CN1329383A - 永磁体转子及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是通过降低漏磁通来有效地利用内嵌磁体型永久磁体转子的磁阻扭矩。转子铁心1中设有狭缝12A、12B、12C,从侧向看,所述狭缝12A－12C的纵向末端开在所述转子铁心的外圆周面上。从侧向看,在狭缝12A－12C的纵向中部设有狭窄的跨接部分,该跨接部分用来连接所述转子铁心的径向靠外部分和径向靠内部分。从侧向看,所述狭缝12A－12C内嵌有磁力方向在所述狭缝12A－12C厚度方向的永久磁体PM。

Description

永磁体转子及其生产方法

本发明涉及一种构成电旋转装置(包括旋转转子和旋转线圈两种类型)如永磁电动机和永磁发电机的永磁体转子以及制造该转子的方法，具体说是涉及到一种通过使永磁体的磁通量经过转子跨接部分时未流入定子而是形成环路循环来有效利用磁阻扭矩和降低漏磁通的内嵌磁体型永磁体转子。

传统的内嵌磁体型永磁体转子早有公开，如日本公开特许公报平11-262205号或平11-206075号，图7以侧视图显示了这种转子一个磁极的形状，永磁体转子包括转子铁心1，在转子铁心1设有很多分布在多个层面上的狭缝2A、2B和2C。狭缝2A、2B、2C都有弧形端面，该弧形端面的纵向末端处于转子铁心1的外圆周面附近，该弧形端面的纵向中部位于其两端部的径向内侧，各狭缝沿轴向(垂直于图7中的平面)以与端面形状相同的横截面形状向转子铁心1的相对端延伸。

为形成转子铁心内嵌有永磁体的永磁体转子，可将粘结磁体(塑性磁体)填入狭缝2A-2C(或在磁场内充填)并将其固化(也即，通过注射模方式形成)，或者将分别经机加工成狭缝2A-2C形状的永磁体填入狭缝2A-2C内。

另外，在图7所示的永磁体转子10中，在狭缝2A-2C的纵向末端和转子铁心的外圆周面之间形成了一定厚度的跨接部分3，因此，转子铁心1相对于各个狭缝2A-2C的径向靠外部分(靠近外圆周面的部分)和径向靠内部分(靠近中心轴的部分)就不会因狭缝2A-2C而完全分开。

不过，经认真地研究发现，在前面所述的传统永磁体转子10中，由于跨接部分3形成在外圆周面和狭缝2A-2C的纵向末端之间，通过跨接部分3就会产生漏磁通，该漏磁通影响了对永磁体的有效利用。图8用虚线示出了永磁体转子10和定子磁极齿中的磁通，也示出了通过跨接部分3时产生的漏磁通SF。

另外，由于跨接部分3中漏磁通的作用，出现了比周围区域磁通量密度高的区域，如图8中符号A所示，因此q轴磁通量Φq的磁路上的磁阻增大了，这种增大是降低磁阻扭矩的一个因素。

此处，由电动机产生的扭矩为：

T＝Pn.φa.iq+Pn(Ld·Lq)id·iq(1)

在式中，Ld、Lq为线圈在d轴和q轴上的电感，id、iq为转子电流的d轴和q轴分量，φa是由永磁体产生的电枢线圈上的互连磁通量，Pn为磁极对的数目。

d轴方向是磁极中心和转子中心的连线方向，q轴方向是穿过磁极之间和通过转子中心的线段的方向，也即与d轴成90度的电角度的方向。

表达式(1)的第一项为永磁体产生的扭矩，第二项为磁阻扭矩。

图9、图10为传统永磁体转子10的侧视图，示出了d轴和q轴的方向。图9和图10分别用虚线示出了由iq产生的q轴磁通量Φq(等于Lqxiq)的方向以及由id产生的d轴磁通量Φd(等于Ldxid)的方向。

