CN100440693C - 无刷直流电动机的定子及其制造方法 - Google Patents

无刷直流电动机的定子及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种制造无刷直流电动机定子的方法以及由这种方法制造的无刷直流电动机的定子，该方法通过使用硅钢板片形成带状后轭、螺旋式地堆叠后轭并将由磁性铁粉形成的多个磁极插入到后轭的内圆周表面，来降低生产的单位成本并改善B-H特性和铁芯损耗特性。

Description

无刷直流电动机的定子及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种制造无刷直流电动机定子的方法，以及由这种方法制造的无刷直流电动机定子，特别涉及一种通过螺旋式地堆叠由硅钢板片制成的后轭并在后轭的内圆周表面上插入由磁性铁粉构成的磁极来提高B-H特性和铁芯损耗特性的制造无刷直流电动机定子的方法，以及由这种方法制造的无刷直流电动机的定子。
背景技术
一般而言，无刷直流电动机不包含换向器，而具有一个转子和一个定子，其中之一连接到电源，而另一个通过感应运转。
图1为由硅钢板片制成的传统无刷直流电动机的垂直剖面图，而图2为由硅钢板片制成的传统无刷直流电动机的定子的平面图。
参考图1和图2，在由硅钢板片制成的传统无刷直流电动机中，定子20安装在作为保护套的电动机主体10的内圆周表面，并且转子30可转动地安装在位于定子20中心的旋转轴40上。
定子20具有多个硅钢板片形成的堆叠结构。后轭21形成在定子20的外周表面上，并且多个磁极22以预定间隔形成在后轭21的内圆周表面上。
根据公知的冲压工艺形成定子20的后轭21和磁极22。
多个狭缝23以预定间隔形成在磁极22之间，绝缘纸25覆盖每个磁极22的外周表面和后轭21的内圆周表面上，并且线圈24缠绕在磁极22外周表面的周围。
下面说明由硅钢板片制成的传统无刷直流电动机的操作。
当电源施加到线圈24时，电流流过线圈24而产生旋转磁场(转动转子的磁场范围)并在转子30上产生感应电流。
由旋转磁场和感应电流之间的相互作用在转子30上产生转矩，以转动转子30和旋转轴40。
在由硅钢板片制成的传统无刷直流电动机的定子20中，通过挤压及冲压硅钢板片来形成后轭21和磁极22。因此，在形成后轭21和磁极22之后在冲压工艺中形成废料。也就是说，不必要地浪费材料(硅钢板片)。
为了解决上述问题，有人曾提出通过在模具中填入磁性铁粉并烧结这些磁性铁粉来制造目标元件的粉末冶金工艺。
图3为由磁性铁粉形成的传统无刷直流电动机的定子平面图。
如图3所示，在由磁性铁粉形成的传统无刷直流电动机的定子50中，后轭51形成在定子50的外周表面上，并且以相等的间隔在后轭51的内圆周表面上形成多个磁极52。
在由磁性铁粉形成定子50的情况下，后轭51和磁极52可形成为预想的形状，并且可减少在磁极52的外周表面上缠绕的线圈53的体积。然而，与图2由硅钢板片制成的定子20比较，由磁性铁粉形成的定子50的B-H特性和铁芯损耗特性(core loss property)恶化。
下面参考图4和图5说明硅钢板片和磁性铁粉的B-H特性和铁芯损耗特性。
图4为B-H特性图。
如图4所示，横轴表示电场H，纵轴表示通量密度B，曲线1表示硅钢板片，而曲线2表示磁性铁粉。
在从10000至20000的电场部分，曲线2的通量密度B相对小于曲线1的通量密度。
