专利名称：永久磁体型回转机械的制作方法
技术领域：
本发明涉及一永久磁体型回转机械，其可用于办公室的自动化机器，例如，复印机、打印机，计算机系统的外围设备，车辆，工厂的自动化机器，例如，传输机等。
背景技术：
有许多永久磁体型回转机械，其诸如具有一永久磁体的转子的PM型步进电机、具有一齿轮形铁芯和一永久磁体的混合(HB)型步进电机，以及具有一用于反馈控制的磁极探测单元的无电刷电机。一具有面向一转子的梳形磁极齿的永久磁体型回转机械包括多个沿轴向方向堆叠的定子单元；以及一具有一永久磁体的转子，其面向定子单元并交替地磁化为N极和S极。使电流通过电子单元的线圈并切换电流方向，定子磁极和转子磁极互相吸引和排斥，这样，转子可旋转起来。
在具有面向转子的梳形磁极齿的永久磁体型回转机械中，堆叠的定子单元的数量等于进行磁化的电流相位数。例如，在二相电机的情形中，一A相定子单元和一B相定子单元堆叠起来。步进电机的转矩是由磁化电流产生的转矩和由一转子和多个定子轭之间磁阻变化产生的变动转矩(定位转矩)的合成转矩。变动转矩的成分成为电机转矩的高阶谐波成分，由此造成转动的波动和振动。因此，该步进电机串联地连接到所述步进电机(它是永久磁体型回转机械的一实例)，且其相位沿转动方向互相变换半周的变动转矩，这样可减小由变动转矩造成的振动成分(参见日本专利公报No.9-163798)。
此外，为了快速地减小由包括在一感应反电动势的波形中的高阶谐波成分造成的电机振动，已经研制了一种步进电机，其中，定子轭的梳形齿的面积和其间的间隙可以变化而偏离三阶谐波并减小振动(参见日本专利公报No.10-127024)。
近年来，一直需要高转矩的小型电机。因此，已经研制出高的最大能量输出的具有其磁体由稀土金属(例如，Nd-Fe-B)制成的转子的电机。使用如此的稀土金属可以实现一高转矩的小型电机。
可以产生大转矩，然而，磁通量在多个定子轭和一永久磁体之间形成的磁路内有很大变化。因此，变动转矩和转动的振动增加，转动的波动变得更差。
在使用其最大能量输出很高的稀土金属磁体的情形中，通过磁路的磁通量增加，于是，通过定子轭的磁路的磁通任意饱和。为了解决该问题，定子轭的厚度必须较厚。然而，在具有梳形磁极齿的永久磁体型回转机械中，难于通过压力加工来精确地形成定子轭。此外，用于压力加工的模具组必须很大，这样就必须需要巨大的制造设备，生产成本也必定提高。
另一方面，多个定子单元可以堆叠起来。在此情形中，定子芯厚度不变，但定子轭彼此堆起来。然而，磁路形成在一定子和一永久磁体之间，视一转子的转动位置而定，通过形成在相邻定子轭的磁极齿之间的磁路内的磁通量变化，可以重新产生变动转矩，于是，电机生成的变动转矩必须增加。
发明内容
本发明考虑解决上述的问题。
本发明的一目的是提供一永久磁体型回转机械，其尺寸很小并能减小由形成在相邻定子轭的磁极齿之间的磁路内的磁通量变化造成的变动转矩。
为了实现该目的，本发明具有如下结构。
即，本发明的永久磁体型回转机械包括一由多个定子单元构成的定子，多个定子单元同轴地堆叠，在每个定子单元中，一线圈夹在定子轭之间；以及一包括具有多个磁极的永久磁体的转子，多个磁极分别面对定子轭的磁极齿，该转子被一输出轴保持，并能围绕输出轴转动，以及一个相位内的定子单元分成n个(n是整数1或1以上的整数)，垂直布置的相邻定子轭的至少一对磁极齿的磁中心转移一规定的相位差，以便互相抵消其变动转矩。
在永久磁体型回转机械中，该规定的相位差是90°±30°的电角度。
在永久磁体型回转机械中，补充磁极可同轴地堆叠在偶数定子单元上，以及补充磁极具有磁极齿，它们布置成相对于相邻的定子轭的磁极齿有规定的相位差，以便消除由形成在相邻定子轭之间的边界面内的磁路产生的变动转矩。
