专利名称：包含永久磁铁的同步电机转子的制造方法和用该方法制造的转子的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包含永久磁铁的同步电机转子的制造方法，所述转子具有一个用铁磁体钢制造的铁芯，在所述铁芯上设置与其相连接的永久磁铁，而该永久磁铁则被一个用非磁性钢制成的外圆筒包围，并且所述转子的两个轴向端头具有用非磁性钢制成的带有轴头的封盖。
已有技术永久磁铁激励的同步电机在工作时，安装在转子上的永久磁铁受到显著的离心力作用，其效果是使永久磁铁倾向于脱离转子。将一个金属套筒通过收缩固定，安装在转子磁铁上的方法是公知的。在公知技术中，永久磁铁是由一种脆性材料制成的，所以通常在套筒收缩安装时实际上无法避免产生裂缝和断裂。所述永久磁铁是由一种非常容易被腐蚀的材料制成的，所以应当用一层防护层将所有表面封闭，该防护层在工作中也应当有耐久性。涂敷这种防护层，一方面加工费事，另一方面在已知的结构中永久磁铁仍会出现断裂部位，断裂特别是出现在转速(第一次)升高到工作转速的情况下，因而失去了任何防腐保护。为了保证质量，公知方法中必须对永久磁铁进行研磨。这种研磨的加工同样费事。
对本发明的描述本发明的任务是，提供一种永久磁铁激励的同步电机转子的制造方法以及一种按照该方法制造的转子，根据所述方法，永久磁铁采用所谓的静态液力方式支承，此外所述永久磁铁在第一次高转速运转后，尽管可能有断裂部位，也不会出现无防护表面。
本发明所述方法的特征是，所述铁芯具有一个内腔，并且将一种树脂材料置入该内腔中，所述树脂材料通过转子的离心作用进入所述永久磁铁的范围，并且在该范围内实现树脂材料硬化。按照本发明所述方法制造的转子的特征是，所述铁芯用铁磁体钢制成并具有一个沿轴向布置的内腔，在所述铁芯上设置永久磁铁，该永久磁铁被一个用非磁性材料制成的外圆筒包围，所述转子的两个端头具有用非磁性钢制成的带有轴头的封盖，所述轴头与铁芯构成形状合适的连接，并且至少与所述外圆筒构成适合力传递连接，并且所述永久磁铁范围内的所有空腔均被所述树脂材料填满。
其他有利的构成见从属权利要求。
本发明所述方案的优点特别是，永久磁铁完全被树脂材料所包围，所以实际上处在静态液力支承状态下，因此能在离心力作用下保持位置稳定，而所述树脂材料在第一次高转速运转时尚处在流态，所以树脂材料在该时间段内可将永久磁铁产生的裂缝区填充，并且同时在永久磁铁上产生光滑的表面，作为防护层将其覆盖。
对附图的简要说明下面对照附图所示若干实施例对本发明作进一步的说明。
图1表示本发明所述转子的第一实施例的纵向剖视图；图2表示沿图1中II-II线所作的剖面图；图3表示所述转子的外圆筒和封盖之间的第一种连接结构；图4表示所述转子的外圆筒和封盖之间的第二种连接结构；图5表示所述转子的外圆筒和封盖之间的第三种连接结构；图6表示所述转子的局部放大剖视图，图中显示出填充条；图7表示本发明所述转子的第二实施例的局部纵向剖视图，它和图1相似；图8表示图7所示钢片组的一个具有缝隙的钢片的俯视图；图9表示一个具有鼠笼形件的转子的局部视图；图10表示沿图9中X-X线所作的剖面图。
本发明的实施方式图1表示本发明所述转子的第一实施例，它具有一个用铁磁体材料制成的整体式铁芯1。在该铁芯1上设置永久磁铁2。该永久磁铁在图中为简单表示起见，显示成一个整体，但是它可以任意分割。所述永久磁铁2被一个用非磁性金属材料制成的外圆筒3所包围。该外圆筒3例如可以用高强度冷轧奥氏体钢制成，或者用高强度的良导体青铜制成，例如CuNi3Si，用于达到最小的表面电流损失。所述转子的两端被一个具有轴头6和7的封盖4和5封闭，该封盖用一种非磁性钢制成。
