用于針對(duì)低溫加熱鐵素體磁體馬達(dá)的系統(tǒng)和方法
【專利說(shuō)明】用于針對(duì)低溫加熱鐵素體磁體馬達(dá)的系統(tǒng)和方法
[0001]美國(guó)政府許可權(quán)
本發(fā)明是根據(jù)美國(guó)能源部授予的合同DE-EE0005573而在政府的支持下進(jìn)行的。政府對(duì)本發(fā)明具有某些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明的實(shí)施例大體涉及電機(jī)，并且更具體而言，涉及包括鐵素體永磁體的永磁體電機(jī)，其中電機(jī)中的定子和/或轉(zhuǎn)子被加熱，以便防止鐵素體永磁體退磁。
【背景技術(shù)】
[0003]電機(jī)在各種行業(yè)中的使用在許多工業(yè)、商業(yè)和運(yùn)輸業(yè)中隨著時(shí)間的推移變得越來(lái)越流行。為了在電機(jī)中實(shí)現(xiàn)高性能，選擇使用永磁體(PM)材料對(duì)于許多應(yīng)用而言變得越來(lái)越流行。在這樣的電機(jī)中，PM可代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)中的電磁體，或可開(kāi)發(fā)新穎的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)最好地利用PM的屬性和特性。
[0004]已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的一種PM電機(jī)稱為“定子永磁體電機(jī)”，其為設(shè)計(jì)使得電機(jī)中的PM定位在定子上的電機(jī)。定子永磁體電機(jī)可因而表不但不限于永磁體磁通切換電機(jī)、永磁體磁通反轉(zhuǎn)電機(jī)和雙凸極永磁體電機(jī)。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的另一個(gè)PM電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為“內(nèi)部永磁體(IPM)電機(jī)”，其為設(shè)計(jì)使得電機(jī)中的PM嵌在轉(zhuǎn)子的多個(gè)疊層的內(nèi)部的電機(jī)。IPM電機(jī)可因而表示在各種應(yīng)用中廣泛使用的IPM馬達(dá)或發(fā)電機(jī)，這包括航空、汽車和工業(yè)用途。
[0005]在構(gòu)造和運(yùn)行PM電機(jī)時(shí)考慮的一個(gè)問(wèn)題是PM的退磁。取決于采用的PM的類型，如果電機(jī)暴露于極高或極低的溫度,則PM可出現(xiàn)退磁。例如，如果PM為稀土磁體，則PM暴露于極高的溫度可使PM更易于退磁。相反，如果PM為鐵素體磁體，則PM暴露于低溫(例如，-40°C至60°C )可使PM更容易退磁。
[0006]認(rèn)識(shí)到，在PM電機(jī)中使用鐵素體磁體可與稀土磁體的使用相比提供成本節(jié)約，并且因而鐵素體磁體的使用在這樣的PM電機(jī)中可為合乎需要的。雖然與稀土磁體相比，鐵素體磁體更容易在低溫下退磁，但是它們與稀土磁體相比不那么容易在高溫下退磁。因而，如果可提供解決方案來(lái)防止鐵素體磁體在低溫下退磁，則鐵素體磁體PM電機(jī)對(duì)于稀土磁體PM電機(jī)可為合乎需要的備選方案。
[0007]因此，合乎需要的是提供一種系統(tǒng)和方法來(lái)防止在PM電機(jī)中的鐵素體磁體的退磁。進(jìn)一步合乎需要的是提供一種鐵素體磁體PM電機(jī)，其可用于廣泛的環(huán)境溫度下并且展現(xiàn)改進(jìn)的耐腐蝕性和改進(jìn)的穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種永磁體電機(jī)包括定子組件，其具有包括多個(gè)定子齒的定子芯和定子繞組，定子繞組圍繞多個(gè)定子齒而纏繞，以在被交變電流激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生定子磁場(chǎng)。