CN1658480A - 无刷电机 - Google Patents

Abstract

一种无刷电机，包括：具有沿回转方向呈N极、S极交替磁化的永久磁铁的转子；与永久磁铁呈径向对置的铁心；以及具有轴支承转子的轴承的定子。铁心在其前端具有多个突极部，作为邻接的突极部的切槽开角，具有切槽开角A、切槽开角B、切槽开角C，当A＜B＜C时，沿着转子的回转方向，切槽开角具有按照A－B－C－B－A－的顺序多层次变化的构成。采用这种构成，转子始终施加朝径向的一方推的侧压力，可提供低成本、低振动且回转精度良好的无刷电机。

Description

无刷电机

技术领域

本发明主要涉及磁盘装置和光盘装置等中使用的盘片驱动用无刷电机(主轴电机)。

背景技术

磁盘装置和光盘装置，在设备的高速化和高容量化方面每年都有进展，在盘片驱动用的无刷电机方面，随着电机的高速、高转矩化，对低振动、低噪音化也提出了要求。

比如，在改写型DVD装置等中，有时需要以最大6000r/min左右的高速进行写入，由于盘片微小的振动会引起写入错误，故在驱动盘片的主轴电机中，特别对低振动要求高。

关于这种主轴电机的低振动化(特别是减小径向振动)，近年来，通常采用了如下的方法即、将固定型磁盘装置等作为中心，在轴承中采用动压流体轴承，以代替传统中使用的滚珠轴承，通过采用动压流体轴承，利用强的流体膜沿径向以非接触状态将轴保持，以实现低振动化。

还有另一种方法的提案，轴承本身使用了烧结含油轴承等，通过将铁心形状构成左右非对称，以发生始终将转子朝径向的一方推的侧压力，可抑制轴的松动来实现低振动化。作为与本发明相关的原有技术文献，例如有日本专利申请特开平9-285047号公报和特开2001-16806号公报。

然而，在采用前者的动压流体轴承等的方法中，因必须对轴承进行非常高的精密加工，故轴承本的成本非常高，容易引起电机的成本增高。

又，在采用后者的将铁心形状构成左右非对称的方法中，因全部不使用特别的构件，有可能降低成本，但存在着因铁心的非对称性而容易引起不必要的振动的课题，因此，目前市场上基本上无商品化的例子。

发明内容

为了解决上述课题，本发明是对后者的将铁心形状构成左右非对称的方法作出了改良，其构成如下。即一种无刷电机，包括：具有沿回转方向呈N极、S极交替磁化的永久磁铁的转子；与永久磁铁呈径向对置、卷绕有线圈的铁心；以及具有轴支承转子的轴承的定子，其特征在于，铁心在其前端具有多个突极部，邻接的突极部的切槽开角或突极前端部开角的任1个具有小开角、中开角、大开角，将中开角存在于小开角与大开角之间，使其发生将转子朝径向的一方推的侧压力。

再具体地讲，作为邻接的突极部的切槽开角，具有切槽开角A、切槽开角B、切槽开角C，当A＜B＜C时，切槽开角具有按照A-B-C-B-A-的顺序多层次变化的构成。

又，在另一构成中，作为突极前端部开角，具有突极前端部开角P、突极前端部开角Q、突极前端部开角P，当P＜Q＜R时，突极前端部开角具有按照P-Q-R-Q-P-的顺序多层次变化的构成。

采用这种构成，因铁心形状的不均等性分散于圆周方向，故可将因铁心的非对称性发生的振动抑制成最小限度。又，通过将每隔所定角度错开的铁心形状进行适时组合构成，在同一电机内可消除开齿转矩，由此可将开齿转矩的绝对值抑制得小。

这样，不仅采用了只需变更铁心形状的极其简单的构成，而且发生将转子始终朝径向的一方推的侧压力，可抑制轴的松动，可提供低成本且振动小的无刷电机。

附图的简单说明

图1为本发明的第1实施例中的无刷电机的剖面构造图。

图2为本发明的第1实施例中的铁心形状图。

图3A、图3B、图3C为表示本发明的第1实施例中的铁心形状的构成方法的说明图。

图4为表示与第1实施例的比较例的铁心形状图。

图5A为表示本发明的第1实施例中的侧压力的变动图。

图5B为上述比较例中的侧压力的变动图。

图6为本发明的第2实施例中的铁心形状图。

图7A、图7B、图7C为表示本发明的第2实施例中的铁心形状的构成方法的说明图。

图8为本发明的第3实施例中的铁心形状图。

图9A、图9B、图9C、图9D为表示本发明的第3实施例中的铁心形状的构成方法的说明图。

图10为本发明的第4实施例中的铁心形状图。

图11A、图11B、图11C、图11D为表示本发明的第4实施例中的铁心形状的构成方法的说明图。

具体实施方式

下面参照附图说明本项申请的发明的实施例。

(第1实施例)

