CN106575909B - 具有导电笼转子构造的分层永磁体 - Google Patents

Abstract

公开了具有导电笼转子结构的分层永磁体。根据一个方面，本文描述的主题包括用于电机的转子。转子包括：转子主体，该转子主体具有中心轴线并且包括多个永磁体，该多个永磁体被定位成产生在转子的外围表面周围分布的多个转子磁极；以及提供围绕转子磁极中的每一个的导电回路的笼。每个永磁体具有磁体，该磁体具有中心部分和外围部分，中心部分包括具有比包括外围部分的材料更高的剩磁的材料，并且外围部分包括具有比包括中心部分的材料更高的矫顽性的材料。

Description

具有导电笼转子构造的分层永磁体

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年5月29日提交的美国临时专利申请序列号62/004,859的权益；其全部公开内容通过引用合并于此。

技术领域

本文描述的主题涉及永磁电机。更具体地，本文描述的主题涉及具有导电笼式转子构造的分层永磁体。

背景技术

无刷永磁(PM)机使用嵌入有永磁体的转子，其被布置为使得多个磁极径向地、轴向地或横向地从转子突出。定子包含生成在定子的周边周围移动的磁极的电磁体。由通过定子绕组的电流所产生的移动磁极对由嵌入在转子内的PM所产生的磁极的吸引和排斥产生转矩。

基于温度和场要求来选择嵌入在转子内的磁体。包含在转子内的永磁体响应于在磁化方向上经历低磁通密度而容易受到损坏，诸如可能在启动状况期间或在故障状况期间发生，例如，当磁体暴露于与磁体的磁场极性相反的强磁场时，这可以使磁体的一些或全部退磁。

图1A是示出通常在PM电机中使用的磁体类型的退磁曲线的图。注意，磁体退磁的磁通密度随着温度的增加而增加。例如，在60[C]的拐点为约0.1[T]，而在100[C]时，拐点为约0.5[T]。获得低于拐点的磁通值使降低到该临界值以下的磁体退磁。即使在瞬态事件期间，机器几何形状中的磁体的无负载磁体工作点以及定子电流的安培匝数决定了磁体的工作点。对于发电机，由于主要发生在边缘处的损失而可以首先假定磁体在磁体的主体上处于相同的温度，并且磁体通常通过相同的边缘被冷却。机器的稳态操作通常不使磁体退磁，但是对于大的电机和发电机(具有径向冷却管道)，退磁似乎主要在短路类型事件的情况下发生。

此外，诸如可能在启动或故障状况期间发生的磁通量的大的改变感生在转子中及其周围的电压。如果转子被构造为具有导电元件，则感生的电压能够引起显著电流的流动，这用于产生抵消磁通量并且因此保护永磁体不被退磁。磁通量的改变也能够感生磁体的主体内的涡流。这些感生的涡流还产生抵消磁通量，并且因此提供一些抵抗退磁的保护。然而，磁体主体内的抵消磁通量往往大于磁体周边的抵消磁通量，结果是磁体的周边对磁体主体的其余部分具有较小的保护，并且因此磁体的边缘往往经历比磁体的磁芯所遭受的更多的退磁。耦合效应是涡流产生显著的额外损耗，并且在短路时间框架内，该能量不在磁体中传播，因此磁体的周边呈现出显著的温度上升。随着磁体的温度升高，其对退磁的磁阻减少。

能够诸如通过包含镝(Dy)来产生能够在较高温度下操作并且更耐退磁的磁体，但是该技术具有缺点。首先，由于稀土元素(例如镝)的高成本而导致这些磁体更昂贵，稀土元素的供应非常有限，并且因此变得越来越昂贵。第二，虽然包含镝增加了磁体的矫顽性，矫顽性是磁性材料对磁化改变的磁阻，其等于使完全磁化的材料退磁所需要的场强度，但是包含镝还使得磁体具有更低的剩磁，这是在移除外部磁场之后留在铁磁材料(诸如铁)中的磁化。这也是对磁化的度量。这在图1B中示出。

图1B是示出矫顽性(H_CJ)和剩磁(B_R)如何随着镝的重量百分比增加而改变的图。可以看出，随着镝的重量百分比增加，矫顽性增加，而剩磁降低。换言之，难以退磁(即具有高矫顽性)的材料也难以磁化到每体积材料所需的磁强度(即，具有低剩磁)。这意味着，磁体的尺寸必须增加以补偿剩磁的减少，这也增加了机器的成本。因此，需要包括以下磁体的PM转子，该磁体在最小化昂贵材料的使用的同时抗退磁。

可以提供针对退磁事件的保护的一种技术是使用转子笼。然而，由于下述原因，在PM机上不使用转子笼。PM机和同步机器都二者是“绕线场”机器的类型。绕线场机器对定子使用线圈而不是永磁体。感应电机和同步电机使用嵌入在转子内的导线回路而不是永磁体。定子绕组随时间改变相位以产生在定子的周边旋转的一组极。当旋转极中的一个通过嵌入在转子内的线的回路时，变化的磁场在导线内感生电流，其生成垂直于导线环路的平面的相反的磁场。该相反磁场沿着在定子周围移动的极背后拉动转子。该类型的机器也被称为同步机。无刷电机具有嵌入在转子内的永磁体而不是导线回路。当相对的极在定子周围旋转时，转子的极与相对极一起被拖动。该类型的机器也称为PM机。

