CN101667770A - 一种燃料泵及其无刷直流马达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料泵及其无刷直流马达，该无刷直流马达包括：转子(16)，其包括2*m个永磁转子极，其中m为整数；定子(12)，其包括2*n个齿(14，15)以及n相定子绕组(20)，其中n为大于2的整数；所述齿包括主齿(14)和辅助齿(15)，主齿(14)和辅助齿(15)交替排列，所述定子绕组的每一相都包括一个线圈(22)，该线圈(22)缠绕在对应的一个主齿(14)上；每一个主齿(14)和/或每一个辅助齿(15)包括至少一个轴向伸展的沟槽(26)，所述沟槽(26)位于主齿和/或辅助齿的表面，将每一个所述主齿和/或辅助齿分成若干个定子极。本发明的无刷直流马达绕组结构简单，容易制造，且齿槽转矩小。

Description

一种燃料泵及其无刷直流马达
技术领域
本发明涉及一种无刷直流马达以及一种具有无刷直流马达的燃料泵。
背景技术
在机动车中，燃料泵用于将液体燃料从油箱转运到内燃机，典型的液体燃料有汽油、柴油。燃料泵由小型的直流(DC)马达驱动，燃料从马达内部通过。即使马达具有换向器，上述的设计也工作得很好，燃料既能冷却马达，并能消除电刷和换向器之间的火花。并且石墨换向器有效地延长了燃油泵的使用寿命；但是，随着混合燃料的出现，换向器和燃料之间产生的化学反应是一个需要解决的问题。为此，人们考虑采用无刷马达来驱动燃料泵。无刷马达具有很多优点，尤其是在汽车应用方面，例如，无刷马达不使用电刷和换向器，从而具有更长的使用寿命。通常，无刷马达可以是单相马达或者三相马达。
在低功率应用领域，目前市场上的三相4极(4-poles)无刷直流(BLDC)马达，包括外转子和内转子类型在内，最常用、最简单的定子芯片结构为6槽4极结构。图1所示为现有的一种3相BLDC马达的示意图。如图1所示，定子12的定子铁芯13具有6个定子极14，也即6个槽。转子16具有4个磁极18，这4个磁极由安装在转子铁芯17的外表面的4个永磁铁构成。绕组20在每个定子极14上形成线圈22。绕组20是3相星型绕组，也即，绕组20具有3相绕组，每相绕组的一末端(A、B、C)连接到定子端(每相连接一个定子端)，另一末端(X、Y、Z)连接连接到一个公共点24，形成星型连接。因此，这种马达称为3相4极6槽BLDC马达。这种设计具有6个线圈，每相2个。因此，每相具有串联的两个线圈22。上述现有的定子存在的一个主要问题是，这种绕组设置对于小尺寸、低功率应用例如汽车燃料泵、水泵和空气泵等相对复杂，在这些应用中，定子内径很小，只有20毫米(mm)，很难安装更多的线圈，尤其是量产的时候。
上述现有的产品的另一个问题是齿槽转矩(cogging torque)高，这导致了噪声和震动，从而限制了BLDC马达在很多需要低噪声和低震动领域的应用。为解决这个问题，一种有效的方法是使用图2所示的4极、9槽的设计。从图2可以看到，每相3个线圈，绕组变得更加复杂了，而更长的绕线末端(winding end-turns)也带来了较低的效率。
现有的产品的另一缺点是为了有效保护绕组不被混合燃料腐蚀，需要用树脂等将定子铁心和绕组浇筑，这样除了转子和定子之间的气隙之外，不再有供燃料流过的空间。但由于转子和定子之间的气隙很小，所以通过气隙流过的燃料是不足够的，同时这样摩擦损耗过大。
发明内容
本发明的目的是提供一种无刷直流马达，这种直流马达具有简单的绕组结构以及低的齿槽转矩。
