电机转子以及应用其的电机的制作方法

本实用新型涉及电机，具体而言，涉及一种电机转子及应用该电机转子的电机。

背景技术：

在滚筒洗衣机的领域中广泛地使用电机，特别是永磁同步电机，来驱动滚筒的旋转。决定该类电机性能优劣的关键点在于在洗衣机洗涤和脱水两个工作过程中电机的效率和噪音。随着洗衣机品质的提高，在洗衣机脱水过程中要求电机达到很高的转速，该电机转速至少达到10000r/min，特别地可能高达18000r/min，然而不希望带来能耗和噪音的大幅提高。

用于滚筒洗衣机的传统电机的转子主要包括两种类型，一种是表面式转子磁路结构，另一种是内置式切向转子磁路结构。

在表面式转子磁路结构中，永磁体粘贴于转子表面，永磁体整体裸露在气隙中，其产生的磁场正对定子磁场，由于电机在高速弱磁时，定子线圈上产生的电流变大，会导致裸露在电机气隙中的永磁体容易出现退磁现象，降低电机的使用寿命。此外，为了避免电机高转速下永磁体从转子表面脱落，通常需要在永磁体表面使用钢套、来保护转子表面上的永磁体在电机高速运转时不从转子铁芯表面脱落，而这种保护钢套的工艺复杂、成本较高，会带来电机整体复杂度和成本的提高。

内置式切向转子磁路结构解决了上述问题，但是其本身仍然存在很多缺陷。传统的内置式切向转子磁路结构中，齿槽转矩较大，使得电机的转矩脉动较大，从而带了不期望的振动和噪音；电机运行时产生很大的反电动势谐波含量，使得电机在以高转速运行时带来较大的振动噪音。

在传统的解决方案中，相邻的转子磁极之间是断开的，并通过注塑等方式使得其它非导磁材料的填充物填充到相邻转子磁极之间的断开处，用来固定每个单独的永磁体。这种布置方式虽然能一定程度地减小转子的漏磁现象，但是在电机的高速运行过程中，填充在相邻磁极断开位置上的注塑体承受较高的转矩，可能会断裂或破碎，从而对电机内部以及定子/转子的其他部分造成损坏，因此将较低强度的注塑体填充在断开的磁极之间的布置方式会给高速运转(例如：洗衣机的脱水过程)的电机带来风险。

因此，需要一种高效、低噪音、适于长时间高速运转的电机。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种高效、低噪音、适于长时间高速运转的电机。

本实用新型涉及一种电机转子，其中电机转子具有多个槽，该多个槽沿电机转子的径向成辐射状分布，并且用于将多个永磁铁氧体接收于其内，并且，电机转子的外表面是由沿该电机转子的周向分布且相间布置的多个样条曲面和弧形连接段的外表面形成的非圆形面，使得当电机转子安装到内表面为圆形的电机定子铁芯内，电机转子的外表面和该电机定子的定子铁芯之间的间隙为非均匀气隙。

在电机转子的一个可选的实施例中，接收在相邻的槽内的相邻的永磁铁氧体的相互面向的表面具有相同的极性，使得在每对相邻的铁氧体之间形成磁极。

在电机转子的一个可选的实施例中，磁极的外表面为样条曲面，每两个相邻的磁极通过弧形连接段而连接。

在电机转子的一个可选的实施例中，样条曲面关于其中心轴线呈轴对称，并且在其中心轴线处与定子铁芯之间的气隙为最小气隙δ_min，最小气隙δ_min与样条曲面和定子铁芯之间的气隙δ的比值是电机转子相对于样条曲面的中心轴线转过的电角度β的余弦函数，其中电角度β是电机转子相对于样条曲面的中心轴线转过的机械角度θ与电机的极对数P的乘积。

在电机转子的一个可选的实施例中，样条曲面的形状满足公式：δ_min/δ＝cos(β)。

在电机转子的一个可选的实施例中，电机转子具有沿周向方向均匀分布的八个槽，并且分别用于将八个永磁铁氧体接收于其中，每条样条曲面关于其中心轴线呈轴对称，并且跨过的机械角度θ₀为31°。

