CN111293807A - 同步电动机的转子 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种同步电动机的转子。同步电动机的转子包括固定于转子芯的外周面的多个磁体和具有圆筒的形状的加强构件。在磁体与加强构件之间配置有夹入构件。磁体具有周向上的中央部向外侧鼓出的外周面。夹入构件形成为覆盖磁体的整个外周面。夹入构件的外周面具有在以与旋转轴线垂直的面剖切时呈圆形的形状，且与加强构件的内周面密合。

Description

同步电动机的转子

技术领域

本发明涉及一种具有对磁体进行按压的加强构件的同步电动机的转子。

背景技术

同步电动机包括绕旋转轴线旋转的转子和配置于转子的周围的定子。对于同步电动机的转子，公知有构成磁轭的转子芯和永磁体在圆周方向上交替配置而成的转子以及永磁体埋入于转子芯的内部而成的转子。此外，公知有多个永磁体沿着周向配置于转子芯的外周面而成的表面磁体型的转子。

在表面磁体型的转子中，在转子旋转时，在永磁体作用有朝向径向上的外侧的力。例如，朝向转子的径向上的外侧作用有伴随着转子的旋转产生的离心力和由定子生成的磁场的磁吸引力。因此，永磁体需要固定于转子芯，以便即使长时间地作用有径向上的力，永磁体也不会自转子芯脱离。

在以往的技术中，公知有形成为利用筒状的构件自外侧对固定于转子芯的表面的永磁体进行固定的同步电动机(例如参照日本特开2017－225316号公报、日本特开昭64－81634号公报以及日本特开2017－195751号公报)。

发明内容

在包括永磁体的同步电动机中，取决于与转子的外周面相对的定子芯的槽的位置，存在产生转矩的脉动的情况。这样的转矩的脉动被称为齿槽转矩。由于齿槽转矩妨碍转子的顺畅的旋转、成为产生声音、振动的原因，因而优选降低该齿槽转矩。

为了降低齿槽转矩，公知有调整与定子相对的转子的表面的形状的方案。例如，在表面磁体型的转子中，能够将各个磁体形成为周向上的中央部的厚度大于周向上的端部的厚度。即，能够将磁体形成为磁体的中央部的外周面的直径大于端部的外周面的直径。磁体具有周向上的中央部朝向外侧鼓出的形状。

在配置有中央部鼓出的磁体的转子中，也能够利用筒状的构件按压磁体。然而，由于磁体的外周面的截面形状不呈圆形，因此，筒状的构件变形成沿着磁体的外周面的形状。因此，与磁体的外周面的截面形状呈圆形的转子相比，存在按压磁体的力变弱的问题。特别是，在转子以高速进行旋转的同步电动机中，磁体的离心力变大，因此存在磁体自转子芯脱离的情况。该结果，存在磁体相对于转子芯的位置偏移的情况。

此外，根据磁体的中央部的直径和端部的直径设定用于固定磁体的筒状的构件内径。因为需要确保筒状的构件的强度，所以筒状的构件的内径所能够扩大的范围存在限制。另一方面，轴、转子芯以及磁体的尺寸包含制造误差。因此，在将轴的误差、转子芯的误差以及磁体的误差相加得到的误差于正侧较大的情况下，超过筒状的构件的内径所能够扩大的极限，而存在使筒状的构件的强度下降的情况。

而且，在将轴的误差、转子芯的误差以及磁体的误差相加得到的误差于负侧较小的情况下(绝对值较大的情况)下，存在无法对磁体施加充分的按压力的情况。其结果，存在当转子进行旋转时磁体自转子芯脱离的情况。此外，若考虑将轴的误差、转子芯的误差以及磁体的误差相加得到的误差，则设计时的公差变小，而可能难以制造磁体等。

本公开的一技术方案提供一种同步电动机的转子，该同步电动机的转子包括：转子芯，其绕旋转轴线旋转；多个永磁体，其固定于转子芯的外周面；以及加强构件，其具有圆筒的形状，形成为将永磁体朝向转子芯按压。在永磁体与加强构件之间配置有夹入构件。永磁体具有在以与旋转轴线垂直的面剖切时中央部相对于以旋转轴线为中心的圆向外侧鼓出的外周面。夹入构件形成为覆盖永磁体的整个外周面。夹入构件的外周面形成为在以与旋转轴线垂直的面剖切时沿着以旋转轴线为中心的圆，且与加强构件的内周面密合。

