CN201134706Y - 永磁电机及搭载有该永磁电机的电气设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种永磁电机及具有该永磁电机的电气设备。该永磁电机由转子以及定子构成，所述转子具有由磁性材料构成的多棱柱形状的转子芯、和设于该转子芯外周面上的永久磁铁，所述定子与该转子的外周面相对并且具有电气绕组。永久磁铁在与多棱柱形状的各个角部对应的位置具有截面为圆弧形状的凹部，在该凹部与相邻的凹部的中间位置具有最厚壁部，永久磁铁使该最厚壁部成为磁极中心而被磁化。

Description

永磁电机及搭载有该永磁电机的电气设备

技术领域

本实用新型涉及在由磁性材料构成的转子芯的外周面上固定设有永久磁铁的永磁电机及搭载有该永磁电机的电气设备。

背景技术

以往，永磁电机的固定设于转子芯外周面上的永久磁铁，主要利用结合磁铁。在此，所谓结合磁铁是指，利用橡胶、热塑性树脂或热固性树脂等结合材料将铁素体类或稀土类的永久磁铁粉末固化而形成的复合材料永久磁铁。该结合磁铁由于含有结合成分，故与由烧结法制成的不含结合剂成分的烧结磁铁相比，磁特性低。

但是，这样的结合磁铁由于烧结带来的收缩问题少，故具有能够以高尺寸精度制得环状、圆弧形状、薄壁形状等特殊形状的优点。并且，即使形成这样的环状、圆弧形状、薄壁形状等特殊形状，也能够不产生裂痕或缺损等问题。因此，近年来，环状的结合磁铁大多用作家电用电机或信息设备用电机。

在此，结合磁铁分为各向异性结合磁铁和各向同性结合磁铁。各向异性结合磁铁由于在规定方向上产生强的磁力，故有助于电机的小型化或高性能化。但是，在制造各向异性结合磁铁时，必须在磁场中一边将磁铁粉末在规定方向上排列一边进行成型。尤其是，在制造将磁铁粉末以环状在径向上排列的特殊形状的永久磁铁时，即使利用例如高顽磁性的稀土类磁铁粉末，其性能也难以达到100％。因此，在制造环状的永久磁铁时，多使用仅通过在无磁场中压缩成型或射出成型就能够简单地制造的各向同性结合磁铁。

另外，稀土类磁铁粉末通常价格比铁素体类磁铁粉末贵。因此，在使用稀土类磁铁粉末制造环状的永久磁铁时，需要减薄永久磁铁径向的厚度，降低磁铁粉末量。

但是，若这样将永久磁铁的径向厚度减薄，则具有其表面的磁通波形与正弦波波形的背离变大的倾向。因此，在旋转使用这样的永久磁铁的电机时，具有齿槽转矩变大、电机旋转时的声音或振动变大的问题。

在此，对环状的永久磁铁的径向厚度与表面磁通波形的关系进行说明。

图16表示环状的永久磁铁的径向厚度与表面磁通波形的关系。在该图中，由磁强计(高斯计)测定具有八极磁极的外径50mm的稀土类各向同性结合磁铁的表面磁通。并且，改变其内径，使其为46mm(磁铁壁厚2mm)、42mm(磁铁壁厚4mm)、38mm(磁铁壁厚6mm)、35.6mm(磁铁壁厚7.2mm)而进行测定。

由该图可知，随着环状永久磁铁厚度的减薄，表面磁通的峰值降低。另外，可知，随着环状永久磁铁厚度的减薄，表面磁通波形从正弦波波形偏离。

因此，为了使这样的表面磁通波形接近正弦波波形，提出有下述的技术方案。

日本专利申请特开平6-217418号公报公开的技术为，将永久磁铁的内周面形成圆筒形，将外周面形成非圆筒形。并且，将永久磁铁的磁极间部的径向厚度设定为磁极中央部的径向厚度的0.3～0.7倍的范围。根据该专利文献公开的技术，可使表面磁通波形接近正弦波波形，能够降低齿槽转矩、噪音以及振动。

另外，日本专利申请特开2003-111360号公报公开的技术是关于具有被大致正弦波状磁化的多个磁极的环状永久磁铁。根据该专利文献公开的技术，可使表面磁铁波形接近正弦波波形，能够降低齿槽转矩、噪音以及振动。

但是，在日本专利申请特开平6-217418号公报公开的技术中，永久磁铁的凹凸部与定子相对配置，产生磁极间部的定子与永久磁铁的间隔变大、不能够有效地活用磁力的问题。

