旋轉電機及其製造方法

2023-09-19 02:28:35

專利名稱：旋轉電機及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種旋轉電機及其製造方法。
背景技術：
在現有的旋轉電機中提出有如下技術，使介於定子和轉子之間的氣隙中的磁通 密度(以下稱為氣隙磁通密度)的最大值增加(例如參照專利文獻1)。在專利文獻1中， 以被稱為 MFCSPM (Magnetic Flux Concentrated Surface Perma nent Magnet)排列的排列方
法排列轉子所使用的永久磁鐵。下面對該排列進行詳細說明。轉子具備轉軸、轉子鐵心、第1永久磁鐵及第2永久磁鐵。轉子鐵心設置於轉 軸的外周。在轉子鐵心的外周上設置偶數個第1永久磁鐵。第1永久磁鐵並列在轉子鐵 心的周向上，並使磁化方向交替地朝向轉子鐵心的外周側和內周側。第2永久磁鐵具有 與第1永久磁鐵相同的個數，並配置於在轉子鐵心的周向上相鄰的第1永久磁鐵端部的外 周位置。第2永久磁鐵相隔一定間隔並列在轉子鐵心的周向上。因此，在轉子鐵心的周 向上相鄰的第2永久磁鐵之間形成有間隙部(也就是說空氣層)。第2永久磁鐵的磁化方 向是與轉子鐵心的徑向垂直的方向。在轉子鐵心的周向上相鄰的第2永久磁鐵的磁化方 向為彼此相反。而且，與該相鄰的第2永久磁鐵之間的間隙部相面對的該相鄰的第2永 久磁鐵的各極與面向該間隙部的第1永久磁鐵的極為同一極性。也就是說，與間隙部鄰 接的第1永久磁鐵和2個第2永久磁鐵各自所具有的間隙部側的磁極相互為同一極性。如果使用具有這種MFCSPM排列的轉子，則容易在間隙部的外周側產生 比第1永久磁鐵的剩磁通密度大的氣隙磁通密度。結果與僅使用第1永久磁鐵的 RSPM (Ring-shaped Surface Permanent Magnet)排列相比，能夠使氣隙磁通密度的最大值 增加。專利文獻1 日本國特開2006-217771號公報近年來，雖然期待小型高輸出化的旋轉電機，但是為了使旋轉電機小型高輸出 化，需要使包含在氣隙磁通密度的分布波形中的基波成分的振幅增加。但是，對於具有上述的MFCSPM排列的現有的旋轉電機，在轉子鐵心周向上相 鄰的第2永久磁鐵之間形成有間隙部。也就是說，在轉子鐵心周向上相鄰的第2永久磁鐵 之間存在空氣這樣的磁導率低的物質。因此，存在如下問題，即使增大第2永久磁鐵的 磁化力，或增大第1永久磁鐵及第2永久磁鐵的體積，雖然氣隙磁通密度的最大值增加， 但還是很難增加氣隙磁通密度的基波成分的振幅自身。如此，具有MFCSPM排列的現有的旋轉電機很難使氣隙磁通密度的基波成分的 振幅增加，從而很難實現小型高輸出化。

發明內容
因此，本發明的目的在於提供一種旋轉電機及其製造方法，可容易地使氣隙磁 通密度的基波成分的振幅增加，並容易地實現小型高輸出化。
