旋转电机的制作方法

专利名称：旋转电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及小型旋转电机，在该电机中，流经线圈的电流不用于场磁体弱化控制 (field magnet weakening control)，从而提供了覆盖高转矩低速旋转到低转矩高速旋转 的广阔操作范围，并易于高效地完成其控制。
背景技术：
传统上，作为摩托车等的动力源而用作径向间隙型旋转电机的径向间隙型电动机 和其他一般的电动机具有这样的结构，其中转子磁轭(转子侧磁轭，其具有由其轴承支撑 的旋转轴)与定子磁轭(定子侧磁轭)彼此相对，且转子磁轭和定子磁轭的相对表面平行 于旋转轴的轴线延伸。 转子侧磁轭的相对表面具有环绕布置在圆筒形内壁上的多个场磁体，而定子侧磁 轭的相对表面具有径向布置以与转子侧磁轭的圆筒形相对表面相对的多个齿。线圈缠绕在 多个齿中每一个的周围。 就是说，在径向间隙型电动机中，场磁体和齿的相对表面平行于旋转轴的轴线延 伸，并且相对表面之间沿着旋转轴形成圆筒形间隙。即在所称的径向间隙型中，间隙被形成 为从旋转轴径向延伸。 此外，与之相反，存在另一种电动机，其尽管是一种径向间隙型电动机，但具有这 样的结构，即定子侧磁轭形成为圆筒形，而置于圆筒内的转子侧磁轭是圆柱形。作为这种 类型的电动机之一，提出了一种电动机，其将圆筒形构件置于定子铁心侧磁轭的定子铁心 的各个突起端部的相对表面与转子侧磁轭的各永磁体的相对表面之间以防止出现嵌齿 (cogging)，同时在高速旋转中实现低转矩工作，其中在圆筒形构件中交替布置导磁段与非 导磁段。(例如，参见专利文献1)。 此外，类似地，作为这种类型的电动机(定子侧磁轭形成圆筒形，并且转子侧磁轭 是置于圆筒内的圆柱形)之一，为了减少高速旋转中的定子漏磁通，提出另一种电动机，其 定子侧磁轭的定子铁心由圆筒形铁心和在圆筒形铁心内往复运动的杆状铁心构成，并且杆 状铁心在定子侧线圈的径向上相对于线圈移动，其中线圈环绕地缠在圆筒形铁心的周围。 (例如，参见专利文献2)。 另一方面，最近除了径向间隙型旋转电机外，轴向间隙型旋转电机吸引了许多关注。 例如，作为轴向间隙型旋转电机之一， 一种轴向间隙型电动机具有布置为彼此相 对的盘状转子侧磁轭和盘状定子侧磁轭，其中转子侧磁轭包括由其轴承支撑的旋转轴，定 子侧磁轭的中心与转子侧磁轭旋转轴的轴线一致。 在转子侧磁轭的相对表面上，多个场磁体沿着其盘状周边部分布置成圆形(或环形)，而在定子侧磁轭的相对表面上，沿着其盘状周边部分布置多个齿。此外，在场磁体和 齿的相对表面与另一相对表面之间形成间隙，所述另一相对表面限定以直角与旋转轴相交 (即与旋转轴垂直相交)的表面。也就是，在所称的轴向间隙型中，间隙被形成为在沿着旋 转轴的方向上，即在轴向上延伸。 在如此描述的轴向间隙型电动机中，作为改变其输出特性的方法之一，已知一种 方法，其中转子(具有场磁体的转子侧磁轭)或者布置为与转子相对的定子(位于定子侧 磁轭上的绕有线圈的铁心)可在旋转轴的方向上移动以控制转子和定子之间的距离；由 此，控制场磁体和绕有线圈的铁心之间流动的磁通量增加或减少。[专利文献1]JP-A-2000-261988，早期公开申请公布(摘要、段
以及图1 和图2)[专利文献2]JP-A-2004-166369，早期公开申请公布(摘要、段
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以 及图l和图3)

发明内容
不过，上述传统技术中的任何一种结构，其整个设备的构造可能较大，增加了机械 损耗。换言之，径向间隙型电动机需要尽可能细，而轴向间隙型电动机需要尽可能薄；但是， 这两种需要不能都得到满足。此外，在对增加转矩没有贡献而浪费电能这点上没有显著的 进步。 考虑到这些情况，本发明的一个主题是提供一种旋转电机，其中布置为与转子相 对的定子被分成至少两个部分，一个部分固定，另一个部分可在转子的旋转方向上相对于 固定部分运动以极大地改变通量流的流动，即定子的基座部分可旋转(可运动)以控制场。
下文说明根据本发明的旋转电机的结构。 首先，第一发明的旋转电机包括绕旋转轴的轴线旋转的转子、以及与转子相对布 置的定子，其中转子和定子之一沿着转子和定子彼此相对的方向被分为至少两个部分，所 分得两个部分中的一个部分可在转子的旋转方向或反转方向上相对于另一部分以这样的 方式移动，使得在第一部分和第二部分之间形成磁阻的间隙是可变的。 例如，此旋转电机被构造为使一个部分相对于另一部分的移动是预定角度内的往 复移动。 此外，旋转电机可以以例如这样的方式构造，即所述一个部分和所述另一部分是
定子，所述另一部分是具有多个第一齿的第一定子铁心，所述多个第一齿各自的一个端表
面与所述转子相对，且绕组缠绕在每个所述第一齿的周边侧表面周围，并且所述一个部分
是具有多个第二齿的第二定子铁心，所述多个第二齿各自的一个端部与各相对端表面相
对，所述相对端表面相对于所述转子对面的所述第一齿的所述一个端表面位于反面。 关于这一点，旋转电机以例如这样的方式构造，即所述一个部分相对于所述另一
部分的旋转角度小于由所述第二齿的两个相邻齿所限定的夹角。 此外，旋转电机可以以例如这样的方式构造，即所述一个部分和所述另一部分是 转子，所述另一部分是具有多个第一磁性构件的第一转子段，所述多个第一磁性构件各自 的一个端表面与所述定子相对，并且所述一个部分是具有多个第二磁性构件的第二转子 段，所述多个第二磁性构件各自的端部与所述第一磁性构件的各另一端表面相对，所述另一端表面相对于所述定子对面的所述一个端表面位于反面。 关于这一点，旋转电机以例如这样的方式构造，即所述一个部分相对于所述另一
部分的旋转角度小于由所述第二磁性构件的两个相邻磁性构件所限定的夹角。
接着，第二发明的旋转电机包括转子，其具有绕旋转轴的轴线旋转的环形段；具
有多个第一齿的第一定子铁心，每个所述第一齿都具有其一个端表面与所述环形段相对的
一个部分，且绕组缠绕在所述部分除了两个端表面以外的周边侧表面周围；和具有多个第
二齿的第二定子铁心，所述多个第二齿各自的一个端部与所述第一定子铁心的所述第一齿
的各另一端表面相对，所述另一端表面相对于所述转子对面的所述一个端表面位于反面，
并且该旋转电机构造为使得第二定子铁心可在转子的旋转方向或反转方向上移动。 第二定子铁心以例如这样的方式构造，即可在转子的旋转方向或反转方向上移
动，也可在转子的轴向上移动。 此外，每个第一齿以例如这样的方式构造，即在与每个所述第二齿的所述一个端
部相对的一个所述端表面处，具有紧靠在每个所述第二齿的侧表面上的突出部分。 此旋转电机以例如这样的方式构造，即与所述转子的所述环形段相对的每个所述
第一齿的下部被分为其周边表面上具有绕组的一个部分和其周边表面上没有绕组的另一
部分，并且所述第二齿包括与所述第一齿中所述周边表面上具有所述绕组的所述部分相对
应的齿、以及与所述第一齿中所述周边表面上没有所述绕组的所述另一部分相对应的其他齿。 此外，转子和第一齿的各相对表面可以被形成为以这样的方式倾斜延伸，即所述 转子的所述相对表面的更靠近旋转轴轴线的内侧较厚而外侧较薄。
第三发明的旋转电机包括绕旋转轴的轴线旋转的圆筒形转子；具有多个第一齿
的第一定子铁心，所述第一齿的一个端表面位于所述圆筒形转子的圆筒结构内部以与所述
转子相对，且绕组缠绕在每个所述第一齿除了两个端表面以外的周边侧表面周围；和具有
多个第二齿的第二定子铁心，所述多个第二齿各自的一个端部与所述第一定子铁心的所述
第一齿的各另一端表面相对，所述另一端表面相对于所述转子对面的所述一个端表面位于
反面，并且该旋转电机构造为使得第二定子铁心可在转子的旋转方向或反转方向上移动。
此外，第四发明的旋转电机包括绕旋转轴的轴线旋转的圆柱或圆筒形转子；具
有多个第一齿的第一定子铁心，所述第一齿的一个端表面位于所述转子的径向外侧以与所
述转子相对，且绕组缠绕在每个所述第一齿除了两个端表面以外的周边侧表面周围；和具
有多个第二齿的第二定子铁心，所述多个第二齿各自的一个端部与所述第一定子铁心的所
