CN103001440A

CN103001440A - 无刷直流马达

Info

Publication number: CN103001440A
Application number: CN2012103196645A
Authority: CN
Inventors: 神基; 加藤隆弥; 关口治; 大岩昭二
Original assignee: Nidec Servo Corp
Current assignee: Nidec Advanced Motor Corp
Priority date: 2011-09-10
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2013-03-27
Also published as: US20130062985A1; JP2013062889A; EP2568577A2

Abstract

一种无刷直流马达。本发明得到一种在将三相无刷直流马达的绕组端子短路而进行短路制动动作时，在磁铁难以产生消磁的转子。为此，本发明将两种矫顽力不同的磁铁圆周状地交替配置而形成环形。在强力产生退磁场的磁铁部分配置矫顽力大的磁铁。退磁场的产生部分为定子的凸极部分，定子的凸极部中心在磁铁的NS极的边界附近时，反电动势为最大。由于在NS极边界附近位置，退磁场为最大值，因此在NS极边界附近配置矫顽力强的磁铁。

Description

无刷直流马达

技术领域

本发明涉及一种将磁铁用于转子的无刷直流马达，特别涉及一种马达转子的改良，该马达转子的改良以改善在将马达的绕组短路而进行的短路制动动作时所产生的、磁铁的消磁现象为目的。

背景技术

近年来，在送风机的用途中，为了提高流量-静压特性而不断推进叶轮的高速旋转化。另一方面，从确保安全性的观点考虑，在断开电源时，有时需要叶片短时间停止工作。此时，为了在电源断开后使马达在马达驱动电路动作的短时间内停止，采用了使马达的绕组端子间短路而通过马达的反电动势产生制动转矩的短路制动方式。

图4示出现在经常使用的一般风扇马达驱动用电路的简略接线图。此风扇马达由三相无刷直流马达构成，马达部分构成为例如图5所示的结构。即，由在圆环状铁芯1的外周周向等间隔地具有六个凸极2的定子铁芯3、卷绕在各凸极2的三相的绕组4构成定子5。以包围该定子5的方式设置转子8，该转子8由与各凸极2隔着微小空隙相对置的圆环状磁铁6和保持此磁铁6的圆环状转子轭7构成。磁铁6例如由环状的铁氧体粘结磁铁构成，且被四极磁化，同一磁极宽度的四磁极NS交替且等间隔地配置。此转子8在其旋转中心位置一体地具有旋转轴，且其通过图外的轴承被支撑为在与定子5同心的位置自由旋转。

在图4中，接通与电源11连接的开关12后,电容器13进行充电，且电源电压分别施加在逆变电路14以及控制此逆变电路14的晶体管群的晶体管驱动电路部15。逆变电路14具有上臂的晶体管群14a和下臂的晶体管群14b，被三角形接线的马达绕组4的各端子分别连接在上臂的晶体管群14a和下臂的晶体管群14b的各相间。并且，由于开关12被接通，被提供有电源的晶体管驱动电路部15对晶体管群14a/14b进行驱动控制，逆变电路14的上下臂的各晶体管群14a/14b按照各相被依次进行接通/断开控制，而依次向三相的绕组4通电，各相的绕组4依次被励磁后，通过被磁化的各相的凸极2和磁铁6间的电磁相互作用而在转子8产生旋转力，从而转子旋转。另外，在图4中，以内部电阻16和电感器17和反电动势18的串联电路等价表示绕组4。

在此，当在转子旋转中断开开关12而切断电源11时，晶体管驱动电路部15依靠电容器13所积蓄的电荷继续短时间工作。在该可工作时间内，晶体管驱动电路部15进行如下动作：将与马达绕组端子连接的逆变电路14的三相份的上臂的晶体管群14a全部断开，将下臂的晶体管群14b全部接通。三相马达绕组4由于下臂晶体管群14b而短路。由于转子8在旋转，如图4所示，在各相的马达绕组4产生大的马达反电动势18。其结果是，大的短路电流流入各马达绕组4，产生制动转矩，由此，能够使转子在短时间（即电容器13的电荷残留而晶体管驱动电路部15动作的时间）内停止。

但是，在上述的现有技术的短路动作中，从卷绕有绕组4的定子3的凸极2向与之对置的转子8的磁铁6提供大的退磁场。图6示出刚切断电源后的三相各绕组4的反电动势波形。图中的A点位置为U相的产生反电动势最大的位置。图5所示的磁铁6的磁极位置与定子凸极2之间的位置关系示出此A点所示情况。U相的凸极2被励磁为N极，／U相的凸极2被励磁为S极。U相凸极2和磁铁6的N磁极在区域X的位置以同极对置，／U相凸极2和磁铁6的S磁极在区域Y的位置以同极对置。

