专利名称：电动旋转机械的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电动旋转机械，尤其涉及一种实现磁阻扭矩增加的轴向间隙式电动旋转机械。
背景技术：
先前提出的轴向间隙式电动旋转机械的实例记载在2005年6月9日公开的日本专利申请首次出版物(tokkai)No.2005-151725(对应于2005年8月18日公开的美国专利申请出版物No.2005/0179336)中。在这种轴向间隙式电动旋转机械中，磁性材料设置在转子面向轴向气隙的各磁体(在下文中将永久磁体简称为磁体)的表面的多个部分上，从而减小q-轴线磁性阻抗(或q-轴线磁阻)，由此增加磁阻扭矩。
电动机的磁体扭矩通常与磁极数×(永久)磁体的磁通量×电流所得到的结果成比例。因此，通过增加磁极数，使其达到接近狭槽的数量，可有效地增加磁阻扭矩。另外，为了增加磁体的磁通量，已经提出一种方法，使得磁体采用字母V形或日文字母Katakana コ形(大概接近与字母U向左旋转90°)沿电动旋转机械的圆周方向布置在电动旋转机械中。如上所述这种字母V形的磁体布置方式或者如上所述这种日文字母Katakana コ形的磁体布置体现出的优势在于磁铁磁通量的增加，同时体现出另一优势，即q-轴线磁性阻抗得以减小从而获得磁阻扭矩。
发明内容
但是，如果磁极数增加，那么每个磁极的周向长度将受到限制。因此，如果磁体以字母V形或日文字母Katakana コ形布置在轴向间隙电动旋转机械的圆周方向，那么在圆周方向上无法充分实现每个磁极的长度。因而，这将导致磁体磁通量的下降。
因此，本发明的目的是提供一种电动旋转机械，其能同时实现磁极数的增加和磁体磁通量的增加。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，这里提供一种电动旋转机械，其包括具有转子铁心的至少一个转子；至少一个定子，所述至少一个定子面向所述至少一个转子的表面，二者之间设置有轴向间隙；以及多个磁体组，每个磁体组包括多个具有相同极性的磁体，并且所述多个磁体布置在所述转子铁心中从而沿所述转子的径向方向彼此相互面对。
本发明的内容并不必要说明所有的必要特征，本发明也可以是这里所述特征的子组合。结合所确定的说明书和附图，本发明的其他特征和优势将变得清楚明了。
图1A是根据本发明的第一实施例的电动旋转机械，从轴向(空气)间隙侧观察的转子的局部透视图。
图1B是从转子的径向方向观察的如图1A所示的沿转子转动轴线方向切开得到的电动旋转机械的横截面解释性视图。
图1C是从轴向(空气)间隙侧观察的如图1A所示的转子的局部平面解释性视图。
图2A是从转子的径向方向观察的沿转子的转动轴线方向切开的电动旋转机械的横截面解释性视图，图中示出根据本发明的第二优选实施例的电动旋转机械的转子中的磁体布置方式。
图2B是从轴向(空气)间隙侧观察的如图2A所示的转子的一部分的局部平面解释性视图。
图3A是从转子的径向方向观察的沿转子的转动轴线方向切开的电动旋转机械的横截面解释性视图，图中示出根据本发明的第三优选实施例的电动旋转机械的磁体布置方式。
图3B是从轴向(空气)间隙侧观察的如图3A所示的转子的局部平面解释性视图。
图4A是从转子的径向方向观察的沿转子的转动轴线方向切开的剖视图，图中示出根据本发明的第四优选实施例的电动旋转机械的磁体布置方式。
图4B是从轴向(空气)间隙侧观察的如图4A所示的转子的局部平面解释性视图。
具体实施例方式
为了促使更好地理解本发明，下面将参照附图进行说明。
在解释本发明之前，先前提出的轴向间隙式电动旋转机械的完整结构的实例记载在2005年8月18日公开的美国专利申请出版物No.US2005/0179336中。
