专利名称：无刷马达的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有扭斜结构的无刷马达，尤其涉及具有由瓦形磁铁 形成的步进扭斜结构的无刷马达。
背景技术：
以往，在无刷马达中，作为使顿振或力矩波动减小的机构，在轴 向上使转子磁极等倾斜的扭斜结构广为人知。在扭斜结构的无刷马达 中，作为磁极用的磁铁， 一般使用环形磁铁。在使用了环形磁铁的马 达中，通过在磁铁自身上进行扭斜磁化，使得顿振或力矩波动降低。
另一方面，例如在电动动力转向装置用的无刷马达等中，出于小 型化、高输出化的要求，作为转子磁铁，能够磁化成高磁通密度的瓦 形磁铁的使用正在增加。然而，瓦形磁铁(直角磁场型)在制造方法 方面却无法进行扭斜磁化。因而，在使用了瓦形磁铁的马达中，为了 实现扭斜结构，进行通过层积磁铁而实施的所谓的步进扭斜。
在步进扭斜结构的马达中，由于使各层的顿振波形相抵来降低顿
振，所以瓦形磁铁在轴向上配置偶数层(通常为2层)。在专利文献l 中，示出了磁铁配置了 2层的旋转电机。在专利文献l的旋转电机中， 各层的磁铁在圆周方向上每隔规定角度地偏移配置。由此，转子的磁 极沿着轴向阶段性地偏移，形成2层层积结构的步进扭斜。
然而，在步进扭斜结构的马达中，由于实际上在组装状态或物性 值、加工精度等方面存在误差，所以，对于2层层积的步进扭斜，存 在不太能改善顿振的问题。尤其是在少极少切槽结构的马达的场合， 由于极与切槽的最小公倍数小，所以各种误差所造成的影响大，难以 降低顿振。因而，磁铁形状或组装精度变得非常严格，存在稳定性差 的问题。例如在6极9切槽结构的马达的场合，转子的制造精度的偏差所 产生的顿振波形为9次(相当于马达一个旋转)。而且，定子的偏差所 产生的顿振波形为6次(同上)。因此，顿振的基本波为18次(同上 9与6的最小公倍数)。另一方面，组装失衡所产生的顿振波形为各次 数的偶数倍，由于该偏差，各次数的整数倍算到顿振中。尤其是层积 所产生的转子的制造精度的偏差对顿振的影响大，若层积误差所形成 的36次成分变大的话，则即使是理论扭斜角(3607极、切槽的最小 公倍数)也无法降低顿振。
另外，为了降低顿振或力矩波动，必须扩大磁铁宽度、增大扭斜 角以减少感应电压的高谐波成分，此时，存在邻接的各层的磁极(异 极)重叠的危险。若异极彼此的磁铁重叠的话，则会造成磁通短路， 无法获得对马达旋转驱动有效的磁通。因而，还存在无法增大扭斜角 而无法充分改善顿振等、或者有效磁通减少而输出降低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供相对组装精度或扭斜角的偏差的稳定性优 异、与现有的由环形磁铁形成的转子扭斜结构的马达相比能够提高输 出的无刷马达。
本发明的无刷马达具备沿圆周方向具有2n (n为正整数)个磁极 的转子和具有3n个切槽的定子；其特征在于，所述转子的所述磁极由 沿轴向配置成3列的瓦形磁铁形成，而且，具有邻接列的磁铁配置于 在圆周方向上偏移的位置的步进扭斜结构；所述瓦形磁铁的扭斜角 6skew i殳定为电角度60~75°。
在本发明中，通过以2P3Sxn结构的马达釆用3层层积扭斜结构， 而且将扭斜角设定为电角度60 75°，对于少极少切槽的无刷马达，能 够在抑制顿振或力矩波动的同时，进行比转子扭斜的马达高的输出化。
在所述无刷马达中，所述瓦形》兹4失的中心角9m可以为(140 x iT1 ) °$emS ( 159 x n")。。由此，各列的》兹铁在圆周方向上不会重叠配置， 抑制了磁通的短路，能够防止因有效磁通的减少造成输出降低。而且，所述无刷马达由于能够良好平衡地满足低顿振、低力矩波动、高输出， 所以，优选作为电动动力转向的驱动源。因此，通过将所述无刷马达 作为电动动力转向的驱动源使用，不会导致操纵感觉的不良化，能够 使电动动力转向装置实现小型、轻量化。
