专利名称：具有多边形外形的小型电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于例如空调致动器或者电机驱动可收缩镜的、具有多边形外形的小型电机，更具体而言，涉及一种将用作定子磁极的磁体安装到电机壳体的内表面的技术。
背景技术：
如图10A所示，普通的小型电机的电机壳体具有圆形(圆的)管状形状。当将具有圆外形的电机(下面成为圆形电机)安装到某个装置中或者某个线路板上时，必须采用旋流挡板来防止电机旋转。当圆形电机安装在某个装置中时，该圆形形状会和装置内其它空间共存。为了避免电机相对于安装表面旋转或者为了改进空间利用率，一种公知的作法是将电机设计成方形或更多边的多边形外形。
图7示出传统规则多边形电机的横截面结构(参照日本专利特开平No.2005-20914)。在所示的规则多边形(六边形)电机的结构中，用作轭铁的电机壳体的管状部分形成为规则多边形管状形状，并且用作场磁极(六个磁极)的磁体连接到电机壳体的侧部的对应内表面，这些侧边一起形成规则多边形管状形状。为了降低电机壳体的侧部的振动，磁体固定到圆周中心的对于侧部。具有八个转子磁极的转子相对于磁体径向向内设置，并且可旋转支承。通常，各个磁体和转子磁极的外周表面之间的径向间隙从磁体的圆周中心向磁体的周向相反端逐渐增加。通过该特征，磁场的强度向各磁体的相反端逐渐减弱，从而避免磁场强度发生突变，其中因转子旋转可能会导致磁场强度发生突变。因此，能够降低变动力矩。
为了降低变动力矩，图7的磁体形成为使得磁体和转子之间的距离从磁体的圆周中心向磁体的周向相反端增加(沿图7中交替式长短虚线所示的周向线)。即使这样，磁体的周向相反端部分仍然比磁体的周向中心部分要厚。以及，增加距离会明显降低电机性能。而且，在磁体之间会形成冗余空间。因此，从横截面可以看到，将磁体设置在轭铁的侧部的各周向中心区域会导致以下问题不能减小磁体尺寸也不能有效设置磁体；因此，电机厚度(多边形轭铁的直径方向相反侧部之间的距离)会增加，从而导致不能减小电机尺寸。
为了解决上述问题，一种公知的结构是，如轭铁的横截面所示，磁体设置在由多边形轭铁的相邻侧限定的各个角部。图8和9是示出传统电机的截面图，其中磁体设置在由相邻侧限定的各角部上(参照日本专利特开平No.H7-59322和日本实用新型申请No.S64-12455)。在图8中，电机壳体具有方形横截面，在电机壳体中设置4极场磁体，它们交替磁化成北极和南极。将该场磁体磁化成，磁极的中心位于轭铁的相邻侧限定的各角部上。具有三个转子磁极的转子(成离心设置)可旋转支承在场磁体内。
在图9中，用于形成4极磁场的四个磁体嵌入具有斜面角部的方形轭铁的各角部中。转子相对于磁体径向向内设置，并且可旋转支承。
为了改进小型电机的生产率，优选的是，单独由各个轭铁制成场磁体，然后将这些场磁体装配到轭铁。然而，在图8所示的电机结构中，制造适配轭铁的角部的场磁体不是那么容易。通常，这种装配采用压配合技术。然而，为了能够压配合场磁体，必须在场磁体的磁极的顶点处在场磁体和轭铁之间提高间隙。由于尤其是在场磁体的磁极的顶点处增强磁场强度，所以出现这种间隙会导致电机性能降低。场磁体的形状是不利的，因为其角部不能有效相对于转子磁极作用，以及场磁体的重量和体积会增大，从而会导致成本直接增加。
通过嵌入将磁体固定到图9所示的轭铁的方法会带来以下问题轭铁的角部的厚度会增加，从而所需材料量会增加；以及轭铁的复杂外形会导致制造轭铁模具的成本增加。以及，插入磁体可能会导致轭铁断裂。而且，需要采用粘结剂的粘接工艺，并且还需要干燥粘结剂的时间。
