同步电动机的转子及其制造方法、以及同步电动机

摘要

本发明提供一种同步电动机的转子，包括：高磁力的永久磁铁（1），其呈环状，配置于转子表面，外周面与定子铁芯（4）相对置；以及永久磁铁（2），其呈环状，与永久磁铁（1）相比磁力较低并且为极性各向异性取向，且在其外周面以包围永久磁铁（1）的旋转轴方向上的两端和内周面侧的方式嵌入有永久磁铁（1），其旋转轴方向上的长度比定子铁芯（4）长。

说明书

技术领域

本发明涉及一种同步电动机的转子及其制造方法、以及同步电动机。

背景技术

在同步电动机的转子使用高磁力磁铁的情况下，由于稀土类磁铁是价格 非常高的材料，所以为了抑制其使用量而在多数情况下尽可能以壁厚较薄的 形状加以利用。此外，在用于鼓风机用途的电动机的情况下，由于将叶片直 接安装在电动机的旋转轴上使用，所以如果电动机输出的转矩产生脉动，则 通过叶片成为产生噪音的原因，因此与基于磁阻转矩容易产生转矩脉动的磁 铁嵌入式(IPM：Interior Permanent Magnet)结构相比，多采用将磁铁 配置于转子表面(SPM：Surface Permanent Magnet)的结构。这种情况下 的转子，一般采用如下结构：使铁等软磁性材料作为背轭，在转子表面配置 较薄的环状磁铁或圆弧状的瓦型磁铁(例如专利文献1、2)。

此外，在电动机的外径大于轴向尺寸成为扁平的电动机的情况下，在转 子的轴向长度取值比定子铁芯的叠层厚度大时，转子的不与定子铁芯相对置 的部分的磁通交链于定子的量对电动机特性造成较大影响，所以多数情况下 使转子的永久磁铁的轴向尺寸取值比定子铁芯的叠层厚度大。

然而，在使永久磁铁的轴向尺寸大于定子铁芯的情况下，不与定子铁芯 相对置的部分在磁铁表面存在较多非磁性空间(空气)，磁铁的磁导率下降， 导致磁铁产生的磁力下降。在使用稀土类磁铁的转子的情况下，由于使用较 薄的永久磁铁，所以上述因磁导率下降所导致的磁力下降更大。因此，即使 相对于定子的叠层厚度增加永久磁铁的转子轴方向的长度，其效果相对于材 料成本的增加也减小。

存在在轴向上由多个不同结构或磁铁材料构成转子的情况，并且有使用 高磁力的稀土类烧结磁铁和铁氧体烧结磁铁的转子(例如专利文献3、4)。 稀土类烧结磁铁的制造方法多采用在烧结出较大的磁铁块后将其切割成规 定形状的方法，因此为了抑制磁铁的制造成本，在多数情况下以平板形状加 以利用。因此，在同步电动机的转子中利用的情况下，多采用在软磁性铁芯 中设置磁铁插入孔并且在转子内部配置永久磁铁的IPM方式。此外，铁氧体 烧结磁铁在旋转频率较高等用途中，为了防止离心力导致磁铁飞散，也同样 多采用IPM方式的结构。

然而，在IPM结构的转子的情况下，由于相邻的磁极之间存在作为铁芯 的软磁性材料，所以存在大量穿过该部分与相邻的磁极短路的磁通。在铁氧 体烧结磁铁的情况下，由于与稀土类烧结磁铁相比其磁力较低，所以磁极间 的磁通短路的影响比稀土类磁铁大。在将其配置于不与定子铁芯相对置的转 子轴方向上的两端的情况下，由于转子表面的外侧是空气，所以磁阻增大， 磁导率下降，从磁铁产生的磁通下降。在转子内部的磁极间短路的磁通不会 因有无定子铁芯而受到较大影响，因此短路的磁通量变化较少，作为其结果， 在转子内部短路的磁通量相对于由磁铁产生的磁通的比例增大，难以有效地 利用磁铁的磁力。

