专利名称：轴向间隙马达的转子及其制造方法
技术领域：
本发明通常涉及电动马达(电机)，具体地说，本发明涉及这样一种轴向间隙马达，其中转子和定子以它们之间留有一定间隙的方式被同轴布置。更具体地说，本发明涉及用在这种轴向间隙马达中的转子以及制造所述转子的方法。
背景技术：
迄今为止，在电动马达车辆、混合式马达车辆等领域中，各种高功率电动马达已被实际使用，所述高功率电动马达例如为具有嵌在转子中的永磁体的内部永磁同步马达(IPMSM)和具有布置在转子表面上的表面永磁同步马达(SPMSM)。实际上，由于除磁体转矩外的磁阻转矩的实际使用，上述马达，即，IPMSM和SPMSM可显示出高效率以及因此显示出高输出。
上述马达中的一些是轴向间隙类型的，其中转子和定子以它们之间留有一定间隙的方式被同轴布置。由于该固有结构，所述轴向间隙类型的马达可具有更薄的结构，即，减小马达整个结构的轴向长度，因此所述紧凑和大功率的马达已被用作上述马达车辆的原动机。在日本未审定公开专利申请特开(Tokkai)2002-204559中示出了一种这样的马达。
发明内容
迄今为止，为了提高上述轴向间隙类型的同步马达的性能，已作出了各种尝试，尤其是在电动马达车辆、混合式马达车辆等的领域中。然而，所述尝试并未显示出令人满意的结果，这是由于在使得转子的磁体具有令人满意的磁力方面的困难以及在凸极性方面提供明显差异方面的困难所导致的。
因此本发明的一个目的是提供一种轴向间隙类型电动马达的转子，尽管具有较薄的结构，但是所述转子可显示出令人满意的磁力和机械强度。
本发明的另一个目的是提供一种制造轴向间隙电动马达的转子的方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种轴向间隙马达的转子，所述转子包括环形转子芯；布置在所述环形转子芯的一个轴向表面上的环形框架元件，所述框架元件具有在等距离间隔下绕所述环形框架元件的轴线成环形地布置的多个磁体接收凹槽；被接收在所述磁体接收凹槽中的多个永磁体；以及将所述环形转子芯与所述环形框架元件连接在一起的连接结构。
根据本发明的第二方面，提供了一种具有两个定子的轴向间隙马达的转子，所述转子包括环形转子芯；布置在所述环形转子芯的轴向相对面上的第一和第二环形框架元件，每个所述框架元件具有在等距离间隔下绕所述环形框架元件的轴线成环形地布置的多个磁体接收凹槽；分别被接收在所述第一和第二环形框架的所述磁体接收凹槽中的多个永磁体，在每个框架元件上的永磁体被布置得交替改变磁体的N/S极；以及将所述环形转子芯与所述第一和第二环形框架元件连接在一起的连接结构。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于制造具有两个定子的轴向间隙马达的转子的方法，所述方法包括以下步骤制备环形转子芯和两个环形框架元件；每个所述框架元件具有在等距离间隔下绕所述环形框架元件的轴线成环形地布置的多个凹槽；连接所述转子芯和这两个框架元件以便于构成其中这两个环形框架元件被布置在所述环形转子芯的轴向相对面上的一体结构；以一个框架元件面向上方的方式布置所述一体结构；将磁粉灌注到框架元件的凹槽中；使得凹槽中的磁粉经历烧结从而产生被容纳在凹槽中的烧结的永磁体；将所述一体结构转为上侧向下；将磁粉灌注到另一个框架元件的凹槽中；以及使得凹槽中的磁粉经历烧结从而产生被容纳在凹槽中的烧结的永磁体。
