CN101803154A - 电机 - Google Patents

Abstract

提供一种尺寸和重量能够减小的电机，该电机具有检测转角的传感器。电机10包括：减速齿轮19，其具有被设置于电机10的转子14和转轴16之间的行星齿轮；导体图案21，其宽度周期性地变化，并且形成于转子14的与转轴16垂直的表面；以及转角检测传感器22，其设置成与导体图案相对。

Description

电机

技术领域

本发明涉及一种电机(电动机，motor)，所述电机具有用于检测电机的转子(转动体)的位置的转角检测传感器。

背景技术

在无刷直流电机中，设置用于电机的转子的角度传感器，其目的是获取转子的角度信息，以用于控制电机的定子的整流(rectification)。

作为角度传感器，检测转子的永磁体的磁场的方法是普通的方法。

相反地，当需要更微细的控制时，使用检测转轴的角度的旋转变压器(resolver)(例如，参见专利文献1)。

同时，在无刷电机中，可以采用如下结构：在电机的转子和转轴之间设置减速齿轮，转轴以比电机的原始转数小的转数转动。

图7A到图7C示出了薄型无刷电机的示意构造图，其中，减速齿轮同轴地设置于中央部。图7A示出了电机的剖视图，图7B示出了从图7A的右侧观察图7A的电机时电机的平面图。此外，图7C示出了去掉转子的电机的平面图。

无刷电机50设置有：定子，其包括线圈53；转子54，磁体55安装到此转子54，并且在转子54的圆筒状内面和转轴56之间设置有三个均包括行星齿轮的减速齿轮59。

减速齿轮59是圆柱形，并且分别与转轴56的接头57(joint)和转子54的内面轮齿接合。减速齿轮59的中央轴58安装到基板51，定子(线圈)53的支撑构件(线圈的芯)52安装到此基板51。

在此无刷电机中，为了改变施加到定子53的电流的方向以由此进行上述的整流控制，需要用于检测转子54的位置的传感器。

专利文献1：日本特开平8-178610号公报

发明内容

在通常的无刷电机中，旋转变压器被直接设置到转轴上。

相反地，在具有减速齿轮的无刷电机中，因为电机的原始转数和电机的转轴的转数不同，如果旋转变压器被直接设置到转速由行星齿轮降低的转轴上，那么微细的整流控制将变得困难。

因此，当旋转变压器被应用到如图7A至图7C所示的减速齿轮同轴地设置到中央部的薄型无刷电机50上时，需要将旋转变压器设置到转子54从而检测电机的原始转数。

此时，将引起以下问题。

(1)旋转变压器占据轴向空间，由此妨碍电机的薄型化。

(2)需要使用直径比减速齿轮的外周直径大的旋转变压器，从而包括对大座面的加工变得必要，成本增加，并且重量增大。

这里，图8A和图8B示出了如下结构的示意结构图：在该结构中，旋转变压器被应用到图7A至图7C所示的设置有减速齿轮的薄型无刷电机50。

如图8A和图8B所示，与图7A至图7C所示的结构相比，使转子54在转轴的方向上以环形突出，旋转变压器的转子63被安装到该突出部。此外，旋转变压器的定子62被设置于旋转变压器的转子63的外侧，并且在定子62和转子63之间存在间隙。在此情况下，如图8B所示，设置有10片定子62。

因此，旋转变压器的转子63、旋转变压器的定子62和旋转变压器的定子62的安装构件61沿电机的转子54的整个周面设置于电机的转子54的外侧，从而占用了较大的空间。因此，导致妨碍了电机的薄型化和小型化。

此外，因为旋转变压器设置于电机的转子54的外侧，以用于检测电机的原始转数，即转子54的转数，因此必须形成具有相对较大直径的旋转变压器(包括转子63、定子62、安装构件61)，并且成本和重量变得相对较大。

