CN103368295A - 具有导热化合物的ipm 电机及形成其转子的方法 - Google Patents

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CN103368295A CN2013100983003A CN201310098300A CN103368295A CN 103368295 A CN103368295 A CN 103368295A CN 2013100983003 A CN2013100983003 A CN 2013100983003A CN 201310098300 A CN201310098300 A CN 201310098300A CN 103368295 A CN103368295 A CN 103368295A
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Abstract

公开了一种同步电机以及形成内部永磁体（IPM）电机的转子的方法。所述同步电机包括：转子，所述转子具有基本圆筒形芯部，所述芯部具有轴向延伸凹槽；多个永磁体，所述多个永磁体配置为限定沿周向方向的交替磁极的组，所述永磁体设置在所述凹槽中的相应凹槽中；以及导热材料，所述导热材料与所述永磁体和所述芯部连续以用于传递所述永磁体的热量，所述材料具有大于0.3W/(m*K)的热导率。

Description

具有导热化合物的IPM 电机及形成其转子的方法
技术领域
本发明整体上涉及内部永磁体（IPM）旋转电机例如马达，并且更具体地，涉及提供改进效率的IPM转子结构。 
背景技术
永磁体的使用通常改进电机的性能和效率。例如，IPM型电机具有对高转矩密度的磁力矩和磁阻转矩，并且通常提供在较大范围操作条件下的恒定功率输出。IPM电机以较低的转矩脉动和较低的可听噪声进行操作。永磁体可以布置在电机转子的外周缘上（例如，表面安装）或者布置在电机转子的内部部分中（即，内部永磁体，IPM）。IPM电机可以在混合动力车辆或者全电动车中采用，例如当车辆制动时作为发电机进行操作，当车辆加速时作为马达进行操作。其他应用可以将IPM电机完全作为马达采用，例如供电设施和农业机械。IPM电机可以完全作为发电机使用，例如用于供应便携电力。 
IPM电机的转子芯通常通过冲压和堆叠大量金属板材叠片而制成。在一个常见形式中，这些转子芯设有用于接收永磁体的轴向延伸凹槽。磁体凹槽通常设置在面对定子的转子表面的附近。马达效率通常通过最大限度地减小在转子磁体与定子之间的距离而改进。不同的方法已经用来将永磁体安装到转子的磁体凹槽中。这些方法可以在磁体的安装之后在磁体凹槽内留下腔隙空间或者完全填充磁体凹槽。 
将永磁体安装到转子中的最简单方法中的一种为将磁体简单地滑动到凹槽内并且通过在凹槽与磁体之间的压配合接合而将磁体保持在凹槽内。这种类型的安装通常导致位于磁体的相对横向端部处的轴向延伸腔隙空间。如果电机为其中油泼溅到转子上的油冷式电机，则油可以收集在位于转子的磁体凹槽中的腔隙空间中。油在转子的腔隙空间中的 收集由于其可能导致转子的不平衡而为非期望的。 
传统的IPM转子不被充分冷却，这导致较低的电机输出，并可能导致永磁体的退磁华或者由热转子引起的机械问题。 
发明内容
根据实施例，同步电机包括：转子，所述转子具有大致圆筒形芯部，所述芯部具有轴向延伸凹槽；多个永磁体，所述永磁体配置为限定沿周向方向的交替磁极的组，所述永磁体设置在所述凹槽中的相应凹槽中；以及导热化合物，所述导热化合物与所述永磁体和所述芯部连续以用于传递所述永磁体的热量，所述化合物具有大于0.3W/(m*K)的热导率。 
根据另一实施例，形成内部永磁体（IPM）电机的转子的方法包括：将多个永磁体设置在转子芯的对应多个轴向延伸磁体凹槽中，并且利用具有热导率大于0.3W/(m*K)的化合物包封所述多个永磁体。 
前述发明内容并非限制本发明，本发明由所附权利要求限定。类似地，名称和摘要也并非以任意方式限制所要求保护的本发明的范围。 
附图说明
参照以下结合附图对实施例的描述，示例性实施例的上述方面将变为更明显并且将被更好地理解，其中： 
