CN110247490B - 马达 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够适当地保持被施加离心力的磁铁单元并可靠地进行磁铁单元的旋转的马达。该马达具备：旋转轴；磁铁单元，其固定于旋转轴，并与旋转轴一起旋转；以及线圈单元，其在旋转轴的轴向上与磁铁单元对置，磁铁单元具有：磁铁环，其沿旋转轴的周向排列地设置有多个磁铁；以及保持环(32)，其设置于磁铁环的外周侧，并用于保持磁铁环，保持环(32)包含复合材料，该复合材料是使包含沥青系碳纤维和PAN系碳纤维的碳纤维浸渍树脂而成的材料，在保持环的外周侧的部位中，沥青系碳纤维的体积的比例比PAN系碳纤维的体积的比例高，而另一方面，在保持环的内周侧的部位中，PAN系碳纤维的体积的比例比沥青系碳纤维的体积的比例高。

Description

马达

技术领域

本发明涉及一种马达。

背景技术

以往，已知有相对于安装于轴的转子板，沿周向配置有多个磁铁的马达的转子(例如，参照专利文献1)。该转子板由形成于从轴延伸的背板的外侧的轮辋以及设置于轮辋的外侧的约束带保持。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利申请公开第2016/0329785号说明书

发明内容

发明要解决的课题

关于专利文献1的转子，在高速旋转时，多个磁铁被施加较大的离心力。因此，在专利文献1的转子中，设置有克服对磁铁的离心力的约束带。在此，考虑使用复合材料来构成约束带，但在约束带的内周侧与外周侧的环向应力不同，具体而言，约束带的内周侧的环向应力比外周侧的大。因此，存在利用约束带而无法适当地进行磁铁的保持的可能性。

因此，本发明的课题在于，提供一种能够适当地保持被施加离心力的磁铁单元并且可靠地进行磁铁单元的旋转的马达。

用于解决课题的技术方案

本发明的马达的特征在于，其具备：旋转轴；磁铁单元，其固定于所述旋转轴，并与旋转轴一起旋转；以及线圈单元，其在所述旋转轴的轴向上与所述磁铁单元对置，所述磁铁单元具有：磁铁环，其沿所述旋转轴的周向排列地设置有多个磁铁；以及保持环，其设置于所述磁铁环的外周侧，并用于保持所述磁铁环，所述保持环包含复合材料，该复合材料是使包含沥青系碳纤维和PAN系碳纤维的碳纤维浸渍树脂而成的材料，在所述保持环的外周侧的部位中，所述沥青系碳纤维的体积的比例比所述PAN系碳纤维的体积的比例高，而另一方面，在所述保持环的内周侧的部位中，所述PAN系碳纤维的体积的比例比所述沥青系碳纤维的体积的比例高。

根据该结构，在保持环的内周侧的部位能够较多的配置高强度的PAN系碳纤维，在保持环的外周侧的部位能够较多地配置高弹性的沥青系碳纤维。因此，即使是在保持环的内周侧的部位中的环向应力较大的情况下，也能够通过高强度的PAN系碳纤维来克服环向应力，而且，通过在外周侧较多地配置高弹性的沥青系碳纤维，从而能够使环向应力的应力分布均衡。另外，即使是在保持环的外周侧的部位因环向应力导致的变形量较大的情况下，也能够通过高弹性的沥青系碳纤维而允许变形。由此，能够通过保持环适当地保持被施加离心力的磁铁环，因此，能够可靠地进行磁铁单元的旋转。

另外，优选的是，所述保持环具有：沥青层，其作为外周侧的部位，并由所述沥青系碳纤维构成；PAN层，其作为内周侧的部位，并由所述PAN系碳纤维构成；以及混合层，其作为所述沥青层与所述PAN层之间的部位，并且是包含所述沥青系碳纤维以及所述PAN系碳纤维的层。

根据该结构，能够从保持环的内周侧朝向外周侧灵活地变更PAN系碳纤维以及沥青系碳纤维的体积的比例来进行配置，因此，能够针对施加于保持环的环向应力而使PAN系碳纤维以及沥青系碳纤维的体积的比例变得适当。

