專利名稱:用于電動發電機的磁體、電動發電機和方法
用于電動發電機的磁體、電動發電機和方法
背景技術:
電動發電機(dynamodectric machine )通常使用永磁體將機械能轉 化成電能和將電能轉化成機械能。規定了與永磁體相關的 一些參數以優 化機器的性能,例如形狀、尺寸、材料和在電動發電機內的位置。
制造永磁體的材料是確定磁通密度的主要因素。在工程應用中利用永 磁體的最大能積來評估永磁體的性能,最大能積是磁通密度(B)和磁場 強度(H)的乘積,即(BH)咖x。通常,具有較高(BH)咖x的永磁體提高電動 發電機的性能。然而,對于指定的(BH)^x,具有高剩磁(Br)的磁體材料 通常比具有低剩磁的磁體材料更易于不可恢復性退磁。這是因為較高的剩 磁導致較低的矯頑力(Hc)。當磁通密度(B)和磁場強度(H)在磁化方 向上限定的操作點低于永磁體的退磁曲線上的拐點時,發生不可恢復性退 磁。
當永磁體經歷與磁體初始磁化方向相反的方向上的磁場時,發生退 磁。因為在電動發電機中存在機器操作期間產生的電磁場,并且在一些 情況下使永磁體經歷反極性場,所以對于機器的使用壽命而言,不可恢 復性退磁可能是一個問題。矯頑力(也以符號Hc表示)是驅動磁體磁 化至零所需的反向場的度量。磁體的矯頑力主要隨生產磁體的材料而變
化。通常地,對于具有指定(BH)麗的永磁體而言,矯頑性和剩磁性相
互成反比,因此剩磁的增加伴隨著矯頑力下降。雖然可以同時獲得高剩 磁和矯頑力,但是實現這點所需的材料比具有中等至較低矯頑性或剩磁 性值的材料更昂貴。因此,電動發電機的設計人員在確定用于機器的永 磁體時必須平衡矯頑性、剩磁和成本。
本領域中降低這種折衷的影響的改進受到普遍歡迎。
發明內容
本文公開了一種涉及電動發電機用磁體構件的裝置,該裝置包括由 第 一磁性材料制成的該磁體構件的第 一部分和由第二磁性材料制成的該磁體構件的第二部分。本文還公開了一種涉及具有至少一個磁體構件 的電動發電機構件的裝置,其中該至少一個磁體構件包含相互具有不同 矯頑力值的多種磁性材料。
還公開了一種涉及提高電機性能的方法,該方法包括確定電動發電 機內的高退磁場的位置,以及將包含具有較高矯頑力水平的第一部分和 具有較低矯頑力水平的第二部分的磁性構件安置在該電動發電機中,使 得所述具有較高矯頑力水平的部分比具有較低矯頑力水平的部分更靠 近所述高退磁場的位置。
還公開了一種涉及調節(tailor)電動發電機中磁通分布的方法,包 括制造一種具有第 一矯頑力水平的第 一部分和具有第二矯頑力水平的 第二部分的磁體構件,并且安置該磁性構件以獲得期望的磁通分布。
以下說明不應該被視為以任何方式進行限定。參考附圖,類似的元 件附圖標記相似
圖l示出了本文公開的轉子的部分截面視圖; 圖2示出了本文公開的另一轉子的部分截面視圖; 圖3示出了本文公開的又一轉子的部分截面視圖; 圖4示出了本文7>開的直流電動機(motor)的截面-見圖; 圖5示出了本文公開的再一轉子的截面視圖;和 圖6示出了本文公開的另一轉子的部分截面視圖。
具體實施例方式
參考圖1,在該示例性實施方案中作為轉子描述的內部永磁電機的電 動發電機構件10具有在其中形成的用于定位和安置磁體構件18的空腔 14。在一個實施方案中,空腔14的尺寸設置為提供與磁體構件18的壓入 配合,由此防止轉子10和磁體構件18之間的相對運動。應當理解,雖然 機器構件10和其它類似構件在本文中是作為轉子示出的,但是它們同樣可以作為定子、電動機殼等存在,而不脫離本發明的范圍。
如上所述,剩磁和矯頑力的磁性性能對于機器的綜合性能是重要的。
