各向异性粘结磁铁和使用该各向异性粘结磁铁的直流电机的制作方法

专利名称：各向异性粘结磁铁和使用该各向异性粘结磁铁的直流电机的制作方法
各向异性粘结磁铁和使用该各向异性粘结磁铁的直流电机 技术领域一直以来，开发了许多的技术，旨在改善有刷直流电机的整流特性。 在有刷直流电机中，换向器片利用电刷与电机的电枢线圈(下面称作"整 流线圈")短路连接。所谓整流，就是指在整流线圈的旋转方向后端部分 在整流线圈与换向器片短路到短路被解除的期间(称作"整流期间")内 移动的移动区间(下面称作"整流区间")上，使流过该整流线圈的电流 反向。在整流结束附近没有正常的反向电流流过的现象称为整流不足现象。 在相互接触的换向器片和电刷分开的瞬间，会因电感作用而产生反电动势， 从而会在间隙间形成高电压，并会因急剧的电流流动而引起火花(换向火 花)。该火花会缩短换向器和电刷的寿命。为了改善上述整流不足的缺点，已知有如下的技术通过改变磁铁磁 通密度(磁通量)的分布，使整流期间内贯穿整流线圈的磁通量(磁通密 度)变化，使整流过程中在整流线圈上感应出指向反向电流的电压，从而 抵消由整流线圈的电感而产生的电压。上述整流控制(火花对应控制)的方 法，其理论在1984年被确立，并在1990年被实用化。近年来，针对有刷直流电机，例如开发了下述专利文献1 4所记载的 技术。在专利文献1中，对于使用了两块瓦状的磁铁、机械中性轴附近不存 在磁极的旧型直流两极电机，在从磁铁电枢的旋转方向的前端部朝向机械 中性轴的方向上设置了由极性与主磁极相同、磁通密度逐渐递增的磁铁所 构成的延长部。根据这样的构成，当整流线圈在整流区间中移动时，可以 增加贯穿整流线圈的磁通量，从而产生指向反向电流的电压，以弥补整流 不足。在专利文献2中所阐述的内容是，对于专利文献1中的电机，通过调整电刷的位置，使整流开始时的整流线圈的角度位置相对于在主磁极和延 长部的边界部形成的磁通量极小的位置在一个换向器角度中的比例成为规 定范围，从而达到抑制火花发生的目的。在专利文献3中，对于使用了两块瓦状的磁铁、机械中性轴附近不存 在磁极的旧型直流两极电机，从电枢旋转方向上的下一个磁极的位于与旋 转方向相反的方向上的后端部开始朝着与旋转方向相反的方向、朝着机械 机械中性轴的方向设置有由磁铁构成的端部磁极，该磁铁与产生贯穿整流 线圈的磁通的主磁极(前面的磁极)具有相同的极性。根据这样的构成， 通过调整电刷的位置以使整流线圈的前端部分(旋转方向的前端线圈部分) 的不存在磁极的机械中性轴附近到端部磁极的中央成为整流区间，在整流 线圈在整流区间移动的过程中，可以增加贯穿整流线圈的磁通量，从而产 生指向于反向电流的反电动势来弥补整流不足。下述专利文献4中所阐述的内容是，在下述专利文献3中所阐述的电 机中，从主磁极旋转方向的前端部朝着机械中性轴的方向设置相反极性的 端部磁极，并调整电刷的位置，以使从该端部磁极的中央开始到下一个磁 极的前面的端部磁极的中央成为整流区间。另外，在整流区间的前半部分， 使贯穿整流线圈的磁通量减少，而在整流区间的后半部分，使贯穿整流线 圈的磁通量增大，从而防止过整流和整流不足。专利文献1:日本专利特开2001-095218号公报。 专利文献2:日本专利特开2002-084719号公报 专利文献3:日本专利特开2002-095229号公报 专利文献4:日本专利特开2002-095230号公报发明的公开发明所要解决的技术问题近年来，对直流电机和直流发电机的可组装性、低齿槽转矩(cogging torque)特性等的要求越来越高。并且，不仅对输出转矩等的参数特性要 求在以前产品的同等水平之上，而且还要求更出色的整流特性和低齿槽转矩特性。因此，使用与上述技术不同的、并可以省略磁铁的粘贴工序的各 向异性环状磁铁是有利的。但是，对于上述的以前的技术来说，若使用具有环状形状的各向异性 磁铁，则会存在以下的问题。上述专利文献1 4中的技术都利用了机械中性轴附近不存在磁铁的 特点，在这个区域内设置了补充磁极。但是，对于环状磁铁来说，其圆周 上已经形成了磁极，不存在断开口，因此不存在形成上述补充磁极的余地 (空间)。因此，上述专利文献1 4中的技术不能适用于具有环状形状的 各向异性粘结磁铁。此外，对具有薄壁形状的环状各向异性粘结磁铁来说，要实施如专利文献1 4中所述那样的厚度及含有缺损部的形状加工成形，很难保证其加工精度、零件强度等。特别是近年来，对直流电机的小型化、轻量化的要求越来越高。不仅 对输出转矩等的参数要求在以前产品的同等水平之上，而且还要求能充分 应对小型化、轻量化等。为此，作为励磁磁铁，将环状形状的高性能各向 异性粘结磁铁做成薄壁形状来使用是有利的。鉴于上述问题，本发明的目的在于，实现能够改善直流电机的整流特 性的各向异性粘结磁铁，抑制使用该磁铁的直流电机所产生的火花，从而 提高电机的寿命。再者，本发明的另一个目的在于降低电机的齿槽转矩。解决技术问题所采用的技术方案 为了解决上述技术问题，本发明提出了以下有效可行的方法。 本发明的第1发明为一种用于有刷直流电机的励磁、并成形为环状形 状各向异性粘结磁铁，其特征在于，在环状形状的磁极区间内，具有局部 地降低了环状形状的法线方向成分的磁通密度的磁通密度减小部。本发明 作为一种厚度一定的环状磁铁，其特征在于，在磁极区间内设置了局部地降低了磁通密度的磁通密度减小部。由于形成了该磁通密度减小部，因此 可以改善直流电机的整流特性。并且，环状磁铁不需要加工，仅实施磁场定向和着磁(日文着磁)就可形成磁通密度减小部，从而使制造变得容 易。