CN115053433A - 旋转电机及使用该旋转电机的电动轮 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题在于提供一种旋转电机以及使用该旋转电机的电动轮，能够提高转矩密度。旋转电机具备：转子，其被支撑为旋转自如；以及定子，其设置为与所述转子隔着预定的空隙，所述转子具有磁极环，该磁极环由圆环状的永久磁铁和埋入所述永久磁铁的铁芯片构成，所述磁极环具有形成为圆环状的内周面和外周面，所述内周面和所述外周面中的任一方是与所述空隙相对的空隙相对面，且另一方是与所述空隙相对面不同的非空隙相对面，所述磁极环的所述非空隙相对面由所述永久磁铁构成，所述磁极环的所述空隙相对面构成为包含所述永久磁铁和露出的铁芯片，所述永久磁铁以所述铁芯片成为极中心的方式被磁化。

Description

旋转电机及使用该旋转电机的电动轮
技术领域
本发明涉及一种旋转电机，尤其涉及一种用于移动体的电动轮。
背景技术
以往，从节省空间化、低成本化的观点出发，要求旋转电机的高输出密度化。旋转电机的输出由旋转电机的转速和转矩的乘积决定，因此通过提高转速和转矩中的任一方，能够实现高输出密度化。
通常，多数情况下通过旋转电机的高速旋转化来实现高输出密度化，在该情况下，需要在与负载之间介入齿轮。因此，由于作为追加的构成要素的齿轮，有可能产生系统效率的降低、可靠性的降低、以及因重量增加而导致作为系统的输出密度降低等缺点。
另一方面，旋转电机的高转矩密度化是在不需要齿轮的基础上能够实现旋转电机的高输出密度化的技术之一。在该情况下，系统的高可靠性、高输出密度化变得容易。
作为以往提出的高转矩密度化的方案之一，有利用永久磁铁的转子结构。由于被磁化的永久磁铁具有磁动势，因此通过使该磁动势与在定子的线圈中流动的电流所产生的磁动势相互作用，能够提高转矩密度。具体而言，通过在磁路上串联连接永久磁铁的磁动势和线圈电流的磁动势，能够提高间隙的磁通密度，从而提高转矩密度。
作为适合以往提出的提高转矩密度的结构，例如提出了专利文献1所示的结构。在专利文献1中，具备在周向上排列配置的多个磁铁，各个磁铁形成为在周向上相邻的作为磁极中心的d轴之间以作为磁极边界的q轴为中心的对称形状。进而，提出了一种转子结构，该转子结构以形成圆弧状的磁铁磁路的方式取向，在该圆弧状的磁铁磁路中，在靠近d轴的部分，易磁化轴成为与d轴平行或与d轴接近平行的朝向，并且在靠近q轴的部分，易磁化轴成为与q轴正交或与q轴接近正交的朝向。在本提案结构中，磁铁的磁化方向成为疑似海尔贝克磁化，磁通朝向极中心集中，因此转矩能够增大。
然而，如使用专利文献1所例示的那样，在以往的转子结构中，为了大量使用磁铁并使磁通集中于极中心而形成为海尔贝克磁化或疑似地形成接近于海尔贝克磁化的磁通分布那样的转子形状，从而使转矩密度增大。这是因为，在简易地考虑了磁路的情况下，转子被永久磁铁充满，并且永久磁铁沿着在转子内流动的磁通的朝向被磁化，由此在从某个极的间隙面进入的磁通从邻接的极的间隙面出来为止的期间得到的磁动势最大化，因此在以往构思中是妥当的想法。因此，如专利文献1所例示的那样，在以往结构中，是在转子的与定子的相对面上铺满永久磁铁的结构。
另一方面，若考虑为了使转矩密度最大化而使用Nd磁铁，则永久磁铁的材料单价与铁芯的材料单价相比较昂贵，因此导致转子的成本上升，在考虑量产性的情况下不优选。进而，在以往的构思中，不仅考虑转子的永久磁铁的磁动势，还对旋转电机整体的磁动势消耗、包括与在定子绕组中流动的电流所产生的磁动势之间的关系性进行考虑的转子设计尚不充分。因此，至今没有提出能够提高旋转电机的转矩密度的转子结构。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2019-122242号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本发明的课题在于，通过考虑转子的永久磁铁的磁动势与在定子绕组中流动的电流产生的磁动势的关系性，实现通过考虑旋转电机整体的磁动势消耗而得到的转矩密度的提高。
用于解决课题的方案
