专利名称：无刷电机的永磁转子及其制造方法
本申请是申请号为“93109807.6”、申请日为“930811”、发明名称为“无刷电机的永磁转子及其制造方法”的发明专利申请的分案申请。
本发明涉及无刷电机的永磁转子，特别是关于具有多叠层钢片座架，并且该座架具有偶数个向外突出的磁极部，各磁极部或者每隔一个磁极部，又分别插有永久磁铁的无刷电机的永磁转子。
众所周知，无刷电机由永磁转子定子组合而成，以往永磁转子将几块激磁永久磁铁插入叠层钢片构成的座架内部，而定子具有与该永磁转子的磁极外周面隔开稍许间隙、且面对面设置的磁极部。
图35是采用以往永磁转子的无刷电机的旋转轴正交截面图。图中，以往无刷电机5 1由定子52和永磁转子53构成。即定子52包含支撑在其内侧且旋转自如的永磁转子53，并具有多个向内突出的定子磁极部54。定子磁极部54上可卷绕图中未示出的线圈。通过该线圈上流过电流，激励定子磁极部54所定的磁极。定子磁极部54端头的磁极面55位于与电机旋转轴56的中心距离相等的圆筒面上。
再说永磁转子53则由多叠层钢片座架57和一对激磁永久磁铁58构成。座架57的外周有4个向外突出的磁极部59，该磁极部59每隔一个就在底部插入激磁永久磁铁58，并使其N极相互面对而置。各磁极部59端头的磁极面60做成与旋转轴56的中心距离相等的曲面，而且旋转磁极面60上的所有点，与上述磁极面55等距离地对置。
上述永磁转子53，因为激磁永久磁铁58的N极同性相斥，所以磁力线如图中所示，从没有装激磁永久磁铁的磁极面60出发，经定子内部，再由装激磁永久磁铁的磁极面60进入座架57的内部。于是，具有永久磁铁的永磁转子53的磁极部成为S极，与此相反，没有永久磁铁的永磁转子53的磁极部就成为N极。
如图所示，为了驱动永磁转子53旋转，使沿旋转方向位置稍偏永磁转子53的磁极部59中心的磁极部54激磁为N极。永磁转子由于受已激磁的定子磁极部54所吸引，所以旋转。接着，再使相对于已旋转永磁转子53的位置又有偏移的定子磁极部54激磁成N极。永磁转子53又被这新激磁的定子磁极部54吸引，进一步旋转。如此重复操作，永磁转子53就会连续旋转驱动。
众所周知，以往的无刷电机利用永磁转子53旋转产生的反电动势来决定上述永磁转子的位置。也就是说，由于永磁转子53的旋转，激磁永久磁铁58的磁力线横穿图中未示出的卷绕在定子52的磁极面55上的线圈，从而在定子52的线圈上产生反电动势。再利用检测该反电动势所在位置的办法，来检测永磁转子53各激磁永久磁铁的位置，决定应激磁定子端的磁极位置，并对其激磁。
图36分解并画出以往的永磁转子。以往的永磁转子53具有座架57和激磁永久磁铁58。座架57由许多钢片层叠而成。座架57的外周设有磁极部59，在该磁极部59的底部，设置插入激磁永久磁铁58的槽口62。各钢片61又通过模压加工出具有凹陷成长方形的填塞部63。上述各钢片61通过互相压入填塞部，层叠为一体。
激磁永久磁铁58做成槽口62可容纳的大小。安装永磁转子53时，在上述激磁永久磁铁58的表面涂上粘接剂，再如图所示，让表现为同一极性的磁极面对面插入槽口62。图中的箭头记号表示激磁永久磁铁的插入方向。
反之，对于因使用条件而不能用粘接剂的永磁转子53，激磁永久磁铁58要做成与槽口62无间隙配合。安装永磁转子53时，用气压装置等向图中所示Q方向加压，由于这样强制插入槽口62内，所以在槽口62的两端会有离心方向R的力加在连结磁极头部和磁极底部的桥接部64上。
图37分解并画出本发明申请人曾开发的永磁转子。如图所示，在用于插入激磁永久磁铁的槽口62的内周面上，鼓出与激磁永久磁铁58相结合的结合爪62a。激磁永久磁铁58能插入槽口62内，且具有与结合爪62a相配合的截面形状。
采用这种永磁转子结构，激磁永久磁铁58只与结合爪62a结合，其摩擦阻力小，因此能以小的压力将激磁永久磁铁58压入座架57内。而且激磁永久磁铁58压入座架57内后，结合爪62a对激磁永久磁铁58限位，可防止其脱落。
以往的技术中，如图35及图36所示，在上述激磁永久磁铁的外周面涂粘接剂后再插入座架的槽口的永磁转子，当在致冷剂或加压流体中工作时，因粘接剂会被致冷剂或加压流体溶解，存在激磁永久磁铁脱落的问题。
至于以往另一种不通过粘接剂而将激磁永久磁铁直接压入座架槽口的永磁转子，压入激磁永久磁铁需用很大的力，往往会因压入力而损坏激磁永久磁铁，或者会因离心方向的插入力加在桥接部而破损。上述永磁转子还会因激磁永久磁铁与座架槽口的尺寸公差配合，要求很高的加工精度，使永磁转子不易制造。又因为处于槽口两端的桥接部与激磁永久磁铁紧靠，激磁永久磁铁的磁力线会在桥接部泄漏而不通往磁极部的外部空间，使磁力线不与电机定子相交，从而使磁力线不会产生驱动永磁转子旋转的力。这样还存在桥接部磁力线泄漏引起的铁损发热。
日本专利(JP-156243)所揭示的无刷电机的永磁转子，其连接磁极部头部和底部的桥接部仅设在槽口两端的一端侧。其缺点是，在将硅钢板冲裁为上述形状时，难以折向冲裁方向，因悬臂结构，故层叠前易弯向半径方向(槽开口)。该专利中，作为已有技术，虽列举了槽口两端有桥接部，但对桥接部的宽度设定及取值未见有任何揭示。
因此，本发明的目的是要提供一种防止激磁永久磁铁因致冷剂或加压流体而脱落，并进行该激磁永久磁铁定位，且易于制造的高性能永磁转子。