此外，由于本发明的环状磁铁没有形成很薄的磁通密度减小部，因此 可以防止由于退(去)磁场而产生的退磁现象。最好是磁通密度减小部的 数量与整流线圈的数量对应。并且，磁通密度减小部最好至少形成在与整 流线圈的后端部分在整流中所移动的区域(整流区间)对应的磁极区间内。本发明的第2发明为一种用于有刷直流电机的励磁、并成形为环状形 状的各向异性粘结磁铁，其特征在于，在环状形状的一个磁极区间中的磁 通密度分布呈非对称分布，即从与电枢的旋转方向相反一方的中性轴开始 具有磁通密度的绝对值相对于电枢的旋转方向滞后上升的磁通密度减小 部，而对于电枢的旋转方向一方的中性轴，磁通密度的绝对值相对于电枢 的旋转方向并非上升而是急剧下降。艮P，本发明的特征在于，环状磁铁具有磁通密度分布呈非对称，可以 延迟从与电枢的旋转方向相反一方的中性轴开始的磁通密度的上升，在该 上升滞后区间存在磁通密度减小部。本发明的第3发明是技术方案1和技 术方案2中所记载的各向异性粘结磁铁，磁通密度减小部具有磁通密度极 小部，在磁通密度极小部中，环状形状的法线方向成分的磁通密度分布相 对于环状形状的圆周方向的位置变化呈现出极小值。本发明的特征在于，磁通密度减小部包含磁通密度极小部。采用这种 构成，可以改善直流电机的整流特性。本发明的第4发明是技术方案1至3中任一项所记载的各向异性粘结磁铁，其特征在于，磁通密度减小部的磁场定向以环状磁铁的圆周方向的 磁场定向成分为主。本发明的磁通密度减小部是通过实施粘结磁铁的磁场定向而形成的。 磁通密度减小部以外的主磁极部的磁场定向可以是径向磁场定向，也可以 是极向磁场定向、半径向磁场定向和轴向磁场定向等，可以根据贯穿电枢 的磁通所需要的磁通量来任意选择实施磁场定向。采用这样的构成，通过 磁场定向处理后再着磁，可以使磁通密度减小部的法线方向的磁化成分很 小，从而得到磁通密度减小部。本发明的第5发明是技术方案1至4中任一项所记载的各向异性粘结 磁铁，其特征在于，磁通密度减小部的磁场定向分布如下相对于环状磁 铁圆周方向的位置变化，由法线方向逐渐指向圆周方向，然后再由圆周方 向逐渐指向法线方向。实施这样的磁场定向后再进行着磁，可以得到法线方向的磁化成分小 的磁通密度减小部。另外，采用这种构成，可以具体地形成磁通密度减小 部的磁通密度极小部。本发明的第6发明是技术方案1至5中任一项所记载的各向异性粘结磁铁，其特征在于，磁通密度减小部在磁极区间的形成位置是，当整流线 圈在整流区间内移动时，贯穿整流线圈的磁通密度的绝对值因磁通密度减 小部的影响而增大的位置。本发明的特征在于整流线圈和磁通密度减小部的相对位置关系。在这 种位置关系下，磁通密度随着整流线圈的移动而增大，因此可以产生指向 翻转电流方向的电压(电枢的旋转所产生的感应电动势)。其结果，可以 促进整流效果。 一般来讲，满足上述条件的整流线圈和磁通密度减小部的相对位置关系如下在整流开始时，从磁通密度减小部发出的磁通和该磁 通密度减小部所在磁极所发出的磁通全部贯穿整流线圈；在整流结束时，从磁通密度减小部发出的磁通不贯穿整流线圈，而仅是该磁通密度减小部 所在磁极所发出的磁通贯穿整流线圈。换句话说，磁通密度减小部一般存 在于整流区间内。整流区间是指从整流开始时整流线圈的后端部分(在将 电枢的旋转方向作为前方时位于后端的线圈部分)所处位置(由于贯穿整 流线圈的磁通量决定电磁特性，因此所述线圈部分的位置定义在旋绕该线 圈部分的感应出磁通的齿部的后端部位置)到整流结束时后端部分所处位 置的区间。但是，整流线圈在整流区间内移动时，整流线圈的前端部分(在 将电枢的旋转方向作为前方时位于前端的线圈部分)位置(该前端部分位 置定义在旋绕该线圈部分的齿部的前端部的位置)处于同一磁极内。上在 磁极区间内形成磁通密度减小部，以满足上述位置关系。此时，整流线圈 在内时，可以增大贯穿整流线圈的总磁通量。在上述关系的情况下，与上述专利文献l、 2不一样，当整流线圈在整流区间内移动时，整流线圈后端 部分通过磁通密度减小部。当磁通密度减小部具有极小值时，在磁通密度 减小部上沿着电枢的旋转方向，不论是磁通量减少的区域，还是磁通量增 大的区域，均可增大贯穿整流线圈的总磁通量，其结果可以提高磁通量相 对于旋转角的增加率，从而可以改善整流特性。此外，由于以相对于电枢的旋转角磁通密度减小部的磁通密度滞后上 升的分布来构成磁通密度减小部，因此在整流期间可以使贯穿整流线圈的 磁通密度减小部的磁通密度从接近中性轴上的值的很小的值增大到接近饱 和值的稳定值。因此，在整流期间，贯穿整流线圈的总磁通量朝着大幅度 增加的方向变化。其结果，可以有效补偿整流不足和防止火花的发生。同 时，由于该磁通密度减小部在磁极中性轴附近的磁通密度变化较为平滑， 因此可以大幅度地降低齿槽转矩。另外，也可采用如下的位置关系整流线圈在整流期间存在于同一磁 极内，在整流开始时，整流线圈的前端部分位于磁通密度减小部的极小位 置；而在整流结束时，整流线圈位于包含了磁通密度减小部的位置。同样，也可采用如下的位置关系整流线圈在整流期间存在于同一磁 极内，在整流开始时，整流线圈位于包含了全部磁通密度减小部的位置； 而在整流结束时，整流线圈的后端部分位于磁通密度减小部的极小位置， 此时，在整个整流期间，整流线圈的前端部分存在于同一磁极区间内。另外，磁通密度减小部在磁极区间内的形成位置也可以是如下位置 在整流区间内，整流线圈存在于同一磁极内，当整流线圈在整流区间内移 动时，使磁通密度减小部发出的至少一部分的规定磁通从贯穿整流线圈的 位置变化为不贯穿整流线圈的位置。同样，磁通密度减小部在磁极区间内的形成位置也可以是如下位置 在整流区间内，整流线圈存在于同一磁极内，当整流线圈在整流区间内移 动时，位于旋转方向后方的整流线圈后端部分通过磁通密度减小部的位置。