专利名称：旋转电机的制作方法
技术领域：
本发明，有关具有构架的旋转电机，特别是有关构架的形状。
背景技术：
嵌齿转矩(cogging torque)发生的主要原因之一是因定子芯(以下也称为定子铁心)转子旋转方向(以下也单称为旋转方向)的应力引起的转子转轴中心周围的磁特性的非对称性(磁路的变形)。这种定子芯内的应力分布的原因一般认为是构架的不均匀紧固。这主要是构架的转子转轴周围的壁厚不均匀引起的。一般，倾向于多使用矩形构架(外形为方形柱形状的构架)，这成为上述壁厚不均匀引起应力发生的主要原因。
着眼于因上述固定芯磁路变形引起的嵌齿转矩的现有的旋转电机，由具有金属制构架的定子、被配置在定子内部空间的转子、可自由旋转地从轴向两侧支持转子的负荷侧及反负荷侧外壳而构成的伺服电机，把金属制构架做成具有凸片的形状，使凸片底部的构架本体的壁厚大致均匀，利用在加热的该金属制构架上插入铁心后进行冷却并加以固定的烧嵌固定或者用加热硬化型粘结剂固定金属制构架和铁心的粘结固定制作定子时，将防止铁心变形，并防止嵌齿转矩的恶化(例如，参照专利文献1)。
专利文献1特开2001-95199号公报(第1页，第1图)发明内容发明需要解决的课题现有的旋转电机，其构成如上所示，为了使外形为方形柱的金属制构架本体的壁厚(以下也称为构架厚)大致均匀，鉴于外形为矩形形状，故需要做成具有90°机械角的旋转对称性(每旋转90°成为同一形状)的那种带凸片的结构，从而存在着整体上壁厚变薄引起机械强度不足，必须形成多个凸片而引起工作效率降低等的问题。
本发明为解决上述现有的问题而进行的，其目的是提供可保持构架的机械强度和工作效率，同时降低因构架形状而发生的铁心磁路变形带来的嵌齿转矩的旋转电机。
解决课题的手段本发明相关的旋转电机，具备具有构架且定子槽数Ns为12的定子、被配置于该定子内部空间的转子极数Np为8的转子的旋转电机中，对以上述构架内周中心和中心以外的任意点的连线为基准的上述中心点周围的机械角θ处的构架厚T(θ)如式(1)在圆周方向进行傅立叶级数展开，[数1]T(θ)=Σn=0∞Tncos(nθ+φn)···(1)]]>(式中，n＝0、1、2、3、…，Tn是把T(θ)如式(1)进行傅立叶级数展开时构架厚的n幂组分的大小，n为相位)。
当定子槽数Ns和转子磁极数Np之差设为k(＝|Ns-Np|)时，为了使式(2)所示的构架厚T(θ)的傅立叶级数展开系数的k幂组分Tk和Np幂组分TNp的各含有率之和P在12％以下，以上述构架的一部分不具有90°机械角的旋转对称性的配置，设置了空隙部。该空隙部是为了缓解从构架施加转子的应力，是应力缓和用空隙部。
P=(Tk+TNp)/Σn=0∞Tn×100[%]···(2)]]>发明效果可以在残留构架厚旋转非对称性的同时，有效地抑制构架厚的转子转轴周围的非对称性引起的、因定子芯内的应力分布不均匀性产生的嵌齿转矩极数组分。
附图简单说明
图1是表示本发明实施形态一相关的未设应力缓和用空隙部的构架的主视图。
图2是表示本发明实施形态一相关的设有应力缓和用空隙部的构架一例的主视图。
图3是表示本发明实施形态一相关的设有应力缓和用空隙部的构架其他例的主视图。
图4是表示本发明实施形态一相关的设有应力缓和用空隙部的构架另外其他例的主视图。
图5是说明本发明实施形态一的旋转电机所使用的定子形状的主视图。
图6是表示本发明实施形态一的旋转电机所使用的转子的主视图。
图7是说明本发明实施形态一相关的构架位置θ和构架厚T(θ)关系的图。
图8是表示本发明实施形态一相关的图1构架的各构架位置(θ)的构架厚(T(θ))相对构架平均厚的百分率的曲线图。
图9是表示本发明实施形态一相关的图2构架的各构架位置(θ)的构架厚(T(θ))相对构架平均厚的百分率的曲线图。
