CN1713484A - 马达 - Google Patents

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Abstract

一种马达包括：转子(20)；转子铁芯(21)，该转子铁芯(21)包括在该转子(20)中，并构成为在其内嵌入有至少一个第一磁铁(22)；一对端板(23)，该对端板(23)中的一个位于该马达的一个轴端，该对端板(23)中的另一个位于该马达的另一个轴端，并且该对端板(23)在该转子铁芯(21)的轴端夹住该转子铁芯(21)，该马达的特征在于还包括至少一个第二磁铁(23c)，所述至少一个第二磁铁(23c)嵌入到该对压板(23)中，并提供沿着该马达的轴向方向的磁场。

Description

马达
技术领域
本发明大体上涉及一种内置磁石式马达(IPM马达)，尤其是为了具有高效率而如何将磁铁植入到转子结构中的技术。
背景技术
在现有技术中，无刷马达已被广泛地应用于电动车辆上，这种无刷马达具有一个转子，在该转子当中嵌入有多个永磁铁，该转子被布置在与定子的内周边相距预定距离的适当位置处，该定子的定子铁芯用线圈缠绕。定子铁芯具有圆筒形结构，并且与从其外周边沿径向向内的方向突出的多个齿一体构成。这些齿用线圈缠绕。每个线圈从定子铁芯的端部沿轴向向外露出的部分，通常被称为线圈端头。转子的形成方式为，将其内附着有多个永磁铁的转子铁芯整体地安装到轴上，并与绕组一起插入到定子的内部，以便固定于其中。如所需要的那样，该转子响应通过电激励定子绕组所产生的电磁力而进行旋转。
在日本专利JP2000-184645A中公开了这类传统的无刷马达，其将参照图15说明如下。正如图15中所清楚示出的那样，转子120安装有：转子铁芯121、永磁铁122、一对端板123、轴124和铆钉125。转子铁芯121是一种由多个层状的铁芯片126形成的叠层体。转子铁芯121的轴向两端通过该对端板123夹住，并借助多个铆钉125整体地固定到端板123上。每个铁芯片126都具有通孔126a，其被限定在每个铁芯片126的中心部分，并用于将轴124插入到其中；多个通孔126b，其被限定在通孔126a的外侧(outerperipheral side)，并用于容纳多个铆钉125；以及多个通孔126c，其被限定在通孔126b更远的外侧，并用于将永磁铁122附着于其内。每个永磁铁122分别插入到多个通孔126c中，并固定于其内。该对端板123中的每一个都具有通孔123a，其被限定在端板的中心部分，并用于将轴124插入到其中；多个通孔123b，其被限定在通孔123a的外侧，并用于容纳多个铆钉125。各铆钉125分别插入到该对端板123的多个通孔123b和铁芯片126的多个通孔126b中。每个铆钉125从端板123轴向向外露出的两个端部均被填缝(caulked)。
在这类传统的无刷马达中，沿转轴、定子铁芯111、转子铁芯121以及永磁铁122的垂直截面的方向，通过电激励产生运行转矩。也就是说，产生运行转矩的磁场没有有效地作用到线圈端部112a和端板123之间沿轴向限定的空间。因此，在这类传统的无刷马达中，这些空间对于产生运行转矩没有有效地发挥作用。结果，马达的轴向长度相应于线圈端部112a或者端板123的厚度(轴向长度)被延长了。而且，端板123沿着轴向夹住已经容置于转子铁芯121中的永磁铁122。
鉴于上述情况，本发明提供了一种轴向长度可以缩短的马达。此外，本发明还提供了一种能够增加扭矩值(degree of torque)的马达。
发明内容
根据本发明的方案，马达包括：转子；转子铁芯，其包括在该转子中，并构成为在其内设有至少一个第一磁铁；以及一对端板，其中的一个端板位于该马达的一个轴端，另一个端板位于该马达的另一个轴端。该对端板在该转子铁芯的轴端夹住该转子铁芯。该马达还包括至少一个第二磁铁，其设于该对端板中并能够产生沿着该马达的轴向方向的磁通量。
优选地，所述的至少一个第二磁铁位于与所述的至少一个第一磁铁相接触的位置。
更优选地，所述的至少一个第二磁铁位于与该转子铁芯的一部分相接触的位置，所述转子铁芯的该部分位于所述的至少一个第一磁铁的径向外侧，在该对端板每一个上的所述至少一个第二磁铁的极数等于所述的至少一个第一磁铁的极数，而且所述第二磁铁在该转子铁芯一侧的极性与所述至少一个第一磁铁的外侧的极性相同。