在上述情况下，整流线圈在整流区间内移动的期间，可以增加贯穿整 流线圈的磁通量。因此，在整流期间，可以在整流线圈上感应产生指向翻转电流的电压，从而改善整流特性。本发明的第7发明是技术方案1至6中任一项所记载的各向异性粘结 磁铁，其特征在于，在磁通密度减小部中其环状磁铁圆周方向的磁场定向 变化分布是，由法线方向逐渐指向圆周方向，然后再由圆周方向逐渐指向 法线方向，该定向转变区间至少形成在一个磁极区间内的1/2以上的领域， 并且，该定向转变区间至少是包含了中线。在设置了这样的定向转变区间后，可以在一个磁极区间中实施一个方 向的磁化而形成上述磁通密度减小部。更进一步讲，既可以使定向转变区 间全部包含在一个磁极区间中，也可以使定向转变区间的端部到不超过定 向转变区间的中线(沿圆周方向磁场定向的磁场定向分布区域上的中线， 并不一定是几何学中严密的中线)的区域存在于其他的相邻磁极区间内。 即，可以使磁场定向朝向圆周方向的区间的中点位置(中线)存在于一个磁极区间内实施磁化，而使剩下的小于1/2的区域在其他的相邻磁极区间 内实施磁化。这样一来，则可形成上述技术方案1至6的磁通密度减小部。本发明的第8发明是具有技术方案1至7中任一项所记载的各向异性 粘结磁铁的有刷直流电机。此时，当整流线圈在整流区间内移动时，也可 增加贯穿整流线圈的总磁通量，从而使整流线圈上感应产生指向翻转电流 的电压，可以抑制火花的发生。同时，还能降低齿槽转矩。综上所述，在上述本发明的全部项目中，所述磁通密度减小部的特性， 就是在将各向异性粘结磁铁组装在电机上并使电枢旋转时某个齿部在旋转 时所呈现的磁通密度的变化特性。即，该磁通密度的变化特性就是与电机 的实际转矩相关的磁通密度分布特性。因此，该磁通密度的变化特性不是 在不设置磁铁电枢转子而仅对各向异性粘结磁铁单体表面磁通密度进行测 量而得到的特性。后面将叙述有关测量方法。发明效果本发明采用了具有一定厚度的环状磁铁，由于在磁极区间内设置了磁 通密度被局部降低的磁通密度减小部，因此可增大贯穿整流线圈的磁通量 的绝对值，从而感应产生指向翻转电流的电压。其结果，可促进在整流线圈中的电流翻转，补偿整流不足，从而提高有刷直流电机的整流特性，并 可有效地抑制换向器和电刷之间所产生的火花。并且，本发明不需要对环 状磁铁进行加工，仅通过实施磁场定向和着磁就可以形成磁通密度减小部， 因此使制造变得容易。此外，由于本发明不需要构成薄壁的磁通密度减小 部，因此可以防止由于退(去)磁场而产生的退磁现象。在本发明的第2发明中，在环状形状的一个磁极区间中的磁通密度分 布呈非对称分布，即从与电枢的旋转方向相反一方的中性轴开始具有磁通 密度的绝对值相对于电枢的旋转方向滞后上升的磁通密度减小部，而对于 电枢的旋转方向一方的中性轴，磁通密度的绝对值相对于电枢的旋转方向 并非上升而是急剧下降，因此可以大幅度地增大贯穿整流线圈的磁通量的 绝对值，可感应产生指向翻转电流的较大的电压。其结果，可促进整流线 圈中电流的翻转，补偿了整流不足，从而可提高有刷直流电机的整流特性， 并可有效地抑制换向器和电刷之间所产生的火花。此外，由于本发明具有 从中性轴开始其磁通密度延迟并且缓慢上升的磁通密度减小部，因此与使 用没有形成磁通密度减小部的环状磁铁相比，可以更有效地降低齿槽转矩。 此外，本发明中的第2发明还具有与技术方案1同样的效果。在本发明的第3发明中，磁通密度减小部具有磁通密度的极小的磁通 密度极小部，因此可以有效地改善整流特性。在本发明的第4发明中，磁通密度减小部的磁场定向以环状磁铁的圆周方向的磁场定向成分为主，通过磁场定向处理后实施着磁，可使磁通密 度减小部的法线方向的磁化成分成为很小，因此可以充分地实施磁场定向 处理和着磁。其结果，可以防止由于电枢反作用磁通的影响而产生退磁现 象。这是因为，由于主要在圆周方向上进行了磁场定向，因此磁场定向方 向相对于电枢反作用磁通垂直，故不会产生退磁现象。在本发明中的第5发明中，磁通密度减小部的磁场定向分布是相对 于环状磁铁圆周方向的位置变化，由法线方向逐渐指向圆周方向，然后再 由圆周方向逐渐指向法线方向。因此，可以有效地形成法线方向的磁化成 分很小的磁通密度减小部。另外，采用这样的构成，在磁通密度减小部中可以具体地形成磁通密度极小部。在本发明中的第6发明中，磁通密度减小部在磁极区间的形成位置是 当整流线圈在整流区间内移动时，贯穿整流线圈的磁通密度的绝对值因磁 通密度减小部的影响而增大的位置。因此，在整流期间可以使整流线圈上 感应产生指向翻转电流的方向的电压，促进电流的翻转，补偿整流不足， 从而改善整流特性，因此可以防止整流结束时产生火花。此外，与使用没 有形成磁通密度减小部的环状磁铁的情况相比，可以降低齿槽转矩。在本发明中的第7发明中，由于磁通密度减小部是在使定向转变区间 的至少1/2以上包含在一个磁极区间内进行磁化的区域中的、至少包含定 向转变区间的中线的区域，，因此可以容易地在磁极区间中形成具有期望 磁通密度分布的磁通密度减小部。本发明中的第8发明是具有上述构成的各向异性粘结磁铁的有刷直流 电机，因此，可以抑制火花的发生，从而可以延长电机的寿命。并且，还 可以降低齿槽转矩。