在内嵌磁体型的永磁体转子中，在d轴磁通量Φd的磁路上分布着磁力相当于气隙的永磁体，因此d轴的电感Ld很小。与此相反的是，q轴磁通量Φq的磁路通过转子铁心1，所以q轴的电感Lq很大(也即，磁阻很小)。因此，Ld＜Lq，合适的电流id、iq产生所述磁阻扭矩(Ld.Lq)id.iq。

跨接部分3中高磁通密度的区域使得Φq的磁路变窄，q轴磁路的磁阻增大，这也是一个降低磁阻扭矩的因素。

考虑到上面讲述的传统永磁体转子未解决的问题，提供一种能高效利用内嵌的磁体和磁阻扭矩的永磁体转子以及制造该永磁体转子的优选方法便成为了本发明的目的。

为达到上述目的，权利要求1中的发明的特征在于，永磁体转子的转子铁心内部嵌有永磁体，其中，嵌有永磁体的狭缝的纵向末端开在所述转子铁心的外圆周面上，跨接转子铁心的相对于各个狭缝的径向靠外部分和径向靠内部分的跨接部分设置在狭缝的纵向末端内侧向靠近其纵向中部的位置。

权利要求2中的发明的特征在于，根据权利要求1中的发明的永磁体转子，其中，所述永磁体是通过将粘结磁体填入所述狭缝并将其固化而形成的。

权利要求3中的发明的特征在于，根据权利要求2中的发明的永磁体转子，其中，所述狭缝的内侧表面上设有用来在固化时连接所述粘结磁体的突出部或凹陷处。

权利要求4中的发明的特征在于，根据权利要求1-3中的发明的永磁体转子，其中，所述跨接部分倾斜于所述永磁体的磁力方向。

另一方面，权利要求5中的发明的特征在于，转子铁心内嵌有永磁体的永磁体转子，其中，所述永磁体是通过将粘结磁体填入所述狭缝并将其固化而形成，在所述狭缝的内侧表面上设有用来在固化时连接所述粘结磁体的突出部或凹陷处。

另外，权利要求6中的发明的特征在于，转子铁心内嵌有永磁体的永磁体转子，其中，跨接所述转子铁心的相对于各个所述狭缝的径向靠外部分和径向靠内部分的跨接部分倾斜于所述永磁体的磁力方向，所述永磁体嵌在所述狭缝内。

权利要求7中的发明的特征在于，转子铁心内嵌有永磁体的永磁体转子的生产方法，其中，嵌有所述永磁体的所述狭缝的纵向末端开在所述转子铁心的外圆周面上，在所述转子铁心的加工过程中，利用所述狭缝的开口，所述转子铁心组被置于固定的角度位置。

在权利要求1所述的发明中，跨接部分不是形成在狭缝的纵向末端处，而是在其纵向末端内侧靠近其纵向中部的位置。因此，漏磁通在该跨接部分的各末端处产生，在此漏磁通的作用下，使得狭缝之间的磁路变窄的高磁通密度区域减少。因而，q轴磁通量Φq的磁路上的磁阻增大就得以避免，并且磁阻扭矩也能被有效地利用。

在权利要求2所述的发明中，通过注射模方式使粘结磁体形成永磁体，因此即使狭缝的形状相当复杂，该永磁体也可以嵌入到转子铁心中。粘结磁体的注射模方式是一种普通的方式，粘结磁体填充到所述狭缝中并使该粘结磁体固化。如果粘结磁体各向异性，可采用磁场作用下注射模方式，即在磁场内将所述粘结磁体填充到狭缝中并使之固化。

另外，在权利要求3所述的发明中，在所述狭缝的内侧表面上设有突出部或凹陷处以便加强固化的粘结磁体和所述狭缝内侧的连接。因此，相对于各个狭缝的径向靠外部分和径向靠内部分的连接通过固化的粘结磁体得到了加强，从而使得转子铁心更加坚固。

在权利要求4所述的发明中，所述跨接部分倾斜于所述永磁体的磁力方向，因此跨接部分内的磁阻在不需要减小其强度的情况下得到了增大，这一点减小了漏磁通，提高了磁体的有效性。

