CN100380779C - 薄型混合磁化环状磁铁和具有轭部的薄型混合磁化环状磁铁、以及无电刷电机 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于提出了使用于电器产品的无电刷电机之中，可以实现无电刷电机小型化、降低无电刷电机顿转扭矩特性和提高其转矩的环状磁铁和具有轭部的环状磁铁，以及使用了上述磁铁的无电刷电机。为了解决上述问题，本发明采用了下述方法。本发明的薄型混合磁化环状磁铁，由复数磁极所组成，是具有实施径向磁化得到的主极部和、实施各极异向磁化得到的邻接与主极部的界面部的结构构成的环状磁铁。上述构成的薄型混合磁化环状磁铁应用于无电刷电机，由于在磁极间的界面部实施了各极异向磁化处理，可以使径向磁化时产生的磁极界面间的急剧变化的磁通量变得比较平滑。同时，由于在磁极间的界面部实施了各极异向磁化处理，使径向磁化的主极部上的磁通量集中，与仅实施径向磁化的磁铁相比，提高了最大表面磁通量，从而实现了转矩化。

Description

薄型混合磁化环状磁铁和具有轭部的薄型混合磁化环状磁铁、以及无电刷电机

(1)技术领域

本发明是关于应用于无电刷电机和有刷电机中的转子和定子的磁铁、具有轭部的磁铁，以及使用了上述磁铁的电机的技术发明。

(2)背景技术

[专利文献1]

日本特开平6-124822号

近年来，就电机来说，对其高性能、小型化的需求越来越高。即使是对于无电刷电机，也要求具有小型化和高性能，即在要求高转矩的同时，还要求电机具有很低的顿转扭矩特性。

在无电刷电机中使用的环状磁铁，通常采用复数个磁极被磁化的磁铁。就其磁场定向和磁化方法来说，有径向磁化和各极异向磁化的方法。

使用径向磁化得到的环状磁铁与由各极异向磁化得到的环状磁铁相比，虽然磁场定向和磁化比较容易，但是表面磁通量相当低劣，并且在磁极间的界面，由于磁通量急剧变化的影响所产生的顿转扭矩也很大。因此，对使用实施径向磁化得到的磁铁来说，一直要求改善其上述性能。

另一方面，实施各极异向磁化得到的环状磁铁与由实施径向磁化得到的环状磁铁相比，不但可以提高表面磁通量，并且可以使磁极间界面处的磁通量变化为光滑的正弦波，所以，磁铁的磁性能特性很好。但是，对各极异向磁化来说，要求磁铁的厚度尺寸h很大，大约需要与实施各极异向磁化的环状磁铁表面1个磁极宽度W的1/2一样的尺寸大小。其结果，增大了磁铁的厚度尺寸，从而导致使用该磁铁的电机也变得大型化。

就使用径向磁化得到的环状磁铁来说，为了解决上述实施径向磁化得到的环状磁铁和实施各极异向磁化得到的环状磁铁所存在的上述问题，日本专利“日本特开平6-124822号”中公示了下述发明，即对实施径向磁化得到的环状磁铁提出了采用高的各向异性磁场定向和磁化与低的各向异性性磁场定向和磁化相互交替的方法来得到各向异性环状磁铁。其结果，虽然降低了顿转扭矩，但是也降低了转矩性能。

并且，对上述环状磁铁中的各向异性稀土类粘结磁铁(特别是NdFeB系磁铁)与需要进行磁场定向的其他各向异性磁铁相比，需要更大的定向磁场。例如，即使将粘结磁铁的厚度做成1个磁极宽度的1/2，由于为实现磁场定向而施加了充分大的磁通量，仅沿着环状粘结磁铁的表面进行分布，在磁铁内部不能进行磁场定向，也就是说此时的问题在于没有有效地利用磁铁的厚度，即对电机来讲，其问题是，若要产生相同的转矩，必须增加磁铁材料的使用量。此外，如图6所示，如果将磁铁厚度设定薄于1个磁极宽度的1/2，由于定向磁场仅形成分布在靠近磁极间的表面部，其结果，仅能得到主极部的磁场定向不充分的各向异性稀土类粘结磁铁。因此，对主极部的磁场定向不充分的各向异性稀土类粘结磁铁来说，不能实现为提高电机性能而必须的各磁极的异向磁场定向和磁化。综上所述，实施各磁极异向磁场定向和磁化技术的各向异性稀土类粘结磁铁尚未被人们所认知。也就是说，以前的稀土类粘结磁铁是仅能进行径向磁场定向的磁铁。

(3)发明内容

本发明鉴于上述以前技术中所存在的问题，提出了可以使应用于电器产品中的无电刷电机小型化，并且在降低其顿转扭矩的同时还可增大磁铁单位体积转矩的环状磁铁和具有轭部的环状磁铁、以及无电刷电机。

除上述之外，本发明的另一个目的是，对于具有环形形状的各向异性稀土类粘结磁铁或各向异性稀土类烧结磁铁，在充分实现主极部的磁场定向和磁化的同时，让其主极间也实现充分磁场定向和磁化，并且使主极间的法线方向的磁化成分的变化变得比较平滑，这样可以降低顿转扭矩和增大转矩特性。

【本发明为了解决上述课题而采取的手段】

本发明所提出的薄型混合磁化环状磁铁(以下简称为“混合磁化磁铁”)，是由复数磁极组成的环状磁铁，并且具有实施径向磁化得到的主极部和、实施各极异向磁化得到的邻接于主极部的界面部所构成的特点。因为在磁极间界面部实施了各极异向磁化，使得由径向磁化所产生的磁极间界面上急剧变化的磁通量变得很平滑，其结果，当由上述构成得到的薄型混合磁化环状磁铁应用于无电刷电机的时候，可以大幅度地降低电机的顿转扭矩。同时，本发明所提出的薄型混合磁化环状磁铁，由于磁极间界面部采用了各极异向磁化，可以提高径向磁化主极部的磁通量密度，与仅进行径向磁化的磁铁相比较，因为提高了最大表面磁通量，所以实现了高转矩化。

