CN1689211A - 永磁体电机 - Google Patents

Abstract

一种电机，包括限定至少两个相邻磁体保持槽的转子和多个内装式永磁体。转子在磁体保持槽上方的径向厚度从第一厚度转变为厚度为更小的第二厚度的桥接区域。所述转变在限定的角度范围内进行。低磁导率区域被定位于桥接区域下方的磁体之间。在磁体的端部之间不存在不通过低磁导率区域的直线路径，在磁体之间不存在这样的直线路径，所述路径从转子的外部径向延伸至转子的内部而不通过低磁导率区域。一种电机，包括限定定子极的定子和具有内装式永磁体的转子。在一个实施例中，至少两个降阻抗缝隙被定位于磁体的径向向外处，并且至少每个缝隙的部分位于限定区域中。

Description

永磁体电机

技术领域

本公开涉及一种内装式永磁体(或“IPM”)电机，例如IPM电机。

背景技术

过去，已经将IPM电机用于各种应用中，但是IPM电机的特定特征限制了该电机在这样的应用中的使用，在所述应用中要求从较小电机获得较大转矩或要求低噪音。

例如，由于IPM电机所使用的转子包括许多内装式永磁体，由所述磁体产生的磁通量趋向于在两个相邻的磁体之间流通。该磁体内磁通流通将减少电机的总转矩输出，因为在磁体间流通的磁通不能产生转矩。除了减少电机的总转矩，该磁体内通量流通还将降低电机的总效率。

此外，由于IPM电动机使用离散定位的内装式永磁体，容易产生一定的不希望的转矩波动或转矩变化，这通常被称为“齿槽效应转矩”。这些齿槽效应转矩会产生不希望的噪音和/或振动，并降低电机的总效率。

IPM电机的另一可能限制电机的转矩输出和效率的特征是其使电流流入电机绕组的能力。使电流流入电机的能力是产生转矩和获得高效电机的重要因素，因为电机的转矩输出将紧密对应于输入相绕组的电流量，并且，将电流输入相绕组的速度将影响电机的效率。通常，IPM电动机具有这样的结构，所述结构通常会导致在电机的相绕组中具有较高的电感。该较高的电感会限制使电流流入电机绕组的能力。

本公开描述了这样的几个IPM电机的实施例，所述电机被设计用于解决IPM电机的上述或其它限制特征，而提供这样的改进后的IPM电机，其具有例如较高的转矩输出、高效率以及低齿槽效应转矩。

发明内容

根据依照本公开的特定内容构造的示例实施例，提供了一种内装式永磁体电机，其包括，限定相邻磁体保持槽的转子叠层；位于转子内部的多个永磁体，其中，转子在给定磁体保持槽上方的径向厚度由第一径向厚度向第二径向厚度的桥接(bridge)区域转变，所述第二径向厚度小于第一径向厚度，所述桥接区域被定位在两个所述磁体保持槽之间，其中所述转变发生在落入以下角度范围的区域中，所述角度范围在与通过所述磁体保持槽的中点延伸的假想半径成约148°～150°电角度之间；以及低磁导率区域，其被定位在所述桥接区域径向下方的相邻所述永磁体的端部之间的位置。

根据依照本公开的特定内容构造的另一示例实施例，提供了一种内装式永磁体电机，其包括，限定磁体保持槽的转子叠层；以及被定位于所述转子的内部的多个永磁体，至少一个所述永磁体被定位于所述磁体保持槽中，其中，所述转子在所述槽上方的径向厚度从第一径向厚度转变为第二径向厚度，所述第二径向厚度小于所述第一径向厚度，其中所述转变发生在落入以下角度范围的区域中，所述角度范围在与通过所述磁体保持槽的中点延伸的假想半径成约148°～150°电角度之间，其中所述电角度等于机械角度乘以所述电机中的永磁体转子极数。

根据依照本公开的特定内容构造的另一示例实施例，提供了一种内装式永磁体电机，其包括，限定磁体保持槽的转子叠层；以及被定位于所述转子的内部的多个永磁体，至少一个所述永磁体被定位于所述磁体保持槽中，其中：(i)所述磁体保持槽限定这样的转变区域，在所述区域中，所述转子在所述槽上方的径向厚度从第一径向厚度转变为第二径向厚度；(ii)所述第二径向厚度小于所述第一径向厚度；以及(iii)所述槽在这样的区域中从所述第一径向厚度向所述第二径向厚度转变，所述区域的基本大部分落入以下角度范围中，所述角度范围在与通过所述磁体保持槽的中点延伸的假想半径成约148°～150°电角度之间，其中所述电角度等于机械角度乘以电机中永磁体转子极数。

根据依照本公开的特定内容构造的示例实施例，提供了一种用于内装式永磁体电机中的转子，该转子包括多个内装式永磁体，其中：(i)在两个相邻所述磁体的端部边缘之间不存在不通过低磁导率区域的直线路径；(ii)在所述永磁体之间不存在这样的直线路径，所述直线路径从所述转子的外部径向延伸至所述转子的内部而不通过低磁导率区域。

