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永磁体和永磁体旋转电机

阅读：1042发布：2020-06-12

IPRDB可以提供永磁体和永磁体旋转电机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种具有D形横截面的永磁体，所述永磁体包括弓形的顶表面(22)、平的底表面(24)和侧表面(26，28)。假如多个永磁体圆周地布置成使大圆(S)外接顶表面(22)上的顶点(P)，顶表面(22)包括中心区域和端部区域(22a，22b)，该中心区域描绘出与一小圆(T)的弧，该小圆从大圆偏心，并且所述端部区域定位在小圆(T)外侧并在大圆内侧(S)。，下面是永磁体和永磁体旋转电机专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于永磁体旋转电机的永磁体，所述永磁体旋转电机包括转子，所述转子包括转子芯和附装到转子芯的表面上的多个永磁体，包括一个永磁体段的所述永磁体具有D形横截面，包括大致弓形的顶表面、侧表面和完整的平的底表面，所述大致弓形的顶表面包括具有顶点的中心区域和横向相对的端部区域，其中假如多个所述永磁体圆周地布置成使假想的大圆外接所述永磁体的弓形顶表面上的顶点，则：所述永磁体的顶表面的中心区域描绘出与一假想的小圆重合的周线，所述假想的小圆与所述大圆偏心，并具有比所述大圆小的直径，以及所述永磁体的顶表面的横向相对的端部区域每个都定位在所述小圆与所述永磁体的侧表面之间的交点外侧并在所述大圆与所述永磁体的侧表面的延伸表面之间的交点内侧。

2.根据权利要求1所述的永磁体，其中

具有顶点的所述中心区域是弓形的，

所述横向相对的端部区域是直线形的，

所述横向相对的端部区域从中心区域的端部延伸到所述永磁体的侧表面，并且平行于所述永磁体的平的底表面。

3.根据权利要求1所述的永磁体，其中

具有顶点的所述中心区域是弓形的，

所述横向相对的端部区域是直线形的并且是倾斜的，

所述横向相对的端部区域从中心区域的端部延伸到所述永磁体的侧表面，并且横向相对的端部区域朝向中心区域的延伸部经过弓形区域的顶点。

4.根据权利要求1所述的永磁体，其中所述大致弓形顶表面的所述横向相对的端部区域的横向相对的端部的每个厚度Te、从所述底表面到所述小圆与所述侧表面之间的交点的距离Te1和从所述底表面到所述大圆与所述侧表面的延伸部之间的交点的距离Te2满足下面的关系：Te1＜Te≤Te2。

5.根据权利要求1所述的永磁体，其中所述大圆的半径s与所述小圆的半径t满足下面的关系：0.3≤t/s≤0.8。

6.一种永磁体旋转电机，其包括转子，所述转子包括转子芯和附装到转子芯的表面上的多个永磁体，其中，所述永磁体为根据权利要求1-5之一所述的永磁体。

说明书全文

永磁体和永磁体旋转电机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种D形永磁体和一种包括该D形永磁体的同步永磁体旋转电机，例如伺服电动机、DC无刷电动机或发电机。

背景技术

[0002] 由于高效率和精确控制能力，永磁体(PM)旋转电机通常用作控制电动机，典型地伺服电动机。例如，在AC伺服电动机中，使用如图7所示的具有径向气隙的永磁体旋转电机。该PM旋转电机包括转子3和定子13，该转子包括转子芯1和附装到转子芯的表面上的多个D形永磁体段2，该定子13围绕转子3以限定转子与定子之间的间隙，并且定子包括定子芯11，该定子芯具有多个狭槽和线圈12，所述线圈缠绕在齿上并接收在狭槽中。在图7所示的PM旋转电机中，(永磁体)磁极的数量是六(6)，齿的数量是九(9)，并且与永磁体段相关联的箭头指示其磁化的方向。关于永磁体段，磁性取向在平行磁场中实现，从而使容易磁化的方向平行于磁体段的中心轴线。线圈作为集中绕组绕在齿上，并以U、V和W相这三相的Y形接法连接，如图8所示。在图7中，线圈的实心圆圈指示线圈缠绕方向是相对于纸面向前，并且线圈的叉号(×)表示线圈缠绕方向是相对于纸面向后。