另外，优选的是，所述保持环在整个周向上配置有强化纤维基材，并且所述强化纤维基材从内周侧至外周侧一层一层地层叠，在各层的所述强化纤维基材的端部彼此之间形成拼接部，所述强化纤维基材以使邻接的层的所述强化纤维基材的所述拼接部在周向上相位不同的方式配置。

根据该结构，在保持环的周向上，强化纤维基材的端部彼此的拼接部在周向上不处于相同的位置，因此，能够抑制因拼接部重合而导致的保持环的强度降低。

另外，优选的是，所述磁铁单元还具有覆盖所述磁铁环和所述保持环的保护罩，所述保护罩包含使所述沥青系碳纤维浸渍树脂而成的复合材料。

根据该结构，能够通过保护罩来一体地保持磁铁环和保持环。另外，通过设置保护罩，能够使磁铁单元的外表面变得平滑，从而能够提高在磁铁单元旋转时的空气动力特性。

另外，优选的是，所述磁铁单元还具有泡沫材料，所述泡沫材料设置于所述保持环的外周侧，并且设置于所述保护罩的内周侧，所述泡沫材料是不使所述保护罩形成弯曲部的形状。

根据该结构，通过设置泡沫材料，从而在保护罩不形成弯曲部，因此，能够通过保护罩可靠地覆盖磁铁环、保持环以及泡沫材料。

另外，优选的是，所述磁铁单元还具有设置于所述磁铁环的内周侧并且设置于所述磁铁环与所述旋转轴之间的支承构件。

根据该结构，能够通过支承构件适当地将磁铁环的中心与旋转轴的中心定位，从而将磁铁单元配置于旋转轴。需要说明的是，支承构件为了实现轻型化，例如，也可以应用使用了线材的轮辐结构、格子结构或者使用了泡沫材料的结构等。

另外，优选的是，所述磁铁环包括：多个磁铁，其沿所述旋转轴的周向排列而设置；以及磁铁引导件，其形成有分别收容多个所述磁铁的多个收容孔，所述磁铁引导件具有沿所述旋转轴的轴向层叠的多个板。

根据该结构，即使是难以进行切削加工的磁铁引导件，也可以通过层叠多个板而容易地形成磁铁引导件。需要说明的是，板例如是非磁性体的金属板。

另外，优选的是，所述马达还具备在内部***述旋转轴、所述磁铁单元以及所述线圈单元并且设置于所述线圈单元的外周侧的外壳，所述线圈单元设置有用于固定在所述外壳的安装部。

根据该结构，能够借助于安装部而将线圈单元固定于外壳。

附图说明

图1是示意性示出本实施方式的马达的示意图。

图2是示意性示出本实施方式的马达的一部分的示意图。

图3是示出本实施方式的马达的磁铁单元的剖面的立体图。

图4是与对保持环施加的环向应力有关的说明图。

图5是示出保持环的层叠结构的说明图。

图6是示意性示出磁铁引导件的立体图。

图7是与磁铁单元的成形有关的说明图。

附图标记说明：

1...马达；10...旋转轴；11...外壳；12...磁铁单元；13...线圈单元；15...轴承；21...位置限制部；22...位置限制部的紧固孔；31...磁铁环；32...保持环；33...泡沫环；34...支承环；35...保护罩；41...磁铁引导件；42...磁铁；43...收容孔；45...金属板；51...碳纤维片；52...拼接部；55...PAN层；56...混合层；57...沥青层；59...支承环的紧固孔；61...线圈；62...覆盖部；63...凸缘部。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施方式进行具体地说明。需要说明的是，该实施方式并不限定本发明。另外，下述实施方式中的构成要素包含本领域技术人员能够且容易替换的要素、或者实质上相同的要素。此外，以下所记载的构成要素能够适当组合，另外，在具有多个实施方式的情况下，也能够将各实施方式组合。

[本实施方式]

本实施方式的马达1是在线圈未设置铁心的无芯马达，并且是将作为定子的线圈单元13以及设置于线圈单元13的两侧的作为转子的两个磁铁单元12作为一段而在轴向上具有多段的多段无芯马达结构的马达。该马达1是为了实现高输出化而使作为转子的磁铁单元12的周向速度为高速(例如，接近1马赫的值)的高速旋转用马达。

