CN112154592A - 无刷马达 - Google Patents

Abstract

无刷马达2变成4极6槽结构，包括定子11、及具有歪斜结构的转子12。在磁铁19的轴方向两端部设置有第一突出部31及第二突出部32。各突出部31、32从定子芯14的轴方向端部的突出量OH1、突出量OH2不同。磁铁19使用稀土类磁铁，其磁取向变成极取向。将歪斜角θ设定成30°～50°(电气角)，并且将突出量的比OH2/OH1设定成1.5～2.5。

Description

无刷马达

技术领域

本发明涉及在无刷马达中产生的推力方向的电磁力的减少，且特别涉及一种包括歪斜结构的无刷马达中的推力方向的电磁力减少技术。

背景技术

从前以来，作为减少无刷马达(以下，略记为马达)的转矩波动(torque ripple)或齿槽效应(cogging)的手段，已知有使磁极的极性切换的位置(磁极边界位置)沿着轴方向在旋转方向上移动的所谓的歪斜结构。歪斜结构的马达减少转矩波动或齿槽效应，另一方面，磁极边界位置倾斜，因此通过由磁的吸引排斥所产生的旋转力的轴方向成分，而在推力方向上产生力(沿着旋转轴延伸方向的力：推力电磁力)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2009-213282号公报

发明内容

发明所要解决的问题

若在马达内产生推力电磁力，则通过其增减(波动)而在推力方向上产生振动。其结果，例如在包括齿轮变速机构的马达中，齿轮的咬合状态因推力振动而变得不连续，其成为声音或振动的产生原因。尤其，推力电磁力或其波动在磁极数少的马达中显著。进而，若使用利用磁力大的稀土类元素的磁铁(以下，称为稀土类磁铁)，则推力电磁力或其波动进一步增大。

图10(a)是表示磁极的倾斜角与磁极数的关系的说明图，图10(b)是表示磁极数与推力电磁力的峰至峰(peak-to-peak，P-P)值的关系的说明图。如根据图10(a)而可知，若将磁铁外径设为Dm，将歪斜角设为θs(机械角)，将磁铁轴方向长度设为Lm，则磁极的倾斜角θm可由

θm＝tan^-1[{Dm×π×(θs/360)}/Lm]

表示。在此情况下，当将电气角的歪斜角设为固定时，伴随磁极数增加，机械角的歪斜角θs变小。

因此，若在2极3槽(2P3S)×n(整数)规格的马达中，将歪斜角(电气角)设为固定，则在(ⅰ)4极(6槽：4P6S)、(ⅱ)6极(9槽：6P9S)、(ⅲ)8极(12槽：8P12S)的各规格的马达中，随着极数与槽数的最小公倍数(ⅰ：12、ⅱ：18、ⅲ：24)变小，歪斜角θs(机械角)变大，另外，θm也变大。而且，推力电磁力是因歪斜而产生的旋转方向的力的轴方向成分，因此若磁极的倾斜角θm大，则推力电磁力变大。因此，如图10(b)所示，越是极数与槽数的最小公倍数小的规格，推力电磁力的波动变得越大，在4极规格与8极规格的马达中，推力电磁力的P-P值产生约5倍的差异。

另外，作为磁极用的磁铁，若使用磁通密度大的稀土类磁铁，则与使用铁氧体磁铁等利用非稀土类元素的磁铁(以下，称为非稀土类磁铁)的情况相比，磁吸引与排斥增强。因此，通过使用稀土类磁铁，而使马达小型化、高输出化，但推力电磁力进一步变大，其波动也变大。图11(a)是表示使用稀土类磁铁的情况与使用非稀土类磁铁的情况的推力电磁力的大小的说明图，图11(b)是表示旋转角(机械角)与推力电磁力的关系的说明图。如根据图11(a)及图11(b)而可知，稀土类磁铁与非稀土类磁铁相比，推力电磁力约大3.5倍左右，而且其变动也大。因此，使用稀土类磁铁的马达的推力振动也变大，变得容易产生声音或振动。

解决问题的技术手段

本发明的无刷马达具有：定子，包括沿着圆周方向形成有六个朝径向内侧延长的齿的定子芯、及卷绕在所述齿并被收容在槽内的线圈，所述槽形成在邻接的所述齿间；以及转子，旋转自如地配置在所述定子的径向内侧，包括沿着圆周方向形成有四个磁极的磁铁，所述无刷马达的特征在于：所述磁铁由使用稀土类磁铁的环形磁铁来形成，所述环形磁铁具有磁极的切换位置沿着轴方向在旋转方向上偏移的歪斜结构，并且在其轴方向两端部，具有分别从所述定子芯的轴方向端部朝轴方向延出的第一突出部与第二突出部，所述歪斜结构的歪斜角被设定成电气角30°～电气角50°，所述第一突出部及第二突出部使相对于所述定子芯的轴方向端部的各自的延出量互不相同。

