径向间隙型旋转电机的制作方法

本发明涉及一种径向间隙型旋转电机。

背景技术：

作为工业机器的动力源、汽车驱动用而使用的旋转电机(马达)要求高效化。为了马达的高效化，普遍的是采用利用低损耗的材料作为使用的材料、使用高能量累积的永久磁铁的设计。

马达的损耗主要包括铜损、铁损以及机械损，当要求规格的输出特性(转速和转矩)确定时，机械损唯一地确定，所以降低铁损和铜损的设计变得重要。铜损主要由线圈的电阻值与电流的关系确定，进行如通过冷却来抑制线圈电阻值的降低、磁铁的残留磁通密度的下降的下降那样的设计。铁损能够利用使用的软磁材料来降低。在普通的马达中，利用以下构成：作为铁芯部分而采用电磁钢板，损耗水平因其厚度及si的含有量等不同而不同。

作为软磁材料，存在与电磁钢板相比导磁率高且铁损低的铁基非晶态金属、铁基纳米晶以及纳米晶体材料等高功能材料，但在这些材料类中，在其板厚非常薄，薄到0.025mm，另外，维氏硬度为900左右，比电磁钢板硬5倍以上等，廉价地制造马达方面的课题多。

以往，报告了非晶态金属应用于轴向间隙型的马达的例子，但非晶态金属限于在双转子型轴向间隙马达的同一截面铁芯中的使用。该双转子型轴向间隙马达的定子在轴向中心处构成定子，其定子铁芯、缠绕于其周围的线圈作为构造物而不紧固于马达的壳体，成为浮岛构造。该浮岛状的定子铁芯以及线圈通过树脂铸模固定于壳体。该构造能够是承受直到某种程度为止的马达的转矩半力、温度上升时的热应力的设计，但由于树脂与线圈的线膨胀系数的不同、以及树脂与铁芯、壳体材料等的线膨胀系数的不同，马达的大小及可使用的温度条件等被限制。

因而，为了解决上述轴向间隙型的问题，考虑在径向间隙型的马达中利用非晶态金属。在专利文献1中，公开了一种大体积非晶态金属磁性构成元件，其具有多面体形状，并且包括多个非晶态金属带层，用于在高效率的电动马达中使用。在专利文献1中，提出了一种方法，将非晶态金属带材料切断成具有预定的长度的多个切断带，形成将其堆叠而成的非晶态金属带材料的棒，在实施退火处理之后，用环氧树脂浸渍堆叠而成的棒，使其硬化，将堆叠而成的棒切断成预定的长度，提供具有预定的立体的形状的多面形形状的多个磁性构成元件。

另外，在专利文献2中，公开了一种非晶态层叠铁芯的制造方法，从非晶态薄板材冲裁铁芯片，并进行层叠，制造非晶态层叠铁芯，该非晶态层叠铁芯的制造方法的特征在于，从非晶态薄板材冲裁并形成铁芯片所需部位，并形成连结用孔，在模孔处将铁芯片进行外形冲裁，在使模孔从下方相向地进退自如的承受台上层叠至所期望的积厚，使承受台从模孔的下方后退，且把持约束层叠于该承受台的层叠铁芯，将粘接连结剂注入填充于该层叠铁芯的连结用孔，并进行连结。在专利文献2中，示出了与通过电磁钢板冲压冲裁马达的铁芯同样地利用渐进模具，来对预定的马达铁芯形状进行冲裁的例子。在该例子中，提出了如下方法：能够通过冲裁来进行形状加工，但非晶态箔带过薄，因此无法进行通过电磁钢板实现的板间的铆接紧固，所以在层叠于夹具的状态下使用粘接剂注入至铁芯的预定的孔而层叠粘着。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-21919号公报

专利文献2：日本特开2003-309952号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

上述专利文献1以及2所示的向径向间隙型旋转电机的非晶态金属的应用方法存在着用于在其制造中进行特殊的机械加工的装置、加工过于花费时间等课题。另外，在专利文献1中，将大体积非晶态金属棒浸渍于环氧树脂，在硬化之后固定于壳体。该构造与上述轴向间隙型的马达同样地，由于树脂与线圈的线膨胀系数的不同、以及树脂与铁芯、壳体材料等的线膨胀系数的不同，马达的大小及可使用的温度条件等被限制。

