中，一齒正對在馬達磁鐵的X值所限定范圍的圓心狀態下的展開圖；圖15顯示轉子從圖14所示狀態旋轉π/Z轉狀態下的展開圖；圖16是顯示在第一和第二比較例子中轉子的旋轉周期與所形成的變動力矩的曲線圖。
根據本發明一個實施例的馬達(起電動機作用)將結合附圖進行描述。
參見圖1至7，本實施例的馬達10構成車輛空調系統的風機馬達，并具有一個圓柱形的軛12。軛12被馬達架13支撐，并被螺釘19固定到馬達架13上。
一對弧形磁鐵14被固定到軛12的內圓周面上，該磁鐵14彎成弧形以與軛12內圓周面相嚙合。磁鐵14彼此沿直徑相對，并大體具有相同的形狀。每個磁鐵14的壁厚(徑向尺寸)朝向磁鐵14的圓周端逐漸減少。
如圖2B所示，每個磁鐵14有一第一和第二楔形部分16、17，它們在相對的圓周方向逐漸變小。第一楔形部分16有軸向相對的第一和第二楔形平面16a，16b。同樣，第二楔形部分17有軸向相對的第一和第二楔形平面17a，17b。在第一和第二楔形部分16、17的每個中，第一楔形表面16a、17a和第二楔形表面16b、17b之間的軸距在朝向楔形部分16、17的外圓周端逐漸減少。而且，每個磁鐵14被成形成相對于圓心線對稱，并相對于磁鐵14的垂直中線對稱。
轉子18可轉動地容納在軛12內。驅動軸20沿轉子18的旋轉軸線延伸，并被固定到轉子18上以與轉子18整體旋轉。驅動軸20被球軸承28、29旋轉支撐。風扇15被固定到驅動軸20的遠端，以便當諸如車輛用蓄電池等外部電源經電刷21和整流器25提供電流給轉子18以旋轉轉子時，風扇15能產生氣流。預定數目的鐵心22沿轉子18的圓周方向以等間隔角被排列在轉子18內。參見圖2B，每個鐵心22的豎直長度(軸向尺寸)大于每個磁鐵14的每個圓周端面的豎直長度(徑向尺寸)，且每個鐵心22的豎直中心(軸心)與每個磁鐵14的豎直中心有相同的高度(相同的軸向位置)。
每個鐵心22包括一個矩形板齒24，該板齒24徑向伸向軛12。線圈27(圖1)圍繞每個齒24。需注意，線圈27為了清楚起見，除了在附圖1中顯示，在其它的附圖中都被省略了。此外，伸出部分26形成于每個齒24的遠端。每個伸出部分26在齒24的兩圓周側上沿圓周方向延伸以防止線圈從齒24上脫離。
在此實施例中，轉子18的鐵心22的數量(槽的數量)用Z表示(在該實施例中，Z為12)。同樣如圖2A所示，轉子18的外徑用D表示(在此實施例中，D是44.7mm)，每個齒24沿圓周方向的寬度(圓周尺寸)用T表示(在此實施例中，T是2.4mm)。參見圖4，第一楔形部分16的第一楔形表面16a有一第一反作用點，該點在鐵心22的一軸端上，徑向相對由鐵心22外圓周面所限定的第一假想端圓。在圖4中，第一假想端圓被限定以沿鐵心22的上端延伸。第一楔形部分16的第二楔形表面16b有一第二反作用點，該點在鐵心22的另一軸端上，徑向相對由鐵心22外圓周面所限定的第二假想端圓。在圖4中，第二假想端圓被限定沿鐵心22的下端延伸。同樣，第二楔形部分17的第一楔形表面17a有一第一反作用點，該點在鐵心22的一軸端上，徑向相對由鐵心22外圓周面所限定的第一假想端圓。第二楔形部分17的第二楔形表面17b有一第二反作用點，該點在鐵心22的另一軸端上，徑向相對由鐵心22外圓周面所限定的第二假想端圓。當每一磁鐵14從徑向看時，第一楔形部分16的第一和第二反作用點中的一個圓周方向最內點與第二楔形部分17的第一和第二反作用點中的一個圓周方向最內點之間的圓周尺寸用X表示。該圓周尺寸X可以沿每個磁鐵14的內圓周面測得。可選擇地，圓周尺寸X可沿鐵心22的外圓周面測得，正如徑向相對第一楔形部分16的第一和第二反作用點中的一個圓周方向最內點與徑向相對第二楔形部分17的第一和第二反作用點中的另一個圓周方向最內點之間的圓周尺寸，如圖2A所示。當齒24的圓心徑向相對由X所限定范圍的圓心時，完整設置在由X所限定范圍內的齒24的數目用n表示(n是整數，它等于或大于1但等于或小于Z，且本實施例中n為3)。轉子18和磁鐵14被成形使其滿足如下條件圖4和圖5情況下(/ZDπ)×n+T<X<(/ZDπ)×(n+1)-T,]]>圖6和圖7情況下(/ZDπ)×(n-1)+T<X<(/ZDπ)×n-T]]>。
