DE69331195T2

DE69331195T2 - Bürstenloser motor

Info

Publication number: DE69331195T2
Application number: DE69331195T
Authority: DE
Inventors: Akiyoshi Ishiguro; Takashi Nagate
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1992-07-09
Filing date: 1993-07-07
Publication date: 2002-08-22
Anticipated expiration: 2013-07-08
Also published as: EP0650246A4; SG52509A1; CN1034040C; EP0650246A1; EP0650246B1; CN1147718A; TW218428B; JP2699655B2; US5864192A; CA2139584A1; KR100302103B1; DE69331195D1; CN1085694A; WO1994001920A1; CN1045850C; KR950702756A

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen Motor, der einen Rotor mit Felddauermagneten hat, die in ein Rotorjoch eingesetzt sind, das aus laminierten Stahlplatten gefertigt ist, und der einen magnetischen Sensor hat, der so angebracht ist, dass er der Endfläche des Rotors gegenüber liegt.

Stand der Technik

Ein im allgemeinen bekannter herkömmlicher bürstenloser Motor besteht aus einem Rotor, der eine Vielzahl von Felddauermagneten hat, die in ein Rotorjoch eingeführt sind, das aus laminierten Stahlplatten gefertigt ist, und einem Stator, der einen magnetischen Polbereich hat, der der äußeren Umfangsfläche des magnetischen Bereichs des Rotors gegenüber ist, wobei eine kleine Lücke dazwischen ist. Ein Motor dieser Art ist beispielsweise in Kapitel 4 von "The Principles and the Basis of Brushless DC Motor" des Japanischen technischen Buchs "DC Servo-Motor for Mechatronics" (veröffentlicht: 21. Juni 1982, Japan) beschrieben.
Diese Art von bürstenlosem Motor soll, um eine Rotationsposition des Rotors zu erfassen, an einer Endfläche des Magnetstücks des Rotors haften, um erfasst zu werden, um eine Rotationsposition des Rotors anzugeben, soll einen magnetischen Sensor in der Nähe der Rotationstrajektorie des zu erfassenden Magnetstücks haben und soll den magnetischen Sensor verwenden, um den Magnetismus des zu erfassenden Magnetstücks zu erfassen, wodurch die Rotationsposition des Rotors erfasst wird.
Fig. 37 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht des beschriebenen bürstenlosen Motors, der die Magnetstücke hat. Ein bürstenloser Motor 51 hat ein Paar von ersten Gehäuseelementen 53, 54, die mit Bolzen 52 befestigt sind, und diese Gehäuseelemente 53, 54 stützen rotatorisch eine drehbare Welle 57 mit Kugellagern 55, 56. An der drehbaren Welle 57 ist ein Rotor 58 befestigt und ein Ende der drehbaren Welle 57 ist so strukturiert, dass sie von der Endfläche des Gehäuseelements 53 vorsteht, so dass eine Drehkraft des Rotors nach außen übertragen wird. Ein Stator 59 ist um den Rotor 58 angebracht und wird zwischen den Gehäuseelementen 53, 54 gehalten.
Der Rotor 58 besteht aus einem Rotorjoch 50, das viele laminerte Stahlplatten hat, und einer Vielzahl von Dauermagneten 61, die in das Rotorjoch 50 eingeführt sind. Der Stator 59 besteht aus einem Statorjoch 62, das aus laminierten Stahlplatten gefertigt ist, und Statorspulen 63, die auf dem Statorjoch 62 gewunden sind. Ein Teil der inneren Umfangsfläche des Statorjochs 62 bildet einen magnetischen Polbereich 59a des Stators und der magnetische Polbereich 59a des Stators ist gegenüber der äußeren Umfangsfläche eines magnetischen Polbereichs 58a des Rotors 58, wobei ein kleiner Abstand dazwischen ist.
Ein Magnetstück 64, das erfasst werden soll, haftet an einer Endfläche 58b des Rotors 58. Ein Magnetsensorbrett 66, das eine Vielzahl von Magnetsensoren 65 vorgesehen hat, ist an dem Gehäuseelement 53 in der Nähe der Rotationstrajektorie des zu erfassenden Magnetstücks 64 angebracht.
Bei der obenstehenden Struktur wird, wenn der Rotor 58 des bürstenlosen Motors 51 sich dreht, das zu erfassende Magnetstück 64 ebenfalls gedreht und an die magnetischen Sensoren 65 angenähert, wenn es 360º gedreht wird. Die magnetischen Sensoren 65 erfassen den Magnetismus des zu erfassenden Magnetstücks 64, um die Rotationsposition des Rotors 58 zu erfassen. Es ist jedoch bekannt, dass, da dieser bürstenlose Motor 51 einen großen Abstand zwischen den Felddauermagneten 61 und dem magnetischen Polbereich 59a des Stators hat, ein magnetischer Fluss in der Rotationsrichtung durch eine Wechselwirkung mit dem magnetischen Polbereich 59a des Stators beim Drehen angezogen wird, und die Position eines Spitzenpunkts der magnetischen Flussdichte in einem äußeren Raum des Rotors 58 nicht mit der tatsächlichen Rotationsposition des Rotors 58 übereinstimmt.
Fig. 38 zeigt einen Unterschied zwischen einer Änderung der magnetischen Flussdichte in dem äußeren Raum der Rotorendfläche 58b des bürstenlosen Motors 51 und der Rotationsposition des Rotors 58, der durch das zu erfassende Magnetstück 64 erfasst wird. In Fig. 38 zeigt die horizontale Achse den Zeitablauf und die vertikale Achse die Größe eines elektrischen Signals. Die Kurve L1 zeigt die Änderung der magnetischen Flussdichte in dem Außenraum der Rotorendfläche 58b und die geknickte Linie L2 zeigt die Rotationsposition des Rotors 58, die durch das zu erfassende Magnetstück 64 erfasst wird. Es ist aus der Zeichnung zu erkennen, dass bei einem bürstenlosen Motor, der Felddauermagnete in einem Rotorjoch hat und einen verhältnismäßig großen Zwischenraum zwischen den Felddauermagneten und einem magnetischen Polbereich des Stators, ein magnetischer Fluss während der Rotation in der Rotationsrichtung durch den magnetischen Polbereich des Stators angezogen wird, und die magnetische Flussdichte (Kurve L1) eine Wellenform bildet, die der tatsächlichen Rotationsposition (geknickte Linie L2) des Rotors vorauseilt. Insbesondere gibt die Linie mit wechselweise langen und kurzen Strichen einen Zustand an, in dem die magnetische Flussdichte (Kurve L1) nicht der tatsächlichen Rotationsposition (geknickte Linie L2) des Rotors vorauseilt, aber die magnetische Flussdichte (Kurve L1), die durch die durchgezogene Linie angegeben wird, um einen Zeitunterschied T in der Position des Punkts 0 einem elektrischen Signal der magnetischen Flussdichte (Kurve L1) vorauseilt, die durch die Strichpunktlinie angegeben ist. Dieser Zeitunterschied T kann in einen Rotationswinkel des Rotors umgewandelt werden und dieser Rotationswinkel ist gleich dem Versatz des magnetischen Flusses. Es ist ferner bekannt, dass dieser Versatz des magnetischen Flusses (untenstehend als Leitwinkel bezeichnet) wesentlich in Abhängigkeit von der Größe eines Stroms, der dem Motor zugeführt wird, zunimmt.
Hinsichtlich der Abweichung der Position des Spitzenpunkts der magnetischen Flussdichte im Außenraum des Rotors 58 von der tatsächlichen Rotationsposition des Rotors 58 ist, wenn ein Hall IC verwendet wird, eine Rotationsgeschwindigkeit auf 1200 U/min festgelegt wird und das Drehmoment variiert wird, die Abweichung der Spitzenwerte der magnetischen Flussdichte außerhalb des Rotors und das Signal des Hall ICs, des von dem zu erfassenden Magneten erhalten wird, bei der maximalen Effizienz mit jeweilgem Drehmoment wie folgt:
Wie es aus der obenstehenden Tabelle offensichtlich wird, eilt der Spitzenpunkt der magnetischen Flussdichte im Raum um den Rotor 58 der tatsächlichen Rotationsposition des Rotors 58 voraus. Weiterhin ist dieser Leitwinkel nahezu proportional zum Motordrehmoment und ein Anbringfehler des Hall ICs, um die maximale Effizienz zu erhalten, ist in einem Bereich von 20º (± 10º), wobei jedoch eine Toleranz klein wird, wenn das Drehmoment ansteigt, wodurch schwierig wird, es anzubringen.
Fig. 39 ist ein Magnetsensorboard eines bürstenlosen Motors mit drei Phasen und vier Polen. In diesem Fall wurde ein Hall IC als magnetischer Sensor verwendet. Ein Hall IC 65 ist ein integrierter Schaltkreis IC, der die Funktion des Erfassens der Richtung eines magnetischen Felds unter Verwendung des Hall Effekts und die Funktion eines Verstärkers kombiniert. Wenn der N-Pol dem Hall IC angenähert wird, ist die Ausgabe etwa 5V und wenn der S Pol angenähert wird, ist die Ausgabe 0V. Daher wird ein Zyklus eines elektrischen Winkels N (5V) und S (0V), da jedoch ein Zyklus eines magnetischen Winkels N, S. N und S wird, ist bekannt, dass der elektrische Winkel zum mechanischen Winkel 2 zu 1 ist. (Der elektrische Winkel wird untenstehend als der "elektrische Winkel" bezeichnet und der mechanische Winkel wird nicht bezeichnet.)
Im allgemeinen benötigt der dreiachsige, vierpolige bürstenlose Motor drei Hall ICe 65 in Intervallen von 60º in Umfangsrichtung auf einem Kreis, der den gleichen Durchmesser hat (einen Abstand R von der Mittelachse ist 23 mm in diesem Beispiel, was untenstehend einfach als "R23" bezeichnet wird), und diese sind in Intervallen von 60º auf die magnetische Sensortafel 66 gelötet. Weiterhin sind Montagelöcher 67 an zwei Orten der magnetischen Sensorplatte 66 geformt, um sie an das Gehäuseelement zu befestigen, und es ist kein Muster 69 auf Umfangsbereichen 68 um die Montagelöcher 67 gebildet. Kontaktflächen 70 sind als Verbindungen angebracht, um die Hall ICe 65 zu betreiben oder um ein Signal nach außen auszugeben, und ein Durchgangsloch 71 ist in der Mitte jeder Anschlussfläche 70 gebildet. Ein Leiter 72 ist in das Durchgangsloch 71 von der Rückseite der magnetischen Sensortafel 66 eingeführt und auf die Anschlussfläche 70 gelötet. Die magnetische Sensortafel 166 hat einen äußeren Umfang 73, der innerhalb der Spule 63 positioniert ist, und einen inneren Umfang 74, der außerhalb des äußeren Umfangs des Gehäuselagers platziert ist. Ferner ist ein Winkel in der Rotationsrichtung in einer Gestalt, so das eine Größe für die Montagelöcher 67 zu einem Anordnungswinkel von 120º für die drei Hall ICs zugefügt wird, so dass das Muster eng gebildet ist, obwohl die magnetische Sensortafel groß gestaltet ist.
Da der oben beschriebene herkömmliche bürstenlose Motor nur die Rotationsposition des Rotors unter Verwendung des zu erfassenden Magnetstücks erfasst, hat er Nachteile, dass ein Leitwinkel des magnetischen Flusses, der abhängig von dem Motorstrom oder dem Motordrehmoment variiert, nicht erfasst werden kann, und wenn der Magnete Polbereich des Stators basierend auf dem erfassten Signal angeregt wird, kann der magnetische Polbereich des Stators, der eine Rotationskraft erzeugt, häufig nicht angeregt werden und die Motoreffizienz ist verringert.
