换向器电动机以及使用该换向器电动机的电动吸尘器的制作方法

专利名称：换向器电动机以及使用该换向器电动机的电动吸尘器的制作方法
技术领域：
本发明涉及换向器电动机以及使用该换向器电动机的电动吸尘器 背景技术电动吸尘器或电动工具，从其操作性的观点来看，优选搭载的电动机 小型轻质。作为使电动机小型轻质化的手段，例如非专利文献l所述，采 用设定高旋转速度、设定较高的铁芯的磁感应强度等方法。一方面，电动吸尘器在小型轻质化的同时，被要求的性能还有吸入力。 吸入力在很大程度上依存于电动送风机的输出，但是家用电动吸尘器中能 供应于电动送风机的电力有限，因此，通过提高换向器电动机效率使电动 机输出增加，是提高吸入力的关键，强烈要求降低换向器电动机的损失。例如，作为降低电动机铁损的技术记载于专利文献1。此处公开的技 术，是通过将定子铁芯压入箱体，防止对定子铁芯施加应力、铁损增大的 技术，通过在定子铁芯和箱体之间形成空隙，抑制应力发生，防止铁损增 大。另外，通过蚀刻加工来加工磁性体的方法在专利文献2中有所记载。另一方面，在换向器电动机中，正在进行减少脉动转矩、减小机器振 动，提高电动机的整流性能、提高电刷寿命的实验。减少脉动转矩的技术在专利文献3、专利文献4中有所公开。以下， 对这些现有例进行说明。图10以及图11表示现有例1 (引用于专利文献3)、现有例2 (引用 于专利文献4)的换向器电动机的截面构成。l是定子，2是电枢，3是定 子铁芯，4是轴，5、 6是励磁线圈，7是电枢铁芯，8是主磁极，10是电 枢线圈。另外，41是定子沟槽、42是电枢沟槽、43是齿。通过来自以集中巻绕方式巻装的励磁线圈5、 6的主磁通和来自巻绕 于电枢铁芯7的电枢线圈10的电枢反作用磁通之间磁性的相互作用，在 定子铁芯3产生转矩。在现有例1中，将相对于转子旋转方向位于主磁极前进侧的主磁极8 前端的铁芯设定成短于位于电枢2的后进侧的主磁极8前端的铁芯，相对 于换向器电动机的中心轴呈非对称铁芯结构。即，相对于中心轴，令主磁 极的右侧开口度(02)与左侧开口度(01)互不相同，使02<01。由此， 利用主磁极的非对称结构，抑制来自所述电枢2的反作用磁通造成的影响， 谋求脉动转矩的减少。此处，为了实现所述非对称铁芯形状，励磁线圈5、 6的线圈占有面 积在主磁极8的定子沟槽41的左右不同，因此励磁线圈5的占有面积自 然为左侧定子沟槽>右侧定子沟槽。因此，在以集中巻绕方式巻装于主磁 极时，如果适应左侧的线圈占有面积，则从右侧会发生线圈变形，因此没 有办法只得以右侧的小的线圈占有面积的部分进行巻绕安装，结果不能充 分确保足够的巻绕圈数而使转矩降低。现有例2相对于所述现有例1，是主磁极8不是非对称铁芯形状的情 况，是充分确保励磁线圈5、 6的占有面积的例子。在电枢2的前进侧相对于主磁极的主磁极前端部分，通过利用冲孔加 工设置贯通孔，由此操作铁芯的磁阻，实现与所述现有例1的非对称铁芯 结构等价的磁回路。由此，励磁线圈5、 6相对于主磁极8的左右的线圈 占有面积可以相同，因此可以在主磁极8前端部分不变形的情况下巻绕安 装集中巻绕的励磁线圈5、 6，解决现有例1中的转矩减少的课题。但是在上述现有例1、现有例2中，定子铁芯3的主磁极8及其前端、 电枢铁芯的沟槽、齿，都是通过采用了冲孔的机械加工来制作的，存在着 由于冲孔加工引起的电磁钢板的塑性变形，使得磁特性劣化而使铁损增大 的课题。以上，在现有例1中，虽然起到了减少脉动转矩的效果，但是存在着 转矩减少以及冲孔加工产生的塑性变形的导入引起铁损增加的课题；在现 有例2中，虽然起到了减少脉动转矩和改善转矩的效果，但是冲孔加工引 起的铁损增加的课题还没有解决。