为了解决上述课题，本发明所涉及的旋转电机具备：转子，其被支撑为旋转自如；以及定子，其设置为与所述转子隔着预定的空隙，所述转子具有磁极环，该磁极环由圆环状的永久磁铁和埋入所述永久磁铁的铁芯片构成，所述磁极环具有形成为圆环状的内周面和外周面，所述内周面和所述外周面中的任一方是与所述空隙相对的空隙相对面，且另一方是与所述空隙相对面不同的非空隙相对面，所述磁极环的所述非空隙相对面由所述永久磁铁构成，所述磁极环的所述空隙相对面构成为包含所述永久磁铁和露出的铁芯片，所述永久磁铁以所述铁芯片成为极中心的方式被磁化。
发明效果
根据本发明，能够实现旋转电机的转矩密度的提高。
附图说明
图1是本发明的第一实施例所涉及的旋转电机的剖视图。
图2是图1中的转子的局部剖视图。
图3(a)是本实施方式所涉及的转子的局部剖视图。
图3(b)是本实施方式所涉及的定子的局部剖视图。
图4是表示本发明的作用的磁路模型。
图5(a)是表示本发明的作用的磁路模型的计算结果。
图5(b)是表示本发明的作用的磁路模型的计算结果。
图6(a)是本发明的第二实施例所涉及的转子的局部剖视图。
图6(b)是本发明的第二实施例所涉及的定子的局部剖视图。
图7(a)是将本发明的第二实施例的转子进行后磁化后的转子内部的磁通线图。
图7(b)是将本发明的第二实施例的转子进行后磁化后，且在背侧具有磁性部件120的转子内部的磁通线图。
图8是表示本发明的第二实施例所涉及的磁性部件的转矩密度相对于体积的变化的图表。
图9(a)是本发明的第三实施例所涉及的转子的局部剖视图。
图9(b)是本发明的第三实施例所涉及的定子的局部剖视图。
图10是表示本发明的第五实施例所涉及的永久磁铁的磁化方向的局部剖视图。
图11是本发明的第六实施例所涉及的电动轮的截面的概念图。
具体实施方式
以下，根据附图对本发明的实施例进行详细说明。在本发明中提出了多个实施例，但下述只不过是实施例，并非旨在将本发明的实施方式限定于下述具体方式。
另外，在说明实施例之前，对本发明的作用进行说明。根据本发明，磁化后永久磁铁的磁通集中于铁芯片，且磁通以连接相邻铁芯片的方式通过永久磁铁内部。因此，在转子内部几乎不产生漏磁通，能够有效利用磁通。此外，在进行后磁化的情况下，连结极中心间的磁通的路径由于具有铁芯片而变短。
由此，在后磁化工序中，海尔贝克磁化变得容易，极中心的间隙磁通密度提高。进而，通过在极中心具有高导磁率的铁芯片，负载时的旋转电机整体的磁动势消耗降低。尤其是，流过定子绕组的电流所产生的磁动势的消耗被减轻。由此，能够提高旋转电机的转矩密度。
实施例1
使用图1至图3，对本发明的第一实施例所涉及的旋转电机进行说明。图1是本发明的第一实施例所涉及的旋转电机的剖视图。图2是图1中的转子的局部剖视图。
旋转电机100具备定子101和可旋转地支撑于定子101的径向外侧的转子102。转子102以旋转轴心Z为中心旋转。
以下，只要没有特别说明，就将“内周侧”、“外周侧”这样的用语分别定义为相对于旋转轴心Z距离近的一侧为“内周侧”、远的一侧为“外周侧”。另外，将“径向R”定义为与旋转轴心Z垂直相交的直线方向，将“周向θ”定义为绕旋转轴心Z的旋转方向。也可以在转子102上固定轴103(未图示)，旋转电机100也可以具备覆盖定子101和转子102的框架104(未图示)。转子102直接或经由轴103、框架104等结构部件与负载(未图示)连接，通过转子102旋转而向该负载传递旋转和转矩。定子101和转子102具有相同的中心轴(旋转轴心Z)，在定子101和转子102之间设有空隙109，以相互不接触的方式配置。
另外，转子102也可以以可旋转的方式支撑于定子101的径向内侧。以下，主要对转子102配置在定子101的径向外侧的所谓外转子结构进行说明，但转子102配置在定子101的径向内侧的所谓内转子结构也能够通过设为相同的结构而得到同样的效果。只要没有特别说明，以下将径向R的朝向定义为，在外转子的情况下是从外周侧朝向内周侧的朝向，在内转子的情况下是从内周侧朝向外周侧的朝向。
