专利名称：用于电机永磁转子的磁化的系统和方法
技术领域：
本发明通常涉及一种电机，尤其涉及一种具有永久磁铁型转子的电机。本技术的特定实施例涉及一种用于这种转子的永久磁铁段的磁化的系统和方法。
背景技术：
例如电动机或者发电机的一种电机，通常包括位于定子内并且用来将电能转换成机械能或者将机械能转换成电能的转子。某些电机使用永久磁铁型转子，从而减小了尺寸并增加了电机的总效率。这种转子通常包括位于转子轴上方的环形永久磁铁。在一些实施例中，永久磁铁是单片的、中空的、圆柱形的部件。在大型电机中，永久磁铁通常通过组装多个永久磁铁而形成，其中多个永久磁铁组装在转子轴周围。高速电机在永久磁铁部件周围还可以包括保持环或定位环，从而防止由地心引力引起的永久磁铁部件的断裂和分散。
通常，永久磁铁段在组装到转子轴上之前被磁化。例如，永久磁铁段利用大的未完成的磁铁块进行切割并研磨成形，然后该永久磁铁段在电磁铁线圈中被单独磁化。在某些应用中，尤其在大型电机中，永久磁铁段的磁化通过由K表示的磁化矢量来实现。施加到永久磁铁的表面的Halbach(也被称为Halbach磁化)导致了电机中有更正弦形的磁通分布，进而减少了AC谐波损耗并减少了转矩脉动、振动和噪声。永久磁铁段随后粘着地结合到转子轴。
但是，利用预先磁化的永久磁铁段来进行转子的组装会是很麻烦的过程，尤其在大型电机中，该过程会消耗过多的时间并且很难使用。该过程需要采用机械设备施加相当大的力以及进行对准操作来定位和约束受激励的永久磁铁段。如果受激励的永久磁铁块不被约束，那么该过程将会出现物理故障。
因此，需要一种在电机转子中磁化永久磁铁段的更简单和有效的技术。
发明内容
因此，本技术提供一种新颖的方法，用于磁化电机转子的永久磁铁段。简单说，根据本技术的一个方面，提供一种制造电机的方法。该方法包括在电机的转子轴周围组装一套永久磁铁段。为永久磁铁段确定期望的定向方位。该方法还包括在磁化固定器中定位组装的永久磁铁段，因此永久磁铁段的期望的定向方向与磁化固定器的相应的磁通方向对准。
本发明的进一步的方面提供一种根据上述方法制造的电机。
当参考附图理解下面详细的描述时，本发明的这些和其它特征、方面以及优点将变得更加容易理解，其中在所有附图中，相同的符号表示相同的部件，其中图1示出了根据本技术产生的具有永久磁铁型转子的电机；图2示出了根据本技术的多个方面的转子磁化装置；图3示意地示出了相关于磁化固定器的磁通的磁化方向的永久磁铁段的期望的定位。
图4是示出根据本技术的多个方面制造电机转子的示例性方法的流程图；图5是示出具有根据本方法的多个方面具有被磁化的转子的电动机或发电机的磁通分布的示意图；以及图6是转子的额定负载电磁特性的比较性说明，其中转子具有径向定位以及转子永久磁铁的Halhach定位。
具体实施例方式
本方法提供一种用于磁化电机转子中的永久磁铁段的系统和方法。根据本技术的一方面，转子磁铁的每一极都包括一套Halbach排列的永久磁铁段。本技术提供了在多级磁化固定器中对整个组装转子进行一步磁化，以这样的方式获得定位磁铁的最佳磁化。下面，本技术的特定实施例将参考图1-6被描述。
现在参考图1，图1示出了电机10的一个示例性部分，其中本技术的多个方面被结合。电机10可以包括，例如，多相同步电动机或者发电机。图1示出了沿与电机10的旋转轴12垂直的方向截面的截面视图。
电机10包括定子14和转子16。定子14包括层叠的定子铁芯18，该定子铁芯通常由电磁钢片形成。槽20形成在定子铁芯18上以容纳定子绕组22。转子16位于定子14内部，从而当转子被轴承(未示出)支承时，允许转子围绕旋转轴12旋转。转子16包括安装在轴26上的转子轴24。在特定的实施例中，轴26可以整体形成在转子轴24上。在一个实施例中，转子轴24和轴26由铁磁材料形成。
所述实施例的转子16是一种永久磁铁型转子，其包括位于转子轴24上方的环形排列的永久磁铁段28。箭头29表示每个永久磁铁段28的独有的定向方向。该定向方向是永久磁铁获得最强磁化的方向，并且在制造过程中，它被给予磁铁段作为单个段。永久磁铁段28的横截面形状可以包括一个弓形的形状，如图1所示，或者可以包括其它合适的形状，例如大致梯形、多边形或者三角形的形状。永久磁铁段28可以由任何铁氧体系列、NdFeB系列、Sm-Co系列、SmFeN系列以及其它具有定位特性的系列形成。当材料在软的和湿润的条件下被压制时，通过施加磁场而产生永久磁铁材料的定位。可以通过定位成形的压模到施加的磁场，或者通过适当地由已知定向方向的较大已完成的块切割成形的段，来建立成形段的定位。永久磁铁段28可以粘着地结合或者烧结到转子轴24。在所述实施例中，转子16包括四个极30、32、34和36(34和36在图1中未示出)，其中每个极都由八个永久磁铁段28组成。在所述实施例中，定位环38位于永久磁铁段28周围，从而保证永久磁铁段28反抗由转子16旋转所产生的离心力。定位环38可以由碳素纤维或者高强度金属形成。在定位环32具有非金属组合物的装置中可以有期望的电磁屏蔽40。
