旋转电机的制作方法

本发明涉及转子设有多个相对于定子的转矩产生面的旋转电机。

背景技术：

专利文献1公开了一种旋转电机，其具备：环状的定子，其具有环向卷绕有电枢绕组的定子铁芯；径向转子，其在径向上的内侧与定子相对；以及2个轴向转子，其分别在旋转轴的轴方向的一侧和另一侧与定子相对，转子相对于定子的转矩产生面为3面。

专利文献1公开的旋转电机的径向转子和2个轴向转子分别在周向上按规定的间隔配置有永久磁铁。该旋转电机通过在定子中产生的旋转磁场与径向转子和2个轴向转子的永久磁铁的励磁磁通的相互作用使径向转子和2个轴向转子产生转矩。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2010-226808号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

然而，在专利文献1公开的旋转电机中，为了在径向转子和2个轴向转子中形成磁极而使用永久磁铁。因此，在径向转子和2个轴向转子中设置的永久磁铁使用可采储量少而采掘场所分布不均的稀土类磁铁的情况下，有可能使材料成本增加，或者无法确保稳定的资源供给。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供一种在成本方面和资源供给方面良好，能通过转矩产生面的增大而提高转矩密度的旋转电机。

用于解决问题的方案

解决上述问题的旋转电机的发明的一个方式是一种旋转电机，具备：定子，其在线圈的通电时产生磁通；以及转子，其在上述磁通通过时旋转，其中，上述定子具有：环状的定子铁芯，其具有在周向上按规定的间隔配置的定子齿；以及电枢线圈，其卷绕在上述环状的定子铁芯的相邻的定子齿之间且被卷绕成圆环形，上述转子具有：转子铁芯，其具有在上述定子铁芯的轴向的两面侧与上述定子齿相对的转子齿以及在上述定子铁芯的径向的外面侧与上述定子齿相对的转子齿；感应线圈，其卷绕于上述转子齿，通过由上述定子侧产生的磁通的交链引起感应电流；以及励磁线圈，其卷绕于上述转子齿，在上述感应电流通过时产生磁场。

发明效果

根据本发明的一个方式，能提供在成本方面和资源供给方面良好，能通过转矩产生面的增大而提高转矩密度的旋转电机。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施方式的旋转电机的图，是示出旋转电机的整体构成的立体图。

图2是示出本发明的一个实施方式的旋转电机的图，是用通过旋转轴的平面切断后的旋转电机的截面图。

图3是示出本发明的一个实施方式的旋转电机的图，是定子的立体图。

图4是示出本发明的一个实施方式的旋转电机的图，是定子铁芯的立体图。

图5是示出本发明的一个实施方式的旋转电机的图，是电枢线圈的立体图。

图6是示出本发明的一个实施方式的旋转电机的图，是示出定子的磁通分布的图。

图7是示出本发明的一个实施方式的旋转电机的图，是转子的立体图。

图8是示出本发明的一个实施方式的旋转电机的图，是转子铁芯的立体图。

图9是示出本发明的一个实施方式的旋转电机中的定子的保持结构的其它例的图，是用通过旋转轴的平面切断后的旋转电机的截面图。

附图标记说明：

1：旋转电机；100：定子；110：定子铁芯；130：定子齿；140：电枢线圈(线圈)；200：转子；210：转子铁芯；230：转子齿；231：第1转子齿(在定子铁芯的轴向上的两面侧与定子齿相对的转子齿)；232：第2转子齿(在定子铁芯的轴向上的两面侧与定子齿相对的转子齿)；233：第3转子齿(在定子铁芯的径向上的外面侧与定子齿相对的转子齿)；F：励磁线圈；I：感应线圈。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。图1～图9是说明本发明的一个实施方式的旋转电机的图。

(旋转电机的概要构成)

在图1、图2中，旋转电机1具备：定子100，其通过对线圈的通电而产生磁通；以及转子200，其由于磁通的通过而发生旋转。定子100配置在转子200的旋转轴1C侧。旋转轴1C是转子200的旋转中心线。

