电动机的制作方法

1.本发明涉及电动机，尤其涉及径向间隙型(radial gap-type motor)的电动机。


背景技术：

2.作为径向间隙型的电动机，已知例如日本特开2004-343905所记载的电动机。日本特开2004-343905所记载的电动机是所谓的外转子型的电动机，具有：定子，所述定子固定于旋转轴并具有向远离该旋转轴的方向突出的多个定子芯和卷绕于各定子芯的线圈；以及转子，所述转子设置成在与旋转轴正交的径向上围绕定子并具有多个与定子芯相对向的转子芯。


技术实现要素：

3.但是，上述的外转子型的电动机为在电动机的内侧(即旋转轴侧)配置定子芯和线圈的构造，所以，若为了提高电动机的输出转矩而增加线圈的匝数，则存在电动机整体变大而难以实现小型化的问题。
4.本发明是为了解决这样的技术课题而完成的，其目的在于提供能够提高输出转矩并能够实现小型化的电动机。
5.本发明的电动机具有固定于旋转轴的转子、以及在与所述旋转轴的轴向正交的径向上与所述转子隔开间隙地围绕所述转子地配置的定子；所述转子具有由软磁性材料形成的多个第1卷芯、以及固定这些第1卷芯的转子固定部件；所述定子具有由软磁性材料形成的多个第2卷芯、固定这些第2卷芯的定子固定部件、以及卷绕于各第2卷芯的线圈；所述转子和所述定子分别为2组以上，在所述旋转轴的轴向层叠。
6.本发明的电动机为具有多个第2卷芯和卷绕于各第2卷芯的线圈的定子配置于转子的外侧的构造，所以，与以往的外转子型的电动机相比，易于将线圈的空间确保得大，能够增加线圈的匝数。结果，能够提高电动机的输出转矩并能够实现电动机的小型化。而且，转子和定子分别为2组以上，在旋转轴的轴向层叠，所以，与转子和定子各设置1个的情况相比，能够进一步提高电动机的输出转矩。
7.在本发明的电动机中，优选的是，所述第1卷芯和所述第2卷芯配置成各自的宽度方向沿着所述转子的旋转方向；所述第1卷芯的宽度比所述第2卷芯的宽度大。这样一来，能够进一步加大线圈的空间，所以，能够进一步提高电动机的输出转矩。
8.另外，在本发明的电动机中，优选的是，所述第1卷芯和所述第2卷芯配置成各自的宽度方向与所述旋转轴的轴向平行；所述第1卷芯和所述第2卷芯的数量相同；在将所述第2卷芯的数量设为ns、将所述转子和所述定子的组数设为n时，以使得第1组～第n组的所述转子每次旋转360
°
/(ns
×
n)的方式切换各组的通电。这样一来，能够使各转子连续旋转，所以，能更顺畅地驱动电动机。
9.另外，在本发明的电动机中，优选的是，所有组的所述第2卷芯配置于相同位置；在初始位置，第1组的所述第1卷芯相对于第1组的所述第2卷芯配置于向与所述旋转轴的旋转
方向相反的方向旋转了360
°
/(ns
×
n)的位置，并且，第1组～第n组的所述第1卷芯配置于每组逐个向与所述旋转轴的旋转方向相反的方向旋转了360
°
/(ns
×
n)的位置。这样一来，能够使各转子连续旋转，所以，能更顺畅地驱动电动机。
10.而且，在本发明的电动机中，优选的是，所有组的所述第1卷芯配置于相同位置；在初始位置，第1组的所述第2卷芯相对于第1组的所述第1卷芯配置于向所述旋转轴的旋转方向旋转了360
°
/(ns
×
n)的位置，并且，第1组～第n组的所述第2卷芯配置于每组逐个向所述旋转轴的旋转方向旋转了360
°
/(ns
×
n)的位置。这样一来，能够使各转子连续旋转，所以，能更顺畅地驱动电动机。
11.根据本发明，能够提高输出转矩并能够实现小型化。
附图说明
12.以下，将参照附图对本发明的示例性的实施例的特征、优点以及技术和产业的意义进行描述，其中，用相似的标号表示相似的要素。
13.图1是表示第1实施方式的电动机的示意俯视图。
14.图2是沿着图1的a-a线的示意剖视图。