[0003] 当电流流过线圈时，在定子芯区域中所示的宽箭头的方向上产生磁场，从而使转子逆时针旋转。这里，因为磁场是沿与永磁体段的磁化相反的方向，所以在旋转方向上的永磁体段的后部区域(图7中段2的画圆圈的区域)处于易受退磁影响的情况下。通常所使用的永磁体材料包括诸如钡铁氧体和锶铁氧体的铁氧体磁体和诸如Sm-Co和Nd-Fe-B磁体的稀土磁体。在这些磁体中，目前稀土磁体作为高性能磁体找到了显著增长的应用。

[0004] 在要求高精度转矩控制的AC伺服电动机和类似电动机中，转矩必须具有较少的波纹(ripple)。因此，不希望的是，当永磁体转动时，定子狭槽与永磁体的对准导致由于横穿间隙的磁通量分布的变化而产生齿槽效应转矩(即，在没有电流流过线圈的情况下的转矩)，或者在通过流过线圈的电流驱动时出现导致转矩波纹。转矩波纹恶化可控性，并额外引起噪音。

[0005] 可通过以下方式减小齿槽效应转矩，即，将永磁体段构造成具有从中心向横向端部减缩的D形横截面形状，并包括偏心的弓形部分，如图9所示。借助该构形，作为产生磁通量分布的明显变化的磁极切换区域的永磁体段的端部产生平滑的磁通量分布，减小了齿槽效应转矩。也可通过将永磁体段构造成具有包括如图10所示的偏心弓形部分的C形横截面减小齿槽效应转矩。因为D形磁体的横向相对端部比其中心部分薄，因此即使轻微地偏心，D形磁体对减小齿槽效应转矩也是较有效的。虽然偏心磁体具有减小的体积并因而导致驱动转矩的减小，但由于可借助较小的偏心减小齿槽效应转矩的D形磁体而引起的转矩减小的比例较小。因而D形磁体优于C形磁体。

[0006] 如图9所示的偏心D形磁体具有非常薄并易受退磁影响的端部。现在将说明为什么薄规格磁体端部易受退磁影响的原因。永磁体的退磁幅度是通过在工作温度下矫顽力的幅度和反磁场的幅度确定的。退磁磁化率随着矫顽力降低和反磁场增强而增大。反磁场是由永磁体的磁化产生的自身反磁场和来自外部的反向磁场的总和。在永磁体端部上施加有来自定子的高反磁场。自身反磁场随着永磁体在磁化方向上的厚度减小而增强。

[0007] 一旦磁体被退磁，就会由于局部不均匀磁场而引起驱动转矩减小和齿槽效应转矩增大的问题。

[0008] 可参考JP-A 2006-60920。

发明内容

[0009] 本发明的目的是提供一种永磁体和一种包括该永磁体的永磁体旋转电机，该永磁体当在旋转电机中使用时在减小齿槽效应转矩方面是有效的，并且不易受到退磁的影响，该永磁体旋转电机具有高输出和高精确控制能力。

[0010] 在进一步改进包括偏心的磁体和以减小的齿槽效应转矩为特征的旋转电机方面做出了努力，发明人已实现了没有转矩变动并且不易受到退磁影响的旋转电机。

[0011] 在一方面中，本发明提供一种具有D形横截面的永磁体，该永磁体包括大致弓形的顶表面、平的底表面和侧表面，所述大致弓形的顶表面包括具有顶点的中心区域和横向相对端部区域。假如多个永磁体圆周地布置成使假想的大圆外接磁体的弓形顶表面上的顶点，则：磁体顶表面的中心区域描绘出与一假想的小圆重合的周线，该假想的小圆与所述大圆偏心，并具有比所述大圆小的直径，并且磁体顶表面的横向相对端部区域每个都定位在所述小圆与磁体侧表面之间的交点外侧并在所述大圆与磁体侧表面之间的交点内侧。

[0012] 在优选实施例中，大致弓形的顶表面包括弓形中心区域和横向相对的直线端部区域，所述直线端部区域从中心区域的端部延伸到磁体的侧表面，并且平行于磁体的平的底表面。