此外，因为旋转变压器的转子63具有相对较复杂的形状，所以很难以高精度将转子63安装到定子62。从这种观点出发，也有生产管理变得繁琐和复杂的问题，因此成本增加。

为了解决上述问题，本发明提供了一种电机，该电机具有用于检测转角的传感器，电机的尺寸和重量能够被减小。

本发明的电机具有减速齿轮，该减速齿轮包括位于电机的转子和转轴之间的行星齿轮，在此电机的转子中，宽度周期性地变化的导体图案形成于与转轴垂直的表面，转角检测传感器被设置成与该导体图案相对。

根据本发明的上述转角检测传感器，在电机的转子中，宽度周期性地变化的导体图案形成于与转轴垂直的表面，并且转角检测传感器被设置成与该导体图案相对，从而即使设置有包括行星齿轮的减速齿轮，也能由转角检测传感器检测到电机的转子的原始转角。

根据上述发明，即使设置包括行星齿轮的减速齿轮，也能由转角检测传感器检测到电机的转子的原始转角，从而能够进行微细的整流控制。

另外，因为由导体图案和与导体图案相对设置的转角检测传感器来检测电机的转子的转角，所以不必要在转子的整个360°的圆周上设置转角检测传感器，从而可以显著减小由转角检测传感器占据的空间，提高电机设计的自由度。

因此，可以使具有转角检测传感器的电机小型化和轻量化并且降低该传感器的部件成本。

另外，因为导体图案能够简单且高精度地形成于转子，因此可以增加转角检测传感器的检测精度并且降低制造成本。

附图说明

图1A和图1B是根据本发明的实施方式的设置有传感器的电机的示意性结构图。

图2A和图2B是图1A和图1B中的传感器主体的示意性结构图。

图3是示出图1A、图1B、图2A和图2B中的传感器主体的详细结构图。

图4是示出图1A和图1B的实施方式中的图案线圈和导体图案的相对配置状态的图。

图5是示出图4所示的配置状态的整体的图。

图6是示出图1A和图1B中的导体图案的细节的平面图。

图7A至图7C是具有减速齿轮的无刷电机的示意结构图。

图8A和图8B是具有图7A至图7C所示的结构的无刷电机的示意图，其中，在此结构中采用了旋转变压器。

附图标记说明

10    无刷电机

11    基板

13    线圈(定子)

14    转子

15    磁体

16    转轴

19    减速齿轮(行星齿轮)

21    导体图案

22    传感器主体

30    基板

31、32、33、34    图案线圈

具体实施方式

图1A和图1B示出了作为本发明的实施方式的无刷电机的示意性结构图。图1A示出了电机的剖视图，图1B示出了从图1A的右侧观察的电机的平面图。图1A是沿图1B 的线A-A截取的剖视图。

图1A和图1B所示的无刷电机10包括定子和转子14，其中，定子包括线圈13，磁体15被安装于转子14，并且在转子14的圆筒状的内面和转轴16之间设置有三个均包括行星齿轮的减速齿轮19。

减速齿轮19是圆柱形，并且分别与转轴16的接头17和转子14的内面齿轮接合。减速齿轮19的中央轴18安装到基板11，定子(线圈)13的支撑构件(线圈的芯)12被安装到所述基板11。

磁体15被安装到转子14的定子13侧的表面上，并且通过一间隙与定子13相对。

在本实施方式的无刷电机10中，特别是在转子14的磁体15的相反侧的表面上，导体图案21形成为宽度周期性地变化的图案，此外，与导体图案21相对的传感器主体22设置到电机壳体20的内面。

导体图案21和传感器主体22构成检测转子14的转角的传感器。

至于导体图案21的材料，可以使用例如铝、钢、铜、配线板、导电箔或包含金属的塑料等。没有必要为导体图案21使用磁性材料。

在本实施方式中，导体图案21具有宽度根据与和转子14的转角相关的三角函数变化的形状。

图2A和图2B示出了图1A和图1B的传感器主体22的示意性结构图。图2A示出了上面视图，图2B示出了侧面视图。

传感器主体22形成为盒体，该盒体具有沿圆弧弯曲的形状，并且在该盒体内部，设置有后面将详细说明的四个图案线圈31、32、33、34。该盒体安装到薄的板状构件23，并且该板状构件23在其端部具有安装孔24。板状构件23安装到如图1所示的构件25。