并且，对本发明的在磁极间界面部实施了各极异向磁化所需要的磁铁厚度而言，相对于所有具有相同磁极宽度并由各极异向磁化形成的磁极，本发明可以在非常薄的磁铁厚度上形成磁极。

为此，由于提高了与磁铁(单位磁极)使用量相当的表面磁通量，可以实现与私铁(单位磁极)使用量相当的无电刷电机的高转矩化。本发明中使用的材料可以是银氧体系磁铁、稀土族系磁铁等中的任何一种，也可以是各向同性或各向异性磁铁中的任何一种。另外，还可以使用烧结磁铁或粘结磁铁。

此外，本发明还有一个优良的特点，即是将本发明应用于稀土类磁铁，可以大幅度地减少资源稀少且高价昂贵的稀土族元素的使用量。

当然，如果将本发明应用于各向异性稀土族系粘结磁铁中，虽然得不到各极异向磁化的磁铁，但是就仅能得到的径向磁化的粘结磁铁而言，也可以说提供了一种非常有效的既能增加单位磁铁体积的转矩、又可以降低顿转扭矩的磁铁

此外，对各向异性磁铁来说，为了得到本发明的磁化方法所述的磁化图形，需要事前对成形体施加与磁化时相同的定向磁场，即必须预先进行磁场定向。

图1中展示了本发明的混合磁化磁铁1的磁化图形(磁化向量分布)。图示中央的主极11b部是在由外周部指向内周部的方向实施径向磁化。因此，主极11b部具有径向上的各向异性特性。再者，在主极部11a和主极部11b之间，磁化向量的指向产生变化的领域，即界面部12a，处于邻接主极部11a和主极部11b的2个境界面111之间的位置，也被各极异向磁化。也就是说，界面部12a具有各极异向性。此外，磁极的境界面15，位于界面部12a、12b中央部。就磁化图形而言，在主极部11a的内周面上有S极，外周面上有N极，从内周面指向外周面的方向上进行径向磁化。上述主极部11a的右邻界面部12a，其外周面上的境界面15的左侧具有N极、右侧具有S极，从S极指向N极，以境界线151为中心，实施大约为半圆状的各极异向磁化。并且，右邻的主极部11b，其内周面上有N极，外周面上有S极，从外周面指向内周面的方向上进行径向磁化。

同样，界面部12b，其外周面上的境界面15的左侧具有S极、右侧具有N极，从S极指向N极，以境界线151为中心，实施大约为半圆状的各极异向磁化。

如图1所示，界面部12b的宽度为w设定为界面部两端的境界面111之间的外径一侧的圆周方向的宽度，并且将磁铁的厚度设定为h。当界面部的宽度w与磁铁厚度h之比w/h为2(w/h＝2)的时候，一般情况下，除各向异性稀土系粘结磁铁(特别是NdFeB系磁铁)以外的磁铁，都可以对幅度w的整个部分进行各极异向磁化。在这种情况下，把界面部的宽度w设定在外径一侧，当使用于电机的时候，可以作为外侧部的定子或者与转子相对的外周面的侧面的磁铁。另一方面，界面部的宽度w设定在内周面一侧，当使用于电机的时候，可以作为内面侧部的转子或者与定子相对面的磁铁。此外，也可以将磁铁厚度1/2的圆周上的宽度定义为界面部的宽度w。磁极的宽度W的定义也如上所述，可以用外周面上、内周围上、或者磁铁厚度的1/2圆周上的宽度来定义。

图14(a)表示了W/h与单位磁铁体积的转矩的关系；图14(b)表示了W/h与使用了实施径向磁化的磁铁的电机转矩和使用了本发明的混合磁化磁铁的电机转矩的关系；以及图15表示了W/h与单位磁铁体积的顿转扭矩的关系。图14(a)，图14(b)，图15中使用的固定条件如下：磁铁材料为各向异性稀土类粘结磁体。具体地说，是采用了如后述实施例中所使用的Nd-Fe-B各向异性稀土类粘结磁体100。并且磁极数为10极，磁铁的外径为

定子的T型磁极数为9极，其积厚是70mm。此外，线圈磁动势(磁通势)为150AT/槽，变动条件是在w＝2h的条件下使内径产生变化。

图16表示了w/h和顿转扭矩的关系；图17表示了w/h和转矩的关系。图16、图17中使用的固定条件如下：与图14、图15一样，磁铁材料为各向异性稀土类粘结磁体。即采用了Nd-Fe-B各向异性稀土类粘结磁体100。并且磁极数为10极，磁铁的外径为

定子的T型磁极数为9极，其积厚是70mm。并且，线圈磁动势(磁通势)为150AT/槽，变动条件是在W/h＝8的条件下使W产生变化。

本发明中，W/h的理想值为4以上，虽然其中的W决定于磁铁的直径和磁极数，但是当W/h在4以下的时候，磁铁的厚度做得太厚，不够理想。从图14(a)中可以清楚地看出，W/h值为4以上的时候，与各极异向磁场定向相比，磁铁的单位体积的电机转矩提高了50％以上。但是，从另一方面来讲，W/h值若在20以上，由于W/h的要求，1个磁极内界面部占的比例变得很小，虽然提高了主极部的磁通密度，但是不可能提高最大表面磁通量。此外，因为界面部占据的空间领域变得很窄，导致了该部分磁化的磁化向量变的不够平滑，最终的结果是不能充分地降低顿转扭矩。如图15所示，W/h设定在20以下，单位磁铁体积的顿转扭矩与使用了仅实施了径向磁化的磁铁的电机相比降低了5％，充分展示了本发明的混合磁化磁铁的优越性能。

虽然，在本发明的说明书中，仅展示出了一例说明在上述的实验条件下所得到了单位磁铁体积的电动机转矩和顿转扭矩与W/h的关系、以及电动机转矩和顿转扭矩与W/h的关系，但是，本发明不仅在上述实验条件下成立，在其他任意的条件下也成立。

