具有径向嵌入式永磁体转子的电机及其方法与流程

1.本公开的领域总体上涉及电动马达，并且更具体地涉及径向嵌入式永磁体转子以及在操作期间降低噪声的方法。


背景技术：

2.径向磁通电机通常包括定位在转子芯内的永磁体(通常称为内部永磁体转子)。转子由多个叠片和周向间隔开的极形成。槽形成在相邻的极之间，并且磁体插入到槽中。然而，在一些已知的径向磁通电机中，磁通可能泄漏穿过叠片极并且从转子辐射出来，这可能在附近的导电结构中引起涡流。泄漏磁通虽然相对较小，但是可能引起显著的涡流损耗，这对电机在操作期间的扭矩和效率两者具有不利影响。
3.至少一些径向磁通电机增加转子的轴向长度，即，使用附加的叠片来克服由磁通泄漏导致的扭矩损失。然而，附加的叠片不期望地增加电机的成本和总体尺寸，并且还需要单独的工具。
4.类似地，至少一些径向磁通电机使用包覆成型技术来增加转子结构的鲁棒性。然而，包覆成型需要增加电机成本的附加的工具和制造步骤。


技术实现要素：

5.在一个实施例中，提供了一种用在径向磁通电动马达组件中的转子组件。该转子组件包括具有围绕中心轴线周向地间隔开的多个转子极的转子芯，其中，转子芯包括第一端和相对的第二端。转子组件还包括与多个转子极交替地布置的多个芯磁体。多个转子极在每对周向相邻的转子极之间限定有径向孔，并且每个径向孔构造成在其中接纳所述多个芯磁体中的至少一个芯磁体。多个端部磁体联接到第一端和第二端中的至少一者，并且至少一个端板联接到所述多个端部磁体。
6.在另一实施例中，提供了一种电动马达组件。该电动马达组件包括具有定子芯和多个绕组的定子组件。该电动马达组件还包括具有转子芯的转子组件，该转子芯具有围绕中心轴线周向地间隔开的多个转子极，其中，该转子芯包括第一端和相对的第二端。该转子组件还包括与多个转子极交替地布置的多个芯磁体。所述多个转子极在每对周向地相邻的转子极之间限定有径向孔，并且每个径向孔构造成在其中接纳所述多个芯磁体中的至少一个芯磁体。转子组件的多个端部磁体联接至第一端和第二端中的至少一者，并且转子组件的至少一个钢制端板联接至所述多个端部磁体。
7.在又一实施例中，提供了一种用在径向磁通电动马达组件中的转子组件。该转子组件包括具有围绕中心轴线周向地间隔开的多个转子极的转子芯，其中，转子芯包括第一端和相对的第二端。转子组件还包括与多个转子极交替地布置的多个芯磁体。所述多个转子极在每对周向相邻的转子极之间限定有径向孔，并且每个径向孔构造成在其中接纳所述多个芯磁体中的至少一个芯磁体。转子组件还包括联接至转子芯和芯磁体的至少一个钢制端板。
附图说明
8.图1是示例性电动马达组件的透视剖开视图；
9.图2是图1所示的电动马达组件的定子组件和转子组件的端视图；
10.图3是可以包括在图1所示的电动马达组件内的示例性转子芯的透视图；
11.图4是示例性转子组件的透视图，所述转子组件包括图3中所示的转子芯并且可以被包括在图1中所示的电动马达组件内；
12.图5是图4所示转子组件的部分分解图；
13.图6是图4所示转子组件的剖视图；
14.图7是图4所示的部分组装的转子组件的透视图；以及
15.图8是包括图3中所示的转子芯并且可以被包括在图1中所示的电动马达组件内的替代转子组件的截面图。
具体实施方式
16.图1是示例性电动马达10的透视剖开视图。虽然在本文中称为电动马达10，但是电动马达10可作为发电机或电动机运行。电动马达10包括第一端12、第二端14和马达组件壳体16。电动马达10还包括定子组件18和转子组件20。马达组件壳体16限定马达10的内部22和外部24，并构造成至少部分地包封和保护定子组件18和转子组件20。定子组件包括定子芯28，该定子芯28包括多个齿30和缠绕在定子齿30周围的多个绕组32。此外，在示例性实施例中，定子组件18是三相凸极定子组件，并且定子芯28由高导磁材料制成的叠片堆叠形成。可替代地，定子组件18是单相凸极定子组件。定子组件18可以是基本上圆形的、分段的或卷起型的定子结构，并且绕组32以使马达10能够如本文所述地工作的任何合适的方式缠绕在定子芯28上。例如，绕组32可以是集中式或重叠式绕组。