接着，图3示出了图1A、图1B、图2A和图2B所示的传感器主体22的内部的详细结构(平面图)。

在诸如印刷电路板等基板30上，由导体以矩形螺旋形式形成四个图案线圈31、32、33、34。各图案线圈31、32、33、34均构成空心线圈(air core coil)。

基板30和这些图案线圈31、32、33、34优选配置于图2B中示出的盒体的与导体图案21相对的一侧(图2B中的盒体的左侧)。

此外，优选通过在图2B中示出的盒体的与导体图案21相对的一侧的相反侧(图2B中的盒体的右侧)设置演算处理电路、周边电路等，能够使转角检测传感器模块化，由此有利于小型化。

如上构造的转角检测传感器具有通过如下手段检测角度的机理：通过向各图案线圈31、32、33、34施加500kHz至5MHz范围内的信号电流而使得在导体图案21中产生涡电流，并且通过将由涡电流损失引起的各图案线圈中的电感的相对变化转变成角度信息来检测角度。

因此，为了使通过向各图案线圈31、32、33、34施加电流而产生的磁通量尽量多地作用于导体图案21，对于构成传感器主体22的盒体的构件，希望使用非磁性和绝缘的材料。

传感器主体22的四个图案线圈31、32、33、34构成具有图案线圈31、33的第一传感器系统22a和具有图案线圈32、34的第二传感器系统22b。

虽然在附图中未示出电路，但是例如电路构造为使得第一传感器系统22a的图案线圈31、33并列连接，第二传感器系统22b的图案线圈32、34并列连接，并且分别从这些传感器系统22a和22b获得检测信号。

此外，优选地，构造为使得设置用于处理从传感器系统22a和22b获得的检测信号的信号处理电路，并且从该信号处理电路获得电压信号。

注意，也可以以露出该图案线圈的状态将图案线圈31、32、33、34布置于传感器主体22的盒体的外表面。

此外，也可以用非磁性填充物充满传感器主体22的盒体的内部，并且将图案线圈31、32、33、34和构成电路的电路部件埋设于该填充物中。

此外，在图3中，示出了各图案线圈31、32、33、34由一层线圈形成的情况，然而，各图案线圈可以通过电连接两层以上的线圈形成。

接着，图4示出了图案线圈31、32、33、34与图1A和图1B的实施方式中的导体图案21的相对配置的状态。

以导体图案21的宽度的周期变化的1/4周期的间隔(90°的相位差)配置图案线圈31、32、33、34。

由此，以相对于第一传感器系统22a的图案线圈31、33成90°的角位移的方式配置第二传感器系统22b的图案线圈32、34。

第一传感器系统22a的图案线圈31、33和第二传感器系统22b的图案线圈32、34配置成使得成对的图案线圈31、33和成对的图案线圈32、34形成180度的相位角偏移。

由此，在传感器系统22a和22b的各个成对的图案线圈中均能产生差分信号(differential signal)。使用这些差分信号，能够检测转子14的绝对位置。此外，也可以检测导体图案21的移动方向，即转子14的转动方向(顺时针方向或逆时针方向)。

此外，各图案线圈31、32、33、34的空心部的长度尺寸L形成为比导体图案21的最大宽度尺寸Wmax大。利用这种尺寸关系，能够增大当从图案线圈31、32、33、34中产生磁通量时导体图案21中产生的涡电流的发生强度，从而能够提高检测精度。

图5示出图4所示的配置状态的整体。

以相对于转子14的圆周10个周期(一个周期36°)的图案形成导体图案21。传感器主体22的盒体的尺寸对应于导体图案21的大约三个周期，并且四个图案线圈31、32、33、34设置于大约一半盒体中。

