用于针对低温加热铁素体磁体马达的系统和方法
【专利说明】用于针对低温加热铁素体磁体马达的系统和方法
[0001]美国政府许可权
本发明是根据美国能源部授予的合同DE-EE0005573而在政府的支持下进行的。政府对本发明具有某些权利。
技术领域
[0002]本发明的实施例大体涉及电机，并且更具体而言，涉及包括铁素体永磁体的永磁体电机，其中电机中的定子和/或转子被加热，以便防止铁素体永磁体退磁。
【背景技术】
[0003]电机在各种行业中的使用在许多工业、商业和运输业中随着时间的推移变得越来越流行。为了在电机中实现高性能，选择使用永磁体(PM)材料对于许多应用而言变得越来越流行。在这样的电机中，PM可代替传统设计中的电磁体，或可开发新颖的拓扑结构来最好地利用PM的属性和特性。
[0004]已经开发出的一种PM电机称为“定子永磁体电机”，其为设计使得电机中的PM定位在定子上的电机。定子永磁体电机可因而表不但不限于永磁体磁通切换电机、永磁体磁通反转电机和双凸极永磁体电机。已经开发出的另一个PM电机拓扑结构称为“内部永磁体(IPM)电机”，其为设计使得电机中的PM嵌在转子的多个叠层的内部的电机。IPM电机可因而表示在各种应用中广泛使用的IPM马达或发电机，这包括航空、汽车和工业用途。
[0005]在构造和运行PM电机时考虑的一个问题是PM的退磁。取决于采用的PM的类型，如果电机暴露于极高或极低的温度,则PM可出现退磁。例如，如果PM为稀土磁体，则PM暴露于极高的温度可使PM更易于退磁。相反，如果PM为铁素体磁体，则PM暴露于低温(例如，-40°C至60°C )可使PM更容易退磁。
[0006]认识到，在PM电机中使用铁素体磁体可与稀土磁体的使用相比提供成本节约，并且因而铁素体磁体的使用在这样的PM电机中可为合乎需要的。虽然与稀土磁体相比，铁素体磁体更容易在低温下退磁，但是它们与稀土磁体相比不那么容易在高温下退磁。因而，如果可提供解决方案来防止铁素体磁体在低温下退磁，则铁素体磁体PM电机对于稀土磁体PM电机可为合乎需要的备选方案。
[0007]因此，合乎需要的是提供一种系统和方法来防止在PM电机中的铁素体磁体的退磁。进一步合乎需要的是提供一种铁素体磁体PM电机，其可用于广泛的环境温度下并且展现改进的耐腐蚀性和改进的稳定性。
【发明内容】
[0008]根据本发明的一个方面，一种永磁体电机包括定子组件，其具有包括多个定子齿的定子芯和定子绕组，定子绕组围绕多个定子齿而缠绕，以在被交变电流激励时产生定子磁场。永磁体电机还包括:转子组件，其构造成相对于定子组件旋转且与定子组件隔开空气间隙；设置在定子组件或转子组件中的一个内的多个铁素体永磁体，其构造成产生与定子磁场相互作用的磁场，以产生扭矩；以及控制器，其编程成使一级(primary)场电流应用到定子绕组上以产生定子磁场，以便使转子组件相对于定子组件旋转，以及选择性地使二级(secondary)电流应用到定子绕组上，以选择性地产生二级磁场，二级磁场在定子组件和转子组件中的至少一个中引起涡电流，以加热多个铁素体永磁体。
[0009]根据本发明的另一个方面，一种加热铁素体永磁体电机的方法，其包括:提供定子组件，其具有包括多个定子齿的定子芯和定子绕组，定子绕组围绕多个定子齿缠绕，以在被交变电流激励时产生定子磁场；提供转子组件，其构造成相对于定子组件旋转，同时与定子芯隔开空气间隙；以及提供多个铁素体永磁体，其构造成产生与定子磁场相互作用的磁场，以产生扭矩，多个铁素体永磁体定位在定子组件或转子组件上。该方法还包括选择性地加热多个铁素体永磁体，以便防止多个铁素体永磁体退磁，其中选择性地加热多个铁素体永磁体包括下者中的一个或多个:通过将二级电流对应到定子绕组上来选择性地产生二级磁场，来加热多个铁素体永磁体，二级磁场通过在定子组件和转子组件中的至少一个中引起涡电流，来加热多个铁素体永磁体；通过在定位在转子组件上或在转子组件中的环元件中引起涡电流而加热环元件来加热多个铁素体永磁体；或通过将磁场应用到定位在多个铁素体永磁体附近的多个磁致热元件上来加热多个铁素体永磁体，其中多个磁致热元件在经历磁场时变热。