图1是其中实际使用第一实施例的转子的轴向间隙类型电动马达的截面图；图2是用在第一实施例轴向间隙类型电动马达中的第一实施例的转子的分解图；图3A、3B和3C是本发明第二、第三和第四实施例的转子的截面图；以及图4A到4F是示出了用于制造本发明转子的步骤的截面图。
具体实施例方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明的各种实施例。
为了易于描述，诸如右、左、上部、下部、向右等各种方向术语被用在以下描述中。然而，所述术语仅应相对于其中示出了相应零件或部分的附图来理解。在所有描述中，为了便于本发明的理解，基本相同的零件和部分由相同的附图标记表示。
参照图1，示出了其中实际使用本发明第一实施例的转子2A的轴向间隙类型电动马达100。
如图中示出的，马达100通常包括转子轴1、转子2A、第一定子3、第二定子4以及马达壳体5。马达壳体5包括环形前壁部分5a、环形后壁部分5b以及夹在环形前壁部分5a和后壁部分5b之间的圆柱形壁部分5c。
如图中所示的，转子轴1在马达壳体5中轴向延伸并且在马达壳体5中关于其轴线旋转。也就是说，转子轴1具有由安置在环形前壁部分5a中的第一轴承6旋转地支撑的右部分和由安置在后壁部分5b中的第二轴承7旋转地支撑的左部分。
传感器盖8和轴盖9通过连接螺栓50被固定到马达壳体5的后壁部分5b。在传感器盖8和轴盖9之间所限定的间隙中，安置有用于检测转子轴1的转速的分解器类型的速度传感器10。如图中所示的，速度传感器10包括固定于轴盖9的外部元件和固定于转子轴1的内部元件。
转子2A被紧密地安装在转子轴1的中间部分上以便于随之旋转。
如图中所示的，第一和第二定子3和4以使得转子2A布置于它们之间的方式被同轴并固定地布置在转子轴1周围。尽管未清楚示出，但是一定间隙11或12被限定在每个定子3和4与转子2A之间。
如下文中更详细地描述的，在马达100通电的情况下，安装在转子2A上的第一和第二组永磁体43和44产生与第一和第二定子3和4所提供的旋转磁场相对的反作用力，从而迫使转子2A与转子轴1一起旋转。第一和第二组永磁体43和44被紧密地且分别地以等距离间隔安装在转子2A的右和左表面上，交替地改变磁极(即，N极和S极)。在下文中将详细描述转子2A的细节。
第一定子3被固定于马达壳体5的前壁部分5a并且包括第一定子芯13、第一绝缘元件14、第一定子线圈15、第一背部芯16、第一芯固定板17以及第一芯冷却板18。
第一定子线圈15被紧密地布置在第一定子芯13周围，在它们之间紧密地布置有第一绝缘元件14。第一定子芯13具有分裂式结构并且被固定于第一背部芯16。第一绝缘元件14为绝缘片、绝缘纸等。
为了将第一定子芯13固定于马达壳体5的前壁部分5a，使用以下技术。
也就是说，通过第一连接螺栓51将第一定子芯13固定于其上的第一背部芯16与第一芯固定板17相互连接，之后通过第二连接螺栓52将第一芯固定板17和第一芯冷却板18两者连接于前壁部分5a、然后通过第三连接螺栓53将第一背部芯16和第一芯固定板17两者连接于前壁部分5a。
第一芯冷却板18形成有环形布置的冷却翼片18a，所述冷却翼片18a突出到形成在马达壳体5的前壁部分5a中的环形凹槽5d中。如图中所示的，在由第一芯冷却板18封闭的环形凹槽5d中，限定有通过冷却剂通路21与冷却剂入口/出口20相通的第一冷却剂通路19，口20和通路21被形成在马达壳体5的前壁部分5a中。
第二定子4被固定于马达壳体5的后壁部分5b并且包括第二定子芯23、第二绝缘元件24、第二定子线圈25、第二背部芯26、第二芯固定板27以及第二芯冷却板28。
