CN103378672B - 电动机及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供电动机及其制造方法，该电动机具有不产生由温度变化引起的形变且在制造上不产生问题的转子结构。各个永久磁铁不相互接触，在其端面之间配置可变形的插入部件。插入部件为可弹性变形或塑性变形的部件，在转子的旋转轴方向上的插入部件的厚度设定如下，在制造转子时的温度范围内，粘接在转子铁心上的邻接的永久磁铁在电动机的使用温度的下限温度不相互接触。由于即使转子的温度从粘接永久磁铁时的温度下降，从而在电磁钢板与磁铁之间产生轴向长度的差异，其差异也通过配置于永久磁铁之间的插入部件的变形而吸收，因此能够防止转子的损伤等不良情况。

Description

电动机及其制造方法
技术领域
本发明涉及具有转子结构的电动机及其制造方法，其能够防止由构成转子的电磁钢板、轴及磁铁等的温度形变引起的、转子的弯曲和磁铁的破损等不良情况。
背景技术
一般而言，构成同步电动机的转子的材料主要为电磁钢板、碳素钢的轴及永久磁铁。作为转子的结构，存在将永久磁铁粘贴于转子表面上的所谓SPM（Surface Permanent Magnet）结构、以及将永久磁铁埋入到电磁钢板之中的所谓IPM（Interior Permanent Magnet）结构。
至今，要求最大输出和最大转矩大、且惯性矩小的马达。由此，在设计、制造电动机时，使转子结构向轴向变长的情况较多。在这种电动机中，大多使用所谓钕磁铁（NdFeB）的磁力强的磁铁。作为将该钕磁铁固定于层叠电磁钢板的铁心结构体上的方法，一般使用粘接剂。另外，作为粘接剂广泛使用单一组分加热硬化类型的粘接剂。
对于消除使用多个磁铁的转子的形变，提出了几个技术方案。例如，在公开了使用永久磁铁的转子的日本特开2002－78257号公报中记载了如下内容：“该发明的马达具备具有多个磁极且在磁极邻接的永久磁铁之间设置间隙的转子，即使发生温度变化，永久磁铁与转子之间的热应力也降低，能够抑制剥离的发生”，还记载了如下内容：“该发明的马达以包含颗粒的粘接剂来填埋邻接的永久磁铁之间的间隙，通过以包含预定尺寸的颗粒的粘接剂来填埋邻接的永久磁铁之间，能够使邻接的永久磁铁之间的粘接层的厚度一定，尺寸管理变得容易”。
另外，在公开了永久磁铁旋转电机的日本特开2011－205781号公报中记载了如下内容：“在将永久磁铁插入到设置于转子铁心上的磁铁插入用空间时，在各个永久磁铁的插入方向上下端面上临时固定橡胶薄板之后依次插入永久 磁铁，在插入了向旋转轴方向堆积的多个或一个磁铁之后，以该磁铁端面上的橡胶薄板承受压缩力的方式，将转子从每个转子铁心的两端勒紧而做成转子结构体”。
在将钕磁铁粘接固定于层叠电磁钢板的转子铁心上的现有的转子中，发生由构成转子的铁和钕磁铁的线膨胀系数的不同所引起的形变。若以浸渍剂（粘接剂）粘接线膨胀系数不同的部件，则随着它们的温度从粘接硬化的温度变化，在铁和磁铁的轴向长度上产生差异，产生形变。由于该形变，有可能发生如下的不良情况。
1）粘接固定磁铁的粘接剂裂开而磁铁剥离。
2）由粘接不均匀引起转子弯曲。
3）磁铁裂开。
4）在层叠的电磁钢板上产生间隙。
尤其在轴向上长的转子中，由于将磁铁在轴向上排成多层，因此上述不良情况根据长度而明显表现出来。
图11是更具体地说明现有的转子的上述问题的图。图11所示的转子50是所谓IPM结构的转子，具有：层叠环状的电磁钢板52而成的转子铁心54；埋入到转子铁心54中的多个永久磁铁56；以及从轴向两侧夹持电磁钢板52的两个端板58。各个永久磁铁56是大致板状且相互同一形状的钕磁铁，在使各个端面对接的状态下构成为在转子轴向上长的板状，并且插入到设置于转子铁心54上的沿轴向延伸的槽60内。各个永久磁铁56的主表面利用温度硬化型的粘接剂（浸渍剂）62粘接于槽60的内表面。
