CN104821674A - 永磁电动机及其磁化方法、制造方法 - Google Patents

Abstract

一种永磁电动机及其磁化方法、制造方法，增大永磁电动机的磁铁构件的表面磁通量密度。多个磁铁构件(50)排列配置在磁芯(22)的周方向上。磁铁构件(50)(i)在其中央部(52)以产生与磁芯(22)的侧面大致垂直的第1方向(Y轴正方向)的磁场的取向被磁化，(ii)在其两端部(54、56)以不产生第1方向(Y轴正方向)的磁场的取向被磁化。

Description

永磁电动机及其磁化方法、制造方法

技术领域

本发明涉及一种永磁电动机，尤其是涉及对设置在转子上的磁铁进行磁化的技术。

背景技术

作为工业设备等的驱动力，使用感应电动机及永磁电动机。永磁电动机利用设置在转子上的永久磁铁所产生的磁力，因此不存在像感应电动机那样因设置在转子上的线圈中流过的电流引起的损失，容易提高效率。此外，永磁电动机通过使用包含钕等稀土元素的磁力强的磁铁，能够实现高输出且小型的电动机。

一般情况下，转子的磁芯使用铁等磁性材料，因此在转子上安装被磁化的永久磁铁时，由于作用于磁芯与永久磁铁之间的磁力，存在难以安装的情况。因此，进行将未磁化的磁铁安装在磁芯上之后对磁铁进行磁化的所谓后磁化。作为后磁化方法，有使用专用的磁化磁轭的情况、以及使用定子(Stator)来进行磁化的情况(例如，参照专利文献1～3)。

专利文献1：日本特开2003-243749号公报

专利文献2：日本特开2010-258181号公报

专利文献3：日本特开2009-124852号公报

专利文献3：日本特开2005-124852号公报

以往，成为永久磁铁的各磁铁构件被磁化为其整体上产生实质上同一方向的磁场(专利文献2、3)。从简易地进行磁化的方面考虑，以往的磁化方式是有利的。然而，本发明人进行分析的结果认识到，从改善电动机的输出特性方面不可欠缺的表面磁通量密度的增大的观点考虑，以往的磁化方式不一定是最佳的。

发明内容

本发明是鉴于以上课题而做出的，其一个方式的例示性目的之一为，增大永磁电动机的磁铁构件的表面磁通量密度。

本发明的一个方式涉及一种具备转子的永磁电动机。转子具备环状的磁芯、以及在磁芯的周方向上排列配置的多个磁铁构件。磁铁构件(i)在其中央部以与磁芯的侧面大致垂直的第1方向的取向被磁化，(ii)在其两端部以不包含第1方向的取向被磁化。

本发明的另一个方式也涉及具备转子的永磁电动机。转子具备环状的磁芯、以及在磁芯的周方向上排列配置的多个磁铁构件。磁铁构件(i)在其中央部以包含与磁芯的侧面大致垂直的第1方向的取向被磁化，(ii-a)在其第1端部以与第1方向相反的第2方向与朝向中央部的第3方向之间的取向被磁化，(ii-b)在其第2端部以第2方向与朝向中央部的第4方向之间的取向被磁化。

根据上述方式，与将磁铁构件整体磁化为实质上同一方向的情况相比，两端部的表面磁通量密度下降，取而代之能够提高中央部的表面磁通量密度。本发明人进行分析的结果认识到，中央部分的磁场与两端部的磁场相比，对电动机的力矩或效率的贡献更大。因此，根据该永磁电动机，能够提高电动机的效率，并且/或能够提高力矩。或者，能够减小得到相同效率/力矩所需的磁铁构件的体积，因此能够实现电动机的小型化及低成本化。

本发明的另一个方式涉及在永磁电动机的转子的环状的磁芯的侧面所安装的磁铁构件的磁化方法。磁化方法包括以下步骤：以与安装磁铁构件的磁芯的侧面大致垂直的第1方向的取向，对磁铁构件的中央部进行磁化；以从与第1方向相反的第2方向到朝向中央部的第3方向之间的取向，对磁铁构件的第1端部进行磁化；以及以从第2方向到朝向中央部的第4方向之间的取向，对磁铁构件的第2端部进行磁化。

