具有多重特性的內置永磁轉子和製造該轉子的方法
2023-08-09 01:27:41 1
專利名稱：具有多重特性的內置永磁轉子和製造該轉子的方法
技術領域：
本發明涉及具有多重特性的內置永磁轉子和製造該轉子的方法。更具體地，本發明涉及構造用於在電動車或混合動力車輛中使用的電機的這種轉子，或者構造用於在其它目的中使用的電機的這種轉子。
背景技術：
電機用轉子不同區域中的磁性材料的類型和強度可以變化。例如，在美國專利6,703,746中，NdFeB用於構造在轉子的整個外隔層中，在此處它很容易磁化。但是，在該專利中轉子中部或內區域的高能磁性材料不暴露於強度足夠完全磁化高能磁性材料的磁化場。因此，低能磁性材料放置在轉子中很難磁化的區域，因為低能磁性材料比高能磁性材料需要更小數值的磁化場。因此，內區域中的低能磁性材料可被完全磁化。內區域中的低能磁體對氣隙磁通沒有貢獻。但是低能磁體確保橋飽和，這對確保相應於更佳性能的高特點很重要。內區域中未磁化的高能磁體有助於浪費貴重的磁體材料和不充分的橋飽和。不充分的橋飽和降低轉子特點和電機性能。
在美國專利6,703,746中，高能和低能磁性材料以液態形式注射到轉子內單獨的腔中，同時高能磁性材料注射到鄰近轉子外圍的外腔，低能磁性材料注射到更靠近轉子軸線的內腔。當液態磁性材料凝固時，它被定子或其它磁化源磁化。在美國專利6,703,746的布置中，腔內的每種磁性材料與它們之間未混合的交界面一致。
IPM電機的設計是在滿足系統目標的同時最小化不希望的該設計的副作用所作出的一系列折衷。轉子內的扭矩脈動和損失是兩個這種不希望的副作用。電機磁體內的渦流損失有助於轉子變熱。沿著轉子軸向長度的分段燒結磁體經常用於最小化渦流損失和因而帶來的轉子變熱。通過小心成型轉子磁體(較薄的面對轉子表面)和/或傾斜轉子或者定子以消除沿著電機長度的氣隙磁通而最小化轉矩脈動。傾斜降低了平均扭矩產生量，使電機的製造變複雜。通過在轉子中建立額外的機械橋以致轉子表面附近的小部分腔未被磁性材料填滿而最小化渦流損失。因為最接近轉子表面的磁性材料相當大地有助於扭矩脈動，AC磁通有助於渦流，所以這種技術能減少扭矩脈動和渦流損失。當整個轉子作為一個組件磁化時，越靠近轉子表面的磁性材料越容易磁化，因而在轉子表面附近布置較強的磁體和在轉子內部越深處布置越弱的磁體是節約成本的措施。但是，需要儘可能高效地製造磁性材料的這種裝置。
發明內容
一種用於牽引電機的電樞包括轉子，該轉子具有中心部和周緣部，該周緣部具有若干腔。由液態磁性材料固化得到的永磁體布置在腔內，以形成轉子的極，腔的至少一部分具有直接鄰接的包括至少第一和第二磁性材料的永磁體，該至少第一和第二磁性材料具有不同的特性，當兩種磁性材料都為液態或至少可移動形式時注射，所述磁性材料一起在每個腔內固化。這導致第一和第二磁性材料之間的交界區域，其中第一和第二磁性材料沿著每個腔內的共用交界區域彼此混合。
在另一個方面，轉子的每個腔內存在至少第三磁性材料。
在另一個方面，磁性材料為NdFeB和鐵氧體。
在另一個方面，選擇腔具有相對於轉子的大致徑向部件，可變特性永磁體的磁特性沿著相對於轉子軸線的徑向變化。
在另一個方面，選擇腔具有相對於轉子的軸向延伸，可變特性永磁體的磁特性沿著相對於轉子的軸向變化。
一種製造轉子的方法用於形成牽引電機的電樞，該方法包括首先為轉子設置鄰近轉子周緣的腔。當第一和第二磁性材料同時為液態形式時，將具有不同特性的第一和第二磁性材料注射到腔的第一和第二部分。當允許磁性材料固化時，腔具有集中在其分離區域內的第一和第二磁性材料，同時交界區域具有第一和第二材料的混合物。
