CN101267130B

CN101267130B - 电枢叠片

Info

Publication number: CN101267130B
Application number: CN2007100886120A
Authority: CN
Inventors: 秦锐锋; 梁吉玉
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric Shenzhen Co Ltd
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2027-03-16
Also published as: CN101267130A; US20080224562A1; US7859164B2; EP1971014A3; KR101475521B1; JP2008237015A; KR20080084761A; JP5484688B2; EP1971014A2; EP1971014B1

Abstract

直流马达具有容纳了永磁体定子的定子壳体；可旋转地面对定子安装的转子，转子具有轴、配合到轴的且具有非对称叠片的转子芯、配合到轴并邻近转子芯的一个端部的换向器和绕转子芯的极缠绕且终止于换向器上的绕组；和电刷装置，电刷装置包括与换向器滑动接触的用于将电力传输到绕组的电刷，其中对于马达的齿槽转矩阶次高于二十。优选地，齿槽转矩阶次是28、36或44。

Description

电枢叠片

技术领域

本发明涉及具有带换向器的绕线式转子的电动马达，且特别地涉及用于转子的叠片。

背景技术

带换向器的绕线式转子通常用于直流永磁马达中，且也用在具有绕线式转子和绕线式定子的通用的马达中从而允许马达以交流或直流电源运行。

此类型的转子具有多个凸极，电枢绕组绕凸极缠绕。绕组绕极形成了线圈且转子具有多个槽，槽形成了绕组通道，线圈通过绕组通道延伸。线圈因此具有两个位于槽内的轴向延伸部分和两个已知为头部的端部分，头部横向于转子芯的任一轴向端的轴向方向延伸。头部不提供力且仅用于提供线圈的轴向延伸部分之间的电连接。在大多数转子中，因为线圈的布置和缠绕技术，头部中的一些覆盖或跨过其他头部。这样，一些头部必须从转子芯轴向延伸出相当的距离以跨过一个、两个或更多的先前缠绕的头部。此距离无助于马达的性能但增加了马达的轴向长度，且当然增加了形成线圈所使用的导线的总量。

通过在转子芯内形成槽来产生转子极，因而转子极的个数经常称为转子槽数，或简单地称为槽数，以减少与定子极数的混淆，定子极数则简单地称为槽数。因此，带有4个定子极和18个转子极的马达被称为4极18槽马达。此惯例将在本说明书中使用，其中这是合适的，因为转子极数等于转子内的绕组槽数。

因此，希望降低绕组头部的跨过以降低马达的轴向长度，使得马达更紧凑且降低使用的导线的量，因此节约材料成本。

对此一个实现方式在欧洲专利No EP1093208中披露，欧洲专利No EP1093208披露了用于20槽转子的叠片设计，其具有这样的设计，其中绕组槽具有多种形状以赋予叠片非对称的构造。此构造允许绕组头部放置在同一径向平面内的邻近的头部旁而不跨过先前已缠绕的头部。然而，虽然这解决了降低绕组头部的轴向延伸的问题，但20个槽的非对称叠片设计在实践中被验证非常难于实施且特别是当与4极定子结组时具有显著的齿槽(cogging)转矩。

本发明意图减少与20个槽的非对称叠片有关的问题。特别地，已发现可以通过选择转子极数来降低齿槽转矩，以形成带有较高的齿槽转矩阶次的马达。较高的齿槽转矩阶次导致较低的有效齿槽转矩。当提及齿槽转矩阶次时，实际是指齿槽转矩的主阶次或基阶次，因为任何马达在较高的谐频且可能地在一些较低的谐频上将具有齿槽效应。对于马达，通常不具有单一的或纯粹的齿槽转矩频率，但是一般地谐波将具有较低的绝对值。

例如，20极转子与4极定子具有阶次为20的齿槽转矩，且16极转子与4极定子具有阶次为16的齿槽转矩，而14极转子与4极定子具有阶次为28的齿槽转矩，18极转子与4极定子具有阶次为36的齿槽转矩，且22极转子与4极定子具有阶次为44的齿槽转矩。齿槽转矩阶次可以限定为定子极数和转子极数的最小公倍数。

发明内容

因此，本发明提供直流马达，直流马达包括：容纳了永磁体定子的定子壳体；可旋转地面对定子安装的转子，转子包括轴、配合到轴的转子芯、配合到轴并邻近转子芯的一个端部的换向器和绕转子芯的极缠绕且终止于换向器上的绕组；和电刷装置，电刷装置包括与换向器滑动接触的用于将电力传输到绕组的电刷，其中转子芯包括多个堆叠在一起的叠片，叠片是非对称的，且其中对于马达的齿槽转矩阶次高于二十。