专利文献1:日本特开2004—201428号公报 专利文献2:日本特开2000 — 197320号公报 专利文献3:日本特开平07—298592号公报 专利文献4:日本特开平2003 — 153471号公报非专利文献1:日本电器学会旋转机研究会资料RM—96—28 "关于 吸尘器用通用电动机的电力密度的提高"发明内容本发明要解决的课题是得到一种防止换向器电动机的转矩的减少，同 时降低脉动转矩，至少防止与空隙15相对的定子铁芯3的主磁极8及其 贯通孔、位于电枢铁芯7外周的电枢沟槽42以及齿43的，因冲孔加工引 起的不必要的铁损增加，高效率、高性能的换向器电动机。并且，另一个课题是最终使电动吸尘器的基本性能即吸入力提高。本发明的换向器电动机的特征在于，通过蚀刻加工形成电磁钢板的齿 以及沟槽。发明效果可以防止因冲孔加工产生的多余的铁损增加，提供高效率、高性能的 换向器电动机。


图1是表示本发明实施例的电动吸尘器用电动送风机的半截面图；图2是本发明的换向器电动机的A—A截面图；图3是表示电磁钢板的板厚与铁损的关系的图；图4是表示硅钢板中的硅含量与铁损的关系的图；图5是表示蚀刻加工中代表性的加工截面形状与加工硬化状况的图；图6是表示蚀刻加工中前端的加工截面形状的图；图7是表示冲孔加工中代表性的加工截面形状与加工硬化状况的图；图8是换向器电动机的铁损密度分布的说明图；图9是本发明与现有例1、现有例2的换向器电动机中的轴转矩以及 脉动转矩的比较图；图10是现有例1的换向器电动机的A—A截面图；图11是现有例2的换向器电动机的A—A截面图。图中l一定子；2—电枢；3 —定子铁芯；4一轴；5—励磁线圈a; 6—励磁 线圈b; 7—电枢铁芯；8 —主磁极；IO—电枢线圈；15 —空隙；21a—反输出侧轴承；21b —输出侧轴承;30a、 30b—电刷装置;31—碳刷;32—电 刷加压用弹簧；35 —换向器；41一定子沟槽；42—电枢沟槽；43 —齿；50 —风扇；51—扩散器；60 —箱体；61—风扇壳体；62 —端托架(end bracket); 100—电动送风机。
具体实施方式
以下，根据图l至图9说明本发明的一个实施例。图1表示有关本发明的电动送风机的构成。电动送风机100的电动机 侧由箱体60，和端托架62内的电枢2、定子1构成。另外，设有扩散器 51和风扇壳体61，包围设于电动机输出轴一端的风扇50。另一方面，电动机的定子1由箱体60内的定子铁芯3和励磁线圈5、 6构成，通过使电流流经励磁线圈5、 6产生主磁通。与定子铁芯3相隔空隙15配置的转子2具备轴4，被在箱体60以及 端托架62的轴心设置的轴承21a、 21b支承，在轴4上设有换向器35和 电枢铁芯7，在电枢铁芯7的沟槽中巻绕有电枢线圈10，各线圈两端连接 于构成换向器35的各换向器片。如果对换向器电动机的端子间施加交流电压，则电流通过定子1的一 方的励磁线圈5流向碳刷31，向电枢2的电力的授受，通过相对配置的另一方的碳刷(未图示)进行。为了使通过机械滑动接触向换向器35的通电，即使在高速旋转条件 下也能够稳定地供电，通过电刷加压用弹簧32对碳刷向换向器35施力， 电枢线圈10中流过伴随整流现象的电流，产生连续的转矩，得到风扇的 旋转力。图2表示关于本发明的换向器电动机的A—A截面图。定子铁芯3的 主磁极8相对于电动机中心的左右的开口角度(01)在左右相同，巻绕安装励磁线圈5、 6的占有面积也是在定子沟槽41的左右双方相同。另外， 至少与空隙15相对的定子铁芯的主磁极8及其前端、电枢铁芯7的电枢 沟槽42以及齿43通过蚀刻加工制成。并且，相对于转子旋转方向(R)， 在主磁极8的前进侧配置有多个通过蚀刻加工制作的贯通孔。使线圈用的定子沟槽41的占有面积左右相同的理由，是为了改善现 有例1的转矩减少的课题，可以在左右都充分确保以集中巻绕方式在定子 的主磁极部分巻绕安装的励磁线圈的线圈占有面积。下面，相对于电枢2的旋转方向(R)配置于主磁极8的前进侧的、 采用蚀刻加工分散配置的多个贯通孔，改善现有例2中的冲孔加工引起的 铁损增大。关于这一点，以下进行详细说明。图8表示换向器电动机的铁损解析结果的一个例子。具体来说，表示 一般的换向器电动机的铁损密度分布，黑色表示的地方铁损较多地产生。