CN113541423A - 轴向间隙马达 - Google Patents
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Abstract
在轴向间隙马达中，转子具备沿着转子基座的周向而固定的多个转子芯和多个磁体，定子具备沿着定子基座的周向而固定的多个定子芯和卷绕于定子芯的线圈，磁体的N极与转子芯的分割面相对配置，磁体的S极与转子芯的分割面的另一方相对配置，转子芯的分割面隔着磁体与定子芯的分割面相对配置。
Description
技术领域
本发明涉及具备固定于旋转轴的转子、和在旋转轴的轴向上与转子隔开间隙地相对配置的定子的轴向间隙马达。
背景技术
以往，已知有具备固定于旋转轴的转子、和在旋转轴的轴向上与转子隔开间隙地相对配置的定子的轴向间隙马达(例如参照日本特开2018-33281)。在日本特开2018-33281中，记载有具备固定于旋转轴(rotary shaft)的定子、和在旋转轴的轴向上以隔着转子的方式与转子隔开间隙地配置的定子的轴向间隙马达。转子包括转子框架(转子基座)和沿着转子框架的周向而固定的多个磁体片。定子包括沿着周向配置的多个切割芯(定子芯)和卷绕于切割芯的绕组。切割芯通过将带状的磁性材料卷绕多圈而成的卷芯分割而形成。各定子的切割芯配置成切割芯的分割面与转子的磁体片隔开间隙地相对。
发明内容
然而，在上述日本特开2018-33281的轴向间隙马达中，设置于转子的磁体片的N极与S极之间的距离仅为转子基座的厚度，因此在磁体片产生大的去磁场。因此，由于磁体片去磁，因此存在输出转矩降低这样的问题。
另外，在上述日本特开2018-33281中，转子的磁体片通过2个定子的定子芯彼此之间。此时，在2个定子芯与磁体片排斥时，即在2个定子芯与磁体片以相同磁极相对时，也会导致去磁。
本发明是鉴于这样的点而完成的，其课题在于提供能够抑制磁体的去磁并抑制输出转矩降低的轴向间隙马达。
本发明的轴向间隙马达具备固定于旋转轴的转子、和在所述旋转轴的轴向上与所述转子隔开间隙地相对配置的定子，其中，所述转子具备由非磁性材料构成的转子基座、和沿着所述转子基座的周向而固定的多个转子芯及多个磁体，所述定子具备由非磁性材料构成的定子基座、沿着所述定子基座的周向而固定的多个定子芯、及卷绕于所述定子芯的线圈，所述转子芯和所述定子芯是以2个端面朝向相同方向的方式弯曲的由软磁性材料构成的芯，所述转子芯的所述2个端面与所述定子芯的所述2个端面以相对的方式配置，所述磁体以N极和S极在所述转子基座的厚度方向上排列的方式配置，所述磁体以N极与所述转子芯的所述2个端面中的一方的端面相对的方式配置，所述磁体以S极与所述转子芯的另一方的端面相对的方式配置。
根据本发明的轴向间隙马达，所述磁体以N极与所述转子芯的所述2个端面中的一方的端面相对的方式配置，所述磁体以S极与所述转子芯的另一方的端面相对的方式配置。由此，从一方的磁体的N极发出的磁通通过转子芯而进入另一方的磁体的S极，因此能够视为由2个磁体和转子芯构成1个U字状的磁体。因此，U字状的磁体与各个磁体相比，N极与S极之间的距离变长，因此在磁体产生的去磁场变小。由此，磁体的去磁被抑制，因此能够抑制输出转矩降低。
另外，在该轴向间隙马达中，在通过转子的旋转而磁体与定子芯以相同磁极相对时，1个磁体仅被1个定子芯去磁。因此，与如上述日本特开2018-33281所记载的那样1个磁体被2个定子芯去磁的情况相比，能够抑制磁体被去磁。
