轴向间隙型永磁铁同步电动的制造方法
轴向间隙型永磁铁同步电动的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种轴向间隙型永磁铁同步电动机。永磁铁同步电动机的驱动需要用逆变器，但以往没有考虑逆变器驱动引起的轴承电蚀。轴承电流是电蚀的原因，使轴承寿命缩短，因此需要降低轴承内外圈之间产生的电压和放电时电流，作为此前的阶段，需要降低电动机的轴电压。为解决该问题，本实用新型的轴向间隙型永磁铁同步电动机包括：以轴为中心旋转的两个转子；定子，其配置成在轴向上被两个转子所夹；轴承；用绝缘树脂固定定子的壳体；保持轴承并使定子和转子全封闭的端盖；配置在端盖的轴向端部的风扇；和与风扇的轴向端面接触的电刷，风扇的轴向端面由含铜的合金构成，电刷含有碳；在风扇的轴向端面还具有对电刷加压的加压机构。
【专利说明】轴向间隙型永磁铁同步电动机
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及在轴向上具有间隙的轴向间隙型永磁铁同步电动机的结构。
【背景技术】
[0002]近年来，在工业用设备和家电产品、汽车部件等中，越来越重视节能化的必要性。当前，国内的火力、水力、原子能、风力等发电站中产生的电大部分通过作为电磁应用产品的旋转电机(发电机)产生。此外，国内使用的用电量中一半以上通过旋转电机的驱动而消耗。
[0003]在这些旋转电机等电磁应用产品中，实现这些产品的高效率化的手段是将软磁材料用于铁心部，降低该铁心部的损失。
[0004]此外，其他提高效率的方法有通过使用磁力高的永磁铁，使每规定电流的磁转矩(magnet torque)增加,用较低的电流得到所需转矩,从而降低因电流产生的导体的焦耳热引起的损失(铜损)的方法。作为永磁铁电动机的高效率化的方法，可以考虑安装钕烧结磁铁等强力磁铁的方法。但是，用于这样的磁铁的材料含有只能在世界上有限的产地采掘的稀有金属，所以具有环境问题和价格上涨等问题。
[0005]于是，作为替代方法，使用从以往起大量生产的铁氧体磁铁来实现高效率化的必要性增加。作为使用铁氧体磁铁的情况下的电动机高效率化方法，可以列举日本特开2010-115069号公报(专利文献I)。专利文献I中，提出了一种如下结构的电动机，其构成为为了将低损失的非晶用于永磁铁电动机中使用的铁心的软磁材料，采用轴向间隙型的电动机，进而为了降低铜损，采用以轴向的两面为转子的结构作为增加永磁铁的体积(volume)的结构。
[0006]现有技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献1:日本特开2010-115069号公报实用新型内容
[0009]实用新型想要解决的技术问题
[0010]因为上述专利文献I的电动机是永磁铁同步电动机，所以其驱动需要使用逆变器。但是，专利文献I中，没有考虑逆变器驱动引起的轴承电蚀。
[0011]轴承电蚀是轴承的腐蚀现象，因下述的机制而发生。即，在轴承外圈与壳体接触、轴承内圈与电动机旋转轴接触的结构中，使用逆变器的情况下发生旋转轴的电压变动，所以轴承的内外圈之间产生电动机旋转轴与壳体的电位差。电位差达到轴承油膜的耐绝缘性以上时，因油膜绝缘破坏而流过轴承电流。轴承电流是电蚀(因金属之间流过电流，失去电荷的金属原子作为离子溶出从而使金属腐蚀的现象)的原因，使轴承寿命缩短。
[0012]从而，需要降低轴承内外圈之间产生的电压和放电时电流，此外，作为此前的阶段，需要降低电动机的轴电压。
[0013]电动机的轴电压是在轴中产生与在逆变器的开关状态下产生的绕组中性点电压(也被称为共模电压)同步的电压。该轴电压的产生原因是因为从绕组至转子轴的路径之间因电阻和静电电容而发生电耦合而产生的。
[0014]在专利文献I的将低损失的非晶铁心用于定子铁心的具有两个转子的轴向间隙电动机中，采用定子的铁心被分为多个，该铁心的截面形状在轴向上具有相同的截面形状的结构，在该铁心的周围配置具有与定子铁心的外周面相似形状的内周面的定子绕组。因此，在绕组的轴向端部，成为定子绕组与转子磁铁、或转子铁心部分隔着间隙相向地配置的结构，是增大静电电容的结构。
[0015]此外，定子铁心是在定子中多个铁心分别独立地被保持的结构，是难以与外壳(housing)等接地电位电稱合的结构。因此，存在绕组与轴的电稱合度降低，轴电压升高的技术问题。轴电压升高时，如上所述会超过轴承油膜的耐绝缘性，所以易于在轴承部发生放电，发生轴承电蚀，直至发生故障的时间可能会变短。
[0016]用于解决问题的技术方案
[0017]为了解决上述问题，例如采用权利要求书中记载的结构。本实用新型包括多种解决上述问题的技术方案，列举其一例时，包括:以轴为中心旋转的两个转子；定子，其配置成在上述轴向上被上述两个转子所夹；轴承；用绝缘树脂固定上述定子的壳体(casehousing);保持上述轴承并使上述定子和上述转子全封闭的端盖(end bracket);配置在上述端盖的轴向端部的风扇(fan);和与上述风扇的轴向端面接触的电刷(brush),上述风扇的轴向端面由含铜的合金构成，上述电刷含有碳；在上述风扇的轴向端面还具有对上述电刷加压的加压机构。
[0018]实用新型效果
[0019]根据本实用新型，能够提供一种能够降低轴电压的轴向间隙型永磁铁同步电动机。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1 (a)和图1 (b)是表示实施例1的轴向间隙型永磁铁同步电动机的配置在轴后端部的电刷与电刷保持件(brush holder)的位置关系的截面图。
[0021]图2(a)?图2(c)是表示实施例1的电刷与电刷保持件、螺钉的结构的立体图。
[0022]图3是表示实施例1的轴向间隙型永磁铁同步电动机的电动机部的结构的立体图。
[0023]图4(a)和图4(b)是表示实施例1的轴向间隙型永磁铁同步电动机的定子铁心的结构的立体图。
[0024]图5是表不实施例1的轴向间隙型永磁铁同步电动机的定子与转子、外壳(housing)的位置关系的立体图。
[0025]图6是表示本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机的定子与转子、外壳的位置关系的截面图。
[0026]图7是表示现有的一般的径向间隙电动机的定子与转子、外壳的位置关系的截面图。
[0027]图8是表示逆变器的基本概念图的图。
[0028]图9(a)?图9(d)是说明逆变器的各开关状态下的共模电压的图。
[0029]图10是将电动机的各结构部件作为静电电容和电阻电耦合的单纯模型(model)表不的等价电路图。
[0030]图11 (a)?图11 (C)是表不将实施例4的轴向间隙型永磁铁同步电动机用于工业用途的例子的图。
[0031]图12(a)?图12(d)是表示实施例2中的轴向间隙型永磁铁同步电动机的配置在轴后端部的电刷与电刷保持件的位置关系的截面图。
[0032]图13 (a)和图13 (b)是表示实施例3中的轴向间隙型永磁铁同步电动机的配置在轴后端部的电刷与电刷保持件的位置关系的截面图。
[0033]附图标记说明
[0034]I……风扇罩，2……电刷保持件，3……电刷，4……软辫线(pigtail)，5……圆形压接端子，6……埋头螺钉，7……压缩弹簧，8……螺钉，9……风扇按压圈(collar)，
10......径向风扇，11......键(key), 12......端盖(end bracket), 13......轴承，15......锯齿
(serrat1n)槽，16......切槽，17......螺孔，18......电刷保持槽，19......轴(shaft), 20......转子，21......转子按压螺母，22......转子磁轭，23......背磁轭(back yoke), 24......永磁铁，
30……定子，31……定子铁心，32……定子绕组，33……绕组绕线架(bobbin)，34……搭接线(跨接线)，35......环形套筒(ring sleeve), 36......聚氯乙烯(vinyl)包覆电线,40......壳体，45......泵，46......风扇，47......卷扬机,50......轴向间隙型永磁铁同步电动机。
【具体实施方式】