15.图3是用于说明转子芯和定子芯的形成方法的立体图。
16.图4是沿着图2的b-b线的局部示意剖视图。
17.图5是表示转子芯的厚度比定子芯的厚度大的情况的示意剖视图。
18.图6是表示本实施方式的电动机和现有的ipm的芯面积比
·
转矩比的图。
19.图7是表示第2实施方式的电动机的示意俯视图。
20.图8是沿着图7的c-c线的分解立体图。
21.图9是用于说明第2实施方式的电动机的通电的剖视图。
具体实施方式
22.以下，参照附图，对本发明的电动机的实施方式进行说明。在附图的说明中，对相同的要素赋予相同标号并省略其重复说明。另外，为了避免说明的复杂，在以下的说明中，有时将“与旋转轴的轴向正交的径向”仅省略为“径向”。
23.[第1实施方式]
[0024]
图1是表示第1实施方式的电动机的示意俯视图，图2是沿着图1的a-a线的示意剖视图。本实施方式的电动机1是未采用磁体的电动机。该电动机1是所谓的内转子型的电动机，具有：金属制的旋转轴2；固定于旋转轴2的转子3；在与旋转轴2的轴向正交的径向上与转子3隔开间隙地围绕转子3地相对向配置的定子4；以及收纳转子3和定子4的壳体5。
[0025]
转子3和定子4分别为2组，沿着旋转轴2的轴向层叠。在本实施方式中，相对于图2的纸面，将位于上方的1个定子4和转子3作为第1组，将位于下方的另1个定子4和转子3作为第2组。在本实施方式中，示出各组中的转子3的极数为4而定子4的极数为6的例子，但转子3和定子4的极数不限于此。此外，转子3的极数也就是转子芯32(后述)的数量，定子4的极数是定子芯42(后述)的数量。
[0026]
壳体5包括圆筒状的侧面部51和堵住侧面部51的两端开口的圆板状的一对盖部52。在各盖部52的中心部安装有将旋转轴2能旋转地支承的轴承部件53。壳体5的材质没有
特别限定，但从机械强度和散热性的观点来看，优选是金属制的。
[0027]
转子3具有沿着电动机1的周向等间隔配置的多个(在此为4个)转子芯(第1卷芯)32和固定各转子芯32的转子固定部件31。
[0028]
转子芯32例如由采用软磁性材料而形成为u字状的切割芯构成。例如图3所示，切割芯通过对带状的软磁性材料卷绕多周而成的卷绕体3a进行分割而形成。图3的标号l表示卷绕体3a的分割位置。并且，在转子芯32的宽度和后述的定子芯42的宽度相等且转子芯32的厚度和定子芯42的厚度相等的情况下，能够由1个卷绕体3a形成1个转子芯32和1个定子芯42，而在两者的宽度或厚度不同的情况下，由1个卷绕体3a形成2个转子芯32(或定子芯42)。
[0029]
转子芯32配置成其宽度方向沿着转子3的旋转方向(即电动机1的周向)。此外，在此的宽度方向是图3所示的带状的软磁性材料的短边方向。
[0030]
转子芯32的材质只要是软磁性材料，就没有特别限定，例如能够采用定向性或非定向性的电磁钢板、铁系软磁性非晶形、钴系软磁性非晶形、纳米晶软磁性材料、铁-钴系的波门杜尔合金材料等。在本实施方式中，优选采用定向性电磁钢板。这是因为：在定向性电磁钢板的情况下，在其长边方向(也称为压延方向)上，晶体取向一致，在该方向上具有易磁化轴，所以，形成的转子芯32具有优良的磁特性。
[0031]
转子芯32具有朝向相同方向的2个端面(分割面)32a、32b。转子芯32的端面32a、32b与后述的定子芯42的端面42a、42b在径向上分别相对向。并且，在转子芯32的端面32a、32b与后述的定子芯42的端面42a、42b相对向的状态下，从定子芯42的端面42a或42b出来的磁通进入转子芯32的端面32a或32b，在通过了转子芯32内后，从端面32b或32a出来而进入定子芯42的端面42b或42a。
[0032]
