专利名称：用于转子的复合磁体结构的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及一种电动机的转子设计。尤其是，本发明涉及一种内装式永久磁体型转子设计，其中锶铁氧体和钕-铁-硼位于凸角型转子芯的共用槽中。
背景技术：
现有技术中已知使用锶铁氧体(铁氧体)和钕-铁-硼(neo)的内装式永久磁体(IPM)型转子设计。
在一种现有技术设计中，转子具有芯，该芯具有长且细的槽，在每个槽中具有钕-铁-硼磁体。该设计没有使用铁氧体。利用在转子芯上施加冲压力形成这些槽。为了增加模具的寿命，降低芯重量，并且减少磁漏，使得槽的尺寸过大。过大的槽产生了围绕钕-铁-硼磁体的气隙，该气隙使得电动机在高速下具有较高的风阻噪音。这些电动机可以具有令人满意的正弦反电动势(EMF)。
另一个选择是在IPM转子设计中使用铁氧体。铁氧体不贵且可以用于填充较大的槽。这会形成对应于消音电动机的非常小的气隙。使用铁氧体的问题在于它没有足够高的磁通密度以制造高效率的电动机。
在单个转子设计中结合钕-铁-硼磁体和铁氧体磁体是解决方法。使用铁氧体填充位于转子中心附近的大槽，在接近转子边缘的小槽中具有多片钕-铁-硼磁体。采用该设计的电动机比仅单独使用钕-铁-硼磁体的电动机更安静(即具有较小的风阻噪音)，但是通常具有非正弦的反EMF(即，其谐波较多)。而且，用于制造该类型转子的模具由于钕-铁-硼磁体槽的尺寸较小导致具有较短的寿命。
发明内容
根据本发明的实施例，电动机转子包括芯、第一磁体和第二磁体。所述芯具有中心纵向轴和一对相对的第一槽，该第一槽与该纵向轴径向隔开并且平行于该轴延伸。所述纵向轴位于该对第一槽之间。所述芯具有一对相对的第二槽，该第二槽与该纵向轴径向隔开并且平行于该轴延伸。该纵向轴位于该对第二槽之间。第一和第二磁体中的一个或两个位于一个或多个槽中。
根据本发明的另一个实施例，一种制造电动机的方法，包括形成具有中心纵向轴的转子芯；在转子芯中形成一对相对的第一槽，所述纵向轴位于第一槽之间；在转子芯中形成一对相对的第二槽，所述纵向轴位于第二槽之间；将第一磁体插入这些槽的至少一个槽中；将第二磁体插入这些槽的至少一个槽中。
可选择的是，本发明可以包括其它不同的方法和装置。
在下文中其它目的和特征将会部分地明了且部分地指出。
该发明内容以概括的形式介绍构思的选择。该构思在具体实施例中得到进一步描述。该发明内容不是倾向于确定权利要求的主题的关键特征或本质特征，也不是倾向于用作确定权利要求的主题的范围。
图1是电动机的垂直于旋转轴的部分横截面图，该电动机包括根据本发明一个实施例的凸角型转子和定子，该转子具有两个(2)用于第一铁氧体磁体和第二钕-铁-硼磁体的复合槽，其中该槽在第二钕-铁-硼磁体的区域上是梯形的，并且该转子具有两个(2)其它用于铁氧体磁体的弧形槽；图2是根据本发明一个实施例的转子的垂直于旋转轴的横截面图，该转子具有两个(2)用于第一铁氧体磁体和第二钕-铁-硼磁体的复合槽，其中该槽在第二钕-铁-硼磁体的区域上是梯形的，并且该转子具有两个(2)其它用于铁氧体磁体的弧形槽；图3是根据本发明一个实施例的转子的垂直于旋转轴的横截面图，该转子具有两个用于弧形铁氧体磁体和两个钕-铁-硼磁体材料的邻近矩形片的复合梯形槽，以及具有两个用于铁氧体磁体的弧形槽，该配置称作双钕-铁-硼磁体顺向结构；图4是根据本发明一个实施例的转子的垂直于旋转轴的横截面图，该转子具有用于接收弧形铁氧体磁体的槽，这些槽中的两个是复合槽，用于接收梯形槽中钕-铁-硼磁体材料的分离矩形片；图5是根据本发明一个实施例的转子的垂直于旋转轴的横截面图，该转子具有两个用于接收弧形铁氧体磁体的槽并且具有两个用于接收面包条形钕-铁-硼磁体和弧形铁氧体磁体的复合槽，每个槽是精确槽；图6是根据本发明一个实施例的转子的垂直于旋转轴的横截面图，该转子具有两个用于接收弧形铁氧体磁体和梯形槽中的两个分离的钕-铁-硼磁体材料的面包条形磁体片的复合槽，以及两个用于接收弧形铁氧体磁体的非复合槽；图7是根据本发明一个实施例的转子的垂直于旋转轴的横截面图，该转子具有两个用于接收弧形铁氧体磁体的复合槽，该复合槽具有邻接的用于接收钕-铁-硼磁体的矩形槽，所述转子还具有两个用于接收弧形铁氧体磁体的非复合槽，这种配置称为顺向T结构；图8是根据本发明一个实施例的转子边缘的垂直于旋转轴的部分横截面图，示出了用于接收弧形铁氧体磁体和在复合槽的梯形部分中接收一个或多个矩形或面包条形钕-铁-硼磁体的复合槽的一部分，其中所述槽中止于修成圆形的末端槽；图9是根据本发明一个实施例的转子边缘的垂直于旋转轴的部分横截面图，示出了用于接收弧形铁氧体磁体和在复合槽的梯形部分中接收一个或多个矩形