[0035]以下，用【专利附图】
【附图说明】本实用新型的实施例。
[0036]【实施例1】
[0037]图6用截面图表示轴向间隙型永磁铁同步电动机的结构。图6中，31是定子铁心，32是定子绕组，由它们构成的定子被绝缘树脂填充而固定在壳体40。此外，由转子磁轭22和永磁铁24构成的两个转子以在电动机的轴(shaft) 19方向上夹着定子的方式配置。此夕卜，利用构成配置于与壳体40结合的端盖12的轴承的轴承13可旋转地保持转子。
[0038]此外，图7表示现有型的径向间隙型永磁铁同步电动机的截面图。
[0039]永磁铁同步电动机出于有效利用能源的观点，一般而言在泵、送风机等使用电动机的应用中一边利用逆变器控制按需而定的最佳的转矩、转速一边运转。图8表示逆变器的基本概念图。其中，关于电动机部分，为了易于表示中性点而将绕组描述为星形接线。此夕卜，因为三角形接线与星形接线能够相互转换，所以假设为星形接线也不失一般性。
[0040]逆变器装置由将商用电源转换为直流的转换器部、使转换器的脉动电压平滑的平滑电路、和通过高频下的开关动作使单位时间的平均相电压任意地变化的(狭义的)逆变器部分构成。假设为理想的对称三相平衡电压时，电动机的中性点的电压不随着时间而变化，是恒定的。逆变器装置生成的交流电压作为对称三相平衡电压施加到电动机的各相，但是在实际的逆变器装置中，逆变器部分基本上仅进行开/关(0N/0FF)动作，所以绕组中性点电压不是恒定值，总是变动。该电压被称为共模电压。电动机的轴电压因该共模电压而产生。
[0041]图9(a)?图9(d)表示各开关状态下的共模电压。其中，图9(a)?图9(d)中，为了简单，将功率半导体元件描述为开关。此处，设平滑电路两端电压为E，平滑电路中央为设置点时，各开关状态下的共模电压如图所示可以取到E/2、E/6、-E/6、-E/2。
[0042]从绕组中性点电位至地(earth)的路径存在两种。一种是绕组一定子铁心一壳体，另一种是绕组一定子铁心一转子铁心一轴一轴承一端盖一壳体。这些路径表现为静电电容和电阻电耦合而成的路径。由于电阻非常小所以忽略，图10表示最单纯地模型化后的等价电路。此处，Cwr是绕组与转子(rotor)之间的静电电容，Crf是转子与壳体之间的静电电容，Cb是轴承内外圈之间的静电电容。其中，轴承存在多个，但是为了简单而记载为合成电容。
[0043]轴电压相对于整体电压的比(Bearing Voltage Rat1,以下简称为BVR)能够如下式(I)所示地表达。
[0044]BVR = Cwr/ (Cwr+Crf+Cb)......(I)
[0045]设共模电压为Ecp时，轴电压的峰值电压Vsp如下式(2)所示。
[0046]Vsp = BVR X Ecp......(2)
[0047]共模电压Ecp如上所述由逆变器的动作决定，所以可知轴电压与BVR成比例地产生。因此,可知电动机各部产生的静电电容和轴承的静电电容越小,越能够减小BVR。
[0048]关于电动机各部产生的静电电容，如果两个导电体隔着绝缘物相对，则在该处形成电容器。电容器的电容由形成电容器的导体的形状和两个导体的配置关系等几何学的因素决定。即，能够用与相对的面积成比例、与其距离成反比的式子来表达。
[0049]图6所示的轴向间隙型永磁铁同步电动机的情况下，可知定子绕组与转子的面、定子绕组与壳体之间的相对面积较大，Cwr的静电电容增大。相反，关于图7所示的径向间隙型永磁铁同步电动机，可知定子30与壳体40连接成为零电位(接地)，Cwr减小。因此，轴向型的BVR与径向型相比大数倍至数十倍。所以，轴电压与通常的逆变器驱动的径向型电动机相比更高，在轴中出现数十伏特的电压。于是，因为出现较高的电压，在轴承油膜发生放电，引起电蚀。
[0050]于是，作为使该轴中产生的电位降低至零电位(接地)侧的方法，用接地电刷(earth brush)进行接地。在通常的径向型中，轴电压较高也只产生数V左右，所以需要使轴与电刷良好地接触，从而减小接触部的电阻。为此，需要确保接触部的接触面积较大，以及将电刷的按压压力设定得较高，存在机械摩擦引起电动机效率的降低和电刷的磨耗导致寿命降低等问题，在实际产品中几乎不采用。
[0051]本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机中，产生数十伏特的轴电压，所以即使接触电阻较小，也在电刷接触部中可靠地流过电流，因此接触面积可以较小，此外，用摩擦和磨耗小但电阻值高的碳刷也能够构成。此外，因为接触压力也能够降低，所以能够将磨耗量抑制得较小，能够无需进行电刷的交换地应用于工业用的电动机。
[0052]图1 (a)和图1 (b)表示在本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机的配置在轴后端部的电刷与电刷保持件的位置关系的截面图。图1(a)是放大图，图1(b)是整体图。图1(a)和图1 (b)中，在通过安装螺栓与壳体40连接的风扇罩I的中央部，配置有用于安装圆筒状的电刷保持件2的孔。该孔是埋头螺钉6的螺钉头部不突出地呈锥(taper)状，并通过将埋头螺钉6紧固来固定圆筒状的电刷保持件2的结构。在电刷保持件2的中央部分，在图示的左侧部构成有用于用螺钉固定的螺孔，在右侧部构成有用于配置电刷3的与电刷外形形状对应的槽形状的在轴向上可滑动地保持电刷的槽。此外，在埋头螺钉的前端部与电刷后端部之间具有配置压缩弹簧7来对电刷向轴向电动机侧(图上为右侧方向)加压的加压机构。该电刷由以碳为主材料压缩成形的原料(坯料)构成。
[0053]图2(a)?图2(c)表示电刷和电刷保持件部分的结构的立体图。图2 (a)表示电刷3的结构。电刷3具有大致四边形的截面，其前端部形成有被称为锯齿部15的槽。这是为了提高电刷与滑动面的初始的接触性而减少初始接触面积的形状。此外，在该电刷3的一面，通过焊接固定有绞线导体的连接线4 (此处在以下称为软辫线)。此外，构成为在该软辫线的前端连接有圆形压接端子5。该圆形压接端子5是通过上述埋头螺钉6，配置在风扇罩I与电刷保持件2之间并用螺钉紧固的结构。
[0054]图2(b)表示透过内部表示电刷保持件2的概要结构的立体图。本实施例中，在圆筒状的电刷保持件2的中央部分具有用于配置电刷3的具有大致四边形截面的电刷保持槽18，在其相反侧具有用于配置压缩弹簧7的圆筒部和作为螺纹部的螺孔17。此外，构成为在圆筒的周向的一部分，设置有用于使软辫线4通过的切槽16。在该电刷保持件2中插入配置带有软辫线的电刷3，利用在插入压缩弹簧7的状态下将金属等导电体的风扇罩I和圆形压接端子用埋头螺钉6螺纹固定的结构，来保持电刷3。电刷3本身具有被压缩弹簧7在向电动机轴向弹出的方向上加压，但是被软辫线4保持为不会弹出的结构。
[0055]其中，电刷保持件2通过埋头螺钉6与风扇罩I固定，从而具有能够直接使用现有的风扇罩的效果，但是不限于此，例如，电刷保持件2与风扇罩I也可以是一体结构。通过采用一体结构，具有组装变简单的效果。
[0056]图1(a)和图1(b)中，在电刷前端部所接触的电动机的轴端部，设置有径向风扇10,作为用于使电动机的外壳冷却的风扇。该径向风扇10固定在电动机的轴19的从端盖部向与输出侧相反侧突出的结构的轴部分上，被构成配置于端盖12的轴承的轴承13可旋转地保持。径向风扇10对轴的固定是这样的结构:在轴的旋转方向的一部分具有键槽，在该键槽部分中插入键11以使其不在旋转方向上滑动的方式固定在轴上，进而，设置将径向风扇在轴向按压的圆筒状的圈(collar)9，将该圈9用具有六角头或对2面进行了倒角的形状的头的螺钉8紧固，进行轴向上的对轴的固定。
[0057]图2(c)表示作为将径向风扇安装到轴的安装部的螺钉8的结构。螺钉8的头部分的轴向端面具有平坦的面，其表面粗糙度是镜面状态。此外，该螺钉头由黄铜等含铜的合金构成。采用在该平坦面上上述电刷前端部一边被压缩弹簧加压一边按压的结构，采用其接触部在旋转摩擦较低的状态下滑动的结构。电动机的轴19通过配置转子20和键槽，在旋转方向上固定，通过转子按压螺母21在轴向上固定配置。该实施例中的转子20是具有背磁轭23和永磁铁24的结构。
[0058]根据以上结构，即使在产生轴电压的情况下，电流也从轴通过风扇紧固用螺钉和电刷、软辫线，经由金属制风扇罩、风扇罩的安装螺栓、壳体和导电部件向接地电位方向流动，所以能够抑制破坏轴承油膜的轴承电蚀的发生。