上述申请人曾发明的永磁转子(参见图37)，具有大幅度减小激磁永久磁铁压入力的优点。然而，将激磁永久磁铁压入时，各钢片的结合爪一点一点地向压入方向倾斜，这些结合爪倾斜的积累，往往使座架叠层方向端部的结合爪明显倾斜，而最终因超过钢片填塞部的结合力，钢片会部分剥离。以往的永磁转子，还会因激磁永久磁铁与座架轴向长度的公差不同，在激磁永久磁铁短于座架的情况下，往往激磁永久磁铁头部与座架端部钢片的结合爪不完全配合，成为不稳定压入状态，钢片往往会因振动等而剥离。
因此，本发明的另一目的是要解决上述申请人曾发明过的永磁转子未解决的课题，提供一种以小压力插装激磁永久磁铁并能防止其脱落，而且在激磁永久磁铁压入时和使用时座架端部钢片不剥离的无刷电机的永磁转子及其制造方法。
再者，上述申请人曾发明的永磁转子(参见图37)，其激磁永久磁铁的部分磁力线从N极出发后，通过座架的桥接部，到达激磁永久磁铁的S极。这些通过桥接部的磁力线不会与电机定子相交，所以无助于永磁转子的旋转驱动。因此，激磁永久磁铁的磁效率与通过桥接部的激磁永久磁铁的磁通量成反比地降低。
对此若减小座架桥接部的截面积，就能减少通过该桥接部的磁力线数。这是因为通过桥接部的磁力线数取决于座架材料所决定的磁通密度与桥接部截面积之积。
然而，在叠层钢片的座架中，构成座架的钢片一般通过起模加工制成，而要模压具有极小截面积桥接部的座架钢片是极其困难的。对于具有极小截面积桥接部的座架来说，座架高速旋转时，又会因离心力作用而发生激磁永久磁铁和磁极部的离心式破坏，因此必须提高座架桥接部的机械强度，而一旦提高桥接部的机械强度，则会出现激磁永久磁铁磁力线利用率降低的问题。
因此，本发明的又一个目的是提供一种永磁转子，它是在具有激磁永久磁铁的无刷电机的永磁转子中，以多叠层钢片构成座架，并根据可冲裁的宽度、磁力线通过数方面可容许的宽度以及起因于离心力的机械性强度所容许的宽度，使上述座架桥接部具有最佳宽度。
再者，以往的永磁转子，按照上述桥接部宽度与磁极部辐射向宽度的关系以及永磁转子与定子的相对位置关系，激磁永久磁铁的磁力线集中在沿旋转方向偏离磁极部周向中心的位置上，因而磁力线产生的反电动势比实际的激磁永久磁铁位置更早检测到。结果是定子的磁极部比所定时间提早激磁，引起永磁转子旋转不良。
因此，本发明的再一目的是提供一种使激磁磁铁的磁力线始终集中在磁极部所设定的位置上，从而能正确检测磁极部位置的永磁转子。
本发明永磁转子是在具有定子和由支撑于上述定子内侧且旋转自如的转子(该转子具有多叠层钢片座架，该座架又有偶数个向外突出的磁极部，而各磁极部，或者每隔一个磁极部，分别插有激磁永久磁铁的)无刷电机中，让上述激磁永久磁铁插入上述磁极部所形成的槽口，而且在该槽口中，左、右端部设置与上述激磁永久磁铁侧面搭接的突出部。
本发明永磁转子可以是在具有定子和支撑于上述定子内侧且旋转自如的转子(该转子具有多叠层钢片座架，该座架又有偶数个向外突出的磁极部，而各磁极部，或者每隔一个磁极部，分别插有激磁永久磁铁)的无刷电机中，让上述激磁永久磁铁插入上述磁极部处所形成的槽口，并在该槽口中，鼓出与上述激磁永久磁铁配合的结合爪，而且上述座架的叠层钢片中与上述结合爪对应的钢片上，设置吸收上述结合爪倾斜的退爪槽。
本发明永磁转子又可以是在具有定子和支撑于上述定子内侧且旋转自如的转子(该转子具有多叠层钢片座架，该座架又有偶数个向外突出的磁极部，而各磁极部，或者每隔一个磁极部，分别插有激磁永久磁铁)的无刷电机中，在上述座架中至少一方端部，座架的钢片沿旋转方向偏离。
本发明一种无刷电机的永磁转子，该永磁转子支撑于上述无刷电机的定子内侧且旋转自如，上述转子具有多叠层钢片座架，上述座架又有偶数个向外突出的磁极部，各磁极部或者每隔一个磁极部，分别插有激磁永久磁铁，上述激磁永久磁铁插入上述磁极部所形成的槽口，上述槽口两端形成桥接部，其特征在于，上述桥接部的宽度在可冲裁宽度、磁通量所容许宽度和起因于离心力的机械强度所容许宽度之间，作如下设定当可冲裁宽度和起因于离心力的机械强度所容许宽度小于磁通量所容许宽度时，上述桥接部宽度大于可冲裁宽度和起因于离心力的机械强度所容许宽度中较大者的值，而且小于磁通量所容许宽度的值；当可冲裁宽度和起因于离心力的机械强度所容许宽度大于磁通量所容许宽度时，上述桥接部宽度大于可冲裁宽度和起因于离心力的机械强度所容许宽度中较大者的值。
本发明一种永磁转子，该永磁转子支撑于上述无刷电机的定子内侧且旋转自如，上述转子具有多叠层钢片座架，上述座架又有偶数个向外突出的磁极部，各磁极部或者每隔一个磁极部，分别插有激磁永久磁铁，其特征在于上述磁极部上有空隙。
本发明一种永磁转子，该永磁转子支撑于上述无刷电机的定子内侧且旋转自如，上述转子具有多叠层钢片座架，上述座架又有偶数个向外突出的磁极部，各磁极部或者每隔一个磁极部，分别插有激磁永久磁铁，其特征在于上述各磁极部至少有一个用于层叠上述钢片的连结部。
本发明一种永磁转子，该永磁转子支撑于上述无刷电机的定子内侧且旋转自如上述转子具有多叠层钢片座架，上述座架又有偶数个向外突出的磁极部，各磁极部或者每隔一个磁极部，分别插有激磁永久磁铁，上述激磁永久磁铁插入上述磁极部所形成的槽口，上述槽口两端形成桥接部，其特征在于，上述桥接部的宽度设定成小于上述激磁永久磁铁外侧至上述磁极部外侧边缘的宽度。
