专利名称：轴向型永磁铁同步电动机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及在旋转轴向具有间隙的轴向间隙型旋转电机的结构。
背景技术：
近年来，在工业用机器、家用电器、机动车元件等中重视节能的必要性。现在，国内的火力、水力、核电、风力等发电厂中所发出的电的绝大多数由电磁应用产品的旋转电机(发电机)发出。并且，国内所使用的电使用量中的一半以上被旋转电机的驱动消耗。上述旋转电机等电磁应用产品在铁心部使用软磁性材料，减少该铁心部的损失，成为实现上述产品的高效率化的方法。并且，作为其他效率提高对策，具有减少电流产生的导体的焦耳热所导致的损失(铜损)的方法，通过使用磁力强的永磁铁，增加每规定电流的磁力矩并以低电流得到必要转矩的电流。作为永磁铁马达的高效率化的方法，考虑有安装钕烧结磁铁等强力的磁铁的方法。然而，由于此类磁铁所使用的材料含有仅在世界有限的产地才能采掘到的稀有金属，因此具有环境问题和价格高涨等问题。因此，作为代替方法，一直以来使用大量生产的铁氧体磁铁而实现高效率化的必要性增强。举出专利文献I作为公开使用铁氧体磁铁的情况的马达高效率化手法的文献。在专利文献I中，为了在永磁铁马达使用的软磁性材料使用低损失的非晶形，提出有轴向间隙型的马达的方案，进而提出有以轴向的两面为转子的结构的马达作为为了减少铜损而增加永磁铁的体积的结构。然而，该结构与确立有制造方法的现有的径向间隙结构的马达相t匕，由于在将非晶形铁心浸入树脂之后使用磨刀石等切断非晶形铁心等制造方法复杂，因此存在马达的价格变高等课题。另外，构成马达而使用的铜线也存在资源枯竭的问题，担心价格高涨。因此，除了需要降低铁心的制造成本，还需要为了降低材料费用而不使用铜线来构成马达。现有技术文献专利文献专利文献1:日本特开2010-115069号公报上述的专利文献I中的课题是，在将成为定子铁心的非晶形金属浸入树脂之后使用磨刀石等切断定子铁心的制造方法复杂所导致的马达成本的增加。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种廉价且高效率的旋转电机，该旋转电机实现用于解决上述课题的轴向间隙马达的定子铁心使用非晶形金属的情况下的低成本结构，改善组装性而降低组装成本，并且彻底地廉价地构成使用的材料。用于解决问题的方法为了解决上述课题，本实用新型由铁基非晶形金属构成轴向间隙型马达的定子铁心，该定子铁心仅使用切断并层叠铁基非晶形金属箔带的简单的制造方法而制成，并具有将该定子铁心保持于保持该定子铁心的构件的定子铁心结构。并且，构成定子线圈的导体使用以铝为导电体的磁线，转子磁铁使用铁氧体烧结磁铁，由此提出将构成马达的主要直材的全部作为基底金属而抑制材料费用进而实现低成本化的结构。具体地说，一种轴向型永磁铁同步电动机，其特征在于，具备:具有铁氧体磁铁的第一转子；具有铁氧体磁铁的第二转子；以及配置于所述第一转子与所述第二转子之间的定子，所述定子具有:层叠铁基非晶形金属而构成的多个定子铁心；以及由铝材构成且卷绕于所述定子铁心及其周围的导体线圈。另外，在上述记载的轴向型永磁铁同步电动机中，其特征在于，在将所述第一转子以及第二转子各自的铁氧体磁铁的极数定义为N1、将所述定子的极数定义为N2的情况下，(N1/N2)大于 2/3。另外，在上述记载的轴向型永磁铁同步电动机中，其特征在于，所述轴向型永磁铁同步电动机具有将所述定子的极数设为12极、将所述第一转子以及第二转子的极数设为14极的结构，或者具有上述极数的整数倍的结构。