无刷马达的制作方法

本发明涉及高扭矩、低齿槽效应的无刷马达，尤其是涉及适用于电动助力转向装置的驱动源而优选的无刷马达。

背景技术：

为了辅助汽车等的操舵力，近年来，在大多的车辆上装备有所谓的助力转向装置。作为助力转向装置，近年来，出于减轻发动机负荷、减少重量降低等观点考虑，增大了以电动马达为驱动源的电气式的动力操舵装置(所谓的电动助力转向装置：EPS)。作为电动助力转向装置的动力源的马达虽然需要复杂的控制，但出于维护的容易性，期望的是无刷马达。近来，随着控制元件、控制器的高性能化，使用了无刷马达的EPS系统正在成为主流。

另一方面，在EPS系统中，若马达的顿转扭矩变大，则存在未通电时的操舵感觉变差这样的问题。在EPS用的无刷马达中，顿转扭矩是重要的性能要素之一。以往以来，作为顿转扭矩的减小方法，如专利文献1所示那样公知有在固定体励磁铁心的凸极顶端部设置有辅助沟、或对转动体、固定体实施了扭斜的方法。EPS用的无刷马达也大多采用了辅助沟、扭斜等结构。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10-42531号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

可是，为了减小顿转扭矩，即使设置辅助沟、扭斜，也未必能够效率良好地使顿转扭矩减小。另外，存在如下问题：即使能够减小齿槽效应，也随着辅助沟、扭斜的设置，扭矩就减小。若扭矩降低，则为了获得所期望的输出，不得不增大马达体积，违背对马达的小型轻量化的要求。

用于解决课题的方案

本发明的无刷马达具有：定子，其具备：环状的背芯部；多个齿，其从所述背芯部朝向径向内侧突出设置；以及转子，其旋转自如地配置于所述定子的内侧，其具备：转子芯，安装于旋转轴上；磁体，其配置于所述转子芯的外周面，该无刷马达的特征在于，所述齿具有：齿主体，其从所述背芯部沿着径向延伸；顶端部，其与所述齿主体一体地形成于该齿主体的内径侧，在其周向两侧突出设置有沿着周向延伸的一对倾斜部；顶端面，其形成于所述顶端部的内径侧端面，隔着气隙与所述磁体相向；以及沟部，其凹设于所述顶端面的周向中央，沿着所述旋转轴方向延伸，在将从所述转子的中心到所述齿主体的周向侧面的延长线(P)与所述倾斜部的倾斜面的延长线(Q)的交点即齿倾斜交点(X)的距离设为Lx、将所述顶端面的内径的半径设为Rt时，所述沟部的深度d设定成所述Lx与所述Rt之差的1/3以下的值(0＜d≤(Lx-Rt)/3)，且所述沟部的宽度Wg比所述齿主体的宽度Wt小，设定成所述宽度Wt的1/2以上的值(Wt>Wg≥Wt/2)。

在本发明中，在齿顶端面的中央凹设有沟部，通过将该沟部的深度d设定成0＜d≤(Lx-Rt)/3、将宽度Wg设定成Wt>Wg≥Wt/2，能够使倾斜部磁饱和，在未通电旋转时控制向齿内流入的磁通量，可使顿转扭矩减小。另外，通过使深度比以往的辅助沟的深度小，能够缩小沟部中的气隙，使有效磁通增大，可将扭矩的减少量抑制得较少。

在所述无刷马达中，也可以是，所述沟部的底面形成为以所述旋转轴的中心为中心的、与所述顶端面同心的圆弧状。由此，使齿顶端部处的气隙均等地靠近，因此，可谋求顿转扭矩的减小。

也可以是，使所述磁体的外周面形成为圆弧状，并且，使所述磁体的外周面形成与所述沟部的底面的曲率和所述顶端面的曲率不同的曲率。由此，能够使相邻的磁体间的磁通的变化平滑，可谋求顿转扭矩的减小。

也可以将所述磁体的与轴向垂直的截面形成为D形，设置有圆弧状的外周面和平面状的内周面。由此，能够使磁体中央部变厚，使磁体的有效磁通增加，随着沟部设置而产生的的扭矩减少得以弥补。另外，也可以是，将所述转子芯的截面形成为正多边形状，在其外周面设置有供所述磁体的所述内周面安装的平面部，并且，利用所述沟部使形成于相邻的所述平面部之间的角部与所述齿之间的距离随着所述转子的旋转而产生的变动缓和。