也就是说，电场与电流成比例，而通量密度与输出成比例。因此，当通入相同电流时，使用由磁性铁粉形成的定子的电动机的输出相对低于使用由硅钢板片制成的定子的电动机的输出。
图5为表示铁芯损耗特性的曲线图。
如图5所示，横轴表示通量密度B，纵轴表示铁芯损耗，曲线1表示硅钢板片，而曲线2表示磁性铁粉。在整个通量密度部分，曲线2相对高于曲线1。
考虑B-H特性和铁芯损耗特性，可得出使用由磁性铁粉形成的定子的电动机的输出相对低于使用由硅钢板片制成的定子的电动机的输出。
综上所述，由硅钢板片制成的传统无刷直流电动机比由磁性铁粉制成的传统无刷直流电动机表现出更好的B-H特性和铁芯损耗特性，但产生更多废料，这导致硅钢板片的大量损耗。
另一方面，由磁性铁粉制成的传统无刷直流电动机不产生废料，但比由硅钢板片制成的传统无刷直流电动机的B-H特性和铁芯损耗特性更易恶化，这导致了低输出和低效率。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种制造无刷直流电动机定子的方法以及由这种方法制造的无刷直流电动机的定子，该方法通过使用硅钢板片形成带状后轭、螺旋式地堆叠后轭并将由磁性铁粉形成的磁极插入到后轭的内圆周表面中，来降低生产的单位成本并改善B-H特性和铁芯损耗特性。
为了获得这些及其他优点，并根据本发明的目的，如在此实施及广泛描述的，本发明提供一种制造无刷直流电动机定子的方法，该方法利用压制工艺和粉末冶金工艺通过根据压制工艺形成定子的后轭，根据粉末冶金工艺形成定子的多个磁极，并将后轭和磁极装配到定子中，该方法包括以下步骤：通过冲压硅钢板片形成带状后轭材料，其中以相等的间隔在该后轭材料的内侧形成多个连接槽，且在该后轭材料的外侧与各连接槽相对应的位置形成凹部；通过螺旋式地堆叠后轭材料来形成定子的后轭，其中在所述磁极的末端形成连接凸出部；通过对磁性铁粉进行成形和烧结来形成定子的多个磁极；通过将所述连接凸出部插入到所述连接槽，从而将磁极插入到后轭的内圆周表面以使磁极连接到后轭；用绝缘纸覆盖磁极；以及在覆盖有绝缘纸的磁极外周表面上缠绕线圈。
根据本发明的一个方案，通过制造无刷直流电动机定子的方法制造的定子包括：一后轭，其通过螺旋式地堆叠带状硅钢板片而形成，其中在该带状硅钢板片的内侧以相等的间隔形成有多个连接槽，而在该带状硅钢板片的外侧与各连接槽相对应的位置形成有凹部；多个磁极，所述磁极的端部形成有连接凸出部，所述连接凸出部所述多个连接槽中，从而所述磁极插入到该后轭的内圆周表面上以使所述磁极连接于该后轭；以及多个线圈，其缠绕在覆盖有绝缘纸的所述磁极的外周表面上。
根据本发明的另一个方案，一种用于制造无刷直流电动机的方法包括以下步骤：通过冲压硅钢板片形成带状后轭材料，其中以相等的间隔在该后轭材料的内侧形成多个凹槽，在相邻凹槽之间形成连接凸出部，且在该后轭材料的外侧与各凹槽相对应的位置形成凹部；通过螺旋式地堆叠后轭材料来形成定子的后轭，其中在所述磁极的端部形成连接槽；通过使用磁性铁粉来形成多个磁极；在多个线轴上缠绕线圈；将线轴插到所述磁极的外周表面上；以及通过将所述连接凸出部插入所述连接槽，从而所述磁极插入该后轭的内圆周表面以使所述磁极连接到该后轭。
根据本发明的另一个方案，通过制造无刷直流电动机定子的方法制造的定子包括：一后轭，其通过螺旋式地堆叠带状硅钢板片而形成，其中在该后轭材料的内侧以相等的间隔形成多个凹槽，在相邻凹槽之间形成连接凸出部，且在该后轭材料的外侧与各凹槽相对应的位置形成凹部；多个磁极，所述多个磁极的端部形成有连接槽，所述连接槽插入所述连接凸出部上，从而所述多个磁极插到在该后轭内圆周表面上以使所述多个磁极连接于该后轭；多个线轴，其插到所述多个磁极的外周表面上；以及多个线圈，其缠绕在所述多个线轴的外周表面上。