如图2所示，第1组的转子3和第2组的转子3沿着旋转轴2的轴向相邻地配置。并且，相邻的转子芯32彼此通过焊接、粘接或树脂制带的缠绕而固定。
[0033]
转子固定部件31由与旋转轴2连结并在径向上延伸的连结部件311和与连结部件311的顶端连结并从转子芯32的周围夹持固定该转子芯32的夹持部件312构成。转子固定部件31的材质只要是非磁性材料，就没有特别限定，但优选是不锈钢等的非磁性金属、还有导电性低的碳纤维或有机材料、或者高强度且韧性高的陶瓷材料。
[0034]
另一方面，定子4具有沿着电动机1的周向等间隔配置的多个(在此为6个)定子芯(第2卷芯)42、固定各定子芯42的定子固定部件41、以及卷绕于各定子芯42的线圈43。
[0035]
定子芯42例如由采用软磁性材料而形成为u字状的切割芯构成。如上述图3所示，切割芯通过对带状的软磁性材料卷绕多周而成的卷绕体3a进行分割而形成。定子芯42配置成其宽度方向沿着转子3的旋转方向。
[0036]
定子芯42的材质只要是软磁性材料，就没有特别限定，例如能够采用定向性或非定向性的电磁钢板、铁系软磁性非晶形、钴系软磁性非晶形、纳米晶软磁性材料、铁-钴系的波门杜尔合金材料等，但优选采用定向性电磁钢板。这是因为：在定向性电磁钢板的情况下，在其长边方向(也称为压延方向)上，晶体取向一致，在该方向上具有易磁化轴，所以，形成的定子芯42具有优良的磁特性。
[0037]
此外，定子芯42和上述转子芯32的形成方法不限于上述的方法。例如，也可以通过将带状的软磁性材料弯曲成u字状并层叠多张来形成芯。另外，还可以不层叠带状的软磁性
材料而是通过例如烧结、铸造等其它方法来形成芯。
[0038]
定子芯42具有朝向相同方向的2个端面(分割面)42a、42b。例如，定子芯42的端面42a与转子芯32的端面32a相对向，端面42b与转子芯32的端面32b相对向。
[0039]
如图2所示，定子4也为2组。第1组的定子4和第2组的定子4沿着旋转轴2的轴向相邻地配置。并且，相邻的定子芯42彼此通过焊接、粘接或树脂制带的缠绕而固定。
[0040]
定子固定部件41由与壳体5的侧面部51的外壁抵接的抵接部411、从抵接部411的两端弯折并能够插入在壳体5的侧面部51设置的缝隙(未图示)的插入部412、以及与插入部412连结并保持线圈43和定子芯42的保持部413构成。定子固定部件41的材质只要是非磁性材料，就没有特别限定，但优选是不锈钢等非磁性金属、还有导电性低的碳纤维或有机材料、或者高强度且韧性高的陶瓷材料。
[0041]
线圈43是导线卷绕多周而成的绕组。在本实施方式中，例如图4所示，线圈43以缠绕相邻的定子芯42彼此的方式卷绕2层。
[0042]
若向线圈43以预定的定时(timing)通电例如矩形波的电流，则在定子芯42内产生磁通，转子3的转子芯32被该磁通吸引，从而转子3旋转。具体地说，通过向卷绕于预定的定子芯42的线圈43通电，在预定的定子芯42产生磁通，通过该磁通，转子芯32被牵引到与预定的定子芯42相对向的位置，从而转子芯32旋转预定角度。接着，停止预定的定子芯42的线圈43的通电而向相邻的定子芯42的线圈43通电，从而使相邻的定子芯42产生磁通。由此，通过相邻的定子芯42的磁通，转子芯32被牵引到与相邻的定子芯42相对向的位置，从而转子芯32进一步旋转预定角度。通过如此反复，转子3连续旋转。
[0043]
接下来，对转子芯32的数量和定子芯42的数量的组合的一个例子进行说明。在此，将转子芯32的数量设为nr，将定子芯42的数量设为ns，将步进角设为ε。此时，转子角(即，电动机1的周向上的转子芯32的间距)θr通过θr＝360
°
/nr而算出。定子角(即，电动机1的周向上的定子芯42的间距)θs通过θs＝360
°
