專利名稱：永磁體機器的磁軛的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及永磁體機器，例如發(fā)電機。具體而言，本發(fā)明涉及用于永磁體機器的磁軛、轉(zhuǎn)子和定子以及永磁體機器。
背景技術(shù)：
發(fā)電機通常具有運動的轉(zhuǎn)子和靜止的定子來產(chǎn)生電能。轉(zhuǎn)子或定子中的任一者包括具有永磁體的磁軛。另一者包括具有繞組的疊片。磁通量是發(fā)電機的重要參數(shù)，因為其促成了發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩。磁通量的泄漏發(fā)生于永磁體機器運轉(zhuǎn)期間并且會減少轉(zhuǎn)矩。在發(fā)電機的端部區(qū)域中，即在發(fā)電機的軸向端部處，發(fā)生磁通量泄漏。這被認為在直接驅(qū)動發(fā)電機的情況下是特別嚴重的，在這種情況下大的輸出功率與重量之比需要定子疊片的大的磁負載。由于大的磁負載，定子鐵磁性材料磁性飽和并且這導致了在永磁體的端部區(qū)域中存在高額的通量泄漏，在該端部區(qū)域中通量線更易于接近其通過轉(zhuǎn)子的路徑并避免聯(lián)接定子繞組，從而通過更加靠近端部區(qū)域而減少了其對于轉(zhuǎn)矩的貢獻。此外，在具有大直徑和短軸向長度的直接驅(qū)動發(fā)電機中，磁通量泄漏與磁通量聯(lián)接定子繞組且促成轉(zhuǎn)矩的部分的比率變得更顯著。上述情況不僅應用到外部轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動發(fā)電機，還應用到所有其他類型的永磁體機器。不過，這種情況對于外部轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動發(fā)電機是特別重要的。在文獻中，提出了相比于定子縮短轉(zhuǎn)子的長度。不過，這種方法僅適用于內(nèi)部轉(zhuǎn)子發(fā)電機或馬達，其中在磁體下面的轉(zhuǎn)子磁軛沿軸向方向觀察時結(jié)束于磁體結(jié)束的位置。不過，由于其更大的輸出功率與重量之比而更首選外部轉(zhuǎn)子發(fā)電機，而不是內(nèi)部轉(zhuǎn)子發(fā)電機。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標是減少永磁體機器的磁通量泄漏。這個目標分別通過權(quán)利要求1、7、10和13的特征實現(xiàn)。從屬權(quán)利要求提供了本發(fā)明的進一步的細節(jié)和優(yōu)點。在一方面，本發(fā)明涉及用于永磁體機器的磁軛，包括具有用于容納永磁體的容納區(qū)域的表面，其中鄰近所述容納區(qū)域設置兩個凹槽從而增加磁阻。該構(gòu)思是要通過增加通量泄漏路徑的磁阻來最小化磁通量泄漏從而最大化主要通量與泄漏通量之比。隨著空氣被置于靠近永磁體的端部而不是靠近鐵磁性磁軛的端部而增加了磁阻。最大化了有用通量和泄漏通量之間的上述比，并且因而根據(jù)磁體厚度、軸向長度和發(fā)電機空氣間隙的直徑，提高了相同磁體體積和成本的輸出功率。這種輸出功率的提高在數(shù)量級上更加精確地高達10%， 粗略地1-3%。另一優(yōu)點是減少了磁軛的重量。能夠通過由機加工去除這些零件來獲得凹槽。凹槽的寬度和/或深度可以基本對應于永磁體的厚度。這種尺寸已經(jīng)良好地減少了磁通量泄漏。在又一優(yōu)選方式中，F(xiàn)E (有限元)計算能夠被用于優(yōu)化凹槽的形式。
凹槽可以延伸到表面的端部。這樣，凹槽的寬度從容納區(qū)域延伸到磁軛的邊沿，以使得該表面僅具有容納區(qū)域的尺寸。雖然這種方案顯著影響了機械設計，不過其良好地減少了磁通量泄漏且同時顯著減少了重量。凹槽鄰近容納區(qū)域的側(cè)壁可以以一定角度延伸。根據(jù)這種更加有效的方法(即更大地增加泄漏通量的磁阻路徑)，磁軛可以沿傾斜線被去除，而不是沿豎直線被去除，其中傾斜側(cè)壁的角度能夠被選擇成形成底面切口(undercut)。非磁性材料，具體而言是磁性行為類似于空氣但機械強度類似于如不銹鋼的非磁性材料可以被設置在凹槽中，例如通過焊接，以便增加轉(zhuǎn)子磁軛的機械強度且同時仍保持大磁阻且因而保持小的泄漏通量。表面可以是周邊表面并且兩個凹槽可以設置成沿軸向方向鄰近容納區(qū)域。這種設計對應于通用永磁體機器。在另一方面，本發(fā)明涉及用于永磁體機器的轉(zhuǎn)子，包括永磁體和如上所述的磁軛。 如上所述的相同優(yōu)點和改型也可在此應用。