CN101145719A

CN101145719A - 无铁心电动机

Info

Publication number: CN101145719A
Application number: CNA2007101485052A
Authority: CN
Inventors: 草间健司
Original assignee: Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nidec Instruments Corp
Priority date: 2006-09-15
Filing date: 2007-08-23
Publication date: 2008-03-19
Also published as: US20080073992A1; JP2008072871A

Abstract

一种无铁心电动机(1)，具有：转子(10)，该转子具有周面被磁化成多极的磁铁(15)；定子(30)，该定子通过动压力轴承部(40)而旋转自如地对转子(10)进行支承；空心线圈(16)，该空心线圈配置成隔着空隙与磁铁(15)的周面相对，并具有有利于发生转矩的多个有效导体部(16a、16b)及将相邻的各有效导体部(16a、16b)之间连接的连接导体部(16d)；支承构件(20)，该支承构件具有对空心线圈(16)进行支承的线圈支座部(20a)，线圈支座部(20a)对连接导体部(16d)的周面进行支承，将空心线圈(16)定位在径向。采用本发明，可防止因空心线圈径向倾斜所引起的电动机效果和电动机特性的恶化，可提高电动机的制造效率。

Description

无铁心电动机

技术领域

本发明涉及用作为例如精密设备等的动力源的无铁心电动机，尤其涉及防止电动机特性下降的无铁心电动机。

背景技术

以往，对于用作为例如精密设备等的动力源的一种小型电动机，有如下一种无铁心电动机(所谓内转子式电动机)：在圆筒状的轭铁内表面配置空心线圈，磁化成多极的永久磁铁与轭铁一起在内部进行旋转。该无铁心电动机例如有各种优点：不会发生带铁心电动机那样的齿槽转矩，整流火花少，电气杂音小，转子惯性小，反应性良好。

例如，专利文献1所揭示的无铁心电动机具有：圆柱状的保持架构件固定在旋转轴上、永久磁铁配置在该保持架构件的外周部上的转子；由通过轴承将转子保持成可旋转的末端底座和空心线圈构成的定子。这里，着眼于空心线圈的固定形态时是将固定空心线圈一端部的线圈支座设在末端底座上。具体地说，该线圈支座形成有2个与中心轴同心的圆弧槽，波形的空心线圈的一端部嵌入定位在各圆弧槽中，并且以自立状态固定在该线圈支座上。由此，空心线圈可保持与转子的相对的位置关系。

在专利文献2所揭示的电气电动机中，着眼于由内侧线圈和外侧线圈构成的驱动线圈的固定形态时是将这些嵌入固定在由电气绝缘材料形成的线圈突起部的小径部极大径部上。

专利文献1：日本特开2001-136696号公报(图1)

专利文献2：日本特开2003-111332号公报(图1)

但是，在上述专利文献1或专利文献2所揭示的无铁心电动机中，难以发挥更高的电动机特性(转矩性能)。

首先，对于专利文献1，空心线圈的安装方法如上所述，是将其一端以自立状态固定在作为线圈支座的2个部位的圆弧槽中，由此，对于朝径向的位置错位的抵抗力较弱。并且，因电动机的旋转所引起的振动或因来自外部的振动等的影响，当空心线圈朝径向(的内侧或外侧)倾斜时，转子和定子的同轴度下降，转子和定子的间隙不均匀。其结果，电动机效率和电动机特性下降。当空心线圈的倾斜太大时，最终有可能会使转子与定子接触而将转子锁定。

另外，对于专利文献2，驱动线圈的安装方法如上所述，是将其嵌入固定在线圈突起部的小径部和大径部上，但是该线圈突起部构成高速旋转(即可动)的转子的一部分。因此，与空心线圈安装在静止的末端底座(所谓定子)上的电动机(参照专利文献1)相比，有空心线圈因离心力而发生变形的问题，且在电动机起动或停止时，有可能因转子的惯性效果而使线圈产生活动，耐震性也差。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种无铁心电动机，通过防止空心线圈径向倾斜，从而可防止电动机效率和电动机特性恶化。

