专利名称：单相无刷电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及单相无刷电动机，特别涉及由定子铁芯和转子永磁铁的相互作用来实现降低齿槽转矩的单相无刷电动机。
背景技术：
一般的无刷电动机不但具有作为直流电动机特征的转矩大、控制性良好等，而且可靠性高，所以在工业领域应用广泛。其中，特别广泛地普及化的有单相型和三相型的无刷电动机。
特别是三相无刷电动机需要以电角上互相之间差120°相位的三相交流电来通电。因此，需要三个磁力传感器及使用该磁力传感器且为了进行线圈通电的切换而具有三相切换功能的驱动电路。所以，例如，如吹风冷却用电动机，适用于必须廉价地形成的电动机，所以在经济方面不是上策。
这种情况下，理想的是用一个磁力传感器即可，且还可由一相的廉价驱动电路构成，并使用单相无刷电动机。
图12是表示现有单相型无刷电动机一个实例的磁力回路模式图，图13是放大图12中电动机的一部分的图。在图12及图13中，该无刷电动机1安装并固定于装置(未图示)侧的定子3和相对于该定子2而被旋转驱动的转子3构成。
转子3由6极被磁化的环状永磁铁4和磁轭部5构成。另一方面，定子2具有配置于永磁铁4内周面侧的定子铁芯6。
定子铁芯6例如层叠硅钢板而形成，将在转子3的轴(未图示)的轴向上延伸的6个狭缝7、7…及狭缝8、8…沿圆周方向在等分位置上配设，且在该狭缝7、7…及狭缝8、8…中设有在圆周方向上等分地分离的大体为T字状的6个凸极齿9、9…。各凸极齿9、9…上缠绕有导线，形成作为卷线的线圈10。
而且，在该单相无刷电动机1的情况下，将通向线圈10、10…的电流根据转子3的位置来依次切换，得到连续的旋转力。
图14是表示无刷电动机1中转子3的旋转位置和发生转矩之间关系的特性图，竖轴是转矩(gf·cm)，横轴是转子3的转角(deg)。虽然图12所示类型的单相无刷电动机1可得到图14所示的发生转矩T1，但是在通电切换点(图14A部)中，存在转矩T1为0的旋转位置，即所谓的“死点”。在转子3停止于该“死点”上时，由于不可能产生转矩，且由磁力传感器所进行的位置检测也变得不可能，所以不能自启动。
对此，已知的现有技术有，在转子3的旋转方向上，加工定子铁芯6的凸极齿9的齿端面以使定子铁芯6和永磁铁4的空隙长度能够变化，且产生例如图15所示的制动转矩(デイテントトルク)(齿槽转矩)T2，并将其添加到发生转矩T1以得到图16所示的合成转矩T3，从而没有“死点”且流畅地进行自启动(例如，参照专利文献1—美国第3873897号专利)。再有，图15及图16也为竖轴是转矩(gf·cm)，横轴是转子3的转角(deg)。这里，电动机的合成转矩T3通过制动转矩T2的相位和发生转矩T1的相位差而使转矩脉动量变化。
根据专利文献1公开的发明的现有型电动机，虽然制动转矩的相位根据铁芯和永磁铁的空隙长度的倾斜而变化，但是在制动转矩的相位和制动转矩的相位差不充分的情况下，转矩脉动增大，且成为振动·噪音的原因，并在电动机质量上成为大问题。
发明内容
于是，产生了以下有待解决技术问题抑制成为振动·噪音的诱因的发生转矩和制动转矩的相位差的减少而使转矩脉动减小，所以本发明以解决该问题为目的。
