专利名称：电机中的未磁化永磁体段的磁化的制作方法
电机中的未磁化永磁体段的磁化技术领域
本发明大体涉及电机，并且更具体而言，涉及电机中的永磁体转子的磁化。
技术背景
一般而言，诸如马达或发电机的电机包括设置在定子内且用来将电功率转换成机 械动力或将机械动力转换成电功率的转子。某些电机使用永磁体型转子，该转子减小了大 小且提高了该电机的整体效率。这种转子一般包括设置在转子心轴上的环形永磁体。在较 大型的机器中，一般通过组装多个永磁体(其组装在转子心轴周围)来形成永磁体。大体 上，永磁体段在组装到转子心轴上之前被磁化。例如，永磁体段由较大的未经最后加工的磁 体块切割和研磨成形，在此之后，段在螺线管线圈中单独地被磁化。在某些应用中，尤其是 在较大型的机器中，通过K. Halbach提出的磁化矢量(也已知为Halbach磁化)来实现永磁 体段的磁化，当应用于永磁体的表面时，该磁化矢量在电机内产生更加正弦形的通量分布， 从而降低AC谐波损耗，并且减小转矩脉动、振动和噪声。永磁体段随后通过粘合的方式结 合到转子心轴上。
但是，由预磁化的永磁体段组装转子可能是麻烦的过程，尤其是在较大型的电机 中，因为其可能耗时且难以处理。该过程可包括由机械装置实现的大的施力和对齐，以便定 位和约束通电的永磁体段。如果通电的永磁体块脱离约束的话，该过程容易发生人身事故。 因此，为了方便加工，用未磁化磁体组装转子，并且通过对未磁化磁体施加必要的磁场来一 齐进行磁化。另外，诸如高速电动马达的电机还可包括在转子上的永磁体组件周围的定位 环或保持环，以防止离心力弄破和弄散永磁体组件。通常，保持环由金属材料制成，从而，保 持环继承了具有相当程度的导电性的金属属性。在未磁化磁体的磁化期间，对永磁体组件 周围的金属保持环或定位环引起涡流，这会阻碍未磁化磁体被磁化。
因此，存在对一种用于使电机转子中的未磁化磁体段磁化的更简单和高效的技术 的需要，其中，金属保持环用于永磁体AC同步电机中的磁体保持。发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了一种用于使电机的转子磁化的方法。该方法包 括在包围在保持环中的转子心轴的周围组装一批未磁化的各向异性的永磁体段。该方法还 包括确定未磁化的各向异性的永磁体段的多个最佳的磁化定向方向。另外，该方法包括将 组装好的未磁化的各向异性的永磁体段定位在转子心轴周围，从而使得各向异性的永磁体 段的最佳的磁化方向定向与磁化固定装置产生的多个磁通线对齐。最后，该方法包括对磁 化固定装置通电，以通过脉冲直流电来使段磁化达脉冲的最佳持续时间。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于电机的转子的磁化器系统。该磁化 器系统包括磁化轭，其中，磁化轭包括从其中延伸的多个极靴。该磁化器系统还包括缠绕在 极靴周围的多个线圈。另外，该磁化器系统包括用于通过脉冲直流电对磁化固定装置通电 达脉冲的最佳持续时间的磁化电路。4
根据本发明的又一个实施例，提供了一种用于制造电机的转子的方法。该方法包 括在包围在保持环中的转子心轴周围为转子组件提供一批未磁化永磁体段。该方法还包括 提供联接到转子组件上的磁化器系统。该磁化器系统包括磁化轭，其中，磁化轭进一步包括 从其中延伸的多个极靴。该磁化器系统还包括缠绕在极靴周围的多个线圈，以及用于通过 脉冲直流电对磁化固定装置通电达脉冲的最佳持续时间的磁化电路。最后，该方法包括通 过对磁化固定装置通电所产生的磁场来使转子组件的这批未磁化永磁体段磁化。
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得 更好理解，在附图中，同样的标号在所有图中表示同样的部件，其中
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的转子磁化器系统。
