CN101888162B

CN101888162B - 小型电动机

Info

Publication number: CN101888162B
Application number: CN201010135972.3A
Authority: CN
Inventors: 小柳尚久
Original assignee: TOKYO SPARE PARTS INDUSTRIAL Co Ltd
Current assignee: TOKYO SPARE PARTS INDUSTRIAL Co Ltd; Tokyo Parts Ind Co Ltd
Priority date: 2009-05-14
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2030-03-16
Also published as: CN101888162A; JP5403794B2; US20100289364A1; US8334627B2; JP2010268588A

Abstract

本发明提供一种不降低输出转矩地降低齿槽转矩的小型电动机。具体为，一种小型电动机(1)，其具备固定安装在中空筒状轭铁(12)的内表面上的圆筒状永久磁铁(13)以及设置在所述永久磁铁(13)内侧的电枢铁心(22)，其为，所述电枢铁心(22)具有等间距的3个槽(29)，所述永久磁铁(13)是2极磁化的磁铁，各磁极在从磁极中心向两侧40度至50度的范围内具有磁通密度的极大值(P)，所述极大值(P)处于磁极中心的磁通密度的1.3倍至1.8倍的范围内。

Description

小型电动机

技术领域

本发明涉及一种使用于车辆、音响设备、视频设备、精密设备等的小型电动机，尤其涉及一种不降低输出转矩地降低齿槽转矩的小型电动机。

背景技术

近年，伴随着车辆、各种精密设备等的开发，期望实现具有大转矩且齿槽效应小的小型电动机。

作为齿槽效应的对策，当初使用没有电枢铁心的无铁心电动机，但是由于无铁心电动机的转矩较小，所以存在为得到较大的转矩而不得不使电动机整体大型化的问题。

另一方面，对于要求较大转矩的小型电动机，如图8所示，使用如下电动机，在壳(磁轭)104内配置交互地磁化了N极、S极的永久磁铁103，在该永久磁铁103的内侧相对配置有具有突极102的电枢铁心101。

虽然具有这种电枢铁心的电动机可得到较大的转矩，但是当永久磁铁103的磁极边界部横穿突极102之间的槽时导磁率不连续地发生变化，因此，存在发生被称为所谓齿槽效应的与转速同步的频率的转矩波动这样的不良现象。

因此，例如在专利文献1中，提出了在电枢铁心的突极上施以沟槽加工以减少齿槽效应的方法。

而且，近年在要求较大转矩的高品质的小型电动机中，作为永久磁铁103使用磁力强的稀土类磁铁。作为永久磁铁的磁化方法，例如如图9所示，具有从壳104的外面进行磁化的方法。

在图9中，111是卷绕安装有磁化线圈112的磁化轭铁，在1对磁化轭铁111之间，以对在内周面上固定安装有以稀土类磁铁材料粉末和橡胶为主要成分的薄板材料113的壳104进行定位的状态，将实心圆柱状的内部轭铁114介装在薄板材料113内，在磁化线圈112上例如外加直流脉冲电压，将薄板材料113磁化为大致正弦波形的磁化波形。

专利文献1：日本特开昭61-30945号公报

但是，上述专利文献1的发明通过在电枢铁心上施以加工，才能够一定程度地降低齿槽效应，但是铁心的加工非常复杂，对于齿槽效应的降低，还无法充分满足对逐年增大的高品质化的要求。

而且，作为永久磁铁使用磁力强的稀土类磁铁等时，虽然促进了小型化，但是也产生了齿槽效应更加显著的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于解决上述现有技术所存在的问题，提供一种改良的小型电动机，以便能够容易地制造电动机并不降低输出转矩地降低齿槽转矩。

为了达成上述目的而制作的本发明的小型电动机具备固定安装在中空筒状轭铁的内表面上的圆筒状的永久磁铁、以及设置在所述永久磁铁内侧的电枢铁心，其特征在于，

所述电枢铁心具有等间距的3个槽，

所述永久磁铁是2极磁化的磁铁，各磁极在从磁极中心向两侧40度至50度的范围内具有磁通密度的极大值，

所述极大值处于磁极中心的磁通密度的1.3倍至1.8倍的范围内。

在本发明的小型电动机中，优选在包括所述极大值的区域内，具有所述极大值和所述磁极中心的磁通密度的平均值以上的磁通密度的区域的开口角处于所述槽开口角的1.8倍至2.2倍的范围内。

