電機轉子以及應用其的電機的制作方法

本實用新型涉及電機，具體而言，涉及一種電機轉子及應用該電機轉子的電機。

背景技術：

在滾筒洗衣機的領域中廣泛地使用電機，特別是永磁同步電機，來驅動滾筒的旋轉。決定該類電機性能優劣的關鍵點在于在洗衣機洗滌和脫水兩個工作過程中電機的效率和噪音。隨著洗衣機品質的提高，在洗衣機脫水過程中要求電機達到很高的轉速，該電機轉速至少達到10000r/min，特別地可能高達18000r/min，然而不希望帶來能耗和噪音的大幅提高。

用于滾筒洗衣機的傳統電機的轉子主要包括兩種類型，一種是表面式轉子磁路結構，另一種是內置式切向轉子磁路結構。

在表面式轉子磁路結構中，永磁體粘貼于轉子表面，永磁體整體裸露在氣隙中，其產生的磁場正對定子磁場，由于電機在高速弱磁時，定子線圈上產生的電流變大，會導致裸露在電機氣隙中的永磁體容易出現退磁現象，降低電機的使用壽命。此外，為了避免電機高轉速下永磁體從轉子表面脫落，通常需要在永磁體表面使用鋼套、來保護轉子表面上的永磁體在電機高速運轉時不從轉子鐵芯表面脫落，而這種保護鋼套的工藝復雜、成本較高，會帶來電機整體復雜度和成本的提高。

內置式切向轉子磁路結構解決了上述問題，但是其本身仍然存在很多缺陷。傳統的內置式切向轉子磁路結構中，齒槽轉矩較大，使得電機的轉矩脈動較大，從而帶了不期望的振動和噪音；電機運行時產生很大的反電動勢諧波含量，使得電機在以高轉速運行時帶來較大的振動噪音。

在傳統的解決方案中，相鄰的轉子磁極之間是斷開的，并通過注塑等方式使得其它非導磁材料的填充物填充到相鄰轉子磁極之間的斷開處，用來固定每個單獨的永磁體。這種布置方式雖然能一定程度地減小轉子的漏磁現象，但是在電機的高速運行過程中，填充在相鄰磁極斷開位置上的注塑體承受較高的轉矩，可能會斷裂或破碎，從而對電機內部以及定子/轉子的其他部分造成損壞，因此將較低強度的注塑體填充在斷開的磁極之間的布置方式會給高速運轉(例如：洗衣機的脫水過程)的電機帶來風險。

因此，需要一種高效、低噪音、適于長時間高速運轉的電機。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于提供一種高效、低噪音、適于長時間高速運轉的電機。

本實用新型涉及一種電機轉子，其中電機轉子具有多個槽，該多個槽沿電機轉子的徑向成輻射狀分布，并且用于將多個永磁鐵氧體接收于其內，并且，電機轉子的外表面是由沿該電機轉子的周向分布且相間布置的多個樣條曲面和弧形連接段的外表面形成的非圓形面，使得當電機轉子安裝到內表面為圓形的電機定子鐵芯內，電機轉子的外表面和該電機定子的定子鐵芯之間的間隙為非均勻氣隙。

在電機轉子的一個可選的實施例中，接收在相鄰的槽內的相鄰的永磁鐵氧體的相互面向的表面具有相同的極性，使得在每對相鄰的鐵氧體之間形成磁極。

在電機轉子的一個可選的實施例中，磁極的外表面為樣條曲面，每兩個相鄰的磁極通過弧形連接段而連接。

在電機轉子的一個可選的實施例中，樣條曲面關于其中心軸線呈軸對稱，并且在其中心軸線處與定子鐵芯之間的氣隙為最小氣隙δ_min，最小氣隙δ_min與樣條曲面和定子鐵芯之間的氣隙δ的比值是電機轉子相對于樣條曲面的中心軸線轉過的電角度β的余弦函數，其中電角度β是電機轉子相對于樣條曲面的中心軸線轉過的機械角度θ與電機的極對數P的乘積。