通过参考本公开、附图以及权利要求书，将使本公开的其它方面显而易见。

附图说明

图1概括示出了根据本公开的特定内容的改进的IPM电机；

图2A-2D详细示出了用于将集中的绕组定位在定子组件内以形成三相配置的示例方法，所述三相配置被发现在需要从较小的电机获得较大的转矩的应用中尤其有利；

图3概括示出了根据本公开的特定内容构造的磁体保持槽；

图4A-4C概括示出了在图3的磁体保持槽内对磁体的偏移和紧固；

图5概括示出了根据本公开的特定内容构造的磁体保持槽的一端的放大图；

图6A和6B概括示出了从磁体保持槽的第一尺寸的第一径向厚度向第二尺寸的径向厚度的逐渐转变，所述第二尺寸的径向厚度限定了桥接；

图7概括示出了根据本公开的特定内容的转子周围的降阻抗缝隙的示例位置；

图8A-8B概括示出了用于定位根据本公开内容的降阻抗缝隙的一些希望区域；

图9A-9C示出了IPM电机中降阻抗缝隙的示例可选定位；

图10A-10F概括示出了在图8A-8B中的降阻抗缝隙可以采用的几个可选形状；

图11概括示出了具有集中线圈的定子的相邻线圈间的磁通链相对于假想电机的转子位置的曲线，其中一个假想电机只具有一个与每个永磁体相关的缝隙、以及另一假想电机具有两个定位的降阻抗缝隙；

图12A和12B概括示出了转子组件，所述转子组件应用于在相邻永磁体之间具有低磁导率区域的IPM电机中；

图13概括示出了转子组件，所述组件使用具有上转的端部的磁体保持槽和圆形的槽间区域；

图14概括示出了具有上转部分的磁体保持槽的可选设计；

图15A和15B概括示出了磁体保持槽和中间低磁导率区域的另一可选设计；

图16示出了IPM电机的实施例，其中形成这样的低磁导率区域，使得单个低磁导率区域通过自身确保，在相邻永磁体的边缘之间或者在相邻永磁体之间径向上的所有路径都通过至少一个低磁导率区域；

图17概括示出了使用高转矩输出、低齿槽效应转矩的IPM电动机的直接驱动洗衣机，所述电动机根据本公开的特定内容构造。

具体实施方式

参考附图，图1示出了根据本公开的特定内容的改进的IPM电机1。IPM电机1包括限定了内膛的定子组件2。转子组件3位于定子组件2的内膛中。根据构造旋转电机的已知技术，通过使用转子轴、转子轴承和端盖(图1中未示出)将转子组件3定位在定子组件2内。

定子组件2限定了多个向定子膛内延伸的定子齿4(在图1中有12个)。每个定子齿4包括从定子组件2的主轭延伸出的颈状部分、以及通常为“T形”的端部。“T形”部分的端部通过槽口相互分离，图1中所示的槽口的角幅等于所示角度θ2。绕组线圈(图1中未示出)缠绕在每个定子齿4的颈部上。在图1所示的示例实施例中，在每个颈部上都围绕着单个绕组线圈，从而使绕组线圈围绕定子齿“集中”。这样集中的线圈是有利的，因为，其中，集中的线圈中允许使用短端部线匝，这样可以减少每个绕组所需的空间和绕线。

图2A-2C详细示出了用于将集中的绕组定位在定子组件2内以形成相绕组的示例方法，已经发现该相绕组在需要从较小的电机获得较大的转矩的应用中尤其有利。这样的应用包括在例如洗衣机的电器中使用IPM电机1的应用，尤其是在直接驱动洗衣机中使用IPM电机的应用，在所述直接驱动洗衣机中通过IPM电机1直接驱动洗衣桶、旋转式搅拌器或者叶轮(上述可以是单独的搅拌器单元、叶轮单元、用于移动滚筒的机构或者用于移动洗衣机中的衣物的其它合适装置)，而不需用齿轮传动。

图2A示出了三个分别标为A、B和C的相绕组。每个相绕组包括四个绕组线圈，每个脚具有两个线圈。每个相绕组的一端与一个公共点电耦合，从而在“Y”字形连接点20将相绕组A、B、C耦合在一起。使用Y字形连接的绕组可以允许对相绕组A、B、C中的两个同时通电。

图2B示出了可选绕组结构，其中，三个相绕组A、B、C被耦合成Δ结构。

图2C概括示出了示例相绕组中的定子线圈的放置，所述绕组例如是图2A中的绕组A。如图所示，相A绕组由四个集中的绕组线圈22、24、26和28构成。将每个绕组线圈缠绕在单个定子齿4上，当电流以第一个方向通过相绕组时，在定子中形成了具有如图2C所示的极性的电磁极。当电流反向通过相绕组A时，在定子内的相同位置可以形成相反极性的电磁极。

如图2C所示，将耦合在一起而形成相绕组A的线圈如下布置，使得线圈22和24缠绕在相邻定子齿4上、以及线圈26和28缠绕在相邻定子齿上；并且使线圈22与线圈28在定子的直径上相对，使线圈24与线圈26在定子的直径上相对。这样缠绕线圈，使得当给相通电时，同相的相邻线圈以及同相的在直径上相对的线圈形成相反极性的电磁体。而且，这样将绕组线圈缠绕在定子齿4上，使得当给相绕组通电时，在给定槽(例如线圈的轴向延伸部分，该部分沿定子的长度方向延伸，并且位于同一组相邻定子齿4之间)中的所有线圈侧面缠绕部分都承载相同方向的电流。绕组线圈的具体形式以及每个线圈的匝数将随应用的不同而不同，并且可以调节以设置IPM电机1的转矩输出。

图2D示意性地示出了将绕组线圈缠绕到定子组件2上以形成三个连接成Y字形的相绕组的方法。图2D所示正方形内的数字1-12分别对应特定的定子齿4。如图2D所示，相绕组A包括缠绕在齿12，1，6和7上的线圈，相绕组B包括缠绕在齿4，5，10和11上的线圈，以及相绕组C包括缠绕在齿2，3，8和9上的线圈。尽管在图中没有反映出，但是这样设置线圈，使得当两相绕组(比如相A和B)同时通电时，在定子的相邻定子齿上形成的电磁体极性相反。例如，如果给相A绕组通电时，在齿12的端点处形成北电磁极、在齿1的端点处形成南电磁极，这样布置相B的绕组，使得在齿2的端点周围形成北电磁极、并在齿3的端点周围形成南电磁极。