为此，本发明提供一种无刷直流马达，所述无刷直流马达包括转子和定子，所述转子包括2*m个永磁转子极，其中，m为整数；所述定子包括2*n个齿以及n相定子绕组，其中，n为大于2的整数；其中：所述齿包括主齿和辅助齿，所述主齿和辅助齿交替排列，所述定子绕组的每相绕组都包括一个线圈，所述线圈缠绕在对应的一个主齿上；每一个主齿或者每一个辅助齿都包括至少一个轴向伸展的沟槽，所述沟槽位于所述主齿或者辅助齿的表面，将每一个所述主齿或者辅助齿分成分成若干个定子极。
与现有的技术相比，本发明的无刷直流马达绕组结构简单，容易制造，且由于辅助沟槽改变了气息磁场的分布，齿槽转矩小。
另一方面，本发明还提供一种用于内燃机的燃料泵，所述燃料泵包括无刷直流马达，所述无刷直流马达包括：转子，所述转子包括2*m个永磁转子极，其中，m为整数；定子，所述定子包括2*n个齿以及n相定子绕组，其中，n为大于2的整数，所述齿包括主齿和辅助齿，所述主齿和辅助齿交替排列，所述定子绕组的每相绕组都包括一个线圈，所述线圈缠绕在对应的一个主齿上；每一个主齿或者每一个辅助齿都包括至少一个轴向伸展的沟槽，所述沟槽位于所述主齿或者辅助齿的表面，将每一个所述主齿或者辅助齿分成分成若干个定子极。
为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。
图1为现有的3相6槽4极BLDC马达的定子的绕组的示意图；
图2为现有的3相9槽4极BLDC马达的定子的绕组的示意图；
图3为本发明第一实施例的3相9槽4极BLDC马达的定子的绕组的示意图；
图4为本发明一实施例的3相9槽4极BLDC马达与现有的大小相同的3相6槽4极BLDC马达在齿槽转矩的对比的示意图；
图5和图3类似，是本发明第二实施例的、对定子进行了修改的马达的定子的绕组的示意图；
图6是图5所示的定子的透视图；
图7是结合了图6所示的定子的燃料泵的截面图；
图8是根据本发明的另一个实施例的9槽定子的定子铁芯的透视图；
图9是图8的定子铁芯的定子环的透视图；
图10是图8所示的定子铁芯的牙的透视图；
图11和图5类似，是根据本发明的一个实施例修改了定子绕组的绕组的示意图；
图12和图11类似，是根据本发明的另一个实施例修改了定子绕组的绕组的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图3是本发明第一优选实施例的3相BLDC马达的绕组的示意图。如图3所示，定子12的定子铁芯13具有6个齿14和15，所述齿构成定子极，下文会对定子极进行详细的描述。绕组只有3个线圈22，这3个线圈缠绕于主齿14上。绕组20是3相星型结构，具有3相绕组，每相绕组的一个末端A、B、C连接到定子出线端，另一端X、Y、Z连接于公共点24形成星型连接。这样，每相只有一个线圈22。这种结构容易绕线，尤其是对于小尺寸马达。但是，与辅助齿15相比，主齿14具有更大的周向长度，以及在极面具有沟槽26。沟槽26沿着轴向延伸，与主齿14的长度相同，并沿径向向外凹入主齿14，将极面分成两部分(最好是平分)。沟槽26起着将主齿14分成2个定子极以及形成辅助槽(dummy slot)的作用。这样，定子相当于具有9个槽或者9个定子极。沟槽26之所以称为辅助槽，是因为没有线圈穿过该沟槽中。就这样，所述定子具有简单的绕组，比图1和图2所示的现有马达的绕组简单。
图4为本发明的马达与根据图1的、大小相等的马达的齿槽转矩比较关系示意图。曲线36表示现有的马达的齿槽转矩，曲线37表示本发明优选实施例的马达的齿槽转矩。如图所示，齿槽转矩从14nNm降到2.5nNm，下降率达80％。
