使用氮化铁永磁体的可变磁通增强电机的制作方法

本公开总体上涉及电机，并且更具体地涉及实现永磁体的电机。

背景技术：

1、电机(诸如电动机和发电机)通常使用钕(ndfeb)磁体和其他永磁体材料，许多具有稀土元素(诸如钐钴(smco)和钐氮化铁(smfen)磁体)和其他战略/关键矿物(诸如alnico中的钴)，其供应可能受到限制和/或受到破坏。具体地，稀土磁体是优选的，这是因为，由于稀土磁体的高矫顽力或本征矫顽力(hci)，稀土永磁同步电动机(pmsm)可以被磁通减弱的程度被限制。

2、诸如感应电动机和直流（dc）有刷电动机的外部激励电机能够例如通过减小外部激励来实现非常高的速度，但是这种电机的效率显著低于pmsm的效率。使用alnico（其是低矫顽力（lcf）磁体）的已知电机设计在高定子电流的情况下其也易于退磁。当电动机控制电子设备或这种电机设计的绕组经历短路故障情况时，实施这种设计的永磁电机（尤其是发电机）可能会成为严重的和潜在致命的安全问题。例如，当持续产生电压时，由于以下原因导致电流不受约束地流过机器：（i）由于由旋转转子的磁场引起的涡流的流动而导致的电机的过热，（ii）由于线圈绕组中的不受限制的电流流动而导致的电机的过热，和/或（iii）由于由旋转转子的磁场引起的涡流而导致的电动机壳体上的高电压（该高电压应该在地处）。

3、因此，需要不使用任何稀土金属或战略/关键矿物的电动机，以及有效地控制这种电动机的操作以降低如通常在不使用这种稀土金属或战略/关键矿物的已知永磁电机中发现的由退磁引起的故障风险的系统。

技术实现思路

1、本文公开了使用具有低矫顽力的永磁体(诸如氮化铁磁体)的可变磁通增强电机的示例。

2、根据一个示例(“示例1”)，转子包括在转子中设置在转子的外部部分附近的多对磁体。磁体具有2,000oe至4,000oe的矫顽力(hci)；磁体被定位成使得磁极与转子的旋转轴线对齐；磁体通过高导磁材料固定到转子；每对磁体具有彼此面对的相似磁极；并且每个磁体具有与转子的d轴对准的纵向轴线。多个第一非磁性和非导电部件设置在转子中。第一非磁性和非导电部件中的每一个具有与转子的q轴对准的纵向轴线。在转子中在转子的外部部分附近设置多个第二非磁性和非导电部件。第二非磁性和非导电部件中的每一个具有相对于转子的表面凹入的弯曲区域以及在转子的表面附近的端部。磁体相对于第二非磁性和非导电部件居中，使得每个磁体设置在弯曲区域中。

3、根据相对于示例1更进一步的另一示例(“示例2”)，第二非磁性和非导电部件包括较小半径部件和具有比较小半径部件更大半径的较大半径部件。较小半径部件设置成比较大半径部件更靠近转子的表面。

4、根据相对于示例1或2更进一步的另一示例(“示例3”)，转子的表面具有接近磁体的多个凹进部分。

5、根据相对于示例1至3中任一项更进一步的另一示例(“示例4”)，磁体沿着转子的旋转轴线彼此相邻地设置。

6、根据相对于示例1至4中任一项更进一步的另一示例(“示例5”)，磁体中的每个磁体具有大于0.1的体积重量比。

7、根据相对于示例1至5中任一项更进一步的另一示例(“示例6”)，磁体中的每个磁体具有从1.8至2.0的磁导率。

8、根据相对于示例1至6中任一项更进一步的另一示例(“示例7”)，磁体包括氮化铁(fen)磁体。

9、根据相对于示例1至7中任一项更进一步的另一示例(“示例8”)，多对磁体中的一对包括第一磁体和第二磁体，使得第一磁体的第一n极面对第二磁体的第二n极。

10、根据相对于示例1至7中任一项更进一步的另一示例(“示例9”)，多对磁体中的一对包括第一磁体和第二磁体，使得第一磁体的第一n极面对第二磁体的第二n极。

11、根据相对于示例1至9中任一项更进一步的另一示例(“示例10”)，第一非磁性和非导电部件中的每一个具有垂直于第一非磁性和非导电部件的纵向轴线测量的横向距离，并且沿着第一非磁性和非导电部件的纵向轴线测量的横向距离是一致的。

12、根据相对于示例1至9中任一项更进一步的另一示例(“示例11”)，第一非磁性和非导电部件中的每一个具有垂直于第一非磁性和非导电部件的纵向轴线测量的横向距离，并且横向距离沿着第一非磁性和非导电部件的纵向轴线变化，使得在转子的外部部分附近测量的横向距离比在转子的内部部分附近测量的横向距离长。

13、根据相对于示例1至9中任一项更进一步的另一示例(“示例12”)，第一非磁性和非导电部件中的每一个具有垂直于第一非磁性和非导电部件的纵向轴线测量的横向距离，并且横向距离沿着第一非磁性和非导电部件的纵向轴线变化，使得在转子的外部部分附近测量的横向距离比在转子的内部部分附近测量的横向距离短。

