转子、制造转子的方法及转动机械的制作方法

专利名称：转子、制造转子的方法及转动机械的制作方法
技术领域：
本发明涉及电机所用新颖的转子，该电机所用转子具有布置在转动轴外围上的磁体，并涉及制造此种转子的方法以及转动机械。
在上述形成磁化方向分布状态的情况下，表面磁通量的密度，增大为每块磁体均顺着径向磁化或具有磁体各向异性那种情况下的径向磁体表面磁通量密度的约1.2至1.5倍。正弦波形磁化分布状态中的齿槽效应转矩，变得比径向磁体情况下的齿槽效应转矩更小。因此，当感应电压接近等于径向磁体情况下的感应电压时，正弦波磁化分布状态情况下的磁容量，就能减少而小于径向磁体情况下的磁容量。
转子主要包括磁体、轴、磁体固定剂(粘结剂或支承材料)以及磁铁条。在上述部件或材料中，磁体的生产率最低，且包括后接地元件的磁体，其生产率尤其低下。因此，减少磁容量就会导致转子或电机生产率的提高。此外，通过减少磁容量及采用在各个磁体之间具有小比重的材料，就能减小转子的重量。
另外，在上述所引用的出版物中，根本未对采用弧形扇形段形磁体的目的、制造技术例如磁体的磁化、各个磁体之间的间隙、磁体的材料以及电机的特性加以说明。
本发明的目的是提供一种转子，它具有高的感应电压特性及低的齿槽效应转矩特性，并能把磁容量减小得小于一件环形磁体的磁容量，且还提供一种制造该转子的方法以及采用该转子的转动机械。
本发明的特征在于转子具有顺着轴的圆周周边方向而分成扇形段的磁体，其中，扇形段磁体的正在磁化方向是持续变化的，且非磁性材料或铁磁体材料被插入扇形段磁体之间的周边间隙中。
另外，符合本发明的转子，其特征在于在每个扇形段磁体周边中央的每个扇形段磁体的磁力线方向，被引向径向方向，且磁体中央的两侧上每个扇形段磁体的磁力线方向，持续地相对于中央的磁力线而变化，并被引向与中央的磁力线相交的方向，如

图1所示；且磁体的正在磁化方向持续变化；特征还在于非磁性材料或铁磁体材料被插入扇形段磁体之间的周边间隙中。在有些情况下，磁通量密度的分布状态具有正弦波形的谐波成分。上述正在磁化的方向及已磁化方向，相等于磁力线方向，且中央两侧的磁力线方向，被引向与中央的正在磁化方向或已磁化方向相交的方向，而较接近中央的那两侧的磁力线方向几乎平行于中央的正在磁化方向和已磁化方向，较靠近扇形段磁体两端的磁力线的相交角的角度，更大一些。
另外，本发明的特征在于转子具有顺着轴的圆周周边方向而分成扇形段的磁体，其中，每个扇形段磁体具有磁极各向异性，且形成包含后接地元件的粘结磁体或烧结磁体，而非磁性材料或铁磁体材料被插入扇形段磁体之间的周边间隙中。顺着正在磁化方向、已磁化方向及磁力线方向的磁极各向异性，正如上述那样，且所有各向异性均为径向方向的径向各向异性。
最好使磁体形成为各向同性磁体或包含后接地元件的各向异性磁体。粘结磁体由粘结了的材料制成，该材料由磁体基片和有机树脂组成。
在制造转子的方法中，该转子具有顺着轴的圆周周边方向而分成扇形段的磁体，本发明的特征在于扇形段磁体是通过沿着轴的轴线的方向而流动的电流以便磁化扇形段磁体而形成的，且特征在于该方法包括这样的步骤把线圈布置得使每个线圈的纵向方向沿着上述轴的轴线，通过使电流流经线圈以便磁化扇形段磁体而形成磁体。
每个扇形段磁体均由包含后接地元件的金属制成，且磁化可在把扇形段磁体连接到上述轴上之前或之后进行。