在同步机中，转子通常包括笼，该笼是包围转子的每个极的一组导电回路，以减少机器的瞬态电抗，并且因此在故障状况期间提供针对损坏的一些保护。当电网上的故障发生时，增加的电流流过供应故障的电网部分。故障的阻抗和馈送故障的网络二者限制故障电流幅度。电路断路器断开(清除)存在故障的故障电路。当有显著电流流过断路器时，断路器断开，断路器存在以保护存在故障的电路。由于网络的总阻抗，该电流电平再次从发电机通过故障。通常，在60[Hz]处存在显著阻抗，使得不足够的电流流过电路以断开(清除)电路断路器。发电机上的笼的存在降低了发电机的瞬态阻抗，使得在故障期间可以存在足够的电流来使得电路断路器可以断开(在几个电气周期中)并且清除电网的故障部分，而没有对网络的过度损坏，并且希望限制故障中所消耗的能量，使得不会发生火灾。这些回路还用于屏蔽机器以避免在故障状况期间的损坏。这些笼通过作用为限制各个杆之间的网状空间中的磁链的改变来工作。

在绕线场永磁(PM)机中，在转子上安装有磁体。然而，尽管在相同或类似应用中使用的同步机通常具有转子笼，但是传统的PIM机不包括转子上的笼。

在PM机的转子上使用笼将提供用于保持由导电条链接的磁通恒定的类似特性，并且因此将对磁体提供针对退磁的一定程度的保护，但是该益处通常在行业中没有被认识到。相反，PM机中的导电笼曾经被避免，因为笼的存在减少了机器的次瞬态电抗。该次瞬态电抗的减少增加了许多PM机中的电流纹波和损耗，并且增加了转换器中的损耗。

因此，鉴于与传统PM机相关联的这些缺点，存在对提供针对退磁事件的增强的保护的转子设计的需要。更具体地，存在对具有导电笼转子构造的分层永磁体的需要。

发明内容

在永磁电机中，需要确保磁体在正常和异常操作期间保持操作。当磁体由于热和低磁通量水平而退磁时，注意保持磁体冷却并具有适当的几何形状，使得在高反向磁场状况下，磁体中的通量水平不会降低到磁滞曲线中的拐点以下。对于某些永磁电机，对磁体操作的最大挑战是在瞬态事件期间，诸如定子上的电气绕组中的短路。在这些瞬态中，能够使磁体退磁的场具有非常短的持续时间。利用导电转子笼，事件的持续时间和幅度被减轻。然而，由于趋肤效应(由于由导电笼中的电流而产生、由笼中的磁链的变化引起的场)，在该瞬态事件期间，在磁体中总是存在一些减少的场。因此，磁体的外部暴露于比磁体的内部小的磁化方向上的磁通量的值。因此，导电笼和与如下磁体的使用的组合提供了针对退磁事件的保护，其远远大于单独使用这些技术中的任何一个，该磁体具有与磁体的主体的磁芯中相比在磁体主体的周边中具有较高固有矫顽性。

根据一个方面，本文描述的主题包括一种用于电机的转子。转子包括具有中心轴线并且包括多个永磁体的转子主体，多个永磁体被定位成产生在转子的外表面周围分布的多个转子磁极；以及笼，包括在转子磁极中的每一个周围的导电回路。每个永磁体包括具有中心部分和外围部分的磁体，中心部分包括具有比包括外围部分的材料更高的剩磁的材料，并且外围部分包括具有比包括中心部分的材料更高的矫顽性的材料。

根据另一方面，本文描述的主题包括一种具有混合笼的电机。该机器包括具有中心轴线和用于生成定子磁极的旋转场的多个绕组的定子、以及具有与定子的中心轴线重合的中心轴线的转子。转子包括多个永磁体，多个永磁体被定位成产生在转子的外表面周围分布的多个转子磁极；以及混合笼，包括在转子磁极中的每一个周围的导电回路，每个永磁体包括具有中心部分和外围部分的磁体，其中，中心部分包括具有比包括外围部分的材料更高的剩磁的材料，并且其中，外围部分包括具有比包括中心部分的材料更高的矫顽性的材料。

根据又一方面，本文描述的主题包括一种用于操作具有混合笼的永磁电机的方法。该方法包括在电机处提供笼，电机包括具有多个永磁体的转子，多个永磁体被定位成产生在转子的外表面周围分布的多个转子磁极，笼包括在转子磁极中的每一个周围的导电回路，其中，每个永磁体包括具有中心部分和外围部分的磁体，其中，中心部分包括具有比包括外围部分的材料更高的剩磁的材料，并且其中，外围部分包括具有比包括中心部分的材料更高的矫顽性的材料。

