CN108847723A - 分层磁体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及分层磁体。本发明描述了一种用于电机（2）的磁体布置的分层磁体（1，1'），该分层磁体（1，1'）包括多个主要磁体层（10，10'）和多个辅助磁体层（11，12，13，11'，12'，13'，14），其中每一个磁体层（10，10'，11，12，13，11'，12'，13'，14）均包括具有镧系元素的层浓度的铁磁体，并且其中镧系元素的层浓度在主要磁体层（10，10'）中最高。本发明还描述了一种制造这种分层磁体（1，1'）的方法；一种用于电机（2）的磁体布置；和一种包括这种磁体布置的电机（2）。

Description

分层磁体
本申请是申请日为2012年3月9日、申请号为 201210060917.1、发明名称为“分层磁体”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明描述了一种分层磁体以及一种制造分层磁体的方法。
背景技术
在电机诸如发电机或者电动机（motor）中，与多个线圈或者绕组相对地布置了多个磁体。通常，特别地在大型电机中，磁体被布置于旋转部件即转子上，并且绕组被布置于静止部件即定子上。为了在以下描述中简洁起见，可以采取这种布置，但是将会指出，磁体能够同样被附接到定子并且绕组能够被布置于转子上。
在发电机的情形中，磁体可以是由硬质（hard）铁磁性材料制成的永久磁体，使用适当地强的磁场来磁化该硬质铁磁性材料，并且在它的寿命期间保持它的磁矩。在发电机中，永久磁体的强磁场在定子绕组中感应出电流。然而，永久磁体的磁场不是均匀的，并且去磁场起作用以便减小磁体的总磁矩。能够通过添加少量的稀土（镧系元素）金属诸如钕（Nd）或者镝（Dy）来改进永久磁体的矫顽磁性，或者它的抵制去磁的能力。因此，使用这种稀土永久磁体的布置能够提高发电机的效率。
在已知类型的稀土永久磁体中，一种或者多种适当的镧系元素金属诸如钕、镝、钐（Sm）等在制造过程期间与磁体的材料组合以便增加在磁体材料的颗粒之间的磁隔离并且增加磁体的矫顽磁性。磁体的矫顽磁性直接地与所选择的镧系元素的浓度（concentration）相关。在通常地在大的永久磁体的制造中使用的粉末烧结方法中，磁体材料诸如铁（Fe）以粉末形式与任何镧系元素和其它材料（诸如在NdFeB磁体的情形中的硼（B））组合、被挤压到模具中，并且被烧结。在这个方案中，镧系元素在磁体的本体（body）中基本上均匀地分布，从而给出均质的矫顽磁性。
然而，镧系元素诸如镝是非常昂贵的，并且显著地增加了电机的总体成本。机器越大，相应地大的磁体要求越多的材料。例如，风力涡轮机的多极直接驱动发电机能够具有在7m–10m的范围中的直径和大约2m的长度，并且能够要求几百个永久磁体，其中的每一个永久磁体均能够具有几厘米的宽度和高度，并且能够具有达2m的长度以沿着转子的长度延伸。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种更加经济的稀土永久磁体。
利用根据权利要求1的分层磁体；利用制造分层磁体的根据权利要求9的方法；利用根据权利要求12的磁体布置；以及利用根据权利要求13的电机实现了这个目的。
根据本发明，用于电机的磁体布置的分层磁体包括至少一个主要磁体层和多个辅助磁体层，其中每一个磁体层均包括具有镧系元素的层浓度的铁磁体（ferromagnet），并且其中镧系元素的层浓度在主要磁体层中最高。