图7为示出铁氧体粘结磁铁的特性的消磁曲线。21表示粘结磁铁的B-H曲线，22表示粘结磁铁的4πＩ－Ｈ曲线,23表示所构成的磁路的导磁系数。由B-H曲线21和导磁系数23的交点（B点）算出发生消磁时的临界退磁场强度Hd1约为120ＫＡ／ｍ。也就是说，使用磁铁时的导磁系数为图7的符号23所表示的时，磁铁依此导磁系数23和B-H曲线21的交点（B点）处的磁通密度而动作。来自B点的垂线和4πＩ－Ｈ曲线22的交点（C点）表示外部磁场为零时的磁化强度。认为在反方向施加外部磁场时，导磁系数平行移动了相应于外部磁场的部分，此时，由于若C点平行移动超过4πＩ－Ｈ曲线22的弯曲点（D点）的话，则产生不可逆变化（也就是由外部磁场引起的消磁），因此平行移动到此弯曲点（D点）时的磁场强度为临界退磁场强度Hd1，大约为120ＫＡ／ｍ。

并且，从之前的被励磁为N极的U相凸极和被励磁为S极的／U相凸极产生的临界退磁场强度超过Hd1时，相对置的位置的磁铁6的磁极部分消磁。

图8为沿磁铁的周向角度θ示出磁铁内径面的表面磁通密度的分布的图。24表示消磁现象产生前的表面磁通密度的分布，25为产生消磁时的表面磁通密度的分布。可知在四极磁铁6的NS极的磁极边界附近产生消磁现象，在磁极中央部分不产生消磁。

用于马达的铁氧体的树脂结合型的粘结磁铁由于超过由磁路动作点确定的临界退磁场强度Hd的退磁场而消磁，不能维持作为风扇用马达所需的特性。在此，作为减少短路电流而抑制消磁的方法，有将电阻器与各相绕组连接的方法。并且，与马达起动时同样，也考虑构成电流限制电路的方法。但是，任何一种方法均会产生制动停止时间延迟和电路形状大型化，成本增加等问题。

并且，也有一种通过以磁铁自身作为矫顽力高的铁氧体烧结材料而抑制消磁的方法，但在环形磁铁中，由于其径向尺寸和厚度尺寸而在制造上受到限制，且很多时候不能在厚度薄的形状的环形磁铁使用烧结材料。还有将磁铁分割成分体形状的方法，但此时磁铁的定位和粘结工序变得复杂。任何一种方法均会引起相当大程度的成本增加。

发明内容

本发明是针对上述现有问题点而被完成的，本发明的目的在于：提供一种无刷直流马达，该无刷直流马达具有即使在使马达的绕组短路而进行短路制动动作的情况下也能够将磁铁的消磁抑制在最小程度的转子。

本发明为实现上述目的，将两种矫顽力不同的磁铁圆周状地交替配置且形成环形，并在强力产生退磁场的部分配置矫顽力大的磁铁。即，退磁场的产生部分为定子的凸极部分，定子的凸极部中心来到磁铁的NS极的边界附近时，反电动势最大。由于在NS极边界附近，退磁场为最大值，所以在NS极边界附近配置矫顽力强的磁铁。

并且，以矫顽力小的磁铁作为树脂结合型的粘结磁铁，将其按照一定间隔配置且成型为具有连接相邻的多个极间的连接部，并形成为在矫顽力小的磁铁间配置矫顽力大的磁铁的结构，使此矫顽力大的磁铁的定位作业变得容易。