进而，在专利文献2中对非晶态金属进行冲压层叠，但非晶态金属的厚度为电磁钢板的1/10以下，所以需要10倍的冲压次数。另外，非晶态金属比电磁钢板硬5倍，所以对模具造成的影响为5倍。因而，相比于电磁钢板，对模具的影响为50倍以上，通常一边每隔约200万次进行模具的重新研磨，一边进行制造，但其为1/50以下，所以招致制造成本的大幅上升。在以1分钟180spm(shotperminutes)的速度进行冲压的情况下，约1个月达到200万次，但在以相同速度进行冲压的情况下，生产节拍由于张数的关系而花费10倍，模具的重新研磨不到1日就必须研磨。对于大型的模具的冲模、冲头的研磨，还包括来自冲压装置的模具装卸等工夫在内，花费大量的工时，所以可知该条件下的生产是不现实的。

如以上叙述那样，关于使用了非晶态金属的径向间隙型的马达的制造，实际情况是未找到能够按照实用水平制造的构造及其制造装置以及制造方法。

本发明是鉴于上述缘由而完成，其目的在于提供使用能够实现高的效率并且生产性优良的非晶态金属的径向间隙型旋转电机。

用于解决问题的技术手段

用于解决上述课题的本发明的径向间隙型旋转电机的一形态的特征在于，具备转子和定子，所述转子包括旋转轴和绕旋转轴旋转的转子铁芯，所述定子包括与转子铁芯对置地配置的定子铁芯，上述定子铁芯具有：后磁轭，其具有圆环形状，并具有沿着内周而设置的多个凹部；以及齿，其一端与凹部嵌合，另一端朝向转子铁芯突出，上述齿具有非晶态金属箔带在旋转轴的轴向上层叠而成的层叠体、以及保持层叠体的绝缘构件，在绝缘构件的与转子对置一侧的端部设置有磁性材料。

本发明的更具体的结构记载于专利权利要求书中。

发明的效果

根据本发明，能够提供使用能够实现高的效率并且生产性优良的非晶态金属的径向间隙型旋转电机。

除了上述以外的课题、结构以及效果将通过以下的实施方式的说明而清楚。

附图说明

图1a为表示以往的径向间隙型旋转电机的一个例子(内转子型)的示意图。

图1b为图1a的轴向中央截面图。

图2a为表示构成本发明的径向间隙型旋转电机(内转子型)的定子的第1例子的立体图。

图2b为图2a的俯视图。

图2c为将图2b的x部分放大的图。

图3a为构成图2a的齿的一部分的绝缘构件的分解立体图。

图3b为在图3a的绝缘构件中收容有非晶态金属箔带的层叠体的图。

图3c为在图3b的绝缘构件上设置有绕组的图。

图4a为表示使用了未在绝缘构件上设置磁性材料的定子的旋转电机的齿槽转矩与机械角的关系的曲线图。

图4b为表示使用了在绝缘构件上设置有磁性材料的定子的旋转电机的齿槽转矩与机械角的关系的曲线图。

图5a为表示具有磁性材料的绝缘构件的制造方法的第1例子的截面示意图。

图5b为表示具有磁性材料的绝缘构件的制造方法的第2例子的截面示意图。

图6a为表示齿块的第2例子的立体图。

图6b为表示具备图6a的齿块的定子的一部分的截面图。

图7a为表示齿块的第2例子的立体图。

图7b为表示齿块的第3例子的立体图。

图7c为表示齿块的第4例子的立体图。

图8a为表示定子的另一例子的立体图。

图8b为图8a的俯视图。

图8c为将图8a的一部分放大的俯视图。

图8d为将图8a的一部分放大的立体图。

图8e为图8a的齿块的图。

图9a为表示构成本发明的径向间隙型旋转电机的定子的第2例子的俯视图。

图9b为将图9a的绝缘构件放大的图。

图9c为将图9b的磁性材料放大的图。

图10为表示本发明的径向间隙型旋转电机的另一例子(外转子型)的截面图。

具体实施方式

以下，使用附图等，对本发明的实施方式进行说明。在用于说明本发明的全部图中，有时具有相同的功能的结构附加相同的符号，省略其重复的说明。

在对本发明的径向间隙型旋转电机进行说明之前，对以往的径向间隙型旋转电机的结构进行说明。图1a为表示以往的径向间隙型马达(内转子型)的构造的示意图，图1b为图1a的轴向中央截面图。如图1a以及图1b所示，径向间隙型旋转电机100a一般而言具有圆筒形状。在外侧部分设置有散热片的壳体10的轴向中心部，配置定子铁芯(定子芯)11。

