CN1770592A - 具有永磁体的旋转电机和制造定子铁心的齿部的方法 - Google Patents

Abstract

一种具有永磁体的旋转电机，其包括具有多个永磁体的转子、与转子以相对关系被放置的定子铁心和缠绕定子芯的定子线圈，其中定子芯由磁轭和定位至该磁轭的多个齿部构成。齿部向转子的内周突出。齿部由非晶磁性材料制造。

Description

具有永磁体的旋转电机和制造定子铁心的齿部的方法

技术领域

本发明涉及譬如电动机、发电机等的旋转电机和制造旋转电机的定子铁心的齿部的方法，更具体地涉及转子中具有永磁体的旋转电机和制造定子铁心的齿部的方法。

背景技术

一般地，电动机将电能转换为机械能，以及发电机将机械能转换为电能。其两者都要求高转换效率；它们被设计以在额定输出下具有最高的转换效率。旋转电机的效率由输出除以输入的值来表示，并且输出和输入之间的差值是譬如铜耗或铁耗的损耗。

为了增加旋转电机的效率并且缩小旋转电机的尺寸，包含稀土元素的具有高能积(energy product)的磁体被使用。定子铁心是一个分开的结构，从而增加定子铁心的密度。这些结构已经被提出。

然而，在风扇(wind-fan)驱动的发电系统的发电机中，希望发电机甚至可由微风轻易地转动；转子的惯性力矩和磁滞破坏力(hysteresis breakforce)应当是小的。在另一方面，在作为用于辅助汽车方向盘的操作的动力的电动机中，使用具有高能积的磁体的旋转电机的设计被认为是很困难的，因为电动机的扭矩振动通过驾驶员的方向盘操作被传递或者电动机的磁滞破坏力的重量感(weight)是不可忽略的。

上面提到的磁滞破坏力被称为损耗扭矩；使用具有小磁滞的材料降低损耗扭矩是必需的。作为该材料，有非晶态金属材料。

日本国际申请公开2002-518975披露了在磁路中使用非晶态材料的旋转电机。

然而，在磁路中使用非晶态材料的旋转电机中，因非晶态材料的特性，定子的机械加工是非常困难的。因此，获得旋转电机的最大效率的设计是困难的。所以，难于获得小型化的具有减小的损耗扭矩和减小的扭矩振动的旋转电机。

发明内容

本发明的目的是提供一种小尺寸的具有减小的损耗扭矩和减小的扭矩振动的旋转电机。

依据本发明的旋转电机包括定子铁心、磁轭和向定子突出的齿部，其中磁轭和齿部被分开(divide)且至少齿部由非晶磁性材料制造。

附图说明

图1是依据本发明的实施例具有永磁体的电动机的横截面图。

图2是显示用于从非晶态箔条(foil strip)制造定子铁心齿部的设备的框图。

图3是显示相对于磁材料的直流磁化特性的比较曲线图。

图4是显示相对于磁材料的高频铁损特性的比较曲线图。

图5显示用于从非晶态金属颗粒制造定子铁心的齿部的过程的一部分。

图6是显示依据本发明的电动机的变动力矩(Cogging tor燕尾槽ue)的测量结果的曲线图。

图7是用于说明理想圆(perfect circle)的程度和变动力矩(Cogging tor燕尾槽ue)之间的关系的转子的平面图。

图8是用于说明定子槽数和转子磁极数之间关系的曲线图。

图9是显示电动机效率和负载扭矩之间关系的曲线图。

图10是应用本发明的电动机的转向装置的主要部分的透视图。

图11是应用本发明的发电机的风扇驱动的发电系统的透视图。

(附图标记的说明)

转子1、定子2、转子轴3、转子铁心4、永磁体5、定子铁心6、定子线圈7、磁轭8、齿部9、槽10、非晶态箔条12、粘结剂涂覆装置15、模具16、冲头17、加热设备18、气缸机构19、控制装置22、金属铸模23、压力件24、电动机28、发电机30。

具体实施方式

依据本发明的实施例，通过分开齿部和磁轭部可减小非晶磁性材料的加工单元的尺寸。因此，被认为困难的非晶态材料的机械加工可相对容易地进行。通过具有永磁体的转子和由非晶磁性材料制造的定子的协同作用，实现小型化的具有小损耗扭矩和扭矩振动的旋转电机是可行的。

在下面，通过参考图1，将说明涉及具有永磁体的旋转电机的实施例1。

图1中所示的电动机由被轴承(未显示)可转动地支撑的转子1和围绕转子被放置的定子2构成。

转子1具有由轴承支撑的转子轴3、固定至转子轴3的转子铁心4和放置在转子铁心4周围的多个永磁体5，所述磁极与转子轴3共轴地布置。在该实施例中，有构成8个磁极(pole)转子1的8个永磁体。