述第一齿的各另一端表面相对，所述另一端表面相对于所述转子对面的所述一个端表面位
于反面，且所述多个第二齿的各个另一端部由夹持器夹持，并且该旋转电机构造为使得第
二定子铁心可在转子的旋转方向或反转方向上移动。 第二、第三或第四发明的旋转电机以例如这样的方式构造，即当所述第二齿定位 为与所述第一齿完全面对时，一个第一齿与完全面对该第一齿的一个第二齿之间存在的磁 阻小于该第一齿和与该第一齿相邻的另一第一齿之间存在的磁阻，并且，当第二齿移动而 使得该第二齿位于该第一齿与该另一第一齿之间的正中间位置时，通过该第二齿存在于该 第一齿和与该第一齿相邻的该另一第一齿之间的磁阻大于该第一齿和与该第一齿相邻的 另一第一齿之间存在的磁阻。
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关于这一点，旋转电机以例如这样的方式构造，即所述磁阻可通过该第一齿和与
该第一齿相邻的另一第一齿之间的距离，或该第一齿与该第二齿之间的距离进行调整。 此外，第二、第三或第四发明的旋转电机构造为，例如包括移动驱动力传递机构，
其用于在所述转子的所述旋转方向或所述反转方向上移动所述第二定子铁心。第二、第三
或第四发明的旋转电机构造为，例如使得第二定子铁心相对于第一定子铁心的移动是在转
子旋转方向或反转方向上预定角度范围内的往复移动。第二、第三或第四发明的旋转电机
构造为，例如使得第二定子铁心相对于第一定子铁心的移动是转子旋转方向上的间歇旋转
移动。第二、第三或第四发明的旋转电机构造为，例如使得多个第一齿和绕组是一起整体模
制成型的。第二、第三或第四发明的旋转电机构造为，例如使得多个第二齿和绕组是一起整
体模制成型的。 根据本发明可以提供坚固的小型旋转电机，其具有能够改变输出特性的机构，而 不增大整体外形，不增加机械损耗，无需任何传动装置，也不消耗对增加转矩没有贡献的电 力。


图1是作为其上安装有轴向间隙型旋转电机的设备示例的摩托车的侧视图，该电 机作为根据本发明第一实施例的旋转电机。 图2是将轴向间隙型电动机(电动机)结构与后臂后端周围的结构一起示出的截 面图。 图3示出从后轮的侧面看到的电动机定子及其周边的结构。 图4为立体图，简单紧凑地示出定子的主要部分以及示为分解构造的布置成与定 子相对的转子及其旋转轴的示意性结构。 图5(a)到(f)是用于说明轴向间隙型电动机驱动原理的示意图。 图6示出实际布置中一个齿与N极磁体和S极磁体两者相对以使得N极磁体和S
极磁体彼此靠近。 图7是说明普通轴向间隙型电动机转速限值的原因的示意图。 图8示意性示出用于增加普通轴向间隙型电动机转速的场磁体弱化控制方法。 图9是将第一实施例中的轴向间隙型电动机与后臂后端周围的结构一同示出的
截面图。 图10是第一实施例的轴向间隙型电动机的分解立体图。 图11是示出第一实施例的轴向间隙型电动机与旋转控制系统一起完全组装好的 情况的立体图。 图12(a) 、 (b)和(c)是用于说明第一实施例中轴向间隙型电动机的第二定子段沿
转子旋转方向相对于第一定子段所做往复运动的枢转角和操作的示意图。 图13(a)和(b)是用于说明在从高转矩低速旋转到低转矩高速旋转的范围内，对
第一实施例的轴向间隙型电动机所进行的旋转控制原理的示意图。 图14(a)到(e)是说明导致磁阻的间隙的示意图。 图15(a)和(b)示出第一实施例的轴向间隙型电动机可选方案(第一种)主要部 分的结构。
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图16(a)到(d)示出第一实施例的轴向间隙型电动机另一可选方案(第二种)主 要部分的结构。 图17(a)到(d)示出第二实施例中轴向间隙型电动机主要部分的结构。 图18(a)和(b)示出一种可选方案，其中转子和定子的相对表面以及定子所分两
部分的定子段的相对表面形成不同于水平表面的表面。 图19是示出根据第三实施例的径向间隙型电动机结构的截面图。 图20是示出根据第四实施例的径向间隙型电动机结构的截面图。 图21是示出根据第五实施例的轴向间隙型电动机结构的立体图。 图22示出根据第五实施例的轴向间隙型电动机结构中，当转子进行高速低转矩
旋转时，第一转子段与第二转子段之间旋转相位的偏移关系。 图23示出根据第六实施例的轴向间隙型电动机主要部分的结构。 图24示出根据第六实施例的轴向间隙型电动机结构中，当转子进行高速低转矩
旋转时，第一转子段与第二转子段之间旋转相位的偏移关系。
具体实施例方式
下面参考附图对本发明的实施例进行说明。
(装有本发明的旋转电机的摩托车) 图1是作为其上有轴向间隙型旋转电机的设备示例的摩托车的侧视图，该电机是
根据本发明第一实施例的旋转电机。如图l所示，此实施例的摩托车在其车身前顶部布置
有头管2。用于改变车身方向的转向轴(未示出)插入头管2进行枢转运动。 车把3所固定到的车把支撑部分4安装在此转向轴的顶端，并且手柄5安装在车
把3的每一端。此外在图1中，由于被遮挡而不可见的右手侧手柄(图1的背面)形成可
旋转的油门手柄。 具有左右一对的前叉6与头管2的底部耦合以向下延伸。这对前叉6之间具有处 于悬挂状态的前轴8，用于减震和支承前轮旋转。 前述车把支撑部分4具有布置在车把3前面的指示器9。头灯11固定在指示器9 的下部。闪光灯12(闪光灯12之一位于右手侧，即位于图1的背面，由于被遮挡而不可见) 位于头灯ll的两侧。 从侧面看，每个都大体形成L形的一对左右车身框架13相对于车身向后延伸。每 个车身框架13都是向车身后下方倾斜延伸之后再向后水平延伸的圆管，从而从侧面看形 成大体L形。 —对左右车座轨14与该对车身框架13各自的后侧端耦合，以从车身框架13的各 后侧端进一步向后上方倾斜延伸。每个车座轨14的后侧端14a沿着车座15的外形向后弯 曲。 蓄电池16可拆卸地布置在该对左右车座轨14之间。蓄电池16被构造为包括多 个可再充电的次级单格电池。倒U形的车座撑条17焊接到该对左右车座轨14中与前述弯 曲部分相邻的部分，以相对于车身向前上方倾斜。前述车座置于由车座撑条17和该对左右 车座轨14围绕的部分处，使得车座15可以随着其前端垂直枢转而在开启和闭合位置之间 移动。
此外，后挡泥板18安装在车座轨14的后端，并且尾灯19安装在后挡泥板18的后 表面。另外，闪光灯21 (闪光灯21之一位于右手侧，即图1的背面，由于被遮挡而不可见) 位于尾灯19的两侧。 另一方面，后臂支架22(图1中只示出了纸张正面的支架22)焊接到车座15下面 该对左右车身框架13各自的水平部分。后臂23的前端由该对左右后臂支架22支撑，以通 过枢转轴24垂直摆动。 作为驱动轮的后轮25被支撑以在后臂23大体上形成圆形的后端23a的中心处旋 转。后臂23和后轮25由后减震器悬挂以减震。 —对左右脚踏板27 (图1只示出了纸张正面的脚踏板27)布置在该对左右车身框
架13各自的水平部分下方。此外，侧支架28通过轴29由后臂23支撑在左手侧，以在脚踏
板27后面进行枢转运动。此侧支架28由复位弹簧31压向縮回位置。 后臂23的后端23a内包括了驱动单元，其包括连接以驱动后轮25的轴向间隙型
电动机32。 现在说明作为本发明基础的轴向间隙型电动机的结构及其操作，之后说明根据本 发明第一实施例的轴向间隙型电动机32的结构及其操作。
(轴向间隙型电动机的基本结构) 图2是将作为本发明基础的轴向间隙型电动机(下文中可简称为电动机)的结构 与后臂23的后端23a周围的结构一起示出的截面图。附带地，图2是沿着图l(局部侧视 图)的A-A线所取的截面图。不过，后轮25没有示出。 图2中，驱动单元33并入安装到齿轮罩34内部限定的空间，该齿轮罩34位于后 臂23的后端23a右侧(图2中纸张正面)。驱动单元33包括一起整体内置的电动机、行星 齿轮减速器35、控制器36等等。 如图2所示，电动机包括绕轴承37a、37b的中心轴线B0旋转的转子38，其由轴 承37a、37b支撑在后臂23的后端23a处；以及大体上是环形(或圈状)的定子39，其固定 到后臂的后端23a的内表面以与转子38相对。 如图2所示，转子38具有转子侧磁轭41 (41a_41e)，其具有朝向后臂23的后端23a 的大体肘状(gambrel-like)的凸起。 就是说，转子侧磁轭41包括与定子39相对的环形段41a ;大体上以截锥形从环 形段41a的内周边缘朝向后臂23的后端23a延伸的锥形段41b ;从锥形段41b的末端朝向 后臂23的后端23a沿着中心轴线BO凸出延伸的第一圆筒段41c ;在旋转的径向上从圆筒 段41c的末端(图2中的底端)朝向中心轴线B0延伸的环形段41d ;以及从环形段41d的 内周边缘朝向后臂23的后端23a沿着中心轴线BO凸出延伸的第二圆筒段41e。