根据该方式，能够提高电动机的效率，并且/或能够提高力矩。或者能够减小得到相同的效率/力矩所需的磁铁构件的体积，因此能够实现电动机的小型化、低成本化。另外，对中央部、第1端部、第2端部进行磁化的步骤还可以分别执行，也可以同时执行一部分或全部。

另外，将以上构成要素的任意组合及本发明的构成要素及表现在方法、装置、系统等之间相互置换的情况下，作为本发明的方式也是有效的。

根据本发明的某一方式，能够增大永磁电动机的磁铁构件的表面磁通量密度。

附图说明

图1是表示实施方式的永磁电动机的结构的截面图。

图2(a)、(b)是转子的立体图。

图3(a)、(b)是示意地表示磁铁构件的磁化方向及产生磁场的图。

图4(a)～(c)是示意地表示磁铁构件的磁化方向及产生磁场的图。

图5是表示图3(a)、(b)及图4(a)、(c)所示的磁铁构件所产生的Y方向的表面磁通量密度By的计算结果的图。

图6是表示中央部、第1端部、第2端部各自的取向方向的范围的图。

图7(a)、(b)是表示对磁铁构件进行前磁化的磁化装置的图。

图8(a)、(b)是表示对磁铁构件进行后磁化的磁化装置的图。

符号说明

10…定子

12…定子磁轭

14…齿

18…马达线圈

20…转子

22…磁芯

24…外周面

26…磁铁插入部

28…旋转轴

40…贯通孔

42…槽部

46…突起部

50…磁铁构件

52…中央部

54…第1端部

56…第2端部

200、300…磁化装置

302…磁化专用磁轭

304…线圈

306…齿

100…永磁电动机

具体实施方式

以下，根据优选的实施方式，参照附图说明本发明。对各图中所图示的同一或同等的构成要素、构件、处理标以同一符号，并适当省略重复说明。此外，实施方式不限定发明，仅是示例，实施方式中所说明的所有的特征及其组合不一定是发明的本质。

图1是表示实施方式的永磁电动机100的结构的截面图。永磁电动机100具备定子(Stator)10和转子(Rotor)20。在本实施方式中，说明16极18槽的电动机。

定子10具备定子磁轭(以下还简称为磁轭)12，多个齿14及多个马达线圈18。18槽的电动机具备18个齿14。在磁轭12的内侧，设置有在从磁轭12的外周朝向中心的方向上突起的多个齿14。马达线圈18设置在各齿14上，集中卷绕在对应的齿14上。磁轭12及齿14构成在定子10的内部产生的旋转磁场的磁路，例如使用含铁的材料。

图2(a)、(b)是转子20的立体图。在磁芯22上安装旋转轴28。转子20具备环状的磁芯22及多个磁铁构件50。磁芯22具有圆筒或圆柱形状。磁铁构件50是施加外部磁场来磁化从而成为永久磁铁的构件，具有截面形状为大致梯形或矩形的柱形状。多个磁铁构件50沿着磁芯22的外周(外侧面)24在周方向上排列配置。具体地说，在外周面24上形成有多个磁铁插入部26。磁铁插入部26是与磁铁构件50的位置及形状对应地形成的槽，磁铁构件50在嵌入磁铁插入部26中的状态下相对于磁芯22被固定。如后文所述，磁铁构件50的磁化既可以在将磁铁构件50插入磁铁插入部26之前进行(前磁化)，也可以在插入到磁铁插入部26的状态下进行(后磁化)。

永磁电动机100通过在马达线圈18中流过电流来产生旋转磁场，使安装有多个磁铁构件50的转子20旋转。

以上是永磁电动机100的整体结构。接着，说明磁铁构件50。图3(a)、(b)及图4(a)～(c)是示意地表示磁铁构件50的磁化方向及产生磁场的图。在此，例示N极的永久磁铁，对于S极可以理解为与N极相反地磁化磁铁构件50、中央部52、第1端部54。

