CN112688451A - 转子及转子的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现电动马达的高输出化且小型化的转子及转子的制造方法。转子是具有多个主磁铁及多个辅助磁铁的转子。辅助磁铁分别嵌合于多个槽，所述多个槽在配置于转子的中心的旋转轴的外周沿着旋转轴方向而形成，辅助磁铁从旋转轴的外周向径向的外侧突出，并具有沿着转子的周向的磁化方向。相邻的辅助磁铁彼此的磁场方向相互为周向的相反方向。主磁铁配置于相邻的辅助磁铁的突出的部分，并具有沿着转子的径向的磁化方向。

Description

转子及转子的制造方法

技术领域

本发明涉及转子及转子的制造方法。

背景技术

已知有包括具有线圈的定子和具有磁铁的转子的电动马达。在日本特表2015-525051号公报中公开了一种转子的结构，将棒状磁铁相对于旋转轴以放射状配置，在相邻的棒状磁铁之间辅助性地配置扇形磁铁，通过多个棒状磁铁和多个扇形磁铁而在周向上形成了海尔贝克阵列(日文：ハルバッハ配列)。另外，在日本特表2015-525051号公报中公开了多个棒状磁铁与多个扇形磁铁之间的间隙用稀土类的金属粉末烧结的情况。

发明内容

在日本特表2015-525051号公报所公开的转子的结构中，为了将多个棒状磁铁和多个扇形磁铁分别固定于规定的位置，需要在与旋转轴方向垂直的截面中的棒状磁铁及扇形磁铁的径向内侧(旋转轴侧)确保用稀土类的金属粉末烧结的区域。但是，如果将转子的结构形成为如日本特表2015-525051号公报所公开的结构那样，则在维持电动马达的高输出并且小型化的方面存在限制。

本发明是鉴于以上的背景而提出的，其目的在于提供一种实现电动马达的高输出化且小型化的转子。

本发明的一个实施方式的转子是具有多个主磁铁及多个辅助磁铁的转子，所述辅助磁铁分别嵌合于多个槽，所述多个槽在配置于所述转子的中心的旋转轴的外周沿着旋转轴方向而形成，所述辅助磁铁从所述旋转轴的外周向径向的外侧突出，并具有沿着所述转子的周向的磁化方向，相邻的所述辅助磁铁彼此的磁场方向相互为所述周向的相反方向，所述主磁铁配置于相邻的所述辅助磁铁的突出的部分，并具有沿着所述转子的径向的磁化方向，相邻的所述主磁铁彼此的磁场方向相互为所述径向的相反方向，多个所述主磁铁和多个所述辅助磁铁配置成使所述主磁铁和所述辅助磁铁在所述转子的所述周向上形成海尔贝克阵列。

多个主磁铁和多个辅助磁铁配置成在周向上形成海尔贝克阵列。通过利用多个主磁铁和多个辅助磁铁在周向上形成海尔贝克阵列，从而能够抑制来自主磁铁的磁通向旋转轴侧溢出的情况，因此能够提高电动马达的输出。由于辅助磁铁嵌合于旋转轴的各个槽，因此在转子中被牢固地配置。另外，如果在相邻的辅助磁铁的突出的部分之间配置主磁铁，则主磁铁受到来自旋转轴的吸引力，因此在转子中主磁铁也被牢固地配置。因此，在转子中，不需要设置用于固定辅助磁铁和主磁铁的特别的区域，因此能够实现转子的小型化。

另外，所述辅助磁铁的与所述旋转轴方向垂直的截面的形状相对于所述主磁铁的与所述旋转轴方向垂直的截面的形状，从所述旋转轴的外周向所述径向的外侧进一步延伸的部位的长度相对于沿着所述旋转轴的外周延伸的部位的长度的比变大。在海尔贝克阵列型的转子中，减少周向上的海尔贝克阵列的极数、即减少在周向上排列的磁铁的数量对于转子的小型化是有效的。在海尔贝克阵列型的转子中，通过使辅助磁铁的形状如上所述，即使减少主磁铁的数量也能够实现电动马达的高输出化。

