專利名稱：用于永磁電機的磁化方法
技術領域：
本發明一般涉及一種用于永磁電機的磁化方法，尤其涉及一種對具有反向的凸極性的永磁電機的轉子結構中使用的永磁材料進行磁化從而有效地利用磁阻轉矩和磁體轉矩的方法。
一般地說，在許多情況下，使用永磁電機作為可變速電機。永磁電機具有包括多個永磁體的轉子。在這種永磁體型電機中，永磁體例如通過把磁粉末材料成為固體而制成。因此，模制的永磁體材料在電機的制造過程的初始階段沒有磁極。即在最初形成多個永磁體部件時，通過對永磁材料進行磁化處理，才使永磁材料形成磁極。
當進行永磁材料的磁化操作時，最終永磁體部件的中心軸必須和由流過定子上的繞組的磁化電流產生的磁動勢呈正交關系，使得磁極磁極被固定于參考位置或正交位置而沒有任何位移。這一磁軸和磁動勢軸的對準通常由機械結構來實現。
如果永磁材料的磁化過程中在磁軸和磁動勢軸之間發生位移，最終的磁化將大大不足，從而引起電機效率的降低，并在檢測轉子的旋轉位置時產生誤差。因而，磁軸和磁動勢軸的對準是必須的。
在常規的對于具有如圖13所示的向外凸極性轉子的磁化方法中，從對準電流源施加流過定子上的繞組的用于對準的電流，從而產生磁動勢。同時，轉子鐵心103包括作為4個極化部分的4個永磁體和用于把相鄰的永磁體部件連接在一起的連接部件108。在這種結構中，當對準電流流過繞組時，由對準電流產生的磁動勢起吸力作用而吸引連接件。因而，轉子向正交位置轉動，從而通過由于對準電流產生的磁動勢的作用而引起的吸引作用建立對準。通過這種對準操作，磁體中心軸被設置為規定的關系例如和由對準電流產生的磁動勢的軸線呈直角。
然后，在轉子被設置為處于正交位置的情況下，通過從磁化電流源施加磁化電流流過繞組進行磁化。在這種磁化操作中，磁體中心軸可以和借助于流過繞組的磁化電流而產生的磁動勢的軸線一致而使得轉子被保持在正交位置。
為了有效地利用磁體轉矩和磁阻轉矩，提出了另一種常規的磁化永磁體材料的方法，用于制造具有反向(即向內)凸極性的轉子，如圖9和10所示。在這種結構中，永磁體的材料首先被嵌入電機的轉子本體內，然后進行磁化。此處注意，當電機同步運行時，磁阻轉矩是總轉矩的一個分量。它是由凸極作用產生的，并且是試圖使其和氣隙磁場對準的磁極的表征。
圖9和10是為了有效地利用磁阻轉矩和磁轉矩常規的用于具有反向凸極性結構的永磁電機的磁化方法的例子。在這種結構中，多個永磁體材料部分52a和52b被嵌入轉子50的轉子鐵心51的內部作為每個極部分。轉子鐵心51主要由高導磁率的材料制成，例如鐵或層疊的電磁鋼板。然后，嵌入的永磁體材料52a,52b通過借助于從磁化電流源(未示出)施加流過繞組21的磁化電流進行磁化。
轉子50在轉軸54上轉動，由于流過定子上的繞組21的電流而產生的旋轉磁場而產生磁體轉矩和磁阻轉矩。因而，被嵌入轉子50中的永磁材料52a和52b通過在例如3相的R相和S相之間通過繞組21流過電流，同時把轉子50固定于規定進行準確而完整的磁化的正交位置進行磁化，如圖9和10所示。
然而，在這種磁化操作中，如果轉子位置移動，哪怕稍微離開正交位置，磁阻轉矩便作用轉動力作用而使轉子50轉動，這將產生不希望的轉子位移而導致不足的磁化。
為了解決這一問題，轉子50被安裝在電機1中，如圖11所示，其軸端部53通過提供用于阻止轉子轉動的固定夾緊件55使得其位置可被固定地調節。
此外，如圖12所示，轉子50被安裝在圓柱磁軛4內，使軸端部53相對于固定夾緊件56被固定，以便阻止轉子轉動。
然而，在上述這些常規的使磁體軸線和磁動勢軸線機械對準的磁化方法中，因為要求磁化電流為額定電流的幾十倍或幾百倍，因此，由磁阻轉矩產生的電機50的轉動力非常大。因而，存在用于阻止電機轉動的固定夾緊件被破壞，或在一些情況下用于從轉軸傳遞驅動力的機構被破壞的問題。
提出本發明是為了解決上述問題。因而，本發明的主要目的在于提供一種用于永磁電機的惰性的磁化方法。