图1为电机的示意性截面图； 
图2为电机的内部永磁体（IPM）转子的立体图； 
图3为永磁体的示意图； 
图4为电机的内部永磁体（IPM）转子的俯视图； 
图5为图4的转子的一部分的放大视图，所述部分被分组为可以限定磁极的永磁体组； 
图6为电机的内部永磁体（IPM）转子的俯视图；以及 
图7为图6的转子的一部分的放大视图，所述部分被分组为可以限定磁极的永磁体组。 
贯穿若干附图，对应的附图标记始终指示对应的或相似的部件。 
具体实施方式
下文描述的实施例并非旨在穷尽的或者将本发明限制于所公开的精确形式。相反，所述实施例被选取和描述为使得本领域的技术人员可以明白和理解这些教导的原理和实践。 
图1为示例性电机组件1的示意性截面图。电机组件1可以包括壳体12，壳体12包括套筒构件14、第一端盖16和第二端盖18。电机20容置在至少部分由套筒构件14和端盖16、18所限定的电机腔体22内。电机20包括：转子组件24、包括定子端匝28的定子组件26、轴承30和固定作为转子24的一部分的输出轴32。转子24在定子26内旋转。转子组件24通过转子毂33固定到轴34上。在可选实施例中，电机20可以为“无毂”设计。 
在一些实施例中，模块壳体12可以包括至少一个冷却剂套42，其例如包括设置在套筒构件14和定子26内的通道。在不同实施例中，冷却剂套42基本围绕定子组件26的部分（包括定子端匝28）。合适的冷却剂可以包括传动油、乙二醇、乙二醇/水的混合物、水、油、马达油、气体、喷雾、或它们的任意组合或另一种物质。冷却系统可以包括喷嘴（未示出）等以用于将冷却剂引导到端匝28上。模块壳体12可以包括多个冷却剂套孔隙46，使得冷却剂套42与电机腔隙22流体连通。冷却剂孔隙46可以设置为与定子端匝28基本相邻以用于引导冷却剂直接接触端匝28并且由此接触冷却端匝28。例如，冷却剂套孔隙46可以设置为穿过套筒构件14的内壁48的部分。在离开冷却剂套孔隙46之后，冷却剂能够流过电机腔隙22的部分以用于冷却其他部件。具体地，冷却剂可以被引导或者喷射到毂33上以用于冷却转子组件24。冷却剂在其进入壳体12内时可以被加压。在离开壳体12之后，冷却剂能够朝向位于壳体12的外侧的热传递元件（未示出）流动，该热传递元件能够移除由冷却剂所接收的热量。热传递元件能够为散热器或者能够移除热能的类似的热交换器装置。 
图2为具有毂组件33的IPM转子24的立体图，毂组件33具有用于将转子24固定到轴32上的中心孔隙。转子24包括转子芯15，转子芯15可以例如以已知的方式形成为堆叠的单独金属（例如钢）叠片。转子芯15包括多个轴向延伸磁体凹槽17、19、21、23，每个具有细长形状，例如细长卵形形状。另外，尽管本文不同地图示为具有锐利角部和端部，但是磁体凹槽17、19、21、23通常具有圆形端部以用于减小在转子叠片中的应力集中。 
图3示出了形成为矩形柱的示例性永磁体2，其具有由任意边缘3的线性尺寸限定的宽度，由任意边缘4的线性尺寸限定的长度，和由任意边缘5的线性尺寸限定的高度。尽管为了讨论的容易起见描述了规则的矩形实心件，但是不同实施例的永磁体可以具有任意合适的形状。例如，磁体2可以具有圆形端部、侧部和/或角部。由边缘3、4限界的相应区域可以在本文被称为磁体顶部和底部。由边缘3、5限界的相应区域可以在本文被称为磁体端部。由边缘4、5限界的相应区域可以在本文被称为磁体横向侧部。磁体2可以具有任意合适的大小以用于安装到不同的磁体凹槽17、19、21、23内。磁体2通常由具有较高磁通密度的稀土金属例如Nd（钕）形成。Nd磁体在操作温度太高的情况下可以退化并且变为退磁化。当电机在高温条件下操作时，永磁体变为过热。例如，当Nd磁体达到大约320℃时，其单独变为退磁化。当电机的温度和电流的组合变为较大时，则退磁化也可能发生。例如，退磁化能够在100℃的温度和2000安培的电流下发生，或者在200℃的温度和200安培的电流下发生。当电机被推动以实现更大性能时，电机功率消耗的增大和呈热量形式的关联功率损耗的增大检验磁体本身的稳定性。由此，可能必要的是向磁体化合物添加Dy（镝）以增大磁体对退磁化的抵抗性。例如，钕-铁-硼磁体可以高达5%的Nd由Dy替代，从而增大磁体2的矫顽力和应变能力。尽管镝可以用于阻止磁体2的退磁化，但是其是昂贵的，并且以任意填料替代Nd减小标称磁场强度。Dy替代可以容许电机更热地运行，但具有相对较低的磁场强度。 