本发明中，磁极宽度W和磁铁的厚h的关系的较为理想的是，其比值W/h大于2但是在20以下。在本发明所提出的上述范围内，与使用仅实施径向磁化的磁铁相比，就单位磁铁体积的电机转矩和顿转扭矩来说，本发明的混合磁化磁铁展示了卓越性能。如图14(a)所示，当W/h在大于2的情况下，单位磁铁体积的电机转矩展示出了与使用仅实施径向磁化的磁铁的电机相同或者在其之上的性能，充分说明了本发明的混合磁化磁铁的优越性。对这一点来说，是本发明的最大特点。

并且，如图15所示，当W/h在小于20的情况下，单位磁铁体积的顿转扭矩比使用了仅实施径向磁化的磁铁的电机相比至少降低了5％，也充分展示了本发明的混合磁化磁铁的的优越性。

本发明中，磁极宽度W和磁铁厚度h的最为理想的关系是，其比值W/h大于2，但是在8以下。在本发明所提出的上述最佳范围内，与使用仅实施径向磁化的磁铁相比，就单位磁铁体积的电机转矩和顿转扭矩来说，本发明的混合磁化磁铁展示了出色的卓越性能。当W/h大于2的情况，已于前面所述；而W/h小于8的时候，如图14、图15所示，就单位磁铁体积的电机转矩而言，与使用仅实施径向磁化的磁铁相比得到了很大的提高，充分证明了本发明的混合磁化磁铁展示了出色的卓越性能。此外，图15中，也清楚地表示出了本发明的混合磁化磁铁和仅实施径向各向异性磁铁的单位磁铁体积的转矩比和W/h的关系。从上述的讨论结果可知，在W/h小于8的情况下，本发明的混合磁化磁铁的单位磁铁体积的转矩展示出了出色的优越性。

更进一步讲，就磁铁的材质而言，当使用各向异性稀土系粘结磁铁的时候，磁极宽度w和磁铁厚度h的最为理想关系的是，其比值W/h在3以上、8以下。如果W/h未达到3，在界面上进行各极异向磁场定向比较困难。因此，当使用各向异性稀土系粘结磁体的时候，在本发明所提出的上述最佳的3以上、8以下范围内，可以切实地保证本发明的混合磁化磁铁的单位磁铁体积的电机转矩和顿转扭矩优于仅实施径向磁化的磁铁的出色特性。

并且，如前说述，即使将材质从各向异性稀土系粘结磁铁变更为各向同性稀土系粘结磁体或者各向异性稀土系烧结磁铁等，上述的关系也同样成立。

此外，如图1所示，本发明的混合磁化磁铁中，就其界面部宽度w和磁铁的厚度h的关系而言，其比值w/h的最为理想的设定范围是在1以上和4以下。

当界面部宽度w和磁铁的厚度h的比值w/h＝2的时候，就整个界面部来说，一般来说，能得到约为半圆状的各极异向磁化磁场效果。

因为，w/h为1或在1以下的时候，将得不到各极异向磁化磁场效果，即在磁铁厚度上不能得到有效磁化。另一方面，当w/h在4以上的时候相对于界面部宽度来说，磁铁的厚度太薄，磁化后得到的磁通量会从磁铁的内周面向外部扩散。在这种情况下，对磁化后的磁铁来说，虽说在其内周面上产生了磁化磁场，但是磁路长度变长，从而导致磁特性恶化。即，界面部的磁特性降低，主磁极的磁通密度下降，主极部表面的磁通量不充分。

界面部宽度w与磁铁的厚度h的比值w/h在1以上和4以下的设定，使磁铁厚h实现了薄型化。本发明的上述设定的磁铁，与仅实施由径向磁化得到的磁铁相比，提高了最大表面磁通量，这样既实现了电机的高转矩化，又降低了顿转扭矩。

如图16所示，w/h在1以上的时候，本发明的上述磁铁的顿转扭矩比仅实施了径向磁化得到的磁铁降低20％。同时，w/h在4以下的时候，使用本发明的上述磁铁所产生的电机转矩，比使用仅实施径向磁化得到的磁铁所产生的电机转矩大得多。因此，上述与使用了仅实施径向磁化得到的磁铁相比较的结果充分说明了，使用本发明所提出的界面部宽度w与磁铁的厚度h比值w/h在1以上和4以下设定的混合磁化磁铁的优越性。

就本发明的薄型混合磁化型环状磁铁而言，在重视强调电机的高转矩化、磁铁的强度等时候，最好使用各向异性粘结磁铁来构成上述环状磁铁。如果使用各向异性粘结磁铁，可以在环状磁铁处于磁场中实施成形工序中的成形之前，预先实施本发明所希望的磁化图形的磁场定向，在此之后再进行同样的磁化，其结果与各向同性粘结磁体相比，可以得到高的表面磁通量，对实现高转矩化非常适宜。并且，使用各向异性粘结磁铁所得到的环状磁铁与烧结磁铁相比，就可安装性、强度(耐破损性)而言，均显示出了出色的优越性。更进一步讲，上述的各向异性环状磁铁，最为理想的是使用各向异性稀土类粘结磁铁来构成。使用各向异性稀土类粘结磁铁与各向同性稀土类粘结磁铁、各向异性铁氧体粘结磁铁等相比，可以得到很高的表面磁通量，很适合于实现高转矩化。

另一方面，就本发明的薄型混合磁化型环状磁铁而言，如果重视强调环状磁铁的可制造性、强度(耐破损性)等，最好使用各向同性粘结磁铁来构成上述环状磁铁。使用各向同性粘结磁铁，与使用各向异性磁铁相比，在环状磁铁成形工序中进行成形时，不需要进行磁场定向处理，在其后再实施本发明所希望的磁化图形的磁场定向，这样就可以比较容易制造得到本发明的薄型混合磁化型环状磁铁。并且与烧结磁铁相比，其可安装性、强度(耐破损性)也非常出色。

再者，就本发明的薄型混合磁化型环状磁铁而言，如果仅重视电机的高转矩特性，最好使用各向异性烧结磁铁来构成上述环状磁铁。使用各向异性烧结磁铁，因为是同一种材料，与其他磁铁相比，可以得到最高的表面磁通量，非常适合与实现高转矩化。

