CN1071510C

CN1071510C - 用于永磁电机的磁化方法

Info

Publication number: CN1071510C
Application number: CN98117851A
Authority: CN
Inventors: 浅野能成; 神藤正行; 伊藤浩
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-06-27
Filing date: 1998-06-27
Publication date: 2001-09-19
Anticipated expiration: 2018-06-27
Also published as: CN1209675A; US6396374B1; US6084496A; MY120327A; US20020050902A1; US6232862B1

Abstract

在对永磁电机的转子中提供的永磁体部分的材料进行磁化的方法中，永磁体部分的材料被嵌入转子本体内，同时，永磁体材料具有沿截面贯穿永磁体部分的方向的各向异性，然后把转子装在磁化装置中，并以可转动的方式保持着，在此状态下，永磁体材料借助于使磁化电流通过绕组进行磁化。这样，永磁体材料被沿正交方向完全地磁化，即使装在偏离正交位置，借助于磁体转矩也可以使其返回正交位置。

Description

用于永磁电机的磁化方法

本发明一般涉及一种用于永磁电机的磁化方法，尤其涉及一种对具有反向的凸极性的永磁电机的转子结构中使用的永磁材料进行磁化从而有效地利用磁阻转矩和磁体转矩的方法。

一般地说，在许多情况下，使用永磁电机作为可变速电机。永磁电机具有包括多个永磁体的转子。在这种永磁体型电机中，永磁体例如通过把磁粉末材料成为固体而制成。因此，模制的永磁体材料在电机的制造过程的初始阶段没有磁极。即在最初形成多个永磁体部件时，通过对永磁材料进行磁化处理，才使永磁材料形成磁极。

当进行永磁材料的磁化操作时，最终永磁体部件的中心轴必须和由流过定子上的绕组的磁化电流产生的磁动势呈正交关系，使得磁极磁极被固定于参考位置或正交位置而没有任何位移。这一磁轴和磁动势轴的对准通常由机械结构来实现。

如果永磁材料的磁化过程中在磁轴和磁动势轴之间发生位移，最终的磁化将大大不足，从而引起电机效率的降低，并在检测转子的旋转位置时产生误差。因而，磁轴和磁动势轴的对准是必须的。

在常规的对于具有如图13所示的向外凸极性转子的磁化方法中，从对准电流源施加流过定子上的绕组的用于对准的电流，从而产生磁动势。同时，转子铁心103包括作为4个极化部分的4个永磁体和用于把相邻的永磁体部件连接在一起的连接部件108。在这种结构中，当对准电流流过绕组时，由对准电流产生的磁动势起吸力作用而吸引连接件。因而，转子向正交位置转动，从而通过由于对准电流产生的磁动势的作用而引起的吸引作用建立对准。通过这种对准操作，磁体中心轴被设置为规定的关系例如和由对准电流产生的磁动势的轴线呈直角。

然后，在转子被设置为处于正交位置的情况下，通过从磁化电流源施加磁化电流流过绕组进行磁化。在这种磁化操作中，磁体中心轴可以和借助于流过绕组的磁化电流而产生的磁动势的轴线一致而使得转子被保持在正交位置。

为了有效地利用磁体转矩和磁阻转矩，提出了另一种常规的磁化永磁体材料的方法，用于制造具有反向(即向内)凸极性的转子，如图9和10所示。在这种结构中，永磁体的材料首先被嵌入电机的转子本体内，然后进行磁化。此处注意，当电机同步运行时，磁阻转矩是总转矩的一个分量。它是由凸极作用产生的，并且是试图使其和气隙磁场对准的磁极的表征。

图9和10是为了有效地利用磁阻转矩和磁转矩常规的用于具有反向凸极性结构的永磁电机的磁化方法的例子。在这种结构中，多个永磁体材料部分52a和52b被嵌入转子50的转子铁心51的内部作为每个极部分。转子铁心51主要由高导磁率的材料制成，例如铁或层叠的电磁钢板。然后，嵌入的永磁体材料52a,52b通过借助于从磁化电流源(未示出)施加流过绕组21的磁化电流进行磁化。

转子50在转轴54上转动，由于流过定子上的绕组21的电流而产生的旋转磁场而产生磁体转矩和磁阻转矩。因而，被嵌入转子50中的永磁材料52a和52b通过在例如3相的R相和S相之间通过绕组21流过电流，同时把转子50固定于规定进行准确而完整的磁化的正交位置进行磁化，如图9和10所示。

