CN114342215A - 旋转电机用的定子及旋转电机、以及旋转电机用的定子的制造方法及旋转电机的制造方法 - Google Patents

旋转电机用的定子及旋转电机、以及旋转电机用的定子的制造方法及旋转电机的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种旋转电机及旋转电机用的定子、以及旋转电机用的定子的制造方法及旋转电机的制造方法，所述旋转电机具有在作为电磁钢板的层叠体的第一铁芯部配置有作为非晶软磁性金属或纳米晶软磁性金属的层叠体的第二铁芯部的定子，且特性与可靠性优异。一种旋转电机用的定子，其特征在于，所述定子具有作为电磁钢板的层叠体的环状的第一铁芯部、及作为非晶软磁性金属或纳米晶软磁性金属的层叠体的第二铁芯部，所述环状的第一铁芯部具有朝向内周侧突出并卷绕有线圈的多个齿部、及从外周面形成于每个所述齿部内的第一槽部，所述第二铁芯部配置于所述第一槽部。

Description

旋转电机用的定子及旋转电机、以及旋转电机用的定子的制 造方法及旋转电机的制造方法
技术领域
本发明涉及一种具有绕旋转轴旋转的转子及配置于所述转子周围的圆管形状的定子的旋转电机及旋转电机用的定子、以及旋转电机用的定子的制造方法及旋转电机的制造方法。
背景技术
近年来，马达或发电机等旋转电机要求小型化及高效率化，卷绕有线圈的定子的材料有时使用铁损小的软磁性材料、例如非晶软磁性金属或纳米晶软磁性金属，来代替以往的电磁钢板。
作为所述材料用于定子的旋转电机，已知有使卷绕有线圈的定子部分(齿部分)为非晶软磁性金属的旋转电机(例如，专利文献1)、在由电磁钢板制作的定子的插入孔内配置有非晶软磁性金属的旋转电机(例如，专利文献2)等。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2019-68567号公报
专利文献2：WO2017/208290号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在将定子设为薄板的层叠体的情况下，非晶软磁性金属或纳米晶软磁性金属的板厚例如为0.015mm～0.030mm左右，比一般的电磁钢板的0.5mm、0.35mm薄，维氏硬度为900左右，比电磁钢板硬5倍以上，所形成的定子的韧性低，有时产生缺口或裂纹。
因此，在专利文献1的旋转电机中，由于层叠体的定子在转子侧露出，因此有层叠体产生缺口或裂纹，定子的一部分与转子接触的可能性。即，就旋转电机的破坏等的观点而言，有成为可靠性低的旋转电机的可能性。另外，非晶软磁性金属或纳米晶软磁性金属虽然磁导率高，但是饱和磁通密度低，因此若仅由非晶软磁性金属或纳米晶软磁性金属构成定子，则有定子内部的磁通量饱和，旋转电机的特性变差的可能性。
另外，在专利文献2的旋转电机中，在包括电磁钢板的层叠体的第一铁芯部的插入孔中配置了非晶软磁性金属的层叠体。即，在容易产生缺口或裂纹的第二铁芯部的周围，配置了不易产生缺口或裂纹的第一铁芯部。由此，可抑制专利文献1的磁饱和的问题，但为了将矩形的第二铁芯部插入至矩形的插入孔，在矩形的各边需要缝隙，这些缝隙成为磁路中的空隙，而旋转电机的最大转矩有可能大幅下降。
因此，在本发明中，提供一种旋转电机及旋转电机用的定子、以及旋转电机用的定子的制造方法及旋转电机的制造方法，所述旋转电机具有在作为电磁钢板的层叠体的第一铁芯部配置有作为非晶软磁性金属或纳米晶软磁性金属的层叠体的第二铁芯部的定子，且特性与可靠性优异。
解决问题的技术手段
本发明是一种旋转电机用的定子，其特征在于，所述定子具有作为电磁钢板的层叠体的环状的第一铁芯部、及作为非晶软磁性金属或纳米晶软磁性金属的层叠体的第二铁芯部，所述环状的第一铁芯部具有朝向内周侧突出并卷绕有线圈的多个齿部、及针对所述多个齿部的每一个从外周面形成于所述齿部内的第一槽部，所述第二铁芯部配置于所述第一槽部。
另外，优选为：所述第一槽部为从所述第一铁芯部的外侧面侧朝向所述齿部内前端等宽或宽度逐渐变窄的形状。
另外，优选为：所述第一槽部的底部的宽度相对于所述齿部的最薄部的宽度而言为20％以上。
另外，优选为：所述第一槽部在所述第一铁芯部的层叠方向的两端侧被封闭。
另外，优选为：具有作为非晶软磁性金属或纳米晶软磁性金属的层叠体的第三铁芯部，所述第一铁芯部具有在与所述第一铁芯部的层叠方向垂直的剖视下形成于狭槽部外周侧的多个第二槽部，所述第三铁芯部配置于所述第二槽部。
