CN105164767A - 用于磁体保持的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

用于保持永磁部件的装置和方法，特别是在电机的转子上保持永磁部件的装置和方法。磁体载体(10)，包括通道(30)，该通道(30)适于容纳包围的磁体保持件。以及制造磁体组件(100)的方法，包括：提供包括通道(30)的磁体载体(10)；在所述磁体载体(30)上安装磁体(60)；以及用磁体保持件(20)包围所述磁体(60)和磁体载体(10)，其中所述磁体保持件(20)穿过所述通道(30)。

Description

用于磁体保持的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于磁体保持的装置和方法，特别是用于与例如用于发电机的永磁转子一起使用的磁体保持。
背景技术
在发电机中，永磁转子具有多种应用，包括在图1显示的永磁电机中使用。永磁转子，特别是那些表面安装有磁体的转子，通常需要额外的机械装置用于将磁体保持在转子轮毂上。特别地，在高速时，磁体受到高的离心力且不可能单独依靠粘合剂使磁体粘接在转子轮毂表面。
依靠粘合剂粘接在磁体和转子的背铁之间的接触表面上也需要磁体材料在整个结构张紧时具有足够的强度以防止在离心负载下失效。通常在高性能电机中使用的烧结的磁体(例如，钕铁硼(NdFeB))的物理性能在生产中每一批都可能不同。不借助X光检测技术，将没有方法识别材料中的空隙和潜在的裂纹扩展点，因此引述的典型的材料性能不能被依靠。因此通常需要合适的控制以作用为保持本应以任何方式断裂的磁体，且防止它们张紧(如此减少断裂的可能性)。控制还必须防止磁体显著的位移，这会导致转子失衡。
磁体块的保持通过需要分割的磁体也会变得复杂。典型的磁体材料(例如，烧结的钕铁硼(NdFeB))还是导电的。由于电枢反应以及在它旋转通过机器定子的齿形结构时磁体工作点的改变，磁体材料中产生了涡电流，导致降低效率的损失且导致磁体材料自动变热而导致通量密度减小，且由于磁体材料的温度敏感性因此机器性能降低。因此磁体通常被层叠或分割(通常磁体分割部中具有绝缘粘合面)以阻止涡电流的流动。这样也可能降低磁体块的机械强度。
通常，如图2所示，较小的转子可能具有置于磁体上的合成套筒，合成套筒通常由碳纤维或缠绕在环氧基中的玻璃纤维制成。这可以直接湿绕(wet-wound)在磁体转子上然后处理。可替换地，可以在心轴上预先形成管道然后装在转子上。通常期望在纤维的环方向实现预压，该预压将本应分离的磁体的任何运动降低到最小。在湿绕转子的情况中，这可以通过在张紧下缠绕纤维来实现。对于预先形成的管道，可以通过使用热过盈配合(例如，转子在落入处于室温的套筒中之前被冷却)来实现预压。外包装套筒的外表面然后可以被放置在地面以获得兼容电机所需的较小气隙/空隙的高耐性部分。
尽管大直径的机器(例如在船舶推进装置或风轮机中使用)通常以低速至中速运行，大直径和速度的结合和/或使用相对大的磁体块可以导致磁体上的较高离心力。然而，将整个转子外包装有套筒的方法在大直径转子上是有问题的。克服在负载下碳纤维中的拉紧力和保持磁体中极小的位移(排除其作为所需的外包装厚度)的预张紧需求将由于磁气隙增加而导致较差的电磁性能。
本发明提供了用于安装磁体的方法和装置，该安装磁体的方法和装置在制造的容易性和机械强度方面具有潜在的优势，同时减小了保持系统的厚度以确保磁气隙减小。尤其是对于大直径机器和高速应用和/或在具有较大磁极的应用中具有重大意义，在高速应用时离心力明显。
发明内容
根据本发明，提供了一种磁体载体，该磁体载体包括通道，该通道适于容纳包围的磁体保持件。