如图2所示，本发明的薄型混合磁化型环状磁铁有下述的理想构成，即本发明的薄型混合磁化型环状磁铁中实施径向磁化的主极部在其直径方向增加了厚度(凸部112)。由于有这样的结构构成，使磁铁表面磁极间的距离变大(磁导距离变大)，可以得到增加表面磁通量的效果。因此，本发明的上述结构构成，对圆周方向的表面磁通量分布来说，可以提升各磁极中心部上表面磁通量较低部分的磁通量，从而更进一步提高了最大表面磁通量。

此外，就本发明的薄型混合磁化型环状磁铁而言，还有下述的理想构成，即本发明的薄型混合磁化型环状磁铁作为电机的内转子来使用的时候，在上述实施径向磁化的主极部的内径方向上增加了厚度。由于增加了上述厚度，可以提高表面磁通量。如果此时在其外径的方向上增加厚度，将增大主磁极以外部分的空气间隙，有可能导致电机特性下降。

就本发明的薄型混合磁化型环状磁铁而言，还有下述的理想构成，即本发明的薄型混合磁化型环状磁铁作为电机的外部定子来使用的时候，在上述实施径向磁化的主极部的外径方向上增加了厚度。由于上述厚度的增加，可以提高表面磁通量。如果此时在其内径的方向上增加厚度，将增大主磁极以外部分的空气间隙，有可能导致电机特性下降。

另一方面，本发明的具有轭部的薄型混合磁化型环状磁铁由下述的理想结构构成，即由复数磁极组成的环状磁铁中，具有进行径向磁化的主极部和邻接主极部面进行各极异向磁化的界面部组成的薄型混合磁化环状磁铁和、与上述薄型混合磁化环状磁铁的内周面或外周面的任何一面相连接(至少有一部分相连接)在一起的轭部。

例如，本发明的具有轭部的薄型混合磁化环状磁铁作为无电刷电机的内转子来使用的时候，如图3所示，混合磁化磁铁1的内周面的全部面与轭部2相连接。这样，使用了上述轭部的混合磁化磁铁1应用于电机的时候，可以增大与定子相对的侧面的磁铁磁极间的距离(增大磁导距离)从而提高磁铁磁极的表面磁通量。在此时，轭部2既可以是环状，也可以是实心的圆柱状。

并且，图4展示了在混合磁化磁铁1的内周面仅让各主极间进行磁连接的轭部2的连接情况。在这种情况下，如图4所示，由于在轭部2的界面部12相对的部分设置了空气间隙22，就可以确实地增大如图3所述的磁铁磁极间的距离(增大磁导距离)可以更进一步提高磁铁磁极的表面磁通量。上述混合磁化磁铁1的主磁极部11和轭部2的组合结构，可以根据要求来决定。

除上述薄型混合磁化环状磁铁和具有轭部的薄型混合磁化环状磁铁之外，本发明还提出了无电刷电机。

如图5所示，本发明提出了下述内转子型无电刷电机。

本发明的内转子型无电刷电机由圆筒状的定子3、配置在定子内的转子4和回转轴5所构成。具体地说，本发明的内转子型无电刷电机6具有以下的特点。本发明的无电刷电机6具有上述转子4，而转子4具有转子铁心41和紧贴在转子铁心41外周面的环状磁铁；上述环状磁铁由复数磁极所组成，并且上述环状磁铁是由实施了径向磁化的主极部和在邻接主极部的界面实施了各极异向磁化的界面部组成的薄型混合磁化环状磁铁。

根据上述构成，由于使用了本发明的薄型混合磁化环状磁铁，即实现了在降低无电刷电机6的顿转扭矩特性的同时，又提高了磁铁的单位体积的转矩。因此，实现了本发明的上述无电刷电机的高性能化和小型化。再者，如图3、4所示，转子铁心41使用了软磁性体，增大了磁铁磁极间的距离(增大了磁导距离)，进一步提高了磁铁磁极的表面磁通量。并且，如图2所示，在内周方向增加了主极部的厚度，即设置了凸部112，这样可以更进一步提高表面磁通量。

此外，本发明还提出了下述外转子型无电刷电机。

本发明的外转子型无电刷电机，虽然没有图面说明，但是和图5所示的正好相反，由圆筒状的转子和配设在转子内的定子、以及回转轴所构成。具体地说，本发明的外转子型无电刷电机具有以下的特点。本发明的外转子型无电刷电机具有上述圆筒状的外转子，上述外转子具有转子轭部和与转子轭部内周面紧贴的环状磁铁；上述环状磁铁由复数磁极所组成，并且上述环状磁铁是由实施了径向磁化的主极部和在邻接主极部的界面实施了各极异向磁化的界面部组成的薄型混合磁化环状磁铁。

根据上述构成，由于使用了本发明的薄型混合磁化环状磁铁，既实现了在降低无电刷电机的顿转扭矩特性的同时，又提高了磁铁的单位体积的转矩。因此，实现了本发明所述的上述无电刷电机的高性能化和小型化。再者，本发明的外转子型无电刷电机，其使用的转子轭部中，如果采用了与上述内转子型无电刷电机同样的软磁性体，同样可以增大磁铁磁极间的距离(增大磁导距离)可以更进一步提高磁铁磁极的表面磁通量。并且，如果在外周方向上增加主极部的厚度，即设置凸部，可以更进一步提高表面磁通量。

