CN103312064A

CN103312064A - 具有永磁激励的转子，具有转子的电机和转子制造方法

Info

Publication number: CN103312064A
Application number: CN2013100862418A
Authority: CN
Inventors: 丹尼尔·马德; 罗尔夫·福尔默
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-03-18
Also published as: EP2639934B1; EP2639934A1; US9312732B2; CN103312064B; US20130241324A1

Abstract

本发明是具有永磁激励的转子，具有转子的电机和转子的制造方法。涉及一种具有永磁激励的转子（10），为了永磁激励，该转子具有多个永磁体（14），该永磁体围绕转子（10）的轴（12）在圆周方向（26）上布置，其中，为了引导永磁体（14）的磁通量而设有磁通量引导装置。永磁体（14）固定在轴（12）本身上，并且磁通量引导装置包括多个单独的、软磁的磁通量引导元件（16），该磁通量引导元件分别在其中两个永磁体（14）之间固定在该永磁体上，并且由此间接保持在轴（12）上。

Description

具有永磁激励的转子,具有转子的电机和转子制造方法

技术领域

本发明涉及一种转子，在这种转子中，为了永磁激励，多个永磁体围绕转子的轴在圆周方向上布置。为了引导永磁体的磁通量，在转子中设有磁通量引导装置。本发明还涉及一种具有这种转子的电机以及一种用于制造具有永磁激励的转子的方法。根据本发明的转子和相应根据本发明的电机特别适合为电动车提供电力驱动。

背景技术

在上述种类的转子中，可以将由叠片构成的软磁的基体设计为磁通量引导装置。然后，这些叠片被堆放成叠片铁心，其中，在各个叠片之间设置了用于避免涡流的电绝缘层。在各个叠片中，在其中心冲压出孔洞，从而使叠片铁心在其制造完成后具有通孔，通过该通孔插入转子的轴。因此，叠片铁心可以通过压配合与轴相连接。另外，在叠片中还在其外边缘处冲压了空隙，从而在完成的叠片铁心中在圆周方向上形成凹槽，可以将用于对转子永磁激励的永磁体嵌入该凹槽。在此处和下文中，圆周方向是指常见的名称，即相对于转子的旋转轴线，在垂直于转子的旋转轴线的平面中得出圆周方向，这与该平面中围绕旋转轴线的圆的延伸方向相符。

在文件WO2011/076740A1中，描述了用于电机的转子，在该电机中，永磁体被固定在管道的凹槽中，该管道构成用于永磁体以及布置在这些永磁体之间的磁通量引导元件的支撑结构。这些磁通量引导元件例如通过粘合连接与永磁体和管道相连接。该管道可以与轴相连接，以便能够传输转矩。

在提交本专利申请当天之后公开的文件EP2485371A2中描述了一种转子，在该转子中以星形方式将永磁体粘合在轴上并在永磁体之间粘合磁通量引导元件。

在文件JP58099253A中描述了一种用于同步电机的转子，在该转子中，永磁体以星形方式粘合在轴上。在永磁体之间布置磁通量引导元件，这些磁通量引导元件同样固定在轴上。在这个转子中，为了加强磁场设计为，即磁通量引导元件不在径向方向上超出永磁体。

在文件FR2556519A1中描述了一种转子，在这种转子中，永磁体焊接在轴上。这些永磁体在径向方向上磁化，所以在它们之间没有磁通量引导元件。

在文件JP56007410A中描述了一种电机，在这种电机中，环形的永磁体固定在支撑部件上，在该支撑部件中，永磁体装在支撑部件的接管上并在这里焊牢。为了能够焊接永磁体，用铜层包裹这个永磁体。支撑部件具有通孔，可以将电动机的轴插入这个通孔。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种坚固且还易于制造且成本低廉的电机。

该目的通过根据权利要求1的转子、根据权利要求11的电机和根据权利要求13的方法来实现。本发明的有利的改进方案通过从属权利要求给出。

根据本发明的转子同样具有多个永磁体，这些永磁体围绕转子的轴在圆周方向上布置。此时，永磁体固定在轴本身上，也就是说，不将其安置在软磁叠片铁心的凹槽里。为了引导永磁体的磁通量，同样设计了与背景技术中相同的磁通量引导装置。但是，在根据本发明的转子中，这种磁通量引导装置包括多个单独的、软磁的磁通量引导元件，例如分别构成转子区段的单个叠片铁心。各个磁通量引导元件分别在其中两个永磁体之间固定在这些永磁体上。换言之，软磁的磁通量引导元件只是间接地固定在轴上，并且与背景技术中例如通过压配合推到轴上不同。