所述磁体载体优选由铁磁材料制成，最优选地，所述磁体载体由钢制成。所述通道的底面可以为倒斜角的和/或倒圆角的且所述通道可以具有倒斜角的和/或倒圆角的轮廓。所述磁体载体可以包括多个适于容纳包围的磁体保持件的通道。所述磁体载体还可以包括安装件，该安装件适于将所述磁体载体安装至转子磁轭。所述安装件可以包括至少一个螺孔。
还提供一种磁体组件，包括：磁体载体，该磁体载体包括通道，该通道适于容纳包围的磁体保持件；永磁体；以及磁体保持件，该磁体保持件包围所述载体和所述永磁体，其中，所述磁体保持件穿过所述通道。
所述磁体保持件可以包括纤维丝。所述纤维丝可以为碳纤维或玻璃纤维。所述磁体保持件还可以包括环氧树脂。所述磁体保持件可以处于张紧状态。
所述磁体保持件在所述磁体的表面处可以比所述磁体保持件在所述通道处薄。所述磁体保持件在所述磁体的表面处可以比在所述磁体载体的基体处覆盖更大的表面面积。所述磁体载体在所述磁体的表面处的宽度可以比所述通道的宽度更大。
所述磁体可以为层叠的磁体或分割的磁体。所述磁体可以具有至少一个倒斜角的和/或倒圆角的边缘。
还提供一种永磁转子，包括多个磁体组件，该磁体组件包括磁体载体，该磁体载体包括通道，该通道适于容纳包围的磁体保持件；永磁体；以及磁体保持件，该磁体保持件包围所述载体和所述永磁体；其中所述磁体保持件穿过所述通道。
所述多个磁体组件可以连接至转子磁轭。所述转子磁轭可以是铁磁的。所述通道可以沿转子的圆周方向或轴线方向布置。
还提供一种制造磁体组件的方法，包括：提供包括通道的磁体载体；在所述磁体载体上安装永磁材料；以及用磁体保持件包围所述永磁材料和磁体载体，其中所述磁体保持件穿过所述通道。
当所述永磁材料安装至所述磁体载体时，所述永磁材料可以未磁化。所述永磁材料安装至所述磁体载体之后，所述永磁材料可以被磁化。在所述永磁材料和磁体载体被所述磁体保持件包围之后，磁化所述永磁材料以创建永磁体。
所述磁体保持件可以包括纤维丝。所述磁体保持件可以包括碳纤维。所述磁体保持件可以包括玻璃纤维。所述磁体保持件还可以包括环氧树脂。包围所述磁体和磁体载体的步骤可以包括围绕所述磁体和所述磁体载体缠绕所述纤维。所述纤维可以在张紧力下缠绕。
在所述磁体载体上安装永磁材料的步骤可以包括使用粘合剂将所述永磁材料粘接至所述磁体载体。所述粘合剂可以为环氧树脂。所述粘合剂可以为丙烯酸树脂。
还提供一种制造永磁转子的方法，包括：以以上描述的方法中的一种方法制造至少一个磁体组件；以及在转子磁轭上安装所述至少一个磁体组件。
在转子磁轭上安装所述至少一个磁体组件包括：将所述磁体组件装载至工具或导轨；以及使用所述工具或导轨将所述磁体组件引导至所述转子磁轭。
附图说明
现在将通过参考下面附图的示例来详细地描述本发明的实施方式，其中：
图1显示了永磁电机的剖视图；
图2显示了已知的永磁转子；
图3显示了根据本发明的一个方面的永磁转子；
图4显示了根据本发明的一个方面的永磁转子；
图5显示了根据本发明的一个方面的永磁转子；
图6显示了根据本发明的一个方面的磁体组件的立体图；
图7显示了图6中的磁体组件的端部视图；
图8显示了图6中的磁体组件的侧视图；
图9显示了图6中的磁体组件的沿图8中的剖面A-A剖切的剖视图；
图10显示了根据本发明的一个方面的磁体载体的立体图；
图11显示了图10的磁体载体的底部视图；
图12显示了图10的磁体载体的端部视图；
图13显示了图10的磁体载体的侧视图；
图14显示了图10的磁体载体的沿图12中的剖面A-A剖切的剖视图；
图15显示了分割的永磁体立体图。
具体实施方式
图3显示了根据本发明的实施方式的永磁转子1的一部分。从图3中可以看出，每一个磁体组件100包括磁体载体10、永磁体60和磁体保持件20，每一个磁体组件100机械地固定至转子磁轭2。磁体组件100可以通过任何合适的装置固定至转子磁轭2；在实施方式中显示了使用螺栓4使磁体组件固定至转子磁轭2。