在定子铁芯11的槽部分，安装有绕线于齿部分的定子线圈12，具备永久磁铁13以及转子铁芯(磁性体芯)14的转子经由轴承18能够旋转地保持于该定子的内侧。轴承18由设置于壳体的轴向两端的尾端托架19保持，进行转子的轴向以及重力方向的保持。在转子的中心安装有旋转轴(轴)17，贯通前侧的尾端托架19的孔，构成输出轴。

如图1b所示，在轴17的周围配置有转子铁芯14，在其表面配置有永久磁铁13。图1b图示出8极构造，为n极磁铁13(n)与s极磁铁13(s)交替地配置的构造。

定子铁芯由软磁材料构成，一般而言，是利用电磁钢板，由冲压模具进行冲裁，并进行层叠而构成。非晶态金属为损耗远小于电磁钢板，能够有助于马达的高效化的材料，但如上所述，硬度非常高，所以难以通过冲压将如图所示的槽型的马达芯体进行冲裁而层叠。因此，以往，难以将非晶态金属应用于具有图1a以及图1b所示的构造的旋转电机。

接着，对本发明的径向间隙型旋转电机进行说明。图2a为表示构成本发明的径向间隙型旋转电机的定子的一个例子的立体图，图2b为图2a的俯视图，图2c为将图2b的x部分放大的图。本发明的径向间隙型旋转电机具备转子和定子作为基本的结构，上述转子包括旋转轴和绕旋转轴旋转的转子铁芯，上述定子包括与转子铁芯对置地配置的定子铁芯。

定子铁芯如图2a以及图2b所示具有圆环形状。而且，如图2b以及图2c所示，具有：后磁轭4，其具有沿着内周而设置的多个凹部；以及齿3，其一端与后磁轭4的凹部嵌合，另一端朝向转子铁芯突出。在图2a中，在后磁轭4的周向上配置48个齿3，从旋转轴的轴向插入，构成圆环形状的定子200。在本发明的径向间隙型旋转电机中，在齿3上应用有非晶态金属，在齿3的与转子对置一侧的端部设置有磁性构件1。

接下来，对齿的结构进行详细叙述。图3a为构成图2a的齿的一部分的绕线架的分解立体图，图3b为在图3a的绕线架中收容有非晶态金属箔带30的层叠体的图，图3c为在图3b的绕线架上设置有绕组的图。如图3a～3c所示，齿3构成为非晶态金属箔带30在旋转轴的轴向上层叠而成的层叠体40被收容于绝缘构件(绕线架)2。而且，线圈导体5在由绝缘构件2保持齿3与后磁轭4的电绝缘的状态下被卷绕。层叠体40插入于绝缘构件2，从而通过其积厚方向的摩擦，以一定的形状被保持。也就是说，由于非晶态金属箔带表面的摩擦，各金属箔带间不易偏离，即使不特别使用粘接剂等也能够保持。由于具有这样的结构，从而无需另行设置非晶态金属箔带30间的固定，就能够将非晶态金属箔带30固定于绝缘构件2。

如上所述，在本发明中，由非晶态金属构成磁通密度变高的齿，从而能够大幅降低因磁通的变化而在定子铁芯中产生的损耗。非晶态金属为非常硬的材料，但易于对非晶态金属的原材料薄板进行剪切加工，所以在本发明中，将对非晶态金属的原材料薄板进行剪切加工而得到的非晶态金属箔带30进行层叠，收容于绝缘构件2，形成为齿3。

