CN103595150B - 具有磁通增强器的电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电机，其具有定子‑转子结构，该结构中，转子具有至少两个磁极。所述磁极设置为以一角度转动，并电磁地与一个或多个齿相互作用，所述一个或多个齿为定子的一部分，邻接在电机的固定位置中。所述结构在磁极和齿之间形成气隙。磁极中的至少一个包括永磁材料，磁通增强器相对于至少一个磁极和至少一个齿设置。所述磁通增强器设置为使磁极和齿之间的磁感线聚集。

Description

具有磁通增强器的电机
技术领域
本发明涉及一种电机，该电机包括：
-转子，所述转子设为相对于定子转动，其中所述转子包括一个或多个磁极，这些磁极相对于所述转子的中心以一角度转动，其中，所述磁极通过电磁场与定子中的一个或多个齿相互作用；
-定子，所述定子被安装在电机中的固定位置，其中在所述齿和所述磁极之间设有间隙，例如气隙；
-至少一个磁通增强器，其相对于至少一个所述磁极和至少一个所述齿设置，其中所述磁通增强器设为在转子转动时，使该磁极和那些齿之间的磁感线聚集。
背景技术
在发电机和电动机中，尤其是在用于风力涡轮机的发电机中，定子和转子之间的气隙中的漏磁是个常见的问题。
人们已经提出转子及定子中各种构造和形状的磁极，并且众所周知的是，使用非磁性材料作为固定永磁体的中间环。
最近，美国专利US6879075B2中提出了一种梯形磁通增强器磁极结构。该专利公开了一种永磁同步电机，其具有沿着圆周设置的转子组件，所述转子组件具有设于倒梯形铁磁极片之间的梯形永磁体。
US7545067B2公开了一种用于发电机的永磁转子，其中所述转子具有轴和圆柱形塑料罩。永磁体被插入至所述塑料罩的凹陷处中，这些凹陷处为燕尾形的容纳口，用于使梯形永磁体紧固地安装在燕尾形的容纳口中。
WO2011/135056A1公开了一种用于风力涡轮机的永磁发电机。该申请公开了一种圆柱形的转子，该转子具有交替设置的磁钢极片和永磁体组件，其中这些梯形的极片和永磁体组件沿平行于转子旋转中轴的方向延伸。每个组件包括两个矩形的永磁体，这两个永磁体位于由磁铁制成的三角形楔形物的两侧。
尽管这些例子提供了现有技术中改进的磁耦合技术，它们仍然使用大量珍贵的磁性材料。这增加了这种转子-定子磁耦合的生产成本。
US5631512A公开了一种电动机，其具有圆柱形的转子，该转子具有交替设置的气隙、永磁体以及用软磁材料制成的磁极片。所述磁极片放置在永磁体的一侧，而气隙则位于永磁 体的另一侧，其与相邻的磁极片分隔开。所述磁极片由转子主体的一部分形成，而气隙则由转子主体中的凹部形成。永磁体的弧长和极片的弧长相等。所述软磁材料只设置在永磁体的前面，其对着转子的转动方向，这意味着，由于气隙起到非磁性材料的作用，背面的磁通量将不会变强。此外，这种结构还使用了大量昂贵的磁性材料来制作转子组件。
发明目的
本发明的目的是提供一种用于电机的定子-转子结构，该结构使气隙中具有更为密集的磁通量，该磁通量比迄今所知的更大。
本发明的一个目的是提供一种定子-转子结构，与现有技术相比，该结构使用更少的磁性材料。
本发明的一个目的是提供一种可选择的结构，该结构使磁场增强。
发明内容
用于实现本发明的电机包括：
-磁通增强器，该磁通增强器包括第一类型层和至少一个第二类型层，所述第一类型层由高能磁性材料组成，其具有指向半径方向的磁感线；所述第二类型层由第二种磁性材料组成，该第二种磁性材料的磁力强度低于所述高能磁性材料的磁力强度，并且
-其中，所述第一类型层位于两个第二类型层之间。
