CN101868901B

CN101868901B - 适于在电动马达中使用的具有锥形齿几何形状的叠片

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Publication number: CN101868901B
Application number: CN200880114368.3A
Authority: CN
Inventors: M·罗伯特·莫克
Original assignee: Woodward HRT Inc
Current assignee: Woodward HRT Inc
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2028-10-16
Also published as: CN101868901A

Abstract

一种电动马达，具有定子和设置在定子中的转子。定子具有一组定子叠片和通过该组定子叠片保持在合适位置的一组绕组。转子被布置成围绕轴线旋转。该组定子叠片被布置成层叠或堆叠。每个定子叠片包括外部部分和耦合到外部部分的一组齿。该组齿的每个齿从外部部分朝向轴线延伸。每个齿具有(i)第一端，第一端邻近外部部分且远离轴线，和(ii)第二端，第二端邻近轴线且远离外部部分。每个齿的第一端的宽度基本上大于每个齿的第二端的宽度。

Description

适于在电动马达中使用的具有锥形齿几何形状的叠片

背景技术

常规电动马达包括定子和被设置成在定子中旋转的转子。一个常规的定子使用一叠叠片(铁心片)(laminations)以支撑一组绕组。叠片与绕组结合形成被设置以产生变化的磁场以转动转子的一组电磁体。

图1显示具有定子22和转子24的常规无刷DC马达20的横截面图。定子22包括围绕转子24延伸的定子叠片26。转子24包括转子轴28和围绕轴28分布的永磁体30。

每个定子叠片26包括外环部分32和从外环部分32朝向转子24向内地突出的定子齿34。为了简化，图1中省略定子22的线圈或绕组，通常绕组围绕定子叠片26的定子齿34缠绕以形成马达绕组。槽36将定子齿34分开或间隔开。

如图所示1，槽36的深度(d)小于转子24的总半径(r)，即，d＜r。此外，定子的总直径D_S1小于转子24的总直径D_R1的两倍。即，2×D_R1＞D_S1。而且，总的槽横截面面积通常大于定子齿34横截面面积。

此外，对于每个定子齿34，齿侧边38(即，沿着齿的中间部分42的齿侧)相互平行并且在邻近转子24的齿端部44处远离彼此地展开。具体地，端部44处的齿拐角延伸到尖端形成极靴(shoe)46，当从定子齿34的中心轴线垂直地测量时，极靴大致宽于齿34的中间部分42。

发明内容

通过相对于定子直径(例如，参见图1中的D_S1)减少转子直径(例如，参见图1中的D_R1)可以获得有优势的折衷或交换。具体地，如果总定子直径大于总转子直径的两倍(例如，如果D_S1＞2×D_R1)，可以实现诸如更快的自旋的某种动态控制性能。

图2示出如果采用图1的马达20并且按照常规的马达设计实践来形成深槽马达设计可以得到的最终的马达120。如图所示2，马达120具有定子122和转子124。定子122包括围绕转子124延伸的定子叠片126。转子124包括转子轴128和永磁体130。

每个定子叠片126包括外环部分132和从外环部分132朝向转子124向内地突出定子齿134。再次，为了简化图2中省略定子122的绕组，但是通常，绕组围绕定子叠片126的定子齿134缠绕以形成马达绕组。槽136将定子齿134间隔开。

与图1的马达20对比，最终的马达120的定子122的总定子直径D_S2是转子124的总转子直径D_R2的至少2.5倍。即，D_S2＞2.5×D_R2。此外，按比例地，最终的马达120的槽136比马达20槽36深。同样地，按比例地，最终的马达120的定子齿134比马达20的定子齿34长。

然而，在与图1的马达20相同或类似的方式中，槽136的总横截面面积大于定子齿134的总横截面面积。此外，对于每个定子齿134，齿侧边138(即，沿着齿的中间部分142的齿侧)平行并且在靠近转子124的定子齿端部144处远离彼此地展开。具体地，在端部144处的齿拐角延伸到顶端形成极靴146，当从定子齿134的中心轴线垂直地测量时极靴大致宽于齿134的中间部分142。

不幸地，马达120可能有缺点。例如，将难以驱动马达120以产生高的扭矩。相反，马达120的深槽设计将倾向于由绕组中的高电流密度带来的高磁电机动力(magneto-motive force，MMF)导致的叠片钢磁饱和。这种饱和将严重地限制在没有这这种饱和的情况下可以获得的扭矩容量或性能。

与上述常规马达20(参见图1)对比，改良的用于马达的叠片具有锥形齿的设计或结构。具体地，朝向转子靠近，齿的宽度变窄。这种设计允许在较小的饱和(如果有一些)的情况下实现较高的磁电机动力。因此，改良的叠片能够使马达更有效地运行。

