CN105612681A - 具有优化的永久磁铁分布的电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机，包括：至少一个第一永久磁铁；至少一个第二永久磁铁；第一区域，其温度在工作中处于第一温度范围中；和第二区域，其温度在工作中处于第二温度范围中，所述至少一个第二永久磁铁具有比第二永久磁铁更高的最大工作温度，在此最大工作温度低于永久磁铁的磁场强度由温度引起地并且基于从外部施加到永久磁铁上的磁场不可逆地降低时的温度，并且第一永久磁铁设置在第一区域中并且第二永久磁铁设置在第二区域中。

Description

具有优化的永久磁铁分布的电机

技术领域

本发明涉及一种包括多个永久磁铁的电机，所述磁铁优化分布在电机中。在分布永久磁铁时尤其是考虑电机中的温度分布。

背景技术

在用于轿车、如混合动力车辆或电池供电车辆的电驱动装置中主要使用具有永久磁铁的同步电机(永磁同步电机)作为电动机。在此使用的磁铁主要是NdFeB磁铁(钕铁硼磁铁)。所述电动机在低转速时具有高扭矩并且具有极高的效率。在优化的磁铁布置中可在几乎全部转速范围上实现高效率。所使用磁铁的质量重达数公斤。永磁同步电机的另一个应用领域是风力发电机。这种风力发电机的磁铁质量可重达数百公斤至1000公斤。

在现有技术中使用的永久磁铁包括被称为稀土的金属合金。这种金属例如是钕和镨。此外使用重稀土镝和铽。磁铁的成本已经因近年来在电动车辆和可再生能源发电领域中增加的需求而急剧上升。这些磁铁在电机中分布地安装于定子(外转子)或转子(内转子)中。在现有技术中经常使用NdFeB磁铁，因为它们具有目前已知的最高磁通密度。但这种磁铁的缺点在于，它们在高温下不能承受从外部施加的反向磁场并且在该条件下被消磁。在电机工作时通过电能向机械能的转换或反过来产生损耗热量。由此加热电机构件。在达到高于约80℃的磁铁临界温度时，磁铁的磁场强度逐渐并且不可逆地消失。

为了使电机能够在尽可能高的极限温度范围上工作、保持低的冷却费用并且承受尽可能长的高持续功率，将NdFeB磁铁借助镝和/或镨合金化。但镝和镨的成本大约是钕的十倍。

发明内容

本发明的任务在于提供一种电机，该电机一方面具有耐高温的磁铁并且另一方面降低成本。

该任务通过根据权利要求1的电机来解决。从属权利要求要求保护优选实施方式。

根据本发明的电机包括至少一个第一永久磁铁和至少一个第二永久磁铁。此外，电机包括第一区域，其温度在工作中处于第一温度范围中；和第二区域，其温度在工作中处于第二温度范围中并且其最大工作温度高于第一区域中的最大工作温度。所述至少一个第二永久磁铁具有比第一永久磁铁高的最大工作温度。最大工作温度低于这样的温度，在该温度时永久磁铁的磁场强度由温度引起地并且基于从外部施加到永久磁铁上的磁场不可逆地降低。第一永久磁铁设置在第一区域中并且第二永久磁铁设置在第二区域中。

电机在本发明的意义中不仅可以是电动机也可以是发电机。

根据本发明，本发明的发明人提出，永久磁铁材料的选择考虑电机中的温度分布。因此，为承受较高热负荷的磁铁设置更耐抗的材料、如借助其合金化。为承受较低热负荷的磁铁设置份额较低的更高品质的磁性材料、如借助其合金化。