在電機轉子的一個可選的實施例中，樣條曲面的形狀滿足公式：δ_min/δ＝cos(β)。

在電機轉子的一個可選的實施例中，電機轉子具有沿周向方向均勻分布的八個槽，并且分別用于將八個永磁鐵氧體接收于其中，每條樣條曲面關于其中心軸線呈軸對稱，并且跨過的機械角度θ₀為31°。

在電機轉子的一個可選的實施例中，在弧形連接段和永磁鐵氧體之間形成有空槽，注塑體注入到空槽中，以將永磁鐵氧體進一步固定在槽中。

在電機轉子的一個可選的實施例中，弧形連接段的厚度在0.4mm到0.6mm的范圍內，其中弧形連接段的厚度為弧形連接段的外圓半徑R2和內圓半徑R1之間的差值。

在電機轉子的一個可選的實施例中，弧形連接段的寬度b1小于永磁鐵氧體的寬度b2，其中弧形連接段的寬度b1為弧形連接段與相鄰的樣條曲面兩個連接點之間的距離。

在電機轉子的一個可選的實施例中，弧形連接段的高度H1不大于樣條曲面的頂點與電機轉子的軸心的距離H2，且大于樣條曲面的最遠離其頂點的最低點處與電機轉子的軸心的距離H3，其中弧形連接段的高度H1為弧形連接段的頂點與電機轉子的軸心的距離。

本實用新型還涉及一種電機，其包含在前述任意實施例中限定的電機轉子。

在電機的一個可選的實施例中，該電機還包括定子，定子的定子鐵芯的內表面整體成圓形，并且定子鐵芯包括中心對稱、沿周向均勻布置的定子齒，每兩個相鄰的定子齒之間形成凹槽，每個凹槽用于接收相應的電樞繞組于其內。

在電機的一個可選的實施例中，定子鐵芯的疊厚L2小于轉子的疊厚L1。

在電機的一個可選的實施例中，定子鐵芯的疊厚L2與轉子的疊厚L1的比值L2/L1在0.8到0.96的范圍內。

根據本實用新型的上述有利實施例有利于提高電機低速運行的平穩性和降低電機高速運行時的振動和噪音，從而提高電機的可靠性及效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術方案，下面將對實施例的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅涉及本實用新型的一些實施例，而非對本實用新型的限制。

圖1示意性地示出了根據本實用新型實施例的電機定子的結構。

圖2示意性地示出了根據本實用新型的實施例的電機轉子的正視圖。

圖3中示出了半個光滑的樣條曲面的最小氣隙與周邊氣隙的比值隨電角度β變化的曲線。

圖4是電機轉子的正視圖的另一示圖，示出了樣條曲面和連接段相對于該電機轉子的尺寸關系。

圖5示出了根據本實用新型的實施例的電機的截面圖，其中轉子5和定子4已經配合到一起。

圖6示出了具有根據本實用新型的實施例優化后的轉子結構的電機的齒槽轉矩與現有技術中的具有傳統轉子磁路結構的電機的齒槽轉矩的實驗結果的對比曲線，其中虛線表示未優化的電機的齒槽轉矩隨時間變化的曲線，而實線則表示根據本實用新型的公開內容進行優化的電機的齒槽轉矩隨時間變化的曲線。

圖7示出了具有根據本實用新型的實施例優化后的轉子結構的電機的反電勢與現有技術中的具有傳統轉子磁路結構的電機的反電勢的實驗結果的對比曲線。其中虛線表示未優化的電機的反電勢隨時間變化的曲線，而實線則表示根據本實用新型的公開內容進行優化的電機的反電勢隨時間變化的曲線。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例的附圖，對本實用新型實施例的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于所描述的本實用新型的實施例，本領域普通技術人員在無需創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

