CN105052015B - 轴向型旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使相对于转子的大小的转矩和效率提高的轴向型旋转电机。该轴向型旋转电机包括：具有定子磁芯的定子；和沿着穿过定子的旋转轴线的轴向与定子相对的转子，转子包括：在旋转轴线的轴向与定子磁芯相对配置的永久磁铁；隔着永久磁铁与定子磁芯相对配置的磁轭；和支承磁轭的支承部件，支承部件具有突起部，该突起部以与距旋转轴线较远的一侧的永久磁铁的侧面相对的方式突出，在沿着旋转轴线的轴向投影的情况下，在永久磁铁具有永久磁铁的投影部与磁轭的投影部不重叠的第1区域，第1区域形成于永久磁铁的外径侧，第1区域形成于突起部的侧部。

Description

轴向型旋转电机

技术领域

本发明涉及可以提高相对于转子的大小的转矩和效率的转子以及使用转子的轴向型旋转电机。

背景技术

近年来，轴向型旋转电机备受关注。该旋转电机具有圆盘状的转子和定子相对配置的构造，是对旋转电机的薄型、扁平化有利的构成。另外，在该旋转电机中，也可以构成为从轴向由两个转子夹着定子的双转子型。一般的双转子型的旋转电机由定子和转子构成，其中，定子是在周向上配置多个将绕线卷绕在独立的磁芯上而形成的部件且用树脂进行了铸型，转子是将在周向上配置的多个永久磁铁与磁轭连接而成。电动机的转矩与转子和定子的相对面即间隙面积成比例，但双转子型因可以增大每体积平均间隙面积，所以对旋转电机的高输出化、高效率化有效。另外，作者等认为在以低损失为特征的非晶质金属的应用方面也是有效的构造。非晶质金属又硬又脆，所以加工难。双转子型的旋转电机通过将定子磁芯开槽，能够以大致长方体这种非常单纯的形状构成磁芯。因此，可以用简单的方法将非晶质金属加工成磁芯形状。

在轴向型旋转电机中，为了提高转矩和效率，有效的是扩大直径，以增加定子和转子相对的面积(以下，间隙面积)。但是，由此会增加作用于转子的离心力，因此需要注意。特别是在轴向型的旋转电机中，大多采取将永久磁铁设置在转子表面的表面磁铁型的构成，离心力造成的磁铁的飞散、破损成为问题。

关于轴向型旋转电机的转子构造，以下表示先行技术的一个例子。

专利文献1、专利文献2记载的转子由永久磁铁和磁轭及保持它们并将它们固定在轴上的支承部件构成。在支承部件的外径侧设有覆盖永久磁铁的外周面的突起部，提高了相对离心力的强度。这种转子构造在有关轴向型旋转电机的其它发明中也共同地看到。

现有技术文献

专利文献1:(日本)特开2009－131087号公报

专利文献2:(日本)特开2007－202363号公报

发明内容

在以专利文献1、专利文献2为代表说明的一般的轴向型旋转电机的转子构造中，如果要提高相对(应对)离心力的强度，则需要使支承部件的突起部在径向厚壁化，导致转子的外径扩大。一般地，在轴向型旋转电机的转子外周，配置有壳体和定子线圈的连接线等。转子的外径受这些部件的尺寸的制约，所以如果突起部的径向厚度增加，则要缩小永久磁铁的外径。由此，导致旋转电机的转矩和效率降低。

因此，本发明提供能够使相对于转子的大小的转矩和效率提高的转子及使用转子的轴向型旋转电机。

用于解决课题的技术手段

为了实现上述目的，本发明的特征如下。

轴向型旋转电机包括：具有定子磁芯的定子；和沿着穿过定子的旋转轴线的轴向与定子相对的转子，转子包括：在旋转轴线的轴向与定子磁芯相对配置的永久磁铁；隔着永久磁铁与定子磁芯相对配置的磁轭；和支承磁轭的支承部件，支承部件具有突起部，该突起部以与距旋转轴线较远的一侧的永久磁铁的侧面相对的方式突出，在沿着旋转轴线的轴向投影的情况下，在永久磁铁具有永久磁铁的投影部与磁轭的投影部不重叠的第1区域，第1区域形成于永久磁铁的外径侧，第1区域形成于突起部的侧部。

