CN103546011A

CN103546011A - 旋转电气机器

Info

Publication number: CN103546011A
Application number: CN201310286570.7A
Authority: CN
Inventors: 谷口真
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2033-07-09
Also published as: JP5672507B2; US20170040876A1; US9929629B2; US20140009044A1; JP2014017966A; CN103546011B

Abstract

一种旋转电气机器，包括：支撑构件(10)、定子芯(21)、绕线组(22)、轴(31)、转子(30)、磁发生器(52)以及磁检测器(51、781、782、783)。定子芯具有保持在支撑构件内的环状磁轭(28)和在磁轭的径向向内方向上从磁轭突出的齿部(29)。绕线组缠绕在齿部上。轴延伸穿过定子芯，并由支撑构件以可旋转的方式支撑。转子位于定子芯中并随着轴旋转。磁发生器位于轴的端部处。磁检测器输出表示由磁发生器产生的磁通密度的变化的信号。用于转子中的每个磁极对的齿部的数量为偶数。

Description

旋转电气机器

技术领域

本公开涉及一种旋转电气机器。

背景技术

在旋转电气机器领域，已知的是，半导体磁传感器用来检测转子相对于定子的相对旋转角度。在这种情况下，副磁体布置在与半导体磁传感器相对应的位置处。例如，在JP-A-2006-081283中所公开的无刷马达中，副磁体布置在与转子一起旋转的轴的一端处，使得半导体磁传感器能够检测转子的相对旋转角度而不影响由绕线中的电流和转子的磁极所产生的磁场。

当通过使用半导体磁传感器检测转子相对于定子的相对旋转角度时，副磁体相对于磁极的位置是重要的。应当注意，下文中，转子相对于定子的相对旋转角度有时称为“转子的旋转位置”。在槽相对于齿部以电气角

(即180°)定位的定子中，齿部中产生的磁通量分布在槽处。因此，削弱了磁场，并降低了转子吸引磁极的力。因此，当副磁体固定到转子时，转子可能由于意外的外力的施加而旋转。如果发生这种情况，副磁体没有固定在相对于磁极的正确位置中。因此，转子的旋转位置不能通过使用半导体磁传感器而精确地检测到。

发明内容

鉴于以上所述，本公开的目的是提供一种以提高的精度检测转子的旋转位置的旋转电气机器。

根据本公开的一个方面，旋转电气机器包括：支撑构件、定子芯、绕线组、轴、转子、磁发生器以及磁检测器。定子芯具有保持在支撑构件内的环状磁轭和在磁轭的径向向内方向上从磁轭突出的齿部。绕线组缠绕在齿部上。轴延伸穿过定子芯，并由支撑构件以可旋转的方式支撑。转子位于定子芯中并随着轴旋转。磁发生器位于轴的端部处。磁检测器输出表示由磁发生器产生的磁通密度的变化的信号。用于转子中的每个磁极对的齿部的数量为偶数。

附图说明

通过参照附图进行的以下详细描述，本公开的以上及其它的目的、特征和优点变得更加明显。在附图中：

图1是示出了根据本公开的第一实施方式的旋转电气机器的沿着图2中的线I-I剖取的截面图的视图；

图2是示出了沿着图1中的线II-II剖取的截面图的视图；

图3是示出了根据第一实施方式的旋转电气机器的电气构型的视图；

图4A是示出了作为参考例的旋转电气机器的截面图的视图，其中用于每个磁极对的齿部的数量为偶数，而图4B是示出了作为参考例的旋转电气机器的截面图的视图，其中用于每个磁极对的齿部的数量为奇数；

图5是示出了根据本公开的第二实施方式的旋转电气机器的截面图的视图；

图6是示出了根据本公开的第三实施方式的旋转电气机器的截面图的视图；

图7是示出了根据本公开的第四实施方式的旋转电气机器的截面图的视图；

图8是示出了根据本公开的第五实施方式的旋转电气机器的截面图的视图；

图9是示出了从图8中的箭头IX观察到的视图的图。

具体实施方式

以下参照附图来描述本公开的实施方式。

(第一实施方式)

以下参照图1、2和3来描述根据本公开的第一实施方式的旋转电气机器1。如图1所示，旋转电气机器1包括马达5和控制器7。

马达5为三相无刷马达。马达5包括第一壳体10(作为支撑构件)、定子20、以及转子30。

第一壳体10包括管11、第一侧部12、以及第二侧部15。管11的第一端由第一侧部12封闭。管11的第二端由第二侧部15封闭。轴承14装配在第一侧部12的中心处的通孔13中。轴承17装配在第二侧部15的中心处的通孔17中。