另外，旋转电机1在旋转轴1C上具备轴20。轴20固定于转子200的内周部，与转子200一体旋转。

旋转电机1具备覆盖定子100和转子200的箱体10。箱体10的旋转电机1的轴向上的一侧的内周缘部通过轴承2支撑轴20，使轴20可自由旋转。另外，箱体10的旋转电机1的轴向上的另一侧的内周缘部通过轴承3支撑轴20，使轴20可自由旋转。在此，在图1、图3、图4、图7、图8中，下侧是旋转电机1的轴向上的一侧，上侧是旋转电机1的轴向上的另一侧。

而且，箱体10具备保持部10A，该保持部10A在箱体10的内周缘部从轴向的一侧延伸到另一侧后，从内周侧保持定子100的定子铁芯110。这样，箱体10利用保持部10A从内周侧保持定子100，由此将定子100保持为静止状态。

如在后面详细说明的那样，旋转电机1利用对定子100的电枢线圈140通电而产生的旋转磁场使转子200的感应线圈I产生感应电流。然后，旋转电机1将该感应电流作为励磁电流对转子200的励磁线圈F通电，由此使转子200发挥作为电磁铁的功能，产生转矩。这样，旋转电机1构成为无磁铁的自励式绕组励磁形同步电动机。

(定子)

在图1、图2、图3、图4中，定子100具备环状的定子铁芯110以及卷绕于该定子铁芯110的电枢线圈140。定子铁芯110包括形成为与旋转轴1C同心的圆环状的高磁导率的磁性材料。

定子铁芯110包括环状的定子磁轭120以及在周向上按规定间隔设于该定子磁轭120的多个定子齿130。定子磁轭120的截面形成为圆形或者长圆形的截面形状。

定子齿130从定子磁轭120的表面突出，从旋转电机1的轴向看来为梯形，并且，旋转电机1的周向的截面形成为矩形的形状。12个定子齿130在周向上按规定间隔设于定子磁轭120。

具体地说，定子齿130具有第1定子齿131、第2定子齿132和第3定子齿133。

第1定子齿131设于定子磁轭120上的旋转电机1的轴向上的一侧，从该定子磁轭120向旋转电机1的轴向上的一侧突出。

第2定子齿132设于定子磁轭120上的旋转电机1的轴向上的另一侧，从定子磁轭120向旋转电机1的轴向上的另一侧突出。

第3定子齿133设于定子磁轭120上的旋转电机1的外周面侧，从定子磁轭120向旋转电机1的外周面侧突出。

在本实施方式中，定子铁芯110未被分割而成为一体型(整块)的环状结构。因此，与将定子铁芯110设为分割结构的情况相比能提高定子铁芯110的机械强度。另外，定子铁芯110由于提高了机械强度从而能对励磁振动具有足够的抗性。

电枢线圈140将定子铁芯110的相邻的定子齿130之间作为槽而环向卷绕于环状的定子磁轭120。环向卷绕是使绕组141交替通过定子磁轭120的环的内侧和外侧而绕着定子磁轭120卷绕的方法。

这样，通过采用将电枢线圈140环向卷绕于定子磁轭120的结构，能使定子铁芯110成为具备定子磁轭120的一体结构，能提高定子铁芯110的机械强度。

电枢线圈140配置在定子齿130和在周向上与该定子齿130相邻的定子齿130的中间位置之间。电枢线圈140与三相交流中的U相、V相、W相中的任意一个对应。

在周向上隔着定子齿130相对的1对电枢线圈140的卷绕方向和通电方向设定为，使得在从一方电枢线圈140产生的磁通与从另一方电枢线圈140产生的磁通中，磁通的方向在周向上为相反的方向。

由此，例如在一方电枢线圈140为U+相，另一方电枢线圈140为U-相的情况下，从一方电枢线圈140和另一方电枢线圈140产生朝向定子齿130的磁通。

在图5中，电枢线圈140的绕组141包括截面为长方形的平角线。在电枢线圈140中，将该绕组141在用扁立(edgewise)绕法环向卷绕的状态下卷绕于定子铁芯110的定子磁轭120。扁立绕法是指，使绕组141的短边在旋转电机1的径向内侧和外侧与定子磁轭120相对，纵向卷绕绕组141的方法。