所述铁芯1具有一个作为轴向通孔构成的内腔8，该内腔如下所述作为储存室使用。从内腔8出发沿径向在永久磁铁2的范围内设置有通道27。
此外所述铁芯1的两个轴向端部具有多角孔18，所述封盖4和5上具有形状相对应的凸台19。通过该凸台19和孔18可使铁芯1与封盖4和5同心，其中多角孔的形状用于很好地从铁芯1向封盖4和5传递扭矩，进而将扭矩传递给轴头6和7。除了采用中央凸台19外，也可以采用剪力销38的结构，它将铁芯1与封盖4和5连接在一起。
图2表示沿图1中II-II线穿过转子所作的剖面图。由图可见，放置在铁芯1上的永久磁铁2被外圆筒3所包围，而且所述铁芯1具有内腔8。图中的转子例如构成了一种双极结构，以公知的方式形成一个北极N和一个南极S。如普遍公知的那样，其中还在侧面设有磁中性区37。在该中性区37内，在外圆筒3和铁芯1之间的环形腔内装有填充块16，该填充块可根据所要求的励磁特性，用可磁化或不可磁化的材料制成。该填充块16的材料密度优选至少近似等于永久磁铁2的材料密度，即填充块16的密度最好与永久磁铁2的密度相似。
为了组装所述转子，可按照一种方案将外圆筒3收缩安装到封盖4和5上。
所述外圆筒3和封盖4和5之间的最终连接按照图3所示的第一种结构是通过一条密封的圆周焊缝9实现的。如下所述，该密封圆周焊缝9是在两个步骤中完成的。
收缩固定的外圆筒3和封盖之间的另一种连接结构见图4所示。
该结构中的外圆筒3的两个端部具有内圆周凹槽10。每个封盖4和5上具有对应的外圆周凸台11。在该外圆周凸台11旁还有一道外圆周凹槽12，槽内装有O形圈13。当外圆筒3在各封盖4和5上收缩固定时，对应的外圆周凸台11嵌入相应的内圆周凹槽10。此外所述O形圈13也直接压紧在外圆筒3上。
图5表示外圆筒3和封盖4和5之间的另一种连接结构，其中没有采用收缩连接。各封盖4和5具有朝向转子内部的锥形截面14。该锥形截面14顶在作为止挡构成的台肩15上。在这种结构中，所述封盖4和5通过锥形截面14，采用液压方式压入外圆筒3，并顶在台肩15上。
另外还要参见图6来了解图5。图6中表示的铁芯1具有一个多角形外周面。所述铁芯1外周面的平面分段17的尺寸等于设置在其上面的永久磁铁2的尺寸。所以铁芯1的外周面与永久磁铁2的轮廓相吻合，所以不会出现较大的磁隙。此外由于铁芯的外周面呈多角形状，所以能实现从永久磁铁2至铁芯1的出色的扭矩传递。
在各个永久磁铁2之间设置有用形状稳定的，最好是金属材料制成的填充条20。为了压紧的目的，该填充条可至少在接触永久磁铁的面上设置一层薄的套毛衬垫。附加的填充条21设置在永久磁铁2和位于其对面的外圆筒3的内表面之间。该附加填充条21可用良导体材料，如铜或铝制成。
通过采用填充条20、21，可使永久磁铁2的矩形截面实现优良的形状匹配。如果确有必要的话，仅需要对永久磁铁2的朝向外圆筒3的表面进行研磨，其他所有表面无需加工。
所述附加填充条21的端部与一个柔性的、用良导体材料制成的环22相连，见图5所示。该环22可用多股绞线制成，或采用层状结构。所述附加填充条21与柔性环22的连接可通过焊接，例如点焊实现。
因此该附加填充条21与环22构成了一个阻尼鼠笼。组装转子时，该焊接连接要在将封盖4和5装到外圆筒3上之前完成。
在图7所示的结构中，用标号35表示的铁芯是用层叠钢片23制成的。该钢片23作为钢片组安装在一个中心管24上。所述中心管24上具有沿径向布置的孔25。在该孔25范围内设置的钢片23上有纵向缝隙26，并且周期性扭转层叠(见图8)，所以和第一种结构中的通道27类似，构成了从中心管24的内腔36通向永久磁铁2区域的通道。