Andererseits zieht man in Betracht, das zu erfassende magnetische Stück oder den magnetischen Sensor im voraus mittels Schätzens des Leitwinkels des magnetischen Flusses versetzt in einer Richtung anzubringen, aber dieses Verfahren kann nicht auf einen in zwei Richtungen drehbaren bürstenlosen Motor angewendet werden, der den Rotor in beide Richtungen drehen soll.
Während das oben beschriebene Verfahren die Rotationsposition des Rotorjochs durch den oben beschriebenen magnetischen Sensor erfasst, ist ein bekannter sensorloser bürstenloser Motor vorhanden, der die Rotationsposition des Rotors durch Verwendung einer elektromotorischen Rückwärtskraft erfasst, die auf der Statorseite durch die Rotation des Rotors erzeugt werden soll.
Dieser sensorlose bürstenlose Motor kann die höchste Position der magnetischen Flussdichte um den Rotor erfassen, hat jedoch einen Nachteil, dass ein elektrischer Schaltkreis kompliziert wird, da die elektromotorische Rückwärtskraft, die auf der Statorseite erzeugt wird, erfasst wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Entsprechend ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, einen bürstenlosen Motor vorzusehen, der mit einer einfachen Struktur den Spitzenpunkt einer magnetischen Flussdichte in bezug auf einen vom Motorstrom und/oder dem Motordrehmoment abhängig variablen Leitwinkel des magnetischen Flusses erfassen kann, und der eine hohe Motoreffizienz hat.
Andere Aufgaben dieser Erfindung sind es, eine kleine Anzahl von Einrichtungen vorzusehen, die die Leistung des oben stehenden bürstenlosen Motors verbessern können.
Diese Aufgabe wird durch einen bürstenlosen Motor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 9 erzielt. Bevorzugte Ausführungsformen sind durch die abhängigen Ansprüche gekennzeichnet. Der bürstenlose Motor hat einen Rotor, der eine Vielzahl von Felddauermagneten hat, die in ein Rotorjoch eingesetzt sind, das aus einer Vielzahl laminierter Stahlplatten gefertigt ist. Der Spitzenpunkt einer magnetischen Flussdichte wird in bezug auf einen Leitwinkel des magnetischen Flusses erfasst, der abhängig vom Motorstrom variabel ist.
Der bürstenlose Motor kann durch Miniaturisierung einer magnetischen Sensortafel und durch Verbessern eines Befestigungsverfahrens kostengünstig werden.
Der bürstenlose Motor sieht mit einer einfachen Struktur einen bidirektional drehbaren bürstenlosen Motor vor, der den Spitzenwert einer magnetischen Flussdichte um den Rotor, wenn er sich in einer von beiden Richtungen dreht, erfassen kann, und der eine hohe Motoreffizienz hat.
Der bürstenlose Motor einer ersten Ausführungsform hat einen magnetischen Sensor im vorbestimmten Abstand von der Endfläche des Rotors angebracht, um direkt den Leckstrom des magnetischen Flusses nach außen aus der Rotorendfläche durch das Rotorjoch zu erfassen, so dass eine Position des Spitzenpunkts der magnetischen Flussdichte um den Rotor selbst dann erfasst werden kann, wenn der magnetische Fluss des Rotors in Richtung auf die Rotationsrichtung durch die Wechselwirkung mit dem Stator bei der Drehung angezogen wird. Somit kann ein optimaler magnetischer Polbereich des Stators entsprechend der Position des Spitzenpunkts der magnetischen Flussdichte um den Rotor angeregt werden und ein bürstenloser Motor mit einer hohen Motoreffizienz kann unabhängig von dem Leitwinkel des magnetischen Flusses erzielt werden.
Ferner kann bei dem bürstenlosen Motor dieser Ausführungsform der magnetische Sensor direkt den magnetischen Fluss von dem Felddauermagneten des Rotors erfassen und ist in einem Abstand angebracht, so dass er nicht im großen Maß durch außergewöhnliche magnetische Flüsse in der Nähe der Rotorendfläche beeinträchtigt wird, was in großem Maß Rauschen in einem die Rotationsposition des Rotors zeigenden elektrischen Signal verringert. Die zu erfassenden Magnetstücke, die bei herkömmlichen bürstenlosen Motoren benötigt werden, können entfallen, so dass ein bürstenloser Motor mit einer einfachen Struktur vorgesehen wird.
In dieser Beschreibung wird ein magnetischer Sensor verwendet, in dem Sinn, dass er eine Spule umfasst. Daher ist eine Spule in einem Konzept des magnetischen Sensors nicht nur bei der Erfindung der ersten Gruppe umfasst, sondern auch insgesamt durch die folgende Beschreibung.
Da der bürstenlose Motor gemäß einer zweiten Ausführungsform die magnetischen Sensoren in einem vorbestimmten Abstand von der Endfläche des Rotors anbringt, so dass direkt der magnetische Fluss der Felddauermagnete durch die magnetischen Sensoren erfasst wird, der nach außen von der Rotorendfläche leck strömt, wird die Position des Spitzenpunkts der magnetischen Flussdichte im Außenraum des Rotors stets erfasst, wenn der magnetische Fluss des Rotors während der Drehung in der Rotationsrichtung durch die Wechselwirkung mit dem magnetischen Polbereich des Stators angezogen wird oder der Leitwinkel aufgrund des Motorstroms (Motordrehmoments) variiert wird, so dass ein optimaler magnetischer Polbereich des Stators angeregt wird, und die Motoreffizienz verbessert werden kann. Da ferner eine Änderung in der maximalen Effizienz gegen einen Montagefehler der magnetischen Sensoren in der Rotationsrichtung geringer ist und der Leitwinkel unabhängig von der Last gleich bleibt, kann das Justieren unter jeder Last vorgenommen werden.
Ferner kann das Verfahren zum Anbringen der magnetischen Sensoren einen Abstand der magnetischen Sensoren von der Welle verändern, um den Leitwinkel zu verändern und den Winkel zwischen den magnetischen Sensoren einzuengen. Als Folge wird die Größe der magnetischen Sensortafel reduziert und deren Kosten verringert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform des bürstenlosen Motors der Erfindung zeigt.
Fig. 2 ist eine Ansicht, die die Vorderseite des Rotors des bürstenlosen Motors der Erfindung zeigt.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die einen magnetischen Fluss außerhalb der Rotorendfläche des bürstenlosen Motors der Erfindung zeigt.
Fig. 4 sind Diagramme, die verglichene analoge Wellenformen von Magnetismus zeigen, wobei ein Abstand D zwischen dem magnetischen Sensor und der Rotorendfläche variiert wird.
Fig. 5 ist eine vertikale Querschnittsansicht des bürstenlosen Motors dieser Erfindung, wobei eine nicht magnetische Platte an der Rotorendfläche haftet.
Fig. 6 sind Diagramme, die die verglichenen analogen Wellenformen des Magnetismus eines bürstenlosen Motors zeigen, der eine magnetische Platte hat, und eines bürstenlosen Motors, der eine nicht-magnetische Platte hat.
Fig. 7 ist eine Vorderansicht, die einen Rotor des bürstenlosen Motors der Erfindung zeigt.
Fig. 8 ist ein magnetisches Sensortafeldiagramm des dreiphasigen, vierpoligen bürstenlosen Motors der Erfindung.
Fig. 9 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen einem Leitwinkel und einem Abstand von der Wellenmitte eines Hall ICs zeigt.
Fig. 10 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen einem Abstand von der Wellenmitte des Hall ICs und einem Bewegungswinkel des Hall ICs zeigt, um die maximale Effizienz zu erzielen.
Fig. 11 ist eine Seitenansicht des Hall ICs und der Rotorendfläche der Erfindung.
Fig. 12 ist eine Seitenansicht des Hall ICs und der Rotorendfläche einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 13 ist eine Ansicht, die die Vorderseite eines Rotors des bürstenlosen Motors einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Fig. 14 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die eine andere Ausführungsform des bürstenlosen Motors der Erfindung zeigt.
Fig. 15 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A' aus Fig. 14;
Fig. 16 ist eine Tafel, die die Messergebnisse des Verhältnisses zwischen der radialen Position und der Effizienz des Hall ICs zeigt.
Fig. 17 ist ein Diagramm, das die Leistung zeigt, wenn der Hall IC in einer Position von R23 mm ist.
Fig. 18 ist ein Diagramm, das die Leistung zeigt, wenn der Hall IC in einer Position von R21 mm ist.
Fig. 19 ist eine Ansicht, die eine magnetische Sensortafel zeigt.
Fig. 20 ist ein Blockdiagramm eines elektronischen Schaltkreises.
Fig. 21 ist eine Ansicht, die eine magnetische Sensortafel und einen Teil eine Stators zeigt.
Fig. 22 ist eine Querschnittsansicht, die einen bürstenlosen Motor und ein Befestigungselement zum Befestigen von ihm zeigt.
Fig. 23 ist eine Ansicht, die eine magnetische Sensortafel zeigt.
Fig. 24 ist eine Querschnittsansicht einer magnetischen Sensortafel.
Fig. 25 ist eine Ansicht, die eine magnetische Sensortafel zeigt, wobei eine Blattspule verwendet wird.
Fig. 26 ist eine Ansicht, die eine magnetische Sensortafel zeigt, die Toroidwindungen darauf hat.
Fig. 27 ist ein Flussdiagramm, das die Steuerung einer Motordrehung zeigt.
Fig. 28 ist eine Teilansicht, die einen magnetischen Sensor und einen Rotor zeigt.
Fig. 29 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen einem Leitwinkel und einem Abstand zwischen einem magnetischen Sensor 16 und einer Rotorendfläche 8b zeigt.
Fig. 30 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen einer Positionsänderung eines magnetischen Sensors und der Rotationsgeschwindigkeit und dem Drehmoment zeigt.
Fig. 31 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen einer Hall Spannung und einer magnetischen Flussdichte zeigt.
Fig. 32 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen einer magnetischen Flussdichte und der Temperatur zeigt.
Fig. 33 ist eine Ansicht, die eine Ausgabespannungswellenform eines magnetischen Sensors zeigt, wenn ein Rotor gedreht wird.
Fig. 34 ist eine Ansicht, die eine Rotorendfläche zeigt.
Fig. 35 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Rotor zeigt.
Fig. 36 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die einen bürstenlosen Motor mit einem eingebauten Lüfter zeigt.
Fig. 37 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die einen herkömmlichen bürstenlosen Motor zeigt.
Fig. 38 ist ein Diagramm, das den Unterschied zwischen einer Änderung der magnetischen Flussdichte eines herkömmlichen bürstenlosen Motors und der erfassten Rotationsposition des Rotors zeigt.
Fig. 39 ist eine Ansicht, die die magnetische Sensortafel eines herkömmlichen dreiphasigen, vierpoligen bürstenlosen Motors zeigt.

