用于磁性部件的芯元件及其制造方法与流程

本公开涉及磁性部件的芯元件。芯元件可以例如(但不必需)是轴向磁轴承的定子或转子芯、组合式轴向和径向磁轴承的定子或转子芯、变压器或滤波器芯，或者电机的定子或转子芯。此外，本公开涉及一种用于制造磁性部件的芯元件的方法。

背景技术：

在许多情况下，磁性部件的芯元件实现为层叠结构，即堆叠的板片结构，使得磁通量沿着板片传导，而不穿过板片。该层叠结构的优点在于，与由实心钢制成的相应芯元件相比，变化的磁通量引起的涡流明显更少。芯元件可以例如(但不必需)是轴向磁轴承的定子或转子芯、径向磁轴承的定子或转子芯、组合式轴向和径向磁轴承的定子或转子芯、变压器或滤波器芯、电机的定子或转子芯、或者无轴承电机的定子芯，其中定子芯不仅用于扭矩产生，还用于转子的磁悬浮。

层叠结构的固有缺点是构造芯元件可能很麻烦，在所述芯元件中，铁磁片需要在彼此相交的方向上弯曲，以便实现其中磁通量可以沿着板片流动而不需要流过板片的情况。通过使用在电机的轴向方向上彼此堆叠的平面铁磁片，很容易构造例如径向磁通电机的定子或转子芯。同样，通过以与带在带卷上卷绕相同的方式卷绕伸长铁磁片来构造用于环形线圈的芯元件也很简单。然而，构造例如用于轴向磁轴承的层叠定子芯元件以使磁通量不需要流过铁磁片，这显然更具挑战性。轴向磁轴承的定子芯元件通常是旋转对称元件，其包括用于传导电流的线圈的环形凹槽。因此，上述芯元件的铁磁片必须在彼此相交的方向上弯曲，以实现磁通量不需要流过这些板片的情况。在许多情况下，其中最初是平面的铁磁片需要以复杂方式成形的层叠芯元件的制造是不可能的，或者至少不是成本高效的。

技术实现要素：

以下给出了简化的概述，以便提供对各种发明实施例的一些方面的基本理解。该概述不是对本发明的广泛概述。它既不旨在标识本发明的关键或重要元素，也不旨在描绘本发明的范围。以下概述仅仅以简化的形式呈现了本发明的一些概念，作为对本发明示例性实施例的更详细描述的序言。

在本文中，当用作前缀时，“几何”一词指的是不一定是任何物理对象的一部分的几何概念。几何概念可以是例如几何线或轴线、几何平面、非平面几何表面、几何空间或任何其他一维、二维或三维的几何实体。

根据本发明，提供了一种制造用于磁性部件的芯元件的新颖方法。

根据本发明的方法包括通过三维“3d”打印产生包括多个铁磁部段的铁磁结构，其中铁磁部段中相邻的铁磁部段通过铁磁峡部相互连接，其中铁磁结构构成芯元件的至少一部分。

由于上述铁磁结构是通过三维打印制造的，因此能制造出原本通过成形最初为平面的铁磁片无法做出或至少不能成本高效地做出的芯元件。

根据本发明示例性和非限制性实施例的方法还包括将电绝缘材料浇注到铁磁部段之间的间隙中。根据本发明的示例性和非限制性实施例的方法还包括在浇注之后，在铁磁结构中切割出开口，从而移除铁磁峡部的至少一部分。根据本发明示例性和非限制性实施例的方法还包括在切割之后，将电绝缘材料浇注到开口中。

根据本发明，还提供了一种用于磁性部件的新颖芯元件。芯元件可以例如(但不是必需)是轴向磁轴承的定子或转子芯、径向磁轴承的定子或转子芯、组合式轴向和径向磁轴承的定子或转子芯、变压器或滤波器芯、电机的定子或转子芯、或者无轴承电机的定子芯，其中定子芯不仅用于扭矩产生，还用于转子的磁悬浮。