本发明提供了一种电机，其气隙内具有更为密集的磁通量，即平行于转子半径的磁通量更为密集，或者电机可具有比迄今所知更大的间隙。该结构更好地适合于任何应用，例如可将这种定子-转子结构应用于风力涡轮机的发电机或电动机、发电厂、运输装置（例如汽车或船舶）、工业工具或设备。
本发明使得发电机和/或电动机的结构更为紧凑，从而使电机的效率更高。本发明还使电机运转过程中定子和转子之间的错位容差更大。
本发明与之前的电机结构相比，使在定子-转子结构上所使用的昂贵磁性材料用量减少了。
本发明还提供了可使定子和转子之间磁场增强的另可选择的结构。
“磁通增强器”定义为一种磁通控制器或磁通集中器，其收集来自发射器，例如磁铁的磁感线，并通过明确定义的磁路，将磁感线引导至接收器，例如线圈中。在本技术领域中，术语“磁通集中器”已有明确定义。
根据本发明的一种实施方式，所述磁通增强器配置为磁极，其中，覆盖弧长度的多层结构组成夹层结构，其中至少第三类型层形成间隙，该间隙介于所述第二类型层和一个磁极之间，该磁极紧邻于所述磁通增强器。
可将低能磁性材料配置于高能磁性材料的一侧或两侧上，用于减少边缘处的磁漏。所述低能磁性材料可优选设置在两侧，用于减少两侧的磁通泄漏，因为磁通增强器的前面和后面有特定的定子绕组经过。这也可使转子的转动方向相反，而不影响转子和定子之间的磁通分布。
这种磁极结构，引致一种磁通增强器的产生，其可节省昂贵且珍稀的高能磁性材料，而用便宜且资源丰富的低能磁性材料取而代之。该磁通增强器结构可用于替代电机中的一个或多个常规磁极，和/或相对于至少两个相邻的常规磁极放置。
有时，“高能磁性材料”指硬磁性材料，“低能磁性材料”指软磁性材料。
根据本发明的一种实施方式，所述磁通增强器还包括：
-至少另一个第一类型层，其位于所述第二类型层和所述第三类型层之间，并由高能磁性材料组成，所述高能磁性材料具有指向侧面的磁感线。
这提供了一种磁增强器结构，其使得进一步减少边缘处的磁漏，或者使齿和磁极之间所设计的磁耦合更为准确。
根据本发明的一种实施方式，所述磁通增强器还包括：
-至少另一个第二类型层，其位于所述第一类型层和所述第三类型层之间，并由第二种磁性材料组成，该第二种磁性材料的磁性与第一种磁性材料的磁性不同。
这种磁增强器结构使得用于定子-转子结构的高能磁性材料进一步减少。
根据本发明的一种实施方式，所述磁通增强器围绕由所述第一类型层界定的中心层，其包括：
-预定个数的连续层，其中第一种连续类型层由高能磁性材料组成，其旁边是
-第二种连续类型层，该第二种连续类型层由第二种磁性材料组成，所述第二种磁性材料的磁性与第一种磁性材料的磁性不同，并且
-其中所述连续层由所述第三类型层结束。
所述磁通增强器可形成具有多层的一般夹层结构或层压结构，其中，沿径向，即平行于转子的转动方向设置多个层。这使磁通增强器总是面向定子中一个以上的绕组，例如：至少两个或三个绕组。所述中心层的两侧可设有若干连续层，例如一层、两层、三层、四层或五层。
根据本发明的另一种实施方式，磁通增强器围绕由第一类型层界定的中心层，其包括：
-预定个数的连续层，其中第一种连续类型层由低能磁性材料组成，其旁边是
-第二种连续类型层，该第二种连续类型层由第二种磁性材料组成，所述第二种磁性材料的磁性与第一种磁性材料的磁性不同，并且
-其中所述连续层由所述第三类型层结束。
根据本发明的一种实施方式，磁增强器中的每种连续层类型，其弧长自中心层向着所述第三类型层方向，逐渐减少。
这就提供了一种结构，该结构中，中心层I0是所有层中长度最长的，而最外层IN是所有层中长度最短的。如果层IIN为最外层，则其长度最短。这使得磁通增强器对磁感线具有棱镜效应，将磁感线聚集至单个点。
这提供了一种标准的结构，其稳定地减少了对高能磁性材料的需求，并减少了边缘处的漏磁。
