电动机的制作方法

本实用新型涉及一种电动机，特别涉及一种优化了转子形状的电动机。

背景技术：

关于能够通过优化转子形状来降低的齿槽转矩(cogging torque)的基本的频率成分(以下称为“基本成分”)，一般已知，转子每旋转1圈，产生转子极数与定子齿数的最小公倍数次的基本成分。

以往以来，为了降低齿槽转矩的基本成分，进行了各种形状优化。图1中示出了使转子形状连续变化时的齿槽转矩波形(基本成分)的变化。使转子形状从(1)逐渐变化至(5)，并设在转子形状为(3)的情况下齿槽转矩的振幅变得最小。在该情况下，将(3)的形状作为最佳形状来使用。

以往的形状优化是以降低基本成分为目标的，但是难以完全消除基本成分。为了消除其剩余的基本成分，一般来说，使转子形状、定子齿(teeth)形状、或者转子与齿的相位关系等在整个电动机轴向上不同，来抵消基本成分。作为其中最一般的手法，已知一种使转子的极相位在整个轴向上变化的偏斜(skew)(例如，日本特开2014-150626号公报。以下称为“专利文献1”。)。

图2是专利文献1所记载的以往的电动机中的以2段的方式构成偏斜构造时的转子的概要立体图。转子1002沿轴向具有2段的转子芯块1041a、1041b，该转子芯块1041a、1041b中装入有构成多个磁极的永磁体1050。而且，转子1002具有以使各段转子芯块1041a、1041b沿周向相互错开的状态一体形成的段偏斜构造。

图3是专利文献1所记载的以往的电动机中的从轴向观察图2时的转子芯1040的主要部分放大图。以如下方式设定偏斜角度：在包括段不同的转子芯块1041a、1041b的转子芯块1041中，在装入到磁体插入孔1042内的磁体1050的两侧的空间中，相邻的磁极的磁通屏障(flux barrier)1060a、1060b之间的至少一部分相重合。相重合的磁通屏障1060a、1060b的至少一部分跨段地在轴向上一致。相重合的磁通屏障1060a、1060b的截面形状均大致呈椭圆形，外周形状大致一致。通过使磁通屏障1060a、1060b跨段地在轴向上大致一致，能够切断沿轴向流动的段间的短路磁通。

在图2所示的以往技术中，使转子为多段，使各段的转子相位错开，从而使转子与定子的相位关系错开。由此，使所产生的齿槽转矩的相位错开，通过其重合来试图抵消齿槽转矩。除此以外，也有时使用使定子的相位错开的方法、使转子的形状在各个段中变化的方法、使定子的齿形状在各个段中变化的方法等。

在以往技术中，齿槽转矩的基本成分的降低不充分，也有时通过转子的偏斜(连续性偏斜、使转子的多段错开的偏斜)来应对。然而，在进行偏斜的情况下，存在电动机的输出有可能下降这样的问题。另外，若进行偏斜则部件数量、工时会增加，从而还存在成本上升的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种能够通过优化转子形状来消除因转子极数和定子槽数引起的齿槽转矩的基本成分、从而实现齿槽转矩的大幅降低的电动机。

本实用新型的一个实施例所涉及的电动机具有：转子，其具有转子铁芯以及包括设置于转子铁芯的永磁体的多个磁极；以及定子，其配置于转子的外周侧，具有定子铁芯，该定子铁芯中形成有与多个磁极相向的多个齿以及用于收纳卷绕于多个齿的电枢绕组的槽，该电动机的特征在于，转子构成为从转子的中心到外周的距离r(θ)满足下述的式(1)和式(2)，

其中，

R：定子芯的最小半径

r₀：转子最大半径

r₁：以往形状的转子的半径

p：转子的极数

θ：以从转子的旋转中心与旋转轴垂直地去向转子极中心的直线为基准(0[rad])时的角度[rad]

φ：用于指定r(θ)的范围[rad]