Bester Weg zum Ausführen der Erfindung

Eine erste Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht des bürstenlosen Motors dieser Ausführungsform. Ein bürstenloser Motor 1 hat ein Paar von Gehäuseelementen 3, 4, die mit Bolzen 2 befestigt sind, und diese Gehäuseelemente 3, 4 stützen drehbar eine drehbare Welle 7 mit Kugellagern 5, 6. An der drehbaren Welle 7 ist ein Rotor 8 befestigt und ein Ende der drehbaren Welle 7 ist so strukturiert, dass es von der Endfläche des Gehäuseelements 3 nach außen vorsteht, um eine Drehkraft des Rotors 8 zu übertragen. Ein Stator 9 ist um den Rotor 8 angebracht und wird zwischen den Gehäuseelementen 3, 4 gehalten.
Der Rotor 8 besteht aus einem Rotorjoch 10, das viele laminierte Stahlplatten hat, und einer Vielzahl von Felddauermagneten 11, die in das Rotorjoch 10 eingesetzt sind. Der Stator 9 besteht aus einem Statorjoch 12, das aus laminierten Stahlplatten gefertigt ist, und Statorspulen 13, die auf dem Statorjoch 12 gewunden sind. Ein Teil der inneren Endfläche des Statorjochs 12 bildet einen magnetischen Polbereich 9a des Stators 9 und der magnetische Polbereich 9a des Stators ist gegenüber der äußeren Umfangsfläche eines magnetischen Polbereichs 8a des Rotors 8, wobei ein kleiner Zwischenraum vorhanden ist. Die Statorspule 13 ist mit einer äußeren Stromzufuhr durch einen Leiter 14a verbunden.
Ein magnetischer Sensor 16, wie ein Hall IC und ein Hall IC, ist an einem Teil des Gehäuseelements 3 gegenüber der Endfläche 8b des Rotors 8 angebracht. Der magnetische Sensor 16 und die Rotorendfläche 8b sind einander gegenüber, wobei ein vorbestimmter Abstand D dazwischen ist. Referenzziffer 14b gibt einen elektrischen Signalleiter an, um ein elektrisches Signal des durch den magnetischen Sensor 16 erfassten Magnetismus nach außen zu senden.
Fig. 2 zeigt eine Endfläche des Rotors 8. Der Rotor 8 besteht aus vier magnetischen Polbereichen 8a des Rotors, die in der radialen Richtung unter einem Winkel von 90º nach außen vorstehen, und der Felddauermagnet 11 ist in jedem magnetischen Polbereich 8a des Rotors eingesetzt. In der Mitte des Rotors 8 ist eine drehbare Welle 7 eingeführt und die drehbare Welle 7 und der Rotor 8 sind so konfiguriert, dass sie sich über einen Keil 7a zusammen drehen. Referenzziffer 18 bezeichnet Verstemmabschnitte, um die Stahlplatten, die das Rotorjoch 10 bilden, integral zu verstemmen.
Jeder Felddauermagnet 11 ist in die Basis des magnetischen Polbereichs 8a des Rotors so eingesetzt, dass N und 5 Pole außen wechselweise positioniert sind. Der magnetische Fluss der Felddauermagneten 11 wird durch das vorderen Ende des magnetischen Polbereichs 8a des Rotors geführt und gelangt in oder aus der äußeren Umfangsfläche jedes magnetischen Polbereichs des Rotors 8a. Somit sind die Felddauermagnete 11 des Rotors 8 wechselweise in N und S Polen in der Umfangsrichtung magnetisiert.
Imaginäre Linien A, A' in der Zeichnung bezeichnen die Trajektorien, auf denen der magnetische Sensor 16 relativ durch die Rotation des Rotors 8 bewegt wird. Auf der anderen Seite geben die imaginären Linien B, B' und das gestrichelte Gebiet a dazwischen eine instabile Fläche des magnetischen Flusses an, der auf dem äußeren Umfang des Rotors 8 vorhanden ist. Der magnetische Fluss in dem Gebiet des instabilen magnetischen Flusses A wird stets instabil durch eine Wirkung des sich drehenden magnetischen Felds, das durch den Stator 9 erzeugt wird, variiert. Wie es in der Zeichnung gezeigt ist, sind die Relativbewegungstrajektorien A, A' des magnetischen Sensors 16 außerhalb der Felddauermagnete 11 und innerhalb des instabilen magnetischen Flussgebiets a positioniert.
Ferner hat, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, der Rotor 8 eine Nut M zwischen den magnetischen Polbereichen 8a des Rotors, und der Boden MO der Nut M ist im wesentlichen ausgerichtet mit den Relativrotationstrajektorien A, A' des magnetischen Sensors 16. Die Trajektorien A, A', auf denen sich der magnetische Sensor 16 bewegt, führen in der Nähe der Schnittstelle der Basisenden der magnetischen Polbereiche 8a des Rotors vorbei und reguläre magnetische Flüsse, die später zu beschreiben sind, sind in der Nähe der Schnittstelle der Basisenden der magnetischen Polbereiche 8a des Rotors vorhanden, die dazu neigen, ein Rauschen in dem erfassten elektrischen Signal hervorzurufen.
Fig. 3 zeigt ein Verhältnis zwischen der Position des magnetischen Sensors und den irregulären magnetischen Flüssen in der Nähe der Schnittstelle der magnetischen Polbereiche 8a.
In dem Raum auf dem äußeren Umfang des Rotors 8 wird ein magnetischer Fluss durch die Bezeichnung W0 angegeben, der aus der vorderen Endfläche des magnetischen Polbereichs des Rotors 8a N Polen austritt, und der die vordere Endfläche des magnetischen Polbereichs 8a des Rotors erreicht, die S Pole hat. Auf der anderen Seite ist an der Endfläche des Rotors ein magnetischer Fluss vorhanden, der durch die Bezeichnung W1 angegeben ist, der sich vom N Pol zum S Pol der Felddauermagnete 11 fortsetzt. Ferner ist zwischen den benachbarten magnetischen Polbereichen 8a des Rotors ein magnetischer Fluss W2 vorhanden, der aus der Endfläche des vorderen Endes des magnetischen Polbereichs 8a des Rotors tritt, die N Pole hat, und der die vordere Endfläche des magnetischen Polbereichs 8a des Rotors erreicht, die S Pole hat. Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, nimmt dieser magnetische Fluss W2 eine ungleichmäßige Route, die sich von der Rotorendfläche 8b ablöst, sich der Rotorendfläche 8b nähert und wieder sich entfernt, um das vordere Ende des benachbarten magnetischen Polbereichs 8a des Rotors zu erreichen, der S Pole hat. Dieser ungleichmäßige magnetische Fluss W2 hat eine große Ungleichmäßigkeit, wenn er nahe an der Rotorendfläche 8b ist, und ein magnetischer Fluss W3, der von der Rotorendfläche 8b getrennt ist, hat eine glatte Gestalt wie eine Parabel.
Der magnetische Sensor 16 dieser Ausführungsform ist in einer Position angebracht, so dass er von der Rotorendfläche 8b in solch einem Maß getrennt ist, dass er nicht den beschriebenen irregulären magnetischen Fluss W2 kreuzt und so dass er sich der Rotorendfläche 8b in solch einem Maß nähert, dass er den oben beschriebenen glatten magnetischen Fluss W3 kreuzt.
In diesem Fall ist eine Lücke zwischen dem obenstehenden irregulären magnetischen Fluss W2 und dem parabolischen magnetischen Fluss W3 am Boden MO der Nut M des Rotors 8 am größten und der Boden MO der Nut ist im wesentlichen ausgerichtet mit den Relativtrajektorien der Rotation A, A' des magnetischen Sensors 16. Daher ist dies am günstigsten, damit der magnetische Sensor 16 ein rauschfreies Erfassungssignal erfasst.
Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform wird basierend auf der oben beschriebenen Struktur erklärt.
Der magnetische Sensor 16 dieser Ausführungsform ist außerhalb des irregulären magnetischen Flusses W2 zwischen den Felddauermagneten 11 positioniert und kreuzt den glatten magnetischen Fluss W3, so dass er eine Position des Spitzenpunkts der magnetischen Flussdichte um den Rotor 8 erfassen kann, ohne dass ein Rauschen durch die Wirkung eines irregulären Bereichs des magnetischen Flusses erzeugt wird.
Fig. 4 zeigt den Vergleich von analogen Signalen des Magnetismus, die durch den magnetischen Sensor 16 erfasst werden, wobei ein Abstand D zwischen dem magnetischen Sensor 16 und der Rotorendfläche 8b variiert wird. In Fig. 4 zeigen (a), (b), (c) und (d) einen Zeitablauf auf der horizontalen Achse in bezug auf bürstenlose Motoren, die einen Abstand D von 2 mm, 3 mm, 4 mm und 4,9 mm jeweils haben. Die irregulären ungleichmäßigen Punkte, die durch die Punke a0, a1 in Fig. 4 (a) angegeben sind, zeigen die Wirkung des irregulären magnetischen Flusses W2 zwischen den oben beschriebenen Felddauermagneten 11. Die irregulären ungleichmäßigen Flecken der analogen Signale des Magnetismus werden ein Rauschen in dem elektrischen Signal, wenn sie in ein digitales Signal konvertiert werden. Wenn dieses Rauschen groß ist, können die magnetischen Polbereiche 9a des Stators nicht richtig angeregt werden und der Rotor 8 kann nicht glatt gedreht werden.
Aus einem Vergleich zwischen Fig. 4(a) bis Fig. 4(d) wird deutlich, dass die irregulären ungleichmäßigen Flecken des analogen Signals des Magnetismus abnehmen, wenn der Abstand D zunimmt, so dass eine Erfassung vorgenommen werden kann, wenn der Abstand D etwa 4 mm oder mehr ist, und, wie es in Fig. 4(d) gezeigt ist, wenn der Abstand D etwa 4,9 mm ist, zeigt das analoge Signal des Magnetismus durch den magnetischen Sensor 16 eine glatte Sinuskurve und wird in ein digitales Signal ohne viel Rauschen konvertiert.
Wenn der Rotor 8 sich in der in Fig. 3 angegebenen Richtung R ist, dreht, werden die magnetischen Flüsse W0, W1, W2, W3 des Rotors 8 in Richtung auf die in der gleichen Zeichnung gezeigte Richtung R' durch die Wechselwirkung mit dem magnetischen Polbereich 9a des Stators angezogen. Die Leitwinkel der magnetischen Flüsse W0, W1, W2, W3 beziehen sich auf den Motorstrom oder das Drehmoment, und es ist bekannt, dass der Leitwinkel zunimmt, wenn der Motorstrom zunimmt. In dieser Ausführungsform erfasst der magnetische Sensor 16 direkt die magnetische Flussdichte in dem äußeren Raum der Motorendfläche 8b, so dass die Position eines Spitzenpunkts der magnetischen Flussdichte erfasst werden kann. Somit kann der Optimalpunkt des magnetischen Polbereichs 9a des Stators angeregt werden, um eine Rotationskraft zu erzeugen, die sehr dem Spitzenpunkt der magnetischen Flussdichte entspricht, und die Motoreffizienz kann verbessert werden.
Wenn der bürstenlose Motor unter Verwendung eines Hall ICs betrieben wurde, wobei der magnetische Sensor unter den Bedingungen eines Abstands D von 4,9 mm, einer Rotationsgeschwindigkeit 1200 U/min und ein Drehmoment 0,24 kg, wurde in dieser Ausführungsform die Motoreffizienz um etwa 10% im Vergleich zu einem herkömmlichen bürstenlosen Motor verbessert, der ein zu erfassendes Magnetstück hat.
Diese Ausführungsform kann auch Hall ICs als Magnetsensor verwenden. Der Hall IC ist ein integrierter Schaltkreis, der eine Funktion des Erfassens der Richtung eines magnetischen Felds unter Verwendung des Hall Effekts und die Funktion eines Verstärkers kombiniert. Wenn ein Endpol dem oben beschriebenen Hall IC angenähert wird, ist die Ausgabe etwa 5V, und wenn ein S Pol angenähert wird, ist die Ausgabe 0V, wodurch es somit ein Erfassungselement ist, das einem elektrischen Rauschen Widerstand leistet. Wenn das Hall IC als magnetischen Sensor verwendet wird, kann die Motoreffizienz durch Festlegen des Abstands D auf einen kleineren Wert als bei Verwendung des Hall ICs durch die Hystereseeigenschaften des Hall Ics verbessert werden. Die Motoreffizienz des bürstenlosen Motors, der der Hall IC als magnetischer Sensor verwendet, im Zustand mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 1200 U/min. einem Drehmoment von 0,24 kgm, wobei der Abstand D variiert wird, wird unten gezeigt.
Aus dem Obenstehenden ist ersichtlich, dass eine Erfassung bei einem Abstand D von 2,3 mm oder mehr vorgenommen werden kann und 2,3-3,4 mm optimal sind, da die Motoreffizienz stabil ist.