當結合附圖考慮時，本發明的各種其它特徵和附帶優勢將更加充分地察覺，同時也變得更好理解，在多個視圖中相同的附圖標記表示相同或類似的部件，以及其中 圖1是永磁電機和控制系統的示意性橫截面圖； 圖2是多層內置或嵌入磁體式電機幾何形狀的橫截面； 圖3是多層內置或嵌入磁體式電機幾何形狀的橫截面，其下隔層填滿低能磁性材料，上隔層填滿高能磁性材料； 圖4是類似於圖1-3的視圖，但是顯示單個腔，一些腔具有至少兩種磁性材料，根據本發明的原理兩種磁性材料在同時為液態形式時注射，以產生交界區域，兩種磁性材料在交界區域互相混合； 圖5是類似於圖1-3的轉子內單個腔的視圖，其中第三材料注射到腔內，材料被兩個交界區域分隔，磁性材料在交界區域內互相混合； 圖6是類似於圖4的轉子內單個腔的視圖，其中沿著轉子的軸向長度改變注射的磁性材料，磁性材料之間具有混合材料的交界區域，和 圖7是類似於圖4的轉子內單個腔的視圖，其中改變了轉子周緣表面附近的注射磁性材料。
具體實施例方式圖1是具有繞線定子12和永磁轉子14的永磁電機10的示意圖。轉子14圍繞縱向軸線15和周緣表面16形成。電源和逆變器17通信，響應於反饋控制電機10的速度和扭矩，該反饋包括但不限於編碼器、解算儀、轉速計、接近開關和齒副、和反電動勢(emf)方向。電機10的特徵在於為無刷DC電機，其由電源和逆變器17提供的方波或正弦波激勵。
圖2是現有技術中多層或多隔層嵌入磁體式轉子幾何形狀的橫截面。永磁體20由磁性材料層或隔層24的區域26限定，這些區域很難完全磁化，因為它們距離轉子14的周緣表面16有相對長的距離。磁性材料層24的表面在後磁化過程中被磁化固定物或繞線定子12磁化。本發明一個實施例中的後磁化過程包括在轉子14周圍定位磁化固定物，以便磁化轉子內的磁性材料。磁化固定物類似於定子12，包括用於磁化過程的線組。在本發明可選實施例中，定子12自身用於磁化轉子14，取代使用磁化固定物。磁化固定物包括足夠的鐵，從而防止它飽和。磁化固定物中的線組如此放置以致磁場沿著希望的磁化方向導向。
圖3是類似圖2的轉子橫截面，其中混合塑料的磁粉在高溫和高壓下注射到轉子14的腔中，在固化時允許材料結合和形成轉子14腔內的固態磁體。希望該過程能用於大規模生產。如上所述，只有當磁性材料嵌入在轉子表面附近時才能實現高能磁性材料的後磁化。
取決於磁性材料的成份，磁性材料24需要不同的磁場強度以被完全磁化。高能磁體20因為它們較高的退磁強度優選用於可變速度電機驅動應用，高能磁體20需要非常高的磁場，以飽和磁性材料24使其完全磁化。磁場由定子12的線組內或磁化固定物內的電流流動產生。通常，在非常短的時間段內需要非常高的電流脈衝以便磁化轉子14。如果定子12缺乏足夠的鐵，在該過程中它變得飽和，防止產生的磁場滲入轉子14。
如前所述，IPM轉子的多層或多隔層幾何形狀改進轉子14的特點。因此，圖2所示轉子14的幾何形狀具有以下優勢具有相對高特點、改進機器扭矩密度和降低特定扭矩或瓦特數電機額定值所需的磁性材料體積。較低的磁性材料體積需求降低電機成本，同時緩解與高通量PM機器有關的問題，例如短路和斷路故障問題，以及緩解因永磁場的存在而導致的自旋損失(渦流感應損失)。
圖3是多層或多隔層嵌入磁體式電機10的橫截面，該電機具有填滿低能磁性材料40、布置為更靠近轉子14軸線15的磁體20的下隔層和填滿高能磁性材料42的磁體20的上隔層。在本發明中，高能磁性材料從轉子14的某些區域中移除，例如圖2中的區域26，在此處很難用低能磁性材料磁化高能磁性材料。高能磁性材料42包括需要大於2000kA/m的磁化場才能磁化的材料。低能磁性材料40包括需要小於2000kA/m的磁化場的材料。低能磁性材料40的低矯頑磁性允許更容易磁化。在本發明的優選實施例中，高能磁性材料42為NdFeB，低能磁性材料40為鐵氧體，但是任何其它的高能或低能磁性材料都認為在本發明的範圍內。
放置得更靠近轉子14中心的低能磁性材料40能被磁化固定物完全磁化，因為它的磁化場較低。磁性材料40的主要性能貢獻是飽和隔層24之間的橋22，因而確保轉子14的特點。放置在轉子中心附近的低能磁性材料40的機械強度足夠實現該功能。