(4)附图说明

【图1】所示为本发明中，具有本发明所提出的磁化图形(磁化矢量分布)的薄型混合磁化环状磁铁的剖面图。

【图2】所示为本发明中，增加了主极部径向厚度的薄型混合磁化环状磁铁的剖面图。

【图3】所示为本发明中，轭部与环状磁铁的内周面相连接的薄型混合磁化环状磁铁的剖面图。

【图4】所示为本发明中，在轭部与环状磁铁的内周面相连接的状态下，在与界面部相对的部分上设置了空气间隙的薄型混合磁化环状磁铁的剖面图。

【图5】所示为使用了本发明所提出的薄型混合磁化环状磁铁的无电刷电机的剖面图。

【图6】所示为以前的环状磁铁进行磁场定向、磁化时候的模具的剖面图。

【图7】所示为以前的环状磁铁进行磁场定向、磁化时候的模具的剖面图。

【图8】所示为本发明中所提出的薄型混合磁化环状磁铁进行磁场定向、磁场磁化时候的模具的剖面图。

【图9】所示为本发明中所提出的薄型混合磁化环状磁铁的实施例A的表面磁通量分布图。

【图10】所示为本发明中所提出的薄型混合磁化环状磁铁的实施例B的表面磁通量分布图。

【图11】所示为以前的径向各向异性环状磁铁的比较例1的表面磁通量分布图。

【图12】所示为以前改良型的径向各向异性环状磁铁的比较例2的表面磁通量分布图。

【图13】所示为由图9到图12的结果合成的表面磁通量分布图。

【图14(a)】所示为本发明中，与实施例相关的各向异性稀土类粘结磁铁的单位磁铁体积相当的转矩和W/h的关系特性图。

【图14(b)】所示为本发明的薄型混合磁化环状磁铁和径向各向异性磁铁的单位磁铁体积相当的转矩和W/h的关系特性图。

【图15】所示为本发明中，与具体实施例相关的各向异性稀土类粘结磁铁的单位磁铁体积相当的顿转扭矩和W/h的关系特性图。

【图16】所示为本发明中，与具体实施例相关的各向异性稀土类粘结磁铁的顿转扭矩和w/h的关系特性图。

【图17】所示为本发明中，与具体实施例相关的各向异性稀土类粘结磁铁的转矩和w/h的关系特性图。

【图18】所示为本发明中，与具体实施例相关的各向异性稀土类粘结磁铁的表面磁通密度分布和磁化向量、以及定向磁场向量的特性图。

符号说明

1  薄型混合磁化环状磁铁

11 主极部

12 界面部

2  轭部

3  定子

4  转子

5  回转轴

6  无电刷电机

7  磁场源

8  磁场源

91 内腔

92 硬质合金模

93 环心

(5)具体实施方式

以下，根据具体的实施形态来说明本发明。当然，本发明不限定于下述的实施形态。

【实施例】

图1中表示了与本发明的具体实施形态相关的混合磁化磁铁的构成。混合磁化磁铁1具有以轴为中心的环状形状。图1所示的混合磁化磁铁1的轴垂直剖面图中，表示了各个磁极和其邻接的部分。混合磁化磁铁1中，作为一个事例，使用了Nd-Fe-B系的各向异性稀土类粘结磁铁100。

混合磁化磁铁中的箭头符号，表示磁铁内部的磁化图形。本实施例由于使用的是各向异性磁铁，其预先实施了磁化前的磁场定向处理时的磁化图形和图1一样。本实施例的混合磁化磁铁1有10个磁极。关于磁化图形，本说明书中前述段落对图1进行了详细的叙述，在此省略其说明。

实施例1的混合磁化磁铁1的各尺寸参数为，外径50mm、内径45mm。并且磁铁厚度h为2.5mm，高度L为65mm。混合磁化磁铁1的外周是157mm，磁极数是10个磁极，磁极宽度W为15.7mm。界面部12的宽度w是磁铁厚度h(h＝2.5mm)的2倍，为5.0mm。因此，上述的参数构成的W/h值为6.3，正好处于本说明书前述所推荐的范围(4以上、20以下)之中，而且，上述参数所所构成的w/h值为2，也满足本说明书前述所推荐的范围(1以上、4以下)。

此外，实施例2的混合磁化磁铁1的各尺寸参数为，外径44.2mm、内径40.2mm，并且磁铁厚度h为2.0mm、高度L为17.5mm。混合磁化磁铁1其他的尺寸参数为，外周是139mm，磁极数是8个磁极，磁极宽度W为17.4mm。界面部12宽度w是磁铁厚度h(h＝2.0mm)的2倍，为4.0mm。因此，上述的参数所构成的W/h值为8.7，正好处于本说明书前述所推荐的最佳范围(8以上、20以下)之中，而且，上述的参数所构成的w/h值也为2，满足本说明书前述所推荐的范围(1以上、4以下)。

就混合磁化磁铁1的性能而言，使用了最大磁能积为184kJ/m³的各向异性稀土类粘结磁铁。其顽磁力为96kA/m。

混合磁化磁铁1中使用的原料，由78.4wt％的Nd系磁粉、19.6w％的Sm系磁粉、以及2.0Wt％的环氧树脂等所组成。在此使用的磁铁的成形方法以及磁场定向的方法是，将上述磁粉和树脂加热混练后，在加热磁场中成形进行磁场定向，最后再进行磁化就可以得到上述高性能的各向异性稀土类粘结磁铁。以上所述的这些方法，都是公众所知、便于实施的成形方法、磁场定向方法和磁化方法。并且，上述Nd系磁粉的组成是Nd-Fe-B-Ga-Nb系合金，磁粉粒直径的平均值约为100μm；Sm系磁粉的组成是Sm₂Fe₁₇Nx(X＝3)，磁粉粒直径的平均值约为3μm。

为了按如图1所示的磁化图形，使各向异性稀土类粘结磁铁100得到所需的定向磁场和磁化磁场，可以根据图8表示的磁场定向和磁化方法来实施。但是，该磁场定向和磁化方法并不是大家熟知的方法，是立意很困难的技术，在此，将其与大家熟知的技术进行比较。

对各向异性稀土类粘结磁铁100而言，图6和图7中表示了，尝试使用以前的磁场定向和磁化方法，对本发明的混合磁化磁铁进行磁场定向和磁化时的情况。

图6是展示了磁化环状磁铁，与环状磁铁的轴相垂直方向的磁场定向和磁化用模具的剖面图。并且，图6是将环状磁铁中进行磁场定向和磁化的1个磁极加以放大，展示了磁铁的1个磁极的磁场定向和磁化的方法。在与环状磁铁的轴相垂直的方向上，与外周面相对的一侧设置了磁场源7。在内腔91的外侧上设置了由非磁性材料构成、具有圆筒状的硬质合金模92，并且在内腔91的内侧上设置了由非磁性材料构成的环心93。向硬质合金模92的内壁和环心93的外壁之间形成环状的内脏91中供给由磁铁粉末和树脂粉末组成的粘结磁铁原料。

