专利名称：轴向间隙式电动机器的制作方法
技术领域：
本申请涉及一种轴向间隙式电动机器以及用于轴向间隙式电动机器的定子。
背景技术：
永久磁铁嵌入转子中的内部永久磁铁式同步电机(IPMSM)和永久磁铁粘于转子表面的表面永久磁铁式同步电机(SPMSM)的应用正不断扩展，已包括电动车辆和混合动力车辆。由于这些类型的电动机是高效的并能产生较大的输出扭矩，所以具有独特的优势(它们的磁扭矩和磁阻扭矩可得以利用)。
轴向间隙式电动机可封装于紧凑的位置中，因此可将其应用于具有布局限制的应用中，其中这里所述的轴向间隙式电动机属于永久磁铁式同步电机类型，具有以轴向方向相对设置的定子和转子。轴向间隙电机公知为这样一种类型的电动机器，例如，其中的单个定子和两个转子在轴向方向上保持空气间隙。(例如参见日本专利申请No.2003-088032)。也已经公知一种以轴向间隙电动机作为能源的机动双轮车辆。(例如参见日本专利申请No.2003-191883。)发明内容本发明提供了一种轴向间隙式电动机器，包括其上设置有永久磁铁的转子和具有定子芯的定子，其中所述转子和所述定子沿共同的轴设置，其中所述转子被可旋转地支撑，以在所述转子和所述定子之间提供空气间隙，其中所述定子芯包括多个定子芯元件，其中每个定子芯元件都包括设置于所述定子芯元件的转子侧上的齿部以及设置于所述定子芯元件的基底侧上的背部，其中所述齿部与所述背部一体形成，其中所述定子芯元件设置成相互相邻，使得所述相邻定子芯元件的背部相互接触，并且其中所述定子芯元件的背部固定于电动机器的外壳上。
本发明还提供了一种用于轴向间隙式电动机器的定子，包括多个定子芯元件，其中每个定子芯元件包括齿部和背部，并且其中所述定子芯元件彼此相邻设置，使得相邻定子芯元件的背部相互接触。
图1是本发明所述的轴向间隙式电动机器的实施例的横截面图；图2是图1所示的轴向间隙式电动机器的定子芯部分的实施例的等轴视图；图3是图2所示的定子芯的单定子芯元件的等轴视图；图4是现有技术定子芯的等轴视图；图5是图1所示的轴向间隙式电动机器的定子芯部分的另一实施例的等轴视图；图6是图5所示的定子芯的单定子芯元件的等轴视图；图7是用于轴向间隙式电动机器的本发明所述的定子的另一实施例的分解等轴视图。
具体实施例方式
图1是示出轴向间隙式电动机器的横截面图，本发明的定子结构实施例应用于其上。轴向间隙式电动机器设置有旋转轴1、转子2、定子3和电动机器外壳4。所示的电动机器外壳4包括前侧外壳4a、后侧外壳4b和通过螺栓或者其他方式固定于两侧外壳4a和4b上的周边外壳4c。
在示例性实施例中，旋转轴1由第一轴承5和第二轴承6可旋转地支撑，所述第一轴承5设置于前侧外壳4a上，所述第二轴承6设置于后侧外壳4b上。而且，旋转轴1的后部可连接于旋转传感器7上以探测轴1的旋转。
转子2固定于旋转轴1上并包括有转子芯8，所述转子芯8可由固定于旋转轴1上的平的轧制磁钢(铁磁体)层叠片制成。永久性磁铁9对定子3的旋转磁通量产生反作用以得到反作用力。这些反作用力引起转子2围绕轴1的旋转轴1’进行旋转。多个永久性磁铁9可嵌入转子2面对定子3的表面内。多个永久性磁铁9设置成使得永久性磁铁9的相邻表面磁极(N极和S极)交替变化。转子2与定子3间隔开从而存在空气间隙10，结果，转子2和定子3没有相互接触。
定子3可固定(例如，紧固)于后侧外壳4b并包括定子芯11和多个定子线圈(以12为例)。定子芯11可由多个定子芯元件110制成(例如，参见图3)。每个定子线圈12可以包围(例如，通过卷绕)分别相关联的定子芯元件110并可通过绝缘部件13与其保持绝缘。绝缘部件13形成绝缘体并可通过绝缘纸等制成。每个定子线圈12可分别与定子芯元件110关联。