构成齿3的非晶态金属箔带为梯形形状，为了便于通过剪切加工来制作该齿，齿的侧面为直线。梯形形状的非晶态金属箔带的一对底边(长边与短边)平行，长边与短边之间的一对边(脚)所成的角度θ具有将后磁轭4的内周的一周360°除以定子铁芯的槽数而得到的角度。例如，当将槽数设为48时，成为θ＝360°÷48＝7.5°。后磁轭4的凹部具有能够嵌合齿3的长边侧的端部的形状，齿3具有从后磁轭4朝向转子而成为顶端越来越细的形状。因而，齿3为不会脱落至转子侧(间隙侧(内周侧))的构造。

对于非晶态金属的材料，没有特别限定，但例如优选使用日立金属股份公司制的metglas2605hb1m(组成：fe-si-b)、metglas2605sa1(组成：fe-si-b)、metglas2605s3a(组成：fe-si-b-cr)以及metglas2705m(组成：co-fe-ni-si-b-mo)。上述“metglas”为作为日立金属股份公司的集团公司的metglasincorporated的注册商标。

如图3a所示，在绝缘构件2的与转子对置一侧的端部设置有包含磁性材料的磁性构件1。通过形成为这样的结构，能够提高旋转电机的磁特性。具体而言，能够使齿3的顶端部具有磁性，从而使来自转子的磁通集中于磁性部分，所以能够使定子与转子间的间隙的周向磁通密度分布变均匀。

对设置于绝缘构件2的端部的磁性构件1的效果更详细地进行说明。图4a为表示使用了未在绕线架上设置磁性材料的定子的旋转电机的齿槽转矩与机械角的关系的曲线图，为表示使用了在绕线架上设置有磁性材料的定子的旋转电机的齿槽转矩与机械角的关系的曲线图。图4a表示对具有在绝缘构件2的顶端未设置磁性构件且槽开口部开放的形状的定子的旋转电机进行解析而得到的结果。在该例子中，对后磁轭4和转子铁芯14提供与电磁钢板的30a300相当的磁特性，对齿3提供铁基非晶态金属的磁特性。

另外，对磁铁部分提供残留磁通密度设为0.9t的磁铁性能曲线。在曲线图中，表示在使转子旋转时，在因其旋转角而产生的间隙部分产生的转矩的计算结果。未对向线圈导体5的电流进行考虑，所以该转矩的计算结果表示齿槽转矩(与磁铁磁通的旋转位置变动相伴的转矩变动)。可知图4a所示的模型中的齿槽转矩的峰值的两振幅伴随约10n·m这样大的变动。

另一方面，在图4b中，表示在绝缘构件2的顶端配置有磁性构件1的情况下的计算结果。齿3、后磁轭4以及转子铁芯14作为与图4a同样的材料条件而提供，在绝缘构件2的顶端的磁性构件1中，使作为导磁率100的磁性材料模型化。可知齿槽转矩的两振幅小到1n·m以下，齿槽转矩大幅降低。另外，比较图4a以及图4b的磁通线图，可知图4b的磁通线的密度高。这是因为在图4b的构造中能够使在图4a的开放构造中在磁铁中产生泄漏而未与定子侧交链的磁通有效地与定子交链。由此，能够形成为能够提高马达的转矩(电流×磁通量)并能够大幅降低转矩脉动、齿槽转矩等的构造。

另外，在使用非晶态、高残留磁通密度纳米晶体合金等超低铁损材料的情况下，能够大幅降低在定子齿部产生的铁损，所以也能够同时实现旋转电机的高效化。

作为磁性构件1，能够使用软磁材料或者硬磁材料，优选电磁钢板、压粉磁芯、非晶态、纳米晶体合金、软磁铁氧体、硬磁铁氧体以及稀土类磁铁粉末等。磁性构件1也可以如图3a所示，设置于绝缘构件2的端部的整体，但只要能够得到其效果，就也可以设置于端部的一部分。另外，磁性构件1的厚度优选为1mm以上且2mm以下。在磁性构件1的厚度小于1mm的情况下，通过设置磁性构件1而得到的磁特性的提高的效果变得不充分，若厚度超过2mm，则设置绝缘构件2的绕组的面积变少，磁特性的提高的效果变得不充分。

