CN101557129A - 电动马达部件的制造 - Google Patents

Abstract

一种模块化圆锥形定子极提供电动机器上的改进圆锥形定子组件。所述改进的圆锥形定子极组件包括多个定子极，每个极包括具有线圈的组件，所述线圈通过将绕组支座通过线圈的开口芯插入和将护铁和定子面附连到绕组支座的两端固定在软磁复合物(SMC)定子极齿上。每个定子极具有平行四边形横截面以用于当定子极被组装时形成圆锥形转子空间，护铁彼此抵靠以使线圈间隔并且形成定子极组件的圆锥形外部轮廓。圆锥形定子具有小端和大端。所述齿包括与所述护铁和所述面模制成一体的绕组支座。

Description

电动马达部件的制造

技术领域

本发明涉及电动机器，尤其涉及圆锥形定子组件的设计和制造方法。

背景技术

电动马达和发电机具有被称为定子的固定元件和被称为转子的活动或旋转元件。定子和转子之间的相互作用由对定子或转子生成的磁场的相互作用导致。这样的磁场通常由放置在定子或转子或两者上的绕组中的电流生成或引起。施加在转子上的力是定子和转子磁场的相互作用和通过转子的磁场相对于转子的轴线的径向位移计算的转子的力矩臂的函数。这样的定子绕组通常包括围绕绕组支座缠绕的多个线圈。绕组支座通常由软磁材料组成，所述软磁材料传统上由选定钢材料的叠层制造。叠层彼此绝缘以便减小涡电流。

用铁磁粉末颗粒代替定子或转子芯的层叠钢材料已变得为人们所知。这些铁磁颗粒在粉末冶金操作中被压实以形成绕组支座。铁磁粉末颗粒自身彼此电绝缘，因此产生的压实产品以类似于层叠钢材料的堆叠的使用的方式表现出低涡电流损失。由铁磁粉末颗粒组成的压实金属颗粒这样用于电动机器芯在美国专利US6,956,307 B2，US6,300,702 B1和US6,441,204 B1中被公开。

现有技术的马达设计使用显著的空气空间大小并且当组装时会庞大或笨重，使得运输组装电动马达成本高。当安装或维护时，现有技术的马达由于尺寸和重量需要专门处理。此外，现有技术的马达未被设计成模块化并且能够被拆解成单独运输部件。设计变化常常需要马达制造商重新装备设备以制造不同的设计。重新装备通常是很昂贵的并且在修改或替换装备时需要停产时间。

常规的现有技术的马达在绕组中使用大量的铜以形成定子的每个极。生成的磁场与铜的数量和放置以及绕组中的电流有关。可以通过增加铜的有效使用和最大化定子的内表面积增加功率密度。也可以通过由铁磁颗粒形成模块化成型节段实现增加马达的功率密度以使电动马达符合可用空间。

现有技术的对称形状的圆柱形马达并未最大化在安装位置可用的可用安装空间。理想的是定子填充尽可能大的可行开放空间以通过优化定子和转子的电磁场之间的相互作用提高性能。这产生更高效的电动发电机。进一步理想的是最大化可用的径向空间以便有利地使用圆锥形设计的增加径向尺度来增加力矩臂，从而增加在马达的传动轴的可用扭矩。这样的术语被称为马达的功率密度。

发明内容

模块化圆锥形定子极提供电动机器上的改进圆锥形定子组件，尤其提供用于电动马达和发电机中的改进圆锥形定子组件。改进的圆锥形定子极组件包括多个定子极。圆锥形定子具有小端和大端。每个定子组件尺度被确定成预定长度的渐缩组件。相邻定子部件被组装以形成渐缩定子极，多个锥形定子极围绕轴线沿圆周被组装以形成圆锥形定子组件。