α、β、γ、μ：分别在上式中被指定了范围的、用于对转子形状赋予特征的参数。

附图说明

通过与附图相关联的以下的实施方式的说明，本实用新型的目的、特征以及优点会变得更进一步明确。在该附图中，

图1是表示在以往的电动机中使转子形状连续地变化时的齿槽转矩波形(基本成分)的变化的概念图，

图2是以往的电动机中的以2段的方式构成偏斜构造时的转子的概要立体图，

图3是从轴向观察图2所示的以往的电动机时的主要部分放大图，

图4是本实用新型的实施例所涉及的电动机的截面图，

图5是本实用新型的实施例所涉及的电动机的转子周边部的放大截面图，

图6是表示在本实用新型的实施例中使转子形状连续地变化时的齿槽转矩波形(基本成分)的变化的概念图，

图7是本实用新型的实施例所涉及的电动机的磁体和磁体孔的放大截面图，

图8是在本实用新型的实施例所涉及的电动机中改变参数时的转子形状的模拟结果，

图9是表示本实用新型的实施例所涉及的电动机的从转子中心到磁体孔周边部的距离的磁体孔的放大截面图，

图10是在本实用新型的实施例所涉及的电动机中使转子形状连续地变化时的齿槽转矩的基本成分波形的变化的模拟结果，

图11A是表示本实用新型的实施例所涉及的电动机中的齿槽转矩的旋转角依赖性的曲线图，

图11B是表示以往的电动机中的齿槽转矩的旋转角依赖性的曲线图，

图12A是表示本实用新型的实施例所涉及的电动机中的齿槽转矩的频率成分的曲线图，

图12B是表示以往的电动机中的齿槽转矩的频率成分的曲线图，

图13A是表示在本实用新型的实施例所涉及的电动机中使磁体位置移动50μm之前的齿槽转矩的基本成分波形的变化的曲线图，

图13B是表示在本实用新型的实施例所涉及的电动机中使磁体位置移动50μm之后的齿槽转矩的基本成分波形的变化的曲线图，以及

图14是表示在本实用新型的实施例所涉及的电动机中改变磁体的磁通密度Br时的齿槽转矩的基本成分波形的变化的曲线图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本实用新型所涉及的电动机。图4中示出了本实用新型的实施例所涉及的电动机的截面图。本实用新型的实施例所涉及的电动机100具有转子1和定子2。转子1具有转子铁芯11以及包括设置于转子铁芯11的永磁体12的多个磁极13。定子2配置于转子1的外周侧，具有定子铁芯23，该定子铁芯23中形成有与多个磁极13相向的多个齿21以及用于收纳卷绕于多个齿21的电枢绕组(未图示)的槽22。

并且，本实用新型的实施例所涉及的电动机100的特征在于，转子1构成为从转子1的中心C到外周的距离r(θ)满足下述的式(1)和式(2)。

其中，f(θ)表示为以下的式(3)，r₁(θ)表示为以下的式(4)。

式(1)～(4)中的φ、α、β、μ、γ是用于对转子形状赋予特征的参数，被设定为满足以下的式(5)～(9)。

另外，如以下那样定义式(1)～(4)中的R、r₀、r₁、p、θ、φ。

R：定子芯23的最小半径

r₀：转子1的最大半径

r₁：以往形状的转子的半径

p：转子1的极数

θ：以从转子1的旋转中心C与旋转轴垂直地去向转子极中心的直线为基准(0[rad])时的角度[rad]

φ：用于指定r(θ)的范围[rad]

图5中示出了f(θ)与r(θ)的关系。在图5中，如以下那样表示在-φ～φ的范围内由曲线f(θ)和r(θ)围起来的面积，式(1)的左边与其成正比。

式(1)的左边大意味着f(θ)与r(θ)的形状差大。另一方面，式(1)的右边与由转子的最大半径r₀和定子的最小半径R围起的通过以下的式来表示的面积成正比。

可以说式(1)利用了相对于“由转子的最大半径r₀和定子的最小半径R围起的面积”的比例来指定“转子形状的曲线f(θ)与r(θ)之差的容许范围”。

在此，补充说明式(1)的右边的系数(1/10)的妥当性。作为一例，说明以下的情况：设p＝8、φ＝π/8、R＝30mm、r₀＝29.6mm，曲线f(θ)与r(θ)之差始终为20μm。当为了便于计算而假设f(θ)为圆形状时，在图5中，如以下那样求出在-φ～φ的范围内由曲线f(θ)和r(θ)围起来的面积。

如以下那样求出在-φ～φ的范围内由转子的最大半径r₀和定子的最小半径R围起来的面积。

当求出上述两个计算结果之比时，为

0.4648/9.3619＝0.049648…≈1/20。

根据以上，将式(1)的右边的系数设为1/10。

虽然f(θ)不是圆，但是判断为在求出由曲线f(θ)和r(θ)围起来的面积的近似值时将f(θ)假设为圆形状是妥当的。

假如始终为10μm的差，当进行同样的计算时能够得到下述的式是妥当的这样的结果。

有时也可以以取代式(5)而满足以下的式(5′)的方式决定参数φ。

有时也可以以取代式(6)而满足以下的式(6′)的方式决定参数α。

有时也可以以取代式(9)而满足以下的式(9′)的方式决定参数γ。

有时也可以以取代式(7)而满足以下的式(7′)的方式决定参数β。

有时也可以以取代式(5)而满足以下的式(5″)的方式决定参数φ。

有时也可以以取代式(6)而满足以下的式(6″)的方式决定参数α。

α＝1 (6″)