由此，在绕组间距方向上相邻的绕组141彼此以长边进行面接触，因此能确保与电流相应的截面积并能使匝数增加，因此能使电枢线圈140的填充系数提高，能使定子100的磁动势增大。

另外，由于在绕组间距方向上相邻的绕组141彼此以长边进行面接触，因此在绕组141之间能以大面积均匀地进行热传导。由此，热传导分散，能提高散热性。

另外，能将绕组141的成为线头或者线尾的两端部141A、141B配置在定子100的内周侧的同一面，因此能容易进行多个电枢线圈140的连线。

(定子的磁通分布)

图6是示出通过电磁场解析得到的定子100的磁通分布的图。在图6中，为了便于说明而将定子铁芯110和转子200记为直线状。另外，在图6中，不区分第1定子齿131、第2定子齿132或者第3定子齿133，仅表示为定子齿130。此外，图6示出将V相的电流振幅设为基准值的1，将U相、W相的电流振幅值分别设为-0.5而进行通电的情况下的解析结果。

在图6中，当隔着定子齿130在周向上相邻的一对电枢线圈140中的一方为V+相而另一方为V-相时，从该一对电枢线圈140产生的磁通朝向被一对电枢线圈140夹着的定子齿130，在定子齿130中发生会聚。然后，由定子齿130产生的磁通的方向变为与定子磁轭120正交的方向，从定子齿130趋向转子200。

然后，趋向转子200的磁通的一部分通过转子200的后述的转子铁芯210之后，趋向被W+相和W-相的一对电枢线圈140夹着的定子齿130。另外，趋向转子200磁通的剩余部分通过转子200的后述的转子铁芯210之后，趋向被U+相和U-相的一对电枢线圈140夹着的定子齿130。

这样，在定子齿130与转子200相对的面中，构成由电枢线圈140产生的磁通的磁回路。旋转电机1将定子齿130和转子200相对的面作为转矩产生面。

因此，转矩产生面越多，越能有效利用由电枢线圈140产生的磁通来提高转矩密度。转矩密度意味着每单位体积的转矩的大小。

转子200具备包括旋转电机1的轴向的两面侧和外周面侧的3面的转矩产生面，提高了转矩密度。这样，转矩产生面变多，由此能使旋转电机1小型化并产生高转矩，因此能特别适合用作搭载于混合动力汽车等的旋转电机。

(转子)

在图1、图2、图7、图8中，转子200具备转子铁芯210、感应线圈I以及励磁线圈F。

转子铁芯210具有圆盘形状的2个圆盘部211、212以及与该圆盘部211、212的外延部连续的圆筒形状的圆筒部213。

圆盘部211、212以分别从轴向的一侧和另一侧覆盖定子铁芯110的方式配置在与旋转轴1C正交的平面上。在圆盘部211、212的中心部分别设有贯通孔211A、212A，在该贯通孔211A、212A中贯通有轴20。

圆筒部213以从径向外侧覆盖定子铁芯110的方式配置。转子铁芯210包括高磁导率的磁性材料。

这样，转子铁芯210以在定子100的轴向的两面侧和径向的外面侧这3面覆盖定子100的方式整体上形成为圆筒形状。

换言之，转子铁芯210形成为具有以2个圆盘部211、212和圆筒部213为各边的コ字的截面形状的圆筒形状，从外周侧向内周侧覆盖定子铁芯110。

另外，如后述那样在转子铁芯210的定子铁芯110侧的面上配置有感应线圈I和励磁线圈F。因此，能用转子铁芯210的内周侧的面支撑感应线圈I和励磁线圈F，因此能防止感应线圈I和励磁线圈F由于离心力而飞出，能实现机械强度的提高。

另外，转子铁芯210在周向上的相同位置具备第1转子齿231、第2转子齿232和第3转子齿233。

该第1转子齿231、第2转子齿232和第3转子齿233在与定子100的第1定子齿131、第2定子齿132和第3定子齿133之间分别形成有转矩产生面。

第1转子齿231设于圆盘部211的轴向上的另一侧的面，从圆盘部211朝向定子铁芯110向轴向上的另一侧突出。该第1转子齿231与第1定子齿131隔开规定的气隙在轴向上相对。