定子101由层叠多张电磁钢板而构成的定子铁芯105、在定子铁芯105的外周部的周向上设置有多个的定子槽106、以及卷绕安装于定子槽106的定子绕组107构成。
定子铁芯105也可以由一体成形的实心部件构成。另外，也可以是对压粉磁芯等粉末磁性体进行压缩成型而得到的结构，也可以由非晶金属、纳米晶体材料构成。定子绕组107的卷绕安装方式可以是集中卷绕、分布卷绕或能够产生旋转磁场的任意卷绕安装方式，在分布卷绕中，在短节距卷绕或全节距卷绕中的任一个中都能够得到本实施例的效果。
转子102具备由永久磁铁部200和层叠多张电磁钢板而构成的转子铁芯片110构成的磁极环150。对永久磁铁200的材质没有限制，可以使用以铁素体系、钕系、钐钴系等为例的任一种材料。
转子铁芯片110可以由一体成形的实心部件构成，也可以是对压粉磁心等粉末磁性体进行压缩成型而得到的结构，也可以由非晶金属、纳米晶体材料构成。
磁极环150在面向空隙109的一侧、即与定子101的相对面侧沿周向θ具有偶数个磁极。在此，将沿径向贯穿各磁极中心的轴称为d轴，将沿径向贯穿相邻的d轴间的中心的轴称为q轴。
永久磁铁部200是将图3(a)所示的一体成形的圆环状的环形磁铁210或图3(b)所示的第一片301、302、…和第二片401、402…等分割磁铁组合成圆环状的部分。
在永久磁铁部200的极中心的d轴上的面向空隙109的一侧设置有凹部500。在永久磁铁部200的凹部500中插入有转子铁芯片110，转子铁芯片110的一部分以面向空隙109的方式从转子102露出。
分割磁铁(301、302、…、401、402、…)彼此使用粘接或焊接等方法固定，永久磁铁部200和转子铁芯片110相互使用粘接、焊接、压入、嵌入等方法固定。
接着，对本实施例的作用进行说明。图4示出了表示本实施例的作用的磁路模型。在此，为了简单地说明由转子102的永久磁铁部200的永久磁铁产生的磁动势610与由在定子101的定子绕组107中流动的绕组电流109产生的磁动势620的相互作用，考虑图4所示的一个磁通的环路C。若对该磁通环路C应用安培定律，则如下式成立。
[式1]
2Hδδ+HMΔM＝Θ
在此，Hδ是空隙109的磁场，HM是永久磁铁部200的磁场，δ是空隙109的径向(R)宽度。ΔM是永久磁铁部200的代表宽度，在此定义为连结相邻的转子铁芯片110之间的磁通路径的平均距离。Θ是基于绕组电流108的每一极的安培匝数。定子铁芯105和转子铁芯片110的导磁率与空隙109、永久磁铁部200的导磁率相比足够大，因此定子铁芯105和转子铁芯片110的导磁率作为无限大而处理。由于在该磁路C上几乎没有漏磁通，所以若假定没有漏磁通，则磁通在环路C上的磁通密度始终恒定，由下式表示。
[式2]
Bδ＝μMHM+Br
在此，Bδ表示磁通在环路C上的磁通密度，特别是空隙109的磁通密度。μM是永久磁铁部200的导磁率，Br是永久磁铁部的剩余磁通密度。另外，空隙109的磁场Hδ和空隙109的磁通密度Bδ具有如下关系。
[式3]
Bδ＝μ0Hδ
若将上述的式2和式3代入式1而消除磁场Hδ和HM，则通过由转子102的永久磁铁部200的永久磁铁产生的磁动势610与由在定子101的定子绕组107中流动的绕组电流108产生的磁动势620的相互作用而在空隙109中产生的磁通密度Bδ如下。
[式4]
Figure BDA0003786146770000061
在此，μ0是真空的导磁率。以往，通过增加无负载感应电动势的构思来提高旋转电机的转矩密度，并提出了用于其的转子结构。具体而言，无负载感应电动势的大小与由转子102的永久磁铁部200的磁动势产生的磁通的大小大致成比例。
因此，无负载感应电动势的增加意味着转子的磁通量的增加，从而期待提高旋转电机的转矩密度。根据这样的构思得到的转子结构例如是如下结构：转子102被永久磁铁部200充满，且永久磁铁沿着在转子内流动的磁通的朝向被磁化，并且不具有面向空隙109的转子铁芯片110(参照专利文献1)。
这样的现有转子结构在从一个磁极的空隙109面进入的磁通从相邻的另一个磁极的空隙109面出来为止的期间得到的磁动势最大化，因此能够切实地增加无负载感应电动势。
