永磁型电动机的制作方法

本发明涉及一种包括转子的永磁型电动机，该转子具有未包含Dy(dysprosium：镝)、Tb(terbium：铽)等重稀土元素的永磁体。

背景技术：

至今不断创作出永磁型电动机的结构，在专利文献1及专利文献2中公开了作为转子的永磁体的、Dy等重稀土元素的分布不同的烧结磁体。专利文献1公开了烧结磁体、即Dy等重稀土元素的含有率不同的区域被一体结合的结构。另外，专利文献2公开了使Dy扩散并在烧结磁体内部使含有率具有分布的结构。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开昭62-37907号公报

专利文献2：日本专利特许第5310544号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

如在转子的外周表面部配置有磁体的电动机那样，因在容易减磁的磁体两端部形成Dy的含有率较高的部分，磁矫顽力(magnetic coercive force)上升而不易减磁，但因添加了相比于钕更稀少的重稀土元素，从而导致存在磁体成本升高的问题。

本发明为解决上述问题而作，其目的在于获得一种永磁型电动机，该永磁型电动机通过在未添加Dy等用于提高磁矫顽力的重稀土元素的磁体中发现对转矩有效的磁体使用量，从而能实现电动机成本的降低，并能避免Dy等重稀土元素的价格变动风险。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的永磁型电动机包括：定子，该定子由电枢绕组和定子铁心构成，其中，所述定子铁心具有对所述电枢绕组进行收纳的槽；以及转子，该转子由转子铁心、多个永磁体及轴构成，其中，所述转子铁心隔着空隙设于所述定子的内周侧，并是通过层叠电磁钢板而构成的，所述多个永磁体隔着间隙固接于所述转子铁心的周向表面部，所述轴沿着所述转子铁心的中心轴线贯穿，当将所述永磁体的极数设为P、将所述槽的数量设为N时，P：N＝2n：12n，其中，n为2以上的整数，所述定子铁心的内周与所述永磁体的外周的空隙长度为1.0mm以上，所述永磁体未包含重稀土元素，除了外周部的曲面部分之外，所述永磁体被埋入至所述转子铁心，所述永磁体的周向中心厚度为2.4～4.2mm。

发明效果

本发明的永磁型电动机即便不含有Dy等用于提高磁矫顽力的重稀土元素，也能避免当永磁体的周向中心厚度为2.4mm以上时因磁体的减磁而使转矩急剧减少。另外，不含有重稀土元素的永磁体与现有的含有的磁体相比，磁体厚度较厚，因此，在一定的空隙长度的情况下，转矩难以增加至磁体使用量的比例，但在4.2mm以下的情况下，能有效地灵活应用磁体使用量以增加转矩。因此，通过不使用成本较高的重稀土元素，能获得可以实现电动机成本降低且避免成本变动风险的永磁电动机。

通过以下参照附图所作的本发明的详细说明，本发明的除了上述之外的目的、特征、观点及效果将更加明确。

附图说明

图1是表示组装有本发明实施方式一的永磁型电动机的车用的电动动力转向装置的说明图。

图2是图1的电动驱动装置的侧剖图。

图3是表示图1的电动动力转向装置的电路图的图。

图4是表示图2的永磁型电动机的主要部分的横剖图。

图5是表示图2的转子的立体图。

图6是表示实施方式一中转矩比及转矩上升率与永磁体的厚度的关系的图。

图7是表示实施方式一中永磁体的厚度及转矩比与空隙长度的关系的图。

图8是说明实施方式三的拱起形状(hog-backed-shaped)的永磁体的两端部厚度的图。

图9是说明实施方式三的瓦形状(roof-tile-shaped)的永磁体的两端部厚度的图。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的永磁型电动机的各实施方式进行说明。另外，在各图中，相同符号表示相同或相当的部分。

实施方式一

图1是表示组装有本发明实施方式一的永磁型电动机(以下简称为电动机)的汽车的电动动力转向装置的说明图。驾驶员将方向盘(未图示)转向，其转矩经由转向轴(未图示)传递至轴1。此时，转矩传感器2检测出的转矩被变换为电信号，并通过电缆(未图示)经由第一连接器3传递至ECU(Electronic Control Unit：电子控制单元)4。ECU4包括对控制基板和电动机6进行驱动的逆变器电路。

