徑向嵌入式永磁體轉(zhuǎn)子及其制造方法
【專利摘要】在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種永磁體轉(zhuǎn)子。該永磁體轉(zhuǎn)子包括至少一個(gè)永磁體和大體圓柱形的轉(zhuǎn)子芯，該轉(zhuǎn)子芯包括外邊緣和限定了中心孔的內(nèi)邊緣。該轉(zhuǎn)子芯包括半徑R，至少一個(gè)磁極，以及至少一個(gè)徑向孔，該徑向孔徑向延伸穿過轉(zhuǎn)子芯從外邊緣到達(dá)小于半徑的預(yù)定深度。所述至少一個(gè)徑向孔被配置為接納所述至少一個(gè)永磁體。該轉(zhuǎn)子還包括延伸進(jìn)入所述至少一個(gè)徑向孔的至少一個(gè)凸部，所述至少一個(gè)凸部大體沿所述至少一個(gè)徑向孔的底部定位，并且被配置成有助于在所述至少一個(gè)徑向孔內(nèi)保持所述至少一個(gè)永磁體。
【專利說明】徑向嵌入式永磁體轉(zhuǎn)子及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的領(lǐng)域一般地涉及電動(dòng)機(jī)，并且更特別地，涉及徑向嵌入式永磁體轉(zhuǎn)子和在電動(dòng)機(jī)中使用的替代材料。
【背景技術(shù)】
[0002]各種不同類型的電機(jī)包括永磁體。例如，無(wú)刷直流(BLDC)電動(dòng)機(jī)可包括耦連(couple)至轉(zhuǎn)子芯的外表面的多個(gè)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(zhuǎn)子芯的外表面。在永磁體與轉(zhuǎn)子芯之間的這種耦連必須抵抗在高速旋轉(zhuǎn)期間施加在永磁體上傾向于將永磁體與電機(jī)分離的力。
[0003]永磁體還可布置在轉(zhuǎn)子芯內(nèi)，通常稱之為內(nèi)置式永磁體轉(zhuǎn)子。在轉(zhuǎn)子內(nèi)形成槽，并且磁體插入該槽內(nèi)。該磁體槽必須大于磁體以允許磁體插入。然而，磁體必須被固定在槽內(nèi)，以便在電機(jī)運(yùn)行期間防止磁體移動(dòng)。電機(jī)的性能取決于將磁體保持在轉(zhuǎn)子內(nèi)的已知位置?？墒褂谜澈蟿?，以便將磁體相對(duì)于轉(zhuǎn)子固定在固定位置。然而，由于例如溫度、溫度循環(huán)和環(huán)境條件的因素，粘合劑的壽命有限。
[0004]許多已知的電機(jī)通過產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩而做功，轉(zhuǎn)矩是磁通、定子電流和其他常數(shù)的積。在電動(dòng)機(jī)中，由定位在電動(dòng)機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)子上的永磁體典型地產(chǎn)生磁通。一些已知的稀土永磁體，例如釹鐵硼磁體，相比于典型的鐵氧體永磁體產(chǎn)生更大量的磁通。然而，近年來(lái)稀土磁體的成本已經(jīng)大幅上升，促進(jìn)了對(duì)提供類似于使用稀土磁體的系統(tǒng)的效率且產(chǎn)生相似量的磁通的低成本永磁體系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種永磁體轉(zhuǎn)子。該永磁體轉(zhuǎn)子包括至少一個(gè)永磁體和大體圓柱形的轉(zhuǎn)子芯，該轉(zhuǎn)子芯包括外邊緣和限定了中心孔的內(nèi)邊緣。該轉(zhuǎn)子芯包括半徑R、至少一個(gè)磁極，和徑向延伸穿過轉(zhuǎn)子芯從外邊緣到小于半徑的預(yù)定深度的至少一個(gè)徑向孔。所述至少一個(gè)徑向孔被配置成接納所述至少一個(gè)永磁體。該轉(zhuǎn)子還包括延伸至所述至少一個(gè)徑向孔內(nèi)的至少一個(gè)凸部，所述至少一個(gè)凸部大體沿所述至少一個(gè)徑向孔的底部定位，并被配置成有助于將所述至少一個(gè)永磁體保持在所述至少一個(gè)徑向孔內(nèi)。