根据本技术的一个方面，转子16的永久磁铁段28形成一个Halbach排列(也就是，由上述的Halbach磁化所获得的)，从而在电机10中产生更正弦形的磁通分布。这减少了AC谐波损耗，从而导致转矩脉动、振动和噪声的减少。在Halbach排列中，每个永久磁铁段28的定向方向29是这样的，即在每个转子极30、32、34和36的正交轴线(以下称为Q轴)上，方向29几乎与转子的旋转方向相切；在在每个转子极30、32、34和36的直轴(以下称为D轴)上，方向29几乎与该旋转方向垂直。D轴可以被定义为磁场在径向最强的磁极的定位方向，而Q轴通常对应于磁场在周向最强的磁极的定位方向。应当注意到，尽管磁极的Q和D轴相差90度的电角度，但是它们的相对的物理位置取决于转子的极的几何形状和数量。例如，在四极的转子中，每个极的Q和D轴相隔大约45度的角度。
图2示出了根据本方法的多个方面的磁化装置42。磁化装置42包括多极磁化固定器44，在该磁化固定器中，转子16被固定的定位，以便磁化永久磁铁段28(图1)。磁化固定器44包括缠绕在导磁铁芯或者轭铁46周围的磁化线圈。磁化线圈的数量通常被选择为等于转子的极数。因此，在所述的实施例中，固定器44包括容纳于槽56、58、60和62中的四个线圈48、50、52和54，其中槽56、58、60和62位于导磁铁芯46上。根据本技术，转子16以这样的方式位于固定器44内，即转子极30、32、34和36的Q轴分别与磁化线圈48、50、52和54对准。线圈48、50、52和54由电源64激励。电源64最好是脉冲调制的DC电源，以减少流过线圈的电流的持续时间。线圈48、50、52和54可以串联连接到电源64，如图2所示，或者可以并联连接到电源64。当线圈被激励时，磁化线圈48、50、52和54产生通过磁极66、68、70和72以及通过永久磁铁段28的磁通，其中磁极66、68、70和72的中心(或者D轴)与转子极30、32、34和36的D轴一致。
磁铁段28的方向29由磁性分析演绎推理决定，例如通过有限元方法。在永久磁铁段的制造过程中，该方向相对于段的物理形状定位。这些方向可以被标记，例如通过在单个永久磁铁段上进行印制来标记，从而便于组装过程。图3示意性地示出了永久磁铁段28相对于磁化固定器44的磁通74的方向29，磁通74由有限元方法计算。图3示出了转子16的极30中的段的方向。在所述实施例中，每个段28的磁化方向29对应于上述的Halbach方向。如图中所示，单个永久磁铁段28的定向方向29几乎与励磁磁化线圈所产生的磁通74的方向一致。进而，如图所示，永久磁铁段的磁性定向是从在转子极Q轴76几乎正切逐渐变化到在转子极D轴78几乎垂直。
图4是说明根据本技术的特定实施例的用于制造电机的示例性过程80的流程图。通过围绕轴组装转子轴，开始该过程，如块82所表示的那样。如先前所描述的那样，在特定的实施例中，轴可以与转子轴一体的形成。在块84，永久磁铁段围绕转子轴组装。在一个实施例中，这些段相互粘着地结合并结合到转子轴。定位环可以位于永久磁铁段周围，如块86所表示的那样。然后，该过程进行到块88，其将转子组件定位在磁化固定器中。如先前所描述的那样，块88包括对准永久磁铁段的磁化方向与来自磁化固定器的磁通方向。然后，磁化线圈由电源激励，如块90所表示的那样。一旦永久磁铁段被磁化，那么转子组件从磁化固定器中移去，并且组装在定子内(块92)。本领域的技术人员将理解，过程80可以通过全自动组装线、半自动或者甚至手动来完成。
图5是获得的磁化转子16中的示例性磁通分布的说明。永久磁铁段产生磁通94，该磁通耦合到定子铁芯18，以产生转子16上的旋转转矩。在其它的因素中，在转子上产生的转矩依赖于在定子14和转子16之间的气隙96上的磁通分布的形状。如图所示，由激励转子所产生的磁通94沿着永久磁铁段28的磁化方向定位，该磁化方向从在转子极Q轴大致正切变化为在转子极D轴大致垂直。因此，可以看出，磁通密度(也就是，每单位区域的磁通)在转子极D轴是径向方向，在转子极Q轴是周向方向。这就导致了在气隙96中磁通94的密度分布比具有完全径向磁化方向的段所产生的磁通的密度分布更正弦化。上述内容最好由图6说明，其中曲线98用图形表示了具有径向磁化方向的转子的额定负载电磁特性，曲线100描绘了具有永久磁铁的Halbach方向的转子的额定负载电磁特性。图6示出了沿Y轴表示的气隙96中的变化的磁通密度(单位为特斯拉)和沿X轴表示的转子的位置(表示为电坐标)的对应关系。应当理解的是，电坐标表示为180电角度的一部分，在所述的实施例中其对应于180度的角距。可以看出，Halbach磁化转子的磁通密度分布比径向磁化转子的磁通密度分布大大正弦化。