在上述轴向间隙马达中，优选的是，所述轴向间隙马达分别具有2组所述转子和所述定子，在所述旋转轴的轴向上，2个所述转子配置在2个所述定子之间，所述2个转子的与转子芯的端面相反侧的部分彼此固定。根据这样的结构，在转子芯被定子芯吸引时，一方的转子被一方的定子吸引的力与另一方的转子被另一方的定子吸引的力以相互抵消的方式作用，因此能够抑制转子基座挠曲而转子与定子接触的情况。另外，与将转子和定子各设置1个的情况相比，能够使相对于马达尺寸的输出转矩提高。
在上述轴向间隙马达中，优选的是，所述转子芯和所述定子芯是通过将带状的软磁性材料卷绕多圈而成的卷绕体在与所述卷绕体的周向交叉的方向上分割而形成有所述2个端面的芯，所述带状的软磁性材料由晶体取向与长边方向一致的方向性电磁钢板构成。方向性电磁钢板的饱和磁通密度比无方向性电磁钢板的饱和磁通密度高，因此通过使用由方向性电磁钢板构成的转子芯及定子芯，与使用由无方向性电磁钢板构成的转子芯及定子芯的情况相比，能够提高轴向间隙马达的输出转矩。
此外，在本说明书及权利要求书中，方向性电磁钢板是指晶体取向与特定的方向(压延方向)一致并在该方向上具有易磁化轴的电磁钢板。另外，带状的软磁性材料的宽度方向为短边方向，带状的软磁性材料的延伸方向为长边方向。
根据本发明，能够提供能够抑制磁体的去磁并抑制输出转矩降低的轴向间隙马达。
附图说明
以下将参照附图来说明本发明的示例性实施方式的特征、优点、及技术上和工业上的意义，其中同样的附图标记表示同样的要素，并且附图中：
图1是示出本发明的一实施方式的轴向间隙马达的整体结构的概略剖视图。
图2是示出沿着图1的II-II线的转子的构造的剖视图。
图3是示出本发明的一实施方式的轴向间隙马达的转子芯及定子芯周边的构造的剖视图。
图4是用于说明本发明的一实施方式的轴向间隙马达的转子芯及定子芯的制造方法的立体图。
图5是用于说明本发明的一实施方式的轴向间隙马达的转子芯彼此的固定方法的侧视图。
图6是用于说明本发明的一实施方式的轴向间隙马达的转子芯彼此的固定方法的侧视图。
图7是示出沿着图1的VII-VII线的定子的构造的剖视图。
图8是用于说明本发明的一实施方式的轴向间隙马达的线圈相对于定子芯的安装方法的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一实施方式的轴向间隙马达1进行说明。图1是示出本发明的一实施方式的轴向间隙马达1的整体结构的概略剖视图。
如图1所示，轴向间隙马达1由旋转轴2、固定于旋转轴2的转子3、在旋转轴2的轴向上与转子3隔开间隙地相对配置的定子4、及收容它们的壳体5构成。在此，对2个转子3以被2个定子4夹着的方式配置且转子3及定子4在轴向上对称地形成的例子进行说明。
壳体5包括圆筒状的侧面部51和堵住侧面部51的两端开口的圆板状的一对盖部52。在各盖部52的中心部，安装有将旋转轴2支承为能够旋转的轴承构件53。壳体5的材质没有特别限定，但从机械强度及散热性的观点出发，优选为金属制。
旋转轴2包括：大径部21，所述大径部21在壳体5内配置于轴向中央部；一对中径部22，所述一对中径部22相对于大径部21配置于轴向两侧并具有比大径部21小的直径；及一对小径部23，所述一对小径部23相对于中径部22配置于轴向两侧并具有比中径部22小的直径。小径部23以能够旋转的方式被轴支承于轴承构件53。
如图1及图2所示，转子3由由非磁性材料构成的圆板状的转子基座31、沿着转子基座31的周向而固定的多个(在此为8个)转子芯32、与转子芯32接触或接近配置的多个永磁体(以下，也简称为磁体)33构成。