另外，也可以采用如下方式，即，所述辅助磁铁的与所述旋转轴方向垂直的截面为长方形，所述主磁铁的与所述旋转轴方向垂直的截面为扇形。这样，通过将辅助磁铁及主磁铁形成为简单的形状，能够以简单的构造实现海尔贝克阵列型的转子。

另外，也可以采用如下方式，即，使从所述旋转轴的中心到所述主磁铁的外周面的距离与从所述旋转轴的中心到所述辅助磁铁的径向外侧的端面的距离相同。这样，容易将主磁铁与相邻的辅助磁铁的突出的部分之间位置对齐。而且，使用了以此种方式构成的转子的电动马达能够实现稳定的性能。

另外，也可以采用如下方式，即，所述辅助磁铁的与所述旋转轴方向垂直的截面的面积小于所述主磁铁的与所述旋转轴方向垂直的截面的面积。采用这样的方式在转子的小型化中是有效的。

另外，也可以采用如下方式，即，所述辅助磁铁在所述周向上以等角度间隔配置。使用以此种方式构成的转子的电动马达能够实现稳定的性能。

本发明的一个实施方式的转子的制造方法是具有多个主磁铁及多个辅助磁铁的转子的制造方法，所述转子的制造方法包括如下步骤：在沿着旋转轴方向形成于旋转轴的外周的多个槽，将与所述旋转轴方向垂直的截面为长方形的所述辅助磁铁以从所述旋转轴的外周向径向的外侧突出且磁化方向沿着所述转子的周向并且相邻的所述辅助磁铁彼此的磁场方向相互为所述周向的相反方向的方式进行安装；及在相邻的所述辅助磁铁的突出的部分之间，将扇形的主磁铁以磁化方向沿着所述转子的径向且相邻的所述主磁铁彼此的磁场方向相互为所述径向的相反方向并且所述主磁铁和所述辅助磁铁在所述转子的所述周向上形成海尔贝克阵列的方式进行安装。

在转子的制造中，首先，将辅助磁铁固定于旋转轴，之后，利用旋转轴与主磁铁之间的吸引力，将主磁铁配置在相邻的辅助磁铁的突出的部分的之间，因此辅助磁铁及主磁铁的组装变得非常容易。

根据本发明，能够提供一种实现电动马达的高输出化且小型化的转子。

本公开的上述和其它目的、特征和优点将从下文给出的详细说明以及附图得到更充分的理解，详细说明和附图仅仅是为了说明的目的而给出的，因此不应将它们看作是对本公开的限制。

附图说明

图1是具有本实施方式的转子的电动马达的立体图。

图2是具有本实施方式的转子的电动马达的分解图。

图3是表示本实施方式的转子中的旋转轴的形状的立体图。

图4是表示本实施方式的转子的详细结构的剖视图。

图5是表示本实施方式的转子的制造方法的流程的概略的流程图。

图6是用于对图5的步骤S1具体地进行说明的图。

图7是用于对图5的步骤S2具体地进行说明的图。

图8是具备本实施方式的转子的电动马达的模拟模型的示意图。

图9是具备比较例的转子的电动马达的模拟模型的示意图。

图10是表示对具有本实施方式的转子的电动马达的图8所示的截面中的磁通密度分布进行模拟所得的结果的图。

图11是将图10的区域A放大后的图。

图12是表示对具有比较例的转子的电动马达的图9所示的截面中的磁通密度分布进行模拟所得的结果的图。

图13是将图12的区域B放大后的图。

图14是表示对具备本实施方式的转子的电动马达和具备比较例的转子的电动马达的转速与转矩之间的关系进行模拟所得的结果的图表。

图15是表示与图3所示的旋转轴不同的形状的旋转轴的立体图。

具体实施方式

以下，通过发明的实施方式对本发明进行说明，但并不将要求保护的范围的发明限定于以下的实施方式。另外，在实施方式中说明的全部结构并不一定都是作为用于解决课题的手段而必须的。为了明确说明，以下的记载和附图被适当地省略和简化。在各附图中，对相同的要素标注相同的标号，并根据需要省略重复说明。另外，以下的附图所示的右手系xyz坐标是用于说明构成要素的位置关系的便利性的坐标系，因此将电动机的旋转轴方向设为z轴方向。