根据本发明的一种实施方式，所述磁通增强器设为，用于各个连续层中的至少高能磁性材料的磁场强度，自所述中心层向所述第三类型层方向，逐渐减小。
这提供了另一种标准结构，其稳定地减少了对高能磁性材料的需求，并减少了边缘的漏磁。根据本发明，也可采用其他使磁通增强器具有棱镜效应的结构。
根据本发明的一种实施方式，位于所述中心层一侧的所述连续层中的至少一层，其弧长与位于中心层另一侧的相同连续层的弧长不同。
所述磁通增强器可具有不对称的结构，其中，位于中心层任一侧、以及自中心层开始的相同连续位置的至少两层的大小和/或形状都不同。在该具体实施例中，一低能磁性材料层位于中心层的一侧，而另一低能磁性材料层位于中心层另一侧的相同连续位置，这两个层的弧长不同。同样，由高能磁性材料组成的两个层位于中心层的两侧，并处于相同的连续位置，二者的弧长也不同。
根据一种实施方式，所述磁通增强器的横截面为梯形，其中至少三层设置为圆形。
这提供了一种磁通增强器，其设计为圆锥形磁极。这使得磁通增强器和/或磁极以不同样式或偏移相对设置，从而使所述定子-转子结构适合于不同应用。
根据本发明的一种实施方式，用于分层形式的高能磁性材料选自剩磁Br为0.5特斯拉以上的磁性材料，或者剩磁Br为1.0特斯拉以上的磁性材料，或者至少包括钕的磁性材料。
剩磁在1.0特斯拉以上是最为理想的，本领域技术人员将从标准表格中或根据商品名选择高能磁性材料。
同样，本领域技术人员会理解，剩磁只是衡量“强度”的一种指标，而通过使用表格、教科书、经验或测量值，本领域技术人员会知道如何在不清楚剩磁的情况下区分可利用的或 列表中的磁性材料。
根据本发明的一种实施方式，用于分层形式的所述低能磁性材料选自剩磁Br为0.5特斯拉以下的磁性材料、或者剩磁Br为1.0特斯拉以下的磁性材料、或者由铁或铁氧体合金制成的磁性材料。
通过使用磁场强度，即剩磁至少为1.0特斯拉的高能磁性材料，同时低能磁性材料的磁场强度，即剩磁，为小于0.5特斯拉时，可实现棱镜效应。
根据一种具体的实施方式，所述电机为用于发电的发电机，或者用于驱动可驱动装置的电动机。
所述磁通增强器结构尤其适合于发电机，例如风力涡轮机发电机，或者电动机，例如电磁电动机。发电机或电动机的尺寸和结构可被配置为适于所应用的场合。
本发明的一个目的，通过设置用于电机的定子-转子结构实现，该结构具有至少一个磁极，通过制作具有所公开的磁通增强器的磁极的方法，制得该磁极，所述方法包括以下步骤：
-制作由连续的第一类型层和第二类型层组成的平面夹层结构，
-使所述平面夹层结构，以一曲率，绕中心第一类型层的中心点弯曲，该曲率由转子芯和定子的曲率确定。
这提供了一种简易方式，用于构建磁通增强器并将其装配至特定的电机的转子-定子结构中。该磁通增强器可优选装配至风力涡轮发电机的定子-转子结构中，或者特定应用的电动机的定子-转子结构中。
通过提供一种磁极，其高度比常规的高，但其高能磁性材料的用量比常规的少，可获得磁极中的高磁通密度。
由于强永磁体由稀土元素的合金制成，高能磁性材料通常被认为是稀土磁体。低能磁性材料通常被认为是基于铁磁体或铁氧体材料的磁性材料。
磁性可通过剩磁（Br）、矫顽力（Hci）、磁能积（BHmax）和居里温度（Tc）进行比较，其中，剩磁（Br）衡量磁场的强度；矫顽力（Hci）是材料对退磁的抵抗力；磁能积（BHmax）是磁能的密度，居里温度（Tc）是材料失去磁力时的温度。
与其他类型的磁体相比，高能磁体或稀土磁体具有更高的剩磁，更大的矫顽力和磁能积，但（对于钕而言）更低的居里温度。以下表格比较了两种稀土磁体，即钕（Nd2Fe14B）和钐-钴（SmCo5），与其他类型永磁体的磁性。
