CN103368294B - 永磁式旋转电机 - Google Patents

Abstract

提供一种永磁式旋转电机，实现构成永久磁铁制磁极的扇形磁铁的基于电枢反作用、过电流的耐去磁性的提高。永磁式旋转电机具有定子和转子，该定子具有多个齿，该转子将永久磁铁制的扇形磁铁作为磁极，其中，将多个扇形磁铁构成为在相互之间隔着非磁性空间沿圆周方向排列，且将各扇形磁铁的与上述励磁空隙对置的一侧的圆周方向角部的形状形成为上述齿（3）的前端所描绘的旋转圆筒面与扇形磁铁（9）的角部（9a）之间的对置间隔随着趋向相邻的扇形磁铁（9）而逐渐扩大的曲面形状。

Description

永磁式旋转电机

技术领域

本发明的实施方式涉及转子磁极由永久磁铁构成的永磁式旋转电机。

背景技术

这种旋转电机、例如永磁式无刷马达（以下简称为永磁式马达）包含定子和转子，该定子具有实施了电枢绕组的齿，该转子是将隔着励磁空隙与上述齿的排列圆周面对置的多个永久磁铁制磁极沿圆周方向排列而形成的。作为永久磁铁制磁极，具有将磁性粉末混入塑料粉末而成形的塑料磁铁、以及对磁性粉末进行烧结而成的烧结磁铁。

由塑料磁铁构成的转子磁极作为连续的环状的成形体而形成，且保持不变地收纳于圆盘状的转子框架。相对于此，在由烧结磁铁构成的转子磁极中，如果将各个磁铁即扇形磁铁作为与环状连续的一体物进行成形并烧结，则无法避免如下情况：产生半径方向厚度变化的部分，因伴随着冷却的收缩应力而在各扇形磁铁之间产生裂纹。

因而，虽然在成形性以及组装性方面塑料磁铁转子更有利，但与烧结磁铁转子相比，磁铁的每单位体积的输出大幅度降低。塑料磁铁是作为非磁性材料的塑料粉末（粘合剂）和磁性粉末的混合物，相对于此，烧结磁铁仅由磁性粉末构成，因此，烧结磁铁的每单位体积的输出大。在这种永磁式马达中，在用于家电设备、信息通信设备、事务设备等的任一设备的情况下，都强烈期望小型且高输出、低噪音，正朝着这方面的改善不懈努力。在小型且高输出这一点，与塑料磁铁式马达相比烧结磁铁式马达更优异，且在价格方面烧结磁铁式马达相当廉价。在专利文献1中公开了用于实现使用了塑料磁铁的永磁式马达的低噪音化的结构。该专利文献1所公开的技术的主要目的在于，想要提高感应电动势的正弦波近似性，结果，实现因谐波成分引起的输出降低的防止和低噪音化，为此，公开了使与永久磁铁的定子齿对置的磁极面作为在极中央处具有最大突出尺寸的凸曲面且使其圆周方向两端的径向壁厚尺寸为极中央壁厚尺寸的85～88%。

专利文献1：日本特开2003-319585号公报

虽然在专利文献1中没有公开，但在为了以小型来获得高输出而将永久磁铁设为烧结磁铁的情况下，如上所述，转子磁极将各个扇形磁铁分别粘接安装于圆盘状的框架，与最初就一体成型为环状的塑料磁铁的情况不同，由于在所排列的扇形磁铁的圆周方向相互之间夹装有粘接材料等的非磁性支承部件，所以该部分成为非磁性空隙。或者即使在不需要支承部件的情况下也不可避免地产生空间。发明人们发现该不可避免地产生的磁空隙对马达特性造成严重的随时间流逝的恶劣影响。

发明内容

本发明的实施方式的目的在于提供一种永磁式旋转电机，通过提高形成转子磁极的扇形磁铁的耐去磁性，能够尽量抑制马达特性、尤其是感应电动势的随时间流逝的降低、波形的随时间流逝的恶化。