本发明的旋转电机的特征在于具有：转子，绕旋转轴旋转；以及所述定子，配置于所述转子的周围。
另外，本发明的定子的制造方法是所述定子的制造方法，其特征在于，在形成所述定子时，将所述第二铁芯部从所述第一铁芯部的外周面侧插入至所述第一槽部。
在所述定子的制造方法中，优选为将所述第二铁芯部设为一对并插入至隔着中心轴的一对所述第一槽部。
本发明的旋转电机的制造方法的特征在于，将所述定子与转子组合来制造旋转电机。
发明的效果
根据本发明，可提供一种旋转电机及旋转电机用的定子、以及旋转电机用的定子的制造方法及旋转电机的制造方法，所述旋转电机具有在作为电磁钢板的层叠体的第一铁芯部配置有作为非晶软磁性金属或纳米晶软磁性金属的层叠体的第二铁芯部的定子，且特性与可靠性优异。
附图说明
图1是本发明第一实施方式的旋转电机100的与旋转轴垂直的剖面示意图。
图2是能够用于本发明第一实施方式的旋转电机100的第一铁芯部的层叠体的两端的薄板形状。
图3是图1的齿部前端的局部放大图。
图4是本发明第二实施方式的旋转电机200的与旋转轴垂直的剖面示意图。
图5是本发明第三实施方式的旋转电机300的与旋转轴垂直的剖面示意图。
图6是说明本发明第四实施方式的旋转电机100的制造方法的图。
图7是表示槽部120的底部的宽度Wb及齿部106的最薄部宽度Wa的图。
图8是表示将本发明的实施例与现有例的转矩进行比较的结果的图。
图9是表示将本发明的实施例与现有例的损失进行比较的结果的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
(第一实施方式)
本实施方式的旋转电机100的大致形状为以旋转轴为对称轴的柱状，如图1的剖面图所示，包括：圆柱状的转子1，具有作为旋转轴的轴101及配置于轴101的周围的转子铁芯102；以及圆环状的定子2，在转子1的外径侧周围，隔着空隙110与转子1相向配置。另外，定子2具有第一铁芯部103及第二铁芯部121。
在第一铁芯部103，以旋转轴(中心轴)为对称轴形成有多个狭槽部104、齿部106、槽部120。各槽部120沿旋转轴的轴向、即第一铁芯部103的层叠方向延伸设置。用于配置线圈导线的狭槽部104可配置在每个相邻的齿部106之间。线圈105以穿过各齿部106两侧的狭槽部104并卷绕各齿部106的方式配置。而且，在各槽部120配置有第二铁芯部121。再者，虽然未图示，但在定子2的周围配置有框架、轴承、冷却结构等。
此处，对于第一铁芯部103，可使用从电磁钢板的薄板冲裁加工成图1的第一铁芯部103的形状的薄板的层叠体。
另外，对于第二铁芯部121，可使用从磁导率比电磁钢板高的非晶软磁性金属或纳米晶软磁性金属的薄板冲裁加工成图1的第二铁芯部121的形状的薄板的层叠体。即，可使用从将熔融金属骤冷而获得的薄带状的非晶软磁性金属(非晶合金)、对其实施热处理而结晶出纳米晶的纳米晶软磁性金属(纳米晶合金)、更具体而言为Fe基非晶合金(Fe-Si-B系合金等)、或Fe基纳米晶合金(Fe-Si-B-Cu-Nb系合金等)或Fe基纳米晶合金(Fe-Si-B-Nb-Cu-Ni系合金等)的薄板冲裁加工成图1所示的第二铁芯部121的形状的薄板的层叠体。再者，已知这些金属的层叠体的韧性低，容易产生缺口或裂纹。即，根据本实施方式的结构，可实现所述特性提升与高可靠性的并存。
另外，各槽部120从第一铁芯部103的圆环的外侧面形成于各齿部106内。各槽部120的形状可采用各种形状，但在本实施方式中，形成为从外侧面侧朝向齿部106内的前端，宽度逐渐变窄的形状。而且，以与槽部120嵌合的方式配置有第二铁芯部121。
此处，本实施方式的旋转电机100在作为电磁钢板的层叠体的第一铁芯部103的齿部106内，配置有作为非晶软磁性金属或纳米晶软磁性金属的层叠体的第二铁芯部121。由此，可抑制由第二铁芯部121引起的定子2的磁饱和，可抑制从定子2向转子1的漏磁通量的下降。即，可制成特性更优异的、高效率的旋转电机100。
另外，本实施方式的旋转电机100中，制成从第一铁芯部103的外侧面侧朝向齿部106内的前端宽度逐渐变窄的形状的槽部120。而且，在槽部120配置有与槽部120大致相同形状的第二铁芯部121。由此，可将第二铁芯部121从第一铁芯部103的外侧面侧插入至槽部120并嵌合，可使槽部120与第二铁芯部121密接地配置。而且，可抑制由间隙引起的最大转矩的下降，从而可制成特性更优异的、最大转矩大的旋转电机100。