(第一实施例)图1A、1B和1C整体地示出了根据本发明的第一优选实施例的电动旋转机械的转子中的磁体布置方式。图1A是从设置在(轴向间隙)电动旋转机械的转子10和定子13之间的轴向(空气)间隙观察的转子10中的磁体布置方式的局部透视图。图1B是沿图1A所示的转子10的转动轴线方向切开的电动旋转机械的横截面剖视图。图1C是从第一实施例的电动旋转机械的转子10和定子13之间设置的轴向(空气)间隙观察的转子10的局部平面解释性视图。如图1A、1B和1C所示，电动旋转机械的转子10设置有多个磁体组12、12、12等等，所述磁体组沿着转子10的例如圆周(θ)方向相互临近，并且埋置在由钢板制成的环状转子铁心11内(参照图1A)。这种旋转装置是轴向间隙式电动旋转机械，其中转子10和定子13布置成在该电动旋转机械的轴线方向上经由轴向(空气)间隙a彼此相面对。在图1B中，磁体对中的箭头标记表示每对磁体中的磁通量的方向，在图1B和1C中，r表示转子的径向，z表示转子的转动轴线方向，θ表示转子的圆周方向。这些标记也适用于图2A、2B、3A、3B、4A、4B、5A和5B。应该指出的是，图1C中所示的由环状符号○包围●符号表示磁场(磁通量)的方向从纸的后侧垂直指向纸的前侧(即，指向定子侧)，磁场(磁通量)位于每个磁体组12的所述对磁体12a、12b与圆周方向的磁体14、14(气隙14’、14’)之间的中心位置。
每个磁体组12由具有相同极性的磁体12a和12b的磁体对组成。磁体对中每个磁体12a、12b的长度都达到转子铁心11的相互相反表面(或称作前和后表面)。沿着径向(r)方向，磁体对中的两个磁体12a、12b布置成彼此相互面对并且布置成日文字母Katakana ハ形，其轴向气隙侧边缘被加宽(参照图1B)。另外，圆周方向磁体14、14具有相同极性而且它们相同极性的磁极定向为朝向磁体对中磁体12a、12b之间的中心，从而使得具有相同极性的每个磁极的方向朝向所述对磁体12a、12b的中心，所述圆周方向磁体14、14沿转子10的圆周(θ)方向布置在所述对磁体12a、12b的两个圆周端部处(参照图1A和1C)。每个磁体组12、12、12等等由所述对磁体12a、12b和相应的圆周方向磁体14、14组成，各磁体组沿转子10的圆周方向(θ)布置，并且其不同的磁极交替变化(N，S，N，S，等等)。
另一方面，定子13设置有多个从定子铁心突出的齿状部分15。线圈16缠绕在每个齿状部分15上(参照图1B)。因此，该对磁体12a、12b以及圆周方向的两个磁体14、14都采用从转子铁心11面向定子13的每个齿状部分15的部分b观看大概为矩形的形状布置在转子铁心11中。应当指出的是，也可以在转子铁心11中的圆周方向磁体14、14的相同位置处设置气隙14’、14’，以取代具有相同极性的圆周方向磁体14、14。
如上所述，磁体对中每个磁体12a、12b的长度达到转子铁心11的前和后表面(互相相反)，具有相同极性的磁极相互彼此面对(在图1B的情况下，N(北)极)，而且由磁体12a、12b组成的磁体对布置成使得每对磁体12a、12b面对轴向(空气)间隙a的下边缘比每对磁体12a、12b面对轴向(空气)间隙a的相反侧的上边缘更宽，如图1B中以日文字母Katakana ハ形所示。因此，相比于磁体布置在转子铁心表面上的表面磁体类型，每对磁体12a、12b的表面积可以加宽。因此，磁体可以获得较大的磁通量。特别地，在转子10的内径和外径之间的长度差较大的情况下，可以更有效地获得磁体的磁通量。接下来，磁体12a、12b二者的表面面积可大于从转子轴线方向(z方向)观看的磁体12a、12b二者在所述转子表面上的投影面积。因此，可获得大的磁体磁通量。另外，当磁体12a、12b二者布置成沿转子的圆周方向相互面对时，转子铁心在相互面对的各个磁体之间的体积变得非常小，并且磁阻扭矩也相应地减小。不过，在第一实施例中，磁体12a、12b二者布置在转子铁心中从而沿转子的径向方向彼此相互面对。因此，即使在磁极对的数量被设定得较大的情况下，转子铁心11在磁体12a、12b二者之间的体积也不会变得非常小。因此，磁阻扭矩的减小可被阻止。
