TWI414130B - Single-phase brushless motor - Google Patents

Description

單相無刷馬達

本發明涉及單相無刷馬達，特別涉及由定子鐵芯和轉子永久磁鐵的相互作用來實現降低齒槽轉矩的單相無刷馬達。

一般的無刷馬達不但具有作為直流馬達特徵的轉矩大、控制性良好等，而且可靠性高，所以在工業領域應用廣泛。其中，特別廣泛地普及化的有單相型和三相型的無刷馬達。

特別是三相無刷馬達需要以電氣角上互相之間差120°相位的三相交流電來通電。因此，需要三個磁力感測器及使用該磁力感測器且為了進行線圈通電的切換而具有三相切換功能的驅動電路。所以，例如，如吹風冷卻用馬達，必須用廉價的馬達，所以在經濟性方面並不理想。

這種情況下，理想的是：使用一個磁力感測器即可，且還可由一相的廉價驅動電路構成，並使用單相無刷馬達。

圖12是表示現有單相型無刷馬達一個實例的磁力回路模式圖，圖13是圖12中馬達的一部分的放大圖。在圖12及圖13中，該無刷馬達1安裝並固定於裝置(未圖示)側的定子3和相對於該定子2而被旋轉驅動的轉子3構成。

轉子3由6極被磁化的環狀永久磁鐵4和磁軛部5構成。另一方面，定子2具有配置於永久磁鐵4內周面側的定子鐵芯6。

定子鐵芯6例如層疊矽鋼板而形成，將在轉子3的軸(未圖示)的軸向上延伸的6個狹槽7、7…及狹槽8、8…沿圓周方向在等分位置上配設，且在該狹槽7、7…及狹槽8、8…中設有在圓周方向上等分地分離的大體為T字狀的6個凸極齒9、9…。各凸極齒9、9…上纏繞有導線，形成作為卷線的線圈10。

而且，在該單相無刷馬達1的情況下，將通向線圈10、10…的電流根據轉子3的位置來依次切換，得到連續的旋轉力。

圖14是表示無刷馬達1中轉子3的旋轉位置和發生轉矩之間關係的特性圖，縱軸是轉矩(gf．cm)，橫軸是轉子3的轉轉角度(deg)。雖然圖12所示類型的單相無刷馬達1可得到圖14所示的發生轉矩T1，但是在通電切換點(圖14A部)中，存在轉矩T1為0的旋轉位置，即所謂的“死點”。在轉子3停止於該“死點”上時，由於不可能產生轉矩，且由磁力感測器所進行的位置檢測也變得不可能，所以不能自啟動。

對此，在转子3的旋轉方向上，加工定子鐵芯6的凸極齒9的齒端面以使定子鐵芯6和永久磁铁4的空隙長度能够變化，且產生例如圖15所示的制動轉矩(齒槽轉矩)T2，並將其添加到發生轉矩T1以得到圖16所示的合成轉矩T3，因而沒有“死点”且流暢地進行自動啟動(例如，參照專利文献1－美国第3873897號專利)。再者，圖15及圖16縱軸是轉矩(gf．cm)，橫軸是轉子3的轉角(deg)。這裏，馬達的合成轉矩T3由制動轉矩T2的相位和發生轉矩T1的相位差而使轉矩脈動量變化。

根據專利文獻1公開的發明的習知型馬達，雖然制動轉矩的相位根據鐵芯和磁鐵的空隙長度的傾斜而變化，但是在制動轉矩的相位和制動轉矩的相位差不充分的情況下，轉矩脈動增大，且成為振動、噪音的原因，並在馬達質量上成為大問題。

