CN109979705B - 烧结磁性体、磁铁、电机、风力涡轮机及制造烧结磁性体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及烧结磁性体、磁铁、电机、风力涡轮机及制造烧结磁性体的方法。一种包括晶粒（110）的烧结磁性体（100），每个晶粒（110）具有优选磁化轴线（112），其中，在烧结磁性体（100）的至少一个横截面平面（CS、CS’）中，所述晶粒（110）中的大多数被定向成使得其优选磁化轴线（112）指向烧结磁性体（100）外部的聚焦区域（F、F’）。该烧结磁性体具有的优点是：与具有纯粹的平行磁化模式的烧结磁性体相比，在烧结磁性体的聚焦区域的一侧上的磁场强度或在某个区域中的磁通量密度得到增强。这能够用于提高电机的效率。

Description

烧结磁性体、磁铁、电机、风力涡轮机及制造烧结磁性体的 方法

技术领域

本发明涉及烧结磁性体、磁铁、包括磁铁的电机、风力涡轮机及用于制造烧结磁性体的方法。烧结磁性体能够磁化并且在各种应用中用作磁铁。一个应用是在发电机或电动马达中使用此类磁铁。

背景技术

电机（诸如，发电机和马达）通常包括定子和转子。在发电机中，转子靠外部动量旋转并感应出电压，并且如果连接到电路，即，负载或电网，则电流将流动。在马达中，向转子抑或定子提供电流，从而导致动量作用在转子上，因此驱动转子旋转。

在永久磁铁电机中，永久磁铁被用于提供励磁磁场。永久磁铁可布置在定子抑或转子上，而线圈相应地布置在转子或定子上。当转子相对于定子旋转时，通过永久磁铁经过线圈在该线圈中产生时变（temporally changing）磁通量。这导致感应出电压，所述电压在线圈的绕组中驱动电流（如果连接到电路的话）。通过线圈的磁通量的变化率越高，所感应的电流就越大。因此，通常期望使永久磁铁与线圈之间的磁通量最大化。

能够通过以下方法来增加磁通量：使用更强的磁铁，例如，具有更高的能量积或更高的剩磁，或者使用更厚的磁铁来增加对于给定气隙的工作点，这通常是非常昂贵的，因为磁铁按此类机器的重量计是最昂贵的部件材料，并且大型电机通常需要数百个单独的磁铁。通过减小磁铁与线圈之间的气隙，也可增加磁通量，然而，由于机械约束和制造公差导致这极具挑战。通过增强对工作机器中的磁铁的冷却以保持磁铁在较低的温度下（这保持磁铁的磁场强度较高），磁通量也能够保持较高。然而，这增加了机器的冷却负载，因此降低了整体系统效率。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种增强的烧结磁性体，特别是用于在涡轮机的电机和/或发电机中使用。

根据第一方面，提出了一种包括晶粒的烧结磁性体。每个晶粒具有优选磁化轴线，其中，在烧结磁性体的至少一个横截面平面中，所述晶粒中的大多数被定向成使得其优选磁化轴线指向烧结磁性体外部的聚焦区域。

该烧结磁性体具有的优点是：与具有随机磁化模式或甚至平行磁化模式的烧结磁性体相比，在烧结磁性体的聚焦区域的一侧上的磁场强度或在某一区域中的磁通量密度得到增强。特别地，与平行磁化情况相比，表示烧结磁性体的磁场的磁场线集中在更小的区域中并且在烧结磁性体的位于聚焦区域的一侧上的表面的至少一部分中具有更高的密度。能够这样说，烧结磁性体中的磁场线朝向聚焦区域汇聚。

实际上，烧结磁性体的磁场模式与具有更高厚度和/或更强磁化的平行磁化的磁性体类似。因此，烧结磁性体以更低的成本实现了给定的磁场强度。与平行磁化体相比，所需的材料更少，并且材料的等级能够更低，因为更低的磁化在面向聚焦区域的表面处达到了类似的磁场强度。

烧结磁性体包括磁性和/或能磁化材料的晶粒。此类材料的示例是钕、铁和硼（Nd-Fe-B）的合金。例如，晶粒是在烧结磁性体内具有一个晶体结构的结晶区域。晶粒能够包括一个或几个磁畴。磁畴能够被定义为形成晶粒的颗粒的子集，这些颗粒具有优选的磁动量。颗粒的磁动量能够通过具有方向和大小的矢量来描述。磁畴中的颗粒的磁动量之和形成与该磁畴相关联的磁场矢量。晶粒的所有磁畴的磁场矢量之和产生与该晶粒相关联的磁场矢量。

例如，一晶粒包括三个磁畴，其中，两个磁畴的磁场矢量彼此平行，并且第三磁畴的磁场矢量与这两个磁畴的磁场矢量反平行，所有三个磁畴的磁场矢量具有相同的大小。然后，该晶粒具有净磁场或所得磁场，该磁场能够用被给定为三个磁场矢量之和的磁场矢量来描述。在这个示例中，晶粒的磁场矢量将平行于具有平行的磁场矢量的两个磁畴的磁场矢量。应指出，在这个示例中，忽略了局部效应。