Wenn andererseits ein bürstenloser Motor mit einem zu erfassenden Magnetstück unter den gleichen Bedingungen betrieben wurde, wurden ein Motorstrom von 7,40A und eine Motoreffizienz von 63,2% erzielt. Insbesondere konnte die Motoreffizienz um bis zu etwa 17% durch Verwendung des bürstenlosen Motors 1 dieser Ausführungsform, der den Hall IC verwendet, verbessert werden.
Ein Anbringen einer nicht magnetischen Platte an der Rotorendfläche kann ebenfalls ein magnetisches Rauschen reduzieren.
Fig. 5 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines bürstenlosen Motors, der eine nicht-magnetische Platte an der Rotorendfläche angebracht hat. Gleiche Komponenten wie in Fig. 1 sind mit den gleichen Referenzziffern bezeichnet und deren Beschreibung wird übergangen. In dieser Ausführungsform ist eine nicht-magnetische Platte 8c, die aus rostfreiem Stahl gefertigt ist, an der Rotorendfläche 8b eines bürstenlosen Motors 1 haftend. Die Haftung der nicht- magnetischen Platte 8c an der Rotorendfläche 8b wandelt einen Teil des magnetischen Flusses, der von der Rotorendfläche 8b nach außen 1eck strömt, in einen Eddy-Strom um, so dass der aus der nicht magnetischen Platte 8c gelangende magnetische Fluss insgesamt einen glatten Weg hat. Da der Weg des magnetischen Flusses geglättet ist, ist die analoge Wellenform des Magnetismus, die durch den magnetischen Sensor 16 erfasst wird, geglättet und wird ohne viel Rauschen in ein digitales Signal konvertiert.
Fig. 6 zeigt Diagramme von verglichenen analogen Wellenformen, die durch jeden magnetischen Sensor eines bürstenlosen Motors erfasst wurden, der die nicht-magnetische Platte 8c hat, und einen bürstenlosen Motor, der sie nicht hat.
Fig. 6(a) zeigt analoge Wellenformen des Magnetismus des bürstenlosen Motors ohne die nicht-magnetische Platte, während Fig. 6(b) analoge Wellenformen des Magnetismus des bürstenlosen Motors zeigt, der die nicht-magnetische Platte an der Rotorendfläche haftend hat. Die horizontale Achse in Fig. 6 gibt die Zeit an, die in 5 ms unterteilt ist, und drei Kurven entsprechen jeweils analogen Wellenformen der U, V und W Phasen des Motors. In Fig. 6(a) zeigen die Punkte N eine Wirkung durch irreguläre magnetische Flüsse. Diese irregulären analogen Wellenformen N erzeugen Rauschen, wenn sie in ein digitales elektrisches Signal konvertiert werden. Andererseits zeigt Fig. 6(b), dass die oben beschriebenen irregulären magnetischen Flüsse in einen Eddy-Strom durch die nicht-magnetische Platte 8c konvertiert werden, so das verhältnismäßig glatte analoge Wellenformen gebildet werden, und ein digitales Signal ohne viel Rauschen erzielt werden kann.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform haftet die nicht- magnetische Platte 8c an der Rotorendfläche 8b, wobei jedoch die nicht-magnetische Platte 8c zwischen dem magnetischen Sensor 16 und der Rotorendfläche 8b positioniert werden kann. Beispielsweise kann die nicht-magnetische Platte 8c an der Oberfläche des magnetischen Sensors 16 angebracht werden. Weiterhin erleichtert ein Zusatz von Aluminiumoxidmaterial zur nicht-magnetischen Platte 8c es, die Wärme des Magneten nach außen zu übertragen, wodurch dazu beigetragen wird, die thermische Demagnetisierung des Magneten zu verhindern.
Bei der oben bestehenden Beschreibung hat der Rotor die Felddauermagnete 11 in die Basis jedes magnetischen Polbereichs 8a des Rotors eingeführt. Es ist jedoch zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf das Obenstehende beschränkt ist und auch auf einen Rotor angewendet wird, bei dem der magnetische Felddauermagnet in jeden anderen magnetischen Polbereich eingesetzt ist, so dass die magnetischen Polbereiche von wechselweise N und S Polen in der Umfangsrichtung durch das Abstoßen von wechselseitigen Felddauermagneten entstehen.
Wie es aus der obenstehenden Beschreibung deutlich wird, ist gemäß dem bürstenlosen Motor einer ersten Ausführungsform der Erfindung der magnetische Sensor in einem vorbestimmten Abstand von der Endfläche des Rotors angebracht, um direkt den magnetischen Fluss der Felddauermagnete zu erfassen, der durch den magnetischen Sensor von der Rotorendfläche nach außen leck geströmt ist, so dass, wenn der magnetische Fluss des Rotors während der Rotation in die Rotationsrichtung durch die Wechselwirkung mit dem magnetischen Polbereich des Stators angezogen wird oder der Leitwinkel des magnetischen Flusses abhängig vom Motorstrom variiert wird, die Position eines Spitzenpunkts der magnetischen Flussdichte im äußeren Raum des Rotors stets erfasst wird, so dass der optimale magnetische Polbereichbereich des Stators angeregt wird, so dass die Motoreffizienz verbessert werden kann. Durch dasselbe kann der optimale magnetische Polbereich des Stators durch den magnetischen Sensor in dem bürstenlosen Motor angeregt werden, der sich in beide Richtungen dreht.
Ferner ist gemäß dem bürstenlosen Motor der Erfindung der magnetische Sensor außerhalb des ungleichmäßigen magnetischen Flusses zwischen den Felddauermagneten des Rotors angebracht und so, dass er den glatten magnetischen Fluss kreuzt, so dass ein Rauschen aufgrund der irregulären magnetischen Flüsse verringert werden kann, und die bislang benötigten Magnetstücke, die erfasst werden sollen, können entfallen, so dass ein einfach strukturierter bürstenloser Motor erhalten werden kann.
Nun wird der bürstenlose Motor einer anderen Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Der bürstenlose Motor der zweiten Ausführungsform hat im Grunde die gleiche Struktur wie diejenige, die in Fig. 1 gezeigt ist, und daher sind ähnliche Komponenten mit den gleichen Referenzziffern bezeichnet und ihre Beschreibung entfällt. Bei dem bürstenlosen Motor der ersten Ausführungsform wurde der Raum zwischen der Rotorendfläche und dem magnetischen Sensor berücksichtigt. Andererseits wird bei dem bürstenlosen Motor der zweiten Ausführungsform das positionale Verhältnis des magnetischen Sensors in einer radialen Richtung hauptsächlich in Betracht gezogen.
Fig. 7 zeigt eine Endfläche 8b des Rotors 8 dieser Erfindung. Der Rotor 8 besteht aus magnetischen Polbereichen 8a des Rotors, die in der radialen Richtung in einem Winkel von 90º nach außen vorstehen, und den Felddauermagneten 11, die in die magnetischen Polbereiche 8a des Rotors eingeführt sind. Der Felddauermagnet 11 hat eine Länge in seiner Axialrichtung, die gleich oder kürzer ist als die Länge des Rotors 8, und die Magnetendfläche ist mindestens innerhalb der Rotorendfläche 8b auf der Seite des magnetischen Sensors positioniert. Wenn die magnetische Endfläche aus der Rotorendfläche vorsteht, kann der magnetische Sensor keinen magnetischen Leckfluss erfassen und ein Raum zwischen der Rotorendfläche 8b und dem magnetischen Sensor kann nicht aufrecht erhalten werden. Weiter hat sich gezeigt, dass die Rotorendfläche 8b vorzugsweise gleich oder länger ist als die Statorendfläche 9b, da der magnetische Leckfluss zunimmt und einfach erfasst wird. In der Mitte des Rotors 8 wird die drehbare Welle 7 eingeführt und die drehbare Welle 7 und der Rotor 8 sind integral durch Schrumpfpassung befestigt.
Die Felddauermagnete 11 sind in die Basen der magnetischen Polbereiche 8a des Rotors so eingeführt, das N und S Pole wechselweise positioniert sind und nach außen gerichtet sind. Der magnetische Fluss der Felddauermagnete 11 wird durch das vordere Ende des magnetischen Polbereichs 8a des Rotors geführt und gelangt in oder aus der äußeren Umfangsfläche jedes magnetischen Polbereichs 8a des Rotors. Bei dieser Struktur sind die magnetischen Polbereiche 8a des Rotors 8 wechselweise zu N und S Polen in der Umfangsrichtung magnetisiert. Eine Fläche zwischen imaginären Linien A-B in der Figur (in diesem Fall ist ein Abstand R von der mittleren Achse zwischen 21 mm und 23 mm) gibt die Fläche an, in der, wenn eine Oberseite 19a des magnetischen Sensors 16 (in diesem Fall ein Hall IC) in diese Fläche durch die Rotation des Rotors 8 eindringt, der magnetische Leckfluss von der Rotorendfläche erfasst wird und der Motor angetrieben werden kann. Diese imaginäre Linie B befindet sich im allgemeinen auf einem Kreis mit einem Radius, der am Mittelpunkt zwischen der äußeren Wand des Felddauermagneten 11 und dem äußeren ende des Rotors 8 ist, unabhängig von der Größe des Motors.
Andererseits gibt eine Fläche zwischen imaginären Linien B-C in der Zeichnung (in diesem Fall ist ein Abstand von der Mittelachse zwischen R23 mm und R26 mm) ein instabiles Gebiet des magnetischen Leckflusses an, der auf dem äußeren Umfang des Rotors 8 vorhanden ist. Der magnetische Leckfluss in dem instabilen Gebiet wird konstant instabil durch eine Wirkung eines sich drehenden Felds, das durch den Stator 9 erzeugt wird, variiert, und obwohl sich der Motor dreht, führt die Motoreffizienz im Betriebsbereich der niedrigen Rotation und des niedrigen Drehmoments zu einer Verringerung um etwa 4% bezüglich in der Trajektorie A-B. Weiterhin gibt eine Fläche zwischen imaginären Linien A-D (in diesem Fall ist ein Abstand von der Mittelachse zwischen R8 mm und R21 mm) ein instabiles Gebiet an, das auf dem inneren Umfang des Rotors 8 vorhanden ist. Bei dem magnetischen Leckfluss in diesem instabilen Gebiet wird ein magnetischer Fluss zwischen den Felddauermagneten kaum zu einem Leckstrom und durch ein magnetisches Feld angezogen, das durch den Stator 9 in der Nut M0 erzeugt wird, wodurch ein Schaltabschnitt des magnetischen Flusses instabil wird. Somit kann der Motor nicht gedreht werden.
In der Zeichnung gibt eine imaginäre Linie E eine Grenzlinie an, in der der magnetische Sensor normal betrieben werden kann, wenn der Boden 19b des magnetischen Sensors (Hall IC) 16 außerhalb der imaginären Linie E ist. Ferner, wenn die Verstemmabschnitte 18 zwischen den imaginären Linien E und D sind, können die magnetischen Leckflüsse von der Rotorendfläche korrekt erfasst werden, wenn jedoch die Verstemmabschnitte 18 außerhalb der imaginären Linie sind, wird der magnetische Leckfluss von der Rotorendfläche aufgrund der Ungleichmäßigkeit der Verstemmabschnitte instabil, und insbesondere wird der Schaltabschnitt des magnetischen Flusses instabil. Somit kann ein Signal des magnetischen Sensors nicht angewendet werden.
Wie es in der Zeichnung gezeigt ist, kann durch Festlegen der Oberseite 19a des magnetischen Sensors (Hall IC) 16 in dem Gebiet A-B des Rotors und der Verstemmabschnitte 18 innerhalb der imaginären Linie E ein stabiler magnetischer Fluss erzielt werden und eine stabile Effizienz und Rotation können erreicht werden.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wurde als der Bereich, in dem der magnetische Sensor 16 den magnetischen Leckfluss von der Rotorendfläche erfassen kann und der Motor betrieben werden kann, die Fläche zwischen den imaginären Linien A-B in Fig. 7 angegeben, und die speziellen numerischen Werte "21 mm" und "23 mm" wurden dargestellt, um anzugeben, dass die Fläche A-B eine Fläche ist, bei der ein Abstand R von der Mittelachse zwischen 21 mm und R23 mm ist. Die obige Beschreibung bedeutet nicht, dass das Gebiet A-B auf die obenstehenden numerischen Werte begrenzt ist. Insbesondere ist das Gebiet A-B als ein Gebiet, in dem der Motor betrieben werden kann, in einem relativen positionalen Verhältnis zwischen dem äußeren Durchmesser (etwa R26 mm) des Rotors 8 und den Felddauermagneten 11 zu verstehen. Wenn eine vertikale Linie von der Mittelachse zu dem Felddauermagnet 11 angenommen wird, zeigt sich ferner, dass die Linie A nahezu die äußere Wand des Feldpermanentmagneten 11 angibt und die Linie B nahezu die Mitte der Linie A bei der oben angenommenen vertikalen Linie und dem äußeren Ende des Rotors angibt. Diese Positionen sind im allgemeinen geeignete Positionen unabhängig von der Größe der Motorgestaltung.
