CN1168564A - 两相单极驱动无电刷直流电动机 - Google Patents

两相单极驱动无电刷直流电动机 Download PDF

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铃木让
藤谷荣
牧野贤一
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Abstract

装有转子位置检测器(100)的径向间隙型两相单极驱动无电刷直流电动机包括带有主磁极(17A)的主磁极轭(17)、以叠加方式与主磁极轭(17)共轴的、并带有补偿磁极的(13A)的补偿磁极轭(13)和在主磁极(17A)与补偿磁极(13A)内形成的、磁力线(F)里轴向延伸部里轴向磁短路部分或元件(14)。这种结构使得在主磁极(17A)上缠绕线圈(15)变得容易，增大了绕组的空间占有系数，以便提高起动力矩、改善电动机的效率。

Description

两相单极驱动无电刷直流电动机
本发明涉及一种具有转子位置检测器的径向间隙型两相单极驱动无电刷直流电动机，尤其涉及一种具有由主磁极、补偿磁极和轴向短路部件形成磁回路的两相单极驱动无电刷直流电动机。
如同美国专利No.3299355或日本未审查专利申请公开No.1-318536所公开的那样，常规的由转子位置检测器控制的两相单极驱动无电刷直流机具有定子上的补偿磁极和转子磁铁中生成的无磁化部件或凹槽，并且借助于调整空气间隙中的磁通量的分布来实现包括消除死点在内的起动力矩的稳定作用。然而，由于这种电动机不能提供大的、稳定的起动力矩，它仅仅用作风扇电动机或者用于像风扇电动机一样提供小的力矩的电动机。
正如上述美国专利所公开的，为了产生稳定的起动力矩，常规的两相单极驱动无电刷直流电动机要求在定子上提供补偿电极，并且在一个平面上主磁极和补偿磁极成为一个整体，更特殊的是电动机的定子是由层状的在轴向冲出孔的薄片组成的，这些薄片组成了主磁极部件、补偿磁极部件，它们在一个水平平面上圆周的方向交叉装配。
由于常规的补偿磁极占用大的空间，常规的两相单极驱动无电刷直流电动机存在缠绕绕组困难的问题。再说，由于存在补偿磁极、绕组占用的空间减少了，这种常规电动机存在不能够提高绕组空间占用系数的严重问题。
特别是当这种类型的常规电动机定子磁极极数很多，这些问题产生不利的影响。补偿磁极的存在妨碍了有效地制作缠绕在主磁极的线圈，于是不能得到大的磁力。其结果是常规的电动机不能够产生大的起动力矩，并且电动机的效率低在实用中产生问题。
本发明的目的是提供一种径向间隙型两相单极驱动无电刷直流电动机，这种电动机成本方面有绝对的优势、易于缠绕绕组、并且提高了绕组的空间占用系数，其结果是提高了起动力矩，改善电动机的效率。
根据本发明，具有转子定位检测器的径向间隙型的两相单极驱动无电刷直流电动机由以下几部分组成：主磁极轭，主磁极轭有一根轴和缠绕有线圈的主磁极，并且缠绕着主磁极轭的线圈是沿着主极磁极轭的圆周方向布置；补偿磁极轭，它以叠加方式与主磁极轭共轴，并且具有沿补偿磁极轭圆周方向布置的补偿磁极；与主磁极轭、补偿磁极轭共轴排列的转子组件，转子组件还提供与主磁极同样极数的转子磁铁，在主磁极和补偿磁极里构成磁力线回路，以便形成主磁极和补偿磁极里的环形的磁力线；在主磁极轭的附近和周围、以及在主磁极轭以及补偿磁极轭处或两个轭之间提供轴向磁短路部件，它用于引导沿着主磁极轭轴向磁力线的一部分；安装在转子组件处的转子位置检测器，它相对于定子组件是静止的。
本电动机这种结构具有下述的技术效果：
1.由于定子部分的主磁极和补偿磁极是独立的零件，在补偿磁极装到主磁极之前、可以在主磁极上进行缠绕绕组的作业，所以提高了绕组空间占用系数。
2.由于以叠加方式布置共轴排列的主磁极和补偿磁极之间短路部分允许主磁极和补偿磁极在电动机轴向方向上由磁场作用联接起来，即使转子磁极极数增加了、可以获得在同样平面里由常规的整体式主磁极和补偿磁极布局所产生的同样磁效应。
图1是根据本发明的两相单极驱动无电刷直流电动机一个实施例的分解透视图；
图2是图1所示的电动机组装后电动机构造平面视图；
图3是图2所示的电动机的垂直剖视图；
图4是根据本发明电动机第一实施例定子组件的部分平面视图；
图5是图4的垂直剖面视图；
图6是根据本发明电动机第二个实施例定子组件的部分平面视图；
图7是图6的垂直部面视图；
图8是根据本发明电动机第三个实施例定子组件的部分平面视图；
图9是图8的垂直剖面视图；
图10是根据本发明第四个实施例定子组件的平面视图；
图11是图10的垂直剖面视图。
下面将参照附图以优选实施例的方式详细地描述本发明。