本文所描述的主题可以以软件与硬件和/或固件的组合来实现。例如，本文描述的主题可以以在由处理器执行的软件来实现。在一个示例性实现中，本文所描述的主题能够使用存储有计算机可执行指令的非瞬态计算机可读介质来实现，该计算机可执行指令在由计算机的处理器执行时控制计算机执行步骤。适用于实现本文描述的主题的示例性计算机可读介质包括非瞬态计算机可读介质，诸如磁盘存储器件、芯片存储器件、可编程逻辑器件和专用集成电路。另外，实现本文描述的主题的计算机可读介质可以位于单个器件或计算平台上，或者可以在多个设备或计算平台上分布。

附图说明

现在将参考附图来说明本文描述的主题的优选实施例，在附图中，相同的附图标记表示相同的部分，其中：

图1A是示出通常在PM机中使用的磁体类型的退磁曲线的图；

图1B是示出矫顽性(H_CJ)和剩磁(B_R)如何随着镝的重量百分比增加而改变的图；

图2A和图2B分别示出了根据本文描述的主题的实施例的与在磁体主体的磁芯中相比在磁体主体的周边中具有更高固有矫顽性的示例性永磁体的平面图和正交视图；

图3示出了根据本文描述的主题的另一实施例的与在磁体主体的磁芯中相比在磁体主体的周边中具有更高固有矫顽性的示例性永磁体的正交视图；

图4、图5和图6示出了根据本文描述的主题的实施例的具有导电笼转子构造的示例性分层永磁体的截面；

图7和图8分别示出了根据本文描述的主题的实施例的具有和不具有笼的转子中的一对永磁体的健康状况；

图9是示出针对具有和不具有笼的转子，磁体变得退磁时的近似磁通状况和得到的退磁边缘宽度的图；

图10A、图10B、图10C、图11A、图11B、图12A和图12B图示了根据本文描述的主题的其他实施例的笼；

图13A和图13B图示了根据本文描述的主题的实施例的用于具有分层永磁体和混合笼的永磁电机的示例性转子的截面；

图14A和图14B图示了根据本文描述的主题的其他实施例的用于具有分层永磁体和混合笼的永磁电机的示例性转子的截面；

图15A、图15B和图15C图示了根据本文描述的主题的实施例的用于具有分层永磁体和混合笼的永磁电机的示例性转子的电路。

具体实施方式

根据本文公开的主题，提供了用于具有导电笼式转子构造的分层永磁体(PM)的系统、方法和计算机可读介质。

本文描述的主题将在先前在PM机中没有同时看到的两个特征组合在一起——即，PM转子包括与在磁体主体的磁芯中相比在磁体主体的周边中具有更高固有矫顽性的永磁体和笼二者。

现在将详细参考本发明的示例性实施例，其示例在附图中示出。只要可能，在附图中将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。

图2A和图2B分别图示了根据本文描述的主题的实施例的与在磁体主体的磁芯中相比在磁体主体的周边中具有更高固有矫顽性的示例性永磁体的平面图和正交视图。在每个图中，永磁体主体200包括中心部分202和外围部分204。中心部分202包括相对于外围部分204具有高剩磁的材料，并且外围部分204包括相对于中心部分202具有高矫顽性的材料。在一个实施例中，外围部分204可以包含比中心部分202中包含的更多的每体积的镝，这使得外围部分204具有比中心部分202更高的矫顽性。由于镝的添加降低了剩磁，所以相对于外围部分204在中心部分202中所包含的更低百分比的每体积的镝将给予中心部分202相对于外围部分204更高的剩磁。在其他实施例中，中心部分202所呈现的更高的剩磁可能是由于出于该目的而添加的，并且与在外围部分204内相比在中心部分202内在体积方面以更高百分比的添加物质而导致的。增加矫顽性的示例性元素包括但不限于铝、钛、钒、铬、铜、镓、锆、铌、钼、锡、铽和钨。

在一个实施例中，在中心部分202和外围部分204之间可以存在过渡层206，其中矫顽性和剩磁值在中心部分202中发现的值和外围部分204中发现的值之间某处。该过渡层可能存在或可能不存在。在不存在过渡层206的情况下，在中心部分202和外围部分204之间可能存在尖锐的边界。在存在过渡层206的情况下，在中心部分202和外围部分204之间的值的过渡可以平滑的、以步进方式或根据任何其他转换曲线而过渡。

虽然图2A和图2B中所示的永磁体主体200的实施例提出外围部分206存在于6个表面中的仅4个表面上，但是本文公开的主题不限于此。外围部分206可以存在于永磁体主体200的任何或所有表面上。此外，永磁体主体200不限于立方形或矩形形状，而是可以是任何适当的形状。

图3图示了根据本文描述的主题的另一实施例的与在磁体主体的磁芯中相比在磁体主体的周边中具有更高固有矫顽性的示例性永磁体的正交视图。在图3所示的实施例中，永磁体主体300包括中心部分302和外围部分304。中心部分302由相对于外围部分304具有高剩磁的材料组成，并且外围部分304由相对于中心部分302具有高矫顽性的材料组成。应当注意，在图3中，中心部分302是重度阴影，而外围部分304不是(与图2A和图2B中使用的阴影约定相反)，因为这种阴影约定使得更容易以看到中心部分302，否则中心部分302将被外围部分304遮挡，外围部分304完全围绕并包围中心部分302。在一个实施例中，磁体主体300可以包括过渡层306，过渡层306具有与上述过渡层206相同的特性，这里不再重复其描述。

