电动机转让专利
申请号 : CN200680030243.3
文献号 : CN101243598B
文献日 : 2010-12-15
发明人 : 桧胁英治 , 村上浩 , 河村清美
申请人 : 松下电器产业株式会社
摘要 :
一种电动机的定子(10)包括由多个齿和将齿彼此连接的环形磁轭构成的定子芯(11)，和缠绕在齿上的绕组(13)。电动机的转子(30)面向定子(10)并被可旋转地支撑，且包括转子磁铁(31)、转子芯(32)和位置检测磁铁(33)。该电动机还包括位置传感器(21)，用以检测转子的旋转位置，和电路板(15)，用以响应于转子的旋转位置将电流提供给绕组。转子磁铁(31)、转子芯(32)和位置检测磁铁(33)合成一个单元，并安装在转子的轴(34)上。
权利要求 :
1.一种电动机，包括：
定子，包括由多个齿和将所述齿彼此连接的环形磁轭构成的定子芯，和设置于所述齿上的绕组；
转子，面向所述定子并被可旋转地支撑，且包括转子磁铁、转子芯和位置检测磁铁；
位置传感器，用来检测所述转子的旋转位置；和电路板，用以响应于所述转子的旋转位置将电流提供给所述绕组，其中所述转子磁铁、转子芯和位置检测磁铁合成一个单元，并安装在所述转子的轴上，并且其中所述转子芯的形状像杯子，所述转子磁铁设置于所述转子芯的外壁上，且所述位置检测磁铁设置于所述转子芯的内壁上。
2.如权利要求1所述的电动机，其中所述位置检测磁铁被轴向磁化。
3.如权利要求1所述的电动机，其中所述位置检测磁铁的外径小于所述转子磁铁的外径。
4.如权利要求1所述的电动机，其中所述位置检测磁铁沿着从所述转子芯向所述位置传感器的轴向方向从转子芯突出。
5.如权利要求1所述的电动机，其中沿着从所述转子芯向所述位置传感器的轴向方向，所述位置检测磁铁具有与所述转子磁铁的轴向端面平齐或比其低的轴向端面。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种精确地检测电动机转子的旋转位置的电动机结构。
背景技术
图5示出了现有技术1的电动机结构，该电动机由定子40和转子50构成。定子40包括下列元件：定子芯41、经由绝缘体42以集中方式缠绕在定子芯41的各齿上的绕组43、端子44、电路板45、用于密封上述全部或部分元件的树脂模46，和支架47。在这种电动机中经常使用三相绕组。电路板45包括驱动电动机所必需的各种组件。
转子50置于定子40内，且在转子芯52的中心具有轴53。轴53由两个轴承54可旋转地支撑。转子50构成表面磁铁型转子，即转子磁铁51安装在转子芯52的外壁上。转子50由于在缠绕于定子40上的绕组43中流过的电流所形成的磁场与转子磁铁51的磁极之间的相互作用，而在轴53上旋转。
驱动电动机需要相应于电动机50的旋转位置来调节流经绕组43的电流，因此需要某些装置来精确检测转子50的旋转位置。
在常规方式中，在许多情况下使用像霍尔元件或霍尔集成电路等安装在电路板45上的位置传感器61作为检测电动机旋转位置的装置，用以检测转子50的旋转位置。
此时，安装在转子50上的转子磁铁51与位置传感器61的特别靠近的布置，允许检测从转子磁铁51产生的、旋转转子50的主磁通量。然而，在实际中，线圈端部即绕组43从定子芯41的伸出部分的存在，限定了转子磁铁51与位置传感器61的靠近布置的极限。转子磁铁51与位置传感器61的特别靠近的布置还指位置传感器61与定子芯41或绕组43的靠近布置。因此，位置传感器61受到由流经绕组43的电流产生并从定子40流出的磁通量的影响，使得检测转子位置的精确度降低，因为位置传感器61最初的目的在于通过检测由转子磁铁51流出的磁通量来检测转子的位置。
