CN113964968B - 一种永磁环及其应用的电机和制造的方法及模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁环及其应用的电机和制造的方法及模具，电机永磁转子领域，该永磁环是由磁粉和粘合剂一体成型的圆环柱状结构，包括导磁环层和磁极环层，其中磁极环层沿周向均匀地设置有相邻反向的若干磁极，导磁环层可使各个磁极的磁场约束在导磁环层之内。该永磁环可实现省去电机的导磁部件，可直接装配作为电机的转子，省去了电机加工与装配中在磁环上安装导磁环的步骤，极大简化工艺；允许电机中永磁环的安装部件用非导磁的材料制成，拓展了电机部件选材的可能性，进而拓展了电机使用工艺的可能性，并带来电机成本降低与加工效率提升。

Description

一种永磁环及其应用的电机和制造的方法及模具

技术领域

本发明涉及电机永磁转子领域，具体为一种永磁环及其应用的电机和制造的方法及模具。

背景技术

电机，是指依据磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。按照电源的种类划分，电机分为直流电机和交流电机，其中直流电机又分为无刷直流电机和有刷直流电机。无刷直流电机是采用电子换向取代传统的接触式换向器和电刷。而直流电机又可细分为外转子和内转子永磁电机，其利用定子随时间变化的磁场迫使转子固定的磁场产生旋转动力，即驱使永磁环旋转运功。除了电机，永磁环还常见于发电机、衔铁等产品。

该由永磁体所产生的固定磁场，是外转子（磁场朝内）或内转子（磁场朝外）在圆周上形成两个以上交替反向的磁场。并且，在外转子电机的磁场外侧上或在内转子电机的磁场内侧上，设置有用于引导磁场方向的软磁材料，使外转子电机的磁场集中朝向于内部的定子，使内转子电机的磁场集中朝向于外部的定子，而无定子一侧的磁场将从软磁材料内部穿过。

目前，大部分的直流电机采用铁制的外壳以改善外转子磁场，或者铁制的中心轴以改善内转子磁场。而在一些特殊的电机中，采用了非导磁电机外壳，或者省去了电机外壳而直接将电机安装在非导磁（如塑料等）制的产品上使用。如中国专利CN202019248U，公开了一种用于装饰吊扇的直流电机的转子，包括一圆环形铁套，在圆环形铁套内设有采用永磁性材料一体加工成环形的永磁环，永磁环与圆环形铁套之间通过胶水粘接于一体。该外转子电机通过铁套改善永磁环的磁场，使磁场集中于内部的转子。

现有的永磁体电机存在问题如下:（1）为采用如塑料的非磁导材料外壳，须对磁环配备磁导外环，结构复杂，零部件繁多，工艺流程长，装配操作难度大；（2）具有钢铁等导磁材料，电机转子本身较笨重，启动慢，能耗高；（3）由于用材和材料工艺限制（如钢铁外壳需要冲压或车削加工），而导致电机的成本高。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种永磁环及其应用的电机和制造的方法及模具，能够省略转子永磁体的磁导部件，使电机可以采用如塑料或铝合金等非导磁部件，可达到简化电机装配、减少电机用材和减轻电机质量等目的。

为了实现上述目的，本发明提供了一种永磁环，具体如下：

一种永磁环，该永磁环是由磁粉和粘合剂一体成型的圆环柱状结构，所述永磁环包括同轴相邻的导磁环层和磁极环层，所述磁极环层沿周向均匀地设置有两个以上磁极，相邻的所述磁极相对轴心磁场反向，所述导磁环层可使各个磁极的磁场约束在导磁环层之内。

本发明的永磁环的原理如下：磁极环层在充磁磁场的作用下，其内部磁晶的掺杂离子在氧原子多面体内部空间中形成不可逆转的转向移动，继而表现出宏观的磁极。而导磁环层，磁粉分散在粘合剂内并粘合固定所形成，磁粉的磁晶自发磁场不同，磁矩互相抵消，使对外不表现出宏观磁性。对于磁极环层中磁极所产生的较弱磁场，导磁环层内磁晶将产生可逆的转向，使得磁极环层磁场在导磁环层内部导通，进而起到替代如钢铁等导磁材料制成的电机壳体，或者替代须在永磁环外套设如铁环等可导磁部件。