发明内容
本发明的目的是，提高一种具有多边形形状的小型电机，考虑到旋流挡板和空间利用率，将该小型电机设计成多边形外形，并且可以通过减小场磁体的重量和体积以及有效设置而减小该小型电机的尺寸而不降低电机性能。
本发明的另一个目的是，提高一种具有多边形外形的小型电机，通过有效利用场磁体的磁通而改进该小型电机的性能，以及通过将场磁体简单的连接到轭铁中而提高生产率。
本发明的具有多边形外形的小型电机构造成这样，四个或以上场磁体连接到金属制成的电机壳体的内表面。电机壳体的管状部分形成为多边形管状形状，以使得平侧部分数量等于场磁极，平或弯曲角部数量等于场磁极，设置在相邻侧部之间的每个平或弯曲角部顺序连接在一起。场磁体中对应于电机壳体的侧部的部分厚度较小，而对应于电机壳体的角部的部分厚度较大。场磁体被固定，同时在中心位置对准于电机壳体的对应角部，同时从内侧压抵电机壳体的对应角部。在场磁体和电机壳体的对应侧部之间形成间隙。
多个场磁体集成为一个环形磁体，该环形磁体中对应于电机壳体的侧部的部分厚度较小，而对应于电机壳体的角部的部分厚度较大，并且该环形磁体固定压配合到电机壳体中。此外，单独形成多个场磁体，以及，通过利用弹性材料的销和/或电机壳体上形成的凸起，固定场磁体，同时将场磁体从内侧压抵电机壳体的对应角部。
根据本发明，电机壳体的侧部(轭铁)形成为平形，从而在安装电机时能够用作旋流挡板，并且还减小了电机周围的冗余空间，从而改进空间利用率。而且，由于场磁体由轭铁的角部支承，所以会对电机壳体的各侧部的相反端施加拉力，从而增强电机壳体的侧部的刚性；因此，在电机旋转期间能够抑制电机壳体的振动。
场磁体的厚度不均匀，从而磁通在侧部会平滑减小，其中具有距圆周中心的周向距离，从而能够降低变动力矩。通过采用不均匀的厚度，场磁体在圆周中心所具有的厚度能够产生足够高强度的磁场。以及，由于场磁体在周向中心部分紧抵轭铁，所以能够增强磁场强度，从而改进电机性能。而且，在场磁体和轭铁侧部之间形成间隙，从而形成空气层，这样能够防止噪声泄漏。
图1是根据本发明的实施例具有多边形外形形状的小型电机的结构的部分截面图；图2是从换向器侧示出的、图1的电机的侧视图，其中去除了壳盖；
图3A和3B分别是电机壳体和磁体的侧视图；图4是图2的左半部的视图；图5是说明磁体的压配合效果的曲线图；图6A至6C是用于说明单独形成的磁体的视图；图7是示出传统规则多边形电机的结构的横截面图(日本专利申请特开平No.2005-20914)；图8是场磁体的场磁极设置在电机壳体的对应角部的传统电机的横截面图(日本专利申请特开平No.H7-59322)；图9是磁体设置在电机壳体的对应角部的传统电机的横截面图(日本实用新型专利No.S64-12455)；图10A是具有圆形(圆的)外形的传统小型电机的横截面图，和本发明的小型电机形成对比；图10B是比较本发明的小型电机和图10A的传统小型电机之间的总磁通的表格，其中两个电机具有相同的铁心直径；图10C是比较本发明的小型电机和图10A的传统小型电机之间的总磁通的表格，其中两个电机具有相同的外部尺寸；图11A和11B是用于比较具有方形外形(本发明)的电机和具有圆形外形(现有技术)的电机之间的性能的曲线图；以及图12是具有方形外形的传统小型电机的横截面图，和本发明的小型电机形成对比。
具体实施例方式
