專利名稱：超導磁化器的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及磁化器領域。更具體地，本發明涉及用于在機械構件內設置就 位(in-situ)的磁體的磁化器，該機械構件諸如內部永久性磁體機械的轉子。
背景技術：
許多電機的轉子包括產生磁場通量的永久性磁體，該磁場通量與定子電磁地相互 作用。電磁相互作用導致在電機內電磁能轉換成機械能。內部永久性磁體電機構成一類電機，其中永久性磁體埋置在轉子的體積內。在最 初形成的狀態下，永久性磁體沒有任何凈磁矩。然而，電機的設計原則要求設置在轉子的體 積內的永久性磁體在電機可以置于運行之前處于磁化狀態。本領域已知對磁化過程和組裝永久性磁體電機的兩種方案。在第一種方案中，永 久性磁體在它們被設置在轉子的體積內之前進行磁化。此方案從用于電機的工業組裝過程 的視點而言存在若干缺點。例如，將會意識到完全磁化的永久性磁體塊將面臨與周圍物體 之間的電磁相互作用，這又增加了它們的處理過程的復雜性。在第二種方案中，將最初形成 的永久性磁體設置在轉子內，并使用磁化器來磁化該永久性磁體。從用于電機的工業組裝過程的視點而言，第二種方案也存在若干缺點。例如，對于 能夠在永久性磁體的位置產生足以磁化永久性磁體的磁場通量的磁化器而言，能量和制造 成本是非常高的。典型的現有技術就位的磁化器能夠經濟地磁化由諸如磁鋼和鐵磁的材料 和等級制成的永久性磁體，此類材料和等級具有低的本征矯頑磁力。此類現有技術就位的 磁化器對于磁化表面安裝的永久性磁體用途也有限。對于永久性磁體電機許多正在出現的 應用(如風力渦輪機應用或牽引應用)將受益于高矯頑磁力的稀土永久性磁體材料。通過 現有技術就位的磁化器對此類高矯頑磁力的稀土永久性磁體的就位磁化經濟上是不可行 的。因此，非常期望的是這樣一種磁化器，其能夠經濟地在永久性磁體設置在機械構 件內的位置處提供用戶可限定的磁通量磁場構造，該永久性磁體例如為高矯頑磁力的稀土 永久性磁體，該機械構件例如為轉子；該磁化器還具有能夠輕易適應具有不同尺寸和構造 的電機。
發明內容
本發明的實施例涉及能夠磁化在諸如轉子的機械構件內設置就位的永久性磁體 的磁化器。一種用于磁化在機械構件中安置就位的永久性磁體的磁化器，包括至少一個主超 導線圈以及至少兩個輔助線圈，該至少一個主超導線圈配置成將第一類型的磁場通量形態 (magnetic field flux configuration)投射至第一類型的遠側體積的至少一部分，該至 少兩個輔助線圈關于該至少一個主超導線圈對稱地設置，并配置成將第二類型的磁場通量 形態投射至第二類型的遠側體積的至少一部分。
一種磁化在機械構件中就位的永久性磁體的方法，所述方法包括如下步驟(a) 鄰近該機械構件設置至少一個主超導線圈，(b)關于該至少一個主超導線圈對稱地設置至 少兩個輔助線圈，以及(c)激勵該至少一個主超導線圈和至少兩個輔助線圈。一種磁化器，包括至少一個主超導線圈、至少兩個輔助超導線圈和鐵磁構件，該至 少一個主超導線圈配置成將第一類型的磁場通量形態投射至遠側體積，該至少兩個輔助超 導線圈關于該至少一個主超導線圈對稱地設置并配置成獨立地將第二類型的磁場通量形 態投射至該遠側體積的至少一部分，鐵磁構件構造成支持該磁場通量的至少一部分。由結合附圖提供的本發明的優選實施例的以下詳細描述，這些和其他優點和特征 將更容易理解。
