專利名稱：三相無刷電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三相無刷電機(jī)，包括連接在定子基座上的多個驅(qū)動線圈；以微小間距與驅(qū)動線圈相對的環(huán)形驅(qū)動磁鐵，牢固地固定在轉(zhuǎn)子磁軛上以隨旋轉(zhuǎn)軸可旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動磁鐵具有多個磁極；牢固地固定在轉(zhuǎn)子磁軛上的磁鐵，具有的磁極數(shù)量與驅(qū)動磁鐵的磁極數(shù)量不同以獲得FG脈沖或一旋轉(zhuǎn)脈沖；和與磁鐵相對的磁傳感器，設(shè)在定子基座上一位置處，該位置不受來自驅(qū)動線圈和驅(qū)動磁鐵的磁通量的影響。
背景技術(shù)：
過去，三相無刷電機(jī)用在多種電設(shè)備上。例如，這種電機(jī)常用作磁帶錄像機(jī)(VTR)的卷盤電機(jī)和磁盤驅(qū)動器電機(jī)。
這種無刷電機(jī)的一個實(shí)例是設(shè)計(jì)為減少電機(jī)的起動時間(參見日本專利申請公開第H08-322287/1996)。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)的無刷電機(jī)的剖面圖。圖2是在現(xiàn)有技術(shù)的無刷電機(jī)中驅(qū)動線圈和FG傳感器相對驅(qū)動磁鐵的位置示意圖。圖3表示可應(yīng)用于FG傳感器的MR元件圖案的一個實(shí)施例。圖4表示可應(yīng)用于FG傳感器的MR元件的等效電路。示于圖1的現(xiàn)有技術(shù)的電機(jī)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(jī)。
如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)的電機(jī)100由定子和轉(zhuǎn)子組成。電機(jī)100設(shè)計(jì)為卷盤電機(jī)。
定子包括軸承座103，具有安裝在其上下部的一對軸承102并固定在定子基座101上；多個驅(qū)動線圈104，相對穿過軸承對102的旋轉(zhuǎn)軸106基本同心固定，以環(huán)繞軸承座103；和FG傳感器105，設(shè)在驅(qū)動線圈104之一的外部以與FG磁鐵110相對(以后描述)。
另一方面，轉(zhuǎn)子包括旋轉(zhuǎn)軸106，穿過安裝在軸承座103中的軸承對102；杯形轉(zhuǎn)子磁軛108，連接在固定于旋轉(zhuǎn)軸106上端的的套管107上，以與旋轉(zhuǎn)軸106一致旋轉(zhuǎn)；環(huán)形驅(qū)動磁鐵109，具有多個磁極并沿轉(zhuǎn)子磁軛108的內(nèi)壁面固定；和環(huán)形FG磁鐵110，具有多個磁極，其磁極數(shù)量與驅(qū)動磁鐵109的磁極數(shù)量不同，并沿轉(zhuǎn)子磁軛108的外周邊固定以獲得FG脈沖(旋轉(zhuǎn)速度信號)。驅(qū)動磁鐵109和FG磁鐵110相對轉(zhuǎn)子磁軛108可一致旋轉(zhuǎn)。
固定在定子基座101上的多個驅(qū)動線圈104與沿轉(zhuǎn)子磁軛108內(nèi)壁面牢固固定的環(huán)形驅(qū)動磁鐵109相對，它們之間在垂向上保持微小間距。其間產(chǎn)生無刷電機(jī)100的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力。
這種情況下，沿轉(zhuǎn)子磁軛108內(nèi)壁面牢固固定的環(huán)形驅(qū)動磁鐵109以這種方式進(jìn)行磁化，例如，以等角間隔設(shè)置以環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸106的8個磁極(四對磁極)扇形區(qū)交替磁化為北極和南極。在驅(qū)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(shè)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(qū)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?；ハ噜徑囊粚ο噜忩?qū)動線圈104的排列傾角設(shè)置為240度(4π/3弧度)的電角度。
沿轉(zhuǎn)子磁軛108外周邊牢固固定的FG磁鐵110被磁化以產(chǎn)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，基于外磁場的應(yīng)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，取決于當(dāng)在Vcc和GND之間施加預(yù)定電壓時的外磁場強(qiáng)度，該設(shè)備通過端子P1和端子P2輸出電壓，這是因?yàn)殡娐分械母髯杩垢鶕?jù)磁場強(qiáng)度而變化。利用上述構(gòu)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(zhuǎn)的多個FG脈沖。順便說一下，為何圖3所示的MR元件圖案如此復(fù)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(chǎn)生的電壓并減少來自FG磁鐵磁化發(fā)生的部分不正常所產(chǎn)生的影響。