本发明一种永磁转子，该永磁转子支撑于上述无刷电机的定子内侧且旋转自如，上述转子具有多叠层钢片座架，上述座架又有偶数个向外突出的磁极部，各磁极部或者每隔一个磁极部，分别插有激磁永久磁铁，其特征在于上述激磁永久磁铁外侧至上述磁极部外侧边缘的宽度设定成大约为上述定子的极宽的1.5倍。
本发明一种永磁转子，该永磁转子支撑于上述无刷电机的定子内侧且旋转自如，上述转子具有多叠层钢片座架，上述座架又有偶数个向外突出的磁极部，各磁极部或者每隔一个磁极部，分别插有激磁永久磁铁，其特征在于在上述磁极部的外周侧且旋转方向的前部或后部，形成所定形状缺口，该缺口形状要使在上述缺口的缺口面与上述定子的磁极部之间通过的间隙磁通密度与上述缺口面上的相等。
附图简单说明
图1是将本发明永磁转子作分解表示的斜视图。
图2是表示本发明永磁转子的截面图。
图3是表示本发明另一实施例的关键部分截面图。
图4是将本发明另一实施例的永磁转子作分解表示的斜视图。
图5是本发明永磁转子的叠层方向中央部的截面图。
图6是本发明永磁转子的叠层方向端部的截面图。
图7是将本发明永磁转子一部分作放大表示的截面图。
图8是表示本发明永磁转子中钢片冲截工序的图。
图9是表示本发明所采用冲截模的截面图。
图10是将本发明永磁转子作分解表示的斜视图。
图11是本发明永磁转子的截面图。
图12是使本发明钢片在旋转方向上偏转m°后的截面图。
图13是使本发明钢片在旋转主向上偏转m°后的截面图。
图14是本发明永磁转子的截面图。
图15是本发明永磁转子的截面图。
图16是将本发明另一实施例的永磁转子作分解表示的斜视图。
图17是本发明另一实施例的永磁转子的截面图。
图18是本发明另一实施例的永磁转子的斜视图。
图19是本发明另一实施例的永磁转子的斜视图。
图20是将本发明另一实施例的永磁转子作分解表示的斜视图。
图21是本发明另一实施例的永磁转子的截面图。
图22是本发明另一实施例的永磁转子的斜视图。
图23是本发明另一实施施例的永磁转子的截面图。
图24是表示桥接部宽度、桥接部磁通力线密度及桥接部机械强度的关系的曲线。
图25是本发明另一实施例的永磁转子的斜视图。
图26是本发明另一实施例的永磁转子的截面图。
图27是本发明的永磁转子座架的正视图。
图28是本发明的永磁转子座架的截面图。
图29是表示在与本发明三相四极电机的永磁转子旋转轴成正交的截面上，良好转子旋转中的磁力线流动状况的计算机分析图。
图30是表示在与本发明三相四极电机的永磁转子旋转轴成正交的截面上，转子旋转中的磁力线流动状况的计算机分析图。
图31是表示在与本发明三相四极电机的永磁转子旋转轴成正交的截面上，转子旋转中的磁力线流动状况的计算机分析图。
图32表示间隙磁力线密度。
图33表示间隙磁力线密度。
图34表示永磁转子与定子之间关系图。
图35是表示以往永磁转子与定子的截面图。
图36是将以往永磁转子作分解表示的斜视图。
图37是将以往永磁转子作分解表示的斜视图。
图1将本发明永磁转子作分解表示。永磁转子1具有柱状座架2和一对板状的激磁永久磁铁3。上述座架2将许多钢片4层叠为一体而成。座架2具有在外周面上沿辐射方向突起的4个磁极部(5a、5b、5c、5d)。在这些磁极部中，互成对面的2个磁极部5a、5c的底部上，设置一对槽口6，用以插入激磁永久磁铁3。又在座架2的中心部设置用以穿插旋转轴(图示省略)的孔7。钢片4具有使该钢片一部分凹陷的填塞部8，再通过让填塞部8互相压入就能层叠为一体。
在钢片4上形成的槽口6，左右端部设置几个三角形两边突起的突出部9。
激磁永久磁铁3做成截面为矩形的六面体，让表示N极的面向着上述孔7，并沿图示P方向分别插入槽口6内。
图2是表示永磁转子的截面图，而且是表示与座架2旋转轴成正交方向的截面。槽口6分别设置在座架2的磁极部5a和磁极部5c的底部，而且两个槽口与旋转轴大致为等距离。因激磁永久磁铁3的N极互相面对面地设置，如图所示，磁力线在磁极部之间为互斥，并由座架2的磁极部5a和磁极部5c出发，再到达磁极部5b、5d。结果是磁极部5a、5c表现为S极，反之，磁极部5b、5d表现为N极，因而座架2的外周面上有4个分别具有N极与S极的磁极部。
槽口6的两端存在连接磁极部5头部和磁极部5底部的桥接部10，因上述桥接部10与激磁永久磁铁3之间有空隙，由激磁永久磁铁的N极-方出发的磁力线会通过桥接部到达激磁永久磁铁的S极一方，但与激磁永久磁铁有距离，所以通过桥接部的磁力线不多。
如图所示，激磁永久磁铁3的一部分表面，在磁铁压入时与突出部9的一边配合。突出部9虽因磁铁的尺寸差别会在离心方向R上引起挠曲乃至塑性变形，但能保持在槽口6内。利用此突出部9，使激磁永久磁铁3不与桥接部10接触。因此，减少了激磁永久磁铁3与槽口6的接触摩擦，从而用不大的力就能插入，并进行激磁永久磁铁的定位。另外，压入后，如图所示，激磁永久磁铁3的外周面与突出部9的一边结合，不会使激磁永久磁铁脱落，而且不会在桥接部10上加过大的力。由于本发明永磁转子不用粘接剂把激磁永久磁铁3保持在槽口6内，因此能避免因粘接剂溶解于致冷剂、或者加压流体而产生激磁永久磁铁3脱落的情况。还能使激磁永久磁铁的固定与其加工精度无关。
