CN1909328A - 保护磁性元件不被退磁的系统和方法 - Google Patents

Abstract

根据一个实施例，本发明提供一种用于具有转子铁心(18)的电机中的磁性组件(20)。所述磁性组件包括一个磁性元件(40)，所述磁性元件具有顶面(52)、底面和位于顶面和底面之间的至少一个侧面(44)，其中所述磁性元件的底面可连接至转子铁心的周边表面。所述磁性组件还包括设置在磁性元件顶面上的铁磁层。所述磁性组件进一步包括一个至少部分外接磁性元件的至少一个侧面的导电元件(42)。

Description

保护磁性元件不被退磁的系统和方法

技术领域

本发明主要涉及电机比如多磁极、低额定频率的大型电机中由永磁材料制成的磁性元件，且更具体而言，本发明涉及保护这些磁性元件不被退磁的系统和方法。

背景技术

电机如马达和发电机一般都包括一个设置在定子内的转子。在同步永磁马达或发电机中，所述转子上通常带有磁性元件。这些磁性元件有利于将电能转换成动能，反之亦然。例如，在发电机中，就是通过在定子绕组中感应电压和电流，从而将转子旋转的动能转化成电能。在发生故障如短路时，所述转子中的磁性元件就处于强退磁磁场中。也就是说，故障状态常常会产生与磁性元件自身的磁场相反的磁场。不幸的是，这种新产生的磁场例如会对磁性元件产生退磁作用。尤其是磁性元件的边缘对平行于磁体磁化方向(通常为径向)的磁通分量的减少很敏感，这将导致产生磁化损失。实际上，一旦磁通量下降超过某个程度时将会导致磁性元件被不可逆退磁。不可逆退磁将会降低电机的功率和扭矩，从而不得不把电机拆开对磁性元件重新进行磁化以使电机回复到初始状态。因此，不可逆退磁会增加电机的停机时间，也会增加重新磁化的成本。总之，不可逆退磁一般是所不希望的。

过去，人们通过在转子周向上布置导电的非铁磁性材料如铜合金或铝合金，来进行退磁保护。这种覆盖屏蔽有利于产生一个与故障生成的磁场相反的磁场，从而保护磁性元件不被退磁。覆盖屏蔽要想有效，其厚度必须与额定频率下的趋肤深度相当。对于低频(例如＜15Hz)电机而言，覆盖屏蔽的厚度可能是不可接受的。不幸的是，由于传统屏蔽罩是非铁磁性的，所以磁性元件与定子绕组之间的有效空气隙距离增大了。也就是说，磁性元件的磁通不能充分地穿过非磁性覆盖屏蔽，由此降低了电机的总体性能。实际上，传统覆盖屏蔽要求增加磁体厚度(也就是磁化轴线方向上的长度)，增加总的磁体质量，这样，例如为了达到预期的空气隙磁通密度和电机性能，成本提高了。

另一种在短路时降低退磁风险的传统方法是设计出相对较厚的磁性元件，这样磁体在一条较陡的负载线上进行工作，同时处于高磁通密度状态。不幸的是，这要消耗较多的磁体材料，增加了成本。因此，虽然这种高成本的方法被广泛采用，但其通常成本很高，在对成本敏感的应用场合是不理想的。

所以，所需要的是经过改进的保护电机中磁性元件不被退磁的系统和方法，所述电机尤其是在多磁极、通常的工作频率(例如60Hz或更小)的电机中。

发明内容

简要地说，根据一个实施例，本发明提供一种用于具有转子铁心的电机中的磁性组件。所述磁性组件包括一个磁性元件，所述磁性元件具有顶面、底面和位于顶面和底面之间的至少一个侧面，其中所述磁性元件的底面可连接至转子铁心的周边表面。所述磁性组件还包括设置在磁性元件顶面上的铁磁层。所述磁性组件进一步包括一个外接磁性元件的导电元件。