图6示出了现有技术2的电动机结构。与图5中所示的现有技术1中相似的元件具有相同的附图标记，且在此省略对其的描述。现有技术2的电动机与现有技术1的电动机的区别在于以下几点：如图6中所示，除转子磁铁51外，位置检测磁铁62安装在转子50上。位置检测磁铁62被轴向磁化，使得由磁铁62产生的磁通量能够与位置传感器61确定地互连，从而精确地检测转子50的旋转位置。在例如未审查日本专利公开号H11-299207中公开了这种结构。
然而，现有技术2的电动机具有转子磁铁51与位置检测磁铁62的分立元件，因此均安装在转子芯52上的磁铁51和磁铁62之间的位置关系必定会发生变化。这些变化有时会降低检测位置的精度，且上述结构增加了组装转子50的步骤数目。
转子50置于定子40内，且在转子芯52的中心具有轴53。轴53由两个轴承54可旋转地支撑。转子50构成表面磁铁型转子，即转子磁铁51安装在转子芯52的外壁上。转子50由于在缠绕于定子40上的绕组43中流过的电流所形成的磁场与转子磁铁51的磁极之间的相互作用，而在轴53上旋转。
驱动电动机需要相应于电动机50的旋转位置来调节流经绕组43的电流，因此需要某些装置来精确检测转子50的旋转位置。
在常规方式中，在许多情况下使用像霍尔元件或霍尔集成电路等安装在电路板45上的位置传感器61作为检测电动机旋转位置的装置，用以检测转子50的旋转位置。
此时，安装在转子50上的转子磁铁51与位置传感器61的特别靠近的布置，允许检测从转子磁铁51产生的、旋转转子50的主磁通量。然而，在实际中，线圈端部即绕组43从定子芯41的伸出部分的存在，限定了转子磁铁51与位置传感器61的靠近布置的极限。转子磁铁51与位置传感器61的特别靠近的布置还指位置传感器61与定子芯41或绕组43的靠近布置。因此，位置传感器61受到由流经绕组43的电流产生并从定子40流出的磁通量的影响，使得检测转子位置的精确度降低，因为位置传感器61最初的目的在于通过检测由转子磁铁51流出的磁通量来检测转子的位置。
图6示出了现有技术2的电动机结构。与图5中所示的现有技术1中相似的元件具有相同的附图标记，且在此省略对其的描述。现有技术2的电动机与现有技术1的电动机的区别在于以下几点：如图6中所示，除转子磁铁51外，位置检测磁铁62安装在转子50上。位置检测磁铁62被轴向磁化，使得由磁铁62产生的磁通量能够与位置传感器61确定地互连，从而精确地检测转子50的旋转位置。在例如未审查日本专利公开号H11-299207中公开了这种结构。
然而，现有技术2的电动机具有转子磁铁51与位置检测磁铁62的分立元件，因此均安装在转子芯52上的磁铁51和磁铁62之间的位置关系必定会发生变化。这些变化有时会降低检测位置的精度，且上述结构增加了组装转子50的步骤数目。
发明内容
本发明的电动机包括定子和转子。定子由包括多个齿和将齿彼此连接的环形磁轭的定子芯，以及设置于齿上的绕组构成。转子面向定子被可旋转地支撑，并由转子磁铁、转子芯和位置检测磁铁构成。本发明的电动机还包括位置传感器，用来检测转子的旋转位置；和电路板，用以响应转子的旋转位置而将电流供应给绕组。转子磁铁、转子芯和位置检测磁铁合成一个单元，并安装在转子的轴上。
上述结构可以消除在将转子芯安装到轴上时所发生的组装差异，从而可提高检测转子位置的精确度。因此，可获得可靠的电动机。
上述结构可以消除在将转子芯安装到轴上时所发生的组装差异，从而可提高检测转子位置的精确度。因此，可获得可靠的电动机。
附图说明
图1示出了根据本发明的第一实施方式的电动机结构。