在这种情况下，相邻接的磁场源之间，由于存在非磁性材料(其中包含空气)，扩展了空间，在两磁场源之间可以形成如图6所示的那样呈现大约为半圆周状的定向磁场。其结果，形成了从磁场源72指向磁场源71的各极异向定向磁场和各极异向磁化磁场。(此时的磁场源71的磁极为S极，磁场源72的磁极为N极。)

但是，采用上述的磁场定向方法，在接近于内腔91外周面的部分，磁通量分布偏向于2个磁场源71和72相对的一侧，通过内脏91内周面和2个磁场源71、72中央部的磁通密度变得很小。因此，磁场源71的中央部中，从外周面到内周面，且接近界面部的内周面部分，形成了定向磁场不能充分到达的部分95。在对各向异性稀土类粘结磁铁进行磁场定向的时候，需要很大的定向磁场的原因就是因为有上述现象的存在。换句话说，使用上述磁场定向方法之后，再进行磁化成为粘结磁铁，由于没有进行磁场定向的部分95的存在，将导致主极部的表面磁通量大幅度下降，或者说用上述方法进行磁场定向，再用同样的方法进行磁化得到的环状磁铁，将导致主极部的表面磁通量大幅度下降。

此时的磁场源由软磁性体所组成，在磁场源之间配置稀土类烧结磁铁73，并且其磁极具有在纸面左侧为S极，右侧为N极的磁性电路构造。

在图7、图8中所示的关于磁场源7使用的磁性电路具有同样的构造。

图7表示了，使用图6中所示的磁场定向、磁场磁化方法，只是将内腔91内侧的环心93由非磁性材料变为软磁性材料的情况。在这种情况下，如图7所示，由于在邻接的磁场源7之中的磁场源72的前方，设置了软磁性材料组成的环心93，定向磁场以垂直环心的方向指向环心，其后通过环心，再次以垂直于磁场源71的方向流向磁场源71。此时，虽说主极部得到了充分的磁场定向和磁场磁化，但是界面部几乎没有供给定向磁场。

因此，在此后进行与上述同样的磁化，将导致界面部的表面磁通量大幅度下降。其结果，不能达到降低电机顿转扭矩的目的，当然也不能实现高转矩化。

图8中展示了本发明的混合磁化磁铁1的磁场定向、磁场磁化的一个例子。当然，本发明的磁场定向、磁场磁化方法不限定于下述所记载的方法。

本发明的混合磁化磁铁1的磁场定向、磁场磁化方法是在图6中所示的磁场定向、磁场磁化方法的基础之上，在非磁性环心93内侧，与磁场源7相对的方向，配设了磁场源8，而磁场源8具有与磁场源7的磁极成相反极性的磁极。即，磁极的排列为，磁场源71磁极是S极、磁场源72磁极是N极；磁场源81磁极是N极、磁场源82磁极是S极。在这种情况下，由于磁场源7供给的邻接磁场源之间，扩大了非磁性材料(包括空气)构成的空间，在两磁极之间，可以形成如图8所示的约为半圆周状的定向磁场。并且，磁场源8的定向磁场强度设定得比磁场源7的定向磁场强度弱。同时，磁场源8由轭部81和稀土类烧结磁铁812所构成。

上述的磁场定向、磁场磁化的结果，在混合磁化磁铁1主极部相当大领域中，由于相对配置的磁场源间的极性不同，从磁场源72指向磁场源82，或者从磁场源81指向磁场源71，来自两磁场源的定向磁场之总和的很大部分被作为供给源。因此，与没有设置磁场源8的情况相比，主极部相当大领域将能实现充分的径向磁场定向。

另一方面，在混合磁化磁铁1界面部12中，形成了从磁场源72指向磁场源71各极异向定向磁场。并且，还形成从磁场源81指向磁场源82的定向磁场。但是，由于磁场源8的磁场强度比磁场源7磁场强度弱，如图示的内腔91中所示，从定向磁场源72指向定向磁场源71各极异向定向磁场可以覆盖整个界面部12，可以使界面部12得到充分的各极异向磁场定向。相反地，由于从磁场源81指向磁场源82的磁场较弱，不会对内腔91带来影响。此外，对磁场磁化来说，除提高磁场强度之外，其他可以使用与上述完全相同的方式来进行。