优选地，齿槽转矩阶次是28、36或44。

优选地，马达具有4个定子极和14、18或22个转子极。

优选地，叠片具有多个形成在径向外周的槽，在多个槽间形成了区部，区部形成了转子芯的极且槽形成了其中接收绕组的绕组通道，槽和极布置为槽或极的一组或多组，每组相同且每组的至少一些槽在非纯粹的径向方向内延伸，且每组的至少一个槽的径向深度小于其他槽的至少一个的径向深度。

优选地，每个极具有由转子芯的径向外表面限定的极面，极面具有大体上相等的周向延伸，且该组或每组的第一转子极的极面具有轴向延伸的沟槽，用于识别待缠绕的第一绕组的位置。

优选地，沟槽从极面的周向中心位移预先确定的距离，以造成在沟槽产生的齿槽转矩的相位和第一极产生的齿槽转矩的相位之间的相位差。

优选地，相位差在90度和270度之间。

优选地，相位差大体上为180度。

优选地，马达具有四极定子，且其中预先确定的距离是角距离，该距离对于22个槽的转子是4.1度、对于18个槽的转子是5.0度且对于14个槽的转子是6.4度，值在合理的公差内。

优选地，合理的公差是正负1度。

优选地，马达具有四极定子和十八极转子，且沟槽从第一极的极面的中心移位4度至6度之间的距离。

优选地，转子具有一对支架形式的转子芯端部保护件，每个支架是具有带有对应于叠片的形状的平的基部和适合于至少在转子芯的轴向端部的区域内靠着绕组通道的壁放置的悬置壁的模制零件。

优选地，悬置壁的至少一些具有径向向外面向的端部，且邻近径向向外面向的端部的极面具有唇部，唇部形成了覆盖了否则暴露的径向向外面向的端部的伸出部。

替代地，每个转子极具有由转子芯的径向外表面限定的极面，极面具有大体上相等的周向延伸，且至少一个极面具有轴向延伸的沟槽用于识别待缠绕的第一绕组的位置。

优选地，沟槽32从极面30的周向中心移位预先确定的距离，以造成在沟槽32产生的齿槽转矩的相位和相关的极P1产生的齿槽转矩的相位之间的相位差。

优选地，马达是4极14槽马达、是4极18槽马达或是4极22槽马达。

附图说明

现在将仅通过例子参考附图来描述本发明的优选实施例，各图为：

图1图示了用于汽车散热器的冷却风扇模块，冷却风扇模块合并了根据本发明的马达；

图2是图1的冷却风扇模块的马达的分解视图；

图3是图2的马达的转子的透视图，其中去除了绕组；

图4是图2的马达的横截面示意图；

图5是图3的转子的绕组示意图；

图6类似于图4，是修改的转子的横截面示意图；

图7是图6的转子的绕组示意图；

图8类似于图4，是进一步修改的转子的横截面示意图；

图9是图8的转子的绕组示意图；

图10是如使用在图3的转子中的支架的透视图；和

图11是转子芯和支架上的部分的放大视图。

具体实施方式

图1示出了例如用于冷却车辆的散热器的冷却风扇模块10。模块具有形成了风扇罩的壳体11，壳体11适合于与散热器或类似物匹配。壳体支承了电动马达12，电动马达12驱动了用于生成冷却空气流的风扇13。

图2是马达12的分解视图。马达具有第一端盖14、转子15、定子壳体16、电刷板17和第二端盖18，第二端盖18具有安装突出件19用于将马达固定到模块壳体。定子壳体16支承了永磁体定子，该定子在此情况中包括四个永磁体20。定子壳体具有打开的端部，打开的端部被两个端盖14、18封闭。转子15具有轴21、配合到轴21的芯22、配合到轴上邻近芯的一个端部的换向器23和绕组24，绕组24绕芯的极缠绕且终止于换向器。转子安装在壳体内，使得芯面对定子且轴可旋转地支承在轴承25内，轴承25被端盖14、18保持。轴21延伸通过第一端盖14来接合风扇。电刷板17位于邻近第二端盖18且优选地被第二端盖18支承。电刷板17支承了滑动地接收在电刷架内的电刷，用于形成与换向器23的滑动接触。在此例子中，存在提供了四个定子极的四个永磁体和四个接合换向器的电刷。