在本发明中，在4极6槽结构的马达中，将歪斜角设定成电气角30°～电气角50°，并在磁铁的轴方向两端部分别设置从定子芯的轴方向端部朝轴方向延出的突出部。由此，可减少因歪斜结构而产生的推力电磁力，即便在使用稀土类磁铁的情况下，也抑制推力电磁力。其结果，通过歪斜结构来抑制转矩波动或齿槽效应的产生，并也减少推力电磁力或其波动。

在所述无刷马达中，作为所述环形磁铁，也可以使用具有以仅在外周面形成磁极的方式被磁化的极取向的磁取向的磁铁。由此，进一步抑制推力电磁力的波动。

另外，也可以将形成在所述环形磁铁的一端侧的第一突出部的延出量OH1、与形成在所述环形磁铁的另一端侧的第二突出部的延出量OH2的比OH2/OH1设定成1.5～2.5。由此，有效地抑制推力电磁力的波动。

发明的效果

根据本发明的无刷马达，在4极6槽结构的无刷马达中，将歪斜角设定成电气角30°～电气角50°，并在磁铁的轴方向两端部分别设置从定子芯的轴方向端部朝轴方向延出的突出部，因此可减少因歪斜结构而产生推力电磁力或其P-P值。其结果，在使用稀土类磁铁的无刷马达中，也可以抑制推力电磁力或其波动。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式的马达单元的结构的剖面图。

图2是表示图1的马达单元中所使用的无刷马达的结构的剖面图。

图3是表示磁铁的磁化形态的说明图。

图4是表示磁铁的歪斜结构的说明图。

图5是表示转子与定子的关系的说明图。

图6是表示4极6槽结构的马达中的歪斜角θ(电气角)与推力电磁力的P-P值的关系的说明图。

图7是表示4极6槽结构的马达中的突出量的比与推力电磁力的P-P值的关系的说明图。

图8是表示磁铁的磁取向与推力电磁力的P-P值的关系的说明图。

图9是表示设为极取向、歪斜角40°、突出量的比＝2时的转子旋转角与推力电磁力的关系的说明图。

图10(a)是表示磁极的倾斜角与磁极数的关系的说明图，(b)是表示磁极数与推力电磁力的P-P值的关系的说明图。

图11(a)是表示使用稀土类磁铁的情况与使用非稀土类磁铁的情况的推力电磁力的大小的说明图，(b)是表示旋转角(机械角)与推力电磁力的关系的说明图。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行详细说明。以下的实施方式的目的在于减少包括歪斜结构的无刷马达的推力电磁力，特别是减少极数与槽数的最小公倍数小的规格的马达的推力电磁力或其波动。

图1是表示本发明的一实施方式的使用无刷马达的马达单元1的结构的剖面图。图2是表示图1的马达单元中所使用的无刷马达的结构的剖面图。图1的马达单元1包含无刷马达2(以下，略记为马达2)、及减速机构部(变速机构)3。马达单元1例如用作汽车的天窗或雨刷装置、电动车窗、电动座椅等的驱动源。在马达单元1中，马达2的旋转轴4的旋转在减速机构部3内得到变速，从输出轴5朝单元外输出。

马达2是无刷马达，如图1、图2所示，包含定子11、及旋转自如地配置在定子11内的转子12。定子11包括马达壳体13与定子芯14。马达壳体13形成为有底筒状，定子芯14固定在马达壳体13的内表面。定子芯14是将由磁性体形成的板层叠多块来形成，包含磁轭部15与齿16。磁轭部15的外形形成为六边形，齿16从磁轭部15朝径向内侧(中心方向)呈放射状地突设。在马达2中，齿16沿着圆周方向而设置有六个。邻接的齿16之间变成槽17。在齿16的外周卷绕有线圈18，线圈18被收容在槽17内。线圈18通过集中卷来卷绕，三相的线圈通过三角形接线(delta connection)来连接。

在定子11的内侧插入转子12。转子12包括旋转轴4、及固定在旋转轴4的磁铁19。旋转轴4的一端侧(马达侧的一端)由配置在马达壳体13的端部的轴承21旋转自如地支撑。磁铁19被磁化成4极，马达2是4极6槽(4P6S)结构的无刷马达。磁铁19使用利用钕或镝、钐等稀土类元素的永磁铁(稀土类磁铁)。磁铁外周面19a以与齿16的前端面16a相向的方式配置，马达2变成表面式永磁(Surface Permanent Magnet，SPM)型的结构。