图1是示意性示出本实施方式的马达的示意图。图2是示意性示出本实施方式的马达的一部分的示意图。图3是示出本实施方式的马达的磁铁单元的剖面的立体图。图4是与对保持环施加的环向应力有关的说明图。图5是示出保持环的层叠结构的说明图。图6是示意性示出磁铁引导件的立体图。图7是与磁铁单元的成形有关的说明图。

如图1所示，马达1具备旋转轴10、外壳11、磁铁单元12、线圈单元13以及轴承15。

旋转轴10形成为中心呈中空的圆筒形状。如图2所示，在该旋转轴10设置有用于固定磁铁单元12的位置限制部21。位置限制部21在旋转轴10的外周突出而设置，限制磁铁单元12向轴向的移动。如图2所示，位置限制部21相对于邻接的两个磁铁单元12而配置于轴向的两侧，两个位置限制部21在轴向上的间隔为两个磁铁单元12在轴向上的长度。另外，在位置限制部21分别贯通形成有沿轴向延伸的紧固孔22，通过未图示的紧固构件插穿于该紧固孔22来紧固于磁铁单元12，从而限制磁铁单元12向周向的移动，并将磁铁单元12固定于旋转轴10。而且，旋转轴10能够与磁铁单元12一起沿周向旋转。

外壳11设置为在内部收容旋转轴10，并包围旋转轴10的外周侧。在该外壳11的内侧安装有线圈单元13。

轴承15设置于外壳11与旋转轴10之间，并设置于旋转轴10的轴向的两侧。两个轴承15能够旋转地轴支承旋转轴10。

磁铁单元12固定于旋转轴10，并且沿旋转轴10的轴向排列地设置有多个。关于磁铁单元12，如图2所示，将邻接的两段的无芯马达结构中的邻接的两个磁铁单元12作为一组进行配置。需要说明的是，多个磁铁单元12为相同的结构，因此，以下对一个磁铁单元12进行说明。

如图2以及图3所示，磁铁单元12从内周侧依次具有支承环34、磁铁环31、保持环32以及泡沫环33，这些构件由保护罩35覆盖。

如图6所示，磁铁环31包括沿旋转轴10的周向排列设置的多个磁铁42以及保持多个磁铁42的磁铁引导件41。多个磁铁42分别是永磁铁，各磁铁42是内周侧的长度较短而外周侧的长度较长的大致扇形的形状。各磁铁42在轴向的一侧为正极及负极中的一方的磁极，在轴向的另一侧为正极及负极中的另一方的磁极。磁铁引导件41为呈圆环形状的非磁性体的构件，在周向上排列地形成有分别收容多个磁铁42的多个收容孔43。收容孔43是与磁铁42互补的形状，且是内周侧的长度较短而外周侧的长度较长的大致扇形的形状。该磁铁引导件41层叠多个金属板45而形成。金属板45通过利用冲头等冲孔加工相当于收容磁铁42的收容孔43的部位，并在板厚方向上层叠多个冲孔加工后的金属板45，从而形成磁铁引导件41。

如图2以及图3所示，保持环32设置于磁铁环31的外周侧，用于保持磁铁环31。保持环32使用包含碳纤维以及浸渍于碳纤维的树脂的复合材料而构成，该碳纤维包含沥青系碳纤维和PAN系碳纤维。保持环32中包含的碳纤维是其纤维方向为周向的碳纤维的体积的比例最高，例如为50％以上。该保持环32利用以碳纤维为长丝并使用该长丝而形成的长丝缠绕、或者以碳纤维为薄片并使用该薄片而形成的薄片缠绕等方法来成形。

在此，如图4所示，该保持环32在因磁铁单元12旋转而作用的离心力的作用下被施加环向应力。作用于保持环32的环向应力在保持环32的内周侧变大，并朝向保持环32的外周侧变小。为了使该环向应力均衡，保持环32在外周侧的部位增加沥青系碳纤维的体积的比例，在内周侧的部位增加PAN系碳纤维的体积的比例。在此，沥青系碳纤维是与PAN系碳纤维相比具有高弹性的碳纤维，另外，PAN系碳纤维是与沥青系碳纤维相比具有高强度的碳纤维。