[0059]图3表示本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机的电动机结构的立体图。轴向间隙型永磁铁同步电动机是具有配置在轴向中央部的一个定子30、和配置在该轴向两端部的具有以圆形的面与定子相对的磁铁面的转子20的结构。
[0060]转子20是利用粘接剂等固定方法将圆环状的永磁铁24与由磁体构成的转子磁轭22构成为一体的结构。永磁铁24可以使用圆环状的一体环形磁铁，但因大小的关系等难以制作的情况下，也可以将分割为多块的磁铁组合为圆环状使用。
[0061]此外，该永磁铁24以在周向上N极和S极交替地配置的方式磁化而构成。其极数在图3所示的本实施例中示出了 14极的情况。每一极的形状以在周向上为相等角度、相同截面积的方式呈扇形形状。本实施例中，扇形的张角为360/14度即约25.7度。
[0062]通常，在三相的永磁铁同步电动机中，电动机的转子的极数与定子极(槽)的关系一般为2: 3。磁铁电动机的一个极对是由磁铁的N极和S极成一对构成的。三相电动机的情况下，是在该一对的极对中配置有三相的绕组的结构，所以是两个磁铁极与三个定子极的关系。本实施例中，构成为定子极数为12和12槽，且磁铁极是14极，能够期待将非晶金属应用于定子引起的铁损降低，所以是能够实现多极化的结构。此外，通过多极化，预计感应电压常数(转矩常数)会增加。这样的组合除此以外还有多种，12槽的情况下，按
2: 3的关系应为8极，但也能够采用10极。槽数为9的情况下，原本为6极，但是能够采用8极、10极。
[0063]本实施例的转子磁铁中，是在表面配置铁氧体烧结磁铁的结构。其原因在于，在构成使与定子相对的面全部由磁铁构成的表面磁铁型的情况下，因来自定子绕组的磁通和定子铁心的槽配置引起的谐波等在磁铁表面产生涡电流会成为问题，所以采用导电性金属磁铁时会显著降低效率。因此，关于能够用于本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机的转子磁铁的磁铁，合适的是稀土类粘结(bond)磁铁、铁氧体(ferrite)烧结磁铁、铁氧体粘结磁铁、铁氧体橡胶磁铁等。
[0064]接着用图3说明定子的结构。图3的轴向中央部所示的定子中，在周向上等间隔地配置多个在周向上具有扇形截面的定子铁心31。其形状是在该定子铁心31的周围配置由塑料、有机材料等绝缘部件构成的绕组绕线架33，配置在该绕组绕线架的周围以与扇形铁心的外周相似的形状卷绕有导体的定子绕组32。绕组的导体的材质通常使用铜，但也能够使用铝等比重轻的线材。其原因是，除了具有价格低廉等效果以外，因为定子铁心和绕组绕线架、绕组在周向上散乱地配置，因此为了保持它们，采用使树脂浸渗而固定的模塑电动机的结构，所以为了以树脂的粘接强度支承铁心和绕组的自重而需要轻量化。从而，可以认为使用在招的导体上涂敷有聚酯(polyester)或酰胺酰亚胺(amide_imide)、聚氨酯(urethane)等漆(enamel)包覆的招导体漆包电磁线(enamel magnet wire)等也是有效的。
[0065]卷绕在各个定子铁心31的周围的定子绕组32具有卷绕起点和卷绕终点的线，所以图1所示的定子铁心的数量为12个时，引出24条终端线。也可以直接按24条引出线处理，但是考虑到之后的连接处理，优选尽可能少的数量。本实施例中，图示了通过将两个绕组连续地卷绕，从相邻的两个绕组引出的线是2条的例子。因此，引出的线最终为12条。引出的线通常使较细的导体与构成为绞线的聚氯乙烯包覆电线36连接而与电动机的端子箱接线。电动机绕组的电磁线(magnet wire)与聚氯乙烯包覆电线36的连接采用环形套筒35，是通过铆接、焊接等将各线与环形套筒35连接的结构。构成为在连接后，在该连接部位的包覆裸露的部位涂敷绝缘物，使空气和水分与导体部不接触的结构。
[0066]接着用图4(a)和图4(b)说明定子铁心的结构及其制造方法。定子铁心用铁基非晶金属箔带构成。这是因为铁基非晶金属的损失与其他磁性材料相比大幅地低，并且磁导率高。磁导率高意味着即便使用铁氧体磁铁这样的只能得到较低的磁场强度的磁铁的情况下，与其他磁性材料相比也可以得到更高的磁通密度。可以认为除了铁基的非晶金属以外，拍明德铁钴系高磁导率合金(Permendure)、铁基的纳米晶体金属等材料作为这样的磁导率高的材料也具有应用效果。这样的材料板厚比较薄，金属自身的硬度高，所以难以加工，难以应用于现有的电动机等。
[0067]于是，使该铁心为图4(a)所示的结构而能够较容易地制造。为了获得图3所示的截面呈扇形的铁心，采用如下结构:使宽度方向为固定宽度的铁基非晶金属箔带从图4(a)的图下部起逐渐扩大宽度，在终点部分，使切断宽度略微重新变窄地形成该形状。该叠置而得到的非晶箔带在该状态下是散乱的，所以将其插入到图4(b)所示的形状的用于卷绕绕组的绝缘性的绕组绕线架33中保持从而构成为定子铁心。
[0068]接着用图5说明电动机的定子、转子与壳体的关系。壳体40基本上为圆筒形状。构成为在该圆筒内侧配置定子30和转子20。定子30配置在壳体40的轴向中央部，以填充壳体40与定子铁心31、定子绕组32、绕组绕线架33之间的空间的方式填充绝缘树脂成为一体的带有壳体的定子。定子30以树脂的粘接强度被保持，但是为了在该树脂因经年劣化等引起轻微的重量减少的情况下也使定子不会脱离壳体，采用如下结构:在壳体40的内侧设置台阶使定子不在轴向上脱离，此外，在旋转方向的一部分上设置切口等槽或突起，使定子也不在旋转方向上旋转。
[0069]来自绕组的发热经由树脂传递到壳体40，进行传热而使电动机冷却，所以优选树脂的厚度不太厚。此外，为了冷却而对壳体40追加翼片(fin)结构扩大散热面积，提高与外侧空气的热交换也是有效的方法。
[0070]如以上所说明的，本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机，通过将低损失的铁基非晶箔带用于定子铁心，能够提高电动机的效率。当前，工业用的感应电动机会发生二次电流引起的二次铜损等，所以效率最高只能支持国际电工委员会(IEC)规定的规格值的IE代码为IE3的分级。在本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机中，不发生磁铁的涡电流，能够设计使铁损、铜损均抑制得较低的电动机，所以能够实现IE代码为IE4以上的电动机效率。
[0071]以下，对本实施例的结构换一种形式总结。使轴向间隙型永磁铁同步电动机的定子铁心由铁基非晶金属构成，该定子铁心使用仅将铁基非晶金属箔带切断并层叠的简单的制造方法制成，具有被保持该定子铁心的部件保持的定子铁心结构。
[0072]此外，构成定子绕组的导体是具有与定子铁心的外周形状相似形状的内周形状，将定子铁心、定子绕组和壳体内周部用树脂一体化粘接的结构。因为是用树脂粘接的结构，所以定子绕组、定子铁心是不被电接合的绝缘结构。
[0073]转子以定子的轴向两面与磁铁相对的结构配置，构成为能够经由与壳体结合的轴承保持端盖的轴承旋转。这些作为电动机的结构是被上述壳体和保持轴向两端部的轴承的端盖覆盖的结构，是使定子和转子全封闭、不暴露在外部的气氛中的结构。由此，能够避免因电刷的滑动而产生的磨耗粉等的影响。
[0074]进而，转子轴的输出侧是像通常的电动机一样的根据转矩而定的既定的轴径的轴作为输出轴突出的结构。此外，与输出侧相反侧是轴同样地从转子的轴向后端部轴承保持端盖的外部突出的结构，且构成为在该突出轴安装送风用的风扇。该风扇形状采用使从轴向后方侧吸入的空气在径向上流动的径向风扇形状，并构成为被为了在轴向上输送在径向上流动的空气而设置的风扇罩所覆盖。
[0075]作为风扇的安装部的螺钉的轴后端部由含铜的合金构成，通过镜面加工使其轴向端面尽可能成为无凹凸的状态。构成为在风扇罩的中央部，配置保持含碳的材料的电刷的电刷保持件，在其中配置能够通过弹簧在轴向上移动、并且向电动机的轴端部具有(施加)按压力的电刷，其前端与轴端部的含铜的合金部接触。
[0076]如上所述，根据本实施例，在采用轴向间隙电动机，定子绕组与转子磁铁、转子铁心的相对面积大，此外，其间隙距离小，定子绕组与转子之间的静电电容增大的情况下，即使在与共模电压同步的轴电压升高的状况下，也能够在该轴电压产生的瞬间，使电流从电刷经由风扇罩、壳体流到接地电位而使轴电压成为接地电位，所以即使轴承部的油膜部分的耐绝缘性低，也能够得到不发生轴承电蚀的效果。