當(dāng)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脈沖時，檢測來自與FG傳感器105互連的驅(qū)動磁鐵109的泄漏磁通量，以用作起動信號來判斷當(dāng)起動無刷電機(jī)100時，哪個線圈必須被激勵。如圖2所示，F(xiàn)G傳感器105設(shè)在，以15度+180度×N1(N1整數(shù))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(shù))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(qū)動磁鐵109的位置。因此，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)起動時哪個驅(qū)動線圈104需要激勵。結(jié)果，如該出版物所描述，總是發(fā)生正常轉(zhuǎn)動來獲得反電動力，由此減少無刷電機(jī)100的起動時間。
順便說說，在現(xiàn)有技術(shù)的無刷電機(jī)100中，盡管由于FG傳感器105設(shè)置在上述位置來有效利用來自與FG傳感器105互連的驅(qū)動磁鐵109的泄漏磁通量，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，F(xiàn)G傳感器105獲得了每個轉(zhuǎn)動的多個FG脈沖。來自驅(qū)動磁鐵109和驅(qū)動線圈104的泄漏磁通量對作為信號的FG脈沖有不利影響。
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(jī)100的轉(zhuǎn)動過程中，來自驅(qū)動磁鐵109和驅(qū)動線圈104的泄漏磁通量的極性和強(qiáng)度發(fā)生改變，盡管其循環(huán)長于由FG磁鐵產(chǎn)生的磁通量的循環(huán)。另外，MR元件(FG傳感器105)內(nèi)的檢測區(qū)域不僅是一個點(diǎn)，還具有如圖3所示的寬度，并且僅相互位于MR元件內(nèi)不同位置的區(qū)域可用作消除外磁場。因此，當(dāng)泄漏磁通量直接相對MR元件(FG傳感器105)強(qiáng)烈改變其強(qiáng)度時，MR元件不能正確消除泄漏磁通量，從而導(dǎo)致作為MR元件輸出的FG脈沖中出現(xiàn)錯誤。
發(fā)生在FG脈沖中的這樣一種錯誤導(dǎo)致的不利是，不能穩(wěn)定控制無刷電機(jī)100的轉(zhuǎn)動速度。
因此，需要這樣組成的小型三相無刷電機(jī)通過設(shè)置多個固定在定子基座上的驅(qū)動線圈和磁化產(chǎn)生多個磁極的環(huán)形驅(qū)動磁鐵，環(huán)形驅(qū)動磁鐵牢固固定在轉(zhuǎn)子磁軛上，來相互面對，在其間留下微小間距；通過相對旋轉(zhuǎn)軸整體可旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)子磁軛；通過將磁鐵牢固固定在轉(zhuǎn)子磁軛上，磁鐵具有的磁極數(shù)量與驅(qū)動磁鐵的磁極數(shù)量不同，以獲得FG脈沖或一個旋轉(zhuǎn)脈沖；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(dāng)檢測了FG脈沖或一個旋轉(zhuǎn)脈沖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方面是提供一種三相無刷電機(jī)，包括旋轉(zhuǎn)軸；繞所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁軛；固定在所述轉(zhuǎn)子磁軛上的環(huán)形驅(qū)動磁鐵，所述驅(qū)動磁鐵具有多個等磁化傾角Pm的磁極；多個驅(qū)動線圈，設(shè)置為使所述驅(qū)動線圈與所述驅(qū)動磁鐵相對，并使各所述驅(qū)動線圈的中心以預(yù)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(zhuǎn)子磁軛上的旋轉(zhuǎn)檢測磁鐵；和磁傳感器，相對所述旋轉(zhuǎn)檢測磁鐵固定，以檢測所述旋轉(zhuǎn)檢測磁鐵的磁通量，其中，所述磁傳感器設(shè)在來自所述驅(qū)動磁鐵的磁通量和來自所述驅(qū)動線圈的磁通量相互抵消的位置。
本發(fā)明的第二方面提供了一種根據(jù)第一方面的無刷電機(jī)，其中，所述磁傳感器設(shè)置為，使穿過所述多個驅(qū)動線圈中的一個驅(qū)動線圈的中心和所述旋轉(zhuǎn)軸的線，相對穿過所述磁傳感器中心和所述旋轉(zhuǎn)軸的線，位于(0.25+/-0.1)倍所述預(yù)定排列傾角Pc的角度范圍內(nèi)，所述一個驅(qū)動線圈在所述旋轉(zhuǎn)軸的反向旋轉(zhuǎn)方向上具有另一個相鄰驅(qū)動線圈。
本發(fā)明的第三方面提供了一種根據(jù)第一方面的無刷電機(jī)，其中，所述旋轉(zhuǎn)檢測磁鐵具有的磁極數(shù)量與所述驅(qū)動磁鐵中的磁極數(shù)量不同，并且是固定在所述轉(zhuǎn)子磁軛外周邊上的環(huán)形磁鐵。
本發(fā)明的第四方面提供了一種根據(jù)第一方面的無刷電機(jī)，其中，所述旋轉(zhuǎn)檢測磁鐵具有的北極和南極對的數(shù)量與所述驅(qū)動磁鐵中的磁極數(shù)量不同，并且是固定在所述轉(zhuǎn)子磁軛外周邊上的窄磁鐵以產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)信號。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的無刷電機(jī)的剖面圖；圖2是在現(xiàn)有技術(shù)的無刷電機(jī)中驅(qū)動線圈和FG傳感器相對驅(qū)動磁鐵的位置示意圖；圖3表示可應(yīng)用于FG傳感器的MR元件圖案的一個實(shí)施例；圖4表示可應(yīng)用于FG傳感器的MR元件的等效電路；