优选的强永磁体为通用的钕类，或者也通常被称为NdFeB、NiB或Neo，并且由钕铁硼合金（Nd2Fe14B）制成。
值得注意的是，上述的所述磁通增强器结构优选可用于任何电机中的任何发电机或电动机系统中，例如风力涡轮机或其他发电厂。据此，公开了一种通用的磁通增强器、一种具有所公开的磁通增强器的发电机、以及配置有所公开的磁通增强器的发电机的一种系统。
同样，所公开的磁通增强器可应用于电动机中。
附图说明
结合附图，对本发明进行描述，其中：
图1 示出了具有永磁发电机（PMG）的电机的横截面；
图2 示出了齿与磁极之间的磁通相互作用的示意图，所述磁极具有磁通增强器结构；
图3 A-D示出了根据本发明的外形为磁极的磁增强器的不同实施例；
图4 A-B示出了外形为磁极的磁通增强器的另外的实施例的示意图；以及
图5 A-B示出了分别在不具有磁通增强器和具有磁通增强器的情形下，定子齿和转子磁极之间的磁相互作用的具体比较实施例。
其中，各附图标记的含义如下：
数字 说明
1 电机
2 发电机
3 转子
4 轴
5 轴支架
6 定子
7 磁极
8 齿
9 气隙
10 气隙距离
11 磁通增强器
12 磁通量
13 永磁材料
14 导磁材料
15 夹层结构
16 层，I0、Ii、IIi、III…
17 高能磁性材料
18 低能磁性材料
19 转动方向
图1示出了电机1的图解实施例的横截面，其中，可设有永磁发电机2。永磁发电机2可包括转子3，该转子3连接至轴4，轴4支撑于轴支架5上。所述电机1可进一步支撑定子6。
转子3可具有一个或多个磁极7，定子6可具有一个或多个齿8，这些磁极7和齿8由气隙9以一定气隙距离10（横向）隔开。
图2示出了发电机2的图解实施例的横截面，其中，具有磁极7的转子3可设为在电机（未示出）中转动。转子3可安装于具有齿8的定子6内，这样，磁极7和齿8形成越过气隙9的电磁耦合。
图中进一步示出了放大区域的有限元模拟，在该区域处，磁极7和齿8（以及支撑结构）以磁性地相互作用。
在齿8和磁极7之间，设有磁通增强器11，或者相对于齿8和磁极7的、使磁通量12增强、聚集或集中的结构，磁通量12以磁通线的密度表示。磁通增强器11可设置在齿8和磁极7之间。
对于相同的磁性相互作用来说，磁通增强器11将允许有更大的气隙距离10，因此，发电机2的性能表现更为平缓。
同等条件下，维持相同的气隙距离10，其将使发电效率更高或者发电机2更紧凑。
同样，通过使用磁通增强器11，在维持同等的气隙距离10和同等的发电机功率或效率的同时，可节省珍贵的磁性材料，。
必须明白，上述用语“相同的”或者“同等条件”理解为不具有磁通增强器11的转子3’和具有磁通增强器11的转子3之间的比较。
图3示出了磁通增强器11的不同实施例(A、B、C、D)。
图3A示出了一个实施例，其中，磁极7可由永磁材料13和磁性材料14，即导磁材料制成，并构成夹层结构15。所述夹层结构15可包括三个层16(I0、II1)，中心层I0为高能磁性材料17’，由低能磁性材料18’组成的外层II1位于中心层I0的两侧。间隙III可最终设于由低能磁性材料18’组成的外层II1的两侧。
应当理解的是，低能磁性材料18可用导磁材料14替代，但通常低能磁性材料18和高能磁性材料17都是永磁材料13。
图3B示出了磁通增强器11的一个实施例，该磁通增强器11具有夹层结构15，在中心层I0和间隙III之间设有由相同的高能磁性材料17和低能磁性材料18组成的层16。另一个由高能磁性材料17组成的层I2可位于由低能磁性材料18组成的层II1旁边。另一个由低能磁性材料18组成的层II2可位于该另一个由高能磁性材料17组成的层I2的旁边。