現在參考圖4，其中顯示了轉子14的部分14A，圖1-3的現有技術中討論的多重特性注模磁體50的使用為設計者提供了額外的自由度，以便最優機器的設計。一個關心的區域是機械轉子橋52。因為轉子橋52提供洩漏路徑，因此希望包括橋的轉子鐵磁力飽和，以致最小化洩漏通量。轉子橋52附近的強磁體增加橋的局部飽和，幫助實現該目標。但是，如果在整個腔內使用，用於飽和橋52的磁體強度可能太強。以至於不能實現系統目標。
在圖4中，磁體50為多重特性磁體，其以液態形式或可移動(即，可流動的塑料)形式注射到轉子腔段53和54內，以便控制轉子橋52的局部飽和，同時磁體54為單一特性注射磁體。在圖4中。具有不同特性(即，不同的磁強、溫度穩定性等)的磁體部60和62注射到轉子腔段內，同時兩個磁性材料都呈液態形式。因為在兩個部都為液態形式時注射磁體部60和62，所以在交界區域63處發生一些混合。這導致磁體50具有沿磁體徑向長度光滑過渡的磁特性。因此，在兩個部還處於液態或可移動形式時注射或同時注射磁體部60和62，磁體部位於在交界區域63混合的腔53和54段內。
優選地，第一磁性材料60為相對高能材料，例如NdFeB，第二材料62為相對低能材料，例如鐵氧體，交界區域內的材料為NdFeB和鐵氧體的混合物。通過改變磁性腔沿著遠離周緣16的徑向和朝著轉子軸線15(參見圖1和2)的強度和/或熱特性，磁飽和控制在徑向鋼截面中，轉子由剛構造，為設計者在構造轉子14時提供更大的靈活性。
圖5闡述本發明的另一個實施例，其中腔70具有在第一磁性材料60』和第二磁性材料62』之間注射的第三磁性材料72。第二交界區域74布置在第一磁性材料60』和第三磁性材料72之間，第三交界區域76布置在第二磁性材料62』和第三磁性材料62』和第三磁性材料74之間。第二和第三交界區域74、76在數量上為兩個，然而圖4的第一交界區域63在數量上為一個。與圖4的第一交界區域63一樣，第三磁性材料72注射到腔70內，同時第一和第二材料60』和62』呈液態或可移動(即，可流動的塑性)形式，它們可移動到足夠與第三材料72混合。因此，第二和第三交界區域74、76提供腔70內3種磁性材料之間的光滑過渡區域。在圖5中，第三磁性材料72使磁性材料60』到第二磁性材料62』的過渡更加光滑，交界區域74和76也使該過渡更加光滑。
現在參考圖6，在另一個實施例中磁性材料80和82的磁特性沿著轉子14』的軸線長度變化，如軸向腔84所示。交界區域86位於磁性材料82和82」之間，磁性材料80和82在此處混合，以便使材料之間的過渡光滑。這種布置使轉子14的電磁傾斜，以致不需要物理安排轉子疊層結構。
在圖7中，通過將一些磁性材料60」和磁性材料62」混合而改變轉子14周緣表面16附近的磁特性。在磁性材料62」和轉子14周緣16附近的混合區域之間還是交界區域63」。這種布置降低了與轉子和定子12之間的齒槽效應有關的扭矩脈衝，同時確保轉子深處希望的橋飽和。通過控制局部基礎上的飽和，增加了磁阻扭矩的有效性，這導致增加電機扭矩和功率密度。
儘管已經根據一些特殊實施例描述了本發明，但將意識到熟悉本技術領域的人員很容易採用其它的形式。因此，本發明的範圍應認為只被下文的權利要求書限定。
根據上述說明，熟悉本技術領域的人員很容易確定本發明的必要特徵，在不脫離本發明精神和範圍的情況下，熟悉本技術領域的人員可對本發明做出各種不同的變化和修改，以便使它適應各種不同的用途和情況。
權利要求
1.一種用於牽引電機的電樞，所述電樞包括轉子，其具有中心部和周緣部，所述周緣部具有若干腔；永磁體，其由布置在腔內的液態磁性材料固化得到，以形成轉子的極，腔的至少一部分具有直接鄰接的包括至少第一和第二磁性材料的永磁體，所述至少第一和第二磁性材料具有不同的特性，在單個腔內注射和固化，和交界區域，其位於所述至少第一和第二磁性材料之間，磁性材料在交界區域混合，以形成過渡區域。
2.如權利要求1所述的電樞，其特徵在於，在單個腔內存在至少第三磁性材料，所述第三磁性材料與所述第一和第二磁性材料中的至少一個被另外的交界區域分隔，來自不同區域的磁性材料在交界區域內混合，以形成過渡區域。