也可以是，将所述定子芯的轴向长度Ls设定得比所述转子芯的轴向长度Lr长(Ls>Lr)。由此，能够抑制来自轴向端面的磁通的泄漏，可谋求顿转扭矩的减小。

也可以是，将所述转子设为扭斜构造，将其扭斜角θ设定成20°≤θ≤24°。由此，可抑制例如在2P3S×n构造的无刷马达产生的感应电压中的与顿转扭矩有关的次数成分，可谋求顿转扭矩的减小。

另外，也可以将所述无刷马达用作电动助力转向装置的驱动源。该无刷马达是可谋求顿转扭矩的减小的、高扭矩、低齿槽效应的马达，通过将其用作电动助力转向装置的驱动源，可进行顺利且舒服的转向操作。

发明效果

根据本发明的无刷马达，在齿顶端面的中央凹设有沟部，将该沟部的深度d设定成0＜d≤(Lx-Rt)/3、将宽度Wg设定成Wt>Wg≥Wt/2(Lx：从转子中心到齿主体的周向侧面的延长线P与倾斜部倾斜面的延长线Q的交点即齿倾斜交点X的距离，Rt：齿顶端面的内径的半径，Wt：齿主体的宽度)，因此，使突出设置于齿顶端部的倾斜部磁饱和，可对向齿流动的磁通的量进行控制。另外，沟部的深度较浅，因此，与以往的较深的辅助沟相比，能够缩小沟部中的气隙，可使有效磁通增大。其结果，能够确保扭矩且对向齿流动的磁通量进行控制而谋求顿转扭矩的减小，可提供一种高扭矩、低顿转扭矩的无刷马达。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式的无刷马达的结构的剖视图。

图2是沿着图1的A-A线的剖视图。

图3是表示图1的无刷马达中的齿附近的结构的放大图。

图4是表示随着转子的旋转的转子芯和磁体的移动状态的说明图。

图5是表示沟部的深度d与扭矩之间的关系的图表。

图6是表示沟部形状的变形例的说明图。

图7是表示以往的无刷马达中的齿附近的结构的放大图。

具体实施方式

以下，基于附图详细地说明本发明的实施方式。以下的实施方式的目的在于提供一种谋求扭矩的降低为最小限度且使顿转扭矩的减小的高扭矩、低顿转扭矩的无刷马达。

图1是表示本发明的一实施方式的无刷马达1(以下简记作马达1)的结构的剖视图。图2是沿着图1的A-A线的剖视图。马达1被用作例如转向柱助力式EPS的动力源，根据手柄操作方向正反旋转且对汽车的转向轴施加动作辅助力。如图1所示，马达1成为在外侧配置有定子(固定体)2、在内侧配置有转子(转动体)3的内转子型的结构。马达1安装于设置于转向轴的未图示的减速机构部。马达1的旋转被该减速机构部减速而向转向轴传递。

定子2安装于由铁等形成为有底圆筒状的外壳4内。外壳4兼用作马达壳体。定子2通过压入等固定方法被固定于外壳4的内周面。定子2具备定子芯5和卷绕于定子芯5的线圈6。定子芯5是将多个钢制的板材(例如、电磁钢板)层叠而形成的。如图2所示，定子芯5具有环状的背芯部21和多个齿22。齿22从背芯部21朝向径向内侧以等间隔突出设置。在齿22上隔着合成树脂制的绝缘体23卷绕有线圈6。

齿22由齿主体24和齿顶端部25构成。齿主体24从背芯部21朝向径向内侧沿着径向延伸。齿顶端部25与齿主体24一体地形成于齿主体24的内径侧。在齿顶端部25的周向两侧突出设置有朝向周向延伸的一对倾斜部26。齿顶端部25的内径侧端面成为齿顶端面27。齿顶端面27隔着气隙G与转子3相向。在齿顶端面27的周向中央凹设有沟部28。沟部28沿着轴向凹设在定子芯5的全长上。

