CN103208871A - 具备具有主齿及副齿的铁芯的电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动机，其具备：具有铁芯及多个线圈的可动件；以及具有形成多个磁极的多个永久磁铁的定子。在铁芯上交替地形成有卷绕有线圈的多个主齿和未卷绕有线圈的多个副齿。电动机由定子的永久磁铁形成的极数与由可动件的线圈形成的相数的比是4m比3n（m及n是任意的自然数。但是，除了2比3的情况）。

Description

具备具有主齿及副齿的铁芯的电动机

技术领域

本发明涉及具备铁芯的电动机，该铁芯具有卷绕有线圈的主齿和未卷绕有线圈的副齿。

背景技术

已知有具备铁芯的电动机，该铁芯具有卷绕有线圈的主齿和未卷绕有线圈的副齿（参照日本特表平10-511837号公报及日本特开2004-187488号公报）。

在具备具有主齿及副齿的铁芯的电动机中，要求进一步增大推力。

发明内容

根据本申请的第一发明，提供一种电动机，其具备：具有铁芯及多个线圈的第一电动机要素；以及具有形成多个磁极的多个永久磁铁、并与上述第一电动机要素相对地配置的第二电动机要素，上述第一电动机要素的上述多个线圈通过供给三相交流的电流，从而与上述第二电动机要素的上述多个永久磁铁相互作用而产生该电动机的推力，在上述铁芯上形成有朝向上述第二电动机要素突出的多个齿，该多个齿包括卷绕有上述线圈的主齿和未卷绕有上述线圈的副齿，这些主齿及副齿交替地配置，由上述第二电动机要素的上述多个永久磁铁形成的极数与由上述第一电动机要素的上述多个线圈形成的相数的比是4m比3n（m及n是任意的自然数。但是，除了2比3的情况）。

根据本申请的第二发明，在第一发明中，上述极数与上述相数的比是4比3。

根据本申请的第三发明，在第一或第二发明中，推力产生的方向的上述副齿的齿宽是上述主齿的齿宽的1／4以下。

根据本申请的第四发明，在第一至第三发明的任一发明中，上述第一电动机要素及上述第二电动机要素中的至少任一方以能够移动的方式形成。

根据本申请的第五发明，在第一至第四发明的任一发明中，上述主齿及上述副齿在朝向上述第二电动机要素突出的方向上具有相同的齿宽。

根据本申请的第六发明，在第一至第五发明的任一发明中，上述主齿及上述副齿形成为朝向上述第二电动机要素突出的方向的末端的位置对齐。

根据本申请的第七发明，在第一至第六发明的任一发明中，作为直线运动电动机而构成。

根据本申请的第八发明，在第一至第六发明的任一发明中，作为旋转电动机而构成。

这些及其他本发明的目的、特征及优点参照附图所表示的本发明的例示的实施方式的详细说明将变得更加明确。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的直线运动电动机的可动件及定子的概略图。

图2是表示图1的直线运动电动机的主齿及副齿的齿宽比与推力的关系的图表。

图3是表示本发明的另一实施方式的直线运动电动机的可动件及定子的概略图。

图4是表示本发明的另一实施方式的直线运动电动机的可动件及定子的概略图。

图5是表示本发明的一个实施方式的旋转电动机的转子及定子的概略图。

图6是表示参考例的直线运动电动机的可动件及定子的概略图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的实施方式。在图示的实施方式中，各结构要素考虑附图的可视性或说明的方便，根据实用的尺寸适当改变。

图1是表示本发明的一个实施方式的直线运动电动机10的可动件12及定子14的概略图。另外，图1示意性地表示在具有四极三相的形式的直线运动电动机10中、在某电流相位产生的磁力线的方向、磁场的强度及推力的方向及其大小。

可动件12是具备铁芯16及三个线圈18的第一电动机要素。定子14是具备形成四个磁极的四个永久磁铁20，并与可动件12相对地配置的第二电动机要素。可动件12的铁芯16具有沿直线运动电动机10的长度方向延伸的大致矩形的铁芯后部（コアバック）22、形成为从该铁芯后部22朝向定子14突出的多个齿。齿包括卷绕有线圈18的多个主齿24和未卷绕有线圈18的多个副齿26。这些主齿24及副齿26交替地配置。

