專利名稱：永磁體電機和用于電機的永磁體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的目的是根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的電機，根據(jù)權(quán)利要求10的前序部分的用于電磁體的永磁體，以及根據(jù)權(quán)利要求13的前序部分的用于制造永磁體的方法。
背景技術(shù)：
永磁體常用于在電機中建立磁場。在永磁體電機中，永磁體被裝配到與電機的定子相距一氣隙距離的轉(zhuǎn)子中。永磁體被用于建立磁場，所述磁場的磁通量穿過氣隙到達(dá)定子。永磁體或者被裝配在轉(zhuǎn)子的表面上，或者被裝配在轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁框架內(nèi)部。轉(zhuǎn)子與定子之間的氣隙可以與電機的軸平行，或者在所述氣隙是徑向的情況下與該軸垂直。在具有徑向氣隙的電機中，轉(zhuǎn)子處于定子的內(nèi)部或外部。本發(fā)明特別涉及表面裝配的永磁體，以及利用永磁體磁化的并且具有徑向氣隙的電機。永磁體由處在電機軸方向上的一個或更多永磁體件構(gòu)成，并且電機的每一個磁極在接近電機的周緣方向上具有一個或更多平行永磁體件。電機可以具有外部轉(zhuǎn)子或內(nèi)部轉(zhuǎn)子，并且永磁體被裝配在朝向定子的轉(zhuǎn)子表面上。電機可以被設(shè)計成充當(dāng)發(fā)電機或電動機。 此外，電機具有相當(dāng)多的磁極，至少是十個，但是磁極數(shù)也可以是幾十個或者多達(dá)超過一百個磁極。電機的每磁極每相的典型溝槽數(shù)是一個或兩個。在電機中，其目的是在氣隙中建立在電機的磁極區(qū)域中盡可能均勻地變化的磁通量密度。磁通量密度在磁極中部是最高的，在朝向磁極邊緣移動時理想地根據(jù)正弦曲線減小，并且在磁極邊緣是零。如果氣隙輸入通量(influx)的分布與純弦形式偏差很大，則所述分布中的諧波會導(dǎo)致力矩振動。特別在其中每磁極每相的溝槽數(shù)是一個或兩個并且具有大量磁極的永磁體電機中，由于定子齒導(dǎo)致的磁導(dǎo)波動(permeance fluctuation)，空載會導(dǎo)致齒形力矩(cogging torque)。在負(fù)載下，在定子繞組中流動的電流會導(dǎo)致產(chǎn)生力矩波紋的通量。在負(fù)載下，所述齒形力矩與電流所導(dǎo)致的力矩波紋累加。規(guī)格確定指導(dǎo)方針是， 在空載期間使得齒形力矩不能超過標(biāo)稱力矩的1%。另一方面，在標(biāo)稱負(fù)載下，力矩波紋不能超過標(biāo)稱力矩的2%。比如基于稀土金屬的NdFeBo [釹鐵硼]磁體之類的強力永磁體通常被用在永磁體電機中。其優(yōu)選地提供足夠的磁場但是相對脆弱，將其精確地處理成預(yù)定形狀通常較為困難、耗時并且昂貴。把永磁體固定在轉(zhuǎn)子的彎曲表面上需要進(jìn)行處理?；蛘弑仨氈鸺艳D(zhuǎn)子表面處理成直的，或者必須把永磁體的下表面處理成凹的。除了被用于裝配的黏接之外，常常還必須利用磁極之間的固定裝置來固定永磁體。所述固定裝置在轉(zhuǎn)子的周緣方向上會侵占永磁體本身的寶貴空間。永磁體的規(guī)格對電機性能的影響是一個復(fù)雜的問題，其中有幾個因素常常會以沖突的方式影響結(jié)果。因此，最優(yōu)的結(jié)果是許多因素的組合效應(yīng)。先前已經(jīng)從已公開專利申請JP 01-234038中獲知永磁體電機，其中橫截面為六邊形形狀的永磁體被裝配在轉(zhuǎn)子表面上。