CN101116234B - 无碳刷直流电机及其磁轭环板叠、齿环板叠和顶部及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无碳刷的直流电机，该电机具有一承载着一缠绕系统(29)的定子和一转子，其中定子包括一具有径向向外延伸的齿冠(12)的齿环(10)以及一磁轭环(16)。根据本发明建议，在径向上交错啮合地形成齿环(10)和磁轭环(16)。本发明还涉及一种磁轭环板叠、一种齿环板叠和一种顶部以及一种用于制造无碳刷的直流电机的方法。

Description

无碳刷直流电机及其磁轭环板叠、齿环板叠和顶部及其制造方法

技术背景

本发明涉及根据独立权利要求前序部分的一种无碳刷直流电机，还涉及一种直流电机的一种磁轭环板叠(Rückschlussringpaket)、一种齿环板叠(Zahnkranzpaket)和一种顶部(Kopfteil)以及用于制造无碳刷的直流电机的方法。

已知无碳刷的直流电机(BLDC直流电机)、电换向电动机(EC电动机)以及变速磁阻电动机(SR电动机)。这些电动机具有凸出的电的和机械的特性，可是与具有机械换向的直流电机(DC直流电机)相比具有相对高的制造费用。由于这个原因，EC直流电机迄今没有值得一提地应用在比如电动工具的廉价应用中或汽车发动机的应用中。因为EC直流电机为了换向，原则上需要一包括附属控制电路在内的半导体电桥电路，其与DC直流电机相比有一种策略性的缺点，DC直流电机不需要这项开支。

根据现有技术常常使用电子技术间歇地控制直流电机(旋转方向、转速、转动力矩)，如此用于控制EC直流电机所需的附加费用一直不太起决定作用。

然而已知的EC电动机的制造方法是昂贵并且复杂的。EC电动机包含一种由冲压薄板构成的定子。该定子用于容纳一个或多个定子绕组，以该定子绕组基本上确定电动机的输出功率数据。对于绕组例如形成了定子中的槽。布置在电动机轴上的转子具有多个永久磁铁，它们通过空气间隙相对于定子独立布置。定子绕组可以相互如此进行激励，即产生使转子处于旋转的旋转磁场。

已知根据现有技术的如下卷绕方法：

在一种第一方法中制造一输入绕组，对此在一磁芯上缠绕定子绕组，并且接下来紧接着穿过在定子槽中的齿之间的缝隙。对此缺点是，该方法相对昂贵并且作业周期较长。此外需要较宽的齿缝，这再度对如此制造的电机的磁特性产生负面影响。

在一种替代的制造方法中，制造一种单齿或双齿绕组。对此，定子分隔成两个部分：齿环和磁轭环。因此齿环的齿不能相互分离，所以该齿环必须在转子方面彼此连接，也就是说面向转子侧面不能通过缝隙来分离齿。也可以仅仅在满足机械强度的足够数目的冲压薄板的情况下，在转子侧面上也可能存在齿的连接。在工作过程中，能够简单并快速地缠绕如此的板叠铁心、比如常规DC直流电机的定子。例如已知在一绕线架上的单齿缠绕作为缠绕方法，其在叠置绕组之后从外部向齿环的齿移动。在传统的双齿缠绕中全部匝数叠置在一个齿上，相邻齿是空的。可是恰好在较短定子长度的情况下、例如20mm以下，可以明显测量到绕组头的无效导线部分，如此优选单齿缠绕。对此分别将一半匝数叠置在具有相反缠绕方向的两个相邻齿上。

在缠绕之后，紧接着将同样已被冲压堆叠(stanzpaketierte)的磁轭环板叠形状配合连接地压装在已缠绕的齿环板叠上。在这种情况下的缺点是，通过压装过程在齿环板叠中产生较大的机械应力，必须通过在转子侧面上的齿连接来阻断该机械应力。因此在完成定子的制造之后也可以不取消该齿连接，这再度对定子的磁特性产生不利影响。

