CN1048287A - 定子铁心及有该铁心的电机 - Google Patents

Abstract

定子铁心及有该铁心的电机，其冲片外缘如一正 2N边形，铁心中各半数的两部分冲片的外缘轮廓相 差90°/N并在轴向交替重叠，N为一有限整数。 冲片轭部较宽处能充分导磁并凸出于铁心外侧构成 散热片，铁心轭部均匀度好，故其电工钢板的利用率 高、外侧的表面积大。散热片上有轴向的槽或孔时， 铁心由穿入槽或孔中的杆紧固。电机经散热片向冷 却空气散热，散热能力强，电机无机座时其重量轻， 并可为封闭式或开启式。

Description

本发明涉及一种电机的铁心，特别是涉及一种电工钢板的利用率高、外侧的表积大的定子叠片铁心，同时还涉及有该铁心的电机定子。

已知的整圆冲片的定子铁心，其电工钢板的利用率不高，极限利用率在一般工艺的条件下为π/4＝0.785，在需特殊设备才能实现的所得坯件为一正6边形的工艺的条件下也只能达到 $\mathrm{\π}/2\sqrt{3}=0.907$ ;由于冲制冲片外圆时必须的冲制余量较大，故其电工钢板的实际利用率必进一步降低。已知的其冲片外缘轮廓是一正方形或倒角的正方形的铁心，冲片下料时可不留或少留冲制余量，其电工钢板利用率的实际值接近于极限值，该铁心其冲片的外缘轮廓互相对齐，其轭部导磁面积相差很大，故轭部较宽处的磁密很低，该处的材料未能充分利用，从而其电工钢板利用率的极限值仍然较低，同时其最大径向尺寸及重量均较大。上述已知铁心其外侧面积仅为其柱面面积，其外侧面直接向冷却空气散热时散热能力较差;增大铁心散热面积的已知技术是在其冲片的外缘冲槽或轭部冲孔，但电工钢板的用量增加，且散热面积增大的幅度也小。已知的一种扇形冲片，其位于铁心外侧的边是一直线边，该直线边的两端有槽并凸出于铁心外侧;这样，其铁心的轭部导磁面积大于该扇形冲片的轭部最小宽度与铁心有效长度的乘积，铁心外侧的表面积也大于柱面面积;铁心的紧固是利用位于所说槽中的杆将各冲片从轴向拉紧和在圆周方向及径向卡紧;这种其冲片的部份外缘较凸出，并利用凸出处的槽紧固的铁心结构仅见于扇形冲片的铁心中。

本发明的目的是提供一种既有较高的电工钢板利用率，又有很大的外侧表面积的定子铁心。

本发明的另一目的是提供利用本发明所述铁心的电机，按其定子结构的不同，所提供的电机有下列2种：

1、有机座的电机。其铁心固定在一机座内，机座与铁心之间有通风道;该电机散热能力强、成本低、可靠性好。

2、没有机座的电机。其铁心的外侧面显露在外或套有一罩，有罩时罩与铁心之间有空腔并构成通风道;该电机其防护型式为封闭式或其他型式，其散热能力强、重量轻、成本低、可靠性好。

为了达到本发明的以上目的，所提供的铁心由一种或两种冲片叠成并由某种方法紧固，该铁心其内侧有槽并由各冲片内缘的槽对齐构成，其冲片内缘各槽的槽底中点距冲片中心的距离相等;其冲片的外缘轮廓接近一正2N边形或倒角的正2N边形，冲片的轭部宽度从而以180°/N为周期绕冲片中心变化，N为一有限整数，当N＝1时所说正2N边形规定为一矩形;上述铁心按各冲片的外缘轮廓之间的位置关系，其全部冲片可分为大致相等的两部份，这两部份冲片的外缘轮廓之间有一绕铁心轴线的90°/N的角度差，任一部份的各冲片则外缘轮廓互相对齐，当铁心内侧的槽对铁心轴向倾斜时，各冲片的外缘轮廓之间的所说位置关系有相应的偏差;上述两部份的冲片在铁心的轴向长度上互相交替地重叠;相应地，两部份冲片的轭部较宽处与较窄处也沿铁心轴向互相交替地重叠，二者互相补充的结果，使铁心的轭部最小导磁面积大于冲片轭部的最小宽度与铁心的有效长度的乘积，且冲片轭部较宽处的外缘凸出于铁心外侧，从而在铁心的外侧构成散热片。

