CN103534900A - 永磁铁型旋转电机及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供永磁铁型旋转电机，对转子（1）的磁极结构进行海尔贝克配置，并由稀土类磁铁构成径向磁化的主磁铁（3），由铁素体磁铁构成周向磁化的辅助磁铁（4），并且通过在主磁铁与上述辅助磁铁之间设置间隙，不使旋转电机的输出转矩降低地削减稀土类磁铁的使用量。

Description

永磁铁型旋转电机及其制造方法

技术领域

本发明涉及使用永磁铁的永磁铁型旋转电机及其制造方法。

背景技术

在使用永磁铁的旋转电机中，为了使旋转电机小型化、高输出化、高效率化，转子的磁铁使用以钕系烧结磁铁为代表的具有强磁力的稀土类磁铁。

此外，专利文献1公开了为了增加流向定子的磁通量而对转子上的磁铁进行海尔贝克（Halbach）配置的旋转电机的例子。该专利文献1公开的旋转电机由主磁铁、辅助磁铁构成转子上的磁极，形成为交替地配置磁化方向为径向的主磁铁和磁化方向为周向的辅助磁铁的结构，为了增加磁通量，使辅助磁铁的固定体侧的面的周向宽度Ws与该辅助磁铁的径向厚度t的关系成为0＜Ws＜1.5t。

此外，在专利文献2中也公开了具有海尔贝克配置的转子的旋转电机，在这里，公开了通过使辅助磁铁的径向尺寸比主磁铁短，从而无需转子的精加工并提高组装性的例子。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007－14110号公报

专利文献2：日本特开2005－45984号公报

发明内容

发明的概要

发明要解决的课题

通过转子使用钕系烧结磁铁，可谋求旋转电机的小型化、高输出化、高效率化。另外，为了有效地应用磁力，采用对钕系烧结磁铁进行海尔贝克配置的结构，在所使用的有代表性的钕系烧结磁铁中，含有钕为27～28wt％、镝为1～5wt％。由于这些稀土类原料在地球上蕴藏量、生产地区都是有限的，所以成本高，产量有极限，供给量变得不稳定。因此，在使用于进行大量生产的旋转电机的情况下，存在旋转电机的成本提高，生产量受限等问题。

此外，在如专利文献1、2所示那样的、以往的海尔贝克配置的转子中，为了按照设计组装磁铁，需要对磁铁形状的精加工尺寸进行高精度地管理。

精加工通过研削加工进行，为了高精度地进行精加工，存在加工时间变长等问题。此外，需要对用于磁铁的防锈而所必需的表面处理的厚度进行严格的管理，存在制作上花费时间这样的课题。

此外，钕系烧结磁铁容易破裂，在组装按照设计尺寸制作的磁铁时，由于磁铁彼此接触，存在产生破裂、缺损这样的问题。

本发明是为了解决如上述那样的课题而提出的，其目的在于，提供一种不降低旋转电机的输出转矩，能够减少主磁铁的使用重量，能够降低高价且在调配性方面存在问题的钕系烧结磁铁的使用量的永磁铁型旋转电机及其制造方法。

其目的还在于，提供一种能够缩短磁铁的加工时间，转子的组装也变得容易，还能够缩短组装时间，并且能够降低组装时磁铁破裂、缺损的永磁铁型旋转电机及其制造方法。

为了解决课题的手段

本发明的永磁铁型旋转电机具备由铁心和绕线构成的定子、和构成多个磁极的磁铁被配置在转子芯的外周面的转子，其中，上述转子的磁极由径向磁化的主磁铁和周向磁化的辅助磁铁构成，并且在上述主磁铁与上述辅助磁铁之间设有间隙。

此外，上述主磁铁由稀土类烧结磁铁构成，上述辅助磁铁由铁素体磁铁构成。

此外，本发明的永磁铁型旋转电机的制造方法是由径向磁化的主磁铁和周向磁化的辅助磁铁构成转子的磁极，并且在上述主磁铁和上述辅助磁铁之间设置间隙的永磁铁型旋转电机的制造方法，其中，包含以下的工序：在转子芯上安装上述主磁铁，并对该主磁铁磁化后，将磁化了的辅助磁铁安装到上述转子芯。