首先，参照图3(a)、(b)表示现有的磁铁构件的磁化方向。图3(a)、(b)的磁铁构件50在磁铁构件50的宽度方向(图中，X轴方向)整体上以产生与转子20的磁芯22的外周面24垂直的方向(第1方向，图中Y轴方向)的磁场的取向被磁化。具体地说，在图3(a)中，在中央部52、第1端部54、第2端部56上全部成为取向方向(X,Y)＝(0,1)。在图3(b)中，在中央部52，成为取向方向(X,Y)＝(0,1)，成为第1端部54的取向方向(X,Y)＝(1,1)、第2端部56的取向方向(X,Y)＝(-1,1)。

接着，参照图4(a)～(c)说明实施方式的磁铁构件50的磁化。图4(a)～(c)的磁铁构件50在中央部52以与磁芯22的外周垂直的第1方向(Y轴正方向)的取向被磁化的方面与图3(a)、(b)相同。而图4(a)～(c)的磁铁构件50在其两端部54、56被磁化为在第1方向(Y轴正方向)上不产生磁场，换言之被磁化为两端部54、56的内部的磁场不含Y轴正方向的成分。关于取向方向的Y成分，Y≤0成立。

具体地说，在图4(a)中，在中央部52，成为取向方向(X,Y)＝(0,1)，在第1端部54，成为取向方向(X,Y)＝(1,0)，在第2端部56，成为取向方向(X,Y)＝(-1,0)。

在图4(c)中，成为取向方向(X,Y)＝(0,1)，在第1端部54及第2端部56，成为取向方向(X,Y)＝(0,-1)。

图4(b)是图4(a)和图4(c)的中间取向，在第1端部54，成为取向方向(X,Y)＝(1,-1)，在第2端部56，成为取向方向(X,Y)＝(-1,-1)。在图4(a)～(c)的任何情况下，都优选磁铁构件50在宽度方向上对称地磁化。

另外，在图4(a)～(c)中，中央部52、第1端部54、第2端部56没有在物理上分离，希望注意到将单个磁铁构件50的磁化的取向不同的部位假想地、方便地区别开来称呼。进一步说明的话，希望注意到在通过后述的磁化技术实际上被磁化的磁铁构件50中，在中央部52、第1端部54、第2端部56中磁化的取向连续地变化。在这种情况下，在中央部52与第1端部54的边界、中央部52与第2端部56的边界，具有中间取向方向。

图5是表示图3(a)、(b)及图4(a)、(c)所示的磁铁构件50所产生的Y方向的表面磁通量密度By的计算结果的图。表面磁通量密度By为与外周面24相距1mm的部位处的磁通量。将磁铁构件50的宽度方向的长度设为25mm，将厚度设为10mm。此外，将第1端部54、中央部52、第2端部56各自的宽度设为5mm、15mm、5mm来进行计算。图5的(i)～(iv)分别是图3(a)、图3(b)、图4(a)、图4(c)的磁铁构件50所产生的磁通量密度。

图5的(iii)及(iv)的磁通量密度在中央区域ΔX(X＝8～17mm)大于图5的(i)及(ii)的磁通量密度。即，通过以与图5的(iii)及(iv)分别对应的图4(a)、(c)的取向来对磁铁构件50进行磁化，与图3(a)、(b)的取向相比，能够提高中央区域的磁通量密度。虽然在图5中没有图示，但是在以图4(b)的取向来对磁铁构件50进行了磁化的情况下，具有图5的(iii)与(iv)之间的特性，在这种情况下也能与图3(a)、(b)的取向相比，提高中央区域的磁通量密度。

将中央部52的磁场的方向定义为第1方向D1，将与其相反的方向定义为第2方向D2，将与第1方向D1垂直且从第1端部54朝向中央部52的方向定义为第3方向D3，将与第1方向D1垂直且从第2端部56朝向中央部52的方向定义为第4方向D4。此时，可以理解为，磁铁构件50(ii-a)在其第1端部54，被磁化为产生第2方向D2与第3方向D3之间的磁场，(ii-b)在其第2端部56，被磁化为产生第2方向D2与第4方向D4之间的磁场。图6是表示中央部52、第1端部54、第2端部56各自中的取向方向的范围的图。