根据本发明的分层磁体的一个优点在于，镧系元素的总量能够被保持为最小，而同时提供了一种具有非常有利的矫顽磁性性质的稀土永久磁体。本发明是基于对在电机的操作期间作用于永久磁体上的去磁力的观察。已经观察到去磁力并不以相等的程度作用于磁体的所有区域上，并且因此并非磁体的所有区域均受益于高矫顽磁性。磁场强度在磁体的外部区域即更加靠近场的区域处最高。这些区域是最靠近空气间隙的区域，并且去磁场在那些区域中最强。在现有技术稀土永久磁体中，其中镧系元素浓度在磁体中是均匀的，镧系元素的相当大的部分被有效地“浪费”，因为实际上并非在磁体的所有区域中均要求高矫顽磁性。在根据本发明的分层磁体中，其中使用具有不同的镧系元素的数量或者浓度的磁体层，能够在较高的镧系元素浓度是最有益的位置处，即在磁体的、其中要求高矫顽磁性的那些区域中获得该较高的镧系元素浓度，而能够在磁体的、其中高矫顽磁性无益处的那些部分中使用较低的浓度。与已知类型的稀土永久磁体相比，根据本发明的分层磁体仅仅使用与为了在磁体的各种区域中经受去磁场而实际上要求的数量一样多的镧系元素。
根据本发明，制造用于电机的磁体布置的分层磁体的方法包括以下步骤：形成多个主要磁体层和多个辅助磁体层，其中每一个磁体层均包括铁磁体；在磁体层中引入镧系元素的层浓度以使得镧系元素的层浓度在主要磁体层中最高；以及布置磁体层以给出一种分层磁体。
根据本发明的方法的一个优点在于，能够使用适当的已知技术例如粉末烧结技术来制造每一个磁体层，并且该层能够被堆叠以获得一种具有总体非均质的以及一种或者多种镧系元素的有利地经济分布的永久磁体。
根据本发明，用于电机的磁体布置包括多个被布置于电机的转子或者定子上的这种分层磁体。
根据本发明，该电机包括这种磁体布置。
如在以下描述中揭示地，从属权利要求给出了本发明的特别有利的实施例和特征。不同的权利要求范畴的特征可以被适当地组合以给出未在这里描述的其它实施例。
为了简洁起见，但是不以任何方式限制本发明地，在下文中可以假设该电机是发电机，例如风力涡轮机的直接驱动发电机，并且分层磁体被布置于涡轮机的转子上。通常，永久磁体的下侧或者安装表面被胶合或者被以其它方式附接到转子的外表面，从而磁体突出到转子外表面上方。这种磁体还通常地具有基本上矩形的形状，带有两个长侧或者横向表面和顶表面。在下文中，参考根据本发明的分层磁体，术语“磁体”、“分层磁体”、“永久磁体”和“稀土永久磁体”可以被可互换地使用。
在下文中，为了简洁起见，作为被结合到分层磁体中的镧系元素提到了镝。然而，这不应该被解释成仅仅限制为镝，并且将会理解，能够替代镝或者除了镝之外地使用其它适当的镧系元素。
如以上指示地，根据电机的磁路设计，磁体的外部区域（最靠近空气间隙的区域）可以经受较高的去磁场，而磁体的进一步从空气间隙移除的区域经受较弱的去磁场。因此，在本发明的一个特别优选的实施例中，主要磁体层被布置在分层磁体的外部区域处，该外部区域位于邻近于电机的空气间隙。
在本发明的一个优选实施例中，该分层磁体包括安装表面和至少一个横向表面，并且镧系元素的层浓度朝向安装表面降低和/或朝向横向表面增加。
因为磁体的安装表面最远离空气间隙，所以使得镝的层浓度朝向安装表面降低是有利的。在这种实施例中，主要磁体层能够被布置在磁体的“上”表面处从而最高的镝浓度最靠近空气间隙。
因为空气间隙延伸到在相邻磁体之间的区域，所以去磁场沿着磁体的长侧也是强的。因此，可以有利地基本上平行于磁体的纵向轴线地沿着磁体的外边缘之一或两者布置主要磁体层，从而沿着磁体的外侧实现了高镝浓度。
已经观察到能够利用具有均质镝分布的现有技术磁体的质量的百分之几例如5%到6%的范围中的镝的浓度获得对去磁性的有利抵抗。因此，在本发明的一个特别优选的实施例中，在主要磁体层中的镝的层浓度包括主要磁体层的质量的至少5%。
因为主要磁体层具有最高的镝浓度并且被布置在磁体的、其中要求最高矫顽磁性的区域中，所以如果这个区域表示总磁体的相对大的部分，则这可以是有利的。因此，在本发明的进一步优选的实施例中，主要磁体层具有大于任何辅助磁体层的厚度的层厚度。通过使用相对大的主要磁体层和多个较小或者较薄的辅助层，能够获得具有高矫顽磁性的、相对大的磁体区域，而其它区域由于它们相对较小的体积以及它们较低的镝浓度而呈现低矫顽磁性。