每个定子极部件包括绕组和齿。所述齿包括护铁、主体和面。通过直接缠绕在齿主体上，或者通过在具有开口芯的线轴上预缠绕并且将齿插入线轴中，或者通过围绕心轴缠绕以形成开口芯并且将缠绕在齿上的线圈插入开口芯中，产生绕组。可以通过将每个定子极部件的面模制成具有渐缩横截面的梯形形状以形成圆锥形定子的总内部和外部圆锥形状而形成圆锥形状。备选地，护铁可以被模制成梯形形状，因此形成圆锥形状。护铁和面可以具有平行四边形的横截面以将所述面布置成与轴线成一个角度，从而形成圆锥形转子空间。在任一配置中转子空间形成圆锥形状，每个极部件的面具有围绕定子的轴线的凹形径向横截面形状，而轴向尺度被布置成相对于所述轴不平行，从而产生圆锥形转子空间。

所述齿可以由铁磁金属粉末颗粒形成。这些颗粒被处理以大体相互绝缘。铁磁金属粉末颗粒在粉末金属操作中通过模压实和热处理被压力成形为齿尖端和护铁的预定形状。齿主体可以与护铁形成一体以用于将所述主体插入线圈的开口芯中和通过将所述面附连到所述主体或使所述主体与所述面形成一体固定所述线圈，护铁附连到所述主体以用于将所述线圈固定就位。齿主体可以被布置成与垂直于定子面的定子轴垂直。

定子面可以形成为定子极的完整成形面，具有从那里延伸的一个或多个间隔齿主体。例如，可以形成附连有三个齿主体的定子面，所述齿主体径向远离定子面延伸并且彼此间隔。每个线圈具有一个开口芯的三个线圈可以组装在定子面上，每个齿主体上布置有一个线圈。护铁和面固定到每个齿主体，线圈在护铁和面中间以将线圈保持在齿主体上。护铁可以是三段形状或者可以包括如这里所述的三个分立护铁以用于将三个线圈固定在从定子面延伸的间隔齿主体上。该一体化定子面提供附加支撑以成间隔关系保持线圈并且最小化在堆叠部件设计中由分离定子面之间的不连续边缘导致的磁场中断。护铁和齿尖端上的圆锥形面都可以形成有将单一绕组保持在定子极上的单一齿主体。

圆锥形定子组件由多个定子极装置形成，每个定子极装置包括电连接到电源的生成装置，由铁磁金属粉末颗粒形成的支撑装置，所述支撑装置限定与转子的轴线成间隔关系保持生成装置的场支撑和引导装置。所述场极装置与其他场极装置组装以形成多极定子。支撑装置的梯形形状和复合角将生成装置布置成与定子的轴线成间隔关系，从而形成圆锥形转子空间和/或圆锥形外部定子形状。

本发明的特征在于这样的改进圆锥形定子组件包括一种形状，该形状用于优化马达的功率密度和通过增加在圆锥形设计的大端的力矩臂和增加定子的有效长度最大化可用扭矩。圆锥形设计提供在大端的更大力矩臂以用于传递定子磁场和转子磁体的相互作用的反作用力，从而与圆柱形设计相比提供增加的扭矩。

通过转子线圈相对于转子的轴线的更大径向位移的增加力矩臂增加扭矩。该增加位移利用定子的圆锥形状的优点。此外，圆锥形状提供定子极上的增加有效长度以用于增加传导到转子的通量。模块化形状允许马达牢靠地适配在基于特定应用的可用空间中。

进一步地，转子可以相对于定子轴线向移动。转子沿着从圆锥形状的小端朝着圆锥形状的大端的方向移动以均匀地改变转子和定子之间的空隙以减小反电动势和减弱转子通量，从而允许永磁体转子设计的速度范围增加。空隙的该增加成指数地减小马达和相应通量密度的损失。

每个定子部件可以作为单个部件被运输以由机器组装团队现场组装。多数马达故障发生在轴承或绕组中。模块化设计允许从定子部件拆卸线圈，将新的线圈滑动到齿主体上和再组装马达。此外，在部件故障的情况下，电动机器的模块化定子部件部分可以被运输以用于替换而不用替换整个马达。以该方式圆锥形定子的每个极可在马达部位维护。