特别地，晶粒的优选磁化轴线由与该晶粒相关联的磁场矢量的方向给出。

例如，优选磁化轴线具有以下效应：能自由旋转并放置在外部磁场中的晶粒将使自身布置或定向成平行于该外部磁场。这意味着，优选磁化轴线将平行于外部磁场在晶粒的位置处的局部磁场矢量。例如，对于包括NdFeB（其为各向异性材料）的晶粒的烧结磁性体，这些晶粒具有优选的对准/定向排列，所述对准通过在由粒状原材料形成烧结磁性体期间施加的外部磁场被印至烧结磁性体。外部磁场也能够被称为预磁化磁场。在横截面平面中，大多数晶粒使其优选磁化轴线平行或基本上平行于该平面。这意味着，晶粒的优选磁化轴线与平面之间的角度小于10°。

例如，大多数晶粒意味着通过将与晶粒中的每个相关联的各个磁场矢量相加而获得的所得磁场矢量指向聚焦区域。因此，大多数不一定是数量上的大多数。

然而，当每隔一个的晶粒或50%的晶粒被定向成朝向聚焦区域时，也将呈现大多数。

此外，大多数晶粒被定向成使得其优选磁化轴线定向到烧结磁性体外部的聚焦区域。特别地，聚焦区域位于横截面平面中。能够这样说，晶粒的优选磁化轴线被聚焦朝向聚焦区域。优选地，平面中的每个晶粒的优选磁化轴线平行于平面，但一对晶粒的优选磁化轴线不一定彼此平行。例如，彼此相邻的两个晶粒的优选磁化轴线包括超过0°且优选地为约0.1°至25°的角度。能够将晶粒在平面中的这种定向记为聚焦磁化模式。

烧结磁性体优选地不仅在一个横截面平面中具有聚焦磁化模式，而且在彼此相邻且平行的几个横截面平面中也具有聚焦磁化模式。例如，烧结磁性体是立方体，其沿第一方向在第一端面与第二端面之间是细长的并且沿第二方向具有宽度且沿第三方向具有高度。例如，在垂直于第一方向的中心横截面平面中给出聚焦磁化模式。例如，聚焦区域沿第三方向布置在烧结磁性体外部。优选地，聚焦磁化模式在细长的烧结磁性体的中心部分附近的细长区段中给出，使得存在满足标准的多个横截面平面。每个横截面平面能够具有它自己的聚焦区域。所述多个聚焦区域优选地形成沿第一方向被拉长的细长圆柱体。

在靠近细长的烧结磁性体的第一端面或第二端面的横截面平面中，边界效应可能对磁化模式有影响。

具有聚焦磁化模式的烧结磁性体具有的优点是：在面向聚焦区域的一侧处的磁场强度大于具有平行磁化模式的烧结磁性体的磁场强度。此处，平行磁化模式意味着晶粒的优选磁化轴线被定向成彼此基本上平行。此外，磁通量集中在烧结磁性体的更小的表面区域中，从而导致该区域中的磁通量密度增加。特别地，沿聚焦区域的方向穿过与烧结磁性体相隔一距离的区域的磁通量密度也通过该效应而增加。

有利地可在电机（诸如，电动马达或发电机）中采用烧结磁性体。在此类电机中，烧结磁性体具有的优点是：增加了电机的转子与定子之间的气隙中的磁通量密度，其能够在给定电流处在电动马达中产生更高的转矩，或者在给定动量处在发电机中产生更高的感应电压。因此，能够提高装备有烧结磁性体的电机的效率。这能够在不增加电机中所采用的磁铁的制造成本的情况下实现。

根据烧结磁性体的实施例，烧结磁性体的磁场在烧结磁性体的面向聚焦区域的第一表面处的磁场强度相对于磁场在烧结磁性体的位于聚焦区域远侧的第二表面处的磁场强度在所述第一表面的区域的至少一部分中增加。

根据烧结磁性体的另外的实施例，由烧结磁性体的磁场穿过在烧结磁性体外部与第一表面相隔预定距离的具有预定形状的区域产生的磁通量大于穿过与聚焦区域远侧的第二表面相隔该预定距离的具有该预定形状的区域的磁通量。

根据烧结磁性体的另外的实施例，晶粒在平行于横截面平面的平面中的定向模式与晶粒在横截面平面中的定向模式相同或类似。

不同的平行横截面平面中的磁化模式可能略有不同。然而，将实现具有聚焦磁化模式的通用理念。

根据烧结磁性体的另外的实施例，横截面平面中沿第一表面的直线路径与晶粒的优选磁化轴线之间的角度在0°与90°之间，其中在烧结磁性体的沿该直线路径的中心部分处，该角度在80°至90°的范围中。

例如，烧结磁性体是如上文所限定的细长的立方体。然后，直线路径沿烧结磁性体的宽度延伸。在烧结磁性体的第一边缘处，直线路径与第一边缘处的晶粒的优选磁化轴线之间的角度为例如45°。沿宽度遵循直线路径朝向中心，角度逐渐减小并在中心处达到0°。遵循直线路径朝向烧结磁性体的第二边缘，角度继续沿相同方向逐渐变化。在第二边缘处，角度达到约45°的值。因此，在第一边缘处的晶粒的优选磁化轴线与第二边缘处的晶粒的优选磁化轴线之间的角度具有45°+45°=90°的值。

