电机的制作方法

1.本公开涉及一种用于永磁电机的转子。


背景技术：

2.电机通常采用转子和定子来产生扭矩。电流流过定子绕组以产生磁场。由定子产生的磁场可以与转子内的永磁体配合以产生扭矩。


技术实现要素：

3.一种电机包括定子和转子。所述定子限定中心孔并且具有内径。所述转子具有外径并且设置在所述定子内。在所述内径和所述外径之间限定气隙。所述转子限定多个腔体。所述转子具有设置在所述腔体中的每一个内的磁体。所述磁体限定多个极弧角。每个极弧角以d轴线为中心。所述转子具有外周。所述外周形成定位在每个极弧角内的平滑样条曲线。所述平滑样条曲线相对于所述外径径向向内偏离。
4.一种电机转子包括芯和磁体。所述芯具有外周并且限定成对的v形腔体。所述磁体设置在所述腔体中的每一个内。在每对v形腔体内的所述磁体的径向最外角限定以d轴线为中心的极弧角。所述芯的所述外周在每个极弧角内形成平滑样条曲线，所述平滑样条曲线相对于所述芯的最外直径径向向内偏离。每个平滑样条曲线的形状关于相应的d轴线对称。所述形状基于是所述转子和定子之间的气隙和所述极弧角的函数的控制点。
5.一种电机转子包括芯和磁体。所述芯具有外周并且限定腔体。所述磁体设置在所述腔体中的每一个内。所述磁体限定各自以d轴线为中心的极弧角。所述芯的所述外周在每个极弧角内形成平滑样条曲线，所述平滑样条曲线相对于所述芯的最外直径径向向内偏离。每个平滑样条曲线的所述形状包括第一和第二径向向外延伸的突起，所述第一和第二径向向外延伸的突起由第一径向向内延伸的凹口间隔开并且夹在第二和第三径向向内延伸的凹口之间。所述形状基于是所述转子和定子之间的气隙和所述极弧角的函数的控制点。所述控制点包括所述第一径向向内延伸的凹口内的低点、所述第一突起的峰、定位在所述第二径向向内延伸的凹口内的第一点、定位在所述第二径向向内延伸的凹口内的第二点、以及在相应的极弧角的外边缘处的点。
附图说明
6.图1是电机的转子和定子的第一实施例的平面图；
7.图2是由叠片堆叠组成的转子部分的沿着图1的线2-2截取的横截面视图；
8.图3是包括源于图1的区域a的转子的一部分的平面图；以及
9.图4是包括源于图1的区域b的电机的一部分的平面图。
具体实施方式
10.本文描述了本公开的实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅是示例并且其他
实施例可以采用不同和替代的形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而仅应解释为用于教导本领域技术人员以不同方式采用实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任何一个来示出和描述的各种特征可与在一个或多个其他附图中所示出的特征进行组合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，对于特定的应用或实现方式，可能期望与本公开的教导一致的对特征的各种组合和修改。
11.电机的特征可能在于由气隙磁通中和气隙磁导中存在的谐波引起的不期望的扭矩振荡。这种扭矩纹波是由谐波引起的，可以通过适当的转子设计来大幅缓解谐波。永磁体可以不同的方式围绕电机的转子定位或取向以产生期望磁场。磁极中的每一者可以由单个永磁体形成，所述永磁体被取向成一个磁极(即，北极或南极)在径向向外的方向上。转子的磁极可以由被布置成共同形成磁极的多组永磁体形成。一种这样的布置使磁体取向成v形图案。“v”的内部部分具有配合形成转子磁极的类似磁极。8极转子包括围绕转子设置并间隔开45
°
的八个v形图案。永磁体中的每一者可以设置在凹窝或腔体中以保持永磁体。这些凹窝或腔体通常为矩形并且其尺寸适于容纳永磁体。凹窝还可以包括腔体，所述腔体在凹窝的相对端处延伸并超过永磁体以限制单独永磁体的北极与南极之间的磁通量泄漏。凹窝或腔体的接收永磁体的部分可以被称为永磁体凹窝或腔体。凹窝的延伸部分可以被称为磁场引导凹窝、腔体或腔室，或者可以被称为磁场形成凹窝、腔体或腔室。转子芯中的空隙或腔体阻碍磁通量，因为与转子芯材料(例如，电工钢)相比，真空具有相对较低的磁导率。
12.与凹窝中的每一者相关联的磁场引导室可以调整磁极的极弧角。八极转子的磁极中的每一者被指定在转子叠片的45
°
部分中。该45
°
部分被称为机械磁极距。代替允许所有磁极具有45
°
弧角的是，可以限定场形成室以通过减小或加宽弧角来引导来自每个磁极的磁通。来自磁极中的每一者的所得弧角仍然可以累积以覆盖转子的整个360
