具有包在鐵磁粘結料中的燒結永久磁鐵的旋轉電機的復合感應體的制作方法

專利名稱：具有包在鐵磁粘結料中的燒結永久磁鐵的旋轉電機的復合感應體的制作方法
技術領域：
本發明涉及一個用于旋轉電機的、具有包在鐵磁粘結料中的燒結永久磁鐵的復合式感應體。
旋轉電機一般為電動機或發電機，例如汽車輔助電機，它有一個感應體，一般是定子，有時也可能是轉子。
通常，感應體有一個磁軛，它是一個圓柱狀零件，其橫截面至少有一個對稱軸，一般為圓環形、多邊形或帶圓角的正方形。
在軟磁材料的磁軛內壁上固定著一個或多個硬磁材料構成的永久磁鐵。它們可以是覆蓋在橫截面圓環上的一整塊磁鐵，也可以由對稱分布在內環上的多個永久磁鐵組成。它們的橫截面可以是直的，例如矩形，最好為圓弧狀，也可以有至少一個表面為圓弧，以適應感應體的形狀。
這些永久磁鐵可以是燒結的零件，也可以是復合粘結磁鐵，例如磁性材料可以埋在硬樹脂內部。它們在磁軛內部構成一個空間，用于放置旋轉機器的電樞。
靠電樞一側的極化零件對這些磁鐵起補充作用，用于改變磁通量和改善旋轉機器的性能。
永久磁鐵的材料是大家熟知的，例如稀土燒結合金(例如釹-鐵-硼或釤-鈷)或其它材料。極化零件和磁軛一樣為軟磁材料，例如鋼。
在磁鐵或極化材料與電樞之間有一層間隙，其厚度應該盡量小，盡量一致。在大批量生產的電動機中這個間隙一般為0.6到1毫米。它不可能再小了，這是由于帶有磁鐵和其極化零件的磁軛一般為卷起來或沖壓的鋼板制成，由于其它零件誤差積累產生的磁軛的尺寸和對稱性誤差使其幾何形狀不規則。
為了達到這個目的，必須對磁鐵進行仔細和高成本的加工。當磁鐵是燒結材料時，這種加工需要十分小心。
但是，對感應體的各種零件進行仔細的加工和組裝可以使這個間隙減少到0.3毫米，這種仔細的措施是非常困難的，導致成本上升。
磁鐵通常用螺釘或可移動卡爪的方法固定在磁軛上，固定方法是將磁鐵固定在非磁性座(例如非磁性塑料)中，或用粘結或注入非磁性樹脂。
同樣已知的是，為了安裝磁鐵，制造具有借助非磁性材料、例如鋁或熱固性樹脂而復制模制的磁鐵(以及其可能的極化零件)的剛性件。剛性件隨后放入并方便地固定在磁軛中，也可以將磁鐵直接復模在磁軛中。
無論如何，磁鐵與磁軛或類似由軟磁性材料制的零件接觸，以便在磁鐵之間構成連續的磁通量，這對電動機工作是必須的。
這類結構已在專利FR2617344中描述，可與附加極化零件相連的復合磁鐵4的極化表面與電樞匹配且同軸，由混合在粘結料或填料中的釹-鐵-硼粉構成，它與磁軛1接觸并與附加極化零件連接。磁鐵用樹脂復模在磁軛1上。另外，磁鐵在對著電樞的極化表面上有一層5毫米厚的樹脂保護層，以抵抗腐蝕性氣體。
這樣，在所描述的例子中，磁鐵和電樞之間的間隙大于前面所說的0.6到1毫米的通常值，這是因為要在它們之間設置一層非磁性材料以覆蓋磁鐵的極化表面。盡管電樞和復模的非磁性材料之間的距離很小，但仍然影響旋轉機械的性能。
同樣，在專利JP-A-60131055中，一塊由分散在熱塑性粘結料中的硬磁性基礎材料構成的粘結磁鐵4復模在磁軛的整個內圓周表面。這塊磁鐵上還有附加的電極。磁鐵的極化表面與磁軛和電樞相配，各處一致的間隙厚度僅僅由電樞和磁鐵之間的距離決定。盡管由于將磁鐵模制在磁軛上可以減少間隙的厚度，但是，使用復模的磁鐵將降低電動機的性能。
