CN103843230B - 具有沿径向安装的永久磁体的转子或定子 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电机的转子或定子，包括在轴向上延伸的转子轴、围绕转子轴同心地布置的基体、至少一个布置在基体的空隙中的永久磁体，和将永久磁体固定在空隙中的夹持机构，其中，在所述空隙的相对置的侧面处在所述基体中设置有凹部，所述夹持机构布置在所述凹部中。本发明此外涉及一种用于将永久磁体安装在按照本发明的转子或定子中的方法以及一种具有按照本发明的转子或定子的电机。本发明此外涉及一种用于具有这种电机的机动车的调节驱动装置以及一种具有这种电机的手持工具机。
Description
现有技术
本发明涉及一种用于电机的转子或定子，尤其是轮辐式转子，它围绕旋转轴同心地布置并且包括永久磁体，永久磁体布置在转子或定子的空隙中，其中，在转子或定子中设置用于固定永久磁体的夹持机构。本发明此外涉及一种具有按照本发明的转子或定子的电机，一种用于具有这种包括按照本发明的转子或定子的电机的汽车，和一种具有包括按照本发明的转子或定子的电机的手持工具机。
电机例如是电动机，起动机，发电机或辅助驱动装置例如用于汽车的调节驱动装置。在这种电机中已知装备利用永久磁体产生电磁场的转子或定子。
例如已知轮辐式转子，其中永久磁体轮辐式地在转子中延伸。这种轮辐式转子布置在转子轴处并且具有用实心材料或冲压板材制成的基体，基体大多数含有铁，基体沿着轴向被推移到转子轴上面并且基体具有用于布置永久磁体的空隙。永久磁体通常沿着轴向被插入其空隙中和然后被固定。
为了将永久磁体固定在尤其是同步电机或直流电机的转子或定子的空隙中，例如已知将永久磁体在基体中粘接在空隙里面。但是已知的粘接方法是昂贵的。此外缺点是，基体、粘结剂和永久磁体的温度系数是不同的。因此基体、粘结剂以及永久磁体在转子或定子中存在的温度范围上，例如在-40°C至+160°C的范围，不同地膨胀。粘结剂因此不能够很好地补偿基体直到永久磁体的温度特性和/或部件公差。此外不是全部的表面涂层可以被粘接，这些涂层例如被涂敷用于保护这种永久磁体不受到腐蚀。
按照另一个已知的方法，永久磁体被分别压入其空隙中并且借助于至少一个布置在基体处的夹持凸鼻进行夹持。夹持凸鼻不仅径向地固定永久磁体，而且也轴向地保持永久磁体。但是这种夹持凸鼻具有缺点，即它们对永久磁体以机械方式点状地加载，这导致应力集中并且常常导致损坏，尤其是断裂或磁体表面和/或它的涂层的刮伤。由此损坏的涂层不再能够保护永久磁体免受腐蚀和/或该损坏导致不均匀的磁场分布和增大的漏磁，由此使电机的齿槽转矩和转矩波动增大。
由于夹持凸鼻与基体或与基体的叠片一体地形成，因此它们也不能够实现对永久磁体的温度特性和/或部件公差的良好的保持，特别是通常为电工钢片的基础材料一般不具有足够的弹簧特性或者电工钢片的弹簧特性没有足够明确地提出。
对全部永久磁体同时支撑的附加夹持元件能够更好地补偿温度特性和/或部件公差，但是由于它们复杂的环形形状它们在制造上是昂贵的。此外它们的先决条件是需要一个向外方向上至少部分地封闭的槽。由此在这种附加夹持元件情况下对接也局限于轴向的对接方向。此外夹持力取决于长的公差链，使得夹持力的调整成为问题并且常常导致松弛的永久磁体或者被破坏的表面。
本发明的公开
本发明的目的是创造一种用于电机的转子或定子，其包括布置在转子或定子的空隙中的永久磁体，永久磁体被如此地固定在空隙中，即它的表面和/或涂层在装配和运行条件下都不会受到损坏，其中，此外可以非常好地补偿永久磁体的部件公差和它的温度特性，并且它可以容易地安装和成本有利地制造，其中，用于固定这个/这些永久磁体的夹持机构能够实现这个/这些永久磁体的径向连接并且同时转子的外半径或定子的内半径不会被夹持机构扩大。本发明的另一个目的是创造一种用于电机的转子或定子，它的转矩波动和/或齿槽转矩尽可能小。
