專利名稱：無刷馬達的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有扭斜結構的無刷馬達，尤其涉及具有由瓦形磁鐵 形成的步進扭斜結構的無刷馬達。
背景技術：
以往，在無刷馬達中，作為使頓振或力矩波動減小的機構，在軸 向上使轉子磁極等傾斜的扭斜結構廣為人知。在扭斜結構的無刷馬達 中，作為磁極用的磁鐵， 一般使用環(huán)形磁鐵。在使用了環(huán)形磁鐵的馬 達中，通過在磁鐵自身上進行扭斜磁化，使得頓振或力矩波動降低。
另一方面，例如在電動動力轉向裝置用的無刷馬達等中，出于小 型化、高輸出化的要求，作為轉子磁鐵，能夠磁化成高磁通密度的瓦 形磁鐵的使用正在增加。然而，瓦形磁鐵(直角磁場型)在制造方法 方面卻無法進行扭斜磁化。因而，在使用了瓦形磁鐵的馬達中，為了 實現(xiàn)扭斜結構，進行通過層積磁鐵而實施的所謂的步進扭斜。
在步進扭斜結構的馬達中，由于使各層的頓振波形相抵來降低頓
振，所以瓦形磁鐵在軸向上配置偶數(shù)層(通常為2層)。在專利文獻l 中，示出了磁鐵配置了 2層的旋轉電機。在專利文獻l的旋轉電機中， 各層的磁鐵在圓周方向上每隔規(guī)定角度地偏移配置。由此，轉子的磁 極沿著軸向階段性地偏移，形成2層層積結構的步進扭斜。
然而，在步進扭斜結構的馬達中，由于實際上在組裝狀態(tài)或物性 值、加工精度等方面存在誤差，所以，對于2層層積的步進扭斜，存 在不太能改善頓振的問題。尤其是在少極少切槽結構的馬達的場合， 由于極與切槽的最小公倍數(shù)小，所以各種誤差所造成的影響大，難以 降低頓振。因而，磁鐵形狀或組裝精度變得非常嚴格，存在穩(wěn)定性差 的問題。例如在6極9切槽結構的馬達的場合，轉子的制造精度的偏差所 產生的頓振波形為9次(相當于馬達一個旋轉)。而且，定子的偏差所 產生的頓振波形為6次(同上)。因此，頓振的基本波為18次(同上 9與6的最小公倍數(shù))。另一方面，組裝失衡所產生的頓振波形為各次 數(shù)的偶數(shù)倍，由于該偏差，各次數(shù)的整數(shù)倍算到頓振中。尤其是層積 所產生的轉子的制造精度的偏差對頓振的影響大，若層積誤差所形成 的36次成分變大的話，則即使是理論扭斜角(3607極、切槽的最小 公倍數(shù))也無法降低頓振。
另外，為了降低頓振或力矩波動，必須擴大磁鐵寬度、增大扭斜 角以減少感應電壓的高諧波成分，此時，存在鄰接的各層的磁極(異 極)重疊的危險。若異極彼此的磁鐵重疊的話，則會造成磁通短路， 無法獲得對馬達旋轉驅動有效的磁通。因而，還存在無法增大扭斜角 而無法充分改善頓振等、或者有效磁通減少而輸出降低的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供相對組裝精度或扭斜角的偏差的穩(wěn)定性優(yōu) 異、與現(xiàn)有的由環(huán)形磁鐵形成的轉子扭斜結構的馬達相比能夠提高輸 出的無刷馬達。
本發(fā)明的無刷馬達具備沿圓周方向具有2n (n為正整數(shù))個磁極 的轉子和具有3n個切槽的定子；其特征在于，所述轉子的所述磁極由 沿軸向配置成3列的瓦形磁鐵形成，而且，具有鄰接列的磁鐵配置于 在圓周方向上偏移的位置的步進扭斜結構；所述瓦形磁鐵的扭斜角 6skew i殳定為電角度60~75°。
在本發(fā)明中，通過以2P3Sxn結構的馬達釆用3層層積扭斜結構， 而且將扭斜角設定為電角度60 75°，對于少極少切槽的無刷馬達，能 夠在抑制頓振或力矩波動的同時，進行比轉子扭斜的馬達高的輸出化。