本发明的上述及其他目的、特征、方案和优点从以下本发明的详细描述在结合附图时将变得更清楚。
附图说明
附图是用以提供对本发明的进一步理解，本说明书包括附图并且附图构成本说明书的一部分，这些附图说明了本发明的实施例，并与说明书一起用来解释本发明的原理。
在附图中：
图1为由硅钢板片制成的传统无刷直流电动机的垂直剖面图；
图2为由硅钢板片制成的传统无刷直流电动机定子的平面图；
图3为由磁性铁粉形成的传统无刷直流电动机定子的平面图；
图4为表示B-H特性的曲线图；
图5为表示铁芯损耗特性的曲线图；
图6为根据本发明的第一实施例的制造无刷直流电动机定子的工艺顺序步骤的流程图；
图7A至图7G为根据本发明的第一实施例的制造无刷直流电动机定子的工艺的示意图；
图8为通过根据本发明的第一实施例的制造无刷直流电动机定子的方法制造的定子平面图；
图9为根据本发明的第二实施例的制造无刷直流电动机定子的工艺顺序步骤的流程图；
图10A至图10G为根据本发明的第二实施例的制造无刷直流电动机定子的工艺的示意图；
图11为通过根据本发明的第二实施例的制造无刷直流电动机定子的方法制造的定子平面图。
具体实施方式
下面详细参照本发明的优选实施例，在附图中给出了这些实施例。
下面参照附图详细描述根据本发明优选实施例的无刷直流电动机。
图6为根据本发明第一实施例的制造无刷直流电动机定子的工艺顺序步骤的流程图，而图7A-图7G为根据本发明第一实施例制造无刷直流电动机定子的工艺图。
参考图6，根据本发明的第一优选实施例，制造无刷直流电动机的方法包括以下步骤：通过冲压硅钢板片形成带状的后轭材料(步骤S1)，通过螺旋式地堆叠后轭材料形成定子的后轭(步骤S2)，通过使用磁性铁粉形成定子的磁极(步骤S3)，通过将磁极插入后轭的内圆周表面来将磁极连接到后轭(步骤S4)，用绝缘纸覆盖后轭的内圆周表面和磁极的外周表面(步骤S5)，在覆盖有绝缘纸的磁极的外周表面上缠绕线圈(步骤S6)。
如图7A所示，在形成后轭材料的步骤中，通过动模2，挤压与冲压位于基模1上的硅钢板片3而形成带状后轭材料110’。如图7B所示，在后轭材料110’的一个侧面以相等的间隔形成连接槽110a。
如图7C所示，在形成后轭的步骤中，通过螺旋式地堆叠图7B中的后轭材料110’而形成圆柱状的后轭110。这里，连接槽110a位于后轭110的内圆周表面。
参考图7D，在形成磁极的步骤中，根据粉末冶金工艺形成多个磁极120。即，通过将磁性铁粉填在磁极形状的模具中(未显示)并烧结磁性铁粉来形成多个磁极120。
在每个120磁极中，一个连接凸出部121形成在磁极120的一侧端，并且一个环绕单元122形成在磁极120中部的外周表面。如图7E所示，在将磁极连接到后轭的步骤中，磁极120的连接凸出部121被插入在后轭110内表面上形成的连接槽110a中，以使磁极120能连接到后轭110上。
如图7F所示，在用绝缘纸覆盖磁极的步骤中，绝缘纸130覆盖在磁极120的外周表面(即，环绕单元122)和后轭110的内圆周表面，以防止随后提到的线圈140直接与后轭110和磁极120接触。
如图7G所示，在将线圈缠绕在覆盖有绝缘纸的磁极的外周表面周围的步骤中，线圈140用通常的方法缠绕在磁极120的外周表面。这样，制造定子100的过程就完成了。
