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气设备，尤其涉及一种在保持良好电气性能的同时可牢靠固定永磁铁的改进的结构。
背景技术：
旋转电气设备可包括电动机或发电机，一般这些旋转电气设备由协作的相对转动的组件构成，这些组件包括多个周向隔开的永磁体，这些永磁体与围绕其卷绕电线线圈的多个磁极齿的尖端协作。如果装置为电动机，线圈相继被激励以实现转动。如果装置为发电机，它被驱动和在线圈绕组中产生电压。这些类型的设备可以采用多种形式。
这种传统的磁场类型的旋转电气设备可以采用内部永磁体(IPM)结构，在这种结构中，用于形成磁场的永磁体埋设在由磁性材料制成的定子轭铁(铁芯)或转子轭铁中；或者，也可以采用表面永磁体(SPM)结构，在这种结构中，诸永磁体以所需间隔设置在铁芯的表面上。
日本公开申请2002-27690示出了一种IPM结构的类型。在这种结构中，为益于磁通分布，一个半圆筒形凸出部分被设置在连接永磁体的中心线和转子铁芯的中心的直径线上的铁芯的外部边缘上。
这些IPM结构存在一些缺陷，其原因在于永磁体发射出的形成磁场的磁通的一部分被分流，磁通会通过铁芯外边缘和永磁体之间产生的间隙流过铁芯内部。磁通不能到达转子铁芯或定子铁芯也会造成磁通泄漏，因此，这样会使效率降低，也就是说，如该设备为电动机则会造成转矩输出量的减少，如该设备为发电机则会造成电动势的下降。
对于SPM结构，用于形成磁场的永磁体嵌入在转子铁芯的表面上，并直接面对定子的卷绕的磁极。因此，永磁体可以设置得离线圈磁极尽可能近。永磁体的磁通流量将通过一个极小的间隙作用在绕组上。这使得电动势的波形接近大致正弦曲线的波形。这可以减小转矩脉动。因此，目前多数趋向于使用SPM类型的结构。
日本公开申请2000-166141A公开了一种SPM类型的结构。在这种结构中，永磁体承载在转子上，并且被结合在以预定间隔形成在圆筒形转子的外部周向表面上的凹槽内。永磁体具有一种半圆筒形的形状，该形状具有一个面对定子的卷绕的极齿的曲面。永磁体表面与定子之间的间隙长度在凹部的相对侧上是不同的，从而通过产生具有较高谐波含量的感应电势来减小转矩波动。
然而，在处理磁体与SPM类型结构的连接上仍存在问题。如图1和2、3和4所示，这些问题最好通过参照这些通常采用的现有技术的结构的实例来理解。
首先参照图1和2的现有技术的实例，这些附图示出了一种SPM类型结构的永磁体电动机的转子结构，其中，承载着磁体的转子位于定子内侧。如图所示，总地以标号11表示的转子包括多个永磁体件12，这些永磁体件12以粘结剂粘合在转子铁芯15的圆筒形外表面14中形成的相应的槽13内。每个永磁体件12的外磁极表面12a围绕成一个圆筒形状，从而面对围绕转子11的定子(未图示)。
转子11通过位于沿转子轴18的轴向隔开位置处的两个轴承16和17轴颈支承，从而使其围绕一轴线旋转。该转子11代表一种典型的传统磁铁保持结构，在这种结构中，通过以模制树脂19包围包括诸永磁体件12的转子11的整个外侧圆筒形表面，可以保持粘结固定的永磁体件12不会在离心力的影响下脱离转子铁芯15。
在此结构中转子11整个地被模制树脂19包裹住，这种结构的缺点在于，转子，特别是磁体表面12a与定子之间的间隙会由于模制树脂层19的厚度而减小。因此，为避免机械干扰，必须将使间隙增加至少树脂19的厚度。这样，转子和定子之间的磁性相互作用将被削弱，这在电动机的情况下会导致输出转矩的减小，或者在发电机的情况下会减小电输出量。
现参照图3示出的现有技术的结构，其中示出了另一种内转子结构的传统DC电动机。在本实例中，总地由标号21表示的转子由一个层叠转子铁芯构成，该转子铁芯具有多个磁极部分22，多个线圈绕组(未图示)围绕这些磁极部分22设置。这些绕组延伸到极齿22之间形成的槽23内。极齿具有弧形的最外部表面24。转子21轴颈连接在一电动机轴(未图示)上，该电动机轴通过转子21的铁芯的中心钻出的一个轴孔25。
