CN103779995B - 径向嵌入式永磁体转子及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

在一个实施例中，提供了一种永磁体转子。该永磁体转子包括至少一个永磁体和大体圆柱形的转子芯，该转子芯包括外边缘和限定了中心孔的内边缘。该转子芯包括半径R，至少一个磁极，以及至少一个径向孔，该径向孔径向延伸穿过转子芯从外边缘到达小于半径的预定深度。所述至少一个径向孔被配置为接纳所述至少一个永磁体。该转子还包括延伸进入所述至少一个径向孔的至少一个凸部，所述至少一个凸部大体沿所述至少一个径向孔的底部定位，并且被配置成有助于在所述至少一个径向孔内保持所述至少一个永磁体。

Description

径向嵌入式永磁体转子及其制造方法
技术领域
本发明的领域一般地涉及电动机，并且更特别地，涉及径向嵌入式永磁体转子和在电动机中使用的替代材料。
背景技术
各种不同类型的电机包括永磁体。例如，无刷直流(BLDC)电动机可包括耦连(couple)至转子芯的外表面的多个永磁体。典型地，使用粘合剂和/或外部保持罩将永磁体耦连至转子芯的外表面。在永磁体与转子芯之间的这种耦连必须抵抗在高速旋转期间施加在永磁体上倾向于将永磁体与电机分离的力。
永磁体还可布置在转子芯内，通常称之为内置式永磁体转子。在转子内形成槽，并且磁体插入该槽内。该磁体槽必须大于磁体以允许磁体插入。然而，磁体必须被固定在槽内，以便在电机运行期间防止磁体移动。电机的性能取决于将磁体保持在转子内的已知位置。可使用粘合剂，以便将磁体相对于转子固定在固定位置。然而，由于例如温度、温度循环和环境条件的因素，粘合剂的寿命有限。
许多已知的电机通过产生转矩而做功，转矩是磁通、定子电流和其他常数的积。在电动机中，由定位在电动机内的转子上的永磁体典型地产生磁通。一些已知的稀土永磁体，例如钕铁硼磁体，相比于典型的铁氧体永磁体产生更大量的磁通。然而，近年来稀土磁体的成本已经大幅上升，促进了对提供类似于使用稀土磁体的系统的效率且产生相似量的磁通的低成本永磁体系统。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种永磁体转子。该永磁体转子包括至少一个永磁体和大体圆柱形的转子芯，该转子芯包括外边缘和限定了中心孔的内边缘。该转子芯包括半径R、至少一个磁极，和径向延伸穿过转子芯从外边缘到小于半径的预定深度的至少一个径向孔。所述至少一个径向孔被配置成接纳所述至少一个永磁体。该转子还包括延伸至所述至少一个径向孔内的至少一个凸部，所述至少一个凸部大体沿所述至少一个径向孔的底部定位，并被配置成有助于将所述至少一个永磁体保持在所述至少一个径向孔内。
在另一实施例中，提供了一种电机。该电机包括机壳、至少部分地布置于该机壳内的定子，和至少部分地布置在该机壳内的转子，该转子被配置成相对于该定子旋转。该转子包括至少一个永磁体和大体圆柱形的转子芯，该转子芯包括外边缘和限定了中心孔的内边缘。该转子芯还包括半径R、至少一个磁极，和径向延伸穿过转子芯从外边缘到小于半径的预定深度的至少一个径向孔。所述至少一个径向孔被配置成接纳至少一个永磁体。该转子还包括延伸至所述至少一个径向孔内的至少一个凸部，所述至少一个凸部大体沿所述至少一个径向孔的底部定位，并被配置成有助于将所述至少一个永磁体保持在所述至少一个径向孔内。
在又一个实施例中，提供了一种制造永磁体转子的方法。该方法包括提供转子芯，该转子芯包括至少一个磁极、外边缘和限定了中心孔的内边缘，该转子芯具有半径R。该方法还包括形成至少一个径向孔，该径向孔径向穿过转子芯从外边缘延伸至小于该半径的预定深度。该方法还包括形成至少一个凸部，该凸部延伸进入所述至少一个径向孔内，所述至少一个凸部大体沿所述至少一个径向孔的底部定位，并被配置为有助于将所述至少一个永磁体保持在所述至少一个径向孔内；以及将永磁体插入所述至少一个径向孔内。
附图说明
图1是示例性的电机的透视剖视图；
图2是可被包括在图1所示电机内的示例性转子芯的正视图；
图3是可被包括在图1所示电机内的另一示例性转子芯的正视图；
图4是可被包括在图1所示电机内的另一示例性转子芯的正视图；
图5是定位在定子芯内的图3所示的示例性转子芯的正视图；
图6是可被包括在图1所示电机内的另一示例性转子芯的分解图；
图7是可被包括在图1所示电机内的另一示例性转子芯的正视图；
图8是其中具有保持材料的图7所示转子芯的放大图；
图9是其中具有另一种保持材料的图7所示转子芯的放大图；
图10是可被包括在图1所示电机内的另一示例性转子芯的透视图；
图11是具有旋转的端部叠片和永磁体的图10的转子芯的透视图；
图12是可被包括在图10所示转子芯内的示例性叠片的正视图；
图13是可被包括在图10所示转子芯内的另一示例性叠片的正视图；
图14是可被包括在图10所示转子芯内的另一示例性叠片的正视图；
图15是可被包括在图1所示电机内的另一示例性转子芯的正视图；
图16是可被包括在图1所示电机内的另一示例性转子芯的透视剖视图；
图17是可被包括在图1所示电机内的另一示例性转子芯的透视图；
图18是具有机械地断开连接的腹板的图17所示的转子芯的透视图；
图19是可被包括在图1所示电机内的另一示例性转子芯的透视图；
