CN1173950A - 具有包在铁磁粘结料中的烧结永久磁铁的旋转电机的复合感应体 - Google Patents

Abstract

用于旋转电机的感应体,它有一个圆柱形空心或实心的磁轭(1),其一个侧壁上安装至少一块磁铁(2),磁铁的极化表面对着电枢(6),其特征为:磁铁(2)用复制模制的方法固定在磁轭上,复模复合材料包括分散在固体非磁性粘结料中的铁磁性材料,复模材料至少包住所述极化表面。

Description

具有包在铁磁粘结料中的烧结永久磁铁的 旋转电机的复合感应体

本发明涉及一个用于旋转电机的、具有包在铁磁粘结料中的烧结永久磁铁的复合式感应体。

旋转电机一般为电动机或发电机，例如汽车辅助电机，它有一个感应体，一般是定子，有时也可能是转子。

通常，感应体有一个磁轭，它是一个圆柱状零件，其横截面至少有一个对称轴，一般为圆环形、多边形或带圆角的正方形。

在软磁材料的磁轭内壁上固定着一个或多个硬磁材料构成的永久磁铁。它们可以是覆盖在横截面圆环上的一整块磁铁，也可以由对称分布在内环上的多个永久磁铁组成。它们的横截面可以是直的，例如矩形，最好为圆弧状，也可以有至少一个表面为圆弧，以适应感应体的形状。

这些永久磁铁可以是烧结的零件，也可以是复合粘结磁铁，例如磁性材料可以埋在硬树脂内部。它们在磁轭内部构成一个空间，用于放置旋转机器的电枢。

靠电枢一侧的极化零件对这些磁铁起补充作用，用于改变磁通量和改善旋转机器的性能。

永久磁铁的材料是大家熟知的，例如稀土烧结合金(例如钕-铁-硼或钐-钴)或其它材料。极化零件和磁轭一样为软磁材料，例如钢。

在磁铁或极化材料与电枢之间有一层间隙，其厚度应该尽量小，尽量一致。在大批量生产的电动机中这个间隙一般为0.6到1毫米。它不可能再小了，这是由于带有磁铁和其极化零件的磁轭一般为卷起来或冲压的钢板制成，由于其它零件误差积累产生的磁轭的尺寸和对称性误差使其几何形状不规则。

为了达到这个目的，必须对磁铁进行仔细和高成本的加工。当磁铁是烧结材料时，这种加工需要十分小心。

但是，对感应体的各种零件进行仔细的加工和组装可以使这个间隙减少到0.3毫米，这种仔细的措施是非常困难的，导致成本上升。

磁铁通常用螺钉或可移动卡爪的方法固定在磁轭上，固定方法是将磁铁固定在非磁性座(例如非磁性塑料)中，或用粘结或注入非磁性树脂。

同样已知的是，为了安装磁铁，制造具有借助非磁性材料、例如铝或热固性树脂而复制模制的磁铁(以及其可能的极化零件)的刚性件。刚性件随后放入并方便地固定在磁轭中，也可以将磁铁直接复模在磁轭中。

无论如何，磁铁与磁轭或类似由软磁性材料制的零件接触，以便在磁铁之间构成连续的磁通量，这对电动机工作是必须的。

这类结构已在专利FR2617344中描述，可与附加极化零件相连的复合磁铁4的极化表面与电枢匹配且同轴，由混合在粘结料或填料中的钕-铁-硼粉构成，它与磁轭1接触并与附加极化零件连接。磁铁用树脂复模在磁轭1上。另外，磁铁在对着电枢的极化表面上有一层5毫米厚的树脂保护层，以抵抗腐蚀性气体。

这样，在所描述的例子中，磁铁和电枢之间的间隙大于前面所说的0.6到1毫米的通常值，这是因为要在它们之间设置一层非磁性材料以覆盖磁铁的极化表面。尽管电枢和复模的非磁性材料之间的距离很小，但仍然影响旋转机械的性能。

同样，在专利JP-A-60131055中，一块由分散在热塑性粘结料中的硬磁性基础材料构成的粘结磁铁4复模在磁轭的整个内圆周表面。这块磁铁上还有附加的电极。磁铁的极化表面与磁轭和电枢相配，各处一致的间隙厚度仅仅由电枢和磁铁之间的距离决定。尽管由于将磁铁模制在磁轭上可以减少间隙的厚度，但是，使用复模的磁铁将降低电动机的性能。