为了提高转子的性能，有使用磁力更高的稀土类磁铁的情况，但是由于 材料的价格较高，所以存在将稀土类磁铁装入到由低磁力磁铁构成的转子的 一部分中的方法(例如专利文献5、6)。

然而，在专利文献5中所述的结构的情况下，由于需要防止定子的背轭 因高磁力的永久磁铁而产生磁饱和从而使磁通泄漏到电动机的外部，所以无 法获得那么高的磁力。此外，在采用专利文献6中所述的结构的情况下，由 于周向的一部分磁力因高磁力磁铁而增强，所以导致转子表面的磁通密度的 分布波形极大地失真，在电动机运转时容易产生转矩脉动，成为产生振动和 噪音的原因。

在专利文献7中，记载有通过组合低磁力磁铁和高磁力磁铁来实现高性 能化的转子。在该转子的内侧使用磁力较低的磁铁，但是该磁铁具有极性各 向异性取向，通过磁通集中于磁极中心附近的效应，即使是磁力较低的磁铁， 也能够获得较高的磁力。在该磁铁的外周即转子的表面配置有高磁力的磁 铁。如稀土类磁铁这样的高磁力的磁铁，由于材料价格较高，所以为了抑制 使用量,通常使用厚度薄的高磁力磁铁，但是在这种转子的情况下，由于磁 铁的内侧是磁力较低的磁铁材料，所以高磁力的磁铁的磁导率会降低，不能 获得足够的磁力。在这种转子的情况下，通过在内侧配置极性各向异性的磁 铁，能够补充高磁力磁铁的磁力下降的量，获得很高的磁力。

然而，如上所述，较薄的高磁力磁铁在磁导率较低的状态下，难以获取 充分的磁力，因此在将其配置在不与定子相对置的部分的情况(转子的轴向 尺寸大于定子的情况)下，一般不能获得与尺寸增加相应的磁力提高，性价 比下降。

专利文献1：日本特开2005-312166号公报

专利文献2：日本特开2009-142144号公报

专利文献3：日本特开2005-304204号公报

专利文献4：日本特开2010-68600号公报

专利文献5：日本实开平7-3278号公报

专利文献6：日本特开平9-205746号公报

专利文献7：日本特开2011-87393号公报

发明内容

本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于提供一种即使减少高价的高磁 力磁铁的使用量也能够获得足够的磁通量的同步电动机的转子及其制造方 法、以及同步电动机。

为了解决上述问题、实现发明目的，本发明涉及的同步电动机的转子， 其特征在于，包括：第1永久磁铁，其呈环状，配置于转子表面，外周 面与定子铁芯相对置；以及第2永久磁铁，其呈环状，与上述第1永久磁 铁相比磁特性较低并且为极性各向异性取向，且在其外周面以包围上述第1 永久磁铁的旋转轴方向上的两端和内周面侧的方式嵌入有上述第1永久磁 铁，其上述旋转轴方向上的长度比上述定子铁芯长。

根据本发明，起到即使减少高价的高磁力的第1永久磁铁的使用量也能 够获得足够的磁通量的效果。

此外，对于第2永久磁铁，通过使其取向成能够使磁通集中于磁极中心 的极性各向异性，虽然磁力较低却能够获得更多的磁通。此外，通过增大第 2永久磁铁的厚度，即使距定子的距离较远，也能够抑制磁通密度的下降， 更有效地获得磁通。

附图说明

图1是表示使用实施方式1涉及的转子的同步电动机的结构的纵截面 图。

图2是图1中的转子的A-A横截面图。

图3是图1中的转子的B-B横截面图。

图4是对实施方式1涉及的转子6的感应电压与现有结构涉及的转子的 感应电压进行比较的图。

图5是表示实施方式2涉及的转子的制造方法的图。

图6是表示实施方式3涉及的转子的制造方法的图。

图7是表示实施方式4涉及的转子的制造方法的图。

符号说明

1、1a、2、2a～2f永久磁铁

3定子

4定子铁芯

5绕组

6转子

7旋转轴

具体实施方式

下面，基于附图，对本发明涉及的同步电动机的转子及其制造方法、 以及同步电动机的实施方式进行详细说明。此外，本发明不限定于以下实施 方式。

实施方式1

对本实施方式涉及的同步电动机的转子进行说明。图1是表示使用本实 施方式涉及的转子的同步电动机的结构的纵截面图。图2是图1中的转子的 A-A横截面图。图3是图1中的转子的B-B横截面图。A-A横截面和B-B横 截面是与转子的旋转轴方向垂直的截面。本实施方式涉及的同步电动机包 括：定子3，其呈圆环状；以及转子6，其以能够旋转的方式配置在该定子 3的内侧，并且在其中心部设置有旋转轴7。