於是，産生了以下有待解決技術問題：為了避免振動、噪音的誘因的發生抑制轉矩和制動轉矩之相位差的減少而使轉矩脈動減小，所以本發明以解決該問題為目的。

本發明是為實現上述目的而提出的技術提案，申請專利範圍第1項所述的發明是一種單相無刷馬達，具備在定子鐵芯的凸極齒上纏繞有線圈的定子及與該定子鐵芯之間在半徑方向上留有空隙且具有相對配置的環狀永久磁鐵的轉子，使從上述定子鐵芯的中心到上述凸極齒的齒端面的距離在上述凸極齒的旋轉方向兩端部間不同以使上述空隙的大小在上述凸極齒的旋轉方向兩端部之間存在差距而構成的單相無刷馬達，其特徵在於，提供一種在將上述凸極齒的旋轉方向的一端部上形成的最小空隙長度設為d1、上述旋轉方向的另一端部上形成的最大空隙長度設為d2的情況下，上述凸極齒的旋轉方向的一端部上形成的最小空隙長度d1和上述旋轉方向的另一端部上形成的最大空隙長度d2之間的關係為d1：d2＝1：2到d1：d2＝1：3的單相無刷馬達。

根據該構成，制動轉矩和發生轉矩的相位差為磁極間角度的四分之一的角度，即15°，由相位偏移的效果而降低了制動轉矩和發生轉矩的合成轉矩的脈動量。

申請專利範圍第2項係為如申請專利範圍1所述單相無刷馬達，其特徵在於，上述凸極齒的齒端表面形成為在從最小空隙長度側一個端部到最大空隙長度側另一個端部的範圍內上述空隙逐漸增大的凸狀曲面。

根據該構成，由於利用從加工有最大空隙長度的凸極齒的齒端表面到加工有最小空隙長度的凸極齒的齒端表面的範圍形成連續的凸狀曲面之凸極齒的齒端表面，所以得到了上述空隙長度在轉子旋轉方向上連續且不同的馬達。

申請專利範圍第3項係為如申請專利範圍2所述單相無刷馬達，其特徵在於，上述凸狀曲面的截面為圓弧狀，該圓弧狀做成與以從上述定子鐵芯的中心向預定方向偏心的點為中心的圓弧相同或近似的大體圓弧。

根據該構成，由於上述連續曲面的截面外周形狀係具有以上述定子鐵芯中心附近的偏心點為中心而描繪的圓弧或與其類似的大體圓弧的凸狀曲線，所以容易製成具有上述空隙長度的大小而在旋轉方向上逐漸變化的齒端表面的凸極齒。

申請專利範圍第4項係為如申請專利範圍1、2或3項所述單相無刷馬達，其特徵在於，使上述相鄰的凸極齒間的旋轉方向上的狹槽寬度為7°。

根據該構成，通過使相鄰的凸極齒間的旋轉方向上的狹槽寬度為7°，可抑制發生轉矩和制動轉矩的相位差的減小。

申請專利範圍第5項係如申請專利範圍1、2、3或4項所述單相無刷馬達，其特徵在於，上述定子鐵芯具有在周向上等間隔地設置的6個上述凸極齒，上述轉子磁鐵其N極和S極在周向上交錯且等分地磁化共計6個磁極者。

根據該構成，得到了在周向上交錯且均等地磁化6個磁極和6個凸極構造的單相無刷馬達，這樣，可相對於各磁極產生磁極的1/4相位偏移。

申請專利範圍1所述的發明，由於制動轉矩和發生轉矩的相位差增大且合成轉矩的脈動量降低，所以可抑制馬達的振動和噪音。而且，單相無刷馬達雖然在構造上磁極和鐵芯凸極的數量相同，但是可相對於各磁極而產生磁極的四分之一相位交錯，所以可與磁極數無關而可效率良好地發揮上述脈動量的降低效果。

申請專利範圍第2項所述的發明，係由採取凸極一個端都為最小空隙長度的構成而可增大制動轉矩和發生轉矩的相位差，所以除了申請專利範圍1的發明效果以外，還可容易地得到具有與用途符合地轉矩脈動降低效果的馬達。

申請專利範圍第3項所述的發明，由於上述空隙長度在轉子旋轉方向上逐漸不同，所以除了申請專利範圍2的發明效果以外，還可進一步有效地抑制馬達的振動、噪音。

申請專利範圍第4項所述的發明，由於可效率良好地抑制發生轉矩和制動轉矩的相位差的減少，所以除了申請專利範圍1、2或3的發明效果以外，不但抑制馬達的振動、噪音的效果佳，而且提高了馬達的旋轉特性並進一步提高馬達的控制精度。