进而，本实施方式的旋转电机100在不易产生缺口或裂纹的由电磁钢板形成的第一铁芯部103的齿部106内，配置有容易产生缺口或裂纹的由非晶软磁性金属形成的第二铁芯部121。由此，即便定子2的一部分产生缺口或裂纹，也可抑制定子与转子1接触，从而可制成可靠性更优异的旋转电机100。
再者，在本实施方式的旋转电机100中，线圈105可使用分布绕组、集中绕组中的任一种。另外，齿部106的根数也不限于图1那样的12根，可根据转子1的极数而采用适当的根数。进而，齿部106的形状也不限于图1那样的半闭狭槽，也可设为形成为在以非晶软磁性金属为齿的现有方法中难以加工的楔形形状的开放狭槽或者全闭狭槽。
进而，本实施方式的旋转电机100在将第一铁芯部103设为在旋转轴方向上层叠的层叠体时，可利用层叠体的两端的薄板封闭槽部120的层叠方向的两端、即旋转轴方向的两端。例如，可将层叠体的除了两端以外的薄板形成为图1所示的第一铁芯部103形状，将层叠体的两端的薄板形成为无槽部120的形状的图2所示的薄板501的形状。
由此，在将第二铁芯部121配置于槽部120时，可将层叠两端、即旋转轴方向的两端的薄板作为引导件，从而可容易地从第一铁芯部103的外周面侧插入第二铁芯部121。
另外，在将第二铁芯部121配置于槽部120之后，即便第二铁芯部产生缺口或裂纹，也可使其难以向层叠方向鼓出，从而可进一步抑制转子1与定子2的接触。即，可制成可靠性更优异的旋转电机100。
进而，在将第二铁芯部121设为层叠体时，可利用层叠两端的薄板，从层叠方向夹住第二铁芯部121。由此，可抑制第二铁芯部121的层叠体的层叠的打开，抑制第二铁芯部121的特性劣化，而可制成特性更优异的旋转电机100。
另外，在本实施方式的旋转电机100中，优选为如图3的局部放大图所示，在允许加工精度及材料强度的范围内使齿部106的前端部30、即被槽部120与空隙部110夹着的齿部106的尺寸、及齿部106部的侧面部31、即被槽部120与狭槽部104夹着的齿部106的尺寸窄。具体而言，优选为如图7所示，将槽部120的底部在周向上的宽度Wb相对于齿部106的最薄部宽度Wa设为20％以上，更优选为50％以上。另外，为了使齿部具有足够的强度，槽部120的底部的宽度Wb例如可设为第一铁芯部103的板厚的80％以下。
由此，可使齿部106的磁特性接近第二铁芯部121的特性，具体而言，能够使转矩为同等以上且大幅降低损失，从而可制成特性更优异的、高效率的旋转电机100。
(第二实施方式)
接下来，对本发明的第二实施方式的旋转电机200进行说明。再者，本实施方式对第一实施方式的一部分进行了变更，在图中，对与第一实施方式相同的部分标注了相同的符号。
如图4的剖面图所示，本实施方式的旋转电机200的第一铁芯部203的槽部220的形状与第二铁芯部221的形状不同于第一实施方式的旋转电机100。而且，在本实施方式的旋转电机200中，从第一铁芯部203的外侧面侧朝向齿部206内的前端形成有等宽的槽部220，在所述槽部220配置有矩形形状的第二铁芯部221。由此，可使第二铁芯部221形成为简单的形状，从而可制成更容易制造的旋转电机200。
(第三实施方式)
接下来，对本发明的第三实施方式的旋转电机300进行说明。再者，本实施方式对第一实施方式的一部分进行了变更，在图中，对与第一实施方式相同的部分标注了相同的符号。
如图5的剖面图所示，本实施方式的旋转电机300的第一铁芯部303的形状与第一实施方式的旋转电机100不同。而且，在本实施方式的旋转电机300中，在第一铁芯部303的外周面的槽部120间、即狭槽部104的外周侧形成有多个第二槽部320，且沿第一铁芯部的层叠方向、即旋转轴的方向延伸设置。在各第二槽部320配置有第三铁芯部321。
第三铁芯部321与第二铁芯部相同，可设为Fe基非晶合金或Fe基纳米晶合金的层叠体。由此，通过设置高磁导率的第三铁芯部321，以往由于磁通流过最短距离而集中在狭槽部104附近的磁通大量地流向第三铁芯部321，由此可减轻磁通的集中，且由于材料的不同而可减小定子2的铁损，从而可制成特性更优异的旋转电机300。
(第四实施方式)
接下来，作为本发明的第四实施方式，对第一实施方式的旋转电机100的制造方法进行说明。
