CN1224158C - 无刷电动机 - Google Patents

Abstract

一种三相无刷电动机，包括具有有P个(P为2以上的整数)磁极的永久磁铁的转子，与该转子对置并具有多个分别为大致三角形或梯形的线圈的定子，相邻线圈间距离为(360/P)×(5/3)度，检测转子位置的三个位置检测元件以(360/P)×(2/3)度间隔配置，且配置在未配置线圈的范围。由于这样的构成，使线圈的形状及配置为最佳，且可以减少线圈数及提高电动机特性。

Description

无刷电动机

技术领域

本发明涉及三相无刷电动机，尤其涉及定子线圈配置有特征的无刷电动机。

背景技术

历来，无刷电动机(以下称为电动机)为了有高输出，必须提高表示单位电流产生的转矩的电动机常数Kt。为了增大该电动机常数，一般采取的方法是，在大于或等于具有永久磁铁(以下称为磁铁)的圆盘状转子磁铁面积的面积上配置绕线线圈，增加这些线圈数S，或者增加各线圈的匝数。但这种情况下，在将扁平空心线圈配置在印刷线路板上作为定子的结构中，由于线圈数增多，设备费及加工工时数增加，价格高且生产率差。

此外，电动机实现小型化时，由于可配置线圈线束的面积减少，故不能增多匝数，结果是不能增大电动机常数。为了解决这样的问题，可以选择下述不同的解决方案：或者随着电动机的小型化，让电动机常数减小；或者为了减少小型化对电动机常数下降的影响，绕线及磁铁等改为使用高性能且高价的材料。

图2A至图2C示出传统的平面相对型三相无刷电动机。

又，上述的所谓平面相对型，是指转子与定子沿轴向隔着气隙相对的结构。

在图2B中，电动机的大小为用线圈组的外圈间直径OD表示的大小。对于直径OD为φ40mm左右的电动机，线圈组的内圈间的直径ID由于轴承配置的限制，一般为φ20mm左右，又考虑到线圈径向和周向长度的平衡，往往取为9个线圈。此时，因为图2C中所示的圆盘状转子的磁极数P为12，根据360/P，故磁极的宽度为30度的扇形。此外，线圈的配置如图2B所示，线圈间距离为360/9＝40度，线圈间距离为磁极宽度的4/3倍。即，磁极宽度与线圈间距离的关系(线圈配置条件)，如果考虑与磁极配置的关系，根据(360/P)×(4/3)，为40度间隔。

在图2B中，配置有构成U相、V相及W相这样三相的各线圈。U相由线圈U1、U2及U3形成，V相由线圈V1、V2及V3形成，W相由线圈W1、W2及W3形成，在印刷线路板2上共配置有9个线圈。各线圈中的线束宽度A受到配置在各线圈内周侧的各线圈终端处理用焊点4及相邻线圈的限制。

尤其是，因为各线圈是由多个线束构成的，线材的线径有0.01mm左右的差异，例如卷绕20圈时，线圈的外径沿径向就会有0.2mm左右的差异。考虑到该差异及将各线圈固定到印刷线路板2上时的作业性能，一般将与相邻线圈的间隙取为1mm左右。还有，由于必需有配置转子位置检测用的位置检测元件即磁传感器5的空间，因此在9个线圈之中，在线圈内侧配置传感器5的三个线圈U1、V1及W1的线圈线束的宽度A比其它6个线圈的线圈线束宽度A更小。由于上述线圈配置上的制约，线圈的匝数变少，妨碍了电动机常数的提高。又因为磁传感器及焊点的大小很难与电动机按比例减小，因此，电动机越小，受到的影响就越大。

另外，当使线圈两等边的开角符合形成转子磁极的30度时，线圈外侧方向的绕线用空间在线圈外圈部的两侧分别为约1.7mm，在线圈内圈部的两侧分别为约0.9mm。如考虑到与相邻线圈间的间隙，在开角30度的外侧已几乎没有配置绕线的空间。因此，增多线圈的匝数时，几乎将全部绕线配置在开角30度的内侧方向，结果是，线圈两等边的开角实际上比30度更小。