图1是表示第一实施例的DC有刷电机20的概略构造的剖视图。图2是表示第一实施例的电机的齿部、换向器、电刷以及整流线圈的位置与各向异性粘结磁铁的表面磁通密度分布、贯穿换向器的磁通、在换向器上感应出的电压、各向异性粘结磁铁的磁化矢量的分布、各向异性粘结磁铁的磁场定向分布之间的关系的说明图。图3是表示实施磁场定向成形后的各向异性粘结磁铁的磁场定向分布的说明图。图4是表示磁场定向成形工序中的磁场定向磁场的磁通量分布的说明图。图5是表示提供磁场定向磁场的磁场定向处理装置100的剖视图。 图6是表示第二实施例的有刷直流电机200的概略构造的剖视图。 图7是表示第二实施例的电机的齿部、换向器、电刷以及整流线圈的位置与各向异性粘结磁铁的表面磁通密度分布、贯穿换向器的磁通、在换 向器上感应出的电压、各向异性粘结磁铁的磁化矢量的分布、各向异性粘 结磁铁的磁场定向分布之间的关系的说明图。图8是表示第二实施例中实施磁场定向成形后的各向异性粘结磁铁的 磁场定向分布的说明图。图9是表示第二实施例中磁场定向成形工序中的磁场定向磁场的磁通 分布的说明图。图10是第二实施例中提供磁场定向磁场的磁场定向处理装置的剖视图。图11是第二实施例的电机的齿槽转矩的特性图。 (符号说明)20 DC有刷电机10、 15各向异性粘结磁铁1、 3各向异性粘结磁铁10内径侧面的N极2、 4各向异性粘结磁铁10内径侧面的S极 mA磁通密度减小部(m二1，2,3，4)ma磁通密度极小部(m-l，2,3，4)5电刷50整流线圈51后端部分52前端部分1A、 1C磁通密度减小部F定向转变区间Sl中性轴S2极小部Ml磁场定向的中性轴具体实施方式
以下，根据具体的实施方式来说明本发明。当然，本发明不限定于下 述的各个实施方式。 第一实施例图1是表示本发明第一实施例的DC有刷电机20 (直流电机)的概略 构造的剖视图。如图1所示，该DC有刷电机20包括成形为一体且具有 一定厚度的环状的4极励磁用的各向异性粘结磁铁10、电刷5a 5d、铁芯 6、换向器8、线圈50、以及环形轭铁框9。此外，在各铁芯6的外侧端部 形成了齿部7。各向异性粘结磁铁IO呈中空圆筒形状，在其内侧面上形成 了N磁极1、 S磁极2、 N磁极3以及S磁极4。上述各磁极通过在与齿部7 的端面相对的上述圆筒形状的内侧面的法线方向上实施着磁来形成。在图1 中，当电刷5a、 5c幵始短路接通时，电刷5b、 5d就断开短路。当电枢旋 转，电刷5a、 5c断开短路时，电刷5b、 5d就开始短路接通。图1中仅表 示了电刷5a、 5c开始短路接通的瞬间，因此图中仅表示出了被因电刷5a、 5c而短路的两个整流线圈50。另外，在各个磁极1 4上，在从磁极极性的方向转变点(中性轴)起 朝着电枢的旋转方向测量时，在磁极长度的1/2以下(如用电气角度来表 示的话是n/2以下)的区域内分别局部地形成了磁通密度减小部1A、 2A、 3A、 4A。线圈重叠地巻绕在两个齿部上。磁通密度减小部1A、 2A、 3A、 4A 的设定数量与各向异性粘结磁铁10的磁极中性轴的数量(磁极的数量)相 同。由于具有这样的设定，可以在整流区间内增大贯穿整流线圈的磁通量， 促进电流的翻转，从而抑制火花放电。本发明的第一实施例的DC有刷电机20是具有4个电极的直流电机。 上述各向异性粘结磁铁10以围绕上述齿部7并与齿部7靠近相对的形态相 对地配置在用软铁制造的电机框体(轭铁框9)的筒状的内侧面上。齿部7 有10个，每36°的机械角形成一个齿部7，即相邻的齿部7的中心线的夹 角是36° 。此外，换向器8之间的间隔是36。， 一个换向器8所占的角度 大约30° 。余下的大约6°是存在于换向器之间的绝缘体或者空气层所占 的角度。当通过对电刷5供给直流电流时，将按图1中的机械角e的正方向驱动由铁芯6和换向器8等所构成的电枢旋转。图2(a)表示了在磁极1的区间内，整流开始时的整流线圈50、换向器 71和72、电刷5a、齿部61和62的位置关系。并且，图2(a)还表示了整 流线圈50旋绕在齿部61和62上、换向器71和换向器72因电刷5a而短 路接通的时刻的位置关系。磁通密度减小部1A的中央位置(磁通密度的极 小位置)S2位于从磁极的方向转变点(中性轴)Sl朝旋转方向转过12°的 机械角、即4n/30的电气角度的位置，该磁通密度减小部1A的宽度设定 成大约12°的机械角、即大约4:r/30的电气角度。图2(b)中，50a表示了在整流开始位置上的整流线圈50的位置，50b 表示了在整流结束位置上的整流线圈50位置。以整流线圈50的后端部分 51 (位于与旋转方向相反的一侧并与电枢轴平行配设的线圈部分)的位置 (该整流线圈50的后端部分51旋绕在齿部62的后端部62a上的位置)为 基准，在整流期间中整流线圈50移动的区间定义为整流区间W。当然，该 整流区间W根据整流线圈50基准位置的设定而变化，但可以将在整流期间 中整流线圈50移动的区间定义为整流区间。另外，当整流线圈50在整流区间W内移动时，整流线圈50的前端部 分52 (位于与旋转方向相同的一侧并与轴平行配设的部分)的位置(该整 流线圈50的前端部分52旋绕在齿部61的前端部61a上的位置)在主磁极 区间内移动，后端部分51通过磁通密度减小部1A。此时，由于磁通密度减 小部1A位于整流线圈50外部，从前端部分52不断地向整流线圈50供给 高磁通密度的磁通，因此如图2(c)所示，贯穿整流线圈50的磁通量的绝对 值在整体上增加。另外，该磁通量增加所感应出的电压e，如图2(d)所示， 在整流区间W中增大了反电动势。由于贯穿整流线圈50的磁通是增加在使 主磁极的磁通量增加的方向上，因此上述感应电压指向翻转电流方向。其 结果，可以补偿整流不足。如图2(b)所示的产生磁通密度分布的各向异性粘结磁铁10的磁场定 向如图2(f)、图3所示地构成。磁通密度减小部1A的磁场定向以圆周方向 的成分为主。其他磁极部分B的磁场定向为法线方向。