而且，在本发明的小型电动机中，优选所述槽开口角处于8度至25度的范围内。

而且，本发明提供一种小型电动机的制造方法，所述小型电动机具备固定安装在中空筒状轭铁的内表面上的圆筒状永久磁铁、以及设置在所述永久磁铁内侧的具有等间距的3个槽的电枢铁心，其特征在于，

具有：将未磁化的圆筒状磁铁材料固定安装在所述轭铁的内表面上的工序，以及

以与所述圆筒状磁铁材料的内侧接触的方式配置大致矩形剖面的铁心，通过与所述矩形的一个边大致正交的所述轭铁外部的平行磁场，对所述圆筒状磁铁材料进行2极磁化的工序，

所述铁心的所述矩形的一个边的开口角处于80度至100度的范围内。

发明的效果

根据本发明的小型电动机，在使用2极的永久磁铁和3极的电枢铁心的电动机中，通过在永久磁铁的各磁极内的特定位置上设置2个磁化波形的极大部，能够以不改变电枢铁心的形状的方式容易地制造电动机，同时可实现能够不降低输出转矩地降低齿槽转矩的高品质的小型电动机。

而且，根据本发明的小型电动机的制造方法，在使用2极的永久磁铁和3极的电枢铁心的电动机中，能够通过极为简易的磁化装置在永久磁铁的各磁极内的特定位置上设置2个磁化波形的极大部，结果不必伴随电枢铁心的复杂加工，便能简单地实现能够不降低输出转矩地降低齿槽转矩的高品质的小型电动机。

附图说明

图1是表示本发明的使用2极的永久磁铁和3极的电枢铁心的小型电动机的一个例子的剖面图。

图2是现有的小型电动机的永久磁铁的磁化波形(a)及该小型电动机的齿槽转矩(b)。

图3是用于说明本发明的小型电动机的永久磁铁的磁化波形的特征的图。

图4是本发明的实验例所使用的永久磁铁的磁化装置(a)、该磁化装置(a)的x-x剖面图(b)及铁心的立体图(c)。

图5是表示实验例1的齿槽转矩的结果的曲线图。

图6是用于说明当改变实验例2中的铁心的接触宽度W时的永久磁铁的磁化波形的变化的图。

图7是表示实验例3的齿槽转矩的结果的曲线图。

图8是现有的小型电动机的剖面图。

图9是现有的小型电动机的永久磁铁的磁化装置。

符号说明

1：小型电动机；11：定子；12：轭铁；13：永久磁铁；21：转子；22：电枢铁心；23：轴；25：齿；28：突极部；29：槽；31：磁化轭铁；32：磁化线圈；33：铁心；33A：铁心的一个边；34：角部；101：电枢铁心；102：突极；103：永久磁铁；104：壳(磁轭)；111：磁化轭铁；112：磁化线圈；113：薄板材料；114：内部轭铁。

具体实施方式

本发明人在由图1例示的使用2极的永久磁铁13和3极的电枢铁心22的外径为Φ20mm左右的小型电动机1中，对能够抑制输出转矩的降低并有效地降低齿槽转矩的构成反复进行锐意实验，结果完成了本发明。

首先，说明图1的小型电动机1的构成。11是定子，该定子11具备有底中空筒状的金属材料的轭铁12、固定安装在该轭铁12的内表面上的各向同性的稀土类永久磁铁13及未图示的电刷。永久磁铁13以圆筒形状沿圆周方向2极磁化了N极、S极，在永久磁铁13的内侧设置自由旋转的转子21。

转子21具备层叠多张薄钢板而成的电枢铁心22、轴23及未图示的换向器。电枢铁心22具有以120度间距的放射状设置的3个齿25，在各齿25上卷绕有未图示的线圈，未图示的线圈端部连接于换向器。在该换向器上滑接有电刷，当电刷上流过电流时转子21旋转。

在齿25的顶端部两侧沿转子21的旋转方向设有延伸的突极部28。该突极部28配置为与永久磁铁13的内侧隔有空隙。

电枢铁心22在相邻的齿25的突极部28之间设置有等间距的3个槽29。由于该槽29的存在，则在非励磁状态下使转子21旋转时产生齿槽转矩。

作为永久磁铁13，例如使用由如图9所示的装置磁化的磁铁时，则成为如图2(a)所示的大致正弦波状的磁化波形，齿槽转矩变为如图2(b)所示。尤其是作为永久磁铁材料使用磁力强的稀土类磁铁等时，虽然促进了电动机的小型化，但是齿槽转矩变得更为显著。

