专利名称：旋转电气设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种旋转电机，它结构简单、紧凑，并可减小在相对转动时存在于永久磁体和协配的缠绕极齿之间的波形中的谐波分量。
背景技术：
一般来说，这些电机可包括电动机或发电机，它们由可协配地相对转动的零件构成，所述零件包括多个周向间隔的永久磁体，诸永久磁体与多个其上缠绕有通电线圈的极齿的端部协配。如果该电机是一电动机，那么线圈就被连续地供电以进行转动。如果它是一发电机，则它被驱动，并且在线圈绕组中产生一电压。这些类型的电机可采用任何的形式。
那些传统的磁场型转动电气装置或者采用一内永久磁体(IPM)结构或者表面永久磁体(SPM)结构。在内永久磁体结构中，用于形成一磁场的永久磁体埋入在一用磁性材料制成的定子轭(芯子)或者转子轭中；在表面永久磁体结构中，永久磁体则以每一间隔设置在芯子的的表面上。
在日本的已公开申请第平09-275645号中揭示了一种IPM结构的形式。该公开的专利文献揭示了一种用于电动机的IPM结构，其中定子构造成带有一芯子，该芯子在其内周表面中设有多个磁体插入孔，并且磁体板插入其中。
日本已公开申请第2002-27690号揭示了另一种IPM结构。在这种结构中，为了利于磁通分布，在芯子外缘上、连接永久磁通的中心线与转子芯子的中心的直径线上设置了一半柱面形的凸出部分。
这些IPM存在缺陷，这是因为从永久磁通发出以形成磁场的磁通的一部分被分流，并穿过芯子外缘与永久磁体之间的所得间隙流过芯子的内部。这还导致了磁通泄漏，这是因为，它没有到达转子芯子或定子芯子，因而致使效率降低，如果该电机是一电动机，这就会产生扭矩输出的降低；如果该电机是一发电机，这就会致使电动势减小。
对于SPM结构，用于形成磁场的永久磁体是插入在转子芯子的表面上的，并直接面对定子的缠绕极。这样，永久磁体就可以尽可能地靠近线圈的磁极设置。永久磁体的磁通流穿过十分小的间隙而作用在绕组上。这允许电动势的波形接近一大致呈正弦曲线的波形。以这样的方式，就可以减小扭矩的脉动。因此，人们趋向于更多地使用SPM型的结构。
在已公开的日本申请第平09-275648号中揭示了一种典型的SPM结构。在这种结构中，包含永久磁体的定子围绕具有缠绕极齿的转子设置。定子设有间隔开、成V形的成对磁体板，且它们的邻接边缘朝向缠绕极打开。
日本已公开的申请第2000-166141A号中揭示了另一SPM型的结构。在这种结构中，由转子载带永久磁体，并且永久磁体被接合在以预定的间隔形成在圆柱形转子的外周表面上的凹槽中。永久磁体具有一半柱面的形状，且弯曲的表面面向定子的缠绕极齿。
尽管与IPM结构相比，所述的SPM结构具有前述的优点，但仍有需要改进的地方。参照
图1-5可以最好地理解它们的不足之处，特别是上一个所提到的例子的缺点。现请先参见图1和2，标号21总地标示了一个这种类型的旋转电气装置，该装置包括一围绕一转子23的环形定子22。定子22构造成带有磁性材料制成的薄叠层体，它具有圆形芯子24，多个极齿25从其径向向内地延伸。在诸齿25之间形成有多条狭槽26(在所示例子中有18条狭槽)。线圈27缠绕在各齿25上，并在诸齿25的侧面伸入狭槽26中。
转子23是与定子22相似地构造的，且叠层磁性材料28的诸薄片成一大体圆柱形的结构，并形成一圆柱形的外周表面29。多个永久磁体31(在示例图中有12个)以规则的周向间隔适合地固定至表面29。转子23可转动地支承在转子轴32上，转子轴例如通过滚柱轴承(未示出)来适合地进行轴颈安装。