首先，对具有本实施方式的转子的电动马达的结构进行说明。图1是具有本实施方式的转子的电动马达的立体图。图2是具有本实施方式的转子的电动马达的分解图。如图1所示，电动马达100由作为框体的壳体11和盖30覆盖。如图2所示，在壳体11和盖30的内侧配置有定子10和转子20。电动马达100是通过使转子20旋转驱动而将驱动力经由旋转轴26传递到对象物的电动机。

定子10具有定子铁心12a和线圈12c。定子铁心12a在旋转轴方向(Z轴方向)上层叠有大致圆筒状的电磁钢板，并包括向内周侧突出的齿12b和相邻的齿12b之间的槽12d。齿12b是沿着转子20的径向(以下简称为“径向”)延伸的棒状部。在槽12d分别配置有线圈12c。多个线圈12c例如以使电动马达100作为三相马达进行动作的方式相互连结并且与各电源(省略图示)连接。

转子20配置于定子10的内周侧。转子20具备多个辅助磁铁21和多个主磁铁22。辅助磁铁21和主磁铁22例如可以使用含有钕、铁和硼作为主要成分的稀土类永久磁铁。对转子20的结构的详细情况将在后面叙述。

壳体11是圆筒状体，在其一端具有开口的开口部11a，在另一端具有封闭的底部11b。底部11b具有旋转轴孔11c和设置于旋转轴孔11c的轴承部11d。盖30是形成有旋转轴孔30a的板状体，并配置成封闭壳体11的开口部11a。

旋转轴26配置于转子20的中心。旋转轴26的一端侧经由垫圈与盖30接触，旋转轴26的另一端侧经由垫圈与设置于壳体11的轴承部11d接触。转子20通过被盖30和轴承部11d夹持，从而在旋转轴方向上的位置稳定。

图3是表示旋转轴26的形状的立体图。如图3所示，旋转轴26为圆柱状，在旋转轴26的外周形成有多个沿着旋转轴方向(Z轴方向)的槽26a。多个槽26a相对于旋转轴26的中心线以等角度间隔形成。在图3所示的一例中，在旋转轴26中，以90°间隔形成有4个槽26a。

接着，对转子20的结构的详细情况进行说明。

图4是表示转子20的详细结构的剖视图。在此，图4是沿图2的IV-IV线的剖视图。如图4所示，辅助磁铁21分别嵌合于在旋转轴26的外周沿着旋转轴方向而形成的多个槽26a，并从旋转轴的外周向径向外侧突出。主磁铁22配置于相邻的辅助磁铁21的突出的部分。辅助磁铁21以等角度间隔配置于转子20的周向(以下简称为“周向”)。在图4所示的一例中，在转子20中，4个辅助磁铁21以90°间隔配置，4个主磁铁22分别配置在相邻的辅助磁铁21的突出的部分之间。如果在转子20中等间隔地配置辅助磁铁21，则使用了该转子20的电动马达100能够实现稳定的性能。

辅助磁铁21配置成磁化方向为周向，并且相邻的辅助磁铁21彼此的磁化方向相互为相反方向。主磁铁22的磁化方向为径向。主磁铁22由径向的内侧(旋转轴26侧)为N极且径向的外侧为S极的主磁铁22a、以及径向的内侧(旋转轴26侧)为S极且径向的外侧为N极的主磁铁22b构成，在周向上主磁铁22a和主磁铁22b被交替配置。

多个主磁铁22和多个辅助磁铁21配置成在周向上形成海尔贝克阵列。通过利用多个主磁铁22和多个辅助磁铁21在周向上形成海尔贝克阵列，从而能够抑制来自主磁铁22的磁通向旋转轴26侧溢出的情况，因此能够提高电动马达100的输出。

