電動機及制造電動機用設備的制作方法

專利名稱：電動機及制造電動機用設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及電動機及制造電動機用設備，特別涉及用于減小軋制鋼板的磁各向異性所引起的齒隙轉矩的技術。本發明可用于旋轉電力機械例如電動機和發電機。
背景技術：
電動機包括轉子和定子，轉子具有嵌入的磁鐵，定子具有形成為將金屬絲纏到在周向上以固定間隔布置的槽中的線圈部分，且由磁鐵產生的轉矩和線圈產生的磁阻轉矩來驅動旋轉，并在轉子旋轉時產生了使轉子跳動的齒隙轉矩。
當磁鐵產生的磁力線在轉子中形成經定子的齒部封閉磁路時，定子和轉子間的在旋轉方向上的電磁引力總和在每個轉角上根據轉子與定子的相對位置而變化。由于定子具有磁阻不同的交替的槽和齒部，當轉子在旋轉中經過一個槽間距時，電磁引力的方向在轉子旋轉方向和相反方向之間改變。因此，轉矩以與磁極數量或槽數量成比例的頻率變化，產生齒隙轉矩。
通常，為了減小齒隙轉矩，進行很多努力來改進轉子結構、定子結構和用來形成轉子和定子的模具的精確度。例如，已知一種斜式布置，其中，形成轉子的層在軸向上層疊，接著在周向上也就是轉子旋轉方向上等角地改變。該結構用來改變轉子中各磁極在周向上與它們經過的定子齒部的相對位置，從而在周向上轉換作用于各層上的齒隙轉矩獲得最大值的位置。已知還有多級斜式布置，其中，轉子在軸向上被分成兩級或多級。
通過采用這樣的轉子和定子，齒隙轉矩雖然減小但卻仍然存在。本申請的發明人發現，齒隙轉矩的一個成因是形成轉子和定子的電磁鋼片的磁各向異性。用于電動機的轉子芯磁芯和定子芯磁芯由非定向電磁鋼片制成。然而，即使非定向電磁鋼片也在與軋制(用軋制工具壓平)方向平行的方向上和與其垂直的方向上具有不同的磁性。該電磁鋼片的磁各向異性導致了齒隙轉矩。
在JP10-66283A中，該申請的申請人建議除去在同步電動機中磁各向異性所導致的旋轉變化。JP10-66283A記載了層壓定子的磁各向異性，并公開了利用該磁各向異性減小可在同步電動機中轉矩波動的層壓定子的制造方法。
然而，JP10-66283A要除去的是由轉矩波動導致的旋轉變化，這與齒隙轉矩不同。該申請的申請人還提交了日本專利申請JP2005-65479A，其用于設計成減小電磁鋼片的磁各向異性所產生的齒隙轉矩的電動機，先于本申請。
用于形成電動機的轉子芯和定子芯通過將從軋制電磁鋼片(環繞材料)沖壓而形成。圖1a和1b是用于說明軋制電磁鋼片(環繞材料)軋制的方向(稱為“軋制方向”)的圖。在圖1a和1b中，軋制電磁鋼片(環繞材料)4的縱向(進給方向)平行于軋制方向，且軋制電磁鋼片(環繞材料)4的寬度方向垂直于軋制方向。
即使非定向電磁鋼片根據軋制方向(磁各向異性)也在不同方向上具有不同磁性。因此，轉子中的磁鐵根據軋制方向在不同方向上產生了不同的磁通密度，這導致了齒隙轉矩。
在JP2005-65479A中，用于電動機的轉子芯和定子芯通過沖壓作業來制造，這樣，將要層疊的芯具有不同的軋制方向。通過布置不具有相同軋制方向的層疊芯，減小了磁各向異性所引起的齒隙轉矩。
圖2表示轉子結構的一個實例。在該實例中，轉子通過層疊層壓芯#1和層壓芯#2而形成，每個包括10個層疊芯板1a，因此，轉子形成為總共包括20個芯板的層壓芯結構。
層壓芯#2的軋制方向(如圖中箭頭所示)與層壓芯#1的軋制方向(如圖中箭頭所示)成規定角度。
圖3是用于說明如何減小齒隙轉矩的圖。在圖3中，每轉8個循環的齒隙轉矩的波形用實線表示，相對于實線齒隙轉矩波形存在每轉8個循環有180°相位差的的齒隙轉矩的波形用虛線表示。因此，通過增加具有180°相位差的齒隙轉矩，總齒隙轉矩可為零。
在JP2005-65479A中，通過層疊具有不同軋制方向的芯磁芯以使具有相反相位的齒隙轉矩疊加到一起，降低總齒隙轉矩。
該申請的發明人發現，除了軋制方向以外，定子結構也可導致齒隙轉矩。對于定子，除無槽電動機外，已知具有槽和齒部的結構。
在具有齒部的定子中，磁力線方向受齒部影響，所以磁力線沿齒部延伸。這樣，當軋制方向不與齒部方向(方位)一致時，磁力線沿齒部延伸。