为实现上述目的，本发明提供如下无铁心电动机。

(1)无铁心电动机具有：转子，该转子具有周面被磁化成多极的磁铁；定子，该定子通过轴承部而旋转自如地对所述转子进行支承；大致筒状的空心线圈，该空心线圈配置成隔着空隙与上述磁铁的周面相对，并具有有利于发生转矩的多个有效导体部及将相邻的各有效导体部之间连接的连接导体部；支承构件，该支承构件具有对该空心线圈进行支承的线圈支座部，所述线圈支座部对所述连接导体部的周面进行支承，将所述空心线圈定位在径向。

采用本发明，由于无铁心电动机具有：转子，该转子具有周面被磁化成多极的磁铁；定子，该定子通过轴承部而旋转自如地对所述转子进行支承；大致筒状的空心线圈，该空心线圈具有有利于发生转矩的多个有效导体部及将相邻的各有效导体部之间连接的连接导体部；支承构件，该支承构件具有对该空心线圈进行支承的线圈支座部，所述线圈支座部对所述连接导体部的周面进行支承，将所述空心线圈定位在径向，因此，可防止空心线圈径向倾斜的情况，进而可防止电动机效率和电动机特性恶化。

即，通过在支承构件上形成对大致圆筒状的空心线圈的连接导体部的周面进行支承的线圈支座部，空心线圈由与转子的旋转轴平行的面(例如无铁心电动机设置在水平的台上的场合为垂直面)支承。因此，与以往的无铁心电动机相比，空心线圈不容易朝径向倾斜，可防止转子和空心线圈(定子)的同轴度下降，进而可防止电动机特性的下降。

这里，对于“空心线圈”，既可是将线圈卷绕形成为篮筐式的结构，也可是并排规定数(圆弧状)地形成多个弓形线圈的结构。

另外，“线圈支座部”用于对空心线圈的连接导体部的周面进行“支承”，但也可用粘接剂对连接导体部的周面进行支承，也可例如将某一种构件夹装在空心线圈的连接导体部的周面与线圈支座部之间进行支承。

(2)无铁心电动机的特征是，在所述支承构件上形成有突起部，以将所述空心线圈支承定位在轴向。

采用本发明，由于将空心线圈定位在径向及轴向并由支承构件支承，故可防止转子与空心线圈(定子)的同轴度下降，进而可防止电动机特性的下降。

(3)无铁心电动机的特征是，所述支承构件至少所述线圈支座部由铝材构成。

采用本发明，由于将空心线圈的连接导体部的周面支承在线圈支座部上，故与专利文献1的线圈支座相比接触面积扩大，由此，可使空心线圈发生的热量有效地散发到支承构件上，可提高散热特性。此外，由于支承构件至少线圈支座部由铝构成，故可提高支承构件的热传导性，可进一步提高上述的散热特性。

(4)无铁心电动机的特征是，所述空心线圈由沿周向重合有所述有效导体部的多个弓形线圈构成。

采用本发明，由于空心线圈由沿周向重合有所述有效导体部的多个弓形线圈构成，故通过沿周向重合有效导体部并用粘接剂等将重合部分固定，从而可提高大致圆筒状的空心线圈的强度。

(5)无铁心电动机的特征是，所述轴承部是动压力轴承部，该动压力轴承部由陶瓷材料构成。

采用本发明，所述动压力轴承部由陶瓷构成，故刚性高，可获得稳定的动压力效果，同时可减少磨损量，实现高可靠性和长寿命化。

(6)无铁心电动机的特征是，所述空心线圈在周向形成为具有机械角大致90°的宽度，邻接的所述空心线圈之间被定位成沿周向错开大致60°的状态。

(7)无铁心电动机的特征是，所述空心线圈是自我熔接线。

采用本发明，由于空心线圈的线使用自我熔接线(带有粘接剂的线)，故可使重合部分也进行自我熔接固定，由此，可提高空心线圈的强度。

采用本发明的无铁心电动机，可防止空心线圈径向倾斜的情况，可防止电动机效果和电动机特性的恶化。另外，可提高电动机的制造效率，提高散热特性。

附图说明

图1是表示本发明实施形态的无铁心电动机的机械结构的侧视剖视图。

图2是说明空心线圈的安装状态用的说明图。

图3是表示将空心线圈作成大致圆筒状并固定在支承构件上的状态的大致工序图。

图4是表示空心线圈的连接导体部的一例子的示图。

图5是表示本发明的无铁心电动机的另一实施形态的机械结构的侧视剖视图。

具体实施方式

下面，参照附图说明实施本发明用的最佳形态。

图1是表示本发明实施形态的无铁心电动机1的机械结构的侧视剖视图。在本实施形态中，无铁心电动机1是电动机轴固定的内转子式结构，如图1所示，主要包括转子10、定子30和作为轴承部的动压力轴承部40。

