CN102201711A - 转子和永磁体式旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于具有高输出和抗消磁性的大型永磁体式旋转电机的转子和永磁体式旋转电机。具体地，本发明提供一种适用于永磁体式旋转电机的转子，该旋转电机包括转子和定子，该定子配置成距离该转子的外周面一定间隙并通过绕着具有两个以上槽的定子芯缠绕绕组线而形成，该转子包括在两个以上插入孔的每个插入孔中的一个以上的永磁体，该插入孔在转子芯内沿周向形成，其中在每个永磁体的定子侧表面区域的磁矫顽力比在内中央部的磁矫顽力大300kA/m以上，该内中央部是距离永磁体的每个外形面至少5mm深度的内部。本发明还提供一种永磁体式旋转电机，其包括上述转子和配置成距该转子的外周面一定间隙并通过绕着具有两个以上槽的定子芯缠绕绕组线而形成的定子。

Description

转子和永磁体式旋转电机

技术领域

本发明涉及一种用于永磁体式旋转电机的转子，该旋转电机包括转子和定子，该转子包括嵌入转子芯内的多个永磁体，该定子通过绕着具有多个槽的定子芯缠绕绕组线而形成，该转子和该定子被配置成其间具有间隙(这种旋转电机被称为磁体嵌入式旋转电机或IPM(内置永磁体)旋转电机)，特别地，涉及一种最适用于大型风力发电机等的永磁体式旋转电机用的转子。

背景技术

由于Nd系烧结磁体的优异磁性，它被越来越多地用于各种目的。近年来，在诸如电动机和发电机等旋转电机领域中，随着设备的重量、厚度、长度、尺寸方面减小、功能方面改进以及变得更加节能，利用Nd系烧结磁体的永磁体式旋转电机已经得以发展。由于除了利用在磁体嵌入转子内部的IPM旋转电机中磁体的磁化所产生的转矩之外，还可以利用转子轭的磁化所产生的磁阻转矩，所以这种电机已经作为高性能旋转电机被研究。由于磁体被嵌入硅钢板等转子轭内部，所以磁体不会因旋转过程中的离心力而飞出。因此，这种旋转电机具有高度的机械安全性，通过控制电流相位可以在高转矩和宽范围转速下运转，并且可以成为节能、高效率和高转矩的电动机。近年来，作为用于电车、混合动力车、高性能空调、工业目的和火车等的电动机或发电机的应用急速扩大。

今后，Nd系烧结磁体预期将被用于大型风力发电机。大型风力发电机要求效率更高、发电量更大、电力品质更好和故障率更低。为此，预期利用Nd系烧结磁体的旋转电机在风力方面的用途今后会急速扩大。

一般而言，由于绕组线造成的反磁场作用，旋转电机中的永磁体易于被消磁，使得磁矫顽力必须等于或高于一定值。由于磁矫顽力随着温度的升高而降低，所以当磁体被用于其中不能忽视因磁体内的涡电流所造成的发热的高速旋转时，要求具有更大室温磁矫顽力的磁体。另一方面，作为磁力大小指标的残余磁通密度需要尽可能高，因为它直接影响发电量。

在Nd系烧结磁体的磁矫顽力和残余磁通密度之间存在权衡关系，使得残余磁通密度随着磁矫顽力的增大而降低。因此，存在的问题是，当具有不必要高的磁矫顽力的磁体用于发电机时，发电量降低。

近年来，根据WO 2006/043348 A1以及Kenichi Machida、Takashi Kawasaki、Shunji Suzuki、Masahiro Ito和Takashi Horikawa的“Grain Boundary Reforming and Magnetic Properties of Nd-Fe-B-based Sintered Magnet(Nd-Fe-B系烧结磁体的晶界重整和磁性)”，Abstracts of Lectures of Japan Society of Powder and Powder Metallurgy(日本粉体和粉末冶金协会的演讲摘要集)，2004年春季大会，第202页中的记载，公开了一种用于增大磁矫顽力而不降低残余磁通密度的方法，其中Dy(镝)或Tb(铽)从烧结磁体的表面朝向内部扩散。因为通过该方法可以在晶界处有效地使Dy和Tb变浓，所以可以增大磁矫顽力，而几乎不降低残余磁通密度。此外，磁体的尺寸越小，Dy或Tb越向内扩散，使得该方法可以适用于小型或薄型磁体。

