CN106953432B - 旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够兼顾由转矩密度的提高实现的小型化和由齿槽转矩的减小实现的控制性的提高的旋转电机。旋转电机包括：具有永磁体的转子(3)；和具有定子铁芯(21)的定子(2)，所述定子铁芯(21)包括在周向上包围转子(3)的环状的轭铁部(211)和从轭铁部(211)的内周面向轭铁部(211)的径向的内侧突出的多个齿部(212)，轭铁部(211)在形成于多个齿部(212)间的槽(24)之中的至少一个槽(24)，在包含轭铁部(211)的径向的厚度最薄的部位的外周面的区域，具有向径向的外侧突出而形成磁路的至少一个磁路扩张凸部(213)。

Description

旋转电机

技术领域

本发明涉及一种旋转电机，特别是涉及一种提高转矩密度并且减小齿槽转矩的技术。

背景技术

半导体制造装置或金属加工机等所使用的旋转电机，因可设置区域的限制等而要求小型。另外，这种旋转电机为了进行精确的旋转控制而要求高的控制性。

为了使旋转电机小型化，例如，能够通过将钕烧结磁铁等的剩余磁通密度高的永磁体用于转子而实现。但是，已知使用这种剩余磁通密度高的永磁体的旋转电机，由于永磁体与定子铁芯的相互作用，在不通电时也会产生称为齿槽转矩的一种转矩脉动，给通电时的控制性带来很大的影响。

另外，作为用于旋转电机的小型化的另一个措施，可举出提高施加在定子铁芯上的线圈的占空系数。该情况下，通过提高线圈的占空系数能够利用槽流过更多的电流，因此能够提高转矩密度，实现小型化。为了增加匝数来提高线圈的占空系数，优选槽的外周尽可能由平面等简单的部分构成(例如，专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)特开2014－236576号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，为了使旋转电机更加小型化，考虑同时使用上述的转子使用剩余磁通密度高的永磁体的措施和为了提高线圈的占空系数而使槽的外周形成为平面的措施这两个措施。可是，本发明者们发现，同时实施这两个措施的情况下，齿槽转矩増大，旋转电机的控制性大幅恶化。

于是，本发明是着眼于上述课题而开发的，目的在于提供一种能够兼顾由转矩密度的提高实现的小型化和由齿槽转矩的减小实现的控制性的提高的旋转电机。

用于解决课题的技术方案

根据本发明的一方式，提供一种旋转电机，其特征在于，包括：具有永磁体的转子；和具有定子铁芯的定子，上述定子铁芯包括在周向上包围上述转子的环状的轭铁部和从上述轭铁部的内周面向上述轭铁部的径向的内侧突出的多个齿部，上述轭铁部中，在形成于上述多个齿部间的槽之中的至少一个槽，在包含上述轭铁部的上述径向的厚度最薄的部位的外周面的区域，具有向上述径向的外侧突出而形成磁路的至少一个磁路扩张凸部。

发明效果

根据本发明的一方式，能够提供一种能够兼顾由转矩密度的提高实现的小型化和由齿槽转矩的减小实现的控制性的提高的旋转电机。

附图说明

图1是表示本发明第一实施方式的旋转电机的截面图。

图2是表示现有旋转电机的截面图。

图3是表示在实施例和比较例的无负荷的状态下，在轭铁部的厚度最薄的部位的最大磁通密度的图表。

图4是表示实施例和比较例的齿槽转矩波形的解析结果的图表。

图5是表示本发明第二实施方式的旋转电机的截面图。

符号说明

1 旋转电机

2 定子

21 定子铁芯

211 轭铁部

212 齿部

213 磁路扩张凸部

22 线圈

23 模塑部

3 转子

31 轴

32 转子铁芯

33 永磁体

具体实施方式

在以下详细的说明中，对大量特定的细节部分做了记载，以便能够完全理解本发明实施方式。但是，当然没有这种特定的细节部分也能够实施一个以上的实施方式。另外，为了使附图简明，用简图表示公知的结构和装置。