附图说明

图1是以与旋转轴线垂直的面剖切实施方式的第1转子时的剖视图。

图2是以与旋转轴线平行的面剖切第1转子时的剖视图。

图3是第1转子的配置有磁体的部分的放大剖视图。

图4是说明与转子的径向上的尺寸相关的累积误差的图。

图5是表示实施方式的第2转子的配置有磁体的部分的放大剖视图。

图6是第2转子的磁体彼此之间的部分的放大剖视图。

具体实施方式

参照图1至图6对实施方式的同步电动机的转子进行说明。同步电动机包括定子和配置于定子的内部的转子。定子例如是通过在轴的延伸方向上层叠多个电磁钢板而形成的。在定子沿着周向配置有多个线圈。本实施方式的同步电动机配置于机床的主轴头的内部，用于使机床的主轴旋转。本实施方式的同步电动机的转子为在转子芯的表面配置有永磁体的表面磁体型的转子。

图1中表示以与旋转轴线垂直的面剖切本实施方式的第1转子时的剖视图。图2中表示以与旋转轴线平行的面剖切本实施方式的第1转子时的剖视图。图2是沿着图1的A－A线剖切时的剖视图。参照图1和图2，第1转子1包括绕旋转轴线31旋转的轴11。轴11形成为圆柱状。

转子1包括固定于轴11的转子芯12。本实施方式的转子芯12具有圆筒的形状。转子芯12绕旋转轴线31旋转。转子芯12具有在以与旋转轴线31垂直的面剖切时具有圆形形状的外周面12a。转子芯12例如是通过在旋转轴线31的方向上层叠多个电磁钢板而形成的。此外，转子芯12能够由单一的构件形成。例如，转子芯12能够通过对铁等具有磁性的构件进行切削而形成。转子芯12固定于轴11。另外，转子芯也可以包含轴。即，本实施方式的轴11和转子芯12可以由一个构件一体地形成。

转子1具有固定于转子芯12的外周面12a的多个磁体13。本实施方式的磁体13为形成为板状的永磁体。多个磁体13沿着周向互相以等间隔配置。磁体13的个数取决于转子1的极数。能够根据转子的极数，将任意个数的磁体固定于转子芯。在图1所示的例子中示出了配置有四个磁体13的四极转子。图1和图2所示的磁体13自转子芯12的轴向上的一侧的端部延伸到另一侧的端部。磁体13的形状并不限定于该形态，也可以在旋转轴线31的延伸的方向上配置有多个磁体。例如，也可以形成沿着旋转轴线31的方向配置的两个磁体的组，且在周向上配置有多个组。

本实施方式的转子1包含加强构件15，该加强构件15形成为将磁体13朝向转子芯12按压。本实施方式的加强构件15将磁体13朝向旋转轴线31按压。加强构件15具有圆筒的形状。在磁体13与加强构件15之间配置有夹入构件14。本实施方式的夹入构件14的至少一部分配置于磁体13与加强构件15之间。夹入构件14形成为覆盖全部多个磁体13。加强构件15形成为覆盖夹入构件14。加强构件15形成为朝向旋转轴线31按压夹入构件14。即，在夹入构件14施加有被加强构件15压缩的力。磁体13被夹入构件14朝向旋转轴线31按压。

本实施方式的加强构件15由纤维强化塑料(FRP)形成。作为纤维强化塑料，能够例示在塑料中添加有碳纤维来作为强化材料的碳纤维强化塑料(CFRP)、或在塑料中添加有玻璃纤维来作为强化材料的玻璃纤维强化塑料(GFRP)。

图3中表示本实施方式的第1转子的磁体的部分的放大剖视图。图3是以与旋转轴线31垂直的面剖切时的剖视图。参照图1至图3，磁体13具有周向上的中央部13a和周向的两侧的端部13b。磁体13具有作为转子1的径向上的内侧的面的内周面13c和作为径向上的外侧的面的外周面13d。内周面13c固定于转子芯12的外周面12a。磁体13具有周向上的两侧的端面13e。在此，中央部13a表示两侧的端面13e彼此之间的周向上的长度的中点的位置。

