具有径向嵌入式永磁体转子的电机及其方法与流程

具有径向嵌入式永磁体转子的电机及其方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年3月12日提交的no.16/816,335美国非临时专利 申请的优先权，其全部公开内容通过引用整体结合于此。
技术领域
3.本发明的领域总体上涉及电动机，更具体地涉及径向嵌入式永磁体转 子以及用于降低运行期间的噪声的方法。


背景技术：

4.径向磁通电机包括位于转子芯内的永磁体，通常称为内置式永磁体转 子。转子内形成有槽，磁体插入槽中。磁体槽必须大于磁体，以允许插入 磁体。然而，磁体必须固定在槽内，以防止磁体在电机运行过程中移动。 电机的性能取决于将磁体保持在转子内的已知位置。粘合剂可用于将磁体 固定在相对于转子的固定位置。
5.许多已知的转子芯包括多个对称配置的磁极，并且由彼此上下堆叠的 多个叠片形成。每个叠片通常包括与相邻叠片开口对齐的开口，以形成磁 体开口。在制造过程中，一个或多个磁极可能相对于其余磁极移动，导致 转子芯失去对称。极到极的不对称可能导致电机运行期间的不希望的噪音。
6.在具有辐条转子结构的永磁ecm中，由磁体和转子磁极组成的非连 续转子轮廓会导致令人讨厌的噪声，这是由于电机启动、滑行、以对应于 交感神经结构共振的速度运行时的齿槽转矩谐波。在某些应用中，齿槽转 矩会产生电机轴的不良振动，从而导致最终产品的噪音。此外，齿槽转矩 可能产生不期望的定子扭转力和/或径向力。


技术实现要素：

7.在一个实施例中，提供了永磁体转子芯。永磁体转子芯包括围绕中心 轴线周向间隔开的多个转子磁极，其中多个转子磁极包括第一转子磁极和 相邻的第二转子磁极，第一转子磁极和第二转子磁极中的每一者均包括外 壁，并且其中转子芯具有转子直径。转子芯还包括以与多个转子磁极交替 的方式间隔开的多个径向孔，其中每个径向孔被配置成在其中接纳至少一 个永磁体。转子芯还包括从第一转子磁极延伸到多个径向孔中的位于第一 转子磁极和第二转子磁极之间的第一径向孔中的第一突起。转子芯还包括 从第二转子磁极延伸到第一径向孔中的第二突起，使得在第一突起和第二 突起之间限定周向开口。该开口延伸的第一长度与转子直径的比值为大约 0.052至大约0.058。
8.在另一个实施例中，提供了一种用于在具有定子芯的电动机中使用的 永磁体转子芯。永磁体转子芯包括围绕中心轴线周向间隔开的多个转子磁 极，其中多个转子磁极包括转子芯的外周。多个径向孔以与多个转子磁极 交替的方式间隔开，其中每个径向孔被配置成在其中接纳至少一个永磁体。 转子芯还包括多个桥接部，其中每个桥接部横跨多个径向孔中的一个径向 孔在多个转子极的相邻转子极之间延伸。转子芯还包括形成在所述转
子芯 的外周中的多个空槽(dummy slot)，其中每个空槽位于多个转子极的相 邻转子极之间。
9.在又一实施例中，提供了一种永磁体转子芯。转子芯包括多个堆叠的 叠片，其中每个叠片包括围绕中心轴线周向间隔开的多个转子磁极，其中 多个转子磁极包括第一转子磁极和相邻的第二转子磁极，各转子磁极包括 外壁。每个叠片还包括以与多个转子磁极交替的方式间隔开的多个径向孔， 其中径向孔被配置成在其中接收至少一个永磁体。每个转子磁极包括一对 轴向向外延伸到多个径向孔的相邻径向孔中的突起。每个叠片还包括多个 周向间隔开的开口和位于多个开口中的至少一个开口内的桥部件，所述开 口限定在延伸到多个径向孔的共享径向孔中的相邻转子磁极的突起之间。 多个叠片的每个叠片相对于多个叠片的前一个叠片错开预定角度。
附图说明
10.图1是示例性电机的透视剖视图；
11.图2是可包括在图1所示电机内的示例性转子芯的透视图；
12.图3是图2所示转子芯的一部分的正视图；
13.图4是可包括在图1所示电机内的另一示例性转子芯的正视图；
