CN1866692A - 轴向间隙型电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴向间隙型电动机，其可减低作用于转子上的轴力，减小转子及轴承的负载，抑制转子的面振动。其中，转子(1)隔着气隙(3)与定子(2)相对配置，辅助轭(12)隔着气隙(13)与转子(1)的相对侧相对配置。磁通Φ从转子(1)如箭头所示循环，磁通Φ通过转子(1)的定子侧的气隙面(1a)，从而在转子(1)上作用有轴力α，磁通Φ通过转子(1)的辅助轭侧的气隙面(1b)，从而在转子(1)上作用有轴力β。轴力β与轴力α方向相反，而抵消减小轴力α，从而可以消除由轴力α引起的转子(1)以轴承的负载增大的问题。

Description

轴向间隙型电动机

技术领域

本发明涉及转子及定子在转子旋转轴线方向上相对配置而收纳在机壳中的电动机，即，定子和转子间的空隙(气隙)存在于定子及转子的轴线方向相对面间的轴向间隙型电动机。

背景技术

一般在转子使用永久磁体的同步型电动机中，向定子通电而产生的旋转磁场吸引排斥转子内的永久磁体而产生磁力矩，一般是由该磁力矩使转子旋转，使电动机起动。

作为同步型的电动机之一有转子和定子在转子旋转轴线方向上相对配置并被收纳在机壳内的轴向间隙型电动机。

作为同步型的电动机，例如公知有特开2004-297902号公报记载的轴向间隙型电动机。

轴向间隙型电动机，是盘状的转子及定子在转子旋转轴线方向上相对配置的。

但是，在电动机中，由给定子通电而产生的磁通和由转子内的永久磁体产生的磁通，作为用于产生力矩的磁通，通过转子及定子的相对面(气隙面)，但这些磁通在通过气隙面的时候，会给转子施加无助于力矩的方向的力。

上述轴向间隙型电动机中，形成气隙的转子及定子的相对面是与转子旋转轴线垂直的平面，因此在气隙和转子间作为无助于电动机的输出力矩的力，对转子作用其旋转轴线方向的力(轴力)。

在这样的轴向间隙型电动机中，用于产生力矩的磁通在通过与定子相对的转子的面(隙面)时产生，作用于转子的旋转轴线方向的力(轴力)是仅从转子向定子方向的力，因此对转子总是从转子向定子的方向上施加轴力，转子及轴承的负载增大的同时会产生转子的面振动的问题。

并且此现象在不进行弱磁通控制的区域尤为显著，上述问题不能忽略。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而研发的，其目的在于提供一种轴向间隙型电动机的改进结构，这种改进结构可以抵消减小或相互抵消磁通在通过间隙面时产生的上述作用于转子的轴力，由此解决上述问题，即，转子及轴承的负载增大的问题及转子产生面振动的问题。

为此目的，本发明的轴向间隙型电动机具有：自如旋转地支承于机壳的旋转轴；与上述旋转轴连结并有多个永久磁体的转子；与上述旋转轴位于同轴上且与上述转子的侧面的一面相对配置并具有多个线圈的定子；与上述旋转轴位于同轴上且与上述转子的侧面的另一面相对配置而不能向旋转轴方向变位的收纳在上述机壳内由磁体形成的辅助轭。

根据本发明的轴向间隙型电动机，可将用于产生力矩的磁通的部分或全部朝向位于与定子的位置相反的转子侧的辅助轭，由此，在与定子位置相反的转子侧的转子面上也通过有上述磁通。

这样在与定子位置相反的转子侧的转子面上通过上述磁通而产生的轴力与在相对定子的转子面上通过上述的磁通而产生的上述轴力方向相反，这些轴力在转子之上抵消减少或相互抵消。