图1为第1实施例中的无刷电机的剖面构造图。

图1中，环状的永久磁铁2，具有被磁化成沿回转方向呈N极、S极交替的比如12个极，被粘接固定在通过将铁板冲压成型而形成杯状的转子支架3的内周。在转子支架3的中央部压入固定有轴4，由这些构件组成转子1。轴4回转自如地受着在多孔质的烧结合金中含浸有润滑油的烧结含油轴承7的保持。在转子的内周固定着铁心6，该铁心6与永久磁铁2径向对置，构成磁性回路，卷绕有线圈8，由这些构件组成定子5。

根据转子1的位置向线圈8通电，可对转子1进行回转驱动。

本实施例中采用的烧结含油轴承7可由金属模连续成型，不仅成本低，而且寿命也较长，故通常应用于信息设备、AV设备等中的小型电机等。

然而，因烧结含油轴承支承轴的油膜弱，故引起轴在轴承与轴之间的间隙内来回摆动，容易发生不定期的振动，成为电机的振动恶化的主要原因。

为此，本第1实施例中，通过改良铁心6的形状来赋于侧压力，以抑制轴的来回摆动。

图2表示本第1实施例中的铁心形状。图2中，切槽开口部的中心角即切槽开角不均等，具有大小不同的3种切槽开角。也就是说，处于切槽开角A＜切槽开角B＜切槽开角C的关系。该3种切槽开角如图2所示，构成了从左侧沿顺时针方向、按照A-B-B-C-C-B-A-A-的顺序可使切槽开角多层次变化的形状。也就是说，切槽开角构成了按照小-中-大-中-小-的顺序多层次变化的形状。换言之，成为了在小开角与大开角之间存在着中开角的结构。

图3A、图3B、图3C表示该图2所示的铁心形状的构成方法。将切槽开角均等的基本形状的切槽开角设定为θ，将切槽的位置离该基本形状错开所定角度α的3种铁心形状，分别按照斜线部分的三分之一进行组合。图3A～图3C中，标有符号S的突极前端部分比基本形状小相当于开角α的部分，标有符号L的突极前端部分比基本形状大相当于开角α的部分，将该3种铁心形状组合起来即可形成图2所示的铁心形状，前述的各切槽开角可用下列公式表示。

A＝θ-2α

B＝θ

C＝θ+2α

这样，若使切槽开角左右非对称，则永久磁铁2与铁心6的吸引力形成左右不同(永久磁铁2与铁心6的吸引力局部性不同)，故发生始终将转子1朝径向的一方向推的侧压力。一旦发生了侧压力，轴4就会在轴承7的间隙内被推向一方向而引起回转，可抑制轴4的来回摆动，提高电机回转精度。

本实施例中，通过使切槽开角多层次变化，即使将铁心作成了左右非对称结构，也具有抑制不良影响的作用。

下面，对本发明采用左右非对称的结构来抑制不良影响作一说明。

为了作出比较，图4表示由B和C的2种构成切槽开角的铁心。将标有S的突极前端部切口，切槽开角B形成6个，切槽开角C形成3个，从左侧沿顺时针方向、按照B-B-B-C-C-C-B-B-B的顺序进行配置。在该铁心形状中，也是由于永久磁铁与铁心的吸引力形成左右不同，故发生始终将转子1朝径向的一方向推的侧压力。可抑制轴的来回摆动，这一点完全相同。

但是，若进一步研讨该侧压力的变动，则可以看出，图2的铁心形状与图4的铁心形状在侧压力的变动方面是完全不同的。

本实施例中，为了研讨侧压力的变动，采用了有限要素法的磁场解析方法，对侧压力随着转子的回转是怎么样变化的进行详细研讨。另外，解析对象的模型是将铁心外径20.4mm、铁心层厚4.55mm的DVD用主轴电机作为模型来进行解析。

图5A、图5B表示通过磁场解析而求出的侧压力的变动。图5A为图2所示的本实施例的铁心形状的场合，图5B为图4所示的铁心形状的场合。都是将横轴表示横向的磁性吸引力，纵轴表示纵向的磁性吸引力，单位为N(牛顿)。

图5A、图5B的侧压力都是每转1圈、侧压力的大小及其方向出现12次周期的变化。当然，该12次这一数值是与永久磁铁的磁化极数一致的。若将图5A、图5B作一比较则可清楚地看出，图5A所示的本发明的铁心形状引起的侧压力变化大幅度地小于图5B所示的只切开局部的切槽的铁心形状引起的侧压力变化。