圖1是用于使用現有技術磁化器磁化轉子的現有技術布置的概略性圖示。圖2是描繪對于不同的非限制性永久性磁性材料，作為所施加的磁化磁場的函數 的磁化百分比變化的現有技術數據。圖3是根據本發明的一個實施例用于使用磁化器磁化轉子的磁化器裝置的概略 性圖示300。圖4以橫截面剖切視圖和頂部橫截面剖切視示了一個室，該室設計為低溫室。圖5是根據本發明的一個實施例通過磁化器產生的模擬磁場的磁化磁場通量密 度分布曲線。圖6是根據本發明的一個實施例，顯示對應于圖5中顯示的磁場通量密度分布曲 線沿永久性磁體的長邊緣可得到的磁場強度的曲線圖。圖7是根據本發明的一個實施例磁化在機械構件內就位的永久性磁體的方法的 流程圖。部件列表100 概略性圖示102 轉子104現有技術磁化器106 永久性磁體電機108 多個永久性磁體110多個永久性磁體的“V”形構造112磁化器頭114 線圈116 背鐵118 轉子管120轉子的其它結構122 背鐵116的厚度124之間的距離126相對于磁化器104近鄰的永久性磁體的部分
128鐵磁構件
130磁場通量
132相對于磁化器104遠離的永久性磁體的部分
200作為外部磁化磁場的函數的磁化百分比變化的現有技術數據
202圖表200的縱坐標
204圖表200的橫坐標
206磁化磁場值
208對于Nd-Dy-Fe-B永久性磁化材料的數據
210對于Nd-Dy-Fe-B永久性磁化材料的數據
212對于Nd-Dy-Fe-B永久性磁化材料的數據
214對于Nd-Dy-Fe-B永久性磁化材料的數據
300概略性圖示
302轉子
304磁化器
306永久性磁體電機(未繪出)
308多個永久性磁體
310多個永久性磁體308的“V”形構造
312多個磁化器線圈(未描繪)
314 多個室
316 支承構件
318背鐵
320轉子302的其它結構
322室
324主超導線圈(未描繪)
326輔助線圈(未描繪)
328輔助線圈(未描繪)
330多個極
332轉子302的軸向方向
334轉子302的徑向方向
336室
338室
400側橫截面剖切視圖
402頂橫截面剖切視圖
404超導線圈
406 電機結構
408直邊緣長度
410超導線圈404的第一彎曲部分
412 超導線圈404的第二彎曲部分
414 在超導線圈404的平面中并大致橫切直邊緣420的外部尺寸
416在超導線圈404的平面中并大致橫切直邊緣420的內部尺寸
418軸向厚度
420直邊緣長度
502磁場通量密度分布曲線
504轉子的示意性描繪
506磁化器
507永久性磁體
508永久性磁體
509永久性磁體
510多個永久性磁體
512圖表
514多個永久性磁體的“V”形構造
516永久性磁體508的長邊緣
600圖表
602圖表600的原點
604磁化磁場強度
606圖表600的縱坐標
608圖表600的橫坐標
610飽和磁化磁場Hsat
700流程圖
具體實施例方式在以下描述中，每當本發明的一個實施例的特定的方面或特征被說成包括一組的 至少一個元件及其組合或由一組的至少一個元件及其組合組成時，應該理解成該方面或特 征可單獨地或者與該組的任何其它元件結合地包括該組的元件中的任何一個的或由該組 的元件中的任何一個組成。例如帶有稀土永久性磁體的發電機的永久性磁體電機典型地通過首先磁化設置 在其中的永久性磁體，且然后將它們定位或組裝到該電機的內部“大體積”中而組裝。其中 預磁化的永久性磁體被裝配到電機的大體積中的此類組裝過程通常僅對相對小的電機可 行，此類電機僅需要尺寸上足夠小的永久性磁體，由此它們可以方便地在磁化的狀態下進 行處理。另一方面，對于相對較大的電機，需要復雜的固定裝置和過程來可靠地處理磁化的 永久性磁體并將它們適當地定位在電機的大體積中。將會意識到的是此類復雜的固定裝置 和過程增加了成本，以及對于組裝此類大型電機所需的時間。