[发明专利]用于永磁体旋转机的转子

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于永磁体旋转机中的转子，该永磁体旋转机包括：转子，该转子包括转子芯和嵌入转子芯中的多个永磁体段；以及定子，该定子包括定子芯，该定子芯有多个狭槽和其中的绕组，转子和定子布置成确定在它们之间的间隙(通常称为内部永磁体(IPM)旋转机)，或者一种用于永磁体旋转机的转子，该永磁体旋转机包括：转子，该转子包括转子芯和安装在该转子芯的表面上的多个永磁体段；以及定子，该定子包括定子芯，该定子芯有多个狭槽和其中的绕组，转子和定子布置成确定在它们之间的间隙(通常称为表面永磁体(SPM)旋转机器)，更特别是，一种用于永磁体结构旋转机中的转子，该永磁体结构旋转机最适合作为能够高速旋转的电动汽车马达、发电机以及FA马达。

背景技术

烧结钕基磁体由于它们优良的磁特性而有不断增长的应用范围。还有，在包括马达和发电机的旋转机器领域中，已经发展了利用烧结钕基磁体的永磁体旋转机来满足近来对减小尺寸、轮廓和重量、提高性能和节省能量的要求。因为IPM旋转机器(在它的结构中，磁体部件嵌入转子内)不仅能够利用通过磁体的磁化而产生的扭矩，而且能够利用通过转子轭铁的磁化而产生的磁阻扭矩，因此对它作为高性能旋转机器而进行了努力研究。这些旋转机器具有很高的机器安全性，其中，将防止磁体部件在旋转过程中通过离心力而抛出，因为磁体部件嵌入由硅钢板等制成的转子轭铁内，且这些旋转机器能够通过控制电流相而高扭矩操作或在很宽的变化速度下操作，从而提供节省能量、高效率和高扭矩的马达。在这些年中，IPM旋转机器很快地广泛用作电动汽车、混合汽车、高性能空调、工业工具和火车中的马达和发电机。

SPM旋转机器(在它的结构中，磁体部件安装在转子的表面上)的优点包括高效利用钕基磁体的较强磁性、马达扭矩的良好线性以及容易控制。磁体部件的优化形状使得马达具有最小的齿槽扭矩(cogging torque)。它们用作某些电动汽车、动力转向系统等中的控制马达。

永磁体布置在旋转机器中，这样，它们由于绕组和芯产生的热量而暴露于高温中，并可能由于绕组的反磁场而退磁。因此，烧结钕基磁体有这样的要求，其中，作为耐热性和抗退磁性指标的矫顽力高于特定水平，且作为磁力大小指标的剩磁(或者残余磁通密度)尽可能高。

而且，烧结钕基磁体是电阻为100至200μΩ-cm的导体。当转子旋转时，磁体经历变化的磁通密度，由此产生涡电流。用于减小涡电流的有效方式是将磁体分割，以便中断涡电流通路。尽管将磁体分成更小的块将导致进一步降低涡电流损失，但是需要考虑例如增加制造成本和降低输出的问题(由于增加间隙而降低磁体容积)。

涡电流通路在与磁体的磁化方向垂直的平面中运行，其中，在外周部分中有更高的电流密度。电流密度在更靠近定子的一侧也更高。也就是，由涡电流产生的热量在磁体表面附近更大，因此磁体表面区域呈现更高温度，并易于退磁。为了抑制由于涡电流而引起的退磁，需要这样的烧结钕基磁体，其中，作为抗退磁性指标的矫顽力在磁体表面区域比磁体内部更高。

已知多种措施来提高矫顽力。

通过提高Nd₂Fe₁₄B混合物的体积百分率和晶体定向程度来实现增加烧结钕基磁体的剩磁，且为此已经在方法上进行了多种改进。为了增加矫顽力，已知有多种不同方法，包括形成更细尺寸的晶粒，使用具有提高钕成分的合金复合物以及添加了其它有效元素。在这些方法中，当前最普通的方法是使用镝(Dy)或铽(Tb)来代替部分钕(Nd)的合金复合物。通过使用这些元素代替Nd₂Fe₁₄B复合物中的钕(Nd)，该复合物提高了各向异性磁场和矫顽力。另一方面，用镝(Dy)或铽(Tb)代替降低了复合物的饱和磁性极化。因此，通过以上方法增大矫顽力的尝试不能避免剩磁的降低。

在烧结钕基磁体中，由外磁场的幅值给定矫顽力，该外磁场由晶界上的反向磁畴的原子核建立。反向磁畴的原子核的形成大体上由晶界结构以这样的方式来确定，即接近边界的颗粒结构的任何无序都引起磁体结构的干扰，从而有助于形成反向磁畴。通常认为从晶界延伸到大约5nm深度的磁性结构有助于增大矫顽力(参见非专利文献1：K.D.Durst和H.Kronmuller，“THE COERCIVE FIELD OF SINTERED AND MELT-SPUN NdFeB MAGNETS”，磁学与磁性材料杂志，68(1987)，63-75)。