永磁體電機(jī)還包括:轉(zhuǎn)子組件，其構(gòu)造成相對(duì)于定子組件旋轉(zhuǎn)且與定子組件隔開(kāi)空氣間隙；設(shè)置在定子組件或轉(zhuǎn)子組件中的一個(gè)內(nèi)的多個(gè)鐵素體永磁體，其構(gòu)造成產(chǎn)生與定子磁場(chǎng)相互作用的磁場(chǎng)，以產(chǎn)生扭矩；以及控制器，其編程成使一級(jí)(primary)場(chǎng)電流應(yīng)用到定子繞組上以產(chǎn)生定子磁場(chǎng)，以便使轉(zhuǎn)子組件相對(duì)于定子組件旋轉(zhuǎn)，以及選擇性地使二級(jí)(secondary)電流應(yīng)用到定子繞組上，以選擇性地產(chǎn)生二級(jí)磁場(chǎng)，二級(jí)磁場(chǎng)在定子組件和轉(zhuǎn)子組件中的至少一個(gè)中引起渦電流，以加熱多個(gè)鐵素體永磁體。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一種加熱鐵素體永磁體電機(jī)的方法，其包括:提供定子組件，其具有包括多個(gè)定子齒的定子芯和定子繞組，定子繞組圍繞多個(gè)定子齒纏繞，以在被交變電流激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生定子磁場(chǎng)；提供轉(zhuǎn)子組件，其構(gòu)造成相對(duì)于定子組件旋轉(zhuǎn)，同時(shí)與定子芯隔開(kāi)空氣間隙；以及提供多個(gè)鐵素體永磁體，其構(gòu)造成產(chǎn)生與定子磁場(chǎng)相互作用的磁場(chǎng)，以產(chǎn)生扭矩，多個(gè)鐵素體永磁體定位在定子組件或轉(zhuǎn)子組件上。該方法還包括選擇性地加熱多個(gè)鐵素體永磁體，以便防止多個(gè)鐵素體永磁體退磁，其中選擇性地加熱多個(gè)鐵素體永磁體包括下者中的一個(gè)或多個(gè):通過(guò)將二級(jí)電流對(duì)應(yīng)到定子繞組上來(lái)選擇性地產(chǎn)生二級(jí)磁場(chǎng)，來(lái)加熱多個(gè)鐵素體永磁體，二級(jí)磁場(chǎng)通過(guò)在定子組件和轉(zhuǎn)子組件中的至少一個(gè)中引起渦電流，來(lái)加熱多個(gè)鐵素體永磁體；通過(guò)在定位在轉(zhuǎn)子組件上或在轉(zhuǎn)子組件中的環(huán)元件中引起渦電流而加熱環(huán)元件來(lái)加熱多個(gè)鐵素體永磁體；或通過(guò)將磁場(chǎng)應(yīng)用到定位在多個(gè)鐵素體永磁體附近的多個(gè)磁致熱元件上來(lái)加熱多個(gè)鐵素體永磁體，其中多個(gè)磁致熱元件在經(jīng)歷磁場(chǎng)時(shí)變熱。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，在環(huán)元件中，響應(yīng)于將脈動(dòng)電流應(yīng)用于定子繞組來(lái)加熱環(huán)元件以及多個(gè)磁致熱，內(nèi)部永磁體電機(jī)包括定子組件，定子組件具有包括多個(gè)定子齒的定子芯，以及定子繞組，定子繞組圍繞多個(gè)定子齒而纏繞，以在被交變電流激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生定子磁場(chǎng)。內(nèi)部永磁體電機(jī)還包括:轉(zhuǎn)子組件，其設(shè)置在由定子組件限定的腔體內(nèi)，并且構(gòu)造成與定子芯隔開(kāi)空氣間隙且相對(duì)于定子組件旋轉(zhuǎn)；多個(gè)鐵素體永磁體，其定位在轉(zhuǎn)子組件中且構(gòu)造成產(chǎn)生與定子磁場(chǎng)相互作用的磁場(chǎng)，以產(chǎn)生扭矩；以及加熱元件，其構(gòu)造成對(duì)多個(gè)鐵素體永磁體提供預(yù)熱。加熱元件包括一個(gè)環(huán)元件，其由導(dǎo)電材料形成且定位在轉(zhuǎn)子組件上或轉(zhuǎn)子組件內(nèi)，其中，在定位在多個(gè)鐵素體永磁體附近的元件中引起渦電流，多個(gè)磁致熱元件構(gòu)造成在經(jīng)歷磁場(chǎng)時(shí)變熱。
[0011]—種永磁體電機(jī),包括:
定子組件，其包括:
包括多個(gè)定子齒的定子芯；以及
