CN113054768A - 电动机的机架结构以及电动机的机架和电枢的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供电动机的机架结构以及电动机的机架和电枢的制造方法，在电动机的机架结构中，将机架的角数作为4M(M为自然数，M≥1)、将电枢铁心的槽的数量作为6N(N为自然数，N≥1)时，以在与机架的相对的两边正交且通过机架的转动轴线的基准线和连接以所述转动轴线为中心的点对称的磁极彼此的直线之间在圆周方向上形成规定范围的偏角(θ)的方式，电枢铁心插入机架中。

Description

电动机的机架结构以及电动机的机架和电枢的制造方法
相关申请的交叉参考
本申请基于2019年12月26日向日本特许厅提交的日本专利申请2019-235835号，因此将所述日本专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及电动机的机架结构以及电动机的机架和电枢的制造方法。
背景技术
包括永磁铁的同步电动机是转子具有包括磁铁的磁场源的电动机的一例。在该包括永磁铁的同步电动机中，由于电枢铁心的磁阻的变化和永磁铁的磁通密度变化，即使在无负载状态下，也产生根据转子的转动角度而脉动的转矩、即齿槽转矩。关于齿槽转矩，已知由“设计要因”产生的齿槽转矩和由“制造要因”产生的齿槽转矩。前者的设计要因起因于电枢铁心的形状、尺寸、转子的永磁铁或转子铁心的形状等而产生。作为其降低对策，在日本专利公开公报专利第4870912号所示的技术中，通过将转子磁铁的角度设定为某个固定的极弧率，将转子磁铁设计为使齿槽转矩成为极小的尺寸。由此，降低了齿槽转矩。
另一方面，关于后者的“制造要因”，由于组装电动机时电枢铁心自身的尺寸的偏差、组装精度的偏差或在制造中作用的应力等，无法有效地发挥考虑前者的“设计要因”而设计的齿槽转矩的降低对策，有时齿槽转矩变大。相对于此，作为一例已知以下对策手段。
在日本专利公开公报特开2018-64395号公开的技术中，定子包括机架和与机架的嵌合部嵌合的定子铁心10。定子铁心10是具有多个铁心边20的层叠铁心。多个铁心边20在多个铆接部分22中以层叠状态铆接固定。多个铆接部分22在圆周方向上不均等地配置。在该日本专利公开公报特开2018-64395号公开的现有技术中，提供一种接近正圆的定子铁心，抑制了齿槽转矩的增加。
在日本专利公开公报专利第5243511号中，公开了一种通过在机架内固定定子铁心来制造永磁式同步电动机的方法。在该方法中，将机架的特定部位和定子铁心的特定部位分别作为基准位置。将上述两个部位以具有特定的位置关系的方式定位后进行固定。将上述机架的特定部位作为在定子铁心的外周的N个部位(N为自然数)中以比其他部位大的力向内侧加压的部位。作为上述以比其他部位大的力向内侧加压的机架的特定部位，将间隔件等加压构件与上述机架或上述定子铁心分开设置。
在日本专利公开公报专利第5243511号公开的技术中，涉及一种实施了极数或槽成为完全对称的制造的情况的齿槽转矩。在该技术中抑制了特别是在批量生产实机设备的现场中，这些极数或槽数的对称性被破坏，以大的振幅出现比这些数的最小公倍数的次数低的齿槽转矩成分。
日本专利公开公报专利第6056193号公开的转动电机包括：包括永磁铁的转子、定子和机架构件。定子包括大体T形的多个铁心片构件。铁心片构件以成为在周向包围该转子的环状配置的方式相互组合而成为一体结构。机架构件具有为了形成圆筒面而制作的内侧面。机架构件通过使该内侧面与所述定子中的所述多个铁心片构件中的至少几个接触，将所述多个铁心片构件保持为所述环状配置。所述多个铁心片构件具有标准铁心片构件和扩大铁心片构件。在标准铁心片构件中，应当与所述机架构件的所述内侧面接触的面成为形成规定半径的圆筒面的一部分的圆筒面要素。在扩大铁心片构件中，应当与所述机架构件的所述内侧面接触的面形成为比该标准铁心片构件的所述圆筒面要素突出。在所述定子中，在与所述机架构件的所述内侧面的各位置中的从理想的圆筒面向外侧深处的位置对应的所述环状配置的周向位置配置有所述扩大铁心片构件。
日本专利公开公报专利第6056193号公开的技术是用于解决以下问题的技术。即，在多个铁心片组成的定子中，内侧面的正圆度恶化。如果该正圆度恶化，则定子与转子之间的间隙的形状变得不均匀，磁能的周向的分布变得不平衡。由于该磁性的不平衡，所以在包括永磁铁的转子的转矩变动(齿槽转矩)的波形中在转子一周的期间重叠有与磁极数对应的脉动的成分(所谓的极数成分)。其结果，齿槽转矩的峰峰值(peak to peak值)增大。
这些文献的技术中共通的是如下方面：为了从机架的外侧施加应力而实现正圆，设法将嵌合的部分的形状以该部分不均等的方式紧固。但是，根据嵌合部分的精度或应力的施加方式，定子的内周面不容易得到理想的正圆形状。
发明内容
本发明的一个目的在于，通过与所述现有技术不同的方法，能够实现使从机架受到的偏应力分散、对定子中的电枢铁心的内周面得到更理想的正圆形状、和/或降低作为齿槽转矩的产生要因之一的“制造要因”。
本发明的一种方式的电动机的机架结构如下所述。