另外，在上述记载的轴向型永磁铁同步电动机中，其特征在于，所述轴向型永磁铁同步电动机具有将所述定子的极数设为9极、将所述第一转子以及第二转子的极数设为10极的结构，或者具有上述极数的整数倍的结构。另外，在上述记载的轴向型永磁铁同步电动机中，其特征在于，所述铁基非晶形金属以形成为高磁通量密度的方式配合有铜等基底金属成分，从而成为通过热处理而进行调整的纳米晶体材料。另外，在上述记载的轴向型永磁铁同步电动机中，其特征在于，构成所述定子的金属材料全部由基底金属构成。另外，在上述记载的轴向型永磁铁同步电动机中，其特征在于，所述轴向型永磁铁同步电动机用作工业用泵、风扇、压缩机中的任一种，其额定效率满足由IEC即国际电气会议决定的效率的基准值亦即IE准则的IE4。另外，在上述记载的轴向型永磁铁同步电动机中，其特征在于，所述轴向型永磁铁同步电动机用作电梯卷扬机用的驱动马达，并配置于电梯升降路的内部。另外，在上述记载的轴向型永磁铁同步电动机中，其特征在于，所述轴向型永磁铁同步电动机具备:收纳所述定子的箱体外壳；以及配置于所述箱体外壳的收纳空间内且与所述定子和所述箱体外壳的内壁连接的树脂，其中所述箱体外壳在该箱体外壳的内壁形成有与所述树脂连接的阶梯差形状。另外，如上述那样，为了抑制材料费用而实现低成本化而不使马达的效率降低，形成为增加马达的极数并易于输出相对于马达的电流的转矩的结构。当单纯地增加马达的极数时，定子极数也增加，绕组数增加，与此相对地，配置于定子铁心与线圈导体之间的绝缘物的区域变大且导体的比例降低，因此形成为保持不使定子极的数量增加的状态而增多转子极数的结构。由于极数越多效果越好，因此以转子的极数比定子极的极数多的方式设定。由于在定子铁心采用低损失的非晶形金属，因此因极数增加而导致驱动频率变大进而导致损失的增加成为问题。根据上述结构，在定子使用铁基非晶形与铝铜线、且在转子使用铁轭与氧化铁(铁氧体)主要直材的全部，仅成为不必担心可使用年限的基底金属，能够实现获取风险的减少与成本的降低。实用新型的效果根据本实用新型，由于在定子铁心的制造过程中不需要浸入树脂等工序，因此能够比较廉价地制造定子铁心，并且，非晶形材料为100%使用的结构，不产生边角料，从而能够实现低成本化。并且，在定子使用铁基非晶形与铝铜线、且在转子使用铁轭与氧化铁(铁氧体)主要直材的全部，仅成为不必担心可使用年限的基底金属，能够实现获取风险的减少与成本的降低。并且，也能够期待因多极化与低损失化而提高马达的效率的效果。
图1是示出本实用新型的轴向间隙马达的整体结构的立体图。图2是示出本实用新型的轴向间隙马达的磁铁转子的横截面的图。图3是示出定子铁心的制作方法的立体图。图4(a)是示出定子铁心的结构的立体图。图4(b)是示出用于保持定子铁心并使定子绕组与定子铁心绝缘的树脂线轴的结构的立体图。图5是示出在树脂线 轴卷绕铝导体的磁线的状态的图。图6是示出定子、转子、以及壳体的关系的立体图。图7是示出成为本实用新型的第二实施例的极数与插口数的马达结构的立体图以及剖视图。图8是示出将本实施方式的轴向间隙型永磁铁同步电动机利用于工业用的泵或风扇系统的例子的图。附图标记说明如下:la...转子轭，lb...转子轭，2a...铁氧体环磁铁，2b...铁氧体环磁铁，3...线圈，4...乙烯被覆电线，5...终端结线部，6...环套筒，7...线轴，8...铁基非晶形金属箔带，10…定子铁心，11...铁心，12...圆，13...四方，22...切断刀具，23...切断刀具，25...输送棍，31...定子，34…箱体外壳，35…阶梯差形状，36…转轴，37...轴承，41…螺纹孔，42…孔，43…键槽，45...薄型泵，100...轴向间隙型永磁铁同步电动机，101...转子，102...转子，103...磁性材料，104…定子，105…转子，106…转子。
