三相無刷電機的製作方法
2023-06-05 11:17:31
專利名稱：三相無刷電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種三相無刷電機，包括連接在定子基座上的多個驅動線圈；以微小間距與驅動線圈相對的環形驅動磁鐵，牢固地固定在轉子磁軛上以隨旋轉軸可旋轉，驅動磁鐵具有多個磁極；牢固地固定在轉子磁軛上的磁鐵，具有的磁極數量與驅動磁鐵的磁極數量不同以獲得FG脈衝或一旋轉脈衝；和與磁鐵相對的磁傳感器，設在定子基座上一位置處，該位置不受來自驅動線圈和驅動磁鐵的磁通量的影響。
背景技術：
過去，三相無刷電機用在多種電設備上。例如，這種電機常用作磁帶錄像機(VTR)的卷盤電機和磁碟驅動器電機。
這種無刷電機的一個實例是設計為減少電機的起動時間(參見日本專利申請公開第H08-322287/1996)。
圖1是現有技術的無刷電機的剖面圖。圖2是在現有技術的無刷電機中驅動線圈和FG傳感器相對驅動磁鐵的位置示意圖。圖3表示可應用於FG傳感器的MR元件圖案的一個實施例。圖4表示可應用於FG傳感器的MR元件的等效電路。示於圖1的現有技術的電機100公開在日本專利申請公開第H08-322287中。參考該出版物，下面將簡要描述該電機。
如圖1所示，現有技術的電機100由定子和轉子組成。電機100設計為卷盤電機。
定子包括軸承座103，具有安裝在其上下部的一對軸承102並固定在定子基座101上；多個驅動線圈104，相對穿過軸承對102的旋轉軸106基本同心固定，以環繞軸承座103；和FG傳感器105，設在驅動線圈104之一的外部以與FG磁鐵110相對(以後描述)。
另一方面，轉子包括旋轉軸106，穿過安裝在軸承座103中的軸承對102；杯形轉子磁軛108，連接在固定於旋轉軸106上端的的套管107上，以與旋轉軸106一致旋轉；環形驅動磁鐵109，具有多個磁極並沿轉子磁軛108的內壁面固定；和環形FG磁鐵110，具有多個磁極，其磁極數量與驅動磁鐵109的磁極數量不同，並沿轉子磁軛108的外周邊固定以獲得FG脈衝(旋轉速度信號)。驅動磁鐵109和FG磁鐵110相對轉子磁軛108可一致旋轉。
固定在定子基座101上的多個驅動線圈104與沿轉子磁軛108內壁面牢固固定的環形驅動磁鐵109相對，它們之間在垂向上保持微小間距。其間產生無刷電機100的旋轉驅動力。
這種情況下，沿轉子磁軛108內壁面牢固固定的環形驅動磁鐵109以這種方式進行磁化，例如，以等角間隔設置以環繞旋轉軸106的8個磁極(四對磁極)扇形區交替磁化為北極和南極。在驅動磁鐵109中，由一個南極和一個北極組成的一對磁極以360度(2π弧度)的電角度設置。電角度用來代表在一對相鄰磁極(南極和北極)之間定義為2π弧度(rad)的角度。
另外，如圖2所示，多個驅動線圈104由U相、V相和W相組成，每個連接到三相電流的各相。互相鄰近的一對相鄰驅動線圈104的排列傾角設置為240度(4π/3弧度)的電角度。
沿轉子磁軛108外周邊牢固固定的FG磁鐵110被磁化以產生多磁極。FG傳感器105與FG磁鐵110相對。此處所用的FG傳感器105是所謂的MR(磁阻)元件，通過將材料布置入圖3所示的圖案來組成，基於外磁場的應用，該材料改變其阻抗。從圖4所示的傳感器等效電路可以明顯看出，取決於當在Vcc和GND之間施加預定電壓時的外磁場強度，該設備通過端子P1和端子P2輸出電壓，這是因為電路中的各阻抗根據磁場強度而變化。利用上述構型，通過檢測源自FG的磁通量，通過測量FG傳感器105通過端子P1和端子P2輸出的電壓，可以獲得每個旋轉的多個FG脈衝。順便說一下，為何圖3所示的MR元件圖案如此複雜，以及端子P1和P2之間要測的電位差是要消除來自除FG磁鐵110外的任何磁源的磁通量影響，以不輸出由此產生的電壓並減少來自FG磁鐵磁化發生的部分不正常所產生的影響。