其原因在于，在只切开局部的切槽的铁心形状的场合，在切槽宽度变化的部分发生大的吸引力变化，该吸引力的变化也作为侧压力的变化而出现，但采用本发明的铁心形状时，通过使切槽宽度多层次变化，可减小各位置上的切槽宽度的变化，并且，通过将切槽宽度变化的位置沿回转方向分散配置，使吸引力的变化分散于回转方向，可将作为整体的侧压力的变化抑制得小。

当转子1旋转时，由于侧压力的变动成为了朝径向对转子1进行加振的力，故有时会成为电机发生不必要振动的主要原因，可以看出，通过使用本发明的铁心6，可大幅度减小这种振动。

通过将作为基准的基本形状的切槽开角以及组合形状的错开角度α设定成适当的值，在同一的电机内消除了开齿转矩，可大幅度地将开齿转矩的绝对值抑制得小，通过将开齿转矩抑制得小，可减小电机的晃动(转速的变动)。

具体地讲，本实施例中，将作为基准的铁心的切槽开角设定为电气角90度，将组合形状的错开角度α设定为电气角10度。

这样，不仅采用了只需变更铁心形状的极其简单的构成，而且发生将转子始终朝径向的一方推的侧压力，可抑制轴的松动，同时开齿转矩也小，可提供低成本且径向振动和晃动小的无刷电机。

又，图2中，表示了用于检测永久磁铁2的磁极位置的位置检测元件9。作为该位置检测元件9，通常使用3个霍尔元件。本实施例中，形成了以3个并列方式将切槽开角大的切槽C配置于右侧的状态，若在该位置上设置位置检测元件，则可有效利用空间。

(第2实施例)

图2表示本第2实施例中的铁心形状。本实施例中，突极前端部的中心角即突极前端部开角不均等，具有大小不同的3种开角。也就是说，处于突极前端部开角P＜突极前端部开角Q＜突极前端部开角R的关系。该3种突极前端部开角如图6所示，构成了从右侧沿顺时针方向、按照P-Q-Q-R-R-R-Q-P-P-的顺序可使突极前端部开角多层次变化的形状。也就是说，突极前端部开角构成了按照小-中-大-中-小-的顺序多层次变化的形状。换言之，成为了在小开角与大开角之间存在着中开角的结构。

图7A、图7B、图7C表示该图6所示的铁心形状的构成方法。将突极前端部开角均等的基本形状的突极前端部开角设定为θ，将突极前端的位置离该基本形状错开所定角度α的3种铁心形状，分别按照斜线部分的三分之一进行组合。图7A～图7C中，标有符号S的突极前端部分比基本形状小相当于开角α的部分，标有符号L的突极前端部分比基本形状大相当于开角α的部分，将该3种铁心形状组合起来即可形成图6所示的铁心形状，前述的各突极前端部开角可用下列公式表示。

P＝λ-2α

Q＝λ

R＝λ+2 α

本第2实施例的铁心形状与上述第1实施例的铁心形状相比较，不同之点在于，将切槽开角作为基准或者将突极前端部开角作为基准，均可得到相同的效果。

采用图6所示的本实施例的铁心形状的场合，切槽开角最大的切槽只有2个，被夹在右端的突极开角小的突极之间。检测永久磁铁的磁极位置的位置检测元件通常配置3个，在设置位置检测元件时，以采用前述的图2所示的第1实施例的方法为好。

(第3实施例)

上述第1实施例和第2实施例表示了具有12个磁极和9个铁心突极的场合，以下说明的第3实施例和第4实施例中，是具有16个磁极和12个铁心突极的场合。

图8表示本第3实施例中的铁心形状。图8中，切槽开口部的中心角即切槽开角不均等，具有大小不同的4种切槽开角。也就是说，处于切槽开角A＜切槽开角B1＜切槽开角B2＜切槽开角C的关系。该4种切槽开角如图8所示，构成了从左侧沿顺时针方向、按照A-A-B1-B1-B2-C-C-C-B2-B2-B1-A-的顺序可使切槽开角多层次变化的形状。也就是说，切槽开角构成了按照小-中小-中大-大-中大-中小-小-的顺序多层次变化的形状。换言之，成为了切槽开角B1(中小)与切槽开角A(小)邻接、切槽开角B2(中大)与切槽开角C(大)邻接的结构。

