专利名称：电机的多极转子的制作方法
技术领域：
本发明涉及电机，更具体地涉及电机的多极转子。
本发明可在电工技术、航空、机床制造和其他工业领域中，用于制造电机、电磁联轴器、减速器以及制动器的有永久磁铁的转子。
在生产具有永久磁铁的电机时，提高电机的比机电特性(单位电机质量所发出的功率、转矩、电动势及其他性能)是非常重要的任务。
可用来完成上述任务的方法是，提高电机多极转子所产生的激励磁通(进而是磁道)，其方法是使用具有最佳磁特性的各向导性硬磁材料来制造形成转子的磁铁，更充分利用转子的容积来布置磁铁以及优化磁铁磁性的定向。
已知一种圆柱形的电机多极转子(苏联专利，A，647797)它包括棱柱形的永久磁铁，均匀沿圆周布置，沿它们的对称平面磁化，並且每块磁铁附有用软磁材料制成的磁极端头。为了较充分地用硬磁材料填充转子的容积，棱柱形磁铁具有斜的侧边，相邻的磁铁沿着它们的侧边一个贴接着一个。
永久磁铁固装在用轮磁材料制成的衬套中，而在它们之间装有用非磁材料制成的插片。
转子采用上述结构，其容积不可能完全用硬磁材料来填满。由于有磁极端头，硬磁材料离开转子的圆柱形表面较远，这就使得磁通不可能有显著的增多。此外，由于相邻磁极端头之间产生磁通漏损因而使磁通减少，磁极端头还使涡流和再磁化损耗增加，並且引起电机电感的增大。
这种磁铁的激励磁通的来源是磁荷，它们分布在磁极中，磁极断面呈弧状，弧长显著小于转子的极距，另一个来源是分布在软磁衬套表面上的磁荷，它们产生的磁通，方向和分布在磁极上的磁荷的磁通相反。这两个因素，即磁极的弧长的缩短和软磁衬套中有相反方向的磁通，使磁极上的磁通量减少。此外，磁极的弧度缩短，使得在所述弧度范围之外的间隙中，电感很快降低，这引起电动机所发生的机械转矩降低。
已知另一种用于电机的具有圆柱形永久磁铁的转子(GB，A，2075274)，它具有沿圆周均匀配置，用软磁材料制成的磁极段，和由用硬磁材料制成的极间段，它们垂直于邻接磁极段的相应对称平面磁化。
由于其中有用软磁材料制成的磁极段，磁通集中在所述电机的转子和定子之间的工作间隙中。
所述电机转子，在磁极具有一定的数目並且工作间隙小时，保证磁通增多。但是由于有用软磁材料制成的磁极段，随着磁极数和工作间隙的增大，磁通漏损增多，同时有这种转子的电机，其电感增大，使得电机操纵困难。
已知另一种电机多极转子，其形状实际上是圆柱形(US，A，3334254)，具有偶数极磁铁，最少为四个，沿圆周分布，其中一些磁极朝向圆心，而另一些磁极朝向圆周，並相互间隔。此外，还有和极磁铁贴靠的极间磁铁，其侧表面朝向圆周。
极磁铁具有用软磁材料制成的极端头，极磁铁和极间磁铁一起形成转子的圆柱形表面。极磁铁固装在用软磁材料制的衬套上並在径向磁化，而极间磁铁安装得相对于衬套有间隙並沿圆周弧的方向磁化，在所述转子中有磁极端头，其磁场磁力线方向垂直于转子的工作表面，这使得极磁铁不直接朝向转子的侧表面，磁通的漏损不能完全消除，总的说来，仍招致磁通的减少。此外，涡流和再磁化损耗增加，电机的电感增大。
在这种情况下，极磁铁的径向磁性和极间磁铁的弧形方向磁性使制造工艺复杂化，而如果达到这样的磁性方向，硬磁材料的磁特性降低。在极磁铁内部建立径向磁性时，产生减少激励磁通的磁荷。
用软磁材料制成的衬套的存在，使得转子的容积不能充分利用来安装磁铁，降低了转子抗退磁的稳定性，引起涡流和再磁化损耗的出现以及电机电感的增大。