當測量通過FG傳感器(MR元件)105的端子P1和P2的電壓以獲得多個FG脈衝時，檢測來自與FG傳感器105互連的驅動磁鐵109的洩漏磁通量，以用作起動信號來判斷當起動無刷電機100時，哪個線圈必須被激勵。如圖2所示，FG傳感器105設在，以15度+180度×N1(N1整數)的電角度離開U相線圈中心的一個位置，或以75度+180度×N2(N2整數)的電角度離開W相線圈中心的一個位置。FG傳感器(MR元件)105獲得了通過端子P1和P2的總電壓來檢測驅動磁鐵109的位置。因此，發現了當起動時哪個驅動線圈104需要激勵。結果，如該出版物所描述，總是發生正常轉動來獲得反電動力，由此減少無刷電機100的起動時間。
順便說說，在現有技術的無刷電機100中，儘管由於FG傳感器105設置在上述位置來有效利用來自與FG傳感器105互連的驅動磁鐵109的洩漏磁通量，起動性能得以改善，但犧牲了FG傳感器105的固有功能。
也就是說，通過檢測來自FG磁鐵110的磁通量，FG傳感器105獲得了每個轉動的多個FG脈衝。來自驅動磁鐵109和驅動線圈104的洩漏磁通量對作為信號的FG脈衝有不利影響。
用作FG傳感器105的MR元件被測量以減少由外磁場施加的影響。然而，在無刷電機100的轉動過程中，來自驅動磁鐵109和驅動線圈104的洩漏磁通量的極性和強度發生改變，儘管其循環長於由FG磁鐵產生的磁通量的循環。另外，MR元件(FG傳感器105)內的檢測區域不僅是一個點，還具有如圖3所示的寬度，並且僅相互位於MR元件內不同位置的區域可用作消除外磁場。因此，當洩漏磁通量直接相對MR元件(FG傳感器105)強烈改變其強度時，MR元件不能正確消除洩漏磁通量，從而導致作為MR元件輸出的FG脈衝中出現錯誤。
發生在FG脈衝中的這樣一種錯誤導致的不利是，不能穩定控制無刷電機100的轉動速度。
因此，需要這樣組成的小型三相無刷電機通過設置多個固定在定子基座上的驅動線圈和磁化產生多個磁極的環形驅動磁鐵，環形驅動磁鐵牢固固定在轉子磁軛上，來相互面對，在其間留下微小間距；通過相對旋轉軸整體可旋轉支撐轉子磁軛；通過將磁鐵牢固固定在轉子磁軛上，磁鐵具有的磁極數量與驅動磁鐵的磁極數量不同，以獲得FG脈衝或一個旋轉脈衝；和通過將磁傳感器固定在定子基座上以與磁鐵相對；由此通過磁傳感器，適當檢測了FG脈衝或一個旋轉脈衝。
發明內容
本發明的第一方面是提供一種三相無刷電機，包括旋轉軸；繞所述旋轉軸旋轉的轉子磁軛；固定在所述轉子磁軛上的環形驅動磁鐵，所述驅動磁鐵具有多個等磁化傾角Pm的磁極；多個驅動線圈，設置為使所述驅動線圈與所述驅動磁鐵相對，並使各所述驅動線圈的中心以預定排列角度Pc間隔，角度Pc是所述磁化傾角Pm的4/3倍；固定在所述轉子磁軛上的旋轉檢測磁鐵；和磁傳感器，相對所述旋轉檢測磁鐵固定，以檢測所述旋轉檢測磁鐵的磁通量，其中，所述磁傳感器設在來自所述驅動磁鐵的磁通量和來自所述驅動線圈的磁通量相互抵消的位置。
本發明的第二方面提供了一種根據第一方面的無刷電機，其中，所述磁傳感器設置為，使穿過所述多個驅動線圈中的一個驅動線圈的中心和所述旋轉軸的線，相對穿過所述磁傳感器中心和所述旋轉軸的線，位於(0.25+/-0.1)倍所述預定排列傾角Pc的角度範圍內，所述一個驅動線圈在所述旋轉軸的反向旋轉方向上具有另一個相鄰驅動線圈。
本發明的第三方面提供了一種根據第一方面的無刷電機，其中，所述旋轉檢測磁鐵具有的磁極數量與所述驅動磁鐵中的磁極數量不同，並且是固定在所述轉子磁軛外周邊上的環形磁鐵。
本發明的第四方面提供了一種根據第一方面的無刷電機，其中，所述旋轉檢測磁鐵具有的北極和南極對的數量與所述驅動磁鐵中的磁極數量不同，並且是固定在所述轉子磁軛外周邊上的窄磁鐵以產生一個旋轉信號。
圖1是現有技術的無刷電機的剖面圖；圖2是在現有技術的無刷電機中驅動線圈和FG傳感器相對驅動磁鐵的位置示意圖；圖3表示可應用於FG傳感器的MR元件圖案的一個實施例；圖4表示可應用於FG傳感器的MR元件的等效電路；