第二圆筒段41e由轴承37a、37b支撑绕中心轴线BO旋转，形成转子38的旋转轴。 因而转子38的旋转轴43的旋转中心与轴承37a、37b的中心轴线BO —致。
此外，转子38具有多个场磁体42，其固定地位于转子侧磁轭41的环形段41a的 定子侧相对表面上。这些场磁体42关于中心轴线B0环状共轴并沿着环形段41a的周边设 置。场磁体42以N极和S极交替出现的方式布置。或者，场磁体42可以由这样的单个磁 体构件制成，即具有交替磁化的N极和S极，二者都由电介质体部分形成，该电介质体部分 沿着盘形或环形的同一周边表面永久极化。
带齿旋转轴43固定地安装在转子38的第二圆筒段(旋转轴)41e的后轮侧端部， 与转子38(第二圆筒段(旋转轴)41e)共轴延伸。此带齿旋转轴43与转子38—起旋转。
另一方面，行星齿轮减速器35与带齿旋转轴43耦合并安装在转子侧磁轭41的锥 形段41b中。行星齿轮减速器35与电动机(转子38和定子39)在车辆宽度方向上相互交 行星齿轮减速器35和与带齿旋转轴43共轴延伸的后轴44耦合，并具有降低电动 机旋转(第二圆筒段(旋转轴)41e的旋转)速度以及将旋转通过带齿旋转轴43传递到后 轴44的功能。 螺母45可拆卸地拧紧在从后轴44的齿轮罩34凸出的后轴44的尖端44a上。图 1所示后轮25由在后轮25被置于后轴44上的情况下被拧紧的螺母45紧固，以固定地安装 到后轴44。 图3是示出从后轮25的侧面看到的电动机定子39及其周边结构的示意图。艮P， 图3中示意图的正面对应于摩托车1的车身右手侧，示意图的左侧对应于车身的下侧，示意 图的上侧对应于车身的后侧，示意图的下侧对应于车身的正面。 在图3中(也参见图2)，定子39固定地位于后臂23的后端23a，并包括定子侧磁 轭46，该定子侧磁轭46具有在中心轴方向上层积例如环形钢片的叠片层结构。定子侧磁轭 46具有围绕中心轴线B0的倒C形状。换言之，定子侧磁轭46被制成切去一部分的环形。
定子39的定子侧磁轭46具有沿周边延伸的大体矩形的容齿开口 (tooth receiving opening)，其数目是三的整数倍。定子39具有固定地位于各容齿开口中的齿 47，每个齿47的下部(图3中片的侧端)插入各凹入中，齿47以规则的间隔(周节)沿周 边排列在定子侧磁轭46上。 每个齿47都是钢片的叠片层，并被布置成使其顶端(图3中的纸张正面的侧表
面)与转子38的各场磁体42在旋转轴43的轴向上分开，而与场磁体42相对。 此外，周节指线段之间限定的角；该线段之一从齿47与相应场磁体42相对的相对
表面中心沿着上表面延伸到轴承37a和37b的中心轴线B0;该线段中另一个从相邻齿47与
相应场磁体42相对的相对表面中心沿着上表面延伸到轴承37a和37b的中心轴线B0。 固定地夹持齿47的定子侧磁轭46制成环形，其中心与轴承37a和37b的中心轴
线B0 —致，且其一部分如上所述被切去。这样，数目是三的整数倍的齿47沿着切去一部分
的环形结构排列。因此，对应于环形的切去部分的三相(U相、V相和W相)齿被省略了。下
文中，环形的切去部分被称为齿省略部分(teeth omitted portion)48。此外，定子39包括缠绕各齿47的线圈49(见图2);模制段51，其中各齿47和线
圈49用树脂等模制成型；以及形成于模制段51外周表面上的多个凸缘52。 每个凸缘52具有用于将包括齿47和线圈49的模制段51安装到后臂23的后端
23a的螺栓孔。插入螺栓孔的螺栓拧紧到后臂23的后端23a上以将定子39固定地定位于
后臂23的后端23a上。 此外，逆变器54通过由橡胶等制成的弹性材料(未示出)而被固定到齿省略部分 48，该逆变器54可通过电连接到定子39而向定子39供电。此外，编码器基板55被置于齿 省略部分48中。此编码器基板55和逆变器54通过束线(wire harness) 56相互电耦合， 该束线覆盖有柔性涂层(可用柔性基板等取代束线)。
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例如霍尔传感器的磁极检测元件57a、57b和57c安装在编码器基板55上。磁极 检测元件57a、57b和57c置于这样的位置，即这些元件检测到电动机的U相、V相和W相的 各电角度成为180度时(例如线圈电流最大)的瞬间。 图4为立体图，示出图3的定子39的主要部分以及布置为与定子39相对的转子 38及其旋转轴43的示意性结构。此外，从图4中略去了图2所示线圈49、图2和图3所示 模制部分51、图3所示凸缘52、逆变器54、编码器基板55等。 如图4所示，在定子侧磁轭46上，各凹入58被布置为环形结构，其在周节处被部 分切去，每个凹入58形成大体矩形的形状且各齿47插入并固定于凹入58中。每个插入孔 的一对较短侧的内表面58a、58b适于导向中心轴线B0。 此外，与各插入孔相邻并位于定子侧磁轭46外周表面46a与更靠近外周表面46a 的内侧表面58b之间的钢薄片部分被切开，以形成径向延伸的切口 59而使每个插入孔与外 侧相通。 各齿47按顺序安置于除齿省略部分48之外的定子侧磁轭46上，三个齿形成一组 U相、V相和W相，并对该组施加两极三相交流电。偶数个具有N极和S极的极性对的场磁 体42以与该组三相的间隔相对应的规则间隔布置在转子38上。 当然如上所述，场磁体42可以由单个磁体构件形成，该磁体构件具有交替磁化的 N极和S极，二者都由电介质体部分形成，该电介质体部分沿着盘或环的同一周边表面永久 极化。 就是说，例如，场磁体42布置为这样一种方式，即各具有一个极对(polar pair) 的四个场磁体42或者具有四个极对的一个场磁体一直与包括了六个齿47的排列间隔的范 围相对。场磁体42也布置为这样一种方式，即各具有一个极对的六个场磁体42或者具有 六个极对的一个场磁体一直与包括了九个齿47的排列间隔的范围相对。
附带地，图4总共示出了 15个齿47。定子原先可以有18个齿47 ;但是其中三个 被省略以在那里放置图3的编码器基板55。 这样，电动机以这样的方式构成，即不管使用了奇数个场磁体42还是使用了 一个 场磁体， 一直存在场磁体42 (每个都具有12个极对)与包括了十五个齿47 (包括三个齿的 被省略部分)的排列间隔的范围相对。
(轴向间隙型电动机的驱动原理) 接下来说明如上所述构成的轴向间隙型电动机的驱动原理。 图5(a)到(f)是用于说明轴向间隙型电动机驱动原理的示意图。图5(a)中，箭 头"a"指示转子38的旋转方向，而当来自N极场磁体42 (以下简称为磁体42)的磁通方向 被确定为正并且来自S极磁体42的磁通方向被确定为负时，箭头"b"指示磁通的正方向。 不过，不是所有的通量都如箭头"b"指示的那样向着正下方，其中一些是倾斜向下的。因此 标出箭头"b"以表示磁通大体上是向下的。 同样，当产生于线圈49(在向线圈49供应电流的情况下缠绕在定子39的各齿47 周围)中并通过作为铁心构件的齿47(47u，47v和47w)退出的具有N极性的磁通方向被确 定为正，并且具有S极性的磁通方向被确定为负时，箭头"c"指示磁通的正方向。不过，不 是所有的通量都如箭头"c"指示的那样向着正上方，其中一些是倾斜向上的。因此标出箭 头"c"以表示磁通大体上是向上的。