具体实施方式
以下，使用附图对本实用新型的实施例进行说明。实施例1以下，使用附图对本实用新型的第一实施例进行说明。图1是示出本实施方式所涉及的轴向间隙型永磁铁同步电动机100的定子部与转子部的结构的立体图。[0048]定子31配置于轴向间隙型永磁铁同步电动机100的轴向中央部。转子101以与定子31的一方的圆形面对置的方式配置。另外，转子101在靠近定子31的面具有铁氧体环磁铁2a。转子102以与定子31的另一方的圆形面对置的方式配置。另外，转子102在靠近定子31的面具有铁氧体环磁铁2b。换句话说，转子101与转子102分别配置于定子31的轴向的两端部。圆环状的铁氧体环磁铁2a利用粘合剂等固定方法而与由磁性体构成的转子轭Ia连接。虽然铁氧体环磁铁2a也可以一体形成为圆环状，但在大小的关系上等难以制作的情况下，也可以组合分割为多个的磁铁而用作圆环状。并且，该铁氧体环磁铁2a构成为N极与S极在周向相互不同地配置的方式被磁化。其极数在图1中示出为14极的情况。每一极的形状形成为扇形的形状，以使得在周向形成为等角度、相同截面积。在本实施例中，扇形的打开角度为360/14度亦即约25.7度。圆环状的铁氧体环磁铁2b也与铁氧体环磁铁2a同样，利用粘合剂等固定方法而与由磁性体构成的转子轭Ib连接。通常，在三相的永磁铁同步马达中，马达的转子的极数与插口数的关系一般为2: 3。磁铁马达的一个极对以磁铁的N极与S极成一对的方式构成。在三相马达的情况下，在该一对极对之中，由于是配置有三相的量的绕组的结构，因此形成为两个磁铁极与三个定子极(插口)的关系。本实施例构成为，定子极数为12且插口数为12，并且将磁铁极数设为14极，转子的极数与插口数之间的关系为7: 6。换句话说，轴向型永磁铁同步电动机100具有12极与14极的整数倍的结构。在本实施例中，由于能够期待基于非晶形金属应用于定子的铁损减少，因此是能够实现多极化的结构。并且，根据多极化，预料到感应电压常量(转矩常量)的增加。在本实施例中提出转子的极数相对于插口数的比例比以往大的方案。即，至少满足(转子的极数)/(插口数)>2/3的关系。本实施例的转子磁铁形成为使用铁氧体烧结磁铁的结构。其理由是，使用稀土类磁铁有时存在筹措风险以及价格高的原因，除此之外，由于是与定子对置的面全部为由磁铁构成的表面磁铁型，所以当为了产生涡流而采用导电性金属磁铁时，效率显著降低也是理由之一。因此，能够用于本实施方式的轴向间隙型永磁铁同步马达的转子磁铁的磁铁，优选有铁氧体烧结、铁氧体粘结、以及铁氧体橡胶磁铁等。图2是从图1的截面A的箭头方向观察的转子101的横向剖视图。在铁氧体环磁铁2a与转子轭Ia之间采用具有磁性材料103的结构能有效地减少损失，该磁性材料103为强磁性体，并且能够减少涡流。该磁性材料103优选使用例如电阻率高的压粉磁心、薄板的电磁钢板、以及非晶形箔带等层叠体。另外，转子101在供轴通过的中央部的孔形成键槽43。并且，也可以是在转子轭Ia的内周部等轭部设置螺纹孔41、用于排气的孔42等的构造。接着再次使用图1对定子101的结构进行说明。定子101具有多个定子铁心10，该定子铁心10具有扇形的截面。定子铁心10沿周向等间隔地配置。该定子铁心10的周围配置有由塑料或有机材料构成的绝缘物亦即线轴7。线圈3在线轴7的周围卷绕成与扇形铁心的外周相似的形状。