就上述铁心的轭部导磁能力来说，其等效直径D大于所说正2N边形的两平行边距离d;正确选择冲片的外缘轮廓形状，能使上述D与d之间满足下列关系：

D＞d/cos（45/N），

其中：D是等效直径;d是两平行边距离;N决定于冲片外缘的形状，

N＝1，2，3……。  （1）

利用式（1）容易证明上述铁心的电工钢板利用率的极限值很高;且式（1）的等效直径D的圆面积不大于冲片面积，据此并按铁心外侧的散热片的片数，容易证明上述铁心外侧的表面积很大。

本发明的进一步改进是上述铁心有4个以上的贯穿铁心轴向长度的槽或孔，这些槽或孔各在沿轴向排列于铁心外侧的一列散热片上;铁心由4根以上的杆紧固，作为紧固件的这些杆各在一个槽或孔中，并将铁心的各冲片沿轴向拉紧;当杆在槽或孔中充分胀紧时，或各冲片之间有足够的静摩擦力时，各冲片在圆周方向和直径方向相对固定;当冲片不能被杆充分固定时，该铁心可由其他紧固方法加固。

适当选择作为紧固件的杆的截面形状和尺寸，能使由杆紧固的铁心具有足够的刚度和强度;适当选择杆的结构，能充分满足铁心紧固的要求。

为了达到本发明的另一目的，所提供的电机是：

利用上述铁心制成的一种有机座的电机，其铁心固定在机座内，铁心内侧的槽中有一绕组，机座与铁心之间有空腔并构成通风道，该电机的其余部份与已知电机相同;该电机其铁心外侧面上的散热片直接或经一涂层向通风道内的冷却风散热。

利用由杆紧固的铁心制成的一种没有机座的电机，其铁心的两端分别固定有一筒状的端座，铁心内侧的槽中有一绕组，绕组的两个端部分别在两个端座的空腔中，该电机其两端的端盖分别装在两个端座的端面上，其出线盒以及必要时的底脚、吊环等均装在端座的外侧面上，其转子以及其余部份与已知电机相同，其防护型式是封闭式或其它型式，其铁心外侧的散热片显露在电机表面并直接或经一涂层向冷却空气散热。

对没有机座的电机的进一步改进是，该电机铁心外侧套有一筒状的罩，罩与铁心之间有空腔并构成通风道，罩对铁心以及铁心外侧的散热片有防护作用，罩在必要时能用于改善铁心的刚度、强度或固有频率;该电机底脚、吊环或出线盒在必要时可以装在具有足够刚度和强度的罩的外侧面上;薄壁的罩则可以是固定在铁心外侧的或易于拆卸的。

对有机座的电机或没有机座但铁心外侧有罩的电机的进一步改进是，该电机其机座或罩与铁心之间的通风道内有挡风板，使通风道中的冷却风不能全部沿轴向直接经过通风道，从而必须绕过挡风板;这样冷却风就能沿圆周方向经过铁心外侧的散热片之间的空隙。

上述没有机座和罩的电机的另外两种型式是：

一种外转子式电机，该电机的所说铁心是一提供转矩的转动件，铁心端部的端座是一传递转矩的转动件，该电机的固定件位于所说铁心的空腔中。

一种没有强迫冷却的电机，该电机仅由热辐射和自由对流散热。

上述电机的优点是其铁心的电工钢板利用率高、外侧表面积大并直接向冷却空气散热，故其散热能力强、成本低，结构的可靠性也好，其中没有机座的电机重量很轻，特别适用于对电机的自重要求较高的场合，其成本也能进一步降低。

根据以上提供的铁心和电机，能制成感应电机、同步电机、整流子电机和电动机、发电机等交流电机，还能制成直流电机以及其它电机，这些电机的共同点是其外铁心由整张冲片叠成。