机械角0 '大约为12° (电气角度为4n/30)的定向转变区间A是定向磁场慢慢翻转的区间。 在主要区间B中，各向异性稀土类磁性粉末被定向成圆筒侧面的法线方向。 另一方面，如图所示，在定向转变区间A中，各向异性稀土类磁性粉末的磁场定向随着机械角的变化而平滑翻转。即，各向异性稀土类磁性粉末如下地定向分布在接近磁场定向中性轴Mn (n=l，2，3，4)时慢慢朝向磁铁的 圆筒侧面的圆周切线方向，在磁场定向中性轴处成为圆筒侧面的圆周切线 方向，而在离开磁场定向中性轴时慢慢朝向圆筒侧面的法线方向。如图3所示，实施了上述磁场定向，磁通密度减小部1A的中间部S2 将位于从磁极方向转变点S1 (磁极的中性轴)开始计测的12。的位置，使 区间Y1、 Y3着磁为N极，使区间Y2、 Y4磁化为S极，就可以得到图2(e) 所示那样的磁化分布。总结上述的结果，磁通密度的法线成分具有如图2(b) 所示那样的分布，而就磁通密度减小部1A来说，由于主要定向磁场指向圆 周方向，因此磁场定向方向与电枢所产生的反作用磁通垂直，不会产生退 磁现象。作为各向异性稀土类粘结磁铁的材料，除了Nd-Fe-B之外，还可以使 用Nd-Fe-B类的材料，S卩，既可以使用含有Nd和Nd以外的稀土族元素的 材料，也可以使用含有其他添加元素的材料。另外，作为含有Nd以外的稀 土族元素的材料，既可以是Sm-Fe-N类的材料、SmCo类的材料等，也可以 是Nd-Fe-B类的材料和这些材料的混合物。就第一实施例的DC有刷电机20来说，如图1、图2中具体表示的那 样，磁通密度减小部1A、 2A、 3A、 4A以如下的形态形成在各向异性粘结磁 铁10上，g卩，当整流线圈在整流期间内移动时，磁通密度减小部1A、 2A、 3A、 4A的磁通量在从贯穿整流线圈的位置变化到不贯穿整流线圈的位置的 位置上急剧变化。因此，可以增大感应电压相对于旋转角的增加率，可以 促进整流期间中的电流的翻转。所以说，本发明第一实施例中所述的DC有 刷电机20可以抑制火花的发生，从而可提高DC有刷电机20的寿命。下面，阐述上述DC有刷电机20中所使用的各向异性粘结磁铁10的构 成和制造顺序。图3表示了本发明中的各向异性粘结磁铁10经过磁场定向成形工序后 各部所呈现出的磁化后的磁场定向分布。S卩，图3是各向异性粘结磁铁10 的与轴11垂直的横剖视图，表示了各向异性粘结磁铁10中的各向异性稀 土类磁性粉末的磁场定向方向。各向异性粘结磁铁10中使用了 Nd-Fe-B类 的各向异性稀土类粘结磁铁。并且，上述各向异性粘结磁铁IO被制成以轴 11为中心的厚度为大致1. 5mm的中空圆筒形状。在上述的磁场定向成形工序中，为了同时进行磁场定向和挤压成形， 在磁场中实施了加热挤压成形。在磁场中加热挤压成形的条件是，模具温 度为12(TC、成形压力为3.0t/cm2、成形时间为15sec，所得到的磁极周期 的主要区间B的定向磁场强度为0. 80T。具有图3所示的磁场定向分布的各向异性粘结磁铁10在图4的模腔 35中进行配向成形。此时，图3中所示的磁场定向中性轴M1被形成在图4 中的0=0°的位置上。即，以轴ll作为中心，圆弧状的第2模40a、 40b、 40c、 40d所占的圆周角度分别为大致12° ，这个大致12。的区间相当于图 3中所示的定向转变区间A;而以轴11作为中心，圆弧状的第1模38a、38b、 38c、 38d所占的圆周角度分别为大致78。，这个大致78。的区间相当于图 3中所示的区间B。在图5所示的磁场定向处理装置100中，在配置图3中所示的轴11的 中心部配设了由软磁性体制成的铁芯32，在铁芯32周围配设了由超硬材料 制成的呈圆筒状的第1圆环34。并且，在与上述第1圆环34相隔一定间隙 的位置上配设了由超硬材料制成的呈圆筒状的第2圆环36。在第1圆环34 与第2圆环36之间形成模腔35。向该模腔35中供给由磁性粉末和树脂粉 末所制成的粘结磁铁原料。在第2圆环36的外侧配设了分为4等分的具有扇形形状并由强磁性材 料制成的第l模38a、 38b、 38c、 38d，在各第1模的间隙之间配设了具有 扇形形状并由不锈钢等非磁性材料制成的第2模40a、 40b、 40c、 40d。此 外，在模具30的外侧配设了圆形的极片42，该极片42具有4个部分43a、 43b、 43c、 43d，在各部分上形成有旋绕线圈用的空间44a、 44b、 44c、 44d。在两个相邻的空间，比如说44a和44b之间以内包43a的形态旋绕线圈46a。 使用具有上述构成的装置，就可以实施如图3所示的磁场定向处理。 在施加用于实现磁性粉末的磁场定向的定向磁场并进行了压缩成形后 (磁场定向成形工序之后)，使4磁极各向异性粘结磁铁着磁(着磁工序)。 在着磁工序中，作为着磁轭铁，分别在各向异性粘结磁铁10的内侧和外侧 配置了软磁性的轭铁。就此时的着磁磁场来说，采用了强度为大致4T的脉 冲磁场，与上述定向磁场时一样地使该着磁磁场作用在作为着磁对象的各 向异性粘结磁铁10上。在此还要说明的是，在上述着磁工序中，对于上述磁场定向成形工序 的定向磁场来说，在错开大致12。的位置上实施着磁。即，以在图1中所 示的e —12°的位置上配置磁场定向成形工序后的中性轴Ml、并在e — 102° 、 192° 、 282°的位置上分别配置磁场定向成形工序后的中性轴M2、 M3、 M4的形态实施着磁。根据上述的设定，由于在磁场定向时的定向转变区间A (配置在图3 中的部位(磁通密度减小部A))的中央分别形成了磁通密度极小部la(图 2(b)中省略了2a、 3a、 4a)，因此可比以前容易且可靠地形成所希望得 到的磁通密度极小部。