图1是径向间隙型两相单极驱动无电刷直流电动机的部件分解透视图，该电动机是扁平外转子型，可用作主轴电动机，并且也应用于本发明。电动机的转子磁铁有12个极。外壳1由铝材切削而成。用于可转动地支承转子组件2的2个滚珠轴承3设在外壳1上下表面里的孔中，定子组件4(图中以分解状态表示)和驱动电路板5，驱动电路板5用作电动机的安装板并固定在外壳1上。在外壳1上有6个固定孔，用于安装图1中以分解状态所示的由所有部件组成的电动机105。
由一块铁磁性铁板做成驱动电路板5，并于其上设置印刷电路。该电路含有驱动两相单极无电刷直流电动机的集成电路和电气零件，例如转子位置检测器100、电阻器、电容器和其他必需的电气元件。
定子组件4由垫圈16、补偿磁极轭13、环形磁短路元件14(一种轴向磁短路装置的实施例)和主磁极轭17组成。补偿磁极轭13由一个环形中心部和12个从中心部径向往外延伸的补偿磁极13A组成。与此类似，主磁极轭17由一个环形部分和12个从中心部径向往外延伸的主磁极17A组成。补偿磁极轭13和主磁极轭17由若干个冲压成形的电磁钢片制成(补偿磁极轭由二片钢片组成，主磁极轭由三片钢片组成)，这些电磁钢片在轴向上是层叠相互连接，主磁极轭的必要部分要绝缘起来，线圈15要绕着主磁极轭17缠绕。正如图2所示，补偿磁极13A和主磁极17A要在圆周方向按等间距交替排列安装为佳。三根螺钉7用于把驱动电路板5、定子轭组件4固定到外壳1上。
转子组件2由转子轭8和固定在转子轭8的内圆周表面的转子磁铁9组成，借助于一组螺钉10穿过定子组件4、驱动电路板5和外壳1把转子组件2固定到轴11上。按照这种方式将转子组件2和轴11组装在一起。借助于滚珠轴承3，可转动地将转子组件2支承于外壳1上。
如美国专利No.3299335和日本未审查专利申请公开No.1-318536所公开的那样，为了稳定起动力矩，最好在转子磁铁9上或其中有一半未被磁化或者磁化槽数是主磁极数的一半。在本实施例中有6个槽8a。
电动机的运转方式和常规的装有转子位置检测器的两相单极驱动电动机一样。因此，不再赘述。
图2是本实施例的组装好的电动机结构的平面图(已省略轴11和轴承部分)。这个图表示缠绕有线圈主磁极轭17、未缠绕线圈的补偿磁极轭13、槽8a和处于磁化状态的转子磁铁9之间的圆周方向上的位置关系。
图3是本实施例电动机结构的垂直剖面，在此图中表示了主磁极轭17、补偿磁极轭13、组成磁短路部分的轴向磁短路元件14和转子磁铁之间的轴向关系。电动机105的结构包括线圈15、转子位置检测器100(本实施例中为安装在驱动回路板5上的霍尔传感器)以及与图1中电动机中有同样标号的其它元件。
图4和图5表示以磁力线F形式表现并具有本发明特征的磁回路的第一个实施例。磁回路由在每一个主磁极17A两侧处的补偿磁极13A中形成的磁路、主磁极17A中形成的磁路和主磁极轭17和补偿磁极轭13之间的磁短路环14里形成的磁路组成。磁力线F从转子磁铁9的N极水平地一方面穿过每一个主磁极17A的两侧处的两个补偿磁极13A之一到达补偿磁极轭13的中央部位，另一面则穿过补偿磁极13，其情况如图4与图5所示。
通过所述补偿磁极13A之一的磁力线F改变了它的方向，以便从圆周方向指向补偿磁极轭13的中央部分中另一个补偿磁极13A的内端。通过主磁极17A的磁力线F改变其方向有所倾斜，但是基本上按轴向朝着磁短路环14中另一个补偿磁极轭13的内端，该磁短路环沿着主磁极轭17的轴17a延伸。磁短路环14是磁短路装置的一个例子，它形成一个沿着主磁极轭17的轴17a延伸的轴向延伸的磁短路部分。然后，磁力线F再次在补偿电极13A中沿水平方向传播，并进入转子磁铁9的S极。按照这种方式，就形成了磁回路。此处，最重要的事情是，磁力线F有一个大的轴向分量，以及在磁短路环14里的圆周方向分量。换言之，磁短路环14包括一个轴向传播的磁短路部分或者形成沿主磁极轭17的轴17a传播的轴向磁短路部分。
由于主磁极轭17和补偿磁极轭13是分别制造的，磁短路环14插到两者之间，一个叠加在另一个上方，再把两者组装在一起。在有余裕的绕组空间占有系数处，把补偿磁极轭13装到主磁极轭处之前可以把线圈缠绕到主磁极17A上，并且保持了不能由常规的电动机获得的高磁势力。换言之，不能由常规电动机获得的高磁势力方面的磁回路问题已经由于采用磁短路环14在主磁极轭17和补偿磁极轭13之间实现可靠的磁连接而解决。
图6和图7是具有本发明特征的磁回路的第二种实施例。如这些图中箭头所示，形成磁路的磁力线F的通道的构成和方向与图4、5中所示的第一种实施例的类似，唯一例外的是没有第一种实施例的磁短路环14。