也就是说，在本发明中，弧形扇形段形磁体的磁化，顺着周边方向而持续变化。通过使磁化了的方向以正弦波形持续地变化，在转子表面上的磁通量密度的分布状态也变成接近正弦波形的。因此，就可以提供一种转子，在该转子中，磁体的已磁化方向在磁体内顺着周边方向以正弦波形变化，磁体表面上的磁通量密度显示为正弦波形分布状态，带有正弦波形分布状态磁化的弧形扇形段形磁体，其磁容量被限制成微小的量，且生产率提高，使合乎要求的电机特性得到保证。
转子包括磁体和轴，且当磁体被布置在转子表面上时，该转子被称为表面磁体转子。磁体被顺着周边方向分段。在磁体被分段的情况下，例如被分为8段的情况下，每个扇形段磁体相当于一个磁极。采用一件环形磁体而非上述弧形扇形段形磁体的表面磁体转子，也是实际上使用的。为了减少采用环形磁体的表面磁体转子中的磁容量，有效的办法是减薄环形磁体的厚度。然而，表面磁通量密度也减少了。在磁体被顺着周边方向分段的情况下，当磁体厚度被减薄时，磁通量密度也减小了。然而，高于径向磁化情况下1.2至1.5倍的磁通量密度，可通过采用以接近正弦波形进行磁化的磁体而获得。因此，为了获得等于径向磁化情况下的表面磁通量密度(最大值)，以正弦波形磁化的扇形段磁体的容量，就能减小。扇形段磁体的(内径)/(外径)比率，最好小于0.9。当比率大于0.9时，表面磁通量密度就迅速减小，且相应地，从批量生产的观点来看是不可取的。比率的较低限制，最好大于0.5。
在接近正弦波形磁化的情况下，表面磁通量密度的角关系(angular dependence)如图8所示，下文会说明此种角关系。也就是说，图8显示在磁体表面上顺着径向方向为两个磁极部分测得的磁通量密度分布状态结果，且波形接近于正弦的。通过优化被磁化条件，表面磁通量密度分布状态中从正弦波形变形而来的波形，就能被减少。在此种接近正弦波形(波形变形小于约20％)的磁化情况下，高于径向环形磁体情况下的表面磁通量密度的该密度就能获得，而径向环形磁体形成为环形的，且是顺着径向方向磁化的，或具有磁体各向异性。因此，采用以接近正弦波形进行扇形段磁体的磁化，用于磁体的材料，其用量就能减少，同时，等于或高于径向环形磁体所用者的表面磁通量密度，就被保持了。
另外，在转子所具有的多个扇形段磁体超过两个磁极的情况下，最好使用重量轻的非磁性材料(铝合金、镁合金或类似材料)来做转子轴的材料，因为朝向磁体内周边一侧的磁通量，由于以接近正弦波形磁化而变小了。
根据对电机特性的测定来看，感应电压和齿槽效应转矩，在小于40％磁容量比率的范围内陡然变化，如图6和图7所示。尤其要说明，在磁容量小于40％范围内的齿槽效应转矩，变得大于磁容量比率为100％情况下的10倍。因此，磁容量比率最好大于40％。尤其要说明，磁容量比率最好在55％至95％的范围内。
图3的剖视图，显示符合本发明的转子；图4的剖视图，显示符合本发明的转子；图5的剖视图，显示符合本发明的转子；图6的曲线图，显示对齿槽效应转矩的测定结果；图7的曲线图，显示对感应电压的测定结果；图8的曲线图，显示对表面磁通量的检测结果；图9的曲线图，显示对定向的测定结果。
磁化方法为，把线圈布置得使线圈的纵向方向沿着转子轴3的轴线，电流顺着相对于彼此邻接的单个磁体为彼此不同的方向，流经上述线圈。就线圈的布置而言，最好有多个线圈布置在彼此相邻接的各个单个线圈之间，或布置在磁体末端附近。通过上述磁化，每个正在磁化的方向、磁化了的方向及磁力线的方向，均持续地变化，且特性如图1所示。
当圆周上的磁容量被定为40％至99％时，可以使齿槽效应转矩为100％磁容量比率的10倍或更小，且可以使感应电压的值为磁容量比率100％时的值的70％或更大，并可提供一种成本低、重量轻的转子。