图3表示本发明永磁转子的另一实施例的座架部分。
本实施例中，钢片4的突出部9呈方形，与图中未示的激磁永久磁铁相配合，在方形突出部9的一条底边一侧设置缺口部11。该突出部9通过上述缺口部11与形成槽口6的钢片4的内缘连接。为了与激磁永久磁铁相结合，突出部必须具有一定的倾斜。突出部9过大时，激磁永久磁铁的磁力线向该突出部泄漏，因而泄漏磁力线增多。另外，在突出部9不具有一定倾斜的情况下，该突出部9会因激磁永久磁铁的压入而变形。利用缺口部11位于突出部9靠激磁永久磁铁一侧，一方面确保该突出部9适度倾斜，一方面具有适度挠曲性，因此用力不大就能插入激磁永久磁铁，而且压入激磁永久磁铁时必须进行的激磁永久磁铁倒角也可省去，也就是说，能简便地进行激磁永久磁铁向槽口的插入。再由于槽口的两端存在连接磁极部头部和磁极部底部的桥接部10，而且由于上述桥接部10与激磁永久磁铁之间有空隙，所以有可能加粗桥接部10的底部10a，结果是可提高桥接部的强度，制造方面尽量减少桥接部10的破损，又可借助空隙的存在，减少激磁永久磁铁的桥接部10的磁力线泄漏，并且桥接部10上铁损引起的发热，也因底部10a面积大而能较快冷却。
上述与激磁场永久磁铁相配合的突出部9按方形进行说明，但其形状不限于此，例如做成圆形也可以。
图4分解表示第2实施例的永磁转子1。与上述第1实施例一样，座架2将许多钢片4(4a、4b)做成互相形状一致，再层叠而成。座架2叠层方向中间部分的钢片4b，在其槽口6的内周面上鼓出与激磁永久磁铁3结合的结合爪12。另一方面，座架2叠层方向两端部的几块钢片4a，在同中间部分钢片4b的结合爪12对应的槽口6的内周面上，设置吸收结合爪12倾斜的退爪槽13。
图5表示插有激磁永久磁铁3的座架2的叠层方向中间部分的钢片4b上，结合爪12与激磁永久磁铁3结合，从而在减小激磁永久磁铁3压力阻力的同时，还防止激磁永久磁铁3脱落。
图6表示已压入激磁永久磁铁3的座架2的压入方向端部截面。激磁永久磁铁3的压入侧端部做成倾斜面，使截面积缩小，而且压入方向的座架2端部的钢片4a，因其槽口6的内周面上只有退爪槽13，所以如图6所示，激磁永久磁铁的端部与钢片4a的槽口6内周面不接触。
以下用图7说明其于上述结构的第二实施例中永磁转子的作用。
图7放大表示座架2的一部分，画出了叠层方向中间部分钢片4b与端部钢片4a的重迭状态以及这些钢片4a、4b与激磁永久磁铁3的结合状态。
如图7所示，激磁永久磁铁3只与座架2中间部分钢片4b的结合爪12结合，所以将激磁永久磁铁3压入座架2时，因结合爪12顶端的摩擦阻力小，用不大的压力可将激磁永久磁铁3压入。这种激磁永久磁铁压入时，各钢片4b的结合爪12，因与激磁永久磁铁3结合和摩擦，会一点一点向压入方向倾斜。据经验所知，在座架2的端部，结合爪的倾斜因累积而变大。本实施例的座架2的叠层方向端部钢片4a，如图7所示，在其槽口6内周面上有结合爪12和调整位置的退爪槽13，所以利用退爪槽能吸收结合爪12的倾斜，结果是能防止钢片4a剥离。激磁永久磁铁3插入后，结合爪12与激磁永久磁铁3互相结合，因而又能防止激磁永久磁铁3脱落。
若利用本实施例，则由于将具有退爪槽13的钢片4a在座架2端部叠层，通常将激磁永久磁铁3做得比座架2中具有结合爪12的部分长，因此所有的结合爪12与激磁永久磁铁3充分结合，成为稳定压入状态。如上所述，本实施例能解决象以往永磁转子那样，因座架端部结合爪与一部分激磁永久磁铁不结合而成为不稳定压入状态，结果钢片会因振动等缘故而剥离的问题。
以下用图8和图9说明能容易制造本实施例的永磁转子的制造方法。
图8表示从带状钢片上冲裁座架叠层用钢片的一个工序。如图8所示，为了冲裁本实施例的钢片4a、4b，在冲裁金属模之间，以一定的间距沿p方向输送带状钢材14。在A处冲裁带结合爪12的槽口6或者带退爪槽13的槽口6，在B处冲裁旋转轴的孔7，在C处冲裁叠层用钢片4a或者4b的外形，同时进行叠层。本实施例的钢片冲裁工序中，使用根据冲入深度冲裁不同形状槽口6的冲裁金属模。
图9表示上述根据冲入深度冲裁不同形状槽口的冲裁金属模。此冲裁金属模由阳模15与阴模16组成，冲裁金属模的阳模15能上下动地支撑在带状钢材14的上方，冲裁金属模的阴模16被固定设置在带状钢材14的下方，将带状钢材14以一定间隔送入后，在所定位置停下，冲裁金属模的阳模15向下冲，穿透带状钢材14后，嵌入冲裁金属模的阴模16内。由此，将带状钢材14冲裁成金属模阳模15的形状。
如图9所示，本实施例的冲裁金属模的阳模15，其下端部和上端部具有不同的形状。下方部份15a具有冲裁槽口6及结合爪12的形状，较之上述部份15a，上方部分15b还具有冲裁退爪槽13的形状。若冲入深度在15a部分的范围内，则能冲裁带结合爪的槽口6，若冲入深度达到15b部分，则能冲压带退爪槽13的槽口6。
本实施例制造方法，最初以使用15b部分范围的冲入深度，冲裁座架2端部的钢片4a成所定块数，并叠层，然后以使用15a部分范围的冲入深度，冲裁座架2中间部分的钢片4b，并叠层，接着以使用15b部分范围的冲入深度，冲裁座架2的另一端部的钢片4a成所定块数，并叠层，从而完成座架2的制造。
用此制造方法能以同一制造装置连续制造具有端部带退爪槽13的钢片4a和中间部分带结合爪12的钢片4b的座架2，从而可谋求制造装置简略化和大幅度提高作业效率。