圖4是用于說明軋制方向、齒部方向(方位)和磁力線方向之間關系的圖。在圖4中，僅部分表示轉子1和定子2，定子2具有齒部2c和槽2f。假設定子2的軋制方向10(軋制形成定子2的電磁鋼片的方向)與齒部方向成θ角。這里，由于空氣和銅存在于槽2f內，因此槽2f內的部分具有約為1的相對導磁率。同時，由電磁鋼片制造的齒部2e具有約2000的相對導磁率。因此，即使當軋制方向與槽2f的方向一致時，磁力線也不通過槽2f延伸而是沿齒部2e延伸，因此，磁力線不平行于軋制方向。這意味著當軋制方向如上所述被旋轉時，齒隙轉矩相位的參考位置并不相應地旋轉。因此，該申請的申請人發現，除軋制方向外，定子結構導致齒隙轉矩，且如果不考慮定子結構而旋轉軋制方向，則不能令人滿意地減小齒隙轉矩。
圖5是用于說明齒部如何影響齒隙轉矩的齒隙轉矩波形圖。在圖5中，表示了每轉具有32次循環的齒隙轉矩的波形。具體地，每轉具有32次循環的齒隙轉矩的波形用粗實線表示，虛線表示在軋制方向以規定角度(這里，5.625°)角度位移且齒部對磁通量限制的沒有影響的情況下的齒隙轉矩波形。
由于用粗實線表示齒隙轉矩和用虛線表示的齒隙轉矩間的相位差為180°，因此總齒隙轉矩可通過疊加兩個齒隙轉矩而減小為零。
細實線表示在軋制方向以規定角度(這里，5.625°)角度位移且齒部對磁通量限制的有影響的情況下的齒隙轉矩波形。由于磁通量受齒部影響，因此兩齒隙轉矩之間的相位差不是180°。故而，總齒隙轉矩不能通過疊加兩個齒隙轉矩而減小為零。因此，難以通過軋制方向的角改變來令人滿意地減小總齒隙轉矩。
圖6是表示齒隙轉矩的相位和軋制方向之間關系的圖。其涉及齒隙轉矩每轉具有32次循環的情況。當軋制方向變化360°/32＝11.25°時，齒隙轉矩相位的變化重復。
因電磁鋼片的磁各向異性引起的齒隙轉矩的每轉的循環數量取決于轉子中的極數和定子中的槽數。下表表示了一個實例。
表1

根據表1中所示的實例，當極數為10且槽數為12時，作用于定子上的齒隙轉矩有每轉10或20uqw循環，作用于轉子上的齒隙轉矩有每轉12次循環。當極數為8且槽數為24時，作用于定子上的齒隙轉矩有每轉24次循環，作用于轉子上的齒隙轉矩有每轉24次循環。當極數為8且槽數為36時，作用于定子上的齒隙轉矩有每轉32或40次循環，作用于轉子上的齒隙轉矩有每轉36次循環。
如果形成芯的電磁鋼片的軋制方向能以相應于每個齒部的角度旋轉，使得軋制方向與每個齒部的方向(方位)一致，則由于軋制方向和形狀之間的對稱，轉子和齒部間的位置關系與轉子以相同角度旋轉時等同。因此，齒隙轉矩的相位不受齒部影響，所以可使用傳統相位關系。
圖7到圖10是用于說明軋制方向與齒部方向一致的情況下的圖。圖7表示在軋制方向與齒部方向(方位)一致的角度下的相位和軋制方向之間的關系。軋制方向的角度(機器角度)表示于水平軸上，齒隙轉矩的相位(度)表示于豎直軸上。附圖涉及齒隙轉矩有每轉32次循環的情況，且在機器角度范圍0°-90°內表示以上關系。
齒隙轉矩的相位在相對于一個槽的機器角度范圍內(這里，范圍的寬度11.25°＝360°/32)從0°變化到360°。圖中的點表示軋制方向與齒部方向一致的角度上的相位。例如，當槽數為36時，且當軋制方向與機器角度10°的齒部方向一致時，相位是P1。當軋制方向與機器角度20°的槽方向一致時，相位是P2。這些與僅機械地旋轉轉子的情況相應。
對于每個槽，皆可能使軋制方向符合齒部方向。圖8表示軋制方向與x軸方向一致的情況。圖9表示軋制方向旋轉20°以與定子齒部中的一個的方向一致的情況。圖10表示軋制方向與x軸方向一致且轉子旋轉20°的情況。在圖10中，當轉子旋轉時，齒隙轉矩的相位在前。
可以層疊與槽相同數目的芯，于是使芯以相應于一個槽的角度旋轉。即使在該情況下，在每個芯，也僅一些齒部具有與軋制方向一致的方向。其它多個齒部具有不與軋制方向一致的方向。因此，難以期待齒部布置的影響的減小。

發明內容
本發明的發明人通過實驗發現當定子的齒部數量為有限時，齒隙轉矩的相位大體依照連接在以360°/槽數和自然數乘積所表示的角度上的相位的直線而變化。本發明以此為基礎。
本發明的電動機具有通過層疊由電磁鋼片的軋制材料制成的多張芯板而形成的層壓芯結構。根據本發明的一個方面，在以根據設置在層壓芯結構中的槽數或極數所確定的機器角度進行角位移的電磁鋼片的軋制方向上層疊芯板，使得由芯板的磁各向異性所產生的齒隙轉矩的相位差實質上為180°。將具有180°相位差的齒隙轉矩疊加到一起，齒隙轉矩互相抵消。
