专利名称：电动机及制造电动机用设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动机及制造电动机用设备，特别涉及用于减小轧制钢板的磁各向异性所引起的齿隙转矩的技术。本发明可用于旋转电力机械例如电动机和发电机。
背景技术：
电动机包括转子和定子，转子具有嵌入的磁铁，定子具有形成为将金属丝缠到在周向上以固定间隔布置的槽中的线圈部分，且由磁铁产生的转矩和线圈产生的磁阻转矩来驱动旋转，并在转子旋转时产生了使转子跳动的齿隙转矩。
当磁铁产生的磁力线在转子中形成经定子的齿部封闭磁路时，定子和转子间的在旋转方向上的电磁引力总和在每个转角上根据转子与定子的相对位置而变化。由于定子具有磁阻不同的交替的槽和齿部，当转子在旋转中经过一个槽间距时，电磁引力的方向在转子旋转方向和相反方向之间改变。因此，转矩以与磁极数量或槽数量成比例的频率变化，产生齿隙转矩。
通常，为了减小齿隙转矩，进行很多努力来改进转子结构、定子结构和用来形成转子和定子的模具的精确度。例如，已知一种斜式布置，其中，形成转子的层在轴向上层叠，接着在周向上也就是转子旋转方向上等角地改变。该结构用来改变转子中各磁极在周向上与它们经过的定子齿部的相对位置，从而在周向上转换作用于各层上的齿隙转矩获得最大值的位置。已知还有多级斜式布置，其中，转子在轴向上被分成两级或多级。
通过采用这样的转子和定子，齿隙转矩虽然减小但却仍然存在。本申请的发明人发现，齿隙转矩的一个成因是形成转子和定子的电磁钢片的磁各向异性。用于电动机的转子芯磁芯和定子芯磁芯由非定向电磁钢片制成。然而，即使非定向电磁钢片也在与轧制(用轧制工具压平)方向平行的方向上和与其垂直的方向上具有不同的磁性。该电磁钢片的磁各向异性导致了齿隙转矩。
在JP10-66283A中，该申请的申请人建议除去在同步电动机中磁各向异性所导致的旋转变化。JP10-66283A记载了层压定子的磁各向异性，并公开了利用该磁各向异性减小可在同步电动机中转矩波动的层压定子的制造方法。
然而，JP10-66283A要除去的是由转矩波动导致的旋转变化，这与齿隙转矩不同。该申请的申请人还提交了日本专利申请JP2005-65479A，其用于设计成减小电磁钢片的磁各向异性所产生的齿隙转矩的电动机，先于本申请。
用于形成电动机的转子芯和定子芯通过将从轧制电磁钢片(环绕材料)冲压而形成。图1a和1b是用于说明轧制电磁钢片(环绕材料)轧制的方向(称为“轧制方向”)的图。在图1a和1b中，轧制电磁钢片(环绕材料)4的纵向(进给方向)平行于轧制方向，且轧制电磁钢片(环绕材料)4的宽度方向垂直于轧制方向。
即使非定向电磁钢片根据轧制方向(磁各向异性)也在不同方向上具有不同磁性。因此，转子中的磁铁根据轧制方向在不同方向上产生了不同的磁通密度，这导致了齿隙转矩。
在JP2005-65479A中，用于电动机的转子芯和定子芯通过冲压作业来制造，这样，将要层叠的芯具有不同的轧制方向。通过布置不具有相同轧制方向的层叠芯，减小了磁各向异性所引起的齿隙转矩。
图2表示转子结构的一个实例。在该实例中，转子通过层叠层压芯#1和层压芯#2而形成，每个包括10个层叠芯板1a，因此，转子形成为总共包括20个芯板的层压芯结构。
层压芯#2的轧制方向(如图中箭头所示)与层压芯#1的轧制方向(如图中箭头所示)成规定角度。
图3是用于说明如何减小齿隙转矩的图。在图3中，每转8个循环的齿隙转矩的波形用实线表示，相对于实线齿隙转矩波形存在每转8个循环有180°相位差的的齿隙转矩的波形用虚线表示。因此，通过增加具有180°相位差的齿隙转矩，总齿隙转矩可为零。
在JP2005-65479A中，通过层叠具有不同轧制方向的芯磁芯以使具有相反相位的齿隙转矩叠加到一起，降低总齿隙转矩。
该申请的发明人发现，除了轧制方向以外，定子结构也可导致齿隙转矩。对于定子，除无槽电动机外，已知具有槽和齿部的结构。
在具有齿部的定子中，磁力线方向受齿部影响，所以磁力线沿齿部延伸。这样，当轧制方向不与齿部方向(方位)一致时，磁力线沿齿部延伸。