如以上已经指示地，用于在电机诸如风力涡轮机中使用的永久磁体是大的，并且能够容易地达到几米的长度和几厘米的宽度和高度。相应地，遍布磁体的去磁场能够具有相当高的强度。因此，在本发明的一个特别优选的实施例中，磁体层的镝部分与磁体材料组合从而镝通过该磁体层的本体被基本上均匀地分布。这能够通过上述粉末烧结过程而得以实现。特别地对于具有相对大的厚度例如20mm的磁体层和/或对于靠近于空气间隙布置的磁体层，粉末烧结技术能够提供令人满意地均质的镝分布。还能够应用晶界扩散（GBD）技术来改进完整的层的磁性性质。
对于较薄的磁体层和/或对于进一步远离空气间隙布置的磁体层，能够应用一种可替代的、更加简单的制造技术。在本发明的这种实施例中，磁体层的镝部分能够扩散到在先前的扩散过程中的那个磁体层中。例如，利用包括一种或者多种镧系元素（例如镝与一定数量的钕一起）已经被混合到其中的树脂粘结剂的“生坯（green sheet）”涂覆这种薄的磁体层并且烧结所涂覆的磁体可以是足够的。结果是其中镧系元素部分在很大程度上在它的表面处浓缩的磁体层。这项技术能够为具有仅仅几毫米的厚度的磁体层提供令人满意的结果。
磁体层能够被以多个不同的方式布置以给出最终的分层磁体。分层磁体的第一优选实施例包括磁体层的水平堆叠，该堆叠能够基本上平行于转子的外表面地被安装在转子上。在该实施例中，在安装表面处的磁体层即在该堆叠的底部处的辅助层具有最低的镝浓度，而在上表面处的磁体层即该堆叠的主要层具有最高的镝浓度。
分层磁体的第二优选实施例包括磁体层的垂直堆叠，该堆叠能够被安装在转子上以使得该层被基本上竖立地或者垂直于转子的表面布置。在分层磁体的该实施例中，安装表面包括每一个磁体层的一个侧面，而分层磁体的横向表面包括具有最高镝浓度的主要磁体层。具有较低镝浓度的辅助磁体层能够被“夹”在主要层之间。
当然，这些水平和垂直堆叠设计能够被组合以给出“棋盘格”类型的设计。利用这种组合，在分层磁体的、所有的外部区域中具有高的镝含量并且在所有的内侧或者内部区域中具有低的镝含量将是可能的。
通过仅仅在磁体的特定区域中具有高的镝浓度，根据本发明的磁体的总体镝含量显著地小于相当的现有技术稀土永久磁体的总体镝含量。在根据本发明的分层磁体的一个特别优选的实施例中，总镝含量包括磁体质量的至多4.8%、更加优选地至多4.4%、最优选地至多4.0%。例如，对于在（一个或者多个）主要磁体层中具有6%的镝并且在最远离空气间隙的辅助层中具有仅仅2%的镝的分层磁体，总体或者总镝含量仅仅是大约4.2%，因此给出优于已知的稀土永久磁体设计的显著的经济优点。
如在序言中解释地，永久磁体的外边缘具有更高的场强度，从而去磁力在磁体的这些部分中最强。为了改进磁体性能，在本发明的一个特别优选的实施例中，层堆叠的磁体层被确定尺寸和/或布置成使得暴露于电机的空气间隙的主要磁体层的表面面积大于任何辅助磁体层的暴露的表面面积。
根据本发明的分层磁体能够具有简单的矩形块形状，从而与磁体的纵向轴线正交地截取的截面将具有矩形形状。然而，其它设计可以递送更好的性能。例如，磁体能够被设计成具有弯曲的外表面从而磁体沿着它的纵向轴线最高。各个磁体层的形状可以被适当地调节。例如，在水平堆叠布置中，主要层能够具有弯曲的上表面，而辅助层是基本上平坦的层。在垂直堆叠布置中，磁体层能够在不同的被适当地设计的模型中被模制，以给出“高”的中央辅助层和“短”的外部主要层，由此将被暴露于空气间隙的上表面被成形为遵循预定的曲线从而总体分层磁体或者堆叠具有基本上平滑的外表面。
外部辅助层能够具有适当地低的镝浓度，例如大约2%。当然，特别地对于其中最外或者最低层的矫顽磁性对于总体磁体设计而言可以不是特别地相关的分层磁体而言，“低浓度”还能够意味着该层包括可以忽略的数量的镝。
能够通过例如利用粉末的层或者阶层填充适当的模板（form）实现根据本发明的分层磁体的层结构，其中每一个粉末层均包括不同的镝浓度。这些层然后能够被挤压和烧结到一起。然而，在根据本发明的方法的一个优选实施例中，层被各自地形成，并且最终的磁体层被挤压和/或胶合到一起以给出堆叠。优选地，层已经被形成为紧密地适配到一起，从而在堆叠的磁体层之间不存在显著的间隙。
因为由于镧系元素的添加，稀土永久磁体是易脆的，所以根据本发明的方法优选地还包括在用于附接到电机的转子或者定子的非磁性容器中布置堆叠的步骤。该容器能够由可以可靠地附接到转子并且保护磁体免于损坏和/或腐蚀的任何适当的材料例如非磁性钢或者塑料制成。