该目的通过一种用于电机的转子或定子来实现，其包括在轴向上延伸的转子轴，围绕转子轴同心地布置的基体，布置在基体的空隙中的至少一个永久磁体，和为永久磁体单独设置的夹持机构，用于将永久磁体固定在空隙中，其中，夹持机构插入在空隙的相对置的侧面处在基体中布置的凹部里面。
由于为永久磁体设置了与其配属的单独的夹持机构，因此与同时支撑全部永久磁体的附加夹持元件相比较，其具有不太复杂的形状，其相应地可以成本更有利地制造，并且在部件公差和温度特性方面可以更好地优化。此外它的夹持力由于不太复杂的形状而可以更好地调整。
此外，夹持机构被插入到在基体中设置在空隙的相对置的侧面处的凹部里面。优选将该凹部在转子情况下布置在永久磁体与转子轴背离的一侧和在定子情况下布置在永久磁体与转子轴面对的或背离的一侧。这除了能够使永久磁体轴向地结合到空隙中以外也能够使永久磁体径向地结合到基体中，其中，永久磁体在插入之后用夹持机构固定。与轴向插入相比较，径向插入该永久磁体由于较短的插入路程而能够更快地进行并且因此节省在制造期间的加工时间。
凹部与限定转子或定子的表面（周面）之间优选具有间距。由此夹持机构被下沉地布置在空隙中并且被如此地设置，即安装后的夹持机构不扩大转子的外半径或定子的内半径，从而在转子和定子之间的空气隙可以保持很小。
在一个优选实施方式中，夹持机构布置在永久磁体与转子轴面对的一侧。该实施方式在转子情况下的前提是永久磁体的轴向插入结合，如果基体在插入永久磁体之前被连接到转子轴上的话。在定子情况下，依据可供使用的空间，其通常都比较宽敞，这种限制不存在。也优选一种实施方式，其中为永久磁体设置两个，其中，两个夹持机构中的一个布置在永久磁体与转子轴面对的一侧，而两个夹持机构中的另一个布置在永久磁体与转子轴背离的一侧。
夹持机构优选弹性地构造成。特别优选地设计成片簧（板簧）。在该实施方式中其可以非常简单和成本有利地制造，尤其是用连续材料制造，该材料可以在制造转子或定子时直接地被切割。这具有好处，即尽管电机结构尺寸不同，不同的部件数量很小并且对于每种永久磁体长度不需要一个单独的夹持机构。
优选地，夹持机构沿着轴向具有一种长度，其中，它在它的整个长度上在接触区域中贴靠在永久磁体上。特别优选地，夹持机构沿着轴向定子布置在永久磁体中心处。或者也优选地，它沿着轴向布置在永久磁体的相对置的端部处。或者，它在轴向上此外优选沿着整个永久磁体延伸。原则上也可以实现一种实施方式，其中，沿着轴向在永久磁体的长度上分布设置多个夹持机构，其将永久磁体固定在空隙里面。
但是也优选的是，夹持机构在永久磁体的一个大的长度上或者甚至整个长度上贴靠在永久磁体上，由此利用夹持机构的很小的夹持力达到在永久磁体上的大的保持力。由此使永久磁体被很好保护地夹持并且它的表面和/或涂层不仅在安装时而且在运行条件下都不被损坏。
夹持机构将永久磁体优选沿着转子或定子的径向固定在空隙中。此外优选的是，夹持机构将永久磁体也沿着轴向固定在空隙中。在此，如此地设计夹持机构的弹性，即将永久磁体夹持在空隙中，从而它不再能够在轴向上移动。但是原则上也优选转子或定子的一种实施方式，其中为了在沿着轴向和逆着轴向上的固定，分别设置一个单独的固定机构。
为了将永久磁体夹持在空隙里面，在凹部与夹持机构相对置的一侧处优选设置用于永久磁体的支承件，尤其是连接条，其中，夹持机构将永久磁体压向支承件。作为支承件，同样优选的是，在永久磁体与夹持机构相对置的一侧处设置另一个夹持机构，尤其是结构相同的夹持机构。
