無刷電機用轉子以及無刷電機的製作方法
2023-06-17 01:09:31 1
專利名稱：無刷電機用轉子以及無刷電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有燒結環形磁鐵的無刷電機(電動機)用轉子的結構。
背景技術：
通常使用各種電機例如感應電機、整流式電機等作為電機，但是近年來經常使用具有高性能的無刷電機。在作為其中一種無刷電機的內轉子式無刷電機中，磁鐵(磁體)布置在形成內側轉子的轉子的外周上，並通過粘合劑固定在轉子磁軛上。該磁鐵包括其中多個磁鐵塊與該無刷電機的極數相對應地設置在周向方向上的所謂的分段式(磁鐵)，以及形成為圓筒形並沿周向以多極磁化的環形磁鐵。但是，在分段式磁鐵中，溫度升高會削弱粘合強度，並且會存在磁鐵塊由於轉子的旋轉而在離心方向上飛散/分散的危險，並且如果轉子的磁極數量增大，則防止磁鐵塊飛散的可靠性會降低。
為了防止磁鐵塊飛散，已發明一種在轉子的外周向設置一金屬缸體(圓筒體)作為防飛散部件的結構，以及一種所謂的磁鐵內置式的結構，其中沿轉子磁軛的外周面在外周邊緣部設置多個孔，並且在每個孔內插入一磁鐵塊。但是，為了設置該金屬缸體，必須在磁鐵塊和定子側之間形成磁隙，而這樣會出現電機性能降低的問題。此外，還會出現這樣的問題，即在該金屬缸體內會產生渦電流並且電機效率降低。在磁鐵內置式結構中，由於轉子磁軛以同樣的方式存在於磁鐵塊外側，因此磁隙會變寬，並且由於轉子磁軛存在於磁鐵塊之間，所以磁鐵塊的所有磁通量不會朝向定子側前進，並且磁通量會經由轉子磁軛洩漏到兩側的其它磁塊，從而會出現電機性能降低的問題。
因此，從防止磁鐵飛散方面考慮，環形磁鐵優於分段式磁鐵。但是，即使在使用環形磁鐵的情況下如果粘合強度變弱，也會出現相對於轉子磁軛空轉的問題。相反地，已發明這樣一種結構，即在環形磁鐵的內周的端部形成凹部，在轉子磁軛中設置一由鍵或銷構成的凸起部，並且通過該凹部與凸起部相接合來防止空轉(例如，參照日本的未審查的專利文獻NO.2001-178042)。此外，還發明這樣一種結構，在環形磁鐵的內周上形成沿軸向的突出部，在轉子磁軛的外周形成軸向方向上的凹部，並且使該突出部和凹部彼此配合，從而可防止空轉(例如，參照日本的未審查專利文獻No.2003-174745)。
由於無刷電機的緊湊化和高性能化取得進展，在工業用高性能無刷電機的轉子中經常使用具有高磁通量密度的釹系燒結環形磁鐵。該燒結環形磁鐵可構造成在成形型箱(模架)內磁鐵顆粒內形成磁場，其中在該框架內在圓筒形套筒的中心布置一芯棒，但是由於燒結導致的熱膨脹和收縮以及磁鐵顆粒的取向，使得成形後的外周和內周沒有形成為完全圓形而是形成為多邊形，或產生應變。因此，研磨環形磁鐵的外周面和內周面以便在製造之後實現預期的形狀和大小。但是，在如上所述的在環形磁鐵的內周形成用於與轉子磁軛配合的突出部、凹部以等的情況中，必須以期望的尺寸精度對這些突出部等進行精加工，從而存在研磨工序變複雜並且製造成本增加的問題。
此外，已在電梯、汽車的動力轉向裝置等中使用具有高輸出的無刷電機代替傳統的液壓電機，但是，在上述用於傳送乘員等的無刷電機中，從安全方面考慮，必須儘可能地防止產生空轉和飛散。
發明內容
考慮到上述問題提出了本發明，本發明的一個目的是在無刷電機用轉子中提供這樣一種裝置，其可以可靠地防止磁鐵空轉以及飛散，同時儘可能低地抑制生產成本。