Wenn der Hall IC auf die oben beschriebene Position festgelegt wird (R23 mm), eine Rotationsgeschwindigkeit bei 1200 U/min festgelegt wird und das Drehmoment variiert wird, ist ferner die Abweichung der Spitzenwerte der magnetischen Flussdichte außerhalb des Rotors zum Signal des Hall ICs, das von der Rotorendfläche erhalten wird bei der maximalen Effizienz mit jeweiligem Drehmoment wie folgt:
Es ist aus der obenstehenden Tabelle zu erkennen, dass, wenn das Drehmoment 0,05 kgm beispielsweise ist, es notwendig ist, die Abweichung eines Signals des Hall ICs und den Spitzenwert der magnetischen Flussdichte außerhalb des Rotors 10º ± 15º (elektrischer Winkel) festzulegen, um die maximale Effizienz 90% zu erhalten, und, in ähnlicher Weise, wenn das Drehmoment 0,10 kgm ist, ist es notwendig, die Abweichung eines Signals des Hall ICs und des Spitzenwertes der magnetischen Flussdichte außerhalb des Rotors 10º ± 15º (elektrischer Winkel) festzulegen, um die maximale Effizienz 87% (die gleiche wie oben) zu erhalten.
Wie es aus der obenstehenden Tabelle deutlich ist, kann, wenn die Position der magnetischen Sensortafel auf einen geringen Lastpunkt (z. B. den obenstehenden 0,05 kgm) durch direktes Erfassen des magnetischen Leckflusses von der Rotorendfläche festgelegt wird, die maximale Effizienz unter jeweiligen Lasten erzielt werden, die maximale Effizienz hat eine geringe Änderung in bezug auf den Montagefehler des Hall ICs in der Rotationsrichtung und der Abweichungsgrad ist unabhängig von der Last gleich, so dass das Justieren unter jeder Last geschehen kann.
Wenn sich insbesondere der Rotor 8 dreht, wird der magnetische Fluss des magnetischen Polbereichs des Rotors durch die Wechselwirkung mit dem magnetischen Polbereich des Stators angezogen. Dieser Leitwinkel ist im Verhältnis zum Motorstrom oder Drehmoment und der Leitwinkel steigt, wenn der Motorstrom zunimmt (wenn das Drehmoment zunimmt). Ferner erfasst der Hall IC direkt den magnetischen Fluss im äußeren Raum der Rotorendfläche 8b, so dass der optimale magnetische Polbereich 9a des Stators, um eine Drehkraft zu erzeugen, der am besten dem Spitzenpunkt der magnetischen Flussdichte entspricht, angeregt werden kann und die Motoreffizienz verbessert werden kann.
Fig. 8 ist eine Ansicht, die eine magnetischen Sensortafel 15 des dreiphasigen vierpoligen bürstenlosen Motors dieser Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform wird ein Hall IC als magnetischer Sensor verwendet.
Unter der Annahme, dass der Rotor im Uhrzeigersinn gedreht wird, sind ein Hall IC 16a (das obere Ende des Hall ICs ist R23 mm von der Mittelachse in dieser Ausführungsform), ein Hall IC 16b (R22 mm von der Mittelachse in dieser Ausführungsform) und ein Hall IC 16c (R21 mm von der Mittelachse in dieser Ausführungsform) unter unterschiedlichen Abständen von der Mittelachse in Intervallen von 52º in der Umfangsrichtung festgelegt und nach innen in Richtung auf die Rotationsrichtung des Rotors versetzt und zur Befestigung gelötet. Weiterhin sind zwei Wellenmontagelöcher 21 zum Befestigen der magnetischen Sensortafel 15 an dem Stator am äußeren Ende der magnetischen Sensortafel angebracht. Eine Anschlussfläche 24 ist um die Montagelöcher 21 angebracht und die Anschlussfläche 24 hat eine dicke Kupferfolie, um eine ausreichende mechanische Festigkeit nach dem Einführen einer Welle zu haben und nach dem Löten oder Befestigen mit einem Harz. Weiterhin sind C- förmige Anschlussflächen 20 als Verbindungen angebracht, um die Hall ICs zu betreiben oder ein Signal nach außen auszugeben, ein Leiter 14b kann einfach vertikal und horizontal in die magnetische Sensortafel eingeführt werden und die Anschlussflächen 20 haben teilweise eine weite Fläche, um ein Löten zu erlauben. Der Leiter 14b ist ein flaches Kabel, das einen Einkörperisolator für Leitungen hat, so dass es ziemlich einfach in ein C-förmiges Material, wie die Anschlussflächen 20, eingeführt werden kann.
Die magnetische Sensortafel 15 hat solch eine Größe, dass ihr äußerer Umfang 25 innerhalb der Statorspule 13 positioniert ist und ihr innerer Umfang 23 willkürlich positioniert werden kann. Da die magnetische Sensortafel unter Verwendung des äußeren Umfangs befestigt ist, ist es mit anderen Worten nicht notwendig, den inneren Umfang als Referenz zu verwenden, um sie am Gehäuseelement zu befestigen. Die Tafel kann ferner breit in Richtung auf den äußeren Durchmesser der drehbaren Welle 7 gestaltet werden. Als Folge kann ein Muster 22 leichter gebildet werden, ein isolierter Raum zwischen den Mustern kann in ausreichendem Maß sichergestellt werden, es ist nicht nötig, das Muster aus den Anschlussflächen 20 herauszuziehen, und die Anschlussflächen 20 können offen wie ein C, gestaltet werden. Da ferner der Winkel in der Rotationsrichtung ausreichend in der Größe zwischen den Abständen des Hall ICs ist, wie es später beschrieben wird, wird die Größe der magnetischen Sensortafel 15 sehr kompakt und ihre Produktionskosten niedrig.
Fig. 9 zeigt die Variation eines Leitwinkels, wenn der Hall IC 16 nach außen aus der Wellenmitte bewegt wird bei einer Position von R21 mm von der Wellenmitte als Referenz. Fig. 10 zeigt einen Bewegungswinkel des Hall ICs in der Rotationsrichtung, um die maximale Effizienz zu erhalten, wenn der Hall IC nach außen mit R21 mm von der Wellenmitte als Referenz bewegt wird.
In Fig. 8 bis Fig. 10 ist, nimmt man an, dass ein Winkel in der Rotationsrichtung des Rotors (+) und ein Winkel in der Gegenrotationsrichtung des Rotors (-) ist, wenn der Hall IC einfach nach außen von R21 mm auf R23 mm bewegt wird, die Rotorerfassungsposition proportional auf der Vorwärtsbewegungsseite, da ein magnetischer Fluss in der Nähe des Stators, der ein anzuziehener magnetischer Leckfluss ist, wie es in Fig. 9 zu erkennen ist, aufgenommen wird. Nach dem Durchlaufen von der R23 mm nimmt ein Vorwärtsbewegungsmaß graduell ab, da die Gestalt des magnetischen Polbereichs begrenzt ist. Wenn der Hall IC ferner nach außen von R21 mm auf R26 mm bewegt wird, ist der Leitwinkel übermäßig, so dass die Position der maximalen Effizienz vom Leitwinkel abweicht und die Motoreffizienz abgesenkt wird. Wie es jedoch in Fig. 10 zu sehen ist, wurde experimentell herausgefunden, dass, wenn der Hall IC in Richtung auf die (-) Seite bewegt wird, die maximale Effizienz in entsprechenden Positionen erzielt wurde und die erzielten maximalen Effizienzen sich im wesentlichen nicht unterschieden. Wenn der Hall IC bei R20,5 mm oder darunter oder R26,5 mm oder darüber von der Wellenmitte ist, dreht sich der Motor nicht. Daher sind die anwendbaren Gebiete in der Zeichnung schraffiert.
Zum Hall IC 16c (R21 von der Wellenmitte) als Referenz ist der Hall IC 16b (R22 von der Wellenmitte) normal unter einem Winkel von 60º positioniert. Wie es in Fig. 9 gezeigt ist, schreitet, wenn die Position 1 mm außerhalb der Wellenmitte ist, der elektrische Winkel um 15º voran. Andererseits, wenn der Rotationswinkel des Hall ICs bewegt wird, kann, wie es in Fig. 10 gezeigt ist, die gleiche maximale Effizienz erzielt werden und 60º-8º = 52º wird ein Winkel zwischen dem Hall IC 16c und dem Hall IC 16b. In ähnlicher Weise wird ein Winkel (52º) zwischen dem Hall IC 16b und dem Hall IC 16a erreicht. Als Folge könnte ein Abstand zwischen den Hall ICs um 16º im Vergleich zum Stand der Technik verringert werden und die magnetische Sensortafel 15 könnte kompakter gestaltet werden.
Fig. 11 ist eine Seitenansicht des Hall ICs und der Rotorendfläche. Um einen magnetischen Leckfluss von dem magnetischen Polbereich 8a in dem Außenraum des Rotors 8 zu erfassen, ist der magnetische Sensor (Hall IC) 16, der auf der magnetischen Sensortafel 15 angebracht ist, in Richtung auf die Rotorendfläche 8b gerichtet und ein Raum zwischen dem Rotor 8 und der magnetischen Sensortafel 15 wird mit einer gestuften Welle 28 justiert. Insbesondere wird ein Ende 28a der Welle 28 in das Montageloch 21 der magnetischen Sensortafel in einer Richtung Q eingeführt und auf einer Anschlussflächenseite 15a verlötet. Ein anderes Ende 28b wird in den magnetischen Polbereich des Stators (nicht gezeigt) gedrückt und fixiert. Der Raum zwischen der Rotorendfläche und dem Hall IC wird gemäß einer Größe L1 der Welle 28 justiert. In dieser Ausführungsform ist ein großer magnetischer Leckstrom von der Rotorendfläche vorhanden, wenn der axiale Zwischenraum zwischen der Rotorendfläche und dem Hall IC weniger als 2,3 mm ist, so dass ein normaler Betrieb nicht stattfinden kann. Daher wird die Größe L1 auf 2,3 mm oder mehr festgelegt.
Es wurde experimentell über den magnetischen Fluss herausgefunden, dass eine Dicke des Felddauermagneten proportional im Verhältnis zu dem Raum zwischen der Rotorendfläche und dem Hall IC ist. Wenn der Felddauermagnet dicker wird, nimmt insbesondere der magnetische Leckfluss von dem Felddauermagnet zu und, selbst wenn der Hall IC von der Rotorendfläche getrennt wird, kann eine Erfassung stattfinden. Weiterhin wird der Leiter 14b in die Anschlussfläche 20 von einer oberen Fläche P der magnetischen Sensortafel 15 eingeführt und durch Löten oder mit einem Harz fixiert.
Fig. 12 ist eine Seitenansicht, die eine ändere Ausführungsform des Hall ICs und der Rotorendfläche zeigt. In diesem Fall sind die magnetische Sensortafel 15 und der magnetische Sensor (Hall IC) 16 angebracht, dass sie entgegengesetzt zur oben beschriebenen Ausführungsform gerichtet sind. Der Raum zwischen dem Rotor 8 und der magnetischen Sensortafel 15 wird gemäß einer Größe L2 einer gestuften Welle 28 justiert und der Montageraum des Hall ICs ist gleich der Größe L2. Da das Wellenende 28a in der entgegengesetzten Richtung eingeführt wird und ein Verlöten in der entgegengesetzten Richtung stattfindet oder die Anschlussflächenseite 15a in Richtung auf die entgegengesetzte Richtung von der Endfläche 8b gerichtet ist, wird ferner ein Verlöten mit der Anschlussflächenseite 15a einfach. Ferner wird der Leiter 14b wie er ist auf eine weite Fläche der Anschlussfläche 20 gelötet und die verlötete Fläche und alle Teile, wie der Hall IC, werden auf der Anschlussflächenseite 15a positioniert, was die Herstellung einfach gestaltet. Auf der Seite entgegengesetzt zur Anschlussfläche 15b ist ein Abschirmblech 29 befestigt, um zu verhindern, dass ein Rauschen der Tafel sich mit einem Rauschen des magnetischen Leckflusses von der Rotorendfläche mischt. Daher kann der magnetische Fluss ohne ein Rauschen vollständig durch den Hall IC erfasst werden. Somit ermöglicht das Haften des Schirmblechs 29 an der Gegenanschlussflächenseite, ein stabiles Signal nach außen auszugeben und auch einen magnetischen Fluss in der Nähe von etwa 30% zur Rotorendfläche im Vergleich zum gewöhnlichen Raum zwischen der Rotorendfläche und der Sensortafel, ohne das Schirmblech 29 vorzusehen, zu messen.
