CN105518982A

CN105518982A - 电动机

Info

Publication number: CN105518982A
Application number: CN201380079179.8A
Authority: CN
Inventors: 后藤隆
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2016-04-20
Also published as: WO2015029105A1; JP5855320B2; DE112013007366B4; JPWO2015029105A1; DE112013007366T5; US20160268876A1

Abstract

一种电动机(1)，其具备：磁性体的轴(3)；与轴(3)一体旋转的转子(5)及传感器目标(21)；卷绕于电枢绕组(6)并通过通电产生旋转磁场的定子(7、8)；由定子(7、8)夹持并使转子(5)磁化的励磁磁体(9)；以及设置于定子(7、8)侧，用于判断轴(3)的旋转位置的旋转传感器(20)。旋转传感器(20)内置有传感器磁体和传感器元件，所述传感器磁体产生通过传感器目标(21)的磁场，所述传感器元件检测根据传感器目标(21)的旋转位置而变化的传感器磁体的磁通；旋转传感器(20)被设置为传感器磁体的磁通方向和励磁磁体(9)的磁通方向相同。

Description

电动机

技术领域

本发明涉及一种利用配置于定子的励磁磁体，使转子磁化并使用的电动机。

背景技术

现有的电动机(例如，参照专利文献1)具备：对两个层叠的磁性体分别为N极和S极的凸极以半间距扭转而形成的转子；在磁性体上形成凸极状齿并卷绕于电枢绕组的定子；以及配置于该定子的励磁磁体；通过励磁磁体使转子产生磁场，通过切换电枢绕组的通电使定子齿产生旋转磁场，在这两个磁场的相互作用下，使转子旋转。

在这种电动机中，为了对与转子一体旋转的旋转轴(以下称为轴)的旋转进行控制，需要感测轴的旋转位置、旋转速度、旋转加速度等，一般采用应用旋转传感器进行感测的方法，即将对象物的旋转角转换为磁力变化，非接触地实施检测。旋转传感器一般为检测磁通量的霍尔IC(IntegratedCircuit：集成电路)方式或者检测磁阻的MR(Magnetoresistance：磁致电阻)方式(例如，参照专利文献2～5)。这些方式中，流入设置于轴上的传感器目标中的传感器磁体的磁通会随着轴的旋转而周期性地变化，因此，可以利用传感器元件检测该磁通的变化，判断旋转位置等。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平8-214519号公报

专利文献2：日本专利特开平8-338850号公报

专利文献3：日本专利特开2006-12504号公报

专利文献4：日本专利特开2001-133212号公报

专利文献5：日本专利特开平8-105706号公报

发明的公开

发明所要解决的技术问题

霍尔IC方式或者MR方式的旋转传感器在传感器元件的特性方面，很难判别传感器磁体的磁通和其他外部磁通(例如，位于周边的磁铁的磁场、由周边布线所产生的磁场等)，旋转传感器受到外部磁场的影响，会发生感测不良等问题。

本发明是为了解决上述问题开发而成，其目的在于防止由于外部磁场的影响所导致的旋转传感器的感测不良。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的电动机具备：磁性体的旋转轴；与旋转轴一体旋转的转子；卷绕于电枢绕组并通过通电产生旋转磁场的定子；设置于定子，使转子磁化的励磁磁体；与旋转轴一体旋转的磁性体的传感器目标；设置于定子侧，产生通过传感器目标的磁场的传感器磁体；以及设置于定子侧，检测根据传感器目标的旋转位置而变化的传感体磁体的磁通的旋转传感器；励磁磁体和传感器磁体的磁通方向相同。

本发明的电动机具备：磁性体的旋转轴；与旋转轴一体旋转的转子；卷绕于电枢绕组并通过通电产生旋转磁场的定子；设置于定子，使转子磁化的励磁磁体；与旋转轴一体旋转的传感器磁体；以及设置于定子侧，检测根据传感器磁体的旋转位置而变化的磁通的旋转传感器；励磁磁体和传感器磁体的磁通方向相同。