图2的示例具有十组磁体凹槽，其中每组包括磁体凹槽17、19、21、23，并且其中这些组限定沿周向方向交替的磁极（例如，N-S-N-S等）。对于给定应用，可以使用任意合适数量的磁体组。磁体凹槽17、19、21、23和对应的磁体2可以基本在转子芯15的整个轴向长度上延伸。图4为具有十组磁体17、19、21、23的转子组件6的俯视图，图5为其一个磁体组7的放大俯视图。尽管不同的磁体组17、19、21、23被示出为具有锐利边缘，但是该边缘可以为圆形的。在永磁体8已经布置到磁体凹槽17内之后，在磁体8的端部与凹槽17的内壁之间存在间隙34、35。类似地，在永磁体9已经布置到磁体凹槽19内之后，在磁体9的端部与凹槽19的内壁之间存在间隙36、37。在永磁体10已经布置到磁体凹槽21内之后，在磁体10的端部与凹槽21的内壁之间存在间隙38、39。在永磁体11已经布置到磁体凹槽23内之后，在磁体8的端部与凹槽23的内壁之间存在间隙34、35。间隙33-41阻止当磁体中的相应一个的磁化方向垂直于磁体端部时磁通的短路。当磁体凹槽设置为非常靠近转子外部以最大限度地增大马达效率时，由转子的堆叠叠片所形成的转子芯材料的仅仅较细的桥接部将磁体凹槽17、19、21、23与转子的外表面27分开。环氧树脂、树脂、热固性塑料（灌封胶）等已经被常规地注入以用于将NdFeB磁体固定到转子中。例如，不同的电绝缘和热绝缘材料已经被用于在真空辅助树脂传输工艺中固定永磁体。 
存在根据电机的电磁极值的大致最大功率输出，其中该理想最大功率理论上在电机经历无损耗的情况下存在。这种理想功率能够表述为对于较短持续时间的最大功率。在实际情况下操作的实际电机中，存在由于热、摩擦、去耦合等的损耗。当电机连续操作时产生的最大持续功率可以通过将热量从电机中移除而增大。热量堆积限制电机连续运行的能力。通过将热量从热区中移除，电机的连续功率容量增大。电机的冷却例如已经常规地包括使用绕定子的冷却套和用于将冷却剂喷射到定子线圈的端匝上的喷嘴。常规的转子冷却已经包括在转子中形成冷却剂通道。 
在示例性实施例中，尼龙材料ZYTEL（E.I.Du Pont De Nemours and Co.的注册商标）可以在防止空气被捕获在间隙33-41中的处理中被注入到间隙33-41中。在另一示例性实施例中，PTF-2BXX型的被称为LNP Konduit化合物（KONDUIT为SABIC Innovative Plastics 的注册商标）的树脂材料可以被注入到间隙33-41内。在又一示例性实施例中，LNP Konduit化合物PTF-1211被使用。空间25（例如，图4-图5）可以可选地用于引导在磁体组7内的永磁体8-11周围的磁通。例如，钢和/或树脂可以被选择性地布置到空间25内或者浮动在空间25内。在不同实施例中，大于0.3W/(m*K)的热导率发现为显著增大输出功率。在其他实施例中，具有大于大约0.5至0.6W/(m*K)热导率的树脂发现为进一步增大输出功率而同时仍然提供可接受的结构性能。其他实施例可以具有热导率为1.4W/(m*K)的树脂，并且对于某些应用，取决于与温度和电流相关的电机操作条件，树脂可以形成为具有3.0至4.0W/(m*K)或更大的热导率。例如，树脂材料可以生成为具有理想的热导率，但是这可能不适于耐用性、电性能、结构整体性、高温稳定性、在较大温度范围上的热膨胀特性、成本和其他原因。用于包封永磁体的导热塑料可以包括作为基础树脂的聚丙烯（PP）、丙烯腈-丁二烯-硫化物（ABS）、聚碳酸酯（PC）、尼龙（PA）、液晶聚合物（LCP）、聚亚苯基硫醚（PPS）和聚醚醚酮（PEEK），其作为基础树脂与非金属的、导热增强件形成化合物，其显著地增大热导率而同时具有对基础聚合物的制造工艺的最小影响。这种导热聚合物具有范围为从1至20W/(m*K)的热导率。当与常规的塑料进行比较时，该导热聚合物通常具有更高的弯曲和拉伸刚度和更小的冲击强度，并且能够为导电或不导电的。在示例性实施例中，具有较高热导率的氮化硼可以形成在陶瓷结合剂中，其中陶瓷混合物的热导率可以高达125W/(m*K)或更高。 