不采用中心管24，也可对钢片23打孔，从而能够容纳剪力销38。该剪力销38可以超出钢片组的长度伸到所述封盖4和5内，以便传递扭矩。
这种用钢片组构成的铁芯35的结构是进行振荡磁化的前提条件。但是该结构并不具有图5和图6所示结构中的阻尼鼠笼。
图7中的标号28表示在每个封盖上周期性环状分布的螺纹孔，用于容纳转子动平衡所需的平衡螺栓(图中未画出)。另一种选择是，在动平衡过程中按照所要求的直径和深度钻出圆孔。
另一个结构见图9和图10所示。其中的鼠笼形件29包括用良导体材料(如铜、铝)制成的端环30和纵向棒31，该鼠笼形件在制成的转子内作为电流阻尼鼠笼使用。为了组装所述转子，将该鼠笼形件29推到外圆筒3内。各个永久磁铁2被放入作为填充格的鼠笼形件29内，并且用一种临时粘合剂与外圆筒粘合在一起。然后将铁芯1插到鼠笼形件29内，最后装上封盖4和5。
另一种选择是，将装有永久磁铁2的鼠笼形件29首先套在铁芯1上，然后插到外圆筒3内。
处在纵向棒31上的横槽32的作用将在后面描述。
为根据本发明制造所述转子，在作为储存室的铁芯1的内腔8内放入一种树脂材料，或者在图7所示的结构中，在中心管24的内腔36中放入树脂材料。这种树脂材料是普遍公知的，所以下面不再赘述。这种树脂材料中可含有填充材料，例如一种氧化铝粉末。这种树脂材料最好采用固体棒的形状，即作为所谓B状态粘合剂放入。
随后将转子按照预定的一种时间程序进行高速运转，同时加热。所述程序可包含中间转速和中间温度上的稳定点。此时熔化成液态的树脂材料将穿过铁芯1内的通道27，或者在图7所示的结构中，穿过中心管24中的孔25，并通过相应的钢片23中的纵向缝隙26沿径向向外抵达永久磁铁2的范围。图9所示的横槽32的作用是平衡树脂材料的流动。
通过离心力的作用向外流动的树脂材料将所有空腔填满，使永久磁铁2完全被树脂材料包围。因为众所周知，脆性永久磁铁在转子第一次高速转动时会出现无法避免的缝隙和断裂，所以这些地方也会被流态树脂材料可靠地填充。
树脂材料的硬化是在转子的超速转速条件下完成的。该转速高于最大工作转速，而且仅在转子制造过程中使用。
在图1中用箭头33和34以及虚线表示树脂材料在离心之后所达到的内部水平范围。从中可确定内腔中填充的树脂材料。
由于树脂的固化是在离心过程中完成的，所以外圆筒3在以后的工作转速和静止状态下将保持预应力。
应当说明的是，结合图3所描述的圆周焊缝9在所述硬化过程之前仅预焊一层。所述圆周焊缝9在硬化过程结束后再完全补焊。在焊接过程中，外圆筒3放置在未画出的冷却夹具上。转子的动平衡在硬化过程完成后按图7所示的螺纹孔28进行。此外铁芯1内的内腔8或中心管25的内腔36作为所谓的热管使用，并且由轴头6、7或相连接的热交换器冷却。在本发明的范围内，转子只有一端具有轴头，另一端是无支承的。位于无支承端的封盖仅起密封作用。
显而易见，所述永久磁铁处在所谓静态液力支承状态，特别是在转子第一次高速旋转时产生的裂纹将被熔化的流态树脂材料充满，所以永久磁铁完全与环境大气隔绝，因而具有极高的耐腐蚀性。所述永久磁铁可以涂上绝缘表层，以便截断通到相邻导电部件的电流路径。
作为另一种制造方法，在安装外圆筒3之前，可在永久磁铁和阻尼棒21周围放入预应力扁平箍圈绕组。对所述永久磁铁然后进行振荡磁化。随后装上环22，但不要去掉绕组。再一种选择是，所述填充条20同样用良导体材料制成，并且与环22连在一起。
权利要求