根据烧结磁性体的另外的实施例，两个相邻的晶粒的优选磁化轴线之间的角度大于0°且小于25°。

在该实施例中，晶粒被定向成使得相邻晶粒的优选磁化轴线大体指向相同方向，这暗示它们的磁场矢量具有大的平行分量。因此，磁场沿这个方向得到增强。同时，晶粒未被定向成使其优选磁化轴线完全平行，而是具有倾斜角度，其导致磁场线的变窄和增强的磁通量密度。这与具有平行磁化模式的磁铁形成对比，其中，优选磁化轴线优选地对于所有晶粒是平行的。

根据烧结磁性体的另外的实施例，其具有至少一个几何对称平面。

根据烧结磁性体的另外的实施例，其具有立方体形状、方形截头锥体（squarefrustum）形状、面包条或平行六面体形状。

在另外的实施例中，烧结磁性体可从上文提到的形式中的一种通过绕特定轴线弯曲相应的形式而获得。例如，所得的形式能够被描述为弯曲的立方体。

根据烧结磁性体的另外的实施例，它具有从第一表面到第二表面测量的厚度，该厚度在0.5 cm与4 cm之间，优选地在1 cm与3 cm之间，且更优选地在1.5 cm与2.5 cm之间。

例如，厚度是烧结磁性体的最小尺寸。例如，烧结磁性体是细长的立方体，且其宽度为厚度的大约2至10倍，且其长度为宽度的大约0.5至5倍，且优选地为宽度的0.5至2倍。特别地，横截面平面垂直于长度方向并且平行于厚度方向和宽度方向。这意味着烧结磁性体的横截面面积被最小化。

根据烧结磁性体的另外的实施例，聚焦区域定位成与第一表面相隔不到20 cm的距离，优选地不到10 cm的距离，且更优选地不到8 cm的距离。

聚焦区域越近，烧结磁性体对磁场和磁通量密度的集中效应越强。

根据烧结磁性体的另外的实施例，聚焦区域在横截面平面中的最大直径小于烧结磁性体在横截面平面中的宽度或高度，优选地小于该值的0.7倍，并且更优选地小于该值的0.5倍。

例如，聚焦区域为圆形或球形形状且具有0.5 cm的宽度，而烧结磁性体具有4 cm的宽度和2 cm的高度并且在横截面平面中为矩形横截面。

在理想的烧结体中，形成烧结体的晶粒的所有优选磁化轴线都汇聚在单个焦点。但是，当只有大多数晶粒被定向时并且当焦点被弥散成具有某一空间延伸的聚焦区域时，也能够在合理的程度上实现具有聚焦磁场的设想效应。

第一方面的任何实施例都可与第一方面的任何其他实施例组合，以获得第一方面的另一个实施例。

根据第二方面，提出了一种用于制造烧结磁性体的方法。

在第一步骤中，提供包括磁性材料的晶粒的粉末。每个晶粒具有优选磁化轴线。

在第二步骤中，用粉末形成前驱体。

在第三步骤中，通过将外部磁场施加到所形成的前驱体，使前驱体中的每个晶粒的优选磁化轴线定向。每个晶粒的磁动量与外部磁场相互作用，从而导致转矩作用在晶粒上，使得晶粒转动并使其优选磁化轴线对准成平行于外部磁场。外部磁场具有聚焦模式，使得在前驱体的横截面平面中，所述晶粒中的大多数被定向成使得该大多数中的每个晶粒的优选磁化轴线指向前驱体外部的聚焦区域。

在第四步骤中，具有定向的晶粒的前驱体在仍处于外部磁场中时被压缩。

在最后一个步骤中，具有定向的晶粒的已压缩的前驱体被烧结。

特别地，该方法适合于制造根据第一方面的烧结磁性体。尽管以有序的协议被制定，但是能够改变各个步骤的次序和/或各种步骤能够同时进行。

特别地，该方法有效地获得了一种烧结磁性体，其晶粒以优选的方式被定向，该方式能够用于增强烧结磁性体外部的磁通量密度。也可以这样说，烧结磁性体的晶粒以其优选磁化轴线被预定向。通过此类预定向，磁化烧结磁性体以获得磁铁得到增强，能够产生具有有利的磁化模式、磁场性能和增强的磁场强度的磁铁。

根据实施例，该方法还包括切开烧结磁性体的表面的步骤。替代地或额外地，烧结磁性体被完全分段成若干段，且然后重新组装这些段。

该实施例对抑制或减少在烧结磁性体或从烧结磁性体获得的磁铁暴露于时变磁通量时可在烧结磁性体或从烧结磁性体获得的磁铁中感应出的涡电流特别有用。具体地说，发电机或电动马达中采用的磁铁由于热发生而需要被冷却，热发生部分地由于此类涡电流损耗引起。通过引入针对涡电流的障碍物，对这些电流的电阻增加，并且产生的热将减少。