然而，在这种磁化操作中，如果转子位置移动，哪怕稍微离开正交位置，磁阻转矩便作用转动力作用而使转子50转动，这将产生不希望的转子位移而导致不足的磁化。

为了解决这一问题，转子50被安装在电机1中，如图11所示，其轴端部53通过提供用于阻止转子转动的固定夹紧件55使得其位置可被固定地调节。

此外，如图12所示，转子50被安装在圆柱磁轭4内，使轴端部53相对于固定夹紧件56被固定，以便阻止转子转动。

然而，在上述这些常规的使磁体轴线和磁动势轴线机械对准的磁化方法中，因为要求磁化电流为额定电流的几十倍或几百倍，因此，由磁阻转矩产生的电机50的转动力非常大。因而，存在用于阻止电机转动的固定夹紧件被破坏，或在一些情况下用于从转轴传递驱动力的机构被破坏的问题。

提出本发明是为了解决上述问题。因而，本发明的主要目的在于提供一种用于永磁电机的惰性的磁化方法。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，用于磁化在永磁电机的具有磁极的转子内提供的永磁体部分的材料的方法，包括：

把永磁体部分的材料嵌入转子本体内部，其中永磁体材料沿在截面中贯穿永磁体部分的方向具有各向异性；

把转子安装在被以可转动的方式保持的磁化装置中；以及

在转子可转动地被保持在磁化装置中的状态下对嵌入转子中的永磁体材料进行磁化。

利用这种方法，对永磁材料赋予各向异性，从而使永磁电机转子具有沿其各个方向不同的磁极性，并且使转子的轴心可转动地位于旋转中心轴上，使得永磁材料沿正交方向被磁化，即使在磁化期间转子位置偏离正交位置，也能利用磁体转矩使其回到正交位置，因而可以使永磁材料被完全磁化。

按照本发明的一个方面，在每个永磁部分上各向异性的中间部分的方向基本上和转子的磁极中心线平行，并且每个永磁体部分具有其截面呈向内凹的弧形板，其具有沿转子的每个磁极的径向的各向异性，从而制成反向凸极结构，借以有效地利用磁体转矩和磁阻转矩。

利用这种方法，可以有效地利用磁阻转矩，并且即使对于高效率的电机，永磁材料也可以被完全地磁化。

按照本发明的另一个方面，磁化装置包括电机定子，并且在磁化操作期间，至少转子的转轴的一端被提供在定子中的轴承装置可转动地保持着。

利用这样设置的方法，可以在电机被加载之前，在转子被安装的状态下进行磁化，因而不需要提供夹紧件用于阻止转子转动，因而改善了电机的生产效率。

本发明的这些和其它目的和特点从下面结合附图进行的说明中将看得更加清楚，其中：

图1是其转子被按照本发明的实施例而设置为正交位置的电机的截面图；

图2是按照本发明的实施例安装有转子的电机的示意图；

图3是按照本发明的实施例用于提供磁化电流的电源的电路图；

图4是按照本发明的实施例的磁化电流的波形图；

图5是按照本发明的实施例电机转子偏离正交方向时的截面图；

图6是按照本发明的实施例安装有转子的磁轭的示意图；

图7是按照本发明的另一个实施例的电机的截面图；

图8是按照本发明的另一个实施例的电机的截面图；

图9是表示常规的磁化方法的电机的截面图；

图10是表示常规的绕组结构的电机的截面图；

图11是表示常规的磁化方法的具有安装的转子的电机的示意图；

图12是表示常规的磁化方法的具有安装的转子的磁轭的示意图；以及

图13是常规的凸极电机的截面图。

在进行说明之前需要首先说明，因为最佳实施例的基本结构和常规的电机类似，所以在全部附图中，相同的部分用相同的标号表示。

下面参照图1到图8说明永磁电机的磁化方法的最佳实施例。

在用于磁化永磁电机的永磁材料的磁化方法中，如图1所示，永磁体材料12a和12b围绕转轴14被嵌入转子铁心本体11的内部，从而形成一个或几个在截面图中对称的永磁体部分，例如图中所示4个磁极。在本实施例中，例如两个永磁材料部分52a,52b在每个磁极的截面中沿径向设置。作为永磁体材料，虽然几乎可以使用通过热处理可被硬化的任何种类的钢，但最好使用铁粉致密材料，尤其是为此目的而生产的材料，例如硬化合金，陶瓷，以及类似的硬化材料。