另外，可通过沿转子10的圆周(θ)方向将圆周方向磁体14、14布置在所述对磁体12a、12b的两端从而增加磁体的磁通量。此外，转子铁心11与定子13的齿状部分15之一相对的每部分b，即，面对定子13的每个齿状部分15的所述对磁体12a、12b的每部分可以采用磁性材料诸如压力粉末材料等形成。因而，可以减小q-轴线磁路的磁性阻抗并且可以利用磁阻扭矩。另外，圆周磁体(14、14)(或者气隙14’、14’)的存在可阻止由磁体12a、12b组成的磁体对的磁通量沿转子的圆周方向泄漏。
应该指出的是，在转子铁心11沿转子10的圆周方向切开的横截面内，每对磁体12a、12b的长度(该长度在本实施例中定义为上述每对磁体12a、12b的上下边缘之间的长度(参照图1B))大于转子铁心11沿转子10的转动轴线方向的长度，而转子铁心11在沿转子10的径向切开的横截面内并非如此。例如，在轴向间隙式电机(电动旋转机械)中，圆周方向横截面(参照图1B)和径向横截面这两种都可作为使每个磁体布置成字母V形的方向。在每个磁体在径向横截面上布置成字母V形的情况下，如果磁极对的数目增加，则字母V形的角度会变小，从而无法保证磁路横截面积，因此不是优选的。另一方面，在每个磁体在圆周方向横截面上布置成字母V形的情况下，如第一实施例所述，磁路横截面积可以得到保证。
在第一实施例中，每对磁体12a、12b在转子10的转动轴线方向上的长度大于转子铁心在转子的转动轴线方向上的长度。另外，如图1C所示，左侧的磁体组具有源自所述对磁体12a、12b的N(北)极的磁通量，该磁通量朝向转子铁心11在由磁体12a、12b组成的磁体对之间的部分b的中心，并且垂直地朝着定子13，右侧磁体组具有进入所述对磁体12a、12b的S(南)极的磁通量，该磁通量源自转子铁心11在由磁体12a、12b组成的磁体对之间的部分b的中心，并且垂直地来源于定子13。
(第二实施例)图2A和2B整体地示出根据本发明的第二优选实施例的电动旋转机械的转子20中的磁体布置方式。特别地，图2A示出从转子的径向(r)方向观察的沿转子20的转动轴线方向切开的电动旋转机械的横截面解释性视图，图2B示出从设置在转子20和定子13之间的轴向(空气)间隙观察时的电动旋转机械的局部平面解释性视图。如图2A和2B所示，每个磁体组22沿转子20的径向(r)方向以面朝下的日文字母Katakana コ形进行布置(参照图2A)。每个磁体组22由例如沿转子20的径向方向(r)彼此分开的两块磁体22a、22b以及相对于该两块磁体22a、22b位于上部位置从而桥接在该两块磁体22a、22b之间的一块磁体22c组成。也就是说，每个磁体组22由三块磁体22a、22b、22c组成。
因此，转子铁心21的部分b布置在从转子铁心21的部分b观察的由两块磁体22a、22b和圆周方向磁体14、14(参照图2B)形成的大概矩形的形状内。其他结构和动作与第一实施例所述的转子10相同。应当指出的是，可在与圆周方向磁体14、14相同的位置处设置气隙14’、14’，以代替如图2B所示的圆周方向磁体14、14。在第二实施例中，沿转子的径向方向的每个磁体组22的长度大于转子铁心21沿转子20的转动轴线方向上的长度。