发明效果

根据本发明，通过使励磁磁体和传感器磁体的磁通方向相同，由励磁磁体泄漏到旋转轴的励磁磁通会叠加到传感器磁体的磁通中，通过旋转传感器的磁通密度变大，从而可以防止由于外部磁场的影响所导致的旋转传感器的感测不良。

附图说明

图1表示本发明实施方式1所涉及的电动机的构成，旋转轴方向X的右侧为总剖视图，左侧为部分剖视图。

图2表示图1的旋转传感器和传感器目标的设置状态，图2(a)为俯视图，图2(b)为侧视图。

图3是表示实施方式1中所使用的旋转传感器的特性的曲线图。

图4是表示实施方式1中所使用的旋转传感器的输出波形的曲线图。

图5是表示实施方式1中所使用的旋转传感器的特性的曲线图，说明通过轴的漏磁通的效果。

图6是表示实施方式1中所使用的旋转传感器的输出波形的曲线图，说明通过轴的漏磁通的效果。

图7是表示增大旋转传感器和传感器目标的设置距离时旋转传感器的输出波形的曲线图。

图8是表示实施方式1中所使用的旋转传感器的可设置范围的俯视图。

图9是表示实施方式1所涉及的电动机所使用的圆筒形的励磁磁体及其磁通密度分布的图。

图10是表示实施方式1所涉及的电动机所使用的长方体形状的励磁磁体及其磁通密度分布的图。

图11是表示实施方式1所涉及的电动机的变形例的图。

图12是表示实施方式1所涉及的电动机的变形例的图。

具体实施方式

为了更详细地说明本发明，以下，依照附图，对本发明的实施方式进行说明。

实施方式1.

图1所示的电动机1在非磁性体的外壳2的内部具备：磁性体的轴(旋转轴)3；可自由旋转地支承轴3的轴承4；与轴3一体旋转的转子5；卷绕于电枢绕组6并通过通电产生旋转磁场的定子7、8；设置于定子7、8之间，使轴3磁化的励磁磁体9；判断轴3的旋转位置的旋转传感器20；对电枢绕组6通电的汇流条10；根据轴3的旋转位置，控制由汇流条10向电枢绕组6的通电的控制基板11。

另外，在图1中，旋转轴方向X的右侧表示的是电动机1的总剖视图，左侧表示的是部分剖视图。并且，在图1中，设置有2个旋转传感器20。

对于由磁性体构成的转子5，以180度的间隔于2处形成向周向外侧突出的突部，在旋转轴方向X的中途使突部呈错开90度的状态(突部5a、5b)。将轴3固定于该转子5，使轴3和转子5一体地旋转，从而将转子5所产生的旋转力输出到外部。将电动机1应用于汽车用涡轮增压机及电动压缩机等产品中时，将轴3连接到涡轮(即所谓的叶轮)的旋转轴，利用电动机1旋转驱动涡轮。

对于由磁性体构成的定子7、8，形成有向周向内侧突出的多个齿7a、8a，沿旋转轴方向X卷绕有电枢绕组6。此外，在定子7、8之间设置有用于使转子5磁化的励磁磁体9。

汇流条10由对铜板的线圈10a进行一体成型的树脂构件构成。线圈10a的一端电连接到电枢绕组6，另一端电连接到控制基板11。控制基板11将未图示的外部电源转换为交流电源，根据旋转传感器20的输出，依次切换线圈10a的相(例如U相、V相、W相这三相)，并向电枢绕组6流入电流。

沿旋转轴方向X被磁化的励磁磁体9的磁通(图1所示的励磁磁通路径)为，从配置于励磁磁体9的N极侧的定子8向转子5的突部5b流出，沿旋转轴方向X进入转子5，从位于S极侧的突部5a流出，并向配置于转子5的S极侧的定子7流入的励磁磁通。如此，励磁磁体9的励磁磁动势作用于转子5，从而将与励磁磁体9的N极侧相向的转子5的突部5b磁化为N极，将与励磁磁体9的S极侧相向的突部5a磁化为S极。如果电流经由汇流条10的线圈10a流入电枢绕组6中，则定子7、8的各齿7a、8a会根据流入的电流方向进行磁化而产生旋转磁场，并产生转矩。利用控制基板11的控制，切换流入电枢绕组6的电流方向，由此，齿7a、8a的NS各极性发生旋转、移动，在磁力作用下，转子5旋转。