下面，要对用于图2所示磁体材料的含有后接地元件的金属所做考察，加以说明。扇形段磁体1可以是任何一种各向同性的粘结磁体、各向异性粘结磁体、各向同性烧结磁体以及各向异性烧结磁体。在各向同性粘结磁体的情况下，由Nd2Fe14B基(group)、Sm2Co17基、SmCo5基或Sm2Fe17N3基一起合成的金属间化合物制成的磁体，以及由这些磁体材料中的一种与混合有机树脂粘结起来形成的合成物所制磁体，均可应用。在电机为高温环境下使用的情况下，则使用矫磁力为kA/m(18koe)的Sm2Co17基材料或NdFeB基材料，因为磁体材料应当是抗高温材料。通过采用此种材料并选择粘结材料，就能在温度为200℃至230℃的范围内使用电机了。
喷注模塑、压缩模塑等，可用于制造弧形扇形段形磁体，且模塑之后的内周边和外周边的机加工能被省略。在各向同性粘结磁体的情况下，磁体的磁化方向，是由正在磁化的磁场的方向所决定的。因此，使用正在磁化的磁轭，就能磁化磁体的每一磁极，接着，磁体被粘结在转子轴上以形成转子。在各向异性的粘结磁体情况下，可选择与各向同性粘结磁体所用材料同样的那组材料，且在磁化之前，通过在制造磁体时向磁体添加磁场或应力，对各向异性情况下的方向加以调节。
在此情况下，模塑时的线圈位置，以及磁轭形状，被设计得便于使磁化的各个方向的分布状态，可成为对应于周边方向为正弦波形的。磁化之后，对各向异性的方向及已磁化方向的测定，可通过磁化检测、磁性光学检测或结构检测来进行。NbFeB基或Sm2Co17基材料，用作各向异性烧结磁体材料。在工作温度超过100℃的情况下，可以把后接地元件(Dr、Tb或类似者)或钴添加在NbFeB基材料上。当扇形段磁体1用各向异性烧结磁体制造时，在烧结过程之前，就需要对磁粉(以正弦波形)定位。因此，重要的是，磁体位置上的磁场分布状态，是要通过设计线圈位置和定位磁轭形状，以近似正弦波形来形成。为了在磁化之前和之后检查正弦波形定位或磁化，就使用下述测定方法。
也就是说，测定方法为(1)用空穴元件(hole element)检测表面磁通量密度以获得磁通量密度的角关系，来做波形分析；(2)把扇形段磁体布置为环形的，以测定(磁化前和磁化后的)磁化角关系，来做磁化的角关系分析；(3)采用磁力光学效应逐一检测扇形段磁体的磁体表面上已磁化的状态，来做一圈角关系(位置相关性)的分析；以及(4)在各向异性磁体的情况下，顺着周边方向做结构分析。所有这些方法(1)至(4)均可用于环形磁体。通过上述方法，就可判断扇形段磁体的已磁化方向是否为近似正弦波形的。图2中的间隙Δ1超出0.1mm，且非磁性材料或铁磁体材料被插入各个磁体的间隙之间。
对于非磁性材料而言，铝、铜、镁或其他非磁性金属或合金，或者树脂，都可采用。而且，对于铁磁体材料而言，用铁基材料。在任何情况下，磁体都是与轴结合的。
在图2至5所示转子中，扇形段磁体1可在扇形段磁体1被固定在转子轴3上之后的时候被磁化。也就是说，可进行后磁化。后磁化可应用于各向异性磁体，以及各向同性磁体。磁体是由于把转子插入正在磁化的装置、定位转子的磁体并接着使电流流经线圈而被磁化的，所述装置由正在磁化的线圈和层压钢板组成。线圈的布置，是把许多线圈放置在预定布置的每个位置上，且线圈被布置得靠近各个扇形段磁体1之间的边界，从而线圈的纵向方向就沿着转子轴3的轴线，而电流流经上述线圈使得电流可顺着相对于彼此邻近的各个单个磁体为彼此不同的方向而流动。因此，线圈全都被一一分别放置在磁体之间的位置上，且电流流动方向是沿着转子轴的轴线的，如上述那样。