磁体13的内周面13c在以与旋转轴线31垂直的面剖切时具有沿着以旋转轴线31为中心的圆的形状。中央部13a处的自旋转轴线31到内周面13c的直径与端部13b处的自旋转轴线31到内周面13c的直径相同。磁体13的内周面13c与转子芯12的外周面12a密合。

相对于此，磁体13的外周面13d具有中央部13a相对于以旋转轴线31为中心的圆向外侧鼓出的形状。箭头81所示的中央部13a处的自旋转轴线31到外周面13d的直径大于箭头82所示的端部13b处的自旋转轴线31到外周面13d的直径。换言之，磁体13的中央部13a相当于长径部。磁体13的端部13b相当于短径部。磁体13的中央部13a处的厚度大于端部13b处的厚度。

能够利用任意的方法设定这样的中央部13a朝向外侧鼓出的外周面13d的形状。在本实施方式中，外周面13d的以与旋转轴线31垂直的面剖切时的形状为圆弧。通过使外周面13d的圆弧的中心的位置自旋转轴线31偏移，从而确定外周面13d的形状。在截面形状中，内周面13c的圆弧的中心成为旋转轴线31。相对于此，外周面13d的圆弧的中心为自旋转轴线31朝向外侧偏移的点32。这样，在本实施方式中，形成为内周面13c的曲率与外周面13d的曲率不同。在本实施方式中，形成为外周面13d的曲率半径小于内周面13c的曲率半径。除上述以外，例如，也能够使用双曲线余弦函数等函数来设定外周面13d的截面形状。

本实施方式的夹入构件14形成为至少覆盖磁体13的外周面13d。夹入构件14形成为覆盖磁体13的整个外周面13d。即，夹入构件14形成为覆盖中央部13a和端部13b，中央部13a处的自旋转轴线31到外周面13d的直径与端部13b处的自旋转轴线31到外周面13d的直径不同。

在第1转子1中，夹入构件14配置于磁体13的外周面13d与加强构件15的内周面15a之间的区域以及在周向上彼此相邻的磁体13彼此之间的区域。而且，夹入构件14形成为填埋由转子芯12的外周面12a、加强构件15的内周面15a、磁体13的外周面13d以及端面13e包围的区域的整体。因此，磁体13的端部13b处的夹入构件14的厚度大于中央部13a处的夹入构件14的厚度。夹入构件14的外周面14a在以与旋转轴线3垂直的面剖切时形成为沿着以旋转轴线31为中心的圆。特别是，夹入构件14的外周面14a形成为与转子芯12的外周面12a呈同心圆状。而且，夹入构件14沿着旋转轴线31延伸的方向自转子芯的一侧的端面延伸到另一侧的端面。

夹入构件14能够由非磁性体的材质形成。本实施方式的夹入构件14由树脂形成。例如，夹入构件14能够由环氧树脂形成。除树脂以外，夹入构件14还能够由陶瓷或非磁性的金属形成。

本实施方式的夹入构件14的外周面14a形成为在以与旋转轴线31垂直的面剖切时的截面形状成为圆形。磁体13的厚度沿着周向并不恒定，但能够以与磁体13的外周面13d的截面形状呈圆形的情况相同的力进行按压。换言之，即使磁体13的厚度沿着周向不恒定，按压力也不会下降。

例如，在不存在夹入构件14的情况下，磁体13与加强构件15接触。加强构件15变形为沿着磁体13的外周面13d的形状，与磁体13的外周面13d的截面形状呈圆形的情况相比，对磁体13的按压力下降。因此，在转子1旋转而作用有离心力的情况下，在端部13b，磁体13容易自转子芯12脱离。该结果，存在磁体13离开转子芯12而磁体13的相对于转子芯12的位置偏移的情况。然而，在本实施方式中，能够以与磁体13的外周面13d的截面形状呈圆形的情况相同的按压力按压磁体13，能够有效地抑制磁体13自转子芯12脱离。