具体而言，保持环32为如图4所示那样沿径向具有两层的两层结构、或者为如图5所示那样沿径向具有三层的三层结构。需要说明的是，图4及图5所示的保持环32为一例的结构，不受特别限定，也可以是多层的结构，还可以是使沥青系碳纤维以及PAN系碳纤维的体积的比例在径向上连续地变化的结构。也就是说，保持环32只要是在外周侧的部位中的沥青系碳纤维的体积的比例较高、在内周侧的部位中的PAN系碳纤维的体积的比例较高的结构，则可以是任意结构。

图4所示的保持环32具有作为内周侧的部位的PAN层55以及设置于PAN层55的外周侧的作为外周侧的部位的沥青层57。PAN层55所使用的碳纤维全部为PAN系碳纤维。另外，沥青层57所使用的碳纤维全部为沥青系碳纤维。PAN层55的层厚与沥青层57的层厚大致相同，但也可以根据所要求的性能设为不同的厚度。

图5所示的保持环32具有作为内周侧的部位的PAN层55、作为外周侧的部位的沥青层57以及作为PAN层55与沥青层57之间的部位的混合层56。PAN层55与沥青层57与图4相同，因此省略说明。混合层56为所使用的碳纤维包含PAN系碳纤维以及沥青系碳纤维的层，例如，PAN系碳纤维的体积的比例以及沥青系碳纤维的体积的比例分别为50％。

接下来，参照图5对保持环32的碳纤维的层叠结构进行说明。在图5中，利用层叠呈薄片状的碳纤维片(强化纤维基材)51的所谓的薄片缠绕法来形成保持环32。需要说明的是，图5中所使用的碳纤维片51是使碳纤维浸渍了树脂而得的所谓的预浸渍体，但不特别限定于该结构，也可以应用未浸渍树脂的干燥状态的碳纤维片或者碳纤维长丝，并在后续工序浸渍树脂。

在图5的保持环32中，通过在沿周向卷绕一张碳纤维片51，从而形成单层的层叠结构，并且，通过在径向上层叠多层该单层的层叠结构，从而分别形成作为层叠体的PAN层55、混合层56以及沥青层57。在此，在沿周向卷绕的一张碳纤维片51的端部彼此之间形成作为间隙的拼接部52。也就是说，相对于单层的层叠结构而形成一个拼接部52，因此，由于层叠多层，从而形成多个拼接部52。若该拼接部52在径向上连续地设置，则导致保持环32在周向上的强度降低，因此，保持环32中形成的多个拼接部52以在周向上相位不同的方式配置。也就是说，多个拼接部52以在周向上隔开预定间隔的方式排列配置。在周向上的拼接部52彼此的间隔例如为25mm以上。

泡沫环33设置于保持环32的外周侧，是使磁铁单元12的外形形状成为容易由后述的保护罩35覆盖的形状的构件。泡沫环33为了实现轻型化而使用了泡沫材料，作为泡沫材料，例如具有导热性较高且为非磁性体的金属泡沫材料(或者多孔质材料)、或者含有用于提高导热性的纤维状构件的树脂泡沫材料等。该泡沫环33在与周向正交的面上所剖切的剖面呈半圆形状或者半椭圆形状。也就是说，泡沫环33的内周侧的面是与保持环32的外周面互补的形状的面，外周侧的面是朝向外周侧凸出的圆弧状的面。通过设为上述那样的形状，泡沫环33是使保护罩35没有形成(不形成)弯曲部的形状。

支承环34设置于磁铁环31的内周侧，且设置于磁铁环31与旋转轴10之间。支承环34以使磁铁环31的轴心与旋转轴10的轴心重合的方式将磁铁环31支承于旋转轴10。支承环34为了实现轻型化而使用了与泡沫环33相同的泡沫材料。需要说明的是，支承环34应用了泡沫材料，但并不局限于该结构。支承环34只要是能够实现轻型化的结构，则可以是任意结构，例如，也可以应用使用了线材的轮辐结构、格子结构等。在支承环34设置有紧固孔59，该紧固孔59以在轴向上与形成于旋转轴10的位置限制部21的紧固孔22重合的方式贯通形成。并且，位置限制部21的紧固孔22及支承环34的紧固孔59被未图示的紧固构件插穿而紧固，从而磁铁单元12固定于旋转轴10。