[0013] 在另一优选实施例中，大致弓形的顶表面包括弓形中心区域和横向相对的直线倾斜端部区域，所述直线倾斜端部区域从中心区域的端部延伸到磁体的侧表面，并且直线倾斜端部区域向弓形中心区域的延伸部经过弓形中心区域的顶点。

[0014] 在另一方面中，本发明提供一种永磁体旋转电机，该永磁体旋转电机包括上述永磁体。

[0015] 本发明的益处

[0016] 本发明的D形永磁体不易受到退磁的影响，并且可减小齿槽效应转矩并增大驱动转矩。该永磁体在AC伺服永磁体电动机和DC无刷永磁体电动机的性能提高和尺寸减小的方面是有用的。本发明在工业中具有很大价值。

附图说明

[0017] 图1是本发明的一个实施例中的永磁体的横截面图；

[0018] 图2是图1的磁体的放大视图；

[0019] 图3是图1的磁体的透视图；

[0020] 图4是本发明的另一个实施例中的磁体的横截面图；

[0021] 图5是图4的磁体的放大视图；

[0022] 图6是图4的磁体的透视图；

[0023] 图7是在本发明的另一个实施例中的永磁体旋转电机的横截面图；

[0024] 图8示出旋转电机中的线圈的连接；

[0025] 图9是示例性现有技术永磁体的横截面图；

[0026] 图10是另一个示例性现有技术永磁体的横截面图。

[0027] 在以下说明中，相同的附图标记在附图中所示的所有视图中指示相同或对应的部分。

具体实施方式

[0028] 应理解，诸如“顶”、“底”、“向外”、“向内”和类似表达的术语是方便的词汇，并不是要解释为限制性术语。

[0029] 如上所述，本发明涉及一种具有D形横截面的永磁体，该永磁体包括大致弓形的顶表面、平底表面和侧表面，所述大致弓形的顶表面包括具有顶点的中心区域和横向相对端部区域，其中设置成，多个永磁体圆周地设置成使假想的大圆外接磁体的弓形顶表面上的顶点，中心部分描绘出与假想的小圆重合的周线，该假想的小圆与所述大圆偏心，并具有比所述大圆小的直径，横向相对端部区域每个都定位在所述小圆与磁体侧表面之间的交点外侧并在所述大圆与磁体侧表面之间的交点内侧。

[0030] 虽然旋转电机包括转子，该转子具有安装在其上的多个永磁体，但每个磁体都具有为了减小齿槽效应(cogging)而相对于大圆偏心的弓形中心部分以及横向相对端部，横向相对端部保持较厚，虽然横向相对端部可为了退磁的目的而被设计成极薄。电机具有最小的齿槽效应转矩，产生平稳的旋转，并且没有转矩变动。偏心永磁体的磁体端部易受退磁影响的缺陷被减轻。

[0031] 参照图1至6，本发明被实施为D形永磁体。永磁体20具有D形横截面，该永磁体包括大致弓形的顶表面22、平的底表面24以及侧表面26和28。大致弓形的顶表面22包括具有顶点P的中心区域和横向相对端部区域22a、22b。如图7所示，多个D形永磁体(图7中为六个磁体)圆周地布置成使具有圆心和直径的假想的大圆S外接磁体的弓形顶表面22上的顶点P。磁体的顶表面22的中心区域描绘出与假想的小圆T重合的周线，该假想的小圆T具有从大圆S的圆心偏移的圆心和比大圆S的直径小的直径。横向相对端部区域22a、22b每个都定位在小圆T与磁体的侧表面26、28之间的交点外侧并在大圆S与磁体的侧表面26、28的向外延伸部之间的交点内侧。

[0032] 如图2所示，D形永磁体包括具有厚度Tc的弓形中心部分和具有厚度Te的横向相对端部。假设Te1是从底表面24到小圆T(中心弓形区域)与侧表面26之间的交点的距离，Te2是从底表面24到大圆S与侧表面的延伸部之间的交点的距离，则它们满足关系：Te1＜Te≤Te2。如果Te＜Te1，则出现显著的退磁。如果Te＞Te2，则出现显著的齿槽效应。

[0033] 在图1和图4中，D是假想的大圆S的半径“s”与假想的小圆T的半径“t”之间的差，即，偏心距离。比值t/s优选地从0.3到0.8，并且较优选地从0.4到0.7。