°
外周表面或覆盖小于转子的整个外周表面。
13.转子可以由多个叠片或叠片板构成，所述多个叠片或叠片板在沿着电机的转子的旋转轴线的轴向方向上按顺序堆叠。叠片分别由诸如铁或钢的材料制成。然后，叠片在轴向方向上(即，沿着转子的旋转轴线)对准以形成转子或电机。根据所需应用，叠片可“松散”堆叠、焊接或粘接在一起。叠片可以包括薄的绝缘材料层(例如，厚度为约0.001mm的薄环氧树脂层)。如果应用要求相邻的叠片(即，经由焊接或粘接)彼此固定，则在相邻的叠片未彼此固定的位置处相邻的叠片之间可能存在或可能不存在小的空间。
14.现在参考图1，示出了具有转子110和定子111的电机107。转子110设置在定子111内。定子包括绕组113。出于简化目的，绕组113在图1中被示为横截面。转子110可以由包括多个堆叠的叠片119的芯121组成。转子110(或更具体地转子110的芯121)可以限定适于将永磁体保持在凹窝中的多个腔体112。转子110(或更具体地转子110的芯121)可以限定具有键槽116的圆形中心开口114以容纳驱动轴，所述驱动轴可以接收驱动键(未示出)。腔体可以被取向成使得容纳在腔体112中的永磁体形成八个交替的磁极130、132。在本领域中众所周知的是，电机可以具有各种极数。因此，本公开不应被解释为限于恰好具有八个磁极的转子。磁极130可以被配置为北极，而磁极132可以被配置为南极，或反之亦然。永磁体也可以被布置有不同的图案。因此，本公开不应被解释为限于本文所示的图案。如图1所示，保持永
磁体的腔体112成对布置，从而形成v形133。以d轴线为中心的两对v形腔体形成每个磁极(即，极130和132)。现在参考图2，多个叠片119可以形成转子110或转子110的一部分。
15.现在参考图3，示出了包括源于图1的区域a的部分，所述部分具有特定的极弧角102。每个极具有可以以极的相应d轴线为中心的极弧角102。如图所示，极弧角102被测量为转子110的外周117(更具体地，外周117可以是转子110的芯121的外周)上的点之间的角度，所述角度与设置在形成每个磁极(即，极130和132)的径向最外v形对的腔体内的永磁体115的最径向向外部分的内角直接径向对齐，其中极弧角102的顶点为转子110的中心轴线104。然而，可以使用多种方法来测量极弧角102。例如，极弧角102可以被测量为转子110的外周117上的点之间的角度，所述角度与设置在形成每个磁极的径向最内v形对的腔体内的永磁体115的最径向向外部分的内角直接径向对齐，其中极弧角102的顶点为转子110的中心轴线104。其他示例可以包括将极弧角102测量为在转子110的外周117上的点之间的角度，所述角度与设置在任一对的v形腔体内的永磁体115的最径向向外部分的外角、永磁体115的最径向向内部分的内角、或永磁体115的最径向向内部分的外角直接径向对齐，其中极弧角102的顶点是转子110的中心轴线104。
16.替代地，极弧角可以相对于磁体凹窝108(即，填充有永磁体115的腔体112的部分)以磁场引导室106(即，未填充有永磁体115的腔体112的部分)的角度进行定形。如图所示，部分110可以具有45
°
机械磁极距109。极弧角102可以被测量为磁场引导室106的最径向向外部分的最显著的内角之间的角度，其中极弧角102的顶点是转子110的中心轴线104。极弧角102也可以从磁场引导室106的最外边缘、磁场引导室106的内边缘或假设的重心(例如，如果腔室填充有材料，则所述材料的重心)开始测量。极弧角102也可以被测量为永磁体凹窝108与磁场引导室106之间的角度。
17.还可以使用弧跨转子的外周以限定表面的长度来测量极弧角102。所述表面可以由具有阈值量值的磁通量的弧的长度限定。例如，特征、腔室的形状可能使得难以确认极弧角的通用定义和值。在这些情况下，可以测量或估计跨弧长或表面的磁通量以确定所形成的磁场。测量场形成室的结果可以提供对期望的极弧角的改进指示，而不是直接测量角度。这种附加方法可以间接地提供相邻部分的极弧角之间的比较以确定是否使用磁偏斜来减少扭矩纹波。
18.角的顶点可以被确定为v形永磁体凹窝的延伸部、腔室的延伸部或其组合的相交点。极弧角的顶点也可以是转子的部分或叠片的质心或旋转轴线。可以包括或不包括通常包括在转子叠片上以控制磁场的其他特征(例如，孔、腔体)以在气隙中适当地形成磁场。