本发明永磁环的识别方法：永磁环在导磁环层一侧对铁钴镍等软磁材质没有磁性，永磁环在导磁环层一侧为圆柱面，不具有固定用的开孔。

本发明永磁环与现有技术相比，具有以下优点：永磁环可在磁极模具成型过程中形成导磁环层，实现省去电机的导磁部件，可直接装配作为电机的转子，省去了电机加工与装配中在磁环上安装导磁环的步骤，极大简化工艺；允许电机中永磁环的安装部件用非导磁的材料制成，拓展了电机部件选材的可能性，进而拓展了电机使用工艺的可能性，并带来电机成本降低与加工效率提升。

上述永磁环，优选地有，所述磁极环层由粘合剂在先固化并充磁所形成磁极；所述导磁环层在磁极环层充磁后，并在外加磁场抵消磁极环层的磁场中固化所形成。导磁环层的形成原理可以是多用的，该方案的原理在于，可优先固化磁极环层并通过充磁使内部磁晶方向固定，而导磁环层的磁粉处于熔融可转向状态，在消磁的状态下固化导磁环层。可使导磁环层起到本身不产生磁极磁向，而能起到磁场导向的功能。采用该方案的优点在于：可以在一次永磁环的粘合加工成型中形成导磁环层和磁极环层，进一步带来永磁环成本的降低以及加工效率的提高。

上述永磁环，优选地有，所述磁粉由锶铁氧体和/或钡铁氧体，与软磁铁氧体混合而成；所述粘合剂为聚酰胺，或聚苯硫醚，或乙烯-乙酸乙烯共聚物。采用该方案的优点在于：锶钡铁氧体具有成本低廉，加工便捷的特点，并且可提升导磁环层的磁通性能，所述粘合剂具有良好的分散效应和较低的转向阻力。

上述永磁环，优选地有，所述导磁环层与磁极环层之间的厚度比例为1:5至1:3之间。采用该方案的优点在于：使在合适的永磁环厚度下，平衡导磁环层对永磁环磁场的屏蔽效果，以及磁极环层本身的磁场强度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种应用了上述永磁环的电机，具体如下：

一种电机，包括上述永磁环，其中，还包括外壳、电机主轴、滚动轴承和定子，所述定子固定穿装于电机主轴，所述电机柱状连接于滚动轴承的内侧，所述外壳连接于滚动轴承的外侧，所述永磁环连接于外壳内并套于定子之外；所述永磁环的内侧为磁极环层，所述永磁环的外侧为导磁环层，所述外壳由非导磁材料制成。

该电机与现有技术相比，具有以下优点：如外转子永磁电机，电机的外壳可以非导磁材料制成，如塑料制，可大量地通过注塑形成电机的外壳，甚至于可以直接在外壳上设置如风机叶片、传动齿结构等结构；如铝合金制，可达到相比于钢铁，在维持强度下达到减轻质量效果。

上述电机，优选地有，所述外壳设置有安装部，所述安装部用于安装风扇扇叶。采用该方案的优点在于：通过直接在电机的外壳上安装风扇扇叶，可简化结构，直接作为风扇使用。

上述电机，优选地有，所述外壳设置有槽结构，所述永磁环过盈配合地连接于该槽结构。采用该方案的优点在于：为确保导磁环层对永磁环磁场导向的均匀，同时为确保永磁环带动外壳旋转，过盈配合可使永磁环与外壳的连接更为稳固。

上述电机，优选地有，所述外壳由非导磁的塑料或金属制成。采用该方案的优点在于：使电机整体质量更轻，使电机部件可应用加工种类选择更多。

上述电机，优选地有，所述磁极环层的磁极极数M=N*2/3，其中N为定子的槽数，其中，N=3n，n为正整数。采用该方案的优点在于：可配套适用于现有三相直流无刷电机，以及其控制器。