在如上所述线圈两等边的开角变小的情况下，当转子磁极到达线圈两等边中的一侧线束产生最大转矩的位置时，两等边中的另一侧的线束却与转子磁极产生最大转矩的位置错开，作为一个线圈整体，就不能产生最大转矩。结果是，与线圈两等边的开角为真正30度的情况相比，电动机常数变小。

此外，对于磁极的开角30度，将线圈的绕线更多地配置在内侧时，在电动机旋转中，就会产生相对正常旋转方向为反方向的转，这一点是电动机常数减小的主要原因，同时也是引起电动机振动的主要原因。

用图2A对此进行说明。图2A示出了图2B所示定子中的线圈线束剖面与转子位置的关系。与转子6的每隔30度配置的磁极7对应配置线圈的线束8及9。线束8与9为同一线圈，例如在线束8中电流从近侧流向里侧时，在线束9中电流从里侧流向近侧。即，对于线束8和线束9，当与极性相反的磁极相对时，产生同方向的转矩，而在线束8和线束9与相同极性的磁极相对的状态下，产生反方向转矩而相互抵消。从图2A及图2B可以看出，对于30度的开角线，大部分的绕线配置在内侧，此情况下，当转子6旋转至磁极7位于图2A所示位置的状态时，线束9的Z部分和线束8与同极的磁极相对，因此在同一线束9中会发生反方向转矩。

对于上述问题，众所周知例如如图3所示，将传感器5集中配置在未配置线圈的范围，将传统的以(360/P)×(4/3)度的间隔配置线圈的方法做成例如10极6线圈，就可以改善。在图3中，根据上述传统的线圈配置条件，由于P＝10，故以48度间隔，配置构成U相、V相及W相绕组的各线圈。即，U相绕组由U1和U2这样两个线圈形成，V相绕组由V1及V2这样两个线圈形成，而W相绕组由W1和W2这样两个线圈形成，在印刷线路板2上配置共计6个线圈。

此时，将这6个线圈集中配置在每隔48度的五个范围，即48×5＝240度的范围内，通过这样就可以得到配置传感器5的空间。传感器5可以以(360/P)×(4/3)度的间隔或(360/P)×(2/3)度的间隔进行配置，在图3所示例子中，是以(360/P)×(2/3)的间隔即24度间隔进行配置的。

但是，在各线圈外圈间的直径OD较小的情况下，由于各线圈终端的外周侧焊接处理用焊点3与传感器5的距离靠近，故存在这样的问题，即进行各线圈终端焊接作业时，线圈终端线与传感器5的端子容易发生短路。尤其由于如下一些原因，例如各线圈终端容易变形、作业过程中难于规定位置；或因终端处理作业导致终端长度差异很大，故一般预先将终端长度取得较长；或焊点3虽然设于印刷线路板2上，但因其制造上的问题，焊点3的位置精度差异较大，因此必须估计到与传感器5会有0.2mm左右的相对位置偏置等，故焊点3与传感器5必须有足够的距离。因此，当直径OD较小时，就不能将传感器5集中配置在线圈之外，而不得不将传感器配置在线圈内侧。

如上所述，对于直径OD为φ40mm以下的传统的电动机，由于配置各线圈的空间较小，以及为了保证焊点及磁传感器等的配置空间及良好的作业性能，故存在的问题是很难增加各线圈的匝数，电动机常数不能取大。尤其是还存在这样的问题，即由于各线圈的配置空间与尺寸上受到制约的焊点及磁传感器等空间的面积比，与电动机小型化的程度相比，电动机常数变得更小。

此外如上所述，由于对于形成转子磁极的扇形两等边的开角，线圈两等边的开角实际上要小，故还存在产生的转矩同时反向转矩导致产生的转矩减小及电动机振动一类的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的无刷电动机具有如下构成。

包括：具有永久磁铁的转子，该永久磁铁的磁极数为P个(P为2以上的整数)；与该转子相对配置、设有多个线圈的定子，形成的所述线圈具有与磁极发生的磁场交链的两等边的形状，通过形成两等边的2线圈线束中心的、伸向转子转轴方向的2条延长线在该转轴中心相交，且具有360/P度的开角，以所述360/P度的开角线为中心，形成所述线圈的两等边的线圈线束配置在该开角线的内侧和外侧各360/(4×P)度的范围内。