17.转子组件20包括永磁体转子芯36和轴38。在示例性实施例中，转子芯36由导磁材料制成的叠片堆叠形成。转子芯36基本上被接收在定子芯28的中心孔中，以便沿着旋转轴线x旋转。为了简单起见，图1将转子芯36和定子芯28示出为实体。虽然图1是三相电动马达的图示，但是本文描述的方法和设备可以被包括在具有任何数量的相的马达内，包括单相电动马达和多相电动马达。
18.在示例性实施例中，电动马达10联接到风扇或离心式鼓风机(未示出)以使空气移动通过空气处理系统，用于将空气吹过冷却或加热线圈，和/或用于驱动空气调节/制冷系统内的压缩机。更具体地，马达10可以用于在供暖通风与空气调节(hvac)工业中使用的空气移动应用中，例如，用于使用1/5马力(hp)至1hp的马达的住宅应用中。替代地，马达10可以用于流体泵送应用中。马达10也可以用于商业和工业应用中和/或用于空调应用中的封闭式压缩机马达，其中马达10可以具有大于1hp的额定值。虽然本文是在空气处理系统的背景下进行描述，但是电动马达10可以接合任何合适的工作部件并且被构造成驱动这种工作部件。
19.图2是具有中心轴线102并且包括定子组件104和转子组件106的示例性电动马达100的截面端视图。定子组件104包括环形芯108，该环形芯具有定子轭或基座110和从基座110径向向内延伸的多个定子齿112。在示例性实施例中，多个绕组114围绕定子齿112缠绕，使得每个齿112包括单个绕组114。在其它实施例中，定子组件104中每隔一个齿112包括一
个绕组114。
20.定子基座110包括内表面116和外表面118。内表面116和外表面118围绕中心轴线102延伸并且径向间隔开。内表面116和外表面118在其间限定了基座110的厚度120。在替代实施例中，定子组件104包括使得马达组件100能够如本文所述操作的任何基座110。
21.而且，在示例性实施例中，定子组件104具有由基座110限定的外径d1。在一些实施例中，外径d1在大约100mm(4英寸)到大约350mm(14英寸)的范围内。例如，在一些实施例中，基座110具有大约240mm(9.5英寸)或大约310mm(12.2英寸)的外径。在替代性实施例中，定子组件104具有使得马达组件100能够如本文所描述的那样操作的任何直径。
22.此外，在示例性实施例中，定子齿112从基座110径向延伸。在一些实施例中，定子齿112与基座110成一体。在另外的实施例中，定子齿112联接到基座110。在示例性实施例中，每个定子齿112包括定位成靠近转子组件106的远侧末端122。
23.此外，在示例性实施例中，定子齿112围绕基座110周向地间隔开并且在其间限定槽124。定子齿112被构造成接收导电线圈或绕组114，使得绕组114围绕齿112延伸并且穿过槽124。在一些实施例中，定子齿112限定不超过24个槽。在示例性实施例中，定子组件104包括限定十八个槽124的十八个定子齿112。在替代实施例中，马达组件100包括使得马达组件100能够如本文所描述的那样操作的任何数量的定子齿112，例如十二个。
24.在一些实施例中，定子组件104由多个叠片组装而成。所述多个叠片中的每个叠片均形成为具有期望的形状和厚度。叠片联接在一起以形成具有期望的累积厚度的定子组件104。在另外的实施例中，定子组件104包括第一构型(例如，平坦构型或条带构型)和第二构型(例如，圆形构型)。定子组件104从第一构型移动或“卷”成第二构型以形成卷起的具有大致圆柱形形状的定子组件104。在替代性实施例中，定子组件104以使得定子组件104能够如本文所述地工作的任何方式组装。
25.此外，在示例性实施例中，外表面118包括弯曲部分126和平直部分128。弯曲部分126围绕基座110周向地延伸。平直部分128沿着弯曲部分126之间的弦延伸。此外，弯曲部分126和平直部分128相对于中心轴线102从基座110的第一端纵向地延伸到第二端。弯曲部分126为基座110提供了增加的强度，从而使得增加环向应力承受力并抵抗基座110的变形。在替代实施例中，外表面118包括使得马达组件100能够如本文所述地操作的任何部分。例如，在一些实施例中，外表面118围绕基座110的整个周边弯曲。
