专利名称：具有永久磁铁的电气装置及其制造方法
技术领域：
本发明总地涉及旋转电气装置，特别涉及如权利要求1的前序部分所揭示类型的具有永久磁铁的电气装置，以及涉及如权利要求4和5前序部分所述的组装这种装置的方法。
过去已经知道诸如电动机和发电机之类的电气装置。已知的这类电气装置通常包括一集电器类型的转子和一具有绕转子周向布置的线圈的环形定子。这种电气装置的定子包括一用非磁性材料制成的轴，轴上支承有一些绕该轴分布并制成由狭槽隔开的部段的磁化极，沿切向磁化的大体呈棱柱形的永久磁铁放置在狭槽内。
已采用了不同方法来将磁铁固定在转子内，比如利用各种楔子、带子、板，等等。德国专利DE 4235873A1揭示了一种磁铁固定装置，它制成一围绕着转子的特别种类的三维格栅。利用一种充填在为此目的而在永久磁铁和转子磁化极之间形成的中空部分内的特殊固化胶来将磁铁固定在转子内，这已揭示于美国专利US 5175461A中。
所有上述将磁铁固定于转子内的方法都不能避免转子的剩余机械的和磁性的不平衡。而且，它们都需要在将转子安装在定子内之前将磁铁安装在转子内。
由于这个原因，所有上述已知的对电气装置的改进通常由两个主要步骤组成第一，将永久磁铁安装并固定在转子内；第二，将插有磁铁的转子安装在定子内。这些已知的组装电气装置的方法很复杂而且费时，特别在应用于大的电气装置时尤其如此。
1988年发表于莫斯科Energoatomisdat的V.A.Balag-ourov和F.F.Galteev的题为“具有永久磁铁的发电机”这本书的
图1.28揭示的电气装置包括一环形定子和一圆柱形转子，定子具有绕其周向分布的线圈，转子包括一用非磁性材料制成的轴；多个磁化极，绕该轴分布，并且在构形上为由平行于轴线延伸的狭槽形式的极内空间所隔开的部段；棱柱形永久磁铁，安装在所述狭槽内并沿切向磁化；一固定装置，用来将永久磁铁固定在所述狭槽内。在该已知的电气装置中，所述固定装置由一包围着转子的圆柱形包壳组成。在永久磁铁正确磁化后，在组装转子的过程中将永久磁铁安装到所述狭槽内。
采用上述类型的电气装置具有以下缺点。
首先，为了保证将这些永久磁铁插入狭槽内，这些磁铁制成相对于其尺寸及质量具有一定容隙，这可能会产生转子的残余不平衡，并产生与其适当平衡有关的问题。
第二，在磁铁工作特性变差的情况下，在运行的电气装置中替换磁铁需要拆解装置的复杂过程，比如将转子从定子拆下，打开装有待替换磁铁的狭槽。而且，这种替换还需要重复转子的平衡步骤(转子再平衡)，因为替代的磁铁有可能与被替代的磁铁在位置和质量上发生偏差。
第三，安装传感器来监视所安装的磁铁特性及其运行状况，以及从这些传感器接收信号，这些都带来一定的技术问题。
这些缺点在大的电气装置中特别显著。为了根据已知的组装步骤来将完全磁化的转子安装在这种装置的定子内，需要特别研制的技术设备来克服在磁化转子和被组装的装置或设备的铁磁部件之间的非常强的吸引力。所有上述缺点结合起来使现有的电气装置的制造过程复杂得多，并且限制了其可靠性及有效性。
因此，本发明的一个目的是提供一种新颖的具有永久磁铁的电气装置及其新颖的组装方法，避免了现有技术中电气装置及其组装方法存在的问题和缺点。
本发明的另一个目的是提供一种电气装置，它制造简单，因此成本低，更可靠，并比现有技术的电气装置具有更好的服务性能。
本发明还有一个目的是提供一种新颖的组装该新颖电气装置的方法，它比现有技术组装方法更简单，而且省时。
这些及其他目的根据本发明得到，本发明提供了一种永久磁铁电气装置，包括一环形的定子和一圆柱形的转子，定子上具有绕其周向分布的多相线圈，转子包括一用非磁性材料制成的轴；多个磁化极，绕所述轴分布，且其构形为由平行于轴线延伸的狭槽形式的极内空间所隔开的部段；放置在所述狭槽内并沿切向磁化的棱柱形永久磁铁；将永久磁铁固定在所述狭槽内的固定装置。每个固定装置制成为包围着一个棱柱形磁铁的壳体。这种壳体在构形上为基本上与棱柱形磁铁形状相似的棱柱形外壳，在该外壳内有一腔室的形状与那些永久磁铁非常匹配。该用非铁磁材料制成的外壳包括与转子及定子轴相对的两个端壁和两个侧壁，两个另外的侧壁也用铁磁材料制成。每个外壳用一适当的可拆卸的连接件固定在相应的狭槽内，从而将该外壳的端壁固定在转子上，以便可通过将外壳在轴向上移动而将外壳安装在狭槽内以及将其拆下。