對于逐漸更加普遍且通常用于大型應用(例如風力渦輪機)的外部轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動發(fā)電機，本發(fā)明是特別有利的，因為它們具有大的定子疊片磁負載和大的重量。轉(zhuǎn)子可以包括設置在容納區(qū)域和永磁體之間的基板。在改型中能夠忽略這種鐵磁性基板并且僅如前所述改進轉(zhuǎn)子磁軛?；蛘撸宓膫?cè)壁可以以一定角度延伸并且可以也被改型從而在兩個端面內(nèi)具有傾斜側(cè)壁，其中所述側(cè)面可以對齊于轉(zhuǎn)子磁軛中產(chǎn)生的斜面。在另一方面，本發(fā)明涉及用于永磁體機器的定子，包括永磁體和如上所述的磁軛。 如上所述的相同優(yōu)點和改型也可在此應用。定子可以包括設置在容納區(qū)域和永磁體之間的基板。在改型中能夠忽略這種鐵磁性基板并且僅如前所述改進定子磁軛?；蛘?，基板的側(cè)壁可以以一定角度延伸并且可以也被改型從而在兩個端面內(nèi)具有傾斜側(cè)壁，其中所述側(cè)面可以對齊于定子磁軛中產(chǎn)生的斜面。在又一方面，本發(fā)明涉及永磁體機器，其包括定子、轉(zhuǎn)子和如上所述的磁軛。如上所述的相同優(yōu)點和改型也可在此應用。對于外部轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動發(fā)電機，本發(fā)明是最有利的。永磁體機器可以包括如上所述的轉(zhuǎn)子或定子。


包括附圖來提供對于實施例的進一步理解。將容易地意識到其他實施例和許多預期優(yōu)點，因為通過下述詳細說明將更好地理解這些實施例和預期優(yōu)點。附圖中的元件不必要彼此成比例。類似附圖標記指代相應的類似零件。圖I示出了永磁體機器的示意性橫截面圖。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子磁軛的示意圖。圖3示出了根據(jù)本方面的進一步的轉(zhuǎn)子磁軛的示意圖。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另一轉(zhuǎn)子磁軛的示意圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的又一轉(zhuǎn)子磁軛的示意圖。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的具有轉(zhuǎn)子磁軛的永磁體機器的示意圖。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的具有基板的轉(zhuǎn)子磁軛的示意圖。
具體實施例方式在下述詳細描述中，參考形成說明書的一部分的附圖，在附圖中通過圖釋示出了可以實施本發(fā)明的特定實施例。在此方面，參考描述的附圖的取向使用方向性術(shù)語，例如 “頂”或“底”等。因為實施例的部件能夠被定位于大量不同取向，所以方向性術(shù)語被用于圖釋目的并且決不是限制性的。應該理解，在不背離本發(fā)明范圍的情況下，可以利用其它實施例并且可以做出結(jié)構(gòu)性或邏輯改變。因此，下述具體描述不采取限制性含義，并且本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。圖I示出了永磁體機器1，在這個示例性情況中是外部轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動發(fā)電機。永磁體機器I具有轉(zhuǎn)子2和定子3。轉(zhuǎn)子2包括承載永磁體5的磁軛4。定子3包括具有繞組的疊片組6。示出了繞組的端部繞組7。定子3被附接到永磁體機器I的軸8。軸8繞旋轉(zhuǎn)軸線9旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子2由豎直臂10支撐，所述豎直臂10中的每個均連接到軸承11。在旋轉(zhuǎn)永磁體5和靜止疊片組6之間是永磁體機器I的小的空氣間隙12。使用軸向(z)、徑向(r)和切向方向(Θ )示出了柱坐標系。箭頭示出了促成永磁體機器I的輸出轉(zhuǎn)矩的主要通量13的方向。主要通量13從磁軛4離開并且通過永磁體5從而穿過空氣間隙12和定子疊片組6。之后主要通量13通過改變方向且向內(nèi)行進到定子疊片組6中且變向返回通過定子3內(nèi)的另一磁極、空氣間隙 12且最終通過轉(zhuǎn)子2，從而繼續(xù)其路徑。其通過再次進入初始磁極而結(jié)束循環(huán)。大體而言，從三維方面考慮，機器設計的弱點在于軸向端部區(qū)域，特別是永磁體5 的軸向端部區(qū)域。泄漏通量14從永磁體5泄漏到轉(zhuǎn)子磁軛2中且返回到永磁體5。圖2至圖7示出了本發(fā)明用于減少泄漏通量14的方法。首先討論了理論背景。能夠通過下述等式I和等式2來分析地描述永磁體5上的主要通量13和泄漏通量14的相關(guān)性以及其他設計參數(shù)(主要通量是促成轉(zhuǎn)矩的通量)。