再参考图1，定子组件2可以由叠层或基本相同的钢叠片形成。在图1的实施例中，可以由单独的定子段5以分段的方式形成定子组件，其中每个定子段5包括限定一个定子齿4的层叠的叠片和缠绕在齿4上的绕组线圈。然后，利用已知技术将各段耦合在一起而形成定子组件2。在可选实施例中，定子组件2由层叠的叠片形成，其中每个叠片限定一个定子齿12。图2C中示出了这样的非分段定子的示例。

图1中的转子组件3可以由通过已知技术(例如通过互锁特征、粘合剂、连接器等)耦合在一起的层叠的钢转子叠片形成。每个转子叠片限定多个内装式磁体保持槽6。在图1所示的示例IPM电机1中，每个转子叠片限定10个磁体保持槽6。

每个磁体保持槽6限定一个中间部分，该中间部分具有基本平行的上壁和下壁，并且在给定角幅(在图1中示为θ1)上具有这样的横截面，所述横截面在从转子组件3的外部向转子组件的内部延伸的轴上限定了较恒定的尺寸。每个磁体保持槽6还限定了端部，其中一个端部由标号7示出，所述端部的横截面的宽度在从转子组件的外部向其内部延伸的轴上变化。

将高能钕永磁体8放置在每个磁体保持槽6内，所述磁体8为块状磁体，并通常具有矩形横截面。这样布置永磁体，使得每块永磁体的极性方向与相邻块永磁体的极性相反，从而所述永磁体在转子组件3的外部形成极***替变化的磁极。通过使用例如粘合剂，可以将永磁体块8固定在磁体保持槽6内。可选的是，可以调整永磁体块8的大小，使得通过摩擦安装设置将其固定在磁体保持槽6内。

在根据本公开的特定内容构造的IPM电机1的一个实施例中，尽管磁体块8的变化微小和磁体保持槽6的尺寸准确，但仍使用特定结构的磁体保持槽6来帮助将磁体8保持放置在磁体保持槽6内，并防止磁体在槽内进行不希望的高速和/或高电流的移动(通常称为磁场“颤振”)。该实施例还提供了对IPM的消音操作，并且可以允许增加磁体块8和磁体保持槽6的尺寸公差，从而可以减小与制造IPM电机1相关的成本。图3示出了该实施例的一个示例。

图3示出了示例的磁体保持槽6。所述槽6内放置有高能磁体块8，该磁体块8具有基本矩形的横截面。磁体保持槽6包括由顶部平表面30和底部平表面31限定的中间部分。每个表面限定这样的平面，所述平面与由磁体块8的上表面或者下表面限定的平面基本平行。

如图3所示，底部平表面的长度(在图3中标为31L)小于顶部平表面30的长度(标为30L)。而且，将顶部平表面30的长度设置为略大于磁体块8的希望长度。例如，顶部平表面的尺寸可以是约0.903英寸，而底部平表面的尺寸可以是约0.845英寸。

在上平表面30的端点处，磁体保持槽6的上表面的尺寸变化，从而形成较锐边33a和33b。只要在端点处形成锐边，对于本公开而言，在上平部分30的端点处发生的尺寸变化的精度并不重要。

槽6的下表面的尺寸在下平表面31的端点处发生变化，从而形成向上的斜面34a和34b。这些斜面的坡度较缓(例如等于约18°)。由于下平部分31的长度小于上平部分30的长度，因此斜面34a和34b位于锐边33a和33b的下方。

斜面34a、34b与锐边33a、33b的组合提供了这样机构，在所述机构中将槽6中的永磁体8“紧固”在位，从而防止磁体8在槽内左右移动或轴向移动。原因是，当由于磁体8或槽6的尺寸发生微小变化、或者由于电机转速或电机内形成的磁场强度而导致磁体发生移动时，所述磁体将移动到这样的位置上，在所述位置上斜面部分34a、34b结合锐边33a、33b将磁体“紧固”在位。因为，永磁体8向磁体保持槽6的一端的移动(例如移向左侧)，将导致磁体8的该端沿移动方向移到斜面上(例如左侧斜面34a)，从而将磁体8夹在槽6的上表面与下斜面之间、或者使相对于斜面的锐边(例如边缘33a)将磁体8的端部截住、咬合或夹紧，而将磁体保持在移动后的位置。依靠作用在磁体8上的旋转速度和电机内的电磁场强度，可以将磁体8紧固或夹入偏移后的位置，使磁体在电机以后的操作中不会移动，从而消除或减少了磁场振颤或移动。由于磁***于转子组件3的内部，因此，将永磁体8紧固在略微偏移的位置处基本不影响永磁体产生的净磁通量，或基本不影响电机的输出特征。

图4A-4C概括示出了在槽6内对磁体8的偏移和紧固。

图4A概括示出了定位在槽6内的磁体块8，其中槽6具有参考图3所述的结构。图4B概括示出了磁体8在向右偏移时可能的位置。如图所示，当磁体8向上偏移到斜面上的一点时，磁体在所述点处被夹在点33b附近的上表面和底部斜面34b之间。图4C概括示出了当磁体8向左偏移时发生的紧固。

在图3和图4A-4C的例子中，将槽6构造为其两端都具有边缘和斜面部分。考虑这样的可选实施例，其中将槽构造为只有一端具有可以紧固磁体的部分。

在使用图3和图4A-4C所示的实施例中，可以在电动机的常规操作中实现在槽6内紧固磁体8。可选的是，在组装或测试IPM电机时，通过以较高的速度运行和/或运行和制动具有图中所示结构的电动机，可以“预紧固”磁体。在该过程中，使得用于预紧固过程中的速度和磁场强度为，其可以保证转子组件内的所有或大部分永磁体得到紧固。