有时也可以以取代式(9)而满足以下的式(9″)的方式决定参数γ。

γ＝1 (9″)

根据模具的精度，也可以以取代式(1)而满足下述的式(1′)的方式决定距离r(θ)。

也可以以取代式(2)而满足下述的式(2′)的方式决定距离r(θ)。由此，与r₁之间的偏离量变得更明确。

也可以以取代式(2)而满足下述的式(2″)的方式决定距离r(θ)。由此，与r₁之间的偏离量变得更明确。

也可以以取代式(1)和(2)而满足下述的式(10)和(20)的方式决定距离r(θ)。

在此，简单说明式(2)和式(4)。在同步电动机中，一般来说是以下面的情况为前提来进行控制的：交链磁通的因转子旋转角而产生的变化是三角函数。当交链磁通的因转子旋转角而产生的变化脱离三角函数时，转矩波动(通电时的转矩脉动)变大而控制性恶化。因此，为了试图使磁通的变化为三角函数状，存在以下惯例：使用三角函数作为转子形状本身(更严密地说，以三角函数的方式给出转子与定子之间的距离的变化量。)。此时，设转子的1个极为三角函数的半个周期(1个峰)(如果是p极的电动机则使用cos(pθ/2)。)。

在本实施例中，特征在于，不拘泥于以往的三角函数的使用方法，而使用新的三角函数的使用方法来优化形状，以优化齿槽转矩而不是转矩波动(反过来说，利用以往的三角函数的使用方法无法使齿槽转矩的基本成分最小化。)。因此，与以往的使用方法不同，使用式(2)和式(4)。

简单说明式(3)。式(3)是如下的式子：通过在以往的函数式(4)中追加参数α、β、μ、γ来提高转子的外周形状的自由度，使得易于找到齿槽转矩的最小点。上述参数与转子的外周形状之间存在以下的关系。

·在α小于1的情况下，与式(4)所规定的转子的外周形状相比，转子的外周形状向外侧膨出。在α大于1的情况下，与式(4)所规定的转子的外周形状相比，转子的外周形状向内侧瘪缩。

·在β小于p/2的情况下，与式(4)所规定的转子的外周形状相比，转子的外周形状向外侧膨出。在β大于p/2的情况下，与式(4)所规定的转子的外周形状相比，转子的外周形状向内侧瘪缩。

·在γ小于1的情况下，在θ<μ的范围内，与式(4)所规定的转子的外周形状相比，转子的外周形状向内侧瘪缩。在θ>μ的范围内，与式(4)所规定的转子的外周形状相比，转子的外周形状向外侧膨出。

在γ大于1的情况下，在θ<μ的范围内，与式(4)所规定的转子的外周形状相比，转子的外周形状向外侧膨出。在θ>μ的范围内，与式(4)所规定的转子的外周形状相比，转子的外周形状瘪缩。

还需要注意的是，各个参数下的形状的膨出方式不同。另外，在此所说的“膨出”或“瘪缩”区域主要是图4的15(极的肩垂部分)，转子的最大半径不变化。

利用上述的特性，再利用磁体尺寸、磁体位置等参数来找到齿槽转矩的最小点。

在本实用新型的实施例所涉及的电动机中，如图4所示那样定义转子外周形状，并改变函数的参数α、β、γ、μ以及磁体位置、磁体形状、磁体孔形状(IPM(Interior Permanent Magnet：内置永磁体)构造的情况)中的一个或多个参数来进行优化。由此，如以下所示，能够得到与以往的优化不同的效果。本实用新型的实施例所涉及的电动机中的转子形状是指上述的全部参数，不仅包括外周形状，还包括磁体位置、磁体形状、磁体孔形状这全部。

并且，优选的是，转子1的形状、定子2的齿21的形状以及转子1与齿21的相位关系在整个轴向上相同，转子1的多个磁极13各自的形状相同。通过设为这种结构，不需要进行偏斜、段错开，也不产生由偏斜、段错开引起的转矩的下降。

在本实用新型的实施例所涉及的电动机中，着眼于在使转子形状连续地变化时基本成分的相位偏离半个周期(反转)这一情况，通过使用发生反转时的该形状来消除基本成分。能够使用三角函数来作为转子的外周形状，通过多个参数改变形状，来进行优化。