因而在將永久性磁體組裝到 電機中之后再磁化永久性磁體可能是有利的，就是說，在就位在電機內的永久性磁體已經 定位在電機的大體積內之后再磁化它們。此類方法的可行性取決于能夠可靠地磁化就位在 電機內的永久性磁體的外部磁化器的可得性。如果開發了此類外部磁化器，則它們可能有 利地影響材料和工程成本，以及組裝時間，電機制造過程的多個方面。常規的現有技術磁化器設計有電阻性的電磁線圈，并需要大的電源以便產生用來 磁化永久性磁性材料的磁場。電磁線圈的電阻性特性導致它們內部的焦耳耗散，并需要精巧且從而昂貴的熱學管理系統。減輕熱學管理問題的一種當前方案涉及以高效能循環運行 電源。此方案的伴隨物是要求常規磁化器由此設計成以便它們可快速激勵和去激勵。例如， 典型的常規磁化器需要以 1特斯拉每秒的緩變率激勵和去激勵，此緩變率僅可以大電源 獲得。此類高效能循環操作與其中磁化器連續運行的情況相比將可能導致能耗下降。因此 很明顯的是，磁化器的高效能循環運行還將會導致熱學管理挑戰方面的減少。然而，此類磁 化器的高效能循環運行受磁化器由其構成的電磁線圈的感應系數和電阻限制，這又對電源 提出了增加的能量要求。此外，電阻性電磁線圈在將磁場投射到離它們自身有意義的距離處的位置方面的 能力有限。例如，對于具有內部永久性磁體的典型的大型(大約1到大約5兆瓦)發電機， 永久性磁體可定位在轉子背鐵內離轉子背鐵的最外周邊大約3到大約10毫米(mm)的距離 處。明顯的是，磁化器必定只好定位成超出該周邊，并且因此磁化器必須能夠在此類距離范 圍上執行其磁化動作。現在關于圖1討論此類考慮。圖1是用于使用現有技術磁化器104磁化轉子102的現有技術布置的概略性圖示 100。例如，轉子是永久性磁體電機106(未繪出)的一部分。磁化器104設置成磁化設置 在轉子102內的多個永久性磁體108的其中一個或多個永久性磁體。現有技術中已知用于 在轉子104內多個磁體108的布置的多種構造。例如，在圖1中顯示的實施例102中，多個 永久性磁體設置成“V”形構造110。磁化器104包括磁化器頭112，以及形成磁化器104的 電磁極的線圈114。線圈114被激勵以執行磁化器104的磁化動作，由此至少部分地在由 永久性磁體占據的體積內產生磁場通量130。轉子102包括通常由疊層金屬片構造的背鐵 116。在圖1中顯示的實施例中，多個永久性磁體108定位在背鐵116的體積內。轉子102 還包括磁性上不活動的承載結構。轉子102還包括另外的結構120，其目的和操作對于本領 域技術人員將是已知的。除了其它因素，電機方面的考慮決定了轉子背鐵116的厚度122。這些考慮例如涉 及在背鐵116內需要包含的永久性磁性材料的量，對于特定的運行速度所需的永久性磁性 材料的布置，以及永久性磁體電機106的計劃應用。此類考慮對于本領域技術人員是已知 的。因此，此類考慮規定了背鐵116的最小厚度122，其又固定了磁化器104和永久性磁體 之間最小的可能距離范圍124。永久性磁體的磁化作用必須在此距離范圍124上可靠地執 行。在本領域內，相對于磁化器104在遠側設置的永久性磁體的部分132 (與更靠近磁化器 104設置的永久性磁體的部分126相對)的可靠的就位磁化依然是一個挑戰。例如，在本領域中已知，要大體上完整地磁化例如屬于釹-鐵-硼(Nd-Fe-B)類的 永久性磁體，需要至少大約1600千安培每米(kA/m)的磁場值(例如見國際電工協會，技術 委員會68 磁性合金和鋼鐵)。本領域中已知結合電阻性電磁線圈的常規現有技術磁化器 不能有效地將此類值的磁場可靠地投射到例如對于大型(典型地大于大約1兆瓦)風力發 電機應用的轉子中典型地遇到的背鐵幾何形狀約束或背鐵距離范圍上。