总地以标号26表示的定子设置在转子21的外侧，定子和转子之间形成一个环形间隙27。多个永磁体28以相等的周向间隔设置在定子26的内侧圆筒形内表面29上的环形间隙27中。这些磁体28为曲线形状，从而与定子26的内侧圆筒形表面29一致，并且与转子21相应的磁极部分22的弧形最外侧表面24相对。它们之间形成若干小的间隔。
弯曲的磁铁28仅通过粘结剂固定在定子26上，从而将磁体28的内表面28a粘合连接到定子26的内侧圆筒形表面29上。因此，传统内电动机结构的DC电动机未采用以模制树脂介质包裹磁体的固定磁铁28的技术，主要依靠仅取决于粘结剂来防止分离。
图4示出了另一种与图3类似的现有技术的结构，这种实例例如包括通常使用在摩托车内的传统外转子结构的发电机。这种传统的发电机包括一个定子(总地以31表示)，该定子径向地位于转子(总地以32表示)内侧。如同图3的结构，线圈(未图示)围绕着定子31的磁极。当驱动这些线圈时，可产生电流输出。
转子32设有四个弧形的永磁体33，这些永磁体33以相等的周向间隔固定在转子32的内侧圆筒形表面34上。
四个弧形的永磁体33中的每一个被磁化为三个交替极性的磁极而起作用，就好比将三个永磁体相互紧密接触地设置在一起。
当外力使转子32旋转时，这种外转子结构的发电机可以从定子31的线圈产生交变电流输出，并被用作摩托车点亮车灯之类的电源。然而，这种传统外转子结构的发电机仅采用以粘结剂将弧形永磁体33固定到转子32的内侧圆筒形表面34上的方法，而并不涉及使用模制树脂介质浇注包裹及模制固定永磁体33的技术概念。因此，这些现有技术结构会增加在操作中永磁体脱落的危险。
因此，本发明的一个主要目的是提供一种转动电机，它效率极高，但同时又具备非常牢靠地固定永磁体的结构，从而可以基本消除永磁体脱落的危险。
发明内容
本发明适于实现这样一种转动电机，该转动电机包括一组件，该组件具有一个适于面对一间隙的圆筒形表面，其中间隔是通过由电线线圈卷绕的磁极形成的一个协作圆筒形表面形成的。多个板型永磁体围绕圆筒形表面隔开。一粘合剂包围磁体的周边边缘以及面对间隙的永磁体的侧面的至少一部分，同时保留所述侧面的一个区域暴露在间隔中。粘合剂附着在圆筒形表面上。
图1是第一种现有技术类型的转动电机的转子的侧视图，其中一部分剖视。
图2为沿图1中的线2-2剖取的剖视图。
图3为垂直于第二种现有技术类型的转动电机的旋转轴线剖取的剖视图。
图4为垂直于第三种现有技术类型的转动电机的旋转轴线剖取的剖视图。
图5为部分与图1类似的、带部分剖视的侧视图，但该侧视图示出的是本发明第一实施例的转动电机的转子。
图6为沿图5的线6-6剖视的剖视图。
图7为电角度相对于图5和图6的电机的电动势的曲线图。
图8为沿本发明的第二实施例的转动电机的轴平面截取的放大的局部剖视图。
图9为沿本发明的第三实施例的转动电机的轴平面剖视的剖视图。
图10为部分与图9类似的、沿本发明第三实施例的转动电机的轴平面剖视的剖视图。
具体实施例方式
以下具体参照附图，首先参照图5和图6的实施例，图中示出了转子位于定子内的内转子型转动电机的一部分，尽管本领域的普通技术人员将从以下描述显而易见本发明，但本发明不仅限于此。
本实施例的旋转电气设备包括一转子，该转子总地以标号51表示。转子51包括一个由磁性材料制成的转子铁芯52。转子铁芯具有将它非转动地连接到一转子轴54的花键53的一花键孔52a。
转子51通过设置在转子轴54的两端上的耐磨轴承55、56相对定子(未图示)轴颈支承。
一个具有交替极性的周向隔开的诸磁极的环形传感磁体57面向前轴承55地连接在转子铁芯52的侧面上。通过与装载在相关定子(未图示)上的诸如霍尔效应元件(未图示)之类的磁性传感元件协作，传感磁体57可以测量转子51的旋转角度。
多个板型永磁体58通过粘结剂的粘结等方式以均等或不均等的间隔固定到在转子51的转子铁芯52的外侧圆筒形表面59中形成的槽内。这些永磁体58通过模制固定保持在适当位置，较佳地可以以一方式(以下将简要描述)通过热固模制树脂61来固定。