永久磁铁的磁场强度根据工作温度和从外部施加到永久磁铁上的磁场在超过极限值时不可逆地降低，在此磁场可由电机的绕组(电磁铁)来产生。通过电磁铁产生的磁场可与永久磁铁的磁场反向定向。在永久磁铁内存在从外部施加的高磁场强度时，必须维持较低的工作温度，以避免永久磁铁损坏。在高度利用的机器中(扭矩和/或体积)场强通常大于不太充分利用的机器。通常为特定工作温度总是给出5％场强(HD05)。这意味着，当从外部施加的场强在磁铁中达到该值时，磁铁失去其5％的剩余磁通密度，即磁铁变弱5％。外部场强超过该场强HD05越多，损害就越大。超过一次后损害立即出现。在此不涉及老化效果。

最大工作温度可比所述温度(在该温度时永久磁铁的磁场强度由温度引起地不可逆地降低)低至少5℃、优选至少10℃、进一步优选至少15℃、更优选至少20℃、最优选至少25℃。在永久磁铁的磁场强度由温度引起地不可逆地降低时的温度可以是这样的温度，在该温度时永久磁铁的外斯磁畴的宏观取向基于由从外部施加到所述至少一个永久磁铁上的磁场而消失。永久磁铁的磁场强度可通过剩余磁通密度产生。从外部施加的磁场可通过定子绕组或通过其它电磁铁产生。永久磁铁的物理基础对于技术人员是公知的并且无需在此进一步简要说明。

所述至少一个永久磁铁的最大工作温度和从外部施加到所述至少一个永久磁铁上的磁场的最大场强可比永久磁铁的磁场强度或剩余磁通密度由温度引起地不可逆地降低时的值低至少5％、优选至少10％、更优选至少20％。

第二永久磁铁可以相对于第一永久磁铁含有较高份额的镝、镨、铽和/或钐钴。承受较高热负荷的磁铁比承受较低热负荷的磁铁借助更高份额的镝(Dy)和/或镨(Tb)和/或铽和/或钐钴合金化。因此，可通过为电机承受较高热负荷的区域中的各个永久磁铁使用更高品质且昂贵的磁性材料并且通过在电机承受较低热负荷的区域中使用较低品质的并且因此较低成本的材料总体上降低磁铁和电机的成本。

第一区域和/或第二区域可位于转子中。第二区域可沿径向方向比第一区域更靠近转子的轴线。该方案基于下述认识：在转子内部存在的温度高于转子边缘区域。

转子可构造成基本上圆柱形的、即转子的外部轮廓可以是基本上圆柱形的。在该方案中第一区域可比第二区域更靠近圆柱形转子的底面。第一区域可比第二区域例如不仅沿径向方向而且沿轴向方向更靠近转子的边缘。

所述至少一个第一永久磁铁和所述至少一个第二永久磁铁可至少部分设置在至少一个电机用钢片上。

电机可以是同步电机。电机可以是发电机和/或电动机。

附图说明

下面参考附图详细说明本发明，附图示出本发明的一种不起限制作用的实施方式。附图如下：

图1示出本发明电机转子的剖面图；

图2示出本发明电机转子的俯视图。

具体实施方式

图1和2示出电机中的示例性温度分布。当然，温度分布基于转子旋转速度或冷却机制可以是不同的。当转子借助轴冷却时，可产生不同于图1和2所示温度分布的温度分布。

参考图1，该图示出本发明电机或同步电机的剖面图。电机不仅可作为电动机也可作为发电机工作。电机具有转子100，该转子支承在轴102上。电机还包括三个定子绕组182、184、186。在定子绕组182、184、186上施加旋转磁场，该旋转磁场借助三相交流电产生。图1中所示同步电机的工作方式对于技术人员是公知的并且无需进一步简要说明同步电机。定子绕组182、184、186分别构成一个电磁铁。

在支承于轴102上的电机用钢片104中设有多个磁铁106－140、146－180。磁铁106－140、146－180这样设置，使得磁铁的北极在图1所示视图中向上定向并且南极向下定向。