定子2包括与转子1相对的在圆周方向上具有间隙的定子铁心6和缠绕定子铁心6的定子线圈7。定子铁心6由圆形磁轭8和多个齿部9构成，该齿部可由不同于磁轭8的材料制造且从磁轭8分开。在这个实施例中，有9个齿部。

磁轭8在内外周中以恒定间隔具有燕尾槽8G，并且齿部9在沿转子1的内侧中的一端形成弯曲的磁极9P及在其另一端形成燕尾榫9T。该齿部9的燕尾榫9T被插入磁轭8的燕尾槽8G中，以将齿部9固定至磁轭8，齿部向转子轴3的中心轴线突出。

定子线圈7缠绕在齿部9上，以被限制在9个形成在齿部9之间的槽10中。

依据上面结构，获得具有9个槽-8个磁极的永磁体的旋转电机；定子铁心6的磁轭8由叠层硅钢片制造，以及齿部9由非晶磁性材料制造。

在说明中，非晶磁性材料包含纯净非晶磁性材料以及非晶磁性材料和其它磁材料的混合物。

在这个实施例中的非晶磁性材料可以是非晶磁性材料的箔条。通过冲压箔条且层叠冲压的箔片来形成齿部。在下面通过参考图2来说明制造非晶磁性材料箔条的齿部的方法。

具有0.025mm厚的非晶态箔条12被进给机构以恒定速度从线圈11进给，该进给机构包括一对驱动辊13A、13B和张力辊14等。非晶态金属箔条被通过粘结剂涂覆装置15使用譬如热固树脂的粘结剂涂覆。具有粘结剂涂层的非晶态金属箔条12由模具16和冲头17冲压为齿部9的形状。冲压的薄片段被堆积在模具16的底部。冲压的箔片被由冲头17向下挤压至每一层，并且层叠的箔片由放置在模具16底部的加热器18加热以固化粘结剂，从而粘结层叠的非晶态金属箔片。当粘结的箔片成为预定的厚度以形成齿部时，层叠的且粘结的箔片通过放置在模具16底部的气缸机构19从模具16中被转移出去。被挤压的非晶态金属箔条12通过缠绕装置20被缠绕和处理。

依据输入控制装置22中的数据控制压机21的冲压次数，该压机驱动冲头17、加热器18和气缸机构19。

依据这个实施例，图3和4所示的磁特性通过使用具有永磁体的转子1和具有齿部9的定子铁心6来获得，该齿部9由层叠的非晶磁性材料制造。

也就是，与具有由相当低铁损的硅钢(35A300，50A700)片制造的齿部的定子铁心相比较，定子铁心6具有由层叠的非晶磁性材料制造的齿部9，该定子铁心6具有高导磁率(磁化特性的上升时间)，但具有低的最大饱和磁通密度。这里，符号(35A300，50A700)表示日本工业标准JIS C 2553(2000)标准(下同)。另外，在这个实施例中定子铁心中产生的铁损比硅钢片(35A300，50A700)中产生的铁损小。尤其是，就铁损而言，磁滞损耗和涡电流损耗均是较小的，因此作为磁滞破坏力的损耗扭矩可被减少。

在由硅钢片制造的定子铁心和本实施例的定子铁心中，假如转子的永磁体产生的磁通量是相同的，且通过同样尺寸获得相同的输出，则因齿部的饱和穿过本实施例中的齿部的磁通量比穿过硅钢片的齿部的磁通量小。然而，因在本实施例中齿部9被固定至磁轭8，可以使齿部9的宽度变宽以增加穿过齿部的磁通量。因围绕齿部9的定子线圈的线圈可在齿部9被装配至磁轭8之前被完成，所以定子线圈围绕加宽的齿部9的缠绕工作是容易的。

在另一方面，磁轭8可由硅钢片或非晶磁性材料制造，只要确保齿部的必需的截面面积即可。

非晶态金属是硬质材料且具有3至5倍于硅钢的抗拉强度。假如与磁轭结合在一起的定子铁心被从非晶态金属箔片冲压，则需要昂贵的模具且压紧(caulking)叠层是困难的，这意味着工业生产是困难的。

然而，当外周长度较短的齿部被冲压时，金属模具可较便宜。另外，冲压、层叠和使用粘接剂粘接堆积的箔片使得能够忽略麻烦的压紧步骤。

尽管在上面提及的实施例中非晶态金属箔片被层叠，齿部可以由图5所示的方法制造，在该方法中非晶态金属被以细颗粒的形式使用。

非晶态金属箔片具有0.025mm的最大厚度。在另一方面，非晶态金属可是具有0.5mm的颗粒大小的颗粒。非晶态颗粒可被使用以制造齿部。非晶态颗粒和譬如纯铁粉的磁性粉末的混合物被填充(charge)到具有齿部9的形状的模具23中，然后混合物被使用挤压件24挤压以形成齿部9。

