TW201626692A - 軸向間隙型旋轉電機 - Google Patents

Abstract

本發明，係目的在於可減低轉子軛部的渦電流，獲得廉價且可靠性高的轉子軛。 一種軸向間隙型旋轉電機，具有轉子及定子，轉子係具有轉子背軛及轉子磁鐵，於轉子背軛的圓周方向上，在轉子背軛的與轉子磁鐵的接合面設置複數個溝，藉複數個溝在轉子背軛形成複數個突起，使轉子磁鐵的殘留磁通密度為Br，使轉子磁鐵的1極平均的平均磁鐵周長為l，使複數個突起的高度為H，使複數個突起與複數個溝的比率為R時，滿足l‧Br<4H‧R。

Description

軸向間隙型旋轉電機

本發明，係關於軸向間隙型旋轉電機。

針對旋轉電機的高效化，鐵損的減低係有效的手段之一。鐵損，係雖主要發生於成為電磁鐵的鐵芯，惟在將永久磁鐵使用於轉子側的永久磁鐵馬達方面，係已知鐵損亦發生於就永久磁鐵作保持的周圍的磁性體部分。 在徑向間隙型馬達方面，係為了減低此鐵損，而在就磁鐵作保持的部分方面，亦為了渦電流不會流於軸向，而使用積層了厚度為0.35mm、0.5mm的電磁鋼板者的構造為一般。

在專利文獻1，係在軸向間隙型馬達的轉子的磁鐵保持構材方面採用與上述同樣的方法而採用電磁鋼板、非晶質金屬箔帶等的構造被提出。

另一方面，於徑向間隙型的馬達方面，存在進行將磁性體與構造體共用化於轉子側磁鐵的保持構材的設計之例。例如，如將磁鐵黏合而保持於鐵等之磁性體軸的表面的構造。此構造的情況下，從磁鐵產生的磁通係直 流磁場，故使得損耗不發生於軸磁性體部分。然而，定子側的線圈予以產生的磁通，係產生超過磁鐵部分而連磁性體都帶來磁通變化的磁通。此時，於磁性體部分係因應磁通變化而流通供於將該變動消除用的渦電流而引起稱作渦電流損耗的鐵損。

為了應對此問題，在專利文獻2，係在軸表面實施螺旋加工而運用使用含磁性粉末黏合劑的方法以謀求損耗的減低。此外，外轉子型的馬達的情況下，亦以示於專利文獻3的方法，設置與前述同樣的溝而謀求損耗減低。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本發明專利第5502463號公報

[專利文獻2]日本發明專利公開平成11-332147號公報

[專利文獻3]日本發明專利公開2007-074776號公報

在專利文獻1，係在成為轉子的背軛(磁軛部)的磁鐵保持構材方面，示出將板厚0.025mm程度的非晶質金屬箔帶捲繞而構成為鐵芯的構造。此構造，係為 了與旋轉轉子圓盤的旋轉軸機械地保持而於轉子軛係需要機械強度。為此，轉子軛，係以鐵合金等之強度高的素材而構成，需要磁性的部分，係在捲繞鐵芯(非晶質螺旋積層帶)方面，成為將轉子用永久磁鐵運用黏合等之方法而保持於該捲繞鐵芯的構造。在此構成下，係除了磁鐵以外，需要捲繞鐵芯、轉子軛的3個構件，為了使其等為一體而需要黏合劑等之固著手段，因構件數增加、捲繞鐵芯係捲繞時的應力經過時間、來自外部的應力、振動等而變化，故黏合的剝離等之可靠性降低以外，製作捲繞鐵芯的工時增加，構件數亦增加等所致的組裝性的不良化成為問題。

專利文獻2及專利文獻3，係提出轉子軛兼作為轉子的背軛(磁軛部)的構造。此方法雖亦可應用於軸向間隙型馬達，惟應用此的情況下，在徑向間隙型亦成為同樣的課題，需要對於轉子軛實施運用了車床等的切削加工。切削加工，係將一個個轉子軛設於車床，調整該等尺寸而進行作業，故非常耗時間，製造性差。此外，進行深溝加工的情況下，係需要寬度細的加工工具，此情況下亦有加工速度延遲等之問題。再者，加工後，係需要加工時附著的機油的洗淨、乾燥、防銹等之處理，成為成本增加的因素。