圖5示意性表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)，其中剖面示意了自中心軸起的一半；圖6表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)中的柔性印刷電路板的平面圖；圖7表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)中驅(qū)動磁鐵如何磁化的平面圖；圖8示意性表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)中驅(qū)動線圈和驅(qū)動磁鐵之間的關(guān)系；圖9表示描述根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)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(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)中FG磁鐵如何被磁化；圖10B是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)中FG脈沖的波形圖；圖11示意性表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)中檢測FG脈沖的MR元件的角度設(shè)置；圖12表示由根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的MR元件的固定位置產(chǎn)生的編碼器錯誤的實(shí)際測量數(shù)據(jù)；圖13示意性表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)的變型，其中剖面示意了自中心軸起的一半；圖14A表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案變型中的用來檢測一個旋轉(zhuǎn)脈沖的霍爾(Hall)發(fā)生器和產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)脈沖的磁鐵；圖14B表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案變型中一個旋轉(zhuǎn)脈沖的波形圖；圖15示意性表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的無刷電機(jī)的整體構(gòu)型剖面圖；圖16示意性表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的部分變型的整體構(gòu)型剖面圖。
具體實(shí)施例方式
參照圖5-16，將順序詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明第一和第二實(shí)施方案的無刷電機(jī)。
(第一實(shí)施方案)圖5示意性表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)，其中剖面示意了自中心軸起的一半。圖6表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)中的柔性印刷電路板的平面圖。圖7表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)中驅(qū)動磁鐵如何磁化的平面圖。圖8示意性表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)中驅(qū)動線圈和驅(qū)動磁鐵之間的關(guān)系。圖9表示描述根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)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(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)中FG磁鐵如何被磁化。圖10B是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)中FG脈沖的波形圖。圖11示意性表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)中檢測FG脈沖的MR元件的角度設(shè)置。圖12表示由根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的MR元件的固定位置產(chǎn)生的編碼器錯誤的實(shí)際測量數(shù)據(jù)。
如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)10由作為靜止部分的定子和作為轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)子組成。無刷電機(jī)10可用作，例如，用于磁帶錄像機(jī)(VTR)的卷帶電機(jī)。
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(jī)基座11的上表面來組成。
