徑向嵌入式永磁體轉子及其製造方法
2023-04-27 22:52:31
徑向嵌入式永磁體轉子及其製造方法
【專利摘要】在一個實施例中，提供了一種永磁體轉子。該永磁體轉子包括至少一個永磁體和大體圓柱形的轉子芯，該轉子芯包括外邊緣和限定了中心孔的內邊緣。該轉子芯包括半徑R，至少一個磁極，以及至少一個徑向孔，該徑向孔徑向延伸穿過轉子芯從外邊緣到達小於半徑的預定深度。所述至少一個徑向孔被配置為接納所述至少一個永磁體。該轉子還包括延伸進入所述至少一個徑向孔的至少一個凸部，所述至少一個凸部大體沿所述至少一個徑向孔的底部定位，並且被配置成有助於在所述至少一個徑向孔內保持所述至少一個永磁體。
【專利說明】徑向嵌入式永磁體轉子及其製造方法
【技術領域】
[0001]本發明的領域一般地涉及電動機，並且更特別地，涉及徑向嵌入式永磁體轉子和在電動機中使用的替代材料。
【背景技術】
[0002]各種不同類型的電機包括永磁體。例如，無刷直流(BLDC)電動機可包括耦連(couple)至轉子芯的外表面的多個永磁體。典型地，使用粘合劑和/或外部保持罩將永磁體耦連至轉子芯的外表面。在永磁體與轉子芯之間的這種耦連必須抵抗在高速旋轉期間施加在永磁體上傾向於將永磁體與電機分離的力。
[0003]永磁體還可布置在轉子芯內，通常稱之為內置式永磁體轉子。在轉子內形成槽，並且磁體插入該槽內。該磁體槽必須大於磁體以允許磁體插入。然而，磁體必須被固定在槽內，以便在電機運行期間防止磁體移動。電機的性能取決於將磁體保持在轉子內的已知位置。可使用粘合劑，以便將磁體相對於轉子固定在固定位置。然而，由於例如溫度、溫度循環和環境條件的因素，粘合劑的壽命有限。
[0004]許多已知的電機通過產生轉矩而做功，轉矩是磁通、定子電流和其他常數的積。在電動機中，由定位在電動機內的轉子上的永磁體典型地產生磁通。一些已知的稀土永磁體，例如釹鐵硼磁體，相比於典型的鐵氧體永磁體產生更大量的磁通。然而，近年來稀土磁體的成本已經大幅上升，促進了對提供類似於使用稀土磁體的系統的效率且產生相似量的磁通的低成本永磁體系統。
【發明內容】
[0005]在一個實施例中，提供了一種永磁體轉子。該永磁體轉子包括至少一個永磁體和大體圓柱形的轉子芯，該轉子芯包括外邊緣和限定了中心孔的內邊緣。該轉子芯包括半徑R、至少一個磁極，和徑向延伸穿過轉子芯從外邊緣到小於半徑的預定深度的至少一個徑向孔。所述至少一個徑向孔被配置成接納所述至少一個永磁體。該轉子還包括延伸至所述至少一個徑向孔內的至少一個凸部，所述至少一個凸部大體沿所述至少一個徑向孔的底部定位，並被配置成有助於將所述至少一個永磁體保持在所述至少一個徑向孔內。
[0006]在另一實施例中,提供了一種電機。該電機包括機殼、至少部分地布置於該機殼內的定子，和至少部分地布置在該機殼內的轉子，該轉子被配置成相對於該定子旋轉。該轉子包括至少一個永磁體和大體圓柱形的轉子芯，該轉子芯包括外邊緣和限定了中心孔的內邊緣。該轉子芯還包括半徑R、至少一個磁極，和徑向延伸穿過轉子芯從外邊緣到小於半徑的預定深度的至少一個徑向孔。所述至少一個徑向孔被配置成接納至少一個永磁體。該轉子還包括延伸至所述至少一個徑向孔內的至少一個凸部，所述至少一個凸部大體沿所述至少一個徑向孔的底部定位，並被配置成有助於將所述至少一個永磁體保持在所述至少一個徑向孔內。