26.继续参照图3，转子组件106包括具有毂部分132的转子芯130和围绕毂部分132周向地间隔开的多个转子极134。毂部分132包括开口，该开口构造成接纳穿过其中的联接到负载的可旋转轴136。在示例性实施例中，转子芯130还包括与多个转子极134交替地布置的多个芯磁体138。多个转子极134在每对周向地相邻的转子极134之间限定有径向孔140，并且每个径向孔140构造成在其中接纳至少一个芯磁体138。
27.因此，在示例性实施例中，转子组件106是辐条式转子，并且被构造成与至少一些已知的转子组件相比提供增加的磁通量。定子组件104被构造成提供了增加的磁通量容量和由于增加的磁通量而增加的环向应力承受力。在替代实施例中，马达组件100包括使得马达组件100能够如本文所述地操作的任何转子组件106。
28.图3为转子铁芯130的透视图，其示出了可以包括在图2所示的径向磁通电动马达组件100内的多个转子磁极134。在示例性实施例中，转子组件106(也称为径向嵌入式永磁
体转子)包括转子芯130和轴136。可包括径向嵌入式永磁体转子的马达的示例包括但不限于电子换向电机(ecm)。ecm可以包括但不限于无刷直流(bldc)电机、无刷交流(blac)电机和可变磁阻电机。此外，转子组件20由电子控制器(未示出)(例如正弦或梯形电子控制器)驱动。
29.转子芯130是大致圆筒形的，并且包括外周142和轴中心开口144，轴中心开口144的直径适合于轴136的直径。转子芯130和轴136是同心的，并且被构造成围绕旋转轴线102旋转。在示例性实施例中，转子芯130包括多个周向间隔开的转子极134，每个转子极具有沿着转子的外周142的外壁146。此外，转子芯130包括在相对的转子极134的外壁146的中点之间限定的转子直径d2。如本文所使用的，术语“大致圆筒形”意在描述转子芯130包括大致圆形或椭圆形的横截面，但不要求呈完美的圆形。例如，转子芯130可包括围绕外周142分布的一个或多个平坦或平面部分，或者转子极134的外壁146可包括与整个转子芯130相比而言不同的半径或者甚至在每个极134的周向端部之间具有不同的半径。虽然是关于转子芯130进行描述的，但是术语“大致圆筒形”适用于本公开的每个转子芯。
30.如图3中所示，在示例性实施例中，各转子极134通过连接板148联接到毂部分132。毂132限定轴开口144。在其它实施例中，不是所有的转子极134都可联接到毂132。此外，在示例性实施例中，转子芯130和因此各转子极134由多个堆叠的叠片150形成，多个堆叠的叠片150通过互锁、粘合、焊接、螺栓连接或铆接联接在一起。例如，叠片150由诸如钢的冲压金属的多个冲压层制成。
31.此外，在示例性实施例中，转子芯130包括与转子极134交替地布置的多个径向孔140。每个径向孔140被构造成接收一个或多个永磁体138，使得每个磁体138被径向地嵌入转子芯130中并且至少部分地从转子的第一端152延伸到转子的第二端154。在示例性实施例中，径向孔140大体为矩形。替代地，径向孔140可具有对应于使得电动马达能够如本文所述地工作的永磁体的形状的任何合适的形状。在示例性实施例中，永磁体138为在与旋转轴线x相切的方向上磁化的陶瓷磁体。然而，磁体116可由使得马达10能够如本文所述地工作的任何合适的材料制成，例如，粘结钕、alnico、烧结钕、粘结的和陶瓷的铁氧体、和/或钐钴。
32.在示例性实施例中，径向孔140的数量等于转子极134的数量，并且一个磁体138定位在每个位于一对转子极134之间的径向孔140内。虽然示出为包括十个转子极134，但是转子芯130可以具有允许马达100如本文所述地工作的任何数量的极，例如六个、八个或十二个极。