在电机转子的一个可选的实施例中，在弧形连接段和永磁铁氧体之间形成有空槽，注塑体注入到空槽中，以将永磁铁氧体进一步固定在槽中。

在电机转子的一个可选的实施例中，弧形连接段的厚度在0.4mm到0.6mm的范围内，其中弧形连接段的厚度为弧形连接段的外圆半径R2和内圆半径R1之间的差值。

在电机转子的一个可选的实施例中，弧形连接段的宽度b1小于永磁铁氧体的宽度b2，其中弧形连接段的宽度b1为弧形连接段与相邻的样条曲面两个连接点之间的距离。

在电机转子的一个可选的实施例中，弧形连接段的高度H1不大于样条曲面的顶点与电机转子的轴心的距离H2，且大于样条曲面的最远离其顶点的最低点处与电机转子的轴心的距离H3，其中弧形连接段的高度H1为弧形连接段的顶点与电机转子的轴心的距离。

本实用新型还涉及一种电机，其包含在前述任意实施例中限定的电机转子。

在电机的一个可选的实施例中，该电机还包括定子，定子的定子铁芯的内表面整体成圆形，并且定子铁芯包括中心对称、沿周向均匀布置的定子齿，每两个相邻的定子齿之间形成凹槽，每个凹槽用于接收相应的电枢绕组于其内。

在电机的一个可选的实施例中，定子铁芯的叠厚L2小于转子的叠厚L1。

在电机的一个可选的实施例中，定子铁芯的叠厚L2与转子的叠厚L1的比值L2/L1在0.8到0.96的范围内。

根据本实用新型的上述有利实施例有利于提高电机低速运行的平稳性和降低电机高速运行时的振动和噪音，从而提高电机的可靠性及效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本实用新型的一些实施例，而非对本实用新型的限制。

图1示意性地示出了根据本实用新型实施例的电机定子的结构。

图2示意性地示出了根据本实用新型的实施例的电机转子的正视图。

图3中示出了半个光滑的样条曲面的最小气隙与周边气隙的比值随电角度β变化的曲线。

图4是电机转子的正视图的另一示图，示出了样条曲面和连接段相对于该电机转子的尺寸关系。

图5示出了根据本实用新型的实施例的电机的截面图，其中转子5和定子4已经配合到一起。

图6示出了具有根据本实用新型的实施例优化后的转子结构的电机的齿槽转矩与现有技术中的具有传统转子磁路结构的电机的齿槽转矩的实验结果的对比曲线，其中虚线表示未优化的电机的齿槽转矩随时间变化的曲线，而实线则表示根据本实用新型的公开内容进行优化的电机的齿槽转矩随时间变化的曲线。

图7示出了具有根据本实用新型的实施例优化后的转子结构的电机的反电势与现有技术中的具有传统转子磁路结构的电机的反电势的实验结果的对比曲线。其中虚线表示未优化的电机的反电势随时间变化的曲线，而实线则表示根据本实用新型的公开内容进行优化的电机的反电势随时间变化的曲线。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。

根据本实用新型的实施例，公开了一种永磁同步电机，特别地适用于洗衣机滚筒驱动。具体而言，该电机包括：内置切向磁路结构的电机转子和与其配合的定子结构，该电机转子结构以及转子与定子配合的结果可以实现优异的电机性能，使得应用该电机的洗衣机的洗涤效率和脱水效率都能保持较高的水平，减少损耗，降低噪音和振动，提高洗衣机品质。

图1示意性地示出了根据本实用新型实施例的电机定子的结构。具体而言，如图1所示，该定子结构的定子铁芯4的内径6整体上呈圆形。该定子铁芯4包括多个中心对称排列的定子齿21，相邻的两个定子齿21之间形成一个凹槽22，定子齿21和凹槽22沿着定子铁芯4的周向方向相间布置。在图1所示的实施例中，该定子铁芯4包括相间布置的12个定子齿21和12个凹槽22；但是在替代的实施例中，定子齿21和凹槽22的数量可根据实际应用灵活地选择。凹槽22中填充有电枢绕组，电枢绕组的材料优选地为铝线，以保持较低的成本和良好的导电性；在替代的实施例中，电枢绕组的材料可以根据具体的应用另外的选择，例如铝合金，铜，铜合金等。