图4、图5和图6图示了根据本文描述的主题的实施例的具有导电笼转子构造的示例性分层永磁体的截面。

图4图示了根据本文描述的主题的实施例的具有带有导电笼的分层永磁体的转子的一部分。在图4所示的实施例中，转子400包含形成磁极的磁体402。极由导电笼404围绕，导电笼404包括围绕每个磁极的导电回路。转子400围绕轴406。转子400在定子内旋转，为了清楚起见，该定子从该图中省略。在图4所示的实施例中，每个永磁体402包括中心部分402A和外围部分402B，分别在每个磁体主体上指示为非阴影部分和阴影部分。在图4所示的实施例中，转子400的极是垂直于每个磁体402的最大表面的矢量，即从轴406径向延伸的矢量。外围部分402B位于垂直于极的磁矢量的磁体的表面上，即，最可能发生退磁的位置。

导电笼404的存在以下述方式提供针对退磁事件的保护：当磁通量大的改变发生时，这感生电流以在笼404的每个回路内流动。如此感生的电流产生其自身的相反磁场。因为存在笼404，所以在磁体402内存在的磁场强度由于相反磁场而减少。结果，外围部分402B内所需的高矫顽性材料的量小于在没有笼404的情况下所需的量。替代地，可以使用具有稍低矫顽性的更便宜的材料，而不是诸如镝的昂贵的高矫顽性材料，并且仍然提供针对磁体402的退磁的足够的保护。

图5图示了根据本文描述的主题的另一实施例的替代转子配置。在图5所示的实施例中，转子500包括成对布置的永磁体502，以在转子的外径周围产生交替的北(N)和南(S)磁极的图案。每对磁体以V形布置，使得由每对产生的磁场具有垂直于转子500的外表面的矢量。在该实施例中，导电笼504的每个回路包围由磁对502产生的磁极。如图4中的转子400，转子500中的永磁体包括具有比外围部分更高的剩磁的中心部分和具有比中心部分更高的矫顽性的外围部分。如图4所示，每个磁体的外围部分被涂阴影，并且每个磁体的中心部分没有被涂阴影。

图6图示了根据本文描述的主题的另一实施例的又一示例性转子配置。在图6所示的实施例中，转子600包括成对布置的永磁体602，以产生在转子外径周围的交替的北磁极和南磁极的图案。如图5中的转子500，转子600中的每个磁体包括具有比外围部分更高的剩磁的中心部分和具有比中心部分更高的矫顽性的外围部分，并且每对磁体602以V形布置，使得每对所产生的磁场具有垂直于转子600的外表面的矢量。然而，在该实施例中，导电笼604包括用于围绕磁对602中的每个磁体的回路。

笼的益处。为了验证笼在减轻退磁事件上的有效性，经由使用有限元分析程序的有限元建模仿真来研究退磁，其对三相短路之前的标称负载功能性进行仿真。磁体健康状况容易用作仿真的输出，并且近似边缘宽度是模拟几何形状的几何转换。在磁体剩磁以及所研究的轴向长度的变化的情况下，对各种机器几何形状进行评估。退磁拐点从-0.3[T]到0.3[T]变化。还研究了标称几何形状或导电笼的使用。示例性模拟输出可以在图7和8中看到，示出了用于具有和不具有导电笼的转子的结果。应当注意，在图7至图15C中，为了简化，没有示出永磁体的分层构造。

图7和图8示出了具有笼706(图7)和不具有笼(图8)的转子704中的一对永磁体700和702的健康状况，并且具体示出了在0.1特斯拉时发生的退磁。每个磁体内的阴影部分表示由于退磁事件而被退磁的磁体的部分。从图7和图8中能够看出，图7所示的具有导电笼706的转子704中的磁体700和702的退磁区域708远小于图8中所示的不具有导电笼的转子704中的磁体700和702的退磁区域800。磁体的退磁部分靠近与磁体中的典型磁通路径垂直的边缘。这是由于在瞬变期间发生的磁体中涡流的保护存在而导致的。换言之，转子笼的存在降低了图1A中的拐点的位置。这意味着，与使由笼保护的磁体退磁相比，需要更强的相反场来使由笼保护的磁体退磁。

图9是图示具有和不具有笼的转子的退磁矫顽性和得到的退磁边缘宽度的图。在笼状和非笼状几何形状之间存在明显差异。在相同的条件下，非笼状转子上的磁体遭受退磁到比其笼状转子更大的深度。例如，在-900kA/m时，笼状磁体遭受退磁到约2mm的深度，而非笼状磁体遭受退磁到15mm的深度，或比笼状磁体大约7倍的损坏。