发明效果

本发明的转子和使用转子的轴向型旋转电机可以使相对于转子的大小的转矩和效率提高。上述以外的课题、构成及效果通过以下的实施方式的说明可以明白。

附图说明

图1(a)是实施例1的轴向型旋转电机的截面立体图。

图1(b)是实施例1的轴向型旋转电机的立体图。

图1(c)是实施例1的转子的放大截面图。

图1(d)是实施例1的支承部件的突起部的放大截面图。

图1(e)是实施例1的永久磁铁和磁轭的从旋转轴线的轴向观察的图。

图2(a)是实施例2的轴向型旋转电机的截面立体图。

图2(b)是实施例2的转子的放大截面图。

图2(c)是实施例2的支承部件的突起部的放大截面图。

图3(a)是实施例3的轴向型旋转电机的截面立体图。

图3(b)是实施例3的转子的放大截面图。

图3(c)是实施例3的永久磁铁和磁轭的从旋转轴线的轴向观察的图。

图4(a)是实施例4的轴向型旋转电机的截面立体图。

图4(b)是实施例4的轴向型旋转电机的立体图。

图4(c)是实施例4的轴向型旋转电机的截面图。

图4(d)是实施例4的转子的放大截面图。

图4(e)是实施例4的永久磁铁和磁轭的从旋转轴线的轴向观察的图。

图4(f)是实施例4的永久磁铁、定子磁芯周边的放大图。

图5是实施例5的支承部件的突起部的放大截面图。

图6(a)是现有的轴向型旋转电机的截面立体图。

图6(b)是现有的转子的放大截面图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施例进行说明。在本说明书中所开示的技术思想的范围内，本领域技术人员可进行各种变更及修正。另外，在用于说明本发明的全部图中，具有相同作用的部位标注相同的符号，有时省略其重复的说明。

图6(a)是现有的轴向型旋转电机的截面立体图，图6(b)是现有的转子的放大截面图。图6(a)、图6(b)中的符号的说明记载于以下的实施例中。

在图6(b)中，在将永久磁铁21沿着旋转轴线30的轴向投影的情况下，在永久磁铁21上，永久磁铁21的投影部21b和磁轭22的投影部22b一致，因此难以减小保持永久磁铁21的突起部23c的径向上的厚度。

实施例1

图1(a)～图1(e)是用于说明将本发明应用于包括一个定子和两个转子的双转子型的轴向型电动机的一个例子的图。图1(a)表示本实施例的电动机(轴向型旋转电机100)的截面立体图，图1(b)表示本实施例的轴向型旋转电机的立体图。

图1(a)的轴向型旋转电机100包括：定子10；以从穿过定子10的旋转轴线30的方向将定子10夹在之间的方式隔着气隙配置的转子20；保持定子10的壳体40；和利用未图示的轴承保持转子20的轴50。转子20沿着旋转轴线30的轴向与定子10相对。

图1(b)中省略了壳体40和轴50的图示。另外，为了了解定子10的构造而将气隙放大表示。定子10具有在周向上配置的多个软磁性体的定子磁芯11、卷绕在定子磁芯11上的线圈12、将定子磁芯11和线圈12电绝缘的线圈架13。定子磁芯11、线圈12、线圈架13利用树脂与壳体40铸型为一体。转子20包括：与定子磁芯11的轴向端面相对配置的永久磁铁21；配置于永久磁铁21的背面的软磁性体的磁轭22；将永久磁铁21和磁轭22保持在轴50并且支承磁轭22的支承部件23。磁轭22隔着永久磁铁21与定子磁芯11相对配置。支承部件23固定在旋转轴线30。

图1(c)表示本实施例的转子的放大截面图，图1(d)表示本实施例的支承部件的突起部的放大截面图。支承部件23具有突起部23c，其以与距旋转轴线30较远的一侧的永久磁铁21的侧面21a相对的方式突出。