此外通过在接触点上的压装过程，在板叠的各个冲压薄板之间产生电连接，这导致较高的涡流损耗。

本发明的优点

在根据本发明的无碳刷直流电机中，在径向上交错啮合地形成一齿环和一磁轭环。优选设置一连接件用于建立接触面的形状配合的及传力的连接，在一齿环的齿冠(Zahnkopf)和一磁轭环之间形成该接触面。由此优选地甚至不会出现不希望的机械应力。此外避免产生涡流。

根据本发明的直流电机包含一具有缠绕系统(Wicklungs-anordnung)的定子和一转子，其中定子包含一具有径向上向外延伸的齿冠的齿环和一磁轭环(Rückschlussring)。

在一种优选方案中，用于在齿环的齿冠和磁轭环之间建立一种形状配合的及传力的连接的连接件是可变形的。

在另一种优选方案中，在建立形状配合的及传力的连接之前，齿环和磁轭环可以无动力地交错地接合。

根据本发明的齿环板叠包含至少一个齿环，其具有指向外部的齿和在径向上延伸的并且形成侧凹的齿冠。齿冠适当地具有一外侧凹穴。

根据本发明的磁轭环板叠包含至少一个磁轭环，它由一具有在径向上指向内部的、向内部楔形扩充的接触元件的环形体构成，其中接触元件形成侧凹。

优选磁轭环和齿冠的彼此对应的接触面构成为在所述两个板叠之间的连接件。在这种情况下，可以形成与通过磁轭环的连接板条所形成的接触面相对应的、齿环齿冠的接触面。可以预先规定，在磁轭环的连接板条之间布置形成为配合件的、具有楔形横截面的接触元件。通过齿冠和磁轭环的特别造型，可以建立一种形状配合的及传力的连接。

在用于制造一种无碳刷的直流电机的按照本发明的方法中，形状配合及传力连接地对彼此对应的接触面进行填缝，其中磁轭环的薄壁连接板条如此变形，使得在磁轭环的处在连接板条之间的楔形接触元件被拉向齿冠的对应的接触面。在填缝之前，在缠绕齿环板叠之后，磁轭环板叠不费力地在齿环板叠上移动或者接合。因此不需要消耗力，因为在齿环板叠和磁轭环板叠之间存在大约几个十分之一毫米的较小缝隙。由于所述两个板叠在接合时没有摩擦地挤压，所以优选地不会由于材料变形和在接合位置上的毛刺而产生导电的连接。

在接合之后，根据本发明可以通过在齿冠的外侧面上的填缝来实现齿环板叠和磁轭环的形状配合的及传力的连接。对此，在磁轭环的楔形形成的接触元件之间的薄壁连接板条可以至少部分地压入到齿冠的外侧的凹穴中，由此楔形接触元件形状配合及传力地、实际上自动地被拉到齿冠的对应的表面处。在填缝时，所述齿优选地通过一保护件、例如一芯轴被支撑在转子侧面上、也就是说支承在齿环板叠的内直径上。

在接合之前，齿环板叠和磁轭环板叠备有一种电绝缘层、例如一种漆层，由此在填缝时在齿环板叠的齿冠和磁轭环板叠之间优选地建立一种机械固定的并且不导电的连接，由此显著降低涡流损耗。

特别优选的是，连接件可以形成为例如钢丝或销钉形式的张紧件，该张紧件至少部分地布置在齿冠的外侧的凹穴之中。在根据本发明的制造方法中，所述张紧件被压入到磁轭环的连接板条和齿冠的外侧凹穴之间。在压入时，薄壁的连接板条向外挤压并且弹性变形，由此齿冠和磁轭环的对应表面相对牵拉。由于连接板条通过已压入的销钉支撑在齿冠的外侧面上，因此优选地在齿的转子侧的连接处不产生机械应力。因此在接合之后它们优选地例如利用一种空心针或通过电化学方法(例如一种ECM方法)毫无问题地实现机械分离，这有助于改善磁通量引导(Flussführung)。