除非另作定義，此處使用的技術術語或者科學術語應當為本實用新型所屬領域內具有一般技能的人士所理解的通常意義。本實用新型專利申請說明書以及權利要求書中使用的“第一”、“第二”以及類似的詞語并不表示任何順序、數量或者重要性，而只是用來區分不同的組成部分。同樣，“一個”或者“一”等類似詞語也不表示數量限制，而是表示存在至少一個。

根據本實用新型的實施例，公開了一種永磁同步電機，特別地適用于洗衣機滾筒驅動。具體而言，該電機包括：內置切向磁路結構的電機轉子和與其配合的定子結構，該電機轉子結構以及轉子與定子配合的結果可以實現優異的電機性能，使得應用該電機的洗衣機的洗滌效率和脫水效率都能保持較高的水平，減少損耗，降低噪音和振動，提高洗衣機品質。

圖1示意性地示出了根據本實用新型實施例的電機定子的結構。具體而言，如圖1所示，該定子結構的定子鐵芯4的內徑6整體上呈圓形。該定子鐵芯4包括多個中心對稱排列的定子齒21，相鄰的兩個定子齒21之間形成一個凹槽22，定子齒21和凹槽22沿著定子鐵芯4的周向方向相間布置。在圖1所示的實施例中，該定子鐵芯4包括相間布置的12個定子齒21和12個凹槽22；但是在替代的實施例中，定子齒21和凹槽22的數量可根據實際應用靈活地選擇。凹槽22中填充有電樞繞組，電樞繞組的材料優選地為鋁線，以保持較低的成本和良好的導電性；在替代的實施例中，電樞繞組的材料可以根據具體的應用另外的選擇，例如鋁合金，銅，銅合金等。

圖2示意性地示出了根據本實用新型的實施例的電機轉子5的正視圖。在圖2中，永磁鐵氧體3嵌入到電機轉子5的一部分槽2中，以清楚地描述轉子5的結構以及永磁鐵氧體3在轉子5中的布置方式。具體而言，圖2所示的轉子5具有整體上圓形、并且中心對稱的結構。在轉子5的周向方向均勻分布有多個沿半徑方向成輻射狀的槽2，用于將永磁鐵氧體3嵌入其中，永磁鐵氧體3可以是與槽12的形狀相匹配的多個單塊塊狀永磁鐵氧體3。在圖2所示的實施例中，轉子5沿其周向方向包括8個均勻分布的槽2，用于容納8個單獨的永磁鐵氧體3(在圖2中僅有5個永磁鐵氧體2安裝到轉子5的槽2中，剩下的3個永磁鐵氧體未安裝到轉子5的剩余的槽2中，以用于清楚地示出槽2的結構)；然而在替代的實施例中，槽2的數量以及相應地嵌入槽2中的永磁鐵氧體3的數量可以根據具體地應用而靈活地選擇。此外，槽2和永磁鐵氧體3的形狀也不限于圖2所示出的方形條狀，而是也可以靈活地選擇其他形狀。

如圖2所示，嵌入到相鄰的槽2中的相鄰的永磁鐵氧體3的充磁方向相反，使得相鄰的永磁鐵氧體3的相互面向的表面具有相同的極性，從而利用轉子材料的導磁特性形成磁極1。具體地，如圖2所示，相鄰的永磁鐵氧體3的N極和N極相互面對，并且S極和S極相互面對。這種布置方式使得槽2中的永磁鐵氧體3發出的磁場形成電機主磁場的閉合回路，可以增強磁場。圖2這種轉子結構還可以使得永磁鐵氧體能夠承受更大的去磁電流，而不容易退磁。

在通過轉子材料形成的磁極1的每兩個相鄰的磁極1之間，通過細長的弧形連接段12(見圖4)相互連接，從而避免在傳統轉子中注塑體設置在斷開的相鄰磁極之間的布置方式，提高了轉子的強度，并從而延長了該轉子以及應用該轉子的電機的使用壽命。關于該細長的弧形連接段12的特征在下文中參考圖4詳細地描述。