本发明不限于此，显然还能适用于要将激磁永久磁铁插入由任意形状钢片构成的座架中的永磁转子。
还有，前述制造方法的说明中，为了冲裁一块钢片，做成使用三个冲裁金属模依次冲裁。然而，做成一个冲裁金属模根据冲入深度冲压不同形状的钢片当然也是可以的。
如上所述，第2实施例的永磁转子的座架，在其叠层方向中间部分配有带结合爪的钢片，在叠层方向端部配有带退爪槽的钢片，而结合爪可减小激磁永久磁铁压入时的阻力，并防止脱落，退爪槽能吸收激磁永久磁铁压入时结合爪的倾斜，因此可用小的压力压入激磁永久磁铁，而且压入时座架端部的钢片不会剥离，插入后能防止激磁永久磁铁脱落。另外，本实施例的永磁转子能使激磁永久磁铁的长度做得大于座架中具有结合爪的部分的长度，因此所有结合爪都与激磁永久磁铁结合，成为稳定的压入状态，可减少由振动等原因引起钢板剥离的可能性。
本实施例的永磁转子制造方法具有能根据冲入深度冲裁不同形状钢片的冲裁金属模，只要改变冲入深度，就能用同一制造装置连续制造具备带退爪槽的端部钢片和带结合爪的中间部分钢片的座架，所以可谋求制造装置简略化和大幅度提高作业效率。
图10表示第3实施例永磁转子的分解图。本例中，永磁转子1具有两对板状激磁永久磁铁3。座架2与前例相同，也用金属模冲裁多块钢片4并层叠而成。座架2的一个端部由沿旋转方向偏离钢片4的钢片4′组成。此外，钢片4具有让钢片一部分凹陷的填塞部8，通过互相压入填塞部8而层叠为一体。让激磁永久磁铁3往图中R方向移动，分别插入槽口6内，最后，以孔7为中心用填塞部8将沿旋转方向偏离的钢板4′压入成为一体。
图11表示钢片4的截面图。槽口6设置在钢片4的磁极部5a、5b、5c、5d的底部，各离座架旋转轴大致等距的地方。激磁永久磁铁3分别插入这些槽口内。激磁永久磁铁3配置成在座架2外周上其相邻磁极N、S互异。又在激磁永久磁铁的内侧设置填塞部8a、8b、8c、8d，以便各钢片相互压入，并通过互相压入填塞部8a、8b、8c、8d实现叠层。
将填塞部8a、8b、8c、8d相对于旋转轴的间隔设定为以下关系，即填塞部8a与8b的间隔、8b与8c的间隔、8c与8d的间隔均为m、填塞部8d与8a的间隔为K，而且p×m≠360°(p为填塞部数)、m≠K。
另外，在填塞部8a的近旁形成能使各填塞部8a、8b、8c、8d压入的空隙8′a，在填塞部8d的近旁也同样存在一个能使各填塞部8a、8b、8c、8d压入的空隙8′b。而且对空隙8′a与填塞部8a的间隔T(相对旋转轴的角度)以及空隙8′b与填塞部8d的间隔q(相对旋转轴的角度)分别作以下设定T＝p×m-360°(p×m＞360°)q＝360°-p×m(p×m＞360°)再者，填塞部8a、8b、8c、8d与空隙8′a、8′b相对旋转轴都位于同一圆周上。
图12表示使钢片4在旋转方向上偏转m°后的截面图(钢片4″)。钢片4″的填塞部18a、18b、18c、18d分别与偏转前的填塞部8a、8b、8c、8d对应，而空隙18′a、18′b分别与偏转前的空隙8′a、8′b对应。
图13表示使钢片4在旋转方向上偏转m°，并冲去填塞部8a、8b、8c、8d使它们全成为空隙后的截面图(钢片4′)。钢片4′的空隙19a、19b、19c、19d分别与偏转前的填塞部8a、8b、8c、8d，对应，并且空隙19′a、19′b分别与偏转前的8′a、8′b对应。空隙19a、19b、19c、19d的形成是在用金属模冲压钢片时，通过让金属模下落加深，使填塞部全都成为空隙，如果金属模下落不深，则加工成为填塞部。
图14是将钢片4″从上面填塞到钢片4上的图。钢片4″的填塞部20d、20a、20b、20c分别重叠在钢片4的空隙8′a和填塞部8b、8c、8d上。同样也能让钢片4″反向旋转，将钢片4″的填塞部20b、20c、20d、20a分别重叠在填塞部8a、8b、8c和空隙8′b上。
钢片4的空隙8′b对于上述钢片反向旋转后重叠是必不可少的，它使钢片重叠时没有方向性。如图所示，通过叠加钢片4″，钢片4″的槽口6″相对钢片4的槽口倾斜，从而能将激磁永久磁铁3扶住。又因槽口倾斜仅仅加在激磁永久磁铁3端面的一部分外表上，所以该磁铁端面上基本无磁力线泄漏。而且激磁永久磁铁3与以前一样插在钢片4的槽口6内，因此对槽口不会加过大的力。此外，在用粘接剂固定磁场永久磁铁3，并让转子在致冷剂或者加压流体内使用的情况下，该粘接剂即使溶解于致冷剂或加压流体，但因钢片4″的存在，激磁永久磁铁3仍不会脱落。再者，激磁永久磁铁的固定可以同其加工精度无关。
图15是从上面将钢片4填塞到钢片4′上的图。图中，钢片4的填塞部8a、8b、8c、8d分别重叠在钢片4′的空隙19a、19b、19c、19′b上。通过叠加钢片4，能获得与上述图14同样的结果。
图16是永磁转子另一实施例的永磁转子分解图。将座架2分为二半，并分别从钢片4′上面填塞钢片4，再让这两半座架2分别从激磁永久磁铁3的两端沿R方向相互吻合。各座架2磁极部的对位取决于激磁永久磁铁3，而本情况下，因使用平板状激磁永久磁铁，能简单地进行对位。而且因座架两端钢片偏移，槽口也偏移，能阻止激磁永久磁铁向外脱出。另外，座架端面钢片的槽口为异形时，也能获得同样的效果。