根据本发明的电机优选地是风力涡轮机的多极发电机，特别地直接驱动发电机。由于根据本发明的非常强的稀土分层永久磁体的定制的矫顽磁性，这种发电机能够被实现为以非常有利地有效方式执行。
附图说明
根据与附图相结合地考虑的以下详细描述，本发明的其它目的和特征将变得显而易见。然而，应该理解，附图是仅仅为了说明的目的设计的，而非作为对本发明的限制的定义。
图1示出通过电机的局部截面和在第一瞬时的场力线；
图2示出通过带有在第二瞬时的场力线的、图1的电机的局部截面；
图3示出根据本发明的第一实施例的分层磁体；
图4示出根据本发明第二实施例的分层磁体。
在图中，相似的数字指代遍及所述图的相似对象。在图中的对象并不必按照比例绘制。
具体实施方式
图1示出例如对于转子20相对于定子21的第一位置的通过电机2的局部截面和在第一瞬时的场力线F。永久磁体M被布置于转子20的外表面上。该图为了清楚起见仅仅示出一个磁体，但是应该理解多个磁体M被布置于转子20上。风力涡轮机的多极直接驱动发电机能够具有几米的直径。例如，具有大约7m的转子直径的发电机可能具有被布置于转子20上的100-200个永久磁体M。每一个磁体M均能够根据转子20的长度具有1.5m-2m的长度，并且能够具有2cm或者更大的高度和15cm的宽度。
在机器2的操作期间，磁体M的磁场F引起在被布置于定子21的定子齿22之间的绕组23中感应的电流。在机器的操作期间，转子20相对于定子21沿着特定方向移动。磁场线F的分布相应地波动。然而，去磁场总是在磁体的外部区域处更强。图2示出场力线F的另一分布。为了抵制去磁力，要求高矫顽磁性，这通常是通过在磁体的材料中结合相对高百分比的镝从而在关键区域中保证所要求的矫顽磁性而得以实现的。然而，如图所示，去磁场在磁体之上不是均匀地分布的，并且在磁体M的、最远离空气间隙的区域中最弱。
图3示出根据本发明的第一实施例的分层磁体1。这个分层磁体1包括在水平堆叠S中堆叠的各种层10、11、12、13、14。将最靠近空气间隙布置的顶层10是具有在5%-6%的范围中的高镝含量的主要层10。其余的层11、12、13、14是具有降低的镝浓度的辅助层。例如，镝浓度在紧挨主要层10的辅助层11中能够包括3%-4%，并且能够在最远离主要层10并且因此还最远离空气间隙的辅助层14中降低至2%-3%的浓度。
图4示出根据本发明第二实施例的分层磁体1'。这里，两个主要层10'被布置在磁体1'的外侧处，并且若干个辅助层11'、12'、13'在垂直堆叠S'中被夹在主要层之间。再次，在主要层10'中的镝含量能够是高的，在5%-6%的范围中。其余的层11'、12'、13'能够呈现逐渐降低的镝浓度，例如从在紧挨主要层10'的辅助层11'中的3%-4%到在最远离主要层10'并且因此还最远离空气间隙的中央辅助层13'中的大约2%-3%。
在安装到电机的转子上之前，能够以适当的保护性材料封装或者密封图3和4的两个磁体堆叠S、S'。
虽然已经以优选实施例及关于其的改变的形式公开了本发明，但是将会理解，在不偏离本发明的范围的情况下，能够对此做出多个附加的修改和改变。
为了清楚起见，应该理解贯穿该申请地“一”或“一个”的使用并不排除多个，并且“包括”并不排除其它步骤或者元件。

Claims (10)

1.一种用于电机（2）的磁体布置的分层磁体（1，1'），所述分层磁体（1，1'）包括多个主要磁体层（10，10'）和多个辅助磁体层（11，12，13，11'，12'，13'，14），其中每一个磁体层（10，10'，11，12，13，11'，12'，13'，14）均包括具有镧系元素的层浓度的铁磁体，并且其中镧系元素的层浓度在主要磁体层（10，10'）中最高，
其中主要磁体层（10，10'）被布置在分层磁体（1，1'）的外部区域处，该外部区域邻近于电机（2）的空气间隙，
