CN101714805A - 具有有着一致以及不一致气隙的叶式转子的电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有有着一致以及不一致气隙的叶式转子的电动机。电动机具有转子，转子具有提供一致气隙的第一外表面片段和提供不一致气隙的第二外表面片段。转子具有外表面轮廓，其包含由以中心纵向轴线为中心具有第一半径的弧限定的多个第一外表面片段以及由除以中心纵向轴线为中心具有所述第一半径的弧以外的线限定的多个第二外表面片段。

Description

具有有着一致以及不一致气隙的叶式转子的电动机
技术领域
本发明一般涉及电动机。具体而言，本发明涉及一种内置式永磁体转子构造，其具有当转子被容纳在定子的圆柱形开口中时形成提供可变气隙的片段(segment)以及形成提供一致气隙的片段的外表面轮廓。
背景技术
使用多种转子类型的内置式永磁体(IPM)转子在现有技术中是已知的。例如，在美国专利5,701,064所示的一种现有技术的设计中，转子具有形成不连续的非邻接外表面轮廓的齿。尽管这种设计是有用的，存在对于这样的转子的需要：其在更为宽广的速度范围上提供更为稳定的功率。另外，存在对具有这样的转子的电动机的需要：该转子提供受到适当平衡的特性。
发明内容
在一个实施例中，根据本发明的转子包含：第一外表面片段，其提供一致的气隙；第二外表面片段，其提供不一致的气隙。
在另一实施例中，转子具有外表面轮廓，该轮廓包含由以中心纵向轴线为中心具有第一半径的弧限定的多个第一外表面片段以及由除以中心纵向轴线为中心具有第一半径的弧以外的线限定的多个第二外表面片段。
在另一实施例中，电动机包含如上所述的转子。在又一实施例中，提供了制造这种电动机的方法。
或者，本发明可包含多种其他的方法和设备。
其他目的和特征将在某种程度上由下文明了和指出。
提供此简介来以简化的形式介绍构思的选择，下面其将在具体介绍部分进一步介绍。此简介不是为了指出权利要求主题内容的关键或本质特征，也不是为了用于确定权利要求主题内容的范围。
附图说明
图1为与根据本发明一实施例包含容纳在定子中的叶式(lobed)转子的电动机的旋转轴垂直的局部截面图；
图2为与根据本发明一实施例的转子的旋转轴垂直的截面图，该转子具有四个槽，用于容纳在中间区域较宽的弧形铁氧体磁体；
图3为本发明的转子的一实施例的透视图；
图4与5为本发明的转子的一实施例的平面图，其中，外表面轮廓包含由以中心纵向轴线为中心具有第一半径R1的弧限定的多个第一外表面片段，以及由以中心纵向轴线以外为中心具有第二半径R2的弧限定的多个第二外表面片段，图4示出了第一半径R1，图5示出了半径R2；
图6为图4和5的实施例的局部放大平面图，其示出了四(4)个区段(sector)。
贯穿附图，对应的参考标号表示对应的元件。
具体实施方式
参照图1与2，本发明的电动机100的一个实施例在截面图中示出，其包含定位在具有绕组105的定子104内的叶式转子102。叶式转子102构成适用于容纳在由定子104的内表面限定的圆柱形开口中的芯，以便在圆柱形开口内绕着芯的中心纵向轴线A旋转芯。
转子102由绕着中心纵向轴线A旋转的中心轴106支撑。在一个实施例中，转子102包含钢(或其他材料)芯，其具有平行于轴伸展的两组相对的槽107、108。槽107、108各自被配置为容纳磁体110，例如铁氧体磁体。定子104被配置为具有连接到控制电路116的绕组105。控制电路116对绕组105通电，使得转子102绕着中心轴106旋转。
各个磁体110包含弧形的铁氧体磁体110。如由芯的截面可见(例如，在垂直于中心纵向轴A的平面内取的截面)，各个磁体110包含径向内表面118(例如朝向轴A的凸面)以及径向外表面120(例如远离轴线A朝向的凹面)。各个磁体110还包含径向内表面118与径向外表面120之间的中间区域122以及径向内表面118与径向外表面之间在中间区域122的相对两侧的两个末端区域124(见图2)。在图2所示的实施例中，中间区域122在径向方向上比末端区域124要宽。
在一个实施例中，图1与2的转子用在IPM电动机中，该电动机具有嵌入由叠片堆叠制造而成的转子芯之中的永磁体。各个叠片包含从中心纵向轴线A径向向外间隔开的剪切槽107、108。叠片被堆叠，以便形成转子芯，且磁体110被放置在槽107、108内。