根據本發明的一個方面，在以相對于參考角度以機器角度進行角位移的電磁鋼片的各軋制方向上層疊相同數量的芯板，使得通過由芯板的磁各向異性生產的齒隙轉矩的相位差。齒隙轉矩的每個相位α由(360n/s)mod{360/(m·s)}×m·s表示，其為通過將每個槽或極的角度(360n/s)除以齒隙轉矩的一個循環的角度360/(m·s)所得的余數乘以m·s而獲得的值，m·s是齒隙轉矩每轉的循環數，其中，s是層壓芯結構中設置的槽數或極數，m和n是自然數。確定所述機器角度，使得齒隙轉矩的相位差實質上為180°，并且具有通過連接槽或極的各角度的相位得到的齒隙轉矩的相位和軋制方向的機器角度之間的大體直線關系。
通過將在齒隙轉矩的相位和軋制方向的機器角度之間具有大體直線關系的機器角度上的各相位α乘以芯板的比率t而得到的積的總和∑αt可以在具有通過90°乘以奇數而得到的中心值的預定范圍內，其中，比率t是具有以機器角度進行角位移的軋制方向的芯板厚度與層壓芯結構的整個厚度的比率。
可確定自然數m，使得齒隙轉矩的每轉循環數m·s接近于層壓芯結構的極數或槽數。
預定范圍關于中心值可以是從-45°到+45°。
芯板可包括兩種具有電磁鋼片的軋制方向互不相同的芯板，并且每種芯板的比率t是0.5。
可考慮齒隙轉矩的基本波長分量和高諧波分量來確定軋制方向的機器角度。
本發明提供一種用于制造電動機的設備，該電動機具有由電磁鋼片的軋制材料制成的多張芯板而形成的層壓芯結構。該設備包括沖壓機構，用于通過相對于成套沖模角位移軋制電磁鋼片來沖壓軋制電磁鋼片，由此多張芯板具有以上述機器角度進行角位移的電磁鋼片的軋制方向。
沖壓機構可包括順序沖模裝置，該順序沖模裝置包括成套沖模相互以機器角度進行角位移的角位移工作臺。
順序沖模裝置可進一步包括具有用于沖壓具有軋制方向不進行角位移的芯板的成套沖模的通用工作臺。
角位移工作臺可沖壓具有由相對較小的每轉基本形狀的重復數所規定的形狀的芯板，通用工作臺沖壓具有由相對較大的每轉基本形狀的重復數所規定的形狀的芯板。
設備可進一步包括用于旋轉并對齊在提供一種形狀的兩種加工臺上沖壓的芯板的加工臺。
例如，定子的中心孔關于旋轉具有較高的形狀重復性，這是因為其為圓形所以在任意轉角皆表現相同形狀。由于槽的數量大，所以槽具有較高的重復性，由此槽可在通用工作臺上沖壓。對于沖壓鑿緊部分、控制桿孔和輪廓的加工臺，需要其它加工臺。然而，當輪廓為圓形時，輪廓可在通用工作臺上沖壓。通過用于旋轉芯板的其它加工臺，當層疊芯板時，控制桿位置和已沖壓的芯板的輪廓互相對齊。
芯板可由具有晶體取向以機器角度互不相同的電磁鋼片制成。
電磁鋼片的晶體取向是其磁各向異性的原因。通常，軋制方向與主要晶體取向(電磁鋼片易于磁化的方向)一致。通過成對使用晶體取向以規定角度旋轉而制成的電磁鋼片和晶體取向不旋轉而制成的電磁鋼片，可以使用通用成套沖模來制造芯并除去磁各向異性所產生的齒隙轉矩。再有，可制造晶體取向在規定角度的一半傾斜的芯并成對層疊芯以使沒轉動和已轉動的芯形成一對，從而在成對芯的晶體取向之間有規定角度的差異。
電磁鋼片可具有相對于電磁鋼片的軋制方向以機器角度的一半進行角位移的晶體取向，將已沖壓的芯板以半數的沖壓芯板被轉動的方式層疊，使得芯板具有以機器角度進行角位移的晶體取向。
成套沖模可布置成相對于電磁鋼片的軋制方向以機器角度的一半進行角位移，可將已沖壓的芯板以半數的沖壓芯板被轉動的方式層疊，使得芯板具有以機器角度進行角位移的電磁鋼片的軋制方向。
可在相對于成套沖模以機器角度的一半進行角位移的軋制方向上向成套沖模進給電磁鋼片，可將已沖壓的芯板以半數的沖壓芯板被轉動的方式層疊，使得芯板具有以機器角度進行角位移的軋制方向。
在以上布置中，加工臺的數量與傳統情況相同。因此可以不增加加工臺的數量地處理磁各向異性。增加加工臺的數量使成套沖模的全長變長，這使得不能用普通沖壓機進行沖壓。在這些布置中，加工臺的數量并沒有增加，因此可無任何問題、高效地進行沖壓。
本發明可減小考慮到電動機定子齒部的芯板的磁各向異性所導致的齒隙轉矩。


圖1a和1b是用于說明電磁鋼片(環繞材料)的軋制方向的圖。
圖2是表示轉子結構的一個實例的圖。
圖3是用于說明如何減小齒隙轉矩的圖。
圖4是用于說明軋制方向、齒部方向(方位)和磁力線方向之間關系的圖。
圖5是表示用于說明齒部如何影響齒隙轉矩的齒隙轉矩波形圖。
圖6是表示齒隙轉矩的相位和軋制方向之間關系的圖。
圖7是表示在軋制方向與齒部方向(方位)一致的角度下的相位和軋制方向之間的關系的圖。
圖8是表示軋制方向與x軸方向一致的情況的圖。
圖9是表示軋制方向旋轉20°以與定子齒部中的一個的方向一致的情況的圖。
圖10是表示軋制方向與x軸方向一致且轉子旋轉20°的情況的圖。