在示例性实施例中，磁体8-11设置到转子组件24的每个磁体组7的磁体凹槽17、19、21、23内。具有热导率为0.6W/(m*K)的树脂随后被注入以填充磁体凹槽17、19、21、23的空白的空间，包括间隙34-41 的空间。在可选实施例中，永磁体8-11在被插入到磁体凹槽17、29、21、23内之前浸渍或者包封在导热树脂内。在这种情况下，高温（例如，500℃）可以在制造时使用而没有损害。具体地，转子组件24的所有永磁体8-11可以在转子组件已经完成之后被磁化。另外，当注入树脂时可以利用较高的压力。对于模具的较小公差包含压力并且确保转子本体15的叠片的较薄部分不会由此变形。升高的压力容许空气气泡和其他腔隙被移除，从而热导率不会受到损害。 
在一示例性实施例中，至少当其被传输到磁体凹槽17、19、21、23内时，导热化合物可以为液体（例如，熔体）。对于导热陶瓷，可以使用动态压实。例如，在磁体8-11被设置到转子组件24的每个磁体组7的磁体凹槽17、19、21、23内之后，转子本体15被布置到振动台上，导热陶瓷材料的粉末状化合物被灌注到磁体凹槽17、19、21、23内，并且粉末通过振动和/或力而变为压实。这种粉末主要含有导热聚合物，并且可以含有氧化铝、氮化硼、或其他合适的导热填料。取决于所选取的结合剂材料或其他加工技术，聚合物的百分比可以较小或为零。例如，在磁体8-11与转子本体15之间的间隙34-41用作用于接收所注入的导热粉末的通道。捣固棒或者压杆可以至少部分地布置到间隙34-41内以用于确保粉末流动到空空间内并且变为压实。可以采用对于技术人员已知的用于迫压粉末产品的工艺、模具和材料。这些可以包括但不限于使用结合剂以用于浸渍包装的粉末、真空等等。例如，树脂可以在熔化混合物的热加工之前被布置到粉末内，或者粉末可以在添加结合剂之前在转子本体15内熔化。由于永磁体通常在转子组件之后被磁化，因此高达500℃的加热可以用于以导热粉末包封永磁体。可以利用任意合适的工艺，例如根据本领域的技术人员已知方法的灌封、包封和/或模制成型。例如，导热粉末的使用可以包括涂覆鳞片或颗粒。 
对于每个磁体组7的永磁体8-11的磁化可以通过在转子组件之后同时或单独地磁化所有转子磁极（即，磁体组7）而执行，或者转子磁极可以在包封之前被交替磁化。 
在操作时，永磁体8-11的热量通过导热树脂、陶瓷或其他化合物被传递到转子本体15的叠片堆叠内。转子本体15的永磁体8-11和叠片堆叠均作为热导体。当毂33为转子组件24的一部分时，这种毂33传导叠片堆叠的热量。油或其他冷却剂可以与毂33流体连通，并且热交换器（未示出）（例如外部油冷却器）或者毂33可以与冷却套42（例如，图1）的冷却剂流体连通以用于将热量从油中移除。由此，通过利用具有热导率大于0.3W/(m*K)、并且优选地至少0.55至0.6W/(m*K)的化合物包封永磁体8-11，避免了具有永磁体作为“热点”的常规问题。由具有热导率为0.60W/(m*K)的化合物包封的永磁体的IPM转子的性能测试显示了电机输出功率的25%或更大的增大。例如，当利用具有热导率为大约0.2W/(m*K)的塑料灌封材料构造时提供150kW/hr的电马达在利用具有热导率为大约0.55W/(m*K)的塑料灌封材料构造时具有高达200kW/hr的功率输出。通过将热量从电机1中移除，极大地减小了对连续电机操作的限制。对于给定温度，提供更大的输出功率。通过使电机1更接近理论设计限制进行操作，对于提供给定量的功率，电机1可以更小和更便宜。 