根据本发明，具有如下所述的优点，例如，能够构成适合送风机驱动用马达的转子。

（1）通过只在绕组短路时强力产生退磁场的磁铁部分配置矫顽力大的磁铁，能够将磁铁的材料费增加抑制在最小限度。

（2）由于能够不用变更电路结构地应用现有技术，因此没有马达外观形状和电路成本的增加。

（3）通过使用矫顽力小的铁氧体类的树脂结合型的廉价粘结磁铁材料成型为具有连接相邻的多个极间的连接部，而构成矫顽力大的烧结分体磁铁的定位部分，从而提高易作业性。

由以下的本发明优选实施方式的详细说明，参照附图，可以更清楚地理解本发明的上述及其他特征，要素，步骤，特点和优点。

附图说明

图1为本发明实施方式的无刷直流马达的切断俯视图。

图2示出图1中的磁铁的展开图，（a）表示磁化前（未磁化时），（b）表示磁化后。

图3为示出图2中的磁铁的消磁曲线的特性图。

图4为示出一般风扇马达的驱动用电路的简略接线图。

图5为现有无刷直流马达的切断俯视图。

图6为无刷直流马达刚切断电源后的各相的反电动势波形图。

图7为示出图5的磁铁的消磁曲线的特性图。

图8为示出图5的磁铁的表面磁通密度的波形图。

具体实施方式

以下，基于图1以及图2对本发明的无刷直流马达的实施方式进行说明。图1为三相四磁极六凸极的无刷直流马达的剖视图。与在现有技术中所说明的一样，由在圆环状铁芯51的外周沿周向等间隔地具有6个凸极52的定子铁芯53和卷绕在各凸极52的三相的绕组54构成定子55。以包围此定子55的方式设置转子58，该转子58由与各凸极52隔着微小间隙相对置的圆环状磁铁56和保持此磁铁56的圆环状转子轭57构成。此转子58在其旋转中心位置一体地具有旋转轴，且其被图外的轴承支撑为在与定子55同心的位置自由旋转。

用于转子58的磁铁56由环状的铁氧体磁铁构成，与现有的技术不同，是通过组合两种矫顽力不同的磁铁要素而构成的。也就是说，图2为将磁铁56直线状展开示出的图，图2（a）示出未磁化的状态，图2（b）示出磁化后的状态。此磁铁56由第一磁铁要素56A和第二磁铁要素56B构成，其中，该第一磁铁要素56A由矫顽力小的铁氧体树脂结合型粘结磁铁构成，该铁氧体树脂结合型粘结磁铁通过将具有全周的1/8角度宽度（45度）的四个第一磁极56Aa等间隔（每隔90度）配置的同时用连接部56Ab将相邻的磁极56Aa的端缘间连接成圆环状而构成，第二磁铁要素56B具有4个分体状的第二磁极56Ba，所述4个第二磁极56Ba由具有全周的1/8角度宽度（45度）且分别插入在第一磁铁要素56A的各第一磁极56Aa之间的矫顽力大的铁氧体烧结型磁铁构成。

并且，在未磁化的状态下，在相邻的第一磁极56Aa间分别配置为分体磁铁的第二磁极56Ba并用粘结剂等将第一、第二磁铁要素56A、56B结合为一体，在磁化工序前，由矫顽力不同的两种，形成为环形。接下来，对此环形磁铁56以第一磁铁要素56A的各第一磁极56Aa的内径侧分别被交替磁化为N极和S极的方式进行磁化。此时，配置在第一磁极56Aa的NS极的边界部分的矫顽力大的铁氧体烧结型分体磁铁以其中央部分为界，被磁化为N极和S极。因此，如图2（b）所示，磁铁56的N极由矫顽力小的磁极要素56A的第一磁极56Aa和位于所述第一磁极56Aa两侧的矫顽力大的磁铁要素56B的第二磁极56Ba中的与所述第一磁极56Aa邻接的一侧的一半区域构成。同样，磁铁56的S极通过矫顽力小的磁铁要素56A的第一磁极56Aa和位于所述第一磁极56Aa两侧的矫顽力大的磁铁要素56B的第二磁极56Ba中的与所述第一磁极56Aa邻接的一侧的一半区域构成，在矫顽力大的第二磁极56Ba的中心存在NS极的边界线。

在转子58具有如此构成的磁铁56的无刷直流马达使用图4所示的驱动用电路进行旋转动作。并且，若在转子旋转时断开开关12而进行短路制动动作，则逆变电路14的下臂的晶体管群14b全部接通，将三相的绕组54短路，电磁制动器发挥作用。如前所述，在将马达绕组54短路的制动动作时，从设置有马达绕组54的定子53的凸极52向转子58的磁铁56发挥作用的退磁场变为最大的位置为NS磁极的边界线附近，但在上述实施方式中，在磁铁56的NS磁极的边界部分配置矫顽力大的第二磁铁要素56B的第二磁极56Ba，其结果是，关于退磁场，矫顽力大的磁铁要素56B的临界退磁场强度不会超过Hd，因此，磁铁部分的消磁现象消失。