或面包条形钕-铁-硼磁体的复合槽的一部分，其中所述槽中止于修成方形的末端槽；图10是根据本发明一个实施例的转子边缘的垂直于旋转轴的部分横截面图，示出了用于接收弧形铁氧体磁体和在复合槽的梯形部分中接收一个或多个矩形或面包条形钕-铁-硼磁体的部分复合槽，其中提供与该槽邻近的末端开口；图11是示出了62mm孔、24槽、4极电动机的齿槽效应比较表，该电动机具有双钕-铁-硼磁体和顺向T结构的复合槽；图12是根据本发明一个实施例的电动机的垂直于旋转轴的部分横截面图，该电动机具有矩形第一磁体、矩形第二磁体和梯形槽；图13是根据本发明一个实施例的转子的垂直于旋转轴的横截面图，该转子具有弧形第一磁体和矩形第二磁体，其中第二磁体位于弧形第一磁体和旋转轴之间；图14是根据本发明一个实施例的凸角型转子的垂直于旋转轴的横截面图，该转子具有用于第一和第二磁体的复合槽，其中该槽在第二钕-铁-硼磁体的区域上是梯形的。
在全部附图中，相应的附图标记表示相应的部分。
具体实施例方式
参考图1，以横截面形式示出了本发明的电动机100的一个实施例，包括转子102，其位于具有绕组105的定子104内。转子102具有围绕旋转轴线A旋转的中心轴106。转子102包括钢制(或者其它材料)的芯，该芯具有两个相对的复合槽107，这两个复合槽平行于该轴延伸。该槽107构造成接收铁氧体磁体和钕-铁-硼磁体。转子102还具有两个弧形非复合槽108，仅用于接收铁氧体磁体。因此，由于复合槽107的形状与非复合槽108的形状不同，所以转子102关于线B是不对称的。所示的该实施例没有磁体以便更好地描述槽的横截面。
用于该实施例的弧形铁氧体磁体具有面对中心轴106的凸面和远离中心轴106的凹面。用于该实施例的钕-铁-硼磁体具有面向铁氧体磁体的较长尺寸，且或者具有与铁氧体磁体的凹面接触的钕-铁-硼磁体角(如果钕-铁-硼磁体是矩形)，或者其一条长边基本与铁氧体磁体的凹面互补并且基本上与铁氧体磁体的凹面接触(如果钕-铁-硼磁体是面包条状的)。复合槽107是垂直于旋转轴的梯形横截面，其与本实施例中所用的钕-铁-硼磁体的短边形成基本上呈三角形的气隙。该梯形槽减少了槽横截面的复杂细节，这能够提高用于制造该槽的模具的寿命，当模具的寿命对于制造者而言非常重要时，这使得梯形槽令人满意。铁氧体非复合槽108是弧形的。
绕组105连接到整流电路116。整流电路116激励绕组114，使得转子102围绕中心轴104旋转。
图1示出了一个实施例，其中槽107中具有钕-铁-硼磁体和铁氧体磁体，其每个具有垂直于旋转轴A的基本上呈矩形的横截面。所述磁体中的每一个具有较长的矩形尺寸，它们通常相互平行，并且铁氧体磁体位于钕-铁-硼磁体和中心轴104之间(例如，参见图2)。在一个实施例中，复合槽107在钕-铁-硼磁体末端具有垂直于旋转轴的部分梯形横截面。这导致了基本上呈三角形的气隙(参见图2中的210)，该气隙由钕-铁-硼磁体的短边、铁氧体磁体的长边以及转子102界定。考虑了其它转子结构。例如，参见以下示出的结构。
图1示出了本发明的一个实施例，其中转子102包括凸角芯。具有凸角的转子通常具有降低的齿槽效应转矩和较大的正弦反EMF。芯102的横截面显示出其由形成理想圆形的定子104包围。芯102的外缘112或表面平行于纵轴A并且与定子104内缘的距离不是固定的。从芯102的外缘112到定子104内缘的距离110通常小于从芯102的外缘112到定子104内缘的距离114。在一个实施例中，越过槽的距离110是0.020″，没有越过槽的距离114是0.040″。本发明的实施例可以在转子中的每个槽上具有凸角或者在转子中所选择的槽上具有凸角。
通常，采用本发明的电动机具有基本正弦的反EMF，而现有技术中使用铁氧体磁体和钕-铁-硼磁体的电动机具有谐波丰富的反EMF，采用本发明的电动机的最小感应系数通常小于现有技术中的电动机，并且最大感应系数与最小感应系数的比通常较高，这提高了磁阻转矩的作用。采用本发明的电动机在高速时所产生的噪音小于现有技术中的电动机，这是由于转子中的气隙较小。
采用本发明的电动机比现有技术中的电动机制造便宜，但是在成本和噪音之间是折衷的。矩形钕-铁-硼磁体比其它形状的钕-铁-硼磁体便宜，但是它们在与弧形铁氧体磁体一起使用时会出现一些气隙。两个小的钕-铁-硼磁体通常比一个大的钕-铁-硼磁体更能适应弧形铁氧体磁体。然而，使用两个小的钕-铁-硼磁体可能需要用于在转子芯中形成槽的模具而具有复杂细节，这意味着该模具没有具有较少复杂细节的模具持久。可以通过不与磁体的每个细节共形来增加模具的寿命，但是这将导致当电动机在高速工作时增加噪音的气隙。由于其成本降低、噪音减少而且电噪声降低，所以根据本发明的电动机对于家用电器例如卧式洗衣机、洗碗机和烘衣机来说是有利的。