转子铁心本体11主要由高导磁率的材料例如铁制成，或由层叠多个电磁钢板制成，并且嵌在转子铁心本体11中的永磁材料12a,12b被磁化，以便制造具有反向凸极性的转子10，以便更有效地利用磁阻转矩和磁转矩。在本实施例中，通过由磁化电流电源施加磁化电流，同时由于被提供在电机定子20上的绕组21产生的旋转磁场而产生磁转矩和磁阻转矩，转子10围绕转轴14转动。这样，绕组21便提供例如具有3相结构的4极部分。

在最佳实施例中，虽然对于每个磁极部分沿转子铁心本体的径向设置有两个或多个被嵌入的永磁体部分12a和12b，但也可以在每个极中形成一个永磁材料部分。每个永磁材料部分具有其截面呈系内凹的弧形板，从而具有反向凸极极性。

利用这种结构，使用各向异性材料作为永磁体材料部分，从而沿径向具有各向异性，如箭头标记15所示，其方向沿截面贯穿永磁体部分，其中在每个永磁体部分上的各向异性标记15的中心线基本上和转子的磁极中心线m(m’)平行，并且各向异性标记15的集中的径向中心和每个极部分的弧形永磁部分的径向中心一致。因而，制成的转子具有反向凸极结构，其中磁极化特性沿不同方向而不同。可以使用铁氧体或稀土材料作为各向异性材料制造永磁体，只要在进行磁化操作时该材料具有各向异性性能即可。

嵌入转子铁心11中的永磁材料12a,12b的磁化这样进行：在如图2所示的转子10被安装于电机中的条件下，通过在定子20上提供的绕组21，在三相的两相之间，例如R和S相，提供磁化电流。

在图2所示的磁化操作中，没有提供任何用于阻止转子转动的夹紧件，而是在轴的中心线偏离转子转轴的状态下，转子10的转轴14通过提供轴承装置5可自由地转动，轴端部13既不被固定，也不被加载，而是可以自由转动。

在本实施例中，如图3所示，通过把端子2和磁化电路中的磁化电源(未示出)相连而使磁化电流例如从R相流入S相。在通常的结构中，由电容器3保持电荷，当开关7闭合时，电流瞬时地流过绕组21，磁化电流瞬时增加到峰值Imax，然后衰减，如图4的电流波形所示。

在这种结构中，按照具有反向凸极极性的转子结构的一般理论，作为移动力作用而使转子偏离正交位置的力(F)等于磁体转矩(TM)和磁阻转矩(TR)之和，表示为：

F=TM+TR

其中磁体转矩(TM)和磁阻转矩(TR)由下式表示：

TM=-c₁Iψsin2θ

TR=-c₂I²ψsin4θ

其中c₁和c₂是正常数，I是电流，ψ是磁通，θ是转子偏离正交位置的偏离(机械)角。

按照这种关系，当θ=0时，即当转子精确地位于正交位置时，不产生磁体转矩和磁阻转矩，并且转子处于静止状态(即F=0)。然而，如图5所示，当转子稍微偏离正交位置一个小的角度θ(＞0)时，磁阻转矩变正(TR＞0)，而磁体转矩保持TM=0，因为在实现磁化之前的初始状态下磁化量为0(即ψ=0)。因此，移动力为正(F＞0)，作为转动力使转子离开正交位置。同时，因为永磁体材料12a,12b具有各向异性15，虽然不完全磁化，但磁化仍然进行，并且磁通逐渐增加到正值(ψ＞0)。当继续进行磁化而使TM的绝对值大于TR的值时，力F=TM+TR变为负(即F＜0)，因而转子在可自由转动的状态下以阻尼的方式返回正交位置(即θ=0的一点)。一旦转子处于正交位置，永磁材料的磁化便会在转子的正交位置被精确地实现，因此，便能保证完全而精确的磁化。

在改型的实施例中，如图6所示，转子10被安装在磁轭4内而不装在电机内，并且转子的轴心和转轴配合，通过在至少一个端部13附近的夹紧件6中提供轴承装置5，使得转子可自由地转动。利用这种结构，使磁化电流流过在磁轭4上提供的绕组(未示出)。