根据本发明的芯元件包括用于传导磁通量的多个铁磁部段，其中

-铁磁部段中相邻的铁磁部段通过铁磁峡部彼此连接，铁磁峡部被布置成将铁磁部段中相邻的铁磁部段保持为彼此隔开一定距离，和/或

-铁磁部段之间的间隙填充有电绝缘固体材料，这些间隙中相邻的间隙经由穿过铁磁部段的开口彼此连接，开口填充有电绝缘固体材料。

根据本发明的磁性部件包括根据本发明的芯元件和用于传导电流以产生由芯元件传导的磁通量的至少一个绕组。

在随附的从属权利要求中，描述了本发明的多个示例性和非限制性实施例。

当结合附图阅读时，从以下对具体示例性和非限制性实施例的描述中，将会更好地理解本发明关于构造和操作方法的各种示例性和非限制性实施例及其附加目的和优点。

动词“包括”和“包含”在本文件中用作开放性限制，其既不排除也不要求存在未列举的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中列举的特征可以相互自由组合。此外，应该理解的是，在整个文件中使用的“一”，即单数形式，并不排除复数。

附图说明

本发明的示例性和非限制性实施例及其优点将在下面以示例的意义并参考附图更详细地解释，其中：

图1示出了说明根据本发明示例性和非限制性实施例的用于制造磁性部件的芯元件的方法的流程图。

图2a、2b、2c、2d、2e和2f示出了根据本发明示例性和非限制性实施例的制造芯元件的方法。

图3a和3b示出了根据本发明示例性和非限制性实施例的芯元件的细节，

图4a和4b示出了根据本发明示例性和非限制性实施例的芯元件，

图5a、5b和5c示出了根据本发明示例性和非限制性实施例的芯元件，

图6a和6b示出了根据本发明示例性和非限制性实施例的芯元件，

图7a和7b示出了根据本发明示例性和非限制性实施例的芯元件，并且

图8a和8b示出了根据本发明示例性和非限制性实施例的芯元件。

具体实施方式

在下面给出的描述中提供的具体示例不应被解释为限制所附权利要求的范围和/或适用性。除非另有明确说明，否则以下描述中提供的示例列表和组并不是穷尽的。

图1示出了说明根据本发明示例性和非限制性实施例的用于制造磁性部件的芯元件的方法的流程图。该方法的动作101包括通过三维“3d”打印产生铁磁结构。铁磁结构包括多个铁磁部段，其中铁磁部段中相邻的铁磁部段通过铁磁峡部彼此连接，从而将铁磁部段中相邻的铁磁部段保持为彼此隔开一定距离。铁磁峡部和铁磁部段可以构成单件铁磁材料，例如钢，因此从铁磁部段分离铁磁峡部需要破坏材料。铁磁部段可以构成例如铁磁片的堆叠或铁磁丝的束。铁磁部段保持为彼此分开的事实减少了由铁磁结构中变化的磁通量引起的涡流。

在根据本发明示例性和非限制性实施例的方法中，上述铁磁结构构成芯元件。在该示例性情况下，铁磁部段之间的间隙由周围空气或围绕芯元件的其它气体或液体填充。

根据本发明的示例性和非限制性实施例的方法还包括可选动作102，其中将第一电绝缘材料浇注到铁磁部段之间的间隙中。填充间隙的第一电绝缘材料提高了芯元件的机械强度。第一电绝缘材料可以是例如树脂或塑料。

根据本发明的示例性和非限制性实施例的方法还包括可选动作103，其中在铁磁结构中切割出开口，从而移除铁磁峡部的至少一部分。这进一步减少了由芯元件中变化的磁通量引起的涡流。

根据本发明的示例性和非限制性实施例的方法还包括可选动作104，其中将第二电绝缘材料浇注到上述开口中。填充开口的第二电绝缘材料提高了芯元件的机械强度。第二电绝缘材料可以是例如树脂或塑料。第二电绝缘材料可以与上述第一电绝缘材料相同。

图2a、2b、2c、2d、2e和2f示出了在示例性情况下制造芯元件的方法，其中该方法包括图1的流程图中所示的上述动作101-104。得到的芯元件在图2f中用附图标记211表示。图2a和2b示出了在动作101中通过3d打印制成的铁磁结构。图2a示出了铁磁结构的一部分的截面图，使得该截面沿着图2b所示的几何线a2-a2截取，并且该几何截面平面平行于坐标系290的xz平面。图2b示出了截面图，使得该截面沿着图2a所示的几何线a1-a1截取，并且该几何截面平面平行于坐标系290的xy平面。铁磁结构包括多个铁磁部段，这些铁磁部段通过铁磁峡部彼此连接，铁磁峡部将铁磁部段中相邻的铁磁部段保持彼此隔开一定距离。在图2a中，铁磁部段中的四个用附图标记216、217、218和219表示，铁磁峡部中的两个用附图标记220和221表示。图2b示出了铁磁部段217的一部分，和铁磁峡部中的四个的截面图。从图2a和2b中可以看出，铁磁部段是由铁磁峡部保持为彼此隔开的铁磁片，使得铁磁片中相邻的铁磁片之间存在间隙。在图2a中，其中间隙之一用附图标记222表示。

