專利名稱：三相永磁無刷電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三相永磁無刷電機(jī)，特別是涉及降低制造偏差的低齒槽轉(zhuǎn)矩(cogging torque)壓粉磁心永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
永磁無刷電機(jī)，變換效率高，作為產(chǎn)業(yè)、家電、機(jī)動(dòng)車領(lǐng)域的將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率的驅(qū)動(dòng)用設(shè)備使用。并且不僅要提高效率，而且也要重視電機(jī)的小型化，通過含有稀土類的高磁能積磁鐵的采用以及由磁心分割(core division)加工法等得到的定子磁心的線圈高密度化等而實(shí)現(xiàn)小型化。
但是，永磁無刷電機(jī)由于磁鐵的磁能積高，所以產(chǎn)生由磁鐵的極數(shù)和定子磁心的槽數(shù)的關(guān)系產(chǎn)生的被稱為齒槽轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)扭矩(pulsatiletorque)，因此也有使用無磁鐵的感應(yīng)電機(jī)以及無鐵心電機(jī)的情況。這樣的電機(jī)其齒槽轉(zhuǎn)矩小，但在能量的轉(zhuǎn)換效率方面比用了永久磁鐵的電機(jī)差。因此，優(yōu)選減小永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。
作為減小永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩的方法，如專利文獻(xiàn)1、2所示，已知可使用磁鐵的極數(shù)和定子槽數(shù)的關(guān)系的組合來增大最小公倍數(shù)的方法。通過使用該方法，能夠減小齒槽轉(zhuǎn)矩的周期，并且能夠減小振幅。
專利文獻(xiàn)1專利2954552號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2專利2743918號(hào)公報(bào)但是，在用高磁能積磁鐵而小型化、高效化的電機(jī)中，即使用專利文獻(xiàn)所示的極數(shù)和槽數(shù)的組合進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)，也可能由于制造偏差造成的尺寸精度的不良而招致齒槽轉(zhuǎn)矩的增加。
在制造普通電機(jī)時(shí)，定子鐵心通過沖壓并層疊電磁鋼板而構(gòu)成。此外，為了實(shí)現(xiàn)定子線圈的高密度化，需要將定子鐵心很細(xì)地分割，進(jìn)行再組裝而構(gòu)成定子鐵心。在此過程中，由于沖壓精度、層疊精度、分割再組裝精度、還有電磁鋼板等的特性誤差、對(duì)鐵心的應(yīng)力的賦予狀態(tài)等而產(chǎn)生誤差，將上述這些復(fù)合的制造上的偏差影響定子鐵心的內(nèi)徑尺寸、磁特性等。該偏差也隨制造條件而變化，不能保證每次得到相同的性能的產(chǎn)品。
在要將齒槽轉(zhuǎn)矩降低到最小限的應(yīng)用以及需要統(tǒng)一規(guī)格的電機(jī)應(yīng)用中，不希望由這些制造偏差造成齒槽轉(zhuǎn)矩的偏差。因此，希望一種可抑制制造上的尺寸偏差及磁特性偏差，且可降低齒槽轉(zhuǎn)矩的永磁無刷電機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的問題點(diǎn)而構(gòu)成的，其目的在于，提供三相永磁無刷電機(jī)，其能夠抑制制造上的尺寸及磁特性的偏差，且能夠抑制制造上的偏差造成的齒槽轉(zhuǎn)矩的增加。