图20是另一示例性电机的透视剖视图；
图21是描绘电动机速度和转矩值的图表；以及
图22是另一示例性电机的透视剖视图。
具体实施方式
由于稀土磁体和用于绕组的铜的成本的增加，在电动机的设计和制造中期望成本较低的替代材料。本发明提供使用替代稀土磁体和铜绕组的材料的设计和方法，同时减小或重获与这些替代材料相关的效率损耗，并减小或消除电机长度的增加。
图1是示例性电动机10的透视剖视图。虽然在本文中称之为电动机10，但电动机10可用作发电机或电动机。电动机10包括第一端部12，第二端部14和电动机组件外壳16。电动机10还包括固定组件18和可旋转组件20。电动机组件外壳16限定了电动机10的内部22和外部24，并被配置成至少部分地包封以及保护固定组件18和可旋转组件20。固定组件包括定子芯28，定子芯28包括多个齿30和围绕定子齿30缠绕多个绕组32。在该示例性实施例中，定子芯28是十二齿定子结构。可替代地，定子芯28可包括任意数量的齿(能使电动机10具有如本文所述的功能)，例如定子芯28可具有九个齿。此外，在示例性实施例中，固定组件18是三相凸极定子组件，并且定子芯28由叠片堆叠形成，该叠片由高导磁材料制造。可替代地，固定组件18是单相凸极定子组件。固定组件18可以是圆的，分段的，或卷起型定子结构，并且绕组32以使电动机10具有如本文所述的功能的任何合适方式缠绕在定子芯28上。例如，绕组32可能是集中式或重叠式绕组。
可旋转组件20包括永磁体转子芯36和轴38。在该示例性实施例中，转子芯36由导磁材料制成的叠片堆叠形成。可替代地，转子芯36是实心芯部件。转子芯36大体接纳在定子芯28的中心孔中，以用于沿旋转轴线线X旋转。为了简单起见，图1示出转子芯36和定子芯28为实心件。虽然图1是三相电动机的视图，但本文所描述的方法和装置可被包括在具有任意相数的电动机内，包括单相和多相电动机。
在该示例性实施例中，电动机10被耦连至风扇或离心式送风机(未示出)，以用于移动通过空气处理系统的空气，和/或用于在冷却盘管上方吹送空气，和/或用于驱动在空调/制冷系统内的压缩机。更具体地，电动机10可在空气移动的应用中使用，空气移动的应用在加热、通风和空调(HVAC)行业中被使用，例如，在使用1/5马力(hp)到1hp的电动机的住宅应用中。可替代地，电动机10可用在流体泵送应用中。电动机10也可用在商业和工业应用中和/或在空调应用中使用的封闭式压缩机电机中，其中电动机10可具有大于1hp的额定值。尽管本文的上下文中描述了空气处理系统，电动机10可接合任何合适的工作组件，并被配置成驱动该工作组件。
图2是可被包括在电动机10(图1所示)内的转子芯36的示例性实施例的正视图。在该示例性实施例中，可旋转组件20，也被称为径向嵌入式永磁体转子，包括转子芯36和轴38。可包括径向嵌入式永磁体转子的电动机的实例包括，但不限于，电子整流电动机(ECM’S)。ECM可包括，但不限于，无刷直流(BLDC)电动机，无刷交流(BLAC)电动机，以及可变磁阻电动机。此外，可旋转组件20由电子控制件(未示出)驱动，例如，正弦或梯形的电子控制件。
转子芯36是大体圆柱形，并包括外边缘40和轴中心孔或具有与轴38的直径相对应的直径的内边缘42。转子芯36和轴38同心，并被配置成围绕旋转轴线X旋转(图1所示)。在该示例性实施例中，转子芯36包括互锁或松散的多个叠片44。例如，叠片44由冲压金属(例如钢)的多个穿孔层构造。在可替代的实施例中，转子芯36是实心转子芯。例如，转子芯36可利用烧结加工由软磁合成物(SMC)材料，软磁合金(SMA)材料，和/或粉末铁氧体材料构造。
在该示例性实施例中，转子芯36包括多个径向孔46。例如，第一壁部48，第二壁部50和第三壁部52限定了多个径向孔46中的第一径向孔54。每个径向孔46包括深度d和厚度t，并轴向地延伸穿过转子芯36从第一端部12(如图1所示)到达第二端部14(同样如图1所示)。每个径向孔46被配置成接纳一个或多个永磁体56，使得每个磁体56径向地嵌入转子芯36中，并至少部分地从转子第一端部12延伸至转子第二端部14。在该示例性实施例中，永磁体56是在旋转轴线X的切线方向被磁化的硬铁氧体磁体。然而，磁体56可由能够使电动机10具有如本文所述的功能的任何合适的材料构成，例如粘结钕，烧结钕，和/或钐钴。
在该示例性实施例中，转子芯36包括多个转子磁极58，每个磁极均具有沿转子外边缘40的外壁部60和内壁部62(如图3所示)。在该示例性实施例中，径向孔46的数量等于转子磁极58的数量，并且一个磁体56定位在每个径向孔46内、在一对转子磁极58之间。尽管示出为包括十个转子磁极58，但转子芯36可具有允许电动机10具有如本文所述的功能的任意数量的磁极，例如六个、八个或十二个磁极。
在该示例性实施例中，径向嵌入式永磁体转子芯36的设计利用了低成本磁体，仍然达到了使用高成本磁体的电机的功率密度和高效率，例如钕磁体。在示例性实施例中，通过增加由转子芯36产生的磁通实现了电动机10的提高的效率和功率密度。定位在径向孔46内、在最小磁体深度和最大磁体深度之间的深度d处的磁体56有助于增加的(increased)磁通的产生。最小磁体深度由以下公式限定：