即，本发明的一种方式的电动机的机架结构包括：具有多角形的外周和圆形的内周的机架；以及插入到所述机架的内周的电枢铁心，所述电枢铁心包括相互层叠的多张第一铁心片或相互层叠的多张所述第一铁心片和第二铁心片，在所述第一铁心片中，相邻的磁极的所述机架的转动轴线侧的顶端部分别被桥连接，在所述第二铁心片中，相邻的磁极的所述转动轴线侧的顶端部未被连接，而在所述顶端部之间形成有开口部，基于从所述机架的转动轴线向径向观察时的所述机架的断面的壁厚的峰数，定义所述机架的所述外周的所述多角形的角数，将所述机架的所述角数作为4M(M为自然数，M≥1)、将所述电枢铁心的槽的数量作为6N(N为自然数，N≥1)时，以在与所述机架的相对的两边正交且通过所述转动轴线的基准线和连接以所述转动轴线为中心的点对称的磁极彼此的直线之间在圆周方向上形成规定范围的偏角θ的方式，所述电枢铁心插入所述机架中。
此外，本发明的其他方式的电动机的机架结构包括：具有多角形的外周和圆形的内周的机架；以及插入到所述机架的内周的电枢铁心，所述电枢铁心包括相互层叠的在其圆周方向上全部磁极相连的一体结构的第二铁心片，或者所述电枢铁心包括相互层叠的在其圆周方向上各磁极全部被分割并具有T形的第三铁心片，且这些第三铁心片以规定次数均等分布地组合并集中成在所述磁极的顶端部之间具有开口部的同心圆状，基于从所述机架的转动轴线向径向观察时的所述机架的断面的壁厚的峰数，定义所述机架的所述外周的所述多角形的角数，将所述机架的所述角数作为4M(M为自然数，M≥1)、将所述电枢铁心的槽的数量作为6N(N为自然数，N≥1)时，以在与所述机架的相对的两边正交且通过所述转动轴线的基准线和连接以所述转动轴线为中心的点对称的磁极彼此的直线之间在圆周方向上形成规定范围的偏角θ的方式，所述电枢铁心插入所述机架中。
此外，为了构成所述的电动机的机架结构，采用以下电动机的机架和电枢的制造方法。
即，本发明的一种方式的电动机的机架和电枢的制造方法包括通过相互层叠多张第一铁心片或相互层叠所述第一铁心片和第二铁心片形成插入到具有多角形的外周和圆形的内周的机架的内周的电枢铁心，在所述第一铁心片中，相邻的磁极的所述机架的转动轴线侧的顶端部分别被桥连接，在所述第二铁心片中，相邻的磁极的所述转动轴线侧的顶端部未被连接，而在所述顶端部之间形成有开口部，还包括将所述机架的所述外周的所述多角形的角数作为4M(M为自然数，M≥2)、将所述电枢铁心的槽的数作为6N(N为自然数，N≥2)时，以在与所述机架的相对的两边正交且通过所述转动轴线的基准线和连接以所述转动轴线为中心的点对称的磁极彼此的直线之间在圆周方向上形成规定范围的偏角θ的方式，使用定位部将所述电枢铁心插入所述机架中，基于从所述机架的转动轴线向径向观察时的所述机架的断面的壁厚的峰数，定义所述机架的所述角数。
此外，本发明的其他方式的电动机的机架和电枢的制造方法包括插入到具有多角形的外周和圆形的内周的机架(1)的内周的电枢铁心(AC)通过层叠在其圆周方向上全部磁极相连的一体结构的第二铁心片而形成或者通过层叠在其圆周方向上各磁极全部被分割并具有T形的第三铁心片且以规定次数均等分布地组合并集中成在所述磁极的顶端部之间具有开口部的同心圆状而形成，还包括将所述机架的所述外周的所述多角形的角数作为4M(M为自然数，M≥1)、将所述电枢铁心的槽的数量作为6N(N为自然数，N≥2)时，以在与所述机架的相对的两边正交且通过所述机架的转动轴线的基准线和连接以所述转动轴线为中心的点对称的磁极彼此的直线之间在圆周方向上形成规定范围的偏角θ的方式，使用定位部将所述电枢铁心插入所述机架中，基于从所述机架的转动轴线向径向观察时的所述机架的断面的壁厚的峰数，定义所述机架的所述角数。
在本发明的上述方式中，能够使从机架受到的偏应力分散。因此，能够对定子的内周面得到更理想的正圆形状。因此，能够以齿槽转矩稳定的方式制造机架结构。即，在上述方式中，得到能够降低作为齿槽转矩的产生要因之一的“制造要因”的效果。
附图说明
图1A是用于说明本实施方式的技术的基本思想的机架结构的图像立体图，图1B是表示其米塞斯应力分布和变形的情况的应力变形图像断面图。
图2是在本实施方式的机架结构设置有附加的结构的方式的图像立体图。
图3是表示分解后的本实施方式的第一方式中的机架结构的立体图。
图4是本实施方式的第一方式中的电枢铁心的插入角度(偏角θ)的说明图。
图5A是表示本实施方式的第一方式中的作用于电枢铁心内周的应力分布的曲线图，图5B是表示本实施方式的第一方式中的米塞斯应力所包含的振幅成分的曲线图。
图6是表示作为本实施方式的第一方式的比较例的偏角θ为0°的方式的米塞斯应力分布和变形的情况的应力变形断面图。
图7A是表示本实施方式的第一方式中的另一个作用于电枢铁心内周的应力分布的曲线图，图7B是表示本实施方式的第一方式中的另一个米塞斯应力所包含的振幅成分的曲线图。
图8A是表示本实施方式的第一方式中的又一个作用于电枢铁心内周的应力分布的曲线图，图8B是表示本实施方式的第一方式中的又一个米塞斯应力所包含的振幅成分的曲线图。
图9A是表示本实施方式的第一方式中的再一个作用于电枢铁心内周的应力分布的曲线图，图9B是表示本实施方式的第一方式中的再一个米塞斯应力所包含的振幅成分的曲线图。
图10是表示作为本实施方式的第一方式的比较例的偏角为15°的方式的米塞斯应力分布和变形的情况的应力变形断面图。
图11是表示本实施方式的第一方式中的机架结构的电枢铁心为非点对称的方式的断面图。
图12A是表示本实施方式的第一方式中的机架结构的电枢铁心为非点对称的方式的作用于电枢铁心内周的应力分布的曲线图，图12B是表示本实施方式的第一方式中的机架结构的电枢铁心为非点对称的方式的米塞斯应力所包含的振幅成分的曲线图。
图13是表示分解后的本实施方式的第二方式中的机架结构的立体图。
图14A是表示本实施方式的第二方式中的作用于电枢铁心内周的应力分布的曲线图，图14B是表示本实施方式的第二方式中的米塞斯应力所包含的振幅成分的曲线图。