第2转子齿232设于圆盘部212的轴向上的一侧的面，从圆盘部212朝向定子铁芯110向轴向上的一侧突出。该第2转子齿232与第2定子齿132隔开规定的气隙在轴向上相对。

第3转子齿233设于圆筒部213的径向内侧的面，从圆筒部213朝向定子铁芯110向径向的内侧突出。该第3转子齿233与第3定子齿133隔开规定的气隙在径向上相对。

第1转子齿231的径向上的外侧端部与第3转子齿233的轴向上的一侧的端部连续。另外，第2转子齿232的径向上的外侧端部与第3转子齿233的轴向上的另一侧的端部连续。

这样，在转子铁芯210上，在周向上按等间隔设有多个转子齿230。

(转子铁芯的分割结构)

转子铁芯210为从外周侧覆盖定子铁芯110的コ字状的形状，因此，在本实施方式中，能通过将转子铁芯210设为分割结构来进行旋转电机1的组装。

在本实施方式中，转子铁芯210在轴向的中间位置被分割为轴向上的一侧的第1转子铁芯210A和轴向上的另一侧的第2转子铁芯210B。

由此，以在轴向上夹着定子铁芯110的方式将分割开的第1转子铁芯210A和第2转子铁芯210B连结起来，由此能组装旋转电机1。

另外，通过在轴向的中间位置将转子铁芯210分割开，能使第1转子铁芯210A和第2转子铁芯210B成为相同形状，因此能使第1转子铁芯210A和第2转子铁芯210B的制造工序的全部或者一部分共用。

旋转电机1具备保持圈4B。该保持圈4B嵌入或者螺合于轴20，由此将转子铁芯210固定于轴20。

在转子铁芯210的内周部和轴20的外周部中分别形成有未图示的键槽。通过将键插入键槽来防止转子铁芯210相对于轴20发生转动，从而能一体旋转。

(感应线圈，励磁线圈)

感应线圈I的绕组Iw和励磁线圈F的绕组Fw包括用绝缘材料包覆截面形状为长方形的铜线而成的平角线。感应线圈I和励磁线圈F是将其绕组Iw、Fw绕成α卷而构成的。在此，α卷是使绕组Iw、Fw的线头和线尾朝向外侧同时卷绕的方法。

这样绕成α卷的感应线圈I和励磁线圈F不会使绕组Iw、Fw的线头侧的端部留在内部，因此提高了填充系数，绕组Iw、Fw的两端部配置在感应线圈I和励磁线圈F的外部，因此能容易地进行连线。

在本实施方式中，感应线圈I的绕组Iw在绕组间距方向上卷绕成2列，绕组Iw的第1列的端部和第2列的端部向转子200的同一面侧引出。

另外，励磁线圈F的绕组Fw在绕组间距方向上卷绕成2列，绕组Fw的第1列的端部和第2列的端部向转子200的同一面侧引出。

在这样绕成α卷的感应线圈I和励磁线圈F中，能将绕组Iw、Fw的端部向转子200的内周的同一面(内周面)侧引出来进行配置，因此能使用配置在转子200的内周面侧的未图示的连线基板等的连线部件在同一面上容易地进行连线。

另外，通过将感应线圈I和励磁线圈F的绕组Iw、Fw的端部配置在转子200的内周面侧，能防止绕组Iw、Fw的端部向转子200的外周面侧突出，因此能使旋转电机1的体格变小。

通过将感应线圈I和励磁线圈F绕成α卷，能提高填充系数，能减少铜损。

另外，感应线圈I和励磁线圈F是使包括平角线的Iw、Fw的短边与磁通的产生方向垂直地卷绕而成的。

由此，能减少由感应线圈I和励磁线圈F产生的涡流损耗。

感应线圈I和励磁线圈F形成为将绕成α卷的绕组Iw、Fw折弯成コ字形的形状。

具体地说，励磁线圈F以沿着コ字型的转子铁芯210的内侧的面并且绕着转子齿230的基端部的方式折弯成コ字形。

另一方面，感应线圈I以沿着コ字形的励磁线圈F的内侧的面并且绕着转子齿230的顶端部的方式折弯成コ字型。

这样，感应线圈I和励磁线圈F对同一个转子齿230分层配置，使得在该转子齿230的顶端侧和基端侧分别配置有感应线圈I和励磁线圈F。因此，感应线圈I配置在转子齿230的比励磁线圈F靠定子100侧的位置。