在專利FR2617343中，感應體中有與前述專利FR2617344一樣的磁鐵，也就是說粘結磁鐵，其極化表面與電樞的極化表面相配。這些與附加極化零件配合的磁鐵用一個金屬(鋼板)罩固定在磁軛上并防護腐蝕。這個罩子與由磁鐵和極化零件構成的磁極的形狀相配。與上面一樣，磁鐵的形狀與電樞相配，磁鐵(或磁極)與電樞的距離為常數。
在這種結構形式下，磁軛和感應體必須同軸，以便磁鐵和電樞之間的間隙可以盡量地小，這就要求各個零件的加工和裝配必須十分小心。即便如此，本行業人員也知道，間隙不可能小于0.6毫米，如同前面所看到的那樣。
在專利FR2169938中可以看到，感應體中包括平磁鐵110，它們與磁通路徑零件116接觸，通過復制模制的塑料殼體16固定，這個殼體在磁鐵和電樞之間構成附加的非磁性間隙，它有一個與電樞同軸的表面，但是厚度是變化的，以便補償磁鐵的極化表面與電樞的不相配。由于磁鐵的形狀，這種感應體的性能低于磁鐵的形狀與電樞相配并同軸的感應體。特別是在功率一樣的情況下，用平磁鐵的電動機要用更大質量的磁鐵，這將使得電動機體積更大，成本更高。
因此，高性能電動機的感應體必須具有精加工或精密模制的磁鐵，其形狀要與電樞相配并同軸，以便將間隙和磁損耗盡可能降低。
另外，高性能電動機使用燒結磁鐵，而不是粘結磁鐵，盡管后者是與電樞同軸模制的。實際上，粘結磁鐵的磁性總是低于燒結磁鐵，這是由于粘結磁鐵的金相結構各項同性，而粘結磁鐵用樹脂復模在磁軛上也不能補償這一點。
還需指出，除了上述特點以外，磁鐵或磁極零件總是與磁軛或磁通路徑零件接觸，同時為了得到性能可以接受的電動機，間隙的厚度必須盡可能小和盡可能規則。為此，磁軛必須與電樞同軸，固定在磁軛上的磁鐵也要如此。這樣，磁軛的公差、磁鐵和附加極化零件的加工公差、組件的安裝公差、以及更一般地說，感應體-電樞組件的安裝公差將十分嚴格，以便保證同軸。復模的磁鐵不能滿足這些要求，而且如前所述，復制模制將使間隙產生附加厚度。
即便電動機使用加工的燒結磁鐵，以便與電樞相配并確定間隙，其特性還是受到限制，間隙的厚度仍然太大，因為必須考慮磁軛的尺寸公差和裝配公差。另外，加工磁鐵將使電動機的成本更高。
本申請者不但要設計能夠改善電動機性能的感應體，也要降低電動機的成本。
為此，申請者設計了一種感應體，其中的永久磁鐵只需局部和簡單的加工，例如只是打一下毛刺，甚至完全不加工，更一般地說，對磁鐵的外形沒有嚴格要求，但是可以保持，更一般地說是改善轉動機械的性能。
申請者設計的感應體不需要磁鐵或磁極與磁軛之間有嚴格的公差要求，也不需要磁軛和電樞的同軸度有嚴格的要求。
申請者希望更好地控制磁通在間隙上的分布，這將進一步改善單個轉動機械的性能，也能夠保證大批量生產的產品的一致性，同時保持安裝的方便。
申請者還希望在保持上述優點的同時得到更小的間隙，例如最大0.3毫米。