本發明是為了解決上述課題而進行的，本發明所涉及的旋轉電機是具備具有外 周的轉子和隔著氣隙包圍該轉子外周的定子的旋轉電機，其轉子具有偶數個第1永久 磁鐵，並列在轉子的周向上；與所述第1永久磁鐵為相同個數的第2永久磁鐵，分別設置 於在周向上相鄰的第1永久磁鐵端部的定子側位置；及與所述第1永久磁鐵為相同個數的 鐵心片，設置於在周向上相鄰的第2永久磁鐵之間，各第1永久磁鐵的磁化方向是與轉子 的徑向平行的方向，在周向上相鄰的第1永久磁鐵的磁化方向彼此相反，各第2永久磁鐵 的磁化方向是相對於徑向垂直的方向，在周向上相鄰的第2永久磁鐵的磁化方向彼此相 反，與鐵心片鄰接的第1永久磁鐵和2個第2永久磁鐵各自所具有的鐵心片側磁極相互為 同一極性。優選鐵心片的開角相對於在周向上相鄰的鐵心片和第2永久磁鐵的兩個開角的 合計角所佔的比率為0.5以上0.7以下即可。或者，鐵心片的開角相對於在周向上相鄰的 鐵心片和第2永久磁鐵的兩個開角的合計角所佔的比率也可以為大致0.6。或者，鐵心片 的開角相對於在周向上相鄰的鐵心片和第2永久磁鐵的兩個開角的合計角所佔的第1比 率和轉子徑向的鐵心片的厚度相對於轉子半徑所佔的第2比率也可以分別設定為使氣隙 中的磁通密度的基波振幅變為最大。此時，也可以在使第1比率為η，使第2比率為ζ 時，將第1比率η和第2比率ζ設定為滿足如下關係式η = -3.5188 X ζ S+3.3628X ζ 2+ 0.8094 X ζ -0.3794。還優選轉子具有轉軸，其設置於各第1永久磁鐵的定子相反側，並具有外周， 通過在設置於轉軸外周的槽上設置各第1永久磁鐵，轉軸和第1永久磁鐵成為整體，通過 使各鐵心片在各第2永久磁鐵的定子側彼此連結，各鐵心片和各第2永久磁鐵成為整體即可。此時，轉子也可以具有第1端蓋，從轉子的旋轉軸方向的轉軸的一側端部插 入，並固定於該旋轉軸方向的各鐵心片的一側端部和各第2永久磁鐵的一側端部；及第 2端蓋，從旋轉軸方向的轉軸的另一側端部插入，並固定於旋轉軸方向的各鐵心片的另一 側端部和各第2永久磁鐵的另一側端部。而且，也可以在第1及第2端蓋上設置第1嵌 合部，其與設置於轉軸外周的槽嵌合。而且，轉子也可以具有支撐構件，其設置為在旋 轉軸方向上貫穿各個被連結的各鐵心片，在第1及第2端蓋上設置與支撐構件嵌合的第2 嵌合部。或者，轉子也可以具有支撐構件，其設置為在旋轉軸方向上貫穿各個被連結的 各鐵心片，在第1及第2端蓋上設置與支撐構件嵌合的嵌合部。此時，各鐵心片還可以由在轉子周向上層疊的方向性電磁鋼板構成，方向性電 磁鋼板的易磁化方向是與轉子的徑向平行的方向。而且，轉子也可以具有圓筒狀構件， 其設置於各鐵心片的定子側。另外，圓筒狀構件既可以由鋼管構成，也可以由在圓筒狀 構件的徑向上層疊的非晶形金屬箔構成。根據本發明，能夠提供一種旋轉電機及其製造方法，可容易地使氣隙磁通密度 的基波成分的振幅增加，並容易地實現小型高輸出化。


圖1是第1實施方式所涉及的旋轉電機的剖視圖。圖2是表示現有的MFCSPM排列的磁路的圖。
圖3是表示考慮到磁場解析的各構成部件的尺寸的圖。圖4A是表示磁極數為6時的磁場解析結果的等高線圖。圖4B是表示磁極數為8時的磁場解析結果的等高線圖。圖4C是表示磁極數為10時的磁場解析結果的等高線圖。圖4D是表示磁極數為12時的磁場解析結果的等高線圖。圖5A是表示第1永久磁鐵22的厚度L為3mm時的磁場解析結果的等高線圖。圖5B是表示第1永久磁鐵22的厚度L為6mm時的磁場解析結果的等高線圖。圖5C是表示第1永久磁鐵22的厚度L為9mm時的磁場解析結果的等高線圖。