线圈18实际上是沿主齿24的高度部分（从铁芯后部22突出的部分）在主齿的周围利用例如集中绕组卷绕，但在图1中只示意地表示。线圈18为了提高磁性作用，形成为卷数尽可能地多。线圈18优选相对于主齿24隔有规定间隔地以具有充分的卷数直到与邻接的副齿26接触的方式卷绕。当线圈18与副齿26互相接触时，在通电时在线圈18中产生的热通过副齿26传递，提高散热作用。

可动件12的线圈18构成为通过供给三相交流的电流，从而与定子14的多个永久磁铁20相互作用而产生直线运动电动机10的推力。线圈18作为在圆中描绘有小的黑点或在圆中描绘有X字的符号而图示。这些表示在线圈18中流过的电流的方向。具体地说，在圆中描绘有小的黑点的线圈18表示电流相对于纸面向跟前方向流。另外，在圆中描绘有X字的线圈18表示电流相对于纸面向进深方向流。

在各线圈18的周围表示的涂黑的环状箭头的方向表示磁力线的方向。另外，各环状箭头的宽度表示磁场的强度。更具体地说，由与宽度宽的环状箭头对应的线圈18产生的磁场的强度是由与宽度窄的环状箭头对应的线圈18产生的磁场的强度的两倍。该关系在向线圈18供给三相交流的电流的场合成立。利用由线圈18产生的磁场，在各齿上产生磁通量。在图1中位于可动件12的中央的主齿24从与其两侧邻接的线圈18、18受到相当于两个宽度宽的环状符号的磁场的作用。相对于此，在位于该中央的主齿24的两侧的副齿26、26中，由与这些副齿26、26的两侧邻接的线圈18、18产生的磁场互相抵消。因此，这些副齿26、26受到相当于一个宽度窄的环状箭头的磁场的作用。因此，在中央的主齿24产生的磁通量为在副齿26、26产生的磁通量的四倍。

另外，在该实施方式中，主齿24及副齿26在从铁芯后部22朝向定子14突出的方向上具有相同的齿宽。换言之，在图示的纸面上，主齿24及副齿26分别呈长方形的形状。通过主齿24及副齿26的磁通量根据与磁通的前进方向垂直的齿宽的尺寸而大致决定。因此，在该实施方式的主齿24及副齿26中，通过各齿的磁通整体上均匀化。因此，磁通密度相对地减小，有助于铁损的减少或定额输出的增大。

另外，在该实施方式中，主齿24及副齿26形成为在朝向定子14突出的方向上末端的位置对齐。通过使副齿26的末端的位置排列在主齿24的末端的位置，能够使由主齿24产生的推力与由副齿26产生的推力的平衡最佳化。另外，主齿24及副齿26的末端定位在尽可能接近永久磁铁20的位置。这是因为，主齿24及副齿26与永久磁铁20间的间隙越小，得到的推力越大。

定子14主要具备在直线运动电动机10的长度方向上延伸的磁场磁轭28、和沿磁场磁轭28配置的多个永久磁铁20。各永久磁铁20以与可动件12相对的一侧形成N极或S极的方式被磁化。并且，这些永久磁铁20以在与邻接的其他永久磁铁20的磁化方向互相相反的方向上被磁化的方式互相不同地排列。

如上所述，在直线运动电动机10中，利用可动件12的线圈18与定子14的永久磁铁20间的相互作用得到可动件12的推力。在图1中，如主齿24及副齿26的末端附近所示施加了阴影的箭头表示在各齿中产生的推力的方向及其大小。即，箭头越宽的部位，越作用有更大的力。另外，图示的涂白的箭头表示直线运动电动机10的前进方向。在直线运动电动机10中产生的推力根据主齿24或副齿26与永久磁铁20之间的相对的位置关系大概地决定。即，在主齿24或副齿26与永久磁铁20互相正对的状态下，只在与前进方向呈直角的方向上产生力（反作用力或吸引力），在可动件12的前进方向上实质上不产生推力。对照地说，当主齿24或副齿26位于与永久磁铁20的磁极和磁极之间相对的位置时，由于磁通朝向前进方向弯曲，因此产生较大的推力。在图1所示的四极三相的直线运动电动机10中，由于位于与磁极和磁极之间相对的位置的主齿24或副齿26的比例高，因此能够更有效地得到推力。