图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的转子磁化器系统的磁化器电路。
图3是根据本发明的一个示例性实施例的、在磁化器和永磁体转子的四分之一区 段中的峰值电流处的通量分布的示意图。
图4是根据本发明的一个实施例的磁化器电流脉冲的示例性图解说明。
图5是根据本发明的一个示例性实施例的电机的转子的磁化方法的流程图。
图6是示出了根据本发明的一个实施例的、制造电机的转子的一种示例性方法的 流程图。
部件列表
10磁化器系统
12磁化固定装置
14 腔体
16转子组件
18转子心轴
19未磁化的各向异性的永磁体段
20 轴
21转子极靴
22转子极靴
23转子极靴
24转子极靴
26保持环
28磁化轭
30磁化线圈
32磁化线圈
34磁化线圈
36磁化线圈
38 槽口
40 槽口
42 槽口
44 槽口
46磁化电路
47半导体开关
48 电源
49短路器二极管
50磁化极靴
52磁化极靴
54磁化极靴
56磁化极靴
100磁化电路
102 电源
104 线圈
106半导体开关
108短路器二极管
110短路器电路
200磁化器通量分布
202磁化器系统
204永磁体转子组件
206磁通线
208磁化线圈
209磁化器极靴
210保持环
212磁体段
300约四分之一正弦的图解说明
302磁化器电流脉冲
304X 轴
306Y 轴
400磁化方法
402在包围在保持环中的转子心轴的周围组装一批未磁化的各向异性的永磁体段 的步骤
406确定未磁化的永磁体段的多个最佳磁化定向方向的步骤
408对磁化固定装置通电以通过脉冲直流电使段磁化达脉冲的最佳持续时间的步 骤
500制造电机的转子的方法
502在轴周围组装转子心轴的步骤
504在转子心轴周围组装永磁体段、使得单独的磁体段中的优选的磁化方向与磁 化脉冲的峰值处产生的磁通线大致对应的步骤
506将保持环设置在永磁体段周围的步骤
508将转子组件定位在磁化器系统的磁化固定装置内的步骤
510由电源对磁化线圈通电的步骤
512从磁化固定装置上移除转子组件且将转子组件组装在定子内的步骤具体实施方式
如以下详细论述的那样，本发明的实施例涉及使用脉冲直流电达脉冲的最佳持续 时间来使电机的转子磁化。如本文所用，术语“短路器(crowbar)”指的是用来防止功率供 应单元的过电压条件损害附连到功率供应上的电路的电路。本发明提出了组装包括未磁化 永磁体段的转子与金属保持环且使转子在磁化器系统中磁化的方法，磁化包括使电流流动 达脉冲的最佳持续时间。本发明还涉及计算控制电流的开关的最佳“接通时间”，这是通过 抑制转子的保持环中的涡流来有效地磁化转子的未磁化永磁体段所必需的。
当介绍本发明的各实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意在表 示存在一个或多个元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意在为包括性的，并且意在表示除 了列出的元件之外可存在另外的元件。操作参数的任何实例不排除公开的实施例的其它参 数。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的、用于使转子磁化的磁化器系统 10。磁化器系统10包括沿着纵向轴线13延伸的磁化固定装置12，其具有限定腔体14的 内表面11。磁化固定装置12构造成以便在腔体14中产生磁场。转子组件16沿着纵向轴 线13稳固地定位在磁化固定装置12的腔体14内，以使转子组件16的多个未磁化永磁体 段磁化。