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是由于定子3的磁飽和而導致的空氣間隙12的假想額外長度；
Bjnain 表示主要通量；
Bleakage表示泄漏通量；
5Hm表不永磁體5的磁場強度；
7 ^表不一個定子齒沿切向方向的寬度；
Im表不永磁體5的徑向厚度；
4表示轉(zhuǎn)子磁軛(2)中形成的建議凹槽17的徑向高度；
I表示轉(zhuǎn)子磁軛(2)中形成的建議凹槽17的軸向?qū)挾龋?br> 表示一角度，該角度表示轉(zhuǎn)子磁軛4中的凹槽17的側(cè)壁之一的傾斜度； 表示空氣間隙12的徑向長度。等式4描述了主要通量和泄漏通量之間的比例
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該構(gòu)思是通過增加泄漏通量路徑的磁阻來最大化主要通量與泄漏通量之比。這里建議去除部分磁軛4從而增加磁阻。因而，隨著磁軛4的磁性材料被去除且被具有更大磁阻的空氣所代替，而增加了磁阻。為了增加轉(zhuǎn)子磁軛4的機械強度且同時仍保持高的磁阻且因而保持低的泄漏通量，不銹鋼或磁性行為類似于空氣的其它機械上堅固的非磁性材料能夠被設置在已經(jīng)去除了原始材料的地方。這里，兩個凹槽17被設置在磁軛4中，其具有分別沿軸向和徑向方向的寬度&和高度4。從等式4看出，主要通量與泄漏通量的比隨著凹槽17的寬度的增加和高度& 的增加而增加。注意到，從機械設計方面考慮，建議的改型可能僅具有微小的影響，因為例如通過機加工而去除了僅轉(zhuǎn)子磁軛4的小部分?？商娲桨傅倪x擇將基于通過使用例如FE的數(shù)值工具的精調(diào)磁性設計以及制造的簡易性。圖2示出了具有內(nèi)部周邊表面15的轉(zhuǎn)子磁軛4。這個表面15的一部分形成容納區(qū)域16以用于容納永磁體5。容納區(qū)域16的左邊和右邊(如所示沿軸向方向z)設置有兩個凹槽17。每個凹槽17均具有大致對應于永磁體5的厚度Im的寬度和高度&或深度。凹槽17鄰近容納區(qū)域16且也鄰近永磁體5。這種設計涵蓋了圖2所示情況，其中凹槽17的內(nèi)部側(cè)壁18直接相鄰于容納區(qū)域16。還包括，在容納區(qū)域16的軸向端部和內(nèi)部側(cè)壁18之間存在一定距離。因為凹槽17的磁阻大于磁軛4的鐵磁性材料，所以顯著減小了端部區(qū)域內(nèi)的泄漏通量。圖3示出了具有兩個凹槽17的磁軛4的進一步實施方式。這里，內(nèi)部側(cè)壁18是傾斜的。內(nèi)部側(cè)壁18以角度ο·,設置，該角度^測量于容納區(qū)域16和內(nèi)部側(cè)壁18之間。 角度小于90°。內(nèi)部側(cè)壁18形成底面切口。凹槽或空腔17的這種形狀進一步增加了泄漏通量路徑的磁阻，這是因為沿泄漏通量路徑的磁軛4中更多的鐵磁性材料被空氣代替。圖4示出了具有兩個凹槽17的磁軛4的另一種實施方式。凹槽17的內(nèi)部側(cè)壁18 沿豎直方向延伸，而外部側(cè)壁19傾斜。泄漏通量14如圖I所示以圓形方式流動。因此，外部側(cè)壁19的區(qū)域內(nèi)的通量小于內(nèi)部側(cè)壁18處的通量。這導致了凹槽17的形狀，其中磁軛 4的材料沿相關(guān)內(nèi)部側(cè)壁18被更多地去除且在外部側(cè)壁19處僅被部分地去除。圖5示出了磁軛4的一種實施方式，其中凹槽17從容納區(qū)域16延伸到磁軛4的軸向端部。這里，與前面的附圖相比，磁軛4中更多的材料例如通過機加工被去除。磁軛4 或凹槽17的這種形狀可以更易于制造，因為凹槽17具有兩個開放側(cè)面。另一個優(yōu)點在于， 顯著地減少了磁軛4的重量。因為磁軛4中大量鐵磁性材料被去除，所以增加了泄漏通量路徑的磁阻。凹槽17的內(nèi)部側(cè)壁再次是傾斜的。當然也可以具有豎直的內(nèi)部側(cè)壁18。圖6示出了永磁體機器I的進一步實施方式。永磁體機器I具有如圖2所示的磁軛4。能夠替代地使用如圖3至圖5所示的磁軛4。永磁體5不直接附接到容納區(qū)域16。 這里，鐵磁性基板20被設置在容納區(qū)域16處且承載永磁體5。通過空氣間隙12將定子3 的疊片組6與永磁體5隔開。鐵磁性基板20能夠被用于便于永磁體5的處理和安裝。在圖6中，凹槽17的內(nèi)部側(cè)壁18和基板20的側(cè)壁是豎直的。即使凹槽17的內(nèi)部側(cè)壁18是傾斜的，基板20的側(cè)壁仍可以沿豎直方向延伸。圖7示出了具有基板20的磁軛4和永磁體5，其中凹槽17的內(nèi)部側(cè)壁18是傾斜的。