另一方面，在权利要求5所述的发明中，同权利要求3所述的发明一样，相对于各个狭缝的径向靠外部分和径向靠内部分的连接通过固化的粘结磁体得到了加强，从而使得转子铁心更加坚固。

在权利要求6所述的发明中，同权利要求4所述的发明一样，跨接部分内的磁阻在不需要减小其强度的情况下得到了增大，这一点减小了漏磁通，提高了磁体的有效性。

另外，在权利要求7所述的发明中，在所述转子铁心的加工过程中，利用所述狭缝沿所述转子铁心圆周面的开口，所述转子铁心组被置于一个固定的角位置，因此就不需要另外的装置来固定转子铁心的角位置。在固定住转子铁心的角位置的条件下的加工比如说包括将粘结磁体填充到狭缝中去，使填入的粘结磁体受磁等。

下面，将参考附图对本发明的实施例加以说明。

图1为本发明的第一个实施例的侧视图，显示了用于内置转子型永磁体马达等的永磁体转子10的一个磁极的形状。

永磁体转子10的转子铁心11为圆柱形，并由冲切的圆形薄板层叠而成，在转子铁心11的中心有轴孔11a，未示出的转轴同轴地插在其中。

在转子铁心11上还形成了弧顶朝着轴孔11a的弧状狭缝12A、12B和12C，所述狭缝穿透两端面之间的转子铁心11。狭缝12A到12C是层状结构呈同心布置，因而转子铁心11的径向靠外侧的狭缝12A的圆弧直径小一些，径向靠内侧的狭缝12C的圆弧直径大一些，中间狭缝12B的圆弧直径处于中间值。

在侧视图中，狭缝12A到12C的两纵向末端都开在转子铁心11的外圆周面上。因此对应于各个狭缝12A到12C的径向靠外部分和径向靠内部分彼此分开。在此实施例中，在转子铁心11的薄板经冲切制作时，用来跨接转子铁心的径向靠外部分和径向靠内部分的狭窄的跨接部分就设置在侧视图中狭缝12A到12C的纵向中间部分。具体地说，在狭缝12A到12C的纵向中间部分设置有跨接部分13A到13C，一个狭缝上有一个跨接部分，该跨接部分与转子铁心11的中心各自保持相同的径向距离进行轴向延伸，所以跨接部分13A到13C起着防止转子铁心11的对应于各个狭缝12A到12C的径向靠外部分和径向靠内部分分开的作用。也就是说，转子铁心11的对应于狭缝12A的径向靠外部分11A与其径向靠内部分通过跨接部分13A跨接起来；转子铁心11的对应于狭缝12B的径向靠外部分11B与其径向靠内部分通过跨接部分13B跨接起来；转子铁心11的对应于狭缝12C的径向靠外部分11C与其径向靠内部分通过跨接部分13C跨接起来。

在狭缝12A到12C中嵌有磁力方向沿侧视图中狭缝12A到12C宽度方向的永磁体PM。可通过在狭缝12A到12C中装填、固化、磁化粘结磁体来形成永磁体PM。对体积小而磁力强的永磁体PM，可让各向异性的粘结磁体通过磁场内注射模方式形成所述永磁体PM。

图2为显示由永磁体转子10和装配在电动机中的定子磁极齿20产生的磁通量的视图，该磁通量用虚线表示，图2对应于说明现有技术的图8。

在此实施例的永磁体转子10中，狭缝12A到12C的纵向末端开在转子铁心11的外圆周面上，跨接部分13A到13C分别设置在狭缝12A到12C的纵向中部，因此在跨接部分(在图2中用符号B表示)的两边的磁路上产生了漏磁通，在漏磁通SF的影响下，使狭缝间磁通量Φq的磁路变窄的高磁通量密度区域减少。结果就避免了在转子铁心11上q轴磁通量Φq的磁路上出现较大的磁阻，磁阻扭矩可以得到有效的利用。尤其是当狭缝的数目很大(即多层)时，这个优点显得特别有用。另外，在永磁体转子10的外圆周面附近不形成高磁通量密度区域，因此，由永磁体产生的流向定子20的磁通量就不会受到干扰。另外，由于转子和定子的相对位置，在永磁体转子10的外圆周面附近的磁通量的分布变化很大，因此，如果在此区域中消除高磁通量密度点，铁损就可减小。

