[发明专利]无刷电动机

说明书

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。

技术背景

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矩，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。