如上面所述，通过使非晶态金属颗粒和其它磁性颗粒的混合物压实，饱和磁通量密度被增加。由于非晶态金属颗粒属于高硬度且在压实过程中难于变形，获得高密度是困难的。因其它磁性材料容易被变形且填充了非晶态颗粒的间隙，所以压实的混合物可以制造高密度的齿部9。增加齿部的密度以获得具有低铁损和低损耗扭矩的齿部。

因通过非晶态金属颗粒压实来制造齿部9，具有在轴向方向的长度不同于腿部(线圈在此处被缠绕)的宽度的譬如磁极9P的齿部的部分可被自由设计。

图6显示本发明的电动机和传统电动机的变动力矩的测量结果，本发明的电动机具有定子铁芯，所述定子铁芯的齿部由挤压模制或压实非晶磁材料制造，磁轭由硅钢片制造；传统电动机具有由硅钢片(35A300)制造的定子铁心。所述电动机是具有相同尺寸的10个磁极-12槽的电动机。

通常，每一次转动的变动力矩的振动周期是磁极数和槽数的最小公倍数。在电动机具有被分开的扼部和齿部的定子芯的情况中，存在增加尺寸精度的限制，譬如齿部的理想圆的程度。依据图7所示的简单模型，齿部中的一个向转子中心突出，以使突出的齿部比其它齿部更靠近转子中心。因此，很显然，依据定子铁心的圆度，波形伴随着对应于磁极数的振动。

相比较的电动机的定子圆度大约是0.03mm，其不是理想的。在定子仅由硅钢片制造的电动机中，每一个转动10个周期的低频振动被观察到，其等效于转子磁极数。

根据以上结果，揭示了具有由非晶磁性材料制造的齿部的定子铁心有变动力矩制造精度小的影响。即，当非晶磁性材料被用于齿部时，每一圈产生磁极和槽数的最小公倍数的振动。考虑到电动机的振动和噪声的降低，可行的是通过设定振动的频率来去除令人不满意的低频(1kHz或更低)噪声，该振动频率在额定转动速率下处于可听到的范围内。

例如，以3,000rpm转动的12槽-10磁极电动机的变动力矩频率是3kHz。在使用非晶磁性材料的电动机中槽数和磁极数之间的关系优选被设定为尽可能大的最小公倍数。因此，例如，应当避免在3槽-2磁极电动机中最小公倍数等于20或以下。

图8显示电动机的定子槽数和转子磁极数之间关系。在A组中，磁极数P与槽数S的比是2∶3或4∶3。在B组中，磁极数P与槽数S被表示为：P＝S+-1序列。在C组中，磁极数与槽数由下面公式表示。

(2/3)S＜P＜(4/3)，S＝6n，或P≤6n-2或P≥6n+2，其中P是2的倍数，且n是2或大于2的整数。

在图中，×表示三相电动机不存在的情况。组A至C是槽数和磁极数之间关系的组合，该组合可形成三相电动机。在A至C的组合中，A的组合被使用在常规电动机中。在将非晶磁性材料用于齿部的电动机中，根据上面提及的原因，优选使用20或更大的最小公倍数(换言之，变动力矩的脉动)。

组B和C具有几十或更大的最小公倍数。在使用非晶磁性材料为齿部的电动机中，组B和C被使用。

根据图6，清楚的是，使用硅钢片(35A300)为齿部的常规电动机的平均变动力矩即损耗扭矩是18.0mN.m，而使用非晶磁性材料为齿部的电动机的平均变动力矩仅仅是7.5mN.m，该使用非晶磁性材料为齿部的电动机的平均变动力矩小于常规电动机的平均变动力矩的一半。这个结果与图4中所示的数据相一致，其中磁滞损耗越小，损耗扭矩变得越小。

图9显示试验电动机效率(％)和负载扭矩之间关系，显示了使用非晶磁性材料为齿部的电动机比具有使用硅钢片(35A300，50A470)的定子铁心的电动机在几乎整个范围上展示更高的效率。

图10显示汽车的转向装置的示意透视图，该汽车使用具有由非晶磁性材料制造的电动机。该电动机被用作操纵转动的辅助驱动力。转向装置将方向盘25的转动力传递给操纵杆26；操纵杆26的转动运动被传递给轮子27A、27B，以改变汽车的方向。当驾驶员操作方向盘时，经由电动机28通过操纵杆26辅助转动操作。

电动机28具有使用永磁体的转子以形成磁极，其中定子的齿部由非晶磁性材料制造。电动机具有小的磁滞损耗和小的损耗扭矩，从而电动机28的操作重量(weight)感被去除，且从方向盘传递的电动机的脉动被减少。因此，驾驶员对方向盘的操作可容易执行。