本发明是为实现上述目的而提出的技术方案，方案1所述的发明是一种单相无刷电动机，具备在定子铁芯的凸极齿上缠绕有线圈的定子及与该定子铁芯之间在半径方向上留有空隙且具有相对配置的环状永磁铁的转子，使从上述定子铁芯的中心到上述凸极齿的齿端面的距离在上述凸极齿的旋转方向两端部间不同以使上述空隙的大小在上述凸极齿的旋转方向两端部之间存在差距而构成的单相无刷电动机，其特征在于，提供一种在将上述凸极齿的旋转方向的一端部上形成的最小空隙长度设为d1、上述旋转方向的另一端部上形成的最大空隙长度设为d2的情况下，上述凸极齿的旋转方向的一端部上形成的最小空隙长度d1和上述旋转方向的另一端部上形成的最大空隙长度d2之间的关系为d1∶d2＝1∶2到d1∶d2＝1∶3的单相无刷电动机。
根据该构成，制动转矩和发生转矩的相位差为磁极间角度的四分之一的角度，即15°，通过相位交错的效果而降低了制动转矩和发生转矩的合成转矩的脉动量。
根据方案1，方案2所述的发明提供一种单相无刷电动机，其特征在于，上述凸极齿的齿端表面形成为在从最小空隙长度侧一个端部到最大空隙长度侧另一个端部的范围内上述空隙逐渐增大的凸状曲面。
根据该构成，由于利用从加工有最大空隙长度的凸极齿的齿端表面到加工有最小空隙长度的凸极齿的齿端表面的范围内连续的凸状曲面来形成凸极齿的齿端表面，所以得到了上述空隙长度在转子旋转方向上连续且不同的电动机。
根据方案2，方案3所述的发明提供一种单相无刷电动机，其特征在于，上述凸状曲面的截面为圆弧状，该圆弧状做成与以从上述定子铁芯的中心向预定方向偏心的点为中心的圆弧相同或近似的大体圆弧。
根据该构成，由于上述连续曲面的截面外周形状是具有以上述定子铁芯中心附近的偏心点为中心而描绘的圆弧或与其类似的大体圆弧的凸状曲线，所以容易制成具有上述空隙长度的大小在旋转方向上逐渐变化的齿端表面的凸极齿。
根据方案1、2或3，方案4所述的发明提供一种单相无刷电动机，其特征在于，使上述相邻的凸极齿间的旋转方向上的狭缝宽度为7°。
根据该构成，通过使相邻的凸极齿间的旋转方向上的狭缝宽度为7°，可抑制发生转矩和制动转矩的相位差的减小。
根据方案1、2、3或4，方案5所述的发明提供一种单相无刷电动机，其特征在于，上述定子铁芯具有在周向上等间隔地设置的6个上述凸极齿，上述转子永磁铁其N极和S极在周向上交错且等分地磁化共计6个上述凸极齿。
根据该构成，得到了在周向上交错且均等地磁化6个磁极和6个凸极构造的单相无刷电动机，这样，可相对于各磁极产生磁极的1/4相位交错。
发明效果方案1所述的发明，由于制动转矩和发生转矩的相位差增大且合成转矩的脉动量降低，所以可抑制电动机的振动和噪音。而且，单相无刷电动机虽然在构造上磁极和铁芯凸极的数量相同，但是可相对于各磁极而产生磁极的四分之一相位交错，所以可与磁极数无关地且效率良好地发挥上述脉动量的降低效果。
方案2所述的发明，由于通过采取凸极一个端部为最小空隙长度的构成而可增大制动转矩和发生转矩的相位差，所以除了方案1的发明效果以外，还可容易地得到具有与用途符合地转矩脉动降低效果的电动机。
方案3所述的发明，由于上述空隙长度在转子旋转方向上逐渐不同，所以除了方案2的发明效果以外，还可进一步有效地抑制电动机的振动·噪音。
方案4所述的发明，由于可效率良好地抑制发生转矩和制动转矩的相位差的减少，所以除了方案1、2或3的发明效果以外，不但抑制电动机的振动·噪音的效果也好，而且提高了电动机的旋转特性并进一步提高电动机的控制精度。