现在参考图2，示出了本发明的实施例，其使用矩形钕-铁-硼磁体208、弧形铁氧体磁体206、梯形复合槽207、以及非复合弧形槽215。芯202具有中心轴204，中心轴204具有纵向轴A并绕其旋转，槽207和215平行于该轴204延伸。弧形铁氧体磁体206具有面向中心轴204的凸面214和远离中心轴204的凹面216。因此，芯202具有中心纵向轴A，其中一对相对的(第一)复合槽207与纵向轴A径向隔开并且平行于该轴延伸。纵向轴A位于这对第一槽207之间。芯202还具有一对相对的(第二)非复合槽215，它们与纵向轴A径向隔开并且平行于该轴延伸。纵向轴位于该对第二槽215之间。铁氧体(第一)磁体206平行于纵向轴A延伸并且位于第一槽207中以及位于第二槽215中。钕-铁-硼(第二)磁体208平行于纵向轴A延伸并且仅位于第一槽207内，而不位于第二槽中。因此，第二磁体208位于第一磁体206和芯的外表面218之间。
在复合槽207中，矩形钕-铁-硼磁体208具有面向铁氧体磁体206的较长尺寸，以及钕-铁-硼磁体208的角与铁氧体磁体206的凹面216接触。面向钕-铁-硼磁体208的平坦表面的铁氧体磁体206的凹面216在铁氧体磁体206和钕-铁-硼磁体208之间形成气隙212。槽207不是精确切割，但是包含钕-铁-硼磁体208的面积为梯形。也即，代替紧密地与复合的铁氧体磁体和钕-铁-硼磁体的轮廓配合，芯被切割成不与钕-铁-硼磁体208的短边配合。梯形槽形成基本上呈三角形的气隙210，该气隙由矩形钕-铁-硼磁体208的短边、铁氧体磁体206的凹面216以及芯202界定。该梯形槽减少了该槽横截面的复杂细节，这可以增加用于制造该槽的模具的寿命，当模具的寿命对于制造者而言比电动机噪声对于终端用户而言更为重要时，使得梯形槽是令人满意的。梯形槽也降低了漏磁通，这有助于具有更高的最大感应系数的电动机，并因此有助于最大感应系数和最小感应系数的可能更佳的比值。类似，非复合弧形槽215不是精确切割，并且仅接收铁氧体磁体206。尽管未在图2中示出，但是可以想到芯202是凸角型的，尽管可以选用所示的圆柱形芯。芯202关于线B非对称，这是由于槽207的形状与槽215不同。
现在参考图3，本发明的实施例使用两个矩形钕-铁-硼磁体308和一个弧形铁氧体磁体306。一对相对的梯形槽307接收钕-铁-硼磁体和铁氧体磁体，而一对相对的槽315仅接收铁氧体磁体。芯302具有绕其旋转的中心轴204，以及平行于轴304延伸的槽。弧形铁氧体磁体306具有面向中心轴304的凸面和远离中心轴304的凹面。每个矩形钕-铁-硼磁体308具有面向铁氧体磁体306的长边，以及钕-铁-硼磁体308的角与铁氧体磁体306的凹面接触。钕-铁-硼磁体308在一个角处相互接触。面向钕-铁-硼磁体308平坦表面的铁氧体磁体306的凹面在铁氧体磁体306和钕-铁-硼磁体308之间形成气隙310。在两个钕-铁硼磁体308之间存在一个基本上呈三角形的气隙312，该气隙由铁氧体磁体306的凹面和每个钕-铁-硼磁体308的短边所界定。该槽的横截面基本上呈梯形，在包含钕-铁-硼磁体308的区域的横截面上呈三角形。也即，替代紧密地与复合的铁氧体磁体和钕-铁-硼磁体的轮廓配合，芯可以被切割成与钕-铁-硼磁体208的短边精确配合。梯形槽形成由矩形钕-铁-硼磁体308的短边、铁氧体磁体306的凹面以及芯302所界定的基本上呈三角形的气隙314。气隙310和312比气隙212(参见图2)小，这是由于两个小的钕-铁-硼磁体比一个大的钕-铁-硼磁体更好地与铁氧体磁体的表面相符。由于气隙不同，所以图3的转子设计的声学特性与图2的设计不同。由于这两个转子的声学特性不同(即，在某些速度下风阻噪音减小)，因此用于具有不同的工作速度的不同应用。尽管图3中未示出，但是可以想到，芯302是凸角型的，尽管可以选用所示的圆柱形芯。芯302关于线B非对称，这是由于槽307的形状与槽315不同。