转子包括具有较低热负荷的第一区域144和具有较高热负荷的第二区域142。第二区域中的最大工作温度高于第一区域中的最大工作温度。设置在第一区域144中的磁铁106、108、114、116、118、128、146、148、154、156、158、168与设置在第二区域142中的磁铁110、112、120、122、124、126、130、132、134、136、138、140、150、152、160、162、164、166、170、172、174、176、178、180相比具有较低的最大工作温度。

磁铁的最大工作温度低于这样的温度，在该温度时永久磁铁的磁场强度由温度引起地并且基于由电磁铁182、184、186产生的磁场不可逆地降低。永久磁铁的磁场强度由温度引起地不可逆地降低时的温度可以是这样的温度，在其中永久磁铁的外斯磁畴的宏观取向基于由电磁铁182、184、186产生的磁场而消失。所述至少一个永久磁铁的最大工作温度和由所述至少一个电磁铁在所述至少一个永久磁铁上产生的磁场的最大场强可以比在永久磁铁的磁场强度由温度引起地不可逆地降低时的值低至少5％、优选至少10％、更优选至少20％。第二区域142中的磁铁可比第一区域144中的磁铁含有更高份额的镝、镨、铽和/或钐钴。

最大工作温度可比永久磁铁的磁场强度由温度引起地和/或基于从外部施加到永久磁铁上的磁场不可逆地降低时的温度低至少5℃、优选至少10℃、进一步优选至少15℃、更优选至少20℃，最优选至少25℃。

在图1中示出，沿径向方向设置多个磁铁层。磁铁层越靠近转子中心，就有越多的磁铁位于承受较强热负荷的第二区域142中。在沿径向距离中心最远的第一层中设有磁铁106、108、110、112、114、116以及146、148、150、152、154、156。磁铁106、108、114、116、146、148、154、156位于承受较低热负荷的第一区域144中，而磁铁110、112、150、152位于承受较高热负荷的第二区域142中。

第二层包括磁铁118、120、122、124、126、128以及158、160、162、164、166、168。在第一区域144中仅设有磁铁118、128、158、168。在第二区域142中设有磁铁120、122、124、126、160、162、164、166。因此，在更靠近转子旋转点设置的第二层中位于第二区域142中的磁铁多于与第二层相比距离转子旋转点更远的第一层。

在比第二层更靠近转子旋转点的第三层中所有磁铁130、132、134、136、138、140、170、172、174、176、178、180位于第二区域中。

图2示出本发明转子100的俯视图。图2示出磁铁布置的俯视图，该磁铁布置构成转子北极。图2示出最上层、即第一层磁铁。在图2所示视图中，磁铁排列成行和列。左起第二列包括磁铁106、108、110、112、114、116，它们在图1的剖面图中示出。

所述行和列越靠近转子的边缘，就有越多的磁铁位于第一区域144中并且越少的磁铁位于第二区域142中。在最外面一行中所有磁铁6、106、206、306、406、506、16、116、216、316、416、516位于第一区域144中。在第二最外侧行中部分磁铁8、108、408、508、14、114、414、514位于第一区域44中，第二最外侧行中的磁铁208、308、214、314位于第二区域142中。

在里侧行——其距离转子100圆柱形表面上的磁铁布置的边缘最远——中磁铁10、510、12、512位于第一区域144中并且磁铁110、210、310、410、112、212、312、412位于第二区域142中。

磁铁行距离磁铁布置的边缘越远，就有越多的磁铁位于第二区域中。磁铁布置位于假想的圆柱壳体上，该圆柱壳体的轴线与转子100的旋转轴线重合。

在前面描述的、在任意假想的转子100圆柱壳体上的磁铁布置的最外侧列中，所有外侧磁铁6、8、10、12、14、16、506、508、510、512、514、516位于第一区域144中。在第二最外侧列中，磁铁106、108、114、116、406、408、414、416位于第一区域144中并且磁铁110、112、410、412位于第二区域142中。在距离任意假想圆柱壳体的磁铁布置的边缘最远的内侧列中，磁铁206、216、306、316位于第一区域144中并且磁铁208、210、212、214、308、310、312、314位于第一区域142中。磁铁布置的行在任意假想的围绕转子100旋转轴线的圆柱体周面上距离相应的磁铁布置边缘越远，就有越多的磁铁位于第二区域142中并且因此越少的磁铁位于第一区域144中。