图10是表示本发明实施形态一相关的图3构架的各构架位置(θ)的构架厚(T(θ))相对构架平均厚的百分率的曲线图。
图11是表示本发明实施形态一相关的图4构架的各构架位置(θ)的构架厚(T(θ))相对构架平均厚的百分率的曲线图。
图12是表示本发明实施形态一相关的图1构架的各构架位置(θ)的有效构架厚(T(θ))相对构架平均厚的百分率的曲线图。
图13是表示本发明实施形态一相关的图2构架的各构架位置(θ)的有效构架厚(T(θ))相对构架平均厚的百分率的曲线图。
图14是表示本发明实施形态一相关的图3构架的各构架位置(θ)的有效构架厚(T(θ))相对构架平均厚的百分率的曲线图。
图15是表示本发明实施形态一相关的图4构架的各构架位置(θ)的有效构架厚(T(θ))相对构架平均厚的百分率的曲线图。
图16是表示本发明实施形态一相关的有效构架厚K幂组分Tk含有率和Np幂组分TNp含有率之和P与每转8峰的嵌齿转矩组分的关系的曲线图。
图17是表示本发明实施形态二的构架一例的主视图。
图18是表示本发明实施形态三的构架一例的主视图。
图19是表示本发明实施形态四的构架一例的立体图。
图20是表示本发明实施形态四的构架一例的侧视图。
符号说明20构架；201应力缓和沟；202、202a、202b应力缓和孔；21定子铁心；22定子绕组；31永久磁铁；32转子铁心具体实施方式
实施形态一在如图1所示的未设比较基本用的应力缓和用空隙部的金属制(例如铝制)构架20上，进行如图5所示的定子槽数Ns为12的定子铁心(定子芯)21的烧嵌，并安装如图6所示的转子极数Np为8的转子，进行嵌齿转矩波形的测定及嵌齿转矩波形的频率分析。结果，观察到了较大的被认为是因构架形状而发生的每转8峰的嵌齿转矩组分(Np幂组分)。
降低这个每转8峰的嵌齿转矩组分(Np幂组分)很重要。因此，以下，只着眼于每转8峰的嵌齿转矩组分(以下也单称为嵌齿转矩8峰组分)。
这个嵌齿转矩8峰组分，在定子芯21的磁特性(磁导)出现旋转非对称性时发生。该固定芯21的非对称性因构架20的壁厚不均匀性引起，在定子的转子转轴中心周围产生应力分布不均匀性(以下称为应力不均匀性)，由于伴随该应力不均匀产生磁特性的不均匀性，所以定子芯2的磁特性也产生旋转非对称性(变形)。
另一方面，每转8峰的嵌齿转矩组分，由于后述的理由，可以认为在很大程度上受构架厚的傅立叶级数展开系数内，与极数和槽数之差对应的k幂组分及与转子极数对应的Np幂组分左右。
如上所述，只着眼于嵌齿转矩8峰组分时，发现了以下的问题。
把T(θ)设为以构架内周中心(旋转电机组装成构架内周中心和转子转轴中心一致)和中心以外的任意点的连线为基准的上述中心点周围的机械角θ处的构架厚。着眼于把T(θ)在圆周方向进行傅立叶级数展开时的k幂组分Tk和Np幂组分TNp的各含有率之和P，看到了该值与嵌齿转矩8峰组分的大小的相关。这里，定子槽数为Ns、转子磁极数为Np、两者之差为k(＝|Ns-Np|)。
对图1～图4所示的各种构架形状的结果表示在表1及图16中。
关于图1～图4所示的构架形状，本发明的发明人等这次进行了试制评价。作为构架20，可举例铝等金属制构架，例如对伺服电机而言，构架20的主流外形为近似方形柱形状(与转子的转轴或构架内周中心轴正交的断面的外形为近似矩形状)。图1～图4所示的构架，其与转子的转轴(构架内周的中心轴)正交的端面的外形为近似正方形状。图1是未设应力缓和用空隙部的基本构架，图2～图4是为了降低嵌齿转矩(因构架形状而发生的铁心磁路变形带来的嵌齿转矩)，作为应力缓和用空隙部，在构架20外周部设置了应力缓和沟201以及在构架20内部设置了应力缓和孔202时的情况。此外，应力缓和孔202虽然有时与部分既有的螺栓(或者螺钉)孔重合，但是也包含不与螺栓(或者螺钉)孔重复的。在这些构架20上，进行如图5所示的定子铁心(定子芯)21的烧嵌，并安装如图6所示的转子，进行嵌齿转矩波形的测定及嵌齿转矩波形的频率分析。