影響性能的其它因素是磁體構件18的形狀和磁體構件18在機器中的位置。 除了性能以外,磁體構件18的形狀和位置也影響其對可能在與磁性構件 18的永久磁場相反方向上的磁場的敏感性。這種方向相反的場有時稱為反 向磁場,并且如上文所述,如果該反向磁場具有足夠的強度,其將具有使 磁性構件18退磁的效果。然而,退磁作用在構件18的某些區域上比在另 一些區域上更強。磁體構件18的角22、末端26和表面30通常比>^體構 件18的其它部分更易受退磁場影響。因此,這些區域中有時發生一定的退 磁,導致磁體構件18的總剩磁降低。如上所述,該磁體構件18的剩磁降 低導致電動發電機的總體性能下降。
圖1描述的本發明實施方案顯示磁體構件18分為兩個部分。第一部分 34 v^Ut體構件18的表面30經,體構件18的部分厚度延伸到此處由邊 界36描繪的深度。第二部分38包括磁體構件18的其余部分,即第一部分 34以外的部分。第一部分34可由第一磁性材料制成,該第一磁性材料具 有比用于制造第二部分38的材料更高的矯頑力。類似地,第二部分38可 以由一種剩磁高于用于制造第一部分34的材料的磁性材料制成。磁體構件 18的這種結構允許磁體構件18的第一部分34具有比第二部分38更高的 耐退磁性能。類似地,該結構允許第二部分38具有由于其較高的剩磁水平 所產生的較高磁通密度。可以以與前文描述類似的方式制造用于各種電動 發電機的磁體構件的調節部分,以在經濟的成本水平下優化磁體構件的矯 頑力并同時保持高的剩磁水平。
參考圖2,其顯示了轉子內的磁體構件的一個替代實施方案。磁體構 件118安置在電動發電機構件110 (在此處顯示為轉子)的空腔114內。 磁體構件118分成由邊界136隔開的第一部分134和第二部分138。第一 部分134可以由矯頑力高于第二部分138材料的磁性材料制成,而第二部 分138可以由剩磁高于第一部分134材料的磁性材料制成。因此,磁體構 件118的第一部分134比第二部分138具有更高的耐退磁性能。盡管目前 所示的磁體構件18、 118為矩形形狀,但是由多種磁體材料制成的磁體構 件的多個部分的構思也可適用于其它形狀。
參考圖3,其描述了表面安裝的永磁電機的磁體構件218,該磁體構件218具有弧形形狀。>^體構件218形成電動發電才幾構件210的外周部分, 電動發電機構件210在此顯示為轉子,被定子240所包圍,它們之間具有 空氣隙244。磁體構件218分成由邊界線236隔開的第一部分234和第二 部分238。第一部分234可以由矯頑力高于第二部分238材料的磁性材料 制成,而第二部分238可以由剩磁高于笫一部分234材料的磁性材料制成。 因此,磁體構件218的第一部分234具有比第二部分238更高的耐退磁性 能。
參考圖4,本發明的另一個實施方案描述了一種作為直流(DC)電動 機的電動發電機310。電動發電機構件324在此顯示為電動機殼,包圍四 個弧形的磁體構件318。在磁體構件M8內同心設置銜鐵340,其間形成徑 向的空氣隙344。磁體構件318分成由邊界線336隔開的第一部分334和 第二部分338。第一部分334可以由矯頑力高于第二部分338材料的磁性 材料構成,而第二部分338可以由剩磁高于第一部分334材料的磁性材料 構成。因此,磁體構件318中第一部分334比第二部分338具有更高的耐 退磁性能。