例如，通过将狭缝插入到烧结磁性体的表面中，增加了用于涡电流的电路径，因此增加了针对电流的电阻。例如，当烧结磁性体的高度为2 cm时，狭缝进入烧结磁性体中的深度达到1 cm。

对烧结磁性体进行分段意味着将烧结磁性体切割成几段。然后，重新组装这些段，特别地以与它们例如在载体结构上被切割的布置相同的布置。这样，这些段之间的导电路径被中断，使得涡电流不能在这些段之间流动。

根据另外的实施例，该方法还包括以下步骤：通过施加具有使得磁化磁场的磁场矢量被定向成平行于晶粒的优选磁化轴线的模式的磁化磁场，来磁化具有定向的晶粒的烧结磁性体。此外，磁场强度优选地大于预定值，即大于0.5 T，更优选地大于1.5 T。

在另一个实施例中，烧结磁性体可在具有平行磁化模式的常规各向异性磁场（如由螺线管线圈所提供的）中被磁化。烧结磁性体的定向的晶粒将在此类磁场中保持其定向，使得所得磁铁将仍具有聚焦磁场模式。

能够制造具有强且稳定的磁场的磁铁。稳定的磁场意味着磁铁不容易被具有不同磁化模式的其他磁场退磁。

在实施例中，该方法还包括以下步骤：依赖于烧结磁性体的磁场将烧结磁性体切割成预定形状。

这包括其他消除过程，诸如锯切、研磨、铣削、电火花或线切割等等，以获得具有期望的形状和磁场性能的磁铁。

加以必要的变通，参考根据第一方面的烧结磁性体所描述的实施例和特征适用于根据第二方面的用于制造烧结磁性体的方法。

根据第三方面，提出了根据依据第二方面的方法的实施例之一制造的磁铁。因此，呈现了通过根据上文或下文所描述的任何一个实施例的方法制造的磁化烧结体。

该磁铁的磁场分布与根据第一方面的烧结磁性体的磁场分布类似，但由于磁化能够更强。特别地，磁场遵循成形的磁化模式，并且与平行磁化的磁铁相比在磁铁的一侧上具有增加的磁场强度。也能够这样说，磁铁具有聚焦的磁极。

根据第四个方面，提出了一种表面安装的永久磁铁电机。特别地，电机的磁铁包括根据第三方面的磁铁。

表面安装的永久磁铁电机可被实现为电动马达或发电机。在此类电机中，采用具有永久磁场的永久磁铁。然后，将线圈布置在永久磁铁附近，使得相对于永久磁铁移动线圈，引起穿过线圈的变化的磁通量。

磁铁布置在永久磁铁电机中，使得聚焦区域位于磁通量穿透通过其的线圈的一侧上。例如，电机具有外转子，并且永久磁铁安装在转子上。然后，烧结磁性体被安装在转子上，使得聚焦区域位于朝向转子或定子的转动轴线的一侧上。

例如，由于机械约束和制造公差，所以此类电机在转子与定子之间具有气隙。通过提供具有聚焦磁化模式的永久磁铁，例如，与具有平行磁化的永久磁铁的电机相比，能够增加气隙中的磁通量密度。这能够改进电机的转矩能力和/或效率。

优选地，电机的所有永久磁铁都是根据第三方面的磁铁。

根据表面安装的永久磁铁电机的实施例，电机的转子或定子的半径大于0.5 m，优选地大于1 m，并且优选地在1至10 m的范围中。在实施例中，磁铁或烧结体不类似于径向磁铁、环形磁铁或圆形几何形状。优选地，磁铁或烧结体具有扁平形状以被放置在电机中。

具有此类尺寸的电机实现非常高的功率。例如，具有此类尺寸的发电机可具有大于1 MW且多达1000 MW的输出电功率。

根据表面安装的永久磁铁电机的实施例，其被实现为电动马达。

电动马达（尤其是具有大尺寸的电动马达）能够被采用特别地用于推进大型船只（诸如，远洋班轮、货轮或客货船）以及军用船只（诸如，航空母舰或潜艇）。此外，铁路车辆或大型固定机器（诸如，起重机）也能够由此类电动马达驱动。

根据表面安装的永久磁铁电机的另外的实施例，其被实现为发电机。

根据第五方面，提出了一种风力涡轮机，其包括被实现为发电机的根据第四方面的电机。

特别地，大型风力涡轮机（其能够具有长于50 m的叶片并且能够产生超过1 MW的输出电功率）能够受益于改进的电机。

本发明的另外的可能实现方式或替代性解决方案还包括上文或下文关于实施例所描述的特征的组合，本文中并未明确提到这些组合。本领域技术人员还可将单独或独立的方面和特征添加到本发明的最基本形式中。