在所述無刷馬達中，所述瓦形》茲4失的中心角9m可以為(140 x iT1 ) °$emS ( 159 x n")。。由此，各列的》茲鐵在圓周方向上不會重疊配置， 抑制了磁通的短路，能夠防止因有效磁通的減少造成輸出降低。而且，所述無刷馬達由于能夠良好平衡地滿足低頓振、低力矩波動、高輸出， 所以，優(yōu)選作為電動動力轉向的驅動源。因此，通過將所述無刷馬達 作為電動動力轉向的驅動源使用，不會導致操縱感覺的不良化，能夠 使電動動力轉向裝置實現(xiàn)小型、輕量化。


圖l是作為本發(fā)明的一個實施例的無刷馬達的剖視圖。
圖2是表示圖1的馬達的定子的構成的說明圖。 圖3是表示圖1的馬達的轉子的構成的說明圖。 圖4是圖3的箭頭X方向的側視圖(局部剖視)。 圖5是關于轉子側的扭斜角的說明圖。
圖6是表示扭斜角與感應電壓5次高諧波成分的關系的說明圖。 圖7是表示扭斜角與感應電壓高諧波成分的關系的說明圖。 圖8的(a)是表示磁鐵的中心角0m的說明圖，(b)是表示2P3S xn結構的馬達中3列的磁鐵不重疊的條件的表，(c)是表示關于(b) 的條件的極數(shù)和切槽的倍數(shù)n與磁鐵角度的最大值以及最小值的關系 的曲線圖。
圖9是表示扭斜角與感應電壓5次高諧波成分的含有率的關系的 說明圖。
圖IO是表示扭斜角與感應電壓1次高諧波成分的含有率的關系的 說明圖。
具體實施例方式
下面，基于附圖詳細說明本發(fā)明的實施例。圖l是作為本發(fā)明的 一個實施例的無刷馬達的剖視圖。如圖1所示那樣，無刷馬達1 (以 下簡稱為馬達l)是在外側配置定子2、在內側配置轉子3的內轉子型 的無刷馬達。馬達1例如作為柱助力式的電動動力轉向裝置(EPS) 的動力源使用，對汽車的轉向軸施加動作輔助力。馬達l安裝在設于 轉向軸的減速機構部上。馬達l的旋轉通過該減速機構部減速傳遞至轉向軸。
定子2由有底圓筒形狀的殼體4、定子鐵芯5、巻繞安裝在定子鐵 芯5上的定子線圏6(以下簡稱為線圏6)以及安裝在定子鐵芯5上的 母線單元(端子單元)7構成。殼體4由鐵等形成為有底圓筒狀。在 殼體4的開口部上，通過未圖示的固定螺釘安裝有鋁壓鑄件制的托架 8。
如圖2所示那樣，定子鐵芯5是將多個(在此為9個)的分割鐵 芯9聚集在圓周方向上的構成。在定子鐵芯5上朝向徑向內側突出設 置有9個齒5a。在定子鐵芯5的末端形成有2n個槽5b(在此為2個)， 根據(jù)疑似切槽效果來實現(xiàn)頓振的減小。分割鐵芯9通過層積由電磁鋼 板構成的鐵芯片而形成。在分割鐵芯9的周圍安裝合成樹脂制的絕緣 體11。
在絕緣體11的外側巻繞安裝線圏6。在定子鐵芯5的一端側拉出 線圏6的端部6a。在定子鐵芯5的一端側安裝母線單元7。在母線單 元7的合成樹脂制的本體部內插入成型有銅制的母線。在母線單元7 的周圍沿徑向突出設有多個供電用端子12。在安裝母線單元7時，線 圏端部6a與該供電用端子12焊接。在母線單元7中，母線設有與馬 達l的相位數(shù)對應的個數(shù)(在此為與U相、V相、W相相當?shù)娜齻€)。 各線圏6同與其相位對應的供電用端子12電連接。定子鐵芯5在安裝 了母線單元7之后被壓入固定在殼體4內。
在定子2的內側插入有轉子3。圖3是表示轉子3的構成的說明 圖，圖4是圖3的箭頭X方向的側視圖(局部剖視)。轉子3具有轉 子軸13。轉子軸13通過軸承14a、 14b旋轉自如地受到支承。軸承14a 固定在殼體4的底部中央，軸承14b固定在托架8的中央部。在轉子 軸13上固定有圓筒形狀的轉子鐵芯15( 15a 15c )。在轉子鐵芯15a 15c 的外周上安裝有瓦形的磁鐵(永久磁鐵)16 (16a 16c)。在馬達l中， 磁鐵16a 16c沿著圓周方向配置6個><3歹'J。也就是說，馬達1為6 極9切槽(以下簡記為6P9S)的構成。在磁鐵16a 16c的外側安裝有 有底圓筒形狀的磁鐵罩18。另外，圖3示出的是拆下了磁鐵罩18的狀態(tài)的轉子3的構成。