第二种实施例的特征在于主磁极轭17和补偿磁极轭13的环形中间部分，从该部分径向延伸的主磁极17A和补偿磁极13A的直径基本相同。这样，主磁极轭17和补偿磁极轭13不仅在圆周方向磁性相连，而且仅仅把一个与另一个叠加在一起就使环形中间部分在磁性上也相连，如图7所示。换言之，如第二种实施例所示，不用特殊的磁短路环14，就形成轴向磁回路。这使电动机的结构的轴向尺寸(即电动机的厚度)缩短，即电动机变薄。然而在这种情况下，可以说，相互接触的主磁极轭17和补偿磁极轭13构成中央部分50，接触部分50和对应的主磁极17A与补偿磁极13A的部分形成沿着主磁极轭17的轴17a延伸的轴向短路部分的轴向延伸短路装置。
图8和图9为具有本发明的特殊特征、和表示为磁力线F的磁回路的第三种实施例。在本实施例中，补偿磁极轭13由一个铁磁性盘形元件制成，按照补偿磁极13A悬挂在补偿磁极轭13上的方式将由铁磁材料制成与补偿磁极轭13分开制造的多个补偿磁极13A(在本实施例中补偿磁极数和主磁极数目一样多)，它们分别制造，并且固定到补偿磁极轭13。在主磁极轭17和补偿磁极轭13之间设有一个磁短路环14，用于在径向上将两者相连。
在这样的配置中，磁力线沿F轴向通过每一个主磁极17A两侧的补偿磁极之一，然后从转子磁铁9的N极水平地通过补偿磁极轭13达到其中央部分。
磁力线F改变其方向以便沿圆周方向进到补偿磁极轭13的中央部分中的其它补偿磁极13A的内端。另一部分磁力线F从转子磁铁9的N极水平通过主磁极17A到达主磁轭17的中央部分，并且方向倾斜，但基本上是朝着磁短路环14中的其他补偿磁极13A的内端。
磁力线F沿水平朝外通过补偿磁极轭13，然后轴向向下通过其他的磁极13A，最后进入转子磁铁9的S极。这样，形成磁回路。在这种情况下，磁短路环14构成轴向磁短路装置，它构成了一种轴向延伸磁短路装置或者一种沿着主磁极轭17的轴17a方向沿伸的轴向延伸磁短路部分。
在本实施例中，因为借助于铆钉或类似物把补偿磁极轭13机械地连接到驱动电路板5，因而提高驱动电路板5的机械刚度。这就有个优点，即用普通的廉价树脂片制造驱动电路板5。在本实施例中，补偿磁极轭13设有径向延伸的补偿磁极轭13部分。于是，绕组空间占用系数大幅度提高。此处驱动电路板5和补偿磁极轭13机械地连接，并构成电机连接板5A。在这种情况下，利用压力加工或类似的方法，可以把补偿磁极轭13和补偿磁极13A组成一个整体。
图10和图11是用磁力线F表示的磁回路第四种实施例，它具有发明的特征。第四种实施例与第三种实施例的差别在于磁短路部分14，补磁极轭13和补偿磁极13A设在一块用铁磁性材料制造的驱动电路板5上。本实施例中，磁短路部分14形成轴向磁短路装置，该装置形成了沿主磁极轭17的轴17a延伸的轴向延伸部。
第四种实施例的特征在于由铁磁性材料制造的高刚度铁板构成驱动回路板5，在驱动回路板5里上同时压出环形磁短路部14、环形补偿磁极轭13和补偿磁极13A。
利用把驱动回路板5的环形部分往下加压，使磁短路部分14呈圆柱形，部分14是磁短路装置的一例。围绕部分14在驱动回路板5上冲出径向相间的矩形缺口，并将其弯成直角从而形成补偿磁极13A。
本实施例中的磁力线F回路与第三种实施例类似。如同图10和11的箭头所示，磁力线F的一部分从转子磁铁9的N极沿水平方向通过主磁极17A和主磁极轭17到达主磁极轭17的中央部分。从转子磁铁9的N极来的另一部分磁力线F进入主磁极17A两侧的垂直补偿磁极13A之一，并轴向向上，沿水平方向径向内通过补偿电极轭13。然后，磁力线朝下进入磁短路部分14。
此后，在磁短路部分14里的磁力线F方向朝上，在补偿磁极轭13里水平径向朝外，而朝下进入另一个补偿磁极13。最后磁力线F进入转子磁铁9的S极。在驱动回路板5的部分里打有孔18，这些孔对应于冲出的补偿磁极13A。如图10所示磁力线F形成个回路。
在第三实施例中，补偿磁极13A、补偿磁极轭13和磁短路部分14是分另制造的，它们是由驱动回路板5整体冲制而成的，也就是一块原料冲制而成的。这样可使得电动机更薄、并且大幅度降低成本。
已经把第一种到第四种实施例描述为扁平外转子型无电刷直流电动机。然而，本发明不只局限于扁平型外转子型无电刷直流电动机，而且它也可用于圆柱式内转子型的电动机。进一步来说转子的极数并不局限于12个极，也可以是其他的适合的极数。然而，如上所述，极数越多、效率越高。
本发明能制造具有很大绕组空间占有系数的两相单极驱动无电刷直流电动机。这样，增加了起动力矩、提高电动机效率。另外，线更易于将圈绕在主磁极上，其结果是可降低电动机的成本。
根据本发明制造的两相单极驱动无电刷直流电动机可用作高度可靠主轴电动机，该电动机能够用作驱动要求高起动力矩的信息记录设备的存贮介质，或者用作驱动录音机磁带传动的电动机。