根據本發明，提供了一種無刷電機用轉子，它包括一燒結環形磁鐵，其中與磁極相對應地在內周面的軸線方向上形成未研磨的凹部，並且該凹部之間的部分被研磨成具有期望的內徑的內周面；一轉子磁軛，其中與所述凹部相對應地在外周面的軸線方向上形成凸部，該凸部的(直)徑大於所述燒結環形磁鐵的內徑，並且在軸心形成一貫通孔，通過將所述凹部和凸部配合使該轉子磁軛同心地附著在該燒結環形磁鐵上；以及一插入並配合在所述轉子磁軛的貫通孔內的軸。
此外，根據本發明，該燒結環形磁鐵被構成以使得形成一磁各向異性的磁場。
此外，根據本發明，該轉子還具有一覆蓋所述燒結環形磁鐵的軸向兩個端面的保護板，以及至少覆蓋所述燒結環形磁鐵的外周面的保護套。
此外，根據本發明，該無刷電機是使用該無刷電機用轉子作為轉子的內轉子式電機。
根據本發明的無刷電機用轉子，由於在該燒結環形磁鐵的內周面沿軸向形成未研磨的凹部，並且將該凹部之間的部分研磨成具有預期的內徑，與該凹部相對應地在該轉子磁軛的外周面的軸線方向上形成凸部，該凸部的直徑大於燒結環形磁鐵的內徑，通過將該凹部和凸部裝配合使該燒結環形磁鐵與該轉子磁軛同心地附著在一起，所以，可以可靠地防止該燒結環形磁鐵空轉和飛散。此外，由於沒有研磨在該燒結環形磁鐵的內周面上形成的凹部，因此可以容易地執行研磨工序並且可抑制該無刷電機用轉子的生產成本。
此外，根據本發明，因為通過在該燒結環形磁鐵中磁各向異性地形成磁場，使該內周面由於磁化取向而沿軸向形成與磁極相對應的凹凸形，因此可獲得該凹部容易形成的優點。
此外，根據本發明，因為該轉子具有覆蓋所述燒結環形磁鐵的軸向兩個端面的保護板，以及至少覆蓋所述燒結環形磁鐵的外周面的保護套，因此可防止由於該燒結環形磁鐵的端面和外周面的破裂而導致的微小磁片的飛散。
此外，根據本發明的無刷電機，由於該無刷電機是使用無刷電機用轉子作為轉子的內轉子式無刷電機，因此可以可靠地防止該燒結環形磁鐵空轉和飛散，從而可實現安全和高輸出的無刷電機。
圖1是示出根據本發明的一實施例的無刷電機100的結構的剖視圖；圖2是示出轉子101的結構的透視圖；圖3是示出轉子101的結構的分解透視圖；圖4是示出轉子磁軛11的結構的透視圖；圖5是示出凹部12a和突出部11b之間的配合結構的正視圖；圖6是示出用於在燒結環形磁鐵12內形成磁場的成形型箱1的輪廓結構的剖視圖；圖7是示出燒結體5的形狀的正視圖。
具體實施例方式
下面將參考附圖詳細說明根據本發明的實施例。
根據本發明的實施例的無刷電機100是具有內轉子和外定子結構的內轉子式電機。如圖1中所示，該內轉子由轉子(無刷電機用轉子)101構成，該外定子由定子102構成，其中，被分隔成每一個齒的磁鐵芯20以一預定數量被環形連接在一起，本例中該數量為12，並且在每個齒上纏繞線圈21。通過在定子102內形成一固定的間隙而可旋轉地設置轉子101。
如圖2和3所示，轉子101具有一形成電機的軸的軸10、一同心地設置在該軸10上的轉子磁軛11、一設置在轉子磁軛11的外周的燒結環形磁鐵12、一覆蓋該燒結環形磁鐵12的軸向兩個端面的保護板13，以及一覆蓋該燒結環形磁鐵12的外周面的保護套14。