图2是图1所示的定子芯11的实施例的透视图。定子芯11可包括多个单个的定子芯元件110，(图2中示出十二个定子芯元件110，但是定子芯11可使用任何数量的单个定子芯元件110制成)。如图2和3所示，每个定子芯元件110都可包括在定子3的转子侧上的齿部110a，也可包括由部分的从属部分设定的背部(例如，在定子3的基底侧上的一对1/2背部110b和110b)。齿部110a可与背部整体形成(例如可使用单片轧制磁铁制成)。相邻的定子芯元件110和110可相互接触。每个定子芯元件110b的背部都可固定(紧固)于电动机器外壳4(例如，后侧外壳4b)。
如图2和3所示，每个定子芯元件110构造成具有T型横截面，该横截面中齿部110a与一对1/2背部110b和110b形成为一体。相邻的定子芯元件110和110可以设置成使得相邻的1/2背部110b和110b的周向端面110b’和110b’相互抵靠。此外，每个定子芯元件110都可由一个和多个平的轧制磁钢板(片)112制成，所述磁钢板由适用于电动机器应用的材料构成。多个板可互相层叠(以112为例)。板112可定向为使得它们位于大致垂直于径向线R的平面内，径向线R在旋转轴1’处起始(参照图2)。通过构造每个定子芯元件，使得它的齿部110a与其背部成一体(例如，通过单片形成或者连接于单片上)形成整体T型，这样可消除齿部110和背部之间传统情况下存在的接合处(junction)。这种设计方案通过减小相邻钢板之间的接合处的数量而减小了磁通量的损失(与现有技术相比)。此外，通过不使用传统的背芯部(back core)(参见图4)，组件的数量也有所减小，从而减少了成本。由于如从转子侧所看到的，钢板可垂直于径向方向R定向，所以定子芯元件110的设计方案与现有技术相比提高了效率，从而获得了其他的益处。钢板112的这种平行定向使得回路电流最小并因此减小了当磁通量穿过非一致定向的平板之间的边界时产生的效率损失。
图4描述了传统的现有技术定子，其中背芯部(或者背轭(back yoke))用作磁通量路径的引导部件。磁通量通过背芯部和两个相邻定子芯之间形成的连接处。定子芯和背芯部都是使用层叠结构制成。当使用层叠结构时，定子芯叠层和背芯部叠层定向为它们相互穿过(即，背芯部叠层在垂直于旋转轴1’的平面中分层叠置，同时定子芯叠层在平行于旋转轴1’的平面中分层叠置)。在现有技术的设计构型中，随着磁通量通过定子背芯部而在相邻的定子芯之间流动，会感应过大的回路电流并产生电压降。这又会引起，降低机器效率的电流损失。
与图4所示的现有技术的设计方案相反，如图1-3所示的轴向间隙式电动机器提供了改善的效率。具体地说，通过使用多个定子芯元件来制造定子芯11，其中每个定子芯元件包括在转子侧上的齿部110a以及在基底侧上的背芯部，该背芯部可包括一对1/2背芯部110b和110b，并通过使相邻的定子芯元件110和110相互接触，同时每个定子芯元件110的背部110b和110b固定于电动机器外壳4的后侧外壳4b上，就可得到比图4所示的现有技术设计更优良的功能，在现有技术中，使用没有与层叠定子芯形成整体的层叠背芯部，其中背芯部中的叠片的取向与定子芯中叠片的取向相交。
因为相邻定子芯元件110和110的1/2背部110b和110b的周向端面110b’和110b’的接触特性，所以由于如图2所示磁通量穿过相邻1/2背芯部110b和110b之间的接触区域而获得效率的提高，导致在定子芯基底侧上获得的磁通量路径比典型地由图4所示的现有技术所得到的磁通量路径大。
而且，通过消除现有技术中的背芯部设计，现有技术设计的磁通量路径(按照从定子芯到背芯部并到相邻定子芯测量)被缩短以形成横穿过一个定子芯元件110至另一个定子芯元件110的磁路径。因此，除了其他优点，本发明减小了连接处的数量(与传统实例相比)，这又减小了磁通量的损失(图2的实施例仅需要磁通量横穿过相邻定子芯元件110之间的一个连接处，而现有技术需要磁通量横穿过相邻定子芯之间的两个连接处一一比较图2和图4)。