图1(e)表示从旋转轴线的轴向观察永久磁铁和磁轭的图。永久磁铁21的外径比磁轭22的外径大，具有与磁轭22不重叠的第1区域20b。换句话说，在将永久磁铁21沿着旋转轴线30的轴向投影的情况下，在永久磁铁21形成有永久磁铁21的投影部21b与磁轭22的投影部22b不重叠的第1区域20b。第1区域20b形成于永久磁铁21的外径侧。以第1区域20b形成于突起部23c的侧部的方式配置永久磁铁21。

说明本实施例的轴向型电动机的动作。在此，对电动机的动作例进行说明。使用逆变器(变换器)和交流电源(未图示)对线圈通交流电流。由此，在定子表面形成交变磁场。通过该交变磁场和永久磁铁的直流磁场吸引、排斥，转子旋转而产生转矩。另外，通过旋转，离心力向径向外侧作用于转子。

说明本实施例的轴向型电动机的效果。在本发明的轴向型旋转电机100中，通过支承部件23的突起部23c能够从外周侧保持永久磁铁21和磁轭22，所以能够抑制永久磁铁21和磁轭22飞散。另外，通过形成第1区域20b，可以维持相对离心力的突起部23c的强度，并且能够缩小保持永久磁铁21的突起部23c的径向厚度。由此，能够将突起部23c造成的转子直径的扩大抑制在最小限。能够增大永久磁铁21的直径相对于转子20的直径的比率，所以可以实现电动机的高转矩化、高效率化。另外，突起部23c的径向厚度变大，所以铸造制作支承部件23时的材料的流动性良好，制造性也优异。支承部件23可以是软磁性体，也可以是非磁性体。由于能够减小转子20的直径，所以也能够实现壳体40的直径的缩小，和能够在转子20的外周面与壳体40之间配置线圈的连接线等。

本实施例中表示了应用于双转子型的轴向型电动机的例子，但也可以是一对定子和转子相对的单转子型的轴向型电动机。另外，也可以不是电动机而是发电机。另外，本实施例中对环状的永久磁铁形状进行了记述，但磁铁也可以被分割。另外，也可以使永久磁铁21和磁轭22相接触的部分的两者的直径相同，通过在永久磁铁21形成斜度(锥形)而形成第1区域20b。

实施例2

图2(a)～图2(c)是用于说明将本发明应用于双转子型的轴向型电动机的一个例子的图。省略与图1(a)～图1(e)重复的构造、动作、效果的说明。图2(a)是本实施例的轴向型旋转电机的截面立体图。

图2(b)表示本实施例的转子的放大截面图，图2(c)表示本实施例的支承部件的突起部的放大截面图。在图2(c)中，转子20的以不与永久磁铁21相对的一侧的磁轭22的端面为基准的支承部件23的厚度，在与第1区域20b相对的第1部分23d和与磁轭22相对的磁轭相对部23e比较的情况下，为“第1部分23d的支承部件23的厚度T1＞磁轭相对部23e的支承部件23的厚度Ty”。

说明本实施例的轴向型电动机的效果。本实施例的轴向型电动机中，因第1部分23d的支承部件23厚度厚，所以在用软磁性材料构成支承部件23的情况下，能够降低磁回路的磁阻。在用非磁性体构成支承部件23的情况下，从永久磁铁21的某磁极发出的磁通通过软磁磁性体的磁轭22，进入相邻的磁极。另一方面，如果用软磁性体构成支承部件23，特别是以第1区域20b为中心，支承部件23也形成磁回路。特别是如果为了实现转子20的薄型化而谋求磁轭22的薄壁化，则磁轭22的磁通密度提高，磁轭22的磁阻增加，所以易于通过第1区域20b。这时，一般与形成磁轭22的电磁钢板比较，形成支承部件23的铁的导磁率低，易形成磁饱和。在此，如本实施例所示，通过使第1部分23d的支承部件23厚壁化(厚度厚)而减小向磁回路外的漏磁通量，提高电动机的输出转矩和效率。

另外，还能够利用该厚壁化(厚度厚)部分进行转子20的平衡修正。轴向型电动机中，与径向型比较，转子20的直径大径化，所以存在惯性增大的趋势。要减小对轴承的负荷，为了轴承寿命和降低机械损耗，重要的是平衡修正。平衡修正部分设于外径侧是有效的，但却有可能增加转子20的直径。本实施例的转子构造不必增大转子20的直径就可以进行平衡修正。该效果在用软磁性体构成支承部件23时也有效。