转子基座31的材质只要是非磁性材料则没有特别限定，能够使用金属、树脂，但从机械强度的观点出发，例如能够使用非磁性的不锈钢。在转子基座31的中心部，形成有供旋转轴2的大径部21插入并固定的插入孔31a。另外，转子基座31构成为与旋转轴2成为一体而旋转。在该情况下，例如，可以在插入孔31a的内周面与旋转轴2的大径部21的外周面形成键槽并且通过将键嵌入该键槽而将转子基座31固定于旋转轴2，也可以将旋转轴2的大径部21压入并固定于转子基座31的插入孔31a。在转子基座31的外周部，形成有多个在厚度方向上贯通且供磁体33及转子芯32的端部埋入的贯通孔31b。贯通孔31b相对于1个转子芯32在转子基座31的径向上相邻地设置有一对。一对贯通孔31b以插入孔31a(旋转轴2)为中心而以等角度间距形成，在此以45°间距形成有8对。此外，转子基座31的外周缘以与壳体5的侧面部51的内表面具有预定的间隙的方式形成。
转子芯32的材质只要是软磁性材料则没有特别限定，例如能够使用方向性或无方向性的电磁钢板、铁系软磁性非晶质、钴系软磁性非晶质、纳米晶体软磁性材料等，但优选使用方向性电磁钢板。转子芯32由形成为U字状的切割芯构成。如图4所示，转子芯32通过将带状的软磁性材料(方向性电磁钢板)卷绕多圈而成的卷绕体3a在与周向(箭头O方向)交叉的方向上分割而形成。此外，图4的附图标记L示出卷绕体3a的分割位置。
如图3所示，转子芯32具有2个分割面(端面)32a及32b。2个分割面32a及32b以朝向相同方向的方式形成，在此形成在同一平面上。转子芯32以分割面32a及32b进入转子基座31的贯通孔31b的方式配置。另外，在本实施方式中，关于转子芯32所使用的方向性电磁钢板，晶体取向与长边方向(压延方向)一致，在该方向上具有易磁化轴，因此转子芯32如后述那样具有优异的磁特性。
另外，各转子芯32的分割面32a及32b在转子基座31的径向上排列。在本实施方式中，转子芯32的卷绕宽度方向(带的宽度方向)与转子基座31的周向平行，换言之，转子芯32的分割面32a及32b中的带状的软磁性材料的层叠方向与转子基座31的径向平行。
磁体33的材质没有特别限定，例如能够使用钕磁体、钐钴磁体、铝镍钴磁体、铁氧体磁体等，在此使用钕磁体。磁体33相对于1个转子芯32设置有一对。磁体33在埋入到转子基座31的贯通孔31b的状态下以与转子基座31的定子4侧的面共面的方式配置。磁体33形成为比转子基座31薄，在磁体33配置于转子基座31的贯通孔31b内的状态下，在贯通孔31b形成有供转子芯32的端部配置的空间。
另外，如图3所示，磁体33以N极和S极在转子基座31的厚度方向上排列的方式配置，并且以不同的极(N极及S极)与1个转子芯32的分割面32a及32b相对的方式配置。即，在径向上相邻的磁体33以N极和S极成为相反方向的方式配置。另外，如图2所示，在周向上相邻的磁体33也以N极和S极成为相反方向的方式配置。即，磁体33在周向上以N极和S极交替的方式配置。
并且，如图3所示，向贯通孔31b内(上述空间)插入转子芯32的分割面32a及32b，使分割面32a及32b与磁体33接触或接近配置。在该状态下，从一方的磁体33的N极发出的磁通通过转子芯32而进入另一方的磁体33的S极，因此能够视为由2个磁体33和转子芯32构成1个U字状的磁体M。因此，磁体M与各个磁体33相比，N极与S极的距离变长，因此在磁体M产生的去磁场变小。由此，磁体M的去磁被抑制，因此能够抑制输出转矩降低。
在此，在本实施方式中，如图1所示，转子3设置有2个，各转子3的转子芯32彼此以相对的方式配置。并且，转子芯32的与分割面32a及32b相反侧的部分32c(转子芯32彼此相对的部分。以下，也称为背面部32c)彼此固定。由此，在2个转子3之间，转子芯32配置在相同的角度位置(即，不产生相位差)。