現在返回圖2，并參照圖2詳細地描述轉子5的外表面的形狀。具體地，磁極1形成在相鄰的永磁鐵氧體3之間，并且其數量對應于永磁鐵氧體的數量。在根據圖2所示的實施例中，永磁鐵氧體3的數量為八個，因此，形成在其間的磁極1的數量也為八個；在替代的實施例中，磁極的數量可以根據具體地應用靈活地選擇。

轉子5的外表面由多個相間布置的磁極1的外表面和細長的弧形連接段12(見圖4)的外表面形成。在根據本實用新型的一個實施例中，磁極1的外表面在圖2的轉子的正視圖中示出為樣條曲線，并且該樣條曲線在空間中對應為光滑的樣條曲面11。因此，轉子5的外表面包括多段樣條曲面11和將該多段樣條曲面11相互連接的弧形連接段12的外表面。在圖2的視圖中，每段樣條曲面11跨過的機械角度為θ₀，且該樣條曲面11關于其中心軸線(即θ＝0°處，圖2中僅在一個磁極上標示了θ＝0°處，但是可以理解的是，其它每個磁極在θ＝0°處都有相應的中心軸線，只是省略未標示)呈軸對稱，其中θ₀是磁極1跨過的電角度β₀與電機的極對數P的比值。在圖2示出的實施例中，極對數P為4；在替代的實施例中，電機的極對數可以根據具體應用靈活地選擇，但是一般不低于3對。在優選的實施例中，極對數P為4，每段樣條曲面11跨過的角度為31°。

為了使得本實用新型的電機的空載氣隙磁場更加接近于正弦分布，降低反電勢波形的諧波含量，并且提高永磁電機運行的平穩性以及減小振動和噪音，得到具有優異性能的電機，申請人對樣條曲面11的形狀進行了優化設計，從而得到具有滿足上述要求的電機氣隙。特別地，通過對樣條曲面11的形狀進行特殊的設計，得到特定的非均勻氣隙，從而實現上述優異的電機性能。文中所述的非均勻氣隙是指轉子的磁極1的外表面到定子的內徑(即定子的內表面)6之間的氣隙長度沿周向不是均勻分布。

在根據本實用新型的實施例中，樣條曲面11的形狀設計為使得，轉子5外表面的形成為樣條曲面11的部分與定子的內徑6之間的最小氣隙與周邊氣隙的比值是隨電角度β變化的余弦函數。因此，在根據本實用新型的實施例中，定子內表面和轉子的外表面之間的非均勻氣隙體現為，在磁極1的中心軸線處的氣隙長度最短，為δ_min，并且當該樣條曲面11沿著磁極1的中心軸線向兩邊延伸時，氣隙δ以一定規律(δ_min/δ為電角度β的余弦函數)逐漸增大，在最遠離磁極1的中心軸線的位置處(即θ＝±1/2θ₀處)的氣隙δ長度最大，為δ_max。

在圖3中示出了半個光滑的樣條曲面11(即θ為0到1/2θ₀的范圍，其中θ以磁極的中心軸線為起點計算，表示距離磁極1的中心軸線的機械角度值)的最小氣隙與周邊氣隙的比值(即δ_min/δ，表示在縱坐標中)隨電角度β(表示在橫坐標中)的變化的示圖。在圖3的曲線中，橫坐標表示電角度β，縱坐標表示δ_min/δ的比值。特別地，樣條曲面11與定子內徑6之間的最小間隙δ_min在β＝0處達到，該最小間隙δ_min與周邊氣隙δ的比值是隨著電角度β(β＝P×θ，P為電機的極對數，在本實用新型的實施例中P＝4)變化的余弦函數，即δ_min/δ＝cos(β)。在優選的實施例中，氣隙δ的變化范圍大致在0.3mm到1.1mm的范圍內。