图8为通过根据本发明第一实施例的制造无刷直流电动机定子的方法制造的定子平面图。
如图8所示，在由这种制造无刷直流电动机定子的方法制造的定子100中，圆柱状的后轭110是通过螺旋式地堆叠带状硅钢板片形成的，磁极120的连接凸出部121插入在后轭110的内圆周表面上以相等的间隔形成的连接槽110a中，绝缘纸130覆盖磁极120的外周表面及后轭110的内圆周表面，并且线圈140缠绕在磁极120的外周表面。
环绕单元122形成在磁极120的外周表面上。这里，环绕单元122的横向尺寸(d)相对小于两端的横向尺寸D，以降低缠绕在环绕单元122上的线圈140的体积。
综上所述，根据本发明的第一实施例，在由制造无刷的直流电流电动机的定子的方法制造的定子100中，后轭110是根据压制工艺形成的，磁极120是根据粉末冶金工艺形成的，并且磁极120连接到后轭110，由此，减少材料的废料并改善B-H特性和铁芯损耗特性。
图9为根据本发明第二实施例的制造无刷直流电动机定子的工艺顺序步骤流程图，而图10A-图10G为根据本发明第二实施例的制造无刷直流电动机定子的工艺的示意图。
如图9所示，根据本发明第二实施例，制造无刷直流电动机定子的方法包括以下步骤：通过冲压硅钢板片形成带状的后轭材料(步骤S10)，通过螺旋式地堆叠后轭材料形成定子的后轭(步骤S20)，通过使用磁性铁粉形成多个磁极(步骤S30)，在线轴的外周表面上缠绕线圈(步骤S40)，将线轴插到磁极上(步骤S50)，并且将已插有线轴的磁极连接到后轭(步骤S60)。
参考图10A，在形成后轭材料的步骤里，通过动模2，挤压与冲压位于基模1上的硅钢板片3而形成带状后轭材料210’。如图10B所示，在后轭材料210’的一侧面以相等的间隔形成连接凸出部210a。
如图10C所示，在形成后轭的步骤中，通过螺旋式地堆叠带状后轭材料210’而形成圆柱状的后轭210。这里，连接凸出部210a位于后轭210的内圆周表面上。
如图10D所示，在形成磁极的步骤中，根据粉末冶金工艺，即，通过将磁性铁粉填在磁极形状的模具中(未显示)并烧结磁性铁粉来形成多个磁极220。
在每个磁极220中，一个连接槽221形成在磁极220的一侧端，连接凸出部210a插入到该连接槽221中，并且一个环绕单元222形成在磁极220中部的外周表面上。
如图10E所示，在将线圈缠绕到线轴的外周表面的步骤中，线圈240缠绕在管状线轴230周围，该管状线轴230能插到图10D的磁极220上。附图标记230a表示一个插入孔。
如图10F所示，在将线轴插到磁极上的步骤中，磁极220的末端220a插入线轴230的插入孔230a中，以使线轴230连接到磁极220的外周表面。
如图10G所示，在将已插有线轴的磁极连接到后轭的步骤中，后轭210的连接凸出部210a被插入磁极220的连接槽221中，以使磁极220能连接到后轭210的内圆周表面。这样，制造定子200的工艺完成。
图11为通过根据本发明第二实施例的无刷直流电动机定子的平面图。
如图11所示，在无刷直流电动机的定子200中，后轭210是通过螺旋式地堆叠带状硅钢板片形成的，磁极220插到在后轭210的内圆周表面上以相等的间隔形成的连接凸出部210a上，线轴230被插到磁极220的外周表面上，并且线圈240缠绕在线轴230的外周表面。
综上所述，根据本发明的第二实施例，无刷直流电流电动机的定子200能减少材料的浪费，改善B-H特性和铁芯损耗特性。
此外，通过使用线轴代替使用绝缘纸可有效地进行缠绕线圈的过程。
