专利名称：具有多重特性的内置永磁转子和制造该转子的方法
技术领域：
本发明涉及具有多重特性的内置永磁转子和制造该转子的方法。更具体地，本发明涉及构造用于在电动车或混合动力车辆中使用的电机的这种转子，或者构造用于在其它目的中使用的电机的这种转子。
背景技术：
电机用转子不同区域中的磁性材料的类型和强度可以变化。例如，在美国专利6,703,746中，NdFeB用于构造在转子的整个外隔层中，在此处它很容易磁化。但是，在该专利中转子中部或内区域的高能磁性材料不暴露于强度足够完全磁化高能磁性材料的磁化场。因此，低能磁性材料放置在转子中很难磁化的区域，因为低能磁性材料比高能磁性材料需要更小数值的磁化场。因此，内区域中的低能磁性材料可被完全磁化。内区域中的低能磁体对气隙磁通没有贡献。但是低能磁体确保桥饱和，这对确保相应于更佳性能的高特点很重要。内区域中未磁化的高能磁体有助于浪费贵重的磁体材料和不充分的桥饱和。不充分的桥饱和降低转子特点和电机性能。
在美国专利6,703,746中，高能和低能磁性材料以液态形式注射到转子内单独的腔中，同时高能磁性材料注射到邻近转子外围的外腔，低能磁性材料注射到更靠近转子轴线的内腔。当液态磁性材料凝固时，它被定子或其它磁化源磁化。在美国专利6,703,746的布置中，腔内的每种磁性材料与它们之间未混合的交界面一致。
IPM电机的设计是在满足系统目标的同时最小化不希望的该设计的副作用所作出的一系列折衷。转子内的扭矩脉动和损失是两个这种不希望的副作用。电机磁体内的涡流损失有助于转子变热。沿着转子轴向长度的分段烧结磁体经常用于最小化涡流损失和因而带来的转子变热。通过小心成型转子磁体(较薄的面对转子表面)和/或倾斜转子或者定子以消除沿着电机长度的气隙磁通而最小化转矩脉动。倾斜降低了平均扭矩产生量，使电机的制造变复杂。通过在转子中建立额外的机械桥以致转子表面附近的小部分腔未被磁性材料填满而最小化涡流损失。因为最接近转子表面的磁性材料相当大地有助于扭矩脉动，AC磁通有助于涡流，所以这种技术能减少扭矩脉动和涡流损失。当整个转子作为一个组件磁化时，越靠近转子表面的磁性材料越容易磁化，因而在转子表面附近布置较强的磁体和在转子内部越深处布置越弱的磁体是节约成本的措施。但是，需要尽可能高效地制造磁性材料的这种装置。
发明内容
一种用于牵引电机的电枢包括转子，该转子具有中心部和周缘部，该周缘部具有若干腔。由液态磁性材料固化得到的永磁体布置在腔内，以形成转子的极，腔的至少一部分具有直接邻接的包括至少第一和第二磁性材料的永磁体，该至少第一和第二磁性材料具有不同的特性，当两种磁性材料都为液态或至少可移动形式时注射，所述磁性材料一起在每个腔内固化。这导致第一和第二磁性材料之间的交界区域，其中第一和第二磁性材料沿着每个腔内的共用交界区域彼此混合。
在另一个方面，转子的每个腔内存在至少第三磁性材料。
在另一个方面，磁性材料为NdFeB和铁氧体。
在另一个方面，选择腔具有相对于转子的大致径向部件，可变特性永磁体的磁特性沿着相对于转子轴线的径向变化。
在另一个方面，选择腔具有相对于转子的轴向延伸，可变特性永磁体的磁特性沿着相对于转子的轴向变化。
一种制造转子的方法用于形成牵引电机的电枢，该方法包括首先为转子设置邻近转子周缘的腔。当第一和第二磁性材料同时为液态形式时，将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。当允许磁性材料固化时，腔具有集中在其分离区域内的第一和第二磁性材料，同时交界区域具有第一和第二材料的混合物。