通过对齐如图2所示的定子芯元件110的叠层的取向，叠层的取向保持相对于通过定子芯11和定子芯元件110的磁通量流动一致。这种磁通量流动和叠层取向之间的一致减少了在磁通量横穿过相邻定子芯元件时磁通量必须通过的边界的数量，从而减少了回路电流的产生(在现有技术实例中会出现)并最大限度地减小磁通量损失。
如上所述，通过扩展磁通量路径并减小磁通量损失而得到的综合效果都是为了增加由定子芯11和定子线圈12形成的电磁铁的磁通量密度(即，每单位体积中相同方向上取向的磁力线的数量)。这种多重的效果会改善机械效率。
通过将每个定子芯元件110构造为整体的T型元件，通过减少连接处数量，磁通量损失与传统实例相比有所下降。此外，消除了传统的背芯部，减少组件的数量，从而导致成本降低。而且，因为定子芯元件可由层叠到一起并且平行于旋转轴1’取向的钢板制成，所以(由于组件的层叠片没有对齐而产生的)磁通量损失和由此产生的、并不想得到的回路电流也都可被消除。
图5是相邻定子芯元件110之间的交界的位置可通过相邻的齿部110a和110a限定的实施例。如图5和6所示，定子芯11可包括多个定子芯元件110。单个定子芯元件110如图6所示，大致具有U型的横截面。每个定子芯元件110都可包括一对部分齿部(例如，可与背部110b成一体的1/2齿部110a和110a)。每个U型定子芯元件110中的1/2齿部110a都包括周向的端面110a’。相邻的U型定子芯元件110和110设置成使得相邻的1/2齿部110a和110a的周向端面110a’和110a’可相互接触。该构型的其他部分也可基本上与图2和3所示并讨论的实施例相同。
在图5和图6的实施例中，周向端面110a’的所有部分大致平行于磁通量的流动，因此，磁力线没有相互穿过。通过消除磁力线的相互穿过，可最大限度地减小磁通量损失。注意，因为本实施例的其他方面内容基本上与图2和3所示的相同，所以省略了进一步的说明。
因为定子芯元件110可构造成U型，所述U型包括一对与背部110b成一体的1/2齿部110a和110a，也因为相邻的U型定子芯元件110设置成使得相邻的定子芯元件110和110的1/2齿芯部110a和110a的周向端面110a’和110a’可相互接触，磁力线不会相互穿过，因此，可最大限度地减小磁通量的损失。此外，消除了传统的背芯部设计，可减少组件的数量，从而导致成本下降。
图7公开了本发明的另一实施例，该实施例提高了相邻的定子芯元件之间的接触可靠性，也增加了定子芯元件的轴向稳固性。在图7中，径向定位凸起110c(可以是凸出结构)可形成于每个定子芯元件110的将要固定于诸如外壳4的一部分上的表面上。可包括定位板14并且还可包括径向的定位凹槽14a(可以是凹入结构)，该定位凹槽与定位凸起110c协同地啮合(即，配合)。定位板14可紧固于定子芯11的表面，该定子芯由多个定子芯元件110制成。定位板14可固定于电动机器的外壳4上。
可设置有环形定子固定罩15，该固定罩中形成多个通孔15a，通孔的位置与定子芯元件110的齿部110a相对应。通孔15a形成于定子固定罩15中从而使固定罩15容易地从定子芯11的转子侧沿轴1’被操纵，与定子芯11的多个齿部110a对准并啮合。因为图7所示的构型的其他部分大体上/基本上与上述实施例相同，所以类似的附图标记用来表示类似的组件。
在图7的实施例中，定子芯元件110的稳固接触通过如下方式实现，即通过将形成于定子芯元件110的表面上的径向定位凸起110c与形成于定位板14中的径向定位凹槽14a相接合，然后径向向内推动每个定子芯元件110。定位凸起110c和定位凹槽14a的相对尺寸可形成为使定子芯元件110咬合而与定位板14相接合。然后，定子固定罩15从定子芯11的转子侧沿轴1’被操纵，定子芯11通过操纵齿部110a使之沿轴向进入其相关联的定子固定罩15的通孔15a中而得以轴向固定。定子固定罩15的通孔15a与齿部110a之间的相对尺寸可设置成使定子固定罩15咬合而与齿部110a相接合。