本發明，係目的在於可減低轉子軛部的渦電流，獲得廉價且可靠性高的轉子軛。

用於解決上述課題的本發明的特徵，係如下。

一種軸向間隙型旋轉電機，具有轉子及定子，轉子係具有轉子背軛及轉子磁鐵，於轉子背軛的圓周方向上，在轉子背軛的與轉子磁鐵的接合面設置複數個溝。

依本發明，使得轉子軛係除了磁鐵以外以1個構件(材料)而構成，故可削減製造工時，可減少被黏合的構件的數量，故可期待不會發生黏合強度不足等可靠性的提升。此外，最初的目的之渦電流的減低與感應電壓的確保可同時成立，可提高馬達的效率。上述以外的課題、構成及效果，係藉以下的實施形態之說明而表明。

1‧‧‧軸向間隙型旋轉電機

2‧‧‧轉子

3‧‧‧定子

10‧‧‧螺旋鐵芯

11‧‧‧轉子背軛

12‧‧‧轉子軸孔

13‧‧‧溝

14‧‧‧外殼

15‧‧‧定子鐵芯

17‧‧‧軸

18‧‧‧定子線圈

19‧‧‧引線

20‧‧‧轉子磁鐵

21‧‧‧轉子磁鐵N極

22‧‧‧轉子磁鐵S極

31‧‧‧胚料

32‧‧‧基底部分

33‧‧‧作動模

34、35‧‧‧打孔機

41‧‧‧鐵素材

42‧‧‧第1成形站

43‧‧‧第2加工站

44‧‧‧第3加工站

51‧‧‧鐵粉末

52‧‧‧底板

53‧‧‧作動模

54‧‧‧壓縮成形用打孔機

60‧‧‧導引部分

113、213‧‧‧突起

[圖1]本發明的一實施形態相關之軸向間隙型旋轉電機的轉子的透視圖。

[圖2]示出本發明的一實施形態相關之旋轉電機的構成。

[圖3]示出供於就本發明的一實施形態相關之溝構造的效果作說明用的實驗結果的圖形。

[圖4]就以圖3說明的各種構造作說明的構造的剖面比較圖。

[圖5]就本發明的一實施形態相關之鍛造製造方法作說明的概念圖。

[圖6]就本發明的一實施形態相關之自送聯製壓製法作繪示的概念圖。

[圖7]就本發明的一實施形態相關之粉末冶金手法下的製造方法作繪示之概念圖。

[圖8]示出本發明的一實施形態相關之溝形狀的各種的變動形狀。

[圖9]就應用本發明的構造下的軸向間隙型馬達的應用例作繪示的透視圖。

以下，利用圖式等，而說明關於本發明的實施形態。以下的說明係示出本發明的內容之具體例者，非本發明限定於此等之說明者，揭露於本說明書之技術思想的範圍內本發明所屬技術領域中具有通常知識者可作各式各樣的變更及修正。此外，於供以說明本發明用的全圖中，具有相同之功能者，係附加相同的符號，有時省略其重複之說明。

[實施例1]

圖1，係本發明的一實施形態相關之軸向間隙 型旋轉電機的轉子的透視圖。圖1(a)係轉子的透視圖，圖1(b)係轉子背軛的透視圖。

示於圖1(a)的軸向間隙型旋轉電機的轉子2，係具有永久磁鐵的轉子。轉子2，係具有轉子背軛11及轉子磁鐵20，轉子磁鐵20黏貼於轉子背軛11從而構成。轉子磁鐵20與轉子背軛11以黏合等之方法而成為一體。轉子背軛11，係以鐵等的軟磁性材料而構成。

轉子磁鐵20以轉子磁鐵N極21及轉子磁鐵S極22而構成。以N極與S極成對的轉子磁鐵N極21及轉子磁鐵S極22週期地排列於旋轉方向。於轉子2的中心系形成與軸的緊固用的轉子軸孔12。