进一步优选地，该对端板与该转子的一侧轴向相对的部分具有一种软磁性材料，而且该对端板与所述至少一个第一磁铁相对应的至少一部分具有非磁性部分。
附图说明
从下面参照附图的详细说明，本发明上文中所述的和其它的特征和特点将会变得更加明显，其中：
图1是示意性示出根据本发明第一实施例的马达结构的截面图；
图2是示意性示出马达定子铁芯结构的俯视图；
图3是示意性示出马达转子结构的局部放大的截面图；
图4是示意性示出从图3中的a方向所看到的马达端板结构的局部放大示意图；
图5是示意性示出从图3中的b方向所看到的马达端板结构的局部放大示意图；
图6是示意性示出从图3中的c方向所看到的马达端板结构的局部放大示意图；
图7是示意性示出从图3中的d方向所看到的马达铁芯片结构的局部放大示意图；
图8是用于说明根据第一实施例的马达扭矩和传统的马达扭矩之间区别的图表；
图9是示意性示出本发明第二实施例的马达结构的横截面图；
图10是示意性示出图9中所示的马达转子结构的局部放大截面图；
图11是示意性示出从图10中的a方向所看到的马达端板结构的局部放大俯视图；
图12是示意性示出从图10中的b方向所看到的马达端板结构的局部放大俯视图；
图13是示意性示出从图10中的d方向所看到的马达端板结构的局部放大俯视图；
图14是示意性示出从图10中的d方向所看到的马达铁芯片结构的局部放大俯视图；以及
图15是示意性示出传统的马达结构的截面图。
具体实施方式
下文将参照附图对本发明的具体实施例加以详细说明。
如图1所示，根据本发明第一实施例的马达是一种无刷马达，该马达具有定子10(非旋转电枢)、转子20以及壳体30。该定子10整体上为环形或者圆筒形，并且主要由定子铁芯11和线圈12构成。该定子铁芯11是由多个定子钢片(未示出)层叠的叠层，并且被填缝，其中该定子钢片是通过对硅钢片进行冲孔而形成的。如图2所示，该定子铁芯11与从定子铁芯11的外周边11a径向向内突出的八个齿11b一体形成。在各相邻的齿11b之间限定有槽11c。根据本发明的第一实施例，在定子铁芯11中包括有八个齿11b和八个槽11c。齿和槽的形状和数量可以根据要求进行设计，并不局限于上述情况。此外，根据本发明的第一实施例，定子铁芯11是由多个定子钢片层叠的叠层，但是定子铁芯11可以是一种钢材，或者可以由金属陶瓷(sintered metal)制成。
用插入到槽11c中的线圈12分别缠绕齿11b。线圈12从定子铁芯11轴向向外露出的部分是线圈端头12a。线圈12的一个末梢连接到设置为从外部电源为线圈12提供电流的接线端(未示出)上。所述定子铁芯11、线圈12以及接线端可以使用绝缘的密封材料(未示出)覆盖。为了将线圈12产生的热量以高导热率值传导到定子铁芯11，可以在每个齿11b和每个线圈12之间的各空气隙处设置导热的绝缘体(未示出)。线圈12的线圈线可以是漆包线(coated wires)，并以所规定的匝数缠绕在齿11b上。线圈线的材料可以是诸如铜、铝和黄铜的导电材料，但其并不限于这些实例。
转子20主要包括：转子铁芯21，在转子铁芯21中附着有多个永磁铁22(至少一个第一磁铁)；以及轴24，其整体地与转子铁芯21装配在一起。转子20插入到定子10的内部，并相对于定子10的内周边具有空气隙。转子20包括转子铁芯21、永磁铁22、一对端板23、轴24以及多个铆钉25。转子铁芯21是由多个铁芯片26层叠的叠层。在转子铁芯21的两个轴端处，转子铁芯21被一对端板23夹住，并通过多个铆钉25整体地固定到这对端板23上。
每个铁芯片26都包括有通孔26a，其被限定在各铁芯片26的中心部分，并用于将轴24插入到其中；多个通孔26b，其被限定在通孔26a的径向外侧，并用于容纳铆钉25；以及多个通孔26c，其被限定在通孔26b的径向外侧，并用于容纳永磁铁22。在各通孔26c中，没有被永磁铁22塞满的区域内以及每个永磁铁22的两端限定有空气隙26d。这些永磁铁22被插入到铁芯片26的通孔26c中，以便固定于其中。