这样，可以解决与定子相对的转子面上通过上述磁通而产生的上述轴力使转子及轴承的负载增大的上述问题和转子产生面振动的问题。

附图说明

图1是表示轴向间隙型电动机的一结构例的纵剖侧面概略图；

图2是从图1所示的轴向间隙型电动机中仅仅取出定子及转子，同磁通的流向一同表示的侧面概略图；

图3是从作为本发明的一实施例的轴向间隙型电动机中仅取出重要部件与磁通的流向一同表示的侧面概略图；

图4是从图3的箭头A方向看去表示同一实施例的轴向间隙型电动机的转子的正面正面图；

图5是从图3的箭头B方向看去表示在同一实施例的轴向间隙型电动机的定子的正面图；

图6是从图3的箭头C方向看去表示在同一实施例的轴向间隙型电动机中的辅助轭的正面图；

图7是表示同一实施例的轴向间隙型电动机的磁通分布，其(a)是辅助轭如在图6中所示的无辅助轭芯体的情况下的磁通分布图，(b)是辅助轭如在图6中所示的有辅助轭芯体的情况下的磁通分布图；

图8是表示与图3中辅助轭相关的安装结构的一例子的轴向间隙型电动机的主要部分的侧面概略图；

图9是表示与图3中辅助轭的安装结构的另一例子的轴向间隙型电动机的主要部分侧面概略图；

图10是表示与图3中辅助轭的安装结构的其他例子的轴向间隙型电动机的主要部分侧面概略图；

图11是表示代替图6的辅助轭的另一结构例子的与图6相同的正面图；

图12是表示代替图6的辅助轭的其他构成例子的与图6相同的正面图；

图13是表示作用于轴向间隙型电动机的转子上的轴力的随时间变化，其(a)是表示作用于如图1、2所示的不具有辅助轭的轴向间隙型电动机的转子上的轴力随时间变化的流程图，其(b)是表示作用于如图3、8～10所示的具有辅助轭的轴向间隙型电动机的转子上的轴力随时间变化的流程图。

附图标记说明

1转子

2定子

3气隙

4机壳

5转子芯体

6永久磁体

7转子旋转轴

8轴承

9电磁线圈

10定子芯体

11定子背承芯体

12辅助轭

13气隙

14齿

15绝缘体

16辅助轭芯体

17辅助轭背承芯体

18辅助轭支承框架

19挟持板

20推力轴承

21挟持板

22推力轴承

23电磁钢板的涡旋层叠体

24粉末压模芯体

具体实施方式

以下基于图示的实施例详细说明本发明的实施方式。

图1是具有本发明要解决的问题，用于适用本发明的立意的轴向间隙型电动机的剖面概略图。

在图1中，1、2分别表示转子和定子，该转子1及定子2两者间存在着空隙(气隙)3，并且在转子旋转轴线方向上相对配置的同时收纳在机壳4内。

转子1将多个永久磁体6相对于与由磁性体作成的盘状的转子芯体5在圆周方向上等间距排列配置而成。这些永久磁体6在转子芯体5的圆周方向上隔开规定间隔排列而极性交替不同。

上述转子1，其转子芯体5的中心部5a紧固在转子旋转轴7上，该旋转轴7由两端的轴承8旋转自如地支承在机壳4内，并在轴线方向上不能变位。

定子2其卷绕电磁线圈9的多个定子芯体10相对于背承芯体11在圆周方向上等间隔配置支承而成。

并且该定子2朝向使其定子芯体10隔着气隙3与转子1相对的方向，并与转子1同心配置，进而经由背承芯体11安装在机壳4上。

另外，W表示负责电动机的冷却的冷却水路。R表示用于检测转子1的旋转位置而提供电磁线圈9的顺序驱动控制信号的旋转译码器。

为简要说明图1所示的轴向间隙型电动机的作用，电磁线圈9在未图示的变换器的控制下被顺次驱动而激励，由此在定子2的周向上形成旋转磁界，在转子1的周向上极性交替相异而配置的多个永久磁体6被该旋转磁界吸引排斥，转子1以与该旋转磁界同步的速度被驱动旋转。