图2示意性地示出了根据本实用新型的实施例的电机转子5的正视图。在图2中，永磁铁氧体3嵌入到电机转子5的一部分槽2中，以清楚地描述转子5的结构以及永磁铁氧体3在转子5中的布置方式。具体而言，图2所示的转子5具有整体上圆形、并且中心对称的结构。在转子5的周向方向均匀分布有多个沿半径方向成辐射状的槽2，用于将永磁铁氧体3嵌入其中，永磁铁氧体3可以是与槽12的形状相匹配的多个单块块状永磁铁氧体3。在图2所示的实施例中，转子5沿其周向方向包括8个均匀分布的槽2，用于容纳8个单独的永磁铁氧体3(在图2中仅有5个永磁铁氧体2安装到转子5的槽2中，剩下的3个永磁铁氧体未安装到转子5的剩余的槽2中，以用于清楚地示出槽2的结构)；然而在替代的实施例中，槽2的数量以及相应地嵌入槽2中的永磁铁氧体3的数量可以根据具体地应用而灵活地选择。此外，槽2和永磁铁氧体3的形状也不限于图2所示出的方形条状，而是也可以灵活地选择其他形状。

如图2所示，嵌入到相邻的槽2中的相邻的永磁铁氧体3的充磁方向相反，使得相邻的永磁铁氧体3的相互面向的表面具有相同的极性，从而利用转子材料的导磁特性形成磁极1。具体地，如图2所示，相邻的永磁铁氧体3的N极和N极相互面对，并且S极和S极相互面对。这种布置方式使得槽2中的永磁铁氧体3发出的磁场形成电机主磁场的闭合回路，可以增强磁场。图2这种转子结构还可以使得永磁铁氧体能够承受更大的去磁电流，而不容易退磁。

在通过转子材料形成的磁极1的每两个相邻的磁极1之间，通过细长的弧形连接段12(见图4)相互连接，从而避免在传统转子中注塑体设置在断开的相邻磁极之间的布置方式，提高了转子的强度，并从而延长了该转子以及应用该转子的电机的使用寿命。关于该细长的弧形连接段12的特征在下文中参考图4详细地描述。

现在返回图2，并参照图2详细地描述转子5的外表面的形状。具体地，磁极1形成在相邻的永磁铁氧体3之间，并且其数量对应于永磁铁氧体的数量。在根据图2所示的实施例中，永磁铁氧体3的数量为八个，因此，形成在其间的磁极1的数量也为八个；在替代的实施例中，磁极的数量可以根据具体地应用灵活地选择。

转子5的外表面由多个相间布置的磁极1的外表面和细长的弧形连接段12(见图4)的外表面形成。在根据本实用新型的一个实施例中，磁极1的外表面在图2的转子的正视图中示出为样条曲线，并且该样条曲线在空间中对应为光滑的样条曲面11。因此，转子5的外表面包括多段样条曲面11和将该多段样条曲面11相互连接的弧形连接段12的外表面。在图2的视图中，每段样条曲面11跨过的机械角度为θ₀，且该样条曲面11关于其中心轴线(即θ＝0°处，图2中仅在一个磁极上标示了θ＝0°处，但是可以理解的是，其它每个磁极在θ＝0°处都有相应的中心轴线，只是省略未标示)呈轴对称，其中θ₀是磁极1跨过的电角度β₀与电机的极对数P的比值。在图2示出的实施例中，极对数P为4；在替代的实施例中，电机的极对数可以根据具体应用灵活地选择，但是一般不低于3对。在优选的实施例中，极对数P为4，每段样条曲面11跨过的角度为31°。

为了使得本实用新型的电机的空载气隙磁场更加接近于正弦分布，降低反电势波形的谐波含量，并且提高永磁电机运行的平稳性以及减小振动和噪音，得到具有优异性能的电机，申请人对样条曲面11的形状进行了优化设计，从而得到具有满足上述要求的电机气隙。特别地，通过对样条曲面11的形状进行特殊的设计，得到特定的非均匀气隙，从而实现上述优异的电机性能。文中所述的非均匀气隙是指转子的磁极1的外表面到定子的内径(即定子的内表面)6之间的气隙长度沿周向不是均匀分布。

在根据本实用新型的实施例中，样条曲面11的形状设计为使得，转子5外表面的形成为样条曲面11的部分与定子的内径6之间的最小气隙与周边气隙的比值是随电角度β变化的余弦函数。因此，在根据本实用新型的实施例中，定子内表面和转子的外表面之间的非均匀气隙体现为，在磁极1的中心轴线处的气隙长度最短，为δ_min，并且当该样条曲面11沿着磁极1的中心轴线向两边延伸时，气隙δ以一定规律(δ_min/δ为电角度β的余弦函数)逐渐增大，在最远离磁极1的中心轴线的位置处(即θ＝±1/2θ₀处)的气隙δ长度最大，为δ_max。