永磁体58通过将磁性材料切成所需尺寸的扁平矩形件制成。切割件的径向内外矩形平坦表面被适当地极化成N和S极表面58N和58S。根据一般采用的磁化方法，每个磁体的矩形金属材料的一个矩形表面以粘合剂固定到转子铁芯52的外侧圆筒形表面中形成的一个浅槽59内，并且在强磁场的作用下被磁化成永磁体。磁极的极性围绕铁芯52周向交替。
当如上所述地将永磁体58粘合并定位到转子铁芯52上之后，将永磁体58放置模具内(未图示)。模具的内表面为圆筒形，如位于转子铁芯52之上那样，该圆筒形与磁体58的圆周端58a和58b相切。而后，用于局部覆盖并固定保持永磁体58的模制树脂61浇注入模具内并使其固定。
以上述配置，在相应的永磁体58的平坦的磁极表面58N或58S的中间部分与模具的内表面之间会形成一个间隙。因此，模具树脂61可注入该间隙中并且围绕在磁体58和永磁体58未被粘合的转子铁芯52的两个端部区域之间围绕外侧圆筒形表面59，从而完成将永磁体58与铁芯52模制成一个单元。
现参照图6，可以看到每个磁极58的圆周宽度端部58a和58b未被模制树脂61覆盖，而是暴露出的。仅各个平坦磁极表面58N或58S的中心区域是被模制树脂61覆盖的。
这样，由于模制树脂61的覆盖层，因此，即使不采取措施来增加用于转子51与定子的内侧圆筒形表面之间的磁相互作用的间隙的量，转子51也可无机械干扰地由定子支承。同样重要的是，由于模制树脂61仅局部覆盖磁体58，因此，电效率仅有微小降低。由于在增加保持永磁体58的强度的同时，将旋转电气设备作为电动机时输出转矩或者作为发电机时所产生的输出量均不会有明显减少，因此，这是作为电动机或发电机的旋转电气设备性能方面的优点。
图7为示出了通过旋转根据图5和图6的实施例构成的电动机的转子51测得的反电动势的图。反电动势表现为一条非常平滑的正弦曲线。这证实了随着齿槽效应或转矩脉动显著地减小，输出扭转的特性将是平稳的。
虽然，以上实施例是围绕转子51位于定子内这样的一个内部转子结构的SPM型旋转电气设备的实例来描述的，但是本发明的技术原理也可以运用到转子设置在定子之外的外转子结构的SPM型设备上。图8示出了这样一种实施例，并且以下将参照附图进行详细描述。
图8是一种外转子SPM型旋转电气设备的实施例的结构的局部剖视图。总地以71表示的转子形成为一个环形构件。扁平的板状永磁体73基本与上述实施例的永磁体12相同，这些磁体73沿周向位置以相等的间隔设置在环形飞轮构件71的圆筒形内表面72上。
磁体73具有其面向定子(总地以标号75表示)的径向内表面74。定子75是通过将大量磁性材料的定子铁芯层叠而构成的，从而形成均匀间隔、径向延伸的极齿76。每个极齿76由一个相应的线圈77围绕。卷绕的线圈77通过在极齿76之间形成的槽78延伸。转子71以及特别是永磁体73的表面73b与定子75的极齿76的尖端隔开一个间隙79。
每个永磁体73分别具有径向隔开的外部和内部平坦磁极表面73a和73b。每个外磁极表面73a通过诸如粘合剂之类适当的手段固定到在飞轮构件71的内侧圆筒形表面72中形成的一个相应的浅槽81中。
每个永磁体73的径向内磁极表面73b由模制树脂82覆盖。树脂82是圆筒形的，其内部圆周区域与表面73b相切。因此，与上述实施例不同的是，圆周端部81c和81d之间的中间区域是暴露的，而这些端部81c和81d是被覆盖的。
通过将模制树脂82注入沿定中心于定子75中心上且延伸覆盖各个永磁体73的两个宽度端部81a和81b的一个外壳圆筒形成的模制模具中，形成模制树脂82的包复层。外壳圆筒被形成为与各个永磁体73的内部中心区域相切的一个圆筒。因此，当模制树脂82覆盖磁性件73时，中心区域暴露在模制树脂之外，从而直接面对定子75。
与上述实施例相同的是，由于树脂覆盖层82仅覆盖各个永磁体73的表面73b的一部分(在本实施例中的该端部是与图5和6实施例中中心部分相对的)，因此，无需增加相对定子75的间隙，可以避免当转子71旋转时转子71与定子75之间的机械干扰。这样，可以牢靠固定用于产生用于转子71的磁场的各个永磁体73，且不会影响作为电动机或发动机的相关旋转电气设备的磁性能。