转子15更清晰地在图3中示出，其中转子绕组被省略以示出芯22的结构。在实践中，绕组是导线的线圈，且围绕芯的极缠绕。每个线圈具有两个轴向部分和两个横向部分。轴向部分轴向地延伸通过转子芯，且轴向部分是线圈的生成电磁力以使转子转动的部分。换言之，它们是线圈的做功部分。横向部分在横向于转子轴线的方向延伸且仅连接轴向部分。因而，横向部分不做有用功且希望使得横向部分尽可能短以节约导线且降低线圈电阻。横向部分也已知为绕组头部。当绕组头部相互布置在顶部上时，轴向延伸可能是显著的且因此要求马达内的大的空间而仅为容纳绕组头部。这增加了材料成本且也增加了马达的重量。因此，希望的是通过最小化交迭使头部尽可能平。转子芯22具有多个槽26。槽26在其间留下了区部，从而形成了转子极27。每个极具有已知为极面30的径向外表面，极面30面对定子。绕组的轴向部分容纳或布置在槽26内。转子芯22通过将多个叠片堆叠在一起形成，叠片由例如低碳钢、硅钢和不锈钢的板金属材料冲压制成。已知为支架28的绝缘层示出为位于叠片堆的两个轴向端部上。每个支架28由绝缘材料制成，且优选地是注模塑料零件。每个支架如在图10中示出具有平的基部34，平的基部34带有悬置壁29，至少在转子芯22的轴向端部区域内悬置壁29作为槽26的内表面的衬里。支架的悬置壁29可以相遇或可以不相遇。支架的用途是在转子芯的金属和绕组的导线之间提供绝缘层，特别是在端部叠片的槽的边缘上提供绝缘层，因为如果边缘未被保护，则当线圈在组装期间被缠绕时和因使用中的振动可能容易地损坏导线的相对地软的珐琅绝缘涂层。

对支架的替代是在缠绕线圈前涂敷到芯的环氧树脂涂层。然而，环氧树脂涂层更昂贵且其涂敷花费时间。

图4是马达的横截面示意图，示出了定子和转子，其中去除了绕组以图示图3的转子芯的设计。如上所提及，转子芯22通过将仔细地对齐的预先确定的个数的叠片堆叠在一起形成，使得在叠片内的槽26形成用于绕组的通道。该转子15具有已知为18槽非对称叠片的叠片，因为它具有18个槽26，为转子芯22形成了18个极27，且槽被布置且成形为使得叠片是非对称的，虽然叠片可以分为两个相等的相同半体。槽26布置为使得绕组头部的覆盖或跨过被最小化，优选地在任何位置处最多两个绕组头部。这降低了绕组头部的轴向高度。因为转子具有许多极，绕组每个围绕多于一个极缠绕，例如围绕两个、三个或四个极缠绕，如将在后文中解释。对于已知为集中绕组的绕单个极缠绕的绕组，不发生跨过绕组头部的问题。然而，对于具有许多极的电枢，通常地不选择集中绕组，因为与由分开的极的面所确定的定子极的周向宽度相比，单独线圈的跨度(即线圈的轴向部分的周向间距)小。这在图4中示意性地示出，其中定子极和转子极示出为越过小的气隙面对。在示出的例子中，在图5中，绕组具有4极的节距，这意味着每个绕组跨过4个极，导致绕组头部的偶然的交迭。

图5通过使用线W1至W9来代表线圈而图示了叠加在叠片图像上的绕组图案或构造。缠绕优选地以两个飞轮绕线机完成，这意味着同时缠绕两个直径地相对的线圈。线圈W1首先缠绕且是最短的和径向最靠内的线圈。线圈W2然后被缠绕且示出为略微交迭线圈W1。线圈W3然后被缠绕且示出为略微交迭线圈W2。线圈W4然后被缠绕且示出为不交迭任何其他线圈。线圈W5，然后W6和然后W7接着被缠绕且不交迭任何其他线圈。线圈W8然后被缠绕且示出交迭线圈W7。线圈W9被最后缠绕且示出为交迭线圈W7和W8，但不在线圈W8跨过W7处交迭，使得在任何点线圈W9仅交迭一个其他的线圈，且因此保持绕组头部的小轴向长度。

仔细观察图5的叠片，在两个直径地相对的极面中可见小的切去部分31。切去部分31在已组装的转子芯中形成了沟槽32。此切去部分用作用于在堆叠时对齐叠片的导向件且用于在缠绕期间识别第一个极。然而，此切去部分的位置是重要的，如在下文中将解释。