图15A是表示本实施方式的第二方式中的另一个作用于电枢铁心AC内周的应力分布的曲线图，图15B是表示本实施方式的第二方式中的另一个米塞斯应力所包含的振幅成分的曲线图。
图16是表示本实施方式的方式中的偏角与齿槽转矩的关系的曲线图。
图17是表示本实施方式的方式中的维持电枢铁心的偏角的定位部的立体图。
图18是表示本实施方式的方式中的另一个维持电枢铁心的偏角的定位部的立体图。
图19是表示本实施方式的方式中的又一个维持电枢铁心的偏角的定位部的立体图。
具体实施方式
在下面的详细说明中，出于说明的目的，为了提供对所公开的实施方式的彻底的理解，提出了许多具体的细节。然而，显然可以在没有这些具体细节的前提下实施一个或更多的实施方式。在其它的情况下，为了简化制图，示意性地示出了公知的结构和装置。
最初，说明本实施方式中的基本思想。本实施方式涉及一种转子具有包括磁铁的磁场源的电动机的机架结构。另外，在以下的说明中，转子具有包括磁铁的磁场源的电动机的结构和功能是公知的，因此除了与本实施方式相关的部分以外省略了详细说明。
图1A表示用于说明本实施方式的基本思想的机架结构的图像立体图，图1B示出表示其米塞斯应力分布和变形的情况的应力变形图像断面图。
在本方式中，如图1A所示，机架1在几何学上基本上是四边形。在该四边形的各顶点部分各形成有两个壁厚W的较厚的角部。由此，机架1具有八个角。在机架1的内侧包括圆环2。圆环2是模型化的电枢铁心AC(参照图3)的外周面、即电枢铁心AC的位于机架1的内周面侧的部分。在本方式的机架1中，将机架1的角数作为4M角形(M：自然数)时，M＝2。由此，机架1具有多角形(八角形)的外周和圆形的内周。
电枢铁心AC插入机架1(机架1的内周)中。为了抑制在电动机M产生转矩T时，电枢铁心AC因反作用力而向与转矩T相反方向转动，在机架1与电枢铁心AC之间设置某种紧固。一般来说，大体采用以下两种方法。在第一方法中，将电枢铁心AC的外径和机架1的内径设定为压入尺寸。并且，通过热装等将电枢铁心AC机械地紧固固定于机架1。在第二方法中，使电枢铁心AC的外径比机架1的内径小，在机架1与电枢铁心AC之间设置间隙。并且，通过粘接剂固定机架1和电枢铁心AC。有时也采用组合这两种方法的方法。在第一方法中，由机架的收缩产生的应力从铁心的外径沿径向作用。在第二方法中，由粘接剂的固化收缩产生的应力从铁心的外径沿径向作用。但是，由于用于紧固的来自机架的应力，导致磁性的不均等分布。这关系到与齿槽转矩Tc违反设计意图而变大相关的制造误差的要因。因此，希望尽量使应力不作用于电枢铁心AC。
该应力变形根据机架1的外周与内周之间的壁厚W的大小而变化。假设在机架1的内外周为圆筒形状(未图示)的情况下，电枢铁心AC从机架受到的应力实质上均等地作用于电枢铁心AC。但是，如本方式所示在机架1为多角形的情况下，机架1中的顶点和边其他部分中，作用于内部的应力不同。因此，偏应力作用于电枢铁心AC的各磁极MP。关于来自机架1的偏应力以何种方式作用于电枢铁心AC，设想图1A所示的通过将单纯的圆环2以压入方式插入机架1的情况，进行了应力解析，并将解析结果表示于图1B。在图1B中，以米塞斯应力分布图表示本方式中的机架1向圆环2施加的应力变形图像。
另外，作为机架1的材质使用铁或铝等各种材料。电枢铁心AC的材质通常是电磁钢板等铁系金属。在与图1B相关的解析中，为了以容易理解的方式表示变形状态，将两个构件设定为相同的材料。
如图1B所示，圆环2变形为多角形，与机架1的壁厚W较厚的部分对应的部分凹陷、与机架1的壁厚W较薄的部分对应的部分突出。由此可知，应力变形大体根据机架1的外周与内周之间的壁厚W的大小而变化。
因此，在机架结构的确定中，优选通过与壁厚W的关系来定义机架的多角形形状的角数。即，以相对于机架内周圆从机架1的转动轴线Z向径向观察时的机架1断面的壁厚W的峰数来定义所述多角形的角数。
图2表示在本实施方式的机架结构设置有附加的结构的方式的图像立体图。在该方式中，在机架1的外周侧设置有用于将电动机M产生的热量向外部空气等散热的散热风扇Fin。这种作为相对于机架1的附加结构的散热风扇Fin不是结构构件，也不是对从机架1作用于电枢铁心AC的各磁极MP的偏应力产生较大影响的结构部分。因此，在这种方式中，基于除了作为附加结构的散热风扇Fin以外的部分即机架1的主体部分的形状等进行设计。
从以上的考察可知，为了设计机架结构，明确了以下的基本思想。即，电枢铁心AC通过机架1从外周接受应力而变形。因此，为了尽可能地减小其变形，以相对于通过机架1和电枢铁心AC的中心且与断面垂直的Z轴设置一定的角度的方式，将电枢铁心AC插入机架1中。由此，能够分散从半径方向作用于电枢铁心AC的应力，因此能够缓和由施加到电枢铁心AC的偏应力产生的应力。
但是，插入内部的电枢铁心AC的形状具有磁极MP的顶端部被桥连接的方式和与此不同的方式，在这些方式之间，应力分布显著不同。基于如上所述的基本思想，在设计机架结构时，考虑这两种方式，并根据各方式确定最佳的插入角度。
以下，将各方式作为本实施方式的第一实施方式和第二实施方式来进行说明。
图3是表示分解后的本实施方式的第一方式中的机架结构的立体图。
在本方式中，在插入机架1中的电枢铁心AC中，混合层叠有相邻的磁极MP的顶端部被桥连接的第一铁心片和相邻的磁极MP的顶端部具有至少一种以上的开口部CL的第二铁心片。当然，在电枢铁心AC中，也可以仅层叠有电枢铁心AC的相邻的磁极MP的顶端部被桥连接的第一铁心片。