保护罩35覆盖磁铁环31、保持环32、泡沫环33以及支承环34，并在轴向上保持这些环，从而使这些环成为一体。需要说明的是，在图3中，保护罩35仅图示了一部分。保护罩35使用包含沥青系碳纤维的复合材料而形成，沥青系碳纤维是与PAN系碳纤维相比热传导率较高的碳纤维。因此，保护罩35促使磁铁单元12中产生的热量向外部释放，抑制磁铁单元12的温度上升，并且抑制磁铁42的性能下降。另外，保护罩35形成为其外表面为平滑的面，从而实现在磁铁单元12旋转时空气动力特性的提高。需要说明的是，该保护罩35通过将在轴向的中央被分割的部分在轴向上重合而成为一体，从而覆盖各环。

线圈单元13固定于外壳11，沿旋转轴10的轴向排列地设置有多个。针对一段的无芯马达结构，线圈单元13在两个磁铁单元12之间设置有一个，并且在图2中，线圈单元13配置于邻接的两个磁铁单元12的两侧。需要说明的是，多个线圈单元13也为相同的结构，因此，以下对一个线圈单元13进行说明。

如图2所示，线圈单元13具有线圈61、覆盖线圈61的覆盖部62以及用于安装于外壳11的凸缘部(安装部)63。线圈61例如是填充树脂并与树脂一体形成的构件，通过赋予电流而产生磁场。覆盖部62覆盖线圈61的周围，并与凸缘部63相接而设置。凸缘部63设置于线圈61的外壳11侧、即旋转轴10的外周侧，并以从线圈61向轴向两侧突出的方式设置。在该凸缘部63设置有未图示的紧固孔，通过将紧固构件插穿紧固孔而使凸缘部63与外壳11紧固，从而将线圈单元13固定于外壳11。

在此，覆盖部62与凸缘部63由复合材料一体形成，为了使线圈61与外壳11之间绝缘，作为复合材料，应用了对玻璃纤维浸渍了树脂而得的GFRP(Glass Fiber ReinforcedPlastic：玻璃纤维增强塑料)。

接下来，参照图7，对与磁铁单元12的一体成形有关的一系列的处理进行说明。首先，使用粘结剂将磁铁环31与保持环32接合而使其成为一体。磁铁环31是金属，因此，通过将磁铁环31暂时冷却而使其收缩，并在收缩后的磁铁环31的外周面与保持环32的内周面之间涂敷粘结剂，从而使磁铁环31与保持环32嵌合。然后，通过对磁铁环31加温，磁铁环31膨胀，从而磁铁环31与保持环32成为一体。

如上所述，根据实施方式1，在保持环32的内周侧的部位能够较多地配置高强度的PAN系碳纤维，并且在保持环32的外周侧的部位能够较多地配置高弹性的沥青系碳纤维。因此，即使是在保持环32的内周侧的部位中的环向应力较大的情况下，也能够通过高强度的PAN系碳纤维来克服环向应力，而且，通过在外周侧较多地配置高弹性的沥青系碳纤维，从而能够使环向应力的应力分布均衡。另外，即使是在保持环32的外周侧的部位中的因环向应力导致的变形量较大的情况下，也能够通过高弹性的沥青系碳纤维而允许变形。由此，能够通过保持环32适当地保持被施加离心力的磁铁环31，因此，能够可靠地进行磁铁单元12的旋转。

另外，根据实施方式1，如图5所示，通过在PAN层55与沥青层57之间设置混合层56，从而能够从保持环32的内周侧朝向外周侧灵活地变更PAN系碳纤维以及沥青系碳纤维的体积的比例来进行配置，因此，能够针对施加于保持环32的环向应力而使PAN系碳纤维以及沥青系碳纤维的体积的比例变得适当。

另外，根据实施方式1，形成于保持环32的拼接部52在周向上不配置于相同的位置、即在径向上不重合，因此，能够抑制因拼接部52重合而导致的保持环32的强度降低。

另外，根据实施方式1，通过设置保护罩35，能够一体地保持包括磁铁环31以及保持环32在内的各环。另外，通过设置保护罩35，能够使磁铁单元12的外表面变得平滑，从而能够提高在磁铁单元12旋转时的空气动力特性。