也可以预先规定，利用磁轭环板叠的对应的连接板条对一部分齿冠进行填缝，并且借助于张紧件来楔嵌一部分齿冠。

在定子的自由端部上最好分别布置一顶部。在直流电机的一种根据本发明的顶部中，分别设置一用于容纳一转子轴承的容纳孔。通过在绕组头内部能够布置转子轴承的顶部的特别结构，与已知的EC电机相比，实现了显著的费用上的和结构空间上的优点，在已知的EC电机中为了容纳和安置转子而需要一独立的、例如由压铸铝制成的外壳，以便在内部接合已被缠绕的定子，或者以便设置一容纳机构用于安置转子。通过转子轴承在顶部中的根据本发明的容纳，优选地能够实现直流电机的一种紧凑的结构形式，因为转子轴承可以直接布置在轴上的转子薄板板叠上。这带来这样的优点；在最短的路径上接受作用到轴承上的力，并且可以尽可能好地阻断不平衡。因为顶部及其销轴可直接由定子板叠容纳，所以转子轴对于定子板叠的对称轴线最佳地进行校准。转子轴与其在定子对称轴中的最佳位置的偏差与转子轴在外壳轴瓦中的安置相比有利地明显较低，在该外壳轴瓦中容纳定子。必须通过在定子和转子之间的较大的空气间隙来补偿外壳和定子的附加的公差，这对于磁特性有负面影响。例如通过加大在定子和转子之间的空气间隙来降低电机的最大可达到的转动力矩。

优选在顶部中设置用于容纳并引导缠绕系统的小腔。因此所述顶部优选地同时用于引导并容纳绕组导线。

所述顶部最好由不导电的和不导磁的材料制成，例如由高品质的热塑性塑料、比如硫化聚苯醚制成，已知商标为Fortron。通过这种材料优选地避免涡流损耗。特别优选的是，所述顶部具有修圆的边缘，以便避免伤害绕组导线的绝缘漆。

所述顶部适当地使定子薄板板叠与绕组相分离。优选的是，所述顶部至少部分地伸入到布置在齿环的齿之间的槽中，并且用于把绕组导线引入槽中、从一个槽引入到下一个槽中。为了将顶部固定在定子薄板板叠中并对其进行校准，该顶部可以备有销轴，该销轴被压入到齿环板叠的外部的齿冠中的冲制孔里。为了更好地与齿环板叠连接，该销轴备有刻槽。在缠绕之后，顶部适当地附加地由绕组机械地保持在定子上。为了进一步改善电绝缘和机械稳定性，可以例如通过浸润或滴湿绕组头而对已缠绕的定子板叠进行涂漆。

代替顶部的销轴，可以在齿冠的冲制孔中部分地装入机械连接元件、比如铆钉、螺钉和类似元件，以便持久固定齿环板叠。可以在磁轭环板叠的楔形接触元件上在外部设置用于连接元件的另外的冲孔。为了机械固定，磁轭环板叠也可以象通常一样在外部区域中与接触元件进行焊接。

不依赖于在权利要求中的概述，在没有限制普遍性的情况下从下面根据在附图中所示出的本发明实施例中得出本发明的其它实施方式、构思和优点。

附图说明

图1直流电机的齿环板叠的齿环俯视图，

图2a直流电机的顶部，

图2b按照图2a的顶部的沿着线A-A’的截面图，

图3直流电机的磁轭环的俯视图，

图4与磁轭环结合之后已缠绕的齿环板叠的俯视图，

图5在用填缝工件与磁轭环一起填缝的、已被缠绕的齿环板叠的示意图，

图6已缠绕的齿环板叠的示意图，楔入磁轭环，

图7直流电机的按照本发明实施方式的截面图。

具体实施方式

图1示出了一种直流电机的齿环10的俯视图，该齿环包括已被冲压的薄板并且是一种齿环板叠35的一部分，齿环板叠与一磁轭环板叠42一起形成一定子，其中定子支撑一缠绕系统。例如在图4中示出了磁轭环板叠42、缠绕系统和定子。