根据本发明的较佳实施例，棱柱形外壳的非铁磁材料壁用具有较高导电性能的材料制成，相互间具有良好的电接触。
而且，根据该较佳实施例，棱柱形外壳的非铁磁壁与铁磁壁及转子其他的铁磁部分都绝缘隔开，而非铁磁端壁之一被一切向不导电的插件分成两个部分，每个部分都有夹件用来连接电导体。
所述特征使本发明的电气装置具有以下优点。
由于每个磁铁刚性地连接在大而重的外壳内，外壳磁作为一个整体，制成大致单件式，机械强度非常大，因此作为一个旋转部件来说，它更可靠。
制造大的磁性部件的过程，特别是制造那些不是流水线生产的部件的过程，被大大简化了，而将这些部件安装到转子内的过程也大大简化了。获得这些简化的原因是，其棱柱形内腔室形状与磁的形状匹配的外壳的采用，可使用由一些标准尺寸的较小磁组成的组合磁，这些较小磁紧紧地装入外壳，变成一个整体。以这种方式，永久磁铁在大的电气装置中的采用就大大拓宽了。
转子的初始平衡过程变得大大容易，其精确度提高了，不需要在安装后进行转子的第二次平衡。这个优点的获得是因为，通过调节外壳磁部件，也就是通过使它们实际上在重量、磁性特性及尺寸上相同，可将转子的残余不平衡减小到最小。通过对这些部件的每个都采用相同的可拆卸连接件，使这些部件在径向和切向上都进行非常精确的定位，残余不平衡进一步减小。
因为其内有磁的外壳可不必将转子从定子拆下随后进行再平衡过程就能方便地替换，本发明的电气装置的运行可靠性也提高了。
本发明的较佳实施例还具有以下优点。
有棱柱形外壳的导电非铁磁壁构成的短路回路，保护了外壳内的永久磁铁不受各种场变形的影响。从而获得了较高的永久磁铁运行可靠性、较好的电磁扭矩稳定性以及因此而具有较高的电气装置的效率。
该较佳实施例的另一新颖特征的实施，即，将端壁之一分成可与一电源连接的两个部分，使得可以通过沿着由该外壳的绝缘隔开的导电非铁磁壁构成的回路传导电流脉冲，在永久磁铁定位在转子内之后对其磁化。
本发明电气装置的组装方法包括比如将电气装置的转子插入定子内和将转子安装在支承件上之类的已知阶段，它与现有技术方法的不同之处在于，永久磁铁不是在转子安装之后，而是在安装之前，安装到转子的狭槽内。
这种方法可以安装没有磁的转子，同时使随后的将磁安装到狭槽内的过程较简单。换句话说，该新颖的方法保证了主要安装阶段，即将转子安装到定子内的阶段大大简化，该阶段因如上所述的非常强的吸引力而对大的电气装置来说是关键的。
下面将参照附图详细描述本发明的较佳实施例，图中图1为本发明电动机的部分剖示的前视图；图2为同一电动机的纵向剖示示意图，显示了带有磁的外壳在电动机内的定位；图3为其内放置有一棱柱形永久磁铁的外壳的示意立体图；图4为其内带有棱柱形永久磁铁的同一外壳的纵向剖示图；图5为沿图4中A-A线剖示同一外壳的前视图；图6为其内具有棱柱形永久磁铁的外壳的另一实施例的纵向剖视图；图7为同一电动机的另一剖视图，显示了带有磁的外壳在转子狭槽内的位置。
本发明的永久磁铁电气装置包括一环形定子1和一圆柱形转子2，绕定子1周向分布有多个线圈。转子2包括用非磁性材料制成的轴3和多个用叠层钢片制成的磁化极4，绕着该轴分布并且其构形为由平行于轴线延伸的狭槽5形式的极内空间所隔开的部段。一沿切向磁化的棱柱形永久磁铁放置在每个狭槽5内以产生所需的磁场。如图3所示，每个这种磁可以具有一组合结构，即可以由多个较小的永久磁铁构件6组成，这些构件选择成可提供所需的重量、形状以及组合磁的特性。构成一单一组合棱柱形磁的所有永久磁铁构件6放置在同一壳体内，或具有与棱柱形磁形状大致相似的棱柱形形状、也就是具有矩形横截面的外壳7内。成形于外壳7内的一腔室的形状与组合棱柱形磁的形状非常匹配。为了充填可能的中空部分、或在磁6和外壳7内壁之间的间隙，可采用一金属箔片。在壁为铁磁材料制成的情况下，建议采用也用铁磁材料制成的箔片。例如，可采用固化化合物来将磁6固定并密封在外壳7内。其内具有永久磁铁6的外壳7由其磁性特性、重量及对齐的尺寸来调节。