首先，本发明的说明中首先对本发明者们所发现的上述的齿槽转矩的增大详细地进行说明。图2表示现有旋转电机1a的截面图。图2所示的旋转电机1a是6极9槽的表面磁铁式旋转电机，包括定子2a和转子3a。

定子2a包括定子铁芯21a、线圈22a、模塑部23a。定子铁芯21a在图2所示的与轴向垂直的平面，包括大致环状的轭铁部211a、从轭铁部211a的内周面向轭铁部211a的径向内侧延伸的9个齿部212a。定子铁芯21a例如通过使冲压后的电磁钢板在轴向上层叠，使用铆接或焊接等进行固定来制造。线圈22a为漆包线等，分别卷绕在定子铁芯21a的各齿部212a。模塑部23a是覆盖定子铁芯21a而形成的包含树脂的部件，在与定子铁芯21a的轴向垂直的截面具有方形的外周形状。另外，定子2a在轭铁部211a的内侧由9个齿部212a形成用于卷绕线圈22a的槽即9个槽24a。

转子3a包括轴31a、转子铁芯32a、6个永磁体33a。轴31a是作为转子3a的旋转轴的部件。转子铁芯32a和定子铁芯21a一样，是将冲压后的电磁钢板在轴向上层叠而构成的。6个永磁体33a为钕烧结磁铁、钕粘结磁铁、铁氧体磁铁等永磁体。6个永磁体33a在与转子3a的轴向垂直的平面具有环形形状，通过在外周磁化多极而在外周面作出6个极。

上述结构的旋转电机1a中，包含槽24a的外周面即轭铁部211a的内周面的齿部212a的区域，在与轴向垂直的平面形成为以轴心为中心的弦状。即，轭铁部211a的内周面具有与齿部212a的根部分直角连接的平面。另外，与齿部212a的根部分连接的平面和与相邻的其他齿部212a的根连接的平面经由该两个齿部212a的中间位置的与轭铁部211a的外周的切线平行的平面相连接。这样，通过以平面为中心构成槽24a的外周部分，能够提高线圈22a的占空系数。旋转电机1a中，由于具有这样的形状而能够使导线整齐排列且高密度地卷绕线圈22a。用图3的虚线(现有例)表示对于图2所示的现有旋转电机1a使用磁场解析而得出的齿槽转矩的解析结果。图3中，设额定转矩的值为100％而进行了标准化。齿槽转矩的p-p(peak to peak)值也达到额定转矩的12％左右，虽然在现有旋转电机1中通过占空系数的提高而能够高密度化，但是确定控制性非常差。这样，齿槽转矩大的原因从磁通的饱和就能够说明。图4的现有例中表示用图2的虚线区域表示的、在无负荷的状态下轭铁部211a的径向的厚度最薄的部位的最大磁通密度。如图4所示，现有旋转电机1a的情况下，磁通密度大幅超过1.8T，因此推测在轭铁部211a的径向的厚度最薄的部位，齿槽转矩因磁能脉动增加而增加。如以上所述，本发明者们查明，在现有旋转电机1a中，在实现了小型化即转矩密度提高了的情况下，齿槽转矩増大，控制性有可能大幅恶化，从而研发了本发明。

＜第一实施方式＞

参照图1，对本发明的第一实施方式的旋转电机1进行说明。第一实施方式的旋转电机1如图1所示为6极9槽的表面磁铁式旋转电机，包括定子2和转子3。

定子2包括定子铁芯21、线圈22和模塑部23。

定子铁芯21在图1所示的与轴向垂直的平面中包括轭铁部211、9个齿部212和9个磁路扩张凸部213。轭铁部211和齿部212具有与图2所示的现有旋转电机1a同样的形状。另外，在轭铁部211的内侧，由9个齿部212形成9个槽24。9个磁路扩张凸部213是在各槽24的包含轭铁部211的径向的厚度最薄的部位的轭铁部211的外周面的区域分别以向径向的外侧突出的方式形成的，在定子铁芯21形成磁路。另外，9个磁路扩张凸部213为相同的形状，在轭铁部211的外周面，在定子2的轴向的全长上形成。定子铁芯21例如是通过使冲压后的电磁钢板层叠并使用铆接或焊接等在层叠方向上进行固定而制造的。另外，定子铁芯21具有各槽24的转子3侧形成为非开放的封闭槽构造。