申請專利範圍第5項公開的發明，可容易地製造具有由申請專利範圍1、2、3或4的發明所製得具有上述特別效果的6磁極和6凸極構造相無刷馬達。

下面將舉出較佳實施例來說明本發明的單相無刷馬達。本發明較佳方式用於實現抑制發生振動．噪音的誘因的發生轉矩和制動轉矩的相位差的減少並有效減小合成轉矩脈動的目的，其實現由：具備定子鐵芯及在半徑方向上空出空隙且具有相對配置的環狀永久磁鐵的轉子，且使從定子鐵芯的中心O到凸極齒的齒端面的距離在上述旋轉方向兩端部間不同以使上述空隙的大小在凸極齒的旋轉方向兩端部之間存在差距，並在將凸極齒的旋轉方向的一端部上形成的最小空隙長度設為d1、旋轉方向的另一端部上形成的最大空隙長度設為d2的情況下，上述凸極齒的旋轉方向的一端部上形成的最小空隙長度d1和上述旋轉方向的另一端部上形成的最大空隙長度d2之間的關係設定為d1：d2＝1：2到d1：d2＝1：3，上述凸極齒的齒端表面形成由最小空隙長度側一個端部到最大空隙長度側另一個端部的範圍內而將該空隙逐漸增大的凸狀曲面，該略圓弧狀係含有由該中心O到上述齒端表面相對側所定偏移點為中心的圓弧相同或近似的大體圓弧，使相鄰凸極齒間的旋轉方向上的狹槽寬度為7°。

上述連續曲面的截面形狀係可形成為上述空隙的大小在旋轉方向上逐漸不同，例如，以下述方法敘述(參照圖5)。即，將具有最小空隙長度側一端和上述鐵芯中心O之間的距離尺寸L的可動直線設為T，隨著從最小空隙長度側一端E前進到最大空隙長度側另一端F，該齒端表面緩慢地向中心O側傾斜，以上可動直線T的基端為預定方向，即連接中心O和最小空隙長度側一端E的方向大體為直角，且在移動位置到與最小空隙長度側一端E相反側(圖5中下側)的同時，將可動直線T的前端作為旋轉到最大空隙長度時以該前端的圓弧狀軌迹曲線來進行描術繪。

當然，本發明的上述曲面並不限於此，只要是在從最小空隙長度側的齒端表面到最大空隙長度側的齒端表面的範圍內使上述空隙逐漸增大的大體圓弧狀，則皆包含于本發明馬達內。

實施例

圖1是作為本發明第1實施方式而表示的單相無刷馬達的外觀圖，圖2是圖1所示單相無刷馬達的分解立體圖。圖3－圖5表示其各部分的詳細。再赭，雖然圖示形式適用於電子設備的吹風冷卻用外轉子型無刷馬達，但本發明當然並不限於此。

圖1及圖2所示的單相無刷馬達11是外轉子形狀，且是6磁極、6凸極形狀的單相無刷馬達。單相無刷馬達11由相對於在裝置(未圖示)側經基板12固定的外殼13而安裝的定子14和相對於該定子14而被旋轉驅動的轉子15構成。此外，基板12上除安裝了組裝有控制驅動電流的供給等並驅動馬達的電路的驅動器IC16和檢測轉子15的旋轉位置的磁力感測器17以外，還安裝了轉子用軸承18及軸承19。

轉子15由轉子盒20和永久磁鐵21及軸22構成。轉子盒20呈帽形，且內部同軸固定了軸22的一端。該軸22，其另一端側嵌入軸承18及軸承19，可相對於定子14旋轉地被保持。此外，轉子盒20的內周面上固定有環狀永久磁鐵21。永久磁鐵21朝向圓周方向將N極、S極交錯地以等間隔配置，且在內周面上設有6個磁極。

