CN100578893C - 爪极式旋转电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种爪极式旋转电机，具有定子(6)，其为由环状磁轭部(13)和配置在该环状磁轭部(13)上的沿轴向延伸的多个爪磁极(12)构成第一及第二爪铁心(11A、11B)，使所述爪磁极(12)互相啮合而形成定子铁心(7U、7V、7W)，并且在所述爪磁极的外周侧保持环状线圈(10、10U、10V、10W)而构成，其中，所述第一及第二爪铁心由压粉磁心成形，所述爪磁极半径方向的厚度设在2mm以上，并且在所述爪磁极的轴向延伸端(12T)上形成与轴向正交的平坦面，在10度以下范围内形成所述爪磁极的周方向的拔模锥度，且所述爪磁极的轴向长度与所述环状磁轭部的轴向厚度的比率形成在5∶1以内。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有爪磁极的爪极式旋转电机。
背景技术
在一般的旋转电机中，为了通过提高绕阻的卷绕率来提高磁通的利用率，装备了具有爪磁极的定子铁心的爪极式旋转电机逐渐受到人们的关注。
而且，在现有的爪极式旋转电机中，为了形成定子铁心的复杂的爪磁极，例如专利文献1所示，通过将磁粉压缩(压粉)成形来形成爪磁极。
专利文献1：特开2004-68041号公报
根据现有的通过将磁粉压缩(压粉)成形来形成爪磁极的技术，虽然有能够形成任意形状的爪磁极的优点，但通常这些通过压缩磁粉而形成的爪磁极与由冷轧钢板形成的爪磁极电机相比，存在磁特性差的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种即使是通过压缩磁粉而形成的爪磁极，也能够得到超过冷轧钢板制的爪磁极的磁特性的爪极式旋转电机。
本发明为了实现上述目的而构成，提供一种爪极式旋转电机，具有：定子，其为由环状磁轭部和在该环状磁轭部的内径侧的圆周上等间隔地配置且沿轴向延伸的多个爪磁极构成第一及第二爪铁心，通过使这些第一及第二爪铁心的爪磁极互相啮合而形成定子铁心，在该定子铁心啮合的所述爪磁极的外周侧保持环状线圈而构成；和转子，其在该定子的内径侧沿周方向与该定子隔着间隙对置而设置，其特征在于，所述第一及第二爪铁心通过将磁粉沿轴向压缩成形而形成，并且所述爪磁极的半径方向的厚度设在2mm以上，在所述爪磁极的轴向延伸端上形成与轴向正交的平坦面，在所述爪磁极上形成从根部到轴向延伸端变细的相对于轴向在10度以下范围的拔模锥度，并且所述爪磁极的轴向长度与所述环状磁轭部的轴向厚度的比率形成在5∶1以内。
于是，通过爪磁极的厚度设在2mm以上、在爪磁极的轴向自由端形成与轴向正交的平坦面、在从根部到轴向自由端变细的10度以内的范围内形成爪磁极的周方向宽角度、爪磁极的轴向长度和环状磁轭部的轴向厚度的比率形成在5∶1以内，由此，可以以高压力将磁粉压缩成形，其结果是，能够提高磁粉的密度，因此，比由冷轧钢板形成的爪磁极更能够提高磁特性。
如以上所说明，根据本发明，可得到即使通过压缩磁粉而形成的爪磁极，也能够得到超过轧制钢板制的爪磁极的磁特性的爪极式旋转电机。
附图说明
图1是表示本发明的构成爪极式旋转电机的定子铁心的第一爪铁心和第二爪铁心的立体图；
图2是表示图1的第一爪铁心或第二爪铁心的剖视图；
图3是表示图1的第一爪铁心或第二爪铁心的后视图；
图4是表示图1的第一爪铁心或第二爪铁心的主视图；
图5是表示本发明的爪极式旋转电机的一实施方式的爪极式电动机的纵剖侧视图；
图6是表示由各种材料形成的磁心的磁性的比较的线图；
图7是采用三维电磁场分析来计算电动机特性的网格图；
图8是表示爪极式电动机的极数与输出转矩的关系的线图；