JP 2008-061333A公开了一种表面磁体式旋转电机(被称为SPM(表面永磁体)旋转电机)，它利用了已经进行过Dy或Tb扩散处理的磁体。可以有效地增大D形磁体的薄部分的磁矫顽力，并且通过向磁体扩散Dy或Tb而获得这种磁体。

发明内容

有鉴于上述情形，完成了本发明；本发明的目的是提供一种适用于具有高输出和抗消磁性的大型永磁体式旋转电机的转子以及永磁体式旋转电机。

为实现上述目的，本发明人进行了努力研究，结果发现，在利用多个永磁体的IPM旋转电机中，使用以下这样的永磁体是有效的：每个永磁体在转子外周侧(即，在定子侧表面区域)的磁矫顽力大于在永磁体内部的磁矫顽力。在额定输出高于1MW的大型风力发电机中，发电机的转子转速最大约为2000rpm。在这种低转速下，磁体中的涡电流不大，发热不会成为问题。因此，关于消磁，不需要考虑由于涡电流造成的磁矫顽力降低。关于消磁，需要考虑由定子线圈造成的反磁场。

JP 2008-061333A公开了在SPM旋转电机中，在D形磁体的薄部分中自反磁场很大，使得可能在这些部分中发生消磁，并且有效的方法是对薄部分进行Dy或Tb的扩散处理，因为这些部分很薄，使得磁矫顽力即使在这些部分的内部也会充分增大。另一方面，在IPM旋转电机中使用的矩形磁体具有均匀的磁体厚度，并且在自反磁场的大小方面没有很大差异。此外，在大型发电机使用的大型磁铁中，Dy或Tb不会扩散到内部而增大磁矫顽力。因此，扩散法对于IPM旋转电机不被认为是有效的。

然而，本发明人已经发现，对于IPM旋转电机的大型发电机，仅在已经进行过扩散处理的表面区域增大磁矫顽力是有用的。扩散处理被认为具有在从表面到小于5mm深度的区域中增大磁矫顽力的效果。从磁体的表面到更深的位置，磁矫顽力的增大被认为逐渐变弱。已经发现，在大型风力发电机的IPM旋转电机中，在从表面到约3mm深度的区域中磁矫顽力的增大极其有效。

在大型风力发电机中，对抗自然灾害的措施非常重要，并且需要考虑在所有情况下的磁体消磁，尤其是在永磁体式旋转电机中。最严格的磁体消磁条件是因发电机的短路电流造成的大的反磁场。因例如雷击而使控制发电机输出的器件破损，会造成这种短路电流。这种短路电流是在额定运转时的电流的数倍，并且此时的反磁场也是在额定运转时的反磁场的数倍。在线圈中产生的短路电流造成大的磁通量流通过定子、间隙和转子。一部分磁通量流在磁体上作为反磁场起作用并引起消磁。大部分磁通量流入由软磁性材料制成的转子芯，并且一部分泄漏到磁体。已经发现，在额定输出为1MW以上的大型发电机使用的旋转电机中，其中该旋转电机包括直径为500mm以上的转子，泄漏的磁通量尤其是流入从磁体的定子侧表面到3mm深度的区域。也就是说，已经发现，通过增大在定子侧大约3mm区域的磁矫顽力，可以在很大程度上降低消磁的可能性。

作为增大磁矫顽力的方法，上述利用扩散处理的方法是合适的。如果使用在整个磁体内具有高磁矫顽力的常用磁体，则残余磁通密度会降低，使得发电机输出降低。因为上述利用扩散处理的方法可以增大磁体的从表面到小于5mm深度的区域的磁矫顽力，并且几乎没有降低残余磁通密度，所以这种方法被认为是最合适的。虽然由于扩散处理造成的磁矫顽力的增大从表面到更深的位置变弱，但是利用扩散处理的方法被认为十分有效，这是因为JP 2008-061333A公开了对于经过Dy扩散处理的磁体的9mm厚度部分，磁矫顽力增大300kA/m，并且利用Tb扩散，进一步增大。