如图5所示，把在定子铁心21上缠绕了定子绕组22的定子槽数为12的定子本体烧嵌在构架20上以构成定子。作为与定子本体一起构成永久磁铁式旋转电机本体的转子，使用了如图6所示的具备转子铁心32和永久磁铁31的极数为8的转子。这是因为由于该极数的施工例较多，所以作为本实施形态的例示非常具有意义。此外，虽然图中未显示，但是本实施形态的旋转电机，具备可自由旋转地从轴向两侧支持转子的负荷侧及反负荷侧外壳。
图7表示构架位置(角度θ)和构架厚T(θ)的关系。这里，当构架20存在孔等空隙部时，该部分的构架厚，把最薄部即从构架20内周到孔等的最短距离定义为构架厚。
当构架20存在空隙部时，因外周部的热收缩从空隙部向定子付与压缩应力，由于可以在空隙部简单地进行变形，所以对定子的影响很小。当然，虽然空隙部周边构件的存在往往不能把它视为零，但是该给予与不介于空隙部的情况相比，小很多，所以作为简化处理，可忽略不计。
由图7可知，表示构架20位置的角度θ，是以构架20内周中心O和中心以外的任意点R0的连线为基准的中心点O的周围的机械角。也就是说，以上述构架20的内周中心O和中心以外的任意点R0的连线为基准线时，例如构架20上的点R2的构架厚，使用从中心O到点R2的连线与上述基准线在逆时针方向所构成的角θ2为T(θ2)。图7所示的是θ1、θ2、θ3、θ4(与点R1、R2、R3、R4对应)四处的构架位置(θ)。
把图1～图4的各构架位置(θ)的构架厚(T(θ))相对构架平均厚T0的百分率表示在图8～图11中。此外，图8～图11考虑了构架的对称性，只表示了机械角为180°(180Degree)部分。由图8～图11可知，构架厚因构架位置(角度θ)而异，大约在构架平均厚T0的50％～250％的范围内变动。
接着，当通过烧嵌等使构架20收缩系接在定子(定子芯21)上时，构架20和定子的接触部分相互发生力A的作用。当把该力A设为内压A，设厚壁圆筒内径为r1，外径为r2的话，那么作用于半径r部分的半径方向应力V为下式，这是大家众所周知的。
V=Ar12(1-r22r2)r22-r12]]>
也就是说，由于半径方向应力与r2成反比，所以伴随r接近外径r2，应力急剧衰减。即可以换言之，无论r较大部分的形状发生多少变化，也不会对内压A即相对定子芯21的外压A产生影响。
为此，作为本实施形态，有效构架厚定义如下。
所谓有效构架厚，是指构架厚的不均匀性对定子芯21的磁特性分布产生比较大影响的构架厚。
在本实施形态中，设平均构架厚为T0时，当构架厚为2T0以上时，则构架厚为2T0。
这在构架20具有例如与其他部件固定用的连结部，或者具有散热用的凸片时，如上所述，远离定子芯21的外径的构架构件几乎不会给予定子芯21紧固力。为了消除这种构架部分，把构架厚设为2T0。以下，把经过这种置换而生成的构架厚称为有效构架厚T(θ)。
也就是说，这是因为，当未消除这种构架部分时，由于例如离开定子芯21的外形而突出的本来理应不影响嵌齿转矩的构架构件形状，使后述的傅立叶级数展开系数的主要幂数组分变大，从而认为不能对为掌握构架厚对嵌齿转矩的影响所必要的傅立叶级数展开系数的主要幂数的组分比进行分析讨论。
即通过使用设有上述上限厚的构架厚替代实际的构架厚，可以提高构架20的形状的傅立叶级数展开的幂数分析精度。
如上定义了有效构架厚时的图1～图4的各构架位置(θ)的有效构架厚(T(θ))相对构架平均厚(有效构架厚的平均值)的百分率表示在图12～图15中。
下面，为了对构架厚(有效构架厚)的各组分和嵌齿转矩的相关关系进行讨论，对构架厚(有效构架厚)进行了傅立叶级数展开。通过傅立叶级数展开，某个角度θ的构架厚(有效构架厚)T(θ)为下式。