圖11是表示8極24槽電動機的實例的圖。
圖12是表示軋制方向的角度和齒隙轉矩相位之間關系的圖。
圖13是用于說明齒隙轉矩如何互相抵消的圖。
圖14a到14e是用于說明如何減小齒隙轉矩的圖。
圖15是用于說明芯的組合的圖。
圖16a和16b是用于說明使芯具有不同軋制方向的第一方式的圖。
圖17a和17b是用于說明使芯具有不同軋制方向的第二方式的圖。
圖18a和18b是用于說明使芯具有不同軋制方向的第三方式的圖。
圖19是用于說明使芯具有傾斜半個規定角度的方位的第一方式的圖。
圖20是用于說明使芯具有傾斜半個規定角度的方位的第二方式的圖。
圖21是用于說明如何用傳統順序沖模沖壓轉子芯和定子芯的圖。
圖22是用于說明應用本發明的順序沖模的實例的圖。
圖23是用于說明應用本發明的順序沖模的實例的圖(其中，以規定角度的一半旋轉的定子芯)具體實施方式
參照附圖來詳細描述本發明的實施例。
圖11是用于說明電動機結構的實例的圖。在圖11中，電動機包括轉子1和定子2，皆具有通過堆積電磁鋼片制的芯板而形成的層壓芯結構。
轉子1通過堆積多個轉子芯(芯板)1a而形成。每個轉子芯1a皆在中心具有用于穿過軸3的開口，軸3形成電動機的通過其的旋轉軸。磁鐵孔1b被等角地布置在圓周方向，其數量對應于電動機的極數，將永磁鐵嵌入磁鐵孔1b。轉子芯1a還具有限制部(crimps)1e以用來固定層疊的轉子芯。
定子2通過層疊多個定子芯(芯板)2a而形成。每個定子芯磁芯2a皆在中心具有用于將轉子1布置其中的開口。多個齒部2e和槽2f等角地布置于圓周方向以用來纏繞金屬線。定子芯磁芯2a也具有限制部(crimps)2c以用來固定層疊的定子芯磁芯，定子固定孔2d用來固定定子。圖11中所示實例涉及8極24槽電動機，其中，電動機1具有等角布置的8極，為各極布置永磁鐵。定子2具有等角布置的24槽。
轉子芯磁芯1a和定子芯磁芯2a如圖1所示從軋制電磁鋼片(環繞材料)4通過沖壓而成。
關于圖7所示的在軋制方向與齒部方向一致的角度時的相位和軋制方向之間關系，齒隙轉矩的相位在對應一個齒部的機器角度范圍內(這里，范圍的寬度是11.25°＝360°/32)從0°變化到360°。圖中的點表示在軋制方向與齒部方向一致的角度時相位。連接軋制方向與齒部方向一致的這些點的線是直線。圖12表示軋制方向(稱為“軋制方向角度”)的角度和齒隙轉矩的相位之間的關系。通過連接軋制方向與槽方向一致的點，得到了表示相位關系的直線(在圖中以虛線表示)。
在圖12中，軋制方向的角度(機器角度)設于水平軸上，齒隙轉矩的相位(度)設于豎直軸上。從該直線相位關系可得到軋制方向角度的齒隙轉矩的相位。例如，在軋制方向角度0°時的齒隙轉矩的相位為360°，在軋制方向角度90°時齒隙轉矩的相位為0°。在它們之間，齒隙轉矩的相位隨著軋制方向角度幾乎線性變化。
假設s為槽數或極數，因磁各向異性而產生的齒隙轉矩有每轉(ms)次循環(其中，m為自然數)。如上所述，在槽位置或極位置處齒隙轉矩的相位α可從圖7所示的關系獲得，并由下式表示相位α＝(360n/s)mod(360/ms)×(m×s) (1)
在表達式(1)中，(360n/s)表示齒部的角度值，(360/(m×s))表示齒隙轉矩的一個循環的角度值。以上表達式意味槽角度值(360n/s)除以齒隙轉矩的一個循環的角度值(360/(m×s))的余數乘以(m×s)。
齒隙轉矩每轉的循環數(m×s)是槽數或極數的高次諧波(倍數)。如果其為槽數高次諧波，則其接近于極數，如果其為極數高次諧波，則其接近于槽數。
齒部的角度可由360/(m×s)表示。n是整數，其可在0到槽數的范圍內取值。齒部的角度相應于軋制方向旋轉的角度θ。圖12中的直線可由等式α＝a×θ+b表示，表示連接圖7中一系列點的線。
從以上表示相位α的表達式中，角度θ是在磁各向異性產生的齒隙轉矩的齒部位置或極位置上的相位α之間產生180°相位差的角度和每轉振蕩ms次，其中，s是芯中的槽數或極數，m是自然數。
表2表示在齒隙轉矩有每轉32次循環的情況下，對于不同齒部角度，根據上述表達式的模數和相位α的計算值。
表2

如上所述，通過疊加具有180°相位差的齒隙轉矩，可使齒隙轉矩互相抵消。通過將該關系應用于圖12中直線所表示的相位關系，也就是，通過在直線的基礎上產生180°相位差的軋制方向角度上不同，可使齒隙轉矩互相抵消。
