具有磁通增強器的電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電機，其具有定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子具有至少兩個磁極。所述磁極設(shè)置為以一角度轉(zhuǎn)動，并電磁地與一個或多個齒相互作用，所述一個或多個齒為定子的一部分，鄰接在在電機的固定位置中。所述結(jié)構(gòu)在磁極和齒之間形成氣隙。磁極中的至少一個包括永磁材料，磁通增強器相對于至少一個磁極和至少一個齒設(shè)置。所述磁通增強器設(shè)置為使磁極和齒之間的磁感線聚集。
【專利說明】具有磁通增強器的電機
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電機，該電機包括:
[0002]-轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子設(shè)為相對于定子轉(zhuǎn)動，其中所述轉(zhuǎn)子包括一個或多個磁極，這些磁極相對于所述轉(zhuǎn)子的中心以一角度轉(zhuǎn)動，其中，所述磁極通過電磁場與定子中的一個或多個齒相互作用；
[0003]-定子，所述定子被安裝在電機中的固定位置，其中在所述齒和所述磁極之間設(shè)有間隙，例如氣隙；
[0004]-至少一個磁通增強器，其相對于至少一個所述磁極和至少一個所述齒設(shè)置，其中所述磁通增強器設(shè)為在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，使該磁極和那些齒之間的磁感線聚集。
【背景技術(shù)】
[0005]在發(fā)電機和電動機中，尤其是在用于風(fēng)力渦輪機的發(fā)電機中，定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙中的漏磁是個常見的問題。
[0006]人們已經(jīng)提出轉(zhuǎn)子及定子中各種構(gòu)造和形狀的磁極，并且眾所周知的是，使用非磁性材料作為固定永磁體的中間環(huán)。
[0007]最近，美國專利US6879075B2中提出了一種梯形磁通增強器磁極結(jié)構(gòu)。該專利公開了一種永磁同步電機，其具有沿著圓周設(shè)置的轉(zhuǎn)子組件，所述轉(zhuǎn)子組件具有設(shè)于倒梯形鐵磁極片之間的梯形永磁體。
[0008]US7545067B2公開了一種用于發(fā)電機的永磁轉(zhuǎn)子，其中所述轉(zhuǎn)子具有軸和圓柱形塑料罩。永磁體被插入至所述塑料罩的凹陷處中，這些凹陷處為燕尾形的容納口，用于使梯形永磁體緊固地安裝在燕尾形的容納口中。
[0009]W02011/135056A1公開了一種用于風(fēng)力渦輪機的永磁發(fā)電機。該申請公開了一種圓柱形的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有交替設(shè)置的磁鋼極片和永磁體組件，其中這些梯形的極片和永磁體組件沿平行于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中軸的方向延伸。每個組件包括兩個矩形的永磁體，這兩個永磁體位于由磁鐵制成的三角形楔形物的兩側(cè)。
[0010]盡管這些例子提供了現(xiàn)有技術(shù)中改進(jìn)的磁耦合技術(shù)，它們?nèi)匀皇褂么罅空滟F的磁性材料。這增加了這種轉(zhuǎn)子-定子磁耦合的生產(chǎn)成本。
[0011]US5631512A公開了一種電動機，其具有圓柱形的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有交替設(shè)置的氣隙、永磁體以及用軟磁材料制成的磁極片。所述磁極片放置在永磁體的一側(cè)，而氣隙則位于永磁體的另一側(cè)，其與相鄰的磁極片分隔開。所述磁極片由轉(zhuǎn)子主體的一部分形成，而氣隙則由轉(zhuǎn)子主體中的凹部形成。永磁體的弧長和極片的弧長相等。所述軟磁材料只設(shè)置在永磁體的前面，其對著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向，這意味著，由于氣隙起到非磁性材料的作用，背面的磁通量將不會變強。此外，這種結(jié)構(gòu)還使用了大量昂貴的磁性材料來制作轉(zhuǎn)子組件。
[0012]發(fā)明目的