方案5公开的发明，可容易地制造具有由方案1、2、3或4的发明所得的上述特别效果的6磁极和6凸极构造的单相无刷电动机。
图1是作为本发明第1实施方式表示的单相无刷电动机的外观图。
图2是图1所示单相无刷电动机的立体图。
图3是表示图1所示单相无刷电动机的内部构造的磁力回路模式图。
图4是图3所示磁力回路的部分放大图。
图5是图3所示定子铁芯的俯视图。
图6是最小空隙长度d1和最大空隙长度d2之间关系为d1∶d2＝1∶3的图1所示的单相无刷电动机的发生转矩和制动转矩的特性图。
图7是将最小空隙长度d1和最大空隙长度d2之间关系为d1∶d2＝1∶3的图1所示的单相无刷电动机的发生转矩和制动转矩合成的合成转矩的特性图。
图8是最小空隙长度d1和最大空隙长度d2之间关系为d1∶d2＝1∶1.5的单相无刷电动机的发生转矩和制动转矩的特性图。
图9是将最小空隙长度d1和最大空隙长度d2之间关系为d1∶d2＝1∶1.5的单相无刷电动机的发生转矩和制动转矩合成的合成转矩的特性图。
图10是最小空隙长度d1和最大空隙长度d2之间关系为d1∶d2＝1∶2的本发明第二实施方式的单相无刷电动机的发生转矩和制动转矩的特性图。
图11是将最小空隙长度d1和最大空隙长度d2之间关系为d1∶d2＝1∶2的本发明第二实施方式的单相无刷电动机的发生转矩和制动转矩合成的合成转矩的特性图。
图12是表示现有单相无刷电动机的内部构造的磁力回路模式图。
图13是图12所示的磁力回路的部分放大图。
图14是图12所示的无刷电动机的发生转矩的特性图。
图15是图12所示的无刷电动机的制动发生转矩的特性图。
图16是将图12所示的无刷电动机的发生转矩和制动转矩合成的合成转矩特性图。
图中11-单相无刷电动机 12-基板 13-外壳14-定子 15-转子 16-驱动器IC17-磁力传感器 18-轴承 19-轴承20-转子盒 21-永磁铁(转子永磁铁)22-轴 23-定子铁芯 24-狭槽25-狭缝 26-凸极齿 27-线圈28-凸极齿的一个端部 29-凸极齿的另一个端部30-齿端面 d-空隙长度 d1-最大空隙长度d2-最大空隙长度 L-距离 θ-狭缝宽度具体实施方式
下面将举出合适实施例来说明本发明的单相无刷电动机。本发明的优选方式用于实现抑制成为振动·噪音的诱因的发生转矩和制动转矩的相位差的减少并有效减小合成转矩的目的，其实现通过具备定子及在半径方向上空出空隙且具有相对配置的环状永磁铁的转子，且使从定子铁芯的中心O到凸极齿的齿端面的距离在上述旋转方向两端部间不同以使上述空隙的大小在凸极齿的旋转方向两端部之间存在差距，并在将凸极齿的旋转方向的一端部上形成的最小空隙长度设为d1、旋转方向的另一端部上形成的最大空隙长度设为d2的情况下，上述凸极齿的旋转方向的一端部上形成的最小空隙长度d1和上述旋转方向的另一端部上形成的最大空隙长度d2之间的关系设定为d1∶d2＝1∶2到d1∶d2＝1∶3，上述凸极齿的齿端表面形成为在从最小空隙长度侧一个端部到最大空隙长度侧另一个端部的范围内上述空隙逐渐增大的凸状曲面，该大体圆弧状包含以从上述中心O与上述齿端表面相对侧的预定偏移点为中心的圆弧和相同或近似的大体圆弧，使相邻凸极齿间的旋转方向上的狭缝宽度为7°。