轉(zhuǎn)子的外周緣在磁極處被處理成直的，在這種情況下，轉(zhuǎn)子框架的橫截面是多邊形。永磁體被定形成使得在永磁體的上表面上有直的中間段。所述中間段盡可能小，以便獲得最小齒形力矩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是開發(fā)一種新的永磁體結(jié)構(gòu)解決方案以及一種新的永磁體轉(zhuǎn)子，其中已經(jīng)消除了前面提到的問題，其制造起來較為便宜，并且在空載期間和負(fù)載下都滿足電機要求。為了實現(xiàn)這一點，所述永磁體電機的特征在于權(quán)利要求1的特征部分中所指明的特征。根據(jù)本發(fā)明的永磁體的特征在于權(quán)利要求10的特征部分中所指明的特征。所述用于制造永磁體電機的方法的特征在于權(quán)利要求13的特征部分中所指明的特征。本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例在從屬權(quán)利要求中限定。根據(jù)本發(fā)明的解決方案將同時實現(xiàn)所述氣隙流的所需正弦分布以及對于永磁體的便宜制造和最后加工。在多磁極電機中確保所述正弦性是特別重要的，其中每磁極和相的溝槽的繞組數(shù)是一個或兩個。在這些情況下，會突出溝槽諧波的有害影響。在技術(shù)上很難制造相對于其頂表面成純正弦的永磁體。相反，處理三個直平面表面相對容易。由于在任何情況下都必須在壓縮之后把永磁體的表面最后加工成其預(yù)期形式，因此工作級的數(shù)目不會顯著增多。為了能夠可靠地固定裝配在轉(zhuǎn)子外表面上的永磁體，永磁體的下表面和轉(zhuǎn)子芯的外表面必須相容。由于其尺寸較大，因此具有大量磁極和較大直徑的電機難以應(yīng)對及處理成可以在其中獲得直的表面。另一方面，永磁體材料較為脆弱，因此難以處理成精確的彎曲形狀。根據(jù)本發(fā)明的實施例，在轉(zhuǎn)子的周緣表面與永磁體之間裝配一個墊片。所述墊片的下表面對應(yīng)于轉(zhuǎn)子表面形狀，并且靠著(against)永磁體的上表面是直的。根據(jù)本發(fā)明的方法考慮到空載期間和負(fù)載下二者的溝槽諧波力矩的量值并且最小化其影響，從而使得在任一種情況下都不會超出電機要求。根據(jù)優(yōu)選實施例，將永磁體與連接裝置裝配在一起，所述裝置的連接凸耳(Iug) 在永磁體的頂表面上延伸。所述設(shè)置實施起來較為簡單并且不需要對永磁體件進(jìn)行處理或附加整形。有可能使得相同氣隙區(qū)域內(nèi)的可能導(dǎo)電的材料的量最小化。


下面將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明，其中-圖1是根據(jù)本發(fā)明的電機的部分圖示；-圖2是根據(jù)本發(fā)明的第二種電機的部分圖示；-圖3是根據(jù)本發(fā)明的第三種電機的部分圖示；-圖4示出了作為磁體斜面的函數(shù)的齒形力矩波動和力矩波紋波動；-圖5示出了作為磁體厚度的函數(shù)的齒形力矩波動和力矩波紋波動；-圖6示出了作為磁體寬度的函數(shù)的齒形力矩波動和力矩波紋波動；-圖7示出了作為磁體中間區(qū)域的寬度的函數(shù)的齒形力矩波動和力矩波紋波動。