返回参考图2B，图2B示出了不同视图中的磁体中的不同层的外观，磁体的磁化方向垂直于磁体的最大面并且被示为标记为“极”的矢量。在一个实施例中，外围层204的厚度为5mm。在该示例中，假设将发生围绕磁体边缘的少量退磁(但是可能由于泄漏而失效)，笼状磁体可以具有拐点为-0.1[T]的磁体外层，下一层约0.15[T]，并且最内部约0.25[T]。替代地，在没有笼的情况下，非笼状磁体可能需要高得多的退磁磁阻，例如-0.3[T]、-0.15[T]和-0.05[T]等。当转子具有笼时，可以使用具有显著更大拐点的磁体。

分层磁体的益处。如以上图1B所示，添加诸如镝的稀土元素产生不易受退磁事件影响的永磁体，但也产生具有较小剩磁的磁体。该折衷导致用于由于减少的剩磁而导致的反向瞬态场的较高温度的较低功能的机器，并且因此降低磁负载。因此，磁体可能遇到的退磁场越大，电机必须越大。诸如图2A、图2B和图3所示的那些分层磁体具有较高矫顽性的区域，其中由于诸如上述退磁事件，即在外围部分204中，而可能存在退磁损坏。在退磁损坏不太可能时，诸如在磁体主体的中心，根据本文公开的主题的实施例的分层磁体包括较高剩磁的区域，即在中心部分202中。以该方式，分层磁体可以比在其中具有相同浓度的镝的磁体更便宜。具有高剩磁中心部分202允许磁体小于在其中具有相同浓度的镝的磁体。添加导电笼允许外围部分204更薄，即，每个磁体所需的镝的总量可以被减少。

笼。图10A、图10B和图10C图示了根据本文描述的主题的其他实施例的笼。图10A图示了具有通过空气间隙分离的定子1000和转子1002的表面磁体型电机的横截面。磁体1004位于转子1002的外表面上。文本“磁体”被定向为使得磁体可以在文本的读取方向上被定向。每个磁体由笼1004围绕，笼1004具有在横截面中视作阴影框的导体。在图10A所示的实施例中，构成笼的导体位于紧靠磁体附近。除了在每对磁体1004之间共用单个导体之外，图10B所示的实施例类似于图10A所示的实施例。该构造使用最少的部件，这可以最大程度地保护磁体免受用于该转子构造的空气间隙场变化的影响。图10C所示的实施例也类似于图10A所示的实施例，除了笼1006被嵌入在转子1002的主体内，例如在构成转子芯部的层叠内。该构造非常适合于较高速度的机器，因为导体通过转子叠片被牢固地保持就位。图10C还图示了存在沿着q轴定位的第二笼1008。

图11A和图11B图示了根据本文描述的主题的又一实施例的笼。图11A和图11B示出了具有附连到轴1104的转子1102和定子1100的电机的横截面，其中转子1100的层叠包含“V状”安装或嵌入的磁体。在图11A所示的实施例中，笼1106的导体靠近磁体。例如，条可以被连接在包围每个磁体的电路中。在图11B所示的实施例中，笼1106的导体被定位在靠近磁体，但仅在位于接近空气间隙的磁体的一侧。该实施例的益处包括较低的成本，这是由于该构造使用最少的部件的事实，并且其可以给予磁体更大程度针对气体间隙场变化的保护的附加益处。

图12A和12B示出了根据本文描述的主题的其他实施例的笼。图12A和图12B示出了具有附连到轴1204的转子1202和定子1200的电机的横截面，其中转子1200的层叠包含“辐条状”安装或嵌入的磁体。在图12A所示的实施例中，笼1206的导体紧靠磁体。例如，条可以被连接在包围每个磁体的电路中。在图12B所示的实施例中，笼1206的导体被定位为靠近磁体，但仅位于靠近空气间隙的磁体的一侧。

笼的导体或条可以具有任何适当的形状、横截面等。例如，短路条可以具有许多不同的形状，这是由于在正常操作期间和在活动笼事件下最小化漏磁通的横截面约束、以及结构和制造考虑而导致的。

上图示出了在具有从转子的表面径向向外突出的磁极的转子中的笼的应用，但是本文描述的主题不限于径向通量机器。本文公开的概念和原理可以应用于其他类型的机器，包括轴向通量和横向通量永磁机。不论转子磁极的定向(径向、轴向、横向等)如何，可以提供在磁极周围实现可控导电回路的笼。

混合笼。在一些实施例中，笼的导电回路可以被控制为闭合电路或开路。这种笼被称为“混合”笼。导电笼的存在(其中每个回路是闭合电路)在退磁事件的情况下提供保护，但是减少PM机的操作效率。通过使笼不导电(其中笼的每个回路是开路)，笼的效果(有益的和非有益的)消失。因此，提供混合笼是有益的，该混合笼可以在正常操作期间是电惰性的但是在故障状况期间可以变得导电。以该方式，当需要时，笼可以提供保护，而当不需要笼时，笼不会导致效率的损失。

图13A和图13B图示了根据本文描述的主题的实施例的用于具有混合笼的永磁电机的示例性转子的截面。

图13A示出了具有由导电路径1304A、1304B和1304C包围的磁体1302的转子1300的截面。每个导电路径包括开关器件1306A、1306B、1306C。导电路径1304A、1304B和1304C和开关器件1306A、1306B、1306C的组合在转子1300周围产生混合笼。