本發明是一個用于旋轉電機的感應體，它有一個圓柱形的空心或實心的磁軛，其一個側壁上面安裝著至少一塊磁鐵，磁鐵的極化表面對著電樞，其特征為磁鐵用復制模制的方法固定在磁軛上，復模復合材料包括分散在固體非磁性粘結料中的鐵磁性材料，復模材料至少包住所述的極化表面。
本發明通常涉及一個感應體，它有一個空心的圓柱形磁軛，磁鐵固定在磁軛側壁內，電樞在感應體內部。
它同樣涉及具有圓柱形空心或實心的磁軛或鐵芯的感應體，磁鐵固定在側壁外，電樞圍在感應體外。
這樣，本發明涉及一種感應體，它可以是定子也可以是轉子，它可以位于電樞的外面，也可以位于電樞的內部。
本發明特別應用于大批量生產的發電機和電動機，特別是汽車的輔助電機，這時感應體一般為定子。
磁軛(或鐵芯)的橫截面通常有一個對稱中心，例如為具有圓角的多邊形，或者，最好為圓形(例如管狀)。磁軛通常用高密度鐵磁材料、例如鋼制成，以便構成磁通回路。
但是，磁軛的公差不再非常嚴格，它可以在圓形度或對稱度方面有缺陷，而且它可以不與電樞同軸。這就簡化了它的生產過程，降低了成本。
根據本發明的一個優選例子，感應體有多個永久磁鐵，它們構成同樣數量的磁極。其形狀一般為瓦片狀，其橫截面為圓弧冠狀，其內半徑對應于電樞的半徑。
但是，本發明也可以使用橫截面為矩形或方形的磁鐵，以獲得性能很好的轉動機械。
磁鐵不必與磁軛或磁通路徑零件接觸。同樣，也不必安裝得與電樞同軸。
這樣，本發明使用公差要求不高、因而成本較低的零件，安裝的要求也降低了。只要對著電樞、確定間隙的復模復合材料表面與電樞同軸并具有盡可能高的公差就行了。
永久磁鐵的類型是已知的，它可以是鐵基或稀土基加上過渡金屬(例如釹-鐵-硼或釤-鈷)的磁鐵，呈由毛坯變形得到的模制燒結件的形式，也可以是包括分散在非磁性固體材料、例如樹脂中的硬磁性材料的復合體。這些磁鐵通常分布在磁軛的側壁附近，其長軸平行于磁軛的主軸。
磁鐵用復制模制的方法固定。復制模制可以通過注塑、擠壓、壓緊、模制等進行，以便構成一個剛性的零件，然后裝入磁軛；復模材料也可以在磁鐵安裝到磁軛上之后直接復模到磁軛上，包住磁鐵。
復模材料至少局部地包住每一塊磁鐵，將磁鐵相互之間、以及磁鐵和磁軛固定。復模過程將磁鐵分布在磁軛的圓周上，并構成感應體的直徑，這個直徑與間隙的厚度構成電樞的直徑。
復模材料覆蓋了磁鐵對著電樞的極化表面，由于復模材料中含有鐵磁材料，因此是這層復模材料確定了與電樞之間的間隙。覆蓋磁鐵極化表面的復模材料層稱為極化層，它將盡量的薄，以便防止橫向的磁損失，它的厚度為變化的，以覆蓋磁鐵的不規則表面，補償永久磁鐵的位置與電樞的不同軸。而復模的內表面與電樞同軸。復模的厚度一般在0.5到5毫米之間，對于常用的電動機最好在0.5到1.5毫米之間。
在兩個相鄰的磁鐵之間，可以設置一個由復模的復合材料構成的連接橋(或稱為返回區)，它將保證感應體的剛性，避免設置錨固點，并使磁軛不被充滿。它最好嚴格控制到最小，其厚度最好在1到4毫米之間，以防止磁泄漏。
復模的復合材料中也有軟磁性材料(如至少有鐵、鈷、鎳或它們的合金，或者其它已知的材料)，軟磁性材料分散在非磁性的固體材料中，例如樹脂、熱固性或熱塑性粘結材料，如聚酰安、聚酯、對酞酸聚酯(PET)、苯酚樹脂、環氧樹脂等。