具體實施例方式圖1是永磁體同步機的部分圖示，其中轉(zhuǎn)子4在定子2內(nèi)部并且與定子相距氣隙δ的距離。定子由導(dǎo)磁板制成，并且在其中形成了用于定子繞組的溝槽3 (未示出)。在溝槽之間是定子齒5。在本例中，電機的每磁極每相的溝槽數(shù)是一個，這意味著三相電機具有每磁極三個溝槽。轉(zhuǎn)子包括由導(dǎo)磁薄片形成的轉(zhuǎn)子磁框架，這例如是通過將其堆積成具有轉(zhuǎn)子長度的薄片堆疊而形成的。轉(zhuǎn)子的磁框架已經(jīng)直接或者通過轉(zhuǎn)子中心固定到同步機的軸上，所述軸利用軸承以公知的方式裝配到電機框架。根據(jù)同步機的磁極數(shù)，把多個永磁體 8(其包括轉(zhuǎn)子的磁極)固定到轉(zhuǎn)子磁框架的外周緣6上。在同步電機的長度方向上存在幾個分開的永磁體8，從而使其基本上覆蓋整個轉(zhuǎn)子的長度。永磁體8包括靠著裝配在轉(zhuǎn)子磁框架的外表面上的墊片12的下表面10。墊片12的下表面略微彎曲，其對應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁框架的外周緣6的曲率。墊片12具有直的上表面，并且永磁體靠著該表面。永磁體8的上表面靠著氣隙I并且定子由三個部分構(gòu)成，即中間部分14和兩個側(cè)部分16和18。上表面的中間部分14基本上與永磁體的下表面10平行，這意味著該永磁體在中間部分14處具有均勻的厚度。在永磁體的中間部分14處，定子內(nèi)表面與永磁體之間的距離(即電機的氣隙長度D)基本上相等。只有定子內(nèi)表面的曲率略微改變永磁體中間部分14處的氣隙，但是其影響在具有大直徑的多磁極電機中較小。永磁體的上表面邊緣部分16和18在圖1的實例中略成斜面，從而使得永磁體的厚度在邊緣處比中間部分處小大約四分之一。永磁體的邊緣部分與定子內(nèi)表面之間的距離是2D ；也就是永磁體處的氣隙的兩倍。永磁體的中間部分在電機的周緣方向上的長度可以隨電機而不同。連接裝置20被裝配在永磁體8的兩側(cè)。所述裝置具有在永磁體的邊緣部分16和 18上延伸的連接凸耳22。連接凸耳22把永磁體壓著緊靠轉(zhuǎn)子表面。優(yōu)選地，永磁體被黏接在墊片上，所述墊片被黏接在轉(zhuǎn)子表面上。在中間段M處，連接裝置通過插銷沈固定到轉(zhuǎn)子框架上。連接裝置由非磁性材料制成，比如鋁或鋼，或者由適當(dāng)?shù)膹?fù)合材料制成。連接裝置20的中間部分略窄于永磁體之間所留的空間。此外，連接裝置的邊緣觀關(guān)于永磁體8 的垂直邊緣9略微傾斜。在本例中，在連接凸耳與永磁體邊緣的垂直表面之間留有一定間隙，從而使得裝配更容易并且令永磁體的邊緣表面保持自由。所述連接裝置優(yōu)選地略具柔性。連接裝置20及其固定插銷沈盡可能低，從而使得氣隙區(qū)域?qū)⒈３肿杂伞＿@樣會改進(jìn)永磁體之間的冷卻空氣的流動。圖2示出了依據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，其中永磁體同步電機被實施為具有外部轉(zhuǎn)子。定子是用導(dǎo)磁板制造的，在其中形成用于定子繞組(未示出)的溝槽33。溝槽之間是定子齒陽。在本例中，電機的每磁極每相的溝槽數(shù)是兩個，這意味著三相電機具有每磁極六個溝槽。轉(zhuǎn)子34處在定子32外部，其與定子相距氣隙δ的距離。轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子磁框架，其被形成為圍繞定子32的環(huán)狀并且由導(dǎo)磁薄片制成，這例如是通過將其堆積成具有轉(zhuǎn)子的長度的薄片堆疊而實現(xiàn)的。轉(zhuǎn)子34利用軸承以公知的方式裝配到電機框架。根據(jù)同步電機的磁極數(shù)，把多個永磁體38(其包括轉(zhuǎn)子的磁極)固定到轉(zhuǎn)子磁框架的內(nèi)周緣36 上。在同步電機的長度方向上存在幾個分開的永磁體38，從而使其基本上覆蓋整個轉(zhuǎn)子的長度。永磁體38包括靠著裝配在轉(zhuǎn)子磁框架的內(nèi)表面上的墊片42的下表面40。