圖5示意性表示根據本發明第一實施方案的無刷電機，其中剖面示意了自中心軸起的一半；圖6表示根據本發明第一實施方案的無刷電機中的柔性印刷電路板的平面圖；圖7表示根據本發明第一實施方案的無刷電機中驅動磁鐵如何磁化的平面圖；圖8示意性表示根據本發明第一實施方案的無刷電機中驅動線圈和驅動磁鐵之間的關係；圖9表示描述根據本發明第一實施方案的無刷電機中U相、V相和W相的三相星連接的電路圖；圖10A表示說明MR元件的透視圖，還說明了根據本發明第一實施方案的無刷電機中FG磁鐵如何被磁化；圖10B是根據本發明第一實施方案的無刷電機中FG脈衝的波形圖；圖11示意性表示根據本發明第一實施方案的無刷電機中檢測FG脈衝的MR元件的角度設置；圖12表示由根據本發明第一實施方案的MR元件的固定位置產生的編碼器錯誤的實際測量數據；圖13示意性表示根據本發明第一實施方案的無刷電機的變型，其中剖面示意了自中心軸起的一半；圖14A表示根據本發明第一實施方案變型中的用來檢測一個旋轉脈衝的霍爾(Hall)發生器和產生一個旋轉脈衝的磁鐵；圖14B表示根據本發明第一實施方案變型中一個旋轉脈衝的波形圖；圖15示意性表示根據本發明第二實施方案的無刷電機的整體構型剖面圖；圖16示意性表示根據本發明第二實施方案的部分變型的整體構型剖面圖。
具體實施例方式
參照圖5-16，將順序詳細描述根據本發明第一和第二實施方案的無刷電機。
(第一實施方案)圖5示意性表示根據本發明第一實施方案的無刷電機，其中剖面示意了自中心軸起的一半。圖6表示根據本發明第一實施方案的無刷電機中的柔性印刷電路板的平面圖。圖7表示根據本發明第一實施方案的無刷電機中驅動磁鐵如何磁化的平面圖。圖8示意性表示根據本發明第一實施方案的無刷電機中驅動線圈和驅動磁鐵之間的關係。圖9表示描述根據本發明第一實施方案的無刷電機中U相、V相和W相的三相星連接的電路圖。圖10A表示說明MR元件的透視圖，還說明了根據本發明第一實施方案的無刷電機中FG磁鐵如何被磁化。圖10B是根據本發明第一實施方案的無刷電機中FG脈衝的波形圖。圖11示意性表示根據本發明第一實施方案的無刷電機中檢測FG脈衝的MR元件的角度設置。圖12表示由根據本發明第一實施方案的MR元件的固定位置產生的編碼器錯誤的實際測量數據。
如圖5所示，根據本發明第一實施方案的無刷電機10由作為靜止部分的定子和作為轉動部分的轉子組成。無刷電機10可用作，例如，用於磁帶錄像機(VTR)的卷帶電機。
操作過程中靜止的定子，通過將具有安裝在其上下部分的一對軸承12的軸承座13固定在由軟磁鐵組成的盤狀電機基座11的上表面來組成。
在固定在電機基座11下表面的柔性印刷電路板14上，設有多個(例如6個)驅動線圈15來大約同心環繞穿過安裝在軸承座13上的軸承對12的旋轉軸18，如圖6所示。在與FG磁鐵22(以後描述)相對的一個驅動線圈15的外部，設有用作檢測FG脈衝的磁傳感器的MR元件16。檢測FG脈衝的MR元件構造成與參照圖3和圖4的背景技術部分所描述的構型基本相同。在多個驅動線圈15之間的空隙中，即沒有驅動線圈的地方，有三個霍爾發生器(霍爾元件)17來切換待激勵的線圈。順便說一下，電機基座11和固定在電機基座11下表面的柔性印刷板14構成定子基座。
回看圖5，轉子包括穿過安裝在軸承座13上的軸承對12的旋轉軸18；杯形轉子磁軛20，連接在牢固固定在旋轉軸18下端的套管19上，並與旋轉軸18一致旋轉；環形驅動磁鐵21，沿轉子磁軛20的內壁面牢固固定，並具有多個(例如，10極(5對))磁極；和環形FG磁鐵22，沿轉子磁軛20的外周邊牢固固定以獲得FG脈衝(旋轉速度信號)，並被磁化以具有多個磁極(例如，294極，即147對)，其磁極數量不同於驅動磁鐵21的磁極數量。驅動磁鐵21和FG磁鐵22與旋轉軸18一致旋轉。上述FG磁鐵22用作旋轉檢測磁鐵。