实施例3

图3(a)～图3(c)是用于说明将本发明应用于双转子型的轴向型电动机的一个例子的图。省略与图1(a)～图1(e)、图2(a)～图2(c)重复的构造、动作、效果的说明。

图3(a)是本实施例的轴向型旋转电机的截面立体图。图3(b)表示本实施例的转子的放大截面图。图3(c)表示从旋转轴线的轴向观察永久磁铁和磁轭的图。

在本实施例的转子10中，永久磁铁21的内径比磁轭22的内径小，具有不与磁轭22重叠的第2区域20c。换句话说，在将永久磁铁21沿着旋转轴线30的轴向投影了的情况下，在永久磁铁21形成永久磁铁21的投影部21b与磁轭22的投影部22b不重叠的第2区域20c。第2区域20c形成于永久磁铁21的内径侧，比第1区域20b靠内径侧。另外，以不与永久磁铁21相对的一侧的磁轭22的端面为基准的支承部件23的厚度，在与第2区域20c相对的第2部分23f和与磁轭22相对的磁轭相对部23e比较的情况下，为“第2部分23f的支承部件23的厚度T2＞磁轭相对部23e的支承部件23的厚度Ty”。

说明本实施例的轴向型电动机的效果。本实施例的轴向型电动机中，永久磁铁21经由第1区域20b和第2区域20c与支承部件23相对。支承部件23的第1区域20b、第2区域20c与用层叠的电磁钢板等构成的磁轭端面比较，以高的尺寸精度形成，所以易于管理永久磁铁21相对于旋转轴线的角度。另外，在接合永久磁铁21的情况下，可以确保可靠的接合面。另外，由于第2部分23f厚壁化，所以与实施例2同样可以降低磁阻，提高转矩、效率。

实施例4

图4(a)～图4(f)是用于说明将本发明应用在具有一个定子和两个转子的双转子型的轴向型电动机中的一个例子的图。

图4(a)表示实施例的电动机(轴向型旋转电机)的截面立体图，图4(b)表示实施例的电动机的立体图。

图4(a)的轴向型旋转电机100包括：定子10；以从穿过定子10的旋转轴线30的方向夹着定子10的方式隔着气隙配置的转子20；保持定子10的壳体40；和利用未图示的轴承保持转子20的轴50。转子20沿着旋转轴线30的轴向与定子10相对。

图4(b)中省略了壳体40和轴50的图示。另外，为了了解定子10的构造而将气隙放大表示。定子10包括：使用在周向配置有多个的软磁性体的定子磁芯11、卷绕于定子磁芯11的线圈12、将定子磁芯11与线圈12电绝缘的线圈架13。定子磁芯11、线圈12、线圈架13利用树脂与壳体40铸型成一体。转子20包括：与定子磁芯11的轴向端面相对配置的永久磁铁21；配置于永久磁铁21的背面的软磁性体的磁轭22；和将永久磁铁21和磁轭22保持于轴50并支承磁轭22的支承部件23。磁轭22隔着永久磁铁21与定子磁芯11相对配置。支承部件23固定于旋转轴线30。

图4(c)表示本实施例的轴向型旋转电机截面图。图4(d)表示本实施例的转子的放大截面图。支承部件23具有突起部23c，其以与距旋转轴线30较远的一侧的永久磁铁21的侧面21a相对的方式突出。

图4(e)表示从旋转轴线的轴向观察永久磁铁和磁轭的图。永久磁铁21的外径比磁轭的外径大，具有与磁轭22不重叠的第1区域20b。另外，永久磁铁21的内径比磁轭22的内径小，具有与磁轭22不重叠的第2区域20c。

另外，以与永久磁铁21不相对的一侧的磁轭22的端面为基准的支承部件23的厚度，在与第1区域20b相对的第1部分23d和与磁轭22相对的磁轭相对部23e比较的情况下，为“第1部分23d的支承部件23的厚度T1＞磁轭相对部23e的支承部件23的厚度Ty”，在与第2区域20c相对的第2部分23f和与磁轭22相对的磁轭相对部23e比较的情况下，为“第2部分23f的支承部件23的厚度T2＞磁轭相对部23e的支承部件23的厚度Ty”。