附图说明

图1是圆锥形定子的透视图，显示了就位的转子。

图2是图1的分解图，显示了与圆锥形定子分离的两个极，所述极被电连接以用于马达/发电机模式。

图3A是组装定子极的透视图。

图3B是图3A的组装定子极的分解透视图。

图4A是第二实施例的组装定子极的透视图。

图4B是图4A的组装定子极的分解透视图。

图5是在4-4截取的图1的透视截面图。

图6是马达外壳的透视图。

具体实施方式

参考图1，圆锥形定子10包括围绕定子轴线14沿圆周组装的多个定子极12。每个极12包括模块化模制齿16。齿16包括定子面18和齿主体120(图3B)。定子面18具有成轴向角倾斜的大体矩形形状以限定圆锥形内表面20，所述内表面限定转子空间22。转子24可旋转地安装在转子空间中。转子24沿着定子的轴线14轴向对准并且由轴承或类似物(未显示)保持就位以在转子空间中旋转。转子包括芯26，所述芯具有沿着外周边30布置的多个磁体28。磁体28通过分隔物32彼此隔离。每个磁体28限定转子24上的极。外周边30被精确地加工以保持转子24和定子10之间的预定空隙34。

定子10用每个极12的多个间隔定子面18部分围绕转子空间。定子面18形成有弓形内表面36，大体平的外表面38和一对基本相似的轴向端40。

弓形内表面36是轴向凹形的，从而形成圆形横截面内部空间20。齿16可以由包括铁磁金属粉末颗粒的软磁复合物(SMC)形成。这些颗粒被处理以大体是相互绝缘的。铁磁金属粉末颗粒在粉末金属操作中通过模压实和热处理被压力成形为齿16的预定形状。

继续参考图1，齿16进一步包括在齿16的外部的护铁56。护铁56附连到齿16以固定线圈54，所述线圈在齿16上布置在齿面18和护铁56之间。护铁56具有用于支承相邻极12的边缘68以与相邻极12上的线圈54成彼此间隔关系保持每个极的线圈54。

图1中所示的圆锥形设计根据定子极12和转子24上的磁体28之间相互作用的磁力和从空隙34到轴线14测量的力矩臂对转子24施加扭矩。力矩臂邻近大端104较大并且邻近定子组件10的小端102较小。定子面18与定子轴线14成不平行圆周取向被布置以形成圆锥形定子10的圆锥形内表面20，从而用于在其中可旋转地接收圆锥形转子。

参考图2，围绕轴线14可拆卸地组装极12以形成多级12定子10。每个极由铁磁金属粉末颗粒形成，所述铁磁金属粉末颗粒被压力成形为预定形状。所述极是单场生成系统，使用线圈54作为生成装置和齿尖端14作为磁场携带装置来支撑和引导线圈生成的磁场与转子24的磁体28相互作用。邻近小端102的轴向端42具有第一圆周长度并且邻近大端104的轴向端44具有第二圆周长度，由于齿16的圆锥形弓形形状第一长度小于第二长度。定子面18的轴向尺度相对于定子的轴线的角取向可以使整个定子极12的有效长度增加差不多10％。

应当理解的是转子磁体28可以是永磁体28或被定位和定向成形成转子24上的磁极的电磁体。线圈54连接到电装置60，所述电装置可以是电源66以在线圈54中产生电流，从而生成与转子24的磁体28相互作用的磁场。线圈54由导体64电连接，所述导体具有用于电连接到电源66的连接装置62。

所示的电动马达定子10示出了十二个极12中的六个，相邻极12的相邻护铁56彼此抵靠并且相邻定子极12的相邻定子面18彼此间隔。定子组件部分10被显示成长度为一个定子部件12。尽管如上所述，模块化圆锥形定子极12可以具有多个定子部件，所述定子部件轴向堆叠以形成定子极12，所述定子极具有成间隔关系保持和轴向对准的多个线圈54。