33.在示例性实施例中，每个转子极134包括一个或多个永磁体保持构件或突起156。例如，第一对突起158沿着转子外边缘142靠近极的外壁146定位，并且从周向端壁160和162延伸到相邻的径向孔140中。第一对突起158中的每个突起156被构造成通过基本上防止磁体138在径向方向上朝向外边缘142运动而有助于将磁体138保持在径向孔140内。此外，第二对突起164靠近连接板148定位，并且从周向端壁160和162延伸到相邻的径向孔140。第二对突起164中的每个突起156被构造成通过基本上防止磁体138在径向方向上朝向轴136运动而有助于将磁体138保持在径向孔140内。替代地，转子芯130可以具有使得转子芯130能够如本文所述地工作的任何数量和位置的突起156。
34.图4是包括图3中所示的转子芯130并且可以被包括在图1中所示的电动马达组件
100内的转子组件106的透视图。图5是转子组件106的不分分解图，并且图6是转子组件106的截面视图。在示例性实施例中，转子组件106包括多个端部磁体166，所述多个端部磁体166联接到转子芯130的第一端152和转子芯130的第二端154中的至少一者。更具体地，转子组件106包括联接到转子芯130的第一端152的第一组168多个端部磁体166和联接到转子芯130的第二端154的第二组170多个端部磁体166。
35.另外，在示例性实施例中，转子组件106包括联接到多个端部磁体166的至少一个端板172。更具体而言，转子组件106包括联接到第一组168多个端部磁体166的第一端板174和联接到第二组170多个端部磁体166的第二端板176。进入周围导电结构中的涡流损耗可通过防止磁通从径向辐条转子的轴向面泄漏来消除或减少。端板174和176提供了从转子芯130辐射到马达组件100的周围结构中的磁通的屏障，且因此消除了涡流损耗。在示例性实施例中，端板174和176由金属材料形成，诸如但不限于铁素体钢和磁性不锈钢。作为备选，端板174和176由有利于转子组件106如本文所述地操作的任何材料形成。在一些实施例中，端板174和176可引起磁通短路，这可减小马达组件100的总扭矩。在示例性实施例中，端部磁体166添加到转子组件106上以恢复磁通，从而导致扭矩和效率两者的大幅增大。更具体而言，第一组168多个端部磁体166定位在转子芯130的第一端152与第一端板174之间。类似地，第二组170多个端部磁体166定位在转子芯130的第二端154与第二端板176之间。
36.在示例性实施例中，第一组168多个端部磁体166包括具有第一极性的第一子组178和具有不同于第一极性的第二极性的第二子组180。类似地，第二组170多个端部磁体166包括具有第一极性的第一子组182和具有不同于第一极性的第二极性的第二子组184。如图5所示，第一子组182与端部磁体166的第二子组184彼此交替地布置。
37.关于端部磁体166的定位，在示例性实施例中，每个端部磁体166至少部分地覆盖转子极134和相邻的芯磁体138之间的交界面186。更具体地，每个端部磁体166将至少部分地与相应的转子极134和芯磁体138重叠，使得端部磁体166提供允许磁通在转子极134和芯磁体138之间流动的路径。替代性地，在端部磁体166可不覆盖交界面186的情况下，端部磁体166的周向边缘与相应的转子极134的周向边缘齐平。在一个实施例中，端部磁体166使用粘合剂固定到转子芯130。替代性地，端部磁体166以有利于转子组件如本文所述地操作的任何方式固定到转子芯130。
38.在示例性实施例中，如图5中所示，第一子组182和第二子组184的端部磁体166在没有任何结构保持件的情况下彼此抵靠。在图7中所示的另一个实施例中，转子组件106包括联接到转子芯130的相应端部152和154的一对框架188。框架188包括构造成在其中接纳多个端部磁体166的多个周向间隔开的开口190。在这样的实施例中，框架188限定与转子芯130大致类似的直径，并且由非磁性材料(例如但不限于塑料)制成，以便不干扰转子芯和端部磁体166之间的磁通流。框架188使用粘合剂190附接到转子极134和芯磁体138，并且确保端部磁体166在交界面186上方在转子组件106内的适当定位。如图5和7的实施例中所示，端部磁体166可在形状上类似于转子芯134的叠片的形状，或者端部磁体166可具有不同的形状。一般地，端部磁体166可为有利于转子组件如本文中所述地操作的任何形状。