另外，在日本专利申请特开2003-111360号公报公开的技术中，由于使磁极间部的磁通为零而在不完全磁化的状态下被磁化，故产生不能够有效地活用磁力的问题。

实用新型内容

本实用新型的永磁电机，其由转子和定子构成，所述转子具有由磁性材料构成的多棱柱形状的转子芯、和设于所述转子芯的外周面上的永久磁铁，所述定子与所述转子的外周面相对并且具有电气绕组。永久磁铁在与多棱柱形状的各个角部对应的位置上具有截面为圆弧形状的凹部，在该凹部与相邻的凹部的中间位置具有最厚壁部，所述永久磁铁使该最厚壁部成为磁极中心而被磁化。

另外，本实用新型包括一种上述永磁电机所使用的永久磁铁的制造方法。该制造方法包括如下的步骤：磁铁粉末填充步骤，在形成有圆柱状贯通孔的模与具有与所述贯通孔同轴的中心轴的多棱柱形状的型芯之间填充磁铁粉末；压缩成型步骤，通过上冲杆和下冲杆将被填充的磁铁粉末进行压缩成型；保持压力加压步骤，相对由压缩成型步骤成型的磁铁粉末施加规定的保持压力；移动步骤，在施加有规定的保持压力的状态下，使模以及型芯移动而制成规定形状的永久磁铁。

本实用新型通过以上的结构和制造方法，能够通过削减永久磁铁的体积来降低成本，并可实现永磁电机的高效化以及齿槽转矩、振动、噪音的降低。另外，能够防止永久磁铁制造时产生的裂痕或缺损而提供一种高品质的永磁电机。

附图说明

图1是本实用新型实施方式的电机的立体图。

图2是本实用新型实施方式的电机的平面图。

图3A是构成上述电机的转子的平面图。

图3B是构成上述电机的转子的立体图。

图4A、图4B是表示永久磁铁成型时的状况的说明图。

图5是表示永久磁铁的制造工序的流程图。

图6是基于永久磁铁的不同形状的电机性能的比较说明图。

图7是对应各最厚壁部的厚度表示永久磁铁形状的凹部15的截面半径与永久磁铁内部最大应力的关系的图表(永久磁铁外形30mm的情况)。

图8是对应各最厚壁部的厚度表示永久磁铁形状的凹部15的截面半径与永久磁铁内部最大应力的关系的图表(永久磁铁外形40mm的情况)。

图9是对应各最厚壁部的厚度表示永久磁铁形状的凹部15的截面半径与永久磁铁内部最大应力的关系的图表(永久磁铁外形50mm的情况)。

图10是基于永久磁铁的不同形状的破坏载荷的比较说明图。

图11是本实用新型实施方式的电气设备(空调室内机)的构造说明图。

图12是本实用新型实施方式的电气设备(空调室外机)的构造说明图。

图13是本实用新型实施方式的电气设备(热水器)的构造说明图。

图14是本实用新型实施方式的电气设备(空气净化器)的构造说明图。

图15A是本实用新型实施方式的其他电机的转子的平面图。

图15B是本实用新型实施方式的其他电机的转子的立体图。

图16是表示现有电机的基于永久磁铁的不同形状的表面磁通波形的说明图。

具体实施方式

以下，使用附图说明本实用新型的实施方式。

(实施方式)

图1是本实用新型实施方式的永磁电机(以下，称为电机)的立体图，图2是其平面图。

本实施方式的电机是由转子101和与其外周面相对的定子103构成的8极12槽的内转子型电机。转子101具有由磁性材料构成的转子芯3、配置在转子芯3的中心部的轴2以及固定设置在转子芯3的外周面上的永久磁铁1。定子103具有电气绕组102。

图3A是构成本实施方式的电机的转子的平面图，图3B是其立体图。转子芯3将薄板磁性钢板层积而构成，在中心部具有轴孔，外周面形成多棱柱形状、具体地为八棱柱形状。对该多棱柱形状的各个角部进行倒角。

永久磁铁1固定在转子芯3上，外周面成为圆柱形状。永久磁铁1的内周面紧密贴附在转子芯3上，在与转子芯3的八棱柱形状的各个角部对应的位置上设有八处凹部15。由永久磁铁1的截面来看，各个凹部15形成最薄壁部17，在各个凹部15与相邻的凹部15的中间位置形成有最厚壁部16。并且，使最厚壁部16为磁极中心、最薄壁部17为磁极临界部而被磁化。即，如图3A的NS所示地被磁化。各个凹部15形成圆弧形状，其圆弧半径R设定为4mm～9mm的范围。详细在后文中叙述。