马达10容易通过使用单个部件12被构造和维护。定子部件12沿圆周被组装以限定转子空间12。该模块化方法允许单个部件12在原位被替换和维护而不用替换电动马达。

参考图3A和3B，定子极12被组装在一起并且在分解图中被显示。圆锥形定子组件10具有圆锥形内表面20并且转子24在偏移轮廓中被显示。转子24通过空隙34与10间隔。每个定子极12与轴线14相等地径向间隔以与转子24上的磁体28相互作用。圆锥形转子24具有小端122和大端124。

线圈54包括优选铜或铝丝的导电材料的多个绕组。所述金属丝沿着它的长度被绝缘以防止绕组之间的短路连接。线圈54可以是具有开口芯70(图3)的环形或矩形并且通过齿16保持就位。线圈54可以直接缠绕在齿主体120上或者可以作为心轴上的线轴或绕组单独形成。线圈54生成的磁场由在定子面18的齿16传导和成型并且被引导到转子空间22中。

继续参考图3A和3B，定子组件12可以由铁磁金属粉末颗粒形成，所述铁磁金属粉末颗粒被处理以与其他颗粒大体彼此绝缘。所述颗粒被压力成形为期望的预定形状。包括面18、护铁56和齿主体120的齿16可以被模制，使齿主体120与护铁56或齿面18模制成一体。齿主体120充当线圈54的绕组支座以及通量导体和导向器以成型和支撑为线圈54赋能的金属丝64中的电流所生成的磁场。在图3A，3B，41和4B的实施例中，齿主体120与齿主体120的第一端126上的护铁56，156和附连到齿主体120的第二端128上的齿面形成一体。

线圈54支撑在第一端126和第二端132之间。齿主体120的第二端128通过开口芯70延伸到槽137中并且由此使用粘合剂或紧固件可拆卸地附连到齿面18。齿面18具有形成于其中用于接收第二端128的齿槽137。

参考图4A和4B，齿槽137可以是通向齿116的凹面118的贯通通道。齿116包括护铁156，齿主体120和具有凹形内表面的齿面118。线圈154围绕齿主体120布置并且固定在面118和护铁156之间。第二端128可以具有凹表面136，当第二端布置在槽137中时所述凹表面适于与齿面118对准以形成转子空间22(图1)的凹形内表面20的一部分。

参考图5，显示了沿着定子10的半径截取的圆锥形定子组件10的横截面部分。每个定子极12的横截面具有平行四边形形状，所述形状具有垂直于轴线14的端部和与轴成锐角定向的侧边(面和护铁)18，56以形成圆锥形状。可以通过在平面配置中模制面18形成平行四边形齿16，主体被径向地定向并且护铁被成形为具有成角端部，当与绕组支座和面组装时所述成角端部产生平行四边形形状，所述形状具有远离轴线渐缩的侧边以形成圆锥形状。备选地，定子组件可以被组装成圆锥形状，所述形状具有沿着轴线渐缩的径向延伸横截面以形成转子空间22定子的总圆锥形状98。护铁56可以被模制成梯形形状(图3A)，因此形成圆锥形状88。在任一配置中转子空间22形成圆锥形状98，导致邻接面18形成围绕定子10的轴线14的凹表面20，而轴向尺度被布置成相对于轴线14不平行，从而产生圆锥形转子空间22。

参考图6示出了外壳100，所述外壳具有小端102和大端104以包含圆锥10(图1)。对准肋106可以布置在外壳100的内表面108上，与某些定子极12(图1)上的对准沟槽74径向对准。对准肋106接合定子极部件12上的对准沟槽74(图2)以保持定子部件12径向对准(图1)。

