CN102362410B - 永磁体电机和用于电机的永磁体 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是一种具有永磁体转子的电机以及一种永磁体，在所述电机中永磁体被装配在圆柱形转子的外表面上。形成电机转子磁极的永磁体被定形成使得电机的气隙在磁极的中部基本上是恒定的，并且所述气隙在朝向磁极边缘移动时以基本上直线向前的方式增大。永磁体在中部具有均匀的厚度，并且朝向边缘变细。本发明的目的还有一种用于减小电机的力矩波纹和齿形力矩的永磁体及方法。

Description

永磁体电机和用于电机的永磁体

技术领域

本发明的目的是根据权利要求1的前序部分的电机，根据权利要求10的前序部分的用于电磁体的永磁体，以及根据权利要求13的前序部分的用于制造永磁体的方法。

背景技术

永磁体常用于在电机中建立磁场。在永磁体电机中，永磁体被装配到与电机的定子相距一气隙距离的转子中。永磁体被用于建立磁场，所述磁场的磁通量穿过气隙到达定子。永磁体或者被装配在转子的表面上，或者被装配在转子的导磁框架内部。转子与定子之间的气隙可以与电机的轴平行，或者在所述气隙是径向的情况下与该轴垂直。在具有径向气隙的电机中，转子处于定子的内部或外部。

本发明特别涉及表面装配的永磁体，以及利用永磁体磁化的并且具有径向气隙的电机。永磁体由处在电机轴方向上的一个或更多永磁体件构成，并且电机的每一个磁极在接近电机的周缘方向上具有一个或更多平行永磁体件。电机可以具有外部转子或内部转子，并且永磁体被装配在朝向定子的转子表面上。电机可以被设计成充当发电机或电动机。此外，电机具有相当多的磁极，至少是十个，但是磁极数也可以是几十个或者多达超过一百个磁极。电机的每磁极每相的典型沟槽数是一个或两个。

在电机中，其目的是在气隙中建立在电机的磁极区域中尽可能均匀地变化的磁通量密度。磁通量密度在磁极中部是最高的，在朝向磁极边缘移动时理想地根据正弦曲线减小，并且在磁极边缘是零。如果气隙输入通量(influx)的分布与纯弦形式偏差很大，则所述分布中的谐波会导致力矩振动。特别在其中每磁极每相的沟槽数是一个或两个并且具有大量磁极的永磁体电机中，由于定子齿导致的磁导波动(permeance fluctuation)，空载会导致齿形力矩(cogging torque)。在负载下，在定子绕组中流动的电流会导致产生力矩波纹的通量。在负载下，所述齿形力矩与电流所导致的力矩波纹累加。规格确定指导方针是，在空载期间使得齿形力矩不能超过标称力矩的1％。另一方面，在标称负载下，力矩波纹不能超过标称力矩的2％。

比如基于稀土金属的NdFeBo[钕铁硼]磁体之类的强力永磁体通常被用在永磁体电机中。其优选地提供足够的磁场但是相对脆弱，将其精确地处理成预定形状通常较为困难、耗时并且昂贵。

把永磁体固定在转子的弯曲表面上需要进行处理。或者必须逐件把转子表面处理成直的，或者必须把永磁体的下表面处理成凹的。除了被用于装配的黏接之外，常常还必须利用磁极之间的固定装置来固定永磁体。所述固定装置在转子的周缘方向上会侵占永磁体本身的宝贵空间。

永磁体的规格对电机性能的影响是一个复杂的问题，其中有几个因素常常会以冲突的方式影响结果。因此，最优的结果是许多因素的组合效应。

先前已经从已公开专利申请JP 01-234038中获知永磁体电机，其中横截面为六边形形状的永磁体被装配在转子表面上。转子的外周缘在磁极处被处理成直的，在这种情况下，转子框架的横截面是多边形。永磁体被定形成使得在永磁体的上表面上有直的中间段。所述中间段尽可能小，以便获得最小齿形力矩。