在从图11的（a）部分的状态，转子铁心54（至少粘接剂62周边）的温度上升至粘接剂62的硬化温度的情况下，如图11的（b）部分所示，线膨胀系数比较高（例如12×10_6/K）的电磁钢板52主要向转子铁心54的轴向（左右方向）膨胀，另外永久磁铁56由于向其轴向的线膨胀系数比电磁钢板52非常低（在钕磁铁的情况下为－0.5×10_6/K），因此在轴向上尺寸几乎不变，在该状态下粘接剂62硬化而粘接固定永久磁铁56和电磁钢板52。
其次，在转子铁心54的温度下降至电动机的使用温度的下限的情况下，电磁钢板52主要向轴向收缩，但由于电磁钢板52粘接固定于永久磁铁56上，
因此如图11的（c）部分所示，电磁钢板52的与永久磁铁56靠近的部位不收缩，与转子铁心54的周面和中心靠近的部分随着温度下降而收缩。于是，在转子铁心54上产生形变，成为形变应力积蓄的状态。并且，根据情况如图11的（d）部分所示，有时由于形变应力，在电磁钢板52上发生裂纹64等，并且产生未图示的转子轴的弯曲、永久磁铁56的裂开和损伤。
日本特开2002－78257号公报所述的技术可以理解为，通过在磁铁之间设置间隙，防止产生由多个磁铁排列引起的形变应力。但是，在将这种技术适用于IPM结构上的情况下，在磁铁之间设置一定的空间从结构上及制造上的观点来看是难以实现的。另一方面，在适用于SPM结构的情况下，也需要设置用于保持一定空间的夹具等而对磁铁进行定位，在制造上存在困难。
另外，在日本特开2002－78257号公报中还提出了如下方案：在磁铁之间的间隙内填埋粘接剂，并且在该粘接剂中添加聚乙烯制或硅酮橡胶制的颗粒。但是，可靠地在磁铁之间填充粘接剂这一操作是依存于粘接剂的特性和操作者的熟练度的困难的操作，还存在不得不除去露出于表面的粘接剂的问题。另外，在粘接剂中添加颗粒，会存在对粘接剂的特性带来影响的可能性，并且还存在在颗粒的密度上容易产生不均匀且粘接效果不稳定的可能性。
另一方面，日本特开2011－205781号公报所述的结构可以理解为，在磁铁的轴向的面粘贴弹性薄板，以对该弹性薄板上施加压缩力的方式，利用连结板从转子的轴向两端施加连结力。但是，在日本特开2011－205781号公报中，在永久磁铁的固定上不使用粘接剂，所以不吸收由线膨胀系数不同所引起的形变。并且，日本特开2011－205781号公报的发明目的可以理解为，防止在制造转子时插入和固定磁铁时的磁铁的破损，不是消除随着温度形变的不良情况。发明内容
于是，本发明的目的在于提供电动机及其制造方法，该电动机具有不产生由温度变化引起的形变且在制造上不产生问题的转子结构。
为了达到上述目的，本发明的一个方案提供一种电动机，该电动机具有定子、及构成为能够相对于该定子旋转的转子，上述转子具有：层叠电磁钢板而成的转子铁心；在上述转子的旋转轴方向上排列而配置，且利用粘接剂粘接固 定于上述电磁钢板上的多个永久磁铁；以及配置于在上述旋转轴方向上邻接的永久磁铁之间的插入部件，上述插入部件的上述旋转轴方向的厚度为，在制造上述转子时的温度范围内，粘接在上述转子铁心上的邻接的永久磁铁在上述电动机的使用温度的下限不相互接触的厚度。
在优选的实施方式中，上述插入部件为弹性变形或塑性变形的部件。
在优选的实施方式中，上述永久磁铁粘接固定于设置在上述转子铁心上的向旋转轴方向延伸的磁铁插入孔内。
在优选的实施方式中，上述永久磁铁粘接固定于上述转子铁心的表面上。
本发明的另一个方案提供一种电动机的制造方法，上述电动机具有定子、及构成为能够相对于该定子旋转的转子，上述电动机的制造方法包括：层叠电磁钢板而形成转子铁心的步骤；将多个永久磁铁在上述转子的旋转轴方向上排列而配置，且利用粘接剂固定于上述电磁钢板上的步骤；以及在上述旋转轴方向上邻接的永久磁铁之间配置插入部件的步骤，上述插入部件的上述旋转轴方向的厚度为，在制造上述转子时的温度范围内，粘接在上述转子铁心上的邻接的永久磁铁在上述电动机的使用温度的下限不相互接触的厚度。
在优选的实施方式中，上述方法还包括如下步骤：在使上述粘接剂硬化之后进一步加热上述转子，使上述插入部件熔化并从上述邻接的永久磁铁之间流出。
