尤其用于电力机器的磁体装置和具有磁体装置的电力机器的制造方法
【专利摘要】为了在电力机器(300)以及在尤其用于这种电力机器(300)的磁体装置(200)中进一步降低昂贵的磁性材料所需的数量，而在力、扭矩或功率方面不会损失，在此推荐，这种尤其用于这种电力机器(300)的磁体装置(200)包含至少一个由永磁性材料构成的部段(201)，在该部段中构成至少一个非磁性切缺(203)，用于影响由磁体装置(200)引发的磁场和/或磁通量(206)的方向和/或强度。
【专利说明】
尤其用于电力机器的磁体装置和具有磁体装置的电力机器[0001]本发明涉及一种尤其用于电力机器的磁体装置。本发明还涉及一种具有这种磁体 装置的电力机器。现有技术[0002]由文献US7804216B2已知一种电力的磁阻机器，其具有转子，该转子的芯子通过由 磁性钢构成的电枢冲压片组装而成。在该芯子中构成用于永磁体的容纳缝，永磁体嵌入所 述容纳缝中。所述容纳缝沿着等边三角形的侧边成对地布置。为了影响在磁阻机器中构成 的磁场或磁通量，尤其为了构成磁极，在转子的芯子中相对容纳缝的每一对居中地、接近转 子的圆周地布置位于转子的磁极之间的空气间隙。在永磁体的每一个的侧面构成另外的、 直接在两侧与容纳缝相连的空气穴(Lufttaschen)，所述空气孔同样用于影响磁场或磁通 量。所述永磁体自身矩形地具有完全封闭的横截面，并且由具有高磁性的材料制成。[0003]由文献DE69823239T2已知一种具有可旋转设置的、带有转子铁芯的转子和设置在 转子铁芯的外周缘附近的永磁体的永磁体同步电机。永磁体具有主磁体极部段和辅助极部 段，所述辅助极部段在磁体极部段上与主磁体极部段集成地构成。在文献DE69823239T2中 示出的实施形式中，永磁体基本上设计为半圆柱形，并且由在切向延伸的直线形部段、在直 线形部段的两个端部上构成的垂直部段、倾斜部段(所述倾斜部段分别在其与垂直部段的 相互接近的方向上倾斜向外地延伸)和弧形部段(其将两个倾斜部段相连并且与转子铁芯 的外周缘大致平行地延伸)构成。主磁体极部段在此在直线形部段和户型部段之间构成。在 磁体极部段上在主磁体极部段附近中并进而集成构成的辅助极部段具有倾斜部段。主磁体 极部段以及辅助极部段磁化为相同的极性，因此朝向磁体极部段的磁性路径通过由辅助极 部段流出的磁场线饱和。在该实施形式中，倾斜部段和弧形部段磁化为一个极性，而直线部 段磁化为另外的极性。[0004]此外如在文献DE69823239T2所述那样，因为辅助极部段被磁化，通过辅助极部段 产生的磁通大致正向的朝向倾斜面从倾斜部段延伸到转子铁芯。因此在磁体极部段附近的 磁场路径在转子铁芯、也就是辅助部段的附近以更高的程度饱和。由此可以避免的是，磁体 极部段上的磁通量被短路，由此经过在定子和转子之间的间隙的磁通量的数值增大，因此 提高电机转矩。[0005]此外辅助极部段在倾斜部段和弧形部段之间的连接点上具有弯折的部段，其定义 了边界，因此在辅助极部段的磁性北极和磁性南极之间的间距变得更小。由此在辅助极部 段中磁体的体积应该被降低，并且在转子铁芯的外周和辅助极部段之间的间距被增大，因 此磁路可以是充分饱和的。此外，在转子的圆周方向上的极-极间距被增大，由此提高了转 子铁芯的强度。[0006]在现代电力机器中，例如磁阻机器或永磁体同步电机中，尤其为了用于汽车，尤其 在电动车和/或混合动力汽车中，在降低结构空间和重量的同时提高可用转矩的或输出功 率意义重大。为此要使用具有高磁性的磁体装置或永磁体。这种永磁体优选由相对稀少进 而昂贵的材料制成。[0007]
【发明内容】
:技术任务、解决方案、优点
[0008]本发明所要解决的技术问题在于，在所示形式的电力机器以及在尤其用于这种电力机器的磁体装置中，进一步降低昂贵的磁性材料所需的数量而在力、扭矩或功率方面不会损失。
[0009]所述技术问题通过磁体装置解决，其包含至少一个由永磁性材料构成的部段，在该部段中构成至少一个非磁性切缺，用于影响由磁体装置引发的磁场和/或磁通量的方向和/或强度。这种磁体装置尤其设置用于使用在电力机器中。