另外，在此实施例中，由于狭缝12A到12C中形成了如上所述的跨接部分13A到13C，因此同传统的在狭缝两纵向端设有跨接部分3的永磁体转子10(如图7所示)相比较，流经该跨接部分的漏磁通变小并能更有效地提高永磁体的利用率。

尽管在此实施例中，狭缝12A到12C中形成的跨接部分13A到13C是每个狭缝上只有一个跨接部分，但在每个狭缝上可以设置多个跨接部分。在此情况下，该跨接部分的宽度设置成所有跨接部分的宽度总和等于单个跨接部分时的宽度。多个跨接部分使漏磁通分散，因此就进一步降低了转子铁心11的递增的纵向磁阻。

而且，在此实施例中，由于跨接部分13A到13C位于狭缝12A到12C的纵向中部，所以所述径向靠外部分11A到11C以跨接部分13A到13C为中心，左右两边质量平衡。因此，如果永磁体转子10旋转时的离心力作用在所述径向靠外部分11A到11C上，不会产生大到足以弯曲跨接部分13A到13C的惯性矩(即使有，也非常小)，因此实施例的这种布置方式(即狭缝12A到12C设有跨接部分13A到13C并且是一个狭缝上设一个跨接部分)明显地不会增加损坏转子铁心11的可能性。

图3是注塑模具30一部分的俯视图，该注塑模具30用于生产根据此实施例的永磁体转子10的工艺中。该注塑模具30为圆柱形模具，用于通过磁场内注射模工艺在转子铁心11的狭缝12A到12C内形成各向异性的粘结磁体的生产工艺中。在该注塑模具30的中心有用来插入到转子铁心11的轴孔11a的支持轴31以及同轴围绕着支持轴31的套管32。套管32的外圆周面围绕着用来形成定向磁场的磁体34和磁轭35，这些磁体34和磁轭35以相同的间隔交替地呈圆周布置。在圆筒32的圆周内表面上有许多用来与转子铁心11的狭缝12A到12C的纵向末端轻微卡入的突出部33。该突出部33实际上是沿轴向(垂直于图3中的平面的方向)延伸并与狭缝12A到12C的形状相配的长条凸纹，其位置根据狭缝12A到12C的纵向末端和起定向作用的永磁体34之间的空间关系而适当确定。

当使用注塑模具30往转子铁心11中浇入粘结磁体时，支持轴31插入到转子铁心11的轴孔11a中，并使狭缝12A到12C的纵向末端与突出部33对齐，再将转子铁心11推入注塑模具30中。也就是说，只要狭缝12A到12C的纵向末端对准突出部33，转子铁心11的角度定位就可在注塑模具30中确定。

另外，在插入到注塑模具30时，转子铁心有被定向磁场产生的磁阻力矩转动的趋势，但突出部33轻微地卡在狭缝12A到12C的纵向末端中，这就防止了注塑模具30中磁阻力矩转动转子铁心11。

并且，如果突出部33轻微地卡在狭缝12A到12C的纵向末端中，对本发明的这种布置方式，即狭缝12A到12C各自都有13A到13C中的一个跨接部分，可以防止注射模中注射压力对跨接部分13A到13C的弯曲并导致的径向靠外部分11A到11C的位置偏差。

由于在注塑模具30中的套管32的内圆周面上设有突出部33，在图4所示的用该注塑模具制造出来的永磁体转子10上，在狭缝12A到12C的纵向末端处的永磁体缺了一块，其中，缺块的深度就为该突出部的高度，如果突出部33的高度很小，就不会对永磁体转子10的性能造成什么影响。