圖6是將圖4C中的等高線圖表改換成通常的折線圖表的圖。圖7是描繪了基於圖6中繪製的各個折線的多項式的近似曲線以及連接這些近似 曲線的峰值位置的曲線的圖。圖8是表示賦予了圖7所示的各個近似曲線峰值的比率η的值與對應於各個近 似曲線的比率ζ的關係的圖。圖9是第2實施方式所涉及的旋轉電機的剖視圖。圖10是圖9所示的轉子鐵心的剖視圖。圖IlA是圖9所示的轉子的剖視圖。圖IlB是在圖IlA所示的結構上追加了端蓋的圖。圖12是第3實施方式所涉及的旋轉電機的剖視圖。圖13是圖12所示的轉子鐵心的剖視圖。圖14Α是圖12所示的轉子的剖視圖。圖14Β是在圖14Α所示的結構上追加了端蓋的圖。圖15是表示氣隙磁通密度的分布波形的圖。圖16是表示包含在圖15的分布波形中的基波成分的振幅大小的圖。符號說明1-定子；11-定子鐵心；12-定子繞組；2、3、4_轉子；21、31-轉軸；22、 32-第1永久磁鐵；23、33-第2永久磁鐵；24、34、44-轉子鐵心；241、341、441-鐵 心片;35-支撐構件；36、37、46、47-端蓋；442-圓筒狀構件；51、61-外側結構 體；52-內側結構體。
具體實施例方式以下，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。第1實施方式本發明第1實施方式所涉及的旋轉電機以被稱為MMASPM(Magnetic Mate rial Attached Surface Permanent Magnet)排列的排列方法排列轉子所使用的永久磁鐵。利用圖
1對該排列進行具體說明。圖1是第1實施方式所涉及的旋轉電機的剖視圖。圖1所示的「O」表示轉子的 旋轉軸。圖1示出了相對於旋轉軸O方向垂直地切斷旋轉電機時的該旋轉電機的截面。 圖1所示的「G」是存在於轉子和定子之間的氣隙。圖1所示的單向箭頭Dl表示永久 磁鐵的磁化方向。
在圖1中，第1實施方式所涉及的旋轉電機具備定子1及轉子2。定子1隔著氣 隙G包圍大致呈圓筒狀的轉子2的外周。定子1具備定子鐵心11及定子繞組12。定子 繞組12設置於定子鐵心11的齒部11a。在圖1中，作為一個例子，使齒部Ila的數量為 12個。另外，在此作為一個例子，旋轉電機作為電動機而發揮作用。此時，通過使電 流等流過定子繞組12而產生旋轉磁場，轉子2通過該旋轉磁場在其周向上旋轉。轉子2具備轉軸21、第1永久磁鐵22、第2永久磁鐵23及轉子鐵心24。在大 致呈圓柱狀的轉軸21的外周上設置有偶數個第1永久磁鐵22。在圖1中，作為一個例 子，使第1永久磁鐵22的數量為10個。第1永久磁鐵22並列在轉軸21的周向(轉子2的周向)上，並使磁化方向交替 地朝向轉軸21的外周側和內周側。由此，各第1永久磁鐵22的磁化方向成為與轉軸21 的徑向平行的方向，在轉軸21的周向上相鄰的第1永久磁鐵22的磁化方向彼此相反。 在第1永久磁鐵22的外周上設置有與第1永久磁鐵22相同個數的第2永久磁鐵23。第 2永久磁鐵23配置於在轉軸21的周向上相鄰的第1永久磁鐵22端部的外周位置。也就 是說，第2永久磁鐵23配置於在轉軸21的周向上相對的第1永久磁鐵22與該周向垂直 的各個端面的定子1側。第2永久磁鐵23的磁化方向是與轉軸21的徑向(轉子2的徑 向)垂直的方向。