[0006]在另一實(shí)施例中,提供了一種電機(jī)。該電機(jī)包括機(jī)殼、至少部分地布置于該機(jī)殼內(nèi)的定子，和至少部分地布置在該機(jī)殼內(nèi)的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子被配置成相對(duì)于該定子旋轉(zhuǎn)。該轉(zhuǎn)子包括至少一個(gè)永磁體和大體圓柱形的轉(zhuǎn)子芯，該轉(zhuǎn)子芯包括外邊緣和限定了中心孔的內(nèi)邊緣。該轉(zhuǎn)子芯還包括半徑R、至少一個(gè)磁極，和徑向延伸穿過轉(zhuǎn)子芯從外邊緣到小于半徑的預(yù)定深度的至少一個(gè)徑向孔。所述至少一個(gè)徑向孔被配置成接納至少一個(gè)永磁體。該轉(zhuǎn)子還包括延伸至所述至少一個(gè)徑向孔內(nèi)的至少一個(gè)凸部，所述至少一個(gè)凸部大體沿所述至少一個(gè)徑向孔的底部定位，并被配置成有助于將所述至少一個(gè)永磁體保持在所述至少一個(gè)徑向孔內(nèi)。
[0007]在又一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種制造永磁體轉(zhuǎn)子的方法。該方法包括提供轉(zhuǎn)子芯，該轉(zhuǎn)子芯包括至少一個(gè)磁極、外邊緣和限定了中心孔的內(nèi)邊緣，該轉(zhuǎn)子芯具有半徑R。該方法還包括形成至少一個(gè)徑向孔，該徑向孔徑向穿過轉(zhuǎn)子芯從外邊緣延伸至小于該半徑的預(yù)定深度。該方法還包括形成至少一個(gè)凸部，該凸部延伸進(jìn)入所述至少一個(gè)徑向孔內(nèi)，所述至少一個(gè)凸部大體沿所述至少一個(gè)徑向孔的底部定位，并被配置為有助于將所述至少一個(gè)永磁體保持在所述至少一個(gè)徑向孔內(nèi)；以及將永磁體插入所述至少一個(gè)徑向孔內(nèi)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是示例性的電機(jī)的透視剖視圖；
[0009]圖2是可被包括在圖1所示電機(jī)內(nèi)的示例性轉(zhuǎn)子芯的正視圖；
[0010]圖3是可被包括在圖1所示電機(jī)內(nèi)的另一示例性轉(zhuǎn)子芯的正視圖；
[0011]圖4是可被包括在圖1所示電機(jī)內(nèi)的另一示例性轉(zhuǎn)子芯的正視圖；
[0012]圖5是定位在定子芯內(nèi)的圖3所示的示例性轉(zhuǎn)子芯的正視圖；
[0013]圖6是可被包括在圖1所示電機(jī)內(nèi)的另一示例性轉(zhuǎn)子芯的分解圖；
[0014]圖7是可被包括在圖1所示電機(jī)內(nèi)的另一示例性轉(zhuǎn)子芯的正視圖；
[0015]圖8是其中具有保持材料的圖7所示轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子芯的放大圖；
[0017]圖10是可被包括在圖1所示電機(jī)內(nèi)的另一示例性轉(zhuǎn)子芯的透視圖；
[0018]圖11是具有旋轉(zhuǎn)的端部疊片和永磁體的圖10的轉(zhuǎn)子芯的透視圖；
[0019]圖12是可被包括在圖10所示轉(zhuǎn)子芯內(nèi)的示例性疊片的正視圖；
[0020]圖13是可被包括在圖10所示轉(zhuǎn)子芯內(nèi)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(zhuǎn)子芯內(nèi)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(jī)內(nèi)的另一示例性轉(zhuǎn)子芯的正視圖；
[0023]圖16是可被包括在圖1所示電機(jī)內(nèi)的另一示例性轉(zhuǎn)子芯的透視剖視圖；
[0024]圖17是可被包括在圖1所示電機(jī)內(nèi)的另一示例性轉(zhuǎn)子芯的透視圖；
[0025]圖18是具有機(jī)械地?cái)嚅_連接的腹板的圖17所示的轉(zhuǎn)子芯的透視圖；
[0026]圖19是可被包括在圖1所示電機(jī)內(nèi)的另一示例性轉(zhuǎn)子芯的透視圖；
[0027]圖20是另一示例性電機(jī)的透視剖視圖；
[0028]圖21是描繪電動(dòng)機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩值的圖表；以及
[0029]圖22是另一示例性電機(jī)的透視剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]由于稀土磁體和用于繞組的銅的成本的增加，在電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造中期望成本較低的替代材料。本發(fā)明提供使用替代稀土磁體和銅繞組的材料的設(shè)計(jì)和方法，同時(shí)減小或重獲與這些替代材料相關(guān)的效率損耗，并減小或消除電機(jī)長(zhǎng)度的增加。