为了实现上述目的，本发明提供了一种永磁环的制造方法，具体如下：

一种永磁环的制造方法，依次包括如下步骤：

（一）、将磁粉与粘合剂混练；

（二）、将步骤一所得物料熔融并注入到对应永磁环外表面的环形模腔内；

（三）、在环形模腔对应磁极环层一侧进行冷却固化，在环形模腔对应导磁环层一侧进行加热保温；

（四）、待磁极环层固化至设定厚度，启动充磁以对固化状态的磁极环层一侧进行取向充磁；

（五）、施加反向磁场抵消磁极环层对剩余对应导磁环层的熔融物料所产生的磁场，并继续冷却最终完全固化得到永磁环。

本发明永磁环的制造方法与现有技术相比，具有以下优点：该方法通过对熔融磁塑物在环形模腔的一侧降温并固化形成导磁环层，并对另一侧保温以保持熔融，形成导磁环层后启动充磁，继续对熔融的磁塑物进行充磁取向，并形成磁极环层，实现在一次磁塑加工过程中，在永磁环上同时加工导磁环层和磁极环层。

上述制造方法，优选地有，所述磁粉和粘合剂按质量份数计包括：所述磁粉和粘合剂按质量份数计包括： 62-68份锶钡铁氧体料粉、20-22份锌铁氧体粉料、7-15份的尼龙12、0.5-1.5份硅烷偶联剂以及1-2份的润滑剂。该技术方案的优点在于：导磁环层与磁极环层要实现各自功能，其成型后将磁性参数将具有较大差异，该方案可平衡地在工艺条件区别下，形成区别的磁性参数差异。

上述制造方法，优选地有，其中步骤（五）中有，在施加抵消磁场前，可施加波形变化的磁场，促使熔融磁粉的内部磁晶转向。

为了实现上述目的，本发明提供了适用于上述制造方法的制造模具，具体如下：

一种制造模具，包括前模、后模、取向充磁部、保温流道和冷却流道；所述前模和后模由非导磁材料制成且两者配合形成永磁环的环形模腔。所述环形模腔对应磁极环层一侧连接有冷却流道，所述环形模腔对应导磁环层一侧连接有保温流道，所述前模设有连通至环形模腔内的注入流道，所述取向充磁部连接于后模，并使取向充磁部的充磁端与环形模腔相对。

本发明永磁环的制造模具与现有技术相比，具有以下优点：该模具可使形成导磁环层的一侧将快速降温并固化，可使形成磁极环层的一侧将保温并在导磁环层固化后而取向充磁过程中保持流动性，减少磁粉充磁转向过程的阻力，同时上下端设置隔热层，确保内外层保持温差。

上述制造模具，优选地有，所述取向充磁部为脉冲充磁机，所述环形模腔上下两端分别设置有隔热层，所述冷却部由可通入冷却液的环形的冷却流道构成，所述保温部由可通入热油的环形的保温流道构成。该技术方案的优点在于：脉冲充磁机可同时具有充磁，以及产生抵消磁场的功能。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明永磁环的剖面结构示意图；