墊片42 靠著轉(zhuǎn)子的下表面略微彎曲，其對應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁框架的內(nèi)周緣36的曲率。墊片42具有直的上表面，并且永磁體靠著該表面。永磁體38的頂表面靠著氣隙δ，并且定子32由三個部分構(gòu)成，即中間部分44和兩個側(cè)部分46和48。所述頂表面的中間部分44基本上與永磁體的下表面40平行，這意味著該永磁體在中間部分44處具有均勻的厚度。在本例中，單磁極永磁體38包括在電機的周緣方向上平行的三個構(gòu)件，即中間的構(gòu)件41和邊緣處的構(gòu)件43。 構(gòu)件41的橫截面是矩形，并且構(gòu)件43的橫截面是梯形。在永磁體的中間部分44處，定子內(nèi)表面與永磁體之間的距離(即電機的氣隙長度D)基本上相等。只有定子外表面的曲率略微改變永磁體中間部分44處的氣隙，但是其影響在具有大直徑的多磁極電機中較小。永磁體的頂表面邊緣部分46和48在圖2的實例中略成斜面，從而使得永磁體的厚度在邊緣處比中間部分處小大約四分之一。永磁體的邊緣部分與定子外表面之間的距離是2D ；也就是永磁體的中間部分處的氣隙的兩倍。永磁體的中間部分在電機的周緣方向上的長度可以隨電機而不同。朝向永磁體定子和氣隙的頂表面涂覆有保護層45，其至少在所述頂表面的中間部分和邊緣部分上延伸。保護層45還可以覆蓋永磁體邊緣的垂直表面39。保護層45充當(dāng)對于相對脆弱的永磁體38的機械強化和機械保護以及腐蝕保護。此外，所述保護層還提供絕熱，從而防止永磁體由于來自定子的熱量而變熱。通過這種方式，永磁體的操作溫度保持在額定值以內(nèi)，在這種情況下其效率最佳。此外，可以使用耐熱等級較低的永磁體，從而降低成本。保護層45的優(yōu)選材料是非磁性并且不導(dǎo)電的，比如適當(dāng)?shù)膹?fù)合材料。連接裝置50被裝配在永磁體38的兩側(cè)。所述裝置具有在永磁體的邊緣部分46 和48上延伸的連接凸耳52。在其中間段M處，連接裝置通過插銷56固定到轉(zhuǎn)子框架上。 固定插銷56延伸穿過轉(zhuǎn)子框架。在連接裝置的中間部分M處形成螺紋孔一固定插銷56 被螺旋擰到該孔中。連接裝置由非磁性材料(比如鋁或鋼)或者適當(dāng)?shù)膹?fù)合材料制成。連接裝置50的中間部分略窄于永磁體之間所留的空間。此外，連接裝置的邊緣58關(guān)于永磁體38的垂直邊緣39略微傾斜。在本例中，在連接凸耳與永磁體邊緣的垂直表面之間留有一定間隙，從而使得裝配更容易并且令永磁體的邊緣表面保持自由。由于固定插銷56的頭部處在轉(zhuǎn)子外部，因此凸耳之間的連接裝置的內(nèi)表面保持自由。這樣會改進(jìn)永磁體之間的冷卻空氣的流動。圖3示出了本發(fā)明的第三實施例，并且在適用時，對于與在圖1和2中所用過的相同部件使用相同的附圖標(biāo)記。轉(zhuǎn)子的外表面和永磁體的位置被顯示為以直終止，以便明示后面給出的規(guī)格。永磁體件被形成為使其寬度大約是磁極分布的85%，在這種情況下，永磁體的寬度對應(yīng)于近似150電度。永磁體頂部的水平表面是磁極分布的大約50%，這對應(yīng)于大約90電度。圖3使用附圖標(biāo)記Bl來表示永磁體在轉(zhuǎn)子的周緣方向上的寬度，并且使用附圖標(biāo)記B2來表示永磁體頂部的水平部分的寬度。相應(yīng)地，Hl指代永磁體的高度，并且H2指代永磁體斜面在永磁體邊緣處的深度。作為這些數(shù)值的函數(shù)，圖4到圖7示出了空載期間的齒形力矩波動以及相應(yīng)地在負(fù)載下的力矩波紋。在圖3的實例中，永磁體通過固定橫梁60和裝配到所述橫梁中的插銷62而被固定到轉(zhuǎn)子芯上。永磁體38被固定到墊片42上，保護層45被裝配在其上。