使用参考图3和图4A-4C所述的磁体保持槽，将消除位于槽内的永磁体的左右移动。可以使用同样的方法消除永磁体的轴向移动，通过在轴向方向上设置磁体保持槽，所述槽在轴向端部形成如上所述的斜面边缘，从而当永磁体轴向移动时在边缘之间紧固所述磁体。可以这样形成轴向紧固，通过在磁体保持槽的开口端的一端或两端***轴向延伸的***物；或者通过相对于外部转子叠片逐渐改变磁体保持槽的几何尺寸，从而由叠片自身限定一个或多个轴向紧固。上述用于阻止左右移动和轴向移动的技术，既可以单独使用，也可以相互结合使用，还可以与其他将磁体保持在槽内的方法结合起来使用，所述其它方法例如使用粘合剂。

参考图3和图4A-4C中的磁体保持槽6，注意，槽6的尺寸在离开磁体8的一点处发生变化，该变化使得槽6上方的转子部分的径向厚度发生较大变化，并且槽6上方的部分变窄以限定径向厚度较恒定的桥接部分。在图4A中，将该转变点标为点36，将桥接部分标为区域38。从图4A中点36附近可以看出，位于槽上方的转子部分的径向厚度由在图4A中标为L1的第一厚度变化为标为L2的第二厚度，其中L2一般小于L1。意外地确定出：发生转变的整个区域会对电动机的输出转矩产生显著影响，并且，通过注意控制发生转变的区域可以减少不希望的齿槽效应转矩。

图5概括示出了磁体保持槽50的一端的放大图。所示磁体块8被定位于槽内。可以通过粘胶或粘合剂、或通过如图3和图4A-4C所示的紧固装置，将磁体8保持在槽内。如果使用所述紧固装置，则槽50的底表面将与图5申所示的不同。

如图5所示，存在点36，该点处的槽上方的区域从第一径向厚度(T1)变窄为第二径向厚度(T2)，从而形成桥接38。点36对应于角度X，该角度在电角度(electrical degree)中被定义为磁体8的中点与转变点之间的角幅，所述转变点指槽在其处由第一厚度变为第二厚度而限定桥接38的点。此外，角度X与转子旋转所围绕的点39相关。

已经发现，如果角度X在约148°～约150°电角度之间，那么使用图5所示的槽的IPM电机的齿槽效应转矩得到减小，其中，所述电角度的大小等于机械角度乘以电机中永磁体转子极数。因此，对于包括10个永磁体转子极的IPM来说，理想的角度X值在约148°～约150°电角度之间、或者在约14.8°～约15°机械角度之间。对于包括6个永磁体转子极的转子来说，理想的角度X在约24.7°(148°/6)～约25°(150°/6)机械角度之间。槽上方的转子径向部分的厚度的精确尺寸并不被认为是重要的，但是，已经发现，桥接的尺寸为约0.060英寸是适合的。

对于具有如图5所示的槽的基本结构的磁体保持槽来说，已经发现，对于减少齿槽效应转矩有利的是，保证如下的转变是渐变的而不是突变的，所述转变从第一尺寸的径向厚度变为第二尺寸的径向厚度而限定桥接。这样的渐变的转变可以通过包括具有半径的拐角来实现，这在图6A和6B中概括地示出。

图6A示出了磁体保持槽的包括点60的部分，在点60处，位于所述槽上方的转子的厚度从一个尺寸转变到限定桥接的更小的尺寸。当将点60定位在上述区域(即从约148°电角度到约150°电角度)内时，可以减小电机的齿槽效应转矩，通过消除在点60处的突变转变，可以进一步减小齿槽效应转矩。这可以通过利用半径为R的拐角62如图6B所示在具有半径的拐角处进行转变而实现。半径R的大小随应用的不同而不同，已经发现，在一些应用中R＝0.015英寸的尺寸是适用的。

再参考图1中，注意，限定转子组件3的叠片除了限定磁体保持槽6之外，还限定了降阻抗缝隙9。图1的示例中共有20个降阻抗缝隙9，其中每两个降阻抗缝隙9与一个永磁体8相关。

在图1所示的例子中，降阻抗缝隙9是指在转子内特定位置形成的空气腔的缝隙，降阻抗缝隙可以减小相绕组在全部转子位置上的阻抗，从而允许将更多的电流输入定子组件2的相绕组中，从而可以使电机1具有更高的转矩输出。

图7更具体地示出了降阻抗缝隙9的位置，其中除去定子组件2示出了图1中的转子组件3。标出了两个降阻抗缝隙9a和9b。

如图7所示，这样定位示例的降阻抗缝隙9a和9b，使得假想直线70与假想中线72限定角α1，其中假想直线70从转子中心(即转子旋转所围绕的点)向外径向通过缝隙9a的中点，所述假想中线72从转子的中心点径向延伸通过磁体保持槽6的中点，其中缝隙9a和9b关于直线72相对。同样，假想直线74与假想中线72限定角α2，其中假想直线74从转子中心(即转子旋转所围绕的点)向外径向地通过缝隙9b的中点。在图7所示的例子中，α1与α2相等。

已经确定，α1与α2的希望值随定子齿(或利用集中绕组的电机的定子极)数以及永磁体转子极数而变化。尤其是，已经确定，通过下面的公式确定α1与α2的最佳值，所述公式在机械角度下确定α1与α2的希望值：

希望角度＝绝对值[360°/(转子极数)-360°/(定子极数)]

从而，在包括12个定子极和10个转子极的图1和图7的示例中，α1和α2等于6°机械角度，因为：

希望角度＝绝对值[360°/10-360°/12]

希望角度＝绝对值[36°-30°]