即，铁损在1)电枢铁芯，2)定子铁芯的主磁极，3)定子铁芯的主磁极的前端 部分消耗了大部分。特别是在与空隙15相对的主磁极8以及电枢铁芯7 的表层处，铁损较多地产生。该铁损的产生状况，特别是如应用于电动吸尘器的驱动源之类的、高 速旋转下的换向器电动机中特有的现象，是其他电动机中不会发生的现象 之一。在现有例1以及现有例2中，在该铁损密度高的位置，换言之就是最 容易受铁损影响的位置，设置通过冲孔加工制作的主磁极8、沟槽、齿； 在现有例2中，在这些位置上除了上述主磁极8、沟槽、齿以外还设置贯 通孔，因此在通过冲孔加工导入的电磁钢板的塑性变形区域中，铁损上升 不言自明。接着对现有例1以及现有例2，与本发明的换向器电动机的轴转矩进 行了比较。图9表示换向器电动机的轴转矩波形。电动机转矩得到对应于交流电 流的输出转矩，如图所示，相对于频率50Hz，成为2倍周期的波形。另 外，转矩的须状部表示脉动转矩，可以得知是由于电枢沟槽与主磁极的磁 阻变化以及整流特性的相互作用而产生的。图9的下面图中，将A部放大表示轴转矩0.5 .11.(^.11表示额定转矩)的放大波形。关于脉动转矩，现有例l、现有例2以及本发明相同。另一方面关于 轴转矩，确认了本发明>现有例2>现有例1的顺序。这是因为现有例2相对于现有例1，能够确保足够的巻绕圈数，所以 对转矩提高的改善有很大作用。另外，可以确认本发明的换向器电动机相对于现有例2，因为抑制了 冲孔加工引起的铁芯的塑性变形带来的铁损增加，所以转矩值上升。如上，现有例1中虽然有脉动转矩减少的优点，但是存在着线圈占有 面积的减少引起的转矩减少、以及通过冲孔引起的塑性加工带来的铁损增 加的课题。另外，现有例2中虽然有减少脉动转矩和防止转矩减少的优点， 但是冲孔加工引起的铁损增加的课题依然存在。因此本发明的目的在于，解决现有例1和现有例2的所述课题，起到 可以提供高效率、高性能的换向器电动机的效果。本方式说明的换向器电动机具有产生励磁磁通的定子1;产生与该 励磁磁通几乎垂直的磁通的电枢2;具有主磁极8和定子沟槽41的定子铁 芯3;以及配置于定子沟槽41的励磁线圈5、 6。定子铁芯3 (以下，有时称为"铁芯")由层叠的钢板制作，钢板的沟 槽通过蚀刻加工、优选通过光蚀刻加工形成。此时，钢板的厚度为0.08 0.30mm。电枢铁芯7 (以下，有时称为"铁芯")也由层叠的钢板制作， 钢板的齿43以及电枢沟槽42通过蚀刻加工、优选通过光蚀刻加工形成。 此时，钢板的厚度是0.08 0.30mm。并且，电枢2旋转方向前进侧的定子铁芯3相对于主磁极8设置的贯 通孔，通过蚀刻加工、优选通过光蚀刻加工形成。当然，从磁特性以及制造工序整体的操作性的观点来看，优选通过蚀 刻加工加工定子铁芯整体。另外，对于电枢铁芯7与定子铁芯3相同，从磁特性改善的观点来看， 优选蚀刻加工0.08 0.30mm厚度的硅钢板。即，冲孔加工定子铁芯3或 电枢铁芯7，会破坏钢板内的规则的结晶配置，由此会增大磁滞损失。通 过蚀刻加工定子铁芯3或电枢铁芯7，可以防止破坏规则的结晶配置，防止磁滞损失的增大。以下，关于本发明的蚀刻加工法的优点及其适用方法进行详细说明。 冲孔加工的加工对象即钢板越薄，切断部的溃乱，例如飞边、塌边越成为大的问题，表现出磁滞损失增大的倾向。并且，能够通过冲孔加工进行加工的形状，是圆或直线状等简单的形状。原因是，冲孔加工需要模具，使该模具形成为复杂的曲线极其困难。另外研磨模具时，也存在着不能很好地研磨具有复杂曲线形状的模具的问题。因此，在冲孔加工等机械加工中，虽然基于减少涡电流损失的目的可 以将电磁钢板变薄，但是这样磁滞损失增大，难以将铁损抑制为低水平。蚀刻加工可以解决这样的问题。通过该蚀刻加工可以抑制磁滞损失处 于低水平，可以减少涡电流损失。在换向器电动机中，通过蚀刻加工定子 铁芯和电枢铁芯，可以降低铁损，提高换向器电动机的效率，可以改善电 动送风机的空力性能，最终可以提高电动吸尘器的吸入力。并且，作为蚀刻加工的代表方法，有光蚀刻加工。