定子包括定子芯21和绕线组22。定子芯21位于第一壳体10的管11中。绕线组22缠绕在定子芯21上。

定子芯21具有齿部29和环状的磁轭28。磁轭28被挤压到管11中使得磁轭28能够被压靠并固定到管11的内表面。齿部29在磁轭28的径向向内的方向上从磁轭28突出。磁轭28和齿部29形成为一体。根据第一实施方式，二十四个齿部29在磁轭28的圆周方向上以15度的间隔布置。

绕线组22包括U相绕线、V相绕线、以及W相绕线。在相邻的齿部29之间形成有槽25。绕线组22的每个绕线缠绕在每个第三个槽25中。也就是说，绕线组22的每个绕线以三个槽25的间隔缠绕。换言之，绕线组22的每个绕线以三个齿部29的间隔缠绕。提供每个间隔的三个齿部29定位成面向转子30的一个主磁体。因此，绕线组22的每个绕线以电气角

(即180°)的间隔缠绕在齿部29上。应当注意，图2仅示出了流过U相绕线的电流的方向。

转子30包括转子芯32和主磁体41、42、43、44、45、46、47以及48。

转子芯32由在旋转轴线Φ的方向上层叠的钢板制成。每个钢板由软磁材料制成。主磁体41、42、43、44、45、46、47以及48位于转子芯32的在转子芯32的径向方向上的外侧上。转子芯32起到用于传导从主磁体41、42、43、44、45、46、47以及48流出的磁通量的磁轭的作用。

由主磁体41、42、43、44、45、46、47以及48提供八个磁极，从而围绕转子芯32的在转子芯32的径向方向上的外侧。根据第一实施方式，主磁体41、43、45以及47中的每一个在转子芯32处形成了南极，而主磁体42、44、46以及48中的每一个在转子芯32处形成了北极。在旋转电气机器1中，对于每个不同类型磁极的磁极对设置有六个齿部29。也就是说，对于每个磁极41、42、43、44、45、46、47以及48设置有三个齿部29。具体地，当转子位于图2中所示的位置而齿部291、292以及293定位成面向主磁体41时，齿部294、295以及296定位成面向主磁体42。应当注意，齿部291至296是齿部29的一部分。由于马达5为三相无刷马达，并且转子30具有八个极，因此极的数量与相的数量的乘积为二十四。此外，由于齿部29的数量为二十四，因此限定为每个磁极和每个相的齿部29的数量的数量k为一(＝24/24)。

轴31插入形成于转子芯32的中心处的通孔中。轴31由轴承14和17可旋转地支撑。

副磁体52(作为磁发生器)固定到轴31，使得副磁体52能够产生与轴31的轴线方向垂直的磁通量。具体地，副磁体52被保持在外壳(未示出)中，并且该外壳被挤压地装配到轴31的在第二侧部15侧的端部。因此，副磁体52固定到轴31的该端部。

控制器7在第二侧部15侧连接到马达5。控制器7包括第二壳体50、磁传感器51(作为磁检测器)、信号板56(作为处理器)、电力板61(作为通电控制器)、以及用于将信号板56与电力板61连接的连接器58。磁传感器51、信号板56、电力板61、以及连接器58容置在由第二壳体50与第二侧部15所限定的空间中。

磁传感器51设置成在轴31的轴线方向上面向副磁体52。磁传感器51具有磁阻(MR)元件并且检测与磁传感器51平行的磁场。磁传感器51具有磁检测表面并将指示磁检测表面上的磁通密度的变化的信号输出到信号板56

信号板56基于从磁传感器51输出的信号来计算转子30相对于定子20的相对旋转角度。信号板56将指示计算出的相对旋转角度的信号经由连接器58输出到电力基板61。

如图3所示，电力板61包括功率晶体管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5以及Q6。电力板61基于从信号板56输出的信号控制功率晶体管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5以及Q6，从而将电源62的电力供给到绕线组22。因此，定子20产生了在圆周方向上旋转的磁场，并且转子30根据该磁场而旋转。

根据第一实施方式，如前所述，对于每个磁极对，设置有六个齿部29。也就是说，根据第一实施方式的旋转电气机器1的特征在于，用于每个磁极对的齿部29的数量为偶数。以下参照图4A和4B来描述用于每个磁极对的齿部的数量为偶数时与用于每个磁极对的齿部的数量为奇数时二者之间的差异。

图4A是示出了作为参考例的旋转电气机器300的截面图的视图，其中用于每个磁极对的齿部的数量为两个，即偶数，而图4B是示出了作为参考例的旋转电气机器400的截面图的视图，其中用于每个磁极对的齿部的数量为一个，即奇数。