希望角度＝6°

图7的例子中，这样选择降阻抗缝隙9a和9b，使其角幅与相邻定子齿端部之间的槽口的角幅近似相等。所述槽口在上文中通过参考图1得到描述，其在图1中被表示为角θ 2。

还考虑了此处所述的具有降阻抗缝隙的IPM电机的可选实施例。尤其是，考虑这样的可选实施例，其中降阻抗缝隙的角幅小于相邻定子齿之间的槽口的角幅。还是在图7的例子中，此外，降阻抗缝隙9a和9b分别具有与这样的假想直线对准的中点，所述假想直线与从转子中心通过相关的永磁体的假想直线偏离希望的角度。还考虑了这样的可选实施例，其中，降阻抗缝隙的中线被定位在其它位置。

图8A-8B概括示出了用于定位根据本公开内容的降阻抗缝隙的一些希望区域。特别是，图8A示出了包括中点的示例永磁体8，其中假想直线80从转子的中心(未示出)通过磁体8的中点。为了清晰，图中未示出定位永磁体8的转子组件。假想直线82a和82b限定了从转子中心通过磁体的直线，对于特定电机所述直线从直线80偏移希望的角度，该希望的角度通过利用上述确定的公式而确定。区域84a和84b分别具有由直线82a和82b限定的中点和与相邻定子齿之间的槽口的角幅相等的角幅。作为示例，图8B还示出了用于测量示例的相邻定子齿之间的槽口的方法。

已经确定，通常，通过使由所述缝隙限定的气隙全部或部分位于上述区域84a和84b内，可以从降阻抗缝隙的使用获得希望的益处。

图9A-9C示出了IPM电机中降阻抗缝隙的示例的可选定位。为了示意，两缝隙中只有一个与给定的永磁体相关。

图9A是示出为两个定子齿4的转子组件3。所述转子组件包括如图具有一定角幅的降阻抗缝隙90，该角幅与相邻定子齿4之间的槽口的角幅基本相等。另外，这样定位缝隙90，使得缝隙90的中线与图8A中的假想直线80对准。图9B示出了类似的电机图，但是图9B中的电机包括的降阻抗缝隙92的角幅约为所述槽口宽的一半。与图9A中的缝隙相同，图9B的缝隙也是对准的，所述缝隙的中线与假想直线80对准。图9C示出了另一可选实施例，其中示出了降阻抗缝隙94。图9C中的降阻抗缝隙94未与假想直线80对准，而是偏离直线80而使得直线80不通过缝隙94。然而，注意，缝隙94仍然位于这样的区域内，所述区域的角幅与槽口宽相等，并且该区域的中线与直线80一致。

在图1，7，8A和9A-9C中的每个示例中，降阻抗缝隙由穿透的气隙构成，所述气隙通常为矩形，其所有侧面均被其中形成有缝隙的转子叠片所围绕。还考虑了降阻抗缝隙的可选形式。通常，降阻抗缝隙可以是转子叠片中任意形式的磁导率较低的区域。例如，降阻抗缝隙不一定是气腔，而可以是其它一些低磁导率物质(例如不导电环氧树脂)的腔。而且，降阻抗缝隙还可以是各种几何形状，而不一定为矩形。

图10A-10F概括示出了降阻抗缝隙可以采用的几个可选形状。

图10A概括示出了在转子内部形成的矩形降阻抗缝隙100。图10B示出了端部开口的缝隙102，所述端部开口是指缝隙顶端是开口的，而没有被转子叠片围绕。

图10C是使用降阻抗缝隙的IPM电机的完整示意图，其中示出转子组件103与定子组件104定位在一起。注意，转子组件为每个永磁体限定两个端部开口的降阻抗缝隙102。图10C还示出了降阻抗缝隙在如下电机中的使用，所述电机的定子极/转子极组合与图1和图7所示不同。在图10C中，所示IPM电机具有12个定子极和14个永磁体转子极。同样，用于确定降阻抗缝隙所在区域的希望角度与前面的例子不同。在图10C的示例中，每个降阻抗缝隙102具有与这样的直线重合的中点，所述直线从转子中心延伸出、并从通过永磁体中点的直线偏离希望角度。在图10C的示例中，如下得出希望角度为4.29°机械角度：

希望角度＝绝对值[360°/14-360°/12]

希望角度＝绝对值[25.71°-30°]

希望角度＝4.29°

图10D示出了其中降阻抗缝隙104为基本椭圆形的可选实施例。图10E示出了降阻抗缝隙为矩形的可选实施例，所述降阻抗缝隙被设置在磁体保持槽107上并从其延伸。最后，图10F概括示出了楔形降阻抗缝隙108。

相比于使用单个中心定位的缝隙，使用如上述定位的两个降阻抗缝隙产生显著更好的结果。这在图11中概括示出，其中图解示出了具有集中线圈的定子的相邻线圈间的磁通链相对于假想电机的转子位置的曲线，其中一个假想电机只具有一个与每个永磁体相关的缝隙(线110)、以及另一假想电机具有两个如上述定位的降阻抗缝隙(线112)。可以理解，磁通链越低，电机的阻抗越低，而电机的阻抗越低，可以输入绕组中的电流越多，并且转矩输出越大。如图11所示，在转子的所有角度位置上，所述的具有两个缝隙的电机的磁通链(112)总是小于只有单个缝隙的电机的磁通链(110)。

在上述示例中，每个永磁体都与两个降阻抗缝隙相关。还考虑了这样的可选实施例，其中，具有至少两个如上述定位的缝隙的每个永磁体与更多的缝隙相关。例如，考虑这样的可选实施例，其中，每个永磁体与三个降阻抗缝隙相关，其中两个缝隙如上述定位，另一个缝隙位于由如下的假想直线限定的区域中，所述假想直线是从转子中心通过永磁体的中点。