具有这样的SPM结构的旋转电气装置21可用作一电动机，其中，当以一预定的序列施加对定子22的线圈27电流输入时，由于转子23的永久磁体31所形成的磁场磁通流，转子23在转子23上的磁通的作用下转动。或者，具有所述SPM结构的旋转电气装置21可以构造成一发电机，其中，当转子23在外部机械扭矩的作用下转动时，可以从线圈27获得电动势。
在这种具有SPM结构的旋转电气装置21的结构中，电动势的波形接近一大致呈正弦曲线的波形，如前所述。但是，当在正弦曲线波形的电动势中包含许多谐波分量时，因而畸变系数很高。当电机21用在一发电机时，这些谐波分量可能使周围设备引起故障。同样，当电机21用作一电动机时，也会遇到诸如由于谐波分量所导致的扭矩脉动(在无刷电动机的情况下)之类的问题。
为了防止这样的问题，一般作出这样的尝试，即有选择地缠绕绕组27，并且将面向定子22的永久磁体31的相对表面31a制成弯曲状，以形成一半柱面形状，如图2的局部放大图中所示，以努力控制磁通流，从而减小谐波分量。但是这些方法存在缺点。例如，当采用个别地缠绕绕组的方法时，在定子22的两周向端部处凸伸的绕组端部(线圈端部)是相当大的，因而定子22的轴向尺寸增加，自然就加大了旋转电气装置的尺寸。因此，一个缺点是，当它应用于诸如电源电动机和/或发电机之类的各种应用时，该装置是无法满足小尺寸的要求的。
又如图2所示，要将永久磁体31的形状构造成与转子轴32同心的弧形的结构就需要大量的劳力来对永久磁体进行初始加工，因而致使最终所得的电机过于昂贵。此外。如现在将描述的，这些尝试在改进电气性能方面不是完全有效的。
请参见图3，该图示出了图1所示的旋转电气装置21的一波形图，它是通过检测在旋转中所产生的反电动势来绘制成的，用以分析在转子23的各永久磁体31具有如图2中所示的一向外的弧形形状的情况下的磁场分析波形。尽管已使永久磁体31的极面具有弧形的形状，但该波形仍包括谐波分量。因此，可从基本的正弦曲线波形中发现，仍然发生畸变。
在图4的图线示出了在傅里叶级数展开之后这样的磁场分析波形分离成每一级的分析结果，其中，竖向轴表示每一级的电动势的分量值，水平轴表示各个级。如可从图4中所见，有许多的第5、第7、第11级以及类似级的谐波分量，也产生了其它级的谐波分量。
当各级(第2至第20级)的谐波分量进一步增大时，如图5所示，几乎所有级的电动势谐波分量都产生了。可以发现，这些谐波分量所构成的总谐波畸变(T.H.D)作为对基本电动势分量的比值的计算结果为7.26％。因此，该现有技术所尝试的解决方法是不太佳的，因为存在谐波分量的后果是，它可能会引起前述的周围装置的故障，并可能会导致产生扭矩脉冲(扭矩脉动)。T.H.D是各级中的总畸变。在本例子中，它是从第1级至第n级的总畸变，它可以如下地表示T.H.D＝√{0.06(第2级)}2+{0.02(第3级)}2+……{(第n级)}2/{6.8(第1级)}2＝7.26％因此，本发明的一个主要目标是提供一种改进的、简化的、成本低廉的旋转电机。
本发明的另一目的是提供一种旋转电机，其中永久磁体安装在SPM型旋转电气装置中的转子上，但其具有比那些前面所采用的电机更好的性能。
本发明的还有一个目的是提供一种旋转电机装置，它能在采用比较廉价的加工和装配方法的同时，尽可能地减小在电动势的波形中所产生的畸变。
发明内容
本发明适于在包括一对可相对转动的零件的旋转电机中实施，所述零件包括具有一芯子的一电枢，多个周向间隔的极齿沿着径向从该芯子伸出。围绕极齿形成线圈绕组。另一所述零件包括一永久磁体零件，它包括安装在其周缘上且周向间隔的多个永久磁体，诸永久磁体面对磁极的末端部，并与磁极的末端部成紧挨地间隔开的关系，以在两者间形成一大体圆筒形的间隙。根据本发明，至少极齿和永久磁体之一具有面向间隙的平面表面。