现在参考图4，本发明实施例在每个相对的梯形复合槽407中使用两个矩形钕-铁-硼磁体408和弧形铁氧体磁体406。而仅仅弧形铁氧体磁体406位于每个相对的非复合槽415中。芯402具有绕其旋转的中心轴404以及平行于该轴404延伸的槽。弧形铁氧体磁体406具有面向中心轴404的凸面和远离中心轴404的凹面。两个矩形钕-铁-硼磁体408中的每一个具有面向铁氧体磁体406的长边，以及钕-铁-硼磁体408的角与铁氧体磁体406的凹面接触。面向钕-铁-硼磁体408平坦表面的铁氧体磁体406的凹面在铁氧体磁体406和钕-铁-硼磁体408之间形成气隙412。两个小的钕-铁-硼磁体408比一个大的钕-铁-硼磁体更好的与铁氧体磁体的凹面配合，因此减少了在钕-铁-硼磁体408和铁氧体磁体406之间的气隙412，这倾向于提供一种消音转子设计。钕-铁-硼磁体408通过芯414的一部分而相互隔开。钕-铁-硼磁体408相互隔开使其更牢固地位于槽中。槽405在包含每个钕-铁-硼磁体408的每个区域上为梯形。也即，替代紧密地与复合的铁氧体磁体和钕-铁-硼磁体的轮廓配合，芯可以被切割成不精确地与钕-铁-硼磁体408的短边配合。梯形槽形成由矩形钕-铁-硼磁体408的短边、铁氧体磁体406的凹面以及芯402所界定的基本上呈三角形的气隙410。该梯形槽减少了该槽横截面的复杂细节，这可以增加用于制造该槽的模具的寿命，当模具的寿命对于制造者而言比电动机噪声对于终端用户而言更为重要时，使得梯形槽令人满意。因此，该实施例使得模具的寿命更长并且确保了对两个相对较小的钕-铁-硼磁体408的定位，这对于模具的寿命而言是成本有效的并且使得电动机的噪音最小(与使用一个大的钕-铁-硼磁体的设计相比)。尽管在图4中未示出，但是可以想到芯402是凸角型的，尽管可以选用所示的圆柱形芯。芯402关于线B非对称，这是由于槽407的形状与槽415不同。
现在参考图5，示出了本发明的实施例，其在精确切割复合槽507中使用面包条形的钕-铁-硼磁体508和弧形铁氧体磁体506。仅仅铁氧体磁体506位于非复合槽515中。芯502具有绕其旋转的中心轴504以及平行于该轴504延伸的槽。弧形铁氧体磁体506具有面向中心轴504的凸面510和远离中心轴504的凹面512。面包条形钕-铁-硼磁体508通常为矩形；然而，长边中的一个通常与铁氧体磁体506的凹面512互补。钕-铁-硼磁体508的曲边与铁氧体磁体506的凹面512基本接触。精确切割槽505是在钕-铁-硼磁体区域呈梯形或三角形的槽的替代物。该槽505被精确切割以便接收铁氧体磁体506和钕-铁-硼磁体508，同时保持在铁氧体磁体和钕-铁-硼磁体之间以及在每个磁体和转子芯之间的最小气隙。这意味着芯502紧密地与复合的铁氧体磁体和钕-铁-硼磁体的轮廓配合。该实施例实质上在两个磁体之间或在磁体和芯之间没有气隙，因此在以高速工作时十分安静。然而，大面包条形钕-铁-硼磁体508和精确切割意味着由于模具寿命缩短和钕-铁-硼磁体费用增加，而导致该实施例可能制造较为昂贵。而且与使用梯形槽的实施例相比，使用精确切割的实施例通常具有较小的最大感应系数，这意味着这些实施例可能没有其它实施例有效。尽管未在图5中示出，但是可以想到芯502是凸角型的，尽管可以选用所示的圆柱形芯。芯502关于线B非对称，这是由于槽507的形状与槽515不同。
现在参考图6，本发明实施例在梯形复合槽605中使用两个面包条形钕-铁-硼磁体608和一个弧形铁氧体磁体606。仅仅铁氧体磁体606位于非复合槽615中。芯602具有绕其旋转的中心轴604以及平行于该轴604延伸的槽。弧形铁氧体磁体606具有面向中心轴604的凸面和远离中心轴604的凹面。面包条形钕-铁-硼磁体608通常是矩形；然而，它们长边中的一个与铁氧体磁体606的凹面互补。每个钕-铁-硼磁体508的曲边基本与铁氧体磁体606的凹面接触。钕-铁-硼磁体608彼此分离。该槽不是精确切割，但是槽605在包含钕-铁-硼磁体608的区域是梯形。也即，替代紧密地与复合的铁氧体磁体和钕-铁-硼磁体的轮廓配合，芯可以被切割成不精确地与钕-铁-硼磁体608的短边配合。梯形槽形成由矩形钕-铁-硼磁体608的短边、铁氧体磁体606的凹面以及芯602所界定的基本上呈三角形的气隙610。该梯形槽减少了该槽横截面的复杂细节，这可以增加用于制造该槽的模具的寿命，当模具的寿命对于制造者而言比电动机噪声对于终端用户而言更为重要时，使得梯形槽令人满意。与图4所示的实施例相比，该实施例使得模具的寿命延长并且确保了两个相对较小的钕-铁-硼磁体的定位，减小了气隙。尽管未在图6中示出，但是可以想到芯602是凸角型的，尽管可以选用所示的圆柱形芯。芯602关于线B非对称，这是由于槽607的形状与槽615不同。
图7是垂直于根据本发明一个实施例的转子702的旋转轴的横截面图，该转子具有复合槽，该复合槽704包括用于铁氧体磁体的弧形槽706，该弧形槽与用于钕-铁硼磁体的矩形槽706相邻。非复合槽包括仅用于铁氧体磁体的弧形槽708。该结构称为顺向T(consequent T)。因此，转子702包括具有端部的弧形复合槽704，每个端部中止于矩形槽706。转子702还包括弧形非复合槽708。铁氧体磁体710位于弧形槽704和708之中，并且钕-铁-硼磁体712位于矩形槽706中。可以将气隙714可选地形成在铁氧体磁体710和钕-铁-硼磁体712之间。