即，在第一铁心片中，相邻的磁极MP的转动轴线Z侧的顶端部分别被桥连接。此外，在第二铁心片中，相邻的磁极的转动轴线Z侧的顶端部未被连接，而在顶端部之间形成有开口部CL。电枢铁心AC可以包括相互层叠的多张第一铁心片或相互层叠的多张第一铁心片和第二铁心片。
即，电枢铁心可以通过相互层叠多张第一铁心片或相互层叠所述第一铁心片和第二铁心片而形成。
机架1的外周是四边形。该机架1是在4M角形(M：自然数)中M＝1的方式的例子。
图4是本方式中的电枢铁心AC相对于机架1的插入角度的说明图。
插入角度为在圆周方向上规定范围的偏角θ1。在与机架1外周的相对的两边(A、C和B、D两组)分别正交且通过电动机的转动轴线Z的两条基准线X1、Y1和连接以所述转动轴线Z为中心的点对称的磁极MP彼此的直线(中的接近上述基准线X1、Y1的直线)X2、Y2之间产生该偏角θ1。
磁极MP的间距在整个周向的转动角360°之间以与槽SL的数量相同的周期出现。在采用超过上述间距的一半的偏角的情况下，由于位置关系以磁极MP和与磁极MP相邻的槽SL的关系再现，所以偏角的范围超过0°。因此，只要考虑到磁极MP的间距的一半为止的区域就足够。
在本方式中，机架1的角数为8，在4M角形(M：自然数)中M＝2。电枢铁心AC的磁极MP的数量、即槽SL的数量为12，在槽SL的数量6N中N＝2。
由此，将机架1的角数作为4M(M为自然数，M≥1或M≥2)、将电枢铁心AC的槽SL的数量作为6N(N为自然数，N≥1或N≥2)时，以在与机架1的相对的两边正交且通过转动轴线Z的基准线X1、Y1和连接以转动轴线Z为中心的点对称的磁极MP彼此的直线X2、Y2之间在圆周方向上形成规定范围的偏角θ(θ1)的方式，例如使用定位部将电枢铁心AC插入机架1中。
在这种情况下，磁极MP的间距为通过将整个周向的转动角360°除以槽SL的数量12而得到的30°。因此，所述的应考虑的偏角θ1的区域为从0°到上述间距的一半的15°。
关于上述偏角θ1，对θ1＝7.5°的方式进行了结构解析。图5A和图5B表示其结果。
在此，图5A表示本方式中的作用于电枢铁心AC内周的应力的分布。关于包括磁极MP的顶端和桥的任意断面的应力，横轴为圆周方向角度(0°～360°)，纵轴为各自的米塞斯应力。此外，通过对该应力的空间分布进行傅里叶解析，能够评价米塞斯应力所包含的振幅成分。图5B表示该米塞斯应力所包含的振幅成分。
从图5B可知，θ1＝7.5°时四次谐波的应力成分为最小。在该状态下，从八角形的机架1的外周作用变形应力。此外，在该状态下，槽SL位于机架的外周的顶点或边A～D的正下方。
一般来说，低次谐波具有更大的对齿槽转矩Tc的制造误差要因的影响力。由此，在这种情况下，可知偏角θ1＝7.5°的方式为齿槽转矩Tc的制造稳定性最高的方式。
另外，在图6中作为比较例表示了偏角θ1＝0°的方式。在该比较例中，各磁极MP位于机架1的各边A～D或多角形的机架1的各顶点的正下方。在该比较例中，可知包括磁极MP和桥的机架1的内侧的电枢铁心AC想要变形为八边形。
图7A和图7B分别表示作用于电枢铁心AC内周的米塞斯应力分布和米塞斯应力所包含的振幅成分。在与这些图相关的方式的电枢铁心AC中，机架1的角数4M为M＝1、即四角，槽SL的数量6N为N＝2、即12。
在图5A、图5B和图6所示的方式的电枢铁心AC中，机架1的角数4M为M＝2、即八角，槽SL的数量6N为N＝2、即12。在该方式的情况下，偏角θ1＝7.5°为最佳。另一方面，可知如果观察图7A和图7B，则即使槽SL的数量相同，在机架1的角数4M为M＝1、即四角的情况下，偏角θ1＝15°对于抑制低次谐波也是有效的。
图8A和图8B分别表示作用于电枢铁心AC内周的米塞斯应力分布和米塞斯应力所包含的振幅成分。在与这些图相关的方式的电枢铁心AC中，机架1的角数4M为M＝2、即八角，槽SL的数量6N为N＝1、即6。
由此可知，在本方式中，从低次到高次观察到较多的谐波以及在低次谐波区域中偏角θ1＝15°最具优势、即最佳。
图9A和图9B分别表示作用于电枢铁心AC内周的米塞斯应力分布和米塞斯应力所包含的振幅成分。在与这些图相关的方式的电枢铁心AC中，机架1的角数4M为M＝1、即四角，槽SL的数量6N为N＝1、即6。
由此可知，在本方式中，谐波集中于低次谐波区域，并且偏角θ1＝15°稍具优势。
但是，在本方式中，在低次谐波出现的变形成分的二次谐波和四次谐波的应力成分几乎不变化。因此，难以大幅度提高齿槽转矩Tc的制造稳定性。
图10示出表示本方式中θ1＝15°时的米塞斯应力分布和变形的情况的应力变形图像断面图。
从图10可知，电枢铁心AC变形为大体四边形。由此可知来自机架的偏应力未被分散。由于槽SL的数量为6，所以磁极MP的间距为60°。因此，偏角θ1的区域为0°<θ1≤30°。但是，实际上在15°<θ1≤30°的区域内，再现了与在0°<θ1≤15°的区域产生的磁极MP的位置关系相同的位置关系。即使在这种情况下，也能够应用本实施方式。
在图11所示的方式的结构中，电枢铁心AC为非点对称。在本方式中，相邻的槽SL(图中由虚线包围的组合Conv)相对于配置在其间的磁极MP以线对称配置。另一方面，对槽SL的中心进行观察时，电枢铁心AC为非点对称。
在图12A和图12B中，关于这种电枢铁心AC为非点对称的结构，分别表示作用于电枢铁心AC内周的米塞斯应力分布和米塞斯应力所包含的振幅成分。在与这些图相关的方式的电枢铁心AC中，机架1的角数4M为M＝2、即八角，槽SL的数量6N为N＝2、即6。