发明内容

本发明的目的是开发一种新的永磁体结构解决方案以及一种新的永磁体转子，其中已经消除了前面提到的问题，其制造起来较为便宜，并且在空载期间和负载下都满足电机要求。为了实现这一点，所述永磁体电机的特征在于权利要求1的特征部分中所指明的特征。根据本发明的永磁体的特征在于权利要求10的特征部分中所指明的特征。所述用于制造永磁体电机的方法的特征在于权利要求13的特征部分中所指明的特征。本发明的一些优选实施例在从属权利要求中限定。

根据本发明的解决方案将同时实现所述气隙流的所需正弦分布以及对于永磁体的便宜制造和最后加工。在多磁极电机中确保所述正弦性是特别重要的，其中每磁极和相的沟槽的绕组数是一个或两个。在这些情况下，会突出沟槽谐波的有害影响。在技术上很难制造相对于其顶表面成纯正弦的永磁体。相反，处理三个直平面表面相对容易。由于在任何情况下都必须在压缩之后把永磁体的表面最后加工成其预期形式，因此工作级的数目不会显著增多。

为了能够可靠地固定装配在转子外表面上的永磁体，永磁体的下表面和转子芯的外表面必须相容。由于其尺寸较大，因此具有大量磁极和较大直径的电机难以应对及处理成可以在其中获得直的表面。另一方面，永磁体材料较为脆弱，因此难以处理成精确的弯曲形状。根据本发明的实施例，在转子的周缘表面与永磁体之间装配一个垫片。所述垫片的下表面对应于转子表面形状，并且靠着(against)永磁体的上表面是直的。

根据本发明的方法考虑到空载期间和负载下二者的沟槽谐波力矩的量值并且最小化其影响，从而使得在任一种情况下都不会超出电机要求。

根据优选实施例，将永磁体与连接装置装配在一起，所述装置的连接凸耳(lug)在永磁体的顶表面上延伸。所述设置实施起来较为简单并且不需要对永磁体件进行处理或附加整形。有可能使得相同气隙区域内的可能导电的材料的量最小化。

附图说明

下面将参照附图详细描述本发明，其中：

-图1是根据本发明的电机的部分图示；

-图2是根据本发明的第二种电机的部分图示；

-图3是根据本发明的第三种电机的部分图示；

-图4示出了作为磁体斜面的函数的齿形力矩波动和力矩波纹波动；

-图5示出了作为磁体厚度的函数的齿形力矩波动和力矩波纹波动；

-图6示出了作为磁体宽度的函数的齿形力矩波动和力矩波纹波动；

-图7示出了作为磁体中间区域的宽度的函数的齿形力矩波动和力矩波纹波动。

具体实施方式

图1是永磁体同步机的部分图示，其中转子4在定子2内部并且与定子相距气隙δ的距离。定子由导磁板制成，并且在其中形成了用于定子绕组的沟槽3(未示出)。在沟槽之间是定子齿5。在本例中，电机的每磁极每相的沟槽数是一个，这意味着三相电机具有每磁极三个沟槽。转子包括由导磁薄片形成的转子磁框架，这例如是通过将其堆积成具有转子长度的薄片堆叠而形成的。转子的磁框架已经直接或者通过转子中心固定到同步机的轴上，所述轴利用轴承以公知的方式装配到电机框架。根据同步机的磁极数，把多个永磁体8(其包括转子的磁极)固定到转子磁框架的外周缘6上。在同步电机的长度方向上存在几个分开的永磁体8，从而使其基本上覆盖整个转子的长度。永磁体8包括靠着装配在转子磁框架的外表面上的垫片12的下表面10。垫片12的下表面略微弯曲，其对应于转子磁框架的外周缘6的曲率。垫片12具有直的上表面，并且永磁体靠着该表面。永磁体8的上表面靠着气隙δ，并且定子由三个部分构成，即中间部分14和两个侧部分16和18。上表面的中间部分14基本上与永磁体的下表面10平行，这意味着该永磁体在中间部分14处具有均匀的厚度。在永磁体的中间部分14处，定子内表面与永磁体之间的距离(即电机的气隙长度D)基本上相等。只有定子内表面的曲率略微改变永磁体中间部分14处的气隙，但是其影响在具有大直径的多磁极电机中较小。永磁体的上表面边缘部分16和18在图1的实例中略成斜面，从而使得永磁体的厚度在边缘处比中间部分处小大约四分之一。永磁体的边缘部分与定子内表面之间的距离是2D；也就是永磁体处的气隙的两倍。永磁体的中间部分在电机的周缘方向上的长度可以随电机而不同。