在永久磁体型回转机械中，一空间可形成在相邻定子单元之间。
在本发明的永久磁体型回转机械中，一个相位内的定子单元分成n个(n是整数1或1以上的整数)，垂直布置的相邻定子轭的至少一对磁极齿的磁中心转移一规定的相位差，以便互相抵消其变动转矩。采用该结构，由形成在相邻定子轭的磁极齿之间的磁路内的磁通量的变化造成的变动转矩可偏移相位差，这样，可减小整个回转机械生成的变动转矩。尤其是，由形成在垂直堆叠的定子轭的磁极齿之间的磁路内的磁通量的变化造成的变动转矩可通过穿过其间的磁通来有效地降低。在垂直布置的相邻定子轭的至少一对磁极齿的磁中心转移90°±30°的相位差的情形中，最好是90°，可大大地减小变动转矩。
通过使用其最大能量输出较高的一稀土金属的磁体，并增加堆叠定子单元的数量，可加大定子轭的总的横截面面积，这样，可生产出能产生大转矩的小型永久磁体型回转机械，而不需大大地增加加工精度和生产成本。
在以下的情形中，补充磁极同轴地堆叠在一偶数定子单元上，且具有的磁极齿布置成有规定的相位差以便消除由形成在相邻定子轭之间的边界面内的磁路产生的变动转矩，则所述变动转矩可较佳地消除。
通过在垂直堆叠的相邻定子单元之间形成空间，则通过垂直的相邻定子单元的磁极齿的磁路在磁性上被阻塞，于是，可减小由磁路内的磁通量变化造成的变动转矩。
附图的简要说明现将借助于实例并参照附图来描述本发明的诸实施例，在附图中
图1是一二相步进电机的局部剖切图；图2是一定子的立体图；图3是一定子单元的立体图；图4是第一磁路的解释图；图5是第二磁路的解释图；图6是第三磁路的解释图；图7是定子单元的磁极齿之间的相位差的解释图；图8是定子单元的磁极齿之间的相位差的解释图；图9是另一实施例的一二相步进电机的局部剖切图；图10是还有一实施例的一二相步进电机的局部截面图；图11是在形成在图7所示的定子单元内的第一至第三磁路内产生的变动转矩的波形图；图12是在形成在图8所示的定子单元内的第一至第三磁路内产生的变动转矩的波形图；图13是图11和12生成的变动转矩的波形图；图14是在形成在图9所示的定子单元内的第一至第三磁路内产生的变动转矩的波形图；图15是图7和8所示定子单元内产生的变动转矩的磁性分析的幅值曲线图；图16是示出第三磁路内产生的变动转矩影响的曲线图；图17是定子单元之间的边界面内产生的变动转矩的波形图，其中，分别形成一空间和没有空间；图18是一恒定电流通过的定子单元之间的边界面内产生的变动转矩的波形图，其中，分别形成一空间和没有空间；以及图19是一曲线图，示出两个边界面内产生的变动转矩的波形之间的相位差以及生成的变动转矩相对于一标准波的变动转矩的幅值之比之间的关系。
具体实施例方式
现将参照附图详细描述本发明的优选实施例。在以下实施例中，步进电机将被解释为永久磁体型回转机械。
在各实施例中，步进电机是一爪极型步进电机，其包括一由多个定子单元构成的定子，诸定子单元同轴地堆叠，在各个定子单元中一线圈夹在诸定子轭之间，而磁极齿(爪极)互相啮合；以及一包括具有多个磁极的永久磁体的转子，它们分别面向定子轭的爪极。
步进电机作为对此解释所给出的实例，它是一外转子型的二相步进电机，并可组装在办公室的自动化机器内，计算机系统的外围设备，车辆，工厂自动化机器(例如，传输机)等。
现将参照图1解释二相步进电机的概述。在图1中，多个极沿圆周方向形成在一永久磁体2内，该永久磁体2固定在一圆柱形转子轭3的内圆周面上。永久磁体2由稀土金属(例如，Nd-Fe-B)制成，其最大能量输出很高，并面向一定子的爪极(将在下面描述)。一转子1与转子轴(输出轴)4连接并由该转子轴支承。