在磁鐵16a 16c的外側安裝有合成樹脂制的磁鐵保持架17a 17c。 如圖4所示那樣，磁鐵16a 16c被保持在磁鐵保持架17a 17c上，安 裝到轉子鐵芯15a 15c的外周上。在馬達1中，磁鐵16a 16c通過各 磁鐵保持架17a 17c在軸向上配置有3列。如圖3所示那樣，各列的 磁鐵16a 16c安裝成這樣的位置關系鄰接列的同極性磁鐵在圓周方 向上每隔規(guī)定的步距角0step (鄰接列的磁鐵中心間角度)偏移錯開。 即，馬達1的轉子3成為磁鐵16a 16c形成3層層積的步進扭斜結構。
圖5是關于轉子3側的扭斜角的說明圖。如圖5所示那樣，在步 進扭斜結構中，當(同時在圓周方向、軸向)連結磁鐵16a 16c的中 心點C1 C3、設連結該Cl C3的線L與磁鐵16a、 15c的端部的交點 為Pl、 P2時，Pl、 P2間的相對旋轉中心O的中心角成為萬茲鐵扭斜角。 因此，磁鐵16a、 16b之間、磁鐵16b、 16c之間的步距角0step分別 成為Cl、 C2間、C2、 C3間的相對旋轉中心O的中心角。另外，Cl、 Pl間、C3、 P2間的中心角分別成為步距角0step的一半(0step/2)。 因而，扭斜角0skew為6step x (層積數(shù)-1) + ( 0step/2 ) x 2=0step x 層積數(shù)。
在磁鐵保持架17a的端部安裝有作為旋轉角度檢測機構的分解器 21的轉子(分解器轉子)22。相對于此，分解器21的定子(分解器 定子)23被壓入到金屬制的分解器保持架24內，收納于合成樹脂制 的分解器托架25。分解器保持架24形成為有底圓筒形狀，被輕壓入 到設于托架8的中央部的肋26的端部外周。在分解器托架25和托架 8上插入形成金屬制的陰螺紋部27。在陰螺紋部27中從托架8的外側 檸入安裝螺釘28。由此，分解器保持架24固定在托架8的內側。
在此，在本發(fā)明的馬達(6P9S) 1中，設定成為扭斜角9skew-步 距角9step x層數(shù)(層積數(shù)-1 )=20 25°(機械角,電角度的話為60~75° )。 如上述那樣，在6P9S的馬達中，頓振為0的理論扭斜角為3607極、 切槽的最小公倍數(shù)，在馬達l中，成為360718=20°。圖6是表示扭斜 角與頓振力矩的關系的說明圖。由圖6可知，與2層層積的步進扭斜(以下簡記為2層層積扭斜)相比，3層層積的步進扭斜(同樣簡記 為3層層積扭斜)將頓振抑制得較小，降低為與轉子扭斜大致相同的 程度。另外，頓振以扭斜角20。作為極小值，在大概17。 24。的范圍內， 收納在從極小值到20%以內的值。
而且，對于6P9S的馬達，對力矩波動帶來影響的感應電壓高頻 波成分(主要是5次)變成極小的理論扭斜角為24°。圖7是表示扭 斜角與感應電壓5次高諧波成分的關系的說明圖。如圖7所示那樣， 與2層層積扭斜相比，3層層積扭斜總的來講感應電壓5次高諧波成 分較大，力矩波動也被抑制為與轉子扭斜大致相同的程度。
另一方面，在馬達1中，在將》茲鐵16a 16c設定為上述扭斜角(步 距角)的場合，各列的磁鐵配置成在圓周方向上不重疊。圖8 (a)是 表示磁鐵16a 16c的中心角0m (磁鐵圓周方向長度(磁鐵寬度)相對 旋轉中心O的中心角)的說明圖，圖8 (b)是表示2P3Sxn結構的 馬達中3列的磁鐵不重疊的條件的表。由圖8(b)可知，在6P9S的 馬達1中，需要將中心角9m設定在46.7°~53.0。之間。由圖8(c)可 知，在2P3S x n結構的馬達中， 一般來講需要設定成(140 x n" )。5em^
(159 x n" ) \
在這樣的設定中，本發(fā)明的發(fā)明人研究了磁鐵16a 16c的扭斜角 與感應電壓5次高諧波成分的關系。圖9是表示兩者的關系的說明圖。 如圖9所示那樣，根據(jù)發(fā)明人的實驗，在磁鐵中心角em為46.7。的場 合和為53.0°的場合，前者的高諧波含有率高。在圖9中，考慮對力矩 波動的影響，觀察能夠將高諧波含有率抑制為3。/。以下的區(qū)域的話， 則扭斜角為20°至27。的程度。但是，當扭斜角達到25。以上時，高諧 波含有率急劇增大。