图1所示的轴向间隙型电动机中仅是关于转子1和定子2两者的相互关系则如图2所示。

另外，为方便起见，在图2中将转子1和定子2与图1左右位置相反地表示。

根据图2说明用于产生力矩的磁通Φ的路径。该磁通Φ从转子1通过气隙3进入定子2的定子芯体10，之后经过定子2的背承芯体11返回定子芯体10而弯曲，进而从定子芯体10通过气隙3朝向转子1，再从转子1通过气隙3进入定子2而流动。

在该过程中，用于产生力矩的磁通Φ通过与定子2相对的转子1的面1a(气隙面)，从而对转子1作用转子旋转轴线方向的轴力α。

该轴力α是仅从转子1到定子2方向上的力，因此如果将该轴力α在转子1的整周上进行积分，则在转子1上总是向上述一方向持续作用力，出现转子1及支承该转子自如旋转的轴承8(参照图1)的负载增大的问题和转子1的面振动的问题。

为不产生此类问题在本实施例中，如图3所示，相对于图2的结构，增加了如后述地由磁性体构成的辅助轭12。

该辅助轭12在与配置定子2相反的转子1侧相对于转子1同心配置，这些辅助轭12和转子1之间最好具有与气隙3同样的气隙13，同时，为保持此气隙13，将辅助轭12不能向转子旋转轴线方向变位地固定在机壳14中(参照图1)。

并且辅助轭12的直径可与转子1的直径相同或比其大。

在本实施例中，转子1如其A向视图即图4所示，其相对于由磁性体构成盘状的转子芯体5将多个永久磁体6在圆周方向上等间距配置而构成。

另外，永久磁体6如上所述，因为是在圆周方向上等间距配置的，所以从转子旋转轴线方向上看去呈扇形，并埋设在形成于转子芯体5上的同样形状的开口内，但是极性交替相异而隔开规定间隔配置在转子5的周向上。

上述转子1将转子芯体5的中心部5a固定在转子旋转轴7上。

另外，定子2如作为图3的B向视图即图5所示，形成如下的结构：是多个经由绝缘体15将电磁线圈9卷绕在齿14上的定子芯体10相对于由磁性体构成的盘状的共用的定子背承芯体11在圆周方向上等间距配置支承。

定子芯体10如上所述，因为是在圆周方向上等间距配置的，所以从转子旋转轴线方向上看去呈扇形，与相邻的定子芯体10之间设定规定的空隙。

并且在定子支持芯体11的中心部，形成用于游隙嵌合转子旋转轴7的中心孔11a。

进而辅助轭12如作为图3的C向视图即图6所示形成如下形状，即，其多个(最好是与定子芯体10数目相同)的辅助轭芯体16，相对于由磁性体作成的盘状共用的辅助轭背承芯体17在圆周方向上等间距配置支持。

在辅助轭背承芯体17的中心部形成用于游隙嵌合转子旋转轴7的中心孔17a。

另外，辅助轭背承芯体17的轴线方向厚度如图3所示与定子背承芯体11的轴线方向厚度相同或比其厚。

在构成上述本实施例的轴向间隙型电动机中，用于产生力矩的磁通Φ如图3所示，从转子1通过气隙3进入定子2的定子芯体10，之后经过定子2的背承芯体11返回定子芯体10而弯曲，进而从定子芯体10通过气隙3朝向转子1，之后从转子1通过气隙13进入辅助轭12的辅助轭芯体16，然后经过辅助轭背承芯体17回到转子1，再从转子1通过气隙3进入定子2而流动。

在此过程中，用于产生力矩的磁通Φ通过与定子2相对的转子1的面1a(气隙面)，从而对转子1作用与定子1接近的转子旋转轴线方向的轴力α。

另一方面，磁通Φ通过配置定子2的相反侧的转子1的面1b(气隙面)，从而在转子1上作用远离定子1的旋转轴线方向上的轴力β。

该轴力β与上述轴力α方向相反，将轴力β在转子1的整周上进行积分求得的力与轴力α在转子1的整周上积分求得的力抵消减小，或抵消，可以解决轴力α作用于转子1，转子1及支承该转子自如旋转的轴承8(参照图1)的负载增大的问题和转子1的面振动的问题。