如图4所示，磁体组件100中的磁体60可以交替地沿“径向向内”和“径向向外”方向(可以被看作是交替的南磁体和北磁体)被磁化。可替换地，如图5所示，可以通过使用两个或更多个相同极性的磁体来实现更宽广的磁极。
图6至图9显示了磁体组件100的实施方式。永磁体60通过磁体保持件20安装至磁体载体10。磁体保持件20通过形成在磁体载体10的基体中的多个通道30而包围磁体60和磁体载体10。在一些实施方式中，超过一个永磁体60可以安装在单个磁体载体10上。
在优选实施方式中，磁体载体10由铁磁材料形成，最优选地，由磁钢形成。合适的钢可以包括软钢(等级例如为1020、1020、EN1a)、硅钢(硅-碳制成)、铁素体和马氏体不锈钢(即，等级为410、416、446)或钴铁合金。如图3所示，磁体载体10可以作为转子磁轭2的机械接口。转子磁轭2可以由铁磁材料形成。磁体载体和转子磁轭2为铁磁体，磁体载体10与转子磁轭2一起可以为电磁电路(例如相邻的磁极之间的磁通的返回路径)提供背铁。
优选地，电磁路径不应该与转子背铁妥协。磁体载体10为磁体保持件20提供槽部或通道30以在下方通过磁体组件100。通道30之间的中间凸起部或齿部50允许磁通畅通无阻地(例如不会创造大的具有高磁阻的气隙)从磁体载体10进入另一个铁磁结构或转子磁轭2，另一个铁磁结构或转子磁轭2构成了转子背铁的一部分。磁体载体10的齿部50优选为磁通路径提供足够的切面面积。在优选实施方式中，磁体载体由钢制成。由于钢的较高的饱和通量密度(通常为1.5-2.0T)，磁通路径内的钢的切面面积能够小于磁体60的切面面积，磁体60通常将具有0.8-1.0T的工作通量密度，不会有任何磁性饱和问题，该磁性饱和问题导致磁性电路较高的磁阻以及磁性性能降低。
磁体保持件20可以优选为包括缠绕在环氧基中的纤维丝。合适的纤维丝包括碳纤维和玻璃纤维。优选地，纤维可以以特定的张紧力(优选大约5-10千克力，或者大约49-98N)缠绕，该张紧力施加至拖绳以获得在完成处理部分中的预压。由于磁体材料的温度限制，将根据所需强度还有潜在的任何在处理周期上的限制来选择纤维(例如碳纤维或玻璃纤维)和环氧基。纤维可以被湿绕(即干燥的纤维在被缠绕在磁体和磁体载体上之前经过树脂浴)或可以为预浸渍产品或为已经施加环氧涂层的预浸品。在烤箱或压热器中烘烤部件然后处理环氧树脂。在处理过程中，可以在部件上施加模具以确保完成环氧树脂最终的形状/表面光洁度。优选地，拖绳可以包括在3000至15000根(最优选地，7000根)之间的碳纤维丝。优选地，每一根碳纤维的直径可以在5到10微米之间，最优选地，6微米。
磁体保持件可以优选为使用树脂传递模塑成型工艺(RTM)添加至磁体和磁体载体。在树脂传递模塑成型工艺中，磁体和磁体载体被碳纤维层或玻璃纤维层(可以，例如以席子、带子或绳子的形式)干裹起来然后被夹持或保持到成型腔中，同时低粘性树脂或环氧树脂在压力下注入。然后该部件如上所述被加热处理以生产高度整体部分。
磁体保持件20可以对应某一角度，以覆盖磁体60的表面在上表面102的较大面积。因此，上表面102上的磁体保持件20的宽度24A可以大于磁体载体10上的通道30的宽度24B。在磁体保持件20包括在张紧下缠绕的纤维丝的情况下，磁体保持件20将沿着纤维方向产生力。然而，角纤维和零度缠绕纤维(垂直于轴线方向)之间的最大角度(θ)优选为较小。因此，从磁体保持件20沿轴线方向分解的力(该力与sin(θ)成比例)可以被忽略。