即，根據(jù)上述的結果可知的是，在3層層積的場合，關于扭斜角 優(yōu)選以下區(qū)域。
(1) 若從與頓振力矩的關系觀察的話，則扭斜角20。是最理想值， 可為17°~24° (圖6)。
(2) 若從與力矩波動的關系觀察的話，則24。是最理想值，可為20o~25o (圖7 )。
(3)若從磁鐵的重疊觀察的話，則可為20° 25° (圖9)。 因而，作為綜合判斷這些情況的結果，本發(fā)明的發(fā)明人確定，作 為各條件平衡良好地整合的區(qū)域，將扭斜角6skew以機械角設定為 20 25° (電角度的話則為60 75°)。因此，在3層層積扭斜結構的馬達 1中，步距角estep設定為10~12.5。(機械角；電角度的話則為 30 37.5。)。
然而，在3層層積扭斜的場合，與2層層積扭斜的場合相比，存 在有助于力矩的感應電壓的1次高諧波成分的含有率變小的傾向。圖 10是表示扭斜角與感應電壓1次高諧波成分的含有率的關系的說明 圖。如圖10所示那樣，當扭斜角變大時，l次高諧波成分減少，馬達 力矩也減小。3層層積扭斜的馬達的高諧波成分比2層層積扭斜的馬 達要少，相應地力矩也變小。然而，由圖10可知，3層層積扭斜的馬 達的高諧波成分比轉子扭斜的馬達多，所以，與轉子扭斜的馬達相比 能夠進行更高的輸出化。
這樣，在本發(fā)明的馬達l中，通過以6P9S馬達采用3層層積扭 斜結構，而且將扭斜角設定為20~25°(機械角)，對于少極少切槽的 無刷馬達來講，能夠在抑制頓振力矩或力矩波動的同時，比轉子扭斜 的馬達進行更高的輸出化。另外，相對于2層層積扭斜馬達，雖然在 輸出方面稍有劣勢，但在頓振力矩或力矩波動方面則能夠獲得與轉子 扭斜馬達相同程度的降低效果。因此，在考慮了頓振力矩或力矩波動、 輸出的情況下，能夠良好平衡地滿足這些方面所追求的方式，能夠獲 得穩(wěn)定性優(yōu)異的高輸出的無刷馬達。
本發(fā)明并不限于上述實施例，當然還能夠在不脫離發(fā)明構思的范 圍內能夠進行各種改變。
例如，在上述實施例中示出了使用于柱助力式的EPS的無刷馬 達，但本發(fā)明還能夠適用于其他方式的EPS用馬達。此外，不僅僅是 EPS或各種車載電動產品用的馬達，本發(fā)明還能夠廣泛地適用于一般 的無刷馬達。而且，在上述的實施例中，示出的是將本發(fā)明使用到了采用了 6個磁鐵的6極9切槽的無刷馬達的例子，但馬達的磁鐵或切槽的構成并不限于此。此時，在2P3S的整數(shù)倍的馬達中，扭斜角的設定為60~75° (電角度)。
權利要求
1.一種無刷馬達，該無刷馬達具備沿圓周方向具有2n個磁極的轉子和具有3n個切槽的定子，其中n為正整數(shù)；其特征在于，所述轉子的所述磁極由沿軸向配置成3列的瓦形磁鐵形成，而且，具有鄰接列的磁鐵配置于在圓周方向上偏移的位置的步進扭斜結構；所述瓦形磁鐵的扭斜角θskew設定為電角度60～75°。
2. 如權利要求1所述的無刷馬達，其特征在于，所述瓦形磁鐵的 中心角9m為(140 x n-1) 。^0m^ (159 x n")。。
3. 如權利要求1所述的無刷馬達，其特征在于，所述無刷馬達是 作為電動動力轉向的驅動源使用的馬達。
全文摘要
本發(fā)明的無刷馬達具備具有2n個磁極的轉子和具有3n個切槽的定子，其中由沿軸向配置成3列的瓦形磁鐵形成轉子磁極。將鄰接列的同極性磁鐵配置于在圓周方向上錯開的位置，形成3層層積的步進扭斜結構。瓦形磁鐵的扭斜角θskew設定為電角度60～75°。瓦形磁鐵的中心角θm設定為46.8°～52.7°。
文檔編號H02K1/22GK101527487SQ20091012619
公開日2009年9月9日 申請日期2009年3月5日 優(yōu)先權日2008年3月5日
發(fā)明者大久保雅通, 川村干夫 申請人:株式會社美姿把