在专利FR2617343中，感应体中有与前述专利FR2617344一样的磁铁，也就是说粘结磁铁，其极化表面与电枢的极化表面相配。这些与附加极化零件配合的磁铁用一个金属(钢板)罩固定在磁轭上并防护腐蚀。这个罩子与由磁铁和极化零件构成的磁极的形状相配。与上面一样，磁铁的形状与电枢相配，磁铁(或磁极)与电枢的距离为常数。

在这种结构形式下，磁轭和感应体必须同轴，以便磁铁和电枢之间的间隙可以尽量地小，这就要求各个零件的加工和装配必须十分小心。即便如此，本行业人员也知道，间隙不可能小于0.6毫米，如同前面所看到的那样。

在专利FR2169938中可以看到，感应体中包括平磁铁110，它们与磁通路径零件116接触，通过复制模制的塑料壳体16固定，这个壳体在磁铁和电枢之间构成附加的非磁性间隙，它有一个与电枢同轴的表面，但是厚度是变化的，以便补偿磁铁的极化表面与电枢的不相配。由于磁铁的形状，这种感应体的性能低于磁铁的形状与电枢相配并同轴的感应体。特别是在功率一样的情况下，用平磁铁的电动机要用更大质量的磁铁，这将使得电动机体积更大，成本更高。

因此，高性能电动机的感应体必须具有精加工或精密模制的磁铁，其形状要与电枢相配并同轴，以便将间隙和磁损耗尽可能降低。

另外，高性能电动机使用烧结磁铁，而不是粘结磁铁，尽管后者是与电枢同轴模制的。实际上，粘结磁铁的磁性总是低于烧结磁铁，这是由于粘结磁铁的金相结构各项同性，而粘结磁铁用树脂复模在磁轭上也不能补偿这一点。

还需指出，除了上述特点以外，磁铁或磁极零件总是与磁轭或磁通路径零件接触，同时为了得到性能可以接受的电动机，间隙的厚度必须尽可能小和尽可能规则。为此，磁轭必须与电枢同轴，固定在磁轭上的磁铁也要如此。这样，磁轭的公差、磁铁和附加极化零件的加工公差、组件的安装公差、以及更一般地说，感应体-电枢组件的安装公差将十分严格，以便保证同轴。复模的磁铁不能满足这些要求，而且如前所述，复制模制将使间隙产生附加厚度。

即便电动机使用加工的烧结磁铁，以便与电枢相配并确定间隙，其特性还是受到限制，间隙的厚度仍然太大，因为必须考虑磁轭的尺寸公差和装配公差。另外，加工磁铁将使电动机的成本更高。

本申请者不但要设计能够改善电动机性能的感应体，也要降低电动机的成本。

为此，申请者设计了一种感应体，其中的永久磁铁只需局部和简单的加工，例如只是打一下毛刺，甚至完全不加工，更一般地说，对磁铁的外形没有严格要求，但是可以保持，更一般地说是改善转动机械的性能。

申请者设计的感应体不需要磁铁或磁极与磁轭之间有严格的公差要求，也不需要磁轭和电枢的同轴度有严格的要求。

申请者希望更好地控制磁通在间隙上的分布，这将进一步改善单个转动机械的性能，也能够保证大批量生产的产品的一致性，同时保持安装的方便。

申请者还希望在保持上述优点的同时得到更小的间隙，例如最大0.3毫米。

本发明是一个用于旋转电机的感应体，它有一个圆柱形的空心或实心的磁轭，其一个侧壁上面安装着至少一块磁铁，磁铁的极化表面对着电枢，其特征为：磁铁用复制模制的方法固定在磁轭上，复模复合材料包括分散在固体非磁性粘结料中的铁磁性材料，复模材料至少包住所述的极化表面。