图17是永磁转子另一实施例的钢片截面图。槽口6设置在钢片4磁极部5a、5b、5c、5d底部且与旋转轴距离大致相等的位置上。这些槽口6内插入激磁永久磁铁。而且在激磁永久磁铁的内侧形成填塞部21a、21b、21c、21d，以便各钢片相互压入。还设有即使旋转钢片也能压入填塞部21a、21b、21c、21d的空隙22a、22b、22c、22d，让上述填塞部21a、21b、21c、21d旋转m°，上述填塞部21a、21b、21c、21d就与空隙22a、22b、22c、22d相互配合。填塞部21a与空隙22b的间隔m设定为p×m≠360°(p为填塞部数，m为填塞部与空隙的间隔)。再者，上述填塞部和空隙相对于旋转轴为点对称，而且因填塞部和空隙都处在以旋转轴为中心的同一圆周上，所以能获得高速旋转的钢片平衡。
图18是永磁转子另一实施例的钢片截面图。此例中，能通过将填塞部23a、23b、23c、23d互相压入而叠层。它不仅有填塞部23a、23b、23c、23d，而且还有能因钢片旋转而压入填塞部23a、23b、23c、23d的椭圆形空隙24a、24b、24c、24d。填塞部23a、23c与空隙24b、24d处在同一圆周上，而填塞部23b、23d与空隙24a、24c处在与上述圆周不同的另一圆周上。这样能使空隙面积沿圆周铺长。图18中空隙构成椭圆状。通过使空隙为椭圆状，还能作任意的微小角度旋转。另外，上述填塞部及空隙相对于旋转中心为点对称，因而能获得高速旋转的钢片平衡。再由于空隙及填塞部处在几个圆周上，所以能使空隙为任意形状，也能减轻座架本身的重量。另外，上述填塞部为圆形，但不限于此，例如也可做成长方形的V状填塞部。座架还可以是非叠层钢片构成，也能用金属一体形成。
图19表示永磁转子的另一实施例，此例中，座架2以旋转轴7a为中心，利用填塞部间距的偏移，形成一个个微小角度的扭曲。在永磁转子1的内部，永磁转子1的槽口6同样以一个个微小角度偏转，因此能固定激磁永久磁铁，而且在磁极部，各旋转磁极面的周向中心处能经常产生最大的反电动势，在槽口6中可存有瓦状激磁永久磁铁3。
图20是永磁转子另一实施例的分解图。永磁转子1，与上例一样把许多钢片4叠为一体来构成座架2，而且钢片4上具有使一部分钢片凹陷的填塞部8，通过互相压入填塞部层叠为一体。激磁永久磁铁3做成矩形截面的六面体，再将该激磁永久磁铁3分别插入槽口内，最后用圆形铁片25安装具有填塞部8的钢片，并利用填塞部8一体压入，使铁片25的外周稍微接触激磁永久磁铁(参见图21)。这种结构下，填塞钢片时，能通过旋转方向定位销填塞位于座架内部的空隙，从而可防止激磁永久磁铁轴向脱出，而且在将座架热套上旋转轴后也能插入激磁永久磁铁，最后还能填塞铁片25。再用粘接剂固定激磁永久磁铁，并且转子在致冷剂或加压流体内使用的情况下，即使粘接剂被致冷剂或加压流体溶解，但因存在钢片25，激磁永久磁铁也不会从槽口脱出。激磁永久磁铁的固定又可以同其加工精度无关。
这样，第3实施例的永磁转子利用在插入激磁永久磁铁的槽口的至少一个端部，使座架钢片与同一形状钢片偏填塞部的间距量，激磁永久磁铁就能轴向固定，而且能用填塞间距设定钢片的偏移量，所以上述偏移能设定成微小角度，而且没有激磁永久磁铁的端面磁力线泄漏。又因钢片在单个端部偏移，所以对钢片的轴向倾斜有阻止效果。再因钢片上有空隙，钢片之间填塞部的压入位置变得极简单。空隙的形状能任意设定，所以座架本身的重量也减轻，而且填塞部及空隙的位置相对旋转轴为点对称，所以座架的平衡也好。另外，将座架热套在旋转轴上后，激磁永久磁铁也容易插入，而且插入后以上述空隙为基准，不难借助填塞固定其他形状的铁板。再者，槽口与激磁永久磁铁的位置调整不需要很高的加工精度，所以永磁转子容易制造。在致冷剂或加压流体下使用也能防止激磁永久磁铁脱落，同时能获得制造容易，装配也不难的永磁转子。
图22是第4实施例的永磁转子的斜视图。图23是与永磁转子旋转轴成正交的截面。此例中，永磁转子1具有一对板状的激磁永久磁铁3。上述座架2与前例一样，用金属模具冲裁许多钢片4，并层叠而成，并且钢片4具有使一部分钢片凹陷的填塞部8，通过互相压入填塞部8层叠为一体。此外，本实施例中桥接部10做成宽度为0.35mm。
图23中，由于通过桥接部10的磁力线不通过座架2的外部空间，不会与电机的定子相交，从而也不会产生使永磁转子旋转驱动的力。减少通过该桥接部10的磁力线，能更有效地利用激磁永久磁铁3的磁力。
通过上述桥接部10的磁力线Φ，能用下式计算。设桥接部10的截面积为S、钢片4的磁通密度为B，则Φ＝B×S由此式可知，要减少通过桥接部10的磁力线，减小桥接部10的截面积S即可。从反面看，波及桥接部的离心力破坏可用下式计算，设离心力为F，钢片的屈服点为D，则F/S＜D截面积S又可用下式计算。在图22中，设桥接部宽度为M、钢片厚度为T、座架厚度为N，则S＝M×T×(N/T)×2由此式可知，若座架长度不变，则从桥接部10的机械强度考虑，增大容许宽度M为好。再者，上式中，(N/T)为钢片4的块数，(×2)是因为桥接部相对1个磁极部有2处。
图24表示桥接部宽度、桥接部的磁通密度以及桥接部的机械强度的关系。具体地说，横轴表示桥接部宽度、纵轴表示取决于桥接部磁通密度和离心力的机械强度。曲线L1表示磁通密度曲线，L2表示起因于离心力的机械强度曲线。曲线L1表示，通过金属模可冲裁宽度a点，至可容许磁通密度的宽度b点，为变化平坦的直线，超过b点的宽度，磁通密度就减小。