除了以上討論的電機方面的考慮，在可以形成用于磁化就位在轉子內的永久性磁 體的任何方案之前，還需要考慮所使用的永久性磁性材料的磁性特征。因此，圖2是描繪對 于不同的非限制性永久性磁性材料，作為所應用的磁化磁場的函數的磁化百分比的變化的 現有技術數據的圖表200，磁化百分比的變化沿縱坐標202描繪，而所應用的磁化磁場沿橫 坐標描繪。例如，數據組208，210，212和214代表具有如表1所列的磁性特征的四種代表性類型的燒結釹-鏑-鐵-硼(Nd-Dy-Fe-B)永久性磁性材料作為所應用的磁化磁場的函 數的磁化百分比的變化。
權利要求
1.一種用于磁化在機械構件內放置就位的永久性磁體的磁化器，包括至少一個主超導線圈，其配置成將第一類型的磁場通量形態投射至第一類型的遠側體 積的至少一部分；以及至少兩個輔助線圈，其關于所述至少一個主超導線圈對稱地設置，并配置成將第二類 型的磁場通量形態投射至第二類型的遠側體積的至少一部分。
2.如權利要求1所述的磁化器，其特征在于，所述磁化器還包括構造成支持所述磁場 通量的至少一部分并同時提供對所述磁化器的機械支承的結構性構件。
3.如權利要求1所述的磁化器，其特征在于，所述磁化器能夠獨立地磁化埋置在所述 機械構件內的多個永久性磁體的至少其中一個。
4.如權利要求3所述的磁化器，其特征在于，所述機械構件包括轉子的背鐵，所述轉子 包括多個極。
5.如權利要求1所述的磁化器，其特征在于，所述至少一個主超導線圈包括包含鎢 型超導體、高溫超導體以及它們的組合的材料。
6.如權利要求1所述的磁化器，其特征在于，所述至少兩個輔助線圈由普通導體材料 構成。
7.如權利要求1所述的磁化器，其特征在于，所述至少兩個輔助線圈由選自包括低溫 超導體、中溫超導體、高溫超導體以及它們的組合的組的材料構成。
8.如權利要求1所述的磁化器，其特征在于，所述至少一個主超導線圈和所述至少兩 個輔助線圈彼此獨立地激勵，并且其中當所述至少兩個輔助線圈處于激勵狀態時，所述至 少兩個輔助線圈配置成減輕由激勵的所述至少一個主超導線圈在所述第二遠側體積內產 生的磁場通量形態。
9.一種磁化在機械構件內就位的永久性磁體的方法，所述方法包括如下步驟(a)鄰近所述機械構件設置至少一個主超導線圈；(b)關于所述至少一個主超導線圈對稱地設置至少兩個輔助線圈；以及(c)激勵所述至少一個主超導線圈和所述至少兩個輔助線圈。
10.一種磁化器，包括至少一個主超導線圈，其配置成將第一類型的磁場通量形態投射至遠側體積；至少兩個輔助線圈，其關于所述至少一個主超導線圈對稱地設置，并配置成獨立地將 第二類型的磁場通量形態投射至所述遠側體積的至少一部分；以及鐵磁構件，其構造成支持所述磁場通量的至少一部分。
全文摘要
本發明涉及超導磁化器，具體而言，公開了一種用于磁化在機械構件(302)中放置就位的永久性磁體(308)的磁化器(304)。該磁化器包括至少一個主超導線圈(324)以及至少兩個輔助線圈(326，328)，該至少一個主超導線圈配置成將第一類型的磁場通量形態投射至第一類型的遠側體積的至少一部分，該至少兩個輔助線圈關于該至少一個主超導線圈對稱地設置，并配置成將第二類型的磁場通量形態投射至第二類型的遠側體積的至少一部分。還公開了一種磁化在機械構件內就位的永久性磁體的方法(700)。
文檔編號H02K1/00GK101997344SQ20101025835
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月12日 優先權日2009年8月12日
發明者E·W·斯陶特納, K·西瓦蘇布拉馬尼亞姆, P·L·詹森 申請人:通用電氣公司