连接装置20被装配在永磁体8的两侧。所述装置具有在永磁体的边缘部分16和18上延伸的连接凸耳22。连接凸耳22把永磁体压着紧靠转子表面。优选地，永磁体被黏接在垫片上，所述垫片被黏接在转子表面上。在中间段24处，连接装置通过插销26固定到转子框架上。连接装置由非磁性材料制成，比如铝或钢，或者由适当的复合材料制成。连接装置20的中间部分略窄于永磁体之间所留的空间。此外，连接装置的边缘28关于永磁体8的垂直边缘9略微倾斜。在本例中，在连接凸耳与永磁体边缘的垂直表面之间留有一定间隙，从而使得装配更容易并且令永磁体的边缘表面保持自由。所述连接装置优选地略具柔性。连接装置20及其固定插销26尽可能低，从而使得气隙区域将保持自由。这样会改进永磁体之间的冷却空气的流动。

图2示出了依据本发明的另一个实施例，其中永磁体同步电机被实施为具有外部转子。定子是用导磁板制造的，在其中形成用于定子绕组(未示出)的沟槽33。沟槽之间是定子齿55。在本例中，电机的每磁极每相的沟槽数是两个，这意味着三相电机具有每磁极六个沟槽。转子34处在定子32外部，其与定子相距气隙δ的距离。转子包括转子磁框架，其被形成为围绕定子32的环状并且由导磁薄片制成，这例如是通过将其堆积成具有转子的长度的薄片堆叠而实现的。转子34利用轴承以公知的方式装配到电机框架。根据同步电机的磁极数，把多个永磁体38(其包括转子的磁极)固定到转子磁框架的内周缘36上。在同步电机的长度方向上存在几个分开的永磁体38，从而使其基本上覆盖整个转子的长度。永磁体38包括靠着装配在转子磁框架的内表面上的垫片42的下表面40。垫片42靠着转子的下表面略微弯曲，其对应于转子磁框架的内周缘36的曲率。垫片42具有直的上表面，并且永磁体靠着该表面。永磁体38的顶表面靠着气隙δ，并且定子32由三个部分构成，即中间部分44和两个侧部分46和48。所述顶表面的中间部分44基本上与永磁体的下表面40平行，这意味着该永磁体在中间部分44处具有均匀的厚度。在本例中，单磁极永磁体38包括在电机的周缘方向上平行的三个构件，即中间的构件41和边缘处的构件43。构件41的横截面是矩形，并且构件43的横截面是梯形。在永磁体的中间部分44处，定子内表面与永磁体之间的距离(即电机的气隙长度D)基本上相等。只有定子外表面的曲率略微改变永磁体中间部分44处的气隙，但是其影响在具有大直径的多磁极电机中较小。永磁体的顶表面边缘部分46和48在图2的实例中略成斜面，从而使得永磁体的厚度在边缘处比中间部分处小大约四分之一。永磁体的边缘部分与定子外表面之间的距离是2D；也就是永磁体的中间部分处的气隙的两倍。永磁体的中间部分在电机的周缘方向上的长度可以随电机而不同。