由于一般地提供减小的齿槽效应转矩(cogging torque)和更为正弦的反电动势(EMF)，本发明的叶式转子102提供了超越圆柱形转子的优点。这一点部分地通过外连续表面片段126实现，如在与中心纵向轴线A垂直的平面内取的芯截面所见。外表面轮廓126包含多个第一外表面片段128、128A，其由以中心纵向轴线A为中心的第一弧130、130A限定，在第一外表面片段128、128A与定子的内圆柱形表面(图2中的虚线104所示)之间提供一致的气隙。转子102还具有多个第二外表面片段132、132A，其被配置为提供在其径向维度变化的不一致的气隙，该气隙由第二外表面片段132、132A与定子104的内圆柱形表面限定。第一与第二片段是邻接的(contiguous)。
各个一致的气隙具有气隙宽度W2，其沿着气隙的整个长度保持基本恒定(例如沿着片段128、128A)。相反，各个不一致的气隙具有气隙宽度W1，其沿着气隙的长度(例如沿着片段132、132A)从气隙宽度W2变化到大于W2的气隙宽度。如图2所示，第二外表面片段132、132A的不一致气隙宽度从片段132、132A的中部的气隙宽度W1逐渐变小(例如减小)到片段128、128A的气隙宽度W2。在一实施例中，气隙宽度W2是片段132、132A的中部的气隙宽度W1的一半(例如W2＝W1/2)。因此，W1减W2基本上等于片段128、128A内的一致气隙的恒定气隙宽度W2(例如W1-W2＝W2)。
在一个实施例中，可以想到定子104的圆柱形开口由多个(M)径向向内突起的齿150限定，齿具有360°/M的齿间距(tooth pitch)。转子102的各个第一外表面片段128、128A限定具有第一区段角度154、154A的第一芯区段152、152A，该角度等于齿间距的N.P倍，其中，N为整数，P＝4，5或6(例如第一区段角度＝(360°/M)×N.P)。
例如，对于具有36个齿(M＝36)的定子104，令P＝5，N可以为1、2、3或4，故N.P可以为1.5、2.5、3.5或4.5，第一区段角度可以为大约15°、大约25°、大约35°或大约45°或更大，但也可以想到其他的区段角度。
作为另一实例，对于图2的四磁体转子102，结合图1的具有M＝36个齿的定子104，P＝4、5或6，第一区段角度154、154A可以在大约14°-16°(N＝1)、大约24°-26°(N＝2)、大约34°-36°(N＝3)或大约44°-46°(N＝4)的范围内。另外，在图2的实施例内，转子102的第二外表面片段132、132A各自限定具有90°减去齿间距的N.P倍的第二区段角度158的第二芯区段156、156A(例如第二区段角度＝90°-(360°/M)×N.P))。例如，如图2所示，对于具有M＝36个齿的定子且P＝5，第一区段角度154被示为大约45°，第二区段角度158被示为大约45°。在此实施例中，W1的典型值可以在大约0.030英寸(0.762mm)到大约0.042英寸(1.067mm)的范围内，W2的典型值可以在大约0.015英寸(0.381mm)到大约0.021英寸(0.533mm)的范围内。
为了在恒定功率的宽广速度范围上获得希望的性能，相比于使用neo磁体(例如钕-铁-硼)或neo与铁氧体磁体的转子，通过沿转子102的圆周提供更为平衡的磁特性，如这里介绍的这些转子和电动机配置提供了更好的方案。另外，仅仅提供变化气隙且不是如上所述地与提供不一致气隙(例如变化到W1的最大值)的第二外表面片段132与132A结合地具有提供一致气隙W2的第一外表面片段128、128A的叶式转子提供较低的电感比Lmax/Lmin，这是比较令人不满意的。另外，与本发明的叶式转子102的降低的齿槽效应和降低的谐波相比，不具有叶式的圆柱形转子在反EMF波形中导致高的齿槽效应和/或谐波，这也是比较令人不满意的。另外，具有多层磁体的转子比具有磁体110的叶式转子102更为昂贵，因为在电动机组装过程中多个磁体处理起来更为昂贵。
图2的实施例的转子结构使用四(4)个分立的铁氧体弧形磁体，其可在中间区域122较厚且其位于槽中，如这里提出的，槽可被最优化为建立较低的齿槽效应、较高的电感比Lmax/Lmin以及用于最优化性能的磁体强度平衡。
一般地，使用本发明的电动机具有基本正弦的反EMF，而现有技术中已知的使用铁氧体磁体和/或neo磁体的电动机具有富含谐波的反EMF。与现有技术中已知的电动机相比，使用本发明的电动机一般具有较低的最小电感，最大电感与最小电感的比一般较高，这改进了磁阻转矩的分布。在高速下，与现有技术中已知的电动机相比，使用本发明的电动机也产生较小的噪音，因为转子中存在较小的总气腔。
使用本发明的电动机一般制造起来比现有技术中已知的电动机较为便宜。因为其减小的成本、减小的声噪音、减小的电噪音，根据本发明的电动机可有利地应用于消费者电器，例如水平洗衣机、洗碗机和干衣机。