圖1~4的磁體構件18、 118、 218、 318具有由邊界線36、 136、 236、 336隔開的第一部分34、 134、 234、 334和第二部分38、 138、 238、 338。 該第一部分34、 134、 234、 334和第二部分38、 138、 238、 338的結構決 定了邊界線36、 136、 236、 336所采取的形式。例如,如果第一部分34、 134、 234、 334和第二部分38、 138、 238、 338形成為獨立的7JC^體段, 則邊界線36、 136、 236、 336可以只是通it^面法向力保持接觸的兩個接 觸部分的對"^表面。該法向力可以由例如磁體構件18、 118、 218、 318所 附著的電動發電機構件10、 110、 210、 324產生。作為一個替代方案,這 些部分可以通過粘合劑在邊界線36、 136、 236、 336處結合在一起。
作為一個替代方案,第一部分34、 134、 234、 334和笫二部分38、 138、 238、 338可以在制造磁體構件18、 118、 218、 318時務沐形成。例如,如 果由壓縮成型并燒結的粉末材料制造磁體構件18、 118、 218、 318,則可 以在壓制成型之前將用于第一部分34、 134、 234、 334和第二部分38、 138、 238、 338的不同磁性材料放在壓力機中。該制造方法將產生比作為獨立的 段制造該兩個部分的情形中的邊界線更不明顯的邊界線36、 136、 236、 336。 該技術可用于生產在單一磁體構件18內具有兩個或更多個等級磁性材料 的磁體構件18。在這種情況下,電動發電機的設計人員可以通it^L磁體構件18的不同區域安置具有特定磁性的磁性材料來定制設計磁體構件18。 例如,角22可以具有高于磁體構件18其余部分的高矯頑性材料含量百分 比,而磁體構件18的其余部分可以使用具有更高的高剩磁材料含量百分比 的材料。所使用的兩種磁性材料可以具有比同時具有高矯頑力水平和高剩 磁水平的單一磁體材料更低的單位體積成本,由此降{ 體構件18的整體
材料成本。
參考圖5,在又一個實施方案中,磁體構件418包括多個部分,例如 相互靠近但是實際上相互不接觸的第一部分434和第二部分438。該部分 434、 438分別位于在此處顯示為轉子的電動發電機構件410的空腔444、 448內。第一部分434可以由矯頑力高于第二部分438材料的磁性材料制 成,而第二部分438可以由剩磁高于第一部分434材料的磁性材料制成。 因此,磁體構件418的第一部分434具有比第二部分438更高的耐退磁性 能。
參考圖6,磁體構件518的一個替代實施方案包括多個部分,例如相 互靠近但是實際上相互不接觸的第一部分534和第二部分538。該部分534、 538分別位于在此處顯示為轉子的電動發電機構件510的空腔544、548內。 第一部分534還包括第一子部535和第二子部536,并且第二部分538還 包括第三子部539和第四子部540。第一子部535由矯頑力高于第二子部 536材料的磁性材料制成,第二子部536由矯頑力高于第三子部539材料 的磁性材料制成,第三子部539由矯頑力高于第四子部540材料的磁性材 料制成。因此,^ t體構件518的第一子部535具有高于第二子部536的耐 退磁性能,第二子部536的耐退磁性能高于第三子部539,第三子部539 的耐退磁性能高于第四子部540。應當注意,子部的數目不限于該實施方 案中描述的四個,而是可以為任意的子部實際數目。另外,可以視具體應 用i殳定任意兩個子部之間的矯頑力值關系。
具有多種材料的磁體構件18還在其它方面提供了更大的設計彈性。例 如,可以調整電動發電機空氣隙中磁通密度的波形,以減少轉矩脈動和磁 芯損耗。對于兩層正弦內部永磁電機而言,在底層獲得的高剩余磁通密度 可以使氣隙磁通密度更符合正弦曲線,從而減少氣隙磁通密度的諧波分 量。此外,將磁體構件分割成不同等級的磁性材料可以幫助減少磁體構件 內部的渦流損失,由此提高電動發電機的低溫性能。此外,分割磁體構件 使尺寸固定的具有一組部件的電動發電機可以具有不同的性能水平,由此