實(shí)現(xiàn)上述目的的本發(fā)明是三相永磁無刷電機(jī)，其由具有三相線圈的定子和以具有多個(gè)極的永久磁鐵為磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其特征在于，所述定子的至少齒部使用高密度壓縮成形的壓粉磁心成形體構(gòu)成定子磁心，在所述轉(zhuǎn)子的極數(shù)和所述定子的槽數(shù)的關(guān)系為在極數(shù)為16以下、槽數(shù)為12以下的范圍內(nèi)，成為槽數(shù)和極數(shù)的最小公倍數(shù)為60以上的組合。
所述壓粉磁心成形體將磁性粉末壓縮成形，密度為7.5g/cm3以上。
另外，具有至少所述齒部分的密度誤差以磁化特性計(jì)被抑制在5％以內(nèi)，尺寸誤差被抑制在開口(gap)部尺寸的1/20以下而成形的壓粉磁心成形體。
另外，由所述轉(zhuǎn)子的極數(shù)和所述定子的槽數(shù)的關(guān)系發(fā)生的齒槽轉(zhuǎn)矩的主成分周期為60以上。
根據(jù)本發(fā)明，在幾乎沒有質(zhì)量偏差的狀態(tài)下可小型化、高效化，并且可實(shí)現(xiàn)具有低齒槽轉(zhuǎn)矩特性的三相永磁無刷電機(jī)。由此，有助于使用了該電機(jī)的機(jī)動(dòng)車、家電、產(chǎn)業(yè)用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等的小型化、提高效率、和提高操作性、提高控制性等。


圖1是表示本發(fā)明一實(shí)施例的電機(jī)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有的電機(jī)結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖2是表示磁極數(shù)和槽數(shù)的組合與齒槽轉(zhuǎn)矩的關(guān)系的說明圖。
圖3是表示有尺寸誤差時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩的分析結(jié)果的說明圖。
圖4是表示有磁特性(導(dǎo)磁率)誤差時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩的分析結(jié)果說明圖。
圖5是表示磁極數(shù)和槽數(shù)的組合與齒槽轉(zhuǎn)矩的說明圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的三相永磁無刷電機(jī)，為了同時(shí)滿足高效率和低齒槽轉(zhuǎn)矩性能、并且降低制造誤差這樣相反的目的，由高密度的壓粉磁心構(gòu)成定子鐵心，并且通過極數(shù)和槽數(shù)的關(guān)系的組合達(dá)到齒槽轉(zhuǎn)矩減小。
具體地說，定子的整體或至少齒部使用高密度壓縮成形的壓粉磁心成形體構(gòu)成定子磁心。壓粉磁心成形體由磁性粉末壓縮成形、密度為7.5g/cm3以上。其結(jié)果是，至少所述齒部的密度誤差以磁化特性計(jì)被抑制在5％以內(nèi)，尺寸誤差被抑制在開口部尺寸的1/20以下。
另外，所述轉(zhuǎn)子的極數(shù)和所述定子的槽數(shù)的關(guān)系為在極數(shù)為16以下、槽數(shù)為12以下的范圍內(nèi)，成為槽數(shù)和極數(shù)的最小公倍數(shù)為達(dá)到60以上的組合。在此，采用以下情況的組合轉(zhuǎn)子的極數(shù)為8、定子的槽數(shù)為9的情況；轉(zhuǎn)子的極數(shù)為10、定子的槽數(shù)為12的情況；以及轉(zhuǎn)子的極數(shù)為14、定子的槽數(shù)為12的情況。
通過這種電機(jī)結(jié)構(gòu)，能夠同時(shí)滿足所述的相反目的。下面，用附圖對(duì)一實(shí)施例進(jìn)行說明。
圖2表示通過所述的專利文獻(xiàn)了解了永磁無刷電機(jī)的定子磁心槽數(shù)和轉(zhuǎn)子永久磁鐵的極數(shù)的組合的關(guān)系。表中縱軸表示極數(shù)，橫軸表示槽數(shù)，圖中的數(shù)字表示槽數(shù)和極數(shù)的最小公倍數(shù)。圖中的記號(hào)表示齒槽轉(zhuǎn)矩的大小，○是能夠最大限度降低齒槽轉(zhuǎn)矩的組合，□是中等程度、△是齒槽轉(zhuǎn)矩大的組合。×和空白表示在三相電機(jī)上不能成立的組合。