本发明通常涉及一个感应体，它有一个空心的圆柱形磁轭，磁铁固定在磁轭侧壁内，电枢在感应体内部。

它同样涉及具有圆柱形空心或实心的磁轭或铁芯的感应体，磁铁固定在侧壁外，电枢围在感应体外。

这样，本发明涉及一种感应体，它可以是定子也可以是转子，它可以位于电枢的外面，也可以位于电枢的内部。

本发明特别应用于大批量生产的发电机和电动机，特别是汽车的辅助电机，这时感应体一般为定子。

磁轭(或铁芯)的横截面通常有一个对称中心，例如为具有圆角的多边形，或者，最好为圆形(例如管状)。磁轭通常用高密度铁磁材料、例如钢制成，以便构成磁通回路。

但是，磁轭的公差不再非常严格，它可以在圆形度或对称度方面有缺陷，而且它可以不与电枢同轴。这就简化了它的生产过程，降低了成本。

根据本发明的一个优选例子，感应体有多个永久磁铁，它们构成同样数量的磁极。其形状一般为瓦片状，其横截面为圆弧冠状，其内半径对应于电枢的半径。

但是，本发明也可以使用横截面为矩形或方形的磁铁，以获得性能很好的转动机械。

磁铁不必与磁轭或磁通路径零件接触。同样，也不必安装得与电枢同轴。

这样，本发明使用公差要求不高、因而成本较低的零件，安装的要求也降低了。只要对着电枢、确定间隙的复模复合材料表面与电枢同轴并具有尽可能高的公差就行了。

永久磁铁的类型是已知的，它可以是铁基或稀土基加上过渡金属(例如：钕-铁-硼或钐-钴)的磁铁，呈由毛坯变形得到的模制烧结件的形式，也可以是包括分散在非磁性固体材料、例如树脂中的硬磁性材料的复合体。这些磁铁通常分布在磁轭的侧壁附近，其长轴平行于磁轭的主轴。

磁铁用复制模制的方法固定。复制模制可以通过注塑、挤压、压紧、模制等进行，以便构成一个刚性的零件，然后装入磁轭；复模材料也可以在磁铁安装到磁轭上之后直接复模到磁轭上，包住磁铁。

复模材料至少局部地包住每一块磁铁，将磁铁相互之间、以及磁铁和磁轭固定。复模过程将磁铁分布在磁轭的圆周上，并构成感应体的直径，这个直径与间隙的厚度构成电枢的直径。

复模材料覆盖了磁铁对着电枢的极化表面，由于复模材料中含有铁磁材料，因此是这层复模材料确定了与电枢之间的间隙。覆盖磁铁极化表面的复模材料层称为极化层，它将尽量的薄，以便防止横向的磁损失，它的厚度为变化的，以覆盖磁铁的不规则表面，补偿永久磁铁的位置与电枢的不同轴。而复模的内表面与电枢同轴。复模的厚度一般在0.5到5毫米之间，对于常用的电动机最好在0.5到1.5毫米之间。

在两个相邻的磁铁之间，可以设置一个由复模的复合材料构成的连接桥(或称为返回区)，它将保证感应体的刚性，避免设置锚固点，并使磁轭不被充满。它最好严格控制到最小，其厚度最好在1到4毫米之间，以防止磁泄漏。

复模的复合材料中也有软磁性材料(如：至少有铁、钴、镍或它们的合金，或者其它已知的材料)，软磁性材料分散在非磁性的固体材料中，例如树脂、热固性或热塑性粘结材料，如聚酰安、聚酯、对酞酸聚酯(PET)、苯酚树脂、环氧树脂等。

由于非磁性粘结材料中有铁磁性金属，这种复合材料的透磁性总是大于1；通常透磁性大于2，最好在4到40之间。

铁磁性金属的比例最好在10％到40％之间(体积比)。

值得指出，软磁性铁磁金属构成的极化零件或用于定位的非磁性插入物本身可以根据需要埋在复模材料中。

如前所述，永久磁铁的加工量很小，只为了消除大缺陷，甚至没有任何加工。实际上，本发明的间隙厚度与一致性并不象现有技术那样，靠精加工的磁铁与电枢之间的间隔来保证，而是掺有软磁性材料的复模层或涂敷层和其精密加工的一侧保证间隙，并补偿磁铁的加工不完全，位置不正确和磁轭缺陷导致的不规则性。

本发明特别适用于不加工的烧结永久磁铁，它的形状粗糙或简单，但是容易制造，成本低。实际上，复模中加入铁磁材料后具有与加工烧结磁铁的感应体相同的磁性能，而没有加工成型的费用。

在包住磁铁的复模材料中掺入铁磁性材料可以使间隙中的磁通量更规则，并减少机器力矩变化，这种力矩变化是由于磁铁的缺陷和与电枢不相配导致间隙中磁通量剧烈改变而引起的。另外复模还将磁铁牢固地固定，不再会产生机械移动。这样由磁力和机械产生的噪声也大大减少了。

由于复模材料可以方便地直接获得对应电枢的精确表面，就可以得到很小的间隙，它总是小于0.7毫米，而且很容易达到甚至小于0.3毫米。实际上，人们经常用这个数值，因为它可以同时满足间隙足够小，以提高电动机的力矩，和间隙足够大，使得对安装的几何和磁性的不规则性不敏感。