如上所述，图1和图7～11示出了已经发现的关于使用低磁导率区域(在所述示例为由缝隙限定的气腔)的益处，所述区域位于永磁体上方、转子组件的周围。另外已经发现，在永磁体的两端间仔细定位低磁导率区域，可以使电机的输出特征为有利的结果。尤其是，已经确定，如果相邻永磁体之间包括具有特定几何形状的低磁导率区域，可以使电机的转矩输出更高。

图12A和12B概括示出了转子组件120，所述转子组件用于如上述在相邻永磁体之间具有低磁导率区域的IPM电机中。在图12A和12B中，与上文概括描述的图1中的转子组件3相同，转子组件120由层叠的叠片构成。转子组件120限定了6个磁体保持槽122。每个磁体保持槽122限定了定位永磁体124的中间部分。每个磁体保持槽122还这样限定端部，使得在槽内的永磁体124的端部与磁体保持槽122的外缘之间存在气隙。图12B概括示出了该特征，其中示出了两个磁体保持槽122a和122b的部分。每个磁体保持槽限定这样的中间部分，其中将永磁体124定位于角形的端部124a和124b处，从而形成气隙124a和124b。可以理解，端部124a和124b的几何形状并不重要，可以采用其他几何形状在槽内永磁体的边缘与槽的边缘之间限定气隙。

定位在磁体保持槽122a和122b之间的是气隙形式的低磁导率区域126。所述低磁导率区域126具有一定的形状、尺寸和位置，使得在与气隙124a和124b的结合中：(i)在两个相邻的磁体的端部边缘之间不存在不通过低磁导率区域的直线路径；以及(ii)在永磁体之间不存在这样的直线路径，所述直线路径从所述转子的外部径向延伸至所述转子的内部而不通过低磁导率区域。例如，在相邻永磁体端部边缘之间通过的假想直线路径128，将通过低磁导率区域124a和124b。同样，相应于直线129的路径将通过由气隙124a和124b限定的低磁导率区域，还通过低磁导率区域126。在径向方向，假想直线124将通过低磁导率区域124a，还通过低磁导率区域126。

参考图12B得出，在相邻永磁体的边缘之间或者在相邻永磁体之间的径向方向上没有不通过低磁导率区域的直线路径。已经发现，通过上述标准定位低磁导率区域，可以将电机的磁通从相邻的永磁体集中出并使其进入电机的气隙中，从而产生更高的转矩，并使电机的Q轴电感更低(这可以允许向电机输入更多的电流)。

可以理解，上述磁体保持槽结构和低磁导率区域126是多种结构的示例，所述结构可以确保：(i)在两个相邻磁体的端部边缘之间不存在不通过低磁导率区域的直线路径；以及(ii)在永磁体之间不存在这样的直线路径，所述直线路径从所述转子的外部径向延伸至所述转子的内部而不通过低磁导率区域。例如，图13示出了转子组件130，所述组件使用具有上转的端部的磁体保持槽131和圆形的槽间区域132，用以保证满足所述标准，所述转子130符合本公开的内容。图14概括示出了具有类似设计的转子的部分。在图14的设计中，包括具有上转部分142的磁体保持槽141。永磁体143位于所述槽内。这样构造槽的上转部分，使得由槽的上转部分与永磁体的边缘所确定的角度144小于或等于90°。使角度144小于或等于90°，有利于阻止磁体143的左右移动。转子组件限定了椭圆形气隙146形式的低磁导率区域。如图14所示，区域146和槽的上转部分协作，确保了在相邻永磁体边缘之间或者在相邻永磁体之间径向上的所有路径都通过至少一个低磁导率区域。

图15A和15B示出了另一个实施例，其中，通过中间的泪珠形气隙162的形式的低磁导率区域将相邻磁体保持槽分开，所述磁体保持槽为具有圆形端部161的整体为直线的结构。

还考虑了另一实施例，其中形成这样的单个低磁导率区域，所述低磁导率区域通过自身确保，在相邻永磁体的边缘之间或者在相邻永磁体之间径向上的所有路径都通过至少一个低磁导率区域。图16概括示出了这样的实施例，其中，示出转子组件150包括磁体保持槽151和在相邻磁体保持槽之间低磁导率区域152。注意，所述低磁导率区域为整体倒转的T形，并且其被构造为，使得，在相邻永磁体边缘之间的任何直线路径都通过区域152的基本径向的部分153，并且在相邻永磁体之间的任何直线径向路径都通过区域152内基本平行于磁体保持槽的部分。

通过使用全部或部分上述技术，可以开发出尺寸较小的高转矩输出、低齿槽效应转矩的IPM电机。例如，通过使用全部或部分上述技术，对于外径为约6.3″、在其整个最宽径向部分上的轴向长度为约0.75″的IPM电机，可以开发出约4牛顿·米的转矩输出，其中齿槽效应转矩令人满意地低(0.02牛顿·米(峰值))。这些特征允许根据此处特定内容的所述IPM电机适用于电器中，尤其适用于直接驱动洗衣机中。

图17概括示出了使用高转矩输出、低齿槽效应转矩IPM电动机的直接驱动洗衣机，所述电动机根据本公开的特定内容构造。IPM电动机可以是例如如图1所示的一个包括12个定子极、10个转子极的IPM电机，所述IPM电机具有图2A和2B所示的三相集中绕组模式。在美国专利4,819,460中概括描述了所述驱动***的机械部分，其在此引用作为参考。