根据本发明的转子具有这样的优点，即通过首先将永磁体固定在转子的轴上，然后将磁通量引导元件布置在永磁体之间的间隙中并且随后再固定在永磁体上，使得该转子可以非常容易地安装在轴周围。

为了将永磁体固定在轴上，设计为将这些永磁体钎焊在轴上。一方面，钎焊连接足够牢固，以便抵御在转子旋转过程中起作用的离心力而将永磁体固定在轴上。另一方面，钎焊连接的焊料足够软，以便在转子中发生振动时不产生干扰。经证实，含有银和/或锡的焊料特别适用于此处。将永磁体固定在轴上的另一种可能性是熔焊连接。但是在这种情况下要注意，不能由于在焊接时产生的热量而使永磁体失去磁性。在钎焊连接中，这种危险明显较小。作为形状配合连接，例如可以拧紧永磁体或者设计燕尾槽连接部。

为了获得更加有规律的、正弦形的变化曲线，在磁通量引导元件中还设有阶梯部或咬边，利用它将磁通量引导元件安置在永磁体的外边缘上，从而使这个外边缘被磁通量引导元件的阶梯部所覆盖。在此，外边缘是指永磁体的在径向方向上位于外部的边缘。此外，通过磁通量引导元件中的阶梯部还可以使得磁通量引导元件特别容易地相对于前述的包络圆对准。

在根据本发明的转子的基础上，分别还能够以特别低廉的成本提供永磁激励的电机。根据本发明的转子特别适合于制造同步电机、伺服电机和步进电机。

轴这一概念在本发明的上下文中指的是转子的整个内部区域，该转子不以显著的方式构成用于产生驱动转子的转矩或用于产生电压的磁致激活部件。换言之，轴是转子中的只具有支承功能并且用于机械传输转矩的那个部件。与此相反，磁致激活部件通过永磁体和磁通量引导元件构成。轴可以是由例如钢制成的杆，或者也可以是空心圆柱体（空心轴）。为了增加转子在永磁体范围内的外周长，轴还可以包括例如轮辐和由轮辐支撑的圆环，永磁体固定在该圆环上。

为了更加容易地建立连接、特别是钎焊连接或熔焊连接，一种实施方式设计为，在永磁体中在接触区域中在轴上设有金属镀层。同样地，轴也可以在接触区域中具有由金属制成的镀层，该金属与制成轴本身的金属不同。经证实，在此特别是含有镍或铜的镀层对钎焊连接是适用的。

在接触区域中，轴和永磁体的形状也适宜地相互匹配。在此，可以根据永磁体的尺寸和种类设计为，即永磁体具有凹陷弯曲的表面。然后就可以使用通常的圆柱形的轴，不必为提供根据本发明的转子而对该轴的形状额外进行调整。但是，如果能够成本低廉地对轴进行特殊成型，并由此使用方形的且因此而易于成型的永磁体，则优选的是在永磁体的接触区域中表面平坦的轴。于是，就可以使用易于成型并且因此而制造成本低廉的永磁体。换言之，在所有永磁体在接触区域中都具有平坦表面的情况下，则使用具有多边形轮廓的横截面的轴。

如果磁通量引导元件粘合在永磁体上，则在磁通量引导元件方面得出根据本发明的转子的制造成本特别低廉的实施方式。这种粘合连接部在此特别地含有硅胶。这种硅胶与用于永磁体的钎焊连接相似地一方面具有抵御离心力保持住磁通量引导元件的必要的强度，和另一方面具有足够的用于补偿甚至缓和转子中振动的弹性。

如果使用楔形元件、即圆柱体区段作为磁通量引导元件，就得出转子的一个特别优选的实施方式。转子的这种实施方式则总体上具有一个横截面，在这个横截面中，永磁体以星形方式布置在轴上，并且楔形的磁通量引导元件固定在永磁体之间。另外，所描述的横截面设计为垂直于转子的旋转轴线。这样得出的转子非常坚固而且还特别容易制造。