19.现在参考图4，示出了包括源于图1的区域b的电机107的一部分的平面图。具有长度l的气隙134被限定在转子110的外径136(外径136可以更具体地是转子110的芯121的外径136)与定子111的内径138之间。转子110的外周117形成平滑样条曲线140。平滑样条曲线140定位在极弧角102中的每一个内。平滑样条曲线140相对于转子110的外径136径向向内偏离。平滑样条曲线140的形状基于是气隙134和极弧角102的函数的控制点。平滑样条曲线140中的每一个可以在相应的极弧角102内关于相应的d轴线对称。平滑样条曲线140可以形成第一和第二径向向外延伸的小丘或突起142，所述第一和第二径向向外延伸的小丘或突起142由第一径向向内延伸的谷部或凹口144间隔开。第一和第二径向向外延伸的突起142也可以夹在第二和第三径向向内延伸的谷部或凹口146之间。
20.样条曲线是易于构建将允许用户设计和控制复杂曲线和表面的形状的接口的数学表示。一般方法是用户输入一系列点(控制点)，并且构建形状紧密地遵循该序列的曲线。术语样条可以指代分段多项式(参数)曲线。平滑曲线是具有连续导数且没有尖角的平滑函数的曲线。
21.第一控制点148、第二控制点150、第三控制点152、第四控制点154和第五控制点156可以用于形成平滑样条曲线140中的每一个的形状。
22.第一控制点148可以是第一径向向内延伸的凹口144内的低点。第一控制点148可以定位在相应的d轴线上，并且可以相对于转子110的外径136径向向内定位在范围在气隙134的长度l的25％与75％之间的距离处。
23.第二控制点150可以是第一突起142的峰。第二控制点150可以相对于转子110的外径136径向向内定位在范围在气隙134的长度l的0和25％之间的距离处。第二控制点150也可以定位在与相应的d轴线成范围在极弧角102的1％和7.5％之间的角度处，其中角度的顶点可以是转子110的中心轴线104。
24.第三控制点152可以是定位在第二径向向内延伸的凹口146内的第一点。第三控制点152可以相对于转子110的外径136径向向内定位在范围在气隙134的长度l的25％和75％之间的距离处。第三控制点152也可以定位在与相应的d轴线成范围在极弧角102的7.5％和20％之间的角度处，其中角度的顶点可以是转子110的中心轴线104。
25.第四控制点154可以是定位在第二径向向内延伸的凹口146内的第二点。第四控制点154可以相对于转子110的外径136径向向内定位在范围在气隙134的长度l的10％和50％之间的距离处。第四控制点154也可以定位在与相应的d轴线成范围在极弧角102的20％和45％之间的角度处，其中角度的顶点可以是转子110的中心轴线104。
26.第五控制点156可以是定位在径向外部区域内或在相应的极弧角102的外边缘处的点。第五控制点156可以相对于转子110的外径136径向向内定位在范围在气隙134的长度l的0和15％之间的距离处。第五控制点156也可以定位在与相应的d轴线成是极弧角102的50％的角度处，其中角度的顶点可以是转子110的中心轴线104。
27.样条曲线140的独特形状提供了谐波消除，从而减小了扭矩纹波和径向力。相对于转子的不包括与外径的任何偏差的圆弧(即，外径136)调整五个控制点148、150、152、154和156。在测试期间，包括相对于不包括与外径的任何偏差的转子的如本文所述的样条形状(即，样条140)的设计显示出6阶扭矩纹波减小了52.8％和在100nm下的6阶径向力纹波减小了32.3％，其中最大扭矩仅减小了1.1％。对转子110表面的连续控制(即，调整转子表面以包括样条140)允许转子110与定子111之间的可变气隙长度，所述可变气隙长度是可调谐的以抵消狭槽和在定子111的狭槽内的绕组的离散效应。样条140通过在每个d轴线处重复而在名义上对称，从而在任一扭矩方向上产生类似的谐波消除性能。
28.在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以做出各种改变。如前所述，各个实施例的特征可被组合以形成可能未明确描述或示出的另外的实施例。虽然各种实施例可能已经被描述为就一个或多个期望的特性而言相较其他实施例或现有技术实现方式提供了优点或是优选的，但是本领域普通技术人员应认识到，一个或多个特征或特性可以被折衷以实现期望的总体系统属性，这取决于具体的应用和实现方式。因而，就一个或多个特性而言被描述为不如其他实
施例或现有技术实现方式期望的实施例处在本公开的范围内，并且对于特定应用来说可能是期望的。