Fig. 13 zeigt eine andere Ausführungsform der Rotorendfläche.
Ein Rotor 30 besteht aus magnetischen Polbereichen des Rotors 30b, die radial unter einem Winkel von 90º vorstehen, und Felddauermagneten 31, die in magnetische Polbereiche 30a des Rotors eingeführt sind. In der Mitte des Rotors 30 ist eine drehbare Welle 32 eingeführt und die drehbare Welle 32 und der Rotor 30 sind integral durch Schrumpfpassung aufeinander gepasst.
Jeder Felddauermagnet 31 ist in die Basen aller anderen magnetischen Polbereiche 30a so eingepasst, dass ein N Pol (oder S Pol) auf der Seite der drehbaren Welle positioniert ist. Die magnetischen Flüsse der Felddauermagneten 31 werden durch die vorderen Enden der magnetischen Polbereiche 30a geführt, so dass sie in oder aus der äußeren Umfangsfläche jedes magnetischen Polbereichs 30b des Rotors gelangen. Somit wird der Rotor 30 wechselweise in N und 5 Pole in der Umfangsrichtung magnetisiert. Ein Gebiet zwischen imaginären Linien B-C in der Zeichnung (in diesem Fall ist ein Abstand von der Mittelachse zwischen R23 mm bis R26 mm) gibt ein Gebiet an, in dem, wenn eine Oberseite 33 eines Hall ICs 32 in dieses Gebiet durch die Rotation des Rotors 30 gelangt, ein Schaltabschnitt des magnetischen Flusses stabil wird und der Motor betrieben werden kann.
Ferner bezeichnet eine Fläche zwischen den imaginären Linien B-D (in diesem Fall ist ein Abstand von der Mittelachse zwischen R8 mm und R23 mm) ein Gebiet, in dem der Rotor 30 instabil ist. In diesem Gebiet haben die magnetischen Flüsse der magnetischen Polbereiche, die den Felddauermagnet haben und nicht haben, unterschiedliche Bewegungen, der Schaltabschnitt des magnetischen Flusses wird instabil und der Motor kann nicht betrieben werden.
Bei der obenstehenden Beschreibung wurde ein magnetisches Sensorsignal erklärt, das von dem magnetischen Leckfluss von der Rotorendfläche genommen wird, die Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt. Wenn seltene Erdmagneten, die eine hohe Energieproduktion haben (BHMAX25MGOe) in den Rotor eingeführt werden, so dass sie eine magnetische Saturation mindestens an einem Punkt auf der Rotorendfläche hervorrufen und ein magnetischer Leckfluss beabsichtigt zur Außenseite des Rotors fließt, nimmt die Magnetismusmenge, die zum magnetischen Sensor fließt, zu und die Erfassung kann ausreichend einfach gestaltet werden, selbst wenn der magnetische Sensor in seinen Eigenschaften Variationen hat. Insbesondere wenn die magnetische Saturation nahe an einem Ort ist, in dem die Pole geschaltet werden, kann die Erfassung an einem Punkt stabil gestaltet werde, der dazu neigt, instabil zu sein. Ferner ist zu verstehen, dass die Zuverlässigkeit des Motors verbessert wird und das Zusammenbauen vereinfacht wird, indem der axiale Abstand zwischen dem magnetischen Sensor und der Rotorendfläche vergrößert wird.
Wie es aus der obenstehenden Beschreibung deutlich wird, ist gemäß dem bürstenlosen Motor der obenstehenden Ausführungsform der magnetische Sensor in einem vorbestimmten Abstand von der Endfläche des Rotors angebracht, um direkt durch den magnetischen Sensor den magnetischen Fluss der Felddauermagneten zu erfassen, der zur Außenseite von der Rotorendfläche leck strömt, so dass, wenn der magnetische Fluss des Rotors während der Rotation in der Rotationsrichtung durch die Wechselwirkung mit den magnetischen Polbereichen des Stators angezogen wird oder der Leitwinkel des magnetischen Flusses abhängig vom Motorstrom (Motordrehmoment) variiert wird, die Position eines Spitzenpunkts der magnetischen Flussdichte im äußeren Raum des Rotors stets erfasst wird, so dass der optimale magnetische Polbereich des Stators angeregt wird, und die Motoreffizienz verbessert werden kann. Zusätzlich hat die maximale Effizienz weniger Änderungen in bezug auf den Montagefehler des Hall ICs in der Rotationsrichtung und der Leitwinkel ist gleich unabhängig von der Last, so dass das Festlegen unter jeder Last geschehen kann.
Da ferner die magnetische Sensortafel Montagelöcher zum Befestigen der Sensortafel hat, die am äußeren Umfang angebracht sind, kann der innere Umfang der Sensortafel zur Drehwelle aufgeweitet werden, der isolierte Raum zwischen den Mustern kann in ausreichendem Maß sichergestellt werden und die Gestalt der Verbindungsanschlussfläche mit dem Leiter kann verändert werden. Als Folge kann der Leiter einfach eingeführt und angeschlossen werden. Eine Veränderung des Abstands des Hall ICs von der Welle ändert ferner den Leitwinkel und der Winkel zwischen den Hall ICs kann verringert werden. Als Folge können die Abmessungen der magnetischen Sensortafel klein gehalten werden und die Kosten reduziert werden.
Unter Verwendung des bürstenlosen Motors der zweiten Ausführungsform wird die bidirektionale Rotation wie beim bürstenlosen Motor der dritten Gruppe beschrieben.
Wie es oben beschrieben ist, verwendet der bidirektional drehbare bürstenlose Motor sechs magnetische Sensoren, da drei magnetische Sensoren im allgemeinen für die Rotation in einer Richtung benötigt werden. Wie es in Fig. 16 gezeigt ist, bestimmten die Erfinder die Nominaleffizienz, die maximale Last und die maximale Rotationsgeschwindigkeit, unter der Annahme, dass die Positionen eines Hall ICs 21 mm, 23 mm, 24,5 mm und 26 mm sind bei einer Position (Leitwinkel 0º) mit der gleichen Effizienz bei einer Drehung im Uhrzeigersinn (CW) und gegen den Uhrzeigersinn (CCW), wobei drei Sensoren als ein Satz verwendet werden. Es ist aus Fig. 16 zu erkennen, dass eine Erfassung nicht durch den Hall IC mit R24,5 mm und R26 mm durchgeführt werden konnte. Wie es ferner in Fig. 17 gezeigt ist, sind im Fall von R23 mm, wenn die gleiche Spannung aufgebracht wird, um CW und CCW zu drehen, die Motoreffizienzen unterschiedlich, die Rotation hat jedoch weniger Variation über den gesamten Bereich und die Nettoeigenschaften (maximale Rotationsgeschwindigkeit) werden gleich. In ähnlicher Weise sind, wie es in Fig. 18 gezeigt ist, im Fall von R21 mm, wenn die gleiche Spannung aufgebracht wird, um CW und CCW zu drehen, die Motoreffizienzen und die Rotationsgeschwindigkeiten unter hoher Last gleich, obwohl die Nettoeigenschaften unterschiedlich sind.
In Fig. 17 und Fig. 18 zeigen 50%, 70% und 100% das Verhältnis zwischen der Rotationsgeschwindigkeit und dem Drehmoment pro Last, und die Kreise zeigen das Verhältnis zwischen dem Schaltkreisstrom und dem Drehmoment. In beiden Zeichnungen gibt die durchgezogene Linie CCW und die gestrichelte Linie CW an.
Wenn der Hall IC auf R23 mm gesetzt wird, eine Rotationsgeschwindigkeit bei 1200 U/min festgelegt wird und das Drehmoment variiert wird, ist ferner die Abweichung der Spitzen der magnetischen Flussdichte außerhalb des Rotors und des Signals des Hall ICs, das von der Rotorendfläche erhalten wird, bei der maximalen Effizienz mit jeweiligem Drehmoment ferner wie folgt:
Es ist aus der obenstehenden Tabelle zu erkennen, dass wenn man R23 mm setzt, die maximale Effizienz weniger Änderung in bezug auf den Montagefehler des Hall ICs in der Rotationsrichtung hat und der Abweichungsgrad unabhängig von der Last gleich bleibt, so dass das Festlegen unter jeder Last vorgenommen werden kann.
Die obenstehende Ausführungsform gibt an, dass die willkürliche Auswahl der Setzposition des magnetischen Sensors ermöglicht, einen Motor zu erzielen, der eine zur Verwendung geeignete Leistung hat, wobei die Struktur nicht verändert wird. Insbesondere wenn die gleiche maximale Rotation und das gleiche Drehmoment für beide Rotationsrichtungen normal und umgekehrt verlangt werden, wird der magnetische Sensor auf beispielsweise die obenstehenden R23 mm gesetzt. In einem Waschmodus, wie bei einem Motor, der für Waschmaschinen verwendet wird, wenn die Leistung wie die Rotationsgeschwindigkeit von 1200 U/min. einem Drehmoment von 0,24 kgm und eine Rotation in beiden Richtungen verlangt wird, bei einem Schleudermodell, wenn die Leistung wie die Rotationsgeschwindigkeit von 2000 U/min. ein Drehmoment von 0,05 kgm und eine Rotation in einer Richtung verlangt wird, wird der magnetische Sensor ferner auf beispielsweise die obenstehenden R21 mm gesetzt. Die obenstehende Beschreibung wurde vorgenommen, wobei der Hall IC seine Position radial verändert hat, und es ist zu verstehen, dass die gleiche Wirkung durch Justieren des Leitwinkels in jeder Radiusposition erzielt werden kann.
Es ist aus der obenstehenden Ausführungsform zu erkennen, dass es bevorzugt wird, ein Muster aus der großen Anzahl von im voraus gesammelten Daten zu wählen, das geeignet zur Anwendung bei einer gewünschten Rotation ist, wie dem obenstehenden Motor für Waschmaschinen, mit Rotationsrichtungen CW und CCW unter den Bedingungen, dass der magnetische Sensor seine Positionen variierend ändert. Bei der obenstehenden Tabelle ist die Abweichung des Hall ICs und der Spitzen der magnetischen Flussdichte von der in Verbindung mit dem bürstenlosen Motor der zweiten Gruppe angegebenen unterschiedlich, da der erstere die Ergebnisse widerspiegelt, die durch die Suche nach Zuständen erzielt wurden, die für die bidirektionale Rotation normal und entgegengesetzt passend sind.
Nun werden Einrichtungen, die für die obenstehenden bürstenlosen Motoren der ersten und zweiten Ausführungsform verwendet werden, um ihre Leistung zu verbessern, beschrieben.
Fig. 19 ist eine Ansicht, die eine magnetische Sensortafel zeigt. Diese Ausführungsform hat eine den Sensor betreibende Leistungszufuhr, die auf der magnetischen Sensortafel 15 angebracht ist. Insbesondere ist eine erzeugende Spule 34 auf der magnetischen Sensortafel 15 angebracht, die erzeugende Spule 34 ist mit einem elektronischen Schaltkreis 35 verbunden, der an eine Stromquelle 36 angeschlossen ist, und die magnetischen Sensoren 16 sind angeschlossen. Bei dieser magnetischen Sensortafel 15 gelangt ein Wechselstrom durch die erzeugende Spule 34 aufgrund eines magnetischen Leckflusses von dem Rotor, wird einer vollen Wellengleichrichtung oder Halbwellengleichrichtung in einem Gleichrichterkreis unterworfen, hat eine Spannung, die in einem Hochschaltkreis stufenweise erhöht wird und wird in der Stromzufuhr durch einen Steuerkreis gespeichert, wie es in Fig. 20 gezeigt ist. Als Steuerkreis werden eine, zwei oder mehr Dioden verwendet, und der Hochschaltkreis ist nach Bedarf angebracht und aus einer Hochschaltspule gefertigt. Wenn die magnetische Sensortafel 15 wie oben beschrieben strukturiert ist, kann der magnetische Leckfluss von dem Rotor effektiv verwendet werden. Eine herkömmlicher Weise verwendete externe Stromzufuhr und eine externe Verdrahtung dafür können vermieden werden. Somit kann die magnetische Sensortafel 15 eine hohe Erzeugungskapazität haben und kompakt einschließlich der magnetischen Sensoren und der Stromzufuhr gestaltet werden. Wie es in Fig. 21 gezeigt ist, kann ferner die erzeugende Spule 34 auch durch Winden einer Hilfsspule auf einem Zahnbereich des Stators 9 gebildet werden. Für die erzeugende Spule 34 wird vorzugsweise eine Blechspule verwendet, die klein und dünn gestaltet werden kann, und für die Stromzufuhr 36 wird ein Hochkapazitätskondensator oder eine Sekundärbatterie, die wiederaufladbar ist, verwendet. Auf diese Weise kann ein Erzeugen mit einem hohen Volumen stattfinden und die Elektrizität kann über die elektronische Schaltkreisstromzufuhr aus dem Motor entnommen werden, um einen externen Betätiger zu steuern.