本發明實施例的操作在下文描述。
在每一磁鐵14的第一和第二楔形部分16，17的每個中，第一楔形表面16a，17a和第二楔形表面16b，17b之間的軸距朝向楔形部分16，17的外圓周端逐漸縮小。因此，磁鐵14和轉子18之間的電磁引力或斥力在轉子18的旋轉過程中不會突然變化，因而轉子18內產生的變動力矩可有利地減小。
參見圖3，在本實施例的馬達10中，磁鐵14產生的磁通量形成磁路Y，該磁路在軛12和轉子18的鐵心22內循環。因此，當鐵心22相對于磁鐵14的X范圍的中心對稱排列時，鐵心22的齒24中沒有一個齒面對磁鐵14的X范圍的圓周端，在面對磁鐵14的X范圍的齒24內循環的磁通量是穩定的。此外，當轉子18從磁通量的穩定狀態開始循環時，磁通量開始變化(即減少和增加)直至轉子18旋轉到下一穩定狀態，從而由于磁通量的變化而引起變動力矩的產生。
磁通量的穩定狀態通常在轉子18的每個2π/Z轉(即一個槽)時發生一次，磁通量在兩個連續穩定狀態之間的時間間隔內變化，以使得產生變動力矩(圖16)。
參見圖8，當磁通量的穩定狀態在轉子18的每2π/Z轉(即一個槽)時發生兩次時，兩個連續穩定狀態之間的磁通量的變化量被分開并因而便于降低以進一步減少變動力矩(在這種情況下，變動力矩減少為上述磁通量在轉子18的每2π/Z轉時發生一次穩定狀態下所產生的變動力矩的二分之一)。
參見圖4和6，當一個齒24正對在磁鐵14的X范圍的圓心時，完整設置在磁鐵14的X范圍內的齒24的數目是n，沒有一個齒24面對磁鐵14的X范圍的圓周端。這可以通過滿足如下公式1的情況(穩定磁通量的情況)而獲得(/ZDπ)×(n-1)+T<X<(/ZDπ)×(n+1)-T]]>…公式(1)因此，在圖5所示的情況中，當轉子18從圖4所示的一個齒24正對磁鐵14的X范圍的圓心狀態，旋轉π/Z轉(即半個槽)時，完整設置在磁鐵14的X范圍內的齒24的數目是n+1，且沒有一個齒24面對磁鐵14的X范圍的圓周端。這可以通過滿足如下公式2的情況(穩定磁通量的情況)而獲得(/ZDπ)×n+T<X<(/ZDπ)×(n+2)-T]]>…公式(2)
可選擇地，在圖7所示的另一種情況中，當轉子18從上述圖6所示的一個齒24對正磁鐵14的X范圍的圓心狀態，旋轉π/Z轉(即半槽)時，完整設置在磁鐵14的X范圍內的齒24的數目是n-1，且沒有一個齒24面對磁鐵14的X范圍的圓周端。這可以通過滿足如下公式3的情況(穩定磁通量的情況)而獲得(/ZDπ)×(n-2)+T<X<(/ZDπ)×n-T]]>…公式(3)因此，本實施例的馬達10應該滿足兩個條件中的一個，即，(/ZDπ)×n+T<X<(/ZDπ)×(n+1)-T]]>在圖4和圖5的情況下分別為公式1和公式2，和(/ZDπ)×(n-1)+T<X<(/ZDπ)×n-T]]>在圖6和圖7的情況下分別為公式1和公式3。此處，(/ZDπ)×n+T<X<(/ZDπ)×(n+1)-T]]>情況中的 表示從公式1和2(即從 和 中選擇)中選擇的X的最大下限。此外，同樣情況(/ZDπ)×n+T<X<(/ZDπ)×(n+1)-T]]>中的 表示從公式1和2(即從 和 中選擇)中選擇的X的最小上限。同樣，(/ZDπ)×(n-1)+T<X<(/ZDπ)×n-T]]>情況中的 表示從公式1和3(即從 和 中選擇)中選擇的X的最大下限。此外，同樣情況(/ZDπ)×(n-1)+T<X<(/ZDπ)×n-T]]>中的 表示從公式1和3(即從 和 中選擇)中選擇的X的最小上限。使用上述構造，磁通量的穩定狀態在轉子18每2π/Z轉(即每一槽)時獲得兩次。因此，如圖9所示，變動力矩可以很方便地減少而不會產生不希望的結果，該結果諸如發生在使用斜鐵心的情況中，每個鐵心內線圈的卷繞面積減少。