图9是表示爪极式电动机的爪磁极的周方向上的平均角度与输出转矩的关系的线图；
图10是由现有的冷轧钢板(SPCC)构成的爪极式电动机的构造的一例；
图11是SPCC与压粉磁心的直流磁化特性的比较的一例；
图12是将SPCC与压粉磁心的电动机输出特性进行了比较的结果的一例；
图13是各种磁性材料的BH特性的比较图；
图14是采用FEM计算爪的厚度为2mm的爪极式电动机的输出转矩
的结果图；
图15是锥形角度与爪磁极的表面积的关系图；
图16是成形本发明的爪极式电动机的定子铁心的成形金属模的构造
的概略图。
图中：1-爪极式电动机；3-转子；4-转子铁心；5-永久磁铁磁极；6-定子；7U、7V、7W-定子铁心；10、10U、10V、10W-环状线圈；11A-第一爪铁心；11B-第二爪铁心；12-爪磁极；12T-轴向延伸端；13-环状磁轭部；14-外周侧磁轭。
具体实施方式
下面，基于图1～图5所示的24极爪极式电动机说明本发明的爪极式旋转电机的一实施方式。
爪极式电动机1包括：在旋转轴2上构成的转子3；相对于该转子3经由周方向的微小间隙G同心状配置的定子6；支承该定子6的定子框8；在该定子框8的两端侧旋转自如地支承所述旋转轴2的轴承9A、9B。
所述转子3由与旋转轴2同心状形成的转子铁心4和固定在其外周且沿周方向配置了多个的永久磁铁磁极5构成。所述定子6由定子铁心7U、7V、7W和卷设在这些定子铁心7U、7V、7W的环状线圈10构成。而且，定子铁心7U、7V、7W由定子框8支承，在该定子框8的两端部经由轴承9A、9B旋转自如地支承着所述旋转轴2。
所述定子铁心7U、7V、7W由第一爪铁心11A和第二爪铁心11B构成，这些第一爪铁心11A和第二爪铁心11B包括：分别与所述转子3以微小间隙G相对并具有沿轴向延伸的磁极面12F的爪磁极12；从该爪磁极12向外径侧以直角延伸的环状磁轭部13；从该环状磁轭部13向与所述爪磁极12相同的方向延伸的外周侧磁轭14。这些爪磁极12分别在周方向按等间隔形成12极。
而且，这些第一爪铁心11A和第二爪铁心11B是通过成形金属模的成型冲头将磁粉压缩成形而形成同一形状，从而能够得到比叠层硅钢板而构成的结构复杂的磁极构造。
配置这样将磁粉压缩成形而构成的第一爪铁心11A及第二爪铁心11B，使其相互的爪磁极12的轴向延伸端12T对向，并且啮合轴向延伸端12T使其位于对方侧的轴向延伸端12T之间，由此沿所述转子3的周面形成有多个与所述转子3同心的24极的磁极面12F。同时，通过使各定子铁心7U、7V、7W的第一爪铁心11A和第二爪铁心11B的轴向延伸端12T互相啮合，从而由第一爪铁心11A和第二爪铁心11B分别保持各环状线圈10U、10V、10W，由此构成了定子6。
于是，通过将内置有环状线圈10U、10V、10W的定子铁心7U、7V、7W在轴向上连结，并在周方向上错开120度的电角度，由此构成三相爪极式电动机。
另外，通过将这些三列定子铁心7U、7V、7W由绝缘树脂整形，可得到第一爪铁心11A和第二爪铁心11B及环状线圈10U、10V、10W成为一体的定子6。
如以上所说明，通过将磁粉压缩成形而构成第一爪铁心11A和第二爪铁心11B，由此能够得到复杂的，换言之能够提高电动机效率的磁极构成。
可是，在将磁粉压缩成形来形成第一爪铁心11A和第二爪铁心11B时，通过成形金属模将磁粉压缩成形，该压缩成形方向成为爪磁极12延伸的轴向。此时，用于压缩成形第一爪铁心11A和第二爪铁心11B的成形冲头，需要形成与成形品的轴向尺寸成正比的冲头截面积，使得成形冲头不会产生压曲。换言之，即：需要根据第一爪铁心11A和第二爪铁心11B的轴向尺寸成为最大的爪磁极12的轴向尺寸L1确定冲头截面积。因此，在爪磁极12的轴向延伸端12T上，需要与轴向正交的平坦面，且该平坦面的面积需要随着爪磁极12的轴向尺寸L1增大而成正比地增大。通常，为了通过压缩磁粉来提高磁特性，需要10吨/cm2的成形压力，从而爪磁极12的轴向延伸端12T需要与此对应的平坦面的面积。因此，需要设爪磁极12的轴向延伸端12T的半径方向的厚度H2至少在2mm以上来确保平坦面的面积。