参考图8和9，图8是垂直于根据本发明一个实施例的转子804边缘802的旋转轴的部分横截面图，示出了用于接收铁氧体磁体和钕-铁-硼磁体的弧形复合槽806的部分。槽806中止于修整为圆形的末端槽808。图9是垂直于根据本发明一个实施例的转子904边缘902的旋转轴的部分横截面图，该转子示出了用于接收铁氧体磁体和钕-铁-硼磁体的弧形复合槽906。该槽906中止于修整为方形的末端槽908。
因此，转子804、904包括末端槽808、908，其分别与槽806和906相邻。在一个实施例中，末端槽808、908包括气隙。可选的是，末端槽808、908包括与转子804、904的纵向轴径向间隔并且分别相对于转子804、904的外表面或边缘802、902切向延伸的长槽。
图10是垂直于根据本发明一个实施例的转子1004边缘1002的旋转轴的部分横截面图，示出了用于接收铁氧体磁体和钕-铁-硼磁体的弧形复合槽1006的部分。末端开口1008的位置与槽1006相邻。因此，转子1004具有与该槽1006邻近并且与该槽1006隔开的末端开口1008，从而该末端开口1008不与槽1006邻接。可选的是，末端开口1008形成气隙。
可选的是，可以想到在没有凸角的对称转子中可以实现不同的实施例。例如，在对称转子的每个或每一个槽中可以采用图8、9和10的实施例。因此，在一个实施例中，电动机转子804、904、1004包括芯，该芯具有第一和第二对槽806、906、1006，它们与纵向轴径向隔开并且平行于该轴延伸，其中所述纵向轴位于该第一对槽之间。平行于纵向轴延伸的锶铁氧体磁体位于第一槽和第二槽806，906，1006中。平行于纵向轴延伸的钕-铁-硼磁体也位于第一和第二槽806、906、1006中，使得钕-铁-硼磁体位于锶铁氧体磁体和转子芯外表面802、902、1002之间。
在一个实施例中，该芯具有分别与槽806、906相邻的末端槽808、908，并且形成气隙。在另一个实施例中，芯具有分别与槽1006邻近以及与槽1006隔开的末端开口1008，从而末端开口1008不与槽1006邻接并且形成气隙。
在另一个实施例中，末端槽包括伸长槽(例如，参考图7中的槽706)，该伸长槽与纵向轴径向间隔并且相对于转子芯的外表面802、902、1002切向延伸。
图11示出了对62mm孔、24槽、4极的三种不同结构的电动机的齿槽效应的比较。第一种结构是在2005年12月19日申请的发明名称为“转子的复合磁结构”的美国共同未审专利申请11/311,798中所示的复合结构。标注为复合齿槽效应的行示出了第一种结构具有在±0.010NM范围内的齿槽效应转矩。第二种结构是图3所示的双钕-铁-硼磁体结构。标注为双钕-铁-硼磁体顺向齿槽效应的行示出了第二种结构具有在±0.005NM范围内的齿槽效应转矩，其小于第一种复合结构的齿槽效应转矩。第三种结构是图7所示的顺向T结构。标注为顺向TEE齿槽效应的行表示第三种结构具有在±0.003NM范围内的齿槽效应转矩，其小于第一种复合结构的齿槽效应转矩。
以下的表1示出了复合结构、双钕-铁-硼磁体顺向结构以及顺向Tee结构在1000rmp下的反电动势(emf)。
表1
以下表2示出了复合结构、双钕-铁-硼磁体顺向结构以及顺向Tee结构的最小感应系数、最大感应系数以及它们的比值。
表2
以下表3示出了复合结构、双钕-铁-硼磁体顺向结构以及顺向Tee结构在3.5ampDC下的峰值NM转矩以及平均NM转矩。
表3
在另一个实施例中，本发明是一种制造IPM电动机的方法，该电动机具有这样的转子，在所述转子中铁氧体磁体和钕-铁-硼磁体都位于一对相对的第一复合槽中，并且仅仅铁氧体磁体位于另一对相对的第二非复合槽中。该对相对的第一复合槽在转子芯中被形成为使得纵向轴A位于第一复合槽之间。该对相对的第二非复合槽在转子芯中形成为使得纵向轴A位于第二非复合槽之间。将第一磁体插入到第一和第二槽的每一个中。将第二磁体仅插入到第一复合槽中的每一个中使得第二磁体位于第一磁体和芯外表面之间。将转子芯插入到定子中，该定子具有连接到整流电路的绕组。所述槽可以与其内的磁体轮廓精确互补以便使得气隙最小化，或者它可以具有包围矩形钕-铁-硼磁体的梯形区域，或者它可以具有末端槽或者末端开口。将转子芯固定在定子内部，整流电路激励绕组。定子磁场与转子中的磁体相作用，引起转子转动。
可以想到，上述实施例的多个方面可以以多种方式组合而不偏离本发明。例如，图6所示的实施例可以使用精确槽来代替梯形槽，或者图5所示的实施例可以使用梯形槽。图1-7示出了4个内部具有磁体的槽，但是转子可以具有任何数目的槽，其中的一些槽可以是空的。而且，相同的转子可以包括多于一个的钕-铁-硼磁体和铁氧体磁体结构。上述实施例所示的中心轴可以被作为芯的一部分而浇铸、铸造、或者机械加工，或者通过一些其它方式例如花键接合而与芯接合。此外，任何一种转子结构可以具有如图1所示的凸角型芯。