在这种磁场定向和着磁处理方法中，例如也可以使 用专利文献"日本专利特开2004-23085:电机用各向异性粘结磁铁的磁场定 向处理方法"和"日本专利特开2004-56835:电机用粘结磁铁和电机"等 所公开的装置和处理方法等。 第二实施例下面，说明与第一实施例具有不同磁通密度分布的第二实施例。图6 中所表示的DC有刷电机200，除各向异性粘结磁铁15的磁通密度分布之外，其他部分与第一实施例相同。在此，与第一实施例相同的部分使用同一符 号。在各磁极1 4上分别形成了磁通密度减小部1C、 2C、 3C、 4C。图7(a)表示了在磁极1区间内当整流开始时整流线圈50、换向器71、 72、电刷5a以及齿部61、 62的位置关系。此外，图7(a)还表示了整流线 圈50旋绕在齿部61、 62上，换向器71和换向器72因电刷5a而短路接通时的位置关系。磁通密度减小部1C的极小位置K2位于与磁极的方向转变点(中性轴)K1在旋转方向上相距10°的机械角、即n/9的电气角的位置， 并且磁通密度减小部1C的宽度U占有大约12°的机械角，即大约4n/30 的电气角度。在图7(b)中，整流线圈50的整流开始位置和整流结束位置、以及整 流线圈50的后端部分、前端部分的定义与图2(b)—样。如图7(b)所示，磁通密度分布具有磁通密度减小部U(也是整流区间)。 在该磁通密度减小部U中，从磁极中性轴Kl开始的绝对值在电枢的旋转方 向上延迟上升。具体地说，当从磁极中性轴Kl开始朝着旋转方向e移动时， 磁通密度取得较小的极大值，然后取得极小值，之后慢慢增大接近饱和值。当整流线圈50在整流区间U内移动时，整流线圈50的前端部分52的 位置在主磁极区间内移动，而整流线圈50的后端部分51在磁通密度减小 部1C内移动。此时，由于磁通密度减小部1C位于整流线圈50的外部，高 磁通密度的磁通从前端部分52不断地向整流线圈50供给，因此如图7(c) 中的实线所示的那样，贯穿整流线圈50的磁通量的绝对值在整体上增加。 并且，在整流区间U中，如图7(d)的实线所示，上述磁通量的增加所感应 出的电压e，增加了反电动势。由于贯穿整流线圈50的磁通是增加在使主 磁极的磁通量增加的方向上，因此上述感应电压指向翻转电流。由此，可 以补偿整流不足。再者，图7(c)和(d)中的虚线表示了图2(c)和(d)所示的 第一实施例的磁通量和感应电压。从图中可知，在整流区间中，第二实施 例中所生成的指向翻转电流的感应电压，其效果优于第一实施例。由此， 第二实施例可以更有效地防止火花的发生。如图7(b)所示的产生磁通密度分布的各向异性粘结磁铁的磁场定向如 图7(f)、图8所示地构成。机械角大约为36° (电气角度4xc/10)的定向 转变区间F是着磁的磁场定向缓慢翻转的区间。在主要区间D中，各向异 性稀土类磁性粉末的磁场被定向成圆筒侧面的法线方向。另一方面，如图 所示，在定向转变区间F内，各向异性稀土类磁性粉末的磁场定向方向随 着机械角的变化而平滑地翻转。即，各向异性稀土类磁性粉末如下定向分布在接近磁场定向中性轴Mn (n=l,2，3，4)时慢慢朝向磁铁的圆筒侧面的 圆周切线方向，在磁场定向中性轴处成为磁铁的圆筒侧面的圆周切线方向， 而在离开磁场定向中性轴时慢慢朝向磁铁的圆筒侧面的法线方向。在本实 施例中，磁通密度减小部1C形成为在上述定向转变区间F内的、包含了定 向转变区间F的中线的一部分区域。如图8所示，在实施了上述的磁场定向后，磁通密度减小部1C的极小 部K2、即定向转变区间F的中线位于与磁极的中性轴K1相距10°的位置， 并且，使Y1、 Y3着磁成N极，使Y2、 Y4着磁成S极，就可以得到如图7(e) 所示的磁化分布。其结果，磁通密度的法线成分具有如图7(b)所示的分布。 在磁通密度减小部1C中，由于作为主要磁场的方向定向在圆周方向上，因 此与磁铁电枢反作用所产生的磁通的方向相垂直，不会产生退磁现象。在第一实施例中，定向转变区间A、磁通密度减小部1A 4A和整流区 间W大致一致，而第二实施例的特征是，在定向转变区间F内部设置了与 整流区间U—致的磁通密度减小部1C 4C。在第二实施例的DC有刷电机200中，如图6、图7具体表示的那样， 各向异性粘结磁铁15上的磁通密度减小部1C、 2C、 3C、 4C形成为当整 流线圈在整流期间内移动时，磁通密度减小部1C、 2C、 3C、 4C的磁通在从 贯穿整流线圈的位置变化到不贯穿整流线圈的位置上，其贯穿磁通产生急 剧的变化。因此，可以增大感应电压相对于旋转角的增加率，可以促进在 整流期间中的电流翻转。所以说，第二实施例的DC有刷电机200可以抑制 火花的发生，从而可以提高DC有刷电机200的寿命。特别地，在第二实施例中，在所述磁通密度减小部1C、 2C、 3C、 4C处 的磁通密度相对于电枢的旋转角滞后上升，因此，对整流区间贯穿整流线 圈的磁通量来说，在整流初期磁通量小，在整流末期急剧增大。其结果， 朝向翻转电流方向所发生的感应电压增大，可以有效地防止火花的发生。 并且，磁极间的磁化变化也平滑，可以显著降低齿槽转矩。另外，在上述第二实施例中，由于只要作为定向转变区间F的一部分 的整流区间内的磁通密度减少即可，因此将该区间定义为磁通密度减小部。但是，与定向转变区间F全部以径向磁场定向进行了磁化的场合相比，上 述本实施例的定向转变区间的磁通密度分布被降低了。因此，在从磁极中 性轴Kl到整流开始位置的前区间、从整流结束位置到磁通密度饱和位置K3 的后区间中，磁通密度也被降低，因此将这些区间称为磁通密度降低前区 间、磁通密度降低后区间。