其中分层磁体（1，1'）包括最远离空气间隙的安装表面（30）和至少一个横向表面（31），并且其中镧系元素的层浓度朝向安装表面（30）降低和/或朝向横向表面（31）增加，
分层磁体的磁体层被确定尺寸和/或布置成使得暴露于电机的空气间隙的主要磁体层的表面面积大于任何辅助磁体层的暴露的表面面积，
其中所述镧系元素包括镝，并且其中在主要磁体层（10，10'）中的镝的层浓度包括至少5%，并且在辅助磁体层（11，12，13，11'，12'，13'，14）中的镝的层浓度包括至多3%，其中主要磁体层（10，10'）具有大于任何辅助磁体层（11，12，13，11'，12'，13'，14）的厚度的层厚度，其中主要磁体层（10，10'）具有20mm的层厚度，
其中分层磁体（1，1'）包括用于基本上平行于电机（2）的转子或者定子的外表面布置的磁体层（10，11，12，13，14）的水平堆叠（S）。
2.根据权利要求1的分层磁体，其中在磁体层（10，10'，11，12，13，11'，12'，13'，14）中的总镝含量包括分层磁体（1，1'）的质量的至多4.8%、更加优选地至多4.4%、最优选地至多4%。
3.根据前述权利要求中任何一项的分层磁体，其中分层磁体（1，1'）包括用于基本上垂直于电机（2）的转子或者定子的外表面布置的磁体层（10'，11'，12'，13'）的垂直堆叠（S'）。
4.一种制造用于电机（2）的磁体布置的分层磁体（1，1'）的方法，所述方法包括以下步骤：
-获得多个主要磁体层（10，10'）和多个辅助磁体层（11，12，13，11'，12'，13'，14），其中每一个磁体层（10，10'，11，12，13，11'，12'，13'，14）均包括铁磁体；
-在磁体层（10，10'，11，12，13，11'，12'，13'，14）中引入镧系元素的层浓度以使得镧系元素的层浓度在主要磁体层（10，10'）中最高，其中主要磁体层（10，10'）被布置在分层磁体（1，1'）的外部区域处，该外部区域邻近于电机（2）的空气间隙；以及
-布置磁体层（10，10'，11，12，13，11'，12'，13'，14）以给出具有最远离空气间隙的安装表面（30）和至少一个横向表面（31）的分层磁体（M，M'），并且其中镧系元素的层浓度朝向安装表面（30）降低和/或朝向横向表面（31）增加，
分层磁体的磁体层被确定尺寸和/或布置成使得暴露于电机的空气间隙的主要磁体层的表面面积大于任何辅助磁体层的暴露的表面面积，
其中所述镧系元素包括镝，并且其中在主要磁体层（10，10'）中的镝的层浓度包括至少5%，并且在辅助磁体层（11，12，13，11'，12'，13'，14）中的镝的层浓度包括至多3%，
其中主要磁体层（10，10'）具有大于任何辅助磁体层（11，12，13，11'，12'，13'，14）的厚度的层厚度，其中主要磁体层（10，10'）具有20mm的层厚度，
其中分层磁体（1，1'）包括用于基本上平行于电机（2）的转子或者定子的外表面布置的磁体层（10，11，12，13，14）的水平堆叠（S）。
5.根据权利要求4的方法，其中磁体层（10，10'，11，12，13，11'，12'，13'，14）的镧系元素部分在扩散过程中被扩散到该磁体层（10，10'，11，12，13，11'，12'，13'，14）中。
6.根据权利要求4或者权利要求5的方法，其中通过将磁体层（10，10'，11，12，13，11'，12'，13'，14）挤压和/或胶合到一起而组装分层磁体（1，1'）。
7.一种用于电机（2）的磁体布置，所述磁体布置包括被布置于电机（2）的转子或者定子上的多个根据权利要求1到3中任何一项的分层磁体（10，10'，11，12，13，11'，12'，13'，14）。
8.一种电机（2），包括根据权利要求7的磁体布置。
9.根据权利要求8的电机，其中所述磁体布置被布置于电机（2）的转子（20）上。
10.根据权利要求9的电机，其中电机（2）是风力涡轮机的多极发电机。
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