齿环10包含指向外部的齿11。在齿环10的各个齿11之间安排用于容纳没有示出的绕组的槽15。齿11通过桥接片39连接在内侧，以便为了进一步加工而保证机械连接。在以缠绕系统缠绕之后、在与磁轭环接合之后和/或在压制或者楔入磁轭环之后，可以割断桥接片39。齿11在径向上延伸并且包含着形成了侧凹25的齿冠12，其中齿冠向外楔形展宽。每个齿冠12在其自由端处分别以两个对称的瓣形隆起38分成两部分，其中在中间安排一外侧的凹穴13。在每个隆起38中设置一冲孔14，其中冲孔14用于固定一没有示出的顶部23，并且用于连接全部的齿环板叠35。通过冲压板叠，使各个齿环10可以连接成一堆叠，其中没有示出可能存在的冲压板叠压花。齿环10可以选择借助于没有示出的固定元件—比如空心铆钉、切口销钉或螺钉彼此连接，或在用烘焙漆涂敷之后烘干成堆叠。通过铆钉的连接有这样的优点，即在各个薄板之间不会由于冲压毛刺而产生短路，由此涡流损耗较低或者可能避免涡流损耗。这适合于借助于烘焙漆来制造薄板堆叠。

为了清楚起见，在附图中仅仅几个相同的元件设有附图标记。此外在图中以相同的附图标记表示相同元件。

图2a示出顶部23的俯视图，图2b示出了顶部23沿着线A-A’的截面图。每一顶部23轴向固定在一齿环板叠35的自由端处。顶部23的结构基本上与图1中的齿环10的结构一致，该齿环具有齿11、带有冲孔14的齿冠12以及槽15。顶部23用作缠绕导向机构，其中在槽15的边缘中分别设置容纳机构28，用于在槽15内部引导缠绕系统29。同时顶部23用于缠绕保护，并且在齿11上具有一用于缠绕系统29的端侧的线材引导机构41。由此定子薄板板叠与缠绕系统29实现电分离并进行绝缘。顶部23具有一容纳孔26，用于容纳没有示出的定子轴承。顶部23通过销轴31与没有示出的齿环板叠相连接，其中销轴31伸入到齿环板叠的冲孔14中，或者形状配合连接地压入到该冲孔中。顶部23附加地例如用铆钉43固定在齿环板叠上。在这种情况下取消一部分销轴，并且用优选形成为空心铆钉的铆钉43来代替。

在图3中示出了一种冲制的磁轭环16的俯视图。磁轭环16由一具有径向指向内部的接触元件22的环形体构成，其中接触元件22形成侧凹24。接触元件22形成为具有楔形截面的配合件。接触元件22通过薄壁的连接板条19进行连接，其与齿环的没有示出的齿冠相对应。在成品直流电机中磁通量主要穿过楔形的接触元件22。连接板条在所限定的位置处具有加固部分20，它们具有抵抗变形力的较高的机械阻力。它们用于在事后的、以齿环板叠35对磁轭环板叠42填缝时使楔形的接触元件22确定地以其接触面30对准齿环板叠35的对应接触面30’。

图4示出了在与一磁轭环16的接合状态下已缠绕的齿环板叠35的俯视图，其中齿环10和磁轭环16在径向上交错啮合地设计。

为了在齿环10的齿冠12和磁轭环16之间建立形状配合的及传力的连接，预先规定一连接件，该连接件形成为磁轭环16的楔形接触元件22的彼此对应的接触面30和楔形齿冠12的接触面30’。磁轭环16的形成为配合件的楔形接触元件22具有接触面30，该接触面刚好与齿冠12的接触面30’相对应。此外齿冠12与凹槽21精配合，通过磁轭环16的连接板条19形成该凹槽。

如下进行齿环板叠35与一包含着磁轭环16的磁轭环板叠42的拼接：在以缠绕系统29缠绕备有两个顶部(绕组头)23、23’的齿环板叠35之后，磁轭环板叠42在齿环板叠35上方移动。这不费力气，因为在两个板叠35、42之间仅有几个十分之一毫米的较小接缝32。