附图说明

本发明的另外的实施例、特征和优点将从结合附图的后续描述和从属权利要求中变得显而易见，在附图中：

图1示出了烧结磁性体的第一实施例的示意性透视图；

图2示出了烧结磁性体的第二实施例的横截面的示意图；

图3示出了烧结磁性体的第三实施例的横截面的示意图；

图4A和图4B各自示出了前驱体的示例的横截面的示意图；

图5A和图5B各自示出了磁场分布的示例的横截面的示意图；

图6示出了针对气隙中的磁通量密度的示例的示意图表；

图7示出了电机的实施例的示意图；

图8示出了电机的实施例的细节的示意图；

图9示出了电机的实施例的细节的另一个示意图；

图10示出了风力涡轮机的实施例的示意图；以及

图11示出了用于制造烧结磁性体的方法的实施例的示意性框图。

在附图中，除非另有说明，否则相似的参考数字指代相似或功能上等效的元件。

具体实施方式

图1示出了烧结磁性体100的第一实施例的示意性透视图。在该实施例中，烧结磁性体100具有细长的立方体形状。图1中示出了烧结磁性体100的两个横截面平面CS、CS’，它们平行于烧结磁性体100的前面和背面。在烧结磁性体100的横截面平面CS、CS’中的每一个中，绘制了若干晶粒110，每个晶粒110具有被绘制为箭头的优选磁化轴线112。在不限制一般性的情况下，在横截面平面CS中示出了六个晶粒110，并且在横截面平面CS’中示出了四个晶粒110。磁铁或烧结体的实施例能够沿穿过平面的直线路径包括数万个晶粒。

横截面平面CS中的晶粒110被定向成使得每个晶粒110的优选磁化轴线112指向聚焦区域F，所述聚焦区域F布置在烧结磁性体100外部并且与横截面平面CS位于同一平面中。横截面平面CS’中的晶粒110被定向成使得每个晶粒110的优选磁化轴线指向在烧结磁性体100外部的聚焦区域F’，所述聚焦区域F’与横截面平面CS’位于同一平面中。因此，不同横截面平面CS、CS’中的晶粒110的聚焦区域F、F’是不同的。聚焦区域F和F’可通过平行于烧结磁性体100的顶部与侧部两者的线连接（未示出）。下文将对应于图2来更详细地解释晶粒110的定向。

例如，在该实施例中，聚焦区域F、F’具有直径为0.5 cm的圆形形状，并且细长立方体形状的烧结磁性体100的长度为6至20 cm，宽度为5至15 cm，且高度为1至2.5 cm。优选地，烧结磁性体100的聚焦区域F、F’非常小，理想地塌缩成焦点。由于制造公差和/或局部效应，所以聚焦区域将具有某些有限的尺寸。

图2示出了烧结磁性体100的实施例（例如，图1中所示的第一实施例）的横截面平面CS的示意图。在该实施例中，烧结磁性体100具有矩形横截面形状，其中第一表面102和第二表面104面向彼此。例如，烧结磁性体100具有1至2.5 cm的高度或厚度H，该高度或厚度将第一表面102和第二表面104分离。

布置在横截面平面CS中的晶粒110各自具有优选磁化轴线112。在该示例中，晶粒110全部被定向成使得每个晶粒110的优选磁化轴线112指向在第一表面102下方的聚焦区域F。聚焦区域F布置在关于烧结磁性体100的横截面平面CS的对称轴线X上，并且在烧结磁性体100下方的距离f处。在第一表面102与聚焦区域F之间示出了三条虚线。中间的虚线是烧结磁性体100的对称轴线X。两条外面的虚线表示第一表面102与靠近烧结磁性体100的边缘的晶粒110的优选磁化轴线112之间的最小角度α。例如，最小角度α具有45°的值。在实施例中，最小角度α能够小到10°，或甚至更小。

图3示出了烧结磁性体100（例如，图1和图2中所示的烧结磁性体100）的实施例的横截面的示意图。

特别地，图3示出了由烧结磁性体100产生的磁场120。磁场120由形成闭环的若干条磁场线表示。此外，存在磁场矢量122，其在烧结磁性体100中示出。仅一个磁场矢量122由参考符号标记。为了更好的清晰起见，仅针对烧结磁性体100的左半部分绘制磁场120。能够通过在中心轴线X处镜面反射来获得针对烧结磁性体100的右半部分的磁场120。

磁场线的密度对应于给定位置处的磁场强度。烧结磁性体100的磁场线朝向在烧结磁性体100外部距烧结磁性体100的第一侧102距离f处的聚焦区域F汇聚。磁场矢量122指向聚焦区域F。这既导致与在第二表面104处的磁场强度相比在第一表面102处的磁场强度增加，也导致在第一表面102与聚焦区域F之间的区域中的磁通量密度B增加。在某一体积中增加的磁通量密度B增加了穿过该体积的垂直于磁场矢量（未示出）的横截面区域的磁通量。

图4A和图4B各自示出了处于两种不同状态的前驱体200的示例的横截面平面的示意图。前驱体200由磁性材料的若干方形晶粒110表示，每个晶粒110具有由对应于每个晶粒110的箭头所示的优选磁化轴线112。