其中Dmin代表最小深度变量，R代表转子半径，并且n代表转子磁极数。最大磁体深度由以下公式限定：
其中Dmax代表最大深度变量，R代表转子半径，t代表磁化(magnetization)方向上磁体的厚度，并且n代表转子磁极数。在该示例性实施例中，当磁体56延伸进入径向孔内处于Dmin和Dmax之间的深度时，转子芯36有助于产生导致最优效率和功率密度的增加的磁通。
图3是可被包括在电动机10内的另一示例性实施例的转子芯36的正视图。在该示例性实施例中，转子芯36包括被配置为接纳一个或多个永磁体56的径向孔46。在该示例性实施例中，径向孔46是基本矩形的。可替代地，径向孔46可具有对应确保电动机具有如本文所述的功能的永磁体形状的任何合适的形状。例如，如在下文中更详细描述的那样，径向孔46可是锥形的。
在该示例性实施例中，径向孔46包括一个或多个永磁体保持件或凸部64。例如，第一对凸部66设置成沿转子的外边缘40接近磁极外壁部60，并从第一和第二壁部48和50延伸进入径向孔46。第一对凸部66的每个凸部64被配置为通过大体防止磁体56在径向方向上朝向外边缘40的运动而有助于将磁体56保持在径向孔46内。另外，第二对凸部68沿磁极内壁部62设置，并从第一和第二壁部48和50延伸进入径向孔46。第二对凸部68的每个凸起64被配置为通过大体防止磁体56在径向方向上朝向轴38的移动而有助于将磁体56保持在径向孔46内。可替代地，转子芯36可具有能使转子芯36具有如本文所述的功能的任意数量和位置的凸部64。
图4是可被包括在电动机10内的转子芯36的另一示例性实施例的正视图。转子芯36包括被配置为接纳一个或多个永磁体56的径向孔46。在该示例性实施例中，径向孔46和磁体56是基本锥形的。径向孔46的第一和第二壁部48和50在它们从转子内壁部62延伸到转子的外壁部60时汇聚(converge)，并被配置为接合磁体56的锥形壁部，以便通过大体防止磁体56在径向方向上朝向转子的外边缘40移动而有助于将磁体56保持在径向孔46内。此外，每个锥形径向孔46可包括沿磁极内壁部62设置的一对凸部68，以便通过大体防止磁体56在径向方向上朝向轴38移动而有助于将磁体56保持在径向孔46内。
图5是位于定子芯28内的图3所示转子芯36的正视图。在该示例性实施例中，转子芯36相对于定子芯28定位，并且转子的外边缘40和定子芯28的内边缘74限定小气隙72。气隙72允许转子芯36在定子芯28内相对自由旋转。转子芯36的径向嵌入式磁体56被配置为有助于增加的磁通到达气隙72，从而导致产生增加的电机转矩。径向嵌入式磁体56的径向取向导致磁通仅穿过磁体一次，与由表面安装的磁体所产生的磁通相反(opposed)(其必须穿过磁体两次)。仅一次穿过磁体56显著地缩短了通过低磁导率材料(即空气和磁体56)的磁通的路径，从而导致增加的磁通传送和转矩。增加的磁通传送和转矩还源自定位在每个转子磁极58的相对的边缘48和50的相同磁极的径向磁体56(其将磁通向转子的外边缘40集中)。然而，在径向方向上磁体56的上方或下方的任何磁性支撑结构均提供了一个供不穿过气隙72的传送的流动的路径，这导致了转矩的损失。在图5的该示例性实施例中，只有小的或有限数量的磁性材料(即凸部64)被定位在磁体56的上方或下方。可替代地，转子芯36不包括任何紧挨磁体56上方或下方的磁性材料，以便在永磁体56与转子外边缘40之间以及永磁体56与内套筒138之间(参见图15)不定位磁性材料。
在该示例性实施例中，转子磁极58彼此间隔开距离f，以便减少穿过磁支承结构(例如，转子磁极58)的磁通损耗。在该示例性实施例中，距离f大于或等于气隙72(转子的外边缘40和定子的内边缘74之间的间隙)的长度5倍，从而有助于高磁通的产生。可替代地，距离f大于或等于气隙72的长度的三倍。仍然可替代地，距离f大于或等于气隙72的长度的10倍。在该示例性实施例中，在凸部64之间保持距离f。可替代地，如果不存在凸部64，在径向孔壁部48和50之间保持距离f，或如果斤壁部48和50中之一上存在凸部64，在凸部64和壁部48或50之间保持距离f。
图6是可被包括在电动机10内的转子芯36的另一示例性实施例的分解视图。在该示例性实施例中，转子芯36包括第一半芯部分76，第二半芯部分78，中心叠片80，以及第一和第二端部叠片82和84。半芯部分76和78中的每个均包括围绕套筒86径向定位的多个独立的转子磁极58。多个径向孔46限定在转子磁极58之间，并被配置为接纳一个或多个永磁体56。每个转子磁极58以与套筒86成间隔开的关系被中心叠片80和端部叠片82和84中的至少一个保持。该示例性实施例中，叠片80，82和84，也称为短路叠片，在结构上是相似的，并且每个均包括围绕中心毂部件90径向定位的多个被连接的转子磁极88。转子磁极88中的每个均包括外边缘92和内边缘94。在内边缘94，由桥接部98连接相邻的成对96的转子磁极88，桥接部98连接至中心毂部件90。