墊片42略寬于永磁體38，并且固定橫梁62緊靠其壓住，從而將永磁體固定到轉(zhuǎn)子上。圖4中的曲線圖70示出了作為斜面深度H2的函數(shù)的在空載期間的齒形力矩波動，并且曲線圖72示出了當(dāng)電機處于負(fù)載下時的力矩波紋改變。所述力矩是峰到峰值和相對數(shù)值；即標(biāo)稱力矩的百分比。圖5中的曲線圖74示出了作為永磁體厚度Hl的函數(shù)的在空載期間的齒形力矩波動，并且曲線圖76示出了當(dāng)電機處于負(fù)載下時的力矩波紋改變。
相應(yīng)地，圖6中的曲線圖80示出了作為永磁體寬度Bl的函數(shù)的在空載期間的齒形力矩波動，并且曲線圖82示出了當(dāng)電機處于負(fù)載下時的力矩波紋改變。圖7中的曲線圖 84示出了作為永磁體的平坦頂部B2的函數(shù)的在空載期間的齒形力矩波動，并且曲線圖86 示出了當(dāng)電機處于負(fù)載下時的力矩波紋改變。在圖4到7中可以看出，用于把空載期間的齒形力矩和負(fù)載下的力矩波紋保持在所允許的極限內(nèi)的條件是部分上沖突的，這意味著在一種標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上改變永磁體的一方面的規(guī)格會導(dǎo)致關(guān)于另一種標(biāo)準(zhǔn)的更壞的情況。根據(jù)本發(fā)明，將對于多個不同方面的規(guī)格計算齒形力矩和力矩波紋數(shù)值，隨后將選擇一種滿足全部兩個條件的替換方案。在圖1、2和3中給出的實施例示出了將被用于實施本發(fā)明的想法的一些優(yōu)選實施例?？赡苡袔追N替換解決方案，比如互換圖1和2中的相應(yīng)部件。尤其必須看得到的是，在外部和內(nèi)部轉(zhuǎn)子的情況下，永磁體在規(guī)格和形狀方面可以是完全相同的。連接凸耳及其固定插銷也是可互換的，舉例來說，在內(nèi)部轉(zhuǎn)子的情況下(此時轉(zhuǎn)子具有中空結(jié)構(gòu))可以使用穿過圖中的轉(zhuǎn)子框架的固定插銷。永磁體的連接裝置可以包括對應(yīng)于相鄰永磁體的分開的裝置，或者在軸方向上連接許多相繼永磁體對的裝置。前面借助于特定實施例描述了本發(fā)明。但是前面的描述不應(yīng)當(dāng)被視為限制專利保護的范圍；本發(fā)明的實施例可以在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)有所變化。
權(quán)利要求
1.一種具有永磁體轉(zhuǎn)子的電機，其中所述永磁體被裝配到圓柱形轉(zhuǎn)子的與定子相對的周緣表面上，從而所述電機的氣隙是定子周緣與永磁體頂表面之間的距離，其特征在于，形成轉(zhuǎn)子磁極的永磁體被定形成使得電機的氣隙在磁極的中間區(qū)域基本上是恒定的，在從磁極的中間區(qū)域向磁極邊緣移動時所述氣隙以基本上直線向前的方式增大，并且所述中間區(qū)域在轉(zhuǎn)子切線方向上的寬度是磁體寬度的至少一半。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電機，其特征在于，墊片被裝配在永磁體與轉(zhuǎn)子的圓柱形周緣之間，所述墊片的下表面對應(yīng)于轉(zhuǎn)子的周緣表面，并且所述墊片的頂表面是直的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的電機，其特征在于，永磁體邊緣處的氣隙量值至多是磁極中間部分處的氣隙的兩倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3當(dāng)中的任一個的電機，其特征在于，磁極中間區(qū)域在切線方向上的寬度是從60到100電度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的電機，其特征在于，磁極中間區(qū)域在切線方向上的寬度是從70到 100電度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5當(dāng)中的任一個的電機，其特征在于，電機的磁極數(shù)超過10個。