一个实施方式提供一种具有定子和设置在定子中的转子的电动马达。定子具有一组定子叠片和通过一组定子叠片保持在合适位置中的一组绕组。转子被布置成围绕转子轴线旋转。所述一组定子叠片被布置成堆叠或层叠。每个定子叠片包括外部部分和耦合到外部部分的一组齿。所述一组齿中的每个齿从外部部分朝向转子轴线延伸。每个齿具有(i)第一端，第一端邻近外部部分并且远离转子轴线，和(ii)第二端，第二端邻近转子轴线并且远离外部部分。当从齿的中心轴线垂直地测量时每个齿的第一端的宽度大致大于齿的第二端的宽度。

附图说明

从本发明的具体实施方式的如下说明中上述的和其它目的、特征和优势将显而易见，如附图中图解，在不同的附图中相同附图标记表示相同部件。附图不必按比例，而是强调在于图解本发明的各种实施方式的原则。

图1是常规的定子叠片的剖面图。

图2是用于深槽马达的可能的定子叠片的剖面图。

图3是包括具有带锥形齿的改良定子叠片的深槽马达的电子系统的方块图。

图4是图3中的深槽马达的横截面图，其包括定子叠片的剖面。

图5是图4的定子叠片的齿的详细视图。

具体实施方式

图3显示具有电子控制器310和马达320的电子系统300。电子控制器310控制马达320的运行。具体地，电子控制器310控制通过马达320的多个绕组314的电流312。

图4显示马达320的多个部分的横截面图。如图所示，马达320包括定子322和转子324。定子322包括围绕转子324延伸的定子叠片326。转子324包括转子轴328和永磁体330。

每个定子叠片326包括外部部分332和从外部部分332朝向转子324向内地突出的定子齿334。图4为了简化仅仅显示绕组314的部分(显示横截面)，但是虽然如此，应该理解绕组314围绕每个定子叠片326的每个定子齿334缠绕。槽336分开定子齿334。图5是一个齿334的详细视图。

如图4所示，定子322的总定子直径D_S3是转子324的总转子直径D_R3的至少2.5倍。即，D_S3＞2.5×D_R3。此外，与前述常规马达20(参见图1)对比，按比例地，马达320的叠片326的槽336(图4)比马达20(图1)的槽36深。同样地，按比例地，马达320的齿334比马达20的齿34长。

现在参照图4和图5，下面描述用于定子叠片326的叠片几何形状特征。每个定子齿334限定左侧338(L)和右侧338(R)(统称侧边338，参见图5)。每个齿334的两侧338大致径向地朝向中心340延伸。具体地，齿侧338大致朝向转子324围绕其旋转的中心轴线(或者简称中心)340导向或引导。即，定子齿334的沿着中间部分342的侧边338不平行，而是朝向转子324的中心340延伸(或者通常所说的指向)。

此外，每个定子齿334具有(i)第一端350，第一端350邻近外部部分322且远离中心340，和(ii)第二端352，第二端352邻近中心340且远离外部部分332。而且，如在图5中最佳显示，每个定子齿334的第一端350(即，离中心340最远端部)的宽度(W_O)大致大于齿334的第二端352(即，最靠近中心340的端部)的宽度(W_I)。具体地，每个定子齿334从外部部分332(图4)朝向中心340变窄。因此，沿着每个定子齿334的中线354(图5)从外部部分332朝向中心340行进，宽度(或横截面)变窄。

同样，如图4所示，一组定子齿334限定最大转子直径D_M(即，在图4中的D_R3)，并且外部部分332限定定子直径D_S(即，图4中D_S3)，定子直径D_S是最大转子直径D_M至少两倍大。在一些排列中，定子直径D_S和转子直径D_M之间的比值在2.5∶1到10∶1范围内。

此外，每个齿334的第二端352是非极靴状或无极靴的(shoeless)。即，每个齿334和第二端352被倒角或者形成大的半径，例如，参见大的半径356。这个特征在图4和5中示出，其中每个齿334的左和右侧338在第二端352处以变圆的方式朝向彼此缩小或变尖(taper)。

此外，该组定子齿334限定一致的齿轮廓和一致的槽轮廓。一致的槽轮廓布置用以容纳绕组314。一致的齿轮廓的面积比一致的槽轮廓大。

而且，叠片326适用在具有多种深槽马达尺寸的电动马达中使用。同样，叠片326适用于多种马达生产方法和操作马达的方法。

如上所述，叠片326克服在常规定子叠片中的缺点并且改进最大扭矩和马达常数，即，(马达扭矩常数)/(马达阻抗)的平方根和任何特定尺寸深槽马达的性能或功率。例如，这种叠片326可以被应用在具有主动式阻尼的伺服致动器或电磁致动器(EMA)的深槽永久磁铁无刷DC马达中。一个适合的情形是用在飞行器上(例如，用于前轮驱动)。电磁致动器阻尼的一些方面在名称为“用于电动机械致动器的阻尼”的美国专利7,109,679中描述，因此其全部教导以参考的方式并入本文。