結果，轉子18的振動被有效地降低了，在馬達10的旋轉過程中得到較高的靜音度。因此，即使在馬達10的旋轉過程中，要求相對高靜音度的環境下，球軸承28、29也能被使用在馬達10的每個支承結構中。
此外，不像在馬達10的每個支撐結構中使用滑動軸承的情況，當球軸承被使用于馬達10的每個支撐結構中時，潤滑油不要求用在與驅動軸20相接觸的支撐結構的嚙合部分。結果，由于潤滑油的維護及溢出而帶來的不利因素能夠被避免。此外，電刷或類似物也不需要。因此，馬達10的支撐結構和馬達10支撐結構的制造步驟被大大簡化了。
同樣，在本實施例的馬達10中，每個磁鐵14的壁厚在朝向磁鐵14的圓周端是逐漸減小的。因此，磁鐵14和轉子18之間的吸力和斥力不會突然變化，于是轉子18內產生的變動力矩可有利地被減小。
如果每個磁鐵14具有較高性能(即生成較高磁力)，因此磁鐵14的尺寸能夠減少，這有利于滿足(/ZDπ)×(n-1)+T<X<(/ZDπ)×n-T]]>條件，這正如圖6和圖7中的情況，在這種情況下每個磁鐵14的尺寸小于圖4和5中每個磁鐵14的尺寸。
此外，在本實施例中，每個磁鐵14相對于其圓心線并相對其垂直中心線對稱。但是，每個磁鐵可以被修改為圖10所示的馬達30(電動機)中的磁鐵32。磁鐵32相對于其圓心線及垂直中心線不對稱，而是相對于其中點對稱。可選擇地，每個磁鐵可以修改為圖11所示馬達40(電動機)中的磁鐵42。磁鐵42相對于其圓心線不對稱。在圖10所示的馬達30中，X是第一楔形部分16的第一楔形表面16a的第一反作用點與第二楔形部分17的第二楔形表面17b的第二反作用點之間的圓周尺寸。
此外，在本實施例中，提供了一對徑向相對的磁鐵14。本發明并未限定這種布置，磁鐵14的數目可以變化為任何偶數。
同樣，在本實施例中，每個楔形表面16a，16b，17a，17b都是平面。但是，每個楔形表面16a，16b，17a，17b都是弧形。
在上述實施例中，每個磁鐵14的壁厚(徑向尺寸)朝向磁鐵14的圓周端逐漸減小。可選擇地，每個磁鐵14的壁厚在整個磁鐵14中也是大致均勻的。
在上述實施例中，球軸承28，29用于旋轉支撐驅動軸20。可選擇地，至少一個球軸承28，29能被一個滑動軸承替換以旋轉支撐驅動軸20。
兩個比較實施例參見圖12至16被描述以說明上述實施例的優點。在這兩個比較實施例中，在上述實施例中已論述的相同的元件用相同的標號來表示并不再進一步論述。
在圖12和13所示的第一個比較實施例中的馬達50(電動機)中，當一個齒24正對磁鐵52的X范圍的圓心時，兩個齒24分別面對磁鐵52的X范圍的圓周端，從而導致磁通量的不穩定狀態(圖12)。在此狀態下，當轉子18旋轉π/Z轉(即半槽)時，沒有一個齒24面對磁鐵52的X范圍的圓周端，從而產生磁通量的穩定狀態(圖13)。
此外，在圖14和15所示的第二比較實施例的馬達60(電動機)中，當一個齒24正對磁鐵62的X范圍的圓心時，沒有一個齒24面對磁鐵62的X范圍的圓周端，從而產生磁通量的穩定狀態(圖14)。在此狀態下，當轉子18旋轉π/Z轉(即半槽)時，兩個齒24分別面對磁鐵62的X范圍的圓周端，從而產生磁通量的不穩定狀態(圖15)。
因此，如圖16所示，在馬達50，60中，磁通量的穩定狀態僅發生在轉子18的每2π/Z轉(即一個槽)時。結果，在兩個連續的磁通量的穩定狀態之間，磁通量有一較大改變，從而導致較大變動力矩的產生。