14.图5是可包括在图1所示电机内的又一示例性转子芯的透视图；和
15.图6是图5所示转子芯的正视图。
具体实施方式
16.图1是示例性电动机10的透视剖视图。尽管在本文中称为电动机10， 但是电动机10可以作为发电机或电动机来操作。电动机10包括第一端12、 第二端14和电动机组件外壳16。电动机10还包括定子组件18和转子组 件20。电机组件外壳16限定了电机10的内部22和外部24，并且被构造 成至少部分地封闭和保护定子组件18和转子组件20。定子组件包括定子 芯28，定子芯28包括多个齿30和缠绕在定子齿30周围的多个绕组32。 此外，在示例性实施例中，定子组件18是三相凸极定子组件，并且定子芯 28由采用高磁导率材料制成的一组叠片形成。或者，定子组件18是单相 凸极定子组件。定子组件18可以是大致圆形的、分段的或卷绕型定子结构， 并且绕组32以任何合适的方式缠绕在定子芯28上，使得电机10能够如本 文所述起作用。例如，绕组32可以是集中式或交叠式绕组。
17.转子组件20包括永磁体转子芯36和轴38。在示例性实施例中，转子 芯36由采用导磁材料制成的叠片堆叠形成。转子芯36基本上容纳在定子 芯28的中心孔中，用于沿着旋转轴线x旋转。为了简单起见，图1将转 子芯36和定子芯28示为实心的。虽然图1是三相电动机的图示，但是这 里描述的方法和装置可以包括在具有任意数量的相的电机中，包括单相和 多相电动机。
18.在示例性实施例中，电动机10连接到风扇或离心式鼓风机(未示出)， 用于使空气移动通过空气处理系统，以将空气吹过冷却盘管，和/或用于驱 动空调/制冷系统内的压缩机。更具体地，电动机10可用于供暖、通风和 空调(hvac)行业中使用的空气移动应用，例如，在使用1/5马力至1马力 电动机的住宅应用中。或者，电动机10可用于流体泵送应用。电动机10 也可用于商业和工业应用和/或在空调应用中使用的封闭式压缩机电机，其 中电
动机10可具有大于1马力的额定值。尽管本文在空气处理系统的背景 下进行了描述，但是电动机10可以接合任何合适的工作部件，并且被构造 成驱动这种工作部件。
19.图2是可包括在图1所示的电机10内的示例性转子芯100的透视图， 图3是转子芯100的一部分的正视图。在示例性实施例中，转子组件20， 也称为径向嵌入式永磁体转子，包括转子芯100和轴38。可包括径向嵌入 式永磁体转子的电机的例子包括但不限于电子换向电机(ecm)。电子换 向电机可包括但不限于无刷直流(bldc)电机、无刷交流(blac)电机和可 变磁阻电机。此外，转子组件20由电子控制器(未示出)驱动，例如正弦或 梯形电子控制器。
20.转子芯100基本上是圆柱形的，并且包括外周102和轴中心开口104， 轴中心开口104的直径适合于轴38的直径。转子芯100和轴38同心并且 配置成绕旋转轴线x旋转。在示例性实施例中，转子芯100包括多个周向 间隔开的转子磁极106，每个转子磁极沿着转子外周102具有外壁108。此 外，转子芯100包括在相对的转子磁极106的外壁108的中点之间限定的 转子直径d。如本文所用，术语“基本上是圆柱形”旨在描述转子芯具有 大致圆形或椭圆形的横截面，但不要求完全圆形。例如，转子芯100可包 括围绕外周102分布的一个或多个扁平或平面部分，或者转子磁极106的 外壁108可包括不同于整个转子芯100的一个半径，或者甚至每个磁极106 的周向端部之间的多个不同半径。尽管关于转子芯100进行了描述，但是 术语“基本上是圆柱形”适用于本发明的每个转子芯。
21.如图2所示，在示例性实施例中，每个转子磁极106通过连接板112 联接到中心毂110。毂110限定了轴开口104。在其他实施例中，不是所有 的转子磁极106都可联接到毂110。此外，在示例性实施例中，转子芯100 以及因此每个转子磁极106由互锁的多个堆叠的叠片107形成。例如，叠 片107由冲压金属如钢的多个冲压层制成。