上述连续曲面的截面形状可形成为上述空隙的大小在旋转方向上逐渐不同，例如，用下面的方法描绘(参照图5)。即，将具有最小空隙长度侧一端和上述铁芯中心O之间的距离尺寸L的可动直线设为T，随着从最小空隙长度侧一端E前进到最大空隙长度侧另一端F，该齿端表面缓慢地向中心O侧倾斜，使可动直线T的基端与预定方向，即连接中心O和最小空隙长度侧一端E的方向大体为直角，且在移动位置到与最小空隙长度侧一端E相反侧(图5中下侧)的同时，将可动直线T的前端作为旋转到最大空隙长度时上述前端的圆弧状轨迹曲线来进行描绘。
当然，本发明的上述曲面并不限于此，只要是在从最小空隙长度侧的齿端表面到最大空隙长度侧的齿端表面的范围内使上述空隙逐渐增大的大体圆弧状前面，则皆包含于本发明电动机内。
实施例图1是作为本发明第1实施方式而表示的单相无刷电动机的外观图，图2是图1所示单相无刷电动机的分解立体图。图3-图5表示其各部分的详情。再有，虽然图示形式适用于电子设备的吹风冷却用外转子型无刷电动机，但本发明当然并不限于此。
图1及图2所示的单相无刷电动机11是外转子形状，且是6磁极·6凸极形状的单相无刷电动机。单相无刷电动机11由相对于在装置(未图示)侧经基板12固定的外壳13而安装的定子14和相对于该定子14而被旋转驱动的转子15构成。此外，基板12上除安装了组装有控制驱动电流的供给等并驱动电动机的电路的驱动器IC16和检测转子15的旋转位置的磁力传感器17以外，还安装了转子用轴承18及轴承19。
转子15由转子盒20和永磁铁21及轴22构成。转子盒20呈帽形，且内部同轴固定了轴22的一端。该轴22，其另一端侧嵌入轴承18及轴承19，可相对于定子14旋转地被保持。此外，转子盒20的内周面上固定有环状永磁铁21。永磁铁21朝向圆周方向将N极、S极交错地以等间隔配置，且在内周面上设有6个磁极。
定子14同心地配置于永磁铁21的内周面侧，且具有固定在外壳13的外周的环状定子铁芯23。该定子铁芯23由层压例如硅钢板而形成，且将在轴22的轴向上延伸的6个狭槽24、24…及6个狭缝25、25…沿圆周方向等分地设置。通过该狭槽24、24…及狭缝25、25…，在圆周方向上以60°间隔等分地设有成为分离的大体为T字状凸极的6个凸极齿26、26…。在各凸极齿26、26形成有将导线卷绕成所定圈数而成的作为绕线的线圈27。各线圈27的构成为分别连接到驱动器IC16，通过驱动器IC16的控制来供给驱动用电流并得到连续的旋转力。
如图4中放大所表示的那样，定子14的凸极齿26、26…的各齿端面(齿的外侧端面)30为上述凸极齿26、26…和永磁铁21的内周面之间的空隙长度在转子15的旋转方向上即凸极齿26、26…的旋转方向两端部28、29之间有差距。在本实施方式中，从上述定子铁芯23的中心O到上述凸极齿的齿端面30的距离(空隙长度)形成为在上述凸极齿26的旋转方向两端部28、29之间互相不同。具体地说，凸极齿26的旋转方向一端28侧制造有最小空隙长度d1，旋转方向另一端29侧制造有最大空隙长度d2，从旋转方向一端28侧到旋转方向另一端29侧由连续曲面S形成。
再有，在本实施方式中，将旋转方向一端28侧的最小空隙长度d1和旋转方向另一端29的最大空隙长度d2之间关系设定为d1∶d2＝1∶3。此外，上述齿前端30的曲面S形状由于在这里形成为以铁芯中心O附近偏心点C为中心的圆弧面状，所以最小空隙长度侧端部28的曲率半径L和最大空隙长度侧端部29的曲率半径R相同。