图l是作为本发明的一个实施例的无刷马达的剖视图。
图2是表示图1的马达的定子的构成的说明图。 图3是表示图1的马达的转子的构成的说明图。 图4是图3的箭头X方向的侧视图(局部剖视)。 图5是关于转子侧的扭斜角的说明图。
图6是表示扭斜角与感应电压5次高谐波成分的关系的说明图。 图7是表示扭斜角与感应电压高谐波成分的关系的说明图。 图8的(a)是表示磁铁的中心角0m的说明图，(b)是表示2P3S xn结构的马达中3列的磁铁不重叠的条件的表，(c)是表示关于(b) 的条件的极数和切槽的倍数n与磁铁角度的最大值以及最小值的关系 的曲线图。
图9是表示扭斜角与感应电压5次高谐波成分的含有率的关系的 说明图。
图IO是表示扭斜角与感应电压1次高谐波成分的含有率的关系的 说明图。
具体实施例方式
下面，基于附图详细说明本发明的实施例。图l是作为本发明的 一个实施例的无刷马达的剖视图。如图1所示那样，无刷马达1 (以 下简称为马达l)是在外侧配置定子2、在内侧配置转子3的内转子型 的无刷马达。马达1例如作为柱助力式的电动动力转向装置(EPS) 的动力源使用，对汽车的转向轴施加动作辅助力。马达l安装在设于 转向轴的减速机构部上。马达l的旋转通过该减速机构部减速传递至转向轴。
定子2由有底圆筒形状的壳体4、定子铁芯5、巻绕安装在定子铁 芯5上的定子线圏6(以下简称为线圏6)以及安装在定子铁芯5上的 母线单元(端子单元)7构成。壳体4由铁等形成为有底圆筒状。在 壳体4的开口部上，通过未图示的固定螺钉安装有铝压铸件制的托架 8。
如图2所示那样，定子铁芯5是将多个(在此为9个)的分割铁 芯9聚集在圆周方向上的构成。在定子铁芯5上朝向径向内侧突出设 置有9个齿5a。在定子铁芯5的末端形成有2n个槽5b(在此为2个)， 根据疑似切槽效果来实现顿振的减小。分割铁芯9通过层积由电磁钢 板构成的铁芯片而形成。在分割铁芯9的周围安装合成树脂制的绝缘 体11。
在绝缘体11的外侧巻绕安装线圏6。在定子铁芯5的一端侧拉出 线圏6的端部6a。在定子铁芯5的一端侧安装母线单元7。在母线单 元7的合成树脂制的本体部内插入成型有铜制的母线。在母线单元7 的周围沿径向突出设有多个供电用端子12。在安装母线单元7时，线 圏端部6a与该供电用端子12焊接。在母线单元7中，母线设有与马 达l的相位数对应的个数(在此为与U相、V相、W相相当的三个)。 各线圏6同与其相位对应的供电用端子12电连接。定子铁芯5在安装 了母线单元7之后被压入固定在壳体4内。
在定子2的内侧插入有转子3。图3是表示转子3的构成的说明 图，图4是图3的箭头X方向的侧视图(局部剖视)。转子3具有转 子轴13。转子轴13通过轴承14a、 14b旋转自如地受到支承。轴承14a 固定在壳体4的底部中央，轴承14b固定在托架8的中央部。在转子 轴13上固定有圆筒形状的转子铁芯15( 15a 15c )。在转子铁芯15a 15c 的外周上安装有瓦形的磁铁(永久磁铁)16 (16a 16c)。在马达l中， 磁铁16a 16c沿着圆周方向配置6个><3歹'J。也就是说，马达1为6 极9切槽(以下简记为6P9S)的构成。在磁铁16a 16c的外侧安装有 有底圆筒形状的磁铁罩18。另外，图3示出的是拆下了磁铁罩18的状态的转子3的构成。