1.包含永久磁铁(2)的同步电机转子的制造方法，所述转子具有一个用铁磁体钢制造的铁芯(1，35)，在所述铁芯(1，35)上设置与其相连接的永久磁铁(2)，而该永久磁铁则被一个用非磁性材料制成的外圆筒(3)包围，并且所述转子的两个轴向端头具有用非磁性钢制成的带有轴头(6，7)的封盖(4，5)，其特征是，所述铁芯(1，35)具有一个内腔(8，36)，并且将一种树脂材料置入该内腔(8，36)中，所述树脂材料通过转子的离心作用进入所述永久磁铁(2)的范围，并且在该范围内实现硬化。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是，用置入了的树脂材料对转子进行加热，并同时使其高速转动，使树脂材料在离心力的作用下从内腔(8)穿过铁芯(1)的径向通道(27)，或者从内腔(36)穿过铁芯(35)中的孔(25)和纵向缝隙(26)，向外引导到所述永久磁铁(2)的范围，将该处范围内的空腔填满，并且所述转子在树脂材料的硬化过程中保持在超速转速上。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征是，为组装所述转子，将永久磁铁(2)安装在铁芯(1，35)上，再将铁芯(1，35)连同永久磁铁(2)装入外圆筒(3)并形成间隙，待树脂材料进入内腔(8，36)后，将所述由铁芯(1，35)、永久磁铁(2)、外圆筒(3)和树脂材料组成的结合体的两端分别用一个带有轴头(6，7)的非磁性钢制封盖(4，5)封闭，并且使所述铁芯(1，35)与封盖(4，5)同心布置，最后将所述外圆筒(3)与封盖(4，5)连接。
4.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，所述可硬化树脂材料以固体棒的形状装到所述铁芯(1，35)的内腔(8，36)中。
5.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，所述树脂材料含有至少一种填充材料。
6.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，所述外圆筒(3)在封盖(4，5)上收缩固定。
7.如权利要求6所述的方法，其特征是，所述收缩固定的外圆筒(3)通过一条圆周焊缝(9)与所述封盖(4，5)以密封方式连接。
8.如权利要求7所述的方法，其特征是，所述圆周焊缝(9)在对粘合树脂进行离心之前仅预焊一道，并在粘合树脂硬化之后再完成全部焊道。
9.如权利要求6所述的方法，其特征是，所述外圆筒(3)的两端具有一个内圆周凹槽(10)，并且所述封盖(4，5)具有一个外圆周凸台(11)和一个位于其旁边的外圆周凹槽(12)，后者装入一个O形圈(13)，并且外圆筒(3)在所述封盖(4，5)上收缩固定的方式是，封盖(4，5)的各外圆周凸台(11)嵌入对应的内圆周凹槽(10)内，并且相应的O形圈(13)与外圆筒(3)密封压紧。
10.如权利要求1至5中任何一项所述的方法，其特征是，所述封盖(4，5)具有朝向转子内部的锥形截面(14)，并且为了与所述外圆筒(39)连接，将封盖压入外圆筒内，直至达到止挡(15)。
11.如以上权利要求中任何一项所述的方法，在所述铁芯(1，35)和外圆筒(3)之间的环形腔分段内设置磁中性区(37)，该中性区(37)内没有永久磁铁(2)，其特征是，在该环形腔分段内设置填充块(16)，其中所述填充块(16)的材料密度至少近似等于永久磁铁(2)的材料密度。
12.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，在相邻的永久磁铁(2)之间插入填充条(20)。