在旋轉軸18的上部，配合有潤滑油收集器23來防止軸承對12的較上一個軸承內的潤滑油流下。
固定在柔性印刷電路板14上的六個驅動線圈15與沿轉子磁軛20的內壁面牢固固定的環形驅動磁鐵21相對，它們之間在垂向上保持微小間距。
如圖7所示，沿轉子磁軛20的內壁面牢固固定的環形驅動磁鐵21被磁化來具有例如10個交替磁化為北極和南極的扇形磁極，扇形磁極環繞旋轉軸18。相應於單個磁極(北極或南極)的磁化傾角定義為Pm(rad)。當在驅動磁鐵21中的相鄰磁極(北極或南極)之間的磁化傾角以幾何角代表時，獲得了36度的角度(360被10等分)，然而，當以電角度代表時，獲得了180度(π(弧度))的角度。如上所述，電角度用來代表在一對相鄰磁極(南極和北極)之間定義為2π(rad)的角度。
另一方面，固定在柔性印刷電路板14上的六個驅動線圈15中的三個構成一組U相、V相和W相，並且如圖6所示，兩組三驅動線圈15重複設置。假定兩個相鄰驅動線圈15的排列傾角是指，由穿過旋轉軸18和一個驅動線圈15中心的一條線和穿過旋轉軸18和相鄰驅動線圈15中心的另一條線形成，排列傾角由Pc(rad)代表，大約為4/3×Pm(rad)。換句話說，兩個相鄰驅動線圈15的排列傾角大約是單一磁極(北極或南極)磁化傾角Pm(rad)的三分之四(4/3)。因此，三個線圈15相對驅動磁鐵21的兩對磁極設置。因此，驅動線圈15的排列傾角以機械角度表示為48度，並以電角度表示為240度(＝4π/3)。
在這種情況下，六個驅動線圈15中的兩個串聯為U相；六個驅動線圈15中的另外兩個串聯為V相；六個驅動線圈15中的剩餘兩個串聯為W相，如圖9所示。然後，三組兩驅動線圈星連接到電源上。
如圖10A所示，沿磁軛20的外周邊牢固固定的FG磁鐵22被磁化以具有交替磁化為北極和南極的多極。在該實施方案中的磁極數量例如為294極(147對磁極)。如圖10B所示，通過固定在柔性印刷電路板14上的MR元件16，來自FG磁鐵22的磁通量檢測提供了每個旋轉的多個FG脈衝。
固定在驅動線圈15之間間隙中的三個霍爾發生器17(圖6)檢測來自驅動磁鐵21的磁通量，以用來切換供應到驅動線圈15的U相、V相和W相的三相電流。
接下來，用來檢測FG脈衝的MR元件(磁傳感器)的排列角度，這是第一實施方案的必要部分，將參照圖11進行描述。
圖11-1表示一種情況，其中有一組由U相、V相和W相組成的線圈15，該驅動線圈固定在柔性印刷電路板14上，構成定子來與驅動磁鐵21相對，這時包括沿轉子磁軛20內壁面牢固固定的驅動磁鐵21的轉子在如圖11-1所示正常旋轉方向的方向上以角速度ω(rad/sec)旋轉。圖11-1還表示驅動磁鐵21、多個驅動線圈15和與沿磁軛20的外周邊牢固固定的FG磁鐵22相對的MR元件16之間的關係，MR元件16暫定在驅動磁鐵21和多個驅動線圈15之間。
特別地，MR元件16可參照圖11-1如下設置。首先，除去在轉子旋轉方向後面的沒有相鄰驅動線圈的一個驅動線圈(即除去位於圖6中的三個霍爾發生器右手側的驅動線圈)，從多個驅動線圈15中選擇一個驅動線圈。其次，穿過被選擇驅動線圈15中心和旋轉軸中心(圖5)的假想線被認為與一對北極和南極的邊界一致。當設置MR元件16時，假想線用作參照線。第三，MR元件16可暫定位於認為是假想線起點的a位置，b位置、c位置、d位置和e位置，其中除去a位置的位置在角度上與轉子旋轉方向相反的方向錯開參照線Pc/4(＝Pm/3)(rad)。此處，Pm(rad)為驅動磁鐵21的一個磁極(北極或南極)的磁化傾角，Pc(＝4/3×Pm)(rad)為兩個相鄰驅動線圈15的排列傾角。
雖然在下面的描述中將U相驅動線圈15選作一個驅動線圈，這並非意圖限制本發明。該一個驅動線圈15可為V相或W相驅動線圈15，任何在轉子旋轉方向之後具有另一個驅動線圈15的驅動線圈可以選作該一個驅動線圈。注意圖6中位於霍爾發生器17右邊的驅動線圈不能作為該一個驅動線圈15。換句話說，多個驅動線圈15中的該一個驅動線圈15是，在旋轉軸18的相反旋轉方向上具有另一個相鄰驅動線圈15的任何一個驅動線圈15。