图2示出了根据本发明的第二实施方式的电动机结构。
图3示出了根据本发明的第三实施方式的电动机结构。
图4示出了根据本发明的第四实施方式的电动机结构。
图5示出了现有技术1的电动机结构。
图6示出了现有技术2的电动机结构。
图2示出了根据本发明的第二实施方式的电动机结构。
图3示出了根据本发明的第三实施方式的电动机结构。
图4示出了根据本发明的第四实施方式的电动机结构。
图5示出了现有技术1的电动机结构。
图6示出了现有技术2的电动机结构。
具体实施方式
以下参考附图阐明本发明的典型实施方式。
实施方式1
图1示出了根据本发明的第一实施方式的电动机结构。在图1中，以点划线绘出的中心线所限定的左半部示出了电动机的截面图。首先，参考图1描述电动机的主要结构元件。
根据本发明的此第一实施方式的电动机包括定子10和转子30。定子10由包括多个齿(未示出)和将齿彼此连接的环形磁轭的定子芯11，和设置于齿上的绕组13构成。转子30面向定子10被可旋转地支撑，并由转子磁铁31、转子芯32和位置检测磁铁33构成。本发明的电动机还包括用于检测转子30的旋转位置的位置传感器21，和用于响应转子30的旋转位置而将电流供应到绕组的电路板15。转子磁铁31、转子芯32和位置检测磁铁33合成为一个单元，然后安装在转子30的轴34上。
接下来详述根据此第一实施方式的电动机的结构。图1中所示的电动机是无刷电动机，其定子芯11的各个齿由集中绕组13缠绕，且该电动机包括定子10和转子30。
定子10包括下列元件：定子芯11；经由绝缘体12缠绕在定子芯11的各齿上的绕组13；电路板15；将绕组13的端部电连接到电路板15上的端子14；利用树脂密封全部或部分上述元件的树脂模16；和支架17。每个齿均由三相绕组缠绕。彼此间电气角具有120度相位差的电流在该绕组中流动。电路板15包括位置传感器21和驱动电动机所必需的其它组件。
转子30置于定子10内使得其经由间隙面向定子10。转子30包括位于转子芯32中央的轴34。轴34由两个轴承35可旋转地支撑。第一轴承35由树脂模16保持，而第二轴承35由支架17保持。转子30构成表面磁铁型转子，即转子磁铁31安装在转子芯32的外壁上。转子磁铁31、转子芯32和位置检测磁铁33合成一个单元，然后安装在轴34上。
转子30由于流经定子10的绕组13的电流所产生的磁场与转子磁铁31的磁极之间的相互作用，而在轴34上旋转。此时，位置传感器21检测转子30的位置，且响应于转子30的旋转位置而调节流经绕组13的电流。
一般地，如果转子磁铁31与位置检测磁铁33的磁极沿旋转方向存在一些位置偏差，则流经绕组13的三相电流会发生紊乱。因此，会发生转矩脉动，导致增大伴随电动机旋转的振动和噪音、或降低转矩常量等电动机特性的劣化。转矩常量的降低会引起电动机中的温度升高，从而降低电动机的可靠性。
然而，在本实施方式所述的结构中，即转子磁铁31、转子芯32和位置检测磁铁33合成一个单元，然后安装在轴34上，在转子30的组装过程中不会发生在转子磁铁31与位置检测磁铁33之间沿旋转方向的位置偏差。因而该结构可以消除在转子30的组装过程中的变化，并提高检测转子位置的精确度。因此，不仅可以期望改进电动机特性，还可以期望提高电动机的可靠性。
除上述结构之外，位置检测磁铁33的轴向磁化将增加由位置检测磁铁33产生的全部磁通量中与位置传感器21互连的磁通量。换言之，可以增加互连磁通量，由此确保检测转子30的旋转位置，从而可进一步提高电动机的可靠性。