[0077]此时，在轴向型电动机中，产生数十伏特的轴电压，所以即使接触电阻小，电流也可靠地流过电刷接触部，因此电刷的接触面积可以较小，此外，还能够降低接触压力。此外，也能够用电阻值高但是磨耗量少的碳刷构成。由此，也能够构成无需交换，工业用的电动机寿命也能够长寿的产品。
[0078]此外，通过配置在风扇罩的中央部的电刷保持件，电刷在周速度小的部分滑动，所以能够减轻电刷的磨耗，此外，通过铜与碳的滑动能够长期维持稳定的接触状态，因此能够实现工业用途的产品寿命和低成本化。
[0079]此外，通过将铁基非晶用于定子，能够实现电动机铁心部分的低损失化，通过低损失化能够提高电动机的效率，且实现长寿化。
[0080]如上所述，本实施例中，能够实现轴向间隙型永磁铁同步电动机的轴电压降低对策，实现高效率和高可靠性(提高寿命)，且不使结构变得复杂，采用价格低廉的结构，能够提供低成本且高效率的旋转电机。
[0081]【实施例2】
[0082]用图12(a)?图12(d)说明实施例2。图12 (a)?图12 (d)是表示本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机的配置在轴后端部的电刷与电刷保持件的位置关系的图。图12(a)是电动机的轴后端部的放大图，图12(b)是轴后端部追加轴25的图，图12(c)是表示电刷与轴后端部追加轴25的关系的图，图12(d)是表示电刷保持件27的图。
[0083]如图12(a)所示，构成为在轴向间隙型永磁铁同步电动机的后端部轴的前端部分中央，进行轴孔加工或配置螺孔，在该孔部中压入或通过螺钉紧固来固定配置图12(b)所示的轴后端部追加轴25。该轴后端部追加轴25由黄铜等含Cu的合金构成，是对轴表面进行了表面粗糙度为0.3以上的镜面加工的轴。如图12(c)所示，配置成两个电刷26与该轴的周向面以180度相对地接触，该电刷26例如是如图12(d)所示被电刷保持件27保持的结构。电刷保持件27是具有覆盖电刷的外周面的部分，能够在径向上可滑动地保持电刷的结构。构成为配置弹簧61，使得向电刷保持件中心部按压该可滑动的电刷26的力起作用，电刷26被该弹簧压向上述轴后端部轴25地配置。该电刷保持件27是利用螺孔60等，安装在风扇罩I的结构。
[0084]在实施例1所示的结构中，与电刷的滑动面是轴的中央部分，所以摩擦部分小，磨耗少，而第二实施例中，可以认为即使使轴变细一定程度，减弱用于按压的弹簧力，与实施例I相比还是更易于发生磨耗。但是，本实施例中的电刷保持件27采用容易安装到风扇罩的结构，且采用仅用螺钉就能够容易地更换每个电刷保持件27的结构。此外，电刷保持件由导电性的金属材料构成，能够省去实施例1所示的将从电刷接出来的软辫线连接到接地电位的部件的麻烦。
[0085]【实施例3】
[0086]用图13(a)和图13(b)说明实施例3。本实施例中，表示实施了电刷的磨耗粉对策结构的例子。图13(a)是电动机的轴后端部的放大图，图13(b)是表示电刷保持件的图。图13(a)中，在电刷保持件的内周部配置环状的密封件63，能够构成为使该磨耗粉不向电刷保持件外部排出。密封件63在实施例1中也能够通过变更配置的方法来应用。因为是通过该密封件使磨耗粉在电刷保持件的内部保持在电刷滑动面间隙部的结构，所以构成为配置充分的间隙，或设置用于保持被O形环等密封件包围的区域中贮留的电刷粉的区域(例如孔64等)。由此，能够防止电刷的磨耗粉进入电刷滑动面，妨碍滑动而导致不接触等不良。
[0087]【实施例4】
[0088]图11(a)?图11(c)表不将本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机用于工业用途的例子。
[0089]工业用途的电动机容量较大，电力使用量大，所以其节能效果也较大。本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机如上所述，能够实现IEC的IE代码的IE4以上，所以其电力使用量减少效果较大。此外，因为泵、风扇等要求薄型化，所以也能够有助于设置面积的缩小。图11 (a)表示安装有薄型泵45和本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机50的工业用泵。图11 (b)表示构成本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机50和薄型风扇46的情况的示意图。此外，作为要求薄型的用途，有升降机的卷扬机。图11(c)表示卷扬机的例子。因为需要使具有卷绕绳索的绳轮(sheave)的卷扬机47和轴向间隙型永磁铁同步电动机50较薄地构成，所以适合使用本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机。
[0090]此外，本实用新型不限定于上述实施例，包括各种变形例。例如，上述实施例是为了易于理解地说明本实用新型而详细说明的，不一定限定于具备所说明的所有结构。此外，能够将某个实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，或者在某个实施例的结构上添加其他实施例的结构。此外，对于各实施例的结构的一部分，能够追加、删除、置换其他结构。
【权利要求】
1.一种轴向间隙型永磁铁同步电动机，其特征在于，包括: 以轴为中心旋转的两个转子； 定子，其配置成在所述轴向上被所述两个转子所夹； 轴承； 用绝缘树脂固定所述定子的壳体； 保持所述轴承并使所述定子和所述转子全封闭的端盖； 配置在所述端盖的轴向端部的风扇；和 与所述风扇的轴向端面接触的电刷， 所述风扇的轴向端面由含铜的合金构成， 所述电刷含有碳； 在所述风扇的轴向端面还具有对所述电刷加压的加压机构。
2.如权利要求1所述的轴向间隙型永磁铁同步电动机，其特征在于: 所述风扇通过风扇安装部安装在所述转子的轴突出到所述端盖的外部而形成的突出轴； 所述风扇的轴向端面是所述风扇安装部的轴向端面。
3.如权利要求1或2所述的轴向间隙型永磁铁同步电动机，其特征在于: 保持所述电刷的电刷保持件设置有可滑动地保持作为与所述电刷连接的连接线的软辫线的槽。
4.如权利要求1或2所述的轴向间隙型永磁铁同步电动机，其特征在于: 所述加压机构配置在保持所述电刷的电刷保持件。
5.如权利要求1所述的轴向间隙型永磁铁同步电动机，其特征在于: 保持所述电刷的电刷保持件是利用螺钉被保持在为了保护所述风扇之目的而安装的风扇罩的结构，所述电刷与风扇罩经由作为与所述电刷连接的连接线的软辫线被连接成电导通状态。
6.如权利要求1所述的轴向间隙型永磁铁同步电动机，其特征在于: 保持所述电刷的电刷保持件是与为了保护所述风扇之目的而安装的风扇罩形成为一体的结构，所述电刷与风扇罩经由作为与所述电刷连接的连接线的软辫线被连接成电导通状态。
7.如权利要求1所述的轴向间隙型永磁铁同步电动机，其特征在于: 保持所述电刷的电刷保持件是利用螺钉被保持在为了保护所述风扇之目的而安装的风扇罩的结构，且由导电性的金属材料构成，所述电刷与风扇罩被连接成电导通状态。
8.如权利要求1所述的轴向间隙型永磁铁同步电动机，其特征在于: 保持所述电刷的电刷保持件是与为了保护所述风扇之目的而安装的风扇罩形成为一体的结构，且由导电性的金属材料构成，所述电刷与风扇罩被连接成电导通状态。
9.如权利要求5所述的轴向间隙型永磁铁同步电动机，其特征在于: 所述风扇罩通过安装螺栓连接到所述壳体； 所述转子的轴和所述壳体为接地电位。
10.如权利要求1所述的轴向间隙型永磁铁同步电动机，其特征在于: 所述定子包括定子铁心、定子绕组、绕组绕线架；
所述定子铁心由铁基非晶金属构成。
【文档编号】H02K5/14GK204131349SQ201420439341
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年8月5日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】榎本裕治, 宫崎泰三, 床井博洋, 铃木利文, 高桥秀一 申请人:株式会社日立产机系统