图5(a)-(d)显示了本发明的第二个实施例。在该图中，和第一个实施例相似的部件和区域以相同的符号指代，重复的部分省略。

在图5(a)所示的实施例中，在狭缝12A和12B的纵向末端处形成跨接部分3，而在其中间部分没有跨接部分。就其跨接部分3的位置而言，此实施例的布置方式和图7中永磁体转子10的布置方式相同。同样地，在图5(c)所示的实施例中，在狭缝12A和12B的内侧设有许多突出部14。突出部14为沿转子铁心11轴向(垂直于图5中的平面)延伸的长条凸纹并以合适的间距分布在狭缝12A和12B的内侧。另外，每个突出部14的横断面为宽度朝着顶部逐渐增加的倒梯形。因此，当粘结磁体经注塑模制后，突出部14嵌入该永磁体中，因此狭缝12A和12B的内侧和嵌在其中的永磁体PM很紧固地跨接在一起。

因此，对应于狭缝12A的转子铁心11的径向靠外部分11A和径向靠内部分不仅通过跨接部分3还通过狭缝12A中的永磁体PM很紧固地跨接在一起，对应于狭缝12B的转子铁心11的径向靠外部分11B和径向靠内部分不仅通过跨接部分3还通过狭缝12B中的永磁体PM很紧固地跨接在一起。从而，转子铁心11变得非常坚固并能承受很大的由高速旋转过程中的离心力带来的径向力。换句话说，带有突出部14的转子铁心的坚固结构允许设置相应的较薄的跨接部分3，从而减少了漏磁通，提高了对永磁体PM的利用率。

除了在原来突出部14的位置设置凹陷处15之外，图5(b)所示的实施例的布置方式和图5(a)所示的实施例的布置方式差不多。凹陷处15为沿转子铁心11轴向(垂直于图5中的平面)延伸的长槽，并以适宜的间距分布在狭缝12A、12B的内侧。此外，每一凹陷处15的横断面为朝着底部宽度逐渐变大的梯形。因此，当粘结磁体经注射模制时，粘结磁体流到凹陷处15处，因此，狭缝12A、12B的内侧和嵌入其中的永磁体PM很紧固地跨接在一起，从而可以达到和图5(a)所示的实施例同样的效果。

除了突出部14的数目增多并取消跨接部分3之外，图5(c)所示的实施例的布置方式和图5(a)所示的实施例的布置方式相似。突出部14的数目增多强化了永磁体PM和狭缝12A、12B的内侧的跨接，造成了跨接部分3的取消。在这种布置方式中，没有或很少有漏磁通会产生，因此就能更有效地提高永磁体PM的利用率。

除了在狭缝12A、12B的中部设置跨接部分13A和13B之外，图5(d)所示的实施例的布置方式和图5(c)所示的实施例的布置方式差不多。在这种布置方式中，磁阻扭矩可得到更有效的利用，同时对径向力的抵抗性可得到进一步的提高。

图6(a)-(d)显示了本发明的第三个实施例。在该图中，和第一个实施例相似的部件和区域以相同的符号指代，重复的部分省略。

在第三个实施例中，除了跨接部分13A-13C倾斜于该永磁体的磁力方向，永磁体转子10和第一个实施例中的转子的构造大致相同。

就是说，在图6(a)所示的实施例中，跨接部分13A-13C倾斜于永磁体的厚度方向。具体地说，在图6(a)所示的实施例中，中间跨接部分13B和其他跨接部分13A、13C它们任何一边的倾斜方向都不相同。在图6(b)所示的实施例中，跨接部分13A-13C呈曲拐形；在图6(c)所示的实施例中，跨接部分13A-13C呈字母C形。具体地说，在图6(c)所示的实施例中，中间跨接部分13B和其他跨接部分13A、13C在它们任何一边的字母C的方向都不一样。

在这样的布置方式中，跨接部分13A-13C的截面倾斜于磁力方向，也即长度方向，所以在不需要降低跨接部分13A-13C的强度的情况下增大了磁阻，这就减小了漏磁通，有效地利用了永磁体PM。