另外，该永久磁铁1通过压缩成型机压缩结合磁铁用树脂组成物并使树脂成分固化而进行制造，该结合磁铁用树脂组成物将由熔融纺丝法制成的薄片状NdFeB磁铁粉末和在一个分子链中具有两个环氧基的环氧树脂以及固化剂作为主要构成成分。即，作为本实施方式的永久磁铁1，稀土类的结合磁铁是合适的。

通过以上的构成，定子103和永久磁铁1的间隙在电机的旋转方向上能够总是为相同间隔。即，能够防止定子103与永久磁铁1之间主动地扩大，故在永久磁铁1的整个周面上形成最大磁化的状态，并且可降低齿槽转矩、噪音以及振动。

另外，通过将永久磁铁1的凹部15形成圆弧半径R为4mm以上的圆弧形状，能够确保最薄壁部17的强度并防止裂痕或缺损。

接着，对构成本实用新型的电机的永久磁铁1的制造方法进行说明。图4A及图4B是表示永久磁铁1成型时的状况的图。另外，图5是表示永久磁铁1的制造工序的流程图。图4A表示由上冲杆12和下冲杆13加压保持的状态，图4B是由上冲杆12和下冲杆13加压保持并从模10和型芯11取出的状态。

制造永久磁铁1的压缩成型模具包括：模10，其形成有圆柱形状的贯通孔；八棱柱形状的型芯11，其具有与模10的贯通孔同轴的中心轴；上冲杆12以及下冲杆13，其具有与模10的贯通孔大致相同形状的外周面，并且具有与型芯11的八棱柱形状大致相同形状的内周面。另外，上冲杆12和下冲杆13能够在模10和型芯11之间形成的间隙中沿上下方向移动。

首先，在模10与型芯11之间填充磁铁粉末(步骤S 1)。通过上冲杆12及下冲杆13对步骤S1中填充的磁铁粉末进行压缩成型(步骤S2)。磁铁粉末的压缩成型结束后，对永久磁铁1施加规定的保持压力(步骤S3)。并且，在施加有该保持压力的状态下，使模10及型芯11下降(步骤S4)。以上，通过成型永久磁铁1，能够防止在最薄壁部17产生断裂、裂痕或缺损。

接着，对将永久磁铁1的内周面形成八棱柱形状的理由进行说明。

图6是比较具有八棱柱形状的内周面的永久磁铁(例1)和具有圆柱形状的内周面的永久磁铁(例2、例3)的性能而进行表示的说明图。另外，在该图6中，例1中的电机使用内周面为内切圆直径36.9mm的正八棱柱形状、外周面为直径40.9mm的圆柱形状并且以最厚壁部为磁极中心而八极磁化的永久磁铁。为了进行比较，例2中的电机使用内周面为直径37.9mm的圆柱形状、外周面为直径40.9mm的圆柱形状并且八极磁化的永久磁铁，例3的电机使用内周面为直径37.4mm的圆柱形状、外周面为直径40.9mm的圆柱形状并且八极磁化的永久磁铁。例1、例2以及例3都利用高度14mm的稀土类各向同性结合磁铁而构成。另外，例1和例2中，永久磁铁体积相同地构成。

与例2及例3的表面磁通波形相比，例1的表面磁通波形与正弦波波形相近似。由此可知，若为内周面八棱柱形状的永久磁铁，则与内周面圆柱形状的永久磁铁相比，能够将齿槽转矩降低。另外，若将例1的感应电压值设为基准值1，则同一磁铁体积的例2的感应电压值为0.88。另外，磁铁体积为1.16倍的例3的感应电压值为0.98。由该结果可知，若为内周八棱柱形状的永久磁铁，则与内周面圆柱形状的永久磁铁相比，其感应电压值较高。

另外，若将例1的效率设为基准值1，则同一磁铁体积的例2的效率为0.96。另外，磁铁体积为1.16倍的例3的效率为0.98。由该结果可知，若为内周面八棱柱形状的永久磁铁，则与内周面圆柱形状的永久磁铁相比，其效率较高。