如上所述，本发明人已经考虑到，上述在涂布法或溅射法中通过扩散Dy或Tb增大矫顽力的方法作为针对大型风力发电机的IPM旋转电机中磁体消磁的措施非常有效。通过使用根据上述方法在定子侧区域增大磁矫顽力的磁体，可以防止当短路电流流过发电机而在磁体的定子侧区域产生大的反磁场时的消磁，并且由于与增大磁矫顽力的其他方法相比较高的残余磁通密度，因此可以提高旋转电机的输出。

如上所述，大型风力发电机中的转速相对较低，使得流过磁体的涡电流很低，并且发热的可能性很小。然而，当旋转电机的放热很差时或者当旋转电机在高转速下使用时，因涡电流引起的发热特别会成为问题。为了通过将涡电流流过的路径P分割而降低涡电流，有效的是按图7所示分割磁体。此外，还有效的是，对经分割磁体而成的每个磁体片进行扩散处理，以防止消磁。在这种情况下，有效的是使用对涡电流可能流过的四个面(即，平行于图7中的磁化方向M的四个面)进行扩散处理以增大这四个面的表面区域的磁矫顽力的磁体。

本发明提供一种适用于永磁体式旋转电机的转子，所述旋转电机包括转子和定子，所述定子配置成距离所述转子的外周面一定间隙并通过绕着具有两个以上槽的定子芯缠绕绕组线而形成，所述转子包括在两个以上插入孔的每个插入孔中的一个以上的永磁体，所述插入孔在转子芯内沿周向形成，其中在每个永磁体的定子侧表面区域的磁矫顽力比在内中央部的磁矫顽力大300kA/m以上，所述内中央部是距离永磁体的每个外形面至少5mm深度的内部。本发明还提供一种永磁体式旋转电机，其包括上述转子和配置成距离所述转子的外周面一定间隙并通过绕着具有两个以上槽的定子芯缠绕绕组线而形成的定子。

根据本发明，通过使用包括一个以上的具有高残余磁通密度和高磁矫顽力的永磁体的转子，特别是在靠近定子的表面区域具有高磁矫顽力，可以提供具有高输出、高抗消磁性并适于大型风力发电用的磁体式发电机的IPM旋转电机。

附图说明

图1示出本发明中的IPM旋转电机的一个例子；

图2示出在短路电流流过时的电流波形；

图3示出永磁体内部的反磁场分布；

图4的横轴示出距永磁体的定子侧表面的距离，纵横示出在各距离(深度)处的反磁场与永磁体的内中央部的反磁场之间的差值；

图5示出本发明中的IPM旋转电机的另一个例子；

图6示出当永磁体配置成V形时永磁体内部的反磁场分布；和

图7示出涡电流流过的路径被分割的实施方案。

具体实施方式

根据本发明的永磁体式旋转电机的转子是用于IPM永磁体式旋转电机的转子，该旋转电机包括转子和定子，该转子包括嵌入转子芯内的多个永磁体，该定子通过绕着具有多个槽的定子芯缠绕绕组线而形成，该转子和该定子被配置成其间具有间隙。在本发明中，多个永磁体的每一个在转子外周侧的表面附近的磁矫顽力大于在内部的磁矫顽力。

作为这种IPM旋转电机，图1示出了一个例子。图1中的IPM旋转电机10是一个例子，该旋转电机包括转子11，该转子具有12极结构并具有嵌入作为磁性钢板的层压件的转子芯12内的多个永磁体13。根据旋转电机的目的选择极数。定子15是磁性钢板的层压件并具有18个槽。定子15包括绕着定子芯16的各个齿缠绕的线圈17。线圈形成三相Y形接线。图1中的箭头示出了各个永磁体的磁化方向。磁化方向与转子的径向方向平行，并且沿周向彼此相邻的磁体的磁化方向彼此相反。