对上述磁性构件1的制造方法进行说明。图5a为表示具有磁性材料的绕线架的制造方法的第1例子的截面示意图，图5b为表示具有磁性材料的绕线架的制造方法的第2例子的截面示意图。图5a以及图5b表示用于使包含磁性材料的树脂制的绝缘构件2成形的注塑成型模具系统的示意图。通常，注塑成型按照如下方法制造，利用固定汽缸26和可动柱塞25将高温而熔融的热可塑性树脂从树脂注入口23如注射器那样注入至形成于模具内的空间，在树脂在模具内固化的状态下打开模具而取出。

在图5a中，表示在预先将设置于齿的顶端部的磁性构件1配置于模具21、22内的状态下，将绝缘性的热可塑性树脂注入的方法。热可塑性树脂的注入温度还取决于材质，但为150℃～250℃左右，所以最好为具有更高的耐热性的树脂。磁性构件1如前所述优选使用电磁钢板、压粉磁芯等强磁性体(软磁材料)、使这些材料成为粉体状后的材料、或者粒径比它们小的磁铁粉末(硬磁材料)、或者它们与树脂的复合材料。另外，在为复合材料的情况下，其基体树脂最好采用与构成绝缘构件2的绝缘材料20相同的材料。使构成磁性构件1的基体树脂和构成绝缘构件2的绝缘材料成为相同的材料，从而能够增高磁性构件1与绝缘构件2的接合强度。

在图5b中，表示使磁性构件1和绕线架2同时成形的方法。使作为磁性构件1的原料的磁性材料的颗粒进入汽缸26a内，使构成绝缘构件2的绝缘材料的颗粒进入至汽缸26b内并熔融，利用柱塞25a、25b将树脂同时注入，并且以使各个树脂注入至预定的部位的方式进行控制地注入来制造。由此，仅凭一次成型工序就能够得到磁性构件1与绝缘构件2的一体成型物。进而，在图5b中，表示在模具内还配置非晶态金属箔带的层叠体40，在其周围直接注塑成型而使它们一体化的构造。由此，层叠体40、绝缘构件2以及磁性构件1一体化，能够实现精度以及强度都良好的部件。

图6a为表示齿块的第2例子的立体图，图6b为表示具备图6a的齿块的定子的一部分的截面图。若考虑如前所述按照注塑成型的嵌件铸模手法一体化，则磁性构件1能够形成为各种剖面形状。在图6a中，磁性构件1的内径侧形成为沿着定子内径的r形状，形成为朝向邻接的齿3变细的形状。由此，从齿3的顶端部集中的磁通不会饱和，而易于与齿3交链。另外，槽开口部也能够不形成为全闭构造，而形成为半封闭(半闭)构造。图6b表示截面图，可知线圈导体5与齿3、磁性构件1的电绝缘被确保。

表示齿块的形状的另一例子。图7a为表示齿块的第2例子的立体图，图7b为表示齿块的第3例子的立体图，图7c为表示齿块的第3例子的立体图。

图7a表示使磁性构件1与绝缘构件2的结合面形成为波状而使面积增加，使与绝缘构件2的粘接面积增加的形状。磁性构件1与绝缘构件2的结合面除了波状之外，即使是凹凸形状以及滚花状也能够得到同样的效果。在图7b中，齿顶端的凸缘部(突起部)在齿顶端的左右设为不同的尺寸(l1和l2)。另外，图7c表示除了图7b所示的齿顶端的左右非对称之外，相邻的绝缘构件2还彼此搭接的构造。这是为了确保从线圈导体5至磁性构件1为止的沿面距离。为在高电压的规格的马达等中有效的形状。l3的距离调节为根据绝缘的规格而决定的尺寸。

图8a为表示定子的另一例子的立体图，图8b为图8a的俯视图，图8c为将图8b的一部分放大的俯视图。如图8a～图8c所示，本发明还能够应用于使线圈导体成为分布卷绕的结构。在分布卷绕构造中，如图8a以及8b所示，线圈遍及多个槽地配置，所以难以对齿单体实施绕组。

图8d为将图8a的一部分放大的立体图，图8e为图8a的齿块的图。如图8e所示，为以能够将线圈导体配置于各个槽的方式与直槽对应的形状，在其顶端部配置有磁性构件1。使槽的从旋转轴的轴向突出的部分具有厚度，增高刚性。这是因为在虽然将绕组从轴向插入而进行组装，但在以能够将单方的线圈弯曲地连接的方式重新配置的工序中，利用绝缘构件2进行保护,以便在槽出口部分不对芯体端部的绝缘造成损伤。槽内部为划分成小空间的构造,以便易于使截面为四边形的线圈插入，使槽内的线圈间也能够绝缘。槽的内径侧如前所述具有定子内径r面，以使间隙磁通密度的变化变小的方式设计。如图8d以及8e所示，可知与为集中卷绕的情况同样地，磁性构件1配置于转子侧面。