Claims (6)

1.两相单极驱动无电刷直流电动机包括：
-具有主磁极轭(17)和补偿磁极轭(13)组成的定子组件，该主磁极轭(17)具有主磁极(17A)和轴(17a)，线圈(15)绕着主磁极(17A)缠绕，并且在所述的主磁极轭(17)的圆周方向配置；补偿磁极轭(13)以叠加方式与所述的主磁极轭(17)共轴，并具有沿所述的补偿极轭(13)圆周方向配置的补偿磁极(13A)；
-与所述的主磁极轭(17)和所述的补偿磁极轭(13)共轴的转子组件(2)，转子组件(2)有与所述的主磁极(17A)极数相同数量的转子磁铁(9)；
-在所述的主磁极(17A)和所述的补偿磁极(13A)里形成的磁力线回路，它用于在所述的主磁极(17A)和所述的补偿磁极(13A)里形成环形的磁力线F；
-在所述的转子组件(2)处配备转子位置检测器(100)，它相对于所描述的定子组件(4)是静止的，其特征在于：在所述的主磁极轭(17)的所述的轴(17a)的附近和周围、在所述的主磁极轭(17)和所述的补偿磁极轭(13)处、及两者之间设有轴向磁短路装置(14)，用于沿着所述的主磁极轭(17)的所描述的轴(17a)引导一部分所述的磁力线。
2.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于所述的轴向磁短路装置由沿着所述的主磁极轭(17)的所述轴(17a)延伸的轴向磁短路件(14)组成。
3.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于所述的主磁极轭(17)和所述的补偿磁极轭(13)具有形成所述轴向的磁短路装置的接触部分(50)。
4.根据权利要求1至3之一所述的电动机，其特征在于具有所述补偿磁极(13A)的所述补偿磁极轭(13)由铁磁材料制成的层叠板组成。
5.根据权利要求1至4之一所述的电动机，其特征在于，包括由铁磁性材料制造的驱动回路板(5)，所述补偿磁极轭(13)构成所述电动机驱动回路板(5)的一部分，并且所述主磁极轭(17)与所述补偿磁极轭(17)固定在一起。
6.根据权利要求5所述的电动机，其特征在于所述补偿磁极轭(13)包括所述磁短路装置(14)。
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