如圖4中所示，轉子磁軛11是將衝壓成圓盤形的鋼板層疊(層壓)並通過鉚接等而形成為一體。在轉子磁軛11的中心形成一貫通孔11a用以貫通軸10，並且在外周形成與燒結環形磁鐵12的內周形狀相對應的凸部11b。儘管沒有詳細地示出，但是在該鋼板的預定位置形成用於鉚接的凹部和凸部，並且預定數量的鋼板以使該凹部和凸部重疊的方式鉚接在一起而構成一圓柱形的轉子磁軛11。軸10貫通轉子磁軛11的貫通孔11a中並通過熱裝配合等固定，燒結環形磁鐵12配合在該轉子磁軛11的外周。轉子磁軛11和燒結環形磁鐵12之間的配合結構將在下面說明。
如圖5所示，燒結環形磁鐵12由一其中磁鐵顆粒燒結成圓筒形的永久磁鐵構成，並且在外周面上與定子102的槽數相對應地形成八個磁極。在內周面上與該磁極相對應地沿軸向形成未研磨的凹部12a，並且將凹部12a之間的部分研磨成(具有)預期的內徑。在該外周面的磁極之間形成凹部12a。由於該燒結環形磁鐵12的磁極的數量是八，因此形成八個凹部12a。根據與轉子磁軛11的凸部11b的關係，設定凹部12a的形狀和大小以及凹部12a之間的內徑，並且通過使凹部12a與凸部11b相對應，將燒結環形磁鐵12在外部配合在轉子磁軛11的外周上，並且通過粘合劑將它們固定在一起。下面將詳細說明轉子磁軛11的凸部11b和燒結環形磁鐵12的凹部12a之間的配合結構。
如圖5所示，在凹部12a處的燒結環形磁鐵12的厚度變薄成弧形，其寬度d2等於或小於凸部11b的寬度d1，並且該磁鐵的最大徑r2比凸部11b的最大徑r1小一預定的尺寸。因此，在配合狀態下，在凹部12a和凸部11b之間形成具有預定尺寸的間隙g1，在該間隙g1內填充粘合劑。間隙g1不需要高的尺寸精度，只要轉子磁軛11和燒結環形磁鐵12可配合成每個凸部11b均被接納在每個凹部12a內，則間隙g1的實際尺寸可稍微增大或減小。因此，在根據燒結方法形成燒結環形磁鐵12後，不需要為了確保間隙g1的尺寸精度而研磨凹部12a。
另一方面，在凹部12a之間的燒結環形磁鐵12的內周面12b的內徑r4，比在凸部11b之間的轉子磁軛11的外周面11c的外徑r3小一預定的尺寸，從而在裝配狀態下在內周面12b和外周面11c之間形成具有預定尺寸的間隙g2，在該間隙g2內也填充粘合劑。但是，由於燒結環形磁鐵12同心地裝配到轉子磁軛11上，因此需要間隙g2具有預定的尺寸精度以便獲得固定的尺寸。換句話說，如果在燒結該燒結環形磁鐵12時由於變形、應變等而形成尺寸誤差以及燒結環形磁鐵12的凹部12a之間的部分的厚度不固定，則在轉子101內會形成偏心。因此，必須使凹部12a之間的部分的厚度固定以便使間隙g2固定以防止偏心。因此，為了在通過燒結方法形成燒結環形磁鐵12後確保凹部12a之間的厚度以及間隙g2的尺寸精度，必須研磨凹部12a之間的部分。此外，凹部12a之間的內周面12b的內徑r4小於凸部11b的最大徑r1。因此，在轉子磁軛11和燒結環形磁鐵12配合在一起時，凸部11b不會從凹部12a脫落。
如上所述，由於通過使每個凸部11b和每個凹部12a相對應來將燒結環形磁鐵12裝配到轉子磁軛11上，並通過在間隙g1和g2內填充粘合劑將它們固定在一起，所以即使電機的振動和發熱、作用於轉子和定子之間的磁力等會使得附著力下降，以及燒結環形磁鐵12處於容易相對於轉子磁軛11空轉的狀態，在空轉方向上該力也不是作為剪切力而是作為壓縮力作用到填充到間隙g1中的粘合劑上。因此，由於該反作用力使得難以發生空轉。此外，即使在空轉方向上施加的力足以壓縮填充到間隙g1內的粘合劑，凸部11b也會與凹部12a相接觸，從而該凸部不會繼續空轉。