图1中，无铁心电动机1的转子10包括转子轮毂11、轴承套13、轭铁14、永久磁铁15及背轭铁17。永久磁铁15的周面交替磁化多极的N极和S极。轭铁14配置在永久磁铁15的内周面上。

另外，背轭铁17由铁等的磁性材料构成，覆盖后述的空心线圈16的外周面地形成为大致圆筒状。

定子具有隔着空隙与构成转子10的永久磁铁15的周面相对的大致圆筒状的空心线圈16、电动机轴12、将电动机的一端支承的支承构件20。

此外，支持构件20具有使因空心线圈16等发生的热量散热的功能，在本实施形态中，由热量传导性良好的铝材构成。

如图1所示，在支持构件20的中央部形成由凹部构成的轴承支持部20c。在轴承支持部20c(凹部)中嵌合固定电动机轴12的一端侧，与该电动机轴12隔着稍许的空隙而配置轴承套13。

在轴承套13的径向外侧(图1的上侧)固定转子轮毂11，在图1的下侧通过轭铁14安装永久磁铁15。

在永久磁铁15的隔着空隙的周面，转子轮毂11上安装有背轭铁17。

另一方面，在支持构件20上，空心线圈16被安装成位于永久磁铁15与背轭铁17的空隙部中。永久磁铁15的磁极检测用的霍尔元件18安装在固定在支持构件20上的传感器基板19上，并配置在永久磁铁15的附近。在本实施形态中，永久磁铁15作成4极(外周面磁化为NSNS)，考虑采用的是空心线圈16的数量总数由6个构成的三相内转子式电动机。

在支持构件20上安装有传感器基板19，传感器基板19上安装了磁极检测用的霍尔元件18。该传感器基板19上实施了对6个空心线圈16进行配线的图形加工，钎焊有线圈线。另外，也可用导线将线圈线引出。

作为轴承部的动压力轴承部40，隔着规定的狭小间隙使形成在电动机轴12(轴构件)上的动压力轴承面和形成在轴承套13(轴承构件)上的动压力轴承面呈径向相对配置，同时，在狭小的间隙(动压力轴承面间)中存在有空气(轴承流体)，利用设在两动压力轴承面的至少一方侧的动压力发生槽41(动压力轴承发生单元)对轴承流体加压而获得的动压力，将所述轴构件和轴承构件支承成可相对旋转。在本实施形态中，在图1所示的无铁心电动机1中呈CCW方向旋转。

此外，在本实施形态中，电动机轴12及轴承套13由陶瓷材料形成。

如此，由用陶瓷材料制作的电动机轴12和轴承套13构成，并构成利用空气动压力的、具有轴承功能的动压力轴承部40，电动机轴12和轴承套13的狭小间隙(动压力轴承面间)小到几微米。

在本实施形态中，动压力轴承部40由陶瓷材料构成，故刚性高，可获得稳定的动压力效果，同时可减少磨损量，实现高可靠性和长寿命化。

在本实施形态中，虽是由使用了空气(轴承流体)的动压力轴承部40构成，但并不限于此，也可是空气以外的滑动轴承。此外，也可使用动压力轴承以外的轴承构件，例如滚珠轴承等的滚动轴承。

在本实施形态中，在电动机轴12的上端(图1)上固定有环状的第一吸引磁铁21，在与该第一吸引磁铁21面对面(周向相对)的位置，环状的第二吸引磁铁22被固定在转子轮毂11的内周面上。