特别是，在转子1以高速进行旋转的同步电动机中，离心力较大。离心力与旋转速度的平方成比例地变大。因此，在转子1以高速旋转时，磁体13容易自转子芯12脱离。然而，在本实施方式的转子1中，由于能够将磁体13充分地向转子芯12按压，因此，能够抑制磁体13的剥离。同步电动机的高速旋转的转速例如能够例示10000rpm以上。本实施方式的同步电动机为用于使机床的主轴旋转的马达，且以高速旋转。本实施方式的转子1适用于这样的轴11以高速旋转的同步电动机。

图4中表示说明制造误差的图。以具有设计时所设定的公差的范围内的尺寸的方式制造各个构件。制造误差存在整体的尺寸变大的情况和整体的尺寸变小的情况。在图4中，例示整体的尺寸变大的情况。在本实施方式的转子1中，在制造轴11时产生尺寸的误差。例如，产生轴11的外周面11a的直径的误差。而且，在制造转子芯12时，产生转子芯12的外周面12a的直径的误差。此外，在制造磁体13时，产生厚度的误差。磁体13的外周面13d的直径(自旋转轴线31到外周面13d的直径)的误差为将轴11的外周面11a的直径的误差、转子芯12的外周面12a的直径的误差以及磁体13的厚度的误差相加得到的值。在轴11的误差于正侧较大、转子芯12的误差于正侧较大、而且磁体13的厚度的误差于正侧较大的情况下，磁体13的外周面13d的直径的误差变得非常大。即，累积误差变大。

在本实施方式中，如后所述，当在磁体13的外周面13d上形成了夹入构件14之后，在夹入构件14的外周面14a上安装根据夹入构件14的外周面14a的直径设定了内径的加强构件15。

在不包括夹入构件14的转子中，根据磁体13的端部13b处的外周面13d的直径和中央部13a处的外周面13d的直径，以能够供给所需要的按压力的方式设定加强构件的内径。例如，能够采用如下那样的加强构件的内径；能够向具有端部13b处的外周面13d的直径与中央部13a处的外周面13d的直径之间的直径的外周面供给所需要的按压力。然而，在对加强构件15进行扩径的情况下，所扩展的量存在极限。例如，由纤维强化塑料形成的加强构件具有内径所能够增大的范围。若累积误差较大，则超过内径所能够增大的范围，而存在使加强构件15的强度下降的情况。

而且，在轴11的误差于负侧较大、转子芯12的误差于负侧较大、而且磁体13的厚度的误差于负侧较大的情况下，磁体13的外周面13d的径向上的尺寸变得非常小(误差的绝对值变大)。因此，在不包括夹入构件14的转子中，存在由加强构件15产生的按压磁体13的力减弱的情况。该结果，存在当转子进行了旋转时磁体13自转子芯12脱离的情况。

相对于此，本实施施方式的第1转子1包括夹入构件14。夹入构件14形成为覆盖磁体13的外周面13d，而且，形成为夹入构件14的外周面14a的截面形状呈圆形。因此，加强构件15能够朝向旋转轴线31以与磁体13的外周面13d的截面形状呈圆形的情况相同的大小的力按压夹入构件14和磁体13。

第1转子1中的夹入构件14形成为在中央部13a和端部13b覆盖磁体13。夹入构件14优选形成得较厚，以便能够抵消设计中的基于轴11的公差、转子芯12的公差以及磁体13的公差的最大的尺寸的误差。根据该结构，能够由夹入构件14的厚度的部分吸收轴11的制造误差、转子芯12的制造误差以及磁体13的制造误差。

而且，如后所述，能够将夹入构件14形成为夹入构件14的外周面14a的截面形状沿着以旋转轴线31为中心的圆。该结果，能够抑制施加于磁体13的力相比于磁体13的外周面13d的截面形状呈圆形的情况下降的情况。此外，基于加强构件15的内径来调整夹入构件14的厚度，从而能够将施加于磁体13的按压力调整到适当的范围。

本实施方式的加强构件15由纤维强化塑料形成。根据该结构，能够由较轻且强度较高的加强构件固定磁体13。由于纤维强化塑料较轻，因而转子1旋转时的离心力较小。因此，由纤维强化塑料形成的加强构件适用于高速旋转的转子1。