结合附图和最好方式对本发明作进一步的说明。

图1到图5是铁心的轴向示图;

图6是没有机座的电机定子的侧向示图;

图7是通风道示图，该通风道中的冷却风能经过散热片之间的空隙;

图8是铁心的轭部磁路示图。

见图1，铁心由一种冲片叠成;当其紧固的方法是扣片连接或焊接时，扣片槽或焊缝宜在各直线边的交叉点T处;冲片的外缘轮廓是一倒角的正2N边形，各倒角处为曲线边1;铁心的两部份冲片的外缘轮廓之间有一角度差α＝90°/N，任一部份的各冲片则外缘轮廓互相对齐。见图1A，所说正2N边形为正方形，N＝2，角度差α＝45°。见图1B，所说正2N边形为正6边形，N＝3，角度差α＝30°。

见图2，其与图1所示铁心相区别的主要之处是：冲片上的各倒角处各有一槽2，相应地铁心外侧沿轴向排列的4N列散热片3上各有一轴向贯通的槽2;紧固铁心的4N根杆4分别在4N个槽2中。见图2A，铁心有8列散热片3和8个槽2以及8根杆4。见图2B，铁心有12列散热片3和12个槽2以及12根杆4。

见图3，其与图2所示铁心相区别的主要之处是紧固铁心的杆4只有2N根，且有2N个槽2中没有杆4。见图3A，铁心有4根杆4，且4个槽2空出。见图3B，铁心有6根杆4，且6个槽2空出。

见图4，其与图3所示铁心相区别的主要之处是冲片的各倒角处的形状有所改变。见图4A，铁心由两种冲片叠成，其中一种冲片在正方形的4个倒角处各有一孔5，另一种冲片在正方形的4个倒角处各有一曲线边1;相应地，铁心外侧的3列散热片3中，有4列散热片3上各有一孔5，另4列散热片3上没有孔或槽，紧固铁心的4根杆4分别在4个孔5中。见图4B，铁心由一种冲片叠成，冲片外缘在正6边形的3个倒角处各有一条曲线边1，在另外的3个倒角处各有一槽2;相应地，铁心外侧的12列散热片3中，有6列散热片3上各有一槽2，另6列散热片3上没有槽或孔;紧固铁心的6根杆4分别在6个槽2中。

见图5，冲片的外缘轮廓如一矩形，两短边对应的是曲线边1，且其一端有一孔5;两部份冲片互相垂直，任一部份的各冲片互相对齐;铁心外侧有4列散热片并各有一孔5，紧固铁心的4根杆4分别在4个孔5中。

上述各曲线边1可近似于下列函数的曲线：

r＝d[2/cos（45°/N）-1/COSθ]/2，

其中：r是曲线边1上的各点到冲片中心的距离;d是两平行直线边的距离;θ是绕冲片中心变化的角变量，θ＝0°处位于正2N边形的对角线上，取值范围是｜θ｜≤45°/N;N决定于冲片外缘的形状，N＝1，2，3，……。  （2）

见图6，铁心6的两端各有一筒状端座7，一绕组8的端部分别在两端座7的空腔中;杆4将两端座7与铁心6紧固成一坚固的整体，从而构成电机的定子。

见图7，电机的机座或罩与铁心6之间有空腔，该空腔被机座内侧的轴向的筋或紧固铁心的杆4或铁心外侧的各列散热片3分隔成4个以上的轴向通道9，各轴向通道9内分别有一块以上的挡风板10。见图7A，各挡风板10对铁心轴向是倾斜的。见图7B，相邻的两个轴向通道9内的各挡风板10之间沿铁心轴向有一距离。在由各轴向通道9及其内的挡风板10构成的通风道中，冷却风不能全部直接从轴向通过，必须绕过挡风板10，其路径如曲线矢所示;从而能经过铁心外侧的散热片之间的空隙。