应理解，图2的设计由于其几何形状或几何构造，在齿的底部处具有强的饱和趋势。具体地，高电流和具体的几何形状诱发或促使饱和。

与图2中的设计对比，使用具有锥形齿设计的叠片326的马达320使用相同水平驱动电流但是围绕每个齿334具有更少绕组，或者可选地，在相同数量绕组围绕每个齿334的情况下具有较小的电流。在这种情况下，由于具有极小或者没有饱和(例如，在某些情况下在齿尖端352处可能局部地饱和)，因此产生较高的磁电机动力(magneto-motive force，MMF)。因此，图3和图4中的马达320能够在没有这种饱和缺点的情况下运行，而不是如图2中的设计那样的、会屈从于限制和减少齿中的磁通量和齿端与转子磁体之间间隙中的磁通量的饱和。

如上所述，改良的用于马达320的叠片326具有锥形齿的设计。具体地，朝向转子324靠近齿334的宽度变窄。这种设计允许在较小饱和(如果有的话)的情况下具有较高的磁电机动力。相应地，改良的叠片能够使马达320更有效地和以较高扭矩运行。

虽然已经具体地显示和描述了本发明各种实施方式，本领域技术人员应理解在没有背离由附后权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以有各种形式和细节的变化。

例如，应理解，上面的马达320仅以示例地方式地描述成具有在中心340处的转子324和围绕转子324设置的定子322。在这些布置中，外部部分是固定的而内部/中心部分旋转。在其它布置中，替换方式是可以的。即，外部部分旋转并且内部/中心部分固定。这种修改、提高和选择意味着属于本发明的多种实施方式。

Claims

1.一种定子叠片（326），包括：

外部部分（332），所述外部部分限定中心（340）；和

一组齿（334），所述一组齿耦合到所述外部部分（332）；

所述一组齿（334）的每个齿（334）从所述外部部分（332）朝向由所述外部部分（332）限定的所述中心（340）延伸；

每个齿（334）具有(i)第一端（350），所述第一端邻近所述外部部分（332）且远离所述中心（340），和(ii)第二端（352），所述第二端邻近所述中心（340）且远离所述外部部分（332）；和

每个齿（334）的所述第一端（350）的宽度（W_O）大于每个齿（334）的所述第二端（352）的宽度（W_J）；

其中，所述一组齿（334）限定最大转子直径（D_M）；和

其中，所述外部部分（332）还限定定子直径（D_S），所述定子直径是所述最大转子直径（D_M）的至少两倍，

其中，每个齿（334）限定左侧（338（L））和右侧（338（R）），所述左侧（338（L））和右侧（338（R））沿着每个齿（334）的中间部分径向地朝向所述中心（340）取向。

2.根据权利要求1所述的定子叠片（326），其中，当从中线（354）垂直地测量时，每个齿（334）从所述外部部分（332）朝向所述中心（340）变窄。

3.根据权利要求1-2中的任一项所述的定子叠片（326），

其中，每个齿的所述第二端（352）是无极靴的；

其中，每个齿（334）的所述第二端（352）被倒角或形成朝向所述定子叠片（326）中心的大的半径；

其中，所述一组齿（334）限定一致的齿轮廓和一致的槽轮廓，所述一致的槽轮廓布置用以容纳绕组（314），并且所述一致的齿轮廓的面积大于所述一致的槽轮廓的面积。

4.一种马达（320），包括：

定子（322）；和

转子（324），所述转子布置成相对于所述定子（322）旋转，所述定子（322）包括根据权利要求1所述的定子叠片（326）。

5.根据权利要求4所述的马达，其中，所述定子叠片（326）的每个齿（334）从所述外部部分（332）朝向所述中心（340）变窄。

6.根据权利要求4或5所述的马达，其中，所述定子叠片（326）的每个齿（334）的所述第二端（352）是无极靴的。

7.根据权利要求4或5所述的马达，其中，所述定子叠片（326）的每个齿（334）的所述第二端（352）被倒角或形成朝向所述定子叠片（326）中心的大的半径。

8.根据权利要求4或5所述的马达（326），其中，所述定子叠片（326）的所述一组齿（334）限定一致的齿轮廓和一致的槽轮廓，所述一致的槽轮廓布置用以容纳绕组（314），并且所述一致的齿轮廓的面积大于所述一致的槽轮廓的面积。

9.一种电子系统（300），包括：

马达控制器（310）；和

马达（320），所述马达与所述马达控制器（310）电联通，所述马达具有定子和布置成相对于所述定子旋转的转子，所述定子包括根据权利要求1-3中任一项所述的定子叠片（326）。