特別地，通過在圖12中的直線上獲得產生180°相位差的軋制方向角度并層疊數量相等的兩類芯且具有滿足以上關系的軋制方向，可使在這兩類芯上由槽而產生的齒隙轉矩互相抵消以減小總齒隙轉矩。
假設兩芯層疊。當兩個芯磁芯中的一個的軋制方向設為角度0°時，作用于該芯上的齒隙轉矩相位是360°。為了抵消該齒隙轉矩，應層疊接受具有180°相位的齒隙轉矩的芯。接受具有180°相位的齒隙轉矩的芯的軋制方向角度可在圖12中的直線上得到。
在圖12中，齒隙轉矩相位為180°的軋制方向角度為45°。因此，通過層疊具有軋制方向角度(機器角度)0°的芯和具有軋制方向角度(機器角度)45°的芯，可使槽的齒隙轉矩減小。
圖13是用于說明當使用了具有在作用于芯上的齒隙轉矩之間產生了180°相位差的軋制方向角度的芯時齒隙轉矩如何互相抵消的圖。圖13(a)和13(b)分別表示以上實例中的具有軋制方向角度0°的芯和具有軋制方向角度45°的芯。由于作用于這些芯上的齒隙轉矩之間的相位差是180°，那么通過層疊兩個芯以疊加齒隙轉矩，如圖13(c)所示，齒隙轉矩互相抵消(如圖13(c)中粗實線所示)。
當兩個芯層疊且兩個芯中一個的軋制方向為角度10°時，作用于該芯上的齒隙轉矩的相位是320°。因此，為抵消該齒隙轉矩，層疊接受具有140°相位的齒隙轉矩的芯。接受具有140°相位的齒隙轉矩的芯的軋制方向角度可在圖12中的直線上得到。
在圖12中，齒隙轉矩相位為140°的軋制方向角度為55°。因此，通過層疊具有軋制方向角度(機器角度)0°的芯和具有軋制方向角度(機器角度)55°的芯，槽的齒隙轉矩減小。
根據sinα+sin(α+β)＝(sin(α+β)×cos(β))/2 (2)，當β為0°或180°時，疊加具有相位差γ的齒隙轉矩所引起的齒隙轉矩的減小為最大，也就是說齒隙轉矩減小為0。然而，即使當β不為0°或180°時，(cos(β))/2的絕對值也總是小于或等于1。因此，齒隙轉矩減小。
圖14a到14e是用來說明在該情況下齒隙轉矩如何減小的圖。圖14a表示作用于具有規定軋制方向的芯上的齒隙轉矩。如圖14b所示，當將具有180°相位差的齒隙轉矩(用虛線表示)疊加到該齒隙轉矩上時，齒隙轉矩互相抵消(如粗實線所示)。
通常，相對于0°參考角度具有180°相位差的角度的平均值是90°和奇數的積。再有，當層疊多個芯以形成層壓芯時，作用于層壓芯上的齒隙轉矩的相位根據接受具有相同相位的齒隙轉矩的芯的總高度與層壓芯的整個長度的比率確定，由∑αt表示。假設將接受具有相位α1的齒隙轉矩的芯(稱為“相位α1的芯”)和接受具有相位α2的齒隙轉矩的芯(稱為“相位α2的芯”)層疊以形成用于轉子或定子的層壓芯。作用于層壓芯上的齒隙轉矩的相位由(α1×t1)+(α2×t2)表示，其中，t1是相位α1的芯的總高度與層壓芯整個長度的比率，t2是相位α2的芯的總高度與層壓芯整個長度的比率。
因此，當用于抵消齒隙轉矩的層壓芯通過層疊芯而形成時，由∑αt表示的作用于該層壓芯上的齒隙轉矩相位在以下相位范圍內設定90°×奇數-β≤∑αt≤90°×奇數+β(3)該相位范圍表示為圖14c中的陰影面積。當∑αt為90°×奇數時，齒隙轉矩互相抵消，所以總齒隙轉矩為零。
假設齒隙轉矩有每轉32次循環。當將具有軋制方向角度0°的芯和具有軋制方向角度45°的等量芯層疊時，作用于軋制方向角度0°的芯上的齒隙轉矩的相位α為0°，作用于軋制方向角度45°的芯上的齒隙轉矩的相位α為180°。由于軋制方向角度0°的芯和軋制方向角度45°的芯數量相等，所以t＝0.5。因此，∑αt＝0°×0.5+180°×0.5＝90°這對應于上述表達式中β＝0°的情況。
圖15表示磁芯的該組合。在圖15中，將軋制方向角度0°、相位α＝0°的芯(a)和軋制方向角度45°、相位α＝180°的芯(b)層疊，其中布置芯數(a)和芯數(b)，使得芯(a)的總高度與層壓芯整個長度的比率和芯(b)的總高度與層壓芯整個長度的比率分別為t1和t2。
當包括相位差±β時，總齒隙轉矩雖然不為零但減小為(cos(β))/2。例如，當β＝45°時，通過疊加該齒隙轉矩，總齒隙轉矩減小約30％(圖14d)，當β＝20°時，通過疊加該齒隙轉矩，總齒隙轉矩減小更多(圖14e)。
雖然在該實例中疊加兩類磁芯，但是可疊加更多類的磁芯。
接著，將描述如何從芯材料沖壓它們以制造芯。
在本發明中，具有不同軋制方向的多個芯由沖壓機構形成。