(第三实施例)图3A和图3B整体地示出根据本发明的第三实施例的电动旋转机械的转子中的磁体布置方式。特别地，图3A示出从转子25的径向(r)方向观察的沿转子25的转动轴线(z)方向切开的电动旋转机械的横截面解释性视图，图3B示出从设置在(轴向间隙式)电动旋转机械的转子25和定子13轴向(空气)间隙a观察的电动旋转机械的局部平面解释性视图。如图3A和3B所示，电动旋转机械的转子25设置有包括由磁体27a、27b组成的磁体对的每个磁体组，每对磁体27a、27b具有以阶梯方式布置的两块磁体，布置的方向(参见图3A)如第一实施例中的所述对磁体12a、12b的方向，但是代替了磁体对12a、12b。每对磁体27a、27b以例如下述方式布置，即每对磁体27a、27b中的两块磁体中的一块沿转子25的径向方向偏离并且沿转子25的转动轴线方向连续布置，从而形成阶梯磁体结构(参见图3A)因此，该对磁体27a、27b和圆周方向磁体14、14布置成在转子铁心26面对定子13的齿状部分15之一的部分b处为矩形(参见图3B)。其他结构和动作与第一实施例(转子10)相同。应当指出的是，圆周方向磁体14、14可以由气隙14’、14’代替。在第三实施例中，以阶梯方式布置的每对磁体27a、27b中每个磁体的长度大于转子铁心26沿转子25的转动轴线方向的长度。其他结构和动作与第一实施例中相同。
(第四实施例)图4A和4B整体地示出根据本发明的第四优选实施例的电动旋转机械的转子30中的磁体布置方式。特别地，图4A示出从转子30的径向方向观察的沿转子30的转动轴线方向切开的电动旋转机械的横截面解释性视图，图4B示出从设置在转子30和定子13之间的轴向(空气)间隙a观察的转子30的局部平面解释性视图。如图4A和4B所示，电动旋转机械的转子30设置有布置在转子铁心31内的每个磁体组中的对磁体32a、32b，该对磁体32a、32b的每个大概垂直于转子30的前和后表面，以代替第一实施例中所述的对磁体12a、12b(参照图4A)。
因此，从转子铁心31相对于定子13的每个齿状部分15的部分b来观察，该对磁体32a、32b和圆周方向磁体14、14布置成大概为矩形(参照图4B)。其他结构和动作与第一实施例(转子10)相同。采用这种方式，该磁体对中的两个磁体32a、32b都可以应用于下述情况，即在转子30沿转动轴线方向的长度(所谓，转子厚度)大于转子30的径向方向长度(所谓，转子宽度)的情况下，磁体布置成大概垂直于转子30的前和后表面。也就是说，在转子30沿其转动轴线方向的长度大于沿其径向的长度的情况下，该对磁体32a、32b以相对于转子30前和后表面大概成直角的方式进行布置在转子铁心31中。
如上所述，在其转子和定子沿其轴线方向彼此相对布置的电动旋转机械中，由具有相同极性的磁体对组成的磁体组布置在转子铁心内，从而使得每对磁体的长度大于转子铁心沿转子转动轴线方向的长度，并且使得具有相同极性的每个磁极的方向最终变成定子的方向。因而，每个磁体组的表面积得以增加。
另外，每对磁体的长度达到转子铁心11的前和后表面(彼此相反)，并且在转子10的径向方向上，磁体对彼此相互面对，并且在所述磁体对的边缘之间间隔有距离；面对转子铁心与轴向(空气)间隙a相背对的一个表面的两个边缘之间的距离间隔短于面对转子铁心与轴向(空气)间隙a相面对的另一个表面的该对磁体的其他边缘之间的距离间隔。每个磁体组由所述对磁体12a、12b(对磁体27a、27b或对磁体32a、32b)和圆周方向磁体14、14(或气隙14’、14’)组成，从而将相同极性的磁极定向为朝向所述对磁体12a、12b之间的中心。另外，在转子30沿转动轴线方向的长度大于其沿径向的长度的情况下，所述对磁体32a、32b可以以相对于转子30的相互相反表面(前和后表面)大概成直角的方式布置。