这样构成的感应线圈I在由电枢线圈140产生旋转磁场时，通过由定子100侧产生的磁通的交链而引起感应电流。

(整流电路)

在此，在转子200中设有未图示的二极管作为整流元件，该二极管与感应线圈I及励磁线圈F被连线而构成整流电路。在该整流电路中，由感应线圈I产生的交流的感应电流被二极管整流，整流后的直流的电流作为励磁电流提供给励磁线圈F。励磁线圈F被接通励磁电流从而产生磁场。

(励磁能量)

旋转电机1具备12个定子齿130和8个转子齿230。因此，定子100的槽数S(12)与转子200的磁极数P(8)的构成比S/P为3/2。

另外，在本实施方式的旋转电机1中，以环向卷绕的方式形成的电枢线圈140被集中卷绕，因此在基本频率的磁通中叠加有约50％的作为漏磁通的静止坐标系下空间上的2次空间谐波。

因此，通过使构成比S/P为3/2，转子200与旋转坐标系下时间上的3次时间谐波交链。在旋转坐标系下产生的3次时间谐波的频率相对于转子200的旋转速度不同步。

因此，通过在转子200的作为凸极的转子齿230上卷绕感应线圈I，使感应线圈I与3次时间谐波交链而产生感应电流，将对该感应电流进行整流后的直流电流用作励磁电流从而使励磁线圈F发生励磁，能使转子200发挥作为电磁铁的功能。

在此，旋转坐标系下的4次、5次等高次时间谐波磁通只不过是仅在转子铁芯210的表面附近振动的波形，因此无法使感应线圈I高效地产生感应电流。而如3次时间谐波这样的低次空间谐波是频率较低的磁通，因此能深入转子铁芯210的内部进行交链。

在本实施方式中，将基本频率的磁通中叠加的空间谐波成分中的3次时间谐波作为回收对象，该3次时间谐波与输入到电枢线圈140的基本频率、2次时间谐波相比，频率较高并以较短周期进行脉动。

因此，能高效地回收空间谐波成分的损失能量，能使与感应线圈I交链的磁通的时间变化变大，使感应电流变为大电流，能得到大的旋转转矩。

(定子的保持结构的其它例)

在此，在图2中，利用箱体10的保持部10A从内周侧将定子100保持为静止状态，但是也可以如图9所示，利用轴20将定子100保持为静止状态。

在图9中，轴20在旋转轴1C上具备：配置在轴向的一侧的中空形状的第1轴20B；配置在轴向的另一侧的中实形状的第2轴20C；以及在该第1轴20B和第2轴20C之间被支撑的保持轴20D。第1轴20B和第2轴20C由保持圈4A、4B固定于转子铁芯210。第1轴20B和第2轴20C被联结，能相对于保持轴20D进行相对旋转。

保持轴20D具备保持部20E和固定部20F。保持部20E从保持轴20D向径向的外侧延伸，与定子100(具体为定子铁芯110)的内周部连结。

固定部20F从保持轴20D向轴向的一侧延伸，通过第1轴20B的内部而固定于旋转电机1的外部，由此保持静止状态。

这样，由于固定部20F保持静止状态，因而保持轴20D通过固定部20F将定子100保持为静止状态。

对如以上说明的本实施方式的旋转电机1的作用效果进行说明。在本实施方式的旋转电机1中，定子100具有：环状的定子铁芯110，其具有在周向上按规定间隔配置的定子齿130；以及电枢线圈140，其环向卷绕于该环状的定子铁芯110的相邻的定子齿130之间。

另外，转子200具有转子铁芯210，转子铁芯210具有：第1转子齿231和第2转子齿232，其在定子铁芯110的轴向的两面侧与定子齿130相对；以及第3转子齿233，其在定子铁芯110的径向的外面侧与定子齿130相对。