而且，在轉軸21的周向上相鄰的第2永久磁鐵23的磁化方向為彼此 相反。在第1永久磁鐵22的定子1側，在轉軸21的周向上相鄰的第2永久磁鐵23之 間設置有構成轉子鐵心24的鐵心片241。與在轉軸21的周向上相鄰的第2永久磁鐵23 之間的鐵心片241相面對的該相鄰的第2永久磁鐵23的各極與面向該鐵心片241的第1 永久磁鐵22的極為同一極性。也就是說，與鐵心片241鄰接的第1永久磁鐵22和2個 第2永久磁鐵23各自所具有的鐵心片241側的磁極相互為同一極性。構成轉子鐵心24的各鐵心片241由軟磁性體構成。鐵心片241的數量與第1永 久磁鐵22為相同個數。另外，在圖1中，α表示鐵心片241的開角。θρ表示由在轉 子2的周向上相鄰的第2永久磁鐵23和鐵心片241構成的1個磁極的開角。也就是說，
θ ρ是在轉子2的周向上相鄰的第2永久磁鐵23和鐵心片241的兩個開角的合計角。這 裡所說的開角是指相對於轉子2的旋轉中心(旋轉軸O)所張開的角度。下面，參照圖2對如下原理進行說明，即第1實施方式所使用的MMASPM排列 與現有的MFCSPM排列相比，容易使氣隙磁通密度的基波成分的振幅增加。圖2是表 示現有的MFCSPM排列的磁路的圖。在圖2中，使第1永久磁鐵及第2永久磁鐵的磁 通勢為Fm，使氣隙的磁阻為Rml，使在轉子的周向上相鄰的第2永久磁鐵之間的磁阻為 Rm2。另外，構成MFCSPM排列的磁路的要素除上述要素以外，還包括設置於各第1永 久磁鐵內周的轉子鐵心，但是由於其磁阻與空氣相比足夠小，所以在此對其進行忽略。在圖2所示的磁路中產生的磁通Φ為用磁通勢Fm除以磁阻的總和(Rml+Rm2) 所得的值。因而，通過減小氣隙的磁阻Rml和相鄰的第2永久磁鐵之間的磁阻Rm2的 總和，能夠使氣隙磁通密度的基波成分的振幅增加。在此，如果氣隙長度一定，則認為 氣隙的磁阻Rml為一定，因此，如果減小相鄰的第2永久磁鐵之間的磁阻Rm2，則能夠 使氣隙磁通密度的基波成分的振幅增加。
但是，在現有的MFCSPM排列中，在相鄰的第2永久磁鐵之間形成有間隙部。 也就是說，在相鄰的第2永久磁鐵之間存在空氣這樣的磁導率低的物質。因此，很難減 小相鄰的第2永久磁鐵之間的磁阻Rm2，因而很難使氣隙磁通密度的基波成分的振幅增 加。與此相對，在第1實施方式所使用的MMASPM排列中，在相鄰的第2永久磁鐵 之間設置有磁導率高的鐵心片241。因此，能夠容易地使相鄰的第2永久磁鐵之間的磁阻 Rm2比現有的MFCSPM排列小。因此，由於能夠容易地使磁阻的總和(Rml+Rm2)比現 有的MFCSPM排列小，所以能夠容易地使氣隙磁通密度的基波成分的振幅增加。其結果 能夠容易地實現小型高輸出化。如上所述，在本實施方式中，在轉子2的周向上相鄰的第2永久磁鐵23之間設 置有鐵心片241。由此，可容易地使氣隙磁通密度的基波成分的振幅增加，從而容易地實 現小型高輸出化。下面，在第1實施方式所使用的MMASPM排列中，對如下理由進行說明，即相 對於鐵心片241的開角α，氣隙磁通密度的基波成分的振幅存在最大值(峰值)。另外， 為了便於理解說明，以下即使改變鐵心片241的開角α，也認為由第1永久磁鐵22產生 的磁通量為一定，其大小與由第2永久磁鐵23產生的磁通量相比足夠小。