T(θ)=Σn=0∞Tncos(nθ+φn)···(1)]]>
式中，n＝0、1、2、3、…，Tn是把T(θ)如式(1)进行傅立叶级数展开时构架厚的n幂组分的大小，n为相位。
此外，当定子槽数Ns(＝12)和转子磁极数Np(＝8)之差设为k(＝|Ns-Np|＝4)时，构架厚(有效构架厚)的k幂(＝4幂)组分Tk和Np幂(＝8幂)组分TNp的含有率之和P可由下式表示。
P=(Tk+TNP)Σn=0∞Tn×100[%]···(2)]]>图16表示有效构架厚的K幂(4幂)组分Tk和Np幂(8幂)组分TNp的含有率之和P与每转8峰的嵌齿转矩组分的关系。
另外，在表1及图16中，作为每转8峰的嵌齿转矩组分，利用以图1的构架20为基准时的比进行表示。
由表1及图16可知，伴随有效构架厚的4幂组分和8幂组分的含有率之和P的增加，每转8峰的嵌齿转矩组分也增加，P和每转8峰的嵌齿转矩存在相关。因而得出，为了降低嵌齿转矩，需要尽量降低P。
也就是说，由上可知，本实施形态的转子磁极数Np为8、定子槽数Ns为12的旋转电机，通过尽量降低有效构架厚4幂组分(极数和槽数之差组分即k幂组分)及8幂组分(Np幂组分)的含有率之和，可以抑制每转8峰的嵌齿转矩。
此外，由图16可知，在本实施形态中，当有效构架厚4幂组分和8幂组分的含有率之和P大约在12％以下时，每转8峰的嵌齿转矩组分急剧降低。
进而，在本实施形态中，构架20由于以不具有90°的旋转对称性的配置，设置了应力缓和用空隙部，即不在形状上给予构架厚(有效构架厚)的4幂组分，所以不会相加90°旋转对称性的4幂组分。结果，可以降低上述嵌齿转矩。
另外，图16虽然所示的是对有效构架厚进行傅立叶级数展开时的情况，但是有时也可以对实际的构架厚进行傅立叶级数展开。例如，在本实施形态中，如表1所示，4幂组分和8幂组分的含有率之和，在对实际构架厚进行傅立叶级数展开时与对有效构架厚进行傅立叶级数展开时，没有大的差异，几乎相同。也就是说，本实施形态中的构架形状，可以认为几乎与构架有效厚等价。这时，也可以对实际构架厚进行傅立叶级数展开。
以下，就与极数组分的嵌齿转矩有关的定子芯的构架厚组分，为与极数和槽数之差对应的组分及极数组分的理由，进行详细说明。
此外，这里所说的“构架厚”意味着“有效构架厚”。
首先，根据参考文献(后藤、小林“直流电机嵌齿转矩的解明和新的降低方法”，《电子学会论文杂志》B，Vol.103-B，p711-718，1983)进行说明。当电枢函数没有非对称性时(理想状态)，正如上述参考文献所示，发生与极数和槽数的最小公倍数对应的组分的嵌齿转矩。因此，对本实施形态而言，就因构架厚不均匀的缘故电枢函数(定子磁导)产生变动的情况进行说明。
首先，关于励磁函数，与上述参考文献相同，公式如下。
式中，P为极数(关于X0、Xnp等，与参考文献相同)。
接着，关于电枢函数，考虑到因构架厚的不均匀而发生的电枢函数(定子磁导)的变动，可用下式表示。
式中，S为槽数，k及Ek是因构架厚不均匀性产生的磁导的每转脉动数和振幅。对式(4)进行展开，可得下式。 其中，[数9] (与理想状态下的电枢函数对应)式(5)的第一项和第二项的形式与上述参考文献中的式(14)相同，由该项和式(3)及下式的转矩计算公式，[数10]
在无工作误差的状态下，将产生以最小公倍数为基本波的嵌齿转矩(上述参考文献中记载了详细的计算方法，但当nP≠mS时，式(6)为0，不发生嵌齿转矩。另一方面，nP＝mS时，式(6)不等于0，将发生嵌齿转矩。此外，所谓nP＝mS时，就是指以极数和槽数的最小公倍数为基本波组分的嵌齿转矩)。
同样考虑的话，则可得出以下结果。
A.根据式(5)的第三项和式(3)及式(6)，当k＝nP时，则发生nP幂(极数)组分的嵌齿转矩。