用于达成该目的的永磁式旋转电机包括：定子，具有卷绕了定子绕组的齿；以及转子，具有烧结永久磁铁制的扇形磁铁，该扇形磁铁隔着励磁空隙与所述齿对置且相互之间隔着磁空隙沿圆周方向排列而具有一极一扇形关系，其中，各所述扇形磁铁具有磁通密度在极中央高且随着趋向圆周方向两端而逐渐降低的集束各向异性，并且，将各扇形磁铁的与所述励磁空隙对置的一侧的圆周方向角部的形状形成为所述齿的前端所描绘的圆筒面与扇形磁铁的角部之间的对置间隔随着趋向相邻的扇形磁铁方向而逐渐扩大的曲面形状。

附图说明

图1是放大示出本发明的第一实施方式的永磁式马达的主要部分的剖视图。

图2是示出该马达的定子的立体图。

图3是该马达的转子的立体图。

图4是该马达的扇形磁铁的角部的曲面形状的说明图。

图5是示出扇形磁铁的形状与去磁系数以及感应电压变化率的关系的图。

图6是第二实施方式的与图4相当的图。

图7是第三实施方式的与图4相当的图。

图8是以往的马达的与图1相当的图。

符号说明

1…定子；2…电枢绕组；3…齿；4…定子铁心；6…转子；7…转子框架；9…扇形磁铁；9a…角部；9b…平坦面；9g…凸曲面；9h…凹曲面；12…非磁性空隙。

具体实施方式

以下，基于图1至图5对第一实施方式所涉及的永磁式旋转电机例如永磁式马达进行说明。在图2中，定子1包括电枢绕组2以及层叠钢板制的定子铁心4，该定子铁心4呈放射状的圆形排列地具有卷绕该电枢绕组2的多个齿3，且定子1具有用于安装于安装对象设备例如洗衣机的马达支承框架上的安装部5。如图3所示，转子6包括兼做铁制转子磁轭的圆盘状的转子框架7以及在该转子框架7的环状部8的内周面排列的多个扇形磁铁9。

在转子框架7的平板部的中央具有旋转轴支承用的开口10，在其周围具有通风孔11。将基于上述扇形磁铁9的转子磁极数与基于上述齿3的缝隙数的比定为4比3，在本实施方式中，为48极、36齿。上述扇形磁铁9通过对磁性粉末例如铁素体粉末进行烧结而形成为一极一扇形（一極一セグメント）地独立的形态，通过分别将各个扇形磁铁9以沿圆周方向排列的方式粘接于上述转子框架7的环状部8的内表面而将该各个扇形磁铁9安装。

在该安装中，不能像成形为环状的塑料制永久磁铁那样将相邻的磁铁彼此全部无间隙地排列形成，因此，如图1所示，在各扇形磁铁9之间不可避免地产生间隙12（在图3中省略图示）。其理由是因为，烧结磁铁经过对粉末进行堆集烧固并进行冷却的过程，但该冷却的收缩率大，因此工序尺寸的偏差也变大。当该偏差大时，存在当将48个扇形磁铁9排列于转子框架7的环状部8时没有放入最后一个扇形磁铁9的间隙的忧虑，为了避免这种情况发生而对环状部8的周长赋予余量，将该余量尺寸作为均等的间隙12分配到各扇形磁铁之间。

由此，在各扇形磁铁之间不可避免地产生上述那样的间隙12。该间隙12是空间，但在磁特性上只要相当于磁空隙即可，因此，在本实施方式中，将非磁性垫片与粘接材料一起夹装于间隙12来强化扇形磁铁9的支承力。

该扇形磁铁9被付与磁通量在磁极的中央最高且随着趋向圆周方向两端而变低的磁各向异性（集束各向异性（集束異方性））。即，具有易磁化轴在极中央区域朝向半径方向且随着远离极中央而倾斜的特性。以这样的磁各向异性为前提，在扇形磁铁9的隔着励磁空隙（界磁空隙）与上述齿3的前端对置的面中，将该面的圆周方向的角部9a的形状如图1所示那样形成为没有棱角部分的圆滑的曲面形状。即，如图4所示，形成为齿3的前端所描绘的圆筒面3a与扇形磁铁9的角部9a的对置间隔L1随着趋向相邻的扇形磁铁9而逐渐扩大的形状。尤其是在本实施方式中，如图4所示，将扇形磁铁9的靠励磁空隙侧的面形成为平坦面9b，将角部9a的曲面形状形成为描绘圆9e的圆弧面形状，该圆9e具有与通过该平坦面9b的直线9c正切的点9c。在图4中，角部9a是与圆9e的1/4圆一致的圆弧，但也可以形成为扇形磁铁9的圆周方向端面如假想线9f所示那样切成不足1/4圆的形状。