叠片具有18个槽26，形成了18个极。每个极具有极面，极面具有大体上相等的周向延伸。然而，槽26不是都相同的。槽可以分为两个每组9个槽的组，每组是相同的。为其中线圈W1开始的槽的槽1具有最大径向深度。接着3个槽，槽2、3和4具有逐渐减小的径向深度，剩余的槽5至槽9具有最大径向深度和类似的形状。然而，槽的每个适合于具有两个用于线圈的差别的位置，因为每个槽接收了两个不同的线圈的轴向部分。这是为将线圈定位在槽内的希望的径向深度，以获得对线圈的希望的放置。

切去部分31是必需的，以在缠绕线圈时识别第一个极。然而，切去部分在极面上的位置对于由第一极产生的齿槽转矩有影响。如果切去部分位于极面中心处，则由切去部分和由极自身产生的齿槽转矩将同相，且两个齿槽转矩将相加在一起，给出作为结果的幅值增加的齿槽转矩。

然而，如果切去部分被移动，则齿槽转矩将不同相，且作为结果的齿槽转矩的幅值不再是两个齿槽转矩的幅值的简单加和。通过移动切去部分，使得因切去部分导致的齿槽转矩与极的齿槽转矩成180度的异相，则切去部分的齿槽转矩可以部分地抵销或减小极的齿槽转矩，导致对于转子总的齿槽转矩的降低。

因此，对于如示出的4极(4个定子极)18槽(18个转子极)的马达，通过将切去部分从极面的中心移动5.0度实现了180度的相位差。公差允许在±1度内的变化。然而，在90度和270度之间的相位差通过不增加齿槽转矩可以对齿槽转矩具有有利的影响。

观察图5中的槽，可见仅槽S4可以描述为是径向会聚的。然而，在每组中的其他槽向槽S4的径向线倾斜。可见，甚至关于其径向线对称的槽S1也向槽S4的径向线向内延伸。槽的此倾斜允许与具有径向汇聚的槽的芯相比降低了线圈的宽度。

图6和图7图示了本发明的另一个实施例。马达是4极(4个定子极)14槽(14个转子极)的马达。这给出了阶次为28的齿槽转矩。切去部分31的180度相移通过从极面中心移动6.4±1度实现。

如在图7中示出，线圈W1是第一个被缠绕的线圈，它略微地被第二个被缠绕的线圈W2交迭。线圈W7也交迭了线圈W6。剩余的线圈大体上不交迭，导致非常低的绕组头部外形。在此例子中，线圈的极跨度为三个极。槽和线圈也布置为每组七个的两个相同的组。槽S1具有最大的径向深度，且槽S3具有最小的径向深度，而槽S2具有最大和最小之间的径向深度。槽S4至槽S7大体上相同且具有类似于槽S1的径向深度的径向深度。

图8和图9图示了本发明的第三个实施例。在此例子中，马达是4极(4个定子极)22槽(22个转子极)的马达。这给出了阶次为44的齿槽转矩。沟槽32的齿槽转矩的180度相移通过从极面中心移动4.1±1度实现。

如在图9中示出，也存在2组槽和线圈(1至11)。线圈W1是第一个被缠绕的线圈，它从槽S1延伸到槽S6。因此，线圈跨过五个极(P1至P5)。剩余的线圈从W2到W11依次缠绕。因为极跨度增加，交迭更成问题，但即使以此五个极跨度的布置，绕组头部的轴向高度也是小的，且线圈的跨过被限制到在任一个位置处最多三个线圈。

在此例子中，槽S1具有最大的径向深度且槽S5具有最小的径向深度。槽S2至槽S4具有逐渐缩短的径向深度。槽S6至槽S11大体上相同且具有类似于槽S1的径向深度。槽S1至槽S4和槽S6至槽S8在它们的径向内端处向槽S5的径向线倾斜。

图10是支架28的一个的透视图。支架28具有平的基部34，基部34大体上类似于支架所交迭的叠片的形状。支架的中心孔大于叠片的中心孔。悬置壁29从槽区域的边缘延伸，以衬里或靠着绕组通道的壁放置。

图11以更大的比例示意性地图示了支架28的一个和转子芯22的部分。悬置壁29具有两个在轴向方向延伸的端部。这些端部的一些是面向径向向外的，而其他的端部是面向周向的。在此可以看到的是，虽然每个极在其一个侧上看似从极面直接地延伸，但也存在由唇部35形成的小的伸出部，它覆盖了否则暴露的悬置壁的径向向外面向的端部。极的另一侧具有大的伸出部，它覆盖了邻近的悬置壁的另一端。因为极的布置，槽S1的悬置壁具有两个径向向外面向的端部，而槽S4的悬置壁具有两个周向面向的端部。