在永磁体本身方面，这可以是例如稀土磁铁。优选地，永磁体是铁氧体磁铁，该铁氧体磁铁与最先提到的磁铁相比明显更加价廉。然而，铁氧体磁铁的磁场强度也明显较小。但是，这在根据本发明的转子中不是问题：在此，铁氧体磁铁的磁场可以一直集中，直到电机的转子与定子之间的气隙能够产生具有对永磁激励的电机来说常用的场强的磁场。为此，永磁体的磁化装置必须仅朝向圆周方向，也就是说，不径向地远离轴，而是切向地朝向轴的圆周。位于永磁体之间的磁通量引导元件则负责使磁力线在径向方向上向外偏转并径向地在其外圆周上从转子中离开。此外，通过所述的偏转进行汇流，从而使气隙中聚集的铁氧体磁铁的磁场强于铁氧体磁铁本身表面上的磁场。当然，在此也可以使用稀土磁铁，从而可以产生更强的磁场。

如果两个相邻的永磁体的磁化彼此方向相对，就能够达到更大的磁通量集中度。

在电机中，还额外也力求在转子与定子之间的气隙中产生一个磁场，该磁场的场强（不是方向）在围绕转子的圆周方向上呈正弦形延伸。这可以在根据本发明的转子中通过对磁通量引导元件的外表面，即每个磁通量引导元件的（相对于轴）在径向方向上向外侧直到转子外部限定磁通量引导元件的边界的表面，进行完全确定的设计而实现。这个表面优选地在转子的圆周方向上具有弯曲部，该弯曲部具有弯曲部半径，该弯曲部半径小于包络圆的包络圆半径，该包络圆描述了转子在圆周方向上的最大外周长。为了说明这两个半径，需参阅下文中对附图的描述。此处还要说明的是，弯曲部半径特别是在包络圆半径的百分之五十和百分之一百之间的范围中。

结合根据本发明的转子所描述的改进方案也是根据本发明的电机的改进方案。同样，本发明还包括根据本发明的用于制造转子的方法的改进方案，这些改进方案包括已在此结合根据本发明的转子本身的改进方案所描述的特征，如通过焊接和类似方法固定永磁体。为了避免重复，此处不再结合根据本发明的电机和根据本发明的方法对这些特征再次进行描述。

附图说明

以下根据实施例再次对本发明进行更加具体的说明。图中示出：

图1以横截面示出根据本发明的转子的一种实施方式的示意图；

图2示出永磁体与轴连接的示意图，如同在根据本发明的转子的实施方式的制造中所形成的那样；

图3以横截面示出根据本发明的转子的另一种实施方式的示意图；和

图4示出永磁体的接触边缘的示意图，该接触边缘在根据本发明的转子的实施方式中被磁通量引导元件所覆盖。

具体实施方式

实施例示出本发明的优选的实施方式。

在以下阐述的例子中，转子的所描述的组件分别表示单个的、需彼此独立考虑的转子特征，这些特征也分别彼此独立地对转子加以改进，因此也要单独看待或者被看作不同于示出的组合中的组成部分。

图1示出转子10的横截面，在该转子中，永磁体14被固定在轴12上，在该永磁体之间分别装入磁通量引导元件16。如虚线所示，图1仅示出转子10的一部分。可以将转子10装入电机，例如同步电机或伺服电机。电机例如可以是电动车的驱动装置。

转子10的旋转轴线18与图1所示的投影面垂直。转子10总体上具有圆柱形的基本形状，其中，圆柱轴线与转子轴线18叠合。在示出的例子中，轴12可以由钢制实心体构成。永磁体14可以具有略长的、方形的基本形状，其中，纵向延伸部与旋转轴线18平行延伸。同样地，磁通量引导元件16也是略长的物体，它们分别具有圆柱体区段作为基本形状，其中，物体的纵向延伸部同样也平行于旋转轴线18。在图1中所示的、垂直于旋转轴线18形成的横截面中，永磁体14总体上以星形方式布置在轴12上。磁通量引导元件16在横截面中具有楔形的形状，并且布置在永磁体14之间。

永磁体14可以是陶瓷磁铁、例如铁氧体磁铁。永磁体14分别通过钎焊连接部20固定在轴12上。为了图示清晰，在图1中只为其中一个永磁体14示出了钎焊连接部20的位置。在永磁体14中，相应的磁化装置24指向圆周方向26（此处以双箭头示出圆周方向26，因为在此确定方向没有意义）。由永磁体14产生的磁场通过磁通量引导元件16在径向方向28上向外侧改变路线并在此处集中。