如上所述，由于辅助磁铁21嵌合于旋转轴26的各个槽26a，因此在转子20中被牢固地配置。另外，如果在相邻的辅助磁铁21的突出的部分之间配置主磁铁22，则主磁铁22受到来自旋转轴26的吸引力，因此在转子20中主磁铁22也被牢固地配置。因此，在转子20中，不需要设置用于固定辅助磁铁21和主磁铁22的特别的区域，因此能够实现转子20的小型化。

本申请的发明人发现，即使将辅助磁铁21中的沿着旋转轴26的外周延伸的部位的长度缩短，也能够抑制来自主磁铁22的磁通向旋转轴26侧溢出的情况。因此，辅助磁铁21的与旋转轴方向垂直的截面的形状相对于主磁铁22的与旋转轴方向垂直的截面的形状，增大了从旋转轴26的外周向径向的外侧进一步延伸的部位的长度相对于沿着旋转轴26的外周延伸的部位的长度的比。在辅助磁铁21的与旋转轴方向垂直的截面的形状中，上述比R1＝L1/L2。在主磁铁22的与旋转轴方向垂直的截面的形状中，该比R2＝L3/L4。即，在转子20中，使辅助磁铁21的上述比R1比主磁铁22的上述比R2大。

在海尔贝克阵列型的转子中，减少周向上的海尔贝克阵列的极数、即减少在周向上排列的磁铁的数量对于电动马达100的高速化是有效的。在海尔贝克阵列型的转子20中，通过使辅助磁铁21的上述比R1大于主磁铁22的上述比R2，即使将主磁铁22的数量减少到4个左右，也能够实现电动马达100的高输出化。

辅助磁铁21的与旋转轴方向垂直的截面为长方形，主磁铁22的与旋转轴方向垂直的截面为扇形。这样，通过将辅助磁铁21及主磁铁22形成为简单的形状，能够以简单的构造实现海尔贝克阵列型的转子20。

另外，从使转子20小型化的观点出发，优选为，辅助磁铁21的与旋转轴方向垂直的截面的面积比主磁铁22的与旋转轴方向垂直的截面的面积小。如上所述，即使将辅助磁铁21中的沿着旋转轴26的外周延伸的部位的长度缩短，也能够抑制来自主磁铁22的磁通向旋转轴26侧溢出的情况。因此，即便使辅助磁铁21的与旋转轴方向垂直的截面的面积比主磁铁22的与旋转轴方向垂直的截面的面积小，也能够抑制来自主磁铁22的磁通向旋转轴26侧溢出的情况。

接着，对转子20的制造方法进行说明。另外，在以下的说明中，也适当参照图1及图2。

图5是表示转子20的制造方法的流程的概略的流程图。如图5所示，首先，在旋转轴26安装辅助磁铁21(步骤S1)。接着，在相邻的辅助磁铁21的突出的部分之间配置主磁铁22(步骤S2)。

图6是用于对图5的步骤S1具体地进行说明的图。如图6所示，在旋转轴26的槽26a，将辅助磁铁21以从旋转轴26的外周向径向外侧突出，且磁化方向沿着周向的方式进行安装。另外，相邻的辅助磁铁21彼此的磁化方向相互为周向的相反方向。

图7是用于对图5的步骤S2具体地进行说明的图。如图7所示，在相邻的辅助磁铁21的突出的部分之间配置主磁铁22。如上所述，主磁铁22由径向的内侧(旋转轴26侧)为N极且径向的外侧为S极的主磁铁22a、以及径向的内侧(旋转轴26侧)为S极且径向的外侧为N极的主磁铁22b构成。在周向上，配置成主磁铁22a和主磁铁22b交替，即相邻的主磁铁22彼此的磁化方向相互为径向的相反方向。另外，将主磁铁22a及主磁铁22b配置成使主磁铁22a及主磁铁22b和辅助磁铁21在周向上形成海尔贝克阵列。主磁铁22a和主磁铁22b分别通过与旋转轴26之间的吸引力而被容易地拉入相邻的辅助磁铁21的突出的部分之间。