由此，能够增大转子的磁通量，从而能够在一定程度上提高旋转电机的转矩密度。这相当于在式3中不考虑每一极的安培匝数Θ的情况。在该情况下，为了使空隙109的磁通密度B最大化，只要使永久磁铁部200的磁通路径的平均距离ΔM最大化即可，从而得出不需要转子铁芯片110的结论。
然而，在该现有设计思想中，由于忽略了与每一极的安培匝数Θ的相互作用，因此未必成为充分提高旋转电机100的转矩密度的结构。特别是，相对于定子101侧的磁动势分量、即每一极的安培匝数Θ所产生的磁动势分量，导磁率小的永久磁铁部200成为较大的磁阻，也成为减少空隙109的磁通密度B以及旋转电机100的转矩密度的主要原因。
因此，永久磁铁部200的磁通路径的平均距离ΔM并非仅最大化即可，根据每一极的安培匝数Θ的大小，存在适当的ΔM的值。
实际上，在式4中，在比成为Bδ＝Br的安培匝数Θ的值大的安培匝数Θ中，ΔM越小则空隙109的磁通密度Bδ越大。具体而言，在每一极的安培匝数Θ满足式5的情况下，ΔM越小则空隙109的磁通密度B越大。
[式5]
Figure BDA0003786146770000071
通常，永久磁铁的剩余磁通密度Br为几100mT至1T左右，空隙109的径向宽度为1mm左右。图5(a)表示永久磁铁的剩余磁通密度Br为1T、空隙109的径向宽度为1mm时的空隙109的磁通密度Bδ相对于永久磁铁部200的代表宽度ΔM的关系。
在图5(a)中，示出了如果Θ为1600AT以上，则通过减小永久磁铁部200的代表宽度ΔM，能够提高空隙109的磁通密度Bδ的倾向。同样地，图5(b)表示永久磁铁的剩余磁通密度Bγ为100mT、空隙109的径向宽度为1mm时的空隙109的磁通密度Bδ相对于永久磁铁部200的代表宽度ΔM的关系。在图5(b)中，示出了如果Θ为160AT以上，则通过减小永久磁铁部200的代表宽度ΔM，能够提高空隙109的磁通密度Bδ的倾向。
如上所述，如果根据剩余磁通密度Bγ而按照式5来增大Θ，则永久磁铁部200中的磁动势消耗的影响大，在永久磁铁部200的磁通路径的平均距离ΔM小时更能够提高旋转电机100的转矩密度。200AT至1600AT左右的安培匝数为一般的旋转电机100、特别是大容量的旋转电机100中经常使用的范围。由于转子102的直径和极数决定极间的机械方向宽度，因此，像本发明结构那样，通过在d轴上配置铁芯片110，能够减小ΔM。
在此，若深究该讨论的话，最终的结果是，如果ΔM为0，则磁通密度B最大化，但这在式1～3的讨论中，在忽略定子铁芯105、转子铁芯片110的磁饱和这一点、以及假设转子102全部被铁芯片110充满的情况下，转子失去极性，空隙109的磁通密度B与转矩的相关性消失这一点上是不适当的。因此，实际上存在永久磁铁部200的适当的量。
另外，在绕组电流108小的旋转电机100的运转条件下，永久磁铁部200的剩余磁通(密度Bγ)带来的转矩密度的提高效果大，为了在多样的运转条件下提高旋转电机100的转矩密度，依然需要永久磁铁部200的存在。
根据以上，本实施方式所涉及的结构通过在转子102的永久磁铁部200的极中心设置凹部500，并在永久磁铁部200的凹部500配置转子铁芯片110，铁芯片110起到减小ΔM的作用，能够提高永久磁铁部200的磁动势和每一极的安培匝数Θ的磁动势相互作用的实际驱动条件下的空隙109的磁通密度。由此，能够使旋转电机100的转矩密度比以往提高。
另外，通过在作为极中心的d轴上的面向空隙109的一侧配置铁芯片110，磁通集中于磁阻小的铁芯片，空隙109的磁通密度的基波分量增加。由此，旋转电机100的转矩密度进一步提高。
以上是本实施例的基本结构和作用。以下，对铁芯片110的结构的详细情况和其次要的效果进行详细叙述。
首先，在图1至图3所示的结构中，永久磁铁部200和铁芯片110在面向空隙109的各自的露出面成为表面一致。例如，在图3(a)中，环形磁铁210的内径侧的面(面向空隙109的露出面)与铁芯片110的内径侧的面为表面一致。另外，在图3(b)中，分割磁铁(301、302、303、…)的内径侧的面与铁芯片110的内径侧的面为表面一致。这些作为表面一致的面特别是通过切削精加工、与圆柱状的模具相配合地一体成型，从而能够形成由一个半径规定的圆筒面。