将转子芯32彼此固定的方法没有特别限定，例如如图5所示，可以将转子芯32的背面部32c彼此焊接而固定，也可以使用粘接剂粘接而固定(图5的附图标记34表示焊接部或粘接剂)。另外，也可以是，如图6所示，在将转子芯32安装于转子基座31之前的状态下，通过以覆盖2个转子芯32的背面部32c的内表面32d的方式卷绕树脂制的带35，从而将2个转子芯32彼此固定。此外，也可以使用金属制的带作为带35，但金属制的带有可能在其自身产生涡电流、或者在转子基座31的周向上相邻的带彼此接触而导通，因此优选使用树脂制的带。这样，由于2个转子3的转子芯32彼此固定，因此在转子芯32被定子芯42吸引时，一方的转子3被一方的定子4吸引的轴向的力与另一方的转子3被另一方的定子4吸引的轴向的力以相互抵消的方式作用，因此能够抑制转子基座31挠曲而转子3与定子4接触的情况。
如图1及图7所示，定子4由由非磁性材料构成的圆板状的定子基座41、沿着定子基座41的周向而固定的多个(在此为24个)定子芯42、及卷绕于定子芯42的线圈43构成。此外，在本实施方式中，在2个定子4之间，定子芯42配置在相同的角度位置(即，不产生相位差)。
定子基座41的材质只要是非磁性材料则没有特别限定，但从机械强度的观点出发，例如能够使用非磁性的不锈钢。在定子基座41的中心部形成有供旋转轴2的中径部22插入的插入孔41a。此外，定子基座41的插入孔41a的内表面以与旋转轴2的中径部22具有预定的间隙的方式形成。另外，定子基座41的插入孔41a的内径形成为比旋转轴2的大径部21的外径小。因此，定子基座41的中心部向转子3侧的移动被大径部21限制，因此能够防止定子基座41与转子基座31接触。
在定子基座41的外周部，形成有多个在厚度方向上贯通且供定子芯42的端部嵌入的贯通孔41b。贯通孔41b相对于1个定子芯42在定子基座41的径向上相邻地设置有一对。一对贯通孔41b以插入孔41a(旋转轴2)为中心而以等角度间距形成，在此以15°间距形成有24对。此外，定子基座41的外周缘固定于壳体5的侧面部51的内表面。另外，定子基座41构成为相对于壳体5不旋转。在该情况下，例如，可以在定子基座41的外周缘与壳体5的侧面部51的内周面形成键槽并且通过将键嵌入该键槽而将定子基座41固定于壳体5，也可以将定子基座41的外周缘压入并固定于壳体5的侧面部51的内周面。
定子芯42的材质只要是软磁性材料则没有特别限定，例如能够使用方向性或无方向性的电磁钢板、铁系软磁性非晶质、钴系软磁性非晶质、纳米晶体软磁性材料等，但优选使用方向性电磁钢板。定子芯42由形成为U字状的切割芯构成。如图4所示，定子芯42通过将带状的软磁性材料(方向性电磁钢板)卷绕多圈而成的卷绕体3a在与周向(箭头O方向)交叉的方向上分割而形成。此时，可以由1个卷绕体3a形成2个定子芯42(或者转子芯32)，也可以由1个卷绕体3a各形成1个定子芯42及1个转子芯32。在本实施方式中，转子芯32及定子芯42通过将带状的软磁性材料卷绕多圈而成的卷绕体3a分割而形成，因此与通过如在径向间隙马达的制造时通常采用的那样对片状的电磁钢板进行冲裁而形成芯的情况相比，能够使成品率非常高。
此外，转子芯32及定子芯42的形成方法并不限定于上述的方法。例如，也可以通过使带状的软磁性材料弯曲成U字状并层叠多个来形成芯。另外，也可以不层叠带状的软磁性材料，而是通过例如烧结、铸造等其他方法来形成芯。
如图3所示，定子芯42具有朝向相同方向的2个分割面(端面)42a及42b。定子芯42以分割面42a及42b与定子基座41的转子3侧的面共面的方式插入固定于贯通孔41b。另外，在本实施方式中，定子芯42由方向性电磁钢板形成，因此如后述那样具有优异的磁特性。
另外，各定子芯42的分割面42a及42b在定子基座41的径向上排列。在本实施方式中，定子芯42的卷绕宽度方向(带的宽度方向)与定子基座41的周向平行，换言之，定子芯42的分割面42a及42b中的带状的软磁性材料的层叠方向与定子基座41的径向平行。