如本文所示，转子组件16包括安装在轴20上的转子心轴18。在一个实施例中， 轴20可与转子轴18形成为整体。在另一个实施例中，转子心轴18和轴20由铁磁性材料 形成。在一个示例性实施例中，转子组件16包括在转子心轴18周围的转子极靴21、22、23 和M。各个极靴包括多个未磁化永磁体段19。未磁化永磁体段19布置在转子心轴18的 周围，以形成环形排列。根据本技术的一方面，转子组件16的永磁体段形成Halbach排列 (即由以上论述的Halbach磁化所获得)，以产生基本正弦形通量分布，电机内具有低的谐 波含量。这降低了 AC谐波损耗、转矩脉动、振动和噪声。在Halbach排列(如在转子极靴 21中所示)中，各个永磁体段19的定向方向17使得方向17在各个转子极靴21、22、23和 对的正交轴(以下称为Q轴)处与转子的旋转方向几乎相切，并且在各个转子极靴21、22、 23和M的直轴(以下称为D轴)处与旋转方向几乎垂直。D轴可定义为磁极中的、其中磁 场最强地沿径向定向的位置，而Q轴大体对应于磁极中的、其中磁场最强地沿周向定向的 位置。应当注意，虽然磁极的Q轴和D轴在电方面相差90度，但是它们的有关物理位置依 赖于转子的极的几何和数量。例如，在四极转子中，各个极的Q轴和D轴在角度上隔开正好 45度。
如图1所示，转子组件16还包括覆盖转子组件16的外周的保持环26，以在转子组 件16中将多个永磁体段19固定在它们的预期位置上。在一个具体实施例中，保持环沈由 高强度的金属形成，以提供磁体段的基本离心的约束。磁化固定装置12构造成以便在腔体 14中产生磁场，以使转子组件16的未磁化的各向异性的永磁体段19磁化。
此外，磁化固定装置12包括缠绕在磁化轭观周围的多个磁化线圈。一般而言，所 选择的磁化线圈的数量等于转子的极靴的数量。因此，磁化固定装置12包括适用于四极转子(作为实例)的、在磁化轭观上提供的槽口 38、40、42和44内的四个磁化线圈30、32、34 和36。磁化线圈30、32、34和36适当地布置在磁化电路46中。磁化线圈30、32、34和36 进一步由在磁化电路46中提供的电源48通电。磁化固定装置44还包括从磁化轭观向内 延伸的磁化极靴50、52、M和56。多个磁化线圈30、32、34和36缠绕在极靴50、52、M和 56周围，并且在由电源48通电时在腔体14中产生磁通量场。电源48对磁化固定装置44 通电，以通过脉冲直流电使段磁化达应用的脉冲的最佳持续时间。在一个实施例中，磁化线 圈30、32、34和36包括构造成允许冷却剂从中流过的空心管线圈。如图所示，磁化电路46 还包括构造成以便在电源48的充电或放电期间控制在磁化线圈30、32、34和36中的电流 的半导体开关47。磁化电路46还包括至少一个短路器二极管49，以在半导体开关47处于 非导通状态中时提供电流的流动。将注意，磁化器系统10可提供等于磁化固定装置44的 阻抗的源阻抗。
图2示出了表示根据本发明的一个示例性实施例的磁化器系统10的磁化电路 100(在图1中以46来引用)的示意图。如图所示，磁化电路100包括用于对位于图1中的 磁化器系统10的磁化固定装置12中的线圈104(在图1中称为磁化线圈30、32、34和36) 通电的电源102。线圈104是基本感应式的，以产生磁通量场，磁通量场继而使转子的未磁 化永磁体段磁化。在一个实施例中，电源102是脉冲DC电源。在脉冲模式中，磁化器电路 100中的电流从零增大到顶峰。在一个实施例中，电源48是超级电容器组。在另一个实施 例中，电源102是电池。应当注意，如图2所示的线圈104是图1的磁化固定装置12中的 磁化线圈的简明表示。
此外，磁化电路100包括与线圈104和电源102串联地连接的半导体开关106。在 操作中，半导体开关106构造成以便在超级电容器组102的放电期间使线圈104中的电流 换向。这促使线圈104中的大量电流持续流动仅短的持续时间，并且防止了线圈104的任 何损坏。磁化电路100进一步包括跨过线圈104联接的短路器电路110。因此，短路器电 路110在开关106断开之后为存储在磁化固定装置中的能量提供放电路径。在一个实施例 中，短路器电路110与线圈104成并联构造。短路器电路110包括至少一个短路器二极管 108。在一个实施例中，短路器电路110包括多个短路器二极管108。短路器二极管108的 非限制性实例包括普通的整流二极管。