此外，在将用10吨/cm2的成形压力压缩成形的制品从成形金属模中拔出时，在轴方向上需要拔模锥度，从而需要在爪磁极12上形成从根部到轴向延伸端12T变细的拔模锥度θ。在这种磁粉压缩成形时，从成形金属模拔出制品时拔模锥度优选8度以上。拔模锥度θ越大，拔模作业越容易。但是，如果拔模锥度θ大，则爪磁极12的磁极面12F的面积就会缩小而使磁特性降低，所以，希望拔模锥度θ小到对磁特性的影响较小的10度以内。
此外，磁铁电动机的转子和定子之间的气隙磁通(gap flux)密度通常设计为0.7～0.8T。此时，如果爪的表面积设为5，则一极的磁通流入爪内的磁通量在φ＝BA时达到3.5～4.0。由于该磁通被厚度1(达到5∶1时的轭铁厚度)的轭铁吸收，所以，流入轭铁的截面积2(厚度1×2倍；在此，设为2倍是由于，一对极的轭铁宽度为一对极的爪的宽度的两倍)时的磁通密度在B＝φ/A时达到1.75～2.0T，由于达到铁的饱和临界磁通密度，所以不能达到5∶1以上。
如以上所说明，根据本实施方式，通过如上述那样形成第一爪铁心11A和第二爪铁心11B，能够以高的成形压力将磁粉压缩成形，所以，可将磁粉密度提高到7.5g/cm3以上，其结果，能够得到比由冷轧钢板(SPCC)形成的磁心更高的电动机性能。
该情况也可从图6所示的由各材料形成的磁心的磁特性的比较中获知。在图6中，从将磁粉压缩成形的压粉磁心1、由冷轧钢板(SPCC)形成的磁心、和由硅钢板(35A300、50A1300)形成的磁心的磁特性可看出：压粉磁心1与SPCC相比，其最大磁通密度B(T)整体来说小。
但是，通过将本实施方式的第一爪铁心11A和第二爪铁心11B设为上述条件可知，能够实现磁粉的高密度化，可得到磁粉密度为7.5g/cm3的压粉磁心2，与磁粉密度为7.3g/cm3的压粉磁心1相比，具有接近于SPCC及SS400的磁特性(磁通密度)。
因而，磁粉密度低的压粉磁心1的磁通密度极低，在使用于电动机时，由于磁特性降低，同时磁通密度低，因此，在使用磁场中残留磁通密度高的磁铁时可预想，由于磁通密度饱和而使输出转矩下降等，由此使电动机特性下降。
将上述说明的内容通过实际的电动机的特性比较来详细说明。图10表示现有的由冷轧钢板(SPCC)构成的爪极式电动机的构造。该电动机使用将SPCC等铁板弯曲成形的定子铁心而构成，因此，对于可弯曲成形的达到板厚φ100mm的小型电动机来说，厚度1.6mm左右是临界厚度。另一方面，由可按其形状成形的密度为7.3g/cm3的压粉磁心构成该爪极式电动机的定子铁心。此时，比较同一形状的电动机输出特性的结果在图12中表示。现有的由SPCC构成的爪极式电动机，在本次的比较条件即磁场磁铁的残留磁通密度1.2T、24极、转速1000r/min、磁动势220安匝的条件下，具有比由压粉磁心构成的电动机高出约十分之一的输出转矩。其原因是，如图11所示，若比较SPCC和压粉磁心的直流磁化特性，则压粉磁心的导磁率低，施加同一磁场时的磁通密度SPCC的一方要高。