由于定子芯元件110的背部和定位板14之间接触的基底部相对较宽，也因为定位凸起110c和定位凹槽14a之间是正啮合的，所以可防止定子芯11相对定位板14移动。而且，定位凸起110c和定位凹槽14a之间的啮合可确保相邻定子芯元件110的周向的端部表面110b’之间正对齐。而且，在齿部10a上安装定子固定罩15可限定每个定子芯元件110的径向位置，并且可确保每个定子芯元件110的轴向稳固性。每个定子芯元件110的面对转子的表面110d的平面精确度也可在轴向上实现。结果，较易于控制转子的永久磁铁9的面对定子的表面与定子芯元件110的面对转子的表面110d之间的空气间隙10的尺寸。此外，使用定子固定罩15可允许空气间隙10的尺寸得以调节，从而达到最大的机器效率。
这里所述的实施例阐述了使用单个转子和单个定子的应用。不过，可使用转子和定子任何数量的组合，包括单个转子和两个定子，两个转子和单个定子，两个转子和三个定子，三个转子和两个定子或者类似组合。此外，图7示出了定位板14和定子固定罩15与如图2和图3所示的定子芯实施例相结合的实施例；不过，这里也可考虑将图5和图6公开的定子芯设计与图7所示的定位板14和定子固定罩15结合使用。而且，在图7中，径向定位凸起(凸出结构110c)与定子芯元件110相关联，径向定位槽(例如凹入结构)14a与定位板14相关联。不过，本领域技术人员可知，在仍然可以完成本文所述相同功能的同时，径向定位凹槽(例如，凹入结构)14a可容易地与定子芯元件110相关联，同样，径向定位凸起(凸出结构)110c也可与定位板14相关联。而且，虽然凸出和凹入结构110c和14a径向连续示出，但是本领域技术人员可知道非连续的结构也可同样使用。这里涉及的径向间隙式电动机器的公开内容也可同样用于马达和发电机。
虽然定子芯元件110的背部可由对称的部分从属部(例如，一对1/2背部，110b和110b)限定，本领域技术人员可知背部也可由非对称的部分从属部(例如，1/3和2/3部分)而限定，而且背部可以限定成没有部分从属部(例如，100％和0％)。此外，虽然部分齿部110a和110a在本文中示作对称的1/2齿部，但是本领域技术人员可知齿部110a和110a可通过非对称的部分从属部(例如，1/3和2/3)设定，而不背离本发明的精神。
本发明参照上述实施例进行了描述，上述实施例只是作为本发明的最佳实施方式。本领域技术人员应该理解的是，在不背离所附权利要求中限定的发明的精神和范围的情况下，可采用在此描述的本发明的实施例的各种备选方案。意图在于所附的权利要求限定了本发明的范围，这些权利要求和其等价物的范围中的方法和设备由此得以覆盖。本发明的说明书应该理解为包括了这里所述的元件的所有的新颖的、非显而易见的结合，本申请和后续申请中给出的权利要求可要求保护这些元件的新颖和非显而易见的结合。而且，上述实施例是示例性的，对于本申请或者后续申请中要求保护的所有可能的组合中来说，任何单独的特征或元件都不是必要的。
权利要求
1.一种轴向间隙式电动机器，包括其上设置有永久磁铁的转子和具有定子芯的定子，其中所述转子和所述定子沿共同的轴设置，其中所述转子被可旋转地支撑，以在所述转子和所述定子之间提供空气间隙，其中所述定子芯包括多个定子芯元件，其中每个定子芯元件都包括设置于所述定子芯元件的转子侧上的齿部以及设置于所述定子芯元件的基底侧上的背部，其中所述齿部与所述背部一体形成，其中所述定子芯元件设置成相互相邻，使得所述相邻定子芯元件的背部相互接触，并且其中所述定子芯元件的背部固定于电动机器的外壳上。