图3是根据本发明的一个示例性实施例的磁化器系统202和永磁体转子组件204 的四分之一区段的磁化器通量分布200的示意图。四分之一区段200示出了在磁化电路 100(如在图2中所示)中的峰值电流处的多个磁通线206。当通电时，磁化线圈208产生通 过磁化器极靴209、保持环210和转子组件204的磁通线206。如本文所示，磁化器通量分 布200完全贯穿转子组件204，包括厚度为Tkk的保持环210。各个磁化器极的中心与转子 极210的D轴相符。如在四分之一区段中所示，转子极210包括多个永磁体段212，磁通线 穿过该永磁体段212，并且引起磁化。磁通量场还在保持环210中引起涡流。保持环210中 的涡流充当这样的反作用电流其具有排斥在磁化器系统202中产生的磁通量的倾向。因 此，保持环210中的反作用电流阻碍了转子204中的未磁化永磁体段212的磁化。为了显著 减小保持环210中的反作用电流，磁化电路100(如在图2中所示)中的磁化器系统10(如 在图1中所示)的电流被充分地保持达磁化器电流脉冲的最佳持续时间。
图4是根据本发明的一个示例性实施例的磁化器电流脉冲302的大约四分之一正
在一个具体实施例中，保持环厚度Tkk小于保持环的电气集肤深度厚度(δ )的十 分之一。这个关系基本确保了保持环中的涡流的消除，并且另外确保了保持环和磁体段中 的完全的磁通量穿透。因此，可使用上述等式(1)和( 来表达针对其中保持环厚度是集 肤深度的十分之一的情况的最佳时间段
T上升 > 25 Ti^(3)
因此，等式(3)中的时间段Tm提供电流的最佳持续时间，以确保保持环和磁体段 中的完全的磁通量穿透。如图4所示，磁化器电流脉冲302中的开关的最佳“接通时间”是 时间段T上升。
图5是根据本发明的一个示例性实施例的电机的转子的磁化方法400的流程图。 在步骤402处，该方法包括在包围在保持环中的转子心轴的周围组装一批未磁化的各向异 性的永磁体段。该方法还包括在步骤404中确定未磁化永磁体段的多个最佳磁化定向方 向。一些磁性材料具有各向异性的磁性属性，具有优选的磁化方向性。在转子上产生和定位弦的图解说明300。图解说明300是磁化器电流-时间的图示。X轴304表示以晕秒为单 位的时间。Y轴306表示以安培为单位的电流。图解说明300包括时间T1，其对应于磁化器 电流脉冲302的斜率Sp斜率S1表示在电流从电源102 (如在图2中所示)放电到磁化线 圈208(如在图3中所示)期间的电流脉冲形状的陡峭增长。在时间T1之前的磁化器电流 脉冲302中的时间段示出了图1的磁化固定装置12中的不饱和磁化。另外，图解说明300 还包括时间T2，其对应于磁化器电流脉冲302中的点&。点&表示峰值电流，并且另外意 味着图1的磁化固定装置12中的饱和磁化。在时间T2处，(图2的)半导体开关106换 向，从而停止来自(图2的)电源102的电流的流动。因此，时间段O-T2(下文中称为“T上 ‘’)表示磁化器电流脉冲302的最佳持续时间，在此持续时间期间，电流以逐渐增大的顺序 流过磁化线圈208(如在图3中所示)，直到在磁体段212中实现完全的通量穿透为止。在 时间T2之后，图2的磁化电路100中的电流开始借助于通过短路器电路110(在图2中显 示)中的短路器二极管108的电阻放电来平缓地消失。
使用转子组件的保持环的多个参数，可充分地计算保持环210和磁体段212 (如在 图3中所示)中的完全的通量穿透所需的时间段Τ±Λ。这种参数的非限制性实例可包括电 阻率(P)、导磁率(μ)和保持环厚度TKK。保持环厚度Tkk可与电气集肤深度厚度δ相关 联。电气集肤深度厚度(S)表示实际厚度，在此厚度内，产生的涡流在具有保持环210的 属性的材料中限定在应用的振荡磁场的具体频率(f)处。频率(f)通常可称为集肤深度频 率。在任何给定频率处，可使用以下形式的等式来计算集肤深度厚度(S)_] δ =^ (1)
由于时间段大体等于磁化器电流脉冲302的约四分之一正弦波形的基础频率 时段的四分之一，所以时间段可与集肤深度频率(f)相关