根据图13说明上述作用效果，图13(a)表示如图1及图2所示没有辅助轭的现有的轴向间隙型电动机中上述轴力α(单位：N)的经时变化(单位：msec)，图13(b)表示如图3所示设有辅助轭12的本实施例的轴向间隙型电动机的上述轴力(α+β)的经时变化。

另外，在图7(a)、(b)中的轴力α或(α+β)的负数是转子1牵引偏向定子2的方向上的轴力。

如图1及图2所示没有辅助轭的现有的轴向间隙型电动机中，与轴力α如图13(a)所示较大，与此相对，如图3所示设有辅助轭12的本实施例的轴向间隙型电动机中，轴力α+β如图13(b)所示可以减少到现有的大约1/10。

另外，在如图3所示具备了辅助轭12的本实施例的轴向间隙型电动机中，轴力α+β如图13(b)所示转向正向，这是由于，由转子1与辅助轭12间的磁通而作用于转子1上的轴力β(参照图3)在周方向上积分所得的值比由转子1和定子2间的磁通而作用于转子1上的轴力α(参照图3)在周方向上的积分而得的值稍大。

并且，本实施例中，辅助轭12如图6所示，是将多个辅助轭芯体16相对于由磁性体构成的盘状的共用的辅助轭背承芯体17在圆周方向上等间距排列支承而构成的，所以可以得到以下的作用效果。

图7(a)表示辅助轭12没有图3及图6所示的辅助轭芯体16情况下的结构，在此情况下，在从定子2经过转子1到达辅助轭12的磁通路径中，辅助轭12的磁通入口面积比定子2的磁通出口面积(定子芯体10的与轴垂直的断面积)大，在转子1及定子2间的气隙3上的磁通分布γ和在转子1及辅助轭12间的气隙13上的磁通分布δ不对称，在辅助轭12侧磁通如δ所示扩张而泄漏，由轴力β降低使其不能充分得到上述作用效果。

与此相对，本实施例中，辅助轭12如图6所示，是多个辅助轭芯体16相对于辅助轭背承芯体17在圆周方向上等间距排列支承而构成的，所以如图7(b)所示，在从定子2经过转子1到达辅助轭12的磁通路径中，定子2的磁通出口面积(定子芯体10的与轴垂直的断面积)与辅助轭12的磁通入口面积(辅助芯体16的与轴垂直的断面积)相同，在转子1及定子2间的气隙3中的磁通分布γ和在转子1及辅助轭12间的气隙13上的磁通分布ε相对称，磁通经过辅助轭12时不扩张泄漏，轴力β形成预定的力，可确保上述作用效果。

另外，在本实施例中，辅助轭背承芯体17的轴线方向厚度如图3所示与定子背承芯体11的轴线方向厚度相同或比其厚，因此可以得到如下的效果。

即，决定电动机输出的磁通线的条数依存于磁通路径的最小横断面积，在电动机(转子1及定子2)中的磁通路径的最小横断面积由定子背承芯体11的磁通路径方向的横断面积决定。

这样，如本实施例所示，辅助轭背承芯体17的轴线方向厚度大于或等于定子背承芯体11的轴线方向厚度的情况下，辅助轭背承芯体17的磁通路径方向的横断面积大于或等于定子背承芯体11的磁通路径方向的横断面积，在本实施例中，为达到上述作用效果，即使磁通经过辅助轭12，磁通线的条数不会减少，而可回避电动机输出降低，同时实现上述作用效果。

另外，在本实施例中，如前所述，辅助轭12的直径大于或等于转子1的直径，由此可回避从转子1朝向辅助轭12的磁通泄漏。由此，用于实现本发明的目的的上述轴力β(参照图3)形成规定的力，可确保上述作用效果。