【专利摘要】本实用新型提供一种轴向间隙型永磁铁同步电动机。永磁铁同步电动机的驱动需要用逆变器，但以往没有考虑逆变器驱动引起的轴承电蚀。轴承电流是电蚀的原因，使轴承寿命缩短，因此需要降低轴承内外圈之间产生的电压和放电时电流，作为此前的阶段，需要降低电动机的轴电压。为解决该问题，本实用新型的轴向间隙型永磁铁同步电动机包括：以轴为中心旋转的两个转子；定子，其配置成在轴向上被两个转子所夹；轴承；用绝缘树脂固定定子的壳体；保持轴承并使定子和转子全封闭的端盖；配置在端盖的轴向端部的风扇；和与风扇的轴向端面接触的电刷，风扇的轴向端面由含铜的合金构成，电刷含有碳；在风扇的轴向端面还具有对电刷加压的加压机构。
【专利说明】轴向间隙型永磁铁同步电动机
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及在轴向上具有间隙的轴向间隙型永磁铁同步电动机的结构。
【背景技术】
[0002]近年来，在工业用设备和家电产品、汽车部件等中，越来越重视节能化的必要性。当前，国内的火力、水力、原子能、风力等发电站中产生的电大部分通过作为电磁应用产品的旋转电机(发电机)产生。此外，国内使用的用电量中一半以上通过旋转电机的驱动而消耗。
[0003]在这些旋转电机等电磁应用产品中，实现这些产品的高效率化的手段是将软磁材料用于铁心部，降低该铁心部的损失。
[0004]此外，其他提高效率的方法有通过使用磁力高的永磁铁，使每规定电流的磁转矩(magnet torque)增加,用较低的电流得到所需转矩,从而降低因电流产生的导体的焦耳热引起的损失(铜损)的方法。作为永磁铁电动机的高效率化的方法，可以考虑安装钕烧结磁铁等强力磁铁的方法。但是，用于这样的磁铁的材料含有只能在世界上有限的产地采掘的稀有金属，所以具有环境问题和价格上涨等问题。
[0005]于是，作为替代方法，使用从以往起大量生产的铁氧体磁铁来实现高效率化的必要性增加。作为使用铁氧体磁铁的情况下的电动机高效率化方法，可以列举日本特开2010-115069号公报(专利文献I)。专利文献I中，提出了一种如下结构的电动机，其构成为为了将低损失的非晶用于永磁铁电动机中使用的铁心的软磁材料，采用轴向间隙型的电动机，进而为了降低铜损，采用以轴向的两面为转子的结构作为增加永磁铁的体积(volume)的结构。
[0006]现有技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献1:日本特开2010-115069号公报实用新型内容
[0009]实用新型想要解决的技术问题
[0010]因为上述专利文献I的电动机是永磁铁同步电动机，所以其驱动需要使用逆变器。但是，专利文献I中，没有考虑逆变器驱动引起的轴承电蚀。
[0011]轴承电蚀是轴承的腐蚀现象，因下述的机制而发生。即，在轴承外圈与壳体接触、轴承内圈与电动机旋转轴接触的结构中，使用逆变器的情况下发生旋转轴的电压变动，所以轴承的内外圈之间产生电动机旋转轴与壳体的电位差。电位差达到轴承油膜的耐绝缘性以上时，因油膜绝缘破坏而流过轴承电流。轴承电流是电蚀(因金属之间流过电流，失去电荷的金属原子作为离子溶出从而使金属腐蚀的现象)的原因，使轴承寿命缩短。
[0012]从而，需要降低轴承内外圈之间产生的电压和放电时电流，此外，作为此前的阶段，需要降低电动机的轴电压。
[0013]电动机的轴电压是在轴中产生与在逆变器的开关状态下产生的绕组中性点电压(也被称为共模电压)同步的电压。该轴电压的产生原因是因为从绕组至转子轴的路径之间因电阻和静电电容而发生电耦合而产生的。
[0014]在专利文献I的将低损失的非晶铁心用于定子铁心的具有两个转子的轴向间隙电动机中，采用定子的铁心被分为多个，该铁心的截面形状在轴向上具有相同的截面形状的结构，在该铁心的周围配置具有与定子铁心的外周面相似形状的内周面的定子绕组。因此，在绕组的轴向端部，成为定子绕组与转子磁铁、或转子铁心部分隔着间隙相向地配置的结构，是增大静电电容的结构。
[0015]此外，定子铁心是在定子中多个铁心分别独立地被保持的结构，是难以与外壳(housing)等接地电位电稱合的结构。因此，存在绕组与轴的电稱合度降低，轴电压升高的技术问题。轴电压升高时，如上所述会超过轴承油膜的耐绝缘性，所以易于在轴承部发生放电，发生轴承电蚀，直至发生故障的时间可能会变短。
[0016]用于解决问题的技术方案
[0017]为了解决上述问题，例如采用权利要求书中记载的结构。本实用新型包括多种解决上述问题的技术方案，列举其一例时，包括:以轴为中心旋转的两个转子；定子，其配置成在上述轴向上被上述两个转子所夹；轴承；用绝缘树脂固定上述定子的壳体(casehousing);保持上述轴承并使上述定子和上述转子全封闭的端盖(end bracket);配置在上述端盖的轴向端部的风扇(fan);和与上述风扇的轴向端面接触的电刷(brush),上述风扇的轴向端面由含铜的合金构成，上述电刷含有碳；在上述风扇的轴向端面还具有对上述电刷加压的加压机构。
[0018]实用新型效果
[0019]根据本实用新型，能够提供一种能够降低轴电压的轴向间隙型永磁铁同步电动机。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1 (a)和图1 (b)是表示实施例1的轴向间隙型永磁铁同步电动机的配置在轴后端部的电刷与电刷保持件(brush holder)的位置关系的截面图。
[0021]图2(a)?图2(c)是表示实施例1的电刷与电刷保持件、螺钉的结构的立体图。
[0022]图3是表示实施例1的轴向间隙型永磁铁同步电动机的电动机部的结构的立体图。
[0023]图4(a)和图4(b)是表示实施例1的轴向间隙型永磁铁同步电动机的定子铁心的结构的立体图。
[0024]图5是表不实施例1的轴向间隙型永磁铁同步电动机的定子与转子、外壳(housing)的位置关系的立体图。
[0025]图6是表示本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机的定子与转子、外壳的位置关系的截面图。
[0026]图7是表示现有的一般的径向间隙电动机的定子与转子、外壳的位置关系的截面图。
[0027]图8是表示逆变器的基本概念图的图。
[0028]图9(a)?图9(d)是说明逆变器的各开关状态下的共模电压的图。
[0029]图10是将电动机的各结构部件作为静电电容和电阻电耦合的单纯模型(model)表不的等价电路图。
[0030]图11 (a)?图11 (C)是表不将实施例4的轴向间隙型永磁铁同步电动机用于工业用途的例子的图。
[0031]图12(a)?图12(d)是表示实施例2中的轴向间隙型永磁铁同步电动机的配置在轴后端部的电刷与电刷保持件的位置关系的截面图。
[0032]图13 (a)和图13 (b)是表示实施例3中的轴向间隙型永磁铁同步电动机的配置在轴后端部的电刷与电刷保持件的位置关系的截面图。
[0033]附图标记说明
[0034]I……风扇罩，2……电刷保持件，3……电刷，4……软辫线(pigtail)，5……圆形压接端子，6……埋头螺钉，7……压缩弹簧，8……螺钉，9……风扇按压圈(collar)，
10......径向风扇，11......键(key), 12......端盖(end bracket), 13......轴承，15......锯齿
(serrat1n)槽，16......切槽，17......螺孔，18......电刷保持槽，19......轴(shaft), 20......转子，21......转子按压螺母，22......转子磁轭，23......背磁轭(back yoke), 24......永磁铁，
30……定子，31……定子铁心，32……定子绕组，33……绕组绕线架(bobbin)，34……搭接线(跨接线)，35......环形套筒(ring sleeve), 36......聚氯乙烯(vinyl)包覆电线,40......壳体，45......泵，46......风扇，47......卷扬机,50......轴向间隙型永磁铁同步电动机。
【具体实施方式】
[0035]以下，用【专利附图】
【附图说明】本实用新型的实施例。
[0036]【实施例1】