(2永磁体的段，从而使得优选的磁化的方向在磁化脉冲的峰值处与期望的磁通线几乎对齐。 另外，方法步骤406包括基于磁化固定装置中的确定的定向方向来定位组装好的未磁化永 磁体段。最后，在步骤408处，该方法包括对磁化固定装置通电，以通过脉冲直流电使段磁 化达脉冲的最佳持续时间。在一个实施例中，通电包括控制通过磁化固定装置的通电线圈 的脉冲直流电达确定的时间段。因此，步骤408基本包括将电源电连接到磁化固定装置上 达最佳的时间量。如上所述，时段是确定的时间段，其为磁化器电流脉冲的约四分之一 正弦波形的脉冲上升时间。对磁化固定装置通电达时间段提供了通过转子组件中的保 持环的最佳磁通量穿透。这会抑制保持环中的涡流的产生，从而防止对转子组件的未磁化 永磁体段的磁化的任何抵抗。
图6是示出了根据本发明的一个实施例的制造电机的转子的一种示例性方法500 的流程图。该方法通过在轴周围组装转子心轴而开始，如在步骤502处指示的那样。如较 早所述的，在某些实施例中，轴可与转子心轴形成整体。在步骤504处，永磁体段组装在转 子心轴周围，从而使得单独的磁体段中的优选的磁化方向与磁化脉冲的峰值处产生的磁通 线大致相符。在一个实施例中，这些段通过粘附的方式彼此结合，并且结合到转子心轴上。 保持环可设置在永磁体段周围，如在步骤506处指示的那样。因此，该方法包括在包围在保 持环中的转子心轴周围为转子组件提供一批未磁化永磁体段。然后，该方法通过将转子组 件定位在磁化器系统的磁化固定装置内在步骤508处继续下去。如较早所阐述的，步骤508 包括使永磁体段的磁化方向与来自磁化固定装置的通量的计算出的方向对齐。磁化线圈然 后由电源通电，如在步骤510处所指示的那样。这个电源可针对磁化固定装置调节成使得 在负载下的电源的内部阻抗与磁化固定装置的阻抗大致匹配。这允许最大程度地利用电源 的能量传输容量。在使永磁体段磁化后，就从磁化固定装置上移除转子组件，并且将转子组 件组装在定子内(步骤51幻。如本领域技术人员将理解的那样，过程500可由全自动化组 装线实现，半自动化地实现，或者甚至通过手动的方式实现。
有利地，本技术确保了通过使磁化器电流脉冲成形成使得保持环反作用电流在应 用脉冲时消失，并且在经历磁化时不减小永磁体材料块中的磁化通量，来执行转子组件的 完整磁化。本技术可有利于在一步式过程中使电机转子磁化，从而消除用预磁化块组装转 子(如较早所论述的，这可能麻烦且困难)的需要。所产生的磁化的转子在电机中产生改 进的正弦形通量分布。本技术可结合在各种各样的电机中，包括马达，且除了别的之外，特 别是包括用于燃气管压缩机的大型高速同步机、航空马达、航空发电机、航海推进马达。
此外，熟练技术人员将认可不同实施例的各种特征的可互换性。类似地，所描述的 各种方法步骤和特征以及各种这样的方法和特征的其它已知等效物可由本领域普通技术 人员混合和匹配，以根据本公开的原理来构造另外的系统和技术。当然，要理解的是，不一 定以上描述的所有这种目标或优点都可根据任何具体实施例实现。因此，例如，本领域技术 人员将认可，本文描述的系统和技术可以以实现或优化本文教导的一个优点或一组优点而 不必实现可由本文教导或提出的其它目标或优点的方式来体现或执行。
虽然已经在本文中说明和描述了本发明的仅仅某些特征，但是本领域技术人员将 想到许多修改和变化。因此，要理解的是，所附的权利要求书意在覆盖落在本发明的真实精 神内的所有这种修改和变化。
权利要求