如图5所示，如果将连接与上述凸极齿26的最大空隙长度侧端部29相邻侧的凸极齿26A的旋转方向中心P和定子铁芯23的中心O的径向直线设为D，则在图5中，上述偏心点C位于径向直线D上的从中心O向下方侧(与凸极齿26相反的一侧)移动一些的位置上。
曲面S的正视大致呈圆弧状曲线用例如下面的方法描绘。即，如果将与从最小空隙长度侧一端28到中心O的距离大体相同长度的定直线H的内侧(铁芯中心O侧)端点设为H1、外侧端点设为H2，则将内侧端点H1以铁芯中心O为起点沿径向直线D向下侧方向(远离最大间隙长度侧另一端29的方向)连续位移，同时，在将定直线H旋转移动到最大间隙长度侧另一端29侧时，由外侧端点H2描绘的凸状曲线来形成上述曲线。这时，外侧端点H2的轨迹曲线为铁芯中心O和齿端面30间的距离随着朝向图中顺时寸针方向而变小的大体圆弧形状，如上所述，类似于以从铁芯中心O向图中下侧偏心的点C为中心而描绘的圆弧。
再有，相邻凸极齿26、26间的狭缝25的宽度θ设定为7°。如果如此形成，则可抑制发生转矩和制动转矩的相位差的减少，从而可抑制电动机的振动和噪音。
接着，为了确认本发明的单相无刷电动机11的作用和效果，对下述实施例1、2、3进行验证。对该实施例1-3的结果进行说明。
图6是表示在与本实施方式的构造相同且将旋转方向一端28侧的最小空隙长度d1和旋转方向另一端29侧的最大空隙长度d2之间关系设定为d1∶d2＝1∶3及将相邻凸极齿26、26间的狭缝25的宽度θ设定为7°的情况下，发生转矩和制动转矩相对于转角的关系的特性图。再有，图中，T1表示发生转矩，T2表示制动转矩。图7表示图6中发生转矩T1和制动转矩T2的合成转矩T3。在图6及图7中，竖轴是转矩(gf·cm)，横轴是转子3的转角(deg)。
从图6及图7所示可知，在实施例1及本实施方式的构造中，发生转矩T1和制动转矩T2的相位差为磁极间角度四分之一的角度，即15°，且由相位偏差的效果可降低35％以上的合成转矩的脉动。
图8是比较例，是表示在与本实施方式的构造相同且将旋转方向一端28侧的最小空隙长度d1和旋转方向另一端29侧的最大空隙长度d2之间关系设定为d1∶d2＝1∶1.5及将相邻凸极齿26、26间的狭缝25的宽度θ设定为7°的情况下，发生转矩和制动转矩相对于转角的关系的特性图。再有，图中，T1表示发生转矩，T2表示制动转矩。图9表示图8中发生转矩T1和制动转矩T2的合成转矩T3。
这里，将旋转方向一端28侧的最小空隙长度d1和旋转方向另一端29侧的最大空隙长度d2之间关系设定为d1∶d2＝1∶3的图6及图7所示的实施例1(本实施方式)的结果和设定为d1∶d2＝1∶1.5的图8及图9所示的比较例的结果进行比较。在d1∶d2＝1∶1.5的比较例的构造中，发生转矩T1和制动转矩T2的相位差限于11°，与实施例1的构造比较少4°。其结果，40AT(例如线圈为80匝，输入电流为0.5A)时，对于输入时的转矩脉动，比较例中为77.7gf·cm，与此相对，实施例1中为64.2gf·cm。由此可知，通过使用本实施方式的构造，能降低17.4％的转矩脉动。
图10是表示本发明的第二实施方式，将旋转方向一端28侧的最小空隙长度d1和旋转方向另一端29侧的最大空隙长度d2之间关系设定为d1∶d2＝1∶2及将相邻凸极齿26、26间的狭缝25的宽度θ设定为7°的情况下，发生转矩和制动转矩相对于转角的关系的特性图。再有，图中，T1表示发生转矩，T2表示制动转矩。图11表示图10中发生转矩T1和制动转矩T2的合成转矩T3。