附图简述图1是一现有技术的SPM型电机的侧视图。
图2是图1中的圆圈2所包围的区域的放大图。
图3是示出作为如图1和2所示的传统SPM型旋转电气装置的效率的反电动势的波形的波形图。
图4是示出图3中所示波形中所包括的谐波分量的分析结果的图。
图5是示出放大的、图4中所示的谐波分量的图。
图6是部分地与图1相似的侧视图，但示出了本发明的一第一实施例。
图7是示出了图6所示的旋转电气装置的低谐波畸变率的图。
图8是图6所示的旋转电气装置的低谐波畸变率的表格表示形式。
图9是部分地与图6相似的侧视图，但示出了本发明的另一实施例。
图10是根据图9所示实施例的旋转电气装置的电动势的波形图。
图11是示出图9所示的旋转电气装置的低谐波畸变率的图。
图12是图9所示的旋转电气装置的低谐波畸变率的表格表示形式。
图13是示出根据本发明再一实施例的旋转电气装置的最终主体结构的截面图。
图14是沿着图13中的箭头14-14的方向所见的图。
具体实施例方式
现在请详细参见附图，首先参见图6-8所示的实施例，并从图6开始，它示出了从根据本发明一实施例的旋转电气装置中取出的定子和转子的轭(芯子)。总的用51标示的一旋转电气装置的定子与图1所示的传统定子21的结构基本相同。也就是说，它具有一个通过层叠多片磁钢或其它材料的平板来形成的中空圆筒形的芯子51。极齿(齿)53从芯子52径向向内地伸出。在相邻的极齿53之间形成狭槽54。
线圈55绕各极齿53缠绕，并在齿53的两侧延伸穿过狭槽54。各极齿53的径向内端面形成有一相应的极面56。
总地用57标示的一协配的转子形成为一圆柱形的零件，它有一叠层的芯子58，并具有用来在其中心处接纳一轴59的插入孔。芯子58用磁钢或其它的材料制成。芯子57具有一大体呈圆柱形的外表面61，该外表面61形成有多个周向间隔的窄凹槽，它们大体呈矩形的形状，并形成平直表面62。永久磁体63以下面将进行描述的方式容纳或安装在各凹槽或平直表面62中。
在本例中的永久磁体63形成为具有所要求厚度的矩形平面构件。较宽的面向外的侧表面形成一外极面63a。一内极面例如通过粘合剂可靠地粘合和固定在转子57的外周表面61上。然后，用如下所述的模塑树脂剂(未示出)来固定，以防止其从转子57的外周表面61上脱落。因而，整个结构是转子芯子58的一叠层主体。
在所示的实施例中，十二(12)个永久磁体63 着周向以规则的间隔(θ，2θ，3θ，…，nθ)间隔开并被固定，且设置成在每一磁体中形成一磁场，总共形成12个磁极。
例如以下述的方法来加工和装配各永久磁体63。从一立方体形的永久磁体金属块切割并分离出多个平面件，并在尺寸方面加以修正，以形成具有两个平直表面的平面构件，以供形成极面63a和63b。然后，将该平面构件接合到转子57的外周表面61上，并在一强磁场中进行磁化，以形成平面的永久磁体件63。
也可以在形成平面构件的步骤之后对永久磁体件进行磁化，然后再进行定位、固定以及可靠地接合到转子57的外周表面61上。通过适合的永久磁体放置方法将永久磁体件63放置到转子57的外周表面61上。
因此，转子57构造成一SPM型的转子，在其外周表面61上有用来形成磁场的多个永久磁体63，且诸永久磁体63定位成在径向方向上穿过一环形间隙64与定子51的诸极齿面56相对，且该环形间隙64制成尽可能的小。