除了由位置检测磁铁33产生的磁通量之外，有必要考虑从定子10产生的另一磁通量也与位置传感器21互连。此另一磁通量具有与由磁铁33产生的磁通量不同的相位，并根据流经绕组13的电流量而不同程度地影响传感器21。因此，由传感器21检测到的旋转位置与转子30的实际旋转位置之间的差异根据电动机所产生的转矩而变化。这是指在检测位置的精确度上会发生某些变化，而这对于电动机特性和电动机可靠性是不符合要求的。
第一实施方式的目的在于解决上述问题，并采用外径小于转子磁铁31的外径的位置检测磁铁33。该结构可以减小由定子10产生的磁通量所引起的影响。通常，转子磁铁31因其产生旋转转子30所必需的磁通量，而需要沿径向放置在定子芯11或绕组13附近。就此而言，位置检测磁铁33的外径与转子磁铁31的外径相比可设置得尽可能小，以使磁铁33与定子芯11或绕组13之间沿径向的距离变得更大。因而由磁铁33产生的磁通量受定子10所产生磁通量的影响变小。在此制备品上，如图1中所示，位置传感器21沿径向布置在电路板15上，使得传感器21轴向面对位置检测磁铁33。因为由定子10产生的磁通量几乎不与位置传感器21互连而使该结构优选。
电路板15可具有轴向位于与转子30相反的面上的铁磁质，或者电路板15本身可由铁磁材料制成，使得由位置检测磁铁33产生的磁通量可与位置传感器21确定地互连。
实施方式2
图2示出了根据本发明的第二实施方式的电动机结构。在图2中，与图1中所示的第一实施方式中相似的元件具有相同的附图标记，且在此省略对其的描述。根据第二实施方式的电动机与图1中所示的第一实施方式的电动机的区别在于：如图2中所示，根据第二实施方式的电动机具有从转子芯32向位置传感器21轴向伸出的位置检测磁铁33。该结构在增加与位置传感器21互连的磁通量的同时，可以减少由位置检测磁铁33产生的全部磁通量中与转子芯32互连的磁通量。因此，位置传感器21可以精确地检测转子30的旋转位置。
实施方式3
图3示出了根据本发明的第三实施方式的电动机结构。在图3中，与图1中所示的第一实施方式和图2中所示的第二实施方式中相似的元件具有相同的附图标记，且在此省略对其的描述。
如图3中所示，根据第三实施方式的电动机具有与转子芯32形成一体的位置检测磁铁33；然而磁铁33不需要从转子磁铁31的轴向端面伸出。换言之，沿着从转子芯32向位置传感器21的轴向方向，磁铁33的轴向端面可与转子磁铁31的轴向端面平齐或比其低。
该结构可使由磁铁33产生的磁通量较小地受定子10产生的磁通量的影响。因此，位置传感器21可以精确地检测转子30的旋转位置。
实施方式4
图4示出了根据本发明的第四实施方式的电动机结构。在图4中，与图1、2和3中分别示出的第一、第二和第三实施方式中相似的元件具有相同的附图标记，且在此省略对其的描述。
如图4中所示，根据第四实施方式的电动机具有形状类似杯子的转子芯32，且位置检测磁铁33布置在杯状转子芯32的内壁上。
由于转子芯32的形状类似杯子，所以只需要转子磁铁31和位置检测磁铁33所必需的最少量的材料，因此可以减小电动机的成本。特别地，使用具有弱磁力或各向异性磁极的转子磁铁31，将沿径向显著减小转子芯32的尺寸，使得上述结构优选用于构建磁路。
位置检测磁铁33在杯状转子芯32的内壁上的布置增大了磁铁33与定子芯11或绕组13之间在径向上的距离，使得由磁铁33产生的磁通量几乎不受由定子10产生的磁通量的影响。在由转子磁铁31产生的全部磁通量中，泄漏且不与定子芯11互连的漏磁通与转子芯32互连，使得全部磁通量对位置检测磁铁33的影响较小。因此，可以提高检测转子位置的精确度。
在上述各实施方式中，使用了在定子齿上采用集中绕组的无刷电动机；然而，本发明不仅可应用于在定子齿上采用分布绕组的无刷电动机上，还可应用于需要检测其转子旋转位置的各种电动机。