这些第一、第二吸引磁铁21、22实施了在轴向将极性做反的磁化处理，由此，相互磁性吸引，起到相对于定子30在转子10的轴向上的定位作用。

现简单说明无铁心电动机1的装配方法，首先，将电动机轴12固定在支承构件20上，并将安装了磁极检测用的霍尔元件18的传感器基板19安装在支承构件20的电动机轴12侧的面上。接着，将6个空心线圈16作成大致圆筒状地固定在支承构件20上。在无铁心电动机1中，由于空心线圈16在支承构件20上的安装形态是其特征，关于这一点在后面叙述。当空心线圈16的固定结束时，在完成定子(定子组)后，将转子10安装在定子上。这样，就完成了无铁心电动机1。

下面，详细描述上述的空心线圈16的安装形态。图2是用于说明空心线圈16的安装形态的说明图。尤其，图2(a)是空心线圈16的俯视剖视图，图1所示的无铁心电动机1中仅着眼于空心线圈16和支承构件20。另外，图2(b)表示1个空心线圈(弓形线圈)16的外观结构。

根据图2(a)，弯曲成形的空心线圈16(参照图2(b))总数为6个。大致圆筒状地固定在支承构件20上。

各空心线圈16具有有利于发生转矩的多个有效导体部16a、16b以及将相邻的各有效导体部16a、16b之间连接的连接导体部16c、16d。

此外，各空心线圈16以机械角大约90°的宽度形成在周向，相邻的空心线圈16之间以机械角错开大约60°地被定位在周向。即，如图2(a)所示，有效导体部16b、16a被定位成沿周向重合的状态。

如此，空心线圈16通过将有效导体部16b和有效导体部16a沿周向重合，用粘接剂等将重合部分固定，从而可提高作成了大致圆筒状的空心线圈的强度。在本实施形态中，由于(弓形)线圈的线使用了自我熔接线(带有粘接剂的线)，故重合部分也自我熔接固定。由此，可提高空心线圈的强度。

6个空心线圈16中，着眼于一个空心线圈(弓形线圈)16时，与在周向右邻的空心线圈16(如果说是图2(a)，则是与在绕逆时针方向邻接的空心线圈16)相比，一部分配置在电动机轴12的径向内侧，与在周向左邻的空心线圈16(如果说是图2(a)，则是与绕顺时针方向邻接的空心线圈16)相比，一部分配置在电动机轴12的径向外侧。

另外，在相邻的空心线圈16、16之间，在一方的空心线圈16的有效导体部16b上，另一方的空心线圈16的有效导体部16a(参照图4(b))整体宽度重合。但重合量不作限定。

图3是表示将空心线圈16作成大致圆筒状并固定在支承构件20上的状态的大致工序图(模式图)。图3(a)是从斜方看到空心线圈16及支承构件20时的大致立体图，图3(b)是沿纵向将图3(a)切断后的纵剖视图，图3(c)是表示将图3(b)的X部分放大后状态的放大图，图3(d)是表示将空心线圈16嵌合在支承构件20上后状态的大致立体图。

在本实施形态中，如图3所示，在支承构件20上不仅形成上述的轴承支承部20c，而且形成有线圈支座部20a和突起部20b。线圈支座部20a的外径与形成大致筒状的空心线圈16的内径相比形成为相同或稍小(参照图3(c))，空心线圈16的连接导体部16d的内周面用粘接剂固定在该线圈支座部20a(外周面)上。

另外，当将连接导体部16d的内周面嵌合(或固定)在线圈支座部20a(外周面)上时，突起部20b就突出成将一空心线圈(弓形线圈)16的厚度收纳的高度(参照图3(c))。即，被安装成用突起部20b将空心线圈16卡止的状态，空心线圈16的下端部被支承成与突起部20b抵接的状态。这样，空心线圈16在支承构件20上的安装结束(参照图3(d))。

也可在线圈支座部20a与空心线圈16的连接导体部16e之间夹装某一种构件(绝缘构件等)，也可在突起部20b与空心线圈16的下端部之间夹装某一种构件(绝缘构件等)。