由于非磁性粘結材料中有鐵磁性金屬，這種復合材料的透磁性總是大于1；通常透磁性大于2，最好在4到40之間。
鐵磁性金屬的比例最好在10％到40％之間(體積比)。
值得指出，軟磁性鐵磁金屬構成的極化零件或用于定位的非磁性插入物本身可以根據需要埋在復模材料中。
如前所述，永久磁鐵的加工量很小，只為了消除大缺陷，甚至沒有任何加工。實際上，本發明的間隙厚度與一致性并不象現有技術那樣，靠精加工的磁鐵與電樞之間的間隔來保證，而是摻有軟磁性材料的復模層或涂敷層和其精密加工的一側保證間隙，并補償磁鐵的加工不完全，位置不正確和磁軛缺陷導致的不規則性。
本發明特別適用于不加工的燒結永久磁鐵，它的形狀粗糙或簡單，但是容易制造，成本低。實際上，復模中加入鐵磁材料后具有與加工燒結磁鐵的感應體相同的磁性能，而沒有加工成型的費用。
在包住磁鐵的復模材料中摻入鐵磁性材料可以使間隙中的磁通量更規則，并減少機器力矩變化，這種力矩變化是由于磁鐵的缺陷和與電樞不相配導致間隙中磁通量劇烈改變而引起的。另外復模還將磁鐵牢固地固定，不再會產生機械移動。這樣由磁力和機械產生的噪聲也大大減少了。
由于復模材料可以方便地直接獲得對應電樞的精確表面，就可以得到很小的間隙，它總是小于0.7毫米，而且很容易達到甚至小于0.3毫米。實際上，人們經常用這個數值，因為它可以同時滿足間隙足夠小，以提高電動機的力矩，和間隙足夠大，使得對安裝的幾何和磁性的不規則性不敏感。
在需要的時候，本發明還可以進一步縮小間隙的厚度，而基本不影響旋轉機械工作的平穩性和大批量生產時機器性能的一致性。
本發明的另一個優點是它不需要磁軛有嚴格的公差以及和電樞同軸，也不需要將永久磁鐵嚴格定位并靠在磁軛上，或者使磁鐵具有和電樞一致的形狀；實際上，與現有技術相反，不是磁鐵而是復模材料保證間隙。
當感應體具有多個永久磁鐵時，應該使包住磁鐵的復模材料側面的磁漏損減少到最小，以便減少磁軛中的磁損耗。
為此，可以將這個側面部分的厚度減到最小，它一般不超過1到4毫米，甚至可以取消這一部分，而在那里設置由復模材料制成的接頭，復模材料固定磁鐵并將極化層與回轉區連接起來。這些側面部分或接頭也可以用非磁性材料復模成，這樣在磁軛中構成一個鐵磁材料和非磁性材料合成的復合磁鐵。
本發明的優點將提供下列可能性-電動機體積不變，間隙不變，使用比較小的不加工磁鐵，得到與使用加工磁鐵的傳統標準結構相同的磁通量，在傳統結構中，磁鐵是用粘結、非磁性材料復模或機械的方法固定在磁軛上；-電動機體積不變，減小間隙和不加工磁鐵的體積，而得到比前述結構大的磁通量，因此改善轉動機械的性能；-磁鐵體積不變，間隙可以減小，比上述標準結構的磁通量大大增加，因此改善轉動機械的性能；-體積不變，間隙可以減小，通過增加磁極的張角而增加不加工磁鐵的體積。通常，特別是在使用曲線狀非各向同性的燒結磁鐵的情況下，制造技術的制約不能經濟地、一體地生產張角很大的磁鐵。而借助本發明的復制模制，可以將數個磁鐵沿一個方向一個挨一個地粘結在一起，這樣可以容易地得到大張開角，例如超過140到160度。