在固定在電機(jī)基座11下表面的柔性印刷電路板14上，設(shè)有多個(例如6個)驅(qū)動線圈15來大約同心環(huán)繞穿過安裝在軸承座13上的軸承對12的旋轉(zhuǎn)軸18，如圖6所示。在與FG磁鐵22(以后描述)相對的一個驅(qū)動線圈15的外部，設(shè)有用作檢測FG脈沖的磁傳感器的MR元件16。檢測FG脈沖的MR元件構(gòu)造成與參照圖3和圖4的背景技術(shù)部分所描述的構(gòu)型基本相同。在多個驅(qū)動線圈15之間的空隙中，即沒有驅(qū)動線圈的地方，有三個霍爾發(fā)生器(霍爾元件)17來切換待激勵的線圈。順便說一下，電機(jī)基座11和固定在電機(jī)基座11下表面的柔性印刷板14構(gòu)成定子基座。
回看圖5，轉(zhuǎn)子包括穿過安裝在軸承座13上的軸承對12的旋轉(zhuǎn)軸18；杯形轉(zhuǎn)子磁軛20，連接在牢固固定在旋轉(zhuǎn)軸18下端的套管19上，并與旋轉(zhuǎn)軸18一致旋轉(zhuǎn)；環(huán)形驅(qū)動磁鐵21，沿轉(zhuǎn)子磁軛20的內(nèi)壁面牢固固定，并具有多個(例如，10極(5對))磁極；和環(huán)形FG磁鐵22，沿轉(zhuǎn)子磁軛20的外周邊牢固固定以獲得FG脈沖(旋轉(zhuǎn)速度信號)，并被磁化以具有多個磁極(例如，294極，即147對)，其磁極數(shù)量不同于驅(qū)動磁鐵21的磁極數(shù)量。驅(qū)動磁鐵21和FG磁鐵22與旋轉(zhuǎn)軸18一致旋轉(zhuǎn)。上述FG磁鐵22用作旋轉(zhuǎn)檢測磁鐵。
在旋轉(zhuǎn)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(nèi)的潤滑油流下。
固定在柔性印刷電路板14上的六個驅(qū)動線圈15與沿轉(zhuǎn)子磁軛20的內(nèi)壁面牢固固定的環(huán)形驅(qū)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(zhuǎn)子磁軛20的內(nèi)壁面牢固固定的環(huán)形驅(qū)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(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸18。相應(yīng)于單個磁極(北極或南極)的磁化傾角定義為Pm(rad)。當(dāng)在驅(qū)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(dāng)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(qū)動線圈15中的三個構(gòu)成一組U相、V相和W相，并且如圖6所示，兩組三驅(qū)動線圈15重復(fù)設(shè)置。假定兩個相鄰驅(qū)動線圈15的排列傾角是指，由穿過旋轉(zhuǎn)軸18和一個驅(qū)動線圈15中心的一條線和穿過旋轉(zhuǎn)軸18和相鄰驅(qū)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(qū)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(qū)動磁鐵21的兩對磁極設(shè)置。因此，驅(qū)動線圈15的排列傾角以機(jī)械角度表示為48度，并以電角度表示為240度(＝4π/3)。
在這種情況下，六個驅(qū)動線圈15中的兩個串聯(lián)為U相；六個驅(qū)動線圈15中的另外兩個串聯(lián)為V相；六個驅(qū)動線圈15中的剩余兩個串聯(lián)為W相，如圖9所示。然后，三組兩驅(qū)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(shí)施方案中的磁極數(shù)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(zhuǎn)的多個FG脈沖。
固定在驅(qū)動線圈15之間間隙中的三個霍爾發(fā)生器17(圖6)檢測來自驅(qū)動磁鐵21的磁通量，以用來切換供應(yīng)到驅(qū)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脈沖的MR元件(磁傳感器)的排列角度，這是第一實(shí)施方案的必要部分，將參照圖11進(jìn)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(qū)動線圈固定在柔性印刷電路板14上，構(gòu)成定子來與驅(qū)動磁鐵21相對，這時包括沿轉(zhuǎn)子磁軛20內(nèi)壁面牢固固定的驅(qū)動磁鐵21的轉(zhuǎn)子在如圖11-1所示正常旋轉(zhuǎn)方向的方向上以角速度ω(rad/sec)旋轉(zhuǎn)。圖11-1還表示驅(qū)動磁鐵21、多個驅(qū)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(guān)系，MR元件16暫定在驅(qū)動磁鐵21和多個驅(qū)動線圈15之間。
特別地，MR元件16可參照圖11-1如下設(shè)置。首先，除去在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向后面的沒有相鄰驅(qū)動線圈的一個驅(qū)動線圈(即除去位于圖6中的三個霍爾發(fā)生器右手側(cè)的驅(qū)動線圈)，從多個驅(qū)動線圈15中選擇一個驅(qū)動線圈。其次，穿過被選擇驅(qū)動線圈15中心和旋轉(zhuǎn)軸中心(圖5)的假想線被認(rèn)為與一對北極和南極的邊界一致。當(dāng)設(shè)置MR元件16時，假想線用作參照線。第三，MR元件16可暫定位于認(rèn)為是假想線起點(diǎn)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的方向錯開參照線Pc/4(＝Pm/3)(rad)。此處，Pm(rad)為驅(qū)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(qū)動線圈15的排列傾角。