工业实用性
本发明使电动机可以检测其转子的旋转位置以驱动电动机。因此该电动机对于需要可靠性的应用、需要减小由降低转子位置的检测精确度而引起的特性劣化的应用，或者需要尽可能多地减少振动和噪音的应用是十分有用的。
实施方式1
图1示出了根据本发明的第一实施方式的电动机结构。在图1中，以点划线绘出的中心线所限定的左半部示出了电动机的截面图。首先，参考图1描述电动机的主要结构元件。
根据本发明的此第一实施方式的电动机包括定子10和转子30。定子10由包括多个齿(未示出)和将齿彼此连接的环形磁轭的定子芯11，和设置于齿上的绕组13构成。转子30面向定子10被可旋转地支撑，并由转子磁铁31、转子芯32和位置检测磁铁33构成。本发明的电动机还包括用于检测转子30的旋转位置的位置传感器21，和用于响应转子30的旋转位置而将电流供应到绕组的电路板15。转子磁铁31、转子芯32和位置检测磁铁33合成为一个单元，然后安装在转子30的轴34上。
接下来详述根据此第一实施方式的电动机的结构。图1中所示的电动机是无刷电动机，其定子芯11的各个齿由集中绕组13缠绕，且该电动机包括定子10和转子30。
定子10包括下列元件：定子芯11；经由绝缘体12缠绕在定子芯11的各齿上的绕组13；电路板15；将绕组13的端部电连接到电路板15上的端子14；利用树脂密封全部或部分上述元件的树脂模16；和支架17。每个齿均由三相绕组缠绕。彼此间电气角具有120度相位差的电流在该绕组中流动。电路板15包括位置传感器21和驱动电动机所必需的其它组件。
转子30置于定子10内使得其经由间隙面向定子10。转子30包括位于转子芯32中央的轴34。轴34由两个轴承35可旋转地支撑。第一轴承35由树脂模16保持，而第二轴承35由支架17保持。转子30构成表面磁铁型转子，即转子磁铁31安装在转子芯32的外壁上。转子磁铁31、转子芯32和位置检测磁铁33合成一个单元，然后安装在轴34上。
转子30由于流经定子10的绕组13的电流所产生的磁场与转子磁铁31的磁极之间的相互作用，而在轴34上旋转。此时，位置传感器21检测转子30的位置，且响应于转子30的旋转位置而调节流经绕组13的电流。
一般地，如果转子磁铁31与位置检测磁铁33的磁极沿旋转方向存在一些位置偏差，则流经绕组13的三相电流会发生紊乱。因此，会发生转矩脉动，导致增大伴随电动机旋转的振动和噪音、或降低转矩常量等电动机特性的劣化。转矩常量的降低会引起电动机中的温度升高，从而降低电动机的可靠性。
然而，在本实施方式所述的结构中，即转子磁铁31、转子芯32和位置检测磁铁33合成一个单元，然后安装在轴34上，在转子30的组装过程中不会发生在转子磁铁31与位置检测磁铁33之间沿旋转方向的位置偏差。因而该结构可以消除在转子30的组装过程中的变化，并提高检测转子位置的精确度。因此，不仅可以期望改进电动机特性，还可以期望提高电动机的可靠性。
除上述结构之外，位置检测磁铁33的轴向磁化将增加由位置检测磁铁33产生的全部磁通量中与位置传感器21互连的磁通量。换言之，可以增加互连磁通量，由此确保检测转子30的旋转位置，从而可进一步提高电动机的可靠性。
除了由位置检测磁铁33产生的磁通量之外，有必要考虑从定子10产生的另一磁通量也与位置传感器21互连。此另一磁通量具有与由磁铁33产生的磁通量不同的相位，并根据流经绕组13的电流量而不同程度地影响传感器21。因此，由传感器21检测到的旋转位置与转子30的实际旋转位置之间的差异根据电动机所产生的转矩而变化。这是指在检测位置的精确度上会发生某些变化，而这对于电动机特性和电动机可靠性是不符合要求的。