現(xiàn)在，基板20的側(cè)壁也是傾斜的。優(yōu)選地，內(nèi)部側(cè)壁18和基板20的側(cè)壁的傾斜角度是相等的或大致相同的。如圖2至圖7所示的實施例和細節(jié)的組合落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如圖3和圖4 所示的實施例能夠被結(jié)合。這將導致磁軛4具有的凹槽17帶有兩個傾斜側(cè)壁。內(nèi)部側(cè)壁 18和外部側(cè)壁19的傾斜角度可以是相同或大致相同的。當僅部分永磁體機器I或發(fā)電機被描述為例如如圖2所示時，顯而易見的是這種描述還應用到整個永磁體機器或其一部分例如轉(zhuǎn)子或定子。已經(jīng)針對具有外部轉(zhuǎn)子2的永磁體機器I描述了本發(fā)明。明顯的是本發(fā)明還能夠被用于具有內(nèi)部轉(zhuǎn)子和外部定子的永磁體機器。
權(quán)利要求
1.永磁體機器(I)的磁軛,包括具有用于容納永磁體(5)的容納區(qū)域(16)的表面 (15)，其中兩個凹槽(17)被設置成鄰近所述容納區(qū)域(16)以增加磁阻。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁軛，其中所述凹槽(17)的寬度(^)和/或深度(4)基本對應于所述永磁體(5)的厚度(7J。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的磁軛，其中所述凹槽(17)延伸到所述表面(15)的端部。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項權(quán)利要求所述的磁軛，其中所述凹槽(17)的側(cè)壁(18， 19)以一定角度UJ延伸。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項權(quán)利要求所述的磁軛，其中非磁性材料被置于所述凹槽(17)內(nèi)部。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項權(quán)利要求所述的磁軛，其中所述表面(15)是周邊表面并且其中所述兩個凹槽(17)被設置成沿軸向方向(z)鄰近所述容納區(qū)域(16)。
7.用于永磁體機器(I)的轉(zhuǎn)子，包括永磁體(5)和根據(jù)權(quán)利要求I至6中至少一項權(quán)利要求所述的磁軛(4)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的轉(zhuǎn)子，包括設置在所述容納區(qū)域(16)和所述永磁體(5)之間的基板(20)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的轉(zhuǎn)子，其中所述基板(20)的側(cè)壁以一定角度延伸。
10.用于永磁體機器(I)的定子，包括永磁體和根據(jù)權(quán)利要求I至6中至少一項權(quán)利要求所述的磁軛。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的定子，包括設置在所述容納區(qū)域和所述永磁體之間的基板。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的定子，其中所述基板的側(cè)壁以一定角度延伸。
13.永磁體機器，包括定子(3)、轉(zhuǎn)子(2)和根據(jù)權(quán)利要求I至6中至少一項權(quán)利要求所述的磁軛(4)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的永磁體機器，包括根據(jù)權(quán)利要求7至9中至少一項權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)子(2)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的永磁體機器，包括根據(jù)權(quán)利要求10至12中至少一項權(quán)利要求所述的定子。
全文摘要
本發(fā)明涉及永磁體機器(1)的磁軛(4)，其包括具有用于容納永磁體(5)的容納區(qū)域(16)的表面(15)，其中兩個凹槽(17)被設置成鄰近所述容納區(qū)域(16)以增加磁阻。
文檔編號H02K1/06GK102593970SQ20111042928
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月20日
發(fā)明者M.基米亞貝吉 申請人:西門子公司