在已描述的每个实施例中，永磁体具有相同的圆周宽度和间隔。然而，本发明不仅限于此，这从以下图9实施例的描述是显而易见的。
图9示出了本发明另一实施例的一种旋转电气设备，这种旋转电气设备是构成为如图3所示的传统内转子结构的DC电动机那样的内转子型DC电动机。本实施例的DC电动机包括一转子(总地以91表示)和一个定子(总地以92表示)。
转子91是由具有一铁芯部分93的层叠磁性钢板制成的，极齿94从铁芯部分93径向延伸。线圈绕组(未图示)围绕极齿94并且延伸到在磁极齿94之间形成的槽95内。转子91由转子轴(未图示)支承旋转。而转子轴不可转动地固定在铁芯部分93的中心孔96中。
定子92包括一环形壳体97。在本实施例中，多个平板状的永磁体98三个一组设置并固定在环形壳体97的内侧圆筒形表面99上。这些磁体组98以特定数量(在附图中为四)设置在周向隔开的位置中。
永久磁体98均被磁化成具有相对周向隔开极性的径向隔开的磁极。较佳地，每一组三个磁体98均被设置成相同的磁极序列。如图所示，直径方向相对的两个平坦的板状永磁体98被设置在与转子91的磁极齿94相同的圆周方向的相位中。处于两相邻位置的其它的永磁体98相对在转子91的磁极齿94沿圆周方向移位，这样，当线圈(未图示)被激励时，在定子92的永磁体98与转子91的磁极齿94之间可产生吸引和排斥力，以使转子91旋转。
如上所述的，在先前实施例中，永磁体98首先通过粘结剂的粘合固定到定子表面99上。这里，四个位置的每一个中的三个平坦的板状永磁体98具有牢靠固定在定子92的壳体97的内侧圆筒形表面99上的径向外部平坦表面。然后，诸如不饱和聚酯之类的热固特性的模制树脂按前文描述的方式以与面向转子91的磁极齿94的磁极面98a相切的圆筒形图形沉积。如图8的实施例，这使得仅平坦磁极表面98a的宽度中心区域被暴露。然而，随着模制树脂101的固化，中心区域两侧上的圆周端部区域被覆盖。
模制树脂101不覆盖磁极表面98a的中心区域的上述结构可以消除平板状永磁体98面对转子91的磁极齿94所通过的间隙中的模制树脂层的存在。因此，转子91和定子92之间的间隙量可以保持得尽可能小，并且可以防止电动机的输出量由于间隙量而降低。
三个永磁体98构成一组，模制树脂101还填入两个相邻组的平板状永磁体98之间的空间内(当前图示圆周方向为四个)。因此，由剖线示出的模制树脂部分101a沿圆周方向延伸并固化。模制树脂101还填入每组相邻平板状永磁体98之间沿圆周方向存在的微小空间并固化。这与模制树脂部分101a一起使得能够牢靠地固定永磁体98，并且当电动机操作时能可靠防止平板状永磁体98分离及脱落。
图10为本发明另一实施例的剖视图，这是与前面参照图8描述的外转子型发电机类似结构的实例，它被构造成在通过模制树脂固定本发明的平板状永磁体的同时可以防止由于转子和定子之间的间隙量的增大而使产生的输出量减小。
参见图10，一个总地以121表示的转子包括一个环形飞轮122。以上所述制成的多个平板状永磁体123设置在飞轮122的内侧圆筒形表面上形成的槽124内的多个位置中，在永磁体123的一个径向侧上形成磁极的平板表面123面向同样数量的内部定子126的磁极齿125。如上所述的，磁体123的相对磁极123b粘合固定在槽124中。
如上述诸实施例，多个电线圈围绕着极齿125。在这种情况下，由于平板状永磁体123的数量与设置在定子126上的磁极齿125的数量相等，当平板状永磁体123转动时，每当转子121转过360度除以极齿125和磁体123数量所得角度时，磁体123将面对定子126的下一个磁极齿125。
如上述实施例，平板状永磁体123被磁化成，N和S的极性从一个磁体到另一个磁体以圆周方向交替改变。换言之，如面向定子磁极部分125的一个永磁体123的表面径向相对发电机中心被磁化成N极，则相对的一个表面被磁化成S极，则圆周方向下一个永磁体123被磁化成面向定子的磁极部分125的表面径向地为S极，而相对表面为N极。这种设置使得，当转子121在定子126外旋转时，围绕定子的磁极齿125卷绕的线圈可产生电流。