根据本发明的一个方面，本发明还提供了一种生产用于电机转子组件中的磁性组件的方法。所述方法包括提供一个具有顶面、底面和在顶面和底面之间延伸的至少一个侧面的磁性元件。所述方法包括在磁性元件的顶面上设置铁磁层。所述方法进一步包括设置一个外接所述磁性元件的导电元件。

附图说明

下面，结合附图并通过对本发明的详细描述，将能够更清楚地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在附图中使用相似的附图标记表示相似的部件，其中：

图1是根据本发明的一个典型实施例的电机转子组件的局部透视图；

图2是根据本发明的一个典型实施例的磁性组件的分解透视图；

图3是具有定子和转子的电机的局部剖视图，由图中可以看到每一槽每一相的磁极分数；

图4A是现有技术的三极磁通图(three pole flux diagram)，从图中可以看到在出现峰值短路故障电流的瞬间，磁通线在磁体组件上的分布情况；

图4B是根据本发明的一个实施例的三极磁通图，从图中可以看到在出现峰值短路故障电流的瞬间，磁通线在磁体组件上的分布情况；

图5A是图4A所示的三极磁通图从电角度为360度处开始的沿磁体表面的磁通密度的径向分量(磁体沿径向进行磁化)的曲线图；

图5B是根据本发明的一个实施例的图4B所示的三极磁通图从电角度为360度处开始的沿磁体表面的磁通密度的径向分量的曲线图；

图6是根据本发明的一个典型实施例的另一种电机转子组件的分解透视图；

图7是根据本发明的一个实施例的带有嵌在磁极帽内的导电环的磁性组件的前剖视图；

图8是根据本发明的一个实施例的带有嵌在磁极帽内的导电环的另一种磁性组件的前剖视图；

图9是根据本发明的多个方面的生产电机转子组件的一种典型方法的流程图。

具体实施方式

首先，对下面的说明书和权利要求书中出现的用语“或”的定义旨在是包含性的“或”。也就是说，用语“或”不是旨在两种相互排它的可选方案之间进行区分。而是，当使用“或”来连接两个元素时，用语“或”应当被定义为包括一个元素自身、另一个元素自身以及所述两个元素的排列组合。例如，对术语“A”或“B”的解释包括：“A”本身、“B”本身以及两者的任何一种组合，如“AB”和/或“BA”。

本发明主要是保护磁性元件不受到那些电机中常见的退磁因素的影响。然而，本发明具有诸多优点，不应当将本发明视为限于下面描述的具体实施例。实际上，下面作为实施例具体讨论的磁性元件可在多种应用如绝大部分的马达、发电机中得到使用。

图1是根据本发明的一个典型实施例的转子组件14的局部透视图。所述典型转子组件14包括转子铁心18和转子框架19。转子铁心18的外周表面32上有一系列沿周向环绕转子铁心18的磁性组件20。使用由非铁磁性材料如芳纶制成的楔子34将这些磁性组件20固定在转子铁心上。当然，楔子34也可由其他各种合适的材料制成。楔子34包括安装孔36，在组装时，安装孔36对准转子铁心18上的安装孔38。安装孔36或安装孔38可被攻丝以形成螺纹或设置有螺纹嵌片从而通过安装螺栓将磁性组件安装在转子铁心18上。实际上，为了在二者之间形成紧密配合，楔子34和磁性组件可具有相对应的剖面。

图2是根据本发明的一个典型实施例的磁性组件20的分解透视图。磁性组件20包括如前面所述的产生磁通量的磁性元件40。典型地，磁性元件40可通过将硬磁材料置于强磁场中而形成，这样就使磁性材料保持住其磁场生成性能，由此形成了一般所称的永磁体。但是，如前面所述，由电枢电流所产生的与磁性元件所产生的磁场方向相反的磁场则会对磁性元件进行退磁，尤其是在发生短路故障时。例如，定子组件22中发生短路就会突然产生一个与磁性元件40的磁场方向相反的瞬时磁场。