在该示例性实施例中，中心叠片80定位在半芯部分76和78之间，端部叠片82和84定位在转子芯36相对的端部上。在该示例性实施例中，半芯部分76和78是实心转子芯。可替代地，半芯部分76和78形成为整个芯部件和/或由多个叠片层构造。虽然转子芯36描述位于具有单个中心叠片80和两个端部叠片82和84，但转子芯36可具有能使电动机10具有如本文所述的功能的任意数量的中心和端部叠片。被连接的转子磁极88离套筒86一段距离支撑转子磁极58，以便在半芯部分76和78中防止磁通损耗，因为很少或没有磁性材料布置在定位在其中的磁体56的上方或下方。但是，至少部分由于叠片80，82和84的被连接的转子磁极88，由转子芯36产生的磁通的一部分损失了。为了减少磁通损失，在该示例性实施例中，具有被连接的转子磁极88的叠片厚度总和小于或等于转子芯36的总长度的12％。可替代地，具有被连接的转子磁极88的叠片的厚度总和小于或等于转子芯36的总长度的2％。仍然可替代地，具有被连接的转子磁极88的叠片的厚度总和小于或等于转子芯36总长度的1％。
图7-9示出了可被包括在电动机10内的转子芯36的另一种示例性实施例。图7是转子芯36的正视图，转子芯36包括：毂部件100，其限定了尺寸设置成接纳轴38的内边缘42，和围绕毂部件100径向定位的多个转子磁极58，转子磁极58限定了多个径向孔46，径向孔46被配置为接纳一个或多个永磁体56。在该示例性实施例中，毂部件100由铝和/或锌制造，并直接压到轴38上。可替代地，毂部件100由能使转子芯36具有如本文所述的功能的任何非磁性材料构造。在该示例性实施例中，在第一壁部48和第二壁部50中的每个中形成第一凹部102，并在磁体56中形成两个第二凹部104。可替代地，只形成凹部102和凹部104中的一个，或可在能使转子36具有如本文所述的功能的壁部48和50与磁体56中形成任何的数量和位置的凹部102和104。此外，凹部102和104可具有确保转子芯36具有如本文所述的功能的任何合适的形状和尺寸。例如，第二凹部104相对于第一凹部102可是更小的尺寸和/或具有更小的半径。
在该示例性实施例中，每个第一凹部102与相应的第二凹部104大体对准，以便限定空间106。可替代地，在不形成第二凹部104的情况下形成第一凹部102，反之亦然。空间106被配置为接纳保持材料108，保持材料108被配置成至少部分地填充空间106，并在凹部102和104的表面之间引起干扰，以便大体抵抗或防止磁体56在径向孔46内的移动。例如，保持材料108摩擦接合凹部102和104的表面，并防止磁体56相对于径向孔46径向移动，这能导致不期望的噪声或磁体移位。另外，保持材料108被配置为防止磁体56的大体边对边的移动，这能由于公差叠加而发生，并能导致来自磁体56的抵靠转子磁极58表面而发出的不期望的噪音。保持材料108可由一段或多段形成，并穿过转子芯36的整个长度或只穿过转子芯36的一部分延伸。
在该示例性实施例中，保持材料108可是至少部分地填充空间106的任何材料或元件，并大体防止磁体56在径向孔46内的移动。例如，如图8所示，保持材料是定位在空间106内的弹性中空外部元件110。然而，保持材料108并不限于单一材料。例如，硬化材料构件(未示出)可被插入穿过中空外部元件110，以有助于在凹部102中和104之间形成额外的干扰。图9示出了一个替代性的实施例，其示出作为保持材料的发泡112。发泡112在空间106内沉积，并膨胀以便接合凹部102和104的表面，并有助于磁体56在径向孔46内的保持。可替代地，保持材料108可是，例如，预制的塑料或金属构件(未示出)，现场成型的元件(未示出)，例如注模聚合物，塑料或金属或膨胀材料，弹性元件(未示出)，弹性部件(未示出)，楔形元件(未示出)，偏置机构，诸如弹簧(未示出)，或它们的任意组合。此外，保持材料108可代替粘合剂，或除了粘合剂之外也被使用，以便将磁体56保持在径向孔46内。
图10示出了可被包括在电动机10内的转子芯36的另一示例性实施例的透视图。在该示例性实施例中，转子芯36由多片叠片44形成，每一片均包括一个毂部件114，多个被连接的转子磁极116，以及多个独立的转子磁极118。转子磁极116和118围绕毂部件114径向定位。每个被连接的转子磁极116通过腹板120耦连至毂部件114。在该示例性实施例中，由非磁性材料，例如铝，构造的套筒122被定位在毂部件114和轴38之间，以便提供机械稳定性并防止磁路到达轴38。可替代地，套筒122可被排除和/或轴38至少部分地由非磁性材料形成，以便防止磁路到达它。径向孔46限定在相邻的转子磁极116和118之间，并被配置为接纳一个或多个永磁体56。转子磁极116和118还包括磁体保持部件64，保持部件64被配置为将磁体56保持在径向孔46内，如上所述。如图11所示，旋转一个或多个叠片124，以便支撑与毂部件114成间隔开的关系的独立的转子磁极118。每个旋转的叠片124包括多个被连接的转子磁极126和独立的转子磁极128。旋转的叠片124通过一个磁极在顺时针或逆时针方向取向或旋转，使得每个被连接的转子磁极126均与一个转子磁极118对准，并支撑该转子磁极118，并且每个独立的转子磁极128与一个被连接的转子磁极116对准并被它支撑。