在磁铁16a 16c的外侧安装有合成树脂制的磁铁保持架17a 17c。 如图4所示那样，磁铁16a 16c被保持在磁铁保持架17a 17c上，安 装到转子铁芯15a 15c的外周上。在马达1中，磁铁16a 16c通过各 磁铁保持架17a 17c在轴向上配置有3列。如图3所示那样，各列的 磁铁16a 16c安装成这样的位置关系邻接列的同极性磁铁在圆周方 向上每隔规定的步距角0step (邻接列的磁铁中心间角度)偏移错开。 即，马达1的转子3成为磁铁16a 16c形成3层层积的步进扭斜结构。
图5是关于转子3侧的扭斜角的说明图。如图5所示那样，在步 进扭斜结构中，当(同时在圆周方向、轴向)连结磁铁16a 16c的中 心点C1 C3、设连结该Cl C3的线L与磁铁16a、 15c的端部的交点 为Pl、 P2时，Pl、 P2间的相对旋转中心O的中心角成为万兹铁扭斜角。 因此，磁铁16a、 16b之间、磁铁16b、 16c之间的步距角0step分别 成为Cl、 C2间、C2、 C3间的相对旋转中心O的中心角。另外，Cl、 Pl间、C3、 P2间的中心角分别成为步距角0step的一半(0step/2)。 因而，扭斜角0skew为6step x (层积数-1) + ( 0step/2 ) x 2=0step x 层积数。
在磁铁保持架17a的端部安装有作为旋转角度检测机构的分解器 21的转子(分解器转子)22。相对于此，分解器21的定子(分解器 定子)23被压入到金属制的分解器保持架24内，收纳于合成树脂制 的分解器托架25。分解器保持架24形成为有底圆筒形状，被轻压入 到设于托架8的中央部的肋26的端部外周。在分解器托架25和托架 8上插入形成金属制的阴螺紋部27。在阴螺紋部27中从托架8的外侧 柠入安装螺钉28。由此，分解器保持架24固定在托架8的内侧。
在此，在本发明的马达(6P9S) 1中，设定成为扭斜角9skew-步 距角9step x层数(层积数-1 )=20 25°(机械角,电角度的话为60~75° )。 如上述那样，在6P9S的马达中，顿振为0的理论扭斜角为3607极、 切槽的最小公倍数，在马达l中，成为360718=20°。图6是表示扭斜 角与顿振力矩的关系的说明图。由图6可知，与2层层积的步进扭斜(以下简记为2层层积扭斜)相比，3层层积的步进扭斜(同样简记 为3层层积扭斜)将顿振抑制得较小，降低为与转子扭斜大致相同的 程度。另外，顿振以扭斜角20。作为极小值，在大概17。 24。的范围内， 收纳在从极小值到20%以内的值。
而且，对于6P9S的马达，对力矩波动带来影响的感应电压高频 波成分(主要是5次)变成极小的理论扭斜角为24°。图7是表示扭 斜角与感应电压5次高谐波成分的关系的说明图。如图7所示那样， 与2层层积扭斜相比，3层层积扭斜总的来讲感应电压5次高谐波成 分较大，力矩波动也被抑制为与转子扭斜大致相同的程度。
另一方面，在马达1中，在将》兹铁16a 16c设定为上述扭斜角(步 距角)的场合，各列的磁铁配置成在圆周方向上不重叠。图8 (a)是 表示磁铁16a 16c的中心角0m (磁铁圆周方向长度(磁铁宽度)相对 旋转中心O的中心角)的说明图，图8 (b)是表示2P3Sxn结构的 马达中3列的磁铁不重叠的条件的表。由图8(b)可知，在6P9S的 马达1中，需要将中心角9m设定在46.7°~53.0。之间。由图8(c)可 知，在2P3S x n结构的马达中， 一般来讲需要设定成(140 x n" )。5em^
(159 x n" ) \
在这样的设定中，本发明的发明人研究了磁铁16a 16c的扭斜角 与感应电压5次高谐波成分的关系。图9是表示两者的关系的说明图。 如图9所示那样，根据发明人的实验，在磁铁中心角em为46.7。的场 合和为53.0°的场合，前者的高谐波含有率高。在图9中，考虑对力矩 波动的影响，观察能够将高谐波含有率抑制为3。/。以下的区域的话， 则扭斜角为20°至27。的程度。但是，当扭斜角达到25。以上时，高谐 波含有率急剧增大。