图9a为表示构成本发明的径向间隙型旋转电机的定子的第2例子的俯视图。此前，示出了在绝缘构件2的端部设置磁性构件1的方案，但也可以如图9a所示，绝缘构件的整体包含磁性材料。这样的绝缘构件2′例如能够以将铁粉等磁性材料混入于树脂而成的材料为原料，进行注塑成形而制造。

若铁粉等磁性材料露出在树脂表面，则有其铁粉表面发生氧化(生锈)，在树脂中产生裂缝之虞。另外，铁粉为导电材料，所以若以锭、集聚体的形式存在，则由于磁铁磁通的变化，有在该部分产生涡电流之虞。在产生这样的损耗的情况下，还考虑产生基于涡电流的焦耳热，使周围的树脂成为高温，使其软化，或者使其熔融。因此，在使用纯铁粉的情况下，需要使粒径变细，减少含有量等工夫。

图9b为将图9a的绝缘构件放大的图，图9c为将图9b的磁性材料放大的图。在图9b中，表示代替铁粉而使用压粉磁芯所使用的无机被膜涂层铁粉90的例子。该压粉磁芯用无机被膜铁粉在水、气体雾化后的铁粉(最大粒径约为0.2mm左右)92的表面形成有无机材料(磷酸类)等绝缘性被膜91。该被膜牢固，即使有稍微的冲压变形等，也能够确保绝缘。能够通过将这样的材料与注塑成型用的材料混合成型绝缘构件2′。铁粉92的表面由绝缘性被膜91覆盖，所以即使在铁粉出现在成型体的表面的情况下，氧化、绝缘性能劣化的问题也少，在粉集聚的情况下，也能够确保各个粉中的绝缘，所以能够防止产生大的涡电流损耗。通过使用这样的材料，能够同时实现绝缘性能和磁性体性能，所以还能够由该材料构成绝缘树脂绕线架整体。

磁性材料也可以包含于绝缘构件2′的整体，但也可以仅包含于与转子对置一侧的端部。即使如图9a所示，使磁性材料不仅包含于绝缘构件2′的端部，还包含于绝缘构件2′的整体，也不会阻碍作为马达的磁通的流动，甚至能够使齿的截面面积、芯体背部的截面面积增加，增大有效磁通量，有助于马达性能提高。

图10为表示本发明的径向间隙型旋转电机的另一例子(外转子型)的截面图。本发明不限于内转子型的径向间隙型旋转电机，还能够如图10所示，应用于外转子型的径向间隙型旋转电机。

以上，如所说明那样，根据本发明，实证出能够提供使用能够实现高的效率并且生产性优良的非晶态金属的径向间隙型旋转电机、其制造装置及其制造方法。

此外，本发明并不限定于上述实施例，包括各种变形例。例如，上述实施例是为了对本发明易于理解地进行说明而详细地说明的，未必限定于具备所说明的所有的结构的例子。另外，能够将某个实施例的结构的一部分置换为其它实施例的结构，还能够对某个实施例的结构施加其它实施例的结构。另外，能够对各实施例的结构的一部分进行其它结构的追加、删除以及置换。

符号说明

1…磁性构件，2…绝缘构件，3…齿，4…后磁轭，5…线圈导体，10…壳体，11…定子铁芯，12…定子线圈，13…永久磁铁，14…转子铁芯，17…杆轴，18…轴承，19…尾端托架，20…绝缘材料，30…非晶态金属箔带，40…非晶态金属箔带的层叠体，21、22…注塑成型模具，23a、23b…树脂注入口，25、25a、25b…柱塞，26、26a、26b…汽缸，90…磁性材料，91…绝缘性被膜，92…铁粉，93…树脂，100a…径向间隙型旋转电机(内转子型)，100b…径向间隙型旋转电机(外转子型)，200…定子。