定子14同心地配置於永久磁鐵21的內周面側，且具有固定在外殼13的外周的環狀定子鐵芯23。該定子鐵芯23由層壓例如矽鋼板而形成，且在軸22的軸向上延設的6個狹槽24、24…及6個狹槽25、25…沿圓周方向等分地設置。通過該狹槽24、24…及狹槽25、25…，在圓周方向上以60°間隔等分地設有成為分離的大體為T字狀凸極的6個凸極齒26、26…。在各凸極齒26、26形成有將導線捲繞成所定圈數而成的作為繞線的線圈27。各線圈27的構成為分別連接到驅動器IC16，藉由驅動器IC16的控制來供給驅動用電流並得到連續的旋轉力。

如圖4中放大所表示的那樣，定子14的凸極齒26、26…的各齒端面(齒的外側端面)30為上述凸極齒26、26…和永久磁鐵21的內周面之間的空隙長度在轉子15的旋轉方向上即凸極齒26、26…的旋轉方向兩端部28、29之間有差距。在本實施方式中，從上述定子鐵芯23的中心O到上述凸極齒的齒端面30的距離(空隙長度)形成在上述凸極齒26的旋轉方向兩端部28、29之間互相不同。具體地說，凸極齒26的旋轉方向一端28側製造有最小空隙長度d1，旋轉方向另一端29側製造有最大空隙長度d2，從旋轉方向一端28側到旋轉方向另一端29側由連續曲面S形成。

再者，在本實施方式中，將旋轉方向一端28側的最小空隙長度d1和旋轉方向另一端29的最大空隙長度d2之間關係設定為d1：d2＝1：3。此外，上述齒前端30的曲面S形狀由於在這裏形成為以鐵芯中心O附近偏心點C為中心的圓弧面狀，所以最小空隙長度側端部28的曲率半徑L和最大空隙長度側端部29的曲率半徑R相同。

如圖5所示，如果將連接與上述凸極齒26的最大空隙長度側端部29相鄰側的凸極齒26A的旋轉方向中心P和定子鐵芯23的中心O的徑向直線設為D，則在圖5中，上述偏心點C位於徑向直線D上的從中心O向下方側(與凸極齒26相反的一側)移動一些的位置上。

曲面S的正視大致呈圓弧狀曲線，例如下面的方法描繪。即，如果以從最小空隙長度側一端28到中心O的距離大體相同長度的定直線H的內側(鐵芯中心O側)端點設為H1、外側端點設為H2，則將內側端點H1作為鐵芯中心O之起點來沿徑向直線D向下側方向(遠離最大間隙長度側另一端29的方向)連續位移，同時，在將定直線H旋轉移動到最大間隙長度側另一端29側時，由外側端點H2描繪的凸狀曲線來形成上述曲線。此時，外側端點H2的軌迹曲線為鐵芯中心O和齒端面30間的距離隨著朝向圖中順時針方向而變小的略圓弧形狀，如上所述，類似於以從鐵芯中心O向圖中下側偏心的點C為中心而描繪的圓弧。

再有，相鄰凸極齒26、26間的狹槽25的寬度θ設定為7°。如果如此形成，則可抑制發生轉矩和制動轉矩的相位差的減少，從而可抑制馬達的振動和噪音。

接著，為了確認本發明的單相無刷馬達11的作用和效果，對下述實施例1、2、3進行驗證。對該實施例1－3的結果進行說明。

圖6是表示在與本實施方式的構造相同且將旋轉方向一端28側的最小空隙長度d1和旋轉方向另一端29側的最大空隙長度d2之間關係設定為d1：d2＝1：3及將相鄰凸極齒26、26間的狹槽25的寬度θ設定為7°的情況下，發生轉矩和制動轉矩相對於轉角的關係的特性圖。再者，圖中，T1表示發生轉矩，T2表示制動轉矩。圖7表示圖6中發生轉矩T1和制動轉矩T2的合成轉矩T3。在圖6及圖7中，縱軸是轉矩(gf．cm)，橫軸是轉子3的轉角(deg)。