由于本发明可以几种形式实施而不脱离本发明的精神和基本特征，因此应当理解上述实施例不受上述任何细节所限制，除非另有说明，但是可广泛解释为包含在所附权利要求所限定的精神和范围内，并且因此在权利要求范围内或等价于这些范围的所有变化和改动被权利要求书所包含。

Claims (11)

1.一种制造无刷直流电动机的定子的方法，包括以下步骤：
通过冲压硅钢板片来形成带状的后轭材料，其中以相等的间隔在该后轭材料的内侧形成多个连接槽，且在该后轭材料的外侧与各连接槽相对应的位置形成凹部；
通过螺旋式地堆叠该后轭材料来形成该定子的后轭；
通过使用磁性铁粉来形成多个磁极，其中在所述磁极的末端形成连接凸出部；
通过将所述连接凸出部插入到所述连接槽，从而将所述磁极插入到该后轭的内圆周表面以使所述磁极连接到该后轭；
用绝缘纸覆盖所述磁极；以及
在覆盖有所述绝缘纸的所述磁极的外周表面上缠绕线圈。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在形成所述磁极的步骤中，在所述磁极的外周表面上形成环绕单元。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述磁极的环绕单元的横向尺寸相对小于所述磁极的两端的横向尺寸。
4.如权利要求1所述的方法，其中，在形成该后轭的步骤中，该后轭堆叠成圆柱形。
5.一种制造无刷直流电动机的定子的方法，包括以下步骤：
通过冲压硅钢板片来形成带状的后轭材料，其中以相等的间隔在该后轭材料的内侧形成多个凹槽，在相邻凹槽之间形成连接凸出部，且在该后轭材料的外侧与各凹槽相对应的位置形成凹部；
通过螺旋式地堆叠该后轭材料来形成该定子的后轭；
通过使用磁性铁粉来形成多个磁极，其中在所述磁极的端部形成连接槽；
在多个线轴上缠绕线圈；
将所述线轴连接到所述磁极的外周表面；以及
通过将所述连接凸出部插入所述连接槽，从而所述磁极插入该后轭的内表面以使所述磁极连接到该后轭。
6.如权利要求5所述的方法，其中，在形成所述磁极的步骤中，在所述磁极的外周表面上形成环绕单元。
7.如权利要求6所述的方法，其中，该环绕单元的横向尺寸相对小于所述磁极的两端的横向尺寸。
8.一种无刷直流电动机的定子，包括：
一后轭，其通过螺旋式地堆叠带状的硅钢板片而形成，其中在该带状硅钢板片的内侧以相等的间隔形成有多个连接槽，而在该带状硅钢板片的外侧与各连接槽相对应的位置形成有凹部；
多个磁极，所述多个磁极的端部形成有连接凸出部，所述连接凸出部插入到所述多个连接槽中，从而所述多个磁极插入该后轭的内圆周表面上以使所述多个磁极连接于该后轭；以及
多个线圈，其缠绕在覆盖有绝缘纸的所述多个磁极的外周表面上。
9.如权利要求8所述的定子，其中，该后轭堆叠成圆柱形。
10.一种无刷直流电动机的定子，包括：
一后轭，其通过螺旋式地堆叠带状硅钢板片而形成，其中在该后轭的内侧以相等的间隔形成多个凹槽，在相邻凹槽之间形成连接凸出部，且在该后轭的外侧与各凹槽相对应的位置形成凹部；
多个磁极，所述多个磁极的端部形成有连接槽，所述连接凸出部插入所述连接槽，从而所述多个磁极插到在该后轭的内圆周表面上以使所述多个磁极连接于该后轭；
多个线轴，其插到所述多个磁极的外周表面上；以及
多个线圈，其缠绕在所述多个线轴的外周表面上。
11.如权利要求10所述的定子，其中，该后轭堆叠成圆柱形。
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