在图3-6的实施例中，与图1-2相比较为简单的替代方式通过使用两个(2)分立铁氧体磁体而不是使用四个(4)磁体而实现。因此，本发明提供了叠片制造过程中在掏槽时较为简单的转子内部。
在一个实施例中，存在两倍于第一芯区段152的数量的第二芯区段156。例如，图3-6所示，存在各自为25°的四个第一芯区段152以及各自为32.5°的八个第二芯区段156，总共为360°。
图3-6示出了电动机转子102，其具有由不是以芯的中心纵向轴线A为中心的第二弧160C、160D限定的两个第二外表面片段132C、132D，这些弧限定了不一致的气隙。特别地，各个第二弧160C、160D分别具有以点B、C为中心的第二半径R2，第二半径R2小于第一半径R1。在一个实施例中，第一弧130的第一半径R1与第二弧160C、160D的第二半径R2之间的差为D1，大约0.087英寸(2.21mm)，或者在大约0.075英寸到大约0.099英寸的范围内(例如大约1.91mm到大约2.51mm)。
例如，如图4-6所示，对于与具有M＝36个齿、P＝5以及N＝2的图1的定子结合的两磁体转子102，第一区段角度154为25°。另外，在本实施例中，第二区段156一起限定90°减去齿间距N.5倍的角度(例如，第二区段的总角度＝90-(360°/M)×N.5)，或90°-25°＝65°。在此特定实例中，第一区段角度154为25°，各个第二区段角度158A、158B为32.5°。在此实施例中，R1＝1.521英寸(38.6237mm)，R2＝1.436英寸(36.4744mm)，W1＝0.035英寸(0.889mm)，W2＝0.0175英寸(0.445mm)。另外，最宽气隙可能在点D上。点A与D之间的距离为1.50英寸(38.10mm)。在R1＝1.521英寸(38.6237mm)的情况下，R1的气隙与D的气隙之间的差为，D的气隙可能比R1的气隙大0.021英寸(0.52mm)。
如图4-5特别示出的，在一个实施例中，可以想到，磁体的末端区域124位于第二芯区段156内，磁体的中间区域122位于第一芯区段152内。这种配置倾向于对磁通的磁力线进行平衡，由此减小齿槽效应。在图4-5的具有两个第二芯区段156的特定实施例中，磁体的末端区域124位于两个第二芯区段156中。还可想到，末端区域124可以仅仅位于第二芯区段156的一个之中，或者，作为替代的是，末端区域124可位于第一与第二芯区段的两者之中。在这种配置中，用于磁体的槽107、108被放置为使得W3＝0.057英寸(1.45mm)且R3＝1.379英寸(35.02mm)。
参照图4，各个磁体110包含弧形的磁体，其具有由半径R4限定的径向内表面118(例如朝向轴线A的凸面)以及由半径R5＜R4限定的径向外表面120(例如背向轴线A的凹面)。各个磁体110进一步包含径向内表面118与径向外表面120之间的中间区域122以及径向内表面118与径向外表面120之间在中间区域122的相反的侧面的两个末端区域124(见图2)。在图2所示的实施例中，中间区域122在径向方向比末端区域124宽，故R4与R5不具有同样的中心点。在图4所示的实施例中，中间区域122在径向方向上与末端区域124具有同样的宽度，故R4与R5具有同样的中心点。在图4所示的实施例中，可以想到，R5＝1.60英寸(40.55mm)，R4＝2.14英寸(54.35mm)。
在又一实施例中，本发明为一种制造IPM电动机100的方法，该电动机包含转子102与定子104，该方法包含：
提供具有环形开口的定子104，
提供具有芯的转子102，芯可在定子开口内绕着芯的中心纵向轴线A旋转，
在芯中提供从中心纵向轴线向外径向间隔开的槽107、108，以及
将磁体110定位在槽中。
芯被制造为具有从垂直于中心纵向轴线A的平面取的芯截面中看起来的外表面轮廓。该外表面轮廓126被制造为包含：多个第一外表面片段128、128A、138、138A，其以中心位于中心纵向轴线A的弧130弯曲，以便提供第一外表面片段与定子104的限定环形定子开口的相应齿150的部分之间的一致的气隙；多个第二外表面片段132、132A、140、140A，其被配置为提供第二外表面片段与定子104的限定环形定子开口的相应齿150的部分之间的不一致的气隙。各个一致的气隙被制造为具有气隙宽度W2，其沿着气隙的整个长度保持为基本恒定，各个不一致的气隙被制造为具有气隙宽度W1，其沿着气隙的长度变化。
可以想到，在不脱离本发明的情况下，可以以多种方式结合上面介绍的实施例的方面。