由此可知，在本方式中，从低次到高次观察到较多的谐波，并且在低次谐波区域中特别是使四次变形成分显著减少的偏角θ1＝15°为最佳。
在如上所示的方式中，电枢铁心AC中的相邻的磁极MP的顶端部均被桥连接。在以下说明的第二实施方式的插入机架1中的电枢铁心AC中，相邻的磁极MP的顶端部未被桥连接。
图13表示本实施方式的第二实施方式的分解立体图。
在本实施方式的第二实施方式中形成的电枢铁心AC通过如下方式形成：相互层叠在圆周方向上全部磁极MP相连的一体结构的第二铁心片；或者层叠在周向上各磁极MP全部被分割的具有T形的第三铁心片并以规定次数均等分布地组合而成圆形。与本实施方式的第一实施方式的大的不同点在于磁极MP的顶端部与相邻的磁极MP未被桥连接而形成有开口部CL。
即，电枢铁心AC包括相互层叠的在其圆周方向上全部磁极相连的一体结构的第二铁心片，或者包括相互层叠的在其圆周方向上各磁极MP全部被分割且具有T形的第三铁心片，并且这些第三铁心片以规定次数均等分布地组合且集中成在磁极MP的顶端部之间具有开口部CL的同心圆状。
即，电枢铁心AC能够通过如下方式形成：将第二铁心片层叠；或者将第三铁心片层叠并以规定次数均等分布地组合，并且集中成在所述磁极的顶端部之间具有开口部的同心圆状。
在本方式中，将偏角定义为θ2，进行变形的研究。其中，由于内周的磁极MP的顶端部没有连接成圆环状，所以难以实施基于应力的评价。因此，将磁极MP的位移量作为评价指标进行了比较。
图14A和图14B分别表示磁极MP的位移量分布和其傅里叶解析结果。在与这些图相关的方式的电枢铁心AC中，机架1的角数为8(4M角形(M：自然数)，M＝2)。此外，电枢铁心AC的磁极MP的数量、即槽SL的数量为12(槽SL的数量6N，N＝2)。
在本方式中，可知四次谐波和八次谐波的变形成分大幅度减少，偏角θ2＝15°为最佳。
图15A和图15B分别表示磁极MP的位移量分布和其傅里叶解析结果。在与这些图相关的方式的电枢铁心AC中，机架1的角数为8(4M角形(M：自然数)，M＝1)。此外，电枢铁心AC的磁极MP的数量、即槽SL的数量为6(槽SL的数量6N，N＝1)。
在本方式中，在傅里叶解析结果的各次谐波的变形成分中几乎没有出现差异。因此，看起来可以认为没有得到效果。但是，在磁极MP的位移量分布的原来的波形中，偏角θ2＝15°时的脉动的峰值比大。即，在机架1的内周中存在与来自外部的应力对应的变形大的部位和小的部位。关于这种变形或者说一定的变形能够使气隙的距离具有周期性并能够维持磁性的均等分布性。因此，偏角θ2＝15°不一定是最佳的偏角，最佳偏角为偏角θ2＝0°。
对以上说明的本实施方式的实施方式总结最佳偏角(最佳插入角)，如表1和表2所示。
表1最佳插入角：磁极MP的顶端部被桥连接的结构的电枢铁心AC的情况
机架角数 铁心形状 槽数 磁极间距角[°] 最佳插入角[°] 间距比率
4 对称 6 60 - -
8 6 560 15 1/4
4 12 30 15 1/2
8 12 30 7.5 1/4
8 非对称 12 60 15 1/4
表2最佳插入角：磁极MP的顶端部开口的结构的电枢铁心AC的情况
机架角数 铁心形状 槽数 磁极间距角[°] 最佳插入角[°] 间距比率
4 对称 6 60 60 1
8 对称 12 30 15 1/2
在此，如果将机架的角数作为4M角形、将电枢的槽SL数量作为6N槽SL(M、N：自然数)，则最佳的插入角度θ1、θ2由下式给出。
Figure BDA0002851294700000141
(其中，M＝1且N＝1的情况除外)
Figure BDA0002851294700000142
基于所述式(1)、(2)可知，根据电枢铁心AC的磁极MP的顶端部的结构，唯一地确定以机架的壁厚W为基准的角数的电枢铁心AC的插入时的最佳的偏角。
另外，在电枢铁心AC具有非点对称形状的铁心结构的情况下，关于槽SL的数量，相对于通过磁极MP的中心或槽SL的中心和电动机的转动中心的直线，磁极MP的中心或槽SL的中心中的任意一方位于点对称位置，另一方为非点对称形状的关系。即，关于电枢铁心AC的形状，以电动机的转动轴线Z为中心，磁极MP中心面或槽SL的中心面中的任意一方具有转动对称的形状，并且另一方具有转动对称的形状以外的结构。因此，关于具有非点对称形状的铁心结构的电枢铁心AC，通过相对于点对称形状的多个槽SL或磁极MP，将分别包含于线对称的范围的多个磁极MP或槽SL分别作为一个整体进行处理，也能够进行与至此为止说明的方式相同的处理。例如，在图11、图12A和图12B所示的方式的情况下，实际的槽SL的数量为12，但是在本方式中，只要将槽SL的数量视为6即可。
即，作为槽SL的数量的6N中的数量N，可以将相对于成为转动对称的形状的中心的转动轴线Z成为转动对称的范围中包含的多个磁极MP或槽SL作为一个磁极MP或槽SL来进行计数。
以上是与偏角θ的设定相关的说明。以下，说明上述偏角θ与齿槽转矩Tc的关系。
图16表示偏角θ与齿槽转矩Tc的关系。
在验证中，作为一例，使用所述的磁极MP的顶端部被桥连接的电枢铁心AC和机架1。该机架1的角数为8(4M角形(M：自然数)，M＝2)。此外，非对称结构的电枢铁心AC的槽SL的数量为6(槽SL的数量6N，N＝1(由于是非对称结构，所以是视作值))。从图16可知，与偏角θ＝0°时的齿槽转矩Tc相比，齿槽转矩Tc根据偏角θ的增加而下降，并且偏角θ＝15°时齿槽转矩Tc降低得最多。