[0010]在电力机器中进行对其中构成的磁环路的优化，也就是磁场或磁通量在其强度和空间方向上的分布的优化，也就是磁场强度或磁通量的强度和空间分布或磁场的场线的方向或磁通量的磁通线的优化，这种优化在机器中，优选在其定子和转子中进行，其传统地通过具有用于磁体装置(例如永磁体)的切缺和具有在板部段中设置的空气穴的定子和/或转子板部段的构造进行上述优化。由此应该节省材料和重量并且提高由机器输出的机械功率。本发明基于的知识在于，这种磁环路的进一步的优化、也就是节省重量和材料和/或功率提高也可以或附加地由此实现，即在有磁性材料中构造一个或多个非磁性的切缺。所述切缺优选这样设置，即由此进行在电力机器的工作中构成的磁场或磁通量的空间分布的影响，通过这种影响可以实现在磁体装置中在工作中引起的、由磁场或磁通量导致的力的升高。但是业已示出的是，至少一个非磁性切缺也可以在由永磁性材料构成的部段中构成，其中在电力机器的工作中产生的磁场或磁通量和从而在工作中由此产生的力至少基本上不会被影响，并且因此实现了永磁性材料的显著的节省，因此获得重量和成本的节省。
[0011]在由永磁性材料构成的部段构成的部段中的至少一个非磁性切缺优选这样构成， 即以想象中由永磁性材料构成的例如平面状的体为基础，实际上在切缺的区域中通过非磁性材料或空气或者真空(通常这样表述:通过具有较小相对导磁率常数的材料、优选通过具有空气、真空等近似或类似的磁性质的材料)替换永磁性材料。尤其通过构成空气填充的非磁性切缺可以获得特别廉价的结构形式，节省重量并且与其可选地还能实现磁场力的提高和由此电力机器的扭矩和功率的提高。因此尤其在电力机器的转子中能够节省重量并且降低其惯性矩，这有助于在机器加速时电功率的节省并且改进与之相关的运行特性。所述至少切缺在此可以设计为孔、空腔、槽缝、穴口、凹口、沟纹、孔洞或磁体装置的由永磁性材料构成的部段的类似结构。
[0012]本发明的有利的技术方案在从属权利要求中示出。
[0013]按照本发明的磁体装置的优选扩展设计，在永磁性材料中的至少一个非磁性的切缺设计为至少几乎完全封闭的切缺。这尤其表示切缺的特殊构造，该切缺原理上朝磁体装置的至少一个表面打开或者相对磁体装置的所述表面至少几乎完全封闭，并且因此与这些表面的每一个任意间隔地成型，因此得出用于至少一个切缺的布局和造型的广泛的变形范围。在此，上述类型的封闭的切缺例如可以有利地通过由永磁性材料构成的部段的两构件式造型实现，其中，所述构件的至少一个包含打开的切缺，并且两个构件以至少一个切缺相互扣合地相互接合并且从而所述至少一个打开的切缺被封闭。
[0014]若按照本发明的磁体装置和该磁体装置的由永磁性材料构成的部段具有中心轴线和/或中心平面、并且追求磁场或磁通量围绕该中心轴线和/或中心平面对称的分布，则按照本发明的磁体装置的另外优选的实施形式，在永磁性材料中的至少一个非磁性切缺相对磁体装置的中心轴线和/或中心平面至少基本上对称地构成。这优选在电力机器中得出。 因此按照本发明的磁体装置的有利的磁性属性能够借助简单的制造获得。
[0015]按照本发明的磁体装置的另外的实施形式，所述磁体装置包含至少一个由导磁材料构成的部段，在该部段中构成至少一个非磁性切缺用于影响由磁体装置发出的磁场和/ 或磁通量的方向和/或强度。
[0016]在此导磁材料优选理解为具有高导磁率的材料，尤其如铁或具有可比照的磁性属性的材料。在这种构造中，永磁材料例如通过导磁材料、例如铁替换，由此尤其节省了成本。 此外，在这种构造中还可以随着力、扭矩进而电力机器的功率的升高实现磁场或磁通量的分布的影响。
[0017]在按照本发明的磁体装置的优选的扩展设计中，在导磁材料中的至少一个非磁性切缺设计为至少几乎完全封闭的切缺。
[0018]在按照本发明的磁体装置的另外的优选的实施形式中，在导磁材料中的至少一个非磁性切缺相对磁体装置的中心轴线和/或中心平面至少基本上对称地构成。
[0019]关于在永磁性材料中的非磁性切缺的优点的阐述相应地适用于在导磁材料中至少一个非磁性切缺的构造和制造方式。
[0020]上述技术问题此外通过电力机器解决，其特征在于至少一个前述形式和构造的磁体装置。所述至少一个磁体装置以有利方式替换传统构造的磁体装置，尤其传统构造的磁体，优选传统构造的永磁体。