图3C示出了磁通增强器11的一个通用实施例，该磁通增强器11具有夹层结构15，该夹层结构15具有预定数量的包括永磁材料13的连续的层16。层16自中心层I0出发，朝着间隙III延伸，如层Ii、Iii，其中的i可为1到N的数值。
图3D示出了一个实施例，其中，层16是不对称的。在该具体实施例中，两个由低能磁性材料18组成的层II1，根据优选的转子3的转动方向19，可具有不同的(弧)长度。沿着转动方向19、与相邻磁极7b相对的靠近磁通增强器11前方的层II1的(弧)长，可大于在相反方向、与相邻磁极7a相对的相同的层II1的(弧)长度，或者，反之亦然。
层16的厚度或(弧)长度随着设计参数而变化，本领域技术人员将采用简单的实验法或计算模型，确定层的适当变化。
一种变化是，自中心层I0向间隙III延伸的层16，变得越来越薄。
图4示出磁通增强器11的另一实施例。
图4A示出了一个实施例，其中磁极7′可配置有磁通增强器11，该磁通增强器11的横截面为梯形。磁极7′可具有由至少三个层16组成的夹层结构15，其中每个层16可设为圆形。
图4B示出了一个实施例，其中磁极7″可配置有磁通增强器11，该磁通增强器11由高能磁性材料17的单个层16构成，但面向定子6的齿8的层16′的外侧部分，与面向转子中心的层16′的内侧部分相比，磁性材料更少。层16′可形成夹层结构15，其中外层或外侧部分的磁性与由低能磁性材料18组成的层的磁性相同。
图5示出了电机1中磁相互作用的比较实施例，电机1配置为风力涡轮发电机。图5A示出了不具有磁通增强器11的发电机，图5B示出了具有磁通增强器11的发电机。
对于每个磁极，永磁体的高度为10毫米，体积为2269000立方毫米，或者相当于17.0千克。气隙距离为6.6毫米。
图5A中，使用钕的强磁性材料变体作为磁极7。
图5B中，用混合铁氧体的组合作为低能磁性材料18，用钕磁铁作为高能磁性材料17。
使用磁通增强器11的效果，可考虑扩展至特定的应用，例如用于风力涡轮机的发电机。以下表格总结了基于3.6兆瓦发电机的尺寸、资源和成本的可靠测量，得出的数值。
因此，使用根据本发明的磁通增强器的优势很明显。
本领域技术人员知晓，以上夹层结构15具有由高能磁性材料17和低能磁性材料18组成的层16的“I1-II1-I2-II2结构”，是围绕由高能磁性材料17组成的中心层I0，并以其作为起点。夹层结构15中的层16的结构可优化为特定应用场合，例如增加更多的层16，或者改变层16的(弧)长度。

Claims (16)

1.一种电机(1)，其包括：
-转子(3)，该转子(3)相对于定子(6)转动，其中所述转子包括一个或多个磁极(7)，所述磁极(7)相对于所述转子(3)的中心以一角度转动，其中所述磁极(7)设为通过电磁场与所述定子(6)中的一个或多个齿(8)相互作用；
-所述定子(6)，该定子(6)安装于所述电机(1)中的固定位置，其中在所述齿(8)和所述磁极(7)之间设有间隙(9)；
-至少一个磁通增强器(11)，其相对于至少一个所述磁极(7)和至少一个所述齿(8)设置，其中所述磁通增强器(11)设为在所述转子(3)转动时，使所述磁极(7)和所述齿(8)之间的磁感线聚集；其特征在于：
-所述至少一个磁通增强器(11)包括第一类型层(I0)和至少一个第二类型层(II1)，所述第一类型层(I0)由高能磁性材料(17)组成，其磁感线为指向侧面；所述第二类型层(II1)由第二种磁性材料(14、18)组成，该第二种磁性材料(14、18)的磁力强度低于所述高能磁性材料(17)的磁力强度，并且覆盖弧长的所述第一类型层(I0)和第二类型层(II1)形成由层(16)组成的夹层结构(15)，