由于采用这样的构成，可以抑制因电动机小型化导致的电动机常数的下降。并且由于线圈的最佳形状和最佳配置，在同等尺寸的电动机中，可以减少以往所使用的线圈数。

附图说明

图1A为说明本发明实施例中无刷电动机的线圈线束与转子位置之关系用的剖视图。

图1B所示为本发明上述实施例中的无刷电动机的定子。

图1C所示为上述实施例中的转子。

图2A为说明传统例子中的无刷电动机(12极9线圈)的线圈线束与转子位置之关系用的剖视图。

图2B所示为该传统例子中的无刷电动机的定子。

图2C所示为该传统例子中的转子。

图3所示为另一传统例子中的无刷电动机(10极6线圈)的定子。

具体实施方式

以下使用附图说明本发明的实施例。

参照图1A、图1B及图1C说明本发明的实施例。

图1A为说明本发明实施例中无刷电动机的线圈线束与转子位置之关系用的剖视图，图1B所示为本发明上述实施例中的无刷电动机的定子，图1C所示为上述实施例中的转子。

图1A至图1C示出的三相无刷电动机，利用本发明可以将传统9个线圈削减为6个，其直径为约φ40mm，转子磁极数P为12极。此时，最好各线圈由扁平空心绕线形成，形状为大致三角形或梯形。此外，转子的形状为圆盘状。

如图1B所示，各线圈以(360/P)×(5/3)度间隔配置构成U相、V相、W相的各线圈。此时，因为P＝12，故各线圈的配置为50度间隔。即，U相由两个线圈U1及U2形成，V相由两个线圈V1及V2形成，W相由两个线圈W1及W2形成。这样，定子的三相绕组由各相各两个线圈共计六个线圈形成，根据上述计算式，以50度的等间隔配置。

此外如图1B所示，形成线圈V1的两等边的线圈线束以360/P度的开角线为中心，分别配置在其内侧和外侧的360/(4×P)度的范围内。P＝12时，两个通过线圈线束中心的开角线为30度，各线圈线束以该开角线为中心，分别配置在其内侧和外侧的7.5度的范围内。

这样，例如直径OD为φ40mm左右的电动机，由于受到轴承构成等的限制，一般其直径ID为φ20mm左右。此时，各线圈中的两等边线束的开角为30度时，从这些线束的中心层叠而形成的绕线宽度在外圈部(φ40部分)两侧分别为约3.5mm，在内圈部(φ20部分)两侧分别为约1.7mm，即使考虑到必要的与相邻线圈的间隙，在开角30度的外侧也保证有足够的可配置绕线的空间。

还有，以50度间隔配置6个线圈时，未配置这些线圈的范围超过60度(实施例中为65度)。在该范围中，以(360/P)×(2/3)度间隔，即20度间隔，配置转子的位置检测元件即三个磁传感器HU、HV、HW。这样，与将这些磁传感器配置在线圈内侧时相比较，可以获得较大可配置的各线圈的空间。

参照图1B，进一步详细说明三相绕组与三个位置检测元件的物理配置关系。定子绕组由U相、V相、W相构成，如上所述，各相分别由线圈U1及U2、V1及V2、W1及W2串联连接而成。线圈U1的中心与位置检测元件HU有60度的间隔，而线圈V1的中心与位置检测元件HV有90度的间隔，线圈W1的中心与位置检测元件HW有180度的间隔。各元件HU、HV、HW的相互间隔为20度。

在此，说明一下上述本实施例的三相无刷电动机的结构与传统的无刷电动机一样，作为电动机的条件是成立的。

在传统的电动机中，用V相线圈测出的信号电角度相对用U相线圈测出的信号错开240度。用W相测出的信号电角度相对用该V相线圈测出的信号错开240度。因此，W相线圈获得的信号相对U相线圈错开480度，但因为电角度错开360度是相同相位，因此相当于W相线圈相对U相线圈错开120度。这样，三相线圈获得的检测信号分别各错开120度，这样的状态是三相无刷电动机的成立条件。