为此，使用软磁材料制成磁通量引导元件16。例如可以分别通过叠片铁心构成磁通量引导元件。磁通量引导元件16不是直接固定在轴12上。每个磁通量引导元件16都通过粘合连接部22固定在永磁体14上，磁通量引导元件位于该永磁体之间。为了图示清晰，从粘合连接部22中在图1中也只用参考标号标注了用于一个磁通量引导元件16的粘合连接部22。

以下根据图2说明，如何能够制造转子、例如图1所示的转子10。另外，为了更加容易地确定方向，在图2以及其它附图中使用分别与图1中相同的参考标号来表示与图1所示元件相同的元件。

在图2中以放大图再次示出轴12，永磁体14固定在该轴上。永磁体14具有方形的基本形状，所以永磁体14的表面30在永磁体14的接触区域32中在轴12上是平坦的。轴12的表面34在接触区域32中相应成型，也就是说，这个表面同样是平坦的。因此，如果所有永磁体14的支承面都是平坦的，则轴12在垂直于旋转轴线18的横截面中总体上具有多边形的形状。对此可替换地，如果永磁体14在面向轴12的一侧上具有相应的圆形轮廓，也就是说，如果永磁体在这里分别向永磁体14内部凹形地拱起，则轴12也可以是圆形的。

为了将永磁体14固定在轴12上，已经例如以焊膏的形式涂覆并加热了焊料36。焊料36可以是例如软焊料，例如含有银或锡的焊料。为了借助于焊料36实现坚固的、材料锁合的连接，在图2所示的例子中为永磁体14和轴12涂覆镀层38、特别是金属镀层、例如由镍和/或铜制成的镀层。

在以图2中所示的方式将永磁体14和其它永磁体（参见图1）固定在轴12上之后，将磁通量引导元件16，即例如叠片区段装入永磁体14之间，并且例如借助于胶粘剂、例如硅胶，固定在永磁体14上。

以下根据图3说明如何能够在被分段的转子10中通过永磁体14产生外部磁场，该磁场沿圆周方向26具有尽可能地呈正弦形的场强变化曲线。在图3中所示的转子10可以是例如图1所示的转子。为了图示清晰，在图3中仅以参考标号标注了几个永磁体14和磁通量引导元件16。图3再次示出穿过转子10垂直于旋转轴线18的截面图。为了使图解说明效果更好，图3还示出了包络圆40，该包络圆描述了转子10从旋转轴线18出发的最大外周长。包络圆40具有包络圆半径42。

各个磁通量引导元件16具有外表面44，该外表面沿圆周方向26弯曲。另外，外表面44是指磁通量引导元件16的、在径向方向28上限定相应的磁通量引导元件16的边界的那个表面。为了图示清晰，在图3中为进行说明只用参考标号标注了用于磁通量引导元件16的相应组件。另外，磁通量引导元件16的外表面44分别具有小于包络圆半径42的弯曲部半径46。

在图4中示出如何能够借助于咬边或阶梯部48实现在粘合过程中将磁通量引导元件16精确地引入永磁体14之间，以便保证所有外表面44与包络圆40切向地接触。为此，将磁通量引导元件16推至永磁体14之间，直到阶梯部48抵靠在永磁体14的接触边缘50上。在此，永磁体14的接触边缘50是指永磁体14的朝向转子10的外侧的边缘。此外，通过借助于磁通量引导元件16的阶梯部48覆盖永磁体14的接触边缘50，可以更好地根据想要得到的正弦形变化曲线来调整转子10的外部磁场的场强的变化曲线。通过阶梯部48的范围中的斜面52，额外避免了从磁通量引导元件16离开或进入的磁场的磁场峰值。

另外，示出的例子具有这样的优点，即永磁体14和磁通量引导元件16能够这样牢固地与轴相连接，从而不需要额外的、抵御离心力以使得磁通量引导元件16和永磁体14稳固的外部轮箍。

通过例子在总体上示出，如何能够利用由连接技术钎焊和粘合构成的组合，以便能够在永磁激励的转子中利用位于内部的磁铁通过磁通量集中来实现坚固同时又易于制造的结构方式。另外还示出，为了钎焊在喷镀金属的轴上安装喷镀金属的铁氧体磁铁。在磁通量引导元件中的阶梯部、例如叠片铁心区段，能够实现在永磁体之间对各个磁通量引导元件进行精确定位。