圖4是電機轉子的正視圖的另一示圖，示出了樣條曲線和連接段12相對于該電機轉子的尺寸關系。具體地，如圖4所示，在相鄰的樣條曲線之間通過一光滑的轉子鐵芯的連接段12而連接(也就是說相鄰樣條曲面11之間通過連接段12的外表面連接)，從而避免了相鄰磁極之間的斷開、并避免了其間用于固定永磁體的注塑體承受較大的轉矩，從而注塑體不易斷裂，使得電機的性能穩定、使用壽命延長。

在本實用新型的實施例中，永磁鐵氧體3形成為方形條狀，并且用于接收永磁鐵氧體3的槽2也設計為適合于接收永磁鐵氧體3的方形條狀。連接段12的弧形的形狀使得在連接段12下方以及永磁鐵氧體3的上方之間形成空槽13(見圖2和圖4)。將連接段12形成為圓弧狀，有利于增大空槽13的體積，從而有利于在空槽13內注入足夠的注塑體以進一步更好地固定永磁體3。同時相鄰磁極1之間通過連接段12連接在一起，避免了在相鄰磁極之間的斷開，從而注塑體無需連接斷開的相鄰磁極，使得填充在空槽13中的注塑體無需承受過大的轉矩，在長時間高速運轉電機的工作過程中也不易斷裂或破碎。

此外，相鄰磁極1之間通過連接段12連接在一起，通過使得此處磁路達到飽和來阻礙永磁鐵氧體發出的磁力線在此處形成回路，減小了漏磁現象，提高了電機的效率。理論上，連接段12的厚度越窄，長度越長，漏磁越小；但是連接段12的厚度也不能選擇過小，以保證轉子邊緣的支撐強度。在根據本實用新型的優選實施例中，連接段12大體成弧形，其厚度優選地選自0.4mm到0.6mm的范圍內。特別地，連接段12的外圓半徑R2和內圓半徑R1之間的差值(R2-R1，對應于連接段12的厚度)優選地在0.4mm到0.6mm的范圍內。

連接段12的寬度在圖4中以標記b1表示，并且b1小于永磁鐵氧體3的寬度b2。具體地，連接段12的寬度b1是該連接段12與相鄰的樣條曲線的兩個連接點之間的距離。連接段12的寬度b1的加長可以實現對漏磁現象更好地抑制，但是其不宜超過永磁鐵氧體3或槽2的寬度。寬度b1過長將會降低轉子外周邊緣的連接支撐強度。

如上文所述的連接段12的這一厚度選擇和寬度限制能夠很好地保證轉子邊緣的機械支撐強度，并同時實現對漏磁現象的良好的抑制，提高電機效率。

此外，連接段12的高度H1(即，連接段12的頂點距離轉子的軸心的距離，在圖4中示出)不大于樣條曲線的頂點距離轉子的軸心的距離H2(也在圖4中示出)，但是大于樣條曲線最遠離該頂點的最低點處距離轉子1的軸心的距離H3。這樣的設計有利于增大空槽13的體積，從而有利于在空槽13內注入足夠的注塑體以進一步更好地固定永磁體3。

因此，根據本實用新型的轉子結構中連接段12的設計，能夠實現使得用于固定的注塑體的強度有所增加、從而不易斷裂的優勢，并且該連接段12的具體的尺寸設計還能夠在保證較高的機械強度的前提下、減小漏磁現象，并從而提高電機的效率和功率密度，并進而提高電機和應用該電機的洗衣機的性能。

圖5示出了根據本實用新型的實施例的電機的截面圖，其中轉子5和定子已經配合到一起。如圖5所示，轉子5的疊厚L1和定子鐵芯4的疊厚L2長度不同。在優選的實施例中，定子鐵芯4的疊厚L2和轉子鐵芯5的疊厚L1的比值(即L2/L1)在0.8到0.96的范圍內；更優選地，該比值為0.93。