磁体保持件20的切面的宽高比可以在磁体组件100的周围改变。磁体保持件20可以在磁体组件100的上表面102上形成薄层(厚度为22A)，该薄层在使用时可以邻近电机气隙(例如面对传统的径向场永磁体机器中的定子)。磁体保持件20在通道30处可以相对较厚(厚度为22B)。磁体保持件20可以具有恒定的切面面积。在上表面102上的较薄磁体保持件20具有缩小使用转子的机器中的磁气隙的优点。
图8至图12更详细地显示了磁体载体10。
磁体载体10还可以包括大量机械固定点12以允许载体被固定在如图1所示的转子结构上。机械固定点12可以为螺孔。在图1显示的实施方式中，螺栓4穿过转子磁轭2的间隙孔，且与磁体载体机械固定点12接合。额外的固定点14可以包括在载体的其他表面，以允许磁体安装在转子上时，磁体组件被牢固地保持以对抗磁力。当然，间隙孔和螺孔可以相对地位于上面，且用于固定的可选择的机构可以被代替地使用。
优选地，通道30具有轮廓边缘32，轮廓边缘32例如可以为倒斜角的和/或倒圆角的。轮廓边缘32有助于避免在磁体保持件20上的高应力集中。磁体保持件20包括纤维丝，轮廓边缘还允许纤维经过结构时不会有尖角导致纤维拖绳缠绕时损坏。优选地，轮廓边缘具有比纤维的最小弯曲半径更大的半径。在通道30的引导边缘34上具有斜边或圆边也是有利的，以防止纤维拖绳在缠绕时被损坏且允许纤维拖绳在没有损坏的情况下进入通道30。
图15显示了适合与磁体载体10一起使用的永磁体60。磁体60被分割以避免涡电流，分割部64之间具有粘接接口62。在一种实施方式中，粘接接口62优选包括玻璃珠以防止分割部64之间接触。类似于磁体载体通道30，磁体60可以具有轮廓边缘66以防止应力集中，且在磁体保持件包括纤维丝的情况中，减小了纤维在缠绕时的弯曲半径。在该区域的材料移除对机器性能(例如气隙通量密度和扭矩产生)不会有明显的影响，因为这里的磁体材料通常导致了极间泄露(即通量在转子上没有横越气隙的磁极之间泄露且与电机的剩余部分连接)。
在如上描述的实施方式中，磁体保持件20沿转子的圆周方向布置。磁体保持件20并由此的通道30沿着磁体60和磁体载体10轴向地延伸也有可能，即，磁体保持件可以平行于转子的旋转轴延伸。然而，如果磁体的相关边缘构造为移除尖角，这种设置可以增加磁极主轴上的有效气隙且能够损害性能。在圆周的情况下，轮廓边缘66在磁体极间产生且该位置磁体材料的损失对性能具有明显的降低效果。
为了制造如上所述的磁体组件100，永磁体材料安装磁体载体10上且磁体保持件20包围磁体载体10和永磁体材料，且磁体保持件20通过磁体载体10的通道30。
当永磁体材料安装在磁体载体10上时，它可以使用合适的粘合剂粘接至磁体载体10，粘合剂例如为环氧树脂或丙烯酸树脂。在施加磁体保持件20的同时，粘合剂可以将永磁体材料保持定位在磁体载体上。粘合剂还可以用于在使用磁体组件100时将永磁体60保持在转子磁轭2上。
永磁体材料可以在未磁化状态下安装在磁体载体10上，这简化了制造过程，因为永磁体材料和磁体载体10之不会出现较高的磁吸引力(较高的磁吸引力可能会挤出粘合剂)，且允许实现最佳的粘接且处理永磁体材料会更容易。然后永磁体材料可以被磁化以在永磁体材料被安装至磁体载体10之后或者在磁体保持件20被施加之后创造永磁体60。可选择地，永磁体材料在安装至磁体载体10之前可以已经磁化以形成永磁体60。
永磁体60可以包括分割的或层叠的磁体。在一些实施方式中，超过一个永磁体60可以安装至单个磁体载体10。
优选地，磁体保持件20包括纤维丝。通常，磁体保持件20将由在结合的磁体60和磁体载体10旋转时缠绕的单个拖绳(或纤维束)形成。结合的磁体60和磁体载体10以及纤维拖绳还可以关于彼此沿旋转轴线的方向在旁边运动以允许纤维横贯磁体60和磁体载体10的长度。可以使用可选择的横贯图案，例如在引入下一个通道30之前在每个通道30中缠绕大量的圈或者在运动至下一个通道30且使用多次横贯磁体60长度之前在通道30中设置单个或少量的圈。