图4A示出了前驱体200刚形成时的情形。晶粒110的优选磁化轴线112是随机分布的。在两个不同晶粒110的优选磁化轴线112之间基本上没有相关性。

图4B示出了外部磁场B_ext的定向效应。外部磁场B_ext由例如（未示出）线圈的布置产生，并且由若干条磁场线表示。外部磁场B_ext产生的方式使得前驱体200的横截面平面中的磁场矢量指向前驱体200外部的聚焦区域F。外部磁场B_ext和晶粒110的磁矩相互作用，从而导致转矩作用在晶粒110上。晶粒110在前驱体200中仍然松散，并且晶粒110可实际上旋转，使得晶粒110的优选磁化轴线112沿外部磁场B_ext的磁场矢量被定向。当然，相应晶粒110将根据在该相应晶粒110的位置处的局部磁场矢量来定向。根据外部磁场B_ext来对晶粒110进行定向的这个过程能够被称为对准或预对准前驱体200中的晶粒110。

以这种方式预对准晶粒110且然后烧结前驱体200以获得烧结磁性体100（见图1至图3）便于磁铁具有预定的磁化模式。优选地，烧结磁性体100的磁场将具有与在预对准过程中施加到前驱体200的外部磁场B_ext类似的形式。

图5A和图5B各自示出了磁场120的示例的横截面的示意图。图5A示出了由具有平行磁化的磁铁101*产生的磁场120，所述磁铁101*布置成挨着两个类似的磁铁101*（由于周期性，所以每个磁铁仅示出了一个半部）。图5B示出了类似的图，但其中磁铁101具有聚焦磁化模式，所述磁铁101根据对应于图10解释的具有最终磁化步骤的方法被制造。

磁铁101、101*布置和固定在能磁化材料180上，并且面向能磁化材料185。在磁铁101、101*的上表面与能磁化材料180之间存在具有某一宽度的气隙AG。

图5B示出，具有聚焦磁化模式的磁铁101布置成使得面向聚焦区域F（见图1至图3）的第一表面102指向气隙AG。

磁场120由形成闭环的磁场线表示。此处，磁场线从磁铁101、101*离开，跨过气隙AG，然后耦合到磁性材料185中，所述磁性材料横向地引导磁场线。靠近邻近的磁铁101、101*（其是类型相同但极性互换的磁铁101、101*），磁场线离开能磁化材料185，跨过气隙AG，进入邻近的磁铁101、101*，并穿过能磁化材料180返回到其在磁铁101、101*中的原点。互换的极性意味着代替磁北极，磁南极面向上。对于具有聚焦磁化模式的磁铁101的情况，这也意味着聚焦的磁极是互换的。现在关于图6来讨论图5A和图5B的布置之间的差异。

图6示出了沿图5A和图5B中的线Y-Y在气隙AG（见图5A和图5B）中的磁通量密度B的示意图。该图示出了完整的电循环，由从-180°至180°的角度δ表示。磁通量密度B的值根据针对磁铁101*在对应于角度=0°的中心轴线中获得的值被标准化。

虚线（针对平行磁化标记为PM）对应于图5A中所示的布置。实线（针对聚焦磁化标记为FM）对应于图5B中所示的布置。

该图示出，在气隙AG中用具有聚焦磁化模式的磁铁101能够实现的最大磁通量密度B被增加到用具有平行磁化模式的磁铁101*实现的最大值的约115%至120%。这些值对应于结合磁铁101的特定特性的图5B中所示的特定几何形状。使用不同的磁铁101，例如，具有不同的磁极宽度和/或聚焦区域位置，和/或具有不同的几何形状，改进可以不同，特别地改进可以更大。

图7示出了电机300的实施例的示意图。电机300被实现为发电机。发电机300具有驱动轴310。通过将转矩312施加到驱动轴310，转子170（见图8）将绕转动轴线Z旋转。发电机300的半径R大于1 m。由发电机300产生的电压在电端子320处可用，所述电端子能够在连接到负载、功率电子控制器、电网等等（未示出）时提供电流。

图8示出了电机300（例如，图7中所示的发电机300）的实施例的细节的示意图。

发电机300具有半径为R的外转子170。磁铁101被固定在转子170的内部上，这些磁铁具有面向转子170的旋转轴线Z的聚焦磁化模式（见图5B）。为清晰起见，仅一个磁铁101用参考符号标记。例如，磁铁101具有如图1至图3中针对烧结磁性体100示意性地示出的磁化模式，并产生如图5B中所示的磁场120。

在转子170的具有磁铁101的径向内部存在轭160。在轭160的外圆周上形成轭齿164。结合缠绕在轭齿164周围的绕组162，获得了线圈166。为清晰起见，仅一个轭齿164、两个绕组162和一个线圈166用参考符号标记。转子170与轭160两者优选地由能磁化材料制成。

在磁铁101与线圈166的表面之间存在气隙AG。磁铁101在线圈166中产生磁通量。在稳态中，可获得如图5B中所示的磁场分布。通过绕轴线Z转动转子170，磁铁101经过线圈166。每次磁铁101经过线圈166时，磁通量在相应的线圈166中积累，这导致在绕组162中感应出电压。

由于与具有平行磁化模式的磁铁101*相比，具有聚焦磁化模式的磁铁101在气隙AG中产生的磁通量密度B更高（见图5A、图5B和图6），因此感应电流更高并且能够增加发电机300的功率输出。