图5本发明第二优选实施例的3相BLDC马达的绕组的示意图。这个绕组示意图示出了定子铁芯的形状。定子12的结构和图3所示的类似，不同之处在于定子铁芯13的径向的外表面具有若干轴向伸展的凹槽28。凹槽28在定子铁芯13与安装定子铁芯13的外壳42之间形成了通道。在燃料泵应用中，燃料能够通过所述通道流动。凹槽28与辅助齿15沿定子径向对应。这种设计允许主齿14上的线圈22尽可能地大，且对定子磁路没有负面影响。
图6是完整的定子12和转子16的示意图。对定子铁芯13进行电镀以增强抗腐蚀能力之后，使用塑料材料或者树脂材料30对定子12进行注塑成型，优选地，通过插入成型(insert molding)处理来完成，从而在定子绕组上形成隔离层30，用于隔离所述绕组与燃料。定子铁芯13的极面以及径向外表面没有被成型材料覆盖，以确保马达外壳具有合适的大小，以便通过按压的方式安装定子铁芯于燃料泵的壳体内。可通过焊接或内扣方式将定子铁芯13的芯片连接在一起，焊接时通过焊接小结点32来实现，小结点32位于与主齿对齐的定子铁芯的外表面的凹槽33(cut-out)中，如图5所示。在注塑成型时，使用成型材料填充凹槽33从而在定子铁芯的外表面上形成凸条31，用以保护焊接点，凸条31连接定子的两端，如图6所示。
绕组连接到定子端以连接控制器。有的马达端子是暴露的(图中未示出)，它们没有被成型材料所覆盖，以进行后续的电路连接。转子铁芯17也是注塑成型的，以防止燃料腐蚀转子铁芯。注塑成型材料30形成了用于燃料流动的平滑通道，平滑了转子的外表面以减少游隙(windage)、减少了在不平滑表面或者凸出体上转动导致的阻力，从而提高了燃料泵的效率。
图7是完整地燃料泵40沿轴线方向的剖面示意图。如图7所示，燃料泵包括圆柱状的外壳42，外壳42具有两个开口端，第一开口端由第一端盖密封，第二开口端由第二端盖密封。第二端盖还将燃料泵连接到燃料管。外壳42包括泵部46和马达部50。泵部46用于容置叶轮47，叶轮47由容置于马达部50的马达驱动，将燃料从第一端盖的燃料入口49抽进泵部46，并将燃料压进马达部50，燃料接着被压到第二端盖的燃料出口51。马达包括定子12和转子16，定子12以按压的方式安装到外壳42内，转子16的转子铁芯17位于定子12内，转子16的转轴19的一端由第一端盖处的轴承支撑，另一端由第二端盖处的轴承支撑。第二端盖包括两部分，第一部分密封外壳42、形成燃料出口51以及连接电源的连接器，第二部分用来安装支撑旋转杆的轴承。马达部50可以包括电子模块，电子模块用于安装驱动BLDC马达的电子元件。但是，在这个实施例中没有示出电子模块。
马达工作时，马达驱动叶轮47旋转，燃油从入口49进入位于泵部46内的空腔48内，通过定子凹槽28与外壳42构成的燃油通道52后从出口51流出，燃油的流动方向如图7中的箭头60所示。当然，小量的燃油可以从定子12与转子16间的气隙通过。
虽然图3所示的结构具有较为简单的绕组，但是，为了更加容易地实现自动绕线，我们提供了第二个优选的实施例，如图8至10所示。图8是根据本发明的另一个实施例的定子铁芯的透视图，该定子铁芯包括四个部分，即一个定子环70和三个定子插件71，分别如图9和图10所示。
定子环70构成定子铁芯13的外表面，也构成了辅助齿15。定子的凹槽28设置在与辅助齿对应的径向外表面上。定子环70的内表面上，两个辅助齿15之间为齿根72，每个齿座72具有两个缘74和轴向伸展的脊76。
定子插件71构成主齿14，每个定子插件71都包括主齿14和齿根73。齿14的极面具有轴向伸展的沟槽26，沟槽26将该极面分割成两部分。齿根73的的径向外表面的缘75为凸缘，该凸缘与极面一起形成线圈或者绕组的绕线槽，足部73的内表面还具有径向伸展的沟槽77。