本发明的特征在于，至少在整流区间内形成有 磁通密度延迟上升的磁通密度减小部。上述实施例中，在磁通密度降低前区间中，磁通密度从磁极中性轴K1 开始沿着旋转方向取得很小的极大值；而在磁通密度降低后区间中，磁通 密度缓慢增大接近磁通密度的饱和值。在本发明中，只要整流区间是上述磁通密度减小部即可，而无需取得 在第二实施例中那样的磁通密度降低前区间的很小的极大值。只要在该部分不实施着磁，就可以防止极大值产生。另外，也可以没有磁通密度降低 前区间，还可以将该区间做成磁通密度足够小的区间。同样，也可以没有 磁通密度降低后区间。再者，在从中性轴Kl到磁通密度饱和位置K3的区间中，磁通密度也 可以没有极大值、极小值，而只是具有拐点(回折点)地产生变化。同样， 在磁通密度减小部，也可以没有极大值、极小值，而只是平滑增加的曲线 (可以有拐点)。可利用磁通密度减小部来降低齿槽转矩。另外，只要有磁通密度小的 磁通密度降低前区间和磁通密度不饱和的磁通密度降低后区间的存在，或 者说，只要在区间内存在了着磁后磁极极性发生变化的定向转变区间，就 可以降低齿槽转矩。下面，阐述上述DC有刷电机200中所使用的各向异性粘结磁铁15的 制造顺序。图9表示了磁场定向处理装置。相对于第一实施例中图4所示的制造 装置，在由软磁性材料制成的铁芯32的表面部，在与圆弧状的第2模40a、 40b、 40c、 40d相对的位置上配置了非磁性部件37a、 37b、 37c、 37d。由 于存在该非磁性部件，因此可以有效地将磁通在模腔35内朝着圆周方向诱导，增大定向转变区间F的幅度，可以增长圆周方向的磁场定向部分。图 IO所示的磁场定向处理装置与第一实施例中图5所示的磁场定向处理装置相对应，在由软磁性材料制成的铁芯32的表面部，在与圆弧状的第2模40a、 40b、 40c、 40d相对的位置上配置了非磁性部件37a、 37b、 37c、 37d，除 此之外，图10中所示的磁场定向处理装置与图5所示的磁场定向处理装置 具有相同的构成。具有图8所示的磁场定向分布的各向异性粘结磁铁15在图9所示的模 腔35中定向形成。此时，图8的磁场定向中性轴Ml形成在图4中的①二0。 的位置上。艮卩，以轴11作为中心，圆弧状的第2模40a、 40b、 40c、 40d 的所占得圆周角度分别为大致36。，这个大致36。的区间相当于图8中所 示的定向转变区间F;而以轴11作为中心，圆弧状的第1模38a、 38b、 38c、 38d所占得圆周角度分别为大致54。，这个大致54。的区间相当于图8中 所示的区间D。与第一实施例一样，在上述构成的装置之中，可以实施如图8所示的 磁场定向处理。之后，与第一实施例一样，对各向异性粘结磁铁15实施着 磁。但是，在上述着磁工序中，对于上述磁场定向成形工序的定向磁场来 说，在错开10°的位置上实施着磁。S卩，以将磁场定向成形工序后的中性 轴M1配置在图6所示的6—10°的位置上、并将磁场定向成形工序后的中 性轴M2、 M3、 M4分别配置在e —100° 、 190° 、 280°的位置上的形态进 行着磁。在此，第一实施例的定向转变区间A为12° ，即定向转变区间A 的整个区域被同-磁极包含，磁极中性轴与定向转变区间A的端部之间为 6° ，在这6°的范围内实施法线方向的磁场定向。与上述第一实施例相对应，第二实施例的定向转变区间F为36。，即 定向转变区间F中的28。的范围存在于很重要的磁极区间内，剩余的8° 的范围则存在于与电枢的旋转方向相反的相邻磁极区间内。根据这样的设定，可以形成相对于电枢的旋转角磁通密度的绝对值滞 后上升的磁通密度减小部1C、 2C、 3C、 4C。此外，还可以在实施磁场定向时在定向转变区间F的中央分别形成磁通密度极小部la (参照图7(b))、 2a、 3a、 4a (未图示)。如果要变更定向转变区间F的宽度和磁场定向分布，则只要变更图9 中所示的非磁性体37a 37d的宽度和相对于第2模40a、 40b、 40c、 40d 的位置就可以容易地实现。图11中表示了本实施例的齿槽转矩的测量结果。图ll表示的是使电 枢旋转18°的范围内的转矩的变动特性。并且，作为比较例，表示了使用 没有磁通密度减小部的各向异性粘结磁铁的电机的齿槽转矩。很明显，使 用了第二实施例的各向异性粘结磁铁的电机，其齿槽转矩被降低了，可以 说实现了平滑的旋转。相对于第二实施例的最大齿槽转矩23.40niN'm，比 较例的最大齿槽转矩为92.49niN，m，即第二实施例的最大齿槽转矩仅是比 较例的大约1/4。另外，第一实施例的最大齿槽转矩为61.62mN*m，仅是 比较例的大约2/3。比较例和第一、第二实施例的各向异性粘结磁铁的BHmax 均为21MG0e。就有效磁通量来说，第二实施例是26. 91kMaxwe11，比较例 是27. 56kMaxwe11，第一实施例是27. 51kMaxwe11 。本发明在几乎不减小有 效磁通密度的情况下显著地降低了齿槽转矩。上述电机的整流补偿的方法可以用于发电机。此时，磁通密度减小部 在磁极区间内的形成位置需要是，当整流线圈在整流区间内移动时，由于 磁通密度减小部的影响，使贯穿整流线圈的磁通密度的绝对值减少的位置。此外，为了改变电机的转速而使贯穿整流线圈的磁通密度变化，为此， 有时需要设置第3电刷，为了防止该第3电刷产生火花，在第3电刷的整 流区间内，最好设置上述实施例的磁通密度减小部。在第一、第二实施例中的图2(b)、图7(b)所示的各向异性粘结磁铁的 磁通密度分布是在将各向异性粘结磁铁组装到电机中而使电枢旋转时某个 齿部所感应的磁通密度。