定子3包括：定子铁芯4，其呈环状，通过层叠电磁钢板而形成；以及 绕组5，其卷绕于该定子铁芯4。在定子铁芯4的内部，以能够旋转的方式 配置有转子6。在定子铁芯4，在其内周侧沿整个周向设置有多个齿部(未 图示)，其是突起状的铁芯部分，在作为齿部间的空间的槽部(未图示)卷 绕有用于从外部施加电流的绕组5。绕组5集中卷绕于各齿部。

转子6包括磁特性不同的2种永久磁铁1、2。这里，永久磁铁1(第 1永久磁铁)表示高磁力的永久磁铁，例如是混合稀土类磁铁与树脂而成 的粘结磁铁，稀土类磁铁使用NdFeB或SmFeN等材料。此外，树脂材料使用 尼龙、PPS(Polyphenylene sulfide，聚苯硫醚)或环氧树脂等材料。永久 磁铁2(第2永久磁铁)表示低磁力的永久磁铁，例如使用将铁氧体磁铁和 树脂混合而成的粘结磁铁。其中使用的树脂材料与上述的树脂材料相同。转 子6的轴向长度(旋转轴7的轴向上的长度)大于定子3的叠层厚度(定子 铁芯4的轴向长度)。

参照图1～图3，对永久磁铁1、2的配置结构进行说明。永久磁铁1 是环状，其外周面与定子铁芯4相对置。永久磁铁1的轴向长度比定子 铁芯4的轴向长度短。永久磁铁1的轴向两端面和内周面被永久磁铁2 包围。即，在永久磁铁2的外周面的轴向中央附近，沿整个周向形成有 用于装入永久磁铁1的槽，永久磁铁1配置于该槽内，成为嵌设在永久 磁铁2的外周面的形态。此外，永久磁铁1与永久磁铁2同轴地配置。 这样，形成如下结构：在环状的永久磁铁2的外周侧且轴向中央附近配 置有永久磁铁1，在永久磁铁1的轴向两端部和内周面侧配置有永久磁铁 2。此外，永久磁铁1、2形成转子6的同一圆筒状外周面，转子6的外 周面在轴向上由永久磁铁1的外周面和在轴向上夹着该外周面的永久磁 铁2的外周面构成。

如图2所示，永久磁铁1例如具有与转子6的磁极相对应地使磁铁 的厚度变化的、厚度不均匀的形状。即，使磁极的中心P附近的(径向 的)厚度增加来提高磁力，并且使极间Q的厚度变薄，由此与厚度均匀 的环状磁铁相比能够获得更多的磁通量。此外，永久磁铁1的磁铁内部 的取向例如成为接近于极性各向异性取向。永久磁铁2的外周是与永久 磁铁1的内周形状相对应的形状。

永久磁铁2例如形成为与转子6的磁极对应的极性各向异性取向。 永久磁铁1与永久磁铁2相比是较薄的磁铁，由于没有使用软磁性铁芯 作为背轭，所以磁铁的磁导率较低，就永久磁铁1单体而言，与具有背 轭的情况相比，在转子表面产生的磁通量较低。然而，由于永久磁铁2 存在于永久磁铁1的内侧,所以实际在转子表面获得的磁通量为永久磁铁 1和永久磁铁2分别产生的磁通量相加所得到的量,能够获得与使用了永 久磁铁1单体和背轭的结构相近的性能。此外，由于永久磁铁2形成为 极性各向异性取向，所以磁铁中的构成磁极的磁铁的厚度大于尺寸上的 厚度(外径-内径)，即使距定子铁芯4的距离较远，磁铁的磁导率也下 降得少，并且虽然距定子铁芯4的距离较远，但是磁通量下降得少。