第二定子线圈25被紧密地布置在第二定子芯23周围，在它们之间紧密地布置有第二绝缘元件24。第二定子芯23具有分裂式结构并且被固定于第二背部芯26。第二绝缘元件24为绝缘片、绝缘纸等。
为了将第二定子芯23固定于马达壳体5的后壁部分5b，使用以下技术。
也就是说，通过第一连接螺栓51将第二定子芯23固定于其上的第二背部芯26与第二芯固定板27相互连接，之后通过第二连接螺栓52将第二芯固定板27和第二芯冷却板28两者连接于后壁部分5b、然后通过第三连接螺栓53将第二背部芯26和第二芯固定板27两者连接于后壁部分5b。
第二芯冷却板28形成有环形布置的冷却翼片28a，所述冷却翼片28a突出到形成在马达壳体5的后壁部分5b中的环形凹槽5e中。如图中所示的，在由第二芯冷却板28封闭的环形凹槽5e中，限定有通过冷却剂通路31与冷却剂入口/出口30相通的第二冷却剂通路29，口30和通路31被形成在马达壳体5的后壁部分5b中。
参照图2，其中以分解的方式示出了本发明第一实施例的转子2A。
如上文中已描述的，如从图1中看到的，转子2A被紧密地安装在转子轴1的中间部分上以便于随之旋转，并且第一和第二定子3和4以将转子2A布置在它们之间的方式被同轴并固定地围绕定子轴1布置。
返回来参照图2，转子2A具有环形转子芯40作为其结构基础。第一和第二环形框架元件41和42被紧密地布置在转子芯40的相对表面上。第一和第二磁体接收凹槽41a和42a被分别形成在第一和第二框架元件41和42中。如图中所示的，每个凹槽41a或42a都具有梯形形状，所述梯形形状具有略微倒圆的径向相对边缘。第一和第二组永磁体43和44被分别且紧密地容纳在磁体接收凹槽41a和42a中。如图中所示的，第一和第二组永磁体43和44以等距离间隔被环形地布置在转子轴1的轴线周围。永磁体43和44是所谓的预磁化类型的，即，其中在装配转子2A之前执行它们的磁化的类型的。更具体地说，如从下文中将明白的，永磁体43和44是通过烧结磁粉而制成的烧结类型的。
转子芯40是用磁性材料制成的而第一和第二框架元件41和42是用非磁性材料制成的。应该注意的是，通过切割或刮削第一和第二框架元件41和42中至少一个的适合部分可实现转子2A围绕其轴线的适当平衡旋转。
为了将转子2A紧固于转子轴1，使用以下技术。
也就是说，如从图1中看到的，通过第一连接螺栓54将转子芯40和第一和第二框架元件41和42连接于连接环45，并且通过第二连接螺栓55将连接环45和转子芯40连接于转子轴1的直径上增大部分(没有附图标记)。
为了装配转子2A，首先，制备基本部分，即，转子芯40、第一和第二框架元件41和42、以及永磁体43和44。之后，如从图2中可看到的，永磁体43和44分别被紧密地放置于第一和第二框架元件41和42的凹槽41a和42a中。之后，将第一和第二框架元件41和42紧固于转子芯40的相对表面，确保它们之间的相对位置。
在下文中，将描述本发明第一实施例的转子2A的各种优点。
为了清楚本发明的优点，首先将简要描述上述日本未审定公开专利申请特开2002-204559的公开内容。
如上文中所描述的，公开申请2002-204559披露了这样一种轴向间隙类型马达，其中转子和定子以它们之间留有一定气体间隙的方式被同轴布置。在马达中所使用的转子中，多个永磁体被环形地布置在环形毂一侧表面上交替地改变磁极(即，N极和S极)。然而，由于所述毂上的磁体所产生的不充分磁力，导致马达不能产生足够高的输出功率。此外，由于难以在凸极性方面提供显著差异，难以获得令人满意的磁阻转矩，因此，从所述类型马达中不能获得较高的马达功率。