在圖1(a)，環狀的圓盤狀磁鐵，係成為10極的磁極排列於圓周方向的構造。一個磁極，係呈扇形，以等角度間距而排列於圓周上。此磁極，係以如示於圖1(a)的形式，而組裝為轉子2後，被藉稱作磁化軛的電磁鐵所磁化而構成如此之磁極者。每次一極，或藉黏貼複數個被分割的磁鐵亦可獲得同樣的轉子構造。

在本發明之一實施形態，係如示於圖1(b)，在圓盤狀的轉子背軛11的與轉子圓盤20的黏貼面(接合面)，設置複數個溝13。在圖中，係示出在圓盤狀的轉子背軛11的轉子圓盤20黏貼面，設置複數個同心圓的溝13的情況。形成同心圓的溝13，使得在轉子背軛11形成突起113。此溝13，係可減低由於因定子線圈的通電而發生的磁通密度變化而產生的渦電流。

於圖2，示出本發明的一實施形態相關之旋轉電機的構成。於圖2(a)，係示出軸向間隙型旋轉電機的構成。軸向間隙型旋轉電機1，係於軸向具有2個轉子2者。各自的轉子2係配置有轉子磁鐵20。

定子3，係配置於軸向的中央部，以與轉子磁鐵20同樣具有略扇形的剖面的定子鐵芯15、捲繞於其周圍的定子線圈18而構成。磁鐵磁通，係呈經由軸向面之間隙而流於定子鐵芯15，予以交鏈於定子線圈18從而在定子線圈18予以產生感應電壓的原理。

外殼14，係就定子3的外周部作保持。軸17，係配置以將軸向兩側的轉子2連結，而作軸輸出。引線19，係3相的定子線圈18被電氣三角或星形接線而形成終端部。

於圖2(b)在平面上示意性示出磁通的流動。從轉子2的轉子磁鐵N極21流出的磁通，係通過定子鐵芯15，流於軸向，流入配置於相反側的轉子磁鐵S極22。在轉子背軛11，磁鐵的磁通，係從轉子磁鐵N極21所流出的磁通流於圓周方向而流入相鄰於圓周方向的轉子磁鐵S極22。已知磁鐵所產生的磁通，係固定磁場，故基本上在轉子背軛11雖磁場的變動少，惟由於因定子3的槽所造成的磁通密度的變化、定子繞組電流等的影響，使得轉子磁鐵20與轉子背軛11的界面附近，係引起細微的磁通密度變化。為此，轉子背軛11，在徑向型等之馬達方面，係採用電磁鋼板等之積層鐵芯為一般。

於軸向間隙型旋轉電機方面，係針對轉子背軛11採用電磁鋼板的積層鐵芯的情況下，需要相對於磁通的流動而積層於垂直方向的構造。為此，如示於先前所示的專利文獻1需要如於圓周上作成捲繞鐵芯的電磁鋼板鐵芯、非晶質箔帶捲繞鐵芯等的轉子背軛。此等構造，係招致構件數的增加、工時的增加、可靠性的降低，故要求更簡易的構造。為此，要藉先前所示的溝構造而減低渦電流。

於圖2(c)係示出軸向間隙型旋轉電機的1極份的磁鐵形狀。根據以圖2(b)所示的磁通線時，磁通的流動，係從轉子磁鐵20中央以一半分開於左右方向的流法，故得知轉子磁鐵20的磁通，係該磁極表面積的一半流至隔壁。為此，該磁通的總量，係能以磁通密度與表面積的積而表示，故從轉子磁鐵20的殘留磁通密度Br與轉子磁鐵20的1極平均的平均磁鐵周長l、轉子磁鐵20的寬度W，可認為是約W‧l/2‧Br。

於圖2(d)，係示出轉子背軛的溝部的剖面圖。作成在使相鄰的磁鐵間的磁通作流通的磁路方面，僅通過突起113，應使得可防止渦電流，故使突起113的高度H、突起113、空隙部(溝13)的比率為R時，突起113的剖面積合計，係成為H‧W‧R。使轉子背軛11的材質為鐵時，若使該磁通密度為2T，則可流通的磁通量，係以2H‧W‧R而表示。考量先前的使轉子磁鐵20的磁通僅流於突起113時，得知成為l‧Br<4H‧R的關 係的情況下滿足此。