在用于每个磁极对的齿部的数量为两个的旋转电气机器300中，当电流流经绕线23时，在齿部891中和相对于齿部891以电气角

(即180°)定位的齿部892中产生从图4A的上方到下方的磁通量B。在旋转电气机器300中，由磁通量B产生的磁场无分散地作用在位于定子80内侧的转子90上。因此，定子80对主磁体91和92的吸引力增强，使得如图4A所示，转子90能够精确地且稳固地相对于定子80定位。

另一方面，在用于每个磁极对的齿部的数量为一个的旋转电气机器400中，当电流流经绕线24时，在齿部111中产生从图4B的上方到下方的磁通量B。但是，在没有相对于齿部111以电气角

(即180°)定位的齿部112和113中，磁通量B根据齿部112和113相对于齿部111的角度而产生。在图4B中示出的旋转电气机器400中，齿部112以相对于齿部111成60°的角度定位，而齿部113以相对于齿部111成-60°的角度定位。因此，能够认为，在齿部112与齿部113之间的槽114中产生的磁通量B为在齿部111中产生的磁通量B的一半。因此，定子110对转子120的主磁体的吸引力降低。因此，如图4B中的虚线所示出的，即便当转子120曾经相对于定子110精确地定位时，转子120也可能由于意外的外力的施加而相对于定子110移位。

基于以上研究，以下参照图2来描述根据第一实施方式的旋转电气机器1的优点。

在旋转电气机器1中，用于每个磁极对的齿部29的数量为六个，即偶数。因此，旋转电气机器1能够具有与图4A中示出的旋转电气机器300相同的优点。也就是说，当电流流经绕线组22的W相绕线时，在齿部291、292以及293中在径向向内的方向上产生磁通量B，使得齿部291、292以及293能够被磁化，并且在齿部294、295以及296中在径向向外的方向上产生磁通量B，使得齿部294、295以及296能够与齿部291、292以及293相反地被磁化。此外，当定子20和转子30具有图2中示出的位置关系时，面向齿部291、292以及293的主磁体41为南极，而面向齿部294、295以及296的主磁体为北极。因此，即便在施加了意外的外力的情况下，仍然能够保持图2中示出的定子20与转子30之间的位置关系。对于其它的齿部与主磁体之间的关系也是一样的。

当副磁体52在组装旋转电气机器1时固定到轴31时，通过使电流流过U相绕线，使得主磁体41定位成面向齿部292，而主磁体42定位成面向齿部295。这样，副磁体52能够固定在相对于主磁体41、42、43、44、45、46、47以及48的正确位置中。因此，能够精确地检测转子30的旋转位置(即转子30相对于定子20的相对旋转角度)。

此外，由于副磁体52固定在相对于主磁体41、42、43、44、45、46、47以及48的正确位置中，因此通过使较小量的电流流过U相绕线，转子30能够定位在预定位置中。因此，控制通电的电力板61的尺寸能够减小。

此外，由于副磁体52固定在相对于主磁体41、42、43、44、45、46、47以及48的正确位置中，因此能够简化在旋转电气机器1的组装中调节检测精度的过程。因此能够减小组装旋转电气机器1所需的工时数。

在旋转电气机器1中，绕线组22以电气角

的间隔缠绕在齿部29上。也就是说，绕线组以等于或大于的电气角的间隔缠绕在齿部29上，其中k为用于每个磁极和每个相的齿部29的数量。这样，定子20产生了较强的磁场，该较强的磁场在电气角的位置处具有相反的磁极。因此，转子30能够在预定的位置中精确地定位。因此，副磁体52能够固定在正确的位置中，并且因此能够精确地检测转子30的旋转位置。

此外，在旋转电气机器1中，面向主磁体41、42、43、44、45、46、47以及48中的任一个的齿部29的数量为三个。也就是说，面向主磁体41、42、43、44、45、46、47以及48中的任一个的齿部29的数量不小于(3k-1)。这样，能够确定地产生足以吸引转子30的主磁体41、42、43、44、45、46、47以及48的力。因此，副磁体52能够固定在正确的位置中，并且因此能够精确地检测转子30的旋转位置。

(第二实施方式)

以下参照图5来描述根据本公开的第二实施方式的旋转电气机器2。第一实施方式与第二实施方式之间的区别为转子的形状。

旋转电气机器2为磁阻马达，其包括不具有永磁体的凸极转子70。转子70包括毂部700、四个突部701、703、705和707(作为第一磁极)、以及四个凹部702、704、706和708(作为第二磁极)。突部701、703、705和707在径向向外的方向上从毂部700突出。每个凹部702、704、706和708分别位于突部701、703、705和707中相邻的两个突部之间。例如凹部702位于突部701与703之间。