此時，氣隙中 的磁通總量變為與由第2永久磁鐵23產生的磁通量大致相等。如果第2永久磁鐵23的形狀確定，則由第2永久磁鐵23產生的磁通量按照下式 被確定為唯一的值。式⑴是給出了永久磁鐵的磁導ρ的算式，式⑵是給出了第2永 久磁鐵23的工作點的磁通密度Bd的算式，式(3)是給出了由第2永久磁鐵23產生的磁 通Φ 2的算式。另外，μ C1是空氣的磁導率，σ和f是漏磁係數，Lmag是第2永久磁鐵 23的磁路長度，Amag是第2永久磁鐵23的磁路截面積，Lgap是氣隙長度，Agap是氣 隙的磁路截面積，Br是第2永久磁鐵23的剩磁通密度，bHc是第2永久磁鐵23的矯頑 磁力。
權利要求
1.一種旋轉電機，是具備具有外周的轉子和隔著氣隙包圍該轉子外周的定子的旋轉 電機，其特徵為，所述轉子具有偶數個第1永久磁鐵，並列在所述轉子的周向上；與所述第1永久磁鐵為相同個數的第2永久磁鐵，分別設置於在所述周向上相鄰的所 述第1永久磁鐵端部的所述定子側位置；及與所述第1永久磁鐵為相同個數的鐵心片，設置於在所述周向上相鄰的所述第2永 久磁鐵之間，各所述第1永久磁鐵的磁化方向是與所述轉子的徑向平行的方向， 在所述周向上相鄰的所述第1永久磁鐵的磁化方向彼此相反， 各所述第2永久磁鐵的磁化方向是相對於所述徑向垂直的方向， 在所述周向上相鄰的所述第2永久磁鐵的磁化方向彼此相反， 與所述鐵心片鄰接的所述第1永久磁鐵和2個所述第2永久磁鐵各自所具有的所述鐵 心片側磁極相互為同一極性。
2.根據權利要求1所述的旋轉電機，其中，所述鐵心片的開角相對於在所述周向上相鄰的所述鐵心片和所述第2永久磁鐵的兩 個開角的合計角所佔的比率為0.5以上0.7以下。
3.根據權利要求1或2所述的旋轉電機，其中，所述鐵心片的開角相對於在所述周向上相鄰的所述鐵心片和所述第2永久磁鐵的兩 個開角的合計角所佔的比率為大致0.6。
4.根據權利要求1所述的旋轉電機，其中，所述鐵心片的開角相對於在所述周向上相鄰的所述鐵心片和所述第2永久磁鐵的兩 個開角的合計角所佔的第1比率和所述轉子徑向的所述鐵心片的厚度相對於所述轉子半 徑所佔的第2比率分別被設定為，使所述氣隙中的磁通密度的基波振幅變為最大。
5.根據權利要求4所述的旋轉電機，其中，使所述第1比率為Π，使所述第2比率為ζ時，將所述第1比率η和所述第2比率 ζ設定為滿足如下關係式Π = -3.5188X ζ 3+3.3628Χ ζ 2+0.8094Χ ζ-0.3794。
6.根據權利要求1 5中任意一項所述的旋轉電機，其中，所述轉子具有轉軸，其設置於各所述第1永久磁鐵的定子相反側，並具有外周， 通過在設置於所述轉軸外周的槽上設置各所述第1永久磁鐵，所述轉軸和各所述第1 永久磁鐵成為整體，通過使各所述鐵心片在各所述第2永久磁鐵的所述定子側彼此連結，各所述鐵心片 和各所述第2永久磁鐵成為整體。
7.根據權利要求6所述的旋轉電機，其中， 所述轉子具有第1端蓋，從所述轉子的旋轉軸方向的所述轉軸的一側端部插入，並固定於該旋轉 軸方向的各所述鐵心片的一側端部和各所述第2永久磁鐵的一側端部；及第2端蓋，從所述旋轉軸方向的所述轉軸的另一側端部插入，並固定於所述旋轉軸方向的各所述鐵心片的另一側端部和各所述第2永久磁鐵的另一側端部。