接下來，當排列角度變化時，排列角度通過U相驅動線圈15(例如是該一個驅動線圈)的中心、MR元件16的中心和旋轉軸來定義，將模擬來自驅動磁鐵21和驅動線圈15的磁通量的改變，磁通量通過假定位於a、b、c、d和e位置的MR元件16測量。當假定MR元件16的中心與U相驅動線圈15的中心一致時，a位置為起點。b位置是在順時針方向離開a位置(起點)Pc/4(＝Pm/3)(rad)的點。c位置是在順時針方向離開b位置Pc/4(＝Pm/3)(rad)的點。d位置是在順時針方向離開c位置Pc/4(＝Pm/3)(rad)的點。e位置是在順時針方向離開d位置Pc/4(＝Pm/3)(rad)的點。
從上述描述可以明顯得知，由於e位置與V相線圈15的中心一致，e位置等同於a位置(起點)。因此，在下面的描述中將不再提及e位置。
如圖11-2所示，由U相、V相和W相組成的驅動線圈15由矩形波電壓在三相雙向操作中激勵。
圖11-3至圖11-6表示來自驅動線圈15和驅動磁鐵21的各磁通量的模擬結果，其由設在各排列位置的MR元件16來檢測。圖中，省略了基本由MR元件16檢測的來自FG磁鐵22(圖5)的FG脈衝(旋轉速度信號)。
首先，如圖11-3所示，當MR元件16設在a位置(起點)時，排列角度為0(rad)。a位置的MR元件16檢測來自僅在該三個線圈中的U相驅動線圈15的磁通量和來自驅動磁鐵21的磁通量。
接下來，如圖11-4(b)所示，當MR元件16設在b位置時，排列角度為Pc/4(rad)。b位置的MR元件16檢測來自該三個線圈中的U相驅動線圈15的強磁通量，來自V相驅動線圈15的弱磁通量，其與U相在相上不同，和來自驅動線圈21的磁通量。在這種情況下，如圖11-4(b′)所示，MR元件16檢測來自U相驅動線圈15的磁通量和來自V相驅動線圈15的磁通量的重疊。該重疊的磁通量與來自驅動磁鐵21的磁通量反相。因此，來自驅動磁鐵21的磁通量和來自驅動線圈15的重疊磁通量被相互抵消。結果，MR元件16僅能檢測來自驅動線圈15和驅動磁鐵21的極少磁通量。因此，當MR元件16設在b位置時，由於來自U相驅動線圈15、V相驅動線圈15和驅動磁鐵線圈21的磁通量相互抵消，MR元件16能夠確保檢測來自FG磁鐵22(圖5)的磁通量，由此獲得高度完整的FG脈衝。
如圖11-5(c)所示，當MR元件16設在c位置時，排列角度為Pc/2(rad)。如圖11-5(c′)所示，MR元件16檢測來自U相驅動線圈15的磁通量和來自具有相同的磁場強度和不同的相的V相驅動線圈15的磁通量的重疊。應當注意，從圖11-4(b′)和圖11-5(c′)能夠理解，來自兩個驅動線圈15和驅動磁鐵21的磁通量的重疊最後比上一種情況中的要大。
如圖11-6(d)所示，當MR元件16設在d位置時，排列角度為3×Pc/4(rad)。d位置的MR元件16檢測來自U相驅動線圈15的弱磁通量，來自具有與U相不同相的V相驅動線圈15的強磁通量，和來自驅動線圈21的磁通量。如圖11-6(d′)所示，由於來自U相驅動線圈15的磁通量和來自V相磁鐵線圈15的磁通量的重疊與來自驅動磁鐵21的磁通量同相，因此d位置的MR元件16檢測的磁通量總量變大。
為用改善的精確度來檢驗上述模擬結果，測量了編碼器錯誤，其表示作為旋轉速度傳感器的MR元件(磁傳感器)的檢測錯誤。測量結果示於圖12。從圖12中可以發現，當相關驅動線圈15的中心和具有旋轉軸作為其渦旋的MR元件16的中心之間的排列角度，等於四分之一(0.25)驅動線圈15的排列傾角Pc(rad)時(＝Pc/4(rad))，編碼器錯誤值最小。然而，優選角度並非必須是排列傾角Pc(rad)的四分之一，Pc(rad)的0.25+/-0.1就足夠了，這是因為錯誤值在角Pc四分之一處不突出為最小。實際上，在Pc(rad)的0.25+/-0.1範圍內編碼器錯誤僅有約0.02％。