当结合附图考虑时，本发明的各种其它特征和附带优势将更加充分地察觉，同时也变得更好理解，在多个视图中相同的附图标记表示相同或类似的部件，以及其中 图1是永磁电机和控制系统的示意性横截面图； 图2是多层内置或嵌入磁体式电机几何形状的横截面； 图3是多层内置或嵌入磁体式电机几何形状的横截面，其下隔层填满低能磁性材料，上隔层填满高能磁性材料； 图4是类似于图1-3的视图，但是显示单个腔，一些腔具有至少两种磁性材料，根据本发明的原理两种磁性材料在同时为液态形式时注射，以产生交界区域，两种磁性材料在交界区域互相混合； 图5是类似于图1-3的转子内单个腔的视图，其中第三材料注射到腔内，材料被两个交界区域分隔，磁性材料在交界区域内互相混合； 图6是类似于图4的转子内单个腔的视图，其中沿着转子的轴向长度改变注射的磁性材料，磁性材料之间具有混合材料的交界区域，和 图7是类似于图4的转子内单个腔的视图，其中改变了转子周缘表面附近的注射磁性材料。
具体实施例方式图1是具有绕线定子12和永磁转子14的永磁电机10的示意图。转子14围绕纵向轴线15和周缘表面16形成。电源和逆变器17通信，响应于反馈控制电机10的速度和扭矩，该反馈包括但不限于编码器、解算仪、转速计、接近开关和齿副、和反电动势(emf)方向。电机10的特征在于为无刷DC电机，其由电源和逆变器17提供的方波或正弦波激励。
图2是现有技术中多层或多隔层嵌入磁体式转子几何形状的横截面。永磁体20由磁性材料层或隔层24的区域26限定，这些区域很难完全磁化，因为它们距离转子14的周缘表面16有相对长的距离。磁性材料层24的表面在后磁化过程中被磁化固定物或绕线定子12磁化。本发明一个实施例中的后磁化过程包括在转子14周围定位磁化固定物，以便磁化转子内的磁性材料。磁化固定物类似于定子12，包括用于磁化过程的线组。在本发明可选实施例中，定子12自身用于磁化转子14，取代使用磁化固定物。磁化固定物包括足够的铁，从而防止它饱和。磁化固定物中的线组如此放置以致磁场沿着希望的磁化方向导向。
图3是类似图2的转子横截面，其中混合塑料的磁粉在高温和高压下注射到转子14的腔中，在固化时允许材料结合和形成转子14腔内的固态磁体。希望该过程能用于大规模生产。如上所述，只有当磁性材料嵌入在转子表面附近时才能实现高能磁性材料的后磁化。
取决于磁性材料的成份，磁性材料24需要不同的磁场强度以被完全磁化。高能磁体20因为它们较高的退磁强度优选用于可变速度电机驱动应用，高能磁体20需要非常高的磁场，以饱和磁性材料24使其完全磁化。磁场由定子12的线组内或磁化固定物内的电流流动产生。通常，在非常短的时间段内需要非常高的电流脉冲以便磁化转子14。如果定子12缺乏足够的铁，在该过程中它变得饱和，防止产生的磁场渗入转子14。
如前所述，IPM转子的多层或多隔层几何形状改进转子14的特点。因此，图2所示转子14的几何形状具有以下优势具有相对高特点、改进机器扭矩密度和降低特定扭矩或瓦特数电机额定值所需的磁性材料体积。较低的磁性材料体积需求降低电机成本，同时缓解与高通量PM机器有关的问题，例如短路和断路故障问题，以及缓解因永磁场的存在而导致的自旋损失(涡流感应损失)。
图3是多层或多隔层嵌入磁体式电机10的横截面，该电机具有填满低能磁性材料40、布置为更靠近转子14轴线15的磁体20的下隔层和填满高能磁性材料42的磁体20的上隔层。在本发明中，高能磁性材料从转子14的某些区域中移除，例如图2中的区域26，在此处很难用低能磁性材料磁化高能磁性材料。高能磁性材料42包括需要大于2000kA/m的磁化场才能磁化的材料。低能磁性材料40包括需要小于2000kA/m的磁化场的材料。低能磁性材料40的低矫顽磁性允许更容易磁化。在本发明的优选实施例中，高能磁性材料42为NdFeB，低能磁性材料40为铁氧体，但是任何其它的高能或低能磁性材料都认为在本发明的范围内。
放置得更靠近转子14中心的低能磁性材料40能被磁化固定物完全磁化，因为它的磁化场较低。磁性材料40的主要性能贡献是饱和隔层24之间的桥22，因而确保转子14的特点。放置在转子中心附近的低能磁性材料40的机械强度足够实现该功能。
现在参考图4，其中显示了转子14的部分14A，图1-3的现有技术中讨论的多重特性注模磁体50的使用为设计者提供了额外的自由度，以便最优机器的设计。一个关心的区域是机械转子桥52。因为转子桥52提供泄漏路径，因此希望包括桥的转子铁磁力饱和，以致最小化泄漏通量。转子桥52附近的强磁体增加桥的局部饱和，帮助实现该目标。但是，如果在整个腔内使用，用于饱和桥52的磁体强度可能太强。以至于不能实现系统目标。