在本实施方式的轴向间隙型永磁铁同步电动机100中，该线圈3的导体的材质由铝构成。其理由是，除了廉价等效果之外，由于定子铁心与线轴7、线圈3沿周向零乱地配置，为了保持上述构件，采用浸入树脂而进行固定的树脂模制型马达的结构。因此，需要实现轻型化以利用树脂的粘合强度来支承铁心、线圈的自重。由此，构成为采用在铝的导体上涂敷有聚酯或酰胺酰亚胺、聚氨酯等漆皮被覆的铝导体漆磁线的结构。通常，马达一般使用铜的导体，在使用铝的情况下，当将效率值设计为相同时，由于铝的电阻率为铜的1.6倍，因此需要使用截面积为1.6倍大的导体而构成。在本实施方式的轴向间隙型永磁铁同步电动机100中，为了扩大线圈3的安装空间，通过将轴向的长度延长为1.6倍来确保该空间。由于铝的比重比铜的比重小1/3，因此即使增长到1.6倍，也还是铝更轻型化。并且，由于安装空间在轴向被放大，因此利用树脂粘合保持用的粘合面积增加，因此，除了轻型化之外还可以得到保持定子的自重的强度。由于卷绕于各个定子铁心10的周围的线圈3具有卷绕始端和卷绕终端的线，因此在图1所示的定子铁心10的数量为12个的情况下，24根终端线被抽出。虽然也可以保持原状态作为24根抽出线进行处理，但考虑之后的连接处理，优选抽出线的数量尽可能地少。在本实施方式中图示出下述例子:通过使两个线圈3的绕组连续地卷绕，从相邻两个线圈抽出两根线。因此，最终被抽出的线有12根。在线圈3被卷绕之后，配置于最外侧的配线构成终端结线部5。被抽出的线通常将细导体与作为绞合金属线构成的乙烯被覆电线4连接并与马达的端子箱结线。对于由铝构成的线圈3与乙烯被覆电线4的连接，采用环套筒，利用铆钉、焊接等将各个线由环套筒6连接。连接之后，向其连接位置的被覆露出的位置涂敷绝缘物，形成为空气、水分不与导体部接触的结构。接着，使用图3与图4对定子铁心10的结构及其制作方法进行说明。定子铁心10使用铁基非晶形金属箔带而构成。这是因为，铁基非晶形金属的损失比其他磁性材料大幅度降低，并且透磁率高。即使在使用铁氧体磁铁那样只能得到比较低的磁场强度的磁铁的情况下，透磁率高的定子铁心10也能得到比其他磁性材料高的磁通量密度。除了铁基的非晶形金属之外，作为此类透磁率高的材料，认为波明德合金、铁基的纳米晶体金属那样的材料也具有应用效果。由于此类材料的板厚比较薄、金属本身的硬度高，因此难以加工，难以应用到现有的马达等中。因此，形成为利用图3所示的方法比较容易地制成该铁心而构成的结构。为了得到在图1所示的截面成为扇形的定子铁心10，使用输送辊25等方法将在宽度方向为恒定的宽度的铁基非晶形金属箔带8送出规定的量。然后，铁基非晶形金属箔带8被切断刀具22以及切断刀具23利用剪切作用夹入并切断。将该被切断的箔带层叠于模具内而制成铁心11。当进行切断时，逐渐使进给量变化，由此能够形成具有扇形状的截面的铁心11。在图4(a)中示出层叠箔带的铁心的形状的立体图。以宽度从附图下部一侧逐渐增大、进而在最终部的正前以及最终部形成略窄的切断宽度的方式形成。由于由该层叠的非晶形箔带构成的铁心11保持原样而零乱地形成，因此以向图4(b)所示的形状的绝缘性的线轴7之中插入并保持的方式构成定子铁心10。线轴7因卷绕绕组而作为基座发挥功能。图5示出将绕组卷绕于线轴的状态。如上所述，示出在一个线圈形成卷绕始端与卷绕终端的抽出线的结构。图5(a)示出铝导体磁线的截面为圆12的情况的例子，图5(b)示出截面积为四方13的情况的例子。如上所述，由于铝的电阻率高，因此优选线圈的占积率(可卷线的区域中的导体的安装比例)尽可能地高，因此对于想要采用具有被称作平角线的四方截面的铝导体磁线来提高效率的情况是有效的。