由於根據本發明第一實施方案的無刷電機10要求編碼器錯誤為0.35％或更低，在實際應用中MR元件16可設置在能滿足驅動線圈15的排列傾角Pc(rad)的0.25+/-0.1的位置。
換句話說，MR元件(磁傳感器)16設置為，使穿過MR元件16中心和旋轉軸18的線，相對穿過一個驅動線圈中心和旋轉軸18的線，位於(0.25+/-0.1)倍的排列傾角Pc(rad)的角度範圍內，其中該一個驅動線圈是任何一個在旋轉軸18的反向旋轉方向上具有另一個相鄰驅動線圈的驅動線圈15，及其中排列傾角Pc(rad)是在每兩個相鄰驅動線圈之間的角度並且設置為驅動磁鐵21的一個磁極的磁化傾角的大約4/3倍。
由於上述構造，MR元件(磁傳感器)16不受來自驅動線圈15和驅動磁鐵21的磁通量的影響，因此MR元件16確保檢測來自FG磁鐵22的磁通量，由此獲得高度完整的FG脈衝。因此，僅發生FG脈衝錯誤並且穩定控制了無刷電機10的旋轉速度，由此實現了無刷電機10的改善的質量和可靠性。
接下來，將參照圖13和圖14說明通過修改根據本發明第一實施方案的無刷電機10的一部分所獲得的變型。
圖13示意性表示根據本發明第一實施方案的無刷電機的變型，其中剖面示意了自中心軸起的一半。圖14A表示根據本發明第一實施方案變型中的用來檢測一個旋轉脈衝的霍爾(Hall)發生器和產生一個旋轉脈衝的磁鐵。圖14B表示根據本發明第一實施方案變型中一個旋轉脈衝的波形圖。
為便於說明，如第一實施方案中的那樣，對相同部件或組件給出了相同附圖標記，並對新部件或組件給出了新的附圖標記。此後將僅描述與第一實施方案的不同之處。
如圖13和圖14A所示，作為第一實施方案變型的無刷電機10′的不同之處在於，產生一個旋轉脈衝的磁鐵25牢固固定在杯形轉子磁軛20的外周邊，磁鐵25具有較窄的寬度，取代了根據上述第一實施方案的無刷電機10的具有多個磁極(圖5)的FG磁鐵22。在這種情況下，產生一個旋轉脈衝的磁鐵25用作旋轉檢測磁鐵，具有成對磁極，一側為北極，另一側為南極，磁極對的數量不同於沿轉子磁軛20內壁面牢固固定的環形驅動磁鐵21的數量(例如，10個磁極(五對磁極))。
在柔性印刷電路板14上設有檢測一個旋轉的霍爾發生器(霍爾元件)26來作為磁傳感器，與牢固固定在轉子磁軛20外周邊的一個旋轉脈衝產生磁鐵25相對。如圖14B所示，轉子磁軛20的每一個旋轉，霍爾發生器26獲得一個旋轉脈衝。
在這種情況下，採用與參照圖6的上述第一實施方案相同的技術構思，霍爾發生器(磁傳感器)26設置為，使穿過霍爾發生器26中心和旋轉軸18的線，相對穿過一個驅動線圈中心和旋轉軸18的線，位於(0.25+/-0.1)倍的排列傾角Pc(rad)的角度範圍內，其中該一個驅動線圈是任何一個在旋轉軸18的反向旋轉方向上具有另一個相鄰驅動線圈的驅動線圈15，及其中排列傾角Pc(rad)是在驅動線圈中的每兩個相鄰驅動線圈之間的角度並且設置為驅動磁鐵21的一個磁極的磁化傾角的大約4/3倍。
由於上述構造，檢測一個旋轉脈衝的霍爾發生器(磁傳感器)26能夠確保檢測來自用於產生一個旋轉脈衝的磁鐵25的磁通量，並獲得高度完整的一個FG脈衝，這是因為霍爾發生器26受到可以忽略的來自驅動線圈15和驅動磁鐵21的磁通量影響。
(第二實施方案)圖15示意性表示根據本發明第二實施方案的無刷電機的整體構型剖面圖。
如圖15所示，根據本發明第二實施方案的無刷電機30由定子和轉子組成，並傾向於用作，例如磁碟驅動器電機。
定子包括作為基座材料的定子基座31；垂直固定在定子基座31上表面的軸承座33；安裝軸承座33內的無油軸承32；和多個(例如6個)驅動線圈34，沿軸承座33的外周邊以恆定角度間隔(例如60度)固定。多個驅動線圈34被緊固在定子基座31上，以相對穿過無油軸承32的旋轉軸37基本同心布置。