在图3中示出了半个光滑的样条曲面11(即θ为0到1/2θ₀的范围，其中θ以磁极的中心轴线为起点计算，表示距离磁极1的中心轴线的机械角度值)的最小气隙与周边气隙的比值(即δ_min/δ，表示在纵坐标中)随电角度β(表示在横坐标中)的变化的示图。在图3的曲线中，横坐标表示电角度β，纵坐标表示δ_min/δ的比值。特别地，样条曲面11与定子内径6之间的最小间隙δ_min在β＝0处达到，该最小间隙δ_min与周边气隙δ的比值是随着电角度β(β＝P×θ，P为电机的极对数，在本实用新型的实施例中P＝4)变化的余弦函数，即δ_min/δ＝cos(β)。在优选的实施例中，气隙δ的变化范围大致在0.3mm到1.1mm的范围内。

图4是电机转子的正视图的另一示图，示出了样条曲线和连接段12相对于该电机转子的尺寸关系。具体地，如图4所示，在相邻的样条曲线之间通过一光滑的转子铁芯的连接段12而连接(也就是说相邻样条曲面11之间通过连接段12的外表面连接)，从而避免了相邻磁极之间的断开、并避免了其间用于固定永磁体的注塑体承受较大的转矩，从而注塑体不易断裂，使得电机的性能稳定、使用寿命延长。

在本实用新型的实施例中，永磁铁氧体3形成为方形条状，并且用于接收永磁铁氧体3的槽2也设计为适合于接收永磁铁氧体3的方形条状。连接段12的弧形的形状使得在连接段12下方以及永磁铁氧体3的上方之间形成空槽13(见图2和图4)。将连接段12形成为圆弧状，有利于增大空槽13的体积，从而有利于在空槽13内注入足够的注塑体以进一步更好地固定永磁体3。同时相邻磁极1之间通过连接段12连接在一起，避免了在相邻磁极之间的断开，从而注塑体无需连接断开的相邻磁极，使得填充在空槽13中的注塑体无需承受过大的转矩，在长时间高速运转电机的工作过程中也不易断裂或破碎。

此外，相邻磁极1之间通过连接段12连接在一起，通过使得此处磁路达到饱和来阻碍永磁铁氧体发出的磁力线在此处形成回路，减小了漏磁现象，提高了电机的效率。理论上，连接段12的厚度越窄，长度越长，漏磁越小；但是连接段12的厚度也不能选择过小，以保证转子边缘的支撑强度。在根据本实用新型的优选实施例中，连接段12大体成弧形，其厚度优选地选自0.4mm到0.6mm的范围内。特别地，连接段12的外圆半径R2和内圆半径R1之间的差值(R2-R1，对应于连接段12的厚度)优选地在0.4mm到0.6mm的范围内。

连接段12的宽度在图4中以标记b1表示，并且b1小于永磁铁氧体3的宽度b2。具体地，连接段12的宽度b1是该连接段12与相邻的样条曲线的两个连接点之间的距离。连接段12的宽度b1的加长可以实现对漏磁现象更好地抑制，但是其不宜超过永磁铁氧体3或槽2的宽度。宽度b1过长将会降低转子外周边缘的连接支撑强度。

如上文所述的连接段12的这一厚度选择和宽度限制能够很好地保证转子边缘的机械支撑强度，并同时实现对漏磁现象的良好的抑制，提高电机效率。

此外，连接段12的高度H1(即，连接段12的顶点距离转子的轴心的距离，在图4中示出)不大于样条曲线的顶点距离转子的轴心的距离H2(也在图4中示出)，但是大于样条曲线最远离该顶点的最低点处距离转子1的轴心的距离H3。这样的设计有利于增大空槽13的体积，从而有利于在空槽13内注入足够的注塑体以进一步更好地固定永磁体3。

因此，根据本实用新型的转子结构中连接段12的设计，能够实现使得用于固定的注塑体的强度有所增加、从而不易断裂的优势，并且该连接段12的具体的尺寸设计还能够在保证较高的机械强度的前提下、减小漏磁现象，并从而提高电机的效率和功率密度，并进而提高电机和应用该电机的洗衣机的性能。