在图5中说明了在接合之后怎样对两个板叠35、42进行填缝。图5中的各个元件的结构与在图4中的一致。在填缝时磁轭环16的连接板条19的薄壁区域压入到齿冠12的外侧的凹穴13中，由此使楔形接触元件22形状配合连接和传力连接地移向齿冠12的对应接触面30’。在这种情况下，磁轭环16的处在连接板条19之间的楔形接触元件22从在连接板条19上仅仅有些弯曲的加固部分20沿着径向向外移动到齿冠12的对应的接触面30。在填缝时最好使用一种工具44的楔状物，它们同时在径向上沿着方向33以齿环10对磁轭环16进行填缝。在填缝期间-如果需要-通过没有示出的支撑件、例如心轴来保护在转子侧所布置的齿。

在图6中示出了本发明的一种替代实施方式，其中通过一种形成为销钉34的连接件在齿环板叠35和磁轭环板叠42之间建立一种楔嵌形式的、形状配合的及传力的连接。销钉34分别布置在齿冠12的外侧的凹穴13中。

与磁轭环板叠42接合并且在两个末端处与顶部23相连接的齿环板叠35的结构基本上与在图4中相应元件的结构一致。在楔入时，布置在磁轭环16的连接板条19之间的销钉34压入到齿冠12的外侧的凹穴13中。由此，磁轭环16的楔形接触元件22牵引在齿冠12的对应接触面30上，并且向外挤压磁轭环16的连接板条19的可变形的薄壁区域并使其变形。由于在齿冠12的外侧面上通过压入的销钉34支撑着连接板条19，所以在压入过程中在齿11的转子侧桥接片39上不产生机械应力。因此桥接片39在接合之后毫无问题地实现机械或电的分离，这有助于改善磁通引导。

在图7中示出了一种根据本发明的直流电机的截面图，该直流电机具有一转子板叠36和一包含着该转子板叠36的齿环板叠35。齿环板叠35由冲制的齿环10形成，并且在其轴向的自由端部上通过顶部23、23’固定所述齿环板叠。为了在齿环板叠35中对于顶部23、23’进行固定并且调节，顶部23、23’具有销轴31，其被压入到齿环板叠35的齿冠12的冲孔14中。顶部23、23’分别具有一用于容纳转子轴承27的容纳孔26，其中布置一轴37。同时顶部23、23’用于引导并容纳缠绕系统29。在安装顶部23、23’之后，齿环板叠35被缠绕。对此顶部23、23’使齿环板叠35与缠绕系统29分离。在缠绕之后，附加地由缠绕系统29使顶部23、23’保持在定子上。

在齿环板叠35缠绕之后，由磁轭环16形成的磁轭环板叠42在齿环板叠35上方沿着结合方向40移动。这不费力气，因为在两个板叠35、42之间存在几个十分之一毫米数量级的接缝32。在接合之后，齿环板叠35和磁轭环板叠42形状配合及传力地被填缝或楔入，正如上面详细描述的。

在接合之前，齿环板叠35和磁轭环板叠42备有一种电绝缘层、例如漆层，由此在填缝或楔入时在齿环板叠35的齿冠12和磁轭环板叠42之间建立一机械牢固的并且不导电的连接。

Claims (18)

1.无碳刷的直流电机，具有一承载着一缠绕系统(29)的定子和一转子，其中定子包括一具有径向向外延伸的齿冠(12)的齿环(10)以及一磁轭环(16)，其特征在于，在径向上交错啮合地形成齿环(10)和磁轭环(16)，其中用于在齿环(10)的齿冠(12)和磁轭环(16)之间建立形状配合的及传力的连接的连接板条(19)是可变形的，其中磁轭环(16)具有与齿环(10)的齿冠(12)相对应的连接板条(19)，其中磁轭环(16)由一具有径向指向内部的、向内楔形扩充的接触元件(22)的环形体构成，其中接触元件(22)形成侧凹(24)，通过至少部分薄壁的连接板条(19)连接所述接触元件(22)，其中磁轭环的薄壁连接板条如此变形，使得磁轭环的处在连接板条之间的楔形接触元件被拉向齿冠的对应的接触面，在填缝之前，在缠绕齿环板叠之后，磁轭环板叠不费力地在齿环板叠上移动或者接合。