本发明的任务是创制电机多极转子，其极磁铁和极间磁铁的安置以及磁性的定向，使转子的磁通得以增多。
上面所提出的任务是这样解决的，即在实际上是圆柱形的电机多极转子中，包含有偶数的极磁铁，最少为四个，沿圆周均匀布置，其一些极朝向圆的中心，而另一些极朝向圆周。这些极是相互间隔的，和极磁铁紧贴的是极间磁铁，它们的侧表面朝向圆周。按照本发明，朝向圆周的极磁铁的极和极间磁铁的侧表面一起，直接形成转子的圆柱形表面。在这种情况下，极磁铁沿平行于其对称平面方向磁化，而极间磁铁沿垂直于其对称平面方向磁化。
为了形成转子的圆柱形表面，每一极磁铁在转子的横断面中是圆的一部分，其一边弧长实际上等于磁极覆盖系数乘以转子的极距值，两侧面是弦的截段，其交点在相应磁铁的对称平面中，而每一极间磁铁的几何形状为有一些相对的边与相邻极磁铁的弦截段重合，而另一些相对的边相对于极间磁铁的对称平面对称。
最好极磁铁弦截段之间的夹角由下列关系式确定
β＝α( (P)/3 + 3/4 )，式中 P-转子磁极对数，α-极磁铁的弧度。
极磁铁弦截段的夹角等于 (п)/2 较为有利。
为了形成转子的圆柱形表面，推荐每一极磁铁在转子的横断面中为圆的一部分，其一边是弧，弧长等于转子的极距，其两边是弦截段，自弧的两端点引出，该两边夹角为弧度( (п)/2 + (п)/(2P) )，而每块极间磁铁是等腰三角形，其侧边和相邻极磁铁的弦截段重合，三角形的顶点位于这些极磁铁的弧的两端点之间。上面提出的电机多极转子所产生的磁通，接近所使用的硬磁材料和给定的转子容积所可能达到的最大磁通值。
在所提出的转子中，可以使用各向异性的硬磁材料，这种材料具有柱状的结晶和磁体组织，磁性好。此外，所提出的转子具有好的抗退磁定性，因为其中没有用软磁材料制成的零件。
在电机中装用上面所提出的转子，可以显著减少涡流和再磁化损耗，因为其中所用的各向异性硬磁材料具有较低的导磁性。
用所提出的结构，可以制造极数多的转子(极数为20或更多)，举例来说，可以广泛用于步进电机，而不会显著减少总(所有磁极上的)磁通。
下文通过具体的实施例和附图进一步说明本发明。附图中
图1示出了按照本发明的一个四极转子(转子安装在电机定子中)的端视图;
图2-按照本发明的具有另一种形状的极间磁铁的四极转子的端视图;
图3-同图2，按照本发明的具有又一种极磁铁和极间磁铁的形状的转子的端视图图4-按照本发明的具有又一种极磁铁和极间磁铁形状的六极转子的端视图;
图5-对于有不同磁极数的情况下，转子(如图1所示)磁极上磁通(以相对单位计)和极磁铁厚度与转子半径比例的关系曲线。
实际上是圆柱形的电机多极转子，包含有偶数极磁铁1(图1)，最少是四个，沿半径为R的圆周均匀布置(在所述的实施例中有四个极磁铁1，相应于四极转子)，有些磁极朝向圆的中心，而有些则朝向圆周，它们相互间隔。与极磁铁1邻接的是极间磁铁2，它们是这样布置的，即它们的同性磁极和位于它们之间的极磁铁侧表面邻接，並和这极磁铁1朝向圆周的磁极是同一极性。
极磁铁1和极间磁铁2用同一或不同的硬磁材料制成，並且最好是用各向异性、具有柱状的结晶和磁体组织的硬磁材料来制造，因为这种材料具有较好的磁特性。
极磁铁1是这样布置的，即它们有些磁极朝向圆周，和极间磁铁2的侧面一起直接形成转子的圆柱形表面。
在转子的横断面中(在图1和以后的一些图上，为了表示的方便起见，示出了转子的端视图)，每一极磁铁1是半径为R的圆的一部分，弧度为α，弧的长度1则由定子3的结构决定，在一般情况下，它等于磁极覆盖系数和极距值