在优选的实施方式中，上述方法包括将上述永久磁铁及上述插入部件交替地插入到形成于上述转子铁心上的磁铁插入孔中的步骤。
在优选的实施方式中，上述方法包括将上述插入部件预先粘接在永久磁铁的上述旋转轴方向端面上的步骤。
本发明的效果如下。
根据本发明，由于即使转子的温度从粘接永久磁铁时的温度下降，从而在电磁钢板与磁铁之间产生轴向长度的差异，其差异也通过配置于永久磁铁之间的插入部件的变形而吸收，因此能够防止转子的损伤等不良情况。
附图说明
本发明的上述或其他目的、特征及优点，通过参照附图来说明以下适当的 实施方式，将会变得更加明显。
图1是表示本发明的一个实施方式的电动机的概略结构的图。
图2是表示图1的电动机的转子的旋转轴方向剖面的图。
图3是表示配置于永久磁铁之间的插入部件为片状部件的例子的图。
图4是表示插入部件涂敷了硅树脂或发泡聚氨酯的例子的图。
图5是表示插入部件为发泡苯乙烯制的颗粒的例子的图。
图6是表示插入部件为波纹形状的金属或树脂的例子的图。
图7是说明图2的转子的制造方法的图。
图8是说明图2的转子的另一个制造方法的图。
图9是说明图2的转子所具有的插入部件的作用效果的图。
图10是表示本发明的另一个实施方式的电动机的转子的旋转轴方向剖面的图。
图11是表示现有技术的电动机的转子的轴向剖面的图，其中，（a）部分表示粘接剂硬化前的状态，（b）部分表示上升至粘接剂的硬化温度的情况，（c）部分表示转子的温度从（b）部分的状态下降至使用温度的下限的情况，（d）部分表示在转子的层叠钢板的一部分产生裂纹的情况。
具体实施方式
图1是表示本发明的一个实施方式的电动机10的概略结构的图。电动机10具有：插入旋转轴即轴12的转子14；层叠环状的电磁钢板16而成的定子18；以及容纳转子14及定子18并且利用轴承20可旋转地支撑轴12的壳体22。此外，由于转子14以外的结构要素与现有的结构相同就可以，因此省略详细说明。
图2是表示图1的电动机10的转子14的图。图2的转子14是埋入永久磁铁的IPM结构的转子，具有：层叠环状的电磁钢板24而成的转子铁心26；埋入到转子铁心26中的多个永久磁铁28；以及从旋转轴方向两侧夹持电磁钢板24的两个端板30。各个永久磁铁28例如为大致板状的钕磁铁，优选为相互同一形状，如图2所示在旋转轴方向上排列而配置，更详细而言使各个端面相对而构成为在转子的旋转轴方向上长的平板状，并且插入到设置于转子铁心 26上的向旋转轴方向延伸的磁铁插入孔即槽32内。永久磁铁28的各个主表面34及36利用温度硬化型的粘接剂（浸渍剂）38粘接在槽32的内表面上。另外，各个永久磁铁28不相互接触，在其端面之间配置可变形的插入部件40。
插入部件40为可弹性变形或塑性变形的部件，在转子的旋转轴方向上的插入部件40的厚度设定如下：在制造转子时的温度范围内，粘接在转子铁心26上的邻接的永久磁铁28在电动机的使用温度的下限温度不相互接触。对这些内容在后面叙述。
图3～图6是表示上述插入部件40的各种具体例子的图。首先，图3表示插入部件为橡胶或树脂等可弹性变形或塑性变形的片状部件40a的情况，片状部件40a利用粘接剂等粘贴于永久磁铁28的旋转轴方向端面上，并作为插入部件起作用。
图4表示插入部件为在硬化之后具有如橡胶的弹性的液态树脂40b的情况，液态树脂40b利用刮刀42等涂敷于永久磁铁28的旋转轴方向端面上，通过之后硬化，作为插入部件起作用。
图5表示插入部件为由如发泡苯乙烯之类的弹性变形或塑性变形的材料构成的颗粒40c的情况，颗粒40c利用粘接剂等粘贴于永久磁铁28的旋转轴方向端面上，并作为插入部件起作用。
图6表示插入部件为将树脂板或金属板等形成为波纹板状而使其具有弹性的波纹板状部件40d的情况，波纹板状部件40d利用粘接剂等粘贴于永久磁铁28的旋转轴方向端面上，并作为插入部件起作用。