[0021]在一种有利的扩展设计中，按照本发明的电力机器特征在于设计为磁阻机器或永磁体同步电机。这种机器展示了电力机器的特别优选的实施形式，因为其可以简单构成，功率较大，可以简单和精确地调节或控制以及可以灵活地和通用地被应用。【附图说明】
[0022]在附图中对应的元件标以相同的附图标记，并且对于这些元件不做重复说明。在附图中:[〇〇23]图1示出具有按照传统构造原理构成的磁体装置的实施例的粗略示意图，
[0024]图2示出与图1类似的、但是按照本发明的教导构成的磁体装置的实施例的粗略示意图，和
[0025]图3示出用于转子板部段或垂直于转子的旋转轴线剖切按照本发明构成的电力机器的转子的横截面的实施例的粗略示意图，该转子具有按照图2的磁体装置。
[0026]本发明的在附图中所示的配置方案或实施例以下被详细描述。[〇〇27]本发明优选的实施形式
[0028]在图1中为了阐述技术状况示出标以附图标记100的磁体装置的模型的粗略示意图，所述磁体装置按照传统的构造原理构成。所述磁体装置100以横截面示出并且具有方形的矩形磁体101，其具有磁性北极N和磁性南极S。该矩形磁体101构成磁体装置100的由永磁性材料构成的部段。另外的、同样方形的和借助导磁材料构成的部段1〇2(其例如由磁性的钢或铁成型)在磁性的北极N处与该矩形磁体101相连。非磁性的第三部段103与该矩形磁体的磁性北极N相对地与借助导磁材料构成的部段102相连，第三部段例如由空气或其他材料构成，该材料同样具有相对磁性的、至少几乎为1的导磁率常数。矩形磁体101、与由导磁材料构成的部段102和非磁性第三部段103面状地以它们最大的表面相互邻接。
[0029]在图1中还粗略地示意示出同样方形构成的对应磁体104，其磁性南极S与磁体装置100的磁性南极S对置，也就是由对应磁体104发出的磁场的定向与磁体装置的相反，并且对应磁体104和磁体装置100相互排斥。为了清楚显示，在图1中还象征性示出磁场的磁感线 105,其由磁体装置100和对应磁体104发出的磁场叠加而成。
[0030]相对所述按照传统构造原理构成的磁体装置100(具有方形的、平面状的部段101、 102、103)，图2示出与图1相对比的、但是按照本发明的教导构成的磁体装置200的实施例的粗略示意图。磁体装置200同样具有由永磁性材料构成的部段201和由导磁材料构成的部段 202。在由永磁性材料构成的部段201中构成多个不同的非磁性切缺203。在由导磁材料构成的部段202中也构成多个不同的非磁性切缺204。在磁体装置200的所示实施例中，在由永磁性材料构成的部段201中的非磁性切缺203中的两个朝向磁性南极S的一侧开放地构成，并且在由永磁性材料构成的部段201的边缘区域中布置，相对地在该视图中三个其他的、在由永磁性材料构成的部段201中居中布置的非磁性切缺203闭合地构成，也就是全部被永磁性材料包围。由导磁材料构成的部段202在按照图2的实施例中总体上具有五个非磁性切缺 204，其中两个在由导磁材料构成的部段202的边缘区域中与由永磁性材料构成的部段201 邻接以及朝向磁性南极S开放，相对地三个其他非磁性切缺204相对磁性北极N开放。非磁性切缺203、204此外相对中轴线或磁体装置200的中心面205对称地构成并且在该实施例中具有沿着垂直于附图平面延伸的坐标轴保持相同的横截面轮廓。
[0031]导磁材料优选是可磁化的钢或铁，非磁性切缺203、204例如由空气或其他材料构成，其同样具有至少几乎为1的相对的导磁率常数。例如使用NdFeB材料作为永磁性材料。该材料虽然非常昂贵，但是具有特别高的磁能量密度并且由此实现了具有很高磁场力的非常紧凑的磁体装置。
[0032]在按照图2的视图中再次示出对应磁体104。在图2中象征性示出磁场的外部磁场线206,所述磁场由磁体装置200和对应磁体104产生的磁场的叠加而成。由图1的磁场线105 与图2的磁场线206的对比可知，由磁体装置200引发的磁场或磁通量的方向和强度通过由永磁性材料构成的部段201和由导磁材料构成的部段202的改变的造型被影响。在所述实施例中，通过按照本发明的构造(在图1中的磁体装置100和图2中的磁体装置200之间的永磁性材料的质量不变)实现了磁场力518%的提高。若由永磁性材料构成的部段201的造型这样改变，即永磁性材料的质量减小，则除了磁场力提高之外还可以节省永磁性材料或者在不改变磁场力的临界状态中特别高低节省永磁性材料。[〇〇33]在磁体装置100、200、尤其磁体装置200的变型中，它们设计为旋转对称地，磁体装置200尤其围绕中心轴线205旋转对称。非磁性切缺203、204然后设计为围绕中心轴线205旋转对称。在对应图2的横截面视图中，磁场线206至少基本上保持不变。