图4(f)是本实施例的永久磁铁、定子磁芯周边的放大图。图4(f)表示永久磁铁21的内径与定子磁芯11的内径的差异21f以及永久磁铁21的外径与定子磁芯11的外径的差异21g。在图4(f)中，比较永久磁铁21的直径和定子磁芯11的直径时，“永久磁铁21的内径＜定子磁芯11的内径”，“永久磁铁21的外径＞定子磁芯11的外径”。

说明本实施例的轴向型电动机的动作。在此，对电动机的动作例进行说明。使用变换器或交流电源(未图示)，对线圈通交流电流。由此，在定子表面形成交变磁场。通过该交变磁场和永久磁铁的直流磁场吸引、排斥，转子旋转产生转矩。另外，通过旋转，离心力向径向外侧作用于转子。

说明本实施例的轴向型电动机的效果。本实施例的轴向型电动机中，能够利用支承部件23的突起部23c从外周侧保持永久磁铁21和磁轭22，所以可抑制永久磁铁21和磁轭22飞散。

另外，通过形成第1区域20b，能够维持相对离心力的突起部23c的强度，并且缩小保持永久磁铁21的突起部23c的径向厚度。由此，能够将突起部23c导致的转子20的直径扩大抑制在最小限。由于能够增加永久磁铁21的直径相对于转子20的直径的比率，所以可以实现电动机的高转矩化、高效率化。由于能够减小转子20的直径，所以可以缩小壳体40的直径，以及能够在转子20和外周面与壳体40之间配置线圈的连接线等。

另外，由于突起部23c的径向厚度变厚，铸造制作支承部件23的时的材料的流动性好，制造性也优异。支承部件23可以是软磁性体，也可以是非磁性体。

通过形成第2区域20c，能够使永久磁铁21经由第1区域20b和第2区域20c与支承部件23相对。与用层叠电磁钢板等构成的磁轭端面比较，支承部件23的第1区域20b、第2区域20c以高的尺寸精度形成，所以易于管理永久磁铁21的相对于旋转轴线30的角度。另外，在接合永久磁铁21的情况下，可以确保可靠的接合面。

另外，由于第1部分23d、第2部分23f的支承部件23厚壁化，所以在用软磁性材料构成支承部件23的情况下，可以减小磁回路的磁阻。在用非磁性体构成支承部件23的情况下，从永久磁铁21的某磁极发出的磁通通过软磁磁性体的磁轭22，进入相邻的磁极。另一方面，当用软磁性体构成支承部件23时，那么特别是以第1区域20b、第2区域20c为中心，支承部件23也形成磁回路。特别是为了实现转子20的薄型化，而要实现磁轭22的薄壁化时，则磁轭22的磁通密度提高，磁轭22的磁阻增加，所以容易通过第1区域20b、第2区域20c。这时，一般与形成磁轭22的电磁钢板比较，形成支承部件23的铁导磁率低，易形成磁饱和。在此，如本实施例所示，通过使第1部分23d和第2部分23f厚壁化，而降低向磁回路外的漏磁通量，提高电动机的输出转矩和效率。

另外，通过设定为“永久磁铁21的内径＜定子磁芯11的内径”，“永久磁铁21的外径＞定子磁芯11的外径”，并使永久磁铁21突出(伸出)，能够使永久磁铁21的磁通量增加，提高电动机的转矩、效率。

作为本发明的电动机的优选的材料组合，有永久磁铁材料是使用铁氧体磁铁，定子磁芯是使用非晶质金属的组合。与钕磁铁或钐钴磁铁等比较，铁氧体磁铁的磁力差。为了补偿磁力，理想的是增大磁铁的表面积，增加厚度地使用。通过应用本实施例，能够抑制转子直径的增大，同时实现铁氧体磁铁的大径化。另外，非晶质金属是导磁率高、损失小的软磁性材料。在与钕磁铁组合使用时，饱和磁通密度低成为弱点，但对于铁氧体磁铁却足够。通过使铁氧体磁铁突出地使用，可以有效地利用磁铁磁通。