即使包括包含安装孔24的板状构件23，传感器主体22的尺寸也大约占据了转子14的整个周长的1/4，占据面积变得比如图8B所示的旋转变压器小很多。

图6是示出图1A和图1B中的导体图案21的细节的平面图。

如图6所示，当转子14旋转时，导体图案21的宽度在特定的位置处周期性地增大和减小。

在图6中，也示出了导体图案21的宽度周期性地变化的一个相位的范围。

注意，导体图案的形状不限于图6中所示的由正弦曲线形成的形状，也可以是由菱形或三角形形成的形状。

另外，除了如图6所示的宽度连续变化的结构之外，可以构造成宽度阶梯状变化的结构。

导体图案的周期数不限于如图6所示的10个周期，还可以根据转子的尺寸、整流控制的条件等适当地确定。

根据上述实施方式中的无刷电机10，宽度周期性变化的导体图案21形成于电机的转子14的表面，并且配置有四个图案线圈31、32、33、34的传感器主体22设置成与导体图案21相对。由此，可以很容易地检测电机的转子14的转角，即，电机10的初始转角。

因此，即使设置包含行星齿轮的减速齿轮19，也能够不存在任何问题地检测电机10的初始转角，并且通过将转子的角度信息反馈到电机的电流控制中，能够实现以较高精度驱动电机。

另外，根据本实施方式的无刷电机10，转角检测传感器由包含非常薄的导体的导体图案21和包含较薄的盒体的传感器主体22构成，其中，所述盒体具有形成于基板30上的图案线圈31、32、33、34。由此，与包括图8A和图8B所示的旋转变压器的转角检测传感器相比，能够很大程度地减小由转角检测传感器占据的空间。

因此，可以使具有转角检测传感器的无刷电机小型化和轻量化。

另外，对于传感器主体22的安装，只要传感器主体用安装座面(图1A中所示的构件25)固定，就足够了，不需要加工电机的整个外周。

并且，在转子14中，导体图案21直接形成于与转轴垂直的表面，从而能够很容易相对于转子14精确地形成导体图案21。

此外，为了在导体图案21中产生涡电流，施加到图案线圈31、32、33、34的信号电流的频率相对于电机的驱动频率被设定成足够高，从而不需要在各图案线圈的芯部中设置用于增加电感值的磁体或钢芯，由此能够实现电机重量的减轻。

另外，因为设置于本发明的电机中的转角检测传感器构造成不使用迄今已知的旋转变压器中需要的磁体或钢芯，能够得到如下的特别效果：来自电机的扰磁对于角度检测精度的影响相对较小，结果，能够实现高精度地检测和控制电机的驱动电流。

注意，驱动电机的驱动电路可以设置于电机的内部或外部。

同时，可以在车辆(例如，机动车)的车轮中建立包括电机的驱动。

通过采用本发明的具有如上实施方式的结构的电机，即使在车轮中建立包括电机的驱动的情况下，也存在车轮的宽度不需要制造的更宽的优势。

在上述实施方式中，传感器主体22的图案线圈31、32、33、34由两对四个形成，然而，线圈的数量不限于两对四个。

如果至少设置一对两个线圈，也可以精确地检测转子的转角。另外，只要传感器主体占据的空间不增加，也可以增加线圈的数量。

例如，因为在上述实施方式中的传感器主体22具有与导体图案21的三个周期相对应的尺寸，所以可能形成四对八个线圈。

本发明不限于上述实施方式，在不偏离本发明的主旨的范围内，也可以有各种其他的结构。

Claims (2)

1.一种电机，其包括：

转子；

转轴；

减速齿轮，所述减速齿轮设置于所述转子和所述转轴之间，并且所述减速齿轮包括行星齿轮；

导体图案，所述导体图案形成于所述转子的与所述转轴垂直的表面，并且所述导体图案的宽度周期性地变化；以及

转角检测传感器，所述转角检测传感器被设置成与所述导体图案相对。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述转角检测传感器包括多个图案线圈，所述多个图案线圈以与所述导体图案的宽度的周期对应的间隔形成。

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