實際上，同一磁極中相鄰相同極性磁鐵之間有鐵磁性復模材料將保證磁極下磁通量的一致性，盡管磁極是分段的。這種增加磁鐵體積的方法是經濟的，并能提高性能和磁通率，這是非常重要的；-根據上述方法，用磁化的鐵磁性復模材料將多個磁鐵連接起來構成一個完整的圓環，可以得到任意數量的磁極；-可覆蓋磁軛的沒有磁鐵的另一個側面的至少一部分，使得可以使用由彎卷或沖壓的鋼板制造的磁軛，以獲得一個不必封閉的、公差不嚴格的圓筒，因而。在這種情況下，圓筒狀的磁軛甚至可以用弧狀板粘結起來構成，這時整個組件和磁鐵同時用本發明的鐵磁性粘結材料復模在一起。


圖1和圖2示出一個電動機，它有一個根據本發明的固定的外感應體和一個活動的內電樞。
1是一個軟磁性材料的磁軛，2是硬磁性材料的未加工或簡單加工的永久磁鐵，箭頭3標注了磁場的方向。復模材料4中含有軟磁性鐵磁材料，圖中用虛線標注的鐵磁材料分散在非磁性的固體基底材料(例如樹脂)中。可以看到，間隙5是由含軟磁性鐵磁體的復模材料和電樞6確定的。
在圖1和圖2中，兩塊磁鐵相互分開，在圖1中，包住磁鐵邊緣的復模材料的側邊部分8很薄，以免磁漏損太大。在圖2中，側邊部分被取消，用復模材料接頭9代替，接頭穿過磁鐵上的開孔，保證復模材料與磁鐵之間的粘結。10是一個薄回轉層，保證復模材料和磁鐵組件的剛性。
復制模制直接在磁軛中進行，在圖1中可以看到，復模材料4在一些地方穿過磁軛，構成鉚釘11。但是在圖2中，復模是在磁軛外進行的，剛性的復模材料和磁鐵組件隨后被插入磁軛，然后用已知的方法固定在磁軛中。
12是復模的復合材料構成的極化層，它能夠補償磁鐵的缺陷，并使感應體的內徑非常精確，以便精確控制間隙，特別是在間隙很薄的情況下控制間隙；這樣就可以改善轉動機械的性能，簡化制造過程，包括成批生產，由于不對磁鐵進行精加工，將降低成本。
圖3示出與圖1和圖2相同類型的電動機的感應體，其中的磁極是用幾塊磁鐵2一塊挨一塊粘結起來構成的，由于本發明，這些永久磁鐵可以是長的矩形條。
圖4中的磁軛由兩塊半圓殼(或管狀圓弧殼)1a和1b組成，根據本發明的復制模制同時包住磁鐵2和兩塊半圓殼1a和1b，以構成一個剛性的感應體。兩塊半圓殼的連接處可以在相對磁極軸的任何位置。
實施例1人們比較了許多外部尺寸一樣的汽車座艙風扇電機，它們有兩個燒結磁鐵構成的磁極，磁軛直徑為59毫米，功率大約為150瓦。
在標準模式中，磁鐵由燒毛坯精加工得到，與電樞之間的間隙大約為0.7毫米；它們隨后被裝入磁軛并用熱固性樹脂粘在磁軛上，使得磁鐵和電樞之間的間隙正好為0.7毫米。
復模過程不使樹脂覆蓋位于間隙中的磁鐵的極化表面。這樣就避免了間隙厚度的增加，考慮到磁軛、感應體的不圓度及安裝公差，增加厚度是必須的，但是將導致電動機性能下降。
根據本發明，在第一種模式中，體積較小的未加工磁鐵毛坯直接安放到磁軛中，然后用透磁的復合材料4復模在磁軛上，復模材料是混入鐵粉(比例為40％體積)的熱固性樹脂；復合復模材料和電樞之間的間隙與標準模式相同。極化層最薄處的厚度大約為1毫米，回轉部分的厚度為3毫米。