a点的金属模可冲裁宽度为钢片厚度所左右，厚度可以由0.1mm、0.35mm和0.5mm中的任一种构成。可用金属模冲制的桥接部宽度有M/T≥1的关系。例如对厚度0.35mm的钢片，桥接部宽度为0.35mm以上时能容易制造。但是，从起因于离心力的机械强度考虑，桥接部存在机械强度所容许宽度的影响。因此，该容许宽度在可用金属模冲制的宽度内时，通过选择可用金属模冲制的宽度和磁通密度所容许的宽度中的任一宽度，就能用金属模进行最小宽度冲制，而且激磁永久磁铁的磁力线损耗少，能获得高效率性能的永磁转子。
另外，起因于离心力的机械强度方面的容许宽度大于磁通密度所容许的宽度时，选前一宽度。这种情况下，因为对金属模冲裁有刚性，能简单制造，而且钢材能用低饱和钢，所以又有制作成本低的优点。
简言之，在可冲裁宽度、磁通量所容许宽度和起因于离心力的机械强度所容许宽度等三种宽度中，将上述槽口两端的桥接部设定成大于第一种和第三种中较大的一种，同时又小于第二种。不过，作为例外，第三种宽度大于第二种宽度时，选第三种。
图25是第5实施例的永磁转子的斜视图。图26表示与永磁转子的旋转轴正交的截面。此例中，永磁转子1有一对板状的激磁永久磁铁3。上述座架2，与前例相同，用金属模冲压许多钢片4，并层叠而成。本实施例中，钢片4的各磁极部上设有使一部分钢片凹陷的填塞部8。用金属模冲压使一部分钢片凹陷而形成该填塞部。因此，能在各磁极部上利用该填塞部8的凹陷部位形成空隙。
图26中，箭号表示各磁极部与定子磁极部之间的磁力线流向。定子26的内部设有永磁转子3，定子磁极部27由未图示的线圈激磁。两槽口6位于座架2的磁极部5a、5c的底部，并设置在与座架2的旋转轴2等距离的位置上。如上所述，这些槽口6中激磁永久磁铁3将表现为N极的面互相对着配置，所以磁力线如图所示，在磁极之间受推斥，从座架2的磁极部5a、5c出发，到达磁极部5b、5d。结果是磁极部5a、5c表现为S极，反之，磁极部5b、5d表现为N极，座架2的外周面就成了具有4个磁极部，且每一个磁极都有N和S极性。
座架2中，钢片叠层用的填塞部8设在各磁极部，各磁极部上的磁力线流向如图26的箭号所示，避开填塞部8到达座架2的磁极面。这是因为填塞部8由钢片凹陷所构成，凹陷部成为空隙，而空隙部相对于钢片，其透磁率低，所以在填塞部磁阻增加。因此，磁力线在位于磁极部的填塞部8处左右分散，不会集中于旋转方向。这样一来，由这些磁力线产生的反电动势也在磁极部的中心处变得最大，从而能防止永磁转子各磁极部的位置检测误差。
另外，由于填塞部8设在各磁极部5a～5b上，所以外力不易传到连结磁极部的底部和头部的桥接部10上，磁极部的头部上即使加上意外的外力，也不会在座架2的钢片上产生剥落和间隙。
图27和图28说明永磁转子的另一实施例，分别画出座架2的正视图与截面图。在前例中，用使钢片凹陷的填塞部作钢片4的连结部。本实施例则在各磁极部5a5b、5c、5d上开贯通孔，让轴28穿过，以连结叠层钢片而构成座架2。由于用铝、不锈钢等非磁性材料作轴28，所以磁阻在轴部分增加，能获得与前例同样的效果。再者，本实施例中连结轴28两端的固定是用铆接固定，但也可采用螺旋紧固，焊接等任意方法。
各磁极部5a-5d上的连结部及空隙位置不必位于磁极部的中心，以位于相对磁极部中心靠转子旋转方向一侧，并使其最接近磁极部头部为好。通过将空隙或连结部配置在旋转方向一侧，可抵挡要向旋转方向集中的磁力线流，有效促使磁力线集中到磁极部中心。另外，受阻向旋转方向集中的磁力线，在空隙或连结部处分散后，又要在磁极部集中到旋转方向。此时，因空隙或连结部设置在最接近转子旋转方向的磁极部头部，已分散的磁力线在集中于旋转方向之前，到达磁极部头部，结果是磁力线向磁极部中心部集中。因此，能更可靠地防止各磁极部的位置检测误差。
各磁极部上连结部或空隙不限于一个，也可以设置几个。此外，上述实施例说明的转子结构是座架的外周上形成4个磁极部，每隔一个磁极部插入激磁永久磁铁，但也不限于上述结构，形成任意偶数个磁极部，在每个磁极部插入激磁场永久磁铁也能适用。
若利用本实施例的永磁转子，则因结构上是使连结各钢片的部位设在各磁极部，连结部上的磁阻增大，所以能抑制磁力线向旋转方向集中。另外，用连结部设置在各磁极部的位置上，促使磁力线集中于各磁极部中心的方法，在磁极部中心处产生最大反电动势，因而能获得正确检测永磁转子磁极部位置的无位置传感器的无刷电机。
由于连结部设在各磁极部，外力不易传到连结磁极部的底部和头部的桥接部，即使意外的外力加到磁极部头部，也能防止构成永磁转子的座架钢片剥离和有间隙等形变，从而能提供强度优良的永磁转子。
图29为计算机分析图，表示与三相四极电机(24极)永磁转子的旋转轴成正交的截面上，正常旋转中的磁力线流动状况。由该图的磁力线流可知因激磁永久磁铁存在上磁极部，定子磁极部(磁极)来的磁力线转弯，三个定子磁极部来的磁力线流向一个激磁永久磁铁。由于磁铁的一半磁力线通过上述激磁永久磁铁上磁极部，因此激磁永久磁铁与上述磁极部外缘的宽度a和定子磁极部的宽度b之间的关系以(a＝1.5×b)为好[包括a大致为1.5×b的情况]。即a部分通过磁铁的半数磁力线，也即定子磁极部磁力线的1.5倍。在上述的(a＝1.5×b)情况下，双方磁通密度相等，磁力线容易流动，磁力线泄漏少，因而损耗小、电机效率高。