雖然在下面的描述中將U相驅(qū)動線圈15選作一個驅(qū)動線圈，這并非意圖限制本發(fā)明。該一個驅(qū)動線圈15可為V相或W相驅(qū)動線圈15，任何在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向之后具有另一個驅(qū)動線圈15的驅(qū)動線圈可以選作該一個驅(qū)動線圈。注意圖6中位于霍爾發(fā)生器17右邊的驅(qū)動線圈不能作為該一個驅(qū)動線圈15。換句話說，多個驅(qū)動線圈15中的該一個驅(qū)動線圈15是，在旋轉(zhuǎn)軸18的相反旋轉(zhuǎn)方向上具有另一個相鄰驅(qū)動線圈15的任何一個驅(qū)動線圈15。
接下來，當(dāng)排列角度變化時，排列角度通過U相驅(qū)動線圈15(例如是該一個驅(qū)動線圈)的中心、MR元件16的中心和旋轉(zhuǎn)軸來定義，將模擬來自驅(qū)動磁鐵21和驅(qū)動線圈15的磁通量的改變，磁通量通過假定位于a、b、c、d和e位置的MR元件16測量。當(dāng)假定MR元件16的中心與U相驅(qū)動線圈15的中心一致時，a位置為起點(diǎn)。b位置是在順時針方向離開a位置(起點(diǎn))Pc/4(＝Pm/3)(rad)的點(diǎn)。c位置是在順時針方向離開b位置Pc/4(＝Pm/3)(rad)的點(diǎn)。d位置是在順時針方向離開c位置Pc/4(＝Pm/3)(rad)的點(diǎn)。e位置是在順時針方向離開d位置Pc/4(＝Pm/3)(rad)的點(diǎn)。
從上述描述可以明顯得知，由于e位置與V相線圈15的中心一致，e位置等同于a位置(起點(diǎn))。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(qū)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(qū)動線圈15和驅(qū)動磁鐵21的各磁通量的模擬結(jié)果，其由設(shè)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脈沖(旋轉(zhuǎn)速度信號)。
首先，如圖11-3所示，當(dāng)MR元件16設(shè)在a位置(起點(diǎn))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(qū)動線圈15的磁通量和來自驅(qū)動磁鐵21的磁通量。
接下來，如圖11-4(b)所示，當(dāng)MR元件16設(shè)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(qū)動線圈15的強(qiáng)磁通量，來自V相驅(qū)動線圈15的弱磁通量，其與U相在相上不同，和來自驅(qū)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(qū)動線圈15的磁通量和來自V相驅(qū)動線圈15的磁通量的重疊。該重疊的磁通量與來自驅(qū)動磁鐵21的磁通量反相。因此，來自驅(qū)動磁鐵21的磁通量和來自驅(qū)動線圈15的重疊磁通量被相互抵消。結(jié)果，MR元件16僅能檢測來自驅(qū)動線圈15和驅(qū)動磁鐵21的極少磁通量。因此，當(dāng)MR元件16設(shè)在b位置時，由于來自U相驅(qū)動線圈15、V相驅(qū)動線圈15和驅(qū)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脈沖。
如圖11-5(c)所示，當(dāng)MR元件16設(shè)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(qū)動線圈15的磁通量和來自具有相同的磁場強(qiáng)度和不同的相的V相驅(qū)動線圈15的磁通量的重疊。應(yīng)當(dāng)注意，從圖11-4(b′)和圖11-5(c′)能夠理解，來自兩個驅(qū)動線圈15和驅(qū)動磁鐵21的磁通量的重疊最后比上一種情況中的要大。
如圖11-6(d)所示，當(dāng)MR元件16設(shè)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(qū)動線圈15的弱磁通量，來自具有與U相不同相的V相驅(qū)動線圈15的強(qiáng)磁通量，和來自驅(qū)動線圈21的磁通量。如圖11-6(d′)所示，由于來自U相驅(qū)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(qū)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(yàn)上述模擬結(jié)果，測量了編碼器錯誤，其表示作為旋轉(zhuǎn)速度傳感器的MR元件(磁傳感器)的檢測錯誤。測量結(jié)果示于圖12。從圖12中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相關(guān)驅(qū)動線圈15的中心和具有旋轉(zhuǎn)軸作為其渦旋的MR元件16的中心之間的排列角度，等于四分之一(0.25)驅(qū)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(yōu)選角度并非必須是排列傾角Pc(rad)的四分之一，Pc(rad)的0.25+/-0.1就足夠了，這是因?yàn)殄e誤值在角Pc四分之一處不突出為最小。實(shí)際上，在Pc(rad)的0.25+/-0.1范圍內(nèi)編碼器錯誤僅有約0.02％。