如图5所示，每个突部701、703、705和707具有圆周方向上的长度L1，并且每个凹部702、704、706和708具有圆周方向上的长度L2。长度L1不大于长度L2。

根据第二实施方式，齿部29的顶端与每个突部701、703、705和707之间在径向向内方向上的距离小于齿部29的顶端与每个凹部702、704、706和708之间在径向向内方向上的距离。因此，齿部29的顶端与每个突部701、703、705和707之间在径向向内方向上的磁阻变得小于齿部29的顶端与每个凹部702、704、706和708之间在径向向内方向上的磁阻。也就是说，转子70具有磁性突部和凹部。转子70的位置取决于齿部29与允许磁通量容易地通过的每个突部701、703、705和707之间的位置关系。因此，转子70能够被精确地定位在预定位置中。

此外，根据第二实施方式，通过将长度L1设定于不大于长度L2的值，旋转电气机器2中的磁路被优化。因此，能够减小旋转电气机器2的尺寸。

(第三实施方式)

以下参照图6来描述根据本公开的第三实施方式的旋转电气机器3。第一实施方式与第三实施方式的差异为转子的形状。

旋转电气机器3是庶极马达。转子73包括毂部730、四个突部731、733、735和737(作为第一磁极)、四个凹部732、734、736和738、以及四个主磁体741、742、743和744(作为第二磁极)。突部731、733、735和737在径向向外的方向上从毂部730突出。每个凹部732、734、736和738分别位于突部731、733、735和737中相邻的两个突部之间。例如，凹部732位于突部731与733之间。主磁体741、742、743和744分别布置在凹部732、734、736和738上。

每个突部731、733、735和737由软磁材料制成，并且具有北极和南极中的一个。每个主磁体741、742、743和744具有北极和南极中的另一个。例如，根据第三实施方式，每个突部731、733、735和737具有南极，而每个主磁体741、742、743和744具有北极。

如图6所示，每个突部731、733、735和737具有圆周方向上的长度L3，并且每个凹部732、734、736和738具有圆周方向上的长度L4。长度L3不大于长度L4。

根据第三实施方式，突部731、733、735和737的磁导率大于主磁体741、742、743和744的磁导率。因此，齿部29的顶端与每个突部731、733、735和737之间在径向向内方向上的磁阻变得小于齿部29的顶端与每个主磁体741、742、743和744之间在径向向内方向上的磁阻。也就是说，转子73具有磁性突部和凹部。转子73的位置取决于齿部29与允许磁通量容易地通过的每个突部731、733、735和737之间的位置关系。因此，转子73能够被精确地定位在预定位置中。

此外，根据第三实施方式，通过将长度L3设定于不大于长度L4的值，旋转电气机器3中的磁路被优化。因此，能够减小旋转电气机器3的尺寸。

(第四实施方式)

以下参照图7来描述根据本公开的第四实施方式的旋转电气机器4。第三实施方式与第四实施方式之间的差异为定子的齿部的数量。

旋转电气机器4为三相、八极无刷马达。定子75具有四十八个齿部76。在此情况下，限定为用于每个磁极和每个相的齿部76的数量的数量k为两个(＝48/24)。

在相邻的齿部76之间形成有槽74。绕线组77缠绕在每六个槽74中。也就是说，绕线组77以六个槽74的间隔缠绕。换言之，绕线组77以六个齿部76的间隔缠绕。提供每个间隔的六个齿部76定位成面向一个主磁体或转子73的一个突部。因此，绕线组以电气角(即180°)的间隔缠绕在齿部76上。应当注意，图7仅示出了流经U相绕线的电流的方向。

在旋转电气机器4中，用于每个磁极对的齿部的数量为十二个。因此，当转子73定位在相对于定子75的预定位置中时，转子73的每个突部731、733、735和737定位成面向六个齿部76。因此，副磁体52能够固定在相对于突部731、733、735和737以及主磁体741、742、743和744的正确位置中。因此，能够精确地检测转子73的旋转位置。

(第五实施方式)