图2为应用了图1中永磁环的电机的剖面结构示意图；

图3为应用了图1中永磁环的电机的省略上壳体的俯视结构示意图；

图4为用于制造图1中永磁环的模具剖面结构示意图。

附图标记为：永磁环1，导磁环层11，磁极环层12，电机2，外壳21，上壳体211，下壳体212，电机主轴22，滚动轴承23，定子24，铁芯241，绕组242，风扇扇叶3，模具4，前模41，注入流道411，后模42，环形模腔43，隔热层431，导热隔层432，取向充磁部44，磁枢441，线包442，保温流道45，冷却流道46。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，为本发明实施例中直流外转子电机2用的一种永磁环1，该永磁环1是由磁粉和粘合剂一体成型的圆环柱状结构，该永磁环1包括同轴外观一侧的导磁环层11，以及同轴内环一侧的磁极环层12。磁极环层12沿周向均匀地设置有八个磁极，相邻的磁极其一朝向轴线为N极，另一朝向轴线为S极。图1中圆形的虚线为导磁环层11和磁极环层12的分割线，导磁环层11与磁极环层12之间的厚度比例为1比4。图1中封闭带箭头的环线为强磁场方向示意线。磁场从内侧N极的磁极朝向圆心出发，然后转向并穿过两侧的内侧S极的磁极，最后从内侧S极的磁极中的N极出发，沿导磁环层11之内回到内侧N极的磁极。在导磁环层11的作用下，永磁环1的外侧不表现出磁性，无法吸引铁钴镍等材料的物品，同时对于永磁环1内部表现为强磁场，使在同样功率的内定子24驱动下，该永磁环1的转动效率更高，并且防止外部磁场对电机2内磁场的影响，保障电机2运转的平稳。又由于外环为导磁环层11，为确保导磁均匀，外环侧面为圆柱面，未设置安装孔或侧凸。其中，导磁环层11由磁粉充磁取向前固化而成，磁极环层12由磁粉经充磁取向后固化而成。磁粉为球磨制而成的铁氧体，粘合剂为尼龙12。实现在一次磁环注塑加工过程中，完成导磁环层11与磁极环层12的加工。

在其他的永磁环1的实施方案当中，可以理解的是，永磁环1可用于内转子电机2，其磁极环层12位于圆环的外侧，其导磁环层11位于圆环的内侧，该永磁环1可将圆环内侧安装于塑料等非导磁材料等转轴上使用。在其他的实施方案当中，可以理解的是，磁极的设置数量，磁粉和粘合剂使用材料和成分比例，是本领域技术人员根据实际使用状况所容易设定的。在其他的实施方案当中，可以理解的是，导磁环层11和磁极环层12的加工方式，还可以是将预制的导磁环层11装配到永磁环1的成型模具4当中，并在其内侧注塑并取向获得磁极环层12，形成一体的永磁环1。

如图2和3所示，是应用了图1实施例中的永磁环1的一种直流无刷外转子电机2，包括外壳21、电机主轴22、滚动轴承23和定子24。其中，图1是该电机2的剖面主视图，图2是去除上壳体211的俯视图。外壳21有由上壳体211和下壳体212组成。其中下壳体212设置有圆环形的槽结构，上述永磁环1通过过盈配合的方式安装在槽结构之内，其导磁环层11与槽结构相贴合，其磁极环层12朝向内部的定子24。定子24包括铁芯241和绕制在铁芯241上的绕组242，其中铁芯241固定在电机主轴22上，绕组242具有12个线匝，为三相绕组242。电机主轴22上下部分别固定连接有滚动轴承23。下壳体212从电机主轴22下方套设并固定至下部的滚动轴承23，上壳体211从电机主轴22上方套设并固定至上部的滚动轴承23。上壳体211和下壳体212的边缘处设置有三个安装部，安装部可对应安装并固定风扇扇叶3。安装部包括设置在下壳体212的凹槽，设置在上下壳体的螺孔，风扇扇叶3的安装端配合安装在凹槽上，并通过螺栓固定。上壳体211和下壳体212通过螺栓固定连接。其中，上下壳体均为塑料制成。

本实施例中的电机2在工作时，定子24在电力驱动下持续产生三相旋转变化的磁场，推动永磁环1的磁极环层12产生旋转的动力，并带动外壳21以及外壳21上的风扇扇叶3转动。在导磁环层11的作用下，可使得磁极环层12朝向定子24方向产生强磁场，并且外界如地磁场或者外部因电流突变所产生的磁场均不会对电机2工作干扰。

在其他的电机2的实施方案当中，可以理解的是，外壳21还可以是铝合金制成，铝合金密度较铁质轻便，但注塑和切削性能良好，不易生锈且使用寿命长，但无法导磁，可配合上述无需安装于导磁材料上运作的永磁环1。在其他的实施方案当中，可以理解的是，外壳21上可连接其他直接使用电机2动力的部件，如玩具的轮胎，如传动的齿轮等。在其他的实施方案当中，可以理解的是，绕组242和磁极的数量可变化的，磁极与绕组242的数量比例优选为3:4。