在图2所示的定子中，一个相位内的定子单元分成n个(n是整数1或1以上的整数；在本实施例中n＝2)，并沿轴向方向同轴地堆叠。例如，定子5包括第一定子单元5a(A相)和5b(B相)以及第二定子单元5c(A相)和5d(B相)。两个定子单元分配给各A相和B相。即，四个定子单元以所述次序(A相、B相、A相和B相)同轴地堆叠。即使永久磁体2由其最大能量输出很高的稀土金属制成，定子轭8a和8b的总的截面面积和磁路径也可通过增加堆叠的定子单元的数量予以加大，不需加厚定子轭8a和8b。A相的定子单元5a和5c以及B相的定子单元5b和5d堆叠有一相位差，以便沿转动方向偏置转子1。应该指出的是，定子单元可以A相、B相、B相和A相的次序堆叠。
现将参照图3解释定子5的定子单元5a。在定子单元5a中，一缠绕在线圈绕线筒6上的线圈7垂直地夹在由磁性磁路制成的定子轭8a和8b之间，而梳形磁极齿(爪极)9a和9b互相啮合。即，线圈7缠绕在线圈绕线筒6上，其构造在A相和B相的定子轭8a和8b的轴线中心内。当一电流通过线圈7时，一偶数的定子磁极形成在一垂直于转子轴4的平面上。N极和S极交替地形成为定子磁极。该定子单元5a和5c(A相)的线圈7串联地或并联地连接；该定子单元5b和5d(B相)的线圈7串联地或并联地连接。
在图1中，定子轭8a和8b同轴地组装在一由磁性材料制成的圆筒12的外圆周面上。用来可转动地支承转子轴4的轴承10和11组装在圆筒12的内部。此外，一电机的电路板13和一支架14一体地组装在圆筒12的外圆周面上。
接下来，将解释形成在产生变动转矩的永久磁体(PM)型步进电机内的磁路，应指出的是，围绕定子5的定子单元5a和5b形成在磁路将在下面的描述中进行解释。
一第一磁路示于图4中。在定子单元5a中，例如，磁通从永久磁体2(未示出)进入下爪极9b，并通过定子轭8b、圆筒12和定子轭8a返回到永久磁体2，于是形成磁路。当转子1转动时，通过爪极9a和9b的磁通量的磁密度变化，于是产生变动转矩。
一第二磁路示于图5中。图5示出一垂直于转子轴4的轴线的横截面。当转子1转动直到永久磁体2的边界N极和S极与爪极9a和9b的中心对齐为止时，磁通从永久磁体2的各个N极跑出并通过爪极9a和9b进入相邻的S极，于是形成磁路。当转子1转动时，根据永久磁体2的转动位置，通过爪极9a和9b的磁通量的磁密度变化，因此产生变动转矩。
一第三磁路示于图6中。在图6中，定子单元5a和5b堆叠起来。例如，磁通从永久磁体2(未示出)跑出，并通过定子单元5a的爪极9b和定子单元5b的爪极9a返回到永久磁体2，于是在定子单元5a和5b之间的边界面内形成磁路。当转子1转动时，通过爪极9a和9b的磁通量的磁密度变化，因此产生变动转矩。变动转矩产生在定子单元5b和5c之间的边界面内以及定子单元5c和5d之间的边界面内。产生在堆叠的定子单元的边界面内的变动转矩进行组合，这样，对于电机特性的设计它不会被忽略。
图16示出在第一至第三磁路中产生的变动转矩的磁性分析的幅值。在图16中，一个定子单元的变动转矩，即，第一和第二磁路内产生的变动转矩，用J表示；计算变动转矩，它是进一步堆叠的四个定子单元的变动转矩J之和，用K表示；四个定子单元的磁性分析的变动转矩表示为L；而变动转矩L和K之间的差，即，第三磁路内的变动转矩，用M表示。根据图16的曲线，第三磁路内的变动转矩理论上大于第一和第二磁路的变动转矩。在本发明中，定子单元堆叠成在相邻定子轭的上和下磁极齿的磁性中心之间有规定的相位差，以便减小第三磁路内产生的变动转矩。在以下的描述中，垂直堆叠的定子轭的相邻磁极(爪极)之间的中心位置将被解释为形成在定子单元和转子之间的第三磁路的磁性中心。