[0013]本發(fā)明的目的是提供一種用于電機的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使氣隙中具有更為密集的磁通量，該磁通量比迄今所知的更大。[0014]本發(fā)明的一個目的是提供一種定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，該結(jié)構(gòu)使用更少的磁性材料。
[0015]本發(fā)明的一個目的是提供一種可選擇的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使磁場增強。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]用于實現(xiàn)本發(fā)明的電機包括:
[0017]-磁通增強器，該磁通增強器包括第一類型層和至少一個第二類型層，所述第一類型層由高能磁性材料組成，其具有指向半徑方向的磁感線；所述第二類型層由第二種磁性材料組成，該第二種磁性材料的磁力強度低于所述高能磁性材料的磁力強度,并且
[0018]-其中，所述第一類型層位于兩個第二類型層之間。
[0019]本發(fā)明提供了一種電機，其氣隙內(nèi)具有更為密集的磁通量，即平行于轉(zhuǎn)子半徑的磁通量更為密集，或者電機可具有比迄今所知更大的間隙。該結(jié)構(gòu)更好地適合于任何應(yīng)用，例如可將這種定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應(yīng)用于風(fēng)力渦輪機的發(fā)電機或電動機、發(fā)電廠、運輸裝置(例如汽車或船舶)、工業(yè)工具或設(shè)備。
[0020]本發(fā)明使得發(fā)電機和/或電動機的結(jié)構(gòu)更為緊湊，從而使電機的效率更高。本發(fā)明還使電機運轉(zhuǎn)過程中定子和轉(zhuǎn)子之間的錯位容差更大。
[0021]本發(fā)明與之前的電機結(jié)構(gòu)相比，使在定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上所使用的昂貴磁性材料用量減少了。
[0022]本發(fā)明還提供了可使定子和轉(zhuǎn)子之間磁場增強的另可選擇的結(jié)構(gòu)。
[0023]“磁通增強器”定義為一種磁通控制器或磁通集中器，其收集來自發(fā)射器，例如磁鐵的磁感線，并通過明確定義的磁路，將磁感線引導(dǎo)至接收器，例如線圈中。在本【技術(shù)領(lǐng)域】中，術(shù)語“磁通集中器”已有明確定義。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，所述磁通增強器配置為磁極，其中，覆蓋弧長度的多層結(jié)構(gòu)組成夾層結(jié)構(gòu)，其中至少第三類型層形成間隙，該間隙介于所述第二類型層和一個磁極之間，該磁極緊鄰于所述磁通增強器。
[0025]可將低能磁性材料配置于高能磁性材料的一側(cè)或兩側(cè)上，用于減少邊緣處的磁漏。所述低能磁性材料可優(yōu)選設(shè)置在兩側(cè)，用于減少兩側(cè)的磁通泄漏，因為磁通增強器的前面和后面有特定的定子繞組經(jīng)過。這也可使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向相反，而不影響轉(zhuǎn)子和定子之間的磁通分布。
[0026]這種磁極結(jié)構(gòu)，引致一種磁通增強器的產(chǎn)生，其可節(jié)省昂貴且珍稀的高能磁性材料，而用便宜且資源豐富的低能磁性材料取而代之。該磁通增強器結(jié)構(gòu)可用于替代電機中的一個或多個常規(guī)磁極，和/或相對于至少兩個相鄰的常規(guī)磁極放置。
[0027]有時，“高能磁性材料”指硬磁性材料，“低能磁性材料”指軟磁性材料。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，所述磁通增強器還包括:
[0029]-至少另一個第一類型層，其位于所述第二類型層和所述第三類型層之間，并由高能磁性材料組成，所述高能磁性材料具有指向側(cè)面的磁感線。
[0030]這提供了一種磁增強器結(jié)構(gòu)，其使得進(jìn)一步減少邊緣處的磁漏，或者使齒和磁極之間所設(shè)計的磁耦合更為準(zhǔn)確。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，所述磁通增強器還包括:[0032]-至少另一個第二類型層，其位于所述第一類型層和所述第三類型層之間，并由第二種磁性材料組成，該第二種磁性材料的磁性與第一種磁性材料的磁性不同。
[0033]這種磁增強器結(jié)構(gòu)使得用于定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的高能磁性材料進(jìn)一步減少。