在使用中，定子部件10被组装，线圈10在齿16上被保持在护铁56和齿面18之间。齿主体120一体地模制到齿面18或护铁56。非一体模制部分使用粘合剂、紧固件或其他紧固技术被附连。例如如果齿主体120如图3中所示一体地模制到护铁56，面18附连到与护铁56间隔的主体120的第二端132。每个线圈54具有从绕组延伸的连接器64以将线圈54电连接到用于在定子极10提供磁场的电流源66，或者如果节段作为发电机被连接则电连接到功耗装置。相邻齿面18的轴向边缘68可以彼此邻接以形成平滑凹形内表面20或者可以如图1中所示成间隔关系被保持。相邻护铁56部件的轴向端可以彼此邻接以形成护铁结构56的连续外部圆锥形状88(图1，5)或者可以通过对准肋106(图6)成间隔关闭被保持。

使用以下步骤但不一定以所列顺序组装定子10：

由包括铁磁金属粉末颗粒的软磁复合物(SMC)模制包括齿16的定子极，所述齿具有齿主体120，护铁56和齿面18，护铁56具有包括复合角的梯形形状，从而当与其他类似齿16组装时用于形成圆锥形定子10，梯形形状具有邻近圆锥形定子10的小端102与定子10的轴线14间隔第一径向距离的外表面和邻近圆锥形定子10的大端104间隔第二径向距离的外表面，第二径向距离大于第一径向距离；

与护铁或齿面一体地模制齿主体；

在心轴或线轴上缠绕线圈，线圈缠绕有具有厚度的预定金属丝，围绕心轴或线轴的金属丝缠绕的预定数量的绕组形成多个匝和在中心的开口芯70；

将线圈放置在齿16上，使齿主体120延伸通过开口芯70；

在齿主体120上将线圈固定在齿主体的第一端上的护铁和齿主体的第二端上的齿面18之间；

如果齿主体与护铁形成一体则在齿面18上形成槽137，齿槽137用于在其中接收齿主体120，齿面适于被安装成使得所述面的内表面20邻近定子的大端104与定子10的轴线14间隔第三径向距离，并且邻近定子的小端102与定子10的轴间隔第四径向距离，第三距离大于第四距离以形成圆锥形转子空间22，通过将齿主体插入槽137中将齿面附连到齿以将线圈54固定在齿面18和护铁56之间，通过粘合剂或紧固件将齿面18紧固到齿主体120；

如果齿主体与齿面18形成一体则在护铁56中形成槽，齿槽适于接收齿主体的第一端以使护铁适合附连到齿主体，从而将线圈固定就位，通过将齿主体的第一端插入护铁56上的槽中将护铁附连到齿以将线圈54固定在齿面18和护铁56之间，通过粘合剂或紧固件将护铁紧固到齿主体120；和

围绕轴线14沿圆周组装多个定子极12，定子极通过紧固件，外壳100或其他已知固定装置保持就位，定子极12形成具有圆锥形转子空间22的圆锥形定子组件10。

在操作中，转子24可以在操作中轴向移动以增加或减小转子24和定子10之间的空隙34。转子24相对于定子10的轴向运动均匀地改变横过整个定子组件的空隙。转子24沿着从圆锥形定子10的小端102朝着圆锥形定子10的大端104的方向移动以均匀地增加转子24和定子10之间的空隙34以减小反电动势和减弱转子通量，从而允许永磁体转子设计的速度范围增加。

参考前述典型实施例显示和描述了本发明。然而应当理解的是可以在不脱离在以下权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下获得其他形式、细节和实施例。

Claims (20)