另外，如图1所示，定子芯42的与转子芯32相反侧的部分(以下，也称为背面部)42c固定于盖部52的内表面。将定子芯42固定于盖部52的方法没有特别限定，例如可以通过焊接固定，也可以使用粘接剂进行固定(图1的附图标记44表示焊接部或粘接剂)。
线圈43是将导线卷绕多圈而形成的。在线圈43的中央部形成有供定子芯42插入的插入孔。在组装定子4的情况下，如图8所示，将串联连接的2个线圈43排列配置，向线圈43的插入孔插入定子芯42的两端部。然后，通过将安装有线圈43的定子芯42插入定子基座41的贯通孔41b，从而组装成定子4。因此，与如径向间隙马达那样将导线卷绕于层叠多个而成的定子芯来形成线圈的情况相比，能够容易地制造定子4。此外，也可以在向线圈43的插入孔插入定子芯42时，在将线圈43收容于树脂制的壳体内或者用绝缘纸覆盖线圈43的表面的状态下，插入定子芯42。此外，图8的附图标记C表示树脂制的壳体或绝缘纸。如果这样构成，则组装作业性提高，并且能够防止在相邻的线圈43之间电导通。另外，线圈43例如能够设为集中卷绕，但也可以是分布卷绕。
另外，如图7所示，安装于定子芯42的线圈43构成为沿着定子基座41的周向使U相、V相及W相反复，分别与未图示的U相电源、V相电源及W相电源连接。由此，当对各线圈43通电时，在定子芯42内产生磁通，转子3的磁体33对该磁通吸引或排斥，由此转子3旋转。
接着，对使用方向性电磁钢板形成转子芯32及定子芯42所带来的效果简单地进行说明。
方向性电磁钢板的饱和磁通密度Bs(例如1.9T)与无方向性电磁钢板的饱和磁通密度Bs(例如1.7T)相比，例如具有高11％的饱和磁通密度Bs。轴向间隙马达1的输出转矩相对于转子芯32及定子芯42(即，电磁钢板)的饱和磁通密度Bs与磁体33的饱和磁通密度Bs的积处于比例关系。因此，在将磁体33的饱和磁通密度Bs设为一定(例如1.4T)的情况下，通过使用方向性电磁钢板，与使用无方向性电磁钢板的情况相比，能够将输出转矩提高例如11％。
在本实施方式中，如上所述，磁体33以N极与转子芯32的分割面32a相对的方式配置，磁体33以S极与转子芯32的分割面32b相对的方式配置。由此，从一方的磁体33的N极发出的磁通通过转子芯32而进入另一方的磁体33的S极，因此能够视为由2个磁体33和转子芯32构成1个U字状的磁体M。因此，U字状的磁体M与各个磁体33相比，N极与S极之间的距离变长，因此在磁体M产生的去磁场变小。由此，磁体M的去磁被抑制，因此能够抑制输出转矩降低。
另外，在轴向间隙马达1中，在通过转子3的旋转而磁体33与定子芯42以相同磁极相对时，1个磁体33仅被1个定子芯42去磁。因此，与如上述日本特开2018-33281所记载的那样1个磁体被2个定子芯去磁的情况相比，能够抑制磁体33被去磁。在本实施方式中，2个转子3分别被2个定子4去磁，但即使在该情况下，与如上述日本特开2018-33281所记载那样1个磁体被2个定子芯去磁的情况相比，由去磁产生的影响也会变小。
另外，如上所述，将转子3及定子4在轴向上对称地配置。由此，能够将转子芯32彼此固定，因此一方的转子3被一方的定子4吸引的轴向的力与另一方的转子3被另一方的定子4吸引的轴向的力以相互抵消的方式作用，因此能够抑制转子基座31挠曲而转子3与定子4接触的情况。