每个端板23都包括通孔23a，其被限定在每个端板23的中心部分，并用于将轴24插入到其中；以及多个通孔23b，其被限定在通孔23a的径向外侧，并用于容纳铆钉25。将多个永磁铁23c(至少一个第二磁铁)从转子铁芯21的一侧嵌入到各端板23中。
端板23的其中没有插入永磁铁23c的区域由软磁性材料(例如铁)制成。如图5所示，优选将各端板23的厚度或者轴向长度设计成不会产生由于永磁铁23c的磁通量所导致的直流磁饱和。在永磁铁23c的内周边表面和端板23的软磁性材料部分之间限定有空气隙23d，其作为非磁性部分。空气隙23d用于防止永磁铁22的磁通量泄漏。如图3到图7所示，优选将空气隙23d限定为包括永磁铁22的轴向端面，该轴向端面不包括永磁铁22与永磁铁23c接触的区域。
每个永磁铁23c位于与转子铁芯21的一部分相接触的位置，所述转子铁芯21的该部分位于磁铁22的径向外侧。另外，如图3到图6所示，每个永磁铁23c的一部分位于永磁铁22的径向外侧。该永磁铁23c被轴向磁化。对于位于一侧的端板23，永磁铁23c的极数等于永磁铁22的极数。各永磁铁23c在转子铁芯21侧的极性与各相应的永磁铁22外侧的极性相同。也就是说，如图3、图6和图7所示，当永磁铁22沿着径向向外的方向被磁化时，永磁铁23c沿着朝向永磁铁22的方向被磁化，而当永磁铁22沿着径向向内的方向被磁化时，磁铁23c沿着与永磁铁22相反的方向被磁化。
轴24通过一对板31经由滚珠轴承32可自由旋转地支撑。
铆钉25分别插入端板23的通孔23b以及铁芯片26的通孔26b中。铆钉25从端板23轴向向外露出的部分被填缝。
壳体30具有圆筒形结构，其环绕定子10的外周边，并包括在其两个轴端处的一对板31。
下面对根据本发明第一实施例的马达扭矩与如图15所示的传统的马达扭矩之间的区别进行说明。图8示出了通过用于分析磁场的、被称为“FEM”的有限元法所获得的结果。当将根据本发明第一实施例的定子外径为190mm且铁芯层叠厚度为45mm的马达与具有上述相同尺寸的传统马达进行比较时，根据本发明第一实施例的马达所产生的扭矩与传统马达所产生的扭矩之间的关系可以表示为比率1.07∶1。
根据本发明的第一实施例，可以防止由嵌入到转子铁芯21中的永磁铁22所产生的磁通量的泄漏，并且可以将永磁铁23c的磁通量加入到永磁铁22的磁通量中。因此，可以增加马达的扭矩值。而且，根据本发明的第一实施例，在传统马达中对产生扭矩不起作用的端板，也能够有助于产生扭矩。因此，可以减少转子铁芯21的层叠厚度，由此可以缩短马达的轴向长度。
下面，参照图9对本发明第二实施例的马达进行详细描述。根据本发明第二实施例的马达的端板结构与上述根据第一实施例的马达端板23的结构不同，端板23未插入有磁铁23c的区域由两种材料制成，如图9所示，一种材料在转子铁芯21的侧面，为非磁性材料部分23f，其由例如不锈钢、铝合金、铜合金以及陶瓷的非磁性材料制成；另一种材料在外侧(沿着轴向与转子侧相对的一侧)是软磁性材料部分23e，其由例如铁的软磁性材料制成。如图12所示，优选将软磁性材料部分23e的厚度设计成不产生由于磁铁23c的磁通量所导致的直流磁饱和。也就是说，在根据第二实施例的马达的端板23中，根据第一实施例的马达的端板23的空气隙23d变成了非磁性材料部分23f，以防止磁铁22的磁通量泄漏。除了非磁性材料部分23f之外，根据第二实施例的马达的其它结构与根据第一实施例的马达都相同。因此，可以产生与第一实施例相同的效果。
下面，对根据本发明第三实施例的马达进行说明。如软磁性材料部分一样(图3中在端板23外没有插入磁铁23c的部分)，在根据本发明第二实施例的马达的端板23中采用了粉末铁芯。在这里，该粉末铁芯是通过将所使用的磁粉与绝缘材料一起进行压制而形成的。如果将磁性材料应用于端板23，则可增加端板23的磁通量密度，由此会增加在端板23中的铁损。因此，与一般的铁相比，因为粉末铁芯是一种绝缘的层压结构(lamination)，所以其可以抑制铁损的增加。因此，根据本发明的第三实施例，可以抑制在端板23中的铁损的增加。