在该示例性实施例中，两个旋转叠片124被定位在转子的第一端部12上。此外，一个或多个旋转叠片124被定位在转子的第二端部14上。然而，任意数量的旋转叠片124可被定位在遍及堆叠的叠片44的任意位置，使转子芯36具有如本文所述的功能的任何地方。例如，旋转叠片124可大体位于转子芯36的叠片堆叠的中心内。在该示例性实施例中，旋转叠片124由钢制成。可选地，旋转叠片124由任何非磁性材料例如铝或模制的塑料形成。
在该示例性实施例中，通过将磁体56在平行于轴线X的方向插入径向孔46中，将每个永磁体56定位在一个径向孔46内。可替代地，在毂部件114的径向方向将每个永磁体56插入一个径向孔46中，例如，当外边缘40上不存在凸部64时。每个永磁体56包括第一极性磁极N和第二极性磁极S。在该示例性实施例中，磁体56被定位在径向孔46内，以便每个磁极N面对一个被连接的转子磁极116并且每个磁极S面对一个独立的转子磁极118。这种配置导致很少或没有漏磁通，因为每个转子磁极116和118只与相同磁极性接触。可替代地，磁体56被定位成使得每个磁极S面对一个被连接的转子磁极116且每个磁极N面对一个独立的转子磁极118。
图12-14示出了定位在转子端部12和14或遍及层叠的转子芯36的任何位置的叠片44的可替代地示例性实施例。例如，图12示出叠片130的正视图，其类似于图10所示的叠片124，除了叠片130包括形成在被连接的转子磁极116和独立的转子磁极118内的孔132和凹部102。凹部102被配置为与形成在磁体56上的凹部104对齐以便限定空间106，空间106被配置成接纳保持材料108，如上所述。孔132被配置成接纳紧固件(未示出)，以便有助于对准和耦连多个叠片130。图13示出了类似叠片130的叠片134的正视图，除了被连接的转子磁极116和独立的转子磁极118通过桥接部136相连接。图14示出了类似叠片134的叠片137的正视图，除了叠片137不包括凹部102和孔132。此外，作为端部叠片使用时，上述叠片可包括尺寸小于磁体56的径向孔46，以便在磁体56轴向插入期间，防止磁体56滑出转子端部。
图15是可被包括在电动机10的转子芯36的另一示例性实施例的正视图。在该示例性实施例中，转子芯36包括被配置成接纳轴38的套筒138，中心毂部件140和围绕中心毂部件140径向定位的多个转子磁极58。转子磁极58是实心的或层叠的，并在它们之间限定多个径向孔46，径向孔46被配置成接纳一个或多个永磁体56。转子磁极58包括与永磁体56中的凹部104大体对准以便形成一个空间106的凹部102。每个转子磁极58包括凸部142，凸部142延伸到在中心毂部件140中形成的凹部144。每个凸部142和相应的凹部144形成互锁部分146。在该示例性实施例中，互锁部分146是燕尾接合部，燕尾接合部被配置为有助于增加转子磁极58和中心毂部件140之间的转矩传递。可替代地，互锁部分146可具有能使转子芯36具有如本文所述的功能的任何几何形状。
在该示例性实施例中，径向孔46包括由转子磁极58限定的第一和第二壁部48和50。保持材料108被定位在径向孔46和空间106中、在磁体56与第一和第二壁部48和50之间。一个环形端板(未示出)定位于转子芯的端部上。在该示例性实施例中，保持材料108是注塑成型聚合物。然而，保持材料108可以是能使转子芯36具有如本文所述的功能的任何合适的材料。此外，保持材料108可被定位在磁体56和转子芯36的外边缘40之间。在该示例性实施例中，套筒138和转子磁极58是由钢制成。但是，套筒138和转子磁极58可由能使转子芯36具有如本文所述的功能的任何合适的材料形成。可替代地，套筒138可被排除并且中心毂部件140被直接耦连至轴38。在该示例性实施例中，中心毂部件140可由注塑成型聚合物构造。然而，中心毂部件140可由能使转子芯36具有如本文所述的功能的任何合适的非磁性材料制成。例如，中心毂部件140可是由机器加工、挤压或压铸的非磁性材料制成，例如铝或锌。可替代地，中心毂部件140由隔离阻尼材料制成，隔离阻尼材料被配置成减少电机转矩脉动、电机转矩波动和电动机转矩齿槽效应(motor torque cogging)中的至少一个的传递。
本文记载了制造转子芯36的示例性的方法。套筒138、转子磁极58和永磁体56大体对称地位于模具中(未示出)。可替代地，套筒138可被排除。转子磁极58和套筒138是实心结构，或是采用了互锁，铆钉，螺栓和/或其它紧固件保持在一起的层叠结构。在该示例性实施例中，预成形的磁体56被插入转子磁极58之间限定的径向孔46。可替代地，聚合物粘结磁体材料被注入径向孔46，以便形成永磁体56。在该示例性实施例中，非磁性聚合物在转子磁极58和磁体56之间的区域、在磁体56和转子外边缘40之间的区域、以及由凹部102和104限定的空间106内注塑成型。该聚合物进一步在套筒138与转子磁极58和磁体56之间的区域中注塑成型，以便形成中心毂部件140。以这种方式，注塑成型加工磁性地隔离在转子36的外直径上的转子磁极58和磁体56，并在等于期望的转子外直径的预定直径处使转子磁极58和磁体56取向。磁体56可在插入到模具中之前被磁化，或可在模制过程后被磁化。可替代地，中心毂部件140是预成形的非磁性材料，例如锌或铝，中心毂部件140在安装和磁化磁体56后插入模具。然后，环形端板(未示出)定位在转子芯端部上。可替代地，套筒138和转子磁极58大体对称地设置在模具中。具有高的第一处理温度的高强度聚合物材料(例如，玻璃填充Rynite材料)在套筒138和转子磁极58之间的区域注塑成型，以便形成中心毂部件140。处理温度为材料能进行传统的注塑成型加工的温度，并高于熔点和玻璃化转变温度的较高者。然后永磁体56插入在转子磁极58之间限定的径向孔46，并且具有较低的第二处理温度的聚合物材料(例如，玻璃填充Crastin)在围绕磁体56的剩余空间中成型。这两个成型步骤防止了磁体56还在模具中时执行高温材料注塑，这可能会降低磁体56的有效性。