在磁铁的排列不是海尔贝克阵列的普通的转子中，在转子的制造中，首先用未磁化的金属构成转子，之后使其磁化。另一方面，在将磁铁的排列形成为海尔贝克阵列的转子中，在转子的制造中，不能在构成转子之后使其磁化，因此需要将大量的磁铁以成为海尔贝克阵列的方式进行组装。但是，由于磁铁间的排斥或吸引，存在将各磁铁配置于所期望的位置非常困难的问题。

与此相对，在本实施方式的转子20中，首先，将辅助磁铁21固定于旋转轴26，之后，利用旋转轴26与主磁铁22之间的吸引力，将主磁铁22配置在相邻的辅助磁铁21的突出的部分的之间，因此辅助磁铁21及主磁铁22的组装变得非常容易。

另外，为了易于将主磁铁22与相邻的辅助磁铁21的突出的部分之间位置对齐，优选为，使从旋转轴26的中心到主磁铁22的外周面的距离与从旋转轴26的中心到辅助磁铁22的径向外侧的端面的距离相同。另外，使用以此种方式构成的转子20的电动马达100能够实现稳定的性能。

接着，说明对本实施方式(实施例)的电动马达和比较例的电动马达的磁通密度分布分别进行模拟所得的结果。

图8是具备本实施方式的转子的电动马达的模拟模型的示意图。图8示出了电动马达100的与旋转轴方向垂直的截面。如图8所示，在电动马达100中，以使辅助磁铁21及主磁铁22的径向外侧的面与齿12b之间的间隙恒定的方式，在定子10的内周侧配置有转子20。

图9是具备比较例的转子的电动马达的模拟模型的示意图。图9对应于图8，示出了电动马达500的与旋转轴方向垂直的截面。如图9所示，电动马达500具备在旋转轴526的外周侧以环状相连配置有主磁铁522的结构的转子520。即，比较例的转子520在不具有辅助磁铁这一点上与本实施方式的转子20不同。另外，比较例的转子520的主磁铁522与本实施方式的转子20的主磁铁22同样地，由磁化方向相互为相反方向的主磁铁522a和主磁铁522b构成。即，主磁铁522a的径向的内侧(旋转轴526侧)为N极且径向的外侧为S极，主磁铁522b的径向的内侧(旋转轴526侧)为S极且径向的外侧为N极。

图10是表示对具备本实施方式的转子20的电动马达100的图8所示的截面中的磁通密度分布进行模拟所得的结果的图。图11是将图10的区域A放大后的图。图12是表示对具备比较例的转子520的电动马达500的图9所示的截面中的磁通密度分布进行模拟所得的结果的图。图13是将图12的区域B放大后的图。

如图12及图13所示，在电动机500中，来自主磁铁522的磁通向旋转轴526侧大幅溢出。另一方面，如图10及图11所示可知，在电动马达100中，与电动马达500相比，抑制了来自主磁铁22的磁通向旋转轴26侧溢出的情况。即，在电动马达100中，与电动马达500相比，能够降低磁损耗。

图14是表示对具备本实施方式的转子20的电动马达100和具备比较例的转子520的电动马达500的转速与转矩之间的关系进行模拟所得的结果的图表。在此，横轴为转速[rpm]，纵轴为转矩[N·m]。电动马达100(实施例)中的转速与转矩之间的关系用实线表示，电动马达500(比较例)中的转速与转矩之间的关系用虚线表示。如图14所示，在电动马达500中，不能进行转速为10000rpm左右的高速旋转。另一方面，如图14所示，在电动马达100中，即使进行转速为10000rpm左右的高速旋转，也能够产生1N·m左右的转矩。因此，具备本实施方式的转子20的电动马达100也能够适用于高速旋转的马达。