图4是用于说明轧制方向、齿部方向(方位)和磁力线方向之间关系的图。在图4中，仅部分表示转子1和定子2，定子2具有齿部2c和槽2f。假设定子2的轧制方向10(轧制形成定子2的电磁钢片的方向)与齿部方向成θ角。这里，由于空气和铜存在于槽2f内，因此槽2f内的部分具有约为1的相对导磁率。同时，由电磁钢片制造的齿部2e具有约2000的相对导磁率。因此，即使当轧制方向与槽2f的方向一致时，磁力线也不通过槽2f延伸而是沿齿部2e延伸，因此，磁力线不平行于轧制方向。这意味着当轧制方向如上所述被旋转时，齿隙转矩相位的参考位置并不相应地旋转。因此，该申请的申请人发现，除轧制方向外，定子结构导致齿隙转矩，且如果不考虑定子结构而旋转轧制方向，则不能令人满意地减小齿隙转矩。
图5是用于说明齿部如何影响齿隙转矩的齿隙转矩波形图。在图5中，表示了每转具有32次循环的齿隙转矩的波形。具体地，每转具有32次循环的齿隙转矩的波形用粗实线表示，虚线表示在轧制方向以规定角度(这里，5.625°)角度位移且齿部对磁通量限制的没有影响的情况下的齿隙转矩波形。
由于用粗实线表示齿隙转矩和用虚线表示的齿隙转矩间的相位差为180°，因此总齿隙转矩可通过叠加两个齿隙转矩而减小为零。
细实线表示在轧制方向以规定角度(这里，5.625°)角度位移且齿部对磁通量限制的有影响的情况下的齿隙转矩波形。由于磁通量受齿部影响，因此两齿隙转矩之间的相位差不是180°。故而，总齿隙转矩不能通过叠加两个齿隙转矩而减小为零。因此，难以通过轧制方向的角改变来令人满意地减小总齿隙转矩。
图6是表示齿隙转矩的相位和轧制方向之间关系的图。其涉及齿隙转矩每转具有32次循环的情况。当轧制方向变化360°/32＝11.25°时，齿隙转矩相位的变化重复。
因电磁钢片的磁各向异性引起的齿隙转矩的每转的循环数量取决于转子中的极数和定子中的槽数。下表表示了一个实例。
表1
根据表1中所示的实例，当极数为10且槽数为12时，作用于定子上的齿隙转矩有每转10或20uqw循环，作用于转子上的齿隙转矩有每转12次循环。当极数为8且槽数为24时，作用于定子上的齿隙转矩有每转24次循环，作用于转子上的齿隙转矩有每转24次循环。当极数为8且槽数为36时，作用于定子上的齿隙转矩有每转32或40次循环，作用于转子上的齿隙转矩有每转36次循环。
如果形成芯的电磁钢片的轧制方向能以相应于每个齿部的角度旋转，使得轧制方向与每个齿部的方向(方位)一致，则由于轧制方向和形状之间的对称，转子和齿部间的位置关系与转子以相同角度旋转时等同。因此，齿隙转矩的相位不受齿部影响，所以可使用传统相位关系。
图7到图10是用于说明轧制方向与齿部方向一致的情况下的图。图7表示在轧制方向与齿部方向(方位)一致的角度下的相位和轧制方向之间的关系。轧制方向的角度(机器角度)表示于水平轴上，齿隙转矩的相位(度)表示于竖直轴上。附图涉及齿隙转矩有每转32次循环的情况，且在机器角度范围0°-90°内表示以上关系。
齿隙转矩的相位在相对于一个槽的机器角度范围内(这里，范围的宽度11.25°＝360°/32)从0°变化到360°。图中的点表示轧制方向与齿部方向一致的角度上的相位。例如，当槽数为36时，且当轧制方向与机器角度10°的齿部方向一致时，相位是P1。当轧制方向与机器角度20°的槽方向一致时，相位是P2。这些与仅机械地旋转转子的情况相应。
对于每个槽，皆可能使轧制方向符合齿部方向。图8表示轧制方向与x轴方向一致的情况。图9表示轧制方向旋转20°以与定子齿部中的一个的方向一致的情况。图10表示轧制方向与x轴方向一致且转子旋转20°的情况。在图10中，当转子旋转时，齿隙转矩的相位在前。
可以层叠与槽相同数目的芯，于是使芯以相应于一个槽的角度旋转。即使在该情况下，在每个芯，也仅一些齿部具有与轧制方向一致的方向。其它多个齿部具有不与轧制方向一致的方向。因此，难以期待齿部布置的影响的减小。
发明内容
本发明的发明人通过实验发现当定子的齿部数量为有限时，齿隙转矩的相位大体依照连接在以360°/槽数和自然数乘积所表示的角度上的相位的直线而变化。本发明以此为基础。
本发明的电动机具有通过层叠由电磁钢片的轧制材料制成的多张芯板而形成的层压芯结构。根据本发明的一个方面，在以根据设置在层压芯结构中的槽数或极数所确定的机器角度进行角位移的电磁钢片的轧制方向上层叠芯板，使得由芯板的磁各向异性所产生的齿隙转矩的相位差实质上为180°。将具有180°相位差的齿隙转矩叠加到一起，齿隙转矩互相抵消。