在图5中，中央部分ΔX(9mm)相当于磁铁构件50的宽度(25mm)的36％。要求高表面磁通量密度的中央部分ΔX的最佳值还依赖于极数、槽数、齿的形状等。中央部52、第1端部54、第2端部56各自的取向被设定为在中央部分ΔX能够得到高表面磁通量密度。

以上是永磁电动机100的结构。

接着说明其优点。本发明人进行分析的结果认识到中央部分ΔX的磁场与其他部分的磁场相比，对电动机的力矩或效率的贡献更大。

根据该认识，若中央区域的磁通量密度大，则即使其两端附近的磁通量密度小，或方向相反，从磁铁构件50整体及永磁电动机100整体上考虑时也能够得到高性能。即，根据具有实施方式的磁铁构件50的永磁电动机100，能够提高电动机的效率，并且/或者能够提高力矩。或者，能够减小得到相同效率/力矩所需的磁铁构件50的体积，因此能够实现电动机的小型化、低成本化。

即，根据实施方式的永磁电动机100，不是像以往那样关注于将磁铁构件50整体磁化为同一方向，而是积极地使磁铁构件50的两端部54、56的磁场的方向不同于中央部52的磁场的方向，从而能够提高永磁电动机100的性能。

接着，说明磁铁构件50的磁化方法及永磁电动机100的制造方法。

首先，说明在将磁铁构件50安装在转子20之前对磁铁构件50进行磁化的前磁化。

图7(a)、(b)是表示对磁铁构件50进行前磁化的磁化装置200的图。磁化装置200具备磁轭202及磁化线圈204。磁轭202的截面形状根据磁铁构件50的磁化的取向方向来设计。磁轭202至少具有一个齿206，在各齿206上卷绕磁化线圈204。通过在磁化线圈204上流过电流来产生的磁场，磁铁构件50被磁化。

例如，在使用图7(a)的磁轭202的情况下，能够以图4(a)的取向方向对磁铁构件50进行磁化，在使用图7(b)的磁轭202的情况下，能够以图4(c)的取向方向对磁铁构件50进行磁化。将被磁化的磁铁构件50如图2所示插入到磁芯22的磁铁插入部26，从而形成转子20。

磁轭202的截面形状不限定于图7(a)、(b)的形状，根据磁铁构件50的截面形状及目标磁化状态来设计即可。

接着说明将磁铁构件50安装到转子20的状态下对磁铁构件50进行磁化的后磁化。

图8(a)、(b)是表示对磁铁构件50进行后磁化的磁化装置300的图。图8(a)的磁化装置300a是图1的定子10。

在使用该磁化装置300a的情况下，首先在磁芯22上安装磁化前的磁铁构件50来形成转子20。接着，将转子20插入到定子10的内侧。在该状态下，一边改变转子20与定子10的相对位置，一边对至少一个马达线圈18流过预定量的电流。通过在该状态下由定子10产生的磁场，对磁铁构件50的中央部52、第1端部54、第2端部56进行磁化。

在通过磁化装置300a进行磁化时，难以对所有的磁铁构件50同时进行磁化，因此1个～3个左右的磁铁构件50被选择为磁化对象。并且，不是对所有的槽，而是对磁化对象的磁铁构件50附近的槽的马达线圈18供给电流，从而对磁化对象的磁铁构件50进行磁化。若当前的磁化对象的磁铁构件50的磁化完成，则选择下一个磁化对象，并将该工序反复进行到最后。

图8(b)的磁化装置300b具备与图1的定子10分别设计的磁化专用磁轭302。磁化专用磁轭302的槽数(齿306的个数)及齿306的形状与定子10的槽数及齿14的形状无关，可以根据所希望的磁化状态来任意设定。

在使用该磁化装置300b的情况下，首先在磁芯22上安装磁化前的磁铁构件50来形成转子20。接着，将转子20插入到磁化装置300b的内侧。在该状态下，一边改变转子20与磁化装置300b的相对位置，一边对至少一个磁化线圈304流过预定量的电流。通过在该状态下由磁化装置300b产生的磁场，对磁铁构件50的中央部52、第1端部54、第2端部56进行磁化。基于磁化装置300b的磁化方法基本上与使用磁化装置300a的情况相同。