1.一种圆锥形模块化的定子，其包括围绕轴线组装的多个定子极，每个定子极包括：

由软磁复合物模制的第一齿，每个第一齿包括面、主体和护铁，所述面具有以相对于所述轴线成不平行取向形成的凹形内侧，所述护铁具有梯形形状；以及

在第一齿的主体上的第一线圈，所述第一线圈包括多匝金属丝，所述第一线圈布置在所述面和所述护铁之间，其中所述护铁以与所述轴线成间隔关系地保持所述第一线圈。

2.根据权利要求1所述的定子，其中所述软磁复合物包括铁磁金属粉末颗粒。

3.根据权利要求1所述的定子，其中所述软磁复合物包括被处理以大体相互绝缘的铁颗粒。

4.根据权利要求1所述的定子，其中所述线圈包括与所述齿分离地缠绕有多匝金属丝的线轴，所述线轴包括开口芯，所述主体适于延伸通过所述开口芯，其中所述线轴将所述多匝金属丝可拆卸地保持在所述主体上而位于所述面和护铁之间。

5.根据权利要求1所述的定子，其中每个面的内侧包括大体凹形形状。

6.根据权利要求1所述的定子，其中第一齿上的所述面进一步包括被去除以形成第一槽的材料，所述主体具有在所述护铁上的第一端和与第一端间隔的第二端，第一槽适于在其中围绕地接收第一齿的所述主体的第二端，所述主体的第二端在第一槽中。

7.根据权利要求6所述的定子，其中所述主体的第二端具有凹形表面，其中所述主体和面部件被带到一起以接合所述主体，从而围绕地将所述面固定到所述护铁。

8.根据权利要求1所述的定子，其进一步包括电连接到第一齿上的所述线圈的电装置。

9.一种圆锥形模块化的定子极，其包括：

梯形齿，其包括定子面、绕组支座和护铁，所述绕组支座一体地模制有所述定子面或所述护铁中的一个，所述定子面以相对于轴线成不平行取向地布置，所述绕组支座在所述定子面上，所述绕组支座上的所述护铁与所述定子面成间隔关系；

线圈，其在所述绕组支座上位于所述定子面和所述护铁之间，所述线圈包括多匝金属丝，一匝金属丝电连接到连接器，其中所述线圈在所述护铁和所述面之间固定到所述齿。

10.根据权利要求9所述的定子极，其中所述绕组支座被布置成相对于所述轴线径向对准。

11.根据权利要求9所述的定子极，其中所述齿具有平行四边形形状，所述形状包括具有围绕定子轴线的凹形表面的内表面。

12.根据权利要求11所述的定子极，其中所述定子面进一步包括与所述定子轴线成锐角布置的轴向长度。

13.根据权利要求9所述的定子极，其中所述齿由铁磁金属粉末颗粒形成，所述颗粒被处理以大体相互绝缘。

14.根据权利要求9所述的定子极，其中所述齿主体与所述护铁一体地被模制。

15.一种制造圆锥形定子极的方法，其包括：

由大体相互绝缘的铁磁金属粉末颗粒模制第一齿，所述第一齿包括护铁、绕组支座和定子面，所述绕组支座具有第一端和第二端；

围绕开口芯缠绕金属丝预定的匝数以形成线圈，将所述绕组支座插入所述开口芯中以支撑所述线圈；以及

将所述护铁附连到第一端并且将所述定子面附连到第二端，所述定子面与定子轴线成偏移角地布置以形成梯形组件，由此将所述线圈固定在所述护铁和所述定子面之间。

16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括以与所述轴线成锐角布置的大体平行结构地布置所述面和护铁。

17.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括一体地模制所述绕组支座与所述护铁的步骤。

18.根据权利要求15所述的方法，所述模制步骤进一步包括将所述护铁形成为梯形径向横截面形状。

19.一种圆锥形定子组件，其包括围绕定子轴线沿圆周组装的多个三件式定子极，每个定子极包括：

两件式齿，所述齿包括齿面和与护铁模制成一体的齿主体，所述齿由软磁复合物形成；以及

线圈，所述线圈可拆卸地且围绕地安装在所述齿主体上，所述齿面附连到所述齿主体，其中所述齿面与所述定子轴线成锐角被布置，并且所述线圈固定在所述主体上而位于所述护铁和所述面之间。

20.根据权利要求19所述的定子组件，其进一步包括电连接到每个定子极上的所述线圈的电装置。

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