旋转电机100的制造方法的特征之一在于具有形成定子2的工序、形成转子1的工序、以及将定子2与转子1组合的工序。
另外，在定子2的形成工序中，优选为如图6所示，将第二铁芯部121从第一铁芯部的外周面侧插入至槽部120。
由此，可容易地将第二铁芯部121嵌合于第一铁芯部103来配置，从而可容易地组装定子2，使得第一铁芯部103与第二铁芯部121的间隙变小。
另外，在插入第二铁芯部121时，更优选为如图6所示，将第二铁芯部121设为一对并插入至隔着旋转轴的一对槽部120。即，将第二铁芯部121从外周侧同时插入至以隔着中心轴(旋转轴)的方式对置的一对槽部120。由此，可抑制第一铁芯部103的变形，同时可容易地嵌合第二铁芯部121来配置。
另外，第三铁芯部321也能够以与第二铁芯部121同样的方式，从第一铁芯部的外周面侧插入至第二槽部320。另外，可将第三铁芯部321设为一对并插入至隔着旋转轴的一对第二槽部320。
接下来，对以槽部的宽度为参数的转矩及损失的研究结果进行说明。
将横轴取槽部的宽度Wb除以齿最薄部的宽度Wa的比率(％)的转矩及损失的图表示于图8、图9中。作为现有例，示出了使定子整体为硅钢板(相当于35A300的材料)的研究结果，作为实施例，使与槽部的宽度一致的第二铁芯部为非晶金属(2605HB1M(注册商标)：日立金属股份有限公司制造)的研究结果。相对于现有例的转矩，在实施例中，若将槽部的宽度Wb设为20％，则相同程度的转矩有通过扩大槽部的宽度Wb而转矩增加的倾向，槽部的宽度为80％时转矩上升0.5％。另外，相对于现有例的损失，在实施例中通过扩大槽部的宽度Wb，损失降低，槽部的宽度Wb为20％时约80％，通过将槽部的宽度Wb设为80％，损失成为40％，通过增加槽部的宽度Wb，获得了能够大幅降低的结果。
以上，使用实施方式对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于所述实施方式。能够在权利要求所记载的技术范围内适宜进行变更。
符号的说明
1：转子
2：定子
120、220：槽部
121、221：第二铁芯部
30：前端部
31：侧面部
100、200、300、501：旋转电机
101：轴
102：转子铁芯
103、203、303：第一铁芯部
104、201：狭槽部
105：线圈
106、202：齿部
110：空隙
320：第二槽部
321：第三铁芯部

Claims (9)

1.一种旋转电机用的定子，其特征在于，
所述定子具有作为电磁钢板的层叠体的环状的第一铁芯部、及作为非晶软磁性金属或纳米晶软磁性金属的层叠体的第二铁芯部，
所述环状的第一铁芯部具有朝向内周侧突出并卷绕有线圈的多个齿部、及从所述多个齿部的每一个的外周面形成于所述齿部内的第一槽部，
所述第二铁芯部配置于所述第一槽部。
2.根据权利要求1所述的定子，其特征在于，所述第一槽部为从所述第一铁芯部的外侧面侧朝向所述齿部内前端等宽或宽度逐渐变窄的形状。
3.根据权利要求1或2所述的定子，其特征在于，
所述第一槽部的底部的宽度相对于所述齿部的最薄部的宽度为20％以上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的定子，其特征在于，所述第一槽部在所述第一铁芯部的层叠方向的两端侧被封闭。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的定子，其特征在于，具有作为非晶软磁性金属或纳米晶软磁性金属的层叠体的第三铁芯部，
所述第一铁芯部具有在与所述第一铁芯部的层叠方向垂直的剖视下形成于狭槽部外周侧的多个第二槽部，
所述第三铁芯部配置于所述第二槽部。
6.一种旋转电机，其特征在于，包括：转子，绕旋转轴旋转；以及如权利要求1至5中任一项所述的定子，配置于所述转子的周围。
7.一种定子的制造方法，是如权利要求1至5中任一项所述的定子的制造方法，其特征在于，在形成所述定子时，将所述第二铁芯部从所述第一铁芯部的外周面侧插入至所述第一槽部。
8.根据权利要求7所述的定子的制造方法，其特征在于，将所述第二铁芯部设为一对并插入至隔着中心轴的一对所述第一槽部。
9.一种旋转电机的制造方法，将如权利要求1至5中任一项所述的定子与转子组合来制造旋转电机。
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