优选地，纤维通过施加在拖绳上的特定的张紧力缠绕以实现在完成的处理部分的预压。由于磁体材料的温度限制，将根据所需强度还有潜在的任何在处理周期上的限制来选择纤维(例如碳纤维或玻璃纤维)和环氧基。
如图3所示，为了构建永磁体转子，如上所述的多个磁体组件100可以安装在转子磁轭2上。
为了促进磁体组件100的安装，磁体载体10中可以包括孔或固定件，该孔或固定件有助于机械地处理磁体组件100。烧结的磁体是易碎的且难以通过机器制造，且因此，紧固件或固定件不能直接作用在磁体60上。在装配转子1的过程中，可以利用机械地保持磁体载体10的能力来控制作用在磁体60上的力。
随着磁体60装载在转子磁轭2上，它在与相邻的磁体和可能的铁磁转子磁轭2互相影响时而受到某个范围的力，这能够使人工地将磁体装载到转子上具有很大挑战性。然而，磁体组件100可以装载至工具/导轨上且施加可控制的力以将磁体组件100下放或引导至转子轮毂2。一旦就位，磁体载体固定至转子磁轭2(例如使用螺栓4穿过磁轭2中的间隙孔进入磁体载体10的基体中的机械固定点12(例如螺孔))。然后可以释放工具固定件，且转子在周围引入下一个位置，用于装载随后的磁体组件。
为了完成转子1的装配，磁体组件100可以围绕转子1的整个圆周安装至转子磁轭2。如图4所示，磁体组件100中的磁体60可以交替地沿“径向向内”和“径向向外”方向(可以被看作是交替的南磁体和北磁体)被磁化。可选择地，如图5所示，可以通过使用两个或更多个相同极性的磁体来实现更宽广的磁极。
当然，可以理解的是本发明仅通过示例的方式进行了以上描述，在本发明的范围内可以改变本发明的细节。

Claims (46)

1.磁体载体，包括通道，该通道适于容纳包围的磁体保持件。
2.根据权利要求1所述的磁体载体，其中，所述磁体载体由铁磁材料制成。
3.根据前述权利要求中的任意一项所述的磁体载体，其中，所述磁体载体由钢制成。
4.根据前述权利要求中的任意一项所述的磁体载体，其中，所述通道的底面为倒斜角的和/或倒圆角的。
5.根据前述权利要求中的任意一项所述的磁体载体，其中，所述通道具有倒斜角的和/或倒圆角的轮廓。
6.根据前述权利要求中的任意一项所述的磁体载体，其中，所述磁体载体包括多个适于容纳包围的磁体保持件的通道。
7.根据前述权利要求中的任意一项所述的磁体载体，其中，所述磁体载体还包括安装件，该安装件适于将所述磁体载体安装至转子磁轭。
8.根据权利要求7所述的磁体载体，其中，所述安装件包括至少一个螺孔。
9.磁体组件，包括：
根据权利要求1所述的磁体载体；
永磁体；以及
磁体保持件，该磁体保持件包围所述载体和所述永磁体，其中，所述磁体保持件穿过所述通道。
10.根据权利要求9所述的磁体组件，其中，所述磁体保持件包括纤维丝。
11.根据权利要求9或10所述的磁体组件，其中，所述磁体保持件包括碳纤维。
12.根据权利要求9或10所述的磁体组件，其中，所述磁体保持件包括玻璃纤维。
13.根据权利要求9至11中任意一项所述的磁体组件，其中，所述磁体保持件还包括环氧树脂。
14.根据权利要求9至12中任意一项所述的磁体组件，其中，所述磁体保持件在所述磁体的表面处比所述磁体保持件在所述通道处薄。
15.根据权利要求9至14中任意一项所述的磁体组件，其中，所述磁体保持件在所述磁体的表面处比在所述磁体载体的基体处覆盖更大的表面面积。
16.根据权利要求9至15中任意一项所述的磁体组件，其中，所述通道具有宽度，且所述磁体载体在所述磁体的表面处的宽度比所述通道的宽度更大。
17.根据权利要求9至16中任意一项所述的磁体组件，其中，所述磁体为层叠的磁体。
18.根据权利要求9至16中任意一项所述的磁体组件，其中，所述磁体为分割的磁体。