为了使所述磁性元件不受这种退磁磁场的影响，典型的磁性组件包括导电元件或者是外接每个磁性元件40的导电环42。每个导电环42包括至少一个有效回路。导电环42可由铜、铝、或其任意的组合或含有一种或多种所述元素的合金制成。导电环42的横截面可以是圆形或多边形。如图所示，导电环42外接磁性元件的侧面44、46、48和50。一旦发生短路，由此产生的磁场就在导电环42内感应出电流，接着产生一个与短路磁场方向相反的磁场，这样就减弱了短路作用在磁性元件40上的退磁效应，由此在不增加磁路的磁阻的情况下就能产生保护磁性元件的屏蔽效应。有利地，如图所示，导电环42或导电回路不延伸覆盖磁性元件40的顶面52。因此，导电环42不会增加连通磁性元件40和定子绕组28的磁路的磁阻。

另外，磁性组件20中包括磁极帽54。所述磁极帽54可由优选电导率较低的铁磁性软磁材料制成，所述铁磁性软磁材料如软磁复合材料(SMC)、多块由低碳钢或电工硅钢制成的叠片或者它们的组合物。所述磁极帽54通过提供一条穿过空气隙的高导磁性的交轴磁通路，以此部分抵消如在靠近磁性元件40的顶面52附近的退磁作用。该磁极帽还使直轴退磁磁通(也就是退磁磁场)均匀地分布在磁体表面上，由此削弱局部退磁作用。在常规电机术语中，所述直轴被定义为位于转子上与磁性元件(即永磁体)的磁通量对准的取向轴线。所述交轴与直轴相正交(电角度为90度)。本领域的技术人员易于想到的是，磁极帽54可使定子绕组的漏磁通增加，并且会产生同步电抗、瞬态和次瞬态的电抗，从而限制故障电流的大小和退磁作用的强弱。所述磁极帽54也可以由固体铁磁性钢制成，但缺点是，特别是在额定负载和部分负载下工作时，会因为在这种钢磁极帽中感应出涡电流而产生更大的电损耗(并且发电机效率降低，发热量增大)。可选地，使用由固体低碳钢等软磁材料制成的背板56来增加磁性组件的结构完整性。

可使用树脂将所述磁性元件40、导电环42、磁极帽54和背板56连接在一起。在一些实施例中，磁性组件20可包括多个分别被一个导电环42围绕的磁性元件40。而在其它实施例中，磁性组件20可包括一个或多个全部被一个导电环42围绕的磁性元件40。

图3是具有定子和转子的电机的局部剖视图。转子铁心18与磁极帽54一起被连接到磁性元件40上。空气隙30将定子22与磁性元件40隔开。图3中的磁性组件20包括一个围绕着所有磁性元件40的导电环。图3中还示出了定子磁轭24、槽26、槽楔27和定子齿28。下面将参考图4A和4B、图5A和5B来进一步说明在峰值短路电流瞬间产生的退磁作用以及本典型实施例与现有技术的对比。

图4A是不包括一个或多个导电环42的现有技术的三极磁通图，从图中可以看到在出现峰值短路电流的瞬间，磁通线分布在磁体组件的空气隙附近。如图4所示，在常规组件中，磁性元件40的侧面没有被导电材料外接，而是被空气或者非导电材料所围绕。在突发短路的情况下，在这种组件中的磁性元件40的磁通量的径向分量减小。结果是，磁体很容易被退磁，尤其在边缘附近。

图4B是根据本发明所述的一个典型实施例的三极磁通图，从图中可以看到在出现峰值短路电流的瞬间，磁通线在空气隙附近的磁性元件40上的分布情况。在该实施例中，导电环42外接磁性元件40的侧面。因此，如图4B中所示，那些高密度的磁通线以及磁通线的径向取向表示存在由磁性元件产生的强磁场。该磁场的存在确保由突发故障所产生的退磁作用显著降低。图5A和5B中示出的径向(本实例中旨在进行磁化的方向)磁通密度的相关波形图能够定量地体现本发明在防退磁方面的进步。