在图4中，磁体50为多重特性磁体，其以液态形式或可移动(即，可流动的塑料)形式注射到转子腔段53和54内，以便控制转子桥52的局部饱和，同时磁体54为单一特性注射磁体。在图4中。具有不同特性(即，不同的磁强、温度稳定性等)的磁体部60和62注射到转子腔段内，同时两个磁性材料都呈液态形式。因为在两个部都为液态形式时注射磁体部60和62，所以在交界区域63处发生一些混合。这导致磁体50具有沿磁体径向长度光滑过渡的磁特性。因此，在两个部还处于液态或可移动形式时注射或同时注射磁体部60和62，磁体部位于在交界区域63混合的腔53和54段内。
优选地，第一磁性材料60为相对高能材料，例如NdFeB，第二材料62为相对低能材料，例如铁氧体，交界区域内的材料为NdFeB和铁氧体的混合物。通过改变磁性腔沿着远离周缘16的径向和朝着转子轴线15(参见图1和2)的强度和/或热特性，磁饱和控制在径向钢截面中，转子由刚构造，为设计者在构造转子14时提供更大的灵活性。
图5阐述本发明的另一个实施例，其中腔70具有在第一磁性材料60’和第二磁性材料62’之间注射的第三磁性材料72。第二交界区域74布置在第一磁性材料60’和第三磁性材料72之间，第三交界区域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之间。第二和第三交界区域74、76在数量上为两个，然而图4的第一交界区域63在数量上为一个。与图4的第一交界区域63一样，第三磁性材料72注射到腔70内，同时第一和第二材料60’和62’呈液态或可移动(即，可流动的塑性)形式，它们可移动到足够与第三材料72混合。因此，第二和第三交界区域74、76提供腔70内3种磁性材料之间的光滑过渡区域。在图5中，第三磁性材料72使磁性材料60’到第二磁性材料62’的过渡更加光滑，交界区域74和76也使该过渡更加光滑。
现在参考图6，在另一个实施例中磁性材料80和82的磁特性沿着转子14’的轴线长度变化，如轴向腔84所示。交界区域86位于磁性材料82和82”之间，磁性材料80和82在此处混合，以便使材料之间的过渡光滑。这种布置使转子14的电磁倾斜，以致不需要物理安排转子叠层结构。
在图7中，通过将一些磁性材料60”和磁性材料62”混合而改变转子14周缘表面16附近的磁特性。在磁性材料62”和转子14周缘16附近的混合区域之间还是交界区域63”。这种布置降低了与转子和定子12之间的齿槽效应有关的扭矩脉冲，同时确保转子深处希望的桥饱和。通过控制局部基础上的饱和，增加了磁阻扭矩的有效性，这导致增加电机扭矩和功率密度。
尽管已经根据一些特殊实施例描述了本发明，但将意识到熟悉本技术领域的人员很容易采用其它的形式。因此，本发明的范围应认为只被下文的权利要求书限定。
根据上述说明，熟悉本技术领域的人员很容易确定本发明的必要特征，在不脱离本发明精神和范围的情况下，熟悉本技术领域的人员可对本发明做出各种不同的变化和修改，以便使它适应各种不同的用途和情况。
权利要求
1.一种用于牵引电机的电枢，所述电枢包括转子，其具有中心部和周缘部，所述周缘部具有若干腔；永磁体，其由布置在腔内的液态磁性材料固化得到，以形成转子的极，腔的至少一部分具有直接邻接的包括至少第一和第二磁性材料的永磁体，所述至少第一和第二磁性材料具有不同的特性，在单个腔内注射和固化，和交界区域，其位于所述至少第一和第二磁性材料之间，磁性材料在交界区域混合，以形成过渡区域。
2.如权利要求1所述的电枢，其特征在于，在单个腔内存在至少第三磁性材料，所述第三磁性材料与所述第一和第二磁性材料中的至少一个被另外的交界区域分隔，来自不同区域的磁性材料在交界区域内混合，以形成过渡区域。
3.如权利要求1所述的电枢，其特征在于，第一磁性材料为NdFeB，第二磁性材料为铁氧体。
4.如权利要求1所述的电枢，其特征在于，若干腔包括分隔的腔阵列，每个阵列具有其中具有可变特性永磁体的选择腔。