在除了主齿24外还具备副齿26的直线运动电动机10中，如果形成为由定子14的永久磁铁20形成的极数与由可动件12的线圈18形成的相数的比是4m比3n，则也能利用副齿26得到直线运动电动机10的推力。换言之，在副齿26中产生的推力与主齿24的推力朝向相同方向。但是，m及n是自然数，除了2比3成立的场合。对极与相之间的比满足上述关系的其他实施例将于后述。

图6是表示参考例的直线运动电动机100的可动件102及定子104的概略图。如图所示，直线运动电动机100具有两极三相的形式。即，在可动件102上形成三个主齿106，并且在定子104上排列有形成两个磁极的永久磁铁108。在该图中也与图1相同地示意地使用相同的箭头表示磁场的强度及推力的方向及其大小。在该参考例中，根据极与相的位置关系，在副齿110中与直线运动电动机100的前进方向相反的方向上产生推力。即，在妨碍直线运动电动机100的前进的方向上产生力。因此，在该参考例中，从提高推力的目的来看，期望不设置副齿110。

再次返回图1，在直线运动电动机10中，副齿26也有助于可动件12的推力产生。在这种结构的直线运动电动机10中，磁通通过主齿24及副齿26双方。但是，当通过副齿26的磁通量增大时，成为产生磁性饱和而使推力下降的主要原因。因此，优选考虑副齿26的磁性饱和的影响调整主齿24与副齿26的齿宽比。如上所述，在该实施方式中，主齿24的磁通量相当于副齿26的磁通量的四倍。因此，如果将副齿26的齿宽设定为主齿24的齿宽的1／4以下，则能够有效地抑制磁性饱和的影响。

图2是表示在图1的直线运动电动机10中主齿24及副齿26的齿宽比与推力的关系的图表。图表的横轴表示齿宽比（副齿26的齿宽／主齿24的齿宽），纵轴表示在某相位可动件12整体受到的推力的总合。从图2可以看出，在齿宽比大约为0.25的场合（副齿26的齿宽是主齿24的齿宽的1／4的场合），推力为极大值。并且，在齿宽比小于0.25的范围，推力大致一定。齿宽比的下限值在与推力增大的目的关系中未特别地限定，但考虑副齿26的结构的强度之外的设计要件，由本领域技术人员适当选定。另一方面，如上所述，当副齿26形成为与线圈18接触时，起到散热作用。并且，随着副齿26的齿宽变大，散热作用提高的关系成立。因此，为了满足推力的增大及传热作用的提高双方，副齿26形成为具有主齿24的齿宽的1／4的齿宽。尤其在充分大的电力施加到在铁芯16上产生磁性饱和的程度的场合，优选将齿宽比设定为1／4。

另外，图2说明在某相位的齿宽比与推力的相关关系，该关系在其他任意的相位的场合都同样成立。以齿及狭缝的形状之外的其他主要原因为起因，难以在各相位使推力的大小其本身一定，但齿宽比与推力的相关关系为与图2所示的结果大致相同的结果。

下面，说明本发明的其他实施方式。对与上述实施方式的结构要素相同或对应的结构要素使用相同的参照符号，并适当省略重复的说明。

图3是表示本发明的其他实施方式的直线运动电动机40的可动件12及定子14的概略图。在该实施方式中，直线运动电动机40具有四极九相的形式。即，在定子14上分别排列有形成磁极的四个永久磁铁20。另外，可动件12具有九个主齿24，在这些主齿24的各个上卷绕有形成相的线圈18。另外，图3示意性地利用相同的箭头表示与图1相同地在某个电流相位上产生的磁力线的方向、磁场的强度及推力的方向及其大小。对于产生用于直线运动电动机40的推力的最有效的位置、即与定子14的磁极与磁极间相对的位置的主齿24或副齿26标注实施了表示推力的方向及其大小的阴影的箭头。从图3可以看出，在主齿24中得到的推力与在副齿26中得到的推力的方向一致。因此，即使在该实施方式中，也与上述实施方式相同地，副齿26在前进方向上对可动件12施加推力。因此，作为整体增大可动件12的推力。另外，即使在该实施方式中，如果将主齿24的齿宽与副齿26的齿宽的比、即齿宽比设定为1／4以下，则推力成为极大值。