见图8，铁心的全部冲片在正8边形11的范围完全重合，冲片的其余部份在铁心的外侧构成散热片3，正8边形11与其内切圆12之间有8个角形区13，当铁心内侧各槽的槽底所在圆14的直径达极限值时，圆14与圆12重合，此时铁心的轭部磁路由各散热片3和各角形区13构成，轭部磁通必然在角形区13的范围内通过冲片之间的间隙。令角形区13的面积为S2，一冲片在角形区13的对称线段上的截面积为S1，即：

S1＝d·h·[1/cos（45°/N）-1]/2

S2＝d²·[N·tg（45°/N）-π/4]/4N

其中：d是两平行边距离，h是冲片厚度;N决定于冲片外缘的形状，N＝1，2，3，……。

以下均按铁心的任意两张相邻冲片的外缘轮廓之间有一角度差α＝90°/N。一冲片的面积S1内的磁通必分两路分别穿过该冲片两侧的面积为S2/2的片间间隙;设面积S1上的平均磁密为BS，面积S2上的平均磁密为B，据上述可得：

B·（S2/2）＝（BS·S1）/2

∴B＝BS· (S1)/(S2) ＝BS· (2·N·h)/(d) · (1/cos（45°/N）-1)/(N·tg（45°/N）-π/4)

一般有：冲片厚度h＝0.5毫米;铁心轭磁密不超过1.5T（特斯拉）;铁心叠压系数不低于0.9即间隙长度平均不大于0.05毫米。在此条件下，对不同的N和d的值，间隙中的磁密B及相应的磁压降H见表1。实际上圆14与圆12之间总有一环形区并构成铁心的另一部份磁路，上述分析则是较为不利的极端情形。从表1中的估算值可知，间隙中的平均磁密B和磁压降H很小，易知冲片中相应的损耗及轴向磁吸力也很小，且轴向磁吸力在理论上是平衡的，故其影响可以忽略。

当铁心轭部截面积的最小值位于两直线边的交叉点T处时，不计入间隙中的磁压降H，则这一轭部截面积的最小值即为铁心轭部的最小导磁面积;至于间隙中的磁压降H则可由于铁心轭部其余部份的截面积较大而得以有效的补偿。据此可知，前述的式（1）的结论成立。

用剪切工艺下料容易得到矩形或正方形的坯件，用较特殊的剪切工艺下料能得到正6边形的坯件，同时还易于直接从板材上分离冲片的各条直线边，从而能不留或少留冲制余量，使电工钢板利用率的实际值充分接近其极限值;用上述坯件冲制N＝1、2或3的冲片时边角料很少，当N≥4时若不用套裁的工艺则省料的效果较差;故仅对N＝1、2和3的冲片，根据式（1）计算其铁心的电工钢板极限利用率，以及与圆柱铁心比较其铁心的外侧面积所增大的幅度;计算结果列于表2，计算公式是：

$n\≥\mathrm{\π}/(4\sqrt{2}-2),N=1$

n≥π/[2N·tg（90°/N）·cos²（45°/N）]，N＝2、3

△≥2·d·[π/4cos（45°/N）]-N·sin（45°/N）]/π·h

其中：n是电工钢板的极限利用率;△是外侧面积增大的倍数;

d是两平行边距离;h是冲片厚度，一般h＝0.5毫米。

与已知的整圆冲片的铁心比较，本发明提供的铁心既能显著提高电工钢板的利用率，又能大幅度地增大外侧的表面积;以其冲片外缘接近一正方形的铁心为例，在矩形条料的同样条件下，其电工钢板利用率至少能提高17.2%，外侧的表面积增大十倍以上，同时可不需特殊设备，仅利用已知铁心的生产条件即能广泛实施。与已知的以空气作冷却介质的电机相比，本发明提供的电机其散热能力很强，从而能进一步节省有效材料，电机的成本低、可靠性好;其中没有机座的电机制成封闭式时能取消形状较复杂的传统机座从而提高生产效率，其重量显著减轻，尤为适用于对电机重量有较高要求的场合;上述电机还易于满足有关的各项技术标准。

表1

d（毫米）	N=1		N=2		N=3
							B(T)	H（安）	B(T)	H(安）	B（T）	H（安）
	100	0.0290	1.1581	0.0575	2.2978	0.0860							3.4417
300							0.0097	0.3860	0.0191	0.7659	0.0287	1.1472
	500	0.0058	0.2316	0.0115	0.4596	0.0172							0.6883