而且，转子200具有：感应线圈I，其卷绕于转子齿230，通过由定子100侧产生的磁通的交链而引起感应电流；以及励磁线圈F，其卷绕于转子齿230，通过感应电流的通电而产生磁场。

根据本实施方式，能通过由定子100侧产生的磁通的交链而使感应线圈I产生感应电流，能将对该感应电流进行整流后的直流电流用作励磁电流而使励磁线圈F发生励磁，因此能使转子200发挥作为电磁铁的功能，得到转子200的旋转转矩。

因此，不使用永久磁铁就能得到转子200的旋转转矩，因此能防止由于使用作为永久磁铁的稀土类磁铁而导致材料成本增加或者资源供给不稳定。由此，能提供在成本方面和资源供给方面良好的旋转电机1。

另外，根据本实施方式，由定子100侧产生的磁通在第1转子齿231、第2转子齿232和第3转子齿233这3面与转子齿230交链，因此能使转矩产生面增大，能提高转矩密度。

其结果是，在成本方面和资源供给方面良好，能通过转矩发生面的增大而提高转矩密度。

而且，根据本实施方式，将基本频率的磁通中叠加的空间谐波成分中的3次时间谐波作为回收对象，由此能使由定子100产生的谐波有效地与转子齿230交链，能得到更多的励磁能量。

而且，根据本实施方式，能用转子铁芯210的内周侧的面支撑感应线圈I和励磁线圈F，因此能防止感应线圈I和励磁线圈F由于离心力而飞出，能实现机械强度的提高。

另外，根据本实施方式，能将感应线圈I和励磁线圈F的绕组Iw、Fw的端部配置在转子200的内周面侧，能防止绕组Iw、Fw的端部向转子200的外周面侧突出，因此能使旋转电机1的体积变小。

另外，在本实施方式的旋转电机1中，感应线圈I和励磁线圈F分层地卷绕于同一转子齿230，感应线圈I配置在转子齿230上的比励磁线圈F靠定子100侧的位置。

根据本实施方式，感应线圈I配置在比励磁线圈F靠定子100侧的位置，因此能使更多的谐波与感应线圈I交链，能使感应线圈I产生大的电流。另外，将感应线圈I和励磁线圈F分层卷绕于同一转子齿230，由此能使感应线圈I和励磁线圈F紧密接触，能提高感应线圈I和励磁线圈F的填充系数。

另外，在本实施方式的旋转电机1中，转子铁芯210被分割为轴向上的一侧的第1转子铁芯210A和轴向上的另一侧的第2转子铁芯210B。

根据本实施方式，能通过以在轴向上夹着定子铁芯110的方式将分割开的第1转子铁芯210A和第2转子铁芯210B连结来组装旋转电机1。而且，如果在轴向的中间位置分割转子铁芯210，就能使第1转子铁芯210A和第2转子铁芯210B成为相同形状，因此能使第1转子铁芯210A和第2转子铁芯210B的制造工序的全部或者一部分共用。

另外，在本实施方式的旋转电机1中，转子铁芯210是在定子100的轴向的两面侧和径向的外面侧覆盖定子100的圆筒形状。

此外，电枢线圈140、感应线圈I和励磁线圈F的绕组不限于铜线，例如也可以采用铝导体、高频电流用绞合线的利兹线。

另外，旋转电机1也可以构成为除了励磁线圈F以外还将永久磁铁配置于转子200的混合动力励磁型(混合动力型)，在这种情况下，能使永久磁铁和作为电磁铁发挥功能的励磁线圈F有效地配合来产生转矩。

因此，能抑制会引起成本上升的稀土类磁铁的使用量，不用大型化也能得到同等的输出。

而且，整流元件不限于二极管，也可以采用其它开关元件等半导体元件。整流元件不限于收纳于二极管箱体内的类型，也可以安装于转子200的内部。

另外，旋转电机1不限于车载用，例如也能适合用作风力发电用的发电机、工作机械用的电动机。

虽然公开了本发明的实施方式，但是显然本领域技术人员能不脱离本发明的范围地施加变更。希望将所有这种修正和等价物包含于权利要求。