图16是可被包括在电动机10中的转子芯36的另一示例性实施例的剖视图。在该示例性实施例中，转子芯36包括套筒138，套筒138被配置成接纳轴38、中心毂部件140，和围绕中心毂部件140的径向定位的多个转子磁极58。套筒138包括凹部150，以便提供与中心毂部件140的互锁，从而有助于增加它们之间的转矩传递。在该示例性实施例中，毂部件140是实心的。可替代地，毂部件140被构造为具有孔152(参照图17)。转子磁极58是实心或层叠结构，并限定多个径向孔46，径向孔46被配置成接纳一个或多个永磁体56。转子磁极58包括凸部64，凸部64配置成将磁体56保持在径向孔46中，如上所述。每个转子磁极58包括凹部144，凹部144接纳从中心毂部件140延伸的凸部142。每个凸部142和相应的凹部144形成互锁部分146，互锁部分146被配置成增加转子磁极58和中心毂部件140之间的转矩传递。在可替代的实施例中，互锁部分146可具有能使转子芯36具有如本文所述的功能的任何几何形状。可替代地，转子磁极58以能使转子磁极58和中心毂部件140之间进行转矩传递的任何方式连接至中心毂部件140，例如，通过粘合剂，机械紧固件等。
在该示例性实施例中，径向孔46接纳一个或多个磁体56，并且保持材料108定位在径向孔46中、位于磁体56与转子外边缘40之间。如图17所示，在转子端部12和14上定位一个或多个端部叠片154。在该示例性实施例中，每个端部叠片154包括通过腹板160连接至多个转子磁极158的毂部件156。可替代地，由于腹板160提供了穿过转子和在转子磁极158之间的磁路，这导致一些漏磁通，所以腹板160可从毂部件156(参见图18)机械地断开连接或切断，然后在形成毂部件156时在上方成型(molded over)。使腹板160机械地断开连接在转子外径和毂部件140之间提供弹性，这减小了转矩脉动、振动、噪声和非预期的齿槽转矩和/或波动转矩。可替代地，一个或多个桥接部(未示出)沿转子外径40在相邻的转子磁极158之间形成，和/或在沿着径向孔46的任何位置形成。同样地，端部叠片154的桥接部固定转子芯36，并在冲压和互锁，堆叠，和/或运输期间提高刚性。转子芯36一旦形成，桥接部就可机械地断开连接，以用于塑型铸造、灌注和/或环氧树脂填充操作。
本文描述了制造转子芯36的示例性的方法。通过冲压多个互锁的叠片制造转子芯36，每个互锁的叠片均包括套筒138和多个转子磁极58。叠片被堆叠并可或可不被标记(indexed)来减小转子的不稳定性。通过将每个磁体56轴向和/或径向地插入径向孔46内，围绕套筒138在转子磁极58之间径向定位一个或多个磁体56。一个或多个端部叠片154定位在转子芯端部12和/或14上，并且转子芯36位于模具(未示出)中。可选择地，多个端部叠片154的转子磁极158可通过断开或切断腹板160从毂部件156机械地断开连接。非磁性聚合物在转子磁极58和磁体56之间的区域、磁体56和转子外边缘40之间的区域，以及套筒138与转子磁极58和磁体56之间的区域内注塑成型，以便形成中心毂部件140。该聚合物还可在机械地断开的腹板160上方注塑成型。通过这种方式，注塑成型加工磁性地隔离在转子36的外径上的转子磁极58和磁体56，并在等于期望的转子外径的预定直径处使转子磁极58和磁体56取向。磁体56可在插入到模具之前被磁化，或可在模制加工期间或之后被磁化。端部叠片154可在模制加工之前、期间或之后被耦连至转子芯36。
图19是可被包括在电动机10中的转子芯36的另一示例性实施例的剖视图。在该示例性实施例中，转子芯36包括被配置成接纳轴38的内毂部件162，外毂部件164和围绕外毂部件164径向定位的多个转子磁极58。转子磁极58是实心的或层叠的，并在它们之间限定了多个径向孔46，径向孔46被配置成接纳一个或多个永磁体56。每个转子磁极58包括凸部142，凸部142延伸进入外毂部件164中的凹部144，以便形成互锁部分146。在该示例性实施例中，互锁部分146是被配置为有助于增加转子磁极58和外毂部件164之间的转矩传递的燕尾接合部。
在该示例性实施例中，径向孔46接纳一个或多个永磁体56。模制材料(例如，注塑成型聚合物)可被定位在径向孔46中、在磁体56和转子外边缘40之间且在磁体56和外毂部件164之间。同样地，该材料定位在外毂部件164和内毂部件162之间的空间166中，以便形成中心毂部件(未示出)。内毂部件和外毂部件162、164中的每个均包括凸部168，凸部168有助于提高其间的转矩传递。在该示例性实施例中，内毂部件和外毂部件162、164由非磁性材料(如铝)制成。可替代地，毂部件162和164可由能使转子36具有如本文所述的功能的任何非磁性材料制成。可替代地，内毂部件162由磁性材料制成。