发明的效果

根据本发明，能够获得一种不降低旋转电机的输出转矩，能够减少主磁铁的使用重量，能够降低高价且在调配性方面存在问题的钕系烧结磁铁的使用量的永磁铁型旋转电机及其制造方法。

此外，根据本发明，由于能够增大使用的磁铁的尺寸公差，所以能够获得能够缩短磁铁的加工时间，转子的组装也变得容易，能够缩短组装时间，并且能够降低组装时的磁铁的破裂、缺损的永磁铁型旋转电机及其制造方法。

上述的以及其它的、本发明的目的、特征、效果，通过以下的实施方式的详细的说明和附图的记载会更加清楚。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的永磁铁型旋转电机的结构的概略剖视图。

图2是本发明的实施方式1的永磁铁型旋转电机的磁通的流动的说明图。

图3是本发明的实施方式1的永磁铁型旋转电机的磁通的流动的说明图。

图4是表示本发明的实施方式2的转子的结构的概略剖视图。

图5是表示本发明的实施方式2的转子的结构的概略剖视图。

图6是本发明的实施方式3的转子的结构和磁通的流动的说明图。

图7是表示本发明的实施方式3的其它的转子的结构的概略剖视图。

图8是本发明的实施方式3的转子的组装顺序的说明图。

图9是在将主磁铁和辅助磁铁固定后对转子磁铁进行磁化的情况下的磁化的状态的说明图。

图10是本发明的制造方法中的转子磁铁的磁化的状态的说明图。

图11是表示本发明的实施方式4的转子的结构的概略剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。另外，各图中，相同附图标记表示相同或相当部分。

实施方式1

图1是表示本发明的实施方式1的永磁铁型旋转电机的结构的概略剖视图，图2、图3是磁通的流动的说明图。

在图1中，转子1由转子芯2、安装在该转子芯2的外周的主磁铁3、和辅助磁铁4构成。磁铁内的箭头标记是磁铁的磁化的方向。

主磁铁3的磁化方向朝向径向，辅助磁铁4的磁化方向朝向周向。主磁铁3的极性交替地反转。辅助磁铁4的极性为，N极的主磁铁侧是N极，S极的主磁铁侧是S极。主磁铁3由钕系烧结磁铁构成，辅助磁铁4由铁素体磁铁构成。此外，主磁铁3和辅助磁铁4在彼此之间设置间隔地被固定。

附图标记5是定子，由定子芯6和定子线圈7构成。

利用磁铁的磁力，磁通按照转子1→定子5→转子1流动。通过流入该定子5的磁通量与流过定子线圈7的线圈电流的互相作用，产生旋转转矩。输出转矩与流入定子5的磁通量和线圈电流的积成正比。

在线圈电流为恒定的条件下，若使用强磁铁，则能够增加磁通量，可谋求输出转矩提高。另一方面，在输出转矩恒定的条件下，若使用强磁铁，则能够减少线圈电流，能够降低由定子线圈的7的电阻消耗的损失，可谋求旋转电机的效率的提高。此外，在输出转矩、线圈电流为恒定的条件下，通过使用强磁铁，能够使磁铁小型化，并能够使旋转电机小型化。

从磁铁出来的磁通不全部到达定子，有从转子上的磁铁流到相邻的磁铁的磁通。（在与相邻的磁铁接近的磁铁端部产生。）这些磁通无助于旋转电机的输出。

在主磁铁3和主磁铁3之间插入辅助磁铁4时，由于在妨碍其返回磁通的方向上产生磁力，所以主磁铁端部的磁通不返回转子芯2而到达定子5，所以能够增加流入定子5的磁通量，能够有效地使用主磁铁3的磁力。即，具有能够进一步强化磁铁的效果、或者即使减少主磁铁的量也能够获得同等的输出转矩的效果。

接着，说明实施方式1的作用、效果。

由于辅助磁铁4只要具有用于使主磁铁3的磁通流向定子5的辅助的磁力即可，所以未必需要与主磁铁同等的磁力。因此在本发明中，辅助磁铁4由与主磁铁3相比磁力弱的铁素体磁铁构成。