另外，根据实施方式1，通过设置泡沫环33，从而在保护罩35不形成弯曲部，因此，能够通过保护罩35可靠地覆盖磁铁环31、保持环32以及泡沫环33。

另外，根据实施方式1，通过设置支承环34，从而能够适当地将磁铁环31的中心与旋转轴10的中心定位，从而将磁铁单元12配置于旋转轴10。

另外，根据实施方式1，通过层叠金属板45来形成磁铁引导件41，即使是难以进行切削加工的磁铁引导件41，也可以通过层叠多个金属板45而容易地形成磁铁引导件41。

另外，根据实施方式1，通过在线圈单元13设置有凸缘部63，从而能够借助于凸缘部63而将线圈单元13适当地固定于外壳11。

需要说明的是，在本实施方式中，对利用薄片缠绕法形成了保持环32的情况进行了说明，但也可以使用长丝缠绕法来形成图4的保持环32，在这种情况下，在卷绕长丝而形成了PAN层55之后，使PAN层55固化，然后，再次卷绕长丝而形成了沥青层57之后，使沥青层57固化。也就是说，在使用长丝缠绕法的情况下，可以一边针对各层进行局部固化一边形成保持环32。

Claims (8)

1.一种马达，其特征在于，其具备：

旋转轴；

磁铁单元，其固定于所述旋转轴，并与旋转轴一起旋转；以及

线圈单元，其在所述旋转轴的轴向上与所述磁铁单元对置，

所述磁铁单元具有：

磁铁环，其沿所述旋转轴的周向排列地设置有多个磁铁；以及

保持环，其设置于所述磁铁环的外周侧，并用于保持所述磁铁环，

所述保持环包含复合材料，该复合材料是使包含沥青系碳纤维和PAN系碳纤维的碳纤维浸渍树脂而成的材料，在所述保持环的外周侧的部位中，所述沥青系碳纤维的体积的比例比所述PAN系碳纤维的体积的比例高，而另一方面，在所述保持环的内周侧的部位中，所述PAN系碳纤维的体积的比例比所述沥青系碳纤维的体积的比例高。

2.根据权利要求1所述的马达，其特征在于，

所述保持环具有：

沥青层，其作为外周侧的部位，并由所述沥青系碳纤维构成；

PAN层，其作为内周侧的部位，并由所述PAN系碳纤维构成；以及

混合层，其作为所述沥青层与所述PAN层之间的部位，并且是包含所述沥青系碳纤维以及所述PAN系碳纤维的层。

3.根据权利要求1或2所述的马达，其特征在于，

所述保持环在整个周向上配置有强化纤维基材，并且所述强化纤维基材从内周侧至外周侧一层一层地层叠，在各层的所述强化纤维基材的端部彼此之间形成拼接部，

所述强化纤维基材以使邻接的层的所述强化纤维基材的所述拼接部在周向上相位不同的方式配置。

4.根据权利要求1或2所述的马达，其特征在于，

所述磁铁单元还具有覆盖所述磁铁环和所述保持环的保护罩，

所述保护罩包含使所述沥青系碳纤维浸渍树脂而成的复合材料。

5.根据权利要求4所述的马达，其特征在于，

所述磁铁单元还具有泡沫材料，所述泡沫材料设置于所述保持环的外周侧，并且设置于所述保护罩的内周侧，

所述泡沫材料是不使所述保护罩形成弯曲部的形状。

6.根据权利要求1或2所述的马达，其特征在于，

所述磁铁单元还具有设置于所述磁铁环的内周侧并且设置于所述磁铁环与所述旋转轴之间的支承构件。

7.根据权利要求1或2所述的马达，其特征在于，

所述磁铁环包括：

多个磁铁，其沿所述旋转轴的周向排列而设置；以及

磁铁引导件，其形成有分别收容多个所述磁铁的多个收容孔，

所述磁铁引导件具有沿所述旋转轴的轴向层叠的多个板。

8.根据权利要求1或2所述的马达，其特征在于，

所述马达还具备在内部***述旋转轴、所述磁铁单元以及所述线圈单元并且设置于所述线圈单元的外周侧的外壳，

所述线圈单元设置有用于固定在所述外壳的安装部。

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