為了實現上述目的，按照本發明的一個方面，用于磁化在永磁電機的具有磁極的轉子內提供的永磁體部分的材料的方法，包括
把永磁體部分的材料嵌入轉子本體內部，其中永磁體材料沿在截面中貫穿永磁體部分的方向具有各向異性；把轉子安裝在被以可轉動的方式保持的磁化裝置中；以及在轉子可轉動地被保持在磁化裝置中的狀態下對嵌入轉子中的永磁體材料進行磁化。
利用這種方法，對永磁材料賦予各向異性，從而使永磁電機轉子具有沿其各個方向不同的磁極性，并且使轉子的軸心可轉動地位于旋轉中心軸上，使得永磁材料沿正交方向被磁化，即使在磁化期間轉子位置偏離正交位置，也能利用磁體轉矩使其回到正交位置，因而可以使永磁材料被完全磁化。
按照本發明的一個方面，在每個永磁部分上各向異性的中間部分的方向基本上和轉子的磁極中心線平行，并且每個永磁體部分具有其截面呈向內凹的弧形板，其具有沿轉子的每個磁極的徑向的各向異性，從而制成反向凸極結構，借以有效地利用磁體轉矩和磁阻轉矩。
利用這種方法，可以有效地利用磁阻轉矩，并且即使對于高效率的電機，永磁材料也可以被完全地磁化。
按照本發明的另一個方面，磁化裝置包括電機定子，并且在磁化操作期間，至少轉子的轉軸的一端被提供在定子中的軸承裝置可轉動地保持著。
利用這樣設置的方法，可以在電機被加載之前，在轉子被安裝的狀態下進行磁化，因而不需要提供夾緊件用于阻止轉子轉動，因而改善了電機的生產效率。
本發明的這些和其它目的和特點從下面結合附圖進行的說明中將看得更加清楚，其中圖1是其轉子被按照本發明的實施例而設置為正交位置的電機的截面圖；圖2是按照本發明的實施例安裝有轉子的電機的示意圖；圖3是按照本發明的實施例用于提供磁化電流的電源的電路圖；圖4是按照本發明的實施例的磁化電流的波形圖；圖5是按照本發明的實施例電機轉子偏離正交方向時的截面圖；圖6是按照本發明的實施例安裝有轉子的磁軛的示意圖；圖7是按照本發明的另一個實施例的電機的截面圖；圖8是按照本發明的另一個實施例的電機的截面圖9是表示常規的磁化方法的電機的截面圖；圖10是表示常規的繞組結構的電機的截面圖；圖11是表示常規的磁化方法的具有安裝的轉子的電機的示意圖；圖12是表示常規的磁化方法的具有安裝的轉子的磁軛的示意圖；以及圖13是常規的凸極電機的截面圖。
在進行說明之前需要首先說明，因為最佳實施例的基本結構和常規的電機類似，所以在全部附圖中，相同的部分用相同的標號表示。
下面參照圖1到圖8說明永磁電機的磁化方法的最佳實施例。
在用于磁化永磁電機的永磁材料的磁化方法中，如圖1所示，永磁體材料12a和12b圍繞轉軸14被嵌入轉子鐵心本體11的內部，從而形成一個或幾個在截面圖中對稱的永磁體部分，例如圖中所示4個磁極。在本實施例中，例如兩個永磁材料部分52a,52b在每個磁極的截面中沿徑向設置。作為永磁體材料，雖然幾乎可以使用通過熱處理可被硬化的任何種類的鋼，但最好使用鐵粉致密材料，尤其是為此目的而生產的材料，例如硬化合金，陶瓷，以及類似的硬化材料。
轉子鐵心本體11主要由高導磁率的材料例如鐵制成，或由層疊多個電磁鋼板制成，并且嵌在轉子鐵心本體11中的永磁材料12a,12b被磁化，以便制造具有反向凸極性的轉子10，以便更有效地利用磁阻轉矩和磁轉矩。在本實施例中，通過由磁化電流電源施加磁化電流，同時由于被提供在電機定子20上的繞組21產生的旋轉磁場而產生磁轉矩和磁阻轉矩，轉子10圍繞轉軸14轉動。這樣，繞組21便提供例如具有3相結構的4極部分。
在最佳實施例中，雖然對于每個磁極部分沿轉子鐵心本體的徑向設置有兩個或多個被嵌入的永磁體部分12a和12b，但也可以在每個極中形成一個永磁材料部分。每個永磁材料部分具有其截面呈系內凹的弧形板，從而具有反向凸極極性。