为了减少泄漏场，分别与定子1和轴3相对的外壳7的端壁8、9以及侧壁10、11用具有高导电性能的非铁磁材料、比如铜、铝、钛或其合金制成。这些壁可以用焊接或其他适当方法相互固定，保证这些壁相互间具有良好的电接触。其结果是，它们构成了在转子2的轴向平面内围绕着永久磁铁6的电短路回路。
外壳7靠近磁化极4的侧壁12、13用铁磁材料制成。这样做是为了减小对穿过靠近相应组合磁和定子1的磁化极的主磁力线的磁阻。外壳7的端壁8、9用适当的可拆下的连接件固定到转子2的相应端壁。通过举例的方式，在图5-7所示的较佳实施例中，一成形于外壳7的端壁9上的短柱14插入成形于一压板17上的榫眼内，压板用来将磁化极4夹在一起。还有诸如螺栓、指状件15和一法兰16构成了将外壳7的端壁8固定于转子2的另一端的可拆下的连接件。
在图6所示的本发明较佳实施例中棱柱形外壳7的非铁磁壁8、9、10、11相互电连接，但与铁磁壁12、13以及转子其他的铁磁部分都绝缘隔开，例如借助于非导电层18或适当的绝缘涂层。端壁(图6实施例中的壁9)之一被切向的、即与图6平面垂直的不导电插件19分成两个部分。每个部分都有夹件20，用来将导电体(未示)连接于外壳7，以形成一绕着永久磁铁6的端部打开的回路。在这个例子中，永久磁铁6可以安装在处于非磁化状态的外壳7内。
本发明所示的电动机以与采用具有永久磁铁的内部转子的现有技术电动机同样精确的方式运作。当来自电源(未示)的电流在定子1的多相线圈的不同相之间流动时，在线圈内产生了电磁场。在该电磁场和转子2的棱柱形永久磁铁的磁场之间干涉的结果是，产生了使转子轴3旋转的机械扭矩。
本发明的组装电气装置的方法包括以下步骤。
环形定子1被放置在一适当的组装设备中转子2被插入在定子1内。下一步，转子2被安装在其支承件上，比如轴承或适当类型的支承件。此后，开始对转子供给永久磁铁的过程。为此目的，每个棱柱形外壳7被充填以构成棱柱形组合磁的这组磁6，充填好的外壳7被一个接一个地从狭槽5的开口端插入狭槽5内，从外壳7的具有固定构件、例如短柱14的那个端部开始。每个外壳7沿着相应的狭槽5改变位置，直到形成外壳与定子的连接，也就是，短柱14完全插入压板17的榫眼内。此后，外壳7的另一端壁8利用指状件15和法兰16固定到转子2上。
诸如销子、花键等等之类的适当的工具和装置可以用来简化上述阶段。为了保证在转子和定子之间的磁吸引力的平衡，外壳7成对地安装在转子内，充填沿径向相对的狭槽。
当具有磁6的所有的外壳7安装并固定在转子2的相应的狭槽5内后，主要部分的上述组装过程可以认为已完成了。在一些情况下，也可以需要辅助步骤，例如安装防护屏或调节轴承等。
在需要替换带有磁6的外壳7时，不必从定子1拆下转子就能很方便地将任何外壳7从转子2拆下。为了这么做，卸下将外壳7固定到转子2端部的构件，在诸如螺丝起子之类的适当的简单工具的帮助下，将外壳7滑出相应的狭槽5。
所有的上述将外壳7安装到转子2上以及从其上拆下的阶段都可以对隔开的转子进行，也就是，可以在它被安装到定子上之前进行。
在实施本发明较佳实施例时(其中棱柱形外壳7的所有的非铁磁壁、即端壁8、9和两个侧壁10、11用导电材料制成并且相互处于良好电接触)，围绕着永久磁铁6的封闭的电短路回路起到一种减弱主磁场震荡并减小永久磁铁上的定子所产生的去磁场效果的稳定器的作用。
而且，根据上面的描述，如果由外壳7的非铁磁壁形成的电路构成了与铁磁侧壁12、13绝缘隔开的端部开放的回路，则该端部开放的回路可为组合永久磁铁的磁化服务。这个磁化过程可以在电动机的外部进行，即，将其内带有组合磁的外壳7插入到一特殊的端部开口的磁导体的操作间隙内，或者也可以在已组装的电动机内进行。在后一情况下，建议一个接一个地磁化外壳7内的棱柱形组合磁，以便减小磁化电路所需的总电感以及因此减小电源所需的能量。为了以这种方式进行磁化，最好其内带有组合磁的一个外壳7安装在转子2的狭槽5内，而所有其他的狭槽仍然保持空的。一种用铁磁材料制成的适当填充物在磁化期间可另外插入定子和转子之间的间隙内。在外壳7已正确放置在狭槽5内后，电流源连接到外壳7端壁9的夹件20，电流的一适当脉冲被导过端部开口的回路。通过将定子线圈的适当部分也连接到电源，可进一步增强磁化场。