接下来，说明旋转传感器20的详细内容。

图2(a)是表示旋转传感器20和传感器目标21的设置状态的俯视图，图2(b)为侧视图。该旋转传感器20是一体具备传感器元件20a及传感器磁体20b、20c的IC芯片，但传感器元件20a和传感器磁体20b、20c也可以分开形成。传感器元件20a使用霍尔元件或者磁阻元件，在图1及图2中，传感器元件20a的感测方向设置为垂直于旋转轴方向X。旋转传感器20中内置的传感器磁体20b、20c为1个以上即可，将各传感器磁体20a、20b的S极朝向传感器目标21侧配置。

在该设置例的情况下，传感器磁体20b、20c的磁通(图1及图2所示的传感器磁通路径)为从传感器磁体20b、20c的N极流入传感器目标21，通过传感器元件20a，返回到传感器磁体20b、20c的S极。

传感器目标21为大致圆板形状的磁性体，固定于轴3的前端部。传感器目标21构成为：在该传感器目标21的外周缘等间隔地设置凸部20a和凹部20b，随着轴3的旋转，传感器目标21和旋转传感器20的距离发生变化。

图3是表示旋转传感器20的特性的曲线图，横轴为旋转传感器20和传感器目标21的距离(例如图中的A1、A2)，纵轴为旋转传感器20可以检测的最低磁通密度(以下，称为最低必要磁通密度)。由曲线图可知，旋转传感器20和传感器目标21的距离越近，则能检测到的磁通密度越小；其距离越远，则检测所需的磁通密度越大。

图4是表示旋转传感器20的输出波形的曲线图，横轴为轴3(以及传感器目标21)的旋转时间，纵轴为旋转传感器20的输出电压。随着轴3的旋转，传感器目标21的凸部21a和凹部21b旋转、移动，因此，传感器目标21和旋转传感器20的距离A、A+R发生变化。这里，将轴3的旋转中心部到凹部21b的距离设为R1，将到凸部21a的距离设为R2，则具有R＝R2－R1这一关系。

旋转传感器20会根据通过自身的磁通密度，输出相应的电压。因此，如图4的曲线图所示，在传感器目标21的凸部21a靠近旋转传感器20时，通过传感器元件20a的磁通密度变大，因此，输出电压变高；相反地，当凹部21b靠近旋转传感器20时，通过传感器元件20a的磁通密度变小，因此，输出电压变低。

再者，虚线所示的最低可输出线相当于图3的最低必要磁通密度，如果通过传感器元件20a的磁通密度低于最低可输出线，则感测不良，难以判别传感器目标21的凸部21a和凹部21b。

接下来，说明电动机1中磁通的流动。

如图1所示，励磁磁体9被夹在定子7、8之间，该结构可以更加良好地传递励磁磁通，构成励磁磁体9、定子8、转子5、定子7、励磁磁体9这样的励磁磁通路径。另外，外壳2为非磁性体，不包括在励磁磁通路径中。

此外，励磁磁体9的励磁磁通向磁性体的轴3泄漏，构成励磁磁体9、定子8、转子5、轴3、传感器目标21、旋转传感器20、定子7、励磁磁体9这样的漏磁通路径。

另一方面，通过旋转传感器20的传感器磁体20b、20c，构成传感器磁体20b、20c、传感器目标21、传感器磁体20b、20c这样的传感器磁通路径。

此时，通过使励磁磁体9的励磁磁通方向和传感器磁体20b、20c的传感器磁通方向一致，通过轴3的励磁的漏磁通和传感器磁体20b、20c的磁通相结合，通过传感器元件20a的磁通密度变大，因此，旋转传感器20对外部磁场的抗性提高。

外部磁场为传感器磁体20b、20c以外的磁场，指***电子设备噪声、布线噪声、励磁磁场等。在电动机1中，在例如通过轴3的励磁的漏磁通的方向和传感器磁体20b、20c的磁通相反时(未图示)，该漏磁通会和传感器磁通相抵消，成为会引起感测不良的外部磁场。