Claims

1.一种具有永磁激励的转子（10），为了永磁激励，所述转子具有多个永磁体（14），所述永磁体围绕所述转子（10）的轴（12）在圆周方向（26）上布置，其中，为了引导所述永磁体（14）的磁通量而设有磁通量引导装置，其中，所述永磁体（14）固定在所述轴（12）本身上，并且所述磁通量引导装置包括多个单独的、软磁的磁通量引导元件（16），所述磁通量引导元件分别在其中两个所述永磁体（14）之间固定在所述永磁体上，并且由此间接保持在所述轴（12）上，其特征在于，至少其中一个所述永磁体（14）钎焊或熔焊在所述轴（12）上或者形状配合地与所述轴相连接，并且至少其中一个所述磁通量引导元件（16）具有至少一个接触区域（32），在所述接触区域中，所述磁通量引导元件（16）覆盖其中一个所述永磁体（14）的、在径向方向（28）上位于外侧的边缘。

2.根据权利要求1所述的转子（10），其中，钎焊连接部包括含有银和/或锡的焊料（36）。

3.根据权利要求1或2所述的转子（10），其中，至少其中一个所述永磁体（14）在所述接触区域（32）中在所述轴（12）上具有金属镀层（38），和/或所述轴（12）在所述接触区域（32）中具有由金属制成的镀层（38），所述金属与制成所述轴的内部（12）的金属不同，其中，所述镀层（38）优选地含有镍和/或铜。

4.根据前述权利要求中任一项所述的转子（10），其中，至少其中一个所述永磁体（14）在所述轴（12）上具有接触区域（32），在所述接触区域中，

a）所述永磁体具有凹陷弯曲的表面，或者

b）所述轴（12）具有平坦表面（34）。

5.根据前述权利要求中任一项所述的转子（10），其中，至少其中一个所述磁通量引导元件（16）由叠片铁心构成。

6.根据前述权利要求中任一项所述的转子（10），其中，至少其中一个所述磁通量引导元件（16）粘合在至少一个所述永磁体（14）上，其中，粘合连接部（22）特别地含有硅胶。

7.根据前述权利要求中任一项所述的转子（10），其中，所述转子（10）具有垂直于其旋转轴线（18）的横截面，在所述横截面中，所述永磁体（14）以星形方式布置在所述轴（12）上，并且所述磁通量引导元件（16）以楔形方式布置在所述永磁体（14）之间。

8.根据前述权利要求中任一项所述的转子（10），其中，在至少其中一个所述永磁体（14）中，磁化（24）指向所述圆周方向（26）。

9.根据前述权利要求中任一项所述的转子（10），其中，两个相邻的所述永磁体（14）的所述磁化（24）彼此方向相对。

10.根据前述权利要求中任一项所述的转子（10），其中，至少其中一个所述磁通量引导元件（16）具有在所述径向方向（28）上限定所述磁通量引导元件（16）的边界的表面（44），所述表面在所述圆周方向（26）上具有弯曲部，所述弯曲部具有半径（46），所述半径小于包络圆（40）的包络圆半径（42），所述包络圆描述了所述转子（10）在所述圆周方向（26）上的最大外周长，其中，所述半径（46）的值特别是在所述包络圆半径（42）的值的百分之五十和百分之一百之间的范围中。

11.一种永磁激励的电机，具有根据权利要求1至10中任一项所述的转子（10）。

12.根据权利要求11所述的电机，所述电机设计为同步电机或伺服电机或步进电机。

13.一种用于制造具有永磁激励的转子（10）的方法，所述方法具有以下步骤：

-将永磁体（14）固定、特别是焊接在所述转子（10）的轴（12）上，

-将磁通量引导元件（16）布置在所述永磁体（14）之间的间隙中，

-将所述磁通量引导元件（16）固定在所述永磁体（14）上，

其特征在于，

将所述永磁体（14）钎焊或熔焊在所述轴（12）上或者形状配合地与所述轴相连接，并且在固定过程中将所述磁通量引导元件（16）仅仅精确地这样在所述永磁体（14）之间引导，使所有外表面（44）与包络圆（40）切向地接触，并且为此，将所述磁通量引导元件（16）这样在所述永磁体（14）之间推动，直到所述磁通量引导元件（16）的相应的阶梯部（48）抵靠在所述永磁体（14）的相应的接触边缘（50）上，其中，所述永磁体（14）的每个接触边缘（50）是相应的所述永磁体（14）的朝向所述转子（10）的外侧的边缘。