[0007]在又一個實施例中，提供了一種製造永磁體轉子的方法。該方法包括提供轉子芯，該轉子芯包括至少一個磁極、外邊緣和限定了中心孔的內邊緣，該轉子芯具有半徑R。該方法還包括形成至少一個徑向孔，該徑向孔徑向穿過轉子芯從外邊緣延伸至小於該半徑的預定深度。該方法還包括形成至少一個凸部，該凸部延伸進入所述至少一個徑向孔內，所述至少一個凸部大體沿所述至少一個徑向孔的底部定位，並被配置為有助於將所述至少一個永磁體保持在所述至少一個徑向孔內；以及將永磁體插入所述至少一個徑向孔內。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1是示例性的電機的透視剖視圖；
[0009]圖2是可被包括在圖1所示電機內的示例性轉子芯的正視圖；
[0010]圖3是可被包括在圖1所示電機內的另一示例性轉子芯的正視圖；
[0011]圖4是可被包括在圖1所示電機內的另一示例性轉子芯的正視圖；
[0012]圖5是定位在定子芯內的圖3所示的示例性轉子芯的正視圖；
[0013]圖6是可被包括在圖1所示電機內的另一示例性轉子芯的分解圖；
[0014]圖7是可被包括在圖1所示電機內的另一示例性轉子芯的正視圖；
[0015]圖8是其中具有保持材料的圖7所示轉子芯的放大圖；
[0016]圖9是其中具有另一種保持材料的圖7所示轉子芯的放大圖；
[0017]圖10是可被包括在圖1所示電機內的另一示例性轉子芯的透視圖；
[0018]圖11是具有旋轉的端部疊片和永磁體的圖10的轉子芯的透視圖；
[0019]圖12是可被包括在圖10所示轉子芯內的示例性疊片的正視圖；
[0020]圖13是可被包括在圖10所示轉子芯內的另一示例性疊片的正視圖；
[0021]圖14是可被包括在圖10所示轉子芯內的另一示例性疊片的正視圖；
[0022]圖15是可被包括在圖1所示電機內的另一示例性轉子芯的正視圖；
[0023]圖16是可被包括在圖1所示電機內的另一示例性轉子芯的透視剖視圖；
[0024]圖17是可被包括在圖1所示電機內的另一示例性轉子芯的透視圖；
[0025]圖18是具有機械地斷開連接的腹板的圖17所示的轉子芯的透視圖；
[0026]圖19是可被包括在圖1所示電機內的另一示例性轉子芯的透視圖；
[0027]圖20是另一示例性電機的透視剖視圖；
[0028]圖21是描繪電動機速度和轉矩值的圖表；以及
[0029]圖22是另一示例性電機的透視剖視圖。
【具體實施方式】
[0030]由於稀土磁體和用於繞組的銅的成本的增加，在電動機的設計和製造中期望成本較低的替代材料。本發明提供使用替代稀土磁體和銅繞組的材料的設計和方法，同時減小或重獲與這些替代材料相關的效率損耗，並減小或消除電機長度的增加。
[0031]圖1是示例性電動機10的透視剖視圖。雖然在本文中稱之為電動機10，但電動機10可用作發電機或電動機。電動機10包括第一端部12，第二端部14和電動機組件外殼
16。電動機10還包括固定組件18和可旋轉組件20。電動機組件外殼16限定了電動機10的內部22和外部24，並被配置成至少部分地包封以及保護固定組件18和可旋轉組件20。固定組件包括定子芯28，定子芯28包括多個齒30和圍繞定子齒30纏繞多個繞組32。在該示例性實施例中，定子芯28是十二齒定子結構。可替代地，定子芯28可包括任意數量的齒(能使電動機10具有如本文所述的功能)，例如定子芯28可具有九個齒。此外，在示例性實施例中，固定組件18是三相凸極定子組件，並且定子芯28由疊片堆疊形成，該疊片由高導磁材料製造。可替代地，固定組件18是單相凸極定子組件。固定組件18可以是圓的，分段的，或捲起型定子結構，並且繞組32以使電動機10具有如本文所述的功能的任何合適方式纏繞在定子芯28上。例如，繞組32可能是集中式或重疊式繞組。