29.根据本发明，提供了一种电机，其具有：定子，所述定子限定中心孔并且具有内径；以及转子，所述转子具有外径并且设置在所述定子内，其中在所述内径和所述外径之间限定气隙，所述转子限定多个腔体，具有设置在所述腔体中的每一个内的磁体，所述磁体限定多个极弧角，其中每个极弧角以d轴线为中心，并且具有外周，所述外周形成定位在每个极弧角内的平滑样条曲线，其中所述平滑样条曲线相对于所述外径径向向内偏离。
30.根据实施例，所述平滑样条曲线的形状基于是所述气隙和所述极弧角的函数的控制点，并且其中所述平滑样条曲线中的每一个在相应极弧角内关于相应的d轴线对称。
31.根据实施例，所述平滑样条曲线中的每一个形成第一和第二径向向外延伸的突起，所述第一和第二径向向外延伸的突起由第一径向向内延伸的凹口间隔开并且夹在第二和第三径向向内延伸的凹口之间。
32.根据实施例，所述平滑样条曲线中的每一个的所述控制点中的第一个是在所述第一径向向内延伸的凹口内的低点，并且定位在所述相应的d轴线上。
33.根据实施例，所述平滑样条曲线中的每一个的所述控制点中的所述第一个相对于所述外径径向向内地定位在范围在所述气隙的长度的25％和75％之间的距离处。
34.根据实施例，所述平滑样条曲线中的每一个的所述控制点中的第二个是所述第一突起的峰。
35.根据实施例，所述平滑样条曲线中的每一个的所述控制点中的所述第二个相对于所述外径径向向内地定位在范围在所述气隙的长度的0和25％之间的距离处。
36.根据实施例，所述平滑样条曲线中的每一个的所述控制点中的所述第二个定位在与所述相应的d轴线成范围在所述极弧角的1％和7.5％之间的角度处。
37.根据实施例，所述平滑样条曲线中的每一个的所述控制点中的第三个定位在所述第二径向向内延伸的凹口内。
38.根据实施例，所述平滑样条曲线中的每一个的所述控制点中的所述第三个相对于所述外径径向向内地定位在范围在所述气隙的长度的25％和75％之间的距离处。
39.根据实施例，所述平滑样条曲线中的每一个的所述控制点中的所述第三个定位在与所述相应的d轴线成范围在所述极弧角的7.5％和20％之间的角度处。
40.根据实施例，所述平滑样条曲线中的每一个的所述控制点中的第四个定位在所述第二径向向内延伸的凹口内。
41.根据实施例，所述平滑样条曲线中的每一个的所述控制点中的所述第四个相对于所述外径径向向内地定位在范围在所述气隙的长度的10％和50％之间的距离处。
42.根据实施例，所述平滑样条曲线中的每一个的所述控制点中的所述第四个定位在与所述相应的d轴线成范围在所述极弧角的20％和45％之间的角度处。
43.根据实施例，所述平滑样条曲线中的每一个的所述控制点中的第五个定位在所述相应极弧角的外部区域处。
44.根据实施例，所述平滑样条曲线中的每一个的所述控制点中的所述第五个相对于所述外径径向向内地定位在范围在所述气隙的长度的0和15％之间的距离处。
45.根据实施例，所述平滑样条曲线中的每一个的所述控制点中的所述第五个定位在
与所述相应的d轴线成是所述极弧角的50％的角度处。
46.根据本发明，提供了一种电机转子，其具有：芯，所述芯具有外周并且限定成对的v形腔体；以及磁体，所述磁体设置在所述腔体中的每一个内，其中在每对v形腔体内的所述磁体的径向最外角限定以d轴线为中心的极弧角，所述芯的所述外周在每个极弧角内形成平滑样条曲线，所述平滑样条曲线相对于所述芯的最外直径径向向内偏离，每个平滑样条曲线的形状关于相应的d轴线对称，并且所述形状基于是所述转子和定子之间的气隙和所述极弧角的函数的控制点。
47.根据实施例，所述形状包括第一和第二径向向外延伸的突起，所述第一和第二径向向外延伸的突起由第一径向向内延伸的凹口间隔开并且夹在第二和第三径向向内延伸的凹口之间。
48.根据本发明，提供了一种电机转子，其具有：芯，所述芯具有外周并且限定腔体；以及磁体，所述磁体设置在所述腔体中的每一个内，其中所述磁体限定以d轴线为中心的极弧角，所述芯的所述外周在每个极弧角内形成平滑样条曲线，所述平滑样条曲线相对于所述芯的最外直径径向向内偏离，每个平滑样条曲线的形状包括第一和第二径向向外延伸的突起，所述第一和第二径向向外延伸的突起由第一径向向内延伸的凹口间隔开并且夹在第二和第三径向向内延伸的凹口之间，所述形状基于是所述转子和定子之间的气隙和所述极弧角的函数的控制点，并且所述控制点包括所述第一径向向内延伸的凹口内的低点、所述第一突起的峰、定位在所述第二径向向内延伸的凹口内的第一点、定位在所述第二径向向内延伸的凹口内的第二点、以及在所述相应的极弧角的外边缘处的点。