线圈22为漆包线等，分别卷绕在定子铁芯21的各齿部212。

模塑部23是覆盖定子铁芯21a而形成的含有树脂的部件，在与定子铁芯21a的轴向垂直的截面具有方形的外周形状。

另外，定子铁芯21由于具有封闭槽构造，因此优选以如下方式形成：将轭铁部211和齿部212分割而进行加工，在齿部212卷绕线圈22后，通过热压配合使轭铁部211和齿部212结合。该情况下，例如，以图1所示的大致环状的一体形状冲压电磁钢板，再使冲压后的部件层叠，由此形成轭铁部211。另外，以图1所示的多个齿部212形成为辐射状的一体形状冲压电磁钢板，再使冲压后的部件层叠，由此形成齿部212。另外，磁路扩张凸部213也可以在冲压电磁钢板而成形轭铁部211时，从最初就形成在轭铁部211，也可以与轭铁部211等其他铁芯部件分别准备，之后利用粘接剂等与轭铁部211结合。而且，卷绕有线圈22的定子铁芯21通过用树脂等模塑成形而完成形成有模塑部23的定子2。

转子3的结构与现有的旋转电机1a是一样的，包括轴31、转子铁芯32和6个永磁体33。轴31是作为转子3的旋转轴的部件。转子铁芯32和定子铁芯21同样使用冲压后的电磁钢板构成。6个永磁体33为钕烧结磁铁、钕粘结磁铁、铁氧体磁铁等永磁体，可以根据用途选择各种磁铁。永磁体33在与转子3的轴向垂直的平面具有环形形状，通过磁化分别作出6个极。

旋转电机1通过将上述结构的定子2以在周向包围转子3的方式组合而制造。

上述结构的旋转电机1在轭铁部211的外周面形成有磁路扩张凸部213，所以，例如关于图1的虚线表示的轭铁部211的径向的厚度最薄的部位，与现有旋转电机1a相比能够加厚作为定子2的厚度。因此，在无负荷的状态下，能够减小该区域的最大磁通密度，能够大幅降低齿槽转矩。

在此，发明者们针对作为实施例的图1所示的第一实施方式的旋转电机1，与现有例同样地使用磁场解析进行了齿槽转矩的解析。实施例中，除磁路扩张凸部213的有无以外，设定为与现有例相同的条件。图3的实线表示实施例的齿槽转矩的解析结果。如图3所示，能够确定与现有例相比，在实施例中齿槽转矩的p-p值大幅降低额定转矩的3％左右。另外，图4表示图1的虚线区域表示的轭铁部211的厚度最薄的部位的、无负荷的状态下的最大磁通密度的解析结果。如图4所示，通过设置磁路扩张凸部213，能够确定在实施例中，现有例中产生的轭铁部211的饱和被较大地消除。另外确定，实施例中，即使在设置有磁路扩张凸部213的情况下，也不会给通电时的稳态转矩带来不良影响。

＜第二实施方式＞

接着，参照图5，对本发明第二实施方式的旋转电机1进行说明。第二实施方式的旋转电机1如图5所示，为8极12槽的表面磁铁式旋转电机，包括定子2和转子3。

定子2与第一实施方式一样，包括定子铁芯21、线圈22和模塑部23。定子铁芯21在图5所示的与轴向垂直的平面，包括轭铁部211、12个齿部212、12个磁路扩张凸部213。轭铁部211、齿部212和磁路扩张凸部213的结构等与第一实施方式相同。关于线圈22和模塑部23，也是与第一实施方式同样的结构。