以下参照图8和9来描述根据本公开的第五实施方式的旋转电气机器6。第一实施方式与第五实施方式之间的差异为磁传感器所固定的位置。

旋转电气机器6具有三个磁传感器781、782和783(作为磁检测器)。磁传感器781、782和783位于副磁体52的径向方向上。如图9所示，磁传感器781、782和783围绕轴31的旋转轴线Φ以30°的角度彼此间隔开。磁传感器781具有霍尔元件，并且检测与磁传感器781垂直的磁场。磁传感器782具有霍尔效应元件，并且检测与磁传感器782垂直的磁场。磁传感器783具有霍尔效应元件，并且检测与磁传感器783垂直的磁场。

(变型)

尽管已经参照了本公开的实施方式描述了本公开，但应当理解，本公开不限于这些实施方式和结构。本公开旨在覆盖各种修改和等同的布置。此外，除了各种组合和构型之外，包含有更多、更少或仅包含一个元件的其它组合和构型也在本公开的精神和范围之内。

(a)在第一、第二、第三以及第五实施方式中，齿部的总数为二十四个，且用于每个磁极的齿部的数量为三个。在第四实施方式中，齿部的总数为四十八个，且用于每个磁极的齿部的数量为六个。齿部的总数和用于每个磁极的齿部的数量不限于这些数量，只要用于每个磁极的齿部的数量为偶数即可。

(b)在上述实施方式中，旋转电气机器为三相无刷马达。旋转电气机器的相的数量不限于三个。例如，旋转电气机器的相的数量可以为两个。

(c)在上述实施方式中，旋转电气机器具有八个极。极的数量不限于八个。例如，旋转电气机器可以具有两个极。

(d)在上述实施方式中，绕线组以电气角

(即180°)的间隔缠绕。绕线组缠绕的间隔不限于电气角

。例如，绕线组可以以小于

的电气角的间隔缠绕，其中k为用于每个磁极和每个相的齿部的数量。

(e)在第五实施方式中，三个磁传感器位于副磁体的径向方向上，并且围绕轴的旋转轴线以30°的角度彼此间隔开。磁传感器的数量以及磁传感器彼此间隔开的角度不限于第五实施方式中的数量和角度。例如，可以仅有一个磁传感器位于副磁体的径向方向上。例如，磁传感器可以以不同于30°的角度彼此间隔开。

Claims

1.一种旋转电气机器，包括：

支撑构件(10)；

定子芯(21)，所述定子芯(21)包括齿部(29)和环状的磁轭(28)，所述磁轭被保持在所述支撑构件中，所述齿部在所述磁轭的径向向内方向上从所述磁轭突出；

缠绕在所述齿部上的绕线组(22)；

轴(31)，所述轴(31)延伸穿过所述定子芯，并以可旋转的方式由所述支撑构件支撑；

转子(30)，所述转子(30)位于所述定子芯中，并且构造成随着所述轴旋转；

位于所述轴的端部处的磁发生器(52)；以及

磁检测器(51、781、782、783)，所述磁检测器(51、781、782、783)构造成输出表示由所述磁发生器产生的磁通密度的变化的信号，其中

用于所述转子中的每个磁极对的所述齿部的数量为偶数。

2.根据权利要求1所述的旋转电气机器，其中

所述绕线组包括三相绕线，以及

所述三相绕线中的每一个以等于或大于

的电气角的间隔缠绕在所述齿部上，其中k为用于每个磁极和每个相的所述齿部的数量。

3.根据权利要求2所述的旋转电气机器，其中

用于所述转子中的每个磁极的所述齿部的数量等于或大于3k-1。

4.根据权利要求1所述的旋转电气机器，其中

所述磁轭与所述齿部形成为一体。

5.根据权利要求1所述的旋转电气机器，其中

所述磁极对包括第一磁极(701、703、705、707、731、733、735、737)和第二磁极(702、704、706、708、732、734、736、738)，以及

所述第一磁极的磁阻小于所述第二磁极的磁阻。

6.根据权利要求5所述的旋转电气机器，其中

所述第一磁极具有在所述转子的圆周方向上的第一长度(L1、L3)，

所述第二磁极具有在所述圆周方向上的第二长度(L2、L4)，以及

所述第一长度(L1、L3)不大于所述第二长度(L2、L4)。

7.根据权利要求1所述的旋转电气机器，其中

所述磁检测器(52)具有位于所述磁发生器的轴线方向上的磁阻元件。

8.根据权利要求1所述的旋转电气机器，其中

所述磁检测器(781、782、783)具有位于所述磁发生器的径向向外方向上的霍尔元件。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的旋转电气机器，还包括：

处理器(56)，所述处理器(56)构造成基于从所述磁检测器输出的信号计算所述转子相对于所述定子芯的相对旋转角度，和

通电控制器(61)，所述通电控制器(61)构造成基于所述相对旋转角度控制流过所述绕线组的电流。