本實(shí)施例中以壓粉磁心為電機(jī)鐵心，并且在小型永磁電機(jī)上使用的磁極數(shù)為16以下、槽數(shù)為12以下的范圍內(nèi)，采用以下的組合轉(zhuǎn)子的極數(shù)為8、定子的槽數(shù)為9的情況；轉(zhuǎn)子的極數(shù)為10、定子的槽數(shù)為12的情況；以及轉(zhuǎn)子的極數(shù)為14、定子的槽數(shù)為12的情況。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)滿足電機(jī)的效率提高、低齒槽轉(zhuǎn)矩性能、且制造偏移降低這樣相反的項(xiàng)目。使用解析式探討的例子對(duì)該理由進(jìn)行說明。
圖1表示三相永磁電機(jī)的立體圖。圖1A表示本發(fā)明一實(shí)施例的將壓粉磁心用于定子鐵心的電機(jī)結(jié)構(gòu)，圖1B表示由電磁鋼板構(gòu)成的與圖1(A)相同形式的電機(jī)結(jié)構(gòu)。
本實(shí)施例的電機(jī)結(jié)構(gòu)，設(shè)置有用壓粉磁心一體形成的定子磁心1。永久磁鐵轉(zhuǎn)子2顯示為環(huán)狀，該圖是外轉(zhuǎn)形轉(zhuǎn)子，極數(shù)為10極。
定子磁心1有12個(gè)槽1’，由通過將磁性粉末壓縮成形得到的壓粉磁心構(gòu)成，定子整體為一體結(jié)構(gòu)，成為未分割的結(jié)構(gòu)，其成形體密度為7.5g/cm3以上。
這樣，高密度成形的壓粉磁心有良好的磁特性，由于磁粉彼此被電絕緣，所以幾乎也不產(chǎn)生渦電流。另外，因?yàn)橛猛粋€(gè)金屬模成形，所以能按照金屬模尺寸高精度成形。另外，因?yàn)闆]有經(jīng)過燒結(jié)等高溫處理，故成形后也能保持其尺寸，且作為最終產(chǎn)品使用狀態(tài)下的尺寸精度高。另外，在本實(shí)施例中壓粉磁心的尺寸誤差被抑制在開口部尺寸的1/20以下。由此，能夠抑制尺寸精度誤差造成的齒槽轉(zhuǎn)矩的增加。
作為比較對(duì)象，說明由現(xiàn)有的電磁鋼板構(gòu)成的情況的齒槽轉(zhuǎn)矩的增加。圖1B是具有組裝了電磁鋼板的定子1的電機(jī)，(a)由于沖床的精度、層疊組裝沖壓品時(shí)的尺寸誤差、(b)鐵板的沖壓方向產(chǎn)生磁特性的不同，還有，(c)由于沖壓時(shí)的應(yīng)力附加狀態(tài)(殘留應(yīng)力等)造成的磁特性的局部變化會(huì)產(chǎn)生制造偏差。
這些原因產(chǎn)生的制造偏差成為開口的磁通密度偏差，且成為齒槽轉(zhuǎn)矩增加的主要原因。本來，在通過極數(shù)的組合減小產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)中，制造偏差影響齒槽轉(zhuǎn)矩性能的偏差。
圖3A～3C表示對(duì)產(chǎn)生了原因(a)的尺寸偏差時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩的影響進(jìn)行了磁場(chǎng)分析的結(jié)果。圖3A是考慮到尺寸誤差時(shí)的模型，對(duì)認(rèn)為尺寸誤差為1個(gè)齒心突出的情況進(jìn)行了分析。圖3B表示該分析模型。該模型是極數(shù)為10、槽數(shù)為12的組合例。
在此，以由壓粉磁心構(gòu)成的定子(因一體成形，定子內(nèi)徑的圓度可達(dá)到0μm)和用電磁鋼板沖壓、疊壓成的鐵心齒的突出分別為15μm、30μm左右的制造誤差的情形作為研究對(duì)象，分析齒槽轉(zhuǎn)矩。還有，齒的突出30μm是開口尺寸的1/15左右的誤差。
圖3C是齒槽轉(zhuǎn)矩的分析結(jié)果，縱軸表示齒槽轉(zhuǎn)矩，橫軸表示轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度。能夠確認(rèn)齒槽轉(zhuǎn)矩在圓度不均的硅鋼板(尺寸誤差30μm)的情況下，振幅為由壓粉磁心構(gòu)成的電機(jī)(無尺寸誤差)的約10倍。