在一种操作模式中，开关器件1306A、1306B、1306C导电，形成在每个磁体1302周围的闭合电路回路。在另一操作模式中，开关器件1306A、1306B、1306C不导电，断开每个磁体1302周围的闭合电路回路，即，开路。在图13A所示的实施例中，每个开关器件具有其自己的相应控制输入1308A、1308B和1308C。在一个实施例中，每个开关器件1306A、1306B、1306C可以被单独控制。在另一实施例中，开关器件1306A、1306B、1306C可以作为一组被控制。

因此，在图13A所示的实施例中，导电路径1304A、1304B和1304C形成在每个磁体1302周围的导电回路，并且每个回路可控制为开路或闭合电路。在图13A所示的实施例中，所有环路在每个回路的右侧被电连接在一起。图13A示出了导电路径相对靠近其相应永磁体的周边定位的实施例。

在一个实施例中，控制器可以根据需要具有闭合电路(诸如在启动状况或故障状况期间)还是需要具有开路(诸如在机器的正常操作期间)来产生控制输入1308A、1308B和1308C。示例性开关器件1306A、1306B、1306C包括但不限于二极管、可控硅整流器(SCR)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、机械继电器或任何其他类型的开关。使用二极管的实施例例如具有不需要控制输入1308A、1308B和1308C的附加益处，这简化了设计和构造。通过提供实现闭合回路的笼，将涡流损耗被强制到笼元件，结果是在短路期间，磁体不经历可能导致损坏的那种显著的局部加热。换言之，导电回路的存在有助于磁体保持健康。这种保护对于包含NdFeB、铁氧体、SmCo或Alnico的磁体特别有利。

图13B示出了图13A所示的混合笼结构的另一版本，除了每个回路与在其任一侧上的回路共享导电路径。在图13B所示的实施例中，在每对磁体1302之间仅存在一个导体，而不是图13A所示的一对导体之间。在图13B所示的实施例中，开关器件1306A、1306B、1306C位于转子1300的一端，但是可以构想其他配置。例如，在另一端、在两端或甚至沿着在磁体之间延伸并平行于磁体的导电路径，可以存在开关器件。换言之，开关器件1306A、1306B、1306C可以位于沿着导电回路的任何位置，使得其能够可控制地产生开路或闭合电路。

图14A和图14B图示了根据本文描述的主题的其他实施例的用于具有混合笼的永磁电机的示例性转子的截面。

图14A图示了包含围绕和包围每个转子磁极的导电路径1402A、1402B、1402C的转子1400的截面。导电路径1402A、1402B、1402C和开关器件1404A、1404B、1404C包括混合笼。这说明了围绕转子磁极的可控制导电路径可以包围多个磁体或各种配置的磁体的原理。该配置在本文中被称为“每极回路”拓扑。在图14A所示的实施例中，开关器件1404A、1404B、1404C中的每一个需要控制输入1406A、1406B、1406C，但是在另一实施例中，混合笼可以使用不需要控制输入的开关器件，诸如二极管。图14A所示的笼的电路拓扑与图13A所示的不同之处在于，在图13A中，每个回路仅在一侧(即，最靠近开关器件1306A、1306B、1306C的回路的一侧)被连接到相邻回路，而在图14A中，每个回路被连接到两侧的相邻回路。图14A所示的拓扑在每个极之间产生闭合回路，但是根据实际尺寸等，这些回路对机器效率的影响可以忽略不计。

图14B示出了由导电路径1402A、1402B、1402C和开关器件1404A、1404B、1404C组成的混合笼的另一变体，其中各个磁体具有其自己的可控制回路，这里称为“每磁体回路”拓扑。图14B还图示了多个回路可以由单个控制信号1406控制的原理。

除了本申请所考虑的磁体、导电路径、开关等的各种物理配置，还考虑了多种电气配置。图15A至图15C示出了根据本文描述的主题的实施例的可能的许多电气或电路拓扑的几个示例。

图15A图示了根据本文描述的主题的一个实施例的混合笼的电路。为了简单起见，转子1500的“展开”表面以二维表示示出。转子1500的左边缘可以被接合到转子1500的右边缘，以形成三维转子的柱形表面。虚线和点线指示导电回路1502A、1502B、1502C和1502D，其在本文中统称为导电回路1502。在一个实施例中，虚线指示存在与转子主体分离的物理导体，而点线指示通过转子主体的导电路径，如果转子主体由导电材料制成，则指示通过嵌入或铸造在转子主体内的导体或通过转子主体本身的导电路径。每个点线或虚线可以表示单个导体或多个导体。每对磁极之间的虚线对可以是单个导电路径，而不是如图所示的导电路径对。可以存在轴向通过转子的多个导体，其可以基于特定构造以及电流和电压额定值连接或不连接。

在图15A所示的实施例中，开关器件1504A、1504B、1504C和1504D(在此统称为开关器件1504)位于转子1500一端。开关器件1504根据命令闭合以形成围绕每个转子磁极的导电回路，如标记“北”和“南”所示，以指示磁极的方向。每个磁极垂直于转子1500的表面而突出，即朝向观察者突出。图15A中所示的实施例提供在每个转子磁极周围的可控制导电回路。每个极可以由单个磁体产生(如图13A所示)或者由多个磁体产生(如图14A所示)。