因此，本技术有利于在一步过程中磁化电机转子，从而不必利用预先磁化的块组装转子，如先前所述的那样，如果这样组装会比较麻烦和困难。所得到的磁化的转子在电机中产生更正弦形的磁通分布。本技术可以应用于许多种电机，包括电动机，尤其包括用于天然气管线压缩机的大型高速同步机器、航天电动机、航天发电机、船用推进器等等。
虽然这里仅仅说明和描述了本发明的特定特征，但是本领域的技术人员可以作出许多修改和改变。因此，应当理解的是，附属的权利要求将会包括落入本发明的实质精神内的所有修改和改变。
部件列表10 电机12 转子轴14 定子16 转子18 定子铁芯20 槽22 转子绕组24 转子轴26 轴28 永久磁铁段29 磁化方向30、32、34、36 转子极38 定位环40 电磁屏蔽42 磁化装置44 磁化固定器46 导磁铁芯48、50、52、54 导磁线圈56、58、60、62 导磁铁芯中的槽64 电源66、68、70、72 导磁极74 导磁磁通76 D轴78 Q轴80 制造转子的方法82 方法80的第一步84 方法80的第二步86 方法80的第三步88 方法80的第四步
90方法80的第五步92方法80的第六步94由永久磁铁段产生的磁通96气隙98具有径向磁化的转子的额定负载EM特性100 具有Halbach磁化的转子的额定负载EM特性，
权利要求
1.一种用于制造电机(10)的转子(16)的方法，包括在转子轴(24)周围组装一排永久磁铁段(28)；确定永久磁铁段(28)的期望的定向方向(29)；以及将组装的永久磁铁段(28)定位于磁化固定器(44)中，使得永久磁铁段(28)的期望的定向方向(29)与磁化固定器(44)的相应磁通方向(74)对准。
2.如权利要求1的方法，其中永久磁铁段(28)的期望的定向方向(29)的构造为，连续的定向方向(29)从在转子极D轴(76)与转子(16)的旋转方向大致垂直的方向变化为在转子极Q轴(78)与转子(16)的旋转方向大致正切的方向。
3.如权利要求1的方法，其中磁化固定器(44)包括缠绕在磁芯周围的多个线圈(48、50、52、54)，磁化固定器(44)的线圈(48、50、52、54)的数量与转子(16)的极(30、32、34、36)的数量相等。
4.如权利要求3的方法，还包括对准转子极Q轴(78)与磁化固定器(44)的线圈(48、50、52、54)，并且对准转子极D轴(76)与磁化固定器(44)的导磁极(66、68、70、72)的中心。
5.如权利要求1的方法，还包括通过脉冲调制的直流电流(DC)激励磁化固定器(44)。
6.如权利要求1的方法，其中电机(10)包括多相同步电机。
7.如权利要求1的方法，其中组装永久磁铁段(28)包括相互粘着地结合永久磁铁段(28)并且结合到转子轴(24)。
8.如权利要求1的方法，还包括设置定位环于组装的永久磁铁段(28)上方。
9.一种用于电机(10)的转子(16)，包括转子轴(24)；多个组装到转子轴(24)上的永久磁铁段(28)，其中永久磁铁段(28)的组装包括逐渐变化通过施加磁通(74)而获得的磁性定向，其中该磁通(74)大致与永久磁铁段(28)的期望的定向方向(29)对准；以及设置在永久磁铁段(28)的组件上方的定位环。
10.如权利要求18的转子(16)，其中永久磁铁段(28)的期望的定向方向(29)的构造为，连续的定向方向(29)从在转子极D轴(76)与转子(16)的旋转方向大致垂直的方向变化到在转子极Q轴(78)与转子(16)的旋转方向大致正切的方向。
全文摘要
提供一种用于制造电机(10)的系统和方法。永久磁铁段(28)的排列围绕转子轴(24)组装。永久磁铁段(28)的期望的定向方向(29)被确定。然后，组装的永久磁铁段(28)定位于磁化固定器(44)中，从而永久磁铁段(28)的期望的定向方向(29)与磁化固定器(44)的对应磁通方向(74)对准。
文档编号H02K15/03GK1866688SQ20061007935
公开日2006年11月22日 申请日期2006年3月31日 优先权日2005年3月31日
发明者C·M·斯蒂芬斯 申请人:通用电气公司