使用的永磁体优选为Nd系稀土烧结磁体。稀土烧结磁体在残余磁通密度和磁矫顽力方面比其他磁体更优异。Nd系稀土烧结磁体比Sm系稀土烧结磁体更便宜且在残余磁通密度方面更优异，因此，Nd系稀土烧结磁体是最适合高性能旋转电机的磁体材料。作为Nd系稀土烧结磁体，可以包括具有Nd-Fe-B组成的烧结磁体，例如Nd₂Fe₁₄B。一个永磁体片可以嵌入转子的各个插入孔中。可选择地，可以使用粘合剂将分割磁体所成的两个以上的永磁体片彼此粘合而形成层压件并嵌入插入孔中，或者可以在未使用粘合剂的情况下将两个以上的永磁体片形成层压件并嵌入插入孔中。

在本发明中，如上所述，使用在靠近定子侧的表面附近的磁矫顽力大于在内部的磁矫顽力的磁体。可以通过使用上述涂布法或溅射法使Dy或Tb从磁体表面向内部扩散来形成这种磁体。磁体通常呈矩形形状，优选边长为10mm以上的正方形或者短边长为10mm以上的矩形，厚度也为10mm以上。根据本发明，在永磁体的定子侧表面区域的磁矫顽力比在内中央部的磁矫顽力大300kA/m以上，其中，内中央部是距离永磁体的每个外形面至少5mm深度的内部。内中央部是远离整个永磁体的外表面的部分，并且几乎不会受到涂布法或溅射法中的扩散的影响。

WO 2006/043348 A1和JP 2008-061333A中描述了在涂布法或溅射法中将Dy或Tb从磁体表面向内部扩散的方法，该方法有时被称为“利用晶界扩散合金法的表面处理”。在该方法中，优选地，在真空或不活泼气体中，在低于或等于烧结磁体本体的烧结温度下，对烧结磁体本体和烧结磁体本体表面上存在的粉末进行热处理。粉末含有选自以下物质中的一种或多种物质：选自包含Y和Sc在内的稀土元素中的一种以上元素的氧化物、氟化物和酰基氟化物。烧结磁体本体可以优选是具有R¹-Fe-B组成的烧结磁体本体，其中，R¹代表选自包含Y和Sc在内的稀土元素中的一种以上元素。JP 2008-061333A公开了一种利用已经进行过Dy或Tb扩散处理的磁体的SPM旋转电机。这种SPM旋转电机可用于风力发电机。

在适用于大型风力发电的发电机中，使用直径约500mm以上的转子。转子的轴向尺寸约为500mm以上，沿轴向方向层压磁体，多个磁体沿轴向方向插入形成在转子轭中的各贯通孔内，从而使长度大约等于转子的轴向长度。

一般而言，通过在旋转过程中改变磁场，在旋转电机的磁体中产生涡电流。涡电流转换成热量，作为焦耳损失，使得磁体的温度升高。由于磁体的磁矫顽力随着温度升高而降低，所以当涡电流很大时，矫顽力显著降低，使得磁体被消磁。由于涡电流的大小与磁场变化频率的二次方成比例，所以涡电流损失成为高速旋转的旋转电机中的问题。另一方面，在将转子叶片的转速提高大约100倍的同时，使大型风力发电机的转子转动。在1MW以上的大型风力发电中，在这种情况下的发电机的转子转速约为2000rpm以下。因此，在这种低转速下的涡电流很小，并且因涡电流损失造成的发热量也很少。这样，对于必要的磁矫顽力，可以认为不需要考虑涡电流损失。

当在额定运转时短路电流流过发电机的情况下，大型风力发电机中的消磁可能性变得最高。这种可能性会在事故时发生，例如用于在额定运转时控制负载的半导体器件的破损。在短路的时候，在线圈中产生为额定运转时的电流若干倍的电流，并且由于线圈电流产生的磁通量从定子经过间隙流入转子。大部分磁通量通过具有高透磁率的转子轭，并且由于转子大约完全变得磁气饱和，所以一部分磁通量泄漏到磁体区域中。因为磁通量主要泄漏到磁体的定子侧表面区域中，所以反磁场在这些部分中变得很大，从而造成消磁的可能性。因此，需要增大在定子侧表面区域的磁矫顽力。

图2示出在短路电流流过时的电流波形。为进行比较，也示出了在额定运转时的电流波形。可以看出，当发生短路时，远大于在额定运转时电流的电流流过。当电流到达短路电流波形中的峰值时，作用在磁体上的反磁场最强。图3示出此时在永磁体内部的反磁场分布。在图3中，示出了转子芯12、永磁体13、定子芯16和线圈17，并且可以看出，反磁场在更靠近磁体的定子侧表面区域A内的表面的部分中变得较强。