本发明还提供了用于制造上述实施例永磁环1的加工方法，依次包括如下步骤：

（一）将62-68质量份锶钡铁氧体料粉、20-22质量份锌铁氧体粉料、7-15质量份的尼龙12、0.5-1.5质量份硅烷偶联剂以及1-2质量份的润滑剂混合，在充分搅拌后干燥，待用；其中，锶钡铁氧体料粉为球磨制至约1μm的外径，钛锌铁氧体粉料为球磨制约1μm的直径。球磨制便于磁粉在粘合剂形成磁极环层12取向过程的转向，也便于在自向中无序形成导磁环层11的转向。

（二）将步骤1所得混合粉料，通过双螺杆挤出机加热260-290度时熔融后注入专用模具4的环形模腔43内，注射压力为120MPa至160Mpa。

（三）对环形模腔43的内侧换热流通有40-50℃冷却液，调节流速使外侧熔融物料降温到70-90℃；对环形模腔43的外侧加热保温至220-230℃。

（四）调节冷却时间直至环形模腔43的内侧形成磁极环层12所需的固化厚度，而环形模腔43的外侧保持熔融，启动充磁对固化状态的环形模腔43进行取向充磁。其中，取向为八个相邻磁极反向的脉冲取向器。

（五）当固化的磁极环层12取向完成时，停止对环形模腔43的外侧的加热保温，并对环形模腔43施加与磁极环层12相反的抵消磁场，继续冷却直至永磁环1完全固化。其中，在施加抵消磁场前，可施加波形变化的磁场，促使熔融磁粉的内部磁晶转向。

（六）对取出的永磁环1毛坯在设定宽度的切割，形成可直接用于转子的多个永磁环1。

由该制造方法制得的永磁环1，其中外层的导磁环层11，在25℃时,磁感矫顽力Hc小于20A/M，剩磁Br小于230GS，饱和磁通密度Bs大于2400GS；将铁钴镍靠近永磁环1外侧时，不产生磁性吸引力。由该制造方法制得的永磁环1，其中内层的磁极环层12，磁感矫顽力Hc在25℃时大于120KA/M，剩磁Br在25℃2200GS。

根据以上永磁环1制备方法，本领域技术人员容易确定并设计出该制造方法所配套的制造模具。

如图4所示，是本实施例中应用于上述永磁环1以及制造方法的一种永磁环1的制造模具4的剖面主视图，包括前模41、后模42、取向充磁部44、保温流道45和冷却流道46。前模41设置有环形模腔43的一端面和内侧面，其中内侧面由导热隔层432构成。后模42设置有环形模腔43的另一端面和外侧面，其中外侧面由导热隔层432构成，前模41和后模42装配后可形成永磁环1的磁注塑用的环形模腔43。前模41中环形模腔43的上端面以及后模42中环形模腔43的下端面均设置有隔热层，隔热层由多孔陶瓷制成，可隔离内外侧热传递。前模41还设置若干通孔，该通孔为注入流道411，连通至环形模腔43内部。前模41和后模42均由非导磁材料制成，如高硬度非磁性快削钢，透磁率小于1.2，从而不影响取向充磁部44的磁场方向。前模41和后模42之间的腰部装设有取向充磁部44，取向充磁部44为脉冲取向充磁机，其包括导磁用的磁枢441以及在磁枢441形成强磁场的线包442，磁枢为U形且其两端分别正对环形模腔43的内外侧，取向充磁部44为相邻反向的八个取向极，取向极之间具有调节磁场的气息。

该环形模腔43的内侧对应永磁环1的磁极环层12，因而前模41的中心处装有冷却流道46。冷却流道46为螺旋形的流道，通入冷却液后与环形模腔43进行冷却换热工作。该环形模腔43的外侧对应永磁环1的导磁环层11。前模41和螺旋形的保温流道45，保温流道45连接于非导热材料制的外侧面型腔壁，即外侧的导热隔层432，保温流道45包裹有隔热材料，通入高温热油后与环形模腔43进行加热换热工作。