为了抑制涡流电流的产生，就采用层压的磁体钢板或陶瓷制品作为转子轴。已经发现，由后磁化获得的磁体表面上的磁通量密度分布状态，为近似正弦波形的，且与组装已磁化磁体的情况下所获得的磁通量密度分布状态相一致。在采用非磁性材料的情况下，转子轴由有机材料、陶瓷或类似物体制成。在采用铁磁体材料的情况下，可以使层压钢板与转子轴结合为一件结构，或转子轴可以由铁或镍或钴合金制成。此外，为了改进磁体的抗腐蚀性，磁体表面可用保护性薄膜涂覆，或可使没有表面保护性薄膜的磁体在组装之后用厚度薄的粘结薄膜加以保护。图3的剖视图，显示磁容量比率约为75％情况下的转子轴，其结构相似于图2所示。
图4显示一个实施例，在该实施例中，扇形段磁体1和铁磁体材料构件4被交替布置在扇形段磁体1的周边方向上。铁磁体材料的饱和磁通量密度超出约1.0泰斯拉(T)，且当转子轴3由磁性材料制成时，转子轴3与铁磁体材料构件4可以结合在一起。当转子轴3为非磁性材料制成时，扇形段磁体与铁磁体材料构件被交替布置。由于涡流电流在铁磁体材料构件4及扇形段磁体1中容易产生，就可通过把铁磁体材料构件4和转子轴3形成为结合体的层压磁体钢板，来减少铁磁体材料构件4中的涡流电流。另外，由于NdFeB基或SmCo基烧结磁体的电阻率小，扇形段磁体中就容易产生涡流电流。为了减少涡流电流，可以使用粘结磁体，或可用NbFeB基磁体粉末与氧化物或氮化物粉末的混合体所制成的磁体，或在磁体粉末表面处理之后的凝固的磁体粉末。
图6与图7分别显示对齿槽效应转矩和对感应电压的测定结果，该结果是通过转动如上所述里面具有定子2那种结构的转子而获得的。图6和图7显示把非磁性材料(或有机材料)构件插入各个磁体之间的情况，以及使用层压磁体钢板的情况。在铁磁体材料构件插入扇形段磁体之间的情况下，齿槽效应转矩大于非磁性材料构件插入扇形段磁体之间情况下的齿槽效应转矩。另外，感应电压也大。可以理解的是，为了实现低的齿槽效应转矩并减小磁容量，应当把非磁性材料构件插入磁体之间。另外，由于齿槽效应转矩最好小于1.00E-03，在那两种情况下，通过把铁磁体材料构件或非磁性材料构件插入各个磁体之间，就会使齿槽效应转矩，比起在100％的磁容量比率的情况下来，略微有所改进。尤其要说明，已经发现，在非磁性材料构件的情况下，降低达60％磁容量比率的齿槽效应转矩，近似等于100％磁容量比率情况下的齿槽效应转矩。从而，在设计得使齿槽效应力优先于感应电压的情况下，就能减少磁体的材料用量。
图5显示了一个实施例，在该实施例中，突起部6配置给了转子轴3，以便容易组装扇形段磁体1，且热硬化(thermosetting)树脂所制有机材料构件5被插入各个磁体的间隙之间。另外，可把一环形磁体支承构件固定在转子的外周边上，从而使转子在转动时抵抗应力。扇形段磁体1以粘结剂粘结起来。
图8显示扇形段磁体磁化之后，对两个磁极部分的扇形段磁体上的表面磁通量密度分布状态检测的结果。由于在各个磁体之间存在着非磁性间隙，在接近36度的点处就测得拐点。由于是近似正弦波形的磁化，最大磁通量密度高于径向磁化情况下那种。因此，即使当磁容量减少时，也可使磁通量保持为超过在径向环形磁体的情况下的磁通量。
在生产各向异性烧结磁体之后，扇形段磁体被布置为环形的，以便顺着c轴线方向以X光衍射检测定向度。图9显示顺着c轴线方向对扇形段磁体(两个磁极部分)的定位度所得检测结果。也就是说，通过转动一个环形样本来检测X光衍射图样，且获得相对于其他峰值强度的衍射峰值强度比率(006)。图9显示比率数据。扇形段磁体被布置为环形的，且X光束与垂直于图2至图5所示剖视图的方向而来的磁体有关联。也就是说，X光是被校准的，并与扇形段磁体的侧面有关联的，且反射密度被检测。对样本的每个转动角度，都做衍射图样检测。以规定面的衍射峰值密度系数，除以总的峰值密度之和，就能得到定向度。为了提高角度的精度，就使用一个转移精度高于检测角度的宽度或X光宽度(顺着角的方向)之精度的阶段。