通过设为表面一致，在转子102旋转时，面向空隙109的露出面上的凹凸变小，由此能够降低摩擦阻力。特别是，通过将作为表面一致的面形成为由一个半径规定的圆筒面，面向空隙109的露出面上的凹凸消失，从而能够使摩擦阻力最小化。由此，能够降低摩擦阻力部分的损失。另外，由此能够提高旋转电机的效率。
另外，在图2所示的结构中，铁芯片110在将埋入永久磁铁部200的区域的周向宽度最大值定义为L1，将从永久磁铁部200露出的面的周向宽度定义为L2时，处于L1＞L2的关系。在图2中示出了永久磁铁部200为环形磁铁210的情况，但在永久磁铁部200为分割磁铁(301、302、…、401、402、…)的情况下也是同样的。
在外转子的情况下，由于磁吸引力，在内转子的情况下，由于磁吸引力和离心力，存在铁芯片110从转子102分离的风险。与此相对，满足L1＞L2的关系的转子102能够减轻永久磁铁部200的宽度L2与铁芯片110的宽度L1干涉从而铁芯片110从转子102分离的风险。进而，通过满足L1＞L2的关系，空隙109侧的磁铁量增加，且在宽度L1的铁芯片110的区域能够确保充分的铁芯体积，因此难以磁饱和。由此，能够在缓和铁芯片110内部的磁阻的同时增加磁铁量，因此能够增加空隙109的磁通密度。由此，能够提高旋转电机100的转矩密度。
实施例2
接着，使用图6至图9对第二实施方式进行说明。图6(a)是本发明的第二实施例所涉及的转子的局部剖视图，表示将环形磁铁210应用于永久磁铁部200时的结构。图6(b)是本发明的第二实施例所涉及的转子的局部剖视图，表示将分割磁铁(301、302、…、401、402、…)应用于永久磁铁部200时的结构。另外，对于与第一实施例重复的事项省略说明。
第二实施例中的转子102在与空隙109相对的径向侧、即在图6(a)、图6(b)那样的外转子结构的情况下是在转子102的外周侧，在内转子结构的情况下是在转子102的内周侧(以下，称为背侧)，具有由非磁性材料构成的非磁性区域700。
非磁性区域700可以由通过非磁性部件成形的非磁性环710构成，也可以由被非磁性的液体或气体充满的非磁性空间720(未图示)构成。另外，非磁性区域700能够兼作转子102的框架104，不产生因具有非磁性区域700而引起的旋转电机100的质量增加。
如本结构那样，通过具有非磁性区域700，在后工序中对永久磁铁部200进行磁化时，永久磁铁部200的磁化方向成为使转子102内部的磁动势消耗最小化的朝向，因此旋转电机100的转矩密度提高。
使用图7以及图8对该情况进行说明。图7(a)表示将本实施方式的转子102后磁化后的转子102内部的磁通线图，图7(b)表示与本实施方式不同地将在背侧具有磁性部件120的转子102后磁化后的转子102内部的磁通线图。
若观察磁通线分布，则在图7(a)的本实施方式的情况下，以磁通最短地连结转子铁芯片110的方式磁化永久磁铁部200，转子102内部的磁动势消耗最小化。
另一方面，如图(b)所示，在背侧不是非磁性区域的情况下，在磁化工序中磁通的一部分被向背侧引导，磁化后的磁通的一部分保持向背侧泄漏的状态。由于背侧的磁性部件120仅为磁阻，因此在此处的磁动势消耗增加的基础上，旋转电机100的质量也增加与磁性部件120的质量相应的量，因此转矩密度降低。
图8是将转矩密度相对于磁性部件120的体积的变化图表化的图。由图8可知，随着背侧的磁性部件120的增加，转矩密度降低。转矩密度最高的是没有磁性部件120的情况，即背侧是非磁性区域700的本实施方式的情况。
进而，特别是在转子102为外转子的情况下，通过使用非磁性环710作为非磁性区域700，能够将非磁性环710灵活用作强度部件。在没有非磁性环710的情况下，由于在转子102旋转时产生的离心力，在永久磁铁部200内部产生被称为环向应力的周向应力。由于永久磁铁部200一般为脆性材料，因此永久磁铁部200可能因该环向应力而被破坏。