一般，为了防止外部磁场影响旋转传感器20，需要设置外部磁场屏蔽件以覆盖旋转传感器20。但是，若设置外部磁场屏蔽件，则有可能会导致传感器磁体20b、20c的磁场被阻断而无法流入传感器元件20a，导致感测不良。此外，随着元件数量的增加，会导致成本增大，设置空间变大会导致产品容量增大。

至于其他方法，还有预测外部磁场，尽量将旋转传感器20配置在不会受到外部磁场影响的位置上等方法。在通过轴3的励磁的漏磁通成为引起感测不良的外部磁场时，使旋转传感器20和传感器目标21远离该漏磁通路径，但这样一来会使产品容量增大，产品自身价值降低。此外，如果是类似汽车用马达那样的周边还组装有布线的产品，则很难预测外部磁场。

另外，通过将轴3变更为非磁性体(例如铝)，可以减少通过轴3的漏磁通，但励磁磁体9的励磁磁通路径减少又会导致励磁磁通量降低，电动机1的输出降低。

与此相对，根据本实施方式1的设置方法，旋转传感器20相对于外部磁场的抗性得以提高，因此，不需要采取屏蔽件等外部磁场保护对策。

另外，在本实施方式1中，通过使通过轴3的励磁的漏磁通通过旋转传感器20的传感器元件20a，可以将传感器磁体20b、20c的磁通密度等级设定为较低，从而可以降低传感器磁体20b、20c的成本。例如，可以由钕磁铁或者钐钴磁铁变更为低等级的铁氧体磁铁。

图5是表示旋转传感器20的特性的曲线图，横轴为旋转传感器20和传感器目标21的距离，纵轴为旋转传感器20的最低必要磁通密度。相对于仅有传感器磁体20b、20c的磁通时的最低必要磁通密度(虚线)，加上通过轴3的励磁的漏磁通后，如实线所示，最低必要磁通密度变大。因此，旋转传感器20的感测范围变大，可以对距离较远的传感器目标21进行检测。换言之，即便使用少了相当于漏磁通的量的磁通密度较小的传感器磁体20b、20c而导致最低必要磁通密度降低，但仍然可以检测传感器目标21。

图6是表示旋转传感器20的输出波形的曲线图，横轴为轴3的旋转时间，纵轴为旋转传感器20的输出电压。与仅有传感器磁体20b、20c的磁通时的输出电压(虚线)相比，该传感器磁通加上通过轴3的励磁的漏磁通后的输出电压(实线)变高。换言之，即便是使用少了相当于漏磁通的量的磁通密度较小的传感器磁体20b、20c，仍然可以确保虚线的输出电压，不会发生感测不良。

再者，在本实施方式1中，可以相对于传感器目标21，扩大旋转传感器20的可设置范围，能提高设置自由度。

图7表示增大旋转传感器20和传感器目标21的设置距离的情况下旋转传感器20的输出波形。在图7中，和图4的距离A、A+R相比，增大传感器目标21和旋转传感器20的距离B、B+R(B＞A)。由于距离B+R大于满足旋转传感器20检测出传感器目标21所需要的最低必要磁通密度的距离，因此，如曲线图中的虚线所示，仅有传感器磁体20b、20c的磁通时，当凹部21b正对旋转传感器20时，会发生感测不良。

与此相对，在本实施方式1中，通过轴3的励磁的漏磁通会叠加到传感器磁体20b、20c的磁通中，因此，如图7的曲线图中实线所示，即便传感器目标21的凹部21b正对旋转传感器20时，也不会发生感测不良。因此，可以使旋转传感器20相对于传感器目标21的设置距离大于满足旋转传感器20检测出传感器目标21所需要的最低必要磁通密度的距离。

图8表示旋转传感器20的可设置范围。通常在与传感器目标21相隔距离A的位置处设置旋转传感器20，但根据本实施方式1，可以在相隔比距离A更远的距离B(B＞A)的位置处设置旋转传感器20，可设置范围扩大。