第一实施方式的目的在于解决上述问题，并采用外径小于转子磁铁31的外径的位置检测磁铁33。该结构可以减小由定子10产生的磁通量所引起的影响。通常，转子磁铁31因其产生旋转转子30所必需的磁通量，而需要沿径向放置在定子芯11或绕组13附近。就此而言，位置检测磁铁33的外径与转子磁铁31的外径相比可设置得尽可能小，以使磁铁33与定子芯11或绕组13之间沿径向的距离变得更大。因而由磁铁33产生的磁通量受定子10所产生磁通量的影响变小。在此制备品上，如图1中所示，位置传感器21沿径向布置在电路板15上，使得传感器21轴向面对位置检测磁铁33。因为由定子10产生的磁通量几乎不与位置传感器21互连而使该结构优选。
电路板15可具有轴向位于与转子30相反的面上的铁磁质，或者电路板15本身可由铁磁材料制成，使得由位置检测磁铁33产生的磁通量可与位置传感器21确定地互连。
实施方式2
图2示出了根据本发明的第二实施方式的电动机结构。在图2中，与图1中所示的第一实施方式中相似的元件具有相同的附图标记，且在此省略对其的描述。根据第二实施方式的电动机与图1中所示的第一实施方式的电动机的区别在于：如图2中所示，根据第二实施方式的电动机具有从转子芯32向位置传感器21轴向伸出的位置检测磁铁33。该结构在增加与位置传感器21互连的磁通量的同时，可以减少由位置检测磁铁33产生的全部磁通量中与转子芯32互连的磁通量。因此，位置传感器21可以精确地检测转子30的旋转位置。
实施方式3
图3示出了根据本发明的第三实施方式的电动机结构。在图3中，与图1中所示的第一实施方式和图2中所示的第二实施方式中相似的元件具有相同的附图标记，且在此省略对其的描述。
如图3中所示，根据第三实施方式的电动机具有与转子芯32形成一体的位置检测磁铁33；然而磁铁33不需要从转子磁铁31的轴向端面伸出。换言之，沿着从转子芯32向位置传感器21的轴向方向，磁铁33的轴向端面可与转子磁铁31的轴向端面平齐或比其低。
该结构可使由磁铁33产生的磁通量较小地受定子10产生的磁通量的影响。因此，位置传感器21可以精确地检测转子30的旋转位置。
实施方式4
图4示出了根据本发明的第四实施方式的电动机结构。在图4中，与图1、2和3中分别示出的第一、第二和第三实施方式中相似的元件具有相同的附图标记，且在此省略对其的描述。
如图4中所示，根据第四实施方式的电动机具有形状类似杯子的转子芯32，且位置检测磁铁33布置在杯状转子芯32的内壁上。
由于转子芯32的形状类似杯子，所以只需要转子磁铁31和位置检测磁铁33所必需的最少量的材料，因此可以减小电动机的成本。特别地，使用具有弱磁力或各向异性磁极的转子磁铁31，将沿径向显著减小转子芯32的尺寸，使得上述结构优选用于构建磁路。
位置检测磁铁33在杯状转子芯32的内壁上的布置增大了磁铁33与定子芯11或绕组13之间在径向上的距离，使得由磁铁33产生的磁通量几乎不受由定子10产生的磁通量的影响。在由转子磁铁31产生的全部磁通量中，泄漏且不与定子芯11互连的漏磁通与转子芯32互连，使得全部磁通量对位置检测磁铁33的影响较小。因此，可以提高检测转子位置的精确度。
在上述各实施方式中，使用了在定子齿上采用集中绕组的无刷电动机；然而，本发明不仅可应用于在定子齿上采用分布绕组的无刷电动机上，还可应用于需要检测其转子旋转位置的各种电动机。
工业实用性
本发明使电动机可以检测其转子的旋转位置以驱动电动机。因此该电动机对于需要可靠性的应用、需要减小由降低转子位置的检测精确度而引起的特性劣化的应用，或者需要尽可能多地减少振动和噪音的应用是十分有用的。