的乘积。
在图1所描述的实施例中，以简图方式表示电动机(线卷未示出)的定子3，其工作间隙较小，磁极的覆盖系数等于定子3的极4的弧长l1和极距
的比值。这样，极磁铁1的弧α的长度1实际上等于定子3的极4弧长度l1。
极磁铁1的另外两边是弦的两条截段，弦截段从弧α的端点引出，並相交在位于极磁铁对称平面5中的一点。
每一极磁铁1的弦截段之间的夹角β是这样选择的，即要使极上的磁通φ接近磁通的最大值φmax(与最大值之差不大于5%)，而硬磁材料的消耗量最少。
此外，角β取决于转子要在其中工作的电机结构，即取决于磁极数、转子和定子之间的间隙、转子磁极的宽度以及极磁铁1和极间磁铁2的磁性之间的关系。在所有磁铁1、2的磁性向量相等並且转子和定子之间间隙小(0.05R以下)的情况下，下列公式可以满足上述条件β＝α( (P)/3 + 3/4 )，(1)式中，P-转子的磁极对数，等于极磁铁1的对数。
对于所述方案P＝2，α＝0.5 (п)/(P) 时，角β为0.354π(以弧度计)。
每个极间磁铁2在转子横断面中的几何形状为有一些相对的边和相邻极磁铁1的弦截段重合，而另一些相对的边相对于间磁铁2的对称平面6对称。在所述实施例中，极间磁铁2的朝向圆的中心一条边是直的线段，连接两相邻极磁铁1的顶点，而其相对的一边是半径为R的圆周的弧( (π)/(P) -α)。在极间磁铁2采用这种结构时，转子的中心部分形成正方断面的通道7，其中可以布置用非磁性材料制成的衬套和轴。
在图2所示转子的另一实施例中，极磁铁1用和以上所述相同的方式制成，而每块极间磁铁2的朝向圆的中心一边是半径为r的圆周的一段弧，等于 (п)/(P) ，而另一相对的边是一条曲折的线，由( (п)/(P) -α)的二段弧8和介于它们之间的弦9所组成，弦9垂直于极间磁铁2的对称平面6。这样，在转子的中心部分形成圆形断面的通道7，从要装在转子中的衬套和轴的制造观点来讲，工艺性较好。
在图3所示的转子实施例中，极磁铁1也是半径为R的圆的一部分，弧α的长度为l，其确定方法如前所述，极磁铁两侧边的弦截段夹角为β，由关系式β＝ (п)/(P) 来确定。在满足这种关系的情况下，相邻极磁铁1的其中安置极间磁铁2的两条弦截段是平行的。这样，极间磁铁2的横断面是矩形，从极间磁铁的制造工艺的观点来讲是合宜的。
在还有一个多极转子的实施例中，如图4所示的六极转子，每一极磁铁1是圆的一部分，其一边是弧α，弧的长度等于极距τ，另两边是弦的截段，自弧α的两端引出，相对于弧长l2相交成( (п)/2 + (п)/(2P) )的弧度角。每一极间磁铁2具有等腰三角形的形状，其两侧边和相邻极磁铁1的弦截段重合，而顶点位于这些极磁铁1的弧的端点之间。
极磁铁1和极间磁铁2采用这种结构时，可以节约硬磁材料，当极数增多时，这顶优点更为突出。从而对上述转子实施例采用多极是正确的。
为了较清楚地了解本发明的实质和优点，图5示出用计算方法所得、对不同极数的磁通Φ与可能获得的最大磁通Φmax的比例和极磁铁1的厚度h与转子半径R的比例之间的依赖关系(曲线a，p＝2;曲线b，P＝4;曲线c，P＝8)。图1所示多极转子的Φ与Φmax之比标在纵座标上。极磁铁1的厚度系沿其对称平面5测量。
所提出的电机多极转子用下述方法制造。
从硬磁材料中，按上述形状和给定尺寸切割极磁铁1和极间磁铁2(图1～4)，尺寸由要装入该转子的定子尺寸决定。