具有上述形狀的燒結環形磁鐵12是這樣製造的，即研磨其中形成極性各向異性的磁場的燒結體的外周面以及內周面的一部分，以便使其磁化。更詳細地，該燒結體構造成，在型箱1內的成形空間C內使具有磁各向異性的釹系磁鐵顆粒形成為圓筒形；並且如圖6所示，型箱1構造成，在圓筒形套筒2的中心配置圓柱形芯棒3以形成具有環形橫截面的成形空間C。在套筒2的外周上布置有用於施加磁場的電磁線圈4。由於根據本實施例的燒結環形磁鐵12具有八個磁極，因此在周向等間距地布置八個電磁線圈4。通過向這些電磁線圈4施加脈衝電流以將磁場施加到該成形空間C來進行成形，之後在預定溫度下燒結成形體。因此，可得到燒結體5，其中在圖7中所示的單點劃線所示的方向上形成易於磁化的軸。燒結體5形成為近似圓筒形，外周形成為與磁極相對應的八邊形，而內周向形成為16個凹凸形，其中與磁極之間的部分相對應的部分構成軸向上的凹槽5a，與磁極相對應的部分構成軸向上的凸部5b。這是因為通過在具有磁各向異性的磁鐵顆粒中形成磁場使磁鐵顆粒沿磁場分布/取向，但是，基於該分布磁鐵顆粒的密度以及在燒結時的熱膨脹率也會出現各向異性。
如上所述，轉子101的燒結環形磁鐵12與定子102的齒以一固定的間隙相對，該間隙的精度影響無刷電機100的性能。因此，附圖中的陰影部分被研磨成使得燒結體5的外周形成為具有預定外徑的完整的圓形並且外周面是光滑的。例如，通過使研磨體例如高速旋轉的砂輪等與燒結體5的外周面相接觸並同時使其沿圓周移動來進行研磨，但是也可使用其它眾所周知的和任選的研磨方法。
另一方面，由於在燒結體5的內周上的凹凸形狀中，凹槽5a形成燒結環形磁鐵12的凹部12a，因此如上所述，該凹部12a不需要具有高精度，燒結時允許有±0.5mm左右的誤差，所以將凹槽5a保持燒結狀態，但是，如圖5中的陰影線所示，研磨凸部5b以便形成具有內徑r4的光滑的內周面12b。然後，將該燒結體5磁化成八個磁極以便形成燒結環形磁鐵12。由於如上所述，在外部裝配了燒結環形磁鐵12的轉子磁軛11是通過層疊被衝壓成圓盤形的鋼板而形成的，因此外周面11c的外徑r3的精度較高。因此，通過研磨使燒結環形磁鐵12的內周面12b精確地形成內徑r4，可使轉子磁軛11的外周面11c的外徑r3和燒結環形磁鐵12的內周面12b的內徑r4之間的差以預定的尺寸精度保持固定，間隙g2是固定的，並且轉子磁軛11和燒結環形磁鐵12精確地同心地附著在一起。此外，因為燒結環形磁鐵12的凹部12a可不用研磨而使用燒結時的凹凸形，所以可簡化研磨工序並且抑制製造成本。
在此情況下，在本實施例中，布置在型箱1的中心的芯棒3形成為圓柱形。但是，例如在這樣的情況下，即在其中磁場形成為各向異性的燒結體5的內周的凹凸形較小，並且其凹槽5a不形成具有預期的內徑r2的凹部12a時，可在該芯棒3的外周上每個與磁極之間的部分相對應的部分設置突出部，從而燒結體5的內周可更積極地形成為凹凸形。
如上所述，如圖2和3所示，圓盤狀保護板13布置在附著於轉子磁軛11的外周上的燒結環形磁鐵12的軸向兩個端面上。保護板13由其直徑大約等於燒結環形磁鐵12的外徑的薄板構成，並且在該保護盤的中心形成用於插入軸10的貫通孔13a。貫通孔13a的直徑大於軸10的直徑，並且該直徑可在使得保護板13可覆蓋轉子磁軛11和燒結環形磁鐵12之間的間隙g1和g2的的範圍內任意設定。