如上所述，能够通过使插入角度最佳化，具有降低齿槽转矩Tc的效果。其中，在实际制造电动机时，优选使用转动方向的定位部，以便能够相对于作用于电动机的电枢铁心AC的转动转矩T等维持适当的偏角位置。
上述定位部只要是能够维持机架1与电枢铁心AC的位置关系的构件，则如以下例示，可以是任何构件。
图17表示该定位部的一种方式。
在本方式中，通过台座部3a将用于电枢线圈的末端接线的印刷基板4和电枢线圈的线圈骨架3或绝缘体(未图示)连接。将设置于印刷基板4的为了布线、接线和连接器配置等而具备的突起4a用于基准位置的固定，由此进行定位。即，通过形成于印刷基板4的定位部(突起4a)，将电枢铁心AC固定于其偏角位置。
图18表示该定位部的另一种方式。
在本方式中，设置于电枢线圈的一部分或在接线处理后通过使用树脂的模塑成型而形成的填充树脂5的一部分的凹部5a用作定位的基准位置(定位部)。
总之，定位部不限于印刷基板的所述突起4a或设置于填充树脂的一部分的凹部5a。定位部也可以是孔、凹陷或突起等。定位部只要能够进行所述定位，则可以具有大体任何结构。
此外，定位的基准位置不仅是这种周边构件，也能够在电动机M的从转动轴线Z的方向观察的端面上露出的一侧，在电枢铁心AC自身上形成定位功能。在这种情况下，在至少一张第一、第二或第三铁心片的一部分设置定位机构(定位部)。
图19表示该定位部的又一种方式。
在图19所示的方式中，铁心片在电枢铁心AC的后磁轭6的部分具有用于定位的凹部6a或孔等。铁心片以比线圈端部突出数片的方式层叠。由于该部分是线圈端部，所以不会直接影响电动机M的转矩T。因此，在该部分实施用于形成孔等的加工不易对电动机M的性能产生不良影响。
由此，电动机M的机架结构可以还包括在用于电枢铁心AC的线圈的末端接线的印刷基板4将电枢铁心AC固定于其偏角位置的定位部。
或者电动机M的机架结构可以还包括在电动机M的模塑成形部(填充树脂5)的一部分将电枢铁心AC固定于其偏角位置的定位部(凹部5a)。即，可以是将电动机M的至少一部分(填充树脂5)模塑成形，通过形成于模塑成形的部分的一部分的定位部(凹部5a)，将电枢铁心AC固定于其偏角位置。
或者在电动机M的机架结构中，可以在电动机M的从转动轴线Z的方向观察的端面露出的一侧，在至少一张第一或第二铁心片的一部分形成有将电枢铁心AC固定于其偏角位置的定位部。即，可以在电动机M的从转动轴线Z的方向观察的端面露出的一侧，通过形成于至少一张第二和第三铁心片的一部分的定位部，将电枢铁心AC固定于其偏角位置。
或者电动机M的机架结构可以还包括通过电枢铁心AC的磁极MP的顶端部或槽SL的开口部将电枢铁心AC固定于其偏角位置的定位部。即，可以将电枢铁心AC的磁极MP的顶端部或槽SL的开口部用作将电枢铁心AC固定于其偏角位置的定位部。
此外，也能够将电枢铁心AC的磁极MP之间的开口部CL的槽作为基准位置。
以上，说明了本实施方式的各种实施方式。这些不以任何方式限定由权利要求书的记载确定的本发明的技术范围。这些只是表示本实施方式的方式的例子。本发明的技术范围不因这些方式的存在而被限定地解释。
此外，本发明涉及同步电动机的机架结构以及机架和电枢的制造方法。此外，本发明涉及机架结构及其制造方法，在转子具有包括磁铁的磁场源的电动机中，通过将电枢铁心向机架中插入时的角度作为特定的角度而插入，降低了作用于电枢铁心的偏应力，从而降低了齿槽转矩。
此外，本发明的实施方式可以是以下第一和第二电动机的机架结构以及第一和第二电动机的机架和电枢的制造方法。
第一电动机的机架结构是在转子具有包括磁铁的磁场源的电动机的机架结构中，所述机架的外周呈多角形，并且所述机架的内周呈圆形，以从所述机架的转动轴线Z向径向观察时的所述机架断面的壁厚的峰数来定义所述多角形的角数，在电枢铁心插入到所述机架的内周的电动机的机架结构中，所述电枢铁心仅层叠有多张相邻的磁极的所述转动轴线Z侧的顶端部分别被桥连接的第一铁心片，或者包括所述第一铁心片和相邻的所述磁极的所述顶端部未被连接而在所述顶端部之间形成有开口部的第二铁心片的两者而层叠有多张，将所述机架的所述角数作为4M(M为自然数，M≥1)以及将所述电枢铁心的槽的数作为6N(N为自然数，N≥1)时，以在与所述机架的相对的两边正交且通过所述转动轴线Z的基准线和连接以所述转动轴线Z为中心的点对称的磁极彼此的直线之间在圆周方向上形成规定范围的偏角θ的方式，所述电枢铁心插入所述机架中。
第二电动机的机架结构是在转子具有包括磁铁的磁场源的电动机的机架结构中，所述机架的外周呈多角形，并且所述机架的内周呈圆形，以从所述机架的转动轴线Z向径向观察时的所述机架断面的壁厚的峰数来定义所述多角形的角数，在电枢铁心插入到所述机架的内周的电动机的机架结构中，所述电枢铁心层叠有在其圆周方向上全部磁极相连的一体结构的第二铁心片，或者层叠有在其圆周方向上各磁极全部被分割且形成T形的第三铁心片，并且以规定次数均等分布地组合且集中成在所述磁极的顶端部之间具有开口部的同心圆状，将所述机架的所述角数作为4M(M为自然数，M≥1)以及将所述电枢铁心的槽的数作为6N(N为自然数，N≥1)时，以在与所述机架的相对的两边正交且通过所述转动轴线Z的基准线和连接以所述转动轴线Z为中心的点对称的磁极彼此的直线之间在圆周方向上形成规定范围的偏角θ的方式，所述电枢铁心插入所述机架中。