[0034]根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，所述磁通增強器圍繞由所述第一類型層界定的中心層，其包括:
[0035]-預(yù)定個數(shù)的連續(xù)層，其中第一種連續(xù)類型層由高能磁性材料組成，其旁邊是
[0036]-第二種連續(xù)類型層，該第二種連續(xù)類型層由第二種磁性材料組成，所述第二種磁性材料的磁性與第一種磁性材料的磁性不同，并且
[0037]-其中所述連續(xù)層由所述第三類型層結(jié)束。
[0038]所述磁通增強器可形成具有多層的一般夾層結(jié)構(gòu)或?qū)訅航Y(jié)構(gòu)，其中，沿徑向，即平行于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向設(shè)置多個層。這使磁通增強器總是面向定子中一個以上的繞組，例如:至少兩個或三個繞組。所述中心層的兩側(cè)可設(shè)有若干連續(xù)層，例如一層、兩層、三層、四層或五層。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式，磁通增強器圍繞由第一類型層界定的中心層，其包括:
[0040]-預(yù)定個數(shù)的連續(xù)層，其中第一種連續(xù)類型層由低能磁性材料組成，其旁邊是
[0041]-第二種連續(xù)類型層，該第二種連續(xù)類型層由第二種磁性材料組成，所述第二種磁性材料的磁性與第一種磁性材料的磁性不同，并且
[0042]-其中所述連續(xù)層由所述第三類型層結(jié)束。
[0043]根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，磁增強器中的每種連續(xù)層類型，其弧長自中心層向著所述第三類型層方向，逐漸減少。
[0044]這就提供了一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中，中心層Itl是所有層中長度最長的，而最外層In是所有層中長度最短的。如果層IInS最外層，則其長度最短。這使得磁通增強器對磁感線具有棱鏡效應(yīng)，將磁感線聚集至單個點。
[0045]這提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定地減少了對高能磁性材料的需求，并減少了邊緣處的漏磁。
[0046]根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，所述磁通增強器設(shè)為，用于各個連續(xù)層中的至少高能磁性材料的磁場強度，自所述中心層向所述第三類型層方向，逐漸減小。
[0047]這提供了另一種標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定地減少了對高能磁性材料的需求，并減少了邊緣的漏磁。根據(jù)本發(fā)明，也可采用其他使磁通增強器具有棱鏡效應(yīng)的結(jié)構(gòu)。
[0048]根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，位于所述中心層一側(cè)的所述連續(xù)層中的至少一層，其弧長與位于中心層另一側(cè)的相同連續(xù)層的弧長不同。
[0049]所述磁通增強器可具有不對稱的結(jié)構(gòu)，其中，位于中心層任一側(cè)、以及自中心層開始的相同連續(xù)位置的至少兩層的大小和/或形狀都不同。在該具體實施例中，一低能磁性材料層位于中心層的一側(cè)，而另一低能磁性材料層位于中心層另一側(cè)的相同連續(xù)位置，這兩個層的弧長不同。同樣，由高能磁性材料組成的兩個層位于中心層的兩側(cè)，并處于相同的連續(xù)位置，二者的弧長也不同。
[0050]根據(jù)一種實施方式，所述磁通增強器的橫截面為梯形，其中至少三層設(shè)置為圓形。
[0051]這提供了一種磁通增強器，其設(shè)計為圓錐形磁極。這使得磁通增強器和/或磁極以不同樣式或偏移相對設(shè)置，從而使所述定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)適合于不同應(yīng)用。
[0052]根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，用于分層形式的高能磁性材料選自剩磁&為0.5特斯拉以上的磁性材料，或者剩磁為1.0特斯拉以上的磁性材料，或者至少包括釹的磁性材料。
[0053]剩磁在1.0特斯拉以上是最為理想的，本領(lǐng)域技術(shù)人員將從標(biāo)準(zhǔn)表格中或根據(jù)商品名選擇高能磁性材料。