但是，压粉磁心因其加工方法的不同，而没有板厚设在1.6mm以内的限制。由此，可提高加厚爪磁极等的设计自由度并得到最优化设计的爪极式电动机。与上述爪极式电动机在同一磁场磁铁等条件下最优化设计的爪极式电动机的定子铁心，由于爪厚达到2mm，且可提高压缩成形时的金属模压力，所以，能够由密度高的压粉磁心构成。密度高达7.5g/cm3的压粉磁心的直流磁化特性在图13中表示。与上述的7.3g/cm3的压粉磁心的直流磁化特性相比导磁率提高，但未达到SPCC的磁化特性。图14表示使用FEM计算该爪的厚度为2mm的爪极式电动机的输出转矩的结果。忽略制造上的问题，计算上比较了该爪极式电动机使用SPCC时与使用密度为7.5g/cm3的压粉磁心时的输出转矩的不同。结果如图14所示，得到了使用压粉磁心时的输出转矩的一方高出达十分之二左右的结果。其原因是，在磁特性方面，SPCC的导磁率高，但由于SPCC在铁板内部产生的涡流在遮拦其磁通的方向上产生，所以该影响导致输出转矩减少。根据该结果可知，在φ100mm左右的小型电动机中，磁场磁铁使用能量乘积高的稀土类烧结磁铁等超过1.2T的永久磁铁磁场，以定子铁心的爪厚达到2mm以上的方式设计的爪极式电动机，能够缓和对来自磁场磁铁的磁通的饱和的影响，并且还能够提高压粉磁心的密度，因此，能够实现高的电动机性能。另外，由此电动机的输出转矩与通过爪磁极的磁通有很大的关系，因此，优选至少爪磁极的密度在7.5g/cm3以上。
进而，说明对拔模锥形角度进行了研究的结果。为了以高密度的压粉磁心构成定子铁心，需要上述那样的拔模锥度，但是，如果该锥形角度加大，则爪磁极的表面积就会减小，且输出转矩会下降。图15表示锥形角度和爪磁极表面积的关系。如(a)图所示，如果定义爪的形状，则将锥形角度为0时的爪磁极表面积设为100％，该锥形角度引起的表面积的变化为a·b-a2tanθ，成为如(b)图所示那样的关系。如先前所示那样，如果从压粉磁心成形体的成形条件方面来说，在锥形角度越大越好，但为了抑制电动机的输出的下降，希望锥形角度较小。根据该结果，作为使电动机的特性满足与由SPCC构成的电动机的特性同等以上的特性的条件，如果允许降低十分之二的输出，则需要将锥形角度设在10°以下。
由于可由高密度(高磁通密度)的压粉磁心构成定子，因此，作为电动机，可使用磁场中残留磁通密度高的磁铁来设定高的磁动势。作为上述转子3的永久磁铁磁极5，使用稀土类磁铁，设磁通密度为1.2～1.4特斯拉，并且，对应于该磁通密度的第一爪铁心11A及第二爪铁心11B的尺寸关系通过下面的分析可看出。
图7是采用三维电磁场分析来分析电动机特性时的网格图，表示改变各部分的尺寸(爪磁极12的周方向平均宽角度T、爪磁极12的轴向尺寸L1、环状磁轭部13的轴向尺寸L2、爪磁极12的轴向延伸端12T的周方向宽度尺寸H1、爪磁极12的轴向延伸端12T的半径方向的厚度H2、永久磁铁磁极5的半径方向尺寸F、转子3和定子6的周方向的间隙G)而进行研究的参数。
图8表示：永久磁铁磁极5的半径方向尺寸(厚度)为F，将爪磁极12的拔模锥度θ设为8度，将爪磁极12的轴向延伸端12T的半径方向的厚度H2设为2mm，将爪磁极12的最大轴向尺寸(长度)L1和环状磁轭部13的轴向尺寸L2的比率设为最大5的固定条件的情况下，计算改变定子6的内径D(图3)时的电动机极数M和输出转矩(N·m)的关系的结果。在这些限定的条件下明确，只要定子6的内径D确定，则输出转矩在特定的极数M下达到最大。该极数M根据定子6的内径D而变化，定子6的内径D和极数M的关系在M＝a·D(0.35≤a≤0.5)时输出转矩达到最大。
其次，作为输出转矩达到最大的极数M，采用24极和32极的试验电动机对爪磁极12在周方向的平均角度T进行了研究。图9表示计算了爪磁极12的周方向平均角度T(拔模锥度θ为8度的爪磁极12的轴向中间的周方向的平均宽角度。参照图4)和输出转矩的关系的结果。