在示於圖2(a)的旋轉電機的例，係成為轉子磁鐵20的外徑為Φ63、內徑為Φ9、10極的磁鐵。此時的1極平均的平均磁鐵周l係成為約14mm。此磁鐵係採用鐵氧體磁鐵，故使該殘留磁通密度Br為0.45T，使突起113與溝13之間隔為等間隔時，R=0.5，故需要的突起113的高度係成為約3mm以上。在圖2(a)的尺寸關係，係使突起113為3mm以上，使得可防止渦電流。

圖3，係示出供於就本發明的一實施形態相關之溝構造的效果作說明用的實驗結果的圖形。於圖3(a)~圖3(d)，係示出實際製作示於圖2(a)的旋轉電機而就變更轉子背軛的材質、形狀下的感應電壓(圖3(b))與無負載損耗(圖3(a))、使電壓為固定而驅動旋轉電機時的馬達效率(圖3(d))作測定下的結果。於圖3(c)示出使電壓固定而驅動旋轉電機時的轉矩與轉數的關係。

各自的尺寸關係，係成為示於圖4的形狀。圖4，係就以圖3說明的各種構造作說明的構造的剖面比較圖。圖4(a)係使用電磁鋼板或非晶質作為螺旋鐵芯10的軛者，圖4(b)係使用實心的鐵作為軛者，圖4(c)及圖4(d)係採用本發明的一實施形態相關之溝構造者。

在軸向間隙型旋轉電機的轉子軛方面，使用實心的鐵作為軛者、使用電磁鋼板捲繞鐵芯的軛者、採用 本發明的一實施形態相關之溝構造者全部所獲得的感應電壓的實效值、波形的形狀等方面皆無大的變化。然而，無負載損耗的測定結果方面，係相較於電磁鋼板捲繞鐵軛，實心鐵軛、附溝的軛的損耗為大。此應係槽諧波所致的磁通密度的變化所造成的軛損耗的增加。

驅動旋轉電機時的效率方面，係仍然成為電磁鋼板捲繞鐵芯效率最高，實心鐵軛效率最低的結果。此係定子繞組電流所致的磁通變化所造成的軛損耗的影響。本發明的一實施形態相關之附溝的轉子軛方面，係確認了效率相較於實心鐵軛得到改善，有軛損耗的減低效果。此外，突起尺寸的關係方面，係確認了突起的截面積越小越有效果。根據本實驗的結果，係突起的截面積相對於磁鐵表面積為小，磁通亦通過轉子軛的實心的部分，故損耗減低效果雖少，惟使此突起剖面積為上述的比率，使得應有該電磁鋼板捲繞鐵芯般的損耗減低效果。

將此突起構造的製作方法的例示於圖5。圖5，係就本發明的一實施形態相關之鍛造製造方法作說明的概念圖。如先前所說明，採用電磁鋼板等之捲繞鐵芯的方法，係引起製造成本的增加、可靠性的降低等，故轉子軛部係以相同的材料的一體物而構成為佳。然而，由於進行後加工，使得工時會增加，故需要藉一次的程序而作成。於圖5，係示出從胚料，藉採用沖壓的鍛造而獲得本發明的一實施形態相關之構造的手段。

於圖5(a)，係示出成為材料的胚料31。準 備略圓盤狀、可成為磁性體的鐵系的材料。此材料，係能以沖壓、或從棒材的切出等而廉價地準備。在以下雖以鐵為例而說明，惟鐵以外亦可採用磁性不銹鋼、鎳合金、鈷合金等之合金。。