第一电动机的机架和电枢的制造方法是在转子具有包括磁铁的磁场源的电动机的机架结构中，所述机架的外周呈多角形，并且所述机架的内周呈圆形，以从所述机架的转动轴线Z向径向观察时的所述机架断面的壁厚的峰数来定义所述多角形的角数，在电枢铁心插入到所述机架的内周的电动机的机架结构中，所述电枢铁心仅层叠有多张相邻的磁极的所述转动轴线Z侧的顶端部分别被桥连接的第一铁心片，或者包括所述第一铁心片和相邻的所述磁极的所述顶端部未被连接而在所述顶端部之间形成有开口部的第二铁心片的两者而层叠有多张，将所述机架的所述角数作为4M(M为自然数，M≥2)以及将所述电枢铁心的槽的数作为6N(N为自然数，N≥2)时，以在与所述机架的相对的两边正交且通过所述转动轴线Z的基准线和连接以所述转动轴线Z为中心的点对称的磁极彼此的直线之间在圆周方向上形成规定范围的偏角θ的方式，使用定位部将所述电枢铁心插入所述机架中。
第二电动机的机架和电枢的制造方法是在转子具有包括磁铁的磁场源的电动机的机架结构中，所述机架的外周呈多角形，并且所述机架的内周呈圆形，以从所述机架的转动轴线Z向径向观察时的所述机架断面的壁厚的峰数来定义所述多角形的角数，在电枢铁心插入到所述机架的内周的电动机的机架结构中，所述电枢铁心层叠有在其圆周方向上全部磁极相连的一体结构的第二铁心片，或者层叠有在其圆周方向上各磁极全部被分割且形成T形的第三铁心片，并且以规定次数均等分布地组合且集中成在所述磁极的顶端部之间具有开口部的同心圆状，将所述机架的所述角数作为4M(M为自然数，M≥1)以及将所述电枢铁心的槽的数量作为6N(N为自然数，N≥2)时，以在与所述机架的相对的两边正交且通过所述转动轴线Z的基准线和连接以所述转动轴线Z为中心的点对称的磁极彼此的直线之间在圆周方向上形成规定范围的偏角θ的方式，使用定位部将所述电枢铁心插入所述机架中。
出于示例和说明的目的已经给出了所述详细的说明。根据上面的教导，许多变形和改变都是可能的。所述的详细说明并非没有遗漏或者旨在限制在这里说明的主题。尽管已经通过文字以特有的结构特征和/或方法过程对所述主题进行了说明，但应当理解的是，权利要求书中所限定的主题不是必须限于所述的具体特征或者具体过程。更确切地说，将所述的具体特征和具体过程作为实施权利要求书的示例进行了说明。

Claims (23)

1.一种电动机的机架结构，其特征在于，包括：
具有多角形的外周和圆形的内周的机架(1)；以及
插入到所述机架的内周的电枢铁心(AC)，
所述电枢铁心包括相互层叠的多张第一铁心片或相互层叠的多张所述第一铁心片和第二铁心片，
在所述第一铁心片中，相邻的磁极(MP)的所述机架的转动轴线(Z)侧的顶端部分别被桥连接，
在所述第二铁心片中，相邻的磁极的所述转动轴线侧的顶端部未被连接，而在所述顶端部之间形成有开口部(CL)，
基于从所述机架的转动轴线向径向观察时的所述机架的断面的壁厚的峰数，定义所述机架的所述外周的所述多角形的角数，
将所述机架的所述角数作为4M，M为自然数，M≥1，将所述电枢铁心的槽的数量作为6N，N为自然数，N≥1时，以在与所述机架的相对的两边正交且通过所述转动轴线的基准线(X1、Y1)和连接以所述转动轴线为中心的点对称的磁极彼此的直线(X2、Y2)之间在圆周方向上形成规定范围的偏角(θ)的方式，所述电枢铁心插入所述机架中。
2.根据权利要求1所述的电动机的机架结构，其特征在于，
所述偏角(θ)是由以下的数学式确定的角度θ1，
Figure FDA0002851294690000011
其中，M＝1且N＝1的情况除外。
3.根据权利要求1或2所述的电动机的机架结构，其特征在于，
关于所述电枢铁心的形状，将所述电动机的所述转动轴线作为中心，所述磁极的中心面或所述槽的中心面中的任意一方具有转动对称的形状，并且另一方具有转动对称的形状以外的结构，
作为所述槽的数量的6N中的数量N，将相对于成为转动对称的形状的中心的所述转动轴线成为转动对称的范围中包含的多个所述磁极或所述槽作为一个所述磁极或所述槽来进行计数。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的电动机的机架结构，其特征在于，还包括在用于所述电枢铁心的线圈的末端接线的印刷基板(4)将所述电枢铁心固定于其偏角位置的定位部(4a)。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述的电动机的机架结构，其特征在于，还包括在所述电动机的模塑成形部的一部分将所述电枢铁心固定于其偏角位置的定位部(5a)。
6.根据权利要求1～3中任意一项所述的电动机的机架结构，其特征在于，在所述电动机的从所述转动轴线的方向观察的端面露出的一侧，形成有在至少一张所述第一铁心片或所述第二铁心片的一部分将所述电枢铁心固定于其偏角位置的定位部。
7.根据权利要求1～3中任意一项所述的电动机的机架结构，其特征在于，还包括通过所述电枢铁心的所述磁极的所述顶端部或所述槽的所述开口部将所述电枢铁心固定于其偏角位置的定位部。
8.一种电动机的机架结构，其特征在于，包括：
具有多角形的外周和圆形的内周的机架(1)；以及
插入到所述机架的内周的电枢铁心(AC)，
所述电枢铁心包括相互层叠的在其圆周方向上全部磁极(MP)相连的一体结构的第二铁心片，或者
所述电枢铁心包括相互层叠的在其圆周方向上各磁极全部被分割并具有T形的第三铁心片，且这些第三铁心片以规定次数均等分布地组合并集中成在所述磁极的顶端部之间具有开口部的同心圆状，
基于从所述机架的转动轴线向径向观察时的所述机架的断面的壁厚的峰数，定义所述机架的所述外周的所述多角形的角数，