在安装时，先给每个定子插件71绕上线圈，接着将定子插件安装到定子环70中。具体地，将每个定子插件71的齿根73定位到定子环70的齿座72上，定子插件71的脊76和定子环70的沟槽77配合，定子插件71的齿根部的缘75和定子环70的齿座缘74咬合，从而实现了将定子环70和定子插件固定在一起。可选地，齿根73也可以稍微紧固到齿座72，以在最终的紧固之前临时稳住齿根73，优选地，采用激光焊接等手段来紧固定子环70和定子插件71。定子环70和定子插件71可通过冲压铁芯片尤其是电工钢来制成。
这种结构的一个优点是，绕线槽的绕线百分比可以很高，另一个优点是，绕线槽口的宽度，也就是相邻的极面之间的沟槽的宽度，可以小于对常规定子进行自动绕线所需要的最小宽度，从而为进一步降低齿槽转矩提供了可能。
如上所述，本发明提供了一种创新性的BLDC马达，这种马达尤其适用于燃料泵。本发明的一些实施例中，BLDC马达能实现0.98的高绕组系数。本发明的BLDC马达能够对简化的定子进行绕线处理。对于燃料泵，本发明的BLDC马达提供的燃料通道以及降低的齿槽转矩也是很有利的优点。本发明的BLDC特别适合于小容量无刷电机的批量生产。
在本说明书中和权力要求中，术语“包括”、“包含”、“具有”是开放式的意义，即包含了所指明的项目，且不排除还包含其他的项目。
虽然上面结合了一些优选的实施例对本发明进行了阐述。但是，本发明并不限于上面所列出的实施例。也就是说，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。
例如，虽然上面描述了4极的表面安装有PM(永磁铁)的BLDC马达，但是，本发明也适用于其他类型的马达，例如6极、8极……，2*m极(其中，m为整数)，也适用于插入式PM类型的马达。本发明不仅适用于单相具有一个线圈的马达，也适用于多相马达，即具有2、3、4甚至更多相的马达。因此，本发明的马达不仅适用于燃料泵，也适用于其他领域。
虽然上面的实施例只是示出了定子的主齿上有一个轴向伸展的沟槽，但是，定子的辅助齿上也可以具有轴向伸展的沟槽的。另外，很容易想到，虽然齿分为主齿和辅助齿两个部分，但是，可以在所有的齿上设置上述轴向伸展的沟槽，辅助齿集形成的定子极的数量可以不同于主齿集形成的定子极的数量。优选的实施例是主齿集的每个主齿具有两个定子极，而辅助齿集的每个辅助齿具有一个定子极。图12是本发明的另一个实施例的马达示意图，该马达的定子具有三个主齿14以及三个辅助齿15，每个主齿14被两个轴向伸展的沟槽26分成三个定子极，每个辅助齿15被一个轴向伸展的沟槽28分成两个定子极。
虽然上面的多个优选实施例中定子的绕组是星型连接，但是，定子绕组也可以是三角型连接。实际上，三角型连接还简化了绕组的连接关系。具体地，在绕线过程中，线先连接到定子端A，接着缠绕第一齿以形成第一相的绕组；接着连接到第二定子端B，缠绕第二齿以形成第二相的绕组；接着连接到第三定子端C，缠绕第三定子端以形成第三相的绕组；最后，连接回第一定子端A。在线第二次连接到第一定子端A时，才把线剪断。因为消除了公共的星型连接点，从而简化了绕线过程。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (16)

1、一种无刷直流马达，包括：
转子(16)，所述转子包括2*m个永磁转子极，其中，m为整数；
定子(12)，所述定子包括2*n个齿(14，15)以及n相定子绕组(20)，其中，n为大于2的整数；其特征在于：
所述齿包括主齿(14)和辅助齿(15)，所述主齿(14)和辅助齿(15)交替排列，所述定子绕组的每相绕组都包括一个线圈(22)，所述线圈(22)缠绕在对应的一个主齿(14)上；