根据本发明的一个方面，在以相对于参考角度以机器角度进行角位移的电磁钢片的各轧制方向上层叠相同数量的芯板，使得通过由芯板的磁各向异性生产的齿隙转矩的相位差。齿隙转矩的每个相位α由(360n/s)mod{360/(m·s)}×m·s表示，其为通过将每个槽或极的角度(360n/s)除以齿隙转矩的一个循环的角度360/(m·s)所得的余数乘以m·s而获得的值，m·s是齿隙转矩每转的循环数，其中，s是层压芯结构中设置的槽数或极数，m和n是自然数。确定所述机器角度，使得齿隙转矩的相位差实质上为180°，并且具有通过连接槽或极的各角度的相位得到的齿隙转矩的相位和轧制方向的机器角度之间的大体直线关系。
通过将在齿隙转矩的相位和轧制方向的机器角度之间具有大体直线关系的机器角度上的各相位α乘以芯板的比率t而得到的积的总和∑αt可以在具有通过90°乘以奇数而得到的中心值的预定范围内，其中，比率t是具有以机器角度进行角位移的轧制方向的芯板厚度与层压芯结构的整个厚度的比率。
可确定自然数m，使得齿隙转矩的每转循环数m·s接近于层压芯结构的极数或槽数。
预定范围关于中心值可以是从-45°到+45°。
芯板可包括两种具有电磁钢片的轧制方向互不相同的芯板，并且每种芯板的比率t是0.5。
可考虑齿隙转矩的基本波长分量和高谐波分量来确定轧制方向的机器角度。
本发明提供一种用于制造电动机的设备，该电动机具有由电磁钢片的轧制材料制成的多张芯板而形成的层压芯结构。该设备包括冲压机构，用于通过相对于成套冲模角位移轧制电磁钢片来冲压轧制电磁钢片，由此多张芯板具有以上述机器角度进行角位移的电磁钢片的轧制方向。
冲压机构可包括顺序冲模装置，该顺序冲模装置包括成套冲模相互以机器角度进行角位移的角位移工作台。
顺序冲模装置可进一步包括具有用于冲压具有轧制方向不进行角位移的芯板的成套冲模的通用工作台。
角位移工作台可冲压具有由相对较小的每转基本形状的重复数所规定的形状的芯板，通用工作台冲压具有由相对较大的每转基本形状的重复数所规定的形状的芯板。
设备可进一步包括用于旋转并对齐在提供一种形状的两种加工台上冲压的芯板的加工台。
例如，定子的中心孔关于旋转具有较高的形状重复性，这是因为其为圆形所以在任意转角皆表现相同形状。由于槽的数量大，所以槽具有较高的重复性，由此槽可在通用工作台上冲压。对于冲压凿紧部分、控制杆孔和轮廓的加工台，需要其它加工台。然而，当轮廓为圆形时，轮廓可在通用工作台上冲压。通过用于旋转芯板的其它加工台，当层叠芯板时，控制杆位置和已冲压的芯板的轮廓互相对齐。
芯板可由具有晶体取向以机器角度互不相同的电磁钢片制成。
电磁钢片的晶体取向是其磁各向异性的原因。通常，轧制方向与主要晶体取向(电磁钢片易于磁化的方向)一致。通过成对使用晶体取向以规定角度旋转而制成的电磁钢片和晶体取向不旋转而制成的电磁钢片，可以使用通用成套冲模来制造芯并除去磁各向异性所产生的齿隙转矩。再有，可制造晶体取向在规定角度的一半倾斜的芯并成对层叠芯以使没转动和已转动的芯形成一对，从而在成对芯的晶体取向之间有规定角度的差异。
电磁钢片可具有相对于电磁钢片的轧制方向以机器角度的一半进行角位移的晶体取向，将已冲压的芯板以半数的冲压芯板被转动的方式层叠，使得芯板具有以机器角度进行角位移的晶体取向。
成套冲模可布置成相对于电磁钢片的轧制方向以机器角度的一半进行角位移，可将已冲压的芯板以半数的冲压芯板被转动的方式层叠，使得芯板具有以机器角度进行角位移的电磁钢片的轧制方向。
可在相对于成套冲模以机器角度的一半进行角位移的轧制方向上向成套冲模进给电磁钢片，可将已冲压的芯板以半数的冲压芯板被转动的方式层叠，使得芯板具有以机器角度进行角位移的轧制方向。
在以上布置中，加工台的数量与传统情况相同。因此可以不增加加工台的数量地处理磁各向异性。增加加工台的数量使成套冲模的全长变长，这使得不能用普通冲压机进行冲压。在这些布置中，加工台的数量并没有增加，因此可无任何问题、高效地进行冲压。
本发明可减小考虑到电动机定子齿部的芯板的磁各向异性所导致的齿隙转矩。
图1a和1b是用于说明电磁钢片(环绕材料)的轧制方向的图。
图2是表示转子结构的一个实例的图。
图3是用于说明如何减小齿隙转矩的图。
图4是用于说明轧制方向、齿部方向(方位)和磁力线方向之间关系的图。
图5是表示用于说明齿部如何影响齿隙转矩的齿隙转矩波形图。
图6是表示齿隙转矩的相位和轧制方向之间关系的图。
图7是表示在轧制方向与齿部方向(方位)一致的角度下的相位和轧制方向之间的关系的图。
图8是表示轧制方向与x轴方向一致的情况的图。
图9是表示轧制方向旋转20°以与定子齿部中的一个的方向一致的情况的图。
图10是表示轧制方向与x轴方向一致且转子旋转20°的情况的图。