本发明的优点在于，可制造包括多个离散磁铁的电机并且只需在出现较高热负荷的区域中使用含有稀有和/或昂贵的原料的磁铁。由此一方面延长了电机的使用寿命并且另一方面降低了制造成本。

Claims (10)

1.电机，包括：

－至少一个第一永久磁铁(6、8、10、12、14、16、106、108、114、116、118、128、146、148、154、156、158、168、206、216、306、316、406、408、414、416、506、508、510、512、514、516)；

－至少一个第二永久磁铁(110、112、120、122、124、126、130、132、134、136、138、140、150、152、160、162、164、166、170、172、174、176、178、180、208、210、212、214、308、310、312、314、410、412)；

－第一区域(414)，该第一区域的温度在工作中处于第一温度范围中；和

－第二区域(412)，该第二区域的温度在工作中处于第二温度范围中并且该第二区域的最大工作温度高于第一区域中的最大工作温度；

－所述至少一个第二永久磁铁具有比第二永久磁铁高的最大工作温度，最大工作温度低于这样的温度，在该温度时永久磁铁的磁场强度由温度引起地并且基于从外部施加到永久磁铁上的磁场而不可逆地降低，并且第一永久磁铁设置在第一区域中并且第二永久磁铁设置在第二区域中。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，在永久磁铁的磁场强度由温度引起地不可逆地降低时的温度是这样的温度，在该温度时外斯磁畴的宏观取向基于从外部施加到永久磁铁上的磁场而消失。

3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，最大工作温度比在永久磁铁的磁场强度由温度引起地不可逆地降低时的温度低至少5℃、优选至少10℃、进一步优选至少15℃、更优选至少20℃、最优选至少25℃，和/或其特征在于，所述至少一个永久磁铁的最大工作温度和从外部施加到所述至少一个永久磁铁上的磁场的最大场强比在永久磁铁的磁场强度由温度引起地不可逆地降低时的值低至少5％、优选至少10％、更优选至少20％。

4.根据权利要求1至3之一所述的电机，其特征在于，第二永久磁铁(110、112、120、122、124、126、130、132、134、136、138、140、150、152、160、162、164、166、170、172、174、176、178、180、208、210、212、214、308、310、312、314、410、412)与第一永久磁铁(6、8、10、12、14、16、106、108、114、116、118、128、146、148、154、156、158、168、206、216、306、316、406、408、414、416、506、508、510、512、514、516)相比含有较高份额的镝、镨、铽和/或钐钴。

5.根据上述权利要求之一所述的电机，其特征在于，所述第一区域和/或第二区域位于转子中。

6.根据权利要求5所述的电机，其特征在于，所述第二区域(412)沿径向方向比第一区域更靠近转子(100)的轴线(102)。

7.根据权利要求5或6所述的电机，其特征在于，所述转子(100)构造成基本上圆柱形的，并且第一区域(414)与第二区域(412)相比更靠近圆柱形转子(100)的底面和/或边缘。

8.根据上述权利要求之一所述的电机，其特征在于，所述至少一个第一永久磁铁(6、8、10、12、14、16、106、108、114、116、118、128、146、148、154、156、158、168、206、216、306、316、406、408、414、416、506、508、510、512、514、516)和所述至少一个第二永久磁铁(110、112、120、122、124、126、130、132、134、136、138、140、150、152、160、162、164、166、170、172、174、176、178、180、208、210、212、214、308、310、312、314、410、412)至少部分设置在至少一个电机用钢片(104)上。

9.根据上述权利要求之一所述的电机，其特征在于，所述电机是同步电机。

10.根据上述权利要求之一所述的电机，其特征在于，所述电机是发电机和/或电动机。