图3为示出矫顽力大的铁氧体烧结型磁铁要素56B的特性的消磁曲线。61为烧结磁铁的Ｂ－Ｈ曲线、62为烧结磁铁的4πＩ－Ｈ曲线、63为磁路的导磁系数。求出磁路的导磁系数63，由作为Ｂ－Ｈ曲线21和导磁系数63的交点（B’点）的磁铁动作点求得通过其的垂线与4πＩ－Ｈ曲线62的交点（C’点），得到外部磁场为零时的磁化强度，逆向施加外部磁场时，由发生消磁时的临界退磁场强度Ｈｄ2为平行移动到4πＩ－Ｈ曲线62的弯曲点（D’点）时的磁场强度，能够算出发生消磁时的临界退磁场强度Ｈｄ2为大约180ＫＡ／ｍ。在现有的矫顽力小的铁氧体树脂结合型粘结磁铁中，由于临界退磁场强度Ｈｄ1约为120ＫＡ／ｍ，能够确保50%的充裕度。

根据上述实施方式，能够通过改良转子的磁铁的结构，而防止磁铁由于在将高速旋转的风扇用无刷直流马达的绕组端子短路而短时间停止马达时产生的来自马达绕组的退磁场而消磁，且用最小限度的成本增加即可实现，是一种对大量生产的风扇用马达等十分有效的技术。

另外，在上述实施方式中，使用矫顽力不同的铁氧体的磁铁来说明两种磁铁，但本发明并不限于此，只要是矫顽力的不同与磁铁材质无关的磁铁均可适用。并且，在实施方式中，使用外转子方式的马达进行了说明，但也适用于内转子结构的马达。

Claims

1.一种无刷直流马达，其具有：

定子，其具有由软磁材料构成且卷绕有马达绕组的多个主磁极部和所述定子的前端的凸极部；

转子，其具有与所述定子的凸极部隔着气隙对置的磁铁，

所述无刷直流马达的特征在于，

所述磁铁使用两种矫顽力不同的磁铁要素而形成为环形，两磁铁要素分别具有多个磁极部，两磁铁要素的各自的磁极部在圆周方向交替配置，且在NS极边界附近配置矫顽力强的磁铁要素的磁极部。

2.根据权利要求1所述的无刷直流马达，其中，

由两种矫顽力不同的磁铁要素构成的环形磁铁的NS磁极的边界存在于矫顽力大的磁铁要素的磁极部的中心附近。

3.根据权利要求1所述的无刷直流马达，其中，

矫顽力大的磁铁要素的磁极数相对于矫顽力小的磁铁要素的磁极数为2倍。

4.根据权利要求3所述的无刷直流马达，其中，

矫顽力大的磁铁要素的磁极部以在其中心附近存在NS磁极的边界的方式被两极磁化，矫顽力小的磁铁要素的磁极部与其两侧所分别邻接的矫顽力大的磁铁要素的磁极部中比NS磁极的边界靠邻接处的一侧被设定为同一极。

5.根据权利要求4所述的无刷直流马达，其中，

矫顽力大的磁铁要素和矫顽力小的磁铁要素在未磁化的状态下，各自的多个磁极部交替配置地连接成环形后，由于矫顽力大的磁铁要素的各磁极部相对于矫顽力小的磁铁要素的各磁极部以被交替磁化为N极和S极的方式而被磁化，因此矫顽力大的磁铁要素的各磁极部以其中央部分为界被磁化为N极和S极。

6.根据权利要求1所述的无刷直流马达，其中，

矫顽力小的磁铁要素由树脂结合型的粘结磁铁构成，由每隔一定间隔配置的多个磁极部和分别连接相邻的磁极部间的连接部构成为环状。

7.根据权利要求6所述的无刷直流马达，其中，

矫顽力小的磁铁要素的多个连接部配置在所述矫顽力小的磁铁要素的多个磁极部的轴向端缘之间。

8.根据权利要求7所述的无刷直流马达，其中，

矫顽力大的磁铁要素由分体状的多个烧结型磁铁构成，所述烧结型磁铁分别配置在矫顽力小的磁铁要素的各磁极部间，烧结型磁铁在粘结磁铁的磁极部和连接部处结合为一体。

9.根据权利要求8所述的无刷直流马达，其中，

矫顽力大的磁铁要素由铁氧体烧结型磁铁构成，矫顽力小的磁铁要素由铁氧体树脂结合型粘结磁铁构成。

10.根据权利要求9所述的无刷直流马达，其中，

矫顽力大的磁铁要素和矫顽力小的磁铁要素在未磁化的状态下，各自的多个磁极部交替配置地连接成环形后，由于所述矫顽力大的磁铁要素的各磁极部相对于矫顽力小的磁铁要素的各磁极部以被交替磁化为N极和S极的方式而被磁化，因此矫顽力大的磁铁要素的各磁极部以其中央部分为界被磁化为N极和S极。