22.此外，在示例性实施例中，转子芯100包括以与转子磁极106交替的 方式间隔开的多个径向孔114。每个径向孔114构造成接收一个或多个永 磁体116，使得每个磁体116径向嵌入转子芯100中，并且至少部分地从 转子第一端12延伸到转子第二端14。在示例性实施例中，径向孔114是 大致矩形的。可选地，径向孔114可具有使得电动机能够如本文所述地工 作的对应于永磁体形状的任何合适的形状。在示例性实施例中，永磁体116 是沿与旋转轴线x相切的方向磁化的陶瓷磁体。然而，磁体116可以由能 够使电机10如本文所述地工作的任何合适的材料制成，例如粘结钕、铝镍 钴、烧结钕和/或钐钴。
23.在示例性实施例中，径向孔114的数量等于转子磁极106的数量，并 且一个磁体116位于一对转子磁极106之间的每个径向孔114内。尽管图 示为包括十个转子磁极106，但是转子芯100可以具有允许电机10如本文 所述地工作的任意数量的磁极，例如六个、八个或十二个磁极。
24.在示例性实施例中，每个转子磁极106包括一个或多个永磁体保持构 件或突起118。例如，第一对突起120沿着转子外边缘102邻近极外壁108 定位，并从周向端壁122和124延伸到相邻的径向孔114中。第一对突起 120的每个突起118被构造成通过基本上防止磁体116在径向方向上朝向 外边缘102的移动来促进磁体116在径向孔114内的保持。此外，第二对 突起126邻近连接板112定位，并从周向端壁122和124邻近径向孔114 地延伸。第二对突起126的每个突起118被构造成通过基本上防止磁体116 在径向方向上朝向轴38的运动来促进磁体116在径向孔114内的保持。可 选地，转子芯100可以具有使得转子芯110能够
如本文所述起作用的任何 数量和位置的突起118。
25.现在参考图3，多个磁极106的第一磁极106a沿周向邻近多个磁极106 的第二磁极106b定位，以在其间限定多个径向孔114中的包含永磁体116 的第一径向孔114a。在示例性实施例中，第一极106a包括从端壁124延 伸到第一径向孔114a中的第一突起120a。类似地，第二极106b包括从端 壁122延伸到第一径向孔114a中的第二突起120b，使得周向开口128限 定在第一突起120a和第二突起120b之间。在示例性实施例中，开口128 延伸的第一长度l与转子直径d的比值为大约0.052至大约0.058。具体 地，在示例性实施例中，开口128延伸的第一长度l在大约0.16英寸和大 约0.18英寸之间。更具体地，在示例性实施例中，开口128延伸0.17英寸 的第一长度l。
26.此外，每个转子磁极106包括沿外壁108测量的弧长a。在示例性实 施例中，弧长a在0.801英寸和大约1.367英寸之间延伸。在示例性实施 例中，开口128的第一长度l与第二转子磁极106b的弧长a的比值为大 约0.20至大约0.28。
27.如图3所示，第一转子磁极106a和第二转子磁极106b的外壁108分 别形成第一突起120a的和第二突起120b的至少一部分，使得第一突起 120a和第二突起120b在周向上对齐。
28.在示例性实施例中，转子芯100被配置为与42框架电动机、48框架 电动机和56框架电动机中的一者一起使用。一般而言，转子芯100可与任 何尺寸或构造的电机一起使用，以便于如本文所述的操作。
29.如本文所述的具有开口128的转子芯100使最低公共多阶谐波齿槽转 矩最小化。最低公共多阶是定子槽数和转子极数的第一公倍数。对于12个 定子槽和10个转子磁极，第一公倍数是60。对于12个定子槽和8个转子 磁极，第一公倍数是24阶。