在相邻的齿22之间形成有槽29。在马达1中，设置有9个齿22，成为9槽结构。线圈6收容在槽29内。在马达1中，相邻的齿22间的开口宽度Wa设定得比以往的马达(参照图7)宽。在马达1中，齿宽度与开口宽度Wa之比比以往的马达的该比大，设定得比以往的马达中的、齿51间的开口宽度相对于齿51的周向的宽度的比率增大约18％。若齿间的开口宽度变大，则泄漏电感相应被减小。其结果，可谋求电感降低、转速提升。另外，齿22、背芯部21的宽度相对于图7的齿51、背芯部55的比率也设定得大(增大约19％)。若齿22、背芯部21的宽度变大，则磁路宽度相应增大，可抑制磁饱和。其结果，泄漏磁通降低、并且有效磁通也增大，可谋求扭矩提升。

在定子芯5的一端侧安装有合成树脂制的汇流条单元7。定子芯5在安装了汇流条单元7之后如随后论述那样施加预定的电连接。在电连接之后，定子芯5被压入固定于外壳4内。在汇流条单元7的主体部内嵌入成形有铜制的汇流条31。汇流条31设置有与马达1的相数相对应的个数(在此，U相、V相、W相这3个和相间连接用的未图示的1个计4个)。在各汇流条31沿着径向突出设置有多个供电用端子32。在汇流条单元7的周围呈放射状突出有供电用端子32。在定子芯5的一端侧引出有线圈6的端部6a。在安装汇流条单元7之际，供电用端子32与线圈端部6a焊接，各线圈6与该相相对应的供电用端子32电连接。汇流条31的端部从汇流条单元7的端面沿着轴向延伸，形成了汇流条端子33。

铝合金制的支架8安装于外壳4的开口部。端子单元11利用螺钉9固定于支架8的内侧。在端子单元11嵌入成形有与汇流条端子33接合的电源端子34。电源端子34按照U、V、W各相设置。电源端子34的一端侧34a配置于开口部35内。电源端子34的另一端侧34b向马达1的外部引出。若将支架8组装于外壳4，则从汇流条单元7沿着轴向延伸的汇流条端子33在开口部35内与电源端子34并列地相向。在马达1中，在将支架8安装到外壳4之后，在开口部35内，将汇流条端子33和电源端子34焊接固定。

转子3插入定子2的内侧。转子3具有成为马达旋转轴的轴12。轴12被球轴承(以下简记成轴承)13a、13b支承成旋转自如。轴承13a固定于在外壳4的底部中央形成的轴承收容部4a。轴承13b固定于在支架8的中央部形成的轴承固定部8a。

在轴12上，沿着轴向固定有3个(14a～14c)转子芯14。转子3成为分段斜极构造(这里是3段)。在该情况下，在将极数设为P、将槽数设为S、U设为360除以P和S的最小公倍数而成的数、V＝360/(P/2)/5(“/5”：考虑5次成分)时，扭斜角θ设定成U≤θ≤V的范围。马达1是6P9S，因此，成为20°≤θ≤24°，在此，设定成22°。通过这样的设定，与以往的马达相比，能够抑制由于极-槽关系产生的顿转扭矩的次数成分(对于6P9S，是18次)，可谋求顿转扭矩的减小。

另外，转子芯14也是层叠钢制的薄板材而形成的。在马达1中，在将转子芯14的层叠厚度的合计设为Lr、将定子芯5的层叠厚度设为Ls时，设定成Ls>Lr。也就是说，定子芯5的轴向长度比转子芯14的轴向长度长，定子芯5成为沿着轴向外伸的状态。通过使定子侧比转子侧长，来自轴向的磁通的泄漏被抑制，可谋求顿转扭矩的减小。

转子3成为SPM(表面磁铁型)构造。在转子芯14的外周，以隔着气隙G与齿22相向的方式安装有磁体(永磁体)15。磁体15沿着周向安装有6个，马达1成为6极9槽(6P9S)结构。如图2所示，在马达1中，作为磁体15，使用了轴向截面(与轴12的延伸方向垂直的截面)形成为D形的扇形类型的磁体。磁体15具有圆弧状的外周部15a和平面状的内周部15b。外周部15a的圆弧中心Om与转子3的中心Or不同，外周部15a相对于转子3偏心。若使外周部15a的圆弧偏心，则能够使相邻的磁体15之间的磁通变化平滑，可谋求顿转扭矩的减小。

D形截面的磁体15与比内外径侧的面成为圆弧状的以往的磁体相比，磁体中央部的尺寸(厚度)变大。其结果，有效磁通量变大，并且电感也降低，相应地可谋求扭矩提升。转子3的外径也比以往的马达的外径小径化，(例如、约10％小径化)，转动惯量也被减小。另外，随着外径变小，磁体间的间隙也变小。其结果，齿-磁体间的间隙中的磁通密度增大，在这点上，也可谋求扭矩提升。