在使用两极基本型的三相永磁体同步马达(PMPS)的情况中，磁体转矩“Tm”和磁阻转矩“Tr”由以下等式表示。
Tm＝Pn·Ψa·Ia·cosβ...........................(1)Tr＝(Pn/2)(Lq-Ld)·Ia2·sin2β...........(2)其中Pn极对的数量Ψa永磁体的磁通匝链数Ia电流矢量的幅度β相Lqq轴线感应系数Ldd轴线感应系数在上述公知的轴向间隙类型电动马达中，所使用的永磁体是所谓的后磁化类型的，即，其中在转子的装配之后执行它们的磁化。因此，磁通匝链数“Ψa”不具有一定的高级，因此，如从等式(1)中理解的，不能获得更高的磁体转矩“Tm”。此外，由于永磁体仅被布置在所述毂的一侧表面上，因此取决于磁通匝链数“Ψa”的磁体转矩“Tm”不能显示出更高级。
如从等式(2)中理解的，磁阻转矩“Tr”主要取决于q轴线感应系数与d轴线感应系数之间的差，即，凸极性之间的差异。然而，在公开申请所披露的已知马达中，所使用的磁体是环状永久型的，并且马达是其中钢板未暴露到磁体的两端外的表面永磁同步马达(SPMSM)类型的。这样，马达是其中只示出了q轴线感应系数与d轴线感应系数之间较小差异的隐极机。
虽然，在使用本发明第一实施例的转子2A的轴向间隙类型马达中，由于如上所述的转子2A的独特结构，马达100可输出令人满意的功率。也就是说，尽管其减小的厚度，转子2A被构成得相对于旋转显示出令人满意的机械强度，并且被构成得允许相关的电动马达100输出更高的功率。如上文所述的，转子2A包括转子芯40、布置在转子芯40的相对表面上的第一和第二框架元件41和42、分别被限定在第一和第二框架元件41和42中的前和后磁体接收凹槽41a和42a、以及分别被接收在磁体接收凹槽41a和42a中的第一和第二组永磁体43和44。
如从图1和图2中可理解的，在转子2A旋转的情况下，施加于永磁体43或44的离心力由通过第一连接螺栓54连接的转子芯40和框架元件41或42两者确定地支撑。因此，可减小转子芯40的厚度和框架元件41或42的厚度(更具体地说，框架元件41或42的围缘41b或42b的厚度)。这意味着用于转子2A的永磁体43和44可具有较大尺寸。因此，可期望与大尺寸的永磁体43和44的磁通匝链数“Ψa”成比例的磁体转矩“Tm”更高。
如从图1中可理解的，在装配马达100的情况下，如此布置转子2A，即，使得由第一框架元件41支撑的永磁体43面对第一定子3以及使得由第二框架元件42支撑的永磁体44面对第二定子4。也就是说，第一实施例的转子2A是双面类型的并且实际上用在具有两个定子的马达中。如已知的，大量磁体的使用会带来马达的更高功率。
第一和第二框架元件41和42是由非磁性材料制成的，因此，抑制了磁体43和44的磁通量的泄漏或至少使所述泄漏最小化。由于相同的原因，可防止当切割或刮削框架元件41和42以便于实现转子2A的适当平衡旋转时不可避免产生的切屑粘在永磁体43和44上。
转子芯40是由磁性材料制成的，因此，可平滑地实现第一组和第二组永磁体43和44之间的磁通量的通行。也就是说，转子芯40和磁体43和44用作单片磁体。
如已知的，当这两个框架元件41和42是由非磁性材料制成的时，无法获得凸极性的高差异，因此，无法期望通过磁阻转矩“Tr”而在马达100的输出功率方面的提高。然而，如果转子芯40和第一和第二框架元件41和42都是由磁性材料制成的话，可提供与其中永磁体被嵌在转子中的内部永磁同步马达(IPMSM)中所使用的转子相似的转子。在该马达中，获得了凸极性的高差异并且因此可通过向磁体转矩“Tm”中添加磁阻转矩“Tr”而在马达的输出功率上的提高。