图15B图示了根据本文描述的主题的另一实施例的混合笼。图15B中所示的实施例可以与转子一起使用，其中每个磁极由多个磁体部分组成，例如图14B所示。以该方式，每个磁体部分可以被单独保护。该电路结构可以与各种转子设计一起使用，特别是在转子磁极产生时，由多个单独磁体部分构成的磁体组件，其可以通过该笼原理被单独保护。线圈数目的选择将取决于感生的电压和电流，这将在很大程度上取决于机器的尺寸，例如经由应用法拉第定律。

图15C图示了根据本文描述的主题的又一实施例的混合笼。图15C中所示的实施例提供了用于保护磁体的给定部分或用于对笼进行动态排序的独立笼和电路。在该实施例中，第一笼1502被示为虚线或点线，并且第二笼1508使用具有“点划线”图案的线来指示。第一笼1502包括第一组开关器件，仅其中一个被标记为开关器件1504。第一笼1510包括其自己的单独的开关器件组，仅其中一个被标记为开关器件1510。在一个实施例中，一个笼可以在一个方向上提供保护，并且另一笼可以在另一方向上提供保护。例如，第二笼1508可以沿着q轴提供附加保护。

对于所有电路拓扑，包括图15A-15C所示的电路拓扑并且还包括未示出的电路拓扑，所有电路可以以多个串联和并联路径被连接，包括围绕单个磁体或磁体组件的多个导电匝，以获得优选的电流和电压特性。这些特性将通过机器的几何形状以及断开和闭合笼电路的器件的电流、电压和其他额定值来确定。

应当理解，在不脱离本文描述的主题的范围的情况下，可以改变本文描述的主题的各种细节。此外，前面的描述仅仅是为了说明的目的，而不是为了限制的目的。

Claims (34)

1.一种用于电机的转子，所述转子包括：

转子主体，所述转子主体具有中心轴线并且包括多个永磁体，所述多个永磁体被定位成产生在所述转子的外围表面周围分布的多个转子磁极，其中，每个永磁体包括具有中心部分和外围部分的磁体，其中，所述中心部分包括具有比包括所述外围部分的材料更高的剩磁的材料，并且其中，所述外围部分包括具有比包括所述中心部分的材料更高的矫顽性的材料；

其中，所述转子是具有笼的导电笼转子构造，所述笼包括在彼此之间被电性连接的多个闭合导电回路，所述笼是目的用于保护所述多个永磁体的阻尼笼，每个闭合导电回路被设置在所述多个转子磁极的对应转子磁极周围，所述笼是混合笼，其中，所述笼的所述闭合导电回路能够控制成是闭合电路或者开路。

2.根据权利要求1所述的转子，其中，所述磁体的所述外围部分包括所述磁体的与由所述磁体形成的磁极的方向垂直的部分。

3.根据权利要求1所述的转子，其中，所述磁体的所述外围部分包括所述磁体的每个外围表面。

4.根据权利要求1所述的转子，其中，具有比包括所述中心部分的材料更高的矫顽性的材料包括以下材料，所述材料具有与包括所述中心部分的材料相比更高的第一物质重量浓度。

5.根据权利要求4所述的转子，其中，所述第一物质包括下述中的至少一个：铝、钛、钒、铬、铜、镓、锆、铌、钼、锡、铽、镝和钨。

6.根据权利要求1所述的转子，其中，所述闭合导电回路包括开关器件，所述开关器件能够控制为形成在所述转子磁极中的每一个转子磁极周围的闭合电路或开路。

7.根据权利要求6所述的转子，其中，所述开关器件包括下述中的至少一个：可控硅整流器、绝缘栅双极结型晶体管、金属氧化物半导体、场效应晶体管、机械开关和机电开关。

8.根据权利要求1所述的转子，包括控制电路，所述控制电路用于控制所述闭合导电回路以在所述转子磁极周围形成闭合电路或开路。

9.根据权利要求1所述的转子，其中，所述闭合导电回路中的至少一个环绕永磁体。

10.根据权利要求1所述的转子，其中，所述闭合导电回路中的至少一个环绕由多个永磁体产生的磁极。

11.根据权利要求1所述的转子，其中，所述多个永磁体中的至少一个包括NdFeB、铁氧体、SmCo或Alnico。

12.根据权利要求1所述的转子，其中，所述闭合导电回路被控制以响应于存在具有场强度或场强度的改变超过阈值幅度的磁场，而在所述转子磁极中的每一个转子磁极周围形成闭合电路。

13.根据权利要求1所述的转子，其中，所述闭合导电回路被控制以响应于不存在具有场强度或场强度的改变超过阈值幅度的磁场，而在所述转子磁极中的每一个转子磁极周围形成开路。