如专利′460所公开的，直接驱动洗衣机611包括一个搅拌器或叶轮623以及一个穿孔洗衣桶619，其围绕它们的共线纵轴旋转。IPM电动机在洗涤循环内直接驱动搅拌器或叶轮，而在甩干循环内同时直接驱动搅拌器或叶轮和洗衣桶，从而不必提供齿轮传动。电动机驱动装置(未示出)为IPM电动机提供电力。在实施例中，电动机驱动装置为IPM电动机提供正弦电流激励。由于没有齿轮传动，搅拌器或叶轮以及洗衣桶的旋转速率与电动机轴的旋转速率完全相同。由于洗衣桶与搅拌器或叶轮的唯一轴向支撑来自于电动机，因此可以在电动机中提供重型轴承。上述结构的各种细节在本领域是公知的，并且/或者在专利′460中得到公开。

尽管根据优选实施例描述了本发明的装置和方法，但是对于本领域技术人员显然的是，在不偏离本发明的构思和范围下，可以对本文所述的过程进行各种变化。例如，尽管图17示出了在洗衣桶垂直安装的洗衣机中使用利用本文公开的一些技术构造的电机，但是可以考虑这样的可选实施例，其中将上述电机用于洗衣桶水平安装的洗衣机中。所有这些对于本领域技术人员显然的类似的替换和修改都被包括在本发明的范围和构思内。

Claims (41)

1.一种内装式永磁体电机，包括：

限定相邻的磁体保持槽的转子叠层；

被定位在所述转子内部的多个永磁体，其中，所述转子在所述磁体保持槽上方的径向厚度从第一径向厚度转变为具有第二径向厚度的桥接区域，所述第二径向厚度小于所述第一径向厚度，所述桥接区域被定位在两个所述磁体保持槽之间，其中所述转变发生在落入以下角度范围的区域中，所述角度范围在与通过所述磁体保持槽的中点延伸的假想半径成约148°～150°电角度之间，其中，所述电角度等于机械角度乘以所述永磁体的总数；以及

低磁导率区域，其被定位在所述桥接区域径向下方的相邻所述永磁体的端部之间的位置。

2.根据权利要求1的转子，其中：(i)在两个相邻所述磁体的端部边缘之间不存在这样的直线路径，所述直线路径不通过所述低磁导率区域；(ii)在所述永磁体之间不存在这样的直线路径，所述直线路径从所述转子的外部径向延伸至所述转子的内部而不通过所述低磁导率区域。

3.根据权利要求2的转子，其中所述永磁体被定位于相邻所述磁体保持槽内，使得每个所述磁体保持槽的端部限定所述低磁导率区域，以及在所述两个相邻磁体的端部边缘之间的每个直线路径通过至少一个所述低磁导率区域。

4.根据权利要求3的转子，其中由所述磁体保持槽的所述端部限定的所述低磁导率区域包括气隙。

5.一种内装式永磁体电机，包括：

限定磁体保持槽的转子叠层；以及

被定位于所述转子的内部的多个永磁体，至少一个所述永磁体被定位于所述磁体保持槽中，其中，所述转子在所述槽上方的径向厚度从第一径向厚度转变为第二径向厚度，所述第二径向厚度小于所述第一径向厚度，其中所述转变发生在落入以下角度范围的区域中，所述角度范围在与通过所述磁体保持槽的中点延伸的假想半径成约148°～150°电角度之间，其中所述电角度等于机械角度乘以所述电机中的永磁体转子极数。

6.根据权利要求5的转子，其中所述第二径向厚度为约0.060英寸。

7.根据权利要求5的转子，其中从所述第一径向厚度到所述第二径向厚度的转变是逐渐转变。

8.根据权利要求7的转子，其中所述磁体保持槽限定具有半径的拐角，所述拐角限定了所述逐渐转变。

9.根据权利要求8的转子，其中所述半径为约0.015英寸。

10.一种内装式永磁体电机，包括：

限定磁体保持槽的转子叠层；以及

被定位于所述转子的内部的多个永磁体，至少一个所述永磁体被定位于所述磁体保持槽中，其中：(i)所述磁体保持槽限定这样的转变区域，在所述区域中，所述转子在所述槽上方的径向厚度从第一径向厚度转变为第二径向厚度；(ii)所述第二径向厚度小于所述第一径向厚度；以及(iii)所述槽在这样的区域中从所述第一径向厚度向所述第二径向厚度转变，所述区域的基本大部分落入以下角度范围中，所述角度范围在与通过所述磁体保持槽的中点延伸的假想半径成约148°～150°电角度之间，其中所述电角度等于机械角度乘以所述电机中的永磁体转子极数。

11.根据权利要求10的转子，其中所述第二径向厚度为约0.060英寸。

12.根据权利要求10的转子，其中从所述第一径向厚度到所述第二径向厚度的转变是逐渐转变。

13.一种用于内装式永磁体电动机中的转子，所述转子包括多个内装式永磁体，其中：(i)在两个相邻的所述磁体的端部边缘之间不存在这样的直线路径，所述直线路径不通过所述低磁导率区域；以及(ii)在所述永磁体之间不存在这样的直线路径，所述直线路径从所述转子的外部径向延伸至所述转子的内部而不通过所述低磁导率区域。

14.一种用于内装式永磁体电动机中的转子，所述转子包括：

多个内装式永磁体；以及

装置，用于确保在两个相邻所述磁体的端部边缘之间不存在这样的直线路径，所述直线路径不通过所述低磁导率区域；以及，确保在所述永磁体之间不存在这样的直线路径，所述直线路径从所述转子的外部径向延伸至所述转子内部而不通过所述低磁导率区域。