参考图12，本发明的电动机1200的一个实施例以横截面示出，该电动机包括转子1202，其具有绕旋转轴A旋转的中心轴1204。转子1202包括钢制(或者其它材料)圆柱芯，该芯具有平行于该轴延伸的槽1210。铁氧体磁体1206和钕-铁-硼磁体1208位于槽1210中。转子位于具有绕组1214的定子1212中。绕组连接到整流电路1216上。整流电路1216激励绕组1214，引起转子1202绕中心轴1204旋转。图12示出的实施例为，其中单独、一体的槽1210在其内定位钕-铁-硼磁体和铁氧体磁体，每个磁体具有基本呈矩形的横截面，该横截面与旋转轴A垂直。每个磁体具有基本相互平行的长矩形尺寸，并且铁氧体磁体1206位于钕-铁-硼磁体1208和中心轴1204之间。在一个实施例中，槽1210具有在钕-铁-硼磁体1208末端与旋转轴垂直的部分梯形横截面。这会引起由钕-铁-硼磁体1208的短边、铁氧体磁体1206的长边以及芯1202所界定的基本上呈三角形的气隙1218。可以想到其它转子结构。例如，参见图2-7所示的上述结构。
通常，采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钕-铁-硼磁体的电动机具有谐波丰富的反EMF。采用本发明的电动机所具有的最小感应系数通常比现有技术中已知的电动机低，并且最大感应系数与最小感应系数的比率通常较高，这提高了磁阻转矩的作用。采用本发明的电动机在高速下所产生的噪音比现有技术中已知的电动机少，这是因为转子中的气隙较小。
采用本发明的电动机比现有技术中的电动机制造便宜，但是在成本和噪音之间是折衷的。矩形钕-铁-硼磁体比其它形状的钕-铁-硼磁体便宜，但是当它们与弧形铁氧体磁体一起使用时会出现一些气隙。两个小的钕-铁-硼磁体通常比一个大的钕-铁-硼磁体能更好的符合弧形铁氧体磁体。然而，使用两个小的钕-铁-硼磁体可能需要一个用于在转子芯中形成槽的模具而具有复杂细节，这意味着该模具没有具有较少复杂细节的模具持久。模具的寿命可以通过不与磁体的每个细节相符来增加，但是这将导致当电动机在高速工作时增加噪音的气隙。由于其成本降低、噪音减少并且电噪声降低，所以根据本发明的电动机对于家用电器例如卧式洗衣机、洗碗机和烘衣机来说是有利的。
现在参考图13，示出了本发明的一个实施例，其使用矩形钕-铁-硼磁体1308、弧形铁氧体磁体1306以及精确槽。圆柱形芯1302具有中心轴1304并绕其旋转，还具有平行于该轴1304延伸的槽。基本上呈弧形的铁氧体磁体1306具有面向中心轴1304的凸面和远离中心轴1304的凹面。矩形钕-铁-硼磁体1308定位为其长边与该铁氧体磁体1306的凸面相接触。该钕-铁-硼磁体1308与该铁氧体磁体1306的凸面中心偏离。该槽被精确切割以与复合的钕-铁-硼磁体和铁氧体磁体的轮廓配合。然而，存在基本上呈三角形的气隙1310，其由铁氧体磁体1306的凸面、钕-铁-硼磁体1308的部分长边以及芯1302界定。与其它某些实施例相比，该实施例使得模具寿命延长且气隙较小。但是，定位钕-铁-硼磁体1308以使其比铁氧体磁体1306更接近该轴1304，这样降低了转子的最大感应系数。
参考图14，本发明的一个实施例示出了使用矩形钕-铁-硼磁体或者面包条形钕-铁-硼磁体的凸角型芯，示出了弧形铁氧体磁体以及梯形槽。该实施例没有示出磁体以便更好地描述复合槽1408的横截面。圆柱形芯1402具有中心轴1406并绕其旋转，并且复合槽1408平行于该轴1406延伸。在该实施例中所使用的弧形铁氧体磁体具有面向中心轴1406的凸面和远离中心轴1406的凹面。在本实施例中所使用的钕-铁-硼磁体具有面向铁氧体磁体的较长尺寸，并且或者具有与铁氧体磁体206的凹面接触的钕-铁-硼磁体角(如果钕-铁-硼磁体是矩形)，或者其一个长边基本与铁氧体磁体的凹面互补并且基本上与铁氧体磁体的凹面接触(如果钕-铁-硼磁体是面包条形的)。复合槽1408是垂直于旋转轴的梯形横截面，其与本实施例中所用的钕-铁-硼磁体的短边形成基本上呈三角形的气隙。该梯形槽减少了该槽横截面的复杂细节，这能够提高用于制造该槽的模具的寿命，当模具的寿命对于制造者而言非常重要时，使得梯形槽令人满意。