本來的齒槽轉(zhuǎn)矩周期為極數(shù)和槽數(shù)的最小公倍數(shù)。即，此例為12槽10極，所以每轉(zhuǎn)為60，達(dá)到壓粉磁心電機(jī)的分析結(jié)果的齒槽轉(zhuǎn)矩周期。但是，由于制造偏差而產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩的周期根據(jù)轉(zhuǎn)子極數(shù)的次數(shù)，為每轉(zhuǎn)10周期。所以，在沖床的精度和組裝精度有問題的情況下，齒槽轉(zhuǎn)矩與該精度的不良度成正比例，構(gòu)成誤差的結(jié)果。從該結(jié)果可知，由壓粉磁心構(gòu)成的電機(jī)磁心，在上述設(shè)定組合的槽和極數(shù)的情況下，能夠大幅度減低齒槽轉(zhuǎn)矩。
圖4A～4C表示定子鐵心的一部分有導(dǎo)磁率(磁特性)偏差時(shí)的分析結(jié)果。該模型是極數(shù)為10、槽數(shù)為12的組合例。圖4A是磁性材料(電磁鋼板)的BH曲線圖，表示正常的導(dǎo)磁率和5％劣化的模型。使用該磁特性模型，用磁場(chǎng)分析的方法分析對(duì)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩有怎樣的影響。
圖4B表示磁場(chǎng)分析的模型，是定子磁心的尺寸完全高精度地完成的模型，用具有僅一個(gè)齒(例如1a)前端的一部分劣化5％的磁特性的模型進(jìn)行分析。
圖4C表示分析結(jié)果，在磁特性正常的情況下(壓粉磁心模型)齒槽轉(zhuǎn)矩幾乎不會(huì)產(chǎn)生。但是，在齒前端最頂部也有導(dǎo)磁率不同的情況(硅鋼板沖壓層疊的情況)下，與正常時(shí)相比，為約20倍的振幅的齒槽轉(zhuǎn)矩。其周期達(dá)到轉(zhuǎn)子極數(shù)的次數(shù)(每轉(zhuǎn)10周期)。
這樣，在由沖壓將電磁鋼板沖壓層疊的情況下，由于沖壓時(shí)給予電磁鋼板鐵心的影響不同，所以在齒端部等產(chǎn)生殘留應(yīng)力，磁特性(導(dǎo)磁率)產(chǎn)生偏差，齒槽轉(zhuǎn)矩的偏差變大。但是，在本實(shí)施例的壓粉磁心的情況下，其成形壓力高，且通過一體成形，導(dǎo)磁率總是為各向同性，能夠均質(zhì)地制造，所以可達(dá)到與設(shè)計(jì)值同等的齒槽轉(zhuǎn)矩，得到低齒槽轉(zhuǎn)矩的電機(jī)。
接著，說明磁極數(shù)、槽數(shù)的組合和齒槽轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。圖5A和5B是改變極數(shù)和槽數(shù)的組合來顯示齒槽轉(zhuǎn)矩的特性的圖，并表示按照本發(fā)明所主張的槽組合以外的組合得到的齒槽轉(zhuǎn)矩的分析結(jié)果。
圖5A為8極-12槽的組合，是壓粉磁心(無導(dǎo)磁率誤差)、硅鋼板(有導(dǎo)磁率誤差)、硅鋼板(尺寸誤差30μm)三種圖形的計(jì)算結(jié)果。圖5B為6極-9槽的組合，是和圖5A相同的三種圖形的計(jì)算結(jié)果。電機(jī)是使齒的磁通密度大致相同而進(jìn)行了等效設(shè)計(jì)的規(guī)格相同的電機(jī)。
如圖5A所示，按8極-12槽的組合的齒槽轉(zhuǎn)矩，在齒有尺寸誤差的情況、導(dǎo)磁率有誤差的情況、導(dǎo)磁率和尺寸都沒有誤差的情況(壓粉磁心)下，為轉(zhuǎn)矩振幅幾乎沒有變化的結(jié)果。另外，齒槽轉(zhuǎn)矩的振幅比10極-12槽的電機(jī)(圖3c)的壓粉磁心鐵心大30倍以上，尺寸及導(dǎo)磁率無誤差的情況的周期也大到每轉(zhuǎn)24周期。同樣，在6極9槽(圖5B)的情況下，和圖5A相同，本來的周期、振幅都大，尺寸及導(dǎo)磁率有誤差的情況和壓粉磁心的情況的不同幾乎看不出。此結(jié)果認(rèn)為制造誤差對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響只是對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的周期小的組合才產(chǎn)生。