在下文中，将按次序概括本发明转子2A的优点。
首先，在满足其相对于旋转的机械强度的同时可减小转子2A的厚度。
其次，具有可操作地安置于其中的转子2A的马达可显示出更高的输出性能。
第三，第一和第二框架元件41和42是由非磁性材料制成的，因此，抑制了磁体43和44的磁通量的不希望有的泄漏或至少使所述泄漏最小化。
第四，转子芯40是由磁性材料制成的，因此，可平滑地实现第一组和第二组永磁体43和44之间的磁通量的通行。因此由于高磁通匝链数“Ψa”，可获得更高的磁体转矩“Tm”。
第五，第一和第二框架元件41和42是由非磁性材料制成的，因此，可避免当切割或刮削框架元件41和42以便于实现转子2A的适当平衡旋转时不可避免产生的切屑粘在永磁体43和44上。
第六，由于使用将转子芯40、第一和第二框架元件41和42以及连接框架45相组合的第一和第二连接螺栓54和55，使得转子2A被紧密地固定于转子轴1。
第七，由于永磁体43和44是预磁化类型的，因此所述磁体43和44所产生的磁通匝链数显示出较高级(high level)，因此可获得较高的磁体转矩，这使得马达100显示出更高的输出性能。
参照图3A、3B和3C，其中示出了本发明第二、第三和第四实施例的转子2B、2C和2D。
在这些实施例2B、2C和2D中，是通过除连接螺栓以外的装置形成框架元件41和42与转子芯40的连接。
也就是说，在图3A的第二实施例2B中，将铆钉56用于所述连接。
在图3B的第三实施例2C中，将铜焊或焊接用于所述连接。附图标记57所表示的是实际进行铜焊或焊接的区域。
在图3C的第四实施例2D中，将点焊用于所述连接。附图标记58所表示的是实际进行点焊的区域。
在下文中，将参照图4A到4F描述转子的制造方法，例如本发明第一实施例的转子2A的制造方法。
首先，如从如图4A中可看出的，制备转子芯40、两个框架元件41和42以及磁粉MP。
之后，如从图4B中可看出的，将框架元件41和42分别放置在转子芯40的相对表面上，同时确保它们之间的相互定位并且通过第一连接螺栓将它们紧密地结合在一起(见图1)。
然后，如从图4C中可看出的，将磁粉MP灌注到一个框架元件41的磁体接收凹槽41a中，之后使其平滑并被压缩。
然后，如从图4D中可看出的，使得磁粉MP经历烧结工序。这样，在相应的磁体接收凹槽41a中就产生了固体永磁体43，从而制造出用于转子2A的半加工产品。
之后，如从图4E中可看出的，在将半加工产品转为上侧向下之后，将磁粉MP灌注到另一个框架元件42的磁体接收凹槽42a中，之后使其平滑并被压缩。
然后，如从图4F中可看出的，使得磁粉MP经历烧结工序。这样，在相应的磁体接收凹槽42a中就产生了固体永磁体44，从而完成转子2A的制造。
这里合并参考2004年6月29日所申请的日本专利申请2004-191967的全部内容。
尽管上面已参照本发明的实施例描述了本发明，但是本发明不局限于如上所述的实施例。按照上述描述，本领域普通技术人员可对所述实施例作出各种修正和改变。
权利要求
1.一种轴向间隙马达的转子，所述转子包括环形转子芯；布置在所述环形转子芯的一个轴向表面上的环形框架元件，所述框架元件具有在等距离间隔下绕所述环形框架元件的轴线成环形地布置的多个磁体接收凹槽；被接收在所述磁体接收凹槽中的多个永磁体；以及将所述环形转子芯与所述环形框架元件连接在一起的连接结构。