在图14的实施例中，芯1402是凸角型的。具有凸角的转子通常具有降低的齿槽效应转矩以及较大的正弦反EMF。所示的芯1402的横截面由理想圆圈1404包围。芯1402的外缘1412与理想圆圈1404的距离不是固定的。从芯1402的外缘1412到理想圆圈1404的距离1410通常小于从芯1402的外缘1412越过槽1408到理想圆圈1404的距离1414。在一个实施例中，越过槽的距离1410是0.020”，没有越过槽的距离1414是0.040”。本发明的实施例可以在转子中的每个槽上具有凸角或者在转子中的所选择的槽上具有凸角。
在另一个实施例中，本发明是一种制造IPM电动机的方法，该电动机具有转子，其中铁氧体磁体和钕-铁-硼磁体都位于同一槽中。在圆柱形电动机芯中形成一个或多个槽，该芯具有中心纵向轴并绕其旋转。将钕-铁-硼磁体插入该槽中。将铁氧体磁体置于在钕-铁-硼磁体和圆柱形芯的中心纵向轴之间的槽中。当从相对于中心纵向轴的横截面观察时铁氧体磁体是弧形的。当从相对于中心纵向轴的横截面观察时钕-铁-硼磁体是矩形的。该槽可以与复合的铁氧体磁体和钕-铁-硼磁体的轮廓精确互补以便使得气隙最小化，或者它可以具有围绕矩形钕-铁-硼磁体的梯形区域。将转子芯固定在具有绕组的定子内部，并且整流电路激励绕组。定子磁场与转子中的磁体相作用，引起转子转动。
可以想到，上述实施例的多个方面可以以多种方式组合而不偏离本发明。例如，图6所示的实施例可以使用精确槽来代替梯形槽，或者图5所示的实施例可以使用梯形槽。图2-7和12示出了4个其中具有磁体的槽，但是转子可以具有任何数目的槽，其中的一些槽可以是空的。而且，相同的转子可以包括多于一个的钕-铁-硼磁体和铁氧体磁体结构。上述实施例所示的中心轴可以被作为芯的一部分浇铸、铸造、或者机械加工，或者通过一些其它方式例如花键接合而与芯接合。此外，任何一种转子结构可以具有如图2所示的凸角型芯。
本发明的一些实施例具有优于其它实施例的优点。例如，使用两片矩形(即从横界面看)钕-铁-硼磁体使得气隙比一片大的钕-铁-硼磁体小，这是由于它们可以更好地与铁氧体磁体的曲率相符。本发明的使用梯形槽的实施例所具有的最大感应系数通常比使用精确槽的实施例高，这是由于精确槽倾向于增加漏磁通。与使用转子芯的实施例相比，使用凸角型转子芯的实施例通常具有较低的齿槽效应转矩和较大的正弦反EMF。而且，与其中钕-铁-硼磁体比铁氧体磁体距离转子中心近的实施例相比，其中钕-铁-硼磁体比铁氧体磁体距离转子中心远的实施例倾向于发展更高的最大感应系数。
这里的描述也可以应用于其它电动机结构中，例如旋转电枢式同步电动机和/或在转子中具有绕组以及在定子中具有永久磁体的电动机，反之亦然。例如，在旋转电枢式同步电动机中，本发明的实施例包括位于单个槽中的钕-铁-硼磁体和铁氧体磁体。磁体结构和气隙因素与上述转子设计类似。
该描述始终涉及铁氧体磁体和钕-铁-硼磁体，但是本领域技术人员可以了解，可以使用除了钕-铁-硼磁体和铁氧体磁体以外的磁性材料而没有脱离本发明，并且可以在每个槽中使用多于一个的钕-铁-硼磁体和/或铁氧体磁体。本领域技术人员还可注意到，可使用不同形状的钕-铁-硼磁体、铁氧体磁体以及槽，而不脱离本发明。转子芯可以由钢或者其它材料制造。该描述始终涉及IPM电动机转子，但是本领域技术人员理解，可将电动机构造成发电机。
已经详细描述了本发明，显然，在不偏离所附权利要求限定的本发明范围下，可进行修改和变形。
这里所示和所述的方法的执行或实现顺序不是关键的，除非另有说明。即，本发明人设想到，该方法的元素可以以任何顺序来实现，除非另有说明，该方法可以包括比这里所公开的元素多或少的元素。例如，可以想到，在另一个元素之前、同时或者之后执行或实现一个特定元素落入本发明的不同实施例的保护范围中。
当引入本发明的元素或其优选实施例时，术语“一种”、“该”以及“所述”倾向于指明一个或多个元素。术语“包括”、“包含”以及“具有”倾向于是包含性的并且表示除了所列元素之外可以存在其他元素。
根据上述内容，可以看出，可以实现本发明的几个目的并且获得其它有益结果。
由于可对上述产品和方法进行各种变化而不脱离本发明的范围，因此，本发明旨在，所有在上述描述中包含的、并且在附图中所示的内容都是示意性的而不是限制性的。
权利要求
1.一种电动机转子，包括芯，其具有中心纵向轴和槽，所述槽与所述纵向轴径向间隔并且平行于所述轴延伸；以及第一和第二磁体，其位于所述槽中并且平行于所述纵向轴延伸，其中所述第一磁体位于所述第二磁体和所述纵向轴之间。
2.如权利要求1所述的转子，其中所述芯具有平行于所述纵向轴的外表面，所述外表面具有凸角。
3.如权利要求2所述的转子，还包括与所述第一或第二磁体相邻的气隙。
4.如权利要求1所述的转子，其中当从横截面观察时，所述第一磁体是弧形的，且具有面向所述中心纵向轴的凸面以及面向所述第二磁体的凹面；并且其中满足以下两项中的至少一个(1)当从横截面观察时，所述第二磁体具有基本与所述第一磁体的凹面互补且接触的凸面；以及(2)当从横截面观察时，所述第一磁体的至少部分与所述第二磁体的凹面接触。