從圖6及圖7所示可知，在實施例1及本實施方式的構造中，發生轉矩T1和制動轉矩T2的相位差為磁極間角度四分之一的角度，即15°，且由相位偏差的效果可降低35%以上的合成轉矩的脈動。

圖8是比較例，是表示在與本實施方式的構造相同且將旋轉方向一端28側的最小空隙長度d1和旋轉方向另一端29側的最大空隙長度d2之間關係設定為d1：d2＝1：1.5及將相鄰凸極齒26、26間的狹槽25的寬度θ設定為7°的情況下，發生轉矩和制動轉矩相對於轉角的關係的特性圖。再有，圖中，T1表示發生轉矩，T2表示制動轉矩。圖9表示圖8中發生轉矩T1和制動轉矩T2的合成轉矩T3。

在此，將旋轉方向一端28側的最小空隙長度d1和旋轉方向另一端29側的最大空隙長度d2之間關係設定為d1：d2＝1：3的圖6及圖7所示的實施例1(本實施方式)的結果和設定為d1：d2＝1：1.5的圖8及圖9所示的比較例的結果進行比較。在d1：d2＝1：1.5的比較例的構造中，發生轉矩T1和制動轉矩T2的相位差限於11°，與實施例1的構造比較少4°。其結果，40AT(例如線圈為80匝，輸入電流為0.5A)時，對於輸入時的轉矩脈動，比較例中為77.7gf．cm，與此相對，實施例1中為64.2gf．cm。由此可知，通過使用本實施方式的構造，能降低17.4%的轉矩脈動。

圖10是表示本發明的第二實施方式，將旋轉方向一端28側的最小空隙長度d1和旋轉方向另一端29側的最大空隙長度d2之間關係設定為d1：d2＝1：2及將相鄰凸極齒26、26間的狹槽25的寬度θ設定為7°的情況下，發生轉矩和制動轉矩相對於轉角的關係的特性圖。再有，圖中，T1表示發生轉矩，T2表示制動轉矩。圖11表示圖10中發生轉矩T1和制動轉矩T2的合成轉矩T3。

在實施例2的構造的結果中，發生轉矩T1和制動轉矩T2的相位差為13°，40AT(例如線圈為80匝，輸入電流為0.5A)時，輸入時的轉矩脈動為68.0gf．cm。其與上述比較例的d1：d2＝1：1.5，具有能夠降低12.5%的轉矩脈動的效果。

再有，在本發明中，為了降低轉矩脈動，理想的是使實際啟動時的發生轉矩和制動轉矩的峰值相等。制動轉矩由於因磁鐵的形狀、材質及整體的磁力回路(磁路寬度，磁極數)而變化，所以可相應地維持最小空隙長度d1和最大空隙長度d2的關係，改變間隙的大小。在構造上，雖然單相無刷馬達磁極與凸極齒26的數量相同，但是由於本發明可相對於各磁極發生磁極的四分之一相位偏差，所以可與磁極數無關地效率良好地發揮轉矩脈動降低效果。

此外，本發明可在不脫離本發明的精神的情況下進行多種變化，且本發明當然也包括這些變化。

11．．．單相無刷馬達

12．．．基板

13．．．外殼

14．．．定子

15．．．轉子

16．．．驅動器IC

17．．．磁力感測器

18．．．軸承

19．．．軸承

20．．．轉子盒

21．．．永久磁鐵(轉子永久磁鐵)