1.一种用于使电机的转子(16)磁化的方法，所述方法包括将一批未磁化的各向异性的永磁体段(19)组装在包围在保持环06)中的转子心轴 (18)的周围；确定所述未磁化的各向异性的永磁体段(19)的多个最佳磁化定向方向；将组装好的未磁化的各向异性的永磁体段(19)定位在所述转子心轴(18)的周围，使 得所述各向异性的永磁体段(19)的所述最佳磁化定向方向与磁化固定装置(1 产生的多 个磁通线对齐；以及对所述磁化固定装置(1 通电，以通过脉冲直流电使所述段磁化达所述脉冲的最佳 持续时间，其中，所述通电包括将电源电连接到所述磁化固定装置(1 上达最佳时间量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述磁化固定装置(1 通电达所述脉 冲的最佳持续时间提供了通过所述保持环06)的最佳磁通量穿透。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲的所述最佳持续时间随所述保 持环06)的厚度而变化。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述保持环06)的厚度小于所述保持环 (26)的电气集肤深度厚度的约十分之一。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲的所述最佳持续时间随所述保 持环06)的导磁率和所述保持环06)的电阻率而变化。
6.一种用于电机的转子的磁化器系统(10)，所述磁化器系统(10)包括磁化轭( )，其中，所述磁化轭(28)包括从中延伸的多个极靴(21,22,23,24)；缠绕在所述极靴周围的多个线圈(30，32，34，36)；以及用于通过脉冲直流电对磁化固定装置(1 通电达所述脉冲的最佳持续时间的磁化电 路(46)，其中，所述磁化电路06)包括超级电容器组(102)、半导体开关(106)和电池或发 电机。
7.根据权利要求6所述的磁化器系统(10)，其特征在于，所述多个线圈(30，32，34，36) 包括构造成允许冷却剂从中流过的空心管线圈，并且所述多个线圈(30，32，34，36)与所述 磁化电路G6)的短路器二极管(108)成并联布置。
8.根据权利要求6所述的磁化器系统(10)，其特征在于，所述磁化器系统(10)进一步 提供等于所述磁化固定装置(12)的阻抗的源阻抗。
9.一种用于制造电机的转子的方法，所述方法包括在包围在保持环06)中的转子心轴(18)的周围为转子组件(16)提供一批未磁化永 磁体段(19)；提供联接到所述转子组件(16)上的磁化器系统(10)，其中，所述磁化器系统(10)包括磁化轭( )，其中，所述磁化轭(28)包括从中延伸的多个极靴(21,22,23,24)；缠绕在所述极靴(21，22，23，24)周围的多个线圈(30，32，34，36)；用于通过脉冲直流电对磁化固定装置(1 通电达所述脉冲的最佳持续时间的磁化电 路(46)；以及通过对所述磁化固定装置(1 通电所产生的磁场使所述转子组件的所述一批未磁化 永磁体段(1 磁化。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，提供所述转子组件(16)包括 确定所述未磁化永磁体段(19)的多个最佳磁化定向方向；以及 基于所述磁化固定装置(1 产生的磁通线来定位组装好的未磁化永磁体段(19)，其 中，所述通量在所述永磁体段(19)中处于最大幅度。
全文摘要
本发明涉及电机中的未磁化永磁体段的磁化。提供了一种用于使电机的转子磁化的方法。该方法包括将一批未磁化的各向异性的永磁体段(19)组装在包围在金属环中的转子心轴(18)的周围。该方法还包括确定未磁化的各向异性的永磁体段(19)的多个最佳磁化定向方向。另外，该方法包括将组装好的未磁化的各向异性的永磁体段(19)定位在转子心轴(18)的周围，使得各向异性的永磁体段(19)的最佳磁化定向方向与磁化固定装置(12)产生的多个磁通线对齐。最后，该方法包括对磁化固定装置(12)通电，以通过脉冲直流电使段(19)磁化达脉冲的最佳持续时间。
文档编号H02K1/27GK102044921SQ20101053310
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月18日 优先权日2009年10月19日
发明者C·M·斯蒂芬斯, K·R·韦伯, R·J·小卡尔, S·J·加利奥托 申请人:通用电气公司