加强构件的材质并不限定于包含树脂的材质，能够由不具有磁性的材质形成。例如，加强构件能够由非磁性的金属形成。例如，加强构件也可以由不具有磁性的不锈钢或铜形成。由金属形成的加强构件在加热时内径变大。即，能够容易地扩展加强构件的直径。接着，将固定有磁体和夹入构件的转子芯配置于加强构件的内部。之后，通过冷却加强构件，能够将转子芯固定在加强构件的内部。这样，能够通过热套将转子芯固定在加强构件的内部。由金属形成的加强构件能够容易地将转子芯固定在加强构件的内部。

接着，对本实施方式的转子的制造方法进行说明。参照图1和图3，首先，在转子芯12的外周面12a固定多个磁体13。接着，准备具有与加强构件15的形状相对应的形状的筒状的框架构件。框架构件的内周面由相对于树脂具有脱模性的材质形成。框架构件例如能够由金属形成。

接着，在这样的框架构件的内部插入固定有磁体13的转子芯12。框架构件的内径优选大于加强构件15的内径。接着，向由框架构件、磁体13以及转子芯12包围的区域填充成为夹入构件14的材料。在本实施方式中，流入固化前的树脂。在第1转子1的制造方法中，除磁体13与框架构件之间的区域以外，还向磁体13彼此之间的区域无间隙地填充树脂。接着，使成为夹入构件14的材料固化。在本实施方式的形态中，通过使树脂固化，从而形成夹入构件14。能够形成固定有磁体13和夹入构件14的转子芯12。

接着，以夹入构件14的外周面14a的截面形状成为以旋转轴线31为中心的圆的方式对夹入构件14的外周面14a进行切削。此时，以夹入构件14的外周面14a的直径为设计的公差的范围内的方式进行切削。以夹入构件14的外周面14a的直径与加强构件15的内周面15a的直径相对应的方式进行切削。例如，能够以夹入构件14的外周面14a的直径略大于加强构件15的内周面15a的直径的方式进行切削。在夹入构件14的切削加工中，能够使用机床等。

接着，在夹入构件14的外周面14a的外侧安装加强构件15。此时，由于夹入构件14形成为外周面14a的直径大于加强构件15的内周面15a的直径，因而能够按压夹入构件14的整个外周面14a。隔着夹入构件14以充分的力按压磁体13。

这样，本实施方式的转子的制造方法具有以至少覆盖永磁体的整个外周面的方式形成夹入构件的形成工序和对夹入构件的外周面进行切削的切削工序。在形成工序中，以夹入构件的外径大于加强构件的内径的方式形成夹入构件。在切削工序中，以在以与旋转轴线垂直的面剖切时夹入构件的外周面成为以旋转轴线为中心的圆的方式进行切削。通过该制造方法，能够使夹入构件的外周面的直径与加强构件的内径相对应。能够利用夹入构件的厚度抵消将轴11的误差、转子芯12的误差以及磁体13的厚度的误差相加得到的累积误差。该结果，能够抑制由于制造误差较大而超过加强构件15的扩径的极限、导致加强构件15的强度下降的情况。此外，能够抑制对磁体13的按压力变弱。而且，能够将利用加强构件15约束的径向上的长度设定在适当的范围内。

特别是，磁体难于以较高的尺寸精度形成。在本实施方式的转子中，由于能够调整夹入构件的外周面的形状，因而能够将磁体13的设计的公差设定得较大。该结果，能够容易地制造磁体13。而且，能够降低转子1的制造费用。

而且，本实施方式的夹入构件14的外周面14a能够使用机床等容易地精度良好地进行加工。因此，不会使将加强构件15扩大的大小(扩径的径向上的长度)过大就足矣。即，不会使扩径的量过大就足矣。因此，能够抑制超过加强构件15的扩径的极限、加强构件15损伤的情况。

在本实施方式的第1转子1中，在由转子芯12、磁体13以及加强构件15包围的区域的整体配置有夹入构件14。夹入构件并不限定于该形态，也可以形成为至少覆盖永磁体的整个外周面。