进而，由于没有如冲孔加工那样的塑性变形引起的磁特性劣化的影 响，在设置的多个贯通孔的导入中也可以有效进行增加磁阻的操作，因此 可以有效抑制电枢的反作用磁通的影响，由此由于可以充分确保线圈占有 面积，因此在防止转矩减少的同时，可以得到减少脉动转矩的高效率且高 性能的换向器电动机。具体通过以下方式说明。在本实施方式中，铁芯的层叠铁芯密度是90.0 99.9。优选为93.0 99.0。此处的层叠铁芯密度的定义是，层叠铁芯密度(％)=钢材板厚(mm) X片数(片)+铁芯高度(mm) XIOO。另外，通过对机械地层叠的铁芯迸行压缩来提高该层叠铁芯密度，也 不是不可能的。但是此时铁损增加，因此也不能说是好的选择。本方式的 说明中，不通过设置这样的用于提高层叠铁芯密度的特别工序，就可以提 高层叠铁芯的密度。此时，铁芯的层叠铁芯密度(％)，钢板的板厚是0.08 0.30mm，铁 芯的片数是20 1000 (片)，铁芯的高度是5 200mm。钢板的组成是，C为0.001 0.060重量％， Mn为0.1 0.6重量％， P 为0.03重量％以下，S为0.03重量％以下，Cr为0.1重量％以下，Al为 0.8重量％以下，Si为0.5 7.0重量％， Cu为0.01 0.20重量％，剩余的 部分由不可避免的杂质和Fe组成。另外，不可避免的杂质，是氧或氮的 气体成分等。而且优选的钢板组成是，C为0.002 0.020重量％， Mn为0.1 0.3 重量％， P为0.02重量。/。以下，S为0.02重量。/。以下，Cr为0.05重量。/o以 下，Al为0.5重量。/。以下，Si为0.8 6.5重量％， Cu为0.01 0.1重量％， 剩余的部分由杂质和Fe组成，具有结晶粒子的，作为所谓电磁钢板的硅在决定这样的硅钢板的组成时，从降低铁损的观点来看，Si和Al的 含量特别重要。在由此观点规定Al/Si时，优选该比率为0.01 0.60。更 优选的是该比率为0.01 0.20。另夕卜，硅钢板中的硅的浓度，可以根据该换向器电动机的种类区分使 用采用0.8 2.0重量％的换向器电动机和采用4.5 6.5重量。^的换向器电 动机。另外，通过减少硅的含量，可提高硅钢板的磁感应强度。在本实施方 式中，可以达至U 1.8T 2.2T。在硅含量少时，压延加工性提高，可以使板厚变薄，通过使板厚变薄， 铁损也减少。另一方面，在硅的含量多时，压延加工性的降低可以通过压 延加工后使其含有硅等方法解决，铁损也减少。还有，硅钢板中含有的硅的分布，可以相对于硅钢板的厚度方向大致 均匀地分散，另外，也可以通过使硅浓度局部变高的方式，使相对于硅钢 板的厚度方向使表面部的浓度高于内部的浓度。进而，铁芯在层叠的钢板和钢板之间有厚度为0.01 0.2pm的绝缘被 膜。可以根据换向器电动机的种类，区分使用该绝缘被膜的厚度为0.1 0.2pm、优选0.12 0.18^im的换向器电动机，和该绝缘被膜的厚度为0.01 0.05jim、优选0.02 0.04nm的换向器电动机。另外，绝缘被膜的厚度为0.1 0.2pm时，该绝缘被膜优选使用有机或 无机的膜。作为绝缘被膜的材料，可以使用有机材料、无机材料、以及使用将这些材料混合后的混合材料。另外，在绝缘被膜的厚度为0.01 0.05pm时，该绝缘被膜优选是氧化 被膜。尤其优选铁系的氧化被膜。艮口，通过使硅钢板的板厚薄壁化，绝缘被膜的厚度也能够变薄。现有的电磁钢板的绝缘皮膜，即使在冲孔加工后也可以维持绝缘性， 同时为了提高冲孔加工性，还有润滑性、钢板的密接性、冲孔加工后的退 火的耐热性、焊接层叠的电磁钢板来形成铁芯时的焊接性等、绝缘性以外 的特性，调整绝缘皮膜的厚度或成分，需要0.3um左右的厚度。但是，在本方式说明的薄壁化了的硅钢板中，需要使绝缘皮膜的厚度 变薄。其原因是，在使用厚度与现有技术相同的绝缘被膜的情况下，由于硅 钢板壁厚薄化，相对的，存在绝缘皮膜的体积率相对于硅钢板的体积率增 加，磁感应强度下降的顾虑。像这样，在本方式说明的壁厚薄化了的硅钢板中，可以减少绝缘皮膜 的厚度。