2.根据权利要求1所述的轴向间隙式电动机器，其中每个定子芯元件的背部都包括一对1/2背部，其中所述齿部和所述一对1/2背部整体形成了大致为T型的横截面，其中该对1/2背部中的每个1/2背部都包括周向的端面，并且其中相邻设置的定子芯元件沿其周向的端面相互接触。
3.根据权利要求1所述的轴向间隙式电动机器，其中每个定子芯元件的齿部都包括一对1/2齿部，其中所述背部和所述对1/2齿部整体形成大致为U型的横截面，其中该对1/2齿部中的每个1/2齿部都包括周向的端面，并且其中相邻设置的定子芯元件沿其周向的端面相互接触。
4.根据权利要求1所述的轴向间隙式电动机器，还包括，定位板，该定位板用于安装到所述多个定子芯元件上，其中径向的、凸出结构设置于每个定子芯元件的背部上，其中所述定位板包括与每个定子芯元件的背部上的径向、凸出结构相啮合的径向、凹入结构，并且其中所述定位板固定于所述电动机器外壳。
5.根据权利要求1所述的轴向间隙式电动机器，还包括，环形定子固定罩，所述固定罩具有形成于其中的通孔，其中所述通孔与定子芯的定子芯元件的相应齿部对准，其中所述环形定子固定罩咬合地接合于所述定子芯元件的转子侧。
6.根据权利要求1所述的轴向间隙式电动机器，其中每个定子芯元件由多个层叠在一起的钢板制成，使得所述钢板大致垂直于从所述轴向间隙式电动机器的旋转轴起始的径向线。
7.根据权利要求1所述的定子，还包括，用于安装多个定子芯元件的定位板，用于将每个定子芯元件紧固于所述定位板上的装置。
8.一种用于轴向间隙式电动机器的定子，包括多个定子芯元件，其中每个定子芯元件包括齿部和背部，并且其中所述定子芯元件彼此相邻设置，使得相邻定子芯元件的背部相互接触。
9.根据权利要求8所述的定子，其中所述齿部与所述背部成一体而形成大致为T型的横截面，其中每个背部都包括第一和第二周向的端面，并且其中相邻设置的定子芯元件沿其周向的端面相互接触。
10.根据权利要求8所述的定子，其中每个定子芯元件的齿部包括一对齿，其中背部与该对齿成一体而形成大致为U型的横截面，其中每对齿中的每个齿都包括周向的端面，并且其中相邻设置的定子芯元件沿其周向的端面相互接触。
11.根据权利要求8所述的定子，还包括，用于安装到多个定子芯元件上的定位板，其中每个定子芯元件都包括至少一个与形成于所述定位板中的配合结构相接合的凹陷或者凸起。
12.根据权利要求11所述的定子，其中每个定子芯元件的至少一个凹陷或者凸起都沿由径向线限定的径向方向延长，所述径向线自与所述定子相关的旋转轴延伸。
13.根据权利要求11所述的定子，其中每个定子芯元件由多个钢板叠层形成。
14.根据权利要求13所述的定子，其中多个定子芯元件紧固于所述定位板，使得每个定子芯元件的钢板叠层大致垂直于径向线，所述径向线自与所述定子相关的旋转轴延伸。
15.根据权利要求11所述的定子，其中每个定子芯元件的至少一个凹陷或凸起咬合地接合所述定位板中形成的配合结构。
16.根据权利要求8所述的定子，还包括，定子固定元件，所述定子固定元件具有适于与每个定子芯元件的齿部相配合的接合开口。
17.根据权利要求16所述的定子，其中所述定子固定元件的接合开口相对于每个定子芯元件的齿部来确定尺寸，使得所述接合开口咬合地与所述齿部配合。
18.根据权利要求17所述的定子，还包括，用于安装到所述多个定子芯元件上的定位板，用于将每个定子芯元件紧固于所述定位板上的装置。
全文摘要
本发明公开了一种用于轴向间隙式电动机器的定子。定子芯可由多个定子芯元件制成，每个定子芯元件都设置成在定子芯元件的转子侧上形成齿部，也在定子芯元件的基底侧上形成背部。定子芯元件可互相接触，从而与传统设计相比使磁性损失或者其他损失减小，整体机械效率得以提高。
文档编号H02K16/00GK1734894SQ20051008932
公开日2006年2月15日 申请日期2005年8月2日 优先权日2004年8月3日
发明者皆川裕介, 尾崎则之 申请人:日产自动车株式会社