另外，作为插入部件，除了图3～图6所示以外，还可以使用例如熔点比较低但比粘接剂的硬化温度高（在其熔点温度下电动机不受坏影响）的树脂或金属（例如锡（熔点232℃）或者低熔点金属（熔点138℃，铋锡铅镉合金）。即，在使用以比粘接剂（浸渍剂）的硬化温度高的温度熔化的部件的情况下，在使粘接剂加热硬化的工序中，通过在使粘接剂硬化之后再提高温度而使插入部件熔化，并使其从永久磁铁之间流出，从而能够在磁铁之间设置适当的空间。
以下，对于图2所示的IPM结构的转子的制造方法，参照图7及图8进行说明。首先，在图7的例子中，预先在永久磁铁28的旋转轴方向端面上粘接或涂敷插入部件40，将其永久磁铁28依次插入（在图示例中对一个槽32 插入5张）到设置于电磁钢板24的层叠体上的槽32内。然后，通过使加热硬化型的粘接剂浸渍于槽32的内表面与永久磁铁28的主表面之间，并将转子铁心26加热至该粘接剂的硬化温度或其以上，从而将永久磁铁28粘接固定于转子铁心26上。
在图8的例子中，不像如图7那样预先在永久磁铁28的旋转轴方向端面上粘接或涂敷插入部件40，而是将永久磁铁28和插入部件40交替插入到槽32内。此时，不需要粘接永久磁铁28和插入部件40。之后，通过使加热硬化型的粘接剂浸渍于槽32的内表面与永久磁铁28的主表面之间，并将转子铁心26加热至该粘接剂的硬化温度或其以上，从而将永久磁铁28粘接固定于转子铁心26上，这一点与图7的例子相同。
以下，对配置于永久磁铁28之间的插入部件40的作用，参照图9进行说明。图9的（a）部分表示浸渍于槽32的内表面与永久磁铁28的主表面之间的粘接剂38硬化之前（一般为常温）的转子铁心26的一部分。在从图9的（a）部分的状态，转子铁心26（至少粘接剂38周边）的温度上升至粘接剂38的硬化温度的情况下，如图9的（b）部分所示，由于线膨胀系数比较高（例如12×10-6/K）的电磁钢板24主要向转子铁心26的旋转轴方向（左右方向）膨胀，并且永久磁铁28的向轴向的线膨胀系数比电磁钢板24非常低（在钕磁铁的情况下为－0.5×10-6/K），因此在轴向上尺寸几乎不变，在该状态下，粘接剂38硬化而粘接永久磁铁28和电磁钢板24。
其次，在转子铁心26的温度下降至电动机的使用温度的下限的情况下，电磁钢板24主要向旋转轴方向收缩，而永久磁铁28的尺寸几乎不变，且永久磁铁28粘接固定于电磁钢板24上，因此如图9的（c）部分所示，永久磁铁28之间的轴向距离变小，更具体而言，邻接的永久磁铁28的端面之间的距离变小。但是，由于如上所述在永久磁铁28的端面之间配置有可变形的插入部件40，因此通过插入部件40向轴向压缩变形，吸收转子铁心26的形变，不产生如在图1中说明的不良情况。此外，插入部件40的厚度设定为，如图9的（c）部分所示，即使在使用温度的下限邻接的永久磁铁28也不相互接触的厚度。
此外，电磁钢板24通过温度变化，尺寸还在转子的径向上（图9的上下方向）发生变化，但由于永久磁铁28在其磁化方向（易磁化轴向）、即转子的旋 转轴方向上具有比较高的线膨胀系数（例如在钕磁铁的情况下为6.5×10-6/K），因此在转子径向上的温度形变不成问题。
图10是表示作为本发明的电动机的转子的另一个方式，永久磁铁安装于表面上的SPM结构的转子114的图。转子114具有：层叠环状的电磁钢板124而成的转子铁心126；粘接在转子铁心126的表面上的多个永久磁铁128；以及从旋转轴方向两侧夹持电磁钢板124的两个端板130。各个永久磁铁128例如为大致板状的钕磁铁，优选为相互同一形状，如图10所示，在旋转轴方向上排列而配置，更详细而言使各个端面相对而构成为在转子的旋转轴方向上长的弯曲的板状，并且粘接固定于转子铁心126的外周侧面。更详细而言，永久磁铁128的各个主表面134及136之中凹侧的面136利用温度硬化型的粘接剂138粘接在转子铁心126的大致圆筒状的侧面上。另外，各个永久磁铁128不相互接触，在其端面之间配置可变形的插入部件140。
此外，在向转子铁心126的外表面粘接永久磁铁128时，既可以如图10的128a所示，通过插入部件140连接多个永久磁铁128并将其粘接在转子铁心126上，也可以在各永久磁铁128的一端安装插入部件140并将其依次粘接在转子铁心126上。