在用于制造具有不同軋制方向的芯的第一方式中，作為芯材料的軋制電磁鋼片相對于成套沖模旋轉規定角度，實施沖壓。電動機制造設備通過其機架內部設置的進給機構旋轉芯材料，并通過沖壓成套沖模沖壓芯，使得芯具有以規定角度傾斜的軋制方向。
圖16a和16b是用于說明在該第一方式中如何制造芯的圖。在圖16a中，在磁性材料的軋制方向相對于成套沖模以規定角度設置后，芯由沖壓成套沖模沖壓。在圖16a的圖(a2)中，參考標記5A表示沖壓成套沖模。在轉子芯1a由沖壓成套沖模5A沖壓后，由機架內部的進給機構以規定角度旋轉芯材料，所以以與以前沖壓的芯不同的軋制方向沖壓芯，如圖16b所示。在圖16b的圖(b2)中，沖壓成套沖模5A’與沖壓成套沖模5A相同。電動機制造設備在其進給機構中包括用于以規定角度旋轉芯材料并沖壓芯的沖壓機構。
在用于制造具有不同軋制方向的芯的第二方式中，相對于作為芯材料的軋制電磁鋼片以規定角度旋轉沖壓成套沖模，并實施沖壓。電動機制造設備通過其機架內部設置的進給機構旋轉沖壓成套沖模，并通過沖壓成套沖模沖壓芯，使得芯具有以規定角度傾斜的軋制方向。
圖17a和17b是用于說明在該第二方式中如何制造芯的圖。在圖17a中，在沖壓成套沖模相對于芯材料的軋制方向以規定角度設置后，芯由沖壓成套沖模沖壓。在圖17a的圖(a2)中，參考標記5A表示沖壓成套沖模。在轉子芯1a由沖壓模具5A沖壓后，由機架內部的進給機構以規定角度旋轉沖壓成套沖模，所以以與以前沖壓的芯不同的軋制方向沖壓芯，如圖17b所示。在圖17b的圖(b2)中，沖壓成套沖模5A’與沖壓成套沖模5A相同。電動機制造設備在其進給機構中包括用于以規定角度旋轉沖壓成套沖模并沖壓芯的沖壓機構。
在用于制造具有不同軋制方向的芯的第三方式中，準備在相對于作為芯材料的軋制的電磁鋼片不同角度設置的多個沖壓沖模組合，芯由這些沖模組合沖壓，使得最終的芯具有不同的方位。電動機制造設備具有在相對于軋制材料不同角度設置的多個沖壓沖模組合。
圖18a和18b是用于說明在該第三方式中如何制造芯的圖。在圖18a中，在沖壓成套沖模相對于芯材料的軋制方向以規定角度設置后，芯由沖壓成套沖模沖壓。在圖18a和18b的圖(a2)和(b2)中，參考標記5A和5B表示沖壓沖模組合。轉子芯1a由沖壓沖模組合5A和5B沖壓，使得最終的芯1a具有在相對于軋制方向為不同角度的方位。
層壓芯通過形成具有以規定角度的一半傾斜的方位的芯并成對使用它們來制造。
圖19表示用于說明制造具有傾斜規定角度的一半的方位的芯的第一方式。在該方式中，準備用于沖壓轉子或定子形狀的成套沖模相對于軋制方向以規定角度一半傾斜，由該成套沖模沖壓的芯成對使用，使得不轉動的芯和轉動的芯形成一對。
在圖19中，設置具有相對于芯材料的軋制方向以規定角度的一半傾斜的方位的成套沖模。芯材料被導入該成套沖模中，沖壓芯。在圖19中，參考標記5A表示成套沖模。已沖壓的芯1a具有以規定角度的一半傾斜的方定。
層壓芯通過層疊成對芯來形成，使得不轉動的磁芯和轉動的芯形成一對。由此，在成對層疊的芯的方位之間，存在規定角度差。
圖20表示用于說明制造具有以規定角度的一半傾斜的方位的芯的第二方式。在該方式中，成套沖模或芯材料相對于軋制方向以規定角度的一半設置，并進行沖壓。如此制造的芯成對使用，使得不轉動的芯和轉動的芯形成一對。
在圖20中，芯材料4a相對于芯材料的軋制方向以規定角度的一半設置，并沖壓芯。在圖20中，參考標記5A表示沖壓成套沖模，相對于軋制方向傾斜的芯材料4a被導入其中，并沖壓芯。已沖壓的芯1a具有在相對于軋制方向為規定角度的一半的方定。
層壓芯通過成對層疊芯形成，使得不轉動的芯和轉動的芯形成一對。由此，在成對層疊的芯的方位之間，存在規定角度差。
接著，說明如何以順序沖模沖壓轉子芯和定子芯。順序沖模具有多個布置于環繞材料沖壓行進的方向上的加工臺，并且在每個工作臺上用一套成套沖模進行沖壓。圖21是用于說明如何用傳統的順序沖模來沖壓轉子芯和定子芯的圖。
在圖21中，用于沖壓轉子芯的成套沖模布置于第一臺加工臺A，用于沖壓定子芯的成套沖模布置于第二臺加工臺B。使用該順序沖模來形成轉子芯和定子芯，使得轉子芯在第一臺加工臺A沖壓且定子芯在第二臺加工臺B沖壓。當整體觀察順序沖模時，一個轉子芯和一個定子芯用沖壓的一個動作在同時進行沖壓。因此，每單位時間制造的芯數量兩倍于分別沖壓轉子芯和定子芯。引導孔6形成于環繞材料(電磁鋼片)4上以用于定位。