如果极磁铁1和极间磁铁2采用各向异性的具有柱状的结晶和磁体组织的硬磁材料，必须这样切割磁铁1，2，使极磁铁1的对称平面5平行于材料的易磁化轴线，而极间磁铁2的对称平面6垂直于材料的易磁化轴线。
然后，切割下的磁铁1，2可在双极感应器中，按给定方向磁化，即极磁铁1-平行于其对称平面5磁化，而极间磁铁2-垂直于这些磁铁2的对称平面6磁化。
然后将磁铁1，2连接起来，並且极磁铁1和极间磁铁2要相互隔开。可以用胶或(和)非磁材料包皮(图中未示出)来固定磁铁1，2。当磁铁1，2体积大时，它们可以用小一些的磁铁装配起来，同时其易磁化轴应满足上述的定向的要求。在装配极间磁铁2的过程中，可直接固装在横断面有相应形状的衬套或轴上。
在使用陶瓷磁铁的情况下，极间磁铁2可以用粉末工艺来制造。
在另外一些情况下，装配好的转子可以借助于多极(和转子的极数相对应)感应器进行磁化，而为了获得最佳的磁场磁力线分布，在转子轴向通道7中可以安置带电流的导线，在磁化过程结束后，再将导线拆除。
在一个以相邻极间磁铁2的对称平面6为界限的极区内，具有上述形状的极磁铁1和极间磁铁2，它们的磁性方向不同，形状也不同，这使得激励磁通既由沿转子圆筒形表面分布的磁荷所产生，也由出现在极磁铁1和极间磁铁2的边界上的内部磁荷所产生。这时，内部磁荷和表面磁荷一起产生接近最大可能值的磁通。所谓最大可能磁通也就是在转子全部充满硬磁材料並且每一点的磁性定向都最优时转子的磁通。
内部磁荷的磁场磁通大小取决于分隔极磁铁1和极间磁铁2的边界和极磁铁1的对称平面5的交点的位置，也就是说由极磁铁1的弦截段间夹角β的值决定。
角β的最优值应取这样的数值，使 (Φ)/(Φ)max为0.95。这样选取角β的值使得转子产生的磁通Φ将接近最大值Φmax，而硬磁材料的消耗量最少。用图5所提供的曲线图，可以由给定的弧α
和 (h)/(R) 比值来确定角β。这里可以看出，随着转子极数的增多，最优的 (Φ)/(Φ)max的比值在极磁铁1厚度值h较小时就可达到。当转子的极数增加时，极上磁通Φ的减少比已知的多极转子慢。这是由于随着极数的增多，在转子结构最佳时内部磁荷集中的极磁铁1和极间磁铁2的分隔界限向转子表面靠近。在所提出的转子中，如计算所示，总的磁通(在所有2P极上)随着极数的增多，起先增加(至2P＝16～20)，然后略微下降。
内部磁荷的磁场磁通量取决于转子的极数，例如，对于四极磁铁来说，在角β为最佳值时(由公式(1)确定)並当α＝0.5τ时，内部磁场磁通为表面磁场磁通的26%，举例来说，即所提出的转子所产生的磁通将比按苏联专利A，647797用同样材料制造的转子多26%。
在转子极数增多时，内部磁荷磁场所占比重增多，例如，对十四极转子来说，当α＝0.5τ和角β按式(1)计算时，内部磁荷的磁场磁通为表面磁荷的磁场磁通的53%，即磁通增大53%。
图2所示转子的工艺性较好，因为这种转子可以采用由非磁材料制成的具有圆形断面的轴。但由极间磁铁制成所述的形状时，，在其内部边界上出现磁荷，因为在这种情况下有不是零的磁性法向分量，导致略微减少磁通。以上所述多极转子制造方案的规律性，如最佳β角值的确定、随极数增多磁通中由内部磁荷所占的比重以及其他规律性，对于这里所述的实施方案也是适用的。
矩形的极间磁铁2(图3)制造最为简单，而有这种磁铁2的转子，其磁通Φ和Φmax相比，减少很微小。