作为齿槽转矩对策，以往对电枢铁心施以加工，但是由于这种加工需要复杂的工序，所以本发明人着眼于永久磁铁的磁化波形，通过实验检验了各种磁化波形与齿槽转矩的关系。结果发现在永久磁铁的各磁极内的特定位置上设置2个磁通密度具有特定大小的极大值的区域是很有效的。

下面，示出本发明人所进行的实验例并说明本发明。

(实验例1)

本实验例使用外径为Φ18mm、内径为Φ15.5mm、高度为13mm的永久磁铁13以及外径为Φ15mm、槽宽度SH为2.11mm的电枢铁心22来构成图1所示的小型电动机1，并测定了齿槽转矩和输出转矩。

参照图3说明本实验例所使用的永久磁铁13的磁化波形的特征。图3的横轴表示磁铁内面角度(机械角度)，纵轴表示永久磁铁表面的磁通密度。

另外，磁化波形的测定是如下进行的，使霍尔元件接触永久磁铁13内周侧的轴向大致中央部分，使在内周固定有永久磁铁13的轭铁12在圆周方向上旋转。

如图3所示，本实验例中的永久磁铁13是2极磁化的磁铁，各磁极在从磁极中心C向两侧错开规定角度α度的位置上具备具有磁通密度的极大值P的区域。另外，磁极中心C是指N极和S极的边界至边界的中间，图3所示的0度至180度的范围的N极的中心C为90度，180度至360度的S极的中心C为270度。

在本实验例中，对使用图3的磁化波形中的极大值P的位置(即角度α)不同的11种永久磁铁构成的共11台小型电动机和使用图2(a)的磁化波形的永久磁铁构成的小型电动机的输出转矩及齿槽转矩进行了测定、比较。

本实验例所使用的11种永久磁铁13具体为使用如图4所示的装置进行了磁化。在图4中，31是卷绕安装有磁化线圈32的磁化轭铁，在1对磁化轭铁31之间，以对在内周面上配置有作为永久磁铁13的未磁化的圆筒状磁铁材料的轭铁12进行定位的状态，将铁心33介装在该圆筒状磁铁材料内，在磁化线圈32上外加直流脉冲电压以进行磁化。

铁心33是大致矩形剖面的实心大致长方体，四个角具有圆角的角部34配置为以接触宽度W分别接触作为永久磁铁13的未磁化的圆筒状磁铁材料的内周面。该铁心33的一个边33A被配置为与从轭铁12的外部施加的平行磁场大致正交。

在本实验例中，使图4所示的铁心33的接触宽度W保持一定为1.25mm，使与轭铁外部的平行磁场正交的铁心33的矩形的一个边的开口角β在65度至115度的范围内以11个阶段进行变化。即，使用开口角β不同的11种矩形剖面形状的铁心33进行磁化，图3所示的磁化波形中的角度α对应于上述开口角β的大致1/2。

另外，图2(a)的磁化波形的永久磁铁除使用实心圆柱状铁心进行磁化以外，以与上述的11种永久磁铁完全相同的条件进行了磁化。

在表1和图5中表示本实验例的结果。

在表1中，P/P0表示图3所示的磁化波形中的磁通密度的极大值P与磁极中心C的磁通密度P0的比。而且，齿槽转矩和输出转矩是令使用图2(a)的磁化波形的永久磁铁的小型电动机的齿槽转矩和输出转矩为1时的相对值。

在图5中，横轴表示所述角度α，纵轴是齿槽转矩的相对值。另外，如图2(b)所示，齿槽转矩使用所有峰值(P1～P6)的平均值。

(表1)

由表1可知，对于输出转矩都大致相同。

另一方面，由表1及图5可知，当角度α处于40度至50度的范围内时，即磁通密度的极大值P处于从磁极中心至两侧40度至50度的范围内时，能够有效地降低齿槽转矩。

另外，当角度α处于40度至50度的范围内时，则与铁心的矩形的一个边的开口角β处于80度至100度的范围内相对应。

而且，在使图4所示的铁心的接触宽度W为前述的2倍(2.5mm)时，也得到了与上述内容同样的结果，可知当磁通密度的极大值P处于从磁极中心向两侧40度至50度的范围内时，能够有效地降低齿槽转矩。

(实验例2)

本实验例是如下进行的，在2极磁化的永久磁铁13的各磁极上，从磁极中心向两侧大致42.5度的位置上具有磁通密度的极大值P，除使具有该极大值P的区域的形状(宽度及高度)发生变化以外，共构成18台与实验例1相同的小型电动机，并测定了齿槽转矩和输出转矩。