齒槽轉(zhuǎn)矩的主成分周期取決于磁極數(shù)和槽數(shù)的最小公倍數(shù)。齒槽轉(zhuǎn)矩的周期小的組合如圖2所示，周期比每轉(zhuǎn)60周期的10極12槽的構(gòu)造小，易受誤差造成的影響。
因此，使用壓粉磁心減少尺寸、導(dǎo)磁率等偏差的效果在以下的組合中是有效的，即，磁極數(shù)和槽數(shù)的最小公倍數(shù)為60以上，換言之，齒槽轉(zhuǎn)矩的主成分的周期為60以上。具體來說，是轉(zhuǎn)子極數(shù)為8、定子槽數(shù)為9的組合；轉(zhuǎn)子極數(shù)為8、定子槽數(shù)為12的組合以及轉(zhuǎn)子極數(shù)為14、定子槽數(shù)為12的組合。
本實(shí)施例中，表示了外轉(zhuǎn)形電機(jī)的例子，但是，對(duì)于轉(zhuǎn)子在內(nèi)側(cè)的內(nèi)轉(zhuǎn)形電機(jī)來說，也可以得到同樣的效果。
權(quán)利要求
1.一種三相永磁無刷電機(jī)，由具有三相線圈的定子和以具有多個(gè)極的永久磁鐵作為磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其特征在于所述定子的至少齒部使用高密度壓縮成形的壓粉磁心成形體構(gòu)成定子磁心，所述轉(zhuǎn)子的極數(shù)和所述定子的槽數(shù)的關(guān)系為在極數(shù)為16以下、槽數(shù)為12以下的范圍內(nèi)，槽數(shù)和極數(shù)的最小公倍數(shù)為60以上的組合。
2.如權(quán)利要求1所述的三相永磁無刷電機(jī)，其特征在于所述壓粉磁心成形體的壓粉密度為7.5g/cm3以上。
3.如權(quán)利要求1所述的三相永磁無刷電機(jī)，其特征在于具有至少所述齒部分的密度誤差以磁化特性計(jì)被抑制在5％以內(nèi)、以及尺寸誤差被抑制在開口部尺寸的1/20以下而成形的壓粉磁心成形體。
4.如權(quán)利要求1所述的三相永磁無刷電機(jī)，其特征在于由所述轉(zhuǎn)子的極數(shù)和所述定子的槽數(shù)的關(guān)系產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩的主成分的周期為60以上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種三相永磁無刷電機(jī)，在針對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了最佳設(shè)計(jì)的電機(jī)中，抑制由于制造上的尺寸及導(dǎo)磁率的偏差而增加的齒槽轉(zhuǎn)矩。該三相永磁無刷電機(jī)由具有三相線圈的定子(1)和以具有多個(gè)極的永久磁鐵作為磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)子(2)組成，其中，定子(1)使用高密度壓縮成形的壓粉磁心成形體。轉(zhuǎn)子(2)的極數(shù)和定子(1)的槽數(shù)的關(guān)系為在極數(shù)為16以下、槽數(shù)為12以下的范圍內(nèi)，槽數(shù)和極數(shù)的最小公倍數(shù)為60以上的組合。另外，壓粉磁心成形體采用將磁性粉末壓縮成形的結(jié)構(gòu)，其密度為7.5g/cm以上。
文檔編號(hào)H02K1/22GK1925288SQ20061011105
公開日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2006年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月31日
發(fā)明者榎本裕治, 高橋曉史, 伊藤元哉, 正木良三, 山崎克之, 山崎政英, 北村正司, 石原千生, 淺香一夫, 大巖昭二, 茂木康彰 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立產(chǎn)機(jī)系統(tǒng), 日本伺服有限公司, 日立粉末冶金株式會(huì)社