此外在图5(a)到(f)中，U相的齿47用标号47u，V相的齿47用47v，W相的齿47 用47w指示。 图5(a)示出N极磁体42置于U相齿47u正上方，而S极磁体42置于各V相齿 47v和各W相齿47w之间的状态。 在此状态下，流向U相齿47u的线圈49的电流关断，齿47u中没有磁通产生，而只 有来自N极磁体42的磁通流经齿47u。可产生具有S极性磁通的电流流经V相齿47v的线圈49，齿47v激励S极磁通。 齿47v的受激励的S极磁通在箭头"a"的方向上排斥S极磁体42，即相同磁极的磁体。
另一方面，可产生具有N极性磁通的电流流经W相齿47w的线圈49，齿47w激励N 极磁通。齿47w的受激励的N极磁通在箭头"a"的方向上吸引S极磁体42，即相反磁极的 磁体。 转子38通过由排斥力和吸引力引起的朝向箭头"a"方向的转矩在箭头"a"的方 向上旋转，并转变到图5(b)所示状态。就是说，N极磁体42位于各U相齿47u和各V相齿 47v之间，而S极磁体42位于W相齿47w正上方。 在此状态下，电流方向改变为在U相齿47u的线圈49中产生N极磁通。齿47u激 励N极磁通，受激励的N极磁通在箭头"a"的方向上排斥N极磁体42，即相同磁极的磁体。
另一方面，电流方向改变为在V相齿47v的线圈49中产生S极磁通。齿47u激励 S极磁通，受激励的S极磁通在箭头"a"的方向上吸引N极磁体42，即相反磁极的磁体。
此外，流向W相齿47w的线圈49的电流关断，齿47w中没有磁通产生，而只有来自 S极磁体42的磁通流经齿47w。 同样在此状态下，转子38通过由排斥力和吸引力引起的朝向箭头"a"方向的转矩 在箭头"a"的方向上旋转，并转变到图5(c)所示状态。在此状态下齿47与磁体42之间的 关系与图5(a)中所示的相同。不过，各齿47与各N极和S极磁体42之间各自的关系在箭 头"a"的方向上一个接一个地改变。 就是说，N极磁体42位于V相齿47v正上方，而S极磁体42位于各W相齿47w和
作为相邻组三相之一的各U相齿47u之间。 在图5(c)的状态下，齿47v、齿47w和相邻齿47u的电流以及线圈49中产生的磁 通极性分别与图5 (a)的状态下一组三相的齿47u、齿47v和齿47w的电流以及线圈49中产 生的磁通极性相同。 就是说，在此状态下，箭头"a"方向上的转矩由排斥力和吸引力产生，该转矩使转 子38在箭头"a"的方向上旋转并转变到图5(d)所示状态。在此状态下齿47与磁体42之 间的关系与图5(b)中所示的相同。不过，在此状态下，各齿47与各个磁体42的N极和S 极之一之间的关系也在箭头"a"的方向上一个接一个地改变。 就是说，N极磁体42位于各V相齿47v和各W相齿47w之间，而S极磁体42位于
作为相邻组三相之一的U相齿47u正上方。 在图5(d)的状态下，齿47v、齿47w和相邻齿47u的电流以及线圈49中产生的磁 通极性分别与图5 (b)状态下一组三相的齿47u、齿47v和齿47w的电流以及线圈49中产生 的磁通极性相同。 下面类似地，转子38转变到图5(e)的状态，进而转变到图5 (f)的状态。这样，N极磁体42位于该组三相的各W相齿47w和各齿47u之间。图5 (a)左手侧示出的包括U相 齿47u、 V相齿47v和W相齿47w的一组三相与该对N极磁体42和S极磁体之间的驱动关 系终结。 如图5(a)所示，包括U相齿47u、V相齿47v和W相齿47w的另一组三相与另一对 N极磁体42和S极磁体(与前述关系已经终结的一对N极磁体42和S极磁体相邻，并位于 前一对的上游)之间的另一驱动关系又如图5(a)到(f)所示连续不断地开始了。
此外，在对图5(a)到(f)的说明中，为了易于理解，磁体42与齿47之间的定位关 系被分成六个阶段。但是实际上，作为施加到线圈49的电流，正弦曲线的电流以规则的相 位差被连续施加到彼此相邻的每组三相的三个齿47。所施加电流在线圈49中产生的磁通 的方向和大小因转子的磁体42旋转而变化。 此外，在实际布置中，N极和S极磁体42之间的各个距离比图5(a)到(f)中所示 的更短，并且一个齿47可以与N极磁体42和S极磁体42都相对。此外，如果使用具有多 个极对的单个磁体而不是奇数个磁体42，则N极和S极将彼此接触，其间没有间隔。
图5 (a)到(f)所示的关系沿旋转方向顺序改变到与相邻齿和磁体相关联的齿47 和一对两个磁体42的所有三相组中的另一个。就是说，齿47的一组三相的两个齿与齿47 的相邻组三相的一个齿形成下一组三相，一对两个磁体42的一个磁体与相邻对两个磁体 42之一形成下一对磁体。 用于改变线圈磁通方向的电流在逆变器54的控制下改变，并且施加电流的时刻 也在逆变器54控制下根据由图3所示磁极检测元件57a、57b和57c对N极磁体42和S极 磁体42旋转位置的检测给出。 如所说明的，在轴向间隙型电动机中，在转子38和定子39之间形成磁路，定子39 的各齿47的激励通过缠绕在各齿47周围的线圈对应于转子38的磁体42的N极和S极而 顺序改变，从而用转子38的磁体42克服各齿47的激励的排斥力和吸引力使转子38旋转。
图6是示出实际布置中一个齿47与N极磁体42和S极磁体42都相对的示意图， 其中N极磁体42和S极磁体42的位置彼此靠近。在此示意图中，箭头"a"仍指示转子38 的旋转方向。此外，N极磁体42和S极磁体之间的磁通流动方向由箭头G1、G2和G3指示。 另外，此状态与图5(a)到(f)中所示的状态改变到彼此时出现的过渡状态相同。
图6中，在俯视图中如箭头E所示，电流逆时针流经缠绕在定子39上的齿47周围 的线圈49。因此，线圈49中产生并由齿47激励的磁通如箭头G4所示地流动，并与在N极 磁体42和S极磁体42之间流动的磁通交叉。此时，N极磁体42的排斥和S极磁体42的 吸引也在转子38中产生沿箭头"a"方向的转矩。 在图6中，当磁体42相对于齿47移动到其他位置，并且左手侧的磁体42由N极 磁体取代，而右手侧的磁体由S极磁体取代时，供给齿47的电流方向与箭头E所指示的方 向相反，即在示意图的俯视图中该方向改变为顺时针方向。 附带地，在具有上述基本结构的电动机中，由于其转速上的结构限制，其旋转功率 并未大过某个限值。如果转化为摩托车速度，为了获得图l所示车辆行驶所必需的转矩，限 值是大约每小时20km。但是可以理解，该数据可以根据轮胎直径、传动齿轮系统的传动比、 电动机规格等变化。 图7是说明普通电动机转速限值的原因的示意图。图7示出图5(c)中所示N极磁体42、 V相齿47v及其周围其他结构的定位状态。 此外，图7只示出了 V相齿47v的线圈49而略去了其他齿的线圈。如参考图5所
作说明，当磁体42位于齿47的正上方时，没有电流施加到线圈49中。在图7中，转子38、定子39和齿47(47u、47v和47w)由软磁性材料制成。由于磁
体42和齿47的相对表面之间的距离"d"非常小，间隔磁阻很小。这样，在N极磁体42(N)
和S极磁体42(S)之间流动的磁通被分为两部分，其一部分成为磁通流61，而其另一部分成
为磁通流62，流经磁体42的磁极、转子38、齿47和定子39。 于是，包括混合在一起的前述两个磁通流61和62在内的更大的磁通经由置于线 圈49中的齿47v而穿过齿47v的线圈49。 在转子38沿箭头"a"方向旋转时，由于穿过线圈49的磁通划过线圈49，根据法拉 第电磁感应定律，在线圈49中产生电流。线圈49中产生的电流反过来产生来自线圈49的 具有S极性的磁通。 就是说，由线圈49中产生的电流在线圈49中(即在齿47中)产生的S极磁通起 吸引N极磁体42(N)的作用。 换言之，阻力(磁阻)影响转子38的旋转。转子38旋转越快，包括一起混合在线 圈49中的前述两个磁通流61和62在内的磁通划过线圈49的速度就越快。磁通划过线圈 49的速度越快，线圈49中产生的电流就越大。线圈49中产生的电流越大，电流在齿47v中 产生的增加转子38磁阻的磁通量就越大。 不久，转子38增加的旋转功率大小与磁阻达到相互平衡。此平衡状态就是上述转 速的限值。当然，该限值可以随供电的增加而上升。不过这并非好的方案，因为耗电以几何 级数增加。 作为改善轴向间隙型电动机旋转特性弱点以增加旋转功率的方法，即将旋转状态 从高转矩低速旋转改变为低转矩高速旋转的方法，已知一种场磁体弱化控制方法。