图9A、图9B、图9C、图9D表示该图8所示的铁心形状的构成方法。将切槽开角均等的基本形状的切槽开角设定为θ，将切槽的位置离该基本形状错开所定角度+1.5β、+0.5β、-0.5β、-1.5β的4种铁心形状，分别按照斜线部分的四分之一进行组合。图9A～图9D中，标有符号S1的突极前端部分比基本形状小相当于角度0.5β的部分，标有符号S2的突极前端部分比基本形状小相当于角度1.5β的部分，标有符号L1的突极前端部分比基本形状大相当于角度0.5β的部分，标有符号L2的突极前端部分比基本形状大相当于角度1.5β的部分。将该4种铁心形状组合起来即可形成图8所示的铁心形状，前述的各切槽开角可用下列公式表示。

A＝θ-3β

B1＝θ-β

B2＝θ+β

C＝θ+3β

本第3实施例的铁心形状与上述第1实施例、第2实施例相比较，将因切槽宽度变化引起的吸引力的变化沿回转方向分散配置的效果更好，可将侧压力的变化抑制得更小。这样，采用切槽数多的电机时，通过将切槽宽度的变化分为更多的多层次，可减小侧压力的变动，提供低振动的无刷电机。

本实施例也与第1实施例一样，在右侧并列有3个切槽开角C。故在该位置上可配置位置检测元件9。

(第4实施例)

图10表示本第4实施例中的铁心形状。本实施例中，突极前端部的中心角即突极前端部开角不均等，具有大小不同的4种开角。也就是说，处于突极前端部开角P＜突极前端部开角Q1＜突极前端部开角Q2＜突极前端部开角R的关系。该4(3？)种突极前端部开角如图10所示，构成了从右侧沿顺时针方向、按照P-P-Q1-Q2-R-R-R-Q2-Q2-Q1-P-的顺序可使突极前端部开角多层次变化的形状。也就是说，突极前端部开角构成了按照小-中小-中大-大-中大-中小-小-的顺序多层次变化的形状。换言之，成为了突极前端部开角Q1(中小)与突极前端部开角P(小)邻接、突极前端部开角Q2(中大)与突极前端部开角R(小)邻接的结构。

图11A、图11B、图11C、图11D表示该图10所示的铁心形状的构成方法。将突极前端部开角均等的基本形状的突极前端部开角设定为λ，将突极前端的位置离该基本形状错开所定角度+1.5β、+0.5β、-0.5β、-1.5β的4种铁心形状，分别按照斜线部分的四分之一进行组合。图11A～图11D中，标有符号S1的突极前端部分比基本形状小相当于角度0.5β的部分，标有符号S2的突极前端部分比基本形状小相当于角度1.5β的部分，标有符号L1的突极前端部分比基本形状大相当于角度0.5β的部分，标有符号L2的突极前端部分比基本形状大相当于角度1.5β的部分。将该4种铁心形状组合起来即可形成图10所示的铁心形状，前述的各切槽开角可用下列公式表示。

A＝λ-3β

B1＝λ-β

B2＝λ+β

C＝λ+3β

本第4实施例的铁心形状与上述第3实施例的铁心形状相比较，不同之点在于，将切槽开角作为基准或者将突极前端部开角作为基准，均可得到相同的效果。

上述第1实施例和第2实施例表示了具有12个永久磁铁磁极和9个铁心突极的场合，第3实施例和第4实施例中，是具有16个永久磁铁磁极和12个铁心突极的场合，但与磁极数和突极数无关，构成了铁心的切槽开角或突极前端部开角沿回转方向、按照小-中-大-中-小的顺序多层次变化的形状。这样，磁铁的左右磁性吸引力不同，发生始终将转子1朝径向的一方向推的侧压力，由此可提供低振动的无刷电机。

又，通过将铁心形状作成如下形状，即通过以切槽开角一定的形状作为基本形状，将切槽的位置以各错开所定角度的n个(n为3以上的整数)的铁心形状按照n分之一适时组合的形状，在同一的电机内消除了开齿转矩，可大幅度地将开齿转矩抑制得小，可提供晃动小的无刷电机。上述实施例中，对n是3个的场合和4个的场合作了说明，但若5个以上，也可是同样的构成，可得到同样的效果。

为了使无刷电机内发生的开齿转矩成分组相互抵消，铁心的各个切槽的开角不是一定值，以多种值来构成该开角。与上述一样，可将开齿转矩抑制得小，可提供晃动小的无刷电机。

另外，上述实施例中，表示了铁心位于内周侧、转子位于外周侧的所谓外转子型结构，但若采用铁心位于外周侧、转子位于内周侧的所谓内转子型结构，也可同样实施。

又，上述实施例中，作为转子使用了多极磁化的环型永久磁铁，但若采用在各个磁极上分割的多个永久磁铁的结构、或者将永久磁铁插入转子轭铁上设置的切槽中的结构的所谓磁铁埋入型的转子构造的场合，当然也具有同样的效果。