在图4所示的转子实施例中，每一极磁铁1的一边为弧α，其长度等于转子的极距τ，而弦截段之间夹角β系根据极磁铁1和极间磁铁2的边界上没有磁荷的条件来选取。在这种情况下，磁通Φ将只由表面磁荷产生，它比Φmax略小一些。但是这时，转子的重量显著降低。
所提出的多极转子的所有上述实施例，其特点是转子中没有用软磁材料制成的零件，这使得转子对退磁的稳定性提高，并使涡流和再磁化损耗减少。
为了说明所提出发明的优点，下面对不同型或电动机的特性进行比较(磁铁采用了具有各向异性质的硬磁材料)。
1 2 3 4 5电动机型式 极数 电动机 机械转 比转矩，质量，公斤 矩，牛顿米 牛顿米/公斤具有本发明转子的电动机 8 11.2 13 1.15“西门子IFT5型”电动机 6 13.5 12 0.88具有本发明转子的电动机 6 65 40 0.61“波许”电动机(Bosch) 6 67 25 0.37
从上表可见，具有本发明所提出的转子的电动机和已知最好的型号相比，具有较高的比特性。
这样，采用所提出的多极转子，可以产生接近最大值的磁通，这显著改善了装有这种转子的电机的比机电特性。
权利要求
1.一种电机的多极转子，实际上呈圆柱形，具有偶数极磁铁(1)，最少为四个，沿圆周均匀分布，有些磁极朝向圆心，而另一些则朝向圆周，相互间隔；还具有和极磁铁(1)相邻接的极间磁铁(2)，其侧表面朝向圆周，这种转子的特征在于一些极磁铁(1)的极朝向圆周，它们和极间磁铁(2)的侧表面一起直接形成转子的圆柱形表面，在这种情况下，极磁铁(1)沿平行于其对称平面(5)磁化，而极间磁铁(2)沿垂直于其对称平面(6)的方向磁化。
2.按照权利要求1的多极转子，其特征在于为了形成转子的圆柱形表面，极磁铁(1)在转子横断面中是圆的一部分，其一边是弧(α)，弧的长度(1)实际上等于极的覆盖系数乘以转子的极距值(τ)，而另两边是弦的截段，其交点在相应极磁铁(1)的对称平面(5)中，而每一极间磁铁(2)的几何形状为有一些相对的边与相邻极磁铁(1)的弦截段重合，而另一些相对的边相对于极间磁铁(2)的对称平面(6)对称。
3.按照权利要求1的多极转子，其特征在于极磁铁(1)的弦截段夹角(β)由下列关系式决定β＝α( (P)/3 + 3/4 )，式中，P-转子磁极的对数。
4.按照权利要求2的多极转子，其特征在于极磁铁(1)的弦截段夹角(β)等于 (п)/2 。
5.按照权利要求2的多极转子，其特征在于为了形成转子的圆柱形表面，每一极磁铁(1)在转子的横断面中是圆的一部分，其一边为弧(α)，弧的长度1实际上等于转子的极距(τ)，另两边是弦的截段，自弧(α)的两端引出，该两边夹角为弧度( (п)/2 + (п)/(2P) )而每一极间磁铁(2)为等腰三角形，其侧边和极磁铁(1)的弦截段相重合，而顶点位于这些极磁铁(1)的弧的端点之间。
全文摘要
一种电机的多极转子，实际上呈圆柱形，具有偶数极磁铁(1)，最少为四个，沿圆周均匀分布，还有和极磁铁(1)相邻接的极间磁铁(2)。极磁铁的某些极和极间磁铁(2)的侧表面一起形成转子的圆柱形表面。极磁铁(1)沿平行于其对称平面(5)的方向磁化，而极间磁铁(2)沿垂直于其对称平面(6)的方向磁化。
文档编号H02K1/22GK1050473SQ89107398
公开日1991年4月3日 申请日期1989年9月20日 优先权日1989年9月20日
发明者伊万·皮托维奇·斯坦尼克 申请人:“磁性材料”科研生产联合公司, 辛非罗波尔国立“伏龙芝”大学