与此相对，在存在非磁性环710的情况下，能够利用非磁性环710支撑转子102旋转时的离心力负载。由此，能够降低一般为脆性材料的永久磁铁部200产生的应力，能够提高转子102的强度可靠性。而且，坚固的转子102能够以高速旋转，从而也能够将本实施例结构用作高速旋转电机。
实施例3
接着，使用图9对第三实施方式进行说明。图9(a)是本发明的第三实施例所涉及的转子的局部剖视图，表示将环形磁铁210应用于永久磁铁部200时的结构。图9(b)是本发明的第三实施例所涉及的转子的局部剖视图，表示将分割磁铁(301、302、…、401、402、…)应用于永久磁铁部200时的结构。另外，对于与第一实施例重复的事项省略说明。
第三实施例中的转子102在背侧具有层叠多张电磁钢板而构成的背轭800。背轭800可以由一体成形的实心部件构成，也可以是对压粉磁心等粉末磁性体进行压缩成型而得到的结构，也可以由非晶金属、纳米晶体材料构成。
通过如本结构那样具有背轭800，能够防止磁通向旋转电机100的外部泄漏。特别是，在图9(a)中永久磁铁部200的环形磁铁210的d轴上的区域220在径向上被磁化的情况下，或者在图9(b)中永久磁铁部200的分割磁铁(401、402、…)在径向上被磁化的情况下，背轭800将欲向转子102的背侧泄漏的磁通向相邻的d轴上引导。因此，转子102的漏磁通减少。由此，空隙109的磁通密度提高，旋转电机100的转矩密度提高。
实施例4
接着，使用已出现的附图对第四实施方式进行说明。在图2、图3(a)等所图示的结构中，从径向观察时，铁芯片110的埋入永久磁铁部200的面成为具有有限的曲率半径的曲面111。此处的径向方向的定义如上所述，在外转子的情况下是从外周侧朝向内周侧的朝向，在内转子的情况下是从内周侧朝向外周侧的朝向。
例如，在图3(a)中，铁芯片110的埋入环形磁铁210的面呈具有有限的曲率半径的凸形状，凸部具有朝向外周侧的形状。
通过采用本实施例的结构，通过永久磁铁部200并连结磁极间的磁通成为流线形状，能够防止局部磁通集中。由此，能够缓和铁芯片110的局部磁饱和，旋转电机100的转矩密度提高。特别是在通过后磁化对永久磁铁部200进行磁化的情况下，通过使磁通通过铁芯片110之间，从一个极的曲面111到另一个极的曲面111的磁通分布在平滑的大致圆弧上。
即，能够以通过曲面111上的各位置的磁通的磁路长度的偏差减少的磁通分布对永久磁铁部200进行磁化。因此，能够减少磁化所需的电流量，削减生产成本。或者，能够在不形成局部磁化不充分的区域的前提下，以较少的电流量对永久磁铁部200进行磁化。
另外，通过将曲面111的径向的顶点重叠在作为各磁极的极中心的d轴上，能够使本实施例的效果最大化。
实施例5
接着，使用已出现的图3(b)对第五实施方式进行说明。在图3(b)所示的结构中，永久磁铁部200由分割磁铁(301、302、…、401、402、…)构成。在图3(b)中，分割磁铁是将第一片301、302、…和第二片401、402、…组合为圆环状而构成的，但只要片数为两个以上，就能够得到本实施例的效果，另外，分割方向也能够在径向R、周向θ、旋转轴心Z方向中的任一方向上得到效果。
通过采用本实施例的结构，能够在永久磁铁部200的各分割磁铁之间形成微观的空隙，因此在分割磁铁彼此的接触部产生接触电阻。因此，能够得到分割磁铁彼此电分离的效果，涡电流难以跨越分割磁铁之间而流动。
由此，能够降低在永久磁铁部200产生的涡电流以及涡电流损失，从而能够提高旋转电机100的效率。特别是在分割磁铁由绝缘被膜等涂覆的情况下，能够忽略跨越分割磁铁之间流动的涡电流，从而能够进一步提高效率。特别是通过在旋转轴心Z方向上分割永久磁铁部200，能够有效地降低永久磁铁部200的涡电流及涡电流损失。
另外，分割磁铁(301、302、…、401、402、…)不必设为相同种类的永久磁铁，也可以组合不同种类磁铁来构成永久磁铁部200。
特别是，如图3(b)所示，在分割磁铁的第一片301、302、…面向空隙109，且第二片401、402、…不面向空隙109的结构中，第一片能够选择矫顽力比第二片高的永久磁铁。由于旋转电机100的磁通集中于空隙109的周围，因此通过增大第一片301、302、…的矫顽力，能够提高转子102的退磁耐力。另外，一般而言，永久磁铁的矫顽力和剩余磁通密度处于权衡的关系，因此，作为第二片401、402、…，矫顽力比第一片301、302、…低，但也能够选择剩余磁通密度高的磁铁。由此，能够提高退磁耐力，并且提高旋转电机100的转矩密度。