图11是表示8极24槽电动机的实例的图。
图12是表示轧制方向的角度和齿隙转矩相位之间关系的图。
图13是用于说明齿隙转矩如何互相抵消的图。
图14a到14e是用于说明如何减小齿隙转矩的图。
图15是用于说明芯的组合的图。
图16a和16b是用于说明使芯具有不同轧制方向的第一方式的图。
图17a和17b是用于说明使芯具有不同轧制方向的第二方式的图。
图18a和18b是用于说明使芯具有不同轧制方向的第三方式的图。
图19是用于说明使芯具有倾斜半个规定角度的方位的第一方式的图。
图20是用于说明使芯具有倾斜半个规定角度的方位的第二方式的图。
图21是用于说明如何用传统顺序冲模冲压转子芯和定子芯的图。
图22是用于说明应用本发明的顺序冲模的实例的图。
图23是用于说明应用本发明的顺序冲模的实例的图(其中，以规定角度的一半旋转的定子芯)具体实施方式
参照附图来详细描述本发明的实施例。
图11是用于说明电动机结构的实例的图。在图11中，电动机包括转子1和定子2，皆具有通过堆积电磁钢片制的芯板而形成的层压芯结构。
转子1通过堆积多个转子芯(芯板)1a而形成。每个转子芯1a皆在中心具有用于穿过轴3的开口，轴3形成电动机的通过其的旋转轴。磁铁孔1b被等角地布置在圆周方向，其数量对应于电动机的极数，将永磁铁嵌入磁铁孔1b。转子芯1a还具有限制部(crimps)1e以用来固定层叠的转子芯。
定子2通过层叠多个定子芯(芯板)2a而形成。每个定子芯磁芯2a皆在中心具有用于将转子1布置其中的开口。多个齿部2e和槽2f等角地布置于圆周方向以用来缠绕金属线。定子芯磁芯2a也具有限制部(crimps)2c以用来固定层叠的定子芯磁芯，定子固定孔2d用来固定定子。图11中所示实例涉及8极24槽电动机，其中，电动机1具有等角布置的8极，为各极布置永磁铁。定子2具有等角布置的24槽。
转子芯磁芯1a和定子芯磁芯2a如图1所示从轧制电磁钢片(环绕材料)4通过冲压而成。
关于图7所示的在轧制方向与齿部方向一致的角度时的相位和轧制方向之间关系，齿隙转矩的相位在对应一个齿部的机器角度范围内(这里，范围的宽度是11.25°＝360°/32)从0°变化到360°。图中的点表示在轧制方向与齿部方向一致的角度时相位。连接轧制方向与齿部方向一致的这些点的线是直线。图12表示轧制方向(称为“轧制方向角度”)的角度和齿隙转矩的相位之间的关系。通过连接轧制方向与槽方向一致的点，得到了表示相位关系的直线(在图中以虚线表示)。
在图12中，轧制方向的角度(机器角度)设于水平轴上，齿隙转矩的相位(度)设于竖直轴上。从该直线相位关系可得到轧制方向角度的齿隙转矩的相位。例如，在轧制方向角度0°时的齿隙转矩的相位为360°，在轧制方向角度90°时齿隙转矩的相位为0°。在它们之间，齿隙转矩的相位随着轧制方向角度几乎线性变化。
假设s为槽数或极数，因磁各向异性而产生的齿隙转矩有每转(ms)次循环(其中，m为自然数)。如上所述，在槽位置或极位置处齿隙转矩的相位α可从图7所示的关系获得，并由下式表示相位α＝(360n/s)mod(360/ms)×(m×s) (1)
在表达式(1)中，(360n/s)表示齿部的角度值，(360/(m×s))表示齿隙转矩的一个循环的角度值。以上表达式意味槽角度值(360n/s)除以齿隙转矩的一个循环的角度值(360/(m×s))的余数乘以(m×s)。
齿隙转矩每转的循环数(m×s)是槽数或极数的高次谐波(倍数)。如果其为槽数高次谐波，则其接近于极数，如果其为极数高次谐波，则其接近于槽数。
齿部的角度可由360/(m×s)表示。n是整数，其可在0到槽数的范围内取值。齿部的角度相应于轧制方向旋转的角度θ。图12中的直线可由等式α＝a×θ+b表示，表示连接图7中一系列点的线。
从以上表示相位α的表达式中，角度θ是在磁各向异性产生的齿隙转矩的齿部位置或极位置上的相位α之间产生180°相位差的角度和每转振荡ms次，其中，s是芯中的槽数或极数，m是自然数。
表2表示在齿隙转矩有每转32次循环的情况下，对于不同齿部角度，根据上述表达式的模数和相位α的计算值。
表2
如上所述，通过叠加具有180°相位差的齿隙转矩，可使齿隙转矩互相抵消。通过将该关系应用于图12中直线所表示的相位关系，也就是，通过在直线的基础上产生180°相位差的轧制方向角度上不同，可使齿隙转矩互相抵消。