19.根据权利要求9至18中任意一项所述的磁体组件，其中，所述磁体保持件处于张紧状态。
20.根据权利要求9至19中任意一项所述的磁体组件，其中，所述磁体具有至少一个倒斜角的和/或倒圆角的边缘。
21.永磁转子，包括多个根据权利要求9至20中任意一项所述的磁体组件。
22.根据权利要求21所述的永磁转子，其中，所述多个磁体组件连接至转子磁轭。
23.根据权利要求22所述的永磁转子，其中，所述转子磁轭是铁磁的。
24.根据权利要求21至23中任意一项所述的永磁转子，其中，所述通道沿圆周方向布置。
25.根据权利要求21至23中任意一项所述的永磁转子，其中，所述通道沿轴线方向布置。
26.制造磁体组件的方法，包括：
提供包括通道的磁体载体；
在所述磁体载体上安装永磁材料；以及
用磁体保持件包围所述永磁材料和磁体载体，其中所述磁体保持件穿过所述通道。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述永磁材料包括永磁体。
28.根据权利要求26所述的方法，其中，当所述永磁材料安装至所述磁体载体时，所述永磁材料未磁化。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述方法还包括在所述永磁材料安装至所述磁体载体之后，磁化所述永磁材料以创建永磁体。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述方法还包括在所述永磁材料和磁体载体被所述磁体保持件包围之后，磁化所述永磁材料以创建永磁体。
31.根据权利要求26至30中任意一项所述的方法，其中，所述磁体保持件包括纤维丝。
32.根据权利要求26至31中任意一项所述的方法，其中，所述磁体保持件包括碳纤维。
33.根据权利要求26至31中任意一项所述的方法，其中，所述磁体保持件包括玻璃纤维。
34.根据权利要求31至34中任意一项所述的方法，其中，所述磁体保持件还包括环氧树脂。
35.根据权利要求31至34中任意一项所述的方法，其中，包围所述磁体和磁体载体的步骤包括围绕所述磁体和所述磁体载体缠绕所述纤维。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述纤维在张紧力下缠绕。
37.根据权利要求26至36中任意一项所述的方法，其中，在所述磁体载体上安装永磁材料的步骤包括使用粘合剂将所述永磁材料粘接至所述磁体载体。
38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述粘合剂为环氧树脂。
39.根据权利要求37所述的方法，其中，所述粘合剂为丙烯酸树脂。
40.制造永磁转子的方法，包括：
制造至少一个根据权利要求26至39中任意一项所述的磁体组件；
在转子磁轭上安装所述至少一个磁体组件。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，在转子磁轭上安装所述至少一个磁体组件包括：
将所述磁体组件装载至工具或导轨；以及
使用所述工具或导轨将所述磁体组件引导至所述转子磁轭。
42.磁体载体，该磁体载体参考附图并由附图所示基本如此处之前所述。
43.磁体组件，该磁体组件参考附图并由附图所示基本如此处之前所述。
44.永磁转子，该永磁转子参考附图并由附图所示基本如此处之前所述。
45.制造磁体组件的方法，该方法参考附图并由附图所示基本如此处之前所述。
46.制造永磁转子的方法，该方法参考附图并由附图所示基本如此处之前所述。
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