利用這種結構，使用各向異性材料作為永磁體材料部分，從而沿徑向具有各向異性，如箭頭標記15所示，其方向沿截面貫穿永磁體部分，其中在每個永磁體部分上的各向異性標記15的中心線基本上和轉子的磁極中心線m(m’)平行，并且各向異性標記15的集中的徑向中心和每個極部分的弧形永磁部分的徑向中心一致。因而，制成的轉子具有反向凸極結構，其中磁極化特性沿不同方向而不同。可以使用鐵氧體或稀土材料作為各向異性材料制造永磁體，只要在進行磁化操作時該材料具有各向異性性能即可。
嵌入轉子鐵心11中的永磁材料12a,12b的磁化這樣進行在如圖2所示的轉子10被安裝于電機中的條件下，通過在定子20上提供的繞組21，在三相的兩相之間，例如R和S相，提供磁化電流。
在圖2所示的磁化操作中，沒有提供任何用于阻止轉子轉動的夾緊件，而是在軸的中心線偏離轉子轉軸的狀態下，轉子10的轉軸14通過提供軸承裝置5可自由地轉動，軸端部13既不被固定，也不被加載，而是可以自由轉動。
在本實施例中，如圖3所示，通過把端子2和磁化電路中的磁化電源(未示出)相連而使磁化電流例如從R相流入S相。在通常的結構中，由電容器3保持電荷，當開關7閉合時，電流瞬時地流過繞組21，磁化電流瞬時增加到峰值Imax，然后衰減，如圖4的電流波形所示。
在這種結構中，按照具有反向凸極極性的轉子結構的一般理論，作為移動力作用而使轉子偏離正交位置的力(F)等于磁體轉矩(TM)和磁阻轉矩(TR)之和，表示為F=TM+TR其中磁體轉矩(TM)和磁阻轉矩(TR)由下式表示TM=-c1Iψsin2θTR=-c2I2ψsin4θ其中c1和c2是正常數，I是電流，ψ是磁通，θ是轉子偏離正交位置的偏離(機械)角。
按照這種關系，當θ=0時，即當轉子精確地位于正交位置時，不產生磁體轉矩和磁阻轉矩，并且轉子處于靜止狀態(即F=0)。然而，如圖5所示，當轉子稍微偏離正交位置一個小的角度θ(＞0)時，磁阻轉矩變正(TR＞0)，而磁體轉矩保持TM=0，因為在實現磁化之前的初始狀態下磁化量為0(即ψ=0)。因此，移動力為正(F＞0)，作為轉動力使轉子離開正交位置。同時，因為永磁體材料12a,12b具有各向異性15，雖然不完全磁化，但磁化仍然進行，并且磁通逐漸增加到正值(ψ＞0)。當繼續進行磁化而使TM的絕對值大于TR的值時，力F=TM+TR變為負(即F＜0)，因而轉子在可自由轉動的狀態下以阻尼的方式返回正交位置(即θ=0的一點)。一旦轉子處于正交位置，永磁材料的磁化便會在轉子的正交位置被精確地實現，因此，便能保證完全而精確的磁化。
在改型的實施例中，如圖6所示，轉子10被安裝在磁軛4內而不裝在電機內，并且轉子的軸心和轉軸配合，通過在至少一個端部13附近的夾緊件6中提供軸承裝置5，使得轉子可自由地轉動。利用這種結構，使磁化電流流過在磁軛4上提供的繞組(未示出)。
在圖7所示的另一個改型的實施例中，例如在轉子本體31中嵌入4個平板狀的永磁體材料32，從而形成正方形的截面，使得每個磁通平板具有由箭頭標記35表示的各向異性，其方向在截面圖中貫穿永磁體平板，并基本上平行于轉子30的磁極的中心線m(m’)。
在這種結構中，因為永磁體部分32呈平板狀，所以可以低成本高精度精確地實現這種制造方法，能夠提供可靠性高的電機，抑制其尺寸的不規則性。而且，當永磁體部分由具有各向異性的稀土材料制成時，利用較小的磁通便可以產生大量的磁通，這使得可以制造體積小的電機。
在如圖8所示的另一個改型的實施例中，在轉子鐵心本體41中對于每個極部分嵌入一對永磁材料部分42a,42b。每對永磁材料部分42a,42b彼此相連，形成基本上呈V形的平板，具有頂角或尖端42c，在截面圖中向內凸出，兩個永磁體部分42a,42b在頂角相連。利用這種結構，每個永磁體部分具有由箭頭標記45表示的各向異性，其方向基本上為貫穿截面中的永磁體板的方向，使得磁通集中于轉子的每個磁極的中心。
在上述這些實施例中，雖然在磁化操作中磁化電流在繞組的R相和S相之間流過，但該電流可以在任何兩相之間流過，例如在T相和R、S相的短路點之間，只要轉子位置基本上處于正交位置即可。