具體地，為了保證電機在高速運行時的效率，可以通過縮短定子鐵芯4的鐵芯長度，從而減少電機高速運行時的鐵耗。同時為了保證定子的磁通量，轉子5的鐵芯長度設計為大于定子鐵芯4的長度，這樣可以充分利用定子繞組的端部效應。因此，將定子鐵芯4的疊厚L2和轉子鐵芯5的疊厚L1的比值設計為小于1，優選地在0.8到0.96的范圍內，更優選地為0.93的數值，可以降低電機運行時的鐵耗，提高電機效率，并同時保證足夠的磁通量和電機功率。

圖6示出了具有根據本實用新型的實施例優化后的轉子結構的電機的齒槽轉矩與現有技術中具有傳統的轉子磁路結構(未優化電機轉子和電機定子之間的氣隙形狀)的電機的齒槽轉矩的實驗結果的對比曲線。在如圖6所示的兩條曲線中，虛線表示未優化的電機的齒槽轉矩隨時間變化的曲線，而實線則表示根據本實用新型的公開內容進行優化的電機的齒槽轉矩隨時間變化的曲線。

圖7示出了具有根據本實用新型的實施例優化后的轉子結構的反電勢與現有技術中具有傳統的轉子磁路結構的電機的反電勢的實驗結果的對比曲線。在如圖7所示的兩條曲線中，類似于圖6，虛線表示未優化的電機的反電勢隨時間變化的曲線，而實線則表示根據本實用新型的公開內容進行優化的電機的反電勢隨時間變化的曲線。

從圖6中可以看出，經優化的電機的齒槽轉矩相比未優化的電機的齒槽轉矩降低了近乎十倍，這可以帶來電機運行時振動以及噪音的大幅降低。并且，從圖7中可以看出，經優化的電機的反電勢波形中的諧波含量相比未優化的電機的反電勢波形中的諧波含量也大幅下降。從如圖6-7的實驗結果的對比曲線可以看出，根據本實用新型的轉子外表面形狀的設計，特別是樣條曲面11的形狀的設計，可以有助于減小齒槽轉矩，并且同時減小反電勢波形中的反電勢諧波含量，使得氣隙磁場更接近于正弦函數曲線，從而有利于提高電機低速運行的平穩性和降低電機高速運行時的振動和噪音，并且連接段12的結構和形狀還有利于提高電機的功率密度和效率。優化后的電機能夠實現在較高轉速下仍然保持較高的效率和較低的振動和噪音，這能夠使得應用該種電機的滾筒洗衣機具有較高的品質。

根據本實用新型實施例的電機可以采用前述的轉子結構。更具體地，該電機可以采用具有用于連接相鄰磁極的連接段的轉子結構，其中磁極的外表面設計為特定的樣條曲面，使得樣條曲面與定子的內徑之間的最小氣隙與周邊氣隙的比值是隨電角度變化的余弦函數。該種不均勻的氣隙布置可以有助于減小齒槽轉矩，降低反電勢波形中的諧波含量，減小高速時電機的振動、噪音及低速時的轉矩脈動，提高電機的可靠性及效率。

根據本實用新型實施例的電機還可以是一種具有包括前述轉子結構的永磁同步電機的滾筒洗衣機。根據本實用新型的永磁同步電機可以用于洗衣機的滾筒驅動，從而降低滾筒洗衣機在高速運轉時，例如脫水時的振動和噪音，提高其品質。

根據本實用新型實施例的轉子結構可以發揮電機的性能，使得應用該電機的滾筒洗衣機的洗滌效率和脫水效率都能保持較高的水平，降低噪音和振動，提高洗衣機品質；并且，根據本實用新型實施例的轉子結構和定子結構相互配合，可以進一步提升電機性能，減小高速時的振動和噪音及低速運行的平穩性，提高洗衣機品質。

以上所述僅是本實用新型的示范性實施方式，而非用于限制本實用新型的保護范圍，本實用新型的保護范圍由所附的權利要求確定。