另一方面，车速等汽车的信息被转换为电信号，并经由第二连接器5传递至ECU4。ECU4由转向的转矩和车速等汽车的信号运算出所需的辅助转矩，并经由逆变器向电动机6供给电流。该电动机6以与外壳7内的齿条轴的箭头A所示的移动方向平行的方向配置。此外，对ECU4的电源供给是从蓄电池或交流发电机经由电源连接器8输送的。电动机6所产生的转矩通过内置有皮带(未图示)和滚珠丝杠(未图示)的齿轮箱9而被减速，并产生使位于外壳7内部的齿条轴(未图示)沿箭头A方向移动的推力，以对驾驶员的转向力进行辅助。

藉此，系杆10移动，轮胎转向而能使车辆转弯。利用电动机6的转矩进行辅助，其结果是，驾驶员能以较小的转向力来使车辆转弯。另外，齿条保护罩11以不使异物侵入电动动力转向装置内的方式设置。另外，电动机6和ECU4形成为一体，以构成电动驱动装置100。

图2是电动驱动装置100的侧剖图。首先，对电动机6进行说明。电动机6具有：定子铁心12，该定子铁心12是通过层叠电磁钢板而构成的；电枢绕组13，该电枢绕组13收纳于定子铁心12的槽；以及框架14，该框架14对定子铁心12进行固定。此外，框架14利用螺栓16固定于电动机6的与ECU4相反一侧的外壳15。在外壳15设有第一轴承17，该第一轴承17与第二轴承18一起将轴19支承成能自由旋转。第二轴承18支承于壁部36，该壁部36与框架14一体或者分体地设置。

在轴19的一端部、即输出轴侧压入有带轮20，带轮20起到了朝电动动力转向装置的皮带传递驱动力的作用。在轴19的另一端部设有传感器用永磁体21。轴19被压入转子铁心22，在转子铁心22上固接有永磁体23。在ECU4上安装有接收来自转矩传感器2的信号的第一连接器3、接收车速等汽车的信息的第二连接器5、以及电源供给用的电源连接器8。

在ECU4上存在驱动电动机6的逆变器电路，逆变器电路具有MOS-FET等开关元件24。该开关元件24例如可考虑采用将裸片安装于DBC(Direct Bonded Copper：直接敷铜)基板的结构、用树脂模塑裸片而作为模块的结构等。开关元件24因有驱动电动机6的电流流过而发热。因此，开关元件24形成为通过粘接剂、绝缘片材等与散热器25接触而散热的结构。在逆变器电路中，除了开关元件24之外，还存在平滑电容、去除噪声用线圈、电源继电器和将上述构件电连接的母线等，但在图2中省略了。

母线与树脂一体成形，以形成中间构件26。另外，与中间构件26相邻地设有控制基板27。该控制基板27根据从第一连接器3及第二连接器5接收到的信息朝开关元件24输送控制信号，该开关元件24恰当地驱动电动机6。控制信号由连接构件28传递，该连接构件28将控制基板27与开关元件24间电连接。该连接构件28通过引线接合、按压配合、焊锡等被固定。上述逆变器电路和控制基板27被壳体29覆盖。壳体29既可以由树脂构成，也可以是铝等金属，另外，还可以是将树脂和铝等金属组合而成的构件。控制基板27沿电动机6的与轴19垂直的面配置。

在散热器25的电动机6一侧配置有传感器部30。传感器部30具有磁传感器31、基板32、连接构件28及支承构件33，安装有磁传感器31的基板32利用螺钉(未图示)固定于散热器25。磁传感器31配置于与传感器用永磁体21同轴且相对应的位置处，并通过对传感器用永磁体21所产生的磁场进行检测、且获知该磁场的朝向，从而对由转子铁心22和永磁体23构成的电动机6的转子34的旋转角度进行检测。ECU4根据该旋转角度将恰当的驱动电流供给至电动机6。