22．．．軸

23．．．定子鐵芯

24．．．狹槽

25．．．狹槽

26．．．凸極齒

27．．．線圈

28．．．凸極齒的個端部

29．．．凸極齒的另一個端部

30．．．齒端面

d．．．空隙長度

d1．．．最大空隙長度

d2．．．最大空隙長度

L．．．距離

θ．．．狹槽寬度

圖1是作為本發明第1實施方式表示的單相無刷馬達的外觀圖。

圖2是圖1所示單相無刷馬達的立體圖。

圖3是表示圖1所示單相無刷馬達的內部構造的磁力回路模式圖。

圖4是圖3所示磁力回路的部分放大圖。

圖5是圖3所示定子鐵芯的俯視圖。

圖6是最小空隙長度d1和最大空隙長度d2之間關係為d1：d2＝1：3的圖1所示的單相無刷馬達的發生轉矩和制動轉矩的特性圖。

圖7是將最小空隙長度d1和最大空隙長度d2之間關係為d1：d2＝1：3的圖1所示的單相無刷馬達的發生轉矩和制動轉矩合成的合成轉矩的特性圖。

圖8是最小空隙長度d1和最大空隙長度d2之間關係為d1：d2＝1：1.5的單相無刷馬達的發生轉矩和制動轉矩的特性圖。

圖9是將最小空隙長度d1和最大空隙長度d2之間關係為d1：d2＝1：1.5的單相無刷馬達的發生轉矩和制動轉矩合成的合成轉矩的特性圖。

圖10是最小空隙長度d1和最大空隙長度d2之間關係為d1：d2＝1：2的本發明第二實施方式的單相無刷馬達的發生轉矩和制動轉矩的特性圖。

圖11是將最小空隙長度d1和最大空隙長度d2之間關係為d1：d2＝1：2的本發明第二實施方式的單相無刷馬達的發生轉矩和制動轉矩合成的合成轉矩的特性圖。

圖12是表示現有單相無刷馬達的內部構造的磁力回路模式圖。

圖13是圖12所示的磁力回路的部分放大圖。

圖14是圖12所示的無刷馬達的發生轉矩的特性圖。

圖15是圖12所示的無刷馬達的制動發生轉矩的特性圖。

圖16是將圖12所示的無刷馬達的發生轉矩和制動轉矩合成的合成轉矩特性圖。

14．．．定子

15．．．轉子

20．．．轉子盒

21．．．永久磁鐵(轉子永久磁鐵)

23．．．定子鐵芯

26．．．凸極齒

27．．．線圈

28．．．凸極齒的一個端部

29．．．凸極齒的另一個端部

30．．．齒端面

d1．．．最大空隙長度

d2．．．最大空隙長度

S．．．曲面

Claims (4)

1. 一種單相無刷馬達，具備在定子鐵芯的凸極齒上纏繞有線圈的定子及與該定子鐵芯之間在半徑方向上留有空隙且具有相對配置的環狀永久磁鐵的轉子，而且是使從上述定子鐵芯的中心到上述凸極齒的齒端面的距離在上述凸極齒的旋轉方向兩端部間不同以使上述空隙的大小在上述凸極齒的旋轉方向兩端部之間產生差距而構成的單相無刷馬達，其特徵在於：在將上述凸極齒的旋轉方向的一端部上形成的最小空隙長度設為d1、上述旋轉方向的另一端部上形成的最大空隙長度設為d2的情況下，上述凸極齒的旋轉方向的一端部上形成的最小空隙長度d1和上述旋轉方向的另一端部上形成的最大空隙長度d2之間的關係為從d1：d2=1：2到d1：d2=1：3者其中，上述凸極齒的齒端表面係形成從最小空隙長度側一個端部到最大空隙長度側另一個端部的範圍內上述空隙逐漸增大的凸狀曲面者。
2. 如申請專利範圍第1項所述的單相無刷馬達，其特徵在於：上述凸狀曲面的截面為圓弧狀，該圓弧狀做成與以從上述定子鐵芯的中心向預定方向偏心的點為中心的圓弧相同或近似的大體圓弧者。
3. 如申請專利範圍第2項所述的單相無刷馬達，其特徵在於：使上述相鄰的凸極齒間的旋轉方向上的狹槽寬度為7°者。
4. 如申請專利範圍第3項所述的單相無刷馬達，其特徵在於： 上述定子鐵芯具有在圓周向上等間隔地設置之6個上述凸極齒，上述磁鐵其N極和S極在圓周向上交錯且共計6個磁極為等分地磁化者。