13.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，在永久磁铁(2)和位于其对面的外圆筒(3)的内圆周范围内插入其它的填充条(21)。
14.如权利要求13所述的方法，其特征是，为构成一个阻尼鼠笼，所述其它填充条(21)的端部通过点焊或类似方式分别与一个柔性环(22)连接，并且环绕所述铁芯(1，35)布置，随后将封盖(4，5)装上。
15.如权利要求1至11中任何一项所述的方法，其特征是，制造一个鼠笼形件(29)，它由导电材料制成的端面环(30)和具有横向槽(32)的轴向长棒(31)组成，用于分配粘合树脂，并且将所述永久磁铁(2)安装到该鼠笼形件(29)内；或者将该鼠笼形件(29)与永久磁铁(2)推到所述外圆筒(3)内，将永久磁铁(2)用一种临时粘合剂粘在外圆筒(3)上，然后将所述铁芯(1，35)推到所述鼠笼形件(29)内，或者先将所述铁芯(1，35)推到所述鼠笼形件(29)内，然后通过鼠笼形件(29)与永久磁铁(2)推进所述外圆筒(3)。
16.如权利要求1至14中任何一项所述的方法，其特征是，为在一个中心管(24)上制出所述铁芯(35)，将钢片(23)层叠在一起，所述中心管(24)具有孔(25)，用于使树脂材料进入其内腔(36)，其中所述具有孔(25)的钢片(23)对准缝隙(26)，用于粘合树脂的继续引导。
17.如权利要求1至15中任何一项所述的方法，其特征是，所述铁芯(1)是整体制成的，具有一个内腔(8)，该内腔(8)作为所述树脂材料的储存室，并且从该内腔(8)沿径向构成朝铁芯(1)的外侧延伸的通道(27)。
18.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，所述铁芯(1，35)的两个轴向端部构成一个多角孔(18)，每个封盖(4，5)均具有与铁芯(1，35)的多角孔(18)的形状相对应的多角凸台(19)；并且在组装转子时，所述凸台(19)插到所述孔(18)内，从而在铁芯(1，35)和封盖(4，5)之间构成形状合适的连接，以实现力传递。
19.如以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，所述铁芯(1，35)的外周边表面构成具有多个平面的多边形平面分段(17)，其中每个平面分段的尺寸与永久磁铁(2)的尺寸相吻合，所以一方面使铁芯(1，35)和平面分段(17)之间设置的永久磁铁(2)构成最小的磁隙，另一方面能够在永久磁铁(2)和铁芯(1，35)之间实现最佳的扭矩传递。
20.按照权利要求1所述方法制造的含有永久磁铁(2)的转子，其特征是，所述铁芯(1，35)用铁磁性钢制成并具有一个沿轴向布置的内腔(8，36)，在所述铁芯(1，35)上设置永久磁铁(2)，该永久磁铁被一个用非磁性材料制成的外圆筒(3)包围，所述转子的两个端头具有用非磁性钢制成的带有轴头(6，7)的封盖(4，5)，所述轴头与铁芯(1，35)构成形状合适的连接，并且至少与所述外圆筒(3)构成适合力传递的连接；并且所述树脂材料至少流入处在永久磁铁(2)范围内的所有空腔，使得整个内腔(8，36)的直径范围均被所述树脂材料填满。
21.如权利要求20所述的转子，其特征是，所述外圆筒(3)在封盖(4，5)上收缩固定。
22.如权利要求21所述的转子，其特征是，所述收缩固定的外圆筒(3)通过一条圆周焊缝(9)与所述封盖(4，5)以密封方式连接。