当组合磁的磁化已经过去后，外壳7被抽出并由另一个外壳替换在狭槽5内，重复上述步骤。该过程最好对所有具有同一方向磁化的磁重复进行。然后，通过改变电源的极性，改变磁化的方向，具有相反磁化方向的所有磁被磁化。如果在磁化过去后，外壳7的夹件20借助于高导电的跨接线而被短路，则回路可如上所述起到稳定器的功能。
通过将本发明实施于转子直径等于400mm的75k WDC变换器馈入的电动机而对本发明进行了成功的测试。该转子带有8个固定有尺寸为10mm×60mm×570mm的组合永久磁铁的外壳，每个磁由不同尺寸的磁构件组成本发明在实施于大的变压器充电的电气装置时特别有效，因为组装这种装置的问题(以及解决这些问题的相应的成本)随着装置功率的增加而变得严重。在装置需要特别高的可靠性时，比如，当装置安装在船上或一些其他的运输工具上时，本发明也很重要。
权利要求
1．一种具有永久磁铁的电气装置，包括一环形定子和一圆柱形转子，所述定子带有多个绕着其周向分布的多相线圈，所述圆柱形转子包括一用非磁性材料制成的轴；多个绕着所述轴分布的磁化极，其构形为由平行于轴线延伸的狭槽形式的极内空间隔开的部段；放置在所述狭槽内并沿着切向磁化的棱柱形永久磁铁，；一将永久磁铁固定在所述狭槽内的固定装置；其特征在于每个固定装置制成为围绕着棱柱形磁铁之一的棱柱形外壳，该外壳具有与定子和用非铁磁材料制成的转子轴相对的端壁和两个侧壁，而外壳的另外两个侧壁用铁磁材料制成；每个外壳用适当的可拆卸的连接件固定在相应的狭槽内，该连接件将所述外壳的端壁固定在转子上，使得可以将外壳安装在狭槽内，以及通过沿着轴线方向移动外壳将其卸下。
2．如权利要求所述1的电气装置，其特征在于，棱柱形外壳的非铁磁壁用具有高导电性能的材料制成，并且相互间具有良好的电接触。
3．如权利要求2所述的电气装置，其特征在于，棱柱形外壳的非铁磁壁与铁磁壁以及转子的其他铁磁部分都绝缘隔开，而非铁磁端壁由一切向的不导电插件分成两个部分，每个部分都具有用来连接导电体的夹件。
4．一种组装如权利要求1、2所述的具有永久磁铁的电气装置的方法，包括将所述电气装置的转子安装在定子内的步骤，其特征在于，所述转子在没有永久磁铁时安装在定子内，在所述安装完成后，将以磁化状态放置在外壳内并固定在其内的永久磁铁安装在所述转子的狭槽内，然后将所述外壳固定在所述转子内。
5．一种组装如权利要求3所述的具有永久磁铁的电气装置的方法，包括将所述具有未磁化状态的永久磁铁的电气装置的转子安装在定子内、随后磁化在电气装置内的所述永久磁铁的步骤，其特征在于，通过让电流经过由用来固定所述永久磁铁的外壳的非铁磁壁构成的端部开口的回路来进行所述的磁化。
全文摘要
一种具有永久磁铁的电气装置,包括环形定子和圆柱形转子,转子包括一用非磁性材料制成的轴;多个绕着所述轴分布的磁化极,放置在所述狭槽内的永久磁铁;一将永久磁铁固定在所述狭槽内的固定装置;每个固定装置制成为围绕着棱柱形磁之一的棱柱形外壳,该外壳具有端壁和两个侧壁,而外壳的另外两个侧壁用铁磁材料制成;每个外壳用适当的连接件固定在狭槽内,该连接件将外壳的端壁固定在转子上。
文档编号H02K15/03GK1218323SQ9712019
公开日1999年6月2日 申请日期1997年11月24日 优先权日1997年11月24日
发明者弗拉基米尔·R·安德烈耶夫, 阿列克谢·S·基巴丁, 弗拉基米尔·G·库切因斯基, 弗拉基米尔·F·索伊金, 瓦莱里·M·米哈耶洛夫, 阿尔卡迪·N·科比林, 弗拉基米尔·S·索科洛夫 申请人:Gpd·V·叶夫列莫瓦电物理仪器科学研究所, 鲁宾海洋技术中心建设局