本实施例的永磁环1的制造模具4工作时，首先从注入流道411注射的铁氧体磁粉与尼龙熔融混合物，保温流道45持续工作确保熔融混合物流动性直至完全填充环形模腔43；然后对冷却流道46注入冷却液，使环形模腔43的内侧在凝固，即形成磁极环层12的固化；同时，对保温流道45注入高温热油，保持环形模腔43的外侧的处于熔融状态。在内侧冷却凝固而外侧加热保温，直至磁极环层12完成固化后，启动取向充磁部44，对已经固化的磁极环层12施加3倍于磁粉矫顽力的磁场取向。在充磁完成后，取向充磁部44施加反向磁场，抵消以固化并充磁的磁极环层12。由于此时导磁环层11仍处于熔融状态，内部磁晶在高能活泼的状态下将重新转向，并在抵消磁场条件下，其内部的自发磁场恢复到各向相异的状态，并以此状态直至完全固化而形成导磁环层11。该制造模具值得的永磁环1，其磁极环层12内部的六面体磁晶在充磁下，掺杂离子将形成不可拟的偏转并形成磁极，而仍然熔融的物料在取向结束后，仍可自发的偏转，磁晶的自发磁场将恢复无序状态，表现宏观状态不产生磁场。在完全固化成型后，磁极环层12的磁场将驱使导磁环层11内磁晶转向，使磁场在导磁环层11内部穿过，又由于磁极环层的磁场小于充磁磁场，导磁环层11在该磁场的作用下发生的磁晶转向是可逆的。从而防止外界磁场变换对永磁环1工作的影响，沿使得永磁环1内侧的磁场强度更高及更稳定。

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (5)

1.一种永磁环的制造方法，该永磁环（1）是由磁粉和粘合剂一体成型的圆环柱状结构，所述永磁环（1）包括同轴相邻的导磁环层（11）和磁极环层（12），所述磁极环层（12）沿周向均匀地设置有两个以上磁极，相邻的所述磁极相对轴心磁场反向，所述导磁环层（11）可使各个磁极的磁场约束在导磁环层（11）之内，其中，相邻的磁极的其一朝向轴线为N极而背向轴线为S极，相邻的磁极的另一朝向轴线为S极而背向轴线为N极，其特征在于，该制造方法依次包括如下步骤：

（一）将磁粉与粘合剂混练；

（二）将步骤（一）所得物料熔融并注入到对应永磁环外表面的环形模腔（43）内；

（三）在环形模腔（43）对应磁极环层（12）一侧进行冷却固化，在环形模腔（43）对应导磁环层（11）一侧进行加热保温；

（四）待磁极环层（12）固化至设定厚度，启动充磁以对固化状态的磁极环层（12）一侧进行取向充磁；

（五）施加反向磁场抵消磁极环层（12）对剩余对应导磁环层（11）的熔融物料所产生的磁场，并继续冷却最终完全固化得到永磁环（1）。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(一)中所述磁粉和粘合剂按质量份数计包括：62-68份锶钡铁氧体料粉、20-22份锌铁氧体粉料、7-15份的尼龙12、0.5-1.5份硅烷偶联剂以及1-2份的润滑剂。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中步骤（五）中有，在施加抵消磁场前，可施加波形变化的磁场，促使熔融磁粉的内部磁晶转向。

4.一种如权利要求1至3任一项所述制造方法的制造模具，其特征在于，包括前模（41）、后模（42）、取向充磁部（44）、保温部和冷却部；

所述前模（41）和后模（42）由非导磁材料制成且两者配合形成永磁环（1）的环形模腔（43）；所述环形模腔（43）对应磁极环层（12）一侧连接有冷却部，所述环形模腔（43）对应导磁环层（11）一侧连接有保温部，所述前模（41）设有连通至环形模腔（43）内的注入流道（411），所述取向充磁部(44)连接于后模(42)，并使取向充磁部(44)的充磁端与环形模腔(43)相对。

5.根据权利要求4所述的制造模具，其特征在于，所述取向充磁部（44）为脉冲充磁机，所述环形模腔（43）上下两端分别设置有隔热层，所述冷却部由可通入冷却液的环形的冷却流道（46）构成，所述保温部由可通入热油的环形的保温流道（45）构成。