5.如权利要求1所述的转子，还包括第三磁体，其材料与所述第二磁体相同，且其尺寸和形状与所述第二磁体基本相同，其中，当从横截面观察时，所述第二和第三磁体基本为矩形，并且它们每个的至少一部分与所述第一磁体接触。
6.如权利要求1所述的转子，其中所述第一或第二磁体中的一个是锶铁氧体磁体，所述第一和第二磁体中的另一个是钕-铁-硼磁体，并且所述芯是钢的。
7.如权利要求1所述的转子，还包括电动机，所述电动机包括与所述转子磁耦合的定子，其具有绕组；以及整流电路，其与所述定子的绕组电连接。
8.如权利要求1所述的转子，其中所述芯具有一对相对的第一槽，所述第一槽与所述纵向轴径向隔开并平行于所述轴延伸，其中所述纵向轴位于所述一对第一槽之间，所述芯具有一对相对的第二槽，所述第二槽与所述纵向轴径向隔开并平行于所述轴延伸，其中所述纵向轴位于所述一对第二槽之间；所述第一磁体平行于所述纵向轴延伸，所述第一磁体位于所述第一槽中并且位于所述第二槽中；以及所述第二磁体平行于所述纵向轴延伸，所述第二磁体仅位于所述第一槽中，其中所述第二磁体位于所述第一磁体和所述芯的外表面之间。
9.如权利要求8所述的转子，其中所述外表面平行于所述纵向轴，所述外表面具有凸角。
10.如权利要求2所述的转子，还包括与所述第一或第二磁体中的至少一个相邻的气隙，并且其中，每个所述第一槽包括具有端部的弧形槽，所述端部中止于矩形槽，其中每个所述第二槽包括弧形槽，其中所述第一磁体位于所述弧形槽中，以及其中所述第二磁体位于所述矩形槽中，而在所述第一磁体和第二磁体之间形成气隙。
11.如权利要求8所述的转子，其中当从横截面观察时，所述第一磁体是弧形的，其具有面向所述中心纵向轴的凸面以及面向所述第二磁体的凹面。
12.如权利要求8所述的转子(1)其中所述芯具有末端槽，该末端槽与所述第一槽邻接并且形成气隙；或者(2)其中所述芯具有末端开口，该末端开口与所述第一槽邻近且隔开，从而所述末端开口不与所述第一槽邻接，所述末端开口形成气隙。
13.如权利要求12所述的转子，其中所述末端槽包括伸长槽，所述伸长槽与所述纵向轴径向隔开并且相对于所述芯的外表面切向延伸。
14.如权利要求1所述的转子，其中所述芯具有一对相对的第一槽，该第一槽与所述纵向轴径向隔开并且平行于所述轴延伸，其中所述纵向轴位于所述一对第一槽之间，所述芯具有一对相对的第二槽，所述第二槽与所述纵向轴径向隔开并且平行于所述轴延伸，其中所述纵向轴位于所述一对第二槽之间；所述第一磁体平行于所述纵向轴延伸，所述第一磁体位于所述第一槽中并且位于所述第二槽中；以及所述第二磁体平行于所述纵向轴延伸，所述第二磁体位于所述第一槽中并且位于所述第二槽中，其中所述第二磁体位于所述第一磁体和所述芯的外表面之间；其中(a)所述芯具有末端槽，该末端槽与所述第一和第二槽邻接并且形成气隙；或者(b)所述芯具有末端开口，该末端开口分别与所述第一和第二槽邻近且隔开，从而所述末端开口不与所述第一和第二槽邻接，所述末端开口形成气隙。
15.如权利要求14所述的转子，其中所述末端槽包括伸长槽，所述伸长槽与所述纵向轴径向隔开并且相对于所述芯的外表面切向延伸。
16.一种制造电动机的方法，包括在具有中心纵向轴的转子芯中形成槽；将第一磁体插入所述槽；将第二磁体插入所述槽，其中所述第一磁体基本上位于所述第二磁体和中心纵向轴之间；将所述转子芯插入到具有绕组的定子中；以及将所述定子的绕组连接到整流电路。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述第一磁体是锶铁氧体磁体，所述第二磁体是钕-铁-硼磁体，并且所述芯是钢的。
18.一种制造电动机的方法，包括形成具有中心纵向轴的转子芯；在所述转子芯中形成一对相对的第一槽，所述纵向轴位于所述第一槽之间；在所述转子芯中形成一对相对的第二槽，所述纵向轴位于所述第二槽之间；将第一磁体插入所述第一和第二槽的每一个中；将第二磁体仅插入所述第一槽的每一个中，其中所述第二磁体位于第一磁体和所述芯的外表面之间；将所述转子芯插入到具有绕组的定子中；以及将所述定子的绕组连接到整流电路。
全文摘要
一种内装式永久磁体型电动机。凸角型转子包括与其纵向旋转轴径向隔开的复合槽和非复合槽，它们平行于该轴延伸。铁氧体磁体位于复合槽和非复合槽中，而钕－铁－硼磁体仅位于复合槽中。
文档编号H02K1/02GK101026318SQ200610130939
公开日2007年8月29日 申请日期2006年12月19日 优先权日2005年12月19日
发明者G·E·霍斯特 申请人:艾默生电气公司