此外，設置保護套14以覆蓋燒結環形磁鐵12的外周面以及保護板13的外周邊緣部分。保護套14由通過加熱而收縮的樹脂製成的圓筒形板體構成，並且優選地由薄結構構成以防止轉子101和定子102之間的間隙增大，具體地是厚度為大約0.1～0.2mm的結構。保護套14覆蓋在兩端設置有保護板13的燒結環形磁鐵12，以便被加熱而收縮，並且保護板與燒結環形磁鐵12的外周面以及保護板13的外周邊緣部緊密接觸。因為燒結環形磁鐵12的端面和外周面被保護板13和保護套14覆蓋，因此可防止因為燒結磁鐵12的破裂而造成微小磁鐵片飛散，並且可實現燒結環形磁鐵12的防腐蝕效果。此外，由於保護板13覆蓋轉子磁軛11和燒結環形磁鐵12之間的間隙g1和g2，因此在空轉方向上的力作用在燒結環形磁鐵12上並且填充到間隙g1中的粘合劑被壓縮的情況下，粘合劑不會從燒結環形磁鐵12的兩個端面流出，從而可更可靠地防止空轉。
如上所述，根據轉子101，由於在轉子磁軛11的外周面上的凸部11b和燒結環形磁鐵12的凹部12a配合在一起，並且轉子磁軛11和燒結環形磁鐵12同心地附著在一起，因此可以可靠地防止燒結環形磁鐵12空轉以及飛散。此外，通過將轉子101形成為內轉子可使得無刷電機100安全並且具有高輸出。這種無刷電機100優選地可用作需要具有高安全性的工業用電機，例如電梯、汽車的動力轉向裝置等用的電機。
在此情況下，根據本實施例的無刷電機1的結構作為一示例示出，當然，還可以在本發明的範圍內對該無刷電機進行適當地變更，例如電機的磁極數可從八個增加或減小，定子102可由一體形成的磁鋼板層壓體而不是分開的芯棒20構成，等等。
權利要求
1.一種無刷電機用轉子，它包括一燒結環形磁鐵，其中與磁極相對應地在內周面的軸線方向上形成未研磨的凹部，並且該凹部之間的部分被研磨成具有期望的內徑的內周面；一轉子磁軛，其中與所述凹部相對應地在外周面的軸線方向上形成凸部，該凸部的直徑大於所述燒結環形磁鐵的內徑，並且在軸心形成一貫通孔，通過將所述凹部和凸部配合使該轉子磁軛同心地附著在該燒結環形磁鐵上；以及一插入並配合在所述轉子磁軛的貫通孔內的軸。
2.根據權利要求1的無刷電機用轉子，其特徵在於，該燒結環形磁鐵被構成以使得形成一磁各向異性的磁場。
3.根據權利要求1或2的無刷電機用轉子，其特徵在於，該轉子還具有一覆蓋所述燒結環形磁鐵的軸向兩個端面的保護板，以及至少覆蓋所述燒結環形磁鐵的外周面的保護套。
4. 一種無刷電機，其特徵在於，該無刷電機是使用權利要求1至3中任一項的無刷電機用轉子作為轉子的內轉子式無刷電機。
全文摘要
本發明提供了在一種無刷電機用轉子中可以可靠地防止磁鐵的空轉和飛散並同時儘可能地抑制生產成本的裝置。轉子(101)包括一燒結環形磁鐵(12)，其中與磁極相對應地在內周面的軸線方向上形成未研磨的凹部(12a)，並且該凹部(12a)之間的部分被研磨成具有期望的內徑的內周面(12b)；一轉子磁軛(11)，其中與所述凹部(12a)相對應地在外周面的軸線方向上形成凸部(11b)，該凸部(11b)的直徑大於所述燒結環形磁鐵(12)的內徑(r4)，並且在軸心形成一貫通孔(11a)，通過將所述凹部(12a)和凸部(11b)配合使該轉子磁軛同心地附著在該燒結環形磁鐵(12)上；以及一插入並配合在所述轉子磁軛(11)的貫通孔(11a)內的軸(10)。
文檔編號H02K7/00GK1684340SQ20051006450
公開日2005年10月19日 申請日期2005年4月11日 優先權日2004年4月12日
發明者木梨好一, 中尾雅俊 申請人:株式會社一宮電機