每一个主齿(14)或者每一个辅助齿(15)都包括至少一个轴向伸展的沟槽(26)，所述沟槽(26)位于所述主齿或者辅助齿的表面，将每一个所述主齿或者辅助齿分成分成若干个定子极。
2、根据权利要求1所述的无刷直流马达，其特征在于：所述沟槽(26)设置在所述主齿(14)上，每一个主齿构成两个定子极；每一个辅助齿(15)构成一个定子极。
3、根据权利要求1所述的无刷直流马达，其特征在于：所述沟槽(26)设置在所述主齿(14)上，每一个主齿构成三个定子极。
4、根据权利要求1所述的无刷直流马达，其特征在于：所述沟槽(26)设置在所述辅助齿(15)上，每一个辅助齿构成两个定子极。
5、根据权利要求1所述的无刷直流马达，其特征在于：所述定子(12)包括定子铁芯(13)，所述定子铁芯(13)由若干块芯片构成，所述定子铁芯(13)的径向外表面包括若干凹槽(28)，所述凹槽(28)沿着所述定子铁芯(13)的轴向伸展。
6、根据权利要求5所述的无刷直流马达，其特征在于：所述凹槽(28)与对应的齿(14，15)周向对齐。
7、根据权利要求6所述的无刷直流马达，其特征在于：所述凹槽(28)为n个，每个凹槽(28)对齐到对应的一个辅助齿(15)。
8、根据权利要求1所述的无刷直流马达，其特征在于：所述定子(12)包括定子铁芯(13)，所述定子铁芯(13)包括定子环(70)和若干独立构成的定子插件(71)，所述定子插件(71)可插入到所述定子环(7)中，每一个所述定子插件(71)作为一个所述主齿。
9、根据权利要求1所述的无刷直流马达，其特征在于：所述定子绕组(20)由树脂材料(30)封装。
10、根据权利要求1所述的无刷直流马达，其特征在于：所述定子(12)为塑料材料(30)注塑成型。
11、一种用于内燃机的燃料泵，所述燃料泵包括无刷直流马达，所述无刷直流马达包括：
转子(16)，所述转子包括2*m个永磁转子极，其中，m为整数；
定子(12)，所述定子包括2*n个齿(14，15)以及n相定子绕组(20)，其中，n为大于2的整数；其特征在于：
所述齿包括主齿(14)和辅助齿(15)，所述主齿(14)和辅助齿(15)交替排列，所述定子绕组的每相绕组都包括一个线圈(22)，所述线圈(22)缠绕在对应的一个主齿(14)上；
每一个主齿(14)或者每一个辅助齿(15)都包括至少一个轴向伸展的沟槽(26)，所述沟槽(26)位于所述主齿或者辅助齿的表面，将每一个所述主齿或者辅助齿分成分成若干个定子极。
12、根据权利要求11所述的燃料泵，其特征在于：所述沟槽(26)设置在所述主齿(14)上，每一个主齿构成两个定子极；每一个辅助齿(15)构成一个定子极。
13、根据权利要求11所述的燃料泵，其特征在于：所述定子(12)包括定子铁芯(13)，所述定子铁芯(13)由若干块芯片构成，所述定子铁芯(13)的径向外表面包括若干凹槽(28)，所述凹槽(28)沿着所述定子铁芯(13)的轴向伸展。
14、根据权利要求11所述的燃料泵，其特征在于：所述定子绕组(20)由树脂材料(30)封装。
15、根据权利要求11所述的燃料泵，其特征在于：所述定子(12)为塑料材料(30)注塑成型。
16、根据权利要求11所述的燃料泵，其特征在于：所述燃料泵包括一个用于安装泵和所述无刷直流马达的外壳(42)，所述外壳(42)与所述定子(12)之间具有至少一个通道(52)，所述无刷直流马达驱动所述泵，使所述燃料流过所述外壳(42)以及所述至少一个通道(52)。
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