特别地，通过在图12中的直线上获得产生180°相位差的轧制方向角度并层叠数量相等的两类芯且具有满足以上关系的轧制方向，可使在这两类芯上由槽而产生的齿隙转矩互相抵消以减小总齿隙转矩。
假设两芯层叠。当两个芯磁芯中的一个的轧制方向设为角度0°时，作用于该芯上的齿隙转矩相位是360°。为了抵消该齿隙转矩，应层叠接受具有180°相位的齿隙转矩的芯。接受具有180°相位的齿隙转矩的芯的轧制方向角度可在图12中的直线上得到。
在图12中，齿隙转矩相位为180°的轧制方向角度为45°。因此，通过层叠具有轧制方向角度(机器角度)0°的芯和具有轧制方向角度(机器角度)45°的芯，可使槽的齿隙转矩减小。
图13是用于说明当使用了具有在作用于芯上的齿隙转矩之间产生了180°相位差的轧制方向角度的芯时齿隙转矩如何互相抵消的图。图13(a)和13(b)分别表示以上实例中的具有轧制方向角度0°的芯和具有轧制方向角度45°的芯。由于作用于这些芯上的齿隙转矩之间的相位差是180°，那么通过层叠两个芯以叠加齿隙转矩，如图13(c)所示，齿隙转矩互相抵消(如图13(c)中粗实线所示)。
当两个芯层叠且两个芯中一个的轧制方向为角度10°时，作用于该芯上的齿隙转矩的相位是320°。因此，为抵消该齿隙转矩，层叠接受具有140°相位的齿隙转矩的芯。接受具有140°相位的齿隙转矩的芯的轧制方向角度可在图12中的直线上得到。
在图12中，齿隙转矩相位为140°的轧制方向角度为55°。因此，通过层叠具有轧制方向角度(机器角度)0°的芯和具有轧制方向角度(机器角度)55°的芯，槽的齿隙转矩减小。
根据sinα+sin(α+β)＝(sin(α+β)×cos(β))/2 (2)，当β为0°或180°时，叠加具有相位差γ的齿隙转矩所引起的齿隙转矩的减小为最大，也就是说齿隙转矩减小为0。然而，即使当β不为0°或180°时，(cos(β))/2的绝对值也总是小于或等于1。因此，齿隙转矩减小。
图14a到14e是用来说明在该情况下齿隙转矩如何减小的图。图14a表示作用于具有规定轧制方向的芯上的齿隙转矩。如图14b所示，当将具有180°相位差的齿隙转矩(用虚线表示)叠加到该齿隙转矩上时，齿隙转矩互相抵消(如粗实线所示)。
通常，相对于0°参考角度具有180°相位差的角度的平均值是90°和奇数的积。再有，当层叠多个芯以形成层压芯时，作用于层压芯上的齿隙转矩的相位根据接受具有相同相位的齿隙转矩的芯的总高度与层压芯的整个长度的比率确定，由∑αt表示。假设将接受具有相位α1的齿隙转矩的芯(称为“相位α1的芯”)和接受具有相位α2的齿隙转矩的芯(称为“相位α2的芯”)层叠以形成用于转子或定子的层压芯。作用于层压芯上的齿隙转矩的相位由(α1×t1)+(α2×t2)表示，其中，t1是相位α1的芯的总高度与层压芯整个长度的比率，t2是相位α2的芯的总高度与层压芯整个长度的比率。
因此，当用于抵消齿隙转矩的层压芯通过层叠芯而形成时，由∑αt表示的作用于该层压芯上的齿隙转矩相位在以下相位范围内设定90°×奇数-β≤∑αt≤90°×奇数+β(3)该相位范围表示为图14c中的阴影面积。当∑αt为90°×奇数时，齿隙转矩互相抵消，所以总齿隙转矩为零。
假设齿隙转矩有每转32次循环。当将具有轧制方向角度0°的芯和具有轧制方向角度45°的等量芯层叠时，作用于轧制方向角度0°的芯上的齿隙转矩的相位α为0°，作用于轧制方向角度45°的芯上的齿隙转矩的相位α为180°。由于轧制方向角度0°的芯和轧制方向角度45°的芯数量相等，所以t＝0.5。因此，∑αt＝0°×0.5+180°×0.5＝90°这对应于上述表达式中β＝0°的情况。
图15表示磁芯的该组合。在图15中，将轧制方向角度0°、相位α＝0°的芯(a)和轧制方向角度45°、相位α＝180°的芯(b)层叠，其中布置芯数(a)和芯数(b)，使得芯(a)的总高度与层压芯整个长度的比率和芯(b)的总高度与层压芯整个长度的比率分别为t1和t2。
当包括相位差±β时，总齿隙转矩虽然不为零但减小为(cos(β))/2。例如，当β＝45°时，通过叠加该齿隙转矩，总齿隙转矩减小约30％(图14d)，当β＝20°时，通过叠加该齿隙转矩，总齿隙转矩减小更多(图14e)。
虽然在该实例中叠加两类磁芯，但是可叠加更多类的磁芯。
接着，将描述如何从芯材料冲压它们以制造芯。
在本发明中，具有不同轧制方向的多个芯由冲压机构形成。