此外，连接构件28由支承构件33支承，并将传感器部30的基板32和控制基板27电连接。该连接既可以是按压配合，也可以是焊锡。另外，连接构件28需要贯穿散热器25及中间构件26，因此，在散热器25和中间构件26上设有供连接构件28贯穿的孔部(未图示)。此外，虽未图示，但中间构件26构成为设有能对连接构件28进行定位的导向件。在图2中，示出了磁传感器31安装于控制基板27以外的基板的例子，但也可以采用将磁传感器31安装于控制基板27的结构，并采用对从传感器用永磁体21经由散热器25泄漏的磁通进行检测的结构。另外，也可以是中间构件26和控制基板27的位置关系配置成与图2相反的结构。

在图2中，使用了磁传感器31作为旋转传感器，但也可以使用解析器。在散热器25设置有凹部35，扩大了安装于传感器部30的基板32的磁传感器31与散热器25的表面之间的距离。散热器25通过螺钉、热压配合等固定于电动机6的框架14。通过这样固定于电动机6的框架14，能使散热器25的热量传递至电动机6的框架14。

图3是组装有实施方式一的电动机6的电动动力转向装置的电路图。示出了二重三相绕组电动机的情况，但也可以是多重多相绕组电动机。电动机6具有：第一电枢绕组40，该第一电枢绕组40由第一U相绕组U1、第一V相绕组V1及第一W相绕组W1构成；以及第二电枢绕组41，该第二电枢绕组41由第二U相绕组U2、第二V相绕组V2及第二W相绕组W2构成。在图3中，采用了星形连接，但也可以是三角形连接。

ECU4记载了第一逆变器42及第二逆变器43，省略了其它结构。从各个逆变器42、43朝两个电枢绕组40、41供给三相电流。从电池等电源44朝ECU4供给直流电源，经由去除噪声用的线圈68连接有电源继电器45、46。在图3中，电源44被描绘成位于ECU4的内部，但实际是从蓄电池等外部的电源44经由电源连接器8来供给电力的。电源继电器具有第一电源继电器45及第二电源继电器46，分别由两个MOS-FET构成，在故障时等断开电源继电器45、46以不使过大的电流流动。另外，在图3中，第一电源继电器45、第二电源继电器46按照电源44、线圈68、电源继电器45、46的顺序连接，但也可以设于比线圈68距电源44较近的位置。

第一电容47、第二电容48是平滑电容。在图3中，第一电容47、第二电容48分别由一个电容构成，但也可以是将多个电容并联连接而构成的。第一逆变器42和第二逆变器43分别由使用六个MOS-FET的电桥构成。在第一逆变器42中，第一MOS-FET49、第二MOS-FET50串联连接，第三MOS-FET51、第四MOS-FET52串联连接，第五MOS-FET53、第六MOS-FET54串联连接，此外，这三组MOS-FET49～54并联连接。

此外，在下侧的三个第二MOS-FET50、第四MOS-FET52、第六MOS-FET54的GND(接地)侧分别连接有一个分流电阻，并设为第一分流器55、第二分流器56、第三分流器57。上述分流器55～57用于对电流值进行检测。另外，虽然示出了分流器55～57为三个的例子，但也可以是两个分流器，由于即便是一个分流器，也能检测电流，因此，也可以是一个分流器的结构。如图3所示，从第一MOS-FET49、第二MOS-FET50之间经由母线等朝电动机6的U1相进行电流朝电动机6侧的供给，从第三MOS-FET51、第四MOS-FET52之间经由母线等朝电动机6的V1相进行电流朝电动机6侧的供给，从第五MOS-FET53、第六MOS-FET54之间经由母线等朝电动机6的W1相进行电流朝电动机6侧的供给。