图8是示意性示出场磁体弱化控制方法的示意图。如参考图7所作说明，在N极 磁体42 (对于S极磁体42也一样)位于齿47正上方时线圈49中没有施加电流的状态下， 当转速增加时，较大的阻力影响转子38的旋转。 但是，如图示，如果当N极磁体位于齿47的正上方时，沿箭头E所指示方向(对于 S极磁体42则方向相反)对线圈49施加中等的电流，则沿箭头G4指示的方向产生具有N 极性的磁通(对于S极磁体42则方向相反)。 此线圈产生的磁通起削弱如箭头G2所指示从N极磁体42到齿47的N极磁通的 作用。就是说，由于磁通起削弱图7所示磁通流61和62的作用，所以与削弱磁通流相应， 磁阻减小并且旋转功率变大。即，可以实现低转矩高速旋转。 在场磁体弱化控制方法中，新电流进一步增加到要施加至线圈用于旋转(以产生 转矩)的电流上，该新电流的相位与施加到齿47的具有U相、V相和W相这三相的交流电 流的相位不一致，该三相交流电流是在图5所示电磁体42位于齿47的正上方、电流为零的 时刻施加的，也就是，该新电流是在电流变成零的时刻在减弱从电磁体42到线圈的磁通的 方向上产生磁通的电流。就是说，新施加的电流对旋转转矩本身没有贡献。
此外，上面还说明，作为实现电动机低转矩高速旋转的方法，有另一种方法在旋转 方向上增大转子和定子的相对距离，即增大转子和定子之间的磁隙。
但是本发明的发明人注意到，转子和定子之间的磁隙中磁通流的流动不稳定。本 发明源于发明人对磁隙中磁通流的流动不稳定这一事实的注意。 发明人发现了磁通流流动状况良好的部分，还发现如果在该处形成可变磁隙，即 可控制磁通流的流动。从而可以改进输出特性的可控性。下文对此进行说明。
(根据本发明第一实施例的轴向间隙型电动机的结构和操作) 接下来，根据上述轴向间隙型电动机的基本结构和驱动原理，说明根据本发明第 一实施例的轴向间隙型电动机的结构和操作。 图9是将根据第一实施例的轴向间隙型电动机和后臂后端周围的结构一同示出 的截面图。此外图9中，与图2中所示相同的组成部分被赋予与图2中所用相同的标号和 符号。 图IO是根据第一实施例的轴向间隙型电动机的分解立体图。下面参考图9和图 IO说明本实施例的轴向间隙型电动机(下文中简称为电动机)的结构。
首先，本实施例的电动机70具有转子71。转子71被构造成像圆盘一样绕着旋转 轴72的轴线旋转。转子71具有与图2和图4的基本结构中所示转子38相同的结构。
就是说在图10中，转子71、旋转轴72、转子侧磁轭73、环形段74、锥形段75、第一 圆筒段76、环形段77、第二圆筒段78和场磁体79分别与图2和图4所示转子38、旋转轴 43、转子侧磁轭41、环形段41a、锥形段41b、第一圆筒段41c、环形段41d、第二圆筒段(旋转 轴)41e和场磁体42相同。 定子(定子段)88布置为与转子71(更具体地说，是布置了多个场磁体79的表 面)相对。定子88分成两个部分，第一定子段83和第二定子段87。 第一定子段83包括第一定子铁心80，其具有由夹持器(未示出)所夹持的多个第 一齿81 。第一齿81以这样的方式布置，即每个第一齿81的一端表面81a与转子72在轴向 上相对。每个齿81具有缠绕在除了两个端表面(81a、81b)之外的周边侧表面81c周围的 绕组82。 此外，第一齿81以这样的方式形成，即与转子71相对的每个齿81的端表面81a 比相反的端表面81b更大。这样，对于相邻的第一齿81与81之间的间隔，使与转子71相 对的端表面81a之间存在的一个间隔窄，而使相反的表面81b之间的另一间隔宽。
具有各绕组82的每个第一齿81与绕组82 —起模制成型以形成整体结构为环形 的各第一定子段83。此外，施加到第一定子段83的第一齿81的各绕组(线圈)82以产生 转矩的驱动电流控制是使用了与参考图5所述相同的方法的电流控制，即不包括场磁体弱 化控制的基本驱动方法，并且在驱动电流控制下产生电动机转矩。 此外，第二定子段87本身形成带有第二齿84的第二定子铁心(87)，第二齿的数目 与由夹持器85夹持的第一齿81的数目相同。第二定子段87的每个第二齿84具有一个端 部84a，其布置为与相反端表面81b相对，所述端表面81b相对于转子71对面的第一定子段 83的第一齿81的端表面81a位于其反面。 每个第二齿84的另一端84b分别压配进多个容齿开口 86之一，这些容齿开口 86 形成于待固定的环形夹持器85上。第二齿84与压配有第二齿84并固定到容齿开口 86的 夹持器85共同形成第二定子段87。优选地，第二齿84和夹持器85也是整体模制的。因 此，这些部件在此实施例中是模制成型的。不过，图IO中没有示出模具。
图11是示出具有上述结构的电动机70与旋转控制系统一起完整组装好的状态的立体图。此外在图11中，与图10中所示的相同部件被赋予与图10中所用的相同的标号。另外，第一定子段83和第二定子段87的模具未在图11中示出。此外，图ll所示第二定子段87的夹持器85中指示出了图10中略去的切口 89(参见图4的切口 59)。
如图11所示，图10的分解视图中所示电动机70的转子71、第一定子段83和第二定子段87沿着旋转轴方向依次定位成彼此略微分开。 尽管未示出，但所谓的第一定子段83通过在模制部分形成的啮合段固定到图2所示后臂23的后端23a。相反，下面说明第二定子段87并未完全固定，而可以相对于第一定子段83稍微枢转。 如图11所示，用于第二定子段87的枢转机构以这样的方式构成，即用于齿轮啮合90的带齿部分与旋转控制系统的减速齿轮91的小直径齿轮啮合，其中该带齿部分形成于第二定子段87的夹持器85的一部分周边侧表面。 减速齿轮91的大直径齿轮与下一级减速齿轮92的小直径齿轮啮合，并且减速齿轮92的大直径齿轮与第三级减速齿轮93的小直径齿轮啮合。减速齿轮93的大直径齿轮与固定安装在电动机94旋转轴尖端的蜗轮95啮合。 电动机94连接到控制器97的未示出的驱动脉冲电压输出端子，从电源96向该控制器97供给用于驱动电路的电力。通过蜗轮95将电动机94正反向旋转的轴线改变为与其原来的方向成直角延伸。旋转还被减速并传递到减速齿轮93的大直径齿轮。旋转经过相应于减速齿轮93、92和91之间依次的齿数比的三级减速，然后被传递到形成于第二定子段87的夹持器85上的用于齿轮啮合的带齿部分90。 因此，第二定子段87构成为可在转子71的旋转方向上相对于第一定子段83略微移动。即第二定子段87可以以狭窄的枢转角连续、间歇并往复地运动。换言之，第二定子段87可以沿着转子71的旋转方向在正反两方向上无级、间歇地略微运动。
图12(a)、(b)和(c)的示意图用于说明第二定子段87沿转子71的旋转方向相对于第一定子段83所做往复运动的枢转角和操作。此外，在图12(a)、 (b)和(c)中，为了简单示出第二定子段87的第二齿84相对于第一定子段83的第一齿81的过渡状态，此示意图中略去了图11所示绕组82、切口 89以及用于齿轮啮合的带齿部分90、旋转控制系统等。
图12(a)示出进行高转矩低速旋转时第二定子段87的第二齿84相对于第一定子段83的第一齿81的位置关系。在此实施例中，此位置关系中的位置是基准位置。
随着第二定子段87的上述枢转运动，第二齿84可以沿着由箭头"a"指示的转子71的旋转方向而在一个窄角度范围内枢转(往复运动)，从图12(a)所示基准位置即每个第二齿84正对着各第一齿81的位置，经过图12(b)所示的中途位置，到图12(c)所示最大可移动位置即各第一齿81和81之间的正中间位置。此外，图12(b)所示中途位置在无级和间歇枢转运动中可以是确定的任意位置。 图13(a)和(b)是用于说明在从高转矩低速旋转到低转矩高速旋转范围内，对此实施例中电动机70所进行的旋转控制原理的示意图。 此外，为了图示简单，图13(a)和(b)中略去了缠绕在各齿81周围的绕组82和模具。类似地，示意图中略去了第二齿84和夹持器85的模具。 此外，图13(a)示出了图12(a)所示高转矩低速旋转状态，在该状态下，每个第二