夹持机构优选大致布置在永久磁体的沿着轴向延伸的中线的中点。最好相对于该中线对称地设计。由此它的弹簧刚度沿着轴向大致是恒定的并且它将永久磁体以均匀的压力压向支承件或另一个设置在永久磁体相对置的一侧处的夹持机构。在此，夹持机构在永久磁体上的表面挤压力和/或夹持力在接触区域中由于布置的对称性而大致是恒定的并且稳定地分布，从而避免跳跃性的改变。
夹持机构最好具有变形区，其具有确定其弹簧刚性的波长、振幅高度和材料厚度。因此通过匹配变形区，在考虑在凹部之间的夹持机构的张紧力下，夹持机构的夹持力可以针对特定的应用进行调整。在接触区域中夹持机构优选被倒圆或削平，从而在安装和电动机运行中它都不会损坏永久磁体。
变形区优选是V形的、半壳形的或U形的。此外夹持机构优选具有侧面区域，该侧面区域在夹持机构的安装状态下在径向上延伸。
优选地，凹部各容纳一个夹持机构的缘边，从而将夹持机构插入凹部中是容易的。优选凹部分别设计成沿着轴向延伸的槽。这种槽可以非常成本有利地制造。此外凹部的轮廓，即在其横截面上的槽，优选分别对应于夹持机构的缘边的轮廓进行构造，因此夹持机构在安装被引导通过凹部并且在安装状态下尽可能无间隙地夹持在该凹部之间。
基体优选具有两个相对置的和限定它的端面，其中，凹部分别一直延伸到至少其中一个端面。在该实施方式中，夹持机构从该端面出发沿着轴向可以插入凹部之间。备选地也可以在径向上夹持在凹部之间。
特别优选地，夹持机构作为冲压弯曲件来制造，这可以利用常规方法成本有利地实现。在此，优选用金属或金属合金，尤其是弹簧钢制造。夹持机构的材料优选尽可能是非磁性的。最好它具有一种小于20的磁导系数。但是原则上也实现一种采用塑料的实施方式，如果机械的以及热的要求相应地低的话。但是，相对于由塑料制造的非常轻的夹持机构，由金属或金属合金制造的夹持机构此外具有优点，即它不需要脱模斜面并且因此可以以更窄的公差制造。
优选地，安装在凹部之间的夹持机构被预张紧并且在磁体上施加弹簧力。通过夹持机构对永久磁体的固定因此优选以形状配合和/或传力配合的方式进行。
永久磁体优选轮辐式地布置在基体中。它最好设计成扁平磁体。在一个优选实施方式中，转子或定子半壳多个永久磁体，其中，为每个永久磁体各设置一个夹持机构。永久磁体以及夹持机构优选均匀地在周向上分布地设置。此外优选地，基体制造成一个部件或多个部件构造成的由多个用冲压板材制造的叠片构成的叠片组。但是一种实施方式也是适合的，即，它由一个部件或多个部件构成的实心体制造。
该目的此外通过一种用于将永久磁体安装在按照本发明的转子或定子中的方法实现，该方法包括步骤:
－将永久磁体沿着径向插入空隙中，和
－将夹持机构沿着径向或沿着轴向插入基体的凹部中。
在将夹持机构沿着径向插入时，夹持机构被夹持在基体的凹部中。
该方法实现一种对永久磁体非常保护的安装，其中永久磁体或它的涂层不被损坏。
按照本发明的转子或定子原则上适用于要求将永久磁体固定在转子或定子的一个基体中的所有电机。该目的因此此外通过一种具有按照本发明的转子或定子的电机，尤其是电动机，尤其是通过同步电机或直流电机，实现。由于电动机的永久磁体在插入其空隙中时或者在运行条件下不被损坏，因此电动机的转矩波动性和齿槽转矩很小。
该目的此外通过一种用于具有这种电动机的机动车的驱动装置实现。这种驱动装置例如是汽车的伺服转向机构的伺服电机或电动自行车的驱动装置。
该目的此外通过一种具有这种电动机的手持式工具机实现。该手持式工具机优选是钻机或冲击锤。
下面借助于图示描述本发明。该图示仅仅是示例性的并且不限制总的发明构思。图中所示:
图1是按照现有技术的转子的基体，
图2是在转子的基体的一种实施方式中永久磁体的轮辐式的布置，
图3是按照本发明的转子的基体的多个局部图，其中，在图3(b)-(d)中示出了不同的基体，具有可分别用于基体的夹持机构，其中，图3(a)，(b)，(e)和(f)示出相同的基体，和其中，图3(f)示出安装的并且用夹持机构固定的永久磁体，
图4，图5是按照本发明的转子的基体的两个另外的实施方式，具有在基体中分别安装的并且借助于一个或两个夹持机构固定的永久磁体，
图5是示意示出的在一个基体中不同的夹持机构的布置，和
图6是用于按照本发明的转子的永久磁体。
图1中示例性地示出了用于按照现有技术的转子1的基体3的一个实施方式。基体3在轴向21上延伸和围绕转子轴2同心地布置。在基体3中在周向23上均匀分布地设置空隙4，设计成扁平磁体的永久磁体5可以插入这些空隙中。在每个空隙4与转子轴2面对的一侧处各设置一个保持凸鼻31。永久磁体5各沿着转子轴2的轴向21插入到其空隙4中。在此，它们沿着保持凸鼻31在轴向21上被推移，由此存在刮划永久磁体5或其涂层的危险。此外永久磁体5在转子1运行中通过保持凸鼻31点状地被非常强烈地加载，由此存在被增大的永久磁体断裂的危险。
图2示例性地示出了两个布置在用于转子1的基体3的另一个实施方式中的永久磁体5的轮辐式的布置。
图3示出了图2的结构方式的转子1的基体3的一个局部，永久磁体5轮辐式地布置在基体3中。示出了基体3的两个相邻的部段30，在它们之间设置用于永久磁体5的空隙4。在此，图3(a)-(f)各示出了用于按照本发明的转子1的基体3的局部，其中，图3(a)-(d)和(f)各示出了转子的一个端面的俯视图，和其中，图3(e)示出了一个透视图。
在该基体3中在空隙4的相对置的侧面44处各在基体3中设置凹部34，其在此处设计成槽。两个相对置的槽在图3(a)-(f)的实施方式中分别布置在与转子轴2背离的一侧处。在与转子轴2面对的一侧处，基体3在相对置的侧面44处各具有一个用于永久磁体5的设计成连接条（搭条）的支承件33。但是，取代两个相对置的连接条，一种具有惟一的、将两个相邻的部段30连接起来的连接条的实施方式也是优选的。
图3(a)示出了没有夹持机构6和没有永久磁体5的基体3的局部。图3(b)-(d)示出了用于不同的夹持机构6的局部的不同的实施方式，其中，图3(b)-(d)也示出了未安装的夹持机构6的放大视图。在图3(f)中以透视图示出了图3(b)的局部的实施方式，其中，夹持机构6在安装期间的布置也通过虚线示意地示出。图3(f)示出了在图3(b)的实施方式的转子1中借助于夹持机构6安装的永久磁体5中。
每个永久磁体5利用为其单独设置的夹持机构6被固定在空隙4中。为此夹持机构6中的每个夹持机构都以两个相对置的缘边64插入到凹部34之间。在设计成槽的凹部34的情况下，槽34优选一直延伸到基体3的两个相对置的端面35中的至少一个端面处，从而夹持机构6可以沿着轴向21从端面35出发推入到相对置的凹部34之间。但是也可以在径向22上通过将夹持机构6压入到凹部34之间来安装夹持机构6。此外原则上另外的用于固定夹持机构6的凹部34也是可能的，例如在空隙4的相对置的侧面44处的孔，夹持机构6被夹持在其之间。
凹部34在图3的全部实施方式中布置在空隙4或永久磁体5与转子轴2背离的一侧上，这不仅能够实现永久磁体5的常规的沿着轴向21的插入（结合），而且也能够实现永久磁体5沿着径向22的插入（结合），由此可以节省安装期间的加工时间。凹部34与限定转子1的表面36之间具有间距43，因此夹持机构6各下沉在其空隙4中并且夹持机构6不使转子1的外半径12扩大。