將此材料如示於圖5(b)，配置於供於施加塑性變形而鍛造成形用的模具內，於該模具施加成形力，從而成形期望的形狀。在圖5(b)中，32係沖壓設備的基底部分。33係沖壓設備的作動模。34係供於形成安裝於作動模33的上模的中央部孔用的打孔機。35係供於形成上模的溝13用的打孔機。此時，為了形成溝而成為上模的打孔機35係變細，故需要針對壓曲等而予以具有強度。為此，以如此之方法進行成形的情況下，係為了提升打孔機的根部的強度，而作成於根部施加R角的構造、實施如圖5(d)所示施加脫模角度(此圖中係10°)等之對策為理想。因此，以此方法而成形的情況下的溝形狀，係成為如示於圖5(c)的形狀。作成如此，而於轉子背軛的厚度方向施加應力從而成形複數個溝。

圖6，係示出從平板而製造之例。圖6，係就本發明的一實施形態相關之自送聯製壓製法作繪示的概念圖。於圖6，係示出從箍狀材料經過第1成形站42、第2加工站43的沖壓，重複成形而在第3加工站44獲得最終形狀的製造方法。此方法，係可作成經過複數次沖壓程序的構成，故存在可進行中心孔的沖孔加工到最終精度的調整加工的優點。

於圖6中，41係示出箍狀的鐵素材。42係第1成形站，在此第1成形站42係進行中央的開孔加工。43係第2加工站。在此第2加工站43，係進行供於施加確保保持磁鐵的尺寸確保用的支承面用的加工。44係第3加工站，在第3加工站44係藉塑性加工(鍛造加工)而進行溝加工。如此，將各加工程序分開使得可獲得品質高的(精度高的)產品形狀。

於圖7，係進一步示出別的製造方法。圖7，係就本發明的一實施形態相關之粉末冶金手法下的製造方法作繪示之概念圖。51，係表示配置在壓縮成形用模具內的鐵粉末。52，係表示壓縮成形沖壓設備的底板。53係表示壓縮成形沖壓設備的作動模。54係表示安裝於作動模53的壓縮成形用打孔機。

於具有圓筒狀的汽缸的下模插入可成為磁性體的鐵的粉末，以可成形為本發明的一實施形態相關之附溝的轉子軛形狀的上打孔機進行壓縮成形。之後，燒成而獲得作為燒結構件的轉子軛。在此方法中，比起以先前所示的塑性變形而獲得形狀的方法，能以相對壓縮力為低的成形而獲得構件。暫且成形為較不高的密度，使得可減低壓縮力，惟由於燒結，使得鐵彼此會結合而收縮，故最終獲得高密度的成形體。在此方法下，係變得可較自由地構成溝的深度、形狀等。

在上述所示的製造方法，係軸向間隙型的轉子軛因而能以成形製造。此係磁鐵的黏貼面成為圓盤的廣 面側之故，徑向型馬達的情況下，係內轉子型、外轉子型均成為圓筒狀的表面，故如此之成形加工難。

於圖8，係示出本發明的一實施形態相關之溝形狀的各種的變動形狀。

於圖8(a)，係示出於徑向亦包含溝13之例。在圖8(a)，係於轉子背軛11的徑向，在轉子背軛11的與轉子磁鐵12的接合面設有複數個溝13。要抑制渦電流的發生，係越細割時效果越高，故將突起113的形狀細化為有效。所以，根據在前述的圖2(b)所示的磁通的流法，轉子磁鐵20的磁極中央係磁通不會流過之處，故使此部分包含徑向的溝13，而將突起113分割，使得可在不妨礙磁通的流動下進行突起113的細分化。

圖8(b)，係示出變更突起113的寬度的形態。先前，雖以平均周長表示磁通的流通量而說明，惟實際上係磁通在徑的越大的部分越多。為此，示出不使突起113與溝13的比率R為一樣，在徑大之處，係增加突起113的寬度，或另增加突起113的長度(將溝13作深)，而作成增加流於突起113的磁通的量的構造。

於圖8(c)，係示出利用能以先前所示的鍛造、粉末冶金法等而以一次的加工製造形狀的特徵，而同時製造保持轉子磁鐵20的導引部分60。依此構造時，可期待保持轉子磁鐵20的抗離心力強度，提升轉子磁鐵20的定位精度等之效果。