第二逆变器43也采用了相同的结构。在第二逆变器43中，第一MOS-FET61、第二MOS-FET62串联连接，第三MOS-FET63、第四MOS-FET64串联连接，第五MOS-FET65、第六MOS-FET66串联连接，此外，这三组MOS-FET61～66并联连接。此外，在下侧的三个第二MOS-FET62、第四MOS-FET64、第六MOS-FET66的GND(接地)一侧分别地连接有一个分流电阻，并设为第一分流器58、第二分流器59及第三分流器60。上述分流器58～60用于对电流值进行检测。

如图3所示，从第一MOS-FET61、第二MOS-FET62之间经由母线等朝电动机6的U2相进行电流朝电动机6侧的供给，从第三MOS-FET63、第四MOS-FET64之间经由母线等朝电动机6的V2相进行电流朝电动机6侧的供给，从第五MOS-FET65、第六MOS-FET66之间经由母线等朝电动机6的W2相进行电流朝电动机6侧的供给。在图3中，未示出在故障时将电动机6和第一逆变器42、第二逆变器43进行电切断的电动机继电器，但若设置电动机继电器，则可考虑设于中性点N1、N2的情况和设于电动机与逆变器之间的情况。

两台第一逆变器42、第二逆变器43根据由设于电动机6的旋转角度传感器67(相当于图2的磁传感器31)检测出的旋转角度从控制电路朝MOS-FET49～54、61～66输送信号来进行开关，以朝第一电枢绕组40和第二电枢绕组41供给期望的三相电流。另外，旋转角度传感器67使用GMR传感器、AMR传感器、解析器等。

图4是图2的电动机6的主要部分横剖图，图5是图2的转子34的立体图。具有第一电枢绕组40、第二电枢绕组41及定子铁心12的定子70隔着空隙围住其内周侧的转子34。定子铁心12由环状的铁心背部71和极齿72构成，其中，上述铁心背部71由电磁钢板等磁性体构成，上述极齿72从铁心背部71朝转子34的轴19方向延伸。在形成于相邻的极齿72之间的槽73中收纳有电枢绕组40、41。虽未图示，但在电枢绕组40、41与定子铁心12之间插入有绝缘纸等，以确保电绝缘。

极齿72总共形成有48个，因此，槽73也为48个。在一个槽73中四根四根地收纳有电枢绕组40或41的线圈。第一电枢绕组40由U1相、V1相、W1相这三相构成，第二电枢绕组41由U2相、V2相、W2相这三相构成。如图4所示，电枢绕组40、41的配置从第一个槽73起始依次为U1、U2、W1、W2、V1、V2，从第七个以后也依次配置为U1、U2、W1、W2、V1、V2，并且按同样的顺序进行配置至第四十八个为止。

其中，以第一个槽73的U1绕组和第七个槽73的U1绕组的电流的流向彼此相反的方式配置第一电枢绕组40。第二电枢绕组41也被同样地配置。即，形成卷绕于第一个槽73至第七个槽73的分布卷绕的结构，电枢绕组40、41横跨共计六个极齿72。这相当于电角度180度，短节距绕组系数为1，因此，能有效地利用永磁体23产生的磁通，能获得小型高转矩的电动机6，并能减少永磁体23的量，因此，存在与绕组系数较小的电动机相比、能实现低成本化的效果。

在定子70的内周侧设有转子34，该转子34在转子铁心22的周向表面部具有永磁体23。永磁体23在周向上隔着间隔排列有八个，从而形成为八极的结构。相邻的永磁体23的极性彼此相反。此外，在转子铁心22上设有突起74。在突起74与永磁体23之间形成有用于降低漏磁通的空隙75。该突起74存在减小电动机6的空隙长度的效果，会导致电感变大。藉此，突极比变大，因此，存在容易产生磁阻转矩、能提高高速旋转时的转矩的效果。在图4中，示出了八极四十八槽的电动机，但当将上述永磁体的极数设为P、将上述槽数设为N时，能应用于P:N＝2n:12n(n为2以上的整数)的电动机。其原因是，当n＝2、3、4、5、…时，P:N＝4:24、6:36、8:48、10:60、…，始终以两极为单位增加，当从磁体观察时，每极每相两个的定子没有变化。