39.如图4和5中所示，转子组件106使用多个紧固件194保持在一起，紧固件194例如但不限于铆钉、螺钉或螺栓和螺母。具体而言，在示例性实施例中，紧固件194延伸穿过第一端板174中的、第一组168多个端部磁体166中的、转子极134中的、第二组170多个端部磁体166
中的和第二端板176中的开口。在具有框架188的实施例中，紧固件194延伸穿过框架188，而非穿过端部磁体166。紧固件194使得转子组件106的各构件能够机械锁定，而不使用用于包覆模制的灌封材料。紧固件194延伸所处的位置是具有极低通量密度的区域，且紧固件194由铝、不锈钢或铁素体钢中的一者形成。替代性地，紧固件194由便于转子组件如本文所述地操作的任何材料形成。
40.具体参考图6，添加端部磁体166和端板172并不显著增加马达组件100的轴向长度。具体地，定子组件104在绕组114处具有最大轴向长度l1，并且转子组件106在紧固件194处具有或在相对的端板172的外表面之间限定有最大轴向长度l2。在任一情况下，轴向长度l1和l2基本上彼此近似。图6中还示出了围绕定子组件104和转子组件106的壳体196。
41.图8示出了用于图1所示的电动马达组件100中的转子组件206的替代实施例。转子组件206在操作和组成上与转子组件106大致相似，除了转子组件206不包括转子组件106的端部磁体166。相反，端板174和176直接联接到转子芯130的转子极134和芯磁体138。这样，图8所示的构件用图2-7中使用的相同的附图标记进行标示。如本文所述，端板174和176为从转子芯130辐射到马达组件100的周围结构中的磁通提供了屏障，并因此消除了涡流损耗。
42.本文描述了减少涡流损耗并且增加电动马达的扭矩和效率的示例性系统和装置。本文描述的系统和装置可以用于任何合适的应用。然而，它们特别适合于hvac和泵应用。
43.具体地，通过防止磁通从径向辐条转子的轴向面泄漏可消除或减少进入周围导电结构中的涡流损耗。本文所描述的端板为从转子芯辐射到马达组件的周围结构中的磁通提供了屏障，并且因此消除了涡流损耗。涡流损耗例如从146w减少到10w(93％的减少)。将轴向磁体和转子的钢制端盖添加到径向辐条转子通过防止磁通轴向泄漏(这在周围导电结构中引起涡流)而增加了效率和扭矩。另外，由于使用机械紧固件将转子组件的各部件固定在一起，因此与其它已知的转子组件相比，本文所描述的转子组件被更简单地制造。在这样的实施例中，不再需要用于包覆成型转子的工具和工艺，因此实现了减少的制造时间和成本。
44.上面详细描述了用于电机的转子芯的示例性实施例。电动马达及其部件不限于本文描述的具体实施例，而是相反，系统的部件可以与本文描述的其它部件独立地和分开地使用。例如，部件也可以与其它马达系统、方法和设备组合使用，并且不限于仅与本文描述的系统和设备一起实践。相反，示例性实施例可以结合许多其它应用来实现和使用。
45.尽管本公开的各种实施例的具体特征可能在一些附图中示出而在其它附图中未示出，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，附图的任何特征可以与任何其它附图的任何特征组合来参考和/或要求保护。
46.本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有与权利要求的文字语言没有差异的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则这些其它示例旨在落入权利要求的范围之内。