在用于制造具有不同轧制方向的芯的第一方式中，作为芯材料的轧制电磁钢片相对于成套冲模旋转规定角度，实施冲压。电动机制造设备通过其机架内部设置的进给机构旋转芯材料，并通过冲压成套冲模冲压芯，使得芯具有以规定角度倾斜的轧制方向。
图16a和16b是用于说明在该第一方式中如何制造芯的图。在图16a中，在磁性材料的轧制方向相对于成套冲模以规定角度设置后，芯由冲压成套冲模冲压。在图16a的图(a2)中，参考标记5A表示冲压成套冲模。在转子芯1a由冲压成套冲模5A冲压后，由机架内部的进给机构以规定角度旋转芯材料，所以以与以前冲压的芯不同的轧制方向冲压芯，如图16b所示。在图16b的图(b2)中，冲压成套冲模5A’与冲压成套冲模5A相同。电动机制造设备在其进给机构中包括用于以规定角度旋转芯材料并冲压芯的冲压机构。
在用于制造具有不同轧制方向的芯的第二方式中，相对于作为芯材料的轧制电磁钢片以规定角度旋转冲压成套冲模，并实施冲压。电动机制造设备通过其机架内部设置的进给机构旋转冲压成套冲模，并通过冲压成套冲模冲压芯，使得芯具有以规定角度倾斜的轧制方向。
图17a和17b是用于说明在该第二方式中如何制造芯的图。在图17a中，在冲压成套冲模相对于芯材料的轧制方向以规定角度设置后，芯由冲压成套冲模冲压。在图17a的图(a2)中，参考标记5A表示冲压成套冲模。在转子芯1a由冲压模具5A冲压后，由机架内部的进给机构以规定角度旋转冲压成套冲模，所以以与以前冲压的芯不同的轧制方向冲压芯，如图17b所示。在图17b的图(b2)中，冲压成套冲模5A’与冲压成套冲模5A相同。电动机制造设备在其进给机构中包括用于以规定角度旋转冲压成套冲模并冲压芯的冲压机构。
在用于制造具有不同轧制方向的芯的第三方式中，准备在相对于作为芯材料的轧制的电磁钢片不同角度设置的多个冲压冲模组合，芯由这些冲模组合冲压，使得最终的芯具有不同的方位。电动机制造设备具有在相对于轧制材料不同角度设置的多个冲压冲模组合。
图18a和18b是用于说明在该第三方式中如何制造芯的图。在图18a中，在冲压成套冲模相对于芯材料的轧制方向以规定角度设置后，芯由冲压成套冲模冲压。在图18a和18b的图(a2)和(b2)中，参考标记5A和5B表示冲压冲模组合。转子芯1a由冲压冲模组合5A和5B冲压，使得最终的芯1a具有在相对于轧制方向为不同角度的方位。
层压芯通过形成具有以规定角度的一半倾斜的方位的芯并成对使用它们来制造。
图19表示用于说明制造具有倾斜规定角度的一半的方位的芯的第一方式。在该方式中，准备用于冲压转子或定子形状的成套冲模相对于轧制方向以规定角度一半倾斜，由该成套冲模冲压的芯成对使用，使得不转动的芯和转动的芯形成一对。
在图19中，设置具有相对于芯材料的轧制方向以规定角度的一半倾斜的方位的成套冲模。芯材料被导入该成套冲模中，冲压芯。在图19中，参考标记5A表示成套冲模。已冲压的芯1a具有以规定角度的一半倾斜的方定。
层压芯通过层叠成对芯来形成，使得不转动的磁芯和转动的芯形成一对。由此，在成对层叠的芯的方位之间，存在规定角度差。
图20表示用于说明制造具有以规定角度的一半倾斜的方位的芯的第二方式。在该方式中，成套冲模或芯材料相对于轧制方向以规定角度的一半设置，并进行冲压。如此制造的芯成对使用，使得不转动的芯和转动的芯形成一对。
在图20中，芯材料4a相对于芯材料的轧制方向以规定角度的一半设置，并冲压芯。在图20中，参考标记5A表示冲压成套冲模，相对于轧制方向倾斜的芯材料4a被导入其中，并冲压芯。已冲压的芯1a具有在相对于轧制方向为规定角度的一半的方定。
层压芯通过成对层叠芯形成，使得不转动的芯和转动的芯形成一对。由此，在成对层叠的芯的方位之间，存在规定角度差。
接着，说明如何以顺序冲模冲压转子芯和定子芯。顺序冲模具有多个布置于环绕材料冲压行进的方向上的加工台，并且在每个工作台上用一套成套冲模进行冲压。图21是用于说明如何用传统的顺序冲模来冲压转子芯和定子芯的图。
在图21中，用于冲压转子芯的成套冲模布置于第一台加工台A，用于冲压定子芯的成套冲模布置于第二台加工台B。使用该顺序冲模来形成转子芯和定子芯，使得转子芯在第一台加工台A冲压且定子芯在第二台加工台B冲压。当整体观察顺序冲模时，一个转子芯和一个定子芯用冲压的一个动作在同时进行冲压。因此，每单位时间制造的芯数量两倍于分别冲压转子芯和定子芯。引导孔6形成于环绕材料(电磁钢片)4上以用于定位。