3.如權利要求1所述的電樞，其特徵在於，第一磁性材料為NdFeB，第二磁性材料為鐵氧體。
4.如權利要求1所述的電樞，其特徵在於，若干腔包括分隔的腔陣列，每個陣列具有其中具有可變特性永磁體的選擇腔。
5.如權利要求1所述的電樞，其特徵在於，所述選擇腔具有相對於轉子的大致徑向部件的延伸，其中可變特性永磁體的磁特性相對於轉子沿徑向變化。
6.如權利要求1所述的電樞，其特徵在於，所述選擇腔具有相對於轉子的軸向延伸，其中可變特性永磁體的磁特性沿著相對於轉子的軸向變化。
7.如權利要求6所述的電樞，其特徵在於，所述選擇腔還具有相對於轉子的大致徑向部件的延伸，其中可變特性永磁體的磁特性沿著相對於轉子的徑向變化。
8.一種製造轉子的方法，用於形成牽引電機的電樞，其中所述轉子具有周緣和鄰近周緣的腔，所述方法包括將液態或可移動形式的第一磁性材料注射到所述腔的第一部分，第一磁性材料具有第一磁特性；當第一磁性材料還處於液態或可移動形式時，將具有不同於第一特性的第二特性的至少第二磁性材料注射到所述腔的第二部分，其中選擇腔具有位於其中的第一和第二磁性材料，以及第一和第二磁性材料之間的交界區域，和允許磁性材料固化，所述交界區域具有在交界區域內混合的兩種材料。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述磁性材料在磁強或溫度穩定性方面不同。
10.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，第一磁性材料為NdFeB，第二磁性材料為鐵氧體。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述腔形成在電樞中，具有鄰近轉子周緣的第一部分和在第一部分內側形成的第二部分，其中NdFeB注射到第一部分，鐵氧體注射到第二部分。
12.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述磁性材料注射到布置在與轉子周緣相距分隔的徑向距離的腔部分。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，存在高能和低能磁性材料，高能磁性材料注射到接近轉子周緣的腔部分，低能磁性材料注射到高能磁性材料內側的腔部分。
14.如權利要求13所述的方法，其特徵在於，所述腔形成在電樞中，具有鄰近轉子周緣的第一部分和在第一部分內側形成的第二部分，其中NdFeB注射到第一部分，鐵氧體注射到第二部分。
15.如權利要求8所述的方法，還包括，在注射第一和第二磁性材料的同時，將液態或可移動形式的第三磁性材料注射到位於第一和第二磁性材料之間的位置，以便建立第三區域，所述第三區域通過交界區域與第一和第二磁性材料分離，磁性材料在交界區域內混合，且當材料固化時保持混合。
16.如權利要求15所述的方法，其特徵在於，同時注射所述第一、第二和第三磁性材料。
17.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，同時注射所述第一和第二磁性材料。
全文摘要
一種用於牽引電機的電樞包括轉子，該轉子具有中心部和周緣部，該周緣部具有若干腔。由液態磁性材料固化得到的永磁體布置在腔內，以形成轉子的極，腔的至少一部分具有直接鄰接的包括至少第一和第二磁性材料的永磁體，該至少第一和第二磁性材料具有不同的特性，以液態或可移動形式注射在單個腔內。第一和第二磁性材料在位於至少第一和第二磁性材料之間的交界區域內混合，以形成過渡區域。一種用於製造電樞的方法包括同時注射磁性材料和當初始磁性材料還處於流體可移動狀態時注射隨後的磁性材料。
文檔編號H02K21/14GK101047325SQ200710089050
公開日2007年10月3日 申請日期2007年3月29日 優先權日2006年3月29日
發明者B·韋爾奇科, C·C·斯坦庫, G·S·史密斯 申請人:通用汽車環球科技運作公司