Claims (15)

1.一种无刷电机，包括：具有沿回转方向呈N极、S极交替磁化的永久磁铁的转子；与所述永久磁铁呈径向对置、卷绕有线圈的铁心；以及具有轴支承所述转子的轴承的定子，其特征在于，

所述铁心前端具有多个突极部，邻接的突极部的切槽开角或突极前端部开角的任1个具有小开角、中开角、大开角，将所述中开角设于所述小开角与所述大开角之间，使其发生将所述转子朝径向的一方推的侧压力。

2.如权利要求1所述的无刷电机，其特征在于，所述铁心具有切槽开角A、切槽开角B、切槽开角C，当A＜B＜C时，所述切槽开角具有按照A-B-C-B-A-的顺序多层次变化的结构。

3.如权利要求2所述的无刷电机，其特征在于，所述铁心，在将具有均等的切槽开角的基本形状中的基本切槽开角设定为θ、将所述突极部离所述基本形状的错开角度设定为α时，所述切槽开角A、所述切槽开角B、所述切槽开角C分别满足下列公式：

A＝θ-2α

B＝θ

C＝θ+2α

4.如权利要求2所述的无刷电机，其特征在于，所述永久磁铁具有12个磁极，所述铁心具有9个突极，所述切槽开角按照A-B-B-C-C-C-B-A-A-的顺序进行配置。

5.如权利要求2所述的无刷电机，其特征在于，所述切槽开角B具有切槽开角B1和切槽开角B2，当B1＜B2时，所述切槽开角B1与所述切槽开角A邻接，所述切槽开角B2与所述切槽开角C邻接。

6.如权利要求5所述的无刷电机，其特征在于，在将所述铁心的基本形状中的基本切槽开角设定为θ、将所述突极部离所述基本形状的错开角度设定为β时，所述切槽开角A、所述切槽开角B1、所述切槽开角B2、所述切槽开角C分别满足下列公式：

A＝θ-3β

B1＝θ-β

B2＝θ+β

C＝θ+3β

7.如权利要求5所述的无刷电机，其特征在于，所述永久磁铁具有16个磁极，所述铁心具有12个突极，所述切槽开角按照A-A-B1-B1-B2-C-C-C-B2-B2-B1-A-的顺序进行配置。

8.如权利要求4或7中任一项所述的无刷电机，其特征在于，在所述切槽开角C的位置上，配置检测所述永久磁铁的磁极位置用的位置检测元件。

9.如权利要求1所述的无刷电机，其特征在于，所述铁心具有突极前端部开角P、突极前端部开角Q、突极前端部开角P，当P＜Q＜R时，所述突极前端部开角具有按照P-Q-R-Q-P-的顺序多层次变化的构成。

10.如权利要求9所述的无刷电机，其特征在于，所述铁心，在将具有均等的突极前端部开角的基本形状中的基本突极前端部开角设定为λ、将所述突极部离所述基本形状的错开角度设定为α时，所述突极前端部开角P、所述突极前端部开角Q、所述突极前端部开角R分别满足下列公式。

P＝λ-2α

Q＝λ

R＝λ+2α

11.如权利要求9所述的无刷电机，其特征在于，所述永久磁铁具有12个磁极，所述铁心具有9个突极，所述突极前端部开角按照P-Q-Q-R-R-R-Q-P-P-的顺序进行配置。

12.如权利要求9所述的无刷电机，其特征在于，所述突极前端部开角Q具有所述突极前端部开角Q1和所述突极前端部开角Q2，当Q1＜Q2时，所述突极前端部开角Q1与所述突极前端部开角P邻接，所述突极前端部开角Q2与所述突极前端部开角R邻接。

13.如权利要求12所述的无刷电机，其特征在于，在将所述铁心的基本形状中的基本突极前端部开角设定为λ、将所述突极部离基本形状的错开角度设定为β时，所述突极前端部开角P、所述突极前端部开角Q1、所述突极前端部开角Q2、所述突极前端部开角R分别满足下列公式：

P＝λ-3β

Q1＝λ-β

Q2＝λ+β

R＝λ+3β

14.如权利要求12所述的无刷电机，其特征在于，所述永久磁铁具有16个磁极，所述铁心具有12个突极，所述突极前端部开角按照P-P-Q1-Q1-Q2-R-R-Q2-Q2-Q1-P-的顺序进行配置。

15.如权利要求2或9中任一项所述的无刷电机，其特征在于，所述轴承是烧结含油轴承。

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