[0032]可旋轉組件20包括永磁體轉子芯36和軸38。在該示例性實施例中，轉子芯36由導磁材料製成的疊片堆疊形成。可替代地，轉子芯36是實心芯部件。轉子芯36大體接納在定子芯28的中心孔中，以用於沿旋轉軸線線X旋轉。為了簡單起見，圖1示出轉子芯36和定子芯28為實心件。雖然圖1是三相電動機的視圖，但本文所描述的方法和裝置可被包括在具有任意相數的電動機內，包括單相和多相電動機。
[0033]在該示例性實施例中，電動機10被耦連至風扇或離心式送風機(未示出)，以用於移動通過空氣處理系統的空氣，和/或用於在冷卻盤管上方吹送空氣，和/或用於驅動在空調/製冷系統內的壓縮機。更具體地，電動機10可在空氣移動的應用中使用，空氣移動的應用在加熱、通風和空調(HVAC)行業中被使用，例如，在使用1/5馬力(hp)到Ihp的電動機的住宅應用中。可替代地，電動機10可用在流體泵送應用中。電動機10也可用在商業和工業應用中和/或在空調應用中使用的封閉式壓縮機電機中，其中電動機10可具有大於Ihp的額定值。儘管本文的上下文中描述了空氣處理系統，電動機10可接合任何合適的工作組件，並被配置成驅動該工作組件。
[0034]圖2是可被包括在電動機10 (圖1所示)內的轉子芯36的示例性實施例的正視圖。在該示例性實施例中，可旋轉組件20，也被稱為徑向嵌入式永磁體轉子，包括轉子芯36和軸38。可包括徑向嵌入式永磁體轉子的電動機的實例包括，但不限於，電子整流電動機(ECM』 S)。ECM可包括，但不限於，無刷直流(BLDC)電動機，無刷交流(BLAC)電動機，以及可變磁阻電動機。此外，可旋轉組件20由電子控制件(未示出)驅動，例如，正弦或梯形的電子控制件。
[0035]轉子芯36是大體圓柱形，並包括外邊緣40和軸中心孔或具有與軸38的直徑相對應的直徑的內邊緣42。轉子芯36和軸38同心，並被配置成圍繞旋轉軸線X旋轉(圖1所示)。在該示例性實施例中，轉子芯36包括互鎖或鬆散的多個疊片44。例如，疊片44由衝壓金屬(例如鋼)的多個穿孔層構造。在可替代的實施例中，轉子芯36是實心轉子芯。例如，轉子芯36可利用燒結加工由軟磁合成物(SMC)材料，軟磁合金(SMA)材料，和/或粉末鐵氧體材料構造。
[0036]在該示例性實施例中，轉子芯36包括多個徑向孔46。例如，第一壁部48，第二壁部50和第三壁部52限定了多個徑向孔46中的第一徑向孔54。每個徑向孔46包括深度d和厚度t，並軸向地延伸穿過轉子芯36從第一端部12(如圖1所示)到達第二端部14(同樣如圖1所不)。每個徑向孔46被配置成接納一個或多個永磁體56,使得每個磁體56徑向地嵌入轉子芯36中，並至少部分地從轉子第一端部12延伸至轉子第二端部14。在該示例性實施例中，永磁體56是在旋轉軸線X的切線方向被磁化的硬鐵氧體磁體。然而，磁體56可由能夠使電動機10具有如本文所述的功能的任何合適的材料構成，例如粘結釹，燒結釹，和/或衫鈷。[0037]在該示例性實施例中，轉子芯36包括多個轉子磁極58，每個磁極均具有沿轉子外邊緣40的外壁部60和內壁部62 (如圖3所示)。在該示例性實施例中，徑向孔46的數量等於轉子磁極58的數量,並且一個磁體56定位在每個徑向孔46內、在一對轉子磁極58之間。儘管示出為包括十個轉子磁極58，但轉子芯36可具有允許電動機10具有如本文所述的功能的任意數量的磁極，例如六個、八個或十二個磁極。