在定子基座31上，固定有作為磁傳感器來檢測FG脈衝的MR元件35，位於一個驅動線圈34的外部位置並與FG磁鐵43(以後描述)相對。另外，用來切換線圈的三個霍爾發生器(霍爾元件)36分別固定在相鄰的驅動線圈34之間，但為便於說明，在圖15中僅示出了一個霍爾發生器36。
另一方面，轉子由穿過固定在軸承座33上的無油軸承32的旋轉軸37和按壓裝配在旋轉軸37上端的轉動臺38組成。轉動臺38與旋轉軸37一致旋轉。在這種情況下，轉動臺38整體由盤狀凸緣部分38a和位於凸緣部分38a上面的軸部分38b組成。在凸緣部分38a上，放置有磁碟D，同時磁碟D的中心孔Da與直徑小於凸緣部分38a的直徑的軸部分38b配合。
旋轉軸37的下端由用螺釘39固定在定子基座31下表面的杯形夾持元件40支撐。
在轉動臺38的凸緣部分38a的下表面上，與轉動臺38整體和同心地固定有柱形轉子磁軛41。另外，環形驅動磁鐵42沿轉子磁軛41的內壁面具有多個(例如8個(4對磁極))磁極。此外，沿轉子磁軛41的外周邊牢固固定有環形FG磁鐵43以獲得FG脈衝，FG磁鐵43具有多個磁極(例如294個磁極(147對磁極))，其磁極數量與驅動磁鐵41的磁極數量不同。驅動磁鐵42和FG磁鐵43與轉子磁軛41一致旋轉。這種情況下，FG磁鐵43用作旋轉檢測磁鐵。
設在定子上的六個驅動線圈34與沿轉子磁軛41的內壁面牢固固定的環形驅動磁鐵42相對，在徑向上留有微小間距。採用這種構型，在其間產生了無刷電機30的旋轉驅動力。
雖然第二實施方案與第一實施方案的不同之處在於a)設在定子上的六個驅動線圈34不是盤形；b)全部六個驅動線圈34以等間隔角度設置；和c)驅動磁鐵42具有與在第一實施方案中的數量不同的磁極，前面參照圖6在第一實施方案中描述的相同技術構思也採用在了第二實施方案中。在第二實施方案中，多個驅動線圈34中的每一個設置為在旋轉軸37的旋轉方向上，具有位於其後的另一個驅動線圈。
MR元件(磁傳感器)35設置為，使穿過MR元件35中心和旋轉軸37的線，相對穿過一個驅動線圈中心和旋轉軸37的線，位於(0.25+/-0.1)倍的排列傾角Pc(rad)的角度範圍內，其中該一個驅動線圈是任何一個在旋轉軸37的反向旋轉方向上具有另一個相鄰驅動線圈的驅動線圈34，及其中排列傾角Pc(rad)是在每兩個相鄰驅動線圈34之間的角度並且設置為驅動磁鐵42的一個磁極的磁化傾角的大約4/3倍。由於上述構型，MR元件(磁傳感器)35受到可以忽略的來自驅動線圈34和驅動磁鐵42的磁通量影響，因此能夠確保檢測來自FG磁鐵43的磁通量，來獲得高度完整的FG脈衝。
接下來，將參照圖16描述根據本發明第二實施方案的無刷電機30的一個部分變型。
圖16示意性表示根據本發明第二實施方案的部分變型的整體構型剖面圖。
為便於說明，如第二實施方案中的那樣，對相同部件或組件給出了相同附圖標記，並對新部件或組件給出了新的附圖標記。此後將僅描述與第二實施方案的不同之處。
如圖16所示，通過修改第二實施方案的一部分所獲得的無刷電機30′與第二實施方案的無刷電機30的不同之處在於，在外周邊牢固固定有產生一個旋轉脈衝的窄磁鐵45，取代了具有多個磁極的FG磁鐵43(圖15)。在這種情況下，產生一個旋轉脈衝的磁鐵45具有多個單磁極，一側為北極，另一側為南極，磁極的數量不同於具有例如8個磁極(四對磁極)的環形驅動磁鐵42的磁極數量，用作旋轉檢測磁鐵。
另外，在定子基座31上設有檢測一個旋轉脈衝的線圈部件46來作為磁傳感器。線圈部件46與牢固固定在轉子磁軛41外周邊的一個旋轉脈衝產生磁鐵45相對。因此，轉子磁軛41每旋轉一次就獲得一個旋轉脈衝。