下面将参照附图详细描述本发明的实施例。图1是根据本发明的实施例具有多边形外形形状的小型电机的结构的部分截面图；图2是从换向器侧示出的、图1的电机的侧视图，其中去除了壳盖。下面的描述将讨论具有四个场磁体和六个转子磁极的小型电机。然而，本发明还可以应用到具有四个以上场磁极例如四个、六个或八个场磁极以及三个或三个以上转子磁极的小型电机。
如图1和2所示，从内侧将磁体连接到电机壳体，其中电机壳体由金属材料制成，并通过压力作业形成为底部封闭的管状形状。金属的电机壳体的多边形管状部分是轭铁，它用作磁体的磁性路径。壳盖装配到电机壳体的开口部分。转子轴由壳盖的中心部分和电机壳体的底部中心分别设置的轴承来支承。轴上构造的转子包括转子磁极结构，包括磁极铁芯和绕制在磁极铁芯上的绕组。换向器固定在轴上，并且在端部设置有变阻器用于熄灭火花。接触换向器的(成对)电刷经各个电刷臂而由壳盖来支承，并且经各个外部接线端而从外部供以电源。
图3A和3B分别是电机壳体和磁体的侧视图。磁体径向磁化，具有四个磁极，其中沿周向方向交替形成北极和南极。这里所示的磁体整体地由磁体材料形成，并且具有环形形状。该环形磁体的内径略大于转子的外径，并且具有不均匀的厚度，以使得侧部形成为薄壁，而角部形成为厚壁。该环形磁体如下形成。磁性材料形成为具有不均匀厚度的环形形状。该环形磁性材料固定到电机壳体中。然后，通过利用磁场发生器，从电机壳体外部将该环形磁性材料磁化成4磁极磁体。
如图3A所示，用作轭铁的电机壳体的管状部分构造成，平侧部分数量等于场磁极(四个侧部)，而角部数量等于四个场磁极(四个角部)，并且位于相邻侧部之间的每个角部顺序连接在一起。如下所述，角部在内侧支承环形磁体，并且是平的或弯曲的。由于电机壳体的侧部形成为平侧部，所以提供安装电机期间有效的旋流挡板功能，并且还减小了电机周围的冗余空间，从而改进空间利用率。
如图2所示，磁体段的各个圆周中心位置(场磁极的顶点)对准轭铁的角部的各个圆周中心位置。磁体段径向磁化，以使得相邻磁体段的磁极不同；也就是，以使得沿圆周方向交替形成南极和北极。
参照图4，下面将描述磁体形状。图4示出图2的左半部。各磁体段均具有基本恒定的径向厚度(尺寸A)，该径向厚度在对应于轭铁的对应角部的任意圆周位置处进行测量。当每个角部沿弧中心为电机旋转轴的弧弯曲时，每个磁体段具有恒定的径向厚度。然而，每个磁体段不一定具有完全恒定的厚度。因此，每个角部可以从弧中心为电机旋转轴的弧进行不同的弯曲，或者可以是平形角部。
磁体段向相邻磁极方向减小径向厚度(尺寸B)，该径向厚度在除对应于轭铁的角部的其它部分进行测量，从而兼容到轭铁的平侧部。在磁体段和轭铁侧部之间形成小间隙；也就是，磁体段不接触轭铁的侧部。磁体段集成为环形磁体。该环形磁体的内径略大于转子的外径，并且形成为使得对应于轭铁侧部的部分形成为薄壁，而对应于轭铁角部的部分形成为厚壁。没有压力作用在轭铁和环形磁体的最薄侧部之间，从而防止环形磁体断裂或者破裂。该环形磁体形成为，使得环形磁体仅在角部接触轭铁，以及在环形磁体和侧部的轭铁之间形成微小间隙，或者至少没有压力在侧部作用在环形磁体和轭铁之间。因此，该环形磁体可以通过压配合固定在轭铁中。该环形磁体压配合到轭铁中，以使得角部表面压配合到轭铁的角部。通过这种方式，对轭铁的各侧部的相反端形成拉力，从而增强轭铁的侧部的刚性。因此，能够抑制电机旋转期间电机壳体的振动。以及，环形磁体不在侧部接触轭铁，从而形成防止噪声泄漏的空气层。
如上所述，磁体段的厚度不均匀，从而磁通在侧部会平滑减小，其中具有距圆周中心的周向距离，从而能够降低变动力矩。通过采用不均匀的厚度，磁体段在圆周中心所具有的厚度能够产生足够高强度的磁场。以及，由于磁体段在周向中心部分紧抵轭铁，所以能够增强磁场强度，从而改进电机性能。