[0010]根据本发明的又一个方面，在环元件中，响应于将脉动电流应用于定子绕组来加热环元件以及多个磁致热，内部永磁体电机包括定子组件，定子组件具有包括多个定子齿的定子芯，以及定子绕组，定子绕组围绕多个定子齿而缠绕，以在被交变电流激励时产生定子磁场。内部永磁体电机还包括:转子组件，其设置在由定子组件限定的腔体内，并且构造成与定子芯隔开空气间隙且相对于定子组件旋转；多个铁素体永磁体，其定位在转子组件中且构造成产生与定子磁场相互作用的磁场，以产生扭矩；以及加热元件，其构造成对多个铁素体永磁体提供预热。加热元件包括一个环元件，其由导电材料形成且定位在转子组件上或转子组件内，其中，在定位在多个铁素体永磁体附近的元件中引起涡电流，多个磁致热元件构造成在经历磁场时变热。
[0011]—种永磁体电机,包括:
定子组件，其包括:
包括多个定子齿的定子芯；以及
定子绕组，其围绕所述多个定子齿而缠绕，以在被交变电流激励时产生定子磁场；
转子组件，其构造成相对于所述定子组件旋转，所述转子组件与所述定子组件隔开空气间隙；
多个铁素体永磁体，其设置在所述定子组件或所述转子组件中的一个内，所述多个铁素体永磁体构造成产生与所述定子磁场相互作用的磁场，以产生扭矩；以及控制器，其编程成:
使一级场电流应用到所述定子绕组上，以产生所述定子磁场，以便使所述转子组件相对于所述定子组件旋转；以及
选择性地使二级电流应用到所述定子绕组上，以选择性地产生二级磁场，所述二级磁场在所述定子组件和所述转子组件中的至少一个中引起涡电流，以加热所述多个铁素体永磁体。
[0012]在一个实施例中，所述转子组件进一步包括由导电材料形成的环元件,其中响应于对所述定子绕组应用所述二级电流，在所述环元件中会引起涡电流。
[0013]在一个实施例中，所述环元件定位在所述转子组件上或所述转子组件中，使得所述环元件定位在所述多个铁素体永磁体的附近。
[0014]在一个实施例中，所述环元件短接到所述定子组件上或使用外部电阻元件或电感元件连接到所述定子组件上。
[0015]在一个实施例中，所述转子组件包括定位在所述多个铁素体永磁体附近的磁致热元件，所述磁致热元件构造成在经历磁场时产生热量。
[0016]在一个实施例中，所述二级电流具有比所述一级场电流的频率高的频率，所述二级电流的频率值低到1Hz。
[0017]在一个实施例中，所述二级电流为脉动电流，其具有的频率接近工作电流波形但不等于所述一级场电流的频率。
[0018]在一个实施例中，进一步包括温度测量机构，其构造成监测所述电机中的所述多个铁素体永磁体的温度，所述温度测量机构定位在所述定子组件或所述转子组件中的至少一个上。
[0019]在一个实施例中，所述控制器进一步编程成:
接收来自所述温度测量机构的关于所述电机中的所述多个铁素体永磁体的温度的反馈；
比较测量的磁体温度与阈值磁体温度；以及
如果测量的磁体温度低于所述阈值磁体温度，则使所述二级电流应用到所述定子绕组上。
[0020]在一个实施例中，所述控制器编程成使应用到所述定子绕组上的所述二级电流叠加在所应用的一级场电流上。
[0021]在一个实施例中，所述控制器编程成在不应用所述一级场电流的情况下使所述二级电流应用到所述定子绕组上。
[0022]一种用于加热铁素体永磁体电机的方法，所述方法包括:
提供定子组件，其包括:
包括多个定子齿的定子芯；以及
定子绕组，其围绕所述多个定子齿而缠绕，以在被交变电流激励时产生定子磁场；提供转子组件，其构造成相对于所述定子组件旋转，其中所述转子组件与所述定子芯隔开空气间隙