如上所述，在磁化装置300b中，与定子10不同，能够根据磁铁构件50的目标取向状态来设计磁化专用磁轭302，因此能够缩短磁化所需的时间。

以上，说明了磁铁构件50的磁化装置及磁化方法。关于永磁电动机100的制造，除了磁化处理以外，可以与一般永磁电动机100的制造方法相同，因此省略说明。

以上，根据实施方式说明了本发明。这些实施方式仅是示例，本领域技术人员明白能够在它们的各构成要素及各处理工序的组合上实现各种变形例，这些变形例也属于本发明的范围内。以下，说明这种变形例。

(变形例1)

在实施方式中说明了16极18槽的永磁电动机100，但是在本发明中并不限定极数量及槽数量。

(变形例2)

在上述的实施方式中，例示了将磁铁构件50沿着转子20的外周面24安装的表面磁铁型(SPM：Surface Permanent Magnet)马达的情况，但是对将磁铁构件50埋入在转子20的内侧的埋入磁铁型(IPM：Interior PermanentMagnet)马达也能够适用上述技术。

(变形例3)

另外，实施方式的永磁电动机100的用途没有特别限定，例如能够适用于注射成型机等。

Claims (9)

1.一种永磁电动机，具备转子，其特征在于，

上述转子具备：

环状的磁芯；和

多个磁铁构件，在上述磁芯的周方向上排列配置，

上述磁铁构件(i)在其中央部以包含与上述磁芯的侧面大致垂直的第1方向的取向被磁化，(ii)在其两端部以不包含上述第1方向的取向被磁化。

2.一种永磁电动机，具备转子，其特征在于，

上述转子具备：

环状的磁芯；和

多个磁铁构件，在上述磁芯的周方向上排列配置，

上述磁铁构件(i)在其中央部以包含与上述磁芯的侧面大致垂直的第1方向的取向被磁化，(ii-a)在其第1端部以与上述第1方向相反的第2方向与朝向上述中央部的第3方向之间的取向被磁化，(ii-b)在其第2端部以上述第2方向与朝向上述中央部的第4方向之间的取向被磁化。

3.根据权利要求2所述的永磁电动机，其特征在于，

上述中央部被设置为上述第1端部、上述中央部、上述第2端部的宽度为大致1:3:1。

4.根据权利要求1或2所述的永磁电动机，其特征在于，

上述中央部为上述磁铁构件的大致60％。

5.一种磁铁构件的磁化方法，该磁铁构件安装在永磁电动机的转子的环状的磁芯的侧面上，该磁铁构件的磁化方法的特征在于，包括以下步骤：

以与安装上述磁铁构件的磁芯的侧面大致垂直的第1方向的取向，对上述磁铁构件的中央部进行磁化；

以从与上述第1方向相反的第2方向到朝向上述中央部的第3方向之间的取向，对上述磁铁构件的第1端部进行磁化；以及

以从上述第2方向到朝向上述中央部的第4方向之间的取向，对上述磁铁构件的第2端部进行磁化。

6.根据权利要求5所述的磁化方法，其特征在于，还包括以下步骤：

在上述磁芯上安装磁化前的上述磁铁构件来形成上述转子；和

将上述转子插入到定子的内侧，

一边改变上述转子与上述定子的相对位置，一边通过由上述定子产生的磁场对上述中央部、上述第1端部、上述第2端部进行磁化。

7.根据权利要求5所述的磁化方法，其特征在于，还包括以下步骤：

在上述磁芯上安装磁化前的上述磁铁构件来形成上述转子；和

将上述转子插入到磁化专用的磁轭的内侧，

一边改变上述转子与上述磁轭的相对位置，一边通过由上述磁轭及卷绕在上述磁轭上的线圈产生的磁场对上述中央部、上述第1端部、上述第2端部进行磁化。

8.根据权利要求5所述的磁化方法，其特征在于，

上述磁铁构件在安装到上述磁芯上之前，通过专用的磁化装置被磁化。

9.一种永磁电动机的制造方法，其特征在于，

包括权利要求5至8中任一项所述的磁化方法。