[0031]圖1是示例性電動(dòng)機(jī)10的透視剖視圖。雖然在本文中稱之為電動(dòng)機(jī)10，但電動(dòng)機(jī)10可用作發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)10包括第一端部12，第二端部14和電動(dòng)機(jī)組件外殼
16。電動(dòng)機(jī)10還包括固定組件18和可旋轉(zhuǎn)組件20。電動(dòng)機(jī)組件外殼16限定了電動(dòng)機(jī)10的內(nèi)部22和外部24，并被配置成至少部分地包封以及保護(hù)固定組件18和可旋轉(zhuǎn)組件20。固定組件包括定子芯28，定子芯28包括多個(gè)齒30和圍繞定子齒30纏繞多個(gè)繞組32。在該示例性實(shí)施例中，定子芯28是十二齒定子結(jié)構(gòu)?？商娲?，定子芯28可包括任意數(shù)量的齒(能使電動(dòng)機(jī)10具有如本文所述的功能)，例如定子芯28可具有九個(gè)齒。此外，在示例性實(shí)施例中，固定組件18是三相凸極定子組件，并且定子芯28由疊片堆疊形成，該疊片由高導(dǎo)磁材料制造。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，或卷起型定子結(jié)構(gòu)，并且繞組32以使電動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)組件20包括永磁體轉(zhuǎn)子芯36和軸38。在該示例性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子芯36由導(dǎo)磁材料制成的疊片堆疊形成?？商娲?，轉(zhuǎn)子芯36是實(shí)心芯部件。轉(zhuǎn)子芯36大體接納在定子芯28的中心孔中，以用于沿旋轉(zhuǎn)軸線線X旋轉(zhuǎn)。為了簡(jiǎn)單起見，圖1示出轉(zhuǎn)子芯36和定子芯28為實(shí)心件。雖然圖1是三相電動(dòng)機(jī)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(shù)的電動(dòng)機(jī)內(nèi)，包括單相和多相電動(dòng)機(jī)。
[0033]在該示例性實(shí)施例中，電動(dòng)機(jī)10被耦連至風(fēng)扇或離心式送風(fēng)機(jī)(未示出)，以用于移動(dòng)通過空氣處理系統(tǒng)的空氣，和/或用于在冷卻盤管上方吹送空氣，和/或用于驅(qū)動(dòng)在空調(diào)/制冷系統(tǒng)內(nèi)的壓縮機(jī)。更具體地，電動(dòng)機(jī)10可在空氣移動(dòng)的應(yīng)用中使用，空氣移動(dòng)的應(yīng)用在加熱、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)行業(yè)中被使用，例如，在使用1/5馬力(hp)到Ihp的電動(dòng)機(jī)的住宅應(yīng)用中?？商娲?，電動(dòng)機(jī)10可用在流體泵送應(yīng)用中。電動(dòng)機(jī)10也可用在商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中和/或在空調(diào)應(yīng)用中使用的封閉式壓縮機(jī)電機(jī)中，其中電動(dòng)機(jī)10可具有大于Ihp的額定值。盡管本文的上下文中描述了空氣處理系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)10可接合任何合適的工作組件，并被配置成驅(qū)動(dòng)該工作組件。
[0034]圖2是可被包括在電動(dòng)機(jī)10 (圖1所示)內(nèi)的轉(zhuǎn)子芯36的示例性實(shí)施例的正視圖。在該示例性實(shí)施例中，可旋轉(zhuǎn)組件20，也被稱為徑向嵌入式永磁體轉(zhuǎn)子，包括轉(zhuǎn)子芯36和軸38。可包括徑向嵌入式永磁體轉(zhuǎn)子的電動(dòng)機(jī)的實(shí)例包括，但不限于，電子整流電動(dòng)機(jī)(ECM’ S)。ECM可包括，但不限于，無(wú)刷直流(BLDC)電動(dòng)機(jī)，無(wú)刷交流(BLAC)電動(dòng)機(jī)，以及可變磁阻電動(dòng)機(jī)。此外，可旋轉(zhuǎn)組件20由電子控制件(未示出)驅(qū)動(dòng)，例如，正弦或梯形的電子控制件。