该距离B可以通过磁场分析来决定。

但是，应考虑到旋转传感器20的可设置范围的形状会受到励磁磁体9的形状所左右这一点。图9表示圆筒形的励磁磁体9-1及其磁通密度分布，图10表示长方体形状(或者也可以为正方体形状等)的励磁磁体9-2及其磁通密度分布。磁通密度的测定场所为距离励磁磁体9-1、9-2的表面相同高度的位置处。励磁磁体9-1、9-2均在中央处设有供轴3和转子5插穿的孔。此外，励磁磁体9-1、9-2的磁化方向均为旋转轴方向X。

如图9(a)及图10(a)所示，在励磁磁体9-1、9-2上磁通密度较大，朝向外方及内方则逐渐变小。如果是图9(b)的外观立体图所示的圆筒形的励磁磁体9-1，则磁通密度大小呈同心圆状那样相同，因此，通过以轴3为中心，呈同心圆状地设置多个旋转传感器20，可以无需变更旋转传感器20的规格，便能以相同的传感器控制值进行使用。另一方面，如果是图10(b)的外观立体图所示的长方体形状的励磁磁体9-2，磁通密度并非呈同心圆状那样固定不变，磁通密度会根据场所不同而不同，因此，要设置多个旋转传感器20时，需要根据设置场所变更传感器控制值。

由以上内容可知，根据实施方式1，电动机1具备：磁性体的轴3；与轴3一体旋转的转子5；卷绕于电枢绕组6并通过通电产生旋转磁场的定子7、8；设置于定子7、8，使转子5磁化的励磁磁体9；与转子5一体旋转的磁性体的传感器目标21；设置于定子7、8侧，产生通过传感器目标21的磁场的传感器磁体20b、20c；以及设置于定子7、8侧，检测根据传感器目标21的旋转位置而变化的传感体磁体20b、20c的磁通的旋转传感器20；励磁磁体9和传感器磁体20b、20c的磁通方向相同。由此，从励磁磁体9通过轴3的励磁的漏磁通会叠加于传感器磁体20b、20c的磁通，通过旋转传感器20的磁通密度变大，从而可以防止由于外部磁场的影响所导致的旋转传感器20感测不良。其结果为，不需要采取屏蔽件等外部磁场保护对策，可以实现电动机1的成本降低及小型化。此外，由于通过旋转传感器20的磁通密度变大，旋转传感器20的灵敏度下限值得以提高，从而可以降低传感器磁体20b、20c的等级，降低成本。

此外，由于旋转传感器20的灵敏度下限值得以提高，从而可以使旋转传感器20相对于传感器目标21的设置距离大于满足旋转传感器20检测出传感器目标21所需要的最低磁通密度的距离。由此，旋转传感器20的可设置范围变大，设置自由度提高。

另外，在使励磁磁体9和传感器磁体20b、20c的磁通方向相同时，无需使两磁通方向严格一致，只要在可以实现上述效果的范围内(例如，两磁通方向所成角度在±10°以内)即可。

此外，根据实施方式1，要设置多个旋转传感器20时，其构成为：以轴3为中心呈同心圆状地设置多个旋转传感器20，并且使励磁磁体9为包围轴3的圆筒形(例如，图9的励磁磁体9-1)。由此，无需变更多个旋转传感器20的规格，设置较为容易。

另外，根据本实施方式1，电动机1的构成为：具备非磁性体的外壳2，用于固定定子7、8及励磁磁体9。由此，可以防止出现磁旁路，即励磁磁体9的励磁磁通路径不通过转子5而是通过外壳2，可以防止电动机1的输出降低。

另外，在上述说明中，如图1所示，以传感器元件20a的感测方向垂直于旋转轴方向X的方式设置了旋转传感器20，如图11所示，也可以以传感器元件20a的感测方向平行于旋转轴方向X的方式设置旋转传感器20。该情况下，通过使励磁磁体9的励磁磁通方向和传感器磁体20b、20c的传感器磁通方向一致，从而通过轴3的励磁的漏磁通和传感器磁体20b、20c的磁通相结合，通过传感器元件20a的磁通密度变大。