主磁铁3的钕系烧结磁铁使用了残留磁通密度为1.2T，顽磁力为1600kA／m以上的磁铁。辅助磁铁4的铁素体磁铁使用了残留磁通密度为0.4T，顽磁力为300kA／m以上的磁铁。

此外，在这些主磁铁3和辅助磁铁4之间设置间隙。

图2是表示只有主磁铁3的情况下的磁通的流动的示意图，图3是表示主磁铁3＋辅助磁铁4的情况下的磁通的流动的示意图。

在只有主磁铁3的情况下，如图2所示那样，以虚线10表示的磁通流入定子（有效磁通），但是从主磁铁3的端部产生的虚线11的磁通不到达定子而返回到转子（无效磁通）。

在具有主磁铁3和辅助磁铁4的情况下，如图3所示那样，由于由辅助磁铁4的磁力产生的以点线12表示的磁通，从磁铁端部产生的磁通也流入定子。

在主磁铁3和辅助磁铁4之间具有间隙的情况下，辅助磁铁4的磁力的磁化方向的长度（与转子周向的磁铁宽度相当）变短，从而磁力与磁铁长度成正比地变弱。但是，若相对于磁铁宽度5mm，间隙是0.5mm以下，则磁力的降低是10％左右以下，就能够获得由辅助磁铁带来的充分的辅助效果。

利用以下的旋转电机进行效果的确认。

旋转电机是12槽、8极，转子外径是Φ40。轴向的磁铁的长度、即定子的长度是35mm。

首先，作为只有主磁铁3的情况下，主磁铁是半圆柱（かまぼこ）型且截面呈弓形的扇形磁铁。以磁铁宽度为9mm、磁铁的高度为2.6mm、磁铁的片部的高度为1.2mm，求出了旋转电机的转矩。

接着，在并用了辅助磁铁4的情况下，主磁铁3的形状是半圆柱型，磁铁宽度为8.6mm，磁铁的高度是2.3mm，磁铁的片部的高度是1.2mm。与转子芯2接触的面是平面，侧面是相对于底面为直角的面。

辅助磁铁4是截面呈梯形形状的磁铁。磁铁高度是2mm，磁铁宽度是5mm。在主磁铁3的侧面和辅助磁铁4的侧面之间空有间隔那样地决定辅助磁铁4的磁铁宽度。间距的间隔是0.3mm。各自的磁铁被固定在转子芯2上。

比较使用了这些形状的转子的情况下的输出转矩的结果如下。

（1）仅主磁铁（钕系烧结磁铁）：

钕系烧结磁铁使用量1，输出转矩1

（2）主磁铁（钕系烧结磁铁）+辅助磁铁（铁素体磁铁）：

钕系烧结磁铁使用量0.77，输出转矩1

（3）使用与上述（2）相同的主磁铁，无辅助磁铁：

钕系烧结磁铁使用量0.77，输出转矩0.971

主磁铁3使用的钕系烧结磁铁和辅助磁铁4所用的铁素体磁铁，磁铁的形状尺寸例如有±0.1mm的公差。磁铁用粘接等方法被固定在转子芯2上，但是向转子芯2固定的位置产生误差。因此，如以往例那样，为了无间隙地配置主磁铁3和辅助磁铁4，需要提高磁铁加工精度，并提高磁铁的固定的位置精度。因此，加工和组装所需的时间花费较长。

相对于此，在图1所示的实施方式1的结构中，在主磁铁3和辅助磁铁4之间设置间隙，能够降低磁铁的尺寸公差，并能够缩短磁铁的加工时间。

间隙是0.5mm。此外，能够降低将磁铁向转子芯固定时的位置精度，能够缩短组装时间。

如上所述，本发明的实施方式1的永磁铁型旋转电机是具备由铁心6和绕线7构成的定子5、和构成多个磁极的磁铁被所谓海尔贝克配置在转子芯2的外周面的转子1的永磁铁型旋转电机，将转子的磁极由径向磁化的主磁铁3和周向磁化的辅助磁铁4构成，并且在主磁铁3和辅助磁铁4之间设置间隙。