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6當(dāng)中的任一個的電機，其特征在于，電機的每磁極每相的溝槽數(shù)是一個或兩個。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7當(dāng)中的任一個的電機，其特征在于，電機具有徑向氣隙和外部轉(zhuǎn)子。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到7當(dāng)中的任一個的電機，其特征在于，電機具有徑向氣隙和內(nèi)部轉(zhuǎn)子。
10.一種用于電機的永磁體，其包括能夠被設(shè)置在轉(zhuǎn)子外周緣上的下表面以及朝向電機氣隙的外表面，其特征在于，所述外表面包括邊緣部分和中間部分，從而使得永磁體在中間部分處具有均勻的厚度，關(guān)于邊緣部分，永磁體的厚度朝向永磁體邊緣均勻地減小，使得永磁體的中間部分和邊緣處的厚度差等于電機的氣隙，并且中間部分的寬度等于或大于邊緣部分的組合寬度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的永磁體，其特征在于，至少永磁體的頂表面涂覆有保護層。
12.根據(jù)權(quán)利要求10到11當(dāng)中的任一個的永磁體，其特征在于，可以把連接裝置裝配到永磁體上，所述連接裝置對應(yīng)于磁體的邊緣部分，并且可以利用所述連接裝置將永磁體固定到電機上。
13.一種用于減小永磁體電機的溝槽諧波力矩的方法，對于所述電機規(guī)定了標(biāo)稱力矩， 并且至少規(guī)定了轉(zhuǎn)子磁極的永磁體寬度、永磁體厚度以及電機氣隙的尺寸，所述永磁體包括朝向電機氣隙的頂部以及靠著轉(zhuǎn)子框架的底部，從而使得所述頂部的中間部分與定子相距氣隙的距離，并且所述頂部的邊緣成斜面從而其與定子的距離超出氣隙，其特征在于，所述方法包括以下階段-通過改變來自以下各項當(dāng)中的一項或更多項永磁體規(guī)格而形成多個替換永磁體規(guī)格永磁體寬度，永磁體厚度，永磁體中間部分寬度，以及永磁體斜面在永磁體邊緣處的深度；-對于所形成的規(guī)格，計算齒形力矩的力矩波紋量值；-選擇使得齒形力矩和力矩波紋低于所允許數(shù)值的規(guī)格；以及-根據(jù)對于電機的所選規(guī)格制造及安裝永磁體。
全文摘要
本發(fā)明的目的是一種具有永磁體轉(zhuǎn)子的電機以及一種永磁體，在所述電機中永磁體被裝配在圓柱形轉(zhuǎn)子的外表面上。形成電機轉(zhuǎn)子磁極的永磁體被定形成使得電機的氣隙在磁極的中部基本上是恒定的，并且所述氣隙在朝向磁極邊緣移動時以基本上直線向前的方式增大。永磁體在中部具有均勻的厚度，并且朝向邊緣變細(xì)。本發(fā)明的目的還有一種用于減小電機的力矩波紋和齒形力矩的永磁體及方法。
文檔編號H02K1/27GK102362410SQ201080013643
公開日2012年2月22日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月25日
發(fā)明者A·斯祖茲, J·芒特雷, T·里普 申請人:Abb有限公司