图7和8是同轴地堆叠的定子单元5a-5d的爪极9a和9b的平面展开图。在图7中，符号A、B和C代表定子单元5a-5d的相邻定子轭之间的边界面。定子单元堆叠起来，形成在边界面A和C内的第三磁路的磁性中心P变换一90°的电角度。
图11是一波形图，示出边界面A、B和C的第三磁路内产生的变动转矩的波形(用虚线表示)，以及它们的合成变动转矩(用实线表示)。根据图11的波形图，边界面A和C内的变动转矩的波形是包括较高阶谐波成分的理想正弦波，它们彼此抵消，这样，只留下边界面B的第三磁路内产生的变动转矩的波形。因此，通过定子轭8a和8b、爪极9a和9b以及永久磁体2而运转的第三磁路内的磁通变化所造成的变动转矩可有效地降低。
在图8中，符号D、E和F代表定子单元5a-5d的相邻定子轭之间的边界面。定子单元堆叠起来，形成在边界面D和F内的第三磁路的磁性中心P变换一180°的电角度。
图12是一波形图，示出边界面D、E和F的第三磁路内产生的变动转矩的波形(用虚线表示)，以及它们的合成变动转矩(用实线表示)。应该指出的是，边界面D内产生的变动转矩的波形与根据图12的波形图的边界面F内产生的变动转矩相一致，边界面D和F内的变动转矩的波形是包括较高阶谐波成分的理想正弦波，它们彼此重叠，这样，合成的变动转矩的波形幅值增加。
图15是经磁性分析的图7和8的合成的变动转矩G和H的曲线图。与合成的变动转矩G和H的最大值相比，图7的变动转矩减小到约为图8变动转矩H的四分之一。
接下来，将描述第三磁路内产生的变动转矩的组合。例如，包括一标准波形分量(其幅值定义为1)的变动转矩产生在图7中所示的边界面A-C之一内，或产生在图8中所示的边界面D-F之一内。然后，变动转矩的一波形与另一变动转矩的波形组合，它们的相位互相变换为一任意的相位差。此外，计算该两个的合成变动转矩。图19是一曲线图，示出两个变动转矩(X-轴线)的波形之间的相位差和合成变动转矩的幅值相对于标准波的幅值之比之间的关系，这里标准波的幅值为1(Y-轴线)。当相位差大于90°时，曲线对角地向右上延伸，像一直线对称的曲线。尽管组合了变动转矩的两个波形，但比值超过2，因为包括了供选择的较高阶的谐波成分。
如上所述，变动转矩随着相位差的增加而减小并在相位差是90°时为最小。即使相位差不是90°，两者的组合波形的幅值也等于相位差为90°±30°时在一个边界面内产生的变动转矩的幅值。
当考虑构成第三磁路的磁性中心P的相位差时(见图7)，减小变动转矩的有效范围是一90°±30°的电角度。当相位差是90°电角度时，变动转矩的影响可以最小。
接下来，将参照图9解释用来进一步减小第三磁路内产生的变动转矩的一定子结构。
在图9中，一偶数的定子单元，例如，四个定子单元5a-5d堆叠起来，还堆叠一由磁性材料制成的补充磁极15。梳形磁极齿15a沿着补充磁极15的外边缘连续地形成。补充磁极15的梳形磁极齿15a布置成令用来抵消第三磁路内产生的变动转矩的相位差仅形成在定子单元5b和5c之间的边界面B内。通过补充磁极15呈包括较高谐波成分的理想正弦波的边界面A和C内的变动转矩的波形彼此抵消。此外，边界面B内的变动转矩的波形和补充磁极15和永久磁体2之间产生的变动转矩的波形彼此抵消。因此，理论上合成的变动转矩是抵消的(见图14)。在以奇数边界面堆叠起来的偶数定子单元的情形中，补充磁极15有效地工作。