第二種模式與第一種的主要區別是間隙的厚度為0.3毫米，磁鐵更厚一點，但是體積小于標準模式。
表1示出不同模式中直接與電機性能相關的磁通量隨磁鐵的幾何尺寸和間隙值的變化。
表1
比較標準模式和第一種模式，可以看到電機外部的尺寸不變，減少了近20％體積的磁鐵，而電機的性能只減少了3.7％，這個損失可以方便地用略微加長磁鐵來補償。更令人感興趣的是標準模式與第二種模式的比較，它顯示在體積不變的情況下，本發明節約了12％體積的磁鐵，由于間隙減小，還提高了電機的性能。
權利要求
1.用于旋轉電機的感應體，它有一個圓柱形的空心或實心的磁軛(1)，其一個側壁上面安裝至少一塊磁鐵(2)，磁鐵的極化表面對著電樞(6)，其特征為磁鐵(2)用復制模制的方法固定在磁軛上，復模復合材料包括分散在固體非磁性粘結料中的鐵磁性材料，復模材料至少包住所述的極化表面。
2.根據權利要求1所述的感應體，其特征為圓柱形磁軛(1)是空心的，磁鐵(2)固定在磁軛側壁內，電樞(6)在感應體內部。
3.根據權利要求1所述的感應體，其特征為圓柱形磁軛(1)是空心的或實心的，磁鐵(2)固定在磁軛側壁外，電樞(6)圍在感應體外。
4.根據權利要求1至3中任意一條所述的感應體，間隙(5)的厚度是從電樞(6)到復模材料部分(4)之間測量的。
5.根據權利要求4所述的感應體，其特征為間隙(5)的厚度總是小于0.7毫米，最好不超過0.3毫米。
6.根據權利要求1至5中任意一條所述的感應體，其特征為覆蓋磁鐵(2)極化表面的復模材料(4)層(12)的厚度在0.5到5毫米之間。
7.根據權利要求1至6中任意一條所述的感應體，其特征為復模材料(4)和磁鐵(2)構成剛性組件，并被裝入磁軛(1)，或者用注塑、擠壓、壓緊或模制的方法將復模材料固定在磁軛中。
8.根據權利要求1至7中任意一條所述的感應體，其特征為沿磁鐵側面泄漏的磁通量減到了最小。
9.根據權利要求8所述的感應體，其特征為沿磁鐵側面的復模材料的厚度(8)小于5毫米。
10.根據權利要求1至9中任意一條所述的感應體，其特征為磁鐵(2)為鐵基或稀土基的永久磁鐵。
11.根據權利要求1至10中任意一條所述的感應體，其特征為復模材料(4)的透磁率大于2，最好在4到40之間。
12.根據權利要求1至11中任意一條所述的感應體，其特征為分散在非磁性粘結料中的鐵磁材料是軟鐵磁性金屬，其中至少含有鐵、鈷、鎳中的一種元素。
13.根據權利要求1至12中任意一條所述的感應體，其特征為固體非磁性粘結料以熱固性或熱塑性樹脂為基礎。
全文摘要
用于旋轉電機的感應體,它有一個圓柱形空心或實心的磁軛(1),其一個側壁上安裝至少一塊磁鐵(2),磁鐵的極化表面對著電樞(6),其特征為:磁鐵(2)用復制模制的方法固定在磁軛上,復模復合材料包括分散在固體非磁性粘結料中的鐵磁性材料,復模材料至少包住所述極化表面。
文檔編號H02K1/17GK1173950SQ9619191
公開日1998年2月18日 申請日期1996年2月13日 優先權日1995年2月16日
發明者塞爾日·布拉薩德 申請人:尤吉馬格股份有限公司