接着，使用图6对马达的定子31、转子101以及转子102与箱体外壳的关系进行说明。箱体外壳34形成为大致圆筒的形状。在该圆筒内侧配置定子31、转子101以及转子102。定子31配置于箱体外壳34的轴向中央部，以填埋箱体外壳31与定子铁心10、定子线圈的线轴7之间的空间的方式配置树脂而成为一体的带有箱体的定子。虽然定子31由树脂的粘合强度保持，但在因该树脂老化恶化等而导致微小重量减少的情况下，为了不使定子31从箱体外壳34脱落，形成为在箱体外壳34的内侧设置阶梯差形状35而使定子不沿轴向脱落的结构。换句话说，树脂配置于箱体外壳34的收纳空间内，并且连接定子31与箱体外壳的内壁。另外，箱体外壳34将与树脂连接的阶梯差形状35形成于箱体外壳34的内壁。同样地，对箱体外壳34的周向也实施槽等的加工，由此能够实现在周向上不能移动的结构。来自线圈的发热经树脂而传递到箱体外壳34，由于导热而使马达冷却，因此优选树脂的厚度不要过厚。并且，为了冷却而在箱体外壳34追加散热片结构而增大散热面积，提高与外侧空气之间的换热也是有效的方法。如上所述，本实施方式所涉及的轴向间隙型永磁铁同步电动机构成为:磁铁使用铁氧体(氧化铁)，转子轭由以铁为主要材料的磁性体构成，定子铁心使用铁基非晶形箔带，导体使用铝，从而能够实现全部的金属材料由基底金属(base metal)构成的马达。能够实现一种与铜等资源枯竭成为问题的使用稀有金属或钕、镝等重稀土(稀土)的磁铁的马达相比廉价且有益于环境的马达。另外，由于相对于铜而言，通过设计为同等以上的导体直径来减少焦耳损失(铜损)，因非晶形金属的损失降低而能够大幅度地减少铁损，因此马达的效率能够提高。现在，由于工业用的感应马达产生因二次电流导致的二次铜损等，因此效率只能与由国际电气标准会议(IEC)规定的标准值的IE准则的IE3的等级对应。在本实施方式的轴向间隙型永磁铁同步电动机中，由于能够设计不产生磁铁的涡流而将铁损、铜损抑制为较低的马达，因此能够实现IE准则的IE4以上的马达效率。实施例2接着，使用图7对本实用新型的第二实施例进行说明。图7是示出使用至此说明的基底金属材料的轴向间隙马达的结构的立体图。示出转子极数与定子极数的关系与图1所示的定子101不同的情况。转轴36固定于转子106。实施例1中示出极数为14、定子极的数量为12的情况。图7示出定子104具有的定子极的数量为9、转子105以及转子106的极数为10的情况。箱体外壳34、定子铁心10的结构与实施例1的情况大致相同。图7(b)图示出第二实施例的情况的横向剖视图，示出轴承37、马达输出轴36的配置例。实施例3图8示出将本实施方式的轴向间隙型永磁铁同步电动机利用于工业用的泵、风扇系统的例子。工业用途的马达的容量比较大、电使用量大，因此其节能效果也大。本实施方式的轴向间隙型永磁铁同步电动机如上所述，由于能够实现IEC的IE准则的IE4以上，因此其电力使用量减少效果大。[0076]另外，由于希望泵、风扇等薄型化，因此也能够对设置面积的缩小有所贡献。图8(a)示出安装了薄型泵45与本实施方式的轴向间隙型永磁铁同步电动机100的工业用泵。图8(b)示出构成本实施方式的轴向间隙型永磁铁同步电动机100与薄型风扇46的情况的示意图。另外，图8(c)是使用本实施方式的轴向间隙型永磁铁同步电动机100的电梯卷扬机的立体图。电梯卷扬机有期望薄形的用途。由于卷绕绳索的绳轮47与马达需要较薄地构成，因此适用本实施方式的轴向间隙型永磁铁同步马达100。本实用新型的轴向型结构的马达能够广泛应用于以小型、高效率、低噪声为目的的马达。并且，使用本实用新型的马达结构的系统能够实现小型化、高效率化，能够广泛地应用于风扇、泵系统、电梯卷扬机用马达、家电用马达、机动车辅机类的驱动用、小型风力发电等普通的旋转机系统。