由于插入部件140与对IPM结构的转子说明的插入部件40相同即可，并且其作用效果也相同，因此省略详细说明。如此，本申请发明相对于将永久磁铁埋入到转子铁心中的类型（IPM）及粘接固定于转子铁心的外表面上的类型（SPM）中任何一个，都能够适当应用。
此外，在本实施方式中说明了永久磁铁为钕磁铁的例子，但本申请发明不限于此，例如永久磁铁还可以为铁氧体磁铁。本申请发明可适用于永久磁铁与电磁钢板（铁）的旋转轴方向的线膨胀系数不同的情况。
根据本发明，由于即使转子的温度从粘接永久磁铁时的温度下降，从而在电磁钢板与磁铁之间产生轴向长度的差异，其差异也通过配置于永久磁铁之间的插入部件的变形而吸收，因此能够防止转子的损伤等不良情况。
由于不需要如以往那样在排列的磁铁之间设置间隙，即使在SPM结构中也将磁铁在转子表面在轴向上排列而粘接，因此不需要故意隔开间隙。另外，不 需要使用特殊的粘接剂，并且在粘接时，粘接永久磁铁和转子铁心就可以，不需要粘接永久磁铁之间。从而，粘接剂不露出，也不需要擦拭露出的粘接剂。
由于在至少在直至粘接硬化的期间，在排列的磁铁之间存在部件的情况下，在制造工序中部件从磁铁之间消失，因此磁铁之间形成空间。由此，即使转子在轴向上长，形变应力也不会积存，不发生转子的弯曲。另外，还能够防止磁铁的裂开和粘接剂的裂开。

Claims (7)

1.一种电动机(10)，具有定子(18)、及构成为能够相对于该定子旋转的转子(14)，其特征在于，
上述转子(14)具有：
层叠电磁钢板(24)而成的转子铁心(26)；
在上述转子(14)的旋转轴方向上排列而配置，且利用粘接剂粘接固定于上述电磁钢板(24)上的多个永久磁铁(28)；以及
配置于在上述旋转轴方向上邻接的永久磁铁(28)之间的插入部件(40)，
上述插入部件(40)的上述旋转轴方向的厚度为，在制造上述转子(14)时的温度范围内，粘接在上述转子铁心(26)上的邻接的永久磁铁(28)在上述电动机的使用温度的下限不相互接触的厚度，
上述插入部件(40)为弹性变形或塑性变形的部件。
2.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，
上述永久磁铁(28)粘接固定于设置在上述转子铁心(26)的、向旋转轴方向延伸的磁铁插入孔(32)内。
3.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，
上述永久磁铁(28)粘接固定于上述转子铁心(26)的表面上。
4.一种电动机(10)的制造方法，上述电动机具有定子(18)、及构成为能够相对于该定子旋转的转子(14)，上述电动机的制造方法的特征在于，包括：
层叠电磁钢板(24)而形成转子铁心(26)的步骤；
将多个永久磁铁(28)在上述转子(14)的旋转轴方向上排列而配置，且利用粘接剂固定于上述电磁钢板(24)上的步骤；以及
在上述旋转轴方向上邻接的永久磁铁(28)之间配置插入部件(40)的步骤，
上述插入部件(40)的上述旋转轴方向的厚度为，在制造上述转子(14)时的温度范围内，粘接在上述转子铁心(26)上的邻接的永久磁铁(28)在上述电动机的使用温度的下限不相互接触的厚度，上述插入部件(40)为弹性变形或塑性变形的部件。
5.根据权利要求4所述的电动机的制造方法，其特征在于，
还包括如下步骤：在使上述粘接剂硬化之后进一步加热上述转子(14)，使上述插入部件(40)熔化并从上述邻接的永久磁铁(28)之间流出。
6.根据权利要求4或5所述的电动机的制造方法，其特征在于，
包括将上述永久磁铁(28)及上述插入部件(40)交替地插入到形成于上述转子铁心(26)上的磁铁插入孔(32)中的步骤。
7.根据权利要求4或5所述的电动机的制造方法，其特征在于，
包括将上述插入部件(40)预先粘接在永久磁铁(28)的上述旋转轴方向端面上的步骤。
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