[0037]图6用截面图表示轴向间隙型永磁铁同步电动机的结构。图6中，31是定子铁心，32是定子绕组，由它们构成的定子被绝缘树脂填充而固定在壳体40。此外，由转子磁轭22和永磁铁24构成的两个转子以在电动机的轴(shaft) 19方向上夹着定子的方式配置。此夕卜，利用构成配置于与壳体40结合的端盖12的轴承的轴承13可旋转地保持转子。
[0038]此外，图7表示现有型的径向间隙型永磁铁同步电动机的截面图。
[0039]永磁铁同步电动机出于有效利用能源的观点，一般而言在泵、送风机等使用电动机的应用中一边利用逆变器控制按需而定的最佳的转矩、转速一边运转。图8表示逆变器的基本概念图。其中，关于电动机部分，为了易于表示中性点而将绕组描述为星形接线。此夕卜，因为三角形接线与星形接线能够相互转换，所以假设为星形接线也不失一般性。
[0040]逆变器装置由将商用电源转换为直流的转换器部、使转换器的脉动电压平滑的平滑电路、和通过高频下的开关动作使单位时间的平均相电压任意地变化的(狭义的)逆变器部分构成。假设为理想的对称三相平衡电压时，电动机的中性点的电压不随着时间而变化，是恒定的。逆变器装置生成的交流电压作为对称三相平衡电压施加到电动机的各相，但是在实际的逆变器装置中，逆变器部分基本上仅进行开/关(0N/0FF)动作，所以绕组中性点电压不是恒定值，总是变动。该电压被称为共模电压。电动机的轴电压因该共模电压而产生。
[0041]图9(a)?图9(d)表示各开关状态下的共模电压。其中，图9(a)?图9(d)中，为了简单，将功率半导体元件描述为开关。此处，设平滑电路两端电压为E，平滑电路中央为设置点时，各开关状态下的共模电压如图所示可以取到E/2、E/6、-E/6、-E/2。
[0042]从绕组中性点电位至地(earth)的路径存在两种。一种是绕组一定子铁心一壳体，另一种是绕组一定子铁心一转子铁心一轴一轴承一端盖一壳体。这些路径表现为静电电容和电阻电耦合而成的路径。由于电阻非常小所以忽略，图10表示最单纯地模型化后的等价电路。此处，Cwr是绕组与转子(rotor)之间的静电电容，Crf是转子与壳体之间的静电电容，Cb是轴承内外圈之间的静电电容。其中，轴承存在多个，但是为了简单而记载为合成电容。
[0043]轴电压相对于整体电压的比(Bearing Voltage Rat1,以下简称为BVR)能够如下式(I)所示地表达。
[0044]BVR = Cwr/ (Cwr+Crf+Cb)......(I)
[0045]设共模电压为Ecp时，轴电压的峰值电压Vsp如下式(2)所示。
[0046]Vsp = BVR X Ecp......(2)
[0047]共模电压Ecp如上所述由逆变器的动作决定，所以可知轴电压与BVR成比例地产生。因此,可知电动机各部产生的静电电容和轴承的静电电容越小,越能够减小BVR。
[0048]关于电动机各部产生的静电电容，如果两个导电体隔着绝缘物相对，则在该处形成电容器。电容器的电容由形成电容器的导体的形状和两个导体的配置关系等几何学的因素决定。即，能够用与相对的面积成比例、与其距离成反比的式子来表达。
[0049]图6所示的轴向间隙型永磁铁同步电动机的情况下，可知定子绕组与转子的面、定子绕组与壳体之间的相对面积较大，Cwr的静电电容增大。相反，关于图7所示的径向间隙型永磁铁同步电动机，可知定子30与壳体40连接成为零电位(接地)，Cwr减小。因此，轴向型的BVR与径向型相比大数倍至数十倍。所以，轴电压与通常的逆变器驱动的径向型电动机相比更高，在轴中出现数十伏特的电压。于是，因为出现较高的电压，在轴承油膜发生放电，引起电蚀。
[0050]于是，作为使该轴中产生的电位降低至零电位(接地)侧的方法，用接地电刷(earth brush)进行接地。在通常的径向型中，轴电压较高也只产生数V左右，所以需要使轴与电刷良好地接触，从而减小接触部的电阻。为此，需要确保接触部的接触面积较大，以及将电刷的按压压力设定得较高，存在机械摩擦引起电动机效率的降低和电刷的磨耗导致寿命降低等问题，在实际产品中几乎不采用。
[0051]本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机中，产生数十伏特的轴电压，所以即使接触电阻较小，也在电刷接触部中可靠地流过电流，因此接触面积可以较小，此外，用摩擦和磨耗小但电阻值高的碳刷也能够构成。此外，因为接触压力也能够降低，所以能够将磨耗量抑制得较小，能够无需进行电刷的交换地应用于工业用的电动机。
[0052]图1 (a)和图1 (b)表示在本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机的配置在轴后端部的电刷与电刷保持件的位置关系的截面图。图1(a)是放大图，图1(b)是整体图。图1(a)和图1 (b)中，在通过安装螺栓与壳体40连接的风扇罩I的中央部，配置有用于安装圆筒状的电刷保持件2的孔。该孔是埋头螺钉6的螺钉头部不突出地呈锥(taper)状，并通过将埋头螺钉6紧固来固定圆筒状的电刷保持件2的结构。在电刷保持件2的中央部分，在图示的左侧部构成有用于用螺钉固定的螺孔，在右侧部构成有用于配置电刷3的与电刷外形形状对应的槽形状的在轴向上可滑动地保持电刷的槽。此外，在埋头螺钉的前端部与电刷后端部之间具有配置压缩弹簧7来对电刷向轴向电动机侧(图上为右侧方向)加压的加压机构。该电刷由以碳为主材料压缩成形的原料(坯料)构成。
[0053]图2(a)?图2(c)表示电刷和电刷保持件部分的结构的立体图。图2 (a)表示电刷3的结构。电刷3具有大致四边形的截面，其前端部形成有被称为锯齿部15的槽。这是为了提高电刷与滑动面的初始的接触性而减少初始接触面积的形状。此外，在该电刷3的一面，通过焊接固定有绞线导体的连接线4 (此处在以下称为软辫线)。此外，构成为在该软辫线的前端连接有圆形压接端子5。该圆形压接端子5是通过上述埋头螺钉6，配置在风扇罩I与电刷保持件2之间并用螺钉紧固的结构。
[0054]图2(b)表示透过内部表示电刷保持件2的概要结构的立体图。本实施例中，在圆筒状的电刷保持件2的中央部分具有用于配置电刷3的具有大致四边形截面的电刷保持槽18，在其相反侧具有用于配置压缩弹簧7的圆筒部和作为螺纹部的螺孔17。此外，构成为在圆筒的周向的一部分，设置有用于使软辫线4通过的切槽16。在该电刷保持件2中插入配置带有软辫线的电刷3，利用在插入压缩弹簧7的状态下将金属等导电体的风扇罩I和圆形压接端子用埋头螺钉6螺纹固定的结构，来保持电刷3。电刷3本身具有被压缩弹簧7在向电动机轴向弹出的方向上加压，但是被软辫线4保持为不会弹出的结构。
[0055]其中，电刷保持件2通过埋头螺钉6与风扇罩I固定，从而具有能够直接使用现有的风扇罩的效果，但是不限于此，例如，电刷保持件2与风扇罩I也可以是一体结构。通过采用一体结构，具有组装变简单的效果。
[0056]图1(a)和图1(b)中，在电刷前端部所接触的电动机的轴端部，设置有径向风扇10,作为用于使电动机的外壳冷却的风扇。该径向风扇10固定在电动机的轴19的从端盖部向与输出侧相反侧突出的结构的轴部分上，被构成配置于端盖12的轴承的轴承13可旋转地保持。径向风扇10对轴的固定是这样的结构:在轴的旋转方向的一部分具有键槽，在该键槽部分中插入键11以使其不在旋转方向上滑动的方式固定在轴上，进而，设置将径向风扇在轴向按压的圆筒状的圈(collar)9，将该圈9用具有六角头或对2面进行了倒角的形状的头的螺钉8紧固，进行轴向上的对轴的固定。
[0057]图2(c)表示作为将径向风扇安装到轴的安装部的螺钉8的结构。螺钉8的头部分的轴向端面具有平坦的面，其表面粗糙度是镜面状态。此外，该螺钉头由黄铜等含铜的合金构成。采用在该平坦面上上述电刷前端部一边被压缩弹簧加压一边按压的结构，采用其接触部在旋转摩擦较低的状态下滑动的结构。电动机的轴19通过配置转子20和键槽，在旋转方向上固定，通过转子按压螺母21在轴向上固定配置。该实施例中的转子20是具有背磁轭23和永磁铁24的结构。
[0058]根据以上结构，即使在产生轴电压的情况下，电流也从轴通过风扇紧固用螺钉和电刷、软辫线，经由金属制风扇罩、风扇罩的安装螺栓、壳体和导电部件向接地电位方向流动，所以能够抑制破坏轴承油膜的轴承电蚀的发生。