图2c示出了图1的流程图中所示的动作102的结果。图2c以与图2a相同的方式示出了截面图。在图2c中，已经浇注到铁磁部段之间的间隙中的第一电绝缘材料用附图标记223表示。

图2d和2e示出了图1的流程图中所示的动作103的结果。图2d示出了沿图2e所示的几何线a4-a4截取的截面图，其中几何截面平面平行于坐标系290的xz平面。图2e示出了沿图2d所示的几何线a3-a3截取的截面图，其中几何截面平面平行于坐标系290的xy平面。

在图2d和2e中，已经在铁磁结构中切割的开口之一用附图标记224表示。在该示例性情况下，如图2a和2d所示，铁磁峡部220已经通过切割被移除，而铁磁峡部221没有被移除。开口可以通过例如钻孔、激光切割、水射流切割和/或利用任何其它合适的切割方法来切割。

图2f示出了图1的流程图中所示的动作104的结果。图2f以与图2d相同的方式示出了截面图。在图2f中，已经浇注到上述开口中的第二电绝缘材料用附图标记225表示。浇注到切割开口中的第二电绝缘材料225可以与已经浇注到铁磁部段之间的间隙中的第一电绝缘材料223相同。

为了说明的目的，在图2a-2f中，铁磁片之间间隙的z方向宽度相对于铁磁片的厚度被放大。在实际情况下，铁磁片的厚度有利地显著大于铁磁片之间的间隙的宽度。此外，铁磁片之间的间隙的厚度和/或铁磁片的厚度可以在横截面上的不同点处和在不同横截面上变化。

图3a和3b示出了根据本发明示例性和非限制性实施例的芯元件311的细节。图3a示出了芯元件311的一部分的截面图，使得该截面沿着图3b所示的几何线a2-a2截取，并且该几何截面平面平行于坐标系390的xz平面。图3b示出了截面图，使得该截面沿着图3a所示的几何线a1-a1截取，并且该几何截面平面平行于坐标系390的yz平面。芯元件311的铁磁结构包括多个铁磁部段，这些铁磁部段通过铁磁峡部彼此连接，铁磁峡部被布置成使铁磁部段中相邻的铁磁部段保持为彼此隔开一定距离。在图3a中，铁磁部段中的四个用附图标记316、317、318和319表示。在该示例性情况下，铁磁部段是布置成构成丝束的铁磁丝。铁磁丝之间的间隙填充有电绝缘材料323。铁磁丝能够沿着铁磁丝传导磁通量。铁磁丝可以具有弯曲形状，用于实现具有所需形状的芯元件。此外，铁磁丝的横截面面积和/或横截面形状可以沿着所考虑的铁磁丝的纵向方向变化。为了说明的目的，在图3a和3b中，铁磁丝之间的间隙的y方向宽度和z方向宽度相对于铁磁丝的y方向宽度和z方向厚度被放大。在实际情况下，铁磁性丝的厚度有利地显著大于铁磁性丝之间的间隙的宽度。

通过上述方法制造的芯元件可以用于许多不同的应用。下面参考图4a、4b、5a、5b、5c、6a、6b、7a和7b给出一些示例性和非限制性应用。然而，应当注意，通过上述方法制造的芯元件也可以用于许多其他应用中。

图4a和4b示出了根据本发明的示例性和非限制性实施例的芯元件411、412、413和414。在该示例性情况下，芯元件411和414构成轴向磁轴承的定子芯，芯元件412和413构成轴向磁轴承的转子芯。轴向磁轴承的轴向方向平行于坐标系490的z轴线。图4b示出轴向磁轴承的截面图。该截面沿着图4a所示的几何线a-a截取，并且该几何截面平面平行于坐标系490的xz平面。从图4b中可以看出，芯元件411-414的铁磁部段是旋转对称的铁磁片，其在与轴450的几何旋转轴线重合的几何平面上具有基本u形横截面。芯元件412和413借助于盘434连接到轴450。轴向磁轴承包括环形绕组426和427，其具有围绕轴450的线圈匝。从图4b可以理解，由环形绕组426和427中流动的周向电流产生的磁通量可以沿着上述铁磁片流动，并且磁通量不需要流过铁磁片。相应地，磁通量不需要基本上流过与上述铁磁片分离并具有与上述铁磁片不同构造的实心铁或者其它材料。