對本領域的普通技術人員而言，其它的優點及修改也很容易得到。因而本發明的范圍并不僅限于具體元件，典型設備，及所顯示及描述的實施例。
權利要求
1.一種電動機，包括一個軛(12)；一個轉子(18)，該轉子可轉動地容納在軛(12)內，并包括預定數目的鐵心(22)，該鐵心以相同間隔角圓周排列，其中每個鐵心(22)包括一個徑向向外伸向軛(12)的齒(24)；多個弧形磁鐵(14)，該磁鐵被固定到軛(12)的內圓周面上，所述電動機的特征在于每個磁鐵(14)有一第一和第二楔形部分(16，17)，該楔形部分沿相對的圓周方向逐漸減小，其中第一和第二楔形部分(16，17)中的每一個具有沿軸向相反的第一和第二楔形表面(16a，16b；17a，17b)，第一和第二楔形部分(16，17)每個的第一楔形表面(16a，17a)與第二楔形表面(17a，17b)之間的軸距朝向第一和第二楔形部分(16，17)每個的外圓周端減小，其中第一和第二楔形部分(16，17)每個的第一楔形表面(16a，17a)有一第一反作用點，該點在鐵心(22)的一個軸端徑向相對由鐵心(22)外周面所限定的第一假想端圓，第一和第二楔形部分(16，17)每個的第二楔形表面(16b，17b)有一第二反作用點，該點在鐵心(22)的另一軸端徑向相對由鐵心(22)外周面所限定的第二假想端圓；轉子(18)和每個磁鐵(14)被成形以滿足如下條件中的一個(/ZDπ)×n+T<X<(/ZDπ)×(n+1)-T;]]>和(/ZDπ)×(n-1)+T<X<(/ZDπ)×n-T,]]>其中Z是轉子(18)中的鐵心(22)的數目，D是轉子(18)的外徑，T是每個齒(24)的圓周尺寸，X是當每個磁鐵(14)從徑向方向看時，第一楔形部分(16)的第一和第二反作用點中的一個圓周方向最內點與第二楔形部分(17)的第一和第二反作用點中的一個圓周方向最內點之間的圓周尺寸，n是當一個齒(24)的圓心徑向相對由X所限定范圍的圓心時，完整設置在由X所限定范圍內的齒(24)的數目。
2.如權利要求1所述的電動機，其特征在于磁鐵(14)所產生的磁通量的穩定狀態在轉子(18)每2π/Z轉時出現多于一次。
3.如權利要求2所述的電動機，其特征在于磁通量的穩定狀態在轉子(18)的每2π/Z轉時出現兩次。
4.如權利要求1所述的電動機，其特征還在于一驅動軸(20)，其沿轉子(18)的旋轉軸線延伸，并被固定到轉子(18)上以與轉子(18)整體旋轉；至少一個球軸承，其旋轉支撐驅動軸(20)。
5.如權利要求1所述的電動機，其特征在于每個齒(24)沿一條平行于轉子(18)軸向的線軸向延伸。
6.權利要求1所述的電動機，其特征在于每個磁鐵(14)的徑向尺寸在每個磁鐵(14)中是均勻的。
全文摘要
轉子(18)和每個磁鐵(14)被成形以滿足如下條件中的一個(Dπ/z)×n+T<x<(Dπ/z)×(n+1)－T和(Dπ/z)×(n－1)+T<x<(Dπ/z)×n－T。這里Z是鐵心(22)的數目。D是轉子(18)的外徑。T是每個齒(24)的圓周尺寸。X是第一楔形部分(16)的第一和第二反作用點中的一個圓周方向最內點與第二楔形部分(17)的第一和第二反作用點中的一個圓周方向最內點之間的圓周尺寸。第一和第二反作用點分別徑向相對由鐵心(22)外周面所限定的第一和第二假想端圓。此外，n是當一個齒(24)的圓心徑向相對由X所限定范圍的圓心時，完整設置在由X所限定范圍內的齒(24)的數目。
文檔編號H02K21/28GK1393972SQ02122698
公開日2003年1月29日 申請日期2002年6月20日 優先權日2001年6月29日
發明者吉川章一, 野田丈生, 鈴木明彥, 上田康志, 伊藤敏資 申請人:阿斯莫株式會社