[0034] 在图1至3的磁体中，大致弓形的顶表面22包括弓形中心区域和直线横向相对端部22a、22b，所述横向相对端部从中心区域的端部延伸到磁体20的侧表面26、28，并且平行于磁体20的平的底表面24。横向相对端部具有恒定的厚度Te。

[0035] 在图4至6的磁体中，大致弓形的顶表面22包括弓形中心区域和直线横向相对端部22a、22b，所述横向相对端部从中心区域的端部倾斜地延伸到磁体20的侧表面26、28，并且朝向弓形中心区域的直线端部区域的延伸部经过弓形中心区域的顶点P。在图4至6的磁体中，Te3是在一直线与假想小圆T之间的交点处的厚度，该直线连接相对端部区域22a、22b与顶点P。从22a、22b到交点Q的倾斜是直线。

[0036] D形磁体可通过以下方式获得，即，通过粉末冶金或带坯连铸技术制备预先选择的合金，粉碎该合金，在磁场中借助模具压紧粉末，以及烧结压块。材料可在烧结步骤之前或之后使用机床、磨床或类似物加工成希望的形状。这样，获得D形横截面的长形磁体段，如图3和6所示。如此获得的磁体可以通过电镀或涂镀进行表面处理。

[0037] 图7示出根据本发明的永磁体旋转电机，该旋转电机包括定子3和转子13，该转子包括转子芯1和附装到转子芯的表面上的多个D形永磁体段2，该定子13围绕转子3以限定转子与定子之间的间隙，并且定子包括定子芯11，该定子芯具有多个狭槽和接收在狭槽中的线圈12。

[0038] 在电机中使用的磁体段的数量没有特别限制。典型地，最多为100的偶数个磁体段，并且优选地4-36个磁体段圆周地布置成使极性在圆周方向上交替地相对。

[0039] 一个示例性永磁体旋转电机包括转子和定子，该转子包括转子芯磁轭和多个永磁体段，所述多个永磁体段以预定间隔布置在转子芯磁轭的侧表面上，以便使极性在转子芯磁轭的圆周方向上交替地相对，所述定子围绕转子以限定它们之间的间隙，并且该定子包括定子芯磁轭、凸出的磁极和电枢绕组，所述凸出的磁极在定子芯磁轭的圆周方向上以预定间隔布置在定子芯磁轭上，并与所述永磁体段相对，所述电枢绕组集中地围绕在凸出的磁极上并连接在三相连接中。

[0040] 在此使用的磁体材料没有特别限制。根据具体应用，可在磁钢、铁素体和包括Nd和Sm基磁体的稀土磁体中做出选择。

[0041] 示例

[0042] 为了进一步说明本发明，以下给出示例，但本发明不限于这些示例。在示例中，使用Nd-Fe-B永磁体。

[0043] 示例1和2以及对比示例1

[0044] 如下制备永磁体。提供具有重量百分比为99.7％的纯度的Nd、Fe、Co和M金属(M＝Al、Si和/或Cu)以及具有重量百分比为99.5％的纯度的硼，在真空熔炉中熔化，并铸造成Nd2-Fe14-B铸块。铸块在颚式粉碎机上被粉碎并在使用氮气流的喷射粉碎机上被粉碎成具有3.5μm的平均颗粒尺寸的细粉末。粉末被填充在模具中。使用垂直磁场压力，将2
其在1.0t/cm 的压力下在12kG的磁场中压紧。生坯在1090℃下在压气中被烧结1小时，并且随后在580℃下热处理1小时。如此热处理的烧结磁体是平行六面体块。使用磨床，该块被磨成D形永磁体。永磁体具有通过VSM测量的Br＝13.0kG、iHc＝22kOe和(BH)最大＝40MGOe。