另外，定子2，如图5所示，相对于方形形状的模塑部23的外周面，在避开与最靠近该外周面所配置的磁路扩张凸部213的距离为最小的位置关系的位置进行模塑成形。即，定子2在与定子2的中心轴垂直的平面中，关于以该中心轴为中心相对配置的6组12个磁路扩张凸部213，配置成连结相对的磁路扩张凸部213彼此的直线不与模塑部23的外周面垂直相交。更优选的是，定子2以模塑部23的外周面与最靠近该外周面所配置的磁路扩张凸部213的距离为最大的位置关系进行模塑成形。

通过如上所述进行定子2中的磁路扩张凸部213的配置，即使设置有磁路扩张凸部213，也不会增大定子2的外形尺寸(图5的相对于纸面的上下方向和左右方向的大小)，能够确保模塑部23的足够的厚度。或者，即使需要增大定子2的外形尺寸，也能够以最低限度的扩大来应对。与此不同，在以模塑部23的外周面与磁路扩张凸部213的距离成为最大的方式配置的情况下，因磁路扩张凸部213的存在，为了要确保模塑部23的厚度，不得不增大定子2的外形尺寸。这样，之所以能够以定子2的外边即模塑部23的外周面与磁路扩张凸部213的距离不是最大的方式配置，是因为模塑部23的外周面在与轴向垂直的平面中由4边构成，槽24的数量是4的倍数。另外，为了卷绕三层线圈22，需要槽24的数量为3的倍数，因此通过将槽24的数量设定为12n(n为1以上的自然数)个，能够获得与第二实施方式同样的效果。

转子3包括轴31、转子铁芯32和8个永磁体33。轴31和转子铁芯32是与第一实施方式相同的结构。8个永磁体33是由与第一实施方式同样的材料构成的永磁体，在与转子3的轴向垂直的平面中具有环形形状，通过在外周磁化多极而在外周面作出8个极。

＜变形例＞

以上，参照特定的实施方式对本发明进行了说明，但不是通过这些说明限定本发明的意思。通过参照本发明的说明，本领域技术人员根据所公开的实施方式的各种变形例也会清楚本发明的其他实施方式。因而，应理解为权利要求书也包括本发明的范围及主要内容所含的这些变形例或实施方式。

例如，在上述第一和第二实施方式中，定子铁芯21采用了轭铁部211和齿部212分割的结构，但本发明不限定于该例。例如，定子铁芯21也可以是轭铁部211和齿部212一体形成的一体式。

另外，上述第一和第二实施方式中，线圈22采用了直接卷绕在定子铁芯21的结构，但本发明不限定于该例。例如，线圈22也可以是在齿部212安装线圈架再在其上进行卷绕的结构。

另外，本发明中，磁路扩张凸部213的形状可以为任意形状，只要能够消除磁通的饱和即可。例如，在上述第一和第二实施方式中，采用磁路扩张凸部213设置在所有槽24且具有相同的形状的结构，但本发明不限定于该例。例如，也可以在一部分槽24不设置磁路扩张凸部213，而且磁路扩张凸部213的形状也可以根据部位而不同。另外，磁路扩张凸部也可以在各槽24各设置多个，而没有在轴向的全长上设置。但是，为了抑制定子2的磁性的不平衡，优选在轭铁部211的周向均等地设置同一形状的磁扩张凸部213，更优选在所有的槽24设置相同形状的磁路扩张凸部213。所谓在轭铁部211的周向均等地设置磁扩张凸部213的情况，例如是指图1所示的槽24的数量为9个时，对于9个槽24在每隔2个的3个槽24设置磁路扩张凸部213。另外，例如，是指如图5所示的槽24的数量为12个时，对于12个槽24在每隔1、2、3个的6、4、3个槽24设置磁路扩张凸部213的情况。另外，包含磁路扩张凸部213的轭铁部211的厚度优选根据轭铁部211、磁路扩张凸部213、永磁体33的剩余磁通密度、旋转电机1的构造等来确定。