B.此外，关于式(5)的第四项，假设因构架厚的不均匀性产生的电枢函数(磁导)的脉动，比电枢函数的基本波组分(E1)等小的话，则Ek可忽略不计。
C.根据式(5)的第五项和式(3)及式(6)，当nP＝nS+k或者nP＝|nS-k|时，也就是说，k＝|nP-mS|及k＝nP+mS时，将发生nP幂组分的嵌齿转矩。
考虑到基本波组分(n＝m＝1)是主要组分，由A及C可知，所谓因P幂组分的嵌齿转矩引起的构架厚组分，为极数组分或极数和槽数之差及和。
也就是说，对于极数为8及槽数为12的电机而言，所谓与每转8峰的振动组分(极组分)的嵌齿转矩有关的构架厚组分，为构架厚的4幂组分、8幂组分和20幂组分。
另一方面，因构架厚的不均匀而产生的组分，由于推测低幂组分较大，所以本发明中，主要着眼于极数和槽数之差的组分和极数组分(4幂组分及8幂组分)的两个组分。
如上所述，利用本实施形态的话，由于定子槽数Ns为12、转子极数Np为8，对以构架20内周中心O和中心以外的任意点R0的连线为基准的中心点O周围的机械角θ处的有效构架厚T(θ)如式(1)在圆周方向进行傅立叶级数展开，为了使式(2)所示的有效构架厚T(θ)的傅立叶级数展开系数的k幂(4幂)组分Tk和Np幂(8幂)组分TNp的各含有率之和P在12％以下，以构架20的一部分不具有90°机械角的旋转对称性的配置，设置了应力缓和用空隙部201·202，所以与现有的把构架做成具有凸片的形状以使凸片底部的构架本体壁厚大致均匀的情况相比，由于不需要90°机械角的旋转对称性，故增大了设计自由度，也可以形成多个深凸片，并可加厚平均构架厚，所以可以改善构架的机械强度及工作效率。并且，可以降低因构架形状而发生的铁心磁路变形带来的嵌齿转矩。
另外，上述就金属制的构架20进行了说明，但并不限于此，也可以使用扬氏模量与定子(定子芯21)大致相同的陶瓷材料及复合材料。这在以下各实施形态中虽未特别提到但也一样的。
实施形态二图17是表示本发明实施形态二的构架一例的主视图。
在实施形态一中，作为应力缓和用空隙部一例，虽然在构架外周部设置了应力缓和沟201，但是正如本实施形态所示，可以考虑使用在构架内周部设置应力缓和沟201等方法，以降低有效构件厚的傅立叶级数展开系数的k幂组分(Tk)和Np幂组分(TNp)，从而降低它们含有率之和。
此外，作为应力缓和用空隙部，不用说，也可以使实施形态一中所示的构架外周部所设的应力缓和沟201和构架内部所设的应力缓和孔202及本实施形态所示的构架内周部所设的应力缓和沟201混合存在。
实施形态三图18是表示本发明实施形态三的构架一例的主视图。
在上述各实施形态中，虽然表示的是在与转子转轴(或构架内周中心轴)正交的面上的应力缓和沟201的断面形状为矩形时的情况，但是正如本实施形态所示，可以通过以半圆形或近似半椭圆状的曲线构成上述面中的应力缓和沟201的至少一部分，防止在应力缓和沟201过度应力集中。
此外，同样如实施形态一所示，可以通过以圆形或近似椭圆状的曲线构成与构架内周中心轴正交的面上的应力缓和孔202的断面形状的至少一部分，防止在应力缓和孔202部应力过度集中。
实施形态四图19及图20是表示本发明实施形态四的构架一例的立体图及侧视图。
在本实施形态中，如图所示，作为应力缓和孔，使贯通了构架构件的贯通孔202b和未贯通的非贯通孔202a混合存在。由此，可以利用构架20的厚度，即转轴方向的位置，控制构架厚的傅立叶级数展开系数的主要幂数的含有率分布。为此，可以使与作为转轴方向的平均值而得到的嵌齿转矩有关的有效构架厚的傅立叶级数展开系数的k幂及Np幂组分(4幂及8幂组分)以外的组分控制在增加方向，结果可以降低有效构架厚的傅立叶级数展开系数的k幂组分和Np幂组分的含有率，从而可以进一步降低嵌齿转矩。