图5示出了根据本实用新型的实施例的电机的截面图，其中转子5和定子已经配合到一起。如图5所示，转子5的叠厚L1和定子铁芯4的叠厚L2长度不同。在优选的实施例中，定子铁芯4的叠厚L2和转子铁芯5的叠厚L1的比值(即L2/L1)在0.8到0.96的范围内；更优选地，该比值为0.93。

具体地，为了保证电机在高速运行时的效率，可以通过缩短定子铁芯4的铁芯长度，从而减少电机高速运行时的铁耗。同时为了保证定子的磁通量，转子5的铁芯长度设计为大于定子铁芯4的长度，这样可以充分利用定子绕组的端部效应。因此，将定子铁芯4的叠厚L2和转子铁芯5的叠厚L1的比值设计为小于1，优选地在0.8到0.96的范围内，更优选地为0.93的数值，可以降低电机运行时的铁耗，提高电机效率，并同时保证足够的磁通量和电机功率。

图6示出了具有根据本实用新型的实施例优化后的转子结构的电机的齿槽转矩与现有技术中具有传统的转子磁路结构(未优化电机转子和电机定子之间的气隙形状)的电机的齿槽转矩的实验结果的对比曲线。在如图6所示的两条曲线中，虚线表示未优化的电机的齿槽转矩随时间变化的曲线，而实线则表示根据本实用新型的公开内容进行优化的电机的齿槽转矩随时间变化的曲线。

图7示出了具有根据本实用新型的实施例优化后的转子结构的反电势与现有技术中具有传统的转子磁路结构的电机的反电势的实验结果的对比曲线。在如图7所示的两条曲线中，类似于图6，虚线表示未优化的电机的反电势随时间变化的曲线，而实线则表示根据本实用新型的公开内容进行优化的电机的反电势随时间变化的曲线。

从图6中可以看出，经优化的电机的齿槽转矩相比未优化的电机的齿槽转矩降低了近乎十倍，这可以带来电机运行时振动以及噪音的大幅降低。并且，从图7中可以看出，经优化的电机的反电势波形中的谐波含量相比未优化的电机的反电势波形中的谐波含量也大幅下降。从如图6-7的实验结果的对比曲线可以看出，根据本实用新型的转子外表面形状的设计，特别是样条曲面11的形状的设计，可以有助于减小齿槽转矩，并且同时减小反电势波形中的反电势谐波含量，使得气隙磁场更接近于正弦函数曲线，从而有利于提高电机低速运行的平稳性和降低电机高速运行时的振动和噪音，并且连接段12的结构和形状还有利于提高电机的功率密度和效率。优化后的电机能够实现在较高转速下仍然保持较高的效率和较低的振动和噪音，这能够使得应用该种电机的滚筒洗衣机具有较高的品质。

根据本实用新型实施例的电机可以采用前述的转子结构。更具体地，该电机可以采用具有用于连接相邻磁极的连接段的转子结构，其中磁极的外表面设计为特定的样条曲面，使得样条曲面与定子的内径之间的最小气隙与周边气隙的比值是随电角度变化的余弦函数。该种不均匀的气隙布置可以有助于减小齿槽转矩，降低反电势波形中的谐波含量，减小高速时电机的振动、噪音及低速时的转矩脉动，提高电机的可靠性及效率。

根据本实用新型实施例的电机还可以是一种具有包括前述转子结构的永磁同步电机的滚筒洗衣机。根据本实用新型的永磁同步电机可以用于洗衣机的滚筒驱动，从而降低滚筒洗衣机在高速运转时，例如脱水时的振动和噪音，提高其品质。

根据本实用新型实施例的转子结构可以发挥电机的性能，使得应用该电机的滚筒洗衣机的洗涤效率和脱水效率都能保持较高的水平，降低噪音和振动，提高洗衣机品质；并且，根据本实用新型实施例的转子结构和定子结构相互配合，可以进一步提升电机性能，减小高速时的振动和噪音及低速运行的平稳性，提高洗衣机品质。

以上所述仅是本实用新型的示范性实施方式，而非用于限制本实用新型的保护范围，本实用新型的保护范围由所附的权利要求确定。