Fig. 22 zeigt ferner eine andere Ausführungsform, die effektiv den vorher beschriebenen magnetischen Leckfluss verwendet, um ihn als Stromzufuhr zum Steuern des externen Betätigers zu verwenden. In diesem Fall ist ein Teil 41, das in Richtung auf das Gehäuseelement 3 des bürstenlosen Motors 1 vorspringt, auf einer Montageplatte 40 angebracht, an der der bürstenlose Motor 1 befestigt ist, die oben beschriebene erzeugende Spule 34 ist an dem vorderen Ende des Teils 41 angebracht und ein Leiter 14 von der erzeugenden Spule 34 ist mit eine Steuerkreis 42 und einer Batterie 43 verbunden. Andererseits ist ein Loch 3a in dem Gehäuseelement 3 gebildet, so dass es mit der erzeugenden Spule 34 ausgerichtet ist, und das Teil 41 wird durch das Loch 3a geführt, um die erzeugende Spule 34 nahe an der Rotorendfläche 8b festzulegen. In Fig. 22 bezeichnet Referenzziffer 44 ein Loch, durch das die drehbare Welle 7 geführt wird. Die erzeugende Spule 34, die beispielsweise eine Blechspule ist, kann außerhalb des Gehäuseelements 4 gegenüber von dem Gehäuseelement 3 angebracht sein, das in Kontakt mit der Montageplatte 40 ist. Somit kann die erzeugende Spule 34 auf einer geeigneten Platte innerhalb oder außerhalb des Motors angebracht sein, um die erhaltene Leistung für die magnetischen Sensoren und als Antriebsleistung für die Außenseite des Motors zu verwenden. Diese Ausführungsformen, die den magnetischen Leckfluss von dem Rotor verwenden, um eine rückwärts gerichtete elektromotorische Kraft zu erzeugen, können auch verwendet werden, wenn der Rotor sich durch Schwerkraft dreht.
Fig. 23 und Fig. 24 sind Ansichten, die eine andere Ausführungsform der magnetischen Sensortafel zeigen. Hohle Bereiche 15c sind in der magnetischen Sensortafel 15 geformt, die magnetischen Sensoren 16 sind in die hohlen Bereiche 15c gepasst und die vordere und hintere Fläche der magnetischen Sensortafel 15 sind ist aus nicht leitenden Harz 37 geformt, das ein Material enthält, das eine gute Wärmeleitfähigkeit hat, wie Aluminiumoxidmaterial. Da die hohlen Bereiche 15c in der magnetischen Sensortafel 15 gebildet sind, kann bei dieser Struktur eine Positionierung der magnetischen Sensoren einfach durchgeführt werden und ein Ausgießen mit dem strahlenden Harz 37 bietet eine ausreichende Strahlung der magnetischen Sensoren. Herkömmlicherweise wurden die magnetischen Sensoren auf der magnetischen Sensortafel montiert, die daher eine ungleichmäßige Oberfläche aufgrund der magnetischen Sensoren hatte, was es schwierig machte, sie mit einem Harz zu gießen. Bei dieser Ausführungsform jedoch, da die hohlen Bereiche 15c gebildet sind und die magnetischen Sensoren 16 darin eingepasst sind, wird eine Positionierwirkung vorgesehen und die Tafel hat eine glatte Oberfläche, so dass sie einfach mit einem Harz gegossen werden kann. Zusätzlich kann eine Strahlungswirkung durch Gießen mit einem Harz wie oben beschrieben erzielt werden.
Fig. 25 und Fig. 26 zeigen, dass die Spulen 38 als die magnetischen Sensoren verwendet werden. Fig. 25 zeigt Blechspulen und Fig. 26 zeigt Spulen, die toroide Windungen darauf haben. In diesen Fällen wird eine rückwärts gerichtete elektromotorische Kraft erzeugt, wenn der magnetische Leckfluss von dem Rotor die Spulen 38 kreuzt, und wird als ein positionserfassendes Signal verwendet.
Wie es oben beschrieben wurde, kann die Position nicht beim Starten erfasst werden, wenn die elektromotorische Rückwärtskraft verwendet wird, um eine Position zu erfassen, wenn der Rotor stationär bleibt, da die rückwärts gerichtete elektromotorische Kraft noch nicht erzeugt während einer bestimmten Zeit wird. Daher wird die in Fig. 27 gezeigte Steuerung durchgeführt. Insbesondere wird im Flussdiagramm der Fig. 27 zuerst eine Anregung mit einem Strom eines begrenzten Werts eines Strombegrenzers durch ein Antriebssignal durchgeführt, das ein bestimmtes Muster hat. Somit bewegt sich der Rotor in eine Position, die dem Anregungsmuster entspricht und seine Position wird bestimmt. Wenn dann ein Kommutierungssignal in einem Zustand gegeben wird, so dass ein Strom durchgeführt wird, um ein Ausgangsmuster zu schalten, wird der Motor gedreht, dass er die rückwärts gerichtete elektromotorische Kraft erzeugt und die Position wird durch die Spulen erfasst. Wenn solche Spulen verwendet werden, werden die magnetischen Sensoren, wie ein Hall IC und ein Hall IC nicht benötigt, und diese Spulen können kostengünstig hergestellt werden, da Kupferdraht verwendet wird. Sie haben ferner Vorteile, dass eine geringe Anzahl von Anschlüssen im Vergleich zu den herkömmlichen magnetischen Sensoren verwendet wird, sie sind wärmewiderstandsfähig und die Toleranzen sind bei ihrer Herstellung nicht kritisch.
Fig. 28 zeigt, dass der magnetische Sensor 16 bewegbar in bezug auf die Rotorendfläche 8b angebracht ist. Insbesondere ist ein zylindrischer Körper 45 an einem geeigneten Platz innerhalb der Gehäuseelemente 3, 4 angebracht, eine nicht- magnetische Arbeitsstange 46 ist bewegbar axial in dem zylindrischen Körper 45 angebracht, der magnetische Sensor 16 ist an der Arbeitsstange 46 auf ihrer Rotorseite befestigt, und ein Magnet 47 ist am anderen Ende der Arbeitsstange 46 befestigt. Gegenüber dem Magneten 47 ist eine Filmspule 48 außerhalb des Gehäuseelements angebracht zur elektrischen Leitung von ihm. Daher wird die Filmspule 48 durch Durchführen eines Stroms angeregt, der Magnetismus der Filmspule 48 wird durch einen nicht gezeigten Regler verändert, so dass der Magnet 47 angezogen oder abgestoßen wird, der magnetische Sensor 16 wird axial durch die Arbeitsstange 46 bewegt, um einen Abstand von der Rotorendfläche 8b zu justieren, und ein Rotationsgebiet des Motors wird entsprechend verändert. Fig. 29 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen einem Leitwinkel und einem Abstand zwischen dem magnetischen Sensor 16 und der Rotorendfläche 8b zeigt, wenn der magnetische Sensor 16 wie oben bewegt wird. Es ist zu erkennen, dass der Leitwinkel proportional von einem Punkt a in der Zeichnung voranschreitet wenn der magnetische Sensor 16 sich weg von der Rotorendfläche 8b bewegt. Dieser Punkt a wurde experimentell auf einen Wert von 1,5 mal der Dicke des Felddauermagneten 11 bestimmt. In Fig. 30 gibt die durch die Leiterlinie 1 angegebene Linie ferner an, dass der Magnet 47 und die Filmspule 48 gegeneinander abgestoßen werden, oder der Magnet 47 eng an der Rotorendfläche 8b ist, und die Linie, die durch die Leiterlinie 2 angegeben wird, zeigt, dass der Magnet 47 und die Filmspule 48 zueinander angezogen werden, oder der Magnet 47 weg von der Rotorendfläche 8b ist, wie es durch die Leiterlinie 1 angegeben ist. Wenn somit die Position des Magneten 47 gegen die Rotorendfläche 8b bewegbar ist, können Nettoeigenschaften verändert werden. Bei der Erfindung der ersten Gruppe kann, wenn der magnetische Sensor 16 in bezug auf die Rotorendfläche 8b bewegbar angebracht ist, zusätzlich zu den vorher beschriebenen Wirkungen eine Positionierung der Setzposition des magnetischen Sensors in einem Bereich eines Abstands vereinfacht werden oder darunter der magnetische Leckfluss außerhalb der Rotorendfläche direkt erfasst werden und bei einem Abstand oder mehr wird ein Rauschen in dem erfassten Signal aufgrund eines irregulären magnetischen Flusses in der Nähe der Rotorendfläche erzeugt.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen wurden beschrieben unter der Annahme, dass die Temperatur nahezu konstant ist. Wenn die Temperaturbedingungen extrem variabel sind, wenn sich der Motor dreht, wird erwartet, eine Temperaturkompensationseinrichtung zu verwenden. Um Temperaturänderungen zu kompensieren, wird ein Temperatursensor im allgemeinen als wesentliche Komponente verwendet. Daher schlagen die Erfinder eine technische Einrichtung vor, um die Motortemperatur zu erfassen, ohne einen Temperatursensor zu verwenden.
Wie es insbesondere in Fig. 31 gezeigt ist, haben eine Hall Spannung und eine magnetische Flussdichte ein vorbestimmten proportionales Verhältnis und, wie es in Fig. 32 gezeigt ist, haben auch eine magnetische Flussdichte und eine Temperatur ein vorbestimmtes Verhältnis. Fig. 33 zeigt Ausgangsspannungswellenformen des magnetischen Sensors, wenn sich der Rotor dreht. Es ist zu erkennen, dass die magnetische Flussdichte abnimmt, wenn die Magnettemperatur ansteigt, und die Ausgangsspannung des magnetischen Sensors nimmt ab, wenn die magnetische Flussdichte abnimmt. Unter Verwendung dieser Beziehungen oder unter Bestimmung dieser Beziehungen im voraus wird eine Tabelle der magnetischen Flussdichte und Temperatur in der Form beispielsweise eines ROMs in dem Steuerkreis eingebaut, so dass die Motortemperatur entsprechend der Ausgangsspannung des magnetischen Sensors überwacht werden kann. Ferner kann eine Demagnetisierungsmenge des Rotormagneten ebenfalls entsprechend der Ausgangsspannung des magnetischen Sensors erfasst werden. Bei der obenstehenden Struktur wird, da die überwachte Temperatur gemäß einer Änderung bei einem analogen Ausgangswert des magnetischen Sensors erfasst werden kann, ein gesonderter Temperatursensor nicht benötigt, was es ermöglicht, die Kosten zu verringern. Die Demagnetisierung des Rotormagneten aufgrund eines Temperaturanstiegs oder unerwarteter Phänomene können entsprechend einer Änderung im analogen Ausgangswert des magnetischen Sensors erfasst werden, so dass die Verschlechterung der Magnetleistung erkannt werden kann. Nebenbei kann eine Temperatur des Magneten, der gedreht wird, direkt ohne Verwendung eines Temperatursensors erfasst werden.
Im Hinblick auf die Tatsache, dass der magnetische Sensor und die magnetische Flussdichte durch die Temperatur wie oben beschrieben beeinflusst werden, schlägt die folgende Ausführungsform eine Struktur vor, dass das Motorinnere gekühlt werden kann. Wie es insbesondere in Fig. 34 bis Fig. 36 gezeigt ist, wird ein Lüfter gebildet. Fig. 34 und Fig. 35 zeigen, dass vordere Enden 10b der magnetischen Polbereiche einer Stahlplatte 10a des Rotorjochs 10 geneigt in der Form eines Gebläses gebogen sind. Daher wird eine Ventilation durch die vorderen Enden 10b der magnetischen Polbereiche der Stahlplatte 10a durchgeführt, wenn der Rotor gedreht wird, um den magnetischen Sensor zu kühlen. Somit wird eine Wirkung durch Umgebungstemperaturänderungen verringert und eine stabile Ausgangsspannung erreicht. Fig. 36 zeigt, dass ein Lüfter 39, der an der Drehwelle 7 befestigt ist, zwischen der Rotorendfläche 8b und dem magnetischen Sensor 16 angebracht ist. Auf die gleiche Weise wie oben werden der magnetische Sensor und der Motor gekühlt und es kann eine stabile Ausgangsspannung erreicht werden. Dieser Lüfter 39 ist aus nicht-magnetischem Material gefertigt, so dass er nicht den magnetischen Leckfluss von der Rotorendfläche beeinträchtigt. Daher ruft der Lüfter 39 kein Erfassungsversagen hervor.