此时，齿部与各向异性粘结磁铁之间的间隙仅为 非常狭窄的0.3 lmtn，很难在齿部的前面设置霍尔元件等感磁元件。另一 方面，如果不安装电枢，则即使测量了各向异性粘结磁铁的表面磁通密度 分布，由于磁回路和实际的电机不一样，因此也不能测量到齿部一起旋转时所呈现出的磁通密度。在此，作为电枢的替代方案，在与各向异性粘结磁铁表面相距3mm的间隔处配置由软铁制成的圆柱，并在该圆柱的表面上 配置2mmX2mmX2mm尺寸大小的霍尔元件，在使圆柱旋转的情况下测量上 述各向异性粘结磁铁的表面磁通密度。对上述实施例所阐述的磁场定向和 着磁所得到的各向异性粘结磁铁，使用上述的测量方法测量了其磁通密度， 得到了如图2(b)、图7(b)所示的特性。总结以上本说明书内容，本发明概括如下。1) 本发明提出了可用于有刷直流电机的成形为环状的各向异性粘结磁 铁的制造方法。本发明中提出的制造方法包括对各向异性粘结磁铁的材 料施加定向磁场、从而成形各向异性粘结磁铁的磁场定向成形工序；以及 对经过磁场定向成形工序而完成磁场定向成形的各向异性粘结磁铁施加着 磁磁场、从而对各向异性粘结磁铁实施着磁的着磁工序。更进一步讲，本 发明中提出的各向异性粘结磁铁的制造方法还具有下述特征，在各向异性 粘结磁铁上，沿着环状形状的圆周方向周期性地设置与各向异性粘结磁铁 的极数相应的、定向磁场的方向与着磁磁场的方向垂直的区域，从而将环 状形状的法线方向成分的磁通密度减少的磁通密度减小部设置在各垂直区 域内。2) 本发明提出了可用于有刷直流电机的成形为环状的各向异性粘结磁铁的制造方法。本发明中提出的制造方法包括对各向异性粘结磁铁的材 料施加定向磁场、从而成形各向异性粘结磁铁的磁场定向成形工序；以及 对经过磁场定向成形工序而完成磁场定向成形的各向异性粘结磁铁施加着 磁磁场、从而对各向异性粘结磁铁实施着磁的着磁工序。更进一步讲，本 发明中提出的各向异性粘结磁铁的制造方法还具有下述特征，在磁场定向 成形工序中的定向磁场由磁场方向与环状形状的法线方向实质上一致的主 要区间、以及磁场方向相对于环状形状的法线方向随着圆周方向的位置变 化缓慢翻转的定向转变区间两个区间交替排列而形成，在着磁工序中，将 各定向转变区间配置在着磁磁场中，以使各定向转变区间中的至少一部分 分别包含在着磁处理所形成的与各磁极对应的各磁极区间的区间内。工业上的可利用性综上所述，直流电机中使用本发明的各向异性粘结磁铁，可以有效地 抑制换向火花的发生。
权利要求
1.一种可用于有刷直流电机的励磁、并成形为环状形状的各向异性粘结磁铁，其特征在于，在所述环状形状的磁极区间内，具有使所述环状形状的法线方向成分的磁通密度局部降低了的磁通密度减小部。
2. —种可用于有刷直流电机的励磁、并成形为环状形状的各向异性粘结磁铁，其特征在于，在所述环状形状的一个磁极区间中的磁通密度分布 呈非对称分布，即从与电枢的旋转方向相反一方的中性轴开始具有磁通密 度的绝对值相对于电枢的旋转方向滞后上升的磁通密度减小部，而对于电 枢的旋转方向一方的中性轴，磁通密度的绝对值相对于电枢的旋转方向并 非上升而是急剧下降。
3. 如权利要求1或权利要求2所述的各向异性粘结磁铁，其特征在于， 所述磁通密度减小部具有磁通密度极小部，在该磁通密度极小部中，所述 环状形状的法线方向成分的磁通密度分布相对于所述环状形状的圆周方向 的位置变化呈现出极小值。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的各向异性粘结磁铁，其特征在于， 所述磁通密度减小部的磁场定向以所述环状磁铁的圆周方向的磁场定向成 分为主。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的各向异性粘结磁铁，其特征在于， 所述磁通密度减小部的磁场定向分布为相对于所述环状磁铁的圆周方向 的位置变化，由法线方向逐渐指向圆周方向，然后再由圆周方向逐渐指向 法线方向。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的各向异性粘结磁铁，其特征在于， 所述磁通密度减小部在所述磁极区间的形成位置是当整流线圈在整流区 间移动时贯穿所述整流线圈的磁通密度的绝对值因所述磁通密度减小部的 影响而增大的位置。
7. 如权利要求1至6中任一项所述的各向异性粘结磁铁，其特征在于， 所述磁通密度减小部是使定向转变区间的至少1/2以上包含在一个磁极区间内进行磁化的区域中的、至少包含所述定向转变区间的中线的区域，所 述定向转变区间是指相对于所述环状磁铁圆周方向的位置变化，磁场定 向分布呈由法线方向逐渐指向圆周方向、然后再由圆周方向逐渐指向法线 方向的区间。
8. —种有刷直流电机，其特征在于，具有权利要求1至7中任一项所 述的各向异性粘结磁铁。
全文摘要
本发明的目的是为改善有刷直流电机的整流特性，提高有刷直流电机的寿命。如图2所示，在各向异性粘结磁铁的磁极区间内形成了降低了磁通密度的磁通密度减小部。由于磁通密度减小部在磁极区间内的位置形成在当整流线圈在整流区间内移动时贯穿整流线圈的磁通密度的绝对值因磁通密度减小部的影响而增大的位置上，因此可以在整流期间内使整流线圈上感应产生指向翻转电流方向的电压，促进电流的翻转，补偿整流不足而改善整流特性，从而可防止整流结束时产生火花。
文档编号H02K23/04GK101283500SQ20068003729
公开日2008年10月8日 申请日期2006年8月3日 优先权日2005年8月8日
发明者御手洗浩成, 本蔵义信, 松冈浩, 桥本擁二 申请人:爱知制钢株式会社