[0038]在該示例性實施例中，徑向嵌入式永磁體轉子芯36的設計利用了低成本磁體，仍然達到了使用高成本磁體的電機的功率密度和高效率，例如釹磁體。在示例性實施例中，通過增加由轉子芯36產生的磁通實現了電動機10的提高的效率和功率密度。定位在徑向孔46內、在最小磁體深度和最大磁體深度之間的深度d處的磁體56有助於增加的(increased)磁通的產生。最小磁體深度由以下公式限定:
【權利要求】
1.一種電機,包括: 機殼; 定子，其至少部分地布置在所述機殼內；以及 轉子，其至少部分地布置在所述機殼內，所述轉子被配置為相對於所述定子旋轉，所述轉子包括: 至少一個永磁體； 大體圓柱形的轉子芯，其包含外邊緣和限定了中心孔的內邊緣，所述轉子芯具有半徑R，所述轉子還包括至少一個磁極和至少一個徑向孔，所述至少一個徑向孔徑向延伸穿過所述轉子芯從所述外邊緣到達小於所述半徑的預定深度；所述至少一個徑向孔配置為接納所述至少一個永磁體；以及 至少一個凸部，其延伸進入所述至少一個徑向孔，所述至少一個凸部大體沿所述至少一個徑向孔的底部定位，並被配置成有助於在所述至少一個徑向孔內保持所述至少一個永磁體。
2.如權利要求1所述的電機， 其中所述轉子包括六個磁極，八個磁極，十二個磁極，和十四個磁極中的至少一種，所述磁極圍繞所述中心孔徑向定位，並且徑向孔定位在每個所述磁極之間。
3.如權利要求2所述的電機，其中所述電機還包括正弦電子控制驅動和梯形電子控制驅動中的至少一種。
4.如權利要求1所述的電機，其中所述定子包括至少一個齒和圍繞所述至少一個齒纏繞的鋁製繞組，其中所述轉子芯是徑向嵌入式永磁體轉子，所述徑向嵌入式永磁體轉子被配置成產生增加的磁通，以便減少由所述鋁製繞組引起的效率損失。
5.如權利要求1所述的電機，其還包括延伸穿過所述中心孔的軸，所述至少一個永磁體在所述轉子芯內圍繞所述軸和所述轉子的旋轉軸線徑向定位。
6.如權利要求1所述的電機，其中所述至少一個徑向孔的所述預定深度處於由公式
7.如權利要求1所述的電機，其中所述至少一個凸部包含第一對凸部和第二對凸部，所述第一和第二對凸部從所述徑向孔的相對的壁延伸進入所述至少一個徑向孔。
8.如權利要求6所述的電機，其中所述第一對凸部大體定位在所述至少一個徑向孔的底部，並且所述第二對凸部大體沿所述轉子芯的所述外邊緣定位。
9.如權利要求1所述的電機，其中所述至少一個徑向孔和所述永磁體中至少其一是錐形的。
10.一種製造永磁體轉子的方法，所述方法包括: 提供轉子芯，所述轉子芯包括至少一個磁極、外邊緣和限定了中心孔的內邊緣，所述轉子芯具有半徑R ； 形成至少一個徑向孔，所述至少一個徑向孔穿過轉子芯從外邊緣到達小於所述半徑的預定深度；形成至少一個凸部，所述至少一個凸部延伸進入所述至少一個徑向孔，所述至少一個凸部大體定位在所述至少一個徑向孔的底部，並被配置成有助於將所述至少一個永磁體保持在所述至少一個徑向孔中；以及 將永磁體插入所述至少一個徑向孔。
11.如權利要求10所述的方法，其中所述至少一個徑向孔的預定深度處於由公式
12.如權利要求10所述的方法，其中形成至少一個凸部包括形成第一對凸部和第二對凸部，所述第一和第二對凸部從徑向孔的相對的壁延伸進入所述至少一個徑向孔。
【文檔編號】H02K1/28GK103779995SQ201310756899
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年10月15日 優先權日:2012年10月15日
【發明者】S·M·布拉馬瓦, L·B·曼茲, L·A·克雷蒂安, C·拉希達扎德, D·M·約內爾 申請人:雷勃美國股份有限公司