磁铁19使用以极性沿着圆周方向变化的方式被磁化的极各向异性的环形磁铁。图3(a)及图3(b)是表示磁铁的磁化形态的说明图。如图3(a)所示，磁铁19是仅在磁铁外周面19a形成磁极N、磁极S的极取向磁铁。与如图3(b)那样的磁场的方向变成放射状的径向取向的磁铁41不同，在磁铁19中，仅在与定子11相向的磁铁外周面19a形成有磁极。

在马达2中，对磁铁19的磁极边界线P进行沿着轴方向在径向上偏移的歪斜磁化。图4是表示磁铁19中的歪斜结构的说明图。如图4所示，在磁铁19中，磁极边界线P沿着轴方向倾斜，磁极边界线P的起点Q1与终点Q2之间的角度θ变成歪斜角。在马达2中，将歪斜角θ设定成30°～50°(电气角)的范围。另外，点Q1与点Q2的任一者可以是起点，也可以是终点。

减速机构部3包含形成在旋转轴4的蜗杆6、及与蜗杆(驱动齿轮)5咬合的蜗轮(被动齿轮)6。减速机构部3配置在由合成树脂或铝压铸所形成的齿轮箱22内。如图1所示，在齿轮箱22固定有马达壳体13的一端开口侧。马达2的旋转轴4在齿轮箱22内延伸。旋转轴4由设置在齿轮箱22内的轴承23与轴承24旋转自如地支撑。蜗轮7固定在输出轴5。输出轴5与蜗轮7一同进行旋转。

在马达2中，转子12侧的磁铁19的轴方向长度Lm比定子11侧的定子芯14的轴方向长度Lc更长。图5是表示转子12与定子11的关系的说明图。如图5所示，在磁铁19的轴方向两端部分别设置有突出部(第一突出部31、第二突出部32)。突出部31、突出部32不与定子芯14相向而朝轴方向延出。

在马达2中，一端侧的第一突出部31的突出量(延出量)OH1与另一端侧的第二突出部32的突出量OH2不同。即，第一突出部31及第二突出部32在轴方向上非对称地设置。另外，第二突出部32的突出量OH2比第一突出部31的突出量OH1更大(OH1＜OH2)。此处，OH2变成OH1的1.5倍～2.5倍的大小(OH2/OH1＝1.5～2.5)。

在马达2中，采用歪斜结构，并设定非对称的第一突出部31及第二突出部32，由此减少推力电磁力或其P-P值。因此，也减少起因于P-P值的推力电磁力的波动。在无突出部(且无歪斜)的情况下，推力电磁力大致为0，相对于此，若设置非对称的突出部，则始终在固定方向上产生固定的推力电磁力。其结果，因歪斜而产生的推力电磁力被抵消，推力电磁力或其P-P值减少。

图6是表示4极6槽结构的马达2中的歪斜角θ(电气角)与推力电磁力的P-P值的关系的说明图。图7是表示所述马达中的突出量的比(OH2/OH1)与推力电磁力的P-P值的关系的说明图。如图6所示，根据发明人等人的分析，可知4P6S结构的马达中的推力电磁力的P-P值在歪斜角θ为40°时取得极小值。另外，在与突出量的比的关系中，如图7所示，也可知推力电磁力的P-P值在突出量的比为2(OH2/OH1＝2)时取得极小值。

另一方面，对推力电磁力的P-P值与磁铁19的磁取向的关系进行调查的结果，已判明如下的关系。图8是表示设定有第一突出部31及第二突出部32时的磁铁的磁取向与推力电磁力的P-P值的关系的说明图。如图8所示，可知当设定有第一突出部31及第二突出部32时，将磁铁19设为极取向的情况与径向取向的情况相比，推力电磁力变低。根据发明人等人的分析，通过将磁铁19设为极取向，与径向取向相比，可将推力电磁力的P-P值抑制成大致一半。

此处，因歪斜而产生的推力电磁力如所述那样，通过旋转方向的电磁力(转矩)因歪斜而转换成推力方向的力来产生。因此，若转矩的波动小，则推力电磁力的波动也变小。因此，若考虑马达的转矩波动，则转矩波动的大小变成“径向取向磁铁＞极取向磁铁”。因此，推测推力电磁力的波动的大小(P-P值)也如图8所示，变成“径向取向＞极取向”。

图9是表示设为极取向、歪斜角40°、突出量的比(OH2/OH1)＝2时的转子旋转角与推力电磁力的关系的说明图。在图9中，虚线是只抽取了仅由突出部产生的推力电磁力的线。另外，点划线是只抽取了仅由磁铁19与定子11相向的部分(非突出部)产生的推力电磁力的线(虚线、点划线：纵轴为右侧刻度)。进而，实线是将所述两者合成的线，表示本发明的马达的推力电磁力(纵轴为左侧刻度)。