上面的介绍也适用于其他的电动机构造，例如反结构电动机和/或在转子中具有绕组并在定子中具有永磁体的电动机，反之亦然。磁体构造和气腔考虑类似于上面介绍的转子设计中的那些。
贯穿全文，说明书参照IPM电动机转子，但本领域技术人员知道，电动机可被配置为发电机。
已经详细介绍了本发明，将会明了，在不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，可以作出多种修改和变型。
这里示出和介绍的方法的执行和进行顺序不是实质性的，除非另有说明。也就是说，发明人可以想到，除非另有限定，该方法的元素可以以任何顺序执行，且该方法可包含与这里所公开的元素相比更多或更少的元素。例如，可以想到，在另一元素之前、同时或之后执行或进行特定的元素属于本发明的多种实施例的范围。
在介绍本发明或其优选实施例的元素时，冠词“一”、“一个”、“该”、“所述”用于意味着存在一个或一个以上的元素。术语“包含”、“包括”、“具有”用于包含性，意味着可能存在除所列元素以外的附加元素。
有鉴于上，将会明了，本发明的几个目的得到实现，且获得了其他的有利结果。
在不脱离本发明的范围的情况下，可以在上述产品和方法中作出多种修改，上面的说明书中包含的以及附图所示的所有主题被解释为说明性的，不是限定性的。

Claims (10)

1.一种电动机，其包含：
定子，其具有环形开口，
具有芯的转子，芯可在所述定子开口内绕着芯的中心纵向轴线旋转，
所述芯具有从垂直于所述中心纵向轴线的平面内取的芯截面看的外表面轮廓，
所述外表面具有从垂直于所述中心纵向轴线的平面内取的芯截面看的轮廓，
所述外表面轮廓包含：由以所述中心纵向轴线为中心具有第一半径的弧限定的多个第一外表面片段，以及由除以所述中心纵向轴线为中心具有所述第一半径的弧以外的线限定的多个第二外表面片段，
芯中的槽，其从所述中心纵向轴线向外径向间隔开，以及
槽中的磁体。
2.根据权利要求1的电动机转子，其中，所述多个第一外表面片段在以所述中心纵向轴线为中心的弧上弯曲，以便提供所述第一外表面片段与定子的限定所述环形定子开口的相应部分之间的一致的气隙，所述多个第二外表面片段被配置为提供第二外表面片段与定子的限定所述环形定子开口的相应部分之间的不一致的气隙，各个一致的气隙具有沿气隙的整个长度保持基本恒定的气隙宽度，各个不一致的气隙具有沿气隙的长度变化的气隙宽度。
3.根据权利要求1或2的电动机转子，其中，所述第二外表面片段由不是以芯的所述中心纵向轴线为中心的第二弧限定，其中，各个第二弧具有比各个第一弧的半径大的半径，且其中，第一弧的半径与第二弧的半径之间的差在大约0.075英寸到0.099英寸的范围内(例如1.91mm到2.51mm)，大约2mm。
4.根据权利要求1、2或3的电动机转子，其中，所述多个第一外表面片段包含第一对在直径方面相对的第一外表面片段，所述多个第二外表面片段包含第一对在直径方面相对的第二外表面片段，且其中，所述多个第一外表面片段包含第二对在直径方面相对的第一外表面片段，且其中，所述多个第二外表面片段包含第二对在直径方面相对的第二外表面片段。
5.根据权利要求1-4中任意一项的电动机，其中，定子的圆柱形开口由M个的多个径向向内突起的齿限定，齿具有360°/M的齿间距，且其中，各个第一外表面片段限定第一芯区段，第一芯区段具有齿间距的N.P倍的区段角度，其中，N为整数，P等于3、4或5。
6.根据权利要求5的电动机转子，其中，定子具有36个齿，且其中，区段角度在大约14°-16°、大约24°-26°、大约34°-36°或大约44°-46°的范围内，或者其中，区段角度为大约15°、大约25°、大约35°或大约45°。
7.根据权利要求5的电动机，其中，磁体的末端区域位于第一芯区段中以及位于第二芯区段中，磁体的中间区域位于第一芯区段中。
8.根据权利要求1-7中任意一项的电动机，其中，芯具有两个槽，每个槽中有一个磁体，或其中，芯具有四个槽，每个槽中有一个磁体。
9.根据权利要求8的电动机，其中，在垂直于所述中心纵向轴线的平面内取的芯截面看起来各个磁体包含径向内表面、径向外表面、所述径向内外表面之间的中间区域、所述径向内外表面之间在所述中间区域的相反的两侧的两个末端区域，所述中间区域在径向方向上比所述末端区域宽。
10.根据权利要求1-9中任意一项的电动机，其中，各个不一致的气隙向着气隙的末端从最大气隙宽度W1逐渐变小到最小气隙宽度W2，且其中，W1减去W2基本等于所述一致的气隙的恒定气隙宽度。
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