朝向永磁体定子和气隙的顶表面涂覆有保护层45，其至少在所述顶表面的中间部分和边缘部分上延伸。保护层45还可以覆盖永磁体边缘的垂直表面39。保护层45充当对于相对脆弱的永磁体38的机械强化和机械保护以及腐蚀保护。此外，所述保护层还提供绝热，从而防止永磁体由于来自定子的热量而变热。通过这种方式，永磁体的操作温度保持在额定值以内，在这种情况下其效率最佳。此外，可以使用耐热等级较低的永磁体，从而降低成本。保护层45的优选材料是非磁性并且不导电的，比如适当的复合材料。

连接装置50被装配在永磁体38的两侧。所述装置具有在永磁体的边缘部分46和48上延伸的连接凸耳52。在其中间段54处，连接装置通过插销56固定到转子框架上。固定插销56延伸穿过转子框架。在连接装置的中间部分54处形成螺纹孔—固定插销56被螺旋拧到该孔中。连接装置由非磁性材料(比如铝或钢)或者适当的复合材料制成。连接装置50的中间部分略窄于永磁体之间所留的空间。此外，连接装置的边缘58关于永磁体38的垂直边缘39略微倾斜。在本例中，在连接凸耳与永磁体边缘的垂直表面之间留有一定间隙，从而使得装配更容易并且令永磁体的边缘表面保持自由。由于固定插销56的头部处在转子外部，因此凸耳之间的连接装置的内表面保持自由。这样会改进永磁体之间的冷却空气的流动。

图3示出了本发明的第三实施例，并且在适用时，对于与在图1和2中所用过的相同部件使用相同的附图标记。转子的外表面和永磁体的位置被显示为以直终止，以便明示后面给出的规格。永磁体件被形成为使其宽度大约是磁极分布的85％，在这种情况下，永磁体的宽度对应于近似150电度。永磁体顶部的水平表面是磁极分布的大约50％，这对应于大约90电度。

图3使用附图标记B1来表示永磁体在转子的周缘方向上的宽度，并且使用附图标记B2来表示永磁体顶部的水平部分的宽度。相应地，H1指代永磁体的高度，并且H2指代永磁体斜面在永磁体边缘处的深度。作为这些数值的函数，图4到图7示出了空载期间的齿形力矩波动以及相应地在负载下的力矩波纹。

在图3的实例中，永磁体通过固定横梁60和装配到所述横梁中的插销62而被固定到转子芯上。永磁体38被固定到垫片42上，保护层45被装配在其上。垫片42略宽于永磁体38，并且固定横梁62紧靠其压住，从而将永磁体固定到转子上。

图4中的曲线图70示出了作为斜面深度H2的函数的在空载期间的齿形力矩波动，并且曲线图72示出了当电机处于负载下时的力矩波纹改变。所述力矩是峰到峰值和相对数值；即标称力矩的百分比。图5中的曲线图74示出了作为永磁体厚度H1的函数的在空载期间的齿形力矩波动，并且曲线图76示出了当电机处于负载下时的力矩波纹改变。

相应地，图6中的曲线图80示出了作为永磁体宽度B1的函数的在空载期间的齿形力矩波动，并且曲线图82示出了当电机处于负载下时的力矩波纹改变。图7中的曲线图84示出了作为永磁体的平坦顶部B2的函数的在空载期间的齿形力矩波动，并且曲线图86示出了当电机处于负载下时的力矩波纹改变。

在图4到7中可以看出，用于把空载期间的齿形力矩和负载下的力矩波纹保持在所允许的极限内的条件是部分上冲突的，这意味着在一种标准的基础上改变永磁体的一方面的规格会导致关于另一种标准的更坏的情况。根据本发明，将对于多个不同方面的规格计算齿形力矩和力矩波纹数值，随后将选择一种满足全部两个条件的替换方案。