由于通常定子磁极部的宽度b不变，若宽度a大于(1.5×b)，则因转子与定子间的间隙已定，激磁永久磁铁就相对接近旋转轴，因此，等于激磁永久磁铁外侧的磁极部面积扩大，转子外侧的间隙磁通密度下降。而且，若磁极部面积扩大，则为了维持离心力强度，桥接部宽度就加粗，从而损耗增多，电机效率下降。此外，磁铁的磁路也变长，泄漏量增多。
反之，宽度a小于(.15×b)时，激磁永久磁铁相对离旋转轴较远而靠近定子，因激磁永久磁铁外侧的磁极部面积缩小，磁力线变得不易转弯并容易饱和，而且磁通密度增高、损耗(铁损)增多，容易发生热引起的磁铁退磁。
如上所述，当a大致等于(1.5×b)时，能避免上述不良情况，一方面能确保桥接部的强度，同时又能设置后文将说明的转子磁极部缺口(消除局部性磁力线集中)。当然，上述宽度a大于桥接部的宽度。
图30和图31是计算机分析图，表示与三相四极电机(24极)永磁转子的旋转轴成正交的截面上，旋转中的磁力线流动状况。图30是在转子磁极部上设置缺口29后的情况，图31是没有设缺口的情况。图32及图33表示间隙磁通密度，且分别与图30和图31对应。无缺口29的情况下，磁力线分别集中于定子磁极部103、104、105，且与定子线圈通过的电流(转矩大小)成正比。磁通量的大小依次为磁极部103的磁力线、磁极部104的磁力线、磁极部105的磁力线。磁通局部性饱和，各定子磁极部之间的转矩产生偏差，因而发生转子的旋转变动。
与此相反，在设缺口29的情况下，因流入转子磁极部203、204、205的磁力线量基本相同，转子磁极部不仅没有极端的磁力线弯曲，而且磁极部的饱和也减少，各定子磁极部之间的转矩没有偏差，因而转子的旋转变动、振动也少。图34表示三相四极电机(24极)永磁转子与定子的关系。A为2个定子磁极部(2极)的端部间隔，缺口29的宽度与此间隔对应，即角度A为缺口角度。再者，在图34中，非缺口部位的间隙G为0.5mm、缺口部位的最大间隙B为1.3mm、最大间隙B离转子中心的角度为25°，即自转子中心起25°处最偏。(至少偏2倍以上间隙)，缺口终端位置离转子中心的角度为34°。上述值在三相四极电机的12极及36极情况下也相同。另外，三相六极电机的18极和36极情况下，缺口角度A为16.7°、缺口终结位置离转子中心的角度为22.7°。
本发明很适合作需精确旋转和耐久性的小型电唱机、各种音响设备、办公自动化设备等的无刷电机的转子。
权利要求
1.一种无刷电机的永磁转子，该永磁转子支撑于上述无刷电机的定子内侧且旋转自如，上述转子具有多叠层钢片座架，上述座架又有偶数个向外突出的磁极部，各磁极部或者每隔一个磁极部，分别插有激磁永久磁铁，其特征在于上述磁极部上有空隙。
2.一种无刷电机的永磁转子，该永磁转子支撑于上述无刷电机的定子内侧且旋转自如，上述转子具有多叠层钢片座架，上述座架又有偶数个向外突出的磁极部，各磁极部或者每隔一个磁极部，分别插有激磁永久磁铁，其特征在于上述各磁极部至少有一个用于层叠上述钢片的连结部。
3.根据权利要求1或者2所述的无刷电机的永磁转子，其特征在于上述转子磁极部的连结部或者空隙，形成在使其接近相对转子中心旋转方向一侧的磁极部头部。
4.一种无刷电机的永磁转子，该永磁转子支撑于上述无刷电机的定子内侧且旋转自如，上述转子具有多叠层钢片座架，上述座架又有偶数个向外突出的磁极部，各磁极部或者每隔一个磁极部，分别插有激磁永久磁铁，上述激磁永久磁铁插入上述磁极部所形成的槽口，其特征在于，上述槽口两端形成桥接部，上述桥接部的宽度设定成小于上述激磁永久磁铁外侧至上述磁极部外侧边缘的宽度。
5.一种无刷电机的永磁转子，该永磁转子支撑于上述无刷电机的定子内侧且旋转自如，上述转子具有多叠层钢片座架，上述座架又有偶数个向外突出的磁极部，各磁极部或者每隔一个磁极部，分别插有激磁永久磁铁，其特征在于上述激磁永久磁铁外侧至上述磁极部外侧边缘的宽度设定成大约为上述定子的极宽的1.5倍。
6.一种无刷电机的永磁转子，该永磁转子支撑于上述无刷电机的定子内侧且旋转自如，上述转子具有多叠层钢片座架，上述座架又有偶数个向外突出的磁极部，各磁极部或者每隔一个磁极部，分别插有激磁永久磁铁，其特征在于在上述磁极部的外周侧且旋转方向的前部或后部，形成所定形状缺口，该缺口形状要使在上述缺口的缺口面与上述定子的磁极部之间通过的间隙磁通密度与上述缺口面上的相等。
全文摘要
一种无刷电机的永磁转子,由多片钢片叠层而成,具有偶数个向外突出的磁极部,激磁永磁铁插入磁极部形成的槽口,其特征在于,磁极部上有空隙;各磁极部至少有一个用于层叠钢片的连接部;槽口两端的桥接部宽度小于激磁永磁铁外侧至磁极部外侧内边缘的宽度;且后者宽度约为定子极宽的1.5倍;在磁极部外周侧的旋转方向的前、后部形成预定形状缺口,该形状使缺口面与定子磁极部间通过的间隙磁通密度与缺口面上的相等。
文档编号H02K29/00GK1229297SQ9910224
公开日1999年9月22日 申请日期1999年2月13日 优先权日1992年8月12日
发明者长手隆, 石黑明克, 山越一成 申请人:精工爱普生株式会社