图4是表示本发明的其他实施方式的直线运动电动机50的可动件12及定子14的概略图。在该实施方式中，直线运动电动机50具有八极九相的形式。即，在定子14上排列有分别形成磁极的八个永久磁铁20。另外，可动件12具有九个主齿24，这些主齿24的各个上卷绕有形成相的线圈。另外，图3示意地性利用相同的箭头表示与图1相同地在某电流相位产生的磁力线的方向、磁场的强度及推力的方向及其大小。对于产生用于直线运动电动机50的推力的最有效的位置、即与定子14的磁极与磁极间相对的位置的主齿24或副齿26标注实施了表示推力的方向及其大小的阴影的箭头。从图4可以看出，在主齿24中得到的推力与在副齿26中得到的推力的方向一致。因此，即使在该实施方式中，也与上述实施方式相同地，副齿26在前进方向上对可动件12施加推力，因此，作为整体增大可动件12的推力。另外，即使在该实施方式中，如果将主齿24的齿宽与副齿26的齿宽的比、即齿宽比设定为1／4以下，则推力成为极大值。

图5是表示本发明的一个实施方式的旋转电动机60的转子62及定子64的概略图。该实施方式将上述本发明的概念应用于旋转电动机。在该实施方式中，旋转电动机60具有十二极九相的形式。定子64是具备铁芯66及多个线圈68的第一电动机要素。转子62是具备形成多个磁极的多个永久磁铁70，并与定子64相对地配置的第二电动机要素。

转子62主要具备磁场磁轭72、以及在磁场磁轭72的外周面沿圆周方向大致等间隔地排列的永久磁铁70。磁场磁轭72一体地组装在旋转电动机60的旋转轴74上，能够将旋转动力传递到旋转轴74上。图中的涂白符号表示旋转电动机60的旋转方向。

定子64的铁芯66具有大致沿转子62的外周配置的环状体的形式。在铁芯66上一体地形成有从铁芯66的内周面朝向转子62向内侧突出的多个齿。多个齿包括在周围卷绕有线圈68的主齿76和未卷绕有线圈68的副齿78。在定子64的内周方向，主齿76及副齿78与上述实施方式相同地交替配置。

即使在图5中，在线圈68的周围表示的涂黑箭头示意性地表示某电流相位的磁力线的方向及磁场的强度。另外，施加了阴影的箭头示意性地表示推力的方向及其大小。如图所示，即使在该实施方式中，在副齿78中产生的推力与在主齿76中产生的推力朝向相同的方向。因此，副齿78以施加使转子62在规定的旋转方向上旋转的动力的方式进行作用。这样，即使在旋转电动机60中，也与上述直线运动电动机10、40、50相同地，在由永久磁铁70形成的极数和由线圈68形成的相数的比是4m比3n的场合，由副齿78产生的推力的方向与由主齿76产生的推力的方向一致。但是，m及n是自然数，除了2比3成立的场合。

即使在该实施方式中，也对线圈68施加三相交流的电流。因此，与上述的直线运动电动机10、40、50相同地，如果主齿76与副齿78的齿宽比（副齿78的齿宽／主齿76的齿宽）是0.25以下，则作用在转子62上的推力为极大值。

以上，在上述实施方式中，对将一方的电动机要素作为可动件、将另一方的电动机要素作为定子进行了说明。但是，将任一个电动机要素作为可动件是本领域技术人员能够适当选择的事项。因此，本发明未限定于上述或图示的实施方式，例如可以形成为两方的电动机要素能互相相对移动。