综上所述，本实施例所述的各向异性稀土类粘结磁铁100，可以进行磁场定向和磁场磁化。

当然，如果使用的是各向同性磁铁，不需要进行磁场定向，只需实施磁场磁化工序即可。

在此，表示说明本发明的混合磁化磁铁的轴向垂直断面中之法线方向磁通量的分布结果。磁铁的材质使用的是前述的最大磁能积为184kJ/m³的各向异性稀土类粘结磁铁100。如图3所示，实施例A使用了具有轭部的混合磁化磁铁1。其磁场定向和磁场磁化的状态如果用向量来表示的话，如图3所示，即，在界面部沿着半圆形进行了各极异向磁场定向和磁场磁化，在主极部进行了径向磁场定向和磁场磁化。将本实施例的磁场定向和磁场磁化情况与仅实施径向磁场定向和磁场磁化情况的进行比较，其结果如图18所示。该图中使用了图9中所述的本发明的薄型混合磁化磁铁的实施例A的表面磁通量分布图曲线和，图11中所述的以前的径向各向异性环状磁铁的比较例1的表面磁通量分布图曲线。就以前的仅实施径向磁场定向而言，在全部角度范围内磁场定向总是指向一定的方向，例如，指向外周面的法线方向。即，由上述磁场定向得到的磁铁，实际上实施的对每个主极部的磁场磁化是磁场指向反转的磁场磁化。因此，在邻接主极部的境界面，磁化的指向产生了急剧的变化。相对于上述情况，对本发明的混合磁场定向和磁场磁化来说，在主极间的界面部(图上所示的0～9度的范围和27～36度的范围)中，磁场定向的指向随回转角相位一起慢慢变化来实现反转的各极异向磁场定向。然后，再进行磁场磁化，使磁化向量的指向慢慢地变化来完成反转分布的界面部的各极异向磁场磁化。另一方面，对主极部(图上所示的9～27度)来说，实现了指向于环状磁铁的外周面的法线方向的径向磁场定向和磁场磁化。如上所述，因为本发明中进行了2种分布的磁场定向和磁场磁化，所以称之为混合磁场定向和混合磁场磁化。由于本发明这样的混合磁场定向和混合磁场磁化，可以得到提高电机转矩和降低顿转扭矩的效果。其表面磁通量分布如图9所示。表面磁通密度，是以止推轴为中心转动磁化后的具有轭部的混合磁化磁铁，使霍尔元件密接在止推轴的垂直的断面上自动测量得到的。

如图2所示，实施例B是增加混合磁化磁铁1主极部11的厚度，并且采用了如图3所示的在环状的内部具有轭部构造的实施例，其表面磁通分布如图10所示。本实施例A、B中，虽说采用了实心圆柱轭部，不过为了轻量化，也可以使用圆筒状轭部。

比较例1是采用径向磁场定向和磁场磁化，与本实施例的环状磁铁具有相同材质、同样尺寸、以及同样磁极幅度W的磁铁，其表面磁通量分布的测量结果如图11所示。

比较例2是与实施例A的主极部相当的部分实施径向磁场定向和磁场磁化，与实施例A的界面部相当的部分既不进行各极异向磁场定向也不进行各极异向磁场磁化，即与日本特开平6-124822号专利所记载的方法相当，仅实施较低的径向磁场定向和磁场磁化而得到的各向异性稀土类粘结环状磁铁。该环状磁铁的表面磁通量分布如图12所示。上述图9～图12中，横轴表示机械角θ，纵轴表示表面磁通量(mT)此外，比较例1、2中也使用了将圆柱倒轭部插入环状磁铁中的结构。

与比较例1所述的由径向磁化得到的磁铁相比，由于图9～图12中所示的实施例A、B的环状磁铁在界面部进行了各极异向磁化，并且增大了其主极部中央部分半径方向的磁通密度，使表面磁通量分布的波形接近于正弦波，其结果在磁极界面部的磁通量变化的倾斜度变得比较平缓。因此，使用了实施例A、B所示的环状磁铁的电机，可以实现大幅度地降低顿转扭矩特性的目的。特别是，对实施例B所示的环状磁铁的表面磁通量分布而言，在主极部11形成了具有厚于其他部分的凸部112，与没有上述凸部的实施例A所示的环状磁铁相比，其表面磁通量分布更接近于正弦波。图13表示了将实施例A、B和比较例1、2所述的各环状磁铁的表面磁通量分布重叠起来进行比较的结果。对比较例2来说，虽然界面部的磁通量的变化缓慢，对降低顿转扭矩特性有效，但是主极部的表面磁通量大幅度减少，得不到使用了实施例所述的环状磁铁的电机那样的大转矩。

此外，比较表面磁通量分布波形可知，实施例A，特别是实施例B非常接近于正弦波，并且在磁极中央部实现了表面磁通量的最大化。因此，从定子供出的磁场也是正弦波并且可以适时地实施同步供给，其结果可以更进一步提高电机的输出转矩。

实施例A中央部的表面磁通量为290mT，实施例B中央部的表面磁通量为300mT，比较例1中央部的表面磁通量为225mT，比较例2中央部的表面磁通量为225mT。上述的数据可以看出，本实施例人B所述的环状磁铁比由以前的技术所提供的磁铁具有更优越的性能。

更进一步分析是，测量实施例B所述的磁铁和由比较例所示的径向磁化得到的磁铁的总磁通量并将它们进行比较。测定的方法是，使用磁通计，一边转动环状磁铁，一边用检测线圈检出从磁极发出的磁通量。

在实施例子B的主极部11上形成了凸部112增加了磁铁厚度、并具有轭部的薄型混合磁化磁铁1，与较例子1所示的径向磁化得到的磁铁相比，增大了大约10％总磁通量。因此，由实施例子B得到的环状磁铁应用于无电刷电机的时候，可以实现高转矩化。

另一方面，为了使环状磁铁的表面磁通密度分布波形为正弦波，最好对磁极整体进行各极异向磁场定向和磁化。以下，对各向异性稀土类粘结磁铁的各极异向磁场定向进行考察。具有与实施例B所述的环状磁铁同样的材质、同样直径、以及同样磁极宽度W，并进行各极异向磁场定向和磁化的环状磁铁，由于磁极宽度为15.7mm，通常一般来讲，磁铁的厚度应为磁极宽度的1/2，即约需要8mm。但是磁铁厚度太大，将导致电机的大型化。同时，从实际上讲，象上述各向异性稀土类粘结磁铁那样的高性能磁铁，由于材料的顽磁力高，需要很大的定向磁场，要对厚度8mm的磁铁进行磁场定向，工业上是很困难的，可以说至今尚未实现上述磁场定向。并且，要在与主极间很近的极部间的粘结磁铁的表面部附近贯穿磁通量，由于主极正下方磁通量难以贯穿，主极部的中央部分中将不能得到充分的定向磁场。为此，该主极部的中央部分的各向异性效果将得不到充分的发挥。磁化后的磁通密度很低，不能满足实用的要求。

并且，特别是对使用了稀土类磁铁粉末的各向同性稀土类粘结磁铁、各向异性稀土类烧结磁铁而言，进行同样的各极异向磁场定向的时候，对各极异向磁场定向所需的磁铁厚度约为极部宽度的1/2，与本发明的混合磁化磁铁相比较，与单位体积相当的磁铁表面磁通量大幅度下降，并且没有有效地利用高成本的稀少资源。