在上面描述的實例中，轉子芯和定子芯在一個加工臺上形成。然而，每一轉子芯和定子芯可用分別用來制造芯的局部的多個加工臺形成。例如，為了制造轉子芯，提供一個加工臺用來沖壓軸孔，提供一個加工臺用來沖壓磁鐵孔，提供一個加工臺用來沖壓轉子輪廓。為了制造定子芯，提供一個加工臺用來沖壓定子中心孔，提供一個加工臺用來沖壓槽，提供一個加工臺用來沖壓定子固定孔，并提供一個加工臺用來沖壓定子輪廓。
接著，將描述本發明應用于上述順序沖模的實例。
圖22是用于說明應用本發明的順序沖模的實例的圖。在該實例中，三個加工臺A、B和C布置于環繞材料(電磁鋼片)4行進的方向上。在第一加工臺A上設有用于沖壓具有旋轉0°的方位(稱為“0°旋轉的轉子芯”)的轉子芯的成套沖模，在第二加工臺B上設有用于沖壓具有旋轉α的方位(稱為“α旋轉的轉子芯”)的轉子芯的成套沖模，在第三加工臺C上設有用于沖壓定子芯的成套沖模。
以對應于一個加工臺的長度進給環繞材料4并將其導入順序沖模中。用順序沖模在兩個階段進行沖壓。在第一階段，0°旋轉的轉子芯在第一加工臺A上沖壓且定子芯在第三加工臺C上沖壓，但是轉子芯的沖壓在第二加工臺B上不進行。由此，形成了0°旋轉的轉子芯和定子芯。
在第二階段，α旋轉的轉子芯在第二加工臺B上沖壓且定子芯在第三加工臺C上沖壓，但是轉子芯的沖壓在第一加工臺A不進行。由此，形成了α旋轉的轉子芯和定子芯。在第一階段和第二階段實行沖壓的加工臺由控制裝置進行控制(未示出)。
使用該順序沖模，成功形成了0°旋轉的轉子芯(具有相對于環繞材料的軋制方向旋轉0°的方向的芯)、α旋轉的轉子芯(具有相對于環繞材料的軋制方向旋轉α的方向的芯)和定子芯。電動機芯可通過對齊和層疊如此形成的轉子芯并層疊如此形成的定子芯來制造。
在應用本發明的順序沖模的該實例中，雖然加工臺數量增加，但是每單位時間制造的芯數量可保持在與普通情況相同的水平。因此，在保持產量的同時，可制造具有相對于軋制方向為不同角度的方位的轉子芯。
上述規定角度的大小可對應于轉子旋轉時產生的多個齒隙轉矩的振蕩。考慮實際的磁性分布，只要確保期望的齒隙轉矩的降低，角度可略大于或小于通過計算公式所確定的大小。
由此，在本發明中，層壓芯中的芯所旋轉的角度的大小可以通過公式確定，具有確保期望的齒隙轉矩降低的可接受的偏差。
磁各向異性的一個原因是電磁鋼片的晶體取向。根據本發明的上述布置可用于減小電磁鋼片的晶體取向所導致的磁各向異性。例如，電磁鋼片的晶體取向所導致的磁各向異性所產生的齒隙轉矩可通過成對使用晶體取向旋轉規定角度的電磁鋼片和晶體取向沒有旋轉的電磁鋼片來減小，并使用通用成套沖模。此外，通過用使用已具有以規定角度或規定角度的一半傾斜的方向的沖壓成套沖模來實行沖壓，或使用設置在規定角度或規定角度的一半的沖壓成套沖模或芯材料并層磁芯，減小晶體取向所導致的磁各向異性，由此減小齒隙轉矩。
在使用順序沖模制造芯的情況下，為了以規定角度旋轉成套沖模來減小磁各向異性所導致的齒隙轉矩，通常需要兩倍數量的加工臺。加工臺數量的提高使得順序沖模的整個長度變長，因此不能使用普通的沖壓機來沖壓芯。就此而論，加工臺數量可通過布置來減小，使得可共享不需要旋轉成套沖模的加工臺。
在順序沖模中，在沖壓芯后，規定數量的芯層疊成一組。如果不進行處理，則包括具有正常方位的芯和具有旋轉規定角度的方位的芯的該芯疊層不能用作具有整齊輪廓的層壓芯。因此，當疊層時，需要用于旋轉具有旋轉方位的芯使得它們的控制桿位置或輪廓與具有正常方位的芯對齊的加工臺。該加工臺使具有以規定角度旋轉的方向的芯在相反方向旋轉相同角度。在兩個加工臺提供一個形狀的情況下，設有用于旋轉并對齊在兩個加工臺上沖壓并層疊的芯的加工臺。
如圖23所示，當使用順序沖模制造芯時，為減小磁各向異性所導致的齒隙轉矩，芯可用旋轉規定角度一半設置的成套沖模來制造。通過層疊如此成對形成的芯，使得不轉動的芯和轉動的芯形成一對，可減小磁各向異性所導致的齒隙轉矩。在這種情況下，在該順序沖模中加工臺的數量與傳統沖模中的加工臺數量相同，因此，順序沖模的整個長度與傳統沖模的整個長度相同。由此，芯可用傳統沖壓機沖壓。
權利要求
1.一種電動機，具有通過層疊由電磁鋼片的軋制材料制成的多張芯板而形成的層壓芯結構，其特征在于，在以根據設置在層壓芯結構中的槽數或極數所確定的機器角度進行角位移的電磁鋼片的軋制方向上層疊所述芯板，使得由芯板的磁各向異性所產生的齒隙轉矩的相位差實質上為180°。