另外，由于电动机28在操作的几乎整个范围上具有高效率，因此其尤其适用于譬如汽车的装置，该汽车必须使用电池作为电动机的电动力源并且应当减少燃料消耗。由于电动机28具有由磁轭和与磁轭分开的齿部构成的定子铁心，在定子线圈被缠绕后齿部被插入该磁轭中，因此定子线圈的占用率(occupying rate)被增加，从而小型化电动机28，以使在汽车有限的空间中安装电动机更容易。

图11显示应用本发明的风扇驱动的电能发电机系统的透视图，其中电动机具有使用永磁体的转子和齿部由非晶磁性材料制造的定子。风扇驱动的发电系统包括固定在基底上的支承杆31和电能产生装置32，其中电能产生装置32被安装在支撑杆31的顶部。在杆31的中心转动360度时，电能产生装置32被可转动地支撑。电能产生装置32具有轴，风扇33被直接连接或经齿轮连接到该轴。

在风扇驱动的电能发生装置中，由于发电机30的磁滞损耗引起的损耗扭矩，风扇的转动可被阻碍。然而，在本实施例中，由于因磁滞损耗引起的损耗扭矩被减少，风扇30的转动不会被发电机33所阻碍，并且提高了产生电能的效率。在预期的输出范围中提高了发电机30的发电效率，并且风扇的转动在有微风时不受阻碍。即，在微风时在低输出范围中电量被增加，以获得具有高效率的风扇驱动的发电。

在上面的实施例中，定子铁心的磁轭由硅钢片制造，以及齿部由非晶磁性材料制造；该磁轭也可由非晶磁性材料制造。由于非晶磁性材料的可加工性较差，该磁轭和齿部应被分开，以在加工后装配它们。该磁轭和齿部的分开结构使得在制造非晶态金属箔条中被冲压的节段的周长较短，因此，与结合为一体的磁轭和齿部的冲压相比较，不需要很大的冲压力。

只有磁轭可作为由非晶态金属箔条制造的线圈芯。非晶磁性材料可是非晶态金属颗粒。该磁轭和齿部被单独地挤压模制。因此与磁轭和齿部具有一体形状的挤压模制相比较，非晶态颗粒的挤压模制由小的挤压力实施。

磁轭和齿部由压实的非晶态金属颗粒或非晶态金属箔条制造。非晶态磁轭和非晶态齿部可被适当组合，这扩展了旋转电机设计的自由度。

Claims (12)

1、一种具有永磁体的旋转电机，该旋转电机包括具有多个永磁体的转子、与转子以相对的关系被放置的定子铁心和缠绕定子芯的定子线圈，其中定子芯由磁轭和定位于该磁轭的多个齿部构成，齿部向转子的内周突出，并且其中至少齿部由非晶磁性材料制造。

2、依据权利要求1的旋转电机，其中齿部由非晶磁性材料的层叠箔条构成，箔片使用粘结剂被粘结。

3、依据权利要求1的旋转电机，其中齿部由非晶磁性材料的压实的磁颗粒制造。

4、依据权利要求3的旋转电机，其中非晶磁性材料的磁颗粒与另一种磁材料的颗粒相混合。

5、依据权利要求1的旋转电机，其中磁轭由层叠的硅钢片构成且齿部由非晶磁性材料制造。

6、依据权利要求5的旋转电机，其中齿部由非晶磁性材料的层叠箔条构成。

7、依据权利要求5的旋转电机，其中齿部由非晶磁性材料的压实模制颗粒制造。

8、依据权利要求7的旋转电机，其中非晶磁性材料的的磁颗粒与另一种磁材料的颗粒相混合。

9、一种具有永磁体的旋转电机，其包括具有多个永磁体的转子、与转子以相对的关系放置的定子铁心和缠绕定子芯的定子线圈，其中定子铁芯由磁轭和向转子突出并被定位至该磁轭的多个齿部构成，其中齿部由非晶磁性材料制造，并且其中形成在定子铁心中的槽数S和转子的磁极数P之间的关系由P＝S±1、或当(2/3)S＜P＜(4/3)S时S＝6n或P≤6n-2或P≥6n+2表示，其中P是2的倍数，并且n是2或更大的整数。

10、一种具有电动机的转向装置，该电动机在权利要求1中被限定，并且该电动机作为用于辅助汽车的方向盘的操作的动力。

11、一种具有发电机的风扇驱动发电系统，该发电机在权利要求1中被限定，该发电机由风扇的转动力驱动。

12、一种制造旋转电机的定子铁心的齿部的方法，包括：在非晶磁性材料的箔条上涂覆粘接剂，用压力机使带有粘接剂的箔条成型为期望的形状，层压成型的薄片，并且加热粘接剂以粘接该箔片。

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