8.根據權利要求7所述的旋轉電機，其中，在所述第1及第2端蓋上設置有第1嵌合部，其與設置於所述轉軸外周的槽嵌合。
9.根據權利要求8所述的旋轉電機，其中，所述轉子具有支撐構件，其設置為在所述旋轉軸方向上貫穿各個被連結的各所述鐵 心片，在所述第1及第2端蓋上設置有與所述支撐構件嵌合的第2嵌合部。
10.根據權利要求7所述的旋轉電機，其中，所述轉子具有支撐構件，其設置為在所述旋轉軸方向上貫穿各個被連結的各所述鐵 心片，在所述第1及第2端蓋上設置有與所述支撐構件嵌合的嵌合部。
11.根據權利要求6所述的旋轉電機，其中，各所述鐵心片由在所述轉子周向上層疊的方向性電磁鋼板構成， 所述方向性電磁鋼板的易磁化方向是與所述轉子的徑向平行的方向。
12.根據權利要求11所述的旋轉電機，其中，所述轉子具有圓筒狀構件，其設置於各所述鐵心片的所述定子側。
13.根據權利要求12所述的旋轉電機，其中， 所述圓筒狀構件由鋼管構成。
14.根據權利要求12所述的旋轉電機，其中，所述圓筒狀構件由在所述圓筒狀構件的徑向上層疊的非晶形金屬箔構成。
15.一種旋轉電機的製造方法，是具備具有外周的轉子和隔著氣隙包圍該轉子外周的 定子的旋轉電機的製造方法，其特徵為，包括形成第1結構體的工序，通過在設置於轉軸外周的偶數個槽上分別設置第1永久磁 鐵，而使所述轉軸和各所述第1永久磁鐵成為整體；形成第2結構體的工序，通過在以圓周狀相隔一定間隔地並列有與所述第1永久磁鐵 為相同個數且外周側彼此連結的鐵心片的該間隔中設置第2永久磁鐵，而使各所述鐵心 片和各所述第2永久磁鐵成為整體；及通過以在所述轉軸的周向上相鄰的所述第1永久磁鐵端部的外周側位置上設置所 述第2永久磁鐵的方式將所述第1結構體嵌合在所述第2結構體的內周側，從而形成所述 轉子的工序，各所述第1永久磁鐵的磁化方向是與所述轉軸的徑向平行的方向， 在所述周向上相鄰的所述第1永久磁鐵的磁化方向彼此相反， 各所述第2永久磁鐵的磁化方向是相對於所述徑向垂直的方向， 在所述周向上相鄰的所述第2永久磁鐵的磁化方向彼此相反， 與所述鐵心片鄰接的所述第1永久磁鐵和2個所述第2永久磁鐵各自所具有的所述鐵 心片側磁極相互為同一極性。
全文摘要
本發明是旋轉電機，其可容易地使氣隙磁通密度的基波成分的振幅增加，並容易地實現小型高輸出化。本發明的旋轉電機的轉子具有偶數個第1永久磁鐵，並列在轉子的周向上；與第1永久磁鐵為相同個數的第2永久磁鐵，分別設置於在周向上相鄰的第1永久磁鐵端部的定子側位置；及與第1永久磁鐵為相同個數的鐵心片，設置於在周向上相鄰的第2永久磁鐵之間。各第1永久磁鐵的磁化方向是與轉子的徑向平行的方向，在周向上相鄰的第1永久磁鐵的磁化方向彼此相反，各第2永久磁鐵的磁化方向是相對於徑向垂直的方向，在周向上相鄰的第2永久磁鐵的磁化方向彼此相反，與鐵心片鄰接的第1永久磁鐵和2個第2永久磁鐵各自所具有的鐵心片側磁極相互為同一極性。
文檔編號H02K15/03GK102013744SQ20101027532
公開日2011年4月13日 申請日期2010年9月3日 優先權日2009年9月7日
發明者大戶基道, 村上宗司, 矢原春樹, 西真一 申請人:株式會社安川電機