此外，主磁铁3由稀土类烧结磁铁构成，辅助磁铁4由铁素体磁铁构成。

根据这样构成的实施方式1的永磁铁型旋转电机，能够不使旋转电机的输出降低地减少钕系烧结磁铁的使用量，能够使旋转电机的供给稳定，且能够降低制造成本。

此外，由于能够增大所使用的磁铁的尺寸公差，所以能够缩短磁铁的加工时间，转子的组装也变得容易，能够缩短组装时间。

另外，在上述实施方式1中，表示了定子的槽数为12，转子的极数为8极的例子，然而本发明不限定于该极对数，当然即使是其它的极对数也能够获得同样的效果。

实施方式2

图4、图5是表示本发明的实施方式2的永磁铁型旋转电机的转子的结构的概略剖视图。在图4中，附图标记15是被配置于主磁铁3和辅助磁铁4的间隙的非磁性材料。另外，其它的构成与实施方式1相同，省略说明。

在组装图4的转子的情况下，通过粘接将主磁铁3固定在转子芯2上。辅助磁铁4在将非磁性材的树脂15放入了与主磁铁3之间后，被粘接而被固定在转子芯2上。

这样构成的实施方式2的转子由于在主磁铁3和辅助磁铁4之间填充有树脂，所以能够防止旋转电机组装时因磁铁彼此接触造成的破裂或缺损。此外，能够增强对转子芯2的固定力。

另外，实施方式2的结构也能够通过在转子芯2上一体模制成形主磁铁3和辅助磁铁4来实现。

即，将转子芯2、主磁铁3、辅助磁铁4插入到模制模具中并定位之后，通过注入模制树脂而固化，能够容易实现。

图5是通过模制一体地成形主磁铁3和辅助磁铁4的例子，在将转子芯2、主磁铁3、辅助磁铁4配置到模制模具内后，通过填充并固化模制树脂16的施工方法来制作。

根据该一体模制成形了的实施方式2的永磁铁发电机，能够使转子芯2和主磁铁3、辅助磁铁4的固定力进一步提高。

实施方式3

图6、图7表示本发明的实施方式3的永磁铁型旋转电机的转子的截面结构和磁铁产生的磁通的流动。

该实施方式3的永磁铁型旋转电机在辅助磁铁4和转子芯2之间也设置间距，作为非磁性体层的树脂15被填充在主磁铁3与辅助磁铁4之间、以及辅助磁铁4与转子芯2之间。

辅助磁铁4的磁通如以图中的虚线表示那样，在转子外周侧的路径和转子内周侧的路径流动。外周侧的路径为了加强主磁铁3的磁通而发挥作用，但是内周侧的路径成为损失。通过在内周侧设置非磁性的间距而能够增大内周侧的磁路阻力，降低内周侧的磁通而能够使流向外周侧的磁通量增加。

图6是在转子芯2的辅助磁铁4被固定的位置的转子芯2设有凹部17的结构，图7是不形成凹部的例子。

在辅助磁铁4和转子芯2的间隔比辅助磁铁4和定子芯6的间隔小的范围内能够获得效果。在上述的槽数为12、极数为8的旋转电机中，在将辅助磁铁4和转子芯2的间隙设为0.5mm的情况下，输出转矩约提高1％。

辅助磁铁4相当于转子的极间位置，成为定子线圈7产生的磁力的通路。因此，若上述的辅助磁铁4和转子芯2的间隔变得过宽，则相对于定子线圈7产生的磁力，磁阻力增大，输出降低。