本实验例所使用的永久磁铁13具体为在图4所示的装置中，将与轭铁外部的平行磁场正交的铁心33的矩形的开口角β保持一定为85度，并使铁心33的接触宽度W在1.25mm至6.5mm的范围内发生变化。即，使用角部34的R尺寸不同的18种铁心33进行磁化。

如此，以使铁心33的接触宽度W变化的方式进行磁化时，如图6中的一部分的磁化波形所示，具有极大值P的区域的形状(宽度及高度)发生变化。另外，图6(a)是使接触宽度W为1.25mm时的磁化波形，图6(b)是使接触宽度W为4.25mm时的磁化波形，图6(c)是使接触宽度W为6.5mm时的磁化波形。

表2示出本实验例的测定结果。另外，P/P0表示磁化波形中的磁通密度的极大值P与磁极中心C的磁通密度P0的比。而且，齿槽转矩和输出转矩与实验例1一样是令使用图2(a)的磁化波形的永久磁铁的小型电动机的齿槽转矩和输出转矩为1时的相对值。

表2

如表2所示，可知在2极磁化的永久磁铁13的各磁极上，从磁极中心向两侧大致42.5度的位置上具有磁通密度的极大值P时，即使令接触宽度W大范围地发生变化，也能不降低输出转矩地降低齿槽转矩。此时，磁通密度的极大值P处于磁极中心C的磁通密度P0的1.3至1.8倍的范围内。而且，尤其是当磁通密度的极大值P为磁极中心的磁通密度P0的1.5倍左右时，齿槽转矩减少至现有的正弦波磁化的永久磁铁的1/5左右，其效果显著。

而且，发现从磁极中心向两侧大致40度的位置上具有磁通密度的极大值P时，或从磁极中心向两侧大致50度的位置上具有磁通密度的极大值P时，也得到与上述情况一样的倾向，当磁通密度的极大值P处于磁极中心C的磁通密度P0的1.3至1.8倍的范围内时，可有效地降低齿槽转矩。

而且，发现当永久磁铁13的磁化波形中的磁通密度的极大值P不足磁极中心C的磁通密度P0的1.3倍时，设置图3所示的极大部R所产生的齿槽转矩降低的效果变小，另一方面，当磁化波形中的磁通密度的极大值P超过磁极中心C的磁通密度P0的1.8倍时，极大部R变为尖锐状，齿槽转矩反而存在增加的倾向。

根据以上说明的实验例1及实验例2，可知通过在2极磁化的永久磁铁13的各磁极上形成在从磁极中心向两侧40度至50度的范围内具有磁通密度的极大值P的区域，使该极大值P处于磁极中心的磁通密度P0的1.3倍至1.8倍的范围内，则能够不降低输出转矩地有效地降低齿槽转矩。

而且，可知在制造使用2极的永久磁铁和3极的电枢铁心的电动机时，将未磁化的圆筒状磁铁材料固定安装在轭铁12的内表面上，以与该圆筒状磁铁材料的内侧接触的方式配置大致矩形剖面的铁心33，通过与该矩形的一个边33A大致正交的轭铁外部的平行磁场对圆筒状磁铁材料进行2极磁化时，通过作为铁心33使用所述矩形的一个边33A的开口角β处于80度至100度的范围内的铁心，在永久磁铁13的各磁极上形成在从磁极中心向两侧40度至50度的范围内具有磁通密度的极大值P的区域，可以使该极大值P处于磁极中心的磁通密度P0的1.3倍至1.8倍的范围内，则可以使用极为简易的磁化装置简单地实现能够不降低输出转矩地降低齿槽转矩的高品质的小型电动机。

(实验例3)

本发明人还使用图1所示的槽开口角S1不同的多个电枢铁心22进行了实验。结果发现当永久磁铁13具有图3所示的磁化波形时，在包括该极大值P的极大部R的区域中，具有极大值P和磁极中心C的磁通密度P0的平均值((P+P0)/2)以上的磁通密度的区域的开口角S2与槽开口角S1具有某种一定的关系时，能够不降低输出转矩地进一步降低齿槽转矩。下面，具体地说明本实验例。