以上，本实施方式的转子20的多个主磁铁22和多个辅助磁铁21配置成在周向上形成海尔贝克阵列。通过利用多个主磁铁22和多个辅助磁铁21在周向上形成海尔贝克阵列，从而能够抑制来自主磁铁22的磁通向旋转轴侧溢出的情况，因此能够提高电动马达100的输出。由于辅助磁铁21嵌合于旋转轴26的各个槽26a，因此在转子20中被牢固地配置。另外，如果在相邻的辅助磁铁21的突出的部分之间配置主磁铁22，则主磁铁22受到来自旋转轴的吸引力，因此在转子20中主磁铁22也被牢固地配置。因此，在转子20中，不需要设置用于固定辅助磁铁21和主磁铁22的特别的区域，所以能够实现转子20的小型化。

本发明并不限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够适当地进行变更。例如，也可以考虑将旋转轴形成为与图3所示的旋转轴26不同的形状。图15是表示与图3所示的旋转轴26不同的形状的旋转轴126的立体图。如图15所示，旋转轴126为圆柱状，在旋转轴126的外周，从旋转轴126的一端(Z轴方向正侧的端)到另一端(Z轴方向负侧的端)形成有多个沿着旋转轴方向(Z轴方向)的槽126a。如果在旋转轴126中，从一端到另一端形成有沿着旋转轴方向的槽126a，则能够使辅助磁铁21从旋转轴126的一端起滑动而安装于旋转轴126，因此不需要进行辅助磁铁21的定位。由此，能够容易地将辅助磁铁21安装于旋转轴126。

从所描述的公开内容中显而易见，本公开的实施例可以以多种方式改变。这种改变不应被认为是脱离了本公开的主旨和范围，并且所有这些对于本领域的技术人员而言显而易见的改变都旨在包括在要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种转子，具有多个主磁铁及多个辅助磁铁，其中，

所述辅助磁铁分别嵌合于多个槽，所述多个槽在配置于所述转子的中心的旋转轴的外周沿着旋转轴方向而形成，所述辅助磁铁从所述旋转轴的外周向径向的外侧突出，并具有沿着所述转子的周向的磁化方向，

相邻的所述辅助磁铁彼此的磁场方向相互为所述周向的相反方向，

所述主磁铁配置于相邻的所述辅助磁铁的突出的部分，并具有沿着所述转子的径向的磁化方向，

相邻的所述主磁铁彼此的磁场方向相互为所述径向的相反方向，

多个所述主磁铁和多个所述辅助磁铁配置成使所述主磁铁和所述辅助磁铁在所述转子的所述周向上形成海尔贝克阵列。

2.根据权利要求1所述的转子，其中，

所述辅助磁铁的与所述旋转轴方向垂直的截面的形状相对于所述主磁铁的与所述旋转轴方向垂直的截面的形状，从所述旋转轴的外周向所述径向的外侧进一步延伸的部位的长度相对于沿着所述旋转轴的外周延伸的部位的长度的比变大。

3.根据权利要求2所述的转子，其中，

所述辅助磁铁的与所述旋转轴方向垂直的截面为长方形，所述主磁铁的与所述旋转轴方向垂直的截面为扇形。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的转子，其中，

使从所述旋转轴的中心到所述主磁铁的外周面的距离与从所述旋转轴的中心到所述辅助磁铁的径向外侧的端面的距离相同。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的转子，其中，

所述辅助磁铁的与所述旋转轴方向垂直的截面的面积小于所述主磁铁的与所述旋转轴方向垂直的截面的面积。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的转子，其中，

所述辅助磁铁在所述周向上以等角度间隔配置。

7.一种转子的制造方法，所述转子具有多个主磁铁及多个辅助磁铁，所述转子的制造方法包括如下步骤：

在沿着旋转轴方向形成于旋转轴的外周的多个槽，将所述辅助磁铁以从所述旋转轴的外周向径向的外侧突出且磁化方向沿着所述转子的周向并且相邻的所述辅助磁铁彼此的磁场方向相互为所述周向的相反方向的方式进行安装；及

在相邻的所述辅助磁铁的突出的部分之间，将主磁铁以磁化方向沿着所述转子的径向且相邻的所述主磁铁彼此的磁场方向相互为所述径向的相反方向并且所述主磁铁和所述辅助磁铁在所述转子的所述周向上形成海尔贝克阵列的方式进行安装。

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