15.一种用于内装式永磁体电机中的转子，所述转子包括：

限定多个磁体保持槽的转子；

多个永磁体，每个所述磁体被定位于一个所述磁体保持槽内，使得在每个所述磁体的端部和定位所述磁体的所述磁体保持槽的边缘表面之间形成低磁导率间隙；以及

位于每组相邻所述永磁体之间的低磁导率槽间区域，其中定位所述低磁导率间隙和所述低磁导率区域，使得：(i)在两个相邻所述磁体的端部边缘之间不存在这样的直线路径，所述直线路径不通过所述低磁导率区域；(ii)在所述永磁体之间不存在这样的直线路径，所述直线路径从所述转子的外部径向延伸至所述转子的内部而不通过所述低磁导率区域，其中，所述低磁导率间隙在每个所述磁体的端部和定位所述磁体的所述磁体保持槽的边缘表面之间形成。

16.根据权利要求15的转子，其中所述低磁导率的槽间区域限定了气隙。

17.根据权利要求15的转子，其中所述磁体保持槽限定了所述槽的上转槽部分和端部。

18.根据权利要求17的转子，其中由所述磁体保持槽的所述上转部分与位于所述槽中的所述永磁体的边缘限定的角度大于或者等于90°。

19.根据权利要求15的转子，其中所述槽间区域是圆形的。

20.根据权利要求15的转子，其中所述低磁导率间隙包括气隙，所述低磁导率间隙形成于每个所述磁体的端部和定位所述磁体的所述槽的边缘之间。

21.一种用于内装式永磁体电机的转子，所述转子包括：

被定位于所述转子的内部的永磁体；以及

至少两个与所述永磁体相关的降阻抗缝隙。

22.根据权利要求21的转子，其中每个所述降阻抗缝隙包括气腔，所述气腔被形成于所述转子中从所述永磁体径向向外的位置。

23.根据权利要求21的转子，其中每个所述降阻抗缝隙包括穿孔气隙，所述气隙通常为矩形、并且其四面均被所述转子包围。

24.根据权利要求21的转子，其中每个所述降阻抗缝隙包括未被所述转子包围的一面。

25.根据权利要求21的转子，其中所述永磁体被定位于在所述转子的内部形成的所述磁体保持槽中，以及其中至少一个所述降阻抗缝隙从所述磁体保持槽延伸。

26.根据权利要求21的转子，其中三个所述降阻抗缝隙与所述永磁体相关。

27.根据权利要求21的转子，结合限定多个定子齿的定子，所述定子齿在其之间限定槽口，其中至少一个所述降阻抗缝隙的角幅约等于所述槽口的角幅，所述槽口位于相邻的所述定子齿的端部之间。

28.根据权利要求21的转子，结合限定多个所述定子齿的所述定子，所述定子齿在其之间限定槽口，其中至少一个所述降阻抗缝隙的角幅小于所述槽口的角幅。

29.根据权利要求21的转子，其中至少一个所述降阻抗缝隙包括低磁导率物质。

30.一种内装式永磁体电机，包括：

定子，所述定子限定多个定子极和定子齿，所述定子齿在其之间限定槽口；

转子；

多个永磁体，其被定位于所述转子的内部；以及

至少两个与每个所述永磁体相关的降阻抗缝隙，每个所述降阻抗缝隙包括被定位于与其相关的所述永磁体的径向向外处的气隙，其中每个所述降阻抗缝隙被定位，使得至少所述槽的部分位于限定的区域内，其中：(i)由两条假想直线限定一个角度，一条所述假想直线从所述转子的中心径向延伸并通过所述限定区域的中点，另一条所述假想直线从所述转子的中心径向延伸并通过与所述槽相关的所述永磁体的中点，其中所述限定的角度约等于[360°/R-360°/S]的绝对值，其中R是所述永磁体的个数、S是所述定子极的个数；以及(ii)所述限定区域的角幅约等于所述槽口的角幅，所述槽口位于相邻的所述定子齿之间。

31.根据权利要求30的电机，其中10个所述永磁体被定位在所述转子的内部，以及其中两个所述降阻抗缝隙与每个所述内装式永磁体相关。

32.根据权利要求30的电机，其中每个所述降阻抗缝隙的角幅约等于所述槽口的角幅，所述槽口位于相邻的所述定子齿之间。

33.根据权利要求30的电机，其中至少一个所述降阻抗缝隙被定位，使得由两条假想直线限定一个角度，一条所述假想直线从所述转子的中心径向延伸并通过所述槽的中点，另一条所述假想直线从所述转子的中心径向延伸并通过与所述槽相关的所述永磁体的中点，所述限定的角度约等于[360°/R-360°/S]的绝对值，其中R是所述永磁体的个数、S是所述定子极的个数。

34.根据权利要求30的电机，其中每个所述降阻抗缝隙包括穿孔气隙，所述气隙通常为矩形、并且其四面均被所述转子包围。

35.根据权利要求30的电机，其中每个所述降阻抗缝隙包括未被所述转子包围的一面。

36.根据权利要求30的电机，其中至少一个所述降阻抗缝隙的整体被定位于所述限定的区域中。

37.根据权利要求30的电机，其中至少一个所述降阻抗缝隙的角幅约等于所述槽口角幅的一半，所述槽口位于相邻的所述定子齿之间。

38.根据权利要求30的电机，其中至少一个所述降阻抗缝隙包括低磁导率物质。

39.根据权利要求30的电机，其中至少三个所述降阻抗缝隙与每个所述永磁体相关。

40.一种用于内装式永磁体电机的转子，所述转子包括：

至少两个被定位于所述转子的内部的永磁体；

至少两个与所述永磁体相关的降阻抗缝隙，每个所述降阻抗缝隙被定位于所述永磁体的径向向外处；以及

被定位于所述永磁体的端部之间的低磁导率区域。

41.一种内装式永磁体电机，包括：

定子；

至少一相被定位于所述定子内的绕组；

被定位于所述定子的内部的多个永磁体；以及

被定位于所述转子内的装置，所述装置用于减少所述相绕组的阻抗。

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