於圖8(d)，係示出於轉子構造20側亦具有 突起213的構造。在圖8(d)，係於轉子磁鐵20，在對應於轉子背軛11的圓周方向上的複數個溝13的部分設有複數個突起213。轉子磁鐵20在燒結磁鐵的情況下亦以模具製作，故可較容易地構成突起213。磁鐵係一般下將其表面研磨加工而調整尺寸。此加工耗費工時，故具有突起的部分係不實施加工而使用。本發明的一實施形態相關之轉子背軛11亦作成無後加工而不需要精度，而僅單面進行研磨加工而將確保了精度的轉子磁鐵20之間隙對向面當作組裝的基準而組裝，在轉子背軛11與轉子磁鐵20之間流入黏合劑等之固定用的構材而形成。轉子磁鐵20的表面、轉子背軛11的表面係互相呈凹凸狀，故可大幅確保接著面積，使得達成強度的提升。

接著，於圖8(e)，係示出以射出成型而形成轉子磁鐵20的軟性磁鐵之例。在圖8(e)，係於轉子背軛11的溝13亦以射出成型配置了軟性磁鐵的材料。軟性磁鐵，係直接射出成形於轉子背軛11而形成，故可達成工時的削減與損耗減低。軟性磁鐵係磁鐵的電阻係數大，故可減少渦電流等之磁鐵損耗。

於圖8(f)，係採用本發明的一實施形態相關之製造法的情況下亦可在轉子背軛11的與轉子磁鐵20的黏貼面的相反面亦形成溝13、突起113等。換言之，於轉子背軛11的圓周方向上，在轉子背軛11的與轉子磁鐵20的接合面之相反側的面設有複數個溝13。為此，作為旋轉體而受風，故亦可獲得作為散熱片的散熱效果高的 轉子。

於圖9，係示出採用本發明的一實施形態相關之轉子形狀下的軸向間隙型旋轉電機的系統利用例。可裝入於泵浦、風扇等之機械機器，或者可應用於飛輪裝置等，轉子損耗少因而可實現馬達效率高的換言之節能的產品。

2‧‧‧轉子

11‧‧‧轉子背軛

12‧‧‧轉子軸孔

13‧‧‧溝

20‧‧‧轉子磁鐵

21‧‧‧轉子磁鐵N極

22‧‧‧轉子磁鐵S極

113‧‧‧突起

Claims (8)

1. 一種軸向間隙型旋轉電機，具有轉子及定子，前述轉子係具有轉子背軛及轉子磁鐵，於前述轉子背軛的圓周方向上，在前述轉子背軛的與前述轉子磁鐵的接合面設置複數個溝。
2. 如申請專利範圍第1項的軸向間隙型旋轉電機，其中，前述轉子背軛係圓盤狀，於前述轉子背軛的厚度方向施加應力從而成形前述複數個溝。
3. 如申請專利範圍第1至2項中任一項的軸向間隙型旋轉電機，其中，前述轉子背軛係以軟磁性材料而構成。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項的軸向間隙型旋轉電機，其中，藉前述複數個溝在前述轉子背軛形成複數個突起，使前述轉子磁鐵的殘留磁通密度為Br，使前述轉子磁鐵的1極平均的平均磁鐵周長為l，使前述複數個突起的高度為H，使前述複數個突起與前述複數個溝的比率為R時，滿足l‧Br<4H‧R。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項的軸向間隙型旋轉電機，其中，於前述轉子背軛的徑向上，在前述轉子背軛的與前述 轉子磁鐵的接合面設置複數個溝。
6. 如申請專利範圍第1至4項中任一項的軸向間隙型旋轉電機，其中，於前述轉子磁鐵，在前述轉子背軛的圓周方向上的對應於複數個溝的部分設置複數個突起。
7. 如申請專利範圍第1至4項中任一項的軸向間隙型旋轉電機，其中，前述轉子磁鐵，係軟性磁鐵，在前述轉子背軛的圓周方向上的複數個溝配置前述軟性磁鐵。
8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項的軸向間隙型旋轉電機，其中，於前述轉子背軛的圓周方向上，在前述轉子背軛的與前述轉子磁鐵的接合面的相反側的面設置複數個溝。