[0054]同樣，本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解，剩磁只是衡量“強度”的一種指標(biāo)，而通過使用表格、教科書、經(jīng)驗或測量值，本領(lǐng)域技術(shù)人員會知道如何在不清楚剩磁的情況下區(qū)分可利用的或列表中的磁性材料。
[0055]根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，用于分層形式的所述低能磁性材料選自剩磁&為
0.5特斯拉以下的磁性材料、或者剩磁B1?為1.0特斯拉以下的磁性材料、或者由鐵或鐵氧體合金制成的磁性材料。
[0056]通過使用磁場強度，即剩磁至少為1.0特斯拉的高能磁性材料，同時低能磁性材料的磁場強度，即剩磁，為小于0.5特斯拉時，可實現(xiàn)棱鏡效應(yīng)。
[0057]根據(jù)一種具體的實施方式，所述電機為用于發(fā)電的發(fā)電機，或者用于驅(qū)動可驅(qū)動裝置的電動機。
[0058]所述磁通增強器結(jié)構(gòu)尤其適合于發(fā)電機，例如風(fēng)力渦輪機發(fā)電機，或者電動機，例如電磁電動機。發(fā)電機或電動機的尺寸和結(jié)構(gòu)可被配置為適于所應(yīng)用的場合。
[0059]本發(fā)明的一個目的，通過設(shè)置用于電機的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)具有至少一個磁極，通過制作具有所公開的磁通增強器的磁極的方法，制得該磁極，所述方法包括以下步驟:
[0060]-制作由連續(xù)的第一類型層和第二類型層組成的平面夾層結(jié)構(gòu)，
[0061]-使所述平面夾層結(jié)構(gòu)，以一曲率，繞中心第一類型層的中心點彎曲，該曲率由轉(zhuǎn)子芯和定子的曲率確定。
[0062]這提供了一種簡易方式，用于構(gòu)建磁通增強器并將其裝配至特定的電機的轉(zhuǎn)子-定子結(jié)構(gòu)中。該磁通增強器可優(yōu)選裝配至風(fēng)力渦輪發(fā)電機的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，或者特定應(yīng)用的電動機的定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中。
[0063]通過提供一種磁極，其高度比常規(guī)的高，但其高能磁性材料的用量比常規(guī)的少，可獲得磁極中的高磁通密度。
[0064]由于強永磁體由稀土元素的合金制成，高能磁性材料通常被認(rèn)為是稀土磁體。低能磁性材料通常被認(rèn)為是基于鐵磁體或鐵氧體材料的磁性材料。
[0065]磁性可通過剩磁(Br)、矯頑力(Hcd)、磁能積(BHmax)和居里溫度(T。)進(jìn)行比較，其中，剩磁(Br)衡量磁場的強度；矯頑力(Hcd)是材料對退磁的抵抗力；磁能積(BHniax)是磁能的密度，居里溫度(T。)是材料失去磁力時的溫度。
[0066]與其他類型的磁體相比，高能磁體或稀土磁體具有更高的剩磁，更大的矯頑力和磁能積，但(對于釹而言)更低的居里溫度。以下表格比較了兩種稀土磁體，即釹(Nd2Fe14B)和衫-鈷(SmCo5),與其他類型永磁體的磁性。
【權(quán)利要求】
1.一種電機(I),其包括: -轉(zhuǎn)子(3 )，該轉(zhuǎn)子(3 )相對于定子(6 )轉(zhuǎn)動，其中所述轉(zhuǎn)子包括一個或多個磁極(7 )，所述磁極(7)相對于所述轉(zhuǎn)子(3)的中心以一角度轉(zhuǎn)動，其中所述磁極(7)設(shè)為通過電磁場與所述定子(6)中的一個或多個齒(8)相互作用； -所述定子(6)，該定子(6)安裝于所述電機(I)中的固定位置，其中在所述齒(8)和所述磁極(7 )之間設(shè)有間隙(9 )，例如氣隙； -至少一個磁通增強器(11 )，其相對于至少一個所述磁極(7 )和至少一個所述齒(8 )設(shè)置，其中所述磁通增強器(11)設(shè)為在所述轉(zhuǎn)子(3)轉(zhuǎn)動時，使所述磁極(7)和所述齒(8)之間的磁感線聚集；其特征在于: -所述磁通增強器(11)包括第一類型層(Itl)和至少一個第二類型層(II1),所述第一類型層(Itl)由高能磁性材料(17)組成，其磁感線為指向側(cè)面；所述第二類型層(II1)由第二種磁性材料(14、18)組成，該第二種磁性材料(14、18)的磁力強度低于所述高能磁性材料(17)的磁力強度，并且 -其中所述第一類型層(Itl)位于兩個第二類型層(II1)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電機(1)，其特征在于:所述磁通增強器(11)設(shè)置為磁極(7)，該磁極(7)中，覆蓋弧長的所述層(Ic^ II1)組成由多個層(16)組成的夾層結(jié)構(gòu)(15)，其中至少第三類型層(III)形成間隙，例如空氣間隙，該間隙介于所述第二類型層(II1)和磁極(7)中的一個磁極之間，所述磁極緊鄰所述磁通增強器(11)設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的電機(1)，其特征在于所述磁通增強器(II)還包括: -至少另一個第一類型層(12)，其位于所述第二類型層(II1)和所述第三類型層(III)之間，其由高能磁性材料(17)組成，所述高能磁性材料(17)的磁感線為指向側(cè)面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的電機(1)，其特征在于所述磁通增強器(11)還包括: -至少另一個所述第二類型層(112)，其位于所述另一個第一類型層(I2)和所述第三類型層(III)之間,其由第二種磁性材料(14、18)組成，其磁性與第一種磁性材料(17)的磁性不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2的電機(1)，其特征在于所述磁通增強器(11) -圍繞由第一類型層(Itl)界定的中心層，包括預(yù)定個數(shù)(i=l、2、……、N)的連續(xù)層(I1、IIi),其中第一種連續(xù)類型層(Ii)由高能磁性材料(17)組成，其旁邊是 -第二種連續(xù)類型層(Iii),該第二種連續(xù)類型層(Iii)由第二種磁性材料(14、18)組成，所述第二種磁性材料(14、18)的磁性與所述第一種磁性材料(17)的磁性不同， -其中所述連續(xù)層(I^IIi)由所述第三類型層(III)結(jié)束。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的電機(1)，其特征在于:每個連續(xù)層(IpIIi)的弧長，自所述中心層(I。)向所述第三類型層(III)方向遞減。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的電機(1)，其特征在于:至少用于每個連續(xù)層(Ii)中的所述高能磁性材料(17)的磁性，自所述中心層(Itl)向所述第三類型層(III)方向遞減。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的電機(I)，其特征在于:所述連續(xù)層(IiUIi)中的至少一個位于所述中心層(Itl)的一側(cè)，其弧長與位于所述中心層(Itl)另一側(cè)的相同連續(xù)層(IiUIi)的弧長不同。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2的電機(1)，其特征在于:所述磁通增強器(11)形狀為梯形，其中所述至少三個層(16)為圓形。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的電機(1)，其特征在于:用于所述第一類型層(I)的所述高能磁性材料(17)選自剩磁為0.5特斯拉以上的磁性材料，或者剩磁為I特斯拉以上的磁性材料，或者至少包含釹的磁性材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的電機(1)，其特征在于:用于所述第二類型層(II)的所述磁性材料(18)選自剩磁4為0.5特斯拉以下的磁性材料，或者剩磁4為I特斯拉以下的磁性材料，或者由鐵或鐵氧體合金制成的磁性材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的電機(1)，其特征在于:所述電機(I)為用于發(fā)電的發(fā)電機，或者用于驅(qū)動可驅(qū)動裝置的電動機。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12任一項的具有磁通增強器(11)的磁極(7)的制作方法，該方法包括以下步驟: -制作由連續(xù)的第一類型層(I)和第二類型層(II)組成的平面夾層結(jié)構(gòu)； -使所述平面夾層結(jié)構(gòu)，以一曲率，繞中心第一類型層(16’)的中心點彎曲，該曲率由轉(zhuǎn)子(3)芯和定子 (6)的曲率確定。
【文檔編號】H02K1/27GK103595150SQ201310328365
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月17日
【發(fā)明者】彼得·拉斯姆森 申請人:遠(yuǎn)景能源（江蘇）有限公司