本文描述了制造转子芯36的示例性的方法。内毂部件162、外毂部件164、转子磁极58和磁体56大体对称地设置在模具中(未示出)。转子磁极58和毂部件162、164是实心结构，或采用互锁，铆钉，螺栓和/或其它紧固件保持在一起的层叠结构。磁体56被插入径向孔46内，或磁性材料注入其中，以形成磁体56。非磁性聚合物在外毂部件164与内毂部件162之间、转子外边缘40和磁体56之间、以及磁体56和外毂部件164之间的空间166内注塑成型。通过这种方式，转子磁极58和磁体56在转子36的外径上磁性地隔离，并且转子磁极58和磁体56在等于期望的转子直径的预定直径处取向。磁体56可在插入到模具中之前被磁化，或在成型加工之后被磁化。可替代地，转子磁极58和毂部件162、164位于模具中，并且具有高的第一处理温度的高强度材料在空间166中注塑成型以便形成中心毂部件。然后永磁体56插入转子磁极58之间所限定的径向孔46中，并且具有较低的第二处理温度的材料在围绕磁体56的剩余空间中成型。这两步骤的成型加工防止：磁体56在模具中的同时进行高的处理温度材料的注入(injection)，这可降低磁体56的有效性。
在上述的实施例中，电动机10包括定子芯28，定子芯28包括绕组32。典型地，绕组32由铜制成，铜构成了电机材料成本的重要部分。在示例性实施例中，绕组32由铝而不是铜制成。然而，铝具有铜的约60％的电阻率，并且降低了电动机的效率。降低效率损失的一种方法是增加定子芯28和转子芯36的长度。然而，从材料成本的角度来看以及从应用的角度来看不期望增加电机的长度(例如，较长的电机可能不适合用户期望的应用)。为了减少或重新获得与铝绕组相关的效率损失，同时使电动机10的长度的增加最小化，使用了上述的径向嵌入式永磁体转子36。径向嵌入式永磁体转子36相比于使用铁氧体磁体的其他普通转子设计产生更大的磁通。径向嵌入式永磁体转子36导致转矩增加，这弥补了效率损失。
图20示出了另一种示例性的电动机200，其与电动机10类似，除了电动机200包括转子202，该转子202相比于上述转子芯36具有不同的磁体布置。在没有径向嵌入永磁体(例如，表面安装的磁体转子)的转子芯的电动机的设计中，当铝绕组32取代铜绕组时，电动机效率同样降低。为了克服效率损失，电动机200包括一个或多个永磁体204和铝绕组206。在该示例性实施例中，永磁体204由更高等级的铁氧体材料制成，其具有高于大约0.40特斯拉(约4K高斯)的剩余(Br)磁通密度。可替代地，永磁体204可由能使电动机200增加磁通密度而使用低成本材料的任何材料制成。
此外，在该示例性实施例中，设计嵌优化绕组206，使电动机200的速度-转矩曲线的拐点大体运行在预期应用的电动机200所需的满负荷工作点。速度-转矩曲线的拐点是电动机从电压控制区域转换到电流控制区域的电机速度。图21示出电动机200的速度和转矩的一种典型的图表。所需的满负荷工作点由点208代表。线210描绘了不具有经优化的绕组的电动机的速度-转矩曲线。点212表示线210的速度-转矩曲线的拐点。线214描绘了具有优化绕组206的电动机200的速度-转矩曲线。点216表示线214的速度-转矩曲线的拐点。在该示例性实施例中，通过添加更多匝数的绕组206，曲线拐点216下降到满负荷工作点208附近。通过使用磁体204和/或绕组206优化的绕组设计，电动机200被配置成不增加电动机200的长度的情况下重新获得所有或至少部分由于由铝制造绕组206造成的效率损失。
图22示出了另一示例性的电动机300，其类似于电动机10和200，除了电动机300包括改进的转子302和绕组306。在该示例性实施例中，改进的转子302是径向嵌入式永磁体转子，并取代原来的转子(未示出)。可替代地，改进的转子302是表面安装的永磁体转子或内置式永磁体转子。电动机300是电动机平台，其被设计为以典型的设计速度(speed)运行，典型的设计速度对于给定的转子/定子结构是电动机的正常运行速度。然而，在该示例性实施例中，希望电动机300以更高的速度运行。具有原来的转子的电动机300以更高的速度运行产生升高的频率，导致转子芯损耗增加且效率下降。在该示例性实施例中，电动机300与改进的转子302相配合，以便提高效率。典型地，转子芯和定子芯具有相同的长度。在该示例性实施例中，转子302相比于定子芯28长度被减小，使得转子302以更高的速度产生更少的磁通。这使电动机300以更高的期望的运行速度、提高的效率、降低的转子芯损耗运行。此外，长度更短的转子302需要更少的材料，并降低了电动机300的成本。另外，通过减少绕组306的匝数，电动机300的输出的磁通密度降低。在该示例性实施例中，绕组306由铜和/或铝构造。可替代地，绕组306由能使电动机300具有如本文所述的功能的任何合适的材料制成。在另一实施例中，通过使用更低的剩磁的永磁体、宽度减小的磁体，和/或较浅的径向深度磁体，电动机300的输出磁通密度减小。