同样地，能够使用Nd烧结磁铁作为第一片301、302、…，并使用Nd粘结磁铁作为第二片401、402、…。若比较Nd烧结磁铁和Nd粘结磁铁，则通常Nd烧结磁铁的矫顽力较高，而Nd粘结磁铁能够自由地设定磁化方向。Nd粘结磁铁具有磁化方向的自由度是因为Nd粘结磁铁是各向同性磁铁，例如能够容易地进行海尔贝克磁化等。
图10表示在第一片301、302、…使用Nd烧结磁铁，第二片401、402、…使用Nd粘结磁铁的情况下能够实施的磁化的例子。第一片301、302、…的Nd烧结磁铁由于是各向异性磁铁而在一个方向上被磁化。另一方面，第二片401、402、…的Nd粘结磁铁由于各向同性，因此在从与第一片301、302、…的接触面朝向与铁芯片110的接触面(或其相反)的方向上被磁化。
这样，通过将Nd烧结磁铁和Nd粘结磁铁组合，能够以分割磁铁的组合结构来构成疑似地成为海尔贝克磁化的永久磁铁部200。由此，能够使磁通集中于铁芯片110，提高空隙109的磁通密度，因此旋转电机100的转矩密度提高。并且，一般而言，Nd粘结磁铁的导磁率比Nd烧结磁铁的导磁率高，因此，第二片相对于在定子101的定子绕组107中流动的绕组电流108所产生的磁动势620的磁阻变小。
由此，能够提高绕组电流108在空隙109中产生的磁通密度，因此旋转电机100的转矩密度进一步提高。
作为其他磁铁分割图案，也可以在作为极中心的d轴上分割永久磁铁部200。由于在d轴上没有磁通的周向分量，因此即使将永久磁铁部200在d轴上分割，也不会对磁特性造成影响。因此，能够防止因永久磁铁部200的分割而导致转矩密度恶化。
另外，作为其他磁铁分割图案，也可以在极中心间的q轴上分割永久磁铁部200。由此，在制造时能够将一极份的铁芯片110与永久磁铁部200一体成型。例如，能够对每一极进行组装、磁化。特别是在后磁化的情况下，能够将磁化轭配置于空隙109侧的面和周向侧面两个面的合计三个面上，因此能够减少磁化所需的电流。由此，制造变得容易，旋转电机100的生产率提高。
实施例6
使用图11对第六实施方式进行说明。图11是本发明的第六实施例所涉及的电动轮900的截面的概念图。在电动轮900中使用外转子型的旋转电机100。
旋转电机100的转子102在外周侧具有非磁性环710，兼作转子框架930。转子框架为碳纤维材料或非磁性金属部件或者通过将这些材料接合而形成。
但是，环710部为非磁性材料。转子框架930通过连接部件940与轮920连接。在轮920上嵌合有轮胎910。为了使轮920和转子102相对于轴960可自由旋转地被支撑，轮920或转子框架930通过轴承950与轴960连接。
另一方面，旋转电机100的定子101通过支撑部件(在图中省略)而被固定支撑在轴960上，在支撑部件上也搭载有电路970。电路970将电力供给到定子101，使转子102旋转。转子102的旋转经由具有非磁性环710的转子框架930以及连接部件940传递至轮920，使轮920旋转。
若采用本实施例的结构，则旋转电机100的转矩密度高，因此旋转电机100不仅能够收纳于轮920的内周侧，还能够实现无齿轮化、即轮920的直接驱动。
以往的电动轮利用齿轮，产生齿轮的磨损、噪音、以及由于需要支撑齿轮而导致轴承的使用数量增加等课题。与此相对，使用了本发明的转矩密度高的旋转电机100的电动轮900不需要齿轮，因此不仅不需要考虑齿轮的磨损而进行维护，而且能够消除由齿轮产生的噪声。另外，轴承的使用数量为最低限度，不仅能够降低轴承的磨损风险，而且能够削减轴承的润滑脂更换等操作中的维护作业量。
另外，由于旋转电机100的体积较小，因此电路970也能够搭载于轮920的内部，从而能够使电动轮900小型轻量。
符号说明