在图1、2和3中给出的实施例示出了将被用于实施本发明的想法的一些优选实施例。可能有几种替换解决方案，比如互换图1和2中的相应部件。尤其必须看得到的是，在外部和内部转子的情况下，永磁体在规格和形状方面可以是完全相同的。连接凸耳及其固定插销也是可互换的，举例来说，在内部转子的情况下(此时转子具有中空结构)可以使用穿过图中的转子框架的固定插销。永磁体的连接装置可以包括对应于相邻永磁体的分开的装置，或者在轴方向上连接许多相继永磁体对的装置。

前面借助于特定实施例描述了本发明。但是前面的描述不应当被视为限制专利保护的范围；本发明的实施例可以在所附权利要求书的范围内有所变化。

Claims (12)

1.一种电机，包括：

定子，

具有周缘表面的圆柱形永磁体转子，

被装配到所述周缘表面并与所述定子相对的多个永磁体，

所述电机的气隙是定子周缘与所述永磁体顶表面之间的距离，其中，所述永磁体形成转子磁极，每个永磁体被定形成使得气隙的量值在所述磁极的中间区域基本上是恒定的，并且所述气隙从所述磁极的中间区域朝向磁极边缘基本上直线增大，并且所述中间区域在转子周缘方向上的宽度是磁体宽度的至少一半，并且所述磁极边缘处的所述气隙量值是所述磁极的中间区域处的所述气隙的至多两倍。

2.根据权利要求1的电机，其特征在于，垫片被装配在永磁体与转子的圆柱形周缘之间，所述垫片的下表面对应于转子的周缘表面，并且所述垫片的顶表面是直的。

3.根据权利要求1或2的电机，其特征在于，磁极中间区域在周缘方向上的宽度是从60到100电度。

4.根据权利要求3的电机，其特征在于，磁极中间区域在周缘方向上的宽度是从70到100电度。

5.根据权利要求1、2或4的电机，其特征在于，电机的磁极数超过10个。

6.根据权利要求1、2或4的电机，其特征在于，电机的每磁极每相的沟槽数是一个或两个。

7.根据权利要求1、2或4的电机，其特征在于，电机具有径向气隙和外部转子。

8.根据权利要求1、2或4的电机，其特征在于，电机具有径向气隙和内部转子。

9.一种用于电机的永磁体，其包括能够被设置在转子外周缘上的下表面以及朝向电机气隙的外表面，其特征在于，所述外表面包括边缘部分和中间部分，从而使得永磁体在中间部分处具有均匀的厚度，关于边缘部分，永磁体的厚度朝向永磁体边缘均匀地减小，使得永磁体的中间部分和边缘处的厚度差最多等于电机在永磁体的中间部分处的气隙，并且中间部分的宽度等于或大于边缘部分的组合宽度。

10.根据权利要求9的永磁体，其特征在于，至少永磁体的顶表面涂覆有保护层。

11.根据权利要求9或10的永磁体，其特征在于，连接装置可装配到永磁体上，所述连接装置对应于磁体的边缘部分，并且利用所述连接装置永磁体可固定到电机上。

12.一种用于减小永磁体电机的沟槽谐波力矩的方法，对于所述电机规定了标称力矩，并且至少规定了转子磁极的永磁体宽度、永磁体厚度以及电机气隙的尺寸，所述永磁体包括朝向电机气隙的顶部以及靠着转子框架的底部，从而使得所述顶部的中间部分与定子相距气隙的距离，并且所述顶部的边缘成斜面从而所述永磁体边缘处的气隙量值是所述中间部分处的所述气隙量值的至多两倍，其特征在于，所述方法包括以下阶段：

－通过改变来自以下各项当中的一项或更多项永磁体规格而形成多个替换永磁体规格：永磁体宽度，永磁体厚度，永磁体中间部分宽度，以及永磁体斜面在永磁体边缘处的深度；

－对于所形成的规格，计算齿形力矩的力矩波纹量值；

－选择使得齿形力矩和力矩波纹低于所允许数值的规格；以及

－根据对于电机的所选规格制造及安装永磁体。