2.一種電動機，具有通過層疊由電磁鋼片的軋制材料制成的多張芯板而形成的層壓芯結構，其特征在于，在以相對于參考角度以機器角度進行角位移的電磁鋼片的各軋制方向上層疊相同數量的芯板，使得通過芯板的磁各向異性生產的齒隙轉矩的相位差，齒隙轉矩的每個相位α由(360n/s)mod{360/(m·s)}×m·s表示，其為通過將每個槽或極的角度(360n/s)除以齒隙轉矩的一個循環的角度360/(m·s)所得的余數乘以m·s而獲得的值，m·s是齒隙轉矩每轉的循環數，其中，s是層壓芯結構中設置的槽數或極數，m和n是自然數；并且確定所述機器角度，使得齒隙轉矩的相位差實質上為180°，并且具有通過連接槽或極的各角度的相位得到的齒隙轉矩的相位和軋制方向的機器角度之間的大體直線關系。
3.根據權利要求2所述的電動機，其特征在于，通過將在齒隙轉矩的相位和軋制方向的機器角度之間具有大體直線關系的機器角度上的各相位α乘以芯板的比率t而得到的積的總和∑αt在具有通過90°乘以奇數而得到的中心值的預定范圍內，其中，比率t是具有以機器角度進行角位移的軋制方向的芯板厚度與層壓芯結構的整個厚度的比率。
4.根據權利要求2所述的電動機，其特征在于，確定自然數m，使得齒隙轉矩的每轉循環數m·s接近于層壓芯結構的極數或槽數，從而齒隙轉矩互相抵消。
5.根據權利要求3所述的電動機，其特征在于，預定范圍關于中心值從-45°到+45°。
6.根據權利要求3所述的電動機，其特征在于，芯板包括兩種具有電磁鋼片的軋制方向互不相同的芯板，并且每種芯板的比率t是0.5。
7.根據權利要求1或2所述的電動機，其特征在于，考慮齒隙轉矩的基本波長分量和高次諧波分量確定軋制方向的機器角度。
8.一種用于制造電動機的設備，該電動機具有由電磁鋼片的軋制材料制成的多張芯板而形成的層壓芯結構，其特征在于，包括沖壓機構，用于通過相對于成套沖模角位移軋制電磁鋼片來沖壓軋制電磁鋼片，由此多張芯板具有如權利要求1所述的以機器角度進行角位移的電磁鋼片的軋制方向。
9.根據權利要求8所述的用于制造電動機的設備，其特征在于，所述沖壓機構包括順序沖模裝置，該順序沖模裝置包括成套沖模相互以機器角度進行角位移的角位移工作臺。
10.根據權利要求9所述的用于制造電動機的設備，其特征在于，順序沖模裝置進一步包括具有用于沖壓具有軋制方向不進行角位移的芯板的成套沖模的通用工作臺。
11.根據權利要求10所述的用于制造電動機的設備，其特征在于，所述角位移工作臺沖壓具有由相對較小的每轉基本形狀的重復數所規定的形狀的芯板，通用工作臺沖壓具有由相對較大的每轉基本形狀的重復數所規定的形狀的芯板。
12.根據權利要求8所述的用于制造電動機的設備，其特征在于，進一步包括用于旋轉并對齊在提供一種形狀的兩種加工臺上沖壓的芯板的加工臺。
13.根據權利要求8所述的用于制造電動機的設備，其特征在于，芯板由具有晶體取向以機器角度互不相同的電磁鋼片制成。
14.根據權利要求8所述的用于制造電動機的設備，其特征在于，電磁鋼片具有相對于電磁鋼片的軋制方向以機器角度的一半進行角位移的晶體取向，將已沖壓的芯板以半數的沖壓芯板被轉動的方式層疊，使得芯板具有以機器角度進行角位移的晶體取向。
15.根據權利要求8所述的用于電動機的設備，其特征在于，所述成套沖模布置成相對于電磁鋼片的軋制方向以機器角度的一半進行角位移，將已沖壓的芯板以半數的沖壓芯板被轉動的方式層疊，使得芯板具有以機器角度進行角位移的電磁鋼片的軋制方向。
16.根據權利要求8所述的用于制造電動機的設備，其特征在于，在相對于成套沖模以機器角度的一半進行角位移的軋制方向上向成套沖模進給電磁鋼片，將已沖壓的芯板以半數的沖壓芯板被轉動的方式層疊，使得芯板具有以機器角度進行角位移的軋制方向。
全文摘要
本發明涉及可減小取決于定子齒部的齒隙轉矩的電動機和用于制造該電動機的電動機制造設備。設置層疊芯的軋制方向的角度以使芯上產生的齒隙轉矩的相位之間的差為180°，由此芯上產生的齒隙轉矩互相抵消，從而減小電動機中的總齒隙轉矩。電動機包括通過層疊由電磁鋼片制的多個芯而形成的層壓芯。形成層壓芯的芯具有以依據槽數和/或極數確定的規定的機器角度而互不相同的軋制方向，其中規定的機器角度是在芯的磁各向異性和取決于電動機槽數和/或極數的齒部布局所導致的齒隙轉矩的相位之間產生180°相位差的角度。
文檔編號H02K15/02GK1819402SQ20061000226
公開日2006年8月16日 申請日期2006年1月27日 優先權日2005年1月27日
發明者山本致良, 前田拓也 申請人:發那科株式會社