另外，本发明能同样地应用于直线运动电动机及旋转电动机的任一个。因此，与直线运动电动机的实施方式相关地进行说明的事项即使在将本发明作为旋转电动机实施的场合也是相同的。例如，即使在旋转电动机中实施本发明的场合，也可以形成为使主齿及副齿的齿宽在宽度方向上具有相同的齿宽，也可以形成为使例如突出方向的主齿及副齿的末端的位置对齐。

本发明的效果如下。

根据第一发明，在副齿中产生的推力与由主齿产生的推力朝向相同方向。因此，不仅利用主齿，即使利用副齿也能得到电动机的推力，因此能够提供推力大的电动机。

根据第二发明，位于最有效地产生推力的位置的、位于与永久磁铁的磁极与磁极之间相对的位置的齿的比例高。因此，能够提供能够更有效地增大推力的电动机。

根据第三发明，以适当地维持主齿与副齿间的磁性饱和的平衡的方式规定齿宽比。因此，能够提供推力大的电动机。

根据第四发明，第一电动机要素及第二电动机要素的任一方或双方形成为能移动的部件。因此，能够适应电动机需要的用途。

根据第五发明，通过齿的磁通密度在整个齿的突出方向上均匀化。因此，能够提供防止磁通的集中，能降低铁损或增大定额输出的电动机。

根据第六发明，能够使副齿与永久磁铁间的间隙最小化。因此，能够使在副齿中产生的推力最大化，能够提供推力大的电动机。

根据第七发明，能够提供具备上述第一至第六任一发明的优点的直线运动电动机。

根据第八发明，能够提供具备上述第一至第六任一发明的优点的旋转电动机。

以上，与本发明的示例的实施方式相关地图示了本发明并且进行了说明，但本领域技术人员当然能够在不脱离本发明的精神及范围地在上述实施方式之外进行多种变更、省略、追加。

Claims (8)

1.一种电动机（10、40、50、60），其具备：具有铁芯（16、66）及多个线圈（18、68）的第一电动机要素（12、64）；以及具有形成多个磁极的多个永久磁铁（20、70）、并与上述第一电动机要素（12、64）相对地配置的第二电动机要素（14、62），该电动机（10、40、50、60）的特征在于，

上述第一电动机要素（12、64）的上述多个线圈（18、68）通过供给三相交流的电流，从而与上述第二电动机要素（14、62）的上述多个永久磁铁（20、70）相互作用而产生该电动机（10、40、50、60）的推力，

在上述铁芯（16、66）上形成有朝向上述第二电动机要素（14、62）突出的多个齿，该多个齿包括卷绕有上述线圈（18、68）的主齿（24、76）和未卷绕有上述线圈（18、68）的副齿（26、78），这些主齿（24、76）及副齿（26、78）交替地配置，

由上述第二电动机要素（14、62）的上述多个永久磁铁（20、70）形成的极数与由上述第一电动机要素（12、64）的上述多个线圈（18、68）形成的相数的比是4m比3n，其中，m及n是任意的自然数，除了2比3的情况。

2.根据权利要求1所述的电动机（10、40、50、60），其特征在于，

上述极数与上述相数的比是4比3。

3.根据权利要求1或2所述的电动机（10、40、50、60），其特征在于，

推力产生的方向的上述副齿（26、78）的齿宽是上述主齿（24、76）的齿宽的1／4以下。

4.根据权利要求1～3任一项所述的电动机（10、40、50、60），其特征在于，

上述第一电动机要素（12、64）及上述第二电动机要素（14、62）中的至少任一方以能够移动的方式形成。

5.根据权利要求1～4任一项所述的电动机（10、40、50、60），其特征在于，

上述主齿（24、76）及上述副齿（26、78）在朝向上述第二电动机要素（14、62）突出的方向上具有相同的齿宽。

6.根据权利要求1～5任一项所述的电动机（10、40、50、60），其特征在于，

上述主齿（24、76）及上述副齿（26、78）形成为朝向上述第二电动机要素（14、62）突出的方向的末端的位置对齐。

7.根据权利要求1～6任一项所述的电动机（10、40、50），其特征在于，

作为直线运动电动机而构成。

8.根据权利要求1～6任一项所述的电动机（60），其特征在于，

作为旋转电动机而构成。

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