一般来说，在使电磁钢板变薄时，需要增加绝缘被膜的厚度。但是， 在本方式中，与该考虑方法不同，即使使电磁钢板的厚度变薄也不需要增 加绝缘被膜的厚度，反而可以与电磁钢板一起变薄。所以，也提高了层叠 铁芯密度。旋转速度和铁损的关系是旋转速度越上升，磁通的交变频率变得越 高，从而铁损增加。旋转速度快的换向器电动机比旋转速度慢的换向器电 动机处于铁损增加的倾向。从这点考虑，有必要讨论硅钢板中硅的含量。并且，硅钢板含有的硅可用溶解法均匀地添加在电磁钢板中，也可以 用表面改质或者离子注入、CVD (化学气相沉积)等方法，对电磁钢板局 部地特别是向表面部添加。还有，本方式说明的电磁钢板，以用于具有形成换向器电动机的定子 的齿和沟槽的铁芯为前提，厚度为0.08 0.30mm，齿及沟槽可通过蚀刻加 工形成。宽度为50 200cm的电磁钢板的蚀刻加工是如下这样进行的，在钢板 上涂敷抗蚀剂，使齿的形状以及沟槽的形状曝光，显影，基于其形状除去加工，用蚀刻液加工后，除去残余的抗蚀剂。在换向器电动机中，为了使低损失化进展，达到更高效化、高性能化，需要新的材料技术，对于作为铁芯材料的电磁钢板，以硅钢板为代表的磁感应强度高、铁损低的材料的开发也正在被推进。另外，对于有利于低铁损化的硅钢板的薄壁化，由于硅钢板的轧制加工性差、冲裁铁芯时的加工即冲孔加工性差，所以在工业规模下，成本大幅度的增加不可避免。如此，在将硅钢板作为在高效率、高性能的换向器电动机中使用的电磁钢板而使用的情况下，板厚以0.50mm和0.35mm为 中心，长时间没有薄壁化的进展。但是，本实施方式不使用冲孔加工，而通过使用蚀刻加工，可以实现 在工业规模下不引起成本大幅度的增加，使铁芯使用的硅钢板的薄壁化成 为可能，实现低铁损化。在本方式中，为实现铁芯的低铁损化，在使用铁损较小的硅钢板的同 时，调整考虑了轧制加工的硅含量，对硅钢板的考虑了轧制加工之后的板 厚进行薄壁化，考虑形成为铁芯的形状的蚀刻加工的适用，考虑构成层叠 的铁芯的一片一片的硅钢板的低铁损化，考虑在硅钢板与硅钢板间形成的 绝缘皮膜的作为铁芯的低铁损化。在使用模具的冲裁加工法即冲孔加工中，在切断部附近形成被称为加 工硬化层、飞边或塌边(以下称为"飞边等")的塑性变形层，产生残留 变形或残留应力。在冲孔加工时产生的残留应力，破坏分子磁铁的排列的 规则性，即破坏磁区，使铁损明显增大，需要进行用于除去残留应力的退 火工序。退火工序进一步增加了铁芯的制造成本。在本方式中，因为不实施这样的冲孔加工来形成铁芯，所以几乎不形 成塑性变形层，不会产生残留变形或残留应力。因此，几乎不会破坏结晶 粒子的排列状态，可以防止对分子磁铁的排列、即磁区排列的损伤，防止 磁特性即磁滞特性的恶化。另外，铁芯通过对加工后的硅钢板进行层叠而形成。通过对该硅钢板 的残留变形或残留应力的产生进行抑制，可以进一步提高铁芯的磁特性。因此，本方式中的换向器电动机可以实现低铁损化、高输出化、'小型 轻量化。另外，该换向器电动机中使用的电磁钢板，具有在边缘部分几乎没有飞边等的良好特性。飞边等是塑性变形层的一种，因为沿着切断部，从钢板的平面方向向 空间方向锋利地突出，所以有时会破坏在电磁钢板表面形成的绝缘皮膜， 破坏层叠的钢板间的绝缘。另外，在层叠这种钢板的情况下，由于飞边等，在层叠的钢板间产生 不需要的空隙，所以损害层叠铁芯密度的增加，结果是磁感应强度降低。 磁感应强度的降低阻碍换向器电动机的小型轻量化。虽然也有时采用在将电磁钢板层叠后，通过将铁芯在板厚方向上进行 压縮，碾碎飞边等，使层叠铁芯密度提高的方法，但在这种情况下，通过 加压压縮增加了残留应力，铁损增加。从而，还存在由飞边等引起的绝缘 破坏的问题。在本方式说明的铁芯，由于基本不产生飞边等，不用进行加压压缩， 可以提高层叠铁芯密度，且不会引起绝缘破坏。因此，还可以降低铁损。在作为铁芯使用的电磁钢板的硅钢板中，硅的含量为6.5重量％，理 论上铁损最低。