在图7所示的另一个改型的实施例中，例如在转子本体31中嵌入4个平板状的永磁体材料32，从而形成正方形的截面，使得每个磁通平板具有由箭头标记35表示的各向异性，其方向在截面图中贯穿永磁体平板，并基本上平行于转子30的磁极的中心线m(m’)。

在这种结构中，因为永磁体部分32呈平板状，所以可以低成本高精度精确地实现这种制造方法，能够提供可靠性高的电机，抑制其尺寸的不规则性。而且，当永磁体部分由具有各向异性的稀土材料制成时，利用较小的磁通便可以产生大量的磁通，这使得可以制造体积小的电机。

在如图8所示的另一个改型的实施例中，在转子铁心本体41中对于每个极部分嵌入一对永磁材料部分42a,42b。每对永磁材料部分42a,42b彼此相连，形成基本上呈V形的平板，具有顶角或尖端42c，在截面图中向内凸出，两个永磁体部分42a,42b在顶角相连。利用这种结构，每个永磁体部分具有由箭头标记45表示的各向异性，其方向基本上为贯穿截面中的永磁体板的方向，使得磁通集中于转子的每个磁极的中心。

在上述这些实施例中，虽然在磁化操作中磁化电流在绕组的R相和S相之间流过，但该电流可以在任何两相之间流过，例如在T相和R、S相的短路点之间，只要转子位置基本上处于正交位置即可。

此外，本发明不限于上述的实施例，并且电机的驱动方式、绕组的结构、以及电机的类型都可以在本发明的权利要求的范围内改变。

由上述显然可以看出，按照本发明的第一方面，即使在磁阻转矩作用在电机上使得在磁化操作期间偏离位置时，因为永磁材料的各向异性，也可以通过磁体转矩使电机位置恢复到正交位置，从而使得能够在高精度下进行完全的磁化。

按照本发明的第二方面，可以在电机被加载之前，在在包含有永磁体材料的转子的状态下进行磁化。因而，可在不提供任何用于阻止转子旋转的夹紧件的情况下进行磁化，这改善了电机的生产效率。

按照本发明的第三方面，磁阻转矩被有效地利用，甚至对于高效率的电机，也可以容易地对永磁体材料进行完全磁化。

虽然参照附图说明了本发明的最佳实施例，但是应该说明，显然，本领域的技术人员可以作出各种改变和改型。这些改变和改型应该被认为被包括在由权利要求限定的本发明的范围内。

Claims

1、一种用于磁化在永磁电机(1)的具有磁极的转子(10)内提供的永磁体部分(21a,12b；32；42a,42b)的材料的方法，包括：

把永磁体部分的材料嵌入转子本体内部，所述永磁体材料沿在截面中贯穿永磁体部分的方向具有各向异性(15,35,45)；

把转子安装在以可转动的方式被保持着的磁化装置(4,20)中；以及

在转子被可转动地保持在磁化装置中的状态下对嵌入转子中的永磁体材料进行磁化。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在每个永磁部分上各向异性的中间部分的方向基本上和转子的磁极中心线(m)平行。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，每个永磁体部分具有其截面呈向内凹的弧形板，其具有径向的各向异性，其集中的中心和在转子的每个磁极中的弧形永磁体部分的中心一致，从而制成反向凸极结构。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于转子的每个磁极，多个所述的永磁体部分沿截面径向排列，其中永磁体部分的总数是磁极的总数的整数倍。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁化装置包括电机的定子(20)，并且电机的转轴(14,34,44)的至少一端(13)在磁化操作期间被在定子(20)中提供的轴承装置(5)可转动地保持着。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，嵌入转子本体(11)中的永磁材料(12a,12b)的磁化通过在三相当中的两相之间使电流流过在磁化装置上提供的绕组(21)进行。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述嵌入转子的永磁体部分包括4个平板(32)，从而形成正方形截面，使得每个永磁体平板具有基本上平行于转子(30)的磁极的中心线(m)的各向异性(35)。

8、如权利要求1所述的方法，其特征在于，嵌入转子的所述永磁体部分对于转子的每个磁极包括一对彼此相连的平板(42a,42b)，其基本上呈V形，具有在截面中向内凸出的顶角(42c)，所述一对永磁体部分在顶角相连。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，每个永磁体部分具有各向异性(45)，其方向基本上平行于永磁体平板截面的横向，使得其磁通集中在每个磁极的中心。