将D形截面的磁体15沿着周向呈多个(在此，是6个)等分地配置，因此，转子芯14的截面成为大致正多边形状(在此，是正六边形)。在形成于转子芯14的外周的平面部16a安装有磁体15的内周部15b。磁体15利用合成树脂制的磁体保持架17(17a～17c)配置于转子芯14a～14c的外周。在转子芯14的6个角部设置有供磁体保持架17的支脚部18卡合的卡合沟19。卡合沟19沿着轴向形成。磁体15利用磁体保持架17a～17c沿着轴向配置有3列。在磁体15的外侧安装有有底圆筒形状的磁体盖20。

在转子3与支架8之间(转子3的图1中的左侧)配置有作为旋转角度检测部件的旋转变压器41。旋转变压器41由旋转变压器转子42和配置于旋转变压器转子42的外侧的旋转变压器定子43构成。旋转变压器转子42安装于磁体保持架17a的左端部，与转子3一起旋转。旋转变压器定子43被压入固定于金属制的旋转变压器保持架44内。旋转变压器保持架44形成为有底圆筒形状。在支架8的中央部突出设置有旋转变压器安装部8b。旋转变压器保持架44被轻压入旋转变压器安装部8b的外周，与端子单元11一起利用螺钉9固定于支架8的内侧。

在马达1中，为了提升扭矩，使用了D形截面的磁体15。另一方面，发明人为了谋求使有效磁通增加，进一步提升扭矩，从图7的结构废除了辅助沟52。不过，若废除辅助沟52，则产生了虽然扭矩提升，但顿转扭矩会变大这样的问题。对于EPS用的无刷马达来说，顿转扭矩的增加导致操舵感觉的变差，并不优选。因此，对辅助沟废除与顿转扭矩增大之间的因果关系进行了研究。其结果，推定为：随着采用D形磁体，在转子芯14设置有平面部16a对顿转扭矩的增加产生了影响。

图3是表示马达1中的齿顶端部附近的结构的放大图。图4表示随着转子3的旋转的、转子芯14和磁体15的移动状态的说明图。如图4所示，若转子3旋转，则转子芯14和磁体15也旋转，此时，相邻的平面部16a之间的角部16b与齿22只间的距离Lg也变动。即、角部16b越靠近齿22的中心，角部16b与齿顶端面27之间的距离Lg也越小。在图7的结构中，转子芯53的外周面53a成为与齿51的顶端面51a同心状的圆弧，即使转子旋转，两者间的距离也不变动。与此相对，在马达1中，转子芯14的角部16b与齿顶端面27的距离由于转子3的旋转而变化，认为这也成为顿转扭矩增大的一个原因。

因此，在本发明的马达1中，为了抑制距离Lg随着转子3的旋转而产生的变动，在齿顶端面27形成有1个沟部28。沟部28形成于各齿22的顶端部中央，沿着轴向凹设于转子芯14的全长上。在将从定子2的中心(与转子3的中心Or同心)到齿倾斜交点X的距离设为Lx、将定子内径(齿顶端面27的内径)的半径设为Rt时，沟部28的深度d设定成Lx与Rt之差的1/3以下的值(0＜d≤(Lx-Rt)/3)。齿倾斜交点X是指，齿22的周向侧面22a的延长线P与齿22的倾斜部26的倾斜面26a的延长线Q的交点。

沟部28的宽度Wg比齿主体24的宽度Wt小，且设定成宽度Wt的1/2以上的值(Wt>Wg>Wt/2)。此外，沟部28是随着角部16b的通过而形成的一种的退避沟，因此，沟部28的底面28a形成为圆弧状，与定子2、转子3成为同心状。

通过将这样的沟部28形成于齿顶端面27，使转子芯角部16b与齿顶端面27之间的距离Lg的变动缓和(变小)，可谋求顿转扭矩的减小。另外，沟部28的底面28a是圆弧状，因此，能够与距离Lg一起使磁体-齿间的气隙G均等化，从这点也可谋求顿转扭矩的减小。而且，沟部28与图7的辅助沟54那样的相似槽的沟不同，是退避沟的结构，因此，深度比以往的辅助沟54的深度小(浅)，能够减小沟部28的部位处的气隙G。其结果，与设置有辅助沟54的以往的马达相比，能够使有效磁通增大，设置沟部28的同时也将由其影响导致的扭矩减少抑制地较少。此外，在马达1中，通过D形磁体的使用，可谋求提升扭矩，也可弥补与由设置有沟部28导致的扭矩减少相应的量。