另外，例如也可以沿着轴向将转子3与定子4交替(具体而言，将第1个转子3、第1个定子4、第2个转子3及第2个定子4按该顺序依次)配置，但由于需要在转子3与定子4之间设置间隙，因此，在该情况下，与本实施方式的轴向间隙马达1相比，轴向的尺寸增大与在第1个定子4与第2个转子3之间设置间隙的量相应的量。另外，当沿着轴向将转子3与定子4交替地配置时，轴向间隙马达1的重心配置于从壳体5的中心沿轴向偏移的位置，但在本实施方式的轴向间隙马达1中，能够减少重心相对于壳体5的中心的偏移。
此外，本次公开的实施方式在所有方面都是例示而不应被认为是限制性的。本发明的范围不是由上述实施方式的说明示出而是由权利要求书示出，还包括与权利要求书均等的含义及范围内的所有变更。
例如，在上述实施方式中，示出了使用2个转子和2个定子来构成轴向间隙马达的例子，但本发明不限于此，例如也可以使用1个转子和1个定子来构成轴向间隙马达。此外，在设置2个转子和2个定子的情况下，与设置1个转子和1个定子的情况相比，能够使相对于马达尺寸的输出转矩提高。另外，也可以根据需要的转矩，使用3个以上的转子和3个以上的定子来构成轴向间隙马达。在该情况下，如在上述实施方式中说明的那样，从转子基座的挠曲、轴向间隙马达的轴向的尺寸及重心的偏移的观点出发，优选将由2个定子夹着2个转子的结构作为1个结构单位，并设置多个该结构单位。
另外，在上述实施方式中，示出了将2个转子的转子芯彼此固定的例子，但本发明不限于此，也可以不固定2个转子的转子芯彼此。
另外，在上述实施方式中，示出了设置8个转子芯及24个定子芯的例子，但本发明不限于此。作为转子芯的数量及定子芯的数量，能够进行各种组合，例如，也可以设置16个转子芯及24个定子芯。另外，也可以将转子芯设置得比定子芯多。
另外，在上述实施方式中，示出了在2个转子之间将转子芯配置于相同的角度位置并且在2个定子之间将定子芯配置于相同的角度位置的例子，但本发明不限于此。也可以在2个定子(或转子)之间将定子芯(或转子芯)配置于不同的角度位置。例如，也可以在2个定子之间将定子芯错开角度间距的一半(在上述实施方式中为7.5°)地配置，能够通过使角度位置错开来抑制转矩的变动(也称为转矩波动)。
另外，在上述实施方式中，也可以在转子基座的外周缘与壳体的侧面部的内表面之间、或定子基座的插入孔的内表面与旋转轴的外周面之间设置轴承构件。根据这样的结构，即使在转子等偏芯的情况下，也能够抑制由偏芯引起的振动。
Claims (3)
1.一种轴向间隙马达，具备固定于旋转轴的转子、和在所述旋转轴的轴向上与所述转子隔开间隙地相对配置的定子，其特征在于，
所述转子具备由非磁性材料构成的转子基座、和沿着所述转子基座的周向而固定的多个转子芯及多个磁体，
所述定子具备由非磁性材料构成的定子基座、沿着所述定子基座的周向而固定的多个定子芯、及卷绕于所述定子芯的线圈，
所述转子芯和所述定子芯是以2个端面朝向相同方向的方式弯曲的由软磁性材料构成的芯，
所述转子芯的所述2个端面与所述定子芯的所述2个端面以相对的方式配置，
所述磁体以N极和S极在所述转子基座的厚度方向上排列的方式配置，
所述磁体以N极与所述转子芯的所述2个端面中的一方的端面相对的方式配置，
所述磁体以S极与所述转子芯的另一方的端面相对的方式配置。
2.根据权利要求1所述的轴向间隙马达，其特征在于，
所述轴向间隙马达分别具有2组所述转子和所述定子，
在所述旋转轴的轴向上，2个所述转子配置在2个所述定子之间，
所述2个转子的与转子芯的端面相反侧的部分彼此固定。
3.根据权利要求1或2所述的轴向间隙马达，其特征在于，
所述转子芯和所述定子芯是通过将带状的软磁性材料卷绕多圈而成的卷绕体在与所述卷绕体的周向交叉的方向上分割而形成有所述2个端面的芯，
所述带状的软磁性材料由晶体取向与长边方向一致的方向性电磁钢板构成。
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