具有上述实施方式的结构的该永磁式无刷马达能够期望如下那样的效果。在马达的运转状态下，无法完全避免由来自电枢绕组2的磁通引起的电枢反作用，因此，因电枢反作用而引起的反向磁场作用于扇形磁铁9，该磁铁9受到去磁作用。该去磁作用在施加异常载荷的大电流时变得尤为显著。根据图8所示的现有结构对此进行说明，无法避免由于对电枢绕组的通电而从齿92产生的磁通φ1的一部分反向（相对于来自扇形磁铁91的磁通φ2而言为反向）通过在圆周方向相邻的两个扇形磁铁91之间的空隙的回流（反向磁场）。

朝该反向回流的磁通集中通过与两个扇形磁铁之间的空隙相比磁阻小的扇形磁铁的角部93，当该角部9a为磁路长度短的有棱角的形状时，则该集中进一步增加，使该部分强力地去磁。这是因为磁铁层越薄则磁铁越容易因反向磁场而去磁的缘故。在本实施方式中，将扇形磁铁9的圆周方向角部9a的形状形成为曲面形状，结果，该角部9a与上述齿3的旋转面3a之间的对置间隔L1与扇形磁铁9的中央区域即平坦面9b部分相比随着趋向圆周方向而逐渐扩大，相应地磁阻增大。

结果，缓和反向磁通集中通过角部9a的情况，且相对于反向磁场的磁铁层也形成为比较厚的形状，因此，避免该部分的耐去磁性的降低。此外，在如将本实施方式作为发明对象的马达那样在相邻的磁铁之间不可避免地存在非磁性空隙的情况下，如果扇形磁铁的角部如图8那样保持直角不变，则通过该空隙94而从相邻的异极磁铁9接受反向磁通，即使在运转停止中也始终受到去磁作用。在本实施方式中，由于角部9a为曲面形状，所以与相邻的磁铁之间的磁路长度扩大，因此也能够避免这样的去磁作用。

此外，如果扇形磁铁9的角部9a随时间流逝而被去磁，则设定于该磁铁的整个区域的最初的磁通密度的正弦波分布也随时间流逝而变化，电动势的波形失真扩大。与此同时感应电动势也降低，因此，在将该电动势的大小作为数据的扭矩控制、速度控制中，控制精度降低。相对于此，在本实施方式中，通过耐去磁性的提高而按照预期长期维持马达的电磁特性，因此，能够期待防止感应电压波形的随时间流逝的失真变化、随时间流逝的输出降低、随时间流逝的噪音增大。进而，由于能够避免电动势的随时间流逝的降低，所以能够不改变马达的控制常数而长期维持按照预期的控制精度、良好的马达特性。尤其是在如本实施方式的马达那样扇形磁铁9达到与48个相当的数量的结构中，如果从各个扇形磁铁的去磁所造成的影响极大的观点出发，则本实施方式的有用性极高。

在图5中示出达到实现本实施方式的试验数据的一部分。在图5的（A）中示出作为试验资料的转子的扇形磁铁9的形状，在图5的（B）中示出磁铁的去磁系数α相对于该扇形磁铁9的厚度比率Z的变化的变化，在图5的（C）中示出感应电压的变化率β。在此，当将磁铁的圆周方向两端以外的主要部分的半径方向的平均厚度设为Y，将其两端的角部9a的前端面的厚度设为X（X≤Y）时，将X/Y称作厚度比率Z。当将角部9a的曲面的起点设为P1，将曲面的终点设为P2时，厚度X是从扇形磁铁9安装面（不与齿3对置的一侧的面）到上述终点P2的尺寸。