在本实施形态中，当加工支承构件20时，可用一次装卡加工由凹部构成的轴承支承部20c和线圈支座部20a，因此，可精度良好地加工轴承支承部20c的内周面和线圈支座部20a的外周面两者的同轴度。与以往技术相比，可减小构成转子10的永久磁铁15及背轭铁17与构成定子30的空心线圈16的间隙。其结果，电动机可更小型化，由永久磁铁15生成的磁通的无效部分(泄漏磁通)较少，可提高电动机效率。支承构件20的线圈支座部20a及突起部20b与空心线圈16接触，故可根据需要实施绝缘处理。

这里，当空心线圈16定位固定在支承构件20上时，支承构件20的线圈支座部20a对连接导体部16d即空心线圈16中基本不影响到电动机特性部分的周面进行支承。图4是表示连接导体部16d即空心线圈16中基本不影响到电动机特性的部分的一例子的示图。

在图4(a)中，在一空心线圈(弓形线圈)16中，上述的连接导体部16c、16d是电流向转子10的与电动机12大约正交的方向流动的正交部(参照图中的斜线部)。这些连接导体部16c、16d(正交部)中，接近支承构件20的一侧是连接导体部16d，流过该连接导体部16d的电流方向(参照图中的箭头)由于成为与电动机轴12大约正交的方向，故基本不影响到电动机特性。因此，只要由线圈支座部20a支承连接导体部16d的(内)周面，就可防止因支承而引起的电动机特性的下降。图4(b)中，表示了当将2个空心线圈(弓形线圈)16重合时基本不影响到电动机特性的2个空心线圈16的连接导体部16d的位置(参照图中的斜线部)。

另外，如图1所示，在本实施形态中，由于将连接导体部16d的整体宽度安装在线圈支座部20a的外周面上，故可支承不影响到电动机特性的部分，不会使电动机特性下降，可缩短电动机整个长度。

采用图1所示的无铁心电动机1，由于将连接导体部16d的内周面嵌合(或固定)在线圈支座部20a(外周面)上，故可防止空心线圈16径向倾斜，可缩短无铁心电动机1的整个长度，可防止电动机效率和电动机特性恶化。另外，可提高无铁心电动机1的制造效率，可进一步提高散热特性。

由于作成对空心线圈16的连接导体部16d的“周面”进行支承的状态，故与支承空心线圈的“一端部”的专利文献1相比，扩大了空心线圈16与线圈支座部20a(专利文献1中为线圈支座)所接触的面积。由此，可有效地使空心线圈16所发生的热量散发到支承构件20上，可提高散热特性。尤其，在将无铁心电动机1用作为需要高转矩的产品(例如风扇电动机等)的驱动源的场合，由于因发热量的增加而使得散热特性变得重要，由此，本发明的无铁心电动机是有用的。

此外，对空心线圈16的连接导体部16d的周面进行支承的线圈支座部20a不是设在可动的转子10侧，而是在定子30侧。由此，空心线圈16所生成的热量通过静止的支承构件20而容易散发。这一点，与只通过转子这种可动部来散发热量的专利文献2相比，具有散热效果优异的效果。

支承构件20由于由热传导率良好的铝构件构成，故可更加提高散热特性。对于该散热特性，只要支承构件20中至少线圈支座部20a是铝构件，就可有利于散热特性提高。

在无铁心电动机1中，由于转子10通过动压力轴承部40而可旋转地被支承在定子30的同心圆上，故可进行定位固定，以使构成定子30的支承构件20(线圈支座部20a)上设置的空心线圈16的圆筒面与构成转子10的永久磁铁15及背轭铁17的相对面成为均匀的距离。因此，空心线圈16的同心圆上存在线圈支座部20a，可进行更可靠的定位。

另外，本发明是通过形成在对所述转子旋转自如支承的支承构件上的线圈支座部而对空心线圈进行支承的。因此，与专利文献2揭示的以往的电气电动机不同，空心线圈不会因离心力而变形，且可有利于空心线圈的固定强度及耐震性的提高。

采用本实施形态的无铁心电动机1，通过将空心线圈16的连接导体部16e支承在线圈支座部20a及突起部20b上，不仅空心线圈16的连接导体部16e的内周面得到支承，而且其下端部也得到支承。其结果，可防止空心线圈16的径向倾斜，与以往相比可稳定地保持空心线圈16。