参照图5，下面将描述环形磁体的压配合效果。图5的曲线图示出轭铁的侧部相对于利用压配合连接环形磁体的电机(见图2)以及不利用压配合连接磁体的电机(见图7)的振动的测量结果。曲线图的水平轴表示振动频率，垂直轴表示加速振动。从曲线图可以清楚看到，和在曲线图中用虚线表示的、不利用压配合的传统电机相比，由实线表示的、本发明的利用压配合的电机产生降低振动的效果。
参照图4，将描述轭铁的角部。图4中的尺寸C是具有方形外形的电机的横截面的垂直(或水平)尺寸。尺寸D是轭铁的侧部。如上所述，轭铁的角部沿径向支承环形磁体。因此，角部的圆周尺寸能够大大降低。增加角部的百分比意味着侧部的百分比会降低，因此破坏了多边形电机的优势。尺寸D和尺寸C之间的百分比最好是大于等于5％且小于等于95％。
上面已经描述了具有不均匀厚度的整体形成的环形磁体；然而，单独形成的磁体可以连接到电机壳体中。图6A至6C是用于说明四个单独形成的磁体的视图，其中图6A是示出通过利用销和电机壳体上设置的凸起来固定磁体的方法的视图；图6B是示出仅利用销来固定磁体的方法的视图；以及图6C是示出图6A和6B中的X的细节的视图。在图6C中，销的横截面示出为左图，而销的透视图示出为右图。
图6A至6C所示的结构不同于上述结构(图2)，不同之处在于磁体形状和用于连接磁体的装置。单独形成对应于四个场磁极的四个磁体。在图6A中，通过利用两个销和两个凸起来固定四个磁体。在图6B中，通过仅利用四个销来固定四个磁体。如图6C的细节所示，可以通过形成弹性材料的杆为类似例如字母U的形状，从而形成该销。凸起可以在预定位置集成形成到电机壳体的内表面上。最好是，凸起具有方形横截面，从而在相反侧支承磁体并且沿磁体的总体轴向长度来延伸。
通过利用销和凸起，通过仅利用销，或者通过仅利用凸起，可以固定磁体，同时将磁体强力压抵轭铁的中心部分，如同上述连接具有不均匀厚度的环形磁体那样。因此，类似的，产生降低轭铁侧部的振动的效果。
通过将磁体设计成具有不均匀厚度，本发明的小型电机能够兼顾改进性能和降低变动力矩，而在现有技术中这两者是彼此相悖的。这一点可以通过和参照图10、11A和11B的现有技术进行对比来进一步描述。图10示出具有圆形(圆的)外形的传统小型电机的横截面图，和本发明的小型电机形成对比。如前所述，本发明的环形磁体厚度不均匀，以使得角部具有基本恒定的、较大的厚度(尺寸A)，而侧部具有较小的厚度(尺寸B)(参见图4)。通过对比，图10A所示的场磁体具有沿圆周方向的恒定厚度。
图10B的表格示出比较本发明的小型电机和图10A的传统小型电机之间的总磁通的比较结果。在图10B中，“□18.3”表示具有方形外形的电机(本发明的电机)具有18.3毫米的厚度(尺寸C；参见图4)，而“Φ20.0”表示具有圆形外形的电机(传统电机)具有20.0毫米的直径(尺寸E)。“铁芯直径Φ15”表示转子磁极铁芯直径为15毫米。两个电机具有相同的铁芯直径。从图10B的表格可以清楚看到，本发明的电机相比于传统电机在磁体产生的总磁通方面改进了大约2％，但是相比于传统圆形电机的20.0毫米的直径厚度本发明的电机直径厚度减小到18.3毫米。
图10C的表格示出在本发明的电机厚度(尺寸C)和传统电机的直径(尺寸E)都是18.3毫米的条件下，比较具有方形外形的电机(本发明的电机)和具有圆形外形的电机(传统电机)之间的磁体产生的总磁通的比较结果。从图10C的表格可以清楚看到，本发明的电机相比于传统电机在磁体产生的总磁通方面改进了30％，并且能够增加可用转子磁极铁芯直径。增加铁芯直径会增加铁芯的导线面积，从而反电动势会进一步增加。也就是，和具有相当性能的传统圆形电机相比，本发明的电机的重量和体积可以减半；特别是，能够降低10％的磁体材料利用量，以及能够降低8.5％的电机直径。