[0059]图3表示本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机的电动机结构的立体图。轴向间隙型永磁铁同步电动机是具有配置在轴向中央部的一个定子30、和配置在该轴向两端部的具有以圆形的面与定子相对的磁铁面的转子20的结构。
[0060]转子20是利用粘接剂等固定方法将圆环状的永磁铁24与由磁体构成的转子磁轭22构成为一体的结构。永磁铁24可以使用圆环状的一体环形磁铁，但因大小的关系等难以制作的情况下，也可以将分割为多块的磁铁组合为圆环状使用。
[0061]此外，该永磁铁24以在周向上N极和S极交替地配置的方式磁化而构成。其极数在图3所示的本实施例中示出了 14极的情况。每一极的形状以在周向上为相等角度、相同截面积的方式呈扇形形状。本实施例中，扇形的张角为360/14度即约25.7度。
[0062]通常，在三相的永磁铁同步电动机中，电动机的转子的极数与定子极(槽)的关系一般为2: 3。磁铁电动机的一个极对是由磁铁的N极和S极成一对构成的。三相电动机的情况下，是在该一对的极对中配置有三相的绕组的结构，所以是两个磁铁极与三个定子极的关系。本实施例中，构成为定子极数为12和12槽，且磁铁极是14极，能够期待将非晶金属应用于定子引起的铁损降低，所以是能够实现多极化的结构。此外，通过多极化，预计感应电压常数(转矩常数)会增加。这样的组合除此以外还有多种，12槽的情况下，按
2: 3的关系应为8极，但也能够采用10极。槽数为9的情况下，原本为6极，但是能够采用8极、10极。
[0063]本实施例的转子磁铁中，是在表面配置铁氧体烧结磁铁的结构。其原因在于，在构成使与定子相对的面全部由磁铁构成的表面磁铁型的情况下，因来自定子绕组的磁通和定子铁心的槽配置引起的谐波等在磁铁表面产生涡电流会成为问题，所以采用导电性金属磁铁时会显著降低效率。因此，关于能够用于本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机的转子磁铁的磁铁，合适的是稀土类粘结(bond)磁铁、铁氧体(ferrite)烧结磁铁、铁氧体粘结磁铁、铁氧体橡胶磁铁等。
[0064]接着用图3说明定子的结构。图3的轴向中央部所示的定子中，在周向上等间隔地配置多个在周向上具有扇形截面的定子铁心31。其形状是在该定子铁心31的周围配置由塑料、有机材料等绝缘部件构成的绕组绕线架33，配置在该绕组绕线架的周围以与扇形铁心的外周相似的形状卷绕有导体的定子绕组32。绕组的导体的材质通常使用铜，但也能够使用铝等比重轻的线材。其原因是，除了具有价格低廉等效果以外，因为定子铁心和绕组绕线架、绕组在周向上散乱地配置，因此为了保持它们，采用使树脂浸渗而固定的模塑电动机的结构，所以为了以树脂的粘接强度支承铁心和绕组的自重而需要轻量化。从而，可以认为使用在招的导体上涂敷有聚酯(polyester)或酰胺酰亚胺(amide_imide)、聚氨酯(urethane)等漆(enamel)包覆的招导体漆包电磁线(enamel magnet wire)等也是有效的。
[0065]卷绕在各个定子铁心31的周围的定子绕组32具有卷绕起点和卷绕终点的线，所以图1所示的定子铁心的数量为12个时，引出24条终端线。也可以直接按24条引出线处理，但是考虑到之后的连接处理，优选尽可能少的数量。本实施例中，图示了通过将两个绕组连续地卷绕，从相邻的两个绕组引出的线是2条的例子。因此，引出的线最终为12条。引出的线通常使较细的导体与构成为绞线的聚氯乙烯包覆电线36连接而与电动机的端子箱接线。电动机绕组的电磁线(magnet wire)与聚氯乙烯包覆电线36的连接采用环形套筒35，是通过铆接、焊接等将各线与环形套筒35连接的结构。构成为在连接后，在该连接部位的包覆裸露的部位涂敷绝缘物，使空气和水分与导体部不接触的结构。
[0066]接着用图4(a)和图4(b)说明定子铁心的结构及其制造方法。定子铁心用铁基非晶金属箔带构成。这是因为铁基非晶金属的损失与其他磁性材料相比大幅地低，并且磁导率高。磁导率高意味着即便使用铁氧体磁铁这样的只能得到较低的磁场强度的磁铁的情况下，与其他磁性材料相比也可以得到更高的磁通密度。可以认为除了铁基的非晶金属以外，拍明德铁钴系高磁导率合金(Permendure)、铁基的纳米晶体金属等材料作为这样的磁导率高的材料也具有应用效果。这样的材料板厚比较薄，金属自身的硬度高，所以难以加工，难以应用于现有的电动机等。
[0067]于是，使该铁心为图4(a)所示的结构而能够较容易地制造。为了获得图3所示的截面呈扇形的铁心，采用如下结构:使宽度方向为固定宽度的铁基非晶金属箔带从图4(a)的图下部起逐渐扩大宽度，在终点部分，使切断宽度略微重新变窄地形成该形状。该叠置而得到的非晶箔带在该状态下是散乱的，所以将其插入到图4(b)所示的形状的用于卷绕绕组的绝缘性的绕组绕线架33中保持从而构成为定子铁心。
[0068]接着用图5说明电动机的定子、转子与壳体的关系。壳体40基本上为圆筒形状。构成为在该圆筒内侧配置定子30和转子20。定子30配置在壳体40的轴向中央部，以填充壳体40与定子铁心31、定子绕组32、绕组绕线架33之间的空间的方式填充绝缘树脂成为一体的带有壳体的定子。定子30以树脂的粘接强度被保持，但是为了在该树脂因经年劣化等引起轻微的重量减少的情况下也使定子不会脱离壳体，采用如下结构:在壳体40的内侧设置台阶使定子不在轴向上脱离，此外，在旋转方向的一部分上设置切口等槽或突起，使定子也不在旋转方向上旋转。
[0069]来自绕组的发热经由树脂传递到壳体40，进行传热而使电动机冷却，所以优选树脂的厚度不太厚。此外，为了冷却而对壳体40追加翼片(fin)结构扩大散热面积，提高与外侧空气的热交换也是有效的方法。
[0070]如以上所说明的，本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机，通过将低损失的铁基非晶箔带用于定子铁心，能够提高电动机的效率。当前，工业用的感应电动机会发生二次电流引起的二次铜损等，所以效率最高只能支持国际电工委员会(IEC)规定的规格值的IE代码为IE3的分级。在本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机中，不发生磁铁的涡电流，能够设计使铁损、铜损均抑制得较低的电动机，所以能够实现IE代码为IE4以上的电动机效率。
[0071]以下，对本实施例的结构换一种形式总结。使轴向间隙型永磁铁同步电动机的定子铁心由铁基非晶金属构成，该定子铁心使用仅将铁基非晶金属箔带切断并层叠的简单的制造方法制成，具有被保持该定子铁心的部件保持的定子铁心结构。
[0072]此外，构成定子绕组的导体是具有与定子铁心的外周形状相似形状的内周形状，将定子铁心、定子绕组和壳体内周部用树脂一体化粘接的结构。因为是用树脂粘接的结构，所以定子绕组、定子铁心是不被电接合的绝缘结构。
[0073]转子以定子的轴向两面与磁铁相对的结构配置，构成为能够经由与壳体结合的轴承保持端盖的轴承旋转。这些作为电动机的结构是被上述壳体和保持轴向两端部的轴承的端盖覆盖的结构，是使定子和转子全封闭、不暴露在外部的气氛中的结构。由此，能够避免因电刷的滑动而产生的磨耗粉等的影响。
[0074]进而，转子轴的输出侧是像通常的电动机一样的根据转矩而定的既定的轴径的轴作为输出轴突出的结构。此外，与输出侧相反侧是轴同样地从转子的轴向后端部轴承保持端盖的外部突出的结构，且构成为在该突出轴安装送风用的风扇。该风扇形状采用使从轴向后方侧吸入的空气在径向上流动的径向风扇形状，并构成为被为了在轴向上输送在径向上流动的空气而设置的风扇罩所覆盖。
[0075]作为风扇的安装部的螺钉的轴后端部由含铜的合金构成，通过镜面加工使其轴向端面尽可能成为无凹凸的状态。构成为在风扇罩的中央部，配置保持含碳的材料的电刷的电刷保持件，在其中配置能够通过弹簧在轴向上移动、并且向电动机的轴端部具有(施加)按压力的电刷，其前端与轴端部的含铜的合金部接触。
[0076]如上所述，根据本实施例，在采用轴向间隙电动机，定子绕组与转子磁铁、转子铁心的相对面积大，此外，其间隙距离小，定子绕组与转子之间的静电电容增大的情况下，即使在与共模电压同步的轴电压升高的状况下，也能够在该轴电压产生的瞬间，使电流从电刷经由风扇罩、壳体流到接地电位而使轴电压成为接地电位，所以即使轴承部的油膜部分的耐绝缘性低，也能够得到不发生轴承电蚀的效果。