图9中，若取横轴为爪磁极12的周方向平均宽角度T相对于相当于电角度一周期的极距P的比率，观察与输出转矩的关系，则可知24极以及32极都在大致同一角度比率时输出转矩达到最大。这可以判断为，在爪磁极12的周方向平均宽角度T小的情况下，磁场侧的磁通不能充分地与环状线圈10交链，与之相反在过大的情况下，向邻接的爪磁极12的漏磁通增多，输出转矩下降。在可自由地设计爪磁极12的情况下，也要考虑在其它条件下的输出转矩的最大化，但在对爪磁极12施加上述的限制的情况下，如图4所示，爪磁极12的周方向平均宽角度T相对于相当于电角度一周期的极距P的比率在0.4以上0.45以下的范围，成为最稳定地得到输出转矩的设计点。再有，24极以及32极以外的极数也得到了同样的结果。
上述实施方式说明了爪极式电动机以作为爪极式旋转电机，但并不特定于爪极式电动机，也可适用于发电机等。
Claims (10)
1.一种爪极式旋转电机，具有：定子，其为由环状磁轭部和在该环状磁轭部的内径侧等间隔地配置且沿轴向延伸的多个爪磁极构成第一及第二爪铁心，通过使这些第一及第二爪铁心的爪磁极互相啮合而形成定子铁心，在该定子铁心啮合的所述爪磁极的外周侧保持环状线圈而构成；和转子，其在该定子的内径侧沿周方向与该定子隔着间隙对置而设置，其特征在于，
所述第一及第二爪铁心通过将磁粉压缩成形而形成，并且所述爪磁极的半径方向的厚度设在2mm以上，在所述爪磁极的轴向延伸端上形成与轴向正交的平坦面，在所述爪磁极上形成从根部到轴向延伸端变细的相对于轴向在10度以下范围的拔模锥度，并且所述爪磁极的轴向长度与所述环状磁轭部的轴向厚度的比率形成在5∶1以内。
2.根据权利要求1所述的爪极式旋转电机，其特征在于，
在所述爪磁极的极数M和所述定子的内径D的关系设为M＝a·D时，系数a设定在0.35以上0.5以下。
3.根据权利要求1所述的爪极式旋转电机，其特征在于，
所述爪磁极的周方向平均宽角度T与相当于电角度一周期的极距P的比率T/P设定在0.4以上0.45以下。
4.根据权利要求2所述的爪极式旋转电机，其特征在于，
所述爪磁极的周方向平均宽角度T与相当于电角度一周期的极距P的比率T/P设定在0.4以上0.45以下。
5.根据权利要求1所述的爪极式旋转电机，其特征在于，
爪铁心的磁粉密度为7.5g/cm3以上。
6.根据权利要求1所述的爪极式旋转电机，其特征在于，
所述转子具有稀土类的永久磁铁。
7.根据权利要求1所述的爪极式旋转电机，其特征在于，
所述转子具有残留磁通密度值在1.2特斯拉以上1.4特斯拉以下的永久磁铁。
8.一种爪极式旋转电机，具有：定子，其为由环状磁轭部和在该环状磁轭部的内径侧等间隔地配置且沿轴向延伸的多个爪磁极构成第一及第二爪铁心，通过使这些第一及第二爪铁心的爪磁极互相啮合而形成定子铁心，在该定子铁心啮合的所述爪磁极的外周侧保持环状线圈；和转子，其在该定子的内径侧沿周方向与该定子隔着间隙对置而设置，其特征在于，
所述第一及第二爪铁心通过将磁粉压缩成形而形成，并且磁粉密度设在7.5g/cm3以上。
9.根据权利要求8所述的爪极式旋转电机，其特征在于，
在所述爪磁极的极数M和所述定子的内径D的关系设为M＝a·D时，系数a设定在0.35以上0.5以下。
10.一种爪极式旋转电机，具有：定子，其为由环状磁轭部和在该环状磁轭部的内径侧等间隔地配置且沿轴向延伸的多个爪磁极构成第一及第二爪铁心，通过使这些第一及第二爪铁心的爪磁极互相啮合而形成定子铁心，在该定子铁心啮合的所述爪磁极的外周侧保持环状线圈而构成；和转子，其在该定子的内径侧沿周方向与该定子隔着间隙对置而设置，其特征在于，
所述爪铁心通过将磁粉压缩成形而构成，且所述爪磁极的周方向平均宽角度T与相当于电角度一周期的极距P的比率T/P设定在0.4以上0.45以下。
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