如果将永久磁铁1配置在不与定子铁芯4相对置的位置，则永久磁 铁1的外侧由非磁性材料和空气包围，因此磁阻增大，磁导率下降，并 且出现在表面的磁通大幅下降。因此，在扩大永久磁铁1的轴向尺寸的 情况下，虽然增加了尺寸，但是磁通量的增加较少，性价比变差。

因此，在转子6的轴向端部如图3所示采用仅由永久磁铁2构成的 结构。永久磁铁2例如使用铁氧体的粘结磁铁，并形成为与转子6的磁 极对应的极性各向异性取向。在图3中，由箭头示出了极性各向异性的 取向方向。极性各向异性的磁铁，由于如上所述磁铁的厚度能取较大值， 所以在不与定子铁芯4相对置的转子6的轴向端部，也能够在转子表面 产生比较大的磁通。

如上所述，在本实施方式中，在同步电动机的结构中，在磁铁的磁 导率能取得较高值的转子6的轴向中央附近与定子铁芯4相对置的部分， 配置高磁力的永久磁铁1，在磁导率容易下降的定子铁芯4的轴向端部附 近，配置虽然磁力较低但是具有极性各向异性取向的永久磁铁2，由此能 够得到即使减少高价且高磁力的永久磁铁1的使用量也能够抑制特性下 降的同步电动机。

接着，对本实施方式的运作进行说明。图4是对本实施方式涉及的转 子6的感应电压与现有结构涉及的转子的感应电压进行比较的图。具体而 言，在使定子铁芯4的叠层厚度(L3)为15mm的情况下，对通过具有由图 2和图3的结构的组合构成的转子6的同步电动机得到的感应电压与通过具 有仅由图2的结构构成的转子的现有同步电动机得到的感应电压进行比较。 即，现有结构涉及的转子，其与轴向垂直的任意横截面具有图2的结构，而 且构成为永久磁铁1的轴向长度与永久磁铁2的轴向长度相等。

在图4中，横轴表示图2所示的结构部分的轴向尺寸、即永久磁铁1的 轴长。这里，示出了转子6的轴向全长固定(18mm)、在横轴上取永久磁铁 1的轴长时的曲线(L1，L2)。L1表示本实施方式的转子6，L2表示现有结 构涉及的转子。此外，由于转子的轴向尺寸固定，所以从该固定尺寸减去图 2的结构部分的轴向尺寸(即永久磁铁1的轴长)而得到的尺寸为图3的结 构部分的尺寸。此外，在图4中，设在定子铁芯的叠层厚度(L3)与现有结 构涉及的转子的轴向长度相同的情况(即L2与L3的交点)下得到的感应电 压为100％，设纵轴为感应电压比率。

如图4所示，在现有结构涉及的转子中，在使稀土类的永久磁铁1的轴 向长度与定子铁芯4同为15mm时感应电压比率为100％，与此相对，在使用 本实施方式涉及的转子6的情况下，感应电压比率成为100％是在稀土类的 永久磁铁1的轴向长度将近11mm的时候，转子6的轴向长度虽然长了3mm， 但是永久磁铁1的体积与现有结构相比减少了约30％。由于稀土类磁铁(永 久磁铁1)和铁氧体磁铁(永久磁铁2)的材料单价相差10倍以上，所以根 据本实施方式，虽然转子6的轴向长度增加，铁氧体磁铁的使用量增加，但 是从材料整体成本来看，成本降低效果足够大。

如以上说明的那样，在本实施方式中，在与定子3相对置的转子6的表 面侧配置磁特性不同的两种磁铁、即高磁力的永久磁铁1(例如稀土类磁铁) 和低磁力的永久磁铁2(例如铁氧体磁铁)，并采用将永久磁铁1嵌入在永 久磁铁2的外周面的轴向中央附近处的形态，使得在永久磁铁1的轴向两端 的外侧和径向内侧配置有永久磁铁2，进而使永久磁铁2取向为极性各向异 性。