在该示例性实施例中，转子302的长度(相比于原来的转子)取决于新的应用所期望的较高的运行速度。例如，在一个实施例中，电动机300最初被设计为以1200RPM的典型速度运行，并包括定子和长度为大约1.75英寸的转子。新的电动机的应用要求电动机300以6000RPM运行，并且电动机300与改进的、长度减小的转子302相配合，转子302的长度为大约1英寸。如上所述，电动机300被改进为具有转子302和/或绕组306，以使电动机300能用于高速应用，而无需设计新的电动机平台(其特别设计为用于高速应用)。
本文描述了典型的方法，系统和装置，即，在永磁体电动机中，利用成本较低的材料，这减少或消除采用较低成本的材料所引起的效率损失。此外，该示例性的方法，系统和装置实现提高效率，同时减少或消除电动机长度的增加。本文所描述的方法，系统和装置可用在任何合适的应用中。然而，它们特别适用于HVAC和泵应用。
电动机组件的示例性实施例在上文中被详细描述。该电动机和其构件并不限于本文所描述的具体实施例，而是相反，系统的构件可独立地且与本文所描述的与其它构件分开地使用。例如，组件还可与其他的电机系统，方法和装置组合使用，但并不限于只用如本文所述的系统和装置来实现。相反，示例性实施例可与许多其他应用相结合地实施和利用。
虽然本发明的各种不同的实施例的具体特征可在一些附图中使出而没有在其他附图中使出，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，附图的任何特征可被引用和/或与任何其它附图的任何特征相结合而被更求保护。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还能使本领域任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何设备或系统，以及执行任何合并的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员所能想到的其它实例。这些其它实例的目的是要涵盖在权利要求的范围之中，如果它们具有不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等效结构元件。

Claims (10)

1.一种电机，包括：
机壳；
定子，其至少部分地布置在所述机壳内；以及
转子，其至少部分地布置在所述机壳内，所述转子被配置为相对于所述定子旋转，所述转子包括：
至少一个永磁体；
大体圆柱形的转子芯，其包含外边缘和限定了中心孔的内边缘，所述转子芯具有半径R，所述转子还包括至少一个磁极和至少一个径向孔，所述至少一个径向孔径向延伸穿过所述转子芯从所述外边缘到达小于所述半径的预定深度；所述至少一个径向孔配置为接纳所述至少一个永磁体；以及
至少一个凸部，其延伸进入所述至少一个径向孔，所述至少一个凸部大体沿所述至少一个径向孔的底部定位，并被配置成有助于在所述至少一个径向孔内保持所述至少一个永磁体；
其中，所述至少一个径向孔的所述预定深度处于由公式限定的最小深度与由公式限定的最大深度之间，其中n是转子芯的磁极数且t是所述至少一个永磁体的厚度。
2.如权利要求1所述的电机，其中所述转子包括六个磁极，八个磁极，十二个磁极，和十四个磁极中的至少一种，所述磁极围绕所述中心孔径向定位，并且径向孔定位在每个所述磁极之间。
3.如权利要求2所述的电机，其中所述电机还包括正弦电子控制驱动和梯形电子控制驱动中的至少一种。
4.如权利要求1所述的电机，其中所述定子包括至少一个齿和围绕所述至少一个齿缠绕的铝制绕组，其中所述转子芯是径向嵌入式永磁体转子，所述径向嵌入式永磁体转子被配置成产生增加的磁通，以便减少由所述铝制绕组引起的效率损失。
5.如权利要求1所述的电机，其还包括延伸穿过所述中心孔的轴，所述至少一个永磁体在所述转子芯内围绕所述轴和所述转子的旋转轴线径向定位。
6.如权利要求1所述的电机，其中所述至少一个凸部包含第一对凸部和第二对凸部，所述第一对凸部和第二对凸部从所述径向孔的相对的壁延伸进入所述至少一个径向孔。
7.如权利要求6所述的电机，其中所述第一对凸部大体定位在所述至少一个径向孔的底部，并且所述第二对凸部大体沿所述转子芯的所述外边缘定位。
8.如权利要求1所述的电机，其中所述至少一个径向孔和所述永磁体中至少其一是锥形的。
9.一种制造永磁体转子的方法，所述方法包括：
提供转子芯，所述转子芯包括至少一个磁极、外边缘和限定了中心孔的内边缘，所述转子芯具有半径R；
形成至少一个径向孔，所述至少一个径向孔穿过转子芯从外边缘到达小于所述半径的预定深度；
形成至少一个凸部，所述至少一个凸部延伸进入所述至少一个径向孔，所述至少一个凸部大体定位在所述至少一个径向孔的底部，并被配置成有助于将所述至少一个永磁体保持在所述至少一个径向孔中，其中所述至少一个径向孔的预定深度处于由公式限定的最小深度与由公式限定的最大深度之间，其中n是转子芯的磁极的数量而t是永磁体的厚度；以及
将永磁体插入所述至少一个径向孔。
10.如权利要求9所述的方法，其中形成至少一个凸部包括形成第一对凸部和第二对凸部，所述第一和第二对凸部从径向孔的相对的壁延伸进入所述至少一个径向孔。
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