图5A是图4A所示的三极磁通图从电角度为360度处开始的沿磁体表面的磁通密度的径向分量的曲线图。X轴表示以电角度为单位的周向距离，Y轴表示以特斯拉为单位的磁通密度。铅垂线表示现有技术中磁体组件的边缘。区域64和66表示磁体潜在受到不可逆退磁作用的区域，此处的磁通密度接近为零甚至为反极性。如图5A所示，由于电机的突发故障或短路导致很大一部分磁体受到了不可逆退磁作用的影响。磁体不可逆退磁的实际退磁程度取决于所选用的特定磁体材料。一般而言，具有较大内禀矫顽力的磁体材料对不可逆退磁作用的抵抗力较强，但是磁能积更低或者成本也更高。

图5B是根据本发明的一个实施例的图4B所示的三极磁通图从电角度为360度处开始的沿磁体表面的磁通密度的径向分量的曲线图。X轴表示以电角度为单位的周向距离，Y轴表示以特斯拉为单位的磁通密度。峰值点76、78、80和82分别表示磁极边缘59、60、61和62处的磁通密度。如图5B所示，由于通过围绕磁性组件设置的导电环引入逆磁通的抵消作用，因此磁体受到不可逆退磁作用的面积即使没有被完全消除，也已经大幅缩小了。

图6是根据本发明的一个典型实施例的类似于电机转子组件14的另一种转子组件87的局部透视图。如前面所述，转子组件87包括转子铁心18和多个磁性组件20。磁性组件20包括若干个磁性元件40。转子铁心18的周向表面90上还具有多个螺纹孔88。在一个典型实施例中，利用框架92和其他紧固件将多个磁性组件20组装到转子铁心18上。所述框架优选由非铁磁性导电材料制成，如银、铝、铜或黄铜或其合金。所述框架起到图3中导电环42的作用。

图7是根据本发明的一个实施例的类似于磁性组件20且区别在于导电环被嵌入磁极帽内的磁性组件94的前剖视图。所述磁性组件94包括磁性元件40。导电环42被嵌入磁极帽96内。所述磁极帽96由软磁复合材料(SMC)、粉末金属材料制成。将磁极帽材料与导电环42一起进行压制，从而形成了嵌有导电环42的磁极帽96。所述磁性组件还包括一块背板56。所述磁极帽可包含层压钢叠片，在这种情况下，导电环的槽在进行组装前被冲压到磁极帽的叠层中。

图8是根据本发明的一个实施例的导电环被嵌入磁极帽内的另一种磁性组件98的前剖视图。在本实施例中，磁性组件98包括具有三角形横截面的导电环100。将磁极帽材料(SMC或粉末金属)与具有三角形横截面的导电环100一起进行压制，从而形成了嵌有导电环100的磁极帽102。本领域的技术人员容易理解的是，具有三角形横截面的导电环100由于覆盖区域较小，所以较少地堵塞磁性元件40产生的磁通。磁性组件98同样包括磁性元件40和背板56。

图9是根据本发明的多个方面的制造电机转子组件的一种典型方法的流程图。所述方法包括步骤104，即对一个具有顶面和底面的块料进行磁化，从而得到磁性元件。如本领域的技术人员所公知的是，可以在将坯料连接到转子铁心上之后才对其进行磁化，如步骤106。在步骤108中，设置环绕磁性元件边缘的具有至少有一条有效回路的导电环。另一种可选方式是步骤110，即将具有矩形或三角形截面的导电环嵌入一磁极帽内。在步骤112中，随后将磁性元件连接到一块背板上。在步骤114中，然后将磁极帽组装到磁性元件的顶面上，从而得到磁性组件。在步骤116中，用图1中的非磁性楔子或图6中的框架将磁性组件连接到转子铁心上。