而在本发明的无刷电动机中，由线圈V1测出的信号电角度相对由线圈U1测出的信号错开300度。线圈W1测出的信号电角度相对由该线圈V1测出的信号错开300度。因此，由线圈W1获得的信号相对线圈U1错开600度。因为在电角度上错开360度是相同相位，因此相当于线圈W1相对线圈U1错开240度。这时，如果线圈V1与传统的电动机一样，相对线圈U1是错开480度，则满足三相无刷电动机的成立条件，但如上所述是错开300度，所以不作改动的话不能够成电动机。因此，将线圈V1向着与线圈U1相反方向卷绕，使电角度错开180度相位，就相当于线圈V1相对线圈U1错开480度。

线圈U2因为在机械角度上相对线圈U1错开150度，故在电角度上错开900度。电角度每360度为相同相位，故线圈U1与U2具有180度的相位差。因此，通过使线圈U2相对线圈U1按相反方向绕线，可以使线圈U2与线圈U1具有相同相位的电角度。

同样，线圈V1与线圈V2及线圈W1与线圈W2也因为机械角度分别错开150度配置，故同样通过使其相互的绕线方向相反，能获得电角度为相同相位的线圈。即，6个线圈之中，使U2、V1、W2这样三个线圈的绕线方向与U1、V2、W1这样三个线圈的绕线方向相反，就能与传统的电动机一样，就能以电角度相互各错开120度的形式获得三相各线圈的信号，作为三相无刷电动机的条件就成立。

上述情况如果不是改变线圈的绕线方向，而是利用印刷线路板等，改变线圈相互的连接方向，也可以使无刷电动机条件成立。

如上所述，若采用本发明的无刷电动机，可以将电动机的线圈做成相对转子磁极为最佳的配置和形状，可以抑制电动机常数的下降。因此，尤其当电动机实现小型化时，通过改善因线圈配置方面的限制而产生的电动机常数的下降，可以提高电动机常数。还有，由于线圈的最佳形状及最佳配置，在同等尺寸的电动机中，可以减少历来使用的线圈数目。

本发明是可使用于无刷电动机的定子线圈配置。

具体是，一种三相无刷电动机，该无刷电动机包括具有磁极数为P个的永久磁铁的转子，以及与该转子相对配置且具有分别形成为例如大致三角形或梯形的多个线圈的定子，使相邻线圈间距为(360/P)×(5/3)度，将进行转子位置检测的三个位置检测元件以(360/P)×(2/3)度间隔进行配置，且配置在未配置线圈的范围。这样的构成，可以使线圈的形状及配置最佳，并减少线圈数及提高电动机常数。

附图的参照符号一览表

2印刷线路板

3线圈终端的焊点(绕线线圈外侧)

4线圈终端的焊点(绕线线圈内侧)

6圆盘状转子

7磁极

8、9线圈剖面

10线圈线束的中心线

A线圈的线束宽度

HU、HV、HW位置检测元件(磁传感器)

U1、U2、V1、V2、W1、W2线圈

Z反向转矩产生部分

Claims (4)

1.一种无刷电动机，包括：具有永久磁铁的转子，该永久磁铁的磁极数为P个，其中P为2以上的整数；与所述转子相对配置、具有多个线圈的定子，所述线圈形成为具有与所述磁极发生的磁场交链的两等边的形状，

其特征在于，通过形成所述两等边的两个线圈线束中心的、伸向转子转轴方向的2条延长线在所述转轴中心相交，且具有360/P度的开角，

以所述360/P度的开角线为中心，形成所述线圈的两等边的线圈线束配置在该开角线的内侧和外侧各360/(4×P)度的范围内。

2.根据权利要求1所述的无刷电动机，其特征在于，所述多个线圈的外圈直径为φ40mm以下。

3.根据权利要求1所述的无刷电动机，其特征在于，相邻的所述线圈的中心线间的距离为(360/P)×(5/3)度。

4.根据权利要求3所述的无刷电动机，其特征在于，还具有检测所述转子位置的三个位置检测元件，这些位置检测元件以(360/P)×(2/3)度的间隔进行配置，且配置在未配置所述线圈的范围。

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