8避免制造具有不同性能水平的電動發電機時耗費于制造各種尺寸部件的 工具的成本。永久性磁體的等級可以多于兩個等級,例如三個或更多。
雖然已經參考一個或更多個示例性實施方案描述了本發明,但是本領 域技術人員應當理解,在不脫離本發明范圍情況下,可以進行各種變化, 并且可以等同替代本發明的要素。此外,在不脫離本發明實質范圍的情況 下可以進行許多修改以使具體的情況或材料適合于本發明的教導。因此, 本發明不限于作為實施本發明所期望的最佳方式公開的具體實施方案,而 是將包括落入所附權利要求范圍內的所有實施方案。
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權利要求
1. 一種用于電動發電機的磁體構件,包括由第一磁性材料制成的所述磁體構件的第一部分和由第二磁性材料制成的所述磁體構件的第二部分。
2. 根據權利要求l所述的磁體構件,其中所述第一部分或所述第二部分中的一個具有高于所述第一部分或 所述第二部分中另一個的矯頑力,并且具有所述較高矯頑力的所述第一 部分或所述第二部分中的一個具有低于所述第一部分或所述第二部分 中的另一個的剩磁。
3. 根據權利要求1所述的磁體構件,其中所述第一部分是第一磁體,所述第二部分是第二磁體,并且所述第 一和第二磁體相互靠近。
4. 根據權利要求l所述的磁體構件,其中所述第 一部分具有相對高的第 一磁性材料百分比,所述第二部分具 有相對高的第二磁性材料百分比,所述第一和第二部分整體形成。
5. —種具有至少一個磁體構件的電動發電機構件,其中所述至少 一個磁體構件包含相互具有不同矯頑力值的多種磁性材料。
6. 根據權利要求5所述的電動發電機構件,其中所述多種磁性材料具有相互不同的剩磁值。
7. 根據權利要求5所述的電動發電機構件,其中所述電動發電機構件是轉子。
8. 根據權利要求5所述的電動發電機構件,其中所述電動發電機構件是定子。
9. 根據權利要求5所述的電動發電機構件,其中所述電動發電機構件是電動機殼。
10. —種提高電動發電機性能的方法,包括選擇同時具有高矯頑力水平和低矯頑力水平的各永磁材料;用所述選定磁性材料制造7lc磁體;以及將所述高矯頑力永磁材料安置在表現出較高退磁場的電動發電機 區域中。
11. 一種提高電動發電機性能的方法,包括確定所述電動發電機中的高退磁場的位置;并且將包括具有較高矯頑力水平的第 一部分和具有較低矯頑力水平的 第二部分的磁性構件安置在所述電動發電機中,使得所述具有較高矯頑力水平的所述部分比所述具有較低矯頑力水平的所述部分更靠近所述 高退磁場的位置。
12. —種調節電動發電機中磁通分布的方法,包括制造包括具有第 一矯頑力水平的第 一部分和具有第二矯頑力水平 的第二部分的磁體構件;并且安置所述磁性構件以獲得期望的磁通分布。
全文摘要
本文公開了一種涉及電動發電機用磁體構件(18、118、218、318、418、518)的裝置,該裝置包括由第一磁性材料制成的磁體構件的第一部分(34、134、234、334、434、534)和由第二磁性材料制成的磁體構件的第二部分(38、138、238、338、438、534)。本文還公開了一種涉及提高電機性能的方法,包括確定電動發電機中的高退磁場的位置,并且將包括具有較高矯頑力水平的第一部分和具有較低矯頑力水平的第二部分的磁性構件安置在該電動發電機中,使得具有較高矯頑力水平的部分比具有較低矯頑力水平的部分更靠近該高退磁場的位置。
文檔編號H02K1/27GK101485064SQ200780021596
公開日2009年7月15日 申請日期2007年6月8日 優先權日2006年6月12日
發明者大衛·富爾頓, 威廉姆·蔡 申請人:雷米技術有限公司