30.图4是另一个示例性转子芯200的正视图，该转子芯200可包括在电 机10内并定位在定子芯28内(如图1所示)。转子芯200基本上是圆柱形 的，并且包括外周202和轴中心开口204，轴中心开口204的直径对应于 轴38的直径。转子芯200和轴38同心，并且构造成绕旋转轴线x旋转。 在示例性实施例中，转子芯200包括多个周向间隔开的转子磁极206，每 个转子磁极沿着转子外周202具有外壁208。如图4所示，在示例性实施 例中，每个转子磁极206联接到限定轴开口204的中心毂210上。在其他 实施例中，不是所有的转子磁极206都可联接到毂210。此外，在示例性 实施例中，转子芯200以及因此每个转子磁极206由互锁的多个堆叠的叠 片207形成。例如，叠片207由冲压金属如钢的多个冲压层制成。
31.此外，在示例性实施例中，转子芯200包括以与转子磁极206交替的 方式间隔开的多个径向孔214。每个径向孔214构造成接收一个或多个永 磁体216，使得每个磁体216径向嵌入转子芯200中，并且至少部分地从 转子第一端12延伸到转子第二端14。在示例性实施例中，径向孔214通 常是矩形的。或者，径向孔214可以具有使得电动机能够如本文所述工作 的对应于永磁体形状的任何合适的形状。在示例性实施例中，永磁体216 是沿与旋转轴线x相切的方向磁化的陶瓷磁体。然而，磁体216可以由能 够使电机10如本文所述工作的任何合适的材料制成，例如粘结钕、铝镍钴、 烧结钕和/或钐钴。
32.在示例性实施例中，径向孔214的数量等于转子磁极206的数量，并 且一个磁体216位于一对转子磁极206之间的每个径向孔214内。尽管图 示为包括十个转子磁极206，但是转子芯200可以具有允许电机10如本文 所述那样运行的任意数量的磁极，例如六个、八
个或十二个磁极。
33.在示例性实施例中，转子芯200还包括横跨径向孔214延伸并在相邻 转子磁极206之间延伸的多个桥接部218。桥接部218为转子200提供稳 健的结构，该结构防止或减少转子磁极206相对于彼此的运动。这种转子 芯刚性降低了转子芯200的齿槽转矩。此外，桥接部218被配置成通过基 本上防止磁体216在径向方向上朝向外周202的移动来促进磁体216在径 向孔214内的保持。
34.如图4所示，转子芯200还包括形成在转子芯200的外周202中的多 个空槽220。具体而言，空槽220形成在外壁208中，并且定位在相邻的 转子磁极206之间，使得每个空槽220与径向孔214径向对齐。在示例性 实施例中，每个空槽具有宽度w，宽度w的尺寸和形状设计成使得电机10的齿槽转矩最小化。具体地，在示例性实施例中，空槽的宽度w1大约 是每个径向孔214的宽度w2的两倍。在另一个实施例中，空槽的宽度 w1为每个径向孔214的宽度w2的大约8％至大约12％。
35.此外，每个空槽220还包括基于永磁体216的尺寸、转子芯200的直 径、转子磁极206和定子芯28之间的距离以及转子芯200中的转子磁极 206的数量中的至少一者的径向深度d。具体地，每个空槽220包括大约 0.5毫米至大约3.0毫米之间的径向深度d。
36.针对减小电机10运行期间的齿槽转矩，空槽220以与转子芯100的开 口128几乎相同的方式工作。磁极206之间的磁体216上的桥接部218为 高速、高振动或制造原因提供了额外的转子机械强度，其优点是能够定制 转子几何形状以消除齿槽转矩谐波，从而减少或消除齿槽转矩引起的声学 噪声。
37.图5是可包括在电机10(图1所示)内的又一示例性转子芯300的透视 图。图6是转子芯300的正视图。转子芯300基本上是圆柱形的，并且包 括外周302和轴中心开口304，轴中心开口304的直径对应于轴38的直径。 在示例性实施例中，转子芯300包括多个周向间隔开的转子磁极306，每 个转子磁极沿着转子外周302具有外壁308。如图5所示，在示例性实施 例中，每个转子磁极306通过连接板312联接到中心毂310。毂310限定 了轴开口304。在其他实施例中，不是所有的转子磁极306都可以联接到 毂310。此外，在示例性实施例中，转子芯300以及因此每个转子磁极306 由互锁或以其他方式结合在一起的多个堆叠的叠片307形成。例如，叠片 307由冲压金属如钢的多个冲压层制成。