接着，对通过使永久磁铁1的凹部15的圆弧半径R为4mm以上来确保最薄壁部17的强度的理由进行说明。

图7～图9是对应最厚壁部的各厚度来表示永久磁铁1的凹部15的圆弧半径R与永久磁铁内部最大应力的关系的图表。另外，在该图7～图9中，由点划线表示最厚壁部的厚度为2mm的永久磁铁，由虚线表示最厚壁部的厚度为3mm的永久磁铁，由实线表示最厚壁部的厚度为4mm的永久磁铁。另外，图7中将永久磁铁的外周面的直径设为30mm而进行表示，图8将永久磁铁的外周面的直径设为40mm而进行表示，图9将永久磁铁的外周面的直径设为50mm而进行表示。

在外周面的直径为30mm的情况下，如图7所示，最厚壁部的厚度为2mm、3mm、4mm各永久磁铁，在圆弧半径R＝0mm时产生25MPa～30MPa的磁铁内部最大应力。并且，在R为0mm～4mm时，磁铁内部最大应力都急剧下降，在R为4mm以上时，磁铁内部最大应力都为15MPa以下。

另外，在外周面直径为40mm的情况下，如图8所示，在圆弧半径R＝0mm时，在最厚壁部的厚度为2mm、3mm、4mm的各永久磁铁之间，磁铁内部最大应力具有波动。但是，最厚壁部的厚度为2mm、3mm、4mm的各永久磁铁，在R为0mm～4mm时，磁铁内部最大应力都急剧下降，R为4mm以上时，磁铁内部最大应力都为15MPa以下。

另外，在外周面的直径为50mm的情况下，如图9所示，圆弧半径R＝0mm时，最厚壁部的厚度为2mm、3mm、4mm的各永久磁铁之间，磁铁内部最大应力有波动。但是，最厚壁部的厚度为2mm、3mm、4mm的各永久磁铁，在R为0mm～4mm时，磁铁内部最大应力都急剧下降，在R为4mm以上时，磁铁内部最大应力都为15MPa以下。

由上述记载，若使凹部15的圆弧半径R为4mm以上，则能够显著地降低磁铁内部最大应力，可防止裂痕或缺损。

另外，图10是比较内周面八棱柱形状的永久磁铁与内周面圆柱形状的永久磁铁的破坏载荷的图。

在该图10中，将内周面为内切圆直径36.9mm的正八棱柱形状、外周面为直径40.9mm的圆柱形状的永久磁铁与内周面为直径37.9mm的圆柱形状、外周面为直径40.9mm的圆柱形状的永久磁铁进行比较。

内周面八棱柱形状的凹部15的圆弧形状R＝0mm的永久磁铁的破坏载荷为4.5N，而内周面圆柱形状的永久磁铁的破坏载荷为45N，产生约10倍的差距。

对此，内周面八棱柱形状的凹部15的圆弧半径R＝4mm的永久磁铁的破坏载荷为20N，与内周面圆柱形状的永久磁铁的破坏载荷相比，在约2倍左右的差距中。由此，若将凹部15的圆弧半径R设为4mm以上，则能够显著地提高破坏载荷，可防止裂痕或缺损。

另外，内周面八棱柱形状的凹部15的圆弧半径R＝9mm的永久磁铁的破坏载荷为35N，与内周面圆柱形状的永久磁铁的破坏荷重相比，在约1.3倍左右的差距中。由此，若将凹部15的圆弧半径R设为9mm，则能够进一步增大破坏载荷，可防止裂痕或缺损。另外，若将该凹部15的圆弧半径设为9mm以上，则内周面八棱柱形状接近圆柱形状，削减了本实用新型的使永久磁铁表面的磁通密度成正弦波波形的效果，因此不理想。理想的是，该凹部15的圆弧半径为4mm～9mm的范围。

接着，作为本实用新型的电气设备的例子，对空调室内机、空调室外机、热水器、空气净化器进行说明。

图11是本实用新型实施方式的电气设备(空调室内机)的构造说明图。

如图11所示，在空调室内机210的框体211中搭载有电机201。在该电机201的转轴上安装有横流扇212。电机201由电机驱动装置213驱动。通过来自电机驱动装置213的通电，电机201旋转，伴随于此，横流扇212旋转。利用该横流扇212的旋转，将由室内机用热交换器(未图示)而进行了空气调节后的空体向室内送风。

在此，电机201适用利用上述的永久磁铁1的电机。由此，能够降低齿槽转矩、噪音以及振动。并且，即使向室内机输入的电流值下降，也能够得到高输出，可得到降低耗电的效果。