图5中表示本实施方式的第2转子的磁体的局部的放大剖视图。在第2转子2中，针对各个磁体13形成有夹入构件16。夹入构件16形成为填埋磁体13的外周面13d与加强构件15的内周面15a之间的区域。而且，在周向上相邻的磁体13彼此之间形成有空洞部21。

第2转子2能够利用与第1转子1的制造方法相同的制造方法进行制造。在第2转子2的制造方法中，也将磁体13固定于转子芯12。将固定有磁体13的转子芯12配置于预先形成的框架构件的内部。用于形成第2转子2的框架构件具有沿着磁体13的端面13e形成的壁部。在由该壁部、磁体13的外周面13d以及加强构件15的内周面15a包围的区域填充成为夹入构件的材料。例如，填充树脂。接着，通过使成为夹入构件的材料固化，能够针对各个磁体形成夹入构件。例如，通过使树脂固化，能够针对磁体13形成夹入构件16。接着，使用机床等，以夹入构件16的外周面16a的截面形状沿着以旋转轴线31为中心的圆的方式对夹入构件16进行切削。接着，将固定有磁体13和夹入构件16的转子芯12固定在加强构件15的内部。

图6中表示说明本实施方式的第2转子的作用的放大剖视图。为了便于说明，图6以转子的曲率半径小于图5的转子的曲率半径的方式进行记载。在第2转子2中，在磁体13彼此之间形成有空洞部21。在配置有夹入构件16的区域中，加强构件15具有形成为沿着夹入构件16的外周面16a而截面形状呈圆弧的弯曲部15b。另一方面，在形成有空洞部21的区域中，形成有呈平面状延伸的平坦部15c。

由于在弯曲部15b与平坦部15c之间的分界的部分产生应力，因而第2转子2具有强度低于第1转子1的强度的特性。然而，在第2转子2中，与第1转子1同样地，相比于没有夹入构件16的情况，也能够以充分的力按压磁体13。对于第2转子2的其他的作用和效果，由于与第1转子1同样，因而不重复说明。

本实施方式的电动机为使机床的主轴旋转的电动机，但并不限定于该形态，本实施方式的转子能够应用于任意的电动机。特别是，如上述那样适用于转速较大的电动机。

根据本公开的一技术方案，能够提供一种容易制造、且能够抑制磁体的剥离的同步电动机的转子。

在上述的各个制造工序中，能够在不改变功能和作用的范围内适当地改变工序的顺序。

上述实施方式能够适当组合。在上述的各图中，对相同或相等的部分标注相同的附图标记。此外，上述的实施方式为例示，并不限定发明。此外，在实施方式中包含权利要求书所示的实施方式的变更。

Claims (6)

1.一种同步电动机的转子，其特征在于，

该同步电动机的转子包括：

转子芯，其绕旋转轴线旋转；

多个永磁体，其固定于所述转子芯的外周面；以及

加强构件，其具有圆筒的形状，形成为将所述永磁体朝向所述转子芯按压，

在所述永磁体与所述加强构件之间配置有夹入构件，

所述永磁体具有在以与所述旋转轴线垂直的面剖切时中央部相对于以所述旋转轴线为中心的圆向外侧鼓出的外周面，

所述夹入构件形成为覆盖所述永磁体的整个外周面，

所述夹入构件的外周面形成为在以与所述旋转轴线垂直的面剖切时沿着以所述旋转轴线为中心的圆，且与所述加强构件的内周面密合。

2.根据权利要求1所述的同步电动机的转子，其中，

所述夹入构件配置于所述永磁体的外周面与所述加强构件的内周面之间的区域以及在周向上相邻的所述永磁体彼此之间的区域，且配置于由所述转子芯、所述加强构件以及所述永磁体包围的区域的整体。

3.根据权利要求1所述的同步电动机的转子，其中，

所述夹入构件配置于所述永磁体的外周面与所述加强构件之间的区域，

在周向上相邻的所述永磁体彼此之间形成有空洞部。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的同步电动机的转子，其中，

所述夹入构件由树脂形成。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的同步电动机的转子，其中，

所述加强构件由纤维强化塑料形成。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的同步电动机的转子，其中，

所述加强构件由非磁性的金属形成。

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