在本实验例中，使用槽宽度SH为1.11mm、2.11mm、3.11mm的3种电枢铁心。

而且，永久磁铁13使用在图4所示的装置中，使用将与轭铁外部的平行磁场正交的铁心33的矩形的开口角β保持一定为85度，并使铁心33的接触宽度W变化为1.25mm、2.25mm、4.25mm、6.5mm，即使用角部34的R尺寸不同的4种铁心进行磁化的磁铁。如此磁化的永久磁铁13都是在2极磁化的永久磁铁13的各磁极上，从磁极中心向两侧大致42.5度的位置上具有磁通密度的极大值P。

在此如果由槽宽度SH计算槽开口角S1，则如下构成。

由于槽宽度为1.11时，电枢铁心的外径为Φ15mm，所以

槽开口角S1＝1.11/(π×15)×360°

≈8.5°

同样，槽宽度SH为2.11mm、3.11时，槽开口角S1分别为16.1度、23.8度。

在表3和图7中表示本实验例的测定结果。另外，齿槽转矩和输出转矩与实验例1一样是令使用图2(a)的磁化波形的永久磁铁的小型电动机的齿槽转矩和输出转矩为1时的相对值。

在表3中，开口角S2是在具有图3所示的磁化波形时，在包括该极大值P的极大部R的区域中，具有极大值P和磁极中心C的磁通密度P0的平均值((P+P0)/2)以上的磁通密度的区域(斜线部分)的开口角。而且，P/P0表示磁化波形中的磁通密度的极大值P与磁极中心C的磁通密度P0的比。

在图7中，横轴表示所述开口角S2与所述开口角S1的比(S2/S1)，纵轴是齿槽转矩的相对值。

(表3)

如表3所示，可知在2极磁化的永久磁铁的各磁极上，从磁极中心向两侧大致42.5度的位置上具有磁通密度的极大值时，即使令电枢铁心22的槽宽度SH发生一定程度的变化时，也能不降低输出转矩地降低齿槽转矩。

而且，由图7可知，尤其当S2/S1的值处于1.8至2.2的范围内时齿槽转矩变为最小，齿槽转矩减少至现有的正弦波磁化的永久磁铁的1/4以下，其效果显著。

而且，发现从磁极中心向两侧大致40度的位置上具有磁通密度的极大值P时，或从磁极中心向两侧大致50度的位置上具有磁通密度的极大值P时，也得到与上述情况一样的倾向，当S2/S1的值处于1.8至2.2的范围内时，可极为有效地降低齿槽转矩。

由此可知，通过在2极磁化的永久磁铁的各磁极上形成在从磁极中心向两侧40度至50度的范围内具有磁通密度的极大值P的区域，使该极大值P处于磁极中心的磁通密度P0的1.3倍至1.8倍的范围内，同时在包括极大值P的区域内，具有极大值P和磁极中心的磁通密度P0的平均值((P+P0)/2)以上的磁通密度的区域的开口角S2处于槽开口角S1的1.8倍至2.2倍的范围内，则能够不降低输出转矩地极为有效地降低齿槽转矩。

另外，在本实验例中示出了槽开口角S1为8.5度、16.1度、23.8度的例子，而当槽开口角S1不足8度时，存在槽的卷绕作业较难从而作业效率大幅下降的问题，另一方面，当槽开口角S1超过25度时，存在与永久磁铁13相对的突极部28的相对面积变小从而输出转矩自身降低的问题。因此，希望电枢铁心22的槽开口角S1处于8度至25度的范围内。

Claims

1.一种小型电动机，具备固定安装在中空筒状轭铁的内表面上的圆筒状的永久磁铁、以及设置在所述永久磁铁内侧的电枢铁心，其特征在于，

所述电枢铁心具有等间距的3个槽，

所述极大值处于磁极中心的磁通密度的1.3倍至1.8倍的范围内，

在包括所述极大值的区域内，具有所述极大值和所述磁极中心的磁通密度的平均值以上的磁通密度的区域的开口角处于所述槽的开口角的1.8倍至2.2倍的范围内。

2.根据权利要求1所述的小型电动机，其特征在于，所述槽的开口角处于8度至25度的范围内。

3.一种小型电动机的制造方法，所述小型电动机具备固定安装在中空筒状轭铁的内表面上的圆筒状的永久磁铁、以及设置在所述永久磁铁内侧的具有等间距的3个槽的电枢铁心，其特征在于，

以四个角具有圆角的角部分别与所述圆筒状磁铁材料的内侧接触的方式配置大致矩形剖面的实心大致长方体的铁心，通过与所述矩形的一个边大致正交的所述轭铁外部的平行磁场，对所述圆筒状磁铁材料进行2极磁化的工序，