38.此外，在示例性实施例中，转子芯300的每个叠片307包括多个径向 孔314，在每个叠片307中多个径向孔以与转子磁极306交替的方式间隔 开。每个径向孔314构造成接收一个或多个永磁体316，使得每个磁体316 径向嵌入转子芯300中，并且至少部分地从转子第一端12延伸到转子第二 端14。在示例性实施例中，径向孔314通常是矩形的。或者，径向孔314 可以具有使得电动机能够如本文所述地工作的对应于永磁体形状的任何合 适的形状。在示例性实施例中，永磁体316是沿与旋转轴x相切的方向磁 化的陶瓷磁体。然而，磁体316可以由能够使电机10如本文所述地工作的 任何合适的材料制成，例如粘结钕、烧结钕和/或钐钴。
39.在示例性实施例中，径向孔314的数量等于每个叠片307中的转子磁 极306的数量，并且一个磁体316位于一对转子磁极306之间的每个径向 孔314内。尽管每个叠片307被示出为包括十个转子磁极306，但是转子 芯300可以具有允许电机10如本文所述地工作的任意数量的磁极，例如六 个、八个或十二个磁极。
40.在示例性实施例中，每个叠片307的每个转子磁极306包括一个或多 个永磁体保持构件或突起318。例如，对于每个叠片307，第一对突起320 沿着转子外边缘302邻近极外壁308定位，并从周向端壁322和324延伸 到相邻的径向孔314中。第一对突起320的每个突起318被构造成通过基 本上防止磁体316在径向方向上朝向外边缘302的移动来促进磁体316在 径向孔314内的保持。此外，对于每个叠片307，第二对突起326邻近连 接板312定位，并从周向端壁322和324邻近径向孔314地延伸。第二对 突起326的每个突起318被构造成通过基本上防止磁体316在径向方向上 朝向轴38的运动来促进磁体316在径向孔314内的保持。或者，转子芯 300可具有使得转子芯310能够如本文所述地工作的任何数量和位置的突 起318。
41.现在参考图6，示出了示例性叠片107，多个磁极306的第一磁极306a 在周向上邻近多个磁极306的第二磁极306b定位，以在其间限定多个径向 孔314中的包含永磁体316的第一径向孔314a。在示例性实施例中，第一 磁极306a包括从端壁324延伸到第一径向孔314a中的第一突起320a。类 似地，第二磁极306b包括从端壁322延伸到第一径向孔314a中的第二突 起320b，使得周向开口328限定在第一突起320a和第二突起320b之间。 这样，每个叠片107包括限定在相邻的转子磁极306的突起320之间的多 个周向间隔开的开口328，所述相邻的转子磁极的突起延伸到多个径向孔 314的共享径向孔314中。
42.在示例性实施例中，桥部件330位于每个叠片107中的至少一个开口 328内。如本文所述，当每个叠片相对于前一叠片107错开预定角度时， 桥部件330围绕转子芯300沿周向旋转/错开。在示例性实施例中，预定角 度是360/n或(360x2)/(n)，其中n是每个叠片307中的转子磁极306的数量。 例如，转子芯300包括十个转子磁极306。这样，在一个实施例中，第二 叠片307b相对于相邻的第一叠片307a绕轴线x错开36度。在这种构造 中，第一叠片307a中的第一桥部件330a在周向上相对于第二叠片307b 中的第二桥部件330b偏移。更具体地，第一叠片307a中的第一桥部件330a 在周向上相对于第二叠片307b中的第二桥部件330b偏移一个转子磁极 306的距离。也就是说，当相邻的叠片307错开360/n度时，叠片307被称 为以一个转子磁极306或一个径向孔314进行分度。