在本实施例中，表示应用于双转子型轴向型电动机的例子，但也可以是一对定子和转子相对的单转子型轴向型电动机。另外，也可以不是电动机而是发电机。

另外，本实施例中，对环状的永久磁铁形状进行了记载，但磁铁也可以被分割。

实施例5

图5是用于说明将本发明应用于轴向型电动机的一个例子的图。省略与图1(a)～图1(e)、图2(a)～图2(c)、图3(a)～图3(c)、图4(a)～图4(f)重复的构造、动作、效果的说明。

图5是本实施例的电动机的支承部件的突起部周边的放大图。与永久磁铁21的外周面相对的突起部23c的高度H1优选设定为永久磁铁21的厚度Tm的50％以下，进一步优选设定为约20％(15％以上25％以下，优选18％以上22％以下)。在永久磁铁21的外周面作用来自突起部23c的反作用力。增大H1能够减小施加于永久磁铁21的面压，可以抑制离心力导致的破损。另一方面，减小H1，能够抑制向突起部23c的漏磁通。约20％是设定为能够充分抑制漏磁通的最大的H1的结果。

说明本实施例的轴向型电动机的效果。通过将突起部23c的高度设定为上述尺寸，能够降低从永久磁铁21向突起部23c的漏磁通量，提高电动机的转矩、效率。

符号说明

10：定子

11：定子磁芯

12：线圈

20：转子

20b：第1区域

20c：第2区域

21：永久磁铁

21a：永久磁铁的侧面

21b：永久磁铁的投影部

22：磁轭

22b：磁轭的投影部

23：支承部件

23c：突起部

23d：第1部分

23e：磁轭相对部

23f：第2部分

30：旋转轴线

40：壳体

50：轴

100：轴向型旋转电机

Claims (7)

1.一种轴向型旋转电机，其特征在于，包括：

具有定子磁芯的定子；和

沿着穿过所述定子的旋转轴线的轴向与所述定子相对的转子，

所述转子包括：

在所述旋转轴线的轴向与所述定子磁芯相对配置的永久磁铁；

隔着所述永久磁铁与所述定子磁芯相对配置的磁轭；和

支承所述磁轭的支承部件，

所述支承部件具有突起部，所述突起部以与距所述旋转轴线较远的一侧的所述永久磁铁的侧面相对的方式突出，

在沿着所述旋转轴线的轴向投影的情况下，在所述永久磁铁具有所述永久磁铁的投影部与所述磁轭的投影部不重叠的第1区域，

所述第1区域形成于所述永久磁铁的外径侧，

所述第1区域形成于所述突起部的侧部，

所述支承部件包括与所述第1区域相对的第1部分和与所述磁轭部相对的磁轭相对部，

所述第1部分的所述支承部件的厚度比所述磁轭相对部的所述支承部件的厚度大。

2.根据权利要求1所述的轴向型旋转电机，其特征在于：

在沿着所述旋转轴线的轴向投影的情况下，在所述永久磁铁具有所述永久磁铁的投影部与所述磁轭的投影部不重叠的第2区域，

所述第2区域形成于所述永久磁铁的内径侧。

3.根据权利要求2所述的轴向型旋转电机，其特征在于：

所述支承部件包括与所述第2区域相对的第2部分，

所述第2部分的所述支承部件的厚度比所述磁轭相对部的所述支承部件的厚度大。

4.根据权利要求1所述的轴向型旋转电机，其特征在于：

所述永久磁铁的内径比所述定子磁芯的内径小，

所述永久磁铁的外径比所述定子磁芯的外径大。

5.根据权利要求1所述的轴向型旋转电机，其特征在于：

与所述永久磁铁的外周面相对的所述突起部的高度相对于所述永久磁铁的厚度为50％以下。

6.根据权利要求1所述的轴向型旋转电机，其特征在于：

与所述永久磁铁的外周面相对的所述突起部的高度相对于所述永久磁铁的厚度为15％以上25％以下。

7.根据权利要求1所述的轴向型旋转电机，其特征在于：

所述永久磁铁使用铁氧体，

所述定子磁芯使用非晶质金属。