14、根据相对于示例1至12中任一项更进一步的另一示例(“示例13”)，第一非磁性和非导电部件以及第二非磁性和非导电部件中的一个或更多个由塑料或树脂制成。

15、根据相对于示例1至13中任一项更进一步的另一示例(“示例14”)，磁体以及第一非磁性和非导电部件以交错构造设置，其中，第一非磁性和非导电部件中的每一个设置在多对磁体中的两个相邻磁体之间。

16、根据另一示例(“示例15”)，一种电机，所述电机包括定子和根据示例1至14中任一项的转子，并且所述转子设置在所述定子中。

17、根据一个示例(“示例16”)，一种操作电机的方法，电机具有根据示例1至14中任一项的转子，所述方法包括：由与转子可操作地联接的控制器接收转矩命令；以及由控制器基于转矩命令通过操作转子来执行磁通增强操作，以产生正磁阻转矩，并将定子的电流分布与转子的正d轴对准，使得总转矩在转子的磁场增强操作范围中在负电流角处达到最大值，其中，转子的d轴上的电感大于转子的q轴上的电感。

18、根据一个示例(“示例17”)，一种操作转子的方法包括：由与转子可操作地联接的控制器接收转矩命令和速度命令；由控制器基于转矩命令和速度命令确定转子的操作类型；以及通过根据所确定的操作类型向转子施加电流来操作转子。操作类型选自以下中的一个：(a)高转矩/低速操作，其中，转子在电流角的磁通增强区域中操作，(b)中等范围转矩/速度操作，其中，转子在电流角的零磁化区域中操作，以及(c)低转矩/高速操作，其中，转子在电流角的磁通减弱区域中操作。转子包括设置在转子外部附近的多对磁体。磁体具有2,000oe至4,000oe的矫顽力(hci)，磁体被定位成使得磁极与转子的旋转轴线对齐，每对磁体具有彼此面对的相似磁极，并且每个磁体具有与转子的d轴对准的纵向轴线。

19、根据相对于示例17更进一步的另一示例(“示例18”)，在高转矩/低速操作中，转子被操作以提供是转子的最大转矩的至少60%的转矩和不大于转子的最大速度的30%的速度。

20、根据相对于示例17更进一步的另一示例(“示例19”)，在中等范围转矩/速度操作中，转子被操作以提供在转子的最大转矩的30%到60%之间的转矩以及在转子的最大速度的30%到60%之间的速度。

21、根据相对于示例17更进一步的另一示例(“示例20”)，在低转矩/高速操作中，转子被操作以提供不大于转子的最大转矩的30%的转矩和是转子的最大速度的至少60%的速度。

22、根据一个示例(“示例21”)，一种制造电机的转子的方法包括：提供转子主体，该转子主体包括为堆叠构造的多个冲片，转子主体具有多个第一槽、多个第二槽和多个第三槽；将多对磁体设置在第一槽中，其中，所述磁体具有2,000oe至4,000oe的矫顽力(hci)，磁体定位成使得磁极与转子的旋转轴线对齐，所述磁体通过高导磁材料固定在转子主体，每对磁体具有彼此面对的相似磁极，并且每个磁体具有与转子的d轴对准的纵向轴线；在转子主体的第二槽中设置多个第一非磁性和非导电部件，第一非磁性和非导电部件中的每一个具有与转子的q轴对准的纵向轴线；并且在转子主体的第三槽中在转子主体的外部部分附近设置多个第二非磁性和非导电部件，其中，第二非磁性和非导电部件中的每一个具有相对于转子主体的表面凹入的弯曲区域以及在转子主体的表面附近的端部，并且磁体相对于第二非磁性和非导电部件居中，使得每个磁体设置在弯曲区域中。

23、根据相对于示例21更进一步的另一示例(“示例22”)，设置第二非磁性和非导电部件包括：设置多个较小半径部件和多个较大半径部件，所述多个较大半径部件具有比较小半径部件更大的半径，其中，较小半径部件设置成比较大半径部件更靠近转子的表面。

24、根据相对于示例21或22更进一步的另一示例(“示例23”)，设置磁体包括：沿着转子的旋转轴线彼此相邻地设置磁体。

25、根据相对于示例21至23中任一项更进一步的另一示例(“示例24”)，多对磁体中的一对磁体包括第一磁体和第二磁体，使得第一磁体的第一n极面对第二磁体的第二n极。

26、根据相对于示例21至23中任一项更进一步的另一示例(“示例25”)，多对磁体中的一对磁体包括第一磁体和第二磁体，使得第一磁体的第一s极面对第二磁体的第二s极。

27、根据相对于示例21到25中任一项更进一步的另一示例(“示例26”)，磁体以及第一非磁性和非导电部件以交错构造设置，其中，第一非磁性和非导电部件中的每一个设置在多对磁体中的两个相邻磁体之间。