[0034]在图3中示出用于转子板局部的实施例的示意图或垂直于转子的未示出的旋转轴线剖切按照本发明构成的、未详细图示的电力机器300的转子301的横截面的部分视图。转子301由芯子构成，其由磁性构成的电枢冲压片组成，按照图3的转子板部分地示出其轮廓。 在该芯子中构成用于永磁体的容纳缝303。此外，电枢冲压片302具有不同的切缺，其中一些被标以附图标记304用于影响转子301中的磁场或磁通量，并且其中另一些被标以附图标记 305用于将冷却介质引导通过转子301以排除工作热量或者用于节省重量。
[0035]容纳缝303在图3的实施例中沿着等腰三角形的侧边成对地布置。在传统构造的由此提的位置上在容纳缝303中嵌入优选按照图2所示的磁体装置200。在所示实施例中由此在机器300的功率保持相同或升高的情况下显著节省了昂贵的永磁性材料。[〇〇36]附图标记清单[〇〇37]100以传统构造原理构成的磁体装置[〇〇38]101100的矩形磁体[〇〇39]102100的由导磁材料构成的部段
[0040]103100的非磁性部段[0041 ]104对应磁体[〇〇42]105磁场线[〇〇43]200按照本发明的教导构成的磁体装置[〇〇44]201 200的以永磁性材料构成的部段[〇〇45]202200的由导磁材料构成的部段
[0046]203201中非磁性切缺
[0047]204202中非磁性切缺
[0048]205200的中心轴线或中心平面
[0049]206磁场线 [〇〇5〇] 300电力机器
[0051]301 300 的转子
[0052]303在301或302中的容纳缝[〇〇53]304用于影响301中磁场或磁通量的切缺
[0054]305用于冷却介质或用于节省重量的切缺[〇〇55] N磁性北极 [〇〇56] S磁性南极
【主权项】
1.一种磁体装置(200)，其尤其用于电力机器，所述磁体装置包含至少一个由永磁性材 料构成的部段(201)，在该部段中构成至少一个非磁性切缺(203)，用于影响由磁体装置 (200)引发的磁场和/或磁通量(206)的方向和/或强度。2.按照权利要求1所述的磁体装置(200)，其特征在于，在永磁性材料(201)中的至少一 个非磁性切缺(203)设计为至少几乎完全封闭的切缺。3.按照权利要求1或2所述的磁体装置(200)，其特征在于，在永磁性材料中的至少一个 非磁性切缺(203)相对磁体装置(200)的中心轴线和/或中心平面(205)至少基本上对称地 构成。4.按照权利要求1至3之一所述的磁体装置(200)，其特征在于至少一个由导磁材料构 成的部段(202)，在该部段中构成至少一个非磁性切缺(204)，用于影响由磁体装置(200)弓丨 发的磁场和/或磁通量(206)的方向和/或强度。5.按照权利要求4所述的磁体装置(200)，其特征在于，在导磁材料(202)中的至少一个 非磁性切缺(204)设计为至少几乎完全封闭的切缺。6.按照权利要求4或5所述的磁体装置(200)，其特征在于，在导磁材料(202)中的至少 一个非磁性切缺(204)相对磁体装置(200)的中心轴线和/或中心平面(205)至少基本上对 称地构成。7.—种电力机器(300)，其特征在于，该电力机器具有至少一个按照前述权利要求之一 所述的磁体装置(200)。8.按照权利要求7所述的电力机器(300)，其特征在于，所述电力机器设计为磁阻机器 或永磁体同步电机。
【文档编号】H02K1/02GK105993110SQ201580008442
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年1月27日
【发明人】M.塔舍, G-F.吕尔斯, M.劳克施沃尔布
【申请人】大众汽车有限公司