15齿84正对着各第一齿81。图13(b)示出图12(c)所示低转矩高速旋转状态，在该状态下， 每个第二齿84位于各第一齿81和81之间的正中间位置。 图13(a)还示出了转子71的第i个磁体79i正对着定子侧的第一定子段83的第 i个第一齿81i，且定子侧的第二定子段87的第i个第二齿84i正对着第一齿81i的状态。 即图13(a)示出了与图12(a)所示相同的状态。 此外，图13(b)示出了转子71的磁体79i与第一定子段83的第一齿81i之间的 位置关系没有改变，而第二定子段87的第二齿84i位于第一定子段83的各第一齿81i和 81i+l之间的正中间位置的状态。即图13(b)示出了与图12(c)所示相同的状态。
在图13(a)中，转子侧磁轭73的环形段74、第一定子段83的第一齿81 (81i_l、 81i、81i+l)、第二定子段87的第二齿84(84i-l、84i、84i+l)以及夹持器85都属于转子71， 并具有强导磁性。此外，磁体79(79i-l、79i、79i+l)和第一齿81的相对表面，以及第一齿 81和第二齿84的相对表面相互分别非常接近。这样，磁体79 (79i-l、79i、79i+l)和第一齿 81的相对表面之间的磁阻"h"以及第一齿81和第二齿84的相对表面之间的磁阻"k"很 小。 此外，如上所述，与转子71相对的每个第一齿81的端表面81a被形成为比其另一 端表面81b更大。这样，在各相邻第一齿81之间，与转子71相对的端表面81a之间形成的 磁阻"j"比其他表面之间形成的磁阻小得多；但是，此"j"大于与转子71之间的磁阻"h"。
就是说，磁阻之间有(h — k<j )的关系。 这样，磁体79i (确定为N极)与相邻磁体79i-l (因而为S极)之间产生的磁通 几乎不通过具有磁阻"j"的部分，而是形成强磁通流98a，其通过具有磁阻"h"的部分、第一 齿81i、具有磁阻"k"的部分、第二齿84i、夹持器85、第二齿84i-l、具有磁阻"k"的部分、 第一齿81i-l、具有磁阻"h"的部分、以及环形段74。 此外，磁体79i(N极)与另一相邻磁体79i+l(S极)之间产生的磁通几乎不通过具 有磁阻"j"的部分，而是形成强磁通流98b，其通过具有磁阻"h"的部分、第一齿81i、具有磁 阻"k"的部分、第二齿84i、夹持器85、第二齿84i+l、具有磁阻"k"的部分、第一齿81i+l、 具有磁阻"h"的部分、以及环形段74。 即使磁体79i不是N极磁体而是S极磁体，这些现象也发生，只是磁通以相反方向 行进，并类似地形成强磁通流流经有关磁体79、第一齿81、第二齿84、夹持器85和环形段 74。 上面说明了如果不采取任何措施，强磁通将导致可以很快产生限值的磁阻，其抵 制电动机70从高转矩低速旋转到低转矩高速旋转的过渡。上面也说明了存在使此限值推 迟出现的场磁体弱化控制。 但是在本实施例中，如图ll和图12(a)、 (b)及(c)所示，第二齿84可以沿着箭 头"a"所指示的转子71旋转方向，从每个第二齿84正对着各第一齿81的基准位置到位于 各第一齿81和81之间的正中间位置处的最大可移动位置，在窄角度范围内枢转(往复运 动)。 现在假定第二齿84从图13(a)所示的基准位置枢转到图13(b)所示的最大可移 动位置。此时，在每个第一齿81和各第二齿84的相对表面之间形成磁阻"m"，其大于正对 状态下的磁阻"k"。此外，由于每个第二齿84位于从夹持器85凸出的结构中，所以形成了
16磁阻"n"，其大于第二齿84形成的磁阻"m"。 就是说，其间存在"m〈 n"的关系。与磁阻"m"相比，磁阻"n"可以忽略。这样，在图13 (b)所示状态下，当第二齿84移至每个第一齿81与相邻的另一个第一齿81之间的正中间位置时，在每个第二齿与各第一齿的相对端表面81b之间形成的磁阻几乎是"m"，其中相对端表面81b相对于转子71对面的端表面81a位于反面。 如上所述，与转子71相对的每个第一齿81的端表面81a形成为比其另一端表面81b更大。这样，在各相邻第一齿81之间，在与转子71相对的端表面81a之间形成的磁阻"j"非常小，在图13(b)所示状态下，磁阻"j"与磁阻"m"之间形成(j < 2m)的关系。
就是说，在与转子71相对的每个第一齿81的端表面81a与相邻的另一个第一齿81的端表面81a之间限定的距离(磁阻"j")小于在每个第二齿与相对端表面81b之间限定的最小距离(磁阻"m")，其中相对端表面81b相对于转子71对面的第一齿的端表面81a位于反面。 如图13(b)所示，通过引入此状态，即各构件的磁阻之间的关系为h < j < m < n的状态，在磁体79i (N极)与另一相邻磁体79i-l (S极)之间形成的磁通形成弱磁通流99a，由于磁阻"m"和磁阻"n"的原因，弱磁通流99a并未从第一齿81i流向第二齿84i_l或夹持器85，而是通过第一齿81i、具有磁阻"j"的部分、第一齿81i-l以及环形段74。
此外，磁体79i (N极)与另一相邻磁体79i+l (S极)之间形成的磁通形成弱磁通流99b，由于磁阻"m"和磁阻"n"的原因，弱磁通流99b并未从第一齿81i流向第二齿84i+l或夹持器85，而是通过第一齿81i、具有磁阻"j"的部分、第一齿81i+l以及环形段74。
这样，来自磁体79的磁通没有划过各第一齿81的未示出的绕组82，并且划过绕组82的这些磁通产生的抵制转子71在其旋转方向上旋转的磁阻消失了。因此转子可以高速旋转。 同样类似地，来自磁体79的磁通不流入各第一齿81的绕组。这样，降低了在带电的第一齿81与磁体79之间产生并随后供给转子71的转矩。即实现了低转矩高速操作。
如所说明的，第二齿简单地在以下两个位置之间往复移动，即第二齿正对着第一齿的位置与第二齿位于到相邻第一齿的中途处的另一位置。因此整体结构可以较紧凑。
现在说明形成磁阻的间隔，即引起磁阻的间隙("j"、"k"、"m"、"n"等)。弓|起磁阻的间隙定义为空气或等价物的磁阻间隔。引起磁阻的间隙(下文简称为间隙)将进一步说明。 图14(a)到(e)是说明改变两构件之间的磁阻和间隙的接触面积间差异的示意图。通常已知，当来自磁体的磁通流将要在由磁性材料制成的两构件之间流动时，如果任何部分被确认为磁通的流动路线，则磁体不提供任何多余的磁通。 当两构件被间隙完全分隔时，磁体无论如何尽量使磁通流动，并且磁通从提供了最容易路线的部分，即从最狭窄的间隙开始流动。 图14(a)示出了截面构造为字母L的两个磁性构件101和102彼此紧密耦合的状态。磁性构件101主要部分的垂直截面面积为A，而磁性构件101凸出部分的垂直截面面积为B。同样，磁性构件102的主要部分的垂直截面面积为D，而磁性构件102凸出部分的垂直截面面积为D-B。各凸出部分的水平截面面积为C，且彼此相同。 现在，给定下列条件面积A 二面积D 二面积C = 200S，面积B = 50S。同样，确定来自示意图外的磁体的磁通103从磁性构件101流向磁性构件102。 设如图14(b)所示，两磁性构件101和102移动以在垂直截面的面积为B的部分 和垂直截面的面积为D-B的部分处彼此分别相对分开距离a和b(a = b)，而水平表面的面 积为C的部分彼此滑动接触。 对于这种移动，由于在两个磁性构件101和102之间形成了距离为b的间隔，流入 磁性构件101的面积A = 200S的主要部分的磁通流在面积B部分处变得饱和，并减小为流 经面积B = 50S的磁通流。此磁通流103通过滑动表面CI (面积CI = 150S，B < CI)流入 磁性构件102。 接着，设如图14(c)所示，两个磁性构件101和102进一步移动以在垂直截面的面 积为B的部分和垂直截面的面积为D-B的部分处彼此分别相对分开距离2a和2b，而水平表 面的面积为C的部分彼此滑动接触。 在此情况下，在面积为B的部分处发生饱和的磁通流也减小为流经面积B = 50S 的磁通流，并通过滑动表面C2 (面积C2 = IOOS， B < C2)流入磁性构件102。