[0077]此时，在轴向型电动机中，产生数十伏特的轴电压，所以即使接触电阻小，电流也可靠地流过电刷接触部，因此电刷的接触面积可以较小，此外，还能够降低接触压力。此外，也能够用电阻值高但是磨耗量少的碳刷构成。由此，也能够构成无需交换，工业用的电动机寿命也能够长寿的产品。
[0078]此外，通过配置在风扇罩的中央部的电刷保持件，电刷在周速度小的部分滑动，所以能够减轻电刷的磨耗，此外，通过铜与碳的滑动能够长期维持稳定的接触状态，因此能够实现工业用途的产品寿命和低成本化。
[0079]此外，通过将铁基非晶用于定子，能够实现电动机铁心部分的低损失化，通过低损失化能够提高电动机的效率，且实现长寿化。
[0080]如上所述，本实施例中，能够实现轴向间隙型永磁铁同步电动机的轴电压降低对策，实现高效率和高可靠性(提高寿命)，且不使结构变得复杂，采用价格低廉的结构，能够提供低成本且高效率的旋转电机。
[0081]【实施例2】
[0082]用图12(a)?图12(d)说明实施例2。图12 (a)?图12 (d)是表示本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机的配置在轴后端部的电刷与电刷保持件的位置关系的图。图12(a)是电动机的轴后端部的放大图，图12(b)是轴后端部追加轴25的图，图12(c)是表示电刷与轴后端部追加轴25的关系的图，图12(d)是表示电刷保持件27的图。
[0083]如图12(a)所示，构成为在轴向间隙型永磁铁同步电动机的后端部轴的前端部分中央，进行轴孔加工或配置螺孔，在该孔部中压入或通过螺钉紧固来固定配置图12(b)所示的轴后端部追加轴25。该轴后端部追加轴25由黄铜等含Cu的合金构成，是对轴表面进行了表面粗糙度为0.3以上的镜面加工的轴。如图12(c)所示，配置成两个电刷26与该轴的周向面以180度相对地接触，该电刷26例如是如图12(d)所示被电刷保持件27保持的结构。电刷保持件27是具有覆盖电刷的外周面的部分，能够在径向上可滑动地保持电刷的结构。构成为配置弹簧61，使得向电刷保持件中心部按压该可滑动的电刷26的力起作用，电刷26被该弹簧压向上述轴后端部轴25地配置。该电刷保持件27是利用螺孔60等，安装在风扇罩I的结构。
[0084]在实施例1所示的结构中，与电刷的滑动面是轴的中央部分，所以摩擦部分小，磨耗少，而第二实施例中，可以认为即使使轴变细一定程度，减弱用于按压的弹簧力，与实施例I相比还是更易于发生磨耗。但是，本实施例中的电刷保持件27采用容易安装到风扇罩的结构，且采用仅用螺钉就能够容易地更换每个电刷保持件27的结构。此外，电刷保持件由导电性的金属材料构成，能够省去实施例1所示的将从电刷接出来的软辫线连接到接地电位的部件的麻烦。
[0085]【实施例3】
[0086]用图13(a)和图13(b)说明实施例3。本实施例中，表示实施了电刷的磨耗粉对策结构的例子。图13(a)是电动机的轴后端部的放大图，图13(b)是表示电刷保持件的图。图13(a)中，在电刷保持件的内周部配置环状的密封件63，能够构成为使该磨耗粉不向电刷保持件外部排出。密封件63在实施例1中也能够通过变更配置的方法来应用。因为是通过该密封件使磨耗粉在电刷保持件的内部保持在电刷滑动面间隙部的结构，所以构成为配置充分的间隙，或设置用于保持被O形环等密封件包围的区域中贮留的电刷粉的区域(例如孔64等)。由此，能够防止电刷的磨耗粉进入电刷滑动面，妨碍滑动而导致不接触等不良。
[0087]【实施例4】
[0088]图11(a)?图11(c)表不将本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机用于工业用途的例子。
[0089]工业用途的电动机容量较大，电力使用量大，所以其节能效果也较大。本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机如上所述，能够实现IEC的IE代码的IE4以上，所以其电力使用量减少效果较大。此外，因为泵、风扇等要求薄型化，所以也能够有助于设置面积的缩小。图11 (a)表示安装有薄型泵45和本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机50的工业用泵。图11 (b)表示构成本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机50和薄型风扇46的情况的示意图。此外，作为要求薄型的用途，有升降机的卷扬机。图11(c)表示卷扬机的例子。因为需要使具有卷绕绳索的绳轮(sheave)的卷扬机47和轴向间隙型永磁铁同步电动机50较薄地构成，所以适合使用本实施例的轴向间隙型永磁铁同步电动机。
[0090]此外，本实用新型不限定于上述实施例，包括各种变形例。例如，上述实施例是为了易于理解地说明本实用新型而详细说明的，不一定限定于具备所说明的所有结构。此外，能够将某个实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，或者在某个实施例的结构上添加其他实施例的结构。此外，对于各实施例的结构的一部分，能够追加、删除、置换其他结构。
【权利要求】
1.一种轴向间隙型永磁铁同步电动机，其特征在于，包括: 以轴为中心旋转的两个转子； 定子，其配置成在所述轴向上被所述两个转子所夹； 轴承； 用绝缘树脂固定所述定子的壳体； 保持所述轴承并使所述定子和所述转子全封闭的端盖； 配置在所述端盖的轴向端部的风扇；和 与所述风扇的轴向端面接触的电刷， 所述风扇的轴向端面由含铜的合金构成， 所述电刷含有碳； 在所述风扇的轴向端面还具有对所述电刷加压的加压机构。
2.如权利要求1所述的轴向间隙型永磁铁同步电动机，其特征在于: 所述风扇通过风扇安装部安装在所述转子的轴突出到所述端盖的外部而形成的突出轴； 所述风扇的轴向端面是所述风扇安装部的轴向端面。
3.如权利要求1或2所述的轴向间隙型永磁铁同步电动机，其特征在于: 保持所述电刷的电刷保持件设置有可滑动地保持作为与所述电刷连接的连接线的软辫线的槽。
4.如权利要求1或2所述的轴向间隙型永磁铁同步电动机，其特征在于: 所述加压机构配置在保持所述电刷的电刷保持件。
5.如权利要求1所述的轴向间隙型永磁铁同步电动机，其特征在于: 保持所述电刷的电刷保持件是利用螺钉被保持在为了保护所述风扇之目的而安装的风扇罩的结构，所述电刷与风扇罩经由作为与所述电刷连接的连接线的软辫线被连接成电导通状态。
6.如权利要求1所述的轴向间隙型永磁铁同步电动机，其特征在于: 保持所述电刷的电刷保持件是与为了保护所述风扇之目的而安装的风扇罩形成为一体的结构，所述电刷与风扇罩经由作为与所述电刷连接的连接线的软辫线被连接成电导通状态。
7.如权利要求1所述的轴向间隙型永磁铁同步电动机，其特征在于: 保持所述电刷的电刷保持件是利用螺钉被保持在为了保护所述风扇之目的而安装的风扇罩的结构，且由导电性的金属材料构成，所述电刷与风扇罩被连接成电导通状态。
8.如权利要求1所述的轴向间隙型永磁铁同步电动机，其特征在于: 保持所述电刷的电刷保持件是与为了保护所述风扇之目的而安装的风扇罩形成为一体的结构，且由导电性的金属材料构成，所述电刷与风扇罩被连接成电导通状态。
9.如权利要求5所述的轴向间隙型永磁铁同步电动机，其特征在于: 所述风扇罩通过安装螺栓连接到所述壳体； 所述转子的轴和所述壳体为接地电位。
10.如权利要求1所述的轴向间隙型永磁铁同步电动机，其特征在于: 所述定子包括定子铁心、定子绕组、绕组绕线架；
所述定子铁心由铁基非晶金属构成。
【文档编号】H02K5/14GK204131349SQ201420439341
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年8月5日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】榎本裕治, 宫崎泰三, 床井博洋, 铃木利文, 高桥秀一 申请人:株式会社日立产机系统
相关技术
网友询问留言
已有0条留言
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！
1