23.如权利要求21所述的转子，其特征是，所述外圆筒(3)的两端具有一个内圆周凹槽(10)，并且所述封盖(4，5)具有一个外圆周凸台(11)和一个位于其旁边的外圆周凹槽(12)，后者装入一个O形圈(13)，该外圆周凸台(11)嵌入对应的内圆周凹槽(10)内，并且相应的O形圈(13)与外圆筒(3)密封压紧。
24.如权利要求20所述的转子，其特征是，每个所述封盖(4，5)均具有朝向转子内部的锥形截面(14)和一个作为止挡构成的台肩(15)，所述封盖(4，5)被压入所述外圆筒(3)内，并以台肩(15)紧靠其上。
25.如权利要求20至24中任何一项所述的转子，在所述铁芯(1，35)和外圆筒(3)之间的环形腔分段内设置磁中性区(37)，该中性区(37)内没有永久磁铁，其特征是，在该环形腔分段内设置填充块(16)，其中所述填充块(16)的材料密度至少近似等于永久磁铁(2)的材料密度。
26.如权利要求20至25中任何一项所述的转子，其特征是，在相邻的永久磁铁(2)之间设置填充条(20)。
27.如权利要求20至26中任何一项所述的转子，其特征是，在永久磁铁(2)和位于其对面的外圆筒(3)的内圆周范围之间设置其它填充条(21)。
28.如权利要求27所述的转子，其特征是，所述其它填充条(21)用一种导电材料制成，并且为构成一个阻尼鼠笼，其端部与一个柔性环(22)连接，所述铁芯(1，35)设置在所述阻尼鼠笼内部。
29.如权利要求20至25中任何一项所述的转子，其特征是，一个鼠笼形件(29)由导电的端面环(30)和具有横向槽(32)的纵向长棒(31)组成，用于分配粘合树脂，并且所述永久磁铁(2)装在该鼠笼形件(29)内。
30.如权利要求20至28中任何一项所述的转子，其特征是，所述铁芯(35)由设置在一个中心管(24)上的钢片组构成，所述中心管(24)具有孔(25)；其中所述具有孔(25)的钢片组，其钢片(23)上设置的孔(25)对准沿径向布置的纵向缝隙(26)。
31.如权利要求20至29中任何一项所述的转子，其特征是，所述铁芯(1)是整体制成的，并具有一个内腔(8)，并且从该内腔(8)沿径向构成朝铁芯(1)的外侧延伸的通道(27)。
32.如权利要求20至31中任何一项所述的转子，其特征是，为实现从所述铁芯(1，35)向封盖(4，5)的扭矩传递，所述铁芯(1，35)的两个轴向端部构成一个多角孔(18)，并且每个封盖(4，5)均具有插入各个多角孔(18)的多角凸台(19)。
33.如权利要求20至32中任何一项所述的转子，其特征是，所述铁芯(1，35)的外周边表面构成具有多个平面的多边形平面分段(17)，其中所述平面分段(17)的尺寸与靠在一起的永久磁铁(2)的尺寸相吻合。
34.如权利要求20至29中任何一项所述的转子，其特征是，所述钢片(38)的一端插在钢片(23)内，另一端插在封盖(4，5)内。
全文摘要
所述转子具有一个带有内腔(8)的铁芯(1)。在铁芯(1)上设置永久磁铁(2)。该永久磁铁被一个外圆筒(3)包围,并且与带有轴头(6)的封盖(4,5)紧密相连。通道(27)从内腔(8)出发,沿径向进入永久磁铁(2)的范围。首先将一种树脂材料置入内腔(8)中。然后加热转子并以超速转速旋转。流态的树脂材料通过通道(27)流入所述永久磁铁(2)的范围,充满所有空腔,包括充满高速转动时在脆性永久磁铁(2)内产生的裂纹。转子保持在超速转速下让树脂材料硬化。从而在永久磁铁(2)的所有表面上形成防腐层。
文档编号H02K21/14GK1359186SQ0114546
公开日2002年7月17日 申请日期2001年12月4日 优先权日2000年12月4日
发明者R·约霍 申请人:阿尔斯托姆电力有限公司