随着诸如不饱和聚酯之类的热固模制树脂127的固化，平板状永磁体123牢靠地固定在转子121的飞轮122的内侧圆筒形表面52上。树脂127覆盖平板表面123a的两个宽度端部区域，并且还覆盖了相邻永磁体123之间的间隙，而平板表面123的中心区域是未被覆盖的。以这种设置，如同之前参照图9描述的实施例，模制树脂127没有覆盖面向定子126的磁极部分125的永磁体123的平板表面123的中心区域，而仅其两侧区域被模制树脂127覆盖。因此，不必根据形成的模制树脂127的层增加转子121和定子126之间间隙的量。这样，可以牢靠固定永磁体123且不会减少发电机的输出量，并且可以可靠地避免由于转子121的旋转操作而使平板状永磁体123分离和脱落的危险。
因此，从上述描述可以显而易见的是，所述实施例通过以模制树脂覆盖永磁体而保留平坦磁极表面的一个相当大的部分不被覆盖，可以将永磁体牢靠地固定到转子或定子上。同时，还使得可以在转子和定子之间保持一个小的间隙，而不会因此模制树脂的覆盖层的厚度而增加间隙。这样，当本发明运用于旋转电气设备，无论是作为电动机或发电机，均可以牢靠地固定用于产生磁场的永磁体件，而不牺牲输出转矩或产生的电动势。这样，可以改进旋转电气装置功能的可靠性以及延长使用寿命，并且还可以使转子和定子通过一个很小的间隙相互面对，同时充分防止永磁体件分离。当然，本领域的普通技术人员可以显而易见的是，以上描述仅为较佳实施例，在不脱离如所附权利要求书限定的本发明宗旨和范围的前提下，还可以作出各种改变和变型。
权利要求
1.一种旋转电机，所述旋转电机具有一组件，该组件具有一个圆筒形表面，该表面适于面对一个由电线线圈围绕磁极形成的一个协作的圆筒形表面形成的一个间隙；多个板型、平坦的诸永磁体，所述永磁体围绕所述圆筒形表面隔开；以及粘合剂，所述粘合剂附着在所述圆筒形表面上，并围绕所述磁体的周向边缘以及面向所述间隙的永磁体侧面的至少一部分，且保留所述侧面的一个区域直接暴露在间隙中。
2.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述粘合剂覆仅覆盖面向间隙的磁体侧面的圆周端部，而磁体的圆周中心部分被暴露出。
3.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，粘合剂仅覆盖面向间隙的磁体侧面的圆周中间部分，而磁体的圆周端部被暴露出。
4.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，面向圆筒形表面的永磁体的侧面粘合固定到圆筒形表面上。
5.如权利要求4所述的旋转电机，其特征在于，面向圆筒形表面的永磁体的侧面位于圆筒形表面形成的槽内。
6.如权利要求4所述的旋转电机，其特征在于，粘合剂形成这样一种形状，该形状将具有的一个面向间隙的圆筒形表面，所述圆筒形表面与面向间隙的磁体侧面相切。
7.如权利要求6所述的旋转电机，其特征在于，粘合剂仅覆盖面向间隙的磁体侧面的圆周端部，而其圆周中心部分被暴露出。
8.如权利要求6所述的旋转电机，其特征在于，粘合剂仅覆盖面向间隙的磁体侧面的圆周中心部分，而其圆周端部被暴露出。
全文摘要
本发明公开了多个实施例的旋动电机，这些转动电机具有这样一种改进结构，该结构以电机的一个组件与另一个相对旋转组件面对的关系将板型永磁体固定到前者的圆筒形表面上，两组件之间有一较小的间隙。通过将磁体埋设在包围磁体周向边缘以及面向间隙的侧面的至少一部分侧面的一个粘合材料中固定这些磁体，并且保留所述侧面的一个区域直接暴露至间隙，从而不必地加间隙即可保持良好的电气特性及机构性能。
文档编号H02K15/03GK1521919SQ20041000275
公开日2004年8月18日 申请日期2004年1月16日 优先权日2003年1月16日
发明者高桥秀明 申请人:株式会社萌力克