图6是在本实用新型的实施例中使转子形状连续地变化时的齿槽转矩波形(基本成分)的变化图。在本实用新型的实施例所涉及的电动机中，如转子形状编号(1)至(7)所示，逐渐地改变上述多个参数(或其中之一)。在像这样逐渐地改变参数的情况下，如图6所示那样齿槽转矩的基本成分发生变化，若将(1)与(7)相比，则齿槽转矩的基本成分的相位偏离半个周期(波形形状反转)。据此，在(1)至(7)之间的中途的阶段、例如(4)的情况下，存在基本成分无限接近于0的形状。因而，通过使用使齿槽转矩变得接近0的形状(例如(4)的形状)，能够制作出基本成分非常小的电动机。

在此，在磁体表面贴装构造(SPM)中，转子外周形状是指磁体外周形状，在磁体嵌入构造(IPM)中，转子外周形状是指转子芯外周形状。主要关注磁性体的形状(对齿槽转矩产生影响的物体的形状)，未关注非磁性体、按非磁性体看待的物体的形状(树脂制的罩、薄的SUS的罩等对齿槽转矩没有影响的物体的形状)。

另外，式(4)是以往以来用于转子外形的函数，是一般的三角函数的使用方法。在式(2)中明确地指定了是与式(4)不同的形状。为了进一步优化，如式(3)那样通过各种参数来特意地使外周形状脱离一般的三角函数。

为了使与以往形状之差更显著，只要如下所述那样在右边加入值即可。

在此，相比于式(9)，式(10)的r(θ)所描绘的(有助于转矩的)形状与以往形状r₁更为不同。

图7是本实用新型的实施例所涉及的电动机的磁体和磁体孔的放大截面图。如图7所示，磁体孔14的形状也可以不是仅用于收纳磁体12的孔，而包括如图7中的A、A′那样与磁体12本身的形状不同的突起。

接着，说明转子的外周形状的例子和优点。图8是在本实用新型的实施例所涉及的电动机中改变参数时的转子形状的模拟结果。

在图8中，曲线(i)是对以往以来经常用于转子形状的下述的式(4)进行绘制所得到的。

曲线(ii)～(iv)是分别如以下那样设定式(3)的各种参数的情况下的转子的外周形状。

(ii)α＝1、γ＝1、β＝3.8、μ＝1

(iii)α＝1、γ＝1.7、β＝7.5、μ＝1

(iv)α＝1、γ＝1、β＝3.5、μ＝1

图8中的长方形的虚线是磁体孔的配置例。

与(i)的情况下的转子的外周形状相比，可知(ii)～(iv)的情况下的转子的外周形状在磁体尺寸、磁体孔的位置上产生大的自由度。由此，在进行转子形状的优化时，能够防止额定输出的下降。另外，由于产生了磁体孔位置的自由度，易于进行磁体孔位置、形状的微调，有助于齿槽转矩的最小化。

图9是表示本实用新型的实施例所涉及的电动机的从转子中心到磁体孔周边部的距离的磁体孔的放大截面图。在图9中，r_m是从转子中心C到磁体孔外周边中心的距离，r_mm是从转子中心到磁体孔外周边的极间附近的距离的最大值，r_g是从转子中心C到极间中心的距离。

在本实施例中，基本上设为r_mm>r_g，通过将磁体孔与转子芯外周部的距离缩窄，来在图9中的区域X、X′形成磁饱和，使磁体的交链磁通变大。与此同时，设想使用各种参数来优化齿槽转矩。另外，将r_g考虑为另一个参数并根据需要来进行优化也是有效的。此时，不拘泥于r_mm>r_g，也有时能够增大r_g来在例如极间的直线部分和磁体孔中制造磁饱和部分从而进行优化。

接着，说明转子形状变化的连续性和齿槽转矩波形的连续性。当然，转子形状(外周形状、磁体配置位置等)、定子齿形状不管是什么样的形状，都可以在不同的形状之间确保连续性。换言之，通过逐渐地改变形状，能够变为完全不同的形状。

若逐渐地连续改变转子的形状，则此时的齿槽转矩波形也逐渐地连续变化，这样认为是妥当的，实际上也是如此。在合理的范围内的连续性形状变化中不存在奇点。假如在不同的转子形状之间产生了齿槽转矩的反转，根据连续性，能够推测为在该形状之间存在使齿槽转矩消失的形状。

此外，在此所说的“合理的范围内”是指磁体与相邻的磁体不会接触、或转子外周与定子不会接触的范围。换言之，是指以下的范围：在构成转子的封闭曲面的形状变化过程中不伴有接触。