-其中所述第一类型层(I0)位于两个第二类型层(II1)之间，其中至少一个第三类型层(III)形成间隙，该间隙介于至少一个所述第二类型层(II1)和紧邻所述磁通增强器(11)设置的至少一个磁极(7)之间。
2.根据权利要求1的电机(1)，其特征在于所述至少一个磁通增强器(11)还包括：
-至少另一个第一类型层(I2)，其位于所述至少一个第二类型层(II1)和所述第三类型层(III)之间，其由高能磁性材料(17)组成，所述高能磁性材料(17)的磁感线为指向侧面。
3.根据权利要求2的电机(1)，其特征在于所述至少一个磁通增强器(11)还包括：
-至少另一个所述第二类型层(II2)，其位于所述另一个第一类型层(I2)和所述第三类型层(III)之间，其由第二种磁性材料(14、18)组成，其磁性与高能磁性材料(17)的磁性不同。
4.根据权利要求1的电机(1)，其特征在于所述至少一个磁通增强器(11)
-围绕由第一类型层(I0)界定的中心层，包括预定个数(i＝1、2、……、N)的连续层(Ii、IIi)，其中第一种连续类型层(Ii)由高能磁性材料(17)组成，其旁边是
-第二种连续类型层(Iii)，该第二种连续类型层(Iii)由第二种磁性材料(14、18)组成，所述第二种磁性材料(14、18)的磁性与所述高能磁性材料(17)的磁性不同，
-其中所述连续层(Ii、IIi)由所述第三类型层(III)结束。
5.根据权利要求4的电机(1)，其特征在于：每个连续类型层(Ii、IIi)的弧长，自所述中心层(I0)向所述第三类型层(III)方向递减。
6.根据权利要求4或5的电机(1)，其特征在于：至少用于每个第一种连续类型层(Ii)中的所述高能磁性材料(17)的磁性，自所述中心层(I0)向所述第三类型层(III)方向递减。
7.根据权利要求4的电机(1)，其特征在于：所述连续层(Ii、IIi)中的至少一个位于所述中心层(I0)的一侧，其弧长与位于所述中心层(I0)另一侧的相同连续层(Ii、IIi)的弧长不同。
8.根据权利要求1的电机(1)，其特征在于：所述至少一个磁通增强器(11)形状为梯形，其中所述层(16)为圆形。
9.根据权利要求1的电机(1)，其特征在于：用于所述第一类型层(I0)的所述高能磁性材料(17)选自剩磁Br为0.5特斯拉以上的磁性材料。
10.根据权利要求1的电机(1)，其特征在于：用于所述第一类型层(I0)的所述高能磁性材料(17)选自剩磁Br为1特斯拉以上的磁性材料。
11.根据权利要求1的电机(1)，其特征在于：用于所述第一类型层(I0)的所述高能磁性材料(17)至少包括钕。
12.根据权利要求1的电机(1)，其特征在于：用于所述第二类型层(II1)的所述磁性材料(18)选自剩磁Br为0.5特斯拉以下的磁性材料。
13.根据权利要求1的电机(1)，其特征在于：用于所述第二类型层(II1)的所述磁性材料(18)选自剩磁Br为1特斯拉以下的磁性材料。
14.根据权利要求1的电机(1)，其特征在于：用于所述第二类型层(II1)的所述磁性材料(18)由铁或铁氧体合金制成。
15.根据权利要求1的电机(1)，其特征在于：所述电机(1)为用于发电的发电机，或者用于驱动可驱动装置的电动机。
16.根据权利要求1至11任一项的具有磁通增强器(11)的磁极(7)的制作方法，该方法包括以下步骤：
-制作由连续的第一类型层(I)和第二类型层(II)组成的平面夹层结构；
-使所述平面夹层结构，以一曲率，绕中心第一类型层(16’)的中心点弯曲，该曲率由转子(3)芯和定子(6)的曲率确定。
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