图11A和11B是用于比较具有图10B所示尺寸的本发明的方形电机和具有图10B所示尺寸的传统圆形电机之间的性能的曲线图。在图11A和11B的曲线图中，水平轴表示磁化电压，而垂直轴表示反电动势(V)和变动力矩(gf·cm)。随着反电动势增加，力矩增加，而旋转速度会降低。磁化电压是施加到磁体材料的电压，该磁体材料形成为预定形状并且从电机壳体外部为了进行磁化而固定到电机壳体内。例如，在利用1500伏电压进行磁化的磁体的情况下，本发明的电机具有4.0gf·cm的变动力矩，它相比于传统电机的10.5gf·cm的变动力矩降低了60％或以上，但是不会降低性能(具有基本上相同的反电动势)。
图12示出具有方形外形的传统小型电机的横截面图，和本发明的小型电机形成对比。为了和本发明的小型电机形成对比，图7的电机进行了变型，以使得其具有四个场磁极和六个转子磁极。如上所述，电机的场磁体连接到轭铁的各个平侧部。因此，每个磁体的厚度必须不均匀，以使得它在圆周相反侧部而不是圆周中心部分形成不够厚的厚壁，这必须产生最大磁通。以及，形成冗余空间。因此，在性能和磁体材料利用量方面相同的条件下，图12的电机的厚度(尺寸F)从18.3毫米增加到19.4毫米，其中图2的本发明的电机的厚度(尺寸C)是18.3毫米。
权利要求
1.一种具有多边形外形的小型电机，其中四个或四个以上场磁体连接到金属制成的电机壳体的内表面，包括电机壳体的管状部分，该电机壳体的管状部分形成为多边形管状形状，以使得平侧部分数量等于场磁极，平或弯曲角部数量等于场磁极，设置在相邻侧部之间的每个平或弯曲角部顺序连接在一起；以及场磁体，场磁体中对应于电机壳体的侧部的部分厚度较小，而对应于电机壳体的角部的部分厚度较大，其中场磁体在中心位置对准于电机壳体的对应角部。
2.根据权利要求1所述的具有多边形外形的小型电机，其中场磁体被固定，同时从内侧压抵电机壳体的对应角部。
3.根据权利要求1所述的具有多边形外形的小型电机，其中在场磁体和电机壳体的对应侧部之间形成间隙。
4.根据权利要求1所述的具有多边形外形的小型电机，其中多个场磁体集成为一个环形磁体，该环形磁体中对应于电机壳体的侧部的部分厚度较小，而对应于电机壳体的角部的部分厚度较大；以及该环形磁体固定压配合到电机壳体中。
5.根据权利要求1所述的具有多边形外形的小型电机，其中单独形成多个场磁体；以及通过利用弹性材料的销和/或电机壳体上形成的凸起，固定场磁体，同时将场磁体从内侧压抵电机壳体的对应角部。
全文摘要
一种具有多边形外形的小型电机包括连接到金属制成的电机壳体的内表面的四个或以上场磁体。电机壳体的管状部分形成为多边形管状形状，以使得平侧部分数量等于场磁极，平或弯曲角部数量等于场磁极，设置在相邻侧部之间的每个平或弯曲角部顺序连接在一起。场磁体中对应于电机壳体的侧部的部分厚度较小，而对应于电机壳体的角部的部分厚度较大。场磁体被固定，同时在中心位置对准于电机壳体的对应角部，同时从内侧压抵电机壳体的对应角部。
文档编号H02K1/06GK101051766SQ20071000580
公开日2007年10月10日 申请日期2007年2月25日 优先权日2006年2月24日
发明者植西英史, 根本信之 申请人:马渊马达株式会社