[0045] 在对比示例1中，电动机被构造成图7所示的结构的6极、9狭槽电动机。转子和定子具有70mm的轴向长度。转子具有45mm的直径。线圈如图8所示地连接，绕组的数量是每齿15圈。使用图9所示的D形永磁体。图9的磁体具有15mm的宽度W。假想的大圆S具有45mm的直径，假想的小圆T具有31mm的直径，并且偏心距离D(即，大圆的圆心与小圆的圆心之间的距离)是7mm。磁体包括具有3mm的厚度Tc的中心部分和具有1mm的厚度Te1的端部。测量电动机的齿槽效应转矩，并在室温(RT)下通过传导作为输入的正弦波三相电流测量电动机的驱动转矩，该三相电流具有150A的RMS值(因为各相的线圈是平行的，如图8所示，因此每线圈1/3电流)。

[0046] 为了估计当暴露于升高的温度下的退磁，电动机被放在140℃下的烤箱中，在该烤箱中，电动机通过传导150A的电流类似的旋转。电动机被从烤箱中取出，冷却到室温(23℃)，并通过传导150A的电流类似地旋转，在此期间，测量驱动转矩。如下计算在烤箱放置之前和之后在RT下驱动转矩的差别，并表示为“退磁百分比”。转矩通过退磁减小的百分比＝[(在烤箱放置后在RT下的驱动转矩)-(在烤箱放置前在RT下的驱动转矩)]/(在烤箱放置前在RT下的驱动转矩)。

[0047] 表1示出齿槽效应转矩、驱动转矩和退磁百分比的值。齿槽效应转矩是在脉动波的最大值与最小值之间的差。驱动转矩是平均值。电动机表现出大约为驱动转矩的0.44％的齿槽效应转矩，表面最小齿槽效应转矩。由于控制电动机通常被设计成实现1％或更低的齿槽效应转矩，因此该结果完全令人满意。然而，在140℃下观察到退磁，表明该电动机不能在140℃下的环境中使用。

[0048] 在示例1中，一电动机被评估，其中具有图1至3所示的D形永磁体的转子组装有如对比示例1中那样的定子。测试项目和驱动条件与对比示例1中相同。图1的磁体具有15mm的宽度W和8mm的偏心距离D。磁体包括具有3mm的厚度Tc的中心部分和具有1.5mm的厚度Te的端部(图2)。从底表面24到小圆T与侧表面之间的交点的距离Te1是0.9mm，并且从底表面24到大圆S与侧表面之间的交点之间的距离Te2是1.7mm。

[0049] 表1示出齿槽效应转矩、驱动转矩和退磁百分比的值。齿槽效应转矩小于对比示例1的齿槽效应转矩，并且驱动转矩大于对比示例1的驱动转矩。在140℃下没有观察到退磁。

[0050] 在对比示例2中，一电动机被评估，其中具有图4至6所示的D形永磁体的转子组装有如对比示例1中那样的定子。测试项目和驱动条件与对比示例1中相同。图4的磁体具有15mm的宽度W和8mm的偏心距离D。磁体具有3mm的中心部分厚度Tc、1.5mm的端部厚度Te和2.2mm的厚度Te3。从底表面24到小圆T与侧表面之间的交点的距离Te1是0.9mm，并且从底表面24到大圆S与侧表面之间的交点之间的距离Te2是1.7mm。

[0051] 表1示出齿槽效应转矩、驱动转矩和退磁百分比的值。齿槽效应转矩稍大于对比示例1的齿槽效应转矩，但达到了驱动转矩的1％的目标或更低。驱动转矩大于对比示例1中甚至示例1中的驱动转矩。在140℃下没有观察到退磁。

[0052] 表1

[0053]齿槽效应转矩驱动转矩退磁
(Nm) (Nm) (％)
示例1 0.025 9.5 0
示例2 0.050 9.6 0
对比示例1 0.045 9.1 4

标题	发布/更新时间	阅读量
永磁体装置-专利编号CN101874279B	2020-05-13	494
永磁体转子-专利编号CN102315708A	2020-05-11	222
永磁体组件-专利编号CN1985339B	2020-05-13	476
永磁体转子-专利编号CN104428979A	2020-05-13	94
稀土永磁体-专利编号CN100565719C	2020-05-11	550
永磁体组件-专利编号CN1846284A	2020-05-11	996
稀土永磁体-专利编号CN1838342A	2020-05-12	195
永磁体吊具-专利编号CN102897641A	2020-05-11	476
永磁体转子-专利编号CN1564427A	2020-05-12	806
永磁体组件-专利编号CN107017073A	2020-05-12	947

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