此外，在上述说明中，如图1所示，其构成为，用旋转传感器20对通过固定于轴3的传感器目标21的磁通进行检测，但也可以如图12所示那样构成为，用旋转传感器30对固定于轴3的传感器磁体31的磁通进行检测。具体而言，使电动机1的构成为，具备：磁性体的轴3；与轴3一体旋转的转子5；卷绕于电枢绕组6并通过通电产生旋转磁场的定子7、8；设置于定子7、8上，使转子5磁化的励磁磁体9；与轴3一体旋转的传感器磁体31；以及设置于定子7、8侧，检测根据传感器磁体31的旋转位置而变化的磁通的旋转传感器30。该构成的情况下，通过使励磁磁体9的励磁磁通方向和传感器磁体31的传感器磁通方向一致，从而通过轴3的励磁流磁通和传感器磁体31的磁通相结合，通过旋转传感器30内置的传感器元件(未图示)的磁通密度也会变大。

除上述内容以外，本申请发明可以在其发明范围内，对实施方式的任意构成要素加以改进，或者省略实施方式的任意构成要素。

工业上的实用性

如上所述，本发明所涉及的电动机使旋转传感器的传感器磁体的磁通方向和励磁磁体的磁通方向一致，防止由励磁磁体的漏磁通引起的旋转传感器的感测不良，因此，适用于搭载有用于磁化转子的励磁磁体的电动机等。

符号说明

1电动机；2外壳；3轴；4轴承；5转子；5a、5b突部；6电枢绕组；7、8定子；7a、8a齿；9、9-1、9-2励磁磁体；10汇流条；10a线圈；11控制基板；20、30旋转传感器；20a传感器元件；20b、20c、31传感器磁体；21传感器目标；21a凸部；21b凹部。

Claims

1.一种电动机，其特征在于，具备：磁性体的旋转轴；

与所述旋转轴一体旋转的转子；

卷绕于电枢绕组并通过通电产生旋转磁场的定子；

设置于所述定子，使所述转子磁化的励磁磁体；

与所述旋转轴一体旋转的磁性体的传感器目标；

设置于所述定子侧，产生通过所述传感器目标的磁场的传感器磁体；以及

设置于所述定子侧，检测根据所述传感器目标的旋转位置而变化的所述传感器磁体的磁通的旋转传感器；

所述励磁磁体与所述传感器磁体的磁通方向相同。

2.一种电动机，其特征在于，具备：磁性体的旋转轴；

与所述旋转轴一体旋转的转子；

卷绕于电枢绕组并通过通电产生旋转磁场的定子；

设置于所述定子，使所述转子磁化的励磁磁体；

与所述旋转轴一体旋转的传感器磁体；以及

设置于所述定子侧，检测根据所述传感器磁体的旋转位置而变化的磁通的旋转传感器；

所述励磁磁体与所述传感器磁体的磁通方向相同。

3.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述旋转传感器相对于所述传感器目标的设置距离大于满足所述旋转传感器检测出所述传感器目标所需要的所述传感器磁体的最低磁通密度的距离。

4.如权利要求2所述的电动机，其特征在于，所述旋转传感器相对于所述传感器磁体的设置距离大于满足所述旋转传感器检测出所述传感器磁体所需要的最低磁通密度的距离。

5.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，设置多个所述旋转传感器时，以所述旋转轴为中心呈同心圆状地设置该多个旋转传感器，并且所述励磁磁体为包围所述旋转轴的圆筒形。

6.如权利要求2所述的电动机，其特征在于，设置多个所述旋转传感器时，以所述旋转轴为中心呈同心圆状地设置该多个旋转传感器，并且所述励磁磁体为包围所述旋转轴的圆筒形。

7.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述旋转传感器为霍尔元件或者磁阻元件。

8.如权利要求2所述的电动机，其特征在于，所述旋转传感器为霍尔元件或者磁阻元件。

9.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述传感器目标为在外周缘具有1处以上凹凸的圆板状构件。

10.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，具备非磁性体外壳，用于固定所述定子及所述励磁磁体。

11.如权利要求2所述的电动机，其特征在于，具备非磁性体外壳，用于固定所述定子及所述励磁磁体。