图6为具有十组磁体凹槽49-52的转子组件44的俯视图，图7为其一个磁体组45的放大俯视图。尽管磁体凹槽49-52中的不同的一个示出为具有锐利边缘，但是该边缘可以被倒角。在永磁体8已经被布置到磁体凹槽51内之后，在磁体8与凹槽51的内壁之间存在间隙。类似地，磁体凹槽50限定绕永磁体9的间隙，磁体凹槽52限定绕永磁体10的间隙，而磁体凹槽49限定绕永磁体11的间隙。永磁体8-11可以浸渍到导热化合物中和/或它们可以被插入到对应的磁体凹槽49-52内并且随后如上所述地包封。在一个实施例中，永磁体8-11可以被包封、安装，并且随后在安装之后被另外地包封。通过提供在磁体凹槽49-52中的空间以用于容纳至少一层导热化合物，永磁体8-11可以被更完全地包封。在一实施例中，永磁体浮动、磁化并且最终利用包封剂结合到基于磁场排列（alignment）的固定位置内。对于给定应用可以采用不同的模制成型和灌封工艺。例如，热胶或导热脂 （thermal grease）可以安装到特别感兴趣的区域中以用于使根据冷却剂流的热传递最大化。 
可以使用不会导致在凹槽内的任意腔隙空间的将永磁体安装到凹槽中的其他方法。例如，粘结剂或者树脂材料可以被注入到凹槽的腔隙空间内以完全填充凹槽并且将磁体牢固地保持在凹槽内。设计用于韧性、高温下的结构整体性、线性热膨胀系数、介电常数、耐化学性等的材料例如尼龙树脂为结构上特别适于包封或者容纳转子的永磁体。本发明的方法和装置可以包括如在以下文献中公开的合适的结构和工艺，所有这些文献的全部内容通过参引的方式并入本文：美国专利No.8,125,777、美国专利No.7,913,375、美国专利No.7,242,126、美国专利No.7,154,200、美国专利No.7,556,082、美国专利No.6,684,483、美国专利申请公布2007/0228862和美国专利申请公布2012/0025642。 
尽管已经详细描述了结合本发明的不同实施例，但是本发明的另外的修改和适应性修改可以对本领域的技术人员发生。但是，应当清楚理解的是，这些修改和适应性修改落在本发明的精神和范围内。 

Claims (15)

1.一种同步电机，包括：
转子，所述转子具有基本圆筒形芯部，所述芯部具有轴向延伸凹槽；
多个永磁体，所述多个永磁体设置在所述凹槽中的相应凹槽中；以及
导热材料，所述导热材料与所述永磁体和所述芯部连续以用于将热量从所述永磁体传递到所述芯部，所述材料具有大于0.3W/(m*K)的热导率。
2.如权利要求1所述的电机，其中，所述导热材料具有大于0.5W/(m*K)的热导率，优选具有大于1.2W/(m*K)的热导率，尤其具有大于3.0W/(m*K)的热导率。
3.如前述权利要求任一项所述的电机，其中，所述导热材料完全包封所述永磁体。
4.如前述权利要求任一项所述的电机，其中，所述永磁体配置为限定沿周向方向的交替磁极的组。
5.一种形成内部永磁体（IPM）电机的转子的方法，包括：
将多个永磁体设置在转子芯的对应多个轴向延伸磁体凹槽中；
利用具有大于0.3W/(m*K)的热导率的材料包封所述多个永磁体。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述材料具有大于0.5W/(m*K)的热导率，优选具有大于1.2W/(m*K)的热导率，尤其具有大于3.0W/(m*K)的热导率。
7.如权利要求5或6所述的方法，其中，所述永磁体在被插入到所述磁体凹槽内之前被包封在导热树脂中。
8.如权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，所述包封包括将导热粉末注入到所述多个磁体凹槽内。
9.如权利要求8所述的方法，还包括将所述导电粉末动态压实到所述磁体凹槽内。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述动态压实包括振动所述转子。
11.如权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，所述粉末包括导热聚合物。
12.如权利要求8至11中任一项所述的方法，其中，所述粉末包括氧化铝和/或氮化硼。
13.如权利要求8至12中任一项所述的方法，还包括熔化所述粉末并且随后向所述导热材料中添加结合剂。
14.如权利要求5至13中任一项所述的方法，还包括在所述包封之前或之后磁化所述永磁体。
15.如权利要求5至14中任一项的方法，其中，在设置所述永磁体之前和之后均执行所述包封。
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