由于根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)10要求編碼器錯誤為0.35％或更低，在實(shí)際應(yīng)用中MR元件16可設(shè)置在能滿足驅(qū)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(shè)置為，使穿過MR元件16中心和旋轉(zhuǎn)軸18的線，相對穿過一個驅(qū)動線圈中心和旋轉(zhuǎn)軸18的線，位于(0.25+/-0.1)倍的排列傾角Pc(rad)的角度范圍內(nèi)，其中該一個驅(qū)動線圈是任何一個在旋轉(zhuǎn)軸18的反向旋轉(zhuǎn)方向上具有另一個相鄰驅(qū)動線圈的驅(qū)動線圈15，及其中排列傾角Pc(rad)是在每兩個相鄰驅(qū)動線圈之間的角度并且設(shè)置為驅(qū)動磁鐵21的一個磁極的磁化傾角的大約4/3倍。
由于上述構(gòu)造，MR元件(磁傳感器)16不受來自驅(qū)動線圈15和驅(qū)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脈沖。因此，僅發(fā)生FG脈沖錯誤并且穩(wěn)定控制了無刷電機(jī)10的旋轉(zhuǎn)速度，由此實(shí)現(xiàn)了無刷電機(jī)10的改善的質(zhì)量和可靠性。
接下來，將參照圖13和圖14說明通過修改根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)10的一部分所獲得的變型。
圖13示意性表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)的變型，其中剖面示意了自中心軸起的一半。圖14A表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案變型中的用來檢測一個旋轉(zhuǎn)脈沖的霍爾(Hall)發(fā)生器和產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)脈沖的磁鐵。圖14B表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案變型中一個旋轉(zhuǎn)脈沖的波形圖。
為便于說明，如第一實(shí)施方案中的那樣，對相同部件或組件給出了相同附圖標(biāo)記，并對新部件或組件給出了新的附圖標(biāo)記。此后將僅描述與第一實(shí)施方案的不同之處。
如圖13和圖14A所示，作為第一實(shí)施方案變型的無刷電機(jī)10′的不同之處在于，產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)脈沖的磁鐵25牢固固定在杯形轉(zhuǎn)子磁軛20的外周邊，磁鐵25具有較窄的寬度，取代了根據(jù)上述第一實(shí)施方案的無刷電機(jī)10的具有多個磁極(圖5)的FG磁鐵22。在這種情況下，產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)脈沖的磁鐵25用作旋轉(zhuǎn)檢測磁鐵，具有成對磁極，一側(cè)為北極，另一側(cè)為南極，磁極對的數(shù)量不同于沿轉(zhuǎn)子磁軛20內(nèi)壁面牢固固定的環(huán)形驅(qū)動磁鐵21的數(shù)量(例如，10個磁極(五對磁極))。
在柔性印刷電路板14上設(shè)有檢測一個旋轉(zhuǎn)的霍爾發(fā)生器(霍爾元件)26來作為磁傳感器，與牢固固定在轉(zhuǎn)子磁軛20外周邊的一個旋轉(zhuǎn)脈沖產(chǎn)生磁鐵25相對。如圖14B所示，轉(zhuǎn)子磁軛20的每一個旋轉(zhuǎn)，霍爾發(fā)生器26獲得一個旋轉(zhuǎn)脈沖。
在這種情況下，采用與參照圖6的上述第一實(shí)施方案相同的技術(shù)構(gòu)思，霍爾發(fā)生器(磁傳感器)26設(shè)置為，使穿過霍爾發(fā)生器26中心和旋轉(zhuǎn)軸18的線，相對穿過一個驅(qū)動線圈中心和旋轉(zhuǎn)軸18的線，位于(0.25+/-0.1)倍的排列傾角Pc(rad)的角度范圍內(nèi)，其中該一個驅(qū)動線圈是任何一個在旋轉(zhuǎn)軸18的反向旋轉(zhuǎn)方向上具有另一個相鄰驅(qū)動線圈的驅(qū)動線圈15，及其中排列傾角Pc(rad)是在驅(qū)動線圈中的每兩個相鄰驅(qū)動線圈之間的角度并且設(shè)置為驅(qū)動磁鐵21的一個磁極的磁化傾角的大約4/3倍。
由于上述構(gòu)造，檢測一個旋轉(zhuǎn)脈沖的霍爾發(fā)生器(磁傳感器)26能夠確保檢測來自用于產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)脈沖的磁鐵25的磁通量，并獲得高度完整的一個FG脈沖，這是因?yàn)榛魻柊l(fā)生器26受到可以忽略的來自驅(qū)動線圈15和驅(qū)動磁鐵21的磁通量影響。
(第二實(shí)施方案)圖15示意性表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的無刷電機(jī)的整體構(gòu)型剖面圖。
如圖15所示，根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的無刷電機(jī)30由定子和轉(zhuǎn)子組成，并傾向于用作，例如磁盤驅(qū)動器電機(jī)。