在此仅示出并且描述了本发明的一些特征，本领域的技术人员易于对本发明作出多种变型和改变。因此，应该理解权利要求书中的技术方案旨在覆盖本发明的落入本发明的真实精神范围内的所有这些变型和改变。对本领域的技术人员而言明显的是，本发明不仅可被用于辐射磁通量电机，也可以用于轴向磁通量电机。

元件列表

14.转子组件

18.转子铁心

19.转子框架

20.磁性组件

22.定子铁心

24.定子磁轭

26.槽

27.槽楔

28.定子齿

28.定子绕组

30.空气隙

32.转子铁心外表面

34.楔子

36.楔子上的螺纹孔

38.转子铁心上的螺纹孔

40.磁性元件

42.导电环

44.磁性元件侧面

46.磁性元件侧面

48.磁性元件侧面

50.磁性元件侧面

52.磁性元件顶面

54.磁极帽

56.背板

58.磁通线

59.磁性组件边缘

60.磁性组件边缘

61.磁性组件边缘

62.磁性组件边缘

64.区域

66.区域

76.峰值(59处的磁通密度)

78.峰值(60处的磁通密度)

80.峰值(61处的磁通密度)

82.峰值(62处的磁通密度)

87.转子组件

88.转子铁心上的螺纹孔

90.转子铁心的顶面

92.框架

94.磁性组件

96.磁极帽

98.磁性组件

100.导电元件

102.磁极帽

104.对一个块料进行磁化，从而得到永磁体

106.在组装完毕后对块料进行磁化

108.提供围绕磁性元件边缘的电导环

110.将导电环嵌入磁极帽内

112.将磁性元件组装到背板上

114.将磁极帽组装到磁性元件上，从而得到磁性组件

116.将磁性组件组装到转子铁心上。

Claims (10)

1.一种用于具有转子铁心的电机的磁性组件(20)，包括：一个磁性元件(40)，所述磁性元件具有顶面、底面和位于顶面与底面之间的至少一个侧面，其中所述磁性元件的底面可连接至转子铁心的周边表面；

一个设置在磁性元件顶面上的铁磁层；和

一个外接磁性元件的导电元件(42)。

2.如权利要求1所述的磁性组件，其中所述导电元件包括被构造用以将所述磁性组件固定在转子铁心上的框架结构(92)。

3.一种用于具有转子铁心的电机的磁性组件，所述磁性组件包括：一个具有顶面(52)、底面和至少一个侧面(44)的磁性元件，其中所述磁性元件可被固定到转子铁心上，从而使得所述底面比所述顶面更靠近转子铁心；一个相对于转子铁心被设置在顶面的径向外侧之上的铁磁层；和

一个被设置在底面与铁磁层之间的导电元件。

4.如权利要求3所述的磁性组件，其中所述导电元件包括一条回路。

5.如权利要求3所述的磁性组件，其中导电元件被嵌入到磁极帽(96)内。

6.一种用于电机的转子组件(14)，所述转子组件包括：一个被构造用以相对于电机定子组件进行旋转的转子铁心(18)；和

一个磁性组件，所述磁性组件包括：

一个具有顶面和底面的磁性元件，其中所述底面比所述顶面更靠近转子铁心；

一个相对于转子铁心被设置在顶面的外侧并随着转子铁心一起旋转的铁磁层；和

一个外接所述磁性元件的导电元件。

7.如权利要求6所述的转子组件，其中所述导电元件被嵌入到磁极帽内。

8.如权利要求6所述的转子组件，包括一个外接所述磁性元件和铁磁层的框架，用以将磁性元件和铁磁层固定到转子铁心上。

9.一种制造电机中转子组件用的磁性组件的方法，所述方法包括以下步骤：

提供一个具有顶面、底面和在顶面与底面之间延伸的至少一个侧面的磁性元件；

在磁性元件的顶面上设置铁磁层；以及

在所述铁磁层与底面之间设置一条围绕磁性元件的导电回路。

10.如权利要求9所述的方法，包括提供多个磁性元件这一步骤，每个所述磁性元件都具有外接其至少一个侧面的导电回路。

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