根据本实施方式，能够实现这样的同步电动机的转子：减少高价的高磁 力的永久磁铁1(稀土类磁铁)的使用量，抑制电动机的材料成本却能够获 得足够的磁通量。

此外，在永久磁铁2，通过进行能够使磁通集中于磁极中心的极性各向 异性取向，能够从低磁力磁铁获得更多的磁通。此外，通过使永久磁铁2的 厚度增大，即使距定子3的距离较远，也能够抑制磁通密度的下降，更有效 地获得永久磁铁2的磁通。

此外，在内置驱动电路的同步电动机的情况下，如果转子中存在导电率 较高的软磁性材料，则经由定子铁芯、转子、旋转轴，由驱动电路产生的高 频电流(轴电流)容易流向滚动轴承，容易成为电蚀(放电)的原因。本实 施方式的转子6，由于转子6不需要使用软磁性材料，所以能够减少轴电流 流动的原因。

实施方式2

图5是表示本实施方式涉及的转子的制造方法的图。本实施方式的转子 的结构与实施方式1的转子6相同。即，本实施方式的转子是由图2和图3 的结构的组合构成的转子6。关于永久磁铁1、2，如实施方式1说明的那样， 例如可以使其分别为粘结磁铁。

图2的永久磁铁2和图3的永久磁铁2可以是相同的材料，因此最 好能使它们形成为一体，但是永久磁铁2为在轴向的中央附近具有用于 配置永久磁铁1的凹状空间的结构，因此存在外径变小的部分(凹状部 分)。在这种情况下，由于无法从成型模具中取出，所以永久磁铁2难以 进行使整体成为一体的成型。此外，如果想要在先使永久磁铁1成型后， 通过嵌入成型(insert molding)使永久磁铁2一体成型，则较薄的永 久磁铁1在成型时受到来自内径侧的成型压力而发生破碎的可能性较高。

因此，在本实施方式中，分别进行转子6的图2的形状部分和图3 的形状部分的成型。详细情况如下所述。首先，例如通过注塑成型使永 久磁铁1和配置在其内侧的环状永久磁铁2a一体成型(图5(a))。永久 磁铁2a由与永久磁铁2相同的材料构成，具有相同的磁特性。永久磁铁 2a相当于永久磁铁2中位于永久磁铁1的内周面侧且轴向上的配置位置 与永久磁铁1重叠的部分。

此外，例如通过注塑成型使环状永久磁铁2b、2c分别单独地成型(图 5(a))。永久磁铁2b、2c由与永久磁铁2相同的材料构成，具有相同的 磁特性。永久磁铁2b、2c呈相同的截面形状，其内径与永久磁铁2a的 内径相等，其外径与永久磁铁1的外径相等。永久磁铁2b相当于永久磁 铁2中在轴向上配置于永久磁铁1的一端的外侧的部分，永久磁铁2c相 当于永久磁铁2中在轴向上配置于永久磁铁1的另一端的外侧的部分。

然后，由永久磁铁2b(第2磁铁部件)和永久磁铁2c(第3磁铁部 件)从轴向两侧将与永久磁铁1一体成型的永久磁铁2a(第1磁铁部件) 夹在中间，使它们在轴向上叠加而相互接合，由此能够制造其结构与实 施方式1的转子6相同的转子(图5(b))。在这种情况下，通过将3个 永久磁铁2a～2c在轴向上接合而构成永久磁铁2。

根据本实施方式，将永久磁铁2分割成永久磁铁2a、永久磁铁2b 和永久磁铁2c，并且使永久磁铁1和永久磁铁2a、永久磁铁2b、以及永 久磁铁2c分别单独地成型来制造，由此能够制造实施方式1的转子6。

此外，由于能够使永久磁铁2a～2c分别单独地成型，所以也能够分 别施加适合于各个永久磁铁的极性各向异性取向，成型模具的取向磁场 也能够与各个永久磁铁相对应地进行调整。