但是，若硅含量增加，则轧制加工性及冲孔加工性会明显 恶化。所以，不管铁损有多大，考虑到轧制加工性及冲孔加工性，硅钢板中硅的含量一般约为3.0重量％。在本方式中说明的硅钢板，因为板厚可以薄壁化为0.3mm以下，所以 即使硅的含量在2.0重量％以下，铁损也低。在现有技术中，在板厚为0.3mm以下的薄壁化了的硅钢板的制造中， 需要轧制、退火等特殊的工序，但在本方式说明的硅钢板，因为不需要这 样的特殊的工序，所以还可以降低薄壁化了的硅钢板的制造成本。且，关 于铁芯的制造，因为不需要冲孔加工，所以可以进一步降低制造成本。此外，与铁芯的主要材料即硅钢板不同，公知有作为极薄电磁材料的 在特殊用途限定使用的价格极其昂贵的非结晶材料，但是因为非结晶材料 有使熔融金属急速凝固来形成箔体进行制造的特殊工序，所以可以实现厚 度为0.05mm左右或其以下的超薄壁的300mm左右宽度的极少量的制造， 但是在这以上的板厚或板宽的材料的制造，在工业规模下的制造却是不可 能实现的。如此，非结晶材料，因为材质硬且脆，并且过薄，不能进行冲孔加工，由于化学成分的限制，磁感应强度低等原因，不能作为铁芯的主要材料。 在本方式中说明的电磁钢板与这样的非结晶材料不同，具有结晶粒子。另外，本方式中的电磁钢板，可以同时实现有利于低铁损化的薄壁化、 变形的降低、高输出化、有利于小型轻量化的尺寸精度的提高，有利于高 磁感应强度化的铁芯层叠密度的提高。艮口，根据本方式，可以提供能够实现低铁损和实现高输出、小型轻量 化的铁芯。电磁钢板的板厚与铁损的关系如图3所示。根据图3可知，板厚与铁损之间存在板厚越厚，铁损越高的关系。其中一般采用的硅钢板的板厚，考虑到轧制加工或冲孔加工性，分为0.50mm禾口 0.35mm这两禾中。广泛用于铁芯制造的这两种板厚的硅钢板，为了降低铁损，需要进行 轧制和退火。另外，为实现进一步的薄壁化，由于作为对象的铁芯的形状 和大小的不同而使得反复的次数不同，但需要反复进行这样的轧制和退 火。如此，在一般使用的硅钢板中，为实现薄壁化，需要追加轧制、退火 等特别的工序进行制造，从而制造成本变高。在本方式说明的铁芯，因为可以降低制造成本，又可以解决铁芯加工 上的问题，所以可用于工业规模的大量生产。本方式中使用的硅钢板的板厚为0.08 0.30mm。且，优选使用板厚为 0.1 0.2mm的硅钢板，采用蚀刻加工制作铁芯的形状。在图3中，作为参考也表示了非结晶材料的板厚的区域。因为非结晶 材料有使熔融金属急速凝固来形成箔体进行制造的特殊工序，所以适于厚 度为0.05mm左右或其以下的超薄壁的制造，在这以上的板厚由于急速冷 却很困难，所以制造困难。另夕卜，只能制造板宽在300mm左右的窄的板， 与特殊的制造工序一起，制造成本显著的提高。另外，关于磁特性，虽然铁损低，但是存在磁感应强度也低的缺点。 这是因为为了急速冷却凝固而在化学成分上存在限制。在本方式中没有使用这种非结晶材料，而使用具有晶体粒子的硅钢板。下面，介绍硅钢板的代表性的制造工序。由可形成电磁钢板的材料制造钢。例如，使用具有如下组成的钢板材料其组成是含C为0.005重量％，含Mn为0.2重量n/。，含P为0.02重 量％，含S为0.02重量。/。，含Cr为0.03重量。/。，含Al为0.03重量°/。，含 Si为2.0重量Q/。，含Cu为0.01重量M，其余部分为Fe和若干杂质组成。 通过对这种钢板材料实施连续铸造、热轧、连续退火、酸洗、冷轧、 连续退火，制造板宽为50 200cm、在此特别是板宽为50mm、板厚为 0.2mm的硅钢板。另外，在制作出的硅钢板的表面，为了降低铁损，进而也可以形成 4.5 6.5重量％的硅。然后，实施厚度为O.lum的有机树脂的绝缘被膜涂敷，制造硅钢板。根据情况不同，也可以不采用特别的绝缘被膜涂敷的工序，而制作厚 度为0.01 0.05 n m的酸化被膜。另外，这里说明的绝缘被膜涂敷的工序在制造铁芯时，优选在蚀刻加 工的工序后进行。另外，硅钢板形成为平板或线圈状、辊状。下面，说明铁芯的代表性的制造工序。