尽可能减小定子铁心内径与突起74间的空隙长度并增大突起74是有效的，因此，与定子铁心内径与突起74间的空隙长度相比，增大了定子铁心内径与永磁体23的周向两端部间的空隙长度。高度与通常的表面永磁型电动机中的磁体定位的突起相反，且在整个轴向上设置突起74，这样能增大突起体积，是有效的。即，除了永磁体23的外周部的曲面部分之外，永磁体23侧面也被突起74围住，形成永磁体23被埋入至转子铁心22的结构。

在转子铁心22沿着周向等间隔地形成有孔部76。通过设置孔部76，能实现轻量化并降低惯量。转子铁心22是层叠电磁钢板等而构成的，电磁钢板相互被铆接部77彼此连接。在转子铁心22的中心轴线上贯穿有轴19。参照图5，转子34由在轴向上排列的第一转子部78及第二转子部79构成。第二转子部79和第一转子部78具有相同的设计，且在轴线方向上的长度也是相同的。此外，第一转子部78和第二转子部78配置于彼此在旋转角度方向上错开的位置。通常，为了防止因永磁体23的开裂、缺口而导致永磁体23飞散，使不锈钢等的薄板构成的金属制的圆筒盖在转子34的外周表面上。

图6是表示实施方式一中转矩比及转矩上升率与永磁体的厚度的关系的图。在图6中，示出了在空隙长度0.65mm、使永磁体的周向中心厚度(磁体中心厚度)变化时的转矩比与以下定义的转矩上升率的关系。空隙长度是定子铁心12的内周(极齿72的和转子相对的内周面)与永磁体的外周(永磁体的周向中心的外周面)的间隙。t是永磁体23的周向中心的厚度(参照图5)。另外，转矩考虑了因减磁而产生的转矩减少。关于实施方式一的电动机，图4的电动机外径为90mmφ。

当考虑定子70的内周面的真圆度、转子34的抖动、防止磁体飞散用的金属制圆筒时，电动机6的空隙长度需要0.6mm左右。此外，磁体的加工尺寸为±0.05mm左右，因此，将空隙长度设定为0.65mm。另外，转矩比被设定为当将下述转矩上升率的斜率最大的磁体中心厚度3.0mm设为100％时的比率。在磁体中心厚度为2.4mm以下时，转矩因减磁而急剧减小。在2.4mm以下时，由于转矩减少，因此驾驶员必须使出较大的转向力，因此，作为电动机使用区域是不恰当的。

由某一磁体中心厚度t处的转矩T(t)、使该厚度增加Δt的情况下的转矩T(t+Δt)以及使该厚度减小Δt的情况下的转矩T(t-Δt)，将转矩上升率α定义为：α＝{T(t+Δt)-T(t)}/{T(t)-T(t-Δt)}。即，α是表示某一磁体中心厚度前后的转矩的倾斜的指标，在转矩以大致一定的斜率急剧减小的情况或以大致一定的斜率几乎无变化的情况下，α大致为一定值。

根据图6，前者、即转矩以大致一定的斜率急剧减小的情况是t为2.4mm以下的情况，转矩因减磁而急剧减小，在2.0mm以下时，转矩直线地减小。后者、即转矩以大致一定的斜率几乎无变化的情况是t为4.2mm以上的情况，即便增加t，也无法进一步改善，转矩大致为一定值。

由此很明显，为了利用电动机充分地对驾驶员的转向进行辅助，需要t≥2.4mm，为了抑制磁体使用量的增加以抑制电动机成本的增加，t≤4.2mm是恰当的。电动机优选用于电动机外径为80～100mmφ、输出为400～900W的电动机。电动动力转向(EPS)用电动机安装于转向齿轮，因此，当外径较大时，会与转向齿轮接触，从而自然地限制了外径的大小。