Industrielle Anwendbarkeit

Die Erfindung kann einen Spitzenwert der magnetischen Flussdichte um einen Rotor in einem bürstenlosen Motor erfassen, der eine Rotationsposition des Rotors unter Verwendung eines magnetischen Sensors erfasst, und ist optimal für einen bürstenlosen Motor, der eine hohe Motoreffizienz haben soll.

Claims

1. Bürstenloser Motor, umfassend einen Stator (9) und einen Rotor (8, 30), der drehbar innerhalb des Stators (9) gelagert ist, wobei der Rotor (8, 30) ein Rotorjoch (10) hat, das durch Laminieren mehrerer Stahlplatten geformt ist, wobei das Rotorjoch (10) eine gerade Anzahl von magnetischen Polbereichen (8a, 30a, 30b) hat, die nach außen vorstehen, und einen Felddauermagnet (11, 1), der in jedem dieser magnetischen Polbereiche (8a, 30a, 30b) oder in jeden anderen magnetischen Polbereich (8a, 30a, 30b) eingeführt ist, gekennzeichnet durch:

- einen magnetischen Sensor (16, 32, 38) zum Erfassen eines von einer Endfläche (8b) des Rotors (8, 30) zwischen den laminierten Stahlplatten eines magnetischen Polbereichs (8a, 30a, 30b) und den laminierten Stahlplatten von dessem benachbarten magnetischen Polbereich (8a, 30a, 30b) nach außen geflossenen magnetischen Flusses;

- wobei der magnetische Sensor (16, 32, 38) in einem vorbestimmten Abstand von der Endfläche (8b) des Motors (8, 30) positioniert ist; und

- wobei der vorbestimmte Abstand in einem Abstandsbereich ist oder geringer ist als das, wo der magnetische Sensor (8, 30) direkt den magnetischen Fluss erfassen kann, der von der Endfläche (8b) des Rotors (8, 30) nach außen geströmt ist, und auch in einem Abstand oder größer ist, bei dem ein Rauschen in einem erfassten Signal aufgrund irregulärer magnetsicher Flüsse in der Nähe der Endfläche (8b) des Rotors (8, 30) erzeugt wird.

2. Bürstenloser Motor nach Anspruch 1, wobei der magnetische Sensor (16, 32, 38) so festgelegt ist, dass er einen Bereich von einem Punkt eines kleinsten Abstands von der Mitte der drehbaren Welle zur Außenseite der Feldmagnete (11, 31) zum äußeren Ende des Rotors (8, 30) scannt.

3. Bürstenloser Motor nach Anspruch 1, wobei das Rotorjoch eine Nut (M) zwischen jedem magnetischen Rotorpolbereich (8a, 30a, 30b) hat, und wobei die Nut (M) einen Boden (MO) hat, der im wesentlichen mit den Relativtrajektorien der Rotation des magnetischen Sensors (16, 32, 38) ausgerichtet ist.

4. Bürstenloser Motor nach Anspruch 1, wobei eine nicht-magnetische Platte (8c) zum Reduzieren eines Rauschens zwischen dem magnetischen Sensor (16, 32, 38) und der Rotorendfläche (8b) angebracht ist.

5. Bürstenloser Motor nach Anspruch 1, wobei eine Endfläche des Feldmagneten (11, 31) mindestens innerhalb der Rotorendfläche (8b) auf der Seite des magnetischen Sensors (16, 32, 38) positioniert ist.

6. Bürstenloser Motor nach Anspruch 1, wobei der magnetische Sensor (16, 32, 38) axial beweglich angebracht ist.

7. Bürstenloser Motor nach Anspruch 2, wobei der magnetische Sensor (16, 32, 38) Verstemmabschnitte (18) hat, um die laminierten Stahlplatten zu befestigen, und die Verstemmabschnitte (18) einen Abstand von der Mitte der drehbaren Welle haben, der kürzer als der Abstand zwischen der Mitte der drehbaren Welle und dem Boden (MO) des magnetischen Sensors (16, 32, 38) ist.

8. Bürstenloser Motor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der magnetische Sensor (16, 32, 38) so festgelegt ist, dass er einen Bereich von einem Punkt eines minimalen Abstands von der Mitte der drehbaren Welle zur Außenseite der Feldmagnete (11, 31) zum Mittelpunkt zwischen der Außenseite der Feldmagnete (11, 31) und dem äußeren Ende des Rotors (8, 30) scannt.

9. Bürstenloser Motor, umfassend einen Stator (9) und einen Rotor (8, 30), der drehbar innerhalb des Stators (9) gelagert ist, wobei der Rotor (8, 30) ein Rotorjoch (10) hat, das durch Laminieren mehrerer Stahlplatten geformt ist, wobei das Rotorjoch eine geradzahlige Anzahl von magnetischen Polbereichen (8a, 30a, 30b) hat, die nach außen vorstehen, und einen Felddauermagnet (11, 31), der in jedem dieser magnetischen Polbereiche (8a, 30a, 30b) eingeführt ist oder in jedem anderen magnetischen Polbereich (8a, 30a, 30b), dadurch gekennzeichnet, dass er eine Vielzahl von magnetischen Sensoren (16, 32, 38) hat, um einen magnetischen Fluss zu erfassen, der zur Außenseite von einer Endfläche (8b) des Rotors (8, 30) geströmt ist, wobei die Vielzahl von magnetischen Sensoren (16, 32, 38) auf Kreisen angebracht sind, die unterschiedliche Durchmesser haben, um einen vorbestimmten Voreilwinkel vorzusehen, wobei ein Rotationswinkel der magnetischen Sensoren (16, 32, 38) justierbar ist, um den Voreilwinkel zu korrigieren, und wobei ein Zwischenraum zwischen den magnetischen Sensoren (16, 32, 38) verengbar ist.

10. Bürstenloser Motor nach Anspruch 1 oder 9, wobei ein Hall IC den magnetischen Sensor (16, 32, 38) bildet und ein Abstand zwischen dem Hall IC und der Rotorendfläche (8b) mindestens größer als die Dicke des Feldmagneten (11, 31) ist.

11. Bürstenloser Motor nach Anspruch 1 oder 9, wobei ein Hall-Element den magnetischen Sensor (16, 32, 38) bildet und eine Entmagnetisierungsmenge von Rotormagneten entsprechend dem Verhältnis zu einer Hall-Spannung, einer magnetischen Flussdichte und einer Temperatur erfassbar ist.

12. Bürstenloser Motor nach Anspruch 1 oder 9, wobei die vorderen Enden (10b) von magnetischen Polbereichen einer Stahlplatte (10a) des Rotorsjochs (10), die einen magnetischen Weg bilden, geneigt in der Form eines Fächers (39) gebogen sind, und eine Belüftung durch die vorderen Enden (10b) der magnetischen Polbereiche bei der Rotation des Rotors (8, 30) bewirkbar ist, um den magnetischen Sensor (16, 32, 38) zu kühlen.

13. Bürstenloser Motor nach Anspruch 1 oder 9, wobei eine erzeugende Spule (34) auf einer magnetischen Sensorplatte (15) angebracht ist, an der der magnetische Sensor (16, 32, 38) montiert ist, so dass eine elektromotorische Rückwärtskraft durch die Spule (34) mit dem ausgeströmten magnetischen Fluss aus dem Rotor (8, 30) erzeugt wird und über einen elektronischen Schaltkreis (35) in einer wiederbeladbaren Stromquelle gespeichert wird.

14. Bürstenloser Motor nach Anspruch 1 oder 9, wobei eine erzeugende Spule (34) auf einem Zahnbereich des Stators (9) angebracht ist, so dass eine elektromotorische Rückwärtskraft durch die Spule (34) mit dem ausgeströmten magnetischen Fluss von dem Rotor (8, 30) erzeugt wird und in einer wiederbeladbaren Stromquelle über einen elektronischen Schaltkreis (35) gespeichert wird.

15. Bürstenloser Motor nach Anspruch 1 oder 9, wobei ein Teil (41), das in Richtung auf ein Gehäuseelement des bürstenlosen Motors vorsteht, auf einer Montageplatte (40) angebracht ist, auf der der bürstenlose Motor angebracht ist, eine erzeugende Spule (34) an dem Teil (41) angebracht ist, das Gehäuseelement ein Loch gebildet hat, so dass es mit der erzeugenden Spule (34) ausgerichtet ist, und das Teil (41) durch das Loch gelangt, um die erzeugende Spule (34) nahe an der Rotorendfläche (8b) festzulegen.

16. Bürstenloser Motor nach Anspruch 1, 2 oder 9, wobei eine erzeugende Spule (34) außerhalb eines Gehäuseelements des Motors angebracht ist, um eine elektromotorische Rückwärtskraft durch die Spule (34) mit dem ausgeströmten magnetischen Fluss aus dem Rotor (8, 30) zu erzielen.