图5a、5b和5c示出了根据本发明的示例性和非限制性实施例的芯元件511、512、513和514。在该示例性情况下，芯元件511和514构成作为组合式径向和轴向磁轴承的磁轴承的定子芯，并且芯元件512和513构成该磁轴承的转子芯。芯元件512和513附连在轴550上。磁轴承的轴向方向平行于坐标系590的z轴线。图5b示出了磁轴承的截面图，使得该截面沿着图5a所示的几何线a1-a1截取，并且该几何截面平面平行于坐标系590的xz平面。图5c示出了磁轴承的截面图，使得该截面沿着图5b所示的几何线a2-a2截取，并且该几何截面平面平行于坐标系590的xy平面。在图5c中，用附图标记535表示芯元件512的轴向空气间隙表面。

从图5b和5c可以看出，转子侧的芯元件512和513的铁磁部段是旋转对称的铁磁片，其在与轴550的几何旋转轴线重合的几何平面上具有基本l形的截面。从图5b和5c中可以看出，定子侧的芯元件511和514的铁磁部段是下面这样的铁磁片：除了芯元件511和514被分成四个区段并且芯元件511和514包括用于磁极绕组528、529、530和531的径向定向的磁极部分之外，这些铁磁片是旋转对称的。上述类型的区段的数量也可能不同于四个。例如，区段的数量可以是三个、六个、八个或一些其他合适的数量。磁极绕组528-531适于将径向磁力导向转子侧的芯元件512和513。磁轴承包括环形绕组526和527，其具有围绕轴550的线圈匝。环形绕组526和527适于将轴向磁力导向转子侧的芯元件512和513。从图5b和5c可以理解，由环形绕组526和527中流动的周向电流产生的磁通量可以沿着芯元件511-514的铁磁片流动，并且磁通量不需要流过铁磁片。相应地，由在磁极绕组528-531中流动的电流产生的磁通量可以沿着芯元件511-514的铁磁片流动，并且磁通量不需要流过铁磁片。值得注意的是，上述环形绕组526和527不是将轴向磁力导向转子侧的芯元件512和513的唯一可能选择。例如，环形绕组526和527可以用区段特定绕组的组合来代替，每个区段特定绕组缠绕在相应芯元件的一个区段上，使得区段特定绕组突伸穿过相邻区段之间的间隙。

图6a和6b示出了根据本发明的示例性和非限制性实施例的芯元件611。在该示例性情况下，芯元件611构成磁轴承的转子芯，该磁轴承是组合式径向和轴向磁轴承。磁轴承的轴向方向平行于坐标系690的z轴线。图6a示出了磁轴承的截面图，使得该截面沿着图6b所示的几何线a2-a2截取，并且该几何截面平面平行于坐标系690的yz平面。

图6b示出了磁轴承的截面图，使得该截面沿着图6a所示的几何线a1-a1截取，并且该几何截面平面平行于坐标系690的xy平面。磁轴承能够仅在坐标系690的正z方向上将轴向磁力导向芯元件611。因此，需要一种布置，使得轴向力也在负z方向上被导向芯元件611。

磁轴承包括用于产生磁通量的绕组，所产生的磁通量在磁轴承的定子芯元件612、613、614和615以及转子侧的芯元件611中流动。在图6a和6b中，其中一个绕组用附图标记627表示。可以例如通过彼此堆叠电绝缘的平面铁磁片来构造定子芯元件612-615。然而，定子芯元件612-615也可以通过根据本发明的示例性和非限制性实施例的方法制造。磁轴承包括永磁体，用于产生偏置磁通量，以线性化磁轴承的控制。在图6a和6b中，永磁体中的两个用附图标记636和637表示。在图6a中，用虚线描绘了偏置磁通量中的两个。