另外，每个磁体组由沿转子径向的面向下的日文字母Katakana コ形和布置在面向下的日文字母Katakana コ形的磁体22的两个端部处的圆周方向磁体14、14组成，具有相同极性的圆周方向磁体14、14的磁极的方向朝向所述磁体对22中两个磁体的中心，每个都呈现面向下的日文字母Katakanaコ形。应该指出的是，圆周方向磁体14、14可以由气隙14’、14’代替。另外，每个磁体组由圆盖形(半球形)磁体37组成，所述磁体37布置成使得相同极性的磁极彼此相互面对，并且其开口面向定子。
在转子和定子沿其轴向方向布置成彼此相对的电动旋转机械中，由具有相同极性的磁体对组成的每个磁体组布置在转子铁心中，从而使每对磁体的长度大于转子铁心沿转子的转动轴线方向的长度，并且使得具有相同极性的磁体的每个磁极的方向变成沿定子方向。因而，每个磁体的表面积得以增加。可以同时实现磁极数的增加和磁通量的增加。应当指出的是，第一至第五实施例中的转子(10、20、25、30、35)大概在二维方向上为环形或在三维方向上为轮胎形(或盘形)。
本申请基于2005年10月5日在日本提交的在先日本专利申请No.2005-292474，其公开内容引用结合于此。在不背离本发明的范围和精髓的条件下可以实施各种修改和变化。
权利要求
1.一种电动旋转机械，包括具有转子铁心的至少一个转子；至少一个定子，所述至少一个定子面对所述至少一个转子的一个表面，其间设置有轴向间隙；和多个磁体组，每个所述磁体组包括具有相同极性的多个磁体，所述多个磁体布置在所述转子铁心中从而沿所述转子的径向方向彼此相互面对。
2.如权利要求1所述的电动旋转机械，其中所述各磁体的每个的长度达到所述转子铁心沿所述转子的转动轴线方向的相互相反表面，并且所述各磁体的每个沿所述转子的圆周方向布置在所述转子铁心中，从而使得所述各磁体的两个边缘之间间隔有距离，所述各磁体面对所述转子铁心表面中与所述轴向间隙相反向的一个表面的两个边缘之间间隔的距离小于所述各磁体的其他边缘之间间隔的另一距离，所述其他两个边缘面对所述转子铁心的相互相反表面中与所述轴向间隙面对的另一表面；以及沿所述转子的圆周方向布置在所述各磁体的每个的两端的圆周方向磁体和气隙的至少一个，从而使得具有相同极性的所述磁体对的磁极的方向变成所述各磁体的中心。
3.如权利要求1所述的电动旋转机械，其中所述各磁体沿所述转子转动轴线方向以与相对于所述转子的相互相反表面大概成直角的方式布置在所述转子铁心中，此时所述转子沿所述转子的转动轴线方向的长度大于所述转子沿其径向方向的长度。
4.如权利要求1所述的电动旋转机械，其中每个所述磁体组包括沿所述转子的径向方向组成面朝下的日文字母Katakanaコ形的三块磁体；以及沿所述转子的圆周方向布置在组成面朝下的日文字母Katakanaコ形的三块磁体的两端的圆周方向磁体和气隙的至少一个，从而使组成日文字母Katakanaコ形并且具有相同极性的三块磁体的磁极定向为朝向所述三块磁体的中心。
5.如权利要求1所述的电动旋转机械，其中每个所述磁体组包括多个所述磁体，所述各磁体的每个的长度达到所述转子铁心沿所述转子的转动轴线方向的相互相反表面，并且沿所述转子的圆周方向进行布置，从而使所述各磁体的边缘之间间隔有距离，面对所述转子铁心表面中与所述轴向间隙相反向的一个表面的两个边缘之间间隔的距离小于所述各磁体的其他边缘之间间隔的另一距离，所述其他两个边缘面对所述转子铁心表面中与所述轴向间隙面对的另一表面；以及沿所述转子的圆周方向布置在所述各磁体的每个的两端的圆周方向磁体，从而使具有相同极性的所述各磁体的磁极定向为朝向所述各磁体的中心。
6.如权利要求5所述的电动旋转机械，其中每个所述磁体组包括沿所述转子的径向方向组成面朝下的日文字母Katakanaコ形的三块磁体；以及沿所述转子的圆周方向布置在组成面朝下的日文字母Katakanaコ形的所述磁体的两端的圆周方向磁体和气隙的至少一个，并且沿所述转子的径向方向组成每个所述磁体组的三块磁体的长度大于所述转子铁心沿所述转子的转动轴线方向的长度。