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(nèi)的無油軸承32；和多個(例如6個)驅(qū)動線圈34，沿軸承座33的外周邊以恒定角度間隔(例如60度)固定。多個驅(qū)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(zhuǎn)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脈沖的MR元件35，位于一個驅(qū)動線圈34的外部位置并與FG磁鐵43(以后描述)相對。另外，用來切換線圈的三個霍爾發(fā)生器(霍爾元件)36分別固定在相鄰的驅(qū)動線圈34之間，但為便于說明，在圖15中僅示出了一個霍爾發(fā)生器36。
另一方面，轉(zhuǎn)子由穿過固定在軸承座33上的無油軸承32的旋轉(zhuǎn)軸37和按壓裝配在旋轉(zhuǎn)軸37上端的轉(zhuǎn)動臺38組成。轉(zhuǎn)動臺38與旋轉(zhuǎn)軸37一致旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，轉(zhuǎn)動臺38整體由盤狀凸緣部分38a和位于凸緣部分38a上面的軸部分38b組成。在凸緣部分38a上，放置有磁盤D，同時磁盤D的中心孔Da與直徑小于凸緣部分38a的直徑的軸部分38b配合。
旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動臺38的凸緣部分38a的下表面上，與轉(zhuǎn)動臺38整體和同心地固定有柱形轉(zhuǎn)子磁軛41。另外，環(huán)形驅(qū)動磁鐵42沿轉(zhuǎn)子磁軛41的內(nèi)壁面具有多個(例如8個(4對磁極))磁極。此外，沿轉(zhuǎn)子磁軛41的外周邊牢固固定有環(huán)形FG磁鐵43以獲得FG脈沖，F(xiàn)G磁鐵43具有多個磁極(例如294個磁極(147對磁極))，其磁極數(shù)量與驅(qū)動磁鐵41的磁極數(shù)量不同。驅(qū)動磁鐵42和FG磁鐵43與轉(zhuǎn)子磁軛41一致旋轉(zhuǎn)。這種情況下，F(xiàn)G磁鐵43用作旋轉(zhuǎn)檢測磁鐵。
設(shè)在定子上的六個驅(qū)動線圈34與沿轉(zhuǎn)子磁軛41的內(nèi)壁面牢固固定的環(huán)形驅(qū)動磁鐵42相對，在徑向上留有微小間距。采用這種構(gòu)型，在其間產(chǎn)生了無刷電機(jī)30的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力。
雖然第二實(shí)施方案與第一實(shí)施方案的不同之處在于a)設(shè)在定子上的六個驅(qū)動線圈34不是盤形；b)全部六個驅(qū)動線圈34以等間隔角度設(shè)置；和c)驅(qū)動磁鐵42具有與在第一實(shí)施方案中的數(shù)量不同的磁極，前面參照圖6在第一實(shí)施方案中描述的相同技術(shù)構(gòu)思也采用在了第二實(shí)施方案中。在第二實(shí)施方案中，多個驅(qū)動線圈34中的每一個設(shè)置為在旋轉(zhuǎn)軸37的旋轉(zhuǎn)方向上，具有位于其后的另一個驅(qū)動線圈。
MR元件(磁傳感器)35設(shè)置為，使穿過MR元件35中心和旋轉(zhuǎn)軸37的線，相對穿過一個驅(qū)動線圈中心和旋轉(zhuǎn)軸37的線，位于(0.25+/-0.1)倍的排列傾角Pc(rad)的角度范圍內(nèi)，其中該一個驅(qū)動線圈是任何一個在旋轉(zhuǎn)軸37的反向旋轉(zhuǎn)方向上具有另一個相鄰驅(qū)動線圈的驅(qū)動線圈34，及其中排列傾角Pc(rad)是在每兩個相鄰驅(qū)動線圈34之間的角度并且設(shè)置為驅(qū)動磁鐵42的一個磁極的磁化傾角的大約4/3倍。由于上述構(gòu)型，MR元件(磁傳感器)35受到可以忽略的來自驅(qū)動線圈34和驅(qū)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脈沖。
接下來，將參照圖16描述根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的無刷電機(jī)30的一個部分變型。
圖16示意性表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的部分變型的整體構(gòu)型剖面圖。
為便于說明，如第二實(shí)施方案中的那樣，對相同部件或組件給出了相同附圖標(biāo)記，并對新部件或組件給出了新的附圖標(biāo)記。此后將僅描述與第二實(shí)施方案的不同之處。
如圖16所示，通過修改第二實(shí)施方案的一部分所獲得的無刷電機(jī)30′與第二實(shí)施方案的無刷電機(jī)30的不同之處在于，在外周邊牢固固定有產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)脈沖的窄磁鐵45，取代了具有多個磁極的FG磁鐵43(圖15)。在這種情況下，產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)脈沖的磁鐵45具有多個單磁極，一側(cè)為北極，另一側(cè)為南極，磁極的數(shù)量不同于具有例如8個磁極(四對磁極)的環(huán)形驅(qū)動磁鐵42的磁極數(shù)量，用作旋轉(zhuǎn)檢測磁鐵。
另外，在定子基座31上設(shè)有檢測一個旋轉(zhuǎn)脈沖的線圈部件46來作為磁傳感器。線圈部件46與牢固固定在轉(zhuǎn)子磁軛41外周邊的一個旋轉(zhuǎn)脈沖產(chǎn)生磁鐵45相對。因此，轉(zhuǎn)子磁軛41每旋轉(zhuǎn)一次就獲得一個旋轉(zhuǎn)脈沖。