[0035]轉(zhuǎn)子芯36是大體圓柱形，并包括外邊緣40和軸中心孔或具有與軸38的直徑相對(duì)應(yīng)的直徑的內(nèi)邊緣42。轉(zhuǎn)子芯36和軸38同心，并被配置成圍繞旋轉(zhuǎn)軸線X旋轉(zhuǎn)(圖1所示)。在該示例性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子芯36包括互鎖或松散的多個(gè)疊片44。例如，疊片44由沖壓金屬(例如鋼)的多個(gè)穿孔層構(gòu)造。在可替代的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子芯36是實(shí)心轉(zhuǎn)子芯。例如，轉(zhuǎn)子芯36可利用燒結(jié)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(gòu)造。
[0036]在該示例性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子芯36包括多個(gè)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(gè)徑向孔46中的第一徑向孔54。每個(gè)徑向孔46包括深度d和厚度t，并軸向地延伸穿過轉(zhuǎn)子芯36從第一端部12(如圖1所示)到達(dá)第二端部14(同樣如圖1所不)。每個(gè)徑向孔46被配置成接納一個(gè)或多個(gè)永磁體56,使得每個(gè)磁體56徑向地嵌入轉(zhuǎn)子芯36中，并至少部分地從轉(zhuǎn)子第一端部12延伸至轉(zhuǎn)子第二端部14。在該示例性實(shí)施例中，永磁體56是在旋轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)10具有如本文所述的功能的任何合適的材料構(gòu)成，例如粘結(jié)釹，燒結(jié)釹，和/或衫鈷。[0037]在該示例性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子芯36包括多個(gè)轉(zhuǎn)子磁極58，每個(gè)磁極均具有沿轉(zhuǎn)子外邊緣40的外壁部60和內(nèi)壁部62 (如圖3所示)。在該示例性實(shí)施例中，徑向孔46的數(shù)量等于轉(zhuǎn)子磁極58的數(shù)量,并且一個(gè)磁體56定位在每個(gè)徑向孔46內(nèi)、在一對(duì)轉(zhuǎn)子磁極58之間。盡管示出為包括十個(gè)轉(zhuǎn)子磁極58，但轉(zhuǎn)子芯36可具有允許電動(dòng)機(jī)10具有如本文所述的功能的任意數(shù)量的磁極，例如六個(gè)、八個(gè)或十二個(gè)磁極。
[0038]在該示例性實(shí)施例中，徑向嵌入式永磁體轉(zhuǎn)子芯36的設(shè)計(jì)利用了低成本磁體，仍然達(dá)到了使用高成本磁體的電機(jī)的功率密度和高效率，例如釹磁體。在示例性實(shí)施例中，通過增加由轉(zhuǎn)子芯36產(chǎn)生的磁通實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)10的提高的效率和功率密度。定位在徑向孔46內(nèi)、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有助于增加的(increased)磁通的產(chǎn)生。最小磁體深度由以下公式限定:
【權(quán)利要求】
1.一種電機(jī),包括: 機(jī)殼; 定子，其至少部分地布置在所述機(jī)殼內(nèi)；以及 轉(zhuǎn)子，其至少部分地布置在所述機(jī)殼內(nèi)，所述轉(zhuǎn)子被配置為相對(duì)于所述定子旋轉(zhuǎn)，所述轉(zhuǎn)子包括: 至少一個(gè)永磁體； 大體圓柱形的轉(zhuǎn)子芯，其包含外邊緣和限定了中心孔的內(nèi)邊緣，所述轉(zhuǎn)子芯具有半徑R，所述轉(zhuǎn)子還包括至少一個(gè)磁極和至少一個(gè)徑向孔，所述至少一個(gè)徑向孔徑向延伸穿過所述轉(zhuǎn)子芯從所述外邊緣到達(dá)小于所述半徑的預(yù)定深度；所述至少一個(gè)徑向孔配置為接納所述至少一個(gè)永磁體；以及 至少一個(gè)凸部，其延伸進(jìn)入所述至少一個(gè)徑向孔，所述至少一個(gè)凸部大體沿所述至少一個(gè)徑向孔的底部定位，并被配置成有助于在所述至少一個(gè)徑向孔內(nèi)保持所述至少一個(gè)永磁體。