在实施例2的构造的结果中，发生转矩T1和制动转矩T2的相位差为13°，40AT(例如线圈为80匝，输入电流为0.5A)时，输入时的转矩脉动为68.0gf·cm。其与上述比较例的d1∶d2＝1∶1.5，具有能够降低12.5％的转矩脉动的效果。
再有，在本发明中，为了降低转矩脉动，理想的是使实际启动时的发生转矩和制动转矩的峰值相等。制动转矩由于因永磁铁的形状、材质及整体的磁力回路(磁路宽度，磁极数)而变化，所以可相应地维持最小空隙长度d1和最大空隙长度d2的关系，改变间隙的大小。在构造上，虽然单相无刷电动机磁极与凸极齿26的数量相同，但是由于本发明可相对于各磁极发生磁极的四分之一相位偏差，所以可与磁极数无关地效率良好地发挥转矩脉动降低效果。
此外，本发明可在不脱离本发明的精神的情况下进行多种变化，且本发明当然也包括这些变化。
权利要求
1.一种单相无刷电动机，具备在定子铁芯的凸极齿上缠绕有线圈的定子及与该定子铁芯之间在半径方向上留有空隙且具有相对配置的环状永磁铁的转子，而且是使从上述定子铁芯的中心到上述凸极齿的齿端面的距离在上述凸极齿的旋转方向两端部间不同以使上述空隙的大小在上述凸极齿的旋转方向两端部之间产生差距而构成的单相无刷电动机，其特征在于在将上述凸极齿的旋转方向的一端部上形成的最小空隙长度设为d1、上述旋转方向的另一端部上形成的最大空隙长度设为d2的情况下，上述凸极齿的旋转方向的一端部上形成的最小空隙长度d1和上述旋转方向的另一端部上形成的最大空隙长度d2之间的关系为从d1∶d2＝1∶2到d1∶d2＝1∶3。
2.根据权利要求1所述的单相无刷电动机，其特征在于上述凸极齿的齿端表面形成为在从最小空隙长度侧一个端部到最大空隙长度侧另一个端部的范围内上述空隙逐渐增大的凸状曲面。
3.根据权利要求2所述的单相无刷电动机，其特征在于上述凸状曲面的截面为圆弧状，该圆弧状做成与以从上述定子铁芯的中心向预定方向偏心的点为中心的圆弧相同或近似的大体圆弧。
4.根据权利要求1、2或3所述的单相无刷电动机，其特征在于使上述相邻的凸极齿间的旋转方向上的狭缝宽度为7°。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的单相无刷电动机，其特征在于上述定子铁芯具有在周向上等间隔地设置的6个上述凸极齿，上述永磁铁其N极和S极在周向上交错且等分地磁化共计6个上述凸极齿。
全文摘要
本发明可抑制成为振动·噪音的诱因的发生转矩和制动转矩的相位差的减少并可减小转矩脉动。单相无刷电动机具备在定子铁芯(23)的凸极齿(26)上缠绕有线圈(27)的定子(14)及与该定子铁芯(14)之间在半径方向上留有空隙且具有相对配置的环状永磁铁(21)的转子(15)。使从定子铁芯(23)的中心到凸极齿(26)的齿端面(30)的距离在凸极齿(26)的旋转方向两端部间不同以使空隙的大小在凸极齿(26)的旋转方向两端部之间存在差距。凸极齿(26)的旋转方向两端部间的最小空隙长度(d1)和最大空隙长度(d2)之间的关系为从d1∶d2＝1∶2到d1∶d2＝1∶3。
文档编号H02K5/24GK1881746SQ20061008094
公开日2006年12月20日 申请日期2006年5月23日 优先权日2005年5月24日
发明者高桥勇树, 稻本繁典, 清原纯一, 镰仓吉克 申请人:三美电机株式会社