在這種情況下，采用與上述第二實(shí)施方案相同的技術(shù)構(gòu)思，線圈部件(磁傳感器)46設(shè)置為，使穿過線圈部件46中心和旋轉(zhuǎn)軸37的線，相對穿過一個驅(qū)動線圈中心和旋轉(zhuǎn)軸37的線，位于(0.25+/-0.1)倍的排列傾角Pc(rad)的角度范圍內(nèi)，其中該一個驅(qū)動線圈是任何一個在旋轉(zhuǎn)軸37的反向旋轉(zhuǎn)方向上具有另一個相鄰驅(qū)動線圈的驅(qū)動線圈34，及其中排列傾角Pc(rad)是每兩個相鄰驅(qū)動線圈34之間的角度并且設(shè)置為驅(qū)動磁鐵42的一個磁極的磁化傾角的大約4/3倍。
分別根據(jù)第一和第二實(shí)施方案的無刷電機(jī)10、30，和分別作為第一和第二實(shí)施方案的變型的無刷電機(jī)10′、30′，能夠在三相雙向120度激勵條件下驅(qū)動。然而，可采用其它激勵角度，例如180度，只要對各驅(qū)動線圈的激勵定時沒有改變。另外，無刷電機(jī)10、30、10′和30′不但可由矩形電壓驅(qū)動，還可由梯形波電壓和信號波電壓驅(qū)動。這是因?yàn)槭┘与妷旱南嗫扇缟纤霰槐３郑踔廉?dāng)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(shí)施方案描述了6個驅(qū)動線圈和具有10極(5對磁極)的驅(qū)動磁鐵，而另一個實(shí)施方案描述了6個驅(qū)動線圈和具有8極(4對磁極)的驅(qū)動磁鐵。然而，線圈的數(shù)量或驅(qū)動磁鐵的磁極數(shù)量是可以選擇的，只要多個驅(qū)動線圈以大約4/3倍的驅(qū)動磁鐵的磁極的磁化傾角的角度間隔設(shè)置，就可以應(yīng)用描述在第一和第二實(shí)施方案中的技術(shù)構(gòu)思。
上述各實(shí)施方案并非意圖將本發(fā)明限制在上述構(gòu)型和步驟。不用多說，可以在不脫離其范圍和精神下修改本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種三相無刷電機(jī)，包括旋轉(zhuǎn)軸(18、37)，繞所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁軛(20、41)，固定在所述轉(zhuǎn)子磁軛上的環(huán)形驅(qū)動磁鐵(21、42)，所述驅(qū)動磁鐵(21、42)具有多個等磁化傾角Pm的磁極，多個驅(qū)動線圈(15、34)，設(shè)置為使所述驅(qū)動線圈與所述驅(qū)動磁鐵相對，并使各所述驅(qū)動線圈的中心以預(yù)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(zhuǎn)子磁軛上的旋轉(zhuǎn)檢測磁鐵(22、25、43、45)，和磁傳感器(16、26、35、46)，相對所述旋轉(zhuǎn)檢測磁鐵固定，以檢測所述旋轉(zhuǎn)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(shè)在來自所述驅(qū)動磁鐵(21、42)的磁通量和來自所述驅(qū)動線圈(15、34)的磁通量相互抵消的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的一種三相無刷電機(jī)，其中，所述磁傳感器(16、26、35、46)設(shè)置為，使穿過所述多個驅(qū)動線圈(15、34)中的一個驅(qū)動線圈的中心和所述旋轉(zhuǎn)軸的線，相對穿過所述磁傳感器(16、26、35、46)中心和所述旋轉(zhuǎn)軸(18、37)的線，位于(0.25+/-0.1)倍所述預(yù)定排列傾角Pc的角度范圍內(nèi)，所述一個驅(qū)動線圈在所述旋轉(zhuǎn)軸(18、37)的反向旋轉(zhuǎn)方向上具有另一個相鄰驅(qū)動線圈。
3.如權(quán)利要求1所述的一種三相無刷電機(jī)，其中，所述旋轉(zhuǎn)檢測磁鐵(22、25、43、45)具有的磁極數(shù)量與所述驅(qū)動磁鐵(21、42)中的磁極數(shù)量不同，并且是固定在所述轉(zhuǎn)子磁軛(20、41)外周邊上的環(huán)形磁鐵。
4.如權(quán)利要求1所述的一種三相無刷電機(jī)，其中，所述旋轉(zhuǎn)檢測磁鐵(22、25、43、45)具有的北極和南極對的數(shù)量與所述驅(qū)動磁鐵(21、42)中的磁極數(shù)量不同，并且是固定在所述轉(zhuǎn)子磁軛(20、41)外周邊上的窄磁鐵以產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)信號。
全文摘要
本發(fā)明一方面中的一種三相無刷電機(jī)包括旋轉(zhuǎn)軸；繞所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁軛；固定在所述轉(zhuǎn)子磁軛上的環(huán)形驅(qū)動磁鐵，所述驅(qū)動磁鐵具有多個等磁化傾角Pm的磁極；多個驅(qū)動線圈，設(shè)置為使所述驅(qū)動線圈與所述驅(qū)動磁鐵相對，并使各所述驅(qū)動線圈的中心以預(yù)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(zhuǎn)子磁軛上的旋轉(zhuǎn)檢測磁鐵；和磁傳感器，相對所述旋轉(zhuǎn)檢測磁鐵固定，以檢測所述旋轉(zhuǎn)檢測磁鐵的磁通量，其中，所述磁傳感器設(shè)在來自所述驅(qū)動磁鐵的磁通量和來自所述驅(qū)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(yōu)先權(quán)日2004年9月3日
發(fā)明者細(xì)野壽一, 熊谷吉樹 申請人:日本勝利株式會社