夹持机构6弹性地构造成的，并且构造成片簧。它在轴向21上具有长度63，其中，它在其整个长度63上在接触区域65中贴靠在永久磁体5上。在接触区域65中，它优选是压扁（展平）的或倒圆的，因此永久磁体5在运行条件下也不被锐利的边缘损坏。在此情况下，它将永久磁体5沿着转子1的径向22固定在空隙4中。此外永久磁体5在空隙4中被夹持在支承件33和夹持机构6之间，因此永久磁体5同时在轴向21上被固定在空隙4中。
夹持机构6相对于中心平面7对称地设计，中心平面7由沿着轴向21延伸的线71和沿着径向22延伸的线72形成，从而夹持机构的弹簧刚性沿着轴向21是大致恒定的并且它以均匀的压力将永久磁体5压向支承件33或另一个设置在永久磁体5的相对置的一侧处的夹持机构6(参见图4(b))。
不再凹部34之间的夹持机构6由此被预张紧，从而它对永久磁体5施加弹簧力并且将其以形状配合和/或传力配合的方式固定在空隙4中。为此，夹持机构6具有变形区62，其具有波长621，幅高622和材料厚度623，它们确定夹持机构的弹簧刚度和尤其在提供的空间情况和需要的夹持力、永久磁体5方面能够使夹持机构6实现针对特定应用的适配。
图3(b)和(d)的实施方式各示出了一个具有半壳形的变形区62的夹持机构6。图3(b)的实施方式的夹持机构6此外具有侧面区66，其在夹持机构6的安装状态下在径向22上延伸。图3(c)的实施方式的夹持机构6具有V形的变形区62。为了夹持机构6在安装期间被引导通过凹部34并且在安装状态下尽可能无间隙地夹持在凹部34之间，凹部34的轮廓，即在其横截面中的槽，和夹持机构6的缘边64的轮廓相互对应地设计。
图4(a)的转子1与图3(f)的转子1的区别仅仅在于，夹持机构6布置在永久磁体5与转子轴2面对的一侧处，和用作支承件33的连接条布置在永久磁体5与转子轴2背离的一侧处。在图4(b)的转子1情况下，不仅在永久磁体5与转子轴2面对的一侧处而且在永久磁体5与转子轴2背离的一侧处设置有夹持机构6，因此不需要用于永久磁体5的连接条形式的另外的支承件33。
图5示出了转子1的表面36的视图并且说明这个夹持机构6或这些夹持机构6在空隙4中的可能的布置。在图5(a)中没有夹持机构6布置在空隙4中，因此只能够看见永久磁体5。在图5(b)中夹持机构6在转子1或永久磁体5的整个长度11上延伸，因此只能够看见夹持机构6。在图5(c)中，两个较小长度63的夹持机构6分别局部地设置在永久磁体5的相对置的端部53，54处。以及在图5(d)的实施方式中夹持机构6沿着轴向21大致设置在永久磁体5的中部。夹持机构6的数量和位置可以按照需要做进一步的改变。
图6示例性地示出了设计成扁平磁体的永久磁体5，其适用于轮辐式地布置在转子1中。在沿着径向22结合时，永久磁体5经其高度51被插入空隙4中，在沿着轴向21结合时经其长度52插入。相比较下，可以看到，相对于永久磁体5的轴向结合（插入），其径向结合（插入）由于较短的插入路程而可以更快地实现并且因此在制造期间节省加工时间。
所述的夹持机构6可以作为冲压弯曲件用常规方法非常成本有利地用金属或金属合金，尤其是很小磁性的直到非磁性的弹簧钢制造。这种夹持机构6例如可以用在汽车领域中。但是，如果对机械的以及热的要求更小的话，那么也可以用塑料制造。
Claims (17)
1.用于电机的转子(1)或定子，
-包括在轴向(21)上延伸的转子轴(2)，
-包括围绕转子轴(2)同心地布置的基体(3)，
-包括至少一个布置在基体(3)的空隙(4)中的永久磁体(5)，和
-包括将永久磁体(5)固定在空隙(4)中的夹持机构(6)，