2.依照权利要求1中所述的转子，其中所述环形转子芯是用磁性材料制成的，所述环形框架元件是用非磁性材料制成的，并且每个永磁体都是烧结类型的。
3.一种具有两个定子的轴向间隙马达的转子，所述转子包括环形转子芯；布置在所述环形转子芯的轴向相对面上的第一和第二环形框架元件，每个框架元件具有在等距离间隔下绕所述环形框架元件的轴线成环形地布置的多个磁体接收凹槽；分别被接收在所述第一和第二环形框架元件的所述磁体接收凹槽中的多个永磁体，在每个框架元件上的永磁体被布置成交替改变磁体的N/S极；以及将所述环形转子芯与所述第一和第二环形框架元件连接在一起的连接结构。
4.依照权利要求3中所述的转子，其中所述环形转子芯是用磁性材料制成的，所述第一和第二环形框架元件是用非磁性材料制成的。
5.依照权利要求4中所述的转子，其中所述第一和第二环形框架元件中的至少一个被部分切割或刮削以便于实现转子相对于马达的定子的适当平衡旋转。
6.依照权利要求3中所述的转子，其中所述连接结构包括第一连接螺栓，转子芯和第一和第二框架元件通过所述第一连接螺检被连接在一起。
7.依照权利要求6中所述的转子，其中所述第一连接螺栓被紧固于连接环，所述连接环适合于被安装在轴向间隙马达的转子轴上。
8.依照权利要求7中所述的转子，还包括第二连接螺栓，转子芯和连接环通过所述第二连接螺栓被连接于转子轴的凸起部分。
9.依照权利要求3中所述的转子，其中所述连接结构包括多个铆钉，转子芯(40)和第一和第二框架元件通过铆钉被连接在一起。
10.依照权利要求3中所述的转子，其中所述连接结构包括铜焊或焊接部分，转子芯通过所述铜焊或焊接部分被紧固于第一和第二框架元件上。
11.依照权利要求3中所述的转子，其中所述连接结构包括点焊部分，转子芯通过所述点焊部分被紧固于第一和第二框架元件上。
12.一种具有两个定子的轴向间隙马达的转子，所述转子包括磁性材料的环形转子芯；非磁性材料的第一和第二环形框架元件，所述第一和第二环形框架元件被布置在所述环形转子芯的轴向相对面上，每个所述框架元件具有在等距离间隔下绕所述环形框架元件的轴线成环形地布置的多个磁体接收凹槽；分别被接收在所述第一和第二环形框架元件的所述磁体接收凹槽中的多个永磁体，在每个框架元件上的永磁体被布置成交替改变磁体的N/S极，所述永磁体为烧结类型的；以及将所述环形转子芯与所述第一和第二环形框架元件连接在一起的连接结构。
13.一种用于制造具有两个定子的轴向间隙马达的转子的方法，所述方法包括以下步骤制备环形转子芯和两个环形框架元件，每个框架元件具有在等距离间隔下绕所述框架元件的轴线成环形地布置的多个凹槽；连接所述转子芯和这两个框架元件以构成一体结构，其中这两个框架元件被布置在所述转子芯的轴向相对面上；以框架元件中的一个面向上方的方式布置所述一体结构；将磁粉灌注到框架元件的凹槽中；使凹槽中的磁粉经历烧结从而产生被容纳在凹槽中的烧结的永磁体；将所述一体结构颠倒；将磁粉灌注到另一个框架元件的凹槽中；以及使凹槽中的磁粉经历烧结从而产生被容纳在凹槽中的烧结的永磁体。
全文摘要
一种轴向间隙马达的转子具有环形转子芯。环形框架元件被布置在所述环形转子芯的一个轴向面上。所述框架元件具有在等距离间隔下关于所述环形框架元件的轴线成环形地布置的多个磁体接收凹槽。多个永磁体被接收在所述磁体接收凹槽中。连接结构将所述环形转子芯与所述环形框架元件连接在一起。
文档编号H02K15/03GK1716730SQ20051007868
公开日2006年1月4日 申请日期2005年6月28日 优先权日2004年6月29日
发明者清水宏文 申请人:日产自动车株式会社