此外，本發明不限于上述的實施例，并且電機的驅動方式、繞組的結構、以及電機的類型都可以在本發明的權利要求的范圍內改變。
由上述顯然可以看出，按照本發明的第一方面，即使在磁阻轉矩作用在電機上使得在磁化操作期間偏離位置時，因為永磁材料的各向異性，也可以通過磁體轉矩使電機位置恢復到正交位置，從而使得能夠在高精度下進行完全的磁化。
按照本發明的第二方面，可以在電機被加載之前，在在包含有永磁體材料的轉子的狀態下進行磁化。因而，可在不提供任何用于阻止轉子旋轉的夾緊件的情況下進行磁化，這改善了電機的生產效率。
按照本發明的第三方面，磁阻轉矩被有效地利用，甚至對于高效率的電機，也可以容易地對永磁體材料進行完全磁化。
雖然參照
了本發明的最佳實施例，但是應該說明，顯然，本領域的技術人員可以作出各種改變和改型。這些改變和改型應該被認為被包括在由權利要求限定的本發明的范圍內。
權利要求
1.一種用于磁化在永磁電機(1)的具有磁極的轉子(10)內提供的永磁體部分(21a,12b；32；42a,42b)的材料的方法，包括把永磁體部分的材料嵌入轉子本體內部，所述永磁體材料沿在截面中貫穿永磁體部分的方向具有各向異性(15,35,45)；把轉子安裝在以可轉動的方式被保持著的磁化裝置(4,20)中；以及在轉子被可轉動地保持在磁化裝置中的狀態下對嵌入轉子中的永磁體材料進行磁化。
2.如權利要求1所述的方法，其中在每個永磁部分上各向異性的中間部分的方向基本上和轉子的磁極中心線(m)平行。
3.如權利要求1所述的方法，其中每個永磁體部分具有其截面呈向內凹的弧形板，其具有徑向的各向異性，其集中的中心和在轉子的每個磁極中的弧形永磁體部分的中心一致，從而制成反向凸極結構。
4.如權利要求1所述的方法，其中對于轉子的每個磁極，多個所述的永磁體部分沿截面徑向排列，其中永磁體部分的總數是磁極的總數的整數倍。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述磁化裝置包括電機的定子(20)，并且電機的轉軸(14,34,44)的至少一端(13)在磁化操作期間被在定子(20)中提供的軸承裝置(5)可轉動地保持著。
6.如權利要求1所述的方法，其中嵌入轉子本體(11)中的永磁材料(12a,12b)的磁化通過在三相當中的兩相之間使電流流過在磁化裝置上提供的繞組(21)進行。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述嵌入轉子的永磁體部分包括4個平板(32)，從而形成正方形截面，使得每個永磁體平板具有基本上平行于轉子(30)的磁極的中心線(m)的各向異性(35)。
8.如權利要求1所述的方法，其中嵌入轉子的所述永磁體部分對于轉子的每個磁極包括一對彼此相連的平板(42a,42b)，其基本上呈V形，具有在截面中向內凸出的頂角(42c)，所述一對永磁體部分在頂角相連。
9.如權利要求8所述的方法，其中每個永磁體部分具有各向異性(45)，其方向基本上平行于永磁體平板截面的橫向，使得其磁通集中在每個磁極的中心。
全文摘要
在對永磁電機的轉子中提供的永磁體部分的材料進行磁化的方法中,永磁體部分的材料被嵌入轉子本體內,同時,永磁體材料具有沿截面貫穿永磁體部分的方向的各向異性,然后把轉子裝在磁化裝置中,并以可轉動的方式保持著,在此狀態下,永磁體材料借助于使磁化電流通過繞組進行磁化。這樣,永磁體材料被沿正交方向完全地磁化,即使裝在偏離正交位置,借助于磁體轉矩也可以使其返回正交位置。
文檔編號H02K15/03GK1209675SQ9811785
公開日1999年3月3日 申請日期1998年6月27日 優先權日1997年6月27日
發明者淺野能成, 神藤正行, 伊藤浩 申請人:松下電器產業株式會社