将所述机架的所述角数作为4M，M为自然数，M≥1，将所述电枢铁心的槽的数量作为6N，N为自然数，N≥1时，以在与所述机架的相对的两边正交且通过所述转动轴线的基准线(X1、Y1)和连接以所述转动轴线为中心的点对称的磁极彼此的直线(X2、Y2)之间在圆周方向上形成规定范围的偏角(θ)的方式，所述电枢铁心插入所述机架中。
9.根据权利要求8所述的电动机的机架结构，其特征在于，
所述偏角(θ)是由以下的数学式确定的角度θ2，
Figure FDA0002851294690000031
10.根据权利要求8或9所述的电动机的机架结构，其特征在于，
关于所述电枢铁心的形状，将所述电动机的所述转动轴线作为中心，所述磁极的中心面或所述槽的中心面中的任意一方具有转动对称的形状，并且另一方具有转动对称的形状以外的结构，
作为所述槽的数量的6N中的数量N，将相对于成为转动对称的形状的中心的所述转动轴线成为转动对称的范围中包含的多个所述磁极或所述槽作为一个所述磁极或所述槽来进行计数。
11.根据权利要求8～10中任意一项所述的电动机的机架结构，其特征在于，还包括在用于所述电枢铁心的线圈的末端接线的印刷基板(4)将所述电枢铁心固定于其偏角位置的定位部(4a)。
12.根据权利要求8～10中任意一项所述的电动机的机架结构，其特征在于，还包括在所述电动机的模塑成形部的一部分将所述电枢铁心固定于其偏角位置的定位部(5a)。
13.根据权利要求8～10中任意一项所述的电动机的机架结构，其特征在于，在所述电动机的从所述转动轴线的方向观察的端面露出的一侧，形成有在至少一张所述第二铁心片或所述第三铁心片的一部分将所述电枢铁心固定于其偏角位置的定位部。
14.根据权利要求8～10中任意一项所述的电动机的机架结构，其特征在于，还包括通过所述电枢铁心的所述磁极的所述顶端部或所述槽的所述开口部将所述电枢铁心固定于其偏角位置的定位部。
15.一种电动机的机架和电枢的制造方法，其特征在于，
包括通过相互层叠多张第一铁心片或相互层叠所述第一铁心片和第二铁心片形成插入到具有多角形的外周和圆形的内周的机架(1)的内周的电枢铁心(AC)，
在所述第一铁心片中，相邻的磁极(MP)的所述机架的转动轴线侧的顶端部分别被桥连接，
在所述第二铁心片中，相邻的磁极的所述转动轴线侧的顶端部未被连接，而在所述顶端部之间形成有开口部(CL)，
还包括将所述机架的所述外周的所述多角形的角数作为4M，M为自然数，M≥2，将所述电枢铁心的槽的数作为6N，N为自然数，N≥2时，以在与所述机架的相对的两边正交且通过所述转动轴线的基准线(X1、Y1)和连接以所述转动轴线为中心的点对称的磁极彼此的直线(X2、Y2)之间在圆周方向上形成规定范围的偏角(θ)的方式，使用定位部将所述电枢铁心插入所述机架中，
基于从所述机架的转动轴线向径向观察时的所述机架的断面的壁厚的峰数，定义所述机架的所述角数。
16.根据权利要求15所述的电动机的机架和电枢的制造方法，其特征在于，
所述偏角(θ)是由以下的数学式确定的角度θ1，
Figure FDA0002851294690000041
其中，M＝1且N＝1的情况除外。
17.一种电动机的机架和电枢的制造方法，其特征在于，
包括插入到具有多角形的外周和圆形的内周的机架(1)的内周的电枢铁心(AC)通过层叠在其圆周方向上全部磁极(MP)相连的一体结构的第二铁心片而形成或者通过层叠在其圆周方向上各磁极全部被分割并具有T形的第三铁心片且以规定次数均等分布地组合并集中成在所述磁极的顶端部之间具有开口部(CL)的同心圆状而形成，
还包括将所述机架的所述外周的所述多角形的角数作为4M，M为自然数，M≥1，将所述电枢铁心的槽的数量作为6N，N为自然数，N≥2时，以在与所述机架的相对的两边正交且通过所述机架的转动轴线的基准线(X1、Y1)和连接以所述转动轴线为中心的点对称的磁极彼此的直线(X2、Y2)之间在圆周方向上形成规定范围的偏角(θ)的方式，使用定位部将所述电枢铁心插入所述机架中，
基于从所述机架的转动轴线向径向观察时的所述机架的断面的壁厚的峰数，定义所述机架的所述角数。
18.根据权利要求17所述的电动机的机架和电枢的制造方法，其特征在于，所述偏角(θ)是由以下的数学式确定的角度θ2，
Figure FDA0002851294690000051
19.根据权利要求15～18中任意一项所述的电动机的机架和电枢的制造方法，其特征在于，包括通过形成于用于所述电枢铁心的线圈的末端接线的印刷基板(4)的所述定位部(4a)将所述电枢铁心固定于其偏角位置。
20.根据权利要求15～18中任意一项所述的电动机的机架和电枢的制造方法，其特征在于，还包括将所述电动机的至少一部分模塑成形，并通过形成于模塑成形的部分的一部分的所述定位部(5a)，将所述电枢铁心固定于其偏角位置。
21.根据权利要求15～18中任意一项所述的电动机的机架和电枢的制造方法，其特征在于，还包括在所述电动机的从所述转动轴线的方向观察的端面露出的一侧，通过形成于至少一张所述第二铁心片和第三铁心片的一部分的所述定位部，将所述电枢铁心固定于其偏角位置。
22.根据权利要求15～18中任意一项所述的电动机的机架和电枢的制造方法，其特征在于，还包括将所述电枢铁心的所述磁极的所述顶端部或所述槽的所述开口部用作将所述电枢铁心固定于其偏角位置的所述定位部。
23.根据权利要求15～18中任意一项所述的电动机的机架和电枢的制造方法，其特征在于，所述定位部由孔、凹陷或突起构成。
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