在图10中，变动转矩产生在定子单元5b和5c之间的边界面内，而上定子轭8b和下定子轭8a磁性上绝缘，或它们之间的磁阻通过形成一空间16而增加。在此情形中，圆筒12用非磁性材料制成，以便不形成一新的磁路。利用该结构难于使磁通通过相邻定子轭的边界面，这样不可能发生磁通的变化。因此，可大大地防止在第三磁路内产生变动转矩。
图17是图1所示的堆叠定子单元的定子单元5b和5c之间产生的变动转矩的波形图，其中，分别形成空间16(例如，1mm)和没有空间。根据图17，在没有空间的定子单元内产生的变动转矩(用虚线表示)的波形Q的幅值大于带有空间16的定子单元内产生的变动转矩(用实线表示)的波形R的幅值。
图18是定子单元之间的边界面内产生的变动转矩的波形图，一恒定电流通过定子单元并其中分别形成空间和没有空间。根据图18，该两者的波形彼此相一致。即，造成存在的空间没有差别。在由第三磁路在任何的边界面内产生变动转矩而不参照堆叠的定子单元的数量的情形中，通过形成空间16而不参照定子5的结构，可减小产生在边界面内的变动转矩。
在上述的实施例中，已经解释了二相步进电机，但本发明不局限于该实施例。例如，本发明可适用于多相(三相、四相、n相)步进电机，在每一种步进电机中，轴向长度必须延伸，但可有效地减小振动。此外，一个相位内的定子单元可分成三个或更多个。
上述步进电机是外转子型步进电机，但本发明也可适用于内转子型步进电机。此外，本发明不仅可适用于一步进电机，其中，电流移动相位由一开路控制的驱动电路切换，而且也可适用于一无电刷电机，其具有一用来探测转子磁极的单元，且其中电流移动相位由一闭路控制的驱动电路切换。
本发明可以其它特殊的形式实现而不脱离本发明基本特征的精神。因此，本实施例在各个方面都被认为是说明性的而不是限制的，本发明的范围由附后的权利要求书指明而不是以上的描述，因此，落入权利要求书等价物的含义和范围内的所有变化都欲被包括在本发明内。
权利要求
1.一种永久磁体型回转机械，包括一由多个定子单元构成的定子，多个定子单元同轴地堆叠，在每个定子单元中，一线圈夹在定子轭之间；以及一包括具有多个磁极的永久磁体的转子，多个磁极分别面对定子轭的磁极齿，所述转子被一输出轴可转动地支承，其中，一个相位内的定子单元分成n个(n是整数1或1以上的整数)，垂直布置的相邻定子轭的至少一对磁极齿的磁中心转移一规定的相位差，以便互相抵消其变动转矩。
2.如权利要求1所述的永久磁体型回转机械，其特征在于，该规定的相位差是90°±30°的电角度。
3.如权利要求1所述的永久磁体型回转机械，其特征在于，补充磁极同轴地堆叠在偶数定子单元上，以及所述补充磁极具有磁极齿，它们布置成相对于相邻的定子轭的磁极齿有规定的相位差，以便消除由形成在相邻定子轭之间的边界面内的磁路产生的变动转矩。
4.如权利要求1所述的永久磁体型回转机械，其特征在于，一空间形成在相邻定子单元之间。
全文摘要
永久磁体型回转机械能减小由磁路内磁通量变化造成的变动转矩。永久磁体型回转机械包括一由多个定子单元构成的定子，多个定子单元同轴地堆叠，在每个定子单元中，一线圈夹在定子轭之间；以及一包括具有多个磁极的永久磁体的转子，多个磁极分别面对定子轭的磁极齿，转子被一输出轴可转动地支承。一个相位内的定子单元分成n个(n是整数1或1以上的整数)，以及垂直布置的相邻定子轭的至少一对磁极齿的磁中心转移一规定的相位差，以便互相抵消其变动转矩。
文档编号H02K37/04GK101018003SQ20061017324
公开日2007年8月15日 申请日期2006年12月20日 优先权日2005年12月22日
发明者臼井弘明 申请人:信浓绢糸株式会社