对制造的硅钢板进行预先处理，涂上抗蚀剂。对该抗蚀剂，利用掩模 对齿的形状以及沟槽的形状进行曝光、显影。根据其形状除去抗蚀剂。进 一步，用蚀刻液进行加工。在通过蚀刻液的加工后，除去残余的抗蚀剂， 制造出所需要的具有齿的形状以及沟槽的形状的硅钢板。这种制造中例如 光蚀刻加工是有效的，使用采用金属掩模的精密加工微细孔的方法也是有 效的。将制造的具有希望的齿形状以及沟槽形状、具有铁芯形状的多个硅钢 板进行层叠，通过焊接等固定层叠后的硅钢板，从而制造铁芯。另外，在 焊接时，优选利用纤维激光器等实施输入热量少的焊接。另外，可以从形成为平板状或线圈状、辊状的硅钢板，同时取得电枢 铁芯以及定子铁芯，也可以同时取得多个形状的铁芯。通过利用蚀刻加工制造齿的形状以及沟槽形状，可以得到极高的加工 精度，如误差在土10ym以下，优选在土5um以下，可以制造希望形状的齿以及沟槽。另外，若用圆度表示误差，则在30ym以下，优选在15ym以下， 更优选在10um以下。而且，所谓圆度，是指圆形部分从几何学上的理想 圆偏离的大小，是指用两个同心的几何学上的理想圆去夹圆形部分时，两 圆之间区域最小时的半径差。另外，可以通过蚀刻加工同时形成具有齿和沟槽的定子铁芯的形状和 电枢铁芯的形状。此时，因为蚀刻加工的加工精度高，所以可以使它们的 间隙为0.1 0.5mm。图4表示硅钢板中硅的含量与铁损间的关系。如图4所示，硅含量为6.5重量％的硅钢板的铁损最少。但是，在硅 钢板中硅的含量比6.5重量％大时，轧制加工很难进行，所希望厚度的硅 钢板的制造很困难。因为轧制加工性存在电磁钢板中含有的硅越多，加工 性越变差的倾向。从这个背景出发，综合考虑铁损和轧制加工性之间的平 衡， 一般使用硅含量为3.0重量％的硅钢板。艮口，在本方式中，通过使硅钢板的板厚薄壁化，降低硅钢板的铁损， 减小硅钢板中硅的含量对铁损的影响。因此，在本方式中说明的硅钢板，不仅轧制加工性变好，而且通过使 板厚薄壁化，对铁损影响大的硅钢板中硅的含量的自由度变大。因此，可 以使硅钢板中硅的含量在0.5 7.0重量％的范围，也可以采用0.8 2.0重 量％和4.5 6.5重量％的极端的不同的含量，根据铁芯的规格或换向器电 动机的用途，可以区分使用。图5表示基于蚀刻加工的代表性的加工截面形状。通过蚀刻加工硅钢板，在用酸液溶解的加工截面附近，如图(a)所 示，不存在飞边等塑性变形层。可以相对于硅钢板的平面方向基本垂直地 形成加工截面。图6表示前端的光蚀刻加工的加工截面形状。如图(b) (d)所示， 也可以控制溶解部的形状。另外，如(e)所示，也可以将溶解部形成为 在垂直方向上剩余一部分的半蚀刻形状。即，也可以形成规定的椎部。像这样，被蚀刻加工后的硅钢板，由该加工引起的残余应力几乎为O， 塑性变形层几乎不存在，硅钢板的相对于厚度方向的塑性变形量几乎为0。另外，蚀刻加工引起的加工截面附近的塑性变形量也几乎为0。并且，在加工截面中，可以控制硅钢板的加工截面的形状，可以形成 加工引起的残余应力几乎为0、并且加工截面附近的塑性变形量也几乎为0的切断截面形状。另外，通过采用这样的蚀刻加工，还可以在使硅钢板的微细的结晶组 织、机械特性及表面部最佳化的状态下适用于铁芯。考虑到硅钢板的结晶 组织的各向异性，及基于此的磁特性的各向异性，还可以实现铁芯的磁特 性的最佳化。图7表示基于冲孔加工的代表性的加工截面形状。通过冲孔加工硅钢板，在塑性加工时的剪切应力的作用下，加工截面 附近显著变形，形成10 100iim左右的飞边、塌边。另外，关于硅钢板的平面方向的尺寸精度，在冲孔加工中因模具的尺 寸精度而受到限制，通常相对于硅钢板的厚度在5%左右的间隙下被剪断， 因此硅钢板的平面方向的尺寸精度下降。另外，在大量生产时因模具的损 耗，还存在精度随着时间的经过而降低等问题。另夕卜，越是薄壁化后的硅 钢板，冲孔加工越困难。在适用蚀刻加工的本方式中，可以解决这种加工精度的问题，也可以 消除因为时间经过而引起的精度的降低。