图4的横轴示出距永磁体的定子侧表面的距离，纵横示出在各距离(深度)处的反磁场与永磁体的内中央部的反磁场之间的差值。可以看出，在距表面1mm距离处的反磁场比在磁体的内中央部的反磁场大高约260kA/m，在距表面2mm的距离处的反磁场比在磁体的内中央部的反磁场高约200kA/m。因此，为了防止消磁，需要额外的磁矫顽力来补偿反磁场，距离表面1mm处的适当所需额外磁矫顽力为约260kA/m以上，距离表面2mm处的适当所需额外磁矫顽力为约200kA/m以上。

作为另一个例子，图5中示出永磁体配置成V形的IPM旋转电机。图5中的IPM旋转电机20包括转子21和定子25，该转子具有嵌入作为磁性钢板的层压件的转子芯22中的多个永磁体23，该定子包括绕着定子芯26的各个齿缠绕的线圈27。虽然这个例子也是12极18个线圈的旋转电机，但其是每极中两个永磁体配置成V形的IPM旋转电机。图5中的箭头示出了各个永磁体的磁化方向。

图6中示出当短路电流流过永磁体配置成V形的IPM旋转电机时作用在磁体上的反磁场分布。在图6中，示出了转子芯22、永磁体23和线圈27。按与图3中相同的方式，反磁场在更靠近磁体的定子侧表面区域A内的表面的各部分中更强，并且其值与图4中的值相同。

根据上述说明，作为用于诸如大型风力发电机等发电机的磁体的磁矫顽力，合适的是，使用在定子侧表面区域的磁矫顽力比在磁体的内中央部的磁矫顽力高约300kA/m的磁体。磁体的定子侧表面区域是指从表面到5mm以下深度的区域，优选是从表面到4mm深度的区域，更优选是从表面到3mm深度的区域，再更优选是从表面到2mm深度的区域。进一步优选的是，从磁体表面到1mm深度的定子侧表面区域的磁矫顽力比在磁体的内中央部的磁矫顽力高500kA/m。

作为在磁体的表面区域增大矫顽力的方法，上述在涂布法或溅射法中的扩散处理是合适的。因为通过扩散处理增大磁矫顽力的效果在更靠近磁体表面的位置更高，所以在具有图3所示的反磁场分布的磁体环境中，通过扩散处理来增大磁矫顽力特别有效。依据处理条件，通过扩散处理在磁体表面附近使磁矫顽力增大约500～800kA/m，并且对于具有图4所示的反磁场分布的磁体而言，这种磁矫顽力增大是足够的。因为利用扩散处理的方法几乎不会降低残余磁通密度，所以可以保持残余磁通密度高于使用具有高磁矫顽力的磁体的常规方法，从而可以提高风力发电的发电量。

如上所述，因为需要通过扩散处理仅在磁体的定子侧表面区域增大磁矫顽力，所以在扩散处理步骤中仅必须处理磁体的一个面。然而，当在涂布法或溅射法中仅处理磁体的一个面而与处理所有面相比因增加诸如掩蔽等额外步骤使成本增大或生产性降低时，可以处理所有面，而不是仅处理一个面。当处理磁体的所有面时，在磁体的所有表面区域中磁矫顽力增大。这种在所有表面区域中的增大不会不利地影响磁体或发电机，并且只要磁矫顽力至少在定子侧表面区域中增大，就不会造成问题。相反，当仅处理一个面时，磁体必须插入转子中，并且被处理面务必朝向定子，因此需要采取措施防止在组装时磁体的被处理面朝向相反方向的错误。当处理所有面时，这种错误不会发生。基于这些观点，可以使用所有面均被处理的磁体。