实施方式3

图6是表示本实施方式涉及的转子的制造方法的图。本实施方式的转子 的结构与实施方式1的转子6相同。即，本实施方式的转子是由图2和图3 的结构的组合构成的转子6。关于永久磁铁1、2，如实施方式1说明的那样， 例如可以使其分别为粘结磁铁。

详细制造方法如下所述。首先，例如通过注塑成型使永久磁铁2d一 体成型(图6(a))，永久磁铁2d相当于使实施方式2中说明的永久磁铁 2a和永久磁铁2c一体成型而得到的部件。永久磁铁2d由与永久磁铁2 相同的材料构成，具有相同的磁特性。即，永久磁铁2d是通过下述方式 得到的部件：使实施方式1的永久磁铁2中位于永久磁铁1的内周面侧 且轴向上的配置位置与永久磁铁1重叠的部分(第1部分)与在轴向上 配置在永久磁铁1的一端的外侧的部分(第2部分)一体成型。

然后，通过嵌入成型使永久磁铁1与永久磁铁2d一体成型，以形成 永久磁铁1嵌入在永久磁铁2d的第1部分中的形态(图6(b))。此外， 例如另外通过注塑成型使环状的永久磁铁2e以单体成型(图6(b))。永 久磁铁2e由与永久磁铁2相同的材料构成，具有相同的磁特性。永久磁 铁2e的内径与永久磁铁2d的内径相等，其外径与永久磁铁1的最大外 径相等。

然后，以将永久磁铁1配置于连接面的方式，将与永久磁铁1一体 成型的永久磁铁2d(第1磁铁部件)和永久磁铁2e(第2磁铁部件)在 轴向上叠加而相互接合，由此能够制造其结构与实施方式1的转子6相 同的转子(图6(b))。在这种情况下，能够由与永久磁铁1一体成型的 永久磁铁2d和永久磁铁2e这两个部件制造转子6。永久磁铁2由永久磁 铁2d和永久磁铁2e构成。

根据本实施方式，由于能够将构成转子6的永久磁铁1、2的部件减 少为2个，所以能够减少部件数量，能够削减制造的加工成本。

实施方式4

图7是表示本实施方式涉及的转子的制造方法的图。本实施方式的转子 的结构与实施方式1的转子6相同。即，本实施方式的转子是由图2和图3 的结构的组合构成的转子6。关于永久磁铁1、2，如实施方式1说明的那样， 例如可以使其分别为粘结磁铁。

详细制造方法如下所述。首先，例如通过注塑成型使永久磁铁2f一 体成型(图7)，永久磁铁2f相当于将对实施方式2中说明的永久磁铁 2a在轴向上进行了等分分割后的其中一方与永久磁铁2c一体成型而得 到的部件。永久磁铁2f由与永久磁铁2相同的材料构成，具有相同的磁 特性。即，永久磁铁2f由下述部分合并而成：使实施方式1的永久磁铁 2中位于永久磁铁1的内周面侧且轴向上的配置位置与永久磁铁1重叠的 部分在轴向上分成两半后的部分、以及在轴向上配置在永久磁铁1的一 端的外侧的部分。

然后，通过嵌入成型使永久磁铁1a与永久磁铁2f一体成型，以形 成永久磁铁1a嵌入在永久磁铁2f中的形态，其中，永久磁铁1a是在轴 向上对永久磁铁1进行等分分割后的一方(图7)。准备2个这样得到的 嵌入有永久磁铁1a的永久磁铁2f，将它们以永久磁铁1a成为接合面的 方式在轴向上叠加而相互接合，由此能够制造其结构与实施方式1的转 子6相同的转子(图7)。在这种情况下，转子6能够由两个部件制造。 此外，永久磁铁2由2个永久磁铁2f构成，永久磁铁1由2个永久磁铁 1a构成。

根据本实施方式，由于能够将构成转子6的永久磁铁1、2的部件减 少为2个，所以能够削减制造的加工成本。此外，由于使2个相同形状 的部件组合，所以使该部件成型的模具可以相同，能够减少模具的种类， 能够削减模具的费用。

如上所述，本发明作为同步电动机的转子是有用的。