辅助轭12如前所述，都相对于机壳4不能向转子旋转轴线方向变位而安装，但是在此安装过程中，可以采用图8，或图9，或者图10所示的安装结构。

首先说明图8所示的辅助轭12的安装结构，其具备了包套着转子1和定子2的圆筒状的辅助轭支承框架18，其基端安装在机壳4上，自由端将辅助轭12的外周嵌合固定。

转子1的旋转轴7贯通定子2及辅助轭12两者，轴方向两端分别由轴承4在轴线方向上不能变位地自如旋转地支承在机壳4。

根据上述辅助轭12的安装结构，不但可以将辅助轭12以简易的结构安装起来，而且可以保证辅助轭12自身不旋转，因此可以提高其耐用性。

接下来说明图9所示的辅助轭12的安装结构，其也是具备了包套着转子1和定子2的圆筒状的辅助轭支承框架18，其基端固定在机壳4上。

转子1的旋转轴7贯通定子2以及辅助轭12两者，轴方向两端分别由轴承4在轴线方向上不能变位地自如旋转地支承在机壳4上，但是通过花键17b将辅助轭12的中心部花键嵌合在所述的转子旋转轴7之上，由此将辅助轭12与转子1一同旋转地收纳在机壳4内。

并且，在辅助轭支承框架18的自由端内周上，嵌着从轴方向两侧挟持住辅助轭12的外周部而配置的一对非磁性体构成的圆环状挟持板19，在这些圆环状的挟持板19和辅助轭12间分别介入推力轴承20，使辅助轭12在转子旋转轴7之上在轴线方向上不能变位。

根据上述辅助轭12的安装结构，可以使辅助轭12与转子1一同、从而同步旋转，所以可以得到以下的作用效果。

即，包含定子2产生的旋转磁场和转子1的永久磁体6(参照图4)产生的磁通的、使转矩发生磁通在辅助轭12通过时，如图8的情况使辅助轭12静止的结构下，伴随着转矩发生磁通的变化，使辅助轭12与旋转磁场同步旋转，在辅助轭12内产生涡电流的同时，如图9所示在使辅助轭12与转子1同步旋转的结构中，可以抑制转矩发生磁通的变动本身，抑制上述涡电流以及产生涡电流损失。

另外，将辅助轭12在旋转轴线方向上受限时，如图9所示通过推力轴承20由挟持板19将辅助轭12的外周部受限在轴线方向上的情况下，可以使辅助轭12和转子1间的轴向间隙在整周上以及径向整体上均匀，可以使为实现本发明的目的的上述轴力β(参照图3)保持稳定。

接下来说明如图10所示的辅助轭12的安装结构，其也是具备了包套着转子1和定子2的圆筒状的辅助轭支承框架18，其基端安装在机壳4上。

转子1的旋转轴7贯通定子2以及辅助轭12两者，轴方向两端分别由轴承4在轴线方向上不能变位地自如旋转地支承在机壳4内。并且，在辅助轭支承框架18的自由端内周上，嵌着从轴方向两侧挟持辅助轭12的大致整体的一对非磁性体构成的圆环状挟持板21，在这些圆环状的挟持板21和辅助轭12的内周部之间分别介入推力轴承22，使辅助轭12在转子旋转轴7之上不向轴线方向变位。

在上述辅助轭12的安装结构中，与图9的辅助轭安装结构相同，辅助轭12与转子1同步旋转，因此与图9中的同样的作用效果，即、可以实现抑制转矩发生磁通的变动本身，并抑制辅助轭12内产生涡电流的作用效果以及抑制产生涡电流损失的作用效果。

另外，将辅助轭12受限在旋转轴线方向上时，如图10所示，辅助轭12的内周部经由推力轴承22由挟持板21受限在轴线方向上的情况下，推力轴承22的周速减小，耐用性提高，同时，推力轴承22小型化，成本和重量方面也大有益处。

并且，上述实施例中，辅助轭12如图6所示，是将多个辅助轭芯体16相对于由磁性体构成的盘状共用的辅助轭背承芯体17在圆周方向上等间距排列支承构成的，但是辅助轭12除此之外如图11所示，由将电磁钢板23从中心部连续涡旋状层叠而成的电磁钢板的涡旋层叠体构成的，或者如图12所示由粉末压模芯体24构成，都可以实现上述各作用效果。