此外，在马达1中，齿22间的开口宽度Wa设定得较宽，齿22的倾斜部26比图7的马达的齿22的倾斜部小。在此基础上，在各齿22形成有沟部28，因此，倾斜部26的宽度进一步变小。其结果，倾斜部26变得易于磁饱和，能够在未通电旋转时对向定子2侧流动的磁通量进行控制。因而，通过将沟部28的深度、宽度设定成适当的大小，能够使倾斜部26磁饱和，从这点也可谋求顿转扭矩的减小。

例如，在半径Rt＝21mm的马达1中，通过将沟部28的深度d设定成0.63mm，将宽度Wg设定成4.9mm，根据发明人的解析，马达1的顿转扭矩被抑制成约12mN·m以下。另外，如图5所示，d＝0.63mm的情况下的扭矩成为约4.41Nm。没有形成沟部28的情况下的扭矩成为约4.62Nm，因此，由形成沟部导致的扭矩的降低被抑制成约4.5％以下。即、马达1能够将扭矩降低抑制成4.5％以下而确保约4.41Nm的扭矩，且将顿转扭矩抑制成约12mN·m以下，能够实现作为高扭矩、低齿槽效应的EPS用的马达最佳的规格。

本发明并不限定于前述那样的实施方式，当然可在不脱离其主旨的范围内进行各种变更。

例如，在前述的实施方式中，示出了将本发明应用于6极9槽(6P9S)结构的无刷马达的例子，但本发明可广泛地应用于2P3S的整数倍的结构的马达。另外，在前述的实施方式中，示出了背芯部一体成形的情况下的定子芯的例子，但是本发明也可应用于背芯部被沿着周向分割开的、所谓的分割芯方式的定子芯。而且，在前述的实施方式中，示出了沟部28的两侧的角部28b是方形状的例子，但是如图6所示，也可以使角部28b形成为从沟部28的底面28a到齿顶端面27连续的曲面形状。由此，距离Lg的变化进一步变得平缓，顿转扭矩被更加减小。

产业上的可利用性

本发明的无刷马达除了应用于电动助力转向装置的驱动源以外，也可广泛地应用于被安装于汽车的其他电动装置、混合动力汽车、电动汽车、空调等的电气产品等。

附图标记说明

1 无刷马达 2 定子

3 转子 4 外壳

4a 轴承收容部 5 定子芯

6 线圈 6a 线圈端部

7 汇流条单元 8 支架

8a 轴承固定部 8b 旋转变压器安装部

9 螺钉 11 端子单元

12 轴 13a、13b 轴承

14 转子芯 14a～14c 转子芯

15 磁体 15a 外周部

15b 内周部 16a 转子芯平面部

16b 转子芯角部 17 磁体保持架

17a～17c 磁体保持架 18 磁体保持架支脚部

19 卡合沟 20 磁体盖

21 背芯部 22 齿

22a 周向侧面 23 绝缘体

24 齿主体 25 齿顶端部

26 倾斜部 26a 倾斜面

27 齿顶端面 28 沟部

28a 底面 28b 角部

29 槽 31 汇流条

32 供电用端子 33 汇流条端子

34 电源端子 34a 一端侧

34b 另一端侧 35 开口部

41 旋转变压器 42 旋转变压器转子

43 旋转变压器定子 44 旋转变压器保持架

51 齿 51a 顶端面

52 辅助沟 53 转子芯

53a 外周面 54 辅助沟

55 背芯部 d 沟部深度

P 齿主体的周向侧面的延长线

Q 倾斜部倾斜面的延长线 X 齿倾斜交点

Or 转子中心(＝定子中心)

Lx 定子中心-齿倾斜交点X之间的距离

Rt 齿顶端面内径半径

Wg 沟部周向宽度

Wt 齿主体周向宽度

G 气隙

Lg 转子芯角部-齿顶端面之间的距离

Wa 齿间开口宽度

Om 磁体外周部圆弧中心

θ 扭斜角

Lr 转子芯轴向长度

Ls 定子芯轴向长度