以下，对上述本发明的混合磁化磁铁1应用于无电刷电机的情况进行说明。图5表示了使用了本发明的混合磁化磁铁1的内转子型无电刷电机的垂直于回转轴方向的剖面图。本实施例的无电刷电机6由回转轴5、配置在绕回转轴5、并可以自由转动的方向上的转子4和定子3、以及旋绕在定子3上的线圈31所构成。其中转子4由转子铁心41和紧贴在转子铁心41外周面的混合磁化磁铁1所组成。定子具有9个T形磁极。

转子一方的磁铁的磁极和定子T形磁极数的关系，不限于上述的例子。根据使用的环境、使用目的不同，可以采用大家所熟知的各种组合。

实施例1的上述无电刷电机中使用本发明的混合磁化磁铁1，通过对磁极间界面部实施各极异向磁化处理，使上述由于径向磁化时产生的磁极间界面的急剧变化的磁通量变得比较平滑。其结果，相对于仅进行径向磁化时的顿转扭矩15mN·m，改良为本发明的5mN·m，顿转扭矩下降幅度为67％。同时，由于界面部进行的各极异向磁化，提高了进行径向磁化的主极部的磁通密度，表面磁通量分布波形接近于正弦波，与仅进行径向磁场定向和磁场磁化的情况相比，输出的转矩可以提高大约15％。

此外，实施例2的如果无电刷电机中使用本发明的混合磁化磁铁1A，相对于仅进行径向磁化时的顿转扭矩0.31N·m来说，本实施例能下降到0.1N·m，同样顿转扭矩下降了67％的幅度。同时，在这种情况下，与仅进行径向磁化时的磁铁相比，具有同等的输出转矩。

更进一步讲，如前所述，本实施例磁铁的界面部所实施各极异向磁化，所需要的磁铁厚度仅为2.5mm，而对具有相同的磁极宽度、全部实施各极异向磁化来形成磁极来说，要形成半圆形状的各极异向定向磁场，则需要磁铁的厚度约为8mm。上述的比较结果说明了，本实施例可以使用很形成薄的磁铁来形成磁极。因此，本实施例所述的磁铁与使用各极异向磁化的无电刷电机相比，可以大幅度地降低磁铁的尺寸体积，换句话说，可以更进一步实现电机整体的小型化。

并且，本发明的上述薄型混合磁化磁铁，不仅可以适用于无电刷电机，也可以适用于有电刷电机。一般来讲，虽说有电刷电机使用多个磁极的情况比较少，但是技术上的应用是可能的。特别是，表面磁通量的分布波形为正弦波，可以降低或消除磁极境界面的急剧的磁通量变化，这样可以降低在磁极切换时产生的感应电压，其结果，由于降低了电刷中流动的感应电流，可以有效地增长电刷的寿命，实现电刷长寿命化。

产业上利用的可能性

本发明，可以应用于减少顿转扭矩、提高磁铁的单位体积的电机转矩的环状磁铁中。更进一步讲，本发明，可以应用于电器产品中所使用的无电刷电机、具有轭部的磁铁以及使用具有轭部磁铁的电机之中。

Claims (12)

1.一种具有复数个磁极的薄型混合磁化环状磁铁，其特征在于，包括：

径向定向和径向磁化的主极部；以及

各极异向定向和各极异向磁化的界面部，所述界面部存在于所述主极部之间，并改变所述主极部的磁场方向；

其中当所述磁铁的厚度为h，各磁极的宽度为W，且所述界面部的宽度为w时，W/h不小于4且不大于20，而w/h不小于1且不大于4，并且所述环状磁铁是一种各向异性粘结磁铁。

2.如权利要求1所述的薄型混合磁化环状磁铁，其特征在于，所述W/h不大于8。

3.如权利要求1或2所述的薄型混合磁化环状磁铁，其特征在于，与所述界面部相比，所述主极部的厚度在径向上被增大。

4.如权利要求1或2所述的薄型混合磁化环状磁铁，其特征在于，当所述环状磁铁被用于电动机的内转子时，与所述界面部相比，所述主极部的厚度只在内径方向上被增大。

5.如权利要求1或2所述的薄型混合磁化环状磁铁，其特征在于，当所述环状磁铁被用于电动机的外转子时，与所述界面部相比，所述主极部的厚度只在外径方向上被增大。

6.如权利要求1或2所述的薄型混合磁化环状磁铁，其特征在于，所述薄型混合磁化环状磁铁包括轭部，所述轭部至少接触薄型混合磁化环状磁铁的内周面或外周面的一部分。

7.一种无刷电机，其特征在于，包括：

圆筒状定子；

设置在所述定子内的转子；以及

回转轴；

其中所述转子包括转子铁心和如权利要求1或2所述的薄型混合磁化环状磁铁，所述薄型混合磁化环状磁铁紧贴所述转子铁心的外周面。

8.一种无刷电机，其特征在于，包括：

圆筒状转子；

设置在所述转子内的定子；以及

回转轴；

其中所述转子包括转子轭部和如权利要求1或2所述的薄型混合磁化环状磁铁，所述薄型混合磁化环状磁铁紧贴所述转子轭部的内周面。

9.一种无刷电机，其特征在于，包括：

圆筒状定子；

设置在所述定子内的转子；以及

回转轴；

其中所述转子包括转子铁心和如权利要求4所述的薄型混合磁化环状磁铁，所述薄型混合磁化环状磁铁紧贴所述转子铁心的外周面。

10.一种无刷电机，其特征在于，包括：

圆筒状转子；

设置在所述转子内的定子；以及

回转轴；

其中所述转子包括转子轭部和如权利要求5所述的薄型混合磁化环状磁铁，所述薄型混合磁化环状磁铁紧贴所述转子轭部的内周面。

11.一种有刷电机，其特征在于，包括：

如权利要求1或2所述的薄型混合磁化环状磁铁。

12.一种有刷电机，其特征在于，包括：

如权利要求3所述的薄型混合磁化环状磁铁。

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