2.如權(quán)利要求1所述的電機(jī)， 其中所述轉(zhuǎn)子包括六個(gè)磁極，八個(gè)磁極，十二個(gè)磁極，和十四個(gè)磁極中的至少一種，所述磁極圍繞所述中心孔徑向定位，并且徑向孔定位在每個(gè)所述磁極之間。
3.如權(quán)利要求2所述的電機(jī)，其中所述電機(jī)還包括正弦電子控制驅(qū)動(dòng)和梯形電子控制驅(qū)動(dòng)中的至少一種。
4.如權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其中所述定子包括至少一個(gè)齒和圍繞所述至少一個(gè)齒纏繞的鋁制繞組，其中所述轉(zhuǎn)子芯是徑向嵌入式永磁體轉(zhuǎn)子，所述徑向嵌入式永磁體轉(zhuǎn)子被配置成產(chǎn)生增加的磁通，以便減少由所述鋁制繞組引起的效率損失。
5.如權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其還包括延伸穿過所述中心孔的軸，所述至少一個(gè)永磁體在所述轉(zhuǎn)子芯內(nèi)圍繞所述軸和所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線徑向定位。
6.如權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其中所述至少一個(gè)徑向孔的所述預(yù)定深度處于由公式


7.如權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其中所述至少一個(gè)凸部包含第一對(duì)凸部和第二對(duì)凸部，所述第一和第二對(duì)凸部從所述徑向孔的相對(duì)的壁延伸進(jìn)入所述至少一個(gè)徑向孔。
8.如權(quán)利要求6所述的電機(jī)，其中所述第一對(duì)凸部大體定位在所述至少一個(gè)徑向孔的底部，并且所述第二對(duì)凸部大體沿所述轉(zhuǎn)子芯的所述外邊緣定位。
9.如權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其中所述至少一個(gè)徑向孔和所述永磁體中至少其一是錐形的。
10.一種制造永磁體轉(zhuǎn)子的方法，所述方法包括: 提供轉(zhuǎn)子芯，所述轉(zhuǎn)子芯包括至少一個(gè)磁極、外邊緣和限定了中心孔的內(nèi)邊緣，所述轉(zhuǎn)子芯具有半徑R ； 形成至少一個(gè)徑向孔，所述至少一個(gè)徑向孔穿過轉(zhuǎn)子芯從外邊緣到達(dá)小于所述半徑的預(yù)定深度；形成至少一個(gè)凸部，所述至少一個(gè)凸部延伸進(jìn)入所述至少一個(gè)徑向孔，所述至少一個(gè)凸部大體定位在所述至少一個(gè)徑向孔的底部，并被配置成有助于將所述至少一個(gè)永磁體保持在所述至少一個(gè)徑向孔中；以及 將永磁體插入所述至少一個(gè)徑向孔。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述至少一個(gè)徑向孔的預(yù)定深度處于由公式


12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中形成至少一個(gè)凸部包括形成第一對(duì)凸部和第二對(duì)凸部，所述第一和第二對(duì)凸部從徑向孔的相對(duì)的壁延伸進(jìn)入所述至少一個(gè)徑向孔。
【文檔編號(hào)】H02K1/28GK103779995SQ201310756899
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2013年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月15日
【發(fā)明者】S·M·布拉馬瓦, L·B·曼茲, L·A·克雷蒂安, C·拉希達(dá)扎德, D·M·約內(nèi)爾 申請(qǐng)人:雷勃美國(guó)股份有限公司