在上面描述的实例中，转子芯和定子芯在一个加工台上形成。然而，每一转子芯和定子芯可用分别用来制造芯的局部的多个加工台形成。例如，为了制造转子芯，提供一个加工台用来冲压轴孔，提供一个加工台用来冲压磁铁孔，提供一个加工台用来冲压转子轮廓。为了制造定子芯，提供一个加工台用来冲压定子中心孔，提供一个加工台用来冲压槽，提供一个加工台用来冲压定子固定孔，并提供一个加工台用来冲压定子轮廓。
接着，将描述本发明应用于上述顺序冲模的实例。
图22是用于说明应用本发明的顺序冲模的实例的图。在该实例中，三个加工台A、B和C布置于环绕材料(电磁钢片)4行进的方向上。在第一加工台A上设有用于冲压具有旋转0°的方位(称为“0°旋转的转子芯”)的转子芯的成套冲模，在第二加工台B上设有用于冲压具有旋转α的方位(称为“α旋转的转子芯”)的转子芯的成套冲模，在第三加工台C上设有用于冲压定子芯的成套冲模。
以对应于一个加工台的长度进给环绕材料4并将其导入顺序冲模中。用顺序冲模在两个阶段进行冲压。在第一阶段，0°旋转的转子芯在第一加工台A上冲压且定子芯在第三加工台C上冲压，但是转子芯的冲压在第二加工台B上不进行。由此，形成了0°旋转的转子芯和定子芯。
在第二阶段，α旋转的转子芯在第二加工台B上冲压且定子芯在第三加工台C上冲压，但是转子芯的冲压在第一加工台A不进行。由此，形成了α旋转的转子芯和定子芯。在第一阶段和第二阶段实行冲压的加工台由控制装置进行控制(未示出)。
使用该顺序冲模，成功形成了0°旋转的转子芯(具有相对于环绕材料的轧制方向旋转0°的方向的芯)、α旋转的转子芯(具有相对于环绕材料的轧制方向旋转α的方向的芯)和定子芯。电动机芯可通过对齐和层叠如此形成的转子芯并层叠如此形成的定子芯来制造。
在应用本发明的顺序冲模的该实例中，虽然加工台数量增加，但是每单位时间制造的芯数量可保持在与普通情况相同的水平。因此，在保持产量的同时，可制造具有相对于轧制方向为不同角度的方位的转子芯。
上述规定角度的大小可对应于转子旋转时产生的多个齿隙转矩的振荡。考虑实际的磁性分布，只要确保期望的齿隙转矩的降低，角度可略大于或小于通过计算公式所确定的大小。
由此，在本发明中，层压芯中的芯所旋转的角度的大小可以通过公式确定，具有确保期望的齿隙转矩降低的可接受的偏差。
磁各向异性的一个原因是电磁钢片的晶体取向。根据本发明的上述布置可用于减小电磁钢片的晶体取向所导致的磁各向异性。例如，电磁钢片的晶体取向所导致的磁各向异性所产生的齿隙转矩可通过成对使用晶体取向旋转规定角度的电磁钢片和晶体取向没有旋转的电磁钢片来减小，并使用通用成套冲模。此外，通过用使用已具有以规定角度或规定角度的一半倾斜的方向的冲压成套冲模来实行冲压，或使用设置在规定角度或规定角度的一半的冲压成套冲模或芯材料并层磁芯，减小晶体取向所导致的磁各向异性，由此减小齿隙转矩。
在使用顺序冲模制造芯的情况下，为了以规定角度旋转成套冲模来减小磁各向异性所导致的齿隙转矩，通常需要两倍数量的加工台。加工台数量的提高使得顺序冲模的整个长度变长，因此不能使用普通的冲压机来冲压芯。就此而论，加工台数量可通过布置来减小，使得可共享不需要旋转成套冲模的加工台。
在顺序冲模中，在冲压芯后，规定数量的芯层叠成一组。如果不进行处理，则包括具有正常方位的芯和具有旋转规定角度的方位的芯的该芯叠层不能用作具有整齐轮廓的层压芯。因此，当叠层时，需要用于旋转具有旋转方位的芯使得它们的控制杆位置或轮廓与具有正常方位的芯对齐的加工台。该加工台使具有以规定角度旋转的方向的芯在相反方向旋转相同角度。在两个加工台提供一个形状的情况下，设有用于旋转并对齐在两个加工台上冲压并层叠的芯的加工台。
如图23所示，当使用顺序冲模制造芯时，为减小磁各向异性所导致的齿隙转矩，芯可用旋转规定角度一半设置的成套冲模来制造。通过层叠如此成对形成的芯，使得不转动的芯和转动的芯形成一对，可减小磁各向异性所导致的齿隙转矩。在这种情况下，在该顺序冲模中加工台的数量与传统冲模中的加工台数量相同，因此，顺序冲模的整个长度与传统冲模的整个长度相同。由此，芯可用传统冲压机冲压。
权利要求
1.一种电动机，具有通过层叠由电磁钢片的轧制材料制成的多张芯板而形成的层压芯结构，其特征在于，在以根据设置在层压芯结构中的槽数或极数所确定的机器角度进行角位移的电磁钢片的轧制方向上层叠所述芯板，使得由芯板的磁各向异性所产生的齿隙转矩的相位差实质上为180°。