/ns而算出。此外，步进角ε是指输入线圈43的矩形波的电流的每1个脉冲的旋转轴2的旋转角。
[0044]
在定子芯42的数量ns比转子芯32的数量nr多的情况(即，ns＞nr的情况)下，步进角ε为ε＝360
°
(1/nr-1/ns)，所以，ns＝360
°×
nr/(360
°‑
ε
×
nr)。采用该式，能够对于任意的步进角ε求出nr和ns为整数的组合。它的一个例子例如下述表1所示。
[0045]
【表1】
[0046]
[0047]
另一方面，在定子芯42的数量ns比转子芯32的数量nr少的情况(即，ns＜nr的情况)下，步进角ε为ε＝360
°
(1/ns-1/nr)，所以，ns＝360
°×
nr/(360
°
ε
×
nr)。采用该式，能够对于任意的步进角ε求出nr和ns为整数的组合。它的一个例子例如下述表2所示。
[0048]
【表2】
[0049][0050]
在上述表1和表2所示的组合中，通过通用变换器而动作的能3相驱动的电动机或能够减少变换器元件的能2相驱动的电动机且同步极数为6以上的组合，由于能得到高转矩，所以，是尤其有力的组合。
[0051]
在本实施方式的电动机1中，转子芯32的宽度wr和定子芯42的宽度ws可以不同。例如图1所示，转子芯32的宽度wr优选比定子芯42的宽度ws大。这样一来，能够加大线圈43的空间，能够增加线圈43的匝数，所以，能够提高电动机1的输出转矩。
[0052]
另外，在本实施方式的电动机1中，转子芯32的厚度tr和定子芯42的厚度ts可以不同。例如图5所示，转子芯32的厚度tr优选比定子芯42的厚度ts大。这样一来，能够进一步提高电动机1的输出转矩。并且，伴随于转子芯32的厚度tr比定子芯42的厚度ts加大，旋转轴2的轴向上的转子芯32的长度也变大，所以，为了避免转子芯32与盖部52的干涉，例如可以在盖部52设置台阶部521(参照图5)。
[0053]
以上那样构成的电动机1为具有多个定子芯42和卷绕于各定子芯42的线圈43的定子4配置于转子3的外侧的构造，所以，与以往的外转子型的电动机相比，易于将线圈43的空间确保得大，能够增加线圈43的匝数。结果，能够提高电动机1的输出转矩且能够实现电动机1的小型化。而且，转子3和定子4分别为2组以上，在旋转轴2的轴向层叠，所以，与转子和定子各设置1个的情况相比，能够进一步提高电动机1的输出转矩。
[0054]
本技术发明者为了验证电动机1的效果，将现有的ipm(interior permanent magnet，内置永磁体)电动机作为比较基准，采用下述表3所示的组合的电动机来研究芯面积比
·
转矩比。其结果如图6所示。在图6中，单点划线所示的“面积比”是基于电动机的输出转矩与芯面积(全部磁极面积)成正比例的关系而作为相对于现有的ipm电动机的转矩的指标来示出的。实线所示的“b反映”是基于在当前的ipm中电动机的输出转矩与磁通密度b成正比例而在本实施方式的电动机1中电动机的输出转矩与磁通密度b的平方成正比例的关系，来反映磁通密度b的影响和芯面积的影响的。虚线所示的“转矩径反映”基于电动机的输
出转矩与转矩中心径(日文：
トルク
中心径)成正比例的关系，将芯面积、磁通密度b和转矩中心径的影响都反映出。
[0055]
【表3】
[0056][0057]
如图6所示可知，本实施方式的电动机与当前的ipm电动机相比，能够提高电动机的输出转矩。
[0058]
[第2实施方式]
[0059]
以下，基于图7～图9，对电动机的第2实施方式进行说明。第2实施方式的电动机6在转子芯32和定子芯42的数量相同且配置成各自的宽度方向与旋转轴2的轴向平行这一点，与上述的第1实施方式不同。以下，以与第1实施方式的电动机1的不同点为中心进行说明。