辅助轭12如图11所示，由电磁钢板23的涡旋层叠体构成，或者如图12所示由粉末压模芯体24构成，可以得到以下的作用效果。

辅助轭12如图8所示被固定支持的情况下，因为通过静止的辅助轭12的磁通的变动在辅助轭12内会产生涡电流，但是如图11所示在由电磁钢板23的层叠体构成的辅助轭12中，由于在该层叠的方向上电流难以流动(电阻变高)而在辅助轭12内难以产生涡电流，另外，如图12所示由粉末压模芯体24构成的辅助轭12中，由于在全方向上电流难以流动(电阻提高)，从而在辅助轭12内难以产生涡电流，因此可以减低辅助轭12内的涡电流损失。

另外，辅助轭12如图9以及图10所示被旋转支承的情况下，由于定子2的激励产生的旋转磁场为起因，在辅助轭12内有产生涡电流的倾向，因此将辅助轭12如图11所示由电磁钢板23的层叠体构成，或者如图12所示由粉末压模芯体24构成，辅助轭12内难以产生涡电流，从而减低辅助轭12内的涡电流损失是很重要的。

辅助轭12如图11所示由电磁钢板23的层叠体构成或如图12所示由粉末压模芯体24构成的情况下，辅助轭12的轴线方向厚度与定子背承芯体11的轴线方向厚度相同或者比其厚更有利于产生下的作用效果，

即，决定电动机输出的磁通线的条数依存于磁通路径的最小横断面积，在电动机(转子1以及定子2)中的磁通路径的最小横断面积由定子背承芯体11的磁通路径方向的横断面积决定。

因此，辅助轭12如图11所示由电磁钢板23的层叠体构成，或如图12所示由粉末压模芯体24构成时，如上所述辅助轭12的轴线方向厚度大于或等于定子背承芯体11的轴线方向厚度的情况下，辅助轭12的磁通路径方向的横断面积大于或等于定子背承芯体11的磁通路径方向的横断面积，由此不会有磁通线的条数减少的情况可以实现上述作用效果的同时回避电动机输出降低的问题。

Claims (8)

1.一种轴向间隙型电动机，该轴向间隙型电动机由旋转自如地支承在机壳上的旋转轴、与该旋转轴连结并具有多个永久磁体的转子和与上述转子的轴方向侧面的一面相对配置并具有多个线圈的定子组成，其特征在于，

以不能向旋转轴方向变位的方式收纳在上述机壳内的由磁性体形成的辅助轭与上述定子的与转子侧相反一侧的轴方向侧面相对设置。

2.如权利要求1所述的轴向间隙型电动机，其特征在于，上述辅助轭以不能旋转的方式收纳在上述机壳内。

3.如权利要求1所述的轴向间隙型电动机，其特征在于，上述辅助轭可与上述转子一体旋转而收纳在上述机壳内。

4.如权利要求1～3任一项所述的轴向间隙型电动机，其特征在于，上述辅助轭具有多个辅助轭芯体和将上述多个辅助轭芯体在圆周方向上排列支承的盘状的辅助轭背承芯体。

5.如权利要求4所述的轴向间隙型电动机，其特征在于，上述定子具有将卷绕线圈的多个定子芯体在圆周方向上排列支承而成的盘状的定子背承芯体，上述辅助轭背承芯体的旋转轴方向的厚度大于或等于上述定子背承芯体的旋转轴方向的厚度。

6.如权利要求1～3任一项所述的轴向间隙型电动机，其特征在于，上述辅助轭由电磁钢板的涡旋层叠体或粉末压模芯体构成。

7.如权利要求6所述的轴向间隙型电动机，其特征在于，上述定子具有将卷绕线圈的多个定子芯体在圆周方向上排列支承而成的盘状的定子背承芯体，上述辅助轭的旋转轴方向的厚度大于或等于上述定子背承芯体的旋转轴方向的厚度。

8.如权利要求1～3所述的轴向间隙型电动机，其特征在于，上述辅助轭其直径大于或等于上述转子的直径。

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