2.一种电动机，具有通过层叠由电磁钢片的轧制材料制成的多张芯板而形成的层压芯结构，其特征在于，在以相对于参考角度以机器角度进行角位移的电磁钢片的各轧制方向上层叠相同数量的芯板，使得通过芯板的磁各向异性生产的齿隙转矩的相位差，齿隙转矩的每个相位α由(360n/s)mod{360/(m·s)}×m·s表示，其为通过将每个槽或极的角度(360n/s)除以齿隙转矩的一个循环的角度360/(m·s)所得的余数乘以m·s而获得的值，m·s是齿隙转矩每转的循环数，其中，s是层压芯结构中设置的槽数或极数，m和n是自然数；并且确定所述机器角度，使得齿隙转矩的相位差实质上为180°，并且具有通过连接槽或极的各角度的相位得到的齿隙转矩的相位和轧制方向的机器角度之间的大体直线关系。
3.根据权利要求2所述的电动机，其特征在于，通过将在齿隙转矩的相位和轧制方向的机器角度之间具有大体直线关系的机器角度上的各相位α乘以芯板的比率t而得到的积的总和∑αt在具有通过90°乘以奇数而得到的中心值的预定范围内，其中，比率t是具有以机器角度进行角位移的轧制方向的芯板厚度与层压芯结构的整个厚度的比率。
4.根据权利要求2所述的电动机，其特征在于，确定自然数m，使得齿隙转矩的每转循环数m·s接近于层压芯结构的极数或槽数，从而齿隙转矩互相抵消。
5.根据权利要求3所述的电动机，其特征在于，预定范围关于中心值从-45°到+45°。
6.根据权利要求3所述的电动机，其特征在于，芯板包括两种具有电磁钢片的轧制方向互不相同的芯板，并且每种芯板的比率t是0.5。
7.根据权利要求1或2所述的电动机，其特征在于，考虑齿隙转矩的基本波长分量和高次谐波分量确定轧制方向的机器角度。
8.一种用于制造电动机的设备，该电动机具有由电磁钢片的轧制材料制成的多张芯板而形成的层压芯结构，其特征在于，包括冲压机构，用于通过相对于成套冲模角位移轧制电磁钢片来冲压轧制电磁钢片，由此多张芯板具有如权利要求1所述的以机器角度进行角位移的电磁钢片的轧制方向。
9.根据权利要求8所述的用于制造电动机的设备，其特征在于，所述冲压机构包括顺序冲模装置，该顺序冲模装置包括成套冲模相互以机器角度进行角位移的角位移工作台。
10.根据权利要求9所述的用于制造电动机的设备，其特征在于，顺序冲模装置进一步包括具有用于冲压具有轧制方向不进行角位移的芯板的成套冲模的通用工作台。
11.根据权利要求10所述的用于制造电动机的设备，其特征在于，所述角位移工作台冲压具有由相对较小的每转基本形状的重复数所规定的形状的芯板，通用工作台冲压具有由相对较大的每转基本形状的重复数所规定的形状的芯板。
12.根据权利要求8所述的用于制造电动机的设备，其特征在于，进一步包括用于旋转并对齐在提供一种形状的两种加工台上冲压的芯板的加工台。
13.根据权利要求8所述的用于制造电动机的设备，其特征在于，芯板由具有晶体取向以机器角度互不相同的电磁钢片制成。
14.根据权利要求8所述的用于制造电动机的设备，其特征在于，电磁钢片具有相对于电磁钢片的轧制方向以机器角度的一半进行角位移的晶体取向，将已冲压的芯板以半数的冲压芯板被转动的方式层叠，使得芯板具有以机器角度进行角位移的晶体取向。
15.根据权利要求8所述的用于电动机的设备，其特征在于，所述成套冲模布置成相对于电磁钢片的轧制方向以机器角度的一半进行角位移，将已冲压的芯板以半数的冲压芯板被转动的方式层叠，使得芯板具有以机器角度进行角位移的电磁钢片的轧制方向。
16.根据权利要求8所述的用于制造电动机的设备，其特征在于，在相对于成套冲模以机器角度的一半进行角位移的轧制方向上向成套冲模进给电磁钢片，将已冲压的芯板以半数的冲压芯板被转动的方式层叠，使得芯板具有以机器角度进行角位移的轧制方向。
全文摘要
本发明涉及可减小取决于定子齿部的齿隙转矩的电动机和用于制造该电动机的电动机制造设备。设置层叠芯的轧制方向的角度以使芯上产生的齿隙转矩的相位之间的差为180°，由此芯上产生的齿隙转矩互相抵消，从而减小电动机中的总齿隙转矩。电动机包括通过层叠由电磁钢片制的多个芯而形成的层压芯。形成层压芯的芯具有以依据槽数和/或极数确定的规定的机器角度而互不相同的轧制方向，其中规定的机器角度是在芯的磁各向异性和取决于电动机槽数和/或极数的齿部布局所导致的齿隙转矩的相位之间产生180°相位差的角度。
文档编号H02K15/02GK1819402SQ20061000226
公开日2006年8月16日 申请日期2006年1月27日 优先权日2005年1月27日
发明者山本致良, 前田拓也 申请人:发那科株式会社