唇部35的用途是防止在缠绕线圈期间来自线圈的导线意外地在支架的悬置壁和转子芯之间被捕获。因此，此转子芯的设计适合于适用于与支架一起使用，用于芯端部的保护和槽的绝缘。

在本申请的说明书和权利要求书中，每个动词“包括”、“包含”和“具有”及其动词变形用于指示动词的宾语或多个宾语不是必需地完整地列出动词的主语或多个主语的构件、部件、元件或零件。

虽然本发明参考优选实施例描述，但对于本领域技术人员将想到多种修改是可能的。因此，本发明的范围仅参考如下的权利要求书来确定。

Claims

1.一种直流马达，其包括：

容纳了永磁体定子的定子壳体(16)；

可旋转地面对定子安装的转子(15)，该转子包括轴(21)、配合到轴的转子芯(22)、配合到轴并邻近转子芯(22)的一个端部的换向器(23)和绕转子芯(22)的极(27)缠绕且终止于换向器(23)上的绕组(24)；和

电刷装置(17)，其包括与换向器(23)滑动接触的用于将电力传输到绕组(24)的电刷，

其中转子芯包括多个堆叠在一起的叠片，该叠片是非对称的，

其特征在于，叠片具有多个形成在径向外周的槽(26)，在其间形成了区部，区部形成了转子芯(22)的极(27)且槽(26)形成了其中接收绕组(24)的绕组通道，槽(26)和转子极(27)布置为槽和转子极的一组或多组，每组相同且每组的至少一些槽(26)在非纯粹的径向方向内延伸，且每组的至少一个槽的径向深度小于其他槽的至少一个的径向深度，且马达具有高于二十的齿槽转矩基阶次。

2.根据权利要求1所述的马达，其中齿槽转矩基阶次是28、36或44。

3.根据权利要求1所述的马达，其中每个转子极(27)具有由转子芯(22)的径向外表面限定的极面(30)，极面(30)具有大体上相等的周向延伸，且该组或每组的转子极(P1)的第一极的极面具有轴向延伸的沟槽(32)，用于识别待缠绕的绕组(24)的第一个绕组(24)的位置。

4.根据权利要求3所述的马达，其中沟槽(32)从极面(30)的周向中心位移预先确定的距离，以造成在沟槽(32)产生的齿槽转矩的相位和第一极(P1)产生的齿槽转矩的相位之间的相位差。

5.根据权利要求4所述的马达，其中所述相位差在90度和270度之间。

6.根据权利要求4所述的马达，其中相位差为180度。

7.根据权利要求4所述的马达，其中马达具有四极定子，且其中预先确定的距离是角距离，该距离对于22个槽的转子是4.1度、对于18个槽的转子是5.0度且对于14个槽的转子是6.4度，值在合理的公差内。

8.根据权利要求7所述的马达，其中合理的公差是正负1度。

9.根据权利要求4所述的马达，其中马达具有四极定子和十八极转子，且沟槽(32)从第一极(P1)的极面(30)的中心移位四度至六度之间的距离。

10.根据权利要求1所述的马达，其中转子(15)具有一对支架(28)形式的转子芯端部保护件，每个支架是具有带有对应于叠片形状的形状的平的基部(34)和适合于至少在转子芯的周向端部的区域内靠着绕组通道的壁放置的悬置壁(29)的模制零件。

11.根据权利要求10所述的马达，其中悬置壁(29)的至少一些具有径向向外面向的端部，且邻近径向向外面向的端部的极面(30)具有唇部(35)，唇部(35)形成覆盖所述径向向外面向的端部的伸出部。

12.根据权利要求1所述的马达，其中每个转子极(27)具有由转子芯(22)的径向外表面限定的极面(30)，极面(30)具有大体上相等的周向延伸，且至少一个极面具有轴向延伸的沟槽(32)用于识别待缠绕的第一绕组的位置。

13.根据权利要求12所述的马达，其中沟槽(32)从极面(30)的周向中心移位预先确定的距离，以造成在沟槽(32)产生的齿槽转矩的相位和相关的极(P1)产生的齿槽转矩的相位之间的相位差。

14.根据前述权利要求的任一项所述的马达，其中马达是4极14槽马达、4极18槽马达或4极22槽马达。