在這種情況下，採用與上述第二實施方案相同的技術構思，線圈部件(磁傳感器)46設置為，使穿過線圈部件46中心和旋轉軸37的線，相對穿過一個驅動線圈中心和旋轉軸37的線，位於(0.25+/-0.1)倍的排列傾角Pc(rad)的角度範圍內，其中該一個驅動線圈是任何一個在旋轉軸37的反向旋轉方向上具有另一個相鄰驅動線圈的驅動線圈34，及其中排列傾角Pc(rad)是每兩個相鄰驅動線圈34之間的角度並且設置為驅動磁鐵42的一個磁極的磁化傾角的大約4/3倍。
分別根據第一和第二實施方案的無刷電機10、30，和分別作為第一和第二實施方案的變型的無刷電機10′、30′，能夠在三相雙向120度激勵條件下驅動。然而，可採用其它激勵角度，例如180度，只要對各驅動線圈的激勵定時沒有改變。另外，無刷電機10、30、10′和30′不但可由矩形電壓驅動，還可由梯形波電壓和信號波電壓驅動。這是因為施加電壓的相可如上所述被保持，甚至當磁通量的波形不同時。因此，證明了同樣的操作和效果。
另外，一個實施方案描述了6個驅動線圈和具有10極(5對磁極)的驅動磁鐵，而另一個實施方案描述了6個驅動線圈和具有8極(4對磁極)的驅動磁鐵。然而，線圈的數量或驅動磁鐵的磁極數量是可以選擇的，只要多個驅動線圈以大約4/3倍的驅動磁鐵的磁極的磁化傾角的角度間隔設置，就可以應用描述在第一和第二實施方案中的技術構思。
上述各實施方案並非意圖將本發明限制在上述構型和步驟。不用多說，可以在不脫離其範圍和精神下修改本發明。
權利要求
1.一種三相無刷電機，包括旋轉軸(18、37)，繞所述旋轉軸旋轉的轉子磁軛(20、41)，固定在所述轉子磁軛上的環形驅動磁鐵(21、42)，所述驅動磁鐵(21、42)具有多個等磁化傾角Pm的磁極，多個驅動線圈(15、34)，設置為使所述驅動線圈與所述驅動磁鐵相對，並使各所述驅動線圈的中心以預定排列角度Pc間隔，角度Pc是所述磁化傾角Pm的4/3倍，固定在所述轉子磁軛上的旋轉檢測磁鐵(22、25、43、45)，和磁傳感器(16、26、35、46)，相對所述旋轉檢測磁鐵固定，以檢測所述旋轉檢測磁鐵(22、25、43、45)的磁通量，其中，所述磁傳感器(16、26、35、46)設在來自所述驅動磁鐵(21、42)的磁通量和來自所述驅動線圈(15、34)的磁通量相互抵消的位置。
2.如權利要求1所述的一種三相無刷電機，其中，所述磁傳感器(16、26、35、46)設置為，使穿過所述多個驅動線圈(15、34)中的一個驅動線圈的中心和所述旋轉軸的線，相對穿過所述磁傳感器(16、26、35、46)中心和所述旋轉軸(18、37)的線，位於(0.25+/-0.1)倍所述預定排列傾角Pc的角度範圍內，所述一個驅動線圈在所述旋轉軸(18、37)的反向旋轉方向上具有另一個相鄰驅動線圈。
3.如權利要求1所述的一種三相無刷電機，其中，所述旋轉檢測磁鐵(22、25、43、45)具有的磁極數量與所述驅動磁鐵(21、42)中的磁極數量不同，並且是固定在所述轉子磁軛(20、41)外周邊上的環形磁鐵。
4.如權利要求1所述的一種三相無刷電機，其中，所述旋轉檢測磁鐵(22、25、43、45)具有的北極和南極對的數量與所述驅動磁鐵(21、42)中的磁極數量不同，並且是固定在所述轉子磁軛(20、41)外周邊上的窄磁鐵以產生一個旋轉信號。
全文摘要
本發明一方面中的一種三相無刷電機包括旋轉軸；繞所述旋轉軸旋轉的轉子磁軛；固定在所述轉子磁軛上的環形驅動磁鐵，所述驅動磁鐵具有多個等磁化傾角Pm的磁極；多個驅動線圈，設置為使所述驅動線圈與所述驅動磁鐵相對，並使各所述驅動線圈的中心以預定排列角度Pc間隔，角度Pc是所述磁化傾角Pm的4/3倍；固定在所述轉子磁軛上的旋轉檢測磁鐵；和磁傳感器，相對所述旋轉檢測磁鐵固定，以檢測所述旋轉檢測磁鐵的磁通量，其中，所述磁傳感器設在來自所述驅動磁鐵的磁通量和來自所述驅動線圈的磁通量相互抵消的位置。
文檔編號H02P6/20GK1744413SQ20051009583
公開日2006年3月8日 申請日期2005年9月2日 優先權日2004年9月3日
發明者細野壽一, 熊谷吉樹 申請人:日本勝利株式會社