[0060]
图7是表示第2实施方式的电动机的示意俯视图，图8是沿着图7的c-c线的分解立体图。在图7中，为了更易于理解电动机6的内部，示出拆下了壳体5的盖部52的状态，在图8中，省略壳体5、旋转轴2和后述的定子台座44。
[0061]
如图7和图8所示，电动机6具有：金属制的旋转轴2；固定于旋转轴2的转子3；在径向上与转子3隔开间隙地围绕转子3地相对向配置的定子4；以及收纳转子3和定子4的壳体5。转子3和定子4分别为3组，沿着旋转轴2的轴向层叠。在本实施方式中，相对于图8的纸面，将位于上方的1个定子4和转子3作为第1组，将位于下方的另1个定子4和转子3作为第3组，将位于它们之间的1个定子4和转子3作为第2组。在各组中，转子3的极数和定子4的极数均为12(即，ns＝nr＝12)。
[0062]
此外，转子3和定子4的极数不限于12，从输出转矩的确保等的观点来看，优选3≤ns＝nr≤40。另外，在考虑到若频率过大则需要大的驱动电压、以及铁损的减少等的情况下，优选3≤ns＝nr≤24。
[0063]
转子3具有由非磁性材料构成的圆板状的转子台座(转子固定部件)33、以及沿着转子台座33的周向(换言之，电动机6的周向)固定的12个转子芯32。转子台座33与旋转轴2固定。转子台座33的材质例如采用与第1实施方式所述的转子固定部件31相同的材料。并且，12个转子芯32配置成各自的宽度方向与旋转轴2的轴向平行，并沿着转子台座33的周向等间隔排列。转子芯32嵌入于在转子台座33设置的贯通孔(未图示)而固定于该转子台座33。
[0064]
定子4具有由非磁性材料构成的圆环板状的定子台座(定子固定部件)44、沿着定子台座44的周向(换言之，电动机6的周向)固定的12个定子芯42、以及卷绕于定子芯42的线圈43。定子台座44固定于壳体5。定子台座44的材质例如采用与第1实施方式所述的定子固
定部件41相同的材料。并且，12个定子芯42配置成各自的宽度方向与旋转轴2的轴向平行，并沿着定子台座44的周向等间隔排列。定子芯42嵌入于在定子台座44设置的贯通孔(未图示)而固定于该定子台座44。在各定子芯42卷绕有串联连接的2个线圈43。
[0065]
在本实施方式的电动机6中，在将转子3和定子4的组数设为n时，以使得第1组～第n组的转子3每次旋转360
°
/(ns
×
n)的方式切换各组的通电。如上述那样，ns＝12、n＝3，所以以使得第1组～第3组的转子3每次旋转360
°
/(12
×
3)＝10
°
的方式依次切换这三组的通电。也就是说，此情况下的电动机6是3相驱动的电动机。以下，基于图9进行详细说明。此外，图9中箭头所示的方向是转子3的旋转方向(即，旋转轴2的旋转方向)。
[0066]
如图9所示，在初始位置，第1组的转子芯32相对于第1组的定子芯42配置于向与旋转轴2的旋转方向相反的方向(在此为顺时针)旋转了10
°
的位置。第2组的转子芯32相对于第2组的定子芯42配置于顺时针旋转了20
°
旋转的位置。第3组的转子芯32相对于第3组的定子芯42配置于顺时针旋转了30
°
的位置。也就是说，第1组～第3组的转子芯32配置于每组逐个顺时针旋转了10
°
的位置。另一方面，第1组～第3组的定子芯42在旋转轴2的轴向上配置于相同位置。也就是说，所有组的定子芯42的配置位置相同。
[0067]
若从这样的初始位置起仅向卷绕于第1组的定子芯42的线圈43通电(仅第1组通电)，则在该定子芯42产生磁通，通过该磁通，第1组的转子芯32被吸引，从而第1组的转子3向旋转轴2的旋转方向(在此为逆时针)旋转10
°
。伴随于第1组的转子3的旋转，与该第1组的转子3同样固定于旋转轴2的第2组和第3组的转子3也分别逆时针旋转10
°