另外，在使用规定图案对齿的形状以及沟槽的形状进行曝光时，优选 设置与电磁钢板的轧制方向有关的掩模或基准孔。在层叠电磁钢板的情况下，将电磁钢板相对于轧制方向平均化，这在 使换向器电动机的性能提高的方面来说是必要的。例如，相对于轧制方向， 改变规定量的掩模或者基准孔的位置，在层叠电磁钢板时，通过使掩模或 基准孔的位置对齐，可以实现作为换向器电动机的磁特性的提高。以上，根据本发明，通过充分确保励磁线圈的占有面积，具有可以提 供改善转矩，有效降低电枢反作用磁通，减少脉动转矩以及冲孔加工引起 的铁损，高效、高性能的换向器电动机的效果。
权利要求
1.一种换向器电动机，其具备定子，该定子具有层叠电磁钢板而成的定子铁芯、和卷绕安装在定子铁芯的主磁极部上的励磁线圈；电枢，该电枢具有层叠电磁钢板而成的电枢铁芯、电枢线圈、轴以及换向器，所述电枢线圈卷绕安装于所述电枢铁芯的沟槽，线圈的两端与所述换向器连接，进行电力的授受，所述换向器电动机的特征在于，所述电磁钢板的齿以及沟槽通过蚀刻加工形成。
2. 如权利要求l所述的换向器电动机，其特征在于，所述钢板的厚度为0.05 0.30mm。
3. 如权利要求l所述的换向器电动机，其特征在于， 在相对于电枢旋转方向位于前进侧的定子铁芯主磁极，设有多个通过蚀刻加工形成的贯通孔。
4. 如权利要求l所述的换向器电动机，其特征在于， 所述钢板是电磁钢板，其组成为.* C为0.001 0.060重量％， Mn为0.1 0.6重量％， P为0.03重量％以下，S为0.03重量％以下，Cr为0.1 重量％以下，Al为0.8重量°/。以下，Si为0.5 7.0重量％， Cu为0.01 0.20 重量％，其余部分为不可避免的杂质和Fe。
5. 如权利要求l所述的换向器电动机，其特征在于， 所述钢板为硅钢板。
6. 如权利要求1所述的换向器电动机，其特征在于， 所述钢板具有结晶粒子。
7. 如权利要求1所述的换向器电动机，其特征在于， 所述定子铁芯在层叠的钢板与钢板之间具有厚度为0.01 0.2pm的绝缘被膜。
8. 如权利要求7所述的换向器电动机，其特征在于，所述绝缘被膜是厚度为0.01 0.05pm的氧化被膜。
9. 如权利要求5所述的换向器电动机，其特征在于， 所述硅钢板中的硅的浓度为0.8 2.0重量％。
10. 如权利要求5所述的换向器电动机，其特征在于， 所述硅钢板中的硅的浓度为4.5 6.5重量％。
11. 如权利要求5所述的换向器电动机，其特征在于， 关于所述硅钢板中硅的浓度，表面部的硅的浓度比内部的硅的浓度高。
12. 如权利要求l所述的换向器电动机，其特征在于， 所述钢板的层叠铁芯密度为90.0% 99.9%。
13. 如权利要求l所述的换向器电动机，其特征在于， 所述蚀刻加工是如下进行的在所述钢板上涂敷抗蚀剂，对齿的形状以及沟槽的形状进行曝光，使其显影，根据所述形状除去抗蚀剂，用蚀刻 液进行加工，在用蚀刻液进行加工后，除去残余的抗蚀剂。
14. 一种电动吸尘器，其特征在于， 搭载有权利要求1所述的换向器电动机。
全文摘要
本发明提供一种换向器电动机以及使用该换向器电动机的电动吸尘器，在充分确保卷绕于主磁极的励磁线圈占有面积的同时，通过抑制转子反作用磁通的影响，得到减少脉动转矩，同时提高转矩以及降低铁损的高效、高性能的换向器电动机。本发明涉及的具备定子和电枢的换向器电动机，定子具有具备主磁极和沟槽的定子铁芯、以及配置于沟槽的励磁线圈；电枢具有具备沟槽和齿的电枢铁芯、和卷绕于沟槽的电枢线圈。定子以及电枢铁芯由层叠的钢板制作，特征在于钢板的齿、沟槽以及与电枢旋转方向前进侧的空隙相对的主磁极上形成有多个通过蚀刻加工形成的贯通孔，钢板的厚度为0.05～0.30mm。
文档编号H02K1/12GK101277031SQ20081000211
公开日2008年10月1日 申请日期2008年1月15日 优先权日2007年3月26日
发明者石川芳寿, 谷口司, 阿部辉宜 申请人:株式会社日立制作所