在需要的时候，本发明还可以进一步缩小间隙的厚度，而基本不影响旋转机械工作的平稳性和大批量生产时机器性能的一致性。

本发明的另一个优点是它不需要磁轭有严格的公差以及和电枢同轴，也不需要将永久磁铁严格定位并靠在磁轭上，或者使磁铁具有和电枢一致的形状；实际上，与现有技术相反，不是磁铁而是复模材料保证间隙。

当感应体具有多个永久磁铁时，应该使包住磁铁的复模材料侧面的磁漏损减少到最小，以便减少磁轭中的磁损耗。

为此，可以将这个侧面部分的厚度减到最小，它一般不超过1到4毫米，甚至可以取消这一部分，而在那里设置由复模材料制成的接头，复模材料固定磁铁并将极化层与回转区连接起来。这些侧面部分或接头也可以用非磁性材料复模成，这样在磁轭中构成一个铁磁材料和非磁性材料合成的复合磁铁。

本发明的优点将提供下列可能性：

-电动机体积不变，间隙不变，使用比较小的不加工磁铁，得到与使用加工磁铁的传统标准结构相同的磁通量，在传统结构中，磁铁是用粘结、非磁性材料复模或机械的方法固定在磁轭上；

-电动机体积不变，减小间隙和不加工磁铁的体积，而得到比前述结构大的磁通量，因此改善转动机械的性能；

-磁铁体积不变，间隙可以减小，比上述标准结构的磁通量大大增加，因此改善转动机械的性能；

-体积不变，间隙可以减小，通过增加磁极的张角而增加不加工磁铁的体积。通常，特别是在使用曲线状非各向同性的烧结磁铁的情况下，制造技术的制约不能经济地、一体地生产张角很大的磁铁。而借助本发明的复制模制，可以将数个磁铁沿一个方向一个挨一个地粘结在一起，这样可以容易地得到大张开角，例如超过140到160度。

实际上，同一磁极中相邻相同极性磁铁之间有铁磁性复模材料将保证磁极下磁通量的一致性，尽管磁极是分段的。这种增加磁铁体积的方法是经济的，并能提高性能和磁通率，这是非常重要的；

-根据上述方法，用磁化的铁磁性复模材料将多个磁铁连接起来构成一个完整的圆环，可以得到任意数量的磁极；

-可覆盖磁轭的没有磁铁的另一个侧面的至少一部分，使得可以使用由弯卷或冲压的钢板制造的磁轭，以获得一个不必封闭的、公差不严格的圆筒，因而。在这种情况下，圆筒状的磁轭甚至可以用弧状板粘结起来构成，这时整个组件和磁铁同时用本发明的铁磁性粘结材料复模在一起。

图1和图2示出一个电动机，它有一个根据本发明的固定的外感应体和一个活动的内电枢。

1是一个软磁性材料的磁轭，2是硬磁性材料的未加工或简单加工的永久磁铁，箭头3标注了磁场的方向。复模材料4中含有软磁性铁磁材料，图中用虚线标注的铁磁材料分散在非磁性的固体基底材料(例如树脂)中。可以看到，间隙5是由含软磁性铁磁体的复模材料和电枢6确定的。

在图1和图2中，两块磁铁相互分开，在图1中，包住磁铁边缘的复模材料的侧边部分8很薄，以免磁漏损太大。在图2中，侧边部分被取消，用复模材料接头9代替，接头穿过磁铁上的开孔，保证复模材料与磁铁之间的粘结。10是一个薄回转层，保证复模材料和磁铁组件的刚性。

复制模制直接在磁轭中进行，在图1中可以看到，复模材料4在一些地方穿过磁轭，构成铆钉11。但是在图2中，复模是在磁轭外进行的，刚性的复模材料和磁铁组件随后被插入磁轭，然后用已知的方法固定在磁轭中。

12是复模的复合材料构成的极化层，它能够补偿磁铁的缺陷，并使感应体的内径非常精确，以便精确控制间隙，特别是在间隙很薄的情况下控制间隙；这样就可以改善转动机械的性能，简化制造过程，包括成批生产，由于不对磁铁进行精加工，将降低成本。

图3示出与图1和图2相同类型的电动机的感应体，其中的磁极是用几块磁铁2一块挨一块粘结起来构成的，由于本发明，这些永久磁铁可以是长的矩形条。

图4中的磁轭由两块半圆壳(或管状圆弧壳)1a和1b组成，根据本发明的复制模制同时包住磁铁2和两块半圆壳1a和1b，以构成一个刚性的感应体。两块半圆壳的连接处可以在相对磁极轴的任何位置。