在前面所述的实施例中，狭缝12A-12B为弧顶朝向轴孔11a的弧形，但本发明并不局限于此，比如说，狭缝的端面形状可为矩形。

根据前面所述的权利要求1中的发明，跨接部分设置在由所述狭缝的纵向末端向内并朝向其纵向中部的位置，从而因漏磁通引起的高磁通量密度的区域可减少，在转子铁心中q轴的磁通量Φq的磁路上的磁阻增大就得到了防止，磁阻扭矩就可以得到有效的利用。

根据权利要求3和5中的发明，在狭缝内侧表面上设置突出部或凹陷处来加强固化的粘结磁体与狭缝内侧的结合，因此相对于各个狭缝的径向靠外部分和径向靠内部分的结合由固化的粘结磁体得到了加强，转子铁心更加坚固并能承受高速旋转过程中由离心力带来的很大的径向力。

此外，根据权利要求4和6中的发明，跨接部分倾斜于永磁体的磁力方向，因此在不需要降低跨接部分强度的情况下，跨接部分内的磁阻增大了，这就降低了漏磁通，提高了磁体的有效性。

另外，根据权利要求7中的发明，利用狭缝沿转子铁心圆周面的开口将转子铁心组设置在一个固定的角度位置进行铁心加工，这样就不再需要额外的装置来设置转子铁心的角度位置。

图1为显示本发明第一个实施例结构的视图；

图2为显示磁通量分布的视图，显示了第一个实施例的效果；

图3为永磁体转子的注塑模具实施例的视图；

图4为使用图3中的注塑模具制造的永磁体转子的正视图；

图5为显示本发明第二个实施例构造的视图；

图6为显示本发明第三个实施例构造的视图；

图7为显示传统的永磁体转子的构造的视图；

图8为显示传统的永磁体转子中的磁通量分布的视图；

图9为显示q轴方向的磁通量的视图；和

图10为显示d轴方向磁通量的视图。

标记说明：

10：永磁体转子    11：转子铁心

11A-11C：径向靠外部分    12A-12C：狭缝

13A-13C：跨接部分        14：突出部

15：凹陷处               20：定子磁极齿

30：注塑模具             PM：永磁体

Claims (7)

1.转子铁心内嵌有永磁体的永磁体转子，其特征在于，里面嵌有所述永磁体的狭缝的两纵向末端开在所述转子铁心的外圆周面，在所述狭缝的纵向末端内侧靠近其纵向中部的位置设有跨接部分，该跨接部分跨接所述转子铁心的相对于各个狭缝的径向靠外部分和径向靠内部分。

2.根据权利要求1所述的永磁体转子，其特征在于，所述永磁体是通过将粘结磁体填入所述狭缝并经固化而形成。

3.根据权利要求2所述的永磁体转子，其特征在于，在所述狭缝的内侧表面上设有突出部或凹陷处，所述突出部或凹陷处用来在固化时连接所述粘结磁体。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的永磁体转子，其特征在于，所述跨接部分倾斜于所述永磁体的磁力方向。

5.转子铁心内嵌有永磁体的永磁体转子，其特征在于，所述永磁体是通过将粘结磁体填入所述狭缝中并经固化而形成，在所述狭缝的内侧表面上设有突出部或凹陷处，所述突出部或凹陷处用来在固化时连接所述粘结磁体。

6.转子铁心内嵌有永磁体的永磁体转子，其特征在于，跨接所述转子铁心的相对各个所述狭缝的径向靠外部分和径向靠内部分的跨接部分倾斜于所述永磁体的磁力方向，其中，所述永磁体嵌在所述狭缝内。

7.转子铁心内嵌有永磁体的永磁体转子的生产方法，其特征在于，里面嵌有所述永磁体的所述狭缝的纵向末端开在所述转子铁心的外圆周面上，在所述转子铁心的加工过程中，利用所述狭缝的开口，所述转子铁心被置于一个固定的角度位置。

Images