采用具有这样的平面永久磁体63的结构能使与定子51相对的环形间隙64狭窄到在SPM型转子的特性中的最低限度。因此，这使各件永久磁体63所形成的磁场的磁通能作用在定子51的线圈55上，并能将旋转电气装置的产生电动势或转矩的效率保持在一较高的水平。
此外，如上所述，采用作为平面永久磁体件的永久磁体件63，能方便磁体的制造以及它们对转子57的装配。这有助于降低制造成本，也使谐波功率分量对基本正弦曲线功率的比值有可能明显地降低。
作为测量结果的总谐波畸变(T.H.D)和在转动时的反电动势的分析如图7和8所示。图7是示出第1至第20级的各谐波分量对波谱值中的畸变波长的比值，以及每一级的谐波。在水平轴(X)上的频率范围100赫兹至约2千赫兹的范围内示出了这些值，以及在竖向轴(Y)上的0至约100伏特分贝(dBVr)范围内示出了比值(分贝(dB))。图8是表明图7中结果的一表格表示形式。结果，由每一级中的谐波的畸变系数(畸变系数％)的增量和总和所获得的总谐波畸变(T.H.D)等于1.732％，低于2％。因此，可以发现，与传统的超过7％的畸变值相比，该T.H.D明显地减小。
当以这样的方式减小总谐波畸变(T.H.D)时，可以达到显著的效果，且可明显地减小扭矩脉冲，并且可以不必再担忧使周围设备中引起故障。而且旋转电气装置的可靠性也得到改善。
图9示出了根据本发明另一实施例的一SPM型旋转电气装置。该旋转电气装置具有与根据图6所示实施例的旋转电气装置的基本相同的构造和结构，因为它的诸零件具有与那个实施例基本相同的结构，所以用相同的标号来标示它们，并且除了对那些熟悉本技术领域的人们理解和实践本实施例需要进行详细描述之处外，不再对它们进行详细描述。
图9所示的实施例与图6所示实施例的不同之处在于，固定在转子57的外周表明61上的平面永久磁体63以不规则的间隔(θa，θb，θc，θd，θe，…)、而非相等的间隔沿着转子57的轴向设置。因此，可以与上述实施例完全相同的方式获得平面永久磁体63的加工过程中的优点。
另一方面，通过采用以不规则的间隔沿着转子57的圆柱形外周表明61的周向设置用于形成磁场的诸平面永久磁体63的结构，可以在旋转电气装置用作电动机时明显地减小齿槽效应(cogging)。因此，在进行了测量以获得根据本实施例的SPM型旋转电气装置的电动势波形后，确认了它呈现出几乎无畸变的正弦曲线波形，如图10所示。
此外，当对电动势的正弦波形的谐波分量进行分析时，获得了如图10和11所示的结果。换言之，图10和11以与前述实施例在图7和8中所示的波谱值的图形和表格表示相同的方式示出了在波谱中第1至第20级谐波分量的每一级中的电动势分量以及表格表示形式。
图10和11中的结果表明，即使在每一级中存在畸变分量，但总谐波畸变仅等于43.959伏特分贝，并且总畸变(T.H.D)进一步减小至仅有1.101％，因而甚至比前述实施例的值还要低。因此，从这些结果中可以发现，根据本实施例的SPM型旋转电气装置的电动势中的谐波分量是十分小的。
较佳实施例的前述附图仅示出了转子和定子。接着将参照图13和14来描述这些结构是如何具体实现在一完整的电机中的，所述电机可包括电动机或者发电机。
该电机(电动机或这发电机)总的由标号71标示，它形成为一个三相、十二极的装置，结合有定子51和转子57，并且通过用热塑性模塑树脂(诸如不饱和的聚酯)模制成各定子51和转子57来形成一小型的集成旋转电气装置。在定子51位于一相应的模制模具中之后将模塑树脂注入一模制模具中，并使其硬化，以形成电机71的壳体72。此时，将用于转子轴59的一个端部的一轴承73放置在该模塑体中。