定子繞組，其圍繞所述多個(gè)定子齒而纏繞，以在被交變電流激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生定子磁場(chǎng)；
轉(zhuǎn)子組件，其構(gòu)造成相對(duì)于所述定子組件旋轉(zhuǎn)，所述轉(zhuǎn)子組件與所述定子組件隔開(kāi)空氣間隙；
多個(gè)鐵素體永磁體，其設(shè)置在所述定子組件或所述轉(zhuǎn)子組件中的一個(gè)內(nèi)，所述多個(gè)鐵素體永磁體構(gòu)造成產(chǎn)生與所述定子磁場(chǎng)相互作用的磁場(chǎng)，以產(chǎn)生扭矩；以及控制器，其編程成:
使一級(jí)場(chǎng)電流應(yīng)用到所述定子繞組上，以產(chǎn)生所述定子磁場(chǎng)，以便使所述轉(zhuǎn)子組件相對(duì)于所述定子組件旋轉(zhuǎn)；以及
選擇性地使二級(jí)電流應(yīng)用到所述定子繞組上，以選擇性地產(chǎn)生二級(jí)磁場(chǎng)，所述二級(jí)磁場(chǎng)在所述定子組件和所述轉(zhuǎn)子組件中的至少一個(gè)中引起渦電流，以加熱所述多個(gè)鐵素體永磁體。
[0012]在一個(gè)實(shí)施例中，所述轉(zhuǎn)子組件進(jìn)一步包括由導(dǎo)電材料形成的環(huán)元件,其中響應(yīng)于對(duì)所述定子繞組應(yīng)用所述二級(jí)電流，在所述環(huán)元件中會(huì)引起渦電流。
[0013]在一個(gè)實(shí)施例中，所述環(huán)元件定位在所述轉(zhuǎn)子組件上或所述轉(zhuǎn)子組件中，使得所述環(huán)元件定位在所述多個(gè)鐵素體永磁體的附近。
[0014]在一個(gè)實(shí)施例中，所述環(huán)元件短接到所述定子組件上或使用外部電阻元件或電感元件連接到所述定子組件上。
[0015]在一個(gè)實(shí)施例中，所述轉(zhuǎn)子組件包括定位在所述多個(gè)鐵素體永磁體附近的磁致熱元件，所述磁致熱元件構(gòu)造成在經(jīng)歷磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生熱量。
[0016]在一個(gè)實(shí)施例中，所述二級(jí)電流具有比所述一級(jí)場(chǎng)電流的頻率高的頻率，所述二級(jí)電流的頻率值低到1Hz。
[0017]在一個(gè)實(shí)施例中，所述二級(jí)電流為脈動(dòng)電流，其具有的頻率接近工作電流波形但不等于所述一級(jí)場(chǎng)電流的頻率。
[0018]在一個(gè)實(shí)施例中，進(jìn)一步包括溫度測(cè)量機(jī)構(gòu)，其構(gòu)造成監(jiān)測(cè)所述電機(jī)中的所述多個(gè)鐵素體永磁體的溫度，所述溫度測(cè)量機(jī)構(gòu)定位在所述定子組件或所述轉(zhuǎn)子組件中的至少一個(gè)上。
[0019]在一個(gè)實(shí)施例中，所述控制器進(jìn)一步編程成:
接收來(lái)自所述溫度測(cè)量機(jī)構(gòu)的關(guān)于所述電機(jī)中的所述多個(gè)鐵素體永磁體的溫度的反饋；
比較測(cè)量的磁體溫度與閾值磁體溫度；以及
如果測(cè)量的磁體溫度低于所述閾值磁體溫度，則使所述二級(jí)電流應(yīng)用到所述定子繞組上。
[0020]在一個(gè)實(shí)施例中，所述控制器編程成使應(yīng)用到所述定子繞組上的所述二級(jí)電流疊加在所應(yīng)用的一級(jí)場(chǎng)電流上。
[0021]在一個(gè)實(shí)施例中，所述控制器編程成在不應(yīng)用所述一級(jí)場(chǎng)電流的情況下使所述二級(jí)電流應(yīng)用到所述定子繞組上。
[0022]一種用于加熱鐵素體永磁體電機(jī)的方法，所述方法包括:
提供定子組件，其包括:
包括多個(gè)定子齒的定子芯；以及
定子繞組，其圍繞所述多個(gè)定子齒而纏繞，以在被交變電流激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生定子磁場(chǎng)；提供轉(zhuǎn)子組件，其構(gòu)造成相對(duì)于所述定子組件旋轉(zhuǎn)，其中所述轉(zhuǎn)子組件與所述定子芯隔開(kāi)空氣間隙