100—旋转电机；101—定子；102—转子；103—轴；104—框架；105—定子铁芯；106—定子槽；107—定子绕组；108—绕组电流；109—空隙；110—转子铁芯片；111—铁芯片曲面；120—磁性部件；150—磁极环；200—永久磁铁部；210—环形磁铁；220—环形磁铁在d轴上的区域；301—分割磁铁(第一片)；302—分割磁铁(第一片)；401—分割磁铁(第二片)；402—分割磁铁(第二片)；500—凹部；610—磁动势；620—磁动势；700—非磁性区域；710—非磁性环；720—非磁性空间；800—背轭；900—电动轮；910—轮胎；920—轮；930—转子框架；940—连接部件；950—轴承；960—轴；970—电路；999—负载；Z—旋转轴心；R—径向；θ—周向；C—磁通环路。

Claims (14)

1.一种旋转电机，其特征在于，具备：
转子，其被支撑为旋转自如；以及
定子，其设置为与所述转子隔着预定的空隙，
所述转子具有磁极环，该磁极环由圆环状的永久磁铁和埋入所述永久磁铁的铁芯片构成，
所述磁极环具有形成为圆环状的内周面和外周面，
所述内周面和所述外周面中的任一方是与所述空隙相对的空隙相对面，且另一方是与所述空隙相对面不同的非空隙相对面，
所述磁极环的所述非空隙相对面由所述永久磁铁构成，
所述磁极环的所述空隙相对面构成为包含所述永久磁铁和露出的铁芯片，
所述永久磁铁以所述铁芯片成为极中心的方式被磁化。
2.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，
所述磁极环在所述非空隙相对面与非磁性材料或非磁性的流体接触。
3.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，
所述磁极环在所述非空隙相对面与磁性材料的圆环部件接触。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的旋转电机，其特征在于，
所述永久磁铁和所述铁芯片的露出面为表面一致。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的旋转电机，其特征在于，
在从所述非空隙相对面沿径向观察的情况下，所述铁芯片的埋入所述永久磁铁的面是具有预定的曲率半径的曲面。
6.根据权利要求5所述的旋转电机，其特征在于，
所述曲面的径向的顶点与所述极中心重叠。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的旋转电机，其特征在于，
就所述铁芯片而言，若将埋入所述永久磁铁的区域的周向宽度最大值定义为L1，将从所述永久磁铁露出的面的周向宽度定义为L2，则L1＞L2。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的旋转电机，其特征在于，
所述铁芯片配置在从所述永久磁铁的内径侧的面露出的位置，
所述转子在所述非空隙相对面与非磁性支撑部件接触。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的旋转电机，其特征在于，
所述圆环状的永久磁铁由沿着周向配置的至少两个以上的片构成。
10.根据权利要求9所述的旋转电机，其特征在于，
所述圆环状的永久磁铁的面向所述空隙的第一片的矫顽力比除此以外的第二片的保持力高。
11.根据权利要求10所述的旋转电机的转子，其特征在于，
所述第一片是Nd烧结磁铁，
所述第二片是Nd粘结磁铁。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的旋转电机的转子，其特征在于，
所述圆环状的永久磁铁在与周向的极中心重叠的位置被分割。
13.根据权利要求9至11中任一项所述的旋转电机的转子，其特征在于，
所述圆环状的永久磁铁在周向的相邻的极中心之间的区域被分割。
14.一种电动轮，其使用了权利要求8所述的旋转电机，
所述电动轮的特征在于，
所述非磁性支撑部件与轮部件连接，并且是碳纤维材料或非磁性金属部件。
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