当壳体72形成之后，一个端部(图13中的左侧)被开孔，并且转子57及其轴59插入到轴承73中，且转子轴59的另一端部穿过该开孔凸伸出。在模制时，将带螺纹的紧固件接纳部74模制在壳体72中该开孔的周围。
通过使用人们所熟知的推入螺母76来将一编码电路板75安装在模塑树脂壳体72的端面上。电路板75设有霍尔效应装置(霍尔集成电路)77和导线接线端78。这些霍尔效应装置77与传感器磁体协配，其极性如图13和14中所示，且这些装置安装在转子57的一侧表面上，以检测转子57的转速或转角。该传感器磁体设计成，将一环形磁性材料磁化成在轴向上设置北极和南极并沿着周向极性交替地布置。传感器磁体的磁场和霍尔效应装置77电磁地相互作用，以构成旋转监测器，用以检测转子57的转速或转角。
然后，利用紧固件和接纳部74附接一带有外轴承79的盖板(未示出)，以封闭电机71，且使一个轴端部露出，以供驱动或被驱动连接。
定子51的线圈55构造成，用一合适的绝缘材料制成的绝缘绕线筒81来保持住线圈的端部，并且各相的线圈端部与设置在定子51的端表面中的一线圈接线端82连接，以通过输入或输出接线端83来从各相的线圈55进行输入或对其进行输出。
当向输入接线端39c供应输入电流时这样的旋转电气装置71可以用作一电动机；当从外部机械地驱动转子轴33并从输出接线端39c获取电动势时，该装置可用作一发电机。因此，构造在各种外部装置中就能应用于电力驱动源或发电机。
因此，从上面的描述中，应很容易明白，可以用低廉的成本构造出结构十分紧凑且高效的旋转电机。当然，那些熟悉本技术领域的人们易于理解，前面的描述是对于较佳实施例的描述，可以不脱离本发明原理和保护范围地作出各种变化和修改。本发明的原理和保护范围如所附权利要求书限定。
权利要求
1.一种包括一对可相对转动的零件的旋转电机，它包括具有一芯子的一电枢，多个周向间隔的极齿沿着径向从该芯子伸出；围绕所示极齿形成的线圈绕组；以及，一永久磁体零件，它包括周向间隔的多个永久磁体，诸永久磁体面对所示磁极的末端部，并与所示磁极的末端部成紧挨地间隔开的关系，以在两者间形成一大体圆筒形的间隙，至少所述极齿和所示永久磁体之一具有面向所述间隙的平面表面。
2.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，永久磁体具有面向间隙的平面表面。
3.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，磁极具有面向间隙的平面表面。
4.如权利要求3所述的旋转电机，其特征在于，极齿和永久磁体都具有面向间隙的平面表面。
5.如权利要求2所述的旋转电机，其特征在于，诸永久磁体以相等的周向间距彼此间隔开。
6.如权利要求5所述的旋转电机，其特征在于，极齿具有面向间隙的平面表面。
7.如权利要求6所述的旋转电机，其特征在于，极齿和永久磁体都具有面向间隙的平面表面。
8.如权利要求2所述的旋转电机，其特征在于，诸永久磁体以不同的周向间距彼此间隔开。
9.如权利要求8所示的旋转电机，其特征在于，极齿具有面向间隙的平面表面。
10.如权利要求9所述的旋转电机，其特征在于，极齿和永久磁体都具有面向间隙的平面表面。
全文摘要
一种旋转电机装置，它能尽可能地减小在电动势的波形中所产生的畸变，同时又能采用比较廉价的加工和装配方法来制成。
文档编号H02K15/03GK1525626SQ20041000167
公开日2004年9月1日 申请日期2004年1月9日 优先权日2003年1月10日
发明者高桥秀明 申请人:株式会社萌力克