表2

N		1	2	3
					n		0.8591	0.9202	0.9720
△(倍）	d=100（毫米）	51.39	10.79	4.67
					d=300（毫米）	154.2	32.37	14.00
	d=500 (毫米）	256.9	53.95	23.33

Claims (8)

1、一种铁心，该铁心由一种或两种冲片叠成并由某种方法紧固，其内侧有槽并由各冲片内缘的槽对齐构成，其冲片内缘各槽的槽底中点距冲片中心的距离相等，其冲片的外缘轮廓接近一正2N边形或倒角的正2N边形，N为一有限整数，当N=1时所说正2N边形规定为一矩形，其特征是：上述铁心按各冲片的外缘轮廓之间的位置关系，其全部冲片可分为大致相等的两部份，这两部份冲片的外缘轮廓之间有一绕铁心轴线的90°/N的角度差，任一部份的各冲片则外缘轮廓互相对齐，当铁心内侧的槽对铁心轴向倾斜时，各冲片的外缘轮廓之间的所说位置关系有相应的偏差；上述两部份的冲片在铁心的轴向长度长互相交替地重叠；对铁心的轭部导磁面积来说，两部份冲片的轭部较宽处与较窄处互相补充，在铁心的外侧则冲片轭部较宽处的外缘较凸出从而构成散热片。

2、根据权利要求1所述的铁心，其特征是：上述铁心有4个以上的贯穿铁心轴向长度的槽或孔，这些槽或孔各在沿轴向排列于铁心外侧的一列散热片上;铁心由4根以上的杆紧固，这些杆各在一个所说槽或孔中，并将铁心的各冲片沿轴向拉紧;当所说杆在所说槽或孔中充分胀紧时，或各冲片之间有足够的静摩擦力时，各冲片在圆周方向和直径方向也相对固定;该铁心可以同时由一种以上的紧固方法紧固。

3、根据权利要求1或权利要求2所述铁心制成的一种电机，该电机有一机座，所说铁心固定在机座内，铁心内侧的槽中有一绕组，机座与铁心之间有空腔并构成通风道，该电机的其余部份与已知电机相同，其特征是：上述电机其铁心外侧的散热片直接或经一涂层向通风道中的冷却风散热。

4、根据权利要求2所述铁心制成的一种电机，该电机没有机座，所说铁心的两端分别固定有一筒状的端座，铁心内侧的槽中有一绕组，绕组的两个端部分别在两个端座的空腔中，该电机其两端的端盖分别装在两个端座的端面上，其出线盒以及必要时的底脚、吊环等均装在端座的外侧面上，其转子以及其余部份与已知电机相同，其防护型式是封闭式或其他型式，其特征是：上述电机其铁心外侧的散热片显露在电机表面并直接或经一涂层向冷却空气散热。

5、根据权利要求4所述的电机，其特征是：上述电机的铁心外侧套有一筒状的罩，罩与铁心之间有空腔并构成通风道，罩对铁心以及铁心外侧的散热片有防护作用，罩在必要时能用于改善铁心的刚度、强度或固有频率;该电机的底脚、吊环或出线盒在必要时可以装在具有足够刚度和强度的罩的外侧面上;薄壁的罩可以是固定在铁心外侧的或易于拆卸的。

6、根据权利要求3或权利要求5所述的电机，其特征是：上述电机的机座或罩与铁心之间的通风道内有挡风板，使通风道中的部份或全部冷却风必须绕过挡风板才能通过通风道;这样，冷却风就能通过铁心外侧的散热片之间的空隙。

7、根据权利要求4所述的电机，其特征是：上述电机是外转子式电机，其所说铁心是一提供转矩的转动件，铁心端部的端座是一传递转矩的转动件，该电机的固定件则位于所说铁心的空腔中。

8、根据权利要求4所述的电机，其特征是：上述电机是没有强迫冷却的电机，该电机仅由热辐射和自由对流散热。

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