就是说，在图14(b)和图14(c)的状态之间没有磁阻改变。具体地说，在磁通方向 上将两个磁性构件101和102分隔开距离a、 b或2a、2b的间隔不是引起磁阻的间隔，因为 即使该距离改变，磁阻也没有改变(未变化)。即，此间隔不是间隙。 进一步，设如图14(d)所示，两个磁性构件101和102进一步移动以在垂直截面的 面积为B的部分和垂直截面的面积为D-B的部分处彼此分别相对分开距离3. 5a和3. 5b，而 水平表面的面积为C的部分彼此滑动接触。 此时，各水平表面的每个面积为C的部分的滑动表面面积为C3 = 25S。即得到下 列关系B > C3。这样，磁通流103在滑动表面C3处饱和，并且相应于面积25S的磁通流流 入磁性构件102。 就是说，当滑动表面的面积C小于磁性构件lOl凸出部分的垂直截面面积B时，两 个磁性构件101和102之间的磁阻第一次改变了。换言之，磁阻改变取决于两个构件之间 各滑动表面面积的改变。 图14(c)和(d)所示的磁阻改变不是由两个构件之间分隔开的距离改变(2a和2b 到3. 5a和3. 5b的改变)引起的，而是由滑动表面面积C的改变(C2到C3的改变)引起的。 即，已改变的分隔距离3. 5a和3. 5b仍然不造成间隙。 同样，在图14(e)示出的状态下，两个磁性构件101和102在垂直截面的面积为B 的部分和垂直截面的面积为D-B的部分处彼此分别相对分开距离5a和5b，使滑动表面C3 从紧靠状态完全脱离而分隔开距离C4。 如上所述，当两构件被间隙完全分隔开时，磁体的磁通流流经提供了最容易路线 的部分，即经过具有最狭窄距离C4的部分。S卩，在具有距离C4的部分处产生磁阻，并且距 离C4是磁阻间隙。即磁阻依照距离C4的改变而变化。 换言之，距离C4是使磁阻变化的间隙；但是，距离5a和5b不是改变磁阻的间隔， 即这些距离不是间隙。在此实施例中被说明为间隙的任何部分都是上述限定了距离C4的 部分。 在如此说明的本实施例中，定子分成至少两个部分，并且一个部分相对于转子的 旋转方向，即从转子流入各铁心(对应绕组缠绕在该铁心周围)的磁通流的方向成直角运动，以形成可变的间隙，从而大大改变旋转电机的输出特性，而无需消耗对转矩没有贡献的电力。 图15(a)和(b)示出第一实施例中轴向间隙型电动机可选方案(第一种)主要部分的结构。 图15(a)示出与图13(a)中所示状态相同的状态，在该状态下第一定子段83的每
个第一齿81正对着第二定子段87的各第二齿84。如示意图中双向箭头"e"所指示的，此
实施例中的每个第二齿84从此状态斜向下移动而与各第一齿81分隔开。 就是说，如图15(b)所示，第二定子段87在平行于转子71旋转方向的方向上移
动，也在与转子71旋转方向相垂直的方向上移动，该转子71在示意图外。 这样，第一定子段的每个第一齿81与第二定子段87的各第二齿84之间并在与转
子71旋转方向相垂直的方向上的距离从图15(a)中所示距离"p"改变到图15(b)中所示
距离"P'" (P， > P)。 就是说，每个第一齿83与每个第二齿84之间的磁阻间隙比图13(b)所示结构中的更大。因此，电动机的输出特性可以在更大范围内变化。 图16(a)到(d)示出第一实施例中轴向间隙型电动机另一可选方案(第二种)主要部分的结构。 如图16(a)和(b)所示，每个第一齿104在端表面处具有紧靠各第二齿105侧表面的突出部分104-1，所述端表面与第二齿105的一个端表面相对。 每个第一齿104因此阻止了各第二齿105向右移动超过图16(b)中所示的正对位置。 在此实施例中，每个第二齿105也不仅在平行于转子71旋转方向的方向上移动，而且在与转子71旋转方向相垂直的方向上移动，其中转子71存在于示意图外。即每个第二齿105斜向下移动以与各第一齿81分隔开。 图16(c)示出一种可选方案，其中每个第二齿105如箭头"f"所指示水平移动，而
图16(d)示出另一种可选方案，其中每个第二齿105如箭头"g"所指示斜向下移动。 此外在此可选方案中，每个第一齿104与每个第二齿105之间的磁阻间隙比图
13(b)所示结构中的更大。因此，电动机的输出特性可以在更大范围内变化。(根据本发明第二实施例的轴向间隙型电动机的结构和操作) 图17(a)到(d)示出第二实施例中轴向间隙型电动机主要部分的结构。 如图17(a)和(c)所示，此实施例中每个第一齿106以这样的方式形成，即面向转
子71环形段74的端部106-1以下的部分包括周围具有绕组107的有绕组部分106-2和周
围没有绕组的无绕组部分106-3。 关于这一点，如图17(b)和(c)所示，每个第二齿108分成内齿部分109和外齿部分IIO，其中内齿部分109与各第一齿106的有绕组部分106-2相对应，外齿部分110与各第一齿106的无绕组部分106-3相对应。 每个第二齿108的内齿部分109置于环形夹持器111的内侧(接近中心轴线一侧)，而外齿部分110置于夹持器111外侧以及位于两相邻内齿部分109之间的中间位置处。 图17(c)所示状态与图13(a)所示状态相同，因为每个第一齿106的有绕组部分106-2与每个第二齿108的内齿部分109彼此正对。而且，因为无绕组部分106-3与外齿部 分110置于环形布置的外侧并交替安排，所以磁隙非常大并且其几乎不影响磁通流。
与之相反，关于每个第一齿106的有绕组部分106-2与每个第二齿108的内齿部 分109之间的定位关系，图17(d)所示状态与图13(b)所示状态相同。每个无绕组部分 106-3与各外齿部分110彼此正对。 就是说，每个场磁体79的磁通经过各无绕组部分106-3、外齿部分110和夹持器 111回流，并且几乎不流经每个第一齿106的有绕组部分106-2。 S卩，可以比图13(b)中所 示实施例更加有力地切断每个有绕组部分106-2的磁通。 此外，在第一和第二实施例中，转子和定子的相对表面以及定子所分两部分的定 子段的相对表面，布置为平行于(示意图中水平地)转子的旋转表面延伸；不过，这些构件 的相对表面不限于这种平行布置。 图18(a)和(b)示出另外一种可选方案，其中转子和定子的相对表面以及定子所 分两部分的定子段的相对表面倾斜延伸。 在图18(a)和(b)所示的可选方案中，由夹持器112所夹持的场磁体113、第一齿 114以及由夹持器115所夹持的第二齿116的各相对表面相对于转子112的中心117沿其 径向向上且向外延伸。利用这种可选的结构，可以获得与第一和第二实施例中相同的作用 和效果。(根据本发明第三实施例的径向间隙型电动机结构) 图19是示出根据第三实施例的径向间隙型电动机结构的截面图。 此外在示意图中，为了简单示出第三实施例与第一实施例相比较，具有相同功能
的部件被赋予与图10中所赋相同的标号。 如示意图所示，此径向间隙型电动机包括圆筒形转子73和第一定子铁心83，其中 转子73绕旋转轴的轴线(由示意图中旋转中心117所指示)旋转，第一定子铁心83位于 圆筒形转子73内部并具有多个第一齿81，这些第一齿81各自的一个端表面分别与转子73 相对，并且绕组82缠绕在每个第一齿81除端表面81a和81b以外的周边侧表面周围。
电动机还包括具有多个第二齿84的第二定子铁心87。每个第二齿84具有一个端 表面84a，其定位为与第一齿81的所述一个端表面(其相对于转子73对面的另一端表面位 于反面)相对。第二齿也具有夹持在夹持器85中的另一端表面84b。 在此径向间隙型电动机中，第二定子铁心87的移动与通过各第一齿81的磁通流
方向(即示意图中的顺时针或逆时针方向)成直角，所述磁通流在第一定子铁心83的磁绕
组82通电时产生。因此，可实现与参考图13(a)和(b)所述相同的场磁体控制。(根据本发明第四实施例的径向间隙型电动机结构) 图20是示出根据第四实施例的径向间隙型电动机结构的截面图。 此外同样在示意图中，为了简单示出第四实施例与第一实施例比较，具有相同功
能的部件被赋予与图10中所赋相同的标号和符号。 如示意图所示，此径向间隙型电动机包括柱形或圆筒形转子73以及第一定子铁 心83，其中转子73绕旋转轴72旋转，第一定子铁心位于转子73径向外侧并具有多个第一 齿81，这些第一齿81各自的一个端表面分别与转子73相对，并且绕组缠绕在每个第一齿 81除了端表面81a和81b以外的周边侧表面周围。