c轴线的衍射密度((006)衍射峰值密度)，显示了扇形段磁体磁极中央的最大值，且定向度超出90％。采用显示此种定向的扇形段磁体，表面磁通量密度分布状态就近似于正弦波形的，且相应地就能达到高的感应电压和低的齿槽效应转矩。
如上所述，根据那种转子，该转子具有以近似于正弦波形磁化的扇形段磁体并在各个磁体之间具有非磁性材料或铁磁体材料构件，可以提供一种转子，它具有高的感应电压和低的齿槽效应转矩之特性，且生产率高而重量轻。另外，可以容易地就各向异性的测定方法和已磁化方向而做批量生产的检查。尤其要说明，符合本发明的转子，应用于伺服电机是有效的，且适合于用在电机上转移半导体装置，以及用于电机上在机械工具上定位。
权利要求
1.一种转子，它具有顺着轴的圆周方向而分成扇形段的磁体，其中，该磁体的正在磁化方向或已磁化方向是持续变化的，且非磁性材料或铁磁体材料被插入该扇形段磁体之间的周边间隙中。
2.如权利要求1所述的转子，其特征在于每个上述扇形段磁体，由含有后接地元件的各向同性磁体或各向异性磁体形成。
3.如权利要求1所述的转子，其特征在于上述轴的外周边上有突起部，且上述扇形段磁体各自一一在该突起部上形成。
4.一种转子，它具有顺着轴的圆周周边方向而分成扇形段的磁体，其中，每个该扇形段磁体具有极性各向异性，并由含有后接地元件的粘结磁体或烧结磁体形成，且非磁性材料或铁磁体材料被插入该扇形段磁体之间的周边间隙中。
5.如权利要求4所述的转子，其特征在于每个上述扇形段磁体由含有后接地元件的各向同性磁体或各向异性磁体形成。
6.如权利要求5所述的转子，其特征在于上述轴的外周边上有突起部，且上述扇形段磁体各自一一在该突起部上形成。
7.一种制造转子的方法，该转子具有顺着轴的圆周周边方向而分成扇形段的磁体，且具有插入该扇形段磁体之间的周边间隙中的非磁性材料或铁磁体材料，其中，该扇形段磁体由于电流顺着一个沿着该轴的轴线的方向流动而形成，以便磁化该磁体。
8.如权利要求7所述的制造转子的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤把线圈布置得使该线圈的纵向方向沿着上述轴的轴线；以及通过使电流流经该线圈而磁化上述扇形段磁体。
9.如权利要求8所述的制造转子的方法，其特征在于上述线圈被布置在上述扇形段磁体之间，且电流顺着相对于彼此邻接的单个磁体为彼此不同的方向，流经该线圈。
10.如权利要求7所述的制造转子的方法，其特征在于上述扇形段磁体中的每一个，均由含有后接地元件的金属制成，且在把该磁体连接到上述轴上之前或之后，进行磁化。
全文摘要
一种转子，它具有顺着轴的圆周周边方向而分成扇形段的磁体，其中，该磁体的正在磁化方向或已磁化方向是持续变化的，且非磁性材料或铁磁体材料被插入该扇形段磁体之间的周边间隙中。还有，一种制造转子的方法，包括如下步骤把线圈布置得使每个该线圈的纵向方向沿着轴的轴线，并磁化该扇形段磁体。另外还有，转动机械采用该转子。
文档编号C12M3/06GK1428915SQ0215288
公开日2003年7月9日 申请日期2002年11月26日 优先权日2001年12月25日
发明者小室又洋, 北村正司, 金田润也, 伊藤元哉, 阿部辉宜, 栗山义彦 申请人:株式会社日立制作所, 日立金属株式会社