即，根据上述的结果可知的是，在3层层积的场合，关于扭斜角 优选以下区域。
(1) 若从与顿振力矩的关系观察的话，则扭斜角20。是最理想值， 可为17°~24° (图6)。
(2) 若从与力矩波动的关系观察的话，则24。是最理想值，可为20o~25o (图7 )。
(3)若从磁铁的重叠观察的话，则可为20° 25° (图9)。 因而，作为综合判断这些情况的结果，本发明的发明人确定，作 为各条件平衡良好地整合的区域，将扭斜角6skew以机械角设定为 20 25° (电角度的话则为60 75°)。因此，在3层层积扭斜结构的马达 1中，步距角estep设定为10~12.5。(机械角；电角度的话则为 30 37.5。)。
然而，在3层层积扭斜的场合，与2层层积扭斜的场合相比，存 在有助于力矩的感应电压的1次高谐波成分的含有率变小的倾向。图 10是表示扭斜角与感应电压1次高谐波成分的含有率的关系的说明 图。如图10所示那样，当扭斜角变大时，l次高谐波成分减少，马达 力矩也减小。3层层积扭斜的马达的高谐波成分比2层层积扭斜的马 达要少，相应地力矩也变小。然而，由图10可知，3层层积扭斜的马 达的高谐波成分比转子扭斜的马达多，所以，与转子扭斜的马达相比 能够进行更高的输出化。
这样，在本发明的马达l中，通过以6P9S马达采用3层层积扭 斜结构，而且将扭斜角设定为20~25°(机械角)，对于少极少切槽的 无刷马达来讲，能够在抑制顿振力矩或力矩波动的同时，比转子扭斜 的马达进行更高的输出化。另外，相对于2层层积扭斜马达，虽然在 输出方面稍有劣势，但在顿振力矩或力矩波动方面则能够获得与转子 扭斜马达相同程度的降低效果。因此，在考虑了顿振力矩或力矩波动、 输出的情况下，能够良好平衡地满足这些方面所追求的方式，能够获 得稳定性优异的高输出的无刷马达。
本发明并不限于上述实施例，当然还能够在不脱离发明构思的范 围内能够进行各种改变。
例如，在上述实施例中示出了使用于柱助力式的EPS的无刷马 达，但本发明还能够适用于其他方式的EPS用马达。此外，不仅仅是 EPS或各种车载电动产品用的马达，本发明还能够广泛地适用于一般 的无刷马达。而且，在上述的实施例中，示出的是将本发明使用到了采用了 6个磁铁的6极9切槽的无刷马达的例子，但马达的磁铁或切槽的构成并不限于此。此时，在2P3S的整数倍的马达中，扭斜角的设定为60~75° (电角度)。
权利要求
1.一种无刷马达，该无刷马达具备沿圆周方向具有2n个磁极的转子和具有3n个切槽的定子，其中n为正整数；其特征在于，所述转子的所述磁极由沿轴向配置成3列的瓦形磁铁形成，而且，具有邻接列的磁铁配置于在圆周方向上偏移的位置的步进扭斜结构；所述瓦形磁铁的扭斜角θskew设定为电角度60～75°。
2. 如权利要求1所述的无刷马达，其特征在于，所述瓦形磁铁的 中心角9m为(140 x n-1) 。^0m^ (159 x n")。。
3. 如权利要求1所述的无刷马达，其特征在于，所述无刷马达是 作为电动动力转向的驱动源使用的马达。
全文摘要
本发明的无刷马达具备具有2n个磁极的转子和具有3n个切槽的定子，其中由沿轴向配置成3列的瓦形磁铁形成转子磁极。将邻接列的同极性磁铁配置于在圆周方向上错开的位置，形成3层层积的步进扭斜结构。瓦形磁铁的扭斜角θskew设定为电角度60～75°。瓦形磁铁的中心角θm设定为46.8°～52.7°。
文档编号H02K1/22GK101527487SQ20091012619
公开日2009年9月9日 申请日期2009年3月5日 优先权日2008年3月5日
发明者大久保雅通, 川村干夫 申请人:株式会社美姿把