如图6b所示，芯元件611的铁磁部段是平行于与轴650的几何旋转轴线重合的几何平面的铁磁片。芯元件611的铁磁片是楔形的，使得铁磁片的厚度朝向轴650的几何旋转轴线减小。根据图6a和6b可以理解，由永磁体和在绕组中流动的电流产生的磁通量可以沿着定子芯元件612-615的铁磁片并沿着转子侧的芯元件611的铁磁片流动，并且磁通量不需要流过铁磁片。芯元件611可以设有支撑环，以提高芯元件的机械强度。在图6a中，支撑环用附图标记638表示。为了清楚起见，图6b中未示出支撑环。支撑环638可以包括例如金属、玻璃纤维增强树脂或塑料、碳纤维增强树脂或塑料，或者能够承受机械应力的一些其它合适的材料。在图6a和6b所示的示例性情况下，定子芯元件612-615的数量是四个，但是相应的定子芯元件的数量也可以是例如三个、六个或一些其它合适的数量。

图7a和7b示出了根据本发明示例性和非限制性实施例的芯元件711的细节。在该示例性情况下，芯元件711是径向磁通电机的定子芯。径向磁通电机的轴向方向平行于坐标系790的z轴线。图7a示出了芯元件711的一部分的截面图，使得该截面沿着图7b所示的几何线a2-a2截取，并且该几何截面平面平行于坐标系790的xy平面。图7b示出了芯元件711的上述部分的截面图，使得该截面沿着图7a所示的几何线a1-a1截取，并且该几何截面平面平行于坐标系790的yz平面。芯元件711包括用于在径向方向上传导磁通量的齿和将齿彼此连接的轭。这些齿中的相邻的齿构成电机绕组的线圈侧的凹槽。图7a示出了上述齿之一的截面图。此外，图7a示出了线圈侧726和727的部分的截面图。图7b示出了上述齿的截面图、线圈侧726的一部分以及端部绕组740的截面图。

如图7b所示，芯元件711的铁磁部段是沿电机轴向方向堆叠的铁磁片。如图7b所示，构成芯元件711的轴向端部区域的铁磁片在芯元件711的齿的齿尖区域733上比芯元件内的其它地方厚，使得齿的齿尖在芯元件的轴向端部区域轴向突伸。因此，齿尖不仅如图7a所示沿周向延伸，而且如图7b所示沿轴向方向延伸。因此，可以降低在磁通谐波最强的空气间隙中的磁通密度。作为推论，在齿尖和空气间隙附近的其他区域发生的铁损耗可以减少。

上面参考图7a和7b描述的原理同样适用于径向磁通电机的转子芯。

图8a和8b示出了根据本发明的示例性和非限制性实施例的芯元件812、813、814和815。在该示例性情况下，芯元件812-815构成磁轴承的定子芯，该磁轴承是组合式径向和轴向磁轴承。转子芯元件811可以类似于图6a和6b所示的芯元件611。磁轴承的轴向方向平行于坐标系890的z轴线。图8a示出了磁轴承的截面图，使得该截面沿着图8b所示的几何线a2-a2截取，并且该几何截面平面平行于坐标系890的yz平面。图8b示出了磁轴承的截面图，使得该截面沿着图8a所示的几何线a1-a1截取，并且该几何截面平面平行于坐标系890的xy平面。磁轴承能够仅在坐标系890的正z方向上将轴向磁力导向转子芯元件811。因此，需要一种布置，使得轴向力也在负z方向上被导向转子芯元件811。

磁轴承包括用于产生磁通量的绕组，磁通量在磁轴承的芯元件812-815并且在转子芯元件811中流动。在图8a和8b中，绕组之一用附图标记827表示。磁轴承还包括永磁体，用于产生偏置磁通量，以线性化磁轴承的控制。在图8a中，永磁体中的两个用附图标记836和837表示。在图8a中，用虚线描绘了偏置磁通量中的两个。

如图8b所示，芯元件812-815的铁磁部段是铁磁片，当沿着坐标系890的z轴线观察时，这些铁磁片基本上是u形的。由于永磁体在芯元件812-815的轭部的轴向路径上的较高磁阻，由绕组电流产生的磁通量分量主要流经芯元件812-815的轭部的径向路径。转子芯元件811可以设有支撑环，以提高芯元件的机械强度。在图8a中，支撑环用附图标记838表示。为了清楚起见，图8b中未示出支撑环。支撑环838可以包括例如金属、玻璃纤维增强树脂或塑料、碳纤维增强树脂或塑料，或者能够承受机械应力的一些其它合适的材料。在图8a和8b所示的示例性情况下，芯元件812-815的数量是四个，但是相应的芯元件的数量也可以是例如三个、六个或一些其他合适的数量。

以上给出的描述中提供的具体示例不应被解释为限制所附权利要求的范围和/或适用性。除非另有明确说明，否则以上描述中提供的示例列表和组并不是穷尽的。