另外，通过防止空心线圈16径向倾斜，从而可提高永久磁铁15及背轭铁17(转子10)与空心线圈16(定子30)的同轴度，进而可防止电动机特性的下降。当同轴度提高时，多余的间隙就不需要，与以往技术相比可缩小转子10与定子30的间隙。其结果，无铁心电动机1可更加小型化，通过将空心线圈及永久磁铁小型化而减小磁性阻力，可提高电动机特性。

由于空心线圈16由支承构件20支承，故不需要用于支承空心线圈16的夹具，可使电动机制造时的安装作业简单化及提高制造效果。

变形例

在本实施形态中，作为空心线圈16，采用了并排规定数量地形成有多个弓形线圈的结构，例如如图4(c)所示，即使是采用了将线圈卷绕形成为篮筐式的空心线圈16A的场合，也可以说是相同的。即，由线圈支座部20a对空心线圈16A的连接导体部16d的周面即空心线圈16A中基本不影响到电动机特性的部分进行支承，因此，可防止电动机特性下降，并可防止转子10与空心线圈16A的同轴度下降。

如图4(d)所示，还考虑到了线圈卷绕形成为篮筐式的空心线圈16B的展开图为三角波状的场合。如此，即使是电流向转子10的与电动机轴12大致正交的方向流动的场合(参照图中的箭头)，只要形成有线圈支座部20a，以对空心线圈16B的连接导体部16e的周面即基本不影响到电动机特性的部分进行支承，本发明就是可适用的。

当例如将篮筐式的空心线圈16B展开时，也可采用矩形波、菱形或六角形等形状的卷绕方法。另外，通过并排多个弓形线圈而形成空心线圈时，各弓形线圈成为大致四方形框的形状。

在本实施形态中，考虑的是4(极)—6(空心线圈数)结构的三相内转子式电动机，但例如也可是二相电动机，也可是外转子式电动机，例如8-12结构的电动机，无论什么种类均可。另外，在本实施形态中，是将6个空心线圈16固定，但所使用的空心线圈16不限于上述的数量和形状。

另外，在本实施形态中，说明了将电动机轴12固定在支承构件20上的轴固定式无铁心电动机结构，但例如如图5所示，也可将轴承套13A固定在支承构件20上，转子10被支承成旋转自如。即，也可是以下结构：电动机轴12固定在转子轮毂11上，空心线圈16及轴承套13A固定在支承构件20上，固定在转子轮毂11上的永久磁铁15使空心线圈16与轴承套13A的空隙旋转。

本发明的无铁心电动机，对于可防止空心线圈径向倾斜、进而可防止电动机效率和电动机特性恶化是有效的。

Claims

1.一种无铁心电动机，其特征在于，具有：转子，该转子具有周面被磁化成多极的磁铁；定子，该定子通过轴承部而旋转自如地对所述转子进行支承；空心线圈，该空心线圈配置成隔着空隙与上述磁铁的周面相对，并具有有利于发生转矩的多个有效导体部及将相邻的各有效导体部之间连接的连接导体部；支承构件，该支承构件具有对该空心线圈进行支承的线圈支座部，

所述线圈支座部对所述连接导体部的周面进行支承，将所述空心线圈定位在径向。

2.如权利要求1所述的无铁心电动机，其特征在于，所述支承构件上形成有突起部，以将所述空心线圈支承定位在轴向。

3.如权利要求1或2所述的无铁心电动机，其特征在于，所述支承构件，其至少所述线圈支座部由铝材构成。

4.如权利要求1所述的无铁心电动机，其特征在于，所述空心线圈由沿周向重合有所述有效导体部的多个弓形线圈构成。

5.如权利要求1所述的无铁心电动机，其特征在于，所述轴承部是动压力轴承部，该动压力轴承部由陶瓷材料构成。

6.如权利要求4所述的无铁心电动机，其特征在于，所述空心线圈在周向形成为具有机械角大致90°的宽度，邻接的所述空心线圈之间被定位成沿周向错开大致60°的状态。

7.如权利要求1所述的无铁心电动机，其特征在于，所述空心线圈是自我熔接线。