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电动机还包括具有多个第二齿84的第二定子铁心87。每个第二齿84具有一个端表面84a，其定位为与第一齿81的所述一个端表面81b(其相对于转子73对面的另一端表面81a位于反面)相对。第二齿也具有夹持在夹持器85中的另一端表面84b。
在此径向间隙型电动机中，第二定子铁心87的移动与通过各第一齿81的磁通流方向(即示意图中的顺时针或逆时针方向)成直角，所述磁通流在向第一定子铁心83的磁绕组82供电时产生。于是，可实现与参考图13(a)和(b)所述相同的场磁体控制。
(根据本发明第五实施例的轴向间隙型电动机结构) 图21是示出根据第五实施例的轴向间隙型电动机主要部分的立体图。此示意图只示出了此实施例的轴向间隙型电动机的转子。 如图21所示，首先，此实施例的转子120包括多个场磁体122，其固定地位于第一转子段120-1的转子磁轭的环形段121上。 其次，转子120包括以这样的方式构建的第二转子段120-2，即数目与场磁体122的数目相同的磁性构件123置于未示出的旋转夹持器上，以与每个场磁体122的旋转表面几乎可滑动地接触，并且第二转子段120-2与第一转子段120-1共轴啮合并同第一转子段120-1 —起旋转。 定位为与转子120相对的定子具有与图3和4中所示定子39相同的结构。
在此实施例的这种轴向间隙型电动机中，如图21所示，当其进行低速高转矩旋转时，第一转子段120-1和第二转子段120-2以这样的方式定位，即各场磁体122与磁性构件123完全相互重叠而同相旋转。 从而，场磁体122的磁通被控制为聚集在各磁性构件123中，然后流入定子的齿中。 图22的示意图示出在该结构中的转子120进行高速低转矩旋转时，第一转子段120-1与第二转子段120-2之间旋转相位的偏移关系。在图22示出的状态下，第一转子段120-1与第二转子段120-2之间旋转相位的偏移最大。 第一转子段120-1和第二转子段120-2可以在下面两种状态之间相对于彼此移动，在一种状态下，如图21所示各相位彼此一致，而在另一种状态下，如图22所示各相位相互有不超过15度的偏移。 如图22所示，在各相位偏移15度的状态下，除了部分形成于旋转中心附近的端部处的相对较小的间隙外，每个场磁体122与各磁性构件123之间的磁隙在旋转轴宽度方向的较大部分处变得非常大。这样，每个场磁体122的几乎全部磁通流都经由环形段121流经相邻场磁体122而回流。 通过形成于旋转中心附近部分处的小间隙流入磁性构件123的磁通流是全部磁通流中非常小的部分。而且，除了部分形成于旋转中心附近的端部处的相对较小的间隙外，每个磁性构件123与定子各齿之间的磁隙在旋转轴宽度方向上的较大部分处也变得非常大。 这样，从各场磁体122少量流入每个磁性构件123的磁通流不流经定子的齿。因此可以在高速低转矩旋转中实现驱动条件。 换言之，通过适当定位第一转子段和第二转子段以控制旋转相位偏移从图22所示状态到图23所示状态，控制了一定量的磁通泄漏。这样，无需浪费电力即可控制转速和转矩之间的关系。(根据本发明第六实施例的轴向间隙型电动机结构) 图23是示出根据第六实施例的轴向间隙型电动机主要部分结构的示意图。此示意图只示出了此实施例的轴向间隙型电动机的转子。 如图23所示，首先，此实施例的转子124包括多个磁性构件126，其固定地位于第一转子段124-1的转子磁轭的环形段125上。 其次，转子124包括以这样的方式构建的第二转子段124-2，即数目与磁性构件
126的数目相同的磁性构件组合式磁体(magnetic-member-combined type magnet) 129置
于旋转夹持器(未示出)上，以与每个磁性构件126的旋转表面几乎可滑动地接触，并且第
二转子段124-2与第一转子段124-1共轴啮合并同第一转子段124-1 —起旋转。 每个磁性构件组合式磁体129以这样的方式形成，即布置成与各磁性构件126相
对的磁性构件127和布置成与定子(未示出)相对的场磁体128相互堆叠。 定位为与转子124相对的定子具有与图3和4中所示定子39相同的结构。 在此实施例的这种轴向间隙型电动机中，如图23所示，当其进行低速高转矩旋转
时，第一转子段124-1和第二转子段124-2以这样的方式定位，即各磁性构件126和磁性构
件组合式磁体129完全相互重叠而同相旋转。 从而，组合式磁性构件127和位于其上并与组合式磁性构件127相对的磁性构件126收集来自每个场磁体128 —个磁极的磁通并调整其流动，之后，环形段125、相邻磁性构件126和位于磁性构件126对面下方的磁性构件127再次收集磁通并再次调整其流动。然后，磁通流过磁性构件127和组合式场磁体128。 来自每个场磁体128另一磁极的磁通流入定子与位于其下方的场磁体128相对的
每个齿中，并经由定子侧磁轭流过相邻齿。就是说，每个场磁体128的磁通流经各组合式磁
性构件127和磁性构件126、环形段125、相邻磁性构件126、与磁性构件126相对的磁性构
件127、与磁性构件127组合的组合式场磁体128、定子的齿、定子侧磁轭、相邻齿、以及与此
相邻齿相对的组合式场磁体128，以穿过缠绕在定子的齿周围的线圈回流。 此状态与图13(a)所示磁通流的流动状态相同。因此，可以在进行低速高转矩旋
转中实现驱动条件。 图24的示意图示出在结构中的转子124进行高速低转矩旋转时，第一转子段124-1与第二转子段124-2之间旋转相位的偏移关系。在图24示出的状态下，第一转子段124-1与第二转子段124-2之间旋转相位的偏移最大。 在此实施例中，第一转子段124-1和第二转子段124-2以在下面两种状态之间相对于彼此移动，在一种状态下，如图23所示各相位彼此一致，而在另一种状态下，如图24所示各相位相互有不超过15度的偏移。 如图24所示，在各相位偏移15度的状态下，每个磁性构件127与各磁性构件126之间的磁隙非常大。这样，每个磁性构件127的磁通流几乎不流入磁性构件126，即磁通流处于切断状态下。 此状态与图13(b)中所示状态略有不同；但是，下面的状态与图13(b)的状态相同，在该状态下，在先前磁通流已被收集并调整的部分处间隙变得更大，且将磁通切断使之不流过定子侧磁轭的齿。从而可以在进行高速低转矩旋转中实现驱动条件。
换言之，通过适当定位第一转子段124-1和第二转子段124-2以控制旋转相位偏移从图23所示状态到图24所示状态，控制了一定量的磁通泄漏。这样，无需浪费电力即可控制转速和转矩之间的关系。
权利要求
一种旋转电机，包括转子，其具有绕旋转轴的轴线旋转的环形段；具有多个第一齿的第一定子铁心，每个所述第一齿都具有其一个端表面与所述环形段相对的一个部分，且绕组缠绕在所述部分除了两个端表面以外的周边侧表面周围；和具有多个第二齿的第二定子铁心，所述多个第二齿各自的一个端部与所述第一定子铁心的所述第一齿的各另一端表面相对，所述另一端表面相对于所述转子对面的所述一个端表面位于反面，其中所述第二定子铁心可在所述转子的旋转方向或反转方向上移动，所述转子的各相对表面和所述第一齿形成为以这样的方式倾斜延伸，即在所述转子的所述相对表面中，靠近旋转轴轴线的一侧为内侧，另一侧为外侧，所述内侧比外侧厚。
全文摘要
本发明提供坚固的小型旋转电机，其具有能改变输出特性的机构，而不增加机械损耗，也不消耗对增加转矩没有贡献的电力。转子具有交替并固定布置的N极和S极磁体。第一定子段上多个第一齿中每一个与转子相对的端表面比相对表面更宽，且绕组缠绕在两端表面之间的部分周围。第二定子段具有与第一齿数目相同且无绕组的第二齿。第二齿布置为与各第一齿的较窄端表面相对，每个第二齿可在第二齿正对各第一齿的基准位置与位于各较窄端表面之间正中的最大可移动位置之间往复移动。在基准位置处，强磁通流从每个磁体流入整个第一齿。在最大可移动位置，弱磁通流只流过每个第一齿的较宽端表面上方。在中间移动位置处产生中等量的磁通流。
文档编号H02K21/24GK101783564SQ20091022189
公开日2010年7月21日 申请日期2005年11月11日 优先权日2004年12月9日
发明者室田圭子, 日野阳至 申请人:雅马哈发动机株式会社