在试验中，对扇形磁铁9的角部9a进行不改变曲面的起点P1的位置而使X尺寸变化（使P2位置变化）这样的形状变更（因而，角部9a的曲率半径发生变化），对于该各形状（各厚度比率Z）测定去磁系数α以及感应电压的变化率β。在厚度比率为100%、88%、78%、73%的四个阶段进行该测定，制作图5的（B）、（C）。此处，感应电压的变化率β是将使X相对于Y变化时的感应电压值除以X=Y时的感应电压值而得到的值。

根据图5的（B），认为随着厚度比率Z的值变小、即随着角部9a的形状从矩形（Z=100%）接近圆，去磁系数α降低、即耐去磁性提高。此外，根据图5的（C），认为随着厚度比率Z变小，感应电动势降低。这是源于磁铁的体积越大则感应电动势变得越大的一般特性。从图5的（B）以及（C）可知，随着扇形磁铁9的角部9a的厚度比率Z变小而耐去磁性升高，相对于此感应电动势降低，考虑到与此相反的特性，对于角部9a的形状，如果以厚度比率Z来进行说明，则能够评价为不超过90%，优选为80%以下且70%以上是实用的。

在本实施方式中，将作为转子磁极数的扇形磁铁数与基于上述齿的定子缝隙数的比定为4比3，因此，扇形磁铁9的角部9a所受到的去磁作用降低。这意味着能够减薄扇形磁铁9的厚度（径向尺寸）。相对于此，如果将比率设为2比3，则扇形磁铁9a的电角宽度变得比齿3的电角宽度大，反向磁场集中于一个扇形磁铁9a，由此导致耐去磁性降低。

如作为第二实施方式而在图6中示出的那样，也可以将扇形磁铁9的与齿3对置的面的形态形成为相对于在图4中将两角部9a之间即中央区域作成平坦面9b而作成凸曲面9g的形状。在该情况下，中央区域的凸曲面9g的曲率半径为比角部9a的曲率半径大的值，并且，将角部9a与凸曲面9g之间的边界形成为连续的曲面。

如作为第三实施方式而在图7中示出的那样，也可以将扇形磁铁9的与齿3对置的面的形态形成为两角部9a之间即中央区域为呈凹曲面9h的形状。在该方式中，将中央区域的凹曲面9h的曲率半径相比该角部9a的曲率半径设为大的值，且如上述那样将角部9a与凹曲面9h之间的边界形成为连续的曲面。

另外，虽然对本发明的实施方式进行了说明，但该实施方式作为例子而示出，并不意味着对发明的范围进行限定。这些新的实施方式能够变形为用于提高耐去磁性的其他各种方式而加以实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围及主旨中，并且包含于权利要求所记载的发明和与其等同的范围中。

Claims (4)

1.一种永磁式旋转电机，其特征在于，

该永磁式旋转电机包括：定子，具有卷绕了定子绕组的齿；以及转子，具有烧结永久磁铁制的扇形磁铁，该扇形磁铁隔着励磁空隙与所述齿对置且该扇形磁铁相互之间隔着磁空隙沿圆周方向排列而具有一极一扇形关系，

各所述扇形磁铁具有磁通密度在极中央高且随着趋向圆周方向两端而逐渐降低的磁特性，并且，将各扇形磁铁的与所述励磁空隙对置的一侧的圆周方向角部的形状形成为曲面形状，该曲面形状为所述齿的前端所处于的圆筒面与扇形磁铁的角部之间的对置间隔随着趋向相邻的扇形磁铁而逐渐扩大的曲面形状，并且，将所述扇形磁铁的与所述齿对置的面形成为平坦面，并将所述角部的曲面形状形成为与通过所述平坦面的直线正切的圆弧面。

2.如权利要求1所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

各扇形磁铁的磁各向异性是集束各向异性。

3.如权利要求1或2所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

转子具有形成有环状部的铁制转子磁轭，在该环状部中排列有所述扇形磁铁。

4.如权利要求1或2所述的永磁式旋转电机，其特征在于，

所述扇形磁铁的角部的曲面形状为，当将该曲面的与齿对置的一侧的起点设为P1、将其终点设为P2、将从扇形磁铁的不与齿对置的一侧的面到P1以及P2的各个尺寸分别设为Y以及X时，设为70％≤X/Y≤80％。