实施例

虽然下面通过实施例对本发明的实施方案进行了详细描述，但是本发明不限于这些实施例。

<实施例1>

准备尺寸为100mm×100mm×20mm且沿厚度20mm的方向磁化的多个矩形Nd系烧结磁体，并对它们进行扩散处理。通过以下步骤进行扩散处理：将粒状氟化镝与乙醇混合；将磁体浸渍在混合物中，其中，各个磁体除了与磁化方向垂直的一个面之外的面均被掩蔽；然后在氩气气氛中在900℃下加热磁体1小时。从一个磁体的在已经进行过扩散处理的面的中心与距被处理面距离1mm的深度之间的部分，以及从内中央部，分别切下边长1mm的立方体。然后，对于磁体的被扩散处理面所测量的磁矫顽力是1700kA/m，对于磁体的内中央部所测量的磁矫顽力是1200kA/m。

将磁体安装在图1所示的12极18个线圈的发电机中，该发电机的转子直径为600mm和轴长为1000mm，使得磁矫顽力增大的面朝向定子。然后进行发电测试。转子和定子具有厚度为0.5mm的磁性钢板的层压结构，线圈以集中方式缠绕，形成三相Y形接线。

当在1500rpm的转速下进行额定运转时，负载输出大约是3MW，线圈的峰值电流是3000A。接下来，通过在1500rpm的转速下旋转带短路负载的发电机的转子进行短路测试。结果，线圈电流增大达到9300A。在完成短路测试后，测量在1500rpm的转速下的电动势，以研究磁体的消磁。线电压是620V，该值与短路测试之前的值完全相同。因此，可以确认，磁体根本没有被消磁。如上所述，通过使磁体的定子侧表面区域中的磁矫顽力比在内中央部的磁矫顽力高500kA/m，可以得到不会发生消磁的发电机。

<实施例2>

准备由与实施例1相同的材料制成并具有与实施例1相同的尺寸的多个磁体，在与实施例1相同的扩散处理溶液中浸渍但未被掩蔽，并按与实施例1相同的方式进行加热。从一个磁体的在已经进行过扩散处理的六个面的中心与距被处理六个面的中心距离1mm的深度之间的部分，以及从内中央部，分别切下边长1mm的立方体。然后，对于磁体的六个被扩散处理面所测量的磁矫顽力是1700kA/m，对于磁体的内中央部所测量的磁矫顽力是1200kA/m。

将磁体安装在与实施例1相同的发电机中，进行相同的短路测试，并且在测试前后测量电动势。结果，短路测试前后的电动势相同，显示出线电压是620V。因此，可以确认，即便使定子侧表面之外的其他表面的磁矫顽力与定子侧表面的磁矫顽力一样高，与磁体的内中央部的磁矫顽力相比，也不会发生消磁。

<比较例1>

准备由与实施例1相同的材料制成、具有与实施例1相同的尺寸并且未经过扩散处理的多个磁体，进行与实施例1相同的测试。在安装前，测量它们的磁矫顽力是1200kA/m。进行短路测试，结果发现，短路测试前的电动势为620V，短路测试后的电动势为520V，显示出大约16％的降低。可以确认，在定子侧表面的磁矫顽力没有增大的磁体中发生消磁。

Claims (5)

1.一种适用于永磁体式旋转电机的转子，所述旋转电机包括转子和定子，所述定子配置成距离所述转子的外周面一定间隙并通过绕着具有两个以上槽的定子芯缠绕绕组线而形成，所述转子包括：

在两个以上插入孔的每个插入孔中的一个以上的永磁体，所述插入孔在转子芯内沿周向形成，

其中在每个永磁体的定子侧表面区域的磁矫顽力比在内中央部的磁矫顽力大300kA/m以上，所述内中央部是距离永磁体的每个外形面至少5mm深度的内部。

2.根据权利要求1所述的适用于永磁体式旋转电机的转子，其中每个永磁体呈沿周向的边长为10mm以上且沿旋转轴的边长为10mm以上的矩形形状。

3.根据权利要求1或2所述的适用于永磁体式旋转电机的转子，其中所述永磁体是Nd系稀土烧结磁体。

4.根据权利要求3所述的适用于永磁体式旋转电机的转子，其中每个Nd系稀土永磁体的磁矫顽力的分布是从定子侧磁体表面向内部扩散Dy或Tb的结果。

5.一种永磁体式旋转电机，其包括：

根据权利要求1～4中任一项所述的转子；和

定子，所述定子配置成距离所述转子的外周面一定间隙并通过绕着具有两个以上槽的定子芯缠绕绕组线而形成。

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