权利要求1.一种轴向型永磁铁同步电动机，其特征在于，具备: 具有铁氧体磁铁的第一转子； 具有铁氧体磁铁的第二转子；以及 配置于所述第一转子与所述第二转子之间的定子， 所述定子具有:层叠铁基非晶形金属而构成的多个定子铁心；以及由铝材构成且卷绕于所述定子铁心及其周围的导体线圈。
2.根据权利要求1所述的轴向型永磁铁同步电动机，其特征在于， 在将所述第一转子以及第二转子各自的铁氧体磁铁的极数定义为N1、将所述定子的极数定义为N2的情况下，(N1/N2)大于2/3。
3.根据权利要求2所述的轴向型永磁铁同步电动机，其特征在于， 所述轴向型永磁铁同步电动机具有将所述定子的极数设为12极、将所述第一转子以及第二转子的极数设为14极的结构，或者具有上述极数的整数倍的结构。
4.根据权利要求2所述的轴向型永磁铁同步电动机，其特征在于， 所述轴向型永磁铁同步电动机具有将所述定子的极数设为9极、将所述第一转子以及第二转子的极数设为10极的结构，或者具有上述极数的整数倍的结构。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的轴向型永磁铁同步电动机，其特征在于， 所述铁基非晶形金属以形成为高磁通量密度的方式配合有铜等基底金属成分，从而成为通过热处理而进行调整的纳米晶体材料。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的轴向型永磁铁同步电动机，其特征在于， 构成所述定子的金属材料全部由基底金属构成。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的轴向型永磁铁同步电动机，其特征在于， 所述轴向型永磁铁同步电动机用作工业用泵、风扇、压缩机中的任一种，其额定效率满足由IEC即国际电气会议决定的效率的基准值亦即IE准则的IE4。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的轴向型永磁铁同步电动机，其特征在于， 所述轴向型永磁铁同步电动机用作电梯卷扬机用的驱动马达，并配置于电梯升降路的内部。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的轴向型永磁铁同步电动机，其特征在于， 所述轴向型永磁铁同步电动机具备: 收纳所述定子的箱体外壳；以及 配置于所述箱体外壳的收纳空间内且与所述定子和所述箱体外壳的内壁连接的树脂， 其中所述箱体外壳在该箱体外壳的内壁形成有与所述树脂连接的阶梯差形状。
专利摘要本实用新型的目的在于提供一种廉价且高效的旋转电机，该旋转电机的轴向间隙马达的定子铁心使用非晶形金属。轴向型永磁铁同步电动机具备具有铁氧体磁铁的第一转子；具有铁氧体磁铁的第二转子；以及配置于所述第一转子与所述第二转子之间的定子，所述定子具有层叠铁基非晶形金属而构成的多个定子铁心；以及由铝材构成且卷绕于所述定子铁心及其周围的导体线圈。
文档编号H02K1/12GK202957727SQ201220530930
公开日2013年5月29日 申请日期2012年10月17日 优先权日2012年10月17日
发明者榎本裕治, 床井博洋, 相马宪一, 正木良三, 田中雄一郎, 梶田大毅, 铃木利文, 高桥秀一, 山崎克之, 酒井亨 申请人:株式会社日立产机系统