实施例1

人们比较了许多外部尺寸一样的汽车座舱风扇电机，它们有两个烧结磁铁构成的磁极，磁轭直径为59毫米，功率大约为150瓦。

在标准模式中，磁铁由烧毛坯精加工得到，与电枢之间的间隙大约为0.7毫米；它们随后被装入磁轭并用热固性树脂粘在磁轭上，使得磁铁和电枢之间的间隙正好为0.7毫米。

复模过程不使树脂覆盖位于间隙中的磁铁的极化表面。这样就避免了间隙厚度的增加，考虑到磁轭、感应体的不圆度及安装公差，增加厚度是必须的，但是将导致电动机性能下降。

根据本发明，在第一种模式中，体积较小的未加工磁铁毛坯直接安放到磁轭中，然后用透磁的复合材料4复模在磁轭上，复模材料是混入铁粉(比例为40％体积)的热固性树脂；复合复模材料和电枢之间的间隙与标准模式相同。极化层最薄处的厚度大约为1毫米，回转部分的厚度为3毫米。

第二种模式与第一种的主要区别是间隙的厚度为0.3毫米，磁铁更厚一点，但是体积小于标准模式。

表1示出不同模式中直接与电机性能相关的磁通量随磁铁的几何尺寸和间隙值的变化。

                表1

	标准模式(加工磁铁)	模式1(未加工磁铁)	模式2(未加工磁铁)
				磁铁厚度(毫米)	6.50±0.1	4.9±0.5	5.3±0.5
磁铁体积(％)	100	81	88
				间隙(毫米)	0.74	0.69	0.29
磁通(％)	100	96.3	102

比较标准模式和第一种模式，可以看到电机外部的尺寸不变，减少了近20％体积的磁铁，而电机的性能只减少了3.7％，这个损失可以方便地用略微加长磁铁来补偿。更令人感兴趣的是标准模式与第二种模式的比较，它显示在体积不变的情况下，本发明节约了12％体积的磁铁，由于间隙减小，还提高了电机的性能。

Claims (13)

1.用于旋转电机的感应体，它有一个圆柱形的空心或实心的磁轭(1)，其一个侧壁上面安装至少一块磁铁(2)，磁铁的极化表面对着电枢(6)，其特征为：磁铁(2)用复制模制的方法固定在磁轭上，复模复合材料包括分散在固体非磁性粘结料中的铁磁性材料，复模材料至少包住所述的极化表面。

2.根据权利要求1所述的感应体，其特征为：圆柱形磁轭(1)是空心的，磁铁(2)固定在磁轭侧壁内，电枢(6)在感应体内部。

3.根据权利要求1所述的感应体，其特征为：圆柱形磁轭(1)是空心的或实心的，磁铁(2)固定在磁轭侧壁外，电枢(6)围在感应体外。

4.根据权利要求1至3中任意一条所述的感应体，间隙(5)的厚度是从电枢(6)到复模材料部分(4)之间测量的。

5.根据权利要求4所述的感应体，其特征为：间隙(5)的厚度总是小于0.7毫米，最好不超过0.3毫米。

6.根据权利要求1至5中任意一条所述的感应体，其特征为：覆盖磁铁(2)极化表面的复模材料(4)层(12)的厚度在0.5到5毫米之间。

7.根据权利要求1至6中任意一条所述的感应体，其特征为：复模材料(4)和磁铁(2)构成刚性组件，并被装入磁轭(1)，或者用注塑、挤压、压紧或模制的方法将复模材料固定在磁轭中。

8.根据权利要求1至7中任意一条所述的感应体，其特征为：沿磁铁侧面泄漏的磁通量减到了最小。

9.根据权利要求8所述的感应体，其特征为：沿磁铁侧面的复模材料的厚度(8)小于5毫米。

10.根据权利要求1至9中任意一条所述的感应体，其特征为：磁铁(2)为铁基或稀土基的永久磁铁。

11.根据权利要求1至10中任意一条所述的感应体，其特征为：复模材料(4)的透磁率大于2，最好在4到40之间。

12.根据权利要求1至11中任意一条所述的感应体，其特征为：分散在非磁性粘结料中的铁磁材料是软铁磁性金属，其中至少含有铁、钴、镍中的一种元素。

13.根据权利要求1至12中任意一条所述的感应体，其特征为：固体非磁性粘结料以热固性或热塑性树脂为基础。

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