此外，关于应力缓和沟201，也同样可以使从构架构件一端到另一端连续(贯通了构架构件)的贯通沟和只在从构架构件一端到另一端的一部分上所设(未贯通构架构件)的非贯通沟混合存在，可得到相同的效果。
另外，在实施形态一至四中，虽然设与构架内周中心轴正交的断面上的构架20的外形为近似正方形状，但是正如实施形态一所详述那样，为了对把有效构架厚如式(4)进行傅立叶级数展开时的展开系数幂数进行讨论，构架外形状也可以是正方形以外的矩形、近似多角形或椭圆形。也就是说，定子槽数为Ns、转子磁极数为Np、两者之差为k(＝|Ns-Np|)时，为了使式(2)所示的有效构架厚T(θ)的傅立叶级数展开系数的k幂组分Tk和Np幂组分TNp的各含有率之和P在12％以下，需要以构架的一部分不具有90°的旋转对称性的配置，设置应力缓和用空隙部进行构成。
权利要求
1.一种旋转电机，其特征在于，具备具有构架且定子槽数Ns为12的定子、被配置于该定子内部空间的转子极数Np为8的转子的旋转电机中，对以上述构架内周中心和中心以外的任意点的连线为基准的上述中心点周围的机械角θ处的构架厚T(θ)如式(1)在圆周方向进行傅立叶级数展开，[数1]T(θ)=Σn=0∞Tncos(nθ+φn)---(1)]]>(式中，n＝0、1、2、3、…，Tn是把T(θ)如式(1)进行傅立叶级数展开时构架厚的n幂组分的大小，n为相位)，当定子槽数Ns和转子磁极数Np之差设为k(＝|Ns-Np|)时，为了使式(2)所示的构架厚T(θ)的傅立叶级数展开系数的k幂组分Tk和Np幂组分TNp的各含有率之和P在12％以下，以上述构架的一部分不具有90°机械角的旋转对称性的配置，设置了应力缓和用空隙部。[数2]P=(Tk+TNp)/Σn=0∞Tn×100[%]---(2)]]>
2.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，设平均构架厚为T0时，当构架厚T(θ)的值在2T0以上时，把构架厚T(θ)作为置换为2T0而形成的有效构架厚，并替代构架厚以对上述有效构架厚在圆周方向进行傅立叶级数展开。
3.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，应力缓和用空隙部是构架外周及内周所设的应力缓和沟以及构架内部所设的应力缓和孔中的至少一个。
4.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，与构架内周中心轴正交的面上的应力缓和用空隙部的断面形状，至少一部分由曲线构成。
5.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，应力缓和用空隙部，其贯通了构架构件的部分和未贯通的部分混合存在。
6.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，与构架内周中心轴正交的断面上的上述构架的外形为近似正方形状。
全文摘要
在具备具有构架(20)且定子槽数Ns为12的定子、被配置于定子内部空间的转子极数Np为8的转子的旋转电机中，对以构架内周中心和中心以外的任意点的连线为基准的上述中心点周围的机械角θ处的构架厚T(θ)在圆周方向进行傅立叶级数展开，当定子槽数Ns和转子磁极数Np之差设为k(＝|Ns－Np|)时，为了使式(2)所示的构架厚T(θ)的傅立叶级数展开系数的k幂组分T
文档编号H02K1/18GK1833347SQ20048002284
公开日2006年9月13日 申请日期2004年8月5日 优先权日2003年9月1日
发明者山口信一, 米谷晴之, 藤野千代, 菊池友弘, 宫崎高志 申请人:三菱电机株式会社