图9示出了电机300（例如，图7和图8中所示的发电机300）的实施例的细节的另一个示意图。

发电机300具有半径为R的外转子170。磁铁101被固定在转子170的内部上，这些磁铁具有面向转子170的旋转轴线Z的聚焦磁化模式（见图5B）。图9特别示出了在转子170上布置成彼此相邻的几个磁铁101的磁化模式。在转子170的径向内部，存在轭160。为清晰起见，图9中并未示出轭160的细节。

布置成彼此相邻的磁铁101具有聚焦磁化模式以及互换的极性。这在图9中由磁铁101的晶粒110的优选磁化轴线112示出，所述优选磁化轴线对于图9左侧的第一磁铁101指向发电机300的内部并且对于相邻磁铁101指向发电机300的外部。应注意，出于清晰的原因，仅这些前两个磁铁101用参考符号表示，并且未示出晶粒110。

所有磁铁101使其各自的聚焦区域F布置成基本上在自磁铁101起的发电机300的径向内部。磁铁101的聚焦区域F能够被描述为布置在自转子170的旋转轴线Z起的公共半径FR上。

图10示出了装备有发电机300（例如，图7、图8或图9中所示的发电机）的风力涡轮机400的实施例的示意图。

风力涡轮机400是大型涡轮机并且实现在1 MW至1000 MW范围内的输出功率。

图11示出了用于制造烧结磁性体100的方法的实施例的示意性框图。

在第一步骤S1中，提供包括磁性材料的晶粒110（见图1至图4）的粉末。每个晶粒110具有优选磁化轴线112。

在第二步骤S2中，用粉末形成前驱体200（见图4A）。在该状态下，晶粒110的优选磁化轴线112是随机定向的。

在第三步骤S3中，通过将外部磁场B_ext施加到所形成的前驱体200，对前驱体200中的每个晶粒110的优选磁化轴线112进行定向（见图4B）。每个晶粒110的磁动量与外部磁场B_ext相互作用，从而导致转矩作用在晶粒110上，使得晶粒110转动并使其优选磁化轴线112对准成平行于外部磁场B_ext。外部磁场B_ext具有聚焦磁场模式，使得在前驱体200的横截面平面中，所述晶粒110中的大多数被定向成使得该大多数中的每个晶粒110的优选磁化轴线112指向前驱体200外部的聚焦区域F。

在第四步骤S4中，具有定向的晶粒110的前驱体在仍处于外部磁场B_ext中时被压缩。通过按压前驱体，由于与相邻晶粒110的摩擦力，所以晶粒110被锁定处于其定向状态。因此，晶粒110的定向是固定的。

在最后一个步骤S5中，具有定向的晶粒110的已压缩的前驱体被烧结。通过烧结，最终固定晶粒110的定向。烧结磁性体100具有印迹（imprinted）磁性模式。

例如，通过施加具有几特斯拉的磁场强度和对应于烧结磁性体100的磁性的磁场分布的磁化磁场，能够确认印迹磁性模式，并且能够将具有聚焦磁化模式的烧结磁性体100转变成具有对应的聚焦磁化模式的磁铁101。与第二表面104上的磁场强度相比，该磁铁101在第一表面102上展现出增加的磁场强度。

在另一个示例中，烧结磁性体100可在具有平行磁化模式的常规各向异性磁场（如由螺线管线圈所提供的）中被磁化。烧结磁性体100的定向的晶粒110将在此类磁场中保持其定向，使得所得的磁铁将仍具有聚焦磁场模式。

虽然已根据优选实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在所有实施例中能够进行修改。

Claims (24)

1.一种包括晶粒（110）的烧结磁性体（100），每个晶粒（110）具有优选磁化轴线（112），其中，在所述烧结磁性体（100）的至少一个横截面平面（CS、CS’）中，所述晶粒（110）中的每一个晶粒被定向成使得每一个晶粒（110）的优选磁化轴线（112）指向所述烧结磁性体（100）外部的聚焦区域（F、F’），并且其中，所述聚焦区域（F、F’）在所述横截面平面（SC、SC’）中的最大直径小于所述烧结磁性体（100）在所述横截面平面（SC、SC’）中的宽度或高度的0.7倍。

2.根据权利要求1所述的烧结磁性体，

其特征在于

所述烧结磁性体（100）的磁场（120）在所述烧结磁性体（100）的面向所述聚焦区域（F、F’）的第一表面（102）处的磁场强度相对于所述磁场（120）在所述烧结磁性体（100）的位于所述聚焦区域（F、F’）远侧的第二表面（104）处的磁场强度在所述第一表面（102）的区域的至少一部分中增加。

3.根据权利要求1或2所述的烧结磁性体，

其特征在于

晶粒（110）在平行于所述横截面平面（CS）的平面（CS’）中的定向模式与所述晶粒（110）在所述横截面平面（CS）中的定向模式相同或类似。

4.根据权利要求2所述的烧结磁性体，

其特征在于

所述横截面平面（CS、CS’）中沿所述第一表面（102）的直线路径与晶粒（110）的所述优选磁化轴线（112）之间的角度（α）在0°与90°之间，其中，在所述烧结磁性体（100）的沿所述直线路径的中心部分处，所述角度（α）在80°至90°的范围中。