另外，在上述第一和第二实施方式中，定子铁芯21采用了封闭槽构造，但本发明不限定于该例。例如，定子铁芯21也可以是各槽24的转子3侧开放地形成的构造。

另外，上述第一实施方式中，模塑部23在与轴向垂直的平面中具有方形形状，但也可以是其他形状，只要确保足够的厚度即可。另外，例如，模塑部23也可以是在与轴向垂直的平面中将方形形状的角倒角而成为圆弧状的形状。

另外，在上述第一和第二实施方式中，定子2具有由树脂等构成的模塑部23，但本发明不限定于该例。也可以代替模塑部23而将铝框架等热压配合于定子铁芯21。

另外，在上述第一和第二实施方式中，转子3采用了在表面设置永磁体33的结构，但本发明不限定于该例。例如，转子3也可以是在内部埋入永磁体的埋入磁铁式。

＜实施方式的效果＞

(1)本发明一方式的旋转电机1包括转子3和定子2，转子3具有永磁体，定子2包括定子铁芯21，定子铁芯21包括在周向包围转子3的环状的轭铁部211和从轭铁部211的内周面向轭铁部211的径向的内侧突出的多个齿部212，轭铁部211在形成于多个齿部212间的槽24中的至少一个槽24，在包含轭铁部211的径向的厚度最薄的部位的外周面的区域，具有向径向的外侧突出而形成磁路的至少一个磁路扩张凸部213。

根据上述(1)的结构，不变更槽的形状就能够消除轭铁部211产生的磁饱和。因此，能够兼顾由转矩密度的提高实现的小型化和由齿槽转矩的减小实现的控制性的提高。

(2)在上述(1)的结构中，定子2具有覆盖定子铁芯21的模塑部23。

根据上述(2)的结构，定子2被模塑成形，因此即使在由于具有磁路扩张凸部213而使得轭铁部211的外周面的形状变得复杂的情况下，从制造上的观点来看也没有大的变更就能够制造旋转电机1。另外，在代替模塑部23使用铝框架等的情况下，由于轭铁部211的外周面的形状较复杂，因此需要铝框架的形状也复杂，从而使得制造成本增加。另一方面，根据上述(2)的结构，与使用铝框架等的情况相比，能够降低制造成本。

(3)在上述(2)的结构中，槽24的数量为12n(n为1以上的自然数)，模塑部23的与定子铁心21的轴向垂直的截面的外周形状为方形，模塑部23以避开模塑部23的外周面与磁路扩张凸部213的距离为最小的位置关系的方式设置。

根据上述(3)的结构，即使为了消除轭铁部211的磁饱和而设置了足够大的磁路扩张凸部213，也不必增大定子2的外形尺寸，因此能够避开旋转电机1的大型化。

Claims (2)

1.一种旋转电机，其特征在于，包括：

具有永磁体的转子；和

具有定子铁芯的定子，所述定子铁芯包括在周向上包围所述转子的环状的轭铁部和从所述轭铁部的内周面向所述轭铁部的径向的内侧突出的多个齿部，

所述轭铁部中，在形成于所述多个齿部间的槽之中的至少一个槽，在包含所述轭铁部的所述径向的厚度最薄的部位的外周面的区域，具有向所述径向的外侧突出而形成磁路的至少一个磁路扩张凸部，

所述定子具有覆盖所述定子铁芯的模塑部，

所述轭铁部的外周面以及所述磁路扩张凸部由所述模塑部覆盖。

2.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

所述槽的数量为12n，其中n为1以上的自然数，

所述模塑部的与所述定子铁芯 的轴向垂直的截面的外周形状为方形，所述模塑部以避开所述模塑部的外周面与所述磁路扩张凸部的距离为最小的位置关系的方式设置。