下面，对根据本发明第四实施例的马达进行描述。永磁铁(图6和图13中的23c)形成为近似楔形的形状，并且端板(图6和图13中的23)设置有其形状与各永磁铁23c的楔形结构相对应的凹槽部分(housing portion)。因此，永磁铁23c可以从轴向装入端板以便固定于其中。在此，当转子铁芯21在嵌入到转子铁芯21中的永磁铁22外侧的部分和嵌入到端板23中的永磁铁23c之间的接触面积相当大的时候，不用减少磁铁的利用率，即，无需减少磁铁单位体积的扭矩值，就可以大大增加扭矩增大(torque-up)的效果。这是因为可以将端板磁铁延长而无需增加包括端板磁铁在内的磁路的阻抗。另外，根据组装要求，优选使每个端板的外径都等于或小于转子铁芯的外径，由此便于将已经装配有端板的转子装配到定子上。根据本发明的第四实施例，不必使用增加端板外径的测定尺寸阻止环(size-up preventing ring)，由此可以将永磁铁23c的径向位置沿着径向向外的方向延伸。
如上所述，根据本发明的第一、第二、第三和第四实施例，该对端板23可以对扭矩的产生起作用。此外，可以减少转子铁芯21的厚度，因此可以缩短马达的轴向长度。
本发明的原理、优选实施例和操作方式已经在上面的说明书中进行了详细说明。然而，并不能认为所要保护的本发明局限于已经公开的特定实施例。另外，此处所描述的具体实施例应被认为是示意性的而非限制性的。他人在不脱离本发明精神的情况下，可以对本发明进行修改和变化，并且使用等同的变化。因此，所有落入到在权利要求书中限定的本发明的精神和范围内的修改、变化以及等同的变化都应包含在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种马达，具有：转子(20)；转子铁芯(21)，其包括在该转子(20)中并构成为在其内设有至少一个第一磁铁(22)；一对端板(23)，该对端板(23)中的一个位于该马达的一个轴端，该对端板(23)中的另一个位于该马达的另一个轴端，并且该对端板(23)在该转子铁芯(21)的轴端夹住该转子铁芯(21)，其特征在于，该马达还包括至少一个第二磁铁(23c)，所述至少一个第二磁铁(23c)设于该对端板(23)中，并能够产生沿着该马达的轴向方向的磁通量。
2.根据权利要求1所述的马达，其中，所述的至少一个第二磁铁(23c)位于与所述的至少一个第一磁铁(22)相接触的位置。
3.根据权利要求1或2所述的马达，其中，所述的至少一个第二磁铁(23c)位于与该转子铁芯(21)的一部分相接触的位置，所述转子铁芯(21)的该部分位于所述至少一个第一磁铁(22)的径向外侧，在该对端板(23)每一个上的所述至少一个第二磁铁(23c)的极数等于所述至少一个第一磁铁(22)的极数，而且所述至少一个第二磁铁(23c)在该转子铁芯(21)一侧的极性与所述至少一个第一磁铁(22)的外侧的极性相同。
4.根据权利要求3所述的马达，其中，该对端板(23)与转子(20)的一侧轴向相对的部分具有一种软磁性材料(23e)，而且该对端板与所述至少一个第一磁铁(22)相对应的至少一部分具有非磁性部分(23f)。
5.根据权利要求4所述的马达，其中，该对端板(23)的每一个未插入有所述至少一个第二磁铁(23c)的部分在与该转子(20)轴向相对的一侧具有一种软磁性材料，并且在该转子铁芯(21)的一侧具有由非磁性材料制成的非磁性材料部分。
6.根据权利要求4所述的马达，其中，所述软磁性材料为粉末铁芯。
7.根据权利要求5所述的马达，其中，所述软磁性材料为粉末铁芯。
8.根据权利要求1或2所述的马达，其中所述至少一个第二磁铁(23c)为近似楔形的形状，该对端板(23)中的每一个都具有与所述至少一个第二磁铁(23c)的楔形结构相对应的凹槽，所述至少一个第二磁铁(23c)能够从轴向插入到该对端板(23)中。
9.根据权利要求3所述的马达，其中所述至少一个第二磁铁(23c)为近似楔形的形状，该对端板(23)中的每一个都具有与所述至少一个第二磁铁(23c)的楔形结构相对应的凹槽，所述至少一个第二磁铁(23c)能够从轴向插入到该对端板(23)中。
10.根据权利要求4所述的马达，其中所述至少一个第二磁铁(23c)为近似楔形的形状，该对端板(23)中的每一个都具有与所述至少一个第二磁铁(23c)的楔形结构相对应的凹槽，所述至少一个第二磁铁(23c)能够从轴向插入到该对端板(23)中。
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