5.根据权利要求1或2所述的烧结磁性体，

其特征在于

两个相邻的晶粒（110）的所述优选磁化轴线（112）之间的角度大于0°且小于25°。

6.根据权利要求1或2所述的烧结磁性体，

其特征在于

所述烧结磁性体（100）具有至少一个对称平面（X）。

7.根据权利要求2所述的烧结磁性体，

其特征在于

所述烧结磁性体（100）具有立方体形状、方形截头锥体形状、或平行六面体形状，并且从所述第一表面（102）到所述第二表面（104）测量的厚度在0.5 cm与4 cm之间。

8.根据权利要求7所述的烧结磁性体，

其特征在于

所述厚度在1 cm与3 cm之间。

9.根据权利要求8所述的烧结磁性体，

其特征在于

所述厚度在1.5 cm与2.5 cm之间。

10.根据权利要求2所述的烧结磁性体，

其特征在于

所述聚焦区域（F、F’）定位成与所述第一表面（102）相隔不到20 cm的距离（f）。

11.根据权利要求10所述的烧结磁性体，

其特征在于

所述聚焦区域（F、F’）定位成与所述第一表面（102）相隔不到10 cm的距离（f）。

12.根据权利要求11所述的烧结磁性体，

其特征在于

所述聚焦区域（F、F’）定位成与所述第一表面（102）相隔不到8 cm的距离（f）。

13.根据权利要求1或2所述的烧结磁性体，

其特征在于

所述聚焦区域（F、F’）在所述横截面平面（SC、SC’）中的最大直径小于所述烧结磁性体（100）在所述横截面平面（SC、SC’）中的宽度或高度的0.5倍。

14.一种用于制造烧结磁性体（100）的方法，所述方法具有：

提供（S1）包括磁性材料的晶粒（110）的粉末，每个晶粒（110）具有优选磁化轴线（112），

用所述粉末形成（S2）前驱体（200），

通过将外部磁场（B_ext）施加到形成的所述前驱体（200），使所述前驱体（200）中的所述晶粒（110）的所述优选磁化轴线（112）定向（S3），使得在所述前驱体（200）的横截面平面（SC、SC’）中，所述晶粒（110）中的每一个晶粒被定向成使得每一个晶粒（110）的优选磁化轴线（112）指向所述前驱体（200）外部的聚焦区域（F、F’），并且其中，所述聚焦区域（F、F’）在所述横截面平面（SC、SC’）中的最大直径小于所述烧结磁性体（100）在所述横截面平面（SC、SC’）中的宽度或高度的0.7倍，

在所述外部磁场（B_ext）中，压缩（S4）具有定向的晶粒（110）的所述前驱体（200），以及

烧结（S5）具有定向的晶粒（110）的已压缩的前驱体（200）。

15.根据权利要求14所述的方法，其还包括：

切开所述烧结磁性体（100）的表面和/或将所述烧结磁性体（100）完全分段成若干段，并且重新组装所述段。

16.根据权利要求14或15所述的方法，

其特征在于，所述方法还包括：

通过将具有使得磁化磁场在晶粒处的相应磁场矢量被定向成平行于所述晶粒（110）的所述优选磁化轴线（112）并且磁场强度大于预定值的模式的所述磁化磁场施加遍及所述烧结磁性体（100），来磁化具有定向的晶粒（110）的所述烧结磁性体（100）。

17.根据权利要求14或15所述的方法，

其特征在于，所述方法还包括：

通过将具有使得磁化磁场在晶粒处的相应磁场矢量被定向成平行于所述晶粒（110）的所述优选磁化轴线（112）并且磁场强度大于1 T的模式的所述磁化磁场施加遍及所述烧结磁性体（100），来磁化具有定向的晶粒（110）的所述烧结磁性体（100）。

18.根据权利要求14或15所述的方法，

其特征在于，所述方法还包括：

依赖于所述烧结磁性体（100）的磁场（120），将所述烧结磁性体（100）切割成预定形状。

19.一种根据权利要求16至18中任一项所述的方法制造的磁铁（101）。

20.一种表面安装的永久磁铁电机（300），其包括至少一个根据权利要求19所述的磁铁（101），其中，所述磁铁（101）被实现为转子和/或定子磁铁。

21.根据权利要求20所述的表面安装的永久磁铁电机，

其特征在于

所述电机（300）的转子（170）或定子的半径（R）大于0.5 m。

22.根据权利要求21所述的表面安装的永久磁铁电机，

其特征在于

所述电机（300）的转子（170）或定子的半径（R）大于1 m。

23.根据权利要求22所述的表面安装的永久磁铁电机，

其特征在于

所述电机（300）的转子（170）或定子的半径（R）在1至10 m的范围中。

24.一种风力涡轮机（400），其包括被实现为发电机的根据权利要求20至23中任一项所述的电机（300）。

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