接着，图12是本实用新型实施方式的电气设备(空调室外机)的构造说明图。如图12所示，空调室外机301在框体311的内部搭载有电机308。该电机308在转轴上安装有风扇312，作为送风用风扇电机而起作用。通过在框体311的底板302上立设的隔板304，划分成压缩机室306和热交换器室309。在压缩机室306中配置有压缩机305。在热交换器室309中配设有热交换器307以及送风用风扇电机308。在隔板304的上部配置有电装零件箱310。

送风用风扇电机308伴随由电装零件箱310中收纳的电机驱动装置驱动的电机308的旋转，使送风扇312旋转，通过热交换器307向热交换器室309送风。在此，电机308适用利用有上述永久磁铁1的电机。由此，能够降低齿槽转矩、噪音以及振动。并且，即使向室外机输入的电流值下降，也能够得到高输出，可得到降低耗电的效果。

接着，图13是本实用新型实施方式的电气设备(热水器)的构造说明图。在热水器330的框体331中搭载电机333。在该电机333的转轴上安装有风扇332。电机333通过电机驱动装置334驱动。通过电机驱动装置334的通电，使电机333旋转，伴随于此，使风扇332旋转。通过其风扇332的旋转，相对燃料气化室(未图示)送风燃烧所需的空气。在此，电机333适用利用有上述永久磁铁1的电机。由此，能够降低齿槽转矩、噪音以及振动。并且，即使向热水器输入的电流值下降，也能够得到高输出，可得到降低耗电的效果。

接着，图14是本实用新型实施方式的电气设备(空气净化器)的构造说明图。在空气净化器340的框体341中搭载有电机343。在该电机343的转轴上安装有空气循环用风扇342。电机343通过电机驱动装置344驱动。通过来自电机驱动装置344的通电，使电机343旋转，伴随于此，使风扇342旋转。通过该风扇342的旋转，使空气循环。在此，电机343使用利用有上述永久磁铁1的电机。由此，能够降低齿槽转矩、噪音以及振动。并且，即使向空气净化器输入的电流值下降，也能够得到高输出，可得到降低耗电的效果。

另外，在以上的说明中，作为本实用新型的电气设备，例举了空调室内机、空调室外机、热水器、空气净化器，但也可适用其他搭载电机的电气设备(例如各种信息设备或产业设备)。

另外，在上述的实施方式中，具有八棱柱形状的转子芯3和其内周面为八棱柱形状的永久磁铁1，但只要为具有如下的八棱柱形状以外的多棱柱形状的永久磁铁的结构即可，其在周向上具有多个磁极，其内周面对应各磁极间具有凹部。

另外，在上述的实施方式中，永久磁铁1可以由各向同性结合磁铁、各向同性烧结磁铁、各向同性铁素体磁铁、各向异性结合磁铁、各向异性烧结磁铁或各向异性铁素体磁铁中的任一种构成。

另外，在上述实施方式中，采用永久磁铁1的凹部15的截面为圆弧形状的构成，但也可以采用对永久磁铁1的凹部15进行倒角的构成。

接着，图15A是本实用新型实施方式的其他电机的转子的平面图，图15B表示其平面图。该转子包括：由磁性材料构成的形成有多棱柱形状的中空部的转子芯403；配置在转子芯403的中心部的轴402；以及外周面为具有凸部的多棱柱形状、内周面为圆筒形状的永久磁铁401。本发明也可以拓展为具有该转子的所谓外转子型电机。

Claims (7)

1.一种永磁电机，其由转子和定子构成，所述转子具有由磁性材料构成的多棱柱形状的转子芯、和设于所述转子芯的外周面上的永久磁铁，所述定子与所述转子的外周面相对并且具有电气绕组，其特征在于，

所述永久磁铁在与所述多棱柱形状的各个角部对应的位置上具有截面为圆弧形状的凹部，在所述凹部与相邻的凹部的中间位置具有最厚壁部，所述永久磁铁使所述最厚壁部成为磁极中心而被磁化。

2.如权利要求1所述的永磁电机，其中，所述永久磁铁在所述截面为圆弧形状的凹部形成最薄壁部。

3.如权利要求1所述的永磁电机，其中，所述圆弧形状的圆弧半径为4mm～9mm的范围。

4.如权利要求1所述的永磁电机，其中，所述多棱柱形状为八棱柱形状。

5.如权利要求1所述的永磁电机，其中，所述永久磁铁为稀土类的结合磁铁。

6.一种电气设备，其特征在于，搭载有权利要求1～5中任一项所述的永磁电机。

7.如权利要求6所述的电气设备，其中，所述电气设备为空调室内机、空调室外机、热水器或空气净化器中的任一种。

Images