接着，对于上述的实施方式3的转子的组装顺序和磁化的方法，参照图8～图10进行说明。图8是表示转子的组装顺序的图。

首先，将主磁铁3固定在转子芯2上。（参照图8（a）。）如后述那样，在该状态下将转子插入磁化轭中，并对主磁铁3进行磁化。

将预先成形的树脂15固定于辅助磁铁4，用空芯线圈等以辅助磁铁单体进行磁化。之后，将辅助磁铁插入并固定在主磁铁之间。（参照图8（b）。）

固定通过粘接等进行。在插入磁化完毕的辅助磁铁4时，与主磁铁3的排斥力、吸引力动作，但是树脂15成为缓冲材，能够防止磁铁的破裂、缺损。

在这里，关于主磁铁3的磁化，参照图9、图10的示意图来进行说明。

在转子上固定了主磁铁3和辅助磁铁4后，用磁化轭进行磁化的情况下，由于在主磁铁3的磁铁端部和辅助磁铁4的端部无法获得充分的磁化磁场强度，所以难以完全磁化。图9是将主磁铁3和辅助磁铁4固定在转子芯2后由磁化轭进行了磁化的情况的示意图。在图9中，附图标记20是磁化轭，附图标记21是芯，附图标记22是线圈。在磁化轭20的线圈22中，瞬间流动10kA左右的脉冲电流，产生以点线表示的磁通。由于该磁通的仅各自的磁铁的取向方向（与磁化的方向相同）成分有助于磁化，所以在实施有阴影的区域，有助于磁化的磁场成分变小。因此，产生流过更大的磁化电流的必要。此外，在量产方面，产生磁化轭的寿命变短这样的问题。

相对于此，如图10的磁化的示意图所示那样，在只固定主磁铁3后，将磁化轭20的线圈22的位置配置在如图10那样的位置而进行主磁铁3的磁化，此外辅助磁铁4以单体使用空芯线圈等进行磁化，由此主磁铁、辅助磁铁都能够容易地进行完全磁化。

如上所述，根据本发明的实施方式3的永磁铁型旋转电机及其制造方法，除了实施方式1的效果之外，还能够完全磁化主磁铁、辅助磁铁，能够谋求旋转电机的进一步输出的提高、效率的提高。此外，能够以较少的电流进行磁化，具有能够延长磁化轭的寿命的效果。

实施方式4

图11表示本发明的实施方式4的永磁铁型旋转电机的转子的截面结构。

在该实施方式4中，主磁铁3和辅助磁铁4的间距的间隔被构成为，转子外周侧窄且转子内周侧宽。其它的构成与实施方式1相同，省略说明。

辅助磁铁的磁通如图中的虚线所示那样，在转子外周侧的路径和转子内周侧的路径中流动。外周侧的路径为了加强主磁铁的磁通而发挥作用，但是内周侧的路径成为损失。根据该实施方式4，内周侧的磁通通过设置非磁性的间距而能够增大内周侧的磁路阻力，外周侧的磁通为了增加主磁铁的磁通而发挥作用，所以能够扩大外周侧的磁铁宽度而使主磁铁的磁通量进一步增加。通过使外周侧的间隙为0.3mm，内周侧的间隙为0.7mm，可谋求约1％的输出转矩的提高。

产业上的利用可能性

本发明较佳地用于永磁铁型同步电动机等永磁铁型旋转电机。

附图标记的说明

1转子、2转子芯、3主磁铁、4辅助磁铁、5定子、6定子芯、7定子线圈、10、11、12磁通、15树脂（非磁性体层）、16模制树脂、17凹部、20磁化轭、21芯、22线圈。

Claims (6)

1.一种永磁铁型旋转电机，具备由铁心和绕线构成的定子、和构成多个磁极的磁铁被配置在转子芯的外周面的转子，其特征在于，

上述转子的磁极由径向磁化的主磁铁和周向磁化的辅助磁铁构成，并且在上述主磁铁与上述辅助磁铁之间设有间隙。

2.根据权利要求1所述的永磁铁型旋转电机，其特征在于，

在上述主磁铁与上述辅助磁铁之间的间隙中填充有树脂。

3.根据权利要求2所述的永磁铁型旋转电机，其特征在于，

在上述辅助磁铁与上述转子芯之间设有非磁性体层。

4.根据权利要求2所述的永磁铁型旋转电机，其特征在于，

上述主磁铁与上述辅助磁铁之间的间隙形成为转子外周侧窄且内周侧宽。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的永磁铁型旋转电机，其特征在于，

上述主磁铁由稀土类烧结磁铁构成，上述辅助磁铁由铁素体磁铁构成。

6.一种权利要求1所述的永磁铁型旋转电机的制造方法，其特征在于，

包含以下的工序：在上述转子芯上安装主磁铁，并对该主磁铁磁化后，将磁化了的辅助磁铁安装到上述转子芯。

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