图10是对在8极36槽(极数8、槽数36)的电动机中使转子的形状逐渐地从(1)连续变化至(6)时的齿槽转矩进行模拟所得到的图。针对各个形状，进行了1/72转(5度)的模拟。即，8极36槽所产生的齿槽转矩的基本频率成分为72次，因此模拟了1个周期。

若将图10中的(1)和(6)的情况下的模拟结果进行比较，则可知相位偏离了半个周期(波形形状反转)。另外，可知在位于(1)与(6)之间的(4)中，基本频率成分的波大致为0。另外，(1)至(6)的波形形状是逐渐地连续变化的。

接着，说明实际制作了电动机来对利用本实用新型的电动机与按照以往技术进行优化的电动机进行比较所得到的结果。图11A和图11B是对本实用新型的优化以及以往的优化各自的电动机的齿槽转矩进行了测定来进行比较的图。图12A和图12B是对各自的频率成分进行比较的图。

根据图11A、图11B以及图12A、图12B可知，与以往的优化的电动机相比，通过本实用新型进行优化的电动机的齿槽转矩的基本成分(该电动机为72/转)极低。

在此，应该考虑以下的可能性：在使转子旋转1圈时的齿槽转矩中，即使对转子极数与定子齿数的最小公倍数次的频率成分的齿槽转矩的振幅(通过形状优化)进行了优化，也会有最低也为额定转矩的0.125％左右的残留。在实际制造电动机时，需要设置磁体、定子、转子各自的形状的尺寸公差。另外，对于磁体的Br(磁通密度)也需要设置公差。因而，即使在模拟上使齿槽转矩的基本成分完全消失，在实际的电动机中，各自的精度有限，从而也会残存少许齿槽转矩的基本成分。另外，在模拟中也是，考虑到未成为完全平坦的直线、模拟的计算误差等，即使以为选定了理想的形状，在实际的电动机中也会残存极微少的基本成分，这样认为是妥当的。

因而，设基本成分如以下那样残存。

形状本身所包含的基本成分(包括模拟的误差)：0.025％

磁体的位置和形状公差带来的影响：0.025％

转子芯的形状公差带来的影响：0.025％

定子齿的形状公差带来的影响：0.025％

磁体的Br的公差带来的影响：0.025％

将上述的基本成分相加后为0.125％。

上述是在比较高级的技术管理下的值，若是低成本、短交货期等状况下的加工、磁体选定，则根据情况也不能否定以下可能性：即使进行了形状优化也残存更大的基本成分(例如0.2％)。

图13A和图13B是沿周向将某个转子(IPM构造)的磁体的位置错开50μm之前和之后的齿槽转矩的基本成分波形的变化(模拟结果)。可知通过50μm的变化，振幅((最大值-最小值)/2)从0.123％变大0.073％而成为0.196％。通过单纯计算相当于每10μm变大0.0146％。若考虑加工技术、成品率，则使用最低±10μm～20μm左右的公差是妥当的，因此认为应该考虑0.0146～0.0292％左右，在上述的磁体的位置和形状下预计为0.025％是妥当的(未大到必需以上)。

转子形状、定子齿形状在公差内的形状自由度大，认为与之前叙述的IPM中的磁体位置相比，转子形状、定子齿形状对齿槽转矩的影响大。然而，站在最低需要0.025％的范围这一立场，而使用了与磁体位置同等的0.025％这一值。

图14是表示使磁体的磁通密度Br变化±2％时的齿槽转矩的基本成分波形的变化的图。可知当与指定值偏离+2％时齿槽转矩的振幅((最大值-最小值)/2)恶化约0.02％。作为工业用而售卖的Br的公差为±2～3％的情况多，据此可知上述预计的0.025％是妥当的。

在以往的形状优化中，为了消除基本成分，有时在整个转子轴向上改变转子的形状或者改变转子的相位(偏斜、段偏斜等)。在这种情况下，存在构造变得复杂而耗费成本、输出下降等问题。

根据本实用新型，通过将转子设为以往没有的减小齿槽转矩的基本成分波形的形状，能够减小齿槽转矩。

在形状的优化不足的情况下，即使进行了最佳的偏斜(特别是在不是连续偏斜而是段偏斜的情况下)，基本成分也无法完全消失的情况多。因而，通过优化齿槽转矩，即使在由于生产时的加工公差、组装误差等而产生少量基本成分的情况下，也能够通过进行偏斜来几乎完全消除基本成分。

根据本实用新型的实施例所涉及的电动机，能够通过优化转子形状来消除因转子极数和定子槽数引起的齿槽转矩的基本成分，从而能够实现齿槽转矩的大幅降低。