。因此，仅向卷绕于第1组的定子芯42的线圈43通电的结果如图9所示，第1组的转子芯32相对于第1组的定子芯42位于0
°
的位置(即，两者的位置一致)，第2组的转子芯32相对于第2组的定子芯42位于顺时针10
°
的位置，第3组的转子芯32相对于第3组的定子芯42位于顺时针20
°
的位置。
[0068]
接着，若仅向卷绕于第2组的定子芯42的线圈43通电(仅第2组通电)，则在该定子芯42产生磁通，第2组的转子芯32被吸引，从而第2组的转子3逆时针旋转10
°
。由此，第1组和第3组的转子3也分别逆时针旋转10
°
。因此，仅向卷绕于第2组的定子芯42的线圈43通电的结果如图9所示，第1组的转子芯32相对于第1组的定子芯42位于逆时针10
°
的位置(在图9中为-10
°
)，第2组的转子芯32相对于第2组的定子芯42位于0
°
的位置(即，两者的位置一致)，第3组的转子芯32相对于第3组的定子芯42位于顺时针10
°
的位置。
[0069]
接着，若仅向卷绕于第3组的定子芯42的线圈43通电(仅第3组通电)，则在该定子芯42产生磁通，第3组的转子芯32被吸引，从而第3组的转子3逆时针旋转10
°
。由此，第1组和第2组的转子3也分别逆时针旋转10
°
。因此，仅向卷绕于第3组的定子芯42的线圈43通电的结果如图9所示，第1组的转子芯32相对于第1组的定子芯42位于逆时针20
°
的位置(在图9中为-20
°
)，第2组的转子芯32相对于第2组的定子芯42位于逆时针10
°
的位置(在图9中为-10
°
)，第3组的转子芯32相对于第3组的定子芯42位于0
°
的位置(即，两者的位置一致)。
[0070]
通过如此反复切换各组的通电，转子3连续旋转。
[0071]
根据本实施方式的电动机6，除了得到与上述的第1实施方式同样的作用效果之外，能够更顺畅地驱动电动机6。
[0072]
此外，在本实施方式中，也可以是例如所有组的转子芯32配置于相同位置，在初始位置，第1组的定子芯42相对于第1组的转子芯32配置于向旋转轴2的旋转方向(例如逆时针)旋转了10
°
的位置，并且，第1组～第3组的定子芯42配置于每组逐个向旋转轴2的旋转方
向旋转了10
°
的位置。这样一来，通过反复切换上述的各组的通电，能够更顺畅地驱动电动机6。
[0073]
另外，在本实施方式的电动机6中，转子3和定子4的组数n优选为2≤n≤5。这是因为：若组数超过5，则旋转轴2的轴向上的电动机的长度变大，从而妨碍电动机6的小型化。
[0074]
另外，本技术发明者针对具有相同体积的本实施方式的电动机6(径向间隙型的电动机)和以往的轴向间隙型sr电动机(axial gap-type sr motor，agsrm)，对以agsrm为基准的情况下的转矩比、影响该转矩的转子径比a、旋转力产生部位的长度比b、以及磁通密度的平方比c进行比较。其结果如下述表4所示。“转子径”以agsrm为基准，与本实施方式的电动机中的转子芯32的厚度(参照图3所示的tr)相当。另外，“旋转力产生部位的长度”与本实施方式的电动机中的定子芯42的宽度(参照图1所示的ws)相当。
[0075]
从表4可知，相对于以往的agsrm，本实施方式的电动机6能够加大转子径。另外，在以往的agsrm中，只能够应用非定向性电磁钢板，但在本实施方式的电动机6中，能够应用定向性电磁钢板。若应用定向性电磁钢板，则磁通密度提高，所以，能够提高转矩。结果，在不采用磁体的径向间隙型的电动机中，也能够得到与以往的agsrm同等或其以上的转矩。
[0076]
【表4】
[0077][0078]
以上，对本发明的实施方式进行了详细描述，但本发明不限于上述的实施方式，在不脱离权利要求书所记载的本发明的精神的范围内，能够进行各种设计改变。