5.如权利要求1所述的电枢，其特征在于，所述选择腔具有相对于转子的大致径向部件的延伸，其中可变特性永磁体的磁特性相对于转子沿径向变化。
6.如权利要求1所述的电枢，其特征在于，所述选择腔具有相对于转子的轴向延伸，其中可变特性永磁体的磁特性沿着相对于转子的轴向变化。
7.如权利要求6所述的电枢，其特征在于，所述选择腔还具有相对于转子的大致径向部件的延伸，其中可变特性永磁体的磁特性沿着相对于转子的径向变化。
8.一种制造转子的方法，用于形成牵引电机的电枢，其中所述转子具有周缘和邻近周缘的腔，所述方法包括将液态或可移动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；当第一磁性材料还处于液态或可移动形式时，将具有不同于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，其中选择腔具有位于其中的第一和第二磁性材料，以及第一和第二磁性材料之间的交界区域，和允许磁性材料固化，所述交界区域具有在交界区域内混合的两种材料。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述磁性材料在磁强或温度稳定性方面不同。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，第一磁性材料为NdFeB，第二磁性材料为铁氧体。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述腔形成在电枢中，具有邻近转子周缘的第一部分和在第一部分内侧形成的第二部分，其中NdFeB注射到第一部分，铁氧体注射到第二部分。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述磁性材料注射到布置在与转子周缘相距分隔的径向距离的腔部分。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，存在高能和低能磁性材料，高能磁性材料注射到接近转子周缘的腔部分，低能磁性材料注射到高能磁性材料内侧的腔部分。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述腔形成在电枢中，具有邻近转子周缘的第一部分和在第一部分内侧形成的第二部分，其中NdFeB注射到第一部分，铁氧体注射到第二部分。
15.如权利要求8所述的方法，还包括，在注射第一和第二磁性材料的同时，将液态或可移动形式的第三磁性材料注射到位于第一和第二磁性材料之间的位置，以便建立第三区域，所述第三区域通过交界区域与第一和第二磁性材料分离，磁性材料在交界区域内混合，且当材料固化时保持混合。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，同时注射所述第一、第二和第三磁性材料。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，同时注射所述第一和第二磁性材料。
全文摘要
一种用于牵引电机的电枢包括转子，该转子具有中心部和周缘部，该周缘部具有若干腔。由液态磁性材料固化得到的永磁体布置在腔内，以形成转子的极，腔的至少一部分具有直接邻接的包括至少第一和第二磁性材料的永磁体，该至少第一和第二磁性材料具有不同的特性，以液态或可移动形式注射在单个腔内。第一和第二磁性材料在位于至少第一和第二磁性材料之间的交界区域内混合，以形成过渡区域。一种用于制造电枢的方法包括同时注射磁性材料和当初始磁性材料还处于流体可移动状态时注射随后的磁性材料。
文档编号H02K21/14GK101047325SQ200710089050
公开日2007年10月3日 申请日期2007年3月29日 优先权日2006年3月29日
发明者B·韦尔奇科, C·C·斯坦库, G·S·史密斯 申请人:通用汽车环球科技运作公司