其特征在于，
在所述空隙(4)的相对置的侧面(44)处在所述基体(3)中设置有凹部(34)，所述夹持机构(6)布置在所述凹部中，所述凹部(34)各构造成在轴向(21)上延伸的槽，所述凹部各容纳所述夹持机构(6)的一个缘边(64)，
其特征在于，
夹持机构(6)具有变形区(62)，该变形区具有确定夹持机构(6)的弹簧刚性的波长(621)、振幅高度(622)和材料厚度(623)，夹持机构(6)布置在永久磁体(5)的与转子轴(2)面对的一侧，且在永久磁体(5)的与转子轴(2)背离的一侧，在基体(3)上，在相对置的侧面(44)处设置有用作所述永久磁体(5)的支承件(33)的连接条，夹持机构作为冲压弯曲件来制造，夹持机构的材料具有一种小于20的磁导系数。
2.根据权利要求1所述的转子(1)或定子，其特征在于，所述凹部(34)的轮廓各与所述夹持机构(6)的所述缘边(64)相对应地构造。
3.根据权利要求1所述的转子(1)或定子，其特征在于，所述凹部(34)与限定所述转子(1)或定子的表面(36)之间具有间距(43)。
4.根据权利要求1所述的转子(1)或定子，其特征在于，所述基体(3)具有两个相对置的并且限定它的端面(35)，其中，所述凹部(34)各延伸直到所述端面(35)中的至少一个端面。
5.根据权利要求1所述的转子(1)或定子，其特征在于，所述夹持机构(6)弹性地构造。
6.根据权利要求1所述的转子(1)或定子，其特征在于，所述夹持机构(6)构造成片簧。
7.根据权利要求1所述的转子(1)或定子，其特征在于，所述夹持机构(6)将所述永久磁体(5)沿着径向(22)且沿着轴向(21)固定在所述空隙(4)中。
8.根据权利要求1所述的转子(1)或定子，其特征在于，所述夹持机构(6)沿着轴向(21)大致布置在所述永久磁体(5)的中部或布置在所述永久磁体(5)的相对置的端部(53，54)处，或沿着整个永久磁体(5)延伸。
9.根据权利要求1所述的转子(1)或定子，其特征在于，所述夹持机构(6)沿着轴向(21)具有长度(63)，并且在其整个长度(63)上在一个接触区域(65)中贴靠在所述永久磁体(5)上。
10.根据权利要求1所述的转子(1)或定子，其特征在于，在所述空隙(4)与所述夹持机构(6)相对置的一侧(41，42)处设置有用于所述永久磁体(5)的支承件(33)。
11.根据权利要求1所述的转子(1)或定子，其特征在于，安装在凹部(34)之间的夹持机构(6)被预张紧并且在永久磁体(5)上施加弹簧力。
12.根据权利要求1所述的转子(1)或定子，其特征在于，变形区(62)是V形的、半壳形的或U形的。
13.根据权利要求9所述的转子(1)或定子，其特征在于，在接触区域(65)中夹持机构(6)被倒圆或削平。
14.根据权利要求1所述的转子(1)或定子，其特征在于，永久磁体(5)被设计成扁平磁体。
15.用于将永久磁体(5)安装在根据上述权利要求中任一项所述的转子(1)或定子中的方法，包括步骤：
－将所述永久磁体(5)沿着所述转子(1)或定子的径向(22)插入所述空隙(4)中，和
－将所述夹持机构(6)沿着径向(22)插入到所述基体(3)的所述凹部(34)之间，其方式为，夹持机构被夹持在基体的凹部中。
16.电机，其包括根据权利要求1-14中任一项所述的转子(1)或定子。
17.根据权利要求16所述的电机，其特征在于，所述电机是同步电机或直流电机，所述电机适用于电动自行车或电动汽车或手持工具机的驱动装置。
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