图7是表示实施方式一中永磁体的周向中心厚度及转矩比与空隙长度的关系的图。在图7中，示出了使空隙长度变化的情况下的转矩比的变化。转矩比是相对于空隙长度0.65mm的情况下的各磁体中心厚度处的转矩的比，在空隙长度0.65mm时，无论磁体中心厚度如何都是100％。图6的转矩比的下限(磁体中心厚度2.4mm时)为88％，若空隙长度为1.0mm以下，则磁体中心厚度2.4mm以上时图7中的转矩比为89％以上，能利用电动机充分地对驾驶员的转向进行辅助。

特别地，在车用的电动动力转向装置中，考虑磁体的加工精度，将空隙长度设为0.6±0.05mm的范围，并采用转矩上升率的变化较大的距3.0mm较近的磁体中心厚度，单位磁体重量的转矩增大，因此，能实现对于提高燃油效率是有效的小型、轻量的电动机。另外，在该实施方式中，对八极四十八槽的两重三组电动机的情况进行了说明，但2n极12n槽(n为2以上的整数)的一重三相电动机也能获得同样的效果。

实施方式二

在实施方式二中，当将磁体中心厚度设为t，将磁体的周向长度(磁体宽度)设为Wm时，具有t/Wm≥0.2的关系(图5中示出了t、Wm)。在不含有重稀土元素的永磁体中，需要针对减磁增大磁体厚度，因此，与含有重稀土元素的现有的永磁体相比，在相同的磁体宽度Wm下，磁体中心厚度t增大，需要t/Wm≥0.2的关系。在实施方式二中，对磁体底面是平面的拱起形状的磁体进行了说明，但在磁体底面也是曲面的瓦形状的磁体中，用磨石对烧结磁体的外径和内径进行研磨来进行加工，因此，比起t/Wm较大的形状的磁体，磁体中心部的开裂和缺口不易产生，存在成品率较高、能实现成本降低的效果。另外，拱起形状的磁体如图8所示，瓦形状的磁体如图9所示。

实施方式三

在实施方式三中，当将永磁体周向两端部(磁体两端部)厚度设为We，将突起74的高度设为Wc时，具有1.8mm≤We＜Wc的关系。另外，突起高度Wc是从突起74的下端到突起的外周面为止的高度(参照图5)，即，是从永磁体周向两端部的下端到突起74的外周面为止的高度。在通常的钕烧结磁体加工中，当磁体的厚度减小至1.8mm左右以下时，容易产生开裂缺口，成品率变差，因此，1.8mm是事实上的量产极限。另外，为了防止开裂缺口，圆角(角落部半径)需为0.4mm左右，磁体靠向铁心突起74或者用夹具进行定位，因此，当磁体侧面的直线部分的厚度为1.0mm以下时，对位是困难的。因此，因两者的原因而需要使1.8mm≤We。

在烧结磁体的加工中，通过施加圆角，防止了在角部的开裂缺口。在图8这样的拱起形状的磁体中，以外径曲线的延长线和底面的延长线分别同与磁体侧面接触的铅垂方向上的切线相交的交点间的距离定义此时的We。另外，在图9这样的瓦形状的磁体中，以外径曲线的延长线和内径曲线的延长线分别同与磁体侧面接触的铅垂方向上的切线相交的交点间的距离定义We。另外，为了提高高速旋转时的转矩，增大突起74是有效的，因此，当与We相比增高突起高度Wc时，尤其对于提高转矩是有效的，需要采用We＜Wc。藉此，能防止在磁体两端部的开裂缺口，并能减小旋转波动。在多重多相电动机中，能以消除旋转波动的方式独立地朝多重的绕组进行通电，因此，能进一步降低噪声振动。

特别地，在车用的电动动力转向装置中，通过减小旋转波动，可改善转向操作感，并降低噪声振动，从而能提供可实现舒畅驾驶的电动机。另外，在磁体粘贴、磁化、组装等制造工序中，磁体开裂缺口，在它们残留于电动机内的情况下，转子会锁定而导致危险。特别地，磁化后的磁体具有磁力，因此，难以消除开裂或缺口，但利用1.8mm≤We的结构，不易产生开裂缺口，也能简化制造工序中消除开裂或缺口的工序。

另外，本发明在其发明的范围内能将各实施方式自由组合，或是将各实施方式适当变形、省略。