43.类似地，在相邻的叠片307错开(360x2)/(n)度的实施例中，第二叠片 307b相对于相邻的第一叠片307a绕轴线x错开72度。在这种构造中，第 一叠片307a中的第一桥部件330a在周向上相对于第二叠片307b中的第二 桥部件330b偏移。更具体地，第一叠片307a中的第一桥部件330a在周向 上相对于第二叠片307b中的第二桥部件330b偏移两个转子磁极306的距 离。也就是说，当相邻的叠片307错开(360x2)/(n)度时，叠片307被称为 以两个转子磁极306或两个径向孔314进行分度。
44.在其他实施例中，如图6所示，例如，每个叠片307包括一对彼此间 隔180度定向的桥部件330。类似地，在又一实施例中，每个叠片307包 括桥部件330，该桥部件330围绕外周302在每隔一个开口328内定位。 在转子芯300包括十个转子磁极306并且每个叠片307包括单个桥部件330 的配置中，每隔九个叠片307(即第一个叠片和第十一个叠片的)桥部件 330在周向上对齐。在转子芯300包括十个转子磁极306并且每个叠片307 包括两个相对的桥部件330的配置中，每隔四个叠片307(即第一个叠片 和第六个叠片的)桥部件330在周向上对齐。在转子芯300包括十个转子 磁极306并且每个叠片307在每隔一个开口328中包括桥部件330的配置 中，每隔一个叠片308桥部件330在周向上对齐。通常，每隔一个叠片、 每
隔n/2
‑
1个叠片(即第一个叠片和第n/2+1个叠片)或每隔n
‑
1个叠片(即 第一个叠片和第n+1个叠片)桥部件330会对齐，其中n是每个叠片307 中的转子磁极306的数量。
45.在示例性实施例中，桥部件330类似于桥接部218(图4所示)地操作， 以提供稳固的转子结构，该转子结构将转子磁极306保持在适当位置，以 防止或减少高速、高振动运行期间或制造期间的磁极变形或移动。同时保 持大部分开口328打开，类似于开口128的操作，以在电机10的运行期间 最小化磁极泄漏并减小齿槽转矩。通常，转子芯300中包括的桥部件330 越多，转子芯300的结构越坚固，转子磁极306相对于彼此的运动越少。
46.这里描述的是减少齿槽转矩和减少转子磁极相对于彼此的运动的示例 性系统和设备。这里描述的系统和装置可以用于任何合适的应用。然而， 它们特别适合hvac和泵的应用。
47.以上详细描述了电机转子芯的示例性实施例。电动机及其部件不限于 本文所述的具体实施例，而是系统的部件可以独立于本文所述的其它部件 使用。例如，这些部件也可以与其他电动机系统、方法和设备结合使用， 并且不限于仅用这里描述的系统和设备来实践。相反，示例性实施例可以 结合许多其他应用来实现和利用。
48.尽管本公开的各种实施例的具体特征可能在一些附图中示出而在其他 附图中未示出，但这仅仅是为了方便。根据本公开的原理，附图的任何特 征可以结合任何其他附图的任何特征来引用和/或要求保护。
49.该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域 的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执 行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括 本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字 面语言没有不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字 面语言没有实质性差异的等同结构元件，则这些其他示例旨在落入权利要 求的范围内。