2.按权利要求1所述的直流电机，其特征在于，在薄壁的连接板条变形之前，在齿环板叠和磁轭环板叠之间存在尺寸为几个十分之一毫米的缝隙。

3.按照权利要求1所述的直流电机，其特征在于，设置连接件，用于建立在齿环(10)的齿冠(12)和磁轭环(16)之间形成的接触面(30、30’)的形状配合的及传力的连接。

4.按照上述权利要求之一所述的直流电机，其特征在于，齿环(12)和磁轭环(16)在建立形状配合的及传力的连接之前可以无力地交错接合。

5.按照权利要求1所述的直流电机，其特征在于，连接板条(19)至少部分地压入到齿冠(12)的外侧的凹穴(13)中。

6.按照权利要求1或5所述的直流电机，其特征在于，设置销钉(34)，其至少部分地分别布置在齿冠(12)的外侧的凹穴(13)和连接板条(19)之间。

7.按照权利要求1所述的直流电机，其特征在于，定子在其自由端上分别包含一顶部(23)，该顶部与销轴(31)一起插入到齿环(10)中，并且在外侧具有线材引导机构(41)。

8.用于按权利要求1到7之一所述的无碳刷的直流电机的磁轭环板叠，具有至少一个磁轭环(16)，其特征在于，磁轭环(16)由一具有径向指向内部的、向内楔形扩充的接触元件(22)的环形体构成，其中接触元件(22)形成侧凹(24)。

9.按照权利要求8所述的磁轭环板叠，其特征在于，通过至少部分薄壁的连接板条(19)连接所述接触元件(22)。

10.按照权利要求9所述的磁轭环板叠，其特征在于，连接板条(19)具有加固部分(20)，该加固部分在为了建立对于一齿环板叠(35)的形状配合的及传力的连接而变形时可仅仅轻微变形。

11.用于按权利要求1到7之一所述的无碳刷的直流电机的齿环板叠，具有至少一个齿环(10)，其特征在于，齿环(10)具有指向外部的齿(11)，并且具有在径向上延伸的且形成侧凹(25)的楔形齿冠(12)，在所述齿环的齿之间布置了用于顶部的槽。

12.用于按权利要求1到7之一所述的无碳刷的直流电机的顶部，其特征在于，设置一用于容纳一转子轴承(27)的容纳孔(26)。

13.按照权利要求12所述的顶部，其特征在于，设置一指向外部的、用于一缠绕系统(29)的端侧的线材引导机构(41)。

14.按照权利要求12或13之一所述的顶部，其特征在于，设置轴向从容纳孔(26)延伸的销轴(31)，用于在直流电机的定子中的固定。

15.用于制造按权利要求1到7之一所述的无碳刷的直流电机的方法，该直流电机具有一承载着一缠绕系统(29)的定子以及一转子，其中定子由冲压薄板构成，并且包括具有径向延伸的齿冠(12)的一齿环(10)和一磁轭环(16)，其特征在于，形状配合连接及传力连接地对所述齿冠(12)和所述磁轭环(16)的彼此对应的接触面(30、30’)进行填缝，其中用于在齿环(10)的齿冠(12)和磁轭环(16)之间建立形状配合的及传力的连接的连接板条(19)是可变形的，其中磁轭环(16)具有与齿环(10)的齿冠(12)相对应的连接板条(19)，其中磁轭环(16)由一具有径向指向内部的、向内楔形扩充的接触元件(22)的环形体构成，其中接触元件(22)形成侧凹(24)，通过至少部分薄壁的连接板条(19)连接所述接触元件(22)，其中用于张紧磁轭环(16)的薄壁的连接板条(19)如此变形，使得将磁轭环(16)的处在连接板条(19)之间的楔形接触元件(22)拉向齿冠(12)的对应的接触面(30)，在填缝之前，在缠绕齿环板叠之后，磁轭环板叠不费力地在齿环板叠上移动或者接合。

16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，形成为销钉(34)的连接件至少部分地压在磁轭环(16)的连接板条(19)和齿冠(12)之间。

17.按照权利要求15或16所述的方法，其特征在于，磁轭环(16)的连接板条(19)至少部分地压入到齿冠(12)的外侧的凹穴(13)中。

18.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，一齿环板叠(35)和一磁轭环板叠(42)设置一电绝缘层。

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