如图9所示，由虚线与点划线表示的推力电磁力大概变成反相位。因此，两者相互抵消，将它们合成的实线的推力电磁力变小，旋转变动也变少。如图9那样，为了将合成推力电磁力抑制得小，将变动也抑制得少，必须微妙地调整虚线与点划线的抵消平衡度。

因此，发明人等人根据如上所述的各元素的分析结果进行研究，获得了如图9那样的平衡度良好的结果。即，可知在使用稀土类磁铁的4极6槽结构的马达中，

(1)将磁铁设为极取向，

(2)将歪斜角θ设定成30°～50°(电气角)，优选设定成40°，

(3)设置非对称的突出部，并且将各突出量的比设定成1.5～2.5，优选设定成2，

由此可减少推力电磁力或其P-P值。

因此，通过采用所述(1)～(3)的结构，在4极6槽结构的马达中，可减少因歪斜结构而产生的推力电磁力或其P-P值，即便在使用稀土类磁铁的情况下，也可以抑制推力电磁力或其P-P值。其结果，可通过歪斜结构来抑制转矩波动或齿槽效应的产生，并谋求推力电磁力的减少。另外，也减少推力电磁力的P-P值，因此可抑制推力电磁力的变动(波动)，可使转子的推力位置稳定。由此，例如可抑制因蜗杆等减速机构中的齿的咬合不连续等而产生的声音或振动，可抑制马达的声音或振动。

本发明并不限定于所述实施方式，当然可在不脱离其主旨的范围内进行各种变更。

例如，在所述实施方式中，表示了磁铁19使用极各向异性的磁铁的例子，但作为磁铁19，也可以使用极各向同性的磁铁，并将所述磁铁设为以仅在其外周面形成磁极的方式进行了磁化的极取向磁铁。另外，在所述实施方式中，表示了将磁铁19固定在旋转轴4的无刷马达，但本发明不仅可应用于将磁铁直接固定在旋转轴的形态的无刷马达，也可以应用于将磁铁经由转子芯等而安装在旋转轴的形态的无刷马达。进而，在马达2中，设为使磁铁19与定子芯14直接相向的SPM结构，但本发明也可以应用于在转子侧设置钢制的转子芯，在其内侧埋设有磁铁的内置式永磁(Interior Permanent Magnet，IPM)结构的马达。

另外，在本发明中，所谓将磁铁“固定在旋转轴”，是指不仅包含将磁铁直接固定在旋转轴的形态，也包含将磁铁经由安装在旋转轴的转子芯等的内部或外周部等转子芯等而固定在旋转轴的形态的意思。

产业上的可利用性

本发明的无刷马达不仅可应用于汽车的车载马达，也可以广泛地应用于家电制品或产业机械等中所使用的电动马达。

符号的说明

1：马达单元

2：无刷马达

3：减速机构部

4：旋转轴

5：输出轴

6：蜗杆

7：蜗轮

11：定子

12：转子

13：马达壳体

14：定子芯

15：磁轭部

16：齿

16a：前端面

17：槽

18：线圈

19：磁铁

19a：磁铁外周面

21：轴承

22：齿轮箱

23：轴承

24：轴承

31：第一突出部

32：第二突出部

41：磁铁

Lc：定子芯轴方向长度

Lm：磁铁轴方向长度

θm：磁极边界线倾斜角

θs：歪斜角

OH1：第一突出部突出量

OH2：第二突出部突出量

P：磁极边界线

Q1：磁极边界线的起点

Q2：磁极边界线的终点

X：推力方向

Claims (3)

1.一种无刷马达，具有：

定子，包括定子芯与线圈，所述定子芯在沿着圆周方向形成有六个朝径向内侧延长的齿，所述线圈卷绕在所述齿并被收容在形成在邻接的所述齿间的槽内；以及

转子，旋转自如地配置在所述定子的径向内侧，包括沿着圆周方向形成有四个磁极的磁铁，所述无刷马达的特征在于，

所述磁铁由使用稀土类磁铁的环形磁铁来形成，

所述环形磁铁具有磁极的切换位置沿着轴方向在旋转方向上偏移的歪斜结构，并且在其轴方向两端部，具有分别从所述定子芯的轴方向端部朝轴方向延出的第一突出部与第二突出部，

所述歪斜结构的歪斜角被设定成电气角30°～电气角50°，

所述第一突出部及第二突出部使相对于所述定子芯的轴方向端部的各自的延出量互不相同。

2.根据权利要求1所述的无刷马达，其特征在于，

所述环形磁铁具有以仅在外周面形成磁极的方式被磁化的极取向的磁取向。

3.根据权利要求1或2所述的无刷马达，其特征在于，

形成在所述环形磁铁的一端侧的第一突出部的延出量OH1、与形成在所述环形磁铁的另一端侧的第二突出部的延出量OH2的比OH2/OH1被设定成1.5～2.5。

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