7.如权利要求1所述的电动旋转机械，其中每个所述磁体组包括多个所述磁体，所述各磁体的每个的长度达到所述转子铁心沿所述转子的转动轴线方向的相互相反表面，并且沿所述转子的圆周方向进行布置，从而使所述各磁体的边缘之间间隔有距离，面对所述转子铁心表面中与所述轴向间隙相反向的一个表面的两个边缘之间间隔的距离小于所述各磁体的其他边缘之间间隔的另一距离，所述各磁体的其他两个边缘面对所述转子铁心表面中与所述轴向间隙面对的另一表面；以及沿所述转子的圆周方向布置在所述各磁体的每个的两端的气隙，从而使所述各磁体的磁极定向为朝向所述各磁体的中心。
8.如权利要求1所述的电动旋转机械，其中每个所述磁体组包括沿所述转子的径向方向组成面朝下的日文字母Katakanaコ形的三块磁体；以及沿所述转子的圆周方向布置在组成面朝下的日文字母Katakanaコ形的所述磁体的两端的气隙，从而使组成日文字母Katakanaコ形的磁体的磁极定向为朝向两块所述磁体之间的中心，所述两块磁体位于沿所述转子的径向方向组成面朝下的日文字母Katakanaコ形的各磁体的那块剩余磁体的两侧。
9.如权利要求1所述的电动旋转机械，其中每个所述磁体组包括所述各磁体，所述各磁体的每个从所述转子铁心的一部分观察时大概为矩形形状，所述转子铁心这一部分沿所述转子的圆周方向和径向方向都位于所述各磁体之间的中心。
10.如权利要求1所述的电动旋转机械，其中所述各磁体经由所述轴向间隙面向所述至少一个定子的每个齿状部分的上端表面，所述各磁体的每个沿所述转子的转动轴线方向的长度大于所述转子沿其转动轴线方向的长度。
11.如权利要求3所述的电动旋转机械，其中所述各磁体中一个磁体的磁极面向所述各磁体中另一磁体的另一磁极，所述磁极和所述另一磁极二者都具有彼此相同的极性，并且彼此大概平行，此时所述转子沿其转动轴线方向的长度大于所述转子沿其径向方向的长度。
12.如权利要求11所述的电动旋转机械，其中所述各磁体的每个的下端从所述转子的转动轴线方向观察布置成面向所述定子的每个齿状部分的上端表面。
13.如权利要求4所述的电动旋转机械，其中沿所述转子的径向方向组成面朝下的日文字母Katakanaコ形的三块磁体包括位于另一块磁体的两端从而沿所述转子的径向方向桥接其他磁体的两块磁体，沿所述转子的径向方向的所述三块磁体的长度大于所述转子沿其转动轴线方向的长度。
14.如权利要求13所述的电动旋转机械，其中组成面朝下的日文字母Katakanaコ形的三块磁体布置成经由所述轴向间隙面对所述定子的每个齿状部分的上表面。
15.如权利要求1所述的电动旋转机械，其中每个所述磁体组的所述各磁体沿所述转子的径向方向布置成日文字母Katakanaハ形。
16.如权利要求1所述的电动旋转机械，其中所述各磁体的每个包括沿所述转子的径向方向以阶梯方式布置并且沿所述转子的转动轴线方向以连续方式布置的互相偏离的两块磁体，所述两块磁体沿所述转子的转动轴线方向的长度大于所述转子沿其转动轴线方向的长度。
全文摘要
在一种轴向间隙式电动旋转机械中，设置有具有转子铁心的至少一个转子；设置有至少一个定子，所述至少一个定子面对所述至少一个转子的一个表面，其间设置有轴向间隙；还设置有由多个磁体组，每个磁体组包括具有相同极性的多个磁体，所述多个磁体布置在所述转子铁心中从而沿转子的径向方向彼此相互面对。
文档编号H02K1/27GK1945941SQ20061014161
公开日2007年4月11日 申请日期2006年9月30日 优先权日2005年10月5日
发明者成濑有二 申请人:日产自动车株式会社