14.根据权利要求1所述的转子，其中，所述转子磁极相对于所述转子径向地、轴向地或横向地被定向。

15.根据权利要求1所述的转子，包括绝热材料，所述绝热材料用于将混合笼的导体与所述多个永磁体热绝缘，以减少从所述笼到所述磁体的热能的传播。

16.一种具有混合笼的电机机器，所述机器包括：

定子，所述定子具有中心轴线和多个绕组，用于生成定子磁极的旋转场；以及

转子，所述转子具有与所述定子的所述中心轴线重合的中心轴线，所述转子包括多个永磁体，所述多个永磁体被定位成产生在所述转子的外围表面周围分布的多个转子磁极，其中，所述转子是具有混合笼的导电笼转子构造，所述混合笼包括在彼此之间被电性连接的多个闭合导电回路，所述笼是目的用于保护所述多个永磁体的阻尼笼，每个闭合导电回路被设置在所述多个转子磁极的对应转子磁极周围，其中，所述笼的所述闭合导电回路能够控制成是闭合电路或者开路，其中，每个永磁体包括具有中心部分和外围部分的磁体，其中，所述中心部分包括具有比包括所述外围部分的材料更高的剩磁的材料，并且其中，所述外围部分包括具有比包括所述中心部分的材料更高的矫顽性的材料。

17.根据权利要求16所述的机器，其中，所述磁体的所述外围部分包括所述磁体的与由所述磁体形成的所述磁极的方向垂直的部分。

18.根据权利要求16所述的机器，其中，所述磁体的所述外围部分包括所述磁体的每个外围表面。

19.根据权利要求16所述的机器，其中，具有比包括所述中心部分的材料更高的矫顽性的材料包括以下材料，所述材料具有与包括所述中心部分的材料相比更高的第一物质重量浓度。

20.根据权利要求19所述的机器，其中，所述第一物质包括下述中的至少一个：铝、钛、钒、铬、铜、镓、锆、铌、钼、锡、铽、镝和钨。

21.根据权利要求16所述的机器，其中，所述闭合导电回路能够控制为在所述转子磁极中的每一个转子磁极周围形成闭合电路或开路。

22.根据权利要求16所述的机器，其中，所述闭合导电回路中的至少一个包括能够控制为形成闭合电路或开路的开关器件。

23.根据权利要求22所述的机器，其中，所述开关器件包括下述中的至少一个：可控硅整流器、绝缘栅双极结型晶体管、金属氧化物半导体、场效应晶体管、机械开关和机电开关。

24.根据权利要求16所述的机器，包括控制电路，所述控制电路用于控制所述闭合导电回路以在所述转子磁极周围形成闭合回路或开路。

25.根据权利要求16所述的机器，其中，所述闭合导电回路中的至少一个闭合导电回路环绕永磁体。

26.根据权利要求16所述的机器，其中，所述闭合导电回路中的至少一个闭合导电回路环绕由多个永磁体产生的磁极。

27.根据权利要求16所述的机器，其中，所述多个永磁体中的至少一个包括NdFeB、铁氧体、SmCo或Alnico。

28.根据权利要求16所述的机器，其中，所述闭合导电回路被控制以响应于存在具有场强度或场强度的改变超过阈值幅度的磁场，而在所述转子磁极中的每一个转子磁极周围形成闭合电路。

29.根据权利要求16所述的机器，其中，所述闭合导电回路被控制以响应于不存在具有场强度或场强度的改变超过阈值幅度的磁场，而在转子磁极中的每一个转子磁极周围形成开路。

30.根据权利要求16所述的机器，其中，所述转子磁极相对于所述转子径向地、轴向地或横向地被定向。

31.根据权利要求16所述的机器，其中，所述转子包括绝热材料，所述绝热材料用于将所述混合笼的导体与所述多个永磁体热绝缘，以减少从所述笼到所述磁体的热能的传播。

32.一种用于操作具有混合笼的永磁电机机器的方法，所述方法包括：

提供电机机器，所述电机机器包括具有多个永磁体的转子，所述多个永磁体被定位成产生在所述转子的外围表面周围分布的多个转子磁极，其中所述转子是具有笼的导电笼转子构造，所述笼包括在彼此之间被电性连接的多个闭合导电回路，所述笼是目的用于保护所述多个永磁体的阻尼笼，每个闭合导电回路被设置在所述多个转子磁极的对应转子磁极周围，所述笼是混合笼，其中，所述笼的所述闭合导电回路能够控制成是闭合电路或者开路，

其中，每个永磁体包括具有中心部分和外围部分的磁体，其中，所述中心部分包括具有比包括所述外围部分的材料更高的剩磁的材料，并且其中，所述外围部分包括具有比包括所述中心部分的材料更高的矫顽性的材料。

33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述闭合导电回路能够控为在所述转子磁极中的每一个周围形成闭合电路或开路，所述方法包括：

控制所述闭合导电回路以响应于存在具有超过阈值幅值的场强度的磁场而在所述转子磁极中的每一个转子磁极周围形成闭合电路；以及

控制所述闭合导电回路以响应于不存在具有超过阈值幅值的场强度的磁场而在所述转子磁极中的每一个转子磁极周围形成开路。

34.根据权利要求32所述的方法，其中，控制所述闭合导电回路以在所述转子磁极中的每一个周围形成开路或闭合电路包括控制位于所述闭合导电回路内的开关器件。

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